현재까지 광 검출기(PD)는 생물의학, 디스플레이, 이미징, 환경 모니터링 및 통신을 포함한 다양한 응용 분야에서 사용되고 있다. 구조가 간단하면서 저비용으로 제작이 가능하고 넓은 파장 대 영역의 빛을 검출할 수 있는 고감도 광대역 광 검출기 소자를 제작하기 위해서는 그에 적합한 물질을 찾는 것이 매우 중요하다. 나노 구조체로 구성된 다공성 (porous) Si (PSi)은 벌크 Si에 비해 에너지띠 (band gap)가 크고 응답속도가 빠르다. 게다가, 효과적인 반사방지막 효과, 표면 패시베이션 (passivation)와 같은 이점들을 가지고 있다[1]. 이러한 우수한 특성들 덕분에 우리는 이전 연구에서 PSi 기반 태양전지 및 광 검출기와 같은 광전자 소자에 관한 문헌을 보고하였다[2-6].

ABO₃ 구조 기반 페로브스카이트 산화물 (Perovsktie oxide) 중 하나인 LaVO₃ 물질은 자외선부터 가시 광 영역까지 흡수 계수가 높아 광전자 소자의 이상적인 소재로 잘 알려져 있다. 특히, 높은 흡수계수 덕분에 박막화 제작이 가능하다. 또한, 물리적/화학적으로 안정성이 뛰어나고 수급 여건이 우수하기 때문에 경제적 측면에서도 유리한 장점들이 있다. 많은 그룹에서는 LaVO₃ 물질의 기본적 물리적 특성뿐만 아니라 LaVO₃ 물질 기반 광전자 소자에 관한 특성을 보고하였다[7-10]. 그럼에도 불구하고 LaVO₃와 PSi 물질 간의 이종접합에 관한 보고는 없었다. 우수한 물성을 지닌 두 나노 물질을 이용하여 이종접합 광 검출기를 제작한다면 단일 성분 물질에서 나타나지 않은 새로운 물리적 특성을 제공할 것으로 기대된다. 본 연구에서는 PSi 위에 LaVO₃ 박막을 증착하여 LaVO₃/PSi 이종접합 광 검출기를 성공적으로 제작하였다. 전류밀도-전압 (current density-voltage, J-V) 특성과 광 검출기의 성능지표를 체계적으로 측정하여 이전 PSi 기반 또는 LaVO₃ 기반 광 검출기의 성능지표들과 비교 분석하였다.

PSi을 제작하기 위해 우리는 5 Ohm-cm 저항을 가진 n-Si 위에 Au 나노 입자를 스퍼터링을 이용하여 5초간 증착 시켰다. 순차적으로, HF:H₂O₂ (v/v) = 1:1로 제작된 식각 용액에 5초간 담근 후 잔여물을 제거하기 위해 Di water에 여러 번 세척하였다. PSi 형성은 광학 현미경과 라만 분광법을 이용하여 확인하였다. PSi 기판 위에 LaVO₃ 증착하기 위해, 우리는 RF 마그네트론 스퍼터링 시스템을 이용하였다. 여기서, 10^-3 Torr 진공도와 50 W 증착 파워를 사용하여 약 60 nm의 박막을 성장시켰다. LaVO₃ 박막의 흡수계수와 투과도 스펙트럼은 타원 계측기(Ellipsometer)와 UV-Vis 분광광도계 장비에 의해 측정되었다. 최종적으로 광 검출기 제작을 위해, 우리는 Si 기판 후면과 LaVO₃ 전면에 각각 InGa과 Au 전극을 증착하여 소자를 완성시켰다. LaVO₃/PSi/n-Si 소자의 전류밀도-전압 (current density-voltage, J-V) 측정은 Keithely 2400으로 측정하였다. 파장별 광 응답도 (photoresponsivity) 특성은 450 W 할로겐램프와 단색화 분광기 (monochromator)가 연결된 시스템에 의해 분석되었다. 소자의 반응속도는 532 nm 펄스 레이저와 오실로스코프를 이용하여 측정하였다.

Figure 1(a)-(b)는 벌크 Si과 PSi의 표면 FE-SEM 이미지를 보여준다. SEM 이미지에서 볼 수 있듯이, PSi 표면의 높은 다공성이 선택적으로 잘 형성되었음을 확인하였다. PSi의 형성에 대해 더 체크하기 위해, 우리는 532nm 레이저가 달린 라만 분광학 시스템을 이용하여 벌크 Si과 PSi를 측정하였다. 예상대로, PSi은 벌크 Si에 비해 청색 천이와 반치폭(full Width at half maximum)이 커졌으며 결과적으로 PSi 잘 형성되었음을 시사한다[1,2].

Figure 1. (Color online) Plan-view SEM image of (a) bulk Si and (b) porous Si (PSi). Here, the scale bar indicates 100 nm. (b) Raman spectra for bulk Si and PSi.

Figure 2(a)는 LaVO₃ 박막의 300-1000 nm 영역에 대한 흡수계수 스펙트럼을 나타낸다. 결과적으로 자외선부터 가시광 영역까지 고 흡수율로 광 검출기 소재로 적합함을 제안한다. Figure 2(b)는 석영 기판 위에 증착된 LaVO₃ 박막에 대한 투과도 스펙트럼으로 400-800 nm 영역에 해당되는 가시 광 영역에서는 투과도는 60% 이상으로 반투명성 특성을 보인다. 이러한 결과는 LaVO₃ 쪽을 입사광을 조사하여도 약 60% 이상의 빛은 PSi에 입사됨을 의미한다.

Figure 2. (Color online) (a) Absorption coefficient and (b) transmittance spectrum of LaVO₃ film. The inset images show the semitransparent LaVO₃ film.

Figure 3(a)-(b)는 Au/LaVO₃/PSi/n-Si/InGa 이종접합 구조의 모식도 및 실제 소자 이미지를 나타낸다. Figure 3(b)에서 볼 수 있듯이, 소자의 활성 면적은 25 mm²이다. Figure 3(c)는 LaVO₃/PSi/n-Si 단면 이미지로 PSi 표면 위에 LaVO₃ 박막이 잘 증착되었음을 시사한다. Figure 3(d)는 LaVO₃/PSi 소자에 대한 dark-/photo J-V 곡선을 보여준다. LaVO₃/PSi 소자는 정류 특성을 보이며, 캐리어 수집에 있어 효과적이다. Figure 3(d)는 LaVO₃/PSi/n-Si의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸다. 열평형상태일 때, p형 LaVO₃의 페르미 에너지 준위 (E_F)는 전자대에서 낮은 위치에 위치한다. V = 0에서는 LaVO₃/PSi 경계면에서의 장벽 (barrier height)에 의해 전류가 무시할만 수준일 것으로 판단된다. 반면, 역바이어스(V < 0)에서 PSi의 정공은 LaVO₃ 쪽으로 이동하려면 LaVO₃/PSi 경계면에서의 높은 에너지 장벽을 극복해야 한다. 순바이어스(V > 0)에서는 PSi 전자가 LaVO₃ 쪽으로 이동하기 위해 극복해야 하는 에너지 장벽이 낮아 결과적으로 전류가 잘 흐르게 된다. 결과적으로 밴드 다이어그램에 의해 역방향 보다 순방향 바이어스에서 암전류 (dark current, DC)가 큰 이유를 뒷받침한다. 한편, 빛을 소자에 조사하면 LaVO₃, PSi 및 Si 층에서 자유 전자/정공뿐만 아니라 결합에너지가 약한 전자-정공 쌍이 생성된다. 결과적으로 V > 0과 V < 0에서는 전자와 정공을 각각 상/하단 전극으로 이동하여 총 전류를 발생시킨다. 총 전류는 DC와 광전류 (photocurrent, PC)의 합으로 산출되기 때문에 V > 0와 V < 0에서 총 전류의 변화는 상대적으로 작지만 V = 0에서는 DC가 매우 작아 PC의 변화가 명확하게 관찰된다.

Figure 3. (Color online) (a) Schematic illustration and (b) real image of the Au/LaVO₃/PSi/n-Si/InGa photodetector (PD). (c) Cross-sectional SEM image of the LaVO₃/PSi. (d) J–V curves under dark and illumination at various photon wavelengths of 600 nm for device. (e) energy band diagram of the LaVO₃/PSi/n-Si PD. (f) Spectral responsivity and (g) detectivity of LaVO₃/PSi/n-Si PDs under V = 0.

Figure 3(f)는 0 V 하에 300-1000 nm에 해당되는 광대역 광 반응도 (photo responsivity, R)를 보여준다. 여기서, R은 다음 방정식: R=PC/IL에 의해 평가되며, I_L은 해당 파장의 빛의 세기이다. 결과적으로 소자의 광 반응도는 830 nm에서 0.4 AW^-1로 가장 높았다. 이러한 결과는 이전 보고된 LaVO₃ 또는 Si 기반 이종접합 소자보다 우수한 특성을 나타낸다[5, 6, 9, 11]. 이는 LaVO₃와 PSi 두 물질의 결합으로 빛의 흡수율이 더 많아짐에 따라 캐리어를 생성 증가하고 그로 인하여 높은 광 반응도를 획득한 것이라 여겨진다.

Figure 3(g)는 LaVO₃/PSi/n-Si 소자의 검출능 (detectivity, D*) 스펙트럼이다. 검출능은 다음 식: D*=R/(2qJd)에 의해 산출되었다[12]. 여기서, q는 전기 소량 (elementary charge), J_d는 암전류이다. 소자의 검출능은 830 nm에서 최대 1.6 × 10¹² cm Hz^1/2 W^-1를 보이며, 이전 보고된 Si 기반 소자보다 높거나 비교 가능한 수준이다[5, 6, 9, 11]. Figure 4(a)는 V = 0 하에 I_L에 따른 PC 그래프를 표시한다. 여기서, I_L은 600 nm 입사광의 세기를 조절하여 측정하였다. 소자의 선형 동작 범위 (Linear Dynamic Range, LDR)는 다음 방정식: LDR = 20 log(JPC*/Jd) 에 의해 계산할 수 있다[12]. 여기서, JPC*는 1 mWcm^-2 파워 밀도에서의 PC이다. 결과적으로 LaVO₃/PSi 소자의 LDR은 68 dB로 이전 보고된 LaVO₃ 또는 Si 기반 소자와 비교 가능한 수준을 보였다[5, 6, 11]. 광 검출기의 응답 속도를 체크하기 위해 변조된 광 조사 하에서 소자의 고해상도 시간 분해 전류를 시간에 따라 모니터링하였다. Figure 4(d)로부터, 우리는 빛이 켜지고 꺼질 때 전류가 10%에서 90%로 변하는 시간 간격으로 정의되는 상승 시간/하강 시간을 피팅 프로그램을 이용하여 분석하였다. LaVO₃/PSi 소자의 상승/하강시간은 48/53 µs로 추정된다.

Figure 4. (Color online) (a) Photocurrent as a function of light intensity (I_L) under V = 0. (b) Normalized transient photocurrents of LaVO₃/PSi/n-Si PD at V = 0.

본 연구에서, 우리는 LaVO₃/PSi 이종 접합의 자체 전원 광 검출기를 성공적으로 제작하였다. 소자는 10³ PC/DC 비율, 0.4 AW^-1 R, 1.6 × 10¹² cm Hz^1/2 W^-1 D*, 68 dB LDR 및 48/53 µs 상승/하강 시간의 최적화된 광 검출기 매개변수를 보였다. 소자의 성능은 이전에 보고된 LaVO₃ 또는 Si 기반 하이브리드 소자보다 우수하거나 비교 가능한 수준을 보였다. 간단한 구조인 LaVO₃/PSi 이종접합은 자체 전원 공급 광전자 소자 응용 분야에 유용할 것으로 예상된다.

This work was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Ministry of Science, ICT & Future Planning: NRF- 2022R1C1C1008499.