KR102618344B1 - 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 도핑 농도 및 두께 제어가 용이하지 않은 2D 물질의 한계점을 극복함으로써 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 광전자소자는 기판; 상기 기판의 상부 표면 중 일부분에 형성된 n-형 반도체 영역; 상기 n-형 반도체 영역을 기준으로 상기 기판 상에 상호 이격되게 형성된 절연체층; 상기 절연체층의 이격된 부분을 채우도록 형성된 2D 물질층; 상기 절연체층 및 상기 2D 물질층 상에 형성된 TCO층; 상기 TCO층 상에 형성된 제1 전극; 및 상기 제1 전극과 상호 이격되어 상기 TCO층 상에 형성된 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 광전자소자는 기판; 상기 기판의 상부 표면 중 일부분에 형성된 n-형 반도체 영역; 상기 n-형 반도체 영역을 기준으로 상기 기판 상에 상호 이격되게 형성된 절연체층; 상기 절연체층의 이격된 부분을 채우도록 형성된 2D 물질층; 상기 절연체층 및 상기 2D 물질층 상에 형성된 TCO층; 상기 TCO층 상에 형성된 제1 전극; 및 상기 제1 전극과 상호 이격되어 상기 TCO층 상에 형성된 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 2D 물질 기반의 광전자소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 도핑 농도 및 두께 제어가 용이하지 않은 2D 물질의 한계점을 극복함으로써 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
광전자소자는 광 신호를 전기 신호로 변환시키는 것으로, 포토 다이오드(photo-diode) 등의 포토 디텍터, 광 트랜지스터 등을 포함한다. 일반적인 포토 디텍터는 실리콘 기판에 이온 주입 방식 등에 의하여 도핑 영역이 형성된 다층 구조의 반도체 박막을 포함하도록 형성된다.
한편, 얇고 우수한 물리적 특성을 갖는 그래핀이 발견된 이후, 2D 물질에 대한 많은 연구가 수행되고 있다. 최근에는 그래핀 이외의 다양한 2D 물질에 대해서도 많은 연구가 진행되고 있으며, 이들은 주로 전이금속 칼코겐 화합물로서(transition metal dichalcogenides) TMDC로 불린다.
2D 물질은 원자층과 원자층 사이가 화학적 결합 없이 반데르발스(van der Waals : vdW) 힘에 의해 결합되어 있어, 물질의 격자와 무관하게 다양한 이종 접합 (heterostructure)를 형성할 수 있다.
그러나, 2D 물질의 본질적으로 낮은 광흡수는 2D-2D 이종 구조, 특히 긴 침투 깊이가 선호되는 적외선 범위에 기반한 포토 디텍터에서 낮은 광 반응성을 초래한다.
따라서, 낮은 광검출 특성을 개선하기 위해서, 기존의 3D 반도체와 2D 물질을 적층하는 대안 전략이 채택되고 있으나, 여전히 2D 물질에서는 도핑과정의 제어, 즉 도핑 농도 및 두께의 제어가 용이하지 않아 광전자소자에 활용하는 데 어려움이 따른다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 도핑 농도 및 두께 제어가 용이하지 않은 2D 물질의 한계점을 극복하도록 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자는, 기판; 상기 기판의 상부 표면 중 일부분에 형성된 n-형 반도체 영역; 상기 n-형 반도체 영역을 기준으로 상기 기판 상에 상호 이격되게 형성된 절연체층; 상기 절연체층의 이격된 부분을 채우도록 형성된 2D 물질층; 상기 절연체층 및 상기 2D 물질층 상에 형성된 TCO층; 상기 TCO층 상에 형성된 제1 전극; 및 상기 제1 전극과 상호 이격되어 상기 TCO층 상에 형성된 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자의 제조방법은, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판의 상부 표면 중 일부분에 n-형 반도체 영역을 형성하는 단계; 상기 n-형 반도체 영역을 기준으로 상기 기판 상에 절연체층을 상호 이격되게 형성하는 단계; 상기 절연체층의 이격된 부분을 채우도록 2D 물질층을 형성하는 단계; 상기 절연체층 및 상기 2D 물질층 상에 TCO층을 형성하는 단계; 상기 TCO층 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 및 상기 제1 전극과 상호 이격되게 상기 TCO층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 2D 물질층은 p-형 도전형을 가질 수 있다.
