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KR102349955B1 - 다중 검출 모드를 지닌 포토 센서 및 그 동작 방법 - Google Patents

다중 검출 모드를 지닌 포토 센서 및 그 동작 방법 Download PDF

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KR102349955B1
KR102349955B1 KR1020140101103A KR20140101103A KR102349955B1 KR 102349955 B1 KR102349955 B1 KR 102349955B1 KR 1020140101103 A KR1020140101103 A KR 1020140101103A KR 20140101103 A KR20140101103 A KR 20140101103A KR 102349955 B1 KR102349955 B1 KR 102349955B1
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upper electrode
material layer
detection mode
dimensional material
electrode
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정희정
경지수
이장원
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삼성전자주식회사
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Abstract

포토 센서 및 그 동작 방법이 개시된다. 개시된 포토 센서는 하부 전극, 반도체층, 이차원 물질층 및 상부 전극을 포함할 수 있으며, 외부로부터 조사된 광에 의해 발생되는 광전류를 수평 검출 모드 및 수직 검출 모드를 포함하는 다중 검출 모드로 동작할 수 있다. 상부 전극은 다수의 전극 요소들을 포함할 수 있으며, 상기 전극 요소들은 동일하거나 서로 다른 전도성 물질로 형성될 수 있다.

Description

다중 검출 모드를 지닌 포토 센서 및 그 동작 방법{Photo sensor comprising multiple detection mode and operation method of the same}
본 개시는 포토 센서에 관한 것으로, 다중 검출 모드를 지닌 포토 센서 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
포토 센서는 광 신호를 전기 신호로 변환시키는 반도체 장치이다. 일반적인 포토 센서는 실리콘 기판에 이온 주입 방식 등에 의하여 도핑 영역이 형성된 다층 구조의 반도체 박막을 포함된 포토 다이오드(photo-diode) 또는 트랜지스터로 형성되었다. 포토 센서의 집적도를 향상시키기 위한 방법으로, 칩 사이즈(chip size)의 증가없이 단위 셀의 수를 증가시키는 것을 고려할 수 있다. 이를 위해 포토 다이오드의 사이즈를 감소시킬 수 있으나, 포토 다이오드의 사이즈가 점차 감소함에 따라 광을 수광하는 수광부 면적이 감소되어 이미지 특성(image quality)에 악영향을 미칠 수 있다.
그래핀이 개발된 후 이를 이용한 효율적인 초고속 광대역 집적 소자를 구현하고자 많은 연구가 이루어졌다. 그래핀을 이용한 초고속 광대역 집적 소자를 구현하고자 하는 다양한 시도가 있었으나, 특정 파장 범위에서 반응성(responsivity)을 상승시키는 경우 초고속 또는 광대역의 장점이 감소될 수 있다.
본 개시에서는 이중 채널 구조를 지닌 포토 센서를 제공한다.
본 개시에서는 이중 채널 구조를 지닌 포토 센서의 제조 방법을 제공한다.
본 개시에 따르면,
하부 전극;
상기 하부 전극 상에 형성된 반도체층;
상기 반도체층 상에 형성된 이차원 물질층; 및
상기 이차원 물질층과 접촉하는 상부 전극;을 포함하는 포토 센서를 제공한다.
상기 상부 전극은 다수의 전극 요소들을 포함할 수 있다.
상기 상부 전극은 상기 이차원 물질층과 각각 접촉하는 적어도 2개 이상의 전극 요소들을 포함할 수 있다.
상기 전극 요소들은 상기 이차원 물질층 상에서 각각 이격되어 형성될 수 있다.
상기 상부 전극은 상기 이차원 물질층과 각각 접촉하는 제 1상부 전극 및 제 2상부 전극을 포함할 수 있다.
상기 상부 전극은 제 1상부 전극, 제 2상부 전극, 제 3상부 전극 및 제 4상부 전극을 포함하며,
상기 제 1상부 전극 및 상기 제 2상부 전극는 제 1전도성 물질로 형성되며,
상기 제 3상부 전극 및 상기 제 4상부 전극는 제 2전도성 물질로 형성될 수 있다.
상기 제 1전도성 물질 및 상기 제 2전도성 물질은 서로 다른 전도성 물질로 형성된 것일 수 있다.
상기 상부 전극 하부에 형성되며, 상기 상부 전극을 상기 반도체층 및 하부 전극으로부터 분리하는 절연층을 더 포함할 수 있다.
