KR102316051B1 - Optical device having reduced trap states density on surface of quantum dot and method for manufacutring the same - Google Patents
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Abstract
실시예들은 기판; 상기 기판 상에 형성된 하나 이상의 전극; 및 상기 전극에 전기적으로 연결된 양자점 레이어를 포함하고, 상기 양자점 레이어의 표면은 산화 처리된 광학 소자 및 이를 제조하는 방법에 관련된다. Embodiments include a substrate; one or more electrodes formed on the substrate; and a quantum dot layer electrically connected to the electrode, wherein a surface of the quantum dot layer has been subjected to oxidation treatment and a method of manufacturing the same.
Description
실시예들은 콜로이드(colloidal) 반도체 결정 물질로 이루어진 양자점 표면 상의 트랩 준위 밀도를 조절하는 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양자점 표면을 산화 처리하여 양자점 표면 상의 트랩 준위 밀도를 감소하는 기술을 이용하여 얻어진 광학 소자 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.Examples are colloidal It relates to a technique for controlling the density of trap states on the surface of a quantum dot made of a semiconductor crystal material, and more particularly, an optical device obtained by using a technique for reducing the density of trap states on the surface of a quantum dot by oxidizing the surface of the quantum dot, and a method for manufacturing the same is about
전자 기술 분야에서 적외선(IR) 기술은 통신, 재료 특성 및 야간 투시와 같은 다양한 측면에서 활용된다. 특히 최근 반도체를 기반으로 한 적외선 센서 기술은 자율 주행 차량, 광 네트워크에서 라이다(LiDAR) 센서에 활용되는 추세이다. In the field of electronics, infrared (IR) technology is utilized in various aspects such as communication, material properties and night vision. In particular, recently, semiconductor-based infrared sensor technology is being used for LiDAR sensors in autonomous vehicles and optical networks.
과거 적외선을 출력하기 위한 소자에는, 적외선 영역의 밴드갭을 갖는 Ⅲ-Ⅴ 족 물질이 반도체 물질로 주로 사용되었다. 그러나, Ⅲ-Ⅴ 족 반도체는 비용이 높은 문제가 있었다. In the past, in devices for outputting infrared rays, group III-V materials having a band gap in the infrared region were mainly used as semiconductor materials. However, group III-V semiconductors have a problem of high cost.
이러한 Ⅲ-Ⅴ 족 물질의 대안으로 양자점(Quantum Dot, QD)에 대한 관심이 높아지고 있는 추세이다. 양자점은 나노 결정 반도체로서, 크기 조정이 가능한 밴드갭과 솔루션 처리 기능을 가진다. 특히, Ⅲ-Ⅴ 족 물질 보다 비용이 저렴하여, 광전자 방출기/검출기 분야에서 Ⅲ-Ⅴ 족 물질의 대안으로 시도되고 있다. As an alternative to these III-V materials, interest in quantum dots (QDs) is increasing. Quantum dots are nanocrystal semiconductors that have scalable bandgap and solution processing capabilities. In particular, since it is cheaper than group III-V materials, it is being attempted as an alternative to group III-V materials in the field of photoelectron emitters/detectors.
양자점의 소자 성능을 제한하는 잘 알려진 요소는 트랩 준위라고 지칭되는 서브 밴드 갭에 존재하는 에너지 준위이다. 트랩 준위는 댕글링 결합(dangling bonds) 또는 패시베이션되지 않은 표면 원자에 의해 야기되는 서브 밴드갭 표면 준위이다. A well-known factor limiting the device performance of quantum dots is the energy level present in the sub-bandgap, referred to as the trap level. Trap levels are sub-bandgap surface levels caused by dangling bonds or unpassivated surface atoms.
트랩 준위 밀도는 양자점 표면의 산화 상태를 조절하면 감소시킬 수 있다. 물질 표면의 산화 상태를 조절하는 방식으로 리간드 치환 또는 산화제를 이용한 표면 화학처리 방식, 또는 노 (Furnace)를 이용한 열처리 방식이 있다. The trap state density can be reduced by controlling the oxidation state of the quantum dot surface. As a method of controlling the oxidation state of the surface of a material, there is a surface chemical treatment method using ligand substitution or an oxidizing agent, or a heat treatment method using a furnace.
표면 화학처리 방식을 적용할 경우, 표면 화학처리 방식은 양자점의 종류(PbS, PbSe, CdSe, CdS, CuInSe2, InP, CsPbI3 등)에 따라 적합한 산화제를 각각의 양자점에 대해 개별적으로 적용해야 하는 한계가 있다. In the case of applying the surface chemical treatment method, the surface chemical treatment method has a limitation in that an appropriate oxidizing agent must be individually applied to each quantum dot according to the type of quantum dot (PbS, PbSe, CdSe, CdS, CuInSe2, InP, CsPbI3, etc.) have.
