KR20200056289A - 광전 변환 소자, 유기 센서 및 전자 장치 - Google Patents

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박성준
박정일
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신지수
윤성영
이계황
이돈욱
이은경
진용완
최용석
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Abstract

서로 마주하는 제1 전극과 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고 적어도 일부 파장 영역의 광을 흡수하여 전기적 신호로 변환시키는 광전변환층, 그리고 상기 제1 전극과 상기 광전변환층 사이에 위치하고 상기 광전변환층의 전하 이동도보다 높은 전하 이동도를 가진 유기 보조층을 포함하는 광전 변환 소자, 유기 센서 및 전자 장치에 관한 것이다.

Description

광전 변환 소자, 유기 센서 및 전자 장치{PHOTOELECTRIC CONVERSION DEVICE AND ORGANIC SENSOR AND ELECTRONIC DEVICE}
광전 변환 소자, 유기 센서 및 전자 장치에 관한 것이다.
광전 변환 소자는 빛을 받아 전기 신호로 변환시키는 소자로, 광 다이오드 및 광 트랜지스터 등을 포함하며, 유기 센서, 광 검출기 또는 태양 전지 등에 적용될 수 있다.
유기 센서는 날이 갈수록 높은 해상도가 요구되고 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 고집적에 유리하다.
그러나 유기 물질은 높은 결합 에너지(binding energy)와 재결합(recombination) 거동으로 인해 실리콘과 다른 특성을 나타낼 수 있고 유기 물질의 특성을 정확하게 예측하기 어려워서, 광전 변환 소자에서 요구되는 물성을 용이하게 제어하기 어렵다.
일 구현예는 전하 추출 효율을 개선할 수 있는 광전 변환 소자를 제공한다.
다른 구현예는 상기 광전 변환 소자를 포함하는 유기 센서를 제공한다.
또 다른 구현예는 상기 광전 변환 소자 또는 상기 유기 센서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 서로 마주하는 제1 전극과 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고 적어도 일부 파장 영역의 광을 흡수하여 전기적 신호로 변환시키는 광전변환층, 그리고 상기 제1 전극과 상기 광전변환층 사이에 위치하고 상기 광전변환층의 전하 이동도보다 높은 전하 이동도를 가진 유기 보조층을 포함하는 광전 변환 소자를 제공한다.
상기 유기 보조층의 전하 이동도는 상기 광전변환층의 전하 이동도보다 약 100배 이상 높을 수 있다.
상기 유기 보조층의 전하 이동도는 약 1.0x10-3 cm2/Vs 이상일 수 있다.
상기 광전변환층은 제1 유기물을 포함할 수 있고 상기 유기 보조층은 상기 제1 유기물과 다른 제2 유기물을 포함할 수 있으며 상기 제2 유기물의 전하 이동도는 상기 제1 유기물의 전하 이동도보다 약 100배 이상 높을 수 있다.
상기 제2 유기물의 전하 이동도는 약 1.0x10-3 cm2/Vs 이상일 수 있다.
상기 제2 유기물은 축합 다환 방향족 화합물, 축합 다환 헤테로방향족 화합물 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 축합 다환 방향족 화합물 또는 상기 축합 다환 헤테로방향족 화합물은 4개 이상의 고리가 융합되어 있을 수 있다.
상기 축합 다환 헤테로방향족 화합물은 S, Se, Te 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 광전변환층은 상기 제1 유기물과 pn 접합을 형성할 수 있는 p형 반도체 또는 n형 반도체를 더 포함할 수 있고, 상기 유기 보조층은 상기 p형 반도체 또는 상기 n형 반도체를 더 포함할 수 있다.
상기 p형 반도체 또는 상기 n형 반도체는 플러렌 또는 플러렌 유도체를 포함할 수 있다.
상기 유기 보조층의 두께는 약 5nm 이하일 수 있다.
상기 광전 변환 소자는 상기 제1 전극과 상기 광전변환층 사이에 위치하는 무기 나노층을 더 포함할 수 있다.
상기 무기 나노층은 란탄족 원소, 칼슘(Ca), 칼륨(K), 알루미늄(Al) 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.
상기 란탄족 원소는 이테르븀(Yb)을 포함할 수 있다.
상기 무기 나노층의 두께는 약 5nm 이하일 수 있다.
상기 유기 보조층은 상기 광전변환층에 맞닿아 있을 수 있고 상기 무기 나노층은 상기 제1 전극에 맞닿아 있을 수 있다.
상기 제1 전극은 캐소드일 수 있고 상기 제2 전극은 애노드일 수 있다.
다른 구현예는 상기 광전 변환 소자를 포함하는 유기 센서를 제공한다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 광전 변환 소자 또는 상기 유기 센서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
전하 이동성을 개선하여 잔류 전하를 줄임으로써 광전 변환 소자의 전하 추출 효율을 높일 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 광전 변환 소자의 일 예를 보여주는 단면도이고,
도 2는 다른 구현예에 따른 광전 변환 소자의 일 예를 보여주는 단면도이고,
도 3은 또 다른 구현예에 따른 광전 변환 소자의 일 예를 보여주는 단면도이고,
도 4는 또 다른 구현예에 따른 광전 변환 소자의 일 예를 보여주는 단면도이고,
도 5는 일 구현예에 따른 유기 센서의 일 예를 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 6은 일 구현예에 따른 유기 센서의 일 예를 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 7은 일 구현예에 따른 유기 센서의 일 예를 개략적으로 도시한 평면도이고,
도 8은 도 7의 유기 센서의 일 예를 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 9는 도 7의 유기 센서의 일 예를 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 10은 일 구현예에 따른 유기 센서의 일 예를 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 11은 일 구현예에 따른 유기 센서의 일 예를 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 12는 일 구현예에 따른 유기 센서의 일 예를 개략적으로 도시한 평면도이고,
도 13은 도 12의 유기 센서의 일 예를 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 14는 도 12의 유기 센서의 일 예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 15는 일 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서를 개략적으로 도시한 평면도이고,
도 16은 도 15의 유기 센서의 일 예를 보여주는 단면도이고,
도 17은 일 구현예에 따른 유기 센서의 일 예를 보여주는 단면도이고,
도 18은 일 구현예에 따른 유기 센서의 일 예를 보여주는 단면도이고,
도 19는 일 구현예에 따른 전자 장치의 개략적인 다이아그램이다.
이하, 구현예에 대하여 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 실제 적용되는 구조는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 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 경우뿐만 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.
이하에서 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, 실릴기, 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 헤테로아릴기, C3 내지 C20 헤테로아릴알킬기, C3 내지 C30 사이클로알킬기, C3 내지 C15 사이클로알케닐기, C6 내지 C15 사이클로알키닐기, C3 내지 C30 헤테로사이클로알킬기 및 이들의 조합에서 선택된 치환기로 치환된 것을 의미한다.
이하에서 별도의 정의가 없는 한, '헤테로'란, N, O, S, Se, Te, Si 및 P에서 선택된 헤테로 원자를 1개 내지 4개 함유한 것을 의미한다.
이하에서 '조합'이란 혼합 및 둘 이상의 적층 구조를 포함한다.
이하에서 '금속'은 금속, 반금속 또는 이들의 조합을 포함한다.
이하에서 '에너지 준위(energy level)'는 최고점유분자궤도(highest occupied molecular orbital, HOMO) 에너지 준위 또는 최저비점유분자궤도(lowest unoccupied molecular orbital, LUMO) 에너지 준위이다.
이하에서, 일 함수(workfunction) 또는 에너지 준위의 값은 진공 레벨(vacuum level)로부터의 절대값으로 표시된다. 또한, 일 함수 또는 에너지 준위가 깊다, 높다 또는 크다는 것은 진공 레벨을 '0eV'로 하여 절대값이 큰 것을 의미하고 일 함수 또는 에너지 준위가 얕다, 낮다 또는 작다는 것은 진공 레벨을 '0eV'로 하여 절대값이 작은 것을 의미한다.
이하에서, 전하 이동도(charge mobility)는 다이오드 구조에서 평가된 값일 수 있다.
이하 일 구현예에 따른 광전 변환 소자를 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 광전 변환 소자의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 광전 변환 소자(100)는 제1 전극(10), 제2 전극(20), 광전변환층(30) 및 유기 보조층(40)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. 기판은 생략될 수 있다.
제1 전극(10)과 제2 전극(20) 중 어느 하나는 애노드(anode)이고 다른 하나는 캐소드(cathode)이다. 예컨대 제1 전극(10)은 캐소드이고 제2 전극(20)은 애노드일 수 있다. 예컨대 제1 전극(10)은 애노드이고 제2 전극(20)은 캐소드일 수 있다.
제1 전극(10)과 제2 전극(20) 중 적어도 하나는 투명 전극일 수 있다. 여기서 투명 전극은 광 투과도 약 80% 이상의 높은 투과율을 가진 투명 전극일 수 있으며 예컨대 미세 공진(microcavity)을 위한 반투명 전극을 포함하지 않을 수 있다. 투명 전극은 예컨대 산화물 도전체 및 탄소 도전체 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 산화물 도전체는 예컨대 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO), 인듐 아연 산화물(indium zinc oxide, IZO), 아연 주석 산화물(zinc tin oxide, ZTO), 알루미늄 주석 산화물(Aluminum tin oxide, AlTO) 및 알루미늄 아연 산화물(Aluminum zinc oxide, AZO)에서 선택된 하나 이상일 수 있고 탄소 도전체는 그래핀 및 탄소나노체에서 선택된 하나 이상일 수 있다.
