KR20210053141A - 광전 소자, 센서 및 전자 장치 - Google Patents

광전 소자, 센서 및 전자 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20210053141A
KR20210053141A KR1020200045432A KR20200045432A KR20210053141A KR 20210053141 A KR20210053141 A KR 20210053141A KR 1020200045432 A KR1020200045432 A KR 1020200045432A KR 20200045432 A KR20200045432 A KR 20200045432A KR 20210053141 A KR20210053141 A KR 20210053141A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
charge transport
unsubstituted
substituted
group
transport material
Prior art date
Application number
KR1020200045432A
Other languages
English (en)
Inventor
홍석환
박성준
박경배
윤성영
허철준
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 US16/887,405 priority Critical patent/US11563186B2/en
Publication of KR20210053141A publication Critical patent/KR20210053141A/ko
Priority to US18/150,888 priority patent/US20230157167A1/en

Links

Images

Classifications

    • H01L51/0504—
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K10/00—Organic devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching; Organic capacitors or resistors having a potential-jump barrier or a surface barrier
    • H01L51/002—
    • H01L51/0067—
    • H01L51/0072—
    • H01L51/0073—
    • H01L51/0077—
    • H01L51/0084—
    • H01L51/42—
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K71/00—Manufacture or treatment specially adapted for the organic devices covered by this subclass
    • H10K71/30—Doping active layers, e.g. electron transporting layers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/30—Coordination compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/30—Coordination compounds
    • H10K85/341—Transition metal complexes, e.g. Ru(II)polypyridine complexes
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/60—Organic compounds having low molecular weight
    • H10K85/649—Aromatic compounds comprising a hetero atom
    • H10K85/654—Aromatic compounds comprising a hetero atom comprising only nitrogen as heteroatom
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/60—Organic compounds having low molecular weight
    • H10K85/649—Aromatic compounds comprising a hetero atom
    • H10K85/657—Polycyclic condensed heteroaromatic hydrocarbons
    • H10K85/6572—Polycyclic condensed heteroaromatic hydrocarbons comprising only nitrogen in the heteroaromatic polycondensed ring system, e.g. phenanthroline or carbazole
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K85/00—Organic materials used in the body or electrodes of devices covered by this subclass
    • H10K85/60—Organic compounds having low molecular weight
    • H10K85/649—Aromatic compounds comprising a hetero atom
    • H10K85/657—Polycyclic condensed heteroaromatic hydrocarbons
    • H10K85/6574—Polycyclic condensed heteroaromatic hydrocarbons comprising only oxygen in the heteroaromatic polycondensed ring system, e.g. cumarine dyes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/549—Organic PV cells

Abstract

제1 전극, 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 이종접합을 형성하는 제1 전하수송물질과 제2 전하수송물질을 포함하는 전하수송층을 포함하는 광전 소자 및 이를 포함하는 센서 및 전자 장치에 관한 것이다.

