KR20190080844A - 광전 소자 및 이미지 센서 - Google Patents

광전 소자 및 이미지 센서 Download PDF

Info

Publication number
KR20190080844A
KR20190080844A KR1020190077037A KR20190077037A KR20190080844A KR 20190080844 A KR20190080844 A KR 20190080844A KR 1020190077037 A KR1020190077037 A KR 1020190077037A KR 20190077037 A KR20190077037 A KR 20190077037A KR 20190080844 A KR20190080844 A KR 20190080844A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
oxide
electrode
metal
auxiliary layer
layer
Prior art date
Application number
KR1020190077037A
Other languages
English (en)
Inventor
임동석
김규식
박경배
이광희
임선정
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020190077037A priority Critical patent/KR20190080844A/ko
Publication of KR20190080844A publication Critical patent/KR20190080844A/ko

Links

Images

Classifications

    • H01L51/5008—
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K30/00—Organic devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation
    • H10K30/80—Constructional details
    • H10K30/865—Intermediate layers comprising a mixture of materials of the adjoining active layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures
    • H01L51/5012—
    • H01L51/5072—
    • H01L51/5215—
    • H01L51/5234—
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K50/00—Organic light-emitting devices
    • H10K50/10—OLEDs or polymer light-emitting diodes [PLED]
    • H10K50/11—OLEDs or polymer light-emitting diodes [PLED] characterised by the electroluminescent [EL] layers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K50/00—Organic light-emitting devices
    • H10K50/10—OLEDs or polymer light-emitting diodes [PLED]
    • H10K50/14—Carrier transporting layers
    • H10K50/16—Electron transporting layers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K50/00—Organic light-emitting devices
    • H10K50/80—Constructional details
    • H10K50/805—Electrodes
    • H10K50/81—Anodes
    • H10K50/816—Multilayers, e.g. transparent multilayers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K50/00—Organic light-emitting devices
    • H10K50/80—Constructional details
    • H10K50/805—Electrodes
    • H10K50/82—Cathodes
    • H10K50/828—Transparent cathodes, e.g. comprising thin metal layers
    • H01L2251/305—
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K2102/00—Constructional details relating to the organic devices covered by this subclass
    • H10K2102/10—Transparent electrodes, e.g. using graphene
    • H10K2102/101—Transparent electrodes, e.g. using graphene comprising transparent conductive oxides [TCO]

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)

Abstract

제1 전극, 상기 제1 전극과 마주하는 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 활성층, 그리고 상기 제1 전극과 상기 활성층 사이에 위치하는 보조층을 포함하고, 상기 보조층은 금속 산화물과 금속을 포함하는 제1 보조층, 그리고 HOMO 에너지 레벨이 6.0eV 이상인 제1 유기 물질을 포함하는 제2 보조층을 포함하는 광전 소자에 관한 것이다.