상기 이차원 물질층은 그래핀 또는 금속 칼코게나이드계 물질로 형성될 수 있다.
또한, 본 개시에서는,
하부 전극, 상기 하부 전극 상에 형성된 반도체층, 상기 반도체층 상에 형성된 이차원 물질층 및 상기 이차원 물질층과 접촉하는 상부 전극을 포함하는 포토 센서의 동작 방법에 있어서,
상기 포토 센서는 상기 이차원 물질층에 조사되는 광을 다중 검출 모드로 검출하는 포토 센서의 동작 방법을 제공한다.
상기 다중 검출 모드는 수평 검출 모드 및 수직 검출 모드를 포함할 수 있다.
상기 수평 검출 모드 및 수직 검출 모드를 교대로 실행할 수 있다.
상기 상부 전극은 다수의 전극 요소들을 포함하며,
상기 수평 검출 모드는 상기 이차원 물질층에 조사되는 광에 의해 발생하는 광전류를 상기 상부 전극의 전극 요소들을 통하여 측정할 수 있다.
상기 상부 전극은 상기 이차원 물질층과 각각 접촉하는 제 1상부 전극 및 제 2상부 전극을 포함하며, 상기 이차원 물질층에 조사되는 광에 의해 발생하는 광전류는 상기 제 1상부 전극 및 상기 제 2상부 전극을 통하여 측정할 수 있다.
상기 수직 검출 모드는 상기 이차원 물질층에 조사되는 광에 의해 발생하는 광전류를 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극을 통하여 측정할 수 있다.
본 개시에는 다중 검출 모드를 지닌 포토 센서는 를 제공할 수 있다.
개시된 포토 센서는 반도체층 및 이차원 물질층을 포함할 수 있으며, 외부에서 조사되는 광에 대해 수평 검출 모드 및 수직 검출 모드를 포함하는 다중 검출 모드로 광의 파장을 포함하는 정보를 검출할 수 있다.
이차원 물질층과 접촉하는 상부 전극을 다수의 전극 요소들로 형성할 수 있으며, 각각의 전극 요소들은 서로 동일하거나 서로 다른 종류의 전도성 물질로 형성할 수 있다. 외부 광 소스로부터 이차원 물질층에 조사되는 광의 파장을 포함하는 조사 광의 정보를 수평 검출 모드 및 수직 검출 모드를 포함하는 다중 검출 모드를 이용하여 취득할 수 있어 보다 정확한 광 정보 검출이 가능하다.
또한 이차원 물질층과 상부 전극이 접촉하는 영역뿐만 아니라, 상부 전극들 사이의 이차원 물질층 중앙 영역으로부터 외부 광 소스로부터 이차원 물질층에 조사되는 광의 정보를 얻을 수 있어 광 검출 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 포토 센서를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 포토 센서의 수평 검출 모드 및 수직 검출 모드를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 포토 센서를 나타낸 평면도이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 포토 센서의 수평 검출 모드에 의한 광전류 맵을 나타낸 도면이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 포토 센서의 수평 검출 모드에 의한 광전류 맵을 나타낸 도면이다.
도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 포토 센서의 수직 검출 모드에 의한 광전류 맵을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 포토 센서를 나타낸 평면도이다.
도 6a는 도 5를 m1-m2를 기준으로 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 6b는 도 5를 n1-n2를 기준으로 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 개시에 따른 포토 센서에 대해 보다 상세히 설명하고자 한다. 참고로 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성을 위해 다소 과장되게 도시된 것이다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 포토 센서를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 개시에 따른 포토 센서(10)는 기판(11) 상에 형성된 하부 전극(11)과 하부 전극(11) 상에 형성된 반도체층(13) 및 반도체층(13) 상에 형성된 이차원 물질층(14)을 포함할 수 있다. 이차원 물질층(14)의 양측부에는 절연층(15a, 15b)이 형성될 수 있으며, 예를 들어 이차원 물질층(14)의 제 1측부에는 제 1절연층(15a)이 형성될 수 있으며, 이차원 물질층(14)의 제 2측부에는 제 2절연층(15b)이 형성될 수 있다. 절연층(15a, 15b)은 기판(11) 상으로부터 이차원 물질층(14)의 일측부로 연장되어 형성될 수 있다.
도 1에서는 이차원 물질층(14)이 그 하부의 반도체층(13)보다 폭이 좁으며, 반도체층(13)은 그 하부의 하부 전극(11)보다 폭이 좁은 것으로 나타내었다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제 1절연층(15a) 및 제 2절연층(15b)은 각각 기판(11) 양측으로부터 하부 전극(12), 반도체층(13) 및 이차원 물질층(14)의 제 1측부 및 제 2측부를 덮으면서 형성될 수 있다.
그리고, 절연층(15a, 15b) 상에 상부 전극(16a, 16b)이 형성되며, 이차원 물질층(14)표면과 접촉하며 형성될 수 있다. 상부 전극(16a, 16)은 적어도 2개 이상의 전극 요소들, 즉 제 1상부 전극(16a) 및 제 2상부 전극(16b)들을 포함할 수 있다. 제 1상부 전극(16a)은 제 1절연층(15a) 상에 형성되어 이차원 물질층(14)과 제 1영역에서 접촉될 수 있으며, 제 2상부 전극(16b)은 제 2절연층(15b) 상에 형성되어 이차원 물질층(14)과 제 2영역에서 접촉될 수 있다. 제 1상부 전극(16a) 및 제 2상부 전극(16b)은 이차원 물질층(14) 표면과 접촉하는 제 1영역 및 제 2영역은 서로 다른 영역일 수 있으며, 제 1상부 전극(16a) 및 제 2상부 전극(16b)은 이차원 물질층 상에서 서로 이격되어 형성될 수 있다. 제 1상부 전극(16a)과 이차원 물질층(14)이 접촉하는 제 1영역과 제 2상부 전극과 이차원 물질층(14)이 접촉하는 제 2영역은 서로 이격될 수 있다.
기판(11)은 전자 소자의 기판으로 사용되는 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어 실리콘(Si) 기판, 글래스 기판 또는 절연성 폴리머 기판일 수 있다.
절연층(15a, 15b)은 전기 전도도가 낮은 물질로 형성될 수 있으며, 일반적인 전자 소자의 층간 절연막(interlayer dielectric:ILD)으로 사용되는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 절연층(15a, 15b)은 실리콘 산화물(SiO2) 또는 실리콘 산화물보다 유전율이 높은 high-k 물질을 포함할 수 있으며, 실리콘 질화물, 하프늄 산화물, 알루미늄 산화물, 텅스텐 산화물, 탄탈륨 산화물, 티타늄 산화물, 루세늄 산화물 등으로 형성될 수 있다. 또한, 절연층(15a, 15b)은 절연성 폴리머로 형성될 수 있다. 절연층(15a, 15b)는 상기 상부 전극(16a, 16b)과 반도체층(13) 및 하부 전극(12) 사이에 형성될 수 있으며, 상부 전극(16a, 16b)을 반도체층(13) 및 하부 전극(12)으로부터 분리할 수 있다.
하부 전극(12) 및 상부 전극(16a, 16b)은 전도성 물질로 형성될 수 있으며, 금속, 전도성 금속 산화물, 전도성 금속 질화물 등을 포함할 수 있다. 예를 들어 Ni, Cu, Ag, Au, Al, Pt, Ti, W, Ru, Ta 등의 금속, 합금, 전도성 폴리머로 형성될 수 있다. 상부 전극(16a, 16b)은 이차원 물질층(14)과 각각 접촉하는 적어도 2개 이상의 전극 요소들을 포함할 수 있다. 그리고, 상부 전극(16a, 16b)의 각각의 전극 요소들은 서로 동일하거나 다른 전도성 물질로 형성될 수 있다. 상부 전극(16a, 16b)을 형성하는 물질의 종류에 따라 이차원 물질층(14)에 입사하는 광의 파장에 따라 반응성에 차이가 있을 수 있다.
반도체층(13)은 다양한 반도체 물질로 형성될 수 있으며, 화합물 반도체, 산화물 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들어 반도체층(13)은 Zn산화물 반도체, In산화물 반도체 또는 Ga산화물 반도체를 포함할 수 있다. 그리고, 반도체층(13)은 Zn, Ga, In, As, P 또는 칼코게나이드(chalcogenide) 물질을 포함하는 반도체 물질로 형성될 수 있다. 구체적으로 반도체층(13)은 IGZO(In-Ga-Zn oxide)로 형성될 수 있다. 반도체층(13)은 이차원 물질층(14)과 함께 본 개시에 따른 포토 센서의 채널층으로 형성될 수 있다.
이차원 물질층(14)은 전도성을 지니며 이차원 물질(two-dimensional material)을 포함하여 형성된 것일 수 있다. 이차원 물질층(14)은 원자들이 소정의 결정 구조를 이루고 있는 단층(single-layer) 또는 반층(half-layer)의 구조를 지닐 수 있다. 다만, 이에 제한된 것은 아니며 이차원 물질층(14)은 다수의 원자층 구조로 형성된 것일 수 있다.
이차원 물질은 그래핀(graphene)과 같은 탄소 함유 물질이나 금속 칼코게나이드계 물질(metal chalcogenide based material)을 포함할 수 있다. 그래핀은 탄소 원자들이 단층은 결합 구조로 형성된 것으로 이차원 물질층(14)은 하나 또는 다수의 그래핀 막으로 형성된 것일 수 있다. 그리고, 금속 칼코게나이드계 물질은 전이 금속과 칼코겐(chalcogen) 물질을 포함하는 TMDC(transition metal dichalcogenide) 물질일 수 있다. 전이 금속은 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re 중 적어도 하나일 수 있으며, 칼코겐 물질은 S, Se, Te 중 적어도 하나일 수 있다. 그리고, 이차원 물질층(14)은 비전이금속(non-transition metal)을 포함하는 금속 칼코게나이드 물질을 포함하여 형성될 수 있으며, 비전이금속은 예를 들어, Ga, In, Sn, Ge, Pb 등일 수 있다. 결과적으로 접착층(14)은 그래핀이나 금속 칼코게나이드계 물질로 형성될 수 있으며, Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re, Cu, Ga, In, Sn, Ge, Pb 중 적어도 하나의 금속 원소와 S, Se, Te 중 적어도 하나의 칼코겐 원소를 포함하여 형성될 수 있다.
여기서 설명한 각 층에 포함될 수 있는 물질들은 다른 동일한 명칭을 가진 구성 요소들에 적용될 수 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 개시에 따른 포토 센서는 외부의 광소스(100)로부터 방출된 광(L1)이 그래핀층(14)에 조사되면 광전류(photocurrent)가 발생될 수 있으며, 발생된 광전류 하부 전극 또는 상부 전극(16a, 16b)에 의해 광전류를 측정할 수 있다. 본 개시에 따른 포토 센서는 외부의 광소스(100)로부터 조사된 광(L1)에 대해 다중 검출 모드로 광검출을 할 수 있다. 이를 도 2를 참조하여 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 포토 센서의 수평 검출 모드 및 수직 검출 모드를 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 개시에 따른 포토 센서(10)는 외부의 광소스(100)로부터 조사된 광(L1)에 대해 다중 검출 모드로 광검출을 할 수 있으며, 수평 검출 모드(lateral detedction mode: L방향) 및 수직 검출 모드(vertical detection mode: V 방향)를 지닐 수 있다.
수평 검출 모드(lateral detedction mode)는 열전기 효과(photo-thermoelectric effect) 원리를 이용할 수 있다. 외부의 광소스(100)로부터 방출된 광(L1)이 이차원 물질층(14)에 조사되는 경우, 2차원 물질층(14)의 전자(electron) 및 정공(hole)들이 광(L1)을 흡수하여 열에 의하여 도 2의 L 방향으로 확산(diffusion)되면서 이차원 물질층(14)과 접촉하는 상부 전극(16a, 16b) 방향으로 이동된다. 이를 각각 제 1상부 전극(16a) 및 제 2상부 전극(16b)에서 검출하게 된다. 수평 검출 모드는 제 1상부 전극(16a) 및 제 2상부 전극(16b) 근처에 광(L1)이 조사되는 경우 반응성(responsivity)이 높을 수 있다.
수직 검출 모드(vertical detection mode)는 외부의 광소스(100)로부터 방출된 광(L1)이 이차원 물질층(14)에 조사된 광(L1)에 의하여 반도체층(13) 내의 전하를 여기시켜 핫 캐리어(hot carrier)를 형성시킬 수 있으며, 입사하는 광(L1)에 의해 여기된 운동에너지에 해당하는 광전류(photocurrent)를 발생시킬 수 있다. 발생된 광전류를 하부 전극(12) 및 상부 전극(16a, 16b)에 의해 측정할 수 있다.
본 개시에 따른 포토 센서는 하부 전극(13) 및 상부 전극(16a, 16b) 사이에 반도체층(13) 및 이차원 물질층(14)을 포함할 수 있으며, 수평 검출 모드 및 수직 검출 모드를 포함하는 다중 검출 모드로 동작할 수 있다. 구체적인 검출 방법에 있어서, 수평 검출 모드 및 수직 검출 모드를 교대로 실시할 수 있다. 수평 검출 모드 및 수직 검출 모드를 교대로 실행하는 경우, 작동 주기(duty cycle)를 선택적으로 조절할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 포토 센서를 나타낸 평면도이다.
도 3을 참조하면, 본 개시에 따른 포토 센서(10)의 동작 시 수평 검출 모드를 사용하는 경우, 영역 A11 및 A12에 조사되는 광에 대한 반응성이 이차원 물질층(14)의 다른 부위에 조사되는 광에 대한 반응성보다 높을 수 있다. 영역 A11은 제 1상부 전극(16a)과 이차원 물질층(14)이 접하는 부위에 인접한 영역일 수 있으며, 영역 A12는 제 2상부 전극(16b)과 이차원 물질층(14)이 접하는 부위에 인접한 영역(A11)일 수 있다. 제 1상부 전극(16a)과 제 2상부 전극(16b) 사이의 이차원 물질층(14)에 해당하는 영역(A2)은 제 1상부 전극(16a) 및 제 2상부 전극(16b)과 비교적 이격된 이차원 물질층(14)의 표면 영역일 수 있다. 영역 A2의 경우, 영역 A11 및 A12과 비교하여 수평 검출 모드에서 조사되는 광에 대한 반응성이 상대적으로 낮을 수 있다. 따라서, 영역 A2에 대해서는 수직 검출 모드에 따라 광검출을 실시할 수 있다. 결과적으로 본 개시에 따른 포토 센서(10)는 외부 광소스(100)로부터 방출되는 광(L1)이 조사되는 이차원 물질층(14) 표면 중 영역 A2에 대해서는 수직 검출 모드에 따라 광 검출 동작을 할 수 있다. 그리고, 이차원 물질층(14)과 제 1상부 전극(16a)이 접하는 부위에 인접한 영역 A11 및 이차원 물질층(14)과 제 2상부 전극(16b)이 접하는 부위에 인접한 영역 A12에 대해서는 수평 검출 모드에 따라 광 검출 동작을 실시할 수 있다. 결과적으로 본 개시에 따른 포토 센서(10)는 수평 검출 모드 및 수직 검출 모드를 동시에 실시하는 다중 검출 모드를 지닐 수 있다.
본 개시에 따른 포토 센스는 다중 검출 모드를 이용하여 외부의 광원로부터 조사되는 광에 대한 반응성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 입사되는 광의 파장을 판별할 수 있다. 상부 전극(16a, 16b)의 종류에 따라 수평 검출 모드에서 반응성이 상대적으로 좋은 파장대가 정해질 수 있다. 예를 들어 상부 전극(16a, 16b)으로 Au 전극을 사용하면 약 450 내지 500nm의 파장 범위에서 광에 대한 반응성이 다른 파장 영역의 광에 대한 반응성보다 상대적으로 높을 수 있다. 그리고 수직 검출 모드에서는 이차원 물질층(14)에 조사되는 광의 파장에 따라 얻을 수 있는 운동에너지에 해당하는 광전류를 측정할 수 있으므로 광전류 값으로부터 입사광의 파장을 판별할 수 있다. 결과적으로 수평 검출 모드 및 수직 검출 모드의 경우 이차원 물질층(14)에 입사하는 광의 파장에 따른 광 검출 결과가 달라질 수 있으며, 수평 검출 모드 및 수직 검출 모드에 따른 광전류 측정 결과를 이용하여 이차원 물질층(14)에 입사하는 광의 파장에 대한 정확한 정보를 얻을 수 있다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 포토 센서의 수평 검출 모드에 의한 광전류 맵을 나타낸 도면이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 포토 센서의 수평 검출 모드에 의한 광전류 맵을 나타낸 도면이다.
도 4a 및 도 4b에 나타낸 광전류 특성을 측정하는 포토 센서는 기판(11)을 글래스(glass)로 형성하고, 하부 전극(12)으로 45nm 두께의 Ni를 형성하였으며, Ni 전극 상에 IGZO(In-Ga-Zn oxide)로 반도체층(13)을 형성하며, 그 상부에 그래핀으로 이차원 물질층(14)을 형성한 것이다. 그리고, 절연층(15a, 15b)은 SiO2로 형성하고, 상부 전극(16a, 16b)은 Au로 형성하였다. 이와같이 형성한 포토 센서의 그래핀으로 형성된 이차원 물질층(14)에 광을 조사하였다.
도 4a를 참조하면, 그래핀 이차원 물질층(14)과 제 1상부 전극(16a)이 접촉하는 부위의 인접한 영역 A11과 그래핀 이차원 물질층(14)과 제 2상부 전극(16b)이 접촉하는 부위의 인접한 영역 A12에서 특징적인 광전류(photo-current) 값이 측정되었다. 이때 이차원 물질층(14)에 대해 다양한 파장을 지닌 광을 조사하였으며, 도 4a에서는 481nm의 파장을 지닌 광을 조사한 경우의 광전류 측정 결과를 나타낸 것이다. 도 4a에서 A2 영역에 비해 A11 및 A12 영역은 다른 색상 또는 무늬를 나타났다. 구체적으로 A11 영역에서는 1.5nA 이상의 전류값이 검출되었으며, A12 영역에서는 -1.5nA 이하의 전류값이 검출되었다. 반면 A2 영역에서는 -1nA보다 크며, 1nA보다 작은 전류값이 검출되었다. A11 및 A12에 해당하는 영역은 그래핀 이차원 물질층(14)과 제 1상부 전극(16a) 및 제 2상부 전극(16b)이 접촉하는 영역 주변 영역이며 다른 부위에 비해 명확하게 차이가 나며, 이는 수평 검출 모드에서 반응성에 차이가 나는 것으로 판단될 수 있다. 그래핀 이차원 물질층(14)의 중앙 영역, 즉 제 1상부 전극(16a) 및 제 2상부 전극(16b) 사이의 영역 A2의 경우 A11 및 A12 영역에 비해 광전류 측정 결과 반응성이 좋지 않은 것을 확인할 수 있다.
도 4b를 참조하면, 수직 검출 모드로 Ni 하부 전극(12)과 상부 전극(16a, 16b) 사이의 광전류 값을 측정하였으며, 여기서는 403nm 파장을 지닌 광을 그래핀 이차원 물질층(14)에 조사한 결과를 나타내었다. 도 4b에서는 A2 영역에서는 이차원 물질층(14)의 다른 영역과 명확히 구별되는 색상 또는 무늬를 나타내었다. A2 영역은 그래핀 이차원 물질층(14)의 중앙 영역, 즉 제 1상부 전극(16a) 및 제 2상부 전극(16b) 사이의 영역에 해당하는 영역으로서 특징적인 광전류 측정 결과가 나타나는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 포토 센서를 나타낸 평면도이다. 도 6a는 도 5를 m1-m2를 기준으로 자른 단면을 나타낸 단면도이다. 그리고 도 6b는 도 5를 n1-n2를 기준으로 자른 단면을 나타낸 단면도이다.
도 5, 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 포토 센서(20)는 기판(21) 상에 형성된 하부 전극(22)과 하부 전극(22) 상에 형성된 반도체층(23) 및 반도체층(23) 상에 형성된 이차원 물질층(24)을 포함할 수 있다. 이차원 물질층(24)은 제 1상부 전극(26), 제 2상부 전극(27), 제 3상부 전극(28) 및 제 4상부 전극(29)과 각각 접촉하도록 형성될 수 있으며, 상부 전극(26, 27, 28, 29)과 하부 전극(22) 및 반도체층(23) 사이에는 각각 절연층(25a, 25b, 25c, 25d)들이 형성될 수 있다. 상부 전극(26, 27, 28, 29)의 각각의 전극 요소인 제 1상부 전극(26), 제 2상부 전극(27), 제 3상부 전극(28) 및 제 4상부 전극(29)과 이차원 물질층(24)이 접촉하는 영역들은 서로 이격된 다른 영역들일 수 있다. 상부 전극(26, 27, 28, 29)의 각각의 전극 요소들은 서로 동일하거나 다른 전도성 물질로 형성될 수 있다. 그리고, 제 1상부 전극(26)과 제 2상부 전극(27)은 제 1전도성 물질로 형성되며, 제 3상부 전극(28)과 제 4상부 전극(29)은 제 2전도성 물질로 형성될 수 있다. 제 1전도성 물질 및 제 2전도성 물질은 서로 다른 전도성 물질일 수 있다.