Description

광전 소자, 센서 및 전자 장치{PHOTOELECTRIC DEVICE AND SENSOR AND ELECTRONIC DEVICE}
광전 소자, 센서 및 전자 장치에 관한 것이다.
광전 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.
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 있어 감도 개선 및 고집적에 매우 유리하다.
일 구현예는 전하 추출 효율을 개선할 수 있는 광전 소자를 제공한다.
다른 구현예는 상기 광전 소자를 포함하는 센서를 제공한다.
또 다른 구현예는 상기 광전 소자 또는 상기 센서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
일 구현예에 따르면, 제1 전극, 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 이종접합을 형성하는 제1 전하수송물질과 제2 전하수송물질을 포함하는 전하수송층을 포함하는 광전 소자를 제공한다.
상기 전하수송층은 상기 제1 전하수송물질과 제2 전하수송물질의 계면에서 양 전하를 띌 수 있다.
상기 제1 전하수송물질의 에너지 밴드갭과 상기 제2 전하수송물질의 에너지 밴드갭의 차이는 0 초과 0.2eV 이하일 수 있다.
상기 제1 전하수송물질의 LUMO 에너지 준위와 상기 제2 전하수송물질의 LUMO 에너지 준위의 차이는 0.05eV 이하일 수 있다.
상기 광전변환층은 pn 접합을 형성하는 p형 반도체와 n형 반도체를 포함하고, 상기 n형 반도체의 LUMO 에너지 준위와 상기 제1 전하수송물질의 LUMO 에너지 준위의 차이는 1.2eV 이상이고, 상기 n형 반도체의 LUMO 에너지 준위와 상기 제2 전하수송물질의 LUMO 에너지 준위의 차이는 1.2eV 이상일 수 있다.
상기 제1 전하수송물질과 상기 제2 전하수송물질은 각각 비흡광 물질일 수 있다.
상기 제1 전하수송물질과 상기 제2 전하수송물질은 서로 다른 구조를 가진 유기 물질이고, 상기 제1 전하수송물질과 상기 제2 전하수송물질은 각각 질소함유고리와 시아노기를 가질 수 있다.
상기 제1 전하수송물질은 하기 화학식 1로 표현될 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 화학식 1에서,
X1 내지 X3은 각각 독립적으로 CRa 또는 N이고,
X1 내지 X3 중 적어도 둘은 N이며,
M1은 O, S, Se, Te 또는 NRb 이며,
Ra와 Rb는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기이고,
Rc와 Rd는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로고리기 또는 시아노기 이며,
L1 내지 L3는 각각 독립적으로 단일 결합, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C6 알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴렌기, 또는 이들의 조합이고,
R11 내지 R14는 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.
상기 화학식 1에서, X1 내지 X3은 각각 N이고, M1은 O 또는 S 이며, L1 내지 L3는 각각 독립적으로 단일 결합 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴렌기이고, Rc와 Rd는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기 또는 시아노기이며, R11 내지 R14는 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 시아노기일 수 있다.
상기 제2 전하수송물질은 하기 화학식 2로 표현될 수 있다.
[화학식 2]
Figure pat00002
상기 화학식 2에서,
X4 내지 X6은 각각 독립적으로 CRe 또는 N이고,
X4 내지 X6 중 적어도 둘은 N이며,
Re은 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기이고,
Rf 내지 Rh는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로고리기 또는 시아노기이며,
L4 내지 L6은 각각 독립적으로 단일 결합, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C6 알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴렌기, 또는 이들의 조합이다.
상기 화학식 2에서, X4 내지 X6은 각각 N이고, Rf 내지 Rh는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로고리기 또는 시아노기이며, L4 내지 L6은 각각 독립적으로 단일 결합 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴렌기일 수 있다.
상기 전하수송층의 두께는 10nm 이하일 수 있다.
상기 전하수송층은 상기 제1 전하수송물질을 포함하는 제1 전하수송층과 상기 제2 전하수송물질을 포함하는 제2 전하수송층을 포함할 수 있다.
상기 제1 전하수송층과 제2 전하수송층은 서로 맞닿아 있을 수 있다.
상기 제1 전하수송물질의 LUMO 에너지 준위는 상기 제2 전하수송물질의 LUMO 에너지 준위보다 얕고, 상기 제1 전하수송층은 상기 제2 전하수송층보다 광전변환층에 가까이에 위치할 수 있다.
상기 제2 전하수송층은 상기 제1 전하수송물질 및 상기 제2 전하수송물질과 각각 다른 제3 전하수송물질을 더 포함할 수 있다.
상기 제3 전하수송물질은 리튬 퀴놀레이트(lithium Quinolate)를 포함할 수 있다.
상기 제1 전하수송층과 상기 제2 전하수송층의 두께는 각각 5nm 이하일 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 제1 전극, 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 하기 화학식 1로 표현되는 제1 전하수송물질과 하기 화학식 2로 표현되는 제2 전하수송물질을 포함하는 전하수송층을 포함하는 광전 소자를 제공한다.
[화학식 1]
Figure pat00003
상기 화학식 1에서,
X1 내지 X3은 CRa 또는 N이고,
X1 내지 X3 중 적어도 둘은 N이며,
M1은 O, S, Se, Te 또는 NRb 이며,
Ra와 Rb는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기이고,
Rc와 Rd는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기이며,
L1 내지 L3는 각각 독립적으로 단일 결합, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C6 알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴렌기, 또는 이들의 조합이고,
R11 내지 R14는 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;
[화학식 2]
Figure pat00004
상기 화학식 2에서,
X1 내지 X3은 CRe 또는 N이고,
X1 내지 X3 중 적어도 둘은 N이며,
Re은 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기이고,
Rf 내지 Rh는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기이며,
L4 내지 L6은 각각 독립적으로 단일 결합, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C6 알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴렌기, 또는 이들의 조합이다.
상기 전하수송층은 상기 제1 전하수송물질과 제2 전하수송물질의 계면에서 양 전하를 띌 수 있다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 광전 소자를 포함하는 센서를 제공한다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 광전 소자를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
또 다른 구현예에 따르면, 상기 센서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
전하 이동성을 개선하여 잔류 전하를 줄임으로써 광전 소자의 전하 추출 효율을 높일 수 있다.
도 1은 일 구현예에 따른 광전 소자를 보여주는 단면도이고,
도 2는 다른 구현예에 따른 광전 소자를 보여주는 단면도이고.
도 3은 또 다른 구현예에 따른 광전 소자를 보여주는 단면도이고.
도 4는 유기 CMOS 이미지 센서의 일 예를 보여주는 단면도이고,
도 5는 유기 CMOS 이미지 센서의 다른 예를 보여주는 단면도이고,
도 6은 일 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서를 개략적으로 도시한 평면도이고,
도 7은 도 5의 유기 CMOS 이미지 센서의 일 예를 보여주는 단면도이고,
도 8은 유기 CMOS 이미지 센서의 다른 예를 보여주는 단면도이고,
도 9는 유기 CMOS 이미지 센서의 또 다른 예를 보여주는 단면도이고,
도 10은 유기 CMOS 이미지 센서의 다른 예를 보여주는 단면도이고,
도 11은 또 다른 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서를 개략적으로 도시한 평면도이고,
