WO2014109444A1 - 광검출 소자 - Google Patents

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WO2014109444A1
WO2014109444A1 PCT/KR2013/005702 KR2013005702W WO2014109444A1 WO 2014109444 A1 WO2014109444 A1 WO 2014109444A1 KR 2013005702 W KR2013005702 W KR 2013005702W WO 2014109444 A1 WO2014109444 A1 WO 2014109444A1
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graphene
layer
photodetecting
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present
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PCT/KR2013/005702
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최석호
김성
김창오
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경희대학교 산학협력단
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells

Definitions

  • the present invention relates to a photodetector, and more particularly, to a photodetector using a photodetector layer in which p-type graphene and n-type graphene are vertically homogeneously bonded.
  • Si, Ge and InGaAs photodetectors are widely used for light detection in the ultraviolet, visible and infrared regions, respectively.
  • Si and Ge operate at room temperature, but the optical detection band is limited and InGaAs must be cooled to 4.2K to achieve high sensitivity.
  • devices that maximize portability, and are bent and transparent are required as next-generation optoelectronic devices. In order to realize this, the device process must be performed using a transparent and curved substrate, but there are many difficulties in fabricating a curved device using materials such as Si, Ge, InGaAs, which are susceptible to heat and grown at high temperatures.
  • Graphene which won the 2010 Nobel Prize in Physics, is a two-dimensional structure with a hexagonal honeycomb of carbon atoms and a thickness of one atom, and due to new properties such as high carrier mobility, high transparency, and electrical properties that do not change when bent or bent. To date, much research has been reported and called the nanomaterial of dreams.
  • graphene is a structure that has no band gap, so it can absorb electrons in a wide range from ultraviolet to infrared to generate electron-hole pairs.
  • Finn-based photodetectors have been reported.
  • the graphene photodetector structure reported so far is controlled with the graphene pn horizontal structure formed near the gate by controlling the charge type and concentration with the gate voltage, or with a material having high efficiency photodetection capability such as PbS or CdSe. It was invented by fabricating a composite structure or a graphene-metal joint.
  • a device having low photodetection capability or structurally practical Therefore, it is of utmost importance to develop a high-performance device that utilizes the excellent properties of graphene while at the same time being easily realized at low cost.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a photodetecting device comprising a graphene p-n vertical homogeneous junction diode by evaluating the photodetection characteristics of the graphene p-n vertical junction prepared according to the amount of doping.
  • One aspect of the photodetecting device of the present invention for solving the above problems is a substrate, a photodetecting layer formed on the substrate, including pn vertical homogeneously bonded graphene, detection of 10E11 (Jones) or more in the 350nm to 1100nm range And a photodetecting layer having a capability, and a first electrode and a second electrode formed on the photodetecting layer.
  • the photodetector layer includes a first graphene and a second graphene that are sequentially stacked, the first graphene is n-type graphene, and the second graphene is p-type graphene. Pin.
  • the first graphene and the second graphene are each a single layer of graphene.
  • the first graphene and the second graphene are formed in contact.
  • the first graphene includes a high resistance layer formed on an interface between the first graphene and the second graphene.
  • the photodetection layer further includes an insertion layer formed between the first graphene and the second graphene.
  • the insertion layer includes one of a semiconductor layer and an insulating layer.
  • the voltage applied to the first electrode and the second electrode is between 2 (V) and 5 (V), and the photodetection layer detects 10E11 (Jones) or more in the range of 350 nm to 1100 nm.
  • the doped graphene may be used to fabricate a photodetecting device including a graphene p-n vertical junction.
  • a photodetecting device including a graphene p-n vertical junction by evaluating the structural, optical, and electrical characteristics according to the amount of doping of the photodetecting device including the manufactured graphene p-n junction, it is possible to provide a foundation for applying graphene to the photodetecting device.
  • various semiconductor layers or insulating layers between p-n vertical junctions of graphene it is expected that a highly efficient photodetector can be manufactured.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a light detecting device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a light detecting device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a logarithmic scale graph illustrating I-V characteristics of a photodetector device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIGS. 4 and 5 are graphs showing an I-V curve according to light irradiation of the photodetecting device according to the exemplary embodiment of the present invention.
  • 6 and 7 are graphs showing the detection ability (detectivity) according to the wavelength of the photodetecting device according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 8 and 9 are graphs illustrating a change in photocurrent according to the intensity of incident light of the photodetecting device according to the exemplary embodiment of the present invention.
  • 10 and 11 are graphs showing the reactivity according to the wavelength of the photodetecting device according to an embodiment of the present invention.
  • 12 and 13 are graphs illustrating quantum efficiency according to a wavelength of a photodetector device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 14 to 17 are graphs showing a reaction rate of a photodetector device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 is a graph showing the stability of the reactivity over time of the photodetecting device according to an embodiment of the present invention.
  • first, second, etc. are used to describe various elements, components and / or sections, these elements, components and / or sections are of course not limited by these terms. These terms are only used to distinguish one element, component or section from another element, component or section. Therefore, the first device, the first component, or the first section mentioned below may be a second device, a second component, or a second section within the technical spirit of the present invention.
  • spatially relative terms below “, “ beneath “, “ lower”, “ above “, “ upper” It may be used to easily describe the correlation of a device or components with other devices or components. Spatially relative terms are to be understood as including terms in different directions of the device in use or operation in addition to the directions shown in the figures. For example, when flipping a device shown in the figure, a device described as “below or beneath” of another device may be placed “above” of another device. Thus, the exemplary term “below” can encompass both an orientation of above and below. The device may be oriented in other directions as well, in which case spatially relative terms may be interpreted according to orientation.
  • FIG. 1 a light detecting device according to an embodiment of the present invention will be described.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a light detecting device according to an embodiment of the present invention.
  • the photodetector 1 includes a substrate 100, a photodetection layer 150, a first electrode 210, and a second electrode 310.
  • the substrate 100 may be, for example, a rigid substrate such as a silicon substrate, a silicon on insulator (SOI) substrate, a gallium arsenide substrate, a silicon germanium substrate, a ceramic substrate, a quartz substrate, or a glass substrate for a display, or a polyimide.
  • a rigid substrate such as a silicon substrate, a silicon on insulator (SOI) substrate, a gallium arsenide substrate, a silicon germanium substrate, a ceramic substrate, a quartz substrate, or a glass substrate for a display, or a polyimide.
  • PET Polyethylene terephthalate
  • PEN Polyethylene naphthalate
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • PC Polycarbonate
  • PES polyether sulfone
  • the substrate may be, for example, a transparent substrate capable of transmitting light.
  • the photodetection layer 150 is formed on the substrate 100.
  • the photodetection layer 150 may include a first graphene 200 and a second graphene 300.
  • the width of the photodetecting layer () may be substantially the same as the area of the region where the first graphene 200 and the second graphene 300 overlap, that is, the region of the second graphene 300.
  • the first graphene 200 and the second graphene 300 included in the photodetection layer 150 may be pn diodes that are vertically and homogeneously bonded.
  • the photodetecting layer 150 may have a detection capability of 10E11 Jones (cmHz 1/2 / W) or more, for example, in a range of 350 nm to 1100 nm. Detectivity of the photodetecting layer 150 will be described in detail with reference to the experimental results.
  • the photodetection layer 150 includes a first graphene 200 and a second graphene 300 sequentially stacked on the substrate 100.
