WO2023249347A1 - 변전 효과를 이용한 광센서 및 이를 구비하는 바이오 진단 장치 - Google Patents

변전 효과를 이용한 광센서 및 이를 구비하는 바이오 진단 장치 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to an optical sensor capable of detecting light using a dielectric such as a semiconductor and a bio-diagnosis device equipped with the same.
  • One object of the present invention is to provide an optical sensor capable of detecting light with significantly improved performance by causing local strain in a dielectric thin film and adjusting its bandgap.
  • Another object of the present invention is to provide a bio-diagnosis device including the optical sensor.
  • An optical sensor can detect the presence or movement of a target, and includes a light source that irradiates light in the direction of the target; a sensing element that generates a photocurrent by receiving light reflected by the target or light transmitted through the target; and a current meter that measures the photocurrent, wherein the sensing element includes: a dielectric thin film formed of a dielectric material having a centrosymmetric crystal structure and a fundamental bandgap corresponding to a wavelength in the visible or ultraviolet region; an electrode disposed on one surface of the dielectric thin film, formed of a transparent conductive material that transmits light in the infrared or visible light region, and electrically connected to the current meter; and a local force applicator that applies local force to the surface of the dielectric thin film to cause local non-uniform strain within the dielectric thin film.
  • the light source irradiates light containing an infrared wavelength
  • the dielectric thin film in which the strain is caused may absorb light having energy less than the fundamental bandgap to generate the photocurrent.
  • the dielectric thin film may be formed of a semiconductor material having a fundamental bandgap of 1 to 3 eV.
  • the localized force applicator may include a point tip having a spherical or hemispherical shape.
  • the electrode includes a conductive metal nanowire electrode, a conductive metal electrode with a mesh structure, a conductive carbon material electrode, a transparent conductive oxide electrode, or a transparent conductive polymer electrode, and a short circuit is formed at the interface between the electrode and the dielectric thin film.
  • a key barrier can be formed.
  • the electrode includes an opening that exposes a portion of the surface of the dielectric thin film, and the local force applicator may apply a local force to the surface of the dielectric thin film through the opening.
  • An optical sensor includes a dielectric thin film formed of a dielectric material that has a centrosymmetric crystal structure and a fundamental bandgap corresponding to a wavelength in the visible or ultraviolet region; an electrode disposed on one surface of the dielectric thin film and formed of a transparent conductive material capable of transmitting light in the infrared region; and a local force applicator that applies a local force to the surface of the dielectric thin film to cause local non-uniform strain inside the dielectric thin film.
  • a light source that irradiates light in the direction of the sensing element; and a current meter electrically connected to the electrode and measuring a photocurrent formed in the dielectric thin film by the light.
  • the dielectric thin film may be formed of a semiconductor material having a fundamental bandgap of 1 to 3 eV.
  • the light source irradiates light containing an infrared wavelength
  • the dielectric thin film in which the strain is caused can absorb light of the infrared wavelength having an energy less than the fundamental bandgap to generate the photocurrent.
  • a bio-diagnosis device is capable of diagnosing the health status of a human body or an animal, and includes a light source that irradiates light toward the human body or animal; an array of a plurality of sensing elements each receiving light reflected by the human body or animal or light transmitted through the human body or animal and generating a photocurrent; and a current meter that measures photocurrents generated by the sensing elements, each of the sensing elements having a centrally symmetric crystal structure and a fundamental bandgap corresponding to a wavelength in the visible or ultraviolet region.
  • the band gap of the dielectric thin film and the dielectric thin film and the electrode are determined through a transformation effect polarization field generated by inducing a local strain in the dielectric thin film through the local force applicator.
  • the Schottky barrier can be adjusted, and as a result, the target can be detected in real time and with high sensitivity without the use of external power.
  • FIG. 1A and 1B are diagrams for explaining optical sensors according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a diagram for explaining an optical sensor according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 3 shows the qualitative strain distribution in silicon along the xz plane (' Figure 3a') calculated by Hertzian contact theory using a point tip with a hemispherical cusp, the bandgap adjustment depending on the applied force (' Figure 3b'); The I-V curve measured for various applied forces ('FIG. 3C') and the change graph of forward and reverse current according to applied force ('FIG. 3D') are shown.
  • Figure 4 shows IV curves (' Figure 4a'), a graph showing the change in photocurrent according to light intensity (' Figure 4b'), according to the measured wavelength for various applied forces under self-bias (0V) and fixed light intensity (0.2 mWcm -2 ) conditions.
  • Graph of the change in photocurrent (' Figure 4c', ' Figure 4d') and self-bias, and time when pulsed light ( ⁇ 1620 nm) with different irradiation intensities is irradiated under the condition of applying a fixed force using an Au-coated probe.
  • a graph of the change in photocurrent along the graph ('FIG. 4e') is shown.
  • Figure 5 is a current map (' Figure 5a'), Vtip, collected by changing the tip voltage (V tip ) from +0.1/-0.1 V to +0.4/-0.4 V with a period of 0.1 V under light irradiation conditions.
  • a graph ('FIG. 6b') showing the change in response (R) and sensitivity (D) according to intensity is shown.
  • first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • a first component may be named a second component, and similarly, the second component may also be named a first component without departing from the scope of the present invention.
  • FIG. 1A and 1B are diagrams for explaining optical sensors according to an embodiment of the present invention.
  • the optical sensor (100a, 100b) may include a light source (110a, 100b), a sensing element (120a, 120b), and a current meter (130a, 130b). You can.
  • the light sources 110a and 110b may irradiate light containing an infrared wavelength to the target 10 to be sensed.
  • the light sources 110a and 110b may irradiate light containing an infrared wavelength of about 1100 to 1700 nm toward the target 10.
  • the light sources 110a and 110b may emit continuous light or pulsed light.
  • the sensing elements 120a and 120b may generate photocurrent by receiving light reflected by the target 10 (see FIG. 1A) or light transmitted through the target 10 (FIG. 1B).
  • the sensing elements 120a and 120b may include dielectric thin films 121a and 121b, local force applicators 122a and 122b, and electrodes 123a and 123b.
  • the dielectric thin films 121a and 121b may be formed of a dielectric material that has central symmetry and a fundamental bandgap corresponding to a wavelength in the visible or ultraviolet region.
  • the dielectric thin films 121a and 121b may be formed of a semiconductor material with a band gap of about 1 to 3 eV.
  • the local force applicators 122a and 122b may apply local force to the surfaces of the dielectric thin films 121a and 121b, causing non-uniform strain in the dielectric thin films 121a and 121b.
  • the shape and structure of the local force applicators 122a and 122b are not particularly limited.
  • the local force applicators 122a and 122b may include point tips whose tips for pressing the dielectric thin films 121a and 121b have a spherical or hemispherical shape.
  • the transformation effect polarizes the dielectric thin films 121a and 121b due to the destruction of central symmetry.
  • Fields can be derived.
  • the effect of the force applied by the local force applicator 122a, 122b does not remain locally in the dielectric thin film 121a, 121b, but it destroys spatial symmetry over a long region, thereby causing This causes electromagnetic rearrangement, which can change the band gap of the dielectric thin films 121a and 121b.
  • the local point force applied by the local force applicators (122a, 122b) can generate a long-area distribution transformation effect polarization field within the dielectric thin films (121a, 121b) and reduce the effective band gap at the same time.
  • the induced polarization field redistributes available free carriers not only at the metal-dielectric interface but also within the dielectric, thereby This can lead to changes in the band arrangement, and the reduced effective bandgap can change the effective Schottky barrier (both height and width) between the metal and dielectric, thereby controlling the overall charge transfer.
  • the dielectric thin films 121a and 121b are formed of single crystal silicon with a fundamental bandgap of about 1.12 eV
  • the band gap of the silicon thin film can be reduced to about 0.5 eV.