도 12는 도 11의 유기 CMOS 이미지 센서의 단면도이고,
도 13은 유기 CMOS 이미지 센서의 다른 예를 보여주는 단면도이고,
도 14는 비교예 및 실시예 1 내지 3에 따른 광전 소자의 파장에 따른 광전변환효율(EQE)을 보여주는 그래프이다.
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, 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, 에너지 밴드갭(energy bandgap)이란, 해당 물질이 최고점유분자궤도(highest occupied molecular orbital, HOMO) 에너지 준위와 최저비점유분자궤도(lowest unoccupied molecular orbital, LUMO) 에너지 준위 차이를 의미한다.
이하 일 구현예에 따른 광전 소자를 설명한다.
도 1은 일 구현예에 따른 광전 소자를 보여주는 단면도이다.
도 1을 참고하면, 일 구현예에 따른 광전 소자(100)는 제1 전극(10), 제2 전극(20), 광전변환층(30) 및 전하수송층(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.
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 있다. 투명 전극은 예컨대 산화물 도전체, 탄소 도전체 및 금속 박막 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 있고 금속 박막은 알루미늄, 마그네슘, 은, 금, 이들의 합금 또는 이들의 조합을 포함한 매우 얇은 박막일 수 있다.
제1 전극(10)과 제2 전극(20) 중 어느 하나는 반사 전극일 수 있다. 여기서 반사 전극은 예컨대 광 투과도 약 10% 미만의 낮은 광 투과도 또는 약 5% 이상의 높은 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(λmax)이 약 500 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 의미한다.
광전변환층(30)은 적어도 하나의 p형 반도체(30-1)와 적어도 하나의 n형 반도체(30-2)가 pn 접합(pn junction)(30j)을 형성할 수 있으며, 외부에서 빛을 받아 엑시톤(exciton)을 생성한 후 생성된 엑시톤을 정공과 전자로 분리할 수 있다.
p형 반도체(30-1)와 n형 반도체(30-2)는 각각 흡광 물질일 수 있으며 예컨대 p형 반도체(30-1)와 n형 반도체(30-2) 중 적어도 하나는 유기 흡광 물질일 수 있다. 일 예로, p형 반도체(30-1)와 n형 반도체(30-2) 중 적어도 하나는 소정 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 파장 선택성 흡광 물질일 수 있으며, 예컨대 p형 반도체(30-1)와 n형 반도체(30-2) 중 적어도 하나는 파장 선택성 유기 흡광 물질일 수 있다. p형 반도체(30-1)와 n형 반도체(30-2)는 서로 같거나 다른 파장 영역에서 피크 흡수 파장(λmax)을 가질 수 있다.
일 예로, p형 반도체(30-1)는 전자 공여 모이어티, 파이 공액 연결기 및 전자 수용 모이어티를 포함하는 코어 구조를 가지는 유기 물질일 수 있다.
p형 반도체(30-1)는 예컨대 하기 화학식 1로 표현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 A]
EDG - HA - EAG
상기 화학식 A에서,
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 A로 표현되는 p형 반도체(30-1)는 예컨대 하기 화학식 A-1로 표현될 수 있다.
[화학식 A-1]
Figure pat00005
상기 화학식 Aa에서,
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 A-1에서, 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 A-1의 Ar1a 및 Ar2a는 서로 융합되어 고리를 형성할 수 있고, Ar1a 및 Ar2a는 예컨대 단일 결합, -(CRgRh)n2- (n2는 1 또는 2), -O-, -S-, -Se-, -N=, -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 A로 표현되는 p형 반도체(30-1)는 예컨대 하기 화학식 A-2로 표현될 수 있다.
[화학식 A-2]
Figure pat00006
상기 화학식 A-2에서,
X1은 Se, Te, O, S, SO 또는 SO2일 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,
R1 내지 R3는 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, 시아노 함유기 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,
R6a 내지 R6d 및 R7a 내지 R7d는 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, 시아노 함유기 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 A-2의 Ar3는 벤젠, 나프틸렌, 안트라센, 티오펜, 셀레노펜, 텔루로펜, 피리딘, 피리미딘 또는 이들 중에서 선택된 둘 이상의 융합 고리일 수 있다.
n형 반도체(30-2)는 예컨대 플러렌 또는 플러렌 유도체일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
광전변환층(30)은 p형 반도체(30-1)와 n형 반도체(30-2)가 벌크 이종접합(bulk heterojunction) 형태로 혼합된 진성층(intrinsic layer, I층)일 수 있다. 이때 p형 반도체(30-1)와 n형 반도체(30-2)는 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 반도체(30-1)를 포함하는 p형 층과 전술한 n형 반도체(30-2)를 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 반도체(30-1)를 포함할 수 있고, n형 층은 전술한 n형 반도체(30-2)를 포함할 수 있다. 예컨대 p형 층/I층, I층/n형 층, p형 층/I층/n형 층 등 다양한 조합으로 포함될 수 있다.
전하수송층(40)은 제1 전극(10)과 광전변환층(30) 사이에 위치하고 예컨대 제1 전극(10)에 맞닿아 있을 수 있다. 일 예로, 전하수송층(40)의 일면은 제1 전극(10)에 맞닿아 있고 전하수송층(40)의 다른 일면은 광전변환층(30)에 맞닿아 있을 수 있다.
전하수송층(40)은 복수의 전하수송물질을 포함할 수 있으며, 각 전하수송물질은 전술한 p형 반도체(30-1)와 n형 반도체(30-2)와 달리 비흡광 물질(non-absorbing material)일 수 있다. 복수의 전하수송물질은 혼합되어 있을 수 있다.
일 예로, 전하수송층(40)은 제1 전하수송물질(40-1)과 제2 전하수송물질(40-2)을 포함할 수 있으며, 예컨대 제1 전하수송물질(40-1)과 제2 전하수송물질(40-2)은 이종접합(heterojuction)(40h)을 형성할 수 있다.
일 예로, 제1 전하수송물질(40-1)의 에너지 밴드갭과 제2 전하수송물질(40-2)의 에너지 밴드갭의 차이는 비교적 작을 수 있으며, 예컨대 약 0 초과 0.2 eV 이하일 수 있다. 예컨대 제1 전하수송물질(40-1)의 에너지 밴드갭과 제2 전하수송물질(40-2)의 에너지 밴드갭의 차이는 약 0 초과 0.18 eV 이하, 약 0 초과 0.15 eV 이하, 약 0 초과 0.13 eV 이하, 약 0 초과 0.1 eV 이하, 약 0 초과 0.08 eV 이하, 약 0 초과 0.05 eV 이하일 수 있다.
일 예로, 제1 전하수송물질(40-1)의 LUMO 에너지 준위와 제2 전하수송물질(40-2)의 LUMO 에너지 준위의 차이는 비교적 작을 수 있으며, 예컨대 약 0.05 eV 이하일 수 있다. 예컨대 제1 전하수송물질(40-1)의 LUMO 에너지 준위와 제2 전하수송물질(40-2)의 LUMO 에너지 준위의 차이는 약 0.04 eV 이하, 약 0.03 eV 이하, 약 0.02 eV 이하, 약 0.01 eV 이하일 수 있다. 일 예로, 제1 전하수송물질(40-1)의 LUMO 에너지 준위는 제2 전하수송물질(40-2)의 LUMO 에너지 준위보다 얕을 수 있다.
일 예로, 제1 전하수송물질(40-1)과 광전변환층(30)에 포함되는 n형 반도체(30-2)의 LUMO 에너지 준위의 차이는 비교적 클 수 있으며, 예컨대 약 0.5 eV 이상의 비교적 큰 에너지 배리어(energy barrier)를 가질 수 있다. 예컨대 제1 전하수송물질(40-1)과 광전변환층(30)에 포함되는 n형 반도체(30-2)의 LUMO 에너지 준위의 차이는 약 0.8 eV 이상, 약 1.0 eV 이상, 약 1.2 eV 이상, 약 1.4 eV 이상, 약 1.6 eV 이상, 약 1.8 eV 이상, 약 2.0 eV, 약 2.5 eV, 약 3.0 eV 이상일 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 0.8 eV 내지 3.0 eV, 약 1.0 eV 내지 3.0 eV, 약 1.0 eV 내지 2.5 eV, 약 1.0 eV 내지 2.0 eV, 약 1.0 eV 내지 1.8 eV, 약 1.0 eV 내지 1.6 eV, 약 1.0 eV 내지 1.4 eV, 약 1.2 eV 내지 1.4 eV일 수 있다.