제1 전극(10)과 제2 전극(20) 중 어느 하나는 반사 전극일 수 있다. 여기서 반사 전극은 예컨대 약 10% 미만의 광 투과율 또는 약 5% 이상의 반사율을 가진 반사 전극일 수 있다. 반사 전극은 금속과 같은 반사 도전체를 포함할 수 있으며, 예컨대 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au) 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.
일 예로, 제1 전극(10)은 광 투과도 80% 이상의 투명 전극이거나 광 투과도 약 10% 미만의 반사 전극일 수 있다.
광전변환층(30)은 적어도 일부 파장 영역의 광을 흡수하여 전기적 신호로 변환시킬 수 있으며, 예컨대 녹색 파장 영역의 광(이하 '녹색 광'이라 한다), 청색 파장 영역의 광(이하 '청색 광'이라 한다), 적색 파장 영역의 광(이하 '적색 광'이라 한다) 및 적외선 파장 영역의 광(이하 '적외 광'이라 한다) 중 일부를 전기적 신호로 변환시킬 수 있다.
일 예로, 광전변환층(30)은 녹색 광, 청색 광, 적색 광 및 적외 광 중 어느 하나를 선택적으로 흡수할 수 있다. 여기서 녹색 광, 청색 광, 적색 광 및 적외 광 중 어느 하나를 선택적으로 흡수한다는 것은 흡광 스펙트럼의 피크 흡수 파장(
Figure pat00001
max)이 약 500nm 내지 600nm, 약 380nm 이상 500nm 미만, 약 600nm 초과 700nm 이하 및 약 700nm 초과 중 어느 하나에 존재하고 해당 파장 영역 내의 흡광 스펙트럼이 그 외 파장 영역의 흡광 스펙트럼보다 현저히 높은 것을 의미할 수 있고, 여기서 현저히 높다는 것은 흡광 스펙트럼의 총 면적에 대하여 예컨대 약 70% 내지 100%, 약 75% 내지 100%, 약 80% 내지 100%, 약 85% 내지 100%, 약 90% 내지 100% 또는 약 95% 내지 100%가 해당 파장 영역에 속한 것일 수 있다.
광전변환층(30)은 적어도 하나의 p형 반도체와 적어도 하나의 n형 반도체가 pn 접합(pn junction)을 형성할 수 있으며, 외부에서 빛을 받아 엑시톤(exciton)을 생성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리할 수 있다.
p형 반도체와 n형 반도체는 각각 흡광 물질일 수 있으며 예컨대 p형 반도체와 n형 반도체 중 적어도 하나는 유기 흡광 물질일 수 있다. 일 예로, p형 반도체와 n형 반도체 중 적어도 하나는 소정 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 파장 선택성 흡광 물질일 수 있으며, 예컨대 p형 반도체와 n형 반도체 중 적어도 하나는 파장 선택성 유기 흡광 물질일 수 있다. p형 반도체와 n형 반도체는 서로 같거나 다른 파장 영역에서 피크 흡수 파장(λmax)을 가질 수 있다.
일 예로, p형 반도체는 전자 공여 모이어티, 파이 공액 연결기 및 전자 수용 모이어티를 포함하는 코어 구조를 가지는 유기 물질일 수 있다.
p형 반도체는 예컨대 하기 화학식 1로 표현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 1]
EDG - HA - EAG
상기 화학식 1에서,
HA는 S, Se, Te 및 Si 중 적어도 하나를 가지는 C2 내지 C30 헤테로고리기일 수 있고,
EDG는 전자 공여기일 수 있고,
EAG는 전자 수용기일 수 있다.
일 예로, 화학식 1로 표현되는 p형 반도체는 예컨대 하기 화학식 1A로 표현될 수 있다.
[화학식 1A]
Figure pat00002
상기 화학식 1A에서,
X는 O, S, Se, Te, SO, SO2 또는 SiRaRb 일 수 있고,
Ar은 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴렌기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로고리기 또는 이들 중에서 선택된 둘 이상의 융합 고리일 수 있고,
Ar1a 및 Ar2a는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기 또는 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기일 수 있고,
Ar1a 및 Ar2a는 각각 독립적으로 존재하거나 서로 결합하여 융합 고리를 형성할 수 있고,
R1a 내지 R3a, Ra 및 Rb는 각각 독립적으로 수소, 중수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C6 알콕시기, 할로겐 또는 시아노기일 수 있다.
일 예로, 화학식 1A에서, Ar1a 및 Ar2a는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 페닐기, 치환 또는 비치환된 나프틸기, 치환 또는 비치환된 안트라세닐기, 치환 또는 비치환된 페난트레닐기, 치환 또는 비치환된 피리디닐(pyridinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리다지닐(pyridazinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리미디닐(pyrimidinyl)기, 치환 또는 비치환된 피라지닐(pyrazinyl)기, 치환 또는 비치환된 퀴놀리닐(quinolinyl)기, 치환 또는 비치환된 이소퀴놀리닐(isoquinolinyl)기, 치환 또는 비치환된 나프티리디닐(naphthyridinyl)기, 치환 또는 비치환된 시놀리닐(cinnolinyl)기, 치환 또는 비치환된 퀴나졸리닐(quinazolinyl)기, 치환 또는 비치환된 프탈라지닐(phthalazinyl)기, 치환 또는 비치환된 벤조트리아지닐(benzotriazinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리도피라지닐(pyridopyrazinyl)기, 치환 또는 비치환된 피리도피리미디닐(pyridopyrimidinyl)기 및 치환 또는 비치환된 피리도피리다지닐(pyridopyridazinyl)기에서 선택될 수 있다.
일 예로, 화학식 1A의 Ar1a 및 Ar2a는 서로 융합되어 고리를 형성할 수 있고, Ar1a 및 Ar2a는 예컨대 단일 결합, -O-, -S-, -Se-, -N=, -(CRgRh)n2- (n2는 1 또는 2), -NRi-, -SiRjRk- 및 -GeRlRm-에서 선택된 하나로 연결되어 고리를 형성할 수 있다. 여기서 Rg 내지 Rm은 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C6 알콕시기, 할로겐 또는 시아노기일 수 있다.
일 예로, 화학식 1로 표현되는 p형 반도체는 예컨대 하기 화학식 1B-1 또는1B-2로 표현될 수 있다.
[화학식 1B-1] [화학식 1B-2]
Figure pat00003
Figure pat00004
상기 화학식 1B-1 또는 1B-2에서,
X1은 O, S, Se, Te, SO, SO2 또는 SiRaRb 일 수 있고,
Ar3는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴렌기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로고리기 또는 이들 중에서 선택된 둘 이상의 융합 고리일 수 있고,
R1a 내지 R3a는 각각 독립적으로 수소, 중수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기, 할로겐, 시아노기 및 이들의 조합에서 선택될 수 있고,
G는 단일 결합, -O-, -S-, -Se-, -N=, -(CRfRg)k-, -NRh-, -SiRiRj-, -GeRkRl-, -(C(Rm)=C(Rn))- 및 SnRoRp에서 선택되고, 여기서 Rf, Rg, Rh, Ri, Rj, Rk, Rl, Rm, Rn, Ro 및 Rp은 각각 독립적으로 수소, 할로겐, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C10 알콕시기 및 치환 또는 비치환된 C6 내지 C12 아릴기에서 선택될 수 있고, Rf와 Rg, Ri와 Rj, Rk와 Rl, Rm와 Rn 및 Ro와 Rp는 각각 독립적으로 존재하거나 서로 연결되어 고리를 형성할 수 있고, k는 1 또는 2일 수 있고,
Y2는 O, S, Se, Te 및 C(Rq)(CN)(여기에서 Rq는 수소, 시아노기(-CN) 및 C1 내지 C10 알킬기에서 선택됨)에서 선택될 수 있고,
R6a 내지 R6d 및 R7a 내지 R7d, R16 및 R17은 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기, 할로겐, 시아노기 및 이들의 조합에서 선택될 수 있고,
R6a 내지 R6d 는 각각 독립적으로 존재하거나 서로 인접하는 2개가 서로 연결되어 융합고리를 형성할 수 있고,
R7a 내지 R7d는 각각 독립적으로 존재하거나 서로 인접하는 2개가 서로 연결되어 융합고리를 형성할 수 있다.
일 예로, 화학식 1B-1 또는 1B-2의 Ar3는 벤젠, 나프틸렌, 안트라센, 티오펜, 셀레노펜, 텔루로펜, 피리딘, 피리미딘 또는 이들 중에서 선택된 둘 이상의 융합 고리일 수 있다.
n형 반도체는 예컨대 플러렌 또는 플러렌 유도체일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
광전변환층(30)은 p형 반도체와 n형 반도체가 벌크 이종접합(bulk heterojunction) 형태로 혼합된 진성층(intrinsic layer, I층)일 수 있다. 이때 p형 반도체와 n형 반도체는 약 1:9 내지 9:1의 부피비로 혼합될 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 2:8 내지 8:2의 부피비로 혼합될 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 3:7 내지 7:3의 부피비로 혼합될 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 4:6 내지 6:4의 부피비로 혼합될 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 5:5의 부피비로 혼합될 수 있다.