  • the electrodes 123a and 123b may be disposed on one surface of the dielectric thin films 121a and 121b, and may be made of a transparent conductive material through which light reflected from or transmitted through the target 10 can be transmitted. It can be formed as In one embodiment, the electrodes 123a and 123b may include a conductive metal nanowire electrode, a mesh-structured conductive metal electrode, a conductive carbon material electrode, a transparent conductive oxide electrode, a transparent conductive polymer electrode, etc.
  • the local force applicators 122a and 122b may cause local strain in the dielectric thin films 121a and 121b by pressing the electrodes 123a and 123b, and may cause local strain in the electrodes 123a and 123b.
  • local strain is applied to the dielectric thin film (121a, 121b) by directly pressing the surface of the dielectric thin film (121a, 121b) through the opening. may cause.
  • the dielectric thin films 121a and 121b can generate electron-hole pairs by absorbing photons of a wider wavelength band due to a decrease in the band gap, and the thin films 121a and 121b can generate electron-hole pairs between the electrodes 123a and 123b and the dielectric thin films 121a and 121b.
  • the electrons and holes of the electron-hole pair can be rapidly separated to generate more sensitive photocurrent.
  • the dielectric thin films 121a and 121b may be supported by the substrates 140a and 140b.
  • the structure and material of the substrates 140a and 140b are not particularly limited as long as they can support the dielectric thin films 121a and 121b.
  • the current meters 130a and 130b are electrically connected to the electrodes 123a and 123b to measure the photocurrent generated by the dielectric thin films 121a and 121b, thereby determining the presence or internal state of the object 10. It can be sensed. As long as the photocurrent generated from the dielectric thin films 121a and 121b can be measured, the structure of the current meters 130a and 130b is not particularly limited.
  • Figure 2 is a diagram for explaining an optical sensor according to another embodiment of the present invention.
  • an optical sensor 200 may include a light source 210, a sensing element 220, and a current meter 230.
  • FIGS. 1A and 1B except that the light source 210 irradiates light in the direction of the electrode 223 or the dielectric thin film 222 of the sensing element 220. Since it is substantially the same as the optical sensors 100a and 100b described with reference to , redundant detailed description will be omitted below.
  • the optical sensors 100a, 100b, and 200 according to the present invention do not have a separate light source and can detect an object or infrared rays using light generated from sunlight or household lighting.
  • the band gap of the dielectric thin film and the short circuit between the dielectric thin film and the electrode are generated through a transformation effect polarization field generated by inducing a local strain in the dielectric thin film through the local force applicator.
  • the key barrier can be adjusted, and as a result, the target can be detected in real time and with high sensitivity without the use of external power.
  • the optical sensors of the present invention can be applied to a sensing device that detects the presence or movement of an object or person, or a bio-diagnostic device that diagnoses the state of the human body by arranging a plurality of sensing element cells.
  • the silicone was supported on a solid surface to prevent it from breaking.
  • the silicon wafer was ultrasonically cleaned with acetone, isopropyl alcohol and distilled water successively for 15 minutes each and then dried with nitrogen gas.
  • the silicon was etched by buffered HF solution for 5 min.
  • Figure 3 shows the qualitative strain distribution in silicon along the xz plane (' Figure 3a') calculated by Hertzian contact theory using a point tip with a hemispherical cusp, the bandgap adjustment depending on the applied force (' Figure 3b'); The I-V curve measured for various applied forces ('FIG. 3C') and the change graph of forward and reverse current according to applied force ('FIG. 3D') are shown.
  • the effective band gap of silicon can be reduced to about 0.5 eV due to the applied strain.
  • Local point forces can mainly cause two effects: the generation of a long-area distributed transforming polarization field and the resulting reduction in the effective bandgap, which can act together to dominate the overall optoelectronic performance.
  • the induced polarization field redistributes available free carriers at the metal-semiconductor interface as well as inside the semiconductor, which can cause band arrangement changes at the interface.
  • the strain-tunable bandgap can vary the height and width of the effective Schottky barrier, which can tune the overall charge transfer.
  • the role of applied strain in changing the bandgap of silicon can be confirmed by density functional theory, and the effective bandgap of silicon decreased as the applied strain increased.
  • transformation effect polarization can effectively control carrier distribution inside and at the interface barrier of silicon and thereby electromagnetic transmission in silicon.
  • the induced polarization effect attracts holes while repelling electrons, thereby adjusting the barrier height.
  • the Schottky barrier height increases due to the strong polarization effect.
  • Figure 4 shows IV curves (' Figure 4a'), a graph showing the change in photocurrent according to light intensity (' Figure 4b'), according to the measured wavelength for various applied forces under self-bias (0V) and fixed light intensity (0.2 mWcm -2 ) conditions.
  • Graph of the change in photocurrent (' Figure 4c', ' Figure 4d') and self-bias, and time when pulsed light ( ⁇ 1620 nm) with different irradiation intensities is irradiated under the condition of applying a fixed force using an Au-coated probe.
  • a graph of the change in photocurrent ('FIG. 4e') is shown.
  • the short circuit current (Ish) is about 8.5 ⁇ A (i.e., upward shift of the current from 0 V) and about 0.37 V (i.e., in the IV curve).
  • the photocurrent switching ratio (I sh /I dark ) (I dark is a dark current of about 5.8 ⁇ 10 -11 A) reached about 10 5 under light irradiation conditions of 2 mWcm -2 intensity.
  • Equation 1 linear dynamic region
  • the LDR was 103 dB, indicating excellent sensitivity to light irradiation. Additionally, these changes were fit by a power law as I ph ⁇ P ⁇ ( ⁇ is the exponent related to governing the carrier recombination process). Basically, ⁇ values close to 1 indicate band-band recombination, and values close to 2 indicate defect-related Shockley-Read-Hall (SRH) recombination processes. In this example, an ⁇ value close to 1 (about 0.97) was extracted, confirming that the SRH process is not dominant in this example.
  • the photocurrent rise time ( ⁇ r , the time required for the photocurrent to increase from 10% of the peak to 90%) and the fall time ( ⁇ f , the time required for the photocurrent to decrease from 90% to 10% of the peak) As a result of measuring the time (time), it was 100 ⁇ s and 316 ⁇ s, respectively.
  • n the number of measurements
  • I ph(mean) the average photocurrent over all measurements.
  • Figure 5 is a current map (' Figure 5a'), Vtip, collected by changing the tip voltage (V tip ) from +0.1/-0.1 V to +0.4/-0.4 V with a period of 0.1 V under light irradiation conditions.
  • the change in average photocurrent as a function of applied force is shown in Figure 5f, showing that it can provide tuning of photoresponse at the nanoscale.
  • the change in photocurrent magnitude with applied force can be explained based on the enhancement of light absorption with reduced bandgap under applied strain conditions.
  • the band structure can be adjusted with the applied strain along with the generation of transformation-effect polarization, and as a result the overall photovoltaic performance of the device can be effectively tuned.
  • the above results indicate that strain gradient-induced bandgap tuning has a critical effect on photovoltaic performance.
  • other tip-induced effects can be ruled out.
  • the change in photocurrent depending on the applied force is reversible, thus ruling out the involvement of any electrochemical process, as expected since V tip was used as 0V.
  • a graph ('FIG. 6b') showing the change in response (R) and sensitivity (D) according to intensity is shown.
  • R can be defined as Iph/PA (P represents the irradiation intensity of light, and A represents the effective irradiation area (1.13 ⁇ 10 -4 cm -2 )).
  • I dark 1.2
  • these results demonstrate that the present invention can be applied from nanoscale to microscale, and as a result, major issues associated with currently used expensive materials such as InGaAs, InP and other materials can be solved by applying transformation effect. .

