KR101443770B1 - 6각형 결정의 나노구조를 포함하는 광전자 디바이스 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 - 제 1 도전층(22), - 제 2 도전층(24), - 제 1 도전층 및 제 2 도전층 사이의 활성층(26)을 포함하는 광전자 디바이스들에 관한 것이며, 활성층은 탄소족으로부터 선택된 원소 또는 원소들의 합금의 6각형 결정들의 서브마이크로미터 크기 구조를 포함한다.

Description

6각형 결정의 나노구조를 포함하는 광전자 디바이스{An Optoelectronic Device Comprising Nanostructures of Hexagonal Type Crystals}
본 발명은 광센서, 예를 들어, 레이저 또는 다이오드인 발광 디바이스 또는 광기전 전지(photovoltaic cell)와 같은 광전자 디바이스에 관한 것이다.
대규모 광기전 전지들과 같은 광전자 디바이스들의 사용은 주요 재료를 절약하는 점에서뿐만 아니라 생산의 흐름을 증가시키기 위해 박막 기술의 사용을 필요로 한다.
대부분의 광전자 디바이스들은 규소 반도체 구성요소들을 사용한다. 사실, 규소는 기술적으로 잘 제어되는 풍부한 원소이다.
그러나, 다이아몬드 유사 결정상의 규소는 특히 가시 스펙트럼에서 작은 흡수 계수를 가진다. 규소의 이런 약한 흡수 특성의 결과는 광기전 전지들과 같은 효율적인 광전자 디바이스들을 제조하기 위해 큰 두께의 재료(약 200㎛)의 사용을 필요로 한다는 것이다.
이것이 규소 결정의 현저한 수요 증가의 결과로 규소 결정의 가격 상승을 최근(21세기 초)에 일으켰다.
또한, 큰 두께의 재료의 사용은 매우 순수하고 매우 잘 결정화된 규소의 사용을 필요로 하며 방법상에 강력한 제약들을 강요하며, 이는 비용 감소의 주요 장애물들이다.
약 수 마이크로미터의 활성층을 가진 광기전 전지들과 같은 박막 광전자 디바이스들을 제조하기 위해 다른 재료들이 사용될 수 있다.
예를 들어, 활성층에서 결정 규소를 대체하기 위해 a-Si:H 재료를 사용할 수 있다. 그러나, 결정 규소를 a-Si:H로 대체하여 얻은 광전자 디바이스들은 결정 규소로 제조된 활성층을 포함하는 것만큼 효율적이지 않다.
CdTe, CIGS 활성층들의 사용은 기술적으로 덜 개발되고 희귀한 원소들을 사용한다는 단점을 나타낸다.
따라서, 풍부하고, 값싸고, 효율적이며 가시 스펙트럼에서 흡수 계수가 결정 규소의 가시 스펙트럼에서의 흡수 계수보다 큰 특정 재료를 포함하는 활성층을 포함하는 광전자 디바이스들에 대한 요구가 존재한다.
본 발명의 목적은 이런 개선된 광전자 디바이스들을 제공하는 것이다.
본 발명은
- 제 1 도전층(22), 예를 들어 제 1 반도체 접촉층,
- 제 2 도전층(24), 예를 들어 제 2 반도체 접촉층,
- 제 1 반도체 접촉층 및 제 2 반도체 접촉층 사이의 활성층을 포함하는 광전자 디바이스에 관한 것이며, 활성층은 탄소족(carbon group)으로부터 선택된 원소 또는 원소들의 합금의 6각형 결정들의 서브마이크로미터 크기 구조를 포함한다.
본 발명자들은 탄소족으로부터 선택된 원소 또는 원소들의 합금의 6각형 결정들은 근 적외선 범위; 즉 1 내지 2eV에서 동일 원소들의 다이아몬드 결정보다 10 내지 100배 더욱 효율적으로 빛을 흡수한다는 것을 발견하였다.
