KR20230129546A - 콜로이드 양자점 광검출기들 - Google Patents

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KR20230129546A
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에단 제이.디. 클렘
크리스토퍼 그레고리
제이알. 제프리 알란 힐튼
마이클 앤쏘니 본드
캐서린 엘리자베쓰 바이올렛
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스월 비전 시스템즈 인크.
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Abstract

집적 회로; 집적 회로 상의 콜로이드 양자점 구조체; 및 콜로이드 양자점 구조체 상의 봉합 층을 포함하는 콜로이드 양자점 디바이스들이 제공되고, 봉합 층은 약 0.5 nm 내지 약 500 nm의 두께를 갖는다.

Description

콜로이드 양자점 광검출기들
우선권 주장
본 출원은 COLLOIDAL QUANTUM DOT (CQD) PHOTODETECTORS HAVING THIN ENCAPSULATION LAYERS DEPOSITED THEREON AND METHODS OF FABRICATING THE SAME이라는 명칭으로 2021년 1월 19일자로 출원된 미국 특허 가출원 제63/138,977호의 이익 및 그에 대한 우선권을 주장하고, 이로써, 그들의 내용들은 그 전체가 제시된 것처럼 참조로 본원에 포함된다.
분야
본 발명의 개념은 일반적으로 광검출기들에 관한 것으로, 더 구체적으로, 얇은 봉합 층들을 상부에 포함하는 콜로이드 양자점 광검출기들 및 관련 방법들에 관한 것이다.
콜로이드 양자점 광검출기들은 광자들을 흡수하고 광을 검출하기 위해 반도체 재료의 작은 입자들의 앙상블(ensemble)로 구성된 얇은 막들을 사용하는 광검출기들이다. 실리콘(Si), 갈륨 비화물(GaAs) 등과 같은 일부 결정질 광검출기 재료들과 달리, 콜로이드 양자점 광검출기들은 일반적으로, 공기, 수분 또는 상승된 온도에 노출될 때 디바이스 성능 변화들을 겪는다. 이러한 성능 변화들은 일반적으로, 콜로이드 양자점 검출기들이 배치될 수 있는 동작 조건들을 제한하고, 콜로이드 양자점 포함 센서들 및 시스템들의 사용가능 수명을 제한한다. 따라서, 콜로이드 양자점 광검출기들에 대한 제작 파라미터들은 공기, 수분 및 예컨대 40 ℃ 내지 125 ℃와 같은 상승된 온도의 감도를 감소 또는 가능하게는 제거하기 위해 연구되고 있다.
예컨대, 일부 기존의 방법들은 콜로이드 양자점 검출기들에 본딩된 가시광선 및 적외선(IR) 투명 재료들, 예컨대, 유리, 사파이어, 석영, 실리콘 등을 사용한다. 전형적인 본딩 재료들은 폴리머 기반 접착제들, 에폭시들 및/또는 금속 기반 납땜 또는 용접과 같은 재료들을 포함할 수 있다. 접착제 및 에폭시 기반 솔루션들은 일반적으로 밀폐성, 즉, 기밀성, 밀봉성, 수밀성이 높지 않아서 일부 공기 및/또는 수분이 결국 콜로이드 양자점 검출기에 도달하는 것을 허용한다. 일반적으로 투명 에폭시들은 낮은 유리 전이 온도들을 갖는데, 이는 상승된 온도들에서 긴 수명들을 필요로 하는 소비자 전자기기들 및 자동차 애플리케이션들에서 사용될 가능성을 감소시킬 수 있다. 금속 기반 솔루션들은 밀폐성 및 신뢰성이 높을 수 있지만, 이러한 솔루션들은 일반적으로 비용 효과적이지 않고 소비자 애플리케이션들에 대해 부피가 클 수 있다. 마지막으로, 주변 환경과 광검출기 사이에서 유리 유사 재료, 예컨대, 유리, 사파이어, 석영 등의 층을 사용하는 솔루션들은 바람직하지 않은 광 간섭 아티팩트들을 생성할 수 있는데, 이는 3차원(3D) 깊이 감지, LIDAR(Light Detection and Ranging), 구조형 광 등에 대해 사용되는 것들과 같은 레이저 검출 애플리케이션들에서 사용되는 것을 방해 또는 가능하게는 방지할 수 있다. 개선된 방법들 및 디바이스들이 요구된다.
본 발명의 개념의 일부 실시예들은 콜로이드 양자점 디바이스들을 제공하고, 그 콜로이드 양자점 디바이스들은 집적 회로; 집적 회로 상의 콜로이드 양자점 구조체; 및 콜로이드 양자점 구조체 상의 봉합 층을 포함하고, 봉합 층은 약 0.5 nm 내지 약 500 nm의 두께를 갖는다.
본 발명의 개념의 추가의 실시예들에서, 콜로이드 양자점 디바이스는 광전자 디바이스일 수 있고, 그 광전자 디바이스는 제1 전극; 제1 전극 상의 제1 양자점 층 ― 제1 양자점 층은 복수의 양자점들을 포함함 ―; 및 복수의 양자점들을 포함하고 제1 양자점 층 바로 위에 있는 제2 양자점 층; 및 제2 양자점 층 상의 제2 전극을 포함한다.
또 다른 실시예들에서, 제1 전극과 제1 양자점 층 사이에서 제1 전극 상에 전자 차단 층이 제공된다.
일부 실시예들에서, 콜로이드 양자점 디바이스는 광전자 디바이스를 포함하고, 그 광전자 디바이스는 제1 전극; 제1 전극 상의 양자점 층 ― 양자점 층은 복수의 양자점들을 포함함 ―; 양자점 층 바로 위의 풀러린(fullerene) 층; 및 풀러린 층 상의 제2 전극을 포함한다. 양자점 층과 풀러린 층은 전자 이종접합을 형성한다.
추가의 실시예들에서, 봉합 층은 원자 층 퇴적(ALD) 층일 수 있다.
또 다른 실시예들에서, ALD 층은 콜로이드 양자점 구조체 바로 위에 있을 수 있다. 콜로이드 양자점 디바이스는 ALD 층 상의 에폭시 층; 및 에폭시 층 상의 유리 층을 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 디바이스는 콜로이드 양자점 구조체 상의 에폭시 층; 및 에폭시 층 상의 유리 층을 더 포함할 수 있고, 여기서, ALD 층은 유리 층 상에 있다.
추가의 실시예들에서, 콜로이드 양자점 디바이스는 포토다이오드 디바이스와 광검출기 검출기 디바이스 중 하나일 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 콜로이드 양자점 디바이스는 약 250 nm 내지 약 2400 nm의 범위에 있는 스펙트럼 영역에 걸친 감도로 광을 검출할 수 있다.
일부 실시예에서, 봉합 층은 함께 약 0.5 nm 내지 약 500 nm의 두께를 갖는 복수의 교번 층들을 포함할 수 있다.
본 발명의 개념의 추가의 실시예들은 다이를 제공하고, 그 다이는 집적 회로; 집적 회로 상의 복수의 콜로이드 양자점 디바이스들; 및 복수의 콜로이드 양자점 디바이스들 상의 봉합 층을 포함하고, 봉합 층은 약 0.5 nm 내지 약 500 nm의 두께를 갖는다.
또 다른 실시예들에서, 다이는 복수의 개별 콜로이드 양자점 디바이스들로 분리되도록 구성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 봉합 층은 ALD 층일 수 있다.
추가의 실시예들에서, ALD 층은 복수의 콜로이드 양자점 디바이스들 바로 위에 있을 수 있고, 다이는 ALD 층 상의 에폭시 층; 및 에폭시 층 상의 유리 층을 더 포함할 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 다이는 복수의 콜로이드 양자점 디바이스들 상의 에폭시 층; 및 에폭시 층 상의 유리 층을 더 포함할 수 있고, 여기서, ALD 층은 유리 층 상에 있다.
본 발명의 개념의 일부 실시예들은 콜로이드 양자점 디바이스를 제작하는 방법들을 제공한다. 방법은 복수의 콜로이드 양자점 구조체들을 상부에 포함하는 집적 회로를 제공하는 단계; 복수의 콜로이드 양자점 구조체들 상에 봉합 층을 형성하는 단계 ― 봉합 층은 약 0.5 nm 내지 약 500 nm의 두께를 가짐 ―; 및 복수의 콜로이드 양자점 구조체들을 개별 콜로이드 양자점 디바이스들로 분리하는 단계를 포함한다.
추가의 실시예들에서, 봉합 층은 Al2O3, Zr2O3, ZnO, InO, SiO2, Si3N4, Hf2O3, TiO2, Ti3N4, SiO, Al2N3 및 TaO2 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 봉합 층을 형성하는 단계는 ALD를 사용하여 봉합 층을 퇴적하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 봉합 층은 약 25 °C 내지 약 150 ℃의 온도에서 퇴적될 수 있다.
추가의 실시예들에서, ALD 층은 복수의 콜로이드 양자점 구조체들 바로 위에 형성될 수 있다. 방법은 ALD 층 상에 에폭시 층을 형성하는 단계; 및 에폭시 층 상에 유리 층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 방법은 복수의 콜로이드 양자점 구조체들 상에 에폭시 층을 형성하는 단계; 및 에폭시 층 상에 유리 층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있고, 여기서, ALD 층은 유리 층 상에 형성된다.
일부 실시예들에서, 복수의 콜로이드 양자점 구조체들은 각각 포토다이오드 디바이스와 광검출기 검출기 디바이스 중 하나를 포함할 수 있다.
추가의 실시예들에서, 봉합 층을 형성하는 단계는 함께 약 0.5 nm 내지 약 500 nm의 두께를 갖는 복수의 교번 층들을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 개념의 일부 실시예들에 따른, 봉합 층을 상부에 갖는 복수의 콜로이드 양자점 포토다이오드들을 포함하는 다이의 단면을 예시하는 도면이다.
도 1b는 본 발명의 개념의 일부 실시예들에 따른, 예시적인 층들을 포함하는 도 1a의 다이의 단면을 예시하는 더 상세한 도면이다.
도 2는 본 발명의 개념의 일부 실시예들에 따른, 에폭시 및 유리 상의 원자 층 퇴적(ALD) 봉합 층을 갖는 다이의 단면을 도시하는 도면이고, 그 에폭시는 차례로 콜로이드 양자점 검출기 구조체의 최상부 상에 있다.