상기 2D 물질층은 상기 n-형 반도체 영역에 의해 정해지는 길이를 가질 수 있다.
상기 2D 물질층은 전이금속 칼코겐 화합물(TMDC)층일 수 있다.
상기 TMDC층은 WSe2, MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, SnSe2, SnS2 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 2D 물질층은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane : PDMS) 템플릿을 사용하여 상기 절연체층의 이격된 부분에 전사될 수 있다.
상기 TCO층은 n-형 도전형을 가질 수 있다.
상기 TCO층은 Ga2O3, SnO2, In2O3:Sn, ZnO:Al, AZO, CTO, Cd2SnO4 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 절연체층 상에는 상기 TCO층과의 접촉성을 증가시킬 수 있도록 금속층을 형성할 수 있다.
1550 ㎚의 파장광에 대해, 상기 n-형 반도체 영역의 도핑농도는 4.0E+15 ㎝-3 내지 6.0E+15 ㎝-3 범위가 되고, 상기 n-형 반도체 영역의 두께는 700 ㎚ 내지 940 ㎚ 범위가 될 수 있다.
638 ㎚의 파장광에 대해, 상기 n-형 반도체 영역의 도핑농도는 4.0E+17 ㎝-3 내지 6.0E+17 ㎝-3 범위가 되고, 상기 n-형 반도체 영역의 두께는 97 ㎚ 내지 130 ㎚ 범위가 될 수 있다.
상기 2D 물질층은 39 nm 내지 49 nm의 두께를 가지고, 상기 TCO층은 195 nm 내지 205 nm의 두께를 가질 수 있다.
상기 기판은 Ⅳ족 반도체 물질, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 물질 중 적어도 하나를 포함하는 기판일 수 있다.
상기 기판은 p-형의 Ge 기판일 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따르면, 2D 물질층의 상부 및 하부에 각각 TCO층 및 소정의 도핑영역을 제공하는 방식으로 이중의 이종 접합 구조를 가지도록 함으로써 도핑 농도 및 두께 제어가 용이하지 않은 2D 물질의 한계점을 극복할 수 있는 효과가 있다.
이에 따라, 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자의 제공이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자를 나타내는 단면도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 1550 nm 파장에서의 도핑 프로파일을 보여주는 그래프이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 638 nm 파장에서의 도핑 프로파일을 보여주는 그래프이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 520 nm 파장에서의 전류- 전압의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 1550 nm 파장에서의 전류- 전압의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 520 nm 파장에서의 광반응 속도를 나타내는 그래프이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 1550 nm 파장에서의 광반응 속도를 나타내는 그래프이고,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 파장 함수로서의 광 반응성(Responsivity)을 나타내는 그래프이며,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 파장 함수로서의 광 반응 시간(Response time)를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 1550 nm 파장에서의 도핑 프로파일을 보여주는 그래프이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 638 nm 파장에서의 도핑 프로파일을 보여주는 그래프이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 520 nm 파장에서의 전류- 전압의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 1550 nm 파장에서의 전류- 전압의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 520 nm 파장에서의 광반응 속도를 나타내는 그래프이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 1550 nm 파장에서의 광반응 속도를 나타내는 그래프이고,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 파장 함수로서의 광 반응성(Responsivity)을 나타내는 그래프이며,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 파장 함수로서의 광 반응 시간(Response time)를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자를 나타내는 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 1550 nm 파장에서의 도핑 프로파일을 보여주는 그래프이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 638 nm 파장에서의 도핑 프로파일을 보여주는 그래프이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 520 nm 파장에서의 전류- 전압의 관계를 나타내는 그래프이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 1550 nm 파장에서의 전류- 전압의 관계를 나타내는 그래프이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 520 nm 파장에서의 광반응 속도를 나타내는 그래프이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 1550 nm 파장에서의 광반응 속도를 나타내는 그래프이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 파장 함수로서의 광 반응성(Responsivity)을 나타내는 그래프이며, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 파장 함수로서의 광 반응 시간(Response time)를 나타내는 그래프이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자는 기판(10)과, 상기 기판(10)의 상부 표면 중 일부분에 형성된 n-형 반도체 영역(20)과, 상기 n-형 반도체 영역(20)을 기준으로 상기 기판(10) 상에 상호 이격되게 형성된 절연체층(30)과, 상기 절연체층(30) 상의 금속층(40)과, 상기 절연체층(30) 및 상기 금속층(40)의 이격된 부분을 채우도록 형성된 2D 물질층(50)과, 상기 금속층(40) 및 상기 2D 물질층(50) 상에 형성된 TCO층(60)과, 상기 TCO층(60) 상에 형성된 제1 전극(70)과, 상기 제1 전극(70)과 상호 이격되어 상기 TCO층(60) 상에 형성된 제2 전극(71)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이하, 각 구조에 대해 상세히 설명하도록 한다.
