KR102651544B1 - 광대역 다기능 광학소자와 그 제조 및 동작방법 - Google Patents

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Abstract

광대역 다기능 광학소자와 그 제조 및 동작방법에 관해 개시되어 있다. 일 실시예에 의한 광대역 다기능 광학소자는 광 흡수특성을 갖는 반도체층, 상기 반도체층과 광 흡수대역이 다른 제1 활성층, 2D 물질층 및 인접한 상기 두 층의 피닝 포텐셜에 영향을 주는 계면층을 포함한다. 상기 광학소자는 적어도 1개의 제2 활성층을 더 포함할 수 있고, 적어도 1개의 2D 물질층을 더 포함하는 탠덤(tandem) 구조를 가질 수 있다. 상기 제1 활성층과 상기 제2 활성층의 광 흡수대역은 서로 다를 수 있다. 상기 광학소자는 제2 계면층을 더 포함할 수 있다.

Description

광대역 다기능 광학소자와 그 제조 및 동작방법{Broadband and multi-purpose optical device and methods of manufacturing and operating the same}
본 개시는 광학소자에 관한 것으로써, 보다 자세하게는 광대역 다기능 광학소자와 그 제조 및 동작방법에 관한 것이다.
이미지 센서로 사용되는 실리콘 씨모스(Si CMOS)는 실리콘(Si) 공정으로 제작되는 보편적인 소자이다. 실리콘 씨모스는 하부 로직회로와 동일하게 제작된다. 그러므로 공정성과 신뢰성이 높고 최신 공정 기술을 적용하기 용이하다. 또한, 실리콘 씨모스는 소형화, 고속화에 유리하여 모바일, 감시, 자동차 등 여러 분야에 사용되고 있다.
실리콘 씨모스의 적용분야로, 가시광 영역을 사용하는 분야뿐만 아니라 바이오 헬스 혹은 보안분야 등 적외선(IR)을 사용하는 분야도 고려하고 있다. 그러나 관심 파장 영역대가 IR로 점차 넓어짐에 따라 기존의 Si 기반 이미지 센서는 광대역에서 충분한 광학적 특성(figure of merit)(예, 반응도(responsivity), 외부양자효율(External quantum efficiency, EQE), 검출도(detectivity), 반응시간(response time))을 나타내지 못한다.
본 개시는 광대역에서 측정하고자 하는 광학특성에 따라 동작전압 튜닝이 가능한 광대역 다기능 광학소자를 제공한다.
본 개시는 이러한 광학소자의 제조방법을 제공한다.
본 개시는 그러한 광학소자의 동작방법을 제공한다.
본 개시에서 일 실시예에 의한 광대역 다기능 광학소자는 광 흡수특성을 갖는 반도체층, 상기 반도체층과 광 흡수대역이 다른 제1 활성층, 2D 물질층 및 인접한 상기 두 층의 피닝 포텐셜에 영향을 주는 계면층을 포함한다.
이러한 광학소자는 적어도 1개의 제2 활성층을 더 포함할 수 있다. 또한, 이러한 광학소자는 적어도 1개의 2D 물질층을 더 포함하는 탠덤(tandem) 구조를 가질 수 있다.
상기 제1 활성층과 상기 제2 활성층의 광 흡수대역은 서로 다를 수 있다.
상기 광학소자는 제2 계면층을 더 포함할 수 있다.
상기 계면층은 상기 반도체층과 상기 제1 활성층 사이에 마련될 수 있다.
상기 계면층은 상기 제1 활성층과 상기 2D 물질층 사이에 배치될 수 있다.
상기 반도체층 밑면에 전극이 배치될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 광학소자는 베이스 기판을 더 포함하고, 상기 베이스 기판 상에 상기 제1 활성층, 상기 계면층, 상기 반도체층 및 상기 2D 물질층이 순차적으로 적층될 수 있다.
상기 계면층은 산화물층 및 질화물층 중 어느 하나일 수 있다.
상기 제1 활성층은 복수의 양자점을 포함하는 양자점층, 2D 반도체 물질층 및 박막 반도체층 중 어느 하나일 수 있다.
상기 제1 활성층이 복수의 양자점을 포함하는 양자점층일 때, 상기 복수의 양자점은 각각 케미칼 리간드로 피막된 것일 수 있다.
상기 계면층은 상기 반도체층과 상기 제1 활성층 사이에 배치되고, 상기 제2 계면층은 상기 제1 활성층과 상기 2D 물질층 사이에 배치될 수 있다.
본 개시에서 일 실시예에 의한 광대역 다기능 광학소자의 제조방법은 광 흡수특성을 갖는 반도체층 상에 제1 계면층을 형성한 다음, 상기 제1 계면층 상에 광학적 제1 활성층을 형성하고, 상기 광학적 제1 활성층 상에 2D 물질층을 형성한다.
