KR102532596B1 - 밴드갭이 조절된 2d 물질을 이용한 포토 디텍터 및 그 제조방법 - Google Patents

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    • Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells

Abstract

그래핀층과 광 흡수층 사이에 광 흡수층보다 큰 밴드갭을 갖는 배리어층을 삽입하여, 포토 디텍터에 빛이 입사되기 전에 발생할 수 있는 암전류의 흐름을 감소시키는 포토 디텍터 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 포토 디텍터는 기판; 상기 기판 상에 형성된 절연층; 상기 절연층 상에 형성된 제1 그래핀층; 상기 제1 그래핀층 상에 형성된 2D 물질층; 상기 2D 물질층 상에 형성된 제2 그래핀층; 상기 제1 그래핀층 상에 형성된 제1 전극; 및 상기 제2 그래핀층 상에 형성된 제2 전극;을 포함하고, 상기 2D 물질층은 배리어층 및 광 흡수층을 포함하며, 상기 배리어층은 상기 광 흡수층보다 큰 밴드갭을 갖는다.

Description

밴드갭이 조절된 2D 물질을 이용한 포토 디텍터 및 그 제조방법{Photodetector using bandgap-engineered 2D materials and method of manufacturing the same}
본 개시는 포토 디텍터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 밴드갭이 조절된 2D 물질을 이용한 포토 디텍터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
포토 디텍터(photodetector)는 수광소자로서, 광통신망, 정밀측정장비 등에 광범위하게 사용되어 왔다. 최근의 통신망은 동영상을 포함한 대용량 데이터를 고속으로 처리하기 위해 테라 헤르츠(THz)로 동작이 가능한 4세대 통신망을 지향하고 있다. 이에 따라 통신망에 들어가는 각 부품들도 고속 대용량 처리에 적합한 구조로 개량되고 있다.
그래핀(graphene)은 디락 포인트(Dirac point)에서 전자(electron)와 정공(hole)의 유효질량이 0에 가까운 것으로 알려져 있다. 따라서 그래핀에서 캐리어는 이론적으로 빛의 1/300의 속도로 이동될 수 있어 그래핀은 기존에 알려진 물질보다 큰 이동도(mobility)를 갖는 것으로 알려져 있다. 또한, 그래핀은 디락 포인트에서 에너지 밴드 갭(energy bandgap)이 0eV로 나타난다. 이에 따라 그래핀은 대부분의 파장 대역에서 광을 흡수할 수 있는 바, 광대역(broad band)의 전송을 가능케 한다. 그러므로 그래핀를 이용해서 대용량의 데이터도 고속으로 전송할 수 있다. 또한, 그래핀은 1층의 면저항이 100 ohm/sq 정도이고, 광흡수율이 2.3% 로 투명전극으로 활용 가능하여 포토 디텍터에 활용될 수 있다.
일반적으로, 광 검출을 위해 광전감도가 좋은 Transition Metal Dichalcogenide(TMD)을 이용한 포토 디텍터가 많이 사용되고 있다. TMD 물질은 광 흡수율이 실리콘보다 100배 정도 뛰어나기 때문에, 얇지만 효율이 좋은 포토 디텍터를 제작 할 수 있다.
위의 그래핀과 TMD를 이용한 포토 디텍터에서는 TMD 물질이 빛을 흡수하고, 이에 따라 발생되는 전자(electron) 및 정공(hole)이 양쪽의 그래핀 전극으로 빠져나가는 원리이다. 이때, 빛을 흡수하는 TMD 물질과 전극이 직접적으로 맞닿아 있으면 빛을 쬐지 않아도 걸어준 전압에 따라 암전류(dark current)가 흐르는 현상이 발생할 수 있다.
빛을 흡수하는 광 흡수층과 그래핀을 포함한 전극 사이에 광 흡수층보다 큰 밴드갭을 갖는 배리어층을 삽입하여, 포토 디텍터에 빛이 입사되기 전에는 전하 운반체(charge carrier)의 터널링(tunneling)을 막아 암전류의 흐름을 방지하는 포토 디텍터 및 그 제조방법을 제공한다.
일 실시예에 따른 포토 디텍터는 기판; 상기 기판 상에 형성된 절연층; 상기 절연층 상에 형성된 제1 그래핀층; 상기 제1 그래핀층 상에 형성된 2D 물질층; 상기 2D 물질층 상에 형성된 제2 그래핀층; 상기 제1 그래핀층 상에 형성된 제1 전극; 및 상기 제2 그래핀층 상에 형성된 제2 전극;을 포함하고, 상기 2D 물질층은 배리어층 및 광 흡수층을 포함하며, 상기 배리어층은 상기 광 흡수층보다 큰 밴드갭을 갖는다.
상기 광 흡수층은 상기 배리어층 상에 형성될 수 있다.
상기 배리어층은 상기 광 흡수층 상에 형성될 수 있다.
상기 광 흡수층은 TMD(Transition-Metal Dichalcogenide)를 포함할 수 있다.
상기 배리어층은 육방정 질화붕소(hexagonal boron nitride, h-BN)를 포함할 수 있다.
상기 배리어층은 10nm 이하의 두께로 형성될 수 있다.
일 실시예에 따른 포토 디텍터는 기판; 상기 기판 상에 형성된 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 형성된 2D 물질층; 상기 2D 물질층 상에 형성된 제1 그래핀층; 및 제1 그래핀층의 일 부분상에 형성된 제2 전극;을 포함하고, 상기 2D 물질층은 배리어층 및 광 흡수층을 포함하며, 상기 배리어층은 상기 광 흡수층보다 큰 밴드갭을 갖는다.
상기 제1 전극 및 상기 2D 물질층 사이에 형성된 제2 그래핀층;을 포함할 수 있다.
상기 광 흡수층은 상기 배리어층 상에 형성될 수 있다.
상기 배리어층은 상기 광 흡수층 상에 형성될 수 있다.
상기 배리어층은 육방정 질화붕소(hexagonal boron nitride, h-BN)를 포함할 수 있다.
상기 배리어층은 10nm 이하의 두께로 형성될 수 있다.
