KR20170098143A - 광 검출 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광 검출 소자에 관한 것이다. 광 검출 소자는 서로 대향된 제1 면 및 제2 면을 갖는 광전 변환층; 상기 광전 변환층의 제1 면 상에 배치된 투명한 제1 전극; 상기 광전 변환층의 제2 면 아래에 배치된 투명한 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 광전 변환층 사이에 배치되는 p형 반도체층; 상기 제2 전극과 상기 광전 변환층 사이에 배치되는 n형 반도체층; 및 상기 p형 반도체층과 상기 광전 변환층 사이, 또는 상기 n형 반도체층과 상기 광전 변환층 사이에 배치되고, 상기 광전 변환층과 다른 에너지 밴드 갭을 갖는 캐리어 이동층을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 광 검출 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광에 대한 감도를 향상시키면서 누설 전류를 줄이는 광 검출 소자에 관한 것이다.
광 검출 소자는 광학적 신호를 전기적 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 그 예로 이미지 센서, 스마트 폰이나 스마트 와치에서 생체 신호를 감지하는 모바일 감지기 등이 있다. 광 검출기소자 중 하나인 CMOS 이미지 센서는 생산단가 및 소비전력이 낮고, 동일한 칩 상에 주변회로를 집적 하기 쉬우며, 처리속도가 빠르다는 장점이 있어 활발한 기술 개발이 진행 중이며, 생체 신호 모바일 감지기의 경우 현재 급속도로 그 수요가 증가하고 있으며 앞으로 높은 감응도를 구현하는 기술이 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 광에 대한 감도를 향상시키면서 누설 전류를 줄이는 광 검출 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 광 검출 소자는, 서로 대향된 제1 면 및 제2 면을 갖는 광전 변환층; 상기 광전 변환층의 제1 면 상에 배치된 투명한 제1 전극; 상기 광전 변환층의 제2 면 아래에 배치된 투명한 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 광전 변환층 사이에 배치되는 p형 반도체층; 상기 제2 전극과 상기 광전 변환층 사이에 배치되는 n형 반도체층; 및 상기 p형 반도체층과 상기 광전 변환층 사이, 또는 상기 n형 반도체층과 상기 광전 변환층 사이에 배치되고, 상기 광전 변환층과 다른 에너지 밴드 갭을 갖는 캐리어 이동층을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 캐리어 이동층의 에너지 밴드 갭은 상기 광전 변환층의 에너지 밴드 갭보다 크거나 작을 수 있다.
일 실시예에서, 상기 캐리어 이동층은 서로 다른 에너지 밴드 갭을 갖는 복수의 밴드갭 변화층들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 n형 반도체층 및 상기 광전 변환층 사이 또는 상기 p형 반도체층 및 상기 광전 변환층 사이에 배치되고, 상기 광전 변환층과 결정성이 다른 전류 누설 방지층을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전류 누설 방지층은 Si, SiO, SiC, SiN, AlO, TiO, MoO₃, V2O5, Al₂O₃, ZnO, 및 AlTiO 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전류 누설 방지층은 결정성이 서로 다른 복수의 결정성 변화층들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 결정성 변화층들은 서로 에너지 밴드 갭이 상이할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전류 누설 방지층은 상기 광전 변환 층과 에너지 밴드 갭이 상이할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광전 변환층은 상기 광전 변환층은 Si 및 SiO 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광전 변환층은 비정질 또는 미세결정으로 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 캐리어 이동층은 SiO, AlO, TiO, SiAlO 및 AlTiO 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 캐리어 이동층의 두께는 3nm 내지 100nm일 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 광 검출 소자는 광전 변환층과 에너지 밴드 갭이 다른 캐리어 이동층에 의해 광에 대한 감도를 향상시킬 수 있다. 또한, 광 검출 소자는 광전 변환층과 결정성이 다른 전류 누설 방지층에 의해 누설 전류를 줄일 수 있다. 이에 따라, 광 검출 소자의 전기적 안정성이 향상될 수 있다. 또한, 캐리어 이동층의 위치를 조절하여, 특정 파장에 대한 광 검출 감도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 광 검출 소자를 나타내는 단면도이다.
