WO2022092362A1 - 강유전체를 이용한 광센서 및 그 제조방법 - Google Patents

강유전체를 이용한 광센서 및 그 제조방법 Download PDF

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WO2022092362A1
WO2022092362A1 PCT/KR2020/015003 KR2020015003W WO2022092362A1 WO 2022092362 A1 WO2022092362 A1 WO 2022092362A1 KR 2020015003 W KR2020015003 W KR 2020015003W WO 2022092362 A1 WO2022092362 A1 WO 2022092362A1
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semiconductor
ferroelectric
type semiconductor
dimensional
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PCT/KR2020/015003
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최성율
진혁준
이강준
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한국과학기술원
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Definitions

  • the present invention relates to an optical sensor using a ferroelectric and a method for manufacturing the same, and more particularly, to an optical sensor using a ferroelectric having high optical reactivity and a fast response speed at the same time, and a method for manufacturing the same.
  • Korean Patent Registration No. 10-1539671, etc. discloses an optical sensor technology using a two-dimensional material such as graphene.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide an optical sensor having high optical reactivity and fast response speed at the same time, and a method for manufacturing the same.
  • the present invention provides an optical sensor using a ferroelectric, comprising: a substrate; a first-type semiconductor laminated on a single substrate; and a second-type semiconductor forming a heterojunction structure in contact with the first-type semiconductor, wherein at least one of the first-type or second-type semiconductor is a ferroelectric. do.
  • the type 1 semiconductor and the type 2 semiconductor are vertically deposited, and the type 1 semiconductor and the type 2 semiconductor are two-dimensional semiconductor materials.
  • the first type is p-type and the second type is n-type, and the second type semiconductor has a ferroelectric property.
  • the photosensor using the ferroelectric further includes a first electrode in electrical communication with the first-type semiconductor and a second electrode in electrical communication with the second-type semiconductor, wherein the p- As a two-dimensional semiconductor material, 3LWSe 2 or WSe 2 is a two-dimensional material having a smaller band gap, and the n-type two-dimensional ferroelectric semiconductor material is ⁇ -In 2 Se 3 .
  • the optical reactivity of the photosensor varies according to the direction of applying the bias to the light beam, which is determined according to the direction of carrier polarization in the semiconductor, not the ferroelectric.
  • the present invention also comprises the steps of laminating a type 1 semiconductor on a substrate; stacking a second-type semiconductor on the first-type semiconductor to form a heterojunction structure in contact with the first-type semiconductor; patterning first electrodes in electrical communication with the first-type semiconductor on both sides of the first-type semiconductor; and patterning a second electrode in contact with the second-type semiconductor.
  • the first type semiconductor and the second type semiconductor are vertically deposited, the first type semiconductor and the second type semiconductor are two-dimensional semiconductor materials, the first type is a p type and the second type is a semiconductor material.
  • the type is n-type, and the second type semiconductor has a ferroelectric property.
  • an optical sensor having a vertical heterojunction structure formed of an n-type two-dimensional ferroelectric semiconductor and a p-type two-dimensional semiconductor in which charge transfer occurs in a vertical direction. Accordingly, the optical sensor according to the present invention has advantages of fast response speed, low dark current, and wide bandwidth.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an optical sensor including a two-dimensional ferroelectric-semiconductor material p-n heterojunction according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of an optical sensor according to an embodiment of the present invention and a view showing a polarization state according thereto.
  • FIG 3 is an energy diagram of a depletion layer in a case in which polarization is performed according to the application of an electric field in the first semiconductor and in the case where it is not, in the photosensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a step-by-step schematic diagram of a method for manufacturing an optical sensor device according to an embodiment of the present invention.
  • 5 to 8 are analysis results of light reactivity, light detection ability, broadband and response speed of the photosensor manufactured according to an embodiment of the present invention.
  • the present invention provides an optical sensor having a heterojunction structure between a ferroelectric maintaining a polarization state regardless of an external electric field and a two-dimensional semiconductor material polarized according to an external electric field.
  • the dark current of the two-dimensional channel material is reduced by about 100 times compared to the fresh state, and at the same time, the depletion layer of the p-n junction is strengthened to improve the photoreactivity in the visible light region by 13.7 times.
