KR20180082281A - 그래핀 양자점을 포함하는 광센서 및 이미지 센서 - Google Patents
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Abstract
그래핀 양자점을 포함하는 광센서 및 이미지 센서가 개시된다. 개시된 광센서는 제 1 작용기와 결합된 다수의 제 1 그래핀 양자점 및 상기 제 1 작용기와 상이한 제 2 작용기와 결합된 다수의 제 2 그래핀 양자점을 구비하는 그래핀 양자점층을 포함한다. 각각의 그래핀 양자점에 결합하는 작용기의 종류 및 그래핀 양자점의 크기에 따라 광센서의 흡수 파장 대역을 조절할 수 있다.
Description
개시된 실시예들은 광센서 및 이미지 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 작용기(functional group)가 결합된 그래핀 양자점(graphene quantum dot)을 포함하는 광센서 및 이미지 센서에 관한 것이다.
광센서 및 이미지 센서에서 통상적으로 사용하고 있는 실리콘 반도체는 적외선 대역에 대한 양자 효율(quantum efficiency)이 가시광 대역에 대한 양자 효율에 비하여 현저하게 낮다. 이에 따라, 생체 인증 센서, 저조도 감도 향상 장비, 야시경, 자율주행 센서 등의 용도로 사용되는 광센서에서 실리콘 반도체 대신에 그래핀을 사용하고자 하는 시도가 있다. 그래핀을 이용한 광센서는 그래핀이 밴드갭을 갖지 않기 때문에 이론적으로는 가시광선 대역의 빛뿐만 아니라 자외선 대역과 적외선 대역의 빛도 감지할 수 있다.
그래핀 양자점을 포함하는 광센서 및 이미지 센서를 제공한다.
일 실시예에 따른 광센서는, 제 1 전극; 상기 제 1 전극 상에 배치된 광검출층; 및 상기 광검출층 상에 배치된 제 2 전극;을 포함하며, 상기 광검출층은 제 1 작용기와 결합된 다수의 제 1 그래핀 양자점 및 상기 제 1 작용기와 상이한 제 2 작용기와 결합된 다수의 제 2 그래핀 양자점을 구비하는 그래핀 양자점층을 포함할 수 있다.
상기 제 1 작용기는 각각의 제 1 그래핀 양자점의 가장자리에 배치된 탄소들 중 적어도 하나에 결합되며 상기 제 2 작용기는 각각의 제 2 그래핀 양자점의 가장자리에 배치된 탄소들 중 적어도 하나에 결합될 수 있다.
상기 제 1 그래핀 양자점은 제 1 파장 대역의 빛을 흡수하도록 구성되며 상기 제 2 그래핀 양자점은 제 1 파장 대역과 상이한 제 2 파장 대역의 빛을 흡수하도록 구성될 수 있다.
상기 그래핀 양자점층은 제 1 및 제 2 작용기와 상이한 제 3 작용기와 결합된 다수의 제 3 그래핀 양자점을 더 구비하며, 상기 제 3 그래핀 양자점은 제 1 및 제 2 파장 대역과 상이한 제 3 파장 대역의 빛을 흡수하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 작용기와 상기 제 2 작용기는 -NO2, -NH2, -CH3, -OH, -COOH, =O, -CHO, -COCH3, -(C=O)-, -F, -H, -CO-N(CH3)2, -CH2-OH, -CO-NH2, -N(CH3)2, 알킬아민(alkylamine), 아닐린(aniline), 및 PEG(Polyethylene glycol) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제 1 그래핀 양자점은 제 1 크기를 가지며 상기 제 2 그래핀 양자점은 제 1 크기와 상이한 제 2 크기를 가질 수 있다.
상기 광검출층은 예를 들어 50 nm 내지 100 um의 범위 내에 있는 두께를 가질 수 있다.
상기 광검출층은 상기 제 1 전극과 상기 그래핀 양자점층 사이에 배치된 반도체층을 더 포함할 수 있다.
상기 반도체층은 실리콘을 포함하는 반도체 물질, 화합물 반도체 물질, 유기물 반도체 물질, 및 밴드갭을 가지며 2차원 결정 구조를 갖는 2차원 물질 중에서 적어도 하나의 반도체 재료를 포함하며, 상기 반도체 재료는 상기 반도체층과 상기 제 1 전극 사이에 쇼키 장벽(Schottky barrier)이 형성되도록 선택될 수 있다.
상기 그래핀 양자점층의 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 에너지 레벨과 상기 반도체층의 가전자대와의 에너지 차이는 상기 제 1 전극의 일함수와 상기 반도체층의 전도대와의 에너지 차이보다 작을 수 있다.
상기 2차원 물질은 예를 들어 전이금속과 칼코겐 원소의 화합물인 전이금속 디칼코게나이드를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 전이금속은 주석(Sn), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 하프늄(Hf), 티타늄(Ti), 및 레늄(Re) 중에서 적어도 하나를 포함하고, 상기 칼코겐 원소는 황(S), 셀레늄(Se) 및 텔루륨(Te) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 반도체층은 상기 제 1 전극 위에 배치된 제 1 반도체층 및 상기 제 1 반도체층 위에 배치된 제 2 반도체층을 포함하며, 상기 제 1 반도체층은 제 1 도전형으로 도핑되고 상기 제 2 반도체층은 제 1 도전형과 전기적으로 반대인 제 2 도전형으로 도핑될 수 있다.
상기 제 2 전극은 검출하고자 하는 파장 대역의 빛에 대해 투과성을 갖는 투명 전극일 수 있다.
또한, 다른 실시예에 따른 광센서는, 제 1 전극; 상기 제 1 전극 상에 배치된 반도체층; 상기 반도체층 상에 배치된 그래핀 양자점층; 및 상기 그래핀 양자점층 위에 배치된 제 2 전극;을 포함하며, 상기 그래핀 양자점층은 제 1 작용기와 결합된 다수의 제 1 그래핀 양자점을 포함하고, 상기 반도체층의 재료는 상기 반도체층과 상기 제 1 전극 사이에 쇼키 장벽이 형성되도록 선택될 수 있다.
상기 그래핀 양자점층의 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 에너지 레벨과 상기 반도체층의 가전자대와의 에너지 차이는 상기 제 1 전극의 일함수와 상기 반도체층의 전도대와의 에너지 차이보다 작을 수 있다.
상기 그래핀 양자점층은 상기 제 1 작용기와 상이한 제 2 작용기와 결합된 다수의 제 2 그래핀 양자점을 더 포함하며, 상기 제 1 그래핀 양자점은 제 1 파장 대역의 빛을 흡수하도록 구성되며 상기 제 2 그래핀 양자점은 제 1 파장 대역과 상이한 제 2 파장 대역의 빛을 흡수하도록 구성될 수 있다.
상기 반도체층은 상기 제 1 전극 위에 배치된 제 1 반도체층 및 상기 제 1 반도체층 위에 배치된 제 2 반도체층을 포함하며, 상기 제 1 반도체층은 제 1 도전형으로 도핑되고 상기 제 2 반도체층은 제 1 도전형과 전기적으로 반대인 제 2 도전형으로 도핑될 수 있다.
또한, 또 다른 실시예에 따른 광센서는, 서로 대향하여 배치된 제 1 전극과 제 2 전극; 및 상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에서 서로 번갈아 배치되는 다수의 반도체층과 다수의 그래핀 양자점층;을 포함하며, 상기 그래핀 양자점층은 제 1 작용기와 결합된 다수의 제 1 그래핀 양자점을 포함하고, 상기 다수의 반도체층은 상기 제 1 전극 위에 배치된 제 1 반도체층 및 2개의 그래핀 양자점층 사이에 배치된 제 2 반도체층을 포함하며, 상기 반도체층의 재료는 상기 반도체층과 상기 제 1 전극 사이에 쇼키 장벽이 형성되도록 선택될 수 있다.
