KR100809248B1 - 반도체 이종구조 나노선을 이용한 광기전력 소자 및 그제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 기판과; 상기 기판 상에 배열된 다수의 이종구조 반도체 나노선 - 각각의 상기 반도체 나노선은 상기 기판 상면으로부터 위로 연장된 다수의 제1 도전형 반도체 나노선 코어(nanowire core)와, 상기 나노선 코어의 표면을 따라 형성되어 상기 나노선 코어를 도포하는 제2 도전형 반도체 나노선 쉬스(nanowire sheath)를 가짐 - 과; 상기 나노선들 사이를 메우는 절연체 충전물과; 상기 나노선 상에 형성되어 상기 나노선 쉬스에 전기적으로 연결된 제1 전극을 포함하는, 광기전력 소자를 제공한다.
태양전지, 광기전력 소자
Description
도 1은 종래기술에 따른 광기전력 소자의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 광기전력 소자의 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 광기전력 소자의 주요 부분을 나타낸 부분 확대도이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 실시형태에 따른 광기전력 소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 8은 본 발명의 실시형태에서 사용할 수 있는 나노선 코어의 제조공정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 9는 도 8의 나노선 코어 제조공정에 따라 얻은 나노선 코어들을 나타내는 SEM 사진이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100: 광기전력 소자 101: 기판
104: 반도체 나노선 코어 105: 반도체 나노선 쉬스
106: 나노선 107: 절연체 충전물
108: 절연막 110: 제1 전극
120: 제2 전극
본 발명은 태양전지로 사용되는 광기전력 소자에 관한 것으로서, 특히 이종 접합의 나노선(nanowire) 배열체 구조를 이용하여 반도체 접합(junction) 면적을 크게 확대한 광기전력 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근에 결정 또는 비정질 박막형 광기전력 소자 등 다양한 형태의 태양전지가 연구되고 있다. 태양전지로 사용되는 박막형 광기전력 소자는, 반도체 p-n(또는 p-i-n) 접합 특성을 이용하여 광 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 디바이스로서, 중요한 에너지 변환 소자로 인식되고 있다. '광전 변환 유닛(photoelectric conversion unit)'은, 광기전력 소자의 기본 단위를 형성하는데, 이는 n형 반도체층 및 p형 반도체층을 구비한다. 또한 p형 및 n형 반도체층 사이에 샌드위치된 i형 반도체층이 추가적으로 제공될 수 있다.
태양전지의 효율을 높이기 위해서는, 광기전력 소자는 가능한 넓은 스펙트럼 에서 많은 양의 빛을 흡수하여야 하고, 흡수된 빛에 의해 높은 변환 효율로 전자-정공쌍을 형성하여야 한다. 특히 일정한 스펙트럼 범위에 대해 많은 양의 빛이 잘 흡수되기 위해서는 접합 면적이 넓은 것이 유리하다. 그러나 기존에 제안된 전형적인 층구조의 태양전지 또는 광기전력 소자로는 충분한 접합 면적을 얻기가 어렵다.
도 1은 종래의 광기전력 소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 1을 참조하면, 광기전력 소자(10)는 투명 기판(11) 상에 순차 적층된 투명 전극층(12), p형 반도체층(14p), i형 반도체층(14i) 및 n형 반도체층(14n)을 포함한다. 여기서 i형 반도체층(14i)은 본래 의미의 진성 반도체(intrinsic semiconductor)에 한정되는 것은 아니며, 도핑된 불순물로 흡수된 광의 손실이 문제를 일으키지 않을 정도로 미량으로 도핑된 층일 수도 있다. n형 반도체층(14n) 상에는 투명층(15t)와 배면 반사층(15m)을 갖는 배면 전극(back electrode: 15)이 형성되어 있다.