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Abstract

목적물의 존재 또는 이동을 감지하는 광센서가 개시된다. 광센서는 목적물 방향으로 광을 조사하는 광원; 목적물에 의해 반사된 광 또는 목적물을 투과한 광을 수신하여 광전류를 생성하는 센싱소자; 및 광전류를 측정하는 전류측정기를 구비할 수 있다. 그리고 센싱소자는 중심대칭성 결정 구조를 갖고, 가시광선 또는 자외선 영역의 파장에 대응되는 근본 밴드갭(fundamental bandgap)을 갖는 유전체 물질로 형성된 유전체 박막; 유전체 박막의 일면 상에 배치되고, 적외선 또는 가시광선 영역의 광을 투과시키는 투명 전도성 물질로 형성되며, 전류측정기에 전기적으로 연결된 전극; 및 유전체 박막의 표면에 국부적인 힘을 인가하여 상기 유전체 박막 내부에 국부적인 불균일 스트레인을 야기시키는 국부적 힘 인가기;을 구비할 수 있다.

Description

변전 효과를 이용한 광센서 및 이를 구비하는 바이오 진단 장치
본 발명은 반도체와 같은 유전체를 이용하여 광을 감지할 수 있는 광센서 및 이를 구비하는 바이오 진단 장치에 관한 것이다.
중심 대칭성의 유전체를 가로지르는 공간 반전 대칭의 파괴는 스트레인 경사도 때문에 우선 방향을 따라 자발 전기 분극 필드를 유도하고, 이는 변전효과로 알려져 있다. 이러한 변전효과를 이용할 경우, 제로 바이어스 조건 하에서 광전류를 생성할 수 있을 것으로 기대된다.
하지만, 변전효과를 이용한 광센서에 대해서는 여전히 밴드갭의 조정 등과 같은 기초적인 사항에 대해서만 보고되고 있어서, 보다 깊이 있는 연구가 필요하다.
본 발명의 일 목적은 유전체 박막에 국부적인 스트레인을 야기하여 이의 밴드갭을 조정함으로써 현저하게 향상된 성능으로 광을 감지할 수 있는 광센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 광센서를 구비하는 바이오 진단 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 광센서는 목적물의 존재 또는 이동을 감지할 수 있고, 상기 목적물 방향으로 광을 조사하는 광원; 상기 목적물에 의해 반사된 광 또는 상기 목적물을 투과한 광을 수신하여 광전류를 생성하는 센싱소자; 및 상기 광전류를 측정하는 전류측정기를 포함하고, 상기 센싱소자는, 중심대칭성 결정 구조를 갖고, 가시광선 또는 자외선 영역의 파장에 대응되는 근본 밴드갭(fundamental bandgap)을 갖는 유전체 물질로 형성된 유전체 박막; 상기 유전체 박막의 일면 상에 배치되고, 적외선 또는 가시광선 영역의 광을 투과시키는 투명 전도성 물질로 형성되며, 상기 전류측정기에 전기적으로 연결된 전극; 및 상기 유전체 박막의 표면에 국부적인 힘을 인가하여 상기 유전체 박막 내부에 국부적인 불균일 스트레인을 야기시키는 국부적 힘 인가기;를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 광원은 적외선 파장을 포함하는 광을 조사하고, 상기 스트레인이 야기된 유전체 박막은 상기 근본 밴드갭보다 작은 에너지를 갖는 광을 흡수하여 상기 광전류를 생성할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 유전체 박막은 1 내지 3 eV의 근본 밴드갭을 갖는 반도체 물질로 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 국부적 힘 인가기는 첨단이 구형 또는 반구형 형상을 갖는 포인트 팁을 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 전극은 전도성 금속 나노 와이어 전극, 메쉬 구조의 전도성 금속 전극, 전도성 탄소 소재 전극, 투명 전도성 산화물 전극 또는 투명 전도성 고분자 전극을 포함하고, 상기 전극과 상기 유전체 박막의 계면에는 쇼트키 베리어가 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 전극은 상기 유전체 박막의 표면 일부를 노출시키는 개구부를 포함하고, 상기 국부적 힘 인가기는 상기 개구부를 통해 상기 유전체 박막의 표면에 국부적인 힘을 인가할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광센서는, 중심대칭성 결정 구조를 갖고, 가시광선 또는 자외선 영역의 파장에 대응되는 근본 밴드갭(fundamental bandgap)을 갖는 유전체 물질로 형성된 유전체 박막; 상기 유전체 박막의 일면 상에 배치되고, 적외선 영역의 광을 투과할 수 있는 투명 전도성 물질로 형성된 전극; 및 상기 유전체 박막의 표면에 국부적인 힘을 인가하여 상기 유전체 박막 내부에 국부적인 불균일 스트레인을 야기시키는 국부적 힘 인가기;을 구비하는 센싱소자; 상기 센싱소자 방향으로 광을 조사하는 광원; 및 상기 전극에 전기적으로 연결되고, 상기 광에 의해 상기 유전체 박막에 형성된 광전류를 측정하는 전류측정기;를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 유전체 박막은 1 내지 3 eV의 근본 밴드갭을 갖는 반도체 물질로 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 광원은 적외선 파장을 포함하는 광을 조사하고, 상기 스트레인이 야기된 유전체 박막은 상기 근본 밴드갭보다 작은 에너지를 갖는 상기 적외선 파장의 광을 흡수하여 상기 광전류를 생성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 바이오 진단 장치는 인체 또는 동물의 건강 상태를 진단할 수 있고, 상기 인체 또는 동물 방향으로 광을 조사하는 광원; 각각 상기 인체 또는 동물에 의해 반사된 광 또는 상기 인체 또는 동물을 투과한 광을 수신하여 광전류를 생성하는 복수의 센싱소자들의 어레이; 및 상기 센싱소자들에 의해 생성된 광전류들을 측정하는 전류측정기를 포함하고, 상기 센싱소자 각각은, 중심대칭성 결정 구조를 갖고, 가시광선 또는 자외선 영역의 파장에 대응되는 근본 밴드갭(fundamental bandgap)을 갖는 유전체 물질로 형성된 유전체 박막; 상기 유전체 박막의 일면 상에 배치되고, 적외선 또는 가시광선 영역의 광을 투과시키는 투명 전도성 물질로 형성되며, 상기 전류측정기에 전기적으로 연결된 전극; 및 상기 유전체 박막의 표면에 국부적인 힘을 인가하여 상기 유전체 박막 내부에 국부적인 불균일 스트레인을 야기시키는 국부적 힘 인가기;를 포함할 수 있다.
본 발명의 광센서 및 바이오 진단장치에 따르면, 상기 국부적인 힘 인가기를 통해 상기 유전체 박막에 국부적인 스트레인을 유도함으로써 생성된 변전효과 분극 필드를 통해 상기 유전체 박막의 밴드갭 및 상기 유전체 박막과 상기 전극 사이의 쇼트키 베리어를 조절할 수 있고, 그 결과 외부 전력의 사용 없이도 목적물을 실시간 및 고감도로 감지할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광센서들을 설명하기 위한 도면들이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 반구형 첨단을 갖는 포인트 팁을 이용한 Hertzian contact theory에 의해 계산된 xz 평면을 따른 실리콘 내의 정성적 스트레인 분포('도 3a'), 인가된 힘에 따른 밴드갭 조정('도 3b'), 다양한 인가 힘에 대해 측정된 I-V 곡선(‘도 3c’) 및 인가힘에 따른 순방향 전류 및 역방향 전류의 변화 그래프(‘도 3d’)를 나타낸다.
도 4는 Au-코팅 프로브(직경=120㎛)를 사용하여 4μN의 고정된 힘을 인가한 상태에서, 암조건 및 서로 다른 강도를 갖는 광(λ=940nm) 조사 조건 하에서 수집된 I-V 곡선(‘도 4a’), 광 강도에 따른 광전류의 변화를 나타내는 그래프('도 4b'), 셀프 바이어스(0V) 및 고정된 광 강도(0.2 mWcm-2) 조건 하에서 다양한 인가 힘에 대해 측정된 파장에 따른 광전류의 변화 그래프(‘도 4c’, '도 4d') 및 셀프 바이어스 그리고 Au-코팅 프로브를 이용한 고정된 힘의 인가 조건 하에서 다른 조사 강도를 갖는 펄스 광(λ=1620nm)을 조사한 경우에 시간에 따른 광전류의 변화 그래프('도 4e')를 나타낸다.
도 5는 광 조사 조건 하에서 0.1 V의 주기를 갖고 +0.1/-0.1 V로부터 +0.4/-0.4 V까지 팁전압(Vtip)을 변화시킴에 의해 수집된 전류 맵('도 5a'), Vtip=0 및 암 조건 하에서 수집된 소자의 전류 맵('도 5b'), 셀프 바이어스 및 연속된 백색광의 조사 조건 하에서 수집된 전류 맵('도 5c'), 고정된 인가 힘 및 펄스 광 조사(P=2 mWcm-2) 조건 하에서 cAFM 팁(직경=35nm)을 사용하여 고정된 위치로부터 수집된 소자의 셀프 바이어스 순간 광응답 그래프('도 5d'), 힘 의존적인 광전류 특성을 나타내는 그래프('e') 및 인가된 힘에 따른 광전류 크기의 변화를 측정한 그래프('f')를 나타낸다.
도 6은 P=2 mWcm-2의 고정된 광 조사에 대해 인가된 포인트 힘에 대한 소자의 감도(S)의 변화를 나타내는 그래프(‘도 6a’) 및 고정된 4 μN의 힘에 대해 조사 광의 강도에 따른 응답도(R) 및 감지도(D)의 변화를 나타내는 그래프(‘도 6b’)를 나타낸다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광센서들을 설명하기 위한 도면들이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광센서(100a, 100b)는 광원(110a, 100b), 센싱소자(120a, 120b) 및 전류측정기(130a, 130b)를 포함할 수 있다.
상기 광원(110a, 110b)은 감지하고자 하는 목적물(10)에 적외선 파장을 포함하는 광을 조사할 수 있다. 예를 들면, 상기 광원(110a, 110b)은 약 1100 내지 1700 nm의 적외선 파장을 포함하는 광을 상기 목적물(10) 방향으로 조사할 수 있다. 상기 광원(110a, 110b)은 연속적인 광을 조사하거나 펄스 광을 조사할 수 있다.
상기 센싱소자(120a, 120b)는 상기 목적물(10)에 의해 반사된 광(도 1a 참조) 또는 상기 목적물(10)을 투과한 광(도 1b)을 수신하여 광전류를 생성할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 센싱소자(120a, 120b)는 유전체 박막(121a, 121b), 국부적 힘 인가기(122a, 122b) 및 전극(123a, 123b)을 포함할 수 있다.
상기 유전체 박막(121a, 121b)은 중심대칭성을 갖고, 가시광선 또는 자외선 영역의 파장에 대응되는 근본 밴드갭(fundamental bandgap)을 갖는 유전체 물질로 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 유전체 박막(121a, 121b)은 약 1 내지 3 eV의 밴드갭을 갖는 반도체 물질로 형성될 수 있다.
상기 국부적 힘 인가기(122a, 122b)는 상기 유전체 박막(121a, 121b)의 표면에 국부적인 힘을 인가하여 상기 유전체 박막(121a, 121b)에 불균일 스트레인을 야기할 수 있다. 상기 유전체 박막(121a, 121b)의 표면에 국부적인 힘을 인가할 수 있다면, 상기 국부적 힘 인가기(122a, 122b)의 형상 및 구조는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들면, 상기 국부적 힘 인가기(122a, 122b)는 상기 유전체 박막(121a, 121b)을 가압하는 첨단이 구형 또는 반구형 형상을 갖는 포인트 팁을 포함할 수 있다.
상기 국부적인 힘 인가기(122a, 122b)에 의해 상기 유전체 박막(121a, 121b)에 경사도를 갖는 불균일 스트레인이 야기된 경우, 중심 대칭성의 파괴로 인해 상기 유전체 박막(121a, 121b)에 변전효과 분극 필드가 유도될 수 있다. 예를 들면, 상기 국부적인 힘 인가기(122a, 122b)에 의해 인가된 힘의 영향은 상기 유전체 박막(121a, 121b)에 지엽적으로 잔존하지 않지만, 이는 긴 영역에 걸쳐 공간 대칭성을 파괴하고, 이로 인해 전자기적 재배열이 발생되며, 이는 상기 유전체 박막(121a, 121b)의 밴드갭을 변화시킬 수 있다. 즉, 상기 국부적인 힘 인가기(122a, 122b)에 의해 인가된 지엽적인 포인트 힘은 상기 유전체 박막(121a, 121b) 내에 긴 영역 분포 변전효과 분극 필드를 생성하는 동시에 유효 밴드갭을 감소시킬 수 있다. 상기 유전체 박막(121a, 121b)에 변전효과 분극 필드를 생성되고 유효 밴드갭이 감소된 경우, 유도된 분극 필드는 금속-유전체 계면에서 뿐만 아니라 유전체 내에서 사용 가능한 자유 캐리어를 재분포시켜 계면에서의 밴드 배열 변화를 야기할 수 있고, 감소된 유효 밴드갭으로 인해 금속-유전체 사이의 유효 쇼트키 베리어(높이 및 폭 모두)가 변화하여 전체적인 전하 전송을 조절할 수 있다.
일 실시예로, 상기 유전체 박막(121a, 121b)이 약 1.12 eV의 근본 밴드갭(fundamental bandgap)을 갖는 단결정 실리콘으로 형성된 경우, 상기 국부적인 힘 인가기(122a, 122b)에 의해 야기된 국부적 스트레인에 의해 상기 실리콘 박막의 밴드갭은 약 0.5 eV까지 감소될 수 있다.
상기 전극(123a, 123b)은 상기 유전체 박막(121a, 121b)의 일면 상에 배치될 수 있고, 상기 목적물(10)로부터 반사되거나 상기 목적물(10)을 투과한 광이 투과할 수 있는 투명 전도성 물질로 형성될 수 있다. 일 실시예로, 상기 전극(123a, 123b)은 전도성 금속 나노 와이어 전극, 메쉬 구조의 전도성 금속 전극, 전도성 탄소 소재 전극, 투명 전도성 산화물 전극, 투명 전도성 고분자 전극 등을 포함할 수 있다.
한편, 상기 국부적인 힘 인가기(122a, 122b)는 상기 전극(123a, 123b)을 가압함으로써 상기 유전체 박막(121a, 121b)에 국부적인 스트레인을 야기할 수도 있고, 상기 전극(123a, 123b)에 상기 유전체 박막(121a, 121b)의 표면 일부를 노출시키는 개구부를 형성한 후, 상기 개구부를 통해 상기 유전체 박막(121a, 121b)의 표면을 직접 가압함으로써 상기 유전체 박막(121a, 121b)에 국부적인 스트레인을 야기할 수도 있다.
상기 국부적인 힘 인가기(122a, 122b)에 의해 스트레인이 발생된 상기 유전체 박막(121a, 121b)에 상기 목적물(10)로부터 반사되거나 상기 목적물(10)을 투과한 광이 입사되는 경우, 상기 유전체 박막(121a, 121b)은 밴드갭의 감소로 인해 더 넓은 파장 대역의 포톤을 흡수하여 전자-정공 쌍을 생성할 수 있고, 상기 전극(123a, 123b)과 상기 유전체 박막(121a, 121b) 사이의 유효 쇼트키 베리어의 높이 및 폭의 조정에 의해 상기 전자-정공 쌍의 전자 및 정공은 급격히 분리되어 보다 민감하고 광전류를 생성할 수 있다.
한편, 상기 유전체 박막(121a, 121b)은 기판(140a, 140b)에 의해 지지될 수 있다. 상기 유전체 박막(121a, 121b)을 지지할 수 있다면, 상기 기판(140a, 140b)의 구조 및 재료는 특별히 제한되지 않는다.
