KR20190139731A - 적외선 광 센서 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

기판, 상기 기판 상의 채널층, 상기 채널층 상에 분산되어 배치되는 광 흡수 구조체들, 및 상기 기판 상에 배치되고, 상기 채널층의 양측에 배치되는 전극들을 포함하는 적외선 광 센서를 제공하되, 상기 채널층 및 상기 광 흡수 구조체들은 전이금속 칼코겐 화합물을 포함할 수 있다.

Description

적외선 광 센서 및 그의 제조 방법{INFRARED OPTICAL SENSOR AND A METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 적외선 광 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는 전이금속 칼코겐 화합물을 포함하는 적외선 광 센서 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 수직 나노 구조체에서의 표면 플라즈몬 공명 현상으로 인한 근적외선 파장에서 광 흡수 효과가 향상된 광 센서에 관한 것이다.
이차원 소재란, 각 층 내의 원자들은 강한 이온결합 또는 공유결합으로 결합하고 있는 반면, 층들 사이는 반데르발스 힘(Van der Waals force)으로 결합되어 있어서 층들이 쉽게 서로 박리되는 특성을 갖는 소재를 의미한다. 이러한 이차원 소재는 하나의 층 내에서 전하들이 이동 및 전송되므로 이동도가 매우 빠른 특성을 갖는다. 특히, 2차원 반도체는 뛰어난 전기적, 기계적, 광학적 특성을 지니는 물질로, 유연한 소자 및 투명 소자에 적용 가능한 차세대 반도체 물질로 각광 받고 있다.
전이금속 칼코겐 화합물는 전이금속 원소와 칼코겐 원소 간의 결합으로 이루어진 화합물로 대표적인 2차원 소재이다. 전이금속 칼코겐 화합물은 벌크(bulk) 상태와 단일층(monolayer) 상태에서 상이한 밴드갭을 갖는다. 즉, 두께(분자층수)에 따라서 밴드갭을 비롯한 물리적, 화학적 특성이 변화하는 특성을 갖는다.
하지만, 반도체 특성을 가지는 단일층의 전이금속 칼코겐 화합물의 경우, 작은 비표면적 및 그 고유의 밴드갭(1.5eV 내지 2.0eV)으로 인해 광 흡수 효율 및 가시광 영역에서의 파장 선택성에서 한계를 갖는다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 광 흡수 효율이 향상되고, 광 흡수 파장이 근적외선 영역까지 확장된 3차원 나노 구조의 흡수체를 포함한 전이금속 칼코겐 화합물 기반의 적외선 광 센서 및 그의 제조 방법을 제공하는데 있다.
더하여, 나노 구조체에 파장 조절 원소의 결합을 통해 플라즈몬 공명에 따른 흡수 파장을 조정하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 전기적 특성이 향상된 적외선 광 센서 및 그의 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 기술적 과제들을 해결하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 적외선 광 센서는 기판, 상기 기판 상의 채널층, 상기 채널층 상에 분산되어 배치되는 광 흡수 구조체들, 및 상기 기판 상에 배치되고, 상기 채널층의 양측에 배치되는 전극들을 포함할 수 있다. 상기 채널층 및 상기 광 흡수 구조체들은 전이금속 칼코겐 화합물을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 채널층은 결정면이 상기 기판의 표면과 평행한 2차원의 결정 구조를 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 채널층은 하나의 분자층을 갖는 단분자층(mono-molecular layer), 또는 복수의 분자층을 갖는 다분자층(multi-molecular layer)으로 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 채널층 및 상기 광 흡수 구조체들은 동일한 물질로 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광 흡수 구조체들의 폭 및 높이는 1nm 내지 10000nm일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광 흡수 구조체들의 표면에 화학적으로 결합되는 파장 조절 원소를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 파장 조절 원소는 수소, 산소, 칼코겐 원소, 할로겐 원소 또는 전이금속 원소를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전극들은 그래핀(graphene), 금속 원소 또는 금속 화합물을 포함할 수 있다.