Description

광전 소자 및 이미지 센서{PHOTOELECTRONIC DEVICE AND IMAGE SENSOR}
광전 소자 및 이미지 센서에 관한 것이다.
광전 소자는 빛과 전기 신호를 변환시키는 소자로, 광 다이오드 및 광 트랜지스터 등을 포함하며, 이미지 센서, 태양 전지, 유기발광소자 등에 적용될 수 있다.
광 다이오드를 포함하는 이미지 센서는 날이 갈수록 해상도가 높아지고 있으며, 이에 따라 화소 크기가 작아지고 있다. 현재 주로 사용하는 실리콘 광 다이오드의 경우 화소의 크기가 작아지면서 흡수 면적이 줄어들기 때문에 감도 저하가 발생할 수 있다. 이에 따라 실리콘을 대체할 수 있는 유기 물질이 연구되고 있다.
유기 물질은 흡광 계수가 크고 분자 구조에 따라 특정 파장 영역의 빛을 선택적으로 흡수할 수 있으므로, 광 다이오드와 색 필터를 동시에 대체할 수 있어서 감도 개선 및 고집적에 매우 유리하다.
이와 같은 유기물 기반의 광 다이오드를 구현하는데 있어서, 전하들의 이동성을 제어하는 것이 중요하다.
일 구현예는 전하들의 이동성을 효과적으로 제어하여 광전 변환 효율을 높이고 누설 전류를 줄일 수 있는 광전 소자를 제공한다.
다른 구현예는 상기 광전 소자를 포함하는 이미지 센서를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 제1 전극, 상기 제1 전극과 마주하는 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 활성층, 그리고 상기 제1 전극과 상기 활성층 사이에 위치하는 보조층을 포함하고, 상기 보조층은 금속 산화물과 금속을 포함하는 제1 보조층, 그리고 HOMO 에너지 레벨이 6.0eV 이상인 제1 유기 물질을 포함하는 제2 보조층을 포함하는 광전 소자를 제공한다.
상기 제1 보조층은 상기 제1 전극과 접촉될 수 있고, 상기 제1 전극과 상기 제1 보조층의 복합 일함수는 약 4.3eV 이하일 수 있다.
상기 제1 전극은 인듐 주석 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO), 아연 산화물(ZnO), 주석 산화물(SnO), 알루미늄 주석 산화물(AlTO) 및 불소 도핑된 주석 산화물(FTO) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 금속 산화물은 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물, 바나듐 산화물, 레늄 산화물, 니켈 산화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 금속은 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 리튬 (Li), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu)또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 제1 보조층은 상기 금속이 상기 금속 산화물보다 같거나 높은 함량으로 포함될 수 있다.
상기 제1 보조층은 약 0.1nm 내지 5nm의 두께를 가질 수 있다.
상기 제1 유기 물질은 HOMO 에너지 레벨이 약 6.0eV 내지 7.0eV 일 수 있다.
상기 활성층은 상기 제1 유기 물질과 같거나 다른 제2 유기 물질을 포함할 수 있고, 상기 제1 유기 물질은 상기 제2 유기 물질보다 LUMO 에너지 레벨이 높거나 같을 수 있다.
상기 제1 유기 물질은 DCV3T, Bpy-OXD, Bpy-FOXD, 3TPYMB, BP4MPY, BmPyPB, B3PYMPM, Bphen 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 제2 보조층은 약 1nm 내지 20nm의 두께를 가질 수 있다.
상기 광전 소자는 상기 활성층과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 제3 보조층을 더 포함할 수 있다.
상기 제3 보조층은 금속 산화물을 포함할 수 있다.
상기 금속 산화물은 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물, 바나듐 산화물, 레늄 산화물, 니켈 산화물, 구리 산화물, 티타늄 산화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 제2 전극은 투광 전극일 수 있고, 상기 투광 전극은 금속 및 상기 금속보다 적은 함량으로 포함되어 있는 금속 산화물을 포함하는 투광층을 포함할 수 있다.
상기 금속은 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au) 및 이들의 합금에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 금속 산화물은 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물, 바나듐 산화물, 레늄 산화물, 니오븀 산화물, 탄탈륨 산화물, 티타늄 산화물, 아연 산화물, 니켈 산화물, 구리 산화물, 코발트 산화물, 망간 산화물, 크롬 산화물, 인듐 산화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 투광 전극은 상기 투광층의 일면에 위치하는 투광 보조층을 더 포함할 수 있다.
*상기 투광 보조층은 약 1.6 내지 2.5의 굴절률을 가지는 물질을 포함할 수 있다.
상기 투광 보조층은 금속 산화물, 금속 황화물 및 유기물 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 금속 산화물은 아연 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물, 인듐 주석 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO), 알루미늄 산화물, 알루미늄 주석 산화물(ATO), 불소 도핑된 주석 산화물(FTO), 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물, 바나듐 산화물, 레늄 산화물, 니오븀 산화물, 탄탈륨 산화물, 티타늄 산화물, 니켈 산화물, 구리 산화물, 코발트 산화물, 망간 산화물, 크롬 산화물, 텔러륨 산화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 상기 금속 황화물은 아연설파이드(ZnS)를 포함할 수 있고, 상기 유기물은 아민 유도체를 포함할 수 있다.
다른 구현예에 따르면, 제1 전극, 상기 제1 전극과 마주하는 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 활성층, 그리고 상기 제1 전극과 상기 활성층 사이에 위치하는 제1 보조층을 포함하고, 상기 제1 보조층은 금속 산화물과 금속을 포함하고 5nm 이하의 두께를 가지는 광전 소자를 제공한다.
상기 제1 보조층은 상기 제1 전극과 접촉될 수 있고, 상기 제1 전극과 상기 제1 보조층의 복합 일함수는 약 4.3eV 이하일 수 있다.
상기 제1 전극은 인듐 주석 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO), 아연 산화물(ZnO), 주석 산화물(SnO), 알루미늄 주석 산화물(AlTO) 및 불소 도핑된 주석 산화물(FTO) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 금속 산화물은 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물, 바나듐 산화물, 레늄 산화물, 니켈 산화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 상기 금속은 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 리튬 (Li), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 제1 보조층은 상기 금속이 상기 금속 산화물보다 같거나 높은 함량으로 포함될 수 있다.
상기 광전 소자는 상기 제1 보조층과 상기 활성층 사이에 위치하는 제2 보조층 및 상기 활성층과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 제3 보조층 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 전극은 투광 전극일 수 있고, 상기 투광 전극은 금속 및 상기 금속보다 적은 함량으로 포함되어 있는 금속 산화물을 포함하는 투광층을 포함할 수 있다.
상기 금속은 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au) 및 이들의 합금에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 금속 산화물은 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물, 바나듐 산화물, 레늄 산화물, 니오븀 산화물, 탄탈륨 산화물, 티타늄 산화물, 아연 산화물, 니켈 산화물, 구리 산화물, 코발트 산화물, 망간 산화물, 크롬 산화물, 인듐 산화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 투광 전극은 상기 투광층의 일면에 위치하는 투광 보조층을 더 포함할 수 있다.
*상기 투광 보조층은 약 1.6 내지 2.5의 굴절률을 가지는 물질을 포함할 수 있다.