상기 그래핀 양자점층의 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 에너지 레벨과 상기 제 1 반도체층의 가전자대와의 에너지 차이는 상기 제 1 전극의 일함수와 상기 제 1 반도체층의 전도대와의 에너지 차이보다 작을 수 있으며, 그래핀 양자점층의 HOMO(highest occupied molecule orbital) 에너지 레벨과 상기 제 2 반도체층의 전도대와의 에너지 차이는 상기 제 1 전극의 일함수와 상기 제 1 반도체층의 전도대와의 에너지 차이보다 작을 수 있다.
상기 각각의 제 2 반도체층에서 터널링이 일어나도록 각각의 제 2 반도체층의 두께가 선택될 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 이미지 센서는, 광센싱층; 및 상기 광센싱층에서 검출된 광신호를 전기적 신호로 처리하는 신호 처리층;을 포함하며, 상기 광센싱층은, 제 1 파장 대역의 빛을 검출하는 제 1 광검출층, 및 제 1 파장 대역과 상이한 제 2 파장 대역의 빛을 검출하는 제 2 검출층을 포함하고, 상기 제 1 광검출층은 제 1 작용기와 결합된 다수의 제 1 그래핀 양자점을 구비하는 제 1 그래핀 양자점층을 포함하며, 상기 제 2 광검출층은 상기 제 1 작용기와 상이한 제 2 작용기와 결합된 다수의 제 2 그래핀 양자점을 포함하는 제 2 그래핀 양자점층을 구비할 수 있다.
상기 광센싱층은, 상기 제 1 및 제 2 작용기와 상이한 제 3 작용기와 결합된 다수의 제 3 그래핀 양자점을 구비하는 제 3 그래핀 양자점층, 및 상기 제 1 내지 3 작용기와 상이한 제 4 작용기와 결합된 다수의 제 4 그래핀 양자점을 구비하는 제 4 그래핀 양자점층을 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 내지 제 4 그래핀 양자점의 크기들이 서로 다를 수 있다.
개시된 실시예에 따른 광센서 및 이미지 센서는 그래핀 양자점을 이용한 광검출층을 포함한다. 그래핀 양자점은 그래핀과 같이 적외선 대역의 빛을 효율적으로 흡수할 수 있을 뿐만 아니라, 양자점과 같이 밴드갭을 가질 수 있다. 따라서, 암전류(dark current)를 억제하여 광센서의 노이즈를 줄일 수 있다. 또한, 그래핀 양자점의 가장자리에 작용기를 결합시킴으로써, 인접한 그래핀 양자점들 사이의 직접적인 전기적 접촉을 방지할 수 있다. 그러면 암전류를 더욱 억제할 수 있다. 또한, 그래핀 양자점에 결합하는 작용기의 종류 및 그래핀 양자점의 크기에 따라 흡수 파장 대역을 효과적으로 조절할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 광센서의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 2는 그래핀 양자점을 포함하는 광검출층의 공정 온도 및 두께에 따른 광검출층의 흡수 특성의 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 광센서의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 광센서의 광검출층의 흡수 특성을 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 광센서의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 도 5에 도시된 광센서의 에너지밴드 다이어그램을 개략적으로 보인다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 광센서의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 광센서의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 9a는 일 실시예에 따른 이미지 센서의 하나의 화소 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 9b 및 9c는 도 9a에 도시된 이미지 센서의 하나의 화소에서 서브 화소들의 배열을 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 하나의 화소 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 하나의 화소 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 2는 그래핀 양자점을 포함하는 광검출층의 공정 온도 및 두께에 따른 광검출층의 흡수 특성의 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 광센서의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 광센서의 광검출층의 흡수 특성을 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 광센서의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 도 5에 도시된 광센서의 에너지밴드 다이어그램을 개략적으로 보인다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 광센서의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 광센서의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 9a는 일 실시예에 따른 이미지 센서의 하나의 화소 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 9b 및 9c는 도 9a에 도시된 이미지 센서의 하나의 화소에서 서브 화소들의 배열을 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 하나의 화소 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 하나의 화소 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 그래핀 양자점을 포함하는 광센서 및 이미지 센서에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 광센서의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 광센서(10)는 제 1 전극(11), 제 1 전극(11) 위에 배치된 광검출층(12), 및 광검출층(12) 위에 배치된 제 2 전극(14)을 포함할 수 있다. 제 1 전극(11)과 제 2 전극(14)은 금속, 그래핀, 투명 전도성 산화물 또는 투명 전도성 질화물을 포함하는 어떠한 도전성 재료로도 이루어질 수 있다. 특히, 빛이 입사하는 방향에 배치된 제 2 전극(14)은 투명한 도전성 재료로 이루어질 수 있다. 즉, 제 2 전극(14)은 검출하고자 하는 파장 대역의 빛에 대해 투과성을 갖는 투명 전극일 수 있다.
광검출층(12)은 빛을 흡수하여 광전류를 발생시키기 위한 재료로서 다수의 그래핀 양자점(15)을 포함할 수 있다. 도 1에는 광검출층(12) 내에 예시적으로 하나의 그래핀 양자점(15)의 구조를 확대하여 보이고 있다. 그래핀 양자점(15)은 약 2 nm 내지 20 nm 정도의 작은 크기를 갖는 그래핀으로서, 일반적인 양자점과 같은 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 일반적인 그래핀과 달리 그래핀 양자점(15)은 양자 구속 효과(quantum confinement effect)에 의해 밴드갭을 가질 수 있으며 그 크기에 따라 밴드갭을 조절할 수 있다. 따라서, 빛이 입사하지 않는 동안 발생하는 암전류(dark current)를 억제하여 광센서(10)의 노이즈를 줄일 수 있다. 또한, 그래핀 양자점(15)은 2차원 구조를 갖기 때문에 3차원 구조를 갖는 일반적인 양자점과 비교하여 크기의 제어 및 단위 면적당 밀도의 제어가 용이할 수 있다. 따라서, 광검출층(12)의 흡수 파장 대역 및 감도를 용이하게 조절할 수 있다.
또한, 광검출층(12)의 공정 온도에 따라 광검출층(12)의 흡수 특성을 조절할 수 있다. 광검출층(12)은, 그래핀 양자점(15)들을 포함하는 페이스트를 제 1 전극(11) 위에 도포한 후, 가열 처리를 통해 용매를 제거하여 페이스트를 건조시킴으로써 형성될 수 있다. 이러한 방식으로 광검출층(12)을 형성하는 과정에서, 가열 온도 및 가열 시간에 따라 광검출층(12)의 흡수 특성을 조절할 수 있다. 예를 들어, 도 2는 그래핀 양자점(15)을 포함하는 광검출층(12)의 공정 온도 및 두께에 따른 광검출층(12)의 흡수 특성의 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 2를 참조하면, 광검출층(12)의 두께가 100 nm이고 300 ℃의 온도로 광검출층(12)을 형성한 경우, 적외선 대역에서 광검출층(12)의 흡수율이 크게 증가한다는 것을 알 수 있다. 특히, 적외선 대역에서 파장에 따른 흡수율 변화가 작다. 예를 들어, 두께가 100 nm이고 300 ℃의 온도로 형성된 광검출층(12)은 850 nm의 파장을 갖는 입사광에 대해 약 9354.2/cm의 흡수계수를 보였으며 2000 nm의 파장을 갖는 입사광에 대해 약 8523.1/cm의 흡수계수를 보였다. 입사광의 검출효율을 충분히 높이기 위해 광검출층(12)의 두께는 50 nm 내지 100 um의 범위 내에서 선택할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 광검출층(12)은 작용기(functional group)(16)가 결합된 그래핀 양자점(15)을 포함할 수 있다. 작용기(16)는 그래핀 양자점(15)의 가장자리에 배치된 탄소들 중 적어도 하나에 결합될 수 있다. 그래핀 양자점(15)의 가장자리에 작용기(16)를 결합시킴으로써, 서로 인접하는 그래핀 양자점(15)들 사이의 직접적인 전기적 접촉을 방지할 수 있다. 그러면 암전류를 더욱 억제할 수 있다. 또한, 그래핀 양자점(15)에 결합하는 작용기(16)의 종류에 따라 그래핀 양자점(15)의 밴드갭이 달라지기 때문에 광검출층(12)의 흡수 파장 대역을 효과적으로 조절할 수 있다. 예를 들어, 그래핀 양자점(15)에 결합할 수 있는 작용기(16)는 -NO2, -NH2, -CH3, -OH, -COOH, =O, -CHO, -COCH3, -(C=O)-, -F, -H, -CO-N(CH3)2, -CH2-OH, -CO-NH2, -N(CH3)2, 알킬아민(alkylamine), 아닐린(aniline), 및 PEG(Polyethylene glycol) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 작용기(16)가 결합된 그래핀 양자점(15)의 밴드갭은 상술한 작용기(16)의 종류에 따라 서로 다른 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 그래핀 양자점(15)에 결합된 작용기(16)가 -NH2, -OH, -COOH, -CHO, -COCH3 중에서 하나일 경우에, 대체로 -NH2 > -OH > -CHO > -COCH3 > -COOH의 순서로 그래핀 양자점(15)이 큰 밴드갭을 가질 수 있다. 밴드갭과 흡수 파장 대역은 역비례 관계에 있다. 따라서 원하는 흡수 파장 대역에 따라 그에 해당하는 밴드갭을 갖도록 하는 작용기(16)를 그래핀 양자점(15)에 결합시킬 수 있다. 또한, 하나의 그래핀 양자점(15)에 다수의 동일한 작용기(16)가 결합될 수도 있지만, 서로 다른 2종류 이상의 작용기(16)가 하나의 그래핀 양자점(15)에 결합하는 것도 가능하다.