광전변환층(30)은 전술한 p형 반도체를 포함하는 p형 층과 전술한 n형 반도체를 포함하는 n형 층을 포함하는 이중 층을 포함할 수 있다. 이때 p형 층과 n형 층의 두께비는 약 1:9 내지 9:1일 수 있으며 상기 범위 내에서 예컨대 약 2:8 내지 8:2, 약 3:7 내지 7:3, 약 4:6 내지 6:4 또는 약 5:5일 수 있다.
광전변환층(30)은 진성층 외에 p형 층 및/또는 n형 층을 더 포함할 수 있다. p형 층은 전술한 p형 반도체를 포함할 수 있고, n형 층은 전술한 n형 반도체를 포함할 수 있다. 예컨대 p형 층/I층, I층/n형 층, p형 층/I층/n형 층 등 다양한 조합으로 포함될 수 있다.
유기 보조층(40)은 제1 전극(10)과 광전변환층(30) 사이에 위치하고 예컨대 광전변환층(30)과 맞닿아 있을 수 있다. 일 예로, 유기 보조층(40)의 일면은 제1 전극(10)에 맞닿아 있을 수 있고 유기 보조층(40)의 다른 일면은 광전변환층(30)에 맞닿아 있을 수 있다.
유기 보조층(40)은 광전변환층(30)으로부터 제1 전극(10)으로 이동하는 전하(예컨대 전자)의 추출을 효과적으로 개선하기 위한 층으로, 예컨대 높은 전하 이동도를 가지는 유기 반도체를 포함할 수 있다.
일 예로, 유기 보조층(40)의 전하 이동도는 광전변환층(30)의 전하 이동도보다 높을 수 있으며, 예컨대 유기 보조층(40)의 전하 이동도는 광전변환층(30)의 전하 이동도보다 약 50배 이상 높을 수 있고, 상기 범위 내에서 약 70배 이상, 약 80배 이상, 약 100배 이상, 약 120배 이상, 약 150배 이상, 약 200배 이상, 약 300배 이상, 약 500배 이상, 약 800배 이상 또는 약 1000배 이상 높을 수 있다.
일 예로, 유기 보조층(40)의 전하 이동도는 예컨대 약 1.0x10-3 cm2/Vs 이상일 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 1.2x10-3 cm2/Vs 이상, 약 1.5 x10-3 cm2/Vs 이상, 약 1.8x10-3 cm2/Vs 이상, 약 2.0x10-3 cm2/Vs 이상, 약 3.0x10-3 cm2/Vs 이상, 약 4.0x10-3 cm2/Vs 이상 또는 약 5.0x10-3 cm2/Vs 이상일 수 있다.
일 예로, 유기 보조층(40)의 전하 이동도는 예컨대 약 1.0x10-3 cm2/Vs 내지 10 cm2/Vs 일 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 1.2x10-3 cm2/Vs 내지 10 cm2/Vs, 약 1.5 x10-3 cm2/Vs 내지 10 cm2/Vs, 약 1.8x10-3 cm2/Vs 내지 10 cm2/Vs, 약 2.0 x10-3 cm2/Vs 내지 10 cm2/Vs, 약 3.0x10-3 cm2/Vs 내지 10 cm2/Vs, 약 4.0x10-3 cm2/Vs 내지 10 cm2/Vs 또는 약 5.0x10-3 cm2/Vs 내지 10 cm2/Vs 일 수 있다.
일 예로, 광전변환층(30)은 전술한 p형 반도체 또는 n형 반도체 중 하나인 제1 유기물을 포함하고 유기 보조층(40)은 제1 유기물과 다른 제2 유기물을 포함할 수 있으며, 이때 제2 유기물의 전하 이동도는 제1 유기물의 전하 이동도보다 약 50배 이상 높을 수 있고, 상기 범위 내에서 약 70배 이상, 약 80배 이상, 약 100배 이상, 약 120배 이상, 약 150배 이상, 약 200배 이상, 약 300배 이상, 약 500배 이상, 약 800배 이상 또는 약 1000배 이상 높을 수 있다.
일 예로, 제2 유기물의 전하 이동도는 예컨대 약 1.0x10-3 cm2/Vs 이상일 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 1.2x10-3 cm2/Vs 이상, 약 1.5 x10-3 cm2/Vs 이상, 약 1.8x10-3 cm2/Vs 이상, 약 2.0 x10-3 cm2/Vs 이상, 약 3.0x10-3 cm2/Vs 이상, 약 4.0x10-3 cm2/Vs 이상 또는 약 5.0x10-3 cm2/Vs 이상일 수 있다.
일 예로, 제2 유기물의 전하 이동도는 예컨대 약 1.0x10-3 cm2/Vs 내지 10 cm2/Vs 일 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 1.2x10-3 cm2/Vs 내지 10 cm2/Vs, 약 1.5 x10-3 cm2/Vs 내지 10 cm2/Vs, 약 1.8x10-3 cm2/Vs 내지 10 cm2/Vs, 약 2.0 x10-3 cm2/Vs 내지 10 cm2/Vs, 약 3.0x10-3 cm2/Vs 내지 10 cm2/Vs, 약 4.0x10-3 cm2/Vs 내지 10 cm2/Vs 또는 약 5.0x10-3 cm2/Vs 내지 10 cm2/Vs일 수 있다.
한편, 제2 유기물은 상술한 전하 이동도를 만족하는 동시에 열증착(thermal evaporation)에 의해 형성될 수 있는 물질일 수 있다. 이와 같이 유기 보조층(40)이 열증착에 의해 형성됨으로써 유기 보조층(40)의 형성 단계 및/또는 후속 공정에서 광전변환층(30)이 열적 물리적 손상을 받는 것을 방지함으로써 광전변환층(30)의 열화에 의한 성능 저하를 방지할 수 있다.
이러한 특성을 만족할 수 있는 제2 유기물로 예컨대 저분자 유기 반도체, 고분자 반도체 또는 이들의 조합일 수 있으며, 예컨대 저분자 유기 반도체일 수 있다. 여기서 저분자 유기 반도체는 약 3000 이하의 평균 분자량을 가지는 유기 반도체일 수 있다.
일 예로, 제2 유기물은 방향족 화합물 및/또는 헤테로방향족 화합물일 수 있고, 예컨대 축합 다환 방향족 화합물(fused polycyclic aromatic compound), 축합 다환 헤테로방향족 화합물(fused polycyclic heteroaromatic compound) 또는 이들의 조합일 수 있으며, 예컨대 펜타센(pentacene)과 같은 축합 다환 방향족 화합물 및/또는 적어도 하나의 O, S, Se, Te, N 또는 이들의 조합을 포함하는 축합 다환 헤테로방향족 화합물일 수 있으며, 예컨대 적어도 하나의 S, Se, Te 또는 이들의 조합을 포함하는 축합 다환 헤테로방향족 화합물일 수 있다.
예컨대 제2 유기물은 4개 이상의 고리가 서로 융합되어 있는 콤팩트(compact)한 평면 구조를 가진 축합 다환 방향족 화합물 및/또는 축합 다환 헤테로방향족 화합물일 수 있으며, 예컨대 5개, 6개, 7개, 8개, 9개, 10개, 11개 또는 12개의 고리가 축합된 축합 다환 방향족 화합물 및/또는 축합 다환 헤테로방향족 화합물일 수 있다.
일 예로, 제2 유기물은 적어도 하나의 벤젠고리를 포함하는 축합 다환 방향족 화합물 및/또는 축합 다환 헤테로방향족 화합물일 수 있다.
일 예로, 제2 유기물은 적어도 하나의 티오펜, 셀레노펜 및/또는 텔루로펜을 포함하는 축합 다환 헤테로방향족 화합물일 수 있다.
일 예로, 제2 유기물은 하기 화학식 2A 또는 2B로 표현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 2A]
Figure pat00005
[화학식 2B]
Figure pat00006
상기 화학식 2A 및 2B에서,
Ar1과 Ar2는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 벤젠, 치환 또는 비치환된 나프탈렌 또는 치환 또는 비치환된 안트라센일 수 있고, a는 Ar1과 Ar2의 탄소에 결합하는 수소의 개수에 대응될 수 있고,
X1 내지 X4는 각각 독립적으로 O, S, Se, Te 또는 N-Ra 일 수 있고, 여기에서 Ra 는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 알케닐기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 알키닐기, 치환 또는 비치환된 C7 내지 C30 아릴알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴옥시기(-ORb, 여기에서 Rb는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30의 아릴기임), 치환 또는 비치환된 C4 내지 C30 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C4 내지 C30 사이클로알킬옥시기(-ORc, 여기에서 Rc는 치환 또는 비치환된 C4 내지 C30의 사이클로알킬기임), 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴기, 아실기(-C(=O)Rd, 여기에서 Rd는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기), 술포닐기(-S(=O)2Re, 여기에서 Re는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기) 또는 카바메이트기(-NHC(=O)ORf, 여기에서 Rf는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기)일 수 있고,
R1 내지 R13는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 알케닐기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 알키닐기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C7 내지 C30 아릴알킬기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴알킬기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 알킬헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C5 내지 C30 사이클로알킬기 또는 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기일 수 있고,
n1은 0 또는 1일 수 있고,
n2와 n3는 각각 독립적으로 0, 1, 2 또는 3일 수 있고,
n1이 0이면 n2와 n3는 1, 2 또는 3일 수 있고,
n1이 1이면 n1+n2+n3≥2를 만족할 수 있다.
