[논문]다양한 In 조성을 가진 InGaN/GaN Multi Quantum Well의 효과적인 광전기화학적 물분해

배효정; 방승완; 주진우; 하준석

doi:10.6117/kmeps.2018.25.3.001

[국내논문] 다양한 In 조성을 가진 InGaN/GaN Multi Quantum Well의 효과적인 광전기화학적 물분해
Dependence of Doping on Indium Content in InGaN/GaN Multiple Quantum Wells for Effective Water Splitting 원문보기

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.25 no.3, 2018년, pp.1 - 5

배효정 (전남대학교 광전자융합기술연구소) , 방승완 (전남대학교 화학공학부) , 주진우 (한국광기술원 광 ICT 에너지 연구센터) , 하준석 (전남대학교 광전자융합기술연구소)

초록
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본 연구에서는 InGaN/GaN multi quantum well (MQW)에서 Indium (In) 도핑효과에 따른 광전기화학적 특성을 관찰하였다. 기판으로는 Sapphire을 사용하였고, 각 Quantum well (QW)을 구성하고 있는 InGaN의 조성을 다르게 하였다. 투과도 측정 결과 일정한 In 조성을 가진 InGaN/GaN MQW에 비해 각 QW의 In 조성을 다르게 한 InGaN/GaN MQW에서 흡수도가 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 각각 다른 In 조성을 가진 InGaN 층이 더 넓은 영역의 스펙트럼 에너지를 가지는 빛을 흡수하기 때문인 것으로 생각된다. 광학적 특성을 평가하기 위해 진행한 상온 photoluminescence (PL) 실험을 진행한 결과, 역시 다양한 In 조성을 가진 InGaN/GaN MQW이 더 넓은 파장에서 발광이 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이들 샘플에 대한 광전기화학적 특성평가를 통하여, gradation In 조성을 가지고 있는 InGaN/GaN MQW이 일정한 In 조성을 가지는 InGaN/GaN MQW에 비해 광전기화학적 물분해 능력이 월등히 향상됨을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the effects of indium (In) doping in InGaN/GaN multi quantum well (MQW) on photoelectrochemical (PEC) properties were investigated. Each quantum well (QW) layer with controlled In content were grown on sapphire substrate. Before growth of MQW, GaN growth consisted of various stages in the following order: buffer GaN growth, undoped GaN growth, and Si-doped n-type GaN growth. Absorbance of InGaN/GaN MQW having different In composition was higher than that of the InGaN/GaN MQW having a constant In composition. It indicates that InGaN layer having different In composition absorbs light having a broad spectrum energy. These results are in agreement with those in photoluminescence (PL). After evaluation of PEC properties, it demonstrated that InGaN/GaN MQW having different In composition was improved InGaN/GaN MQW having constant In composition in PEC water splitting ability.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

뿐만 아니라 다양한 In 조성을 가진 각각의 QW구조를 형성한다면, 더 넓은영역의 태양광 스펙트럼을 이용할 수 있기 때문에 태양광 효율을 더욱더 향상시킬 수 있다. 따라서 본 연구에서는 InGaN/GaN의 QW에서의 InGaN의 조성에 따른 광전기화학적 특성이 미치는 영향을 알아보고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 MOCVD법으로 증착된 InGaN/GaN MQW 박막 내 InGaN 층의 In 조성을 달리하여 광전기화학적 특성을 관찰하였다. 이때 InGaN/GaN QW은 5 층으로 제조하였고, In의 조성은 유량을 달리하여 바꿔주었다.
본 연구에서는 MOCVD법으로 증착된 InGaN/GaN MQW 박막 내 InGaN 층의 In 조성을 달리하여 광전기화학적 특성을 관찰하였다. 이때 InGaN/GaN QW은 5 층으로 제조하였고, In의 조성은 유량을 달리하여 바꿔주었다. 흡광도 및 PL 측정으로 광학적 특성을 본 결과, MQW grad.

데이터처리

UV-vis 분광기를 사용하여 300~700 nm 파장대에서, Photoluminescence (PL)을 사용하여 400~500 nm 파장대에서 광학적 특성을 평가하였다. 광전기화학적 특성 평가는 Potentiostat (Parstat4000) 장비를 사용하였다.
일정한 조성의 InGaN QW 층을 가진 MQW ref.와 gradation 조성의 InGaN QW층을 가진 MQW grad. 박막의 광학적 특성 변화를 UV-Vis 분광기를 이용하여 관찰하였다. 투과도를 측정한 뒤, 다음 물질의 투과도(transmission)와 흡광도와 관계된 [식 1]을 이용하여 흡광도 그래프를 얻었다.
추가적으로 광전극의 신뢰성을 평가하기 위하여 시간에 따른 광전류밀도 값을 chronoamperometry 법을 이용하여 평가하였다. 이는, Fig.

이론/모형

5 층의 InGaN/GaN MQW 구조는 (0001)면 사파이어 기판위에 유기금속화학기상증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition: MOCVD)법을 이용하여 성장하였다. Trimethylgallium (TMGa), trimethylindium (TMIn)과 암모니아(NH₃)를 각각 Ga, In, N의 전구체로 이용하였다.

성능/효과

이는 광전기화학전지로 소자 제작 시 더 많은 태양광을 흡수하므로 광전기화학 물분해에 필요한 캐리어 수를 향상시켜 태양광 수소변환 효율향상을 꾀할 수 있다. 실제로 광전기화학적 특성을 비교한 결과, MQW grad. 광전극이 MQW ref. 광전극보다 더 높은 광전류 값을 나타내었다. 위 결과들을 통해 다양한 In 조성을 가진 InGaN/GaN MQW 광전극이 전반적인 물분해 반응 향상을 가져오는 구조임을 확인하였고, 추후 다양한 어플리케이션으로서 광전기화학 시스템에 적용이 가능할 것으로 기대된다.
이 더 넓은 태양광 스펙트럼의 빛을 흡수하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 광전기화학전지로 소자 제작 시 더 많은 태양광을 흡수하므로 광전기화학 물분해에 필요한 캐리어 수를 향상시켜 태양광 수소변환 효율향상을 꾀할 수 있다. 실제로 광전기화학적 특성을 비교한 결과, MQW grad.
이때 InGaN/GaN QW은 5 층으로 제조하였고, In의 조성은 유량을 달리하여 바꿔주었다. 흡광도 및 PL 측정으로 광학적 특성을 본 결과, MQW grad.이 더 넓은 태양광 스펙트럼의 빛을 흡수하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 광전기화학전지로 소자 제작 시 더 많은 태양광을 흡수하므로 광전기화학 물분해에 필요한 캐리어 수를 향상시켜 태양광 수소변환 효율향상을 꾀할 수 있다.

후속연구

광전극보다 더 높은 광전류 값을 나타내었다. 위 결과들을 통해 다양한 In 조성을 가진 InGaN/GaN MQW 광전극이 전반적인 물분해 반응 향상을 가져오는 구조임을 확인하였고, 추후 다양한 어플리케이션으로서 광전기화학 시스템에 적용이 가능할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광전기화학적 물분해 방법의 장점은?	광전기화학적 물분해 방법은 이론 효율이 약 32%로 기존의 PV/electrolysis 방법보다 높으며 일체형으로 구조가 단순하고 크기 조절이 용이할 뿐 아니라 수소와 산소가 분리 생산된다는 장점을 가지고 있다. PEC 방법을 이용한 수소발생의 연구 이슈는 낮은 태양광-수소 변환 효율과 전해질 내에서의 광부식을 해결하는 것이다.
	금속산화물에는 어떤 것들이 있는가?	PEC 방법을 이용한 수소발생의 연구 이슈는 낮은 태양광-수소 변환 효율과 전해질 내에서의 광부식을 해결하는 것이다. Fe2O3, WO3, BiVO4, TiO2, CuO 등의 다양한 금속산화물들이 연구되고 있으며, 태양광을 많이 흡수할 수 있고 전하를 효과적으로 잘 이동시키는 광전극을 설계하는 방향으로 연구가 진행되고 있다.1-7)
	질화갈륨(GaN)를 기반으로 한 화합물 반도체의 단점은?	8-13) 또한 p/n접합, 헤테로 접합 등 다양한 구조적 설계가 용이하다는 장점을 가지고 있다. 하지만 아직 낮은 태양광-수소 변환효율과 전해질 내에서의 광 부식성 문제가 여전히 남아있어 대안 해결책이 필요하다.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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