상술한 기술적 과제들을 해결하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 적외선 광 센서의 제조 방법은 기판 상에 채널층을 형성하는 것, 상기 채널층의 상면 상에 광 흡수 구조체들을 성장시키는 것, 및 상기 기판 상의 상기 채널층의 양측에 전극들을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 상기 채널층을 형성하는 것 및 상기 광 흡수 구조체들을 형성하는 것은 상기 기판 일측에 전이금속 원소 소스 및 칼코겐 원소 소스를 제공하는 것, 상기 기판 상에 상기 전이금속 원소 소스의 증기 및 상기 칼코겐 원소 소스의 증기를 공급하는 것, 및 상기 기판 상에 열을 가하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 채널층 및 상기 광 흡수 구조체들은 동일한 공정을 연속적으로 수행하는 인-시츄 방식(in-situ manner)으로 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 채널층의 형성 공정 시, 상기 칼코겐 원소 소스의 증기는 상기 전이금속 원소 소스의 증기에 대한 제 1 분압비를 갖고, 상기 광 흡수 구조체들의 형성 공정 시, 상기 칼코겐 원소 소스의 증기는 상기 전이금속 원소 소스의 증기에 대한 제 2 분압비를 가질 수 있다. 상기 제 2 분압비는 상기 제 1 분압비보다 작을 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 채널층 및 상기 광 흡수 구조체들은 동시에 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광 흡수 구조체들은 상기 채널층 상에서 국부적으로 성장할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 채널층은 수평 성장하여, 상기 기판의 상면과 평행한 2차원 결정 구조를 갖도록 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광 흡수 구조체들을 형성한 후, 상기 광 흡수 구조체들의 표면에 파장 조절 원소를 결합시키는 것을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 파장 조절 원소를 결합시키는 것은 플라즈마 증착 공정, 화학 기상 증착(CVD) 공정 또는 원자층 박막 증착(ALD) 공정을 포함할 수 있다. 상기 공정들은 증착되는 상기 파장 조절 원소가 막(layer)을 형성하기 전에 중지될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 적외선 광 센서는 채널층 상에 국부적으로 배치되는 클러스터 형상의 광 흡수 구조체들을 가질 수 있다. 적외선 광 센서는 광 흡수 구조체들을 이용하여 광을 흡수할 수 있으며, 이와 동시에 광 흡수에 의해 발생된 전하를 채널층을 통해 이동시킬 수 있다.
또한, 적외선 광 센서는 광 흡수 구조체가 갖는 3차원 형상 및 높은 전하 밀도에 의해 발생되는 국소 표면 플라즈몬 형상으로 인해 가시광 영역 및 적외선 영역에서의 광 흡수 능력을 향상시킬 수 있다.
더하여, 적외선 광 센서는 광 흡수 구조체들의 크기 및 양을 조절하여 흡수하고자 하는 광의 파장 대역을 용이하게 조절할 수 있다.
적외선 광 센서는 광 흡수 구조체들의 표면에 파장 조절 원소를 결합시켜 흡수하고자 하는 광의 파장 대역을 용이하게 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 적외선 광 센서의 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 적외선 광 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 사시도들이다.
도 3은 채널층 및 광 흡수 구조체들의 형성 공정을 설명하기 위한 개략도이다.
도 4a 내지 도 4c는 실험예 1에 따라 형성된 채널층 및 광 흡수 구조체들의 사진들이다.
도 5는 실험예들 및 비교예의 광 여기에 따른 발광 스펙트럼의 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 실험예들 및 비교예의 광 흡수 스펙트럼의 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 실험예들 및 비교예의 광 전류의 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명한다. 그러나 본 발명은, 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 당해 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자는 본 발명의 개념이 어떤 적합한 환경에서 수행될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 ‘포함한다(comprises)’ 및/또는 ‘포함하는(comprising)’은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 어떤 막(또는 층)이 다른 막(또는 층) 또는 기판상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 막(또는 층) 또는 기판상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 막(또는 층)이 개재될 수도 있다.
본 명세서의 다양한 실시 예들에서 제 1, 제 2, 제 3 등의 용어가 다양한 영역, 막들(또는 층들) 등을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 영역, 막들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 소정 영역 또는 막(또는 층)을 다른 영역 또는 막(또는 층)과 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에의 제 1 막질로 언급된 막질이 다른 실시 예에서는 제 2 막질로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시예도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 발명의 실시예들에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
이하, 도면들 참조하여 본 발명의 개념에 따른 적외선 광 센서의 제조 방법을 설명한다. 도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 적외선 광 센서의 제조 방법을 도시한 흐름도이다. 도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일부 실시예들에 따른 적외선 광 센서의 제조 방법을 설명하기 위한 사시도들이다. 도 3은 채널층 및 광 흡수 구조체들의 형성 공정을 설명하기 위한 개략도이다.
도 1 및 도 2a를 참조하여, 기판(10)이 제공될 수 있다. 기판(10)은 반도체 기판일 수 있다. 예를 들어, 기판(10)은 실리콘 또는 실리콘 산화물을 포함할 수 있다. 기판(10)은 일반적인 반도체 소자에 이용되는 기판이면 특별히 제한되지 않고 이용될 수 있다.
기판(10)에 전처리 공정이 수행될 수 있다. 예를 들어, 기판(10)의 전처리 공정은 열 처리 공정을 포함할 수 있다. 상기 전처리 공정은 기판(10)의 표면의 화학적 반응성을 균일하게 하기 위하여 수행될 수 있다. 기판(10)의 전처리 공정은 필요에 따라 수행되지 않을 수 있다.
