KR20180060166A - 광전자 소자 및 전자 장치 - Google Patents

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KR20180060166A
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Abstract

전기적으로 연결되어 있는 제1 전극과 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 중 적어도 하나에 대향하는 제3 전극, 상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 제3 전극 중에서 선택된 두 개 사이에 위치하는 제1 활성층, 그리고 상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 제3 전극 중에서 선택된 두 개 사이에 위치하고 상기 제1 활성층과 분리되어 있는 제2 활성층을 포함하고, 상기 제2 전극의 저항값은 상기 제1 전극의 저항값보다 높은 광전자 소자 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.

Description

광전자 소자 및 전자 장치{OPTOELECTRONIC DIODE AND ELECTRONIC DEVICE}
광전자 소자 및 전자 장치에 관한 것이다.
광전자 소자(optoelectronic diode)는 전기 에너지와 광 에너지를 상호 전환할 수 있는 소자이다.
광전자 소자는 동작 원리에 따라 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 하나는 광 에너지에 의해 형성된 엑시톤(exciton)이 전자와 정공으로 분리되고 분리된 전자와 정공이 각각 다른 전극으로 전달되면서 전기 에너지를 발생하는 광전 소자이고, 다른 하나는 전극에 전압 또는 전류를 공급하여 전기 에너지로부터 광 에너지를 발생하는 발광 소자이다.
일 구현예는 신규한 구조를 가지는 광전자 소자를 제공한다.
다른 구현예는 상기 광전자 소자를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 전기적으로 연결되어 있는 제1 전극과 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 중 적어도 하나에 대향하는 제3 전극, 상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 제3 전극 중에서 선택된 두 개 사이에 위치하는 제1 활성층, 그리고 상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 제3 전극 중에서 선택된 두 개 사이에 위치하고 상기 제1 활성층과 분리되어 있는 제2 활성층을 포함하고, 상기 제2 전극의 저항값은 상기 제1 전극의 저항값보다 높은 광전자 소자를 제공한다.
상기 제2 전극의 저항값은 약 2,000Ω 초과일 수 있다.
상기 제1 전극의 저항값은 약 10Ω 내지 2,000Ω일 수 있고, 상기 제2 전극의 저항값은 약 2,000Ω 초과 30,000Ω 이하일 수 있다.
상기 제1 전극은 약 10Ω 내지 2,000Ω의 저항값을 가지는 도전성 산화물, 금속 박막, 그래핀, 탄소나노튜브를 포함할 수 있고, 상기 제2 전극은 2,000Ω 초과 30,000Ω 이하의 저항값을 가지는 도전성 산화물, 금속 박막, 그래핀, 탄소나노튜브를 포함할 수 있다.
상기 제1 활성층은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치할 수 있고, 상기 제2 활성층은 상기 제2 전극과 상기 제3 전극 사이에 위치할 수 있으며, 상기 제2 전극은 투명 전극일 수 있다.
상기 제1 활성층은 상기 제1 전극과 상기 제3 전극 사이에 위치할 수 있고, 상기 제2 활성층은 상기 제2 전극과 상기 제3 전극 사이에 위치할 수 있으며, 상기 제3 전극은 투명 전극일 수 있다.
상기 제1 활성층은 상기 제3 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치할 수 있고, 상기 제2 활성층은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치할 수 있으며, 상기 제2 전극은 투명 전극일 수 있다.
상기 제1 활성층은 pn 접합을 형성하는 제1 p형 반도체와 제1 n형 반도체를 포함할 수 있다.
상기 제1 p형 반도체와 상기 제1 n형 반도체 중 적어도 하나는 자외광, 적외광, 적색 파장 영역의 가시광, 녹색 파장 영역의 가시광 및 청색 파장 영역의 가시광 중 어느 하나를 선택적으로 흡수하는 흡광 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 n형 반도체에 대한 상기 제1 p형 반도체의 조성비(p1/n1)는 1.0 이상일 수 있다.
상기 제2 활성층은 상기 제1 p형 반도체와 같거나 다른 제2 p형 반도체와 상기 제1 n형 반도체와 같거나 다른 제2 n형 반도체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 활성층은 상기 제2 활성층보다 빛을 받는 측에 가깝게 위치할 수 있다.
상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 공통 전극일 수 있고, 상기 제3 전극은 화소 전극일 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 제1 전극, 제1 활성층, 제2 전극, 제2 활성층 및 제3 전극이 차례로 적층되고, 상기 제2 전극은 상기 제1 전극 또는 상기 제3 전극과 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 제2 전극의 저항값은 상기 제1 전극 또는 상기 제3 전극의 저항값보다 높은 광전자소자를 제공한다.
상기 제2 전극의 저항값은 약 2,000Ω 초과일 수 있다.
상기 제1 전극 또는 상기 제3 전극은 약 10Ω 내지 2,000Ω의 저항값을 가지는 도전성 산화물, 금속 박막, 그래핀, 탄소나노튜브를 포함할 수 있고, 상기 제2 전극은 약 2,000Ω 초과 30,000Ω 이하의 저항값을 가지는 도전성 산화물, 금속 박막, 그래핀, 탄소나노튜브를 포함할 수 있다.
상기 제1 활성층은 pn 접합을 형성하는 제1 p형 반도체와 제1 n형 반도체를 포함할 수 있다.
상기 제1 p형 반도체와 상기 제1 n형 반도체 중 적어도 하나는 자외광, 적외광, 적색 파장 영역의 가시광, 녹색 파장 영역의 가시광 및 청색 파장 영역의 가시광 중 어느 하나를 선택적으로 흡수하는 흡광 물질을 포함할 수 있다.
상기 제2 활성층은 상기 제1 p형 반도체와 같거나 다른 제2 p형 반도체와 상기 제1 n형 반도체와 같거나 다른 제2 n형 반도체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 광전자 소자를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
신규한 구조의 광전자 소자를 제공함으로써 광 흡수를 높이고 효율 및 파장 선택성을 높일 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 광전자 소자를 도시한 단면도이고,
도 2는 도 1의 광전자 소자의 일 구현예를 보여주는 개략도이고,
도 3은 도 2의 광전자 소자에서 상부 전극과 중간 전극에 3V의 공통 전압이 인가될 때 중간 전극의 저항값에 따른 중간 전극의 유효 전압을 보여주는 그래프이고,
도 4는 도 1의 광전자 소자의 다른 구현예를 보여주는 개략도이고,
도 5는 도 1의 광전자 소자의 또 다른 구현예를 보여주는 개략도이고,
도 6은 일 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서를 개략적으로 도시한 평면도이고,
도 7은 도 6의 유기 CMOS 이미지 센서의 일 예를 보여주는 단면도이고,
도 8은 도 6의 유기 CMOS 이미지 센서의 다른 예를 보여주는 단면도이고,
도 9는 다른 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서를 개략적으로 도시한 평면도이고,
도 10은 도 9의 유기 CMOS 이미지 센서의 단면도이고,
도 11은 실시예 4와 비교예 2에 따른 광전자 소자의 파장에 따른 흡광 특성을 보여주는 그래프이고,
도 12는 실시예 5 내지 7과 비교예 1에 따른 광전자 소자의 파장에 따른 외부양자효율을 보여주는 그래프이고,
도 13은 실시예 8과 비교예 3에 따른 광전자 소자에서 활성층의 두께에 따른 흡광도 변화를 보여주는 그래프이다.
이하, 구현예들에 대하여 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 적용되는 구조는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예들에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우 뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
도면에서 본 구현예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하였다.
이하에서 ‘조합’이란 둘 이상의 혼합 및 둘 이상의 적층 구조를 포함한다.
