n-type GaN 반도체는 광전극으로서 우수한 성질을 가지고 있지만, 표면에서 일어나는 산소반응으로 인한 광부식으로 신뢰성이 저하되는 큰 단점이 있다. 이를 근본적으로 억제하기 위하여 표면에서 수소 발생 반응이 일어나는 p-type GaN를 광전극으로 사용함으로써 광부식을 피하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 하지만 p-type GaN은 비저항이 높고 정공 이동도가 낮기 때문에 효율이 낮다는 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 p-type GaN의 activation 공정을 통해 개선하고자 한다. 전극으로 사용될 p-type GaN을 $N_2$ 분위기의 $500^{\circ}C$에서 1 분 동안 annealing을 하였다. Hall effect 측정을 통하여 전기적 특성을 확인하였으며, potentiostat (PARSTAT4000) 측정을 통하여 광전기화학적 (photoelectrochemical, PEC) 특성을 분석하였다. 그 결과 annealing 공정을 통하여 광전류밀도가 1.5배 이상 향상되었으며, 3시간 동안 안정적인 광전류 값을 확인하였다.
n-type GaN 반도체는 광전극으로서 우수한 성질을 가지고 있지만, 표면에서 일어나는 산소반응으로 인한 광부식으로 신뢰성이 저하되는 큰 단점이 있다. 이를 근본적으로 억제하기 위하여 표면에서 수소 발생 반응이 일어나는 p-type GaN를 광전극으로 사용함으로써 광부식을 피하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 하지만 p-type GaN은 비저항이 높고 정공 이동도가 낮기 때문에 효율이 낮다는 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는 이러한 문제를 p-type GaN의 activation 공정을 통해 개선하고자 한다. 전극으로 사용될 p-type GaN을 $N_2$ 분위기의 $500^{\circ}C$에서 1 분 동안 annealing을 하였다. Hall effect 측정을 통하여 전기적 특성을 확인하였으며, potentiostat (PARSTAT4000) 측정을 통하여 광전기화학적 (photoelectrochemical, PEC) 특성을 분석하였다. 그 결과 annealing 공정을 통하여 광전류밀도가 1.5배 이상 향상되었으며, 3시간 동안 안정적인 광전류 값을 확인하였다.
The n-type GaN semiconductor has excellent properties as a photoelectrode, but it has disadvantage that its reliability is deteriorated due to the photocorrosion because the oxygen reaction occurs on the surface. For this reason, there are fundamental attempts to avoid photocorrosion reaction of GaN...
The n-type GaN semiconductor has excellent properties as a photoelectrode, but it has disadvantage that its reliability is deteriorated due to the photocorrosion because the oxygen reaction occurs on the surface. For this reason, there are fundamental attempts to avoid photocorrosion reaction of GaN surfaces by using the p-type GaN as a photoelectrode where hydrogen generation reaction occurs on the surface. However, p-type GaN has a problem of low efficiency because of its high resistivity and low hole mobility. In this study, we try to improve the photocurrent efficiency by activation process for the p-type GaN. The p-type GaN was annealed for 1 min. at $500^{\circ}C$ in $N_2$ atmosphere. Hall effect measurement system was used for the electrical properties and potentiostat (PARSTAT4000) was used to measure the photoelectrochemical (PEC) characteristics. Consequently, the photocurrent density was improved more than 1.5 times by improving the activation process for the p-type GaN. Also, its reliability was maintained for 3 hours.
The n-type GaN semiconductor has excellent properties as a photoelectrode, but it has disadvantage that its reliability is deteriorated due to the photocorrosion because the oxygen reaction occurs on the surface. For this reason, there are fundamental attempts to avoid photocorrosion reaction of GaN surfaces by using the p-type GaN as a photoelectrode where hydrogen generation reaction occurs on the surface. However, p-type GaN has a problem of low efficiency because of its high resistivity and low hole mobility. In this study, we try to improve the photocurrent efficiency by activation process for the p-type GaN. The p-type GaN was annealed for 1 min. at $500^{\circ}C$ in $N_2$ atmosphere. Hall effect measurement system was used for the electrical properties and potentiostat (PARSTAT4000) was used to measure the photoelectrochemical (PEC) characteristics. Consequently, the photocurrent density was improved more than 1.5 times by improving the activation process for the p-type GaN. Also, its reliability was maintained for 3 hours.