한편, 노를 이용한 열처리 방식을 적용할 경우, 느린 승온(ramp-up) 속도로 인해 수분 내지 수십분 동안 양자점에 열이 가해지므로 원자의 확산(diffusion)을 유발한다. 이러한 원자의 확산은 나노 결정의 넥킹(necking), 소결(sintering)과 같은 양자점 구조 변화의 원인이 된다. 양자점 구조 변화는 양자점의 소자 성능을 저하시켜, InGaAs와 같은 Ⅲ-Ⅴ 족 반도체를 포함한 광검출기의 성능에 도달하지 못하는 한계를 가진다.On the other hand, when a heat treatment method using a furnace is applied, heat is applied to the quantum dots for several to several tens of minutes due to a slow ramp-up rate, thereby causing diffusion of atoms. Such diffusion of atoms causes changes in the structure of quantum dots, such as necking and sintering of nanocrystals. The quantum dot structure change lowers the device performance of the quantum dot, so it has a limit in that it cannot reach the performance of a photodetector including a III-V group semiconductor such as InGaAs.
본 발명의 일 측면에 따르면 기존의 노 방식 보다 개선되도록, RTA를 이용하여 양자점 표면의 트랩 준위 밀도가 감소한 광학 소자 및 이를 제조하는 방법을 제공하고자 한다.According to one aspect of the present invention, it is an object of the present invention to provide an optical device having a reduced density of trap states on the surface of quantum dots using RTA, and a method for manufacturing the same, so as to be improved over the existing furnace method.
본 발명의 일 측면에 따른 광학 소자 제조 방법은: 기판 상에 하나 이상의 전극을 형성하는 단계; 상기 전극과 전기적으로 연결되는 양자점(quantum dot) 레이어를 형성하는 단계; 및 상기 양자점 레이어의 표면을 산화 처리하여 산화막을 형성하는 단계를 포함할 수도 있다. A method of manufacturing an optical device according to an aspect of the present invention includes: forming one or more electrodes on a substrate; forming a quantum dot layer electrically connected to the electrode; and oxidizing the surface of the quantum dot layer to form an oxide film.
일 실시예에서, 상기 양자점 레이어는, 콜로이드 반도체 물질로 이루어질 수도 있다.In an embodiment, the quantum dot layer may be made of a colloidal semiconductor material.
일 실시예에서, 상기 양자점 레이어는, II-VI족 화합물, II-V족 화합물, III-VI족 화합물, III-V족 화합물, IV-VI족 화합물, I-III-VI족 화합물, II-IV-VI족 화합물, II-IV-V족 화합물 및 이들의 조합 중 어느 하나의 그룹에서 선택된 물질로 이루어질 수도 있다. In one embodiment, the quantum dot layer is a group II-VI compound, group II-V compound, group III-VI compound, group III-V compound, group IV-VI compound, group I-III-VI compound, II- It may consist of a material selected from any one of the group IV-VI compound, the group II-IV-V compound, and combinations thereof.
일 실시예에서, 상기 산화 처리는 RTA 산화 처리일 수도 있다. In an embodiment, the oxidation treatment may be an RTA oxidation treatment.
일 실시예에서, 상기 RTA 산화 처리는 원자 확산으로 인한 양자점 레이어의 결정 구조가 변하지 않게 양자점 표면을 산화 처리할 수도 있다. In an embodiment, the RTA oxidation treatment may oxidize the quantum dot surface so that the crystal structure of the quantum dot layer is not changed due to atomic diffusion.
일 실시예에서, 상기 RTA 산화 처리는, 100 °C 이상 170°C 미만의 온도 범위에서 수행될 수도 있다. In an embodiment, the RTA oxidation treatment may be performed in a temperature range of 100 °C or more and less than 170 °C.
본 발명의 다른 일 측면에 따른 광학 소자는: 기판; 상기 기판 상에 형성된 하나 이상의 전극; 및 상기 전극에 전기적으로 연결된 양자점 레이어를 포함할 수도 있다. 여기서, 상기 양자점 레이어의 표면은 산화 처리된다. An optical device according to another aspect of the present invention includes: a substrate; one or more electrodes formed on the substrate; and a quantum dot layer electrically connected to the electrode. Here, the surface of the quantum dot layer is oxidized.
