[논문]SnO2 기능성 박막을 이용한 ZnO 기반의 투명 UV 광검출기

이경남; 이주현; 김준동

doi:10.5370/kiee.2018.67.1.68

SnO2 기능성 박막을 이용한 ZnO 기반의 투명 UV 광검출기
ZnO Based All Transparent UV Photodetector with Functional SnO2 Layer 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.67 no.1, 2018년, pp.68 - 74

이경남 (Department of Electrical Engineering, Incheon National University) , 이주현 (Department of Electrical Engineering, Incheon National University) , 김준동 (Department of Electrical Engineering, Incheon National University)

Abstract ▼ AI-Helper

All transparent UV photodetector based on ZnO was fabricated with structure of NiO/ZnO/$SnO_2$/ITO by using RF and DC magnetron sputtering system. ZnO was deposited with 4 inch ZnO target (purity 99.99%) for a quality film. In order to build p-n junction up, p-type NiO was formed on n-type ZnO by using reactive sputtering method. The indium tin oxide (ITO) which is transparent conducting oxide (TCO) was applied as a transparent electrode for transporting electrons. To improve the UV photodetector performance, a functional $SnO_2$ layer was selected as an electron transporting and hole blocking layer, which actively controls the carrier movement, between ZnO and ITO. The photodetector (NiO/ZnO/$SnO_2$/ITO) shows transmittance over 50% as similar as the transmittance of a general device (NiO/ZnO/ITO) due to the high transmittance of $SnO_2$ for broad wavelengths. The functional $SnO_2$ layer for band alignment effectively enhances the photo-current to be $15{\mu}A{\cdot}cm^{-2}$ (from $7{\mu}A{\cdot}cm^{-2}$ of without $SnO_2$) with the quick photo-responses of rise time (0.83 ms) and fall time (15.14 ms). We demonstrated the all transparent UV photodetector based on ZnO and suggest the route for effective designs to enhance performance for transparent photoelectric applications.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이번 연구는 SnO₂를 기능성 박막으로 사용하여 NiO/ZnO/ITO 광검출기에 적용하고 그 성능을 개선시키는데 그 목적이 있다. 모든 물질은 Sputtering system을 이용하여 공정을 진행하였으며 광학적 특성과 전기적 특성 그리고 Energy band diagram을 통해서 광검출기의 성능을 비교, 분석하였다.

제안 방법

를 NiO/ZnO 이종접합 투명 광검출기에 적용하였으며 Band align- ment를 통해 소자의 성능을 개선시키고 적용하지 않은 소자와 비교, 분석하였다. NiO/ZnO 투명 광검출기는 Patel, M., Kim, H. S. & Kim, J. D.에 의해 많은 연구가 이루어 졌으며 SnO₂ 기능성 박막을 이용하여 성능을 개선시키고자 하였다[12].

대상 데이터

증착 공정은 Magnetron sputtering system (SNTEK, Korea)을 이용하여 진행되었다. 후면전극으로 ITO를 DC sputtering을 이용하여 증착 후 Rapid thermal process (RTP)를 이용하여 500 °C에서 후 열처리를 하여 투과율과 전기 전도도를 개선하였으며 RF sputtering을 통해 SnO₂를 증착 시간을 달리하여 40 nm, 80 nm, 150 nm, 300 nm의 두께로 증착하였다. 그 후 ZnO, NiO 순 으로 증착하였다.

데이터처리

를 기능성 박막으로 사용하여 NiO/ZnO/ITO 광검출기에 적용하고 그 성능을 개선시키는데 그 목적이 있다. 모든 물질은 Sputtering system을 이용하여 공정을 진행하였으며 광학적 특성과 전기적 특성 그리고 Energy band diagram을 통해서 광검출기의 성능을 비교, 분석하였다. 투명 UV 광검출기 는 SnO₂의 적용으로 광전류가 15 μA·cm^-2 으로 크게 증가하였고 누설전류 또한 1.
그 후 ZnO, NiO 순 으로 증착하였다. X-ray diffraction (XRD) 분석을 통해 SnO₂의 결정구조와 결정면을 분석하였으며, UV-vis spectrophotometer (UV-2600, Shimadzu)와 Potentiostat/Galvanostat (ZIVE SP2, Wona Tech, Korea)을 이용하여 광학적 특성과 전기적 특성 그리고 Mott-schottky 분석을 진행하였다. 그림 1에는 소자의 제작 과정을 나타내었다.
이번 연구에서는 Sputtering system을 사용하여 SnO₂를 NiO/ZnO 이종접합 투명 광검출기에 적용하였으며 Band align- ment를 통해 소자의 성능을 개선시키고 적용하지 않은 소자와 비교, 분석하였다. NiO/ZnO 투명 광검출기는 Patel, M.

성능/효과

72 nA·cm^-2으로 SnO₂를 적용하지 않은 광 검출기와 비교하여 크게 줄어들었다. 이는 SnO₂의 Work function이 ZnO와 비교하여 더 큰 값을 가지기 때문에 Band alignment 효과에 기인한 것으로 캐리어의 이동을 효과적으로 제어함으로써 성능의 큰 향상을 가져올 수 있다. 이러한 기능성 박막을 이용한다면 앞으로 투명 광전소자뿐만 아니라 Si 기반의 태양전지의 효율 향상에 효과적인 방식이 될 것으로 예상된다.
모든 물질은 Sputtering system을 이용하여 공정을 진행하였으며 광학적 특성과 전기적 특성 그리고 Energy band diagram을 통해서 광검출기의 성능을 비교, 분석하였다. 투명 UV 광검출기 는 SnO₂의 적용으로 광전류가 15 μA·cm^-2 으로 크게 증가하였고 누설전류 또한 1.72 nA·cm^-2으로 SnO₂를 적용하지 않은 광 검출기와 비교하여 크게 줄어들었다. 이는 SnO₂의 Work function이 ZnO와 비교하여 더 큰 값을 가지기 때문에 Band alignment 효과에 기인한 것으로 캐리어의 이동을 효과적으로 제어함으로써 성능의 큰 향상을 가져올 수 있다.
34와 비교하여 향상되었음을 확인하였다. 특히 80 nm 두께로 SnO₂를 증착한 광검출기에서는 약 940%의 상승을 보였다. 정류비는 일반적으로 반도체 접합의 특성을 알 수 있는 수치로 SnO₂를 적용함으로서 광검출기의 접합 특성이 개선되었다.

후속연구

이는 SnO₂의 Work function이 ZnO와 비교하여 더 큰 값을 가지기 때문에 Band alignment 효과에 기인한 것으로 캐리어의 이동을 효과적으로 제어함으로써 성능의 큰 향상을 가져올 수 있다. 이러한 기능성 박막을 이용한다면 앞으로 투명 광전소자뿐만 아니라 Si 기반의 태양전지의 효율 향상에 효과적인 방식이 될 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SnO2에서 누설전류가 감소하고 광전류가 증가한 이유는?	72 nA·cm-2으로 SnO2를 적용하지 않은 광 검출기와 비교하여 크게 줄어들었다. 이는 SnO2의 Work function이 ZnO와 비교하여 더 큰 값을 가지기 때문에 Band alignment 효과에 기인한 것으로 캐리어의 이동을 효과적으로 제어함으로써 성능의 큰 향상을 가져올 수 있다. 이러한 기능성 박막을 이용한다면 앞으로 투명 광전소자뿐만 아니라 Si 기반의 태양전지의 효율 향상에 효과적인 방식이 될 것으로 예상된다.
	산화물 반도체와 TCO의 특징은?	산화물 반도체와 TCO는 독성이 없고 풍부한 자원량, 경제적 그리고 물질의 안정성이 좋은 장점을 가지고 있기 때문에 미래 광전소자 기술로서 큰 관심을 받고 있다. 산화물 반도체는 일반적으로 낮은 캐리어 농도, 낮은 전도도 등 단점이 존재하지만 p-type 반도체인 Copper oxide (CuO, Cu2O, Cu4O3), NiO 그리고 n-type 반도체 Indium tin oxide (ITO), Fluorine doped tin oxide (FTO), ZnO, TiO2, SnO2와 같은 산화물 반도체는 우수한 광학적, 전기적 특성으로 인해 관전소자의 성능을 개선시킬 수 있는 물질로 여겨지고 있다[4-6].
	n-type 반도체에는 무엇이 있는가?	산화물 반도체와 TCO는 독성이 없고 풍부한 자원량, 경제적 그리고 물질의 안정성이 좋은 장점을 가지고 있기 때문에 미래 광전소자 기술로서 큰 관심을 받고 있다. 산화물 반도체는 일반적으로 낮은 캐리어 농도, 낮은 전도도 등 단점이 존재하지만 p-type 반도체인 Copper oxide (CuO, Cu2O, Cu4O3), NiO 그리고 n-type 반도체 Indium tin oxide (ITO), Fluorine doped tin oxide (FTO), ZnO, TiO2, SnO2와 같은 산화물 반도체는 우수한 광학적, 전기적 특성으로 인해 관전소자의 성능을 개선시킬 수 있는 물질로 여겨지고 있다[4-6]. 현재 UV photodetector는 ZnS, In2O3, In2Se3, CdS, CdSe, Sb2Se3, Ag2S 등의 물질을 기반으로 하여 생산이 이루어지고 있으나 이 물질들은 비용이 비싸고 독성을 가지고 있다.

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