KR101703039B1 - Silicon crystal with superlattice structure and electronic element comprising the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 초격자 구조의 실리콘 결정 및 이를 포함하는 전자 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광 특성이 뛰어난 초격자 구조의 실리콘 결정 및 이를 포함하는 전자 소자에 관한 것이다.
The present invention relates to a superlattice structure silicon crystal and an electronic device including the same, and more particularly, to a superlattice structure silicon crystal having excellent optical characteristics and an electronic device including the same.
현재 반도체 산업에서 널리 사용되고 있는 실리콘 소재의 결정 구조는 다이아몬드 구조로서, 해당 결정 구조의 전자구조는 간접 밴드갭(indirect bandgap) 특성을 가지고 있다.Currently, the crystal structure of a silicon material widely used in the semiconductor industry is a diamond structure, and the electronic structure of the crystal structure has an indirect bandgap characteristic.
즉 다이아몬드 구조의 실리콘 결정은 브릴루앙 존(Brillouin zone)의 X 점 근처에서 전도띠(conduction band)의 최소점이 형성되는 반면, 가전자띠(valence band)의 최고점은 원점에 위치하여 간접 밴드갭 특성을 가지게 된다.That is, the silicon crystal of the diamond structure forms the minimum point of the conduction band near the point X of the Brillouin zone, while the peak of the valence band is located at the origin and the indirect bandgap characteristic I have.
이러한 간접 밴드갭을 가지는 전자구조 때문에 통상의 실리콘 소재는 광흡수 및 광방출 특성이 우수하지 못하게 된다. 따라서 통상의 실리콘 소재는 태양전지, 레이저 소재로서의 활용성이 제한된다.Due to the electronic structure having such an indirect band gap, ordinary silicon materials are not excellent in light absorption and light emission characteristics. Therefore, general silicon materials have limited applicability as solar cells and laser materials.
그러나 실리콘은 지구에서 가장 풍부한 원소 중 하나로 이를 기반으로 한 반도체의 생산 비용이 낮으며, 다이아몬드 구조의 실리콘 결정은 그 밴드갭의 크기가 태양전지에 적합하기 때문에, 태양전지의 소재로 가장 널리 사용되고 있다. 다만 상술한 것과 같이, 다이아몬드 구조의 실리콘 결정은 광흡수 특성이 우수하지 못하기 때문에, 실리콘을 기반으로 하는 태양전지는 CdTe 등 직접 밴드갭 특성을 가지는 소재들을 기반으로 한 경우에 비해 매우 두꺼운 층을 사용해야만 한다는 문제점이 존재하였다.However, silicon is one of the most abundant elements on the planet, and the production cost of semiconductors based on it is low. Silicon crystal of diamond structure is most widely used as a material of solar cell because its band gap size is suitable for solar cell . However, as described above, because silicon crystal of diamond structure does not have excellent light absorption property, a silicon-based solar cell has a much thicker layer than a material based on materials having direct bandgap characteristics such as CdTe There was a problem that it had to be used.
한편 본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허 10-2014-0101287호(2014.08.19)에 개시되어 있다.
Meanwhile, the background art of the present invention is disclosed in Korean Patent Publication No. 10-2014-0101287 (2014.08.19).
본 발명은 광흡수 또는 광방출 특성이 우수한 초격자 구조의 실리콘 결정 및 이를 포함하는 전자 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
An object of the present invention is to provide a superlattice structure silicon crystal excellent in light absorption or light emission characteristics and an electronic device including the same.
본 발명에 따른 초격자 구조의 실리콘 결정은 적어도 하나 이상의 제1구조층과 단일의 제2구조층이 교번적으로 적층되어 있는 초격자(superlattice) 구조를 가지되, 상기 제1구조층은 다이아몬드 구조의 실리콘 층이고, 상기 제2구조층은 자이와츠 체인(Seiwatz Chain) 구조의 실리콘 층인 것을 특징으로 한다.The superlattice structure silicon crystal according to the present invention has a superlattice structure in which at least one first structure layer and a single second structure layer are alternately laminated, And the second structure layer is a silicon layer of a Seiwatz chain structure.
본 발명에서 상기 초격자 구조는 Si(111)n/Si(SC) 구조가 반복되는 형태이며, 상기 Si(111)은 상기 제1구조층이고, 상기 Si(SC)는 상기 제2구조층인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the superlattice structure is a structure in which a Si (111) n / Si (SC) structure is repeated, the Si (111) is the first structure layer, and the Si .
본 발명에서 상기 n개의 제1구조층은 입방밀집구조(cubic close-packed structure), 육방밀집구조(hexagonal close-packed structure) 또는 입방밀집구조와 육방밀집구조가 혼합된 형태의 적층구조를 갖는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the n first structure layers may have a laminated structure in which a cubic close-packed structure, a hexagonal close-packed structure, or a cubic compact structure and a hexagonal close structure are mixed .
