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문제 정의
- 본 연구에서는 완전 투명한 광전소자를 구현과 효과적인 소자 특성을 위해 ITO 나노와이어 기반의 n-type ZnO/p-type NiO의 이종접합 (heterojunction)에 대한 연구를 진행하였다. 3.
- ITO (indium tin oxide)는 TCO의 대표적인 물질로서 광학 및 전기적 특성이 매우 뛰어나다 [8-10]. 본 연구에서는 필름 형태보다 더 많은 이점을 가지는 나노구조의 ITO를 이용하여 그 성능을 향상시키고자 하였다 [11,12].
제안 방법
- 본 연구에서는 완전 투명한 광전소자를 구현과 효과적인 소자 특성을 위해 ITO 나노와이어 기반의 n-type ZnO/p-type NiO의 이종접합 (heterojunction)에 대한 연구를 진행하였다. 3.6~4.0 eV의 넓은 밴드갭 에너지를 갖는 NiO (nickel oxide)를 사용하여 능동적인 광전소자로 p-type 산화물 반도체로 이용하였으며, n-type ZnO 접합한 헤테로 접합의 투명 광전소자를 구현하였다. NiO와 ZnO 의 헤테로 접합 구조는 매우 안정적이며 높은 속도의 성능을 보여주고 UV (ultraviolet) 포토디텍터로서 매우 중요한 역할을 한다.
- 0 mm의 쿼츠 기판을 사용하였으며, 실행 진행에 앞서 세정 작업을 수행하였다. Acetone, methanol, pure water순으로 각각 5분씩 ultrasonic cleaner를 이용하여 세정하였으며, nitrogen blowing으로 건조작업을 마쳤다. 실험에 필요한 금속 및 금속 산화물을 증착하기 위해 마그네트론 스퍼터링 시스템 (magnetron sputtering system, SNTEK) 을 이용하였으며, 개략적인 공정 순서는 그림 1과 같다.
- ITO NWs (140 nm)/n-ZnO (260 nm)/p-NiO (32 nm) 구조를 형성하기 위해, 쿼츠 기판 위에 ITO NWs 성장된 층 위에 RF (raido frequency) 마그네트론 스퍼터링 시스템을 사용하여 ZnO를 증착시켰다. 50 sccm의 Ar 분위기의 상온에서 RF-300 W로 30분 동안 진행했다.
- 는 포화전류 (saturation current)이며, k는 볼츠만 상수, n은 이상 계수, T는 절대온도, q는 전자의 전하량, 그리고 V는 인가된 전압이다. ITO NWs/n-ZnO/p-NiO 헤테로 접합 디바이스의 광응답 특성에 대해서 UV 광원을 펄스형태로 조사 (illumination) 하였다.
- 세정을 마친 쿼츠 기판 위에 DC 스퍼터링을 이용하여 ITO NW를 성장시켰으며, 그 위에 n형의 ZnO를 RF 스퍼터링을 이용하여 증착하였다. p형의 NiO를 위해, Ni을 먼저 DC 스퍼터링을 이용하여 ZnO 필름 위에 증착하였으며, 그 후에 NiO 형성을 위해 O2분위기에서 RTP (rapid thermal processing) 어닐링하였다. 이 실험 과정에 따른 디바이스의 헤테로 접합구조는 그림 2(a)와 같다.
- 전기적 특성을 보기 위한 I-V 특성 측정은 소스미터기 (Keithley, 2400)로 수행하였다. 광응답 장비 (WonA Tech, ZIVE SP1)를 이용하여 365 nm의 펄스형태의 UV 광 조사 (light illumination) 조건에서 측정하였다.
- 50 sccm의 Ar 분위기의 상온에서 DC power를 사용 하여 5 nm의 Ni을 증착시켰다. 기판 위의 Ni을 나노구조 형성을 위해 550℃의 온도에서 10분 동안 전열처리 했으며, 그 위에 600℃에서 ITO를 20분 동안 DC 스퍼터링하여 ITO NW를 성장시켰다.
