KR102547801B1 - 적외선 검출기 및 이를 포함하는 적외선 센서 - Google Patents

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Abstract

적외선 검출기 및 이를 포함한 적외선 센서를 제공한다. 본 적외선 검출기는 제1 성분을 포함하고, 이격 배치된 복수 개의 양자점, 복수 개의 양자점을 덮는 제1 반도체층 및 제1 반도체층을 덮는 제2 반도체층을 포함한다.

Description

적외선 검출기 및 이를 포함하는 적외선 센서{NEAR INFRARED DETECTOR AND NEAR INFRARED SENSOR INCLUDING THEREOF}
본 개시는 적외선 검출기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 적외선을 흡수할 수 있는 적외선 검출기및 이를 포함하는 적외선 센서에 관한 것이다.
종래에는 적외선 영상(infrared image)은 적외선 검출기를 이용하여 모든 사물에서 발사하는 적외선을 검출하여 생성된 영상이다. 적외선 영상은 일반적으로는 사람의 육안으로는 식별 불가능한 파장의 영역으로 구성되지만, 적외선 카메라는 적외선 검출기를 이용한 픽셀검출을 하고 아날로그 및 디지털 신호 처리를 하여 사람의 눈으로 볼 수 있는 영상을 생성해 낼 수 있다. 이러한 적외선 영상은 방위 산업, 의료 기기, 감시 경비 등 다양한 영역에서 사용되고 있다.
적외선은 인체에 무해하기 때문에 인체의 생체 정보, 예를 들어, 수분 함유량 등을 측정할 때에도 이용될 수 있다. 그러나, 인체내 특정 물질은 적외선 중 특정 주파수에만 반응하기 때문에 상기한 물질에 대한 정보를 획득하기 위해 적외선 검출기는 대역 필터를 필요로 하기 때문에 소형화에 어려움이 있다.
본 개시는 특정 파장 대역의 적외선만 흡수하는 적외선 검출기 및 적외선 센서를 제공한다.
본 개시는 온도에 민감하지 않는 적외선 검출기 및 적외선 센서를 제공한다.
일 유형에 따르는 적외선 검출기는, 기판; 상기 기판상에 이격 배치된 제1 전극과 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치되며, 입사된 적외선의 특정 파장 대역을 흡수하여 그에 대응하는 전류를 발생시키는 하나 이상의 적외선 흡수층;을 포함하고, 상기 적외선 흡수층은, 제1 성분을 포함하는 제1 반도체층; 상기 제1 성분과 다른 제2 성분을 포함하고, 상기 제1 반도체층상에서 이격 배치된 복수 개의 양자점; 및 상기 제1 성분 및 상기 제2 성분을 포함하고, 상기 복수 개의 양자점을 덮는 제2 반도체층;을 포함한다.
그리고, 상기 특정 파장 대역은 상기 적외선 흡수층에서의 상기 제2 성분의 함유율에 의해 결정될 수 있다.
또한, 상기 특정 파장 대역의 중심 주파수는 상기 제2 성분의 함유율에 비례할 수 있다.
그리고, 상기 특정 파장 대역의 중심 주파수는, 1㎛ 내지 3㎛일 수 있다.
또한, 상기 제2 반도체층의 에너지 밴드는 상기 양자점의 에너지 밴드 및 상기 제1 반도체층의 에너지 밴드 사이일 수 있다.
그리고, 상기 양자점, 상기 제1 반도체층 및 상기 제2 반도체층 중 상기 양자점의 에너지 밴드가 가장 낮을 수 있다.
또한, 상기 기판은, 상기 제1 반도체층의 성분과 동일한 성분으로 구성될 수 있다.
그리고, 상기 제1 성분 및 상기 제2 성분 중 적어도 하나는 III족 원소일 수 있다.
또한, 상기 제1 반도체층은 상기 제1 성분 및 제3 성분이 결합된 화합물로 구성되고, 상기 제2 반도체층은 상기 제1 내지 제3 성분이 결합된 화합물로 구성될 수 있다.
그리고, 상기 제3 성분은 V족 원소일 수 있다.
또한, 상기 하나 이상의 적외선 흡수층은, 상기 제1 전극에서 상기 제2 전극 방향으로 배열된 제1 및 제2 적외선 흡수층을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1 전극과 상기 적외선 흡수층 사이에 배치되며, 상기 적외선 흡수층의 에너지 밴드보다 높은 에너지 밴드를 갖는 제1 클래딩층; 및 상기 제2 전극과 상기 적외선 흡수층 사이에 배치되며, 상기 적외선 흡수층의 에너지 밴드보다 높은 에너지 밴드를 갖는 제2 클래딩층; 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 클래딩층 중 적어도 하나는, 상기 제1 및 제2 성분과 서로 다른 제4 성분을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제4 성분은 금속일 수 있다.
또한, 상기 하나 이상의 적외선 흡수층과 상기 제2 전극 사이에 배치되는 제3 반도체층;을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제3 반도체층은, 상기 제1 반도체층과 동일한 물질로 구성될 수 있다.
또한, 상기 하나 이상의 적외선 흡수층과 상기 제3 반도체층의 두께에 대한 합은 상기 적외선의 파장 이상일 수 있다.