일 실시예에 따른 포토 디텍터의 제조방법은 기판 상에 절연층을 형성하는 단계; 상기 절연층 상에 제1 그래핀층을 형성하는 단계; 상기 제1 그래핀층 상에 2D 물질층을 형성하는 단계; 상기 2D 물질층 상에 제2 그래핀층을 형성하는 단계; 상기 제1 그래핀층 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 및 상기 제2 그래핀층 상에 제2 전극을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 2D 물질층을 형성하는 단계는 배리어층을 형성하는 단계 및 광 흡수층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 배리어층은 상기 광 흡수층보다 큰 밴드갭을 갖는다.
상기 배리어층을 형성하는 단계는 상기 광 흡수층을 형성하는 단계보다 먼저 수행될 수 있다.
상기 광 흡수층을 형성하는 단계는 상기 배리어층을 형성하는 단계보다 먼저 수행될 수 있다.
일 실시예에 따른 포토 디텍터의 제조방법은 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 제1 전극 상에 2D 물질층을 형성하는 단계; 상기 2D 물질층 상에 제1 그래핀층을 형성하는 단계; 및 상기 제1 그래핀층의 일 부분 상에 제2 전극을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 2D 물질층을 형성하는 단계는 배리어층을 형성하는 단계 및 광 흡수층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 배리어층은 상기 광 흡수층보다 큰 밴드갭을 갖는다.
상기 제1 전극 및 상기 2D 물질층 사이에 제2 그래핀층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 배리어층을 형성하는 단계는 상기 광 흡수층을 형성하는 단계보다 먼저 수행될 수 있다.
상기 광 흡수층을 형성하는 단계는 상기 배리어층을 형성하는 단계보다 먼저 수행될 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 의한 포토 디텍터는 그래핀을 포함한 전극 사이에 빛을 흡수하는 광 흡수층과 광 흡수층 보다 큰 밴드갭을 갖는 배리어층을 포함한다. 빛을 쬐지 않아도 걸어준 전압에 따라 암전류(dark current)가 발생할 수 있는데, 배리어층은 암전류의 터널링(tunneling) 확률을 감소시킬 수 있다.
또한, 배리어층을 포함한 포토 디텍터는 암전류의 감소로 인해 높은 검출능(detectivity)을 가질 수 있으며, 낮은 조도에서도 작동될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 포토 디텍터의 단면도이다.
도 2a는 배리어층을 포함하지 않은 기존의 포토 디텍터에서, 제1 그래핀층, 광 흡수층 및 제2 그래핀층의 에너지 준위를 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 2b는 배리어층을 포함하지 않은 기존의 포토 디텍터에서, 광 흡수층에 빛을 조사하였을 때 전자(electron) 및 정공(hole)의 이동을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2c는 일 실시예에 따른 포토 디텍터에서, 제1 그래핀층, 광 흡수층, 배리어층 및 제2 그래핀층의 에너지 준위를 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 2d는 일 실시예에 따른 포토 디텍터에서, 광 흡수층에 빛을 조사하였을 때 전자(electron) 및 정공(hole)의 이동을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3a 내지 도 3e는 일 실시예에 따른 포토 디텍터의 제조방법을 단계별로 나타낸 단면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 포토 디텍터의 단면도이다.
도 5a 내지 도 5d는 일 실시예에 따른 포토 디텍터의 제조방법을 단계별로 나타낸 단면도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 일 실시예에 따른 포토 디텍터(100)의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 포토 디텍터(100)는 기판(110), 기판(110) 상에 형성된 절연층(120), 절연층(120) 상에 형성된 제1 그래핀층(130), 제1 그래핀층(130) 상에 형성된 2D 물질층(145), 2D 물질층(145) 상에 형성된 제2 그래핀층(160), 제1 그래핀층(30) 상에 형성된 제1 전극(170) 및 제2 그래핀층 상에 형성된 제2 전극(180)을 포함한다.
기판(110)은 예를 들어, 실리콘으로 이루어질 수 있으며, 더 구체적으로 폴리 실리콘으로 이루어질 수 있다. 또한, 기판(110)은 p형 불순물 또는 n형 불순물로 도핑될 수도 있으며, 게이트 전극으로 사용될 수 있다.
기판(110) 상에는 절연층(120)이 형성될 수 있다. 절연층(120)은 기판(110)과 제1 그래핀층(130)을 절연시킬 수 있다. 절연층(120)은 산화물 또는 질화물 등으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다. 또한, 절연층(120)은 게이트 절연층일 수 있다.
절연층(120) 상에는 제1 그래핀층(130)이 형성될 수 있다. 제1 그래핀층(130)은 절연층(120)의 일 부분상에만 형성되어 있을 수 있다. 제1 그래핀층(130)은 기계적 박리법, 화학 증기 증착법, 에피텍시 합성법 또는 유기 합성법 등으로 형성된 그래핀을 절연층(120) 상에 전사(transfer)시킨 후, 그래핀을 패터닝하여 형성될 수 있다. 또한, 제1 그래핀층(130)은 광 흡수층(150)의 빛 흡수로부터 발생된 정공(hole)이 이동하는 통로가 될 수 있다.
제1 그래핀층(130) 상에는 2D 물질층(145)이 형성될 수 있다. 2D 물질층(145)은 배리어층(140) 및 광 흡수층(150)을 포함할 수 있다. 제1 그래핀층(130) 상에 배리어층(140)이 형성된 후 광 흡수층(150)이 형성되거나, 또는 제1 그래핀층(130) 상에 광 흡수층(150)이 형성된 후 배리어층(140)이 형성될 수 있다.
배리어층(140)은 육방정 질화붕소(hexagonal boron nitride, h-BN)를 포함할 수 있으며, 배리어층(140)은 광 흡수층(150)보다 큰 밴드갭 에너지를 가질 수 있다. 광 흡수층(150)보다 큰 밴드갭 에너지를 갖는 배리어층(140)은 빛이 없는 경우에도 발생할 수 있는 암전류의 흐름을 막는 역할을 할 수 있다.