상기 투광 보조층은 금속 산화물, 금속 황화물 및 유기물 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 상기 금속 산화물은 아연 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물, 인듐 주석 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO), 알루미늄 산화물, 알루미늄 주석 산화물(ATO), 불소 도핑된 주석 산화물(FTO), 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물, 바나듐 산화물, 레늄 산화물, 니오븀 산화물, 탄탈륨 산화물, 티타늄 산화물, 니켈 산화물, 구리 산화물, 코발트 산화물, 망간 산화물, 크롬 산화물, 텔러륨 산화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 상기 금속 황화물은 아연설파이드(ZnS)를 포함할 수 있고, 상기 유기물은 아민 유도체를 포함할 수 있다.
광전 변환 효율을 확보하는 동시에 누설 전류를 줄일 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 광전 소자를 보여주는 단면도이고,
도 2는 다른 구현예에 따른 광전 소자를 도시한 단면도이고,
도 3은 일 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서를 도시한 단면도이고,
도 4는 다른 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서를 도시한 단면도이고,
도 5는 실시예 1-1 내지 1-3과 비교예 1 내지 3에 따른 광전 소자의 광전변환효율(EQE) 및 검출능을 보여주는 그래프이고,
도 6은 실시예 1-1 내지 1-3과 비교예 1 내지 3에 따른 광전 소자의 암전류 특성을 보여주는 그래프이고,
도 7은 실시예 2에 따른 광전 소자의 전압 및 파장에 따른 광전변환효율(EQE)을 보여주는 그래프이고,
도 8은 실시예 2에 따른 광전 소자의 암전류 특성을 보여주는 그래프이고,
도 9는 실시예 3에 따른 광전 소자의 전압 및 파장에 따른 광전변환효율(EQE)을 보여주는 그래프이고,
도 10은 실시예 3에 따른 광전 소자의 암전류 특성을 보여주는 그래프이고,
도 11은 실시예 4에 따른 광전 소자의 광전변환효율(EQE)을 보여주는 그래프이고,
도 12는 실시예 4에 따른 광전 소자의 암전류 특성을 보여주는 그래프이다.
이하, 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 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 혼합 및 둘 이상의 적층 구조를 포함한다.
이하 일 구현예에 따른 광전 소자에 대하여 도 1을 참고하여 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 광전 소자를 보여주는 단면도이다.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 광전 소자(100)는 서로 마주하는 제1 전극(10)과 제2 전극(20), 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이에 위치하는 활성층(30), 제1 전극(10)과 활성층(30) 사이에 위치하는 보조층(40) 및 제2 전극(20)과 활성층(30) 사이에 위치하는 보조층(45)을 포함한다.
기판(도시하지 않음)은 제1 전극(10) 측에 배치될 수도 있고 제2 전극(20) 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.
제1 전극(10)과 제2 전극(20) 중 하나는 애노드(anode)일 수 있고 다른 하나는 캐소드(cathode)일 수 있다. 예컨대 제1 전극(10)이 캐소드이고 제2 전극이 애노드일 수 있다.
제1 전극(10)은 예컨대 도전성 산화물로 만들어질 수 있으며, 예컨대 인듐 주석 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO), 아연 산화물(ZnO), 주석 산화물(SnO), 알루미늄 주석 산화물(AlTO) 및 불소 도핑된 주석 산화물(FTO) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제2 전극(20)은 반사 전극 또는 투광 전극일 수 있으며, 예컨대 알루미늄(Al), 금 (Au), 은(Ag), 구리(Cu)와 같은 금속으로 만들어질 수 있다.
활성층(30)은 p형 반도체 물질과 n형 반도체 물질이 pn 접합(pn junction)을 형성하는 층으로, 외부에서 빛을 받아 엑시톤(exciton)을 생성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리하는 층이다. 활성층(30)은 p형 반도체 및 n형 반도체를 모두 포함하는 진성층(intrinsic layer)을 포함할 수 있으며, 예컨대 공증착 등의 방법으로 형성될 수 있다. 또는 활성층(30)은 진성층 외에 p형층 및 n형층에서 선택된 적어도 하나를 더 포함할 수 있으며, 여기서 p형층은 p형 반도체를 포함하고 n형층은 n형 반도체를 포함할 수 있다.
p형 반도체는 예컨대 N,N-디메틸-퀴나크리돈(N,N'-dimethyl-quinacridone, DMQA), 디인데노페릴렌(diindenoperylene), 디벤조{[f,f']-4,4',7,7'-테트라페닐}디인데노[1,2,3-cd:1',2',3'-lm]페릴렌(dibenzo{[f,f']-4,4',7,7'-tetraphenyl}diindeno[1,2,3-cd:1',2',3'-lm]perylene)과 같은 화합물을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. n형 반도체는 예컨대 디시아노비닐-터티오펜(dicyanovinyl-terthiophene, DCV3T), 서브프탈로시안 (SubPc), 플러렌, 플러렌 유도체, 페릴렌 디이미드(perylene diimide)와 같은 화합물을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
보조층(40)은 제1 보조층(40a)과 제2 보조층(40b)을 포함한다.
제1 보조층(40a)은 제1 전극(10)과 접촉되어 있으며, 제1 전극(10)과 활성층(30) 사이의 에너지 장벽을 낮추어 제1 전극(10)과 활성층(30) 사이에서 제1 전하의 이동성을 높일 수 있다. 여기서 상기 제1 전하는 정 바이어스(forward bias) 인가시 제1 전극(10)과 활성층(30) 사이에서 이동하는 주요 전하(main carrier)를 일컫는 것으로, 예컨대 제1 전극(10)이 캐소드인 경우 제1 전하는 전자(electron)이고 예컨대 제1 전극(10)이 애노드인 경우 제1 전하는 정공(hole)일 수 있다.
제1 보조층(40a)은 금속 산화물과 금속을 포함할 수 있다. 상기 금속 산화물은 예컨대 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물, 바나듐 산화물, 레늄 산화물, 니켈 산화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 상기 금속은 예컨대 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 리튬 (Li), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 금속 산화물과 상기 금속은 다양한 비율로 포함될 수 있으나, 상기 금속이 상기 금속 산화물과 같거나 그보다 높은 함량으로 포함될 수 있다. 예컨대 상기 금속 산화물과 상기 금속은 약 1:1 내지 1:5 중량비로 포함될 수 있다.
제1 보조층(40a)은 나노 수준의 초박막으로 형성될 수 있으며, 이에 따라 제1 전극(10)의 표면에서 제1 전극(10)의 일 함수를 개질하는 표면층으로서 작용할 수 있다. 제1 보조층(40a)은 예컨대 5nm 이하의 두께를 가질 수 있으며 예컨대 0.1nm 내지 5nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 범위의 두께를 가짐으로써 광전 변환 효율(external quantum efficiency, EQE)을 개선하면서 누설 전류를 줄일 수 있다. 예컨대 상기 범위의 두께를 가짐으로써 3V, 540nm 기준으로 약 40% 이상의 광전 변환 효율을 확보할 수 있고 약 1000e/s 이하의 암전류(dark current) 및 1012 Jones 이하의 검출능(detectivity)이 되도록 누설 전류를 낮출 수 있다.
제1 보조층(40a)은 제1 전극(10)의 표면에서 매우 얇은 두께로 형성되어 있으므로, 이들의 복합 일함수로 표현될 수 있다. 여기서 복합 일함수는 일면에 제1 보조층(40a)이 형성되어 있는 제1 전극(10)의 표면 일함수로, 자외선 광전자 분광법(ultraviolet photoelectron spectroscopy, UPS)에 의해 측정될 수 있다.
제1 보조층(40a)과 제1 전극(10)의 복합 일함수는 예컨대 약 4.3eV 이하일 수 있으며, 예컨대 약 3.0 eV 내지 4.3 eV 일 수 있다. 상기 범위의 복합 일함수를 가짐으로써 제1 전극(10)과 활성층(30) 사이의 에너지 장벽을 완화시켜 전하의 이동성을 개선할 수 있다. 이에 따라 유기 광전 소자(100)의 광전 변환 효율(external quantum efficiency, EQE)을 개선할 수 있다.
예컨대 제1 전극(10)이 인듐 주석 산화물(ITO)을 포함하고 제1 보조층(40a)이 몰리브덴 산화물과 알루미늄(1:1)의 혼합물을 포함하는 경우, 이들의 복합 일함수는 약 3.86eV로 측정되며, 이는 인듐 주석 산화물(ITO)의 일함수인 4.6eV보다 낮아져 일함수가 개질된 것을 확인할 수 있다.