  • the first graphene 200 and the second graphene 300 may have a first conductivity type and a second conductivity type, respectively, and the first conductivity type and the second conductivity type are different conductivity types.
  • the first graphene 200 is n-type graphene
  • the second graphene 300 is described as p-type graphene, but is not limited thereto. That is, the first graphene 200 may be p-type graphene, and the second graphene 300 may be n-type graphene.
  • the reason for describing the conductivity type of the first graphene 200 as n type is as follows.
  • Pristine graphene or n-type graphene that is not doped with impurities may have a p-type property in air. This is because graphene reacts with oxygen in the air and has a p-type property. Therefore, if the conductivity type of the second graphene 200 is n-type, since it is exposed to air, it may change to p-type over time. By such a phenomenon, the n-type concentration of the p-type first graphene 200 and the second graphene 300 near the boundary may be changed.
  • the conductivity type of the first graphene 200 will be described as n type.
  • the first graphene 200 and the second graphene 300 may be, for example, two-dimensional plate-shaped forms of a single layer, but are not limited thereto.
  • the first graphene 200 and the second graphene 300 which are vertically bonded to the photodetection layer 150 may be formed in direct contact with each other, but are not limited thereto. That is, an insertion layer may be formed between the first graphene 200 and the second graphene 300, which will be described with reference to FIG. 2.
  • the first graphene 200 may include a high resistance layer or an insulating layer on the interface 250 in contact with the second graphene 300.
  • the high resistance layer included in the first graphene 200 is not formed by inserting another material between the first graphene 200 and the second graphene 300, and doping the first graphene 200.
  • the layer may appear as a result of adjusting the concentration. Details of the high resistance layer included in the first graphene 200 will be described again based on the experimental results.
  • the first electrode 210 and the second electrode 310 are formed on the photodetection layer 150, respectively. That is, the first electrode 210 and the second electrode 310 are formed on the first graphene 200 and the second graphene 300 which are p-n vertical homogeneously bonded, respectively.
  • the first electrode 210 is formed on the n-type first graphene 200
  • the second electrode 310 is formed on the p-type second graphene 300. Is formed.
  • the first electrode 210 and the second electrode 310 may include a material forming ohmic contact with the graphene, and may include silver (Ag), for example.
  • the first electrode 210 and the second electrode 310 may be a single layer, but are not limited thereto.
  • Each of the first electrode 210 and the second electrode 310 may further include an insertion layer (not shown) to reduce contact resistance with graphene.
  • the first electrode 210 and the second electrode 310 are illustrated on the same surface of the photodetection layer 150 and are disposed in a lateral type, but are not limited thereto. That is, the first electrode 210 and the second electrode 310 may be formed on a corresponding surface of the photodetection layer 150 to be disposed in a vertical type. In other words, the first electrode 210 may be disposed between the substrate 100 and the first graphene 200, and the second electrode 310 may be disposed on the second graphene 300.
  • the present embodiment is substantially the same as the above-described embodiment except that the light-detecting layer further includes an insertion layer, the same reference numerals are used for the same parts as the above-described embodiments, and the description thereof will be briefly provided. It will be omitted.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a light detecting device according to another embodiment of the present invention.
  • the photodetector 2 includes a substrate 100, a photodetector layer 150, a first electrode 210, and a second electrode 310.
  • the photodetection layer 150 includes a first graphene 200 and a second graphene 300, and an insertion layer 350 interposed between the first graphene 200 and the second graphene 300. It includes more.
  • the first graphene 200 and the second graphene 300 may be, for example, two-dimensional plate-like forms of a single layer.
  • an insertion layer 350 is formed between the first graphene 200 and the second graphene 300.
  • the insertion layer 350 may be formed in contact with the first graphene 200 and the second graphene 300, respectively.
  • the insertion layer 350 may include, for example, one of a semiconductor layer and an insulating layer.
  • the insulating layer used as the insertion layer 350 may include, for example, one of BN, MoS 2, SiO 2, Al 2 O 3, HfO 2, ZrO 2, and WS 2, but is not limited thereto.
  • the first graphene 200 and the second graphene 300 are in direct contact with each other to form a p-n vertical junction diode. That is, in FIG. 1, the first graphene 200 has been described as including a high resistance layer or an insulating layer on the interface 250 in contact with the second graphene 300.
  • the first graphene 200 in contact with the second graphene 300.
  • the interface 250 may not include a high resistance layer or an insulating layer. That is, in the photodetecting device according to the exemplary embodiment, the insertion layer 350 may be interposed instead of the high resistance layer or the insulating layer included in the first graphene 200. Through this, the first graphene 200, the insertion layer 350, and the second graphene 300 sequentially stacked may form a p-n vertical junction diode.
  • FIG. 1 a method of manufacturing a light detecting device according to an embodiment of the present invention will be described.
  • the first pristine graphene which is not doped with impurities is prepared and disposed on the substrate 100 to form the first pristine graphene on the substrate 100.
  • the first pristine graphene formed on the substrate 100 may be, for example, a single layer of graphene.
  • the first doping solution may be dropped onto the first pristine graphene.
  • the dropped first doping solution may be adsorbed onto the first pristine graphene.
  • the first doping solution may include a first impurity, for example, the first impurity may be benzyl viologen (BV).
  • the first pristine graphene may be maintained for a predetermined time while being applied with the first doping solution.
  • a portion of the first doping solution may be adsorbed onto the first pristine graphene.
  • the amount of the first doping solution adsorbed on the first pristine graphene may increase, and thus the amount of the first impurity adsorbed may increase.
  • the first doping solution adsorbed on the first pristine graphene is uniformly applied on the first pristine graphene. While uniformly applying the first doping solution onto the first pristine, the first doping solution that has not been adsorbed onto the first pristine can be removed. Uniform application of the first doping solution onto the first pristine may use, for example, a spin coater. This is because when the spin coater is used, the first doping solution may be uniformly spread on the first pristine graphene, and the non-adsorbed first doping solution may be removed.
  • the spin coater can be rotated, for example, at 1000 to 3000 rpm.
  • the spin coater may, for example, rotate the first pristine graphene applied with the first doping solution for 30 seconds to 2 minutes.
  • the first pristine graphene coated with the first doping solution is heat-treated.
  • RTA Rapid Thermal Annealing
  • the heat treatment temperature may be, for example, 100 degrees Celsius to 300 degrees
  • the heat treatment time may be, for example, 10 minutes to 30 minutes.
  • the n-type first graphene 200 may be formed on the substrate 100.
  • the first graphene 200 may be in contact with the first graphene 200 to form a p-type second graphene 300. A portion of the first graphene 200 may be exposed by the second graphene 300.
  • the second pristine graphene is disposed on the first graphene 200 of the first conductivity type.
  • the second pristine graphene may be, for example, a single layer of graphene.
  • the second doping solution including the second impurity may be adsorbed onto the second pristine graphene. Since the conductivity type of the second graphene 300 is p-type, the second impurity may be, for example, gold chloride (AuCl 3 ).
  • the second pristine graphene to which the second doping solution is adsorbed may be maintained for a predetermined time to adjust the amount of the second doping solution adsorbed onto the second pristine graphene.
  • a second doping solution adsorbed using a spin coater may be uniformly applied onto the second pristine graphene. Thereafter, the second pristine graphene coated with the second doping solution is heat-treated. Through this, the photodetecting layer 150 having the p-type second graphene 300 is formed on the n-type first graphene 200. Since the spin coater and the heat treatment method are substantially the same as those of forming the first graphene 200, they are omitted.
