MoO3 기반 실리콘 이종접합 IR 영역 광검출기 개발

박왕희,김준동,최인혁 한국전기전자재료학회 2017 전기전자재료학회논문지 Vol.30 No.8

Molybdenum oxide (MoO3) offers pivotal advantages for high optical transparency and low light reflection. Considering device fabrication, n-type MoO3 semiconductor can spontaneously establish a junction with p-type Si. Since the energy bandgap of Si is 1.12 eV, a maximum photon wavelength of around 1,100 nm is required toinitiate effective photoelectric reaction. However, the utilization of infrared photons is very limited for Si photonics. Hence, to enhance the Si photoelectric devices, we applied the wide energy bandgap MoO3 (3.7 eV) top-layer ontoSi. Using a large-scale production method, a wafer-scale MoO3 device was fabricated with a highly crystallinestructure. The MoO3/p-Si heterojunction device provides distinct photoresponses for long wavelength photons at 900nm and 1,100 nm with extremely fast response times: rise time of 65.69 ms and fall time of 71.82 ms. Wedemonstrate the high-performing MoO3/p-Si infrared photodetector and provide a design scheme for the extension ofSi for the utilization of long-wavelength light. 높은 투과율과 낮은 반사율을 갖는 n-type 산화물 반도체 MoO3와 p-type 실리콘의 산화물 반도체-반도체 이종 접합을 이용하여 IR 광검출기를 제작하였다. 실리콘의 밴드갭은 1.12eV로 빛이 조사될 때 약 1100nm 이하 파장의 빛을 흡수하며 본 실험의 MoO3의 밴드갭은 3.7eV로 약 335nm 이상 파장의 빛은 투과가 된다. 본 실험에서 Magnetron sputtering system 및 Rapid thermal processing (RTP)을 이용하여 증착한 MoO3는 XRD 분석을 통해 확인하였다. 이러한 광학적 특성을 지니는 MoO3와 p-type 실리콘을 이용하여 p-n 접합을 만들고 전면 및 후면에 Al을 증착하여 Al/n-MoO3/p-type si/Al. 구조의 산화물 반도체-반도체 이종 접합 광 검출기를 제작하였으며 MoO3 및 광검출기의 전기, 광학, 물질 특성을 측정하였다. 본 광검출기는 약 12.523의 상당히 명확한 정류 특성을 가지며, 900nm와 1100nm의 파장의 빛에서 각 각 4.15, 3.79의 높은 광응답을 보였다. 또한 두 파장에서의 상승 시간과 하강 시간은 약 65.69 ms와 71.85 ms로 상당히 빠른 광응답 속도를 보였다. 이러한 결과 및 실험 진행 과정에 대한 정보는 차후 고성능의 IR 광검출기 제작에 있어 상당한 이점이 될 것이다.

MoOx 기반 실리콘 이종접합 고성능 광검출기

박왕희,김준동,Park, Wang-Hee,Kim, Joondong 한국전기전자재료학회 2016 전기전자재료학회논문지 Vol.29 No.11

Transparent n-type metal-oxide semiconductor of $MoO_x$ was applied on a p-type Si substrate for high-performing heterojunction photodetector. The formation of $MoO_x$ on Si spontaneously established a rectifying current flow with a high rectification ratio of 1,252.3%. Under light illumination condition, n-type $MoO_x$/p-type Si heterojunction device provided significantly fast responses (rise time : 61.28 ms, fall time : 66.26 ms). This transparent metal-oxide layer ($MoO_x$) would provide a functional route for various photoelectric devices, including photodetectors and solar cells.

MoO₃ nanowire 기반 p-type 실리콘 이종접합 광범위 파장 광검출기

박왕희,김준동 한국진공학회 2017 한국진공학회 학술발표회초록집 Vol.2017 No.8

MoO₃ 기반 실리콘 이종접합 IR 영역 광검출기 개발

박왕희,김준동,최인혁,Park, Wang-Hee,Kim, Joondong,Choi, In-Hyuk 한국전기전자재료학회 2017 전기전자재료학회논문지 Vol.30 No.8

Molybdenum oxide ($MoO_3$) offers pivotal advantages for high optical transparency and low light reflection. Considering device fabrication, n-type $MoO_3$ semiconductor can spontaneously establish a junction with p-type Si. Since the energy bandgap of Si is 1.12 eV, a maximum photon wavelength of around 1,100 nm is required to initiate effective photoelectric reaction. However, the utilization of infrared photons is very limited for Si photonics. Hence, to enhance the Si photoelectric devices, we applied the wide energy bandgap $MoO_3$ (3.7 eV) top-layer onto Si. Using a large-scale production method, a wafer-scale $MoO_3$ device was fabricated with a highly crystalline structure. The $MoO_3/p-Si$ heterojunction device provides distinct photoresponses for long wavelength photons at 900 nm and 1,100 nm with extremely fast response times: rise time of 65.69 ms and fall time of 71.82 ms. We demonstrate the high-performing $MoO_3/p-Si$ infrared photodetector and provide a design scheme for the extension of Si for the utilization of long-wavelength light.