상기 기판(10)은 소정의 파장 영역의 광에 반응, 상세하게는 소정의 파장 영역의 광을 흡수하여 광 전류를 발생시킬 수 있으며, 다양한 기판을 사용할 수 있다.
일례로, 상기 기판(10)은 Ge, Si와 같은 Ⅳ족 반도체 물질, InGaAs, GaAs, GaN, InP과 같은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 물질 등을 포함하는 기판일 수 있다.
상기 기판(110)은 예를 들면 p-형의 도전형을 가질 수 있으나, 필요에 따라 도전형을 가지지 않을 수도 있다.
바람직하게, 상기 기판(10)은 p-형의 Ge 기판일 수 있다.
상기 n-형 반도체 영역(20)은 기판(10)의 일부분에 n형 도펀트 원소를 도입하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 n-형 반도체 영역(20)은 이온 주입 도펀트 중 As을 사용하여 형성되고, 열처리를 통한 도핑영역 확장이 이루어질 수 있다.
상기 절연체층(30)은 Aluminium Oxide (Al2O3)로 형성될 수 있다.
상기 절연체층(30) 상에는 상기 TCO층(60)과의 접촉성을 증가시킬 수 있도록 금속층(40)을 형성할 수 있다. 여기서, 상기 금속층(40)은 알루미늄(Al) 금속층으로 형성되며, 상기 알루미늄 금속층은 순수한 알루미늄으로 형성될 수 있다.
상기 기판(10)의 상부 표면 중 일부분에 형성된 n-형 반도체 영역(20)이 상기 절연체층(30) 및 상기 금속층(40)의 패터닝을 통해서 노출될 수 있다.
상기 절연체층(30) 및 상기 금속층(40)의 이격된 부분에는 2D 물질층(50)이 형성된다.
바람직하게, 상기 2D 물질층(50)은 벌크 결정에서 기계적으로 박리된 후, 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane : PDMS) 템플릿(template)을 사용하여 상기 절연체층(30) 및 상기 금속층(40)의 이격된 부분에 전사될 수 있다.
구체적으로는 벌크 결정에서 박리된 WSe2 플레이크(flakes)는 p-n 접합을 형성하기 위해 80°C의 상승된 단계 온도에서 광학 정렬을 통해 PDMS 템플릿을 사용하여 해당 이격된 부분에 전사될 수 있다.
이외에도, 상기 2D 물질층(50)은 화학기상증착법 등 다양한 증착방법에 의해 형성가능함은 물론이다.
상기 2D 물질층(50)은 자체적으로 p-형 도전형을 가질 수 있다.
바람직하게, 상기 2D 물질층(50)은 상기 n-형 반도체 영역(20)에 의해 정해지는 길이를 가질 수 있다.
2D 물질은 원자층과 원자층 사이가 화학적 결합 없이 반데르발스(vdW) 힘에 의해 결합되어 있어, 물질의 격자와 무관하게 다양한 이종 접합을 형성할 수 있다.
예를 들면, 상기 n-형 반도체 영역(20) 및 상기 2D 물질층(50) 사이나, 상기 2D 물질층(50) 및 상기 TCO층(60) 사이는 반데르발스 힘에 의해 이종 접합 구조가 형성될 수 있다.
