KR102584653B1 - 포토 다이오드 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 포토 다이오드는, 서로 이격되어 배치되는 제1 전극 및 제2 전극; 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 배치되고, 제1 반도체 물질을 포함하는 제1 반도체층; 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 배치되고, 제2 반도체 물질을 포함하는 제2 반도체층; 및 상기 제1 반도체층 및 제2 반도체층 사이에 배치되는 제1 단층 그래핀층을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 포토 다이오드에 관한 것이다. 구체적으로, 2차원 단층 그래핀층을 포함하여 적외선 감지 특성이 향상된 포토 다이오드에 관한 것이다.
2차원 물질인 전이금속 칼코겐 화합물(Transition Metal Dichalcogenides, TMD)은 우수한 물성 특성으로 전자 소자를 위한 소재로서 각광을 받고 있으며 그중 MoS2가 가장 대표적인 TMD 물질이다. 특히, MoS2는 밴드갭이 존재하는 반도체 특성과 높은 이동도(mobility) 때문에 포토 센서의 재료로 상당한 각광을 받고 있다.
지금까지 2D TMD를 이용하여 여러 광학적 효과를 관찰한 연구들이 있었다. 그 중에서 TMD의 장점과 기존 실리콘 반도체의 장점을 결합한 PN 접합 다이오드가 개발되었다.
그러나, 기존의 PN 접합 다이오드는 가시광선 및 UV 파장대의 빛에 대한 반응성을 보였지만, 상대적으로 낮은 에너지인 적외선(IR) 반응성에 대한 성능 결과는 좋지 못하다는 단점이 있다.
본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 적외선 감지 특성이 향상된 포토 다이오드를 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해서,
본 발명의 포토 다이오드는, 서로 이격되어 배치되는 제1 전극 및 제2 전극; 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 배치되고, 제1 반도체 물질을 포함하는 제1 반도체층; 상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 배치되고, 제2 반도체 물질을 포함하는 제2 반도체층; 및 상기 제1 반도체층 및 제2 반도체층 사이에 배치되는 제1 단층 그래핀층을 포함할 수 있다.
본 발명에서는 단층 그래핀층을 통해 포토 다이오드의 적외선 (IR, Infrared Radiation) 감지 특성을 확보할 수 있다. 또한, 근 적외선 뿐만아니라 에너지가 낮은 원 적외선에도 반응이 가능하다. 기존의 PN 포토 다이오드는 가시광선 및 UV 파장대의 빛에 대한 반응성을 보였으나, 상대적으로 낮은 에너지인 적외선 반응성에 대한 성능을 좋지 못하였다. 본 발명에서는 단층 그래핀층을 적용하여 향상된 IR 감지 특성을 확보하였다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 포토 다이오드는 적외선 감지 특성이 향상되어 고온 측정용 온도계나 열화상 카메라, 생의학 이미징, 야간 투시경, 정보통신, 군사시설 등에 적용할 수 있다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 포토 다이오드의 단면도이다.
도 5의 (a)는 비교예의 850 nm 적외선에 대한 IV 측정 데이터이고, (b)는 실시예의 850 nm 적외선에 대한 IV 측정 데이터이고, (C)는 비교예의 940 nm 적외선에 대한 IV 측정 데이터이고, (d)는 실시예의 940 nm 적외선에 대한 IV 측정 데이터이다.
도 6의 (a)는 실시예 및 비교예의 850 nm 적외선 반응에 대한 광전류 평균값이고, (b)는 실시예 및 비교예의 940 nm 적외선 반응에 대한 광전류 평균값이다.
도 7의 (a)는 실시예 및 비교예의 850nm 적외선에 대한 스위칭을 측정한 결과이고, (b)는 실시예 및 비교예의 940nm 적외선에 대한 스위칭을 측정한 결과이다. (C)는 실시예에 대해 100 ms 간격으로 850 nm 빛을 스위칭하며 30 사이클 측정한 결과이고, (d)는 비교예에 대해 100 ms 간격으로 850 nm 빛을 스위칭하며 30 사이클 측정한 결과이다.
도 8은 다섯 번 연속 측정 후 계산한 평균 스위칭 속도와 반응성 데이터이다.
도 9의 (a)는 실시예 및 비교예에서 빛의 세기를 증가시켰을 때, 측정되는 광 전류를 나타낸다. 도 9의 (b)는 다른 에너지를 가지는 빛을 반응시켰을 때의 반응성을 계산한 데이터이다.