도 3은 다른 실시예에 따른 광센서(20)의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 3을 참조하면, 광검출층(22)은 서로 다른 파장 대역의 빛을 각각 흡수하는 적어도 2종류의 그래핀 양자점(15a, 15b, 15c)들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광검출층(22)은 제 1 작용기(A)와 결합된 다수의 제 1 그래핀 양자점(15a), 제 2 작용기(B)와 결합된 다수의 제 2 그래핀 양자점(15b), 및 제 3 작용기(C)와 결합된 다수의 제 3 그래핀 양자점(15c)을 포함할 수 있다. 제 1 작용기(A)는 각각의 제 1 그래핀 양자점(15a)의 가장자리에 배치된 탄소들 중 적어도 하나에 결합되며, 제 2 작용기(B)는 각각의 제 2 그래핀 양자점(15b)의 가장자리에 배치된 탄소들 중 적어도 하나에 결합되고, 제 3 작용기(C)는 각각의 제 3 그래핀 양자점(15c)의 가장자리에 배치된 탄소들 중 적어도 하나에 결합된다. 도 3에는 편의상 3종류의 그래핀 양자점(15a, 15b, 15c)을 도시하고 있으나, 광검출층(22)은 2종류의 그래핀 양자점만을 포함하거나 또는 4종류 이상의 그래핀 양자점을 포함할 수도 있다.
또한, 제 1 그래핀 양자점(15a), 제 2 그래핀 양자점(15b) 및 제 3 그래핀 양자점(15c)은 서로 다른 크기를 가질 수 있다. 예컨대, 제 1 그래핀 양자점(15a)은 제 1 파장 대역의 빛을 흡수하도록 제 1 작용기(A)와 제 1 크기를 가지며, 제 2 그래핀 양자점(15b)은 제 1 파장 대역과 다른 제 2 파장 대역의 빛을 흡수하도록 제 1 작용기(A)와 다른 제 2 작용기(B) 및 제 1 크기와 다른 제 2 크기를 가질 수 있고, 제 3 그래핀 양자점(15c)은 제 1 및 제 2 파장 대역과 다른 제 3 파장 대역의 빛을 흡수하도록 제 1 및 제 2 작용기(A, B)와 다른 제 3 작용기(C) 및 제 1 및 제 2 크기와 다른 제 3 크기를 가질 수 있다. 여기서, 제 1 내지 제 3 작용기(A, B, C)는 각각 상술한 -NO2, -NH2, -CH3, -OH, -COOH, =O, -CHO, -COCH3, -(C=O)-, -F, -H, -CO-N(CH3)2, -CH2-OH, -CO-NH2, -N(CH3)2, 알킬아민(alkylamine), 아닐린(aniline), 및 PEG(Polyethylene glycol) 중에서 선택될 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 광센서(20)의 광검출층(22)의 흡수 특성을 예시적으로 보이는 그래프이다. 예를 들어, 광검출층(22)은 청색 파장 대역(B)의 빛을 흡수하도록 구성된 다수의 제 1 그래핀 양자점(15a), 녹색 파장 대역(G)의 빛을 흡수하도록 구성된 다수의 제 2 그래핀 양자점(15b), 및 적색 파장 대역(R)의 빛을 흡수하도록 구성된 다수의 제 3 그래핀 양자점(15c)을 포함할 수 있다. 이렇게 흡수 특성이 서로 다른 다양한 종류의 그래핀 양자점(15a, 15b, 15c)들의 조합을 통해 광검출층(22)은 가시광선 대역에 대해 일정한 흡수율을 가질 수 있다. 또한, 상기 광검출층(22)이 적외선 대역의 빛을 흡수하도록 구성된 다수의 그래핀 양자점을 더 포함한다면, 광검출층(22)은 가시광선 대역과 적외선 대역을 포함하는 넓은 스펙트럼 범위에 걸쳐 비교적 균일한 흡수율을 가질 수 있다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 광센서의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 5를 참조하면, 광센서(30)는 제 1 전극(11), 제 1 전극(11) 위에 배치된 광검출층(32), 및 광검출층(32) 위에 배치된 제 2 전극(14)을 포함할 수 있다. 또한, 광검출층(32)은 제 1 전극(11) 위에 배치된 반도체층(33) 및 반도체층(33) 위에 배치된 그래핀 양자점층(34)을 포함할 수 있다. 여기서, 그래핀 양자점층(34)은 도 1에 도시된 광검출층(12) 또는 도 3에 도시된 광검출층(22)과 같이 다수의 그래핀 양자점들을 포함할 수 있다. 도 1 및 도 3과 관련하여 설명한 바와 같이, 그래핀 양자점층(34)은 적어도 하나의 작용기와 각각 결합된 적어도 한 종류의 그래핀 양자점들을 포함할 수 있다. 즉, 도 1 및 도 3에 도시된 광검출층(12, 22)에 대한 설명은 그래핀 양자점층(34)에 그대로 적용될 수 있다. 이러한 점에서, 도 1 및 도 3에 도시된 광검출층(12, 22)은 하나의 그래핀 양자점층을 포함한다고 볼 수 있다.
반도체층(33)은 상기 반도체층(33)과 제 1 전극(11) 사이의 계면에서 쇼키 장벽(Schottky barrier)을 형성시키는 역할을 한다. 이러한 쇼키 장벽으로 인하여, 빛이 입사하지 않는 동안 제 1 전극(11)으로부터 반도체층(33)을 통해 그래핀 양자점층(34)으로 전자가 쉽게 이동하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 반도체층(33)은 암전류를 더욱 억제할 수 있다.