  • the photoreactivity in near-infrared light is also 100 times higher than that of conventional photodiodes, which has a photoreactivity of several tens of mA/W, so it can be used as a near-infrared light sensor.
  • An optical sensor has a basic structure having a depletion structure according to a vertical heterojunction by vertically depositing a two-dimensional semiconductor and a two-dimensional semiconductor having ferroelectric properties.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an optical sensor including a two-dimensional ferroelectric-semiconductor material p-n heterojunction according to an embodiment of the present invention.
  • an optical sensor includes a substrate 100; a p-type two-dimensional semiconductor material 200 as a first-type semiconductor laminated on the substrate; and an n-type semiconductor material 300 which is a second-type semiconductor laminated on the p-type two-dimensional semiconductor material 200, wherein the second-type semiconductor has a ferroelectric property. Accordingly, the second-type semiconductor continues to maintain a polarized state regardless of whether an electric field is applied through the electrode, and the first-type semiconductor, not a ferroelectric, is polarized only when an electric field is applied.
  • the photosensor according to an embodiment of the present invention includes a first electrode 300 in electrical communication with the first-type semiconductor to apply an electric field to the first-type semiconductor, and the second-type semiconductor to detect the photocurrent and a second electrode 400 stacked thereon and in electrical communication therewith.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of an optical sensor according to an embodiment of the present invention and a view showing a polarization state according thereto.
  • the optical sensor according to an embodiment of the present invention changes the polarization state of the type 1 semiconductor forming a heterojunction with the ferroelectric according to the application of an electric field. Accordingly, the energy barrier configuration of the depletion layer between heterojunctions is different.
  • FIG 3 is an energy diagram of a depletion layer in a case in which polarization is performed according to the application of an electric field in the first semiconductor and in the case where it is not, in the photosensor according to an embodiment of the present invention.
  • the dark current increases because holes, which are majority carriers, are accumulated at the junction with the two-dimensional ferroelectric, and the photoresponse is also lowered because electron-hole pair separation is poor. do. That is, even if an electron-hole pair is generated by irradiating light on the energy band diagram, there is a valley to pass to the channel region, so it cannot be converted into a photocurrent and gathers in the valley of the interface. It gets higher because you can't cross that barrier.
  • FIG. 4 is a step-by-step schematic diagram of a method for manufacturing an optical sensor device according to an embodiment of the present invention.
  • flakes were obtained using the Au-mediated exfoliation method to obtain a thin and wide p-type two-dimensional semiconductor and an n-type two-dimensional ferroelectric semiconductor.
  • 3LWSe 2 is used as the p-type two-dimensional semiconductor material, but a semiconductor material (eg, BP) having a bandgap smaller than this may be used, all of which fall within the scope of the present invention.
  • ⁇ -In 2 Se 3 ( ⁇ 10 nm) was used as the n-type two-dimensional ferroelectric semiconductor material, and the scope of the present invention is not limited to the type of material used in this embodiment.
  • the obtained flakes are first transferred onto the PDMS through the PPC bonding layer, and then stamped on the desired substrate and at the same time heated to a temperature of 90°C to another Si/SiO2 substrate through a so-called pick-up transfer method.
  • the source/drain and gate electrodes were patterned using the e-beam lithography method. (line width 3 um), and then, using a thermal evaporator, Cr/Au (5 nm / 35 nm) deposition was performed to complete device fabrication.
  • 3LWSe 2 a two-dimensional material having a smaller band gap than WSe 2 , was used as the p-type two-dimensional semiconductor material, and ⁇ -In 2 S was used as the n-type two-dimensional ferroelectric semiconductor material.
  • the scope is not limited thereto
  • polarization was performed using a DC bias as a method of polarizing the ferroelectric of the manufactured device.
  • the applied dc bias value measured the PFM hyterisis loop and gave a value higher in absolute value than the voltage value that determines the loop.
  • 5 to 7 are analysis results of light reactivity, light detection ability, broadband and response speed of the photosensor manufactured according to an embodiment of the present invention.
  • the results of FIG. 5 are obtained by extracting graphs of photoresponsivity and photodetectivity according to the intensity of the laser according to the presence or absence of polarization and the wavelength band (520 nm, 980 nm) of the laser used for irradiation. will be.
  • the photoreactivity at 980 nm which is the NIR region, obtained a value more than 100 times higher, considering that the photodetector in the other NIR region is several tens of mA/W.