도 3은 본 발명의 개념의 일부 실시예들에 따른, 제작된 ALD 봉합 구조체들의 현미경 이미지를 예시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 개념의 일부 실시예들에 따른, 유리 및 에폭시 아래의 원자 층 퇴적(ALD) 봉합 층을 갖는 다이의 단면을 예시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 개념의 일부 실시예들에 따른, ALD 봉합 구조체로 제작된 콜로이드 양자점 이미지 센서의 사진을 예시하는 도면이다.
도 6a는 본 발명의 개념의 실시예들에 따른, 얇은 막 ALD 봉합 구조체 없이 제작된 센서들에 대해 고온 및 습도 스트레스 시간의 함수로서 센서 암흑 신호(dark signal)의 변화를 예시하는 그래프이다.
도 6b는 본 발명의 개념의 일부 실시예들에 따른, 얇은 막 ALD 봉합 구조체 없이 제작된 센서들에 대해 고온 및 습도 스트레스 시간의 함수로서 센서 광응답 신호의 변화를 예시하는 그래프이다.
도 7a는 본 발명의 개념의 일부 실시예들에 따른, ALD 막 봉합 구조체로 제작된 센서들에 대해 고온 및 습도 스트레스 시간의 함수로서 센서 암흑 신호의 변화를 예시하는 그래프이다.
도 7b는 본 발명의 개념의 일부 실시예들에 따른, ALD 막 봉합 구조체로 제작된 센서들에 대해 고온 및 습도 스트레스 시간의 함수로서 센서 광응답 신호의 변화를 예시하는 그래프이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 개념의 다양한 실시예들에 따른, 콜로이드 양자점 센서의 제작에서의 프로세싱 단계들을 예시하는 단면들이다.
도 9는 본 발명의 개념의 일부 실시예들에 따른 다층 봉합 층을 예시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 개념의 일부 실시예들에 따른 예시적인 콜로이드 양자점 디바이스의 단면을 예시하는 도면이다.
본 발명의 개념은 본 발명의 개념의 실시예들이 도시된 첨부 도면들을 참조하여 이하에서 더 완전히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명의 개념은 다수의 대안적인 형태들로 구현될 수 있고, 본원에서 제시되는 실시예들로 제한되는 것으로 해석되지 않아야 한다.
따라서, 본 발명의 개념이 다양한 수정들 및 대안적인 형태들을 허용하는 한편, 그의 특정 실시예들이 도면들에 예로서 도시되고 본원에서 상세히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명의 개념을 개시되는 특정 형태들로 제한하려는 의도는 없고, 반대로, 본 발명의 개념은 청구항들에 의해 정의되는 바와 같은 본 발명의 개념의 사상 및 범위 내에 속하는 모든 수정물들, 등가물들 및 대안물들을 커버한다는 것을 이해해야 한다. 유사한 번호들은 도면들의 설명 전체에 걸쳐 유사한 요소들을 지칭한다.
본원에서 사용되는 용어는 특정 실시예들을 설명하는 목적을 위한 것일 뿐이고 본 발명의 개념의 제한으로 의도되지 않는다. 본원에서 사용되는 바와 같이, 단수형들("a", "an", 및 "the")은, 문맥상 명확히 달리 표시하지 않는 한, 복수형들을 또한 포함하는 것으로 의도된다. "포함한다(comprises)", "포함하는(comprising)", "포함한다(includes)" 및/또는 "포함하는(including)"이라는 용어들은, 본 명세서에서 사용될 때, 진술된 피처들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들 및/또는 구성요소들의 존재를 지정하지만, 하나 이상의 다른 피처, 정수, 단계, 동작, 요소, 구성요소 및/또는 그들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하는 것은 아니라는 것을 추가로 이해할 것이다. 더욱이, 요소가 다른 요소에 "응답"하거나 또는 "연결"되어 있는 것으로 언급될 때, 이는 다른 요소에 직접 응답하거나 또는 연결될 수 있거나 또는 개재 요소들이 존재할 수 있다. 대조적으로, 요소가 다른 요소에 "직접 응답"하거나 또는 "직접 연결"된 것으로 언급될 때, 개재 요소들이 존재하지 않는다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "및/또는"이라는 용어는 연관된 열거된 아이템들 중 하나 이상의 아이템의 임의의 및 모든 조합들을 포함하고 "/"로서 축약될 수 있다.
달리 정의되지 않는 한, 본원에서 사용되는 모든 용어들(기술적 및 과학적 용어들을 포함함)은 본 발명이 개념이 속해 있는 관련 기술분야의 통상의 기술자에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 사용되는 용어들은 관련 기술 및 본 명세서의 맥락에서의 그들의 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하고, 본원에서 명백히 정의되지 않는 한, 이상적이거나 또는 과도하게 공식적인 의미로 해석되지 않을 것이라는 것을 추가로 이해할 것이다.
제1, 제2 등과 같은 용어들이 다양한 요소들을 설명하기 위해 본원에서 사용될 수 있지만, 이러한 요소들이 이러한 용어들에 의해 제한되지 않아야 한다는 것을 이해할 것이다. 이러한 용어들은 단지 하나의 요소를 다른 요소와 구별하기 위해서만 사용된다. 예컨대, 본 개시내용의 교시들로부터 벗어남 없이, 제1 요소는 제2 요소로 지칭될 수 있고, 유사하게, 제2 요소는 제1 요소로 지칭될 수 있다. 도면들 중 일부가 통신의 주요 방향을 도시하기 위해 통신 경로들 상에 화살표들을 포함하지만, 통신은 도시된 화살표들과 반대 방향으로 발생할 수 있다는 것을 이해해야 한다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "광전자 디바이스"라는 용어는 광-전기 트랜스듀서 또는 전기-광 트랜스듀서로서 작동하는 임의의 디바이스를 일반적으로 지칭한다. 따라서, "광전자 디바이스"라는 용어는, 예컨대, 광기전(PV) 디바이스(예컨대, 태양 전지), 광검출기, 열기전 전지(thermovoltaic cell) 또는 전계발광(EL) 디바이스들, 이를테면, 발광 다이오드(LED)들 및 레이저 다이오드(LD)들을 지칭할 수 있다. 일반적인 의미에서, EL 디바이스들은 PV 및 광검출기 디바이스들과 반대로 동작한다. 전자들 및 정공들은 인가되는 바이어스 전압의 영향 하에서 개개의 전극들로부터 반도체 영역 내로 주입된다. 반도체 층들 중 하나는 광 흡수 특성들이 아니라 그의 광 방출 특성들에 대해 선택된다. 주입된 전자들과 정공들의 방사성 재결합은 이 층에서 광 방출을 유발한다. PV 및 광검출기 디바이스들에서 이용되는 동일한 타입들의 재료들 중 다수는 EL 디바이스의 상이한 목적을 달성하기 위해 층 두께들 및 다른 파라미터들이 적응되어야 하지만 EL 디바이스들에서 마찬가지로 이용될 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "풀러린"이라는 용어는 벅민스터풀러린 C60뿐만 아니라 다른 형태들의 분자 탄소, 이를테면, C70, C84 및 유사한 케이지형 탄소 구조체들을 지칭하고, 더 일반적으로는 20개 내지 수백 개의 탄소 원자, 즉, n이 20 이상인 Cn의 범위에 있을 수 있다. 풀러린은, 예컨대, 풀러린의 전기적 특성들을 수정하는 것 또는 용해성 또는 분산성을 개선하는 것과 같은 특정 목적을 위해 원하는 대로 기능화되거나 또는 화학적으로 수정될 수 있다. "풀러린"이라는 용어는 비탄소 원자 또는 원자 클러스터가 탄소 케이지에 봉입된 내면체 풀러린들을 또한 지칭할 수 있다. "풀러린"이라는 용어는 풀러린 유도체들을 또한 지칭할 수 있다. 풀러린 유도체들의 몇몇 비제한적인 예들은 [6,6]-페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르(PCBM) 및 페닐-C61-부티르산 콜레스트릴 에스테르(PCBCR)이다. "풀러린"이라는 용어는 이전에 언급된 형태들의 풀러린들의 혼합물들을 또한 지칭할 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "양자점" 또는 "QD"라는 용어는 여기자들이 모든 3개의 공간 차원에서 구속되는 반도체 나노결정 재료를 지칭하는데, 이는 양자선들(단지 2개의 차원에서의 양자 구속), 양자 우물들(단지 하나의 차원에서의 양자 구속) 및 벌크 반도체들(구속되지 않음)과 구별된다. 또한, 양자점의 다수의 광학적, 전기적 및 화학적 특성들은 그의 크기에 크게 의존할 수 있고, 그에 따라, 이러한 특성들은 그의 크기를 제어함으로써 수정 또는 튜닝될 수 있다. 양자점은 일반적으로 입자로서 특성화될 수 있고, 그의 형상은 회전타원형, 타원형 또는 다른 형상일 수 있다. 양자점의 "크기"는 그의 형상 또는 그의 형상의 근사치의 치수 특성을 지칭할 수 있고, 그에 따라, 직경, 장축, 우세 길이 등일 수 있다. 양자점의 크기는 대략 수 나노미터, 즉, 일반적으로는 1.0 내지 1000 nm의 범위에 있지만 더 전형적으로는 1.0 내지 100 nm, 1.0 내지 20 nm 또는 1 내지 10 nm의 범위에 있다. 복수의 양자점들 또는 양자점들의 앙상블에서, 양자점들은 평균 크기를 갖는 것으로서 특성화될 수 있다. 복수의 양자점들의 크기 분포는 단분산일 수 있거나 또는 단분산이 아닐 수 있다. 양자점은 코어-셸 구성을 가질 수 있고, 여기서, 코어 및 주위 셸은 별개의 조성들을 가질 수 있다. 양자점은 또한 그의 외측 표면에 부착된 리간드들을 포함할 수 있거나 또는 특정 목적을 위해 다른 화학적 모이어티들로 기능화될 수 있다.