기판(10) 상에 채널층(20)이 형성될 수 있다(S1-1). 채널층(20)은 기판(10) 상에 전이금속 원소 및 칼코겐 원소를 화학 결합시켜 형성될 수 있다. 일 예로, 채널층(20)은 열 증착법(thermal evaporation)을 이용하여 형성될 수 있다. 이하, 채널층(20)의 형성 공정(S1-1)의 일 실시예를 보다 상세히 설명한다.
도 2a 및 도 3을 참조하여, 챔버(100)가 제공될 수 있다. 챔버(100)의 내부는 진공 상태로 제공될 수 있다. 일 예로, 챔버(100)의 일측에 진공 펌프(110)가 연결될 수 있다. 챔버(100)는 제 1 영역(R1) 및 제 2 영역(R2)을 가질 수 있다. 후술할 바와 같이 제 1 영역(R1)에서는 기화 반응이 일어날 수 있고, 제 2 영역(R2)에서는 기화 및 증착 반응이 일어날 수 있다. 챔버(100) 내에 캐리어 가스(120)가 주입될 수 있다. 캐리어 가스(120)는 제 1 영역(R1)으로부터 제 2 영역(R2)을 향하여 흐를 수 있다. 일 예로, 캐리어 가스(120)는 아르콘(Ar)을 포함할 수 있다. 제 1 발열부(210) 및 제 2 발열부(220)가 챔버(100)의 외부에 제공될 수 있다. 제 1 발열부(210)는 제 1 영역(R1)에 열을 제공할 수 있고, 제 2 발열부(220)는 제 2 영역(R2)에 열을 제공할 수 있다.
챔버(100) 내에 기판(10)이 제공될 수 있다. 기판(10)은 챔버(100)의 제 2 영역(R2)에 제공될 수 있다. 챔버(100) 내에 전이금속 원소 소스(300) 및 칼코겐 원소 소스(400)가 제공될 수 있다. 전이금속 원소 소스(300)는 챔버(100)의 제 2 영역(R2)에 제공될 수 있고, 칼코겐 원소 소스(400)는 챔버(100)의 제 1 영역(R1)에 제공될 수 있다. 전이금속 원소 소스(300) 및 칼코겐 원소 소스(400)는 분말 형태로 제공될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 전이금속 원소 소스(300)는 Ti, Mo, V, Mn, Cr, Fe, Ni, Cu, Co, Nb, Ta, W, Nb, Tc, Re, Ru, Os, Rh, Ir, Ag, Au, Pt, Cd, In, Tl, Sn, Pb, Sb, Bi, Zr, Te, Pd, Hf 또는 이들의 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전이금속 원소 소스(300)는 (NH4)2MoS4, (NH4)6Mo7O24·4H2, ((CH3)4N)2MoS4, ((C2H5)4N)2MoS4, Mo(CO)6, MoCl5, MoOCl4 또는 MoO3일 수 있다. 칼코겐 원소 소스(400)는 황(S) 원소를 포함하는 유기 화합물 또는 무기 화합물을 포함할 수 있다. 일 예로, 칼코겐 원소 소스(400)는 H2S, CS2, SO2, S2, (NH4)2S, C6H8OS, S(C6H4NH2)2 또는 Na2SH2O일 수 있다.
기판(10) 상에 제 1 증기(310) 및 제 2 증기(410)가 공급될 수 있다. 제 1 증기(310)는 전이금속 원소 소스(300)가 기화된 증기이며, 제 2 증기(410)는 칼코겐 원소 소스(400)가 기화된 증기일 수 있다. 일 예로, 제 2 발열부(220)를 이용하여 전이금속 원소 소스(300)를 기화시키고, 제 1 발열부(210)를 이용하여 칼코겐 원소 소스(400)를 기화시킬 수 있다. 제 1 증기(310) 및 제 2 증기(410)는 기판(10) 상으로 확산되거나, 캐리어 가스(120)에 의해 기판(10) 상으로 이동할 수 있다. 제 1 증기(310)는 챔버(100) 내에 제 1 분압(pp1)으로 제공되고, 제 2 증기(410)는 챔버(100) 내에 제 2 분압(pp2)으로 제공될 수 있다. 제 1 분압(pp1) 및 제 2 분압(pp2)에 따라, 기판(10) 상에 공급되는 제 1 증기(310) 및 제 2 증기(410)의 양을 조절될 수 있다. 일 예로, 제 1 발열부(210) 및 제 2 발열부(220)에 의해 공급되는 열의 양을 변화시켜, 소스들(300, 400)로부터 발생되는 제 1 증기(310) 및 제 2 증기(410)의 양, 즉 제 1 분압(pp1) 및 제 2 분압(pp2)이 조절될 수 있다. 또는, 제 1 증기(310) 및 제 2 증기(410)의 양은 기판(10)과 전이금속 원소 소스(300) 간의 거리 또는 기판(10)과 칼코겐 원소 소스(400) 간의 거리를 변화시킴으로써 조절될 수 있다. 일 예로, 전이금속 원소 소스(300) 및 칼코겐 원소 소스(400)를 기판(10)과 인접하게 배치하여, 기판(10) 상에 제공되는 제 1 증기(310) 및 제 2 증기(410)의 양을 증가시킬 수 있다.