도 2a는 도 1의 A 부분을 확대한 확대도이다.
도 2b는 도 1의 B 부분을 확대한 확대도이다.
도 3은 도 1의 제1 기판을 통해 광전 변환층으로 광이 입사되는 경우, 캐리어 이동층의 유무에 따른 광 검출 감도를 파장에 따라 나타낸 그래프이다.
도 4는 도 1의 전류 누설 방지층의 유무에 따른 누설 전류 밀도를 전압에 따라 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 광 검출 소자의 변형 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 광 검출 소자의 변형 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2a는 도 1의 A 부분을 확대한 확대도이다.
도 2b는 도 1의 B 부분을 확대한 확대도이다.
도 3은 도 1의 제1 기판을 통해 광전 변환층으로 광이 입사되는 경우, 캐리어 이동층의 유무에 따른 광 검출 감도를 파장에 따라 나타낸 그래프이다.
도 4는 도 1의 전류 누설 방지층의 유무에 따른 누설 전류 밀도를 전압에 따라 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 광 검출 소자의 변형 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 광 검출 소자의 변형 예를 설명하기 위한 단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자에 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 개념 및 이에 따른 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 광 검출 소자를 나타내는 단면도이다. 도 2a는 도 1의 A 부분을 확대한 확대도이다. 도 2b는 도 1의 B 부분을 확대한 확대도이다. 도 3은 도 1의 제1 기판을 통해 광전 변환층으로 광이 입사되는 경우, 캐리어 이동층의 유무에 따른 광 검출 감도를 파장에 따라 나타낸 그래프이다. 도 4는 도 1의 전류 누설 방지층의 유무에 따른 누설 전류 밀도를 전압에 따라 나타낸 그래프이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 광 검출기는, 광전 변환층(100), 캐리어 이동층(400), 전류 누설 방지층(500), p형 반도체층(310), n형 반도체층(320), 제1 전극(210), 제2 전극(220), 제1 기판(610), 및 제2 기판(620)을 포함할 수 있다.
제1 및 제2 기판들(610, 620)은 투명한 기판일 수 있다. 예를 들면, 제1 및 제2기판들은 투명한 유리 기판 또는 투명한 플라스틱 기판일 수 있다. 상세하게, 제1 및 제2 기판들(610, 620)은 폴리메틸 메타아크릴레이트(PMMA), 아크릴로니트릴스티렌(AS), 폴리스티렌(PS), 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르술폰(PES), 폴리아미드(PA), 폴리에스테르이미드(PEI), 또는 폴리메틸펜텐(PMP)을 포함할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 기판들(610, 620)은 유연한 재질을 포함할 수 있다. 이에 따라, 광 검출 소자(10)는 구부러지거나 신축될 수 있어, 다양한 분야에서 사용될 수 있다.
제1 및 제2 기판들(610, 620)에 외부 광(이하, 입사 광 또는 광, L)이 입사될 수 있다. 입사 광(L)은 가시광선, 적외선, 및 자외선을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 기판들(610, 620)은 서로 마주보면서 이격 배치될 수 있다. 상세하게, 제2 기판(620)은 제1 기판(610) 아래에 배치될 수 있다. 제1 기판(610)의 하면과 제2 기판(620)의 상면은 서로 대향되게 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 기판들(610, 620) 사이에 공간이 제공될 수 있다. 제1 기판(610)은 제1 전극(210) 상에 배치될 수 있다.
제1 및 제2 전극들(210, 220)은 투명한 전도성 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 및 제2 전극들(210, 220)은 ITO, ZnO:Al, ZnO:Ga, SnO2:F, Ag 및 ZnO:B 중 어느 하나의 물질 및 이들의 다층 조합을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 전극들(210, 220)은 서로 마주보게 이격 배치될 수 있다. 상세하게, 제2 전극(220)은 제1 전극(210)의 아래에 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 전극들(210, 220) 사이에 공간이 형성될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 전극들(210, 220)은 제1 및 제2 기판들(610, 620) 사이에 배치될 수 있다.
