포토다이오드의 광 흡수율을 향상시키는 새로운 나노패턴 형성기술
원문제목 : Mass-produced nanopatterns upgrade photodiodes
한국과학기술정보연구원 발췌
대만의 연구진은 스핀 코팅 나노구 리소그래피 공정을 이용한 새로운 패턴 형성기술을 개발했다. 이번 기술은 실리콘을 기반으로 하는 태양전지나 광검출기 등에 적용될 수 있을 것이다. 광전소자기술에서 서브파장(sub-wavelength) 나노패턴을 형성하는 것은 매우 복잡하고도 제조비용이 많이 드는 기술이다. 이번 연구진에 의해 개발된 포토다이오드(photodiode)는 높은 빛 흡수율을 나타내었고, 나노구조화된 소자는 기존의 평판 소자보다 훨씬 높은 수광각(acceptance angles)을 가졌다.
국립 대만 대학(National Taiwan University)의 연구진은 광발광 다이오드(light-emitting diodes, LEDs), 나노로드 LED 어레이, 광다이오드, 태양 전지 등과 같은 광전자장치 위에 나노패턴을 제조할 수 있는 스핀 코팅 나노스피어 리소그래피(nanosphere lithography) 방법을 개발했다. 나노패턴은 단일층 실리카 나노입자를 스핀 코팅함으로서 만들어졌는데, 이것은 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol, IPA) 용매에 용해된 후에 에칭된다. 100±10nm의 지름을 가진 실리카 나노입자는 패턴 정의 동안 하드 마스크(hard mask)로서 작용한다.
첫 번째 방법에서, 연구진은 n-형 ZnO/p-형 포토다이어드 표면 위에 나노입자를 스핀코팅했다. 패터닝 단계는 평면 구조를 위한 23° 에서 나노스피어 코팅을 가진 장치를 위한 50°까지 수광각의 급격한 증가를 불러왔다(파장 550 nm에서).
두 번째 방법에서, 연구진은 나노패턴된 p+-Si 기판 위에 n 형 ZnO와 진성 무정형 Si(a-Si) 층을 증착함으로서 나노콘(nanocone) 형상을 가진 포토다이어드를 제조했다. 이 샘플을 평면 소자와 비교해 볼 때, 36.2%의 광반응성 향상을 보였다. 이 연구결과는 그린(green) 파장의 주요 흡수 피크가 a-Si 흡수에 해당하는 범위에서 이루어진다는 것을 보여준다. 또한 수광각 측정을 통해서 나노구조로 된 포토다이오드가 평면 샘플에 비해서 더 큰 수광각을 가진다는 것을 알 수 있었다. 또한 이 연구는 나노콘 구조가 나노로드 구조에 비해서 더 높은 수광각을 가진다는 것을 보여준다.
위의 결과는 스핀 코팅된 나노스피어 리소그래피가 태양전지에 적용될 수 있다는 것을 보여준다. 연구진은 연구실에서 유리 기판 위에 박막 태양전지의 효율을 향상시킬 계획을 가지고 있다. 연구진은 광전자장치와 전자장치에 나노기술을 적용하는데 집중하고 있다.
이 연구결과는 저널 Nanotechnology에 “Investigation of light absorption properties and acceptance angles of nanopatterned GZO/a-Si/p + -Si photodiodes” 이라는 제목으로 게재되었다(doi: 10.1088/0957-4484/21/21/215201).
그림. (위) 연구진, (아래 왼쪽) 나노콘 형상의 모식도, (아래 오른쪽) 나노콘 형상의 SEM 사진.
< 원 문 >
The definition of well arranged sub-wavelength nanopatterns on optoelectronic devices can be a complicated or expensive task. Now, a new nanopattern definition technique using spin-coated nanosphere lithography has been proposed by researchers in Taiwan and applied to Si based solar cells and photodetectors. The photodiodes fabricated by the team demonstrate excellent light absorption efficiency (photoresponsivity). Moreover, the nanostructured devices have much higher acceptance angles than samples with a planar surface.
Prof. JianJang Huang and his group from National Taiwan University have developed a spin-coated nanosphere lithography method to fabricate nanopatterns on optoelectronic devices such as light-emitting diodes (LEDs), nanorod LED arrays, photodiodes and solar cells. The nanopatterns are realized by first spin-coating a monolayer of silica nanoparticles, which are resolved in IPA (isopropyl alcohol) solvent, on the sample and then etching. The silica nanoparticles with a diameter of 100 ± 10 nm act as a hard mask during the pattern definition.
In their first application, the scientists simply spin-coated nanoparticles on the n-type ZnO/p-type Si photodiode surface. The patterning step caused a dramatic increase in the acceptance angle from 23° for the planar structure to 50° for the device with the nanosphere coating (at the wavelength 550 nm).
In the second approach, the group fabricated a photodiode with a nanocone profile by depositing n-type ZnO and intrinsic amorphous Si(a-Si) layers on the nanopatterned p+-Si substrate. The sample demonstrates a 36.2% enhancement in photoresponsivity compared with a planar device. The results show a main absorption peak at the green wavelength range that corresponds to a-Si absorption. Furthermore, the acceptance angle measurement reveals that nanostructured photodiodes have larger acceptance angles than planar samples. The study also shows that the nanocone structure has higher acceptance angle than a nanorod structure.
The above results indicate that spin-coated nanosphere lithography has the potential to be applied to solar cells. To follow this up, the researchers now plan to improve the efficiency of thin film solar cells on a glass substrate in the lab. "We will integrate the concept of nanotechnology and graded bandgap structure into solar cells," Prof. J J Huang of National Taiwan University told nanotechweb.org.
More details can be found in the journal Nanotechnology.
About the author
The research was conducted by Dr Cheng-Pin Chen (now at TSMC), Miss Pei-Hsuan Lin (now at TSMC), Mr Yen-Jen Hung and Mr Shao-Sun Hsu under the instruction of Prof. JianJang Huang at the Graduate Institute of Photonics and Optoelectronics, National Taiwan University, Taiwan. Prof. Huang's group is focused on applying nanotechnology to optoelectronics and electronics.