플라즈마 합성은 양자점들, 특히, 공유 결합들을 갖는 양자점들의 생성을 위한 가장 대중적인 기상 접근법들 중 하나로 발전하였다. 예컨대, 실리콘(Si) 및 게르마늄(Ge) 양자점들은 비열 플라즈마를 사용함으로써 합성되었다. 양자점들의 크기, 형상, 표면 및 조성은 모두 비열 플라즈마에서 제어될 수 있다. 양자점들에 대해 상당히 어려운 것으로 보이는 도핑이 또한 플라즈마 합성에서 실현되었다. 플라즈마에 의해 합성된 양자점들은 일반적으로 분말의 형태로 이루어지고, 이에 대해 표면 수정이 수행될 수 있다. 이는 유기 용매들 또는 물 내의 양자점들, 즉, 콜로이드 양자점들의 우수한 분산으로 이어질 수 있다. 본 발명의 개념의 실시예들은 아래에서 논의되는 바와 같은 콜로이드 양자점 막들을 사용한다.
본 개시내용의 목적들을 위해, 전자기 방사선의 스펙트럼 범위들 또는 대역들은 일반적으로 다음과 같이 취해지고, 인접한 스펙트럼 범위들 또는 대역들이 어느 정도 서로 중첩되는 것으로 고려될 수 있음을 이해하며: 자외선(UV) 방사선은 약 10 내지 400 nm의 범위 내에 속하는 것으로서 고려될 수 있지만, 실제 애플리케이션들(진공 초과)에서, 범위는 약 200 내지 400 nm이다. 가시광선 방사선은 약 380 내지 760 nm의 범위 내에 속하는 것으로서 고려될 수 있다. 적외선(IR) 방사선은 약 750 내지 100,000 nm의 범위 내에 속하는 것으로서 고려될 수 있다. IR 방사선은 또한 하위 범위들에 관하여 고려될 수 있는데, 그의 예들은 다음과 같다. 단파 적외선(SWIR) 방사선은 약 1,000 내지 3,000 nm의 범위 내에 속하는 것으로서 고려될 수 있다. 중파 적외선(MWIR) 방사선은 약 3,000 내지 5,000 nm의 범위 내에 속하는 것으로서 고려될 수 있다. 장거리 적외선(LWIR) 방사선은 약 8,000 내지 12,000 nm의 범위 내에 속하는 것으로서 고려될 수 있다.
콜로이드 양자점 광검출기들은, 예컨대, Colloidal Quantum Dot (CQD) Photodetectors and Related Devices라는 명칭으로 2021년 3월 12일자로 출원된 공동 양도된 미국 특허 출원 제17/199,971호(대리인 사건 번호 190823-00008); Quantum Dot-Fullerene Junction Optoelectronic Devices라는 명칭의 미국 특허 제8,729,528호; 및 Quantum Dot-Fullerene Junction Based Photodetectors라는 명칭의 미국 특허 제8,742,398호에서 논의되고, 이로써, 그들의 내용들은 그들 전체가 제시된 것처럼 참조로 본원에 포함된다. 콜로이드 양자점 광검출기는 광전도체 또는 포토다이오드일 수 있다는 것을 이해할 것이다. 광전도체는 광에 응답하여 변화되는 전도체/저항기이다. 포토다이오드는 광에 응답하여 변화되는 다이오드이다. 본 발명의 개념의 실시예들이 주로 포토다이오드들과 관련하여 논의되지만, 본 발명의 개념의 실시예들이 이에 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다.
양자점 포토다이오드/광검출기(QDP) 기술은 저비용 나노기술 지원 광검출기들을 제공하기 위해 구현된다. 일부 구현들에서, 광검출기들은 약 250 내지 2400 nm의 범위에 있는 스펙트럼 영역에 걸친 감도로 광을 효율적으로 검출하도록 구성될 수 있다. 따라서, 광검출기들은 입사 자외선(UV), 가시광선 및/또는 적외선(IR) 전자기 방사선으로부터 이미지들을 생성할 수 있는 다중 스펙트럼 디바이스로서 구성될 수 있다. 일부 구현들에서, 감도의 스펙트럼 범위는 X선 에너지들까지 아래로 확장되고/되거나 최고 2400 nm보다 더 긴 IR 파장들까지 확장될 수 있다. 본원에서 교시되는 바와 같은 광검출기들은 비용 효과적이고, 대면적 어레이들로 확장가능하고, 가요성 기판들에 적용가능하다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "양자 효율"(QE)은 입사 광자들 대 측정된 전자들의 비율을 지칭하고, 최적의 효율은 내부 증폭(즉, 이득)을 갖지 않는 구조체에 대해 실질적으로 100%이다. "밀폐"는 기밀, 밀봉 및/또는 수밀인 디바이스를 지칭한다.
"암전류"는 입사 조명이 없을 때 광전 디바이스에서 흐르는 전류를 지칭한다. 물리학 및 전자 공학에서, 암전류는 광자들이 디바이스에 진입하고 있지 않을 때에도 광전자 증배관, 포토다이오드 또는 전하 커플링 디바이스와 같은 감광성 디바이스들을 통해 흐르는 비교적 작은 전류이다. 암전류는 외부 방사선이 검출기에 진입하고 있지 않을 때 검출기에서 생성되는 전하들로 일반적으로 구성된다. 이는 비광학 디바이스들에서 역방향 바이어스 누설 전류로 지칭될 수 있고, 일반적으로 모든 다이오드들에 존재한다. 물리적으로, 다이오드들 내의 암전류의 하나의 소스는 디바이스의 공핍 영역 내의 여기된 전자들 및 정공들의 무작위 열 생성이다.
광검출기 재료의 두께와 직접적으로 관련되는 QE와 암전류 사이에서 광검출기 센서 재료들에 대해 기본적인 트레이드 오프가 있다. 특히, 재료의 두께를 변화시키는 것, 즉, 재료를 더 두껍게 또는 더 얇게 만드는 것은 다른 속성을 희생하여 하나의 속성을 개선한다. 게다가, 실리콘(Si), 갈륨 비화물(GaAs) 등과 같은 잘 알려져 있는 결정질 광검출기 재료들과 달리, 콜로이드 양자점 광검출기들은 일반적으로, 예컨대, 공기에 노출될 때 바람직하지 않은 디바이스 성능 변화들을 겪는다. 따라서, 콜로이드 양자점 광검출기들에 대한 제작 파라미터들은 공기 감도를 감소 또는 가능하게는 제거하기 위해 연구되고 있다. 그러나, 공기 안정 콜로이드 양자점 디바이스들을 생성하는 제작 프로세스들은 우수한 광검출기 성능, 예컨대, 광 응답, 양자 효율, 암전류 등을 거의 나타내지 않는다.
예컨대, 우수한 광검출기 성능과 공기 안정성을 조합하기 위한 노력의 일환으로, 일부 기존의 방법들은 콜로이드 양자점 검출기들에 본딩된 가시광선-IR 투명 재료들, 예컨대, 유리, 사파이어, 석영, 실리콘 등을 사용한다. 전형적인 본딩 재료들은 폴리머 기반 접착제들, 에폭시들 및/또는 금속 기반 납땜 또는 용접과 같은 재료들을 포함할 수 있다. 접착제 및 에폭시 기반 솔루션들은 일반적으로 밀폐성(기밀성, 밀봉성, 수밀성)이 높지 않아서 일부 공기 및/또는 수분이 결국 콜로이드 양자점 검출기에 도달하는 것을 허용한다. 투명 에폭시들은 낮은 유리 전이 온도들을 갖는 경향이 있는데, 이는 상승된 온도들에서 긴 수명들을 필요로 하는 소비자 애플리케이션들에서 사용될 가능성을 감소시킬 수 있다. 금속 기반 솔루션들은 밀폐성 및 신뢰성이 높은 경향이 있지만, 그들은 일반적으로 너무 고가이고 소비자 애플리케이션들에 대해 부피가 크다. 마지막으로, 외부 세계와 광검출기 사이에서 유리 유사 재료, 예컨대, 유리, 사파이어, 석영 등의 층을 사용하는 솔루션들은 바람직하지 않은 광 간섭 아티팩트들을 생성할 수 있는데, 이는 3차원(3D) 깊이 감지, LIDAR(Light Detection and Ranging), 구조형 광 등에 대해 사용되는 것들과 같은 레이저 검출 애플리케이션들에서 사용되는 것을 방해 또는 가능하게는 방지할 수 있다.
따라서, 기존의 방법들에 대해 위에서 논의된 단점들 중 일부를 해결하기 위해, 본 발명의 개념의 실시예들은 콜로이드 양자점 광검출기의 표면 바로 위에 "얇은" 막 봉합 층들을 갖는 디바이스들 및 이러한 디바이스들을 제작하는 관련 방법들을 제공한다. 일부 실시예들에서, "얇은" 막 봉합 층은, 예컨대, 원자 층 퇴적(ALD)을 사용하여 콜로이드 양자점 광검출기의 표면 상에 형성될 수 있다. 본 발명의 개념의 실시예들이 ALD의 사용을 논의하지만, 본 발명의 개념의 실시예들이 이에 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "얇은" 막은 약 0.5 내지 약 수백 나노미터의 두께를 갖는 막을 지칭한다. 일부 실시예들에서, 봉합 층들은, 예컨대, Al2O3, Zr2O3, ZnO, InO, SiO2, Si3N4, Hf2O3, TiO2, Ti3N4, SiO, Al2N3, TaO2 등을 포함하는 다양한 재료들을 포함할 수 있다. 이러한 재료들은 단지 예로서 제공되고, 그에 따라, 본 발명의 개념의 실시예들은 이에 제한되지 않는다.
봉합 층을 형성하기 위해 퇴적을 활용하는 본 발명의 개념의 실시예들에서, 퇴적 프로세스, 예컨대, ALD의 원자 단위 성질은 수십 내지 수백 나노미터의 막 두께들에서도 낮은 누설 레이트들(즉, 매우 밀폐성 ― 밀봉성 및 수밀성이 높음)을 가능하게 하는 양호하게 제어되고 결함 밀도가 낮은 막을 콜로이드 양자점 광검출기의 표면 상에 제공하여 퇴적 시간 및 비용을 감소시킨다. 게다가, 다수의 ALD 막들은 콜로이드 양자점 양립가능 온도들, 예컨대, 약 25 ℃ 내지 약 150 ℃의 온도들에서 퇴적될 수 있다. 위에서 논의된 기존의 패키징 방법들 중 다수와 달리, 본원에서 논의되는 바와 같은 콜로이드 양자점 막의 표면 상에 제공되는 ALD 막들은 웨이퍼 레벨에서 퇴적 및 패터닝됨으로써 병렬 프로세싱의 능력을 활용할 수 있다. 다시 말하면, ALD 막은 전체 웨이퍼 상에 퇴적될 수 있고, 개별 광검출기 레벨 상에서 이루어질 필요는 없다. 매우 다양한 재료들이 ALD를 통해 퇴적될 수 있다. 이러한 재료들은, 예컨대, Al2O3, Zr2O3, ZnO, InO, SiO2, Si3N4, Hf2O3, TiO2, Ti3N4, SiO, Al2N3, TaO2 등을 포함할 수 있다. 이러한 매우 다양한 막들의 이용가능성은 밀폐 특성들뿐만 아니라 반사 방지 코팅들과 같은 광학 특성들의 튜닝을 허용한다.