  • first electrode 210 and the second electrode 310 are formed on the exposed first graphene 200 and the second graphene 300, that is, on the photodetection layer 150, respectively.
  • an insertion layer between the formation of the n-type first graphene 200 and the formation of the p-type second graphene 300 ( 350 only need to further include the process of forming.
  • 3 is a logarithmic scale graph illustrating I-V characteristics of a photodetector device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 4 and 5 are graphs showing an I-V curve according to light irradiation of the photodetecting device according to the exemplary embodiment of the present invention.
  • 6 and 7 are graphs showing the detection ability (detectivity) according to the wavelength of the photodetecting device according to an embodiment of the present invention.
  • 8 and 9 are graphs illustrating a change in photocurrent according to the intensity of incident light of the photodetecting device according to the exemplary embodiment of the present invention.
  • 10 and 11 are graphs showing the reactivity according to the wavelength of the photodetecting device according to an embodiment of the present invention.
  • 12 and 13 are graphs illustrating quantum efficiency according to a wavelength of a photodetector device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 14 to 17 are graphs illustrating a reaction rate of the photodetecting device according to the exemplary embodiment of the present invention.
  • 18 is a graph showing the stability with time of the light-detecting device according to an embodiment of the present invention.
  • 3 shows a doping time of the p-type second graphene in the photodetection layer at 5 minutes, and shows I-V characteristics of the photodetecting device as the doping time of the n-type first graphene is changed.
  • the doping concentration of the n-type first graphene was changed through the doping time.
  • the doping time of the p-type second graphene is constant, the doping time of the n-type first graphene increases, so that the n-type first graphene and the p-type second graphene that are vertically bonded are increased. Diode characteristics in the photodetecting device including the was confirmed. Through this, it can be inferred that a high resistance layer or an insulating layer was formed on the n-type first graphene surface of Experimental Examples D4 and D5 having an increased doping time. That is, the n-type first graphene can be confirmed through an experimental result that the high-resistance layer formed on the interface between the first graphene and the second graphene.
  • FIG. 4 is a graph showing a change in current according to the applied voltage of Experimental Example D4
  • FIG. 5 is a graph showing a change in current according to the applied voltage of Experimental Example D5.
  • a xenon lamp was used as the light source.
  • the monochromatic light extracted by injecting light generated from the xenon lamp into a monochromatic spectrometer was irradiated to Experimental Examples D4 and D5 of FIG. 3.
  • the current is the sum of the dark current and the photo current, and the photocurrent does not occur even when the monochromatic light is irradiated to the reverse voltage, but the photocurrent is generated when the monochromatic light is irradiated to the forward voltage. have.
  • FIG. 6 is a graph showing the detection capability according to the wavelength of Experimental Example D4
  • FIG. 7 is a graph showing the detection capability according to the wavelength of Experimental Example D5.
  • Experimental Example D4 shows a detection capability of 10 12 Jones or more when the applied voltage from the ultraviolet to the near infrared region, that is, the driving voltage of the photodetector is 2 V or more and 5 V or less. In particular, the best detectability is observed at an applied voltage of 2V.
  • Such detectability is similar to or exceeds that of commercially available Si photodetectors and InGaAs photodetectors.
  • Experimental Example D5 is relatively smaller than Experimental Example D4, but exhibits a detection capability of 10 11 Jones or more at an applied voltage of 2V or more and 5V or less from ultraviolet to near infrared region.
  • the excellent detection capability of the photodetecting device of the present invention will be described below. That is, in the case of commercially available Si photodetectors or InGaAs photodetectors, the wavelength range for detecting light has been specialized. However, the photodetecting device of the present invention exhibits a detection capability of 10 11 Jones or more in the range of 350 nm to 1100 nm. In the case of the photodetecting device of the present invention, a detection capability of 10 11 Jones or more is shown at room temperature without using a separate cooling device or the like.
  • FIG. 8 is a graph showing a change of photocurrent according to the intensity of incident light of Experimental Example D4
  • FIG. 9 is a graph showing a change of photocurrent depending on the intensity of incident light of Experimental Example D5.
  • LDR linear dynamic range
  • the intensity of light irradiated to the photodetecting layer of the photodetecting device is 10 ⁇ 8 (W / cm 2 ) to 10 ⁇ 4 (W / cm 2). It can be seen that the photocurrent of the photodetecting device increases from 10 ⁇ 8 (A / cm 2 ) to 10 ⁇ 4 (A / cm 2 ) with increasing).
  • FIG. 10 is a graph showing responsibility according to the wavelength of Experimental Example D4, and FIG. 11 is a graph showing the reactivity of the wavelengths of Experimental Example D5. 10 and 11 represent voltages applied to the photodetecting elements.
  • the reactivity rapidly increases.
  • the optical reactivity rapidly increases from about 0.3 A / W to about 0.6 A / W, then gradually increases to a maximum of about 0.7 A / W at 900 nm. Indicates.
  • Experimental Example D4 also has a light detection capability in a region of 350 nm to 1100 nm, that is, a wide region from ultraviolet to near infrared.
  • Experimental Example D5 also has a light detection capability in a region of 350 nm to 1100 nm, that is, a wide region from ultraviolet to near infrared.
  • FIG. 12 is a graph showing quantum efficiency according to the wavelength of Experimental Example D4, and FIG. 13 is a graph showing quantum efficiency according to the wavelength of Experimental Example D5.
  • FIG. 14 to 17 show the response speed of the photocurrent when periodic light is applied to the photodetecting device. 14 and 15 are measured using a 532nm pulse laser having a 20ps, 20Hz as a light source.
  • FIG. 16 is a graph illustrating a time when a photocurrent increases in response to light to which the photodetecting device is applied, and
  • FIG. 17 is a graph illustrating a decay time when the generated photocurrent disappears.
  • the charge transport kinetics of the photodetecting device can be performed.
  • the response time to light can be divided into rising time and decay time.
  • the photodetecting devices corresponding to Experimental Examples D4 and D5 operate stably even with repeated pulsed light irradiation irrespective of voltage changes. That is, each time a pulse is applied, a photocurrent occurs, and the magnitude of the photocurrent is almost constant.
  • the decay time ⁇ decay is relatively shorter than the rise time ⁇ rising . That is, the photoreaction time of the photodetecting device is determined by the decay time of the photodetecting device. Overall, the reaction rate of the photodetecting device of Experimental Example D4 is faster than the reaction rate of the photodetecting device of Experimental Example D5.
  • the rise time of the photodetecting device corresponding to Experimental Example D4 increases from 1.5V to 5V, it gradually increases from 62ns to 139ns.
  • the decay time of the photodetecting device increases from 0.9 mW to 21 mW with the increase of the applied voltage. That is, the photoreaction time of the photodetecting device is determined by the decay time of the photodetecting device, and the photodetecting device is operated in tens of microseconds.
  • the rise time of the photodetecting device corresponding to Experimental Example D5 increases from 1.5V to 5V, it gradually increases from 41ns to 110ns.
  • the decay time of the photodetecting device increases from 2 mW to 52 mW with an increase in the applied voltage.
  • 18 shows the stability of the photodetecting device by measuring the reactivity with time of Experimental Example D4.
  • 18 is a graph showing a case where the wavelength of light irradiated to the photodetecting device is 600 nm.