이러한 제조방법에서, 상기 제1 계면층을 형성하는 과정은 상기 반도체층의 상부면을 화학적으로 처리하여 자연 산화막 형성을 방지하는 과정 및 상기 화학적으로 처리된 상기 반도체층의 상부면 상에 상기 제1 계면층을 형성하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 제1 활성층과 상기 2D 물질층 사이에 제2 계면층을 형성하는 과정을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 활성층과 상기 2D 물질층 사이에 제2 활성층을 형성하는 과정을 더 포함할 수 있다.
상기 2D 물질층 상에 제2 활성층과 다른 2D 물질층을 반복 교번 적층할 수 있다.
본 개시에서 다른 실시예에 의한 광대역 다기능 광학소자의 제조방법은 베이스 기판 상에 광학적 활성층을 형성하고, 상기 광학적 활성층 상에 계면층을 형성한 다음, 상기 계면층 상에 박막 반도체층을 형성하며, 상기 박막 반도체층 상에 2D 물질층을 형성한다.
본 개시에서 일 실시예에 의한 광대역 다기능 광학소자의 동작방법은 순방향 바이어스를 인가하여 광 흡수에 따른 제1 광학특성을 측정하고, 상기 제1 광학특성을 측정한 후, 역방향 바이어스를 인가하여 광 흡수에 따른 제2 광학특성을 측정한다. 상기 제1 및 제2 광학특성의 측정은 하나의 광학소자로 측정한다.
개시된 일 실시예에 의한 광대역 다기능 광학소자는 반도체층과 광학적 활성층 사이에 얇은 두께의 계면층이 존재한다. 이러한 계면층으로 인해 두 층 사이의 피닝 포텐셜이 조절되는 바, 두 층 사이의 빌트 인 포텐셜이 조절될 수 있다. 이에 따라, 광전특성이 양전압 영역(순방향 바이어스 영역)뿐만 아니라 음전압 영역(역방향 바이어스 영역)에도 나타난다. 따라서 일 실시예에 의한 광학소자를 이용하면, 양쪽 바이어스 영역에서 모두 광 검출과 관련된 특성을 측정할 수 있다.
광 검출과 관련된 특성들은 양전압 영역이나 음전압 영역에서 좋거나 나쁠 수 있는 바, 측정하고자 하는 광학특성에 따라 인가전압(동작전압)의 극성을 바꿔가면서 광학특성을 측정할 수 있다. 곧, 일 실시예에 의한 광학소자는 동작전압을 조절하여 하나의 소자로 여러 광학특성들을 측정할 수 있다.
또한, 일 실시예에 의한 광학소자는 광 활성층으로 Si 반도체층과 함께 양자점층이나 2D 반도체층을 사용하는 바, 가시광 영역뿐만 아니라 적외선 영역까지 포함한 광대역에서 광학특성을 측정할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 의한 광대역 다기능 광학소자의 단면도이다.
도 2는 다른 실시예에 의한 광대역 다기능 광학소자의 단면도이다.
도 3 내지 도 5는 또 다른 실시예에 의한 광대역 다기능 광학소자의 단면도들이다.
도 6은 일 실시예에 의한 광학소자와 기존의 광학소자의 광전작용에서 나타나는 전류-전압 특성을 로그 함수로 나타낸 그래프이다.
도 7은 일 실시예에 의한 광학소자의 광전작용에서 나타나는 전류-전압 특성을 선형(linear) 함수로 나타낸 그래프이다.
도 8은 일 실시예에 의한 광학소자에 대한 광학특성의 하나로 반응속도를 나타내는 포토-트랜션트(photo-transient) 특성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 일 실시예에 의한 광학소자의 검출도와 반응시간을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 일 실시예에 의한 광학소자와 기존의 여러 광학소자들에 대한 파장별 외부 양자 효율(EQE)을 나타낸 그래프이다.
도 11 내지 도 13은 일 실시예에 의한 광대역 다기능 광학소자의 제조방법을 단계별로 나타낸 단면도들이다.
도 14는 일 실시예에 의한 광대역 다기능 광학소자의 동작방법의 설명을 위한 광학소자의 단면도이다.
이하, 일 실시예에 의한 광대역 다기능 광학소자와 그 제조 및 동작방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
도 1은 일 실시예에 의한 광대역 다기능 광학소자를 보여준다.
도 1에 도시된 광학소자는 수광소자의 하나로 광 검출기일 수 있다.