일 실시예에서, 상기 양자점 레이어의 표면은, RTA 산화 처리된 것일 수도 있다. In an embodiment, the surface of the quantum dot layer may be RTA oxidation-treated.
일 실시예에서, 상기 광학 소자는, 상기 양자점 레이어의 표면 상에 형성된 산화막을 더 포함할 수도 있다.In an embodiment, the optical device may further include an oxide film formed on the surface of the quantum dot layer.
본 발명의 일 측면에 따른 광학 소자 제조 방법에 의하면, RTA를 적용함으로써, 양자점의 구조를 변경하지 않으면서, 노를 이용한 열처리를 적용한 경우와 비교해 양자점 표면의 산화 상태를 보다 정밀하게 조절할 수 있다. 이로 인해, 트랩 준위 밀도를 최대한으로 감소시킬 수 있다. According to the method for manufacturing an optical device according to an aspect of the present invention, by applying RTA, it is possible to more precisely control the oxidation state of the surface of the quantum dot compared to the case where heat treatment using a furnace is applied without changing the structure of the quantum dot. For this reason, the trap level density can be reduced to the maximum.
그 결과, 반응도(Responsivity), 검출도(detectivity)와 같은, 양자점의 소자 성능을 개선할 수 있고, 이러한 개선된 성능을 갖는 광학 소자를 얻을 수 있다. As a result, device performance of quantum dots, such as reactivity and detectivity, can be improved, and an optical device having such improved performance can be obtained.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.
본 발명 또는 종래 기술의 실시예의 기술적 해결책을 보다 명확하게 설명하기 위해, 실시예에 대한 설명에서 필요한 도면이 아래에서 간단히 소개된다. 하나 이상의 도면에서 도시된 유사한 요소를 식별하기 위해 동일한 참조 번호가 사용된다. 아래의 도면들은 본 명세서의 실시예를 설명하기 목적일 뿐 한정의 목적이 아니라는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 설명의 명료성을 위해 아래의 도면들에서 과장, 생략 등 다양한 변형이 적용된 일부 요소들이 도시될 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 광학 소자를 제조하는 과정을 도시한 도면이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 기판 상에 형성된 전극 및 이와 연결된 패턴을 도시한 도면이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 기판 상에 형성된 양자점 박막을 도시한 도면이다.
도 4 내지 도 6은, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, RTA와 노를 이용한 산화 처리 방식의 효과를 비교하기 위한 도면이다.
도 7 내지 도 9는, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, RTA 산화 처리에서 온도를 설명하기 위한 도면이다.In order to more clearly explain the technical solutions of the embodiments of the present invention or the prior art, drawings necessary for the description of the embodiments are briefly introduced below. The same reference numbers are used to identify like elements shown in more than one figure. It should be understood that the following drawings are for the purpose of explaining the embodiments of the present specification and not for the purpose of limitation. In addition, some elements to which various modifications such as exaggeration and omission have been applied may be shown in the drawings below for clarity of description.
1 is a diagram illustrating a process of manufacturing an optical device according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating an electrode formed on a substrate and a pattern connected thereto according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating a quantum dot thin film formed on a substrate according to an embodiment of the present invention.
4 to 6 are diagrams for comparing the effects of the oxidation treatment method using the RTA and the furnace, according to various embodiments of the present invention.
7 to 9 are diagrams for explaining the temperature in the RTA oxidation process, according to various embodiments of the present invention.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급되는 경우, 그 사이에 다른 부분은 수반되지 않는다.When a part is referred to as being “above” another part, it may be directly on top of the other part, or the other part may be involved in between. In contrast, when a part is said to be "directly above" another part, the other part in between is not involved.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구분하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다. Terms such as first, second and third are used to describe, but are not limited to, various parts, components, regions, layers and/or sections. These terms are used only to distinguish one part, component, region, layer or section from another part, component, region, layer or section. Accordingly, a first part, component, region, layer or section described below may be referred to as a second part, component, region, layer or section without departing from the scope of the present invention.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.The terminology used herein is for the purpose of referring to specific embodiments only, and is not intended to limit the invention. As used herein, the singular forms also include the plural forms unless the phrases clearly indicate the opposite. The meaning of "comprising," as used herein, specifies a particular characteristic, region, integer, step, operation, element and/or component, and includes the presence or absence of another characteristic, region, integer, step, operation, element and/or component. It does not exclude additions.
