[논문]MoO3 기반 실리콘 이종접합 IR 영역 광검출기 개발

박왕희; 김준동; 최인혁

doi:10.4313/jkem.2017.30.8.525

MoO3 기반 실리콘 이종접합 IR 영역 광검출기 개발
MoO3/p-Si Heterojunction for Infrared Photodetector 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.30 no.8, 2017년, pp.525 - 529

박왕희 (인천대학교 차세대융합에너지중점연구소 광전에너지소자연구실) , 김준동 (인천대학교 차세대융합에너지중점연구소 광전에너지소자연구실) , 최인혁 (한국전력공사 전력연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Molybdenum oxide ($MoO_3$) offers pivotal advantages for high optical transparency and low light reflection. Considering device fabrication, n-type $MoO_3$ semiconductor can spontaneously establish a junction with p-type Si. Since the energy bandgap of Si is 1.12 eV, a maximum photon wavelength of around 1,100 nm is required to initiate effective photoelectric reaction. However, the utilization of infrared photons is very limited for Si photonics. Hence, to enhance the Si photoelectric devices, we applied the wide energy bandgap $MoO_3$ (3.7 eV) top-layer onto Si. Using a large-scale production method, a wafer-scale $MoO_3$ device was fabricated with a highly crystalline structure. The $MoO_3/p-Si$ heterojunction device provides distinct photoresponses for long wavelength photons at 900 nm and 1,100 nm with extremely fast response times: rise time of 65.69 ms and fall time of 71.82 ms. We demonstrate the high-performing $MoO_3/p-Si$ infrared photodetector and provide a design scheme for the extension of Si for the utilization of long-wavelength light.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

본 실험에서는 MoO₃와 p type 실리콘간의 p-j 접합을 형성하고 전면 및 후면의 전극으로 Al을 이용하여 Al/MoO₃/p-si/Al 구조의 산화물 반도체-반도체 이종 접합 IR 광검출기를 제작하였으며, MoO₃의 광학 특성, 물질 특성 및 광검출기의 전기적 특성을 측정하고 분석하였다.
본 연구에서는 magnetron sputtering system을 이용하여 전면 및 후면 전극으로는 내식성과 전기전도성이 뛰어난 Al을 사용하였으며, 높은 투과율과 낮은 반사율을 갖는 n-type 산화물 반도체 MoO₃와 p-type 실리콘의 p-n junction을 이용한 Al/MoO₃/p-si/Al 구조의 산화물 반도체-반도체 이종접합 기반의 IR 광 검출기를 제작하고 MoO₃의 물질적 특성과 광검출기의 전기 및 광학적 특성을 분석하였다.

대상 데이터

MoO₃의 경우에는 스퍼터링 타겟을 몰리브덴(Mo)으로 하여 p-type 실리콘과 glass 기판에 증착한 후, RTP (rapid thermal processing)을 통해 MoO₃가 형성되게 하였다.
본 실험에서는 MoO₃의 광학적 특성을 분석하기 위해 투명한 glass 기판과 광검출기를 제작하기 위해 두께 525 μm의 p-type 실리콘을 사용했다.
본 실험에서의 MoO₃는 Magnetron sputtering system을 이용하여 Mo을 p-type 실리콘, glass 기판 위에 증착하고 RTP (rapid thermal processing)을 이용하여 산소(O₂)를 주입하며 고온에서 급속열처리공정(550℃, 10분)을 통해 형성하였다. 이는 XRD와 JCPDS 분석을 통하여 확인하였다.
전면 및 후면 전극으로는 내식성과 전기전도성이 좋은 Al을 사용하였으며 전면 전극을 증착할 때에는 섀도우 마스크(shadow mask)를 사용했다. 이는 최대한 많은 빛이 MoO₃ 표면으로 조사가 될 수 있게끔 하기 위함이다.

데이터처리

광검출기에 형성된 MoO₃의 두께를 확인하기 위해 전계 방출형 주사 현미경(FE-SEM)을 사용하였고, MoO₃의 광학적 특성을 확인해 보기 위해 UV-vis spectro photometer (UV-2600)를 사용하여 투과율과 반사율을 측정했다. 또한 광검출기의 전기적 특성 및 광응답을 확인하기 위해 Keithly, LED, 광응답 장비(WonA, ZIVE SP1)를 이용했다.

이론/모형

의 광학적 특성을 확인해 보기 위해 UV-vis spectro photometer (UV-2600)를 사용하여 투과율과 반사율을 측정했다. 또한 광검출기의 전기적 특성 및 광응답을 확인하기 위해 Keithly, LED, 광응답 장비(WonA, ZIVE SP1)를 이용했다.

성능/효과

광응답은 각각 4.15, 3.79으로 본 실험의 Al/MoO₃/ p-si/Al 산화물 반도체-반도체 접합 소자가 IR 영역에서 광반응을 명확히 한다는 것을 의미한다. 또한 이 범위에서의 평균 상승시간은 65.
파장이 900 nm일 때의 광응답은 4.15, 1,100 nm일 때의 광응답은 3.79으로 IR 영역에서 우수한 광응답을 확인했으며, 이 범위에서의 평균 상승시간은 65.69 ms, 하강 시간은 71.85 ms로 상당히 빠른 광응답 속도를 보인다.

후속연구

높은 투과율과 낮은 반사율을 갖는 MoO₃의 특성을 이용한다면 광검출기를 포함한 광전소자 제작에 있어 가장 보편적인 Si 혹은 다른 산화물 반도체, 금속물질간의 접합 연구에 있어 매우 큰 이점으로 작용할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광검출기란 무엇인가?	광검출기는 생체 의학에서부터 광학 저장 장치에 이르기까지 다양한 응용 분야에 필수적인 광전자 장치이다 [1]. 반도체 기반의 자외선, 가시광 및 적외선 범위의 광검출기는 실리콘 기반의 광검출기 장치로 발전했다 [2].
	산화 몰리브덴이 고급 응용 분야에 사용되는 이유는 무엇인가?	MoO3은 매우 높은 일함수를 갖는데, 이는 태양 전지, 유기 전자 장치등의 흡수체 물질에 있는 정공 수집에 유리하여 고성능을 위한 hall contact으로 광범위하게 연구되고 있다 [8,9]. 또한 아주 높은 녹는 점, 전기 전도도, 인성을 가져 촉매, 센서, 포토크로믹, 일렉트로크로믹 재료 등과 같은 고급 응용 분야에 사용된다 [10].
	적외선 광검출기의 특징은 무엇인가?	적외선 광검출기는 광통신, 열 이미징 및 센서 네트워킹의 중요한 하나의 요소이며, 최근에는 원적외선 이미징 및 실온에서의 작동에서 사용 가능하기 때문에 많은 주목을 받고 있다. 850 nm 이하에서 높은 응답성을 나타내는 광검출기의 파장 스펙트럼을 확장하면 천문학, 국방, 의료 진단 및 위성지도 작성 분야에 도움이 된다 [6].

참고문헌 (13)

J. M. Shieh, Y. F. Lai, W. X. Ni, H. C. Kuo, C. Y. Fang, J. Y. Huang, and C. L. Pan, Appl. Phys. Lett., 90, 051105 (2007). [DOI: https://doi.org/10.1063/1.2450653]

상세보기
H. S. Bae, M. H. Yoon, J. H. Kim, and S. Im, Appl. Phys. Lett., 83, 5313 (2003). [DOI: http://dx.doi.org/10.1063/1.1633676]

상세보기
E. Chen and S. Y. Chou, Appl. Phys. Lett., 70, 753 (1997). [DOI: http://doi.org/10.1063/1.118270]

상세보기
O. M. Nayfeh, S. Rao, A. Smith, J. Therrien, and M. H. Nayfeh, IEEE Photonics Technol. Lett., 16, 1927 (2004). [DOI: https://doi.org/10.1109/LPT.2004.831271]

상세보기
J. M. Choi and S. Im, Appl. Surf. Sci., 244, 435 (2005). [DOI: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2004.09.152]

상세보기
M. Zyaei, H. R. Saghai, K. Abbasian, and A. Rostami, Opt. Commun., 281, 3739 (2008). [DOI: https://doi.org/10.1016/j.optcom.2008.03.036]

상세보기
D. Mutschau, K. Holzner, and E. Obermeier, Sens. Actuators, B, 36, 320 (1996). [DOI: https://doi.org/10.1016/S0925-4005(97)80089-5]

상세보기
J. Bullock, D. Yan, A. Cuevas, Y. Wan, and C. Samundsett, Energy Procedia, 77, 446 (2015). [DOI: https://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.07.063]

상세보기
C. Zhao, Z. Liang, M. Su, P. Liu, W. Mai, and W. Xie, ACS Appl. Mater. Interfaces, 7, 25981 (2015). [DOI: https://doi.org/10.1021/acsami.5b09492]

상세보기
J. Zhou, N. S. Xu, S. Z. Deng, J. Chen, J. C. She, and Z. L. Wang, Adv. Mater., 15, 1835 (2003). [DOI: https://doi.org/10.1002/adma. 200305528]

상세보기
W. H. Park, D. K. Ban, H. Kim, H. S. Kim, M. Patel, J. H. Yoo, and J. Kim, J. Korean Inst. Electr. Electron. Mater. Eng., 29, 445 (2016). [DOI: http://dx.doi.org/10.4313/JKEM.2016.29.7.445]
W. H. Park and J. D. Kim, J. Korean Inst. Electr. Electron. Mater. Eng., 29, 720 (2016). [DOI: http://dx.doi.org/10.4313/JKEM.2016.29.11.720]
W. S. Choi, Trans. Electr. Electron. Mater., 12, 267 (2011). [DOI: https://doi.org/10.4313/TEEM.2011.12.4.267]

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