KR20160142193A - 2d 물질을 포함하는 광학소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

2D 물질을 포함하는 광학소자와 그 제조방법에 관해 개시되어 있다. 개시된 광학소자는 하부 채널층 상에 형성된 배리어 적층물과, 상기 배리어 적층물 상에 형성된 상부 채널층과, 상기 하부 채널층에 연결된 드레인 전극과, 상기 기판 상에 형성된 소스 전극을 포함하고, 상기 배리어 적층물은 제1 배리어층과, 상기 제1 배리어층 상에 구비된 배리어층을 포함하고, 상기 제1 배리어층과 상기 제2 배리어층 사이에 상기 소스 전극에 연결된 채널부를 포함한다. 상기 배리어 적층물은 상기 제2 배리어층 상에 적어도 1개 이상의 배리어층을 더 포함하고, 상기 배리어 적층물에 포함된 배리어층들 사이에 상기 드레인 전극에 연결되는 채널층과 상기 소스전극에 연결되는 채널부가 교번 적층될 수 있다.

Description

2D 물질을 포함하는 광학소자 및 그 제조방법{Optical device including 2D materials and method of manufacturing the same}
본 개시는 광학소자에 관한 것으로써, 보다 자세하게는 2D 물질(two-dimensional material)을 포함하여 특성을 개선시킨 광학소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
2차원 물질을 이용하는 포토디텍터(photodetector)의 원리는 TMD(Transition Metal Dichalcogenide)층이 빛을 흡수하고, 이에 따라 발생되는 전자와 홀이 양쪽의 전극으로 빠져나가는 원리이다. 이때 TMD층의 두께에 따라 광흡수율이 달라진다. 빛을 모두 흡수하기 위해서 TMD층은 두껍게 형성된다.
그러나 TMD층이 두꺼울 경우, TMD층 내에 생성된 전자와 홀은 양쪽 전극으로 빠져나가는 과정에서 TMD층의 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band) 로 떨어져서 만나(재결합으로) 사라지거나 TMD층에 존재하는 결함(defect)으로 인해 전자와 홀의 흐름이 방해를 받는다. 이에 따라 광 분리효율이 떨어지게 된다.
본 개시는 광 흡수율과 광 분리효율을 모두 높일 수 있는, 2D 물질을 포함하는 광학소자를 제공함에 있다.
본 개시는 이러한 광학소자의 제조방법을 제공함에 있다.
개시된 광학소자는 하부 채널층 상에 형성된 배리어 적층물과, 상기 배리어 적층물 상에 형성된 상부 채널층과, 상기 하부 채널층에 연결된 드레인 전극과, 상기 기판 상에 형성된 소스 전극을 포함하고, 상기 배리어 적층물은 제1 배리어층과, 상기 제1 배리어층 상에 구비된 배리어층을 포함하고, 상기 제1 배리어층과 상기 제2 배리어층 사이에 상기 소스 전극에 연결된 채널부를 포함한다.
이러한 광학소자에서, 상기 배리어 적층물은 상기 제2 배리어층 상에 적어도 1개 이상의 배리어층을 더 포함하고, 상기 배리어 적층물에 포함된 배리어층들 사이에 상기 드레인 전극에 연결되는 채널층과 상기 소스전극에 연결되는 채널부가 교번 적층될 수 있다.
상기 제1 배리어층과 상기 제2 배리어층은 2D 물질층 또는 반도체층일 수 있다.
상기 하부 채널층은 금속층일 수 있다.
상기 채널층과 상기 채널부는 서로 반대되는 타입으로 도핑된 것일 수 있다.
광 흡수에 의해 발생된 전자와 홀이 재결합될 때까지 이동된 거리를 D1이라 할 때, 상기 제1 배리어층과 상기 제2 배리어층의 두께는 상기 D1보다 작을 수 있다.
상기 채널층과 상기 채널부는 단일층의 2D 물질층일 수 있다.
상기 채널층과 상기 채널부는 서로 수직하거나 예각 또는 둔각을 이룰 수 있다.
상기 소스 전극은 라인형태로 확장되어 있고, 상기 소스 전극에 복수의 드레인 전극이 대응할 수 있다.
상기 반도체층은 IV족 반도체, III-V족 화합물 반도체, 산화물 반도체, 질화물 반도체 및 질산화물 반도체로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 반도체층은 2D 반도체층일 수 있다. 이때, 상기 2D 반도체층은 금속 칼코게나이드계(metal chalcogenide-based) 물질층일 수 있다.
상기 반도체층은 양자점 함유층 또는 양자점층일 수 있다. 이때, 상기 양자점층은 복수의 양자점을 포함하고, 각 양자점은 코어부와 상기 코어부를 감싸는 껍질부로 구성될 수 있다.
개시된 광학소자의 제조방법에서, 기판 상에 제1 채널층이 형성되고, 상기 제1 채널층 상에 제1 및 제2 배리어층을 순차적으로 형성된다. 상기 기판 상에 상기 제1 배리어층과 상기 제2 배리어층 사이로 확장되는 채널부를 갖는 제2 채널층이 형성되고, 상기 제2 배리어층의 상부면을 덮고 상기 제1 채널층에 연결되는 제3 채널층이 형성된다. 상기 제1 채널층 상에 드레인 전극이 형성되고, 상기 제2 채널층 상에 소스 전극이 형성된다.
이러한 제조방법에서, 상기 제3 채널층을 형성하기 전에, 상기 제2 배리어층 상에 적어도 1개 이상의 배리어층을 적층되고, 상기 제2 배리어층과 상기 적어도 1개 이상의 배리어층을 포함하는 배리어층들 사이에 상기 소스 전극에 연결되는 채널부와 상기 드레인 전극에 연결되는 채널층을 교번 적층될 수 있다.
상기 제1 채널층과 상기 제2 채널층은 서로 수직하게 형성하거나 예각 또는 둔각으로 형성할 수 있다.
상기 소스 전극은 라인 형태로 형성하고, 상기 소스 전극에 복수의 드레인 전극을 대응시킬 수 있다.
상기 제1 채널층은 금속층으로 형성할 수 있다.
상기 제1 내지 제3 채널층은 단일층의 2D 물질층으로 형성할 수 있다.
상기 제1 및 제2 배리어층은 광 흡수특성이 다른 2D 물질층 또는 반도체층으로 형성할 수 있다.
상기 제1 내지 제3 채널층은 도핑층일 수 있다.
광 흡수에 의해 발생된 전자와 홀이 재결합될 때까지 이동된 거리를 D1이라 할 때, 상기 제1 배리어층과 상기 제2 배리어층은 상기 D1보다 작은 두께로 형성할 수 있다.