이제 도 1a를 참조하여, 본 발명의 개념의 일부 실시예들에 따른 복수의 콜로이드 양자점 포토다이오드들(100)을 포함하는 센서 다이(120)의 단면이 논의될 것이다. 본 발명의 개념의 범위로부터 벗어남 없이 센서 다이(120)는 단일 다이일 수 있거나 또는 센서 다이들의 어레이를 포함하는 웨이퍼일 수 있다는 것을 이해할 것이다. 일부 실시예들에서, 웨이퍼는 어레이를 포함하는 부분 웨이퍼, 예컨대, 1/4 웨이퍼일 수 있다.
도 1a에 예시된 바와 같이, 디바이스는 자신의 표면 상에 복수의 콜로이드 양자점 다이오드들(100)을 갖는 센서 다이(120) 및 복수의 콜로이드 양자점 포토다이오드들(100) 상의 봉합 층/구조체(110)를 포함한다. 센서 다이(120)는 집적 회로(120), 예컨대, 실리콘 판독 집적 회로(IC)일 수 있다. 추가로 예시된 바와 같이, 도 1a의 디바이스는 또한 복수의 와이어 본드 패드들(130)을 포함한다. 도 1a의 단면은 본 발명의 개념의 다양한 실시예들에 따라 논의되는 "얇은" 봉합 층을 예시하는 간단한 도면이고, 본 발명의 개념의 실시예들이 도 1a에 의해 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 일부 실시예들에서, 콜로이드 양자점 포토다이오드들(100)은 복수의 이미지 센서들을 생성하기 위해 ROIC 다이(또는 웨이퍼들)의 표면 상에 제공될 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 본원에서 논의되는 실시예들에 따른 방법들에 의해 제공되는 하나의 이점은 봉합 층(110)이 각각의 광검출기 상에 개별적으로 형성되는 것이 아니라 전체 다이(120)(웨이퍼) 상에 한번에 퇴적될 수 있다는 것이다. 따라서, 본원에서 논의되는 방법들은 복수의 콜로이드 양자점 포토다이오드들(100)을 웨이퍼 레벨에서, 즉, 개별 광검출기들이 웨이퍼로부터 분리되기 전에 모두 한번에 봉합함으로써 더 효율적인 프로세스를 제공한다.
봉합 층/구조체(110)는, 예컨대, Al2O3, Zr2O3, ZnO, InO, SiO2, Si3N4, Hf2O3, TiO2, Ti3N4, SiO, Al2N3, TaO2 등과 같은 재료들을 포함할 수 있고, 콜로이드 양자점 검출기들(100) 및 다이(120)의 표면 상에 퇴적될 수 있다. 봉합 층/구조체(110)는 ALD 방법을 사용하여 퇴적될 수 있지만, 본 발명의 개념의 실시예들은 이에 제한되지 않는다. 봉합 층은 약 25 ℃ 내지 약 150 ℃의 온도들에서 퇴적될 수 있다. 따라서, 이러한 온도들은 콜로이드 양자점 포토다이오드 재료들과 양립가능할 수 있다. 봉합 층/구조체(110)는 약 0.5 nm 내지 약 500 nm의 두께 T를 가질 수 있다. 봉합 층/구조체(110)는 단일 재료 타입일 수 있거나 또는 다수의 재료 타입들의 조합일 수 있다. 예컨대, 1.0 nm 두께의 Al2O3와 1.0 nm 두께의 Zr2O3의 교번 층들이 2층 조합을 10회 반복함으로써 100 nm의 총 두께를 구축하기 위해 사용될 수 있다.
도 1b를 참조하면, ALD 봉합 층(135)을 포함하는 디바이스의 단면이 예시된다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "ALD 층"은 ALD 프로세스를 사용하여 형성된 봉합 층을 지칭한다. 도 1b에 예시된 바와 같이, 콜로이드 양자점 다이오드들/검출기들(125)의 어레이가 실리콘 판독 IC(121) 상에 제공되고, ALD 층/구조체(135)가 그 위에 제공된다. 일부 실시예들에 따르면, 와이어 본딩 패드들(130)이 또한 제공된다. 도 1b는 단지 예로서 제공되고, 본 발명의 개념의 실시예들은 이에 제한되지 않는다.
웨이퍼/다이 레벨에서 논의되는 본 발명의 개념의 실시예들에서, 복수의 콜로이드 양자점 광검출기들은 봉합 층의 형성 및 디바이스의 완성 후에 개별 콜로이드 양자점 광검출기들로 분리될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 게다가, 본 발명의 개념의 실시예들이 다이 레벨에서의 퇴적을 논의하지만, 본 발명의 개념의 실시예들은 이에 제한되지 않는다. 봉합 층의 퇴적은 본 발명의 개념의 범위로부터 벗어남 없이 웨이퍼, 부분 웨이퍼 레벨 또는 디바이스 레벨에서 이루어질 수 있다.
이제 도 2를 참조하여, ALD 봉합된 콜로이드 양자점 센서의 실시예들을 예시하는 단면이 논의될 것이다. 예시된 바와 같이, 도 2의 디바이스는 콜로이드 양자점 다이오드 어레이(126)를 상부에 갖는 IC(121)를 포함한다. 추가로 예시된 바와 같이, 에폭시 층(140)이 다이오드 어레이(126) 상에 있고, 유리 층(145)이 에폭시 층(145) 상에 있고, ALD 층(135)이 어레이, 에폭시 및 유리 구조체 상에 있다. 따라서, 도 2는 유리 및 에폭시 구조체 상에 퇴적된 ALD 층/구조체를 갖는 ALD 봉합된 콜로이드 양자점 센서를 예시한다. 도 2에 예시된 실시예들은 도 1a 및 도 1b에 예시된 실시예들과 상이하고, 여기서, ALD 봉합은 주로 에폭시의 에지를 통한 대기 유입의 가능성을 감소시키거나 또는 가능하게는 이를 방지하는 역할을 하고 있다. 도 2에 예시된 구조체에서, 유리 층의 광학 특성들은 특정 감지 애플리케이션들에 대해 성능 이점들을 제공할 수 있다. 예컨대, 도 2에 예시된 실시예들은 광학 필터링 특성들을 갖는 유리를 사용하여 구축되는 센서들에 대해 사용될 수 있다.
본원에서 사용되는 바와 같이, "에폭시" 층은 한 부류의 접착제들, 플라스틱들, 또는 에폭시드들의 폴리머들인 다른 재료들 중 임의의 것에 의해 제공될 수 있다. 도 2의 에폭시 층(140)은 약 0.1 μm 내지 약 150 μm의 두께를 가질 수 있다. 유사하게, 유리 층(145)은 약 0.1 mm 내지 약 10 mm의 두께를 가질 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "유리" 층은 특정 애플리케이션에 대해 CQD 검출기들에 의해 활용되는 광의 파장들에 대해 비제로 광 투과를 갖는 한 부류의 무기 재료들 중 임의의 것에 의해 제공될 수 있다. 이러한 윈도우 재료들의 예들은 소다 석회 유리, 붕규산 유리, 사파이어, Si 등을 포함한다.
이제 도 3을 참조하여, 제작된 ALD 봉합 구조체(300)의 현미경 이미지가 논의될 것이다. 도 3의 현미경 이미지는 도 2에 예시된 ALD 봉합 층을 사용하여 제작된 콜로이드 양자점 이미지 센서의 광학 현미경 이미지를 예시한다. 예시된 바와 같이, 도 3의 ALD 봉합된 콜로이드 양자점 디바이스 어레이의 현미경 이미지는 판독 집적 회로(ROIC) 다이 에지(360), ROIC 와이어 본드 패드들(365), ROIC 표면(370), ALD 얇은 막 봉합재의 에지(375), 에폭시 에지(380) 및 유리 에지(385)를 예시한다. 이 ALD 봉합된 센서(300)는 수백 시간 동안 공기(주변)에서 열적으로 스트레스 테스트되었고, 본 발명의 개념의 일부 실시예들에 따라 논의되는 얇은 봉합 층 없이 스트레스 테스트된 센서들이 나타낸 성능 저하를 전혀 보이지 않았다.
이제 도 4를 참조하여, ALD 봉합된 콜로이드 양자점 센서(400)의 실시예들을 예시하는 단면이 논의될 것이다. 도 4에 예시된 바와 같이, ALD 봉합된 콜로이드 양자점 센서(400)는 콜로이드 양자점 센서 구조체/어레이(126) 바로 위에 퇴적된 ALD 층/구조체(135)와 함께 에폭시 또는 다른 유기 재료(140)의 코팅에 이은 (임의적인) 유리 층(145)을 포함한다. 도 4에 예시된 실시예들은 층들의 배열에서 위에서 논의된 도 1a 및 도 1b 및 도 2에 예시된 실시예들과 상이하다. 예컨대, 도 4에 예시된 구조체는, 예컨대, 이 구조체로 생성된 센서들에 대해 제조 또는 성능 이점들이 있는 경우에 사용될 수 있고, 이는 특히 ALD의 등각성으로 인해 유리의 기계적 견고성을 제공할 수 있다.
도 4의 에폭시 층(또는 유기 층)(140)은 약 0.1 μm 내지 약 150 μm의 두께를 가질 수 있다. 유사하게, 유리 층(145)은 약 0.1 mm 내지 약 10 mm의 두께를 가질 수 있다.
