KR101848319B1 - 투명 광전 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

투명 광전 소자 및 그 제조 방법을 제공한다. 상기 투명 광전 소자는 투명 기판을 제공하고, 상기 투명 기판 상에 상온에서 투명 전도체막을 형성하고, 상기 투명 전도체막 상에 p형 구리 산화막을 리액티브 스퍼터링(reactive sputtering)을 통해서 형성하고, 상기 p형 구리 산화막 상에, n형 산화물 반도체막을 형성하는 것을 포함하되, 상기 리액티브 스퍼터링은 산소 및 아르곤을 포함하고, 상기 산소의 비율은 상기 아르곤의 비율보다 작다.

Description

투명 광전 소자 및 그 제조 방법{Transparent Photoelectric Element and Method for fabricating the same}
본 발명은 투명 광전 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 구리 산화물을 이용한 투명 광전 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
지난 시간 동안, 금속 산화물 반도체는 그것들의 낮은 비용과, 불안정한 환경 속에서의 안정성 때문에 연구계의 상당한 관심의 대상이었다. 더욱이, 금속 산화물은 지구의 지각에서 풍부한 물질이고, 자연에 해가 되지 않기에 자연 친화적인 장치의 제조에 이상적인 물질이다. 이러한 이유로, ZnO, TiO2, ZrO2, Al2O3, Ga2O3, WO3, ITO 및 Cu2O를 포함하는 금속 산화물들은 널리 연구되어 왔다.
이러한 금속 산화물 중에 구리 산화막은 그들의 조절 가능한 광학 및 형태학적 특성 때문에 매우 유망한 물질이다. 나아가, p형 반도체 구리 산화막은 높은 흡수 계수, 화학적 안정성, 월등한 전기화학 성능 등의 내재된 장점으로 인해서 광전 및 에너지 저장 장치 분야에서 많이 사용된다.
등록특허공보 제 10-1670559 호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 동작 성능이 향상된 투명 광전 소자를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 동작 성능이 향상된 투명 광전 소자 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 광전 소자 제조 방법은 투명 기판을 제공하고, 상기 투명 기판 상에 상온에서 투명 전도체막을 형성하고, 상기 투명 전도체막 상에 p형 구리 산화막을 리액티브 스퍼터링(reactive sputtering)을 통해서 형성하고, 상기 p형 구리 산화막 상에, n형 산화물 반도체막을 형성하는 것을 포함하되, 상기 리액티브 스퍼터링은 산소 및 아르곤을 포함하고, 상기 산소의 비율은 상기 아르곤의 비율보다 작다.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 광전 소자는 투명 기판, 상기 투명 기판 상에 형성되는 투명 전도체막으로서, 상기 투명 전도체는 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 FTO(fluorine-doped tin oxide)를 포함하는 투명 전도체막, 상기 투명 전도체막 상에 형성되고, 가시광 투과도가 40%이상인 구리 산화막 및 상기 구리 산화막 상에 형성되는 n형 산화물 반도체막을 포함한다.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 광전 소자는 투명 유연 기판, 상기 투명 유연 기판 상에 형성되는 투명 전도체막, 상기 투명 전도체막 상에 제1 두께로 형성되고, 상기 투명 전도체막의 상면의 일부를 노출시키는 나노 결정질(nanocrystalline) 구리 산화막 및 상기 구리 산화막 상에 형성되고, 상기 구리 산화막의 상면의 일부를 노출시키는 산화 반도체 윈도우(window)막을 포함한다.
기타 실시예들의 구체적 사항들은 상인 세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면 적어도 다음과 같은 효과가 있다.
즉, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 투명 광전 소자는 훌륭한 정류 성능을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 투명 광전 소자 제조 방법은 상온에서 제로 바이어스에서 명확하게 동작하는 구리 산화막 기반의 광전 소자를 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.
도 1은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 투명 광전 소자를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 투명 광전 소자 제조 방법을 설명하기 위한 중간 단계 도면들이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 투명 광전 소자의 실제 이미지이다.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 따른 투명 광전 소자의 실제 이미지이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1의 산화 구리막의 XRD(X-ray Diffraction) 스펙트럼이다.
도 9는 본 발명의 실시예 2의 산화 구리막의 XRD 스펙트럼이다.
도 10은 본 발명의 실시예 1의 산화 구리막의 유닛 셀의 등각 투상도(Isometric view)이다.
