KR20220023548A - 포토 다이오드 - Google Patents

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KR20220023548A
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Abstract

본 개시는 포토 다이오드에 관한 것으로, 일 실시예에 의한 포토 다이오드는 제1 전극, 상기 제1 전극 위에 위치하는 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 양자점, 상기 제1 전극과 상기 양자점 사이에 위치하는 P형 산화물 반도체, 및 상기 제2 전극과 상기 양자점 사이에 위치하는 N형 산화물 반도체를 포함하고, 상기 제1 전극, 상기 제2 전극, 상기 양자점, 상기 P형 산화물 반도체, 및 상기 N형 산화물 반도체는 무기물을 포함한다.

Description

포토 다이오드{PHOTO DIODE}
본 개시는 포토 다이오드에 관한 것이다.
포토 다이오드는 반도체 다이오드의 일종으로 광다이오드라고도 하며, 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 광센서의 한 종류이다. 반도체의 PN 접합부에 광검출 기능을 추가한 것으로, 빛이 다이오드에 닿으면 전자와 양의 전하 정공이 생겨서 전류가 흐르며, 전압의 크기는 빛의 강도에 거의 비례한다.
포토 다이오드는 응답속도가 빠르고, 감도 파장이 넓으며, 광전류의 직진성이 양호하다는 특징이 있다. 이러한 포토 다이오드는 가스 센서, 광통신, 디지털 이미징, 디스플레이 등에 적용될 수 있다.
이러한 포토 다이오드를 제조하는 공정 중 일부 또는 전체가 진공 상태에서 이루어질 경우 고가의 제조 설비가 필요하여 비용이 증가한다는 문제점이 있다. 또한, 포토 다이오드를 구성하는 물질이 유기물을 포함할 수 있고, 이에 따라 소자 안정성이 낮아질 수 있다. 또한, 포토 다이오드를 플렉서블 장치에 적용할 경우 구부러지는 특징에 취약할 수 있다.
실시예들은 비용을 절감할 수 있고, 소자 안정성을 향상시킬 수 있으며, 구부러짐에 안정적인 특성을 가지는 포토 다이오드를 제공하기 위한 것이다.
일 실시예에 의한 포토 다이오드는 제1 전극, 상기 제1 전극 위에 위치하는 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 양자점, 상기 제1 전극과 상기 양자점 사이에 위치하는 P형 산화물 반도체, 및 상기 제2 전극과 상기 양자점 사이에 위치하는 N형 산화물 반도체를 포함하고, 상기 제1 전극, 상기 제2 전극, 상기 양자점, 상기 P형 산화물 반도체, 및 상기 N형 산화물 반도체는 무기물을 포함한다.
상기 P형 산화물 반도체는 Cu2SnS3-Ga2O3를 포함할 수 있다.
상기 양자점은 적색 양자점 및 단파장 적외선 양자점 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 양자점은 CdZnSeS/ZnS 및 황화납(PbS) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 N형 산화물 반도체는 리튬이 도핑되어 있는 아연 산화물(LZO) 및 아연 산화물 나노 입자(ZnO nanoparticle) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극은 인듐 주석 산화물을 포함하고, 상기 제2 전극은 알루미늄을 포함할 수 있다.
일 실시예에 의한 포토 다이오드는 구부러지는 재질로 이루어지는 기판을 더 포함하고, 상기 제1 전극은 상기 기판 위에 위치할 수 있다.
일 실시예에 의한 포토 다이오드는 상기 기판과 상기 제1 전극 사이에 위치하는 베리어층, 및 상기 제2 전극 위에 위치하고 구부러지는 재질로 이루어지는 덮개막을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 의한 포토 다이오드는 제1 전극, 상기 제1 전극 위에 위치하는 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 양자점, 상기 제1 전극과 상기 양자점 사이에 위치하는 P형 산화물 반도체, 및 상기 제2 전극과 상기 양자점 사이에 위치하는 N형 산화물 반도체를 포함하고, 상기 P형 산화물 반도체는 Cu2SnS3-Ga2O3를 포함할 수 있다.
상기 양자점은 CdZnSeS/ZnS 및 황화납(PbS) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 N형 산화물 반도체는 리튬이 도핑되어 있는 아연 산화물(LZO) 및 아연 산화물 나노 입자(ZnO nanoparticle) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극은 인듐 주석 산화물을 포함하고, 상기 제2 전극은 알루미늄을 포함할 수 있다.
일 실시예에 의한 포토 다이오드는 상기 제1 전극의 아래에 위치하고, 구부러지는 재질로 이루어지는 기판, 상기 기판과 상기 제1 전극 사이에 위치하는 베리어층, 및 상기 제2 전극 위에 위치하고 구부러지는 재질로 이루어지는 덮개막을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 의한 포토 다이오드의 제조 방법은 제1 전극을 마련하는 단계, 상기 제1 전극 위에 P형 산화물 반도체를 형성하는 단계, 상기 P형 산화물 반도체 위에 양자점을 형성하는 단계, 상기 양자점 위에 N형 산화물 반도체를 형성하는 단계, 및 상기 N형 산화물 반도체 위에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 P형 산화물 반도체를 형성하는 단계, 상기 양자점을 형성하는 단계, 및 상기 N형 산화물 반도체를 형성하는 단계는 각각 용액을 이용하여 이루어질 수 있다.
상기 P형 산화물 반도체를 형성하는 단계는 Cu2SnS3-Ga2O3 용액, 몰리브덴 산화물(MoOx) 용액 및 아연 산화물(ZnO)이 도핑된 몰리브덴 산화물(MoOx) 용액 중 적어도 어느 하나를 스핀 코팅하고, 어닐링 공정을 진행하여 상기 P형 산화물 반도체를 형성할 수 있다.
상기 양자점은 적색 양자점 및 단파장 적외선 양자점 중 적어도 어느 하나를 을 포함할 수 있다.
상기 양자점을 형성하는 단계는 CdZnSeS/ZnS 양자점 용액 및 황화납(PbS) 양자점 용액 중 적어도 어느 하나와 유기 용매를 스핀 코팅하고, 어닐링 공정을 진행하여 상기 양자점을 형성할 수 있다.
상기 N형 산화물 반도체를 형성하는 단계는 리튬이 도핑된 아연 산화물(LZO) 용액 및 아연 산화물 나노 입자(ZnO nanoparticle) 용액 중 적어도 어느 하나를 스핀 코팅하고, 어닐링 공정을 진행하여 상기 N형 산화물 반도체를 형성할 수 있다.
상기 제1 전극은 인듐 주석 산화물을 포함하고, 상기 제2 전극은 알루미늄을 포함할 수 있다.
일 실시예에 의한 포토 다이오드의 제조 방법은 상기 제1 전극을 형성하기 전에 캐리어 글래스 위에 구부러지는 재질로 이루어지는 기판을 형성하는 단계, 및 상기 제2 전극을 형성한 후 상기 기판으로부터 상기 캐리어 글래스를 제거하는 단계를 더 포함하고, 상기 제1 전극은 상기 기판 위에 형성할 수 있다.
실시예들에 따르면, 포토 다이오드를 제조하는 공정이 진공 상태에서 진행되지 않음으로써, 비용을 절감할 수 있다.
또한, 포토 다이오드를 구성하는 물질들이 무기물을 포함하여 소자 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 구부러짐에 안정적인 특성을 가지는 물질들로 포토 다이오드를 구성함으로써, 플렉서블 장치에 활용이 가능하다.
도 1은 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 개략적인 사시도이다.
도 2는 Cu2SnS3-Ga2O3 및 리튬이 도핑되어 있는 아연 산화물(LZO)의 타우 그래프(Tauc plot)다.
