Vol. 67, No. 3, March 2017, pp. 307∼311 http://dx.doi.org/10.3938/NPSM.67.307
Influence of an AlGaAs Barrier on an InAs/GaAs Quantum-Dot Solar Cell
Seung Hyun Kim · Jong Su Kim
∗Department of Physics, Yeungnam University, Gyeongsan 38541, Korea
Sang Jun Lee
Korea Research Institute of Standards and Science, Daejeon 34113, Korea (Received 1 December 2016 : revised 21 December 2016 : accepted 27 December 2016)
In this study, the effects of an Al0.3Ga0.7As barrier on carrier transport in an InAs/GaAs quantum-dot solar cell (QDSC) were investigated by using current density - voltage (J-V) and capacitance - voltage (C-V) measurements and by using reverse bias dependence photolumines- cence (PL). These measurements were performed with various wavelength at a low temperature (15 K). When the J-V and the C-V data were measured for 860 nm excitation, the curves show apexes at reverse bias voltages of -0.2 V, -1.2 V and 2.6 V. For the reverse-bias-dependent PL, the Integrated PL intensity of the emission from the InAs quantum dots (QDs) increased with decresing reverse bias from –0.1 V to –2 V. These results are expected and are due to the accumulation of carriers at the Al0.3Ga0.7As barriers and to their tunneling through that. The accumulation and tunneling of carriers occur at the Al0.3Ga0.7As barrier on the QDSC at specific reverse-bias voltages.
PACS numbers: 78.67.Hc, 78.55.Cr
Keywords: InAs/GaAs quantum dot, Quantum dot solar cell, AlGaAs potential barrier, Capacitance-voltage, Current-voltage
InAs/GaAs 양자점 태양전지의 AlGaAs Barrier 효과
김승현 · 김종수
∗영남대학교 물리학과, 경산 38541, 대한민국
이상준
한국표준과학연구원, 대전 34113, 대한민국
(2016년 12월 1일 받음, 2016년 12월 21일 수정본 받음, 2016년 12월 27일 게재 확정)
본 연구에서는 InAs/GaAs 양자점 태양전지 (quantum dot solar cell, QDSC) 에서 Al0.3Ga0.7As 장 벽층을 삽입하였을 때 장벽층에 의한 운반자의 수송 특성을 전류밀도-전압 (J-V), 정전용량-전압 (C-V) 그리고 역 전압 의존 광발광 (photoluminescence, PL) 을 통해 조사하였다. 저온에서 (15 K) J-V와 C-V 측정 결과, 시료에 조사된 광의 파장이 860 nm일 때 역 전류와 접합 용량의 봉우리들 (apexes) 이 -0.2 V, -1.2 V 그리고 -2.6 V에서 관측되었다. 또한, 역 전압 의존 PL의 InAs 양자점 영역의 PL 세기가 -0.1 V 와 -2 V에서 증가한 것을 확인하였다. 이와 같은 역전류, 접합 용량의 봉우리와 PL 특성은Al0.3Ga0.7As 장벽층에서 운반자의 축적과 터널링에 의한 것으로 보인다. 양자점 준위에서 생성된 운반자의 축적과 터널링은 특정 인가 전압에서 Al0.3Ga0.7As 장벽층에 의해 발생하였다.