그리고, 상기 하나 이상의 적외선 흡수층과 상기 제3 반도체층의 두께에 대한 합은 상기 적외선의 파장에 대한 배수일 수 있다.
또한, 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나는 n-형이 도핑된 반도체층이고, 나머지 하나는 p-형이 도핑된 반도체층일 수 있다.
그리고, 상기 제2 전극은 투명 전극일 수 있다.
또한, 상기 제2 전극은 상기 적외선 흡수층의 일부 영역과 중첩될 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 적외선 센서는 앞서 기술한 적외선 검출기가 복수 개 배열되며, 대상체에서 반사되어 입사되는 적외선을 검출한다.
그리고, 상기 복수 개의 적외선 검출기는, 상기 광의 입사 방향과 수직한 방향으로 배열되는 제1 적외선 검출기 및 제2 적외선 검출기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 적외선 검출기 및 상기 제2 적외선 검출기는, 동일 파장의 광을 흡수할 수 있다.
그리고, 상기 제1 적외선 검출기의 기판과 상기 제2 적외선 검출기의 기판은, 동일층일 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 적외선 검출기는, 상기 광의 입사 방향과 평행한 방향으로 배열되는 제3 적외선 검출기 및 제4 적외선 검출기를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제3 적외선 검출기와 상기 제4 적외선 검출기는 서로 다른 파장의 광을 흡수할 수 있다.
또한, 상기 제1 적외선 검출기의 제1 전극과 상기 제2 적외선 검출기의 제2 전극은 전극 패드에 의해 연결될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 적외선 검출기를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 여러 결정 구조의 온도에 따른 임계치 전류를 나타낸 그래프이다.
도 3a는 벌크가 흡수하는 파장 대역을 나타내는 그래프이다.
도 3b는 양자점 흡수하는 파장 대역을 나타내는 그래프이다.
도 4는 일 실시예에 따른 양자점이 흡수하는 파장과 제1 반도체층이 도핑된 양자점이 흡수하는 파장을 나타내는 그래프이다.
도 5는 일 실시예에 따른 중심 파장과 In 성분의 함유율의 관계를 나타내는 표이다.
도 6은 일 실시예에 따른 적외선 검출기에 포함된 적외선 흡수층의 에너지 밴드를 나타낸 도면이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 적외선 검출기를 나타내는 도면이다.
도 8는 도 7의 적외선 흡수층 및 클래딩층의 에너지 밴드를 나타내는 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 적외선 센서를 나타내는 도면이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 적외선 센서를 나타내는 도면이다.
도 11은 물질에 따른 광흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 12a는 수분의 함유율이 다른 복수 개의 시트를 일반 카메라로 촬영한 결과이다.
도 12b는 수분의 함유율이 다른 복수 개의 시트를 적외선 센서로 촬영한 결과이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 개시된 적외선 검출기 및 이를 포함한 적외선 센서에 대해서 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위/아래/좌/우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위/아래/좌/우에 있는 것도 포함할 수 있다. 이하 첨부된 도면을 참조하면서 오로지 예시를 위한 실시예에 의해 상세히 설명하기로 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되어서는 안된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 일 실시예에 따른 적외선 검출기(100)를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 일 실시예에 따른 적외선 검출기(100)는 근적외선, 예를 들어, 750nm 내지 3000nm의 적외선을 검출할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 적외선 검출기(100)는, 기판(10), 기판(10)상에 이격 배치된 제1 및 제2 전극(20, 30), 제1 및 제2 전극(20, 30) 사이에 배치되며 적외선의 특정 파장 대역을 흡수하여 전류를 발생시키는 하나 이상의 적외선 흡수층(40)을 포함할 수 있다.
적외선 검출기(100)는 전체적으로 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질로 형성될 수 있다. 격자 상수가 유사한 물질들로 적외선 검출기(100)의 각 층들을 형성함으로써 각 층들의 적층이 용이하고 적외선 검출기(100)를 소형화가 가능하다.
기판(10)은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질로 형성될 수 있으며, 후술하는 적외선 흡수층(40)의 일부 층과 동일한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 기판(10)은 GaAs로 형성될 수 있다.
제1 및 제2 전극(20, 30)은 전도성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 금속 물질 또는 전도성 산화물로 형성될 수 있다. 구체적으로, 제1 및 제2 전극(20, 30)은 투명 전도성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 전극(20, 30)은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide)등의 금속산화물, Au, Ag등의 금속 나노입자 분산 박막, CNT(carbon nanotube), 그래핀(graphene) 등의 탄소 나노구조체, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), polypyrrole(PPy), poly(3-hexylthiophene)(P3HT) 등의 전도성 고분자 등을 포함할 수 있다.
또는 제1 및 제2 전극(20, 30)은 불순물이 도핑된 반도체 물질로 형성될 수 있다. 제1 전극(20)은 제1 형으로 도핑된 반도체층으로, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(20)은 n형 불순물이 도핑된 GaAs로 형성될 수 있다. n형 불순물로 Si, Ge, Se, Te 등 일 수 있다. 제2 전극(30)은 제2 형으로 도핑된 반도체층으로, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 전극(30)은 p형 불순물이 도핑된 GaAs로 형성될 수 있다. p형 불순물로는 Mg, Zn, Be 등이 사용될 수 있다.
