KR20130056011A - 복합 투명 전극을 포함하는 그래핀 기반 포토 디텍터와 그 제조방법 및 포토 디텍터를 포함하는 장치 - Google Patents
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Abstract
복합 투명 전극을 포함하는 그래핀 기반 포토 디텍터와 그 제조방법 및 포토 디텍터를 포함하는 장치에 관해 개시되어 있아. 일 실시예에 의한 그래핀 기반 포토 디텍터는 기판과, 기판 상에 구비된 그래핀층과, 상기 그래핀층 상에 형성되고, 서로 이격된 제1 및 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 및 제2 전극은 복합 투명 전극을 포함한다. 이러한 포토 디텍터에서, 상기 제1 및 제2 전극의 복합 투명 전극은 다른 구성을 가질 수 있다.
Description
본 발명의 일 실시예는 그래핀 기반 광학소자에 관한 것으로써, 보다 자세하게는 복합 투명 전극을 포함하는 그래핀 기반 포토 디텍터와 그 제조방법 및 포토 디텍터를 포함하는 장치에 관한 것이다.
포토 디텍터(photodetector)는 수광소자로서, 광통신망, 정밀측정장비 등에 광범위하게 사용되어 왔다. 최근의 통신망은 동영상을 포함한 대용량 데이터를 고속으로 처리하기 위해 테라 헤르쯔(THz)로 동작이 가능한 4세대 통신망을 지향하고 있다. 이에 따라 통신망에 들어가는 각 부품들도 고속 대용량 처리에 적합한 구조로 개량되고 있다.
그래핀(graphene)은 디락 포인트(dirac point)에서 전자와 홀의 유효질량이 0에 가까운 것으로 알려져 있다. 따라서 그래핀에서 캐리어는 이론적으로 빛의 1/300의 속도로 이동될 수 있어 그래핀은 기존에 알려진 물질보다 큰 이동도(mobility)를 갖는 것으로 알려져 있다. 또한, 그래핀은 디락 포인트에서 에너지 밴드 갭(energy bandgap)이 0eV로 나타난다. 이에 따라 그래핀은 대부분의 파장 대역에서 광을 흡수할 수 있는 바, 광대역(broad band)의 전송을 가능케 한다. 그러므로 그래핀를 이용해서 대용량의 데이터도 고속으로 전송할 수 있다.
그래핀을 이용한 포토 디텍터의 가능성에 대해서는 2009년과 2010년에 IBM에서 발표된 바 있다. IBM에 발표된 포토 디텍터는 광 전류 측정에 사용되는 두 금속전극의 물질을 다르게 하여 에너지 밴드가 비대칭이 되는 비대칭 구조(asymmetry)를 갖는다. 이러한 밴드 구조에 따라 광 전류가 향상될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 그래핀을 포토 디텍터에 적용함에 있어 에너지 변환 효율은 여전히 낮고, 따라서 검출 신호의 세기도 여전히 낮은 수준이다.
본 발명의 일 실시예는 계면 확장을 통해 광 전류를 증가시킨 복합 투명 전극을 포함하는 그래핀 기반 포토 디텍터를 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예는 이러한 포토 디텍터의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 이러한 포토 디텍터를 포함하는 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 그래핀 기반 포토 디텍터는 기판과, 기판 상에 구비된 그래핀층과, 상기 그래핀층 상에 형성되고, 서로 이격된 제1 및 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 및 제2 전극은 복합 투명 전극을 포함한다.
이러한 포토 디텍터에서, 상기 제1 및 제2 전극의 복합 투명 전극은 다른 구성을 가질 수 있다.
상기 제1 전극의 복합 투명 전극은 투명한 제1 금속전극과 투명전극이 순차적으로 적층된 전극일 수 있다.
상기 제2 전극의 복합 투명 전극은 투명한 제2 금속전극과 투명전극이 순차적으로 적층된 전극일 수 있다.
상기 기판은 단층 또는 복층일 수 있다. 또한, 상기 기판은 유연성 기판일 수 있다.