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PACS numbers: 78.67.Hc, 78.55.Cr
Keywords: 양자점, 양자점 태양전지, AlGaAs 장벽층, 접합 용량-전압, 전류-전압
I. 서 론
양자점 (quantum dot, QD) 은 벌크 상태의 반도체와 달리 양자화된 에너지 준위에 의한 포논 병목현상 (phonon bottleneck)이 발생한다. 따라서 높은 에너지의 단일 광자를 흡수할 때 생성된 hot 운반자는 포논 방출 대신 충격 이온화 (impact ionization) 가 일어날 수 있다. 그로인해 고 에너지 단일광자에 의한 다수의 전자-정공 쌍 (multiple exciton–
generation, MEG) 생성으로 100% 이상의 양자효율을 기 대할 수 있음으로 많은 연구자들의 관심을 받고 있다 [1, 2]. 이에 따라 양자점을 이용한 효율 중간 띠 (intermediate band, IB) 에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다 [3,4]. 또한 InAs 양자점은 양자구속화 (quantum confinement) 효과를 이용하여 띠 틈을 쉽게 제어할 수 있으며, InAs/GaAs 양 자점 태양전지 (quantum dot solar cell, QDSC) 는 광 흡수 파장 영역을 태양광 스펙트럼의 40% 이상을 차지하는 근 적외선 영역까지 확장할 수 있다. 그로 인해 태양전지의 효율향상에 많은 기여를 할 것으로 기대된다. 이러한 장점 에도 불구하고, InAs/GaAs 양자점 성장 시 GaAs와 InAs 의 격자 불일치 (lattice mismatch) 에 의한 영향으로 적외선 영역의 광 흡수로 생성된 운반자 증가보다 양자점 내의 격자 결함에 기인한 운반자의 구속 및 재결합의 비율이 오히려 높다면 효율 면에서 손실이 발생하게 된다 [5]. 이러한 단 점을 보완하기 위해 InAs 양자점 사이에 AlGaAs 장벽층을 삽입하여 장벽층의 두께조절을 통해 운반자의 트랩 (trap) 없이 양자점 사이의 터널링 가능성과 역 포화전류의 감소로 인한 태양전지의 효율이 향상 되었다는 보고가 이루어진 이후 AlGaAs 장벽층에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다 [6–8].
본 연구에서는 성장된InAs양자점 사이에 Al0.3Ga0.7As 층을 삽입한 InAs/GaAs 양자점 태양전지의 장벽층이 운 반자 수송에 미치는 영향을 조사하기 위해 전류-전압 (I-V), 접합 용량-전압 (C-V) 및 역 전압 의존 광발광 (photolumi- nescence, PL) 실험을 수행하였다.
II. 실 험
Fig. 1은 본 연구에서는 사용된 QDSC의 개략도 이다.
QDSC는 n+-GaAs (100) 기판 위에 박막 성장 장치(molec- ular beam epitaxy, MBE)를 이용하여 300 nm의 n+-GaAs
∗E-mail: [email protected]
Fig. 1. (Color online) Schematic diagram of InAs/GaAs quantum dots solar cell with Al0.3Ga0.7As barrier fences.
완충층 (buffer layer) 을 성장한 후, 300 nm의 n-GaAs 베이 스층 (base layer) 을 차례로 성장하였으며, 4 nm의 GaAs space 층을 성장한 후 Al0.3Ga0.7As 장벽층 사이에 InAs (2.0 ML) 양자점을 Stranski-Krastanov (S-K) 법으로 성 장하였다. 이 후 같은 방법으로 Al0.3Ga0.7As 장벽층과 InAs 양자점은 8 주기로 성장하였다. 그 위에 250 nm의 p- GaAs 에미터층 (emitter layer) 을 적층 한 후 GaAs의 표면 재결합을 막기 위한 50 nm의 p+- Al0.9Ga0.1As 윈도우층 (window layer) 을 성장한 후 윈도우층의 산화 방지를 위 해 100 nm의 p+-GaAs 덮개층 (cap layer) 을 성장하였다.
추가적으로 전면 전극으로 AuZn/Ni/Au 금속을 증착하여 옴성 접합 (ohmic contact) 을 형성하였다. 후면전극으로는 GeAu/Ni/Au 금속을 이용하였다. 실험에 이용된 양자점 태양전지의 크기는 1× 1 mm2이다.