개시된 광학소자에서 2D 물질을 포함하는 배리어층(광 흡수층)의 전체 두께는 입사광을 모두 흡수할 수 있는 충분한 두께를 갖는다. 여기서, '충분한 두께'는입사광을 모두 흡수할 수 있는 최소 두께이거나 최소 두께보다 두껍거나 얇은 두께일 수 있다. 따라서 개시된 광학소자의 광 흡수율은 기존의 광학소자의 광 흡수율과 동등하거나 그 이상이 될 수 있다. 그리고 개시된 광학소자에서 2D 물질을 포함하는 광 흡수층은 복수층으로 분할되어 있고, 분할된 각 층의 두께는 매우 얇고, 제조과정에서 광 분리효율이 최대가 되는 두께로 조절될 수 있다. 이에 따라 광 흡수층에 광이 조사되고, 이에 따라 발생되는 전자와 홀의 대부분은 광 흡수층으로부터 광 흡수층에 인접한 전극(채널층)으로 이동될 수 있다. 이와 같이 개시된 광학소자를 이용하면 광 흡수율과 광 분리효율 모두를 높일 수 있다.
또한, 개시된 광학소자에서 광 흡수층은 2D 물질을 포함하는 층이고, 상기 광 흡수층에 포함된 복수의 층들 사이에 있는 전극은 그래핀과 같은 2차원 물질 전극이므로, 개시된 광학소자는 대면적의 얇은 막 형태로 구현할 수도 있고, 유연성을 갖는 소자(flexible device)에도 적용될 수 있다.
또한, 개시된 광학소자는 광 흡수와 그에 따라 발생되는 전자와 홀을 이용하는 광학장치 혹은 광전자장치들, 예컨대 CMOS 차지 이미지 센서(CMOS charge image sensor), 건강 모니터링 장치(health monitoring device)의 포토디텍터, 태양전지 등에 적용될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 의한 2D 물질을 포함하는 광학소자의 평면도이다.
도 2는 도 1을 2-2' 방향으로 절개한 단면도이다.
도 3은 도 1을 3-3' 방향으로 절개한 단면도이다.
도 4는 도 1 내지 도 3에 도시된 광학소자의 제1 및 제2 채널층과 제1 및 제2 배리어층의 에너지 밴드 구조와 이것과 비교하기 위한 기존의 광학소자의 에너지 밴드 구조를 나타낸 단면도이다.
도 5 및 도 6은 다른 실시에에 의한 2D 물질을 포함하는 광학소자의 단면도이다.
도 7은 도 5 및 도 6의 광학소자의 평형상태에서의 에너지 밴드 구조를 나타낸 단면도이다.
도 8은 또 다른 실시예에 의한, 2D 물질을 포함하는 광학소자의 단면도이다.
도 9는 또 다른 실시에에 의한, 2D 물질을 포함하는 광학소자의 단면도이다.
도 10은 또 다른 실시예에 의한, 2D 물질을 포함하는 광학소자의 단면도이다.
도 11 내지 도 14는 일 실시예에 의한, 2D 물질을 포함하는 광학소자의 제조방법을 단계별로 나타낸 단면도들이다.
이하, 2D 물질(two-dimensional material)을 포함하는 광학소자 및 그 제조방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
먼저, 2D 물질을 포함하는 광학소자를 설명한다.
도 1은 일 실시예에 의한 2D 물질을 포함하는 광학소자를 보여준다. 도 1에 예시된 광학소자는 포토디텍터(photodetector)일 수 있다.
도 1을 참조하면, 절연층(30) 영역 내에 소스전극(42S)과 드레인 전극(42D)이 구비되어 있다. 소스 전극(42S)과 드레인 전극(42D)은 서로 이격되어 있다. 소스 전극(42S)과 드레인 전극(42D) 사이에 제1 채널층(32)과 제2 채널층(36)이 배치되어 있다. 제1 채널층(32)은 드레인 전극(42D)에 연결되어 있다. 제2 채널층(36)은 소스 전극(42S)에 연결되어 있다. 제1 채널층(32)의 일부와 제2 채널층(36)의 일부는 겹친다. 제1 채널층(32)과 제2 채널층(36)은 일부가 겹치지만, 서로 접촉되지 않는다. 도 1에서 제1 및 제2 채널층(32, 36)의 가로 폭은 소스 및 드레인 전극(42S, 42D)의 가로 폭보다 좁은 것으로 도시되어 있지만, 제1 및 제2 채널층(32, 36)의 가로 폭은 소스 및 드레인 전극(42S, 42D)의 가로 폭과 동일할 수도 있다.
제1 및 제2 채널층(32, 36)은 광에 대해 투명하고, 광 흡수율이 낮은 물질층일 수 있다. 제1 채널층(32)은 그래핀층일 수 있다. 제2 채널층(36)은 그래핀층일 수 있다. 이때, 제1 및 제2 채널층(32, 36)은 단층의 그래핀층일 수 있다. 제1 및 제2 채널층(32, 36)이 그래핀층일 때, 도핑된 그래핀층이 사용될 수도 있다. 도핑 타입은 제1 채널층(32)과 제2 채널층(36)이 반대일 수 있다. 곧, 제1 및 제2 채널층(32, 36) 중 하나가 p 타입으로 도핑되었다면, 나머지는 n 타입으로 도핑될 수 있다. 상기 도핑된 그래핀층은 의도적으로 불순물을 도핑한 것일 수도 있지만, 그래핀을 형성하는 과정에서 자연적으로 불순물이 오염된 것일 수도 있다. 제1 및 제2 채널층(32, 36)은 그래핀외의 다른 2D 물질로 형성된 층일 수 있다. 이 경우, 제1 및 제2 채널층(32, 36)은 각각 단층의 2D 물질층일 수 있다.
도 2는 도 1을 2-2’방향으로 절개한 단면을 보여준다.
도 2를 참조하면, 기판(20) 상에 절연층(30)이 형성되어 있다. 절연층(30)은, 예를 들면 실리콘 산화물층일 수 있다. 기판(20)과 절연층(30)을 통칭해서 기판 혹은 베이스 기판이라 할 수도 있다. 절연층(30)의 일부 영역 상에 하부 채널층(32b)이 구비되어 있다. 하부 채널층(32b) 상에 제1 배리어층(34), 수평 채널부(36m), 제2 배리어층(38) 및 상부 채널층(32t)이 순차적으로 적층되어 있다. 순차적으로 적층된 제1 및 제2 배리어층(34, 38)을 통칭해서 배리어 적층물이라 할 수 있다.
'배리어 적층물'이라는 용어는 2개 이상의 배리어층이 순차적으로 적층된 적층물을 지칭할 때도 사용할 수 있다.