본 명세서에서 별도의 정의가 없는 한, '치환된'이란, 화합물 중의 수소 원자가 할로겐 원자, 히드록시기, 알콕시기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 아지도기, 아미디노기, 히드라지노기, 히드라조노기, 카르보닐기, 카르바밀기, 티올기, 에스테르기, 카르복실기나 그의 염, 술폰산기나 그의 염, 인산이나 그의 염, C1 내지 C20 알킬기, C2 내지 C20 알케닐기, C2 내지 C20 알키닐기, C6 내지 C30 아릴기, C7 내지 C30 아릴알킬기, C1 내지 C30 알콕시기, C1 내지 C20 헤테로알킬기, C3 내지 C20 헤테로아릴알킬기, C3 내지 C30 사이클로알킬기, C3 내지 C15의 사이클로알케닐기, C6 내지 C15 사이클로알키닐기, C3 내지 C30 헤테로사이클로알킬기 및 이들의 조합에서 선택된 치환기로 치환된 것을 의미한다.
이하 일 구현예에 따른 광전자 소자에 대하여 도면을 참고하여 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 광전자 소자를 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1의 광전자 소자의 일 구현예를 보여주는 개략도이고, 도 3은 도 2의 광전자 소자에서 상부 전극과 중간 전극에 3V의 공통 전압이 인가될 때 중간 전극의 저항값에 따른 중간 전극의 유효 전압을 보여주는 그래프이고, 도 4는 도 1의 광전자 소자의 다른 구현예를 보여주는 개략도이고, 도 5는 도 1의 광전자 소자의 또 다른 구현예를 보여주는 개략도이다.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 광전자 소자(100)는 상부 전극(11), 중간 전극(12), 하부 전극(13), 상부 전극(11)과 중간 전극(12) 사이에 위치하는 상부 활성층(31), 그리고 중간 전극(12)과 하부 전극(13) 사이에 위치하는 하부 활성층(32)을 포함한다.
기판(도시하지 않음)은 상부 전극(11) 측에 배치될 수도 있고 하부 전극(13) 측에 배치될 수 있다. 기판은 예컨대 유리와 같은 무기 물질, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리아미드, 폴리에테르술폰 또는 이들의 조합과 같은 유기 물질 또는 실리콘웨이퍼 등으로 만들어질 수 있다.
상부 전극(11), 중간 전극(12) 및 하부 전극(13) 중 적어도 하나는 투광 전극일 수 있고, 투광 전극은 예컨대 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO), 인듐 아연 산화물(indium zinc oxide, IZO), 아연 산화물(ZnO), 주석 산화물(SnO), 알루미늄 도핑된 주석 산화물(ATO), 알루미늄 도핑된 아연 산화물(AZO) 및 불소 도핑된 주석 산화물(FTO)과 같은 도전성 산화물, 얇은 두께의 단일층 또는 복수층의 금속 박막, 그래핀 또는 탄소나뉴튜브로 만들어질 수 있다.
일 예로, 상부 전극(11)은 투광 전극일 수 있다. 일 예로, 상부 전극(11)은 빛을 받는 수광 전극(light-receiving electrode)일 수 있다.
일 예로, 중간 전극(12)은 투광 전극일 수 있다.
일 예로, 상부 전극(11)과 중간 전극(12)은 투광 전극일 수 있다.
일 예로, 상부 전극(11), 중간 전극(12) 및 하부 전극(13)은 투광 전극일 수 있다.
상부 전극(11), 상부 활성층(31) 및 중간 전극(12)은 하나의 다이오드를 형성할 수 있고, 하부 전극(13), 하부 활성층(32) 및 중간 전극(12)은 하나의 다이오드를 형성할 수 있다.
상부 전극(11), 중간 전극(12) 및 하부 전극(13) 중에서 선택된 두 개는 전기적으로 연결되어 있다.
일 예로, 도 2를 참고하면, 상부 전극(11)과 중간 전극(12)은 전기적으로 연결되어 있고, 공통 전압이 인가될 수 있다. 그러나 중간 전극(12)의 저항값은 상부 전극(11)의 저항값보다 높을 수 있으며, 이에 따라 상부 전극(11)과 중간 전극(12)에 공통 전압이 인가되더라도 중간 전극(12)의 유효 전압은 상부 전극(11)의 유효 전압보다 낮을 수 있다. 이와 같이 상부 전극(11)과 중간 전극(12)의 저항값을 다르게 함으로써 상부 전극(11)과 중간 전극(12) 사이에 전압 바이어스(voltage bias) 차이가 존재할 수 있고 이에 따라 다이오드가 형성될 수 있다.
중간 전극(12)의 저항값은 상부 전극(11)과 중간 전극(12)의 사이에 전압 바이어스 차이가 소정 범위 이상 존재하도록 설정될 수 있다.
도 3은 도 2의 광전자 소자에서 상부 전극(11)과 중간 전극(12)에 3V의 공통 전압이 인가될 때 중간 전극(12)의 저항값에 따른 중간 전극(12)의 유효 전압을 보여주는 그래프이다.
도 3을 참고하면, 상부 전극(11)과 중간 전극(12)에 3V의 공통 전압이 인가될 때 상부 전극(11)은 실질적으로 3V의 유효 전압을 가지지만 중간 전극(12)은 저항값에 따라 유효 전압이 낮아지는 것을 확인할 수 있으며, 예컨대 중간 전극(12)의 저항값이 약 2,000Ω 초과인 경우 중간 전극(12)의 유효 전압은 약 1.5V 이하일 수 있고 예컨대 중간 전극(12)의 저항값이 약 10,000Ω인 경우 중간 전극(12)의 유효 전압은 약 0.5V인 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 상부 전극(11)과 중간 전극(12)에 공통 전압이 인가되더라도 중간 전극(12)의 저항값에 따라 상부 전극(11)과 중간 전극(12) 사이에 전압 바이어스 차이가 존재할 수 있음을 확인할 수 있다.
중간 전극(12)의 저항값은 예컨대 상부 전극(11)과 중간 전극(12)의 유효 전압 차이가 약 1V 이상 되도록 설정될 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 1.5V 이상 되도록 설정될 수 있다.
일 예로, 중간 전극(12)의 저항값은 약 2,000Ω 초과일 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 2,000Ω 초과 30,000Ω 이하일 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 2,200Ω 내지 30,000Ω일 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 3,000Ω 내지 28,000Ω일 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 3,000Ω 내지 20,000Ω일 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 5,000Ω 내지 20,000Ω일 수 있다. 일 예로, 중간 전극(12)의 저항값은 약 2,000Ω 초과일 수 있으며, 상부 전극(11)의 저항값은 약 2,000Ω 이하일 수 있고, 상기 범위 내에서 중간 전극(12)의 저항값은 약 2,000Ω 초과 30,000Ω 이하일 수 있고 상부 전극(11)의 저항값은 약 10Ω 내지 2,000Ω 일 수 있고, 상기 범위 내에서 중간 전극(12)의 저항값은 약 2,200Ω 내지 30,000Ω일 수 있고 상부 전극(11)의 저항값은 약 50Ω 내지 2,000Ω일 수 있다. 예컨대 중간 전극(12)은 2,000Ω 초과 30,000Ω 이하의 저항값을 가지는 도전성 산화물, 금속 박막, 그래핀, 탄소나노튜브를 포함할 수 있고, 상부 전극(11)은 10Ω 내지 2,000Ω의 저항값을 가지는 도전성 산화물, 금속 박막, 그래핀, 탄소나노튜브를 포함할 수 있다. 예컨대 중간 전극(12)은 2,200Ω 내지 30,000Ω의 저항값을 가지는 도전성 산화물, 금속 박막, 그래핀, 탄소나노튜브를 포함할 수 있고, 상부 전극(11)은 50Ω 내지 2,000Ω의 저항값을 가지는 도전성 산화물, 금속 박막, 그래핀, 탄소나노튜브를 포함할 수 있다. 중간 전극(12)이 상기 범위의 저항값을 가짐으로써 중간 전극(12)과 상부 전극(11)에 공통 전압이 인가되더라도 충분한 전압 바이어스 차이가 존재할 수 있다.
