[논문]MoOx 기반 실리콘 이종접합 고성능 광검출기

박왕희; 김준동

doi:10.4313/jkem.2016.29.11.720

MoOx 기반 실리콘 이종접합 고성능 광검출기
MoOx/Si Heterojunction for High-Performing Photodetector 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.29 no.11, 2016년, pp.720 - 724

박왕희 (인천대학교 차세대 융합에너지 중점연구소 광전에너지소자연구실) , 김준동 (인천대학교 차세대 융합에너지 중점연구소 광전에너지소자연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

Transparent n-type metal-oxide semiconductor of $MoO_x$ was applied on a p-type Si substrate for high-performing heterojunction photodetector. The formation of $MoO_x$ on Si spontaneously established a rectifying current flow with a high rectification ratio of 1,252.3%. Under light illumination condition, n-type $MoO_x$/p-type Si heterojunction device provided significantly fast responses (rise time : 61.28 ms, fall time : 66.26 ms). This transparent metal-oxide layer ($MoO_x$) would provide a functional route for various photoelectric devices, including photodetectors and solar cells.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 실험에서는 MoO_x를 p-type Si 상부에 증착을 하여Al/MoO_x/p-Si/Al 구조의 고성능의 UV 광검출기를 제작하여 전기 및 광학적 특성을 측정하고 분석하였다.
본 연구에서는 magnetron sputtering system을 이용하여 n-type의 MoO_x와 p-type 실리콘의 p-n 접합을 이용한 광 검출기를 제작하고 MoO_x의 물질적 특성과 광소자의 전기 및 광학적 특성을 분석하였다.

제안 방법

본 연구에서는 MoO_x 두께를 관찰하기 위해 전계 방출형 주사 현미경(FE-SEM)을 사용하였고, MoO_x 성분요소를 확인하기 위하여 Raman spectroscopy를 이용하였다. MoO_x박막의 광학적 특성은 UV-vis spectro photometer (UV-2600)을 이용하여 투과도와 흡수도를 분석을 하였다.
전면 전극의 경우에는 쉐도우 마스크(shadow mask)를 사용하여 Al-grid 패턴을 형성하였으며, MoO_x 표면에보다 많은 양의 빛이 입사할 수 있도록 하는 장점이 있다. P-type Si 기판 위에 MoO_x를 증착하기 위하여Mo을 sputtering target으로 하고 증착 시에 Ar가스와 O₂가스를 동시에 주입하는 reactive sputtering 방식을 이용하여 MoO_x를 형성하였다.
/p-type Si)의 전기적특성은 Keithley를 사용하여 I-V 측정을 하였다. 또한파장대별 광응답을 확인하기 위해 광응답 장비(WonA, ZIVE SP1)를 이용하였다.
본 실험에서는 두께 525 μm의 p-type Si 기판을 사용했으며, 실험 진행에 앞서 ultrasonic cleaner를 이용하여 acetone, methanol, DI water의 차례로 세정작업을 각각 5분 동안 진행한 후 nitrogen blowing으로 건조 작업을 수행했다. 본 실험은 금속 및 금속 산화물을 증착하기 위하여 스퍼터링 공정을 이용하여 각 물질들을 증착하였으며 공정 순서는 그림 1에 도식화하였다. P-type Si 기판 후면 전극으로 Al을 증착하였으며, 그 후에 실리콘 기판 윗면에는 MoO_x를 증착하였다.

대상 데이터

본 실험은 금속 및 금속 산화물을 증착하기 위하여 스퍼터링 공정을 이용하여 각 물질들을 증착하였으며 공정 순서는 그림 1에 도식화하였다. P-type Si 기판 후면 전극으로 Al을 증착하였으며, 그 후에 실리콘 기판 윗면에는 MoO_x를 증착하였다. 마지막으로 쉐도우 마스크(shadow mask)를 이용하여 전면 전극으로 Al을 증착하였다.
/p-Si/Al 구조의 도식도이다.디바이스의 전면 및 후면 전극으로는 가벼우며 전기전도성이 좋고 산화에 강한 Al 금속을 사용하였다. 전면 전극의 경우에는 쉐도우 마스크(shadow mask)를 사용하여 Al-grid 패턴을 형성하였으며, MoO_x 표면에보다 많은 양의 빛이 입사할 수 있도록 하는 장점이 있다.
본 소자 제작에 사용된 물질과 두께는 하부로부터 Al back electrode(100 nm), p-Si wafer (500 μm), MoOx 박막층 (15.9 nm 또는 33.8 nm), Al grid (150 nm) 이다.
본 실험에서는 두께 525 μm의 p-type Si 기판을 사용했으며, 실험 진행에 앞서 ultrasonic cleaner를 이용하여 acetone, methanol, DI water의 차례로 세정작업을 각각 5분 동안 진행한 후 nitrogen blowing으로 건조 작업을 수행했다.
이를 보완하기 위하여 높은 일함수와 3.2 eV의 밴드갭을 가지는 n-type 산화물 반도체(metal oxide)인 MoO_x를 본 실험에 사용하였다 [3,4]. MoO_{이론/모형