상기 전류측정기(130a, 130b)는 상기 전극(123a, 123b)에 전기적으로 연결되어 상기 유전체 박막(121a, 121b)에 의해 생성된 광전류를 측정함으로써, 상기 목적물(10)의 존재 또는 내부 상태 등을 감지할 수 있다. 상기 유전체 박막(121a, 121b)으로부터 생성된 광전류를 측정할 수 있다면, 상기 전류측정기(130a, 130b)의 구조는 특별히 제한되지 않는다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광센서(200)는 광원(210), 센싱소자(220) 및 전류측정기(230)를 포함할 수 있다.
본 실시예의 광센서(200)의 경우, 상기 광원(210)이 상기 센싱 소자(220)의 전극(223) 또는 유전체 박막(222) 방향으로 광을 조사한다는 것을 제외하고는, 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한 광센서(100a, 100b)와 실질적으로 동일하므로, 이하에서는 중복된 상세한 설명은 생략한다.
한편, 본 발명에 따른 광센서(100a, 100b, 200)는 별도의 광원을 구비하지 않고, 태양광이나 생활 조명으로부터 생성된 광을 이용하여 목적물이나 적외선을 감지할 수도 있다.
본 발명의 광센서들에 따르면, 상기 국부적인 힘 인가기를 통해 상기 유전체 박막에 국부적인 스트레인을 유도함으로써 생성된 변전효과 분극 필드를 통해 상기 유전체 박막의 밴드갭 및 상기 유전체 박막과 상기 전극 사이의 쇼트키 베리어를 조절할 수 있고, 그 결과 외부 전력의 사용 없이도 목적물을 실시간 및 고감도로 감지할 수 있다.
본 발명의 광센서들은 사물이나 사람의 존재 또는 이동을 감지하는 감지 장치 또는 복수의 센싱소자 셀들을 배열하여 인체 내부의 상태를 진단하는 바이오 진단 장치 등에 적용될 수 있다.
이하 본 발명의 구체적인 실시예에 대해 상술한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 일부 실시 형태에 불과한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
상업적으로 획득 가능한 n-형 실리콘(저항=1-10 Ωcm)이 인가된 힘의 영향을 연구하기 위해 사용되었다. 파괴되는 것을 방지하기 위해 실리콘은 단단한 표면에 지지되었다. 측정 전에, 실리콘 웨이퍼는 아세톤, 이소프로필 알콜 및 증류수에 의해 연속적으로 각각 15분 동안 초음파적으로 세척되었고, 이어서 질소 가스로 건조되었다. 자연적인 산화물을 제거하기 위해, 실리콘은 완충된 HF 용액에 의해 5분 동안 에칭되었다. 벌크 힘은 Au-코팅 프로브(직경=120 ㎛)에 의해 인가되었다.
[실험예]
도 3은 반구형 첨단을 갖는 포인트 팁을 이용한 Hertzian contact theory에 의해 계산된 xz 평면을 따른 실리콘 내의 정성적 스트레인 분포('도 3a'), 인가된 힘에 따른 밴드갭 조정('도 3b'), 다양한 인가 힘에 대해 측정된 I-V 곡선(‘도 3c’) 및 인가힘에 따른 순방향 전류 및 역방향 전류의 변화 그래프(‘도 3d’)를 나타낸다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 반구형 첨단을 갖는 포인트 팁(직경=120㎛)을 사용하여 인가된 국부적인 힘은 긴 영역(=960㎛)에 걸쳐 분포된 불균일 스트레인을 유도함을 확인할 수 있다. 이전에 보고된 바와 같이, 스트레인의 공간 변화, 즉, 기울기는 도 3a에서 화살표에 의해 도시된 바와 같이, 변전효과 분극 필드를 유도할 수 있다. 인가된 포인트 힘의 영향은 지엽적으로 잔존하지 않지만, 이는 긴 영역에 걸쳐 공간 대칭성을 파괴하고, 이는 전자기적 재배열을 야기할 수 있다. 이러한 인가된 임 유도 전자기적 재배열은 실리콘의 유효 밴드갭을 변화시킬 것이 기대된다.
변전효과 유도 넓은 밴드 광 흡수의 개념을 설명하기 위한 도 3b에 도시된 바와 같이, 실리콘의 유효 밴드갭은 인가된 스트레인으로 인해 약 0.5 eV까지 감소될 수 있다. 지엽적인 포인트 힘은 주로 2가지 효과, 즉 긴 영역 분포 변전 분극 필드 생성 및 이로 인한 유효 밴드갭의 감소를 야기할 수 있고, 이러한 2가지 효과는 함께 작용하여 전반적인 광전 성능(optoelectronic performance)을 지배할 수 있다. 예를 들면, 유도 분극 필드는 금속-반도체 계면에서 뿐만 아니라 반도체 내부에서 사용가능한 자유 캐리어를 재분포시키고, 이는 계면에서 밴드 배열 변화를 야기할 수 있다. 또한, 스트레인-조정 밴드갭은 유효 쇼트키 베리어의 높이 및 폭을 변화시킬 수 있고, 이는 전체적인 전하 전송을 조정할 수 있다. 실제로 실리콘의 밴드갭을 변화시키기 위해 인가된 스트레인의 역할은 밀도 함수 이론에 의해 확인될 수 있고, 실리콘의 유효 밴드갭은 인가된 스트레인이 증가함에 따라 감소되었다.
Au-코팅 팁(직경=120㎛)을 사용하여 인가된 서로 다른 힘들에 대응되는 단결정 n-형 실리콘의 전류-전압(I-V) 특성을 나타내는 도 3c를 참조하면, 전하 전송은 외부 힘(즉, 스트레인)을 인가함에 의해 크게 조절할 수 있음이 명백하게 확인된다. 구체적으로, I-V 곡선은 순방향 전류가 증가하여 약 4 μN의 임계 힘에서 역방향 전류보다 더 커지는 비대칭성 거동을 보여준다. 소자는 5 μN 이상의 힘이 인가된 경우에는 전형적인 정류 거동을 나타내었다.
도 3d에 도시된 바와 같이, +1.0 V(순방향) 및 -1.0 V(역방향)에서의 최대 전류에 있어서, 순방향 전류는 인가된 힘이 증가함에 따라 점진적으로 증가함에 반해 역방향 전류는 인가된 힘에 대해 변화하지 않고 유지되는 것으로 나타났고, 이는 전자기적 재배열 메커니즘은 인가된 힘에 의해 가능함을 확인시켜 준다.
인가 힘이 증가함에 따라 관찰된 I-V 곡선의 지배 메커니즘은 복잡하다. 접촉 면적, 유효 밴드갭의 변화, 변전 포텐셜의 생성, 표면 포텐셜의 지엽적인 힘 유도 생성 등과 같은 다양한 인자들이 I-V 곡선의 변화에 기여할 수 있다. 따라서, 이러한 효과와 지배적인 역할의 추출 사이의 연관성을 이해하기 위해 깊이 있는 연구가 필요하다고 생각한다. I-V 곡선에서의 변화는 단지 접촉 면적에서의 변화에 의해서만 야기되는 것은 아니고, 변전효과와 같은 몇 가지 다른 요인들이 전하 전송에 기여할 수 있다.
변전효과 분극은 실리콘 내부 및 계면 장벽에서의 캐리어 분포 그리고 이로 인한 실리콘에서의 전자기적 전송을 유효하게 조절할 수 있음이 보고된 바 있다. 실제로, 인가된 힘이 증가함에 따라, 유도된 변전효과 분극은 정공을 끌어당기는 반면, 전자들을 밀어내고, 그 결과 장벽 높이가 조절된다. 인가된 힘에 따라, 실리콘의 유효 밴드갭이 감소할 뿐만 아니라 강한 변전효과 분극 때문에 쇼트키 베리어 높이는 증가한다. 이러한 2가지 효과는 함께 작용하여 순방향 바이어스 조건 하에서는 전반적인 전하 전송을 조절할 수 있는 반면, 역방향 바이어스 조건 하에서는 크게 영향을 미치지 않는다. 사실 역방향 바이어스 조건에서, 전하 전송은 주로 지엽적인 베리어에 의해 지배되고, 따라서 분극의 역할은 지배적인 것이 아니다. 인가된 힘에 따른 I-V 거동 조정은 스트레인 경사도 유도 변전효과 포텐셜의 생성 때문이고, 이는 인가된 힘에 따라 그 크기가 변화하고, 그 결과 쇼트키 베리어를 조절할 수 있다.
도 4는 Au-코팅 프로브(직경=120㎛)를 사용하여 4μN의 고정된 힘을 인가한 상태에서, 암조건 및 서로 다른 강도를 갖는 광(λ=940nm) 조사 조건 하에서 수집된 I-V 곡선(‘도 4a’), 광 강도에 따른 광전류의 변화를 나타내는 그래프('도 4b'), 셀프 바이어스(0V) 및 고정된 광 강도(0.2 mWcm-2) 조건 하에서 다양한 인가 힘에 대해 측정된 파장에 따른 광전류의 변화 그래프(‘도 4c’, '도 4d') 및 셀프 바이어스 그리고 Au-코팅 프로브를 이용한 고정된 힘의 인가 조건 하에서 다른 조사 강도를 갖는 펄스 광(λ=1620nm)을 조사한 경우에 시간에 따른 광전류의 변화 그래프('도 4e')를 나타낸다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 셀프 바이어스(0 V) 조건 하에서, 약 8.5 μA(즉, 0V에서 전류의 상방 쉬프트)의 단락 회로 전류(Ish) 및 약 0.37 V(즉, I-V 곡선에서 원점으로부터 전압 최소값의 쉬프트)의 개방 회로 전압이 광조사(P=2 mWcm-2) 조건 하에서 기록되었고, 이는 광전 효과의 존재를 나타낸다. 따라서, Au-팁/Si 기하 구조는 광 조사에 잘 응답하고, 광 흡수에 의해 전자-정공 쌍을 생성할 수 있음을 확인할 수 있다. 광전류 스위칭 비율(Ish/Idark)(Idark는 약 5.8×10-11 A의 암전류임)는 2 mWcm-2 강도의 광 조사 조건 하에서 약 105에 도달하였다. 0 V에서의 광전류(Iph=Ilight-Idark)는 광 강도에 따라 점진적으로 증가하였고, 이는 광에 의해 생성된 전자-정공 쌍들의 밀도가 포톤 흡수와 선형적으로 관련이 있음을 나타낸다.
추가적으로, 광 강도에 따른 Iph 변화를 이용하여 하기 수식1로 표현되는 선형 동역학 영역(LDR)을 평가한 하였다.
[수식1]
LDR = log[Iph/Idark]
평가 결과, LDR은 103 dB이었고, 이는 광조사에 대한 우수한 감도를 나타낸다. 또한, 이러한 변화는 Iph∝Pα (α는 캐리어 재결합 프로세스를 지배하는 것과 관련된 지수임)와 같은 힘의 법칙(power law)에 의해 피팅되었다. 기본적으로, α 값이 1에 가까운 경우는 밴드-밴드 재결합을 나타내고, 2에 가까운 경우는 결함 관련 Shockley-Read-Hall(SRH) 재결합 프로세스를 나타낸다. 본 실시예에서는 1에 가까운 α 값(약 0.97)이 추출되었고, 이는 본 실시예에서 SRH 프로세스가 지배적이지 않다는 것을 확인시켜 준다.
또한, 1μN로부터 8μN 까지의 인가 힘이 변화함에 따른, 0 V 및 고정된 조사 강도를 갖는 다른 파장들(λ=300~1700 nm)에 따른 Iph의 변화를 나타내는 도 4의 c, d에 도시된 바와 같이, 자외선(λ=300nm)으로부터 단파장 적외선(λ=1700nm)까지의 넓은 밴드의 광 조사에 대해 Iph가 나타났고, 이는 실리콘의 근본 밴드갭(Eg=1.12 eV)을 훨씬 넘어서는 것이다.
광전류(Iph)의 크기는 인가된 힘에 현저하게 의존하였다. 구체적으로, λ=1620 nm에서 Iph는 인가된 힘이 1μN로부터 8μN까지 증가함에 따라 0.45 nA로부터 120 nA까지 증가하였다. 실리콘의 밴드갭 및 인가된 힘에 의한 이의 조정 이상으로의 이러한 이례적인 Iph가 먼저 관찰되었으나, 이는 결정 및 중심대칭성 Si 또는 인가된 힘의 접촉 면적에서의 증가에 의해 설명되지 않는다. 그러나 확실히, 0 V 바이어스에서, λ≥100 nm에 대한 주목할만한 Iph는 광 흡수 유도 전자-정공 쌍의 생성 및 접합에 의한 그들의 급격한 분리 때문이고, λ=1100 nm에 대한 인가된 힘에 따른 Iph 및 이의 조정은 유효 밴드갭의 변화 때문이다.
포인트 힘 유도 밴드갭 조정의 실험적 증거를 발견하기 위해, 포인트 힘 및 벌크 Au 전극들의 기하 구조를 가지고 저항의 온도 의존적 변화를 독립적으로 측정한 결과, 포인트 힘이 인가된 Si의 유효 밴드갭은 0.4 eV에 가까운 것으로 측정되었고, 이는 인가된 힘에 따른 밴드갭의 변화가 현저함을 나타낸다. 이러한 점에서, 주목할만한 적외선 광응답은 인가된 스트레인 때문인 것으로 평가된다. 한편, 인가된 힘은 지엽적인 위치에서 유효 밴드갭을 감소시킬 뿐만 아니라 λ≥1100 nm를 가진 포톤을 흡수하는 유효 면적을 증가시키고, 그 결과 Iph는 인가된 힘에 따라 광대역 파장의 광조사에서 현저하게 향상될 수 있다.
도 4e에 도시된 바와 같이, 재현 가능한 거동을 확인하기 위해, 0V 바이어스에서 다양한 강도(P=0~2 mWcm-2)를 갖는 펄스 광(λ=1620 nm) 조사 조건 하에서 순간적인 광응답(I-t)이 측정되었다. 파장 의존적인 스펙트럼으로부터 기대된 바와 같이, 어떠한 외부 포텐셜 없이 λ=1620 nm에서 우수한 광응답이 나타났고, 이는 전자-정공 쌍의 생성을 확인시켜 준다. 그러나 종래의 직류 광전류(Idc)와 달리, 라이트-온(light-on) 조건 동안 추가적인 피크가 나타났고, 이는 교류 광전류(Iac) 또한 생성됨을 나타낸다. 관찰된 직류 광전류(Idc)는 전형적인 광전 효과 때문이나, Si와 같은 중심대칭성 물질에 대한 추가적인 피크들은 교류 전류 광전 효과를 불리는 새로운 종류의 영향 때문이고, 이는 물질의 접합/계면에서의 주기적인 광 조사로 나타난다. 실제로 광조사 조건에서의 급격한 변화로 인한 콰시 페르미 레벨의 빠른 스플리팅 및 재배열이 이러한 피크들의 주요 근원이고, 바꿔 말하면, 2개의 전극 사이의 포텐셜 차이를 유지하기 위한 외부 회로에서의 전자를 역방향 및 순방향으로 진동시킴으로써 상기 피크들이 발생된다. 한편, Iac 및 Idc 크기는 광 강도에 따라 변화하였으나, 유사한 광 조사 조건 하에서 Iac 피크의 크기(=2.8 μA)는 Idc(=2.1 μA)보다 현저하게 더 높았다.
고속으로 소자를 동작시킴에 의해 광전류 상승 시간(τr, 광전류가 피크의 10%로부터 90%까지 증가하는데 요구되는 시간) 및 하강 시간(τf, 광전류가 90%로부터 10%까지 감소하는데 요구되는 시간)을 측정한 결과, 각각 100 μs 및 316 μs이었다. 또한, 하기 수식 2를 이용하여 평가된 3dB에서의 소자의 컷오프 주파수(f3dB)는 3.5 kHz이었다.
[수식 2]
f3dB = 0.35/τr
이러한 현저하게 높은 응답 시간은 소자가 높은 데이터 속도로 동작하는 것을 가능하게 한다. 또한, 광전류 생성 및 이의 포인트-to-포인트 변화의 재생 가능성이 랜덤하게 선택된 위치들(측정 팁을 쉬프트시킴에 의해)로부터의 데이터 수집에 의해 체크한 결과, 하기 수식 3으로부터 산출된 표준편차(σ)는 2.2%이었다. 이러한 좁고 중심화된 분산은 본 발명의 구조가 높은 재생 가능한 성능을 보여줌의 확실하게 확인시켜 준다.
[수식 3]
σ=[(Iph-Iph(mean))/n]1/2
수식 3에서, n은 측정 수를 나타내고, Iph(mean)은 모든 측정에 대한 평균 광전류를 나타낸다.
또한, 암(dark) 및 λ=1620 nm의 광 조사 조건 하에서 I-V 곡선들을 측정한 결과, 셀프 바이어스 조건 하에서 약 0.15 V의 빌트인(built-in) 포텐셜 및 약 0.75 nA의 광전류의 출현을 보여주었고, 이는 빌트인 포텐셜의 존재를 나타낸다. 변전효과로 인한 빌트인 포텐셜을 이해하기 위해, 광전류가 다른 팁 바이어스(Vtip)로 맵핑되었다. 상기의 측정에서, 전류는 최상부(top)로부터 최하부(bottom)까지의 연속적인 팁 스캐닝 동안 수집되었고, 연속적인 백색광의 조사(2 mWcm-2) 조건 하에서 Vtip은 +0.1/-0.1 V로부터 +0.4/-0.4 V까지 0.1 V의 간격으로 변화하였다.
이러한 cAFM 맵들은 빌트인 포텐셜이 광전류가 제거된(Vtip=-0.4 V에 대응되는 전류 맵 참조) Vtip의 값인 0.4V에 가깝고, 이는 벌크 측정(도 4a 참조)과 부합하다. 이러한 관찰들은 추가적으로 광전류는 나노스케일(=0.63 nm, 즉, AFM 이미지의 픽셀 사이즈)에서 공간적으로 변화하고, 따라서 높은 공간 해상도를 제공하며, 심지어 나노스케일로 정확하게 소자를 개발하는 것을 가능하게 함을 나타낸다.
변전 효과 및 광전 조정성의 동역학에 대한 깊은 고찰을 얻기 위해, 제어된 기계적 힘이 AFM 팁(직경=30 nm)에 의해 인가되었다. priory, the artifacts like, 표면 전하, 양자 터널링 또는 마찰전기 유도 전류 생성은 고정된 인가 힘(3 nN), 0 V의 Vtip, 암 조건(AFM에서 사용된 레이저 오프 조건을 포함함) 하에서 전류 맵을 수집함에 의해 제거되었다.
도 5는 광 조사 조건 하에서 0.1 V의 주기를 갖고 +0.1/-0.1 V로부터 +0.4/-0.4 V까지 팁전압(Vtip)을 변화시킴에 의해 수집된 전류 맵('도 5a'), Vtip=0 및 암 조건 하에서 수집된 소자의 전류 맵('도 5b'), 셀프 바이어스 및 연속된 백색광의 조사 조건 하에서 수집된 전류 맵('도 5c'), 고정된 인가 힘 및 펄스 광 조사(P=2 mWcm-2) 조건 하에서 cAFM 팁(직경=35nm)을 사용하여 고정된 위치로부터 수집된 소자의 셀프 바이어스 순간 광응답 그래프('도 5d'), 힘 의존적인 광전류 특성을 나타내는 그래프('도 5e') 및 인가된 힘에 따른 광전류 크기의 변화를 측정한 그래프('도 5f')를 나타낸다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c를 참조하면, Vtip=0 및 암 조건 하에서 어떠한 전류 신호도 관찰되지 않았고, 이는 priory, the artifacts like, 표면 전하, 양자 터널링 또는 마찰전기 유도 전류 생성 등의 인자들은 전하 전송에서 지배적인 역할을 하는 것은 아님을 나타낸다. 반면, 일정한 백색광 조사(2 mWcm-2) 조건 하 Vtip = 0 V에서 독특하고 명백한 전류가 나타났고, 이는 광 흡수 유도 전자-정공 쌍의 생성 및 분리를 확인시켜 준다.(도 5c 참조) 실제로, AFM 팁에 의해 인가된 포인트 힘은 스트레인 경사도를 생성함에 의해 반도체 내부의 대칭성을 파괴하고, 이는 변전효과 포텐셜 및 이로 인한 0 V에서의 전류를 야기할 수 있다. 따라서, 광전류의 포텐셜 기원은 변전효과 분극 필드인 것으로 판단된다.
다른 증거로서, 도 5d에 도시된 바와 같이, 펄스 광 조사(P=0.6 mWcm-2)의 조건 하에서 정량적인 광전류가 cAFM 프로브를 사용하여 고정된 위치에서 측정되었다. 흥미롭게도, 나노사이즈에서 순간적인 광응답(I-t) 측정으로부터, 전류를 급격하게 증가되어 Vtip=0V에서 약 0.06 nA의 최대값에 도달하였고, 이는 셀프 바이어스 조건 하에서 광전류가 생성됨을 확인시켜 준다. 또한, 순간적인 광전류의 생성은 조사 강도에 고도로 민감하였고, 이는 나노스케일 전류도 광 흡수에 의존함을 확인시켜 준다. 실제로, 변전효과 분극 때문에, 광에 의해 생성된 전자-정공 쌍은 긴급하게 분리되어 광전류를 생성하였다. cAFM 팁을 이용한 이러한 순간적인 광전류는 본 발명이 밀리세컨드(ms)의 초고속 응답을 가지고, 수십 나노미터까지 감소된 소자 사이즈에 적용되어 고해상도 구현할 수 있음을 명확하게 보여준다.
도 5e에 도시된 바와 같이, 변전효과 유도 광전류에 대한 추가적으로 직접 증거를 제공하기 위해, cAFM 팁을 사용하여 제어된 힘이 고정된 포인트에 인가되었고, 암 및 연속적인 백색광 조사(P=2mWcm-2)의 조건 하에서 동시적인 광전류가 Vtip=0 V에서 측정되었다. 기대된 바와 같이, 암 조건 하에서, 최대 힘이 인가되었음에도 전류 신호는 노이즈 레벨로 유지되었다. 반면, 광 조사 조건 하에서 광전류가 나타났고, 광전류의 크기는 인가된 힘의 증가/감소에 1:1 응답을 보여주었다.(도 5e의 light 곡선 참조)
인가된 힘의 함수로서 평균 광전류에서의 변화가 도 5의 f에 도시되어 있고, 이는 나노스케일에서 광응답의 조정을 제공할 수 있음을 보여준다. 인가된 힘에 따른 광전류 크기에서의 변화는 인가된 스트레인 조건 하에서 감소된 밴드갭을 갖는 광 흡수의 향상에 기초하여 설명될 수 있다. 실제로, 밴드 구조는 변전효과 분극의 생성과 함께 인가된 스트레인으로 조절될 수 있고, 그 결과 소자의 전체적인 광전 성능이 효과적으로 조절될 수 있다. 광전류 생성이 인가된 스트레인에 의존하는 것으로 가정하면, 위의 결과는 스트레인 경사도 유도 밴드갭 조정이 광전 성능에 결정적인 효과를 가짐을 나타낸다. 이러한 점에서, 팁-유도 다른 효과들은 배제할 수 있다. 예를 들면, 인가된 힘에 따른 광전류의 변화는 가역적이고, 따라서 Vtip이 0V로 사용되었기에 기대된 바와 같이, 어떠한 전기화학적 프로세스의 연관성을 배제시킬 수 있다.