상기 복합 투명 전극은 20nm 이하의 금속전극을 포함할 수 있다.
상기 투명 전극은 ITO 전극, TCO(Transparent Conductive Oxide) 전극, 탄소나노튜브 전극 또는 그래핀 전극일 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극의 밑면의 일부 또는 전부는 상기 그래핀층과 접촉될 수 있고, 상기 제1 및 제2 전극과 상기 그래핀층의 계면은 상기 제1 및 제2 전극의 밑면 전체로 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 포토 디텍터의 제조방법은 기판 상에 그래핀층을 형성하는 단계와, 상기 그래핀층 상에 제1 전극을 형성하는 단계와, 상기 그래핀층 상에 상기 제1 전극과 이격된 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제1 및 제2 전극은 복합 투명 전극으로 형성할 수 있다.
이러한 제조 방법에서, 상기 제1 전극의 상기 복합 투명 전극은 상기 그래핀층 상에 투광성 두께의 제1 금속 전극을 형성하는 단계, 상기 제1 금속 전극 상에 투명 전극을 형성하는 단계 및 상기 투명전극 및 상기 제1 금속전극을 패터닝하는 단계를 포함하여 형성할 수 있다.
상기 제2 전극의 상기 복합 투명 전극은 상기 그래핀층 상에 투광성 두께의 제2 금속 전극을 형성하는 단계, 상기 제2 금속 전극 상에 투명 전극을 형성하는 단계 및 상기 투명전극 및 상기 제2 금속전극을 패터닝하는 단계를 포함하여 형성할 수 있다.
상기 제1 및 제2 금속 전극은 20nm 이하의 두께로 형성할 수 있다.
상기 제1 및 제2 금속 전극은 서로 다르고, Pd, Ti, Al, Au, Ag, Pt, Cr, Ni, Co 및 Cu 중 어느 하나로 형성할 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극의 밑면의 일부 또는 전부는 상기 그래핀층과 접촉되도록 형성될 수 있고, 상기 제1 및 제2 전극과 상기 그래핀층의 계면은 상기 제1 및 제2 전극의 밑면 전체로 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 수광소자를 포함하는 광학장치에 있어서, 상기 수광소자는 기판과, 기판 상에 구비된 그래핀층과, 상기 그래핀층 상에 형성되고, 서로 이격된 제1 및 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 및 제2 전극은 복합 투명 전극을 포함하는 포토 디텍터일 수 있다.
상기 광학장치는 카메라일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 포토 디텍터는 전극은 하부의 금속전극과 상부의 투명전극이 순차적으로 적층된 것이다. 이때, 상기 하부의 금속전극은 광투광성을 갖는 두께로 형성된다. 따라서 하부의 금속전극과 상부의 투명전극을 포함하는 상기 전극은 전체적으로 투광성을 갖게 된다. 이에 따라 그래핀층과 접촉되는 전극의 전체 영역을 통해서 광이 그래핀층에 입사되어 그래핀층으로부터 광 전류가 발생된다. 그 결과 전극과 그래핀층의 계면, 곧 전극 둘레의 그래핀층과 접촉되는 계면에서 발생되는 광 전류에 상기 전극으로 덮인 그래핀층으로부터 발생된 광 전류가 더해지므로, 그래핀층으로부터 발생되는 광 전류는 상기 계면에서만 발생되는 종래의 광 전류보다 증가하게 된다. 또한, 상기 하부의 금속전극은 비대칭 구조를 유지하므로, 그래핀층으로부터 발생되는 광 전류는 더욱 증가하게 된다. 또한, 유연한 기판(flexible substrate)을 사용할 수 있으므로, 유연성을 갖는 포토 디텍터도 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 광 검출기의 평면도이다.
도 2는 도 1의 소정 영역(A1)에 대한 변형예를 나타낸 평면도이다.
도 3은 도 1을 3-3’방향으로 절개한 단면도이다.