도 1을 참조하면, 광학소자(100)는 순차적으로 적층된 반도체층(10), 계면층(12), 광학적 활성층(optical active layer)(14) 및 그래핀층(16)을 포함한다. 반도체층(10)의 밑면에 하부전극(18)이 마련되어 있다. 그래핀층(16)은 상부전극으로 사용될 수 있다. 계면층(12)은 반도체층(10)과 광학적 활성층(14) 사이에 배치되어 있다. 반도체층(10)도 특정 대역의 광을 흡수하는 광학적 활성층일 수 있다. 반도체층(10)은 가시광 영역의 광을 흡수하여 광전작용을 일으키는 반도체층일 수 있다. 반도체층(10)은, 예를 들면 실리콘(Si) 기판일 수 있다. 반도체층(10)은 n형 또는 p형 물질로 도핑된 것일 수 있다. 반도체층(10)의 두께는 1nm~수백㎛정도일 수 있다. 계면층(12)은 에너지 밴드 엔지니어링(energy band engineering)에 이용될 수 있다. 따라서 계면층(12)은 밴드 엔지니어링층이라 할 수도 있다. 계면층(12)으로 인해 반도체층(10)과 광학적 활성층(14) 사이의 피닝 포텐셜(pining potential)이 조절될 수 있고, 이에 따라 반도체층(10)과 광학적 활성층(14) 사이의 에너지 밴드가 조절될 수 있다. 곧, 반도체층(10)과 활성층(14) 사이의 빌트-인 포텐셜(built-in potential)이 조절될 수 있다. 이에 따라 후술되는 광학특성이 나타나게 된다. 계면층(12)은 산화물층 또는 질화물층일 수 있다. 계면층(12)은 수 나노미터 두께일 수 있는데, 예를 들면 1nm-2nm 정도일 수 있다. 반도체층(10)은 실리콘(Si)외에도 다른 반도체 물질이나 화합물 반도체로 형성될 수 있다. 예를 들면, 반도체층(10)은 게르마늄(Ge)이나 III-V족 물질의 화합물 반도체로 형성된 층일 수 있다. 반도체층(10)의 계면층(12)이 형성된 표면은 화학적으로 처리된 표면일 수 있다. 예컨대, 반도체층(10)의 상부면은 수소가스로 처리된(H2-terminated) 면일 수 있다. 광학적 활성층(14)은 광에 대해 투명한 물질층일 수 있다. 광학적 활성층(14)은 전압이 인가된 상태에서 광전작용에 의해 여기된 캐리어가 터널링이 될 정도로 얇은 두께를 가질 수 있다. 예를 들면, 활성층(14)의 두께는 1nm~수백㎛ 정도일 수 있다. 활성층(14)은 복수의 양자점(quantum dot)을 포함하는 양자점층 또는 2차원 반데르왈스(vdW)층일 수 있다. 상기 양자점층은 콜로이드 양자점(Colloidal Quantum Dot, CQD)층일 수 있는데, 예를 들면 PdS CQD층 또는 Ag2S CQD층일 수 있다. 활성층(14)이 양자점층일 때, 활성층(14)은 반도체층(10)의 상부면에 코팅된 것일 수 있다. 활성층(14)이 양자점층일 때, 양자점층에 포함된 복수의 양자점들은 보호를 위해 각각의 표면이 화학처리 된 것일 수 있다. 예를 들면, 상기 양자점층에 포함된 복수의 양자점들 각각은 케미칼 리간드(chemical ligand)로 피막될 수 있다. 활성층(14)의 두께에 따라 활성층(14)과 반도체층(10) 사이의 저항이 조절될 수 있다. 활성층(14)이 양자점층일 경우, 활성층(14)과 반도체층(10) 사이의 저항은 활성층(14)에 포함된 각 양자점에 코팅된 케미칼 리간드의 종류에 따라 달라질 수 있다. 활성층(14)은 반도체 특성을 나타내는 2차원 물질층(2D material)(이하, 2D 반도체 물질)일 수도 있다. 상기 2D 반도체 물질은, 예를 들면, MoS2, WSe2 등일 수 있다. 활성층(14)은 얇은 두께의 반도체일 수도 있다. 활성층(14)은 n형 또는 p형 물질로 도핑될 수 있다.
활성층(14)은 주어진 특정 파장에서 최대 광 흡수효율(maximum absorption efficiency)을 보이는 광학적 특성을 가질 수 있다. 활성층(14)이 CQD를 포함하는 양자점층일 때, CQD의 특성상 다른 단파장 영역에서도 상당량의 광 흡수가 일어난다. 그러므로, 활성층(14)을 포함하지 않는 수광소자, 곧 반도체층(10)이 주 활성층인 수광소자에 비해 일 실시예에 의한 광학소자는 우수한 광학적 특성을 나타낼 수 있다. 또한, 활성층(14)이 존재함으로써, 근적외선(NIR)-적외선 영역에서의 광흡수 특성도 우수한 바, 가시광 영역 이외의 다양한 파장 영역에서 우수한 수광 효과를 얻을 수 있다.
그래핀층(16)은 투명전극의 하나로 사용될 수 있다. 그래핀층(16)은 에너지적으로 피닝현상을 보이지 않는 상부전극으로 사용될 수 있다. 그래핀층(16)이 상부전극으로 사용되지만, 그래핀층(16)의 일부 영역 상에 별도로 상부전극(20)이 배치될 수도 있다. 그래핀층(20)은 광학적 활성층(14)을 보호하는 보호층일 수 있다. 예컨대, 광학적 활성층(14)이 외부 물질(예, 유기물이나 공기)에 취약한 물질층일 경우, 그래핀층(20)으로 광학적 활성층(14)의 상부면 전체를 덮음으로써, 활성층(14)을 보호할 수 있다. 그래핀층(20)은 n형 또는 p형 도핑물질로 도핑될 수도 있다. 그래핀층(20) 대신에 2D 물질층이 사용될 수도 있다.