제1 배리어층(34)은 하부 채널층(32b)과 수평 채널부(36m) 사이에 에너지 배리어를 형성할 수 있다. 제2 배리어층(38)은 수평 채널부(36m)과 상부 채널층(32t) 사이에 에너지 배리어를 형성할 수 있다. 도 2의 광학소자에 입사되는 광은 제1 및 제2 배리어층(34, 38)에 흡수되고, 광전효과에 의해 제1 및 제2 배리어층(34, 38) 내부에 전자와 홀(hole)이 발생된다. 제1 및 제2 배리어층(34, 38)의 존재로 인해 상부 및 하부 채널층(32t, 32b)과 수평 채널부(36m) 사이에 빌트-인 포텐셜(built-in potential)이 형성된다. 상부 및 하부 채널층(32t, 32b)과 수평 채널부(36m)가 도핑된 그래핀층일 때, 평형상태에서 상기 빌트-인 포텐셜이 증가될 수 있다. 이에 따라 제1 및 제2 배리어층(34, 38) 내부에 발생된 전자는 드레인 전극(42D)에 연결된 하부 채널층(32b)으로 이동되고, 홀은 소스 전극(42S)에 연결된 수평 채널부(36m)로 이동되어 광 분리가 이루어진다. 제1 배리어층(34)은 전자와 홀의 광 분리가 완전히 이루어질 수 있는 제1 두께(t1)를 가질 수 있다. 제2 배리어층(38)도 전자와 홀의 광 분리가 완전히 이루어질 수 있는 제2 두께(t2)를 가질 수 있다. 제1 배리어층(34)과 제2 배리어층(38)이 특정 두께일 때, 제1 및 제2 배리어층(34, 38) 내부에 생성된 전자와 홀이 대부분 재결합되거나 제1 및 제2 배리어층(34, 38)에 포함된 결함(defect)에 의해 상기 전자와 홀의 이동(터널링)이 방해를 받아 광 분리효율이 떨어질 수 있다. 이러한 점을 감안하여 제1 배리어층(34)의 제1 두께(t1)와 제2 배리어층(38)의 제2 두께(t2)는 상기 특정두께보다 작은 범위에서 결정될 수 있다. 제1 배리어층(34)이나 제2 배리어층(34)과 동일한 물질층에서 광 흡수에 의해 발생된 전자와 홀이 재결합될 때까지 이동된 거리를 D1이라 할 때, 상기 특정두께는 상기 D1과 같을 수 있다.
제1 및 제2 배리어층(34, 38)의 전체 두께(t1+t2)는 입사광의 대부분을 흡수할 수 있을 정도의 두께가 될 수 있다. 제1 및 제2 배리어층(34, 38)의 전체 두께(t1+t2)는, 예를 들면 100nm 이하일 수 있다. 이러한 관계는 후술되는 다른 실시예(2개 이상의 배리어층을 포함하는 경우)에도 적용될 수 있다. 이에 따라 개시된 광학소자는 광 흡수율이 높으면서 광 분리효율도 높을 수 있다. 제1 및 제2 배리어층(34, 38)은 편의 상, 광 흡수층이라 할 수 있다. 제1 배리어층(34)은 2D 물질층 또는 반도체층일 수 있다. 제2 배리어층(38)은 2D 물질층 또는 반도체층일 수 있다. 제1 및 제2 배리어층(34, 28)은 동일한 물질층 또는 다른 물질층일 수 있다. 예를 들면, 제1 및 제2 배리어층(34, 38)은 동일한 2D 물질층 또는 동일한 반도체층일 수 있다. 또한, 제1 배리어층(34)과 제2 배리어층(38) 중 하나는 2D 물질층이고, 나머지는 반도체층일 수 있다. 또한, 제1 배리어층(34)과 제2 배리어층(38)은 서로 다른 2D 물질층일 수도 있다. 또한, 제1 배리어층(34)과 제2 배리어층(38)이 반도체층일 때, 제1 및 제2 배리어층(34, 38)은 서로 다른 반도체층일 수도 있다. 상기 2D 물질층은, 예를 들면 다층 그래핀층일 수 있다. 상기 반도체층의 두께는, 예를 들면 1nm ~ 1mm이하, 1nm ~ 수백㎛일 수 있다. 상기 반도체층은, 예를 들면 2D 물질 특성을 나타내는 반도체 물질층(이하, 2D 반도체층)일 수 있다. 상기 2D 반도체층은 금속 칼코게나이드계(metal chalcogenide-based) 물질층일 수 있다. 상기 금속 칼코게나이드계 물질층은 전이금속과 칼코겐(chalcogen) 원소를 포함하는 TMD(Transition Metal Dichalcogenide)층일 수 있다. 이때, 상기 전이금속은 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc 및 Re로 이루어진 군 중 선택된 하나일 수 있다. 상기 칼코겐 원소는 S, Se 및 Te 중 선택된 하나일 수 있다.
상기 TMD층은 MX2로 표현될 수 있다. 여기서, 'M'은 상기 전이금속이고, 'X'는 상기 칼코겐 원소일 수 있다. 상기 TMD층의 일부는 MX로 표현될 수도 있는데, 예를 들면 상기 TMD층은 CuS층일 수 있다. 이와 같이 상기 TMD층은 상기한 전이금속과 상기한 칼코겐 원소를 조합한 물질층이므로, 다양한 TMD층이 형성될 수 있다.
일 예로, 상기 TMD층은 MoS2층, MoSe2층, MoTe2층, WS2층, WSe2층, WTe2층, ZrS2층, ZrSe2층, HfS2층, HfSe2층, NbSe2층, ReSe2층 또는 CuS층 등일 수 있다.
상기 금속 칼코게나이드계 물질층은 또한 비전이금속과 칼코겐 원소를 포함하는 물질층일 수도 있다. 이때, 상기 비전이금속은, 예를 들면 Ga, In, Sn, Ge, Pb 등일 수 있다. 이러한 비전이금속과 상기 칼코겐 원소를 조합하여 다양한 금속 칼코게나이드계 물질층이 형성될 수 있다.
일 예로, 성분의 하나로 상기 비전이금속을 포함하는 상기 금속 칼코게나이드계 물질층은 SnSe2층, GaS층, GaSe층, GaTe층, GeSe층, In2Se3, InSnS2층 등일 수 있다.
상기 금속 칼코게나이드계 물질층에 포함되는 칼코겐 원소와 전이금속 또는 비전이금속은 상술한 것으로 한정되지 않는다.
상기 반도체층은 2D 물질(2D 반도체)로 한정되지 않는다. 곧, 상기 반도체층은 2D 물질이 아닌 반도체 물질층일 수도 있다. 예를 들면, 상기 반도체층은 반도체 특성을 나타내는 양자점을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 반도체층은 양자점 함유층(quantum dot-containing layer)일 수 있고, 다른 예로 상기 반도체층은 양자점층(quantum dot layer)일 수도 있다. 상기 반도체층이 상기 양자점 함유층일 때, 상기 반도체층은 양자점이 반도체 물질층에 함유된 형태일 수 있다.
양자점은 높은 양자수율(quantum yield)과 높은 안정성을 갖는다. 그리고, 양자점은 도트(dot) 사이즈를 조절하여 특성 제어가 용이하다.
상기 양자점층은 복수의 양자점을 포함할 수 있다. 이때, 각 양자점은 코어부와 껍질부로 구성될 수 있다. 상기 껍질부는 상기 코어부를 완전히 감싼다. 상기 껍질부는 단일쉘(single shell) 또는 이중쉘(double shell) 구조를 가질 수 있다. 상기 각 양자점의 직경은, 예를 들면 10nm 이하일 수 있다. 상기 각 양자점의 표면에는 유기 리간드(organic ligand)가 존재할 수 있다. 상기 유기 리간드는, 예를 들면 oled acid, trioctylphosphine, trioctylamine, trioctylphosphine oxide 등일 수 있다. 필요할 경우, 상기 유기 리간드는 제거될 수 있다. 상기 각 양자점은 콜로이달 양자점(colloidal quantum dot)일 수 있다. 상기 코어부는 CdSe, InP, PbS, PbSe 및 CdTe로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그리고 상기 껍질부는 CdS와 ZnS 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 반도체층은 또한 Si, Ge, SiGe 등과 같은 IV족 계열의 원소를 포함하는 반도체, III-V족 화합물 반도체, 산화물 반도체, 질화물 반도체, 질산화물 반도체 등으로 이루어진 군 중 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
제1 및 제2 배리어층(34, 38)은 각각 주어진 영역의 파장에 대해 투명할 수 있다. 예를 들면, 제2 배리어층(38)은 청색영역의 광(blue)을 흡수하고, 나머지 영역의 광에 대해서 투명할 수 있다. 제1 배리어층(34)은 적색영역의 광(red)을 흡수하고, 나머지 영역의 광에 대해서 투명할 수 있다. 후술되는 실시예(2개 이상의 배리어층이 사용되는 경우)에서는 녹색영역의 광(green)을 흡수하고, 나머지 영역의 광에 대해 투명한 배리어층이 함께 사용될 수도 있다.