예를 들어, 도 6a 및 도 6b는 도 5에 도시된 광센서(30)의 에너지밴드 다이어그램을 예시적으로 보인다. 특히, 도 6a는 제 1 및 제 2 전극(11, 14)에 전압이 인가되고 광센서(30)에 빛이 입사하지 않는 동안의 에너지밴드 다이어그램이며, 도 6b는 제 1 및 제 2 전극(11, 14)에 전압이 인가되고 광센서(30)에 빛이 입사하는 동안의 에너지밴드 다이어그램이다. 도 6a 및 도 6b에서 제 1 및 제 2 전극(11, 14)은 그래핀으로 이루어진 것으로 가정하였다. 먼저, 도 6a를 참조하면, 제 1 전극(11)의 일함수와 반도체층(33)의 전도대(conduction band)와의 에너지 차이(ΦB)가 크기 때문에 전자는 제 1 전극(11)으로부터 반도체층(33)으로 거의 이동하지 못한다. 따라서, 광센서(30)에 빛이 입사하지 않는 상태에서 암전류를 억제할 수 있다. 반면, 도 6b에 도시된 바와 같이, 광센서(30)에 빛이 입사하면 그래핀 양자점층(34)에서 전자(e)와 정공(h)이 발생하여 광전류가 흐르게 된다. 예를 들어, 그래핀 양자점층(34)에서 발생한 전자(e)는 제 1 전극(11)과 제 2 전극(14) 사이에 인가된 전기장을 따라 제 2 전극(14)으로 이동할 수 있다. 또한, 그래핀 양자점층(34)에서 발생한 정공(h)은 반도체층(33)을 지나 제 1 전극(11)으로 이동할 수 있다. 그래핀 양자점층(34)의 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 에너지 레벨과 반도체층(33)의 가전자대(valence band)와의 에너지 차이가 작도록 반도체층(33)의 재료를 선택하면, 그래핀 양자점층(34)에서 발생한 정공(h)이 반도체층(33)으로 쉽게 이동할 수 있다. 예를 들어, 그래핀 양자점층(34)의 LUMO 에너지 레벨과 반도체층(33)의 가전자대와의 에너지 차이는 제 1 전극(11)의 일함수와 반도체층(33)의 전도대와의 에너지 차이보다 작을 수 있다. 예를 들어, 그래핀 양자점층(34)의 LUMO 에너지 레벨과 반도체층(33)의 가전자대와의 에너지 차이는 제 1 전극(11)의 일함수와 반도체층(33)의 전도대와의 에너지 차이의 1/2이거나 또는 그 보다 작을 수 있다.
반도체층(33)의 재료로는 반도체층(33)과 제 1 전극(11) 사이 및 반도체층(33)과 그래핀 양자점층(34) 사이에 상술한 관계를 만족시킬 수 있는 어떠한 반도체 재료도 사용할 수 있다. 예를 들어, 실리콘이나 게르마늄과 같은 통상적인 반도체 재료 외에도 화합물 반도체 물질, 유기물 반도체 물질, 또는 밴드갭을 가지며 2차원 결정 구조를 갖는 2차원 반도체 물질을 반도체층(33)의 재료로 사용할 수 있다. 특히, 그래핀 양자점층(34)이 2차원 구조의 그래핀 양자점들을 갖기 때문에, 반도체층(33)으로서 2차원 반도체 물질을 사용하면 그래핀 양자점층(34)의 다수의 그래핀 양자점들의 정렬에 유리할 수 있다. 예를 들어, 2차원 반도체 물질로서 대표적으로 전이금속과 칼코겐 원소의 화합물인 전이금속 디칼코게나이드(transition metal dichalcogenide, TMD)가 있다. 전이금속은, 예를 들어, 주석(Sn), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 하프늄(Hf), 티타늄(Ti), 및 레늄(Re) 중에서 적어도 하나를 포함하고, 칼코겐 원소는, 예를 들어, 황(S), 셀레늄(Se) 및 텔루륨(Te) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예컨대, 전이금속 디칼코게나이드는 MoS2, WS2, TaS2, HfS2, ReS2, TiS2, NbS2, SnS2, MoSe2, WSe2, TaSe2, HfSe2, ReSe2, TiSe2, NbSe2, SnSe2, MoTe2, WTe2, TaTe2, HfTe2, ReTe2, TiTe2, NbTe2, SnTe2를 포함할 수 있다. 전이금속 디칼코게나이드 외에도 다양한 2차원 반도체 물질이 있다. 예를 들어, 2차원 반도체 물질은 h-BN(hexagonal BN), 포스포린(phosphorene), TiOx, NbOx, MnOx, VaOx, MnO3, TaO3, WO3, MoCl2, CrCl3, RuCl3, BiI3, PbCl4, GeS, GaS, GeSe, GaSe, PtSe2, In2Se3, GaTe, InS, InSe, InTe 등을 포함할 수 있다. h-BN은 붕소(B)와 질소(N)이 결합하여 육방 결정 구조로 형성된 것이다. 포스포린은 흑린(black phosphorus)의 이차원 동소체이다.
또한, 반도체층(33)은 암전류를 억제하는 역할 외에 빛을 흡수하는 역할도 수행할 수 있다. 도 5에는 제 1 전극(11)의 바로 위에 반도체층(33)이 배치되고 투명한 제 2 전극(14)의 바로 아래에 그래핀 양자점층(34)이 배치되는 것으로 도시되었으나, 반도체층(33)과 그래핀 양자점층(34)의 위치는 서로 바뀔 수도 있다. 즉, 제 1 전극(11) 위에 그래핀 양자점층(34)이 배치되고, 그래핀 양자점층(34) 위에 반도체층(33)이 배치되며, 반도체층(33) 위에 투명한 제 2 전극(14)이 배치될 수도 있다. 이 경우, 상기 반도체층(33)과 제 2 전극(14) 사이의 계면에서 쇼키 장벽을 형성시킨다.
또한, 그래핀 양자점층(34) 위에 반도체층(33)이 배치되는 경우에, 반도체층(33)은 반도체층(33)은 입사광 중에서 일부 파장 대역의 빛을 흡수하고 다른 파장 대역의 빛을 투과시켜 그래핀 양자점층(34)에 도달하도록 할 수 있다. 예를 들어, 반도체층(33)은 가시광 대역의 빛을 흡수하고 적외선 대역의 빛을 투과시키도록 반도체 재료로 이루어질 수 있다. 이 경우, 그래핀 양자점층(34)은 적외선 대역의 빛을 흡수하도록 구성될 수 있다. 또는, 반도체층(33)에서 완전히 흡수되지 않고 남은 가시광 대역의 빛을 감지하기 위하여 그래핀 양자점층(34)은 가시광 대역과 적외선 대역의 빛을 모두 흡수하도록 구성될 수도 있다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 광센서의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 7을 참조하면, 광센서(30')는 제 1 전극(11), 제 1 전극(11) 위에 배치된 광검출층(32'), 및 광검출층(32') 위에 배치된 제 2 전극(14)을 포함할 수 있다. 또한, 광검출층(32')은 제 1 전극(11) 위에 배치된 반도체층(33) 및 반도체층(33) 위에 배치된 그래핀 양자점층(34)을 포함할 수 있다. 반도체층(33)은 제 1 전극(11) 위에 배치된 제 1 반도체층(33a) 및 제 1 반도체층(33a) 위에 배치된 제 2 반도체층(33b)을 포함할 수 있다. 여기서, 제 1 반도체층(33a)은 제 1 도전형으로 도핑되고 제 2 반도체층(33b)은 제 1 도전형과 전기적으로 반대인 제 2 도전형으로 도핑된다. 예를 들어, 제 1 전극(11)이 음극이고 제 2 전극(14)이 양극인 경우, 제 1 반도체층(33a)은 n-형으로 도핑되고 제 2 반도체층(33b)은 p-형으로 도핑될 수 있다. 반대로, 제 1 전극(11)이 양극이고 제 2 전극(14)이 음극인 경우에는, 제 1 반도체층(33a)은 p-형으로 도핑되고 제 2 반도체층(33b)은 n-형으로 도핑될 수 있다. 따라서 본 실시예에 따르면, 반도체층(33)은 PN 접합 구조를 갖는다. 반도체층(33)이 PN 접합 구조를 갖기 때문에 반도체층(33) 내에는 내부전위장벽(Built-in potential barrier)이 추가적으로 형성될 수 있다. 따라서 암전류를 더욱 억제할 수 있다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 광센서의 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 8을 참조하면, 광센서(40)는 제 1 전극(11), 제 1 전극(11) 위에 배치된 광검출층(42), 및 광검출층(42) 위에 배치된 제 2 전극(14)을 포함할 수 있다. 광검출층(42)은 제 1 전극(11)과 제 2 전극(14) 사이에서 서로 번갈아 배치되는 다수의 반도체층(43, 43')과 다수의 그래핀 양자점층(44)을 포함할 수 있다.