  • a blue semi-transparent region is a peak corresponding to a p-type two-dimensional semiconductor material
  • a red semi-transparent region is a peak corresponding to an n-type two-dimensional ferroelectric semiconductor material.
  • the photoresponse time (reaction time of the optical device) according to the presence or absence of polarization is measured.
  • the reaction time was slightly increased because the p-type two-dimensional semiconductor, which mainly reacts at 520 nm, is hindered by carrier movement by the polarization of the ferroelectric.
  • the present invention provides a photodetector device using a two-dimensional material as a channel material and a ferroelectric material.
  • the present invention using a two-dimensional material as a ferroelectric in addition to the advantages of a two-dimensional material that has high light absorption and high mobility and can obtain high photoreactivity compared to silicon, which is a bulk material used in the past, is in the form of a thin film used in the past.
  • the ferroelectric material of ferroelectric material has an advantage in terms of yield because the characteristic is stably expressed only when the thickness is 100 nm or more, and the characteristic is stably displayed at at least 2 nm (two layers) by solving the problem that it takes up a lot of space.
  • two-dimensional materials do not have dangling bonds, so when bonding two materials, the interface properties are excellent. It has the advantage of having better characteristics.
  • the photosensor according to an embodiment of the present invention includes a p-n heterojunction between an n-type two-dimensional ferroelectric semiconductor and a p-type two-dimensional semiconductor material in which charge transfer in the vertical direction occurs, thereby controlling the polarization direction of the ferroelectric. Accordingly, the dark current of the two-dimensional channel material was reduced by about 100 times compared to the fresh state, and at the same time, the depletion layer of the p-n junction was strengthened, and the photoreactivity in the visible light region was improved up to 13.7 times.
  • the photoreactivity in near-infrared light is also 100 times higher than that of the existing photodiode, which is several tens of mA/W, confirming that it is competitive as a near-infrared light sensor.
  • the p-n vertical junction structure generates fast charge carriers with a response speed of about 1000 times lower than that of the conventional phototransistor structure in the depletion layer as well as the excited hole carriers of the ferroelectric, and the broadband range is also adjusted depending on the polarization direction.
  • the polarization using DC bias maintains the polarization state stably for up to 18 hours, thereby confirming that it is extended to the near-infrared region of 1020 nm.
  • the vertical p-n junction structure of .

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Abstract

강유전체를 이용한 광센서로, 기판; 싱기 기판 상에 적층된 제1형 반도체; 및 상기 제1형 반도체와 접촉하여 이종접합 구조를 형성하는 제2형 반도체를 포함하며, 상기 제1형 또는 제2형 반도체 중 적어도 어느 하나는 강유전체인 것을 특징으로하는 강유전체를 이용한 광센서가 제공된다.

Description

강유전체를 이용한 광센서 및 그 제조방법
본 발명은 강유전체를 이용한 광센서 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 높은 광반응도와 빠른 응답속도를 동시에 가지는, 강유전체를 이용한 광센서 및 그 제조방법에 관한 것이다.
현재 상용화된 실리콘이나 갈륨비소와 같은 물질들은 빠른 응답속도를 가지지만 낮은 광반응도를 가지며, 보고된 이차원 소재 기반의 광센서들은 대체적으로 높은 광반응도를 가지지만 수초 대의 긴 응답시간을 가진다.
실리콘 기반의 광센서의 문제를 해결하기 이하여, 대한민국 등록특허 10-1539671호 등은 그래핀과 같은 2차원 물질을 이용하는 광센서 기술을 개시하고 있다.