제2 전극(220)은 제2 기판(620) 상에 배치될 수 있다. 예를 들면, 제2 전극(220)은 제2 기판(620) 상에 기화 증착(evaporation deposition), 화학기상증착(CVD: chemical vapor deposition) 등의 방법으로 증착될 수 있다. 또한, 제1 전극(210)은 p형 반도체층(310) 상에 배치될 수 있다. 예를 들면, 제1 전극(210)은 p형 반도체층(310) 상에 기화 증착(evaporation deposition), 화학기상증착(CVD: chemical vapor deposition) 등의 방법으로 증착될 수 있다.
광전 변환층(100)은 p형 및 n형 반도체층들(310, 320) 사이에 배치될 수 있다. 실시예들에 따르면, 광전 변환층(100)은 p형 반도체층(310)과 캐리어 이동층(400) 사이에 배치될 수 있다. 이와 달리, 다른 실시예에서, 광전 변환층(100)은 n형 반도체 층(320)과 캐리어 이동층(400) 사이에 배치될 수 있다. 광전 변환층(100)은 서로 대향된 제1 면(101) 및 제2 면(102)을 가질 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 면(101)은 광전 변환층(100)의 상면일 수 있고, 제2 면(102)은 광전 변환층(100)의 하면일 수 있다. 광전 변환층(100)의 제1 및 제2 면(102)들 중 적어도 어느 하나는 텍스처링 표면(texturing surface)일 수 있다. 이에 따라, 광전 변환층(100)으로 입사되는 광이 반사되는 것을 줄일 수 있다. 또한, 제1 면(101)과 접촉하는 캐리어 이동층(400)과의 부착력이 강화될 수 있다. 제2 면(102)과 접촉하는 전류 누설 방지층(500)과의 부착력이 강화될 수 있다. 광전 변환층(100)의 텍스처링 면은 전류 누설 방지층(500) 상에 증 착시 또는 증착후 에칭 공정을 통해 형성할 수 있다.
실시예에 따르면, 광전 변환층(100)은 단일층으로 이루어질 수 있다. 이와 달리, 다른 실시예에서, 광전 변환층(100)은 에너지 밴드 갭이 서로 다른 다층으로 이루어질 수 있다. p형 및 n형 반도체층들(310, 320) 사이에 배치된 광전 변환층(100)은 공핍(depletion)될 수 있다. 이에 따라, 광전 변환층(100)은 광(L)이 입사될 때, 그 내부에 전기장을 생성할 수 있다. 광전 변환층(100) 내에 전기장이 생성됨으로써, 광전 변환층(100)은 캐리어를 생성할 수 있다. 여기서, 캐리어는 전자와 정공을 의미할 수 있다. 광전 변환층(100)에서 생성된 전자는 전기장에 의해 n형 반도체층(320)으로 드리프트(drift)될 수 있고, 광전 변환층(100)에서 생성된 정공은 전기장에 의해 p형 반도체층(310)으로 드리프트(drift)될 수 있다.
광전 변환층(100)은 전류 누설 방지층(500) 상에 기화 증착, 화학기상증착 등의 방법으로 증착될 수 있다. 광전 변환층(100)은 Si 및 SiO 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 실시예에 따르면, 광전 변환층(100)은 진성(intrinsic) 실리콘층일 수 있다.
또한, 광전 변환층(100)은 비정질 또는 미세결정으로 제공될 수 있다.실시예에 따르면, 광전 변환층(100)은 비정질 실리콘층(a-Si:H) 또는 미세결정 실리콘층(μc-Si:H)일 수 있다. 여기서, 미세결정은 마이크로단위의 결정과 나노단위의 결정을 포함할 수 있다. 또한, 광전 변환층(100)은 전류 누설 방지층(500)과 다른 결정성을 가질 수 있다.
