KR101917300B1 - Photo Active Layer by Precise Control and Activation of Silicon Quantum Dot and the Fabrication Method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 실리콘 양자점 광활성층 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게, 본 발명에 따른 실리콘 양자점 광활성층의 제조방법은 a) 실리콘-풍부(silicon-rich)의 인트린직 실리콘화합물층을 형성하는 단계; b) 상기 인트린직 실리콘화합물층에 펄스 레이저를 조사하여 실리콘화합물인 매질에 실리콘 양자점이 형성된 실리콘양자점층을 형성하는 단계; 및 c) 상기 실리콘양자점층에 도핑원소를 주입하고, 활성화하여 광활성층을 제조하는 단계;를 포함한다.The present invention relates to a silicon quantum dot photoactive layer and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a method of manufacturing a silicon quantum dot photoactive layer according to the present invention, which comprises the steps of: a) forming a silicon-rich intrinsic silicon compound layer; b) forming a silicon quantum dot layer in which a silicon quantum dot is formed in a medium which is a silicon compound by irradiating a pulsed laser to the intrinsic silicon compound layer; And c) implanting doping elements into the silicon quantum dot layer and activating the doping element to produce a photoactive layer.
Description
본 발명은 실리콘 양자점에 의한 광활성층 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 균일하고 미세한 양자점이 고밀도로 형성되고, 우수한 효율을 갖는 광활성층, 이를 포함하는 소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a photoactive layer made of silicon quantum dots and a method for producing the same, and more particularly, to a photoactive layer having uniform and fine quantum dots formed at high density, a device including the same, and a method for manufacturing the same.
태양전지 산업은 제조단가와 효율을 고려하여 1세대, 2세대, 3세대로 구분한다. 1세대 태양전지는 지난 수십년간 발전되어 온 결정질 실리콘 태양전지로 현재 전 태양전지의 80% 이상을 차지하고 있다. 2세대 태양전지는 효율은 비교적 높지만 제조단가가 비싼 실리콘 태양전지의 단점을 보완하기 위한 태양전지로 비정질 실리콘, 화합물 또는 유기 박막 등의 박막 태양전지를 의미하며, 3세대 태양전지는 저비용으로 고효율을 얻기 위한 태양전지로 나노구조 및 양자점을 활용한 신개념 태양전지를 의미한다. The solar cell industry is divided into first generation, second generation and third generation in consideration of manufacturing cost and efficiency. The first-generation solar cell is a crystalline silicon solar cell that has been developed over the past several decades and now accounts for more than 80% of all solar cells. The second-generation solar cell is a thin-film solar cell such as amorphous silicon, compound, or organic thin film, which is a relatively high solar cell and has a high manufacturing cost. And a new concept solar cell using nanostructure and quantum dot as a solar cell.
1세대 태양전지인 결정질 실리콘 태양전지는 이미 효율 한계(ex: Shockely-Queisser limit)에 따른 기술적 한계에 도달되어 있어, 현재는 주로 2세대 박막태양전지 연구 개발이 활발히 진행되고 있으나 조속한 태양전지 그리드패리티 도달을 위해서는 저비용 고효율의 3세대 태양전지의 개발이 요구된다. Crystalline silicon solar cells, which are first-generation solar cells, have already reached technological limits according to the efficiency limit (ex: Shockely-Queisser limit). Currently, research and development of second generation thin film solar cells is actively conducted. However, It is required to develop a low-cost, high-efficiency third-generation solar cell.
가능성 있는 3세대 태양전지의 하나로 실리콘 양자점 태양전지가 제안되었는데 이론적으로 단일접합의 경우 29%, 다중접합의 경우 47.5%의 고효율이 예상되고 있다. 그러나 현재까지 이러한 이론적 효율에 전혀 근접하지 못하고 있어 그 원인을 찾고 이를 해결하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.A silicon quantum dot solar cell was proposed as one of the possible third generation solar cells. Theoretically, 29% of single junctions and 47.5% of multiple junctions are expected. However, to date, the theoretical efficiency has not been close to the efficiency.
고효율 소자 구현에 장애가 되는 실리콘 양자점 태양전지의 기술적 문제점으로는 i) 실리콘 양자점 밀도, 크기를 제어하기 힘들고, ii) 양자점을 만들 때 수반되는 고온열처리에 의해 기판 특성 저하가 발생하고, iii) 도핑원소의 활성화 정도를(ex: p-n junction or emitter 형성) 독립적으로 제어하기 힘든 문제가 있다.Technical difficulties of silicon quantum dot solar cell, which obstructs the implementation of high efficiency device, include: i) difficulty in controlling density and size of silicon quantum dots; ii) deterioration of substrate characteristics due to high temperature heat treatment accompanying formation of quantum dots; and iii) (Ex: formation of pn junction or emitter) independently of each other.
본 출원인은 대한민국 등록특허 제1060014호, 대한민국 등록특허 제1189686호, 및 대한민국 등록특허 제1670286호등을 통해, 화학양론비보다 과량의 실리콘을 함유하는 실리콘화합물층을 열처리하여 실리콘 화합물의 매질 내에 실리콘 양자점을 석출시키는 기술을 제공한 바 있으며, 실리콘 양자점을 함유하는 광활성층의 직렬 저항을 감소시키기 위해 실리콘 양자점층 간에 불순물로 도핑된 다결정 실리콘층인 전도층을 형성시키는 기술, 비정질 실리콘화합물층과 비화학양론비를 갖는 실리콘 과잉의 실리콘화합물층을 교번 적층한 후 열처리하여 실리콘 양자점의 밀도를 높이는 기술등을 개발한 바 있다. The Applicant has found that by heat treating a silicon compound layer containing an excess amount of silicon more than the stoichiometric ratio through the Korean Registered Patent No. 1060014, the Korean Registered Patent No. 1189686, and the Korean Registered Patent No. 1670286, silicon quantum dots A technique of forming a conductive layer which is a polycrystalline silicon layer doped with impurities between silicon quantum dot layers in order to reduce the series resistance of a photoactive layer containing silicon quantum dots and a technique of forming a conductive layer containing an amorphous silicon compound layer and a non- And a technique of increasing the density of the silicon quantum dots by heat treatment after alternately stacking the silicon-excess silicon compound layers having the silicon-containing silicon compound layer having the silicon-rich silicon compound layer.
그러나, 상기 종래방법은 어느 정도 고밀도의 양자점을 제조할 수 있다하나, 양자점의 크기 및 밀도의 제어가 어려우며, 양자점을 만들 때 수반되는 고온열처리에 의해 특성 저하가 발생하는 문제점 및 도핑원소의 활성화 정도를(ex: p-n junction or emitter 형성) 독립적으로 제어할 수 없는 문제점이 있어, 이를 해결하기 위한 기술 개발이 필요한 실정이다.However, the above-mentioned conventional methods can produce quantum dots to some extent. However, it is difficult to control the size and density of the quantum dots. The problem of the characteristic deterioration due to the high-temperature heat treatment accompanying the formation of the quantum dots, (Ex: formation of a pn junction or emitter) can not be independently controlled. Therefore, it is necessary to develop a technique to solve this problem.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 양자점의 밀도 및 크기의 제어가 가능하고, 고온 열처리에 의한 열화가 방지되며, 도핑 원소의 활성화가 독립적으로 제어될 수 있는 광활성층 및 이를 포함하는 광소자의 제조방법을 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method of controlling density and size of quantum dots, preventing deterioration due to high-temperature heat treatment, And a method of manufacturing an optical element including the photoactive layer.
본 발명의 또 다른 목적은, 미세하고 균일한 양자점이 고밀도로 형성된 고효율의 광활성층 및 이를 포함하는 광소자를 제공하는 것이다. It is still another object of the present invention to provide a high-efficiency photoactive layer in which fine and uniform quantum dots are formed at a high density and an optical element including the same.
본 발명에 따른 실리콘 양자점 광활성층의 제조방법은 a) 실리콘-풍부(silicon-rich)의 인트린직 실리콘화합물층을 형성하는 단계; b) 상기 인트린직 실리콘화합물층에 펄스 레이저를 조사하여 실리콘화합물인 매질에 실리콘 양자점이 형성된 실리콘양자점층을 형성하는 단계; 및 c) 상기 실리콘양자점층에 도핑원소를 주입하고, 활성화하여 광활성층을 제조하는 단계;를 포함한다.The method of manufacturing a silicon quantum dot photoactive layer according to the present invention comprises the steps of: a) forming a silicon-rich intrinsic silicon compound layer; b) forming a silicon quantum dot layer in which a silicon quantum dot is formed in a medium which is a silicon compound by irradiating a pulsed laser to the intrinsic silicon compound layer; And c) implanting doping elements into the silicon quantum dot layer and activating the doping element to produce a photoactive layer.
