KR102255301B1 - 강유전성 물질을 포함하는 광전자소자 - Google Patents
강유전성 물질을 포함하는 광전자소자 Download PDFInfo
- Publication number
- KR102255301B1 KR102255301B1 KR1020140059965A KR20140059965A KR102255301B1 KR 102255301 B1 KR102255301 B1 KR 102255301B1 KR 1020140059965 A KR1020140059965 A KR 1020140059965A KR 20140059965 A KR20140059965 A KR 20140059965A KR 102255301 B1 KR102255301 B1 KR 102255301B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- electrode
- layer
- optoelectronic device
- ferroelectric
- ferroelectric layer
- Prior art date
Links
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 title claims abstract description 97
- 239000000463 material Substances 0.000 title description 34
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims abstract description 36
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 32
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 17
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 34
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 30
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 27
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 24
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 22
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 6
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 5
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 210
- 101150027645 SUB10 gene Proteins 0.000 description 10
- 150000004770 chalcogenides Chemical class 0.000 description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 7
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 7
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 7
- 101100136062 Mycobacterium tuberculosis (strain ATCC 25618 / H37Rv) PE10 gene Proteins 0.000 description 6
- 229910052798 chalcogen Inorganic materials 0.000 description 5
- 150000001787 chalcogens Chemical class 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 5
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 5
- -1 transition metal chalcogenide Chemical class 0.000 description 5
- 101150087985 SUB11 gene Proteins 0.000 description 4
- 230000009975 flexible effect Effects 0.000 description 4
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 description 4
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 4
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 3
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052713 technetium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910016001 MoSe Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 229920000307 polymer substrate Polymers 0.000 description 2
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 2
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 2
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 2
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 description 1
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910005543 GaSe Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910005866 GeSe Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920001166 Poly(vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene) Polymers 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 229910052745 lead Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001151 other effect Effects 0.000 description 1
- 229920000131 polyvinylidene Polymers 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
- H01L31/032—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0224—Electrodes
- H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
- H01L31/032—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312
- H01L31/0324—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312 comprising only AIVBVI or AIIBIVCVI chalcogenide compounds, e.g. Pb Sn Te
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
광전자소자에 관해 개시되어 있다. 개시된 광전자소자는 제1 및 제2 전극 사이에 구비된 광활성층(photoactive layer)과, 상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 어느 하나에 대응하도록 구비된 강유전층(ferroelectric layer)을 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나는 그래핀을 포함할 수 있다. 상기 광활성층은 이차원 반도체를 포함할 수 있다. 상기 광전자소자는 제3 전극을 더 포함할 수 있고, 이 경우, 상기 강유전층은 상기 제2 전극과 제3 전극 사이에 구비될 수 있다. 상기 제2 전극, 상기 강유전층 및 상기 제3 전극은 나노발전기(nanogenerator)를 구성할 수 있다.
Description
광학소자, 보다 상세하게는 광전자소자에 관한 것이다.
반도체 물질의 광전기적 특성을 이용하는 광전자소자(optoelectronic device)가 있다. 광전자소자는 광학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 소자 및 전기적 에너지를 광학적 에너지로 변환하는 소자를 포함한다. 광학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 소자로는 포토다이오드(photodiode), 태양전지(solar cell) 등이 있다. 포토다이오드는 외부전압이 인가된 상태에서 광검출기(photodetector)로 사용될 수 있다. 즉, 포토다이오드에 외부전압이 인가된 상태에서, 특정 파장의 빛이 포토다이오드에 조사되었을 때 발생되는 광전류(photocurrent)를 검출함으로써, 광검출기로 사용될 수 있다. 한편, 태양전지는 광기전력 효과(photovoltaic effect)를 이용한다.
최근에는, 광전자소자에 이차원 물질(two-dimensional material)(2D material)을 적용하려는 시도가 이루어지고 있다. 그런데, 이차원 물질을 적용하여 광전자소자를 구현하는데 있어서, 원하는 에너지 밴드 구조를 만드는데 어려움이 있고, 광기전(photovoltaic) 특성이나 광전도(photoconductive) 특성을 확보하기가 쉽지 않은 문제가 있다.
에너지 밴드 구조의 제어가 용이한 광전자소자를 제공한다.
광검출 감도의 조절/개선이 용이한 광전자소자를 제공한다.
외부 인가전압 없이 광전도(photoconductive) 특성을 나타낼 수 있는 자가발전형(self-powered) 광전자소자(광검출기)를 제공한다.
광기전(photovoltaic) 특성이 우수한 광전자소자(태양전지)를 제공한다.
에너지 하베스팅(energy harvesting) 기능을 갖는 광전자소자를 제공한다.
이차원 물질(2D material)을 포함하면서 위와 같은 특성들을 확보할 수 있는 광전자소자를 제공한다.
본 발명의 일 측면(aspect)에 따르면, 제1 전극; 상기 제1 전극과 이격된 제2 전극; 상기 제1 및 제2 전극 사이에 구비된 광활성층(photoactive layer); 및 상기 제2 전극의 일면에 구비된 강유전층(ferroelectric layer);을 포함하는 광전자소자(optoelectronic device)가 제공된다.
상기 제1 전극, 상기 광활성층, 상기 제2 전극 및 상기 강유전층이 기판 상에 순차로 구비될 수 있다.
상기 강유전층, 상기 제2 전극, 상기 광활성층 및 상기 제1 전극이 기판 상에 순차로 구비될 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나는 그래핀을 포함할 수 있다.
상기 광활성층은 이차원 반도체를 포함할 수 있다.
상기 강유전층은 강유전성 폴리머를 포함할 수 있다.
상기 강유전층은 유기물 혹은 무기물을 포함할 수 있다.
상기 강유전층은 상기 제2 전극에 인접한 면에 양(+)의 분극 또는 음(-)의 분극을 가질 수 있다.
상기 강유전층은 상기 제2 전극과 상기 광활성층 사이의 에너지 베리어(energy barrier)의 높이를 조절하도록 구성될 수 있다.
상기 광전자소자는 광검출기(photodetector) 또는 광전소자(photovoltaic device)일 수 있다.
상기 광검출기는 자가발전형(self-powered) 광검출기일 수 있다.
상기 광전자소자는 상기 제2 전극과 이격된 제3 전극을 더 포함할 수 있고, 이 경우, 상기 강유전층은 상기 제2 및 제3 전극 사이에 구비될 수 있다.
상기 제1 전극, 상기 광활성층, 상기 제2 전극, 상기 강유전층 및 상기 제3 전극이 기판 상에 순차로 구비될 수 있다.