이때 공통 전압이 인가되는 상부 전극(11)과 중간 전극(12)은 공통 전극(common electrode)일 수 있고 하부 전극(13)은 각 화소별로 존재하는 화소 전극(pixel electrode)일 수 있다. 공통 전극과 화소 전극 중 어느 하나에 전압이 인가되거나 공통 전극과 화소 전극 각각에 다른 전압이 인가될 수 있다. 일 예로, 상부 전극(11), 중간 전극(12) 및 하부 전극(13)에 걸리는 유효 전압의 크기는 상부 전극(11), 중간 전극(12) 및 하부 전극(13)의 순서일 수 있다.
다른 일 예로, 도 4를 참고하면, 중간 전극(12)과 하부 전극(13)은 전기적으로 연결되어 있고, 공통 전압이 인가될 수 있다. 그러나 중간 전극(12)의 저항값은 하부 전극(13)의 저항값보다 높을 수 있으며, 이에 따라 중간 전극(12)과 하부 전극(13)에 공통 전압이 인가되더라도 중간 전극(12)의 유효 전압은 하부 전극(11)의 유효 전압보다 낮을 수 있다. 이와 같이 중간 전극(12)과 하부 전극(13)의 저항값을 다르게 함으로써 중간 전극(12)과 하부 전극(13) 사이에 전압 바이어스 차이가 존재할 수 있고 이에 따라 다이오드가 형성될 수 있다.
중간 전극(12)의 저항값은 중간 전극(12)과 하부 전극(13)의 사이에 전압 바이어스가 소정 범위 이상 존재하도록 설정될 수 있으며, 예컨대 중간 전극(12)과 하부 전극(13)의 유효 전압 차이가 약 1V 이상 되도록 설정될 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 1.5V 이상 되도록 설정될 수 있다.
일 예로, 중간 전극(12)의 저항값은 약 2,000Ω 초과일 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 2,000Ω 초과 30,000Ω 이하일 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 2,200Ω 내지 30,000Ω일 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 3,000Ω 내지 28,000Ω일 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 3,000Ω 내지 20,000Ω일 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 5,000Ω 내지 20,000Ω일 수 있다. 예컨대 중간 전극(12)의 저항값은 약 2,000Ω 초과일 수 있으며, 하부 전극(13)의 저항값은 약 2,000Ω 이하일 수 있고, 상기 범위 내에서 중간 전극(12)의 저항값은 약 2,000Ω 초과 30,000Ω 이하일 수 있고 하부 전극(13)의 저항값은 약 10Ω 내지 2,000Ω 일 수 있고, 상기 범위 내에서 중간 전극(12)의 저항값은 약 2,200Ω 내지 30,000Ω일 수 있고 하부 전극(13)의 저항값은 약 50Ω 내지 2,000Ω일 수 있다. 예컨대 중간 전극(12)은 2,000Ω 초과 30,000Ω 이하의 저항값을 가지는 도전성 산화물, 금속 박막, 그래핀, 탄소나노튜브를 포함할 수 있고, 하부 전극(13)은 10Ω 내지 2,000Ω의 저항값을 가지는 도전성 산화물, 금속 박막, 그래핀, 탄소나노튜브를 포함할 수 있다. 예컨대 중간 전극(12)은 2,200Ω 내지 30,000Ω의 저항값을 가지는 도전성 산화물, 금속 박막, 그래핀, 탄소나노튜브를 포함할 수 있고, 하부 전극(13)은 50Ω 내지 2,000Ω의 저항값을 가지는 도전성 산화물, 금속 박막, 그래핀, 탄소나노튜브를 포함할 수 있다. 중간 전극(12)이 상기 범위의 저항값을 가짐으로써 중간 전극(12)과 하부 전극(13)에 공통 전압이 인가되더라도 충분한 전압 바이어스 차이가 존재할 수 있다.
이때 공통 전압이 인가되는 중간 전극(12)과 하부 전극(13)은 공통 전극일 수 있고 상부 전극(11)은 각 화소별로 존재하는 화소 전극일 수 있다. 공통 전극과 화소 전극 중 어느 하나에 전압이 인가되거나 공통 전극과 화소 전극 각각에 다른 전압이 인가될 수 있다. 일 예로, 상부 전극(11), 중간 전극(12) 및 하부 전극(13)에 걸리는 유효 전압의 크기는 하부 전극(13), 중간 전극(12) 및 상부 전극(11)의 순서일 수 있다.
다른 일 예로, 도 5를 참고하면, 상부 전극(11)과 하부 전극(13)은 전기적으로 연결되어 있고, 공통 전압이 인가될 수 있다. 그러나 상부 전극(11)의 저항값은 하부 전극(13)의 저항값보다 높을 수 있으며, 이에 따라 상부 전극(11)과 하부 전극(13)에 공통 전압이 인가되더라도 상부 전극(11)의 유효 전압은 하부 전극(13)의 유효 전압보다 낮을 수 있다. 이와 같이 상부 전극(11)과 하부 전극(13)의 저항값을 다르게 함으로써 상부 전극(11)과 하부 전극(13) 사이에 전압 바이어스 차이가 존재할 수 있고 이에 따라 상부 전극(11)과 중간 전극(12) 사이 및 중간 전극(12)과 하부 전극(13) 사이에 각각 다이오드가 형성될 수 있다.
일 예로, 상부 전극(11)의 저항값은 약 2,000Ω 초과일 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 2,000Ω 초과 30,000Ω 이하일 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 2,200Ω 내지 30,000Ω일 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 3,000Ω 내지 28,000Ω일 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 3,000Ω 내지 20,000Ω일 수 있고, 상기 범위 내에서 예컨대 약 5,000Ω 내지 20,000Ω일 수 있다. 예컨대 상부 전극(11)의 저항값은 약 2,000Ω 초과일 수 있으며, 하부 전극(13)의 저항값은 약 2,000Ω 이하일 수 있고, 상기 범위 내에서 상부 전극(11)의 저항값은 약 2,000Ω 초과 30,000Ω 이하일 수 있고 하부 전극(13)의 저항값은 약 10Ω 내지 2,000Ω 일 수 있다. 예컨대 중간 전극(12)은 2,000Ω 초과 30,000Ω 이하의 저항값을 가지는 도전성 산화물, 금속 박막, 그래핀, 탄소나노튜브를 포함할 수 있고, 상부 전극(11)은 10Ω 내지 2,000Ω의 저항값을 가지는 도전성 산화물, 금속 박막, 그래핀, 탄소나노튜브를 포함할 수 있다. 예컨대 중간 전극(12)은 2,200Ω 내지 30,000Ω의 저항값을 가지는 도전성 산화물, 금속 박막, 그래핀, 탄소나노튜브를 포함할 수 있고, 상부 전극(11)은 50Ω 내지 2,000Ω의 저항값을 가지는 도전성 산화물, 금속 박막, 그래핀, 탄소나노튜브를 포함할 수 있다. 상부 전극(11)이 상기 범위의 저항값을 가짐으로써 상부 전극(11)과 하부 전극(13)에 공통 전압이 인가되더라도 충분한 전압 바이어스 차이가 존재할 수 있다. 이 때 중간 전극(12)은 상부 전극(11)의 유효 전압과 하부 전극(13)의 유효 전압 사이의 전압이 인가될 수 있다.
반대로 하부 전극(13)의 저항값은 상부 전극(11)의 저항값보다 높을 수 있으며, 이에 따라 하부 전극(13)과 상부 전극(11)에 공통 전압이 인가되더라도 하부 전극(13)의 유효 전압은 상부 전극(11)의 유효 전압보다 낮을 수 있다.