도 4는 도 3의 제1 및 제2 전극(E1, E2)에 대한 광 투과율 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 포토 디텍터의 전극이 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 및 제2 전극(E1, E2)일 때와 종래의 금속 전극일 때, 포토 디텍터의 광 전류 차이를 보여주는 실험결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 포토 디텍터의 광 전류의 증가가 제1 및 제2 전극(E1, E2)과 그래핀층(34)의 접촉 계면에 기인함을 보이기 위해 실시한 실험에 사용한 포토 디텍터를 보여준다.
도 7은 도 6의 포토 디텍터의 제1 및 제2 영역(A, B)에 레이저를 조사하여 광 전류를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 도 6의 포토-디텍터의 제1 및 제2 영역(A, B)에 레이저를 조사하여 측정한 총 전류(Ion)에 대한 제1 및 제2 영역(A, B)의 광 전류(Ipc = Ion-Ioff)의 비율을 나타낸 그래프이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 포토 디텍터의 제조방법을 단계별로 나타낸 단면도들이다.
도 2는 도 1의 소정 영역(A1)에 대한 변형예를 나타낸 평면도이다.
도 3은 도 1을 3-3’방향으로 절개한 단면도이다.
도 4는 도 3의 제1 및 제2 전극(E1, E2)에 대한 광 투과율 실험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 포토 디텍터의 전극이 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 및 제2 전극(E1, E2)일 때와 종래의 금속 전극일 때, 포토 디텍터의 광 전류 차이를 보여주는 실험결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 포토 디텍터의 광 전류의 증가가 제1 및 제2 전극(E1, E2)과 그래핀층(34)의 접촉 계면에 기인함을 보이기 위해 실시한 실험에 사용한 포토 디텍터를 보여준다.
도 7은 도 6의 포토 디텍터의 제1 및 제2 영역(A, B)에 레이저를 조사하여 광 전류를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 도 6의 포토-디텍터의 제1 및 제2 영역(A, B)에 레이저를 조사하여 측정한 총 전류(Ion)에 대한 제1 및 제2 영역(A, B)의 광 전류(Ipc = Ion-Ioff)의 비율을 나타낸 그래프이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 포토 디텍터의 제조방법을 단계별로 나타낸 단면도들이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 투명 전극을 포함하는 그래핀 기반 포토 디텍터와 그 제조방법 및 포토 디텍터를 포함하는 장치를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 의한 포토 디텍터에 대해서 설명한다.
도 1을 참조하면, 그래핀층(34) 위에 제1 및 제2 전극(E1, E2)이 마련되어 있다. 제1 및 제2 전극(E, E2)은 이격되어 있다. 제1 전극(E1)은 폭이 다른 제1 내지 제3 부분(P1-P3)을 포함한다. 제1 부분(P1)의 폭이 가장 넓고, 제2 부분(P2)의 폭이 가장 좁다. 제3 부분(P3)은 제1 및 제2 부분(P1, P2)를 연결하는 부분으로써, 그 폭은 제1 부분(P1)에서 제2 부분(P2)으로 갈수록 좁아진다. 제2 전극(E2)은 제4 내지 제6 부분(P4-P6)을 포함한다. 제4 내지 제6 부분(P4-P6)의 폭에 대한 특성은 각각 제1 전극(E1)의 제1 내지 제3 부분(P1-P3)의 폭에 대한 특성과 동일할 수 있다. 제1 전극(E1)의 제2 부분(P2)과 제2 전극(E2)의 제5 부분(P5)은 이격되어 있고 마주한다. 제2 부분(P2)과 제5 부분(P5) 사이의 간격은 더 좁아지거나 더 넓어질 수 있다. 제2 부분(P2)과 제5 부분(P5)에서 마주하는 부분은 다양하게 변형될 수 있다. 도 2는 이에 대한 일 예를 보여준다. 도 2는 도 1의 소정 영역(A1)의 변형예를 보여준다. 도 1에서 소정 영역(A1)은 제2 부분(P2)과 제5 부분(P5)의 마주하는 일부분을 포함한다.