본 발명의 일 측면에 따른 초격자 구조의 실리콘 결정은 상기 n이 3, 4 또는 5이고, 직접 밴드갭(direct bandgap) 특성을 갖는 것을 특징으로 한다.The superlattice structure silicon crystal according to an aspect of the present invention is characterized in that n is 3, 4 or 5 and has a direct bandgap characteristic.
본 발명의 일 측면에 따른 전자 소자는 상기 직접 밴드갭 특성의 실리콘 결정을 광흡수 또는 광방출 소재로 포함하는 것을 특징으로 한다.The electronic device according to one aspect of the present invention is characterized in that the direct bandgap silicon crystal is included as a light absorbing or light emitting material.
본 발명에서 상기 전자 소자는 마이크로파 집적회로(microwave integrated circuit), 발광 다이오드(light emitting diode), 광전지(photovoltaic cell), 접합형 트랜지스터(bipolar transistor), 전계효과 트랜지스터(field effect transistor), 사이리스터(thyristor), 광 검출기(photodetector), 광다이오드(photodiode), 포토트랜지스터(phototransistor), 광전자증배관(photomultiplier), 집적광학회로(integrated optical circuit), 포토레지스터(photoresistor), 광도전형 촬상관(photoconductive camera tube), CCD(Charge Coupled Device), 레이저 다이오드(laser diode), 옵토 커플러(optocoupler) 및 광섬유(optical fiber) 중 하나인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the electronic device may be a microwave integrated circuit, a light emitting diode, a photovoltaic cell, a bipolar transistor, a field effect transistor, a thyristor, A photodiode, a phototransistor, a photomultiplier, an integrated optical circuit, a photoresistor, a photoconductive camera tube, a photodiode, a photodiode, a photodiode, , A charge coupled device (CCD), a laser diode, an optocoupler, and an optical fiber.
본 발명의 다른 측면에 따른 초격자 구조의 실리콘 결정은 상기 n이 1, 2 또는 6 이상이고, 준직접 밴드갭(quasi-direct bandgap) 특성을 갖는 것을 특징으로 한다.The superlattice structure silicon crystal according to another aspect of the present invention is characterized in that n is 1, 2 or 6 or more and has a quasi-direct bandgap characteristic.
본 발명의 다른 측면에 따른 전자 소자는 상기 준직접 밴드갭 특성의 실리콘 결정을 광흡수 소재로 포함하는 것을 특징으로 한다.The electronic device according to another aspect of the present invention is characterized in that the silicon crystal having the semi-direct bandgap characteristic is included as a light absorbing material.
본 발명의 다른 측면에 따른 전자 소자는 광전지(photovoltaic cell)인 것을 특징으로 한다.An electronic device according to another aspect of the present invention is a photovoltaic cell.
본 발명에서 초격자 구조의 실리콘 결정은 아래의 표 1 및 표 3 내지 8에 기재된 것과 같은 구조 중 하나의 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
The superlattice structure silicon crystal in the present invention is characterized by having one of the structures shown in Tables 1 and 3 to 8 below.
본 발명의 일 측면에 따른 초격자 구조의 실리콘 결정 및 이를 포함하는 전자 소자는 직접 밴드갭 특성을 가짐으로써, 우수한 광흡수 및 광방출 특성을 가지는 효과가 있다.The superlattice structure silicon crystal and the electronic device including the superlattice structure according to an aspect of the present invention have direct bandgap characteristics and thus have excellent light absorption and light emission characteristics.
본 발명의 다른 측면에 따른 초격자 구조의 실리콘 결정 및 이를 포함하는 전자 소자는 준직접 밴드갭 특성을 가짐으로써, 종래 다이아몬드 구조의 실리콘 결정보다 우수한 광흡수 특성을 가지는 효과가 있다.
The superlattice structure silicon crystal and the electronic device including the superlattice structure according to another aspect of the present invention have a quasi direct bandgap characteristic and thus have a light absorption characteristic superior to that of a conventional silicon crystal crystal.
도 1은 직접 밴드갭 특성의 실리콘 결정과 다이아몬드 실리콘 결정의 밴드갭 구조를 비교한 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초격자 구조의 실리콘 결정의 결정 구조를 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초격자 구조의 실리콘 결정의 밴드 구조를 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초격자 구조의 실리콘 결정의 제2구조층 사이에 적층된 제1구조층의 층 개수(n)에 따른 밴드갭 특성을 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초격자 구조의 실리콘 결정의 전자(electron)와 정공(hole)의 공간적인 분포를 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초격자 구조의 실리콘 결정의 광흡수계수(absorption coefficients) 계산 결과를 나타낸 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 초격자 구조의 실리콘 결정의 두께에 따른 태양전지 효율을 나타낸 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 초격자 구조의 실리콘 결정의 포논 분산 계산 결과를 나타낸 예시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 초격자 구조의 실리콘 결정의 열적 안정성에 대한 분자동역학 계산 결과를 나타낸 예시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 초격자 구조의 실리콘 결정의 제작 방법을 설명하기 위한 예시도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram showing an example of comparison of a band gap structure between a silicon crystal having a direct bandgap characteristic and a diamond silicon crystal. FIG.