마지막으로 쉐도우 마스크(shadow mask)를 이용하여 전면 전극으로 Al을 증착하였다. 본 연구에서는 MoO_x 두께를 관찰하기 위해 전계 방출형 주사 현미경(FE-SEM)을 사용하였고, MoO_x 성분요소를 확인하기 위하여 Raman spectroscopy를 이용하였다. MoO_x박막의 광학적 특성은 UV-vis spectro photometer (UV-2600)을 이용하여 투과도와 흡수도를 분석을 하였다.

이종접합 소자(n-type MoO_x/p-type Si)의 전기적특성은 Keithley를 사용하여 I-V 측정을 하였다. 또한파장대별 광응답을 확인하기 위해 광응답 장비(WonA, ZIVE SP1)를 이용하였다.}

성능/효과

09%를 갖는다. MoO_x의 두께가 15.9 nm인 디바이스는 명확한 정류 특성을 보였으며 이는 p-type Si과 MoO_x의 p-n 접합에서의 캐리어 수집이 매우 효과적인 것을 알 수 있다.
반도체의 접합에 의해 공핍층(space charge region, SCR)이 발생하며, 이 공핍층은 입사광에 의해 발생하는 캐리어(photo-generated carriers)의 포집에 매우 효과적이며, 이상적으로는 100%의 양자효율을 갖게된다. 즉 MoO_x 박막층의 두께를 조율하면 표면으로부터의 SCR의 위치를 제어할 수 있으며, 해당되는 빛에 대한 반응도도 함께 변화시킬 수 있는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

박막층의 두께는 공핍층의 위치를 가변하고, 이에 따른 전기성능도 함께 변화시키는 요소이다. MoO_x박막층의 두께 변화에 따른 전기 및 광학적 측면을 동시에 고려하여 최적조건을 연구하면, 향후 소자의 특성을 더욱 향상 시킬 수 있을 것으로 예상된다.
3%로 명확한 정류특성을 갖는다. 이러한 전기 및 광학적특성들로 보아 MoO_x를 이용한 태양 전지 및 광검출기제작에 있어 고성능 광전소자 기반 기술이 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	나노 구조 반도체 기반의 광검출기는 어디에서 사용될 수 있는가?	넓은 범위의 파장에서 반응할 수 있는 광전소자는 감지, 영상 및 기타 광전자 어플리케이션에 있어 중요한 구성요소이다. 특히 나노 구조 반도체 기반의 광검출기는 광신호를 검출하는 단일 기능 장치 뿐만 아니라 나노 광전자 시스템의 중요한 구성요소로 동작할수 있다. 실제 어플리케이션 제작에 있어 이상적인 광검출기는 빠른 광응답 속도와 광응답비가 요구된다.
	GaN, Si, InGaAs와 같이 주요 상업 광검출기 제품들의 단점은?	전이 금속 산화물은 유기 태양 전지, OLED (organic light emitting diodes), 유기 박막 트랜지스터, 광검출기 등의 디바이스의 성능과 안정도의 효과적인 향상을 위해 정공 수송 박막으로 광범위하게 연구가 되고있다 [2]. 그 중에서 GaN, Si, InGaAs와 같이 주요 상업 광검출기 제품들은 UV 영역이나 가시광 영역 혹은 자외선 영역 중 하나의 영역에서만 작동을 하는 단점이 있다 [1].
	몰리브덴 옥사이드(MoO3−x)와 실리콘의 이종접합이 태양 전지제작에 이용되는 이유는?	2 eV의 밴드갭을 가지는 n-type 산화물 반도체(metal oxide)인 MoOx를 본 실험에 사용하였다 [3,4]. MoOx는 정공수송 박막으로써 정공 주입을 가속화하여 p-n 접합에 빛이 조사될 시 광전류가 더 잘 흐를 수 있게 해준다[5-7]. 이러한 특징으로 인해 태양 전지 제작에 있어 몰리브덴 옥사이드(MoO3−x)와 실리콘의 이종접합이 광범위하게 적용되고 있으며, 광검출기에 보다 효과적으로 적용시킬 수 있는 연구도 활발히 진행되고 있다 [1].

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