예컨대, R1 및 R7은 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C7 내지 C30 아릴알킬기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴알킬기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 알킬헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C5 내지 C30 사이클로알킬기 또는 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기일 수 있다.
예컨대, Ra는 치환 또는 비치환된 C10 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C10 내지 C30 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C10 내지 C30의 알케닐기 또는 치환 또는 비치환된 C10 내지 C30 알키닐기일 수 있으며, 다른 예로 플루오로 치환된 C1 내지 C30 알킬기, 바람직하게는 C1 내지 C30 퍼플루오로 알킬기(CnF2n+1, 여기서 n은 1 이상의 정수임) 또는 플루오로 치환된 C10 내지 C30 알킬기, 바람직하게는 C10 내지 C30 퍼플루오로 알킬기(CnF2n+1, 여기서 n은 10 내지 30의 정수임)일 수 있다.
화학식 2A 및 2B에서, n1이 0이면 n2와 n3는 1, 2 또는 3의 정수일 수 있고, n1이 1이면 n1+n2+n3≥2를 만족할 수 있으며, 예컨대 n1이 1일 경우 n2와 n3는 모두 0이 아닐 수 있다.
제2 유기물은 예컨대 하기 그룹 1에 나열된 화합물 중 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[그룹 1]
Figure pat00007
Figure pat00008
Figure pat00009
Figure pat00010
Figure pat00011
Figure pat00012
Figure pat00013
Figure pat00014
Figure pat00015
Figure pat00016
그룹 1의 화합물에서, 각각의 벤젠, 티오펜, 셀레노펜 및/또는 피롤의 수소는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 알케닐기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 알키닐기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C7 내지 C30 아릴알킬기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴알킬기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 알킬헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C5 내지 C30 사이클로알킬기 또는 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기로 치환될 수 있다.
그룹 1에서 Ra1 내지 Ra48은 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 알케닐기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 알키닐기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C7 내지 C30 아릴알킬기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴알킬기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 알킬헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C5 내지 C30 사이클로알킬기 또는 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기일 수 있다.
일 예로, 제2 유기물은 하기 화학식 3A 또는 3B로 표현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 3A] [화학식 3B]
Figure pat00017
상기 화학식 3A 및 3B에서,
X1 및 X2는 각각 독립적으로 O, S, Se, Te 또는 N-Ra 이고, 여기에서 Ra은 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C12 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C12 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 아실기, 술포닐기 또는 카바메이트기일 수 있고,
R1 내지 R4는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알케닐기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알키닐기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 헤테로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴알킬기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴알킬기, 치환 또는 비치환된 C5 내지 C20 사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기 또는 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴기일 수 있다.
화학식 3A로 표현되는 유기 반도체 물질은 예컨대 하기 화학식 3A-1로 표현될 수 있고 화학식 3B로 표현되는 유기 반도체 물질은 예컨대 하기 화학식 3B-1로 표현될 수 있다.
[화학식 3A-1] [화학식 3B-1]
Figure pat00018
상기 화학식 3A-1 및 3B-1에서, R1 내지 R4는 전술한 바와 같을 수 있다.
일 예로, 제2 유기물은 예컨대 하기 그룹 2에 나열된 화합물 중 하나일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[그룹 2]
Figure pat00019
그룹 2의 화합물에서, 각각의 벤젠 및/또는 티오펜의 수소는 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알콕시기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 알케닐기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 알키닐기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C7 내지 C30 아릴알킬기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로아릴알킬기, 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 알킬헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C5 내지 C30 사이클로알킬기 또는 치환 또는 비치환된 C2 내지 C30 헤테로사이클로알킬기로 치환될 수 있다.
일 예로, 유기 보조층(40)은 제2 유기물 외에 유기물, 무기물 및/또는 유무기물을 더 포함할 수 있다.
일 예로, 유기 보조층(40)은 광전변환층(30)에 포함된 p형 반도체 및/또는 n형 반도체를 더 포함할 수 있다.
일 예로, 유기 보조층(40)은 광전변환층(30)에 포함된 p형 반도체를 더 포함할 수 있다. 예컨대 제2 유기물과 p형 반도체는 혼합되어 있을 수 있으며, 제2 유기물과 p형 반도체는 약 1:9 내지 9:1의 부피비로 혼합될 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 2:8 내지 8:2, 예컨대 약 3:7 내지 7:3, 예컨대 약 4:6 내지 6:4, 예컨대 약 5:5의 부피비로 혼합될 수 있다.
일 예로, 유기 보조층(40)은 광전변환층(30)에 포함된 n형 반도체를 더 포함할 수 있다. 예컨대 제2 유기물과 n형 반도체는 혼합되어 있을 수 있으며, 제2 유기물과 n형 반도체는 약 1:9 내지 9:1의 부피비로 혼합될 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 2:8 내지 8:2, 예컨대 약 3:7 내지 7:3, 예컨대 약 4:6 내지 6:4, 예컨대 약 5:5의 부피비로 혼합될 수 있다.
일 예로, 유기 보조층(40)은 광전변환층(30)에 포함된 p형 반도체 및 n형 반도체를 더 포함할 수 있다. 예컨대 제2 유기물과 p형 반도체/n형 반도체는 혼합되어 있을 수 있으며, 제2 유기물과 p형 반도체/n형 반도체는 약 1:9 내지 9:1의 부피비로 혼합될 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 2:8 내지 8:2, 예컨대 약 3:7 내지 7:3, 예컨대 약 4:6 내지 6:4, 예컨대 약 5:5의 부피비로 혼합될 수 있다.
일 예로, 유기 보조층(40)은 플러렌 또는 플러렌 유도체를 더 포함할 수 있다. 예컨대 제2 유기물과 플러렌 또는 플러렌 유도체는 혼합되어 있을 수 있으며, 제2 유기물과 플러렌 또는 플러렌 유도체는 약 1:9 내지 9:1의 부피비로 혼합될 수 있으며, 상기 범위 내에서 예컨대 약 2:8 내지 8:2, 예컨대 약 3:7 내지 7:3, 예컨대 약 4:6 내지 6:4, 예컨대 약 5:5의 부피비로 혼합될 수 있다.
유기 보조층(40)은 광전변환층(30)보다 얇을 수 있으며, 예컨대 약 10nm 이하의 두께를 가질 수 있으며 상기 범위 내에서 약 5nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 예컨대 유기 보조층(40)은 약 1nm 내지 10nm 두께를 가질 수 있고, 상기 범위 내에서 약 1nm 내지 5nm 두께를 가질 수 있다.
이와 같이 광전 변환 소자(100)는 제1 전극(10)과 광전변환층(30) 사이에 유기 보조층(40)을 포함함으로써 광전변환층(30)으로부터 제1 전극(10)으로 이동하는 전하(예컨대 전자)의 추출을 효과적으로 높여 잔류 전하(remaining charge carriers)를 줄이고 높은 전하 추출 효율을 나타낼 수 있다. 이에 따라 광전 변환 소자(100)의 광전 변환 효율을 높이고 잔류 전하에 의해 발생할 수 있는 이미지 래그(Image Lag)를 줄여 잔상 특성을 효과적으로 개선할 수 있다.
광전 변환 소자(100)는 제1 전극(10) 또는 제2 전극(20)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 제1 전극(10) 측으로 광이 입사되는 경우 반사방지층은 제1 전극(10)의 일면에 위치할 수 있고 제2 전극(20) 측으로 광이 입사되는 경우 반사방지층은 제2 전극(20)의 일면에 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.
광전 변환 소자(100)는 제1 전극(10) 또는 제2 전극(20) 측으로부터 빛이 입사되어 광전변환층(30)이 소정 파장 영역의 빛을 흡수하면 내부에서 엑시톤이 생성될 수 있다. 엑시톤은 광전변환층(30)에서 정공과 전자로 분리되고, 분리된 정공은 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 중 하나인 애노드 측으로 이동하고 분리된 전자는 제1 전극(10)과 제2 전극(20) 중 다른 하나인 캐소드 측으로 이동하여 전류가 흐를 수 있게 된다.
이하 다른 구현예에 따른 광전 변환 소자를 설명한다.
도 2는 다른 구현예에 따른 광전 변환 소자의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 2를 참고하면, 본 구현예에 따른 광전 변환 소자(200)는 전술한 구현예와 마찬가지로, 제1 전극(10), 제2 전극(20), 광전변환층(30) 및 유기 보조층(40)을 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 광전 변환 소자(200)는 전술한 구현예와 달리, 제2 전극(20)과 광전변환층(30) 사이에 전하 차단층(48)을 더 포함한다. 전하 차단층(48)은 광전변환층(30)에서 분리된 전하(예컨대 전자)가 반대 전극 측으로 이동하는 것을 차단하여 광전변환효율을 높일 수 있다.
전하 차단층(48)은 예컨대 유기물, 무기물 또는 유무기물을 포함할 수 있다. 유기물은 정공 또는 전자 특성을 가지는 유기 화합물일 수 있고, 무기물은 예컨대 몰리브덴 산화물, 텅스텐 산화물, 니켈 산화물과 같은 금속 산화물일 수 있다.