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문제 정의
26) 하지만 activation 정도에 따라 p-type GaN 의 특성 변화가 PEC 효율에 어떠한 영향을 미치는지에 대한 연구는 아직 진행되고 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 annealing 공정이 물분해 광전극인 p-GaN의 광전기화학적 특성에 어떤 영향을 주는지에 대해 연구하고자 한다.
제안 방법
6)를 사용하였다. 광원은 500W의 Xe-lamp (USHIO)에 neutral density filter (190-1700 nm, 0.5 optical density, 직경 50 mm, 32% transmission)를 사용하여 태양광과 유사한 조건의 광 (100 mW/cm2 )을 조사하였다.
먼저, hydride vapor phase epitaxy (HVPE)법으로 제작된 2 inch bulk 400 μm GaN 기판에 metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) 장치를 사용하여 1 μm 두께의 p-type GaN을 성장시켰다. 그리고, rapid thermal annealing (RTA)를 사용하여 온도 500o C, 승온 시간 90 초, 60 초간 N2 분위기에서 열처리를 진행하였다.
본 연구에서는 HVPE를 이용하여 성장한 bulk GaN 위에 p-GaN을 MOCVD로 성장시킨 구조를, N2 분위기 500o C에서 1분 동안 annealing 시킨후 광전극 셀로 제작 하여 PEC 측정을 이용해 광전기화학적 특성을 보았다.
데이터처리
그런데, PEC 실험을 진행한 후에는 주기적으로 에칭되어 표면에 굴곡이 드러나고 있음을 확인하였다. 두 샘플의 표면거칠기 변화를 확인하기 위해 root mean square (RMS) 값을 비교하였다(Table 2). 신뢰성 실험 전의 sample (a), (b)의 RMS 값은 두 샘플 모두 각각 0.
실제로 광전류 값을 평가하기 위해서 cyclic voltammetry 측정을 진행하였다. Fig.
이렇게 효율이 증가하는 p-type GaN 전극의 신뢰성을 확인하기 위해 chronoamperometry 분석을 진행하였다. Fig. 2는 sample 1과 sample 2의 시간에 따른 광전류밀도값을 나타낸 그래프이다.
이론/모형
PEC 특성은 potentiostat (PARSTAT4000)을 사용하였으며, cyclic voltammetry (scan rate: 0.02 V/s)은 3전극법을 사용하였다. 그리고 chronoamperometry (3 hr, -0.
7 V vs. Pt) 분석은 2전극법으로 측정하여 광전기화학적 특성을 평가 하였다.
전기적 특성과 morphology을 알아보기 위해 Hall effect measurement system과 atomic force microscopy (AFM)을 사용하여 측정하였다.
성능/효과
Hall effect 측정을 통한 annealing 후 캐리어 농도와 전도도, 이동도는 증가함을 보였고 저항은 감소하여 전기적 특성이 증가함을 확인 하였다. PEC 시스템에서는 annealing 후 Mg-H 복합체의 결합이 annealing에 의해 끊어지면서 p-GaN의 캐리어 농도가 증가하게 되었고, 전도대 전위 높이가 낮아져 광여기된 전자와 정공이 더 쉽게 이동되면서 산화환원 반응이 더 많이 발생하여 광전기화학적 특성이 1.