- 또한, 디바이스의 광학적 특성을 보기위해 UV-vis spectrophotometer (Shimadzu, UV-1800)을 이용하여 투과도를 측정했다. 전기적 특성을 보기 위한 I-V 특성 측정은 소스미터기 (Keithley, 2400)로 수행하였다.
- 이와 유사하게, Ni을 50 sccm의 Ar 분위기의 상온에서 DC-50 W로 15분 동안 증착했다. 마지막으로, NiO의 형성을 위해서 RTA (rapid thermal annealing) 공정을 O2가스 분위기에서 500℃로 20분 동안 진행하였다. 이 디바이스의 전체 구조는 FE-SEM 을 사용하여 관찰하였다.
- 본 연구에서는 ITO NWs가 형성된 층을 기반으로 하여, n-ZnO/p-NiO 접합을 형성하였다. 스퍼터링 방식만을 이용하여 ITO NW를 성장시키는 방식은 대면적 적용이 가능한 효과적인 나노구조 형성 방식이다.
- 본 연구에서는 대면적 적용이 가능한 스퍼터링 방법만을 이용하여 ITO NW를 성장시켰으며, 그 상부에 n-ZnO/p-NiO 형태의 헤테로 접합 광전소자를 제작하였다. 이러한 산화물 반도체의 광전소자는 가시광 영역에서의 투과도가 80% 이상으로 확보되면서도, 자외선 영역은 효과적으로 차단하는데, 이러한 특성을 이용하여, UV photodetector로 활용하였으며, 반응시간이 수 mS로 기존의 결과보다 매우 빠른 광감응 (photoresponse)을 구현할 수 있는 것으로 확인하였다.
- 본 연구에서의 헤테로 접합은 쿼츠 기판 위에 ITO NWs/n-ZnO/p-NiO의 구조를 가진다. 본 연구의 모든 층의 형성은 대면적 공정이 가능한 스퍼터링 방식으로 증착하였으며, NiO 형성을 위해 후 열처리 공정을 진행하였다. 그림 2(b)는 쿼츠 기판 위에 NiO/ZnO/ITO NW의 헤테로 접합의 실제 디바이스의 사진을 보여준다.
- 세정을 마친 쿼츠 기판 위에 DC 스퍼터링을 이용하여 ITO NW를 성장시켰으며, 그 위에 n형의 ZnO를 RF 스퍼터링을 이용하여 증착하였다. p형의 NiO를 위해, Ni을 먼저 DC 스퍼터링을 이용하여 ZnO 필름 위에 증착하였으며, 그 후에 NiO 형성을 위해 O2분위기에서 RTP (rapid thermal processing) 어닐링하였다.
- Acetone, methanol, pure water순으로 각각 5분씩 ultrasonic cleaner를 이용하여 세정하였으며, nitrogen blowing으로 건조작업을 마쳤다. 실험에 필요한 금속 및 금속 산화물을 증착하기 위해 마그네트론 스퍼터링 시스템 (magnetron sputtering system, SNTEK) 을 이용하였으며, 개략적인 공정 순서는 그림 1과 같다.
대상 데이터
- 스퍼터링 방식만을 이용하여 ITO NW를 성장시키는 방식은 대면적 적용이 가능한 효과적인 나노구조 형성 방식이다. ITO NW 성장을 위해, Ni을 템플릿으로 이용하였다. 50 sccm의 Ar 분위기의 상온에서 DC power를 사용 하여 5 nm의 Ni을 증착시켰다.
- 쿼츠 기판 위에 성장된 ITO NWs/n-ZnO/p-NiO 헤테로 접합 디바이스의 표면 형태와 층들의 구조는 그림 4(a)에서와의 SEM image와 같다. 나노 스케일 구조의 본 디바이스는 ITO NW 층이 약 140~150 nm, ZnO층이 약 200 nm, 그리고 NiO 층이 약 60 nm로 구성되어 있다. 본 디바이스의 투과도를 측정한 결과 그림 4(b)와 같은 그래프를 제공한다.