상기 제3 전극, 상기 강유전층, 상기 제2 전극, 상기 광활성층 및 상기 제1 전극이 기판 상에 순차로 구비될 수 있다.
상기 제1 내지 제3 전극 중 적어도 하나는 그래핀을 포함할 수 있고, 상기 광활성층은 이차원 반도체를 포함할 수 있다.
상기 제2 전극과 상기 강유전층 사이에 확산방지층이 더 구비될 수 있다.
상기 확산방지층은 제2 전극을 보호하기 위한 보호층일 수 있다.
상기 확산방지층은 이차원 절연층을 포함할 수 있다.
상기 확산방지층은 약 5 nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
상기 제2 전극, 상기 강유전층 및 상기 제3 전극은 압전 나노발전기(piezoelectric nanogenerator)를 구성할 수 있다.
상기 압전 나노발전기(piezoelectric nanogenerator)는 진동에 의해 전기를 발생하도록 구성될 수 있다.
상기 제1 전극, 제2 전극 및 제3 전극에 연결된 전기저장장치가 더 구비될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 광활성층을 포함하는 광전자요소(optoelectronic element); 상기 광전자요소와 연결된 것으로, 강유전체를 포함하는 나노발전기(nanogenerator); 및 상기 광전자요소 및 상기 나노발전기에 연결된 전기저장장치;를 포함하는 광전자장치(optoelectronic apparatus)가 제공된다.
상기 광전자장치는 제1 그래핀층, 제2 그래핀층 및 제3 그래핀층을 포함할 수 있고, 상기 제1 그래핀층과 제2 그래핀층 사이에 상기 광활성층을 포함할 수 있으며, 상기 제2 그래핀층과 제3 그래핀층 사이에 상기 강유전체를 포함할 수 있다.
상기 광전자장치는 상기 제2 그래핀층과 상기 강유전체 사이에 구비된 확산방지층을 더 포함할 수 있다.
상기 광활성층은 이차원 반도체를 포함할 수 있다.
상기 강유전층은 유기물 혹은 무기물을 포함할 수 있다.
에너지 밴드 구조의 제어가 용이한 광전자소자를 구현할 수 있다. 광검출 감도의 조절/개선이 용이한 광전자소자를 구현할 수 있다. 외부 인가전압 없이 광전도(photoconductive) 특성을 나타낼 수 있는 자가발전형(self-powered) 광전자소자(광검출기)를 구현할 수 있다. 광기전(photovoltaic) 특성이 우수한 광전자소자(태양전지)를 구현할 수 있다. 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기능을 갖는 광전자소자를 구현할 수 있다. 이차원 물질(2D material)을 포함하면서 위와 같은 특성들을 확보할 수 있는 광전자소자를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자(optoelectronic device)를 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전자소자를 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전자소자를 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전자소자를 보여주는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전자소자를 보여주는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전자소자를 보여주는 단면도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 광전자소자의 강유전층에 의한 에너지 밴드 변화를 보여주는 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 광전자소자의 강유전층에 의한 에너지 밴드 변화를 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전자소자를 보여주는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전자소자를 보여주는 단면도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전자소자를 보여주는 단면도이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전자소자를 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전자소자를 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전자소자를 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전자소자를 보여주는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전자소자를 보여주는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전자소자를 보여주는 단면도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 광전자소자의 강유전층에 의한 에너지 밴드 변화를 보여주는 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 광전자소자의 강유전층에 의한 에너지 밴드 변화를 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전자소자를 보여주는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전자소자를 보여주는 단면도이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전자소자를 보여주는 단면도이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전자소자를 보여주는 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시예들에 따른 광전자소자를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성을 위해 다소 과장되게 도시된 것이다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자(optoelectronic device)를 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 광전자소자는 서로 이격된 제1 및 제2 전극(E10, E20)과 이들 사이에 구비된 광활성층(photoactive layer)(A10)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 전극(E10, E20) 중 적어도 하나는 그래핀(graphene)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 전극(E10, E20) 모두 그래핀층(graphene layer)일 수 있다. 이때, 상기 그래핀층은 하나의 그래핀으로 구성된 단층 그래핀(single layer graphene)이거나, 복수의 그래핀(약 100층 이내의 복수의 그래핀)이 겹쳐진(적층된) 구조를 가질 수 있다.
광활성층(A10)은 이차원 반도체(two-dimensional semiconductor)(2D semiconductor)를 포함할 수 있다. 상기 이차원 반도체는 금속 칼코게나이드계(metal chalcogenide-based) 물질일 수 있다. 상기 금속 칼코게나이드계 물질은 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re 중 하나의 전이금속과 S, Se, Te 중 하나의 칼코겐(chalcogen) 원소를 포함할 수 있다. 상기 TMDC 물질은, 예컨대, MX2 로 표현될 수 있고, 여기서, M은 전이금속이고, X는 칼코겐 원소이다. 상기 M은 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re 등일 수 있고, 상기 X는 S, Se, Te 일 수 있다. 상기 TMDC 물질은, 예컨대, MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, WTe2, ZrS2, ZrSe2, HfS2, HfSe2, NbSe2, ReSe2 등일 수 있다. 상기 금속 칼코게나이드계 물질은 MX2 로 표현되지 않을 수도 있다. 일례로, 전이금속인 Cu와 칼코겐 원소인 S의 화합물(전이금속 칼코게나이드 물질)은 CuS로 표현될 수 있다. 이러한 CuS도 이차원 물질일 수 있으므로, 상기 금속 칼코게나이드계 물질로 적용될 수 있다. 상기 금속 칼코게나이드계 물질은 비전이금속(non-transition metal)을 포함하는 칼코게나이드 물질일 수도 있다. 상기 비전이금속은, 예컨대, Ga, In, Sn, Ge, Pb 등일 수 있다. 즉, Ga, In, Sn, Ge, Pb 등의 비전이금속과 S, Se, Te와 같은 칼코겐 원소의 화합물이 상기 금속 칼코게나이드계 물질로 사용될 수 있다. 상기 비전이금속을 포함하는 칼코게나이드 물질은, 예컨대, SnSe2, GaS, GaSe, GaTe, GeSe, In2Se3, InSnS2 등일 수 있다. 따라서, 상기 금속 칼코게나이드계 물질은 Mo, W, Nb, V, Ta, Ti, Zr, Hf, Tc, Re, Cu, Ga, In, Sn, Ge, Pb 중 하나의 금속 원소와 S, Se, Te 중 하나의 칼코겐 원소를 포함한다고 할 수 있다. 그러나, 여기서 제시한 물질(원소)들은 예시적인 것이고, 그 밖에 다른 물질(원소)들이 적용될 수도 있다. 상기한 물질들 중에서 MoS2, MoSe2, MoTe2, WSe2, WTe2 등은 n형 반도체일 수 있고, WS2, ZrS2, ZrSe2, HfS2, HfSe2, NbSe2 등은 p형 반도체일 수 있다.