도 2를 참조하면, 제1 전극(E1)의 제2 부분(P2)은 끝 부분에 복수의 제1 돌출부(P2a)를 갖고 있다. 제1 돌출부(P2a)는 서로 이격되어 있다. 제1 돌출부(P2a)는 2개의 돌출된 부분을 포함하는 것으로 도시하였지만, 돌출된 부분은 1개일 수도 있고, 2개 이상일 수도 있다. 제2 전극(E2)의 제5 부분(P5)은 끝 부분에 복수의 제2 돌출부(P5a)를 갖고 있다. 제2 돌출부(P5a)는 서로 이격되어 있다. 제2 돌출부(P5a)의 돌출된 부분의 구성은 제1 돌출부(P2a)와 동일할 수 있다. 그러나 제1 돌출부(P2a)와 제2 돌출부(P5a)는 서로의 사이에 위치하고, 서로 이격되어 있다. 제1 및 제2 돌출부(P2a, P5a) 사이의 이격 정도는 제조 과정에서 조절될 수 있다.
제1 전극(E1)의 제2 부분(P2)과 제2 전극(E2)의 제5 부분(P5)의 마주하는 양단의 형태는 도 2와 다를 수도 있다. 예를 들면, 제1 전극(E1)의 제2 부분(P2)의 끝 부분은 볼록하거나 오목할 수 있고, 이러한 제2 부분(P2)과 마주하는 제2 전극(E2)의 제5 부분(P5)의 끝 부분은 오목하거나 볼록할 수 있다. 이와 같이 제2 부분(P2)과 제5 부분(P5)의 마주하는 부분의 형태는 다양하게 변형될 수 있다.
도 3은 도 1을 3-3’방향으로 절개한 단면을 보여준다.
도 3을 참조하면, 기판(S1) 상에 그래핀층(34)이 형성되어 있다. 그래핀층(34)은 단일층일 수 있고, 복수의 단일층으로 형성된 복층일 수도 있다. 기판(S1)은 순차적으로 적층된 실리콘층(30)과 실리콘 산화막(32)을 포함할 수 있다. 실리콘층(30)은 도핑된 것일 수 있다. 기판(S1)은 단일층일 수도 있는데, 이때 상기 단일층은 절연성 물질층, 예를 들면 불순물이 도핑되지 않은 순수 실리콘 기판일 수 있다. 또한, 기판(S1)은 단일층일 때, PMMA나 PI와 같은 폴리머 계열의 유연성 기판일 수도 있다.
그래핀층(34) 상에 제1 및 제2 전극(E1, E2)이 존재하고, 서로 이격되어 있다. 제1 및 제2 전극(E1, E2)의 밑면의 일부 또는 전부는 상기 그래핀층과 접촉된다. 이에 따라 제1 및 제2 전극(E1, E2)과 그래핀층(34)의 계면은 제1 및 제2 전극(E1, E2)의 밑면 전체로 확장될 수 있다. 제1 전극(E1)은 복합 투명 전극으로써, 순차적으로 적층된 제1 하부전극(36)과 제1 상부전극(38)을 포함한다. 제1 하부전극(36)은 투명한 두께 범위를 갖는 금속막일 수 있다. 이러한 금속막은, 예를 들면 Pd, Ti, Al, Au, Ag, Pt, Cr, Ni, Co 및 Cu로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나로 형성된 막일 수 있다. 이러한 물질외에도 그래핀층(34)과 부착이 양호하고 투명한 두께 범위를 갖는 물질이라면 제1 하부전극(36)으로 사용될 수도 있다. 제1 하부전극(36)이 Pd막 또는 Ti막인 경우, 그 두께는 20nm 이하일 수 있는데, 예를 들면 10nm 이하일 수 있다. 제1 상부전극(38)은 투명전극일 수 있는데, 예를 들면 ITO(Indium Tin Oxide) 전극 또는 TCO(Transparent Conductive Oxide) 전극일 수 있다. 또한, 제1 상부전극(38)은 투명성을 갖는 다른 재료로 형성된 전극일 수 있는데, 예를 들면 탄소함유 물질로 형성된 전극일 수 있다. 상기 탄소함유 물질은, 예를 들면 탄소나노튜브(Carbon nanotube)(CNT) 또는 그래핀일 수 있다. 제1 상부전극(38)의 두께는, 예를 들면 200nm 정도일 수 있다. 제2 전극(E2)은 복합 투명 전극으로써, 순차적으로 적층된 제2 하부전극(46)과 제2 상부전극(48)을 포함한다. 제2 하부전극(46)은 제1 하부전극(36)과 동일하거나 다른 물질로 형성된 전극일 수 있다. 제2 상부전극(48)은 제1 상부전극(38)과 동일하거나 다를 수 있다.