도 2은 다른 실시예에 의한 광대역 다기능 광학소자(200)를 보여준다. 도 1의 광학소자(100)와 다른 부분만 설명한다.
도 2를 참조하면, 광학소자(200)는 그래핀층(16)과 광학적 활성층(14) 사이에 배치된 제2 활성층(24)을 더 포함한다. 제2 활성층(24)은 그래핀층(16) 및 활성층(14)과 직접 접촉될 수 있다. 제2 활성층(24)으로 사용되는 물질층은 활성층(14)으로 사용될 수 있는 물질층과 동일할 수 있다. 활성층(14)과 제2 활성층(24)이 순차적으로 배치된 층 구조에서 각 층은 밴드갭이 다른 물질층일 수 있다. 따라서 활성층(14)과 제2 활성층(24)의 광 흡수 중심대역은 다를 수 있다. 이러한 결과로 광학소자(200)는 보다 넓고 다양한 대역에서 광을 흡수할 수 있다.
계면층(12)과 그래핀층(16) 사이에 2개의 활성층(14, 24)이 배치된 경우를 설명하였지만, 계면층(12)과 그래핀층(16) 사이에 3개 이상의 활성층이 배치될 수도 있다.
이와 같이 계면층(12)과 그래핀층(16) 사이에 복수의 광학적 활성층을 배치함으로써, 보다 넓은 대역의 광을 구별하여 검출할 수 있다.
도 3은 또 다른 실시예에 의한 광대역 다기능 광학소자(300)를 보여준다. 도 1의 광학소자(100)와 다른 부분만 설명한다.
도 3을 참조하면, 광학소자(300)는 광학적 활성층(14)과 그래핀층(16) 사이에 제2 계면층(30)이 배치되어 있어 총 2개의 계면층(12, 30)을 포함한다. 제2 계면층(30)은 그래핀층(16) 및 활성층(14)과 직접 접촉될 수 있다. 제2 계면층(30)은 계면층(12)과 동일한 물질층일 수 있다. 광학소자(300)는 2개의 계면층(12, 30) 중 제2 계면층(30)만 포함할 수도 있다.
도 4는 또 다른 실시예에 의한 광대역 다기능 광학소자(400)를 보여준다. 도 1에서 설명한 참조번호와 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 베이스 기판(40) 상에 광학적 활성층(14), 계면층(12), 박막 반도체층(42) 및 그래핀층(16)이 순차적으로 적층되어 있고, 서로 접촉될 수 있다. 베이스 기판(40)은 투명한 기판일 수 있다. 박막 반도체층(42)은 나노미터 정도의 두께이고, 투명할 수 있다. 박막 반도체층(42)은 가시광 영역에서 광 흡수율이 높고, 적외선 영역에서는 상대적으로 낮을 수 있다. 적외선 영역에서는 활성층(14)의 광흡수율이 상대적으로 높을 수 있다. 박막 반도체층(42)은, 예를 들면 n도핑 Si층일 수 있다.
도 5는 또 다른 실시예에 의한 광대역 다기능 광학소자(500)를 보여준다. 도 1에서 설명한 참조번호와 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다. 광학소자(500)는 탠덤(tandem) 구조를 포함한다.
곧, 도 5를 참조하면, 광학소자(500)는 계면층(12) 상에 활성층(14)과 그래핀층(16)이 반복해서 교번 적층된 층 구성을 포함한다. 활성층(14)과 그래핀층(16)의 교번 적층 횟수는 적어도 2회 이상일 수 있다. 이와 같이 활성층(14)과 그래핀층(16)이 교번 적층됨으로써, 활성층(14)의 전체 두께가 증가되어 흡수 광량이 많아지고, 광 흡수대역이 넓어질 수 있다.
도 1 내지 도 5에 예시된 광학소자들(100-500)은 서로 간에 병합되거나 구성요소의 변형 혹은 층과 층 사이에 다른 요소의 부가 등에 의해 다양한 형태로 변형될 수 있다. 도 1 내지 도 5에 예시된 광학소자들(100-500)의 각각의 사이즈는 수 nm~수백 ㎛일 수 있다.
상술한 광학소자들(100-500)은 광을 수광하여 광전작용을 나타내는 바, 태양전지(solar cell)에도 적용될 수 있다.
다음은 일 실시예에 의한 광학소자에 대한 광학특성을 설명한다.
도 6은 일 실시예에 의한 광학소자와 기존의 광학소자의 광전작용에서 나타나는 전류-전압 특성을 보여준다. 도 6은 로그(log) 함수 그래프이다.