도 5의 (a)는 비교예의 850 nm 적외선에 대한 IV 측정 데이터이고, (b)는 실시예의 850 nm 적외선에 대한 IV 측정 데이터이고, (C)는 비교예의 940 nm 적외선에 대한 IV 측정 데이터이고, (d)는 실시예의 940 nm 적외선에 대한 IV 측정 데이터이다.
도 6의 (a)는 실시예 및 비교예의 850 nm 적외선 반응에 대한 광전류 평균값이고, (b)는 실시예 및 비교예의 940 nm 적외선 반응에 대한 광전류 평균값이다.
도 7의 (a)는 실시예 및 비교예의 850nm 적외선에 대한 스위칭을 측정한 결과이고, (b)는 실시예 및 비교예의 940nm 적외선에 대한 스위칭을 측정한 결과이다. (C)는 실시예에 대해 100 ms 간격으로 850 nm 빛을 스위칭하며 30 사이클 측정한 결과이고, (d)는 비교예에 대해 100 ms 간격으로 850 nm 빛을 스위칭하며 30 사이클 측정한 결과이다.
도 8은 다섯 번 연속 측정 후 계산한 평균 스위칭 속도와 반응성 데이터이다.
도 9의 (a)는 실시예 및 비교예에서 빛의 세기를 증가시켰을 때, 측정되는 광 전류를 나타낸다. 도 9의 (b)는 다른 에너지를 가지는 빛을 반응시켰을 때의 반응성을 계산한 데이터이다.
이하, 본 문서의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 실시예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 포토 다이오드(10)는 제1 전극(401), 제2 전극(403), 제1 반도체층(100), 제2 반도체층(300) 및 단층 그래핀층(200)을 포함할 수 있다.
제1 전극(401) 및 제2 전극(403)은 상호 이격되어 배치될 수 있다. 제1 전극(401) 및 제2 전극(403)은 알루미늄, 구리, 니켈, 철, 크롬, 티타늄, 아연, 납, 금, 백금, 팔라듐, 몰리브덴, 및 은을 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속 재료를 포함할 수 있다. 제1 전극(401) 및 제2 전극(403)의 두께는 40 nm 내지 100 nm 일 수 있다. 바람직하게는, 제1 전극(401) 및 제2 전극(403)은 Au를 포함할 수 있으며, 두께는 80 nm 일 수 있다.
제1 반도체층(100)은 p타입 도핑된 p+ Si 기판 또는 p++ Si 기판일 수 있다.
제2 반도체층(300)은 전이금속 칼코게나이드(Chalcogenides)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 전이금속 칼코게나이드는 MX2로 표시되고, M은 Mo, W, Sn, Hf, Pt, Zr, Ti, Hr, V, Nb, Ta, Tc 및 Re 로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나이고, X는 S, Se 및 Te 로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 바람직하게는, 제2 반도체층(300)은 MoS2를 포함할 수 있다. MoS2는 밴드갭이 존재하는 반도체 특성을 가지고, 높은 이동도(mobility)를 가지므로 포토 다이오드의 재료로 각광받고 있따. 제2 반도체층(300)의 두께는 1 nm 내지 10 nm 일 수 있다. 제2 반도체층(300)의 두께는 검출하고자 하는 빛의 파장대에 따라 다르게 설정할 수 있다. 제2 반도체층(300)의 두께에 따라 에너지 밴드 갭이 달라져서 흡수하는 빛의 파장대가 바뀌기 때문이다. 즉, 파장이 짧은 영역의 빛을 검출하고자 할때에는 제2 반도체층(300)의 두께를 얇게할 수 있고, 긴 파장대의 빛을 검출하고자 할때에는 제2 반도체층(300)의 두께를 두껍게 할 수 있다. 한편, 제2 반도체층(300)의 두께가 10nm를 초과하게 되면 합성이 어려우므로 상한은 10 nm가 바람직하다.