본 발명의 일 실시예에 따른 광활성층의 제조방법에 있어, 상기 b) 단계에서, 상기 펄스 레이저의 에너지에 의해, 상기 실리콘 양자점의 크기 및 밀도가 제어될 수 있다.In the method of manufacturing a photoactive layer according to an embodiment of the present invention, in step b), the size and density of the silicon quantum dots can be controlled by the energy of the pulse laser.
본 발명의 일 실시예에 따른 광활성층의 제조방법에 있어, 상기 b) 단계에서 조사되는 펄스 레이저의 플루언스는 0.1mJ/cm2 내지 200mJ/cm2일 수 있다.In the production method of the optically active layer according to an embodiment of the invention, the b) fluence of the pulse laser is irradiated in step seuneun may be 0.1mJ / cm 2 to 200mJ / cm 2.
본 발명의 일 실시예에 따른 광활성층의 제조방법에 있어, 상기 b) 단계에서 조사되는 펄스 레이저는 근적외선 내지 적외선 펄스 레이저일 수 있다.In the method of manufacturing a photoactive layer according to an embodiment of the present invention, the pulse laser irradiated in the step b) may be a near infrared ray to an infrared ray pulse laser.
본 발명의 일 실시예에 따른 광활성층의 제조방법에 있어, 상기 a) 단계의 상기 실리콘화합물층은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 또는 실리콘 산-질화물(oxynitride)일 수 있다.In the method of manufacturing a photoactive layer according to an embodiment of the present invention, the silicon compound layer in step a) may be silicon oxide, silicon nitride, or silicon oxynitride.
본 발명의 일 실시예에 따른 광활성층의 제조방법에 있어, a) 단계에서, 실리콘-리치의 인트린직 실리콘화합물층은 하기 관계식 1을 만족할 수 있다.In the method for manufacturing a photoactive layer according to an embodiment of the present invention, in step (a), the silicon-rich intrinsic silicon compound layer may satisfy the following relational expression (1).
(관계식 1)(Relational expression 1)
0.5 ≤ Ratio(SC)/Ratio(STO) ≤ 0.9 0.5? Ratio (SC) / Ratio (STO)? 0.9
관계식 1에서, Ratio(SC)는 a)단계의 실리콘화합물층에 함유된 실리콘 기준, 실리콘 대 실리콘과 결합하여 실리콘화합물을 형성하는 원소인 결합원소의 원소비이며, Ratio(STO)는 실리콘 기준, 실리콘 대 상기 결합원소의 화학양론비에 따른 원소비이다.Ratio (SC) is the silicon content contained in the silicon compound layer in step a), the silicon content is the elemental consumption of bonding elements which are silicon-to-silicon-forming elements forming silicon compounds, and Ratio (STO) Based on the stoichiometric ratio of the above bonded elements.
본 발명의 일 실시예에 따른 광활성층의 제조방법에 있어, 상기 c) 단계 전, 또는 상기 c) 단계의 도핑 원소 주입 후 및 활성화 전, a) 단계 및 b) 단계를 일 단위 공정으로, 상기 단위 공정이 반복 수행될 수 있다.In the method of manufacturing a photoactive layer according to an embodiment of the present invention, the step a) and the step b) may be carried out by a single unit process before or after the doping element implantation in the step c) or the step c) The unit process can be repeatedly performed.
본 발명에 따른 광소자의 제조방법은 하부전극이 형성되고 제1형 불순물로 도핑된 실리콘 기판상, 상술한 광활성층의 제조방법으로 실리콘 양자점 광활성층을 제조하되, 도핑원소로 상기 제1형 불순물과 상보적인 불순물을 주입하여, 실리콘 양자점 광활성층을 제조하는 단계; 및 상기 실리콘 양자점 광활성층 상 상부전극을 형성하는 단계;를 포함한다.The method of manufacturing an optical device according to the present invention comprises the steps of: forming a silicon quantum dot photoactive layer on a silicon substrate on which a lower electrode is formed and doped with a first type impurity by the above-described method for producing a photoactive layer, Preparing a silicon quantum dot photoactive layer by implanting complementary impurities; And forming an upper electrode on the silicon quantum dot photoactive layer.
본 발명의 일 실시예에 따른 광소자의 제조방법에 있어, 상기 광소자는 광기전(photovoltaic) 소자 또는 발광 소자일 수 있다.In the method of manufacturing an optical device according to an embodiment of the present invention, the optical device may be a photovoltaic device or a light emitting device.
본 발명은 상술한 광활성층의 제조방법으로 제조된 실리콘 양자점 광활성층을 포함한다.The present invention includes a silicon quantum dot photoactive layer prepared by the above-described method for producing a photoactive layer.
본 발명은 상술한 광소자의 제조방법으로 제조된 광소자를 포함한다.The present invention includes an optical element manufactured by the above-described method for manufacturing an optical element.
본 발명에 따른 실리콘 양자점 광활성층은 하기 관계식 2 및 하기 관계식 3을 만족하는 실리콘 양자점이 실리콘 화합물 매질에 분산 함입된 층일 수 있다.The silicon quantum dot photoactive layer according to the present invention may be a layer in which silicon quantum dots satisfying the following relational expression 2 and the following relational expression 3 are dispersed in the silicon compound medium.
(관계식 2)(Relational expression 2)
3 nm ≤ Dm ≤ 6 nm3 nm < / = D m < / = 6 nm
관계식 2에서, Dm은 매질에 분산 함입된 실리콘 양자점의 평균 직경이다. In Equation 2, D m is the average diameter of the silicon quantum dots dispersed in the medium.
(관계식 3)(Relational expression 3)
0.9Dm ≤ D ≤1.1Dm 0.9D m ? D ≤1.1D m
관계식 3에서, D는 매질에 분산 함입된 실리콘 양자점의 직경이며, Dm은 실리콘 양자점의 평균 직경이다. In Equation 3, D is the diameter of the silicon quantum dots dispersed in the medium, and D m is the average diameter of the silicon quantum dots.
본 발명의 일 실시예에 따른 광활성층에 있어, 실리콘 양자점의 밀도는 1.0x1017 개/cm3 내지 1.0x1019 개/cm3일 수 있다.In the photoactive layer according to an embodiment of the present invention, the density of the silicon quantum dots may be 1.0 x 10 17 / cm 3 to 1.0 x 10 19 / cm 3 .
본 발명에 따른 광활성층 제조방법은, 펄스 레이저에 의해 순간적이며 집중적으로 실리콘화합물층이 가열되고 퀀칭됨에 따라, 크기가 작고 밀도가 높으며, 균일한 크기를 갖는 실리콘 양자점이 형성된 광활성층을 제조할 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명에 따른 광활성층 제조방법은, 균일한 크기의 실리콘 양자점이 고밀도로 형성됨에 따라, 양자점간 이격 간격이 좁아 전자의 터널링이 용이하게 발생하여 증대된 광효율을 갖는 광활성층을 제조할 수 있는 장점이 있다. 또한, 펄스 레이저 조사에 의해 실리콘화합물층을 실리콘양자점층으로 전환시킴에 따라, 기판등과 같이 실리콘화합물층 하부에 기 존재하는 구성요소가 열적 손상으로부터 자유로운 장점이 있다. 또한, 실리콘화합물층을 실리콘양자점층으로 전환시킨 후, 실리콘양자점층의 전기적 특성 제어를 위한 불순물(도핑원소)의 주입 및 활성화가 수행됨에 따라, 양자점의 생성과 실리콘양자점층의 전기적 특성 조절이 서로 독립적으로 이루어져, 도핑원소의 활성화 정도가 독립적으로 제어될 수 있으며, 도핑원소의 원치 않는 확산이 방지되는 장점이 있다. The method for manufacturing a photoactive layer according to the present invention is a method for manufacturing a photoactive layer in which a silicon quantum dot having a small size, a high density and a uniform size is formed as the silicon compound layer is instantaneously and intensively heated and quenched by a pulsed laser There are advantages. In addition, since the silicon quantum dots having a uniform size are formed at a high density, the photoactive layer manufacturing method according to the present invention can produce tunneling of electrons with a narrow gap between the quantum dots, There is an advantage. Further, by switching the silicon compound layer to the silicon quantum dot layer by pulsed laser irradiation, there is an advantage that components existing in the lower portion of the silicon compound layer, such as a substrate, are free from thermal damage. Further, after the silicon compound layer is converted into the silicon quantum dot layer and the implantation and activation of the impurity (doping element) for controlling the electrical characteristics of the silicon quantum dot layer are performed, the generation of the quantum dot and the control of the electrical characteristics of the silicon quantum dot layer are independent So that the degree of activation of the doping element can be independently controlled and the undesired diffusion of the doping element is prevented.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광활성층의 제조방법을 도시한 일 공정도이며,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광소자의 제조방법을 도시한 일 공정도이며,
도 3은 종래 열처리에 의해 제조된 광활성층과 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 광활성층의 발광특성을 측정 도시한 도면이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 광활성층을 관찰한 투과전자현미경 사진이다.1 is a process diagram illustrating a method of manufacturing a photoactive layer according to an embodiment of the present invention,
FIG. 2 is a process diagram showing a method of manufacturing an optical device according to an embodiment of the present invention,
FIG. 3 is a diagram illustrating the measurement of light-emitting characteristics of the photoactive layer manufactured by the conventional heat treatment and the photoactive layer manufactured according to an embodiment of the present invention,
4 is a transmission electron microscope (SEM) image of a photoactive layer prepared according to an embodiment of the present invention.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 광활성층 및 이의 제조방법을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. Hereinafter, the photoactive layer according to the present invention and a method of manufacturing the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following drawings are provided by way of example so that those skilled in the art can fully understand the spirit of the present invention. Therefore, the present invention is not limited to the following drawings, but may be embodied in other forms, and the following drawings may be exaggerated in order to clarify the spirit of the present invention. Hereinafter, the technical and scientific terms used herein will be understood by those skilled in the art without departing from the scope of the present invention. Descriptions of known functions and configurations that may be unnecessarily blurred are omitted.