전하 차단층(48)은 예컨대 가시광선 영역의 광을 실질적으로 흡수하지 않는 가시광 비흡수 물질을 포함할 수 있으며, 예컨대 가시광 비흡수 유기 물질일 수 있다.
일 예로, 가시광 비흡수 물질은 하기 화학식 4A 또는 4B로 표현되는 화합물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 4A]
Figure pat00020
[화학식 4B]
Figure pat00021
상기 화학식 4A 또는 4B에서,
M1 및 M2는 각각 독립적으로 CRnRo, SiRpRq, NRr, O, S, Se 또는 Te 이고,
Ar1b, Ar2b, Ar3b 및 Ar4b는 각각 독립적으로 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기 또는 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기이고,
G2 및 G3는 각각 독립적으로 단일 결합, -(CRsRt)n3 -, -O-, -S-, -Se-, -N=, -NRu-, -SiRvRw- 또는 -GeRxRy- 이고, 여기서 n3는 1 또는 2이고,
R30 내지 R37 및 Rn 내지 Ry는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로고리기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C6 알콕시기, 할로겐 또는 시아노기이다.
일 예로, 가시광 비흡수 물질은 하기 화학식 4A-1 또는 4B-1로 표현되는 화합물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 4A-1]
Figure pat00022
[화학식 4B-1]
Figure pat00023
상기 화학식 4A-1 또는 4B-1에서,
M1, M2, G2, G3, R30 내지 R37는 전술한 바와 같고,
R38 내지 R45는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로아릴기, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C6 알콕시기, 할로겐 또는 시아노기일 수 있다.
일 예로, 가시광 비흡수 물질은 하기 화학식 4A-1a 또는 4B-1a로 표현되는 화합물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 4A-1a]
Figure pat00024
[화학식 4B-1a]
Figure pat00025
상기 화학식 4A-1a 또는 4B-1a에서, R38 내지 R45 및 Ro 및 Rn은 전술한 바와 같다.
본 구현예에 따른 광전 변환 소자(200)는 제1 전극(10)과 광전변환층(30) 사이에 위치하는 유기 보조층(40) 외에 제2 전극(20)과 광전변환층(30) 사이에 전하 차단층(48)을 더 포함함으로써 광전변환층(30)으로부터 분리된 정공과 전자가 각각 애노드 및 캐소드 측으로 효율적으로 이동할 수 있도록 하여 전하 추출 효율을 더욱 높일 수 있다.
이하 다른 구현예에 따른 광전 변환 소자를 설명한다.
도 3은 또 다른 구현예에 따른 광전 변환 소자의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 3을 참고하면, 본 구현예에 따른 광전 변환 소자(300)는 전술한 구현예와 마찬가지로, 제1 전극(10), 제2 전극(20), 광전변환층(30) 및 유기 보조층(40)을 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 광전 변환 소자(300)는 전술한 구현예와 달리, 무기 나노층(45)을 더 포함한다.
무기 나노층(45)은 제1 전극(10)과 광전변환층(30) 사이에 위치하고 예컨대 제1 전극(10)에 맞닿아 있을 수 있다. 일 예로, 유기 보조층(40)은 광전변환층(30)에 맞닿아 있을 수 있고 무기 나노층(45)은 제1 전극(10)에 맞닿아 있을 수 있고, 일 예로 유기 보조층(40)과 무기 나노층(45)은 맞닿아 있을 수 있다.
무기 나노층(45)은 수 나노미터 두께의 매우 얇은 박막일 수 있으며 예컨대 약 5nm 이하, 예컨대 약 3nm 이하, 예컨대 약 2nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 무기 나노층(45)은 예컨대 약 1nm 내지 5nm, 약 1nm 내지 3nm, 약 1nm 내지 2nm 두께를 가질 수 있다.
무기 나노층(45)은 제1 전극(10)보다 낮은 일 함수를 가진 무기 물질을 포함할 수 있다. 예컨대 무기 나노층(45)의 일 함수는 제1 전극(10)의 일 함수보다 약 0.5eV 이상 작을 수 있다. 예컨대 제1 전극(10)의 일 함수는 약 4.5eV 이상일 수 있고 무기 나노층(45)의 일 함수는 약 4.0eV 이하일 수 있다. 예컨대 제1 전극(10)의 일 함수는 약 4.5eV 이상일 수 있고 무기 나노층(45)의 일 함수는 약 3.5eV 이하일 수 있다. 예컨대 제1 전극(10)의 일 함수는 약 4.5eV 이상일 수 있고 무기 나노층(45)의 일 함수는 약 3.0eV 이하일 수 있다. 예컨대 제1 전극(10)의 일 함수는 약 4.5eV 이상일 수 있고 무기 나노층(45)의 일 함수는 약 2.8eV 이하일 수 있다. 예컨대 제1 전극(10)의 일 함수는 약 4.5eV 내지 5.0eV 일 수 있고 무기 나노층(45)의 일 함수는 약 1.5eV 내지 4.0eV, 약 1.5eV 내지 3.5eV, 약 1.5eV 내지 3.0eV, 약 1.5eV 내지 2.8eV일 수 있다.
무기 나노층(45)은 예컨대 란탄족 원소, 칼슘(Ca), 칼륨(K), 알루미늄(Al) 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 란탄족 원소는 예컨대 이테르븀(Yb)을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이 무기 나노층(45)은 제1 전극(10)과 광전변환층(30) 사이에서 제1 전극(10)의 표면에 맞닿아 있으며 제1 전극(10)에 비해 매우 얇은 두께를 가질 수 있다. 이에 따라 무기 나노층(45)은 제1 전극(10)의 표면에서 제1 전극(10)의 표면 처리층과 같은 역할을 할 수 있다.
일 예로, 제1 전극(10)의 표면에서의 유효 일 함수는 무기 나노층(45)의 영향에 의해 제1 전극(10)을 이루는 투명 도전체 또는 반사 도전체의 일 함수와 다를 수 있으며, 예컨대 제1 전극(10)의 표면에서의 유효 일 함수는 제1 전극(10)을 이루는 투명 도전체 또는 반사 도전체의 일 함수보다 작을 수 있다. 예컨대 제1 전극(10)의 표면에서의 유효 일 함수는 무기 나노층(45)의 일 함수와 같거나 무기 나노층(45)의 일 함수와 제1 전극(10)의 일 함수의 중간 값일 수 있다.
일 예로, 제1 전극(10)을 이루는 투명 도전체 또는 반사 도전체의 일 함수는 약 4.5eV 이상일 수 있고 제1 전극(10)의 표면에서의 유효 일 함수는 약 4.0eV 이하일 수 있다. 예컨대 제1 전극(10)을 이루는 투명 도전체 또는 반사 도전체의 일 함수는 약 4.5eV 이상일 수 있고 제1 전극(10)의 표면에서의 유효 일 함수는 약 3.5eV 이하일 수 있다. 예컨대 제1 전극(10)을 이루는 투명 도전체 또는 반사 도전체의 일 함수는 약 4.5eV 이상일 수 있고 제1 전극(10)의 표면에서의 유효 일 함수는 약 3.0eV 이하일 수 있다. 예컨대 제1 전극(10)을 이루는 투명 도전체 또는 반사 도전체의 일 함수는 약 4.5eV 이상일 수 있고 제1 전극(10)의 표면에서의 유효 일 함수는 약 2.8eV 이하일 수 있다. 예컨대 제1 전극(10)을 이루는 투명 도전체 또는 반사 도전체의 일 함수는 약 4.5eV 내지 5.0eV 일 수 있고 제1 전극(10)의 표면에서의 유효 일 함수는 약 1.5eV 내지 4.0eV, 약 1.5eV 내지 3.5eV, 약 1.5eV 내지 3.0eV, 약 1.5eV 내지 2.8eV일 수 있다.
이와 같이 제1 전극(10)의 표면에서의 일 함수를 낮춤으로써 광전변환층(30)으로부터 유기 보조층(40)을 통과하여 제1 전극(10)으로 이동하는 전하(예컨대 전자)의 추출을 더욱 용이하게 하여 잔류 전하를 더욱 줄이고 더욱 높은 전하 추출 효율을 나타낼 수 있다.
이하 또 다른 구현예에 따른 광전 변환 소자를 설명한다.
도 4는 또 다른 구현예에 따른 광전 변환 소자의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 4를 참고하면, 본 구현예에 따른 광전 변환 소자(400)는 전술한 구현예와 마찬가지로, 제1 전극(10), 제2 전극(20), 광전변환층(30), 유기 보조층(40) 및 무기 나노층(45)을 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 광전 변환 소자(400)는 전술한 구현예와 달리, 제2 전극(20)과 광전변환층(30) 사이에 전하 차단층(48)을 더 포함한다. 전하 차단층(48)은 광전변환층(30)에서 분리된 전하(예컨대 전자)가 반대 전극 측으로 이동하는 것을 차단하여 광전변환효율을 높일 수 있으며, 구체적인 설명은 전술한 바와 같다.
전술한 광전 변환 소자(100, 200, 300, 400)는 다양한 전자 장치에 적용될 수 있으며 예컨대 태양 전지, 유기 센서, 광 검출기 및 광 센서 등에 적용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
광전 변환 소자(100, 200, 300, 400)는 예컨대 유기 센서에 적용될 수 있다.
이하 상술한 광전 변환 소자(100, 200, 300, 400)를 적용한 유기 센서의 예들에 대하여 도면을 참고하여 설명한다.