하지만, 높은 광반응도와 빠른 응답속도를 동시에 가질 수 있는 구조의 광센서와 이를 제조할 수 있는 제조방법에 관한 기술을 아직 개시되지 못한 상황이다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 높은 광반응도와 빠른 응답속도를 동시에 가지는 광센서와 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 강유전체를 이용한 광센서로, 기판; 싱기 기판 상에 적층된 제1형 반도체; 및 상기 제1형 반도체와 접촉하여 이종접합 구조를 형성하는 제2형 반도체를 포함하며, 상기 제1형 또는 제2형 반도체 중 적어도 어느 하나는 강유전체인 것을 특징으로하는 강유전체를 이용한 광센서를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1형 반도체와 상기 제2형 반도체는 수직 증착되며, 상기 제1형 반도체와 제2형 반도체는 이차원 반도체 물질이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1형은 p형이고 제2형은 n형이며, 상기 제2형 반도체는 강유전체 특성을 갖는다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 강유전체를 이용한 광센서는, 상기 제1형 반도체와 전기적 연통하는 제1 전극과, 상기 제2 형 반도체와 전기적 연통하는 제2 전극을 더 포함하며, 상기 p-형 이차원 반도체 물질로 ３ＬWSe2 또는 WSe2 보다 적은 밴드갭을 갖는 이차원 물질이며, 상기 n형 이차원 강유전체 반도체 물질로는 α-In2Se3이다.
본 발명이 일 실시예에서, 상기 광선서에 대한 바이어스 인가 방향에 따라 상기 광센서의 광반응도는 달라지며, 이것은 강유전체가 아닌 반도체에서의 캐리어 분극 방향에 따라 결정된다
본 발명은 또한 기판상에 제1형 반도체를 적층하는 단계; 상기 제1형 반도체 상에 상기 제1형 반도체와 접촉하여 이종접합 구조를 형성하는 제2형 반도체를 적층하는 단계; 상기 제1형 반도체의 양 측면에 상기 제1형 반도체와 전기적으로 연통하는 제1 전극을 패터닝하는 단계; 및 상기 제2형 반도체 상에 접촉하는 제2 전극을 패터닝하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전체를 이용한 광센서 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1형 반도체와 상기 제2형 반도체는 수직 증착되며, 상기 제1형 반도체와 제2형 반도체는 이차원 반도체 물질이며, 상기 제1형은 p형이고 제2형은 n형 이며, 상기 제2형 반도체는 강유전체 특성을 갖는다.
본 발명에 따르면, 수직방향으로 전하 전달이 일어나는 n-형 이차원 강유전체 반도체와 p-형 이차원 반도체에 의한 수직 이종접합 구조를 가지는 광센서를 제공한다. 이로써 본 발명에 따른 광센서는 빠른 응답속도와 낮은 암전류(dark current)를 가지며, 넓은 광대역을 갖는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시에에 따른 이차원 강유전체-반도체 소재 p-n 이종 접합을 포함하는 광센서 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광센서의 모식도 및 이에 따른 분극 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광센서에서, 제1 반도체에서의 전기장 인가에 따라 분극을 한 경우와, 그렇지 않은 경우의 공핍층의 에너지 다이어그 그램이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광센서 소자 제조방법의 단계별 모식도이다.
도 5 내지 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 광센서의 광반응도, 광검출능, 광대역 및 응답속도 분석 결과이다.
이하, 본 발명에 따른 이차원 강유전 반도체를 이용한 광센서 및 그 제조방법을 바람직한 실시예를 첨부한 도면들에 의거하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어와 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석해야만 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여, 외부 전기장과 관게없이 분극 상태를 유지하는 강유전체와, 외부 전기장에 따라 분극되는 이차원 반도체 물질간 이종접합 구조를 갖는 광센서를 제공한다. 이로써 강유전체의 분극 방향을 조절함에 따라, fresh 상태보다 이차원 채널 소재의 암전류(dark current)가 100배 정도 감소됨과 동시에 p-n 접합의 공핍층을 강화시켜 가시광선 영역에서의 광반응도를 최대 13.7 배 향상시킬 수 있으며, 더 나아가 근적외선에서의 광반응성 또한 기존 광다이오드의 광반응도가 수십 mA/W인 것에 비해 100배 정도 높아, 근적외선 광센서로도 활용 가능한 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광센서는 강유전체 특성의 이차원 반도체와 이차원 반도체를 수직 증착하여, 수직 이종접합에 따른 공핍구조를 갖는 기본 구조를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시에에 따른 이차원 강유전체-반도체 소재 p-n 이종 접합을 포함하는 광센서 모식도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광센서는 기판(100); 상기 기판 상에 적층된 제1형 반도체인 p형 이차원 반도체 물질(200); 및 상기 p형 이차원 반도체 물질(200)상에 적층된 제2형 반도체인 n형 반도체 물질(300)을 포함하며, 여기에서 상기 제2형 반도체는 강유전체 특성을 갖는다. 이로써 전극을 통한 전기장 인가 여부와 관계없이 상기 제2형 반도체는 분극(polling)된 상태를 계속 유지하며, 강유전체가 아닌 제1형 반도체는 전기장 인가시에만 분극 상태가 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광센서는 상기 제1형 반도체에 전기장을 인가하도록 상기 제1형 반도체와 전기적으로 연통하는 제1 전극(300)과, 상기 광전류를 검출하기 위하여 상기 제2 형 반도체상에 적층되어 이와 전기적으로 연통하는 제2 전극(400)을 포함한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광센서의 모식도 및 이에 따른 분극 상태를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광센서는 전기장 인가에 따라 상기 강유전체와 이종접합을 형성하는 제1형 반도체의 분극상태를 달리한다. 이로써 이종접합간 공핍층의 에너지 장벽 구성이 달리하게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광센서에서, 제1 반도체에서의 전기장 인가에 따라 분극을 한 경우와, 그렇지 않은 경우의 공핍층의 에너지 다이어그 그램이다.
