광검출기 (Photodetector, PD)는 자외선에서 적외선 광 파장 영역의 빛을 검출하여 물리량으로 변환하는 소자를 말한다. 즉, 광검출기는 광신호를 전기 신호로 변환시키는 장치이다. 넓은 영역의 파장에서 반응할 수 있고 광반응도 (Responsivity, R)와 검출능 (Detectivity, D*)이 우수해야 실직적인 광검출기 응용이 가능하다. 여기서, 광반응도는 검출기가 광학 신호에 얼마나 효율적으로 반응하는지를 나타내는 지표이며 검출능은 소자의 검출 능력 또는 감도의 측정을 의미한다. 최근 많은 그룹에서는 유기물(Organic)/Si 또는 무기 산화물 (Inorganic Oxides)/Si과 같은 이종접합 구조에 대한 광검출기 제작에 노력을 기울이고 있다[1-4]. 그러나, 유기물/Si 기반 광 검출기는 성능 측면에서는 개선되었지만 대기 중에서 안정성이 떨어져 장시간 동안 소자의 성능을 유지에는 한계가 있다[3, 4]. 무기 산화물은 광검출기에 적합한 재료를 찾는 것이 매우 어렵다.

반면, Mott 절연체에서 해당되는 페로브스카이트 산화물 (Perovsktie oxide)은 ABO3 구조로 이루어졌으며 가시광 영역에서 높은 광 흡수도로 인하여 태양전지, 박막 트랜지스터, 광검출기와 같은 광전자 소자의 이상적인 소재로 잘 알려져 있으며 최근에는 많은 연구가 보고되고 있다[5-7]. 페로브스카이트 산화물 물질 중 하나인 LaVO₃ 물질은 p-type 반도체로서 가시광 영역의 빛을 이상적으로 흡수할 수 있는 에너지띠 (band gap)를 가지고 있다. 또한, 가시광 영역에서의 투과율도 65% 이상으로 비교적 높은 투과율을 나타낸다. 물리적/화학적으로 안정하며 수급 여건이 우수하기 때문에 경제적 측면에서도 뛰어나다. 이러한 우수한 특성들로 인해 LaVO₃의 구조적 및 광학적 특성에 관한 연구결과가 보고된 바 있다[5, 6]. 그러나, LaVO₃의 특성평가에 대한 메커니즘에 대한 이해가 늘었음에도 불구하고 LaVO₃ 기반 광전자 소자에 관해서는 아직 충분한 연구결과가 발표되지 않아서 LaVO₃를 이용한 소자 응용 연구는 활발하지 않은 편이다.

본 연구에서는 LaVO₃를 Si 위에 증착하여 LaVO₃/Si 이종접합 구조의 광검출기를 제작하였으며, 전류밀도-전압 (current density-voltage, J-V) 곡선과 광응답을 측정하여 LaVO₃를 사용하지 않은 Si 광검출기 소자와 특성을 비교 분석하였다.

본 실험에서 LaVO₃ 페로브스카이트 산화물을 증착하기 위하여 무선주파수 (Radio Frequency, RF) 마그네트론 스퍼터링 공정을 이용하여 (100) 결정학적 배향을 가지고 있는 n-type Si (5 Ohm-cm) 위에 증착하였다. 이때의 초기 진공은 10^-6 Torr이었고, 증착 진공은 10^-3 Torr이었으며 증착파워는 50 W를 사용하였다. LaVO₃ 박막의 표면과 두께를 관찰하기 위해 전계 방출형 주사 현미경 (Field Emission Scanning Electron Microscope, FE-SEM)을 이용하여 측정하였다. LaVO₃ 성분요소는 X선 광전자 분광법 (X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)를 이용하였다. LaVO₃ 박막의 광학적 특성은 ultraviolet−visible near−infrared optical spectrometer를 이용하여 투과도 (Transmittance)와 반사도 (Reflectance)를 분석하였다. 여기서, 투과도 및 반사도 측정은 각각 석영 및 Si기판 위에 증착된 샘플을 사용하였다. LaVO₃ 박막의 흡수계수 (Absorption coefficient)는 타원계측법 (Ellipsometry)에 의해 측정되었다. 광검출기 소자를 완성하기 위해 Si 기판 후면 전극으로는 InGa 사용하였으며, 전면 전극은 쉐도우 마스크 (Shadow mask)를 이용하여 Au을 증착하였으며, 소자의 빛의 조사 영역은 5 × 5 mm²로 고정하였다. 모든 소자의 전기적 특성은 Keithely 2400을 이용하여 전류밀도-전압 측정을 하였다. 파장대 (Wavelength, λ)별 광응답을 확인하기 위해, 우리는 450 W 할로겐램프와 단색화 분광기 (monochromator)와 연결된 광응답 장비를 이용하여 관찰하였다.

Figure 1(a)는 LaVO₃의 Atomic Force Microscopy (AFM) 지형 이미지를 나타낸다. LaVO₃ 표면의 거칠기(root-mean-square, R_q)는 1.4 nm로 큰 표면굴곡 없이 구조적으로 매끄러운 특성을 보이고 있다. Figure 1(b)—(c)는 LaVO₃ 박막의 투과율/흡수계수 스펙트럼을 보여준다. 스펙트럼에서 볼 수 있듯이, LaVO₃ 박막은 자외선 영역에서 흡수가 높고, 가시광 영역에서는 투과도 특성이 우수하다. 이는 빛의 자외선 영역에서는 LaVO₃ 박막이 흡수하고 가시광 및 적외선 영역에서는 LaVO₃ 박막을 투과하여 LaVO₃/Si 접합부에 빛이 조사 되는 것을 의미한다. 또한, 자외선부터 가시광 영역에 대한 LaVO₃ 박막의 높은 흡수계수를 통해 가시광 영역의 빛에 의해 LaVO₃ 박막에서도 캐리어 생성이 가능함을 시사한다. Figure 1(d)는 bulk Si과 LaVO₃/Si의 반사율 측정 결과이다. 300 — 1000 nm 의 파장에 대한 LaVO₃/Si의 샘플의 반사도는 bulk Si에 비해 크게 감소하였으며, 최대 60% 정도 감소한다. 이러한 결과는 LaVO₃ 박막의 존재로 인해 LaVO₃가 존재하지 않은 샘플보다 흡수하는 빛의 양의 많아져 상대적으로 더 높은 광반응도가 기대된다.

Figure 1. (Color online) (a) AFM images/height profiles, (b)Transmittance, and (c) Absorption coefficient of LaVO₃ (d) Reflectance spectra of plana Si and LaVO₃/Si.

Figure 2는 본 실험에서 제작한 LaVO₃ 박막의 XPS 스펙트럼이며, La 3d_3/2, La 3d_5/2, O1s, V 2p_1/2, 및 V 2p_3/2에 해당되는 peak이 감지되는 것을 확인할 수 있다[7].

Figure 2. (Color online) XPS spectrum of LaVO₃ film.

빛 조사에 대한 LaVO₃ 박막의 특성을 확인하기 위해, 우리는 Au/LaVO₃/FTO 소자를 제작하였다. Figure 3은 600 nm 광원의 on/off 하에 소자의 전류 행동을 보여준다. 빛 on 시 광전류가 일정하게 잘 흐르는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 LaVO₃ 박막이 Si 표면의 반사방지막 역할뿐만 아니라 광검출기의 활성층 역할도 동시에 수행하고 있음을 나타낸다. 기존 Si 표면 반사방지막으로 널리 사용되던 Si₃N₄ (실리콘 질화막) 또는 SiO₂ (실리콘 산화막)에 비해 우수한 장점이 있음을 시사한다.

Figure 3. (Color online) On/off photocurrent switching curves of LaVO₃ films at λ = 600 nm.

Figure 4(a)는 Au/LaVO₃/Si/InGa 구조로 이루어진 광검출기의 모식도 및 소자의 실제 이미지를 보여준다. 소자의 실제 이미지에서 볼 수 있듯이, 빛 조사 영역이 5 × 5 mm² 임을 확인할 수 있다. Figure 4(b)는 소자의 단면 FE-SEM 이미지이다. Si 위에 70 nm LaVO₃ 박막과 85 nm Au 전극이 잘 형성되었음 알 수 있다. Figure 4(c)는 LaVO₃/Si 소자의 밴드다이어그램을 나타낸다. LaVO₃ 박막의 전도대 (Conduction band, E_C), 가전자대 (Valence band, E_v), 및 일함수 (Work function)의 수치는 기존 문헌의 값을 인용하였다[7]. 밴드다이어그램에서 볼 수 있듯이, 빛이 조사되면, Si과 LaVO₃ 박막 모두에서 전자-정공 생성되어 전자는 Si 쪽으로 정공은 LaVO₃ 박막 쪽으로 원활하기 이동하게 될 것으로 예상된다.

Figure 4. (Color online) (a) Schematic illustration/real image, (b) Cross-sectional SEM image (c) energy band diagram of the Au/LaVO₃/Si/InGa PD. (d)—(e) J-V curves under dark and illumination at various photon wavelengths (λ) of 300, 500, 600, and 900 nm for PDs with/without LaVO₃. (f)—(g) Bias-dependent on/off (photo/dark) current ratios for various λ. (h) Spectral responsivity and (i) Reversible on/off photocurrent switching curvesof LaVO₃/Si and Si PDs.