도 5는 일 구현예에 따른 유기 센서의 일 예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
일 예로, 유기 센서는 유기 CMOS 이미지 센서일 수 있다.
도 5를 참고하면, 일 구현예에 따른 유기 센서(500)는 반도체 기판(110), 절연층(80), 광전 변환 소자(100) 및 색 필터 층(70)을 포함한다.
반도체 기판(110)은 실리콘 기판일 수 있으며, 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(55)가 집적되어 있다. 전송 트랜지스터 및/또는 전하 저장소(55)는 각 화소마다 집적되어 있을 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.
금속 배선 및 패드 위에는 절연층(80)이 형성되어 있다. 절연층(80)은 산화규소 및/또는 질화규소와 같은 무기 절연 물질 또는 SiC, SiCOH, SiCO 및 SiOF와 같은 저유전율(low K) 물질로 만들어질 수 있다. 절연층(80)은 전하 저장소(55)를 드러내는 트렌치(85)를 가진다. 트렌치(85)는 충전재로 채워져 있을 수 있다.
절연층(80) 위에는 전술한 광전 변환 소자(100)가 형성되어 있다. 광전 변환 소자(100)는 전술한 바와 같이 제1 전극(10), 유기 보조층(40), 광전변환층(30) 및 제2 전극(20)을 포함한다. 제2 전극(20)은 수광 전극일 수 있고 제1 전극(10)은 전하 저장소(55)와 전기적으로 연결되어 있을 수 있다. 구체적인 설명은 전술한 바와 같다.
광전 변환 소자(100) 위에는 색 필터 층(70)이 형성되어 있다. 색 필터 층(70)은 청색 화소에 형성되어 있는 청색 필터(70a), 적색 화소에 형성되어 있는 적색 필터(70b) 및 녹색 화소에 형성되어 있는 녹색 필터(70c)를 포함한다. 그러나 이에 한정되지 않고 시안 필터, 마젠타 필터 및/또는 옐로우 필터를 대신 또는 추가적으로 포함할 수 있다.
광전 변환 소자(100)와 색 필터 층(70) 사이에는 절연막(도시하지 않음)이 추가로 형성되어 있을 수 있다.
색 필터 층(70) 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.
도 5에서는 도 1의 광전 변환 소자(100)가 적층된 구조를 예시적으로 도시하였으나, 도 2, 3 또는 4의 광전 변환 소자(200, 300, 400)가 적층된 구조도 동일하게 적용될 수 있다.
도 6은 일 구현예에 따른 유기 센서의 일 예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6을 참고하면, 본 구현예에 따른 이미지 센서(600)는 전술한 구현예와 마찬가지로 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(55)가 집적되어 있는 반도체 기판(110), 절연층(80), 광전 변환 소자(100) 및 색 필터층(70)을 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 이미지 센서(600)는 전술한 구현예와 달리 광전 변환 소자(100)의 제1 전극(10)과 제2 전극(20)의 위치가 바뀌어 있다. 즉 제1 전극(10)이 수광 전극일 수 있고 제2 전극(20)이 전하 저장소(55)와 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.
도 6에서는 도 1의 광전 변환 소자(100)가 적층된 구조를 예시적으로 도시하였으나, 도 2, 3 또는 4의 광전 변환 소자(200, 300, 400)가 적층된 구조도 동일하게 적용될 수 있다.
도 7은 일 구현예에 따른 유기 센서의 일 예를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 8 및 9는 각각 도 7의 유기 센서의 일 예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7 및 도 8을 참고하면, 일 구현예에 따른 유기 센서(700)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 광전 변환 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 광전 변환 소자(100)에 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 트렌치(85)를 가진다. 트렌치(85)는 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. 다른 예로, 색 필터 층(70)은 광전 변환 소자(100) 상부에 위치할 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 트렌치(85)를 가진다.
상부 절연층(80) 위에는 전술한 광전 변환 소자(100)가 형성되어 있다. 광전 변환 소자(100)는 전술한 바와 같이 제1 전극(10), 유기 보조층(40), 광전변환층(30) 및 제2 전극(20)을 포함한다. 제2 전극(20)은 수광 전극일 수 있고 제1 전극(10)은 전하 저장소(55)와 전기적으로 연결되어 있을 수 있다. 구체적인 설명은 전술한 바와 같다.
광전 변환 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.
도 9를 참고하면, 본 구현예에 따른 이미지 센서(800)는 전술한 구현예와 마찬가지로 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 광전 변환 소자(100)를 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 이미지 센서(800)는 전술한 구현예와 달리 제1 전극(10)과 제2 전극(20)의 위치가 바뀌어 있다. 즉 제1 전극(10)은 수광 전극일 수 있고 제2 전극(20)은 전하 저장소(55)와 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.
도 8 및 9에서는 도 1의 광전 변환 소자(100)가 적층된 구조를 예시적으로 도시하였으나, 도 2, 3 또는 4의 광전 변환 소자(200, 300, 400)가 적층된 구조도 동일하게 적용될 수 있다.
도 10은 일 구현예에 따른 유기 센서의 일 예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
본 구현예에 따른 이미지 센서(900)는 전술한 구현예와 마찬가지로 광 감지 소자(50a, 50b), 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(55)가 집적되어 있는 반도체 기판(110), 트렌치(85)를 가진 절연층(80) 및 광전 변환 소자(100)를 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 이미지 센서(900)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.
도 10에서는 도 1의 광전 변환 소자(100)가 적층된 구조를 예시적으로 도시하였으나, 도 2, 3 또는 4의 광전 변환 소자(200, 300, 400)가 적층된 구조도 동일하게 적용될 수 있다.
도 11은 일 구현예에 따른 유기 센서의 일 예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 11을 참고하면, 본 구현예에 따른 이미지 센서(1000)는 전술한 구현예와 마찬가지로 광 감지 소자(50a, 50b), 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(55)가 집적되어 있는 반도체 기판(110), 트렌치(85)를 가진 절연층(80) 및 광전 변환 소자(100)를 포함한다. 그러나 본 구현예에 따른 이미지 센서(1000)는 전술한 구현예와 달리, 제1 전극(10)과 제2 전극(20)의 위치가 바뀌어 있다. 즉 제1전극(10)은 수광 전극일 수 있고 제2 전극(20)은 전하 저장소(55)와 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.
도 11에서는 도 1의 광전 변환 소자(100)가 적층된 구조를 예시적으로 도시하였으나, 도 2, 3 또는 4의 광전 변환 소자(200, 300, 400)가 적층된 구조도 동일하게 적용될 수 있다.
도 12는 일 구현예에 따른 유기 센서의 일 예를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 13은 도 12의 유기 센서의 일 예를 보여주는 단면도이다.
본 구현예에 따른 유기 센서(1100)는 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 녹색 광전 변환 소자, 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 청색 광전 변환 소자 및 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 적색 광전 변환 소자가 적층되어 있는 구조이다.
본 구현예에 따른 유기 센서(1100)는 반도체 기판(110), 하부 절연층(60), 중간 절연층(65), 상부 절연층(80), 제1 광전 변환 소자(100a), 제2 광전 변환 소자(100b) 및 제3 광전 변환 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 광전 변환 소자(100a)가 형성되어 있다.
제1 광전 변환 소자(100a)는 서로 마주하는 제1 전극(10a)과 제2 전극(20a), 제1 전극(10a)과 제2 전극(20a) 사이에 위치하는 광전변환층(30a) 및 유기 보조층(40a)을 포함한다. 제1 전극(10a), 제2 전극(20a), 광전변환층(30) 및 유기 보조층(40a)은 전술한 바와 같으며, 광전변환층(30a)은 적색, 청색 및 녹색 중 어느 하나의 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있다. 예컨대 제1 광전 변환 소자(100a)는 적색 광전 변환 소자일 수 있다.
제1 광전 변환 소자(100a) 위에는 중간 절연층(65)이 형성되어 있다.
중간 절연층(65) 위에는 제2 광전 변환 소자(100b)가 형성되어 있다.
제2 광전 변환 소자(100b)는 서로 마주하는 제1 전극(10b)과 제2 전극(20b), 제1 전극(10b)과 제2 전극(20b) 사이에 위치하는 광전변환층(30b), 그리고 유기 보조층(40b)을 포함한다. 제1 전극(10b), 제2 전극(20b), 광전변환층(30b) 및 유기 보조층(40b)은 전술한 바와 같으며, 광전변환층(30b)은 적색, 청색 및 녹색 중 어느 하나의 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있다. 예컨대 제2 광전 변환 소자(100b)는 청색 광전 변환 소자일 수 있다.
제2 광전 변환 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 트렌치(85)를 가진다.
상부 절연층(80) 위에는 제3 광전 변환 소자(100c)가 형성되어 있다. 제3 광전 변환 소자(100c)는 서로 마주하는 제1 전극(10c)과 제2 전극(20c), 제1 전극(10c)과 제2 전극(20c) 사이에 위치하는 광전변환층(30c) 및 유기 보조층(40c)을 포함한다. 제1 전극(10c), 제2 전극(20c), 광전변환층(30c) 및 유기 보조층(40c)은 전술한 바와 같으며, 광전변환층(30c)은 적색, 청색 및 녹색 중 어느 하나의 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수할 수 있다. 예컨대 제3 광전 변환 소자(100c)는 녹색 광전 변환 소자일 수 있으며, 전술한 광전 변환 소자(100)가 적용될 수 있다.
