금속산화물 전자차단층의 에너지준위최적화를 통한 포토디텍터의 성능향상에 관한 연구
Studies of the photovoltaic characteristics of organic & perovskite photodetectors using metal oxide EBL and its energy level optimization
- 주제어 (키워드) 유기 포토디텍터 , 페로브스카이트 포트디텍터 , 전자차단층 , 하프늄산화물 , 터널링효과 , 에너지준위 최적화; Organic Photodetectors , Perovskite Photodetectors , Photo-multiplication photodetectors , Electron Blocking Layer , Hafnium oxide , Tunneling Effect , Energy level optimization
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 오세용
- 발행년도 2024
- 학위수여년월 2024. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 화공생명공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000077128
- UCI I804:11029-000000077128
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록
포토디텍터는 빛의 신호를 전기적 신호로 출력하는 소자로 광센서 등의 용도로 광범위하게 용도가 확대되고 있다. 유기 포토디텍터는 무기 실리콘 기반의 포토디텍터의 단점인 낮은 가시광선 스펙트럼 감도 및 노이즈에 취약한 특성을 극복할 대안으로 유연한 기판 및 대면적 적용가능성으로 활발하게 연구되어왔으나 무기 실리콘 기반의 포토디텍터 대비 낮은 반응속도 및 detectivity로 인해 상용화가 지연되고 있다. 본 연구는 소자 구성의 에너지 준위 최적화를 통해 전자차단층 물질로 금속산화막을 도입하고 이를 상온에서 용액공정 또는 어닐링 공정으로 적층한 유기포토디텍터와 페로브스카이트 포토디텍터의 성능 향상에 관한 연구이다. 유기물 도너-억셉터의 bulk heterojunction 광활성층을 기반으로 하는 기존의 포토디텍터에 반도체에서 절연체로 폭넓게 사용되고 있는 HfO2를 용액공정인 SILD (Successive Ionic Layer Deposition)로 도포하고 넓은 에너지 밴드의 금속산화막을 전자차단층으로 응용하여 누설전류의 차단뿐만 아니라 높은 유전율 특성으로 기인한 터널링 효과로 암전류 밀도 4.2×10-8 A/cm2 및 detectivity 1.8 × 1012 Jones 의 향상된 결과를 얻을 수 있었다. 전자차단층의 연구를 광자증가 효과를 기반으로 하는 PM-OPD에 적용하여 두 배 이상 향상된 외부양자효율 (EQE)과 기판에 증착된 금속 박막을 고온 어닐링 공정으로 금속과 금속산화물이 함께 있는 박막을 전자차단층으로 도입하여 향상된 정공의 이동 및 전자차단층의 효과를 얻을 수 있었다, 이 소자 구성으로 암전류밀도 6.8×10-7 A/cm2, detectivity 1.9 × 1013 Jones, frequency response 144 kHz at – 3 dB의 결과와 함께 역 바이어스 – 5.0 V 이하에서도 적용가능성을 확인하였다. 또한, 태양전지 등 광전소자에서 주목받고 있는 물질중의 하나인 페로브스카이트 광활성층에도 적용하여 에너지 밴드 최적화에 의한 최적의 interlayer로 HfO2를 도핑한 SnO2를 적용하였고, PMMA passivation으로 페로브스카이트 포토디텍터의 누설전류를 효과적으로 차단한 결과를 얻을 수 있었다. 본 연구를 통하여 에너지 준위 최적화를 통하여 interlayer를 다양한 광활성층에 적용하고 실리콘계 무기 포토디텍터와 유사한 수준인 1.0 ×1013 이상의 detectivity 및 100 kHz 이상의 frequency response의 의미 있는 결과를 확인하였다.