도 3은 도 1을 3-3’방향으로 절개한 단면을 보여준다.
도 3을 참조하면, 기판(20) 상에 절연층(30)이 구비되어 있다. 절연층(30)의 일부 영역 상에 제1 채널층(32)이 형성되어 있다. 절연층(30)의 다른 영역 상에 제2 채널층(36)이 형성되어 있다. 절연층(30) 상에서 제1 채널층(32)과 제2 채널층(36)은 이격되어 있다. 제1 채널층(32)은 하부 채널층(32b)와 상부 채널층(32t)과 사이드 채널층(32s)을 더 포함한다. 하부 채널층(32b)과 상부 채널층(32t)은 서로 이격되어 있고, 사이드 채널층(32s)을 통해서 연결된다. 하부 채널층(32b) 위에 상부 채널층(32t)이 존재한다. 하부 및 상부 채널층(32b, 32t)는 서로 평행할 수 있다. 사이드 채널층(32s)은 기판(20)에 수직할 수 있다. 하부 및 상부 채널층(32b, 32t)은 사이드 채널층(32s)에 수직할 수 있다. 상부 채널층(32t)은 절연층(30)으로부터 떨어져 있고, 기판(20)과 평행할 수 있다. 제2 채널층(36)은 위로 확장된 사이드 채널부(36s)와 사이드 채널부(36s)에서 수평으로 확장된 수평 채널부(36m)를 더 포함할 수 있다. 사이드 채널부(36s)는 기판(20)에 수직하다. 수평 채널부(36m)는 절연층(30)으로부터 떨어져 있고, 기판(20)에 평행하다. 수평 채널부(36m)는 제1 채널층(32)의 하부 채널층(32b)과 상부 채널층(32t) 사이에 위치한다. 수평 채널부(36m)는 제1 채널층(32)의 사이드 채널층(32s)과 이격되어 있다. 수평 채널부(36m)는 하부 및 상부 채널층(32b, 32t)과 평행할 수 있다. 제1 채널층(32)의 하부 채널층(32b)과 제2 채널층(36)의 수평 채널부(36m) 사이에 제1 배리어층(34)이 구비되어 있다. 제1 배리어층(34)은 하부 채널층(32b) 상에 형성되어 있고, 제1 배리어층(34)은 하부 채널층(32b)과 제2 채널층(36) 사이를 채운다. 제1 배리어층(34)은 하부 채널층(32b)과 제2 채널층(36) 사이의 절연층(30)과 접촉된다. 제1 배리어층(34)의 상부면은 평평하다. 제1 배리어층(34)의 상부면은 제2 채널층(36)의 수평 채널부(36m)으로 덮여 있다. 제1 배리어층(34)의 우측 측면은 제2 채널층(36)의 사이드 채널부(36s)로 덮여 있다. 제1 배리어층(34)의 좌측 측면은 제1 채널층(32)의 사이드 채널층(32s)으로 덮여 있다. 제2 채널층(36)의 수평 채널부(36m)와 제1 채널층(32)의 상부 채널층(32t) 사이에 제2 배리어층(38)이 마련되어 있다. 제2 배리어층(38)은 제2 채널층(36)의 수평 채널부(36m) 상에 형성되어 있고, 수평 채널부(36m)와 사이드 채널층(32s) 사이를 채운다. 제2 배리어층(38)은 수평 채널부(36m)와 사이드 채널층(32s) 사이의 제1 배리어층(34)과 접촉된다. 제2 배리어층(38)의 상부면은 평평하고, 제1 채널층(32)의 상부 채널층(32t)으로 덮여 있다. 제2 배리어층(38)의 좌측 측면은 제1 채널층(32)의 사이드 채널층(32s)으로 덮여 있다. 제1 채널층(32) 상에 드레인 전극(42D)이 배치되어 있고, 제2 채널층(36) 상에 소스 전극(42S)이 배치되어 있다. 드레인 전극(42D)은 사이드 채널층(32s)으로부터 이격되어 있다. 소스 전극(42S)은 사이드 채널부(36s)로부터 이격되어 있다.
도 3에서 광이 수평 채널층(32t) 위쪽에서 입사되는 경우, 제1 채널층(32)에서 절연층(30)과 직접 접촉되는 부분은 금속층일 수 있다. 그러므로 이 경우, 하부 채널층(32b)은 금속층일 수 있고, 드레인 전극(42D)은 금속층 상에 형성될 수 있다.
도 4는 도 1 내지 도 3에 도시된 광학소자의 제1 및 제2 채널층(32, 36)과 제1 및 제2 배리어층(34, 38)의 에너지 밴드 구조와 비교를 위한 종래의 광학소자의 에너지 밴드 구조를 나타낸 단면도이다.
도 4에서 (a)는 기존의 광학소자, 예컨대 포토디텍터의 에너지 밴드 구조를 나타내고, (b)는 도 1 내지 도 3에 도시된 광학소자의 에너지 밴드 구조를 나타낸다. 도 4의 에너지 밴드 구조는 광학소자에 전압이 인가되지 않을 때의 에너지 밴드 구조이다. 도 4의 (a)에 도시된 기존 광학소자의 에너지 밴드 구조는 두 그래핀층 사이에 하나의 배리어층이 구비된 경우에 해당한다. 도 4의 (a)에서 참조부호 E1-E5는 각각 상부 그래핀층, 배리어층, 하부 그래핀층, 절연층 및 기판(백 게이트)에 해당하는 에너지 밴드를 나타낸다. (b)에서 참조부호 20E와 30E는 각각 기판(백 게이트)(20)과 절연층(30)의 에너지 밴드를 나타내고, 32tE와 32bE는 각각 제1 채널층(32)의 상부 및 하부 채널층(32t, 32b)의 에너지 밴드를 나타내며, 36mE는 제2 채널층(36)의 수평 채널부(36m)의 에너지 밴드를 나타낸다. 그리고 참조부호 34E와 38E는 각각 제1 배리어층(34)과 제2 배리어층(38)의 에너지 밴드를 나타낸다.
도 4를 참조하여 개시된 광학소자의 원리(광 흡수와 그에 따른 캐리어의 발생과 이동)를 설명한다.