다시 말해서, 본 발명에서는 n-형 반도체 영역(20), 2D 물질층(50) 및 TCO층(60) 사이에 이중 p-n 이종 접합이 생성가능하며, 따라서 광 반응성을 수배 정도로 증가시킬 수 있다.
상기 2D 물질층(50)은 전이금속 칼코겐 화합물(TMDC)층일 수 있다.
TMDC는 소위 반데르발스 재료들로서, MX2라는 화학식을 가지는데, 여기서 M은 전이금속(Mo 또는 W)이고 X는 칼코겐(S, Se, Te)이다.
상기 TMDC층은 Tungsten Diselenide (WSe2), Molybdenum sulfide (MoS2), Molybdenum selenide (MoSe2), molybdenum ditelluride (MoTe2), tungsten disulfide (WS2), Tin diselenide (SnSe2), Tin disulfide (SnS2) 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 TMDC층은 광을 효과적으로 흡수하고 방출하며, 따라서 포토 다이오드와 태양전지 등과 같은 다양한 광전자소자를 만드는 데 이상적일 수 있다.
바람직하게, 상기 2D 물질층(50)은 WSe2로 형성될 수 있다.
상기 TCO (Transparent Conducting Oxide) 층(60)은 투명 전도성 물질이면 무방하며, 구체적인 일례로, Gallium oxide (Ga2O3), Tin oxid (SnO2), Indium tin oxide (In2O3:Sn), Alumium zinc oxide(ZnO:Al), Aluminium-doped zinc oxide (AZO), Cadmium tin oxide (CTO), cadmium stannte (Cd2SnO4) 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 TCO층(60)은 예를 들면 n-형의 도전형을 가질 수 있다.
상기 TCO층(60)은 반도체 물질이면서 높은 전기적 특성을 가지고 투명하기 때문에 높은 광 투과율을 가지는 장점이 있다.
바람직하게, 상기 TCO층(60)은 Ga2O3로 형성될 수 있다. 상기 Ga2O3은 특히 넓은 밴드갭의 우수한 물성을 가진다.
상기 제1 및 제2 전극(70, 71)은 E-beam 이베퍼레이션(evaporation) 공정을 통해 증착되고, 기존의 포토리소그래피 및 리프트오프 공정을 사용하여 패턴화될 수 있다.
상기 절연체층(30)은 15 nm 내지 25 nm, 바람직하게는 20 nm의 두께를 가지고, 상기 금속층(40)은 5 nm 내지 15 nm, 바람직하게는 10 nm의 두께를 가질 수 있다.
상기 2D 물질층(50)은 39 nm 내지 49 nm, 바람직하게는 44 nm의 두께를 가질 수 있고, 상기 TCO층(60)은 195 nm 내지 205 nm, 바람직하게는 200 nm의 두께를 가질 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극(70, 71)은 Cr/Au층으로 형성가능하며, 여기서 Cr층은 15 nm 내지 25 nm, 바람직하게는 20 nm의 두께를 가질 수 있고, Au층은 75 nm 내지 85 nm, 바람직하게는 80 nm의 두께를 가질 수 있다.
한편, 상기 2D 물질층(50)의 경우에는 도핑 농도 및 두께 제어에 어려움이 따른다.
이와 관련하여, 본 발명에서는 n-형 반도체 영역(20)을 추가로 제공하고 있으며, 상기 n-형 반도체 영역(20)의 도핑농도 및 두께를 제어함으로써 2D 물질의 도핑 농도 및 두께 제어의 한계를 해결하고 있다.
즉, 본 발명에서는 p-n 접합, 특히 상기 n-형 반도체 영역(20) 및 상기 2D 물질층(50) 사이의 p-n 접합에 있어서, 상기 n-형 반도체 영역(20)의 도핑 농도 및 두께를 조절하는 방식으로 광전자소자의 광검출 성능을 증가시키고 있다. 이때, 상기 2D 물질층(50)은 상기 n-형 반도체 영역(20)과는 상이한 도전형을 가지며, 바람직하게는 그 자체가 p-형 도전형을 가질 수 있다.
본 발명에서는 상기 n-형 반도체 영역(20)의 정확한 도핑농도 및 두께 제어를 위해서 TCAD (Technology Computer-Aided Design) 시뮬레이션을 수행하고 있다.