도 3을 참조하면, 분극 방향이 위일 경우, p형 이차원 반도체는 이차원 강유전체와의 접합부에 다수 캐리어(majority carrier)인 홀이 공핍되는 것이 강화된다. 즉, n형 이차원 강유전체 반도체과의 p-n 정션의 빌트인 포텐셜(built-in potentiall)이 강화됨에 따라 광반응도가 증가하고, 채널로써 동작하는 p형 이차원 반도체가 빛이 조사되지 않는 상태에서 흐르는 암전류(dark current)가 억제되며, 이로써 향상된 광검출능을 갖는다.
이와 반대로 분극 방향이 아래인 경우, 이차원 강유전체와의 접합부에 다수 캐리어(majority carrier)인 홀이 축적되기 때문에 암전류(dark current)가 증가하고, 전자-홀 쌍 분리가 잘 안되기 때문에 광반응도 또한 낮아지게 된다. 즉, 에너지 밴드 다이어그램 상에서 빛을 조사하여 전자-정공 쌍이 생긴다 하더라도 채널 영역으로 넘어가기에는 골짜기가 있어, 광전류로 전환되지 못하고 계면의 골짜기로 모이게 되며, 암전류가 높은 이유 또한, 기존 소수 캐리어인 전자가 해당 장벽을 못 넘어가기 때문에 더 높아진다.
실시예
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광센서 소자 제조방법의 단계별 모식도이다.
도 4를 참조하면, 얇고 최대한 넓은 면적의 p-형 이차원 반도체와 n-형 이차원 강유전 반도체를 얻기 위해 Au-mediated exfoliation 방법을 사용, 플레이크를 얻었다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 p-형 이차원 반도체 물질로 ３ＬWSe2이 사용되었으나, 이 보다 적은 밴드갭을 갖는 반도체 물질(예를 들어 BP)이 사용될 수 있으며, 이는 모두 본 발명의 범위에 속한다. 또한 n형 이차원 강유전체 반도체 물질로는 α-In2Se3 (~10 nm)를 사용하였으며, 본 발명의 범위는 본 실시예에서 사용된 물질 종류에 제한되지 않는다.
이후 얻어진 플레이크를 PPC 접합층을 통해 PDMS 위로 먼저 전사한 후, 원하는 기판에 스탬핑(stamping)함과 동시에 섭씨90도의 온도를 가열하여 소위 픽업 전사(pick-up transfer) 방식을 통해 다른 Si/SiO2 기판으로 이동 후, 소스/드레인과 게이트 전극을 e-beam lithography 방법을 이용하여 패터닝하였다. (선폭 3 um), 이후 열 증발기(thermal evaporator)를 이용하여 Cr/Au (5 nm / 35 nm) 증착을 통해 소자 제작을 완성하였다.
본 실시예에서 상기 p-형 이차원 반도체 물질로 WSe2 보다 적은 밴드갭을 갖는 이차원 물질인 ３ＬWSe2을 사용하였으며, 상기 n형 이차원 강유전체 반도체 물질로는 α-In2S을 사용하였으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다
이후 제조된 소자의 강유전체를 분극하는 방법으로 DC 바이어스를 이용하여 분극을 진행하였다. 고온상에서 기존의 랜덤한 방향의 분극 방향을 지우고 out of plane 방향으로 dc 바이어스(폴링 업 = + 10V, 폴링 다운 = -10 V)를 걸어주어 분극 방향을 하나로 결정시켰다. 걸어주는 dc 바이어스 값은 PFM hyterisis loop를 측정하여 해당 loop을 결정하는 voltage값보다 절댓값이 높은 값을 걸어주었다.