상기한 접합 구조의 반도체층들(14p, 14i, 14n)은 태양전지의 단위 구조인 광전 변환 유닛(photoelectric conversion unit)을 이룬다. 투명 기판(11)으로부터 입사해 들어온 빛은 i형 반도체층(14i)에서 흡수되어 전자-정공쌍을 생성하고 생성된 캐리어에 의해 기전력이 발생한다. 빛의 흡수 효율을 높이기 위해 i형 반도체층(14i)의 두께를 크게 할 수 있으나 i형 반도체층(14i)의 두께가 두꺼우면 광열화의 정도가 크게 된다. 특히 이러한 층 구조의 광기전력 소자에 따르면 충분히 넓은 접합 면적을 갖지 못하기 때문에 태양전지의 전체 효율이 비교적 낮다.
Toru Sawada 외의 미국특허출원 공보 제2006/0174935 등에 따르면, 서로 다른 밴드 갭을 갖는 복수의 광전 변환 유닛을 적층한 박막형 태양전지 구조를 개시하고 있다. 이에 따르면, 보다 넓은 스펙트럼의 빛을 흡수할 수 있는 다중 흡수층을 제공함으로써 광전 변환 효율을 개선한다. 그러나 여전히 협소한 접합 면적으로 인해 충분한 태양전지 효율을 얻지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 크게 증가된 p-n 접합 면적을 제공할 수 있는 고효율 광기전력 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 p-n 접합 면적을 크게 증대시킬 수 있는 고효율 광기전력 소자를 용이하게 얻을 수 있는 광기전력 소자의 제조방법을 제공하는 것이다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은, 기판과; 상기 기판 상에 배열된 다수의 이종구조 반도체 나노선 - 각각의 상기 반도체 나노선은 상기 기판 상면으로부터 위로 연장된 다수의 제1 도전형 반도체 나노선 코어(nanowire core)와, 상기 나노선 코어의 표면을 따라 형성되어 상기 나노선 코어를 도포하는 제2 도전형 반도체 나노선 쉬스(nanowire sheath)를 가짐 - 과; 상기 나노선들 사이를 메우는 절연체 충전물과; 상기 나노선 상에 형성되어 상기 나노선 쉬스에 전기적으 로 연결된 제1 전극을 포함하는, 광기전력 소자를 제공한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 기판 하면에 형성되어, 상기 기판을 통해 상기 나노선 코어와 전기적으로 연결되는 제2 전극을 더 포함할 수 있다. 상기 기판은 반도체 또는 금속으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 나노선 코어를 상기 기판과 접촉시키면서 상기 나노선 쉬스를 상기 기판으로부터 절연시키도록 상기 나노선 코어의 바닥부 외측에서 상기 절연체 충전물과 상기 기판 상면 사이에 형성된 절연막을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 나노선은 실리콘(Si)을 포함할 수 있다. 특히 상기 반도체 나노선은 실리콘 결정으로 이루어질 수 있다. 상기 나노선은 실리콘-게르마늄(SiGe)을 포함할 수 있다. 상기 기판은 실리콘 기판일 수 있다.
상기 나노선 코어와 나노선 쉬스 중 하나는 실리콘(Si)으로 형성되고, 다른 하나는 실리콘-게르마늄(SiGe)으로 형성될 수 있다. 상기 실리콘-게르마늄은 p형 반도체일 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 기판 상에 상기 기판 상면으로부터 위로 연장된 다수의 제1 도전형 반도체 나노선 코어를 형성하는 단계와; 상기 나노선 코어의 표면을 따라 상기 나노선 코어를 도포하는 제2 도전형 반도체 나노선 쉬스를 형성함으로써, 상기 기판 상에 배열된 다수의 이종구조 반도체 나노선을 형성하는 단계와; 절연체로 상기 나노선들 사이의 공간을 메우는 단계와; 상기 나노선 상에 상기 나노선 쉬스와 전기적으로 연결된 제1 전극을 형성하는 단계를 포함하는, 광기전력 소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 기판을 통해 상기 나노선 코어와 전기적으로 연결되는 제2 전극을 상기 기판 하면에 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 나노선 형성 단계전에, 상기 기판 상면 영역 중 상기 나노선 코어 위치(nanowire core sites) 사이의 영역 상에 절연막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 나노선은 실리콘 결정으로 형성될 수 있다. 