일 예로, 제2 전하수송물질(40-2)과 광전변환층(30)에 포함되는 n형 반도체(30-2)의 LUMO 에너지 준위의 차이는 비교적 클 수 있으며, 예컨대 약 0.5 eV 이상의 비교적 큰 에너지 배리어를 가질 수 있다. 예컨대 제2 전하수송물질(40-2)과 광전변환층(30)에 포함되는 n형 반도체(30-2)의 LUMO 에너지 준위의 차이는 약 0.8 eV 이상, 약 1.0 eV 이상, 약 1.2 eV 이상, 약 1.4 eV 이상, 약 1.6 eV 이상, 약 1.8 eV 이상, 약 2.0 eV, 약 2.5 eV, 약 3.0 eV 이상일 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 0.8 eV 내지 3.0 eV, 약 1.0 eV 내지 3.0 eV, 약 1.0 eV 내지 2.5 eV, 약 1.0 eV 내지 2.0 eV, 약 1.0 eV 내지 1.8 eV, 약 1.0 eV 내지 1.6 eV, 약 1.0 eV 내지 1.4 eV, 약 1.2 eV 내지 1.4 eV일 수 있다.
전술한 바와 같이 전하수송층(40)에 포함되는 제1 전하수송물질(40-1)과 제2 전하수송물질(40-2)은 서로 다른 에너지 밴드갭을 가지며 이종접합(40h)을 형성하고, 이러한 특성으로 인해 전하수송층(40)에 포함된 제1 전하수송물질(40-1)과 제2 전하수송물질(40-2)의 계면(40i)에서 전하의 불균형이 생성될 수 있다. 일 예로, 제1 전하수송물질(40-1)과 제2 전하수송물질(40-2)의 계면(40i)은 전하를 띌 수 있으며, 예컨대 양 전하를 띨 수 있다.
제1 전하수송물질(40-1)과 제2 전하수송물질(40-2)은 각각 독립적으로 유기물, 무기물 또는 유무기물일 수 있다. 일 예로, 제1 전하수송물질(40-1)과 제2 전하수송물질(40-2) 중 적어도 하나는 유기물일 수 있다.
일 예로, 제1 전하수송물질(40-1)과 제2 전하수송물질(40-2)은 각각 유기물일 수 있다.
일 예로, 제1 전하수송물질(40-1)과 제2 전하수송물질(40-2)은 서로 다른 구조를 가진 유기물일 수 있으며, 예컨대 질소함유고리를 공통적으로 포함할 수 있다. 여기서 질소함유고리는 예컨대 피리딘, 피리미딘 또는 트리아진일 수 있으며, 예컨대 피리미딘 또는 트리아진일 수 있다.
일 예로, 제1 전하수송물질(40-1)과 제2 전하수송물질(40-2)은 서로 다른 구조를 가진 유기물일 수 있으며, 예컨대 시아노기를 공통적으로 포함할 수 있다.
일 예로, 제1 전하수송물질(40-1)과 제2 전하수송물질(40-2)은 서로 다른 구조를 가진 유기물일 수 있으며, 예컨대 질소함유고리와 시아노기를 공통적으로 포함할 수 있다.
일 예로, 제1 전하수송물질(40-1)은 예컨대 하기 화학식 1로 표현될 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00007
상기 화학식 1에서,
X1 내지 X3은 각각 독립적으로 CRa 또는 N일 수 있고,
X1 내지 X3 중 적어도 둘은 N일 수 있으며,
M1은 O, S, Se, Te 또는 NRb 일 수 있며,
Ra와 Rb는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기일 수 있고,
Rc와 Rd는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로고리기 또는 시아노기일 수 있으며,
L1 내지 L3는 각각 독립적으로 단일 결합, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C6 알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴렌기, 또는 이들의 조합일 수 있고,
R11 내지 R14는 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 시아노기일 수 있다.
일 예로, 상기 화학식 1에서, X1 내지 X3은 각각 N일 수 있다.
일 예로, 상기 화학식 1에서, M1은 O 또는 S 일 수 있다.
일 예로, L1 내지 L3는 각각 독립적으로 단일 결합 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴렌기일 수 있다.
일 예로, Rc와 Rd는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기 또는 시아노기일 수 있으며, R11 내지 R14는 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 시아노기일 수 있다.
일 예로, 제2 전하수송물질(40-2)은 예컨대 하기 화학식 2로 표현될 수 있다.
[화학식 2]
Figure pat00008
상기 화학식 2에서,
X4 내지 X6은 각각 독립적으로 CRe 또는 N일 수 있고,
X4 내지 X6 중 적어도 둘은 N일 수 있으며,
Re은 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기일 수 있고,
Rf 내지 Rh는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로고리기 또는 시아노기일 수 있으며,
L4 내지 L6은 각각 독립적으로 단일 결합, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C6 알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴렌기, 또는 이들의 조합일 수 있다.
일 예로, 상기 화학식 2에서, X4 내지 X6은 각각 N일 수 있다.
일 예로, L4 내지 L6은 각각 독립적으로 단일 결합 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴렌기일 수 있다.
상기와 같이 전하 수송층(40)은 이종접합을 형성할 수 있는 제1 전하수송물질(40-1)과 제2 전하수송물질(40-2)을 포함함으로써 전기장 인가시 제1 전하수송물질(40-1)과 제2 전하수송물질(40-2)의 계면에 양 전하를 띨 수 있으며 이에 따라 광전변환층(30)의 n형 반도체(30-2)의 LUMO 에너지 준위와 제1 전하수송물질(40-1) 또는 제2 전하수송물질(40-2)의 각 LUMO 에너지 준위의 비교적 큰 에너지 배리어에도 불구하고, 광전변환층(30)으로부터 제1 전극(10)으로 이동하는 전하(예컨대 전자)의 이동을 촉진하여 전하 추출 효율을 높일 수수 있다. 따라서 광전변환층(30)과 제1 전극(10) 사이의 인접한 층들 사이의 계면에서 원치 않게 머무는 잔류 전하(remaining charge carriers)를 줄여 누적된 잔류 전하들에 의한 이미지 잔상을 줄이거나 방지할 수 있다. 따라서 광전 소자의 전기적 성능을 개선할 수 있다.
전하수송층(40)은 수 나노미터 두께(40t)의 매우 얇은 박막일 수 있으며 예컨대 약 10 nm 이하, 예컨대 약 8 nm 이하, 예컨대 약 5 nm 이하, 예컨대 약 3 nm 이하, 예컨대 약 2 nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 전하수송층(40)은 예컨대 약 2 nm 내지 10 nm, 약 3 nm 내지 10 nm, 약 5 nm 내지 10 nm, 약 5 nm 내지 8 nm 의 두께를 가질 수 있다.
제1 전극(10)과 전하수송층(40) 사이에 추가적인 층(도시하지 않음)을 더 포함할 수 있다. 추가적인 층은 예컨대 전하주입층일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 전하주입층은 예컨대 리튬 퀴놀레이트를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
광전 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 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 소자를 설명한다.
도 2는 다른 구현예에 따른 광전 소자를 보여주는 단면도이다.
도 2를 참고하면, 본 구현예에 따른 광전 소자(100)는 전술한 구현예와 마찬가지로, 제1 전극(10), 제2 전극(20), 광전변환층(30) 및 전하수송층(40)을 포함한다.
그러나 전술한 구현예와 달리, 전하수송층(40)은 제1 전하수송층(43)과 제2 전하수송층(41)을 포함한다. 제1 전하수송층(43)과 제2 전하수송층(41)은 전술한 제1 전하수송물질(40-1)과 제2 전하수송물질(40-2) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 예로, 제1 전하수송층(43)은 제1 전하수송물질(40-1)을 포함할 수 있고 제2 전하수송층(41)은 제2 전하수송물질(40-2)을 포함할 수 있다.
일 예로, 제1 전하수송층(43)은 제2 전하수송물질(40-2)을 포함할 수 있고 제2 전하수송층(41)은 제1 전하수송물질(40-1)을 포함할 수 있다.
일 예로, 제1 전하수송층(43)과 제2 전하수송층(41)은 맞닿아 있을 수 있다. 예컨대 제1 전하수송층(43)의 일면은 광전변환층(30)에 맞닿아 있고 제1 전하수송층(43)의 다른 일면은 제2 전하수송층(41)에 맞닿아 있을 수 있다. 예컨대 제2 전하수송층(41)의 일면은 제1 전극(10)과 맞닿아 있고 제2 전하수송층(41)의 다른 일면은 제1 전하수송층(43)의 일면에 맞닿아 있을 수 있다. 예컨대 제1 전하수송층(43)의 일면은 광전변환층(30)에 맞닿아 있고 제1 전하수송층(43)의 다른 일면은 제2 전하수송층(41)에 맞닿아 있으며, 제2 전하수송층(41)의 다른 일면은 제1 전극(10)에 맞닿아 있을 수 있다.
일 예로, 제1 전하수송층(43)은 제2 전하수송층(41)보다 광전변환층(30)에 가까이에 위치할 수 있다.