이제 도 5를 참조하여, 도 4에 예시된 구조체와 유사한 ALD 구조체로 제작된 콜로이드 양자점 이미지 센서를 촬영한 사진 이미지(500)가 논의될 것이다. 예시된 바와 같이, 본 발명의 개념의 일부 실시예들에 따른, 콜로이드 양자점 포토다이오드들, ALD 층, 에폭시 층 및 유리 층으로 제작된 직사각형 1920 x 1080 포맷의 2.1 메가픽셀 이미지 센서(590)를 이미지의 중앙에서 볼 수 있다. 이 콜로이드 양자점 이미지 센서는 센서 본드 패드들을 회로 보드에 연결하는 와이어 본드들(530)을 갖는 것으로 도시된다. 도 5의 센서는 단지 예로서 제공되고, 본 발명의 개념의 실시예들이 이에 의해 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 예컨대, 본 발명의 개념의 실시예들에 따른 센서들이 반드시 직사각형일 필요는 없다.
이제 도 6a 및 도 6b를 참조하여, 본 발명의 개념의 일부 실시예들에 따른 얇은 봉합 층을 포함하지 않는 디바이스들의 성능 특성들을 예시하는 그래프들이 논의될 것이다. 특히, 도 6a는 얇은 막 봉합 구조체 없이 제작된 센서들에 대해 열적 스트레스 시간의 함수로서 센서 암흑 신호의 변화를 예시한다. 도 6b는 얇은 막 봉합 층 없이 제작된 센서들에 대해 열적 스트레스 시간의 함수로서 센서 광응답 신호의 변화를 예시한다. 따라서, 도 6a 및 도 6b는 열적 및 습도 스트레스 챔버 노출 시간의 함수로서 센서 암흑 및 조명 신호들의 플롯들을 예시한다. 도 6a 및 도 6b는 1, 2, 3 및 4로 라벨링된 4개의 상이한 센서로부터의 데이터를 예시한다. 도 6a의 플롯된 데이터는 y 축 상의 픽셀 어레이의 평균 암흑 신호 및 센서들이 열적 스트레스 챔버에서 75 ℃ 및 85% 상대 습도 조건들에 노출된 시간을 도시한다. 이 암흑 신호는 센서 제작이 완료된 후에 수집된 시간 제로 데이터 포인트로 정규화된다. 이어서, 이는 주기적인 시간 기간들이 경과된 후에 측정된 암흑 신호를 도시한다.
유사하게, 도 6b의 플롯된 데이터는 도 6a에 도시된 것과 동일한 센서들 1, 2, 3 및 4에 대한 공간적으로 평탄한 1550 nm 파장 조명에 대한 픽셀 어레이의 평균 광응답을 도시한다. 시간 경과에 따른 센서 출력의 불안정성은 안정적인 성능을 갖는 긴 수명의 센서를 생성하기 위한 개선들에 대한 필요성을 예시한다.
이제 도 7a 및 도 7b를 참조하여, 본 발명의 개념의 일부 실시예들에 따른 얇은 봉합 층을 포함하는 디바이스들의 성능 특성들을 예시하는 그래프들이 논의될 것이다. 특히, 도 7a는 얇은 막 봉합 구조체로 제작된 센서들에 대해 열적 스트레스 시간의 함수로서 센서 암흑 신호의 변화를 예시한다. 도 7b는 얇은 막 봉합 층으로 제작된 센서들에 대해 열적 스트레스 시간의 함수로서 센서 광응답 신호의 변화를 예시한다. 도 7a 및 도 7b는 본원에서 논의되는 실시예들에 따른 얇은 봉합 구조체를 사용하여 제작된 6개의 상이한 1920 x 1080 포맷의 2.1 메가픽셀 이미지 센서들 1, 2, 3, 4, 5 및 6의 열적 안정성을 예시한다. 특히, 도 7a의 플롯된 데이터는 시간 제로 데이터 포인트로 정규화된 각각의 픽셀 어레이의 평균 암흑 신호를 예시한다. 이는 센서들 1, 2, 3, 4, 5 및 6이 스트레스 테스트 챔버에서 75 ℃, 85% 상대 습도 조건들에 노출된 상이한 시간들에 수집된 측정된 데이터를 도시한다. 도 7b는 스트레스 테스트 챔버 노출 시간의 함수로서 동일한 센서들 1, 2, 3, 4, 5 및 6에 대한 평균 광응답을 도시한다. 이러한 플롯들은 본원에서 논의되는 실시예들에 따른 봉합 구조체들로 제작된 콜로이드 양자점 센서들의 열적 안정성에 대한 이익들을 예시한다.
이제 도 8a 내지 도 8c의 단면들을 참조하여, 일부 실시예들에 따른 콜로이드 양자점 디바이스들의 제작에서의 프로세싱 단계들이 논의될 것이다. 먼저 도 8a를 참조하여, 본 발명의 개념의 일부 실시예들에 따른 복수의 콜로이드 양자점 포토다이오드들(100)을 포함하는 센서 다이(120)가 논의될 것이고 제공된다. 본 발명의 개념의 범위로부터 벗어남 없이 센서 다이(120)는 단일 다이일 수 있거나 또는 센서 다이들의 어레이를 포함하는 웨이퍼일 수 있다는 것을 이해할 것이다. 일부 실시예들에서, 웨이퍼는 센서 다이들의 어레이를 포함하는 부분 웨이퍼, 예컨대, 1/4 웨이퍼일 수 있다. 일부 실시예들에서, 센서 다이(120)는 집적 회로(120), 예컨대, 실리콘 판독 집적 회로(IC)일 수 있다.
도 8b에 예시된 바와 같이, 마스크(895)가 봉합 층/구조체를 정의하기 위해 도 8a의 디바이스의 표면 상에 형성된다. 마스크는 SiO2, Si3N4, 금(Au), 크롬(Cr), 붕소 등과 같은 임의의 전형적인 마스크 재료일 수 있다. 봉합 층/구조체(110)가 마스크(895)에 따라 형성된다. 일부 실시예들에서, 봉합 층/구조체는 마스크에 따라 콜로이드 양자점 디바이스들(100) 상에 ALD 층을 형성하기 위해 ALD를 사용하여 퇴적된다. ALD 퇴적 프로세스의 원자 단위 성질은 수십 내지 수백 나노미터의 막 두께들에서도 낮은 누설 레이트들(즉, 매우 밀폐성 ― 밀봉성 및 수밀성이 높음)을 가능하게 하는 양호하게 제어되고 결함 밀도가 낮은 막을 콜로이드 양자점 광검출기(100)의 표면 상에 제공하여 퇴적 시간 및 비용을 감소시킨다.
ALD 층은 콜로이드 양자점 재료들과 양립가능한 약 25 ℃ 내지 약 150 ℃의 온도들에서 퇴적될 수 있다. 본원에서 논의되는 바와 같은 콜로이드 양자점 막의 표면 상에 제공되는 ALD 막들은 웨이퍼 레벨에서 퇴적 및 패터닝됨으로써 병렬 프로세싱의 능력을 활용할 수 있다. 다시 말하면, ALD 막은 전체 웨이퍼 상에 퇴적될 수 있고, 개별 광검출기 레벨 상에서 이루어질 필요는 없다. 매우 다양한 재료들이 ALD를 통해 퇴적될 수 있다. 이러한 재료들은, 예컨대, Al2O3, Zr2O3, ZnO, InO, SiO2, Si3N4, Hf2O3, TiO2, Ti3N4, SiO, Al2N3, TaO2 등을 포함할 수 있다. 이러한 매우 다양한 막들의 이용가능성은 밀폐 특성들뿐만 아니라 반사 방지 코팅들과 같은 광학 특성들의 튜닝을 허용한다.
봉합 층/구조체(110)는 약 0.5 nm 내지 약 500 nm의 두께 T까지 퇴적될 수 있다. 봉합 층/구조체(110)는 단일 재료 타입일 수 있거나 또는 다수의 재료 타입들의 조합일 수 있다. 예컨대, 본 출원의 도 9에 예시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 봉합 층/구조체(998)는 복수의 교번 층들 1 내지 N을 포함할 수 있고, 여기서, N은 임의의 합리적인 정수일 수 있다. 예컨대, 봉합 구조체(998)는 2층 조합을 10회 반복함으로써, 예컨대, 100 nm의 총 두께 T를 구축하기 위해 사용될 수 있는 1.0 nm 두께의 Al2O3와 1.0 nm 두께의 Zr2O3의 교번 층들을 포함할 수 있다. 따라서, 이 실시예에서 N은 10일 것이다. 이는 단지 예로서 제공되고, 본 발명의 개념의 실시예들은 이에 의해 제한되지 않는다.
봉합 층/구조체가 완성되면, 도 8c에 예시된 바와 같이, 마스크(895)가 제거될 수 있고, 예컨대, 와이어 본드 패드들(130)을 포함하는 디바이스가 완성될 수 있다. 도 8a 내지 도 8c는 도 1b와 유사하게 ALD 층만을 포함하는 실시예들의 예로서 제공된다는 것이 이해될 것이다. 그러나, 위에서 논의된 바와 같이, 실시예들은 본 발명의 개념의 범위로부터 벗어남 없이 위에서 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이 에폭시 층뿐만 아니라 유리 층을 포함할 수 있다.
본 발명의 개념의 실시예들은 집적 회로, 웨이퍼 또는 다이 상의 하나 이상의 "콜로이드 양자점 디바이스"와 관련하여 본원에서 논의된다. 이러한 디바이스들은 임의의 콜로이드 양자점 디바이스들, 광전자 디바이스들, 광검출기들, 센서들 등일 수 있다. 그러나, 일부 실시예들에서, 콜로이드 양자점 디바이스들은, 예컨대, Quantum Dot-Fullerene Junction Optoelectronic Devices라는 명칭의 미국 특허 제8,729,528호; 및 Quantum Dot-Fullerene Junction Based Photodetectors라는 명칭의 미국 특허 제8,742,398호에서 논의되는 디바이스들에 의해 제공되고, 그들의 내용들은 위에서 참조로 본원에 포함되었다.
본 발명의 개념의 일부 실시예들에 따라 사용하기 위한 예시적인 콜로이드 양자점 디바이스(1000)의 단면이 도 10과 관련하여 이제 논의될 것이다. 도 10에 예시된 바와 같이, 디바이스는 기판(1028), 기판(1028) 상의 전극(1020), 임의적인 전자 차단 층(1044), 제1 양자점(QD) 층(1008), 제2 QD 층(1012) 또는 풀러린 층(1012) 및 임의적인 정공 차단 층(1042) 및 적어도 하나의 전극(1024)을 포함한다. 도 10에 예시된 디바이스(1000)의 단면은 단지 예로서 제공되고, 본 발명의 개념의 실시예들이 이에 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 논의되는 바와 같이, 전자 차단 층과 정공 차단 층 둘 모두는 본 발명의 개념의 범위로부터 벗어남 없이 생략될 수 있다.