  • the photodetecting device of Experimental Example D4 was exposed to the atmosphere for 6 months, the photoreactivity of the photodetecting device did not change. That is, the photodetecting device using p-n vertically bonded graphene as the photodetecting layer shows a fairly stable characteristic in the atmosphere.

Abstract

도핑 양에 따라 제조된 그래핀 p-n 수직 접합의 광검출 특성을 평가함으로써, 그래핀 p-n 수직 균질 접합 다이오드를 포함하는 광검출 소자를 제공하는 것이다. 상기 광검출 소자는 기판, 상기 기판 상에 형성된 광검출층으로서, p-n 수직 균질 접합된 그래핀을 포함하고, 350nm 내지 1100nm 범위에서 10E11(Jones) 이상의 검출능을 갖는 광검출층, 및 상기 광검출층 상에 형성되는 제1 전극 및 제2 전극을 포함한다.

Description

광검출 소자
본 발명은 광검출 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 p형 그래핀과 n형 그래핀이 수직 균질 접합된 광검출층을 이용한 광검출 소자에 관한 것이다.
최근 들어 빛을 검출하여 전기 신호로 변환해 주는 광검출 소자에 대한 연구가 끊임없이 보고되고 있다. 이미 상용화된 Si, Ge 및 InGaAs 광검출 소자가 각각 자외선, 가시광선, 적외선 영역의 광 탐지에 널리 사용되고 있다. 하지만 Si과 Ge 같은 경우는 상온에서 작동되지만, 광 검출 대역이 제한적이고 InGaAs는 4.2 K까지 냉각해야만 고감도의 성능을 발휘할 수 있다. 또한, 최근 휴대성을 극대화하고 투명하고 휘어지는 소자들이 차세대 광전자 소자로서 요구되고 있다. 이를 실현시키기 위해, 투명하고 휘어지는 기판을 사용하여 소자 공정이 진행되어야 하지만 이러한 기판은 열에 취약해 고온에서 성장되는 Si, Ge, InGaAs 같은 물질을 사용하여 휘어지는 소자를 제작하기에는 많은 어려움이 있다. 설령 제작이 가능하다 하여도 제조 공정이 까다롭고, 그에 따라 발생되는 많은 비용들을 피할 수 없어 상용화하는데 많은 제약이 따른다. 따라서, 공정이 단조롭고 비용이 적게 들며 휘어지거나 투명한 기판에 적용될 뿐만 아니라 넓은 영역의 빛을 검출할 수 있고, 고감도, 고효율을 발휘할 수 있는 광검출 소자 제작에 적합한 물질 및 구조를 모색해야 한다.
2010년 노벨 물리학상을 일궈낸 그래핀은 탄소 원자가 6각형의 벌집모양으로 이루어져 있고 원자 1개의 두께를 가지고 있는 이차원 구조로서 높은 캐리어 이동도, 높은 투명도 늘리거나 구부려도 변하지 않는 전기적 성질과 같은 새로운 특성들 때문에 현재까지 많은 연구가 보고되고 있고 꿈의 나노 물질로 불리고 있다. 특히, 그래핀은 띠 간격이 없는 구조여서 자외선부터 적외선까지 넓은 영역의 빛을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)들을 발생시킬 수 있어 차세대 광전자 소자로서 촉망을 받고 있는 물질이며 현재까지 그래핀을 기반으로 하는 광검출 소자에 대한 연구가 보고되고 있다.
그러나, 지금까지 보고된 그래핀 광검출 소자 구조는 게이트 전압으로 전하 종류 및 농도를 조절하여 게이트 근처에서 형성되는 그래핀 p-n 수평구조나 PbS 또는 CdSe와 같이 고효율의 광검출 능력이 증명된 물질과의 복합 구조, 또는 그래핀-금속 접합 등으로 제작되어 발명되었다. 그러나, 광검출 능력이 떨어지거나 구조적으로 실질적인 소자 적용에 있어 많은 어려움이 따른다. 따라서, 그래핀의 우수한 특성들을 이용하면서, 동시에 저비용으로 쉽게 실현 가능한 고성능의 소자를 개발하는 것은 무엇보다 중요하다.
그래핀의 p-n 접합구조는 클라인 터널링 (Klein tunneling) 효과로 인해 전형적인 다이오드 정류특성이 나타나지 않았으며, 이로 인하여 높은 암전류(dark current)가 발생하기 때문에 고효율의 광검출 소자 분야의 응용에는 어려움이 따랐다. 따라서, 고효율의 그래핀 광검출 소자 개발을 위하여는 암전류를 낮추고, 광전류를 높여야 한다. 또한, 그래핀이나 n-형 그래핀은 대기 중에 노출되면 전기적 특성이 p형으로 변하기 때문에 이런 문제도 함께 극복해야 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 도핑 양에 따라 제조된 그래핀 p-n 수직 접합의 광검출 특성을 평가함으로써, 그래핀 p-n 수직 균질 접합 다이오드를 포함하는 광검출 소자를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 광검출 소자의 일 태양은 기판, 상기 기판 상에 형성된 광검출층으로서, p-n 수직 균질 접합된 그래핀을 포함하고, 350nm 내지 1100nm 범위에서 10E11(Jones) 이상의 검출능을 갖는 광검출층, 및 상기 광검출층 상에 형성되는 제1 전극 및 제2 전극을 포함한다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 광검출층은 순차적으로 적층된 제1 그래핀과 제2 그래핀을 포함하고, 상기 제1 그래핀은 n형 그래핀이고, 제2 그래핀은 p형 그래핀이다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 제1 그래핀과 상기 제2 그래핀은 각각 단일층의 그래핀이다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 제1 그래핀과 상기 제2 그래핀은 접촉하여 형성된다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 제1 그래핀은 상기 제1 그래핀과 상기 제2 그래핀의 경계면에 형성되는 고저항층을 포함한다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 광검출층은 상기 제1 그래핀과 상기 제2 그래핀 사이에 형성된 삽입층을 더 포함한다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 삽입층은 반도체층 및 절연층 중 하나를 포함한다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 인가되는 전압이 2(V) 내지 5(V) 사이에서, 상기 광검출층은 350nm 내지 1100nm 범위에서 10E11(Jones) 이상의 검출능을 갖는다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및도면들에 포함되어 있다.
도핑된 그래핀을 활용하여 그래핀 p-n 수직 접합을 포함하는 광검출 소자를 제작할 수 있다. 또한, 제작된 그래핀 p-n 접합을 포함하는 광검출 소자의 도핑 양에 따른 구조적, 광학적, 전기적 특성을 평가하여, 그래핀을 광검출 소자에 응용할 수 있는 기반을 마련할 수 있다. 나아가, 그래핀의 p-n 수직 접합 사이에 다양한 반도체층이나 절연층을 삽입함으로써, 고효율의 광검출 소자의 제작이 가능할 것으로 기대된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광검출 소자의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광검출 소자의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광검출 소자의 I-V 특성을 나타내는 로그 스케일 그래프이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광검출 소자의 광 조사에 따른 I-V 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광검출 소자의 파장에 따른 검출능(detectivity)를 나타내는 그래프이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광검출 소자의 입사되는 빛의 강도에 따른 광전류의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 광검출 소자의 파장에 따른 반응도를 나타내는 그래프이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 광검출 소자의 파장에 따른 양자 효율을 나타내는 그래프이다.