제2 보조층(40b)은 활성층(30)에 인접하여 위치하며, 역바이어스(reverse bias) 인가시 제1 전극(10)으로부터 활성층(30)으로 제2 전하들이 역이동하는 현상, 즉 전하들이 누설되는 것을 효과적으로 차단할 수 있다. 여기서 상기 제2 전하는 상기 제1 전하의 반대 전하로, 예컨대 제1 전극(10)이 캐소드인 경우 제2 전하는 정공(hole)이고 예컨대 제1 전극(10)이 애노드인 경우 제2 전하는 전자(electron)일 수 있다.
제2 보조층(40b)은 HOMO 에너지 레벨이 6.0eV 이상인 유기 물질을 포함할 수 있다. 상기 범위의 HOMO 에너지 레벨을 가짐으로써 역바이어스 인가시 제1 전극(10)으로부터 활성층(30)으로 제2 전하들의 이동을 차단할 수 있으며 이에 따라 누설 전류를 효과적으로 줄일 수 있다. 상기 범위 내에서 약 6.0eV 내지 7.0 eV 일 수 있다.
한편, 제2 보조층(40b)의 유기 물질은 활성층(30)에 포함된 유기 물질과 같거나 다를 수 있으며, 제2 보조층(40b)의 유기 물질은 활성층(30)에 포함된 유기 물질보다 LUMO 에너지 레벨이 높거나 같을 수 있다. 이에 따라, 활성층(30)으로부터 제1 전극(10)으로 이동하는 제1 전하의 이동성을 개선할 수 있다.
제2 보조층(40b)의 유기 물질은 예컨대 디시아노비닐-터티오펜(dicyanovinyl-terthiophene, DCV3T), 1,3-비스[2-(2,2'-바이피리딘-6-일)-1,3,4-옥사디아조-5-일]벤젠(1,3-bis[2-(2,2'-bipyridine-6-yl)-1,3,4-oxadiazo-5-yl]benzene, Bpy-OXD), 2,7-비스[2-(2,2'-바이피리딘-6-일)-1,3,4-옥사디아조-5-일]-9,9-디메틸플루오렌(2,7-bis[2-(2,2'-bipyridine-6-yl)-1,3,4-oxadiazo-5-yl]-9.9-dimethylfluorene, Bpy-FOXD), 트리스(2,4,6-트리메틸-3-(피리딘-3-일)페닐)보레이트(tris(2,4,6-trimethyl-3-(pyridine-3-yl)phenyl)borate, 3TPYMB), 3,3',5,5'-테트라[(m-피리딜)-펜-3-일]바이페닐(3,3',5,5'-tetra[(m-pyridyl)-phen-3-yl]biphenyl, BP4MPY), 1,3-비스[3,5-디(피리딘-3-일)페닐]벤젠(1,3-bis[3,5-di(pyridine-3-yl)phenyl]benzene, BmPyPB), 4,6-비스(3,5-디(피리딘-3-일)페닐)-2-메틸피리미딘(4,6-bis(3,5-di(pyridin-3-yl)phenyl)-2-methylpyrimidine, B3PYMPM), 4,7-디페닐-1,10-페난트롤린(4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline, Bphen) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 보조층(40b)은 약 1nm 내지 20nm의 두께를 가질 수 있다.
보조층(45)은 활성층(30)과 제2 전극(20) 사이에 위치하며 활성층(30)에서 분리된 정공 또는 전자를 제2 전극(20)으로 용이하게 이동할 수 있도록 하여 효율을 높일 수 있다. 예컨대 제2 전극(20)이 애노드인 경우 보조층(45)은 예컨대 정공의 주입을 용이하게 하는 정공 주입층(hole injecting layer, HIL), 정공의 수송을 용이하게 하는 정공 수송층(hole transporting layer, HTL) 및 전자의 이동을 저지하는 전자 차단층(electron blocking layer, EBL)에서 선택된 적어도 하나일 수 있고, 제2 전극(20)이 캐소드인 경우 보조층(45)은 예컨대 전자의 주입을 용이하게 하는 전자 주입층(electron injecting layer, EIL), 전자의 수송을 용이하게 하는 전자 수송층(electron transporting layer, ETL), 정공의 이동을 저지하는 정공 차단층(hole blocking layer HBL)에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.
상기 정공 수송층(HTL)은 예컨대 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌술포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate), PEDOT:PSS), 폴리아릴아민, 폴리(N-비닐카바졸)(poly(N-vinylcarbazole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), N,N,N',N'-테트라키스(4-메톡시페닐)-벤지딘(N,N,N',N'-tetrakis(4-methoxyphenyl)-benzidine, TPD), 4-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐-아미노]비페닐(4-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl, α-NPD), m-MTDATA, 4,4′,4″-트리스(N-카바졸릴)-트리페닐아민(4,4′,4″-tris(N-carbazolyl)-triphenylamine, TCTA), 텅스텐 산화물(WOx, 0<x≤3), 몰리브덴 산화물(MOx, 1<x<3), 바나듐 산화물(V2O5), 레늄 산화물, 니켈 산화물(NiOx, 1<x<4), 구리 산화물, 티타늄 산화물, 황화몰리브덴 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전자 차단층(EBL)은 예컨대 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜):폴리(스티렌술포네이트)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate), PEDOT:PSS), 폴리아릴아민, 폴리(N-비닐카바졸)(poly(N-vinylcarbazole), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), N,N,N',N'-테트라키스(4-메톡시페닐)-벤지딘(N,N,N',N'-tetrakis(4-methoxyphenyl)-benzidine, TPD), 4-비스[N-(1-나프틸)-N-페닐-아미노]비페닐(4-bis[N-(1-naphthyl)-N-phenyl-amino]biphenyl, α-NPD), m-MTDATA, 4,4′,4″-트리스(N-카바졸릴)-트리페닐아민(4,4′,4″-tris(N-carbazolyl)-triphenylamine, TCTA) 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전자 수송층(ETL)은 예컨대 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA), 바소쿠프로인(bathocuproine, BCP), LiF, Alq3, Gaq3, Inq3, Znq2, Zn(BTZ)2, BeBq2 , 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 몰리브덴(Mo), 알루미늄 산화물, 마그네슘 산화물, 몰리브덴 산화물 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 정공 차단층(HBL)은 예컨대 1,4,5,8-나프탈렌-테트라카르복실릭 디안하이드라이드(1,4,5,8-naphthalene-tetracarboxylic dianhydride, NTCDA), 디시아노비닐터티오펜(dicyanovinyl terthiophene, DCV3T), 바소쿠프로인(BCP), LiF, Alq3, Gaq3, Inq3, Znq2, Zn(BTZ)2, BeBq2 및 이들의 조합에서 선택되는 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
보조층(45)은 예컨대 텅스텐 산화물(WOx, 0<x≤3), 몰리브덴 산화물(MOx, 1<x<3), 바나듐 산화물(V2O5), 레늄 산화물, 니켈 산화물(NiOx, 1<x<4), 구리 산화물 또는 티타늄 산화물과 같은 금속 산화물일 수 있다.
보조층(45)은 경우에 따라 생략될 수 있다.
이하 다른 구현예에 따른 광전 소자에 대하여 도 2를 참고하여 설명한다
도 2는 다른 구현예에 따른 광전 소자를 도시한 단면도이다.
도 2를 참고하면, 다른 구현예에 따른 광전 소자(100)는 전술한 구현예와 마찬가지로 서로 마주하는 제1 전극(10)과 제2 전극(20), 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이에 위치하는 활성층(30), 제1 전극(10)과 활성층(30) 사이에 위치하는 보조층(40) 및 제2 전극(20)과 활성층(30) 사이에 위치하는 보조층(45)을 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 광전 소자(100)는 제2 전극(20)이 투광 전극이고, 상기 투광 전극은 투광층(20a) 및 투광 보조층(20b)을 포함한다.
투광층(20a)은 금속 및 금속 산화물을 포함할 수 있으며, 상기 금속 산화물은 상기 금속보다 적은 함량으로 포함될 수 있다. 즉 상기 금속 및 상기 금속 산화물은 각각 호스트(host)와 도펀트(dopant)로서 포함될 수 있다.
상기 금속은 얇은 두께에서 반투과 특성을 가지는 금속이면 한정되지 않으며, 예컨대 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au) 및 이들의 합금에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 금속 산화물은 광 투과성을 가지는 금속 산화물이면 한정되지 않으며, 예컨대 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물, 바나듐 산화물, 레늄 산화물, 니오븀 산화물, 탄탈륨 산화물, 티타늄 산화물, 아연 산화물, 니켈 산화물, 구리 산화물, 코발트 산화물, 망간 산화물, 크롬 산화물, 인듐 산화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