이 경우, 예컨대 하부 전극(13)의 저항값은 약 2,000Ω 초과일 수 있으며, 상부 전극(11)의 저항값은 약 2,000 Ω 이하일 수 있고, 상기 범위 내에서 하부 전극(13)의 저항값은 약 2,000Ω 초과 30,000Ω 이하일 수 있고 상부 전극(11)의 저항값은 약 10Ω 내지 2,000Ω 일 수 있고, 상기 범위 내에서 하부 전극(13)의 저항값은 약 2,200Ω 내지 30,000Ω일 수 있고 상부 전극(11)의 저항값은 약 50Ω 내지 2,000Ω 일 수 있다. 예컨대 하부 전극(13)은 2,000Ω 초과 30,000Ω 이하의 저항값을 가지는 도전성 산화물, 금속 박막, 그래핀, 탄소나노튜브를 포함할 수 있고, 상부 전극(11)은 10Ω 내지 2,000Ω의 저항값을 가지는 도전성 산화물, 금속 박막, 그래핀, 탄소나노튜브를 포함할 수 있다. 예컨대 하부 전극(13)은 2,200Ω 내지 30,000Ω의 저항값을 가지는 도전성 산화물, 금속 박막, 그래핀, 탄소나노튜브를 포함할 수 있고, 상부 전극(11)은 50Ω 내지 2,000Ω의 저항값을 가지는 도전성 산화물, 금속 박막, 그래핀, 탄소나노튜브를 포함할 수 있다. 하부 전극(13)이 상기 범위의 저항값을 가짐으로써 상부 전극(11)과 하부 전극(13)에 공통 전압이 인가되더라도 충분한 전압 바이어스 차이가 존재할 수 있다. 이때 중간 전극(12)은 상부 전극(11)의 유효 전압과 하부 전극(13)의 유효 전압 사이의 전압이 인가될 수 있다.
이때 공통 전압이 인가되는 상부 전극(11)과 하부 전극(13)은 공통 전극일 수 있고 중간 전극(12)은 각 화소별로 존재하는 화소 전극일 수 있다. 공통 전극과 화소 전극 중 어느 하나에 전압이 인가되거나 공통 전극과 화소 전극 각각에 다른 전압이 인가될 수 있다. 일 예로, 상부 전극(11), 중간 전극(12) 및 하부 전극(13)에 걸리는 유효 전압의 크기는 상부 전극(11), 중간 전극(12) 및 하부 전극(13)의 순서이거나 하부 전극(13), 중간 전극(12) 및 상부 전극(11)의 순서일 수 있다.
상부 활성층(31)은 상부 전극(11)과 중간 전극(12) 사이에 위치하여 광전변환하는 광전변환층일 수 있다. 이때 상부 전극(11)과 중간 전극(12) 중 어느 하나는 애노드(anode)이고 다른 하나는 캐소드(cathode)이다.
상부 활성층(31)은 하부 활성층(32)보다 빛을 받는 측에 가깝게 위치할 수 있으며, 이에 따라 대부분의 빛은 상부 활성층(31)에서 흡수될 수 있다.
상부 활성층(31)은 제1 p형 반도체와 제1 n형 반도체를 포함하고, 제1 p형 반도체와 제1 n형 반도체가 pn 접합(pn junction)을 형성하는 층으로, 외부에서 빛을 받아 엑시톤(exciton)을 생성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리할 수 있다. 분리된 정공과 전자는 각각 애노드와 캐소드로 이동될 수 있다.
제1 p형 반도체와 제1 n형 반도체는 유기물, 무기물 및/또는 유무기물을 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 p형 반도체와 제1 n형 반도체 중 적어도 하나는 유기물을 포함할 수 있다.
제1 p형 반도체와 제1 n형 반도체 중 적어도 하나는 자외선 영역의 광(이하 '자외광'이라 한다), 적외선 영역의 광(이하 '적외광'이라 한다), 가시광선 영역의 광(이하 '가시광'이라 한다) 중 적어도 하나를 흡수하는 흡광 물질을 포함할 수 있다.
일 예로, 제1 p형 반도체와 제1 n형 반도체 중 적어도 하나는 자외광, 적외광, 적색 파장 영역의 가시광, 녹색 파장 영역의 가시광 및 청색 파장 영역의 가시광 중 어느 하나를 선택적으로 흡수하는 흡수 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 p형 반도체는 자외광, 적외광, 적색 파장 영역의 가시광, 녹색 파장 영역의 가시광 및 청색 파장 영역의 가시광 중 어느 하나를 선택적으로 흡수하는 흡수 물질을 포함할 수 있다.
일 예로, 제1 p형 반도체와 제1 n형 반도체 중 적어도 하나는 적색 파장 영역의 가시광, 녹색 파장 영역의 가시광 및 청색 파장 영역의 가시광 중 어느 하나를 선택적으로 흡수하는 흡수 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 p형 반도체는, 적색 파장 영역의 가시광, 녹색 파장 영역의 가시광 및 청색 파장 영역의 가시광 중 어느 하나를 선택적으로 흡수하는 흡수 물질을 포함할 수 있다.
일 예로, 제1 p형 반도체는 적색 파장 영역의 가시광, 녹색 파장 영역의 가시광 및 청색 파장 영역의 가시광 중 어느 하나를 선택적으로 흡수하는 흡수 물질을 포함할 수 있고, 제1 n형 반도체는 플러렌 또는 플러렌 유도체일 수 있다.
일 예로, 제1 p형 반도체는 약 520nm 내지 580nm에서 최대흡수파장(λmax)을 가지는 녹색 광을 선택적으로 흡수하는 흡광 물질일 수 있고, n형 반도체는 플러렌 또는 플러렌 유도체일 수 있다.
제1 p형 반도체와 제1 n형 반도체는 벌크 이종접합(bulk heterojunction) 형태로 혼합되어 있을 수 있으며, 이때 제1 p형 반도체와 제1 n형 반도체는 예컨대 약 1:10 내지 10:1의 부피비로 포함할 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 2:8 내지 8:2의 부피비로 포함할 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 3:7 내지 7:3의 부피비로 포함할 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 4:6 내지 6:4의 부피비로 포함할 수 있다.
일 예로, 제1 p형 반도체는 제1 n형 반도체와 같거나 그보다 많이 포함될 수 있으며, 예컨대 상부 활성층(31)의 제1 n형 반도체에 대한 제1 p형 반도체의 조성비(p1/n1)는 약 1.0 이상일 수 있다. 예컨대 상부 활성층(31)의 제1 n형 반도체에 대한 제1 p형 반도체의 조성비(p1/n1)는 약 1.0 내지 10.0일 수 있으며, 예컨대 약 1.0 내지 5.0일 수 있으며, 예컨대 약 1.0 내지 3.5일 수 있으며, 예컨대 약 1.1 내지 3.5일 수 있으며, 예컨대 약 1.1 내지 3.0일 수 있다.
상부 활성층(31)은 약 5nm 내지 200nm의 두께를 가질 수 있다.
하부 활성층(32)은 중간 전극(12)과 하부 전극(13) 사이에 위치하여 상부 활성층(31)으로부터 중간 전극(12)을 통해 전달된 정공 또는 전자를 하부 전극(13) 측으로 이동시킬 수 있다.
하부 활성층(32)은 제2 p형 반도체 및/또는 제2 n형 반도체를 포함할 수 있으며, 일 예로 제2 p형 반도체는 제1 p형 반도체와 같거나 다를 수 있고 제2 n형 반도체는 제1 n형 반도체와 같거나 다를 수 있다.
하부 활성층(32)은 상부 활성층(31)에서 흡수되지 않은 나머지 광이 유입될 수 있고, 하부 활성층(32)에 유입된 광은 하부 활성층(32)과 중간 전극(12)과의 계면에서의 굴절률 차이로 인해 상부 활성층(31) 측으로 다시 반사될 수 있다. 이에 따라 상부 활성층(31)에 흡수되는 광량을 높일 수 있다.
하부 활성층(32)은 상부 활성층(31)보다 얇을 수 있으며, 예컨대 약 2nm 내지 150nm의 두께를 가질 수 있다.
상부 전극(11)과 상부 활성층(31) 사이, 중간 전극(12)과 상부 활성층(31) 사이, 중간 전극(12)과 하부 활성층(32) 사이 및/또는 하부 전극(13)과 하부 활성층(32) 사이에는 전하 보조층(도시하지 않음)을 더 포함할 수 있다.
전하 보조층은 정공 및/또는 전자의 이동을 용이하게 하여 효율을 높일 수 있다.
전하 보조층은 정공의 주입을 용이하게 하는 정공 주입층(hole injecting layer, HIL), 정공의 수송을 용이하게 하는 정공 수송층(hole transporting layer, HTL), 전자의 이동을 저지하는 전자 차단층(electron blocking layer, EBL), 전자의 주입을 용이하게 하는 전자 주입층(electron injecting layer, EIL), 전자의 수송을 용이하게 하는 전자 수송층(electron transporting layer, ETL) 및 정공의 이동을 저지하는 정공 차단층(hole blocking layerm HBL)에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전하 보조층은 예컨대 유기물, 무기물 또는 유무기물을 포함할 수 있다. 상기 유기물은 정공 또는 전자 특성을 가지는 유기 화합물일 수 있고, 상기 무기물은 예컨대 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물, 니켈 산화물과 같은 금속 산화물일 수 있다.
광전자 소자(100)는 상부 전극(11) 또는 하부 전극(13)의 일면에 반사방지층(도시하지 않음)을 더 포함할 수 있다. 반사방지층은 광이 입사되는 측에 배치되어 입사 광의 반사도를 낮춤으로써 광 흡수도를 더욱 개선할 수 있다. 예컨대 상부 전극(11) 측으로 광이 입사되는 경우 반사방지층은 상부 전극(11) 위에 위치할 수 있고 하부 전극(13) 측으로 광이 입사되는 경우 반사방지층은 하부 전극(13) 아래에 위치할 수 있다.
반사방지층은 예컨대 약 1.6 내지 2.5의 굴절률을 가지는 물질을 포함할 수 있으며, 예컨대 상기 범위의 굴절률을 가지는 금속 산화물, 금속 황화물 및 유기물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 반사방지층은 예컨대 알루미늄 함유 산화물, 몰리브덴 함유 산화물, 텅스텐 함유 산화물, 바나듐 함유 산화물, 레늄 함유 산화물, 니오븀 함유 산화물, 탄탈륨 함유 산화물, 티타늄 함유 산화물, 니켈 함유 산화물, 구리 함유 산화물, 코발트 함유 산화물, 망간 함유 산화물, 크롬 함유 산화물, 텔러륨 함유 산화물 또는 이들의 조합과 같은 금속 산화물; 아연설파이드와 같은 금속 황화물; 또는 아민 유도체와 같은 유기물을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이 본 구현예에 따른 광전자 소자는 상부 활성층(31)과 하부 활성층(32) 사이에 중간 전극(12)을 배치함으로써 중간 전극(12)과 하부 활성층(32)의 굴절률 차이로 인해 상부 활성층(31) 측으로 빛을 반사시켜 상부 활성층(31)의 흡광 특성을 높일 수 있는 동시에 활성층을 두 영역으로 나누어 전하의 이동 경로를 줄임으로써 광전변환효율을 높일 수 있다. 또한, 상부 전극(11), 중간 전극(12) 및 하부 전극(13) 중 두 개를 전기적으로 연결하여 공통 전압을 인가하는 한편, 공통 전압이 인가된 두 개의 전극의 저항값을 다르게 하여 유효 전압을 다르게 함으로써 전압 바이어스 차이가 존재할 수 있고 이에 따라 다이오드가 형성될 수 있다.
전술한 광전자 소자(100)는 광전변환 또는 발광특성이 요구되는 다양한 전자 장치에 적용될 수 있으며, 예컨대 태양 전지, 이미지 센서, 광 검출기, 광 센서 및 유기발광다이오드 등에 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 광전자 소자(100)는 이미지 센서에 적용될 수 있다.
이하 전술한 광전자 소자(100)를 적용한 이미지 센서의 일 예에 대하여 도면을 참고하여 설명한다. 여기서는 이미지 센서의 일 예로 유기 CMOS 이미지 센서에 대하여 설명한다.
도 6은 일 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 7은 도 6의 유기 CMOS 이미지 센서의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 6 및 도 7을 참고하면, 일 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서(300)는 광 감지 소자(50a, 50b), 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(55)가 집적되어 있는 반도체 기판(110), 하부 절연층(60), 색 필터 층(70), 상부 절연층(80) 및 광전자 소자(100)를 포함한다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 광 감지 소자(50a, 50b), 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(55)가 집적되어 있다. 광 감지 소자(50a, 50b)는 광 다이오드(photodiode)일 수 있다.
광 감지 소자(50a, 50b), 전송 트랜지스터 및/또는 전하 저장소(55)는 각 화소마다 집적되어 있을 수 있으며, 일 예로 도면에서 보는 바와 같이 광 감지 소자(50a, 50b)는 청색 화소 및 적색 화소에 각각 포함될 수 있고 전하 저장소(55)는 녹색 화소에 포함될 수 있다.
광 감지 소자(50a, 50b)는 빛을 센싱하고 센싱된 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있고, 전하 저장소(55)는 후술하는 광전자 소자(100)와 전기적으로 연결되어 있고 전하 저장소(55)의 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다.
반도체 기판(110) 위에는 또한 금속 배선(도시하지 않음) 및 패드(도시하지 않음)가 형성되어 있다. 금속 배선 및 패드는 신호 지연을 줄이기 위하여 낮은 비저항을 가지는 금속, 예컨대 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag) 및 이들의 합금으로 만들어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 그러나 상기 구조에 한정되지 않고, 금속 배선 및 패드가 광 감지 소자(50a, 50b)의 하부에 위치할 수도 있다.
금속 배선 및 패드 위에는 하부 절연층(60)이 형성되어 있다. 하부 절연층(60)은 산화규소 및/또는 질화규소와 같은 무기 절연 물질 또는 SiC, SiCOH, SiCO 및 SiOF와 같은 저유전율(low K) 물질로 만들어질 수 있다. 하부 절연층(60)은 전하 저장소(55)를 드러내는 트렌치를 가진다. 트렌치는 충전재로 채워져 있을 수 있다.
하부 절연막(60) 위에는 색 필터 층(70)이 형성되어 있다. 색 필터 층(70)은 청색 화소에 형성되어 있는 청색 필터(70a)와 적색 화소에 형성되어 있는 적색 필터(70b)를 포함한다. 본 구현예에서는 녹색 필터를 구비하지 않은 예를 설명하지만, 경우에 따라 녹색 필터를 구비할 수도 있다.
색 필터 층(70) 위에는 상부 절연층(80)이 형성되어 있다. 상부 절연층(80)은 색 필터 층(70)에 의한 단차를 제거하고 평탄화한다. 상부 절연층(80) 및 하부 절연층(60)은 패드를 드러내는 접촉구(도시하지 않음)와 녹색 화소의 전하 저장소(55)를 드러내는 관통구(85)를 가진다.
상부 절연층(80) 위에는 전술한 광전자 소자(100)가 형성되어 있다.
광전자 소자(100)는 전술한 바와 같이 상부 전극(11), 상부 활성층(31), 중간 전극(12), 하부 활성층(32) 및 하부 전극(13)을 포함한다.
상부 전극(11), 중간 전극(12) 및 하부 전극(13)은 모두 투광 전극일 수 있으며, 상부 활성층(31) 및/또는 하부 활성층(32)은 예컨대 녹색 파장 영역의 가시광을 선택적으로 흡수하는 흡광 물질을 포함할 수 있다.
상부 전극(11) 측으로부터 입사된 광은 상부 활성층(31)에서 녹색 파장 영역의 가시광을 주로 흡수하여 광전 변환될 수 있고, 나머지 광은 중간 전극(12)을 통과하여 하부 활성층(32)에서 잔여의 녹색 파장 영역의 가시광이 흡수되거나 상부 활성층(31) 측으로 반사시킬 수 있고 녹색 파장 영역의 가시광을 제외한 나머지 광은 하부 전극(13)을 통과하여 광 감지 소자(50a, 50b)에 센싱될 수 있다.
광전자 소자(100) 위에는 집광 렌즈(도시하지 않음)가 더 형성되어 있을 수 있다. 집광 렌즈는 입사 광의 방향을 제어하여 광을 하나의 지점으로 모을 수 있다. 집광 렌즈는 예컨대 실린더 모양 또는 반구 모양일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기와 같이 광 감지 소자(50a, 50b)가 집적된 반도체 기판(110) 위에 광전자 소자(100)가 적층된 구조를 가짐으로써 이미지 센서의 크기를 줄여 소형화 이미지 센서를 구현할 수 있다. 도 7에서는 도 2의 광전자 소자가 적용된 예를 예시적으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않고 도 4 또는 도 5의 광전자 소자도 동일하게 적용될 수 있다.
또한, 도 6 및 7에서는, 녹색 파장 영역의 가시광이 광전자 소자(100)에 의해 흡수되고 적색 파장 영역의 가시광 및 청색 파장 영역의 가시광이 광 감지 소자(50a, 50b)에 의해 센싱되는 구조를 예시적으로 설명하였으나 이에 한정되지 않고, 적색 파장 영역의 가시광이 광전자 소자(100)에 의해 흡수되고 녹색 파장 영역의 가시광 및 청색 파장 영역의 가시광이 광 감지 소자(50a, 50b)에 의해 센싱될 수도 있고, 청색 파장 영역의 가시광이 광전자 소자(100)에 의해 흡수되고 녹색 파장 영역의 가시광 및 적색 파장 영역의 가시광이 광 감지 소자(50a, 50b)에 의해 센싱될 수도 있다.
도 8은 도 6의 유기 CMOS 이미지 센서의 다른 예를 보여주는 단면도이다.
본 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서(400)는 전술한 구현예와 마찬가지로 광 감지 소자(50a, 50b), 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(55)가 집적되어 있는 반도체 기판(110), 관통구(85)를 가진 상부 절연층(80) 및 광전자 소자(100)를 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서(400)는 전술한 구현예와 달리, 광 감지 소자(50a, 50b)가 수직 방향으로 적층되어 있고 색 필터 층(70)이 생략되어 있다. 광 감지 소자(50a, 50b)는 전하 저장소(도시하지 않음)와 전기적으로 연결되어 있고 전송 트랜지스터에 의해 전달될 수 있다. 광 감지 소자(50a, 50b)는 적층 깊이에 따라 각 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있다.
광전자 소자(100) 위에는 집광 렌즈(도시하지 않음)가 더 형성되어 있을 수 있다. 집광 렌즈는 입사 광의 방향을 제어하여 광을 하나의 지점으로 모을 수 있다. 집광 렌즈는 예컨대 실린더 모양 또는 반구 모양일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기와 같이 반도체 기판(110)과 광전자 소자(100)가 적층된 구조를 가지고 광 감지 소자(50a, 50b) 또한 적층된 구조를 가짐으로써 이미지 센서의 크기를 더욱 줄여 소형화 이미지 센서를 구현할 수 있다. 도 8에서는 도 2의 광전자 소자가 적용된 예를 예시적으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않고 도 4 또는 도 5의 광전자 소자도 동일하게 적용될 수 있다.
도 9는 다른 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 10은 도 9의 유기 CMOS 이미지 센서의 단면도이다.
본 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서(500)는 반도체 기판(110), 하부 절연층(60), 중간 절연층(65), 상부 절연층(80), 제1 광전자 소자(100a), 제2 광전자 소자(100b) 및 제3 광전자 소자(100c)를 포함한다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(55a, 55b, 55c)가 집적되어 있다.
반도체 기판(110) 위에는 금속 배선(도시하지 않음) 및 패드(도시하지 않음)가 형성되어 있고, 금속 배선 및 패드 위에는 하부 절연층(60)이 형성되어 있다.
하부 절연층(60) 위에는 제1 광전자 소자(100a)가 형성되어 있다.
제1 광전자 소자(100a)는 상부 전극(11a), 중간 전극(12a), 하부 전극(13a), 상부 전극(11a)과 중간 전극(12a) 사이에 위치하는 상부 활성층(31a) 및 하부 전극(13a)과 중간 전극(12a) 사이에 위치하는 하부 활성층(32a)을 포함한다. 상부 전극(11a), 중간 전극(12a), 하부 전극(13a), 상부 활성층(31a) 및 하부 활성층(32a)는 전술한 바와 같으며, 상부 활성층(31a)은 적색, 청색 및 녹색 중 어느 하나의 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있다. 하부 활성층(32a) 또한 상부 활성층(31a)과 동일한 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있다. 예컨대 제1 광전자 소자(100a)는 적색 광전 소자일 수 있다.
제1 광전자 소자(100a) 위에는 중간 절연층(65)이 형성되어 있다.
중간 절연층(65) 위에는 제2 광전자 소자(100b)가 형성되어 있다.
제2 광전자 소자(100b)는 상부 전극(11b), 중간 전극(12b), 하부 전극(13b), 상부 전극(11b)과 중간 전극(12b) 사이에 위치하는 상부 활성층(31b) 및 하부 전극(13b)과 중간 전극(12b) 사이에 위치하는 하부 활성층(32b)을 포함한다. 상부 전극(11b), 중간 전극(12b), 하부 전극(13b), 상부 활성층(31b) 및 하부 활성층(32b)은 전술한 바와 같으며, 상부 활성층(31b)은 적색, 청색 및 녹색 중 어느 하나의 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있다. 하부 활성층(32b) 또한 상부 활성층(31b)과 동일한 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있다. 예컨대 제2 광전자 소자(100b)는 청색 광전 소자일 수 있다.
제2 광전자 소자(100b) 위에는 상부 절연층(80)이 형성되어 있다. 하부 절연층(60), 중간 절연층(65) 및 상부 절연층(80)은 전하 저장소(55a, 55b, 55c)를 드러내는 복수의 관통구를 가진다.
상부 절연층(80) 위에는 제3 광전자 소자(100c)가 형성되어 있다. 제3 광전자 소자(100c)는 상부 전극(11c), 중간 전극(12c), 하부 전극(13c), 상부 전극(11c)과 중간 전극(12c) 사이에 위치하는 상부 활성층(31c) 및 하부 전극(13c)과 중간 전극(12c) 사이에 위치하는 하부 활성층(32c)을 포함한다. 상부 전극(11c), 중간 전극(12c), 하부 전극(13c), 상부 활성층(31c) 및 하부 활성층(32c)은 전술한 바와 같으며, 상부 활성층(31c)은 적색, 청색 및 녹색 중 어느 하나의 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있다. 하부 활성층(32c) 또한 상부 활성층(31c)과 동일한 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있다. 예컨대 제3 광전자 소자(100c)는 녹색 광전 소자일 수 있다.
제3 광전자 소자(100c) 위에는 집광 렌즈(도시하지 않음)가 더 형성되어 있을 수 있다. 집광 렌즈는 입사 광의 방향을 제어하여 광을 하나의 지점으로 모을 수 있다. 집광 렌즈는 예컨대 실린더 모양 또는 반구 모양일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도면에서는 제1 광전자 소자(100a), 제2 광전자 소자(100b) 및 제3 광전자 소자(100c)로서 도 2의 광전자 소자를 예시적으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않고 제1 유기 광전 소자(100a), 제2 유기 광전 소자(100b) 및 제3 유기 광전 소자(100c) 중 하나 또는 둘이 도 2, 도 4 및 도 5 중 하나의 광전자 소자일 수 있다.
도면에서는 제1 광전자 소자(100a), 제2 광전자 소자(100b) 및 제3 광전자 소자(100c)가 차례로 적층된 구조를 도시하였지만, 이에 한정되지 않고 적층 순서는 다양하게 바뀔 수 있다.
상기와 같이 서로 다른 파장 영역의 광을 흡수하는 제1 광전자 소자(100a), 제2 광전자 소자(100b) 및 제3 광전자 소자(100c)가 적층된 구조를 가짐으로써 이미지 센서의 크기를 더욱 줄여 소형화 이미지 센서를 구현할 수 있다.
상기 이미지 센서는 다양한 전자 장치에 적용될 수 있으며, 예컨대 모바일 폰, 디지털 카메라 등에 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이하 실시예를 통하여 상술한 구현예들을 보다 상세하게 설명한다. 다만 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 권리범위를 제한하는 것은 아니다.
광전자 소자의 제작 I
실시예 1
유리 기판 위에 ITO를 스퍼터링으로 증착하여 150nm 두께의 하부 전극(저항값: 50Ω)을 형성한다. 하부 전극 형성시 Applied Materials사의 스퍼터링 장비를 사용하여 상온 및 1,300W DC Power에서 수행한다. 이어서 하부 전극 위에 p형 반도체로서 하기 화학식 A로 표현되는 화합물과 n형 반도체로서 C60을 1:1의 부피비가 되도록 공증착하여 85nm 두께의 하부 활성층을 형성한다. 이어서 하부 활성층 위에 ITO를 스퍼터링으로 증착하여 7nm 두께의 중간 전극(저항값: 10,000Ω)을 형성한다. 중간 전극 형성시 A-tech 사의 스퍼터링 장비를 사용하여 상온, 250W DC Power 및 O2 유량 0.10SCCM에서 수행한다. 이어서, 중간 전극 위에 p형 반도체로서 하기 화학식 A로 표현되는 화합물과 n형 반도체로서 C60을 1:1의 부피비가 되도록 공증착하여 85nm 두께의 상부 활성층을 형성한다. 이어서 상부 활성층 위에 몰리브덴 산화물(MoOx, 0<x≤3)을 10nm 두께로 형성하여 전하 보조층을 형성한다. 이어서 전하 보조층 위에 ITO를 스퍼터링으로 증착하여 7nm 두께의 상부 전극(저항값: 2,000Ω)을 형성하여 광전자 소자를 제작한다. 상부 전극 형성시 A-tech 사의 스퍼터링 장비를 사용하여 상온, 250W Power DC 및 O2 유량 0.20SCCM에서 수행하며, 중간 전극의 말단과 상부 전극의 말단은 연결되어 있다.
[화학식 A]
Figure pat00001
실시예 2
p형 반도체와 n형 반도체를 1.2:1의 부피비가 되도록 공증착하여 상부 활성층을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 광전자 소자를 제작한다.
실시예 3
p형 반도체와 n형 반도체를 1.2:1의 부피비가 되도록 공증착하여 하부 활성층을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 광전자 소자를 제작한다.
실시예 4
p형 반도체와 n형 반도체를 1.2:1의 부피비가 되도록 공증착하여 하부 활성층 및 상부 활성층을 각각 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 광전자 소자를 제작한다.
비교예 1
유리 기판 위에 ITO를 스퍼터링으로 증착하여 150nm 두께의 하부 전극(저항값: 50Ω)을 형성한다. 이어서 하부 전극 위에 p형 반도체로서 상기 화학식 A로 표현되는 화합물과 n형 반도체로서 C60을 1:1의 부피비가 되도록 공증착하여 85nm 두께의 활성층을 형성한다. 이어서 활성층 위에 몰리브덴 산화물(MoOx, 0<x≤3)을 10nm 두께로 형성하여 전하 보조층을 형성한다. 이어서 전하 보조층 위에 ITO를 스퍼터링으로 증착하여 7nm 두께의 상부 전극(저항값: 10,000Ω)을 형성하여 광전자 소자를 제작한다. 하부 전극은 Applied Materials사의 스퍼터링 장비를 사용하여 상온 및 1,300W DC Power에서 수행하고, 상부 전극은 A-tech 사의 스퍼터링 장비를 사용하여 상온, 250W DC Power 및 O2 유량 0.10SCCM에서 수행한다
비교예 2
p형 반도체와 n형 반도체를 1.2:1의 부피비가 되도록 공증착하여 활성층을 형성한 것을 제외하고 비교예 1과 동일한 방법으로 광전자 소자를 제작한다.
평가 I
평가 1
실시예 4와 비교예 2에 따른 광전자 소자의 흡광 특성을 평가한다.
흡광 특성은 SHIMADZU사 UV-2450 모델로 평가한다.
도 11은 실시예 4와 비교예 2에 따른 광전자 소자의 파장에 따른 흡광 특성을 보여주는 그래프이다.
도 11을 참고하면, 실시예 4에 따른 광전자 소자의 상부 활성층은 비교예 2에 따른 광전자 소자의 활성층과 비교하여 최대흡수파장(λmax)에서 흡광도가 더 높은 것을 확인할 수 있다.
이로부터, 실시예 4에 따른 광전자 소자는 하부 활성층의 반사에 의해 상부 활성층의 흡광도가 개선되는 것을 확인할 수 있다.
평가 2
실시예 1 내지 4와 비교예 1에 따른 광전자 소자의 외부양자효율(EQE)을 평가한다.
외부양자효율은 400nm 내지 720nm 파장 영역(λmax=530nm)에서 Incident Photon to Current Efficiency (IPCE) 방법으로 평가한다. 녹색 파장 영역의 기준 파장은 최대 흡수 파장(λmax)으로 약 530nm이고 청색 파장 영역의 기준 파장은 450nm 이다.
전압은 하부 전극에 0V, 상부 전극에 3V가 인가된다.
그 결과는 표 1과 같다.
EQEmax (G) (%) EQE450nm (B) (%) EQEmax (G)/ EQE450nm (B)
실시예 1 51.4 13.6 3.78
실시예 2 50.7 13.3 3.81
실시예 3 52.3 13.2 3.96
실시예 4 52.4 13.0 4.03
비교예 1 47.0 16.4 2.87
표 1을 참고하면, 실시예 1 내지 4에 따른 광전자 소자는 비교예 1에 따른 광전자 소자와 비교하여 녹색 광의 흡수가 높아지고 청색 광의 흡수가 낮아져 녹색 광에 대한 파장 선택성이 개선되었음을 확인할 수 있다.
광전자 소자의 제작 II
실시예 5
중간 전극 형성시 O2 유량 0.25 SCCM로 변화시켜 저항값 2,200Ω의 중간 전극을 형성한 것 외에 실시예 1과 동일한 방법으로 광전자 소자를 제작한다.
실시예 6
중간 전극 형성시 O2 유량을 0.08SCCM로 변화시켜 저항값 8,000Ω의 중간 전극을 형성한 것 외에 실시예 1과 동일한 방법으로 광전자 소자를 제작한다.
실시예 7
중간 전극 형성시 O2 유량 0 SCCM으로 변화시켜 저항값 28,000Ω의 중간 전극을 형성한 것 외에 실시예 1과 동일한 방법으로 광전자 소자를 제작한다.
평가 II
실시예 5 내지 7과 비교예 1에 따른 광전자 소자의 외부양자효율(EQE)을 평가한다.
외부양자효율은 400nm 내지 720nm 파장 영역(λmax=530nm)에서 Incident Photon to Current Efficiency (IPCE) 방법으로 평가하고 최대흡수파장에서 외부양자효율이 1.0이 되도록 정규화(mormalized)한다.
전압은 하부 전극에 0V, 상부 전극에 10V가 인가된다.
그 결과는 도 12와 같다.
도 12는 실시예 5 내지 7과 비교예 1에 따른 광전자 소자의 파장에 따른 외부양자효율을 보여주는 그래프이다.
도 12를 참고하면, 실시예 5 내지 7에 따른 광전자 소자는 비교예 1에 따른 광전자 소자와 비교하여 청색 광의 외부양자효율이 상대적으로 낮아져 녹색 광의 파장 선택성이 개선되었음을 확인할 수 있다.
광전자 소자의 제작 III
실시예 8
유리 기판 위에 ITO를 스퍼터링으로 증착하여 150nm 두께의 하부 전극(저항값: 50Ω)을 형성한다. 하부 전극 형성시 Applied Materials사의 스퍼터링 장비를 사용하여 상온 및 1,300W DC Power에서 수행한다. 이어서 하부 전극 위에 p형 반도체로서 하기 화학식 B로 표현되는 화합물과 n형 반도체로서 C60을 2.5:1의 부피비가 되도록 공증착하여 하부 활성층을 형성한다. 하부 활성층의 두께는 40nm, 60nm 및 80nm로 다양하다. 이어서 하부 활성층 위에 ITO를 스퍼터링으로 증착하여 7nm 두께의 중간 전극(저항값: 28,000Ω)을 형성한다. 중간 전극 형성시 A-tech 사의 스퍼터링 장비를 사용하여 상온, 250W DC Power 및 O2 유량 0 SCCM에서 수행한다. 이어서, 중간 전극 위에 p형 반도체로서 하기 화학식 B로 표현되는 화합물과 n형 반도체로서 C60을 2.5:1의 부피비가 되도록 공증착하여 상부 활성층을 형성한다. 상부 활성층의 두께는 50nm 내지 120nm로 다양하다. 이어서 상부 활성층 위에 몰리브덴 산화물(MoOx, 0<x≤3)을 10nm 두께로 형성하여 전하 보조층을 형성한다. 이어서 전하 보조층 위에 ITO를 스퍼터링으로 증착하여 7nm 두께의 상부 전극(저항값: 2000Ω)을 형성하여 광전자 소자를 제작한다. 상부 전극 형성시 A-tech 사의 스퍼터링 장비를 사용하여 상온, 250W DC Power 및 O2 유량 0.2SCCM 에서 수행하며, 중간 전극의 말단과 상부 전극의 말단은 연결되어 있다.
[화학식 B]
Figure pat00002
비교예 3
하부 활성층과 중간 전극을 형성하지 않은 것을 제외하고 실시예 8과 동일한 방식으로 광전자 소자를 제작한다.
평가 III
실시예 8과 비교예 3에 따른 광전자 소자의 흡광도를 평가한다.
도 13은 실시예 8과 비교예 3에 따른 광전자 소자에서 활성층의 두께에 따른 흡광도 변화를 보여주는 그래프이다.
도 13을 참고하면, 실시예 8에 따른 광전자 소자는 상부 활성층과 하부 활성층의 두께에 따라 흡광도가 높아지는 것을 확인할 수 있고, 비교예 3에 따른 광전자 소자(하부활성층 0nm)와 비교하여 흡광도가 높은 것을 확인할 수 있다. 특히 상부 활성층의 두께가 얇은 경우 흡광도 증가 폭이 더욱 큰 것을 확인할 수 있다.
이상에서 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
11, 11a, 11b, 11c: 상부 전극
12, 12a, 12b, 12c: 중간 전극
13, 13a, 13b, 13c: 하부 전극
31, 31a, 31b, 31c: 상부 활성층
32, 32a, 32b, 32c: 하부 활성층
100, 100a, 100b, 100c: 광전자 소자
50a, 50b: 광감지 소자
55: 전하 저장소
60, 65, 80: 절연층
70: 색 필터층
300, 400, 500: 이미지 센서

Claims (20)

  1. 전기적으로 연결되어 있는 제1 전극과 제2 전극,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 중 적어도 하나에 대향하는 제3 전극,
    상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 제3 전극 중에서 선택된 두 개 사이에 위치하는 제1 활성층, 그리고
    상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 제3 전극 중에서 선택된 두 개 사이에 위치하고 상기 제1 활성층과 분리되어 있는 제2 활성층
    을 포함하고,
    상기 제2 전극의 저항값은 상기 제1 전극의 저항값보다 높은 광전자 소자.
  2. 제1항에서,
    상기 제2 전극의 저항값은 2,000Ω 초과인 광전자 소자.
  3. 제2항에서,
    상기 제1 전극의 저항값은 10Ω 내지 2,000Ω이고,
    상기 제2 전극의 저항값은 2,000Ω 초과 30,000Ω 이하인 광전자 소자.
  4. 제3항에서,
    상기 제1 전극은 10Ω 내지 2,000Ω의 저항값을 가지는 도전성 산화물, 금속 박막, 그래핀, 탄소나노튜브를 포함하고,
    상기 제2 전극은 2,000Ω 초과 30,000Ω 이하의 저항값을 가지는 도전성 산화물, 금속 박막, 그래핀, 탄소나노튜브를 포함하는 광전자 소자.
  5. 제1항에서,
    상기 제1 활성층은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고,
    상기 제2 활성층은 상기 제2 전극과 상기 제3 전극 사이에 위치하며,
    상기 제2 전극은 투명 전극인
    광전자 소자.
  6. 제1항에서,
    상기 제1 활성층은 상기 제1 전극과 상기 제3 전극 사이에 위치하고,
    상기 제2 활성층은 상기 제2 전극과 상기 제3 전극 사이에 위치하며,
    상기 제3 전극은 투명 전극인
    광전자 소자.
  7. 제1항에서,
    상기 제1 활성층은 상기 제3 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고,
    상기 제2 활성층은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하며,
    상기 제2 전극은 투명 전극인
    광전자 소자.
  8. 제1항에서,
    상기 제1 활성층은 pn 접합을 형성하는 제1 p형 반도체와 제1 n형 반도체를 포함하는 광전자 소자.
  9. 제8항에서,
    상기 제1 p형 반도체와 상기 제1 n형 반도체 중 적어도 하나는 자외광, 적외광, 적색 파장 영역의 가시광, 녹색 파장 영역의 가시광 및 청색 파장 영역의 가시광 중 어느 하나를 선택적으로 흡수하는 흡광 물질을 포함하는 광전자 소자.
  10. 제8항에서,
    상기 제1 n형 반도체에 대한 상기 제1 p형 반도체의 조성비(p1/n1)는 1.0 이상인 광전자 소자.
  11. 제8항에서,
    상기 제2 활성층은 상기 제1 p형 반도체와 같거나 다른 제2 p형 반도체와 상기 제1 n형 반도체와 같거나 다른 제2 n형 반도체 중 적어도 하나를 포함하는 광전자 소자.
  12. 제8항에서,
    상기 제1 활성층은 상기 제2 활성층보다 빛을 받는 측에 가깝게 위치하는 광전자 소자.
  13. 제1항에서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극은 공통 전극이고,
    상기 제3 전극은 화소 전극인 광전자 소자.
  14. 제1 전극, 제1 활성층, 제2 전극, 제2 활성층 및 제3 전극이 차례로 적층되고,
    상기 제2 전극은 상기 제1 전극 또는 상기 제3 전극과 전기적으로 연결되어 있으며,
    상기 제2 전극의 저항값은 상기 제1 전극 또는 상기 제3 전극의 저항값보다 높은 광전자소자.
  15. 제14항에서,
    상기 제2 전극의 저항값은 2,000Ω 초과인 광전자 소자.
  16. 제14항에서,
    상기 제1 전극 또는 상기 제3 전극은 10Ω 내지 2,000Ω의 저항값을 가지는 도전성 산화물, 금속 박막, 그래핀, 탄소나노튜브를 포함하고,
    상기 제2 전극은 2,000Ω 초과 30,000Ω 이하의 저항값을 가지는 도전성 산화물, 금속 박막, 그래핀, 탄소나노튜브를 포함하는 광전자 소자.
  17. 제14항에서,
    상기 제1 활성층은 pn 접합을 형성하는 제1 p형 반도체와 제1 n형 반도체를 포함하는 광전자 소자.
  18. 제17항에서,
    상기 제1 p형 반도체와 상기 제1 n형 반도체 중 적어도 하나는 자외광, 적외광, 적색 파장 영역의 가시광, 녹색 파장 영역의 가시광 및 청색 파장 영역의 가시광 중 어느 하나를 선택적으로 흡수하는 흡광 물질을 포함하는 광전자 소자.
  19. 제17항에서,
    상기 제2 활성층은 상기 제1 p형 반도체와 같거나 다른 제2 p형 반도체와 상기 제1 n형 반도체와 같거나 다른 제2 n형 반도체 중 적어도 하나를 포함하는 광전자 소자.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 광전자 소자를 포함하는 전자 장치.
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