도 14 내지 도 17은본 발명의 일 실시예에 따른 광검출 소자의 반응 속도를 나타내는 그래프이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 광검출 소자의 시간에 따른 반응도의 안정도를 나타내는 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 ""직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below 또는 beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있으며, 이 경우 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
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.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하에서, 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 광검출 소자에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광검출 소자의 단면도이다.
도 1을 참고하면, 광검출 소자(1)는 기판(100), 광검출층(150), 제1 전극(210) 및 제2 전극(310)을 포함한다.
기판(100)은 예를 들어, 실리콘 기판, SOI(Silicon On Insulator) 기판, 갈륨 비소 기판, 실리콘 게르마늄 기판, 세라믹 기판, 석영 기판, 또는 디스플레이용 유리 기판 등의 강성 기판이거나, 폴리이미드(polyimide), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET: PolyEthylene Terephthalate), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN: PolyEthylene Naphthalate), 폴리 메틸메타크릴레이트(PMMA: Poly Methyl MethAcrylate), 폴리카보네이트(PC: PolyCarbonate), 폴리에테르술폰(PES), 폴리에스테르(Polyester) 등의 가요성 플라스틱 기판일 수 있다. 또한, 기판은 예를 들어, 빛을 투과시킬 수 있는 투명한 기판일 수 있다.
광검출층(150)은 기판(100) 상에 형성된다. 광검출층(150)은 제1 그래핀(200)과 제2 그래핀(300)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 광검출층()의 넓이는 제1 그래핀(200)과 제2 그래핀(300)이 오버랩된 영역 즉, 제2 그래핀(300)의 영역의 넓이와 실질적으로 동일할 수 있다. 광검출층(150)에 포함되는 제1 그래핀(200)과 제2 그래핀(300)은 수직으로 균질 접합된 p-n다이오드일 수 있다. 광검출층(150)은 예를 들어, 350nm 내지 1100nm 범위에서, 10E11 Jones(cmHz1/2/W) 이상의 검출능을 가질 수 있다. 광검출층(150)의 검출능(Detectivity)에 대해서는 실험 결과를 참고하여 자세히 설명한다.
광검출층(150)은 기판(100) 상에 순차적으로 적층된 제1 그래핀(200)과 제2 그래핀(300)을 포함한다. 제1 그래핀(200)과 제2 그래핀(300)은 각각 제1 도전형과 제2 도전형을 가질 수 있고, 제1 도전형과 제2 도전형은 서로 다른 도전형이다. 본 발명의 실시예들에따른 광검출 소자에서, 제1 그래핀(200)은 n형 그래핀이고, 제2 그래핀(300)은 p형 그래핀인 것으로 설명하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, 제1 그래핀(200)은 p형 그래핀이고, 제2 그래핀(300)은 n형 그래핀일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 광검출 소자에서, 제1 그래핀(200)의 도전형을 n형으로 설명하는 이유는 다음과 같다. 불순물을 도핑하지 않은 프리스틴(pristine) 그래핀 또는 n형 그래핀은 공기 중에서 p형의 성질을 가질 수 있다. 이는 그래핀은 공기 중의 산소와 반응을 하여, p형의 성질을 갖기 때문이다. 따라서, 만약 제2 그래핀(200)의 도전형을 n형으로 한다면, 공기 중에 노출되어 있기 때문에, 시간이 지남에 따라, p형으로 변화될 수 있다. 이와 같은 현상에 의해, p형인 제1 그래핀(200)과 경계 부근에서의 제2 그래핀(300)의 n형 농도가 변할 수 있다. p-n 다이오드의 접합 부분에서의농도가 변하게 되면, 신뢰할 수 있는 p-n 수직 접합 다이오드의 결과를 얻을 수 없다. 이와 같은 이유에 의해, 본 발명의 실시예에 대한 설명에서, 제1 그래핀(200)의 도전형을 n형으로 설명한다.
제1 그래핀(200)과 제2 그래핀(300)은 예를 들어, 단층으로 이루어진 2차원의 판상 형태일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
광검출층(150)에 수직으로 접합되어 있는 제1 그래핀(200)과 제2 그래핀(300)은 서로 간에 직접 접촉하여 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, 제1 그래핀(200)과 제2 그래핀(300) 사이에 삽입층이 형성될 수 있고, 이에 대해서는 도 2를 참고하여 설명한다.
제1 그래핀(200)은 제2 그래핀(300)과 접하는 경계면(250)에 고저항층 또는 절연층을 포함할 수 있다. 제1 그래핀(200)에 포함되는 고저항층은 제1 그래핀(200)과 제2 그래핀(300) 사이에 다른 물질을 삽입하여 형성하는 것이 아니고, 제1 그래핀(200)의 도핑 농도를 조절한 결과 나타나는 층일 수 있다. 제1 그래핀(200)에 포함되는 고저항층에 관한 내용은 실험 결과를 바탕으로 다시 설명하도록 한다.
제1 전극(210) 및 제2 전극(310)은 각각 광검출층(150) 상에 형성된다. 즉, 제1 전극(210) 및 제2 전극(310)은 p-n 수직 균질 접합된 제1 그래핀(200) 및 제2 그래핀(300) 상에 각각 형성된다. 본 발명의 실시예에 따른 광검출 소자에서, 제1 전극(210)은 n형인 제1 그래핀(200) 상에 형성되고, 제2 전극(310)은 p형인 제2 그래핀(300) 상에 형성된다. 제1 전극(210) 및 제2 전극(310)은 그래핀과 오믹 컨택(Ohmic contact)을 형성하는 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어, 은(Ag)를 포함할 수 있다. 제1 전극(210) 및 제2 전극(310)은 단일 층일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 각각 그래핀과 접촉 저항을 줄일 수 있는 삽입층(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
도 1에서, 제1 전극(210) 및 제2 전극(310)은 광검출층(150)의 동일한 면 상에 형성되어 측면 형태(lateral type)으로 배치되는 것으로 도시되었으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, 제1 전극(210) 및 제2 전극(310)은 광검출층(150)의 대응되는 면상에 형성되어 수직 형태(vertical type)으로 배치될 수 있다. 다시 말하면, 제1 전극(210)은 기판(100)과 제1 그래핀(200) 사이에 배치되고, 제2 전극(310)은 제2 그래핀(300) 상에 배치될 수 있다.
도 2을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광검출 소자에 대해 설명한다. 본 실시예는 광검출층에삽입층을 더 포함하는 것을 제외하고는 전술한 실시예와 실질적으로 동일하므로, 전술한 실시예와 중복되는 부분에 대하여는 동일한 도면부호를 기재하고 그에 대한 설명은 간략히 하거나 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광검출 소자의 단면도이다.
도 2를 참고하면, 광검출 소자(2)는 기판(100), 광검출층(150), 제1 전극(210) 및 제2 전극(310)을 포함한다. 광검출층(150)은 제1 그래핀(200)과 제2 그래핀(300)을 포함하고, 제1 그래핀(200)과 제2 그래핀(300) 사이에 개재된 삽입층(350)을 더 포함한다.