도 2 및 도 3은 TCAD 시뮬레이션 결과를 보여주고 있는데, 구체적으로 도 2에서는 1550 nm 파장에서의 도핑 프로파일을 보여주며, 도 3에서는 638 nm 파장에서의 도핑 프로파일을 보여주는 그래프이다.
도핑농도의 제어를 위한 이온 주입 공정의 변수로는 크게 도즈(Dose), 에너지, 열처리 온도, 열처리 시간으로 총 4가지 변수가 있다.
본 발명에서는 이러한 4가지 변수를 조절해가면서 수백 개의 조전들 중에서 n-형 반도체 영역(20)의 최적화된 도핑 농도 및 두께를 형성시킬 수 있는 이온 주입 공정 조건을 찾아낼 수 있었다. [표 1]에서는 n-형 반도체 영역(20)의 도핑 농도에 따른 상기 n-형 반도체 영역(20) 및 상기 2차원 물질층(50) 사이의 수직 방향의 공핍 영역의 넓이(폭)를 보여 주고 있다. Ge 기판의 경우에는 638nm, 1500nm의 파장 영역의 광을 약 100nm, 1000nm 만큼 흡수할 수 있기 때문에 그 두께에 해당하는 n-형 반도체 영역(20)의 도핑 농도 및 두께를 [표 1]에서 찾아낼 수 있었다.
| n-형 반도체 영역의 도핑농도 [㎝-3] | n-형 반도체 영역의 두께 [㎚] |
| 4.0E+17 | 96.9 |
| 3.0E+17 | 110.0 |
| 2.0E+17 | 132.8 |
| 1.0E+17 | 186.4 |
| 9.0E+16 | 196.4 |
| 8.0E+16 | 208.3 |
| 7.0E+16 | 222.7 |
| 6.0E+16 | 240.5 |
| 5.0E+16 | 263.5 |
| 4.0E+16 | 294.7 |
| 3.0E+16 | 340.5 |
| 2.0E+16 | 417.3 |
| 1.0E+16 | 590.7 |
| 9.0E+15 | 622.7 |
| 8.0E+15 | 660.5 |
| 7.0E+15 | 706.2 |
| 6.0E+15 | 762.2 |
| 5.0E+15 | 835.7 |
| 4.0E+15 | 934.5 |
바람직하게, 1550 ㎚의 파장광에 대해, 상기 n-형 반도체 영역(20)의 도핑농도는 4.0E+15 ㎝-3 내지 6.0E+15 ㎝-3 범위가 될 수 있고, 상기 n-형 반도체 영역(20)의 두께는 760 ㎚ 내지 940 ㎚ 범위가 될 수 있다.
바람직하게, 638 ㎚의 파장광에 대해, 상기 n-형 반도체 영역(20)의 도핑농도는 2.0E+17 ㎝-3 내지 4.0E+17 ㎝-3 범위가 될 수 있고, 상기 n-형 반도체 영역(20)의 두께는 96 ㎚ 내지 130 ㎚ 범위가 될 수 있다.
[표 1] 및 도 2를 참조하면, 1550 ㎚의 파장광 (적외선)에 대해, 상기 n-형 반도체 영역(20)의 도핑농도는 4.0E+15 ㎝-3임을 알 수 있다. 이때, 상기 n-형 반도체 영역(20)의 두께는 934.5 ㎚ (
1000 nm)가 될 수 있다.
[표 1] 및 도 3을 참조하면, 638 ㎚의 파장광 (가시광)에 대해, 상기 n-형 반도체 영역(20)의 도핑농도는 4.0E+17 ㎝-3임을 알 수 있다. 이때, 상기 n-형 반도체 영역(20)의 두께는 96.9 ㎚ (100 nm)가 될 수 있다.