본 발명을 상술함에 있어, 광활성층은 태양광을 포함한 광의 수광에 의해 광전자-광정공 쌍이 생성되는 수광 기재(substance)의 의미를 포함하며, 이와 독립적으로, 전류 및/또는 전압의 인가에 의해 광활성층의 실리콘 양자점에서 광이 생성되는 발광 기재의 의미를 포함한다.In describing the present invention, the photoactive layer includes the meaning of a light receiving substance that photoelectron-light hole pairs are generated by receiving light containing sunlight, and independently of this, a photoactive Lt; RTI ID = 0.0 > quantum dots < / RTI > of the layer.
본 발명에 따른 실리콘 양자점 광활성층의 제조방법은 a) 실리콘-풍부(silicon-rich)의 인트린직 실리콘화합물층을 형성하는 단계; b) 상기 인트린직 실리콘화합물층에 펄스 레이저를 조사하여 실리콘화합물인 매질에 실리콘 양자점이 형성된 실리콘양자점층을 형성하는 단계; 및 c) 상기 실리콘양자점층에 도핑원소를 주입하고, 활성화하여 광활성층을 제조하는 단계;를 포함한다. The method of manufacturing a silicon quantum dot photoactive layer according to the present invention comprises the steps of: a) forming a silicon-rich intrinsic silicon compound layer; b) forming a silicon quantum dot layer in which a silicon quantum dot is formed in a medium which is a silicon compound by irradiating a pulsed laser to the intrinsic silicon compound layer; And c) implanting doping elements into the silicon quantum dot layer and activating the doping element to produce a photoactive layer.
즉, 본 발명에 따른 광활성층의 제조방법은, 실리콘-풍부의 실리콘화합물층을 형성하되, 전기적 특성 조절을 위한 도펀트를 함유하지 않는 인트린직(intrinsic) 실리콘화합물층을 형성하고, 실리콘화합물층에 펄스 레이저를 조사하여 실리콘화합물층을 매질 내 실리콘 양자점이 형성된 실리콘양저점층으로 전환시킨 후, 실리콘 양자점층에 도핑원소를 주입하고 활성화하여 광활성층을 제조한다. 이하, 특별한 부가가 없는 한, 실리콘화합물층은 실리콘-풍부의 인트린직 실리콘화합물층을 의미한다.That is, the method of manufacturing a photoactive layer according to the present invention comprises the steps of forming a silicon-rich silicon compound layer, forming an intrinsic silicon compound layer not containing a dopant for controlling electrical characteristics, The silicon compound layer is converted into a silicon low-point layer having a silicon quantum dot in the medium, and then a doping element is implanted into the silicon quantum dot layer to activate the photoactive layer. Hereinafter, unless otherwise specified, the silicon compound layer means a silicon-rich intrinsic silicon compound layer.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광활성층 제조방법은, 펄스 레이저에 의해 순간적이며 집중적으로 실리콘화합물층을 가열함에 따라, 크기가 작고 밀도가 높으며, 균일한 크기를 갖는 실리콘 양자점을 형성할 수 있으며, 양자점간 이격 간격이 좁아 전자의 터널링이 용이하게 발생하여 증대된 효율을 갖는 광활성층을 제조할 수 있다. 또한, 펄스 레이저 조사에 의해 실리콘화합물층을 실리콘양자점층으로 전환시킴에 따라, 기판등과 같이 실리콘화합물층 하부에 기 존재하는 구성요소가 열적 손상으로부터 자유로운 장점이 있다. 또한, 실리콘화합물층을 실리콘양자점층으로 전환시킨 후, 실리콘양자점층의 전기적 특성 제어를 위한 불순물(도핑원소)의 주입 및 활성화가 수행됨에 따라, 양자점의 생성과 실리콘양자점층의 전기적 특성 조절이 서로 독립적으로 이루어져, 도핑원소의 활성화 정도가 독립적으로 제어될 수 있는 장점이 있다. As described above, the method of manufacturing a photoactive layer according to the present invention can form a silicon quantum dot having a small size, a high density and a uniform size by heating a silicon compound layer momentarily and intensively by a pulse laser, The spacing between the quantum dots is narrow, tunneling of electrons is easily generated, and a photoactive layer having increased efficiency can be manufactured. Further, by switching the silicon compound layer to the silicon quantum dot layer by pulsed laser irradiation, there is an advantage that components existing in the lower part of the silicon compound layer, such as a substrate, are free from thermal damage. Further, after the silicon compound layer is converted into the silicon quantum dot layer and the implantation and activation of the impurity (doping element) for controlling the electrical characteristics of the silicon quantum dot layer is performed, the formation of the quantum dots and the control of the electrical characteristics of the silicon quantum dot layer are independent And the degree of activation of the doping element can be independently controlled.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광활성층 제조방법의 공정을 도시한 일 공정도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 광활성층의 제조방법은, 실리콘화합물층의 증착, 펄스 레이저 조사, 도핑원소의 주입 및 주입된 도핑원소의 활성화 단계를 통해 광활성층을 제조할 수 있다.FIG. 1 is a process diagram showing a process of manufacturing a photoactive layer according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. As shown in FIG. 1, the photoactive layer may be produced by depositing a silicon compound layer, pulsed laser irradiation, doping of the doping element, and activation of the doped element.
실리콘화합물층은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 또는 실리콘 산질화물일 수 있다. 즉, 실리콘과 결합하여 실리콘화합물을 형성하는 원소를 결합원소라 할 때, 결합원소는 산소, 질소 또는 산소와 질소일 수 있다. 본 발명에 있어, 실리콘화합물층이 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 또는 실리콘 산질화물로 한정되는 것은 아니나, 다만, 제조된 광활성층에서 실리콘 양자점은 매질을 통해 유입되는 광을 흡수하거나, 실리콘 양자점에서 생성된 광이 매질을 통해 외부로 발광함에 따라, 실리콘화합물층의 실리콘화합물은 광의 흡수 또는 투과에 유리한 투명한 실리콘 화합물인 것이 좋다. 이때, 투명한 실리콘 화합물의 일 예로 실리콘산화물을 들 수 있다.The silicon compound layer may be silicon oxide, silicon nitride or silicon oxynitride. That is, when an element that bonds with silicon to form a silicon compound is referred to as a bonding element, the bonding element may be oxygen, nitrogen, or oxygen and nitrogen. In the present invention, the silicon compound layer is not limited to silicon oxide, silicon nitride or silicon oxynitride. However, in the produced photoactive layer, the silicon quantum dots may absorb light introduced through the medium, As the light is emitted to the outside through the medium, the silicone compound of the silicon compound layer is preferably a transparent silicone compound which is advantageous for absorption or transmission of light. At this time, an example of the transparent silicon compound is silicon oxide.
실리콘화합물층은 실리콘화합물을 형성하는 실리콘과 결합원소간의 원소비가 화학양론비에서 벗어나, 화학양론비보다 과량의 실리콘을 함유할 수 있다. 이러한 실리콘 풍부의 조성은 실리콘 양자점이 생성되는 구동력을 제공한다. The silicon compound layer may contain an excess amount of silicon more than the stoichiometric ratio while the original consumption between the silicon and the bonding element forming the silicon compound deviates from the stoichiometric ratio. This composition of silicon richness provides a driving force by which silicon quantum dots are generated.