도 3은 Cu2SnS3-Ga2O3, 리튬이 도핑되어 있는 아연 산화물(LZO), 및 이들이 적층된 상태에서 파장 별 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 4는 적색 양자점의 파장 별 광루미네선스의 발광 강도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 Cu2SnS3-Ga2O3, 리튬이 도핑되어 있는 아연 산화물(LZO), 적색 양자점(CdZnSeS/ZnS), 및 이들이 적층된 상태에서의 파장 별 흡광도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 에너지 밴드 다이어그램(Energy Band Diagram)을 나타낸 도면이다.
도 7 내지 도 10은 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 광이 입사되지 않은 상태, 광이 입사되었을 때, 광이 입사된 후 즉, 광의 입사가 중지된 상태에서의 전류 밀도와 전압의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 11 내지 도 14는 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 광이 입사되지 않은 초기 상태, 1 Lux의 광이 입사되었을 때, 10 Lux의 광이 입사되었을 때, 100 Lux의 광이 입사되었을 때, 1000 Lux의 광이 입사되었을 때의 전류 밀도와 전압의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 15 내지 도 18은 비교예에 의한 포토 다이오드에 광이 입사되지 않은 상태(Dark), 광이 입사되었을 때, 광이 입사된 후 즉, 광의 입사가 중지된 상태에서의 전류 밀도와 전압의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 19는 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 광이 입사되지 않은 상태, 광이 입사되었을 때, 비교예에 의한 포토 다이오드에 광이 입사되지 않은 상태, 광이 입사되었을 때의 전류 밀도와 전압의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 20은 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 각 파장의 광이 입사되었을 때 조도와 응답도의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 21은 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 각 파장의 광이 입사되었을 때 조도와 검출능의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 22는 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 전압과 시간의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 23은 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 인가되는 광의 파장에 따른 응답도 및 검출능을 나타낸 그래프이다.
도 24는 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 인가되는 광의 파장에 다른 외부 양자 효율을 나타낸 그래프이다.
도 25는 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 인가되는 광의 출력 밀도에 다른 암전류와 광전류의 비를 나타낸 그래프이다.
도 26은 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 개략적인 사시도이다.
도 27은 일 실시예에 의한 포토 다이오드를 캐리어 글래스로부터 제거하기 전과 제거한 후의 전류 밀도와 전압의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 28은 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 벤딩 테스트에 사용되는 장비의 개략적인 구조도이다.
도 29는 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 벤딩 테스트에 실제 사용되는 장비의 도면이다.
도 30은 일 실시예에 의한 포토 다이오드를 구부리기 전과 구부린 후의 전류 밀도와 전압의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 31은 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 제조 방법을 순차적으로 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 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. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향 쪽으로 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
먼저, 도 1을 참조하여 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 구조에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 1은 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 개략적인 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 의한 포토 다이오드는 제1 전극(210)과 제2 전극(250), 그리고 이들 사이에 위치하는 P형 산화물 반도체(220), 양자점(230) 및 N형 산화물 반도체(240)를 포함한다.
제1 전극(210)은 금속 또는 투명한 금속 산화물로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 제1 전극(210)은 인듐 주석 산화물(ITO)을 포함할 수 있다. 다만, 제1 전극(210)의 물질은 하나의 예시에 불과하며, 다양한 물질로 대체될 수 있다. 제1 전극(210)은 포토 다이오드의 애노드 전극으로 사용될 수 있다. 포토 다이오드는 입사되는 광으로부터 전류를 생성하는 장치로서, 광은 제1 전극(210)으로 입사된다. 즉, 광의 입사 방향(500)은 포토 다이오드의 하부면이다.
제2 전극(250)은 제1 전극(210) 위에 위치할 수 있다. 제2 전극(250)은 금속 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 제2 전극(250)은 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다. 다만, 제2 전극(250)의 물질은 하나의 예시에 불과하며, 다양한 물질로 대체될 수 있다. 제2 전극(250)은 포토 다이오드의 캐소드 전극으로 사용될 수 있다.
양자점(230)은 제1 전극(210)과 제2 전극(250) 사이에 위치할 수 있다. 양자점(230)은 넓은 영역에 용액 공정으로 형성할 수 있고, 양자 크기 효과(Quantum size effect)를 통해 조정 가능한 밴드 갭을 가지고 있어, 발광 소자, 태양 전지, 광센서 등에서 광 감지 물질로 사용될 수 있다. 포토 다이오드가 양자점(230)을 포함함으로써, 자외선, 가시광선, 적외선 영역의 광을 모두 감지할 수 있다. 양자점(230)은 적색 양자점 및 단파장 적외선(SWIR, Short Wave InfraRed) 양자점 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 적색 양자점, 단파장 적외선 양자점은 가시광선, 자외선 영역의 광에 대해 높은 광 흡수율을 가질 수 있다. 예를 들면, 양자점(230)은 CdZnSeS/ZnS, 황화납(PbS) 등과 같은 물질을 포함할 수 있다.
P형 산화물 반도체(220)는 제1 전극(210) 위에 위치할 수 있다. P형 산화물 반도체(220)는 제1 전극(210)과 양자점(230) 사이에 위치할 수 있다. P형 산화물 반도체(220)는 P형의 산화물 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, P형 산화물 반도체(220)는 Cu2SnS3-Ga2O3, 몰리브덴 산화물(MoOx), 아연 산화물(ZnO)이 도핑된 몰리브덴 산화물(MoOx) 등과 같은 물질을 포함할 수 있다. Cu2SnS3-Ga2O3는 높은 홀 이동도(hall mobility)를 가지고, 높은 광 밴드 갭(optical band gap)을 가진다. Cu2SnS3-Ga2O3의 홀 이동도는 약 36.22cm2/Vs이고, Cu2SnS3-Ga2O3의 광 밴드 갭은 약 3.8eV이다. 다만, P형 산화물 반도체(220)의 물질이 이에 한정되는 것은 아니며, Cu2SnS3-Ga2O3와 유사한 특성을 가지는 다른 물질로 대체될 수도 있으며, 이는 본 발명의 범위에 포함된다. P형 산화물 반도체(220)는 정공 수송층(Hole Transport Layer), 전자 저지층(Electron Blocking Layer)으로 사용될 수 있다.
N형 산화물 반도체(240)는 양자점(230) 위에 위치할 수 있다. N형 산화물 반도체(240)는 제2 전극(250)과 양자점(230) 사이에 위치할 수 있다. N형 산화물 반도체(240)는 N형의 산화물 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, N형 산화물 반도체(240)는 리튬이 도핑되어 있는 아연 산화물(LZO), 아연 산화물 나노 입자(ZnO nanoparticle) 등과 같은 물질을 포함할 수 있다. N형 산화물 반도체 물질로서, 높은 전자 이동도(electron mobility)를 가지고, 가시광 영역의 광에 대한 높은 투과율을 가지며, 제조 방법이 비교적 간단하고, 양자점(230)으로 효율적인 전자 주입이 가능한 아연 산화물(ZnO)을 고려할 수 있다. 다만, 아연 산화물(ZnO)을 N형 산화물 반도체 물질로 사용할 경우 표면 결함이 발생할 수 있으며, 이로 인해 엑시톤 퀀칭(exciton quenching) 현상이 일어날 수 있다. 일 실시예에 의한 포토 다이오드는 리튬이 도핑되어 있는 아연 산화물(LZO) 등과 같은 물질로 N형 산화물 반도체(240)를 형성함으로써, 이러한 문제점을 해결할 수 있다. 리튬이 도핑되어 있는 아연 산화물(LZO)은 아연 산화물(ZnO)에 비해 높은 전도성을 가질 수 있다. 다만, N형 산화물 반도체(240)의 물질이 이에 한정되는 것은 아니며, 리튬이 도핑되어 있는 아연 산화물(LZO)과 유사한 특성을 가지는 다른 물질로 대체될 수도 있으며, 이는 본 발명의 범위에 포함된다. N형 산화물 반도체(240)는 전자 수송층(Electron Transporting Layer), 정공 저지층(Hole Blocking Layer)으로 사용될 수 있다.
일 실시예에 의한 포토 다이오드를 구성하는 제1 전극(210), P형 산화물 반도체(220), 양자점(230), N형 산화물 반도체(240) 및 제2 전극(250)은 무기물로 이루어질 수 있다. 이처럼 포토 다이오드를 구성하는 물질들이 무기물로 이루어짐으로써, 유기물이 포함되는 경우에 비해 소자 안정성을 향상시킬 수 있다.
이하에서는 도 2를 참조하여 P형 산화물 반도체(220)에 포함되어 있는 Cu2SnS3-Ga2O3 및 N형 산화물 반도체(240)에 포함되어 있는 리튬이 도핑되어 있는 아연 산화물(LZO)의 광 밴드 갭(Optical Band Gap)에 대해 설명한다.
도 2는 Cu2SnS3-Ga2O3 및 리튬이 도핑되어 있는 아연 산화물(LZO)의 타우 그래프(Tauc plot)다.
도 2로부터 Cu2SnS3-Ga2O3의 광 밴드 갭이 약 3.8eV이고, 리튬이 도핑되어 있는 아연 산화물(LZO)의 광 밴드 갭이 약 3.4eV임을 알 수 있다. 즉, Cu2SnS3-Ga2O3 및 리튬이 도핑되어 있는 아연 산화물(LZO)은 와이드 밴드 갭(Wide Band Gap) 특성을 가질 수 있다.
이어, 도 3을 참조하여 P형 산화물 반도체(220)에 포함되어 있는 Cu2SnS3-Ga2O3, N형 산화물 반도체(240)에 포함되어 있는 리튬이 도핑되어 있는 아연 산화물(LZO), 및 이들이 적층된 상태에서의 투과율에 대해 설명한다.
도 3은 Cu2SnS3-Ga2O3, 리튬이 도핑되어 있는 아연 산화물(LZO), 및 이들이 적층된 상태에서 파장 별 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 3에 도시된 바와 같이, Cu2SnS3-Ga2O3의 경우 자외선, 가시광선, 적외선 대부분의 파장 대역에서 90% 이상의 높은 투과율을 나타내고 있다. 리튬이 도핑되어 있는 아연 산화물(LZO)의 경우 가시광선, 적외선 파장 대역에서 90 % 이상의 높은 투과율을 나타내고 있다. Cu2SnS3-Ga2O3 및 리튬이 도핑되어 있는 아연 산화물(LZO)이 적층된 상태에서도 가시광선, 적외선 파장 대역에서 90 % 이상의 높은 투과율을 나타내고 있다. 즉, Cu2SnS3-Ga2O3, 리튬이 도핑되어 있는 아연 산화물(LZO), 및 이들이 적층된 경우에는 가시광선 파장 대역에서 90 % 이상의 투과율을 가질 수 있다. 따라서, Cu2SnS3-Ga2O3 및 리튬이 도핑되어 있는 아연 산화물(LZO)은 포토 다이오드의 구성 물질로서 적합하다.
이어, 도 4를 참조하여 적색 양자점의 광루미네선스(PL, Photo luminescence) 특성에 대해 설명한다.
도 4는 적색 양자점의 파장 별 광루미네선스의 발광 강도를 나타낸 그래프이다.
도 4에 도시된 바와 같이 적색 양자점의 경우 광을 흡수하여 약 600 nm 내지 약 750 nm의 광을 방출할 수 있다. 이때, 피크 방출 파장은 약 680 nm이다.
이어, 도 5를 참조하여 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 구성 물질의 흡광도에 대해 설명한다.
도 5는 Cu2SnS3-Ga2O3, 리튬이 도핑되어 있는 아연 산화물(LZO), 적색 양자점(CdZnSeS/ZnS), 및 이들이 적층된 상태에서의 파장 별 흡광도를 나타낸 그래프이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 적색 양자점(CdZnSeS/ZnS)의 경우 가시광선과 자외선 파장에서 높은 흡광도를 가지는 것을 확인할 수 있다. 또한, Cu2SnS3-Ga2O3, 적색 양자점(CdZnSeS/ZnS), 및 리튬이 도핑되어 있는 아연 산화물(LZO)이 적층되어 있는 경우에도 가시광선과 자외선 파장에서 높은 흡광도를 가지는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 적색 양자점은 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 구성 물질로서 적합하다. 마찬가지로 적색 양자점과 유사한 특성을 가지는 단파장 적외선 양자점의 경우에도 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 구성 물질로서 적합하다.
이어, 도 1 및 도 6을 참조하여 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 에너지 밴드에 대해 설명한다.
도 6은 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 에너지 밴드 다이어그램(Energy Band Diagram)을 나타낸 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 역방향 바이어스가 인가된 경우 금속 산화물의 전하 저지(charge blocking) 특성에 의해 제1 전극(210) 및 제2 전극(250)으로부터 각각 전자와 정공의 주입이 억제될 수 있다. 발광 시에는 금속 산화물이 양자점(230)에서 발생한 캐리어를 추출하는 전하 수송층(Charge Transporting Layer)의 역할을 할 수 있다.
이어, 도 7 내지 도 10을 참조하여 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 전류 특성에 대해 설명한다.
도 7 내지 도 10은 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 광이 입사되지 않은 상태(Dark), 광이 입사되었을 때(Under illumination), 광이 입사된 후 즉, 광의 입사가 중지된 상태(After illumination)에서의 전류 밀도와 전압의 관계를 나타낸 그래프이다. 이때, 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 입사되는 광의 조도는 약 100 Lux이다. 도 7은 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 자외선 발광 다이오드의 광이 입사되었을 때의 전류 밀도와 전압의 관계를 나타내고 있고, 이때 386 nm 파장의 광이 사용되었다. 도 8은 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 청색 발광 다이오드의 광이 입사되었을 때의 전류 밀도와 전압의 관계를 나타내고 있고, 이때 462 nm 파장의 광이 사용되었다. 도 9는 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 녹색 발광 다이오드의 광이 입사되었을 때의 전류 밀도와 전압의 관계를 나타내고 있고, 이때 540 nm 파장의 광이 사용되었다. 도 10은 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 적색 발광 다이오드의 광이 입사되었을 때의 전류 밀도와 전압의 관계를 나타내고 있고, 이때 628 nm 파장의 광이 사용되었다.
도 7 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 광이 입사되지 않은 상태(Dark)에서 3 V 전압이 인가되는 경우의 전류 밀도는 -1 V 전압이 인가되는 경우의 전류 밀도의 약 105의 비율을 가질 수 있다. 즉, 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 정류비(rectifying ratio)는 약 105이며, 이는 비교예에 의한 포토 다이오드에 비해 높은 수치이다. 또한, 광이 입사되지 않은 상태(Dark)에서 암전류 밀도(dark current density)는 -1 V 전압이 인가되는 경우 약 2.08 nA/cm2이며, 이는 비교예에 의한 포토 다이오드에 비해 매우 낮은 수치이다. 이하에서 표 1을 참조하여 일 실시예에 의한 포토 다이오드와 비교예에 의한 포토 다이오드의 암전류 밀도를 비교하여 살펴본다.