이와 달리, 상기 나노선 코어 및 나노선 쉬스 중 어느 하나는 실리콘-게르마늄으로 형성되고 다른 하나는 실리콘으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 나노선 코어를 형성하는 단계는, 실리콘 기판 상에 분포된 복수의 금속 촉매 입자 또는 금속 촉매 아일랜드(islands)를 형 성하는 단계와; 상기 실리콘 기판에 실리콘 전구체와 제1 도전형 도펀트 소스를 제공하여 상기 금속 촉매의 위치에서 실리콘 나노선 코어를 성장시키는 단계를 포함한다. 상기 금속 촉매는 Au이고, 실리콘 전구체는 SiCl4 일 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 나노선 코어 형성 단계는, 실리콘 기판 상에 분포된 복수의 금속 촉매 입자 또는 금속 촉매 아일랜드를 형성하는 단계와; 비도핑 분위기에서 실리콘 전구체와 게르마늄 전구체를 함께 상기 기판에 제공하여 상기 금속 촉매의 위치에서 실리콘-게르마늄 나노선 코어를 성장시키는 단계를 포함한다. 상기 금속 촉매는 Au이고, 실리콘 전구체는 SiCl4이고, 상기 게르마늄 전구체는 GeCl4일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 광기전력 소자의 단면도이고, 도 3은 도 2의 주요 부분을 나타내는 부분 확대도이다. 도 2 및 3을 참조하면, 광기전력 소자(100)는, 도핑된 반도체 실리콘(Si) 등으로 된 기판(101) 상에 배열된 다수의 반도체 나노선(nanowire: 106)을 포함한다. 각각의 나노선(106)은 기판(101) 상면으로부터 위로 연장된 제1 도전형(n형 또는 p형)의 반도체 나노선 코어(nanowire core: 104)와, 나노선 코어(104)의 표면을 따라 컨포멀하게(conformally) 형성되어 나노선 코어(104)를 도포하는 제2 도전형(제1 도전형과는 반대임)의 반도체 나노선 쉬스(nanowire sheath: 105)로 이루어져 있다. 이 나노선(106)은 광전 변환 유닛(photoelectric conversion unit)을 구성하며, 나노선 코어와 나노선 쉬스의 접합부(junction)에서 태양광 등의 빛을 흡수하여 광 에너지를 전기 에너지로 변환한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 다수의 나노선(106) 사이의 공간은 절연체 충전물로 채워진다. 이 절연체 충전물은 예컨대 폴리머나 산화물로 형성될 수 있다. 이러한 절연체 충전물은 나노선(106) 사이의 공간을 쉽게 채울 수 있다. 나노선(106) 상에는 층구조의 제1 전극(110)이 형성되어 있다. 이 제1 전극(110)은 제2 도전형의 나노선 쉬스(105)과 접함으로써 나노선 쉬스(105)에 전기적으로 연결된다. 또한 기판(101)의 하면에는 층구조의 제2 전극(120)이 형성되어 있다. 제2 전극(120)은 전기 전도성을 띠는 기판(101)을 통하여 제1 도전형의 나노선 코어(104)과 전기적으로 연결된다. 기판(101)이 도전성을 띠는 경우 기판(101) 자체를 전극 구조으로 사용할 수 있으므로, 제2 전극(120)은 생략 가능한다.
도 2를 참조하면, 기판(101) 상면에는(절연체 충전물 아래) 절연막(108)이 형성되어 있다. 이 절연막(108)은 반도체 나노선 쉬스(105)를 기판(101)으로부터 절연시킨다. 또한 절연막(108)은 나노선 코어(104)의 바닥부 외측에 형성됨으로써 나노선 코어(104)가 기판(101)과 접촉할 수 있도록 한다. 이러한 절연막(108)에 의해 나노선 코어(104)와 나노선 쉬스(105) 중 나노선 코어(104)만이 기판(101) 또는 제2 전극(120)에 전기적으로 접속하게 된다. 절연막(108)은 예컨대, SiO2 와 같은 산화막이나 폴리이미드막과 같은 폴리머막으로 이루어질 수 있다.
상기 기판(101)은 예컨대 도핑된 실리콘 기판과 같은 도전성을 갖는 반도체 기판일 수 있다. 이와 달리, Al, Cu, W 등의 금속 기판일 수도 있다. 기판(101)으로서 실리콘 기판(예컨대, 고농도로 도핑된 실리콘 기판)을 사용하는 것이 유리한데, 이는 비교적 저렴하고 용이하게 얻을 수 있는 반도체 재료이기 때문이다.
나노선은 실리콘(Si) 반도체로 이루어질 수 있다. 특히, 결정질 실리콘 나노선은 CVD를 통한 성장에 의해 거의 완벽한 결정 구조로 형성될 수 있기 때문에, 실리콘 결정으로 된 이종 접합 나노선은 매우 낮은 결정 결함을 갖는다. 이에 따라 나노선(106)을 실리콘 결정으로 형성할 경우, 결함으로 인한 광기전력 소자의 효율 저하를 최소화할 수 있다.
다른 대안으로서, 상기 나노선은 실리콘을 함유하는 화합물 반도체 또는 합금(alloy) 반도체를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 나노선 코어와 나노선 쉬스 중 어느 하나를 실리콘-게르마늄(SiGe)으로 만들고 다른 하나를 실리콘(Si)으로 만들 수 있다. 특히 실리콘-게르마늄은 자연상태에서도(인위적인 도핑이 없는 경우에도) p형의 도전성을 띠기 때문에 실리콘 게르마늄으로 된 나노선 코어(또는 나노선 쉬스)는 인위적인 도핑이 없는 언도프 재료로 형성될 수 있다. 만약, 실리콘-게르마늄의 나노선 코어(또는 나노선 쉬스)를 n형으로 만들고자 한다면, n형 도펀트, 예컨대 P 등의 공급을 필요로 한다.
나노선 코어-쉬스 이종 구조의 나노선(106)은 매우 높은 비표면적을 갖기 때문에, 상술한 구조의 광기전력 소자는 매우 넓은 접합 면적을 확보한다. 기존의 단순한 층 구조의 광기전력 소자에 비하여, 수십 배 이상의 확대된 접합 면적이 확보될 수 있다. 또한 반도체 결정으로 이루어진 나노선은 높은 단결정성과 우수한 p-n접합, 그리고 우수한 전도성을 갖고 있기 때문에, 더욱 높은 효율로 광 에너지로부터 전기 에너지를 얻을 수 있다.
이하, 광기전력 소자의 제조방법을 설명한다. 도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시형태에 따른 광기전력 소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 먼저 실리콘 기판 등의 기판(101) 상에 제1 도전형 의 반도체 나노선 코어들(104)의 배열체를 형성한다. 이 나노선 코어(104)는 기판(101) 상면에 대해 거의 수직으로 연장되도록 성장될 수 있다. 예를 들어 실리콘 기판(101) 상에 다수의 금속 촉매 입자을 위치시키거나 또는 다수의 아일랜드(islands: 섬형)형태로 분포된 금속 촉매막을 실리콘 기판(101) 상에 코팅한 후, CVD에 의해 반도체 소스를 기판(101) 위에 흘려줌으로써, 다수의 나노선 코어들(104)들을 성장시킬 수 있다. 이러한 반도체 나노선 코어 형성 공정의 예가 도 8에 도시되어 있다.
먼저 도 8(a)를 참조하면, (예컨대, n+-Si 반도체로 된) 실리콘 기판(101) 상에 제1 도전형(예컨대, n형)의 실리콘 나노선 코어를 형성하기 위해, 기판(101) 상에 Au 금속 입자들(50)을 분포시킨다. 이 Au 입자(50)의 위치는 후속의 나노선 코어가 성장될 사이트에 해당한다. (나중에 형성될 나노선 쉬스를 기판으로부터 절연시키기 위해) Au 입자(50)들 사이의 영역(금속 입자(50)의 외측 영역)에서는 기판(101) 상면에 SiO2 등의 절연막을 형성한다.
