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- 6. (a) Dark I-V characteristics of Ag/SiOx/Si device and (b) dark I-V characteristics of Ni/SiOx/Si device.
제안 방법
- TEM분석과 EDS 분석을 실시하여 완성된 소자의 산화물을 포함한 층 구조를 확인하고, 결정 방향을 관찰하였다. Dark I-V 측정으로 누설 전류 및 다이오드 특성을 관찰하여 소자의 정류 특성을 측정하였다. Light on/off ratio를 측정하여 광전 소자로서 동작 특성을 확인하였다.
- Dark I-V 측정으로 누설 전류 및 다이오드 특성을 관찰하여 소자의 정류 특성을 측정하였다. Light on/off ratio를 측정하여 광전 소자로서 동작 특성을 확인하였다.
- 8 mTorr에서 산소 (O2) 유동률 50 sccm이고, 온도 600℃에서 15분 동안 sputtering하여 SiOx 형성 두께는 3 nm로 형성하였다. SiOx 형성 이후 증착한 금속은 Ni과 Ag로 공정 조건은 두 물질이 동일하여 진공도 5 mTorr에서 Ar 유동률 50 sccm, DC power 300 W이고, 증착시간은 Ni에서 5분, Ag에서 10초로 차별을 두어 두 물질이 Si기판 위에 동일한 두께인 10 nm로 적층되도록 하였다. 전면전극물질은 후면전극과 동일한 Al로 후면 전극 증착과 동일한 조건에서 실험하였다.
- TEM분석과 EDS 분석을 실시하여 완성된 소자의 산화물을 포함한 층 구조를 확인하고, 결정 방향을 관찰하였다. Dark I-V 측정으로 누설 전류 및 다이오드 특성을 관찰하여 소자의 정류 특성을 측정하였다.
- 가장 좌측에는 시료의 전체적인 단면 이미지이고 우측으로 진행하면서 차례로 SiOx층, Si층, Ag층, Al층을 확인하였다. SiOx 층이 Si와의 뚜렷한 경계를 이루고 있음을 확인할 수 있었다.
- 본 연구를 통하여 금속과 실리콘의 계면관계를 분석하였으며 입사광의 파장대별 반응에 대한 상관관계를 분석하였다. 이를 통하여, 향후에는 금속의 선택과 두께를 조절하여 향상된 광전소자를 개발할 수 있을 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 산화물 층이 터널링 효과를 제어할 수 있는 두께로 증착하여 금속과 반도체 사이에 더 높은 내부 전계를 형성할 수 있도록 디자인하였다. 쇼트키 접합 금속물질은 Ni과 Ag로 스퍼터링 (sputtering) 하였다.
- 반면 Ag는 단가가 높으나 우수한 전도성과 화학적 안정성이 특징이다 [7]. 서로 상반되는 두 물질이 MOS구조 형성 시 어떤 단면을 갖는지 알아보고, 결정 구조를 확인하였으며, 두 물질이 소자의 정류 특성과 광학적 특성에 미치는 영향을 분석하였다.
- 이번 연구에서는 Schottky 다이오드를 제작하여 시료의 계면을 확인하고 다이오드 특성과 광학적 특성을 확인하였다. 우선 sputtering 공법으로 나노 수준의 얇은 산화물과 금속 박막을 얻을 수 있었고 층간 구분이 확실하였음을 TEM과 EDS를 통해 확인하였다.
- SiOx 형성 이후 증착한 금속은 Ni과 Ag로 공정 조건은 두 물질이 동일하여 진공도 5 mTorr에서 Ar 유동률 50 sccm, DC power 300 W이고, 증착시간은 Ni에서 5분, Ag에서 10초로 차별을 두어 두 물질이 Si기판 위에 동일한 두께인 10 nm로 적층되도록 하였다. 전면전극물질은 후면전극과 동일한 Al로 후면 전극 증착과 동일한 조건에서 실험하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용한 기판은 결정면 (100), p-type 실리콘(Si) 웨이퍼를 사용하였다. 실험에 앞서 실리콘(Si) 기판 세정작업은 acetone, methanol, deionized water에 5분 씩 진행한 후 N₂ blowing했다.