도 6의 (a)는 일 실시예에 의한 광학소자의 전류-전압특성을, (b)는 기존의 광학소자의 전류-전압특성을 각각 보여준다.
도 6의 (a)의 결과는 도 1의 광학소자(100)에 850nm 파장의 광을 조사하여 얻었다. 이때, 광학소자(100)에서 반도체층(10)으로 n 도핑 Si층, 계면층(12)으로 산화물층(예, SiO2층), 활성층(14)으로 PbS CQD층, 그래핀층(16)으로 그래핀 시트를 각각 사용하였다.
도 6의 (b)의 결과는 기존의 광학소자에 대한 것으로써, 순차적으로 적층된 반도체층(n도핑 Si층)과 그래핀층(그래핀 시트)을 포함하는 광학소자에 850nm 파장의 광을 조사하여 얻었다.
도 6에서 가로축은 전압을, 세로축은 전류를 나타낸다.
도 6에서 제1 그래프(6G1)는 850nm 파장의 광에 대한 것이고, 제2 그래프(6G2)는 광이 존재하지 않을 때의 결과이다.
도 6의 (a)와 (b)를 비교하면, (a)의 경우, 양전압과 음전압 영역에서 모두 광전특성이 나타나서 광이 조사될 때와 광이 조사되지 않을 때, 측정되는 전류값이 달라진다. 반면, (b)의 경우, 음전압 영역에서만 이러한 광전특성이 나타난다.
도 6의 결과를 통해서, 일 실시예에 의한 광학소자의 경우, 계면층(12)을 통한 밴드 엔지니어링을 통해 순방향(forward) 바이어스와 역방향(reverse) 바이어스 모두에서 광전특성이 존재함을 알 수 있다.
도 7은 일 실시예에 의한 광학소자의 광전작용에서 나타나는 전류-전압 특성을 보여준다. 도 7은 선형(linear) 함수로 나타낸 그래프이다.
도 7의 결과를 얻기 위해 도 6의 (a)의 결과를 얻는데 사용한 광학소자를 사용하였고, 해당 광학소자에 514nm 파장과 850nm 파장의 광을 조사하였다.
도 7에서 가로축은 전압을, 세로축은 전류를 나타낸다.
도 7에서 제1 그래프(7G1)는 514nm 파장의 광(가시광 영역)에 대한 결과이고, 제2 그래프(7G2)는 850nm 파장의 광(적외선 영역)에 대한 결과이며, 제3 그래프(7G3)는 아무런 광을 조사하지 않았을 때의 결과이다.
도 7을 참조하면, 양전압 영역과 음전압 영역에서 모두 광전특성이 나타나지만, 특히 양전압 영역에서 광전특성이 큰 것을 볼 수 있다.
도 7의 이러한 결과는 일 실시예에 의한 광학소자는 양전압 영역에서 가시광 영역과 적외선 영역에 대해 모두 반응도와 외부 양자 효율이 우수함을 시사한다.
도 8은 일 실시예에 의한 광학소자에 대한 광학특성의 하나로 반응속도를 나타내는 포토-트랜션트(photo-transient) 특성을 측정한 결과를 보여준다.
도 8의 결과는 도 6의 (a)의 결과를 얻기 위해 사용한 일 실시예에 의한 광학소자에 850nm의 광을 조사하여 얻었다.
도 8의 (a)는 광 조사 동안에 하부전극(18)과 상부전극(그래핀층)(16) 사이에 동작전압으로 +1.0V를 인가하여 얻은 결과를 나타낸다.
도 8의 (b)는 광 조사 동안에 하부전극(18)과 상부전극(그래핀층)(16) 사이에 동작전압으로 +1.5V를 인가하여 얻은 결과를 나타낸다.
도 8의 (c)는 광 조사 동안에 하부전극(18)과 상부전극(그래핀층)(16) 사이에 동작전압으로 +2.0V를 인가하여 얻은 결과를 나타낸다.
도 8에서 가로축은 시간을, 세로축은 전류를 나타낸다.
도 8의 (a) 내지 (c)를 비교하면, 인가전압에 따라 반응속도가 수십㎲~수초까지 달라짐을 알 수 있다.
도 9는 일 실시예에 의한 광학소자의 검출도(detectivity)와 반응시간을 측정한 결과를 보여준다.
도 9의 결과는 도 6의 (a)의 결과를 얻기 위해 사용한 일 실시예에 의한 광학소자에 850nm의 광을 조사하여 얻었다.
도 9에서 가로축은 전압을, 왼쪽 세로축은 검출도를, 오른쪽 세로축은 반응시간을 각각 나타낸다.
도 9에서 제1 그래프(9G1)는 인가전압에 따른 반응시간을 나타내고, 제2 그래프(9G2)는 인가전압에 따른 검출도를 나타낸다.