다시 말해서, 본 발명에 있어서, 1550 nm 및 638nm의 파장광은 n-형 반도체 영역(20)에 대해 각각 약 1000 nm, 100 nm까지 침투할 수 있기 때문에, 상기 n-형 반도체 영역(20)을 1000 nm, 100 nm으로 형성시킬 경우, 광전자소자는 광을 최고의 효율로 흡수할 수 있게 되므로, 광 반응성을 수배 정도로 증가시킬 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, dark 및 조명시 각각의 파장에서의 I-V 특성을 나타내며, 본 발명에 따른 광전자소자는 특히 가시광(520 ㎚) 및 적외선(1550 ㎚) 파장에서 높은 수준의 광 전류가 흐르며, 광 파워의 변화에 따라 구동이 잘 되고 있음을 알 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 가시광(520 ㎚) 및 적외선(1550 ㎚) 파장에서 온(On)/오프(Off)에 따른 반응시간이 수 마이크로 수준으로 매우 빠른 속도로 나타남을 알 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 있어서 2D 물질층(WSe2)만으로 p-n접합이 이루어지는 경우(하부의 WSe2/Ge 그래프)에는 광 반응성이 낮은 반면, TCO층(Ga2O3)과 2D 물질층(WSe2)로 p-n접합이 이루어지는 경우(상부의 Ga2O3/WSe2/Ge 그래프)에는 광 반응성이 매우 높음을 알 수 있다. 후자의 경우, Ga2O3층을 포함함으로써 약 7~10 배 정도로 광 반응성이 증가하였음을 알 수 있다.
도 9를 참조하면, 도 6 및 도 7에 따른 가시광(520 ㎚) 및 적외선(1550 ㎚) 파장 뿐만 아니라 다른 넓은 파장 대역에서도 동일하게 빠른 반응 속도를 가질 수 있음을 알 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 기판
20 : n-형 반도체 영역
30 : 절연체층
40 : 금속층
50 : 2D 물질층
60 : TCO층
70 : 제1 전극
71 : 제2 전극
.
20 : n-형 반도체 영역
30 : 절연체층
40 : 금속층
50 : 2D 물질층
60 : TCO층
70 : 제1 전극
71 : 제2 전극
.
Claims (28)
- 기판;
상기 기판의 상부 표면 중 일부분에 형성된 n-형 반도체 영역;
상기 n-형 반도체 영역을 기준으로 상기 기판 상에 상호 이격되게 형성된 절연체층;
상기 절연체층의 이격된 부분을 채우도록 형성된 2D 물질층;
상기 절연체층 및 상기 2D 물질층 상에 형성된 TCO(Transparent Conducting Oxide)층;
상기 TCO층 상에 형성된 제1 전극; 및
상기 제1 전극과 상호 이격되어 상기 TCO층 상에 형성된 제2 전극을 포함하고,
상기 n-형 반도체 영역과 상기 2D 물질층 사이 및 상기 2D 물질층과 상기 TCO층 사이에는 각각 이종 접합 구조가 형성되는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자. - 제1항에 있어서,
상기 2D 물질층은 p-형 도전형을 가지는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자. - 제1항에 있어서,
상기 2D 물질층은 상기 n-형 반도체 영역에 의해 정해지는 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자. - 제1항에 있어서,
상기 2D 물질층은 전이금속 칼코겐 화합물(TMDC)층인 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자. - 제4항에 있어서,
상기 TMDC층은 WSe2, MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, SnSe2, SnS2 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자. - 제1항에 있어서,
상기 2D 물질층은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane : PDMS) 템플릿을 사용하여 상기 절연체층의 이격된 부분에 전사되는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자. - 제1항에 있어서,
상기 TCO층은 n-형 도전형을 가지는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자. - 제1항에 있어서,
상기 TCO층은 Ga2O3, SnO2, In2O3:Sn, ZnO:Al, AZO, CTO, Cd2SnO4 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자. - 제1항에 있어서,
상기 절연체층 상에는 상기 TCO층과의 접촉성을 증가시킬 수 있도록 금속층을 형성하는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자. - 제1항에 있어서,
1550 ㎚의 파장광에 대해, 상기 n-형 반도체 영역의 도핑농도는 4.0E+15 ㎝-3 내지 6.0E+15 ㎝-3 범위가 되고, 상기 n-형 반도체 영역의 두께는 700 ㎚ 내지 940 ㎚ 범위가 되는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자. - 제1항에 있어서,
638 ㎚의 파장광에 대해, 상기 n-형 반도체 영역의 도핑농도는 4.0E+17 ㎝-3 내지 6.0E+17 ㎝-3 범위가 되고, 상기 n-형 반도체 영역의 두께는 97 ㎚ 내지 130 ㎚ 범위가 되는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자. - 제1항에 있어서,
상기 2D 물질층은 39 nm 내지 49 nm의 두께를 가지고,
상기 TCO층은 195 nm 내지 205 nm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자. - 제1항에 있어서,