적외선 흡수층(40)은 입사된 적외선 중 특정 파장 대역의 적외선을 흡수할 수 있다. 적외선 흡수층(40)에 적외선이 입사되면, 상기 적외선에 대응하는 에너지 밴드 갭의 에너지를 흡수한 전자가 이동하게 되어 전자와 정공의 불균형이 발생하게 되고, 전자와 정공의 불균형에 따라 전류가 발생하게 된다. 상기한 전류는 적외선 흡수층(40)을 통해 제1 전극(20)에서 제2 전극(30)으로, 또는 제2 전극(30)에서 제1 전극(20)으로 흐를 수 있다.
적외선 흡수층(40)도 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질로 형성될 수 있다. 적외선 흡수층(40) 각각은, 제1 반도체층(42), 제1 반도체층(42)상에 이격 배치된 복수 개의 양자점(44) 및 복수 개의 양자점(44)을 덮는 제2 반도체층(46)을 포함할 수 있다.
제1 반도체층(42)은 제1 반도체층(42)도 Ⅲ 족의 제1 성분을 포함할 수 있다.예를 들어, 제1 반도체층(42)은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질로 형성될 수 있다. 제1 반도체층(42)는 적외선 흡수층(40) 중 가장 높은 에너지 밴드를 갖는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 반도체층(42)은 GaAs로 형성될 수 있다. 제1 반도체층(42)은 적외선 흡수층(40)의 흡수되는 파장 대역을 조절할 수 있다.
복수 개의 양자점(44)는 제1 반도체층(42)상에 배치될 수 있다. 복수 개의 양자점(42) 각각은 제1 반도체층(42)에 직접적으로 접할 수 있다. 복수 개의 양자점(44)은 랜덤하게 배치될 수 있다.
양자점(44)은 약 10nm 이하의 직경을 갖는 반도체 물질의 나노결정이다. 양자점(44)으로서 나노결정을 형성하는 방법으로는 MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)나 MBE(molecular beamepitaxy)와 같은 기상 증착법, 유기 용매에 전구체 물질을 넣어 결정을 성장시키는 화학적 습식 방법 등이 이용될 수 있다.
일 실시예에 따른 양자점(44)은 Ⅲ족의 제2 성분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 양자점(44)은 III-V족 화합물 반도체의 나노결정일 수 있다. III-V 족 화합물 반도체 나노결정은 GaN, GaP, GaAs, AlN, AlP, AlAs, InN, InP, InAs, GaNP, GaNAs, GaPAs, AlNP, AlNAs, AlPAs, InNP, InNAs, InPAs, GaAlNP, GaAlNAs, GaAlPAs, GaInNP, GaInNAs, GaInPAs, InAlNP, InAlNAs, 및 InAlPAs로 구성된 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다. 제1 반도체층(42)이 GaAs 물질로 형성된 경우, 양자점(44)은 격자 상수가 유사한 InAs로 형성될 수 있다.
나노 사이즈를 갖는 양자점(44)은 양자 구속 효과(quantum confinement effect)가 나타나는데, 양자 구속 효과의 가장 두드러진 점은 밴드 갭이 커지고 밴드 갭이 벌크(bulk) 구조와는 달리 마치 하나의 개별적인 원자와 같이 불연속적인 밴드 갭 구조를 갖는 것이다.
양자점(44)은 구조에 있어 특별히 한정되는 것은 아니나 코어만으로 이루어진 단일 구조이거나, 코어와 단일층의 쉘로 이루어진 코어-단일 쉘 구조 또는 코어와 다중층의 쉘로 이루어진 코어-다중 쉘 구조 중 어느 하나를 가지도록 형성할 수 있다.
적외선 흡수층(40)에 양자점(44)을 포함시킨 이유는 양자점(44)이 온도에 따른 임계치 전류의 변화가 작기 때문이다. 도 2는 여러 결정 구조의 온도에 따른 임계치 전류를 나타낸 그래프이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 벌크 구조는 온도에 따른 임계치 전류의 변화가 크다. 그리하여, 벌크를 적외선 검출기에 적용하는 경우, 적외선 검출기의 정확도를 높이기 위해서는 적외선 검출기의 온도를 일정하게 유지할 필요가 있다. 즉, 적외선 검출기에 일정한 온도 유지를 위한 쿨러가 필요할 수 있다. 그러나, 양자점(44)은 온도에 따라 임계치 전류가 거의 일정하기 때문에 쿨러가 필요하지 않다.
또한, 양자점(44)은 격자 상수가 다른 물질간의 증착에 있어서 씨드 역할을 하여 층들의 증착을 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, GaAs로 형성된 층에 격자 상수가 다른 InGaAs로 형성된 층을 형성할 때, 양자점(44)이 접착 역할을 할 수 있다.