- 효율 향상을 위해 금속 층에 InP (indium phosphide)를 채택하여 태양 스펙트럼에서의 이득과 빛 흡수 거리를 길게 하려는 시도와 [3], GaN이나 InGaN 물질을 이용하여 밴드 갭 특성으로 다양한 파장의 빛까지 포섭이 가능하고, 높은 전하 이동도를 갖으며, 구조물 형성 시 우수한 결정 구조를 [4] 이용하는 등 많은 연구가 진행되고 있다. 실험에 사용된 금속-산화물-반도체 (metal-oxide-semiconductor) 광전소자는 Schottky junction을 기반의 구조이다. MOS (metal-oxide-semiconductor) 구조에서 산화물 층은 터널링 (tunneling) 효과를 제공하고 금속과 실리콘 접합부의 결함을 감소시켜준다고 알려져 있다[5].
- 증착에 필요한 모든 작업은 magnetron sputter하였다. 후면전극 물질은 Al을 사용하였고 증착 조건은 진공도 3 mTorr에서 Ar 유동률 50 sccm, DC power는 300 W, 진공도 3 mTorr이고, 상온에서 15분 동안 세척된 Si 기판 위에 sputtering하였다.
이론/모형
- 산화막 (SiOx) 형성은 건식 열산화법으로 실행했다. 증착조건은 진공도 1.
성능/효과
- 제작된 소자는 가시광선 파장 대에서 큰 감응을 일으켰고 600 nm와 900 nm 사이의 파장에서 가장 큰 감응을 일으켰다. Ag-Schottky 소자는 Ag의 우수한 전기 전도성은 큰 광전류를 발생시키지만, 누설에 의한 암전류의 값이 또한 상승하여 상대적으로 낮은 광반응도를 보였다. 그러나 Ni-Schottky 소자는 우수한 다이오드 특성을 보이며, 매우 낮은 정도의 암전류값을 유지한다.
- 다른 파장에 대해서는 감응을 구별할 수없을 정도의 노이즈 수준 반응을 보였다. 그러나 Ni/SiO2/p-Si 소자는 암전류의 값이 상대적으로 낮아서, 광반응 전류에 대한 반응이 매우 크게 나오는 것을 확인하였다.
- 3734가 산출되었다. 바이어스에 의한 발생 전류량은 Ag가 Ni보다 7.438배 이상 높으나 정류 특성 (rectifying characteristic)은 Ni이 안정적이었다.
- 13 μA의 전류를 발생시켰다. 실험에서 Ni이 증착된 시료는 Ag에서 보다 빛에 대한 안정도가 높았다. Ag가 증착된 시료는 600 nm 파장에서 가장 큰 감응을 하였고 광전류량은 2.
- 이번 연구에서는 Schottky 다이오드를 제작하여 시료의 계면을 확인하고 다이오드 특성과 광학적 특성을 확인하였다. 우선 sputtering 공법으로 나노 수준의 얇은 산화물과 금속 박막을 얻을 수 있었고 층간 구분이 확실하였음을 TEM과 EDS를 통해 확인하였다. 제작된 소자는 가시광선 파장 대에서 큰 감응을 일으켰고 600 nm와 900 nm 사이의 파장에서 가장 큰 감응을 일으켰다.
- SiOx 층이 Si와의 뚜렷한 경계를 이루고 있음을 확인할 수 있었다. 원자별 peak 중복이 심한 EDS mapping의 특성상 Ag층 영역이 다른층 영역에도 중복되어 나타나기도 했으나 TEM 분석에서 Ag층은 금속 산화물이나 Al과의 혼합물을 형성하지 않았음을 알 수 있었다.
- 그러나 Ni-Schottky 소자는 우수한 다이오드 특성을 보이며, 매우 낮은 정도의 암전류값을 유지한다. 이에 의해 암전류 대비-광전류와의 비 (ratio)가 매우 커서 우수한 광전 반응도를 나타내는 것으로 확인되었다. 이러한 Ni-Schottky 소자는 파장대별로 다른 감응도를 나타내었는데, 이는 해당 파장에 대한 실리콘에서의 흡수 길이와 관련이 있는 것을 확인하였다.
후속연구
- 본 연구를 통하여 금속과 실리콘의 계면관계를 분석하였으며 입사광의 파장대별 반응에 대한 상관관계를 분석하였다. 이를 통하여, 향후에는 금속의 선택과 두께를 조절하여 향상된 광전소자를 개발할 수 있을 것으로 판단된다.
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