"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 보다 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다. 예를 들면, 도면 중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90˚회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.Terms indicating a relative space such as “below” and “above” may be used to more easily describe the relationship of one part shown in the drawings to another part. These terms are intended to include other meanings or operations of the device in use with the meanings intended in the drawings. For example, if the device in the figures is turned over, some parts described as being "below" other parts are described as being "above" other parts. Thus, the exemplary term “down” includes both the up and down directions. The device may be rotated 90 degrees or at other angles, and terms denoting relative space are interpreted accordingly.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다. Although not defined otherwise, all terms including technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Commonly used terms defined in the dictionary are additionally interpreted as having a meaning consistent with the related technical literature and the presently disclosed content, and unless defined, they are not interpreted in an ideal or very formal meaning.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art can easily carry out the embodiments of the present invention. However, the present invention may be embodied in various different forms and is not limited to the embodiments described herein.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 광학 소자를 제조하는 과정을 도시한 도면이다. 1 is a diagram illustrating a process of manufacturing an optical device according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 기판(10) 상에 하나 이상의 전극(11)을 형성한다(S11). 기판(10)은 광학 소자에 포함된 전극, 양자점을 지지하는 구성요소이다. 일 실시예에서, 기판(10)은 Si, SiO2, Al2O3 및 이들의 조합 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. Referring to FIG. 1 , one or
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 기판 상에 형성된 전극 및 이와 연결된 패턴을 도시한 도면이다. 2 is a diagram illustrating an electrode formed on a substrate and a pattern connected thereto according to an embodiment of the present invention.
전극(11)은 전도성 물질로 이루어지며, 예를 들어, ITO, Pt, Cu, Ag, Al, Ti, Au 및 이들의 조합 중 하나의 그룹에서 선택된 물질로 이루어질 수 있다. The
전극(11)은 광학 소자의 용도에 따른 배치를 갖도록 형성된다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 전극(11)이 형성된 경우, 전극(11) 사이를 연결하는 전도성 패턴이 기판(10) 상에 더 형성된다. The
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 기판 상에 형성된 양자점을 포함한 박막을 도시한 도면이다. 3 is a diagram illustrating a thin film including quantum dots formed on a substrate according to an embodiment of the present invention.
단계(S11) 이후, 기판(10) 상에 양자점을 포함한 레이어, 이하 양자점 레이어(13)가 형성된다(S13). 도 3에 도시된 바와 같이, 양자점 레이어(13)는 박막(thin film)으로 형성될 수 있다. After step S11 , a layer including quantum dots, hereinafter, a
양자점(quantum dot)은 반도체 물질 중의 하나로서, 크기에 따라 광흡수 파장이 변하는 특징을 갖는 나노결정(nanocrystal) 물질이다. 양자점을 갖는 본 발명의 광학 소자는, 예를 들어, 광 전도체(photo-conductor), 광 다이오드(photodiode), 광 트랜지스터(phototransistor)와 같은, 다양한 수광소자(quantum dot photodetector) 또는 발광소자를 포함한다. A quantum dot is one of semiconductor materials, and is a nanocrystal material having a characteristic that a light absorption wavelength changes according to its size. The optical device of the present invention having quantum dots includes, for example, various quantum dot photodetectors or light emitting devices, such as photo-conductors, photodiodes, and phototransistors. .
일 실시예에서, 양자점 레이어(13)는 콜로이드(colloidal) 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 상기 나노결정체를 형성하는 콜로이드 반도체 물질은 II-VI족 화합물, II-V족 화합물, III-VI족 화합물, III-V족 화합물, IV-VI족 화합물, I-III-VI족 화합물, II-IV-VI족 화합물, II-IV-V족 화합물 및 이들의 조합 중 어느 하나의 그룹에서 선택된 물질을 포함한다. 예를 들어, 콜로이드 반도체 물질은, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdO, CdS, CdSe, CdTe, MgO, MgS, MgSe, MgTe, HgO, HgS, HgSe, HgTe, AlN, AlP, AlAs, AlSb, GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, TlN, TlP, TlAs, TlSb, TlSb, PbS, PbSe, PbTe 및 이들의 조합 중 어느 하나의 그룹에서 선택된 물질을 포함한다. In one embodiment, the