실험예
도 5 내지 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 광센서의 광반응도, 광검출능, 광대역 및 응답속도 분석 결과이다.
도 5를 참조하면, 도 5의 결과는 레이저의 세기에 따른 광반응도 (responsivity) 및 광검출능 (detectivity) 그래프를 분극 유무 및 조사에 이용된 레이저의 파장대 (520 nm, 980 nm)에 따라 추출한 것이다.
520 nm, 5 nW의 경우, 분극 방향이 윗 방향일 때, 분극을 안할 때보다 광 반응도가 5.26 A/W에서 72.4 A/W로, 13.7 배, 광검출능이 3.6 x 109 Jones에서 1.76 x 1012 Jones로 100배 이상 향상된 것을 확인할 수 있다 (최대 수치).
980 nm, 5 nW의 경우, 분극 방향이 윗 방향일 때, 분극을 안할 때보다 광 반응도가 0.16 A/W에서 2.21 A/W로, 8.5 배, 광검출능이 3.69 x 109 Jones에서 5.37 x 1010 Jones로 약 8배 정도 향상된 것을 확인할 수 있다.
또한 NIR 영역인 980 nm에서의 광 반응도는 다른 NIR 영역대의 광검출기가 수십 mA/W인 것을 감안하면 100배 이상 높은 값을 얻었다는 것을 알 수 있다.)
도 6의 경우, channel 영역의 흡수 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 6을 참조하면, 파란색 반 투명 영역은 p-형 이차원 반도체 물질에 해당하는 peak이고, 빨간색 반 투명 영역은 n-형 이차원 강유전 반도체 물질에 해당하는 peak이다. 분극 방향이 윗 방향일 때, 분극을 안할 때보다 흡수되는 파장대가 증가하였다. (960 nm → 1020 nm, 7%) 이 결과는 광검출기가 검출하는 파장 영역대가 증가하였다는 것을 의미한다. 이는 분극에 따라 n-형 이차원 강유전 반도체 자체적으로 스트레인(strain)이 걸리는 효과로 인해 물질 자체적으로 상태밀도(density of state)가 증가하여 결국 조사 재조합(radiative recombination)이 증가하며, 그 결과 검출 영역대가 확장되게 된다.
도 7의 경우 레이저의 파장대가 520 nm일 때, 분극 유무에 따른 광 반응 시간 (광 소자의 반응 시간)을 측정한 것이다. 분극이 되었을 때 반응시간이 다소 늘어났는데, 이는 520 nm에서의 반응이 주로 일어나는 p-형 이차원 반도체가 강유전체의 분극에 의해 캐리어의 이동에 방해를 받기 때문이다.
도 8은 NIR 영역에서의 광반응 시간 그래프이다
도 8을 참조하면, NIR 영역에서의 반응 시간을 추출하였을 대, 그 값이 visible 영역보다 다소 높은 것을 확인할 수 있는데 이는 NIR 영역에서 주로 반응하는 것은 n-형 이차원 강유전체이기때문에 계면을 거쳐 channel 영역으로 이동하는 것에 따른 시간 지연으로 보인다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명은 채널 물질 및 강유전체 물질로 이차원 물질을 사용하는 광검출 소자를 제공한다. 이 경우 기존 이용되는 벌크물질인 실리콘 등에 비해 광흡수율이 높으며, 이동도가 높아 높은 광반응도를 얻을 수 있는 이차원 물질의 장점 이외에, 강유전체로 이차원물질을 사용하는 본 발명은, 기존에 이용되는 박막 형태의 강유전체 물질은 두께가 100 nm 이상이어야 그 특성이 안정적으로 발현되므로 차지하는 공간이 많다는 문제를 해결하여 최소 2 nm (두 층)에서 그 특성이 안정적으로 나오기 때문에 수율적인 측면에서 장점이 있다.
또한 이차원 물질은 댕글링 결합(dangling bond)이 없어, 두 물질을 접합할 때, 계면 특성이 우수하고 특히 사용한 두 물질의 경우, 격자 구조가 헥사고날(hexagonal)로 같고, 같은 Se 계열이기 때문에 그 특성이 더 좋다는 장점이 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 광센서는 수직 방향의 전하 전달이 일어나는 n-형 이차원 강유전반도체와 p-형 이차원 반도체 소재 간의 p-n 이종 접합을 포함하며, 이로써 강유전체의 분극 방향을 조절함에 따라, fresh 상태보다 이차원 채널 소재의 암 전류(dark current)가 100배 정도 감소됨과 동시에 p-n 접합의 공핍층을 강화시켜 가시광선 영역에서의 광반응도를 최대 13.7 배 향상시켰다.
또한 근적외선에서의 광반응성 또한 기존 광다이오드의 광반응도가 수십 mA/W인 것에 비해 100배 정도 높아, 근적외선 광센서로도 경쟁력 있는 것이 확인되었다. 또한, p-n 수직 접합 구조는 강유전체의 여기 정공 캐리어(뿐만 아니라, 공핍층에서도 기존 광트랜지스터 구조보다 1000배 정도 낮은 ms대의 응답속도를 가진 빠른 전하 캐리어를 생성하며, 광대역 또한 분극 방향에 따라 범위가 조정되며, 1020 nm인 근적외선 영역까지 확장되는 것을 확인하였다. 또한, DC 바이어스를 이용하여 분극시키는 방법은 분극 상태를 최대 18시간까지 안정적으로 분극 상태를 유지하는 것을 확인함으로써, 이차원 강유전반도체-이차원 반도체 소재의 수직 p-n 접합 구조가 차세대 고성능을 갖는 가시광선-근적외선 광센서로서의 가능성을 최초로 제시하였다.

Claims (9)

  1. 강유전체를 이용한 광센서로,
    기판;
    싱기 기판 상에 적층된 제1형 반도체; 및
    상기 제1형 반도체와 접촉하여 이종접합 구조를 형성하는 제2형 반도체를 포함하며,
    상기 제1형 또는 제2형 반도체 중 적어도 어느 하나는 강유전체인 것을 특징으로하는 강유전체를 이용한 광센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1형 반도체와 상기 제2형 반도체는 수직 증착되며, 상기 제1형 반도체와 제2형 반도체는 이차원 반도체 물질인 것을 특징으로 하는 강유전체를 이용한 광센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1형은 p형이고 제2형은 n형 이며, 상기 제2형 반도체는 강유전체 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 강유전체를 이용한 광센서.
  4. 제1항에 있어서, 상기 강유전체를 이용한 광센서는,
    상기 제1형 반도체와 전기적 연통하는 제1 전극과, 상기 제2 형 반도체와 전기적 연통하는 제2 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전체를 이용한 광센서.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 p-형 이차원 반도체 물질로 ３ＬWSe2 또는 WSe2 보다 적은 밴드갭을 갖는 이차원 물질이며, 상기 n형 이차원 강유전체 반도체 물질로는 α-In2Se3인 것을 특징으로 하는 강유전체를 이용한 광센서.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 광선서에 대한 바이어스 인가 방향에 따라 상기 광센서의 광반응도는 달라지며, 이것은 강유전체가 아닌 반도체에서의 캐리어 분극 방향에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 강유전체를 이용한 광센서.
  7. 기판상에 제1형 반도체를 적층하는 단계;
    상기 제1형 반도체 상에 상기 제1형 반도체와 접촉하여 이종접합 구조를 형성하는 제2형 반도체를 적층하는 단계;
    상기 제1형 반도체의 양 측면에 상기 제1형 반도체와 전기적으로 연통하는 제1 전극을 패터닝하는 단계; 및
    상기 제2형 반도체 상에 접촉하는 제2 전극을 패터닝하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 강유전체를 이용한 광센서 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1형 반도체와 상기 제2형 반도체는 수직 증착되며, 상기 제1형 반도체와 제2형 반도체는 이차원 반도체 물질인 것을 특징으로 하는 강유전체를 이용한 강유전체를 이용한 광센서 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제1형은 p형이고 제2형은 n형 이며, 상기 제2형 반도체는 강유전체 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 강유전체를 이용한 광센서 제조방법.
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