투광층(20a)은 예컨대 열증착(thermal evaporation)으로 형성될 수 있으며, 예컨대 금속 보트 및 금속 산화물 보트를 사용한 공증착 방법으로 형성될 수 있다. 이와 같이 열증착 방법을 사용함으로써 스퍼터링과 같은 물리적 증착시 발생하는 플라즈마에 의해 활성층(30)의 유기물이 손상되는 것을 방지함으로써 활성층(30)이 공정 중에 열화되는 것을 방지할 수 있다.
상기 금속과 상기 금속 산화물은 약 99.9:0.1 내지 약 60:40의 중량비로 포함될 수 있다. 상기 금속과 상기 금속 산화물이 상기 함량비로 포함됨으로써 광 투과 개선 효과를 가지면서도 도전성을 크게 저하시키지 않아 전기적 특성을 확보할 수 있다. 상기 금속과 상기 금속 산화물은 상기 범위 내에서 약 99.0:1.0 내지 약 80:20의 중량비로 포함될 수 있다.
투광층(20a)은 약 1nm 내지 50nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 범위의 두께를 가짐으로써 광 투과성을 확보하면서도 전기적 특성을 확보할 수 있다. 상기 범위 내에서 약 3nm 내지 30nm의 두께를 가질 수 있다.
투광층(20a)은 약 1㏀/sq. 이하의 면저항 및 540nm의 파장에서 50% 보다 높은 광 투과율을 동시에 만족할 수 있다. 상기 면저항은 예컨대 약 20Ω/sq. 내지 800Ω/sq. 일 수 있으며, 상기 광 투과율은 예컨대 약 50%보다 높고 약 95% 보다 낮을 수 있다.
투광 보조층(20b)은 광이 입사되는 측에 배치되어 입사 광의 반사도를 낮춤으로써 광 흡수도를 더욱 개선할 수 있다.
투광 보조층(20b)은 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.
상기 금속 산화물은 예컨대 아연 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물, 인듐 주석 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO), 알루미늄 산화물, 알루미늄 주석 산화물(ATO), 불소 도핑된 주석 산화물(FTO), 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물, 바나듐 산화물, 레늄 산화물, 니오븀 산화물, 탄탈륨 산화물, 티타늄 산화물, 니켈 산화물, 구리 산화물, 코발트 산화물, 망간 산화물, 크롬 산화물, 텔러륨 산화물 (TeO2) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있고, 상기 금속 황화물은 예컨대 아연설파이드(ZnS)를 포함할 수 있고, 상기 유기물은 예컨대 아민 유도체일 수 있다.
상기 광전 소자는 태양 전지, 이미지 센서, 광 검출기, 광 센서 또는 유기발광다이오드 등에 적용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하 상기 광전 소자를 적용한 이미지 센서의 일 예에 대하여 도면을 참고하여 설명한다. 여기서는 이미지 센서의 일 예로 유기 CMOS 이미지 센서에 대하여 설명한다.
도 3은 일 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서를 도시한 단면도이다.
도 3은 인접한 청색 화소, 녹색 화소 및 적색 화소를 예시적으로 설명하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 이하에서 도면부호에 'B'가 포함되어 있는 구성요소는 청색 화소에 포함되어 있는 구성 요소이고 도면부호에 'G'가 포함되어 있는 구성요소는 녹색 화소에 포함되어 있는 구성 요소이며 도면부호에 'R'이 포함되어 있는 구성요소는 적색 화소에 포함되어 있는 구성 요소를 가리킨다.
도 3을 참고하면, 일 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서(200)는 광 감지 소자(50) 및 전송 트랜지스터(도시하지 않음)가 집적되어 있는 반도체 기판(110), 하부 절연층(60), 색 필터(70B, 70G, 70R), 상부 절연층(80) 및 광전 소자(100)를 포함한다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 광 감지 소자(50) 및 전송 트랜지스터(도시하지 않음)가 집적되어 있다. 광 감지 소자(50)는 광 다이오드일 수 있다. 광 감지 소자(50) 및 전송 트랜지스터는 각 화소마다 집적되어 있을 수 있으며, 도면에서 보는 바와 같이 광 감지 소자(50)는 청색 화소의 광 감지 소자(50B), 녹색 화소의 광 감지 소자(50G) 및 적색 화소의 광 감지 소자(50R)를 포함한다. 광 감지 소자(50)는 빛을 센싱하고 광 감지 소자(50)에 의해 센싱된 정보는 전송 트랜지스터에 의해 전달된다.
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(g) 및 이들의 합금으로 만들어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
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 각 화소의 광 감지 소자(50B, 50G, 50R)를 각각 드러내는 트렌치(도시하지 않음)를 가진다. 트렌치는 충전제에 의해 채워져 있을 수 있다.
하부 절연막(60) 위에는 색 필터(70)가 형성되어 있다. 색 필터(70)는 청색 화소에 형성되어 있는 청색 필터(70B), 녹색 화소에 형성되어 있는 녹색 필터(70G)와 적색 화소에 형성되어 있는 적색 필터(70R)를 포함한다. 색 필터(70) 위에는 상부 절연층(80)이 형성되어 있다. 상부 절연층(80)은 색 필터(70)에 의한 단차를 제거하고 평탄화한다. 상부 절연층(80) 위에는 전술한 광전 소자(100)가 형성되어 있다.
광전 소자(100)는 전술한 바와 같이 서로 마주하는 제1 전극(10)과 제2 전극(20), 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 사이에 위치하는 활성층(30), 제1 전극(10)과 활성층(30) 사이에 위치하는 보조층(40) 및 제2 전극(20)과 활성층(30) 사이에 위치하는 보조층(45)을 포함한다. 도면에서는 상부 절연층(80) 위에 제1 전극(10)이 도시된 예를 도시하였지만, 이에 한정되지 않고 상부 절연층(80) 위에 제2 전극(20)이 위치할 수도 있다.
제1 전극(10)과 제2 전극(20)은 예컨대 모두 투광 전극일 수 있으며, 활성층(30)은 가시광선 영역의 빛을 흡수하는 유기 물질을 포함할 수 있다.
제1 전극(10) 또는 제2 전극(20) 측으로부터 입사된 광은 활성층(30)에서 광전변환되어 제2 전극(20) 또는 제1 전극(10)을 통과하여 광 감지 소자(50)에 센싱될 수 있다.
본 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서는 전술한 광전 소자(100)를 구비함으로써 전극과 활성층 사이의 전하 이동성을 높여 광전 변환 효율(EQE)을 확보하는 동시에 역 바이어스 상태의 전류, 즉 누설 전류를 줄여 빛에 의해 생성되는 전류값을 감지하여 센서 성능을 개선할 수 있다.
도 4는 다른 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서를 도시한 단면도이다.
본 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서(200)는 전술한 구현예와 마찬가지로, 광 감지 소자(50) 및 전송 트랜지스터(도시하지 않음)가 집적되어 있는 반도체 기판(110), 하부 절연층(60), 색 필터(70), 상부 절연층(80) 및 광전 소자(100)를 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서(200)는 전술한 구현예와 달리, 녹색 필터(70G)를 구비하지 않는 대신 광전 소자(100)의 활성층(30)이 녹색 필터(70G)를 대체할 수 있다. 광전 소자(100)의 활성층(30)은 예컨대 녹색 파장 영역의 빛을 주로 흡수하는 유기 물질을 포함할 수 있으며, 투광성 금속 전극(110) 측으로부터 입사된 광은 활성층(30)에서 녹색 파장 영역의 빛이 주로 흡수되어 광전변환될 수 있고 나머지 파장 영역의 빛은 제1 전극(10) 또는 제2 전극(20)을 통과하여 광 감지 소자(50)에 센싱될 수 있다. 상부 절연층(80) 및 하부 절연층(60)은 녹색 화소의 광 감지 소자(50G)를 드러내는 관통구(85)를 가진다.
그러나, 이에 한정되지 않고, 광전 소자(100)의 활성층(30)이 적색 파장 영역의 빛을 주로 흡수하는 유기 물질을 포함하거나 청색 파장 영역의 빛을 주로 흡수하는 유기 물질을 포함하는 경우에는 적색 필터(70R) 또는 청색 필터(70B)를 대체할 수 있다.
이하 실시예를 통하여 상술한 본 발명의 구현예를 보다 상세하게 설명한다. 다만 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
광전 소자의 제작 1
실시예 1-1
유리 기판 위에 ITO를 스퍼터링으로 적층하여 100nm 두께의 하부 전극을 형성한다. 이어서 상기 하부 전극 위에 몰리브덴 산화물(MoOx, 0<x≤3)과 알루미늄(Al)을 1:1(wt/wt)의 비율로 열증착한 5nm 두께의 단일층의 하부 보조층을 형성한다. 이어서 하부 보조층 위에 디시아노비닐-터티오펜(DCV3T):N,N'-디메틸퀴나크리돈(DMQA)(1:1) 70nm을 증착하여 활성층을 형성한다. 이어서 활성층 위에 몰리브덴 산화물(MoOx, 0<x≤3) 30nm를 열증착하여 상부 보조층을 형성한다. 이어서 상부 보조층 위에 알루미늄(Al)을 열증착하여 100nm 두께의 상부 전극을 형성하여 광전 소자를 제작한다.
