KR20230104302A - Optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency and method for manufacturing the same - Google Patents

Optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency and method for manufacturing the same Download PDF

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KR20230104302A KR1020210191963A KR20210191963A KR20230104302A KR 20230104302 A KR20230104302 A KR 20230104302A KR 1020210191963 A KR1020210191963 A KR 1020210191963A KR 20210191963 A KR20210191963 A KR 20210191963A KR 20230104302 A KR20230104302 A KR 20230104302A
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Abstract

본 발명은 도핑 농도 및 두께 제어가 용이하지 않은 2D 물질의 한계점을 극복함으로써 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 광전자소자는 기판; 상기 기판의 상부 표면 중 일부분에 형성된 n-형 반도체 영역; 상기 n-형 반도체 영역을 기준으로 상기 기판 상에 상호 이격되게 형성된 절연체층; 상기 절연체층의 이격된 부분을 채우도록 형성된 2D 물질층; 상기 절연체층 및 상기 2D 물질층 상에 형성된 TCO층; 상기 TCO층 상에 형성된 제1 전극; 및 상기 제1 전극과 상호 이격되어 상기 TCO층 상에 형성된 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
The present invention relates to an optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency by overcoming the limitations of 2D materials in which doping concentration and thickness are not easily controlled, and a manufacturing method thereof.
An optoelectronic device according to the present invention includes a substrate; an n-type semiconductor region formed on a portion of an upper surface of the substrate; insulator layers spaced apart from each other on the substrate with respect to the n-type semiconductor region; a 2D material layer formed to fill spaced apart portions of the insulator layer; a TCO layer formed on the insulator layer and the 2D material layer; a first electrode formed on the TCO layer; and a second electrode spaced apart from the first electrode and formed on the TCO layer.

Description

광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자 및 그 제조방법{Optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency and method for manufacturing the same}Optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency and method for manufacturing the same}

본 발명은 2D 물질 기반의 광전자소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 도핑 농도 및 두께 제어가 용이하지 않은 2D 물질의 한계점을 극복함으로써 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a 2D material-based optoelectronic device, and more particularly, to an optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency by overcoming the limitations of 2D materials, which are not easy to control doping concentration and thickness, and a method for manufacturing the same It is about.

광전자소자는 광 신호를 전기 신호로 변환시키는 것으로, 포토 다이오드(photo-diode) 등의 포토 디텍터, 광 트랜지스터 등을 포함한다. 일반적인 포토 디텍터는 실리콘 기판에 이온 주입 방식 등에 의하여 도핑 영역이 형성된 다층 구조의 반도체 박막을 포함하도록 형성된다.An optoelectronic device converts an optical signal into an electrical signal, and includes a photodetector such as a photodiode, a phototransistor, and the like. A typical photodetector is formed to include a multi-layered semiconductor thin film in which a doped region is formed on a silicon substrate by an ion implantation method or the like.

한편, 얇고 우수한 물리적 특성을 갖는 그래핀이 발견된 이후, 2D 물질에 대한 많은 연구가 수행되고 있다. 최근에는 그래핀 이외의 다양한 2D 물질에 대해서도 많은 연구가 진행되고 있으며, 이들은 주로 전이금속 칼코겐 화합물로서(transition metal dichalcogenides) TMDC로 불린다.Meanwhile, after the discovery of thin graphene with excellent physical properties, many studies on 2D materials have been conducted. Recently, many studies have been conducted on various 2D materials other than graphene, and these are mainly called TMDC as transition metal dichalcogenides.

2D 물질은 원자층과 원자층 사이가 화학적 결합 없이 반데르발스(van der Waals : vdW) 힘에 의해 결합되어 있어, 물질의 격자와 무관하게 다양한 이종 접합 (heterostructure)를 형성할 수 있다. 2D materials are bonded between atomic layers by van der Waals (vdW) forces without chemical bonding, so that various heterostructures can be formed regardless of the lattice of the material.

그러나, 2D 물질의 본질적으로 낮은 광흡수는 2D-2D 이종 구조, 특히 긴 침투 깊이가 선호되는 적외선 범위에 기반한 포토 디텍터에서 낮은 광 반응성을 초래한다.However, the inherently low optical absorption of 2D materials results in low photoresponsivity in photodetectors based on 2D-2D heterostructures, especially in the infrared range where long penetration depths are preferred.

따라서, 낮은 광검출 특성을 개선하기 위해서, 기존의 3D 반도체와 2D 물질을 적층하는 대안 전략이 채택되고 있으나, 여전히 2D 물질에서는 도핑과정의 제어, 즉 도핑 농도 및 두께의 제어가 용이하지 않아 광전자소자에 활용하는 데 어려움이 따른다. Therefore, in order to improve the low photodetection characteristics, an alternative strategy of stacking a conventional 3D semiconductor and a 2D material is being adopted. difficulties in using it.

KRKR 10-2143778 10-2143778 B1B1

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 도핑 농도 및 두께 제어가 용이하지 않은 2D 물질의 한계점을 극복하도록 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and an optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency and a manufacturing method thereof to overcome the limitations of 2D materials in which doping concentration and thickness control are not easy. Its purpose is to provide

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.Other objects and advantages of the present invention will be described below, and will be learned by way of examples of the present invention. Furthermore, the objects and advantages of the present invention may be realized by means of the instrumentalities and combinations indicated in the claims.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자는, 기판; 상기 기판의 상부 표면 중 일부분에 형성된 n-형 반도체 영역; 상기 n-형 반도체 영역을 기준으로 상기 기판 상에 상호 이격되게 형성된 절연체층; 상기 절연체층의 이격된 부분을 채우도록 형성된 2D 물질층; 상기 절연체층 및 상기 2D 물질층 상에 형성된 TCO층; 상기 TCO층 상에 형성된 제1 전극; 및 상기 제1 전극과 상호 이격되어 상기 TCO층 상에 형성된 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, an optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency according to the present invention includes a substrate; an n-type semiconductor region formed on a portion of an upper surface of the substrate; insulator layers spaced apart from each other on the substrate with respect to the n-type semiconductor region; a 2D material layer formed to fill spaced apart portions of the insulator layer; a TCO layer formed on the insulator layer and the 2D material layer; a first electrode formed on the TCO layer; and a second electrode spaced apart from the first electrode and formed on the TCO layer.