구체적인 일 예로, 조사되는 펄스 레이저의 에너지에 의해 실리콘 양자점이 생성될 수 있으며, 고밀도의 실리콘 양자점이 형성되면서도 섬(island) 형태로 서로 이격된 실리콘 양자점이 형성될 수 있도록, a) 단계의 실리콘화합물층은 하기 관계식 1을 만족하는 것이 좋다.As a specific example, the silicon quantum dots can be generated by the energy of the pulsed laser to be irradiated, and the silicon quantum dots can be formed in the island form while forming the high-density silicon quantum dots. Satisfies the following relational expression (1).
(관계식 1)(Relational expression 1)
0.5 ≤ Ratio(SC)/Ratio(STO) ≤ 0.9 0.5? Ratio (SC) / Ratio (STO)? 0.9
관계식 1에서, Ratio(SC)는 a)단계의 실리콘화합물층에 함유된 실리콘 기준, 실리콘 대 실리콘과 결합하여 실리콘화합물을 형성하는 원소인 결합원소의 원소비이며, Ratio(STO)는 실리콘 기준, 실리콘 대 상기 결합원소의 화학양론비에 따른 원소비이다. 구체적인 일 예로, 결합원소가 산소인 경우, 실리콘화합물층은 SiOx(x는 1.0~1.8의 실수)의 조성을 가질 수 있다. Ratio (SC) is the silicon content contained in the silicon compound layer in step a), the silicon content is the elemental consumption of bonding elements which are silicon-to-silicon-forming elements forming silicon compounds, and Ratio (STO) Based on the stoichiometric ratio of the above bonded elements. As a specific example, when the bonding element is oxygen, the silicon compound layer may have a composition of SiO x (x is a real number of 1.0 to 1.8).
실리콘화합물층은, 통상의 반도체 공정에서 박막 형성에 사용되는 화학적 증착, 물리적 증착, 물리-화학적 증착, 플라즈마 증착, 원자층 증착 또는 열 기화 증착을 이용하여 형성될 수 있음은 물론이며, 이때 알려진 바와 같이, 증착시의 주입되는 결합원소 대비 실리콘원소의 원소비를 제어하거나 타겟물질의 조성을 제어함으로써, 제어된 조성을 갖는 실리콘화합물층을 제조할 수 있음은 물론이다. The silicon compound layer can be formed using chemical vapor deposition, physical vapor deposition, physical-chemical vapor deposition, plasma deposition, atomic layer deposition, or thermal vapor deposition used in thin film formation in a conventional semiconductor process, It is needless to say that the silicon compound layer having a controlled composition can be produced by controlling the raw consumption of the silicon element relative to the bonding element to be injected at the time of deposition or by controlling the composition of the target material.
실리콘화합물층의 형성 후, 펄스 레이저 조사에 의해 실리콘화합물층을 실리콘화합물인 매질에 실리콘 양자점이 형성된 실리콘양자점층으로 전환될 수 있다. 이때, 매질은 미도핑 상태의 인트린직 실리콘화합물일 수 있으며, 매질의 실리콘화합물은 과량의 실리콘이 실리콘 양자점으로 소모된 상태임에 따라, 화학양론비 내지 화학양론비에 근접한 조성을 가질 수 있다.After the formation of the silicon compound layer, the silicon compound layer can be converted into a silicon quantum dot layer in which silicon quantum dots are formed in the medium, which is a silicon compound, by pulsed laser irradiation. In this case, the medium may be an undoped-state intrinsic silicon compound, and the silicon compound of the medium may have a composition close to the stoichiometric ratio to the stoichiometric ratio as the excess silicon is consumed as the silicon quantum dots.
펄스 레이저를 조사하여 실리콘화합물층을 실리콘양자점층으로 전환시킴에 따라, 실리콘화합물층이 극히 빠르게 가열됨과 동시에 펄스 레이저가 조사되는 영역 이외의 영역은 상대적으로 차가운 상태임에 따라 극히 순식간에 냉각되는 셀프-퀀칭 효과(seif-quenching effect)에 의해, 실리콘 양자점의 핵생성은 활발히 발생하되 양자점의 성장은 방지되어, 극미세한 양자점이 고밀도로 형성될 수 있어 유리하다. 또한, 펄스 레이저는 레이저에 의해 가열되는 영역의 엄밀한 깊이 조절이 가능하며, 처리 속도가 매우 빨라 상업화에 유리하며, 대면적에서도 균일한 품질의 양자점 형성이 가능하여 유리하다. 또한, 양자점의 미세화를 위해 서로 상이한 이종층을 교번 증착하는 등의 복잡한 증착과정을 배제할 수 있으며, 단일한 실리콘-리치의 실리콘 화합물층을 증착하는 단순 증착 공정으로 매질 내 균일하고 고밀도로 극미세한 양자점을 형성할 수 있는 장점이 있다. The silicon compound layer is heated extremely quickly by irradiating the pulsed laser to convert the silicon compound layer into the silicon quantum dot layer and at the same time the region other than the region to which the pulse laser is irradiated is in a relatively cold state, Due to the seif-quenching effect, nucleation of the silicon quantum dots is actively generated, growth of the quantum dots is prevented, and extremely fine quantum dots can be formed at high density, which is advantageous. In addition, the pulsed laser is advantageous because it can control the exact depth of the region heated by the laser, is advantageous for commercialization because the processing speed is very fast, and quantum dots of uniform quality can be formed even in a large area. In addition, complicated deposition processes such as alternating deposition of different hetero-layers for the miniaturization of quantum dots can be excluded, and a simple deposition process for depositing a single silicon-rich silicon compound layer enables uniform and highly dense quantum dots Can be formed.
일반적으로 광소자의 제조공정 도중 광활성층의 제조가 동시 수행되는 것이 통상적이다. 이에 따라, 광활성층의 하부에는 광소자의 구동을 위한 하부 구성요소가 존재하게 되는데, 광기전소자나 발광소자를 예로, n형 또는 p형 실리콘 반도체층이 광활성층 하부에 존재할 수 있다. 이때, 종래와 같이 열처리를 통해 실리콘화합물층을 실리콘양자점층으로 전환시키는 경우, n형 또는 p형 실리콘 반도체층이 열적으로 열화되어 광소자의 효율을 저하시키는 문제가 있었다. 그러나, 본 발명에 따라 펄스 레이저를 조사하여 실리콘화합물층을 실리콘양자점층으로 전환시키는 경우, 실리콘화합물층이 수십 나노미터 수준의 두께를 갖는다 하더라도 실리콘화합물층 하부에 존재하는 다른 구성요소가 열적 손상(열화)로부터 자유로운 장점이 있다. In general, it is customary that the photoactive layer is simultaneously produced during the manufacturing process of the optical device. Accordingly, a lower component for driving the optical device exists in the lower portion of the photoactive layer. For example, an n-type or p-type silicon semiconductor layer may exist under the photoactive layer, for example, a photovoltaic device or a light emitting device. At this time, when the silicon compound layer is converted into the silicon quantum dot layer through the heat treatment as in the prior art, the n-type or p-type silicon semiconductor layer is thermally deteriorated to lower the efficiency of the optical device. However, when the silicon compound layer is converted into the silicon quantum dot layer by irradiating a pulsed laser according to the present invention, even if the silicon compound layer has a thickness of the order of several tens of nanometers, other components existing under the silicon compound layer are damaged from thermal damage There is a free advantage.
상술한 바와 같이, 펄스 레이저 조사에 의해 실리콘화합물층이 실리콘양자점층으로 전환됨에 따라, 미세한 양자점들이 고밀도로 균일하게 형성되어, 안정적이고 용이한 전자 터널링이 이루어질 수 있다. 이에 따라, 높은 직렬 저항에 의해 두께의 제약이 존재하는 열처리 방식 대비, 펄스 레이저 조사의 경우 상대적으로 두꺼운 광활성층의 구현이 가능하다. 구체적인 일 예로, 실리콘화합물층(실리콘양자점층 또는 광활성층)의 두께는 50 내지 200 nm일 수 있으며, 보다 구체적으로 90 내지 120 nm일 수 있다.As described above, as the silicon compound layer is converted into the silicon quantum dot layer by the pulse laser irradiation, fine quantum dots are formed at a high density and uniformly, and stable and easy electron tunneling can be achieved. Accordingly, it is possible to realize a relatively thick photoactive layer in the case of pulsed laser irradiation, compared with a heat treatment method in which a thickness limitation is caused by a high series resistance. As a specific example, the thickness of the silicon compound layer (silicon quantum dot layer or photoactive layer) may be 50 to 200 nm, more specifically, 90 to 120 nm.
