KR20090103114A - 광검출 소자 및 그 제조방법 - Google Patents
광검출 소자 및 그 제조방법Info
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Abstract
광검출 소자 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 광검출 소자는, 서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 전극; 및 이 제1 전극과 제2 전극 사이에 형성되는 것으로, 실리콘 양자점(silicon quantum dots)을 포함하는 광전 변환층;을 구비한다.
Description
본 발명은 광검출 소자에 관한 것으로, 상세하게는 실리콘 양자점을 이용한 광검출 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
광검출 소자는 광신호를 검출하여 전기적인 신호로 바꾸어 주는 역할을 하는 소자를 말한다. 이러한 광검출 소자는 일반적으로 두 개의 전극 사이에 빛에너지를 전기에너지로 전환시켜 주는 광전 변환층이 형성되는 구조를 가지고 있다.
상기 광검출 소자는 자동차용 센서나 가정용 센서, 각종 디지털 카메라에 사용되는 이미지 센서(image sensor), 태양 전지(photovoltaic cell) 등에 널리 활용되고 있다. 한편, 최근에는 입사광의 파장에 대한 우수한 선택적 수광 능력과 보다 높은 광전류 대 암전류 비를 갖는 광검출 소자가 개발되고 있다.
본 발명은
상기한 목적을 달성하기 위하여,
본 발명의 구현예에 따르면,
서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 전극; 및
상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 형성되는 것으로, 실리콘 양자점(silicon quantum dots)을 포함하는 광전 변환층;을 구비하는 광검출 소자가 개시된다.
여기서, 상기 광전 변환층은 상기 실리콘 양자점이 내부에 분산된 실리콘 질화물로 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 실리콘 양자점의 밀도는 대략 1012/cm2 이상이 될 수 있다.
상기 제1 전극은 전도성 기판 또는 투명 전극이 될 수 있다. 여기서, 상기 투명 전극은 투명한 도전성 산화물(transparent conductive oxide), 질화 화합물 또는 박막의 금속으로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 제2 전극은 투명 전극이 될 수 있다.
상기 실리콘 양자점의 크기를 조절함으로써 입사광에 대하여 수광되는 빛의 파장이 결정될 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면,
제1 전극을 준비하는 단계;
상기 제1 전극 상에 실리콘 양자점이 내부에 분산된 실리콘 질화물로 이루어진 광전 변환층을 형성하는 단계; 및
상기 광전 변환층 상에 제2 전극을 준비하는 단계;를 포함하는 광검출 소자의 제조방법이 개시된다.
상기 광전 변환층은 플라즈마 강화 화학기상증착법(PECVD)에 의하여 형성될 수 있다. 여기서, 상기 실리콘 양자점의 크기는 SiH4 가스와 NH3 가스의 공급 비율에 따라 조절될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광검출 소자의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광검출 소자의 광전류(photo current) 및 암전류(dark current)를 도시한 것이다.
도 3 내지 도 6은 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 광검출 소자의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110... 제1 전극 120... 광전 변환층
121... 실리콘 양자점 122... 실리콘 질화물
130... 제2 전극
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광검출 소자의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광검출 소자는 서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 전극(110,130)과, 상기 제1 전극(110)과 제2 전극(130) 사이에 형성되는 광전 변환층(120)을 포함한다. 상기 제1 전극(110)으로는 전도성 기판 또는 투명 전극이 사용될 수 있다. 그리고, 상기 제2 전극(110)으로는 투명 전극이 사용될 수 있다. 상기 투명 전극은 투명한 도전성 산화물(TCO; transparent conductive oxide), 질화 화합물 또는 박막의 금속으로 이루어질 수 있다. 상기 투명한 도전성 산화물은 예를 들면, Ga-In-Sn-O, Zn-In-Sn-O, Ga-In-O, Zn-In-O, In-Sn-O, Zn-Sn-O, Mg-In-O, Ga-Zn-O 또는 Al-Zn-O 이 될 수 있다. 상기 질화 화합물은 예를 들면, TiN 또는 GaN 이 될 수 있다. 그리고, 상기 금속은 Ni, Pt, Pb, Au, Ti, Al, In, Ca 또는 이들의 합금이 될 수 있다. 한편, 이상에서 언급된 물질들은 단지 예시적인 것이므로, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다른 다양한 물질들이 사용될 수 있다.
상기 제1 전극(110)과 제2 전극(130) 사이에는 광신호를 전기적인 신호로 바꾸어주는 광전 변환층(120)이 형성되어 있다. 여기서, 상기 광전 변환층(120)은 실리콘 양자점(silicon quantum dots,121)을 포함한다. 구체적으로, 상기 광전 변환층(120)은 실리콘 양자점(121)이 그 내부에 분산된 실리콘 질화물(122)로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 실리콘 양자점(121)의 밀도는 대략 1012/cm2 이상이 될 수 있다.
본 실시예의 실시예에 따른 광검출 소자에서는 실리콘 질화물(122) 내에 분산된 실리콘 양자점(121)의 크기를 조절함으로써 광검출 소자의 입사광에 대한 수광 파장의 범위를 결정할 수 있다. 구체적으로, 실리콘 질화물(122) 내에 분산되어 있는 실리콘 양자점(121)의 크기를 조절하게 되면 실리콘 양자점(121)의 광학적 밴드갭 에너지를 제어할 수 있게 되고, 이를 통하여 입사광에 대한 수광 파장의 범위를 조절할 수 있게 된다. 예를 들면, 상기 실리콘 양자점(121)의 크기가 대략 3~4nm 인 경우에는 입사광 중 청색광을 선택적으로 흡수할 수 있으며, 실리콘 양자점(121)의 크기가 대략 4~5nm인 경우에는 입사광 중 녹색광을 선택적으로 흡수할 수 있다. 그리고, 상기 실리콘 양자점(121)의 크기가 대략 5~8nm인 경우에는 입사광 중 적색광을 선택적으로 흡수할 수 있다. 이러한 실리콘 양자점(121)을 포함하는 광전 변환층(120)은 후술하는 바와 같이 플라즈마 강화 화학기상증착법(PECVD; plasma enhanced chemical vapor deposition)에 의하여 형성될 수 있다. 즉, 실리콘 양자점(121)을 포함하는 광전 변환층(120)을 플라즈마 강화 화학기상증착법(PECVD; plasma enhanced chemical vapor deposition)에 의하여 형성하게 되면, 실리콘 질화물(122) 내에 1012/cm2 이상의 높은 밀도를 가지는 실리콘 양자점(121)을 형성할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 광검출 소자의 광전류(photo current) 및 암전류(dark current)를 도시한 것이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광검출 소자는 매우 큰 광전류 대 암전류 비를 가짐을 알 수 있으며, 이로부터 빛이 광검출 소자에 조사되었을 때와 빛이 조사되지 않았을 때 흐르는 광전류의 차이가 매우 큼을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광검출 소자는 높은 밀도의 실리콘 양자점(121)이 내부에 분산된 실리콘 질화물(122)로 이루어진 광전 변환층(120)을 구비함으로써 높은 광전류 대 암전류 비를 얻을 수 있다. 그리고, 상기 실리콘 양자점(121)의 크기를 조절하여 입사광에 대한 수광 파장의 범위를 결정할 수 있으므로, 우수한 선택적 수광 능력을 발휘할 수 있다.
그리고, 상기한 실리콘 양자점(121)의 크기를 조절하여 서로 다른 색상의 빛, 예를 들어 적색광, 녹색광 및 청색광을 각각 수광하는 광전 변환층들(120)을 수평 또는 수직으로 배치하게 되면, 컬러 필터가 필요 없는 이미지 센서를 제작할 수 있다. 그리고, 상기 광전 변환층들(120)을 수직으로 배치하는 경우에는 픽셀 사이즈를 줄일 수 있어 보다 높은 해상도를 가지는 이미지 센서를 제작할 수 있다는 장점이 있다.
이하에서는, 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 광검출 소자를 제조하는 방법에 대하여 설명한다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광검출 소자의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 3을 참조하면, 먼저 제1 전극(110)을 준비한다. 상기 제1 전극(110)으로는 전도성 기판이 사용될 수 있으며, 이외에도 투명 전극이 사용될 수 있다. 여기서 상기 투명 전극은 전술한 바와 같이, 투명한 도전성 산화물(TCO; transparent conductive oxide), 질화 화합물 또는 박막의 금속으로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 상기 투명한 도전성 산화물은 Ga-In-Sn-O, Zn-In-Sn-O, Ga-In-O, Zn-In-O, In-Sn-O, Zn-Sn-O, Mg-In-O, Ga-Zn-O 또는 Al-Zn-O 이 될 수 있다. 그리고, 상기 질화 화합물은 TiN 또는 GaN 이 될 수 있다. 또한, 상기 금속은 Ni, Pt, Pb, Au, Ti, Al, In, Ca 또는 이들의 합금이 될 수 있다. 한편, 이상에서 언급된 물질들은 단지 예시적인 것이므로, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
도 4를 참조하면, 플라즈마 강화 화학기상증착법(PECVD)에 의하여 상기 제1 전극(110) 상에 SiH4 가스, NH3 가스 및 N2 가스를 공급하게 되면, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 제1 전극(110) 상에 실리콘 양자점(121)이 내부에 분산된 실리콘 질화물(122)로 이루어진 광전 변환층(120)이 형성된다. 상기 실리콘 질화물(122) 내에서는 실리콘 양자점(121)이 1012/cm2 이상의 높은 밀도로 분산되어 있다. 이와 같은 높은 밀도의 실리콘 양자점(121)을 형성하기 위하여 사용되는 플라즈마 전력은 대략 100 ~ 300W/m2 정도가 될 수 있으며, 증착 압력은 대략 0.2 ~ 2Torr 정도가 될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
이러한 플라즈마 강화 화학기상증착 과정에서, SiH4 가스와 NH3 가스의 공급 비율을 조절하게 되면 실리콘 질화물(122) 내에 형성되는 실리콘 양자점(121)의 크기를 조절할 수 있다. 구체적으로 예를 들면, SiH4 가스와 NH3 가스의 공급 비율이 대략 1:1 ~ 2:1인 경우에는 대략 3~4nm 크기의 실리콘 양자점(121)이 형성되며, 이러한 크기의 실리콘 양자점(121)은 입사광 중 청색광을 선택적으로 흡수할 수 있다. 그리고, SiH4 가스와 NH3 가스의 공급 비율이 대략 2:1 ~ 3:1인 경우에는 대략 4~5nm 크기의 실리콘 양자점(121)이 형성되며, 이러한 크기의 실리콘 양자점(121)은 입사광 중 녹색광을 선택적으로 흡수할 수 있다. 또한, SiH4 가스와 NH3 가스의 공급 비율이 대략 3:1 ~ 5:1인 경우에는 대략 5~8nm 크기의 실리콘 양자점(121)이 형성되며, 이러한 크기의 실리콘 양자점(121)은 입사광 중 적색광을 선택적으로 흡수할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에서는 SiH4 가스와 NH3 가스의 공급 비율을 조절함으로써 실리콘 질화물(122) 내에 형성되는 실리콘 양자점(121)의 크기가 조절될 수 있으며, 이에 따라 실리콘 양자점(121)의 광학적 밴드갭 에너지가 제어될 수 있다. 그 결과, 광검출 소자의 입사광에 대한 선택적 수광능력이 향상될 수 있다.
마지막으로, 도 6을 참조하면, 상기 광전 변환층(120) 상에 제2 전극(130)을 형성한다. 상기 제2 전극(130)은 상기 광전 변환층(130) 상에 투명한 도전성 물질을 증착함으로써 형성될 수 있다. 상기 투명한 도전성 물질은 전술한 투명 전극과 동일한 물질로서, 예를 들면 투명한 도전성 산화물(TCO; transparent conductive oxide), 질화 화합물 또는 박막의 금속이 될 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
Claims (16)
- 서로 이격되게 마련되는 제1 및 제2 전극; 및상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 형성되는 것으로, 실리콘 양자점(silicon quantum dots)을 포함하는 광전 변환층;을 구비하는 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 광전 변환층은 상기 실리콘 양자점이 내부에 분산된 실리콘 질화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
- 제 2 항에 있어서,상기 실리콘 양자점의 밀도는 1012/cm2 이상인 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 제1 전극은 전도성 기판 또는 투명 전극인 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
- 제 4 항에 있어서,상기 투명 전극은 투명한 도전성 산화물(transparent conductive oxide), 질화 화합물 또는 박막의 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
- 제 5 항에 있어서,상기 투명한 도전성 산화물(transparent conductive oxide)은 Ga-In-Sn-O, Zn-In-Sn-O, Ga-In-O, Zn-In-O, In-Sn-O, Zn-Sn-O, Mg-In-O, Ga-Zn-O 또는 Al-Zn-O 인 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
- 제 5 항에 있어서,상기 질화 화합물은 TiN 또는 GaN 인 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
- 제 5 항에 있어서,상기 금속은 Ni, Pt, Pb, Au, Ti, Al, In, Ca 또는 이들의 합금인 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 제2 전극은 투명 전극인 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
- 제 1 항에 있어서,상기 실리콘 양자점의 크기를 조절함으로써 입사광에 대하여 수광되는 빛의 파장이 결정되는 것을 특징으로 하는 광검출 소자.
- 제1 전극을 준비하는 단계;상기 제1 전극 상에 실리콘 양자점이 내부에 분산된 실리콘 질화물로 이루어진 광전 변환층을 형성하는 단계; 및상기 광전 변환층 상에 제2 전극을 준비하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광검출 소자의 제조방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 제1 전극은 전도성 기판 또는 투명 전극인 것을 특징으로 하는 광검출 소자의 제조방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 광전 변환층은 플라즈마 강화 화학기상증착법(PECVD)에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 광검출 소자의 제조방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 실리콘 양자점의 크기는 SiH4 가스와 NH3 가스의 공급 비율에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 광검출 소자의 제조방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 실리콘 양자점은 1012/cm2 이상의 밀도를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 광검출 소자의 제조방법.
- 제 11 항에 있어서,상기 제2 전극은 상기 광전 변환층 상에 투명한 도전성 물질을 증착함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 광검출 소자의 제조방법.
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