제1 전하수송층(43) 및/또는 제2 전하수송층(41)은 전술한 제1 전하수송물질(40-1) 또는 제2 전하수송물질(40-2) 외에 다른 물질을 더 포함할 수 있다.
예컨대 제2 전하수송층(41)은 제1 전하수송물질(40-1) 및 제2 전하수송물질(40-2)과 각각 다른 제3 전하수송물질을 더 포함할 수 있다. 일 예로, 제3 전하수송물질은 유기물, 무기물 또는 유무기물일 수 있으며, 예컨대 금속 착체를 포함할 수 있으며, 예컨대 상기 금속 착체는 리튬 퀴놀레이트(LiQ)를 포함할 수 있다. 제3 전하수송물질은 제2 전하수송층(41)에 대하여 약 50부피% 미만으로 포함될 수 있으며, 상기 범위 내에서 약 40부피% 이하, 약 30부피% 이하, 약 20부피% 이하, 약 10부피% 이하 또는 약 5부피% 이하로 포함될 수 있다.
제1 전하수송층(43)은 예컨대 약 5nm 이하, 예컨대 약 4nm 이하, 예컨대 약 3nm 이하, 예컨대 약 2nm 이하, 예컨대 약 1nm 이하의 두께(43t)를 가질 수 있다.
제2 전하수송층(41)은 예컨대 약 5nm 이하, 예컨대 약 4nm 이하, 예컨대 약 3nm 이하, 예컨대 약 2nm 이하, 예컨대 약 1nm 이하의 두께(41t)를 가질 수 있다.
제1 전극(10)과 전하수송층(40) 사이에 추가적인 층(도시하지 않음)을 더 포함할 수 있다. 추가적인 층은 예컨대 전하주입층일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 전하주입층은 예컨대 리튬 퀴놀레이트를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하 또 다른 구현예에 따른 광전 소자를 설명한다.
도 3은 또 다른 구현예에 따른 광전 소자를 보여주는 단면도이다.
도 3을 참고하면, 본 구현예에 따른 광전 소자(100)는 전술한 구현예와 마찬가지로, 제1 전극(10), 제2 전극(20), 광전변환층(30) 및 전하수송층(40)을 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 광전 소자(100)는 전술한 구현예와 달리, 제2 전극(20)과 광전변환층(30) 사이에 전하 보조층(45)을 더 포함한다. 전하 보조층(45)은 광전변환층(30)에서 분리된 전하(예컨대 정공)의 이동을 용이하게 하여 효율을 높일 수 있다.
전하 보조층(45)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.
일 예로, 전하 보조층은 하기 화학식 2A 또는 2B로 표현되는 화합물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 2A]
Figure pat00009
[화학식 2B]
Figure pat00010
상기 화학식 2A 또는 2B에서,
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, 전하 보조층은 하기 화학식 2A-1 또는 2B-1로 표현되는 화합물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 2A-1]
Figure pat00011
[화학식 2B-1]
Figure pat00012
상기 화학식 2A-1 또는 2B-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, 전하 보조층은 하기 화학식 2A-1a 또는 2B-1a로 표현되는 화합물일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[화학식 2A-1a]
Figure pat00013
[화학식 2B-1a]
Figure pat00014
상기 화학식 2A-1a 또는 2B-1a에서, R38 내지 R45 및 Ro 및 Rn은 전술한 바와 같다.
전술한 광전 소자(100)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.
상기 광전 소자(100)는 예컨대 센서에 적용될 수 있으며 예컨대 센서의 일 예인 이미지 센서에 적용될 수 있다.
이하 상술한 광전 소자를 적용한 이미지 센서의 일 예에 대하여 도면을 참고하여 설명한다. 여기서는 이미지 센서의 일 예로 유기 CMOS 이미지 센서에 대하여 설명한다.
도 4는 일 구현예에 따른 이미지 센서의 일 예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
일 예로, 센서는 유기 CMOS 이미지 센서일 수 있다.
도 4를 참고하면, 일 구현예에 따른 이미지 센서(300)는 반도체 기판(110), 절연층(80), 광전 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. 전하 저장소(55)는 광전 소자(100)와 전기적으로 연결되어 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 관통구(85)를 가진다. 관통구(85)는 충전재로 채워져 있을 수 있다.
절연층(80) 위에는 전술한 광전 소자(100)가 형성되어 있다. 광전 소자(100)는 전술한 바와 같이 제1 전극(10), 전하수송층(40), 광전변환층(30) 및 제2 전극(20)을 포함한다. 제2 전극(20)은 수광 전극일 수 있다. 구체적인 설명은 전술한 바와 같다.
광전 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.
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 4에서는 도 1의 광전 소자(100)가 적층된 구조를 예시적으로 도시하였으나, 도 2 또는 도 3 중 어느 하나의 광전 소자(100)가 적층된 구조도 동일하게 적용될 수 있다.
도 5는 다른 구현예에 따른 이미지 센서의 일 예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5를 참고하면, 본 구현예에 따른 이미지 센서(400)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(400)는 전술한 구현예와 달리 광전 소자(100)의 제1 전극(10)과 제2 전극(20)의 위치가 바뀌어 있다. 즉 제1 전극(10)이 수광 전극일 수 있다.
도 5에서는 도 1의 광전 소자(100)가 적층된 구조를 예시적으로 도시하였으나, 도 2 또는 도 3 중 어느 하나의 광전 소자(100)가 적층된 구조도 동일하게 적용될 수 있다.
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(500)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 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 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 관통구를 가진다. 관통구는 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 광전 소자(100)가 형성되어 있다. 광전 소자(100)는 전술한 바와 같이 제1 전극(10), 전하수송층(40), 광전변환층(30) 및 제2 전극(20)을 포함한다. 구체적인 설명은 전술한 바와 같다.
광전 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 7에서는 도 1의 광전 소자(100)가 적층된 구조를 예시적으로 도시하였으나, 도 2의 광전 소자(100) 또는 도 3의 광전 소자(100)가 적층된 구조도 동일하게 적용될 수 있다.
도 8은 유기 CMOS 이미지 센서의 다른 예를 보여주는 단면도이다.
도 8을 참고하면, 본 구현예에 따른 이미지 센서(600)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 소자(100)를 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 이미지 센서(600)는 전술한 구현예와 달리 제1 전극(10)과 제2 전극(20)의 위치가 바뀌어 있다. 즉 제1 전극(10)이 수광 전극일 수 있다.
도 8에서는 도 1의 광전 소자(100)가 적층된 구조를 예시적으로 도시하였으나, 도 2의 광전 소자(100) 또는 도 3의 광전 소자(100)가 적층된 구조도 동일하게 적용될 수 있다.
도 9는 유기 CMOS 이미지 센서의 또 다른 예를 보여주는 단면도이다.
본 구현예에 따른 이미지 센서(700)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 광전 소자(100)를 포함한다.
그러나 본 구현예에 따른 이미지 센서(700)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 9에서는 도 1의 광전 소자(100)가 적층된 구조를 예시적으로 도시하였으나, 도 2의 광전 소자(100) 또는 도 3의 광전 소자(100)가 적층된 구조도 동일하게 적용될 수 있다.
도 10은 유기 CMOS 이미지 센서의 다른 예를 보여주는 단면도이다.
도 10을 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), 관통구(85)를 가진 상부 절연층(80) 및 광전 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)이 수광 전극일 수 있다.
도 10에서는 도 1의 광전 소자(100)가 적층된 구조를 예시적으로 도시하였으나, 도 2의 광전 소자(100) 또는 도 3의 광전 소자(100)가 적층된 구조도 동일하게 적용될 수 있다.
도 11은 또 다른 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서를 개략적으로 도시한 평면도이고, 도 12는 도 11의 유기 CMOS 이미지 센서의 단면도이다.
