KR20230082193A - 쇼트키 접합을 이용한 광 센서, 광 센서를 이용한 적외선 감지 방법 및 광 센서의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수광 소자 및 이를 이용한 광 측정 기술에 관한 것으로, 광 센서는, 기판, 기판 위에 형성된 절연층, 절연층 위에 형성되어 광을 반사시키는 하부 전극, 절연층 위로부터 연장되어 하부 전극을 감싸도록 형성된 반도체 물질, 하부 전극 및 반도체 물질 사이에서 금속-반도체 물질 간의 쇼트키 장벽(Schottky barrier)을 형성하되 적외선 대역의 파장을 감지할 수 있도록 쇼트키 장벽이 조절된 쇼트키 접합(Schottky junction) 및 절연층 위로부터 연장되어 반도체 물질의 상단에 연결되고 외부로부터 입사되는 광을 하부 전극까지 전달하는 상부 전극을 포함한다.
Description
본 발명은 수광 소자 및 이를 이용한 광 측정 기술에 관한 것으로, 특히 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor)의 금속과 반도체 간의 쇼트키 접합(Schottky junction)을 이용한 광 센서, 그 광 센서를 이용한 적외선 감지 방법 및 그 광 센서의 제조 방법에 관한 것이다.
적외선 영상(infrared image)은 적외선 검출기를 이용하여 사물에서 방사하는 적외선을 검출하여 생성된 영상이다. 적외선 영상은 일반적으로 사람의 육안으로 식별 불가능한 파장의 영역으로 구성되지만, 적외선 카메라를 활용할 경우 적외선 검출기를 통해 픽셀을 검출하고 아날로그 및 디지털 신호 처리를 하여 사람의 눈으로 볼 수 있는 영상을 생성해 낼 수 있다. 이러한 적외선 영상은 방위 산업, 의료 기기, 감시 경비 등 다양한 영역에서 사용될 수 있다. 이러한 적외선은 인체에 무해하기 때문에 다양한 생체 정보를 측정할 때에도 이용될 수 있다. 이하에서 제시된 선행기술문헌에는 적외선 파장 대역을 검출하는 센서 기술에 관해 소개하고 있다.
그러나, 현재 활용되고 있는 적외선 센서는 사용 환경에 따른 제약이 존재하고, 제조 단가, 소자 동작 온도 및 크기 등에서 약점을 갖고 있어 보다 손쉽게 활용될 수 있는 적외선 검출 수단의 개발이 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 종래의 적외선 센서가 상온이 아닌 저온에서 정상 구동하는 제약을 극복하고, 그로 인한 적외선 센서의 제조 단가 상승, 부피 및 무게 증가의 약점을 해소하며, 적외선 센서에서 상대적으로 작은 크기의 광전류(photo current) 검출이 어렵다는 문제를 해결하고자 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 센서는, 기판; 상기 기판 위에 형성된 절연층; 상기 절연층 위에 형성되어 광을 반사시키는 하부 전극; 상기 절연층 위로부터 연장되어 상기 하부 전극을 감싸도록 형성된 반도체 물질; 상기 하부 전극 및 상기 반도체 물질 사이에서 금속-반도체 물질 간의 쇼트키 장벽(Schottky barrier)을 형성하되 적외선 대역의 파장을 감지할 수 있도록 상기 쇼트키 장벽이 조절된 쇼트키 접합(Schottky junction); 및 상기 절연층 위로부터 연장되어 상기 반도체 물질의 상단에 연결되고 외부로부터 입사되는 광을 상기 하부 전극까지 전달하는 상부 전극;을 포함한다.
일 실시예에 따른 광 센서에서, 상기 쇼트키 접합은, 접합 금속의 일함수 변경 또는 반도체 물질의 도핑을 통해 상기 쇼트키 장벽을 조절하되, 상기 상부 전극을 통해 입사되는 적외선이 상기 하부 전극에 존재하는 최상위 에너지를 갖는 전자를 상기 쇼트키 장벽을 넘어 여기시키고, 드레인-소스(drain-source) 전압에 의해 상기 전자가 상기 반도체 물질을 통해 수송되어 광전류가 발생함으로써 1~20 μm 파장의 적외선을 감지할 수 있다.
일 실시예에 따른 광 센서에서, 상기 상부 전극은, 개구부(opening)가 형성되어 외부로부터 입사되는 광을 통과시켜 상기 하부 전극까지 도달할 수 있는 유도하거나, 또는 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide, ITO) 및 그래핀(graphene) 중 어느 하나로 구성된 투명 전극을 형성함으로써 외부로부터 입사되는 광을 통과시켜 상기 하부 전극까지 도달할 수 있도록 유도할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판, 상기 기판 위에 형성된 절연층, 상기 절연층 위에 형성된 하부 전극, 전이금속 디칼코게나이드(transition metal dichalcogenide, TMDC)로 구성되고 상기 절연층 위로부터 연장되어 상기 하부 전극을 감싸도록 형성되는 반도체 물질 및 상기 절연층 위로부터 연장되어 상기 반도체 물질의 상단에 연결된 상부 전극으로 구성된 광 센서를 이용하여 적외선을 감지하는 방법은, 상기 상부 전극을 통해 외부로부터 적외선을 입사받는 단계; 입사된 상기 적외선을 상기 상부 전극의 아래에 위치한 상기 반도체 물질을 통해 상기 하부 전극에 전달하는 단계; 전달된 상기 적외선에 의해 상기 하부 전극으로부터 전자를 생성하는 단계; 상기 하부 전극 및 상기 반도체 물질 사이에서 적외선 대역의 파장을 감지할 수 있도록 금속-반도체 물질 간의 쇼트키 장벽(Schottky barrier)이 조절된 쇼트키 접합(Schottky junction)을 넘어 드레인-소스(drain-source) 전압에 의해 상기 전자를 상기 반도체 물질을 통해 수송하는 단계; 및 상기 전자에 의해 광전류를 발생시킴으로써 적외선을 감지하는 단계;를 포함한다.