도 9의 제1 및 제2 그래프(9G1, 9G2)를 참조하면, 검출도와 반응시간의 상관관계를 알 수 있다. 곧, 양전압 영역(순방향 바이어스)에서 검출도가 높고, 반응시간이 길며, 음전압 영역(역방향 바이어스)에서 상대적으로 검출도가 낮고, 반응시간이 짧은 것을 알 수 있다.
다음 표 1은 일 실시예에 의한 다기능 광학소자에 대한 인가전압에 따른 광학특성을 수치로 나타낸 것이다. 표 1의 결과는 도 6의 (a)의 결과를 얻는데 사용한 광학소자를 사용하여 얻었다.
V d (V) EQE (R) D* I dark (A) T fall (㎲)
-3.0 18.92(0.13) 1.85×1011 1.5×10-6 ~10
-2.0 12.73(0.087) 1.73×1011 7.8×10-7 ~10
+1.0 286.6(1.96) 7.45×1012 2.1×10-7 38
+1.5 556.28(3.81) 9.61×1012 4.9×10-7 ~500
+2.0 648.69(4.45) 9.27×1012 7.2×10-7 <1,000
+2.5 648.49(4.445) 8.2×1012 1×10-6 <1,000
도 9와 표 1을 참조하면, 역방향 바이어스(음전압 영역)보다 순방향 바이어스(양전압 영역)에서 상대적으로 감도(sensitivity) 혹은 검출도가 우수하고, 역방향 바이어스(음전압 영역)에서 상대적으로 반응속도가 빠르다.
이러한 광학특성을 고려할 때, 일 실시예에 의한 광학소자는 원하는 광학특성에 맞춰 다양한 방법으로 동작시킬 수 있다. 예컨대, 고 감도(high sensitivity)와 정지화면 수준의 정보가 필요할 경우, 일 실시예에 의한 광학소자는 순방향 바이어스를 인가하여 동작시킬 수 있다. 그리고 상대적으로 감도가 낮더라도 상대적으로 빠른 반응속도를 원할 때, 일 실시예에 의한 광학소자는 인가전압의 극성을 바꿔서 역방향 바이어스를 인가하여 동작시킬 수 있다.
이와 같이, 일 실시예에 의한 다기능 광학소자는 하나의 소자로 여러 광학특성을 구현하는데 사용될 수 있다.
도 10은 일 실시예에 의한 광학소자와 기존의 여러 광학소자들에 대한 파장별 외부 양자 효율을 보여준다.
도 10에서 제1 그래프(10G1)는 일 실시예에 의한 광학소자에 대한 결과를 나타낸다. 이러한 결과를 얻는데 사용한 광학소자는 도 6의 (a)의 결과를 얻기 위해 사용한 광학소자와 동일하되, 반도체층(10)으로, n 도핑 Si층 대신 n 도핑 SOI층을 사용하였고, 활성층(14)으로 PdS CQD층 대신 Ag2S CDQ층을 사용하였다. 그리고 동작전압으로 -2.0V를 인가하였다.
도 10에서 제2 내지 제4 그래프(10G2-10G4)는 기존의 제1 내지 제3 광학소자에 대한 결과를 나타낸다. 상기 기존의 제1 광학소자로는 Si 기반 PN 다이오드를 사용하였다. 상기 기존의 제2 광학소자로는 순차적으로 적층된 n형 Si층과 그래핀층을 포함하는 광학소자를 사용하였고, -1.0V의 전압을 인가하였다. 상기 기존의 제3 광학소자로는 순차적으로 적층된 n 도핑 SOI층과 그래핀층을 포함하는 광학소자를 사용하였고, -6.0V의 전압을 인가하였다.
도 10에서 가로축은 파장을, 세로축은 외부 양자 효율(EQE)을 나타낸다.
도 10의 제1 내지 제4 그래프(10G1-10G4)를 비교하면, 가시광 영역과 적외선 영역을 포함하는 광대역 파장영역에서 일 실시예에 의한 광학소자의 외부 양자 효율이 기존의 광 검출소자 보다 우수함을 알 수 있다. 따라서 일 실시예에 의한 광학소자는 광대역에서 고감도 광 검출소자로 사용될 수 있다.
다음, 일 실시예에 의한 다기능 광학소자의 제조방법을 도 11 내지 도 13을 참조하여 설명한다.
도 11을 참조하면, 반도체층(10) 상에 계면층(12)을 형성한다. 계면층(12)은 반도체층(10)의 상부면 전체를 덮을 수 있다. 계면층(12)을 형성하기 전에 반도체층(10)의 상부면을 화학적으로 처리하여 자연 산화막이 형성되는 것을 방지할 수 있다. 일 예로 반도체층(10)의 상부면은 수소로 처리될 수 있다(H2-terminated). 반도체층(10)은 실리콘, 게르마늄 또는 III-V족 화합물 반도체 등으로 형성할 수 있다. 반도체층(10)은 형성 중에 혹은 형성 후에 n형 또는 p형 도핑물질로 도핑될 수 있다. 계면층(12)은 나노 수준의 두께로 형성할 수 있는데, 예를 들면 10nm 이하로 형성할 수 있고, 더 나아가서 1nm~2nm 정도의 두께로 형성할 수 있다. 계면층(12)은 산화막 또는 질화막으로 형성할 수 있다. 계면층(12)은 원자층 적층(ALD)법으로 형성할 수 있으나, 이것으로 제한되지 않는다.