광전 변환 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 광전 변환 소자(100a), 제2 광전 변환 소자(100b) 및 제3 광전 변환 소자(100c)로서 도 1의 광전 변환 소자(100)를 예시적으로 도시하였으나, 도 2, 3 또는 4에 도시된 광전 변환 소자(200, 300, 400) 또한 동일하게 적용될 수 있다.
도면에서는 제1 광전 변환 소자(100a), 제2 광전 변환 소자(100b) 및 제3 광전 변환 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 광전 변환 소자(100a), 제2 광전 변환 소자(100b) 및 제3 광전 변환 소자(100c)가 적층된 구조를 가짐으로써 이미지 센서의 크기를 더욱 줄여 소형화 이미지 센서를 구현할 수 있다.
도 14는 일 구현예에 따른 유기 센서의 일 예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 14를 참고하면, 본 구현예에 따른 이미지 센서(1200)는 전술한 구현예와 마찬가지로 반도체 기판(110), 하부 절연층(60), 중간 절연층(65), 상부 절연층(80), 제1 광전 변환 소자(100a), 제2 광전 변환 소자(100b) 및 제3 광전 변환 소자(100c)를 포함한다. 그러나 전술한 구현예와 달리, 제1 광전 변환 소자(100a), 제2 광전 변환 소자(100b) 및 제3 광전 변환 소자(100c)의 제1 전극(10a, 10b, 10c)과 제2 전극(20a, 20b, 20c)의 위치가 바뀌어 있다. 즉 제1 전극(10a, 10b, 10c)은 수광 전극일 수 있고 제2 전극(20a, 20b, 20c)은 광 감지 소자(55a, 55b, 55c)에 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.
도 15는 일 구현예에 따른 유기 센서를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 16은 도 15의 유기 센서의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 15 및 16을 참고하면, 유기 센서(1300)는 반도체 기판(110) 위에 위치되어 있는 광전 변환 소자(90)를 포함하고, 광전 변환 소자(90)는 복수의 광전 변환 소자(90-1, 90-2, 90-3)를 포함한다. 복수의 광전 변환 소자(90-1, 90-2, 90-3)는 서로 다른 파장 영역의 빛(예컨대 청색 광, 녹색 광 또는 적색 광)을 전기적 신호로 변환할 수 있다. 도 16을 참고하면, 복수의 광전 변환 소자(90-1, 90-2, 90-3)는 반도체 기판(110) 위에서 수평 방향으로 나란히 배열되어 있으며 반도체 기판(110)의 표면(110a)에 나란하게 뻗은 방향으로 서로 부분적으로 또는 전체적으로 중첩되어 있다. 각 광전 변환 소자(90-1, 90-2, 90-3)는 트렌치(85)를 통해서 반도체 기판(110) 내에 집적된 전하 저장소(55)에 전기적으로 연결되어 있다.
각 광전 변환 소자(90-1, 90-2, 90-3)는 전술한 광전 변환 소자(100, 200) 중 하나일 수 있다. 일 예로, 둘 이상의 광전 변환 소자(90-1, 90-2, 90-3)는 광전 변환 소자(90-1, 90-2, 90-3) 사이에서 연속적으로 뻗어 있는 공통의 연속 층의 상이한 부분을 포함할 수 있다. 일 예로, 복수의 광전 변환 소자(90-1, 90-2, 90-3)는 공통의 제1 전극(10) 및/또는 공통의 제2 전극(20)을 공유할 수 있다. 일 예로, 둘 이상의 광전 변환 소자(90-2, 90-2, 90-3)은 입사광의 상이한 파장 영역의 빛을 흡수할 수 있는 상이한 광전변환층(30)을 가질 수 있다. 일 예로, 둘 이상의 광전 변환 소자(90-1, 90-2, 90-3)는 상이한 구성의 유기 보조층(40)을 포함할 수 있다. 유기 센서(1100)의 그 밖의 구조는 도 5 내지 14에서 설명한 유기 센서 중 하나 이상과 동일할 수 있다.
도 17은 일 구현예에 따른 유기 센서의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 17을 참고하면, 유기 센서(1400)는 반도체 기판(110)과 반도체 기판(110) 위에 적층되어 있는 광전 변환 소자(90-1, 91)을 포함한다. 광전 변환 소자(91)는 복수의 광전 변환 소자(90-2, 90-3)를 포함하고, 복수의 광전 변환 소자(90-2, 90-3)는 반도체 기판(110)의 표면(110a)에 나란하게 뻗은 방향으로 중첩하도록 배열될 수 있다. 복수의 광전 변환 소자(90-1, 90-2, 90-3)는 서로 다른 파장 영역의 빛(예컨대 청색 광, 녹색 광 또는 적색 광)을 전기적 신호로 광전변환할 수 있다.
일 예로서, 광전 변환 소자(90-1)는 서로 다른 파장 영역의 빛을 흡수할 수 있는 수평 배열된 복수의 광전 변환 소자를 포함할 수 있다. 일 예로서, 광전 변환 소자(91)는 청색 광, 녹색 광 및 적색 광에서 선택된 하나의 파장 영역의 광을 광전변환할 수 있다. 일 예로서, 광전 변환 소자(91)는 광전 변환 소자(90-1)와 전체적으로 또는 부분적으로 중첩되어 있을 수 있다. 유기 센서(1200)의 그 밖의 구조는 도 5 내지 14에서 설명한 유기 CMOS 이미지 중 하나 이상과 동일할 수 있다.
도 18은 일 구현예에 따른 유기 센서의 일 예를 보여주는 단면도이다.
도 18을 참고하면, 유기 CMOS 이미지 센서(1500)는 광 감지 소자(50a, 50b), 전송 트랜지스터(도시하지 않음) 및 전하 저장소(55)가 집적되어 있는 반도체 기판(110); 반도체 기판(110)의 상부에 위치하는 상부 절연층(80) 및 색 필터 층(70); 반도체 기판(110)의 하부에 위치하는 하부 절연층(60) 및 광전 변환 소자(90)를 포함한다. 광전 변환 소자(90)는 전술한 광전 변환 소자(100, 200)일 수 있다. 도 18에서, 광전 변환 소자(90)는 반도체 기판(110)의 하부에 위치함으로써 광 감지 소자(50a, 50b)에 대하여 광전 변환 소자(90)와 색 필터 층(70)은 분리되어 위치되어 있다. 유기 CMOS 이미지 센서(1300)의 그 밖의 구조는 도 5 내지 14에서 설명한 유기 CMOS 이미지 중 하나 이상과 동일할 수 있다.
상술한 광전 변환 소자 및 이미지 센서를 포함한 유기 센서는 각각 다양한 전자 장치에 적용될 수 있으며, 예컨대 모바일 폰, 디지털 카메라 등에 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
도 19는 일 구현예에 따른 전자 장치의 개략적인 다이아그램이다.
도 19를 참고하면, 전자 장치(1700)는 버스(bus)(1710)를 통해 서로 전기적으로 연결된 프로세서(1720), 메모리(1730) 및 유기 CMOS 이미지 센서(1740)를 포함할 수 있다. 유기 CMOS 이미지 센서(1740)는 전술한 구현예에 따른 어느 하나일 수 있다. 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체인 메모리(1730)는 지시 프로그램을 저장할 수 있다. 프로세서(1720)는 하나 이상의 기능을 수행하기 위하여 저장된 지시 프로그램을 실행할 수 있다. 일 예로서, 프로세서(1720)는 유기 CMOS 이미지 센서(1740)에 의해 생성된 전기적 신호를 처리할 수 있다. 프로세서(1720)는 그러한 처리에 기초하여 출력(예컨대 디스플레이 인터페이스 상에 표시될 이미지)을 생성할 수 있다.
이하 실시예를 통하여 상술한 구현예를 보다 상세하게 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며 권리범위를 제한하는 것은 아니다.
실시예 1
유리 기판 위에 ITO를 스퍼터링으로 적층하여 150nm 두께의 애노드를 형성한다. 이어서 애노드 위에 하기 화학식 A로 표현되는 화합물을 증착하여 5nm 두께의 전하 차단층을 형성한다. 이어서 전하 차단층 위에 하기 화학식 B-1로 표현되는 p형 반도체(λmax: 545nm, 전하이동도: 1.5x10-5cm2/Vs)와 플러렌(C60)인 n형 반도체를 1:1 부피비로 공증착하여 90nm 두께의 광전변환층을 형성한다. 이어서 광전변환층 위에 하기 화학식 C-1로 표현되는 유기 반도체(전하이동도: 1.8x10-2 cm2/Vs)를 열증착하여 5nm 두께의 유기 보조층을 형성한다. 이어서 유기 보조층 위에 ITO(WF: 4.7eV)를 스퍼터링하여 7nm 두께의 캐소드를 형성한다. 이어서 캐소드 위에 산화알루미늄(Al2O3)을 증착하여 50nm 두께의 반사방지층을 형성하고 유리판으로 봉지하여 광전 변환 소자를 제작한다.