상기 광전자소자는 제1 및 제2 전극(E10, E20) 중 하나, 예컨대, 제2 전극(E20)의 일면에 구비된 강유전층(ferroelectric layer)(F10)을 포함할 수 있다. 강유전층(F10)은 제2 전극(E20)의 상면에 구비될 수 있다. 이 경우, 광활성층(A10)과 강유전층(F10) 사이에 제2 전극(E20)이 위치할 수 있다. 강유전층(F10)은 전기 분극(electric polarization) 특성을 가질 수 있다. 예컨대, 강유전층(F10)은 하면부에 양(+)의 분극을 갖고 상면부에 음(-)의 분극을 갖거나, 그 반대일 수 있다. 이러한 강유전층(F10)에 의해 제2 전극(E20) 및/또는 광활성층(A10)의 에너지 밴드 구조가 조절될 수 있다. 다시 말해, 강유전층(F10)의 분극에 의한 전기장(electric field)이 제2 전극(E20) 및/또는 광활성층(A10)의 특성에 영향을 줄 수 있다. 예컨대, 강유전층(F10)에 의해 제2 전극(E20)과 광활성층(A10) 사이의 쇼트키 베리어 높이(Schottky barrier height)가 조절될 수 있다. 또한, 강유전층(F10)의 분극 정도 및 분극 방향(전기장 방향) 등에 따라, 강유전층(F10)이 제2 전극(E20) 및/또는 광활성층(A10)에 미치는 영향이 달라질 수 있다. 강유전층(F10)의 역할과 관련하여, 본 실시예에 따른 광전자소자는 우수한 특성 및 다양한 이점을 가질 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 본 발명의 실시예에 따르면, 에너지 밴드 구조의 제어를 통해, 광검출 감도의 조절/개선이 용이한 광전자소자를 구현할 수 있다. 또한, 외부 인가전압 없이 광전도(photoconductive) 특성을 나타낼 수 있는 자가발전형(self-powered) 광전자소자(광검출기)를 구현할 수 있다. 또한, 광기전(photovoltaic) 특성이 우수한 광전자소자(태양전지)를 구현할 수 있다.
강유전층(F10)은, 예컨대, 강유전성 폴리머를 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 강유전층(F10)은 polyvinylidene fluoride, 즉, PVDF를 포함할 수 있다. 또는, 강유전층(F10)은 poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene), 즉, P(VDF-TrFE), 또는 poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene), 즉, P(VDF-TrFE-CFE)를 포함할 수 있다. 이와 같이, 강유전층(F10)이 폴리머(유기물)로 형성된 경우, 플렉서블(flexible) 특성 또는 스트레처블(stretchable) 특성을 가질 수 있다. 그러나 강유전층(F10)의 물질은 전술한 바에 한정되지 않고, 다양하게 변화될 수 있다. 강유전층(F10)은 폴리머(유기물)가 아닌 무기물로 구성될 수도 있다. 예컨대, 강유전층(F10)은 Pb(Zr,Ti)O3 [즉, PZT], SrBi2Ta2O9 [즉, SBT], Bi4Ti3O12, BaTiO3와 같은 무기물을 포함할 수 있다. 그 밖에도 강유전층(F10)의 물질은 다양하게 변화될 수 있다.
본 실시예에서는 제1 전극(E10), 광활성층(A10), 제2 전극(E20) 및 강유전층(F10)이 기판(SUB10) 상에 순차로 적층될 수 있다. 이때, 기판(SUB10)은 폴리머 기판일 수 있지만, 그 밖에 다른 기판, 예컨대, 실리콘 기판, 사파이어 기판, 유리 기판 등일 수도 있다. 기판(SUB10)의 종류에는 제한이 없고, 반도체소자 공정에서 사용하는 다양한 기판을 적용할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 층들(E10, A10, E20, F10)의 적층 순서는 달라질 수 있다. 예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 기판(SUB10) 상에 강유전층(F10), 제2 전극(E20), 광활성층(A10) 및 제1 전극(E10)이 순차로 적층될 수 있다. 도 2의 강유전층(F10)에서 제1 전극(E10) 까지의 적층 구조는 도 1의 제1 전극(E10)에서 강유전층(F10) 까지의 적층 구조를 상하로 뒤집은 구조와 동일하거나 유사할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전자소자를 보여주는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 기판(SUB10) 상에 제1 전극(E10), 광활성층(A10), 제2 전극(E20), 강유전층(F10) 및 제3 전극(E30)이 순차로 구비될 수 있다. 기판(SUB10)에서 강유전층(F10) 까지의 구조는 도 1의 구조와 동일하거나 유사할 수 있다. 즉, 도 3의 기판(SUB10), 제1 전극(E10), 광활성층(A10), 제2 전극(E20) 및 강유전층(F10)의 물질/특성은 각각 도 1의 제1 전극(E10), 광활성층(A10), 제2 전극(E20) 및 강유전층(F10)의 그것과 동일하거나 유사할 수 있다. 도 3의 제3 전극(E30)은, 예컨대, 그래핀을 포함할 수 있다. 제3 전극(E30)은 그래핀층일 수 있다. 이때, 상기 그래핀층은 하나의 그래핀으로 구성된 단층 그래핀(single layer graphene)이거나, 복수의 그래핀(약 100층 이내의 복수의 그래핀)이 겹쳐진(적층된) 구조를 가질 수 있다.
도 3에서 제2 전극(E20) 및 제3 전극(E30)은 강유전층(F10)에 극성을 형성하기 위한 공정, 즉, 폴링(poling) 공정을 위한 전극으로 사용될 수 있다. 제2 전극(E20) 및 제3 전극(E30)에 각각 양전압 및 음전압을 인가하거나, 그 반대로 인가하여 강유전층(F10)에 극성을 형성할 수 있다. 이러한 폴링(poling) 공정은 두 전극(E20, E30) 중 하나만 사용하더라도 가능할 수 있다. 따라서, 도 1과 같이 강유전층(F10)의 일측에만 전극(즉, 제2 전극)(E20)이 구비된 경우라도, 폴링(poling) 공정을 통해 강유전층(F10)에 극성을 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 3에서 층들(E10, A10, E20, F10, E30)의 적층 순서는 달라질 수 있다. 예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이, 기판(SUB10) 상에 제3 전극(E30), 강유전층(F10), 제2 전극(E20), 광활성층(A10) 및 제1 전극(E10)이 순차로 적층될 수 있다. 도 4의 제3 전극(E30)에서 제1 전극(E10) 까지의 적층 구조는 도 1의 제1 전극(E10)에서 제3 전극(E30) 까지의 적층 구조를 상하로 뒤집은 구조와 동일하거나 유사할 수 있다.