도 4의 (a)에 도시된 에너지 밴드 구조의 배리어층의 두께(T3)가 (b)에 도시된 에너지 밴드 구조의 제1 배리어층의 제1 두께(t1)와 제2 배리어층의 제2 두께(t2)의 합(t1+t2)과 같다고 하면, 예를 들어 (a)에 도시된 배리어층의 두께(T3)가 20nm이고, (b)에 도시된 제1 및 제2 배리어층의 두께(t1, t2)가 각각 10nm인 경우, (a)와 (b)에서 배리어층의 두께는 동일하고, (b)의 에너지 밴드 구조를 갖는 광학소자에서 두 배리어층(34, 38) 사이에 구비된 수평 채널부(도 3의 36m)에 의한 광 흡수양은 2.3% 정도로 매우 작기 때문에, (a)의 에너지 밴드 구조를 갖는 광학소자와 (b)의 에너지 밴드 구조를 갖는 광학소자의 광 흡수율은 동일하다고 볼 수 있다.
그러나 광 분리효율 측면에서 (a)의 에너지 밴드 구조를 갖는 광학소자와 (b)의 에너지 밴드 구조를 갖는 광학소자 사이에 명확한 차이가 있다.
구체적으로, 동일한 광이 (a)와 (b)의 에너지 밴드 구조를 갖는 광학소자에 입사된 경우, (a)의 에너지 밴드 구조를 갖는 광학소자의 제2 에너지 밴드(E2)를 갖는 배리어층과 (b)의 에너지 밴드 구조를 갖는 광학소자의 에너지 밴드(34E, 38E)를 갖는 제1 및 제2 배리어층(34, 38) 내부에서 광전효과에 의해 전자와 홀(e-, h+)이 발생된다. (a)의 경우, 배리어층 내에 발생된 전자와 홀이 인접한 채널층(그래핀층)으로 이동하기 위해 최대 20nm의 배리어층을 통과해야 한다. 반면, (b)의 경우, 제1 및 제2 배리어층(34, 38) 내에 발생된 전자와 홀이 인접한 채널층(예컨대, 그래핀층)으로 이동하기 위해 최대 10nm의 배리어층을 통과하면 한다. 상기 발생된 전자와 홀이 터널링할 수 있는 배리어층의 최대 두께가 10nm라고 하면, (a)의 경우, 두께가 20nm인 배리어층을 통과해야 하므로, 배리어층을 통과하는 과정에서 전자와 홀이 재결합(recombination)되거나 배리어층 내부에 존재하는 결함에 의해 그 이동이 제한될 수 있어, 결과적으로 광 분리효율이 낮아진다. 반면, (b)의 경우, 배리어층의 두께가 10nm이므로, 전자와 홀은 재결합되기 전에 혹은 결함을 만나기 전에 배리어층을 통과할 수 있다. 따라서 (b)의 에너지 밴드 구조를 갖는 광학소자의 광 분리효율이 (a)의 에너지 밴드 구조를 갖는 광학소자의 광 분리효율보다 높아질 수 있다. (b)의 에너지 밴드 구조를 갖는 광학소자에서 그래핀 채널층이 도핑된 경우, 제1 및 제2 배리어층(34, 38)의 에너지 밴드(34E, 38E)의 기울기가 더 커질 수 있는데, 이는 빌트-인 포텐셜을 증가시키는 결과를 초래하는 바, 광 분리효율은 더 높아질 수 있다.
도 5와 도 6은 다른 실시예에 의한 광학소자를 보여준다. 도 5와 도 6에 도시한 광학소자의 평면도는 도 1과 동일할 수 있다. 따라서 도 5는 도 1을 2-2’방향으로 절개한 단면에 대한 다른 예를 보여준다. 도 6은 도 1을 3-3’방향으로 절개한 단면에 대한 다른 실시 예를 보여준다.
도 2와 다른 부분에 대해서만 설명한다. 도 2의 설명에서 언급한 참조번호와 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 절연층(30) 상에 하부 채널층(32b)이 구비되어 있다. 하부 채널층(32b) 상에 제3 배리어층(44), 제1 수평 채널부(36m1), 제4 배리어층(46), 중간 채널층(32m), 제5 배리어층(48), 제2 수평 채널부(36m2), 제6 배리어층(50) 및 상부 채널층(32)이 순차적으로 적층되어 있다. 중간 채널층(32m)의 재료는 상부 및 하부 채널층(32t, 32b)과 동일할 수 있다. 제1 및 제2 수평 채널부(36m1, 36m2)는 도 2와 도 3에서 설명한 수평 채널부(36m)와 동일한 것일 수 있다. 제3 내지 제6 배리어층(44, 46, 48, 50)의 광 흡수 및 광 분리와 관련된 광학적 구조적 특징은 도 2에서 설명한 제1 및 제2 배리어층(34, 38)과 동일하거나 유사할 수 있다. 제3 배리어층(44)은 제1 파장대역의 광을 흡수하고, 나머지 파장대역의 광에 대해 투명할 수 있다. 제4 배리어층(46)은 제2 파장대역의 광을 흡수하고, 나머지 파장대역의 광에 대해 투명할 수 있다. 제5 배리어층(48)은 제3 파장대역의 광을 흡수하고, 나머지 파장대역의 광에 대해 투명할 수 있다. 제6 배리어층(50)은 제4 파장대역의 광을 흡수하고, 나머지 파장대역의 광에 대해 투명할 수 있다. 상기 제1 파장대역은 적외선 영역을 포함할 수 있다. 상기 제2 파장대역은 적색광(red) 영역을 포함할 수 있다. 상기 제3 파장대역은 녹색광(green) 영역을 포함할 수 있다. 상기 제4 파장대역은 청색광(blue) 영역을 포함할 수 있다. 이와 같이 제1 내지 제4 배리어층(44, 46, 48, 50)의 광 흡수대역이 다르므로, 제1 내지 제4 배리어층(44, 46, 48, 50)은 서로 다른 물질층일 수 있고, 일함수나 밴드 갭이 서로 다를 수 있다. 또한, 제1 내지 제4 배리어층(44, 46, 48, 50)이 도핑된 물질층일 경우, 각 배리어층(44, 46, 48, 50)의 도핑 상태는 서로 다를 수 있다. 제1 내지 제4 베리어층(44, 46, 48, 50)을 도시된 바와 같이 텐덤(tandem) 구조로 구비함에 따라 입사광의 파장영역별로 광을 모두 흡수할 수 있다.