또한, 상술한 바와 같이, 펄스 레이저 조사에 의해 실리콘화합물층이 실리콘양자점층으로 전환됨에 따라, 펄스 레이저가 조사되는 영역 이외의 영역은 열적으로 안정할 수 있다. 이에 따라, 불순물을 주입하는 c) 단계 전, 또는 c) 단계에서 불순물을 주입한 후 활성화 단계 전, 실리콘화합물층의 형성 및 펄스 레이저 조사에 의한 실리콘양자점층으로의 전환 공정을 일 단위 공정으로 하여, 이러한 단위 공정이 반복(일 예로, 2회 내지 5회) 수행될 수 있다. 이를 통해, 두꺼우면서도 양자점의 밀도 및 크기가 매우 균일하게 유지된 광활성층을 제조할 수 있다.Further, as described above, as the silicon compound layer is converted into the silicon quantum dot layer by the pulse laser irradiation, the region other than the region irradiated with the pulse laser can be thermally stable. Thus, the process of forming the silicon compound layer and the step of converting into the silicon quantum dot layer by the pulsed laser irradiation before the activation step after the impurity implantation in the step c) or the c) This unit process may be repeated (e.g., two to five times). As a result, a photoactive layer having a thick and uniform density and size of the quantum dots can be manufactured.
본 발명의 일 실시예에 따른 광활성층의 제조방법에 있어, b) 단계에서 조사되는 펄스 레이저의 에너지에 의해, 실리콘 양자점의 크기 및 밀도가 제어될 수 있다. 상세하게, 펄스 레이저는 레이저가 조사되는 영역에 국한되어 가열됨에 따라 국한된 영역 내에서 실리콘 양자점의 핵생성 및 성장이 발생할 수 있다. 또한, 실리콘화합물층은 실리콘-리치한 조성에 의해 일정한 구동력을 제공할 수 있다. 이러한 국한된 반응장 및 일정한 구동력의 조건에 의해, 단지 실리콘화합물층에 조사되는 펄스 레이저의 에너지(플루언스, 에너지 밀도)에 따라, 실리콘 양자점의 크기와 밀도가 정밀하고 재현성 있게 제어될 수 있다. 특히, 양자점의 크기 제어는 단지 조사되는 펄스 레이저의 플루언스를 조절함으로써, 광활성층의 발광 중심 파장이 제어될 수 있음을 의미하는 것이다. In the method of manufacturing the photoactive layer according to an embodiment of the present invention, the size and density of the silicon quantum dots can be controlled by the energy of the pulse laser irradiated in step b). Specifically, the pulsed laser can generate nucleation and growth of silicon quantum dots within a localized region as it is heated to a region limited by the laser irradiation. Further, the silicon compound layer can provide a constant driving force by the silicon-rich composition. The size and density of the silicon quantum dots can be controlled precisely and reproducibly according to the energy (fluence, energy density) of the pulse laser irradiated only on the silicon compound layer by the conditions of the localized reaction field and the constant driving force. In particular, the size control of the quantum dots means that the emission center wavelength of the photoactive layer can be controlled by adjusting the fluorescence of the pulsed laser to be irradiated.
구체적인 일 예로, b) 단계에서 조사되는 펄스 레이저의 플루언스는 0.1 mJ/cm2 내지 200 mJ/cm2일 수 있으며, 보다 좋게는 50 mJ/cm2 내지 150 mJ/cm2일 수 있다. 조사되는 펄스 레이저의 플루언스가 제시된 범위를 초과하여 과도하게 높은 경우, 조사되는 펄스 레이저의 에너지에 의해 실리콘화합물층이 물리적으로 변형되거나 손상될 위험이 있다. 또한, 조사되는 펄스 레이저의 플루언스가 제시된 범위 미만으로 과도하게 낮은 경우, 실리콘 양자점이 생성되지 않거나 실리콘 양자점의 생성 밀도가 떨어질 위험이 있다. As a specific example, the fluence of the pulsed laser irradiated in step b) may be from 0.1 mJ / cm 2 to 200 mJ / cm 2 , and more preferably from 50 mJ / cm 2 to 150 mJ / cm 2 . There is a risk that the silicon compound layer is physically deformed or damaged due to the energy of the pulsed laser to be irradiated when the fluence of the pulsed laser to be irradiated is excessively high beyond the prescribed range. Also, if the fluence of the pulsed laser to be irradiated is excessively low below the indicated range, there is a risk that the silicon quantum dots are not generated or the density of silicon quantum dots is lowered.
상술한 바와 같이, b) 단계에서 조사되는 펄스 레이저의 플루언스를 0.1 mJ/cm2 내지 200 mJ/cm2, 좋게는 50 mJ/cm2 내지 150 mJ/cm2로 제어하되, 레이저의 플루언스를 증가시켜 실리콘 양자점의 크기를 증가시킬 수 있으며, 레이저의 플루언스를 감소시켜 상대적으로 미세한 실리콘 양자점을 상대적으로 높은 밀도로 형성시킬 수 있다. As described above, the fluence of the pulse laser irradiated in the step b) is controlled to be 0.1 mJ / cm 2 to 200 mJ / cm 2 , preferably 50 mJ / cm 2 to 150 mJ / cm 2 , To increase the size of the silicon quantum dots and to reduce the fluence of the laser so that relatively fine silicon quantum dots can be formed with a relatively high density.
b) 단계에서 조사되는 펄스 레이저는 실리콘화합물층의 손상 없이 실리콘 화합물층을 가열할 수 있는 파장의 펄스 레이저이면 사용가능하다. 구체적인 일 예로, 조사되는 펄스 레이저는 근적외선 내지 적외선 펄스 레이저일 수 있다. 실질적인 일 예로, 조사되는 펄스 레이저의 중심 파장은 750내지 1100 nm, 좋게는 750 nm 내지 850 nm일 수 있다. b) 단계에서 조사되는 펄스 레이저는 펄스 단일 펄스 레이저일 수 있으며, 1 KHz의 반복률을 가지며, 50 내지 200 fs의 펄스 폭을 가질 수 있다. 이러한 레이저 발진 파장, 반복률 및 펄스 폭은, 고밀도의 미세하고 균일한 실리콘 양자점이 형성되면서도 실리콘화합물층의 손상이나 다른 구성 요소의 열 손상을 안정적으로 방지할 수 있어 유리하다. The pulse laser irradiated in step b) can be used as long as it is a pulse laser of a wavelength capable of heating the silicon compound layer without damaging the silicon compound layer. As a specific example, the pulsed laser to be irradiated may be near-infrared or infrared pulsed laser. As a practical example, the central wavelength of the pulsed laser to be irradiated may be 750 to 1100 nm, preferably 750 nm to 850 nm. The pulsed laser irradiated in step b) may be a pulse single pulse laser, has an repetition rate of 1 KHz, and may have a pulse width of 50 to 200 fs. Such laser oscillation wavelength, repetition rate, and pulse width are advantageous because they can stably prevent damages of the silicon compound layer and thermal damage of other components while forming high-density fine and uniform silicon quantum dots.
펄스 레이저 조사에 의해 실리콘화합물층이 실리콘양자점층으로 전환된 후, 실리콘양자점층에 도핑원소를 주입하고, 도핑원소를 활성화하여 광활성층을 제조하는 단계가 수행될 수 있다. 이는, 도핑원소에 의한 광활성층의 전기적 특성 조절이, 실리콘양자점층 형성(전환)과 무관하게 독립적으로 수행됨을 의미한다. 이에 따라, 도핑 원소의 원치 않는 확산이 방지되며 효과적인 활성화가 이루어질 수 있다.After the silicon compound layer is converted into the silicon quantum dot layer by pulsed laser irradiation, a step of implanting the doping element into the silicon quantum dot layer and activating the doping element to manufacture the photoactive layer may be performed. This means that the adjustment of the electrical characteristics of the photoactive layer by the doping element is performed independently of the silicon quantum dot layer formation (conversion). Thus, unwanted diffusion of the doping element is prevented and effective activation can be achieved.
도핑 원소는 n형 또는 p형 불순물일 수 있다. 상세하게, n형 불순물은 인등을 포함하는 15족 원소일 수 있으며, p형 불순물은 붕소 또는 알루미늄등을 포함하는 13족 원소일 수 있다. The doping element may be an n-type or p-type impurity. Specifically, the n-type impurity may be a Group 15 element including phosphorus, and the p-type impurity may be a Group 13 element including boron or aluminum.