일부 실시예들에서, 디바이스(1000)는 이미지 센서로서 동작하는 광전자 디바이스이지만, 관련 기술분야의 통상의 기술자는 광전자 디바이스(1000)가 본 발명의 개념의 범위로부터 벗어남 없이 다른 타입의 광전자 디바이스로서 기능하도록 적응될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 층(1012)이 풀러린 층인 실시예들에서, 광전자 디바이스(1000)는 풀러린 층(1012)과 직접 계면을 이루는 양자점(QD) 층(1008)에 의해 형성되는 전자 이종접합(1004)에 기초한 임의의 광전자 디바이스일 수 있다. QD 층(1008)은 감광성이고, 광의 흡수에 응답하여 여기자들을 형성한다. 풀러린 층(1012)이 또한 감광성이고, 광의 흡수에 응답하여 여기자들을 형성한다. PV 디바이스 또는 다른 타입의 광 흡수 디바이스의 경우, QD 층(1008)은 전극(1020)(애노드로서 역할을 함) 상에 배치될 수 있고, 풀러린 층(1012)은 QD 층(1008) 바로 위에 배치되고, 전극(1024)(캐소드로서 역할을 함)은 풀러린 층(1012) 상에 배치될 수 있다. 전형적인 구현에서, 전극(1024)은 입사 광을 투과시키도록 의도되고, 그에 따라, 투명 재료로 구성된다. 이러한 실시예들에서, 전극(1024)은 전방 전극(입사 광을 수용함)으로 지칭될 수 있고, 다른 전극(1020)은 후방 전극으로 지칭될 수 있다.
일부 실시예들에서는 층(1012)이 제2 양자점 층일 수 있고, 일부 실시예들에서는 층(1012)이 양자점 층과 상이한 풀러린 층일 수 있다는 것을 이해할 것이다. 본원에서 사용되는 바와 같이, QD 층(1008/1012)은 복수의 양자점(QD)들을 포함한다. QD 층들(1008/1012)은 약 5.0 nm 내지 약 5.0 μm의 범위에 있는 두께를 가질 수 있다. 본 맥락에서, 두께는 도 10의 관점에서 수직 방향으로 정의되고, 임의의 특정 기준 프레임에 대한 광전자 디바이스(1000)의 특정 배향에 대해 어떠한 제한도 없다는 것을 이해한다. 본 교시들에 대해 전형적인 구현들에서, QD들은 무기 반도체 재료들로 구성된다. 하나의 특히 유리하지만 비제한적인 예에서, QD들은 납 황화물(PbS) 결정들 또는 입자들이다. 더 일반적으로, QD들은 다양한 II-VI족, I-III-VI족, III-V족, IV족, IV-VI족 및 V-VI족 재료들로부터 선택될 수 있다. 예들은 ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, CdS, CdSe, CdTe, CdO, HgS, HgSe, HgTe, HgO, MgS, MgSe, MgTe, MgO, CaS, CaSe, CaTe, CaO, SrS, SrSe, SrTe, SrO, BaS, BaSe, BaTe 및 BaO와 같은 II-VI족 재료들; CuInS2, Cu(In,Ga)S2, CuInSe2 및 Cu(In,Ga)Se2와 같은 I-III-VI족 재료들; AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs 및 InSb와 같은 III-V족 재료들; Si, Ge 및 C와 같은 IV족 재료들; GeSe, PbS, PbSe, PbTe, PbO, SnSe, SnTe 및 SnS와 같은 IV-VI족 재료들; 및 Sb2Te3, Bi2Te3 및 Bi2Se3와 같은 V-VI족 재료들을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. Fe, Ni 및 Cu의 산화물들, 황화물들 및 인화물들과 같은 전이 금속 화합물들이 적용가능할 수 있다. QD들의 예들은 전술된 종을 포함하는 2원, 3원, 4원 등의 합금들 또는 화합물들(예컨대, SiGe, InGaAs, InGaN, InGaAsP, AlInGaP 등)을 더 포함한다. 다른 QD들은 다른 타입들의 반도체 재료들(예컨대, 특정 유기 및 폴리머 재료들)을 포함할 수 있다. 코어-셸 구조를 갖는 QD의 경우, 셸은 전술된 종 또는 다른 종 중 하나로 구성될 수 있고, 코어 및 셸의 개개의 조성들은 상이할 수 있는데, 예컨대, 코어-셸 조성은 CdSe-ZnS일 수 있다.
관련 기술분야의 통상의 기술자에 의해 인식되는 바와 같이, QD들에 대해 선택되는 조성은 밴드 갭 에너지 또는 파장 감도와 같은 원하는 특성에 기초할 수 있다. 예들로서, PbS, PbSe, PbTe, HgTe, InAs, InP, InSb, InGaAsP, Si, Ge 또는 SiGe와 같은 QD들은 IR 감도를 위해 선택될 수 있는 한편, CdS, CdSe 또는 CdTe와 같은 QD들은 가시광선 감도를 위해 선택될 수 있고, ZnS 또는 ZnSe와 같은 QD들은 UV 감도를 위해 선택될 수 있다. PbS 및 다른 IR 감응형 QD들은 광기전 디바이스들에서 특히 유용한데, 그 이유는 광전자 디바이스들에 의한 변환에 이용가능한 태양 에너지의 대부분이 IR 영역에 있기 때문이다. 청색, UV 및 근적외선 흡수(또는 방출) QD들이 또한 선택될 수 있다. 더욱이, QD들의 크기는 원하는 범위의 전자기 방사선을 흡수 또는 방출하도록 선택될 수 있다. 일반적으로, 임계 크기 미만의 주어진 QD 종의 경우, 더 작은 크기는 더 짧은(더 청색인) 파장들에 더 민감하고, 더 큰 크기는 더 긴(더 적색인) 파장들에 더 민감하다. 게다가, QD들의 광전자 거동은 QD 층(108) 내의 그들의 크기 분포 또는 그들의 형상에 따라 맞춤화될 수 있다. 추가적으로, QD 층(1008/1012)은 2개 이상의 상이한 종(조성) 및/또는 2개 이상의 상이한 특정 크기의 QD들을 포함할 수 있다. 이는 QD 층(1008/1012)의 특성들, 거동 또는 성능의 범위를 확장하는 것이 바람직할 때 유용하다. 예컨대, QD 층(1008/1012) 내의 QD들의 혼합물은 QD 층(1008/1012)이 상이한 대역들의 전자기 스펙트럼들(예컨대, 가시광선 및 IR 방사선, 가시광선 및 UV 방사선 등)에 대해 향상된 응답성을 갖도록 선택될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 상이한 조성 또는 크기의 QD들을 각각 갖는 하나 초과의 별개의 QD 층(1008/1012)이 제공될 수 있다. 2개 이상의 QD 층은 풀러린 층을 내부에 갖는 광전자 디바이스(1000) 내에서 대응하는 수의 별개의 QD-풀러린 접합의 일부를 형성할 수 있다.
QD들은, 예컨대, 콜로이드 합성, 플라즈마 합성, 기상 증착, 에피택셜 성장 및 나노리소그래피와 같은 다양한 알려져 있는 기법들에 의해 형성될 수 있다. QD들의 크기, 크기 분포, 형상, 표면 화학 또는 다른 속성들은 현재 알려져 있거나 또는 나중에 개발되는 임의의 적합한 기법에 의해 원하는 특성들(예컨대, 광자 흡수 및/또는 방출)을 갖도록 엔지니어링 또는 튜닝될 수 있다. QD 층(1008/1012)은 임의의 적합한 방법, 특히, 용액 기반 방법들, 이를테면, 다양한 알려져 있는 코팅 및 인쇄 방법들 또는 닥터 블레이딩에 의해 하부 층(예컨대, 전극(1020) 또는 개재 층) 상에 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, QD들은 매트릭스 또는 호스트 재료를 이용하거나 또는 이용하지 않으면서 아니솔, 옥탄, 헥산, 톨루엔, 부틸아민, 물 등과 같은 유기 캐리어 용매의 용액에 제공되고, 스핀 코팅에 의해 원하는 두께까지 퇴적된다. 그 후, 과량의 용매가 증발, 진공 또는 열 처리에 의해 제거될 수 있다. 형성 후에, QD 층(1008/1012)은 잔류 용매를 포함할 수 있거나 또는 포함하지 않을 수 있다. 퇴적 직후의 QD 층(1008/1012)은 복수의 QD들, QD들의 앙상블 또는 QD들의 어레이를 포함하는 것으로서 특성화될 수 있다. QD들은 매트릭스 재료의 포함 없이 밀집 패킹되지만 다소 독립적일 수 있다. 매트릭스 재료가 없는 경우, QD 층(1008/1012)은 런던 또는 반데르발스 힘에 의해 안정화될 수 있다. 대안적으로, QD들은 의도된 하부 표면 상에 막을 쉽게 형성할 수 있는 폴리머, 졸겔 또는 다른 재료로 구성될 수 있는 매트릭스 재료에서 원하는 밀도 또는 농도로 분산될 수 있다. 일반적으로, 선택되는 매트릭스 재료는 고려되는 전체 광전자 디바이스(100) 및 QD들의 광-전기 또는 전기-광 변환 또는 다른 성능 파라미터들을 향상시키도록 선택된다. 그러한 매트릭스 재료의 일 예는 폴리-3-헥실티오펜과 같은 반도체 폴리머이다. 대안적으로, QD들은 막의 용해성을 낮추기 위해 아래에서 설명되는 바와 같이 그들을 처리함으로써 안정화될 수 있다.