단층(monolayer) 그래핀층(200)은 제1 반도체층(100) 및 제2 반도체층(200) 사이에 배치될 수 있다. 단층 그래핀층(200)은 0.1 nm 내지 0.5 nm의 두께를 가질 수 있다. 그래핀은 2차원 물질로써, 제로 밴드갭, 짧은 carrier life-time, 높은 빛 흡수율을 가진다. 즉, 그래핀은 적외선 파장을 포함한 전 파장의 빛에 반응하는 특성을 가진다. 따라서, 본 발명은 단층 그래핀층(200)을 통해 포토 다이오드(10)의 적외선 (IR, Infrared Radiation) 감지 특성을 확보할 수 있다. 또한, 근 적외선 뿐만아니라 에너지가 낮은 원 적외선에도 반응이 가능하다. 기존의 PN 포토 다이오드는 가시광선 및 UV 파장대의 빛에 대한 반응성을 보였으나, 상대적으로 낮은 에너지인 적외선 반응성에 대한 성능을 좋지 못하였다. 본 발명에서는 단층 그래핀층(200)을 적용하여 향상된 IR 감지 특성을 확보하였다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 포토 다이오드(12)는 제1 전극(401), 제2 전극(403), 제1 반도체층(100), 제2 반도체층(300), 제1 단층 그래핀층(201) 및 제2 단층 그래핀층(203)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 포토 다이오드(12)는 제1 반도체층(100) 및 제2 반도체층(200) 사이에 배치되는 제1 단층 그래핀층(201), 제2 반도체층(300)에서 제1 단층 그래핀층(201)이 배치된 반대면에 배치되는 제2 단층 그래핀층(203)을 포함할 수 있다. 즉, 제2 반도체층(300)의 상면 및 하면에 모두 단층 그래핀층(201, 203)이 배치될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에 따른 포토 다이오드(12)가 단층 그래핀층을 두 층 포함함으로써, 적외선 감지 특성이 보다 향상될 수 있고 안정적으로 동작할 수 있다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 포토 다이오드(14)는 제1 전극(401), 제2 전극(403), 제1 반도체층(100), 제2 반도체층(300), 제1 단층 그래핀층(201) 및 제3 단층 그래핀층(205)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 포토 다이오드(12)는 제1 반도체층(100) 및 제2 반도체층(200) 사이에 배치되는 제1 단층 그래핀층(201), 제1 반도체층(100)에서 제1 단층 그래핀층(201)이 배치된 반대면에 배치되는 제3 단층 그래핀층(205)을 포함할 수 있다. 즉, 제1 반도체층(100)의 상면 및 하면에 모두 단층 그래핀층(201, 205)이 배치될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에 따른 포토 다이오드(14)가 단층 그래핀층을 두 층 포함함으로써, 적외선 감지 특성이 보다 향상될 수 있고 안정적으로 동작할 수 있다.
도 4를 참고하면, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 포토 다이오드(16)는 제1 전극(401), 제2 전극(403), 제1 반도체층(100), 제2 반도체층(300), 제1 단층 그래핀층(201), 제2 단층 그래핀층(203) 및 제3 단층 그래핀층(205)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 포토 다이오드(12)는 제1 반도체층(100) 및 제2 반도체층(200) 사이에 배치되는 제1 단층 그래핀층(201), 제1 반도체층(100)에서 제1 단층 그래핀층(201)이 배치된 반대면에 배치되는 제3 단층 그래핀층(205), 제2 반도체층(300)에서 제1 단층 그래핀층(201)이 배치된 반대면에 배치되는 제2 단층 그래핀층(203)을 포함할 수 있다. 즉, 제1 반도체층(100)의 상면 및 하면에 모두 단층 그래핀층(201, 205)이 배치되고, 제2 반도체층(300)의 상면 및 하면에 모두 단층 그래핀층(201, 203)이 배치될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에 따른 포토 다이오드(16)가 단층 그래핀층을 세 층 포함함으로써, 적외선 감지 특성이 보다 향상될 수 있고 안정적으로 동작할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예에 따른 포토 다이오드는 적외선 감지 특성이 향상되어 고온 측정용 온도계나 열화상 카메라, 생의학 이미징, 야간 투시경, 정보통신, 군사시설 등에 적용할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예는 상술한 포토 다이오드(10)의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 포토 다이오드의 제조 방법은, 제1 반도체층(100)을 준비하는 단계; 상기 제1 반도체층(100)상에 단층 그래핀층(200)을 형성하는 단계; 상기 단층 그래핀층(200) 상에 제2 반도체층(300)을 형성하는 단계; 및 상기 제1 반도체층(100) 및 제2 반도체층(300) 상에 제1 전극(401) 및 제2 전극(403)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
먼저, 제1 반도체층(100)을 준비하는 단계에서는, p 타입으로 도핑된 p+ Si 기판 또는 p++ Si 기판을 준비할 수 있다.