상기 기판은 Ⅳ족 반도체 물질, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 물질 중 적어도 하나를 포함하는 기판인 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자. - 제12항에 있어서,
상기 기판은 p-형의 Ge 기판인 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자. - 기판을 준비하는 단계;
상기 기판의 상부 표면 중 일부분에 n-형 반도체 영역을 형성하는 단계;
상기 n-형 반도체 영역을 기준으로 상기 기판 상에 절연체층을 상호 이격되게 형성하는 단계;
상기 절연체층의 이격된 부분을 채우도록 2D 물질층을 형성하는 단계;
상기 절연체층 및 상기 2D 물질층 상에 TCO층을 형성하는 단계;
상기 TCO층 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 및
상기 제1 전극과 상호 이격되게 상기 TCO층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 n-형 반도체 영역과 상기 2D 물질층 사이 및 상기 2D 물질층과 상기 TCO층 사이에는 각각 이종 접합 구조가 형성되는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자의 제조방법. - 제15항에 있어서,
상기 2D 물질층은 p-형 도전형을 가지는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자의 제조방법. - 제15항에 있어서,
상기 2D 물질층은 상기 n-형 반도체 영역에 의해 정해지는 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자의 제조방법. - 제15항에 있어서,
상기 2D 물질층은 전이금속 칼코겐 화합물(TMDC)층인 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자의 제조방법. - 제18항에 있어서,
상기 TMDC층은 WSe2, MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, SnSe2, SnS2 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자의 제조방법. - 제15항에 있어서,
상기 2D 물질층은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane : PDMS) 템플릿을 사용하여 상기 절연체층의 이격된 부분에 전사되는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자의 제조방법. - 제15항에 있어서,
상기 TCO층은 n-형 도전형을 가지는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자의 제조방법. - 제15항에 있어서,
상기 TCO층은 Ga2O3, SnO2, In2O3:Sn, ZnO:Al, AZO, CTO, Cd2SnO4 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자의 제조방법. - 제15항에 있어서,
상기 절연체층 상에는 상기 TCO층과의 접촉성을 증가시킬 수 있도록 금속층을 형성하는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자의 제조방법. - 제15항에 있어서,
1550 ㎚의 파장광에 대해, 상기 n-형 반도체 영역의 도핑농도는 4.0E+15 ㎝-3 내지 6.0E+15 ㎝-3 범위가 되고, 상기 n-형 반도체 영역의 두께는 700 ㎚ 내지 940 ㎚ 범위가 되는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자의 제조방법. - 제15항에 있어서,
638 ㎚의 파장광에 대해, 상기 n-형 반도체 영역의 도핑농도는 4.0E+17 ㎝-3 내지 6.0E+17 ㎝-3 범위가 되고, 상기 n-형 반도체 영역의 두께는 97 ㎚ 내지 130 ㎚ 범위가 되는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자의 제조방법. - 제15항에 있어서,
상기 2D 물질층은 39 nm 내지 49 nm의 두께를 가지고,
상기 TCO층은 195 nm 내지 205 nm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자의 제조방법. - 제15항에 있어서,
상기 기판은 Ⅳ족 반도체 물질, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 물질 중 적어도 하나를 포함하는 기판인 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자의 제조방법. - 제27항에 있어서,
상기 기판은 p-형의 Ge 기판인 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자의 제조방법.
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| KR1020210191963A KR102618344B1 (ko) | 2021-12-30 | 2021-12-30 | 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자 및 그 제조방법 |
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| KR1020210191963A KR102618344B1 (ko) | 2021-12-30 | 2021-12-30 | 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자 및 그 제조방법 |
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-
2021
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 황어진. 선택적 파장 감응이 가능한 MoS2-Ge 이종 접합 구조의 광대역 광검출기. Diss. 아주대학교 일반대학원, 2021.(2021.08.31.)* |
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