도 8(a)에 도시된 구조는, 예컨대 기판(101) 상에 절연막 형성, 절연막의 선택적 제거 및 제거된 영역에서의 Au 입자(50) 형성을 통해 얻을 수 있다. 즉, 기판(101) 상면에 절연막(108) 형성 후 Au 입자가 분포될 위치에서 절연막(101) 부분 을 선택적으로 제거하여 그 제거된 부분에서 기판(101)을 노출시킨다. 그리고 나서 노출된 영역들에 Au 입자들(50)을 위치시킬 수 있다. 이와 달리, 기판(101) 상에 먼저 Au 입자들(50)을 위치시킨 후 Au 입자들(50) 사이의 영역에 절연막(108)을 형성할 수도 있다.
다음으로, 도 8(b)에 도시된 바와 같이, 실란이나 SiCl4 등의 실리콘 반도체 소스(전구체)와 제1 도전형 도펀트 소스(예컨대, n형 도펀트 소스인 POCl3)를 기판 위에 흘려주어 나노로드(nanorod) 형태의 실리콘 나노선 코어 부분(104)을 성장시킨다. 나노선 코어 부분(104)은 Au 입자(50)의 촉매 작용에 의해 Au 입자(50) 위치에서 (Au 입자(50)와 기판면 사이에서) 성장하게 된다.
도 8(c)와 같이 제1 도전형 실리콘 나노선 코어(104)가 원하는 충분한 길이로 성장되면, 실리콘 전구체의 공급을 중단하여 나노선 코어(104)의 성장을 완료시킨다. 도 9는 도 8의 나노선 코어 형성 공정을 이용하여 얻은 실리콘 나노선 코어 배열체를 나타내는 SEM 사진이다.
상기 예에서는 실리콘 전구체와 도펀트 소스를 사용하여 제1 도전형 나노선 코어를 형성하지만 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 반도체 재료의 나노선 코어를 얻기 위해 Si 이외의 반도체 소스를 기판 위에 흘려줄 수 있으며, 제1 도전형이 p형일 수도 있다(이 경우, p+-Si 기판을 사용할 수 있음). 예를 들어, SiGe(실리콘-게르마늄) 합금 반도체로 된 나노선 코어를 얻기 위해 SiCl4와 함께 GeCl4를 기판 위에 제공할 수 있다. SiGe은 인위적인 도핑 없이도 통상 p형의 도전성을 갖기 때문에, 도펀트 소스의 공급 없이도 고품질의 p형 SiGe 나노선 코어를 용이하게 성장시킬 수 있다. 또한 기판(101)도 반드시 실리콘 반도체일 필요는 없으며 다른 반도체 또는 금속 기판이 사용될 수도 있다. 또한 Au 입자 대신에 섬(island) 형태로 기판 상면에 분포되어 있는 나노 두께의 Au막을 사용할 수도 있다.
도 4의 반도체 나노선 코어(104)를 형성한 후에는, 도 5에 도시된 바와 같이 나노선 코어(104)의 표면을 컨포멀하게(conformally) 도포하는 제2 도전형 반도체의 나노선 쉬스(105)를 형성한다. 나노선 쉬스(105)를 형성하기 전에 Au 촉매를 제거하거나 마스킹할 수 있다. CVD를 이용하여 나노선 쉬스(105)를 형성할 경우, 반도체 소스(전구체)와 함께 제2 도전형 도펀트 소스(예컨대, p형 도펀트 소스인 BCl3)를 기판에 제공할 수 있다. 나노선 코어(104) 표면 상에 나노선 쉬스(106)를 형성함으로써, 높은 비표면적의 접합부를 갖는 반도체 나노선들(106)의 배열체를 얻게 된다. 나노선 쉬스(105)도 실리콘 결정으로 형성될 수 있으며, 실리콘 이외의 다른 반도체 재료(예컨대, SiGe, GaN, GaInAs, GaInP 등)로 형성될 수 있음은 물론이다.