광 흡수층(150)은 TMD(Transition-Metal Dichalcogenide)물질을 포함할 수 있으며, 외부로부터 입사된 광을 흡수할 수 있다. TMD 물질은 Mo,　W,　Nb,　V,　Ta,　Ti,　Zr,　Hf,　Tc,　Re　중　하나의　전이금속과　S,　Se,Te　중　하나의　칼코겐(chalcogen)　원소를　포함할　수　있다. TMD 물질은 예를 들어, MX2 로 표현될 수 있으며, M은 전이금속이고, X는 칼코겐 원소이다. 전이 금속(M)은 Mo,　W,　Nb,　V,　Ta,　Ti,　Zr,　Hf,　Tc,　Re　등일　수　있고, 칼코겐 원소(X)는 S, Se, Te 일 수 있다. TMD 물질은 예를 들어, MoS2,　MoSe2,　MoTe2,　WS2,　WSe2,　WTe2,　ZrS2,　ZrSe2,HfS2,　HfSe2,　NbSe2,　ReSe2 등일 수 있다. TMD물질은 MX2 로 표현되지 않을 수도 있다. 예를 들어, 전이 금속인 Cu와 칼코겐 원소인 S의 화합물은 CuS 로 표현될 수 있다. 이러한 CuS 도 2D 물질일 수 있으므로, TMD 물질로 적용될 적용될 수 있다. 또한, 광 흡수층(150)은 비전이 금속(non-transition metal)을 포함하는 칼코게나이드(chalcogenide) 물질일 수도 있다. 비전이 금속은 예를 들어, Ga,　In,　Sn,　Ge,　Pb　등일　수　있다.　즉,　Ga,　In,　Sn,　Ge,　Pb　등의　비전이금속과　S,　Se,　Te와　같은　칼코겐　원소의　화합물이　광 흡수층(150)의 물질로 사용될　수　있다. 비전이 금속을 포함하는 칼코게나이드 물질은 예를 들어, SnSe2,　GaS,　GaSe,　GaTe,　GeSe,　In2Se3,　InSnS2　등일　수　있다. 따라서, 광 흡수층(150)은 Mo,　W,　Nb,　V,　Ta,　Ti,　Zr,　Hf,　Tc,　Re,　Cu,　Ga,　In,　Sn,　Ge,　Pb　중 하나의 금속 원소와 S, Se, Te 중 하나의 칼코겐 원소를 포함한다고 할 수 있다. 그러나,　여기서　제시한　물질(원소)들은　예시적인　것이고,　그　밖에　다른물질(원소)들이　적용될　수도　있다.
빛의 흡수로 인해 광 흡수층(150)에서는 전자(electron) 및 정공(hole)이 발생하게 되고, 전자 및 정공의 이동에 따라 광 전류가 발생할 수 있다. 예를 들어, 광 흡수층(150)에서의 광 흡수에 의해 발생된 정공은 제1 그래핀층(130)을 따라 제1 전극(170) 쪽으로 이동할 수 있으며, 전자는 제2 그래핀층(160)을 따라 제2 전극(180) 쪽으로 이동할 수 있다. 또는, 전자가 제1 그래핀층(130)을 따라 제1 전극(170) 쪽으로 이동하고, 정공은 제2 그래핀층(160)을 따라 제2 전극(180) 쪽으로 이동할 수 있다.
광 흡수층(150)과 제1 그래핀층(130) 사이 또는, 광 흡수층(150)과 제2 그래핀층(160) 사이에는 배리어층(140)이 존재하나, 빛의 흡수에 의해 형성된 전자는 배리어층(140)의 밴드갭을 뛰어넘는 에너지를 가지고 있으므로, 배리어층(140)을 통과하여 전자 및 정공이 흐를 수 있다.
또한, 배리어층(140)은 10nm 이하의 두께로 형성될 수 있다. 배리어층(140)의 두께가 10nm 이하의 두께로 형성된 경우, 전자(electron)와 정공(hole)이 다시 결합하는 시간(recombination time)보다 전자와 정공의 제1 및 제2 그래핀층(130, 160)으로의 이동시간(transit time)이 더 짧을 수 있다. 따라서, 광 흡수층(150)의 빛 흡수에 의해 생성된 전자 및 정공은 제1 및 제2 그래핀층(130, 160)으로 이동할 수 있으며, 이에 따라 광전류가 생성될 수 있다.
2 물질층(145) 상에는 제2 그래핀층(160)이 형성될 수 있다. 제2 그래핀층(160)은 2D 물질층(145)으로부터 연장되어 절연층(120) 상에도 형성되어 있을 수 있다. 제2 그래핀층(160)은 기계적 박리법, 화학 증기 증착법, 에피텍시 합성법 또는 유기 합성법 등으로 형성된 그래핀을 2D 물질층(145) 및 절연층(120) 상에 전사(transfer)시킨 후, 그래핀을 패터닝하여 형성될 수 있다. 또한, 제2 그래핀층(160)은 광 흡수층(150)의 빛 흡수로부터 발생된 전자(electron)가 이동하는 통로가 될 수 있다.
제2 그래핀층(160)의 일부분 상에는 제2 전극(180)이 형성될 수 있으며, 제1 그래핀층(130)의 일부분 상에는 제1 전극(170)이 형성될 수 있다. 제2 전극(180) 및 제1 전극(170)은 예를 들어, 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti) 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다. 제1 및 제2 전극(170, 180) 중 하나는 소스 전극일 수 있고, 나머지는 드레인 전극일 수 있다.
광 흡수층(150)의 빛 흡수에 의해 생성된 전자는 제2 그래핀층(160)을 따라 제2 전극(180)으로 이동할 수 있으며, 정공은 제1 그래핀층(130)을 따라 제1 전극(170)으로 이동할 수 있다. 또는, 정공이 제2 그래핀층(160)을 따라 제2 전극(180)으로 이동하고, 전자는 제1 그래핀층(130)을 따라 제1 전극(170)으로 이동할 수 있다.
도 2a는 배리어층을 포함하지 않은 기존의 포토 디텍터에서, 제1 그래핀층(230), 광 흡수층(250) 및 제2 그래핀층(260)의 에너지 준위를 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 2a를 참조하면, 평형상태에서 내부 확산 전위(built-in potential) 또는 전압 인가에 의해 제1 그래핀층(230)은 제2 그래핀층(260)보다 높은 전위를 가질 수 있다. 이때, 광 흡수층(250)에 빛이 조사되기 전이라 하더라도, 암전류(I1)가 제1 그래핀층(230)으로부터 광 흡수층(250)을 통과하여 제2 그래핀층(260)으로 흐를 수 있다. 빛이 광 흡수층(250)에 입사되기 전에도 전류의 흐름이 발생할 수 있으므로, 이는 포토 디텍터의 검출능(detectivity)을 감소시키는 원인이 될 수 있다.