장벽층이 삽입된 양자점 태양전지의 전기적/광학적 특 성을 알아보기 위해 15 K에서 I-V, C-V 및 역 전압 의존 PL 측정을 수행하였다. I-V와 C-V측정을 위한 실험장치 로는 Keithley 2400과 Boonton 7200 (frequency: 1 MHz) capacitance meter를 이용하였다. 암 상태의 I-V와 C-V 측정과 동시에 Ti: sapphire tunable 레이저 (800 ∼ 900 nm) 를 이용하여 800 nm, 860 nm, 870 nm의 여기 광을 조사한 상태에서 동일한 측정을 수행하였으며, 각 파장 별 세기는 10 mW로 고정하여 측정하였다. 또한 역 전압 의존 PL 실험의 전압인가장치로 Keithley 230을 이용하였으며, 여기 광원으로는 He-Ne 레이저를 (633 nm) 800 Hz의 주파 수를 가진 자르개 (chopper) 로 변조시키고 시료의 표면으로
Fig. 2. (Color online) C-V profiles of Al0.3Ga0.7As bar- rier fences on the InAs/GaAs quantum dot solar cell with dark (black line) and excitation wavelength 800 nm (blue dashed line), 860 nm (green dotted line) and 870 nm (red dash dotted line) at 15 K.
입사시켰다. 발생한 PL은 단색화 장치 (monochromator) 를 통해 각 파장 별 세기의 변화를 InGaAs detector (1.2∼ 2.4 µm) 와 락 인 테크닉 (lock-in technic) 으로 검출하였다.
III. 결과 및 논의
p-n접합에서 전압변화에 따른 전하량의 변화를 나타내는 지표를 접합 용량 (junction capacitance, C) 이라 한다. p-n 접합에서 소자의 접합 용량은 다음과 같은 식으로 나타내 어진다 [9].
C≡ dQ
dV =
d(Qdep+ Qmob) dV
= Cdep+ Cdif f (1)
C는 접합 용량이고 단위는 pF 이며, V 는 외부전압 Qdep
는 공간 전하량이며, Qmob는 이동 전하이다. 따라서 p-n 접합의 접합 용량은 공간 전하에 의한 공핍 접합 용량 (Cdep) 과 중성 영역에서 확산과정으로 축적된 과잉 소수 운반자에 의한 확산 접합 용량 (Cdif f) 로 구분할 수 있다.
Fig. 2 는 15 K 에서 측정한 Al0.3Ga0.7As 장벽층이 삽 입된 시료에 각 파장에 따른 C-V 신호를 나타내었다. 암 상태에서 측정된 C-V 결과 (black line) -5 V∼ 0 V의 접합 용량은 155.6 pF∼ 163.3 pF으로 측정되었으며, 일반적으 로 알려져 있는 p-n 접합 반도체의 역방향 전압인가 세기가 감소할수록 접합 용량이 증가하는 경향성을 보이고 있다.
이는 역 바이어스에 의한 공핍층의 증가에 의한 현상이다.
시료에 외부광원 (10 mW) 의 각 파장 별 접합 용량 측정 시 870 nm (1.42 eV) 파장 일 경우 약간의 접합 용량의 증가가
보였으며, 860 nm (1.44 eV) 파장보다 짧은 파장에서 접합 용량의 강한 증가가 관측되었다. 이는 광에 의해 생성된 과잉 운반자의 증가에 기인한 것이다. 특별하게 860 nm 파장에서 -0.22 V, -1.22 V, -2.68 V에서 접합 용량의 봉우 리들 (apexes) 이 관측되었으며, 이 현상은 장벽층에 의해 발생하는 운반자의 축적에 의한 공핍 접합 용량의 증가와 터널링에 의한 현상으로 잘 설명되며, -0.22 V에서는 젖음층 (wetting layer, WL) 에서 생성된 운반자가 내부 전기장에 의해 장벽층을 투과하면서 발생하며, -1.22 V와 -2.68 V에 서는 양자점 내부 준위 (QD1, QD2) 에서 생성된 운반자가 젖음층으로 방출 된 이후, 장벽층을 투과한 것으로 보인다.
이러한 현상들은 양자점이 삽입 된 중간 띠 (intermediate band) 소자에서 부성 미분 전기용량 (negative differential capacitance, NDC) 효과로 보고된바 있다 [10,11]. 위에 언급 된 현상은 InAs 양자점 성장시 발생하는 젖음층에서 발생하며 PL 실험을 통하여 젖음층과 AlGaAs 장벽층 사이 에서 발생하며 Fig. 4의 PL결과를 통하여 젖음층의 에너지 는 1.38∼ 1.44 eV로 확인되었다. 또한 800 nm (1.54 eV) 파장의 경우 GaAs 띠 틈에서 생성된 운반자들이 이동전하 로써의 역할을 하게 되며, 얇은 Al0.3Ga0.7As 장벽층 (1.6 nm) 을 쉽게 통과할 수 있어 급격한 접합 용량의 증가와 함께 공핍영역에 의존하는 경향을 볼 수 있다.
