KR102653400B1 - Zn0/V2O5 n-n 이종접합을 포함하는 투명 광검출기 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 Zn0/V2O5 n-n 이종접합을 포함하는 투명 광검출기 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 n-n접합 구조를 구비하여 상측에 별도의 전극을 배치하지 않더라도 응답도가 빠르고 광대역에서 동작이 가능하고, 광투과율 및 광검출특성이 향상된, Zn0/V2O5 n-n 이종접합을 포함하는 투명 광검출기 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

Zn0/V2O5 n-n 이종접합을 포함하는 투명 광검출기 및 이의 제조방법{Transparent Photodectector Device Comprising Zn0/V2O5 n-n Heterojunction and Manufacturing Method Thereof}
본 발명은 Zn0/V2O5 n-n 이종접합을 포함하는 투명 광검출기 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 n-n접합 구조를 구비하여 상측에 별도의 전극을 배치하지 않더라도 응답도가 빠르고 광대역에서 동작이 가능하고, 광투과율 및 광검출특성이 향상된, Zn0/V2O5 n-n 이종접합을 포함하는 투명 광검출기 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
투명 광검출기는 인간의 눈에 가시적인 자유를 부여하고 필요에 따라 장치 통합을 위한 자유도를 제공하는 장치로서, 자외선(UV)에서 근적외선(NIR) 범위까지 작동할 수 있어, 광전자공학, 센서, 감시 및 통신 등의 분야에서 사용되고 있다. 특히 상기 투명 광검출기를 이루는 다양한 1차원 및 2차원 나노구조 재료는 광검출기가 큰 종횡비 및 직접적인 캐리어 수송 경로를 포함하는 뛰어난 기하학적 구조를 가질 수 있도록 하여, 전자기적 특성을 향상시켜 효율적으로 광검출을 수행할 수 있도록 했다.
다만 종래의 투명 광검출기는 스펙트럼 선택성, 낮은 응답도, 및 높은 바이어스 전압을 가지는 문제점이 있다. 따라서 높은 광검출 특성을 가지며, 넓은 전자기 스펙트럼을 정확하게 검출할 수 있는 투명 광검출기를 개발하는 것이 시급한 실정이다.
종래에는 투명 광검출기의 투명도를 개선하기 위하여, 유리, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리이미드와 같은 투명 기판에 광대역의 갭 및 광흡수성을 가진 재료를 증착하는 방식에 대한 연구가 활발하게 수행되어 왔다. 이러한 종래의 투명 광검출기는 대부분 금속전극에 p-n 접합을 활용한 구조를 가지고 있어, 금속전극으로 인해 투명도를 보장할 수 없는 문제점이 있다.
한편 투명 광검출기를 형성할 수 있는 구조로서, n-n 이종접합이 개시되었다. 상기 n-n 이종접합은 쇼트키 접촉 이종접합에 해당하는 것으로, 상기 n-n 이종접합에서는 구조적인 특성으로 인하여 한 가지 유형의 캐리어(전자)를 통해서만 전하가 수송될 수 있어, 보다 빠른 검출성능을 구현할 수 있다.
상기 n-n 이종접합의 재료 중 하나인 V2O5는 광검출, 뇌신경학 및 배터리 응용 분야에서 광범위하게 그 사용이 입증되고 있다. V2O5은 안정하고 얻기 쉽고, 2.2 내지 2.8eV의 밴드갭 에너지를 가지고 있어, 광전자공학에서 활용하기에 용이한 재료에 해당한다. 다만 종래의 연구에서 V2O5가 UV 광검출 또는 자외선-가시광선(UV-Vis) 광검출에서 반응성이 낮고 응답 시간이 길다는 문제점을 드러냈다.
본 발명은 ZnO/V2O5 n-n 이종접합을 포함하는 투명 광검출기를 제공한다. 상기 투명 광검출기는 ZnO와 V2O5가 이종접합을 형성하는 구조를 가지고 있다. 이때 ZnO는 UV 광검출에 적합한 3.2 내지 3.4eV의 밴드갭 에너지를 가지는 특징이 있고, V2O5는 2.2 내지 2.8eV의 밴드갭 에너지를 가지는 특징이 있어, 상기 투명 광검출기가 넓은 전자기 스펙트럼 광검출 범위를 가지면서도 우수한 광검출 특성을 가질 수 있도록 한다.
또한 상기 투명 광검출기는 상부 전극 없이도 높은 광검출 특성을 가질 수 있다.
본 발명은 n-n접합 구조를 구비하여 상측에 별도의 전극을 배치하지 않더라도 응답도가 빠르고 광대역에서 동작이 가능하고, 광투과율 및 광검출특성이 향상된, ZnO/V2O5 이종접합을 포함하는 투명 광검출기 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예는, 유리기판층;
상기 유리기판층 위에 배치되는 투명전극층; 상기 투명전극층 위에 배치되고, V2O5를 포함하는 제1n타입산화물층; 및 상기 제1n타입산화물층 위에 배치되고, ZnO를 포함하는 제2n타입산화물층; 을 포함하고, 상기 제1n타입산화물층 및 제2n타입산화물층에 의하여 n-ZnO/n-V2O5의 n-n 이종접합 구조가 형성되는, 투명 광검출기를 제공한다.
본 발명의 몇 실시예에서는, 상기 투명전극층은 상기 투명 광검출기의 하부전극의 역할을 하고, 상기 제2n타입산화물층은 상기 투명 광검출기의 상부전극의 역할을 함으로써, 상기 투명 광검출기는 상기 제2n타입산화물층 위에 별도의 상부전극층을 구비하지 않더라도 광검출기를 구현할 수 있다.