광전 변환층(100)의 두께는 약 500Å 내지 2000Å일 수 있다. 또한, 광전 변환층(100)의 두께는 p형 반도체층(310)의 두께와 n형 반도체층(320)의 두께보다 크게 제공될 수 있다. 이에 따라, 광전 변환층(100)에 발생된 전기장의 영역이 증가할 수 있다. 전기장 영역이 증가함으로써, 광전 변환층(100)에서 생성되는 캐리어의 농도가 증가될 수 있다. 본 명세서에서 두께는 상하방향의 길이를 의미할 수 있다.
광전 변환층(100)의 두께가 2000Å 이상일 때, 입사광(L)이 광 검출 소자(10)를 투과하기 어렵고, 광전 변환층(100)이 약 500Å 미만일 경우, 광전 변환층(100)에서 입사광(L)을 흡수하는 기능을 구현하기 어렵다. 또한, 광전 변환층(100)의 두께는 p형 반도체층(310)의 두께와 n형 반도체층(320)의 두께보다 크게 제공될 수 있다. 예를 들면, 광전 변환층(100)이 약 1500Å의 두께를 가질 경우, P형 반도체층(310)은 약 50Å 내지 약 180Å의 두께를 가질 수 있다. 또한, n형 반도체층(320)은 약 150Å 내지 약 350Å의 두께를 가질 수 있다.
p형 반도체층(310)은 광전 변환층(100)과 제1 전극(210) 사이에 배치될 수 있다. p형 반도체층(310)은 캐리어 이동층(400) 상에 기화 증착, 화학기상증착 등의 방법으로 증착될 수 있다. p형 반도체층(310)은 광전 변환층(100)에서 드리프트된 정공을 수집할 수 있다. 이에 따라, p형 반도체층(310)에 정공이 축적될 수 있다.
P형 반도체층(310)은 4족 원소에 3족 원소가 도핑된 p형 반도체를 포함할 수 있다. P형 반도체는 Si, SiGe, SiC, SiO, SiN, SiON, SiCN, SiGeO, SiGeN, 및 SiGeC 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
p형 반도체층(310)은 비정질 또는 미세결정 실리콘을 포함할 수 있다. 실시예에 따르면, p형 반도체층(310)은 광전 변환층(100)과 동일한 결정성을 갖는 실리콘을 포함할 수 있다. 예를 들면, 광전 변환층(100)이 미세결정의 실리콘을 포함할 때, p형 반도체층(310)도 미세결정의 실리콘을 포함할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, p형 반도체층(310)의 두께는 광전 변환층(100)의 두께보다 작게 제공될 수 있다.
n형 반도체층(320)은 광전 변환층(100)과 제2 전극(220) 사이에 배치될 수 있다. n형 반도체층(320)은 제2 전극(220) 상에 기화 증착, 화학기상증착 등의 방법으로 증착될 수 있다. n형 반도체층(320)은 광전 변환층(100)에서 드리프트된 전자를 수집할 수 있다. 이에 따라, n형 반도체층(320)에 전자가 축적될 수 있다. p형 반도체층(310)은 제1 전극(210)을 통해 외부 부하와 전기적으로 연결될 수 있다. n형 반도체층(320)은 제2 전극(220)을 통해 외부의 부하(미도시)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이에 따라, 광전류가 흐를 수 있다. .
n형 반도체층(320)은 4족 원소에 5족 원소가 도핑된 n형 반도체를 포함할 수 있다. n형 반도체는 Si, SiGe, SiC, SiO, SiN, SiON, SiCN, SiGeO, SiGeN, 및 SiGeC 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. n형 반도체층(320)은 비정질 또는 미세결정 실리콘을 포함할 수 있다. 실시예에 따르면, n형 반도체층(320)은 광전 변환층(100)과 동일한 결정성을 갖는 실리콘을 포함할 수 있다. 예를 들면, 광전 변환층(100)이 미세결정의 실리콘을 포함할 때, n형 반도체층(320)도 미세결정의 실리콘을 포함할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, n형 반도체층(320)의 두께는 광전 변환층(100)의 두께보다 작을 수 있다.
실시예에 따르면, 캐리어 이동층(400)은 p형 반도체층(310)과 광전 변환층(100) 사이에 배치될 수 있다. 이와 달리, 다른 실시예에서, p형 반도체 층(310)은 생략될 수 있으며, 이 경우, 캐리어 이동층(400)이 p형 반도체 층(310)의 역할을 할 수 있다. 캐리어 이동층(400)은 광전 변환층(100) 상에 기화 증착, 화학기상증착 등의 방법으로 증착될 수 있다. 실시예에 따르면, 캐리어 이동층(400)은 SiH4와 같은 소스 가스에 수소(H₂(g))를 첨가한 플라즈마 화학기상증착법을 통해 광전 변환층(100)의 제1 면(101) 상에 증착될 수 있다. 캐리어 이동층(400)은 SiO, AlO, TiO, SiAlO, 및 AlTiO 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
캐리어 이동층(400)은 광전 변환층(100)과 다른 에너지 밴드 갭을 가질 수 있다. 실시예에 따르면, 캐리어 이동층(400)의 에너지 밴드 갭은 광전 변환층(100)의 에너지 밴드 갭보다 크게 제공될 수 있다. 예를 들면, 광전 변환층(100)의 에너지 밴드갭은 대략 1.1ev 내지 대략 1.6ev일 수 있다. 캐리어 이동층(400)의 에너지 밴드갭은 대략 1.7ev 내지 대략 2.0ev일 수 있다. 이에 따라, 캐리어 이동층(400)은 광전 변환층(100)에서 p형 반도체층(310)으로 드리프트되는 정공에 의해 내부에 전기장을 형성할 수 있다. 캐리어 이동층(400)에 형성된 전기장은 p형 반도체층(310)에 축적되는 정공의 농도를 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 광전류의 밀도가 증가하여, 광 검출 감도(optical sensitivity, S)가 증가할 수 있다. 또한, 캐리어 이동층(400)은 제1 기판(610)으로부터 광전 변환층(100)을 향해 이동하는 대부분 광(L)을 투과할 수 있다. 그리고, 광전 변환층(100)은 캐리어 이동층(400)을 투과한 광(L)의 일부를 흡수할 수 있다. 이와 달리, 다른 실시예들에서, 캐리어 이동층(400)의 에너지 밴드 갭은 광전 변환층(100)의 에너지 밴드 갭보다 작게 제공될 수 있다. 캐리어 이동층(400)의 에너지 밴드 갭이 광전 변환층(100)의 에너지 밴드 갭보다 크거나 작게 형성됨으로써, 캐리어 이동층(400)은 에너지 밴드 갭의 변화에 따라 내부에 전기장을 형성할 수 있다.
도 3을 참조하면, 캐리어 이동층(400)에 의해 광 검출 감도는 전체적으로 증가하는 것을 실험을 통해 알 수 있다. 또한, 실시예에 따르면, 입사 광(L)은 제1 기판(610), 제1 전극(210), p형 반도체층(310) 및 캐리어 이동층(400)을 순차적으로 통과하여, 광전 변환층(100)에 입사될 수 있다. 이 때, 단파장의 광선(A)에 대한 광 검출 감도가 장파장의 광선(B)에 대한 광 검출 감도보다 더 많이 증가한 것을 실험을 통해 알 수 있다. 이는 장파장의 광선(B)이 단파장의 광선(A)보다 멀리 이동하기 때문이다. 이와 달리, 다른 실시예들에서, 입사 광(L)이 제2 기판(620), 제2 전극(220), 및 n형 반도체층(320)을 순차적으로 통과하여, 광전 변환층(100)에 입사될 수 있다. 이 때, 장파장의 광선(B)에 대한 광 검출 감도가 단파장의 광선(A)에 대한 광 검출 감도보다 더 많이 증가할 수 있다.
캐리어 이동층(400)의 에너지 밴드갭은 캐리어 이동층(400)의 증착 공정에 이용되는 수소(H₂(g))와 소스 가스(예를 들면, SiH4(g))의 유량 비에 따라 조절될 수 있다. 예를 들면, 수소(H₂(g))의 비율이 클수록 캐리어 이동층(400)의 에너지 밴드 갭은 작아지고, 수소(H₂(g))의 비율이 작을수록 캐리어 이동층(400)의 에너지 밴드 갭은 커질 수 있다. 또한, 수소(H₂(g))의 비율이 커질수록 캐리어 이동층(400)의 결정성과 밀도는 커질 수 있다. 그러므로, 수소(H₂(g))의 비율을 조절하여, 캐리어 이동층(400)이 광전 변환층(100)과 유사한 결정성을 가지면서, 광전 변환층(100)보다 큰 에너지 밴드 갭을 갖도록 할 수 있다. 또한, 캐리어 이동층(400)의 두께는 대략 3nm 내지 대략 100nm일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 캐리어 이동층(400)은 광전 변환층(100) 상에 배치됨으로써, 캐리어 이동층(400)은 광전 변환층(100)의 제1 면(101)과 접촉하는 제3 면(401)을 가질 수 있다. 실시예에 따르면, 제3 면(401)은 캐리어 이동층(400)의 하면일 수 있다. 제3 면(401)은 제1 면(101)에 대응되는 텍스처링 표면일 수 있다. 또한, 캐리어 이동층(400)은 제3 면(401)과 대향되는 제4 면(미부호)을 가질 수 있다. 제4 면은 캐리어 이동층(400)의 상면일 수 있다.
전류 누설 방지층(500)은 n형 반도체층(320)과 광전 변환층(100) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 전류 누설 방지층(500)은 n형 반도체층(320) 상에 기화 증착, 화학기상증착 등의 방법으로 증착될 수 있다. 실시예에 따르면, 전류 누설 방지층(500)은 SiH4와 같은 소스 가스에 수소(H₂(g))를 첨가한 플라즈마 화학기상증착법을 통해 n형 반도체층(320) 상에 증착될 수 있다. 또한, 전류 누설 방지층(500)은 SiO, SiC, SiN, AlO, TiO, MoO₃, V₂O5, Al₂O₃, ZnO, 및 AlTiO 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
전류 누설 방지층(500)은 광전 변환층(100)과 결정성이 다르게 제공될 수 있다. 예를 들면, 광전 변환층(100)이 미세결정의 실리콘을 포함할 때, 전류 누설 방지층(500)은 비정질의 실리콘을 포함할 수 있다. 전류 누설 방지층(500)은 에너지 밴드 갭이 서로 다른 비정질 실리콘층들(미도시)을 포함할 수 있다. 또한, 전류 누설 방지층(500)은 광전 변환층(100)과 에너지 밴드 갭이 다르게 제공될 수 있다. 예를 들면, 전류 누설 방지층(500)은 광전 변환층(100)보다 에너지 밴드 갭이 클 수 있다. 전류 누설 방지층(500)이 광전 변환층(100)과 보다 에너지 밴드 갭이 더 크거나 결정성이 다르게 제공됨으로써, 전류 누설 방지층(500)의 전기 전도성은 광전 변환층(100)의 전기 전도성이 상이할 수 있다.
일반적으로 광 검출 소자(10)에 광(L)이 입사되지 않을 때, 광 검출 소자(10)에 역 바이어스(reverse bias) 전압이 인가될 수 있다. 이때, 역 바이어스 전압이 항복 전압보다 클 때, 누설 전류(leakage current)가 흐를 수 있다. 그러나, 전류 누설 방지층(500)이 광전 변환층(100)과 결정성이 다르게 제공됨으로써, p형 반도체층(310)과 n형 반도체층(320) 사이의 항복전압이 증가할 수 있다. 이에 따라, 전류 누설 방지층(500)은 누설 전류를 줄일 수 있다. 항복 전압은 n형 반도체층(320)에서 p형 반도체층(310)으로 역방향 전류가 흐르도록 하는 전압을 의미할 수 있다. 도 4를 참조하면, 누설 전류의 밀도는 전류 누설 방지층(500)에 의해 작아지는 것을 실험을 통해 알 수 있다.
전류 누설 방지층(500)의 결정성은 전류 누설 방지층(500)의 증착 공정에 이용되는 수소(H₂(g))와 소스 가스(예를 들면, SiH4(g))의 유량 비에 따라 조절될 수 있다. 수소(H₂(g))의 비율이 커질수록 전류 누설 방지층(500)의 결정성과 밀도는 커질 수 있다. 그러므로, 수소(H₂(g))의 비율을 조절하여, 전류 누설 방지층(500)이 광전 변환층(100)과 상이한 결정성을 갖도록 할 수 있다.
광전 변환층(100)이 전류 누설 방지층(500) 상에 배치됨으로써, 전류 누설 방지층(500)은 광전 변환층(100)의 제2 면(102)과 접촉하는 제5 면(501)을 가질 수 있다. 실시예에 따르면, 제5 면(501)은 전류 누설 방지층(500)의 상면일 수 있다. 제5 면(501)은 제2 면(102)에 대응되는 텍스처링 표면일 수 있다. 또한, 전류 누설 방지층(500)은 제5 면(501)과 대향되는 제6 면(미부호)을 가질 수 있다. 제6 면은 전류 누설 방지층(500)의 하면일 수 있다. 전류 누설 방지층(500)의 두께는 대략 2nm 내지 대략 50nm일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 광 검출 소자의 변형 예를 설명하기 위한 단면도이다. 도 5에 도시된 광 검출 소자(10)는 도 1 내지 도 2b를 참조하여 설명한 광 검출 소자(10)와 유사하다. 그러므로, 실질적으로 동일한 구성에 대한 상세한 설명은 생략하거나 간략히 설명하고, 상이한 구성을 중심으로 설명한다.
광 검출 소자(10)는 광전 변환층(100), 캐리어 이동층(400), 전류 누설 방지층(500), p형 반도체층(310), n형 반도체층(320), 제1 전극(210), 제2 전극(220), 제1 기판(610), 및 제2 기판(620)을 포함할 수 있다.
캐리어 이동층(400)은 제2 전극(220)과 광전 변환층(100) 사이에 배치될 수 있다. 이에 따라, 캐리어 이동층(400)은 광전 변환층(100)의 제2 면(102)과 접할 수 있다. 캐리어 이동층(400)의 에너지 밴드 갭은 광전 변환층(100)의 에너지 밴드 갭보다 크게 제공될 수 있다. 캐리어 이동층(400)은 광전 변환층(100)에서 n형 반도체층(320)으로 드리프트되는 전자에 의해 내부에 전기장을 형성할 수 있다. 캐리어 이동층(400)에 형성된 전기장은 n형 반도체층(320)에 축적되는 전자의 농도를 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 광전류의 밀도가 증가하여, 광 검출 감도(optical sensitivity, S)가 증가할 수 있다.
또한, 캐리어 이동층(400)은 복수의 밴드갭 변화층들(410~430)을 포함할 수 있다. 복수의 밴드갭 변화층들(410~430)은 서로 다른 에너지 밴드 갭을 가질 수 있다. 실시예들에 따르면, 밴드갭 변화층들(410~430)의 에너지 밴드 갭은 제2 전극(220)으로 갈수록 점차적으로 증가할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 밴드갭 변화층들(410~430)의 에너지 밴드 갭은 제2 전극(220)으로 갈수록 점차적으로 감소하거나 증감될 수 있다.
전류 누설 방지층(500)은 제1 전극(210)과 광전 변환층(100) 사이에 배치될 수 있다. 이에 따라, 전류 누설 방지층(500)은 광전 변환층(100)의 제1 면(101)과 접할 수 있다. 또한, 전류 누설 방지층(500)은 결정성이 서로 다른 복수의 결정성 변화층들(510~520)을 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 광 검출 소자의 변형 예를 설명하기 위한 단면도이다. 도 6에 도시된 광 검출 소자(10)는 도 1 내지 도 2b를 참조하여 설명한 광 검출 소자(10)와 유사하다. 그러므로, 실질적으로 동일한 구성에 대한 상세한 설명은 생략하거나 간략히 설명하고, 상이한 구성을 중심으로 설명한다.
광 검출 소자(10)는 광전 변환층(100), 캐리어 이동층(400), 전류 누설 방지층(500), p형 반도체층(310), n형 반도체층(320), 제1 전극(210), 제2 전극(220), 제1 기판(610), 및 제2 기판(620)을 포함할 수 있다.
캐리어 이동층(400)은 광전 변환층(100)과 제1 전극(210) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 전류 누설 방지층(500)은 캐리어 이동층(400)과 광전 변환층(100) 사이에 배치될 수 있다. 즉, 전류 누설 방지층(500)은 광전 변환층(100)의 제1 면(101) 상에 기화 증착, 화학기상증착 등의 방법으로 증착될 수 있다. 또한, 캐리어 이동층(400)은 전류 누설 방지층(500) 상에 기화 증착, 화학기상증착 등의 방법으로 증착될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
10: 광 검출 소자
100: 광전 변환층
101: 제1 면 102: 제2 면
210: 제1 전극 220: 제2 전극
310: p형 반도체층 320: n형 반도체층
400: 캐리어 이동층 401: 제3 면
500: 전류 누설 방지층 501: 제5 면
610: 제1 기판 620: 제2 기판
101: 제1 면 102: 제2 면
210: 제1 전극 220: 제2 전극
310: p형 반도체층 320: n형 반도체층
400: 캐리어 이동층 401: 제3 면
500: 전류 누설 방지층 501: 제5 면
610: 제1 기판 620: 제2 기판
Claims (12)
- 서로 대향된 제1 면 및 제2 면을 갖는 광전 변환층;
상기 광전 변환층의 제1 면 상에 배치된 투명한 제1 전극;
상기 광전 변환층의 제2 면 아래에 배치된 투명한 제2 전극;
상기 제1 전극과 상기 광전 변환층 사이에 배치되는 p형 반도체층;
상기 제2 전극과 상기 광전 변환층 사이에 배치되는 n형 반도체층; 및
상기 p형 반도체층과 상기 광전 변환층 사이, 또는 상기 n형 반도체층과 상기 광전 변환층 사이에 배치되고, 상기 광전 변환층과 다른 에너지 밴드 갭을 갖는 캐리어 이동층을 포함하는 광 검출 소자. - 제1항에 있어서,
상기 캐리어 이동층의 에너지 밴드 갭은 상기 광전 변환층의 에너지 밴드 갭보다 작거나 큰 광 검출 소자. - 제2항에 있어서,
상기 캐리어 이동층은 서로 다른 에너지 밴드 갭을 갖는 복수의 밴드갭 변화층들을 포함하는 광 검출 소자. - 제1항에 있어서,
상기 n형 반도체층 및 상기 광전 변환층 사이 또는 상기 p형 반도체층 및 상기 광전 변환층 사이에 배치되고, 상기 광전 변환층과 결정성이 다른 전류 누설 방지층을 더 포함하는 광 검출 소자. - 제4항에 있어서,
상기 전류 누설 방지층은 Si, SiO, SiC, SiN, AlO, TiO, MoO₃, V2O5, Al₂O₃, ZnO, 및 AlTiO 중 적어도 어느 하나를 포함하는 광 검출 소자. - 제4항에 있어서,
상기 전류 누설 방지층은 결정성이 서로 다른 복수의 결정성 변화층들을 포함하는 광 검출 소자. - 제6항에 있어서,
상기 결정성 변화층들은 서로 에너지 밴드 갭이 상이한 광 검출 소자. - 제4항에 있어서,
상기 전류 누설 방지층은 상기 광전 변환 층과 에너지 밴드 갭이 상이한 광 검출 소자. - 제1항에 있어서,
상기 광전 변환층은 Si 및 SiO 중 적어도 어느 하나를 포함하는 광 검출 소자. - 제9항에 있어서,
상기 광전 변환층은 비정질 또는 미세결정으로 제공되는 광 검출 소자. - 제1항에 있어서,
상기 캐리어 이동층은 SiO, AlO, TiO, SiAlO 및 AlTiO 중 적어도 어느 하나를 포함하는 광 검출 소자. - 제1항에 있어서,
상기 캐리어 이동층의 두께는 3nm 내지 100nm인 광 검출 소자.
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