다음으로, 단층 그래핀층(200)을 형성하는 단계에서는 제1 반도체층(100) 상에 CVD 합성된 단층 그래핀층(200)을 형성할 수 있다.
제2 반도체층(300)을 형성하는 단계에서는, 예를 들면, 사파이어 기판 상에 MoO3 타겟을 이용하여 스퍼터링 증착하고, 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 이용하여 MoS2를 합성할 수 있다. 사파이어 기판 상의 MoS2 필름 위에 PMMA를 스핀 코팅할 수 있다. 다음으로, 사파이어 기판을 분리하여 PMMA/MoS2 필름을 분리하고, 단층 그래핀층(200)층 상에 PMMA/MoS2 필름을 전이 (transfer)한 후 PMMA를 제거하여 MoS2 제2 반도체층(300)을 형성할 수 있다.
다음으로, 제1 반도체층(100) 및 제2 반도체층(300) 상에 금속 재료를 증착 및 에칭함으로써 패터닝된 제1 전극(401) 및 제2 전극(403)을 형성할 수 있다.
이하, 본 발명은 실시예에 의해서 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 의해서 한정되는 것은 아니다.
실시예: 단층 그래핀층을 포함하는 포토 다이오드 제조
p타입 실리콘(pSi)기판 위에 트랜스퍼된 단층 그래핀을 준비한다. 사파이어 기판 위에 MoO3를 스퍼터로 증착하였다. 이때, 3 mTorr, 50 W, Ar 20 sccm에서 20 rpm으로 27~30초간 증착하고, 증착 후 200 °C에서 10 분간 포스트 어닐링을 진행하였다. furnace에서 MoO3를 MoS2로 sulfurization시키기 위해 H2S (Ar 99%, H2S 1%, 10 sccm)를 흘려주면서 800 Torr, 900°C에서 1 시간 화학반응을 진행하였다. 합성된 MoS2 위에 PMMA물질을 코팅하고, DI water에서 사파이어 기판으로부터 분리하였다. 이후 단층 그래핀층 위에 습식 방식으로 transfer공정을 진행하고, 아세톤으로 세척해서 PMMA를 제거하였다. 이후, MoS2 및 pSi 위에 금(Au)을 thermal evaporator 공정을 통해 전면에 증착한다. 그 위에 포토리지스트를 스핀 코팅한 후 패턴 마스크를 통해 UV를 조사해주고 developer로 패터닝을 진행 한다. 금 에칭용액을 이용하여 화학적 에칭하여 패터닝된 전극을 형성하였다.
실험예 1: 전기적 특성 평가
실시예(pSi/GR/MoS2)에 따른 포토 다이오드와 비교예(pSi/MoS2)로써, 단층 그래핀층이 없는 포토 다이오드의 전기적 특성을 평가하였다.
도 5의 (a)는 비교예의 850 nm 적외선에 대한 IV 측정 데이터이고, (b)는 실시예의 850 nm 적외선에 대한 IV 측정 데이터이고, (C)는 비교예의 940 nm 적외선에 대한 IV 측정 데이터이고, (d)는 실시예의 940 nm 적외선에 대한 IV 측정 데이터이다. 도 6의 (a)는 실시예 및 비교예의 850 nm 적외선 반응에 대한 광전류 평균값이고, (b)는 실시예 및 비교예의 940 nm 적외선 반응에 대한 광전류 평균값이다.
도 5의 (a) 및 (b)를 참고하면, 850 nm 적외선 측정 시, 비교예와 실시예의 생성된 광 전류는 -2 V에서 각각 158 nA와 192 nA이었다. 도 5의 (C) 및 (d)를 참고하면, 940nm 적외선 측정 시, 비교예와 실시예의 생성된 광 전류는 -2V에서 각각 55 nA와 173 nA이었다. 즉, 단층 그래핀층이 있는 실시예의 포토 다이오드에서 증가된 광 전류를 보임을 확인하였고, 적외선 감지 특성이 우수함을 알 수 있다.
한편, 도 6의 (a)을 참고하면, 850 nm 적외선 측정 시, 실시예는 비교예에 비해 40 %의 광 전류가 증가했다. 도 6의 (b)를 참고하면, 940 nm 적외선 측정 시, 실시예는 비교예에 비해 250 %의 광 전류가 증가했다. 즉, 940 nm 적외선 측정 시, 더욱 큰 차이를 보여주었다.