뿐만 아니라, 양자점(44)은 특정 파장 대역의 광에 민감하게 반응할 수 있다. 도 3a는 벌크가 흡수하는 파장 대역을 나타내는 그래프이고, 도 3b는 양자점 흡수하는 파장 대역을 나타내는 그래프이다. 도 3a에 적용된 벌크의 구조는 InGaAs로 형성되었고, 양자점은 InAs로 형성되었다. 벌크 구조는, 도 3a에 도시된 바와 같이, 넓은 파장 대역이 적외선을 흡수하였다. 흡수된 적외선의 반응도(responsivity)가 약 0.4이상인 파장 대역의 폭은 약 750nm였다. 한편, 양자점은, 도 3b에 도시된 바와 같이, 좁은 파장 대역의 적외선을 흡수하였다. 흡수된 적외선의 반응도(responsivity)가 약 0.4이상인 파장 대역의 폭은 약 50nm였다.
벌크를 포함한 적외선 검출기는 적외선 검출기가 특정 파장 대역의 적외선을 흡수하는지 여부를 확인하기 위해 대역 필터를 구성요소로 포함하여야 한다. 그러나, 양자점을 포함한 적외선 검출기는 검출하는 파장 대역의 폭이 좁기 때문에 별도의 대역 필터를 포함하지 않아도 무방하다. 그리하여, 양자점을 포함한 적외선 검출기의 구조는 간소화될 수 있다.
적외선 흡수층(40)은 복수 개의 양자점(44)을 덮는 제2 반도체층(46)을 포함할 수 있다. 제2 반도체층(46)은 양자점(44)보다 에너지 밴드가 큰 물질로 형성될 수 있다. 제2 반도체층(46)의 에너지 밴드는 양자점(42)의 에너지 밴드보다 크기 제1 반도체층(42)의 에너지 밴드보다 낮을 수 있다. 제2 반도체층(46)은 양자점(44)에 포함된 제2 성분 및 제2 성분과 다른 Ⅲ 족의 제2 성분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 양자점(44)이 InAs로 형성된 경우, 제2 반도체층(46)은 InGaAs로 형성될 수 있다.
제1 반도체층(42), 복수 개의 양자점(44) 및 제2 반도체층(46)은 동일한 성분을 포함할 수 있다. 제1 반도체층(42), 복수 개의 양자점(44) 및 제2 반도체층(46) 모두는 Ⅴ족의 제3 성분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 반도체층(42)은 GaAs, 양자점(44)는 InAs, 제2 반도체층(46)은 InGaAs로 형성될 수 있다. 상기와 같이 동일한 물질을 포함함으로써 층들간 적층이 용이해진다.
한편, 적외선 검출기(100)는 적외선 흡수층(40)과 제2 전극(30)사이에 제3 반도체층(50)을 더 포함할 수 있다. 제3 반도체층(50)은 제1 반도체층(42)와 동일한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제3 반도체층(50)도 GaAs로 형성될 수 있다.
적외선 흡수층(40)에 포함된 제1 반도체층(42) 및 제3 반도체층(50)은 또한, 제1 반도체층(42)은 복수 개의 적외선 흡수층(40)이 적층될 수 있도록 적외선 흡수층(40)의 상부 표면을 평탄화시킬 수 있다. 양자점(44)은 결정 구조이고, 제2 반도체층(46)은 박막 형태로 양자점(44)을 덮을 수 있다. 그리하여, 제2 반도체층(46)의 표면은 양자점(44)에 의해 굴곡질 수 있는 바, 제1 반도체층(42)의 적층에 의해 적외선 흡수층(40)을 평탄화시킬 수 있다.
적외선 검출기(100)는 하나 이상의 적외선 흡수층(40)을 포함할 수 있다. 적외선 흡수층(40)이 복수 개인 경우, 제1 전극(20)에서 제2 전극(30) 방향으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 적외선 흡수층(40)은 제1 전극(20)과 접하는 제1 적외선 흡수층(40a), 제3 반도체층(50)과 접하는 제2 적외선 흡수층(40b) 및 제1 적외선 흡수층(40a)과 제2 적외선 흡수층(40b) 사이에 배치되는 제3 적외선 흡수층(40c)을 포함할 수 있다.
하나 이상의 적외선 흡수층(40) 및 제3 반도체층(50)은 적외선 흡수층(40)에 포함된 In 성분의 함유율을 조절할 수 있다. In 성분은 양자점(44) 및 제2 반도체층(46)에 포함되어 있기 때문에 제1 반도체층(42) 및 제4 반도체층(50)의 두께에 따라 In 성분의 함유율이 조절될 수 있다. 예를 들어, 제1 반도체층(42) 및 제4 반도체층(50)의 두께가 커질수록 Ga 성분의 함유율이 커지므로, 상대적으로 In 성분의 함유율은 줄어들 수 있다. 일 실시예에 따른 적외선 검출기는 중심 파장이 약 1 내지 3㎛인 적외선을 흡수하도록 In 성분의 함유율이 조절될 수 있다.