도 12를 참조하면, 계면층(12) 상에 광학적 활성층(14)을 형성한다. 광학적 활성층(14)은 복수의 양자점들을 포함하는 양자점층, 2D 반도체 물질층 또는 얇은 반도체층으로 형성할 수 있다. 활성층(14)은 형성 중이나 형성 후에 n형이나 p형 도핑물질로 도핑될 수 있다. 활성층(14)이 복수의 양자점들을 포함하는 양자점층일 때, 각 양자점은 케미칼 리간드로 피막될 수 있다. 활성층(14) 상에 그래핀층(16)을 형성한다. 그래핀층(16)은 다양한 형태로 형성될 수 있다. 일 예로 그래핀층(16)은 그래핀 시트로 형성될 수 있다. 그래핀층(16)은 활성층(14)의 상부면 전체를 덮을 수 있다. 이러한 그래핀층(16)은 활성층(14) 상에 직접 형성할 수도 있지만, 외부에서 형성된 그래핀을 활성층(14) 상에 전사하는 형태로 형성할 수 있다. 그래핀층(16)을 상부전극으로 사용될 수 있다.
다음, 도 13에 도시한 바와 같이, 반도체층(18)의 밑면에 하부전극(18)을 형성한다. 하부전극(18)은, 예를 들면 금속전극일 수 있다. 하부전극(18)은 부착하거나 패터닝 방법으로 형성할 수 있다.
도 1에서 설명한 바와 같이, 그래핀층(16) 상에 별도의 상부전극(20)을 더 형성할 수도 있다.
한편, 상술한 제조방법에서, 계면층(12)이나 활성층(14)은 도 2와 도 3에 도시한 바와 같이 추가될 수 있다. 또한, 도 4에 도시한 바와 같이 베이스 기판(40)을 준비하고, 베이스 기판(40) 상에 활성층(14), 얇은 Si층(42) 및 그래핀층(16)을 순차적으로 적층하여 형성할 수도 있다. 또한, 도 5에 도시한 바와 같이, 활성층(14)과 그래핀층(16)을 반복해서 교번 적층하여 형성할 수도 있다.
다음은, 일 실시예에 의한 광학소자의 동작방법을 설명한다.
도 14에 도시한 바와 같이, 그래핀층(16)과 하부전극(18) 사이에 동작전압(Vd)을 인가한다. 이 상태에서 광학소자에 광(140)을 조사하고, 광전작용에 의해 발생되는 전류를 측정한다.
도 6 및 도 7에서 설명한 바와 같이 일 실시예에 의한 광학소자의 경우, 양전압 영역(순방향 바이어스)과 음전압 영역(역방향 바이어스)에서 모두 광전특성이 나타나고, 도 9와 표 1에서 알 수 있듯이, 광학특성에 따라 상대적으로 우수하게 측정되는 전압영역이 다른 바, 상기 동작과정에서, 측정하고자 하는 광학특성에 따라 인가전압의 극성을 다르게 할 수 있다.
예를 들어, 상대적으로 높은 감도와 정지화면 수준의 정보가 필요한 경우, 표 1에 예시된 바와 같이 0V보다 크고 3V보다 작은 양전압을 인가(순방향 바이어스 인가)할 수 있고, 감도가 낮더라도 빠른 응답속도를 원할 경우, 인가전압의 극성을 바꿔서 음전압을 인가(역방향 바이어스 인가)할 수 있다.