따라서, 본 발명에 따른 광전자 디바이스의 활성층의 효율은 증가하며 활성층은 비결정 또는 다이아몬드 결정형 실리콘 규소를 사용할 때보다 더 얇고 더 저렴할 수 있다.
본 발명의 다른 실시태양들에 따라, 본 발명의 디바이스는 단독으로 또는 조합하여 다음 특징들을 포함할 수 있다:
- 6각형 결정들의 나노구조의 적어도 일부들은 층 구조를 가진다,
- 6각형 결정들의 나노구조의 적어도 일부들은 섬유 구조를 가진다,
- 6각형 결정들의 나노구조의 적어도 일부들은 점 구조를 가진다,
- 6각형 결정들의 나노구조의 적어도 일부들은 적어도 한 방향에서, 예를 들어, 축 변형 또는 전단 변형과 같은 변형을 받는다,
- 활성층은 10nm 이상 및 1000nm 이하의 두께를 가진다,
- 탄소족의 원소는 규소이다,
- 제 1 도전층의 전자 친화력은 활성층의 전자 친화력보다 낮고 제 2 도전층의 이온화 에너지는 활성층의 이온화 에너지보다 높다,
- 광전자 디바이스는 활성층과 제 1 도전층 사이에 활성층의 전자 친화력과 실질적으로 동일한 전자 친화력 및 활성층의 이온화 에너지보다 낮은 이온화 에너지를 가진 제 1 차단층을 더 포함하며, 광전자 다비이스는 활성층과 제 2 도전층 사이에 활성층의 전자 친화력보다 높은 전자 친화력 및 활성층의 이온화 에너지와 실질적으로 동일한 이온화 에너지를 가진 제 2 차단층을 더 포함한다,
- 광전자 디바이스는 광기전 전지로 만들어진다,
- 광전자 디바이스는 광센서로 만들어진다,
- 제 1 도전층의 전자 친화력은 활성층의 전자 친화력보다 높고 제 2 도전층의 이온화 에너지는 활성층의 이온화 에너지보다 낮다,
- 광전자 디바이스는 활성층과 제 1 도전층 사이에 제 1 반도체 접촉층의 전자 친화력과 실질적으로 동일한 전자 친화력 및 활성층의 이온화 에너지보다 낮은 이온화 에너지를 가진 제 1 차단층을 더 포함하며, 광전자 다비이스는 활성층과 제 2 도전층 사이에 활성층의 전자 친화력보다 높은 전자 친화력 및 제 2 도전층의 이온화 에너지와 실질적으로 동일한 이온화 에너지를 가진 제 2 차단층을 더 포함한다,
- 제 1 차단층의 전자 친화력은 제 2 차단층의 전자 친화력보다 낮고 제 1 차단층의 이온화 에너지는 제 2 차단층의 이온화 에너지보다 낮다,
- 광전자 디바이스는 발광 디바이스, 예를 들어, 다이오드 또는 레이저로 만들어진다,
- 제 1 및/또는 제 2 차단층은 도핑되지 않은 반도체 또는 절연체 층들이다.
본 발명의 내용 중에 포함되어 있다.
본 발명의 구조 및 이의 실시에 관해서, 본 발명의 신규한 특징들뿐만 아니라 본 발명 자체는 첨부된 설명들을 함께 고려하여, 첨부된 비 제한적인 도면들과 실시예들에 의해 최대로 이해될 것이며, 도면에서 유사한 참조 부호들은 유사한 부분들을 의미한다.
도 1은 규소의 다른 결정상들의 흡수 계수를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시태양에 따른 광전자 디바이스의 구조를 도시한다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시태양에 따른 광전자 디바이스의 구조를 도시한다.
도 4 내지 6은 본 발명에 따른 광전자 디바이스들의 구조들의 예들을 도시한다.
당업자들은 도면들의 요소들이 단순함과 명확함을 위해 설명되며 필수적으로 일정비율로 축소되지 않는다는 것을 알 것이다. 예를 들어, 도면들에서 요소들의 일부의 치수는 본 발명의 실시태양의 이해를 개선하는 것을 돕기 위해 다른 요소들에 비해 과장될 수 있다.