다른 실시예에 따른 적외선 감지 방법에서, 상기 전자를 상기 반도체 물질을 통해 수송하는 단계는, 상기 상부 전극을 드레인 전극으로 설정하고 상기 하부 전극을 소스 전극으로 설정하여 0.1V~2V 범위의 드레인-소스 전압을 인가함으로써 상기 전자를 발생시킬 수 있다. 또한, 상기 전자를 상기 반도체 물질을 통해 수송하는 단계는, 상기 반도체 물질과 상기 하부 전극이 접합된 계면 간의 일함수 차이를 이용하거나, 또는 산소 플라즈마 도핑을 통해 상기 반도체 물질의 쇼트키 장벽을 0.06~0.62 eV로 조절함으로써 드레인-소스 전압에 의해 발생한 전자로 하여금 상기 쇼트키 접합을 넘어 수송되도록 유도할 수 있다.
다른 실시예에 따른 적외선 감지 방법에서, 상기 상부 전극을 통해 외부로부터 적외선을 입사받는 단계는, 상기 상부 전극에 형성된 개구부(opening)를 통해 외부로부터 입사되는 광을 통과시켜 상기 하부 전극까지 도달할 수 있도록 유도하거나, 또는 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide, ITO) 및 그래핀(graphene) 중 어느 하나로 구성된 투명 전극으로 상기 상부 전극을 형성함으로써 외부로부터 입사되는 광을 통과시켜 상기 하부 전극까지 도달할 수 있도록 유도할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 센서의 제조 방법은, 기판 위에 절연층을 형성하는 단계; 상기 절연층 위에 광을 반사시키는 하부 전극을 증착하는 단계; 상기 절연층 위로부터 연장되어 상기 하부 전극을 감싸도록 반도체 물질을 증착하는 단계; 및 상기 절연층 위로부터 연장되어 상기 반도체 물질의 상단에 연결되고 외부로부터 입사되는 광을 상기 하부 전극까지 전달하는 상부 전극을 증착하는 단계;를 포함하고, 상기 반도체 물질을 증착하는 단계는, 상기 하부 전극 및 상기 반도체 물질 사이에서 적외선 대역의 파장을 감지할 수 있도록 금속-반도체 물질 간의 쇼트키 장벽(Schottky barrier)이 조절된 쇼트키 접합(Schottky junction)을 형성한다.
또 다른 실시예에 따른 광 센서의 제조 방법에서, 상기 반도체 물질을 증착하는 단계는, 상기 반도체 물질과 상기 하부 전극이 접합된 계면 간의 일함수 차이를 이용하여 쇼트키 장벽을 0.06~0.62 eV로 조절하되, 상기 반도체 물질은 전이금속 디칼코게나이드(transition metal dichalcogenide, TMDC)로서 적외선 감지를 위해 상기 하부 전극과의 일함수 차이를 고려하여 선택될 수 있다. 또는, 상기 반도체 물질을 증착하는 단계는, 산소 플라즈마 도핑을 통해 상기 반도체 물질의 쇼트키 장벽을 0.06~0.62 eV로 조절할 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 광 센서의 제조 방법에서, 상기 상부 전극을 증착하는 단계는, 외부로부터 입사되는 광을 통과시켜 상기 하부 전극까지 도달할 수 있도록 유도하는 개구부(opening)를 형성하거나, 또는 외부로부터 입사되는 광을 통과시켜 상기 하부 전극까지 도달할 수 있도록 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide, ITO) 및 그래핀(graphene) 중 어느 하나로 구성된 투명 전극으로서 상기 상부 전극을 형성하고, 전압 인가에 따라 소스 전극으로 동작하는 상기 하부 전극에 대응하여 드레인 전극으로 동작하도록 상기 상부 전극을 상기 반도체 물질의 상단에 전기적으로 연결할 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 전계 효과 트랜지스터의 구조에서 금속-반도체 접합 시 형성되는 쇼트키 장벽을 조절하여 특정 파장의 적외선을 감지함으로써 상온에서도 작동하는 고효율 적외선 광 센서를 구현할 수 있으며, 센서 상부에 개구부 내지 투명 전극을 구성함으로써 향상된 수광 능력을 확보할 수 있고, 센서 하부의 금속 전극에서 발생한 전자를 통해 적외선 흡수율을 증대시킬 수 있다.
도 1은 쇼트키 접합(Schottky junction)을 갖는 수직 구조 트랜지스터에서 광전류 맵핑을 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 센서를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 센서의 평면도 및 측면도를 도시한 도면이다.
도 4는 광 센서의 구동 원리를 설명하기 위한 밴드 다이어그램이다.
도 5는 이차원 반도체 물질과 금속 간에 발생하는 쇼트키 장벽을 예시한 도면이다.
도 6은 반도체 물질의 도핑 전과 후를 비교하여 예시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서를 이용한 적외선 감지 방법을 도시한 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 센서의 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
도 9는 광 센서의 제조 방법에 따라 순차적으로 형성되는 광 센서의 구조를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예들이 제안하는 수직 채널 구조가 갖는 광소자 효율성을 설명하기 위한 도면이다.
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도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서를 이용한 적외선 감지 방법을 도시한 흐름도이다.
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도 9는 광 센서의 제조 방법에 따라 순차적으로 형성되는 광 센서의 구조를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예들이 제안하는 수직 채널 구조가 갖는 광소자 효율성을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 실시예들을 구체적으로 설명하기에 앞서, 본 발명이 활용되는 환경에서 구현된 광 센서의 기술적 특성과 한계를 간략히 소개하도록 한다.
HgCdTe, InGaAs 재질의 광다이오드형 센서가 채택된 적외선 센서는 낮은 온도(200~77 K)에서 정상 구동한다는 특성을 가지며, 그로 인해 제품 가격이 상승하고 부피 및 무게가 증가하는 단점이 지적되었다. 본 발명의 실시예들은 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor)의 금속-반도체 접합시 발생하는 쇼트키 장벽(Schottky barrier)의 에너지 차이를 이용하여 특정 적외선을 감지하는 소자 구조를 제안한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 구체적으로 설명하도록 한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
특별히 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 쇼트키 접합(Schottky junction)을 갖는 수직 구조 트랜지스터에서 광전류 맵핑(mapping)을 예시한 도면으로서, 이황화몰리브덴(MoS2) - 텅스턴 디셀레나이드(WSe2) - 금속(metal)의 수직 구조 트랜지스터에서의 광전류(photo-current) 측정 실험 결과를 보여준다.
앞서 간략히 소개한 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor)의 금속-반도체 접합시 발생하는 쇼트키 장벽(Schottky barrier)의 에너지 차이를 이용하여 특정 적외선을 감지하는 기술적 원리를 활용한다. 기술적 수단으로서 금속-반도체 인터페이스에서 조절 가능한 쇼트키 장벽을 생성함으로써, 1~20 μm 파장 대역의 적외선을 감지할 수 있음을 확인하였다. 도 1을 참조하면, 예시된 수직 구조로 접합된 전계 효과 트랜지스터에서 대부분의 광전류(photo-current)가 쇼트키 접합(Schottky junction)에서 감지되고 있음을 확인할 수 있다. 즉, 쇼트키 접합을 이용하여 작은 에너지 갭(gap)을 갖는 광전 특성에 따라 적외선을 검출할 수 있다. 따라서, 이하에서는 적외선 감지를 위해 금속-반도체 간의 쇼트키 장벽을 조절할 수 있는 기술적 수단을 광 센서의 구조 내에 어떻게 적용할 수 있는지를 순차적으로 기술하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 센서를 도시한 도면으로서 개별 요소가 적층되어 있는 구조를 도시하였다.
광 센서는 기판(10) 위에 형성된 절연층(20)을 포함한다. 예를 들어, 기판(10)은 실리콘 웨이퍼로 형성될 수 있고, 절연층(20)은 상/하부 간의 전기적 절연을 목적으로 도입된 것으로, 실리콘 이산화물이 활용될 수 있다.
하부 전극(30)은 상기 절연층(20) 위에 형성되어 광을 반사시키는 역할을 수행하는 구성이다. 따라서, 미리 설정된 기준값 이상의 반사도가 높은 금속으로 구성되는 것이 바람직하며, 또한 이후에 설명할 쇼트키 장벽의 밴드 갭을 고려하여 선택될 수 있다.
반도체 물질(40)은 상기 절연층(20) 위로부터 연장되어 상기 하부 전극(30)을 감싸도록 형성되는데, 구현의 관점에서 전이금속 디칼코게나이드(transition metal dichalcogenide, TMDC) 등의 이차원 물질 및 밴드 갭 0.8~2.0 eV의 반도체 물질을 포함할 수 있다.
이제 상기 하부 전극(30) 및 상기 반도체 물질(40)이 접촉하는 영역에서 쇼트키 접합(Schottky junction)(35)이 형성된다. 쇼트키 접합(35)은 상기 하부 전극(30) 및 상기 반도체 물질(40) 사이에서 금속-반도체 물질 간의 쇼트키 장벽(Schottky barrier)을 형성하되 적외선 대역의 파장을 감지할 수 있도록 상기 쇼트키 장벽이 조절된다. 즉, 본 발명의 실시예들에서는 금속-반도체 인터페이스에서 조절 가능한 쇼트키 장벽을 생성함으로써 1~20 μm 파장 대역의 적외선을 감지할 수 있게 된다. 조절 가능한 쇼트키 장벽의 생성에 관하여는 이후 도 4 내지 도 6을 통해 보다 구체적으로 기술한다.
상부 전극(50)은 상기 절연층(20) 위로부터 연장되어 상기 반도체 물질(40)의 상단에 연결되고 외부로부터 입사되는 광을 상기 하부 전극(30)까지 전달하는 구성이다. 이러한 상부 전극(50)은 전극으로서의 기능을 달성하기 위해 반도체 물질(40)과 전기적으로 연결되면서도, 이와 더불어 입사되는 광을 차단하지 않고 수직 구조로 적층된 하부의 소자들에 전달할 수 있어야 한다. 이는 본 발명의 실시예들이 제안하는 광 센서가 적외선을 검출하기 위해 검출 대상인 광이 하부 전극(30)까지 도달할 수 있어야만 일련의 광 감지 동작이 구동되기 때문이다. 따라서, 상부 전극(50)은 입사되는 광을 반도체 물질(40)을 경유하여 하부 전극(30)까지 전달할 수 있는 구조 내지 물질로 구성되어야 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 센서의 평면도 및 측면도를 도시한 도면이다.
앞서, 도 2를 통해 개략적인 구조를 소개한 바와 같이, 도 3을 참조하면, 실리콘 웨이퍼 기판(10) 위에 실리콘 이산화물로 구성된 절연층(20)이 형성되고, 상기 절연층(20) 위에 광을 반사시킬 수 있는 하부 전극(30)이 형성되어 있음을 볼 수 있다. 또한, 상기 절연층(20) 위로부터 연장되어 상기 하부 전극(30)을 감싸도록 반도체 물질(40)이 형성되어 있다. 이러한 반도체 물질(40)은 전이금속 디칼코게나이드(transition metal dichalcogenide, TMDC) 등의 이차원 물질 및 밴드 갭 0.8~2.0 eV의 반도체 물질을 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 전이금속 디칼코게나이드는 이황화몰리브덴(MoS2) 및 텅스턴 디셀레나이드(WSe2) 등이 활용될 수 있다.
상부 전극(50)은 상기 절연층(20) 위로부터 연장되어 상기 반도체 물질(40)의 상단에 연결되고 외부로부터 입사되는 광을 상기 하부 전극(30)까지 전달하는 역할을 수행하는 구성이다. 도 3을 참조하면, 상부 전극(50)은 원형의 구조를 가지며 중심이 뚫려있는 개구부(opening)을 갖도록 예시되었다. 이러한 개구부는 입사되는 광을 차단하지 않고 통과시켜 적층 구조를 따라 반도체 물질(40)을 통해 하부 전극(30)까지 전달하기 위해 마련된 것이다. 따라서, 입사되는 광을 아래에 적층된 구조에 잘 전달할 수 있다면, 예시된 개구부가 아닌 다른 어떠한 구조 및 형태도 활용 가능하다. 또한, 소재의 관점에서 상부 전극(50)은, 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide, ITO) 및 그래핀(graphene) 중 어느 하나로 구성된 투명 전극을 형성함으로써 외부로부터 입사되는 광을 통과시켜 하부 전극(30)까지 도달할 수 있도록 유도할 수도 있다.
한편, 상기 하부 전극(30) 및 상기 반도체 물질(40) 사이에서 금속-반도체 물질 간의 쇼트키 장벽(Schottky barrier)을 형성하되 적외선 대역의 파장을 감지할 수 있도록 상기 쇼트키 장벽이 조절된 쇼트키 접합(Schottky junction)(35)이 마련된다. 이러한 쇼트키 접합(35)은, 접합 금속의 일함수 변경 또는 반도체 물질의 도핑을 통해 상기 쇼트키 장벽을 조절함으로써 1~20 μm 파장의 적외선을 감지할 수 있게 되는데, 그 동작 원리는 다음과 같다.
우선, 광측정 대상인 적외선이 상부 전극(50)의 개구부 내지 투명 전극을 통해 적층 구조의 광센서 내부로 입사하고, 입사되는 적외선이 하부 전극(30)으로부터 전자-전공 쌍(electron-hole pair)을 생성한다. 이에 따라 발생된 전자는 쇼트키 접합(35)에 형성된 쇼트키 장벽을 넘어 반도체 물질(40)을 통해 수송된다.
도 4는 광 센서의 구동 원리를 설명하기 위한 밴드 다이어그램으로, 쇼트키 접합에서 나타나는 기술적 현상을 시각화하여 나타내었다.
외부로부터 입사되는 적외선이 하부 금속(30)까지 도달하면 금속 내에서 에너지가 가장 큰 페르미(Fermi) 전자가 적외선 에너지를 받아 쇼트키 장벽(Schottky barrier)을 넘을 수 있게 된다. 즉, 하부 금속(30)에 존재하는 최상위 에너지(페르미 에너지)의 전자를 여기시켜 쇼트키 장벽을 넘게 된다. 이러한 전자가 쇼트키 장벽을 넘어가면 광전류가 발생하게 되는데, 이때 접합 금속의 일함수와 반도체 도핑에 의해서 쇼트키 장벽을 0.06~0.62 eV로 조절함으로써 1~20 μm 파장의 적외선 감지가 가능하다. 이러한 쇼트키 장벽의 높이는 하부 전극의 일함수 변경이나 반도체 물질의 도핑에 의해 조절될 수 있다.
도 4를 참조하면, 반도체 물질(40)은 전이금속 디칼코게나이드(transition metal dichalcogenide, TMDC)가 될 수 있으며, 쇼트키 접합은 반도체 물질(40)과 하부 전극(30)이 접합된 계면 간의 일함수 차이를 이용하여 쇼트키 장벽을 0.06~0.62 eV로 조절할 수 있다.
또한, 예를 들어, 반도체 물질(40)인 전이금속 디칼코게나이드는 이황화몰리브덴(MoS2) 및 텅스턴 디셀레나이드(WSe2) 중 적어도 하나의 이차원 물질을 포함하고, 하부 전극(30)은 팔라듐(Pd) 및 백금(Pt)을 포함하여 광 반사율이 미리 설정된 기준값 이상인 금속 중 어느 하나이며, 반도체 물질(40) 및 하부 전극(30)은 적외선 감지를 위한 일함수 차이를 고려하여 선택될 수 있다. 즉, 반도체 물질(40) 및 하부 전극(30) 각각의 소재별로 일함수 값이 알려져 있으므로, 쇼트키 장벽이 0.06~0.62 eV의 값을 갖도록 반도체 물질(40) 및 하부 전극(30)의 조합을 결정할 수 있다. 나아가, 반도체 물질(40)은 Ⅳ족 반도체 물질, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질, Ⅱ-Ⅵ족 반도체 물질, 이차원 물질, 화합물 반도체 및 양자점(quantum dot) 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다.
도 5는 이차원 반도체 물질과 금속 간에 발생하는 쇼트키 장벽을 예시한 도면이다. 일함수 차이를 이용한 쇼트키 접합을 위해 각각 4eV, 5eV 안팎의 일함수를 갖는 텅스턴 디셀레나이드(WSe2), 이황화몰리브덴(MoS2) 등의 이차원 물질과 팔라듐(Pd)(5.12~5.3eV), 백금(Pt)(~6.35eV) 등의 금속을 접합하여 계면간에 쇼트키 장벽을 구현할 수 있다. 소스 금속의 일함수, 이차원 물질의 일함수 및 밴드 갭에 따라 n-쇼트키 또는 p-쇼트키 접합이 다양하게 구성될 수 있다.
도 6은 반도체 물질의 도핑 전과 후를 비교하여 예시한 도면이다. 앞서, 본 발명의 실시예들에서 적외선 감지를 위해 이차원 물질의 도핑(doping)을 이용하여 쇼트키 접합을 구현할 수 있음을 소개한 바 있다. 예를 들어, 텅스턴 디셀레나이드(WSe2)로 구성된 광 소자의 경우 산소 플라즈마 도핑을 이용하여 이차원 물질의 채널 전체에 대해 쇼트키 장벽의 정도를 조절할 수 있다. 이때, 쇼트키 장벽을 적외선 검출에 적합한 0.06~0.62 eV로 조절할 수 있다면, 선택된 반도체 물질(40)의 소재 종류를 고려하여 산소 플라즈마 기법 외에 다양한 도핑 방법이 활용될 수 있음은 당연하다. 도 6을 참조하면, 도핑 전(A)에 비해 도핑 후(B)에 소스 금속(30)으로부터 쇼트키 장벽을 넘어 전자를 전달하기 적합하도록 변화되었음을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 센서를 이용한 적외선 감지 방법을 도시한 흐름도로서, 도 2를 통해 제시한 구조의 광 센서를 구현 수단으로 한다. 즉, 광 센서는, 기판, 상기 기판 위에 형성된 절연층, 상기 절연층 위에 형성된 하부 전극, 전이금속 디칼코게나이드(transition metal dichalcogenide, TMDC)로 구성되고 상기 절연층 위로부터 연장되어 상기 하부 전극을 감싸도록 형성되는 반도체 물질 및 상기 절연층 위로부터 연장되어 상기 반도체 물질의 상단에 연결된 상부 전극으로 구성된다. 이하에서는 광 센서가 적외선을 감지하는 일련의 과정을 시계열적으로 약술하도록 한다.
S710 단계에서, 광 센서는 상기 상부 전극을 통해 외부로부터 적외선을 입사받는다. 이 과정을 구현하기 위해, 상부 전극은 개구부를 구비하거나 또는 투명 전극을 활용하여 형성됨으로써 적층 구조의 광센서 내부로 적외선을 입사받을 수 있다. 즉, 상기 상부 전극에 형성된 개구부(opening)를 통해 외부로부터 입사되는 광을 통과시켜 상기 하부 전극까지 도달할 수 있도록 유도하거나, 또는 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide, ITO) 및 그래핀(graphene) 중 어느 하나로 구성된 투명 전극으로 상기 상부 전극을 형성함으로써 외부로부터 입사되는 광을 통과시켜 상기 하부 전극까지 도달할 수 있도록 유도할 수 있다.
S720 단계에서, 광 센서는 S710 단계를 통해 입사된 상기 적외선을 상기 상부 전극의 아래에 위치한 상기 반도체 물질을 통해 상기 하부 전극에 전달한다.
S730 단계에서, 광 센서는 S720 단계를 통해 전달된 상기 적외선에 의해 상기 하부 전극으로부터 전자를 생성한다. 즉, 상기 적외선을 상기 하부 전극에 전달하여 금속 전극 내 페르미(Fermi) 에너지를 갖는 전자를 여기시킨다.
S740 단계에서, 광 센서는 상기 하부 전극 및 상기 반도체 물질 사이에서 적외선 대역의 파장을 감지할 수 있도록 금속-반도체 물질 간의 쇼트키 장벽(Schottky barrier)이 조절된 쇼트키 접합(Schottky junction)을 넘어 드레인-소스(drain-source) 전압에 의해 상기 전자를 상기 반도체 물질을 통해 수송함으로써 광전류로 변환한다.
이 과정에서는, 상기 상부 전극을 드레인 전극으로 설정하고 상기 하부 전극을 소스 전극으로 설정하여 0.1V~2V 범위의 드레인-소스 전압을 인가함으로써 상기 광전류를 발생시킬 수 있다. 또한, 쇼트키 장벽 조절을 구현하기 위한 일례로서, 상기 반도체 물질과 상기 하부 전극이 접합된 계면 간의 일함수 차이를 이용하여 쇼트키 장벽을 상기 적외선 에너지에 해당하는 0.06~0.62 eV로 조절함으로써 드레인-소스 전압에 의해 적외선 검지 전류를 얻도록 유도할 수 있다. 나아가, 쇼트키 장벽 조절을 구현하기 위한 다른 예로서, 산소 플라즈마 도핑을 통해 상기 반도체 물질의 쇼트키 장벽을 0.06~0.62 eV로 조절함으로써 드레인-소스 전압에 의해 적외선 검지 전류를 얻도록 유도할 수 있다.
S750 단계에서, 광 센서는 상기 하부 전극을 통해 정공을 이동시켜 광전류를 발생시킴으로써 적외선을 감지한다. 이는 하부 전극의 일함수가 매우 큰 경우에 적용되며, 이 경우에는 전자에 의한 광전류 발생은 무시되고 정공에 의한 광전류를 측정하게 된다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 센서의 제조 방법을 도시한 흐름도로서, 도 2를 통해 제시한 구조의 광 센서를 생산할 수 있는 일련의 공정을 제시한다. 또한, 도 9는 광 센서의 제조 방법에 따라 순차적으로 형성되는 광 센서의 구조를 도시한 도면이다. 이하에서는, 도 8 및 도 9를 함께 참조하여 광 센서의 제조 과정을 순차적으로 소개한다.
S810 단계에서는 기판 위에 절연층을 형성한다. 도 9의 (A)를 참조하면, 실리콘 웨이퍼 기판 위에 실리콘 이산화물로 구성된 절연층이 형성되었음을 보여준다.
S820 단계에서는 상기 절연층 위에 광을 반사시키는 하부 전극을 증착한다. 도 9의 (B)를 참조하면, 실리콘 이산화물의 절연층 위에 소스 금속이 마련되었음을 보여준다.
S830 단계에서는 상기 절연층 위로부터 연장되어 상기 하부 전극을 감싸도록 반도체 물질을 증착한다. 이때, 상기 하부 전극 및 상기 반도체 물질 사이에서 적외선 대역의 파장을 감지할 수 있도록 금속-반도체 물질 간의 쇼트키 장벽(Schottky barrier)이 조절된 쇼트키 접합(Schottky junction)을 형성하게 된다. 또한, 이 과정에서는 상기 반도체 물질과 상기 하부 전극이 접합된 계면 간의 일함수 차이를 이용하여 쇼트키 장벽을 0.06~0.62 eV로 조절하되, 상기 반도체 물질은 전이금속 디칼코게나이드(transition metal dichalcogenide, TMDC)로서 적외선 감지를 위해 상기 하부 전극과의 일함수 차이를 고려하여 선택될 수 있다. 도 9의 (C)를 참조하면, 실리콘 이산화물의 절연층으로부터 연장되어 소스 금속을 감싸도록 증착된 전이금속 디칼코게나이드가 예시되어 있다. 일함수 차이를 고려하여 쇼트키 장벽을 조절하는 방식 외에, 앞서 소개한 바와 같이, 산소 플라즈마 도핑을 통해 상기 반도체 물질의 쇼트키 장벽을 0.06~0.62 eV로 조절하는 방식이 활용될 수도 있다.
S840 단계에서는 상기 절연층 위로부터 연장되어 상기 반도체 물질의 상단에 연결되고 외부로부터 입사되는 광을 상기 하부 전극까지 전달하는 상부 전극을 증착한다. 입사되는 광을 차단하지 않아야 한다는 조건을 달성하기 위해, 이 과정에서는, 외부로부터 입사되는 광을 통과시켜 상기 하부 전극까지 도달할 수 있도록 유도하는 개구부(opening)를 형성하거나, 또는 외부로부터 입사되는 광을 통과시켜 상기 하부 전극까지 도달할 수 있도록 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide, ITO) 및 그래핀(graphene) 중 어느 하나로 구성된 투명 전극으로서 상기 상부 전극을 형성할 수 있다. 그런 다음, 전압 인가에 따라 소스 전극으로 동작하는 상기 하부 전극에 대응하여 드레인 전극으로 동작하도록 상기 상부 전극을 상기 반도체 물질의 상단에 전기적으로 연결함으로써 광 센서를 제공할 수 있다. 물론, 활용시 적외선 센서로서 구동하기 위해 소스 전극과 드레인 전극에 전원을 인가하여야 함은 당연하다. 도 9의 (D)를 참조하면, 투명 전극으로 예시된 상부 전극이 실리콘 이산화물의 절연층으로부터 연장되어 전이금속 디칼코게나이드로 구성된 반도체 물질의 상단에 연결된 구조를 확인할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예들이 제안하는 수직 채널 구조가 갖는 광소자 효율성을 설명하기 위한 도면으로서, 수평 구조의 광 센서(A)와 본 발명의 실시예들에 따른 수직 구조의 광 센서(B)를 비교하여 예시하였다. 본 발명의 실시예들이 제안하는 광 센서(B)는 광 소자의 효율성 증대를 위해 수직 채널 구조를 채택하였다.
상부 전극만을 이용한 채널의 경우(A) 전극에 의한 빛가림에 의해 이차원 물질에 도달하는 빛의 양이 감소하는 문제를 보여준다. 이에 반해, 하부 전극을 이용하는 경우(B) 상부 전극에 의해 가려졌을 빛이 온전히 채널에 도달하여 광 효과를 확인하기에 효율적임을 알 수 있다. 이때, 상부 전극으로는 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide, ITO) 및 그래핀(graphene) 등의 투명 전극을 활용하여 입사되는 빛이 가로막히지 않고 적층 구조 내의 채널까지 도달할 수 있도록 구성되어야 한다. 나아가, 본 발명의 실시예들이 제안하는 광 센서(B)는 전극이 채널에 수직으로 위치한 구조를 갖기 때문에 평균 자유 행로(mean free path)에 의한 광전 효과 손실 또한 줄일 수 있을 것으로 기대된다.
상기된 본 발명의 실시예들에 따르면, 전계 효과 트랜지스터의 구조에서 금속-반도체 접합 시 형성되는 쇼트키 장벽을 조절하여 특정 파장의 적외선을 감지할 수 있으며, 센서 상부에 개구부 내지 투명 전극을 구성함으로써 향상된 수광 능력을 확보할 수 있고, 센서 하부의 금속 전극에 의한 광 반사를 통해 적외선 흡수율을 증대시킬 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 다양한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 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: 기판
20: 절연층
30: 하부 전극 35: 쇼트키 접합
40: 반도체 물질 50: 상부 전극
30: 하부 전극 35: 쇼트키 접합
40: 반도체 물질 50: 상부 전극
Claims (20)
- 기판;
상기 기판 위에 형성된 절연층;
상기 절연층 위에 형성되어 광을 반사시키는 하부 전극;
상기 절연층 위로부터 연장되어 상기 하부 전극을 감싸도록 형성된 반도체 물질;
상기 하부 전극 및 상기 반도체 물질 사이에서 금속-반도체 물질 간의 쇼트키 장벽(Schottky barrier)을 형성하되 적외선 대역의 파장을 감지할 수 있도록 상기 쇼트키 장벽이 조절된 쇼트키 접합(Schottky junction); 및
상기 절연층 위로부터 연장되어 상기 반도체 물질의 상단에 연결되고 외부로부터 입사되는 광을 상기 하부 전극까지 전달하는 상부 전극;을 포함하는, 광 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 쇼트키 접합은,
접합 금속의 일함수 변경 또는 반도체 물질의 도핑을 통해 상기 쇼트키 장벽을 조절하되,
상기 상부 전극을 통해 입사되는 적외선이 상기 하부 전극에 존재하는 최상위 에너지를 갖는 전자를 상기 쇼트키 장벽을 넘어 여기시키고, 드레인-소스(drain-source) 전압에 의해 상기 전자가 상기 반도체 물질을 통해 수송되어 광전류가 발생함으로써 1~20 μm 파장의 적외선을 감지하는, 광 센서. - 제 2 항에 있어서,
상기 반도체 물질은 전이금속 디칼코게나이드(transition metal dichalcogenide, TMDC)이고,
상기 쇼트키 접합은,
상기 반도체 물질과 상기 하부 전극이 접합된 계면 간의 일함수 차이를 이용하여 쇼트키 장벽을 0.06~0.62 eV로 조절하는, 광 센서. - 제 3 항에 있어서,
상기 반도체 물질인 전이금속 디칼코게나이드는 이황화몰리브덴(MoS2) 및 텅스턴 디셀레나이드(WSe2) 중 적어도 하나의 이차원 물질을 포함하고,
상기 하부 전극은 팔라듐(Pd) 및 백금(Pt)을 포함하여 광 반사율이 미리 설정된 기준값 이상인 금속 중 어느 하나이며,
상기 반도체 물질 및 상기 하부 전극은 적외선 감지를 위한 일함수 차이를 고려하여 선택되는, 광 센서. - 제 3 항에 있어서,
상기 반도체 물질은 Ⅳ족 반도체 물질, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질, Ⅱ-Ⅵ족 반도체 물질, 이차원 물질, 화합물 반도체 및 양자점(quantum dot) 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 구성되는, 광 센서. - 제 2 항에 있어서,
상기 쇼트키 접합은,
산소 플라즈마 도핑을 통해 상기 반도체 물질의 쇼트키 장벽을 0.06~0.62 eV로 조절하는, 광 센서. - 제 2 항에 있어서,
상기 상부 전극을 드레인 전극으로 설정하고 상기 하부 전극을 소스 전극으로 설정하여 0.1V~2V 범위의 드레인-소스 전압을 인가함으로써 상기 전자를 발생시키는, 광 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 상부 전극은,
개구부(opening)가 형성되어 외부로부터 입사되는 광을 통과시켜 상기 하부 전극까지 도달할 수 있는 유도하는, 광 센서. - 제 1 항에 있어서,
상기 상부 전극은,
인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide, ITO) 및 그래핀(graphene) 중 어느 하나로 구성된 투명 전극을 형성함으로써 외부로부터 입사되는 광을 통과시켜 상기 하부 전극까지 도달할 수 있도록 유도하는, 광 센서. - 기판, 상기 기판 위에 형성된 절연층, 상기 절연층 위에 형성된 하부 전극, 전이금속 디칼코게나이드(transition metal dichalcogenide, TMDC)로 구성되고 상기 절연층 위로부터 연장되어 상기 하부 전극을 감싸도록 형성되는 반도체 물질 및 상기 절연층 위로부터 연장되어 상기 반도체 물질의 상단에 연결된 상부 전극으로 구성된 광 센서를 이용하여 적외선을 감지하는 방법에 있어서,
상기 상부 전극을 통해 외부로부터 적외선을 입사받는 단계;
입사된 상기 적외선을 상기 상부 전극의 아래에 위치한 상기 반도체 물질을 통해 상기 하부 전극에 전달하는 단계;
전달된 상기 적외선에 의해 상기 하부 전극으로부터 전자를 생성하는 단계;
상기 하부 전극 및 상기 반도체 물질 사이에서 적외선 대역의 파장을 감지할 수 있도록 금속-반도체 물질 간의 쇼트키 장벽(Schottky barrier)이 조절된 쇼트키 접합(Schottky junction)을 넘어 드레인-소스(drain-source) 전압에 의해 상기 전자를 상기 반도체 물질을 통해 수송하는 단계; 및
상기 전자에 의해 광전류를 발생시킴으로써 적외선을 감지하는 단계;를 포함하는, 적외선 감지 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 전자를 상기 반도체 물질을 통해 수송하는 단계는,
상기 상부 전극을 드레인 전극으로 설정하고 상기 하부 전극을 소스 전극으로 설정하여 0.1V~2V 범위의 드레인-소스 전압을 인가함으로써 상기 전자를 발생시키는, 적외선 감지 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 전자를 상기 반도체 물질을 통해 수송하는 단계는,
상기 반도체 물질과 상기 하부 전극이 접합된 계면 간의 일함수 차이를 이용하여 쇼트키 장벽을 0.06~0.62 eV로 조절함으로써 드레인-소스 전압에 의해 발생한 전자로 하여금 상기 쇼트키 접합을 넘어 수송되도록 유도하는, 적외선 감지 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 전자를 상기 반도체 물질을 통해 수송하는 단계는,
산소 플라즈마 도핑을 통해 상기 반도체 물질의 쇼트키 장벽을 0.06~0.62 eV로 조절함으로써 드레인-소스 전압에 의해 발생한 전자로 하여금 상기 쇼트키 접합을 넘어 수송되도록 유도하는, 적외선 감지 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 상부 전극을 통해 외부로부터 적외선을 입사받는 단계는,
상기 상부 전극에 형성된 개구부(opening)를 통해 외부로부터 입사되는 광을 통과시켜 상기 하부 전극까지 도달할 수 있도록 유도하는, 적외선 감지 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 상부 전극을 통해 외부로부터 적외선을 입사받는 단계는,
인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide, ITO) 및 그래핀(graphene) 중 어느 하나로 구성된 투명 전극으로 상기 상부 전극을 형성함으로써 외부로부터 입사되는 광을 통과시켜 상기 하부 전극까지 도달할 수 있도록 유도하는, 적외선 감지 방법. - 기판 위에 절연층을 형성하는 단계;
상기 절연층 위에 광을 반사시키는 하부 전극을 증착하는 단계;
상기 절연층 위로부터 연장되어 상기 하부 전극을 감싸도록 반도체 물질을 증착하는 단계; 및
상기 절연층 위로부터 연장되어 상기 반도체 물질의 상단에 연결되고 외부로부터 입사되는 광을 상기 하부 전극까지 전달하는 상부 전극을 증착하는 단계;를 포함하고,
상기 반도체 물질을 증착하는 단계는,
상기 하부 전극 및 상기 반도체 물질 사이에서 적외선 대역의 파장을 감지할 수 있도록 금속-반도체 물질 간의 쇼트키 장벽(Schottky barrier)이 조절된 쇼트키 접합(Schottky junction)을 형성하는, 광 센서의 제조 방법. - 제 16 항에 있어서,
상기 반도체 물질을 증착하는 단계는,
상기 반도체 물질과 상기 하부 전극이 접합된 계면 간의 일함수 차이를 이용하여 쇼트키 장벽을 0.06~0.62 eV로 조절하되,
상기 반도체 물질은 전이금속 디칼코게나이드(transition metal dichalcogenide, TMDC)로서 적외선 감지를 위해 상기 하부 전극과의 일함수 차이를 고려하여 선택되는, 광 센서의 제조 방법. - 제 16 항에 있어서,
상기 반도체 물질을 증착하는 단계는,
산소 플라즈마 도핑을 통해 상기 반도체 물질의 쇼트키 장벽을 0.06~0.62 eV로 조절하는, 광 센서의 제조 방법. - 제 16 항에 있어서,
상기 상부 전극을 증착하는 단계는,
외부로부터 입사되는 광을 통과시켜 상기 하부 전극까지 도달할 수 있도록 유도하는 개구부(opening)를 형성하고,
전압 인가에 따라 소스 전극으로 동작하는 상기 하부 전극에 대응하여 드레인 전극으로 동작하도록 상기 상부 전극을 상기 반도체 물질의 상단에 전기적으로 연결하는, 광 센서의 제조 방법. - 제 16 항에 있어서,
상기 상부 전극을 증착하는 단계는,
외부로부터 입사되는 광을 통과시켜 상기 하부 전극까지 도달할 수 있도록 인듐 주석 산화물(Indium Tin Oxide, ITO) 및 그래핀(graphene) 중 어느 하나로 구성된 투명 전극으로서 상기 상부 전극을 형성하고,
전압 인가에 따라 소스 전극으로 동작하는 상기 하부 전극에 대응하여 드레인 전극으로 동작하도록 상기 상부 전극을 상기 반도체 물질의 상단에 전기적으로 연결하는, 광 센서의 제조 방법.
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| KR1020210169879A KR20230082193A (ko) | 2021-12-01 | 2021-12-01 | 쇼트키 접합을 이용한 광 센서, 광 센서를 이용한 적외선 감지 방법 및 광 센서의 제조 방법 |
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| KR20190023318A (ko) | 2017-08-28 | 2019-03-08 | 삼성전자주식회사 | 적외선 검출기 및 이를 포함하는 적외선 센서 |
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2021
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