여기서, 제 1 전극(11) 바로 위에 배치된 제 1 반도체층(43)은 도 5에서 설명한 반도체 재료로 이루어질 수 있다. 즉, 그래핀 양자점층(44)의 LUMO 에너지 레벨과 제 1 반도체층(43)의 가전자대와의 에너지 차이가 작고 제 1 전극(11)의 일함수와 제 1 반도체층(43)의 전도대와의 에너지 차이가 크도록 제 1 반도체층(43)이 선택될 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극(11)의 일함수와 제 1 반도체층(43)의 전도대와의 에너지 차이는 그래핀 양자점층(44)의 LUMO 에너지 레벨과 제 1 반도체층(43)의 가전자대와의 에너지 차이보다 클 수 있다. 한편, 2개의 인접한 그래핀 양자점층(44) 사이에 배치된 제 2 반도체층(43')은, 전자와 정공의 이동이 쉽도록, 그래핀 양자점층(44)의 HOMO(highest occupied molecule orbital) 에너지 레벨과 제 2 반도체층(43')의 전도대와의 에너지 차이가 작게 선택된다. 예를 들어, 그래핀 양자점층(44)의 HOMO 에너지 레벨과 제 2 반도체층(43')의 전도대와의 에너지 차이는 제 1 전극(11)의 일함수와 제 1 반도체층(43)의 전도대와의 에너지 차이보다 작을 수 있다. 또한, 각각의 제 2 반도체층(43')에서 터널링이 일어나도록 각각의 제 2 반도체층(43')의 두께가 선택될 수 있다.
그래핀 양자점층(44)은 도 1 및 도 3에 설명한 광검출층(12, 22)과 같을 수 있다. 다수의 반도체층(43, 43')과 다수의 그래핀 양자점층(44)은 다중양자우물(MQW; multi-quantum well) 구조를 형성할 수 있다. 예를 들어, 다수의 반도체층(43, 43')은 장벽층의 역할을 하고 다수의 그래핀 양자점층(44)은 양자우물층의 역할을 할 수 있다.
상술한 광센서(10, 20, 30, 30', 40)들은 포토다이오드와 같이 개별적인 광센싱용 전자 소자로서 제조되어 전자장치 내에 장착될 수 있다. 또한, 상술한 광센서(10, 20, 30, 30', 40)들을 이용하여 2차원 영상을 촬영하기 위한 이미지 센서를 제작할 수도 있다.
예를 들어, 도 9a는 일 실시예에 따른 이미지 센서의 하나의 화소 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 9a를 참조하면, 이미지 센서(100)의 하나의 화소는 신호 처리층(110), 제 1 전극(11), 광센싱층(130), 제 2 전극(14) 및 투명 보호층(120)을 포함할 수 있다.
광센싱층(130)은 동일한 층에 나란하게 배열된 다수의 광검출층(12a, 12b, 12c, 12d)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광검출층(12a, 12b, 12c, 12d)들은 도 1에 도시된 광검출층(12)과 동일한 구조를 가질 수 있다. 즉, 제 1 광검출층(12a)은 제 1 작용기(A)와 결합된 다수의 제 1 그래핀 양자점(15a)을 구비하는 제 1 그래핀 양자점층을 포함하며, 제 2 광검출층(12b)은 제 2 작용기(B)와 결합된 다수의 제 2 그래핀 양자점(15b)을 구비하는 제 2 그래핀 양자점층을 포함하고, 제 3 광검출층(12c)은 제 3 작용기(C)와 결합된 다수의 제 3 그래핀 양자점(15c)을 구비하는 제 3 그래핀 양자점층을 포함하고, 제 4 광검출층(12d)은 제 4 작용기(D)와 결합된 다수의 제 4 그래핀 양자점(15d)을 구비하는 제 4 그래핀 양자점층을 포함할 수 있다. 도 9a에는 단지 편의상 제 1 내지 제 4 광검출층(12a, 12b, 12c, 12d)이 각각 제 1 내지 제 4 그래핀 양자점(15a, 15b, 15c, 15d)을 한 종류씩만 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 각각의 제 1 내지 제 4 광검출층(12a, 12b, 12c, 12d)이 2종류 이상의 그래핀 양자점들을 포함하는 것도 가능하다.
제 1 그래핀 양자점(15a)의 제 1 작용기(A)는 제 1 파장 대역의 빛을 흡수하도록 선택되고, 제 2 그래핀 양자점(15b)의 제 2 작용기(B)는 제 2 파장 대역의 빛을 흡수하도록 선택되고, 제 3 그래핀 양자점(15c)의 제 3 작용기(C)는 제 3 파장 대역의 빛을 흡수하도록 선택되고, 제 4 그래핀 양자점(15d)의 제 4 작용기(D)는 제 4 파장 대역의 빛을 흡수하도록 선택될 수 있다. 또한, 제 1 내지 제 4 그래핀 양자점(15a, 15b, 15c, 15d)의 크기는 각각의 흡수 파장 대역에 적당하도록 서로 다르게 선택될 수 있다. 이러한 구조에서, 제 1 광검출층(12a)은 제 1 파장 대역의 빛을 검출하며, 제 2 광검출층(12b)은 제 1 파장 대역의 빛을 검출하고, 제 3 광검출층(12c)은 제 3 파장 대역의 빛을 검출하고, 제 4 광검출층(12d)은 제 4 파장 대역의 빛을 검출한다. 예를 들어, 제 1 광검출층(12a)은 청색광을 검출하고, 제 2 광검출층(12b)은 녹색광을 검출하고, 제 3 광검출층(12c)은 적색광을 검출하며, 제 4 광검출층(12d)은 적외선광을 검출하도록 구성될 수 있다. 특히, 제 4 광검출층(12d)은 예를 들어 약 800nm 내지 900 nm 범위의 근적외선 파장 대역을 검출할 수 있다. 이를 위하여, 제 4 그래핀 양자점(15d)은 약 1.38 eV 이하의 밴드갭을 갖도록 구성될 수 있다.
제 1 전극(11)은 화소 전극으로서, 제 1 내지 제 4 광검출층(12a, 12b, 12c, 12d)에 각각 연결되는 다수의 제 1 전극(11)이 배치될 수 있다. 제 2 전극(14)은 공통 전극으로서, 제 1 내지 제 4 광검출층(12a, 12b, 12c, 12d)에 하나의 제 2 전극(14)이 연결될 수 있다. 또한, 제 2 전극(14)은 가시광 및 적외선광에 대해 투과성이 있는 투명 전극일 수 있다. 제 2 전극(14) 위에는 절연성을 갖는 투명한 보호층(120)이 배치될 수 있다. 또한, 신호 처리층(110)은 광센싱층(130)에서 검출된 광신호를 전기적 신호로 처리하는 역할을 한다. 이를 위해, 신호 처리층(110)은 다수의 제 1 전극(11)과 각각 연결된다. 신호 처리층(110)은 예를 들어 집적회로를 포함할 수 있다.