FIG. 2 is a view illustrating a crystal structure of a superlattice structure silicon crystal according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
FIG. 3 is a view illustrating a band structure of a superlattice structure silicon crystal according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
FIG. 4 is a view illustrating bandgap characteristics according to the number n of layers of the first structure layer stacked between the second structure layers of a superlattice structure silicon crystal according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating spatial distributions of electrons and holes of a superlattice structure silicon crystal according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
6 is a diagram illustrating absorption coefficient calculation results of a superlattice structure silicon crystal according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph illustrating solar cell efficiency according to thickness of a superlattice structure silicon crystal according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram illustrating the result of calculation of phonon dispersion of a silicon crystal having a superlattice structure according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram illustrating the results of molecular dynamics calculation of the thermal stability of a superlattice structure silicon crystal according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
10 is an exemplary view for explaining a method of manufacturing a superlattice structure silicon crystal according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 초격자 구조의 실리콘 결정 및 이를 포함하는 전자 소자의 일 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Hereinafter, an embodiment of a superlattice structure silicon crystal and an electronic device including the same according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In this process, the thicknesses of the lines and the sizes of the components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation. In addition, the terms described below are defined in consideration of the functions of the present invention, which may vary depending on the intention or custom of the user, the operator. Therefore, definitions of these terms should be made based on the contents throughout this specification.
도 1은 직접 밴드갭 특성의 실리콘 결정과 다이아몬드 실리콘 결정의 밴드갭 구조를 비교한 예시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초격자 구조의 실리콘 결정의 결정 구조를 나타낸 예시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초격자 구조의 실리콘 결정의 밴드 구조를 나타낸 예시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초격자 구조의 실리콘 결정의 제2구조층 사이에 적층된 제1구조층의 층 개수(n)에 따른 밴드갭 특성을 나타낸 예시도로서, 이를 참조하여 본 실시예에 따른 초격자 구조의 실리콘 결정의 구조를 설명하면 다음과 같다.FIG. 1 is a view for comparing the bandgap structure of a silicon crystal having a direct bandgap characteristic with that of a diamond silicon crystal, and FIG. 2 is an exemplary view showing a crystal structure of a superlattice structure silicon crystal according to an embodiment of the present invention FIG. 3 is a view illustrating a band structure of a superlattice structure silicon crystal according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a band structure of a superlattice structure silicon crystal according to an embodiment of the present invention. (N) of the first structure layer stacked on the first structure layer, and the structure of the superlattice structure silicon crystal according to the present embodiment will be described with reference to the following.
도 1에서 볼 수 있듯이, 다이아몬드 구조의 실리콘은 간접 밴드갭(indirect bandgap) 특성을 가지므로, 광흡수 또는 광방출 시 운동량 보존을 만족시키기 위해 에너지의 일부가 포논(phonon)으로 새어나가게 된다. 따라서 직접 밴드갭(direct bandgap) 특성의 실리콘이 다이아몬드 구조의 실리콘보다 광흡수 및 광방출 효율이 좋을 것으로 예상되어 왔다. 이에 직접 밴드갭 특성의 실리콘 구조를 디자인하기 위한 많은 연구가 이루어져 왔다.As can be seen from FIG. 1, the diamond-structured silicon has an indirect bandgap characteristic, so that part of the energy leaks into the phonon in order to satisfy the conservation of momentum during light absorption or light emission. Therefore, silicon having a direct bandgap characteristic has been expected to have better light absorption and light emission efficiency than silicon having a diamond structure. Therefore, many researches have been made to design a bandgap silicon structure directly.
본 실시예에서는 제일원리(first principles) 전자구조계산에 기반을 둔 광역최적화(global optimization) 방법을 통해 직접 밴드갭 및 광흡수 능력이 탁월한 준직접(quasidirect) 밴드갭을 가지며 에너지 또한 낮은 새로운 실리콘 결정 구조를 디자인하여 제시하였으며, 구체적으로 초격자(superlattice) 구조의 실리콘 결정을 디자인하여 제시하였다.In this embodiment, a new silicon crystal having a quasidirect bandgap excellent in direct bandgap and light absorption capability and having a low energy through a global optimization method based on the calculation of first principles electronic structure The structure is designed and presented. Specifically, a superlattice structure silicon crystal is designed and presented.