양자점 레이어(13)는, 예를 들어 스핀코터를 사용하여 코팅됨으로써 기판(10) 상에 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. The
양자점 레이어(13)의 표면에서 트랩 준위 밀도를 감소시키기 위해 산화 상태를 조절한다(S15). 일부 실시예에서, 산화 처리에 의해, 광학 소자(1)는 양자점 레이어의 표면 상에 형성된 산화막을 가진다.The oxidation state is adjusted to reduce the density of trap states on the surface of the quantum dot layer 13 (S15). In some embodiments, by oxidation treatment, the
광학 소자의 소자 성능은 (홀(hole), 전자(electron)을 포함한) 캐리어의 운반에 의존한다. 좋은 소자 성능을 위해서는 이러한 캐리어가 전극까지 방해없이 운반되어야 한다. 트랩 준위(trap states)는 전극을 향해 진행하는 양자점 레이어(13)의 캐리어를 트랩할 수 있는 서브 밴드 갭에 존재하는 에너지 준위(energy states)이다. 트랩 준위가 많으면 캐리어의 에너지가 열 에너지 등으로 상실되기 때문에 캐리어가 전극까지 도달할 수 없다. 따라서, 양자점의 소자 성능을 개선하기 위해서는 트랩 준위 밀도를 감소시켜야 한다. 양자점 표면의 산화 상태를 조절하면 보다 많은 트랩 준위 밀도를 감소시킬 수 있다. 양자점 표면이 너무 많이 산화될 경우에도 트랩 준위 밀도가 최소화되지 않고, 너무 많이 환원될 경우에도 트랩 준위 밀도가 최소화되지 않는다. 양자점을 이루는 물질에 따라 적절하게 산화 상태가 조절되어야 트랩 준위 밀도가 보다 많이 감소하게 된다. The device performance of an optical device depends on the transport of carriers (including holes and electrons). For good device performance, these carriers must be transported unimpeded to the electrode. Trap states are energy states existing in a sub-band gap capable of trapping carriers of the
일 실시예에서, 양자점 표면을 RTA(Rapid Thermal Annealing)로 양자점 표면을 산화 처리하여 양자점 표면의 산화 상태를 조절한다(S15). 단계(S15) 이후 산화 이전 보다 트랩 준위 밀도가 감소한다. In one embodiment, the quantum dot surface is oxidized by RTA (Rapid Thermal Annealing) to control the oxidation state of the quantum dot surface (S15). After the step (S15), the trap level density decreases than before oxidation.
양자점은 부피대비 표면적이 매우 커서 표면 개질(surface modification) 처리를 할 경우 양자점 표면의 특성 변화가 매우 크다. Quantum dots have a very large surface area to volume ratio, so when a surface modification process is performed, the characteristics of the quantum dot surface are greatly changed.
노를 이용한 산화 처리는 승온 시간이 대략 30분 정도 걸린다. 노를 이용할 시, 양자점 표면을 짧고 정밀한 시간 조절을 통한 열처리로 산화 상태를 정밀하게 조절하기 어렵다. 또한, 원자 확산으로 인한 결정 구조 변화를 억제하기 위해, 노를 이용한 산화 처리에서는 (예컨대, 135도 이상의) 높은 온도로 열처리하는 것이 제한되었다.Oxidation treatment using a furnace takes about 30 minutes for temperature increase. When using a furnace, it is difficult to precisely control the oxidation state by heat treatment of the quantum dot surface through short and precise time control. In addition, in order to suppress a crystal structure change due to atomic diffusion, heat treatment at a high temperature (for example, 135 degrees or more) is limited in the oxidation treatment using a furnace.
반면, RTA(rapid thermal annealing)는 노를 이용한 산화 처리와 비교하여 온도를 급속히 상승시켜 양자점 표면을 산화 처리한다. 예를 들어, RTA를 이용한 산화 처리는 승온 시간이 수초(예컨대, 10초 이하) 정도 걸리며, 보다 높은 온도에서 원하는 시간만큼 열처리하여 산화 상태를 정밀히 조절하는 것이 가능하다. On the other hand, RTA (rapid thermal annealing) oxidizes the quantum dot surface by rapidly increasing the temperature compared to oxidation treatment using a furnace. For example, oxidation treatment using RTA takes several seconds (eg, 10 seconds or less) of temperature increase time, and it is possible to precisely control the oxidation state by heat treatment for a desired time at a higher temperature.
이와 같이 RTA로 양자점 표면의 산화 상태를 처리할 경우, 노로 양자점 표면의 산화 상태를 처리할 경우 발생하는 문제점인 양자점의 결정 구조 변화가 발생하지 않는다. 이러한 RTA 산화 처리는 레이어 결정화 과정 도중에 결정 품질(crystal quality)를 높이기 위한 목적의 열처리와는 상이하다. As such, when the oxidation state of the surface of the quantum dot is treated with RTA, the crystal structure change of the quantum dot, a problem that occurs when the oxidation state of the surface of the quantum dot is treated with a furnace, does not occur. This RTA oxidation treatment is different from the heat treatment for the purpose of increasing the crystal quality during the layer crystallization process.