상술한 동작방법에서 전압인가는 순차적으로 조절할 수도 있다. 예컨대, 제1 광학특성(예, 감도)을 주요 특성으로 측정한 후, 이어서 반응속도를 주요 특성으로 측정할 수도 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고, 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
10:반도체층 12:계면층
14:광학적 활성층 16:그래핀층
18:하부전극 20:상부전극
24:제2 활성층 30:제2 계면층
40:베이스 기판 42:박막 반도체층
100, 200, 300, 400, 500:광학소자
140:광

Claims (20)

  1. 광 흡수특성을 갖는 반도체층;
    상기 반도체층과 다른 광 흡수대역을 가지며, 상기 반도체층의 일 면과 마주하게 배치된 제1 활성층;
    상기 제1 활성층의 일면과 마주하게 배치된 2D 물질층; 및
    상기 반도체층과 상기 제1 활성층 사이의 빌트-인 포텐셜에 영향을 주는 위치에 배치되고, 상기 제1 활성층의 상기 일면과 마주하게 배치된 제1 계면층;을 포함하고,
    상기 제1 계면층은 상기 제1 활성층에 직접 접촉되고 상기 2D 물질층과 이격되며,
    상기 제1 활성층, 상기 2D 물질층 및 상기 제1 계면층은 모두 상기 반도체층의 상기 일면에 수직한 방향으로 상기 반도체층의 상기 일면 상에 적층되어 있고,
    상기 반도체층은 Si층, p형 또는 n형 물질로 도핑된 물질층, Ge층, 및 III-V족 물질의 화합물 반도체층 중 하나이고,
    상기 제1 활성층은 양자점층, 2차원 반데르왈스층, 2D 반도체 물질층 및 박막 반도체층 중 하나이고, 상기 양자점층은 콜로이드 양자점층이며,
    상기 제1 계면층은 산화물층과 질화물층 중 어느 하나인 광대역 다기능 광학소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    적어도 1개의 제2 활성층을 더 포함하는 광대역 다기능 광학소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    적어도 1개의 2D 물질층을 더 포함하는 탠덤(tandem) 구조를 갖는 광대역 다기능 광학소자.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 활성층과 상기 제2 활성층의 광 흡수대역은 서로 다른 광대역 다기능 광학소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 2D 물질층에 인접한 제2 계면층을 더 포함하는 광대역 다기능 광학소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 계면층은 상기 반도체층과 상기 제1 활성층 사이에 마련된 광대역 다기능 광학소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 계면층은 상기 제1 활성층과 상기 2D 물질층 사이에 배치된 광대역 다기능 광학소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체층 밑면에 전극이 배치된 광대역 다기능 광학소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    베이스 기판을 더 포함하고,
    상기 베이스 기판 상에 상기 제1 활성층, 상기 제1 계면층, 상기 반도체층 및 상기 2D 물질층이 순차적으로 적층된 광대역 다기능 광학소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 계면층은 산화물층 및 질화물층 중 어느 하나인 광대역 다기능 광학소자.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 활성층은 복수의 양자점을 포함하는 양자점층, 2D 반도체 물질층 및 박막 반도체층 중 어느 하나인 광대역 다기능 광학소자.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 활성층이 복수의 양자점을 포함하는 양자점층일 때, 상기 복수의 양자점은 각각 케미칼 리간드로 피막된 광대역 다기능 광학소자.
  13. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 계면층은 상기 반도체층과 상기 제1 활성층 사이에 배치되고,
    상기 제2 계면층은 상기 제1 활성층과 상기 2D 물질층 사이에 배치된 광대역 다기능 광학소자.
  14. 광 흡수특성을 갖는 반도체층 상에 제1 계면층을 형성하는 단계;
    상기 제1 계면층 상에 광학적 제1 활성층을 형성하는 단계; 및
    상기 광학적 제1 활성층 상에 2D 물질층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 제1 계면층은 상기 제1 활성층에 직접 접촉되고 상기 2D 물질층과 이격되며,
    상기 제1 활성층, 상기 2D 물질층 및 상기 제1 계면층은 모두 상기 반도체층의 일면에 수직한 방향으로 상기 반도체층의 상기 일면 상에 적층되어 있고,
    상기 반도체층은 Si층, p형 또는 n형 물질로 도핑된 물질층, Ge층, 및 III-V족 물질의 화합물 반도체층 중 하나이고,
    상기 제1 활성층은 양자점층, 2차원 반데르왈스층, 2D 반도체 물질층 및 박막 반도체층 중 하나이고, 상기 양자점층은 콜로이드 양자점층이며,
    상기 제1 계면층은 산화물층과 질화물층 중 어느 하나인 광대역 다기능 광학소자의 제조방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 계면층을 형성하는 단계는,
    상기 반도체층의 상부면을 화학적으로 처리하여 자연 산화막 형성을 방지하는 단계; 및
    상기 화학적으로 처리된 상기 반도체층의 상부면 상에 상기 제1 계면층을 형성하는 단계;를 포함하는 광대역 다기능 광학소자의 제조방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 활성층과 상기 2D 물질층 사이에 제2 계면층을 형성하는 단계를 더 포함하는 광대역 다기능 광학소자의 제조방법.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1 활성층과 상기 2D 물질층 사이에 제2 활성층을 형성하는 단계를 더 포함하는 광대역 다기능 광학소자의 제조방법.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 2D 물질층 상에 제2 활성층과 다른 2D 물질층을 반복 교번 적층하는 단계를 더 포함하는 광대역 다기능 광학소자의 제조방법.
  19. 삭제
  20. 청구항 1의 광대역 다기능 광학소자의 동작 방법에 있어서,
    순방향 바이어스를 인가하여 광 흡수에 따른 제1 광학특성을 측정하는 단계; 및
    상기 제1 광학특성을 측정한 후, 역방향 바이어스를 인가하여 광 흡수에 따른 제2 광학특성을 측정하는 단계;를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 광학특성의 측정은 하나의 광학소자로 측정하는 광대역 다기능 광학소자의 동작방법.
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