제1 그래핀(200)과 제2 그래핀(300)은 예를 들어, 단층으로 이뤄진 2차원의 판상 형태일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광검출 소자와 달리, 제1 그래핀(200) 및 제2 그래핀(300) 사이에 삽입층(350)이 형성된다. 삽입층(350)은 제1 그래핀(200) 및 제2 그래핀(300)과 각각 접촉하여 형성될 수 있다. 삽입층(350)은 예를 들어, 반도체층 및 절연층 중 하나를 포함할 수 있다. 삽입층(350)으로 사용되는 절연층은 예를 들어, BN, MoS2, SiO2, Al2O3, HfO2, ZrO2 및 WS2 중 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광검출 소자에서, 제1 그래핀(200)과 제2 그래핀(300)은 직접 접촉하여, p-n 수직 접합 다이오드를형성하는 것으로 설명하였다. 즉, 도 1에서, 제1 그래핀(200)은 제2 그래핀(300)과 접하는 경계면(250)에 고저항층 또는 절연층을 포함하는 것으로 설명하였다.
하지만, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광검출 소자(2)는 광검출층(150)이 p-n 수직 접합 다이오드를 형성하기 위해, 제1 그래핀(200)은 제2 그래핀(300)과 접하는 경계면(250)에 고저항층 또는 절연층을 포함하지 않을 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 광검출 소자에서, 제1 그래핀(200)에 포함된 고저항층 또는 절연층을 대신하여 삽입층(350)이 개재될 수 있다. 이를 통해, 순차적으로 적층된 제1 그래핀(200), 삽입층(350) 및 제2 그래핀(300)은 p-n 수직 접합 다이오드를 형성할 수 있다.
이하에서, 도 1을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 광검출 소자를 제조하는 방법에 대해서 설명한다.
불순물이 도핑되지 않은 제1 프리스틴 그래핀을 제조하여 기판(100) 상에 배치하여, 기판(100) 상에 제1 프리스틴 그래핀을 형성한다. 기판(100) 상에 형성된 제1 프리스틴 그래핀은 예를 들어, 단층의 그래핀일 수 있다. 제1 프리스틴 그래핀 상에 제1 도핑 용액을 떨어뜨릴 수 있다. 떨어뜨려진 제1 도핑 용액은 제1 프리스틴 그래핀에 흡착될 수 있다. 제1 그래핀(200)의 도전형은 n형이므로, 제1 도핑 용액은 제1 불순물을 포함할 수 있고, 예를 들어, 제1 불순물은 벤질 비올로젠(Benzyl Viologen, BV)일 수 있다. 제1 프리스틴 그래핀이 제1 도핑 용액으로 도포된 상태로 일정 시간 동안 유지될 수 있다. 제1 도핑 용액이 도포된 시간 동안, 제1 도핑 용액 일부는 제1 프리스틴 그래핀에 흡착될 수 있다. 제1 도핑 용액이 도포되어 있는 시간이 증가하면, 제1 프리스틴 그래핀에 흡착되는 제1 도핑 용액의 양이 증가할 수 있고, 이를 통해 흡착되는 제1 불순물의 양이 증가할 수 있다.
일정 시간이 경과 후, 제1 프리스틴 그래핀 상에 흡착된 제1 도핑 용액은 제1 프리스틴 그래핀 상에 균일하게 도포된다. 제1 프리스틴 상에 제1 도핑 용액을 균일하게 도포하면서, 제1 프리스틴에 흡착되지 못한 제1 도핑 용액은 제거될 수 있다. 제1 프리스틴 상에 제1 도핑 용액을 균일하게 도포하는 것은 예를 들어, 스핀 코터(spin coater)를 이용할 수 있다. 스핀 코터를 이용할 경우, 제1 프리스틴 그래핀에 제1 도핑 용액을 균일하게 퍼트려 도포할 수 있을 뿐만 아니라, 흡착되지 않은 제1 도핑 용액이 제거될 수 있기 때문이다. 스핀 코터는 예를 들어, 1000 내지 3000rpm으로 회전될 수 있다. 스핀 코터는 예를 들어, 30초 내지 2분 동안 제1 도핑 용액이 도포된 제1 프리스틴 그래핀을 회전시킬 수 있다.
이 후, 제1 도핑 용액이 도포된 제1 프리스틴 그래핀을 열처리한다. 제1 프리스틴 그래핀의 열처리는 예를 들어, 급속 열처리 방식(Rapid Thermal Annealing, RTA)를 이용할 수 있다. 열처리 온도는 예를 들어, 섭씨 100도 내지 300도일 수 있고, 열처리 시간은 예를 들어, 10분 내지 30분일 수 있다. 이와 같은 열처리를 통해, 기판(100) 상에 n형의 제1 그래핀(200)이 형성될 수 있다.
제1 그래핀(200) 상에 제1 그래핀(200)과 접촉하고, p형의 제2 그래핀(300)을 형성할 수 있다. 제2 그래핀(300)에 의해 제1 그래핀(200)의 일부가 노출될 수 있다.
제1 도전형의 제1 그래핀(200) 상에 제2 프리스틴 그래핀을 배치한다. 제2 프리스틴 그래핀은 예를 들어, 단층의 그래핀일 수 있다. 제2 프리스틴 그래핀 상에 제2 불순물을 포함하는 제2 도핑 용액을 흡착시킬 수 있다. 제2 그래핀(300)의 도전형은 p형이므로, 제2 불순물은 예를 들어, 염화 금(AuCl3)일 수 있다. 제2 도핑 용액이 흡착된 제2 프리스틴 그래핀을 일정 시간 동안 유지하여, 제2 프리스틴 그래핀 상에 흡착되는 제2 도핑 용액의 양을 조절할 수 있다. 일정 시간 경과 후, 예를 들어, 스핀 코터를 이용하여 흡착된 제2 도핑 용액을 제2 프리스틴 그래핀 상에 균일하게 도포할 수 있다. 이 후, 제2 도핑 용액이 도포된 제2 프리스틴 그래핀을 열처리한다. 이를 통해, n형의 제1 그래핀(200) 상에 p형의 제2 그래핀(300)이 형성된 광검출층(150)이 형성된다. 스핀 코터 및 열처리 방법은 제1 그래핀(200)을 형성하는 것과 실질적으로 동일하므로, 생략한다.
이 후, 노출된 제1 그래핀(200) 및 제2 그래핀(300) 상 즉, 광검출층(150) 상에 각각 제1 전극(210) 및 제2 전극(310)이 형성된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 광검출 소자의 제조 방법의 경우, n형의 제1 그래핀(200)을 형성하는 것과 p형의 제2 그래핀(300)을 형성하는 것 사이에 삽입층(350)을 형성하는 과정만을 더 포함시키면된다.
이하에서, 도 3 내지 18을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 광검출 소자의 실험 결과에 대해서 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광검출 소자의 I-V 특성을 나타내는 로그 스케일 그래프이다. 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광검출 소자의 광 조사에 따른 I-V 곡선을 나타내는 그래프이다. 도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광검출 소자의 파장에 따른 검출능(detectivity)를 나타내는 그래프이다. 도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광검출 소자의 입사되는 빛의 강도에 따른 광전류의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 10및 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 광검출 소자의 파장에 따른 반응도를 나타내는 그래프이다. 도 12 및 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 광검출 소자의 파장에 따른 양자 효율을 나타내는 그래프이다. 도 14 내지 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 광검출 소자의 반응 속도를 나타내는 그래프이다. 도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 광검출 소자의 시간에 따른 안정도를 나타내는 그래프이다.
도 3을 참고하여, 본 발명의 광검출 소자의 전기적 특성에 대한 실험 결과를 설명한다. 도 3은 광검출층 중 p형의 제2 그래핀의 도핑 시간은 5분으로 고정하고, n형의 제1 그래핀의 도핑 시간을 변화함에 따른 광검출 소자의 I-V 특성을 나타낸다. 본 발명의 실시예에 따른 광검출 소자에서, n형의 제1 그래핀의 도핑 농도는 도핑 시간을 통해 변화시켰다.