본 발명에 따른 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자의 제조방법은, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판의 상부 표면 중 일부분에 n-형 반도체 영역을 형성하는 단계; 상기 n-형 반도체 영역을 기준으로 상기 기판 상에 절연체층을 상호 이격되게 형성하는 단계; 상기 절연체층의 이격된 부분을 채우도록 2D 물질층을 형성하는 단계; 상기 절연체층 및 상기 2D 물질층 상에 TCO층을 형성하는 단계; 상기 TCO층 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 및 상기 제1 전극과 상호 이격되게 상기 TCO층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method of manufacturing an optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency according to the present invention includes preparing a substrate; forming an n-type semiconductor region on a portion of an upper surface of the substrate; forming insulator layers spaced apart from each other on the substrate based on the n-type semiconductor region; forming a 2D material layer to fill the spaced apart portions of the insulator layer; forming a TCO layer on the insulator layer and the 2D material layer; Forming a first electrode on the TCO layer; and forming a second electrode on the TCO layer to be spaced apart from the first electrode.

상기 2D 물질층은 p-형 도전형을 가질 수 있다.The 2D material layer may have a p-type conductivity.

상기 2D 물질층은 상기 n-형 반도체 영역에 의해 정해지는 길이를 가질 수 있다.The 2D material layer may have a length determined by the n-type semiconductor region.

상기 2D 물질층은 전이금속 칼코겐 화합물(TMDC)층일 수 있다.The 2D material layer may be a transition metal chalcogen compound (TMDC) layer.

상기 TMDC층은 WSe2, MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, SnSe2, SnS2 중 적어도 어느 하나일 수 있다.The TMDC layer may be at least one of WSe 2 , MoS 2 , MoSe 2 , MoTe 2 , WS 2 , SnSe 2 , and SnS 2 .

상기 2D 물질층은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane : PDMS) 템플릿을 사용하여 상기 절연체층의 이격된 부분에 전사될 수 있다.The 2D material layer may be transferred to spaced apart portions of the insulator layer using a polydimethylsiloxane (PDMS) template.

상기 TCO층은 n-형 도전형을 가질 수 있다.The TCO layer may have an n-type conductivity.

상기 TCO층은 Ga2O3, SnO2, In2O3:Sn, ZnO:Al, AZO, CTO, Cd2SnO4 중 적어도 어느 하나일 수 있다.The TCO layer may be at least one of Ga 2 O 3 , SnO 2 , In 2 O 3 :Sn, ZnO:Al, AZO, CTO, and Cd 2 SnO 4 .

상기 절연체층 상에는 상기 TCO층과의 접촉성을 증가시킬 수 있도록 금속층을 형성할 수 있다.A metal layer may be formed on the insulator layer to increase contact with the TCO layer.

1550 ㎚의 파장광에 대해, 상기 n-형 반도체 영역의 도핑농도는 4.0E+15 ㎝-3 내지 6.0E+15 ㎝-3 범위가 되고, 상기 n-형 반도체 영역의 두께는 700 ㎚ 내지 940 ㎚ 범위가 될 수 있다.For light with a wavelength of 1550 nm, the doping concentration of the n-type semiconductor region ranges from 4.0E+15 cm -3 to 6.0E+15 cm -3 , and the thickness of the n-type semiconductor region ranges from 700 nm to 940 nm. can be in the nanometer range.

638 ㎚의 파장광에 대해, 상기 n-형 반도체 영역의 도핑농도는 4.0E+17 ㎝-3 내지 6.0E+17 ㎝-3 범위가 되고, 상기 n-형 반도체 영역의 두께는 97 ㎚ 내지 130 ㎚ 범위가 될 수 있다.For light with a wavelength of 638 nm, the doping concentration of the n-type semiconductor region ranges from 4.0E+17 cm -3 to 6.0E+17 cm -3 , and the thickness of the n-type semiconductor region ranges from 97 nm to 130 can be in the nanometer range.

상기 2D 물질층은 39 nm 내지 49 nm의 두께를 가지고, 상기 TCO층은 195 nm 내지 205 nm의 두께를 가질 수 있다.The 2D material layer may have a thickness of 39 nm to 49 nm, and the TCO layer may have a thickness of 195 nm to 205 nm.

상기 기판은 Ⅳ족 반도체 물질, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 물질 중 적어도 하나를 포함하는 기판일 수 있다.The substrate may be a substrate including at least one of a group IV semiconductor material and a group III-V compound semiconductor material.

상기 기판은 p-형의 Ge 기판일 수 있다.The substrate may be a p-type Ge substrate.

이상과 같이 본 발명에 따르면, 2D 물질층의 상부 및 하부에 각각 TCO층 및 소정의 도핑영역을 제공하는 방식으로 이중의 이종 접합 구조를 가지도록 함으로써 도핑 농도 및 두께 제어가 용이하지 않은 2D 물질의 한계점을 극복할 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, by providing a TCO layer and a predetermined doping region on the top and bottom of the 2D material layer to have a double heterojunction structure, the doping concentration and thickness of the 2D material that is not easy to control There is an effect that can overcome the limitations.

이에 따라, 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자의 제공이 가능하다.Accordingly, it is possible to provide an optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자를 나타내는 단면도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 1550 nm 파장에서의 도핑 프로파일을 보여주는 그래프이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 638 nm 파장에서의 도핑 프로파일을 보여주는 그래프이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 520 nm 파장에서의 전류- 전압의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 1550 nm 파장에서의 전류- 전압의 관계를 나타내는 그래프이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 520 nm 파장에서의 광반응 속도를 나타내는 그래프이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 1550 nm 파장에서의 광반응 속도를 나타내는 그래프이고,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 파장 함수로서의 광 반응성(Responsivity)을 나타내는 그래프이며,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 파장 함수로서의 광 반응 시간(Response time)를 나타내는 그래프이다.
1 is a cross-sectional view showing an optoelectronic device according to an embodiment of the present invention;
2 is a graph showing a doping profile at a wavelength of 1550 nm of an optoelectronic device according to an embodiment of the present invention;
3 is a graph showing a doping profile at a wavelength of 638 nm of an optoelectronic device according to an embodiment of the present invention;
4 is a graph showing the relationship between current and voltage at a wavelength of 520 nm of an optoelectronic device according to an embodiment of the present invention;
5 is a graph showing the relationship between current and voltage at a wavelength of 1550 nm of an optoelectronic device according to an embodiment of the present invention;
6 is a graph showing the photoreaction rate at a wavelength of 520 nm of an optoelectronic device according to an embodiment of the present invention;
7 is a graph showing the photoreaction rate at a wavelength of 1550 nm of an optoelectronic device according to an embodiment of the present invention;
8 is a graph showing light responsivity as a function of wavelength of an optoelectronic device according to an embodiment of the present invention;
9 is a graph showing light response time as a function of wavelength of an optoelectronic device according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다.Since the present invention can have various changes and various forms, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.However, it should be understood that this is not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, and includes all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. Like reference numerals have been used for like elements throughout the description of each figure. In the accompanying drawings, the dimensions of the structures are shown enlarged than actual for clarity of the present invention.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element, without departing from the scope of the present invention.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Terms used in this application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that there is a feature, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features or steps However, it should be understood that it does not preclude the possibility of existence or addition of operations, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in the present application, they should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning. don't