도 6을 참조하면, 제1 채널층(32)의 하부 채널층(32b)과 제2 채널층(36)의 제1 수평 채널부(36m1) 사이에 제3 배리어층(44)이 구비되어 있다. 제3 배리어층(44)은 하부 채널층(32b) 상에 형성되어 있다. 제3 배리어층(44)은 하부 채널층(32b)과 제2 채널층(36)의 사이드 채널부(36s1) 사이를 채운다. 제3 배리어층(44)은 하부 채널층(32b)과 사이드 채널부(36s1) 사이의 절연층(30)과 접촉된다. 제3 배리어층(44)의 우측 측면은 제2 채널층(36)의 사이드 채널부(36s1)로 덮이고, 좌측 측면은 제1 채널층(32)의 사이드 채널층(36s1)으로 덮여 있다. 제3 배리어층(44)의 상부면은 평평할 수 있다. 제3 배리어층(44)의 상부면의 대부분은 제2 채널층(36)의 제1 수평 채널부(36m1)로 덮여 있다. 제1 수평 채널부(36m1)는 사이드 채널층(36s1)과 이격되어 있다. 제4 배리어층(46)은 제1 채널층(32)의 중간 채널층(32m)과 제2 채널층(36)의 제1 수평 채널부(36m1) 사이에 구비되어 있다. 제4 배리어층(46)은 제1 수평 채널부(36m1) 상에 형성되어 제1 수평 채널부(36m1)와 사이드 채널층(36s1) 사이를 채우고 제3 배리어층(44)과 접촉된다. 제4 배리어층(46)의 상부면은 제1 채널층(32)의 중간 채널층(32m)으로 덮여 있다. 제5 배리어층(48)은 중간 채널층(32m)과 제2 수평 채널부(36m2) 사이에 존재한다. 제5 배리어층(48)은 중간 채널층(32m) 상에 형성되어 중간 채널층(32m)과 사이드 채널부(36s1) 사이를 채우면서 제4 배리어층(46)과 접촉된다. 제5 배리어층(48)의 상부면의 대부분은 제2 채널층(36)의 제2 수평 채널부(36m2)로 덮여 있다. 제6 배리어층(50)은 제2 채널층(32)의 상부 채널층(32t)과 제2 채널층(36)의 제2 수평 채널부(36m2) 사이에 존재한다. 제6 배리어층(50)은 제2 수평 채널부(36m2) 상에 형성되어 제2 수평 채널부(36m2)와 사이드 채널층(36s1) 사이를 채우면서 제5 배리어층(48)과 접촉된다. 제6 배리어층(50)의 상부면은 제1 채널층(32)의 상부 채널층(32t)으로 덮여 있다. 제4 내지 제6 배리어층(46, 48, 50)의 왼쪽 측면은 제1 채널층(32)의 사이드 채널층(36s1)으로 덮여 있다. 제4 및 제5 배리어층(46, 48)의 우측 측면은 사이드 채널부(36s1)로 덮여 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 개시된 광학소자에서 제3 내지 제6 배리어층(44, 46, 48, 50)은 텐덤 구조로 적층되고, 각 배리어층 사이에 드레인 전극(42D)에 연결된 채널층(32b, 32m, 32t)과 소스 전극(42S)에 연결된 수평 채널부(36m1, 36m2)가 교번 적층되어 있다. 따라서 입사광을 충분히 흡수할 수 있고, 이 과정에서 발생되는 전자와 홀의 대부분은 인접한 채널로 이동될 수 있다. 그러므로 개시된 광학소자의 경우, 광 흡수율과 광 분리효율을 모두 높일 수 있다.
도 7은 도 5 및 도 6에 도시한 광학소자의 평형상태에서의 에너지 밴드 구조를 보여준다.
도 7에서 참조부호 32tE와 32bE는 제1 채널층(32)의 상부 및 하부 채널층(32t, 32b)의 에너지 밴드를 나타내고, 32mE는 제1 채널층(32)의 중간 채널층(32m)의 에너지 밴드를 나타낸다. 그리고 참조부호 36m1E와 36m2E는 제2 채널층(36)의 제1 및 제2 수평 채널부(36m1, 36m2)의 에너지 밴드를 나타내고, 44E, 46E, 48E 및 50E는 각각 제3 내지 제6 배리어층(44, 46, 48, 50)의 에너지 밴드를 나타낸다. 또한, 참조부호 20E와 30E는 각각 기판(20)과 절연층(30)의 에너지 밴드를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 광 흡수에 따라 각 배리어층(44, 46, 48, 50) 내부에서 발생된 전자와 홀(e-, h+)은 각 배리어층(44, 46, 48, 50)이 갖는 빌트-인 포텐셜로 인해 인접한 전극(채널층)으로 이동된다. 이때, 각 배리어층(44, 46, 48, 50)의 두께 조건은 도 2에서 설명한 제1 및 제2 배리어층(34, 38)의 두께 조건과 동일할 수 있다. 따라서 각 배리어층(44, 46, 48, 50)의 내부에서 발생된 전자(e-)와 홀(h+)의 대부분은 인접한 채널층으로 이동될 수 있다. 도 6에서 각 배리어층(44, 46, 48, 50) 사이에 구비된 채널층(32b, 36m1, 32m, 36m2, 32t)이 도핑된 채널층인 경우, 도 7의 각 배리어층(44, 46, 48, 50)에 해당하는 에너지 밴드의 기울기는 증가될 수 있는데, 이는 각 배리어층(44, 46, 48, 50)의 빌트-인 포텐셜의 증가를 의미한다. 각 배리어층(44, 46, 48, 50)의 빌트-인 포텐셜이 증가함에 따라 광 분리효율이 증가하므로, 결과적으로 각 배리어층(44, 46, 48, 50) 사이에 구비된 채널층(32b, 36m1, 32m, 36m2, 32t)이 도핑된 채널층일 때, 도 6의 광학소자의 광 분리효율은 더욱 증가될 수 있다.
도 5에 도시한 광학소자에서 제3 내지 제6 배리어층(44, 46, 48, 50)으로 입사광을 충분히 흡수하지 못할 경우, 입사광을 모두 흡수할 수 있는 구조가 될 수 있도록 배리어층을 추가할 수 있다.
도 8은 이에 대한 일 예를 보여준다.
도 8을 참조하면, 절연층(30) 상에 하부 채널층(32b)가 마련되어 있다. 하부 채널층(32b) 상에 탠덤 구조를 이루는 복수의 배리어층(60, 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74)이 순차적으로 적층되어 있다. 복수의 배리어층(60, 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74) 사이에 서로 다른 채널층이 교번 적층되어 있다.
구체적으로, 제7 배리어층(60)과 제8 배리어층(62) 사이에 제1 전극에 연결되는 제1 수평 채널부(36m1)가 존재하고, 제8 배리어층(62)과 제9 배리어층(64) 사이에 제2 전극에 연결되는 제1 중간 채널층(32m1)이 존재한다. 제9 배리어층(64)과 제10 배리어층(66) 사이에 상기 제1 전극에 연결되는 제2 수평 채널부(36m2)가 존재하고, 제10 배리어층(66)과 제11 배리어층(68) 사이에 상기 제2 전극에 연결되는 제2 중간 채널층(32m2)이 존재한다. 제11 배리어층(68)과 제12 배리어층(70) 사이에 상기 제1 전극에 연결되는 제3 수평 채널부(36m3)가 존재하고, 제12 배리어층(70)과 제13 배리어층(72) 사이에 상기 제2 전극에 연결되는 제3 중간 채널층(32m3)이 존재한다. 제13 배리어층(72)과 제14 배리어층(74) 사이에 상기 제1 전극에 연결되는 제4 수평 채널부(36m4)가 존재하고, 제14 배리어층(74) 상에 상기 제2 전극에 연결되는 상부 채널층(32t)이 존재한다. 상기 제1 전극은 소스 전극일 수 있고, 상기 제2 전극은 드레인 전극일 수 있다. 따라서 제1 내지 제4 수평 채널부(36m1-36m4)는 모두 소스 전극에 연결되고, 하부 및 상부 채널층(32b, 32t)과 제1 내지 제3 중간 채널층(32m1-32m3)은 모두 드레인 전극에 연결된다. 제7 내지 제14 배리어층(60, 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74)은 입사광에 포함된 모든 파장대역의 광을 흡수할 수 있는 층 구조를 이룰 수 있다. 예를 들면, 광이 기판(20) 위쪽에서 입사되는 경우, 배리어 적층물(BS)에서 상부층은 짧은 파장 대역의 광을 흡수하고, 중간층은 중간 파장 대역의 광을 흡수하고, 하층부는 장 파장 대역의 광을 흡수할 수 있다. 또는 배리어 적층물(BS)의 상층부에서 장 파장 대역의 광을 흡수하고, 하층부에서 짧은 파장 대역의 광을 흡수할 수도 있다.