번호 구조 감지범위 정류비 암전류밀도
(nA/cm2)		 바이어스
(V)
1 Al/LZO/CdZnSeS-ZnS QD/Cu2SnS3-Ga2O3/ITO UV-Red 105 2.08 -1
2 Au/ZnO QD/n-Si UV 103 300 -1
3 Al/MoO3/Spiro-OMeTAD/FAPbI3/TiO2/ITO Blue-IR 103 370 -1
4 Al/PFN/PCBM/CH3NH3PbI3-xClx/PEDOT:PSS/ITO Blue-IR 105 ~ 80 -1
5 Al/ZnO NPs/PbS QD/PEDOT:PSS/ITO Blue-IR 103 70~80 -1.5
6 Al/ZnO NCs/PbS QD/CuOx/ITO Blue-IR 104 8 -1
7 Au/CdSe QD/ZnO QD/n-Si Blue-IR 102 301 -1
8 Ag/1,4-BDT/PbS QD/TiO2:Nb/ITO IR 104 ~1000 -2
표 1에서 1번 구조가 일 실시예에 의한 포토 다이오드를 나타내고, 나머지 2번부터 8번이 비교예에 의한 다양한 포토 다이오드를 나타내고 있다. 표 1에 나타난 바와 같이 일 실시예에 의한 포토 다이오드는 자외선으로부터 가시광선에 이르는 광범위한 대역의 광을 감지할 수 있고, 정류비는 가장 높은 수치를 나타내고 있으며, 암전류 밀도는 가장 낮은 수치를 보이고 있다. 이처럼 일 실시예에 의한 포토 다이오드가 낮은 암전류를 가지는 것은 최소 1.7 eV의 낮은 전도대를 가지는 CdZnSeS-ZnS의 전자 저지 특성과 최대 7.2 eV의 높은 가전자대를 가지는 리튬이 도핑되어 있는 아연 산화물(LZO)의 정공 저지 특성에 기인한다.일 실시예에 의한 포토 다이오드가 입사광에 노출될 때, 양자점(230)이 광을 흡수하고, 전자-정공이 발생하여 전류가 흐르게 된다. 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 광이 입사되었을 때(Under illumination) 각 파장 별로 전류 밀도와 전압의 관계를 살펴보면 다음과 같다. 이때, 입사광의 조도는 약 100 Lux이다. -1 V 전압이 인가될 때 입사광이 자외선인 경우 약 11.5 ㎂/cm2의 전류 밀도를 나타내고, 입사광이 청색 광인 경우 약 4.52 ㎂/cm2의 전류 밀도를 나타내며, 입사광이 녹색 광인 경우 1.55 ㎂/cm2의 전류 밀도를 나타내고, 입사광이 적색 광인 경우 0.293 ㎂/cm2의 전류 밀도를 나타낸다.
일 실시예에 의한 포토 다이오드에 광이 입사된 후, 광의 입사가 중지된 상태(After illumination)에서 각 파장 별로 전류 밀도와 전압의 관계를 살펴보면 다음과 같다. 모든 파장에서 광이 입사되기 전의 상태, 즉 광이 입사되지 않은 상태(Dark)의 전류 밀도와 전압의 관계와 실질적으로 동일해지는 것을 확인할 수 있다. 즉, 광에 의해 발생된 캐리어가 빠른 속도로 재결합되어 전류가 초기 상태로 감소하게 되는 것이다.
이하에서는 도 11 내지 도 14를 참조하여 입사광의 조도 변화에 따른 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 전류 특성에 대해 설명한다.
도 11 내지 도 14는 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 광이 입사되지 않은 초기 상태(Initial), 1 Lux의 광이 입사되었을 때(1), 10 Lux의 광이 입사되었을 때(10), 100 Lux의 광이 입사되었을 때(100), 1000 Lux의 광이 입사되었을 때(1000)의 전류 밀도와 전압의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 11은 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 자외선 발광 다이오드의 광이 입사되었을 때의 전류 밀도와 전압의 관계를 나타내고 있고, 이때 386 nm 파장의 광이 사용되었다. 도 12는 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 청색 발광 다이오드의 광이 입사되었을 때의 전류 밀도와 전압의 관계를 나타내고 있고, 이때 462 nm 파장의 광이 사용되었다. 도 13은 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 녹색 발광 다이오드의 광이 입사되었을 때의 전류 밀도와 전압의 관계를 나타내고 있고, 이때 540 nm 파장의 광이 사용되었다. 도 14는 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 적색 발광 다이오드의 광이 입사되었을 때의 전류 밀도와 전압의 관계를 나타내고 있고, 이때 628 nm 파장의 광이 사용되었다.
도 11 내지 도 14에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 광이 입사되지 않은 상태(Initial)에서 암전류 밀도(dark current density)는 -1 V 전압이 인가되는 경우 약 2.08 nA/cm2이다. 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 1 Lux의 광이 입사되었을 때(1) 각 파장 별로 전류 밀도와 전압의 관계를 살펴보면 다음과 같다. -1 V 전압이 인가될 때 입사광이 자외선인 경우 약 169.68 nA/cm2의 전류 밀도를 나타내고, 입사광이 청색 광인 경우 약 110.77 nA/cm2의 전류 밀도를 나타내며, 입사광이 녹색 광인 경우 30.01 nA/cm2의 전류 밀도를 나타내고, 입사광이 적색 광인 경우 7.98 nA/cm2의 전류 밀도를 나타낸다. 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 10 Lux의 광이 입사되었을 때(10) 각 파장 별 전류 밀도를 살펴보면, 1 Lux의 광이 입사되었을 때(1)보다 더 증가하는 것을 확인할 수 있다. 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 100 Lux의 광이 입사되었을 때(100) 각 파장 별 전류 밀도를 살펴보면, 10 Lux의 광이 입사되었을 때(10)보다 더 증가하는 것을 확인할 수 있다.
일 실시예에 의한 포토 다이오드에 1000 Lux의 광이 입사되었을 때(1000) 각 파장 별 전류 밀도를 살펴보면, 100 Lux의 광이 입사되었을 때(100)보다 더 증가하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 입사되는 광량이 증가할수록 발생하는 광 전류의 양도 증가한다. 또한, 1 Lux의 매우 작은 광량이 입사되는 경우에도 광 전류가 발생하여 일 실시예에 의한 포토 다이오드가 제대로 작동하는 것을 확인할 수 있다.
이하에서는 도 15 내지 도 18을 참조하여 비교예에 의한 포토 다이오드의 전류 특성을 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 경우와 비교하여 설명한다. 비교예에 의한 포토 다이오드는 양자점을 포함하지 않는다는 점에서 일 실시예에 의한 포토 다이오드와 차이점이 있다. 즉, 비교예에 의한 포토 다이오드는 인듐 주석 산화물(ITO), Cu2SnS3-Ga2O3, 리튬이 도핑되어 있는 아연 산화물(LZO), 및 알루미늄(Al)이 적층된 형태로 이루어질 수 있다.
도 15 내지 도 18은 비교예에 의한 포토 다이오드에 광이 입사되지 않은 상태(Dark), 광이 입사되었을 때(Under illumination), 광이 입사된 후 즉, 광의 입사가 중지된 상태(After illumination)에서의 전류 밀도와 전압의 관계를 나타낸 그래프이다. 이때, 비교예에 의한 포토 다이오드에 입사되는 광의 조도는 약 100 Lux이다. 도 15는 비교예에 의한 포토 다이오드에 자외선 발광 다이오드의 광이 입사되었을 때의 전류 밀도와 전압의 관계를 나타내고 있고, 이때 386 nm 파장의 광이 사용되었다. 도 16은 비교예에 의한 포토 다이오드에 청색 발광 다이오드의 광이 입사되었을 때의 전류 밀도와 전압의 관계를 나타내고 있고, 이때 462 nm 파장의 광이 사용되었다. 도 17은 비교예에 의한 포토 다이오드에 녹색 발광 다이오드의 광이 입사되었을 때의 전류 밀도와 전압의 관계를 나타내고 있고, 이때 540 nm 파장의 광이 사용되었다. 도 18은 비교예에 의한 포토 다이오드에 적색 발광 다이오드의 광이 입사되었을 때의 전류 밀도와 전압의 관계를 나타내고 있고, 이때 628 nm 파장의 광이 사용되었다.
도 15에 도시된 바와 같이, 비교예에 의한 포토 다이오드에 광이 입사되지 않은 상태(Dark), 자외선 파장의 광이 입사되었을 때(Under illumination), 광이 입사된 후 즉, 광의 입사가 중지된 상태(After illumination)에서의 전류 밀도는 거의 차이가 없다. 자외선 파장의 광이 입사되는 경우 매우 적은 량의 전류 밀도의 변화가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 다만, 그 변화량이 미미하여 포토 다이오드로서 제대로 동작한다고 보기는 어려울 수 있다.
도 16 내지 도 18에 도시된 바와 같이, 비교예에 의한 포토 다이오드에 광이 입사되지 않은 상태(Dark), 가시광선 파장의 광이 입사되었을 때(Under illumination), 광이 입사된 후 즉, 광의 입사가 중지된 상태(After illumination)에서의 전류 밀도는 거의 차이가 없다. 비교예에 의한 포토 다이오드에 가시 광선 파장의 광이 입사되는 경우는 앞서 설명한 자외선 파장의 광이 입사되는 경우에 비해 전류 밀도의 변화량이 더 적은 것을 확인할 수 있다. 즉, 비교예에 의한 포토 다이오드에 입사되는 광이 거의 흡수되지 않는다고 볼 수 있다.
이처럼 적색 양자점의 포함 여부에 따라 포토 다이오드에 입사되는 광에 의해 발생하는 전류의 차이가 크다는 것을 알 수 있다. 따라서, 일 실시예에 의한 포토 다이오드는 적색 양자점을 포함함으로써, 입사광에 의해 발생하는 광전류의 양이 증가할 수 있다.
이어, 도 19를 참조하여 비교예에 의한 포토 다이오드의 전류 특성을 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 경우와 비교하여 설명한다. 비교예에 의한 포토 다이오드는 P형 산화물 반도체 물질로 니켈 산화물(NiO)이 사용되고, N형 산화물 반도체 물질로 아연 산화물(ZnO)이 사용된다는 점에서 일 실시예에 의한 포토 다이오드와 차이점이 있다. 즉, 비교예에 의한 포토 다이오드는 인듐 주석 산화물(ITO), 니켈 산화물(NiO), 적색 양자점, 아연 산화물(ZnO), 및 알루미늄(Al)이 적층된 형태로 이루어질 수 있다.
도 19는 일 실시예에 의한 포토 다이오드(Cu2SnS3-Ga2O3/red QD/LZO)에 광이 입사되지 않은 상태(Dark), 광이 입사되었을 때(Photo), 비교예에 의한 포토 다이오드(NiO/red QD/LZO)에 광이 입사되지 않은 상태(Dark), 광이 입사되었을 때(Photo)의 전류 밀도와 전압의 관계를 나타낸 그래프이다. 이때, 비교예 및 일 실싱에 의한 포토 다이오드에 입사되는 광은 녹색 광으로서, 조도는 약 100 Lux이다.
도 19에 도시된 바와 같이, 광이 입사되지 않은 상태에서 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 암전류 밀도가 비교예에 의한 포토 다이오드의 암전류 밀도가 낮은 것을 확인할 수 있다. 즉, 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 경우 광이 입사되지 않은 상태에서 전류가 거의 흐르지 않아 비교예에 의한 포토 다이오드에 비해 암전류 특성이 더 뛰어나다.
일 실시예에 의한 포토 다이오드의 경우 광이 입사되지 않은 상태와 광이 입사된 상태에서의 전류비가 약 744이다. 비교예에 의한 포토 다이오드의 경우 광이 입사되지 않은 상태와 광이 입사된 상태에서의 전류비가 약 21이다. 즉, 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 경우 광이 입사되지 않은 상태와 광이 입사된 상태의 전류의 차이가 비교예에 의한 포토 다이오드의 경우에 비해 더 크다. 따라서, 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 경우 비교예에 의한 포토 다이오드의 경우에 비해 정류비 특성이 더 뛰어나다.
이하에서는 도 20 및 도 21을 참조하여 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 응답도(Responsivity) 및 검출능(Detectivity) 특성에 대해 설명한다.
도 20은 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 각 파장의 광이 입사되었을 때 조도와 응답도의 관계를 나타낸 그래프이고, 도 21은 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 각 파장의 광이 입사되었을 때 조도와 검출능의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 20 및 도 21은 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 자외선 파장의 광이 입사되었을 때(UV), 청색 파장의 광이 입사되었을 때(Blue), 녹색 파장의 광이 입사되었을 때(Green) 및 적색 파장의 광이 입사되었을 때(Red)를 구분하여 나타내고 있다. 도 20 및 도 21는 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 -1V의 전압이 인가되는 경우를 나타낸다.
응답도(Responsivity)는 수학식 1에 의해 정의되고, 검출능(Detectivity)은 수학식 2에 의해 정의될 수 있다.
Figure pat00001
(R: 응답도, Ilight: 광 입사시 전류, Idark: 암전류, P: 유효 영역에서 단위 면적당 전력, S: 유효 면적, Jph: 광전류 밀도)
Figure pat00002
(D*: 검출능, R: 응답도, S: 유효 면적, q: 전자전하, Idark: 암전류, Jdark: 암전류 밀도)
도 20에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 입사되는 광의 조도가 100 Lux인 경우를 살펴보면, 입사광이 자외선인 경우의 응답도는 약 0.021 A/W이고, 입사광이 청색 광인 경우의 응답도는 약 0.038 A/W이며, 입사광이 녹색 광인 경우의 응답도는 약 0.108 A/W이고, 입사광이 적색 광인 경우의 응답도는 약 0.026 A/W이다. 이때, 광의 조도가 증가함에 따라 응답도가 증가하는 특성을 나타낸다.
도 21에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 입사되는 광의 조도가 100 Lux인 경우를 살펴보면, 입사광이 자외선인 경우의 검출능은 약 8.12*1011 Jones이고, 입사광이 청색 광인 경우의 검출능은 약 1.47*1012 Jones이며, 입사광이 녹색 광인 경우의 검출능은 4.17*1012 Jones이고, 입사광이 적색 광인 경우의 검출능은 1.02*1012 Jones이다. 이때, 광의 조도가 증가함에 따라 검출능도 증가하는 특성을 나타낸다.
응답도 및 검출능이 최대인 경우는 1000 Lux의 녹색 광이 입사되는 경우로서, 이때의 응답도는 약 0.258 A/W이고, 검출능은 약 1.00*1013 Jones이다. 일 실시예에 의한 포토 다이오드는 양호한 응답도 및 검출능을 가지는 것을 확인할 수 있다.
이하에서는 표 2를 참조하여 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 응답도 및 검출능을 비교예에 의한 포토 다이오드의 응답도 및 검출능과 비교하여 살펴본다.
번호 구조 감지범위 응답도(A/W) 검출능(Jones)
1 Al/LZO/CdZnSeS-ZnS QD/Cu2SnS3-Ga2O3/ITO UV-Red 0.0115(자외선)0.0391(청색광)
0.1854(녹색광)
0.0429(적색광)		 4.46*1011(자외선)
1.52*1012(청색광)
7.19*1012(녹색광)
1.66*1012(적색광)
2 Ag/ZnO QD/Ag UV 20(자외선) -
3 Au/ZnO QD/n-Si UV 41.14(자외선) 1.57*1014(자외선)
4 Al/ZnO NPs/PbS QD/PEDOT:PSS/ITO Blue-IR - 1.45*1012(적색광)
5 Au/CdSe QD/ZnO QD/n-Si Blue-IR 10.23*10-3(적외선) 8.81*109(녹색광)
6 Al/ZnO NCs/PbS QD/CuOx/ITO Blue-IR - 4.6*1012(적외선)
7 Au/PbS-EDT/PbS-TBAI/ZnO/ITO Blue-IR 385 (IR) 3.93*1013(적외선)
8 Ag/1,4-BDT/PbS QD/TiO2:Nb/ITO IR - 7*1011(적외선)
표 2에서 1번 구조가 일 실시예에 의한 포토 다이오드를 나타내고, 나머지 2번부터 8번이 비교예에 의한 다양한 포토 다이오드를 나타내고 있다. 표 2에 나타난 바와 같이 일 실시예에 의한 포토 다이오드는 자외선으로부터 가시광선에 이르는 광범위한 대역의 광을 감지할 수 있고, 응답도 및 검출능에서도 우수한 효과를 가지는 것을 알 수 있다. 2번 및 3번의 경우 자외선 대역의 광을 감지할 수 있으나 가시광선 대역의 광을 감지할 수 없다. 4번 내지 7번의 경우 가시광선 대역의 광을 감지할 수 있으나 자외선 대역의 광을 감지할 수 없다. 8번의 경우 가시광선 및 자외선 대역의 광을 감지할 수 없다. 따라서, 일 실시예에 의한 포토 다이오드는 비교예에 의한 포토 다이오드에 비해 자외선 및 가시광선 대역의 광을 더 폭넓게 감지할 수 있다. 5번의 경우 가시광선 대역의 광을 감지할 수 있으나, 녹색광에 대한 검출능이 약 8.81*109Jones 인 반면에, 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 녹색광에 대한 검출능은 약 7.19*1012Johns이다. 따라서, 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 녹색광에 대한 검출능이 5번의 경우에 비해 더 높다. 또한, 3번 및 5번의 경우 제조를 위해 PECVD 공정이 필요하다는 점에서 일 실시예에 의한 포토 다이오드와 차이가 있다.이어, 도 22를 참조하여 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 응답 속도(response speed)에 대해 설명한다.
도 22는 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 전압과 시간의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 22는 100 Hz의 주파수를 가지는 녹색 발광 다이오드를 100 Lux의 조도로 조사하였을 때를 나타내고 있다.
도 22에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 의한 포토 다이오드에서 상승 시간(rising time)은 약 2.1 ms이고, 하강 시간(falling time)은 약 2.6 ms이다. 상승 시간은 전압이 최고치(peak value)를 기준으로 약 10%인 지점으로부터 약 90%인 지점으로 상승하기까지의 시간을 의미한다. 하강 시간은 전압이 최고치를 기준으로 약 90%인 지점으로부터 약 10%인 지점으로 하강하기까지의 시간의 의미한다. 일 실시예에서는 P형 산화물 반도체(220)가 높은 홀 이동도(hall mobility)를 가지는 Cu2SnS3-Ga2O3를 포함하고, N형 산화물 반도체(240)가 높은 전자 이동도(electron mobility)를 가지는 리튬이 도핑되어 있는 아연 산화물(LZO)을 포함함으로써, 전자와 정공이 빠른 속도로 애노드 전극 및 캐소드 전극으로 추출될 수 있다.
이어, 도 23을 참조하여 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 파장에 따른 응답도(Responsivity) 및 검출능(Detectivity) 특성에 대해 설명한다.
도 23은 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 인가되는 광의 파장에 따른 응답도 및 검출능을 나타낸 그래프이다. 이때, 인가되는 광의 출력 밀도는 약 40 ㎼/cm2이다.
도 23에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 입사되는 광이 자외선인 경우의 응답도는 0.012 A/W이고, 입사광이 청색 광인 경우의 응답도는 약 0.039 A/W이며, 입사광이 녹색 광인 경우의 응답도는 약 0.185 A/W이고, 입사광이 적색 광인 경우의 응답도는 약 0.043 A/W이다. 또한, 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 입사되는 광이 자외선인 경우의 검출능은 약 4.46*1011 Jones이고, 입사광이 청색 광인 경우의 검출능은 약 1.52*1012 Jones이며, 입사광이 녹색 광인 경우의 검출능은 7.19*1012 Jones이고, 입사광이 적색 광인 경우의 검출능은 1.66*1012 Jones이다. 이때, 입사광이 녹색 광인 경우의 응답도와 검출능이 높은 것을 확인할 수 있다.
이어, 도 24를 참조하여 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 외부 양자 효율(EQE, External Quantum Efficiency)에 대해 설명한다.
도 24는 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 인가되는 광의 파장에 다른 외부 양자 효율을 나타낸 그래프이다. 이때, 인가되는 광의 출력 밀도는 약 40 ㎼/cm2이다.
외부 양자 효율은 수학식 3에 의해 정의될 수 있다.
Figure pat00003
(Rλ: 응답도, λ: 파장, h: 플랑크 상부, c: 빛의 속도, e: 전기소량(elementary charge))
도 24에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 입사되는 광이 자외선인 경우의 외부 양자 효율은 3.70 %이고, 입사광이 청색 광인 경우의 외부 양자 효율은 10.50 %이고, 입사광이 녹색 광인 경우의 외부 양자 효율은 42.57 %이고, 입사광이 적색 광인 경우의 외부 양자 효율은 8.46 %이다.
이어, 도 25를 참조하여 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 암전류와 광전류의 비에 대해 설명한다.
도 25는 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 인가되는 광의 출력 밀도에 다른 암전류와 광전류의 비를 나타낸 그래프이다. 도 25는 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 자외선 파장의 광이 입사되었을 때(UV), 청색 파장의 광이 입사되었을 때(Blue), 녹색 파장의 광이 입사되었을 때(Green) 및 적색 파장의 광이 입사되었을 때(Red)를 구분하여 나타내고 있다.
도 25에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 의한 포토 다이오드에 입사되는 광이 자외선인 경우 암전류에 대한 광전류의 비는 약 221이고, 입사광이 청색 광인 경우 암전류에 대한 광전류의 비는 약 752이며, 입사광이 녹색 광인 경우 암전류에 대한 광전류의 비는 약 3565이고, 입사광이 적색 광인 경우 암전류에 대한 광전류의 비는 약 824이다. 이때, 포토 다이오드에 입사되는 광의 강도가 증가할수록 암전류에 대한 광전류의 비도 증가하는 것을 확인할 수 있다.
이하에서는 도 26을 참조하여 일 실시예에 의한 포토 다이오드가 구부러지는 경우의 구조에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 26은 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 개략적인 사시도이다. 도 26에 도시되어 있는 일 실시예에 의한 포토 다이오드는 앞서 설명한 도 1에 도시되어 있는 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 제1 전극(210), P형 산화물 반도체(220), 양자점(230), N형 산화물 반도체(240) 및 제2 전극(250)을 포함할 수 있다.
도 26에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 의한 포토 다이오드는 기판(110), 및 기판(110) 위에 위치하는 제1 전극(210) 및 제2 전극(250), 그리고 제1 전극(210)과 제2 전극(250) 사이에 위치하는 P형 산화물 반도체(220), 양자점(230) 및 N형 산화물 반도체(240)를 포함한다.
기판(110)은 구부러지는 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 기판(110)은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리실란(polysilane), 폴리실록산(polysiloxane), 폴리실라잔(polysilazane), 폴리카르보실란(polycarbosilane), 폴리아크릴레이트 (polyacrylate), 폴리메타크릴레이트(polymethacrylate), 폴리메틸아크릴레이트 (polymethylacrylate), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmetacrylate), 폴리에틸아크릴레이트(polyethylacrylate), 폴리에틸메타크릴레이트 (polyethylmetacrylate), 사이클릭 올레핀 코폴리머(COC), 사이클릭 올레핀 폴리머(COP), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리스타이렌(PS), 폴리아세탈(POM), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에스테르설폰(PES), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리카보네이트(PC), 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 퍼플루오로알킬고분자(PFA), 스타이렌아크릴나이트릴코폴리머(SAN) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 하나를 포함할 수 있다.
제1 전극(210)은 기판(110) 위에 위치할 수 있다. 이때, 기판(110)과 제1 전극(210) 사이에는 베리어층(120)이 더 위치할 수 있다. 베리어층(120)은 수분이나 산소를 침투를 방지하기 위한 층으로서, 가스 차단성 및 코팅성이 우수한 물질로 이루어질 수 있다.
제2 전극(250) 위에는 덮개막(300)이 더 위치할 수 있다. 덮개막(300)은 페릴렌(parylene)이나 규소 질화물(SiNx)을 포함할 수 있으며, 페릴렌(parylene) 및 규소 질화물(SiNx)의 적층 구조로 이루어질 수 있다.
일 실시예에 의한 포토 다이오드를 구부러지는 구조에 적용할 경우에도 포토 다이오드의 특성이 안정적으로 유지될 수 있다. 이하에서는 도 27 내지 도 30을 참조하여 일 실시예에 의한 포토 다이오드를 구부러지는 구조에 적용할 경우의 특성 변화에 대해 설명한다.
일 실시예에 의한 포토 다이오드를 구부러지는 구조에 적용하기 위해서는 캐리어 글래스(carrier glass) 위에 구부러지는 재질로 이루어지는 기판을 형성하고, 기판 위에 제1 전극, 제2 전극 등을 형성한 후 캐리어 글래스를 기판으로부터 제거하게 된다.
도 27은 일 실시예에 의한 포토 다이오드를 캐리어 글래스로부터 제거하기 전과 제거한 후의 전류 밀도와 전압의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 28은 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 벤딩 테스트에 사용되는 장비의 개략적인 구조도이고, 도 29는 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 벤딩 테스트에 실제 사용되는 장비의 도면이며, 도 30은 일 실시예에 의한 포토 다이오드를 구부리기 전과 구부린 후의 전류 밀도와 전압의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 27에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 의한 포토 다이오드를 캐리어 글래스로부터 제거하기 전(Before detachment)의 전류 밀도와 전압의 관계는 일 실시예에 의한 포토 다이오드를 캐리어 글래스로부터 제거한 후(After detachment)의 전류 밀도와 전압의 관계와 거의 차이가 없다. 즉, 일 실시예에 의한 포토 다이오드를 캐리어 글래스로부터 제거하는 과정에서 포토 다이오드의 특성이 변하지 않는 것을 확인할 수 있다.
도 28 및 도 29에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 벤딩 테스트는 클램프(Clamp)를 사용하여 90도의 각도로 0.32 mm의 반경을 가지고 약 20,000 회의 벤딩 동작을 반복하여 진행할 수 있다.
도 30에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 벤딩 테스트를 진행하기 전(As prepared)의 전류 밀도와 전압의 관계는 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 벤딩 테스트를 진행한 후(After bending)의 전류 밀도와 전압의 관계와 차이가 미미하다. 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 벤딩 테스트를 진행하는 과정에서 포토 다이오드의 특성이 변하지 않고, 유지되는 것을 확인할 수 있다.
이하에서 표 3을 참조하여 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 벤딩 전과 후의 특성에 대해 더욱 살펴본다. 표 3은 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 벤딩 테스트를 진행하기 전과 벤딩 테스트를 진행한 후의 특성을 비교하여 나타내고 있다.
PI 기판 미적용 PI 기판 적용
벤딩 테스트 전		 PI 기판 적용
벤딩 테스트 후
암전류 밀도(nA/cm2) 2.08 2.31 2.94
정류비 ~105 ~105 ~105
응답도(A/W) 0.258 0.107(rigid)0.033(flexible) 0.024
검출능(Jones) 1.00*1013 1.23*1012 7.81*1011
암전류에 대한 광전류의 비 221(자외선)752(청색광)
3565(녹색광)
824(적색광)		 207 117
일 실시예에 의한 포토 다이오드에 PI 기판을 적용하는 경우에는 PI 기판을 적용하지 않은 경우에 비해 암전류 밀도, 응답도, 검출능 및 암전류에 대한 광전류의 비가 조금씩 변하는 것을 확인할 수 있다. 마찬가지로, PI 기판을 적용하고, 벤딩 테스트를 진행한 경우에는 벤딩 테스트를 진행하지 않은 경우에 비해 암전류 밀도, 응답도, 검출능 및 암전류에 대한 광전류의 비가 조금씩 변하는 것을 확인할 수 있다. 다만, 그 차이가 미미하며, 벤딩 테스트 후에도 포토 다이오드 특성이 우수하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 일 실시예에 의한 포토 다이오드를 구부러지는 구조에 안정적으로 적용할 수 있다.이하에서는 도 31을 참조하여 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 제조 방법에 설명하면 다음과 같다.
도 31은 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 제조 방법을 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 31에 도시된 바와 같이, 먼저 인듐 아연 산화물(ITO) 기판을 아세톤, 메탈올 및 이소프로필 알코올로 각각 약 20분씩 초음파 세정 처리를 진행하여 제1 전극을 마련한다. (S1100)
이어, 세정된 인듐 아연 산화물(ITO) 기판을 N2 글러브 박스(N2 glove box) 내로 이동시키고, Cu2SnS3-Ga2O3 용액을 약 4000 rpm으로 약 30초 동안 스핀 코팅하여, 제1 전극 위에 약 20nm 두께의 P형 산화물 반도체를 형성한다. 이때, Cu2SnS3-Ga2O3 용액을 대신하여 몰리브덴 산화물(MoOx) 용액, 아연 산화물(ZnO)이 도핑된 몰리브덴 산화물(MoOx) 용액 등을 사용할 수도 있다. 또한, 약 200 ℃에서 약 1시간 동안 핫 플레이트(hot plate)에서 어닐링 공정을 진행한다. (S1200)
이어, 50mg/ml의 농도를 가지는 CdZnSeS/ZnS 양자점 용액과 유기 용매를 약 2000 rpm으로 약 30초 동안 스핀 코팅하여, P형 산화물 반도체 위에 약 100 nm 두께의 적색 양자점을 형성한다. 이때, CdZnSeS/ZnS 양자점 용액을 대신하여 황화납(PbS) 양자점 용액을 사용할 수도 있으며, 이때 단파장 적외선 양자점을 형성할 수 있다. 유기 용매는 톨루엔 용매(ZEUS Co.,Ltd, Korea) 등을 사용할 수도 있다. 또한, 약 190 ℃에서 약 10분 동안 핫 플레이트(hot plate)에서 어닐링 공정을 진행한다. (S1300)
이어, 리튬이 도핑된 아연 산화물(LZO) 용액을 약 4000 rpm으로 약 30초 동안 스핀 코팅하여, 적색 양자점 위에 약 60nm 두께의 N형 산화물 반도체를 형성한다. 이때, 리튬이 도핑된 아연 산화물(LZO) 용액을 대신하여 아연 산화물 나노 입자(ZnO nanoparticle) 용액 등을 사용할 수도 있다. 또한, N형 산화물 반도체까지 형성된 기판을 글러브 박스로부터 꺼내어 공기 중에서 약 200 ℃에서 약 10분 동안 어닐링 공정을 진행한다. (S1400)
이어, 알루미늄(Al)을 이용하여 열 증발 증착 공정에 의해 N형 산화물 반도체 위에 약 100nm 두께의 제2 전극을 형성한다. 이어, 글러브 박스 내에서 일 실시예에 의한 포토 다이오드의 봉지 공정을 진행한다. (S1500)
상기에서 설명한 공정 진행 시간, 농도, 두께 등은 하나의 예시에 불과하며, 다양하게 변경될 수 있다.
일 실시예에 의한 포토 다이오드의 제조에 사용되는 Cu2SnS3-Ga2O3 용액은 구리(II) 아세테이트 모노하이드레이트(Cu(CO2CH3)2·H2O) 100 mg, 주석(II) 클로라이드(SnCl2) 95 mg, 티오요소(NH2CSNH2) 76 mg, 갈륨(III) 나이트레이트 하이드레이트(Ga(NO3)3·xH2O)를 2-메톡시에탄올(C3H8O2, 2-ME) 5 ml에 용해시키고, 1시간동안 저어서 마련할 수 있다.
일 실시예에 의한 포토 다이오드의 제조에 사용되는 리튬이 도핑된 아연 산화물(LZO) 용액은 졸겔법(sol-gel process)을 사용하여 합성할 수 있다. 아연 아세테이트 디하이드레이트 (Zn(C4H6O4)2·2H2O) 1.9756 g과 리튬 아세테이트 디하이드레이트 (CH3COOLi·2H2O) 0.08456 g 의 전구체를 2-메톡시에탄올(C3H8O2, 2-ME) 10 ml에 용해시킬 수 있다. 이때, 모노에탄올아민(NH2CH2CH2OH, MEA)이 안정화제(stabilizer)로 이용될 수 있으며, 모노에탄올아민의 몰비율은 전구체와 약 1:1로 유지할 수 있다. 용액은 투명한 용액을 얻기까지 약 50 ℃에서 약 8시간 동안 환류될 수 있다.
상기에서 Cu2SnS3-Ga2O3 용액 및 리튬이 도핑된 아연 산화물(LZO) 용액을 마련하는 방법에 대해 설명하였으나, 이는 하나의 예시에 불과하며 다른 방법으로 용액을 생성할 수도 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 일 실시예에 의한 포토 다이오드는 용해 공정(solution process)에 의해 진행될 수 있으며, 진공 상태에서 진행되는 공정을 포함하지 않는다. 따라서, 진공 증착 공정을 통해 포토 다이오드를 생성하는 경우에 비해 비용을 절감할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
110: 기판
120: 베리어층
210: 제1 전극
220: P형 산화물 반도체
230: 양자점
240: N형 산화물 반도체
250: 제2 전극
300: 덮개막

Claims (20)

  1. 제1 전극,
    상기 제1 전극 위에 위치하는 제2 전극,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 양자점,
    상기 제1 전극과 상기 양자점 사이에 위치하는 P형 산화물 반도체, 및
    상기 제2 전극과 상기 양자점 사이에 위치하는 N형 산화물 반도체를 포함하고,
    상기 제1 전극, 상기 제2 전극, 상기 양자점, 상기 P형 산화물 반도체, 및 상기 N형 산화물 반도체는 무기물을 포함하는 포토 다이오드.
  2. 제1항에서,
    상기 P형 산화물 반도체는 Cu2SnS3-Ga2O3, 몰리브덴 산화물(MoOx) 및 아연 산화물(ZnO)이 도핑된 몰리브덴 산화물(MoOx) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 포토 다이오드.
  3. 제2항에서,
    상기 양자점은 적색 양자점 및 단파장 적외선 양자점 중 적어도 어느 하나를 포함하는 포토 다이오드.
  4. 제3항에서,
    상기 양자점은 CdZnSeS/ZnS 및 황화납(PbS) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 포토 다이오드.
  5. 제4항에서,
    상기 N형 산화물 반도체는 리튬이 도핑되어 있는 아연 산화물(LZO) 및 아연 산화물 나노 입자(ZnO nanoparticle) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 포토 다이오드.
  6. 제5항에서,
    상기 제1 전극은 인듐 주석 산화물을 포함하고,
    상기 제2 전극은 알루미늄을 포함하는 포토 다이오드.
  7. 제1항에서,
    구부러지는 재질로 이루어지는 기판을 더 포함하고,
    상기 제1 전극은 상기 기판 위에 위치하는 포토 다이오드.
  8. 제7항에서,
    상기 기판과 상기 제1 전극 사이에 위치하는 베리어층, 및
    상기 제2 전극 위에 위치하고 구부러지는 재질로 이루어지는 덮개막을 더 포함하는 포토 다이오드.
  9. 제1 전극,
    상기 제1 전극 위에 위치하는 제2 전극,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치하는 양자점,
    상기 제1 전극과 상기 양자점 사이에 위치하는 P형 산화물 반도체, 및
    상기 제2 전극과 상기 양자점 사이에 위치하는 N형 산화물 반도체를 포함하고,
    상기 P형 산화물 반도체는 Cu2SnS3-Ga2O3, 몰리브덴 산화물(MoOx) 및 아연 산화물(ZnO)이 도핑된 몰리브덴 산화물(MoOx) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 포토 다이오드.
  10. 제9항에서,
    상기 양자점은 CdZnSeS/ZnS 및 황화납(PbS) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 포토 다이오드.
  11. 제10항에서,
    상기 N형 산화물 반도체는 리튬이 도핑되어 있는 아연 산화물(LZO) 및 아연 산화물 나노 입자(ZnO nanoparticle) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 포토 다이오드.
  12. 제11항에서,
    상기 제1 전극은 인듐 주석 산화물을 포함하고,
    상기 제2 전극은 알루미늄을 포함하는 포토 다이오드.
  13. 제9항에서,
    상기 제1 전극의 아래에 위치하고, 구부러지는 재질로 이루어지는 기판,
    상기 기판과 상기 제1 전극 사이에 위치하는 베리어층, 및
    상기 제2 전극 위에 위치하고 구부러지는 재질로 이루어지는 덮개막을 더 포함하는 포토 다이오드.
  14. 제1 전극을 마련하는 단계,
    상기 제1 전극 위에 P형 산화물 반도체를 형성하는 단계,
    상기 P형 산화물 반도체 위에 양자점을 형성하는 단계,
    상기 양자점 위에 N형 산화물 반도체를 형성하는 단계, 및
    상기 N형 산화물 반도체 위에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 P형 산화물 반도체를 형성하는 단계, 상기 양자점을 형성하는 단계, 및 상기 N형 산화물 반도체를 형성하는 단계는 각각 용액을 이용하여 이루어지는 포토 다이오드의 제조 방법.
  15. 제14항에서,
    상기 P형 산화물 반도체를 형성하는 단계는,
    Cu2SnS3-Ga2O3 용액, 몰리브덴 산화물(MoOx) 용액 및 아연 산화물(ZnO)이 도핑된 몰리브덴 산화물(MoOx) 용액 중 적어도 어느 하나를 스핀 코팅하고, 어닐링 공정을 진행하여 상기 P형 산화물 반도체를 형성하는 포토 다이오드의 제조 방법.
  16. 제15항에서,
    상기 양자점은 적색 양자점 및 단파장 적외선 양자점 중 적어도 어느 하나를 포함하는 포토 다이오드의 제조 방법.
  17. 제16항에서,
    상기 양자점을 형성하는 단계는,
    CdZnSeS/ZnS 양자점 용액 및 황화납(PbS) 양자점 용액 중 적어도 어느 하나와 유기 용매를 스핀 코팅하고, 어닐링 공정을 진행하여 상기 양자점을 형성하는 포토 다이오드의 제조 방법.
  18. 제17항에서,
    상기 N형 산화물 반도체를 형성하는 단계는,
    리튬이 도핑된 아연 산화물(LZO) 용액 및 아연 산화물 나노 입자(ZnO nanoparticle) 용액 중 적어도 어느 하나를 스핀 코팅하고, 어닐링 공정을 진행하여 상기 N형 산화물 반도체를 형성하는 포토 다이오드의 제조 방법.
  19. 제18항에서,
    상기 제1 전극은 인듐 주석 산화물을 포함하고,
    상기 제2 전극은 알루미늄을 포함하는 포토 다이오드의 제조 방법.
  20. 제14항에서,
    상기 제1 전극을 형성하기 전에 캐리어 글래스 위에 구부러지는 재질로 이루어지는 기판을 형성하는 단계, 및
    상기 제2 전극을 형성한 후 상기 기판으로부터 상기 캐리어 글래스를 제거하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제1 전극은 상기 기판 위에 형성하는 포토 다이오드의 제조 방법.
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