보다 구체적으로는 conformational space annealing(J. Lee, I.-H. Lee, and J. Lee, Phys. Rev. Lett. 91, 080201 (2003))로 불리는 계산 알고리즘에 제일원리 전자구조계산을 접목시켜 병렬계산이 가능한 알고리즘을 설계하였으며, 이를 이용하여 찾은 구조들에 대한 엔탈피 최소화(enthalpy minimization) 과정을 거쳐 안정성이 담보되는 실리콘 초격자 구조들을 디자인하였다.More specifically, we apply a first-principles electronic structure calculation to a computational algorithm called conformational space annealing (J. Lee, I.-H. Lee, and J. Lee, Phys. Rev. Lett. 91, 080201 We design an algorithm that can perform parallel computation and design a silicon superlattice structure with stability by enthalpy minimization of structures found using it.
이렇게 디자인된 초격자 구조의 실리콘 결정은 적어도 하나 이상의 제1구조층과 단일의 제2구조층이 교번적으로 적층되어 있는 초격자 구조를 가진다. 이때 제1구조층은 다이아몬드 구조의 실리콘 층이고, 제2구조층은 자이와츠 체인(Seiwatz Chain)(R. Seiwatz, Surf. Sci. 2, 473 (1964)) 구조의 실리콘 층일 수 있다.The superlattice structure silicon crystal thus designed has a superlattice structure in which at least one first structure layer and a single second structure layer are alternately stacked. The first structural layer may be a silicon layer of a diamond structure and the second structural layer may be a silicon layer of a Seiwatz Chain (R. Seiwatz, Surf. Sci., 473 (1964)) structure.
또한 본 실시예에 따른 실리콘 결정은 [Si(111)n/Si(SC)]m로 표현될 수 있다. 여기서 Si(111)은 다이아몬드 구조 실리콘의 (111) 층을 말하고, 제1구조층에 해당하며, Si(SC)는 자이와츠 체인으로 이루어진 실리콘 층을 말하고, 제2구조층에 해당한다. 또한 n은 연속적으로 적층된 제1구조층의 개수를 의미하고, m은 n개의 제1구조층과 단일의 제2구조층이 반복되는 횟수를 의미하며, n과 m은 1 이상의 임의의 정수일 수 있다.Also, the silicon crystal according to this embodiment can be expressed as [Si (111) n / Si (SC)] m . Here, Si (111) refers to a (111) layer of diamond-structured silicon and corresponds to a first structural layer, and Si (SC) refers to a silicon layer composed of a Ziwatz chain and corresponds to a second structural layer. N denotes the number of the first structural layers continuously stacked, m denotes the number of times the n first structural layers and the single second structural layer are repeated, and n and m may be arbitrary integers of 1 or more have.
즉 이러한 초격자 구조의 실리콘 결정의 결정 구조는 도 2에서 확인할 수 있으며, 여기서 n개의 제1구조층은 입방밀집구조(cubic close-packed structure), 육방밀집구조(hexagonal close-packed structure) 또는 입방밀집구조와 육방밀집구조가 혼합된 형태의 적층구조를 가질 수 있다.That is, the crystal structure of such a superlattice structure silicon crystal can be seen in FIG. 2, where the n first structure layers have a cubic close-packed structure, a hexagonal close-packed structure, And may have a laminated structure in which a dense structure and a hexagonal dense structure are mixed.
이러한 초격자 구조의 실리콘 결정 중 광방출 또는 광흡수 특성이 뛰어난 것으로 확인된 실리콘 초격자의 결정 구조의 일부를 아래의 표 1에 명시하였다. 표 1에 기재된 실리콘 초격자 구조는 n이 3 내지 7에 해당하는 경우이고, 제1구조층이 입방밀집구조 형태로 적층된 구조들을 예시로서 기재한 것이다.A part of the crystal structure of the silicon superlattice confirmed to have excellent light emission or light absorption property among the silicon crystals of the superlattice structure is shown in Table 1 below. The silicon superlattice structure shown in Table 1 is a case where n corresponds to 3 to 7, and structures in which the first structure layer is laminated in the form of a cubic compact structure are illustrated by way of example.
여기서, n은 연속적으로 적층된 제1구조층의 층수를, space group은 3차원 결정이 가질 수 있는 공간군(대칭성)을, a,b,c,α,β,γ는 격자상수(lattice constant)를, Wyckoff positions은 결정 내 원자들의 와이코프 위치를 의미한다.The space group is a space group (symmetry) that a three-dimensional crystal can have, a, b, c, α, β and γ denote a lattice constant ), And Wyckoff positions refer to the Wiekoff position of the atoms in the crystal.