도 9a에 도시된 이미지 센서(100)에서 각각의 제 1 내지 제 4 광검출층(12a, 12b, 12c, 12d)에 대응하는 영역이 서브 화소(100a, 100b, 100c, 100d)이며, 각각의 서브 화소(100a, 100b, 100c, 100d)를 포함하는 하나의 그룹이 화소일 수 있다. 예를 들어, 제 1 서브 화소(100a)는 하나의 화소 내에서 제 1 파장 대역의 빛을 감지하는 영역이고, 제 2 서브 화소(100b)는 하나의 화소 내에서 제 2 파장 대역의 빛을 감지하는 영역이며, 제 3 서브 화소(100c)는 하나의 화소 내에서 제 3 파장 대역의 빛을 감지하는 영역이고, 제 4 서브 화소(100d)는 하나의 화소 내에서 제 4 파장 대역의 빛을 감지하는 영역이다. 도 9b 및 9c는 도 9a에 도시된 이미지 센서(100)의 하나의 화소에서 서브 화소(100a, 100b, 100c, 100d)들의 배열을 예시적으로 보이는 평면도이다. 도 9b에 도시된 바와 같이, 서브 화소(100a, 100b, 100c, 100d)들이 일렬로 배열될 수 있다. 그 대신에, 도 9c에 도시된 바와 같이, 서브 화소(100a, 100b, 100c, 100d)들은 2×2 매트릭스 형태로 2차원 배열될 수도 있다. 본 실시예에 따른 이미지 센서(100)는 적외선 대역의 빛에 대해 높은 검출 효율을 갖기 때문에, 도 9b 및 도 9c에 도시된 바와 같이, 서브 화소(100a, 100b, 100c, 100d)들을 동일한 크기로 구성하는 것이 가능하다.
도 10은 다른 실시예에 따른 이미지 센서(200)의 하나의 화소 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 10을 참조하면, 광센싱층(130)은 동일한 층에 나란하게 배열된 다수의 광검출층(22a, 22b, 22c, 22d)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광검출층(22a, 22b, 22c, 22d)들은 도 3에 도시된 광검출층(22)과 동일한 구조를 가질 수 있다. 즉, 각각의 광검출층(22a, 22b, 22c, 22d)은 서로 다른 제 1 내지 제 4 파장 대역의 빛을 각각 흡수하는 적어도 다수의 제 1 내지 제 4 그래핀 양자점(15a, 15b, 15c, 15d)들을 포함할 수 있다. 예컨대, 각각의 광검출층(22a, 22b, 22c, 22d)은 제 1 작용기(A)와 결합된 다수의 제 1 그래핀 양자점(15a), 제 2 작용기(B)와 결합된 다수의 제 2 그래핀 양자점(15b), 제 3 작용기(C)와 결합된 다수의 제 3 그래핀 양자점(15c), 및 제 4 작용기(D)와 결합된 다수의 제 4 그래핀 양자점(15c)을 포함할 수 있다. 따라서, 광센싱층(130) 내의 광검출층(22a, 22b, 22c, 22d)들은 서로 동일하며 청색광, 녹색광, 적색광 및 적외선 대역에 대해 모두 민감할 수 있다.
또한, 이미지 센서(200)는 제 2 전극(14)과 투명 보호층(120) 사이에 배치된 컬러 필터층(140)을 더 포함할 수 있다. 컬러 필터층(140)은, 예를 들어, 제 1 파장 대역의 빛만을 투과시키는 제 1 컬러 필터(141), 제 2 파장 대역의 빛만을 투과시키는 제 2 컬러 필터(142), 제 3 파장 대역의 빛만을 투과시키는 제 3 컬러 필터(143), 및 제 4 파장 대역의 빛만을 투과시키는 제 4 컬러 필터(144)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 컬러 필터(141)가 적색 파장 대역의 빛을 투과시키고, 제 2 컬러 필터(142)가 녹색 파장 대역의 빛을 투과시키고, 제 3 컬러 필터(143)가 청색 파장 대역의 빛을 투과시키고, 제 4 컬러 필터(144)가 근적외선 파장 대역의 빛을 투과시킬 수 있다. 또는, 제 1 컬러 필터(141)가 시안광을 투과시카고, 제 2 컬러 필터(142)가 마젠타광을 투과시키고, 제 3 컬러 필터(143)가 옐로우광을 투과시키고, 제 4 컬러 필터(144)가 근적외선광을 투과시킬 수도 있다.
제 1 내지 제 4 광검출층(22a, 22b, 22c, 22d)들은 제 1 내지 제 4 컬러 필터(141, 142, 143, 144)에 각각 대응하여 배치될 수 있다. 예를 들어, 제 1 컬러 필터(141)를 투과한 광을 제 1 광검출층(22a)이 검출하고, 제 2 컬러 필터(142)를 투과한 광을 제 2 광검출층(22b)이 검출하고, 제 3 컬러 필터(143)를 투과한 광을 제 3 광검출층(22c)이 검출하고, 제 4 컬러 필터(144)를 투과한 광을 제 4 광검출층(22d)이 검출할 수 있다.
한편, 도 9a에 도시된 이미지 센서(100)의 광센싱층(130)은 도 1에 도시된 광검출층(12) 대신에 도 5에 도시된 광검출층(32), 도 7에 도시된 광검출층(32'), 또는 도 8에 도시된 광검출층(40)을 포함할 수도 있다. 마찬가지로, 도 10에 도시된 이미지 센서(200)의 광센싱층(130)은 도 3에 도시된 광검출층(22) 대신에 도 5에 도시된 광검출층(32), 도 7에 도시된 광검출층(32'), 또는 도 8에 도시된 광검출층(40)을 포함할 수도 있다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 하나의 화소 구조를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 11을 참조하면, 이미지 센서(300)의 광센싱층(130)은 가시광 대역의 빛을 감지하는 제 1 내지 제 3 광검출층(131, 132, 133) 및 적외선 대역의 빛을 감지하는 제 4 광검출층(134)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 내지 제 3 광검출층(131, 132, 133)은 실리콘과 같은 통상적인 반도체 재료, 화합물 반도체 재료, 유기물 반도체 재료, 또는 밴드갭을 가지며 2차원 결정 구조를 갖는 2차원 반도체 재료로 이루어질 수 있다. 제 4 광검출층(134)은 예를 들어 도 5에 도시된 광검출층(32)과 동일한 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 제 4 광검출층(134)은 제 1 전극(11) 위에 배치된 반도체층(33) 및 반도체층(33) 위에 배치된 그래핀 양자점층(34)을 포함할 수 있다. 그래핀 양자점층(34) 내의 그래핀 양자점들은 제 4 작용기(D)에 결합되어 적외선에 민감하게 반응하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제 4 작용기(D)에 결합된 그래핀 양자점들은 1.38 eV 이하의 밴드갭을 가질 수 있다.
제 4 광검출층(134)의 반도체층(33)은 제 1 내지 제 3 광검출층(131, 132, 133)을 구성하는 반도체 재료와 동일한 반도체 재료로 이루어질 수 있다. 이 경우, 제 1 내지 제 4 광검출층(131, 132, 133, 134)의 전체 영역에 반도체 재료를 적층한 후에, 제 4 광검출층(134)의 영역 내에 형성된 반도체 재료를 일부 깊이까지 식각한 다음, 식각되고 남은 반도체 재료 위에 그래핀 양자점층(34)을 형성할 수 있다.
대신에, 제 1 내지 제 3 광검출층(131, 132, 133)만을 반도체 재료로 구성하고, 제 4 광검출층(134)은 도 1에 도시된 광검출층(12), 도 3에 도시된 광검출층(22), 도 7에 도시된 광검출층(32'), 또는 도 8에 도시된 광검출층(42)과 동일한 구조로 형성할 수도 있다. 이 경우, 제 1 내지 제 4 광검출층(131, 132, 133, 134)의 전체 영역에 반도체 재료를 적층한 후에, 제 4 광검출층(134)의 영역 내에 형성된 반도체 재료를 완전히 식각하여 제거한 다음, 제 4 광검출층(134)의 영역에 도 3에 도시된 광검출층(22), 도 7에 도시된 광검출층(32'), 또는 도 8에 도시된 광검출층(42)을 형성할 수 있다.
상술한 이미지 센서(100, 200, 300)는 작용기가 결합된 그래핀 양자점을 이용하여 가시광 대역 및 적외선 대역의 빛에 대해 높은 검출 효율을 가질 수 있다. 특히, 실리콘 반도체를 사용하는 경우에 비하여 적외선 대역의 빛에 대한 검출 효율이 향상될 수 있다. 또한, 빛이 입사하는 않는 동안 발생하는 암전류를 효과적으로 억제할 수 있다. 따라서, 서브 화소들의 배치나 크기 선택에 대한 자유도를 높일 수 있고, 이미지 센서(100, 200, 300)의 적용 제품의 범위를 넓힐 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(100, 200, 300)는 광량이 높은 환경에서는 자연히 선명한 이미지를 얻을 수 있으며, 광량이 적은 저조도 환경에서도 가시광선과 함께 근적외선을 이용하여 양질의 이미지를 얻을 수 있다.
또한, 이미지 센서(100, 200, 300)는 사람의 홍채 이미지를 센싱하는 경우에도 적용될 수 있다. 장파장 대역(원적외선)에서는 홍채와 공막 사이의 차이를 구분하기 어려워 장파장 대역의 광검출기를 이용하여서는 홍채를 인식하기 어렵다. 반대로 단파장(가시광) 대역에서는 홍채 주변 영역에서 빛이 반사되어 홍채 패턴 인식 오류가 발생될 수 있다. 예를 들어, 다크 브라운 또는 브라운 계열의 눈동자의 경우에는, 근적외선 광을 이용하여 홍채를 인식할 수 있지만 가시 광선으로는 인식하기 어려울 수 있다. 한편, 블루나 그린 눈동자의 경우에는, 근적외선 광을 이용하여 홍채를 인식할 수 있으며 가시 광선으로도 홍채를 인식할 수 있다. 따라서, 대부분의 눈동자에 적용될 수 있는 근적외선을 이용하여 홍채를 인식할 수 있다. 따라서, 근적외선 대역의 빛에 대해 높은 검출 효율을 갖는 본 실시예에 따른 이미지 센서(100, 200, 300)는 홍채를 이미징하는데 적합하게 사용될 수 있다.
또한, 적외선에 대한 민감도(반응도)나 양자 효율이 높으므로 광센싱층(130)의 크기를 소형화할 수 있다. 따라서, 본 실시예의 이미지 센서(100, 200, 300)는 스마트폰과 같이 슬림하고 소형인 전자 장치에 채용될 수 있다. 본 실시예의 이미지 센서(100, 200, 300)를 스마트폰에 채용하는 경우, 홍채 인식률을 높이고 정확도를 높일 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따른 이미지 센서(100, 200, 300)를 홍채 인증을 통한 본인 인증에 유용하게 사용할 수 있다.
상술한 그래핀 양자점을 포함하는 광센서 및 이미지 센서는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10, 20, 30, 30', 40.....광센서
11, 14.....전극
12, 22, 32, 32', 42.....광검출층 34, 44.....그래핀 양자점층
33, 33a, 33b, 43., 43'....반도체층 15.....그래핀 양자점
16, A, B, C.....작용기 100, 200, 300.....이미지 센서
110.....신호 처리층 120.....투명 보호층
130.....광센싱층 140.....컬러 필터층
141, 142, 143, 144.....컬러 필터
12, 22, 32, 32', 42.....광검출층 34, 44.....그래핀 양자점층
33, 33a, 33b, 43., 43'....반도체층 15.....그래핀 양자점
16, A, B, C.....작용기 100, 200, 300.....이미지 센서
110.....신호 처리층 120.....투명 보호층
130.....광센싱층 140.....컬러 필터층
141, 142, 143, 144.....컬러 필터
Claims (35)
- 제 1 전극;
상기 제 1 전극 상에 배치된 광검출층; 및
상기 광검출층 상에 배치된 제 2 전극;을 포함하며,
상기 광검출층은 제 1 작용기와 결합된 다수의 제 1 그래핀 양자점 및 상기 제 1 작용기와 상이한 제 2 작용기와 결합된 다수의 제 2 그래핀 양자점을 구비하는 그래핀 양자점층을 포함하는 광센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 작용기는 각각의 제 1 그래핀 양자점의 가장자리에 배치된 탄소들 중 적어도 하나에 결합되며 상기 제 2 작용기는 각각의 제 2 그래핀 양자점의 가장자리에 배치된 탄소들 중 적어도 하나에 결합된 광센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 그래핀 양자점은 제 1 파장 대역의 빛을 흡수하도록 구성되며 상기 제 2 그래핀 양자점은 제 1 파장 대역과 상이한 제 2 파장 대역의 빛을 흡수하도록 구성되는 광센서. - 제 3 항에 있어서,
상기 그래핀 양자점층은 제 1 및 제 2 작용기와 상이한 제 3 작용기와 결합된 다수의 제 3 그래핀 양자점을 더 구비하며, 상기 제 3 그래핀 양자점은 제 1 및 제 2 파장 대역과 상이한 제 3 파장 대역의 빛을 흡수하도록 구성되는 광센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 작용기와 상기 제 2 작용기는 -NO2, -NH2, -CH3, -OH, -COOH, =O, -CHO, -COCH3, -(C=O)-, -F, -H, -CO-N(CH3)2, -CH2-OH, -CO-NH2, -N(CH3)2, 알킬아민(alkylamine), 아닐린(aniline), 및 PEG(Polyethylene glycol) 중에서 적어도 하나를 포함하는 광센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 그래핀 양자점은 제 1 크기를 가지며 상기 제 2 그래핀 양자점은 제 1 크기와 상이한 제 2 크기를 갖는 광센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 광검출층은 50 nm 내지 100 um의 범위 내에 있는 두께를 갖는 광센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 광검출층은 상기 제 1 전극과 상기 그래핀 양자점층 사이에 배치된 반도체층을 더 포함하는 광센서. - 제 8 항에 있어서,
상기 반도체층은 실리콘을 포함하는 반도체 물질, 화합물 반도체 물질, 유기물 반도체 물질, 및 밴드갭을 가지며 2차원 결정 구조를 갖는 2차원 물질 중에서 적어도 하나의 반도체 재료를 포함하며, 상기 반도체 재료는 상기 반도체층과 상기 제 1 전극 사이에 쇼키 장벽(Schottky barrier)이 형성되도록 선택되는 광센서. - 제 9 항에 있어서,
상기 그래핀 양자점층의 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 에너지 레벨과 상기 반도체층의 가전자대와의 에너지 차이는 상기 제 1 전극의 일함수와 상기 반도체층의 전도대와의 에너지 차이보다 작은 광센서. - 제 9 항에 있어서,
상기 2차원 물질은 전이금속과 칼코겐 원소의 화합물인 전이금속 디칼코게나이드를 포함하는 광센서. - 제 11 항에 있어서,
상기 전이금속은 주석(Sn), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 하프늄(Hf), 티타늄(Ti), 및 레늄(Re) 중에서 적어도 하나를 포함하고, 상기 칼코겐 원소는 황(S), 셀레늄(Se) 및 텔루륨(Te) 중에서 적어도 하나를 포함하는 광센서. - 제 8 항에 있어서,
상기 반도체층은 상기 제 1 전극 위에 배치된 제 1 반도체층 및 상기 제 1 반도체층 위에 배치된 제 2 반도체층을 포함하며, 상기 제 1 반도체층은 제 1 도전형으로 도핑되고 상기 제 2 반도체층은 제 1 도전형과 전기적으로 반대인 제 2 도전형으로 도핑된 광센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 전극은 검출하고자 하는 파장 대역의 빛에 대해 투과성을 갖는 투명 전극인 광센서. - 제 1 전극;
상기 제 1 전극 상에 배치된 반도체층;
상기 반도체층 상에 배치된 그래핀 양자점층; 및
상기 그래핀 양자점층 위에 배치된 제 2 전극;을 포함하며,
상기 그래핀 양자점층은 제 1 작용기와 결합된 다수의 제 1 그래핀 양자점을 포함하고,
상기 반도체층의 재료는 상기 반도체층과 상기 제 1 전극 사이에 쇼키 장벽이 형성되도록 선택되는 광센서. - 제 15 항에 있어서,
상기 그래핀 양자점층의 LUMO 에너지 레벨과 상기 반도체층의 가전자대와의 에너지 차이는 상기 제 1 전극의 일함수와 상기 반도체층의 전도대와의 에너지 차이보다 작은 광센서. - 제 15 항에 있어서,
상기 그래핀 양자점층은 상기 제 1 작용기와 상이한 제 2 작용기와 결합된 다수의 제 2 그래핀 양자점을 더 포함하며,
상기 제 1 그래핀 양자점은 제 1 파장 대역의 빛을 흡수하도록 구성되며 상기 제 2 그래핀 양자점은 제 1 파장 대역과 상이한 제 2 파장 대역의 빛을 흡수하도록 구성되는 광센서. - 제 17 항에 있어서,
상기 제 1 작용기와 상기 제 2 작용기는 -NO2, -NH2, -CH3, -OH, -COOH, =O, -CHO, -COCH3, -(C=O)-, -F, -H, -CO-N(CH3)2, -CH2-OH, -CO-NH2, -N(CH3)2, 알킬아민(alkylamine), 아닐린(aniline), 및 PEG(Polyethylene glycol) 중에서 적어도 하나를 포함하는 광센서. - 제 17 항에 있어서,
상기 제 1 그래핀 양자점은 제 1 크기를 가지며 상기 제 2 그래핀 양자점은 제 1 크기와 상이한 제 2 크기를 갖는 광센서. - 제 15 항에 있어서,
상기 반도체층은 실리콘을 포함하는 반도체 물질, 화합물 반도체 물질, 유기물 반도체 물질, 및 밴드갭을 가지며 2차원 결정 구조를 갖는 2차원 물질 중에서 적어도 하나의 반도체 재료를 포함하는 광센서. - 제 20 항에 있어서,
상기 2차원 물질은 전이금속과 칼코겐 원소의 화합물인 전이금속 디칼코게나이드를 포함하며,
상기 전이금속은 주석(Sn), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 하프늄(Hf), 티타늄(Ti), 및 레늄(Re) 중에서 적어도 하나를 포함하고, 상기 칼코겐 원소는 황(S), 셀레늄(Se) 및 텔루륨(Te) 중에서 적어도 하나를 포함하는 광센서. - 제 15 항에 있어서,
상기 반도체층은 상기 제 1 전극 위에 배치된 제 1 반도체층 및 상기 제 1 반도체층 위에 배치된 제 2 반도체층을 포함하며, 상기 제 1 반도체층은 제 1 도전형으로 도핑되고 상기 제 2 반도체층은 제 1 도전형과 전기적으로 반대인 제 2 도전형으로 도핑된 광센서. - 제 15 항에 있어서,
상기 제 2 전극은 검출하고자 하는 파장 대역의 빛에 대해 투과성을 갖는 투명 전극인 광센서. - 서로 대향하여 배치된 제 1 전극과 제 2 전극; 및
상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에서 서로 번갈아 배치되는 다수의 반도체층과 다수의 그래핀 양자점층;을 포함하며,
상기 그래핀 양자점층은 제 1 작용기와 결합된 다수의 제 1 그래핀 양자점을 포함하고,
상기 다수의 반도체층은 상기 제 1 전극 위에 배치된 제 1 반도체층 및 2개의 그래핀 양자점층 사이에 배치된 제 2 반도체층을 포함하며,
상기 제 1 반도체층의 재료는 상기 반도체층과 상기 제 1 전극 사이에 쇼키 장벽이 형성되도록 선택되는 광센서. - 제 24 항에 있어서,
상기 그래핀 양자점층의 LUMO 에너지 레벨과 상기 제 1 반도체층의 가전자대와의 에너지 차이는 상기 제 1 전극의 일함수와 상기 제 1 반도체층의 전도대와의 에너지 차이보다 작은 광센서. - 제 25 항에 있어서,
상기 그래핀 양자점층의 HOMO(highest occupied molecule orbital) 에너지 레벨과 상기 제 2 반도체층의 전도대와의 에너지 차이는 상기 제 1 전극의 일함수와 상기 제 1 반도체층의 전도대와의 에너지 차이보다 작은 광센서. - 제 24 항에 있어서,
상기 그래핀 양자점층은 상기 제 1 작용기와 상이한 제 2 작용기와 결합된 다수의 제 2 그래핀 양자점을 더 포함하며,
상기 제 1 그래핀 양자점은 제 1 파장 대역의 빛을 흡수하도록 구성되며 상기 제 2 그래핀 양자점은 제 1 파장 대역과 상이한 제 2 파장 대역의 빛을 흡수하도록 구성되는 광센서. - 제 27 항에 있어서,
상기 제 1 작용기와 상기 제 2 작용기는 -NO2, -NH2, -CH3, -OH, -COOH, =O, -CHO, -COCH3, -(C=O)-, -F, -H, -CO-N(CH3)2, -CH2-OH, -CO-NH2, -N(CH3)2, 알킬아민(alkylamine), 아닐린(aniline), 및 PEG(Polyethylene glycol) 중에서 적어도 하나를 포함하는 광센서. - 제 24 항에 있어서,
상기 반도체층은 실리콘을 포함하는 반도체 물질, 화합물 반도체 물질, 유기물 반도체 물질, 및 밴드갭을 가지며 2차원 결정 구조를 갖는 2차원 물질 중에서 적어도 하나의 반도체 재료를 포함하는 광센서. - 제 29 항에 있어서,
상기 2차원 물질은 전이금속과 칼코겐 원소의 화합물인 전이금속 디칼코게나이드를 포함하며,
상기 전이금속은 주석(Sn), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 하프늄(Hf), 티타늄(Ti), 및 레늄(Re) 중에서 적어도 하나를 포함하고, 상기 칼코겐 원소는 황(S), 셀레늄(Se) 및 텔루륨(Te) 중에서 적어도 하나를 포함하는 광센서. - 제 24 항에 있어서,
상기 각각의 제 2 반도체층에서 터널링이 일어나도록 각각의 제 2 반도체층의 두께가 선택되는 광센서. - 제 24 항에 있어서,
상기 제 2 전극은 검출하고자 하는 파장 대역의 빛에 대해 투과성을 갖는 투명 전극인 광센서. - 광센싱층; 및
상기 광센싱층에서 검출된 광신호를 전기적 신호로 처리하는 신호 처리층;을 포함하며,
상기 광센싱층은, 제 1 파장 대역의 빛을 검출하는 제 1 광검출층, 및 제 1 파장 대역과 상이한 제 2 파장 대역의 빛을 검출하는 제 2 검출층을 포함하고,
상기 제 1 광검출층은 제 1 작용기와 결합된 다수의 제 1 그래핀 양자점을 구비하는 제 1 그래핀 양자점층을 포함하며,
상기 제 2 광검출층은 상기 제 1 작용기와 상이한 제 2 작용기와 결합된 다수의 제 2 그래핀 양자점을 포함하는 제 2 그래핀 양자점층을 구비하는 이미지 센서. - 제 33 항에 있어서,
상기 광센싱층은, 상기 제 1 및 제 2 작용기와 상이한 제 3 작용기와 결합된 다수의 제 3 그래핀 양자점을 구비하는 제 3 그래핀 양자점층, 및 상기 제 1 내지 3 작용기와 상이한 제 4 작용기와 결합된 다수의 제 4 그래핀 양자점을 구비하는 제 4 그래핀 양자점층을 더 포함하는 이미지 센서. - 제 34 항에 있어서,
상기 제 1 내지 제 4 그래핀 양자점의 크기들이 서로 다른 이미지 센서.
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