다음으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 나노선들(106) 사이의 공간을 절연체 (107)로 메운다. 이 때, 나노선 쉬스(105)의 컨택을 위해 나노선(106)의 상부가 노출되도록 나노선 쉬스(105)의 상부를 절연체(107) 위로 돌출시킨다. 절연체(107)로는 예컨대, 폴리머나 SOG 등의 글래스 재료를 사용할 수 있다. 이러한 절연체(107)는 나노선들(106) 사이를 채우기가 비교적 쉽다.
그 후에는 도 7에 도시된 바와 같이, 도 6의 결과물 상에 금속 등의 제1 전극(110)을 형성하여, 제1 전극(110)을 나노선(106) 상부에서 나노선 쉬스(106)와 접촉하도록 한다. 이에 따라, 제1 전극(110)은 제2 도전형 반도체의 나노선 쉬스(106)와 전기적으로 연결된다. 그 후, 추가적으로 기판(101) 하면에 제2 전극(120)을 형성할 수도 있다. 이 제2 전극(120)은 기판(101)을 통해 제1 도전형의 나노선 코어(104)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 전극(120)은, 나노선 형성 전에 미리 형성될 수도 있다. 또한 기판(101) 재료가 충분한 도전성을 가질 경우 기판(101) 자체를 전극으로 사용할 수도 있기 때문에, 별도의 제2 전극(120)은 생략 가능하다.
(실시예1)
p형 실리콘 기판 상에 다수의 Au 아일랜드 분포를 이루도록 Au를 2nm정도의 두께로 증착한 후 반응관 내에서 SiCl4와 H2의 혼합가스, 그리고 소량의 BCl3를 상기 기판 위에 흘려주면서 700℃에서 30분 정도 반응시켰다. 이후, BCl3 공급을 중단하고 대신 소량의 POCl3를 공급하여 p형 Si (결정) 코어와 n형 Si (결정) 쉬스를 갖는 이종구조 나노선을 성장시켰다. 나노선 배열체를 갖는 결과물 상에 일반적인 금속 증착을 이용하여 전극을 증착하였다. 이러한 방법으로 제조된 나노선 광기전력 소자(또는 태양전지 구조)에 태양광을 가하여 고효율의 전류를 얻을 수 있다.
(실시예2)
p형 실리콘 기판 상에 다수의 Au 아일랜드 분포를 이루도록 Au를 2nm정도의 두께로 증착한 후 반응관 내에서 SiCl4, GeCl4 및 H2의 혼합가스를 상기 기판 위에 흘려주면서 700℃에서 30분 정도 반응시켰다. 이후, GeCl4 공급을 중단하고 대신 소량의 POCl3를 공급하여 p형 SiGe (결정) 코어와 n형 Si (결정) 쉬스를 갖는 이종구조 나노선을 성장시켰다. 나노선 배열체를 갖는 결과물 상에 일반적인 금속 증착을 이용하여 전극을 증착하였다. 이러한 방법으로 제조된 나노선 광기전력 소자(또는 태양전지 구조)에 태양광을 가하여 고효율의 전류를 얻을 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 또한, 본 발명은 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 매우 높은 비표면적으로 갖는 이종접합 나노선 구조를 형성함으로써, 광기전력 소자의 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 또한 나노선의 단결정성, 우수한 p-n 접합 구조 및 나노선의 우수한 전도성에 의해 대폭적으로 개선된 효율로 전기 에너지를 얻을 수 있게 된다.
Claims (19)
- 기판;상기 기판 상에 배열된 다수의 이종구조 반도체 나노선 - 각각의 상기 반도체 나노선은 상기 기판 상면으로부터 위로 연장된 다수의 제1 도전형 반도체 나노선 코어와, 상기 나노선 코어의 표면을 따라 형성되어 상기 나노선 코어를 도포하는 제2 도전형 반도체 나노선 쉬스를 가짐 -;상기 나노선들 사이를 메우는 절연체 충전물; 및상기 나노선 상에 형성되어 상기 나노선 쉬스에 전기적으로 연결된 제1 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전력 소자.