도 2 및 표 1 에 기재된 와이코프 위치에서 볼 수 있듯이, 이들 구조에는 코디네이션 결함(coordination defects)이 존재하지 않아 전하 운반자인 전자 혹은 정공을 구속하지 않으므로 태양전지 효율이 낮아지지 않는다. 이에 반해 종래의 비정질 실리콘(amorphous Si)은 내부에 존재하는 각종 결함들에 의해 태양전지를 사용할수록 그 효율이 점차 낮아진다는 단점이 존재한다.As can be seen from the Wiekoff position shown in FIG. 2 and Table 1, there is no coordination defects in these structures, so that the efficiency of the solar cell is not lowered because electrons or holes which are charge carriers are not constrained. On the contrary, the conventional amorphous Si has a disadvantage that the efficiency of the amorphous silicon gradually decreases as the solar cell is used due to various defects existing therein.
또한 표 1 에 기재된 것과 같이, 제안된 실리콘 초격자 구조들의 다이아몬드 실리콘 구조에 대한 격자 부적합도(lattice mismatch) 역시 1% 내로 매우 낮은 수준인 것을 확인할 수 있다.In addition, as shown in Table 1, the lattice mismatch of the proposed silicon superlattice structures to the diamond silicon structure is also very low to 1%.
따라서 제안된 구조들은 기존의 다이아몬드 구조의 실리콘 기반 전자 소재나 전자 소자들과의 직접적인 접합이 가능하여, 다양한 광전자 소재 및 소자로 응용될 수 있으며, 격자 부적합도와 관련된 문제들이 발생하지 않을 수 있다.Therefore, the proposed structures can be directly applied to silicon-based electronic materials or electronic devices of existing diamond structures, so that they can be applied to various photoelectronic materials and devices, and problems related to lattice mismatching may not occur.
한편 제일원리 계산을 통해 이러한 실리콘 결정 구조들에 대한 에너지 밴드 구조를 계산할 수 있으며, 이를 통해 각 구조의 밴드갭 특성이 직접 밴드갭인지, 준직접 밴드갭인지, 간접 밴드갭인지 확인할 수 있다.On the other hand, the energy band structure for these silicon crystal structures can be calculated through the first principle calculation. Thus, it can be confirmed that the band gap characteristics of each structure are directly band gap, quasi direct band gap, and indirect band gap.
보다 구체적으로는 PBE(Perdew, Burke, and Ernzerhof) 계산(J. P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996)) 및 준입자(quasiparticle) GW 계산(M. S. Hybertsen and S. G. Louie, Phys. Rev. B 34, 5390 (1986); L. Hedin, J. Phys.: Condens. Matter 11, R489 (1999))을 기반으로 직접 밴드갭의 크기 및 간접 밴드갭의 크기를 계산할 수 있으며, 이러한 계산결과는 아래의 표 2에 기재되어 있다.More specifically, calculation of the PBE (Perdew, Burke, and Ernzerhof) calculation (JP Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996)) and quasiparticle GW calculation The size of the direct bandgap and the size of the indirect bandgap based on L. Hedin, J. Phys., Condens.
여기서, 
표 2에서는 밴드갭 크기 계산으로 PBE 계산 결과 및 보다 정확한 준입자 GW 계산 결과를 각각 기재하였으며, 일반적으로 PBE 계산에서는 밴드갭이 대략 50% 정도 작게 계산되는 반면, 준입자 GW 계산은 이러한 PBE 계산보다 정밀하게 밴드갭이 계산될 수 있다.In Table 2, PBE calculation results and more accurate quasiparticle GW calculation results are described in the band gap size calculation. In general, the band gap is calculated to be about 50% smaller in the PBE calculation, while the quasi-particle GW calculation is smaller than the PBE calculation The band gap can be precisely calculated.
즉, 표 2에서 볼 수 있듯이, n이 3 내지 5에 해당하는 실리콘 초격자들은 직접 밴드갭 특성을 가지며, 이를 제외한 경우 즉, n이 2이하이거나 6이상인 경우의 실리콘 초격자들은 준직접 밴드갭
도 3에는 PBE를 통해 계산된 직접 밴드갭 특성을 갖는(n이 3 내지 5에 해당하는) 실리콘 초격자의 밴드 구조가 도시되어 있다. 도 3에서 볼 수 있듯이, n이 3 내지 5인 경우에는 브릴루앙 존(Brillouin zone)의 중앙(center)에 직접 밴드갭이 위치한다. FIG. 3 shows the band structure of a silicon superlattice (corresponding to n of 3 to 5) with direct bandgap characteristics calculated via PBE. As shown in FIG. 3, when n is 3 to 5, a band gap is directly located at the center of the Brillouin zone.