본 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서(900)는 녹색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 녹색 광전 소자, 청색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 청색 광전 소자 및 적색 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하는 적색 광전 소자가 적층되어 있는 구조이다.
본 구현예에 따른 유기 CMOS 이미지 센서(900)는 반도체 기판(110), 하부 절연층(60), 중간 절연층(65), 상부 절연층(80), 제1 광전 소자(100a), 제2 광전 소자(100b) 및 제3 광전 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 소자(100a)가 형성되어 있다.
제1 광전 소자(100a)는 서로 마주하는 제1 전극(10a)과 제2 전극(20a), 제1 전극(10a)과 제2 전극(20a) 사이에 위치하는 광전변환층(30a) 및 전하수송층(40a)을 포함한다. 제1 전극(10a), 제2 전극(20a), 광전변환층(30) 및 전하수송층(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 소자(100a)는 적색 광전 소자일 수 있다.
제1 광전 소자(100a) 위에는 중간 절연층(65)이 형성되어 있다.
중간 절연층(65) 위에는 제2 광전 소자(100b)가 형성되어 있다.
제2 광전 소자(100b)는 서로 마주하는 제1 전극(10b)과 제2 전극(20b), 제1 전극(10b)과 제2 전극(20b) 사이에 위치하는 광전변환층(30b), 그리고 전하수송층(40b)을 포함한다. 제1 전극(10b), 제2 전극(20b), 광전변환층(30b) 및 전하수송층(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 소자(100b)는 청색 광전 소자일 수 있다.
제2 광전 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 광전 소자(100c)가 형성되어 있다. 제3 광전 소자(100c)는 서로 마주하는 제1 전극(10c)과 제2 전극(20c), 제1 전극(10c)과 제2 전극(20c) 사이에 위치하는 광전변환층(30c), 그리고 전하수송층(40c)을 포함한다. 제1 전극(10c), 제2 전극(20c), 광전변환층(30c) 및 전하수송층(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 소자(100c)는 녹색 광전 소자일 수 있으며, 전술한 광전 소자(100)가 적용될 수 있다.
광전 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 소자(100a), 제2 광전 소자(100b) 및 제3 광전 소자(100c)로서 도 1의 광전 소자(100)를 예시적으로 도시하였으나, 도 2 또는 도3에 도시된 광전 소자(100)도 동일하게 적용될 수 있다.
도면에서는 제1 광전 소자(100a), 제2 광전 소자(100b) 및 제3 광전 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 소자(100a), 제2 광전 소자(100b) 및 제3 광전 소자(100c)가 적층된 구조를 가짐으로써 이미지 센서의 크기를 더욱 줄여 소형화 이미지 센서를 구현할 수 있다.
도 13은 유기 CMOS 이미지 센서의 다른 예를 보여주는 단면도이다.
도 13을 참고하면, 본 구현예에 따른 이미지 센서(1000)는 전술한 구현예와 마찬가지로 반도체 기판(110), 하부 절연층(60), 중간 절연층(65), 상부 절연층(80), 제1 광전 소자(100a), 제2 광전 소자(100b) 및 제3 광전 소자(100c)를 포함한다. 그러나 전술한 구현예와 달리, 제1 광전 소자(100a), 제2 광전 소자(100b) 및 제3 광전 소자(100c)의 제1 전극(10)과 제2 전극(20)의 위치가 바뀌어 있다. 즉 제1 전극(10)이 수광 전극일 수 있다.
상술한 광전 소자 및 이미지 센서는 각각 다양한 전자 장치에 적용될 수 있으며, 예컨대 모바일 폰, 디지털 카메라 등에 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
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 3으로 표현되는 화합물을 증착하여 5nm 두께의 전하보조층을 형성한다. 이어서 전하보조층 위에 하기 화학식 4로 표현되는 p형 반도체(λmax: 545nm, HOMO: 5.55eV, LUMO: 3.54eV)와 플러렌(C60, HOMO: 6.40eV, LUMO: 4.23eV)인 n형 반도체를 1:1 부피비로 공증착하여 100nm 두께의 광전변환층을 형성한다. 이어서 광전변환층 위에 하기 화학식 1-1로 표현되는 화합물을 증착하여 4nm 두께의 제1 전하수송층(HOMO: 6.12eV, LUMO: 2.65eV)을 형성하고, 제1 전하수송층 위에 하기 화학식 2-1로 표현되는 화합물을 증착하여 1nm 두께의 제2 전하수송층(HOMO: 6.26eV, LUMO: 2.68eV)을 형성하여 총 5nm 두께의 전하수송층을 형성한다. 이어서 무기 나노층 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 소자를 제작한다.
[화학식 1-1]
Figure pat00015
[화학식 2-1]
Figure pat00016
[화학식 3]
Figure pat00017
[화학식 4]
Figure pat00018
실시예 2
3nm 두께의 제1 전하수송층을 형성하고, 2nm 두께의 제2 전하수송층을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 광전소자를 제작한다.
실시예 3
2nm 두께의 제1 전하수송층을 형성하고, 3nm 두께의 제2 전하수송층을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 광전소자를 제작한다.
비교예 1
제1 및 제2 전하수송층을 형성하지 않은 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 광전 소자를 제작한다.
비교예 2
제1 및 제2 전하수송층 대신 광전변환층 위에 상기 화학식 1-1로 표현되는 화합물을 증착하여 5nm 두께의 단일 전하수송층을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 광전소자를 제작한다.
비교예 3
제1 및 제2 전하수송층 대신 광전변환층 위에 상기 화학식 2-1로 표현되는 화합물을 증착하여 5nm 두께의 단일 전하수송층을 형성한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 광전소자를 제작한다.
평가 I
실시예와 비교예에 따른 광전 소자의 잔류 전자(remaining electrons) 특성을 평가한다.
잔류 전자 특성은 일 프레임(frame)에서 광전변환된 전하가 신호처리에 사용되지 않고 남아있어 다음 프레임에서 이전 프레임의 전하가 읽혀지는 전하의 양을 말하는 것으로, 실시예와 비교예에 따른 광전 소자를 180℃에서 3시간 동안 열처리한 후에 광전변환이 일어날 수 있는 파장 영역의 빛(예컨대 녹색 파장 영역의 빛)을 일정 시간 조사하고 빛을 끈 후 Keithley 2400 장비로 10-6 초 단위로 측정되는 전류량으로부터 평가한다.
그 결과는 표 1 및 표 2와 같다.
잔류전자 (e-)
68 lux
실시예 1 3.95
실시예 3 3.73
비교예 1 4.94
비교예 2 8.13
비교예 3 99.2
잔류전자 (e-)
5,000 lux
실시예 1 115
실시예 2 153
실시예 3 169
비교예 3 5556
표 1 및 표 2를 참고하면, 실시예에 따른 광전 소자는 비교예에 따른 광전 소자와 비교하여 잔류 전자 특성이 개선된 것을 확인할 수 있다.
평가 II
실시예와 비교예에 따른 광전 소자의 광전변환효율을 평가한다.
광전변환효율(EQE)는 400nm 내지 720nm 파장 영역에서 Incident Photon to Current Efficiency (IPCE) 방법으로 평가한다.
그 결과는 도 14와 같다.
도 14는 실시에 1 내지 3 및 비교에 1의 광전 소자에 대한 광전변환효율을 보여주는 그래프이다.
도 14를 참고하면, 실시예에 따른 광전 소자는 비교예에 따른 광전 소자와 비교하여 동등한 수준의 광전변환효율을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이로부터 실시예에 따른 광전 소자는 비교예에 따른 광전 소자와 비교하여 광전변환효율의 실질적인 감소 없이 잔류전자 특성이 개선될 수 있음을 확인할 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
30-1: p형 반도체 30-2: n형 반도체
30j: pn 접합
40, 40a, 40b, 40c: 전하수송층
40-1: 제1 전하수송물질 40-2: 제2 전하수송물질
40h: 이종접합
40i: 제1 전하수송물질과 제2 전하수송물질의 계면
40t: 전하수송층의 두께
41: 제2 전하수송층 41t: 제2 전하수송층의 두께
43: 제1 전하수송층 43t: 제1 전하수송층의 두께
45: 전하 보조층
50a, 50b, 50c: 광 감지 소자
60: 하부 절연막 70: 색 필터
80: 상부 절연막 85: 관통구
100: 광전 소자
110: 반도체 기판
300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000: 이미지 센서

Claims (23)

  1. 제1 전극;
    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 이종접합을 형성하는 제1 전하수송물질과 제2 전하수송물질을 포함하는 전하수송층
    을 포함하는 광전 소자.
  2. 제1항에서,
    상기 전하수송층은 상기 제1 전하수송물질과 제2 전하수송물질의 계면에서 양 전하를 띄는 광전 소자.
  3. 제1항에서,
    상기 제1 전하수송물질의 에너지 밴드갭과 상기 제2 전하수송물질의 에너지 밴드갭의 차이는 0 초과 0.2eV 이하인 광전 소자.
  4. 제1항에서,
    상기 제1 전하수송물질의 LUMO 에너지 준위와 상기 제2 전하수송물질의 LUMO 에너지 준위의 차이는 0.05eV 이하인 광전 소자.
  5. 제4항에서,
    상기 광전변환층은 pn 접합을 형성하는 p형 반도체와 n형 반도체를 포함하고,
    상기 n형 반도체의 LUMO 에너지 준위와 상기 제1 전하수송물질의 LUMO 에너지 준위의 차이는 1.2eV 이상이고,
    상기 n형 반도체의 LUMO 에너지 준위와 상기 제2 전하수송물질의 LUMO 에너지 준위의 차이는 1.2eV 이상인 광전 소자.
  6. 제1항에서,
    상기 제1 전하수송물질과 상기 제2 전하수송물질은 각각 비흡광 물질인 광전 소자.
  7. 제1항에서,
    상기 제1 전하수송물질과 상기 제2 전하수송물질은 서로 다른 구조를 가진 유기 물질이고,
    상기 제1 전하수송물질과 상기 제2 전하수송물질은 각각 질소함유고리와 시아노기를 가지는 광전 소자.
  8. 제1항에서,
    상기 제1 전하수송물질은 하기 화학식 1로 표현되는 광전 소자:
    [화학식 1]
    Figure pat00019