본 발명의 몇 실시예에서는, 상기 제1n타입산화물층은, 바나듐 타겟을 사용하여, 1 내지 1000W의 전력, 1 내지 500sccm의 아르곤(Ar) 유량, 및 1 내지 100mTorr의 압력 하에서, 1 내지 120분의 시간동안 DC스퍼터링을 통해 증착되어 형성될 수 있다.
본 발명의 몇 실시예에서는, 상기 제2n타입산화물층은 1 내지 1000nm의 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 몇 실시예에서는, 상기 투명 광검출기는 200 내지 1000nm의 파장범위를 갖는 조명 하에서, -5V에서 +5V 사이의 바이어스 전압을 인가하여 동작할 수 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예는, ZnO/V2O5 이종접합을 포함하는 투명 광범위 광검출기의 제조방법으로서, 유리기판층을 배치하는 단계; 상기 유리기판층 위에 투명전극층을 배치하는 단계; 상기 유리기판층 위에 V2O5를 포함하는 제1n타입산화물층을 배치하는 단계; 및 상기 제1n타입산화물층 위에, ZnO를 포함하는 제2n타입산화물층을 배치하는 단계;를 포함하고, 상기 제1n타입산화물층 및 제2n타입산화물층에 의하여 n-ZnO/n-V2O5의 n-n 이종접합 구조가 형성되는, 투명 광검출기의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 몇 실시예에서는, 상기 투명전극층은 상기 투명 광검출기의 하부전극의 역할을 하고, 상기 제2n타입산화물층은 상기 투명 광검출기의 상부전극의 역할을 함으로써, 상기 투명 광검출기는 상기 제2n타입산화물층 위에 별도의 상부전극층을 구비하지 않더라도 광검출기를 구현하는, 투명 광검출기의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 몇 실시예에서는, 상기 제1n타입산화물층은 바나듐 타겟을 사용하여, 1 내지 1000W의 전력, 1 내지 500sccm의 아르곤(Ar) 유량, 및 1 내지 100mTorr의 압력 하에서, 1 내지 120분의 시간동안 DC스퍼터링을 통해 증착되어 형성되는 투명 광검출기의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 몇 실시예에서는, 상기 제2n타입산화물층은 1 내지 1000nm의 두께를 가지는 투명 광검출기의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, ZnO/V2O5 이종접합을 포함하는 투명 광검출기를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 투명 광검출기가 상이 안정하고 얻기 쉬운 V2O5 와 자외선 영역의 빛을 검출하기에 용이한 ZnO에 의하여 형성된 n-ZnO/n-V2O5의 이종접합을 포함함에 따라, 가시광선 및 근적외선뿐만 아니라 자외선 파장영역에서의 광검출 특성을 향상시킬 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광검출기가 상부에 별도의 금속 전극을 필요로 하지 않음으로써, 광학적 투명도를 손상시키지 않으면서도 광검출 특성을 향상시킬 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광검출기가 단일 유형의 캐리어(전자)를 사용하는 n-n 이종접합을 포함함에 따라, 광검출 특성을 향상시키는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, ZnO/V2O5는 순방향 바이어스 하에서 낮은 전위장벽을 보이고 역방향 바이어스에서는 높은 전위장벽을 가져 캐리어의 수송을 막는 밴드벤딩을 형성함으로써, 광검출기가 제너 다이오드와 같은 효과를 발휘할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 광검출기의 층상구조를 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 광검출기, 이의 단면 FE-SEM이미지, 광투과율, 및 라만 분광 스펙트럼에 대한 사항을 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 광검출기가 다양한 파장과 전력 세기의 광원에서 조명을 받았을 때의 I-V 거동에 대한 사항을 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 광검출기의 바이어스에 따른 검출 특성, 및 세기에 따른 검출 특성에 대한 사항을 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 광검출기의 검출 특성 등고선 그래프에 대한 사항을 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 광검출기의 과도 광전류 거동에 대한 사항을 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 광검출기의 에너지밴드 다이어그램에 대한 사항을 도시한다.
이하에서는, 다양한 실시예들 및/또는 양상들이 이제 도면들을 참조하여 개시된다. 하기 설명에서는 설명을 목적으로, 하나 이상의 양상들의 전반적 이해를 돕기 위해 다수의 구체적인 세부사항들이 개시된다. 그러나, 이러한 양상(들)은 이러한 구체적인 세부사항들 없이도 실행될 수 있다는 점 또한 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 인식될 수 있을 것이다. 이후의 기재 및 첨부된 도면들은 하나 이상의 양상들의 특정한 예시적인 양상들을 상세하게 기술한다. 하지만, 이러한 양상들은 예시적인 것이고 다양한 양상들의 원리들에서의 다양한 방법들 중 일부가 이용될 수 있으며, 기술되는 설명들은 그러한 양상들 및 그들의 균등물들을 모두 포함하고자 하는 의도이다.
또한, 다양한 양상들 및 특징들이 다수의 디바이스들, 컴포넌트들 및/또는 모듈들 등을 포함할 수 있는 시스템에 의하여 제시될 것이다. 다양한 시스템들이, 추가적인 장치들, 컴포넌트들 및/또는 모듈들 등을 포함할 수 있다는 점 그리고/또는 도면들과 관련하여 논의된 장치들, 컴포넌트들, 모듈들 등 전부를 포함하지 않을 수도 있다는 점 또한 이해되고 인식되어야 한다.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "양상", "예시" 등은 기술되는 임의의 양상 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되지 않을 수도 있다.
또한, "포함한다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는, 해당 특징 및/또는 구성요소가 존재함을 의미하지만, 하나이상의 다른 특징, 구성요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예들에서, 별도로 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 이 때 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명의 실시예에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
종래의 광검출기는 일반적으로 상부 및 하부에 금속재질의 전극이 배치되는 구조를 가지고, p-n접합을 통해 광검출기를 구현하는 특징이 있다.
다만 이러한 종래의 광검출기는 상측에 배치되는 금속재질의 전극으로 인하여 광학적 투명성이 저하되고, p-n접합에서 존재하는 전자 및 정공으로 인하여 자외선 내지 가시광선 파장영역에서 보다 빠른 검출특성을 구현하기 어려운 문제점이 있다.
이를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 n-n 이종접합 구조를 가지는 투명 광검출기(1)를 제공한다.
보다 상세하게는, 본 발명은 ZnO/V2O5 이종접합을 포함하는 투명 광검출기(1)로서, 상기 투명 광검출기(1)는 유리기판층(100), 투명전극층(200), 제1n타입산화물층(300), 및 제2n타입산화물층(400)이 적층되는 구조를 가지는 특징이 있다. 즉 상기 투명 광검출기(1)는 별도의 상부전극을 포함하지 않는다. 이 경우 상기 투명 광검출기(1)는 투명전극층(200)이 하부전극의 역할을 하고, 제2n타입산화물층(400)이 상부전극의 역할을 하여, 별도의 상부전극이 배치되지 않더라도 광검출기를 구현할 수 있다.
또한 본 발명의 투명 광검출기(1)는 상기 제1n타입산화물층(300) 및 상기 제2n타입산화물층(400)에 의하여 n-ZnO/n-V2O5 이종접합을 형성하는 특징이 있다.
이러한 특징들로 인하여 상기 투명 광검출기(1)는 근적외선, 가시광선, 및 자외선 파장영역에서의 광검출 특성이 향상될 수 있고, 광학적 투명도를 손상시키지 않으면서도 광검출 특성이 향상될 수 있고, 자외선 조명 하에서 16250 mA/W의 응답도(R)를 가질 수 있다.
즉 본 발명은 별도의 상부전극이 없고, n-ZnO/n-V2O5의 이종접합을 포함하고, 우수한 광검출 특성을 가지며, 투명한 광검출기를 제공할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 ZnO/V2O5 이종접합을 포함하는 투명 광검출기(1)에 대하여 상세하게 서술하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 광검출기(1)의 층상구조를 개략적으로 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른, ZnO/V2O5 이종접합을 포함하는 투명 광범위 광검출기로서, 유리기판층(100); 상기 유리기판층(100) 위에 배치되는 투명전극층(200); 상기 투명전극층(200) 위에 배치되고, V2O5를 포함하는 제1n타입산화물층(300); 및 상기 제1n타입산화물층(300) 위에 배치되고, ZnO를 포함하는 제2n타입산화물층(400); 을 포함하고, 상기 제1n타입산화물층(300) 및 제2n타입산화물층(400)에 의하여 n-ZnO/n-V2O5의 n-n 이종접합 구조가 형성될 수 있다.
상기 제1n타입산화물층(300)의 V2O5는 광검출 분야 이외에도 다양한 분야에 활용되며 안정적인 상을 가진 재료에 해당하나, 자외선 내지 가시광선 파장 영역에서의 광검출 특성은 나쁜 재료에 해당한다. 또한 V2O5는 2.2 내지 2.8eV의 밴드갭 에너지를 가지고 있고, 상기의 밴드갭 에너지는 밸런스밴드에 존재하는 캐리어가 컨덕션밴드 측으로 보다 빠르게 여기될 수 있도록 하는 밴드갭에 해당하여 우수한 광검출 특성을 구현할 수 있다.
상기 제2n타입산화물층(400)의 ZnO는 3.2 내지 3.4eV의 밴드갭 에너지를 가지고 있고, 상기의 밴드갭 에너지는 상기 제1n타입산화물층(300)에 상응하게 밸런스밴드에 존재하는 캐리어가 컨덕션밴드 측으로 보다 빠르게 여기될 수 있도록 하는 밴드갭에 해당하여 UV 파장영역 빛을 보다 효과적으로 검출할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 제2n타입산화물층(400)은 1 내지 1000nm의 두께를 가질 수 있고, 바람직하게는 1 내지 100nm의 두께를 가질 수 있고, 더욱 바람직하게는 50nm의 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 투명전극층(200)은 상기 투명 광검출기(1)의 하부전극의 역할을 하고, 상기 제2n타입산화물층(400)은 상기 투명 광검출기(1)의 상부전극의 역할을 함으로써, 상기 투명 광검출기(1)는 상기 제2n타입산화물층(400) 위에 별도의 상부전극층을 구비하지 않더라도 광검출기를 구현할 수 있다.
이러한 특징들로 인하여 상기 투명 광검출기(1)는 근적외선, 가시광선, 및 자외선 파장영역에서의 광검출 특성이 향상될 수 있고, 광학적 투명도를 손상시키지 않으면서도 광검출 특성이 향상될 수 있다.
이와 같은 구성에서, ZnO가 V2O5과 이종접합을 형성하는 경우 본 발명은 근적외선과 가시광선뿐만 아니라 자외선 파장영역에서 검출 특성이 향상된 투명 광검출기(1)를 구현할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 광검출기(1)는 상부에 별도의 금속 전극을 필요로 하지 않음으로써, 광학적 투명도를 손상시키지 않으면서도 광검출 특성을 향상시킬 수 있는 효과를 발휘할 수 있다. 또한, 광검출기가 단일 유형의 캐리어(전자)를 사용하는 n-n 이종접합을 포함함에 따라, 광검출 특성을 향상시키는 효과를 발휘할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 광검출기(1), 이의 단면 FE-SEM이미지, 광투과율, 및 라만 분광 스펙트럼에 대한 사항을 도시한다.
도 2(a)는 상기 투명 광검출기(1)의 사시도를 개략적으로 도시한다.
상기 투명 광검출기(1)는 제2n타입산화물층(400)(도 2(a)에서 ZnO, 이하 ZnO) / 제1n타입산화물층(300)(도 2(a)에서 V2O5, 이하 V2O5) / 투명전극층(200)이 상부에 배치된 유리기판층(100) (도 2(a)에서 FTO glass, 이하 FTO glass)의 구조를 가진다. 즉 본 발명의 일 실시예에서, 상기 투명 광검출기(1)는 상부 금속 전극이 제작되지 않을 수 있다.
이와 같이 상기 투명 광검출기(1)는 ZnO, V2O5, 및 FTO glass에 의하여 구현되고, 상기 ZnO 및 V2O5는 n타입금속산화물에 해당하는 물질로서 n-n 이종접합을 형성할 수 있다.
또한 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 상기 투명 광검출기(1)의 광검출 특성을 분석하는 동안에, 조명은 상기 투명 광검출기(1)의 바닥측(도 2(a)에서 FTO glass측)으로부터 조사되고, V2O5와 반응한 후에 ZnO와 반응할 수 있다.
도 2(b)는 상기 투명 광검출기(1)의 단면 SEM 이미지를 도시한다.
상기 투명 광검출기(1)의 단면은 전계 방출 주사 전자 현미경(FE-SEM JEOL(7001 F))을 사용하여 캡쳐 되었다.
도 2(b)에서와 같이, 상기 투명 광검출기(1)는 각각의 층이 명확하게 구분되며, FTO glass, V2O5, 및 ZnO의 레이어를 명확하게 볼 수 있다.
도 2(c)는 상기 투명 광검출기(1)와 베어 V2O5, 및 베어 ZnO의 파장에 따른 투과율에 대한 사항을 도시한다.
이때 상기 베어 V2O5는 상기 제1n타입산화물층(300)이 상기 투명전극층(200) 위에 형성된 것이 아닌 상기 제1n타입산화물층(300) 자체에 해당한다. 또한 상기 베어 ZnO는 상기 제2n타입산화물층(400)이 상기 제1n타입산화물층(300) 위에 형성된 것이 아닌 상기 제2n타입산화물층(400) 자체에 해당한다.
상기 투명 광검출기(1)의 광투과율은 300내지 1100nm의 파장범위에서 자외선, 가시광선, 및 근적외선(UV-visible-NIR) 분광 광도계(Shimadzu, UV-2600)에서 얻은 투과율 플롯을 사용하여 결정하였다.
상기 투명 광검출기(1)는 가시광선 및 자외선 영역에서 50%이상의 광투과율(>50%)을 보였다. 이를 통해 상기 투명 광검출기(1)는 가시광선 영역에서 투명하다고 판단할 수 있다.
도 2(d)는 상기 투명전극층(200)(FTO) 상부에 성장된 제1n타입산화물층(300)의 라만 스펙트럼에 대해 도시한다.
V2O5의 라만 스펙트럼은 라만 분광법(JOBIN YVON/LabRAM Hr800)을 통해 수행되었다. 632 nm의 아르곤(Ar) 레이저 파장을 1mW 여기원으로 사용하여 분석했다.
도 2(d)에 도시된 라만 스펙트럼은 제1n타입산화물층(300)이 V2O5로 이루어져 있음을 확인할 수 있다.
이때, 상기 라만 스펙트럼은 격자 진동에 해당하는 145.82 및 194.55cm-1 에서의 피크를 포함할 수 있다. 상기 145.82cm-1에서의 강한 피크는 V-O-V 사슬 진동과 관련이 있으며, 이는 V2O5가 사방정계 구조를 가지고 있음을 나타낸다. 또한 284.61, 405.49, 996.12cm-1의 피크는 구조의 품질 및 필름의 화학양론과 관련된 V=O 진동에 해당한다. 상기의 피크 이외의 진동들은 박막의 표면 또는 매트릭스로의 물 분자의 흡착 또는 통합에 기인된 작은 시프트를 포함할 수 있다. 또한 수분 흡착은 라만 피크 강도를 변경할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 광검출기(1)가 다양한 파장과 전력 세기의 광원에서 조명을 받았을 때의 I-V 거동에 대한 사항을 도시한다.
본 발명에서는 상기 투명 광검출기(1)의 광검출 특성을 측정하는 경우에, 365(LZ1-10UV00-0000), 523(LZ1-10G-102) 및 850(LZ1-10R-602)nm의 파장범위를 갖는 발광 다이오드(LED) 광원을 사용했다. Potentiostat/galvanostat (PGStat, WonATech, Zive SP2)를 사용하여 상기 투명 광검출기(1)의 특성을 분석했다. LED는 이중 조정 가능한 전원 공급 장치(MCH-305DII) 및 함수 발생기(MFG-3013A, MCH Instruments)에 연결했다. UV 광도계(Lutron, UV-340A)를 사용하여 광원의 강도를 보정하고 기록했다. 이때, ZnO에는 포지티브 프로브, V2O5에는 네거티브 프로브가 배치된다.
도 3(a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 광검출기(1)에 광원이 조명되지 않은 경우, 20mW/cm2의 고정된 광원 세기에서 365, 523, 및 850nm 파장범위를 갖는 각각의 광원이 조명되는 경우에서의 I-V 거동을 도시한다.
도 3(a)에 도시된 바와 같이, 상기 투명 광검출기(1)는 파장이 짧아지고 광자 에너지가 증가함에 따라 광전류가 증가한다. 동일한 광원 세기에서 기록된 광전류는 365nm파장 광원에서 최대이고, 850nm파장 광원에서 최소이다.
도 3(b), 도 3(c), 및 도 3(d)는 다양한 전력 세기와 365, 523, 850nm파장범위 각각의 빛이 조사된 환경에서 상기 투명 광검출기(1)의 I-V 거동을 도시한다. 상기 투명 광검출기(1)의 광전류는 모두 음의 방향에서만 관찰됨을 확인했다. 이는 제너 다이오드와 같은 거동을 나타냄을 의미할 수 있고, 이에 대해서는 후술하는 도면에서 상세하게 서술하기로 한다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에서, 상기 투명 광검출기(1)의 ZnO/V2O5 이종접합은 순방향 바이어스 하에서 낮은 전위장벽을 보이고 역방향 바이어스에서는 높은 전위장벽을 가져 캐리어의 수송을 막는 밴드벤딩을 형성함으로써, 광검출기가 제너 다이오드와 같은 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 광원 세기가 증가함에 따라 광전류도 증가한 것을 확인할 수 있다. 이는 생성된 광전류가 전류 세기 거듭제곱의 법칙, 즉 lαPα을 직접적으로 따른다는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 상기 투명 광검출기(1)는 UV 파장영역부터 NIR 파장영역까지의 광대역에서 광응답을 제공하는 효과를 발휘할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 광검출기(1)의 바이어스 전압에 따른 검출 특성, 및 광원 세기에 따른 검출 특성에 대한 사항을 도시한다.
도 4(a)는 바이어스 전압에 따른 응답도(Responsivity, 이하 R)의 거동을 도시하였다. 이때, 가해진 광원의 세기는 20mW/cm2로 일정하다.
응답도(R)은 아래 식에 의해 유도될 수 있다.
(A/W)
여기서 IPhoto 및IDark는 각각 -4V의 바이어스 전압 하에서 광원을 사용하거나, 상기 광원을 사용하지 않고 기록된 전류, Poptical은 장치의 단위면적당 입사 파장의 광출력 밀도(mW/cm2), 및 A는 상기 투명 광검출기(1)의 활성영역 즉 프로브 팁에 해당한다. 상기 식에 따르면, 광응답도는 광생성전류의 함수이다.
상기 광생성전류는 아래의 식으로 정의할 수 있다.
여기서 Ip는 광생성전류이고, α는 흡수 계수, μ는 이동도, 그리고 는 전하 캐리어 수명에 해당한다.
상기 투명 광검출기(1)의 응답도는 365nm파장의 광원에서 16.25A/W로 최대이고, 850nm파장의 광원에서 3.72A/W로 최소이다.
도 4(a)에 도시된 바와 같이, A/W에 대한 스케일은 -1에서 -4V까지의 모든 전압 바이어스 영역에서 관찰되는데, 이는 후술하는 표 1에서와 같이 종래의 V2O5기반 광검출기에 비해 상당히 향상된 효과임을 알 수 있다. 바람직하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 투명 광검출기는, 200 내지 1000nm의 파장범위를 갖는 조명 하에서, -5V에서 +5V 사이의 바이어스 전압을 인가하여 동작할 수 있다.
도 4(b)는 바이어스 전압에 대한 검출도(Detectivity, 이하 D)의 거동을 도시한다.
검출도(D)는 다음의 식으로 유도될 수 있다.
여기서 R은 다양한 파장에서의 검출기의 응답도, e는 전자의 전하, Id는 암전류에 해당한다. 더 높은 검출도는 약한 신호를 탐지하는 능력이 큼을 의미한다.
상기 투명 광검출기(1)는 365nm 파장 광원에서 1012Jones의 최대검출도 및 850nm파장 광원에서 1011Jones의 최소검출도를 보였다. 이때, 광원의 세기는 20mW/cm2로 고정되었다.
이는 종래의 V2O5기반의 광검출기와 비교하여 매우 향상된 검출도다. 아래의 표 1은 본 발명의 투명 광검출기(1)의 성능, 및 비교예들의 성능을 요약했다.
　 구조 전압
(V)		 파장(nm) 응답도
(mA/W)		 검출도
(Jones)		 상승시간
(ms)		 하강시간
(ms)		 비고
1. V2O5 Ns/ITO(transparent) 1 365@200mW/cm2 6.2 μA cm2/W n/a 65s 75s 비교예1
2. Ag/V2O5 NR/Si 5 540 948 n/a 914 573 비교예2
3. Ag/V2O5/Si 3 560 @24mW/cm2 50 n/a 127 526 비교예3
4. V2O5/ZnO/ITO/PET (transparent) -1.5 455 20 1.45×1012 4.9 9.79 비교예4
515 55 4.13×1012 12.73 9.79
620
@1mW/cm2 		20 1.48×1012 16.14 4.38
5. V2O5 NWs/SiO2/Si 3 450
@ 105mW/cm2 		160 6.5×108 17 12 비교예5
6. Ag/V2O5NWs/MoS2/Al foil n/a 365 65.1 n/a n/a n/a 비교예6
554 41.5
780
UV Vis NIR		 29.4
7. Au/Cr/UHS V2O5/Si/Ti/Au -5 450
@3.3-29.8mW/cm2 		7180-910 5.94×1011
-7.5×1010 		n/a n/a 비교예7
8. Ag/V2O5/cellulose paper n/a 365 31.5 12×109 비교예8
554 20.2 7×109
9. Cu/Ce-V2O5/Si 365 65.86 2.99×1010 n/a n/a 비교예9
10. ZnO/V2O5/FTO/glass (transparent) -4 365 16250 3.99×1012 230 μs 340 μs 실시예
523 5583 1.37×1012 13 ms 25 ms
850@20mW/cm2 3766.33 9.23×1011 - -
도 4(c)는 외부양자효율(EQE)을 이하의 식을 계산하여 도시한다.
상기 투명 광검출기(1)는 바이어스 전압 -4V에서 365nm및 850nm파장 광원에 대해 각각 최대 EQE 5467%와 최저 EQE 555%의 효과를 보였다. EQE는 바이어스 전압이 감소함에 따라 점진적으로 감소한다.
도 4(d)는 광암전류비(PDCR)를 이하의 식을 계산하여 도시한다.
상기 투명 광검출기(1)는 바이어스 전압이 감소하고 빛의 파장길이가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보인다. 더 높은 바이어스 전압에서 광전류가 빠르게 성장하는 현상과, 더 긴 파장의 광원을 사용할 때 광전류가 느리게 증가하는 현상이 이 거동의 원인일 수 있다.
도 4(e) 및 도 4(f)는 각각 상기 투명 광검출기(1)의 광원 세기에 대한 응답도(R)과 검출도(D)를 도시한다.
365nm파장 광원 하에서, 응답도와 검출도는 모두 광원 세기가 증가함에 따라 증가한다. 광전류의 생성이 광원의 세기에 정비례하는 거동을 보이기 때문이다. 따라서, 더 큰 광원 세기는 더 많은 광 캐리어를 생성하여 결국 응답도와 검출도를 증가시킨다. 도 4(e)에 도시된 바와 같이, 365nm파장 빛에서 광원 세기가 3.1에서 29.3mW/cm2로 증가하면 응답도도 증가한다.
다만 523nm파장 광원 하에서, 응답도는 가장 낮은 광원 세기인 2.44mW/cm2에서 더 높으며 광원의 세기가 증가함에 따라 계속 감소한다. 이러한 거동의 이유는 광원의 세기가 증가할 때 발생하는 광생성 캐리어의 재조합이 크게 증가하기 때문일 수 있다.
보다 상세하게는, 산소의 공공 형성 에너지는 전도도 측정으로부터 계산될 수 있는데, V2O5의 산소 정공 형성의 경우 에너지 범위는 실험적으로 1.3 내지 1.5eV이다. 반면 V2O5에서 산소 정공 형성 에너지는 이론적으로 3.1 내지 2.3eV이다. 따라서, 캐리어의 광발생과 함께 산소 정공이 생성될 가능성이 매우 높다. 산소 정공은 Vo, Vo+ 및 Vo++의 형태로 존재할 수 있다. 이때 이온화된 산소 공공은 광자당 하나의 전자-공공 쌍이 생성되는 동안 두 개의 전자를 가둘 수 있기 때문에 상기의 현상이 발생할 수 있다.
523nm파장 광원에서 관찰된 반응성 거동에 대한 또 다른 가능한 이유는 ZnO/ V2O5계면에 존재하는 계면 트랩 상태이다. V2O5는 2.2 내지 2.8eV의 밴드갭 에너지를 가지고 있고, 광원은 V2O5의 방향에서 조사되기 때문에 V2O5는 주로 523nm 파장의 빛 흡수를 담당한다. 반면 365nm파장 광원의 경우 ZnO와 V2O5 모두 입사 광자 흡수를 담당하고 큰 광전류를 생성할 수 있다.
850nm파장 광원 하에서의 응답도 거동은 V2O5 밴드갭에 존재할 수 있는 준안정상태 때문일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 광검출기(1)의 검출 특성 등고선 그래프에 대한 사항을 도시한다.
도 5(a) 및 5(d)에 도시된 바와 같이, 상기 투명 광검출기(1)는 3.1에서 29.3mW/cm2 범위의 광원 세기, -0.5에서 -4V의 작동 바이어스 전압, 및 365nm파장 광원 하에서 각각 50mA/W 및 1010Jones를 초과하는 응답도와 검출도를 제공할 수 있다.
이와 같이, 상기의 투명 광검출기(1)는 상기 표 1에서와 같은 종래의 V2O5기반의 광검출기와 비교하여 매우 향상된 응답도 및 검출도를 나타낼 수 있다.
또한 상기 투명 광검출기(1)는 2.4 내지 29.8mW/cm2 및 6.0 내지 113.2mW/cm2의 광원 세기를 갖는 523nm 및 850nm파장의 조명 하에서 각각 50mA/W 및 1011Jones를 초과하는 응답도 및 검출도를 제공할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 광검출기(1)의 과도 광전류 거동에 대한 사항을 도시한다.
과도 광전류 거동에 나타나는 상승과 하강 시간은 광검출기의 반응속도를 결정하는 주요한 광검출 특성이다. 이를 통해 상기 투명 광검출기(1)가 광대역 파장범위에서 갖는 광검출 특성을 파악할 수 있다.
도 6(a) 및 6(b)에 도시된 바와 같이, 상기 투명 광검출기(1)는 365nm 파장, -1V의 바이어스 전압, 및 1kHz의 주파수 하에서, 각각 230μs 및 340μs의 상승시간 및 하강시간을 제공할 수 있어, 광검출 특성이 향상될 수 있다.
이는 상기 투명 광검출기(1)가 고주파 UV 복사를 감지하기에 충분히 효율적임을 나타낸다.
도 6(c) 및 6(d)에 도시된 바와 같이, 상기 투명 광검출기(1)는 523nm 파장에서 각각 13ms 및 25ms의 상승 및 하강 시간을 나타낼 수 있다.
한편 523nm 파장 조명 하에서, 응답 및 복구 베이스라인 드리프트(baseline drift)가 발생할 수 있다. 상기 유형의 응답 및 복구 베이스라인 드리프트는 일반적이며, 다른 감지 장치에서도 발견할 수 있다.
보다 상세하게는, 저주파 광 조명이 고주파 광 조명보다 빠른 베이스라인 드리프트를 생성하기 때문이다. 혹은 응답 및 회복 곡선의 베이스라인 드리프트는 장치가 조명에 장기간 노출되었기 때문일 수 있다.
이는 저주파 광 조명은 추가적 광 캐리어 생성을 위한 충분한 시간을 제공하지만, 더 높은 주파수 빛은 더 적은 시간을 제공하기 때문이다. 광 캐리어의 생성은 저주파 광의 조명 하에서 더 클 수 있으며, 지속적인 광전도성 거동으로 인해 광캐리어의 재결합이 적을 수 있다. 따라서, 다음 조명 주기 동안 재결합되지 않은 광캐리어가 현재의 광전류에 추가되어 응답 및 복구 곡선에서 베이스라인 드리프트를 형성할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 광검출기(1)의 공핍폭과 에너지밴드 다이어그램을 개략적으로 도시한다.
상기 에너지밴드 다이어그램을 통하여, ZnO/V2O5 이종접합을 포함하는 본 발명의 투명 광검출기(1)가 쇼트키 접합 혹은 제너 다이오드와 같은 거동을 보이는 매커니즘을 이해할 수 있다.
보다 상세하게는, 본 발명의 광검출기에 포함된 ZnO 및 V2O5는 n형 반도체의 특징을 보이며, 캐리어 밀도는 각각 1018 및 1019cm-3 정도이다. 캐리어 밀도의 차이로 인해 V2O5에서 ZnO로의 전자 확산이 발생하고 페르미 준위가 정렬되어 V2O5에 전자 고갈 영역 및 ZnO에 전자 축적 영역이 발생한다. 도 7(a) 및 7(b)에서 도시한 것과 같이, 전자 공핍 및 축적 영역은 중성 공핍 폭을 형성하며, 캐리어 전송에 대한 내장 전위 장벽(evo)를 형성한다.
도 7(c) 및 7(d)는 순방향 바이어스(VA<0) 조건에서의 공핍 폭과 밴드 다이어그램을 나타낸다. n-n 이종접합이 ZnO에 대해 순방향 바이어스(VA<0)인 경우에, ZnO에서 V2O5 측으로 전자가 주입됨으로써 전위 장벽 높이가 감소(eVo-VA)하여 전하 수송이 촉진될 수 있다.
도 7(e) 및 7(f)는 역방향 바이어스(VA>0) 조건에서의 공핍 폭과 밴드 다이어그램을 나타낸다. n-n 이종접합이 역방향 바이어스인 경우에, V2O5에서 ZnO로 전자가 더 많이 주입됨으로써 캐리어 이동이 제한되기 때문에 전위 장벽 높이가 증가(eVo+VA)한다.
이와 같은 구성에서, ZnO/V2O5는 순방향 바이어스 하에서 낮은 전위장벽을 보이고 역방향 바이어스에서는 높은 전위장벽을 가져 캐리어의 수송을 막는 밴드 벤딩을 형성함으로써, 광검출기가 제너 다이오드와 같은 효과를 발휘할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 ZnO/V2O5 이종접합을 포함하는 투명 광검출기(1)의 제조방법에 대한 사항을 상세하게 서술하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 ZnO/V2O5 이종접합을 포함하는 투명 광검출기(1)의 제조방법은, 유리기판층(100)을 배치하는 단계; 상기 유리기판층(100) 위에 투명전극층(200)을 배치하는 단계; 상기 유리기판층(100) 위에 V2O5를 포함하는 제1n타입산화물층(300)을 배치하는 단계; 및 상기 제1n타입산화물층(300) 위에, ZnO를 포함하는 제2n타입산화물층(400)을 배치하는 단계;를 포함하고, 상기 제1n타입산화물층(300) 및 제2n타입산화물층(400)에 의하여 n-ZnO/n-V2O5의 n-n 이종접합 구조가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 유리기판층(100)은 상기 투명전극층(200)이 배치되어 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 유리기판층(100) 및 투명전극층(200)은 상기 세척된 유리기판의 일면에 F:SnO2(FTO)를 포함하는 투명전극층(200)이 배치되는 형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1n타입산화물층(300)은, 바나듐 타겟을 사용하여, 1 내지 1000W의 전력, 1 내지 500sccm의 아르곤(Ar) 유량, 및 1 내지 100mTorr의 압력 하에서, 1 내지 120분의 시간동안 DC스퍼터링을 통해 증착되어 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1n타입산화물층(300)은, 바나듐 타겟을 사용하여, 100W의 전력, 50sccm의 아르곤(Ar) 유량, 및 5mTorr의 압력 하에서, 30분의 시간동안 DC스퍼터링을 통해 증착하여 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제1n타입산화물층(300)은 급속 열 어닐링 공정을 통해 산소 분위기 하에서 1 내지 120분의 시간동안 열처리되고, 바람직하게는, 1 내지 60분의 시간 동안 열처리되고, 더욱 바람직하게는 30분의 시간동안 어닐링될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제2n타입산화물층(400)은 상기 제1n타입산화물층(300) 위에 증착되어 형성될 수 있다. 이때, 상기 제2n타입산화물층(400)은 ZnO 타겟을 사용하여 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 제2n타입산화물층(400)은 1 내지 1000nm의 두께를 가지고, 바람직하게는 1 내지 100nm의 두께를 가지고, 더욱 바람직하게는 50nm의 두께를 가질 수 있다.
즉 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 투명 광검출기(1)는 상기와 같은 제조방법을 통해 형성됨으로써, 상부 전극이 제작되지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, ZnO/V2O5 이종접합을 포함하는 투명 광검출기(1)를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 투명 광검출기(1)가 상이 안정하고 얻기 쉬운 V2O5 와 자외선 영역의 빛을 검출하기에 용이한 ZnO에 의하여 형성된 n-ZnO/n-V2O5의 이종접합을 포함함에 따라, 가시광선 및 근적외선뿐만 아니라 자외선 파장영역에서의 광검출 특성을 향상시킬 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광검출기가 상부에 별도의 금속 전극을 필요로 하지 않음으로써, 광학적 투명도를 손상시키지 않으면서도 광검출 특성을 향상시킬 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광검출기가 단일 유형의 캐리어(전자)를 사용하는 n-n 이종접합을 포함함에 따라, 광검출 특성을 향상시키는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, ZnO/V2O5는 순방향 바이어스 하에서 낮은 전위장벽을 보이고 역방향 바이어스에서는 높은 전위장벽을 가져 캐리어의 수송을 막는 밴드벤딩을 형성함으로써, 광검출기가 제너 다이오드와 같은 효과를 발휘할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
1: 투명 광검출기
100: 유리기판층 200: 투명전극층
300: 제1n타입산화물층 400: 제2n타입산화물층

Claims (9)

  1. ZnO/V2O5 이종접합을 포함하는 투명 광검출기로서,
    유리기판층;
    상기 유리기판층 위에 배치되는 투명전극층;
    상기 투명전극층 위에 배치되고, V2O5를 포함하는 제1n타입산화물층; 및
    상기 제1n타입산화물층 위에 배치되고, ZnO를 포함하는 제2n타입산화물층; 을 포함하고,
    상기 제1n타입산화물층 및 제2n타입산화물층에 의하여 n-ZnO/n-V2O5의 n-n 이종접합 구조가 형성되는, 투명 광검출기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 투명전극층은 상기 투명 광검출기의 하부전극의 역할을 하고, 상기 제2n타입산화물층은 상기 투명 광검출기의 상부전극의 역할을 함으로써, 상기 투명 광검출기는 상기 제2n타입산화물층 위에 별도의 상부전극층을 구비하지 않더라도 광검출기를 구현하는, 투명 광검출기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1n타입산화물층은,
    바나듐 타겟을 사용하여, 1 내지 1000W의 전력, 1 내지 500sccm의 아르곤(Ar) 유량, 및 1 내지 100mTorr의 압력 하에서, 1 내지 120분의 시간동안 DC스퍼터링을 통해 증착되어 형성되는, 투명 광검출기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2n타입산화물층은 1 내지 1000nm의 두께를 가지는, 투명 광검출기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 투명 광검출기는,
    200 내지 1000nm의 파장범위를 갖는 조명 하에서, -5V에서 +5V 사이의 바이어스 전압을 인가하여 동작하는, 투명 광검출기.
  6. ZnO/V2O5 이종접합을 포함하는 투명 광범위 광검출기의 제조방법으로서,
    유리기판층을 배치하는 단계;
    상기 유리기판층 위에 투명전극층을 배치하는 단계;
    상기 유리기판층 위에 V2O5를 포함하는 제1n타입산화물층을 배치하는 단계; 및
    상기 제1n타입산화물층 위에, ZnO를 포함하는 제2n타입산화물층을 배치하는 단계;를 포함하고,
    상기 제1n타입산화물층 및 제2n타입산화물층에 의하여 n-ZnO/n-V2O5의 n-n 이종접합 구조가 형성되는, 투명 광검출기의 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 투명전극층은 상기 투명 광검출기의 하부전극의 역할을 하고, 상기 제2n타입산화물층은 상기 투명 광검출기의 상부전극의 역할을 함으로써, 상기 투명 광검출기는 상기 제2n타입산화물층 위에 별도의 상부전극층을 구비하지 않더라도 광검출기를 구현하는, 투명 광검출기의 제조방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1n타입산화물층은,
    바나듐 타겟을 사용하여, 1 내지 1000W의 전력, 1 내지 500sccm의 아르곤(Ar) 유량, 및 1 내지 100mTorr의 압력 하에서, 1 내지 120분의 시간동안 DC스퍼터링을 통해 증착되어 형성되는, 투명 광검출기의 제조방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2n타입산화물층은 1 내지 1000nm의 두께를 가지는, 투명 광검출기의 제조방법.

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