또한 도 4에는 PBE를 통해 계산된 실리콘 초격자의 n에 따른 밴드갭 크기가 도시되어 있다. 즉, 표 2, 도 3 및 도 4에서 볼 수 있듯이 n이 3내지 5인 경우에는 직접 밴드갭 특성을 가지며, 도 4와 표 2에서 볼 수 있듯이 n이 1 또는 2이거나 6 이상인 경우에는 준직접 밴드갭 특성을 가지게 된다.FIG. 4 also shows the band gap magnitudes according to n of the silicon superlattice calculated through PBE. That is, as can be seen from Tables 2, 3 and 4, when n is 3 to 5, the bandgap characteristic is directly given. When n is 1, 2 or 6 or more as shown in FIG. 4 and Table 2, Band gap characteristic.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초격자 구조의 실리콘 결정의 전자(electron)와 정공(hole)의 공간적인 분포를 나타낸 예시도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초격자 구조의 실리콘 결정의 광흡수계수(absorption coefficients) 계산 결과를 나타낸 예시도이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 초격자 구조의 실리콘 결정의 두께에 따른 태양전지 효율을 나타낸 예시도로서, 이를 참조하여 본 실시예에 따른 초격자 구조의 실리콘 결정의 효율성을 설명하면 다음과 같다.FIG. 5 is a view illustrating the spatial distribution of electrons and holes of a superlattice structure silicon crystal according to an embodiment of the present invention. FIG. 6 is a cross- FIG. 7 is a graph illustrating the solar cell efficiency according to the thickness of a superlattice structure silicon crystal according to an embodiment of the present invention, and FIG. The efficiency of the superlattice structure silicon crystal according to the present embodiment will be described with reference to the following.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 밴드갭 특성을 갖는 실리콘 초격자의 가전자띠의 최고점(valence band maximum)에 해당하는 정공(hole)과 전도띠의 최저점(conduction band minimum)에 해당하는 전자(electron)의 공간적 전하밀도 분포를 나타낸 그림이다. 도 5에서 볼 수 있듯이, 본 실시예에 따른 실리콘 초격자에서 정공과 전자의 분포는 제1구조층과 제2구조층의 계면에서 상당히 겹치게 된다. 즉, 이러한 경우에는 광학적 방법을 통해 정공과 전자가 쉽게 재조합(recombination)할 수 있으므로, 본 실시예에 따른 실리콘 초격자는 우수한 광흡수 및 광방출 특성을 가질 수 있다.FIG. 5 is a graph showing a relationship between a hole corresponding to a valence band maximum of a valence band of a silicon superlattice having a direct bandgap characteristic and a conduction band minimum of a conduction band according to an embodiment of the present invention This figure shows the distribution of the spatial charge density of electrons. As can be seen from FIG. 5, the distribution of holes and electrons in the silicon superlattice according to the present embodiment significantly overlaps the interface between the first structure layer and the second structure layer. That is, in such a case, since holes and electrons can easily recombine through an optical method, the silicon superlattice according to this embodiment can have excellent light absorption and light emission characteristics.
또한 도 6에는 n이 3 내지 7에 해당하는 실리콘 초격자 구조들에 대하여 GW 근사 및 Bethe-Salpeter 방정식(E. E. Salpeter and H. A. Bethe, Phys. Rev. 84, 1232 (1951))을 풀어 계산된 광흡수계수(absorption coefficients)가 도시되어 있다. 즉, 본 실시예에 따른 초격자 구조의 실리콘 결정은 현재 광흡수 및 광방출 소재로 이용되고 있는 GaAs, CdTe, CuInS2 등과 같은 직접 밴드갭 반도체와 비견될 정도로 우수한 광흡수계수를 가짐을 확인할 수 있다.6 also shows the GW approximation and the Bethe-Salpeter equation (EE Salpeter and HA Bethe, Phys. Rev. 84, 1232 (1951)) for silicon superlattice structures with n ranging from 3 to 7, The absorption coefficients are shown. That is, it can be seen that the superlattice structure silicon crystal according to the present embodiment has a light absorption coefficient which is comparable to a direct bandgap semiconductor such as GaAs, CdTe, CuInS 2, etc. currently used as a light absorption and light emitting material have.
이와 같이, 우수한 광흡수계수를 가지는 소재(반도체 등)는 태양광을 효율적으로 흡수할 수 있기 때문에 태양 전지 응용에 적합한 소재라고 할 수 있다.As described above, a material (semiconductor or the like) having an excellent light absorption coefficient can absorb solar light efficiently, which is a suitable material for solar cell applications.
또한 실리콘 결정 구조들의 태양전지로서의 효율을 나타내는 지표로 SLME 값(spectroscopic limited maximum efficiency)(L. Yu and A. Zunger, Phys. Rev. Lett. 108, 068701 (2012))이 사용될 수 있으며, 도 7에는 n이 3 내지 7에 해당하는 실리콘 초격자 구조들의 박막의 두께에 따른 태양 전지 효율이 도시되어 있다.In addition, the SLME value (L. Yu and A. Zunger, Phys. Rev. Lett. 108, 068701 (2012)) can be used as an index showing the efficiency of the silicon crystal structures as a solar cell, Shows the solar cell efficiency according to the thickness of a thin film of silicon superlattice structures with n ranging from 3 to 7.
도 7에서 볼 수 있듯이, n이 3 내지 7에 해당하는 실리콘 초격자의 SLME 값은 박막의 두께가 2㎛ 인 경우에 27%~31%로, 이는 Shockley-Queisser 극한값(W. Shockley and H. J. Queisser, J. Appl. Phys. 32, 510 (1961))인 33.7%에 매우 가까운 값에 해당한다. 따라서 본 실시예에 따른 초격자 구조의 실리콘 결정은 매우 뛰어난 태양전지 소재로 활용될 수 있다.As can be seen in FIG. 7, the SLME value of the silicon superlattice with n ranging from 3 to 7 is 27% to 31% when the thickness of the thin film is 2 μm, which is the Shockley-Queisser extreme value (W. Shockley and HJ Queisser , J. Appl. Phys. 32, 510 (1961)). Therefore, the superlattice structure silicon crystal according to this embodiment can be utilized as a very excellent solar cell material.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 초격자 구조의 실리콘 결정의 포논 분산 계산 결과를 나타낸 예시도이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 초격자 구조의 실리콘 결정의 열적 안정성에 대한 분자동역학 계산 결과를 나타낸 예시도로서, 이를 참조하여 본 실시예에 다른 초격자 구조의 실리콘 결정의 안정성을 설명하면 다음과 같다.FIG. 8 is a graph illustrating a result of calculation of phonon dispersion of a superlattice structure silicon crystal according to an embodiment of the present invention. FIG. 9 is a graph showing the thermal stability of a superlattice structure silicon crystal according to an embodiment of the present invention. The stability of the superlattice structure silicon crystal according to the present embodiment will be described with reference to the result of molecular dynamics calculation.
즉, 본 실시예에서 제안된 실리콘 초격자의 안정성은 제일원리를 기반으로 한 격자진동 특성 분석과 분자동역학적 분석 방법을 이용하여 확인할 수 있다.That is, the stability of the silicon superlattice proposed in the present embodiment can be confirmed by analyzing the lattice vibration characteristics based on the first principle and using the minute mechanical analysis method.
먼저 PHONOPY 코드(A. Togo, F. Oba, and I. Tanaka, Phys. Rev. B 78, 134106 (2008))을 활용하여, 이러한 구조들에 대하여 격자진동 특성을 확인할 수 있으며, 이렇게 계산된 대표적인 결정 구조들의 격자진동 특성이 도 8에 도시되어 있다.Using the PHONOPY code (A. Togo, F. Oba, and I. Tanaka, Phys. Rev. B 78, 134106 (2008)), the lattice vibration characteristics can be confirmed for these structures, The lattice vibration characteristics of the crystal structures are shown in Fig.
즉, 도 8에는 n이 1, 3, 4, 5에 해당하는 실리콘 초격자의 포논 분산(phonon dispersion)이 도시되어 있으며, 이에 도시된 포논 스펙트라(phonon spectra)에서 볼 수 있듯이, 제안된 실리콘 초격자 구조들은 브릴루앙 존에서 imaginary phonon modes가 없으므로 구조적으로 안정된 구조임을 확인할 수 있다.That is, FIG. 8 shows a phonon dispersion of a silicon superlattice with n corresponding to 1, 3, 4, and 5. As shown in the phonon spectra shown in FIG. 8, The lattice structures are structurally stable because they have no imaginary phonon modes in Brillouin zone.
또한 분자동역학적 방법을 통해 본 실시예에서 제안된 실리콘 결정 구조들의 열적 안정성을 확인할 수 있으며, 대표적인 결정 구조들에 대한 안정성 확인 결과가 도 9에 도시되어 있다.Also, the thermal stability of the silicon crystal structures proposed in the present embodiment can be confirmed through the minute mechanical method, and the stability confirmation results for representative crystal structures are shown in FIG.
즉, 도 9에는 n이 1, 3, 4, 5에 해당하는 실리콘 초격자의 열적 안정성을 1100 K의 온도에서 100 ps 동안 확인한 결과가 도시되어 있다. 도 9에서 볼 수 있듯이, 본 실시예에 따른 실리콘 초격자는 1100 K에서 100 ps 이상 안정적인 상태를 유지하였으며, 이는 일반적인 태양전지의 동작 온도보다 훨씬 높은 온도이다. 따라서 본 실시예에 따른 실리콘 초격자는 열적 안정성이 담보되는 구조임을 확인할 수 있다.That is, FIG. 9 shows the thermal stability of the silicon superlattice corresponding to n = 1, 3, 4, and 5 at a temperature of 1100 K for 100 ps. As can be seen from FIG. 9, the silicon superlattice according to the present embodiment maintained a stable state at 1100 K at 100 ps or more, which is much higher than the operating temperature of a typical solar cell. Therefore, it can be confirmed that the silicon superlattice according to the present embodiment has a structure in which thermal stability is secured.