Figure 4(d)—(e)는 LaVO₃/Si와 Si 소자에 대한 dark와 photo J-V 행동을 보여준다. 여기서, LaVO₃/Si 소자는 명확한 정류 특성을 보였으며 이는 p-n 접합에서의 캐리어 수집이 매우 효과적인 것을 알 수 있다. 광검출기의 파장에 따른 photo J-V 특성을 관찰하기 위해 할로겐램프를 광원으로 사용하였고 할로겐램프에서 발생되는 빛을 단색화 분광기에 입사시켜 추출된 단색광을 소자에 조사시키면서 광검출기의 J-V 곡선을 측정하였다 (Fig. 4(d)—(e)). LaVO₃/Si 소자에서 LaVO₃ 박막의 존재로 인해 Si에 도달하는 빛의 양은 감소에도 불구하고 모든 입사에너지에 대한 광전류(Photocurrent, PC)는 LaVO₃/Si 광검출기가 Si 소자에 비해 우수한 특성을 보여준다. 이러한 결과는 LaVO₃의 존재로 인해 Si 반사율을 감소시켜 Si에 흡수할 수 있는 빛의 양의 증가로 광전류가 개선되었음을 시사한다. 또한, Fig. 3에서처럼 높은 흡수계수를 가진 LaVO₃ 박막에서 캐리어 발생으로 소자 전체의 광전류가 증가함을 제안한다. 입사에너지에 변화에 따른 J-V 곡선으로부터 암전류 (Dark current, DC)에 대한 광전류의 ratio (PC/DC)를 계산하여 Fig. 4(f)—(g)에 나타내었다. 두 소자 모두 입사에너지에 대한 PC/DC의 ratio는 600 nm 파장과 인가전압 (V_a)이 0 V에서 가장 크며, 이는 광검출기가 자체전력으로 구동이 가능함을 의미한다. LaVO₃/Si 소자 는 Si에 비해 우수한 PC/DC ratio을 보여준다. Figure 4(h)는 0 V 하에 두 소자의 파장별 광반응도를 보여주며, R=PC/IL의 식을 통해 산출되었다. 여기서, I_L는 해당파장의 빛의 세기이다. 결과적으로, 모든 파장에 대한 광반응도는 LaVO₃/Si 소자가 Si 소자보다 높다. 이러한 결과는 LaVO₃ 박막의 존재로 인해 (1) Si의 표면 반사도 감소로 Si에 도달하는 빛의 양의 증가와 (2) 빛 조사에 의해 LaVO₃ 박막에서도 캐리어 생성 증가로 광반응도가 높음을 시사한다. Figure 4(i)는 0 V 하에 600 nm 입사광 ON-OFF에 대한 두 소자의 광반응도를 보여준다. 입사광을 조사할 때마다 광전류가 생기며, 그 광전류의 크기는 거의 일정하게 나타난다. LaVO₃/Si 소자가 Si 소자에 비해 낮은 암전류와 높은 광전류 특성을 보여준다.

위의 결과를 바탕으로 우리는 LaVO₃/Si 소자에 대한 성능지표를 추가적으로 조사하였다. 약한 빛부터 강한 빛까지 넓은 범위의 파워 사이에서 소자의 광 반응이 저하되지 않고 일정한지를 확인하기 위해 소자의 선형 동작 범위 (Linear Dynamic Range, LDR) 조사하였다. 측정은 600nm 레이저의 파워를 변화시키면서 소자의 광전류를 측정하였다 (Fig. 5). LaVO₃/Si의 LDR은 47 dB로 기존 Si 기반 소자와 비교 가능한 수준을 보였다[8, 9].

Figure 5. (Color online) Photocurrent as a function of light intensity under V_a = 0 V.

Figure 6은 소자의 검출능 스펙트럼을 보여준다. 여기서, 검출능은 다음 식 D*=R/(2qJd)을 통해 계산하였다[10]. 여기서, q는 전기 소량 (elementary charge)이고 J_d는 암전류이다. 스펙트럼에서 볼 수 있듯이, 본 소자의 검출능은 890 nm에서 최대 6.6 × 10¹¹ Jones의 검출능을 보이며, 기존에 보고된 Si 기반 광검출기 소자보다 높다.

Figure 6. Detectivity of LaVO₃/Si PDs under V_a = 0 V.

본 연구에서 RF 스퍼터링 공정을 이용하여 LaVO₃ 박막을 성공적으로 제작하고 광학적 특성을 확인하였다. LaVO₃/n-Si 이종접합 구조 광검출기와 단일 n-Si 소자와의 성능을 비교 분석하였다. J-V 곡선에서 LaVO₃/Si 소자는 단일 Si 소자보다 높은 광반응도를 보였으며, 이는 LaVO₃ 박막에 의해 반사율 감소로 Si의 광흡수가 증가와 빛 조사에 의해 LaVO₃ 박막에서도 캐리어 생성 증가로 우수한 광반응 특성을 보인 것 해석된다. 또한, LaVO₃/Si 소자는 0 V 하에 λ = 600 nm에서 PC/DC ratio가 700으로 가장 높았으며, 이는 자체전력으로 소자가 구동됨을 의미한다. 광검출기 특성이 향상되었음을 알 수 있다. LaVO₃/Si 소자의 광검출능은 10¹¹ Jones로 지금까지 보고된 Si 기반 광검출기 소자와 비교 가능한 수준이다. 이러한 광학적 특성들로 보아 LaVO₃ 기반 태양전지 및 광검출기 제작에 있어 고성능 광전소자 기반 기술이 될 것이라 여겨진다.

이 논문은 2020학년도 안동대학교 학술연구조성비에 의하여 연구되었습니다.