도 11은 본 발명의 실시예 2의 산화 구리막의 유닛 셀의 등각 투상도이다.
도 12는 본 발명의 실시예 1의 산화 구리막의 표면의 FESEM(field emission scanning electron microscope) 사진이다.
도 13은 본 발명의 실시예 1의 산화 구리막의 표면의 AFM(atomic force microscopy) 사진이다.
도 14는 본 발명의 실시예 2의 산화 구리막의 표면의 FESEM 사진이다.
도 15는 본 발명의 실시예 2의 산화 구리막의 표면의 AFM 사진이다.
도 16은 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2의 산화 구리막의 반사도를 설명하기 위한 그래프이다.
도 17은 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2의 산화 구리막의 투과도를 설명하기 위한 그래프이다.
도 18은 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2의 산화 구리막의 흡수 계수를 설명하기 위한 그래프이다.
도 19는 본 발명의 실시예 1의 산화 구리막의 타우 그래프(Tauc plot)이다.
도 20은 본 발명의 실시예 2의 산화 구리막의 타우 그래프이다.
도 21은 KPFM(Kelvin probe force microscopy) 기술로 측정한 본 발명의 실시예 1의 산화 구리막의 일함수를 설명하기 위한 개념도이다.
도 22는 KPFM 기술로 측정한 본 발명의 실시예 2의 산화 구리막의 일함수를 설명하기 위한 개념도이다.
도 23은 본 발명의 실시예 1의 산화 구리막 및 산화 아연막 단면을 설명하기 위한 FESEM 사진이다.
도 24는 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2의 이종 접합의 암 조건에서의 전류 전압 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 25는 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2의 이종 접합의 전압에 따른 미분 저항을 설명하기 위한 그래프이다.
도 26은 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2의 이종 접합의 파장에 따른 투과도를 설명하기 위한 그래프이다.
도 27은 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2의 이종 접합의 광역학 응답을 설명하기 위한 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 "직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below 또는 beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있으며, 이 경우 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 투명 광전 소자를 설명한다.
도 1은 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 투명 광전 소자를 설명하기 위한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 투명 광전 소자는 투명 기판(100), 투명 전도체막(200), 구리 산화막(300) 및 n형 산화물 반도체막(400)을 포함한다.
투명 기판(100)은 예를 들어, 유연(flexible) 기판일 수 있다. 즉 투명 기판(100)은 자유롭게 휘어졌다가 다시 복원되는 특성을 가질 수 있다. 이 경우, 투명 기판(100)은 플라스틱 기판일 수 있다. 이 때, 투명 기판(100)은 예를 들어, PET(polyethylene terephthalate) 기판일 수 있다.
투명 기판(100)은 유연 기판이 아닐 수도 있다. 투명 기판(100)은 투명한 유리(glass) 기판일 수도 있다. 투명 기판(100)의 재질은 장치의 성능과 목적에 따라 달라질 수 있다.
투명 기판(100)은 컬러가 전혀 없는 기판일 수 있다.
투명 전도체막(200)은 빛이 투과할 수 있는 투명한 막일 수 있다. 투명 전도체막(200)은 전기적으로 전도체일 수 있다. 투명 전도체막(200)은 예를 들어, ITO 또는 FTO를 포함할 수 있다. 단, 이에 제한되는 것은 아니다.
투명 전도체막(200)은 투명 기판(100)의 상면과 직접 접하고, 투명 기판(100)의 상면을 덮을 수 있다.
구리 산화막(300)은 투명 전도체막(200) 상에 형성될 수 있다. 구리 산화막(300)은 투명 전도체막(200)의 상면에 직접 접할 수 있다. 구리 산화막(300)은 투명 전도체막(200)의 상면의 일부를 노출시킬 수 있다.
구리 산화막(300)은 구리 산화물을 포함할 수 있다. 구리 산화막(300)은 예를 들어, CuO 및 Cu2O를 포함할 수 있다. 구리 산화막(300)은 나노 결정질(nano crystalline)일 수 있다. 구리 산화막(300)의 평균 결정 입도는 10nm 내지 60nm일 수 있다. 단, 이에 제한되는 것은 아니다.