Hall effect 측정을 통한 annealing 후 캐리어 농도와 전도도, 이동도는 증가함을 보였고 저항은 감소하여 전기적 특성이 증가함을 확인 하였다. PEC 시스템에서는 annealing 후 Mg-H 복합체의 결합이 annealing에 의해 끊어지면서 p-GaN의 캐리어 농도가 증가하게 되었고, 전도대 전위 높이가 낮아져 광여기된 전자와 정공이 더 쉽게 이동되면서 산화환원 반응이 더 많이 발생하여 광전기화학적 특성이 1.5배 이상 향상됨을 확인할 수 있었다.
7 V vs. SHE 에서 sample 1과 sample 2의 광전류 값은 각각 -0.04 mA/cm2 , -0.06 mA/cm2 로 annealing 후 광전류 특성 값이 1.5배 증가함을 보였다. 이는 Hall effect 측 정값에서 sample 2가 sample 1에 비해 캐리어 농도가 2배 이상 증가한 것을 고려했을 때, 증가된 캐리어 농도가 광전류 밀도 향상에 영향을 주어 효율을 향상시켰다고 판단된다.
앞선 결과들을 통해 annealing 하지 않은 p-GaN과 비교 할 때, 1.5배 이상의 광전류밀도값을 확인하였고, 물분해를 통해 안정적으로 수소를 발생시키기에 아주 적합한 전 극으로 사용 될 수 있음을 확인하였다.
349 nm로 PEC 측정 전에 비해 표면 거칠기 값이 증가된 것으로 보이지만, 여전히 1 nm 이하의 아주 양호한 표면 거칠기 값을 보여주고 있는 것으로 보아, 시편의 신뢰성에는 큰 변화를 나타내지 않음을 알 수 있었다. 이를 통해 p-type GaN을 annealing 처리를 함으로써 효율은 향상되는 반면 광전기화화적 안정성에는 큰 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있었다.
이는 annealing으로 인해 p-GaN 내부의 Mg-H 복합체의 결합이 끊어져 Mg 농도가 증가하였음을 예상할 수 있다. 전도도와 이동도 또한 각각 4배, 2배 이상 크게 증가함을 통해 샘플의 전기적 특성이 향상되었음을 확인 할 수 있었다.
한편, AFM을통해 표면안정성을 확인하였을때 sample 2는 sample 1에 비해 더 높은 광전류밀도값을 얻었음에도 불구하고 PEC 측정 전과 비교해 RMS 변화가 크게 나타나지 않았고, 이에 광전기화학적 안전성에 큰 변화를 주지 않았음을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
n-type GaN의 특징은?
n-type GaN은 p-type GaN과 비교하여 통상적으로 더 좋은 결정질과 더 높은 도핑농도 제어성을 자기고 있어 우수한 PEC 특성을 가진다. 12,13) 식 (1)과 같이, 자외선 조사 하에서 물 산화반응이 일어나는 광산화전극(photoanode) 으로서 표면에 광여기된 정공이 축적되며, GaN이 전해질에 점차적으로 용해되면서 광부식이 쉽게 일어나 표면 거칠기가 급격히 증가한다.
광전기화학적 수소 생산방법이란?
태양광을 이용한 광전기화학적(photoelectrochemical, PEC) 수소 생산방법은 추가되는 에너지 없이 태양광을 수소 연료로 직접적으로 변환시켜 화학적 에너지로 사용하 기 때문에 이산화탄소 등의 공해물질의 대기 방출이 없는 친환경적 에너지 생산 방식이다. 1,2) 이때, 물을 분리하기 위해서는 1.
n-type GaN 반도체의 단점인 광부식을 방지하는 방법은?
n-type GaN 반도체는 광전극으로서 우수한 성질을 가지고 있지만, 표면에서 일어나는 산소반응으로 인한 광부식으로 신뢰성이 저하되는 큰 단점이 있다. 이를 근본적으로 억제하기 위하여 표면에서 수소 발생 반응이 일어나는 p-type GaN를 광전극으로 사용함으로써 광부식을 피하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 하지만 p-type GaN은 비저항이 높고 정공 이동도가 낮기 때문에 효율이 낮다는 단점을 가지고 있다.
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