MoOx 기반의 고성능 투명 광검출기

박왕희,이경남,김준동 한국전기전자재료학회 2017 전기전자재료학회논문지 Vol.30 No.6

MoOx/NiO/ZnO/ITO 구조의 고성능의 투명광전 소자를 구현하였다. ITO 는 후면 전극으로 상요되었으며, p-type NiO 와 n-type ZnO를 접합하여 투명한 p/n 소자를 구현하였다. NiO 와 ZnO 의 증착에서는 리액티브 방식을 이용하였다. MoOx 윈도우는 굴절계수가 1.39로 NiO 의 2 보다 훨씬 낮아서 표면에서 빛의 반사를 줄이고 소자내부에 빛의 흡수를 증대시킬 수 있다. 또한 전기적으로는 전도성의 특성을 가지고 있어서, 캐리어의 포집을 증대하여 광검출기의 성능을 크게 개선 시킬 수 있다. MoOx 가 있는 소자는 광응답도와 광반응도가 매우 향상 되는 것을 확인하였으며, 이러한 다기능성을 이용하며 다양한 투명 광전소자에 적용이 가능할 것으로 판단된다. A high-performing all-transparent photodetector was created by configuring a MoOx/NiO/ZnO/ITO structureon a glass substrate. The ITO bottom layer was applied as a back contact. To achieve the transparent p/n junction,p-type NiO was coated on the n-type ZnO layer. Reactive sputtering was used to spontaneously form the ZnO orNiO layer. In order to improve the transparent photodetector performance, the functional MoOx window layer wasused. Optically, the MoOx window provided a refractive index layer (n=1.39) lower than that of NiO (n=2),increasing the absorption of the incident light wavelengths (λs). Moreover, the MoOx window can provide a lowersheet resistance to improve the carrier collection for the photoresponses. The MoOx/NiO/ZnO/ITO device showedsignificantly better photoresponses of 877.05 (at λ=460 nm), 87.30 (λ=520 nm), and 30.38 (λ=620 nm), comparedto 197.28 (λ=460 nm), 51.74 (λ=520 nm) and 25.30 (λ=620 nm) of the NiO/ZnO/ITO device. We demonstratedthe high-performing transparent photodetector by using the multifunctional MoOx window layer.

SnS 기반의 고성능 투명 UV 광검출기

박왕희,반동균,김현기,김홍식,유정희,김준동,Park, Wang-Hee,Ban, Dong-Kyun,Kim, Hyunki,Kim, Hong-Sik,Patel, Malkeshkumar,Yoo, Jeong Hee,Kim, Joondong 한국전기전자재료학회 2016 전기전자재료학회논문지 Vol.29 No.7

Transparent UV photodetector was achieved by using wide bandgap metal oxide materials. In order to realize transparent heterojunction UV photodetector, n-type ZnO and p-type NiO metal oxide materials were employed. High light-absorbing SnS layer was inserted into the n-ZnO and p-NiO layers. High-performing UV photodetector was realized by ZnO/SnS/NiO/ITO structures to provide extremely fast response times (Fall time: $7{\mu}s$ and rise time: $13{\mu}s$) and high rectifying ratio. The use of functional SnS-embedded photodetector would provide a route for high functional photoelectric devices.

MoO_x 기반의 고성능 투명 광검출기

박왕희,이경남,김준동,Park, Wang-Hee,Lee, Gyeongnam,Kim, Joondong 한국전기전자재료학회 2017 전기전자재료학회논문지 Vol.30 No.6

A high-performing all-transparent photodetector was created by configuring a $MoO_x$/NiO/ZnO/ITO structure on a glass substrate. The ITO bottom layer was applied as a back contact. To achieve the transparent p/n junction, p-type NiO was coated on the n-type ZnO layer. Reactive sputtering was used to spontaneously form the ZnO or NiO layer. In order to improve the transparent photodetector performance, the functional $MoO_x$ window layer was used. Optically, the $MoO_x$ window provided a refractive index layer (n=1.39) lower than that of NiO (n=2), increasing the absorption of the incident light wavelengths (${\lambda}s$). Moreover, the $MoO_x$ window can provide a lower sheet resistance to improve the carrier collection for the photoresponses. The $MoO_x$/NiO/ZnO/ITO device showed significantly better photoresponses of 877.05 (at ${\lambda}$=460nm), 87.30 (${\lambda}$=520 nm), and 30.38 (${\lambda}$=620 nm), compared to 197.28 (${\lambda}$=460 nm), 51.74 (${\lambda}$=520 nm) and 25.30 (${\lambda}$=620 nm) of the NiO/ZnO/ITO device. We demonstrated the high-performing transparent photodetector by using the multifunctional $MoO_x$ window layer.

NiO 기반의 투명 금속 산화물 반도체 광전소자

반동균,박왕희,은승완,김준동,Ban, Dong-Kyun,Park, Wang-Hee,Eun, Seong Wan,Kim, Joondong 한국전기전자재료학회 2016 전기전자재료학회논문지 Vol.29 No.6

NiO serves as a window layer for Si photoelectric devices. Due to the wide energy bandgap of NiO, high optical transparency (over 80%) was achieved and applied for Si photoelectric devices. Due to the high the high mobility, the heterojunction device (Al/n-Si/$SiO_2$/p-NiO/ITO) provide ultimately fast photoresponses of rising time of $38.33{\mu}s$ and falling time of $39.25{\mu}s$, respectively. This functional NiO layer would provide benefits for high-performing photoelectric devices, including photodetectors and solar cells.

MoS2 기반의 쇼트키 반도체 광전소자

반동균,박왕희,정복만,김준동 한국전기전자재료학회 2017 전기전자재료학회논문지 Vol.30 No.7

High-performing photoelectric device was realized for the MoS2-embedded Si device. MoS2-coating was performed by a large-scale available sputtering method. The MoS2-layer coating on the p-Si spontaneously provides the rectifying current flow with a significant rectifying ratio of 617. Moreover, the highly optical transmittance of MoS2-layer provides over 80% transmittance for broad wavelengths. The MoS2-embedded Si photodetector shows the sensitive photoresponse for middle and long wavelength photons due to the functional MoS2-layer, which resolves the conventional limit of Si for long wavelength detection. The functional design of MoS2-layer would provide a promising route for the enhanced photoelectric devices, including photovoltaics cells and photodetectors. MoS2-layer를 실리콘에 코팅하여, 고성능 광전소자를 개발하였다. MoS2-layer 를 p-Si 에 코팅하면, 자발적으로 다이오드가 형성되어, 전류의 정류특성이 확보된다. 본 연구에서는 매우 높은 정류비인 617의 값을 얻었다. 또한 MoS2-layer 는 광학성능이 매우 좋아서 넓은 파장대에서 80% 이상의 투과도를 보인다. 이러한 특성을 이용하여, 입사광에 대한 Photodetector 로 응용이 가능하다. 기존의 실리콘 소자는 장파장 신호에 대한 감지가 어려운데, MoS2-layer/p-Si 의 소자에서는 이러한 문제를 해결하고 매우 좋은 광반응을 보인다. 이러한 특성을 이용하게 되면 태양전지와 광센서를 포함한 다양한 광전소자에서의 성능을 크게 향상 시킬 수 있을 것으로 예상된다.

SnO2 기반의 투명 UV 광 검출기

이경남,박왕희,김준동 한국전기전자재료학회 2017 전기전자재료학회논문지 Vol.30 No.12

An all-transparent ultraviolet (UV) photodetector was fabricated by structuring p-NiO/n-SnO2/ITO on a glasssubstrate. SnO2 is an important semiconductor material because of its large bandgap, high electron mobility, hightransmittance (as high as 80% in the visible range), and high stability under UV light. For these reasons, SnO2 is suitablefor a range of applications that involve UV light. In order to form a highly transparent p-n junction for UV detection,SnO2 was deposited onto a device containing NiO as a high-transparent metal conductive oxide for UV detection. Wedemonstrated that all-transparent UV photodetectors based on SnO2 could provide a definitive photocurrent density of 4nA cm-2 at 0 V under UV light (365 nm) and a low saturation current density of 2.02 nA × cm-2. The device underUV light displayed fast photoresponse with times of 31.69 ms (rise-time) and 35.12 ms (fall-time) and a remarkablephotoresponse ratio of 69.37. We analyzed the optical and electrical properties of the NiO/SnO2 device. We demonstratedthat the excellent properties of SnO2 are valuable in transparent photoelectric device applications, which can suggestvarious routes for improving the performance of such devices. 투명 산화물질의 계층화 (p-NiO/n-SnO2/ITO/glass)를 통해, 완전 투명 광전소자를 제작하였다. SnO2 층은 큰 밴드갭과 높은 전자이동도의 특성으로 가시광 영역의 빛에 대해서는 80% 이상의 고투과도를 가지고 있다. NiO를 p-type layer로 이용하여, 투명 산화물 p-n 접합을 구현하였다. 이러한 투명 산화물 p-n 헤테로접합 소자는 외부 바이어스 없이 스스로 작동할 수 있으며, UV 광반응은 69.37에 이를 정도로 매우 민감하다. 반응속도는 상승속도에서 34 ms, 하강속도에서 32 ms를 보이는 고속 응답 특성을 보이고 있다. 이러한 SnO2 기반 투명 산화물은 다양한 광전소자와 에너지 소자에 적용이 가능할 것으로 예상된다.