Fig. 3은 15K에서 측정된 각 파장에 따른 J-V 결과이다.
이론적인 p-n 접합 태양전지에서 광에 조사된 상태에서 전류밀도-전압 특성은 단일 지수함수로 표현된다 [12].
J =−Jph+ J0[exp(qV /nKBT )− 1] (2)
Jph 는 광에 의해 발생한 전류밀도이며, J0는 역 포화 전류 밀도이고, q 는 전하량, n 은 이상계수 (ideality factor), KB
는 볼츠만 상수, 그리고 T 는 온도이다. 암 상태에서는 – 0.74 µA/cm2의 역 포화 전류밀도가 관측되었으며, 시료의 외부광원을 (10 mW) 조사하였을 때, 870 nm의 광원에서는 –6.24 µA/cm2로 약간의 증가를 보였으며, 860 nm의 광 원에서는 –83.34 µA/cm2, 800 nm 여기 시에는 –108.55 mA/cm2로 급격한 광 전류의 증가를 보였다. 그리고 860 nm 여기 시에 특별히 -0.2 V, -1.2 V, -2.6 V 영역에서 전류 의 봉우리가 관측 되었으며, C-V 측정과 같은 위치에서 관 측됨을 확인하였다. 위에서 언급된 Al0.3Ga0.7As 장벽층을 투과하는 운반자에 의해 발생하는 터널링 전류가 발생하며, 각각 젖음층과 양자점 준위에서 (QD1, QD2) 발생 하는 것 으로 여겨진다. 800 nm 에서 급격한 전류의 증가를 확인하 였는데, 이 역시 GaAs 띠 영역에서 생성되는 전자-정공 쌍 (electron-hole pair) 이 전류에 기여한 것이다. 이 현상은 부 성 미분 저항 (negative differential resistance, NDR) 으로
Fig. 3. (Color online) J-V characteristic of Al0.3Ga0.7As barrier fences on the InAs/GaAs quantum dot solar cell with (a) dark (black dash line) and excitation wavelength 870 nm (red dotted line), (b) 860 nm (green dashed line) and (c) 800 nm (blue dash dotted line) at 15 K.
보고된 바 있으며, 주로 n-i-n 터널 다이오드에서 장벽층에 의한 암 상태에서의 J-V 특성으로 알려진 바 있다 [13,14].
하지만, p-n 접합구조의 정류 (rectification) 특성으로 인해 암 상태에서 J-V 에서는 NDR 현상이 관측되지 않았으며, 외부 광에 의해 유입된 운반자에 의해 NDR 현상이 나타나 는 것으로 보인다. 또한 800 nm의 파장으로 여기 하였을 때 GaAs 띠 틈 영역에서 발생하는 운반자에 의존하는 전류가
Fig. 4. (Color online) (a) Low-temperature (15K) PL spectrum of InAs/GaAs quantum dots solar cell with Al0.3Ga0.7As barriers. (b) Ratio of between biased PL intensity (Ib) and zero biased PL intensity (I0) with ex- citation power 0.6 mW (black circle) and 10.6 mW (red circle).
발생하므로, NDR 현상에 기여하는 전류의 크기가 상대 적으로 매우 작기 때문에 관측되지 않은 것으로 예상된다.
