펄스레이저증착법으로 제작된 n-ZnO/p-Si 이종접합구조의 광전 특성 연구

Abstract

산화 아연 (ZnO)는 Ⅱ-Ⅵ족 산화물 반도체 (Oxide Semiconductor)로서 투명 전극, 광 다이오드 그리고 태양전지 등 분야의 응용에 쓰인다. 특히, 여러 구조의 광 다이오드 중에서 ZnO를 이용한 광 다이오드는 공정이 간단할 뿐만 아니라, 제조 단가가 저렴하여 차세대 광 소자로 많은 연구가 진행중이다. 본 연구에서 차세대 광 소자의 재료로 손꼽히는 산화물 반도체 물질 중 하나인 ZnO 박막의 광학적, 전기적 특성을 분석하고 ZnO 박막을 이용하여 광 다이오드를 제작하여 광전 특성을 평가하였다. ZnO 박막은 펄스 레이저 증착법 (Pulsed laser deposition)을 이용하여 제작하였으며, p형 실리콘 기판 위에 증착하였다. ZnO 박막의 산소분압에 따른 광전 특성을 알아보기 위해 산소분압을 다르게 하여 박막을 증착하였다. 산소분압은 40 mTorr에서부터 70 mTorr까지 10 mTorr씩 증가시키며 박막을 증착하였다. ZnO 박막은 상온에서 이루어졌으며 그 두께는 200 nm 정도가 되도록 성장하였다. 이러한 ZnO 박막은 XRD(X-ray diffraction), AFM(Atomic Force Microscopy) 그리고 PL(Photoluminescence) Spectroscopy을 사용하여 구조적, 광학적 특성을 분석하였다. 모든 ZnO 박막의 구조적 특성은 산소분압이 증가함에 따라 c축으로 에피택셜 하게 성장하였으며, 광학적 특성은 60 mTorr의 산소분압에서 자외선 발광 세기가 가장 컸다. 또한, 200˚C에서 후열처리한 60 mTorr의 산소분압 조건에서 제작된 소자는 0.19 V의 개방전압 (Voc), 8.8 mA/cm2의 전류밀도 (Jsc), 36%의 곡선인자 (fill factor), 0.61%의 변환효율 (PCE)의 광전 특성을 보였다. 광전 특성의 향상을 위해 알루미늄이 도핑된 산화아연 (Al doped ZnO)을 ZnO 박막 위에 증착하였다. 이에 따라 0.303 V의 개방전압 (Voc), 10.6 mA/cm2의 전류밀도 (Jsc), 47.1%의 곡선인자 (fill factor), 1.5 %의 변환효율 (PCE)의 광전 특성을 보였다. 또한 특정 LED 광원을 이용한 Responsivity를 측정한 결과, 기존 소자보다 파장대별 photocurrent가 증가한 것을 알 수 있었다. 본 연구를 통해 이루어진 n-ZnO/p-Si 이종접합 구조의 광 다이오드는 간단한 제작구조로 광전 특성을 갖는 소자의 가능성을 확인할 수 있었다.