도 3 및 도 4에서 제2 전극(E20), 제3 전극(E30) 및 이들 사이에 구비된 강유전층(F10)은 나노발전기(nanogenerator)를 구성할 수 있다. 즉, 제2 전극(E20), 강유전층(F10) 및 제3 전극(E30)의 적층 구조는 나노발전기(nanogenerator)로 사용될 수 있다. 상기 나노발전기는 압전 나노발전기(piezoelectric nanogenerator)일 수 있다. 강유전층(F10)은 압전 특성을 가질 수 있다. 따라서, 강유전층(F10)은 기계적 변형에 의해 전기적 에너지를 발생시킬 수 있다. 이와 관련해서, 강유전층(F10)을 포함하는 상기 나노발전기는 외부 진동에 의해 전기를 발생시키는 기능을 가질 수 있다. 예컨대, 상기 나노발전기는 소리/음파, 구부림, 바람 등에 의한 진동(즉, 외부 요인에 의한 기계적 진동)에 의해 전력을 발생시킬 수 있다. 그러므로, 상기 나노발전기를 포함하는 본 실시예의 광전자소자는 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기능을 가질 수 있다.
도 3 및 도 4의 실시예에서 제2 전극(E20), 강유전층(F10) 및 제3 전극(E30)의 적층 구조를 나노발전기(nanogenerator)로 사용하는 경우, 상기 나노발전기에서 발생된 전기를 저장하기 위한 '전기저장장치'가 더 구비될 수 있다. 그 일례가 도 5에 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 제2 전극(E20), 강유전층(F10) 및 제3 전극(E30)은 나노발전기(NG10)를 구성할 수 있다. 이때, 제1 전극(E10), 광활성층(A10) 및 제2 전극(E20)은 광전자요소(optoelectronic element)(PE10)를 구성한다고 할 수 있다. 제2 전극(E20)은 광전자요소(PE10)에 대해 '상부전극'으로 사용될 수 있고, 나노발전기(NG10)에 대해 '하부전극'으로 사용될 수 있다. 제1 전극(E10), 제2 전극(E20) 및 제3 전극(E30)에 연결된 전기저장장치(ES10)가 구비될 수 있다. 전기저장장치(ES10)는 나노발전기(NG10) 및 광전자요소(PE10)에 연결되었다고 할 수 있다. 전기저장장치(ES10)는 축전기(커패시터, 슈퍼 커패시터), 이차전지 등일 수 있다. 나노발전기(NG10)에서 발생된 전기 에너지가 전기저장장치(ES10)에 저장될 수 있다. 전기저장장치(ES10)에 저장된 전기 에너지는 광전자요소(PE10)를 구동하는데 사용될 수 있다. 따라서, 본 실시예의 광전자소자는 나노발전기(NG10)에서 발생된 전기로 광전자요소(PE10)를 구동시키는 자가발전형(self-powered) 소자(광검출기)일 수 있다. 또한, 본 실시예의 광전자소자는 자가발전형 에너지 하베스팅(self-powered energy harvesting) 소자일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 1 내지 도 5의 구조에서, 제2 전극(E20)과 강유전층(F10) 사이에 '확산방지층'이 구비될 수 있다. 그 일례가 도 6에 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 제2 전극(E20)과 강유전층(F10) 사이에 확산방지층(B10)이 구비될 수 있다. 본 실시예는 도 3의 구조에 확산방지층(B10)이 추가된 경우를 보여준다. 확산방지층(B10)은 강유전층(F10)의 물질이 제2 전극(E20)으로 확산되는 것을 방지하는 역할을 할 수 있다. 확산방지층(B10)은 이차원 절연체를 포함할 수 있다. 예컨대, 확산방지층(B10)은 h-BN(hexagonal boron nitride)과 같은 이차원 절연체를 포함할 수 있다. 또한, 확산방지층(B10)은 5 nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 이러한 확산방지층(B10)은 제2 전극(E20) 및 광활성층(A10)에 대한 강유전층(F10)의 전기적 영향을 저해하지 않으면서 강유전층(F10)으로부터 제2 전극(E20)으로 물질이 확산되는 것을 방지하는 역할을 할 수 있다. 확산방지층(B10)은 제2 전극(E20)을 보호하는 일종의 '보호층'이라 할 수 있다. 확산방지층(B10)은 이차원 물질이 아닌 다른 물질, 예컨대, 실리콘 산화물, 실리콘 질화물 등 일반적일 절연물질로 구성될 수도 있다. 확산방지층(B10)이 존재하더라도, 그 두께가 비교적 얇기 때문에, 강유전층(F10)의 분극에 의한 제2 전극(E20) 및/또는 광활성층(A10)의 특성 조절은 용이하게 이루어질 수 있다.
도 6에서는 도 3의 구조에 확산방지층(B10)이 적용된 경우를 보여준다. 도 6의 확산방지층(B10)은 도 1, 도 2, 도 4 및 도 5의 구조에도 유사하게 적용될 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 광전자소자의 강유전층(F10)에 의한 에너지 밴드 변화를 보여주는 도면이다. 도 7 및 도 8의 (A)는 도 1의 제1 전극(E10), 광활성층(A10) 및 제2 전극(E20) 독립적으로 존재하는 경우(즉, 서로 이격되어 있는 경우)의 에너지 밴드이고, 도 7 및 도 8의 (B)는 제1 전극(E10), 광활성층(A10) 및 제2 전극(E20)이 실제 소자에서와 같이 접합(접촉)되어 있는 경우의 에너지 밴드이다. 도 7 및 도 8에서 참조부호 EV 및 EC는 각각 가전대 최고 에너지레벨(valence band maximum energy level) 및 전도대 최저 에너지레벨(conduction band minimum energy level)을 나타내고, EF 는 페르미 에너지레벨(Fermi energy level)을 나타낸다. 이러한 표시는 도 9 및 도 10에서도 동일하다.