도 2b는 배리어층을 포함하지 않은 기존의 포토 디텍터에서, 광 흡수층(250)에 빛(L1)을 조사하였을 때 전자(e) 및 정공(h)의 이동을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2b를 참조하면, 광 흡수층(250)에 입사된 빛은 가전자대(valance band)에 있는 전자를 전도대(conduction band)로 여기(勵起, excitation)시켜 전자(e)와 정공(h)을 발생시킨다. 발생된 전자(e)는 제2 그래핀층(260)으로 이동할 수 있으며, 정공(h)은 제1 그래핀층(230)으로 이동하여 광 전류를 발생시킬 수 있다. 또한 광 흡수층(250)으로 입사되는 빛은 제1 그래핀층(230) 또는 제2 그래핀층(260)을 투과하여 광 흡수층(250)으로 입사되는 것일 수 있다.
도 2c는 일 실시예에 따른 포토 디텍터에서, 제1 그래핀층(330), 광 흡수층(350), 배리어층(340) 및 제2 그래핀층(360)의 에너지 준위를 개략적으로 도시한 그래프이다.
도 2c를 참조하면, 평형상태에서 내부 확산 전위(built-in potential) 또는 전압 인가에 의해 제1 그래핀층(330)은 제2 그래핀층(360)보다 높은 전위를 가질 수 있다. 또한, 배리어층(340)은 광 흡수층(350) 보다 큰 밴드갭 에너지를 갖는다. 광 흡수층(350)에 빛이 조사되기 전에, 제1 그래핀층(330) 및 제2 그래핀층(360)의 전위차에 의한 암전류(I2)가 발생할 수 있다. 그러나, 광 흡수층(350)보다 큰 밴드갭 에너지를 갖는 배리어층(340)이 암전류(I2)의 터널링 확률을 감소시킴으로써, 암전류(I2)가 제1 그래핀층(330)으로부터 제2 그래핀층(360)으로 흐르는 것을 방지할 수 있다. 본 실시예에 따른 포토 디텍터는 암전류(I2)의 감소로 인하여 높은 검출능(detectivity)을 가질 수 있으며, 낮은 조도에서도 작동될 수 있다.
도 2d는 일 실시예에 따른 포토 디텍터에서, 광 흡수층(350)에 빛(L2)을 조사하였을 때 전자(e) 및 정공(h)의 이동을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2b를 참조하면, 광 흡수층(350)에 입사된 빛은 가전자대(valance band)에 있는 전자를 전도대(conduction band)로 여기(勵起, excitation)시켜 전자(e)와 정공(h)을 발생시킨다. 발생된 전자(e)는 제2 그래핀층(360)으로 이동할 수 있으며, 정공(h)은 제1 그래핀층(330)으로 이동하여 광 전류를 발생시킬 수 있다. 또한 광 흡수층(350)으로 입사되는 빛은 제1 그래핀층(330) 또는 제2 그래핀층(360)을 투과하여 광 흡수층(350)으로 입사되는 것일 수 있다.
도 3a 내지 도 3e는 일 실시예에 따른 포토 디텍터(100)의 제조방법을 단계별로 나타낸 단면도이다.
도 3a를 참조하면, 먼저 기판(110)을 마련한 후, 기판(110) 상에 절연층(120)을 형성한다. 기판(110)은 예를 들어, 실리콘으로 이루어질 수 있으며, 더 구체적으로 폴리 실리콘으로 이루어질 수 있다. 또한, 기판(110)은 p형 불순물 또는 n형 불순물로 도핑될 수도 있다. 절연층(120)은 산화물 또는 질화물 등으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다.
도 3b를 참조하면, 절연층(120) 상에 제1 그래핀층(130)을 형성한다. 제1 그래핀층(130)은 절연층(120)의 일 부분상에만 형성되어 있을 수 있다. 제1 그래핀층(130)의 형성 공정에는 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition: CVD), 열 화학기상증착법(Thermal Chemical Vapor Deposition: TCVD), 급속 열 화학기상증착법(Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition: PTCVD), 플라즈마 화학기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition: PECVD), 유도결합플라즈마 화학기상증착법(Inductive Coupled Plasma Chemical Vapor Deposition: ICP-CVD), 원자층증착법(Atomic Layer Deposition: ATLD) 등 다양한 공정이 이용될 수 있다. 기상의 탄소 공급원은 메탄(CH4), 일산화탄소(CO), 에탄(C2H6), 에틸렌(CH2), 에탄올(C2H5), 아세틸렌(C2H2), 프로판(CH3CH2CH3), 프로필렌(C3H6), 부탄(C4H10), 펜탄(CH3(CH2)3CH3), 펜텐(C5H10), 사이클로펜타디엔(C5H6), 헥산(C6H14), 시클로헥산(C6H12), 벤젠(C6H6), 톨루엔(C7H8) 등 탄소 원자가 포함된 군에서 선택된 하나 이상이 사용될 수 있다.
또한, 제1 그래핀층(130)에 도핑 공정을 수행할 수 있다. 도핑 공정은 건식 도핑 또는 습식 도핑 방법으로 진행될 수 있다. 도핑 공정을 통해, 제1 그래핀층(130)의 투과도 저하 없이 면저항을 감소시키는 것이 가능해진다. 그에 따라 제1 그래핀층(130)의 광학적 특성(투과도)을 확보하면서 전기적 특성(면저항)을 개선할 수 있다.
제1 그래핀층(130)은 위의 방법으로 형성된 그래핀을 절연층(120) 상에 전사(transfer)시킨 후, 그래핀을 패터닝하여 형성될 수 있다. 또한, 제1 그래핀층(130)은 광 흡수층(150)의 빛 흡수로부터 발생된 정공(hole)이 이동하는 통로가 될 수 있다.
도 3c를 참조하면, 제1 그래핀층(130) 상에 2D 물질층(145)을 형성한다. 2D 물질층(145)은 제1 그래핀층(130)의 일부분 상에 형성될 수 있다. 이는 2D 물질층(145)을 제1 그래핀층(130) 상에 형성한 후, 패터닝을 공정을 통해 형성할 수 있다.
2D 물질층(145)은 배리어층(140) 및 광 흡수층(150)을 포함할 수 있다. 제1 그래핀층(130) 상에 배리어층(140)을 형성한 후 광 흡수층(150)을 형성하거나, 제1 그래핀층(130) 상에 광 흡수층(150)을 형성한 후 배리어층(140)을 형성할 수 있다.