구리 산화막(300)은 p형 반도체막일 수 있다. 따라서, 추후에 형성되는 n형 산화물 반도체막과 접합을 이룰 수 있다.
n형 산화물 반도체막(400)은 구리 산화막(300) 상에 형성될 수 있다. n형 산화물 반도체막(400)은 구리 산화막(300)의 상면의 일부만을 덮고, 나머지 일부를 노출시킬 수 있다. 즉, n형 산화물 반도체막(400)은 구리 산화막(300) 상에 창문(window)과 같이 형성될 수 있다.
n형 산화물 반도체막(400)은 투명한 n형 반도체 산화물일 수 있다. n형 산화물 반도체막(400)은 예를 들어, ZnO, AZO 및 TiO 중 적어도 하나일 수 있다. 단, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 투명 광전 소자 제조 방법을 설명한다. 상술한 부분과 중복되는 설명은 생략하거나 간략히 설명한다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 투명 광전 소자 제조 방법을 설명하기 위한 중간 단계 도면들이다.
먼저 도 2를 참조하면, 투명 기판(100)을 제공한다.
투명 기판(100)은 유연 기판 또는 유리 기판일 수 있다. 투명 기판(100)은 빛이 투과되는 투명한 기판일 수 있다. 투명 기판은 아세톤, 이소프로필 알코올 및 증류수로 세척될 수 있다.
이어서, 도 3을 참조하면, 투명 기판(100) 상에 투명 전도체막(200)을 형성한다.
투명 전도체막(200)은 빛이 투과할 수 있는 투명한 막일 수 있다. 투명 전도체막(200)은 전기적으로 전도체일 수 있다. 투명 전도체막(200)은 예를 들어, ITO 또는 FTO를 포함할 수 있다.
이어서, 도 4를 참조하면, 리액티브 스퍼터링(350)에 의해서 구리 산화막(300)을 형성한다.
구리 산화막(300)은 구리를 포함하는 타겟층과 산소 가스 및 아르곤 가스를 이용해서 리액티브 스퍼터링(350)될 수 있다. 이 때, 산소 가스는 아르곤 가스 대비 1 내지 30%의 비율을 가질 수 있다. 이를 통해서, 구리 산화막(300)은 CuO 및 Cu2O의 나노 결정질 구조를 명확하게 형성할 수 있다.
이 때, 리액티브 스퍼터링(350)은 상온(room temperature)에서 수행될 수 있다. 이 때, 상온은 25 ℃ 또는 그와 1내지 2℃ 차이가 나는 온도를 의미할 수 있다. 상온에서 리액티브 스퍼터링(350)을 하는 경우, 고온의 장비가 필요하지 않고, 제조 비용이 낮아질 수 있다. 또한, 제조 공정 중의 다른 막질의 열에 의한 손상도 최소화하여 투명 광전 소자의 성능이 높아질 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시예에 따른 투명 광전 소자 제조 방법에서는 상온이 아니라 고온에서 리액티브 스퍼터링(350)을 수행할 수도 있다. 즉, 리액티브 스퍼터링(350)은 100 내지 700℃의 온도에서 수행될 수 있다. 이러한 고온에서의 리액티브 스퍼터링(350)은 구리와 산소의 반응이 더욱 활발하게 이루어지므로 더욱 빠르고 용이하게 산화 구리막이 형성될 수 있고, 공정 실패율도 낮을 수 있다.
이 때, 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 투명 광전 소자 제조 방법은 상온에서 먼저 리액티브 스퍼터링(350)을 수행하고, 추후에 열처리를 추가로 수행할 수도 있다. 이러한 경우에 열처리 온도는 100 내지 700℃ 일 수 있다.
이 때, 온도가 100℃보다 낮은 경우에는 비용 대비 원하는 만큼의 속도를 얻을 수 없고, 온도가 700℃이 이상인 경우에 구리 산화막(300), 투명 전도체막(200) 및 투명 기판(100)이 열에 의한 손상을 입을 수도 있다.
구리 산화막(300)의 두께는 10 내지 600nm일 수 있다. 구리 산화막(300)의 두께는 얇아질수록 투과도가 높아지고, 두꺼워질수록 투과도가 낮아질 수 있다. 다만, 구리 산화막(300)의 두께가 두꺼워질수록 광전류 특성이 좋아질 수 있다. 따라서, 투과도 및 광전류 특성을 고려하여 선택적으로 구리 산화막(300)을 형성할 수 있다.