이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자를 나타내는 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 1550 nm 파장에서의 도핑 프로파일을 보여주는 그래프이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 638 nm 파장에서의 도핑 프로파일을 보여주는 그래프이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 520 nm 파장에서의 전류- 전압의 관계를 나타내는 그래프이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 1550 nm 파장에서의 전류- 전압의 관계를 나타내는 그래프이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 520 nm 파장에서의 광반응 속도를 나타내는 그래프이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 1550 nm 파장에서의 광반응 속도를 나타내는 그래프이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 파장 함수로서의 광 반응성(Responsivity)을 나타내는 그래프이며, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자의 파장 함수로서의 광 반응 시간(Response time)를 나타내는 그래프이다.1 is a cross-sectional view showing an optoelectronic device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a graph showing a doping profile at a wavelength of 1550 nm of an optoelectronic device according to an embodiment of the present invention, and FIG. A graph showing a doping profile at a wavelength of 638 nm of an optoelectronic device according to an embodiment, and FIG. 4 is a graph showing a current-voltage relationship at a wavelength of 520 nm of an optoelectronic device according to an embodiment of the present invention. 5 is a graph showing the current-voltage relationship at a wavelength of 1550 nm of an optoelectronic device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a photoreaction rate at a wavelength of 520 nm of an optoelectronic device according to an embodiment of the present invention. 7 is a graph showing the photoreaction rate at a wavelength of 1550 nm of an optoelectronic device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a graph showing light as a function of wavelength of an optoelectronic device according to an embodiment of the present invention. It is a graph showing responsivity, and FIG. 9 is a graph showing light response time as a function of wavelength of an optoelectronic device according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광전자소자는 기판(10)과, 상기 기판(10)의 상부 표면 중 일부분에 형성된 n-형 반도체 영역(20)과, 상기 n-형 반도체 영역(20)을 기준으로 상기 기판(10) 상에 상호 이격되게 형성된 절연체층(30)과, 상기 절연체층(30) 상의 금속층(40)과, 상기 절연체층(30) 및 상기 금속층(40)의 이격된 부분을 채우도록 형성된 2D 물질층(50)과, 상기 금속층(40) 및 상기 2D 물질층(50) 상에 형성된 TCO층(60)과, 상기 TCO층(60) 상에 형성된 제1 전극(70)과, 상기 제1 전극(70)과 상호 이격되어 상기 TCO층(60) 상에 형성된 제2 전극(71)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이하, 각 구조에 대해 상세히 설명하도록 한다.Referring to FIG. 1 , an optoelectronic device according to an embodiment of the present invention includes a substrate 10, an n-type semiconductor region 20 formed on a portion of an upper surface of the substrate 10, and the n-type semiconductor. The insulator layer 30 formed to be spaced apart from each other on the substrate 10 based on the region 20, the metal layer 40 on the insulator layer 30, the insulator layer 30 and the metal layer 40 A 2D material layer 50 formed to fill the spaced apart part of, a TCO layer 60 formed on the metal layer 40 and the 2D material layer 50, and a first formed on the TCO layer 60 It is characterized in that it includes an electrode 70 and a second electrode 71 formed on the TCO layer 60 and spaced apart from the first electrode 70 . Hereinafter, each structure will be described in detail.

상기 기판(10)은 소정의 파장 영역의 광에 반응, 상세하게는 소정의 파장 영역의 광을 흡수하여 광 전류를 발생시킬 수 있으며, 다양한 기판을 사용할 수 있다.The substrate 10 reacts to light in a predetermined wavelength range, in detail, absorbs light in a predetermined wavelength range to generate photocurrent, and various substrates may be used.

일례로, 상기 기판(10)은 Ge, Si와 같은 Ⅳ족 반도체 물질, InGaAs, GaAs, GaN, InP과 같은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 물질 등을 포함하는 기판일 수 있다.For example, the substrate 10 may be a substrate including a group IV semiconductor material such as Ge or Si, a III-V compound semiconductor material such as InGaAs, GaAs, GaN, or InP.

상기 기판(110)은 예를 들면 p-형의 도전형을 가질 수 있으나, 필요에 따라 도전형을 가지지 않을 수도 있다.The substrate 110 may have, for example, a p-type conductivity, but may not have a conductivity type if necessary.

바람직하게, 상기 기판(10)은 p-형의 Ge 기판일 수 있다.Preferably, the substrate 10 may be a p-type Ge substrate.

상기 n-형 반도체 영역(20)은 기판(10)의 일부분에 n형 도펀트 원소를 도입하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 n-형 반도체 영역(20)은 이온 주입 도펀트 중 As을 사용하여 형성되고, 열처리를 통한 도핑영역 확장이 이루어질 수 있다.The n-type semiconductor region 20 may be formed by introducing an n-type dopant element into a portion of the substrate 10 . For example, the n-type semiconductor region 20 may be formed using As as an ion implantation dopant, and the doping region may be expanded through heat treatment.

상기 절연체층(30)은 Aluminium Oxide (Al2O3)로 형성될 수 있다.The insulator layer 30 may be formed of aluminum oxide (Al 2 O 3 ).

상기 절연체층(30) 상에는 상기 TCO층(60)과의 접촉성을 증가시킬 수 있도록 금속층(40)을 형성할 수 있다. 여기서, 상기 금속층(40)은 알루미늄(Al) 금속층으로 형성되며, 상기 알루미늄 금속층은 순수한 알루미늄으로 형성될 수 있다.A metal layer 40 may be formed on the insulator layer 30 to increase contact with the TCO layer 60 . Here, the metal layer 40 is formed of an aluminum (Al) metal layer, and the aluminum metal layer may be formed of pure aluminum.