이처럼 이차원 물질층(24) 상에 다수의 상부 전극(26, 27, 28, 29)들을 형성함으로써, 다양한 파장의 입사광들을 검출할 수 있다. 상부 전극(26, 27, 28, 29)을 형성하는 물질에 따라 수평 검출 모드에서 입사하는 광 파장에 대한 반응성의 차이가 있으므로, 하나의 포토 센서(20)에서 다양한 파장을 지닌 광을 검출할 수 있다. 상부 전극(26, 27, 28, 29)과 이차원 물질층(24)이 접촉하는 영역 주변의 영역 B11, B12, B21, B22 영역에서는 수평 검출 모드에서 입사광에 대한 광전류를 측정할 수 있다. 그리고, 상부 전극(26, 27, 28, 29)들 사이의 이차원 물질층(24) 영역 B3에서는 수직 검출 모드로 입사광에 대한 광전류를 측정할 수 있다. 도 5에서는 이차원 물질층(24)의 표면 형상이 사각형을 지닌 것으로 나타내었으며, 이에 한정되지 않으며 원형, 타원형, 다각형, 불규칙한 곡률을 지닌 형태 등 제한없이 다양한 형태로 형성될 수 있다. 그리고, 도 5에서는 상부 전극(26, 27, 28, 29)이 개별적으로 형성된 4개의 전극 요소로 형성된 것을 나타내었으며, 이에 한정되지 않으며 상부 전극(26, 27, 28, 29)은 더 많은 갯수의 개별적으로 형성된 전극 요소를 지니도록 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 개시에 따른 포토 센서는 다중 검출 모드를 지닐 수 있으며, 수평 검출 모드 및 수직 검출 모드를 통하여 입사 광에 대한 반응성을 향상시킬 수 있으며, 입사 광을 정보를 보다 정확하게 검출이 가능하다. 또한, 다중 검출 모드를 통하여 외부에서 조사되는 광을 채널 전체 영역에서 전류로 변환하여 채널 영역 전체의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
이러한 포토 센서의 구성은 포토 디텍터, 포토 다이오드로 다른 전자 장치와 함께 사용될 수 있으며, 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기술로 응용될 수 있다.
지금까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 이차원 물질층 상에 형성되는 상부 전극의 전극 요소의 갯수 및 이차원 물질층과의 접촉 위치는 다양한 형태로 선택적으로 결정될 수 있다.
그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10, 20: 포토 센서, 11, 21: 기판
12, 22: 하부 전극, 13, 23: 반도체층
14, 24: 이차원 물질층,
15a, 15b, 25a, 25b, 25c, 25d: 절연층,
16a, 16b, 26a, 26b, 26c, 26d: 상부 전극
100: 광 소스

Claims (15)

  1. 하부 전극;
    상기 하부 전극 상에 상기 하부 전극과 접촉하게 형성된 반도체층;
    상기 반도체층 상에 형성된 이차원 물질층; 및
    상기 이차원 물질층과 접촉하는 다수의 전극 요소를 포함하는 상부 전극;
    상기 상부 전극을 상기 반도체층 및 상기 하부 전극으로부터 분리하는 절연층;을 포함하여,
    상기 상부 전극을 형성하는 상기 다수의 전극 요소 사이의 전류를 검출하는 수평 검출 모드와, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이의 전류를 검출하는 수직 검출 모드로 동작 가능한 포토 센서.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 상부 전극은 상기 이차원 물질층과 각각 접촉하는 적어도 2개 이상의 전극 요소들을 포함하는 포토 센서.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 전극 요소들은 상기 이차원 물질층 상에서 각각 이격되어 형성된 포토 센서.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 상부 전극은 상기 이차원 물질층과 각각 접촉하는 제 1상부 전극 및 제 2상부 전극을 포함하는 포토 센서.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 상부 전극은 제 1상부 전극, 제 2상부 전극, 제 3상부 전극 및 제 4상부 전극을 포함하며,
    상기 제 1상부 전극 및 상기 제 2상부 전극는 제 1전도성 물질로 형성되며,
    상기 제 3상부 전극 및 상기 제 4상부 전극는 제 2전도성 물질로 형성된 포토 센서.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제 1전도성 물질 및 상기 제 2전도성 물질은 서로 다른 전도성 물질로 형성된 포토 센서.
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 이차원 물질층은 그래핀 또는 금속 칼코게나이드계 물질로 형성된 포토 센서.
  10. 하부 전극, 상기 하부 전극 상에 형성된 반도체층, 상기 반도체층 상에 형성된 이차원 물질층 및 상기 이차원 물질층과 접촉하는 상부 전극을 포함하는 포토 센서의 동작 방법에 있어서,
    상기 포토 센서는 상기 이차원 물질층에 조사되는 광을 다중 검출 모드로 검출하며,
    상기 다중 검출 모드는 수평 검출 모드 및 수직 검출 모드를 포함하는 포토 센서의 동작 방법.