본 발명에 따라, 6각형 결정은 hP4 피어슨 심볼(Pearson Symbol) 또는 P63/mmc 스페이스 그룹(space group)에 해당한다.
본 발명의 한 실시태양에 따라, 6각형 결정은 6각형 다이아몬드(론스달라이트(Lonsdaleite)) 구조 또는 이런 구조의 임의의 변형일 수 있다. 본 발명의 관점에서 변형(deformation)은 구조에 가해진 압축 또는 확장 또는 구조에 가해진 임의의 변형으로 이해되며, 이는 구조의 준안정성(metastability)을 유지하면서, 엄격한 의미에서 구조의 6각형 대칭을 제거할 수 있다. 여기서 가해진 응력은 (예를 들어) 상승된 온도에서 성장 후 열팽창 변수들의 차이에 또는 격자 불일치를 가진 에피택시 성장에 따라 재료들을 덧붙임으로써 활성 재료에 가해진 것이다.
본 발명의 한 실시태양에 따라, 탄소족으로부터 선택된 원소는 탄소 및/또는 규소이다.
6각형 규소를 얻기 위한 방법들은 당업자에게 공지되어 있다. 구체적인 방법들은 다음 참조문헌에서 제안된다:
● Fissel et al., "Epitaxial growth of non-cubic silicon," Microelectronics Journal 36, no. 3-6 (Mars): 506-509, doi:10.1016/j.mejo.2005.02.064;
● Fissel et al., "Formation of twinning-superlattice regions by artificial stacking of Si layers," Journal of Crystal Growth 290, no. 2 (Mai 1, 2006): 392-397, doi:10.1016/j.jcrysgro.2006.02.009;
● Jin Hyeok Kim et Jeong Yong Lee, "Hexagonal silicon formation by pulsed laser beam annealing," Materials Letters 27, no. 6 (Aout 1996): 275-279, doi:10.1016/0167-577X(96)00019;
● Jin Hyeok Kim et Jeong Yong Lee, "High-resolution transmission electron microscopy study of pulsed laser beam crystallized Si thin film:the formation of hexagonal Si and defects," Thin Solid Films 292, no. 1-2 (Janvier 5, 1997): 313-317, doi:10.1016/S0040-6090(96)09088-8;
● Yan Zhang et al., "Stable hexagonal-wurtzite silicon phase by laser ablation," Applied Physics Letters 75, no. 18 (Novembre 1, 1999): 2758-2760, doi:10.1063/1.125140;
● Twining in such crystals is also a way to induce local formation of the hexagonal phase (A. Fissel et al., "Formation of twinning-superlattice regions by artificial stacking of Si layers," Journal of Crystal Growth 290, no. 2 (Mai 1, 2006): 392-397, doi:10.1016/j.jcrysgro.2006.02.009.)
탄소족의 원소들의 경우, 6각형 상은 열역학적으로 안정한 상과 구별된 결정학적 변수들을 가지며, 이것이 적절한 기판상의 에피택시 또는 적합한 기계적 변형의 인가에 의해 6각형 상을 안정화할 수 있다. 변형은 또한 성장이 상승된 온도에서 이루어졌을 때 그리고 층들이 기판과 다른 열 팽창을 가질 때 발생할 수 있다. 플라즈마 이온들의 운동 에너지가 층들에서 변형을 유발하는 것으로 알려진 스퍼터링과 같은 증착 공정들의 특이성 때문에 변형이 발생할 수 있다.
에피택시의 경우에, 격자 불일치에 의존하는 일반적으로 임계 두께가 존재하며, 그 이상에서 상은 자연적으로 전위가 발생한다.
본 발명자들은 6각형 규소의 광학 특성들을 계산하고 규소의 다른 결정 구조와 이런 광학 특성들을 비교할 수 있었다.
도 1a는 0.5 eV 내지 3 eV의 느슨한 6각형 규소(10) 및 경직된 6각형 규소(12)의 흡수 계수를 나타낸다. 경직된 6각형 규소는 z-축에 직각인 평면에서 압축된 느슨한 6각형 규소에 해당한다.
도 1a는 z-축에 직각인 평면에서 변형, 예를 들어, 압축을 가하면 6각형 결정상의 흡수 계수를 증가시키는 것을 도시한다.
도 1b는 0.5 eV 내지 3 eV의 다이아몬드 결정 규소(14), 비결정 수소화 규소(16) 및 미세결정 규소(18)의 흡수 계수를 나타낸다.
도 1c는 전단 응력의 다른 조건하에서 0.5 eV 내지 3 eV의 6각형 규소의 흡수 계수를 나타낸다. 전단 응력은 z-축에 직각인 평면에 평행하게 가해지며 완벽한 6각형 격자에서 z-축에 평행한 원시 벡터 및 z-축 사이의 각(Θ)(도)으로 정의된다.
도 1c는 z-축에 직각인 평면에 평행하게 전단 응력을 가하면 6각형 결정상의 흡수 계수를 증가시키는 것을 도시한다.
도 1a 및 1b에 나타낸 대로, 1 내지 2 eV의 느슨한 6각형 규소(10)의 흡수 계수는 다이아몬드 결정 규소(14), 비결정 수소화 규소(16) 및 미세결정 규소(18)의 흡수 계수보다 적어도 10배 크다.
도 2는 본 발명의 한 실시태양에 따른 광전자 디바이스(20)를 도시한다. 광전자 디바이스(20)는 제 1 반도체 접촉층(22), 제 2 반도체 접촉층(24) 및 제 1 반도체 접촉층(22) 및 제 2 반도체 접촉층(24) 사이에 활성층(26)을 포함한다.
활성층(26)은 탄소족으로부터 선택된 원소 또는 원소들의 합금의 6각형 결정의 서브마이크로미터 크기 구조를 포함한다.
본 발명의 한 실시태양에 따라, 활성층에 포함된 6각형 결정의 서브마이크로미터 크기 구조는 층 구조를 가진다. 예를 들어 6각형 결정은 6각형 결정 및 다이아몬드 결정 층들의 연속 층들을 포함한다.
본 발명의 한 실시태양에 따라, 활성층에 포함된 6각형 결정의 서브마이크로미터 크기 구조는 점 구조를 가진다. 예를 들어, 6각형 결정은 다이아몬드 결정 또는 비결정 수소화 규소 또는 미세결정 규소 또는 이의 혼합물의 매트릭스에 6각형 결정의 다수의 점을 포함한다.
본 발명의 한 실시태양에 따라, 활성층에 포함된 6각형 결정의 서브마이크로미터 크기 구조는 섬유 구조를 가진다. 예를 들어, 6각형 결정은 다이아몬드 결정층들 또는 비결정 수소화 규소 또는 미세결정 규소 또는 이의 혼합물의 매트릭스에에 6각형 결정의 다수의 섬유를 포함한다.
본 발명의 한 실시태양에 따라, 광전자 디바이스는 태양 전지(solar cell) 또는 광 탐지기일 수 있다. 본 발명의 이런 실시태양에 따라, 디바이스는 제 1 반도체 접촉층(22)의 전자 친화력이 활성층(26)의 전자 친화력보다 낮도록 구성된다. 이런 발명에 따른 디바이스는 제 2 반도체 접촉층(24)의 이온화 에너지가 활성층(26)의 이온화 에너지보다 높도록 추가로 구성된다.
유리하게는, 전자들과 정공들은 더욱 효율적으로 추출된다.
본 발명의 한 실시태양에 따라, 광전자 디바이스는 발광 디바이스, 예를 들어, 다이오드, 엘이디 또는 레이저일 수 있다. 본 발명의 이런 실시태양에 따라, 디바이스는 제 1 반도체 접촉층(22)의 전자 친화력이 활성층(26)의 전자 친화력보다 높도록 구성된다. 이런 발명에 따른 디바이스는 제 2 반도체 접촉층(24)의 이온화 에너지가 활성층(26)의 이온화 에너지보다 낮도록 추가로 구성된다.
유리하게는, 전자들과 정공들은 더욱 효율적으로 주입된다.
기술적인 이유들 때문에, 도 3에 나타낸 대로 한 형태의 전하 캐리어들을 차단하기 위해 활성층과 접촉층들 사이에 제 1 및 제 2 차단층(27 및 28)을 갖는 것이 유리할 수 있다.
본 발명의 한 실시태양에 따라 제 1 차단층(27)은 활성층의 전자 친화력과 실질적으로 동일한 전자 친화력 및 활성층의 이온화 에너지보다 낮은 이온화 에너지를 가질 수 있다. 게다가, 제 2 차단층(28)은 활성층의 전자 친화력보다 높은 전자 친화력 및 활성층의 이온화 에너지와 실질적으로 동일한 이온화 에너지를 가질 수 있다.
본 발명의 이런 실시태양에 따라, 광전자 디바이스는 태양 전지(solar cell) 또는 광 탐지기일 수 있다.
본 발명의 한 실시태양에 따라 제 1 차단층(27)은 제 1 반도체 접촉층(22)의 전자 친화력과 실질적으로 동일한 전자 친화력 및 활성층(26)의 이온화 에너지보다 낮은 이온화 에너지를 가질 수 있다. 게다가, 제 2 차단층(28)은 활성층(26)의 전자 친화력보다 높은 전자 친화력 및 제 2 반도체 접촉층(24)의 이온화 에너지와 실질적으로 동일한 이온화 에너지를 가질 수 있다.
제 1 차단층(27)의 전자 친화력은 제 2 차단층(28)의 전자 친화력보다 낮을 수 있고 제 1 차단층(27)의 이온화 에너지는 제 2 차단층(28)의 이온화 에너지보다 낮을 수 있다.
본 발명의 이런 실시태양에 따라, 광전자 디바이스는 발광 디바이스, 예를 들어, 다이오드, 엘이디 또는 레이저일 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 광 탐지기 또는 태양 전지의 구조(20)의 한 예를 도시한다. 구조(20)는 n 도핑 반도체 층인 제 1 반도체 접촉층(22) 및 p 도핑 반도체 층인 제 2 반도체 접촉층(24)을 포함한다. 구조(20)의 활성층(26)은 구조 변수들이 6각형 규소의 안정화 및 에피택시 성장에 적합하게 된 필름들 사이에 삽입된 6각형 규소의 박막을 함유한다. 구조(20)는 도핑되지 않은 차단층(27 및 28)을 더 포함한다.
도 5는 본 발명에 따른 광 탐지기 또는 태양 전지의 구조(20)의 한 예를 도시한다. 구조(20)는 n 도핑 반도체 층인 제 1 반도체 접촉층(22) 및 p 도핑 반도체 층인 제 2 반도체 접촉층(24)을 포함한다. 구조(20)의 활성층(26)은 구조 변수들이 6각형 규소의 안정화 및 에피택시 성장에 적합하게 된 매트릭스들에서 성장된 6각형 규소의 섬유들을 함유한다. 구조(20)는 도핑되지 않은 차단층(27 및 28)을 더 포함한다.
도 6은 본 발명에 따른 LED의 구조(20)의 한 예를 도시한다. 구조(20)는 n 도핑 반도체 층인 제 1 반도체 접촉층(22) 및 p 도핑 반도체 층인 제 2 반도체 접촉층(24)을 포함한다. 구조(20)의 활성층(26)은 6각형 규소 입자들을 함유한다. 구조(20)는 도핑되지 않은 차단층(27 및 28)을 더 포함한다. 활성층(26)은 접촉층들(22 및 24) 및 차단층들(27 및 28)의 밴드 갭보다 작은 밴드 갭을 가진다. 접촉층들 및 차단층들은 수소화 비결정 규소로 이루어질 수 있다. 접촉층들은 규소 6각형 규소 입자들에 갇혀서 방사적으로 재결합되어 다수의 캐리어들의 주입에 사용된다.