상기 기판(10)의 상부 표면 중 일부분에 형성된 n-형 반도체 영역(20)이 상기 절연체층(30) 및 상기 금속층(40)의 패터닝을 통해서 노출될 수 있다.An n-type semiconductor region 20 formed on a portion of an upper surface of the substrate 10 may be exposed through patterning of the insulator layer 30 and the metal layer 40 .

상기 절연체층(30) 및 상기 금속층(40)의 이격된 부분에는 2D 물질층(50)이 형성된다.A 2D material layer 50 is formed at a spaced apart portion of the insulator layer 30 and the metal layer 40 .

바람직하게, 상기 2D 물질층(50)은 벌크 결정에서 기계적으로 박리된 후, 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane : PDMS) 템플릿(template)을 사용하여 상기 절연체층(30) 및 상기 금속층(40)의 이격된 부분에 전사될 수 있다.Preferably, after the 2D material layer 50 is mechanically exfoliated from the bulk crystal, the insulator layer 30 and the metal layer 40 are spaced apart using a polydimethylsiloxane (PDMS) template. Can be transferred to parts.

구체적으로는 벌크 결정에서 박리된 WSe2 플레이크(flakes)는 p-n 접합을 형성하기 위해 80°C의 상승된 단계 온도에서 광학 정렬을 통해 PDMS 템플릿을 사용하여 해당 이격된 부분에 전사될 수 있다.Specifically, WSe 2 flakes exfoliated from the bulk crystal can be transferred to the corresponding spaced parts using a PDMS template via optical alignment at an elevated step temperature of 80 °C to form a pn junction.

이외에도, 상기 2D 물질층(50)은 화학기상증착법 등 다양한 증착방법에 의해 형성가능함은 물론이다.In addition, of course, the 2D material layer 50 can be formed by various deposition methods such as chemical vapor deposition.

상기 2D 물질층(50)은 자체적으로 p-형 도전형을 가질 수 있다.The 2D material layer 50 itself may have a p-type conductivity.

바람직하게, 상기 2D 물질층(50)은 상기 n-형 반도체 영역(20)에 의해 정해지는 길이를 가질 수 있다.Preferably, the 2D material layer 50 may have a length determined by the n-type semiconductor region 20 .

2D 물질은 원자층과 원자층 사이가 화학적 결합 없이 반데르발스(vdW) 힘에 의해 결합되어 있어, 물질의 격자와 무관하게 다양한 이종 접합을 형성할 수 있다.In 2D materials, atomic layers are bonded between atomic layers by van der Waals (vdW) forces without chemical bonding, so that various heterojunctions can be formed regardless of the lattice of the material.

예를 들면, 상기 n-형 반도체 영역(20) 및 상기 2D 물질층(50) 사이나, 상기 2D 물질층(50) 및 상기 TCO층(60) 사이는 반데르발스 힘에 의해 이종 접합 구조가 형성될 수 있다.For example, a heterojunction structure is formed between the n-type semiconductor region 20 and the 2D material layer 50 or between the 2D material layer 50 and the TCO layer 60 due to van der Waals force. can be formed

다시 말해서, 본 발명에서는 n-형 반도체 영역(20), 2D 물질층(50) 및 TCO층(60) 사이에 이중 p-n 이종 접합이 생성가능하며, 따라서 광 반응성을 수배 정도로 증가시킬 수 있다.In other words, in the present invention, a double p-n heterojunction can be created between the n-type semiconductor region 20, the 2D material layer 50 and the TCO layer 60, and thus the photoreactivity can be increased several times.

상기 2D 물질층(50)은 전이금속 칼코겐 화합물(TMDC)층일 수 있다.The 2D material layer 50 may be a transition metal chalcogen compound (TMDC) layer.

TMDC는 소위 반데르발스 재료들로서, MX2라는 화학식을 가지는데, 여기서 M은 전이금속(Mo 또는 W)이고 X는 칼코겐(S, Se, Te)이다.TMDCs are so-called van der Waals materials and have the chemical formula MX 2 , where M is a transition metal (Mo or W) and X is a chalcogen (S, Se, Te).

상기 TMDC층은 Tungsten Diselenide (WSe2), Molybdenum sulfide (MoS2), Molybdenum selenide (MoSe2), molybdenum ditelluride (MoTe2), tungsten disulfide (WS2), Tin diselenide (SnSe2), Tin disulfide (SnS2) 중 적어도 어느 하나일 수 있다.The TMDC layer is tungsten diselenide (WSe 2 ), Molybdenum sulfide (MoS 2 ), Molybdenum selenide (MoSe 2 ), molybdenum ditelluride (MoTe 2 ), tungsten disulfide (WS 2 ), Tin diselenide (SnSe 2 ), Tin disulfide (SnS 2 ) may be at least one of them.

상기 TMDC층은 광을 효과적으로 흡수하고 방출하며, 따라서 포토 다이오드와 태양전지 등과 같은 다양한 광전자소자를 만드는 데 이상적일 수 있다.The TMDC layer effectively absorbs and emits light, and thus may be ideal for making various optoelectronic devices such as photodiodes and solar cells.

바람직하게, 상기 2D 물질층(50)은 WSe2로 형성될 수 있다.Preferably, the 2D material layer 50 may be formed of WSe 2 .

상기 TCO (Transparent Conducting Oxide) 층(60)은 투명 전도성 물질이면 무방하며, 구체적인 일례로, Gallium oxide (Ga2O3), Tin oxid (SnO2), Indium tin oxide (In2O3:Sn), Alumium zinc oxide(ZnO:Al), Aluminium-doped zinc oxide (AZO), Cadmium tin oxide (CTO), cadmium stannte (Cd2SnO4) 중 적어도 어느 하나일 수 있다.The TCO (Transparent Conducting Oxide) layer 60 may be any transparent conductive material, and as a specific example, Gallium oxide (Ga2O 3 ), Tin oxid (SnO 2 ), Indium tin oxide (In 2 O 3 :Sn), Alumium It may be at least one of zinc oxide (ZnO:Al), aluminum-doped zinc oxide (AZO), cadmium tin oxide (CTO), and cadmium stannte (Cd 2 SnO 4 ).

상기 TCO층(60)은 예를 들면 n-형의 도전형을 가질 수 있다.The TCO layer 60 may have, for example, n-type conductivity.

상기 TCO층(60)은 반도체 물질이면서 높은 전기적 특성을 가지고 투명하기 때문에 높은 광 투과율을 가지는 장점이 있다.Since the TCO layer 60 is a semiconductor material and has high electrical characteristics and is transparent, it has an advantage of having high light transmittance.