[화학식 A]
Figure pat00026
[화학식 B-1]
Figure pat00027
[화학식 C-1]
Figure pat00028
화학식 B-1로 표현되는 p형 반도체와 화학식 C-1로 표현되는 유기 반도체의 전하 이동도는 Time-of-flight 방식으로 측정한다. Time-of-flight 방식은 구체적으로 ITO 전극과 Al 전극(80nm) 사이에 화학식 B-1로 표현되는 p형 반도체 또는 화학식 C-1로 표현되는 유기 반도체로 이루어진 반도체 층을 1㎛ 두께로 형성하고 광전류를 평가하여 이로부터 전하 이동도를 확인한다.
실시예 2
유기 보조층 위에 Yb (WF: 2.6eV)를 열증착하여 1.5nm 두께의 무기 나노층을 추가로 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 광전 변환 소자를 제작한다.
비교예 1
유기 보조층을 형성하지 않은 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 광전 변환 소자를 제작한다.
참고예 1
유기 보조층을 형성하지 않고 90nm 두께의 광전변환층 대신 100nm 두께의 광전변환층을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 광전 변환 소자를 제작한다.
평가 I
실시예, 비교예 및 참고예에 따른 광전 변환 소자의 파장에 따른 광전변환효율을 평가한다.
광전변환효율은 최대흡수파장(λmax)(약 540nm)에서의 외부양자효율(EQE)로부터 평가할 수 있으며, 400nm 내지 720nm 파장 영역에서 Incident Photon to Current Efficiency (IPCE) 방법으로 평가한다.
그 결과는 표 1과 같다.
광전변환효율 (@λmax, 3V)(%)
실시예 1 68.0
실시예 2 69.4
비교예 1 66.2
참고예 1 69.2
표 1을 참고하면, 실시예 1, 2에 따른 광전 변환 소자는 비교예 1에 따른 광전 변환 소자와 비교하여 광전변환효율이 개선되는 것을 확인할 수 있다.
또한, 실시예 1, 2에 따른 광전 변환 소자는 두꺼운 광전변환층을 포함한 참고예 1에 따른 광전 변환 소자와 동등한 수준의 광전변환효율을 나타내는 것을 확인할 수 있으며, 이로부터 실시예 1, 2에 따른 광전 변환 소자는 광전변환층의 두께를 줄이면서도 높은 광전변환효율을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
평가 II
실시예 1, 2와 비교예 1에 따른 광전 변환 소자의 인가 전압에 따른 광전변환효율을 평가한다.
그 결과는 표 2와 같다.
광전변환효율(%)
@ 0V @ 2V @ 7V
실시예 1 52.0 65.1 74.8
실시예 2 55.7 66.8 75.6
비교예 1 49.8 63.2 72.7
표 2를 참고하면, 실시예 1, 2에 따른 광전 변환 소자는 비교예 1에 따른 광전 변환 소자와 비교하여 각 인가 전압에서 광전변환효율이 개선되는 것을 확인할 수 있다.
평가 III
실시예 1, 2와 비교예 1에 따른 광전 변환 소자의 이미지 래그(Image Lag) 특성을 평가한다.
이미지 래그는 실시예와 비교예에 따른 광전 변환 소자에 광전변환이 일어날 수 있는 파장 영역의 빛을 일정 시간(예컨대 33msec) 조사하고 빛을 끈 후 Keithley 2400 장비로 6pA에 도달하는 시간으로부터 평가할 수 있다. 이미지 래그가 클수록 잔류전자가 많이 남아있는 것으로 이에 따라 잔상이 많이 발생할 수 있다.
그 결과는 표 3과 같다.
Lag (msec)
실시예 1 49
실시예 2 46
비교예 1 53
표 3을 참고하면, 실시예 1, 2에 따른 광전 변환 소자는 비교예 1에 따른 광전 변환 소자와 비교하여 이미지 래그가 감소된 것을 확인할 수 있으며 이로부터 전하 추출 특성이 개선된 것을 확인할 수 있다.
평가 IV
실시예 1, 2와 비교예 1에 따른 광전 변환 소자를 적용한 이미지 센서를 설계하고 이미지 센서의 YSNR10을 평가한다.
이미지 센서의 YSNR10은 신호와 노이즈의 비율(signal/noise)이 10이 되는 최소광량(단위: lux)으로, 여기서 신호는 FDTD (finite difference time domain method) 방법으로 계산된 RGB 원신호(RGB raw signal)를 색 보정 매트릭스(color correction matrix, CCM)를 통한 색 보정 단계를 거쳐 얻은 신호의 감도이며, 노이즈는 이미지 센서에서 신호를 측정할 때 발생하는 노이즈이다. 색 보정 단계는 이미지 센서로부터 얻은 RGB 원신호를 이미지 프로세싱을 수행하여 실제 색과의 차이를 줄이는 과정이다. YSNR10 값이 작을수록 적은 광량에서 이미지 특성이 양호하다는 것을 의미할 수 있다.
그 결과는 표 4와 같다.
YSNR10
실시예 1 85
실시예 2 84
비교예 1 86
표 4를 참고하면, 실시예에 따른 광전 변환 소자는 비교예에 따른 광전 변환 소자와 비교하여 YSNR10이 낮아지는 것을 확인할 수 있으며, 이로부터 이미지센서의 감도가 개선될 수 있음을 예상할 수 있다.
이상에서 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 권리범위에 속하는 것이다.
10, 10a, 10b, 10c: 제1 전극
20, 20a, 20b, 20c: 제2 전극
30, 30a, 30b, 30c: 광전변환층
40, 40a, 40b, 40c: 유기 보조층
45, 45a, 45b, 45c: 무기 나노층
48: 전하 차단층
50a, 50b, 50c: 광 감지 소자
60: 하부 절연막 70: 색 필터
80: 상부 절연막, 절연막 85: 트렌치
100, 200, 300, 400: 광전 변환 소자
500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200: 이미지 센서

Claims (20)

  1. 서로 마주하는 제1 전극과 제2 전극,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하고 적어도 일부 파장 영역의 광을 흡수하여 전기적 신호로 변환시키는 광전변환층, 그리고
    상기 제1 전극과 상기 광전변환층 사이에 위치하고 상기 광전변환층의 전하 이동도보다 높은 전하 이동도를 가진 유기 보조층
    을 포함하는 광전 변환 소자.
  2. 제1항에서,
    상기 유기 보조층의 전하 이동도는 상기 광전변환층의 전하 이동도보다 100배 이상 높은 광전 변환 소자.
  3. 제1항에서,
    상기 유기 보조층의 전하 이동도는 1.0x10-3 cm2/Vs 이상인 광전 변환 소자.
  4. 제1항에서,
    상기 광전변환층은 제1 유기물을 포함하고,
    상기 유기 보조층은 상기 제1 유기물과 다른 제2 유기물을 포함하며,
    상기 제2 유기물의 전하 이동도는 상기 제1 유기물의 전하 이동도보다 100배 이상 높은 광전 변환 소자.
  5. 제4항에서,
    상기 제2 유기물의 전하 이동도는 1.0x10-3 cm2/Vs 이상인 광전 변환 소자.
  6. 제4항에서,
    상기 제2 유기물은 축합 다환 방향족 화합물, 축합 다환 헤테로방향족 화합물 또는 이들의 조합인 광전 변환 소자.
  7. 제6항에서,
    상기 축합 다환 방향족 화합물 또는 상기 축합 다환 헤테로방향족 화합물은 4개 이상의 고리가 융합되어 있는 광전 변환 소자.
  8. 제6항에서,
    상기 축합 다환 헤테로방향족 화합물은 S, Se, Te 또는 이들의 조합을 포함하는 광전 변환 소자.
  9. 제4항에서,
    상기 광전변환층은 상기 제1 유기물과 pn 접합을 형성할 수 있는 p형 반도체 또는 n형 반도체를 더 포함하고,
    상기 유기 보조층은 상기 p형 반도체 또는 상기 n형 반도체를 더 포함하는 광전 변환 소자.
  10. 제9항에서,
    상기 p형 반도체 또는 상기 n형 반도체는 플러렌 또는 플러렌 유도체를 포함하는 광전 변환 소자.
  11. 제1항에서,
    상기 유기 보조층의 두께는 5nm 이하인 광전 변환 소자.
  12. 제1항에서,
    상기 제1 전극과 상기 광전변환층 사이에 위치하는 무기 나노층을 더 포함하는 광전 변환 소자.
  13. 제12항에서,
    상기 무기 나노층은 란탄족 원소, 칼슘(Ca), 칼륨(K), 알루미늄(Al) 또는 이들의 합금을 포함하는 광전 변환 소자.
  14. 제13항에서,
    상기 란탄족 원소는 이테르븀(Yb)을 포함하는 광전 변환 소자.
  15. 제12항에서,
    상기 무기 나노층의 두께는 5nm 이하인 광전 변환 소자.
  16. 제12항에서,
    상기 유기 보조층은 상기 광전변환층에 맞닿아 있고,
    상기 무기 나노층은 상기 제1 전극에 맞닿아 있는
    광전 변환 소자.
  17. 제1항에서,
    상기 제1 전극은 캐소드이고 상기 제2 전극은 애노드인 광전 변환 소자.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 광전 변환 소자를 포함하는 전자 장치.
  19. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 광전 변환 소자를 포함하는 유기 센서.
  20. 제19항에 따른 유기 센서를 포함하는 전자 장치.
KR1020190129094A 2018-11-14 2019-10-17 광전 변환 소자, 유기 센서 및 전자 장치 KR20200056289A (ko)

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