KR20110105261A - 적어도 하나의 양자점을 임베디드한 전자 소자 및 열상 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 반도체 소자는 기판; 및 상기 기판상에 부유되고(suspended), 적외선이 흡수될 때 발생하는 저항 변화를 감지하는 감지부를 포함하고, 상기 감지부는 적어도 하나의 양자점(Quantum Dot)이 임베디드(embedded)되며 상기 적어도 하나의 양자점을 이용하여 상기 적외선이 흡수될 때 발생하는 저항의 변화를 감지한다.
Description
본 발명은 전자 소자 및 열상 센서에 관한 것으로, 더 구체적으로 적어도 하나의 양자점을 임베디드한 전자 소자 및 열상 센서에 관한 것이다.
통상의 열상 센서는 적외선을 흡수하여 온도가 올라갈 때 발생하는 저항 변화를 이용한다.
이러한 열상 센서는 열상 센서 물질의 온도저항계수(TCR:Temperature Coefficient of Resistance)가 2~3% 이하이고, 필요한 감도를 얻기 위하여 멤스(MEMS) 구조 및 고진공 패키징(packaging)이 필요하기 때문에 공정이 복잡하며, 고비용이 발생한다.
또한, 상기 물질의 특성이 고정되어 있어 동작 온도 범위 등의 응용에 따른 물질의 최적 설계가 어려운 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 복잡한 멤스 공정이나 고진공 패키징 없이 원하는 감도를 얻도록 하는 전자 소자 및 열상 센서를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 전자 소자는 기판; 및 상기 기판상에 부유되고(suspended), 적외선이 흡수될 때 발생하는 저항 변화를 감지하는 감지부를 포함할 수 있다.
상기 감지부는 적어도 하나의 양자점(Quantum Dot)이 임베디드(embedded)되며 상기 적어도 하나의 양자점을 이용하여 상기 적외선이 흡수될 때 발생하는 저항의 변화를 감지할 수 있다.
또한, 상기 감지부는 상기 적어도 하나의 양자점의 입자 에너지가 쿨롱 장벽(Coloumb blockade) 에너지를 넘으면서 수반되는 저항 변화를 감지할 수 있다.
또한, 상기 감지부는 상기 적어도 하나의 양자점의 개수를 가변시켜 문턱 전압 또는 전이 온도를 변화시키고, 상기 문턱 전압 또는 전이 온도가 변화됨으로써 상기 입자 에너지의 변화가 발생하여 수반되는 저항 변화를 감지할 수 있다.
또한, 상기 감지부는 상기 적어도 하나의 양자점의 크기를 가변시켜 전이 온도를 변화시키고, 상기 전이 온도가 변화됨으로써 상기 입자 에너지의 변화가 발생하여 수반되는 저항 변화를 감지할 수 있다.
또한, 상기 전자 소자는 상기 감지부와 연결되는 전극쌍을 더 포함하며, 상기 감지부는 상기 전극쌍 사이에 위치할 수 있다.
또한, 상기 감지부는 상기 전극쌍의 사이 간격을 가변시켜 문턱 전압 또는 전이 온도를 변화시키고, 상기 문턱 전압 또는 전이 온도가 변화됨으로써 상기 입자 에너지의 변화가 발생하여 수반되는 저항 변화를 감지할 수 있다.
또한, 상기 기판의 물질은 실리콘(Si), 실리콘(Si) 산화물, 실리콘(Si) 질화물, 
및 
중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 적어도 하나의 양자점의 물질은 Au, Pt, Cu, Cr, Al 및 좁은 밴드폭(narrow bandgap) 반도체 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 열상 센서는 기판; 각각이 상기 기판상에 부유되고(suspended), 적어도 하나의 양자점(Quantum Dot)이 임베디드(embedded)되며 상기 적어도 하나의 양자점을 이용하여 적외선이 흡수될 때 발생하는 저항의 변화를 감지하는 둘 이상의 감지부; 및 각각이 상기 둘 이상의 감지부 중 대응하는 감지부와 연결되는 둘 이상의 전극쌍을 포함할 수 있다.
상기 둘 이상의 감지부 각각은 대응하는 전극쌍 사이에 위치할 수 있다.
또한, 상기 둘 이상의 전극쌍은 각각 서로 다른 전극 사이 간격을 갖을 수 있다.
또한, 상기 둘 이상의 전극쌍의 전극 사이 간격은 상기 적어도 하나의 양자점의 개수에 의하여 조절될 수 있다.
또한, 상기 둘 이상의 감지부는 각각 서로 다른 크기를 갖는 적어도 하나의 양자점을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 열상 센서 감지 방법은 기판상에 상기 기판상에 부유되고(suspended), 적외선이 흡수될 때 발생하는 저항 변화를 감지하는 감지부를 부유시키는 단계; 상기 감지부에 적어도 하나의 양자점을 임베디드시키는 단계; 및 상기 적어도 하나의 양자점을 이용하여 상기 적외선이 흡수될 때 발생하는 저항의 변화를 감지하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 감지하는 단계는 상기 적어도 하나의 양자점의 입자 에너지가 쿨롱 장벽(Coloumb blockade) 에너지를 넘으면서 수반되는 저항 변화를 감지하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 감지하는 단계는 상기 적어도 하나의 양자점의 개수를 가변시켜 문턱 전압 또는 전이 온도를 변화시키고, 상기 문턱 전압 또는 전이 온도가 변화됨으로써 상기 입자 에너지의 변화가 발생하여 수반되는 저항 변화를 감지하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 감지하는 단계는 상기 적어도 하나의 양자점의 크기를 가변시켜 전이 온도를 변화시키고, 상기 전이 온도가 변화됨으로써 상기 입자 에너지의 변화가 발생하여 수반되는 저항 변화를 감지하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 감지부는 전극쌍 사이에 위치하며, 상기 감지하는 단계는 상기 전극쌍의 사이 간격을 가변시켜 문턱 전압 또는 전이 온도를 변화시키고, 상기 문턱 전압 또는 전이 온도가 변화됨으로써 상기 입자 에너지의 변화가 발생하여 수반되는 저항 변화를 감지하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전자 소자 및 열상 센서는 복잡한 멤스 공정이나 고진공 패키징 없이 원하는 감도를 얻을 수 있어 공정이 단순해지며, 비용이 절감되는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명에 따른 전자 소자 및 열상 센서는 양자점의 특성을 이용하여 매우 높은 온도저항계수를 얻을 수 있는 효과가 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 소자를 나타내기 위한 도면이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 전자 소자의 단면도의 일 예이다.
도 2 및 도 3은 양자점의 쿨롱 장벽(Coulomb Blockade) 및 온도에 따른 전도 현상과 온도에 따른 저항 변화를 나타내기 위한 도면이다.
도 4는 문턱 전압과 온도와의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 적어도 하나의 양자점을 포함하는 감지층 및 이와 연결되는 전극을 도시하는 도면이다.
도 6은 적어도 하나의 양자점의 개수를 변화시키는 경우 문턱 전압이 변화되는 것을 도시하는 도면이다.
도 7은 양자점의 두 크기 분포에 따른 그래프를 나타내는 도면이다.
도 8은 양자점의 두 크기 분포에 따른 온도-저항 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 열상 센서의 단면도의 일 예들을 나타낸다.
도 10은 도 9a에 도시된 실시예에서 전극 간의 간격에 따라 온도-비저항 특성이 변화하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 열상 센서 감지 방법의 흐름도를 나타내기 위한 도면이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 전자 소자의 단면도의 일 예이다.
도 2 및 도 3은 양자점의 쿨롱 장벽(Coulomb Blockade) 및 온도에 따른 전도 현상과 온도에 따른 저항 변화를 나타내기 위한 도면이다.
도 4는 문턱 전압과 온도와의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 적어도 하나의 양자점을 포함하는 감지층 및 이와 연결되는 전극을 도시하는 도면이다.
도 6은 적어도 하나의 양자점의 개수를 변화시키는 경우 문턱 전압이 변화되는 것을 도시하는 도면이다.
도 7은 양자점의 두 크기 분포에 따른 그래프를 나타내는 도면이다.
도 8은 양자점의 두 크기 분포에 따른 온도-저항 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 열상 센서의 단면도의 일 예들을 나타낸다.
도 10은 도 9a에 도시된 실시예에서 전극 간의 간격에 따라 온도-비저항 특성이 변화하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 열상 센서 감지 방법의 흐름도를 나타내기 위한 도면이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기구성 요소들은 상기용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는한, 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 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 소자를 나타내기 위한 도면이다. 상기 전자 소자는 초전형 적외선 센서, 볼로미터 적외선 센서 및/또는 열전대형 적외선 센서 등의 열상 센서가 있다.
도 1a는 상기 전자 소자의 일 예로 볼로미터 단위 셀(bfolometer unit cell, 100)을 도시하며, 도 1b는 도 1a에 도시된 전자 소자를 절단선(a-a')로 절단시켜 도시한 단면도의 일 예를 나타낸다.
도 1a 및 도 1b를 참고하면, 상기 볼로미터 단위 셀(100)은 ROIC(Readout integrated circuits, 120), 지지수단(130), 전극쌍(800), 및 감지부(180)를 포함한다.
상기 ROIC(120)는 상부에 반사층(170)을 포함하며, 지지수단(130)에 의하여 상기 감지부(180)와 연결된다. 이때, 상기 지지수단(130)은 도전성의 지지수단에 해당할 수 있다. 이때, 상기 ROIC(120)는 실리콘(Si) 및 Si의 산화물과 질화물, 
, 
등의 메탈 옥사이드(metal oxide)로 이루어질 수 있다.
상기 감지부(180)는 상기 지지수단(130)에 의해 연결되어 입사되는 광선(예컨대, 적외선)의 흡수가 최대가 되도록 하기 위하여 상기 반사층(170)과 에어갭(Air Gap)을 사이에 두고 일정 간격 이격되어(또는 부유되어(suspended)) 형성될 수 있으며, 전극쌍(800) 사이에 구성될 수 있다.
상기 감지부(180)는 감지층(140), 제1구조층(151), 제2구조층(152) 및 흡수층(160)을 포함하며, 하부에서 상부순으로, 제1구조층(151), 감지층(140), 제2구조층(152) 및 흡수층(160) 순으로 형성될 수 있다.
상기 흡수층(160)은 입사되는 광선(예컨대, 적외선)을 흡수하며, 상기 감지층(140)은 상기 입사되는 광선을 이용하여 저항 변화 및 온도 변화를 감지할 수 있다.
상기 감지층(140)은 a-Si(Amorphous Silicon) 또는
로 이루어질 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 감지층(140)은 적어도 하나의 양자점(Quantum, 110)이 임베디드(embedded)되며, 상기 양자점(110)의 특성을 이용하여 저항 변화 및 온도 변화를 감지할 수 있다. 이때, 상기 양자점(110)의 물질은 Au,Pt,Cu,Cr,Al 등의 금속 및 좁은 밴드폭(narrow-bandgap) 반도체 물질 중 적어도 하나를 포함한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점의 특성에 대하여 설명하기 위한 도면이다. 도 2는 양자점(110)의 쿨롱 장벽(Coulomb Blockade) 및 온도에 따른 전도 현상을 나타내기 위한 도면이다.
도 2를 참고하면, 양자점(110)을 통하여 캐리어(carrier)가 전도되기 위해서는 양자점(110)을 충전(chaging)시킬 수 있는 에너지(E2)인 쿨롱 장벽이 필요하다.
(여기서, C는 양자점의 캡(cap), e는 전하량)
또한, 양자점을 포함한 모든 입자는 온도에 따라 에너지(E1)을 갖는다. 에너지(E1)은 아래 수학식2와 같다.
(여기서, k는 볼츠만 상수, T는 전이온도(절대온도))
상기 캐리어가 온도에 따라 열적으로 여기되어 일정온도 이상이 되면, 상기 수학식1에 따라 에너지(E1)가 상기 에너지(E2)를 뛰어 넘을 수 있고(도 2의 화살표 참고), 부도체에서 도체로 전이(transition)할 수 있으며, 이에 수반되어 저항이 변화할 수 있다.
도 3은 상기 설명한 온도에 따른 저항 변화를 나타내기 위한 도면이다.
도 3을 참고하면, 고온일 경우에는 에너지(E1)가 상기 에너지(E2)를 뛰어넘게 되어 그래프(31)와 같이 나타나며, 저온일 경우에는 일정 전압 이상(예컨대, 문턱 전압 Vth 이상)을 인가할 경우에만 에너지(E2)를 뛰어넘게 되어 그래프(32)와 같이 나타난다.
제1구간(D1)에서는 온도에 따라 그래프(31 및 32)의 형태가 다르기 때문에 상기 제1구간(D1)을 활용하여(예컨대, 제1구간(D1)에서의 저항 변화를 이용), 열상 센서에 적용할 수 있다.
도 4는 문턱 전압과 온도와의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참고하면, 온도가 증가함에 따라 문턱 전압(Vth)은 낮아진다. 특히, 도 4의 온도 축(axis) 상에서 온도 370K에서는 문턱 전압(Vth)이 거의 0에 수렴한다는 것을 알 수 있고, 이는 도 3의 그래프(31)와 유사한 특성을 나타낼 수 있다. 즉, 일정 전압 없이도 부도체에서 도체로의 전이가 발생함을 알 수 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점의 개수에 따라 도 3의 제1구간(D1)의 범위가 변화되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
더 구체적으로, 도 5는 적어도 하나의 양자점(110)을 포함하는 감지층(140) 및 이와 연결되는 전극쌍(800)을 도시하기 위한 도면이며, 도 6은 적어도 하나의 양자점(110)의 개수를 변화시키는 경우 문턱 전압(Vth)이 변화되는 것을 도시하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6을 참고하면, 감지층(140)은 전극쌍(800) 사이에 위치한다. 적어도 하나의 양자점(110)의 개수를 변화시킴에 따라, 도 3에서 도시된 제1구간(D1)의 범위를 변화시킬 수 있다. 예컨대, 양자점(110)의 개수가 증가하면 도 6과 같이 문턱 전압(Vth)이 변화하여 제2구간(D2)이 제3구간(D3)로 커질 수 있기 때문에, 양자점(110)의 개수에 따라 문턱 전압을 변화시킬 수 있다.
양자점(110)의 개수가 증가할수록 문턱 전압(Vth)은 증가하고 이는 전이 온도 증가를 의미한다. 문턱 전압(Vth)이 증가하면서 부도체 상태에서 도체 상태로 전이한다. 즉, 양자점(110)의 개수가 증가하면서 부도체 상태에서 도체 상태로 전이한다.
상기 양자점(110)은 N X M(N,M은 정수) 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 이때, 도 5에서는 상기 N에 의하여 문턱 전압(Vth)이 N배의 문턱 전압(N*Vth)로 변화하여, 제2구간(D2)에서 제3구간(D3)로의 변화가 발생되는 것으로 도시되어 있으나(또는 상기 N에 의하여 영향을 받는 것으로 도시되어 있으나), 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, M 또는 N 및 M 모두의 영향을 받을 수도 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자점의 크기에 따라 온도-저항 특성이 변화되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 양자점의 두 크기 분포(61 및 62)에 따른 그래프를 나타내는 도면이고, 도 8은 상기 두 크기 분포(61 및 62)에 따른 온도-저항 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7 및 도 8을 참고하면, 제2 크기 분포(62)가 제1 크기 분포(61)보다 더 크며, 상기 제2 크기 분포(62)의 온도-저항 그래프는 제2 온도-저항 그래프(72)에 대응되며, 상기 제1 크기 분포(61)의 온도-저항 그래프는 제1 온도-저항 그래프(71)에 대응된다. 이때, 상기 제2 크기 분포(62)의 경우, 양자점(110)의 평균 지름 크기는 1.56nm에 상응하며, 상기 제1 크기 분포(61)의 경우, 양자점(110)의 평균 지름 크기는 1.22nm에 상응한다.
평균 크기가 1.56nm에서 1.22nm로 줄어드는 경우(즉, 제2 온도-저항 그래프(72)에서 제1 온도-저항 그래프(71)로 변화하는 경우), 부도체에서 도체로의 전이(transition) 온도가 125K에서 300K로 증가함을 도 8에서 확인할 수 있다. 양자점(110)의 평균 크기가 작을수록 상기 양자점(110)의 캡(cap)이 작아지기 때문에, 수학식 1에 의하여 상기 에너지(E2)가 높아지므로 부도체에서 도체로의 전이가 더 어렵게 된다.
또한, 평균 크기가 1.56nm에서 1.22nm로 줄어드는 경우(즉, 제2 온도-저항 그래프(72)에서 제1 온도-저항 그래프(71)로 변화하는 경우), 전이시에 온도저항계수(TCR)은 50(°K)의 온도 변화에서 5000(%) 이상의 저항 변화가 발생함으로써 100(%/°K) 이상의 높은 TCR 값을 얻을 수 있다. 즉, 양자점의 크기에 따라 TCR 값을 달리할 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 열상 센서의 단면도의 일 예들을 나타낸다. 본 발명의 일 실시예에 따른 열상센서는 도 1a에 도시된 볼로미터 단위 셀(100)을 적어도 하나 포함하거나, 도 1a에 도시된 볼로미터 단위 셀(100)과 유사하게 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열상센서는 기판(예컨대, 도 1a의 ROIC(120)), 지지수단(130), 복수(둘 이상)의 감지부(180) 및 복수(둘 이상)의 전극쌍(800)을 포함할 수 있다. 복수(둘 이상)의 감지부(180) 및 복수(둘 이상)의 전극쌍(800)이 구비되더라도, ROIC(120) 또는 지지수단(130)은 공통으로 구비될 수도 있고, 이와는 달리 별도로 구비될 수도 있다.
열상 센서의 수직 방향의 단면도는 도 1a와 동일할 수 있다. 그러나, 열상 센서의 수평 방향, 예컨대, 도 1a의 절단선(a-a')을 따라 수평으로 절단한 단면도는 도 9a 또는 도 9b와 같을 수 있다.
도 10은 도 9a에 도시된 실시예에서 전극 간의 간격에 따라 온도-비저항 특성이 변화하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 9a를 참고하면, 도 9a의 81, 82 및 83은 각각 적어도 하나의 양자점(110)을 포함하는 감지층(140) 및 이와 연결되는 전극쌍(800)을 나타내며, 81, 82 및 83으로 갈수록 전극쌍(800) 사이 간격이 멀어지는 것을 알 수 있다. 이때, 상기 전극쌍(800) 사이 간격은 양자점(110)의 개수가 증가 또는 감소함에 따라 멀어지거나 가까워질 수 있지만, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 양자점(110)의 개수가 동일하거나 적더라도 전극쌍 간의 간격이 더 멀 수도 있다.
양자점(110)의 개수가 증가하는 경우와 마찬가지로, 상기 전극쌍(800) 사이 간격이 멀어질수록 문턱 전압(Vth)은 증가하고, 이는 전이 온도 증가를 의미한다. 문턱 전압(Vth)이 증가하면서 부도체 상태에서 도체 상태로 전이한다. 즉, 전극쌍(800) 사이 간격이 멀어지면서 부도체 상태에서 도체 상태로 전이한다.
전극쌍(800) 사이 간격에 따른 온도-비저항 그래프의 경우, 도 9a의 81, 82 및 83은 도 10의 91, 92 및 93과 매칭된다. 도 10에 도시된 바와 같이 온도가 증가함에 따라 비저항이 감소하는데, 이것은 일반적인 산화물 반도체가 가지고 있는 NTC(Negative Temperature Coefficient) 특성을 나타낸다.
상기 전극쌍(800) 사이 간격에 따라 온도-비저항 그래프가 변화될 수 있고, 이에따라 도 9a와 같이, 복수의 다른 전극쌍(800) 사이 간격을 갖는 구조(도 9a의 81, 82 및 83)의 전자 소자를 이용하여 온도에 따라 순차적인 전이를 하도록 함으로써 넓은 온도 범위에서 고감도 열상 센서를 구현할 수 있다.
마찬가지로, 도 9b와 같이, 각 전극쌍(800) 사이에 서로 다른 크기(예컨대, 평균크기)를 갖는 양자점(110)이 임베디드된 감지층(140)을 포함하는 구조(도 9b의 811, 812 및 813)의 전자 소자를 이용하여 온도에 따라 순차적인 전이를 하도록 함으로써 넓은 온도 범위에서 고감도 열상 센서를 구현할 수 있다.
결국, 양자점(110)의 개수를 변화시키거나, 전극쌍(800) 사이 간격을 변화시키거나, 양자점(110)의 크기를 변화시킴으로써, 전이 온도를 조절할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 특성을 통하여 온도 감지와 조절이 필요한 광범위한 용도에 적용이 가능하다. 예컨대, 본 발명은 비냉각형 열상 센서에 적용가능하며, 냉장고, 에어콘, 자동차 등의 내구재와 건물의 온도 조절에도 적용이 가능하다. 또한, 본 발명은 공정 제어와 같은 산업 분야에서의 온도 조절에도 적용이 가능할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 열상 센서 감지 방법의 흐름도를 나타내기 위한 도면이다. 상기 열상 센서 감지 방법은 도 1에 도시되는 전자 소자를 포함하는 열상 센서에 의하여 이루어질 수 있다.
도 11을 참고하면, 기판상에 감지부를 부유시킨다(S100). 이때, 상기 기판은 ROIC에 해당할 수 있고, 상기 ROIC(120)는 Si 및 Si의 산화물과 질화물, 
, 
등의 메탈 옥사이드(metal oxide)로 이루어질 수 있다.
다음으로, 상기 감지부에 적어도 하나의 양자점(110)을 임베디드(embedded) 시킨다(S200). 이때, 상기 양자점(110)의 물질은 Au,Pt,Cu,Cr,Al 등의 금속 및 좁은 밴드폭(narrow-bandgap) 반도체 물질 중 적어도 하나를 포함한다.
다음으로, 광선(예컨대, 적외선)이 입사하는 경우 상기 적어도 하나의 양자점(110)의 특성을 이용하여 온도 변화 및 저항 변화를 감지할 수 있다. 이때, 상기 양자점(110)의 특성은, 특정 온도 이상일 경우 양자점(110)의 입자 에너지가 쿨롱 장벽 에너지를 넘으면서 이때 부도체에서 도체로의 전이가 일어나는 특성을 포함한다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 전자 소자,
110: 양자점, 120: ROIC,
130: 지지수단, 140: 감지층,
151: 제1구조체, 152: 제2구조체,
160: 흡수층, 170: 반사층,
180: 감지부, 800: 전극쌍
110: 양자점, 120: ROIC,
130: 지지수단, 140: 감지층,
151: 제1구조체, 152: 제2구조체,
160: 흡수층, 170: 반사층,
180: 감지부, 800: 전극쌍
Claims (10)
- 기판; 및
상기 기판상에 부유되고(suspended), 적외선이 흡수될 때 발생하는 저항 변화를 감지하는 감지부를 포함하고,
상기 감지부는 적어도 하나의 양자점(Quantum Dot)이 임베디드(embedded)되며 상기 적어도 하나의 양자점을 이용하여 상기 적외선이 흡수될 때 발생하는 저항의 변화를 감지하는 전자 소자. - 제1항에 있어서, 상기 감지부는
상기 적어도 하나의 양자점의 입자 에너지가 쿨롱 장벽(Coloumb blockade) 에너지를 넘으면서 수반되는 저항 변화를 감지하는 전자 소자. - 제2항에 있어서, 상기 감지부는
상기 적어도 하나의 양자점의 개수를 가변시켜 문턱 전압 또는 전이 온도를 변화시키고, 상기 문턱 전압 또는 전이 온도가 변화됨으로써 상기 입자 에너지의 변화가 발생하여 수반되는 저항 변화를 감지하는 전자 소자. - 제2항에 있어서, 상기 감지부는
상기 적어도 하나의 양자점의 크기를 가변시켜 전이 온도를 변화시키고, 상기 전이 온도가 변화됨으로써 상기 입자 에너지의 변화가 발생하여 수반되는 저항 변화를 감지하는 전자 소자. - 제2항에 있어서,
상기 전자 소자는 상기 감지부와 연결되는 전극쌍을 더 포함하며,
상기 감지부는 상기 전극쌍 사이에 위치하는 전자 소자. - 제2항에 있어서, 상기 감지부는
상기 전극쌍의 사이 간격을 가변시켜 문턱 전압 또는 전이 온도를 변화시키고, 상기 문턱 전압 또는 전이 온도가 변화됨으로써 상기 입자 에너지의 변화가 발생하여 수반되는 저항 변화를 감지하는 전자 소자. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 전자 소자를 포함하는 열상 센서.
- 기판;
각각이 상기 기판상에 부유되고(suspended), 적어도 하나의 양자점(Quantum Dot)이 임베디드(embedded)되며 상기 적어도 하나의 양자점을 이용하여 적외선이 흡수될 때 발생하는 저항의 변화를 감지하는 둘 이상의 감지부; 및
각각이 상기 둘 이상의 감지부 중 대응하는 감지부와 연결되는 둘 이상의 전극쌍을 포함하고,
상기 둘 이상의 감지부 각각은 대응하는 전극쌍 사이에 위치하는 열상 센서. - 제8항에 있어서,
상기 둘 이상의 전극쌍은 각각 서로 다른 전극 사이 간격을 갖는 열상 센서. - 제8항에 있어서, 상기 둘 이상의 감지부 중 하나에 임베디드되는 상기 적어도 하나의 양자점의 평균 크기와 상기 둘 이상의 감지부 중 다른 하나에 엠베디드되는 상기 적어도 하나의 양자점의 평균 크기는 서로 다른 열상 센서.
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