KR101779059B1 - 광전변환소자 - Google Patents
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Abstract
실시 예에 따른 광전변환소자는 광의 흡수가 용이하도록, 실시 예는 제1 기판, 상기 제1 기판의 상부에 배치된 광전변환층, 상기 제1 기판과 다르며 상기 광전변환층 상에 배치된 제2 기판 및 상기 제2 기판의 상부에 배치된 나노 기둥층을 포함하고, 상기 나노 기둥층은, 서로 이격된 복수의 나노 기둥을 포함하는 광전변환소자를 제공한다.
Description
실시 예는 광전변환소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광의 흡수가 용이한 광전변환소자에 관한 것이다.
현재 인간의 오감 중 시각 정보 획득을 위한 기술 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 이와 같은 디지털 영상 구현 기술 개발에 필수적인 기술이 이미지 센서 기술이다. 이미지 센서는 광학 신호를 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자이다. 이미지 센서는 실리콘 반도체를 기반으로 한 CCD(charge coupled device) 이미지 센서와 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서로 나눌 수 있다. 일반적으로 CMOS 이미지 센서는 CCD 이미지 센서에 비해 생산단가 및 소비전력이 낮고, 동일한 칩 상에 주변회로를 집적하기 쉬우며, 처리속도가 빠르다는 장점이 있기 때문에 현재 CMOS 이미지 센서가 CCD 이미지 센서를 대체하면서 빠르게 시장을 확대하고 있는 추세이다.
CMOS 이미지 센서는 광을 검출하는 방식으로 실리콘 p-n 접합 광전변환소자(photodiode)를 사용한다. CMOS 이미지 센서는 영상을 얻기 위하여 많은 수의 실리콘 p-n 광전변환소자 단위 픽셀을 어레이 형태로 집적하여 제작된다.
최근들어, CMOS 이미지 센서의 영상 분해능 및 고화질의 영상을 얻기 위하여 단위 화소, 즉 실리콘 p-n 광전변환소자 단위 픽셀 크기를 작게 하여 고집적 픽셀 구조로 기술 개발이 이루어지고 있다.
실시 예의 목적은, 광의 흡수가 용이한 광전변환소자을 제공함에 있다.
실시 예에 따른 광전변환소자는, 제1 기판, 상기 제1 기판의 상부에 배치된 광전변환층, 상기 제1 기판과 다르며 상기 광전변환층 상에 배치된 제2 기판 및 상기 제2 기판의 상부에 배치된 나노 기둥층을 포함하고, 상기 나노 기둥층은, 서로 이격된 복수의 나노 기둥을 포함한다.
실시 예에 따른 광전변환소자는, 광전변환층 상에 복수의 나노 기둥을 포함하는 나노 기둥층을 형성함으로써, 나노 기둥층으로 입사된 입사광의 굴절, 반사 및 투과시켜 광전변환층으로 입사되도록 함으로써, 광전변환층에서의 광 흡수 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 실시 예에 따른 광전변환소자를 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 나노 기둥층에 포함된 나노 기둥에 대한 다양한 실시 예를 나타낸 도이다.
도 3은 실시 예에 따른 광전변환소자의 광 흡수 경로를 간략하게 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 나노 기둥층에 포함된 나노 기둥에 대한 다양한 실시 예를 나타낸 도이다.
도 3은 실시 예에 따른 광전변환소자의 광 흡수 경로를 간략하게 나타낸 단면도이다.
실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 동일한 명칭의 구성 요소에 대하여 도면에 따라 다른 참조부호를 부여할 수도 있으며, 서로 다른 도면임에도 불구하고 동일한 참조부호를 부여할 수도 있다. 그러나, 이와 같은 경우라 하더라도 해당 구성 요소가 실시 예에 따라 서로 다른 기능을 갖는다는 것을 의미하거나, 서로 다른 실시 예에서 동일한 기능을 갖는다는 것을 의미하는 것은 아니며, 각각의 구성 요소의 기능은 해당 실시 예에서의 각각의 구성요소에 대한 설명에 기초하여 판단하여야 할 것이다.
또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하에서는, 실시 예에 따른 광전변환소자에 대한 동작 및 작용을 이해하는데 필요한 부분을 도면을 중심으로 상세히 설명한다.
도 1은 실시 예에 따른 광전변환소자를 나타낸 단면도이고, 도 2는 도 1에 나타낸 나노 기둥층에 포함된 나노 기둥에 대한 다양한 실시 예를 나타낸 도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 광전변환소자는 제1 기판(110), 제1 기판(110)의 상부에 배치된 광전변환층(120), 제1 기판(110)과 다르며 광전변환층(120) 상에 배치된 제2 기판(130), 제1 기판(110)의 하부에 배치된 제1 전극(140), 제2 기판(130) 상에 배치된 제2 전극(150) 및 제2 전극(150) 상에 배치된 나노 기둥층(160)을 포함한다.