    상기 화학식 1에서,
    X1 내지 X3은 각각 독립적으로 CRa 또는 N이고,
    X1 내지 X3 중 적어도 둘은 N이며,
    M1은 O, S, Se, Te 또는 NRb 이며,
    Ra와 Rb는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기이고,
    Rc와 Rd는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로고리기 또는 시아노기이며,
    L1 내지 L3는 각각 독립적으로 단일 결합, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C6 알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴렌기, 또는 이들의 조합이고,
    R11 내지 R14는 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.
  9. 제8항에서,
    X1 내지 X3은 각각 N이고,
    M1은 O 또는 S 이며,
    L1 내지 L3는 각각 독립적으로 단일 결합 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴렌기이고,
    Rc와 Rd는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기 또는 시아노기이며,
    R11 내지 R14는 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 시아노기인 광전 소자.
  10. 제1항에서,
    상기 제2 전하수송물질은 하기 화학식 2로 표현되는 광전 소자:
    [화학식 2]
    Figure pat00020

    상기 화학식 2에서,
    X4 내지 X6은 각각 독립적으로 CRe 또는 N이고,
    X4 내지 X6 중 적어도 둘은 N이며,
    Re은 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기이고,
    Rf 내지 Rh는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로고리기 또는 시아노기이며,
    L4 내지 L6은 각각 독립적으로 단일 결합, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C6 알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴렌기, 또는 이들의 조합이다.
  11. 제10항에서,
    X4 내지 X6은 각각 N이고,
    Rf 내지 Rh는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로고리기 또는 시아노기이며,
    L4 내지 L6은 각각 독립적으로 단일 결합 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴렌기인 광전 소자.
  12. 제1항에서,
    상기 전하수송층의 두께는 10nm 이하인 광전 소자.
  13. 제1항에서,
    상기 전하수송층은 상기 제1 전하수송물질을 포함하는 제1 전하수송층과 상기 제2 전하수송물질을 포함하는 제2 전하수송층을 포함하는 광전 소자.
  14. 제13항에서,
    상기 제1 전하수송층과 제2 전하수송층은 서로 맞닿아 있는 광전 소자.
  15. 제14항에서,
    상기 제1 전하수송물질의 LUMO 에너지 준위는 상기 제2 전하수송물질의 LUMO 에너지 준위보다 얕고,
    상기 제1 전하수송층은 상기 제2 전하수송층보다 광전변환층에 가까이에 위치하는 광전 소자.
  16. 제15항에서,
    상기 제2 전하수송층은 상기 제1 전하수송물질 및 상기 제2 전하수송물질과 각각 다른 제3 전하수송물질을 더 포함하는 광전 소자.
  17. 제16항에서,
    상기 제3 전하수송물질은 리튬 퀴놀레이트(lithium Quinolate)를 포함하는 광전 소자.
  18. 제13항에서,
    상기 제1 전하수송층과 상기 제2 전하수송층의 두께는 각각 5nm 이하인 광전 소자.
  19. 제1 전극;
    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 하기 화학식 1로 표현되는 제1 전하수송물질과 하기 화학식 2로 표현되는 제2 전하수송물질을 포함하는 전하수송층
    을 포함하는 광전 소자:
    [화학식 1]
    Figure pat00021

    상기 화학식 1에서,
    X1 내지 X3은 각각 독립적으로 CRa 또는 N이고,
    X1 내지 X3 중 적어도 둘은 N이며,
    M1은 O, S, Se, Te 또는 NRb 이며,
    Ra와 Rb는 각각 독립적으로 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기이고,
    Rc와 Rd는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로고리기 또는 시아노기이며,
    L1 내지 L3는 각각 독립적으로 단일 결합, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C6 알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴렌기, 또는 이들의 조합이고,
    R11 내지 R14는 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;
    [화학식 2]
    Figure pat00022

    상기 화학식 2에서,
    X4 내지 X6은 각각 독립적으로 CRe 또는 N이고,
    X4 내지 X6 중 적어도 둘은 N이며,
    Re은 수소, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C30 알킬기 또는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기이고,
    Rf 내지 Rh는 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴기, 치환 또는 비치환된 C3 내지 C30 헤테로고리기 또는 시아노기이며,
    L4 내지 L6은 각각 독립적으로 단일 결합, 치환 또는 비치환된 C1 내지 C6 알킬렌기, 치환 또는 비치환된 C6 내지 C30 아릴렌기, 또는 이들의 조합이다.
  20. 제19항에서,
    상기 전하수송층은 상기 제1 전하수송물질과 제2 전하수송물질의 계면에서 양 전하를 띄는 광전 소자.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따른 광전 소자를 포함하는 센서.
  22. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따른 광전 소자를 포함하는 전자 장치.
  23. 제21항에 따른 센서를 포함하는 전자 장치.
KR1020200045432A 2019-11-01 2020-04-14 광전 소자, 센서 및 전자 장치 KR20210053141A (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/887,405 US11563186B2 (en) 2019-11-01 2020-05-29 Photoelectric devices having charge transport layer including first charge transport material and second charge transport material and sensors and electronic devices having the same
US18/150,888 US20230157167A1 (en) 2019-11-01 2023-01-06 Photoelectric devices and sensors and electronic devices

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20190138740 2019-11-01
KR1020190138740 2019-11-01

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20210053141A true KR20210053141A (ko) 2021-05-11

Family

ID=75915081

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200045432A KR20210053141A (ko) 2019-11-01 2020-04-14 광전 소자, 센서 및 전자 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20210053141A (ko)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102589215B1 (ko) 유기 광전 소자, 이미지 센서 및 전자 장치
US10854832B2 (en) Photoelectric devices and image sensors and electronic devices
KR102285797B1 (ko) 유기 광전 소자, 이미지 센서 및 전자 장치
KR102529631B1 (ko) 유기 광전 소자 및 이미지 센서
KR102573162B1 (ko) 플러렌 유도체, 광전 소자 및 이미지 센서
KR102314127B1 (ko) 유기 광전 소자 및 이미지 센서
KR102612436B1 (ko) 광전 소자, 이미지 센서 및 전자 장치
US11437438B2 (en) Photoelectric conversion devices and organic sensors and electronic devices
US11631819B2 (en) Photoelectric conversion device, organic sensor and electronic device
EP3910677A1 (en) Sensors and electronic devices
EP3739642A1 (en) Photoelectric conversion devices and organic sensors and electronic devices
US20210242271A1 (en) Image sensors and electronic devices
KR20210027102A (ko) 소자, 센서 및 전자 장치
KR20210053141A (ko) 광전 소자, 센서 및 전자 장치
US20230157167A1 (en) Photoelectric devices and sensors and electronic devices
KR20200056289A (ko) 광전 변환 소자, 유기 센서 및 전자 장치
KR20210054306A (ko) 광전 변환 소자, 센서 및 전자 장치
KR20200143089A (ko) 유기 센서 및 전자 장치
EP3660935A1 (en) Photoelectric conversion devices and organic sensors and electronic devices
KR20220056803A (ko) 센서 및 전자 장치
KR20210143130A (ko) 적외선 흡수용 조성물 및 이를 포함하는 광전 소자, 유기 센서 및 전자 장치
JP2021040133A (ja) 素子とセンサー及び電子装置
KR20200132778A (ko) 유기 광전 소자, 이미지 센서 및 전자 장치
JP2020088386A (ja) 光電変換素子及びこれを含む有機センサ並びに電子装置

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination