KR20180008099A - 양자점을 이용한 광변환소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광변환 소자에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 기판과, 기판 상에 마련된 게이트 전극과, 게이트 전극 상에 마련된 절연층과, 절연층 상에 각각 마련된 소스 전극 및 드레인 전극과, 소스 전극과 드레인 전극 사이에 마련된 n-type 채널과, 광을 흡수하도록 n-type 채널 상에 마련된 양자점층 및 양자점층을 둘러싼 상태로 n-type 채널과 전기적으로 연결된 p-type 층을 포함하는 광변환 소자가 제공된다.
Description
본 발명은 양자점을 이용한 광변환소자에 관한 것이다.
양자점(Quantum dot)은 그 크기를 조절함에 따라 에너지 밴드갭을 용이하게 조절할 수 있으며, 이러한 특성을 이용하여 발광 재료로 사용할 수 있다. 또한 양자점은 다양한 파장의 빛을 흡수하여 전하를 발생시킬 수 있으며, 따라서 발광 재료 외에도 광전변환소자의 광흡수층 및 광감지 센서의 소재로 활용할 수 있다.
대표적인 예로 PbS 양자점은, 태양광 에너지의 포집 및 적외선 광 감지에 유리하다. 특히 적외선 광 감지는 최근 의학 목적의 optical tomography, 군사적 또는 산업적 목적의 night vision의 적용 가능성으로 인하여, 산업적인 관심이 높아지는 추세이다.
이의 예로, 문헌(NPG Asia Materials (2016) 8, e233; doi:10.1038/am.2015.137) 및 한국특허 공개번호 제10-2015-0072888호에는, PbS 양자점을 사용하고 n-type 채널로 IGZO를 사용한 광 감지 센서를 기재하고 있다. 상기 PbS 양자점이 빛을 흡수하여 발생한 전자는 IGZO 채널로 이동되어, 임계 전압의 변화를 감지하게 된다. 또한 IGZO는 기존의 비정질 실리콘(a-Si) 또는 다결정 실리콘(poly-Si)이 사용되는 backplane 보다 제조가 간단하여 active matrix backplane로 사용하는 점을 기재하고 있다.
그러나 상기 문헌에 따른 광 감지 센서의 경우 양자점에서 발생한 전자를 IGZO 채널로 전달하는데 한계가 있다.
양자점(Quantum dot)은 그 크기를 조절함에 따라 에너지 밴드갭을 용이하게 조절할 수 있으며, 이러한 특성을 이용하여 발광 재료로 사용할 수 있다. 또한 양자점은 다양한 파장의 빛을 흡수하여 전하를 발생시킬 수 있으며, 따라서 발광 재료 외에도 광전변환소자의 광흡수층 및 광감지 센서의 소재로 활용할 수 있다.
대표적인 예로 PbS 양자점은, 태양광 에너지의 포집 및 적외선 광 감지에 유리하다. 특히 적외선 광 감지는 최근 의학 목적의 optical tomography, 군사적 또는 산업적 목적의 night vision의 적용 가능성으로 인하여, 산업적인 관심이 높아지는 추세이다.
이의 예로, 문헌(NPG Asia Materials (2016) 8, e233; doi:10.1038/am.2015.137) 및 한국특허 공개번호 제10-2015-0072888호에는, PbS 양자점을 사용하고 n-type 채널로 IGZO를 사용한 광 감지 센서를 기재하고 있다. 상기 PbS 양자점이 빛을 흡수하여 발생한 전자는 IGZO 채널로 이동되어, 임계 전압의 변화를 감지하게 된다. 또한 IGZO는 기존의 비정질 실리콘(a-Si) 또는 다결정 실리콘(poly-Si)이 사용되는 backplane 보다 제조가 간단하여 active matrix backplane로 사용하는 점을 기재하고 있다.
그러나, 상기 문헌에 따른 광 감지 센서의 경우 양자점에서 발생한 전자를 IGZO 채널로 전달하는데 한계가 있다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, n-type 채널 및 p-type 층 사이에 형성된, 양자점을 포함하는 광흡수층을 포함하는, 광변환 소자를 제공한다.
구체적으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 기판과, 기판 상에 마련된 게이트 전극과, 게이트 전극 상에 마련된 절연층과, 절연층 상에 각각 마련된 소스 전극 및 드레인 전극과, 소스 전극과 드레인 전극 사이에 마련된 n-type 채널과, 광을 흡수하도록 n-type 채널 상에 마련된 양자점층 및 양자점층을 둘러싼 상태로 n-type 채널과 전기적으로 연결된 p-type 층을 포함하는 광변환 소자가 제공된다.
또한, 양자점은 빛을 흡수하여 엑시톤을 발생시킨다.
또한, 양자점은 1000nm 내지 20 ㎛ 파장의 빛을 흡수하여 엑시톤을 발생시키도록 마련될 수 있다.
또한, 엑시톤은 n-type 채널로 이동하도록 마련될 수 있다.
또한, 양자점은 콜로이달 양자점일 수 있다.
또한, 양자점은 리간드 치환된 양자점일 수 있다.
또한, 상기 p-type 층은 양자점층, 소스 전극, 드레인 전극 및 n-type 채널과 각각 접촉하도록 마련될 수 있다.
또한, 상기 p-type 층은, n-type 채널과 접촉하는 영역을 제외한 양자점의 나머지 영역을 둘러싸도록 마련될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명이 적어도 일 실시예와 관련된 광변환 소자에 따르면, 양자점에서 발생한 전자를 n-type 채널로 전달시킴으로써 광변환 소자의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 광변환 소자를 나타내는 개략 단면도이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 광변환 소자를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 광변환 소자(100)를 나타내는 개략 단면도이다.
본 발명은 n-type 채널 및 p-type 채널 사이에 형성된, 양자점을 포함하는 광흡수층을 포함하는, 광변환소자(100)를 제공한다.
도 1을 참조하면, 상기 광변환 소자(100)는 기판(110), 게이트 전극(140), 절연층(180), 소스 전극(120), 드레인 전극(130), n-type 채널(150), 양자점층(160) 및 p-type 층(170)을 포함한다
구체적으로, 본 발명의 일 실시예와 관련된 광변환 소자(100)는 기판(110)과, 기판(110) 상에 마련된 게이트 전극(140)과, 게이트 전극(140) 상에 마련된 절연층(180)과, 절연층(180) 상에 각각 마련된 소스 전극(120) 및 드레인 전극(130)을 포함한다. 또한, 광변환 소자(100)는 소스 전극(120)과 드레인 전극(130) 사이에 마련된 n-type 채널(150)과, 광을 흡수하도록 n-type 채널(150) 상에 마련된 양자점층(160) 및 양자점층(160)을 둘러싼 상태로 n-type 채널(150)과 전기적으로 연결된 p-type 층(170)을 포함한다.
양자점층(160)은 구 형상을 갖는 복수 개의 양자점이 층을 이루도록 배열된 것으로, 양자점은 그 크기와 조성을 조절함에 따라 전자 구조의 에너지를 갭을 용이하게 조절할 수 있으며, 빛을 흡수하여 엑시톤을 생성할 수 있는바, 이를 효율적으로 전자(전류)로 변환하기 위해서는 트랜지스터와의 결합(포토 트랜지스터)이 필요하다.
양자점을 이용한 광변환 소자(100)의 작동 원리는, 양자점이 빛을 흡수하여 발생한 엑시톤을 이용하는 것이다. 예를 들어, 양자점을 이용한 광 감지 센서의 경우, 전계효과 박막트랜지스터(TFT)와 결합하여 이를 응용할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 광변환 소자(100)는 광흡수층으로서 양자점층(160)이 마련된 전계효과 박막 트랜지스터일 수 있다.
상기 전계효과 박막 트랜지스터에서 양자점이 빛을 흡수하여 엑시톤을 발생시키면, 이의 전자가 n-type 채널의 전도 채널(conduction channel)로 이동하여 임계 전압의 변화를 발생시키며, 이를 측정하여 광 감지 센서로 응용할 수 있다.
구체적으로, TFT에서 소스 전극과 게이트 사이에 임계 전압(threshold voltage) 이상의 전압이 인가되면, n-type 채널에서 전도 채널(conduction channel)이 형성되고 이를 통하여 소스 전극(120)과 드레인 전극(130) 간에 전자가 이동할 수 있다.
그러나, 배경기술에서 설명한 문헌에 따른 광 감지 센서의 경우 양자점에서 발생한 전자를 IGZO 채널로 전달하는데 한계가 있다. 상기 문헌에서는 이를 보완하기 위하여 양자점 상에 CYTOP passivation 층을 사용하고 있으나, 이는 양자점의 밴드갭을 약간 변화시키는 것으로 근본적인 해결책이 될 수 없다.
본 출원의 발명자들은, 상기와 같이 양자점을 사용한 소자에서 전하의 효과적인 전달을 가능케 하는 방법을 연구한 결과, p-type 층(170)과 n-type 채널(150)이 형성하는 p-n 접합(junction) 사이에 양자점층을 마련시킬 경우 상기의 문제점이 해결됨을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
구체적으로, 본 발명은 n-type 채널(150)과 함께 p-n접합을 위한 p-type 층(170)을 포함하고, 상기 n-type 채널(150) 및 p-type 층(170) 사이(p-n접합의 경계부)에 양자점층(160)이 마련된 다는 점에 특징이 있다.
일반적으로, 양자점은 구 형태의 형상을 가지고 있기 때문에, n-type 채널(150) 상에 마련되는 경우, n-type 채널(150)과 접촉면적이 작다. 이에 따라 전계효과가 작을 뿐만 아니라, 양자점에서 발생한 전하가 n-type 채널(150)로 이동하는 통로(path)가 작아 전하의 효율적인 전달이 어렵다.
또한, 본 발명과 같이, p-n접합을 형성하기 위한 p-type 층(170)이 없을 경우, 양자점으로만은 약한 공핍상태(depletion)만을 얻을 수 있고, 또한 양자점을 강하게 도핑(doping) 할 경우, 양자점에서의 광변환 효율이 도핑에 의해 줄어들 수 있다.
그러나, 본 발명과 같이 p-type 층(170)을 통해 양자점층(160)을 매개로 p-n 접합을 이루는 경우, 전계효과는 n-type 채널(150)의 전도 채널(conduction channel)을 형성하는 것 외에도, p-type 층(170)에 의하여, p-n 접합(junction)을 형성시킴으로써, 보다 강한 전기장을 양자점에 적용시킬 수 있다. 따라서, 양자점에서 발생한 전자는 보다 용이하게 n-type 채널(150)의 전도 채널로 이동할 수 있기 때문에 전자의 포집이 보다 용이하여 광 감지 센서의 효율이 향상될 수 있다.
이를 위하여, 상기 p-type 층(170)은, n-type 채널(150)과 접촉하는 영역을 제외한 양자점의 나머지 영역을 둘러싸도록 마련될 수 있다. 이러한 구조에서, p-n 접합에 의해 발생한 강한 전기장이 양자점의 전 영역에 걸쳐 작용할 수 있다.
한편, 본 발명에서 사용할 수 있는 n-type 채널(150)은 IGZO, ZnO, ZTO, IZO, IHZO, AIN, InN, GaN 및 InGaN으로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 n-type 물질로 이루어질 수 있다.
특히, IGZO로 이루어진 n-type 채널(150)이 바람직한데, 이는 우수한 광학 투명성, 비결정 구조, 높은 전자 이동성을 가지고 있으며, 또한 양자점이 직접 IGZO 채널 상에 기능화 될 수 있기 때문이다. 나아가, IGZO 채널은 직접 active matrix backplane으로 기능할 수 있어, 별도의 집적화 공정이 생략될 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에서 사용할 수 있는 양자점은 콜로이달 양자점을 사용하는 것이 바람직하다. 콜로이달 양자점을 사용할 경우, n-type 채널(150) 상에 스핀 코팅과 같은 간단한 방법으로 광흡수층을 형성할 수 있으며, 양자점을 광흡수층 내에 일정하게 분포시킬 수 있다.
상기 양자점으로는, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, HgS, HgSe, HgTe, CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, HgSeS, HgSeTe, HgSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe, CdHgS, CdHgSe, CdHgTe, HgZnS, HgZnSe, CdHgZnTe, CdZnSeS, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeS, HgZnSeTe, HgZnSTe; GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, GaNP, GaNAs, GaNSb, GaPAs, GaPSb, InNP, InNAs, InNSb, InPAs, InPSb, GaInNP, GaInNAs, GaInNSb, GaInPAs, GaInPSb, SnS, SnSe, SnTe, PbS, PbSe, PbTe, SnSeS, SnSeTe, SnSTe, PbSeS, PbSeTe, PbSTe, SnPbS, SnPbSe, SnPbTe, SnPbSSe, SnPbSeTe, SnPbSTe, Si, Ge, SiC, 및 SiGe으로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 사용할 수 있다. 양자점은 빛을 흡수하여 엑세톤을 발생시키는 것으로, 양자점은 그 크기를 조절함에 따라 에너지 밴드갭을 용이하게 조절할 수 있기 때문에, 광변환소자에서 흡수하고자 하는 빛의 파장에 따라 그 크기를 적절히 조절할 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시예와 관련된 광변환 소자(100)는 적외선 영역의 빛을 흡수할 수 있으며, 이에 따라 적외선 감지 센서로 사용할 수 있다. 이 경우, 상기 양자점의 종류 또는 크기를 조절하여 적외선 영역, 특히 1000 nm 내지 20 ㎛ 파장, 바람직하게, 1000 nm 내지 8000 nm 파장의 빛을 흡수하여 엑시톤을 발생시키는 양자점을 사용할 수 있다. 또한, 콜로이달 양자점은 저비용으로 대면적의 가공이 가능하기 때문에 본 발명에서도 콜로이달 양자점을 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 양자점은 리간드 치환된 양자점을 사용할 수 있다. 상기 리간드의 예로는 EDT(ethanedithol), MPA(mercaptocarboxylic acid), CTAB(tyltrimethylammonium bromide), HTAC(hexadecyltrimethylammonium chloride), TBAI(tetrabutylammonium iodide), 또는 Na2S을 들 수 있다.
일반적으로, 양자점은 콜로이달 용액의 분산성과 안정성을 위하여 올레산 리간드로 감싸져 있는 구조를 가지고 있다. 이 상태의 양자점도 광변환소자에 적용할 수 있으나, 올레산 리간드는 사슬 구조가 길기 때문에, 양자점에서 발생한 전자가 n-type 채널(150)로 이동하는데 방해가 된다. 따라서, 보다 짧은 사슬 구조의 리간드로 상기의 리간드로 치환하는 것이 바람직하다. 상기 리간드 치환된 양자점을 사용하는 경우, 예를 들어 올레산 리간드로 감싸진 양자점을 n-type 채널(150) 상에 형성한 후 상기 리간드와 반응시켜 치환하는 방법으로 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에서 사용할 수 있는 p-type 층(170)은 CuPc, PCBM, 및 P3HT으로 구성되는 군으로부터 선택되는 p-type 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기에서, CuPc는 ‘Copper(II) phthalocyanine’를 의미하고, PCBM은 ‘Phenyl-C61-butyric acid methyl ester’를, P3HT는 ‘Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl)’을 의미한다.
또한, 상기 절연층(180)은, SiO2, Al2O3, TiO2, ZrO2, HfO2, 또는 SiNx 등으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 게이트 전극(140)은, 금속으로 형성될 수 있고, 예를 들어 Cr, Mo, Al, Ti/Au, Ag, Cu, 및 Pt으로 구성되는 군으로부터 선택될 수 있다.
또한, 상기 소스 전극(120) 및 드레인 전극(130))은, 각각 금속으로 형성될 수 있고, 예를 들어 Cr, Ti/Au, Mo, Al, Ag, Cu, Pt 및 W로 구성되는 군으로부터 선택될 수 있다.
한편, 상술한 절연층(180), n-type 채널(150), 양자점(160), p-type 층(채널)(170), 소스 및 드레인 전극(120, 130) 이외의 나머지 구성은 통상 광변환 소자(100)에서 사용할 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않는다.
예를 들어, 상기 기판(110)으로는 유리 기판이나 플라스틱 기판이 사용될 수 있으며, 광변환 소자(100)에 적용되는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 또한, 광변환 소자(100)의 각 구성요소의 배치 등은 종래 광변환 소자(100)에서 적용되는 것이면 특별히 제한되지 않는다.
한편, 본 발명에 따른 광변환 소자(100)는 필요에 따라 다양한 소자를 추가로 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 광변환소자를 광 감지 센서로 사용할 경우, 상기 광변환소자에서 발생한 임계 전압의 변화를 이미지화할 수 있는 소자를 추가로 포함할 수 있다. 특히, 앞서 설명한 바와 같이, 양자점의 종류 또는 크기를 조절하여 적외선 영역, 예컨대 1000 nm 내지 20 ㎛ 파장, 바람직하게, 1000 nm 내지 8000 nm 파장의 빛을 흡수하여 엑시톤을 발생시키는 양자점을 사용함으로써, 적외선 감지 센서로 사용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광변환소자는 양자점을 n-type 반도체와 p-type 반도체 사이에 형성시켜 전하를 효율적으로 포집함으로써 광변환소자의 효율을 향상시킬 수 있으며, 이를 이용하여 광 감도가 높은 광 감지 센서 또는 변환효율이 우수한 태양전지에 응용할 수 있다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100: 광변환 소자
110: 기판
120: 소스 전극
130: 드레인 전극
140: 게이트 전극
150: n-type 채널
160: 양자점층
170: p-type 층
180: 절연층
110: 기판
120: 소스 전극
130: 드레인 전극
140: 게이트 전극
150: n-type 채널
160: 양자점층
170: p-type 층
180: 절연층
Claims (11)
- 기판;
기판 상에 마련된 게이트 전극;
게이트 전극 상에 마련된 절연층;
절연층 상에 각각 마련된 소스 전극 및 드레인 전극;
소스 전극과 드레인 전극 사이에 마련된 n-type 채널;
광을 흡수하도록 n-type 채널 상에 마련된 양자점층; 및
양자점층을 둘러싼 상태로 n-type 채널과 전기적으로 연결된 p-type 층을 포함하는 광변환 소자. - 제 1 항에 있어서,
양자점은 빛을 흡수하여 엑시톤을 발생시키는 광변환 소자. - 제 2 항에 있어서,
양자점은 1000nm 내지 20㎛ 파장의 빛을 흡수하여 엑시톤을 발생시키도록 마련된 광변환 소자. - 제 3 항에 있어서,
엑시톤은 n-type 채널로 이동하도록 마련된 광변환 소자. - 제 1 항에 있어서,
양자점은 콜로이달 양자점인 광변환 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 양자점은 CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, HgS, HgSe, HgTe, CdSeS, CdSeTe, CdSTe, ZnSeS, ZnSeTe, ZnSTe, HgSeS, HgSeTe, HgSTe, CdZnS, CdZnSe, CdZnTe, CdHgS, CdHgSe, CdHgTe, HgZnS, HgZnSe, CdHgZnTe, CdZnSeS, CdZnSeTe, CdZnSTe, CdHgSeS, CdHgSeTe, CdHgSTe, HgZnSeS, HgZnSeTe, HgZnSTe; GaN, GaP, GaAs, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, GaNP, GaNAs, GaNSb, GaPAs, GaPSb, InNP, InNAs, InNSb, InPAs, InPSb, GaInNP, GaInNAs, GaInNSb, GaInPAs, GaInPSb, SnS, SnSe, SnTe, PbS, PbSe, PbTe, SnSeS, SnSeTe, SnSTe, PbSeS, PbSeTe, PbSTe, SnPbS, SnPbSe, SnPbTe, SnPbSSe, SnPbSeTe, SnPbSTe, Si, Ge, SiC 및 SiGe로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 광변환소자. - 제 1 항에 있어서,
양자점은 리간드 치환된 양자점인 광변환 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 p-type 층은 양자점층, 소스 전극, 드레인 전극 및 n-type 채널과 각각 접촉하도록 마련된 광변환 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 p-type 층은, n-type 채널과 접촉하는 영역을 제외한 양자점의 나머지 영역을 둘러싸도록 마련된 광변환 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 p-type 층은 CuPc, PCBM, 및 P3HT로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상의 p-type 물질로 이루어진 광변환 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 n-type 채널은 IGZO, ZnO, ZTO, IZO, IHZO, AlN, InN, GaN 및 InGaN으로 구성되는 군으로부터 선택되는 어느 하나의 n-type 물질로 이루어진 광변환 소자.
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