본 발명의 광검출 소자에 대한 실험예는 테이블 1에 정리하였다.
표 1
D0 D1 D2 D3 D4 D5
p형 제2 그래핀 프리스틴 5min 5min 5min 5min 5min
n형 제1 그래핀 프리스틴 0.5min 1min 2min 3min 4min
도핑을 하지 않거나 도핑 시간이 짧아 전자의 농도가 작을 것으로 예상되는 D0 내지 D3의 경우, 광검출 소자에 빛을 조사하기 전의 전류-전압 곡선에서 정류 특성을 보이지 않는다. 이는 도 3의 확대된 그림에서 전류-전압 곡선이 선형인 것을 통하여 확인할 수 있다. 즉, n형 제1 그래핀의 전자 농도가 적은 D0~D3의 경우에는 p형 제2 그래핀과 n형 제1 그래핀이 오믹 특성을 보인다. n형 제1 그래핀의 전자 농도가 작은 경우, 클레인 터널링(Klein-tunneling)효과에 의해, 수직으로 접합된 p형 제2 그래핀과 n형 제1 그래핀 사이에서 정류 특성이 나타나지 않는다. 이로서, 광검출 소자의 암전류가 매우 크다.
하지만, 실험예 D4와 D5 경우, D0~D3의 경우에 비하여, 전체적으로 암전류가 크게 감소하였다. 또한, 실험예 D4 및 D5의 경우, 전류-전압 특성 그래프는 비선형적임을 확인할 수 있다. 다시 말하면, n형 제1 그래핀의 전자 농도가 큰 D4 및 D5는 정류 특성을 보여준다. n형 제1 그래핀의 전자 농도가 큰D4와 D5는 수직으로 접합된 n형 제1 그래핀과 p형 제2 그래핀 사이의 접합이 다이오드가 되었음을 알 수 있다. 실험예 D4와 D5의 광검출 소자는 그래핀 p-n 수직 접합 다이오드가 됨과 동시에 암전류가 크게 낮아졌기 때문에, 고성능 광검출 소자로써의 응용이 가능하다.
다시 말하면, p형의 제2 그래핀의 도핑 시간은 일정한 가운데, n형의 제1 그래핀의 도핑 시간이 증가함으로써, 수직으로 접합된 n형의 제1 그래핀과 p형의 제2 그래핀을 포함하는 광검출 소자에서 다이오드 특성이 확인되었다. 이를 통해, 도핑 시간이 증가한 실험예 D4 및 D5의 n형의 제1 그래핀 표면에 고저항층 또는 절연층이 형성되었음을 유추할 수 있다. 즉, n형의 제1 그래핀은 제1 그래핀과 제2 그래핀의 경계면에 형성된 고저항층을 포함함을 실험 결과를 통해 확인할 수 있다.
이하에서 설명하는 도 4 내지 도 17은 도 3의 I-V 특성 곡선 중 다이오드 특성을 나타내는 D4 및 D5에 대한 실험 결과를 설명하는 것이다.
도 4는 실험예 D4의 인가 전압에 따른 전류의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 5는 실험예 D5의 인가 전압에 따른 전류의 변화를 나타내는 그래프이다.
광검출 소자의 파장에 따른 전류-전압 특성을 측정하기 위해, 제논 램프를 광원으로 사용하였다. 제논 램프에서 발생되는 빛을 단색 분광기에 입사시켜 추출된 단색광을 도 3의 실험예 D4 및 D5에 조사시켰다.
도 4 및 도 5를 참고하면, 단색광을 광검출 소자에 조사하면, 역방향 전압에 대해서는 전류의 변화가 거의 없지만, 순방향 전압에 대해서는 급격한 전류의 증가를 확인할 수 있다.
도 4 및 도 5에서 전류는 암전류와 광전류(photo current)를 합한 것으로써, 역방향 전압에 대해서는 단색광을 조사해도 광전류가 발생하지 않지만, 순방향 전압에 대해서는 단색광을 조사함에 따라 광전류가 발생함을 알 수 있다.
또한, 도 4에서, 순방향으로 5V 이상의 인가전압을 광검출 소자에 인가함에도 불구하고, 0.01㎂ 정도의 낮은 누설 전류를 보여준다.
도 3 내지 도 5를 비교하면, 실험예 D5의 암전류가 실험예 D4의암전류보다 높음을 확인할 수 있다.
도 6은 실험예 D4의 파장에 따른 검출능을 나타내는 그래프이고, 도 7은 실험예 D5의 파장에 따른 검출능을 나타내는 그래프이다.
도 6을 참고하면, 실험예 D4는 자외선에서부터 근적외선 영역까지 인가 전압, 즉 광검출기의 구동 전압이 2V 이상 5V 이하에서 1012 Jones 이상의 검출능을 나타낸다. 특히, 인가 전압이 2V에서 가장 좋은 검출능이 관찰된다.
이와 같은 검출능은 상용화된 Si 광검출기 및 InGaAs 광검출기의 검출능과 비슷하거나, 이를 뛰어넘는 결과이다.
도 7을 참고하면, 실험예 D5는 실험예 D4보다 상대적으로 작지만, 자외선에서부터 근적외선 영역까지 인가 전압이 2V 이상 5V 이하에서 1011 Jones 이상의 검출능을 나타낸다.
실험예 D5의 검출능이 실험예 D4의 검출능보다낮은 것은 도 4 및 도 5에서 설명한 것과 같이, 실험예 D5의 암전류가 실험예 D4의 암전류보다 높기 때문인 것으로 보인다.
본 발명의 광검출 소자의 검출능이 우수함을 이하에서 설명한다. 즉, 상용화된 Si 광검출기 또는 InGaAs 광검출기의 경우, 광을 검출하는 파장 범위가 특화되었다. 하지만, 본 발명의 광검출 소자의 경우, 350nm 내지 1100nm 범위에서 1011 Jones 이상의 검출능을 나타낸다. 또한, 본 발명의 광검출 소자의 경우, 별도의 냉각 장치 등을 사용하지 않고 실온에서 1011 Jones 이상의 검출능을 나타낸다.
도 8은 실험예 D4의 입사되는 빛의 강도에 따른 광전류의 변화를 나타내는 그래프이고, 도 9는 실험예 D5의 입사되는 빛의 강도에 따른 광전류의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8 및 도 9를 통해, 광검출 소자의 성능 지수 중의 하나인 선형적 동작 범위(linear dynamic range, LDR)가 계산할 수 있다. 이를 위해, 532nm의 레이저 세기를 변화시켜가면서, 광전류의 변화를 측정하였다.
도 8 및 도 9를 참고하면, 인가 전압이 2V 내지 5V 사이에서, 광검출 소자의 광검출층에 조사되는 빛의 강도가 10-8 (W/cm2)에서 10-4 (W/cm2)로 증가함에 따라 광검출 소자의 광전류는 10-8 (A/cm2)에서 10-4 (A/cm2)로 증가함을 확인할 수 있다.
즉, 조사되는 빛의 강도가 10-8 (W/cm2)에서 10-4 (W/cm2)로 변하는 범위에서, 광전류의 변화는 기울기 1을 가지고 변하는 것을 확인할 수 있다. 조사되는 빛의 세기와 광전류의 변화의 기울기가 1에 가까운 값을 가질수록, 광검출 소자는 이상적인 광검출 소자에 근접하게 된다.
도 10은 실험예 D4의 파장에 따른 반응도(responsibility)를 나타내는 그래프이고, 도 11은 실험예 D5의 파장에 따른 반응도를 나타내는 그래프이다. 또한, 도 10 및 도 11의 그래프에 표시된 숫자는 광검출 소자에 인가되는 전압을 나타낸다.
도 10을 참고하면, 인가전압이 1V에서 2V로 증가함에 따라, 반응도가 급격히 증가한다. 빛의 파장이 400 nm에서 600 nm 로 증가함에 따라, 광 반응도는 약 0.3 A/W에서 약 0.6 A/W로 급격히 증가하다가 그 이후에는 서서히 증가하여 900 nm에서 최대값인 약 0.7 A/W를 나타낸다.
즉, 도 6을 통해서 설명한 검출능과 같이 반응도에 있어서도, 실험예 D4는 350nm 내지 1100nm의 영역, 즉 자외선에서 근적외선까지의 넓은 영역에서 광검출 능력을 가짐을 알 수 있다.
도 11을 참고하면, 인가전압이 1V에서 2V로 증가함에 따라, 반응도가 급격히 증가하지는 않는다. 이는 도 3에서 설명한 것과 같이, 실험예 D5는 실험예 D4에 대비하여 암전류가 상대적으로 크기 때문인 것으로 보인다.
빛의 파장이 300nm에서 800nm로 증가함에 따라, 반응도는 증가함을 확인할 수 있다. 특히, 빛의 파장이 300nm 내지 400nm에서 최대 0.4 A/W, 700nm 내지 1000nm에서 최대 1.0 A/W를 보인다. 실험예 D5는 실험예 D4의 경우보다 높은 반응도를 보임을 확인할 수 있다. 즉, D5의 경우는 D4의 경우보다 높은 광반응도가 요구되는 광검출 소자에 응용될 가능성이 있다.
또한, 도 7을 통해서 설명한 검출능과 같이 반응도에 있어서도, 실험예 D5는 350nm 내지 1100nm의 영역, 즉 자외선에서 근적외선까지의 넓은 영역에서 광검출 능력을 가짐을 알 수 있다.
도 12는 실험예 D4의 파장에 따른 양자 효율(quantum efficiency)을 나타내는 그래프이고, 도 13은 실험예 D5의 파장에 따른 양자 효율을 나타내는 그래프이다.
도 12 및 도 13을 참고하면, 인가 전압이 증가함에 따라 실험예 D4 및 D5 광검출 소자는 양자 효율이 증가한다. 인가 전압이 4 V 이상에서는 두 광검출 소자는 모두 양자 효율이 100 %을 초과한다. 이와 같은 이유는 하나의 광자가 광검출 소자의 광검출층에 입사하여, 다수의 전자와 정공들을 생산하는 캐리어 증폭 현상(carrier multiplication, 전자와 정공의 다수 이온화 과정에 의한 것)이 나타나기 때문이다.
도 14 내지 도 17은 주기적인 빛을 광검출 소자에 인가하였을 때, 광전류의 응답 속도를 나타내는 것이다. 도 14 및 도 15는 20ps, 20Hz를 갖는 532nm 펄스 레이저를 광원으로 사용하여 측정한 것이다. 도 16은 광검출 소자가 인가되는 빛에 반응하여 광전류가 증가하는 시간을 나타내는 그래프이고, 도 17은 발생한 광전류가 소멸되는 감쇠 시간을 나타내는 그래프이다.
펄스 레이저의 펄스 하나가 조사되었을 때 광전류의 변화를 살펴봄으로써, 광검출 소자의 전하 수송 동역학을 할 수 있다. 빛에 대한 응답 시간은 상승시간 (rising time)과 감쇠시간 (decay time)로 나눌 수 있다.
도 14 및 도 15를 참고하면, 실험예 D4 및 D5에 해당하는 광검출 소자는 전압의 변화에 상관없이 반복적인 펄스 광원의 조사에도 안정적으로 작동한다. 즉, 펄스가 인가될 때마다, 광전류가 발생하며, 그 광전류의 크기는 거의 일정하다.
도 16 및 도 17을 참고하면, 감쇠 시간(τdecay) 은 상승 시간(τrising)보다 상대적으로 짧다. 즉, 광검출 소자의 광 반응 시간은 광검출 소자의 감쇠 시간에 의해서 결정된다. 전체적으로, 실험예 D4의 광검출 소자의 반응 속도가 실험예 D5에 해당하는 광검출 소자의 반응 속도보다 빠르다.
실험예 D4에 해당하는 광검출 소자의 상승 시간은 1.5V에서 5V로 증가함에 따라, 62ns에서 139ns로 점차적으로 증가한다. 광검출 소자의 감쇠 시간은 인가 전압의 증가와 함께, 0.9㎲에서 21㎲로 증가한다. 즉, 광검출 소자의 광 반응 시간은 광검출 소자의 감쇠 시간에 의해 결정되며, 광검출 소자는 수십 마이크로 초 안에 작동된다.
실험예 D5에 해당하는 광검출 소자의 상승 시간은 1.5V에서 5V로 증가함에 따라, 41ns에서 110ns로 점차적으로 증가한다. 광검출 소자의 감쇠 시간은 인가 전압의 증가와 함께, 2㎲에서 52㎲로 증가한다.
도 18은 실험예 D4의 시간에 따른 반응도를 측정함으로써, 광검출 소자의 안정도를 나타낸다. 도 18은 광검출 소자에 조사되는 빛의 파장이 600nm인 경우를 나타내는 그래프이다.
도 18을 참고하면, 실험예 D4의 광검출 소자를 대기 중에 6개월 동안 노출시켰음에도 불구하고, 광검출 소자의 광반응도는 변하지 않았다. 즉, p-n 수직 접합된 그래핀을 광검출층으로 사용한 광검출 소자는 대기 중에서 상당히 안정한 특성을 보이고 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 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.

Claims (8)

  1. 기판
    상기 기판 상에 형성된 광검출층으로서, p-n 수직 균질 접합된 그래핀을 포함하고, 350nm 내지 1100nm 범위에서 10E11(Jones) 이상의 검출능을 갖는 광검출층 및
    상기 광검출층 상에 형성되는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 광검출 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 광검출층은 순차적으로 적층된 제1 그래핀과 제2 그래핀을 포함하고,
    상기 제1 그래핀은 n형 그래핀이고, 제2 그래핀은 p형 그래핀인 광검출 소자.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 그래핀과 상기 제2 그래핀은 각각 단일층의 그래핀인 광검출 소자.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 그래핀과 상기 제2 그래핀은 접촉하여 형성되는 광검출 소자.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 그래핀은 상기 제1 그래핀과 상기 제2 그래핀의 경계면에 형성되는 고저항층을 포함하는 광검출 소자.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 광검출층은 상기 제1 그래핀과 상기 제2 그래핀 사이에 형성된 삽입층을 더 포함하는 광검출 소자.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 삽입층은 반도체층 및 절연층 중 하나를 포함하는 광검출 소자.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 인가되는 전압이 2(V) 내지 5(V) 사이에서,
    상기 광검출층은 350nm 내지 1100nm 범위에서 10E11(Jones) 이상의 검출능을 갖는 광검출 소자.
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