도 7과 도 8의 차이는 강유전층(F10)의 분극 정도에 있다. 도 7은 강유전층(F10)이 제2 전극(E20)과 인접한 면에 '낮은 양(+)의 분극', 즉, 'Low (+)P'를 갖는 경우이고, 도 8은 강유전층(F10)이 제2 전극(E20)과 인접한 면에 '높은 양(+)의 분극', 즉, 'High (+)P'를 갖는 경우이다. 예컨대, 도 7은 강유전층(F10)이 제2 전극(E20)과 인접한 면에 약 4μC/㎠ 이하의 로우(low) 분극 강도를 갖는 경우일 수 있고, 도 8은 강유전층(F10)이 제2 전극(E20)과 인접한 면에 약 4μC/㎠ 보다 큰 하이(high) 분극 강도를 갖는 경우일 수 있다. 상기한 4μC/㎠ 의 분극 강도를 전기장 세기로 변환하면 70 MV/m 일 수 있다.
도 7을 참조하면, 강유전층(F10)이 낮은 양(+)의 분극 강도를 갖는 경우, 강유전층(F10)은 제2 전극(E20)에는 거의 영향을 주지 않을 수 있고, 광활성층(A10)에 주로 영향을 줄 수 있다. 이 경우, 강유전층(F10)의 분극에 의해 제2 전극(E20)과 광활성층(A10) 사이의 쇼트키 베리어 높이(Schottky barrier height)가 높아질 수 있다. 따라서, 광전자소자는 외부 인가전압 없이도 우수한 광전도(photoconductive) 특성을 갖는 광검출기로 사용될 수 있다. 즉, 광전자소자는 자가발전형(self-powered) 광검출기일 수 있다. 또한, 광전자소자는 우수한 광기전(photovoltaic) 특성을 갖는 태양전지로 사용될 수 있다.
도 8을 참조하면, 강유전층(F10)이 높은 양(+)의 분극 강도를 갖는 경우, 강유전층(F10)은 제2 전극(E20)에 n형 도핑(n-type doping) 효과를 유발할 수 있다. 또한, 강유전층(F10)은 광활성층(A10)의 에너지 밴드에도 영향을 줄 수 있다. 이 경우, 제2 전극(E20)과 광활성층(A10) 사이의 에너지 베리어가 낮아질 수 있다. 이러한 에너지 밴드 구조를 갖는 광전자소자를 광검출기로 사용하고자 하는 경우, 외부전압의 인가가 필요할 수 있지만, 광검출 감도는 개선될 수 있다. 따라서, 감도가 조절/개선된 광검출기를 구현할 수 있다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 광전자소자의 강유전층(F10)에 의한 에너지 밴드 변화를 보여주는 도면이다. 도 9 및 도 10의 (A)는 도 1의 제1 전극(E10), 광활성층(A10) 및 제2 전극(E20) 독립적으로 존재하는 경우(즉, 서로 이격되어 있는 경우)의 에너지 밴드이고, 도 9 및 도 10의 (B)는 제1 전극(E10), 광활성층(A10) 및 제2 전극(E20)이 실제 소자에서와 같이 접합(접촉)되어 있는 경우의 에너지 밴드이다.
도 9 및 도 10의 차이는 강유전층(F10)의 분극 정도에 있다. 도 9는 강유전층(F10)이 제2 전극(E20)과 인접한 면에 '낮은 음(-)의 분극', 즉, 'Low (-)P'를 갖는 경우이고, 도 10은 강유전층(F10)이 제2 전극(E20)과 인접한 면에 '높은 음(-)의 분극', 즉, 'High (-)P'를 갖는 경우이다. 예컨대, 도 9는 강유전층(F10)이 제2 전극(E20)과 인접한 면에 약 (-)4μC/㎠ 이하의 로우(low) 분극 강도를 갖는 경우일 수 있고, 도 10은 강유전층(F10)이 제2 전극(E20)과 인접한 면에 약 (-)4μC/㎠ 보다 큰 하이(high) 분극 강도를 갖는 경우일 수 있다.
도 9를 참조하면, 강유전층(F10)이 낮은 음(-)의 분극 강도를 갖는 경우, 광전자소자는 도 8과 유사한 구조의 에너지 밴드를 가질 수 있다. 강유전층(F10)은 제2 전극(E20)에는 거의 영향을 주지 않을 수 있고, 광활성층(A10)에 주로 영향을 줄 수 있다. 따라서, 강유전층(F10)에 의해 제2 전극(E20)과 광활성층(A10) 사이의 에너지 베리어가 낮아질 수 있다. 이 경우, 제2 전극(E20)과 광활성층(A10) 사이는 오믹 콘택(ohmic contact)과 유사한 콘택 특성을 가질 수 있고, 제1 전극(E10)과 광활성층(A10) 사이는 쇼트키 콘택(Schottky contact)과 유사한 콘택 특성을 가질 수 있다. 이러한 에너지 밴드 구조를 갖는 광전자소자를 광검출기로 사용하고자 하는 경우, 외부전압의 인가가 필요할 수 있지만, 광검출 감도는 개선될 수 있다. 따라서, 감도가 조절/개선된 광검출기를 구현할 수 있다.
도 10을 참조하면, 강유전층(F10)이 높은 음(-)의 분극 강도를 갖는 경우, 광전자소자는 도 7과 유사한 구조의 에너지 밴드를 가질 수 있다. 강유전층(F10)은 제2 전극(E20)에 p형 도핑(p-type doping) 효과를 유발할 수 있다. 또한, 강유전층(F10)은 광활성층(A10)의 에너지 밴드에도 어느 정도 영향을 줄 수 있다. 이 경우, 결과적으로, 제2 전극(E20)과 광활성층(A10) 사이의 쇼트키 베리어 높이(Schottky barrier height)가 높아질 수 있다. 따라서, 광전자소자는 외부 인가전압 없이도 우수한 광전도(photoconductive) 특성을 갖는 광검출기로 사용될 수 있다. 즉, 광전자소자는 자가발전형(self-powered) 광검출기일 수 있다. 또한, 광전자소자는 우수한 광기전(photovoltaic) 특성을 갖는 태양전지로 사용될 수 있다.
도 7 내지 도 10을 참조하여 설명한 에너지 밴드 구조는 예시적인 것이고, 이는 다양하게 변화될 수 있다. 또한, 강유전층(F10)이 제2 전극(E20) 및/또는 광활성층(A10)에 미치는 영향 또한 예시적으로 설명된 것이고, 여기서 설명하지 않은 다른 영향이 있을 수 있고, 그에 따라, 에너지 밴드 구조도 달라질 수 있다.