하나 이상의 적외선 흡수층(40) 및 제3 반도체층(50)의 두께에 대한 합(t)는 검출하고자 하는 적외선의 파장 이상일 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 적외선 흡수층(40) 및 제3 반도체층(50)의 두께에 대한 합은 검출하고자 하는 적외선의 파장에 대한 배수일 수 있다. 그리하여, 검출하고자 하는 적외선이 적외선 흡수층(40)에 안정적으로 입사될 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 양자점이 흡수하는 파장과 제2 반도체층이 도핑된 양자점이 흡수하는 파장을 나타내는 그래프이다. 도 4에 도시된 바와 같이, InAs로 형성된 양자점(44)은 중심 파장이 약 1350nm의 적외선에 반응하는 반면, InGaAs가 도핑된 양자점(44)은 중심 파장이 약 1460nm의 적외선에 반응하였음을 확인할 수 있다. 즉 InGaAs의 도핑 정도는 반응하는 적외선의 파장 대역을 변경시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
또한, 도 4로부터 반응하는 적외선의 파장 대역이 변경되었다 하더라도, 반응하는 적외선의 대역의 폭은 거의 일정함을 확인할 수 있다. 예를 들어, InAs로 형성된 양자점 및 InGaAs가 도핑된 양자점 모두 약 50nm의 대역의 폭에서 0.4이상의 적외선을 흡수할 수 있다. 따라서, InGaAs의 도핑 정도로 검출하고자 하고자 하는 파장 대역을 하면서 적외선의 검출 민감도는 유지할 수 있다.
한편, InxGa1-xAs의 밴드갭 에너지(Eg(x))는 하기 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
Figure 112017083239535-pat00001
여기서, 0≤x≤1이다.
상기 수학식 1에 표시된 바와 같이, 밴드갭 에너지(Eg(x))는 In 성분의 함유율에 따라 달라진다. 밴드갭 에너지가 달라진는다는 것은 흡수하는 파장이 달라질 수 있다는 것을 의미한다.
도 5는 일 실시예에 따른 중심 파장과 In 성분의 함유율의 관계를 나타내는 표이다. 도 5에 도시된 바와 같이, In 성분의 함유율과 밴드갭 에너지는 비례하고, In 성분의 함유율과 흡수하는 적외선의 중심 파장은 반비례함을 확인할 수 있다. 그리하여, In 성분의 함유율을 조절함으로써 흡수하는 적외선의 중심 파장을 조절할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 적외선 검출기(100)에 포함된 적외선 흡수층(40)의 에너지 밴드를 나타낸 도면이다. 제1 반도체층(42)은 GaAs, 양자점(44)은 InAs, 제2 반도체층(46)은 InGaAs로 형성되면, 적외선 흡수층(40)은 도 6에 도시된 바와 같은 에너지 밴드를 가질 수 있다. 적외선 흡수층(40)의 전자가 특정 파장, 예를 들어, 1450nm의 적외선을 흡수하면 전자는 활성화되어 이동하게 된다.
도 7은 다른 실시예에 따른 적외선 검출기(100a)를 나타내는 도면이다. 도 7과 도 1을 비교하면, 도 7의 적외선 검출기(100)는 제1 전극(20)과 적외선 흡수층(40) 사이에 배치되는 제1 클래딩층(60) 및 제2 전극(30)과 적외선 흡수층(40) 사이에 배치되는 제2 클래딩층(70)을 더 포함할 수 있다. 제1 클래딩층(60)과 제2 클래딩층(70)은 적외선 흡수층(40)의 에너지 밴드보다 높은 에너지 밴드를 갖는 물질로 형성될 수 있다. 제1 클래딩층(60)과 제2 클래딩층(70)은 금속 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 클래딩층(60)과 제2 클래딩층(70)은 AlGaAs로 형성될 수 있다. 제1 클래딩층(60)과 제2 클래딩층(70)은 적외선 흡수층(40)에 포함된 전자가 활성화되더라도 제1 클래딩층(60)과 제2 클래딩층(70)보다 높은 에너지 밴드를 갖는 전자만이 적외선 흡수층(40)을 벗어날 수 있게 함으로써 적외선 흡수층(40)의 전자 집중도를 높일 수 있다. 적외선 검출기(100)는 제1 클래딩층(60)과 제2 클래딩층(70)을 모두 포함하거나, 제1 클래딩층(60)과 제2 클래딩층(70) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 8는 도 7의 적외선 흡수층(40) 및 클래딩층(60, 70)의 에너지 밴드를 나타내는 도면이다. 클래딩층(60, 70)은 AlGaAs로 형성되고, 양자점(44)은 InAs 및 제2 반도체층(46)은 InGaAs 물질로 형성되면, 적외선 흡수층(40) 및 클래딩층(60, 70)은 도 8에 도시된 바와 같은 에너지 밴드를 가질 수 있다. 제1 에너지 밴드까지의 밴드갭은 0.855eV이므로, 적외선 흡수층(40)에 약 1450nm의 적외선이 입사되면, 전자는 활성화될 수 있으나, 클래딩층보다 높은 에너지 밴드를 갖는 전자만이 적외선 흡수층(40)을 벗어나 제1 또는 제2 전극(20, 30)으로 흐를 수 있다.