한편, 인가된 포인트 힘 동안 인가된 스트레인을 계산하기 위해 힘-변위 곡선을 사용하였고, 힘의 인가 전후의 surface topography 측정에 의해 팁은 어떠한 영구적인 표면 손상을 야기하지 않았음이 확인되었다. 이러한 결과들은 전하 전송이 나노크기의 AFM 팁에서 조차 순수하게 기계적인 힘에 의해 조절될 수 있음을 확인시켜 준다.
*기본적인 밴드갭을 넘어선 포톤 감지를 위한 본 발명의 타당성을 증명하기 위해, 하기 수식 4의 비율로 정의되는 소자의 감도(S)가 λ=1620 nm에 대해 계산되었다.
[수식 4]
S = (|Iph-Idark|/|Idark|) × 100%
도 6은 P=2 mWcm-2의 고정된 광 조사에 대해 인가된 포인트 힘에 대한 소자의 감도(S)의 변화를 나타내는 그래프(‘도 6a’) 및 고정된 4 μN의 힘에 대해 조사 광의 강도에 따른 응답도(R) 및 감지도(D)의 변화를 나타내는 그래프(‘도 6b’)를 나타낸다.
도 6a에 도시된 바와 같이, S는 넓은 영역에서 조절될 수 있고, P=2 mWcm-2에 대해 2.5×108 %만큼 높은 것으로 발견되었다. 이러한 극도로 높은 감도는 본 발명의 소자를 이용하여 결과를 정확하게 수집될 수 있음을 나타낸다.
제안된 광전 소자의 성능을 결정하기 위한 다른 임계 파라미터들은 응답도(R) 및 감지도(D)이다. 암 전류에서의 주요 기여자는 쇼트 노이즈 때문이라고 가정하면, D는 하기 수식 5로서 계산될 수 있다.
[수식 5]
Figure PCTKR2023008441-appb-img-000001
(q는 전기적 전하를 나타냄)
수식 5에서, R은 Iph/PA (P는 광의 조사 강도를 나타내고, A는 유효 조사 면적(1.13×10-4 cm-2)을 나타냄)로 정의될 수 있다. Idark = 1.2×10-12 A (즉, I-t 측정 동안 라이트 오프 조건 동안 측정된 평균 광전류), P = 2 mW·cm-2 등과 같은 적절한 파라미터들의 치환 이후, 셀프 바이어스 조건(0V) 하에서 측정된 R 및 D의 값들은 λ=1620 nm에서 96 mAW-1 및 1.54 × 1014 Jones 에 각각 도달하였고, 이는 본 발명의 우수한 타당성을 나타낸다. 실제로, 이러한 결과들은 본 발명이 나노 스케일로부터 마이크로 스케일까지 적용될 수 있고, 그 결과 InGaAs, InP 및 다른 물질 등과 같은 현재 사용되는 비싼 물질과 관련된 주요 이슈를 변전효과 적용에 의해 해소할 수 있음을 증명한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 목적물의 존재 또는 이동을 감지하는 광센서에 있어서,
    상기 목적물 방향으로 광을 조사하는 광원;
    상기 목적물에 의해 반사된 광 또는 상기 목적물을 투과한 광을 수신하여 광전류를 생성하는 센싱소자; 및
    상기 광전류를 측정하는 전류측정기를 포함하고,
    상기 센싱소자는,
    중심대칭성 결정 구조를 갖고, 가시광선 또는 자외선 영역의 파장에 대응되는 근본 밴드갭(fundamental bandgap)을 갖는 유전체 물질로 형성된 유전체 박막;
    상기 유전체 박막의 일면 상에 배치되고, 적외선 또는 가시광선 영역의 광을 투과시키는 투명 전도성 물질로 형성되며, 상기 전류측정기에 전기적으로 연결된 전극; 및
    상기 유전체 박막의 표면에 국부적인 힘을 인가하여 상기 유전체 박막 내부에 국부적인 불균일 스트레인을 야기시키는 국부적 힘 인가기;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 광센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 적외선 파장을 포함하는 광을 조사하고,
    상기 스트레인이 야기된 유전체 박막은 상기 근본 밴드갭보다 작은 에너지를 갖는 광을 흡수하여 상기 광전류를 생성하는 것을 특징으로 하는, 광센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 박막은 1 내지 3 eV의 근본 밴드갭을 갖는 반도체 물질로 형성된 것을 특징으로 하는, 광센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 국부적 힘 인가기는 첨단이 구형 또는 반구형 형상을 갖는 포인트 팁을 포함하는 것을 특징으로 하는, 광센서.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 전도성 금속 나노 와이어 전극, 메쉬 구조의 전도성 금속 전극, 전도성 탄소 소재 전극, 투명 전도성 산화물 전극 또는 투명 전도성 고분자 전극을 포함하고,
    상기 전극과 상기 유전체 박막의 계면에는 쇼트키 베리어가 형성된 것을 특징으로 하는, 광센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전극은 상기 유전체 박막의 표면 일부를 노출시키는 개구부를 포함하고,
    상기 국부적 힘 인가기는 상기 개구부를 통해 상기 유전체 박막의 표면에 국부적인 힘을 인가하는 것을 특징으로 하는, 광센서.
  7. 중심대칭성 결정 구조를 갖고, 가시광선 또는 자외선 영역의 파장에 대응되는 근본 밴드갭(fundamental bandgap)을 갖는 유전체 물질로 형성된 유전체 박막; 상기 유전체 박막의 일면 상에 배치되고, 적외선 영역의 광을 투과할 수 있는 투명 전도성 물질로 형성된 전극; 및 상기 유전체 박막의 표면에 국부적인 힘을 인가하여 상기 유전체 박막 내부에 국부적인 불균일 스트레인을 야기시키는 국부적 힘 인가기;을 구비하는 센싱소자;
    상기 센싱소자 방향으로 광을 조사하는 광원; 및
    상기 전극에 전기적으로 연결되고, 상기 광에 의해 상기 유전체 박막에 형성된 광전류를 측정하는 전류측정기;를 포함하는, 광센서.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 유전체 박막은 1 내지 3 eV의 근본 밴드갭을 갖는 반도체 물질로 형성된 것을 특징으로 하는, 광센서.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 광원은 적외선 파장을 포함하는 광을 조사하고,
    상기 스트레인이 야기된 유전체 박막은 상기 근본 밴드갭보다 작은 에너지를 갖는 상기 적외선 파장의 광을 흡수하여 상기 광전류를 생성하는 것을 특징으로 하는, 광센서.
  10. 인체 또는 동물의 건강 상태를 진단하는 바이오 진단 장치에 있어서,
    상기 인체 또는 동물 방향으로 광을 조사하는 광원;
    각각 상기 인체 또는 동물에 의해 반사된 광 또는 상기 인체 또는 동물을 투과한 광을 수신하여 광전류를 생성하는 복수의 센싱소자들의 어레이; 및
    상기 센싱소자들에 의해 생성된 광전류들을 측정하는 전류측정기를 포함하고,
    상기 센싱소자 각각은,
    중심대칭성 결정 구조를 갖고, 가시광선 또는 자외선 영역의 파장에 대응되는 근본 밴드갭(fundamental bandgap)을 갖는 유전체 물질로 형성된 유전체 박막;
    상기 유전체 박막의 일면 상에 배치되고, 적외선 또는 가시광선 영역의 광을 투과시키는 투명 전도성 물질로 형성되며, 상기 전류측정기에 전기적으로 연결된 전극; 및
    상기 유전체 박막의 표면에 국부적인 힘을 인가하여 상기 유전체 박막 내부에 국부적인 불균일 스트레인을 야기시키는 국부적 힘 인가기;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 바이오 진단 장치.
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