본 발명은 일반적인 발명의 개념을 제한하지 않는 채 실시태양들의 도움으로 위에서 기술되었다.

Claims (17)

  1. - 제 1 도전층,
    - 제 2 도전층,
    - 제 1 도전층 및 제 2 도전층 사이의 활성층을 포함하는 광전자 디바이스로서,
    활성층은 탄소족으로부터 선택된 원소 또는 원소들의 합금의 6각형 결정들의 서브마이크로미터 크기 구조를 포함하는 광전자 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    6각형 결정들의 나노구조들의 적어도 일부들은 층 구조를 갖는 광전자 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    6각형 결정들의 나노구조들의 적어도 일부들은 섬유 구조를 갖는 광전자 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    6각형 결정들의 나노구조들의 적어도 일부들은 점 구조를 갖는 광전자 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    6각형 결정들의 나노구조들의 적어도 일부들은 적어도 한 방향에서 변형을 받는 광전자 디바이스.
  6. 제 1 항에 있어서,
    활성층은 10nm 이상 및 1000nm 이하의 두께를 갖는 광전자 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    탄소족의 원소는 규소인 광전자 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서,
    제 1 도전층의 전자 친화력은 활성층의 전자 친화력보다 낮고 제 2 도전층의 이온화 에너지는 활성층의 이온화 에너지보다 높은 광전자 디바이스.
  9. 제 8 항에 있어서,
    광전자 디바이스는 활성층과 제 1 도전층 사이에 활성층의 전자 친화력과 실질적으로 동일한 전자 친화력 및 활성층의 이온화 에너지보다 낮은 이온화 에너지를 가진 제 1 차단층을 더 포함하며, 광전자 다비이스는 활성층과 제 2 도전층 사이에 활성층의 전자 친화력보다 높은 전자 친화력 및 활성층의 이온화 에너지와 실질적으로 동일한 이온화 에너지를 가진 제 2 차단층을 더 포함하는 광전자 디바이스.
  10. 제 8 항에 있어서,
    광전자 디바이스는 광기전 전지(photovoltaic cell)로 만들어지는 광전자 디바이스.
  11. 제 8 항에 있어서,
    광전자 디바이스는 광센서로 만들어지는 광전자 디바이스.
  12. 제 1 항에 있어서,
    제 1 도전층의 전자 친화력은 활성층의 전자 친화력보다 높고 제 2 도전층의 이온화 에너지는 활성층의 이온화 에너지보다 낮은 광전자 디바이스.
  13. 제 12 항에 있어서,
    광전자 디바이스는 활성층과 제 1 도전층 사이에 제 1 도전층의 전자 친화력과 실질적으로 동일한 전자 친화력 및 활성층의 이온화 에너지보다 낮은 이온화 에너지를 가진 제 1 차단층을 더 포함하며, 광전자 다비이스는 활성층과 제 2 도전층 사이에 활성층의 전자 친화력보다 높은 전자 친화력 및 제 2 도전층의 이온화 에너지와 실질적으로 동일한 이온화 에너지를 가진 제 2 차단층을 더 포함하는 광전자 디바이스.
  14. 제 13 항에 있어서,
    제 1 차단층의 전자 친화력은 제 2 차단층의 전자 친화력보다 낮고 제 1 차단층의 이온화 에너지는 제 2 차단층의 이온화 에너지보다 낮은 광전자 디바이스.
  15. 제 12 항에 있어서,
    광전자 디바이스는 발광 디바이스로 만들어지는 광전자 디바이스.
  16. 제 9 항에 있어서,
    제 1 차단층 및/또는 제 2 차단층은 도핑되지 않은 반도체 또는 절연체 층들인 광전자 디바이스.
  17. 제 13 항에 있어서,
    제 1 차단층 및/또는 제 2 차단층은 도핑되지 않은 반도체 또는 절연체 층들인 광전자 디바이스.
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