KR20080049474A - ｎ-형 ＣＩＳ와 ｐ-형 ＣｕＳｅ를 이용한 이종접합다이오드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 n-형 CIS와 p-형 CuSe를 이용한 이종접합 다이오드를 제공한다. 본 발명의 이종접합 다이오드는 기판; 상기 기판 상에 형성된 n-형의 CIS층; 상기 n-형의 CIS층 상에 형성된 p-형의 CuSe층; 상기 n-형의 CIS 층과 전기적으로 연결된 제1 전극층; 및 상기 p-형의 CuSe 층과 전기적으로 연결된 제2 전극;을 포함한다. 이와 같은 n-형 CIS와 p-형 CuSe를 이용한 이종접합 다이오드는 정류특성을 가질 뿐만 아니라 빛을 조사할 경우 빛을 조사하지 않은 경우에 비하여 전류의 크기가 더 세지는 광특성을 보인다.
n-형 CIS, p-형 CuSe, 이종접합 다이오드, 광특성

Description

ｎ-형 ＣＩＳ와 ｐ-형 ＣｕＳｅ를 이용한 이종접합 다이오드{Hetero-junction diode with n-type CIS and p-type CuSe}
도 1은 n-형 CIS 와 p-형 CuSe의 접합에 의한 개략적인 에너지 밴드 구조 다이어그램이다.
도 2a는 역방향 전압 인가시 n-형 CIS 와 p-형 CuSe의 접합다이오드에 대하여 계산된 전류밀도-전압의 그래프이다.
도 2b는 순방향 전압 인가시 n-형 CIS 와 p-형 CuSe의 접합다이오드에 대하여 계산된 전류밀도-전압의 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 n-형 CIS와 p-형 CuSe를 이용한 이종접합 다이오드의 개략적인 사시도이다.
도 4는 도 3에서 설명한 n-형 CIS 와 p-형 CuSe의 접합다이오드에 대하여 측정한 전류-전압의 그래프들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
11: 기판 12: n-형 CIS 층
13: p-형 CuSe 층 14: 제1 전극층
15: 제2 전극층
본 발명은 이종접합 다이오드에 관한 것으로, 특히, 광반응성을 갖는 이종접합 다이오드에 관한 것이다.
원소 주기율표상의 Ⅵ족에 해당하는 칼코젠(Chalcogen) 원소들(O, S, Se, Te, Po, Uuh)의 화합물은 전자 소재로 널리 사용된다. 예를 들면, GST(Ge2Sb2Te5)는 차세대 메모리로 각광 받고 있는 상변화 메모리(Phase-change Random Access Memory, PRAM)의 핵심소재로 사용되고 있고, 뛰어난 광반응성을 가지는 CIS(CuInSe2)는 태양전지 분야의 주 소재로써 사용되고 있다.
그런데 이들 중 GST의 경우 박막형 트랜지스터의 개발에 관한 연구가 이미 발표되어 있지만, CIS의 경우 스위칭 소자 혹은 정류 소자의 개발이 아직 연구되지 않고 있다.
CIS는 Cu와 In의 구성비 및 소재 제작과정의 열처리시 사용한 가스의 종류에 따라 서로 다른 형태의 전기전도도를 가지게 된다. 즉, 열처리 과정에서 Se 가스를 사용할 경우 Cu 원소의 빈 자리(vacancy)가 증가됨으로 인해 일반적으로 p-형의 전도도를 가지며, 열처리 과정에서 Ar 가스를 사용할 경우 n-형의 전도도를 갖는 것으로 알려져 있다.
또한 CIS는 넓은 에너지 대역폭(Energy Bandgap)을 가짐으로써 이미 언급한 바와 같이 광반응성이 뛰어나며, 이를 이용한 정류소자의 개발이 이루어질 경우 광-TFT(photo thin film transisor)와 같은 광 스위칭 소자로의 개발도 쉽게 이루어질 수 있을 것으로 예상된다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, CIS를 이용한 이종접합 및 이종접합 다이오드를 제공하고, 나아가 광 특성을 갖는 이종접합 다이오드를 제공하는 것을 목표로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 n-형의 CIS로 이루어진 n-형 영역; 및 상기 n-형 영역과 접합을 이루며, p-형의 CuSe로 이루어진 p-형 영역;을 포함하는 이종접합을 제공한다. 여기서, 상기 n-형 영역과 상기 p-형 영역은 박막에 의해 형성된 것이 바람직하다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 또한 본 발명은 n-형의 CIS로 이루어진 n-형 영역; 상기 n-형 영역과 접합을 이루며, p-형의 CuSe로 이루어진 p-형 영역;을 포함하는 이종접합 다이오드를 제공한다.
여기서, 상기 n-형 영역과 상기 p-형 영역은 박막에 의해 형성된 것이 바람직하다.
또한 상기 이종접합 다이오드는 상기 n-형 영역에 전기적으로 연결된 캐소드 및 상기 p-형 영역에 전기적으로 연결된 애노드를 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 아울러 본 발명은 기판; 상기 기판 상에 형성된 CIS층; 및 상기 CIS층 상에 형성된 CuSe층;을 포함하는 이종접합 다이오 드 또는 기판; 상기 기판 상에 형성된 CuSe층; 및 상기 CuSe층 상에 형성된 CIS층;을 포함하는 이종접합 다이오드.를 제공한다.
여기서, 상기 이종접합 다이오드는 상기 CIS층과 전기적으로 연결된 제1 전극; 및 상기 CuSe층과 전기적으로 연결된 제2 전극;을 더 포함할 수 있다.
상기 기판은 유리 기판을 포함할 수 있다.
상기 CIS 층은 n-형의 전도도를 갖는 것이 바람직하고, 상기 CuSe 층은 p-형의 전도도를 갖는 것이 바람직하다.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 귀금속을 포함할 수 있고, 더 나아가 Au를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 더 나아가 본 발명은 기판; 상기 기판 상에 형성된 n-형의 CIS층; 상기 n-형의 CIS층 상에 형성되고 상기 n-형의 CIS층의 일부를 노출시키는 p-형의 CuSe층; 상기 노출된 n-형의 CIS 층 위의 제1 전극층; 및 상기 p-형의 CuSe층 위의 제2 전극;을 포함하는 이종접합 다이오드 또는 기판; 상기 기판 상에 형성된 p-형의 CuSe층; 상기 p-형의 CuSe층 상에 형성되고 상기 p-형의 CuSe층의 일부를 노출시키는 n-형의 CIS 층; 상기 노출된 p-형의 CuSe층 위의 제1 전극층; 및 상기 n-형의 CIS 층 위의 제2 전극;을 포함하는 이종접합 다이오드.를 제공한다.
상기 기판은 유리 기판을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 귀금속을 포함할 수 있고, 더 나아가 Au를 포함할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이하의 설명에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 상부에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 구성 요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 생략되거나 과장되었고, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 한편, 사용되는 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.
표 1은 n-형 CIS 와 p-형 CuSe 소재의 반도체 특성값들이다. 표 1의 값들을 이용하여 계산한 접촉전위차(junction voltage)는 0.85V 이며, 공핍영역(depletion region)의 길이는 35,2 ㎛이다.
<표 1>
CIS CuSe
ni [cm-3] 1.6×1011 (ni, n) 9.9×1012 (ni, p)
불순물 농도 [cm-3] -9.04×1015 (Nd) +1.06×1018 (Na)
εr(상대적 유전 상수) 10 (가정) 10 (가정)
D(캐리어 확산 계수) [cm2/sec] 0.60 (Dn) 0.11 (Dp)
L(소수 캐리어 확산 길이) [sec] 5×10-7(Ln, 가정) 5×10-7(Lp, 가정)
도 1은 n-형 CIS 와 p-형 CuSe의 접합에 의한 에너지 밴드 구조를 개략적으로 도시하고 있다. 상기 에너지 밴드 구조로부터 n-형 CIS 와 p-형 CuSe의 접합이 이종접합 다이오드를 이루고 있음을 알 수 있다. 한편, 다이오드의 구성시 접합면 적 및 n형 CIS(12)와 p형 CuSe(13)에 포함된 불순물 농도(doping concentration)에 따라 두 소재의 접합면 주변에서의 에너지 밴드의 휨 현상이 커질 수 있다. 이 경우 에너지 밴드의 접합부에서 에너지준위 우물(potential well)이 생성되어 강한 전압을 인가할 경우에는 전자의 터널링(tunneling)에 의한 전류의 흐름이 발생할 수도 있다.
이종접합 다이오드에 대한 이상적인 전류-전압 특성은 다음과 같은 전류밀도 방정식을 통해 개괄적으로 표현될 수 있다.
Figure 112006089171253-PAT00001
식 (1)에서 N a , N d 는 n-형과 p-형 소재 각각에서 홀효과 측정에 의한 불순물의 농도를 나타내고, n i, n , n i, p 는 n-형, p-형 소재 각각의 진성농도의 값을 나타낸다. 상기 전류밀도식은 접합부 주변의 공핍영역에서의 전자/정공의 재결합이 발생하지 않는 이상적인 경우를 가정한 것으로, 실재로는 쇼클리-홀-리드 재결합(Shockley-Hall-Read recombination)과 같은 몇몇 주요한 재결합 과정들이 전류-전압 특성에 영향을 미칠 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 식 (1)로부터 계산된, 역방향 전압 및 순방향 전압 인가에 따른 전류밀도-전압 관계를 전압범위 내에서의 전류값의 크기 차이를 고려하여 로그스케일로 나타낸 그래프이다. 도 2a를 참조하면, 역방향 전압에 의한 포화전류밀도의 예상값은 -10-10.9[A/㎤]이다. 또한, 표 1의 값들을 이용하여 계산한 접촉전위 차(junction voltage)는 0.85V이며, 공핍영역의 길이는 35.2㎛ 였다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 n-형 CIS와 p-형 CuSe를 이용한 이종접합 다이오드의 개략적인 사시도이다. 도 3을 참조하면, 기판(11)위에 n-형 CIS 박막(12)이 형성되어 있고, 그 위에 p-형 CuSe 박막(13)이 n-형 CIS 박막(12)의 일부를 노출시키면서 형성되어 있다. n-형 CIS 박막(12)은 이종접합 다이오드의 n형 영역을 이루고, p-형 CuSe 박막(13)은 이종접합 다이오드의 p-형 영역을 이룬다. 기판(11)은 유리기판을 사용할 수 있고, 그 외에도 박막으로 형성되는 전자 소자의 기판으로 사용될 수 있는 물질을 사용할 수 있다.
노출된 n-형 CIS 박막(12) 위와 p-형 CuSe 박막(13) 위에 Au 박막(14, 15)이 형성되어 있다. Au 박막(14, 15)은 n-형 CIS 박막(12) 및 p-형 CuSe 박막(13)과 오믹 콘택(Ohmic contact)을 이루며, 따라서 n-형 CIS 박막(12)과 접하는 Au 박막(14)은 캐소드 역할을 하며 p-형 CuSe 박막(13)과 접하는 Au 박막(15)은 애노드 역할을 할 수 있다.
한편, 도 3의 실시예에서는 n-형 CIS 박막(12)이 기판(11)과 접촉하고 있고, p-형 CuSe 박막(13)이 n-형 CIS 박막(12) 위에 형성되어 있으나, 이와 다르게 p-형 CuSe 박막(13)이 기판(11)과 접촉하고, n-형 CIS 박막(12)이 p-형 CuSe 박막(13) 위에 형성되어 있을 수 있다. 또한, 캐소드 및 애노드로써 Au 이외에도 n-형 CIS 박막(12) 및 p-형 CuSe 박막(13)과 오믹 콘택을 이룰 수 있는 금속물질이 사용될 수 있다.
도 4는 도 1에서 설명한 실시예에 따른 접합 다이오드에 전압을 인가하여 측 정한 전류값을 도시한 그래프들이다. 도 4에서 ○로 표시된 그래프는 다이오드의 접합부에 파장 800nm 주변의 빛을 조사하면서 측정한 것이고, ●로 표시된 그래프는 빛의 조사 없이 측정한 것이다. 빛의 조사 유무에 관계없이, 역방향 전압을 인가한 경우에는 2nA 미만의 미약한 전류가 흐르고, 순방향 전압을 인가한 경우에는 전압값에 따라 비선형적으로 전류가 증가하여 정류작용이 이루어지고 있음을 보여준다.
한편, 순방향 전압 인가시 빛이 조사된 경우(○)에는 빛이 조사되지 않은 경우(●)보다 다이오드를 통하여 전류가 더 많이 흘렀다. 2V의 전압 인가시 빛이 조사된 경우(○)에는 9.4nA의 전류가 측정되고 빛이 조사되지 않은 경우(●)에는 4.8nA의 전류가 측정되어 빛의 조사 유무에 따라 전류의 비가 약 두 배까지 벌어졌다. 따라서 빛의 조사 유무에 따른 전류의 차이를 이용하여 광검출 소자로도 활용을 기대할 수 있다.
지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 박막 적층 구조의 n-형 CIS와 p-형 CuSe의 접합을 이용하여 정류기능을 갖는 이종접합 다이오드를 구현할 수 있었다.
한편, 본 발명에 따른 n-형 CIS와 p-형 CuSe의 이종접합 다이오드는 빛의 조사 유무에 따라 전압-전류 특성을 달리하므로 광검출 소자로의 활용 및 광-TFT와 같은 스위칭 소자로써의 개발 가능성을 기대할 수 있다.

Claims (13)

  1. n-형의 CIS로 이루어진 n-형 영역; 및
    상기 n-형 영역과 접합을 이루며, p-형의 CuSe로 이루어진 p-형 영역;을 포함하는 이종접합.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 n-형 영역과 상기 p-형 영역은 박막에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 이종접합.
  3. n-형의 CIS로 이루어진 n-형 영역;
    상기 n-형 영역과 접합을 이루며, p-형의 CuSe로 이루어진 p-형 영역;을 포함하는 이종접합 다이오드.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 n-형 영역과 상기 p-형 영역은 박막에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 이종접합 다이오드.
  5. 제2 항에 있어서, 상기 n-형 영역에 전기적으로 연결된 캐소드 및 상기 p-형 영역에 전기적으로 연결된 애노드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이종접합 다이오드.
  6. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 CIS층; 및
    상기 CIS층 상에 형성된 CuSe층; 을 포함하는 이종접합 다이오드.
  7. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 CuSe층; 및
    상기 CuSe층 상에 형성된 CIS층;을 포함하는 이종접합 다이오드.
  8. 제6 항 또는 제7 항에 있어서, 상기 CIS층과 전기적으로 연결된 제1 전극; 및
    상기 CuSe층과 전기적으로 연결된 제2 전극;을 더 포함하는 특징으로 하는 이종접합 다이오드.
  9. 제6 항 또는 제7 항에 있어서, 상기 기판은 유리 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 이종접합 다이오드.
  10. 제6 항 또는 제7 항에 있어서, 상기 CIS 층은 n-형의 전도도를 갖는 것을 특징으로 하는 이종접합 다이오드.
  11. 제6 항 또는 제7 항에 있어서, 상기 CuSe 층은 p-형의 전도도를 갖는 것을 특징으로 하는 이종접합 다이오드.
  12. 제8 항에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 귀금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 이종접합 다이오드.
  13. 제8 항에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 Au를 포함하는 것을 특징으로 하는 이종접합 다이오드.
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