[논문]산화물 반도체 기반의 이종접합 광 검출기

이상은; 이경남; 예상철; 이성호; 김준동

doi:10.4313/jkem.2018.31.3.165

산화물 반도체 기반의 이종접합 광 검출기
Metal Oxide-Based Heterojunction Broadband Photodetector 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.31 no.3, 2018년, pp.165 - 170

이상은 (인천대학교 전기공학과) , 이경남 (인천대학교 전기공학과) , 예상철 (인천대학교 전기공학과) , 이성호 (인천대학교 전기공학과) , 김준동 (인천대학교 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, double-layered TCO (transparent conductive oxide) films were produced by depositing two distinct TCO materials: $SnO_2$ works as an n-type layer and ITO (indium-doped tin oxide) serves as a transparent conductor. Both transparent conductive oxide-films were sequentially deposited by sputtering. The electrical and optical properties of single-layered TCO films ($SnO_2$) and double-layered TCO ($ITO/SnO_2$) films were investigated. A TCO-embedding photodetector was realized through the formation of an $ITO/SnO_2/p-Si/Al$ layered structure. The remarkably high rectifying ratio of 400.64 was achieved with the double-layered TCO device, compared to 1.72 with the single-layered TCO device. This result was attributed to the enhanced electrical properties of the double-layered TCO device. With respect to the photoresponses, the photocurrent of the double-layered TCO photodetector was significantly improved: 1,500% of that of the single-layered TCO device. This study suggests that, due to the electrical and optical benefits, double-layered TCO films are effective for enhancing the photoresponses of TCO photodetectors. This provides a useful approach for the design of photoelectric devices, including solar cells and photosensors.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이번 연구는 SnO₂와 p-Si의 single junction을 이용한 광전소자의 제작과 ITO층을 이용한 성능 향상에 그 목적이 있다. 이는 향후 Si 기반의 광전소자 개발에 있어 보다 다양한 방식을 제시할 수 있을 것이다.

제안 방법

본 실험에서는 p-Si 기판을 이용하여 공정하였고 초음파 클리너로 아세톤, 메탄올, 증류수 순서로 10분간 세정작업을 진행하고 산화 방지를 막기 위해 nitrogen blowing으로 건조작업을 마쳤다.
본 실험에서는 비저항이 큰 SnO₂의 단일 구조의 단점을 보완하기 위해 SnO2에 ITO를 접합시켜 ITO/SnO₂/p-Si/Al 구조의 광전소자를 제작하였으며, 전류-전압 곡선(dark Ⅳ)과 광 응답(photo-response)을 측정하여 ITO를 사용하지 않은 단일 TCO 광전소자(SnO₂)와 특성을 비교 분석하였다.
본 실험에서는 이종 TCO층(ITO/SnO₂)의 전체 두께를 약 120 nm로 하여 ITO/SnO₂ 각 물질의 스퍼터링 시간을 달리하여 두께를 변화시켰다. 전체 두께의 변화가 있을 경우 이중층의 광학적 특성의 변화가 크기 때문에 이를 최대한 배제하고 ITO와 SnO₂층의 특성을 분석하기 위해 이중층을 120 nm로 유지를 한 상태에서 각 층에 변화를 주었다.
본 연구에서는 스퍼터링 공정을 이용하여 SnO₂의 광학적 특성을 분석하고 p-Si 기판에 SnO₂와 ITO를 이용한 이중층 TCO를 제작하여 ITO를 적용하지 않은 단일 SnO₂ 소자와 성능을 비교, 분석하였다.

대상 데이터

Tauc plot을 통해 SnO₂의 optical bandgap을 얻을 수 있으며 이번 실험에 사용된 SnO₂ films은 약 3.7~3.9 eV의 optical bandgap을 가지고 있다. SnO₂의 광학적 특성을 표 1에 나타내었다.

데이터처리

전계 방출형 주사 현미경(FE-SEM)을 사용하여 소자의 두께와 구조를 관찰하였고, UV-avis spectro photometer (UV-2600)를 사용하여 투과율과 반사율을 측정하고 광 응답 장비(WonA, ZIVE SP1)를 사용하여 광 응답과 임피던스를 확인하였다.

성능/효과

I-V 특성 그래프에서 단일 TCO층(SnO₂)보다 이중 층 TCO인 ITO/SnO₂를 이용한 소자에서 정류비가 크게 향상되었다. 또한 ITO/SnO₂/p-Si/Al 구조에서 확연한 광전류의 증가를 보였으며, 실제적인 광전소자의 성능이 향상되었음을 알 수 있다.
72가 계산되었다. SnO₂를 단일 층으로 사용한 소자에 비해 ITO를 이용하였을 때 정류비는 전체적으로 향상된 수치를 보였으며 특히 sample 1에서 크게 향상되었다. 반사율은 sample 1에서 평균 2.
이는 ITO에 의한 series 저항의 감소와 life time의 증가 그리고 ITO/SnO₂층의 낮은 반사율에 의한 결과로 분석된다. 결과적으로 ITO/SnO₂ 이중 TCO층은 단일 SnO₂와 비교하여 광 검출기의 성능을 증가시켰다.
를 이용한 소자에서 정류비가 크게 향상되었다. 또한 ITO/SnO₂/p-Si/Al 구조에서 확연한 광전류의 증가를 보였으며, 실제적인 광전소자의 성능이 향상되었음을 알 수 있다. Sample 1에서 광전류 수치는 각 파장에 대해 전체적으로 향상되었으며 특히 자외선(365 nm), 적외선(980 nm) 영역에서의 이득이 매우 두드러졌다.

후속연구

와 p-Si의 single junction을 이용한 광전소자의 제작과 ITO층을 이용한 성능 향상에 그 목적이 있다. 이는 향후 Si 기반의 광전소자 개발에 있어 보다 다양한 방식을 제시할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ITO의 가장 큰 장점은?	5 eV 이상의 optical band gap을 가지고 있다. ITO의 가장 큰 장점은 높은 투과성을 가짐과 동시에 10-4 cmΩ의 낮은 저항을 가지고 있다는 점이다 [9-11].
	TCO의 특징 중 가시광선 영역의 빛을 전기에너지로 바꿀 수 있게 하는 것은?	TCO (transparent conductive oxide)는 높은 투과율과 전기전도도를 가지는 독특한 물질이다. 가시광선 영역(380~780 nm)에서 투과율이 80%가 넘고 Optical bandgap은 3.0 eV가 넘으며 10-3~10-4 Ω의 비저항을 갖는다. TCO의 이러한 특징은 가시광선 영역의 빛을 전기에너지로 바꾸는 데 효과적이다 [1-4].
	SnO2의 특징은?	TCO 물질 중 하나인 SnO2는 n-type 반도체로서 3.6eV의 넓은 optical band-gap을 가지고 있으며 200℃부터 600℃까지 넓은 온도범위에서 공정이 가능하다. 또한 물리적으로 안정하며 무독성의 성질을 가지고 있고 수급 여건이 좋고 경제적으로도 뛰어나다. 이러한 이점들 때문에 금속산화물들 중에서도 SnO2와 관련한 많은 연구가 이루어지고 있다 [7].

참고문헌 (11)

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S. S. Shinde and K. Y. Rajpure, Mater. Res. Bull., 46, 1734 (2011). [DOI: https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2011.05.032]

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