또한, 배리어층(140)은 10nm 이하의 두께로 형성될 수 있다. 배리어층(140)의 두께가 10nm 이하의 두께로 형성된 경우, 전자(electron)와 정공(hole)이 다시 결합하는 시간(recombination time)보다 전자와 정공의 제1 및 제2 그래핀층(130, 160)으로의 이동시간(transit time)이 더 짧을 수 있다. 따라서, 광 흡수층(150)의 빛 흡수에 의해 생성된 전자 및 정공은 제1 및 제2 그래핀층(130, 160)으로 이동할 수 있으며, 이에 따라 광전류가 생성될 수 있다.
도 3d를 참조하면, 2D 물질층(145) 상에 제2 그래핀층(160)을 형성한다. 제2 그래핀층(160)은 2D 물질층(145)으로부터 연장되어 절연층(120) 상에도 형성되어 있을 수 있다. 제2 그래핀층(160)은 제1 그래핀층(130)과 동일한 공정을 통해 형성될 수 있다. 또한, 제2 그래핀층(160)에 도핑 공정을 수행할 수 있다. 도핑 공정은 건식 도핑 또는 습식 도핑 방법으로 진행될 수 있다. 도핑 공정을 통해, 제2 그래핀층(160)의 투과도 저하 없이 면저항을 감소시키는 것이 가능해진다. 그에 따라 제2 그래핀층(160)의 광학적 특성(투과도)을 확보하면서 전기적 특성(면저항)을 개선할 수 있다.
제2 그래핀층(160)은 위의 방법으로 형성된 그래핀을 2D 물질층(145) 및 절연층(120) 상에 전사(transfer)시킨 후, 그래핀을 패터닝하여 형성될 수 있다. 또한, 제2 그래핀층(160)은 광 흡수층(150)의 빛 흡수로부터 발생된 전자(electron)가 이동하는 통로가 될 수 있다.
도 3e를 참조하면, 제2 그래핀층(160)의 일부분 상에 제2 전극(180)을 형성하고, 제1 그래핀층(130)의 일부분 상에 제1 전극(170)을 형성한다. 제2 전극(180) 및 제1 전극(170)은 예를 들어, 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti) 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 포토 디텍터(400)의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 포토 디텍터(400)는 기판(410), 기판(410) 상에 형성된 제1 전극(420), 제1 전극(420) 상에 형성된 제1 그래핀층(430), 제1 그래핀층(430) 상에 형성된 2D 물질층(445), 2D 물질층(445) 상에 형성된 제2 그래핀층(460) 및 제2 그래핀층(460) 상에 형성된 제2 전극(470)을 포함한다.
기판(410)은 예를 들어, 실리콘으로 이루어질 수 있으며, 더 구체적으로 폴리 실리콘으로 이루어질 수 있다. 또한, 기판(410)은 p형 불순물 또는 n형 불순물로 도핑될 수도 있으며, 게이트 전극으로 사용될 수 있다.
기판(410) 상에는 제1 전극(420)이 형성될 수 있다. 제1 전극(420)은 소스 전극 또는 드레인 전극이 될 수 있다. 제1 전극(420)은 예를 들어, 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti) 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다. 광 흡수층(450)의 광 흡수에 의해 발생된 전자 또는 정공은 제1 그래핀층(430)을 따라 제1 전극(420)으로 이동할 수 있다.
제1 전극(420) 상에는 제1 그래핀층(430)이 형성될 수 있다. 제1 그래핀층(430)은 기계적 박리법, 화학 증기 증착법, 에피텍시 합성법 또는 유기 합성법 등으로 형성된 그래핀을 제1 전극(420) 상에 전사(transfer)시킴으로써 형성될 수 있다. 또한, 제1 그래핀층(430)은 광 흡수층(450)의 빛 흡수로부터 발생된 전자 또는 정공이 이동하는 통로가 될 수 있다.
제1 그래핀층(430)은 제1 전극(420) 상에 형성되지 않을 수도 있다. 제1 그래핀층(430) 없이 제1 전극(420) 상에 2D 물질층(445)을 직접 형성하여도, 제1 전극(420)과 2D 물질층(445)은 전면이 전기적으로 연결되어 있을 수 있으므로 광전 분리효율이 유지될 수 있다.
제1 그래핀층(430) 상에는 2D 물질층(445)이 형성될 수 있다. 제1 그래핀층(430)을 형성하지 않은 경우에는, 제1 전극(420) 상에 2D 물질층(445)을 직접 형성할 수도 있다. 2D 물질층(445)은 배리어층(440) 및 광 흡수층(450)을 포함할 수 있다. 배리어층(440)이 먼저 형성된 후 광 흡수층(450)이 형성되거나, 또는 광 흡수층(450)이 먼저 형성된 후 배리어층(440)이 형성될 수 있다.
배리어층(440)은 육방정 질화붕소(hexagonal boron nitride, h-BN)를 포함할 수 있으며, 배리어층(440)은 광 흡수층(450)보다 큰 밴드갭 에너지를 가질 수 있다. 광 흡수층(450)보다 큰 밴드갭 에너지를 갖는 배리어층(440)은 빛이 없는 경우에도 발생할 수 있는 암전류의 흐름을 막는 역할을 할 수 있다.