전극(1024)은 전기 전도성이고 전극(1024)이 입사 광을 수용하도록 의도될 때에는 광학적으로 투명한 임의의 재료일 수 있다. 일부 실시예들에서, 전기 전도성 재료는 일반적으로, 상용 또는 산업 등급 회로에서 전류를 통과시키기 위한 전극 또는 콘택으로서 사용하기에 용인가능한 것으로, 즉, 용인가능한 낮은 레벨의 저항 손실을 갖는 것으로 고려되는 것이다. 광학적으로 투명한 재료는 일반적으로, QD 층(1008/1012)의 QD들을 조사하기 위해, 즉, 광자들의 상당한 반사 및 흡수 없이, 충분한 양의 입사 광을 자신의 두께를 통해 통과시키는 것이다. 하나의 비제한적인 예로서, 투명 재료는 (원하는 파장 또는 파장들의 범위의) 입사 전자기 방사선의 적어도 50%가 재료의 두께를 통해 투과되는 것을 허용하는 것일 수 있다. 추가적으로, 전극(1020)의 재료는 QD들의 퇴적에 적합한 표면을 제공하고 일반적으로 신뢰성 있는 저비용 방식으로 광전자 디바이스(1000)의 제작을 용이하게 하는 것이어야 한다.
전극(1024)의 예들은 투명 전도성 산화물(TCO)들, 투명 금속들 및 투명 전도성 폴리머들을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. TCO들은, 예컨대, 주석 산화물(TO), 인듐 주석 산화물(ITO), 아연 산화물(ZnO), 아연 인듐 산화물(ZIO), 아연 인듐 주석 산화물(ZITO), 갈륨 인듐 산화물(GIO) 및 전술된 것들의 추가의 합금들 또는 유도체들을 포함할 수 있다. 주석 산화물은 또한 불소(F)로 도핑될 수 있다. ZnO는 갈륨(Ga) 및/또는 알루미늄(Al)과 같은 III족 원소로 도핑될 수 있고, 그에 따라, ZnxAlyGazO로서 더 일반적으로 화학량론적으로 표현될 수 있고, 여기서, x + y + z = 1, 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 및 0 ≤ z ≤ 1이다. 다른 금속 산화물들뿐만 아니라 비산화물 얇은 막 반도체들이 적합할 수 있다. 금속들의 경우, 다양한 금속들(예컨대, 은, 금, 백금, 티타늄, 리튬, 알루미늄, 마그네슘, 구리, 니켈 등), 금속 포함 합금들(텅스텐과 같은 접착 촉진 층을 갖거나 또는 갖지 않는 다중 층들 또는 2개 이상의 상이한 금속을 포함함), 또는 금속 포함 화합물들은, 금속 전극(1024)이 투명할 정도로 충분히 얇은 한, 즉, "투명 두께"를 갖는 한, 전극(1024)으로서 이용될 수 있다. 광전자 디바이스(1000)가 IR 범위에서 민감하도록 요구되는 경우, 전극(1024)은 IR 파장들에 대해 충분히 투명해야 한다. 전극(1024)은 전형적으로, 예컨대, 화학 기상 증착(CVD), 유기금속 CVD(MOCVD), 라디오 주파수(RF) 또는 마그네트론 스퍼터링, 분자 빔 에피택시(MBE), 이온 빔 에피택시, 레이저 MBE, 펄스 레이저 퇴적(PLD) 등과 같은 진공 퇴적 기법에 의해 제작된다. 조성에 따라, 열 증발 또는 승화와 같은 다른 퇴적 기법들이 적합할 수 있다. 전도성 폴리머가 충분히 투명한 경우 전극(1024)으로서 대안적으로 이용될 수 있고, 용액 기반 프로세스, 스핀 코팅, 딥 코팅, 스프레이 코팅 등에 의해 퇴적될 수 있다. 투명 전도성 폴리머의 하나의 비제한적인 예는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜:폴리스티렌설포네이트(PEDOT:PSS) 및 그의 화학적 동류들 및 유도체들이다. 전도성 탄소 나노튜브(CNT)들 또는 나노시트들(예컨대, 그래핀)의 층이 전극(1024)으로서 이용될 수 있고, CNT들 또는 나노시트들을 둘러싸는 매트릭스 재료를 포함할 수 있거나 또는 포함하지 않을 수 있다. 전극 재료들은 또한 복합 전극(1024)을 형성하기 위해 조합될 수 있다. 하나의 예는 PEDOT:PSS와 같은 계면 품질을 개선하기 위한 전도성 폴리머와 조합된 ITO와 같은 TCO의 사용이다. 다른 실시예에서, 전도체(1024)는 투명할 필요가 없고, 금속들, 금속 포함 합금들 또는 금속 포함 화합물들로부터 선택될 수 있다. 전극들(1020 또는 1024) 중 하나 또는 그들 둘 모두는 투명해야 한다.
전극(들)(1020)이 또한 전극(1024)과 관련된 위의 설명에 따라 제공될 수 있다. 광전자 디바이스의 전형적인 구현들에서, 전극(1020)은 투명할 필요가 없고, 그에 따라, 그의 조성은 전형적으로 금속들, 금속 포함 합금들 또는 금속 포함 화합물들로부터 선택된다. 전극(1020)은 그의 일함수 또는 그의 오믹 콘택으로서의 유용성에 기초하여 선택될 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 전극(1020) 상에 전자 차단 층(1044)을 제공하는 것이 유리할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전자 차단 층은 전극(1020)을 부분적으로만 커버하도록 제작될 수 있다. 부분 커버리지를 제공하는 전자 차단 층(1044)은 불연속 층 또는 막으로 지칭될 수 있다. 불연속 전자 차단 층(1044)은 전극(1020)으로의 정공들의 효율적인 운송을 허용하면서 여기자 및/또는 전자를 차단하는 능력의 최상의 조합을 제공할 수 있다. 이러한 부분 커버리지는 알려져 있는 패터닝 기법들 또는 부분 커버리지만을 생성하도록 적절한 조건들 하에서 막을 퇴적하는 것에 의해 형성될 수 있다. 패터닝 기법들의 예들은 마스크들의 사용, 잉크젯 인쇄에 의한 퇴적 등을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다. 일부 구현들에서, 불연속 전자 차단 층(1044)은 전자 차단 재료를 포함하지 않는 영역들(즉, 전자 차단 층(1044)의 평면 레벨에서 전자 차단 재료가 없음)에 의해 전자 차단 재료의 아일랜드들 또는 영역들이 분리되거나 또는 둘러싸이는 구성을 갖는다. 일부 실시예들에서, 불연속 전자 차단 층(1044)은 전자 차단 재료를 포함하지 않는 영역들이 전자 차단 재료에 의해 둘러싸이는 구성을 갖는다. 따라서, 불연속 전자 차단 층(1044)에서, 전자 차단 층(1044)의 평면 영역의 대부분은 전자 차단 재료에 의해 점유될 수 있거나 또는 점유되지 않을 수 있다. 불연속 전자 차단 층(1044)이 패턴으로서 제공될 때, 패턴은 규칙적이거나 또는 불규칙적일 수 있다. 패턴들의 예들은 일련의 스트라이프들, 다각형들의 어레이, 원들 또는 점들의 어레이 등을 포함하지만 이에 제한되지는 않는다.
위에서 언급된 것들과 같은 정공 차단 층(1042) 및/또는 전자 차단 층(1044)은 또한, 그의 조성 및 그와 계면을 이루는 반도체 층의 특성들에 따라, 광생성된 여기자들을 그들이 해리될 필요가 있는 이종접합의 영역으로 구속하고 그들을 전극/반도체 계면들로부터 멀리 유지하기 위한 여기자 차단 층으로서 역할을 할 수 있다. 정공 차단 층(1042) 및/또는 전자 차단 층(1044)에 추가하여 애노드측 및/또는 캐소드측 여기자 차단 층들이 또한 제공될 수 있다. 관련 기술분야의 통상의 기술자에 의해 인식되는 바와 같이, 여기자 차단 층의 조성은 여기자 차단 층이 애노드(예컨대, 전극(1020))에 인접하게 위치되는지 또는 캐소드(예컨대, 전극(1024))에 인접하게 위치되는지에 의해 좌우될 수 있고, 그에 따라, 여기자 차단 층은 관련 방향으로의 정공 운송 또는 전자 운송을 손상시키지 않는다. 정공 차단 층들, 전자 차단 층들 및 여기자 차단 층들이 이동도의 향상 또는 그들의 구조들의 안정화와 같은 다양한 목적들을 위해 필요에 따라 다른 화합물들로 도핑될 수 있다는 것을 또한 인식한다. 더욱이, 이러한 타입들의 층들은 또한, 제작 프로세스 동안 퇴적 직후의 하부 층들을 보호하기 위한 보호 층들로서 바람직할 수 있다. 관련 기술분야의 통상의 기술자는 전술된 재료들의 예들의 화학적 유도체들 또는 동류들뿐만 아니라 정공 차단 층, 전자 차단 층 및 여기자 차단 층으로서 활용될 수 있는 이러한 재료들의 유사하게 거동하는 대안들의 적용가능성을 인식할 것이다.
위에서 간략하게 논의된 바와 같이, 본 발명의 개념의 일부 실시예들은 얇은 봉합 층들, 예컨대, ALD 얇은 막(들)으로 밀폐 봉합된 콜로이드 양자점 기반 광검출기들을 제공한다. 논의되는 바와 같이, 봉합 층에 대한 다양한 재료들의 이용가능성으로 인해, 밀폐 봉합된 ALD 막(들)은 반사 방지(AR) 코팅들로서 작용하도록 튜닝될 수 있다. 본원에서 논의되는 콜로이드 양자점 광검출기들을 위한 얇은 막 봉합 방법은 적외선 센서 패키징 접근법들과 같은 종래의 방법들에 비해 패키징 비용, 크기 및 중량의 감소를 포함하는 이점들을 제공한다. 콜로이드 양자점 광검출기들을 위한 낮은 비용, 크기, 중량의 봉합 방법은 산업, 모바일 및 자동차 감지 애플리케이션들에 대해 사용될 수 있다.