- 제1항에 있어서,상기 기판 하면에 형성되어, 상기 기판을 통해 상기 나노선 코어와 전기적으로 연결되는 제2 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전력 소자.
- 제1항에 있어서,상기 기판은 반도체 또는 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 광기전력 소자.
- 제1항에 있어서,상기 나노선 코어를 상기 기판과 접촉시키면서 상기 나노선 쉬스를 상기 기판으로부터 절연시키도록, 상기 나노선 코어의 바닥부 외측에서 상기 절연체 충전물과 상기 기판 상면 사이에 형성된 절연막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전력 소자.
- 제1항에 있어서,상기 나노선은 실리콘(Si)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전력 소자.
- 제5항에 있어서,상기 반도체 나노선은 실리콘 결정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 광기전력 소자.
- 제1항에 있어서,상기 나노선은 실리콘-게르마늄(SiGe)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전력 소자.
- 제1항에 있어서,상기 기판은 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 광기전력 소자.
- 제1항에 있어서,상기 나노선 코어 및 나노선 쉬스 중 하나는 실리콘-게르마늄으로 형성되고, 다른 하나는 실리콘으로 형성된 것을 특징으로 하는 광기전력 소자.
- 제9항에 있어서,상기 실리콘-게르마늄은 p형 반도체인 것을 특징으로 하는 광기전력 소자.
- 기판 상에 상기 기판 상면으로부터 위로 연장된 다수의 제1 도전형 반도체 나노선 코어를 형성하는 단계;상기 나노선 코어의 표면을 따라 상기 나노선 코어를 도포하는 제2 도전형 반도체 나노선 쉬스를 형성함으로써, 상기 기판 상에 배열된 다수의 이종구조 반도체 나노선을 형성하는 단계;절연체로 상기 나노선들 사이의 공간을 메우는 단계; 및상기 나노선 상에 상기 나노선 쉬스와 전기적으로 연결된 제1 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전력 소자의 제조방법.
- 제11항에 있어서,상기 기판을 통해 상기 나노선 코어와 전기적으로 연결되는 제2 전극을 상기 기판 하면에 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전력 소자의 제조방법.
- 제11항에 있어서,상기 나노선 형성 단계전에, 상기 기판 상면 영역 중 상기 나노선 코어 위치 사이의 영역 상에 절연막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전력 소자의 제조방법.
- 제11항에 있어서,상기 나노선은 실리콘 결정으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광기전력 소자의 제조방법.
- 제11항에 있어서,상기 나노선 코어 및 나노선 쉬스 중 어느 하나는 실리콘-게르마늄으로 형성되고 다른 하나는 실리콘으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광기전력 소자의 제조방법.
- 제11항에 있어서,상기 나노선 코어를 형성하는 단계는,실리콘 기판 상에 분포된 복수의 금속 촉매 입자 또는 금속 촉매 아일랜드를 형성하는 단계와,상기 실리콘 기판에 실리콘 전구체와 제1 도전형 도펀트 소스를 제공하여 상기 금속 촉매의 위치에서 실리콘 나노선 코어를 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전력 소자의 제조방법.
- 제16항에 있어서,상기 금속 촉매는 Au이고, 실리콘 전구체는 SiCl4인 것을 특징으로 하는 광기전력 소자의 제조방법.
- 제11항에 있어서,상기 나노선 코어 형성 단계는,실리콘 기판 상에 분포된 복수의 금속 촉매 입자 또는 금속 촉매 아일랜드를 형성하는 단계와,비도핑 분위기에서 실리콘 전구체와 게르마늄 전구체를 함께 상기 기판에 제공하여 상기 금속 촉매의 위치에서 실리콘-게르마늄 나노선 코어를 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전력 소자의 제조방법.
- 제18항에 있어서,상기 금속 촉매는 Au이고, 실리콘 전구체는 SiCl4이고, 상기 게르마늄 전구체는 GeCl4인 것을 특징으로 하는 광기전력 소자의 제조방법.
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