이상에서는 제1 전극(E10)과 광활성층(A10) 및 제2 전극(E20) 등이 수직 방향으로 배치되는 '수직형 소자'에 대해서 주로 도시하고 설명하였지만, 본 발명의 실시예는 이에 한정되지 않는다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1 전극(E10)과 광활성층(A10) 및 제2 전극(E20) 등이 수평 방향으로 배치된 '평면형(planar type)'의 광전자소자도 가능하다. 이에 대해서는 도 11 내지 도 14를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전자소자를 보여주는 단면도이다.
도 11을 참조하면, 기판(SUB11) 상에 제3 전극(E33)이 구비될 수 있고, 제3 전극(E33) 상에 강유전층(F11)이 구비될 수 있다. 강유전층(F11) 상에 서로 이격된 제1 전극(E11) 및 제2 전극(E22)이 구비될 수 있고, 이들 사이에 광활성층(A11)이 구비될 수 있다. 따라서, 제1 전극(E11), 광활성층(A11) 및 제2 전극(E22)은 수평 방향으로 배치되었다고 할 수 있다. 기판(SUB11), 제1 전극(E11), 제2 전극(E22), 제3 전극(E33), 광활성층(A11), 강유전층(F11)의 물질/특성은 각각 도 3의 기판(SUB10), 제1 전극(E10), 제2 전극(E20), 제3 전극(E30), 광활성층(A10), 강유전층(F10)과 동일하거나 유사할 수 있다.
도 11의 실시예에서 강유전층(F11)은 제1 및 제2 전극(E11, E22) 중 어느 하나에 대해서만 유효한 영향을 줄 수 있다. 예컨대, 제2 전극(E22)과 제3 전극(E33)을 이용한 폴링(poling) 공정을 수행하면, 제2 전극(E22) 아래의 강유전층(F11) 부분에 선택적으로 극성이 생성될 수 있다. 이때, 제1 전극(E11) 아래의 강유전층(F11) 부분에는 극성이 형성되지 않을 수 있다. 따라서, 강유전층(F11)은 제1 및 제2 전극(E11, E22) 중 제2 전극(E22)에 대해서만 유효한 영향을 줄 수 있다. 또한, 강유전층(F11)은 제2 전극(E22)과 인접한 광활성층(A11) 부분에도 유효한 영향을 줄 수 있다. 제2 전극(E22) 및 이와 인접한 광활성층(A11) 부분에 대한 강유전층(F11)의 영향은 도 1 내지 도 5에서 제2 전극(E20) 및 광활성층(A10)에 대한 강유전층(F10)의 영향과 유사할 수 있다.
다른 경우, 도 11의 실시예에서 제1 전극(E11) 아래의 강유전층(F11) 부분은 제1 극성을 가질 수 있고, 제2 전극(E22) 아래의 강유전층(F11) 부분은 제2 극성을 가질 수 있다. 예컨대, 제1 전극(E11)과 제3 전극(E33)을 이용한 제1 폴링(poling) 공정을 수행하고, 제2 전극(E22)과 제3 전극(E33)을 이용한 제2 폴링(poling) 공정을 수행하면, 제1 전극(E11) 아래의 강유전층(F11) 부분과 제2 전극(E22) 아래의 강유전층(F11) 부분에 서로 다른 극성을 형성할 수 있다. 이 경우, 강유전층(F11)을 이용해서 제1 전극(E11), 광활성층(A11) 및 제2 전극(E22)의 에너지 밴드 구조를 더욱 다양하게 변화시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 11에서 광활성층(A11)의 구조는 다양하게 변형될 수 있다. 일례로, 도 12에 도시된 바와 같이, 광활성층(A12)의 양단은 제1 전극(E11) 및 제2 전극(E22)의 상면의 적어도 일부를 덮도록 연장될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 11 및 도 12의 구조에서 강유전층(F11)과 전극들(E11, E22) 사이에 '확산방지층'을 구비시킬 수 있다. 예컨대, 도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이, 강유전층(F11) 상에 확산방지층(B11)이 구비될 수 있고, 확산방지층(B11) 상에 제1 전극(E11), 광활성층(A11, A12) 및 제2 전극(E22)이 구비될 수 있다. 확산방지층(B11)의 물질 및 기능 등은 도 6의 확산방지층(B10)과 동일하거나 유사할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 광전자소자(광전자장치)에서 기판(SUB10, SUB11)으로 폴리머 기판과 같은 플렉서블 기판을 사용하고, 전극들(E10, E11, E20, E22, E30, E33) 및 광활성층(A10, A11, A12)으로 이차원 물질들을 사용하며, 강유전층(F10, F11)으로 강유전성 폴리머와 같은 플렉서블 물질을 사용하면, 플렉서블(flexible) 혹은 웨어러블(wearable) 혹은 스트레처블(stretchable) 광전자소자를 구현할 수 있다.
