KR20160018948A - 적외선 검출 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 구조가 간단하고 저 가격으로 제작할 수 있는 새로운 형태의 적외선 검출 센서를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 나노와이어를 이용한 적외선 검출 센서에 있어서, 반도체 특성을 갖는 기판; 반도체 특성을 가지며, 상기 기판 상면에 수직으로 형성된 다수의 나노와이어; 상기 나노와이어 끝단을 서로 전기적으로 연결하는 투명 전극층; 및 상기 기판 하면에 형성되는 하단 전극층;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

적외선 검출 센서{Infrared detector}
본 발명은 적외선 검출 센서에 관한 것으로 더욱 상세하게는 나노 와이어를 이용한 적외선 검출 센서에 관한 것이다.
적외선 검출 센서는 제어 등에서 위치 검출, 라이 트레이스, 근접 센서 등의 용도로 매우 다양한 용도로 사용되고 있다.
상기와 같은 적외선 검출 센서는 공개특허 제2011-0028662호에 개시된 바와 같이, 통상 포토 트랜지스트를 이용한 것이 주를 이루며, 이러한 반도체 공정을 이용한 적외선 검출 센서의 기술들이 다수 제안되었다.
예를 들면, 공개특허 제2001-0006151호에는 초전체에 마련된 극성이 역 극성으로 되도록 전기적으로 접속한 대략 사다리꼴의 적외선을 흡수하는 기능을 갖는 제 1 전극과, 초전체의 다른쪽 면에 마련된 전기적으로 접속된 한 쌍의 제 2 전극으로 이루어지고, 한쪽의 제 1 전극의 대략 사다리꼴의 하측 바닥부와 다른쪽의 제 2 전극의 대략 사다리꼴의 하측 바닥부를 동일한 방향으로 배치하여 이루어지는 것으로, 어느 방향으로부터의 검지 대상의 움직임에 대해서도 출력을 얻을 수 있는 적외선 검출 센서가 개시되어 있다.
또한, 공개특허 제1995-0028203호에는 습식 이산화실리콘막(SiO2)이 표면에 형성되어 있는 SiO2/(100)Si 단결정 기판상에 백금과 SiO2막간의 접착을 좋게하기 위하여 버퍼층을 섭씨 500도에서 전자빔 증착법으로 SiO2/Si기판에 증착하고, 버퍼 증착후 그 위에 백금박막을 고주파 마그네트론 스퍼터링법으로 기판온도 섭씨 500 내지 600도에서 Ti/SiO2/Si기판에 증착하여 일면(111)으로 배향된 C축으로 배향시키기 위해 기판온도 섭씨 400 내지 450도에서 고주파 마그네트론 스퍼터링법으로 증착하여 C축으로 잘 배향된 Pb5Ge3O11 박막을 얻으며, 여기서 스퍼터링 조건으로는 타겟;Pb5Ge3O11+10mol% PbO, 가스압력;0.12Pa, 가스비(Ar:O2);5:5~9:1, 기판온도:섭씨 400~450도, 파워밀도;2~4W/cm2, 증착속도;25~35옹스크그램/min으로 구성되는 적외선 센서의 구성이 개시되어 있다.
또한, 공개특허 제1995-0001303호에는 기판상에 (100)면으로 배향된 백금박막을 이용해 하부전극을 형성하고, 그 귀에 초전체박막을 형성하여 그 초전체박막의 C축 배향율을 향상시켜 센서의 감도를 높이고, 전극위에 초전체박막을 직접 형성할 수 있어 공정수에 따른 제조비용을 줄일 수 있고, 멤브레인 기판구조에 의해 제조공정의 안정화를 꾀할 수 있는 적외선 센서의 구성이 개시되어 있다.
또한, 공개특허 제2004-0109999호에는 멤스(MEMS) 공정을 적용한 초전형 적외선 센서에 관한 것으로, 적외선 센서 구조체의 최상부에 위치하는 적외선 흡수층을 실리콘 산화막(SiO2)으로 형성하여 약 8 내지 12㎜ 대역의 적외선 파장에 대하여 뛰어난 흡수 효과를 보이고, 센서 픽셀(pixel)의 보호막 역할을 할 수 있게 한다. 또한, 적외선 흡수층, 지지아암 및 기둥을 일체형으로 형성하여 센서 구조체의 구조를 견고하게 하고, 제작 공정의 단계를 획기적으로 감소시켜 공정 수율을 높이는 적외선 센서의 구성이 개시되어 있다.