이어서, 도 5를 참조하면, 구리 산화막(300) 상에 n형 산화물 반도체막(400)을 형성한다.
n형 산화물 반도체막(400)은 구리 산화막(300)의 상면과 직접 접할 수 있다. 단, n형 산화물 반도체막(400)은 구리 산화막(300)의 모든 상면을 덮지는 않고, 일부를 노출시킬 수 있다. n형 산화물 반도체막(400)은 구리 산화막(300)의 상면의 중앙에 창문(window) 형상처럼 위치할 수 있다. 이에 따라, 투명 전도체막(200), 구리 산화막(300) 및 n형 산화물 반도체막(400)의 상면이 각각 노출될 수 있다.
n형 산화물 반도체막(400)은 스퍼터링(450)에 의해서 형성될 수 있다. n형 산화물 반도체막(400)은 순수한 n형 산화물 반도체 물질을 아르곤 가스와 함께 스퍼터링(450)할 수 있다.
실시예 1
유리 기판을 투명 기판(100)으로 사용하였다. 상기 유리 기판은 아세톤, 이소프로필 알코올, 증류수로 세척되었다. 투명 전도체막(200)은 ITO막으로 증착되었다.
구리 산화막(300)은 순도 99.99%dml 4인치 직경의 구리 타겟층과 산소 가스 및 아르곤 가스 조건 하에 리액티브 스퍼터링으로 형성되었다. 증착 챔버의 진공 압력은 5 x 10-6 mbar이고, 아르곤 가스와 산소 가스의 비율은 15:7이다. 이로써, 구리 산화막(300)은 CuO막으로 증착되었다. 이 때, DC 파워는 100 W이고, 수행 압력(working pressure)은 5 mTorr이다. 이때, 구리 산화막(300)의 두께는 100nm이다.
n형 산화물 반도체막(400)은 ZnO막으로 증착되었다. 상기 ZnO막은 순도 99.99%dml 4인치 직경의 ZnO 타겟층이 사용되었다. 이 때, DC 파워는 50 W이고, 수행 압력)은 5 mTorr이다.
실시예 2
아르곤 가스와 산소 가스의 비율을 15:3으로 하여 구리 산화막(300)을 Cu2O막으로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하였다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 투명 광전 소자의 실제 이미지이고, 도 7은 본 발명의 실시예 2에 따른 투명 광전 소자의 실제 이미지이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2는 완전히 투명한 장치일 수 있다.
실험예 1
실시예 1 및 실시예 2의 각각의 구리 산화막의 특성을 파악하기 위해서 XRD 스펙트럼을 조사하였다.
도 8은 본 발명의 실시예 1의 산화 구리막의 XRD(X-ray Diffraction) 스펙트럼이고, 도 9는 본 발명의 실시예 2의 산화 구리막의 XRD 스펙트럼이다. 도 10은 본 발명의 실시예 1의 산화 구리막의 유닛 셀의 등각 투상도(Isometric view)이고, 도 11은 본 발명의 실시예 2의 산화 구리막의 유닛 셀의 등각 투상도이다.
도 8 내지 도 11을 참조하면, 획득된 XRD 스펙트럼은 노이즈가 제거된 버전일 수 있다. 실시예 2의 Cu2O막은 격자 상수 0.426nm의 큐빅 구조의 (111) 평면에 대응되는 2θ=36.4°에서 격렬한 피크를 보여준다. 나아가, 2θ값이 29.9°, 43° 및 61.8°에서의 피크가 각각 (110), (200) 및 (220) 평면과 일치한다. Cu2O의 미결정(crystallite)은 6개의 원자(즉, 4개의 구리와 2개의 산소 원자)의 Cu2O의 2개의 유닛으로 구성된다. 구리 원자는 큐빅 격자의 면 중앙 및 4면체의 위치에서 2개의 산소 원자의 중앙에 위치한다.
한편, 실시예 1의 CuO막은 35.9°에서 가장 큰 피크를 가진다. 서로 유사하게 실시예 1 및 2의 CuO막 및 Cu2O막은 또한, 전체 4개의 원자(2개의 구리 원자 및 2개의 산소 원자)를 가지는 2개의 유닛으로 구성된다.
이러한 XRD 스펙트럼을 통해서 구리가 상온의 리액티브 스퍼터링을 통해서 충분히 산화되었다는 것을 확인할 수 있다.
실험예 2
실시예 1 및 실시예 2의 각각의 구리 산화막의 표면 특성을 살펴보기 위해서, FESEM 사진 및 AFM 사진을 촬영하였다.
CuO막 및 Cu2O막의 결정 크기(D)는
Figure 112016122999520-pat00001
의 Debye-Scherer 관계에 의해서 계산될 수 있다. 이 때, λ는 X레이의 파장이고, β는 최대 피크 강도의 절반 폭(half width)이다. 이 때, D 값은 CuO막 및 Cu2O막에서 각각 22nm 및 25nm로 계산된다. 이는 상온에서 리액티브 스퍼터링으로 구리 산화막이 형성될 수 있다는 점에서 주목할만하다.
도 12는 본 발명의 실시예 1의 산화 구리막의 표면의 FESEM(field emission scanning electron microscope) 사진이고, 도 13은 본 발명의 실시예 1의 산화 구리막의 표면의 AFM(atomic force microscopy) 사진이다. 도 14는 본 발명의 실시예 2의 산화 구리막의 표면의 FESEM 사진이고, 도 15는 본 발명의 실시예 2의 산화 구리막의 표면의 AFM 사진이다.
도 12 내지 도 15를 참조하면, 실시예 1 및 실시예 2의 CuO막 및 Cu2O막은 모두 균일한 결정 입도 분포를 가지는 표면을 보여준다. 이 때, 실시예 1 및 실시예 2의 CuO막 및 Cu2O막의 평균 결정 입도는 각각 40 및 45nm이다. FESEM에서 도출된 결정 입도는 XRD에 의해서 계산된 결정 입도와 다소 다르다. 이는 FESEM은 XRD의 분해능(resolution)보다 일반적으로 큰 결정 입도를 제공하기 때문이다. AFM 사진에서는 실시예 1 및 실시예 2의 CuO막 및 Cu2O막의 표면 거칠기 값이 3nm로 측정된다.
실험예 3
실시예 1 및 실시예 2의 CuO막 및 Cu2O막의 반사도 및 투과도를 조사하였다.
도 16은 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2의 산화 구리막의 반사도를 설명하기 위한 그래프이고, 도 17은 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2의 산화 구리막의 투과도를 설명하기 위한 그래프이다.
도 16 및 도 17을 참조하면, 실시예 1 및 실시예 2의 CuO막 및 Cu2O막의 반사도는 모두 1% 미만일 수 있다. 이에 따라서, 실시예 1 및 실시예 2의 장치는 광전 소자에서 매우 매력적인 특성을 보유함을 알 수 있다.
실시예 1 및 실시예 2의 CuO막 및 Cu2O막의 가시광 영역(400nm-700nm)에서의 평균 광학 투과도는 각각 41%와 45%이다. 즉, 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2의 구리 산화막(300)은 모두 40% 이상의 투과도를 가질 수 있다.
도 17에서 나타나는 언덕 형상의 곡선은 스퍼터링 방식에 따라 광학 특성이 조절이 가능함을 알려주는 강력한 증거일 수 있다. 즉, CuO와 Cu2O를 스퍼터링 어떤 방식에 따라서 형성하는 지에 따라서 형성된 구리 산화막의 투과도를 선택할 수 있다. 상기 광학 특성에 따라서, 흡수 계수 α를 계산할 수 있다.
흡수 계수 α는 α=1/d ln((1-R2)/T)의 식에 따라 결정된다. 여기서, d는 두께, R은 반사도, T는 투과도를 의미한다.
도 18은 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2의 산화 구리막의 흡수 계수를 설명하기 위한 그래프이다.
도 18을 참조하면, Cu2O막이 광자 에너지가 2.2eV보다 높은 경우에 CuO막보다 훨씬 더 큰 흡수 계수를 가진다.
도 19는 본 발명의 실시예 1의 산화 구리막의 타우 그래프(Tauc plot)이고, 도 20은 본 발명의 실시예 2의 산화 구리막의 타우 그래프이다.
도 19 및 도 20에서, h는 플랑크 상수이고, ν는 입사하는 포톤의 주파수, P는 각각 CuO막과 Cu2O막의 전이확률(transition probability)이다. P는 직접 및 간접 허용 광학 전이에 대해서 각각 1/2 및 2이다. 도 19 및 도 20의 그래프의 선형 추론에 의한 CuO막과 Cu2O막의 광학 밴드갭 값은 각각 1.45eV 및 2.05eV이다.
반 데르 포우(Van der Pauw) 법칙을 이용하여 유리 기판 상에 자란 100nm 두께의 CuO막과 Cu2O막의 홀(Hall) 측정이 수행될 수 있다. 실시예 1의 CuO막은 1016cm-3의 캐리어 농도와 20cm2V-1s-1의 홀 이동도의 p형 도전성을 드러낸다. 그러나, 실시예 2의 Cu2O막은 높은 저항값을 가진다. Cu2O막의 순수 반도체는 153meV의 매우 강한 엑시톤 바인딩 에너지(exciton binding energy)를 가지고 있다. 이에 따라, 유전체 스크리닝(dielectric screening) 조건에서 상대적으로 큰 전자 및 홀의 유효 질량에 의해서 Cu2O막은 높은 저항을 가진다.
실험예 4
KPFM(Kelvin probe force microscopy)는 샘플의 국지적인 표면 포텐셜을 측정하는 기술이고, Pt 코팅된 프로브 팁의 일함수는 HOPG(highly ordered pyrolytic graphite) 샘플을 기준으로 보정된다.
CuO막과 Cu2O막의 추정 일함수 값은 각각 4.9 ± 0.044 eV 및 4.93±0.024 eV으로 계산된다.
상기 KPFM 결과, 측정된 일함수 및 밴드갭 에너지에 따른 CuO막과 Cu2O막 도식적인 에너지 밴드 다이어그램을 그릴 수 있다.
도 21은 KPFM(Kelvin probe force microscopy) 기술로 측정한 본 발명의 실시예 1의 산화 구리막의 일함수를 설명하기 위한 개념도이고, 도 22는 KPFM 기술로 측정한 본 발명의 실시예 2의 산화 구리막의 일함수를 설명하기 위한 개념도이다.
도 21 및 도 22를 참조하면, 페르미 레벨은 각각 컨덕션 밴드의 최솟값들보다 밸런스 밴드의 최댓값들에 가까이 위치할 수 있다. 이에 따라서, 실시예 1 및 실시예 2의 CuO막과 Cu2O막은 p 타입 반도체임을 알 수 있다.
실험예 5
실시예 1의 산화 구리막 및 산화 아연막의 경계를 확인하기 위해서 FESEM 단면 사진을 촬영하였고, 암(dark) 조건에서의 실시예 1 및 실시예 2의 이종 접합의 전류 전압 특성을 조사하였다.
도 23은 본 발명의 실시예 1의 산화 구리막 및 산화 아연막 단면을 설명하기 위한 FESEM 사진이다.
도 23을 참조하면, ZnO막과 CuO막의 뚜렷한 경계를 확인할 수 있다.
도 24는 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2의 이종 접합의 암 조건에서의 전류 전압 특성을 설명하기 위한 그래프이다.
도 24를 참조하면, +1V의 포워드 바이어스에서 실시예 1 및 실시예 2의 이종 접합의 암전류는 각각 2.9 X 10-3 A와 1.7 X 10-3 A 이다. 나아가, -1V의 리버스 바이어스에서 실시예 1 및 실시예 2의 이종 접합의 암전류는 2.0 X 10-3 A와 6.3 X 10-3 A 이다. 이는 실시예 1 및 실시예 2의 이종 접합에 대해서 각각 2.7 및 1.3의 정류비(rectication ratio)을 도출시킨다. 실시예 1 및 실시예 2의 이종 접합은 모두 동일한 턴 온 전압을 가지되, 서로 다른 절대값을 가진다. 이러한 차이는 표면 누설 전류에 기인할 수 있다.
실험예 6
이종 접합의 암전류는 확산 전류, BTB(band to band tunnelling current), 재결합 생성(generation recombination, GR)을 통한 전류 및 TAT(trap assisted tunnelling) 전류의 합이다. 일반적으로 BTB 전류는 높은 바이어스에서는 주요한 값을 차지한다. 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2의 이종 접합은 낮은 바이어스 영역에서는 정상적으로 동작하므로, 이하에서는 BTB 전류를 무시하고 설명한다.
GR 전류는 Shockley-Read-Hall 및 세입자 공정(three particle process) 즉, 오제 재결합(Auger recombination) 등의 다양한 GR 공정에 따라 달라진다. 포토 다이오드가 공핍 영역 내의 전자 홀 쌍이 쉽게 드리프트하여 밖으로 이동할 수 있는 작은 리버스 바이어스에서 동작할 때, 오제 재결합의 기여도는 무시할 수 있다.
TAT 전류는 1차원 모델을 사용하여
Figure 112016122999520-pat00002
로 계산될 수 있다. 여기서, Nt는 홀에 의해서 채워지는 트랩들의 밀도, Wdep는 전압에 종속되는 공핍 영역의 폭, WvNV는 홀들의 터널링 비율이다.
TAT 전류의 기여도를 분석하는 또 다른 방법은 Rd-V 특성을 통해서이다. 여기서, Rd는 미분저항(dV/dI)이다.
도 25는 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2의 이종 접합의 전압에 따른 미분 저항을 설명하기 위한 그래프이다.
도 25를 참조하면, 실시예 1 및 실시예 2의 그래프의 경향은 거의 동일하지만, 크기에서 다소 다르다. 도 25의 리버스 바이어스 영역에서의 유사 피크(peak-like) 특성은 TAT 전류의 기여도를 나타낸다. 이는 실시예 1 및 실시예 2의 포토 다이오드의 네트 터미널 응답(net terminal response)은 밴드 오프셋 보다 GR 및 TAT 재결합에 더 크게 영향을 받는 다는 것을 의미한다.
실험예 7
실시예 1 및 실시예 2의 이종 접합의 투과도를 측정하였다.
도 26은 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2의 이종 접합의 파장에 따른 투과도를 설명하기 위한 그래프이다.
도 26을 참조하면, 실시예 1 및 실시예 2의 이종 접합의 가시광에 대한 평균 투과도는 55%이다. 실시예 1 및 실시예 2의 장치 모두 800nm에서 80%의 투과도 값과, 510nm에서 44%의 투과도 값을 가진다.
실험예 8
실시예 1 및 실시예 2의 이종 접합의 광역학 응답을 측정하였다.
도 27은 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2의 이종 접합의 광역학 응답을 설명하기 위한 그래프이다.
도 27을 참조하면, 광역학 응답은 제로 바이어스 조건에서 점멸 광에 의해서 실시예 1 및 실시예 2의 포토 디텍터에서 측정되어, 신호 전류(IS, 라이트 온 조건에서의 전류값) 및 노이즈 전류(IN, 라이트 오프 조건에서의 전류값)를 조사한다.
이러한 측정은 제로 바이어스에서 구리 산화막 기반 포토 디텍터의 장점인 전력 소모 손실이 없는 점과 낮은 노이즈 전류를 이용하여 아무런 외부 전원 공급 없이 수행된다.
실시예 2의 이종 접합은 실시예 1의 이종 접합에 비해서 훨씬 큰 온-오프 전류비를 보여준다. 이러한 광전류는 실시예 1 및 실시예 2의 100nm 두께의 구리 산화막이 더 두꺼운 경우에는 다 많은 광학 흡수가 발생할 수 있어 더 커질 수 있다. 따라서, 광전류를 키우기 위해서는 투과도를 줄이면서 두께를 크게하여 장치의 특성을 조율할 수 있다.
라이즈 타임(τr), 폴 타임(τf), IS, IN 및 SNR(IS/IN)와 같은 포토 디텍션 파라미터는 하기의 표 1에 요약되어 있다.
Figure 112016122999520-pat00003
실시예 1 및 실시예 2의 이종 접합 장치의 SNR은 50에 근접한다. 이는 상기 두 장치 모두 매우 작은 나노 단위의 암전류 값을 가진다는 점에 기인한다. 제1 실시예의 이종 접합의 광 응답(τr=35ms, τf=62ms)은 제2 실시예의 이종 접합의 광 응답(τr=67ms, τf=154ms)보다 훨씬 빠를 수 있다. 이러한 결과는 제1 실시예의 접합 커패시턴스가 제2 실시예의 접합 커패시턴스보다 작기 때문이다.
n형 산화물 반도체막(400)으로 나노 패턴 AZO(nanopatterned Al-doped ZnO)을 구리 산화막(300)에 접합하면 밴드 오프셋 및 빌트인 포텐셜의 원하는 구성에 의해서 더 좋은 특성을 이끌어 낼 수 있다.
이상 실험예 및 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 투명 기판 200: 투명 전도체막
300: 구리 산화막 400: n형 산화물 반도체막

Claims (21)

  1. 투명 기판을 제공하고,
    상기 투명 기판 상에 상온에서 투명 전도체막을 형성하고,
    상기 투명 전도체막 상에 p형 구리 산화막을 리액티브 스퍼터링(reactive sputtering)을 통해서 형성하고,
    상기 p형 구리 산화막 상에, n형 산화물 반도체막을 형성하는 것을 포함하되,
    상기 리액티브 스퍼터링은 산소 및 아르곤을 포함하고,
    상기 산소의 비율은 상기 아르곤의 비율보다 작고,
    상기 p형 구리 산화막을 형성하는 것은,
    Cu를 포함하는 타겟층을 산소와 아르곤 가스와 함께 반응시켜 상기 p형 구리 산화막을 형성하고,
    상기 타겟층은 순수한 구리 또는 구리 산화물이고,
    상기 p형 구리 산화막은 CuO 또는 Cu2O이고,
    상기 투명 기판의 면적 및 상기 투명 전도체막의 면적은 상기 p형 구리 산화막의 면적보다 크고,
    상기 p형 구리 산화막의 면적은 상기 n형 산화물 반도체막의 면적보다 큰 투명 광전 소자 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 산소의 비율은 상기 아르곤의 비율 대비 1 내지 30%인 투명 광전 소자 제조 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 리액티브 스퍼터링은 상온에서 수행되는 투명 광전 소자 제조 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 리액티브 스퍼터링 이후에 상기 p형 구리 산화막에 열처리를 가하는 것을 더 포함하는 투명 광전 소자 제조 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 열처리의 온도는 100도 내지 700도인 투명 광전 소자 제조 방법.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 n형 산화물 반도체막은 ZnO, AZO 및 TiO 중 적어도 하나를 포함하는 투명 광전 소자 제조 방법.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 투명 전도체막은 ITO 및 FTO 중 적어도 하나를 포함하는 투명 광전 소자 제조 방법.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 투명 기판은 유리 기판 또는 플라스틱 기판인 투명 광전 소자 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 리액티브 스퍼터링의 온도는 100도 내지 700도인 투명 광전 소자 제조 방법.
  13. 투명 기판;
    상기 투명 기판 상에 형성되는 투명 전도체막으로서, 상기 투명 전도체막은 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 FTO(fluorine-doped tin oxide)를 포함하는 투명 전도체막;
    상기 투명 전도체막 상에 형성되고, 가시광 투과도가 40%이상인 구리 산화막; 및
    상기 구리 산화막 상에 형성되는 n형 산화물 반도체막을 포함하되,
    상기 투명 기판의 면적 및 상기 투명 전도체막의 면적은 상기 구리 산화막의 면적보다 크고,
    상기 구리 산화막의 면적은 상기 n형 산화물 반도체막의 면적보다 크고,
    상기 구리 산화막은 CuO 및 Cu2O 중 어느 하나인 투명 광전 소자.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 투명 광전 소자는 전체적으로 완전히 투명한 투명 광전 소자.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 구리 산화막의 평균 결정 입도(average grain size)는 10nm 내지 60nm인 투명 광전 소자.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 구리 산화막의 반사율은 1% 미만인 투명 광전 소자.
  17. 삭제
  18. 투명 유연 기판;
    상기 투명 유연 기판 상에 형성되는 투명 전도체막;
    상기 투명 전도체막 상에 제1 두께로 형성되고, 상기 투명 전도체막의 상면의 일부를 노출시키는 나노 결정질(nanocrystalline) 구리 산화막; 및
    상기 구리 산화막 상에 형성되고, 상기 구리 산화막의 상면의 일부를 노출시키는 산화 반도체 윈도우(window)막을 포함하되,
    상기 투명 유연 기판의 면적 및 상기 투명 전도체막의 면적은 상기 구리 산화막의 면적보다 크고,
    상기 구리 산화막의 면적은 상기 산화 반도체 윈도우막의 면적보다 크고,
    상기 구리 산화막은 CuO 및 Cu2O 중 어느 하나인 투명 광전 소자.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 산화 반도체 윈도우막은 나노 패턴을 포함하고, 상기 구리 산화막과 이종 접합을 이루는 투명 광전 소자.
  20. 제18 항에 있어서,
    상기 산화 반도체 윈도우막은 AZO를 포함하는 투명 광전 소자.
  21. 제18 항에 있어서,
    상기 제1 두께는 10 내지 600nm인 투명 광전 소자.
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