바람직하게, 상기 TCO층(60)은 Ga2O3로 형성될 수 있다. 상기 Ga2O3은 특히 넓은 밴드갭의 우수한 물성을 가진다.Preferably, the TCO layer 60 may be formed of Ga 2 O 3 . The Ga 2 O 3 has excellent physical properties of a particularly wide band gap.

상기 제1 및 제2 전극(70, 71)은 E-beam 이베퍼레이션(evaporation) 공정을 통해 증착되고, 기존의 포토리소그래피 및 리프트오프 공정을 사용하여 패턴화될 수 있다.The first and second electrodes 70 and 71 may be deposited through an E-beam evaporation process and patterned using a conventional photolithography and lift-off process.

상기 절연체층(30)은 15 nm 내지 25 nm, 바람직하게는 20 nm의 두께를 가지고, 상기 금속층(40)은 5 nm 내지 15 nm, 바람직하게는 10 nm의 두께를 가질 수 있다.The insulator layer 30 may have a thickness of 15 nm to 25 nm, preferably 20 nm, and the metal layer 40 may have a thickness of 5 nm to 15 nm, preferably 10 nm.

상기 2D 물질층(50)은 39 nm 내지 49 nm, 바람직하게는 44 nm의 두께를 가질 수 있고, 상기 TCO층(60)은 195 nm 내지 205 nm, 바람직하게는 200 nm의 두께를 가질 수 있다.The 2D material layer 50 may have a thickness of 39 nm to 49 nm, preferably 44 nm, and the TCO layer 60 may have a thickness of 195 nm to 205 nm, preferably 200 nm. .

상기 제1 및 제2 전극(70, 71)은 Cr/Au층으로 형성가능하며, 여기서 Cr층은 15 nm 내지 25 nm, 바람직하게는 20 nm의 두께를 가질 수 있고, Au층은 75 nm 내지 85 nm, 바람직하게는 80 nm의 두께를 가질 수 있다.The first and second electrodes 70 and 71 may be formed of a Cr/Au layer, wherein the Cr layer may have a thickness of 15 nm to 25 nm, preferably 20 nm, and the Au layer may have a thickness of 75 nm to 25 nm. It may have a thickness of 85 nm, preferably 80 nm.

한편, 상기 2D 물질층(50)의 경우에는 도핑 농도 및 두께 제어에 어려움이 따른다.On the other hand, in the case of the 2D material layer 50, it is difficult to control the doping concentration and thickness.

이와 관련하여, 본 발명에서는 n-형 반도체 영역(20)을 추가로 제공하고 있으며, 상기 n-형 반도체 영역(20)의 도핑농도 및 두께를 제어함으로써 2D 물질의 도핑 농도 및 두께 제어의 한계를 해결하고 있다.In this regard, the present invention additionally provides an n-type semiconductor region 20, and by controlling the doping concentration and thickness of the n-type semiconductor region 20, the limits of doping concentration and thickness control of the 2D material are overcome. are solving

즉, 본 발명에서는 p-n 접합, 특히 상기 n-형 반도체 영역(20) 및 상기 2D 물질층(50) 사이의 p-n 접합에 있어서, 상기 n-형 반도체 영역(20)의 도핑 농도 및 두께를 조절하는 방식으로 광전자소자의 광검출 성능을 증가시키고 있다. 이때, 상기 2D 물질층(50)은 상기 n-형 반도체 영역(20)과는 상이한 도전형을 가지며, 바람직하게는 그 자체가 p-형 도전형을 가질 수 있다.That is, in the present invention, in the p-n junction, particularly in the p-n junction between the n-type semiconductor region 20 and the 2D material layer 50, the doping concentration and thickness of the n-type semiconductor region 20 are controlled. In this way, the photodetection performance of optoelectronic devices is increased. In this case, the 2D material layer 50 has a conductivity type different from that of the n-type semiconductor region 20, and preferably may itself have a p-type conductivity.

본 발명에서는 상기 n-형 반도체 영역(20)의 정확한 도핑농도 및 두께 제어를 위해서 TCAD (Technology Computer-Aided Design) 시뮬레이션을 수행하고 있다.In the present invention, TCAD (Technology Computer-Aided Design) simulation is performed to accurately control the doping concentration and thickness of the n-type semiconductor region 20 .

도 2 및 도 3은 TCAD 시뮬레이션 결과를 보여주고 있는데, 구체적으로 도 2에서는 1550 nm 파장에서의 도핑 프로파일을 보여주며, 도 3에서는 638 nm 파장에서의 도핑 프로파일을 보여주는 그래프이다.2 and 3 show the TCAD simulation results, specifically, FIG. 2 shows a doping profile at a wavelength of 1550 nm, and FIG. 3 is a graph showing a doping profile at a wavelength of 638 nm.

도핑농도의 제어를 위한 이온 주입 공정의 변수로는 크게 도즈(Dose), 에너지, 열처리 온도, 열처리 시간으로 총 4가지 변수가 있다.The variables of the ion implantation process for controlling the doping concentration include a total of four variables: dose, energy, heat treatment temperature, and heat treatment time.

본 발명에서는 이러한 4가지 변수를 조절해가면서 수백 개의 조전들 중에서 n-형 반도체 영역(20)의 최적화된 도핑 농도 및 두께를 형성시킬 수 있는 이온 주입 공정 조건을 찾아낼 수 있었다. [표 1]에서는 n-형 반도체 영역(20)의 도핑 농도에 따른 상기 n-형 반도체 영역(20) 및 상기 2차원 물질층(50) 사이의 수직 방향의 공핍 영역의 넓이(폭)를 보여 주고 있다. Ge 기판의 경우에는 638nm, 1500nm의 파장 영역의 광을 약 100nm, 1000nm 만큼 흡수할 수 있기 때문에 그 두께에 해당하는 n-형 반도체 영역(20)의 도핑 농도 및 두께를 [표 1]에서 찾아낼 수 있었다.In the present invention, it was possible to find ion implantation process conditions capable of forming an optimized doping concentration and thickness of the n-type semiconductor region 20 among hundreds of combinations by adjusting these four variables. [Table 1] shows the width (width) of the depletion region in the vertical direction between the n-type semiconductor region 20 and the 2D material layer 50 according to the doping concentration of the n-type semiconductor region 20. are giving Since the Ge substrate can absorb light in the wavelength range of 638 nm and 1500 nm by about 100 nm and 1000 nm, the doping concentration and thickness of the n-type semiconductor region 20 corresponding to the thickness can be found in [Table 1]. could

n-형 반도체 영역의 도핑농도 [㎝-3]Doping concentration of n-type semiconductor region [cm -3 ] n-형 반도체 영역의 두께 [㎚]Thickness of n-type semiconductor region [nm] 4.0E+17 4.0E+17 96.9 96.9 3.0E+17 3.0E+17 110.0 110.0 2.0E+17 2.0E+17 132.8 132.8 1.0E+17 1.0E+17 186.4 186.4 9.0E+16 9.0E+16 196.4 196.4 8.0E+16 8.0E+16 208.3 208.3 7.0E+16 7.0E+16 222.7 222.7 6.0E+16 6.0E+16 240.5 240.5 5.0E+16 5.0E+16 263.5 263.5 4.0E+16 4.0E+16 294.7 294.7 3.0E+16 3.0E+16 340.5 340.5 2.0E+16 2.0E+16 417.3 417.3 1.0E+16 1.0E+16 590.7 590.7 9.0E+15 9.0E+15 622.7 622.7 8.0E+15 8.0E+15 660.5 660.5 7.0E+15 7.0E+15 706.2 706.2 6.0E+15 6.0E+15 762.2 762.2 5.0E+15 5.0E+15 835.7 835.7 4.0E+15 4.0E+15 934.5 934.5

바람직하게, 1550 ㎚의 파장광에 대해, 상기 n-형 반도체 영역(20)의 도핑농도는 4.0E+15 ㎝-3 내지 6.0E+15 ㎝-3 범위가 될 수 있고, 상기 n-형 반도체 영역(20)의 두께는 760 ㎚ 내지 940 ㎚ 범위가 될 수 있다.Preferably, for light with a wavelength of 1550 nm, the doping concentration of the n-type semiconductor region 20 may be in the range of 4.0E+15 cm -3 to 6.0E+15 cm -3 , and the n-type semiconductor The thickness of region 20 may range from 760 nm to 940 nm.

바람직하게, 638 ㎚의 파장광에 대해, 상기 n-형 반도체 영역(20)의 도핑농도는 2.0E+17 ㎝-3 내지 4.0E+17 ㎝-3 범위가 될 수 있고, 상기 n-형 반도체 영역(20)의 두께는 96 ㎚ 내지 130 ㎚ 범위가 될 수 있다.Preferably, for light with a wavelength of 638 nm, the doping concentration of the n-type semiconductor region 20 may be in the range of 2.0E+17 cm -3 to 4.0E+17 cm -3 , and the n-type semiconductor The thickness of region 20 may range from 96 nm to 130 nm.

[표 1] 및 도 2를 참조하면, 1550 ㎚의 파장광 (적외선)에 대해, 상기 n-형 반도체 영역(20)의 도핑농도는 4.0E+15 ㎝-3임을 알 수 있다. 이때, 상기 n-형 반도체 영역(20)의 두께는 934.5 ㎚ (

Figure pat00001
1000 nm)가 될 수 있다.Referring to Table 1 and FIG. 2 , it can be seen that the doping concentration of the n-type semiconductor region 20 is 4.0E+15 cm −3 for light having a wavelength of 1550 nm (infrared ray). At this time, the thickness of the n-type semiconductor region 20 is 934.5 nm (
Figure pat00001
1000 nm).

[표 1] 및 도 3을 참조하면, 638 ㎚의 파장광 (가시광)에 대해, 상기 n-형 반도체 영역(20)의 도핑농도는 4.0E+17 ㎝-3임을 알 수 있다. 이때, 상기 n-형 반도체 영역(20)의 두께는 96.9 ㎚ (

Figure pat00002
100 nm)가 될 수 있다.Referring to Table 1 and FIG. 3 , it can be seen that the doping concentration of the n-type semiconductor region 20 is 4.0E+17 cm -3 for light with a wavelength of 638 nm (visible light). At this time, the thickness of the n-type semiconductor region 20 is 96.9 nm (
Figure pat00002
100 nm).

다시 말해서, 본 발명에 있어서, 1550 nm 및 638nm의 파장광은 n-형 반도체 영역(20)에 대해 각각 약 1000 nm, 100 nm까지 침투할 수 있기 때문에, 상기 n-형 반도체 영역(20)을 1000 nm, 100 nm으로 형성시킬 경우, 광전자소자는 광을 최고의 효율로 흡수할 수 있게 되므로, 광 반응성을 수배 정도로 증가시킬 수 있다.In other words, in the present invention, since light with wavelengths of 1550 nm and 638 nm can penetrate up to about 1000 nm and 100 nm into the n-type semiconductor region 20, respectively, the n-type semiconductor region 20 When formed to 1000 nm or 100 nm, the optoelectronic device can absorb light with the highest efficiency, and thus the photoreactivity can be increased by several times.

도 4 및 도 5를 참조하면, dark 및 조명시 각각의 파장에서의 I-V 특성을 나타내며, 본 발명에 따른 광전자소자는 특히 가시광(520 ㎚) 및 적외선(1550 ㎚) 파장에서 높은 수준의 광 전류가 흐르며, 광 파워의 변화에 따라 구동이 잘 되고 있음을 알 수 있다.4 and 5, the I-V characteristics at each wavelength during dark and illumination are shown, and the optoelectronic device according to the present invention has a high level of photocurrent, especially at visible light (520 nm) and infrared light (1550 nm) wavelengths. flow, and it can be seen that the drive is well performed according to the change in optical power.

도 6 및 도 7을 참조하면, 가시광(520 ㎚) 및 적외선(1550 ㎚) 파장에서 온(On)/오프(Off)에 따른 반응시간이 수 마이크로 수준으로 매우 빠른 속도로 나타남을 알 수 있다.Referring to FIGS. 6 and 7 , it can be seen that the response time according to on/off at visible light (520 nm) and infrared (1550 nm) wavelengths appears at a very high speed of several microns.

도 8을 참조하면, 본 발명에 있어서 2D 물질층(WSe2)만으로 p-n접합이 이루어지는 경우(하부의 WSe2/Ge 그래프)에는 광 반응성이 낮은 반면, TCO층(Ga2O3)과 2D 물질층(WSe2)로 p-n접합이 이루어지는 경우(상부의 Ga2O3/WSe2/Ge 그래프)에는 광 반응성이 매우 높음을 알 수 있다. 후자의 경우, Ga2O3층을 포함함으로써 약 7~10 배 정도로 광 반응성이 증가하였음을 알 수 있다.Referring to FIG. 8, in the present invention, when the pn junction is formed only with the 2D material layer (WSe 2 ) (the WSe 2 /Ge graph below), the photoreactivity is low, whereas the TCO layer (Ga 2 O 3 ) and the 2D material It can be seen that the light reactivity is very high in the case where the pn junction is formed with the layer (WSe 2 ) (Ga 2 O 3 /WSe 2 /Ge graph at the top). In the case of the latter, it can be seen that the photoreactivity increased by about 7 to 10 times by including the Ga 2 O 3 layer.

도 9를 참조하면, 도 6 및 도 7에 따른 가시광(520 ㎚) 및 적외선(1550 ㎚) 파장 뿐만 아니라 다른 넓은 파장 대역에서도 동일하게 빠른 반응 속도를 가질 수 있음을 알 수 있다.Referring to FIG. 9 , it can be seen that the reaction speed can be equally fast in other wide wavelength bands as well as visible light (520 nm) and infrared (1550 nm) wavelengths according to FIGS. 6 and 7 .

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Those skilled in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention can be embodied in other specific forms without changing its technical spirit or essential features. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the claims to be described later rather than the detailed description above, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and equivalent concepts thereof are included in the scope of the present invention. should be interpreted

10 : 기판
20 : n-형 반도체 영역
30 : 절연체층
40 : 금속층
50 : 2D 물질층
60 : TCO층
70 : 제1 전극
71 : 제2 전극
.
10: Substrate
20: n-type semiconductor region
30: insulator layer
40: metal layer
50: 2D material layer
60: TCO layer
70: first electrode
71: second electrode
.

Claims (28)

기판;
상기 기판의 상부 표면 중 일부분에 형성된 n-형 반도체 영역;
상기 n-형 반도체 영역을 기준으로 상기 기판 상에 상호 이격되게 형성된 절연체층;
상기 절연체층의 이격된 부분을 채우도록 형성된 2D 물질층;
상기 절연체층 및 상기 2D 물질층 상에 형성된 TCO층;
상기 TCO층 상에 형성된 제1 전극; 및
상기 제1 전극과 상호 이격되어 상기 TCO층 상에 형성된 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자.
Board;
an n-type semiconductor region formed on a portion of an upper surface of the substrate;
insulator layers spaced apart from each other on the substrate with respect to the n-type semiconductor region;
a 2D material layer formed to fill spaced apart portions of the insulator layer;
a TCO layer formed on the insulator layer and the 2D material layer;
a first electrode formed on the TCO layer; and
An optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency, characterized in that it comprises a second electrode formed on the TCO layer spaced apart from the first electrode.
제1항에 있어서,
상기 2D 물질층은 p-형 도전형을 가지는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자.
According to claim 1,
The optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency, characterized in that the 2D material layer has a p-type conductivity.
제1항에 있어서,
상기 2D 물질층은 상기 n-형 반도체 영역에 의해 정해지는 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자.
According to claim 1,
The optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency, characterized in that the 2D material layer has a length determined by the n-type semiconductor region.
제1항에 있어서,
상기 2D 물질층은 전이금속 칼코겐 화합물(TMDC)층인 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자.
According to claim 1,
The 2D material layer is an optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency, characterized in that the transition metal chalcogenide compound (TMDC) layer.
제4항에 있어서,
상기 TMDC층은 WSe2, MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, SnSe2, SnS2 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자.
According to claim 4,
The TMDC layer is WSe 2 , MoS 2 , MoSe 2 , MoTe 2 , WS 2 , SnSe 2 , At least one of SnS 2 Optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency.
제1항에 있어서,
상기 2D 물질층은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane : PDMS) 템플릿을 사용하여 상기 절연체층의 이격된 부분에 전사되는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자.
According to claim 1,
The 2D material layer is an optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency, characterized in that transferred to spaced apart portions of the insulator layer using a polydimethylsiloxane (PDMS) template.
제1항에 있어서,
상기 TCO층은 n-형 도전형을 가지는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자.
According to claim 1,
The optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency, characterized in that the TCO layer has an n-type conductivity.
제1항에 있어서,
상기 TCO층은 Ga2O3, SnO2, In2O3:Sn, ZnO:Al, AZO, CTO, Cd2SnO4 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자.
According to claim 1,
The TCO layer is Ga 2 O 3 , SnO 2 , In 2 O 3 :Sn, ZnO:Al, AZO, CTO, Cd 2 SnO 4 A double heterojunction structure with improved photodetection efficiency, characterized in that at least one of optoelectronic device.
제1항에 있어서,
상기 절연체층 상에는 상기 TCO층과의 접촉성을 증가시킬 수 있도록 금속층을 형성하는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자.
According to claim 1,
An optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency, characterized in that a metal layer is formed on the insulator layer to increase contact with the TCO layer.
제1항에 있어서,
1550 ㎚의 파장광에 대해, 상기 n-형 반도체 영역의 도핑농도는 4.0E+15 ㎝-3 내지 6.0E+15 ㎝-3 범위가 되고, 상기 n-형 반도체 영역의 두께는 700 ㎚ 내지 940 ㎚ 범위가 되는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자.
According to claim 1,
For light with a wavelength of 1550 nm, the doping concentration of the n-type semiconductor region ranges from 4.0E+15 cm -3 to 6.0E+15 cm -3 , and the thickness of the n-type semiconductor region ranges from 700 nm to 940 nm. An optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency, characterized in that it is in the nm range.
제1항에 있어서,
638 ㎚의 파장광에 대해, 상기 n-형 반도체 영역의 도핑농도는 4.0E+17 ㎝-3 내지 6.0E+17 ㎝-3 범위가 되고, 상기 n-형 반도체 영역의 두께는 97 ㎚ 내지 130 ㎚ 범위가 되는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자.
According to claim 1,
For light with a wavelength of 638 nm, the doping concentration of the n-type semiconductor region ranges from 4.0E+17 cm -3 to 6.0E+17 cm -3 , and the thickness of the n-type semiconductor region ranges from 97 nm to 130 An optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency, characterized in that it is in the nm range.
제1항에 있어서,
상기 2D 물질층은 39 nm 내지 49 nm의 두께를 가지고,
상기 TCO층은 195 nm 내지 205 nm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자.
According to claim 1,
The 2D material layer has a thickness of 39 nm to 49 nm,
The TCO layer is an optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency, characterized in that it has a thickness of 195 nm to 205 nm.
제1항에 있어서,
상기 기판은 Ⅳ족 반도체 물질, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 물질 중 적어도 하나를 포함하는 기판인 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자.
According to claim 1,
The optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency, characterized in that the substrate is a substrate containing at least one of a group IV semiconductor material and a group III-V compound semiconductor material.
제12항에 있어서,
상기 기판은 p-형의 Ge 기판인 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자.
According to claim 12,
The optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency, characterized in that the substrate is a p-type Ge substrate.
기판을 준비하는 단계;
상기 기판의 상부 표면 중 일부분에 n-형 반도체 영역을 형성하는 단계;
상기 n-형 반도체 영역을 기준으로 상기 기판 상에 절연체층을 상호 이격되게 형성하는 단계;
상기 절연체층의 이격된 부분을 채우도록 2D 물질층을 형성하는 단계;
상기 절연체층 및 상기 2D 물질층 상에 TCO층을 형성하는 단계;
상기 TCO층 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 및
상기 제1 전극과 상호 이격되게 상기 TCO층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자의 제조방법.
Preparing a substrate;
forming an n-type semiconductor region on a portion of an upper surface of the substrate;
forming insulator layers spaced apart from each other on the substrate based on the n-type semiconductor region;
forming a 2D material layer to fill the spaced apart portions of the insulator layer;
forming a TCO layer on the insulator layer and the 2D material layer;
Forming a first electrode on the TCO layer; and
A method of manufacturing an optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency, comprising forming a second electrode on the TCO layer to be spaced apart from the first electrode.
제15항에 있어서,
상기 2D 물질층은 p-형 도전형을 가지는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자의 제조방법.
According to claim 15,
The method of manufacturing an optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency, characterized in that the 2D material layer has a p-type conductivity.
제15항에 있어서,
상기 2D 물질층은 상기 n-형 반도체 영역에 의해 정해지는 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자의 제조방법.
According to claim 15,
The method of manufacturing an optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency, characterized in that the 2D material layer has a length determined by the n-type semiconductor region.
제15항에 있어서,
상기 2D 물질층은 전이금속 칼코겐 화합물(TMDC)층인 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자의 제조방법.
According to claim 15,
The 2D material layer is a method of manufacturing an optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency, characterized in that the transition metal chalcogenide compound (TMDC) layer.
제18항에 있어서,
상기 TMDC층은 WSe2, MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, SnSe2, SnS2 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자의 제조방법.
According to claim 18,
The TMDC layer has a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency, characterized in that at least one of WSe 2 , MoS 2 , MoSe 2 , MoTe 2 , WS 2 , SnSe 2 , SnS 2 Manufacturing method of an optoelectronic device.
제15항에 있어서,
상기 2D 물질층은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane : PDMS) 템플릿을 사용하여 상기 절연체층의 이격된 부분에 전사되는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자의 제조방법.
According to claim 15,
The 2D material layer is a method of manufacturing an optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency, characterized in that transferred to the spaced apart portion of the insulator layer using a polydimethylsiloxane (PDMS) template.
제15항에 있어서,
상기 TCO층은 n-형 도전형을 가지는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자의 제조방법.
According to claim 15,
The method of manufacturing an optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency, characterized in that the TCO layer has an n-type conductivity.
제15항에 있어서,
상기 TCO층은 Ga2O3, SnO2, In2O3:Sn, ZnO:Al, AZO, CTO, Cd2SnO4 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자의 제조방법.
According to claim 15,
The TCO layer is Ga 2 O 3 , SnO 2 , In 2 O 3 :Sn, ZnO:Al, AZO, CTO, Cd 2 SnO 4 A double heterojunction structure with improved photodetection efficiency, characterized in that at least one of A method for manufacturing an optoelectronic device having
제15항에 있어서,
상기 절연체층 상에는 상기 TCO층과의 접촉성을 증가시킬 수 있도록 금속층을 형성하는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자의 제조방법.
According to claim 15,
A method of manufacturing an optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency, characterized in that a metal layer is formed on the insulator layer to increase contact with the TCO layer.
제15항에 있어서,
1550 ㎚의 파장광에 대해, 상기 n-형 반도체 영역의 도핑농도는 4.0E+15 ㎝-3 내지 6.0E+15 ㎝-3 범위가 되고, 상기 n-형 반도체 영역의 두께는 700 ㎚ 내지 940 ㎚ 범위가 되는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자의 제조방법.
According to claim 15,
For light with a wavelength of 1550 nm, the doping concentration of the n-type semiconductor region ranges from 4.0E+15 cm -3 to 6.0E+15 cm -3 , and the thickness of the n-type semiconductor region ranges from 700 nm to 940 nm. A method of manufacturing an optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency, characterized in that it is in the nm range.
제15항에 있어서,
638 ㎚의 파장광에 대해, 상기 n-형 반도체 영역의 도핑농도는 4.0E+17 ㎝-3 내지 6.0E+17 ㎝-3 범위가 되고, 상기 n-형 반도체 영역의 두께는 97 ㎚ 내지 130 ㎚ 범위가 되는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자의 제조방법.
According to claim 15,
For light with a wavelength of 638 nm, the doping concentration of the n-type semiconductor region ranges from 4.0E+17 cm -3 to 6.0E+17 cm -3 , and the thickness of the n-type semiconductor region ranges from 97 nm to 130 A method of manufacturing an optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency, characterized in that it is in the nm range.
제15항에 있어서,
상기 2D 물질층은 39 nm 내지 49 nm의 두께를 가지고,
상기 TCO층은 195 nm 내지 205 nm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자의 제조방법.
According to claim 15,
The 2D material layer has a thickness of 39 nm to 49 nm,
The TCO layer is a method of manufacturing an optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency, characterized in that it has a thickness of 195 nm to 205 nm.
제15항에 있어서,
상기 기판은 Ⅳ족 반도체 물질, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 물질 중 적어도 하나를 포함하는 기판인 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자의 제조방법.
According to claim 15,
The method of manufacturing an optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency, characterized in that the substrate is a substrate containing at least one of a group IV semiconductor material and a group III-V compound semiconductor material.
제27항에 있어서,
상기 기판은 p-형의 Ge 기판인 것을 특징으로 하는 광검출 효율이 향상된 이중 이종 접합 구조를 가지는 광전자 소자의 제조방법.
The method of claim 27,
The method of manufacturing an optoelectronic device having a double heterojunction structure with improved photodetection efficiency, characterized in that the substrate is a p-type Ge substrate.
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