전술한 다양한 실시예에서 전극들(E10, E11, E20, E22, E30, E33) 중 적어도 하나는 그래핀과 같은 이차원 도전체가 아닌 일반적인 도전성 물질로 형성될 수 있고, 광활성층(A10, A11, A12)도 이차원 반도체가 아닌 일반적인 반도체 물질로 형성될 수 있으며, 확산방지층(B10, B11)도 이차원 절연체가 아닌 일반적인 절연체 물질로 형성될 수 있다. 또한, 강유전층(F10, F11)은 유기물로 형성되거나 무기물로 형성될 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1 내지 도 6 및 도 11 내지 도 14의 소자 구조는 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 예컨대, 강유전층(F10, F11)은 다층 구조를 가질 수 있고, 제1 전극(E10)의 일면에 형성된 별도의 강유전층(제2 강유전층)이 더 구비될 수도 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 도 7 내지 도 10의 에너지 밴드 다이어그램도 다양하게 변화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 부가해서, 본 발명의 사상(idea)은 광전자소자(optoelectronic device)뿐 아니라 그 밖에 다른 반도체소자에도 적용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
A10, A11, A12 : 광활성층 B10, B11 : 확산방지층
E10, E11 : 제1 전극 E20, E22 : 제2 전극
E30, E33 : 제3 전극 ES10 : 전기저장장치
F10, F11 : 강유전층 NG10 : 나노발전기
PE10 : 광전자요소 SUB10, SUB11 : 기판
A10, A11, A12 : 광활성층 B10, B11 : 확산방지층
E10, E11 : 제1 전극 E20, E22 : 제2 전극
E30, E33 : 제3 전극 ES10 : 전기저장장치
F10, F11 : 강유전층 NG10 : 나노발전기
PE10 : 광전자요소 SUB10, SUB11 : 기판
Claims (20)
- 제1 전극;
상기 제1 전극과 이격된 제2 전극;
상기 제1 및 제2 전극 사이에 구비된 광활성층(photoactive layer);
상기 제2 전극과 이격된 제3 전극; 및
상기 제2 및 제3 전극 사이에 구비된 강유전층(ferroelectric layer);을 포함하는 광전자소자(optoelectronic device). - 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나는 그래핀을 포함하고,
상기 광활성층은 이차원 반도체를 포함하는 광전자소자. - 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 강유전층은 강유전성 폴리머를 포함하는 광전자소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 강유전층은 상기 제2 전극에 인접한 면에 양(+)의 분극 또는 음(-)의 분극을 갖고,
상기 강유전층은 상기 제2 전극과 상기 광활성층 사이의 에너지 베리어(energy barrier)의 높이를 조절하도록 구성된 광전자소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 광전자소자는 광검출기(photodetector) 또는 광전소자(photovoltaic device)인 광전자소자. - 제 7 항에 있어서,
상기 광검출기는 자가발전형(self-powered) 광검출기인 광전자소자. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
기판 상에 상기 제1 전극, 상기 광활성층, 상기 제2 전극, 상기 강유전층 및 상기 제3 전극이 순차로 구비된 광전자소자. - 제 1 항에 있어서,
기판 상에 상기 제3 전극, 상기 강유전층, 상기 제2 전극, 상기 광활성층 및 상기 제1 전극이 순차로 구비된 광전자소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 전극 중 적어도 하나는 그래핀을 포함하고,
상기 광활성층은 이차원 반도체를 포함하는 광전자소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제2 전극과 상기 강유전층 사이에 구비된 확산방지층을 더 포함하는 광전자소자. - 제 13 항에 있어서,
상기 확산방지층은 이차원 절연층을 포함하고,
상기 확산방지층은 5 nm 이하의 두께를 갖는 광전자소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제2 전극, 상기 강유전층 및 상기 제3 전극은 압전 나노발전기(piezoelectric nanogenerator)를 구성하고,
상기 압전 나노발전기(piezoelectric nanogenerator)는 진동에 의해 전기를 발생하도록 구성된 광전자소자. - 제 1 항 또는 제 15 항에 있어서,
상기 제1 전극, 제2 전극 및 제3 전극에 연결된 전기저장장치를 더 포함하는 광전자소자. - 광활성층을 포함하는 광전자요소(optoelectronic element);
상기 광전자요소와 연결된 것으로, 강유전체를 포함하는 나노발전기(nanogenerator); 및
상기 광전자요소 및 상기 나노발전기에 연결된 전기저장장치;를 포함하고,
상기 광전자요소는 제1 그래핀층, 제2 그래핀층 및 제3 그래핀층을 포함하고, 상기 제1 그래핀층과 제2 그래핀층 사이에 상기 광활성층을 포함하며, 상기 제2 그래핀층과 제3 그래핀층 사이에 상기 강유전체를 포함하는 광전자장치. - 삭제
- 제 17 항에 있어서,
상기 광전자요소는 상기 제2 그래핀층과 상기 강유전체 사이에 구비된 확산방지층을 더 포함하는 광전자장치. - 제 17 항 또는 19 항에 있어서,
상기 광활성층은 이차원 반도체를 포함하는 광전자장치.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140059965A KR102255301B1 (ko) | 2014-05-19 | 2014-05-19 | 강유전성 물질을 포함하는 광전자소자 |
| US14/558,384 US9728661B2 (en) | 2014-05-19 | 2014-12-02 | Optoelectronic device including ferroelectric material |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140059965A KR102255301B1 (ko) | 2014-05-19 | 2014-05-19 | 강유전성 물질을 포함하는 광전자소자 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20150133087A KR20150133087A (ko) | 2015-11-27 |
| KR102255301B1 true KR102255301B1 (ko) | 2021-05-24 |
Family
ID=54539208
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020140059965A KR102255301B1 (ko) | 2014-05-19 | 2014-05-19 | 강유전성 물질을 포함하는 광전자소자 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US9728661B2 (ko) |
| KR (1) | KR102255301B1 (ko) |
Families Citing this family (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102412966B1 (ko) * | 2015-09-25 | 2022-06-24 | 삼성전자주식회사 | 연결 구조체 및 이를 적용한 전자소자 |
| CN109417106B (zh) * | 2016-07-12 | 2022-04-26 | 三菱电机株式会社 | 电磁波检测器以及电磁波检测器阵列 |
| KR102650654B1 (ko) | 2016-11-08 | 2024-03-25 | 삼성전자주식회사 | 높은 광전변환 효율과 낮은 암전류를 구현할 수 있는 이미지 센서 |
| US11894449B2 (en) * | 2016-11-21 | 2024-02-06 | The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy | Methods for forming lateral heterojunctions in two-dimensional materials integrated with multiferroic layers |
| US11476353B2 (en) * | 2016-11-21 | 2022-10-18 | The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy | Lateral heterojunctions in two-dimensional materials integrated with multiferroic layers |
| EP3542402A4 (en) * | 2016-11-21 | 2020-07-22 | The Government of the United States of America, as represented by the Secretary of the Navy | TWO-DIMENSIONAL MATERIALS INTEGRATED WITH MULTIFERROIC LAYERS |
| KR102651544B1 (ko) | 2016-11-21 | 2024-03-28 | 삼성전자주식회사 | 광대역 다기능 광학소자와 그 제조 및 동작방법 |
| KR102703712B1 (ko) * | 2016-11-23 | 2024-09-05 | 삼성전자주식회사 | 마찰전기 발전기 |
| JP6978775B2 (ja) * | 2018-01-05 | 2021-12-08 | 国立研究開発法人理化学研究所 | 光電変換素子、光センサ、発電装置、及び光電変換方法 |
| US11309446B2 (en) * | 2018-06-08 | 2022-04-19 | EWHA University—Industry Collaboration Foundation | Resistive switching element and photovoltaic device including the same |