more초록
Photodetectors are widely used such as sensor and display applications to convert light into electrical signals. Organic photodetectrs has been studied to overcome the disadvantages of Si based inorganic photodetectors which has low visible range spectrum sensitivity and noise, but organic photodetectors still need improvement of poor leakage current and low detectivity to be commercialized. This study is leakage current & detectivity improvement of organic photodetectors and perovskite photodetectors by introducing a metal oxide film as an electron blocking layer material through optimizing the energy level of the device configuration and easy deposition technique which through SILD (Successive Ionic Layer Deposition) or annealing process at room temperature. To achieve high detectivity of organic photodetectors, we introduced HfO2 as an electron blocking layer to be obtained low leakage current by high LUMO of HfO2 and high photocurrent by the tunneling effect. The result of 1.76 x 1012 Jones for a film thickness at 5.5 nm and bandwidth of ~100 kHz are improved than conventional PEDOT:PSS. By applying the study of the electron block layer to PM-OPD, which is based on the effect of higher photon generation, it was possible to obtain higher external quantum efficiency and the effect of improved hole transport and electron blocking layer by forming a thin film with metal-metal oxide together at high-temperature annealing process of metal thin film. As a result of the device configuration, we achieved comparable detectivity 1.9 × 1013 Jones as Si based photodetectors and frequency response 144 kHz at – 3 dB and observed the potential to apply reverse bias less than - 5.0 V. In addition, HfO2 doped SnO2 was applied as an interlayer by energy band optimization by applying it to the perovskite photoactive layer, which is one of the attractive materials in the photoelectric devices such as solar cells, and the result of effectively blocking the leakage current of the perovskite photodetector was obtained by passivation of PMMA. Through the study, the energy level optimization of the interlayer was applied to various photoactive materials and achieved the detectivity of more than 1.0 ×1013 and frequency response of more than 100 kHz which is comparable as that of silicon-based inorganic photodetectors.
more목차
제 Ⅰ 장. 서 론 1
1.1 연구배경 1
1.2 포토디텍터의 주요 성능 지표 5
1.3 연구목적 및 차별성 8
제 Ⅱ 장. 재료 및 실험방법 12
2.1 시약 및 재료 12
2.1.1 유기포토디텍터 (OPD) 제작을 위한 시약 및 재료 12
2.1.2 페로브스카이트 포토디텍터 제작을 위한 시약 및 재료 12
2.2 포토디텍터의 제작 13
2.2.1 HfO2를 interlayer로 도입한 유기포토디텍터 (OPD)의 제작 13
2.2.2 어닐링으로 산화시킨 금속박막을 interlayer로 도입한 PM-OPD 제작 14
2.2.3 SnO2와 HfO2를 도핑한 SnO2의 이중층을 interlayer로 도입한 페로브스카이트 포토디텍터의 제작 15
2.3 포토디텍터 분석기기 20
제 Ⅲ 장. 연 구 내 용 21
3.1 HfO2를 interlayer로 도입한 유기포토디텍터 (OPD)에 관한 연구 21
3.1.1 HfO2 박막의 도입 배경 21
3.1.2 소자의 광전기적 특성 분석 24
3.1.3 HfO2 전자차단층 박막 특성 분석 33
3.1.4 결론 및 고찰 34
3.2 어닐링으로 산화한 금속박막 interlayer로 누설전류를 감소시킨 PM-OPD 35
3.2.1 PM-OPD의 interlayer 연구 도입 배경 35
3.2.2 소자의 광전기적 특성 분석 38
3.2.3 금속의 어닐링 전/후 박막 특성 분석 46
3.2.4 결론 및 고찰 52
3.3 HfO2을 도핑한 SnO2을 이중층 interlayer를 도입한 페로브스카이트 포토디텍터 53
3.3.1 페로브스카이트 포토디텍터의 interlayer 연구 도입 배경 53
3.3.2 소자의 특성 분석 56
3.3.3 소자의 재현성 및 life-time 특성 분석 62
3.3.4 Interlayer 조건 별 박막특성 분석 66
3.3.5 결론 및 고찰 68
3.4 포토디텍터 성능 개선을 위한 interlayer 연구의 결과 69
제 Ⅳ 장. 결 론 및 고 찰 70
참고문헌 72