실시예 1-2
몰리브덴 산화물(MoOx, 0<x≤3)과 알루미늄(Al)(1:1 wt/wt)의 혼합물 5nm와 디시아노비닐-터티오펜(DCV3T)(HOMO: 6.1eV, LUMO: 3.9eV) 10nm를 차례로 열증착하여 이중층의 하부 보조층을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 광전 소자를 제작한다.
실시예 1-3
몰리브덴 산화물(MoOx, 0<x≤3)과 알루미늄(Al)(1:1 wt/wt)의 혼합물 3nm와 디시아노비닐-터티오펜(DCV3T) 10nm를 차례로 열증착하여 이중층의 하부 보조층을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 광전 소자를 제작한다.
비교예 1
하부 보조층을 포함하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 광전 소자를 제작한다.
비교예 2
이중층의 하부 보조층 대신 디시아노비닐-터티오펜(DCV3T) 10nm 두께의 단일층의 하부 보조층을 포함한 것을 제외하고는 실시예 1-2와 동일한 방법으로 광전 소자를 제작한다.
비교예 3
몰리브덴 산화물(MoOx)과 알루미늄(Al)(1:1)을 포함하는 5nm 두께의 단일층의 하부 보조층 대신 몰리브덴 산화물(MoOx)과 알루미늄(Al)(1:1)을 포함하는 10nm 두께의 단일층의 하부 보조층을 포함한 것을 제외하고는 실시예 1-1과 동일한 방법으로 광전 소자를 제작한다.
평가 1
실시예 1-1 내지 1-3과 비교예 1 내지 3에 따른 광전 소자의 광전변환효율(EQE) 및 누설 전류를 평가한다. 누설전류는 암전류(dark current) 특성 및 검출능(detectivity)으로 평가하며, 암전류는 역바이어스 인가시 흐르는 전류로부터 측정될 수 있고 검출능은 광전변화효율(EQE)을 누설전류로 나눈 값으로 표현된다.
광전변환효율(EQE)는 Incident Photon to Current Efficiency (IPCE) 방법으로 평가하고, 암전류는 I-V 파라미터 어낼라이저 방법으로 평가하고, 검출능은 상기 두 값을 수식으로 변환해서 평가한다.
그 결과는 도 5 및 도 6과 같다.
도 5는 실시예 1-1 내지 1-3과 비교예 1 내지 3에 따른 광전 소자의 광전변환효율(EQE) 및 검출능을 보여주는 그래프이고, 도 6은 실시예 1-1 내지 1-3과 비교예 1 내지 3에 따른 광전 소자의 암전류 특성을 보여주는 그래프이다.
도 5를 참고하면, 실시예 1-1 내지 1-3에 따른 광전 소자는 비교예 1 내지 3에 따른 광전 소자와 비교하여 광전변환효율(EQE) 및 검출능을 동시에 만족하는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로 실시예 1-1 내지 1-3에 따른 광전 소자는 3V, 540nm 기준으로 약 40% 이상의 광전변환효율(EQE)을 만족하면서도 약 1012Jones 이상의 검출능을 확보할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 6을 참고하면, 실시예 1-1 내지 1-3에 따른 광전 소자는 비교예 1 내지 3에 따른 광전 소자와 비교하여 누설 전류가 현저하게 감소한 것을 확인할 수 있다. 구체적으로 실시예 1-1 내지 1-3에 따른 광전 소자는 3V 기준으로 약 1000e/s 이하의 암전류 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다.
광전 소자의 제작 2
실시예 2
유리 기판 위에 ITO를 스퍼터링으로 적층하여 100nm 두께의 하부 전극을 형성한다. 이어서 상기 하부 전극 위에 몰리브덴 산화물(MoOx, 0<x≤3)과 알루미늄(Al)(1:1 wt/wt)의 혼합물 5nm와 B3PYMPM (HOMO: 6.8eV, LUMO: 3.2eV) 5nm를 차례로 열증착하여 이중층의 하부 보조층을 형성한다. 이어서 하부 보조층 위에 디시아노비닐-터티오펜(DCV3T):N,N'-디메틸퀴나크리돈(DMQA)(1:1) 70nm을 증착하여 활성층을 형성한다. 이어서 활성층 위에 몰리브덴 산화물(MoOx, 0<x≤3) 30nm를 열증착하여 상부 보조층을 형성한다. 이어서 상부 보조층 위에 알루미늄(Al)을 열증착하여 100nm 두께의 상부 전극을 형성하여 광전 소자를 제작한다.
평가 2
실시예 2에 따른 광전 소자의 광전변환효율(EQE) 및 누설 전류를 평가한다.
그 결과는 도 7 및 도 8과 같다.
도 7은 실시예 2에 따른 광전 소자의 전압 및 파장에 따른 광전변환효율(EQE)을 보여주는 그래프이고, 도 8은 실시예 2에 따른 광전 소자의 암전류 특성을 보여주는 그래프이다.
도 7을 참고하면, 실시예 2에 따른 광전 소자는 양호한 광전변환효율(EQE)을 나타내는 것을 확인할 수 있고, 구체적으로 3V, 540nm 기준으로 약 40% 이상의 광전변환효율(EQE)을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
도 8을 참고하면, 실시예 2에 따른 광전 소자는 양호한 누설 전류 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있고, 구체적으로 3V 기준으로 216e/s의 암전류 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다.
광전 소자의 제작 3
실시예 3
유리 기판 위에 ITO를 스퍼터링으로 적층하여 100nm 두께의 하부 전극을 형성한다. 이어서 상기 하부 전극 위에 레늄 산화물(ReO3 내지 Re2O7)과 알루미늄(Al)(1:1 wt/wt)의 혼합물 5nm와 디시아노비닐-터티오펜(DCV3T) 10nm를 차례로 열증착하여 이중층의 하부 보조층을 형성한다. 이어서 하부 보조층 위에 디시아노비닐-터티오펜(DCV3T):N,N'-디메틸퀴나크리돈(DMQA)(1:1) 70nm을 증착하여 활성층을 형성한다. 이어서 활성층 위에 몰리브덴 산화물(MoOx, 0<x≤3) 30nm를 열증착하여 상부 보조층을 형성한다. 이어서 상부 보조층 위에 알루미늄(Al)을 열증착하여 100nm 두께의 상부 전극을 형성하여 광전 소자를 제작한다.
평가 3
실시예 3에 따른 광전 소자의 광전변환효율(EQE) 및 누설 전류를 평가한다.
그 결과는 도 9 및 도 10과 같다.
도 9는 실시예 3에 따른 광전 소자의 전압 및 파장에 따른 광전변환효율(EQE)을 보여주는 그래프이고, 도 10은 실시예 3에 따른 광전 소자의 암전류 특성을 보여주는 그래프이다.
도 9를 참고하면, 실시예 3에 따른 광전 소자는 양호한 광전변환효율(EQE)을 나타내는 것을 확인할 수 있고, 구체적으로 3V, 540nm 기준으로 약 40% 이상의 광전변환효율(EQE)을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
도 10을 참고하면, 실시예 3에 따른 광전 소자는 양호한 누설 전류 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있고, 구체적으로 3V 기준으로 748e/s의 암전류 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다.
광전 소자의 제작 4
실시예 4
유리 기판 위에 ITO를 스퍼터링으로 적층하여 100nm 두께의 하부 전극을 형성한다. 이어서 상기 하부 전극 위에 몰리브덴 산화물(MoOx, 0<x≤3)과 알루미늄(Al)을 1:1(wt/wt)의 비율로 열증착한 5nm 두께의 하부 보조층과 그 상부에 10nm 두께의 디시아노비닐-터티오펜(DCV3T) 하부 보조층을 이중으로 형성한다. 이어서 디시아노비닐-터티오펜(DCV3T):N,N'-디메틸퀴나크리돈(DMQA)(1:1) 110nm을 증착하여 활성층을 형성한다. 이어서 활성층 위에 몰리브덴 산화물(MoOx, 0<x≤3) 30nm를 열증착하여 상부 보조층을 형성한다. 이어서 상부 보조층 위에 은(Ag)과 몰리브덴 산화물(MoOx, 0<x≤3)을 90:10 (w/w)의 비율로 열증착하여 12nm 두께의 투광층을 형성한다. 이어서 상기 투광층 위에 텅스텐 산화물(WOx, 0<x≤3)을 열증착하여 30nm 두께의 투광 보조층을 형성하여 광전 소자를 제작한다.
평가 4
실시예 4에 따른 광전 소자의 광전변환효율(EQE) 및 누설 전류를 평가한다.
그 결과는 도 11 및 도 12와 같다.
도 11은 실시예 4에 따른 광전 소자의 광전변환효율(EQE)을 보여주는 그래프이고, 도 12는 실시예 4에 따른 광전 소자의 암전류 특성을 보여주는 그래프이다.
도 11을 참고하면, 실시예 4에 따른 광전 소자는 활성층의 상부 및 하부에 모두 투명전극을 도입했음에도 불구하고 양호한 광전변환효율(EQE)을 나타내는 것을 확인할 수 있고, 구체적으로 3V, 540nm 기준으로 약 25%의 광전변환효율(EQE)을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
도 12를 참고하면, 실시예 4에 따른 광전 소자는 우수한 누설 전류 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있고, 구체적으로 3V 기준으로 100e/s의 암전류 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 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.
10: 제1 전극 20: 제2 전극
20a: 투광층 20b: 투광 보조층
30: 활성층 40, 45: 보조층
40a: 제1 보조층 40b: 제2 보조층
50: 광 감지 소자
60: 하부 절연막 70: 색 필터
80: 상부 절연막 85: 관통구
100: 광전 소자

Claims (10)

  1. 제1 전극,
    상기 제1 전극과 마주하는 제2 전극,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 활성층, 그리고
    상기 제1 전극과 상기 활성층 사이에 위치하는 제1 보조층
    을 포함하고,
    상기 제1 보조층은 금속 산화물과 금속을 포함하고 5nm 이하의 두께를 가지며,
    상기 금속 산화물은 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물, 바나듐 산화물, 레늄 산화물, 니켈 산화물 또는 이들의 조합을 포함하고, 상기 금속은 알루미늄(Al), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 리튬 (Li), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 또는 이들의 조합을 포함하는 광전 소자.
  2. 제1항에서,
    상기 제1 보조층은 상기 제1 전극과 접촉되어 있으며,
    상기 제1 전극과 상기 제1 보조층의 복합 일함수는 4.3eV 이하인
    광전 소자.
  3. 제2항에서,
    상기 제1 전극은 인듐 주석 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO), 아연 산화물(ZnO), 주석 산화물(SnO), 알루미늄 주석 산화물(AlTO) 및 불소 도핑된 주석 산화물(FTO) 중 적어도 하나를 포함하는 광전 소자.
  4. 제1항에서,
    상기 제1 보조층은 상기 금속이 상기 금속 산화물보다 같거나 높은 함량으로 포함되어 있는 광전 소자.
  5. 제1항에서,
    상기 제1 보조층과 상기 활성층 사이에 위치하는 제2 보조층 및 상기 활성층과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 제3 보조층 중 적어도 하나를 더 포함하는 광전 소자.
  6. 제1항에서,
    상기 제2 전극은 투광 전극이고,
    상기 투광 전극은 금속 및 상기 금속보다 적은 함량으로 포함되어 있는 금속 산화물을 포함하는 투광층을 포함하는 광전 소자.
  7. 제6항에서,
    상기 금속은 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 금(Au) 및 이들의 합금에서 선택된 적어도 하나를 포함하고,
    상기 금속 산화물은 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물, 바나듐 산화물, 레늄 산화물, 니오븀 산화물, 탄탈륨 산화물, 티타늄 산화물, 아연 산화물, 니켈 산화물, 구리 산화물, 코발트 산화물, 망간 산화물, 크롬 산화물, 인듐 산화물 또는 이들의 조합을 포함하는 광전 소자.
  8. 제6항에서,
    상기 투광 전극은 상기 투광층의 일면에 위치하는 투광 보조층을 더 포함하는 광전 소자.
  9. 제8항에서,
    상기 투광 보조층은 1.6 내지 2.5의 굴절률을 가지는 물질을 포함하는 광전 소자.
  10. 제9항에서,
    상기 투광 보조층은 금속 산화물, 금속 황화물 및 유기물 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 금속 산화물은 아연 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물, 인듐 주석 산화물(ITO), 인듐 아연 산화물(IZO), 알루미늄 산화물, 알루미늄 주석 산화물(ATO), 불소 도핑된 주석 산화물(FTO), 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물, 바나듐 산화물, 레늄 산화물, 니오븀 산화물, 탄탈륨 산화물, 티타늄 산화물, 니켈 산화물, 구리 산화물, 코발트 산화물, 망간 산화물, 크롬 산화물, 텔러륨 산화물 또는 이들의 조합을 포함하고,
    상기 금속 황화물은 아연설파이드(ZnS)를 포함하고,
    상기 유기물은 아민 유도체를 포함하는
    광전 소자.



KR1020190077037A 2019-06-27 2019-06-27 광전 소자 및 이미지 센서 KR20190080844A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190077037A KR20190080844A (ko) 2019-06-27 2019-06-27 광전 소자 및 이미지 센서

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190077037A KR20190080844A (ko) 2019-06-27 2019-06-27 광전 소자 및 이미지 센서

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130019421A Division KR102133451B1 (ko) 2013-02-22 2013-02-22 광전 소자 및 이미지 센서

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20190080844A true KR20190080844A (ko) 2019-07-08

Family

ID=67256872

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190077037A KR20190080844A (ko) 2019-06-27 2019-06-27 광전 소자 및 이미지 센서

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20190080844A (ko)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102133451B1 (ko) 광전 소자 및 이미지 센서
KR102179331B1 (ko) 투광 전극, 광전 소자 및 이미지 센서
JP6642957B2 (ja) 有機イメージセンサ
KR101920848B1 (ko) 유기 광전 소자 및 이미지 센서
US10020341B2 (en) Image sensor and electronic device including the same
KR101960468B1 (ko) 유기 광전 소자 및 이미지 센서
KR101885244B1 (ko) 유기 광전 소자 및 이미지 센서
KR102141592B1 (ko) 유기 광전 소자 및 이미지 센서
KR20180002272A (ko) 유기 광전 소자 및 이미지 센서
KR20180024296A (ko) 유기 광전 소자, 이미지 센서 및 전자 장치
KR102529631B1 (ko) 유기 광전 소자 및 이미지 센서
KR102195813B1 (ko) 유기 광전 소자 및 이미지 센서
KR20170024805A (ko) 유기 광전 소자 및 이미지 센서
US20160197122A1 (en) Organic photoelectronic devices and image sensors including the same
KR102309885B1 (ko) 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치
KR20170014797A (ko) 유기광검출기 및 이미지센서
KR20190080844A (ko) 광전 소자 및 이미지 센서
KR102395050B1 (ko) 광전자 소자 및 이를 포함하는 이미지 센서와 전자 장치
KR20190137737A (ko) 유기 광전 소자 및 이미지 센서

Legal Events

Date Code Title Description
A107 Divisional application of patent
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
X091 Application refused [patent]
AMND Amendment
X601 Decision of rejection after re-examination