도 4 내지 도 6은, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, RTA와 노를 이용한 산화 처리 방식의 효과를 비교하기 위한 도면이다. 4 to 6 are diagrams for comparing the effects of the oxidation treatment method using the RTA and the furnace, according to various embodiments of the present invention.
도 4는 XPS 측정을 통해 얻어진, 산화 처리되지 않은 양자점 표면의 산화 상태와 100 °C 에서 노(Furnace)로 산화 처리된 양자졈 표면의 산화 상태를 도시한 그래프 도이다. 4 is a graph showing the oxidation state of the surface of the quantum dot that is not oxidized and the oxidation state of the surface of the quantum dot that has been oxidized in a furnace at 100 °C, obtained through XPS measurement.
도 4에서 화살표로 표시한 영역이 노(Furnace)로 산화 처리할 경우 표면이 과다하게 산화되어 발생하는 문제 영역이다. 전기 노에서 100 °C로 열처리하였음에도 불구하고, 과다한 산화가 나타나는 영역이 많이 생성되는 문제가 있다. The area indicated by the arrow in FIG. 4 is a problem area that occurs due to excessive oxidation of the surface when oxidation treatment is performed with a furnace. Despite the heat treatment at 100 °C in an electric furnace, there is a problem in that many regions with excessive oxidation are generated.
반면, RTA로 산화처리할 경우 도 4의 문제 영역의 생성을 억제할 수 있다. 아래의 [표 1]에 도시된 바와 같이, RTA로 처리할 경우가 노(Furnace)로 산화 처리할 경우 보다 Pb-O 비율이 더 낮아지는 것은 RTA로 산화 처리할 경우 과다한 산화가 억제되는 것을 나타낸다. On the other hand, in the case of oxidation treatment with RTA, the generation of the problem region of FIG. 4 can be suppressed. As shown in [Table 1] below, the lower Pb-O ratio in the case of treatment with RTA than when the oxidation treatment with a furnace indicates that excessive oxidation is suppressed when oxidation treatment with RTA. .
[표 1][Table 1]
이와 같이 과다한 산화가 억제되는 것은 RTA 산화 처리가 노(Furnace) 산화 처리 보다 더 나은 소자 성능을 갖는 양자점을 얻을 수 있는 것을 나타낸다. This suppression of excessive oxidation indicates that the RTA oxidation treatment can obtain quantum dots having better device performance than the furnace oxidation treatment.
도 5는 동일한 온도(135°C)에서 RTA 산화 처리와 노(Furnace) 산화 처리 한 양자점의 특이성 검출도(D*, specific detectivity)를 도시한 그래프 도이다. 5 is a graph showing the specific detectivity (D*, specific detectivity) of quantum dots subjected to RTA oxidation treatment and furnace oxidation treatment at the same temperature (135 °C).
도 5에 도시된 바와 같이, RTA 산화 처리할 경우 보다 높은 특이성 검출도를 갖는 양자점을 얻을 수 있다. As shown in FIG. 5 , in the case of RTA oxidation treatment, quantum dots having higher specificity and detectability can be obtained.
도 6은 동일한 온도에서 RTA 산화 처리와 노(Furnace) 산화 처리한 양자점의 반가폭(HWHM, half-width at half-maxima)을 도시한 그래프 도이다. 6 is a graph showing half-width at half-maxima (HWHM) of quantum dots subjected to RTA oxidation treatment and furnace oxidation treatment at the same temperature.
반가폭은 양자점의 고유 특징 중 하나인 양자 가둠 효과(quantum confinement effect)와 관련된 요소로서, 1차 여기 흡수에서 반가폭을 지표로 삼을 수 있다. 반가폭이 클수록 양자 가둠 효과가 열화됨을 나타낸다. The half-width is a factor related to the quantum confinement effect, which is one of the intrinsic characteristics of quantum dots, and can be used as an index in the first excitation absorption. It indicates that the larger the half width, the worse the quantum confinement effect.
도 6에 도시된 바와 같이, 전체적으로 RTA 산화 처리할 경우 보다 높은 양자 가둠 효과를 갖는 양자점을 얻을 수 있다. 특히, 동일한 온도에서 노(Furnace) 산화 처리한 경우 양자 가둠 효과가 열화됨을 나타낸다. As shown in FIG. 6 , quantum dots having a higher quantum confinement effect can be obtained when the entire RTA oxidation treatment is performed. In particular, it indicates that the quantum confinement effect is deteriorated when the furnace oxidation treatment is performed at the same temperature.