  11. 삭제
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 수평 검출 모드 및 수직 검출 모드를 교대로 실행하는 포토 센서의 동작 방법.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 상부 전극은 다수의 전극 요소들을 포함하며,
    상기 수평 검출 모드는 상기 이차원 물질층에 조사되는 광에 의해 발생하는 광전류를 상기 상부 전극의 전극 요소들을 통하여 측정하는 포토 센서의 동작 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 상부 전극은 상기 이차원 물질층과 각각 접촉하는 제 1상부 전극 및 제 2상부 전극을 포함하며, 상기 이차원 물질층에 조사되는 광에 의해 발생하는 광전류는 상기 제 1상부 전극 및 상기 제 2상부 전극을 통하여 측정하는 포토 센서의 동작 방법.
  15. 제 10항에 있어서,
    상기 수직 검출 모드는 상기 이차원 물질층에 조사되는 광에 의해 발생하는 광전류를 상기 상부 전극 및 상기 하부 전극을 통하여 측정하는 포토 센서의 동작 방법.
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102056522B1 (ko) 2017-10-13 2019-12-16 건국대학교 산학협력단 빛의 에너지에 따른 세기 추출 방법 및 이를 수행하는 장치들
KR102346834B1 (ko) 2019-11-20 2022-01-04 한양대학교 산학협력단 전이금속 디칼코겐 화합물 기반 광검출기 및 이의 제조 방법
WO2022081769A1 (en) * 2020-10-13 2022-04-21 Worcester Polytechnic Institute Thermoelectric device and fabrication
KR102550335B1 (ko) * 2020-10-29 2023-07-04 한국과학기술원 강유전체를 이용한 광센서 및 그 제조방법
US20250185515A1 (en) * 2022-03-25 2025-06-05 Mitsubishi Electric Corporation Electromagnetic wave detector, electromagnetic wave detector array, and image sensor
WO2023181593A1 (ja) * 2022-03-25 2023-09-28 三菱電機株式会社 電磁波検出器、電磁波検出器アレイ及び画像センサ

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140151631A1 (en) * 2012-11-20 2014-06-05 The Provost, Fellows, Foundation Scholars, And The Other Members Of Board, Of Asymmetric bottom contacted device

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101410709A (zh) * 2006-03-28 2009-04-15 皇家飞利浦电子股份有限公司 具有光电探测器阵列和样品位点阵列的集成装置
CA2765702A1 (en) 2009-06-17 2010-12-23 The Regents Of The University Of Michigan Photodiode and other sensor structures in flat-panel x-ray imagers and method for improving topological uniformity of the photodiode and other sensor structures in flat-panel x-ray imagers based on thin-film electronics
KR101036453B1 (ko) 2009-07-06 2011-05-24 한양대학교 산학협력단 ｐ-ｉ-ｎ 나노선을 이용한 태양전지
KR20110057989A (ko) 2009-11-25 2011-06-01 삼성전자주식회사 그래핀과 나노구조체의 복합 구조체 및 그 제조방법
KR20110064097A (ko) 2009-12-07 2011-06-15 주식회사 동부하이텍 이미지 센서 및 그 제조방법
JP2011151271A (ja) * 2010-01-22 2011-08-04 Rohm Co Ltd 光電変換装置およびその製造方法、および固体撮像装置
US8878120B2 (en) * 2010-12-13 2014-11-04 The Trustees Of The Stevens Institute Of Technology Active bandgap tuning of graphene for tunable photodetection applications
US8969779B2 (en) 2011-02-11 2015-03-03 Nokia Corporation Photodetecting structure with photon sensing graphene layer(s) and vertically integrated graphene field effect transistor
KR101835005B1 (ko) * 2011-04-08 2018-03-07 삼성전자주식회사 반도체소자 및 그 제조방법
KR101810608B1 (ko) * 2011-06-22 2017-12-21 삼성전자주식회사 광센싱 장치 및 그 구동 방법, 광센싱 장치를 포함하는 광터치 스크린 장치
US8461571B2 (en) 2011-06-29 2013-06-11 Nokia Corporation Method and apparatus for converting photon energy to electrical energy

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140151631A1 (en) * 2012-11-20 2014-06-05 The Provost, Fellows, Foundation Scholars, And The Other Members Of Board, Of Asymmetric bottom contacted device

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