광 흡수층(450)은 TMD(Transition-Metal Dichalcogenide)를 포함할 수 있으며, 외부로부터 입사된 광을 흡수할 수 있다. TMD 물질은 Mo,　W,　Nb,　V,　Ta,　Ti,　Zr,　Hf,　Tc,　Re　중　하나의　전이금속과　S,　Se,Te　중　하나의　칼코겐(chalcogen)　원소를　포함할　수　있다. TMD 물질은 예를 들어, MX2 로 표현될 수 있으며, M은 전이금속이고, X는 칼코겐 원소이다. 전이 금속(M)은 Mo,　W,　Nb,　V,　Ta,　Ti,　Zr,　Hf,　Tc,　Re　등일　수　있고, 칼코겐 원소(X)는 S, Se, Te 일 수 있다. TMD 물질은 예를 들어, MoS2,　MoSe2,　MoTe2,　WS2,　WSe2,　WTe2,　ZrS2,　ZrSe2,HfS2,　HfSe2,　NbSe2,　ReSe2 등일 수 있다. TMD물질은 MX2 로 표현되지 않을 수도 있다. 예를 들어, 전이 금속인 Cu와 칼코겐 원소인 S의 화합물은 CuS 로 표현될 수 있다. 이러한 CuS 도 2D 물질일 수 있으므로, TMD 물질로 적용될 적용될 수 있다. 또한, 광 흡수층(450)은 비전이 금속(non-transition metal)을 포함하는 칼코게나이드(chalcogenide) 물질일 수도 있다. 비전이 금속은 예를 들어, Ga,　In,　Sn,　Ge,　Pb　등일　수　있다.　즉,　Ga,　In,　Sn,　Ge,　Pb　등의　비전이금속과　S,　Se,　Te와　같은　칼코겐　원소의　화합물이　광 흡수층(450)의 물질로 사용될　수　있다. 비전이 금속을 포함하는 칼코게나이드 물질은 예를 들어, SnSe2,　GaS,　GaSe,　GaTe,　GeSe,　In2Se3,　InSnS2　등일　수　있다. 따라서, 광 흡수층(450)은 Mo,　W,　Nb,　V,　Ta,　Ti,　Zr,　Hf,　Tc,　Re,　Cu,　Ga,　In,　Sn,　Ge,　Pb　중 하나의 금속 원소와 S, Se, Te 중 하나의 칼코겐 원소를 포함한다고 할 수 있다. 그러나,　여기서　제시한　물질(원소)들은　예시적인　것이고,　그　밖에　다른물질(원소)들이　적용될　수도　있다.
빛의 흡수로 인해 광 흡수층(450)에서는 전자(electron) 및 정공(hole)이 발생하게 되고, 전자 및 정공의 이동에 따라 광 전류가 발생할 수 있다. 예를 들어, 광 흡수층(450)에서의 광 흡수에 의해 발생된 정공은 제1 그래핀층(430)을 따라 제1 전극(420) 쪽으로 이동할 수 있으며, 전자는 제2 그래핀층(460)을 따라 제2 전극(470) 쪽으로 이동할 수 있다.
광 흡수층(450)과 제1 그래핀층(430) 사이 또는, 광 흡수층(450)과 제2 그래핀층(460) 사이에는 배리어층(440)이 존재하나, 빛의 흡수에 의해 형성된 전자는 배리어층(440)의 밴드갭을 뛰어넘는 에너지를 가지고 있으므로, 배리어층(440)을 통과하여 전자 및 정공이 흐를 수 있다.
또한, 배리어층(440)은 10nm 이하의 두께로 형성될 수 있다. 배리어층(440)의 두께가 10nm 이하의 두께로 형성된 경우, 전자(electron)와 정공(hole)이 다시 결합하는 시간(recombination time)보다 전자와 정공의 제1 및 제2 그래핀층(430, 460)으로의 이동시간(transit time)이 더 짧을 수 있다. 따라서, 광 흡수층(450)의 빛 흡수에 의해 생성된 전자 및 정공은 제1 및 제2 그래핀층(430, 460)으로 이동할 수 있으며, 이에 따라 광전류가 생성될 수 있다.
2D 물질층(445) 상에는 제2 그래핀층(460)이 형성될 수 있다. 제2 그래핀층(460)은 기계적 박리법, 화학 증기 증착법, 에피텍시 합성법 또는 유기 합성법 등으로 형성된 그래핀을 2D 물질층(445) 상에 전사(transfer)시킴으로써 형성될 수 있다. 또한, 제2 그래핀층(460)은 광 흡수층(450)의 빛 흡수로부터 발생된 전자 또는 정공이 이동하는 통로가 될 수 있다.
제2 그래핀층(460) 상에는 제2 전극(470)이 형성될 수 있다. 제2 전극(470)은 소스 전극 또는 드레인 전극이 될 수 있다. 제2 전극(470)은 예를 들어, 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti) 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다. 제2 전극(470)은 제2 그래핀층(460)의 일부분 상에만 형성되어 있을 수 있다. 포토 디텍터(400)로 입사되는 빛은 제2 그래핀층(460)에서 제2 전극(470)이 형성되지 않은 부분을 투과하여 광 흡수층(450)으로 입사될 수 있다.
광 흡수층(450)의 빛 흡수에 의해 생성된 전자 및 정공은 제1 그래핀층(430) 및 제2 그래핀층(460)을 따라 제1 전극(420) 및 제2 전극(470)으로 이동할 수 있다.
도 5a 내지 도 5d는 일 실시예에 따른 포토 디텍터의 제조방법을 단계별로 나타낸 단면도이다.
도 5a를 참조하면, 먼저 기판(410)을 마련한 후, 기판(410) 상에 제1 전극(420)을 형성한다. 기판(410)은 예를 들어, 실리콘으로 이루어질 수 있으며, 더 구체적으로 폴리 실리콘으로 이루어질 수 있다. 또한, 기판(110)은 p형 불순물 또는 n형 불순물로 도핑될 수도 있다. 제1 전극(420)은 예를 들어, 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti) 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다.
도 5b를 참조하면, 제1 전극(420) 상에 제1 그래핀층(430)을 형성한다. 제1 그래핀층(430)의 형성 공정에는 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition: CVD), 열 화학기상증착법(Thermal Chemical Vapor Deposition: TCVD), 급속 열 화학기상증착법(Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition: PTCVD), 플라즈마 화학기상증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition: PECVD), 유도결합플라즈마 화학기상증착법(Inductive Coupled Plasma Chemical Vapor Deposition: ICP-CVD), 원자층증착법(Atomic Layer Deposition: ATLD) 등 다양한 공정이 이용될 수 있다. 기상의 탄소 공급원은 메탄(CH4), 일산화탄소(CO), 에탄(C2H6), 에틸렌(CH2), 에탄올(C2H5), 아세틸렌(C2H2), 프로판(CH3CH2CH3), 프로필렌(C3H6), 부탄(C4H10), 펜탄(CH3(CH2)3CH3), 펜텐(C5H10), 사이클로펜타디엔(C5H6), 헥산(C6H14), 시클로헥산(C6H12), 벤젠(C6H6), 톨루엔(C7H8) 등 탄소 원자가 포함된 군에서 선택된 하나 이상이 사용될 수 있다.
또한, 제1 그래핀층(430)에 도핑 공정을 수행할 수 있다. 도핑 공정은 건식 도핑 또는 습식 도핑 방법으로 진행될 수 있다. 도핑 공정을 통해, 제1 그래핀층(430)의 투과도 저하 없이 면저항을 감소시키는 것이 가능해진다. 그에 따라 제1 그래핀층(430)의 광학적 특성(투과도)을 확보하면서 전기적 특성(면저항)을 개선할 수 있다.
제1 그래핀층(430)은 위의 방법으로 형성된 그래핀을 제1 전극(420) 상에 전사(transfer)시킴으로써 형성될 수 있다. 또한, 제1 그래핀층(430)은 광 흡수층(450)의 빛 흡수로부터 발생된 전자 또는 정공이 이동하는 통로가 될 수 있다.
제1 그래핀층(430)을 형성하는 단계는 생략될 수 있다. 제1 그래핀층(430) 없이 제1 전극(420) 상에 2D 물질층(445)을 직접 형성하여도, 제1 전극(420)과 2D 물질층(445)은 전면이 전기적으로 연결되어 있을 수 있으므로 광전 분리효율이 유지될 수 있다.
도 5c를 참조하면, 제1 그래핀층(430) 상에 2D 물질층(445)을 형성한다. 2D 물질층(445)은 배리어층(440) 및 광 흡수층(450)을 포함할 수 있다. 2D 물질층(445)을 형성하는 단계는 제1 그래핀층(430) 상에 배리어층(440)을 형성한 후 광 흡수층(450)을 형성하거나, 제1 그래핀층(430) 상에 광 흡수층(450)을 형성한 후 배리어층(440)을 형성할 수 있다.
또한, 배리어층(440)은 10nm 이하의 두께로 형성될 수 있다. 배리어층(440)의 두께가 10nm 이하의 두께로 형성된 경우, 전자(electron)와 정공(hole)이 다시 결합하는 시간(recombination time)보다 전자와 정공의 제1 및 제2 그래핀층(430, 460)으로의 이동시간(transit time)이 더 짧을 수 있다. 따라서, 광 흡수층(450)의 빛 흡수에 의해 생성된 전자 및 정공은 제1 및 제2 그래핀층(430, 460)으로 이동할 수 있으며, 이에 따라 광전류가 생성될 수 있다.
도 5d를 참조하면, 2D 물질층(445) 상에 제2 그래핀층(460)을 형성하고, 제2 그래핀층(460) 상에 제2 전극(470)을 형성한다. 제2 그래핀층(460)은 제1 그래핀층(430)과 동일한 공정을 통해 형성될 수 있으며, 제2 그래핀층(460)에 도핑 공정을 수행할 수 있다. 제2 전극(470)은 예를 들어, 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti) 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다. 또한, 제2 전극(470)은 제2 그래핀층(460)의 일부분 상에 형성한다. 포토 디텍터(400)로 입사되는 빛은 제2 그래핀층(460)에서 제2 전극(470)이 형성되지 않은 부분을 투과하여 광 흡수층(450)으로 입사될 수 있다.
광 흡수층(450)의 빛 흡수에 의해 생성된 전자 및 정공은 제1 그래핀층(430) 및 제2 그래핀층(460)을 따라 제1 전극(420) 및 제2 전극(470)으로 이동할 수 있다.
이상에서 밴드갭이 조절된 2D 물질을 이용한 포토 디텍터 및 그 제조방법은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 400 … 포토 디텍터 110, 410 … 기판
120 … 절연층 130, 230, 330, 430 … 제1 그래핀층
140, 340 440, … 배리어층 145, 445 … 2D 물질층
150, 250, 350, 450 … 광 흡수층 160, 260, 360, 460 … 제2 그래핀층
170, 420 … 제1 전극 180, 470 … 제2 전극
e … 전자 h … 정공
L1, L2 … 빛

Claims (19)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 절연층;
    상기 절연층 상에 형성된 제1 그래핀층;
    상기 제1 그래핀층 상에 형성된 2D 물질층;
    상기 2D 물질층 상에 형성된 제2 그래핀층;
    상기 제1 그래핀층 상에 형성된 제1 전극; 및
    상기 제2 그래핀층 상에 형성된 제2 전극;을 포함하고,
    상기 2D 물질층은 배리어층 및 광 흡수층을 포함하며,
    상기 배리어층은 상기 광 흡수층 상에 형성되고,
    상기 배리어층은 상기 광 흡수층보다 큰 밴드갭을 갖는 포토 디텍터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 흡수층은 상기 배리어층 상에 형성되는 포토 디텍터.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 흡수층은 TMD(Transition-Metal Dichalcogenide)를 포함하는 포토 디텍터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 배리어층은 육방정 질화붕소(hexagonal boron nitride, h-BN)를 포함하는 포토 디텍터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 배리어층은 10nm 이하의 두께로 형성되는 포토 디텍터.
  7. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 형성된 2D 물질층;
    상기 2D 물질층 상에 형성된 제1 그래핀층; 및
    제1 그래핀층의 일 부분상에 형성된 제2 전극;을 포함하고,
    상기 2D 물질층은 배리어층 및 광 흡수층을 포함하며,
    상기 배리어층은 상기 광 흡수층 상에 형성되고,
    상기 배리어층은 상기 광 흡수층보다 큰 밴드갭을 갖는 포토 디텍터.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 2D 물질층 사이에 형성된 제2 그래핀층;을 포함하는 포토 디텍터.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 광 흡수층은 상기 배리어층 상에 형성되는 포토 디텍터.
  10. 삭제
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 배리어층은 육방정 질화붕소(hexagonal boron nitride, h-BN)를 포함하는 포토 디텍터.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 배리어층은 10nm 이하의 두께로 형성되는 포토 디텍터.
  13. 기판 상에 절연층을 형성하는 단계;
    상기 절연층 상에 제1 그래핀층을 형성하는 단계;
    상기 제1 그래핀층 상에 2D 물질층을 형성하는 단계;
    상기 2D 물질층 상에 제2 그래핀층을 형성하는 단계;
    상기 제1 그래핀층 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 그래핀층 상에 제2 전극을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 2D 물질층을 형성하는 단계는 배리어층을 형성하는 단계 및 광 흡수층을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 광 흡수층을 형성하는 단계는 상기 배리어층을 형성하는 단계보다 먼저 수행되고,
    상기 배리어층은 상기 광 흡수층보다 큰 밴드갭을 갖는 포토 디텍터의 제조방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 배리어층을 형성하는 단계는 상기 광 흡수층을 형성하는 단계보다 먼저 수행되는 포토 디텍터의 제조방법.
  15. 삭제
  16. 기판 상에 제1 전극을 형성하는 단계;
    제1 전극 상에 2D 물질층을 형성하는 단계;
    상기 2D 물질층 상에 제1 그래핀층을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 그래핀층의 일 부분 상에 제2 전극을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 2D 물질층을 형성하는 단계는 배리어층을 형성하는 단계 및 광 흡수층을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 광 흡수층을 형성하는 단계는 상기 배리어층을 형성하는 단계보다 먼저 수행되고,
    상기 배리어층은 상기 광 흡수층보다 큰 밴드갭을 갖는 포토 디텍터의 제조방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 2D 물질층 사이에 제2 그래핀층을 형성하는 단계;를 포함하는 포토 디텍터의 제조방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 배리어층을 형성하는 단계는 상기 광 흡수층을 형성하는 단계보다 먼저 수행되는 포토 디텍터의 제조방법.
  19. 삭제
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KR102553841B1 (ko) * 2017-07-19 2023-07-10 삼성전자주식회사 광전 변환 소자, 광 센서
KR102561102B1 (ko) * 2018-02-13 2023-07-28 삼성전자주식회사 2차원 절연체를 포함하는 근적외선 센서
CN108562957B (zh) * 2018-04-11 2020-05-22 上海交通大学 宽谱吸收器
KR102270928B1 (ko) * 2018-05-04 2021-06-30 아주대학교산학협력단 광 센서
US10475948B1 (en) 2018-05-31 2019-11-12 International Business Machines Corporation Transparent ultraviolet photodetector
CN109004016B (zh) * 2018-06-04 2021-08-17 国家纳米科学中心 非对称范德华异质结器件、其制备方法及用途
US11217709B2 (en) * 2019-05-03 2022-01-04 Gwangju Institute Of Science And Technology Graphene-semiconductor heterojunction photodetector and method of manufacturing the same
KR102320764B1 (ko) * 2019-09-30 2021-11-02 재단법인 나노기반소프트일렉트로닉스연구단 높은 광반응성 및 비검출능을 갖는 광센서 및 그의 제조방법
CN110993702A (zh) * 2019-10-25 2020-04-10 深圳大学 基于石墨烯/二硫化钼/石墨烯异质结的快速光电探测器及其制备方法
CN111129169B (zh) * 2019-12-24 2021-06-15 南京航空航天大学 一种基于石墨烯/二硒化钨/二硒化锡叠层结构的光电器件及其制备方法
KR102374229B1 (ko) * 2020-01-30 2022-03-16 한국과학기술원 광전류 특성이 가변되는 광전소자, 그 제어방법 및 제조방법
WO2021221206A1 (ko) * 2020-04-29 2021-11-04 엘지전자 주식회사 그래핀 광 소자
CN111799342A (zh) * 2020-07-22 2020-10-20 深圳大学 一种基于硒化亚锡/硒化铟异质结的光电探测器及其制备方法
CN112357878B (zh) * 2020-11-23 2024-04-19 华东师范大学 一种二维材料电子器件及其制备方法和应用
KR102584656B1 (ko) * 2021-10-13 2023-10-06 재단법인대구경북과학기술원 2차원 물질 기반의 쌍극성 접합 소자
CN114899266B (zh) * 2022-07-14 2022-11-11 西安电子科技大学 基于二硫化钼/锗异质结的pin型光电探测器及其制备方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140264275A1 (en) * 2013-03-13 2014-09-18 The Regents Of The University Of Michigan Photodetectors based on double layer heterostructures

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1041538A (ja) 1996-07-22 1998-02-13 Fuji Xerox Co Ltd 半導体受光装置及び半導体受光素子の駆動方法
WO2007094493A1 (ja) 2006-02-14 2007-08-23 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology 光電界効果トランジスタ、及びそれを用いた集積型フォトディテクタ
KR101119913B1 (ko) * 2009-10-30 2012-03-05 삼성전자주식회사 그래핀 박막을 포함하는 전자 소자 및 그 제조 방법
US8217480B2 (en) * 2010-10-22 2012-07-10 California Institute Of Technology Barrier infrared detector
KR101771427B1 (ko) * 2011-11-02 2017-09-05 삼성전자주식회사 도파로 일체형 그래핀 광검출기
KR101532311B1 (ko) * 2012-04-27 2015-06-29 삼성전자주식회사 그래핀을 이용한 광검출기와 그 제조방법
KR101376732B1 (ko) * 2012-09-19 2014-04-07 전자부품연구원 다층 전이금속 칼코겐화합물을 이용한 투명전자소자, 이를 이용한 광전자 소자 및 트랜지스터 소자
KR101430650B1 (ko) 2013-01-11 2014-08-19 경희대학교 산학협력단 광검출 소자
US9373685B2 (en) * 2013-02-15 2016-06-21 Samsung Electronics Co., Ltd. Graphene device and electronic apparatus
KR101532310B1 (ko) * 2013-02-18 2015-06-29 삼성전자주식회사 2차원 소재 적층 플렉서블 광센서
US9379271B2 (en) * 2013-05-24 2016-06-28 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Variable range photodetector and method thereof
KR102100415B1 (ko) * 2013-07-15 2020-04-14 삼성전자주식회사 터널링 소자 및 그 제조방법
KR20150083150A (ko) * 2014-01-08 2015-07-17 광주과학기술원 그래핀 포토디텍터 및 그 제조 방법
KR102395776B1 (ko) * 2015-05-18 2022-05-09 삼성전자주식회사 이차원 물질을 포함하는 반도체소자 및 그 제조방법
KR102434697B1 (ko) 2015-06-02 2022-08-22 삼성전자주식회사 2d 물질을 포함하는 광학소자 및 그 제조방법
KR102532596B1 (ko) * 2015-10-21 2023-05-15 삼성전자주식회사 밴드갭이 조절된 2d 물질을 이용한 포토 디텍터 및 그 제조방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140264275A1 (en) * 2013-03-13 2014-09-18 The Regents Of The University Of Michigan Photodetectors based on double layer heterostructures

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