일 실시예에서, RTA는 100 °C 이상 170°C 미만에서 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, RTA는 135°C 이상에서 수행될 수 있다. In one embodiment, the RTA may be performed at a temperature greater than or equal to 100 °C and less than 170 °C. In some embodiments, the RTA may be performed at 135°C or higher.
도 7 내지 도 9는, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, RTA 산화 처리에서 온도를 설명하기 위한 도면이다.7 to 9 are diagrams for explaining the temperature in the RTA oxidation process, according to various embodiments of the present invention.
도 7 내지 도 9의 그래프는: Ti (10nm)/Au (100 nm)로 이루어진 전극을 세정된 Si/SiO2 기판(300nm) 상에 e-빔 증발(e-beam evaporation)에 의해 증착하고; 메탄올의 TBAI(10mg/ml)와 리간드 교환에 이어서 스핀 코팅하고 메탄올로 3회 세척하는 절차를 10회 반복하여 350nm 두께의 양자점 박막을 형성한 이후, RTA 산화 처리 또는 노(Furnace) 산화 처리를 통해 획득된 포토 컨덕터(photo-conductor)를 사용하여 도시되었다. The graphs of FIGS. 7 to 9 show: an electrode made of Ti (10 nm)/Au (100 nm) was deposited by e-beam evaporation on a cleaned Si/SiO2 substrate (300 nm); After ligand exchange with TBAI (10 mg/ml) in methanol, spin coating, and washing 3 times with methanol were repeated 10 times to form a 350 nm-thick quantum dot thin film, RTA oxidation treatment or furnace oxidation treatment It is shown using the obtained photo-conductor.
도 7은 다양한 온도에서 PbS 양자점 박막의 적외선(IR) 흡수 스펙트럼을 측정 결과를 도시한 그래프 도이다. 노(Furnace) 산화 처리는 목표 온도 도달 후, 20분 동안 공기상에서 진행되었고, RTA 산화 처리는 목표 온도 도달 후 30초 동안 진행되었다. 7 is a graph showing the measurement results of infrared (IR) absorption spectra of the PbS quantum dot thin film at various temperatures. After reaching the target temperature, the furnace oxidation treatment was performed in the air for 20 minutes, and the RTA oxidation treatment was performed for 30 seconds after reaching the target temperature.
산화 처리 없이 단순 양자점 박막이 코팅된 실험예의 피크 폭과 비교하여, 산화 처리된 실험예의 피크 폭은 RTA를 사용한 경우 170℃에서 증가하고, 그리고 노(Furnace)를 사용한 경우 100℃에서 증가한다. 이러한 증가는 양자점 박막에서 원자 확산이 발생하여 양자점 박막이 넥킹 또는 소결이 진행되는 것을 나타낸다. 즉, 양자 가둠 효과의 열화는 RTA의 경우 170℃ 미만에서는 시작하지 않는다. 또한 RTA 산화 처리는 노(Furnace) 산화 처리에서 양자 가둠 효과의 열화가 발생하는 100 ℃ 이상 (170℃ 미만) 온도에서 발생하지 않는다. Compared to the peak width of the experimental example in which the simple quantum dot thin film was coated without oxidation treatment, the peak width of the oxidation-treated experimental example increased at 170° C. when using RTA, and increased at 100° C. when using a furnace. This increase indicates that atomic diffusion occurs in the quantum dot thin film and necking or sintering of the quantum dot thin film proceeds. That is, the degradation of the quantum confinement effect does not start below 170° C. for RTA. In addition, the RTA oxidation treatment does not occur at a temperature of 100° C. or higher (less than 170° C.) at which deterioration of the quantum confinement effect occurs in the furnace oxidation treatment.
도 8은 광 전력(optical power)에서 양자점 박막의 반응도(responsivity)을 도시한 그래프 도이다. 8 is a graph showing the reactivity (responsivity) of the quantum dot thin film in the optical power (optical power).
광 전력(optical power)의 변화 대비 반응도의 감소폭이 해당 양자점 박막은 더 민감한 반응도를 가진다 (즉, 높은 소자 성능을 가진다). A quantum dot thin film corresponding to a decrease in reactivity compared to a change in optical power has a more sensitive reactivity (ie, high device performance).
도 8에 도시된 바와 같이, RTA 산화 처리가 노(Furnace) 산화 처리 보다 감소폭이 더 적게 나타난다. As shown in FIG. 8 , the RTA oxidation treatment shows a smaller decrease than the furnace oxidation treatment.
도 9는 상기 포토 컨덕터의 특이성 검출도(D*)를 도시한 그래프 도이다. 특이성 검출도(D*)는 반응도와 함께 입사광 전력 및 광의 변조 주파수에 의존한다. RTA-135의 실험예에서 95pw 상에서 1.59 x 10^13 Jones를 가지며, 가장 높은 특이성 검출도(D*) 값이다. 장시간 산화 처리의 경우 게인(Gain)이 증가하지만, 주파수 응답이 감소할 수 있어, 고주파수 영역에서는 높은 특이성 검출도(D*) 값을 달성하기가 어렵다. 9 is a graph showing the specificity detection degree (D*) of the photoconductor. The specificity detectability (D*), along with the reactivity, depends on the incident light power and the modulation frequency of the light. In the experimental example of RTA-135, it has 1.59 x 10^13 Jones on 95pw, and is the highest specificity detectability (D*) value. In the case of the oxidation treatment for a long time, the gain increases, but the frequency response may decrease, so it is difficult to achieve a high specificity detectability (D*) value in a high frequency region.
이와 같이, RTA 산화 처리를 통해 양자점 표면이 빠른 시간 동안 높은 온도로 처리되어, 노이즈가 감소하고 검출도가 높아지며, 반응도가 증가한 광학 소자를 얻을 수 있다. In this way, through the RTA oxidation treatment, the surface of the quantum dot is treated at a high temperature for a fast time, so that an optical device with reduced noise, higher detectability, and increased reactivity can be obtained.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.Although the present invention as described above has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, it will be understood that these are merely exemplary and that various modifications and variations of the embodiments are possible therefrom by those of ordinary skill in the art. However, such modifications should be considered to be within the technical protection scope of the present invention. Accordingly, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.
Claims (9)
상기 전극과 전기적으로 연결되는 양자점(quantum dot) 레이어를 형성하는 단계; 및
상기 양자점 레이어의 표면을 산화 처리하여 산화막을 형성하는 단계를 포함하되,
상기 산화 처리는 RTA(Rapid Thermal Annealing) 산화 처리인 것을 특징으로 하는 광학 소자 제조 방법.
forming one or more electrodes on a substrate;
forming a quantum dot layer electrically connected to the electrode; and
Comprising the step of oxidizing the surface of the quantum dot layer to form an oxide film,
The oxidation treatment is an optical element manufacturing method, characterized in that RTA (Rapid Thermal Annealing) oxidation treatment.
상기 양자점 레이어는,
콜로이드 반도체 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 광학 소자 제조 방법.
According to claim 1,
The quantum dot layer,
A method of manufacturing an optical device, characterized in that it consists of a colloidal semiconductor material.
상기 양자점 레이어는,
II-VI족 화합물, II-V족 화합물, III-VI족 화합물, III-V족 화합물, IV-VI족 화합물, I-III-VI족 화합물, II-IV-VI족 화합물, II-IV-V족 화합물 및 이들의 조합 중 어느 하나의 그룹에서 선택된 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 광학 소자 제조 방법.
3. The method of claim 2,
The quantum dot layer,
II-VI compound, II-V compound, III-VI compound, III-V compound, IV-VI compound, I-III-VI compound, II-IV-VI compound, II-IV- A method of manufacturing an optical device, comprising a material selected from any one of group V compounds and combinations thereof.
상기 RTA 산화 처리는, 원자 확산으로 인한 양자점 레이어의 결정 구조가 변하지 않게 양자점 표면을 산화 처리하는 것을 특징으로 하는 광학 소자 제조 방법.
According to claim 1,
The RTA oxidation treatment is an optical device manufacturing method, characterized in that the surface of the quantum dot is oxidized so that the crystal structure of the quantum dot layer is not changed due to atomic diffusion.
상기 RTA 산화 처리는, 100 °C 이상 170°C 미만의 온도 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 광학 소자 제조 방법.
6. The method of claim 5,
The RTA oxidation treatment, an optical element manufacturing method, characterized in that performed in a temperature range of 100 °C or more and less than 170 °C.
상기 기판 상에 형성된 하나 이상의 전극; 및
상기 전극에 전기적으로 연결된 양자점 레이어를 포함하고,
상기 양자점 레이어의 표면은 RTA 산화 처리된 것을 특징으로 하는 광학 소자.
Board;
one or more electrodes formed on the substrate; and
a quantum dot layer electrically connected to the electrode;
The surface of the quantum dot layer is an optical device, characterized in that RTA oxidation treatment.
상기 양자점 레이어의 표면 상에 RTA 산화 처리로 인해 형성된 산화막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자.8. The method of claim 7,
The optical device, characterized in that it further comprises an oxide film formed by RTA oxidation treatment on the surface of the quantum dot layer.
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