본 발명의 개념의 실시예들은 본 발명의 개념의 이상적인 실시예들의 개략도들인 단면도들을 참조하여 본원에서 설명된다. 따라서, 예컨대, 제조 기법들 및/또는 허용오차들로 인한 예시들의 형상들로부터의 변동들이 예상될 것이다. 따라서, 본 발명의 개념의 실시예들은 본원에서 예시되는 영역들의 특정 형상들로 제한되는 것으로 해석되지 않아야 하고, 예컨대, 제조로부터 기인하는 형상들의 편차들을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 예컨대, 직사각형으로서 예시되는 주입된 영역은 전형적으로, 주입된 영역으로부터 주입되지 않은 영역으로의 이진 변화가 아니라 그의 에지들에서 둥근 또는 만곡된 피처들 및/또는 주입 농도의 기울기를 가질 것이다. 마찬가지로, 주입에 의해 형성된 매립된 영역은 매립된 영역과 주입이 발생하는 표면 사이의 영역에서 약간의 주입을 발생시킬 수 있다. 따라서, 도면들에 예시된 영역들은 본질적으로 개략적이고, 그들의 형상들은 디바이스의 영역의 정밀한 형상을 예시하는 것으로 의도되지 않고, 본 발명의 개념의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
게다가, "하부(lower)" 또는 "최하부(bottom)" 및 "상부(upper)" 또는 "최상부(top)"와 같은 상대적인 용어들은 도면들에 예시된 바와 같이 하나의 요소의 다른 요소와의 관계를 설명하기 위해 본원에서 사용될 수 있다. 상대적인 용어들은 도면들에 도시된 배향 이외의 디바이스의 상이한 배향들을 포함하는 것으로 의도된다는 것을 이해할 것이다. 예컨대, 도면들 내의 디바이스가 뒤집히는 경우, 다른 요소들의 "하부" 측에 있는 것으로 설명되는 요소들은 다른 요소들의 "상부" 측들에 배향될 것이다. 따라서, "하부"라는 예시적인 용어는 도면의 특정 배향에 따라 "하부"와 "상부"의 배향 둘 모두를 포함할 수 있다. 유사하게, 도면들 중 하나 내의 디바이스가 뒤집히는 경우, 다른 요소들 "아래" 또는 "밑"에 있는 것으로 설명되는 요소들은 다른 요소들 "위"에 배향될 것이다. 따라서, "아래" 또는 "밑"이라는 예시적인 용어들은 위와 아래의 배향 둘 모두를 포함할 수 있다.
게다가, 광검출기의 다양한 층들, 섹션들 및 영역들이 p 타입 및/또는 n 타입인 것으로 논의될 수 있지만, 다수의 디바이스들에서 이러한 전도성 타입들이 디바이스의 기능성에 영향을 미치지 않으면서 스위칭될 수 있다는 것이 관련 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해된다. 요소, 영역 또는 층이 "n 타입"으로 언급되는 경우, 이는 요소, 층 또는 영역이 n 타입 도펀트들, 예컨대, Si, 게르마늄(Ge) 또는 산소로 특정 농도까지 도핑된 것을 의미한다. 요소, 영역 또는 층이 "p 타입"으로 언급되는 경우, 이는 요소, 영역 또는 층이 p 타입 도펀트들, 예컨대, 마그네슘(Mg), 베릴륨(Be), 아연(Zn), 칼슘(Ca) 또는 탄소(C)로 도핑된 것을 의미한다. 일부 실시예들에서, 요소, 영역 또는 층이 "p+" 또는 "n+"로서 논의될 수 있는데, 이는 디바이스 내의 다른 p 타입 또는 n 타입 요소들, 영역들 또는 층들보다 더 높은 도핑 농도를 갖는 p 타입 또는 n 타입 요소, 영역 또는 층을 지칭한다. 마지막으로, 영역들은 에피택셜 영역들, 주입된 영역들 등인 것으로 논의될 수 있다. 이러한 영역들은 동일한 재료를 포함할 수 있지만, 다양한 형성 방법들로부터 기인하는 층은 상이한 특성들을 갖는 영역들을 생성할 수 있다. 다시 말하면, 에피택셜 성장된 영역은 동일한 재료의 주입된 또는 퇴적된 영역과 상이한 특성들을 가질 수 있다.
도면들 및 명세서에서, 본 발명의 개념의 예시적인 실시예들이 개시되었다. 그러나, 본 발명의 개념의 원리들로부터 실질적으로 벗어남 없이, 이러한 실시예들에 대해 다수의 변형들 및 수정들이 이루어질 수 있다. 따라서, 특정 용어들이 사용되지만, 그들은 제한의 목적들을 위한 것이 아니라 일반적이고 설명적인 의미로만 사용되고, 본 발명의 개념의 범위는 다음의 청구항들에 의해 정의된다.

Claims (24)

  1. 콜로이드 양자점 디바이스로서,
    집적 회로;
    상기 집적 회로 상의 콜로이드 양자점 구조체; 및
    상기 콜로이드 양자점 구조체 상의 봉합(encapsulation) 층
    을 포함하고,
    상기 봉합 층은 약 0.5 nm 내지 약 500 nm의 두께를 갖는, 콜로이드 양자점 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    광전자 디바이스를 포함하고,
    상기 광전자 디바이스는,
    제1 전극;
    상기 제1 전극 상의 제1 양자점 층 ― 상기 제1 양자점 층은 복수의 양자점들을 포함함 ―;
    복수의 양자점들을 포함하고 상기 제1 양자점 층 바로 위에 있는 제2 양자점 층; 및
    상기 제2 양자점 층 상의 제2 전극
    을 포함하는, 콜로이드 양자점 디바이스.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제1 양자점 층 사이에서 상기 제1 전극 상에 전자 차단 층을 더 포함하는, 콜로이드 양자점 디바이스.
  4. 제1항에 있어서,
    광전자 디바이스를 포함하고,
    상기 광전자 디바이스는,
    제1 전극;
    상기 제1 전극 상의 양자점 층 ― 상기 양자점 층은 복수의 양자점들을 포함함 ―;
    상기 양자점 층 바로 위의 풀러린 층; 및
    상기 풀러린 층 상의 제2 전극
    을 포함하고,
    상기 양자점 층과 상기 풀러린 층은 전자 이종접합을 형성하는, 콜로이드 양자점 디바이스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 봉합 층은 원자 층 퇴적(ALD) 층을 포함하는, 콜로이드 양자점 디바이스.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 ALD 층은 상기 콜로이드 양자점 구조체 바로 위에 있고,
    상기 콜로이드 양자점 디바이스는,
    상기 ALD 층 상의 에폭시 층; 및
    상기 에폭시 층 상의 유리 층
    을 더 포함하는, 콜로이드 양자점 디바이스.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 콜로이드 양자점 구조체 상의 에폭시 층; 및
    상기 에폭시 층 상의 유리 층
    을 더 포함하고,
    상기 ALD 층은 상기 유리 층 상에 있는, 콜로이드 양자점 디바이스.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 콜로이드 양자점 디바이스는 포토다이오드 디바이스와 광검출기 디바이스 중 하나를 포함하는, 콜로이드 양자점 디바이스.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 콜로이드 양자점 디바이스는 약 250 nm 내지 약 2400 nm의 범위에 있는 스펙트럼 영역에 걸친 감도로 광을 검출하는, 콜로이드 양자점 디바이스.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 봉합 층은 함께 약 0.5 nm 내지 약 500 nm의 두께를 갖는 복수의 교번 층들을 포함하는, 콜로이드 양자점 디바이스.
  11. 다이로서,
    집적 회로;
    상기 집적 회로 상의 복수의 콜로이드 양자점 디바이스들; 및
    상기 복수의 콜로이드 양자점 디바이스들 상의 봉합 층
    을 포함하고,
    상기 봉합 층은 약 0.5 nm 내지 약 500 nm의 두께를 갖는, 다이.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 콜로이드 양자점 디바이스들은 복수의 광전자 디바이스들을 포함하고,
    상기 광전자 디바이스들 각각은,
    제1 전극;
    상기 제1 전극 상의 제1 양자점 층 ― 상기 제1 양자점 층은 복수의 양자점들을 포함함 ―;
    복수의 양자점들을 포함하고 상기 제1 양자점 층 바로 위에 있는 제2 양자점 층; 및
    상기 제2 양자점 층 상의 제2 전극
    을 포함하는, 다이.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 다이는 복수의 개별 콜로이드 양자점 디바이스들로 분리되도록 구성되는, 다이.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 봉합 층은 ALD 층인, 다이.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 ALD 층은 상기 복수의 콜로이드 양자점 디바이스들 바로 위에 있고,
    상기 다이는,
    상기 ALD 층 상의 에폭시 층; 및
    상기 에폭시 층 상의 유리 층
    을 더 포함하는, 다이.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 콜로이드 양자점 디바이스들 상의 에폭시 층; 및
    상기 에폭시 층 상의 유리 층
    을 더 포함하고,
    상기 ALD 층은 상기 유리 층 상에 있는, 다이.
  17. 콜로이드 양자점 디바이스를 제작하는 방법으로서,
    집적 회로를 제공하는 단계 ― 상기 집적 회로는 상기 직접 회로 상에 복수의 콜로이드 양자점 구조체들을 포함함 ―;
    상기 복수의 콜로이드 양자점 구조체들 상에 봉합 층을 형성하는 단계 ― 상기 봉합 층은 약 0.5 nm 내지 약 500 nm의 두께를 가짐 ―; 및
    상기 복수의 콜로이드 양자점 구조체들을 개별 콜로이드 양자점 디바이스들로 분리하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 봉합 층은 Al2O3, Zr2O3, ZnO, InO, SiO2, Si3N4, Hf2O3, TiO2, Ti3N4, SiO, Al2N3 및 TaO2 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 봉합 층을 형성하는 단계는 ALD를 사용하여 상기 봉합 층을 퇴적하는 단계를 포함하는, 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 봉합 층은 약 25 ℃ 내지 약 150 ℃의 온도에서 퇴적되는, 방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 ALD 층은 상기 복수의 콜로이드 양자점 구조체들 바로 위에 형성되고,
    상기 방법은,
    상기 ALD 층 상에 에폭시 층을 형성하는 단계; 및
    상기 에폭시 층 상에 유리 층을 형성하는 단계
    를 더 포함하는, 방법.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 복수의 콜로이드 양자점 구조체들 상에 에폭시 층을 형성하는 단계; 및
    상기 에폭시 층 상에 유리 층을 형성하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 ALD 층은 상기 유리 층 상에 형성되는, 방법.
  23. 제17항에 있어서,
    상기 복수의 콜로이드 양자점 구조체들은 각각 포토다이오드 디바이스와 광검출기 검출기 디바이스 중 하나를 포함하는, 방법.
  24. 제17항에 있어서,
    상기 봉합 층을 형성하는 단계는 함께 약 0.5 nm 내지 약 500 nm의 두께를 갖는 복수의 교번 층들을 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
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