제1, 2 기판(110, 130)은 결정질 실리콘 또는 화합물 반도체로 형성될 수 있으며, 상기 결정질 실리콘인 경우, 실리콘 웨이퍼가 사용될 수 있다.
이때, 제1 기판(110)은 P형 불순물로 도핑된 반도체 기판이며, 제2 기판(130)은 N형 불순물로 도핑된 반도체 기판일 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
여기서, 상기 P형 불순물은 붕소(B), 알루미늄(Al)과 같은 Ⅲ족 원소일 수 있으며, 상기 N형 불순물은 인(P)과 같은 V족 화합물일 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 상기 P형 불순물 및 상기 N형 불순물은 반도체 기판의 종류에 따라 다른 물질을 사용할 수 있다.
광전변환층(120)은 제1, 2 기판(110, 130) 사이에 배치되며, 결정 실리콘(단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 미결정 실리콘 등), 또는 비정질 실리콘을 사용할 수 있다. 또는, 결정 실리콘과 비정질 실리콘을 함유한 재료, 또는 질소 또는 탄소를 함유한 실리콘 재료 등을 사용할 수 있다.
실시 예에서, 광전변환층(120)은 실리콘 나노 결정을 포함하는 실리콘 카바이드계, 예를 들면 SiC 및 SiCN 등으로 형성될 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
또한, 광전변환층(120)은 PECVD법, 열 CVD법, 또는 스퍼터링법을 사용하여 광전변환층(120)과 상이한 재료 또는 결정 상태를 갖는 재료를 사용하여 형성하여도 좋다. 예를 들어, 광전변환층(120)으로서 P형 결정 실리콘 웨이퍼를 사용하고, 제2 기판(130)으로서 N형을 부여하는 인을 도핑한 n형 결정 실리콘을 사용하고, 제 1 기판(110)으로서 P형을 부여하는 붕소 또는 알루미늄을 도핑한 P형 결정 실리콘을 사용할 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
또한, 광전변환층(120)의 두께는 1 ㎚ 보다 두껍게 형성될 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
광전변환층(120)은 입사광의 흡수율에 따라 전자 및 정공을 발생시켜, 제1, 2 기판(110, 130)을 통하여 제1, 2 전극(140, 150)으로 전달할 수 있다.
여기서, 제1, 2 전극(140, 150)은 전기 전도성이 우수한 금(Ag), 은(Au), 알루미늄(Al) 등의 금속소재로 형성될 수 있으며, 스트라이프 패턴(stripe pattern)이나 매쉬 패턴(mesh pattern) 등으로 패턴화될 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
제2 전극(150)은 투명 전극(152) 및 투명 전극(152) 상에 금속 전극(154)을 포함하며, 투명 전극(152)은 투광성과 전기 전도성을 갖는 소재로 형성되며, 예를 들어, ITO(Indium tin oxide), SnO2, In2O3, Cd2SnO4 및 ZnO 중 적어도 하나로 형성될 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
즉, 투명 전극(152)은 상기 입사광이 광전변환층(120)으로 입사되도록 할 수 있으며, 광전변환층(120)에서 생성된 상기 전자가 금속 전극(154)으로 전달되도록 전도성을 가진다.
금속 전극(154)는 전기 저항을 낮추기 위해 도입된 것이며, 광전변환작용에 따라 생성된 전자들을 수취하여 저 저항의 전류패스를 제공하는 집전용 배선으로 기능한다.
즉, 제2 전극(150)은 광전변환소자의 음극(negative electrode)으로 기능하며, 높은 개구율을 갖는다.
또한, 제2 전극(150)을 통하여 입사된 입사광은 광전변환층(120)에 흡착된 감광성 염료의 여기원으로 작용하므로, 허용되는 많은 빛(VL)을 입사시킴으로써 광전변환효율을 높일 수 있다.
금속 전극(154)의 표면에는 보호층(미도시)이 더 형성될 수 있으며, 상기 보호층은 금속 전극(154)이 전해질과 접촉하여 반응함으로써 금속 전극(154)이 부식되는 등 전극 손상이 일어나는 것을 방지한다.
상기 보호층은 전해질과 반응하지 않는 물질로 구성될 수 있으며, 예를 들어, 경화성 수지물질로 구성될 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
나노 기둥층(160)은 제2 전극(150) 상에 형성될 수 있으며, 실시 예에서는 투명 전극(152) 상에 배치된 것으로 설명한다.
나노 기둥층(160)은 ITO, SnO2, In2O3, Cd2SnO4 및 ZnO 중 적어도 하나로 이루어진 복수의 나노 기둥(160n)을 포함할 수 있으며, 복수의 나노 기둥(160n) 중 적어도 하나는 다른 하나의 나노 기둥과 서로 다른 크기 및 길이로 형성될 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
실시 예에서, 복수의 나노 기둥(160n)은 투명 전극(152)의 상부에서 90도의 경사각으로 형성된 것으로 타내었으나, 투명 전극(152)의 상부에서 30도 내지 90도의 경사각으로 형성될 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
또한, 실시 예에서 복수의 나노 기둥(160n)은 동일한 사이즈, 예를 들어 폭 및 길이가 동일한 것으로 설명한다.
복수의 나노 기둥(160n)은 입사광을 굴절, 반사 및 투과시켜 광전변한층(120)으로 입사되도록 할 수 있다.
여기서, 복수의 나노 기둥(160n)의 폭(w) 또는 직경은 1 ㎚ 내지 1000 ㎚일 수 있으며, 복수의 나노 기둥(160n)의 길이(d)는 1 ㎚ 내지 1 ㎜ 일 수 있다.
즉, 폭(w) 또는 직경은 1 ㎚ 미만이면 입사광을 굴절 및 반사 기능이 매우 낮아질 수 있으며, 1000 ㎚ 보다 크면 입사광의 투과 기능이 낮아질 수 있다.
그리고, 길이(d)는 1 ㎚ 미만이면 제조 공정 효율이 매우 낮아지며 입사광의 굴절, 반사 및 투과 기능에 대한 효율이 낮으며, 1 ㎜ 보다 크면 복수의 나노 기둥(160n) 형성시 파손될 우려가 높다.
여기서, 도 2의 (a) 내지 (c)는 복수의 나노 기둥(160n)에 대한 다양한 형상을 나타낸다.
즉, 도 2(a) 및 도 2(c)의 나노 기둥(160n)은 원 기둥 및 다각 기둥 형상이며, 도 2(b)는 원통 기둥 형상을 나타낸다.
도 2에 나타내 나노 기둥(160n)은 광전변환층(120)으로 입사광의 효율을 높일 수 있는 형상이며, 이 외에 다른 형상을 가질 수 있다.
실시 예에 나타낸 광전변환소자는 광전변환층으로 입사되는 광의 효율을 증대시킬 수 있도록, 나노 기둥층을 형성하여 입사되는 광을 굴절, 반사 및 투과하도록할 수 있다.
도 3은 실시 예에 따른 광전변환소자의 광 흡수 경로를 간략하게 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 1과 동일한 구성 및 구조로 나타낸 것으로, 구성 설명은 생략하거나 또는 간략하게 설명한다.
도 3을 참조하면, 광전변환소자의 나노 기둥(160n)은 입사광(L)을 반사시킨 반사광(L1), 굴절광(L2) 및 투과광(L3) 중 적어도 하나의 광으로 광전변환층(120)으로 입사되도록 할 수 있다.
즉, 나노 기둥(160n)은 입사광(L)이 소정의 경사각을 가지고 투명 전극(152)에 입사되는 경우, 공기의 굴절률에 따라 광전변환층(120)으로 입사되지 않고 외부로 반사되는 것을 방지하도록하여, 입사광(L) 대비 광전변환층(120)으로 입사되는 광(L1, L2, L3)의 효율을 증대시킬 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위에 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 앞으로의 실시 예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.
110: 제1 기판 120: 광전변환층
130: 제2 기판 140: 제1 전극
150: 제2 전극 160: 나노 기둥층
130: 제2 기판 140: 제1 전극
150: 제2 전극 160: 나노 기둥층
Claims (12)
- 제1 기판;
상기 제1 기판의 상부에 배치된 광전변환층;
상기 제1 기판과 다르며 상기 광전변환층 상에 배치된 제2 기판;
상기 제2 기판의 상부에 배치된 나노 기둥층; 및
상기 제2 기판과 상기 나노 기둥층 사이에 배치된 제2 전극을 포함하고,
상기 제2 전극은:
투명 전극; 및
상기 투명 전극 및 상기 광전변환층 중 적어도 하나에 배치된 금속 전극을 포함하되,
상기 나노 기둥층은,
서로 이격된 복수의 나노 기둥을 포함하는 광전변환소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 기판은,
P형 반도체 기판인 광전변환소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제2 기판은,
N형 반도체 기판인 광전변환소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 기판의 하부에 배치된 제1 전극을 포함하는 광전변환소자. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 투명 전극은,
ITO(Indium tin oxide), SnO2, In2O3, Cd2SnO4 및 ZnO 중 적어도 하나를 포함하는 광전변환소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 나노 기둥층은,
ITO, SnO2, In2O3, Cd2SnO4 및 ZnO 중 적어도 하나를 포함하는 광전변환소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 나노 기둥층은,
입사광을 상기 광전변환층 방향으로 굴절, 반사 및 투과하는 광전변환소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 나노 기둥 중 적어도 하나는,
직경 및 길이 중 적어도 하나가 다른 광전변환소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 나노 기둥 중 적어도 하나의 직경은,
1 ㎚ 내지 1000 ㎚ 인 광전변환소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 나노 기둥 중 적어도 하나의 길이는,
1 ㎚ 내지 1 ㎜ 인 광전변환소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 복수의 나노 기둥은,
타원, 막대 및 튜브 형상 중 적어도 하나인 광전변환소자.
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