도 7은 시간에 따라 적외선 스위칭에 대한 반응성을 측정한 데이터이다. 구체적으로, 도 7의 (a)는 실시예 및 비교예의 850nm 적외선에 대한 스위칭을 측정한 결과이고, (b)는 실시예 및 비교예의 940nm 적외선에 대한 스위칭을 측정한 결과이다. 측정 시간은 10초 간격으로 측정하였다. (C)는 실시예에 대해 100 ms 간격으로 850 nm 빛을 스위칭하며 30 사이클 측정한 결과이고, (d)는 비교예에 대해 100 ms 간격으로 850 nm 빛을 스위칭하며 30 사이클 측정한 결과이다.
도 7의 (a) 및 (b)를 참고하면, 단층 그래핀층이 있는 실시예가 비교예에 비해 더욱 큰 반응성을 보여줌을 확인할 수 있다. 도 7의 (C) 및 (d)를 참고하면, 단층 그래핀층이 있는 실시예가 비교예에 비해 높은 광 반응성을 보여줌을 확인할 수 있다.
도 8 및 하기 표 1은 다섯 번 연속 측정 후 계산한 평균 스위칭 속도와 반응성 데이터이다. 빛에 의해 발생되는 광 전류 값을 소자 면적으로 나누어 전류 밀도(A/cm2)를 계산하고, 이를 단위 면적당 빛의 세기(W/cm2)로 나누어 계산하였다.
| 정량목표 | 1차 | 2차 | 3차 | 4차 | 5차 | 평균 | |
| 속도(Hz) | 2 | 22.7 | 14 | 2.4 | 2.8 | 22.7 | 12.9 |
| 반응성(A/W) | 1 | 144 | 165 | 166 | 181 | 165 | 164 |
도 8 및 표 1을 참고하면, 평균 속도는 12.9 Hz, 평균 반응성 164 A/W이었다.
도 9의 (a)는 실시예 및 비교예에서 빛의 세기를 증가시켰을 때, 측정되는 광 전류를 나타낸다. 그 결과, 빛의 세기가 증가할수록 광 전류가 선형적으로 증가하며, 광전효과의 이론과 일치하는 결과를 보여주었다. 기울기 값은 빛반응의 효율성을 나타내는 power-law 지수인데, 비교예의 포토 다이오드가 0.44, 실시예의 포토 다이오드가 0.69로 단층 그래핀층이 있는 실시예가 더 높은 효율성을 나타냄을 알 수 있다.
도 9의 (b)는 다른 에너지를 가지는 빛을 반응시켰을 때의 반응성을 계산한 데이터이다. 455 nm부터 940 nm까지 측정하였다. 도 9의 (b)를 참고하면, 실시예의 경우, 빛 에너지에 따라 반응성이 최대 50 % 변동성을 보여주었다. 즉, 300 %에서 2000 %까지 변동성이 나타난 종래의 실리콘 포토다이오드의 특성과 비교하면 상대적으로 파장 변화에 따라 안정적임을 알 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 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.
Claims (7)
- 서로 이격되어 배치되는 제1 전극 및 제2 전극;
상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 배치되고, 제1 반도체 물질을 포함하는 제1 반도체층;
상기 제1 전극 및 제2 전극 사이에 배치되고, 제2 반도체 물질을 포함하는 제2 반도체층; 및
상기 제1 반도체층 및 제2 반도체층 사이에 배치되는 제1 단층 그래핀층, 상기 제2 반도체층에서 상기 제1 단층 그래핀층이 배치된 반대면에 배치되는 제2 단층 그래핀층, 및 상기 제1 반도체층에서 상기 제1 단층 그래핀층이 배치된 반대면에 배치되는 제3 단층 그래핀층을 포함하는 포토 다이오드. - 제1항에 있어서,
상기 제1 단층 그래핀층은 0.1 nm 내지 0.5 nm의 두께를 가지는 포토 다이오드. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1 반도체층은 p 타입 실리콘인 포토 다이오드. - 제1항에 있어서,
상기 제2 반도체층은 전이금속 칼코겐 화합물인 포토 다이오드. - 제6항에 있어서,
상기 제2 반도체층은 1 nm 내지 10 nm의 두께를 가지는 포토 다이오드.
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