제 1 증기(310) 및 제 2 증기(410)가 반응하여 기판(10) 상에 채널층(20)이 형성될 수 있다. 일 예로, 제 1 증기(310) 및 제 2 증기(410)가 기상 반응(gas phase reaction)을 통해 기판(10)의 표면 상에 시드들(seeds)이 형성되며, 상기 시드들이 수평 성장하여 채널층(20)이 형성될 수 있다. 제 1 증기(310) 및 제 2 증기(410)의 반응성을 향상시키기 위하여, 제 2 발열부(220)를 이용하여 기판(10)에 열이 제공될 수 있다. 채널층(20)은 전이금속 칼코겐 화합물(transition metal dichalcogenide)을 포함할 수 있다. 채널층(20)은 2차원 결정 구조를 가질 수 있다. 여기서, 2차원 결정 구조는 구성 원자들 간의 결합이 2차원 평면 상에서만 형성되며, 구성 원자들이 형성하는 분자층 사이에 약한 반데르발스 결합이 형성되어 층상 구조를 갖는 결정 구조를 의미한다. 채널층(20)의 분자층은 기판(10)의 상면과 평행할 수 있다. 즉, 채널층(20)은 그의 분자층들이 기판(10)에 수직한 방향으로 적층되는 구조를 가질 수 있다. 채널층(20)은 하나의 분자층을 갖는 단분자층(mono-molecular layer)으로 형성되거나, 또는 복수의 분자층을 갖는 다분자층(multi-molecular layer)으로 형성될 수 있다. 상기와 같이 기판(10) 상에 채널층(20)이 형성될 수 있다.
도 1 및 도 2b를 참조하여, 채널층(20)의 상면 상에 광 흡수 구조체들(30)이 성장될 수 있다(S1-2). 광 흡수 구조체들(30)의 형성 공정은 채널층(20)의 형성 공정과 동일/유사할 수 있다. 일 예로, 도 3을 일부 참조하여, 챔버(100) 내에 채널층(20)이 형성된 기판(10), 전이금속 원소 소스(300) 및 칼코겐 원소 소스(400)가 제공될 수 있다. 전이금속 원소 소스(300) 및 칼코겐 원소 소스(400)를 가열하여, 기판(10) 상에 제 1 증기(310) 및 제 2 증기(410)가 공급될 수 있다. 광 흡수 구조체들(30)의 형성 공정(S1-2)에서, 제 1 증기(310)는 챔버(100) 내에 제 3 분압(pp3)으로 제공되고, 제 2 증기(410)는 챔버(100) 내에 제 4 분압(pp4)으로 제공될 수 있다. 제 1 증기(310) 및 제 2 증기(410)가 반응하여 채널층(20) 상에 광 흡수 구조체들(30)이 형성될 수 있다. 이때, 제 4 분압(pp4)에 대한 제 3 분압(pp3)의 분압비(=pp4/pp3)는 제 2 분압(pp2)에 대한 제 1 분압(pp1)의 분압비(=pp2/pp1)보다 작을 수 있다. 즉, 제 2 증기(410)의 비율은 채널층(20)의 형성 공정(S1-1)보다 광 흡수 구조체들(30)의 형성 공정(S1-2)에서 더 작을 수 있다. 칼코겐 원소를 포함하는 제 2 증기(410)의 비율이 낮을수록, 생성되는 전이금속 칼코겐 화합물의 표면 에너지(surface energy)가 높아질 수 있으며, 채널층(20)의 상면 상에 큰 크기의 전이금속 칼코겐 화합물 클러스터(cluster)가 형성될 수 있다. 여기서, 클러스터는 복수(일 예로, 수 내지 수백)의 원자 또는 분자가 모여 있는 집합체를 의미한다. 상기와 같은 공정을 통해 채널층(20)의 상면 상에 클러스터 형태의 광 흡수 구조체들(30)이 형성될 수 있다. 광 흡수 구조체들(30)은 채널층(20)의 상면 상에 국부적으로 형성될 수 있다. 광 흡수 구조체들(30)이 형성되는 양 및 형성되는 광 흡수 구조체들(30)의 크기는 기판(10) 상에 공급되는 제 1 증기(310) 및 제 2 증기(410) 간의 분압비, 공정 온도 또는 전이금속 원소와 기판(10) 사이의 거리를 통해 조절될 수 있다.