도 4는 도 3에서 제1 및 제2 전극(E1, E2)의 광 투과율에 대한 실험 결과를 보여준다. 이 실험에서 제1 전극(E1)은 팔라듐(Pd) 전극과 ITO 전극을 순차적으로 적층하여 형성하고, 제2 전극(E2)은 티타늄(Ti) 전극과 ITO 전극을 순차적으로 적층하여 형성하였다. 이렇게 형성 후, 제1 및 제2 전극(E1, E2)은 300도에서 5분 정도 열처리하였다. 이러한 실험에서 팔라듐 전극과 티타늄 전극의 두께는 10nm이고, ITO 전극의 두께는 200nm이다. 도 4에서 가로축은 제1 및 제2 전극(E1, E2)에 입사되는 광의 파장을 나타내고, 세로축은 상기 입사광에 대한 광 투과율(transmittance, %)을 나타낸다. 도 4에서 제1 그래프(G1)는 제1 전극(E1)에 대한 투과율을 나타내고, 제2 그래프(G2)는 제2 전극(E2)에 대한 투과율을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 제1 전극(E1)에 대한 투과율은 532nm에서 66.1%이다. 그리고 같은 파장에서 제2 전극(E2)에 대한 투과율은 66.2%이다. 도 4의 결과로부터 제1 및 제2 전극(E1, E2)은 입사광에 대해 충분한 광 투과율을 갖는 것을 알 수 있다. 도 4에서 제1 및 제2 전극(E1, E2)의 광 투과율은 하부전극으로 사용되는 금속전극의 두께가 얇을 수록 더욱 증가될 수 있다.
도 5는 포토 디텍터의 전극이 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 및 제2 전극(E1, E2)일 때와 투명전극을 포함하지 않는 종래의 전극일 때, 포토 디텍터의 광 전류 차이를 보여주는 실험결과를 나타낸 그래프이다. 도 5에서 좌측 그래프는 비대칭 구조를 갖는 종래의 전극에 대한 실험결과를 나타내고, 우측 그래프는 본 발명의 일 실시예에 의한 포토 디텍터의 제1 및 제2 전극(E1, E2)에 대한 실험(이하, 제2 실험)의 결과를 나타낸다.
상기 제2 실험에서 제1 전극(E1)은 팔라듐 전극과 ITO 전극을 순차적으로 적층하여 형성하고, 제2 전극(E2)은 티타늄 전극과 ITO 전극을 순차적으로 적층하여 형성하였다. 이때, 팔라듐 전극과 티타늄 전극의 두께는 5nm이고, ITO 전극의 두께는 60nm이다. 종래의 전극으로 제1 전극(E1)은 불투명한 두께의 팔라듐 전극만으로 형성하고, 제2 전극(E2)은 불투명한 두께의 티타늄 전극만으로 형성하였다. 이러한 실험에서 두 전극들 사이에 인가되는 전압(Vd)은 0.2V로 유지하였다. 도 5에서 가로축은 제1 및 제2 전극(E1, E2) 사이의 그래핀에 인가되는 게이트 전압을 나타낸다. 그리고 세로축은 광전류를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 종래의 전극의 경우, 좌측 도면에서 볼 수 있듯이, 광 전류는 최대 5Ⅹ10-8A 정도이다. 반면, 본 발명의 일 실시예에 의한 제1 및 제2 전극(E1, E2)의 경우, 우측 도면에서 볼 수 있듯이 광 전류는 최대 1Ⅹ10-6A 정도로 종래의 전극에 비해 광 전류는 20배 이상 증가된 것을 알 수 있다.
다음은, 이와 같은 광 전류의 증가는 제1 및 제2 전극(E1, E2)과 그래핀층(34)의 접촉 계면으로부터 기인함을 보이기 위해 실시한 실험(이하, 제3 실험)의 결과를 설명한다.
도 6은 상기 제3 실험에 사용한 포토 디텍터를 보여준다.
도 6을 참조하면, 그래핀층(34) 상에 제1 전극(E1)이 존재하고, 제1 전극(E1)과 이격되게 제3 전극(E3)이 존재한다. 제1 및 제3 전극(E1, E3)으로부터 서로를 향하는 제1 및 제2 돌기(62, 64)가 존재한다. 제1 및 제2 돌기(62, 64)는 평행하고, 이격되어 있다. 제1 및 제2 돌기(62, 64) 사이의 그래핀층(34)은 채널이 된다. 제1 돌기(62)의 구성은 제1 전극(E1)과 동일하다. 제3 전극(E3)과 제2 돌기(64)의 층 구성은 동일하다. 제3 전극(E3)과 제2 돌기(64)는 단일 금속 전극으로 형성된 전극이고, 광 차단 두께를 갖는다. 곧, 제3 전극(E3)과 제2 돌기(64)는 종래의 전극과 동일한 구성을 갖는다.
다음, 도 6의 포토 디텍터의 제1 및 제2 영역(A, B)에 레이저를 조사하여 광 전류를 측정하였다. 제1 영역(A)은 제1 전극(E1) 내의 일부 영역이다. 제2 영역(B)은 제1 및 제2 돌기(62, 64)의 일부와 채널로 사용되는 그래핀층(34)의 일부를 포함한다. 도 7은 제1 및 제2 영역(A, B)에 레이저를 조사하여 광 전류를 측정한 결과를 보여준다.
도 7에서 가로축은 제1 및 제3 전극(E1, E3) 사이에 인가된 전압을 나타내고, 세로축은 레이저 조사하여 측정한 광 전류를 나타낸다. 도 7에서 제1 그래프(G11)는 제1 영역(A)에서 측정된 광 전류를 나타내고, 제2 그래프(G22)는 제2 영역(B)에서 측정한 광 전류를 나타낸다. 제1 및 제2 그래프(G11, G22)를 비교하면, 인가전압이 0보다 큰 영역에서 제1 영역(A)에서 측정된 광 전류가 제2 영역(B)에서 측정된 광 전류보다 큰 것을 알 수 있다.
도 8은 도 6의 포토-디텍터의 제1 및 제2 영역(A, B)에 레이저를 조사하여 측정한 총 전류(Ion)에 대한 제1 및 제2 영역(A, B)의 광 전류(Ipc = Ion-Ioff)의 비율을 나타낸 그래프이다. Ioff는 레이저를 조사하지 않는 상태에서 흐르는 전류를 나타낸다.
도 8에서 가로축은 제1 및 제3 전극(E1, E3) 사이에 인가된 전압을 나타낸다. 도 8에서 세로축은 총 전류(Ion)에 대한 광 전류(Ipc)의 비율(%)을 나타낸다. 도 8에서 제3 그래프(G33)는 제1 영역(A)에서의 광 전류(Ipc) 비율을 나타내고, 제4 그래프(G44)는 제2 영역(B)에서의 광 전류(Ipc) 비율을 나타낸다. 제3 그래프(G33)에서 광 전류(Ipc)의 비율은 평균 0.89%이고, 제4 그래프(G44)에서 광 전류(Ipc)의 비율은 평균 0.28%이다. 이러한 결과는 제1 영역(A)의 광 전류가 제2 영역(B)의 광 전류보다 3.18배 큰 것을 의미한다.
도 8의 결과로부터 광 전류는 그래핀층(34)과 제1 전극(E1)의 접촉 계면에서 주로 발생됨을 알 수 있다. 또한, 도 8의 결과는 본 발명의 일 실시예에 따른 포토 디텍터에서 광 전류는 제1 및 제2 전극(E1, E2)과 그래핀층(34)의 접촉 계면에서 주로 발생됨을 증거하는 것이다. 결국, 도 8의 결과는 본 발명의 일 실시예에 의한 포토 디텍터에서 발생되는 광 전류가 종래의 전극 구조를 갖는 포토 디텍터에서 발생되는 광 전류보다 크고, 에너지 변환 효율도 높다는 것을 시사한다.
다음에는 본 발명의 일 실시예에 의한 포토 디텍터의 제조 방법을 도 9 및 도 10을 참조하여 설명한다.
도 9를 참조하면, 기판(30) 상에 절연막(32)을 형성한다. 절연막(32) 상에 그래핀층(34)을 형성한다. 그래핀층(34)은 기계적 박리법, 화학 증기 증착법, 에피텍시 합성법 또는 유기 합성법 등으로 형성된 그래핀을 절연막(32) 상에 전사(transfer)하여 형성할 수 있다. 그래핀층(34)의 일부 영역 상에 제1 하부전극(36) 및 제1 상부전극(38)을 순차적으로 적층하여 제1 전극(E1)을 형성한다. 제1 전극(E1)은 그래핀층(34)의 상부면 상에 제1 하부전극(36) 및 제1 상부전극(38)을 순차적으로 형성한 다음, 제1 전극(E1)이 형성될 영역을 한정하는 마스크(미도시)를 형성하고, 상기 마스크 둘레의 제1 상부전극(38) 및 제1 하부전극(36)을 제거하여 형성할 수 있다. 제1 전극(E1)의 밑면 전체는 그래핀층과 접촉된다. 이후, 상기 마스크는 제거한다.
도 10을 참조하면, 그래핀층(32) 상에 제2 전극(E2)을 형성한다. 제2 전극(E2)은 제1 전극(E1)과 이격되게 형성한다. 제2 전극(E2)은 제2 하부전극(46)과 제2 상부전극(48)을 순차적으로 형성한 다음, 마스크를 이용하여 제2 상부전극(48)과 제2 하부전극(46)을 식각하여 형성하는데, 이러한 과정은 제1 전극(E1)의 제1 하부전극(36)과 제1 상부전극(38)을 형성할 때와 동일하게 진행할 수 있다. 제2 전극(E2)을 형성하는 동안, 제1 전극(E1)은 마스크(M1)로 보호된다. 마스크(M1)는 제2 전극(E2) 형성 전에 형성된다. 제2 전극(E2)이 형성된 후, 마스크(M1)를 제거한다. 제2 전극(E2)의 밑면 전체는 그래핀층(32)과 접촉된다.
한편, 상술한 본 발명의 일 실시예에 의한 포토 디텍터는 수광소자를 필요로 하는 다양한 장치에 구비될 수 있는데, 예를 들면 자동 노출이나 측광에 사용되는 수광소자를 포함하는 카메라에서 상기 수광소자 대신에 사용될 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.
30:실리콘층 36, 46:제1 및 제2 하부전극
38, 48:제1 및 제2 상부전극 32:실리콘 산화막
34:그래핀층 62, 64:제1 및 제2 돌기
A1:소정 영역 A, B:제1 및 제2 영역
E1, E2, E3:제1 내지 제3 전극 M1:마스크
P1-P6:제1 내지 제6 부분 P2a, P5a:제1 및 제3 돌출부
S1:기판
38, 48:제1 및 제2 상부전극 32:실리콘 산화막
34:그래핀층 62, 64:제1 및 제2 돌기
A1:소정 영역 A, B:제1 및 제2 영역
E1, E2, E3:제1 내지 제3 전극 M1:마스크
P1-P6:제1 내지 제6 부분 P2a, P5a:제1 및 제3 돌출부
S1:기판
Claims (22)
- 기판;
기판 상에 구비된 그래핀층; 및
상기 그래핀층 상에 형성되고, 서로 이격된 제1 및 제2 전극;을 포함하고,
상기 제1 및 제2 전극은 복합 투명 전극을 포함하는 포토 디텍터. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 전극의 복합 투명 전극은 다른 구성을 갖는 포토 디텍터. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 전극의 복합 투명 전극은 투명한 제1 금속전극과 투명전극이 순차적으로 적층된 전극인 포토 디텍터. - 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 제2 전극의 복합 투명 전극은 투명한 제2 금속전극과 투명전극이 순차적으로 적층된 전극인 포토 디텍터. - 제 1 항에 있어서,
상기 기판은 단층 또는 복층인 포토 디텍터. - 제 1 항에 있어서,
상기 기판은 유연성 기판인 포토 디텍터. - 제 1 항에 있어서,
상기 복합 투명 전극은 20nm 이하의 금속전극을 포함하는 포토 디텍터. - 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 투명 전극은, ITO 전극, TCO 전극, 탄소나노튜브 전극 또는 그래핀 전극인 포토 디텍터. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 전극의 밑면 일부 또는 전부는 상기 그래핀층과 접촉되어 상기 제1 및 제2 전극과 상기 그래핀층의 계면은 상기 제1 및 제2 전극의 밑면 전체로 확장된 포토 디텍터. - 기판 상에 그래핀층을 형성하는 단계;
상기 그래핀층 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 및
상기 그래핀층 상에 상기 제1 전극과 이격된 제2 전극을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 제1 및 제2 전극은 복합 투명 전극으로 형성하는 포토 디텍터의 제조방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 제1 전극의 상기 복합 투명 전극은,
상기 그래핀층 상에 투광성 두께의 제1 금속 전극을 형성하는 단계;
상기 제1 금속 전극 상에 투명 전극을 형성하는 단계; 및
상기 투명전극 및 상기 제1 금속전극을 패터닝하는 단계;를 포함하여 형성하는 포토 디텍터의 제조방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 제2 전극의 상기 복합 투명 전극은,
상기 그래핀층 상에 투광성 두께의 제2 금속 전극을 형성하는 단계;
상기 제2 금속 전극 상에 투명 전극을 형성하는 단계; 및
상기 투명전극 및 상기 제2 금속전극을 패터닝하는 단계;를 포함하여 형성하는 포토 디텍터의 제조방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 제1 금속 전극은 20nm 이하의 두께로 형성하는 포토 디텍터의 제조방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 제2 금속전극은 20nm 이하의 두께로 형성하는 포토 디텍터의 제조방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 제1 금속 전극은 Pd, Ti, Al, Au, Ag, Pt, Cr, Ni, Co 및 Cu 중 어느 하나로 형성하는 포토 디텍터의 제조방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 제2 금속전극은 Pd, Ti, Al, Au, Ag, Pt, Cr, Ni, Co 및 Cu 중 어느 하나로 형성하는 포토 디텍터의 제조방법. - 제 11항 또는 제 12 항에 있어서,
상기 투명전극은 ITO 전극, TCO 전극, 탄소나노튜브 전극 또는 그래핀 전극인 포토 디텍터의 제조방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 기판은 단층 또는 복층으로 형성하는 포토 디텍터의 제조방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 기판은 유연성 기판으로 형성하는 포토 디텍터의 제조방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 전극의 밑면의 일부 또는 전부는 상기 그래핀층과 접촉되어 상기 제1 및 제2 전극과 상기 그래핀층의 계면은 상기 제1 및 제2 전극의 밑면 전체로 확장되는 포토 디텍터의 제조방법. - 수광소자를 포함하는 광학장치에 있어서,
상기 수광소자는 청구항 1의 포토 디텍터인 광학장치. - 제 21 항에 있어서,
상기 광학장치는 카메라인 광학장치.
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