KR20150133087A - 강유전성 물질을 포함하는 광전자소자 - Google Patents
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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); 및
상기 제2 전극의 일면에 구비된 강유전층(ferroelectric layer);을 포함하는 광전자소자(optoelectronic device). - 제 1 항에 있어서,
기판 상에 상기 제1 전극, 상기 광활성층, 상기 제2 전극 및 상기 강유전층이 순차로 구비된 광전자소자. - 제 1 항에 있어서,
기판 상에 상기 강유전층, 상기 제2 전극, 상기 광활성층 및 상기 제1 전극이 순차로 구비된 광전자소자. - 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. - 제 1 항에 있어서,
상기 제2 전극과 이격된 제3 전극을 더 포함하고,
상기 강유전층은 상기 제2 및 제3 전극 사이에 구비된 광전자소자. - 제 9 항에 있어서,
기판 상에 상기 제1 전극, 상기 광활성층, 상기 제2 전극, 상기 강유전층 및 상기 제3 전극이 순차로 구비된 광전자소자. - 제 9 항에 있어서,
기판 상에 상기 제3 전극, 상기 강유전층, 상기 제2 전극, 상기 광활성층 및 상기 제1 전극이 순차로 구비된 광전자소자. - 제 9 항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 전극 중 적어도 하나는 그래핀을 포함하고,
상기 광활성층은 이차원 반도체를 포함하는 광전자소자. - 제 9 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 9 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 9 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 포함하는 광전자장치(optoelectronic apparatus). - 제 17 항에 있어서,
상기 광전자장치는 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. - 제 18 항에 있어서,
상기 광전자장치는 상기 제2 그래핀층과 상기 강유전체 사이에 구비된 확산방지층을 더 포함하는 광전자장치. - 제 17 내지 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광활성층은 이차원 반도체를 포함하는 광전자장치.
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