실시예들에 따르면, 채널층(20)을 형성하는 공정(S1-1) 및 광 흡수 구조체들(30)을 형성하는 공정(S1-2)은 동일한 공정을 연속적으로 수행하는 인-시츄(in-situ) 방식으로 진행될 수 있다. 일 예로, 광 흡수 구조체들(30)을 형성하는 공정(S1-2)은 채널층(20)이 형성된 후, 동일한 챔버(100) 내에서 제 1 증기(310) 및 제 2 증기(410)의 분압비 및 공정 온도를 변화시켜 수행될 수 있다.
이와는 다르게, 채널층(20) 및 광 흡수 구조체들(30)은 동시에 형성될 수 있다. 즉, 채널층(20)을 형성하는 공정(S1-1) 및 광 흡수 구조체들(30)을 형성하는 공정(S1-2)은 하나의 공정일 수 있다. 제 1 증기(310) 및 제 2 증기(410)의 분압비 및 공정 온도에 따라, 채널층(20) 및 광 흡수 구조체들(30)이 동시에 성장할 수 있다. 일 예로, 공정 온도가 증가할수록 표면 확산 효과에 의해 2차원으로 성장하는 채널층(20)이 용이하게 형성될 수 있으며, 제 2 증기(410)의 분압을 감소시켜 클러스터 형태의 광 흡수 구조체들(30)이 동시에 형성될 수 있다.
이상에서, 채널층(20) 및 광 흡수 구조체들(30)을 형성하는 방법에 대하여 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 채널층(20) 및 광 흡수 구조체들(30)은 플라즈마강화 화학증착법(PeCVD) 또는 열화학증착법(thermal-CVD)과 같은 다양한 기상 증착법을 통해 형성될 수 있다.
도 1 및 도 2c를 참조하여, 광 흡수 구조체들(30)의 표면에 파장 조절 원소(40)가 결합될 수 있다(S2). 파장 조절 원소(40)는 광 흡수 구조체들(30)의 표면에 화학적으로 결합될 수 있다. 여기서, 광 흡수 구조체들(30)의 표면에 결합된 파장 조절 원소(40)는 단원자 또는 단분자이거나, 이와는 다르게 복수의 원자들 또는 분자들을 갖는 입자 형태일 수 있다. 파장 조절 원소(40)는 플라즈마 증착 공정(plasma deposition), 화학 기상 증착(CVD), 열처리 공정(heat treatment) 또는 원자층 박막 증착(ALD)을 통해 광 흡수 구조체들(30)의 표면에 결합될 수 있다. 이때, 상기 증착 공정들은 파장 조절 원소(40)가 광 흡수 구조체들(30)의 표면 상에 막(layer)을 형성하기 전에 중지될 수 있다. 파장 조절 원소(40)는 수소, 산소, 칼코겐 원소, 할로겐 원소 또는 전이금속 원소를 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2d를 참조하여, 기판(10) 상에 전극들(50)이 형성될 수 있다(S3). 전극들(50)은 채널층(20)의 양측에 형성될 수 있다. 예를 들어, 전극들(50)은 채널층(20)의 양측에 그래핀(graphene)을 전사하여 형성되거나, 도전막을 형성한 후 패터닝하여 형성될 수 있다. 전극들(50)은 그래핀, 금속 또는 금속 화합물을 포함할 수 있다.
도 2d를 참조하여, 적외선 광 센서는 기판(10), 채널층(20), 광 흡수 구조체들(30) 및 전극들(50)을 포함할 수 있다.
기판(10)은 반도체 기판을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(10)은 실리콘 또는 실리콘 산화물을 포함할 수 있다.
기판(10) 상에 채널층(20)이 배치될 수 있다. 채널층(20)은 2차원 결정 구조를 갖는 반도체 물질로 구성될 수 있다. 일 예로, 채널층(20)은 전이금속 칼코겐 화합물을 포함할 수 있다. 채널층(20)의 분자층은 기판의 상면과 평행할 수 있다. 채널층(20)은 하나의 분자층을 갖는 단분자층(mono-molecular layer)이거나, 복수의 분자층을 갖는 다분자층(multi-molecular layer)으로 구성될 수 있다.