앞서 기술한 적외선 검출기(100, 100a)는 복수 개 배열됨으로써 적외선 센서가 될 수 있다. 적외선 센서의 적외선 검출기들은 동일한 파장 대역의 적외선을 검출할 수도 있고, 다른 파장 대역의 적외선을 검출할 수도 있다. 각 적외선 검출기에 포함된 적외선 흡수층의 In 성분의 함유율에 따라 검출하고자 하는 적외선의 파장 대역이 달라질 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 적외선 센서를 나타내는 도면이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 적외선 센서(200)는 복수 개의 적외선 검출기(210, 220)가 적층될 수 있다. 예를 들어, 적외선의 입사 방향과 나란한 방향으로 제1 및 제2 적외선 검출기(210, 220)가 적층될 수 있다. 제1 및 제2 적외선 검출기(210, 220) 각각은 앞서 기술한 도 1 및 도 8에 도시된 적외선 검출기(100, 100a)와 대응할 수 있다.
한편, 제1 적외선 검출기(210)의 제2 전극(213)과 제2 적외선 검출기(220)의 제1 전극(222)은 전극 컨택(230)으로 연결될 수 있다. 제1 적외선 검출기(210)의 제2 전극(213)과 제2 적외선 검출기(220)의 제1 전극(222)은 공통 전극이 될 수 있다. 또한, 적외선의 입사량을 높이기 위해 제1 적외선 검출기(210)의 제2 전극(213), 제2 적외선 검출기(220)의 제1 전극과 제2 전극(222, 223)은 투명 전극일 수 있다.
제1 적외선 검출기(210)의 적외선 흡수층(214)과 제2 적외선 검출기(220)의 적외선 흡수층(224)는 In의 함유율이 다를 수 있다. 그리하여, 제1 적외선 검출기(210)과 제2 적외선 검출기(220)은 서로 다른 파장 대역을 검출할 수 있다. 파장이 길수록 투과율이 높으므로, 제1 적외선 검출기(210)는 제2 적외선 검출기(100)보다 긴 파장을 검출하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 제1 적외선 검출기(210)는 약 1650nm 의 중심 파장을 갖는 적외선을 검출하고, 제2 적외선 검출기(220)는 약 1450nm의 중심 파장을 갖는 적외선을 검출할 수 있도록 In 함유율이 조절될 수 있다.
도 10은 다른 실시예에 따른 적외선 센서를 나타내는 도면이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 적외선 센서는 기판(10)상에 복수 개의 픽셀(P)들이 배치될 수 있다. 복수 개의 픽셀(P)들은 적외선의 입사 방향과 수직한 방향으로 배열될 수 있다. 복수 개의 픽셀(P)이 적외선의 입사 방향과 수직한 방향으로 배열됨으로써 일정한 면적을 갖는 대상체를 한번에 촬영할 수 있다. 여기서 픽셀(P)은 적외선 검출기(100)의 일부 구성요소로 구성될 수 있다.
적외선 센서의 기판(310)은 III-V족 반도체 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 기판(10)은 GaAs로 형성될 수 있다.
기판(310)상에 공통 전극(320)이 배치될 수 있다. 상기한 공통 전극(320)은 금속 물질 또는 전도성 산화물로 형성될 수 있다. 또는 공통 전극(320)은 불순물이 도핑된 반도체 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 공통 전극(320)은 n형 불순물이 도핑된 GaAs로 형성될 수 있다.
공통 전극(320) 상에는 제1 클래딩층(360)이 배치될 수 있으며, 제1 클래딩층(360)은 픽셀(P)에 포함된 적외선 흡수층(340)보다 에너지 밴드가 높은 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 클래딩층(360)은 AlGaAs로 형성될 수 있다. 제1 클래딩층(360)의 일부 영역 상에는 전극 패드(390)가 배치될 수 있다. 상기한 전극 패드(390)는 제1 클래딩층(360)의 관통홀을 통해 공통 전극(320)과 연결될 수 있다.
각 픽셀(P)은 하나 이상의 적외선 흡수층(340), 제3 반도체층(350), 제2 클래딩층(370) 및 픽셀 전극(330)을 포함할 수 있다. 픽셀(P)에 포함된 기저층(350), 적외선 흡수층(340), 제3 반도체층(350), 2 클래딩층(370) 각각은 도 7에 도시된 적외선 흡수층(40), 제3 반도체층(50), 및 제2 클래딩층(70)과 대응할 수 있다.
구체적으로, 각 적외선 흡수층(340)은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질로 형성될 수 있다. 적외선 흡수층(430) 각각은, 제1 반도체층(342), 제1 반도체층(342)상에 이격 배치된 복수 개의 양자점(344) 및 복수 개의 양자점(344)을 덮는 제2 반도체층(346)을 포함할 수 있다.
제1 반도체층(342)도 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질로 형성될 수 있다. 제1 반도체층(342)는 적외선 흡수층(340) 중 가장 높은 에너지 밴드를 갖는 물질로 형성될 수 있다. 제1 반도체층(342)도 Ⅲ 족의 제1 성분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 반도체층(342)은 GaAs로 형성될 수 있다.
복수 개의 양자점(344)은 랜덤하게 배치될 수 있다. 양자점(344)은 Ⅲ족의 제2 성분을 포함할 수 있다. 구체적으로, 양자점(344)은 III-V족계 화합물 반도체의 나노결정일 수 있다. 예를 들어, 양자점(344)은 InAs로 형성될 수 있다.