도핑원소의 주입은 임플란트를 통해 수행될 수 있다. 임플란즈 주입은 빠르고 균일하며, 조절된 깊이에 정확한 농도로 도핑원소를 주입할 수 있어 유리하다. Implantation of the doping element can be performed through the implant. Implantation is advantageous because it allows rapid, uniform, and precise dosing of doping elements at controlled depths.
도핑원소는 5.0x1019 atom/cm3 내지 7.0x1021 atom/cm3로 주입될 수 있으며, 이러한 도핑원소의 도스는 광소자로의 활용시, 광활성층과 접하는 반도체와 p-n 정션(에미터)의 형성에 유리한 도스이다. The doping element may be implanted at a dose of 5.0 x 10 19 atoms / cm 3 to 7.0 x 10 21 atoms / cm 3. The doses of such doping elements may be formed by forming a pn junction (emitter) with a semiconductor in contact with the photoactive layer, Is a favorable DOS.
도핑원소의 주입이 수행된 후, 도핑원소의 활성화를 위해, 도핑원소가 주입된 실리콘양자점층의 활성화 열처리가 수행될 수 있다. 도핑원소의 활성화를 위한 열처리는, 임플란트를 통해 설계된 깊이 및 농도로 주입된 도핑원소의 원치 않는 확산을 방지하면서도 도핑원소가 활성화될 수 있는 온도이면 무방하다. After the doping of the doping element is performed, activation of the silicon quantum dot layer doped with the doping element may be performed for activation of the doping element. The heat treatment for activating the doping element may be performed at a temperature at which the doping element can be activated while preventing unwanted diffusion of the doping element implanted at the designed depth and concentration through the implant.
알려진 바와 같이, 과량의 실리콘을 함유하는 실리콘화합물을 열처리하여 도핑된 실리콘 양자점층을 제조하는 경우 상대적으로 매우 고온의 열처리가 요구되나, 도핑원소의 활성화는 양자점층 제조에 요구되는 온도보다 매우 낮은 온도에서 이루어진다. 구체적인 일 예로, 실리콘화합물이 실리콘산화물인 경우 양자점 형성을 위해 1000 ℃ 이상의 온도에서의 열처리가 요구되나, 도핑원소의 활성화는 1000℃ 미만의 온도에서 수행되는 것이 통상적이다. As is known, when a silicon compound containing an excessive amount of silicon is heat-treated to prepare a doped silicon quantum dot layer, heat treatment at a relatively high temperature is required. However, activation of the doping element requires a temperature Lt; / RTI > As a specific example, when the silicon compound is silicon oxide, heat treatment at a temperature of 1000 캜 or more is required for forming a quantum dot, but activation of a doping element is usually performed at a temperature of less than 1000 캜.
본 발명의 일 실시예에 따른 광활성층의 제조방법은, 상술한 바와 같이 미도핑 상태의 실리콘화합물층에 펄스 레이저를 조사하여 미도핑 상태의 실리콘양자점층을 제조한 후, 실리콘 양자점의 형성과 독립적으로 도핑원소의 도핑 및 활성화가 수행됨에 따라, 도핑원소의 활성화 온도로 알려진 온도로 열처리하여 주입된 도핑원소를 활성화시킬 수 있다. 구체적으로, 도핑원소의 활성화를 위한 열처리는 400 내지 900 ℃의 온도에서 수행될 수 있다. 양자점 형성과 독립된 도핑원소의 주입 및 저온 활성화는, 설계된 도핑 프로파일과 도핑 농도를 유지하며 도핑원소의 안정적인 활성화를 가능하게 하며, 광활성층의 하부에 위치하는 구성요소(일 예로, 기판, 전극, p형 또는 n형 반도체등)의 열적 손상을 방지할 수 있다. A method of manufacturing a photoactive layer according to an embodiment of the present invention includes the steps of: forming a silicon quantum dot layer in an undoped state by irradiating a pulsed laser to an undoped silicon compound layer as described above, As the doping and activation of the doping element is performed, the doping element implanted can be activated by heat treatment at a temperature known as the activation temperature of the doping element. Specifically, the heat treatment for activation of the doping element may be performed at a temperature of 400 to 900 캜. The quantum dot formation and the injection of the doping element independently and the activation at low temperature enables the stable activation of the doping element while maintaining the designed doping profile and doping concentration and the activation of the component (e.g., substrate, electrode, p Type or n-type semiconductor, etc.) can be prevented.
본 발명은 상술한 광활성층 제조방법을 이용하는 광소자의 제조방법을 포함한다. 이때, 광소자는 광기전소자(태양전지) 또는 발광소자(Light Emitting Diode)를 포함할 수 있으며, 이에 따라, 본 발명은 상술한 광활성층 제조방법을 이용한 광기전소자의 제조방법 또는 상술한 광활성층 제조방법을 이용한 발광소자의 제조방법을 포함한다.The present invention includes a method of manufacturing an optical device using the above-described photoactive layer production method. In this case, the optical device may include a photovoltaic device (a solar cell) or a light emitting device. Accordingly, the present invention can provide a method of manufacturing a photovoltaic device using the above- And a manufacturing method of the light emitting device using the manufacturing method.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광소자의 제조방법을 도시한 일 공정도로, 상세하게, 본 발명의 일 실시예 따른 광소자의 제조방법은 하부전극(120)이 형성되고 제1형 불순물로 도핑된 실리콘 기판(110)상, 상술한 광활성층의 제조방법으로 실리콘 양자점 광활성층(500)을 제조하되, 도핑원소로 제1형 불순물과 상보적인 불순물을 주입하여, 실리콘 양자점 광활성층(500)을 제조하는 단계; 및 실리콘 양자점 광활성층(500) 상 상부전극(600)을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.FIG. 2 is a process diagram illustrating a method of manufacturing an optical device according to an embodiment of the present invention. Specifically, a method of manufacturing an optical device according to an embodiment of the present invention includes forming a
상세하게, 도 2에 도시한 일 공정도와 같이, 하부전극(120)이 형성되고 제1형 불순물로 도핑된 실리콘 기판(110)상 실리콘-리치의 인트린직 실리콘화합물층(200)을 형성한 후, 펄스 레이저 조사에 의해 실리콘화합물 매질(310) 내에 실리콘 양자점(320)이 형성된 실리콘양자점층(300)을 제조할 수 있다. 이후, 전기적 특성 조절을 위한 불순물을 함유하지 않는 실리콘양자점층(300)에 불순물인 도핑 원소를 주입하여, 도핑 원소로 도핑된 매질(410) 내에 도핑 원소로 도핑된 실리콘 양자점(420)을 포함하는 도핑된 실리콘양자점층(400)을 제조할 수 있다. 이때, 실리콘 기판(110)이 n형 불순물을 함유하는 n형 실리콘 기판인 경우, 실리콘양자점층(300)에 주입되는 도핑 원소는 p형 불순물일 수 있으며, 이와 달리 실리콘 기판(110)이 p형 불순물을 함유하는 p형 실리콘 기판인 경우, 실리콘양자점층(300)에 주입되는 도핑 원소는 n형 불순물일 수 있다. 2, a silicon-rich intrinsic
도핑된 실리콘양자점층(400)은 도핑원소의 활성화를 위한 열처리를 통해, 도핑 원소가 도핑되고 활성화된 실리콘 화합물의 매질(510) 내에 도핑 원소가 도핑되고 활성화된 실리콘 양자점(520)을 포함하는 광활성층(500)이 제조될 수 있다. The doped silicon
이후 제조된 광활성층(500) 상부로 상부전극(600)이 형성될 수 있는데, 상부전극(600)은 목적하는 광소자에 따라 소자의 작동에 유리한 구조를 가질 수 있다. 구체적인 일 예로, 광소자가 광기전소자인 경우, 상부전극(600)은 투명전도성막(투명전극)일 수 있다. 투명전도성막은 입사광을 통과시키는 투명창으로서 뿐만 아니라 입사광에 의해 생성된 전자를 모으는 전극 역할을 수행할 수 있다. 투명전도성막은 통상의 태양전지에서 투명한 전면 전극으로 사용되는 물질이면 무방하다. 구체적이며 비 한정적인 일 예로, 투명전도성막은 ZnO, AZO(aluminuim-doped zinc oxide), GZO(Ga-doped zinc oxide), BZO(boron-doped zinc oxide), ITO(indium tin oxide), FTO(fluorinedoped tin oxide), 그래핀 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 목적하는 광소자가 광기전소자인 경우, 투명전도성막에 모인 광전류를 효과적으로 이송시키기 위해, 투명전도성막 상부에 금속 그리드 전극(또는 금속 패드)이 더 구비될 수 있음은 물론이다. 다른 일 예로, 광소자가 발광소자인 경우, 상부전극(600)은 금속막일 수 있다. 상부전극 및 하부전극 각각의 두께는 특별히 한정되지 않으나, 50 nm 내지 2000 nm 일 수 있으며, 구체적으로는 50 nm 내지 800 nm 일 수 있고, 보다 구체적으로는 100 nm 내지 600 nm 일 수 있다. 상부전극 및 하부전극은 각각 스크린 프린팅, 스텐실 프린팅등의 통상의 프린팅 방법 또는 물리적 증착(PVD)이나 화학적 증착(CVD)을 이용한 통상의 증착 공정을 이용하여 제조될 수 있다. The
본 발명은 상술한 광소자의 제조방법으로 제조된 광소자를 포함한다.The present invention includes an optical element manufactured by the above-described method for manufacturing an optical element.
본 발명은 상술한 광활성층의 제조방법으로 제조된 실리콘 양자점 광활성층을 포함한다.The present invention includes a silicon quantum dot photoactive layer prepared by the above-described method for producing a photoactive layer.
본 발명에 따른 실리콘 양자점 광활성층은, 극히 균일하고 미세한 실리콘 양자점이 실리콘 화합물 매질 내에 매우 고르게 분산 함입되어, 현저하게 향상된 발광 효율을 갖는 장점이 있다. 이때, 매질인 실리콘 화합물은 화학양론비를 만족하는 실리콘화합물일 수 있으며, 구체적인 일 예로, 화학양론비를 만족하는 실리콘산화물, 실리콘질화물 또는 실리콘산질화물일 수 있다. The silicon quantum dot photoactive layer according to the present invention is advantageous in that extremely uniform and fine silicon quantum dots are dispersed evenly in the silicon compound medium and have remarkably improved luminous efficiency. At this time, the silicon compound as a medium may be a silicon compound satisfying a stoichiometric ratio, and may be, for example, a silicon oxide, a silicon nitride, or a silicon oxynitride satisfying a stoichiometric ratio.
본 발명의 일 실시예에 다른 실리콘 양자점 광활성층은 하기 관계식 2 및 관계식 3을 만족하는 실리콘 양자점이 실리콘 화합물 매질에 분산 함입된 층일 수 있다.The other silicon quantum dot photoactive layer according to one embodiment of the present invention may be a layer in which silicon quantum dots satisfying the following relational expression 2 and relational expression 3 are dispersed in the silicon compound medium.
(관계식 2)(Relational expression 2)
3 nm ≤ Dm ≤ 6 nm3 nm < / = D m < / = 6 nm
관계식 2에서, Dm은 매질에 분산 함입된 실리콘 양자점의 평균 직경이다.In Equation (2), Dm is the average diameter of the silicon quantum dots dispersed in the medium.
(관계식 3)(Relational expression 3)
0.9Dm ≤ D ≤1.1Dm 0.9D m ? D ≤1.1D m
관계식 3에서, D는 매질에 분산 함입된 실리콘 양자점의 직경이며, Dm은 실리콘 양자점의 평균 직경이다.In Equation 3, D is the diameter of the silicon quantum dots dispersed in the medium, and D m is the average diameter of the silicon quantum dots.
관계식 2와 같이, 매질에 분산 함입된 실리콘 양자점의 평균 직경은 3 내지 6 nm일 수 있다. 이러한 미세한 크기의 실리콘 양자점은 양자구속효과에 의해 400 내지 700 nm 파장 대역의 가시광을 효과적으로 흡수할 수 있어 유리하다. As in Equation 2, the average diameter of the silicon quantum dots dispersedly embedded in the medium may be 3 to 6 nm. The silicon quantum dots having such a small size are advantageous because they can efficiently absorb visible light in the 400 to 700 nm wavelength band due to the quantum confinement effect.
이와 함께, 상술한 관계식 3에 따라, 매질에 분산 함입된 실리콘 양자점들은 극히 균일한 크기를 가질 수 있다. 즉, 관계식 3에 따라, 매질에 분산 함입된 실리콘 양자점은, 평균 크기를 기준으로 Dm ± 0.1Dm (nm)의 크기일 수 있으며, 보다 특징적으로, Dm ± 0.5Dm (nm)의 크기일 수 있다. 이러한 극히 균일한 실리콘 양자점의 크기 분포는, 상술한 바와 같이 실리콘화합물층에 펄스 레이저를 조사하여 실리콘 양자점을 생성함에 따라 얻어질 수 있는 크기 분포로, 펄스 레이저 조사 영역에 국한된 반응장, 실리콘화합물층이 제공하는 일정한 구동력, 펄스 레이저의 조사에 의한 극히 빠른 가열과 퀀칭등의 조건에 의해 얻어질 수 있는 극히 균일한 크기 분포이다. In addition, according to the above-described relation (3), the silicon quantum dots dispersedly embedded in the medium can have extremely uniform sizes. That is, according to relation 3, the silicon quantum dots dispersed in the medium are D m ± 0.1D m (nm), and more specifically, D m ± 0.5 D m (nm). < / RTI > This extremely uniform distribution of the size of the silicon quantum dots is a size distribution that can be obtained by generating a silicon quantum dot by irradiating the silicon compound layer with a pulsed laser as described above and provides a reaction field and a silicon compound layer confined to the pulse laser irradiation region A uniform driving force which can be obtained by conditions such as constant driving force, extremely rapid heating and quenching by irradiation of pulsed laser, and the like.
본 발명의 일 실시예에 따른 광활성층에 있어, 실리콘 양자점의 밀도는 1.0x1017 개/cm3 내지 1.0x1019 개/cm3일 수 있다. 상술한 바와 같이, 미세하고 균일한 크기를 갖는 양자점이 극히 고밀도로 매질에 함입되어 있음에 따라, 양자점 간의 간격이 균일하고 좁아, 광활성층에서의 전자 터널링이 용이하게 발생하여 낮은 직렬저항을 가지면서도 우수한 광효율을 가질 수 있다. In the photoactive layer according to an embodiment of the present invention, the density of the silicon quantum dots may be 1.0 x 10 17 / cm 3 to 1.0 x 10 19 / cm 3 . As described above, since the quantum dots having a fine and uniform size are embedded in the medium at an extremely high density, the gap between the quantum dots is uniform and narrow, and electron tunneling in the photoactive layer is easily generated, It can have an excellent optical efficiency.
상술한 바와 같이, 실리콘 화합물 매질 내에 매우 균일한 크기를 갖는 미세한 실리콘 양자점이 고밀도로 분산 함입되어 있음에 따라, 종래의 열처리에 의해 제조된 광활성층 대비, 동일한 광활성층의 두께로도 광소자의 효율을 향상시킬 수 있으며, 나아가, 보다 두꺼운 광활성층을 구현하는 경우 태양광의 흡수율을 향상되면서도 직렬저항의 증가에 의한 효율 감소가 방지되어 광소자의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 구체적인 일 예로, 광활성층의 두께는 50 내지 200 nm, 보다 구체적으로는 90 내지 120 nm일 수 있다. 종래 열처리에 의해 실리콘 양자점이 실리콘 화합물 매질에 형성된 광활성층의 경우 직렬저항의 증가에 의해 100 nm 이상의 두께의 광활성층에서는 그 효율이 저하되는 문제점이 있었다. 그러나, 본 발명에 따른 광활성층은 극히 용이한 전자 터널링이 발생함에 따라, 종래 열처리에 의해 제조된 광활성층 대비 보다 두꺼운 광활성층의 구현이 가능한 장점이 있다.As described above, since the fine silicon quantum dots having a very uniform size are dispersed and embedded in the silicon compound medium at high density, the efficiency of the optical device can be improved by the thickness of the same photoactive layer compared to the photoactive layer produced by the conventional heat treatment In addition, when a thicker photoactive layer is implemented, the efficiency of the optical device can be further improved by preventing the decrease in efficiency due to an increase in series resistance while improving the absorption rate of sunlight. As a specific example, the thickness of the photoactive layer may be from 50 to 200 nm, more specifically from 90 to 120 nm. In the case of a photoactive layer in which silicon quantum dots are formed in a silicon compound medium by the conventional heat treatment, the efficiency is lowered in the photoactive layer having a thickness of 100 nm or more due to an increase in series resistance. However, since the photoactive layer according to the present invention has extremely easy electron tunneling, the photoactive layer can be formed thicker than the photoactive layer manufactured by conventional heat treatment.