채널층(20) 상에 광 흡수 구조체들(30)이 배치될 수 있다. 광 흡수 구조체들(30)은 채널층(20)의 상면 상에 분산되어 배치될 수 있다. 광 흡수 구조체들(30)은 클러스터(cluster) 형상을 가질 수 있다. 일 예로, 광 흡수 구조체들(30)은 나노 플레이크(nano flake) 또는 나노 플레이트(nano plate) 형상을 가질 수 있다. 광 흡수 구조체들(30)의 폭 및 높이는 1nm 내지 10000nm일 수 있다. 광 흡수 구조체들(30)은 채널층(20)과 동일한 물질로 구성될 수 있다. 일 예로, 광 흡수 구조체들(30)은 전이금속 칼코겐 화합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 적외선 광 센서는 2차원 반도체인 채널층(20) 상에 국부적으로 배치되는 클러스터 형상의 광 흡수 구조체들(30)을 가질 수 있다. 클러스터 형상의 광 흡수 구조체들(30)은 그의 표면에서 원자들 간 화학 결합에 결함들을 가질 수 있다. 이에 따라, 광 흡수 구조체들(30)의 표면은 전자 밀도가 높을 수 있으며, 국소 표면 플라스몬 공명(localized surface plasmon resonance)이 발생할 수 있다. 즉, 적외선 광 센서는 광 흡수 구조체들(30)을 이용하여 광을 흡수할 수 있으며, 광 흡수에 의해 발생된 전하를 채널층(20)을 통해 이동시킬 수 있다.
더하여, 광 흡수 구조체들(30)의 크기, 양 및 전하 농도에 따라 국소 표면 플라스몬 공명의 공명 주파수가 달라질 수 있다. 즉, 적외선 광 센서는 광 흡수 구조체들(30)의 크기, 양 및 전하 농도를 조절하여 흡수하고자 하는 광의 파장 대역을 조절할 수 있다.
광 흡수 구조체들(30)의 표면 상에 파장 조절 원소(40)가 결합될 수 있다. 파장 조절 원소(40)는 광 흡수 구조체들(30)의 표면의 상기 결함들에 물리적 또는 화학적으로 결합할 수 있다. 파장 조절 원소(40)가 광 흡수 구조체들(30)의 표면에 결합하여, 광 흡수 구조체들(30)의 표면의 전자 밀도가 증가 혹은 감소될 수 있다. 이에 따라, 국소 표면 플라스몬 공명의 공명 주파수가 달라질 수 있다. 즉, 적외선 광 센서는 광 흡수 구조체들(30)의 표면에 파장 조절 원소(40)를 결합시켜 흡수하고자 하는 광의 파장 대역을 조절할 수 있다.
기판(10) 상에 전극들(50)이 배치될 수 있다. 전극들(50)은 채널층(20)의 양측에 배치될 수 있다. 전극들(50)은 그래핀(graphene), 금속 또는 금속 화합물을 포함할 수 있다.
실험예1
기판은 실리콘 기판을 사용하였다. 전이금속 원소 소스는 MoO3를 사용하였으며, 칼코겐 원소 소스는 황(S) 분말을 이용하였다. 기판, 전이금속 원소 소스 및 칼코겐 원소 소스를 챔버 내에 위치시킨 후, 챔버 내부를 진공으로 유지시켰다. 이후, 캐리어 가스를 챔버에 주입한 후, 챔버에 열을 인가하여 기판 상에 채널층 및 광 흡수 구조체들을 형성하였다. 채널층은 단일 분자층의 MoS2를 갖도록 형성하였으며, 광 흡수 구조체들은 채널층의 표면 상에 수직 성장된 MoS0를 갖도록 형성하였다. 이후, 채널층의 양측에 그래핀 전극을 형성하여 적외선 광 센서를 제조하였다. 적외선 광 센서는 적외선 영역의 광을 흡수하도록 제조되었다.
실험예 2
실험예 1의 결과물에 산소를 이용한 플라즈마 증착 공정을 수행하여, 광 흡수 구조체들의 표면에 파장 조절 원소를 결합시켰다. 파장 조절 원소는 산소를 이용하였다.
비교예
실험예 1과 동일하게 형성하되, 채널층 상에 광 흡수 구조체들이 형성되지 않도록 하였다.
도 4a 내지 도 4c는 실험예 1에 따라 형성된 채널층 및 광 흡수 구조체들의 사진들이다. 도 4a는 전이금속 소스와 기판의 간격이 0cm인 상태에서 채널층(20a) 및 광 흡수 구조체들(30a)을 형성한 적외선 광 센서이고, 도 4b는 전이금속 소스와 기판의 간격이 3cm인 상태에서 채널층(20b) 및 광 흡수 구조체들(30b)을 형성한 적외선 광 센서이고, 도 4c는 전이금속 소스와 기판의 간격이 6cm인 상태에서 채널층(20c) 및 광 흡수 구조체들(30c)을 형성한 적외선 광 센서이다. 도 4a 내지 도 4c에 참조하면, 채널층(20a, 20b, 20c) 및 광 흡수 구조체들(30a, 30b, 30c)이 형성된 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 적외선 광 센서의 제조 방법은 챔버 내에서 전이금속 소스와 기판 사이의 거리를 조절하여, 형성되는 적외선 광 흡수 구조체들의 양을 조절할 수 있음을 알 수 있다.
도 5는 실험예들 및 비교예의 광 여기에 따른 발광 스팩트럼의 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 실험예들 및 비교예에 532nm의 파장을 갖는 레이저를 조사한 후, 발광되는 빛의 에너지를 측정하였다. 도 5를 참고하여, 단일층 MoS2는 입사광에 의해 Brillion zone의 K, K' point에서 광 여기에 의해 A 엑시톤과 가전도대의 spin orbital split에 의한 2.02eV의 에너지를 가지는 B 엑시톤이 형성된다. A 엑시톤은 1개의 전자와 1개의 홀이 결합하여 형성되는 1.85eV의 에너지를 가지는 A0 엑시톤과 두 개의 전자와 한 개의 홀이 결합하여 형성되는 1.88eV의 에너지를 가지는 A- 엑시톤으로 구분된다. A- 엑시톤은 전자 농도와 관련이 있어, 전자 농도가 증가할수록 A- 엑시톤에 의한 피크가 증가한다. 도 5를 참고하여, 실험예 1에서 MoS2의 수평 영역에서의 A- 엑시톤의 크기에 비해 수직 구조체에서의 A- 엑시톤의 크기가 증가한 것을 볼 수 있다. 더하여, 실험예 2는 실험예 1에 비해서 A- 엑시톤의 크기가 더욱 증가함을 볼 수 있다. 도 5의 측정에 따른 스펙트럼 분석 결과를 이용하여, 전하량 보존 법칙을 통해 수직 구조체에서의 전하 농도를 계산한 결과, 산소 플라즈마 유무에 따라 실험예 1의 3X1020cm-3에서 실험예 2의 9X1020cm-3으로 증가함을 알 수 있다. 이는 산소의 결합에 따라 나노 구조체에서의 전하 농도가 증가함을 반영한다. 일반적으로 반도체에서 국소 표면 플라즈몬 공명의 파장은 반도체의 전하 농도에 기인한다. 반도체 특성을 가지는 2차원 전이금속 칼코겐 화합물의 경우, 대체로 그 전하 농도가 1012cm-3 내지 1014cm- 3로 원적외선이나 테라헤르츠 영역에서 국소 표면 플라즈몬 공명이 발생할 수 있다. 따라서, 가시광이나 근적외선 파장 영역에서 국소 표면 플라즈몬 공명을 발생시키기 위해서는 1020cm-3 이상의 전하 농도가 필요하다. 본 발명의 실시예들에 따라 산소 플라즈마 처리된 나노 구조체를 가지는 MoS2의 경우, 9X1020cm-3의 전하 농도를 가지므로 약 960nm의 근적외선 영역에서 플라즈몬 공명이 발생할 수 있음을 플라즈몬 공명 분산 관계식을 통해 예상할 수 있다.
도 6은 실험예들 및 비교예의 광 흡수 스펙트럼의 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 실험예 1, 실험예 2 및 비교예에 200nm 내지 1200nm의 파장을 갖는 광을 조사하여 흡수되는 광의 양을 측정하였다. 도 6을 참조하여, 비교예의 경우, 입사 광의 파장 300nm 내지 500nm에서 매우 낮은 흡수 피크를 보이며, 그 이외의 파장 영역에서 흡수 피크가 나타나지 않는다. 반면, 실험예 1 및 실험예 2는 적외선에 해당하는 입사 광의 파장 800nm 내지 1000nm에서 또한 높은 흡수 피크를 보였다. 즉, 본 발명의 적외선 광 센서는 흡수하고자 하는 파장의 광에 대하여 높은 흡수율을 보이는 것을 확인할 수 있다. 더하여, 실험예 2의 경우 실험예 1보다 흡수 피크가 낮은 파장에서 발견되었다. 실험예 1 및 실험예 2에서, 근적외선 영역에서 플라즈몬 공명에 의한 중심 파장이 각각약 1000nm 및 950nm임을 확인할 수 있다. 즉, 실험예 2의 경우, 실험예 1보다 흡수 피크가 낮은 파장에서 발견되었다. 이는 도 5를 참고하여, 실험예 2가 실험예 1에 비해 높은 전하 농도를 가짐으로써, 보다 낮은 파장에서 플라즈몬 공명이 방생됨을 의미한다. 즉, 본 발명의 적외선 광 센서는 파장 조절 원소를 통해 흡수 파장을 조절할 수 있음을 알 수 있다.
도 7은 실험예 1 및 비교예의 광 전류의 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 실험예 1 및 비교예에 532nm 672nm 및 1064nm의 파장을 갖는 광을 조사한 후, 전극들 사이에 흐르는 광 전류를 측정하였다. 도 7을 참조하여, 각 파장들의 광에 대하여, 실험예 1이 비교예에 비하여 높은 광 전류가 측정되었다. 이는 실험예 1에서 높은 비표면적으로 인해 광 흡수 능력이 향상되고, 높은 전하 농도에 의해 국소 플라즈몬 공명이 발생함을 알 수 있다. 이에 따라, 실험예 1은 근적외선 영역에서의 흡수가 증가하여 비교예에 비해 광 전류가 증가했음을 의미한다. 즉, 본 발명의 적외선 광 센서는 가시광뿐만 아니라 근적외선 영역에서 높은 감도를 가진 것을 확인할 수 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 기판 20: 채널층
30: 광 흡수 구조체 40: 파장 조절 원소
50: 전극

Claims (15)

  1. 기판;
    상기 기판 상의 채널층;
    상기 채널층 상에 분산되어 배치되는 광 흡수 구조체들; 및
    상기 기판 상에 배치되고, 상기 채널층의 양측에 배치되는 전극들;
    을 포함하되,
    상기 채널층 및 상기 광 흡수 구조체들은 전이금속 칼코겐 화합물을 포함하는 적외선 광 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널층은 결정면이 상기 기판의 표면과 평행한 2차원의 결정 구조를 갖는 적외선 광 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 채널층은 하나의 분자층을 갖는 단분자층(mono-molecular layer), 또는 복수의 분자층을 갖는 다분자층(multi-molecular layer)으로 구성되는 적외선 광 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널층 및 상기 광 흡수 구조체들은 동일한 물질로 구성되는 적외선 광 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 흡수 구조체들의 폭 및 높이는 1nm 내지 10000nm인 적외선 광 센서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 흡수 구조체들의 표면에 화학적으로 결합되는 파장 조절 원소를 더 포함하는 적외선 광 센서.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 파장 조절 원소는 수소, 산소, 칼코겐 원소, 할로겐 원소 또는 전이금속 원소를 포함하는 적외선 광 센서.

  8. 기판 상에 채널층을 형성하는 것;
    상기 채널층의 상면 상에 광 흡수 구조체들을 성장시키는 것; 및
    상기 기판 상의 상기 채널층의 양측에 전극들을 형성하는 것;
    을 포함하되,
    상기 채널층을 형성하는 것 및 상기 광 흡수 구조체들을 형성하는 것은:
    상기 기판 일측에 전이금속 원소 소스 및 칼코겐 원소 소스를 제공하는 것;
    상기 기판 상에 상기 전이금속 원소 소스의 증기 및 상기 칼코겐 원소 소스의 증기를 공급하는 것; 및
    상기 기판 상에 열을 가하는 것;
    을 포함하는 적외선 광 센서의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 채널층 및 상기 광 흡수 구조체들은 동일한 공정을 연속적으로 수행하는 인-시츄 방식(in-situ manner)으로 형성되는 적외선 광 센서의 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 채널층의 형성 공정 시, 상기 칼코겐 원소 소스의 증기는 상기 전이금속 원소 소스의 증기에 대한 제 1 분압비를 갖고,
    상기 광 흡수 구조체들의 형성 공정 시, 상기 칼코겐 원소 소스의 증기는 상기 전이금속 원소 소스의 증기에 대한 제 2 분압비를 갖되,
    상기 제 2 분압비는 상기 제 1 분압비보다 작은 적외선 광 센서의 제조 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 채널층 및 상기 광 흡수 구조체들은 동시에 형성되는 적외선 광 센서의 제조 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 광 흡수 구조체들은 상기 채널층 상에서 국부적으로 성장하는 적외선 광 센서의 제조 방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 채널층은 수평 성장하여, 상기 기판의 상면과 평행한 2차원 결정 구조를 갖도록 형성되는 적외선 광 센서의 제조 방법.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 광 흡수 구조체들을 형성한 후,
    상기 광 흡수 구조체들의 표면에 파장 조절 원소를 결합시키는 것을 더 포함하는 적외선 광 센서의 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 파장 조절 원소를 결합시키는 것은 플라즈마 증착 공정, 화학 기상 증착(CVD) 공정 또는 원자층 박막 증착(ALD) 공정을 포함하는 적외선 광 센서의 제조 방법.
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