추가적으로 역 전압 의존 PL 실험을 통해 태양전지 내부에 생성된 운반자의 이동을 간접적으로 확인하였다. Fig. 4(a) 는 15 K에서 측정된 PL 신호이다. PL 신호로부터 GaAs 띠 틈 에너지는 1.49 eV로 확인 되었으며, 젖음층의 바닥 상태 에너지는 1.41 eV로 확인되었다. 또한 양자점의 바닥 상태 에너지는 1.03 eV와 1.16 eV 로 양자점 크기 분포에 따른 2개의 무리 (group) 가 존재하는 것으로 보인다. 이전 에 언급했던 C-V 측정 결과와 J-V 측정 결과에서 보여진 것처럼 Al0.3Ga0.7As 장벽층을 투과하는 운반자의 근원을 확인하기 위해 역방향 전압을 인가한 상태에서 PL 실험을 진행하였다. Fig. 4(b) 는 InAs 양자점 영역에서 발생하는 PL의 세기를 0 V일 때를 기준으로 역 방향 전압을 인가하 였을 때 변화를 비교하였다. 외부 전압을 인가 하였을 때 양자점에서 생성되는 전자-정공은 내부 전기장의 변화에 의해 터널링 확률의 증가로 인해 양자점 준위에서 재결합이
줄어들 것이라 예상되며 터널링 확률 (RT) 은 다음과 같이 표현된다 [15].
RT∼ exp(−4 3
√2m∗(∆Eh)3/2
eℏF ) (3)
위의 식에서 m∗는 유효질량이며, e 는 전자의 전하량, ℏ 는 h/2π 이며, h 는 플랑크 상수 이다. 또한 ∆Eh는 구속된 장벽층의 높이, 그리고 F 는 전기장을 의미하며, 전기장이 커질수록 터널링 확률이 증가하는 것을 알 수 있다. 역 전압 의존 PL 결과 저 세기 (0.6 mW) 여기 시에 ∼-0.1 V까지 InAs 양자점에서의 PL 세기가 증가하였으며, 이는 젖음층 의 운반자들이 장벽층에 의한 축적과 InAs 양자점으로의 구속으로 인해 방사성 (radiative) 재결합의 증가로 인한 것으로 보인다. 또한 -2 V 부근에서 PL 세기가 증가하는 것으로 보이며, 이는 QD 2 무리의 운반자들이 장벽층에 의해 다시 양자점으로 구속되어 PL 세기가 다시 증가하는 것으로 보이며, 나머지 구간에서는 역 방향 인가 전압의 크기가 증가할수록 PL 세기가 감소함을 알 수 있다. 이 결과는 이전에 언급한 C-V와 J-V 측정결과와 일치함을 알 수 있다. 그리고 고 세기 (10 mW) 여기 시에는 -0.1 V 구간에서 발생하는 장벽층에 의한 구속효과가 보이지 않 았다. 이는 젖음층 아래의 준위가 가득 차 전기장에 의한 운반자의 터널링 현상만 보인 것으로 사료된다. 이 후 -2 V 부근에서는 저 세기 (0.6 mW) 로 여기 하였을 때와 같은 결과를 보여준다. 따라서 장벽층에 의한 터널링은 양자점 내부 전기장에 의존하며, 특정전압에서의 강한 터널링 전 류가 발생한다. 이로 인한 태양전지의 효율향상에 기여될 수 있을 것으로 기대된다.
IV. 결 론
본 연구에서는 InAs 양자점 활성층 내부에 Al0.3Ga0.7As 장벽층을 삽입한 InAs/GaAs 양자점 태양전지에서 장벽 층에 의한 운반자 수송 특성을 C-V와 I-V 그리고 역 전압 의존 PL을 이용하여 연구하였다. C-V와 I-V 실험 결과 장벽층에 의한 운반자의 구속과 터널링이 확인되었으며, 특정 바이어스에서 터널링 전류가 증가하며, 이는 젖음층 준위와 양자점 준위에서 발생한 운반자에 의한 것을 확인 하였다. 따라서, 양자점 태양전지 설계 시에 내부 전기장 (built-in electric field) 크기와 Al0.3Ga0.7As 장벽층 삽입에 의한 효과를 고려한다면, 장벽층에 의한 터널 전류로 인해 높은 효율의 태양전지 설계가 가능할 것으로 사료된다.
ACKNOWLEDGMENTS
This work was supported by the Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning (KETEP) and the Ministry of Trade, Industry & Energy (MOTIE) of the Republic of Korea (No. 20163030013380).
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