상기의 선행기술들에 개시된 적외선 센서는 반도체를 기반으로 하는 것으로, 해당 목적에 적절한 특성을 나타내는 장점은 있으나, 제작 방법 역시 정교한 반도체 공정을 이용하며, 또한 센서 구조 자체가 다소 복잡하여 높은 제작 비용이 발생하는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 단점을 극복하기 위하여 안출된 것으로, 구조가 간단하고 저 가격으로 제작할 수 있는 새로운 형태의 적외선 검출 센서를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 나노와이어를 이용한 적외선 검출 센서에 있어서, 반도체 특성을 갖는 기판; 반도체 특성을 가지며, 상기 기판 상면에 수직으로 형성된 다수의 나노와이어; 상기 나노와이어 끝단을 서로 전기적으로 연결하는 투명 전극층; 및 상기 기판 하면에 형성되는 하단 전극층;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 기판은 실리콘 재질인 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 나노와이어는 In과 As의 화합물인 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 나노와이어의 길이는 5㎛ 내지 100㎛인 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 기판 상면과 투명 전극층 사이 공간 중 상기 나노와이어가 위치하지 않는 부분에 형성되는 충진층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 충진층은 PS(polystyrene), PMMA(polymethyl methacrylate) 및 BCB(benzocyclobutene) 중 선택된 어느 하나 이상의 재질로 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 하단 전극층은 Ti 또는 Au재질인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 투명 전극층 상단의 일부 영역에는 외부 전원 연결을 위한 상단 전극층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 상단 전극층은 Ti 또는 Au재질인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 기판은 n형 반도체이고, 상기 나노와이어는 p형 반도체인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 기판은 p형 반도체이고, 상기 나노와이어는 n형 반도체인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 적외선 검출 센서는 실리콘 기판 상에 성장한 나노 와이어를 이용한 구성으로, 나노 와이어 양단에 전극을 부착하는 것 만으로 제작할 수 있는 단순한 구조로 이루어져 적외선 센서 제작이 매우 편리한 장점이 있으며, 또한 대면적 나노 와이어를 이용하는 경우, 한번의 공정으로 넓은 면적을 갖는 센서를 제작한 후, 필요한 크기로 절단하여 단위 센서를 제작할 수 있어 더욱더 저가격으로 적외선 검출 센서를 제조할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 적외선 센서의 구성을 나타내는 모식도이며,
도 2는 도 1에 도시된 상단 전극의 형성 형태를 나타내는 모식도이며,
도 3은 본 발명에 따른 적외선 센서를 적용하기 위한 나노와이어의 SEM사진이며,
도 4는 도 3 나노와이어의 반사도 그래프이며,
도 5는 도 3 나노와이어의 투과도 그래프이며,
도 6은 도 3 나노와이어의 흡수도 그래프이며,
도 7은 실시예에 따른 광반응성 그래프이며,
도 8은 실시예에 따른 전압 의존도 그래프이며,
도 9는 실시예에서 파장에 따른 검출 특성 그래프이며,
도 10은 실시예에서 온도에 따른 검출 특성 그래프이다.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
본 발명은 나노와이어를 이용한 적외선 검출 센서에 관한 구성으로, 상기 나노와이어는 직경이 나노미터 영역이고, 길이가 직경에 비해 훨씬 큰 수백 나노미터, 마이크로미터 또는 더 큰 밀리미터 단위를 갖는 선형 재료이다. 이러한 나노와이어의 물성은 그들이 갖는 직경과 길이에 의존한다.
상기 나노와이어는 작은 크기로 인하여 미세 소자에 다양하게 응용될 수 있으며, 특정 방향에 따른 전자의 이동 특성이나 편광 현상을 나타내는 광학 특성을 이용할 수 있는 장점이 있어, FET와 같이 각종 전자소자의 핵심부품인 트랜지스터로 이용될 수 있고, 각종 화학센서 및 바이오센서 등에 응용이 가능하다. 상기한 바와 같은 특성을 갖는 나노와이어는 현재 나노 기술 분야에서 널리 연구되고 있으며, 레이저와 같은 광소자, 트랜지스터 및 메모리 소자 등 다양한 분야에 널리 응용되고 있는 차세대 기술이다. 또한, 나노와이어에 사용되는 재료는 실리콘, 아연 산화물과 발광반도체인 갈륨질화물 등의 III-V족 카드뮴설파이드계의 II-VI족 반도체 물질 등이 있다.
본 발명은 상기와 같은 나노와이어를 적외선 검출을 소자로 적용하는 것을 그 특징으로 하며, 나노와이어 자체는 기 제작된 것을 적용한다.
본 발명에 따른 적외선 검출 센서(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 기판(10), 상기 기판(10) 상에 성장하여 형성된 다수의 나노와이어(20), 상기 나노와이어(20) 끝단에 형성되어 각 나노와이어(20)를 전기적으로 연결하는 투명 전극층(30), 상기 기판(10)과 상기 투명 전극층(30) 사이의 공간에 형성되며, 상기 나노와이어(20)들 사이의 공간에 충진되는 충진층(40), 상기 기판(10) 하단에 형성되는 하단 전극층(50) 및 상기 투명 전극층(30) 상단에 형성되는 상단 전극층(60)을 포함하여 구성된다.
먼저 상기 기판(10)은 상기 나노와이어(20)가 수직으로 형성되는 베이스 역할을 하는 것으로, n형 실리콘 재질로 구성하는 것이 바람직하는 필요한 경우 다른 재질로 치환 가능하다.
그리소 상기 기판(10)의 하단에는 하단 전극층(50)이 형성되면, 상기 하단 전극층(50)은 Ti 또는 Au의 재질로 구성되는 것이 바람직하나, 역시 전기 전도도가 높은 다른 재질로 치환 가능하다.
한편 상기 기판(10) 상단에는 나노와이어(20)가 형성되며, 상기 나노와이어(20)는 p형 반도체 재질로 구성되며, 상기 재질은 제한되지 않는다.
여기서 상기 나노와이어(20)의 형성은 어떠한 방법으로도 구성 가능하다.
또한 상기 나노와이어(20)가 형성되지 않은 부분에는 충진층(40)이 형성되며, 상기 층진층은 나노와이어(20)를 고정하여 소자 단락을 방지하는 역할을 한다.
상기 층진층(40)은 고분자 물질로 이루어지며, 바람직하게는 PS(polystyrene), PMMA(polymethyl methacrylate), BCB(benzocyclobutene) 및 이들의 조합으로 이루어질 수 있으며, BCB로 이루어지는 것이 가장 바람직하다.
상기 나노와이어(20)의 끝단에는 투명전극층(30)이 형성되어 모든 나노와이어(20)가 전기적으로 연결된다.
상기의 구성만으로 적외선 검출 센서(100)의 기능을 수행할 수 있다. 이때 검출 회로를 상기 하단 전극층(50)과 투명 전극층(30)를 연결하고, 적외선을 상기 투명 전극층(30) 상단에 인가하는 경우, 적외선의 강도를 인식할 수 있으나, 상기 투명 전극층(30)은 외부 연결성이 부적절하여 상기 투명 전극층(30) 상단에 상단 전극층(60)을 형성한다.
상기 상단 전극층(60)은 투명 전극층(30)과 단순히 전기적 연결을 위한 구성으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 적외선 검출 센서(100) 상단에 적외수 인입구(61)를 형성하여 적외선이 내부에 위치하는 나노와이어(20)에 도달할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하며, 필요한 경우 상단 테두리부에만 형성되도록 구성할 수도 있다.
한편, 본 발명에 따른 적외선 검출 센서(100)는 적외선 검출을 위해서는 상기 나노와이어(20)의 길이가 중요한 인자이며, 상기 나노와이어(20)의 길이는 5㎛ 내지 100㎛가 바람직하다.
이때 상기 나노와이어(20)의 길이가 5㎛미만인 경우에는 광반응성이 약하여 센서로 작동하기에 다소 무리이며, 100㎛를 초과하는 경우에는 길이 증가에 비하여 광반응성 증가가 미미하다.
상기 특성 파악을 위하여 도 3에 도시된 바와 같이 길이가 25㎛인 나노와이어(sample A)와 길이가 50㎛인 나노와이어(sample B) 두개에 대하여 광특성 시험을 예비 시험을 수행하였다.
시험결과 도 4에는 일반 실리콘 기판과 2개의 나노와이어의 반사도를, 도 5에는 투과도를 그리고 도 6에는 흡수도를 각각 도시하였다.
상기 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이 50㎛ 길이의 나노와이어가 25㎛이 비하여 높은 광흡수도를 나타내는 것으로 나타났으나, 두개의 나노와이어 역시 적외선의 파장에 따라 다른 특성을 나타내어 적외선 센서로 활용 가능성을 나타냄을 확인할 수 있었다.
실시예
상기 예비 시험결과를 바탕으로 실제 적외선 센서(100)를 제작하였다. 이때, 기판(10)은 n형 반도체의 실리콘으로 구성하고, 나노와이어는 도핑되지 않은 InAs재질로 길이는 5 ~ 100㎛, 밀도는 1×07 ~ 1×010, 지름은 30 ~ 300 nm인 나노와이어를 합성하였고 센서의 크기는 0.1×0.1 ~ 5×5 cm2 사이의 크기로 제작되었다.
시험예 1(광반응성 시험)
상기 실시예를 통하여 제작된 센서를 이용하여 광반응성 시험을 실시하였다. 수행 결과 도 7에 도시된 바와 같이, 저온(77K) 다크 상태에서 적외선을 조사함에 따라 전류가 발생됨을 확인하여 적외선 영역에서 광반응성을 가짐을 확인하였다.
시험예 2(파장에 따른 인가 전압 의존도)
상기 실시예를 통하여 제작된 센서를 이용하여 인가 전압에 따른 반응성을 시험하였다. 시험 결과 도 8에 도시된 바와 같은 전압에 따라 응답성이 달리 나타남을 확인하였다.
시험예 3(파장에 따른 검출 특성)
상기 실시예를 통하여 제작된 센서를 이용하여 적외선 파장에 따른 검출 특성 시험을 수행하였다. 시험결과 도 9에 도시된 바와 같이, 적외선 파장에 따라 다른 검출 특성을 나타냄을 확인하였다.
시험예 4(온도에 따른 검출 특성)
실시예의 센서를 적외선 파장(λ=2.3㎛)을 고정한 후, 온도를 변화시켜 검출 특성을 시험하였다. 시험 결과 도 10에 도시된 바와 같이, 온도에 따라 다른 검출 특성을 나타냄을 확인하였다.
상기 시험예 1 내지 시험예 4를 통하여 나노와이어(20)는 적외선 센서로 활용 가능함을 확인하였다.
또한 사전에 제작된 기판(10)과 상기 기판(10) 상단에 형성된 나노와이어(20)를 이용하는 경우, 양단의 전극과 충진물을 충진하는 것 만으로 적외선 센서로 활용할 수 있으므로, 센서의 제조가 매우 편리한 장점이 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
10: 기판 20: 나노와이어
30: 투명 전극층 40: 충진층
50: 하단 전극층 60: 상단 전극층
61: 인입구 100: 전외선 검출 센서

Claims (11)

  1. 나노와이어를 이용한 적외선 검출 센서에 있어서,
    반도체 특성을 갖는 기판;
    반도체 특성을 가지며, 상기 기판 상면에 수직으로 형성된 다수의 나노와이어;
    상기 나노와이어 끝단을 서로 전기적으로 연결하는 투명 전극층; 및
    상기 기판 하면에 형성되는 하단 전극층;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 적외선 검출 센서.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 기판은 실리콘 재질인 것을 특징으로 하는 적외선 검출 센서.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 나노와이어는 In과 As의 화합물인 것을 특징으로 하는 적외선 검출 센서.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 나노와이어의 길이는 5㎛ 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는 적외선 검출 센서.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 기판 상면과 투명 전극층 사이 공간 중 상기 나노와이어가 위치하지 않는 부분에 형성되는 충진층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출 센서.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 충진층은 PS(polystyrene), PMMA(polymethyl methacrylate) 및 BCB(benzocyclobutene) 중 선택된 어느 하나 이상의 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 적외선 검출 센서.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 하단 전극층은 Ti 또는 Au재질인 것을 특징으로 하는 적외선 검출 센서.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 투명 전극층 상단의 일부 영역에는 외부 전원 연결을 위한 상단 전극층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 검출 센서.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 상단 전극층은 Ti 또는 Au재질인 것을 특징으로 하는 적외선 검출 센서.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 기판은 n형 반도체이고, 상기 나노와이어는 p형 반도체인 것을 특징으로 하는 적외선 검출 센서.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 기판은 p형 반도체이고, 상기 나노와이어는 n형 반도체인 것을 특징으로 하는 적외선 검출 센서.
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