| EP3621122B1 (en) * | 2018-09-04 | 2021-11-17 | IMEC vzw | Memory selector, memory cell and random access memory |
| CN109949843B (zh) * | 2019-03-29 | 2023-11-14 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种铁电畴调控的光读出模式存储器及制备方法 |
| US20230147241A1 (en) * | 2020-06-15 | 2023-05-11 | Mitsubishi Electric Corporation | Electromagnetic wave detector and electromagnetic wave detector array |
| WO2022091537A1 (ja) * | 2020-10-26 | 2022-05-05 | 三菱電機株式会社 | 電磁波検出器および電磁波検出器アレイ |
| US11353772B1 (en) * | 2020-12-30 | 2022-06-07 | City University Of Hong Kong | Photonic device structure and method of manufacturing the same, and electro-optic waveguide |
| KR102673724B1 (ko) * | 2021-10-26 | 2024-06-10 | 연세대학교 산학협력단 | 자기장 인식 메모리, 자기장 인식 시냅스 소자 및 이를 포함하는 시냅스 나침반 |
| US20240033508A1 (en) * | 2022-07-27 | 2024-02-01 | IntelliFuse LLC | Load Supporting Implant |
| WO2024100784A1 (ja) * | 2022-11-09 | 2024-05-16 | 三菱電機株式会社 | 電磁波検出器および電磁波検出器集合体 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009240086A (ja) | 2008-03-27 | 2009-10-15 | Casio Comput Co Ltd | 発電装置 |
| WO2013141817A1 (en) * | 2012-03-23 | 2013-09-26 | National University Of Singapore | Photovoltaic cell with graphene-ferroelectric electrode |
Family Cites Families (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20090024964A (ko) | 2007-09-05 | 2009-03-10 | 삼성전자주식회사 | 능동형 반사 편광소자 및 이를 채용한 마그네틱 디스플레이패널 |
| US8378329B2 (en) | 2007-03-02 | 2013-02-19 | Brookhaven Science Associates, Llc | Nanodevices for spintronics and methods of using same |
| US20100326503A1 (en) * | 2008-05-08 | 2010-12-30 | Georgia Tech Research Corporation | Fiber Optic Solar Nanogenerator Cells |
| KR100980680B1 (ko) | 2008-06-12 | 2010-09-07 | 포항공과대학교 산학협력단 | 그래핀 나노리본을 이용한 스핀밸브 소자 |
| KR101562060B1 (ko) * | 2009-04-06 | 2015-10-21 | 삼성전자주식회사 | 전기 에너지 발생 장치 및 그 제조 방법 |
| KR101112492B1 (ko) * | 2010-04-20 | 2012-02-24 | 이진용 | 압전소자를 이용한 발전기 |
| JP5637526B2 (ja) | 2010-04-28 | 2014-12-10 | 株式会社ブイ・テクノロジー | レーザ加工装置 |
| KR20130098884A (ko) | 2010-05-05 | 2013-09-05 | 내셔널 유니버시티 오브 싱가포르 | 그래핀의 정공 도핑 |
| KR101283207B1 (ko) * | 2011-03-11 | 2013-07-05 | 이진용 | 압전소자를 이용하는 발전 장치 |
| US20150083206A1 (en) * | 2012-03-22 | 2015-03-26 | The University Of Manchester | Photovoltaic cells |
| US9929287B2 (en) * | 2012-06-01 | 2018-03-27 | National University Of Singapore | Synthesis of three-dimensional graphene foam: use as supercapacitors |
| KR101993767B1 (ko) * | 2012-10-17 | 2019-07-01 | 한국전자통신연구원 | 그래핀 나노리본 센서 |
| KR102144999B1 (ko) * | 2013-11-05 | 2020-08-14 | 삼성전자주식회사 | 이차원 물질과 그 형성방법 및 이차원 물질을 포함하는 소자 |
-
2014
- 2014-05-19 KR KR1020140059965A patent/KR102255301B1/ko active IP Right Grant
- 2014-12-02 US US14/558,384 patent/US9728661B2/en active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009240086A (ja) | 2008-03-27 | 2009-10-15 | Casio Comput Co Ltd | 発電装置 |
| WO2013141817A1 (en) * | 2012-03-23 | 2013-09-26 | National University Of Singapore | Photovoltaic cell with graphene-ferroelectric electrode |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20150333196A1 (en) | 2015-11-19 |
| KR20150133087A (ko) | 2015-11-27 |
| US9728661B2 (en) | 2017-08-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102255301B1 (ko) | 강유전성 물질을 포함하는 광전자소자 | |
| Chen et al. | Highly sensitive and tunable self-powered UV photodetectors driven jointly by pn junction and ferroelectric polarization | |
| Ding et al. | Effective piezo‐phototronic enhancement of flexible photodetectors based on 2D hybrid perovskite ferroelectric single‐crystalline thin‐films | |
| CN109923687B (zh) | 包含金属氧化物缓冲层的太阳能电池和制造方法 | |
| Shi et al. | Band structure engineering at heterojunction interfaces via the piezotronic effect | |
| Cao et al. | High-efficiency ferroelectric-film solar cells with an n-type Cu2O cathode buffer layer | |
| US20150075602A1 (en) | Photovoltaic cell with graphene-ferroelectric electrode | |
| KR20120100294A (ko) | 전기 에너지 발생장치 | |
| Fang et al. | Self-powered ultrabroadband photodetector monolithically integrated on a PMN–PT ferroelectric single crystal | |
| KR101895025B1 (ko) | 태양 전지 모듈 및 그의 제조 방법 | |
| Cai et al. | Strain-modulated photoelectric responses from a flexible α-In2Se3/3R MoS2 heterojunction | |
| KR20190059667A (ko) | 아발란치 광검출기 및 이를 포함하는 이미지 센서 | |
| Fan et al. | Enhanced photovoltaic effects and switchable conduction behavior in BiFe0. 6Sc0. 4O3 thin films | |
| US20200295209A1 (en) | Integration of bypass diodes within thin film photovoltaic module interconnects | |
| KR20180058065A (ko) | 마찰전기 발전기 | |
| CN112055895A (zh) | 具有由于逆压电效应而受拉伸应力的二极管的光电器件 | |
| JP2019121687A (ja) | 光電変換素子、光センサ、発電装置、及び光電変換方法 | |
| JP3585621B2 (ja) | 電界効果型光電エネルギー変換装置 | |
| Zhang et al. | Ultrasensitive self‐powered UV PDs via depolarization and heterojunction fields jointly enhanced carriers separation | |
| US20120097227A1 (en) | Solar cells | |
| JP6362257B2 (ja) | 光電変換素子、光電変換素子の製造方法、積層型固体撮像素子および太陽電池 | |
| KR101264368B1 (ko) | 다층 구조의 쇼트키 접합층을 갖는 태양 전지 | |
| Shen et al. | Improved Self-Powered Photodetection of Ferroelectric PbZr0. 52Ti0. 48O3 Thin Films via Interfacial Engineering | |
| JP2015225886A (ja) | 光電変換素子、光電変換素子の製造方法、積層型固体撮像素子および太陽電池 | |
| KR20180097222A (ko) | 태양전지 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |