KR20180118205A - 퀀텀 닷 광검출기 장치 및 이와 연관된 방법 - Google Patents

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마르티 보우틸라이넨
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Abstract

제1 내부 및 제2 외부 광검출기의 쌍을 적어도 하나 포함하는 장치로서, 각각의 광검출기는 채널 부재, 소스 전극과 드레인 전극 사이에서 상기 채널 부재를 통한 전류의 흐름을 가능하게 하도록 구성된 각자의 소스 전극 및 드레인 전극, 및 입사 전자기 복사에의 노출 시 전자-정공 쌍을 생성하여 상기 채널 부재를 통해 흐르는 전류의 검출 가능한 변경을 생성하도록 구성된 복수의 퀀텀 닷을 포함한다. 제1 내부 및 제2 외부 광검출기는 채널 부재를 통과하는 전류의 증가 및 감소를 생성하는 전자-정공 쌍을 생성하도록 구성된다. 제1 내부 및 제2 외부 광검출기는 제1 내부 광검출기가 제2 외부 광검출기 내에 형성되도록 2차원으로 각각 뻗어 있게 되는 각자의 소스 및 드레인 전극 중 하나 이상에 의해 구획되는 공통 채널 부재를 공유한다.

Description

퀀텀 닷 광검출기 장치 및 이와 연관된 방법
본 발명은 특히 광검출기, 이와 연관된 방법 및 장치와 관련된다. 특정 예시가 광 검출, 가령, X-선 및 가시광 검출과 관련된다. 구체적으로, 특정 예시가 입자 전자기 복사에 노출될 때 전자-정공 쌍을 생성하도록 구성된 복수의 퀀텀 닷(quantum dot)을 각각 가지는 제1 광검출기와 제2 광검출기의 적어도 하나의 쌍을 포함하는 장치와 관련된다. 일부 예시는 휴대용 전자 디바이스, 특히, 이른바 사용 중에 손에 쥘 수 있는(hand-held)(사용 중에 크래들 내에 위치할 수 있을지라도) 이른바 손-휴대 전자 디바이스와 관련될 수 있다. 이러한 손-휴대 전자 디바이스는 이른바 개인 디지털 어시스턴트(PDA: Personal Digital Assistant) 및 태블릿 PC를 포함한다.
하나 이상의 개시된 예시에 따르는 휴대용 전자 디바이스/장치가 하나 이상의 오디오/텍스트/비디오 통신 기능(가령, 원격통신, 비디오-통신, 및/또는 텍스트 전송, SMS(Short Message Service)/MMS(Multimedia Message Service)/메일 기능, 대화형/비-대화형 보기 기능(가령, 웹-브라우징, 내비게이션, TV/프로그램 보기 기능), 음악 녹음/재생 기능(가령, MP3 또는 그 밖의 다른 포맷 및/또는 (FM/AM) 라디오 방송 녹음/재생), 데이터 다운로딩/전송 기능, (가령, (가령, 내장된) 디지털 카메라를 이용하는) 이미지 캡처 기능, 및 게임 기능을 제공할 수 있다.
새로운 광검출기 디바이스를 개발하기 위한 연구가 현재 이뤄지고 있다.
본 명세서에서의 공지 기술 간행물 또는 임의의 배경기술에 대한 나열 또는 언급이 반드시 간행물 또는 배경기술이 공지 기술의 일부 또는 일반적인 지식이라고 인정하는 것은 아니다.
제1 양태에 따라, 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기의 쌍을 적어도 하나 포함하는 장치가 제공되며,
광검출기 쌍의 각각의 광검출기는 채널 부재(channel member), 소스 전극과 드레인 전극 사이에서 상기 채널 부재를 통한 전류의 흐름을 가능하게 하도록 구성된 각자의 소스 전극 및 드레인 전극, 및 입사 전자기 복사에의 노출 시 전자-정공 쌍을 생성하여 상기 채널 부재를 통해 흐르는 전류의 검출 가능한 변경을 생성하도록 구성된 복수의 퀀텀 닷을 포함하며,
상기 광검출기 쌍의 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기는 상기 채널 부재를 통과하는 전류의 증가 및 감소를 각각 생성하는 전자-정공 쌍을 생성하도록 구성되며, 상기 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기의 쌍의 조합된 전류 변경은 상기 입사 전자기 복사의 존재 유무 및 크기 중 하나 이상을 나타내며,
상기 제1 내부 광검출기와 상기 제2 외부 광검출기는 공통 채널 부재를 공유하며, 상기 제1 내부 광검출기가 상기 제2 외부 광검출기 내에 형성되도록 2차원으로 각자 뻗어 있게 함으로써 상기 공통 채널 부재는 각자의 구획 전극으로서 역할 하는 각자의 소스 전극과 드레인 전극 중 하나 이상을 사용하여 구획된다.
각자의 구획 전극은
제1 내부 광검출기의 드레인 전극이 제2 외부 광검출기의 소스 전극으로서 역할 하거나,
제1 내부 광검출기의 드레인 전극이 제2 외부 광검출기의 소스 전극으로 전기적으로 연결되도록 구성될 수 있다.
제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기의 소스 전극 및 드레인 전극 중 둘 이상이 실질적으로 동심(concentric)일 수 있다.
제1 내부 광검출기와 연관된 공통 채널 부재 구획은 제2 외부 광검출기와 연관된 공통 채널 부재 구획과 동일 평면 상에 있을 수 있다.
제1 내부 광검출기와 제2 외부 광검출기는 동일 평면 상에 있을 수 있다. 예를 들어, 소스 전극과 드레인 전극은 채널 부재와 함께 동일 평면 상에 있다고 간주될 수 있다.
공통 채널 부재는 2차원 물질, 그래핀, 그래핀 유사 물질(가령, 그래핀 옥사이드, 포스포린, 실리신(silicene), 게르마닌, 스태닌(stanene), h-BN, AIN, GaN, InN, InP, InAs, BP, BAs 및 GaP) 및 전이 금속 디칼코게나이드(가령, WX2, MoX2, ScX2, TiX2, HfX2, ZrX2, VX2, CrX2, MnX2, FeX2, CoX2, NiX2, NbX2, TcX2, ReX2, PdX2, PtX2, 여기서 X = S, Se 또는 Te) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 공통 채널 부재는 나노미터 두께의 탄소 구조물의 막/포일을 포함할 수 있다.
제1 내부 광검출기는 파워 서플라이로의 연결을 제공하도록 구성된 내부 소스 전극을 포함할 수 있다. 파워 서플라이는, 연결될 때, 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기에 전력을 공급하도록 구성될 수 있다. 내부 소스 전극은 제1 내부 광검출기 내에 실질적으로 중앙에 위치할 수 있다. 제1 내부 광검출기는 제2 외부 광검출기 내에 실질적으로 중앙에 위치할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 이는 비-중앙에 위치할 수 있다(중앙에서 벗어나 위치할 수 있다).
제2 외부 광검출기는 2차원으로 제2 외부 광검출기의 둘레 주위에 위치하는 드레인 전극을 포함할 수 있다. 제2 외부 광검출기의 드레인 전극은 제2 외부 광검출기와 접지 사이에 연결을 제공하도록 구성될 수 있다.
제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기는 각각 전압 인가 시 전기장을 생성하도록 구성된 게이트 전극을 포함할 수 있다. 생성된 전기장은 전자 또는 정공의 대응하는 광검출기의 채널 부재 구획으로의 이동을 가능하게 하여, 대응하는 광검출기의 전도율이 조절될 수 있게 한다.
광검출기 쌍의 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기는 유사하게 도핑된 채널 부재를 포함할 수 있다. 제1 내부 광검출기의 게이트 전극에 인가되는 전압은 제2 외부 광검출기의 게이트 전극에 인가되는 전압과 반대 극성을 가져, 최종 전기장이 상이한 유형의 전하 운반체의 각자의 채널 부재로의 이동을 가능하게 함으로써 상이한 전류 변경을 생성할 수 있다.
광검출기 쌍의 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기는 반대로 도핑된 채널 부재를 포함할 수 있다. 제1 내부 광검출기의 게이트 전극에 인가된 전압은 제2 외부 광검출기의 게이트 전극에 인가된 전압과 동일한 극성을 가져, 최종 전기장이 동일한 유형의 전하 운반체의 각자의 채널 부재로의 이동을 가능하게 하여 상이한 전류 변경을 생성할 수 있다.
광검출기 쌍의 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기는 조합된 전류 변경이 대응하는 전압 신호로 변환되도록 배열될 수 있다.
광검출기 쌍의 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기는 조합된 전류 변경을 단일 종단형 전압 신호로 변환하도록 구성된 하프-브리지 회로를 형성하도록 배열될 수 있다.
장치는 조합된 전류 변경을 차동 전압 신호로 변환하도록 구성된 풀-브리지 회로를 형성하도록 배열된 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기의 적어도 두 개의 쌍을 포함할 수 있다.
장치는 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기의 적어도 제1 쌍과 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기의 제2 쌍을 포함할 수 있으며, 제1 쌍은 제2 쌍에 인접하고,
상기 제1 쌍의 제1 내부 광검출기는 자신의 채널 부재 구획을 통과하는 전류의 증가를 생성하도록 구성되며,
상기 제1 쌍의 제2 외부 광검출기는 자신의 채널 부재 구획을 통과하는 전류의 감소를 생성하도록 구성되고,
상기 제2 쌍의 제1 내부 광검출기는 자신의 채널 부재 구획을 통과하는 전류의 감소를 생성하도록 구성되며,
상기 제2 쌍의 제2 외부 광검출기는 자신의 채널 부재 구획을 통과하는 전류의 증가를 생성하도록 구성된다.
추가 양태에서 본 명세서에 기재된 장치로 구성된 복수의 장치가 제공되며, 각각의 장치는 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기의 쌍을 적어도 하나 포함하며,
광검출기 쌍의 각각의 광검출기는 채널 부재, 소스 전극과 드레인 전극 사이에서 채널 부재를 통한 전류의 흐름을 가능하게 하도록 구성된 각자의 소스 전극 및 드레인 전극, 및 입사 전자기 복사에의 노출 시 전자-정공 쌍을 생성하여 채널 부재를 통해 흐르는 전류의 검출 가능한 변경을 생성하도록 구성된 복수의 퀀텀 닷을 포함하며,
상기 광검출기 쌍의 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기는 상기 채널 부재를 통과하는 전류의 증가 및 감소를 각각 생성하는 전자-정공 쌍을 생성하도록 구성되며, 상기 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기의 쌍의 조합된 전류 변경은 상기 입사 전자기 복사의 존재 유무 및 크기 중 하나 이상을 나타내며,
상기 제1 내부 광검출기와 상기 제2 외부 광검출기는 공통 채널 부재를 공유하며, 상기 제1 내부 광검출기가 상기 제2 외부 광검출기 내에 형성되도록 2차원으로 각자 뻗어 있게 함으로써 상기 공통 채널 부재는 각자의 구획 전극으로서 역할 하는 각자의 소스 전극과 드레인 전극 중 하나 이상을 사용하여 구획되고,
복수의 장치의 각각의 장치는 2차원으로 제2 외부 광검출기의 둘레 주위에 위치하는 드레인 전극을 포함하며, 복수의 장치의 각자의 드레인 전극은 서로 전기적으로 접촉하고 복수의 장치에 대한 접지로의 연결을 제공하도록 구성된다.
제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기는 함께 픽셀을 형성할 수 있다. 픽셀 형태는, 정사각형(square), 사각형(rectangular), 삼각형 또는 육각형일 수 있다.
제1 내부 광검출기의 드레인 전극, 제1 내부 광검출기의 소스 전극 및 제2 외부 광검출기의 드레인 전극 및 제2 외부 광검출기의 소스 전극 중 하나 이상의 모서리는 둥글게 처리되어 하나 이상의 각자의 전극에서의 전류 흐름을 촉진시킬 수 있다.
퀀텀 닷의 물질, 크기 및 형태 중 하나 이상은 다음의 유형의 전자기 복사 중 적어도 하나에 노출 시 전자-정공 쌍이 생성되도록 구성될 수 있다: X-선, 가시광, 적외선, 자외선, 라디오 파, 마이크로파, 감마 선, 및 열 복사.
퀀텀 닷은 PbS, CdSe, CdS, PbSe, ZnO, ZnS, CZTS, Cu2S, Bi2S3, Ag2S, Ag2S, HgTe, CdHgTe, InAs, InSb, Ge 및 CIS 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
소스, 드레인 및/또는 게이트 전극은 금속, 금속 나노입자 잉크, 은, 금, 구리, 니켈, 코발트, 팔라듐, 전도성 금속 옥사이드, 탄소계 물질, 유기 물질 및 폴리머 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
장치는 전자 디바이스, 휴대용 전자 디바이스, 휴대용 원격통신 디바이스, 모바일 전화기, 개인 디지털 어시스턴트, 태블릿, 패블릿, 데스크톱 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 서버, 스마트폰, 스마트워치(smartwatch), 스마트 아이웨어, 센서, 전자기 복사 센서, X-선 센서, 이들 중 하나 이상을 위한 모듈 중 하나 이상일 수 있다.
또 다른 양태에 따르면, 장치를 이용하는 방법이 제공되며,
상기 장치는 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기의 쌍을 적어도 하나 포함하며,
광검출기 쌍의 각각의 광검출기는 채널 부재(channel member), 소스 전극과 드레인 전극 사이에서 상기 채널 부재를 통한 전류의 흐름을 가능하게 하도록 구성된 각자의 소스 전극 및 드레인 전극, 및 입사 전자기 복사에의 노출 시 전자-정공 쌍을 생성하여 상기 채널 부재를 통해 흐르는 전류의 검출 가능한 변경을 생성하도록 구성된 복수의 퀀텀 닷을 포함하며,
상기 광검출기 쌍의 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기는 상기 채널 부재를 통과하는 전류의 증가 및 감소를 각각 생성하는 전자-정공 쌍을 생성하도록 구성되며, 상기 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기의 쌍의 조합된 전류 변경은 상기 입사 전자기 복사의 존재 유무 및 크기 중 하나 이상을 나타내며,
상기 제1 내부 광검출기와 상기 제2 외부 광검출기는 공통 채널 부재를 공유하며, 상기 제1 내부 광검출기가 상기 제2 외부 광검출기 내에 형성되도록 2차원으로 각자 뻗어 있게 함으로써 상기 공통 채널 부재는 각자의 구획 전극으로서 역할 하는 각자의 소스 전극과 드레인 전극 중 하나 이상을 사용하여 구획되고,
상기 방법은 상기 장치로 입사하는 전자기 복사의 존재 유무 및 크기 중 하나 이상을, 입사 전자기 복사의 결과로서, 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기의 쌍의 조합된 전류 변경을 기초로 결정하는 단계를 포함한다.
또 다른 양태에 따르면, 장치를 제작하는 방법이 제공되며,
상기 장치는 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기의 쌍을 적어도 하나 포함하며,
광검출기 쌍의 각각의 광검출기는 채널 부재(channel member), 소스 전극과 드레인 전극 사이에서 상기 채널 부재를 통한 전류의 흐름을 가능하게 하도록 구성된 각자의 소스 전극 및 드레인 전극, 및 입사 전자기 복사에의 노출 시 전자-정공 쌍을 생성하여 상기 채널 부재를 통해 흐르는 전류의 검출 가능한 변경을 생성하도록 구성된 복수의 퀀텀 닷을 포함하며,
상기 제1 내부 광검출기와 상기 제2 외부 광검출기는 공통 채널 부재를 공유하며, 상기 제1 내부 광검출기가 상기 제2 외부 광검출기 내에 형성되도록 2차원으로 각자 뻗어 있게 함으로써 상기 공통 채널 부재는 각자의 구획 전극으로서 역할 하는 각자의 소스 전극과 드레인 전극 중 하나 이상을 사용하여 구획되고,
상기 방법은 광검출기 쌍의 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기가 채널 부재를 통과하는 전류의 증가 및 감소를 각각 생성하는 전자-정공 쌍을 생성하도록 장치를 구성하는 단계를 포함하며, 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기의 쌍의 조합된 전류 변경은 입사 전자기 복사의 존재 유무 및 그 크기 중 하나 이상을 나타낸다.
본 명세서에 개시된 임의의 방법의 단계는 명시적으로 언급되거나 해당 분야의 통상의 기술자에 의해 이해되는 한 개시된 정확한 순서로 반드시 수행되어야 하는 것은 아니다.
또 다른 양태에서, 본 명세서에서 청구되거나 설명된 임의의 방법을 수행하도록 구성된 컴퓨터 코드를 포함하는 컴퓨터 프로그램이 제공된다. 본 명세서에 개시된 방법의 하나 이상의 단계를 구현하기 위한 대응하는 컴퓨터 프로그램은 또한 본 개시 내에 있으며 기재된 예시 중 하나 이상에 포함된다.
컴퓨터 프로그램 중 하나 이상은, 컴퓨터 상에서 실행될 때, 컴퓨터로 하여금 임의의 장치, 가령 배터리, 회로, 제어기 또는 본 명세서에 개시된 디바이스를 설정하거나 본 명세서에 개시된 임의의 방법을 수행하게 한다. 컴퓨터 프로그램 중 하나 이상은 소프트웨어 구현일 수 있으며, 비제한적인 예를 들면, 컴퓨터는 임의의 적절한 하드웨어, 가령, 디지털 신호 프로세서, 마이크로제어기, 및 ROM(read only memory), EPROM(erasable programmable read only memory) 또는 EEPROM(electronically erasable programmable read only memory)로 구현된 것으로 간주될 수 있다. 소프트웨어는 어셈블리 프로그램일 수 있다.
컴퓨터 프로그램 중 하나 이상은 컴퓨터 판독형 매체 상에서 제공될 수 있으며, 이는 물리 컴퓨터 판독형 매체, 가령, 디스크 또는 메모리 디바이스일 수 있거나 과도 신호(transient signal)로서 구현될 수 있다. 이러한 과도 신호는 네트워크 다운로드, 가령, 인터넷 다운로드일 수 있다.
본 개시는 조합 또는 개별적이라고 특정하게 언급(가령, 청구항에 기재)되는지에 상관없이 하나 이상의 대응하는 양태, 예시 또는 특징을 개별적으로 또는 다양한 조합으로 포함한다. 언급된 기능 중 하나 이상을 수행하기 위한 대응하는 수단이 역시 본 발명 내에 있다.
상기의 요약은 예시에 불과하며 한정이 아니다.
이제, 첨부된 도면을 예시로서만 참조하여 설명이 제공된다.
도 1은 본 명세서에 기재된 예시에 따르는 퀀텀 닷 전계 효과 트랜지스터를 포함하는 광검출기를 도시한다.
도 2는 하프-브리지 회로로서 표현된 본 발명의 장치의 하나의 예시를 도시한다.
도 3은 풀-브리지 회로로서 표현된 본 발명의 장치의 하나의 예시를 도시한다.
도 4a-d는 예시적 하프-브리지 및 풀-브리지 회로로서 표현된 예시적 장치를 도시한다.
도 5는 본 발명의 장치 및 등가 회로 다이어그램의 네 가지 예시의 어레이를 도시한다.
도 6은 본 발명의 세 가지 예시의 어레이를 평면도 및 횡단면도로 도시한다.
도 7은 본 발명의 예시적 1024×1024 어레이를 개략적으로 도시한다.
도 8a는 정사각형 지오메트리 장치의 평면도를 도시한다.
도 8b는 예시적 육각형 지오메트리의 장치의 평면도를 도시한다.
도 8c는 예시적 삼각형 지오메트리의 장치의 평면도를 도시한다.
도 9는 본 발명의 장치의 또 다른 예시를 도시한다.
도 10은 본 발명의 장치를 이용하는 방법을 도시한다.
도 11은 본 발명의 장치를 제작하는 방법을 도시한다.
도 12는 본 명세서에 기재된 방법을 수행, 제어 또는 활성화하도록 구성된 컴퓨터 프로그램을 포함하는 컴퓨터 판독형 매체를 도시한다.
본 명세서에 기재된 특정 예시는 반대 바이어스된 광검출기, 가령, 퀀텀 닷 그래핀 전계 효과 트랜지스터(QD-GFET)과 관련된다. 이러한 검출기는 대면적 검출기 어레이에서 사용될 수 있다. 본 명세서에 기재된 특정 예시는 이하에서 기재된 특정 이점을 제공할 수 있는 검출기 지오메트리를 제공한다.
광 검출기 어레이, 가령, 광검출기(가령, QD GFET)를 포함하는 어레이가 상이한 응용 분야, 가령, 테라헤르츠 라디오 파(teraherz radio wave), 적외선 광, 가시광, 자외선 광 및 X-선 이미징에서 사용될 수 있다.
그래핀(또는 장치를 위해 사용되는 그 밖의 다른 채널 층 물질)의 요구되는 패터닝의 크기를 최소화하는 것이 바람직할 수 있다. 패터닝은 추가 공정 단계이며, 그래핀/채널 층 물질이 제거된 광 검출 어레이의 영역이 광 검출기로서 기능하도록 구성되지 않은 영역이며, 따라서 픽셀 어레이의 가능한 유효 센서 영역을 감소시키는 영역이다. 또한, 개별 픽셀 규모로 그래핀/채널 층 포일을 패터닝하는 것은 기술적으로 어려운 일일 수 있으며 시간 소모적일 수 있다. 따라서 상이한 픽셀의 전극이 그래핀/채널 층 포일에 의해 전기적으로 연결되지 않도록 복수의 픽셀의 어레이에 걸쳐 단일 그래핀/채널 층 포일을 이용할 수 있는 것이 바람직할 수 있다.
광 검출기 어레이 내 픽셀이 더 쉬운 제조를 가능하게 하는 지오메트리를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, QD GFET이 광 검출 장치로서 사용되는 경우, 복수의 이러한 장치의 어레이를 어레이 제조에서 사용되는 그래핀의 핸들링을 감소시키는 방식으로 제조하는 것이 바람직할 수 있다. 그래핀의 조작을 감소시키는 것이 그래핀의 임의의 찢어짐, 파열, 늘어짐 또는 접힘이 형성될 확률을 감소시킴으로써 그래핀의 바람직한 전기적 속성 및 그 밖의 다른 속성을 유지하는 데 도움이 될 수 있다.
도 1은 채널 부재(102)(기판(107) 상에 지지됨) 위에 감광성 물질(106)(이 예시의 경우, 퀀텀 닷을 포함)을 포함하는 광검출기(100)를 (두께 평면/횡단면으로) 도시한다. 이 예시에서 광검출기(100)는 소스 전극(103)과 드레인 전극(104) 간 전위차(V)를 인가하도록 구성된 파워 서플라이, 및 채널 부재(102)를 통해 흐르는 전류를 측정하도록 구성된 전류계(105)를 포함한다. 소스 전극(103)과 드레인 전극(104)은 소스 전극(103)과 드레인 전극(104) 사이 채널 부재(102)를 통한 전류 흐름을 가능하게 하도록 구성된다. 복수의 퀀텀 닷(106)이 입사 전자기 복사(101)에 노출될 때 전자-정공 쌍을 생성하여 채널 부재(102)를 통해 흐르는 전기 전류의 검출 가능한 변화를 생성하도록 구성된다.
도 2는 본 발명의 장치(200)의 일례를 도시하며, 여기서 장치(200)는 광검출기 쌍으로 된 제1 내부 광검출기(202) 및 제2 외부 광검출기(204)를 포함한다. 장치(200)는 픽셀이라고 명명될 수 있다. 제1 내부 광검출기(202) 및 제2 외부 광검출기(204)는 각각 채널 부재를 통한 전기 전류의 증가 및 감소를 생성하는 전자-정공 쌍을 생성하도록 구성된다. 제1 내부 광검출기(202) 및 제2 외부 광검출기(204)의 쌍의 전류의 조합된 변화가 입사 전자기 복사의 존재 유무 및 그 크기 중 하나 이상을 나타낸다. 제1 내부 광검출기(202)가 제2 외부 광검출기(204)에 대한 반대 광전자 응답을 보이기 때문에, 장치(200)의 출력 신호가, 반대 바이어스된 광검출기를 사용하지 않는 유사한 광검출기의 최대 두 배가 될 수 있다.
제1 내부 및 제2 외부 광검출기의 쌍(202, 204) 중 하나가 채널 부재를 통한 전류의 증가를 생성하도록 구성되고, 상기 쌍(202, 204) 중 다른 하나가 채널 부재를 통한 전류의 감소를 생성하도록 구성되기 때문에, 제1 내부 및 제2 외부 광검출기의 쌍(202, 204)은 반대-바이어스된 광검출기, 또는 반대-바이어스된 광검출기 쌍이라고 지칭될 수 있다.
도 2의 장치는 도 2의 우측 상에 도시된 하프-브리지 회로(250)로 표현될 수 있으며, 이때 제1 내부 광검출기(202)가 FET 회로 구성요소(252)로 나타나고 제2 외부 광검출기(204)가 FET 회로 구성요소(254)로 나타난다. 광(가령, 가시광, UV 광 또는 X-선 복사)(262)가 제1 내부 및 제2 외부 광검출기(252, 254) 상에 조사되고 VN(258)으로부터 신호가 판독되어, 검출된 광(262)의 존재 유무 및/또는 그 크기를 가리킬 수 있다. 따라서 광검출기 쌍(200)의 제1 내부 광검출기(202) 및 제2 외부 광검출기(204)가 전자기 복사(262)에의 노출로 인한 전류의 조합된 변화를 단일 종단형 전압 신호 VN(258)으로 변환하도록 구성된 하프-브리지 회로(250)를 형성하도록 배열된다.
가령, 양의 백 게이트 전압(positive back gate voltage)이 제1 내부 광검출기(202)에 공급되기 때문에 제1 내부 광검출기(202)는 정 바이어스된 광검출기일 수 있으며, 가령, 음의 백 게이트 전압(negative back gate voltage)이 제2 외부 광검출기(204)에 공급되기 때문에, 제2 외부 광검출기(204)는 부 바이어스된 광검출기일 수 있다. (물론 다른 예시에서, 제1 내부 광검출기(202)가 부 바이어스되고 제2 외부 광검출기(204)가 정 바이어스될 수 있다).
이 예시의 장치(200)는 내부 전극(206), 중간 전극(208) 및 외부 전극(210)을 포함한다. 내부 전극(206)은 제1 내부 광검출기(202)를 위한 소스 전극이고, 중간 전극(208)은 제1 내부 광검출기(202)를 위한 드레인 전극과 제2 내부 광검출기(202)를 위한 소스 전극 모두이며, 외부 전극(208)은 제2 외부 광검출기(204)를 위한 드레인 전극이다.
본 명세서 전체에서, 용어 "소스 전극" 및 "드레인 전극"은 전하가 흐를 수 있는 채널 층 부분/구획의 대향하는 측부에서의 전극을 지칭하도록 사용된다. 일부 예시에서, 예를 들어, 광검출기(202, 204)가 퀀텀-닷 그래핀 전계 효과 트랜지스터(QD GFET: quantum-dot graphene field effect transistor)인 경우, 이러한 디바이스는 양극성(ambipolar)이라고 기술될 수 있다. 이러한 장치에서의 전하 운반체는 예를 들어, 채널 층의 백 게이팅 또는 화학 도핑에 따라 전자 또는 정공일 수 있으며, 전하 운반체의 유형은 장치가 사용 중인 방식에 따라 사용 중에 변할 수 있다. 일부 예시에서, 소스 전극이라고 라벨링된 전극이 드레인 전극이라고 라벨링된 전극보다 낮은 전압을 가진다고 가정될 수 있다.
따라서 내부 전극(206)이 제1 내부 광검출기(202)를 위한 드레인 전극이고, 중간 전극(208)이 제1 내부 광검출기(202)를 위한 소스 전극과 제2 내부 광검출기(202)를 위한 드레인 전극 모두이며, 외부 전극(208)이 제2 외부 광검출기(204)를 위한 소스 전극이라고 할 때, 장치(200)의 전극(206, 208, 210)이 동등하게 잘 기술될 수 있다.
이 예시에서, 제1 내부 광검출기(202)는 파워 서플라이로의 연결을 제공하도록 구성된 내부 소스 전극(206)을 포함한다. 파워 서플라이는, 연결될 때 제1 내부 광검출기(202)와 제2 외부 광검출기(204)에 전력을 공급할 수 있다. 내부 전극(206)은 파워 서플라이로의 연결을 하프 브리지 회로(250) 등가물에서 VDD(256)로의 연결로서 제공하는 것으로 나타난다. 이 예시에서, 내부 소스 전극(206)은 제1 내부 광검출기(202) 내에 실질적으로 중앙에 위치하지만, 또 다른 예시에서 제1 내부 전극은 제1 내부 광검출기(202) 내에 중앙에서 벗어나 위치할 수 있다.
이 예시에서의 픽셀 지오메트리에 의해 픽셀 어레이 내 판독될 픽셀들만으로의 VDD 연결을 이용해 전력이 연결될 수 있다. 예를 들어, 하나의 픽셀 열이 VDD에 연결될 수 있고 동시에 판독될 수 있다. 예를 들어, 어레이 내 모든 픽셀 열에 순차적으로 전력을 주어 모든 픽셀을 판독하는 것이 가능하지만 판독되는 픽셀들만 전력을 소비하도록 하는 것이 가능할 수 있다. 또 다른 예시에서, 픽셀들 간 전기적 상호연결에 따라, 임의의 다른 픽셀 그룹(가령, 하나의 행, n×n 그리드) 또는 단일 픽셀에 개별적으로 전력이 공급되고 판독될 수 있다.
이 예시에서, 제2 외부 광검출기(204)는 제2 외부 광검출기(204)의 둘레 주위에 위치하는 외부 드레인 전극(210)을 포함한다. 제2 외부 광검출기(204)의 외부 드레인 전극(210)은 제2 외부 광검출기(204)와 접지 사이의 연결을 제공하도록 구성된다. 외부 전극(210)은 하프 브리지 회로(250) 등가물에서 접지(GND)(260)로의 연결을 제공하는 것으로 나타난다. 복수의 픽셀(200)이 어레이로 배열되는 예시에서, 복수의 픽셀의 일부 또는 모든 픽셀(200)의 각자의 외부 전극(210)은 전기적으로 연결되어 픽셀 어레이를 위한 접지로의 공통 연결을 제공할 수 있다. 많은 이러한 픽셀(200)이 이러한 방식으로 함께 배열될 수 있다. 하나의 어레이 내 가능한 수백 또는 수천 개의 개별 픽셀의 어레이에 대해 단일 접지 연결만 요구함으로써 시스템 설계 및 제조가 상당히 단순화될 수 있다.
이 예시에서, 중간 전극(208)은 전체 장치(200) 위에 놓이는 공통 채널 층을 제1 내부 광검출기(202)의 제1 내부 광검출기 채널 층 구획, 및 제2 외부 광검출기(204)의 제2 외부 광검출기 채널 층으로 분리하기 위해 구획 전극(partitioning electrode)(208)으로서 역할 한다. 구획 전극(208)은 하프 브리지 회로(250) 등가물에서 신호가 단자 VN(258)을 통해 판독되도록 하는 연결을 제공하는 것으로 나타난다. 일부 예시에서 신호 판독(258)은 스위치 및 전압 증폭기(도시되지 않음)를 이용해 획득될 수 있다.
위에 놓이는 공통 채널 층이 공통 채널 층을 제1 내부 광검출기 채널 구획과 제2 외부 광검출기 구획으로 구획하는 구획 전극(208)과 충분히 우수한 전기적 접촉을 제공하기 위해, 공통 채널 층과 접촉하는 적어도 200nm의 전극/컨택트 폭이 필요할 수 있다. 전극/컨택트 폭이 증가함에 따라 컨택트 저항이 무시할만한 정도로만 낮아질 수 있기 때문에 전극/접촉 폭을 증가시키는 것이 가능할 수 있다.
중간 전극(208)에 의해 구획되는 공통 채널 층을 이용함으로써, 픽셀 어레이에 걸쳐 단일 공통 채널 층이 사용될 수 있다. 이는 위에 놓이는 공통 채널 층이 자신을 개별 광검출기 영역으로 구획하도록 패터닝될 필요가 없게 하기 때문에 픽셀 어레이의 제조를 개선할 수 있다. 각각의 광검출기가 매우 작을 수 있음(가령, 지름이 4마이크로미터 내지 최대 1mm)을 고려하면, 복수의(가령, 수백 개, 수천 개 이상의) 픽셀의 어레이에 대한 위에 놓이는 채널 층을 패터닝하는 것이 산업 응용 분야에서 실용적이지 않을 수 있으며, 아마도 더 작은 규모, 가령, 연구실 규모에서도 비실용적일 수 있다.
이 예시의 중간/구획 전극(208)은 제2 외부 광검출기(204)의 소스 전극으로서도 역할하는 제1 내부 광검출기(202)의 드레인 전극을 포함한다. 제1 내부 광검출기(202) 및 제2 외부 광검출기(204)는 (도 2에서 전극(206, 208, 210) 위에 놓이는 채널 층 및 중간 전극(208)에 의해 구획되는 이들 사이의 공간을 포함하는 것으로 간주될 수 있는) 공통 채널 부재를 공유한다. 중간 전극(208)은 제1 내부 광검출기(202)가 제2 외부 광검출기(204) 내에 형성되도록 2차원으로 뻗어 있게 함으로써 구획 전극으로서 역할 한다. 이러한 2차원으로 뻗어 있음은 비-두께 평면/표면 평면, 즉, 평면 뷰/위에서 본 뷰(top-down view)로 존재함이 자명할 것이다. 이는 2차원 뻗어 있음이 공통 채널 부재와 동일 평면에 있는 것으로 여겨질 수 있다.
다시 말하면, 도 2에 도시된 바와 같이 위에 놓인 공통 채널 층은 픽셀(200) 간에, 또는 하나의 픽셀 내 반대 바이어스된 광검출기(202, 204)의 하나의 쌍의 광검출기들 간에 전도 채널을 형성하지 않는다. 공통 채널 층은 내부 전극(206)과 중간 구획 전극(208) 사이에 전도 채널을 형성하고, 중간 구획 전극(208)과 외부 전극(210) 사이에 별도의 전도 채널을 형성한다. 2개의 광검출기(202, 204)는 기능적으로 독립적이라고 간주될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이 구성되는 반대 바이어스된 광검출기(202, 204)의 쌍이 하나의 픽셀(200)이 되고, 2개의 광검출기(202, 204) 각각이 하프-픽셀(half-pixel)을 제공함을 고려하면, 공통 채널 층은 쌍의 각각의 하프-픽셀(202, 204)에 대해 개별적인 전도 채널을 형성한다고 할 수 있다.
또 다른 예시에서, 제1 내부 광검출기(202)의 드레인 전극이 제2 외부 광검출기(204)의 소스 전극과 개별적인 전극일 수 있으며, 2개의 전극은 전기적으로 연결되고 구획 전극 부재로서 역할 할 수 있다. 예를 들어, 제1 내부 광검출기(202)의 드레인 전극이 제2 외부 광검출기(204)의 외부 소스 전극 내에 위치할 수 있고 2개의 전극은 하나 이상의 전도성 브리지에 의해 또는 예를 들어 하나 이상의 비아(via)(도시되지 않음)를 이용해 연결될 수 있다.
도 2는 하프-브리지 회로(250)를 도시하지만, 도 3에 도시된 바와 같이 2개의 픽셀(200)은 함께 풀-브리지 회로(full-bridge circuit)(350)를 형성할 수 있다. 풀-브리지 구성을 이용함으로써, 많은 신호 교란, 예컨대, 서플라이 전압으로부터 야기된 교란 및 외부 교란을 제거하는 데 도움이 될 수 있는 차동 출력 신호가 제공될 수 있다.
도 3에서, 2개의 픽셀(300, 320)은, 이들 각자의 외부 전극(310, 330)이 전기적으로 연결되고 픽셀 쌍에 대한 접지로의 공통 연결을 형성할 수 있도록 함께 하나의 픽셀 쌍으로 배열된다. 도 3은 복수의 장치(300, 320)를 보여주며, 여기서 복수의 장치(300, 320)의 각각의 장치는 각각의 장치(300, 320)의 제2 외부 광검출기(304, 324)의 둘레 주위에 위치하는 드레인 전극(310, 330)을 포함하고, 복수의 장치(300, 3230)의 각자의 드레인 전극(310, 330)은 서로 전기적으로 접촉하며 복수의 장치(300, 320)를 위한 접지(360)로의 연결을 제공하도록 구성된다.
제1 픽셀(300)의 제1 내부 광검출기(302)가 회로 등가물(350)에서 FET(352)로 나타나고, 제1 픽셀(300)의 제2 외부 광검출기(304)는 FET(354)로서 나타나며, 제2 픽셀(320)의 제1 내부 광검출기(322)는 FET(382)로 나타나고 제2 픽셀(320)의 제2 외부 광검출기(324)는 FET(354)로 나타난다. 하나의 예시에서, 제1 픽셀(300)의 제1 내부 광검출기(302) 및 제2 픽셀(320)의 제2 외부 광검출기(324)는 예를 들어 이들로 양의 백 게이트 전압이 공급되기 때문에 각각 정 바이어스될 수 있고, 제2 픽셀(320)의 제1 내부 광검출기(322) 및 제1 픽셀(300)의 제2 외부 광검출기(304)는 예를 들어 이들로 음의 백 게이트 전압이 공급되기 때문에 각각 부 바이어스될 수 있다. (물론, 또 다른 예시에서 광검출기(302, 304, 322, 324) 모두는 이와 반대로 바이어스될 수 있다).
다시 말하면, 도 3은 적어도 제1 내부 광검출기(302) 및 제2 외부 광검출기(304)의 제1 쌍(300) 및 제1 내부 광검출기(322) 및 제2 외부 광검출기(324)의 제2 쌍(320)의 예시를 도시하는 것으로 이해될 수 있으며, 이때 제1 쌍(300)은 제2 쌍(320)에 인접하고, 제1 쌍(300)의 제1 내부 광검출기(302)는 자신의 채널 부재 구획을 통과하는 전류의 증가를 제공하고, 제1 쌍(300)의 제2 외부 광검출기(304)는 자신의 채널 부재 구획을 통과하는 전류의 감소를 생성하도록 구성되며, 제2 쌍(320)의 제1 내부 광검출기(322)는 자신의 채널 부재 구획을 통과하는 전류의 감소를 생성하도록 구성되며, 제2 쌍(320)의 제2 외부 광검출기(324)는 자신의 채널 부재 구획을 통과하는 전류의 증가를 생성하도록 구성된다.
도 3의 장치는 픽셀 쌍(340)에 의한 전자기 복사의 검출로 인한 전류의 조합된 변경을 차동 전압 신호 VN(358), VP(362)로 변환하도록 구성된 풀-브리지 회로(350)를 형성하도록 배열된 제1 내부 광검출기(320, 322) 및 제2 외부 광검출기(304, 324)의 적어도 2개의 쌍(300, 320)을 포함한다. 광(가령, 가시광, UV 광 또는 X-선 복사)(390)가 2개의 픽셀(300, 320)의 제1 내부 및 제2 외부 광검출기(352, 354, 382, 384) 상으로 조사되고 신호가 판독되어 검출된 광(390)의 존재 유무 및/또는 그 크기를 가리킬 수 있다.
도 4a-d는 하프-브리지 및 풀-브리지 회로의 예시를 도시한다. 도 4a 및 4c는 도 2 및 3과 관련하여 설명된 픽셀 지오메트리를 채용하지 않는 하프-브리지 및 풀-브리지 회로 등가물을 도시한다. 즉, 도 4a 및 4c의 회로 등가물은 중간 구획 전극에 의해 제2 외부 광검출기 내에 형성된 제1 내부 광검출기를 갖지 않는 광검출기 픽셀을 나타낸다. 도 4b 및 4d는 도 2 및 3과 관련하여 기재된 픽셀 지오메트리를 채용하는 하프-브리지 및 풀-브리지 회로 등가물을 도시한다. 즉, 도 4b 및 4d의 회로 등가물은 앞서 기재된 바와 같이 제2 외부 광검출기 내에 위치하는 제1 내부 광검출기를 포함하는 광검출기 픽셀을 나타낸다.
도 4a 및 4b의 하프-브리지 회로가 단일 출력 신호를 제공할 수 있다. 도 4c 및 4d의 풀-브리지 회로가 차동 출력 신호를 제공할 수 있다. 도 4b 및 4d에 나타나는 제1 내부 및 제2 외부 광검출기를 갖는 본 명세서에 기재된 픽셀 지오메트리를 이용할 때, (하프-브리지 회로의) 모든 2개 또는 (풀-브리지 회로의) 모든 4개의 저항성 브리지 구성요소가 능동 광검출기(420b, 420d)인 것을 알 수 있다. 도 4a 및 4c의 회로에서, 하프-저항성 브리지 구성요소는 능동 광검출기가 아니며 단순히 저항기(410a, 410c)이다. 따라서 본 명세서에 기재된 픽셀 지오메트리를 이용함으로써, 광검출기 어레이의 감지 영역(sensing area)의 더 효율적인 사용이 가능해진다. 능동 구성요소(광검출기)(420b, 420d)만이 도 4b 및 4d의 회로에서 사용되며 어떠한 감지 영역도 도 4a 및 4c의 회로에서와 같이 수동 구성요소, 가령, 저항기(410a, 410c)로 낭비되지 않는다.
도 5는 2×2 그리드로 배열된 4개의 장치(500a-d)의 예를 도시하며, 여기서 각각의 장치(500a-d)의 외부 전극(510)이 공통 전기 접촉하며 픽셀 어레이를 위한 접지(560)로의 연결을 제공하도록 구성된다. 이 예시에서, 4개의 장치(500a-d) 각각은 동일하다. 이 예시에서, 각각의 픽셀(500a-d)의 제1 내부 광검출기(502, 552) 는 각각 정 바이어스되고, 각각의 픽셀(500a-d)의 제2 외부 광검출기(504, 554)는 각각 부 바이어스될 수 있다. 도 5의 회로도는 각각의 픽셀(500a-d)의 내부 전극(502)이 서플라이 전압 VDD(556)로의 연결을 제공하고 각각의 픽셀(500a-d)의 중간 전극(504)이 전압 증폭기 또는 스위치(562)를 통한 SIGNAL 출력(558) 연결을 제공함을 도시한다((562)는 적어도 스위치 기능을 포함하지만 많은 경우 적어도 많은 픽셀이 하나의 출력 신호 라인으로 연결된 경우 (562)는 증폭 기능도 포함할 수 있다). 광검출기(502, 504)는 일부 예시에서 정 바이어스된 퀀텀 닷 그래핀 전계 효과 트랜지스터 및 부 바이어스된 퀀텀 닷 그래핀 전계 효과 트랜지스터로서 구현될 수 있기 때문에 회로 등가물에서 QDGFET_P(552) 및 QD GFET_N(554)로 라벨링된다.
도 6은 앞서 기재된 바와 같은 3개의 장치/픽셀(600)의 어레이의 횡단면도를 도시한다. 앞서와 같이, 각각의 장치/픽셀(600)이 광검출기 쌍으로 제1 내부 광검출기(602) 및 제2 외부 광검출기(604)를 포함한다. 각각의 장치/픽셀(600)은 파워 서플라이로의 연결을 제공하도록 구성된 내부 전극(606), 제2 외부 광검출기(604)의 둘레 주위에 위치하고 제2 외부 광검출기(204)와 접지 간 연결을 제공하도록 구성된 외부 전극(610), 및 전체 장치/픽셀(600) 위에 놓이는 공통 채널 층(620)을 제1 내부 광검출기(602)의 제1 내부 광검출기 채널 층 구획과 제2 외부 광검출기(604)의 제2 외부 광검출기 채널 층으로 분리하기 위한 구획 전극으로서 역할 하는 중간 전극(608)을 포함한다. 상기 구획 전극(608)은 각각의 픽셀(600)로부터 판독될 신호에 대한 연결을 제공하도록 구성된다.
횡단면도에서 나타난 이 예시에서, 제1 내부 광검출기(602)와 연관된 공통 채널 부재(620a) 구획은 제2 외부 광검출기(604)와 연관된 공통 채널 부재 구획(620b)과 동일 평면 상에 있다. 이 예시에서 제1 내부 광검출기(602)와 제2 외부 광검출기(604) 자체가 동일 평면 상에 있다(즉, 이들 각자의 전극(606, 608, 610) 및 공통 채널 층 구획(620a, 620b)이 상이한 픽셀(600)의 등가 구조물과 동일 평면이다).
또한 도 6에, 전압 인가 시 전기장을 생성하고, 제1 내부 광검출기(602)의 전도율을 조절하도록 구성된 백 게이트 전극(back gate electrode)(612), 상기 백 게이트 전극(612)과 외부 컨택트 간 전기적 연결(632), 전압 인가 시 전기장을 생성하고 제2 외부 광검출기(604)의 전도율을 조절하도록 구성된 백 게이트 전극(614), 상기 백 게이트 전극(612)과 외부 컨택트 간 전기적 연결(634), 상이한 백 게이트(612, 614) 및 전극(606, 608, 610)을 전기적으로 분리하기 위한 게이트 유전체(618), 및 파워 서플라이가 연결되기 위한 픽셀(600)의 내부 전극(606)으로의 공통 전기 연결(616)이 도시되어 있다. 이 예시에서의 이들 기능은 장치(600)의 센서 층(622)에 포함된다. 따라서 이 예시에서 제1 내부 광검출기(602) 및 제2 외부 광검출기(604) 각각이 전압 인가 시 전기장을 생성하도록 구성된 게이트 전극(612, 614)을 포함하며, 이때 생성된 전기장이 전자 또는 정공의 대응하는 광검출기(602, 604)의 채널 부재 구획(620a, 620b)으로의 이동을 가능하게 하기 때문에 대응하는 광검출기(602, 604)의 전도율이 조절될 수 있다.
도 6은 또한 신호 판독을 위해 중간 구획 전극(608)을 스위치 층(626)으로 연결하도록 구성된 마이크로범프(microbump)를 도시한다. 스위치 층(626)은 예를 들어, 스위치, 아날로그 프론트-엔드(AFE), 아날로그-디지털 변환기(ADC), 및 제어 회로를 포함한다. 스위치 층(626) 아래에, 스위치 층(626)으로의 수직적인 전기 연결을 제공하도록 구성된 관통 실리콘 비아(TSV: through-silicon via)(628) 및 전역 인터커넥션(global interconnection)(630)를 포함하는 실리콘 기판이 도시되어 있다.
도 7은 1024 × 1024개의 이러한 장치(700)의 어레이를 도시하며, 모든 장치는 그들의 전기적으로 연결된 외부 전극이 접지로 연결되어 있기 때문에 공통 접지를 공유한다. 각각의 행 및 열은 증폭기(702)를 포함하여 픽셀 및 필터 잡음 중 하나로부터 판독된 신호를 더 증폭할 수 있다.
도 8a-8c는 상이한 픽셀 지오메트리를 도시한다. 모든 픽셀이 픽셀들 사이에 공백을 남겨두지 않고 테셀레이트(tessellate)하는 경우, 활성 감지 영역이 픽셀들 사이에 감지를 위해 사용되지 않는 비-활성 공백이 있는 경우(이는 픽셀이 테셀레이트하지 않는 경우 발생할 것이다)에 비교해서 개선된다. 도 8a는 앞서 도시되고 기재된 정사각형 지오메트리 픽셀(800a, 810a)을 보여준다. 물론 사각형 픽셀(도시되지 않음)이 또한 완전히 테셀레이트된다. 좌측 픽셀(800a)이 각진 모서리를 갖는 사각 전극을 나타내고, 우측 픽셀(810a)이 둥근 모서리를 갖는 사각 전극을 나타낸다. 도 8b는 각진 전극 모서리를 갖는 육각형 픽셀(800b)(좌측)과 둥근 전극 모서리를 갖는 육각형 픽셀(810b)(우측)을 도시한다. 도 8c는 각진 전극 모서리를 갖는 삼각형 픽셀(800c)(좌측) 및 둥근 전극 모서리를 갖는 삼각형 픽셀(810c)(우측)을 도시한다. 제1 내부 및/또는 제2 외부 전극의 소스 및/또는 드레인 전극의 모서리가 둥글게 처리되어 이들 전극에서의 전류 흐름을 촉진시킬 수 있다. 육각형 및 삼각형 픽셀 지오메트리는 예컨대 광 응용분야에서 사용될 수 있다.
결국, 본 명세서에 기재된 광 검출기 어레이 또는 그 밖의 다른 예시 중 하나는, 가령, 위에 위치하는 공통 채널 층을 패터닝할 필요가 없고, 어레이 내 모든 픽셀로의 공통 접지 연결을 가지며, 각각의 등가 회로 구성요소가 능동 구성요소(예를 들면 FET/GFET)이기 때문에 높은 면적 효율의 감지 어레이를 가지며, 신호 판독을 위해 하나의 픽셀 또는 특정 픽셀의 그룹에 개별적으로 전력 공급할 수 있음으로써, 더 단순한 제조를 가능하게 할 수 있다.
본 명세서에 기재된 하나 이상의 예시에서, 공통 채널 부재가 그래핀을 포함할 수 있다. 그래핀은 광검출기(들)의 게이트 전극(들) 또는 감광성 물질(즉, 퀀텀 닷)에 의해 생성된 전기장에 특히 감응하는 비교적 높은 전하 운반체 이동성을 보인다. 그러나 또 다른 예시에서 공통 채널 부재는 상이한 2차원 물질, 가령, 그래핀 유사 물질(가령, 그래핀 옥사이드, 포스포린(phosphorene), 실리콘류, 게르마닌(germanene), 스테닌, h-BN, AIN, GaN, InN, InP, InAs, BP, BaS 또는 GaP) 또는 전이 금속 디칼코게나이드(가령, WX2, M0X2, ScX2, TiX2, HfX2, ZrX2, VX2, CrX2, MnX2, FeX2, CoX2, NiX2, NbX2, TcX2, ReX2, PdX2 또는 PtX2, 여기서 X = S, Se 또는 Te)를 포함할 수 있다. 덧붙여, 적어도 하나의 광검출기의 소스, 드레인 및 게이트 전극은 금속, 금속 나노입자 잉크, 은, 금, 구리, 니켈, 코발트, 전도성 금속 옥사이드, 탄소계 물질, 유기 물질 및 폴리머 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
제1 내부 및 제2 외부 광검출기가 상이한 전류 변경을 생성하도록 장치가 구성될 수 있는 많은 방식이 존재한다. 광검출기 쌍의 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기가 유사하게 도핑된 채널 부재를 포함할 수 있다. 제1 내부 광검출기의 게이트 전극에 인가되는 전압은 제2 외부 광검출기의 게이트 전극에 인가되는 전압과 반대 극성을 가져, 최종 전기장이 상이한 유형의 전하 운반체의 각자의 채널 부재로의 이동을 가능하게 함으로써, 전류의 상이한 변경을 생성할 수 있다.
광검출기 쌍의 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기가 반대 도핑된 채널 부재를 포함할 수 있다. 제1 내부 광검출기의 게이트 전극에 인가되는 전압이 제2 외부 광검출기의 게이트 전극에 인가되는 전압과 동일한 극성을 가져, 최종 전기장이 동일한 유형의 전하 운반체를 각자의 채널 부재로 이동하게 함으로써 전류의 상이한 변경을 생성할 수 있다.
도 9는 본 발명의 장치(914)의 또 다른 예시를 보여준다. 장치(814)는 전자 디바이스, 휴대용 전자 디바이스, 휴대용 원격통신 디바이스, 모바일 전화기, 개인 디지털 어시스턴트, 태블릿, 패블릿(phablet), 데스크톱 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 서버, 스마트폰, 스마트워치, 스마트 아이웨어, 센서, 전자기 복사 센서, X-선 센서, 및 이들 중 하나 이상을 위한 모듈 중 하나 이상일 수 있다. 도시된 예시에서, 장치(914)는 앞서 기재된 바와 같이 다양한 구성요소(총체적으로 도면부호 915로 지칭됨), 전류계(916), 전압계(917), 파워 서플라이(918), 프로세서(919) 및 저장 매체(920)를 포함하며, 이들은 데이터 버스(921)에 의해 서로 전기적으로 연결된다.
프로세서(919)는 타 구성요소의 동작을 관리하기 위해 상기 타 구성요소와의 시그널링을 제공함으로써 장치(914)의 일반적인 동작을 위해 구성된다. 저장 매체(920)는 장치(914)의 동작을 수행, 제어 또는 활성화하도록 구성된 컴퓨터 코드를 저장하도록 구성된다. 저장 매체(920)는 또한 타 구성요소를 위한 설정을 저장하도록 구성될 수 있다. 프로세서(919)는 타 구성요소의 동작을 관리하기 위해 구성요소 설정을 불러오기 위해 저장 매체(920)를 액세스할 수 있다.
프로세서(919)의 제어 하에서, 파워 서플라이(918)는 각각의 광검출기의 소스 전극과 드레인 전극 사이에 전압을 인가하도록 구성되어 각자의 채널 부재 구획을 통한 전류의 흐름을 가능하게 할 수 있다. 덧붙여, 파워 서플라이(918)는 추가 전압을 게이트 전극에 인가하도록 구성되어 특정 광검출기에 대한 퀀텀 닷과 채널 부재 구획 간 전화 운반체의 이동을 제어할 수 있다.
전류계(916)는 각자의 광검출기의 채널 부재 구획을 통한 전류를 측정하도록 구성되어 입사 전자기 복사에 의해 유발되는 임의의 전류 변경이 결정될 수 있도록 한다. 추가로 또는 대안으로, 전압계(917)가 조합된 전류 변경에 대응하는 전압 신호를 측정하도록 구성된다.
제1 광검출기 및 제2 광검출기의 조합된 전류 변경 또는 대응하는 전압 신호를 기초로, 프로세서(919)는 입사 전자기 복사의 존재 유무 및 그 크기 중 하나 이상을 결정하도록 구성된다. 입사 전자기 복사의 존재 유무/크기를 결정하기 위해, 프로세서(919)는 저장 매체(920)에 저장되며, 전자기 복사의 강도와 조합된 전류 변경 또는 이에 대응하는 전압 신호를 상관시키는 지정 교정 데이터를 이용할 수 있다.
프로세서(919)는 마이크로프로세서일 수 있으며, 예를 들어, 주문형 집적 회로(ASIC)일 수 있다. 저장 매체(920)는 임시 저장 매체, 가령, 휘발성 랜덤 액세스 메모리일 수 있다. 다른 한편, 저장 매체(920)는 영구 저장 매체, 가령, 하드 디스크 드라이브, 플래시 메모리, 또는 비-휘발성 랜덤 액세스 메모리일 수 있다. 파워 서플라이(918)는 일차 배터리, 이차 배터리, 커패시터, 슈퍼커패시터 및 배터리-커패시터 하이브리드 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
도 10은 본 발명을 이용하는 방법의 메인 단계(1000)를 개략적으로 도시한다. 상기 방법은 일반적으로, 입사 전자기 복사의 결과로서의 제1 내부 및 제2 외부 광검출기의 쌍의 조합된 전류 변경을 기초로 장치로 입사하는 전자기 복사의 존재 유무 및 그 크기 중 하나 이상을 결정하는 단계를 포함한다.
도 11은 본 발명의 장치를 제작하는 방법의 주요 단계(1100)를 개략적으로 보여준다. 상기 방법은 일반적으로, 광검출기 쌍의 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기가 채널 부재를 통과하는 전류의 증가 및 감소를 각각 생성하는 전자-정공 쌍을 생성하도록 장치를 구성하는 단계를 포함하며, 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기의 쌍의 전류 변경이 입사 전자기 복사의 존재 유무 및 그 크기 중 하나 이상을 나타낸다.
도 12는 하나의 예시에 따르는 컴퓨터 프로그램을 제공하는 컴퓨터/프로세서 판독형 매체(1200)를 개략적으로 도시한다. 컴퓨터 프로그램은 도 10 또는 도 11의 방법 단계(1000 및/또는 1100) 중 하나 이상을 수행, 제어 또는 활성화하도록 구성된 컴퓨터 코드를 포함할 수 있다. 이 예시에서, 컴퓨터/프로세서 판독형 매체(1200)는 디스크, 가령, 디지털 다목적 디스크(DVD: digital versatile disc) 또는 컴팩트 디스크(CD)이다. 또 다른 예시에서, 컴퓨터/프로세서 판독형 매체(1200)는 본 발명의 기능을 수행하기 위한 방식으로 프로그램된 임의의 매체일 수 있다. 컴퓨터/프로세서 판독형 매체(1200)는 이동식 메모리 디바이스, 가령, 메모리 스틱 또는 메모리 카드(SD, 미니 SD, 마이크로 SD 또는 나노 SD)일 수 있다.
도면에 도시된 또 다른 예시에 앞서 기재된 예시의 유사한 기능에 대응하는 도면 부호가 제공되었다. 예를 들어, 기능 번호 1이 또한 번호 101, 201, 301 등에 대응할 수 있다. 이들 넘버링된 기능은 도면에 나타날 수 있지만 이들 특정 예시의 기재 내에서 직접 언급되지는 않았을 수 있다. 이들은, 특히 유사한 이전 기재된 예시의 기능과 관련하여 추가 예시의 이해를 돕기 위해 도면에 제공되었다.
해당 분야의 통상의 기술자라면 임의의 언급된 장치/디바이스 및/또는 특정 언급된 장치/디바이스의 그 밖의 다른 기능이 활성화, 가령, 스위치 온 등될 때 원하는 동작을 수행하도록 구성되도록 배열된 장치에 의해 제공될 수 있음을 알 것이다. 이러한 경우, 이들은 적절한 소프트웨어가 비-활성화된 상태(가령, 스위치 오프 상태)에서 활성 메모리로 로딩되게 할 필요는 없으며 활성화된 상태(가령, 온 상태)에서만 적절한 소프트웨어가 로딩되게 할 수 있다. 장치는 하드웨어 회로 및/또는 펌웨어를 포함할 수 있다. 장치는 메모리로 로딩되는 소프트웨어를 포함할 수 있다. 이러한 소프트웨어/컴퓨터 프로그램은 동일한 메모리/프로세서/기능 유닛 및/또는 하나 이상의 메모리/프로세서/기능 유닛 상에 기록될 수 있다.
일부 예시에서, 특정 언급된 장치/디바이스는 원하는 동작을 수행하도록 적절한 소프트웨어로 사전-프로그램될 수 있으며 적절한 소프트웨어는 예를 들어, 소프트웨어 및 이의 연관된 기능을 잠금해제/활성화하기 위해 사용자가 "키(key)"를 다운로딩함으로써 사용되도록 활성화될 수 있다. 이러한 예시와 연관된 이점으로는 디바이스에 대해 추가 기능이 요구될 때 데이터를 다운로드하기 위한 요건이 감소된다는 것이 있으며, 이는 디바이스가 사용자에 의해 활성화되지 않을 수 있는 기능을 위해 이러한 사전-프로그램된 소프트웨어를 저장하기에 충분한 용량을 가진다고 인지되는 예시에서 유용할 수 있다.
임의의 언급된 장치/회로/요소/프로세서가 앞서 언급된 기능에 추가로 다른 기능을 가질 수 있고 이들 기능은 동일한 장치/회로/요소/프로세서에 의해 수행될 수 있음이 자명할 것이다. 하나 이상의 개시된 양태가 연관된 컴퓨터 프로그램 및 적절한 운반체(가령, 메모리, 신호)에 기록된 (소스/이동 인코딩된) 컴퓨터 프로그램의 전자 배포를 포함할 수 있다.
본 명세서에 기재된 임의의 "컴퓨터"는 동일한 회로 기판 또는 회로 기판의 동일한 영역/위치, 또는 심지어 동일한 디바이스 상에 위치하거나 위치하지 않을 수 있는 하나 이상의 개별 프로세서/프로세싱 요소의 집합을 포함할 수 있다. 일부 예시에서, 임의의 언급된 프로세서 중 하나 이상이 복수의 디바이스에 걸쳐 분산될 수 있다. 동일한 또는 상이한 프로세서/프로세싱 요소가 본 명세서에 기재된 하나 이상의 기능을 수행할 수 있다.
용어 "시그널링"은 일련의 송신 및/또는 수신된 신호로서 전송된 하나 이상의 신호를 지칭할 수 있음이 자명할 것이다. 일련의 신호는 상기 신호를 구성하기 위한 하나, 둘, 셋, 넷 또는 그 이상의 개별 신호 성분 또는 개별 신호를 포함할 수 있다. 이들 개별 신호 중 일부 또는 전부는 동시에, 순차적으로, 및/또는 서로 시간상 겹치도록 송신/수신될 수 있다.
임의의 언급된 컴퓨터 및/또는 프로세서 및 메모리(가령, ROM, CD-ROM 등)에 대한 임의의 언급을 참조하여, 이들은 본 발명의 기능을 수행하기 위한 방식으로 프로그램된 컴퓨터 프로세서, 주문형 집적 회로(ASIC), 현장 프로그램 가능 게이트 어레이(FPGA) 및/또는 그 밖의 다른 하드웨어 구성요소를 포함할 수 있다.
본 출원은 이러한 기능 또는 기능의 조합이 본 명세서에 개시된 임의의 문제를 해결하는지 여부와 무관하게 그리고 청구항의 범위 내에서 해당 분야의 통상의 기술자의 일반적인 지식을 토대로 이러한 기능 또는 이의 조합이 본 명세서 전체를 기초로 하여 수행될 수 있는 범위까지 본 명세서에 기재된 각각의 개별 기능을 단독으로 그리고 둘 이상의 이러한 기능의 임의의 조합으로 개시한다. 본 출원은 개시된 양태/예시가 임의의 이러한 개별 기능 또는 기능의 조합으로 구성될 수 있음을 가리킨다. 상기의 기재에서, 해당 분야의 통상의 기술자라면 다양한 변경이 본 발명의 범위 내에서 이뤄질 수 있음을 알 것이다.
기본적인 신규한 기능이 상이한 예시에 적용되는 것으로 도시되고 기재되며 지시되었지만, 기재된 디바이스 및 방법의 형태 및 상세사항의 다양한 생략 및 치환 및 변경이 본 발명의 사상 내에서 해당 분야의 통상의 기술자에 의해 이뤄질 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들어, 동일한 결과를 획득하기 위한 실질적으로 동일한 방식으로 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 이들 요소 및/또는 방법 단계의 모든 조합이 본 발명의 범위 내에 있음이 명시적으로 의도된다. 또한, 임의의 개시된 형태 또는 예시와 관련하여 도시 및/또는 기재된 구조 및/또는 요소 및/또는 방법 단계가 일반적인 설계 선택 사항으로서 그 밖의 다른 임의의 개시되거나 기재되거나 암시된 형태 또는 예시에 포함될 수 있음이 자명하다. 덧붙여, 청구항에서 기능식 기재(means-plus-function clauses)가 언급된 기능을 수행할 때 본 명세서에 기재된 구조와 구조적 균등물뿐 아니라 균등 구조까지 포함하는 것으로 의도된다. 따라서 못과 나사가 못은 나무 부분을 고정하기 위한 원통형 표면을 채용하고 나사는 나선형 표면을 채용한다는 점에서 구조적 균등물은 아니지만, 나무 부분을 고정하는 환경에서, 못과 나사가 균등 구조일 수 있다.

Claims (15)

  1. 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기의 쌍을 적어도 하나 포함하는 장치로서,
    광검출기 쌍의 각각의 광검출기는 채널 부재(channel member), 소스 전극과 드레인 전극 사이에서 상기 채널 부재를 통한 전류의 흐름을 가능하게 하도록 구성된 각자의 소스 전극 및 드레인 전극, 및 입사 전자기 복사에의 노출 시 전자-정공 쌍을 생성하여 상기 채널 부재를 통해 흐르는 전류의 검출 가능한 변경을 생성하도록 구성된 복수의 퀀텀 닷(quantum dots)을 포함하며,
    상기 광검출기 쌍의 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기는 상기 채널 부재를 통과하는 전류의 증가 및 감소를 각각 생성하는 전자-정공 쌍을 생성하도록 구성되며, 상기 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기의 쌍의 조합된 전류 변경은 상기 입사 전자기 복사의 존재 유무 및 크기 중 하나 이상을 나타내며,
    상기 제1 내부 광검출기와 상기 제2 외부 광검출기는 공통 채널 부재를 공유하며, 상기 공통 채널 부재는 각자의 소스 전극과 드레인 전극 중 하나 이상을 사용하여 구획되며, 상기 각자의 소스 전극과 드레인 전극은 상기 제1 내부 광검출기가 상기 제2 외부 광검출기 내에 형성되도록 2차원으로 각자 연장됨으로써 구획 전극으로서 역할하는
    장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구획 전극 각각은
    제1 내부 광검출기의 드레인 전극이 제2 외부 광검출기의 소스 전극으로서 역할을 하거나,
    제1 내부 광검출기의 드레인 전극이 제2 외부 광검출기의 소스 전극에 전기적으로 연결되도록
    구성되는,
    장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 내부 광검출기와 연관된 공통 채널 부재 구획은 상기 제2 외부 광검출기와 연관된 공통 채널 부재 구획과 동일 평면 상에 있는,
    장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기는 동일 평면 상에 있는,
    장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공통 채널 부재는 그래핀(graphene)을 포함하는,
    장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 내부 광검출기는 파워 서플라이로의 연결을 제공하도록 구성된 내부 소스 전극을 포함하고, 상기 파워 서플라이는 연결될 때 상기 제1 내부 광검출기 및 상기 제2 외부 광검출기로 전력을 공급하도록 구성되는,
    장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 내부 소스 전극은 상기 제1 내부 광검출기 내에 실질적으로 중앙에 위치하는,
    장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 외부 광검출기는 2차원으로 상기 제2 외부 광검출기의 둘레 주위에 위치하는 드레인 전극을 포함하며, 상기 제2 외부 광검출기의 드레인 전극은 상기 제2 외부 광검출기와 접지 간 연결을 제공하도록 구성되는,
    장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 내부 광검출기 및 상기 제2 외부 광검출기 각각은 전압 인가 시 전기장을 생성하도록 구성된 게이트 전극을 포함하며, 생성된 상기 전기장은 대응하는 광검출기의 채널 부재 구획으로 전자 또는 정공의 이동을 가능하게 함으로써, 상기 대응하는 광검출기의 전도율이 조절될 수 있게 하는,
    장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광검출기 쌍의 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기는 상기 조합된 전류 변경을 단일 종단형 전압 신호(single-ended voltage signal)로 변환하도록 구성된 하프-브리지 회로를 형성하도록 배열되는,
    장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 조합된 전류 변경을 차동 전압 신호로 변환하도록 구성된 풀-브리지 회로를 형성하도록 배열된 제1 내부 광검출기와 제2 외부 광검출기의 적어도 두 개의 쌍을 포함하는,
    장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기의 제1 쌍 및 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기의 제2 쌍을 적어도 포함하고, 상기 제1 쌍은 상기 제2 쌍에 인접하게 위치하며,
    상기 제1 쌍의 제1 내부 광검출기는 자신의 채널 부재 구획을 통과하는 전류의 증가를 생성하도록 구성되며,
    상기 제1 쌍의 제2 외부 광검출기는 자신의 채널 부재 구획을 통과하는 전류의 감소를 생성하도록 구성되고,
    상기 제2 쌍의 제1 내부 광검출기는 자신의 채널 부재 구획을 통과하는 전류의 감소를 생성하도록 구성되며,
    상기 제2 쌍의 제2 외부 광검출기는 자신의 채널 부재 구획을 통과하는 전류의 증가를 생성하도록 구성되는,
    장치.
  13. 제1항에 따른 장치 복수 개로 구성된 복수의 장치로서,
    상기 복수의 장치의 각각의 장치는 2차원으로 제2 외부 광검출기의 둘레 주위에 위치하는 드레인 전극을 포함하며, 상기 복수의 장치의 각자의 드레인 전극은 서로 전기적으로 접촉하며 상기 복수의 장치에 대한 접지로의 연결을 제공하도록 구성되는,
    복수의 장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 내부 광검출기와 제2 외부 광검출기는 함께 하나의 픽셀을 형성하며, 상기 픽셀의 형태는 정사각형(square), 사각형(rectangular), 삼각형 또는 육각형인,
    장치.
  15. 장치를 이용하는 방법으로서,
    상기 장치는 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기의 쌍을 적어도 하나 포함하며,
    광검출기 쌍의 각각의 광검출기는 채널 부재(channel member), 소스 전극과 드레인 전극 사이에서 상기 채널 부재를 통한 전류의 흐름을 가능하게 하도록 구성된 각자의 소스 전극 및 드레인 전극, 및 입사 전자기 복사에의 노출 시 전자-정공 쌍을 생성하여 상기 채널 부재를 통해 흐르는 전류의 검출 가능한 변경을 생성하도록 구성된 복수의 퀀텀 닷을 포함하며,
    상기 광검출기 쌍의 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기는 상기 채널 부재를 통과하는 전류의 증가 및 감소를 각각 생성하는 전자-정공 쌍을 생성하도록 구성되며, 상기 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기의 쌍의 조합된 전류 변경은 상기 입사 전자기 복사의 존재 유무 및 크기 중 하나 이상을 나타내며,
    상기 제1 내부 광검출기와 상기 제2 외부 광검출기는 공통 채널 부재를 공유하며, 상기 공통 채널 부재는 각자의 소스 전극과 드레인 전극 중 하나 이상을 사용하여 구획되며, 상기 각자의 소스 전극과 드레인 전극은 상기 제1 내부 광검출기가 상기 제2 외부 광검출기 내에 형성되도록 2차원으로 각자 연장됨으로써 구획 전극으로서 역할하는,
    상기 방법은 상기 장치로 입사하는 전자기 복사의 존재 유무 및 크기 중 하나 이상을, 입사 전자기 복사의 결과로서, 제1 내부 광검출기 및 제2 외부 광검출기의 쌍의 조합된 전류 변경을 기초로 결정하는 단계를 포함하는,
    방법.
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