복수 개의 양자점(344)을 덮는 제2 반도체층(346)은 양자점(344)보다 에너지 밴드가 큰 물질로 형성될 수 있다. 제2 반도체층(346)은 양자점(344)에 포함되지 않는 Ⅲ족의 성분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 양자점(344)이 InAs로 형성된 경우, 제2 반도체층(346)은 InGaAs로 형성될 수 있다.
제3 반도체층(350)은 적외선 흡수층(340)상에 배치되며, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질로 형성될 수 있 수 있다. 예를 들어, 제3 반도체층(350)은 GaAs로 형성될 수 있다.
제2 클래딩층(370)은 제3 반도체층(350)상에 배치되며, 적외선 흡수층(340)보다 에너지 밴드가 높은 물질로 형성될 수 있다. 제2 클래딩층(370)도 제1 클래딩층(360)과 마찬가지로, AlGaAs로 형성될 수 있다.
픽셀 전극(330)은 전도성 물질로 형성될 수 있으며, 도 1 및 도 7에 도시된 적외선 검출기(100)의 제2 전극(30)에 대응할 수 있다. 예를 들어, 픽셀 전극(330)은 금속 물질 또는 전도성 산화물로 형성될 수 있다. 구체적으로, 픽셀 전극(330)은 투명 전도성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 픽셀 전극(330)은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide)등의 금속산화물, Au, Ag등의 금속 나노입자 분산 박막, CNT(carbon nanotube), 그래핀(graphene) 등의 탄소 나노구조체, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), polypyrrole(PPy), poly(3-hexylthiophene)(P3HT) 등의 전도성 고분자 등을 포함할 수 있다.
또는 픽셀 전극(330)은 불순물이 도핑된 반도체 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 픽셀 전극(330)은 p형 불순물이 도핑된 GaAs으로 된 반도체 물질로 형성될 수 있다.
픽셀 전극(330)이 투명 물질이 아닌 경우, 픽셀 전극(330)은 적외선의 입사량을 높이기 위해 가운데 영역이 비어 있는 형상일 수 있다. 예를 들어, 픽셀 전극(330)은 적외선 흡수층(340)의 가장 자리상에만 배치되는 링 형상일 수 있다. 또는 픽셀(P) 전극은 복수 개의 개구를 포함하는 메쉬 형상일 수 있다.
도 10에 도시된 픽셀(P), 픽셀(P)이 하부에 배치된 제1 클래딩층(360), 공통 전극(320 및 기판(310)의 일부가 도 7에 도시된 엑스선 검출기에 대응할 수 있다. 도 10의 엑스선 센서는 제1 및 제2 클래딩층(360, 370)을 포함한다고 하였으나, 이에 한정되지 않는다. 엑스선 검출기는 제1 및 제2 클래딩층(360, 370)을 포함하지 않을 수도 있고, 제1 및 제2 클래딩층(360, 370)의 어느 하나만을 포함할 수 도 있다.
앞서 기술한 적외선 센서는 대상체에 포함된 성분의 함유율을 측정하는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 적외선 센서는 수분을 측정하는 센서로 이용될 수 있다. 도 11은 물질에 따른 광흡수율을 나타내는 그래프이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 물은 약 1450nm의 대역의 적외선을 많이 흡수하였음을 확인할 수 있다. 피부는 다양한 물질로 구성되어 있으나, 물의 함유율이 높기 때문에 물의 광흡수율과 유사한 광흡수율을 보임을 확인할 수 있다. 특히, 피부도 약 1450nm 대역의 적외선을 흡수하였음을 확인할 수 있다. 따라서, 약 1450nm 대역의 적외선을 이용하면 피부의 수분을 측정할 수 있다.
일 실시예에 따른 적외선 센서는 수분의 함유율을 측정하기 위해 약 1450nm 대역의 적외선을 검출할 수 있도록 설계될 수 있다. 1450nm 대역의 적외선을 검출하기 위해 적외선 흡수층의 In 함유율을 조절할 수 있으며, 예를 들어, In 함유율이 약 0.43이 되도록 적외선 센서를 제작할 수 있다. 수분이외에도 다른 성분을 측정하는데 이용될 수 있음은 물론이다.
도 12a는 수분의 함유율이 다른 복수 개의 시트를 일반 카메라로 촬영한 결과이고, 도 12b는 수분의 함유율이 다른 복수 개의 시트를 적외선 센서로 촬영한 결과이다. 도 12a에 도시된 바와 같이, 일반 카메라는 RGB 영상 장치이기 때문에 시트에 대한 수분의 함유율에 대한 정보를 제공하지 않는다. 반면, 도 12b에 도시된 바와 같이, 적외선 센서는 수분의 함유율이 높은 시트일수록 더 낮은 휘도의 영상을 제공할 수 있다. 수분의 함유율이 높은 시트일수록 약 1450nm 파장 대역의 적외선을 더 많이 흡수할 수 있다. 그리하여, 그에 대응하는 적외선 센서는 더 적은 적외선을 흡수하기 때문에 더 낮은 전류를 발생시키고 더 낮은 휘도의 영상이 제공되는 것이다.