이에 대한 구체적인 예로, 제7 및 제8 배리어층(60, 62)은 적외선 영역의 광을 흡수하는 층일 수 있다. 제9 및 제10 배리어층(64, 66)은 적색 영역의 광을 흡수하는 층일 수 있다. 제11 및 제12 배리어층(68, 70)은 녹색 영역의 광을 흡수하는 층일 수 있다. 제13 및 제14 배리어층(72, 74)은 청색 영역의 광을 흡수하는 층일 수 있다. 입사광에 특정 파장 영역의 광이 상대적으로 많은 경우, 예컨대 입사광에 청색 영역의 광이 상대적으로 많은 경우, 배리어 적층물(BS)은 청색 영역의 광을 상대적으로 많이 흡수하는 층 구성을 가질 수 있다. 예를 들면, 배리어 적층물(BS)에서 3개의 층(70, 72, 74)을 청색 영역 광을 흡수하는데 사용하고, 나머지 층(60, 62, 64, 66, 68)으로 청색영역의 광을 제외한 나머지 광(적색, 녹색, 적외선 영역의 광)을 흡수하는데 사용할 수 있다.
도 9 및 도 10은 또 다른 실시예에 의한 광학소자를 보여주는데, 앞에서 설명한 예와 다른 다양한 배치 형태를 보여준다.
도 9를 참조하면, 소스 전극(42S)과 드레인 전극(42D)은 일렬로 배치되어 있지 않다. 소스 전극(42S)에 연결된 제2 채널층(36)과 드레인 전극(42D)에 연결된 제1 채널층(32)은 서로 수직하게 배치되어 있다. 제1 채널층(32)의 일부와 제2 채널층(36)의 일부는 서로 겹친다. 제1 및 제2 채널층(32, 36)의 겹치는 영역에 배리어층이 존재한다. 참조부호 B1는 배리어층이 존재하는 영역을 나타낸다. 도 9에서 제1 및 제2 채널층(32, 36)은 서로 수직하게 배치된 것으로 도시되어 있다. 그러나 제1 채널층(32)과 제2 채널층(36)은 서로 수직하지 않을 수 있다. 예컨대, 제1 채널층(32)과 제2 채널층(36)의 사이각은 예각 혹은 둔각일 수도 있다.
도 10은 복수의 광학소자(예컨대, 포토디텍터)가 하나의 소스 전극 라인(42SL)을 공유하는 경우를 보여준다.
도 10을 참조하면, 하나의 소스 전극 라인(42SL)에 제1 내지 제4 드레인 전극(42D1-42D4)이 배치되어 있다. 하나의 소스 전극 라인(42SL)에 배치되는 드레인 전극의 수는 4개 이상 또는 이하일 수도 있다. 소스 전극 라인(42SL)과 제1 내지 제4 드레인 전극(42D1-42D4) 사이에 각각 제1 채널층(32)과 제2 채널층(36)이 마련되어 있다. 4개의 제2 채널층(36)이 소스 전극 라인(42SL에 연결되어 있다. 4개의 제2 채널층(36)은 서로 이격되어 있다. 제1 내지 제4 드레인 전극(42D1-42D4)에 각각 제1 채널층(32)이 연결되어 있다. 제1 채널층(32)의 일부와 제2 채널층(36)의 일부는 겹친다. 참조부호 B1은 제1 및 제2 채널층(32, 36)이 겹치는 영역에 배리어층이 구비된 영역을 나타낸다.
다음에는 일 실시예에 의한, 2차원 물질을 포함하는 광학소자의 제조방법을 도 11 내지 도 14를 참조하여 설명한다. 광학소자에 대한 실시예에서 설명된 부재와 동일한 부재에 대해서는 동일한 참조번호를 사용하고, 그에 대한 설명은 생략한다. 도 11 내지 도 14에서 (a)는 도 1을 2-2’방향으로 절개한 단면을, (b)는 도 1을 3-3’방향으로 절개한 단면을 보여준다.
도 11을 참조하면, 기판(20) 상에 절연층(30)을 형성한다. 절연층(30)은, 예를 들면 SiO2층으로 형성할 수 있다. 절연층(30)의 일부 영역 상에 제1 채널층(32)을 형성한다. 제1 채널층(32)은 단일층의 2D 물질층 또는 반도체층으로 형성할 수 있다. 제1 채널층(32)이 2D 물질층, 예컨대 그래핀층인 경우, 절연층(30) 상에 직접 성장할 수도 있지만, 외부에서 형성한 그래핀을 절연층(30) 상에 전사할 수도 있다.
도 12를 참조하면, 제1 채널층(32) 상에 제1 배리어층(34)을 형성한다. 제1 배리어층(34)은 제1 채널층(32)의 일단을 덮으면서 절연층(30)과 접촉되도록 형성할 수 있다. 이러한 형태의 제1 배리어층(34)은 통상의 사진 및 식각 공정을 적용하여 형성할 수 있다. 절연층(30) 상에 제2 채널층(36)을 형성한다. 제2 채널층(36)은 제1 채널층(32)과 이격되게 형성한다. 제2 채널층(36)은 제1 채널층(32)과 동일한 방법을 형성할 수 있다. 제2 채널층(36)은 제1 배리어층(34)의 측면을 덮고, 그 상부면의 일부까지 덮도록 형성한다. 제2 채널층(36)이 형성된 후에도 제1 배리어층(34)의 상부면의 일부는 노출될 수 있다.
도 13을 참조하면, 제2 채널층(36)의 수평 채널부(36m) 상에 제2 배리어층(38)을 형성한다. 제2 배리어층(38)은 제1 배리어층(34)과 광 흡수특성(대역)이 동일하거나 다른 물질로 형성할 수 있다. 제2 배리어층(38)인 도핑층인 경우, 제1 배리어층(34)과 다르게 도핑할 수도 있다. 예컨대, 제1 및 제2 배리어층(34, 38) 중 하나는 p형 도펀트로 도핑할 수 있고, 나머지는 n형 도펀트로 도핑할 수 있다. 제2 배리어층(38)의 일부는 제1 배리어층(34)과 접촉될 수 있다. 제2 배리어층(38)이 형성된 후, 제2 채널층(36)의 수평 채널부(36m)의 상부면의 일부는 노출된다. 제2 배리어층(38) 위에 다른 배리어층이 더 형성되지 않는 경우, 제2 배리어층(38)은 수평 채널부(36m)의 상부면 전체를 덮도록 형성할 수 있다.
도 14를 참조하면, 제2 배리어층(38)의 상부면을 덮는 제3 채널층(80)을 형성한다. 제3 채널층(80)은 제1 채널층(32)과 접촉되도록 형성한다. 제3 채널층(80)도 단층의 2D 물질층 혹은 반도체층으로 형성할 수 있다. 제3 채널층(80)은 제1 및 제2 배리어층(34, 38)의 왼쪽 측면을 덮도록 형성한다. 제3 채널층(80)의 제2 배리어층(38)의 상부면을 덮는 부분은 도 3의 상부 채널층(32t)에 해당한다. 그리고 제3 채널층(80)의 제1 및 제2 배리어층(34, 38)의 측면을 덮는 부분은 도 3의 사이드 채널층(32s)에 해당한다. 제3 채널층(80)을 형성한 다음, 제1 채널층(32) 상에 드레인 전극(42D)을 형성하고, 제2 채널층(36) 상에 소스 전극(42S)을 형성한다. 소스 및 드레인 전극(42S, 42D)은 제3 채널층(80)을 형성하기 전에 형성할 수도 있다.
한편, 도 6 및 도 8에 도시한 광학소자의 경우, 절연층(30) 상에 2개 이상의 배리어층을 반복하여 적층하고, 배리어층 사이에 서로 다른 채널층을 교번 적층하여 형성한 것이다. 그러므로 도 6 및 도 8에 도시한 광학소자도 도 11 내지 도 14에 예시한 방법에 기초하여 어렵지 않게 형성할 수 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.
20:기판 20E:기판의 에너지 밴드
30:절연층 30E:절연층의 에너지 밴드
32, 36:제1 및 제2 채널층 32b:제1 채널층의 하부 채널층
32bE:하부 채널층의 에너지 밴드 32m:중간 채널층
32m1, 32m2, 32m3:제1 내지 제3 중간 채널층
32s, 32s1:사이드 채널층 32t:제1 채널층의 상부 채널층
32tE:제1 채널층의 에너진 밴드 34, 38:제1 및 제2 배리어층
34E:제1 베리어층의 에너지 밴드
36m:제2 채널층(36)의 수평 채널부
36m1, 36m2, 36m3:제1 내지 제3 수평 채널부
36s, 36s1:제2 채널층(36)의 사이드 채널부
36eE:수평 채널부의 에너지 밴드 38tE:제2 배리어층의 에너지 밴드
42D:드레인 전극 42D1-42D4:제1 내지 제4 드레인 전극
42S:소스 전극 42SL:소스전극라인
44, 46, 48, 50, 60, 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74:제3 내지 제14 배리어층
80:제3 채널층 BS:배리어 적층물
B1:배리어층 영역 t1, t2:제1 및 제2 배리어층의 두께

Claims (24)

  1. 기판 상에 형성된 하부 채널층;
    상기 하부 채널층 상에 형성된 배리어 적층물;
    상기 배리어 적층물 상에 형성된 상부 채널층;
    상기 하부 채널층에 연결된 드레인 전극; 및
    상기 기판 상에 형성된 소스 전극;을 포함하고,
    상기 배리어 적층물은,
    제1 배리어층; 및
    상기 제1 배리어층 상에 구비된 배리어층;을 포함하고,
    상기 제1 배리어층과 상기 제2 배리어층 사이에 상기 소스 전극에 연결된 채널부를 포함하는 광학소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배리어 적층물은,
    상기 제2 배리어층 상에 적어도 1개 이상의 배리어층을 더 포함하고,
    상기 배리어 적층물에 포함된 배리어층들 사이에 상기 드레인 전극에 연결되는 채널층과 상기 소스전극에 연결되는 채널부가 교번 적층된 광학소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 배리어층은 2D 물질층 또는 반도체층인 광학소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 배리어층은 2D 물질층 또는 반도체층인 광학소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 채널층은 금속층인 광학소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널층과 상기 채널부는 서로 반대되는 타입으로 도핑된 광학소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    광 흡수에 의해 발생된 전자와 홀이 재결합될 때까지 이동된 거리를 D1이라 할 때, 상기 제1 배리어층과 상기 제2 배리어층의 두께는 상기 D1보다 작은 광학소자.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 채널층과 상기 채널부는 단일층의 2D 물질층인 광학소자.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 채널층과 상기 채널부는 서로 수직하거나 예각 또는 둔각을 이루는 광학소자.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 소스 전극은 라인형태로 확장되어 있고,
    상기 소스 전극에 복수의 드레인 전극이 대응하는 광학소자.
  11. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 반도체층은 IV족 반도체, III-V족 화합물 반도체, 산화물 반도체, 질화물 반도체 및 질산화물 반도체로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 광학소자.
  12. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 반도체층은 2D 반도체층인 광학소자.
  13. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 반도체층은 양자점 함유층 또는 양자점층인 광학소자.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 2D 반도체층은 금속 칼코게나이드계(metal chalcogenide-based) 물질층인 광학소자.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 양자점층은 복수의 양자점을 포함하고, 각 양자점은 코어부와 상기 코어부를 감싸는 껍질부로 구성된 광학소자.
  16. 기판 상에 제1 채널층을 형성하는 단계;
    상기 제1 채널층 상에 제1 및 제2 배리어층을 순차적으로 형성하는 단계;
    상기 기판 상에 상기 제1 배리어층과 상기 제2 배리어층 사이로 확장되는 채널부를 갖는 제2 채널층을 형성하는 단계;
    상기 제2 배리어층의 상부면을 덮고 상기 제1 채널층에 연결되는 제3 채널층을 형성하는 단계;
    상기 제1 채널층 상에 드레인 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 채널층 상에 소스 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 광학소자의 제조방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제3 채널층을 형성하기 전에,
    상기 제2 배리어층 상에 적어도 1개 이상의 배리어층을 적층하는 단계; 및
    상기 제2 배리어층과 상기 적어도 1개 이상의 배리어층을 포함하는 배리어층들 사이에 상기 소스 전극에 연결되는 채널부와 상기 드레인 전극에 연결되는 채널층을 교번 적층하는 단계;를 더 포함하는 광학소자의 제조방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 제1 채널층과 상기 제2 채널층은 서로 수직하게 형성하거나 예각 또는 둔각으로 형성하는 광학소자의 제조방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 소스 전극은 라인 형태로 형성하고, 상기 소스 전극에 복수의 드레인 전극을 대응시키는 광학소자의 제조방법.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 제1 채널층은 금속층으로 형성하는 광학소자의 제조방법.
  21. 제 16 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 채널층은 단일층의 2D 물질층으로 형성하는 광학소자의 제조방법.
  22. 제 16 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 배리어층은 광 흡수특성이 다른 2D 물질층 또는 반도체층으로 형성하는 광학소자의 제조방법.
  23. 상기 제1 내지 제3 채널층은 도핑층인 광학소자의 제조방법
  24. 제 16 항에 있어서,
    광 흡수에 의해 발생된 전자와 홀이 재결합될 때까지 이동된 거리를 D1이라 할 때, 상기 제1 배리어층과 상기 제2 배리어층은 상기 D1보다 작은 두께로 형성하는 광학소자의 제조방법.
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