본 발명은 상술한 광활성층이 구비된 광소자를 포함한다. 구체적으로, 본 발명은 상술한 광활성층이 구비된 광기전소자 또는 상술한 광활성층이 구비된 발광소자를 포함한다.The present invention includes an optical device having the photoactive layer described above. Specifically, the present invention includes a photovoltaic device having the above-described photoactive layer or a light emitting device having the above photoactive layer.
도 3은, 종래 열처리로 제조된 광활성층(도 3의 previous)과, 본 발명의 일 실시예에 따라 펄스 레이저 조사 후 붕소를 주입하고 활성화시켜 제조된 광활성층(도 3의 Implant Boron)의 발광특성(조사광 = 405 nm)을 측정 도시한 도면이다. 상세하게, 종래의 광활성층은 n형 실리콘 기판에 붕소 도핑된 SiO1.6의 실리콘화합물층을 110 nm 두께로 증착한 후 1100℃로 60분간 열처리하여 제조하였다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광활성층은 동일한 n형 실리콘 기판에 인트린직한 SiO1.6의 실리콘화합물층을 110 nm 두께로 증착한 후, 1 kHz의 반복률, 100 fs의 펄스폭, Ti: Sapphire(775 nm) 레이저를 광원으로 하여, 100 mJ/cm2의 플루언스로 실리콘화합물층에 펄스 레이저 조사하여 실리콘양자점층을 제조한 후, 제조된 실리콘양자점층에 1.5x1021 atom/cm3로 붕소를 주입하고 900℃의 온도에서 20분 동안 활성화시켜 제조하였다.FIG. 3 is a graph showing the relationship between the photoactive layer (previous of FIG. 3) prepared by conventional heat treatment and the light emission of the photoactive layer (Implant Boron of FIG. 3) produced by injecting and activating boron after pulsed laser irradiation according to an embodiment of the present invention (Irradiation light = 405 nm). In detail, the conventional photoactive layer was prepared by depositing a boron-doped SiO 1.6 silicon compound layer on an n-type silicon substrate to a thickness of 110 nm and then heat-treating the resultant structure at 1100 ° C for 60 minutes. The photoactive layer according to an embodiment of the present invention is formed by depositing a silicon compound layer of SiO 1.6 which is intrinsic to an identical n-type silicon substrate to a thickness of 110 nm and then forming a Ti: Sapphire (775 nm) laser as a light source, pulsed laser irradiation was applied to the silicon compound layer with fluence of 100 mJ / cm 2 to produce a silicon quantum dot layer. Then, boron was implanted into the silicon quantum dot layer at 1.5 x 10 21 atoms / cm 3 Lt; RTI ID = 0.0 > 900 C < / RTI > for 20 minutes.
도 3에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따라 제조된 광활성층의 경우, 종래 열처리에 의해 제조된 광활성층 대비 3.5배 이상 현저하게 증대된 발광 효율을 가짐을 알 수 있다. 이러한 증대된 발광 효율은 미세하고 균일한 크기의 양자점이 고밀도로 형성됨에 기인한 것이다.As can be seen from FIG. 3, the photoactive layer produced according to the present invention has a luminous efficiency that is remarkably increased by 3.5 times or more as compared with the photoactive layer produced by the conventional heat treatment. This increased luminous efficiency is due to the formation of fine and uniformly sized quantum dots at high density.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 광활성층을 관찰한 투과전자현미경 사진이다. 도 4에서 알 수 있듯이, 종래의 열처리를 이용하여 광활성층을 제조하는 경우 대비 극히 균일한 크기를 갖는 미세한 실리콘 양자점이 매우 높은 밀도로 균질하게 형성됨을 알 수 있다. 구체적으로는, 평균직경(Dm)이 5 nm이며, 그 크기 편차가 ± 0.5Dm 이내(4.75~5.25 nm)인 실리콘 양자점이 1.0x1018 개/cm3의 밀도로 균일하게 형성됨을 알 수 있다. FIG. 4 is a transmission electron micrograph showing a photoactive layer produced according to an embodiment of the present invention. FIG. As can be seen from FIG. 4, when the photoactive layer is manufactured using the conventional heat treatment, it can be seen that the fine silicon quantum dots having a very uniform size are uniformly formed at a very high density. Specifically, the mean diameter (D m) of 5 nm, and the size variation of ± 0.5D of the silicon quantum dots within m (4.75 ~ 5.25 nm) to find out the formed uniformly at a density of 1.0x10 18 gae / cm 3 have.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Those skilled in the art will recognize that many modifications and variations are possible in light of the above teachings.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Accordingly, the spirit of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described, and all of the equivalents or equivalents of the claims, as well as the following claims, belong to the scope of the present invention .
Claims (11)
b) 상기 인트린직 실리콘화합물층에 근적외선 내지 적외선 펄스 레이저를 조사하여 실리콘화합물인 매질에 실리콘 양자점이 형성된 실리콘양자점층을 형성하는 단계; 및
c) 상기 실리콘양자점층에 도핑원소를 주입하고, 활성화하여 광활성층을 제조하는 단계;
를 포함하는 실리콘 양자점 광활성층의 제조방법.a) forming a silicon-rich intrinsic silicon compound layer;
b) irradiating the intrinsic silicon compound layer with a near infrared ray or an infrared ray pulsed laser to form a silicon quantum dot layer having silicon quantum dots in a medium which is a silicon compound; And
c) injecting the doping element into the silicon quantum dot layer and activating the dopant element to produce a photoactive layer;
Lt; RTI ID = 0.0 > a < / RTI > silicon quantum dot photoactive layer.
상기 b) 단계에서, 상기 펄스 레이저의 에너지에 의해, 상기 실리콘 양자점의 크기 및 밀도가 제어되는 실리콘 양자점 광활성층의 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the size and the density of the silicon quantum dots are controlled by the energy of the pulse laser in the step b).
상기 b) 단계에서 조사되는 펄스 레이저의 플루언스는 0.1 mJ/cm2 내지 200 mJ/cm2인 실리콘 양자점 광활성층의 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the fluence of the pulsed laser irradiated in step b) is from 0.1 mJ / cm 2 to 200 mJ / cm 2 .
상기 a) 단계의 상기 실리콘화합물층은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 또는 실리콘 산-질화물(oxynitride)인 실리콘 양자점 광활성층의 제조방법.The method according to claim 1,
Wherein the silicon compound layer in step a) is silicon oxide, silicon nitride or silicon oxynitride.
a) 단계에서, 하기 관계식 1을 만족하는 실리콘-리치의 인트린직 실리콘화합물층이 형성되는 실리콘 양자점 광활성층의 제조방법.
(관계식 1)
0.5 ≤ Ratio(SC)/Ratio(STO) ≤ 0.9
(관계식 1에서, Ratio(SC)는 a)단계의 실리콘화합물층에 함유된 실리콘 기준, 실리콘 대 실리콘과 결합하여 실리콘화합물을 형성하는 원소인 결합원소의 원소비이며, Ratio(STO)는 실리콘 기준, 실리콘 대 상기 결합원소의 화학양론비에 따른 원소비이다)The method according to claim 1,
in step (a), a silicon-rich intrinsic silicon compound layer satisfying the following relational expression (1) is formed.
(Relational expression 1)
0.5? Ratio (SC) / Ratio (STO)? 0.9
(Ratio (SC) is the silicon content contained in the silicon compound layer in step a), the silicon content of the bonding element, which is an element forming silicon compound by bonding with silicon to silicon, Ratio (STO) Lt; RTI ID = 0.0 > silicon-to-bonding < / RTI &
상기 c) 단계 전, 또는 상기 c) 단계의 도핑 원소 주입 후 및 활성화 전, a) 단계 및 b) 단계를 일 단위 공정으로, 상기 단위 공정이 반복 수행되는 실리콘 양자점 광활성층의 제조방법.The method according to claim 1,
The method of manufacturing a silicon quantum dot photoactive layer in which the unit process is repeatedly performed before the step c), or after the doping element implantation and before the activation of the step c), and a) and b)
상기 실리콘 양자점 광활성층 상 상부전극을 형성하는 단계;
를 포함하는 광소자의 제조방법.A silicon quantum dot photoactive layer is prepared by a manufacturing method according to any one of claims 1 to 3 and 5 to 7 on a silicon substrate on which a lower electrode is formed and doped with a first type impurity, Forming a silicon quantum dot photoactive layer by implanting impurities complementary to the first type impurity; And
Forming an upper electrode on the silicon quantum dot photoactive layer;
Wherein the optical device comprises a substrate.
상기 광소자는 광기전(photovoltaic) 소자 또는 발광 소자인 광소자의 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the optical device is a photovoltaic device or a light emitting device.
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