- 본 실험에서 이용한 기판은 두께 500 μm, 지름 100.0 mm의 쿼츠 기판을 사용하였으며, 실행 진행에 앞서 세정 작업을 수행하였다.
이론/모형
- 이 실험 과정에 따른 디바이스의 헤테로 접합구조는 그림 2(a)와 같다. 우리는 ITO NW의 형태 및 전체 디바이스 구조를 관찰하기 위해 전계 방출형 주사 현미경 (FE-SEM, JEOL, JSM_7800F)를 사용하였다.
- 마지막으로, NiO의 형성을 위해서 RTA (rapid thermal annealing) 공정을 O2가스 분위기에서 500℃로 20분 동안 진행하였다. 이 디바이스의 전체 구조는 FE-SEM 을 사용하여 관찰하였다.
- 또한, 디바이스의 광학적 특성을 보기위해 UV-vis spectrophotometer (Shimadzu, UV-1800)을 이용하여 투과도를 측정했다. 전기적 특성을 보기 위한 I-V 특성 측정은 소스미터기 (Keithley, 2400)로 수행하였다. 광응답 장비 (WonA Tech, ZIVE SP1)를 이용하여 365 nm의 펄스형태의 UV 광 조사 (light illumination) 조건에서 측정하였다.
성능/효과
- 본 연구에서는 대면적 적용이 가능한 스퍼터링 방법만을 이용하여 ITO NW를 성장시켰으며, 그 상부에 n-ZnO/p-NiO 형태의 헤테로 접합 광전소자를 제작하였다. 이러한 산화물 반도체의 광전소자는 가시광 영역에서의 투과도가 80% 이상으로 확보되면서도, 자외선 영역은 효과적으로 차단하는데, 이러한 특성을 이용하여, UV photodetector로 활용하였으며, 반응시간이 수 mS로 기존의 결과보다 매우 빠른 광감응 (photoresponse)을 구현할 수 있는 것으로 확인하였다. 이는 ITO 나노와이어가 광반응 면적을 효과적으로 증대시키는 형상제어 기법에 기인한다.
- 광전류는 UV 빛을 온-오프함으로써 매우 빠른 상승과 하강을 보여준다. 측정된 광전류 반응 상승 시간과 하강 시간은 각각 8 mS와 20 mS를 보였다. 기존의 산화물 반도체 UV 센서, 특히 ZnO 기반의 포토디텍터들의 광반응 속도는 수초 단위의 매우 낮은 결과 (Al/ZnO/NiO/ITO/Glass의 경우 1.
- NiO와 ZnO 의 헤테로 접합 구조는 매우 안정적이며 높은 속도의 성능을 보여주고 UV (ultraviolet) 포토디텍터로서 매우 중요한 역할을 한다. 투명한 광전소자는 빛이 이종접합의 후방부까지 도달하여, 효과적인 광전소자를 구현할 수 있었다.
후속연구
- 4 s)를 보여준다 [15]. 반면, 본 연구에서의 디바이스는 매우 빠른 응답 특성을 보이는데, 이는 고품질의 p-n 금속 산화물 이종접합 다이오드 특성에 기인하는 것으로 특히, 나노구조의 효과적인 적용을 이용하여, 광전 특성을 향상하고 투명한 광전소자를 구현할 수 있는 효과적인 방법이 될 것으로 판단된다.
- 이러한 결과는 다양한 형태의 투명 광전소자와 스마트 윈도우 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 이러한 투명 광전소자의 개발은 투명전자 분야 및 스마트 윈도우 등 다양한 분야에 적용될 수 있는 근간 기술이 될 것으로 예상된다.
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