상기와 같이, 적외선 검출기 및 적외선 센서에 양자점을 포함시키면 대역폭이 좁은 적외선을 검출할 수 있다. 따라서, 별도의 대역 필터가 필요하지 않다. 또한, 양자점은 온도에 따라 임계치 전류의 변화가 크지 않기 때문에 일정한 온도를 유지하기 위한 쿨러를 필요로 하지 않다. 따라서, 소형의 적외선 검출기 및 적외선 세서의 제작이 가능하다.
또한, 다층 구조의 적외선 검출기가 접착 기능을 하는 양자점을 포함하기 때문에 층의 형성이 용이하여 제작이 수월해 진다.
이러한 본원 발명은 이해를 돕기 위하여 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. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
100, 100a: 적외선 검출기
10: 기판
20: 제1 전극
30: 제2 전극
40: 적외선 흡수층
42: 제1 반도체층
44: 양자점
46: 제2 반도체층
50: 제3 반도체층
60: 제1 클래딩층
70: 제2 클래딩층

Claims (28)

  1. 기판;
    상기 기판상에 이격 배치된 제1 전극과 제2 전극;
    상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치되며, 입사된 적외선의 특정 파장 대역을 흡수하여 그에 대응하는 전류를 발생시키는 하나 이상의 적외선 흡수층;
    상기 제1 전극과 상기 적외선 흡수층 사이에 배치되며, 금속 성분을 포함하고, 상기 적외선 흡수층의 에너지 밴드보다 높은 에너지 밴드를 갖는 제1 클래딩층; 및
    상기 제2 전극과 상기 적외선 흡수층 사이에 배치되며, 상기 금속 성분을 포함하고, 상기 적외선 흡수층의 에너지 밴드보다 높은 에너지 밴드를 갖는 제2 클래딩층;을 포함하고,
    상기 적외선 흡수층은,
    제1 성분을 포함하는 제1 반도체층;
    상기 제1 성분과 다른 제2 성분을 포함하고, 상기 제1 반도체층상에서 이격 배치된 복수 개의 양자점; 및
    상기 제1 성분 및 상기 제2 성분을 포함하고, 상기 복수 개의 양자점을 덮는 제2 반도체층;을 포함하고,
    상기 기판은 상기 제1 반도체층의 성분과 동일한 성분으로 구성되고,
    상기 제1 성분 및 상기 제2 성분 중 적어도 하나는 III족 원소이며,
    상기 제1 성분은 Ga을 포함하고, 상기 제2 성분은 In을 포함하며, 상기 적외선 흡수층에서의 In과 Ga의 비율은 0.53: 0.47 내지 0.379: 0.621이고 흡수하는 적외선의 중심 파장은 1650nm 내지 1350nm인 적외선 검출기가 복수 개 배열되고,
    복수 개의 적외선 검출기는,
    상기 적외선의 입사 방향과 수직한 방향으로 배열되는 제1 적외선 검출기 및 제2 적외선 검출기를 포함하며,
    상기 제1 적외선 검출기의 기판과 및 상기 제2 적외선 검출기의 기판은 동일층이고,
    상기 제1 적외선 검출기의 제1 클래딩층과 및 상기 제2 적외선 검출기의 제1 클래딩층은 동일층인 적외선 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 특정 파장 대역은 상기 적외선 흡수층에서의 상기 제2 성분의 함유율에 의해 결정되는 적외선 센서.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 특정 파장 대역의 중심 주파수는 상기 제2 성분의 함유율에 비례하는 적외선 센서.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 반도체층의 에너지 밴드는 상기 양자점의 에너지 밴드 및 상기 제1 반도체층의 에너지 밴드 사이인 적외선 센서.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 양자점, 상기 제1 반도체층 및 상기 제2 반도체층 중 상기 양자점의 에너지 밴드가 가장 낮은 적외선 센서.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 반도체층은 상기 제1 성분 및 제3 성분이 결합된 화합물로 구성되고,
    상기 제2 반도체층은 상기 제1 내지 제3 성분이 결합된 화합물로 구성된 적외선 센서.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제3 성분은 V족 원소인 적외선 센서.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 적외선 흡수층은,
    상기 제1 전극에서 상기 제2 전극 방향으로 배열된 제1 및 제2 적외선 흡수층을 포함하는 적외선 센서.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 적외선 흡수층과 상기 제2 전극 사이에 배치되는 제3 반도체층;을 더 포함하는 적외선 센서.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 제3 반도체층은,
    상기 제1 반도체층과 동일한 물질로 구성된 적외선 센서.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 하나 이상의 적외선 흡수층과 상기 제3 반도체층의 두께에 대한 합은
    상기 적외선의 파장 이상인 적외선 센서.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 하나 이상의 적외선 흡수층과 상기 제3 반도체층의 두께에 대한 합은
    상기 적외선의 파장에 대한 배수인 적외선 센서.
  19. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 제2 전극 중 어느 하나는 n-형이 도핑된 반도체층이고, 나머지 하나는 p-형이 도핑된 반도체층인 적외선 센서.
  20. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 전극은 투명 전극인 적외선 센서.
  21. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 전극은 상기 적외선 흡수층의 일부 영역과 중첩되는 적외선 센서.
  22. 삭제
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