한편 표 2에서 기재된, 다이아몬드 실리콘과 비교한 원자 당 에너지를 볼 때, 본 실시예에서 제안된 구조들은 다이아몬드 실리콘과 비교한 원자 당 에너지의 차이가 크지 않음을 확인할 수 있다. 또한 이러한 차이값들은 현재 합성되고 있는 β-Sn이나 body-centered tetragonal 5(bct5) 보다는 현저히 작으므로, 본 실시예에 따른 실리콘 초격자는 에너지적인 측면에서도 안정된 구조임을 확인할 수 있다.On the other hand, when the energy per atom is compared with the diamond silicon described in Table 2, it can be confirmed that the structures proposed in this embodiment do not have a large difference in energy per atom compared with diamond silicon. Also, since the difference values are significantly smaller than the currently synthesized? -Sn or the body-centered tetragonal 5 (bct5), it can be confirmed that the silicon superlattice according to this embodiment has a stable energy structure.
즉 본 실시예에서 제안된 초격자 구조의 실리콘 결정은 구조적, 열적, 에너지 등의 측면에서 안정적인 구조이므로, 다양한 광전자 소재 및 소자로 응용될 수 있다.That is, since the superlattice structure silicon crystal proposed in this embodiment has a stable structure in terms of structural, thermal, and energy, it can be applied to various photoelectronic materials and devices.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 초격자 구조의 실리콘 결정의 제작 방법을 설명하기 위한 예시도로서, 이를 참조하여 본 실시예에 따른 초격자 구조의 실리콘 결정의 제작 방법을 설명하면 다음과 같다.FIG. 10 is a view for explaining a method of manufacturing a superlattice structure silicon crystal according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 10, a method of manufacturing a superlattice structure silicon crystal according to this embodiment will be described. same.
즉 도 10에서 볼 수 있듯이, 본 실시예에 따른 초격자 구조의 실리콘 결정은 웨이퍼 접합(wafer bonding)을 통해 합성이 가능하다. 구체적으로는 Pandey-chain을 표면 구조로 갖는 실리콘 (111) 웨이퍼와 자이와츠 체인을 표면 구조로 갖는 실리콘 (111) 웨이퍼를 1100 K에 해당하는 고온에서 접합시킬 때, 제2구조층이 제1구조층 사이에 형성될 수 있다. 또한 이때 접합면에 Be, Mg, Ca, Sr, Ba 등 두 개의 가전자를 갖는 원소가 0.5-monolayer 만큼 존재하더라도 제2구조층이 제1구조층 사이에 형성될 수 있다. 즉, 웨이퍼 접합을 통하여 제1구조층 사이에 제2구조층을 형성시킬 수 있으며, 이를 반복하여 본 실시예에 따른 초격자 구조의 실리콘 결정을 만들어 낼 수 있다.That is, as shown in FIG. 10, the superlattice structure silicon crystal according to the present embodiment can be synthesized through wafer bonding. Specifically, when a silicon (111) wafer having a Pandey-chain surface structure and a silicon (111) wafer having a surface structure of a Ziwatz chain are bonded at a high temperature of 1100 K, May be formed between the layers. At this time, the second structure layer may be formed between the first structure layers even if 0.5-monolayer elements having two valence electrons such as Be, Mg, Ca, Sr, and Ba are present on the joint surface. That is, the second structure layer can be formed between the first structure layers through wafer bonding, and the superlattice structure silicon crystal according to the present embodiment can be repeatedly formed.
뿐만 아니라, 이러한 합성 방법 외의 다른 고온 또는 고압 처리를 통해서도 본 실시예에 따른 초격자 구조의 실리콘 결정을 제작할 수 있다. 예를 들어, Na, Si 등을 이용한 특정한 클라스레이트(clathrate) 구조를 만든 뒤, 열처리 과정을 통해 Na 원자 등을 클라스레이트 구조에서 제거하는 방법으로도 본 실시예에 따른 초격자 구조의 실리콘 결정을 만들어 낼 수 있다.In addition, the superlattice structure silicon crystal according to this embodiment can be manufactured through high-temperature or high-pressure processing other than this synthesis method. For example, after forming a specific clathrate structure using Na, Si, and the like, a superlattice structure silicon crystal according to the present embodiment can be obtained by removing Na atoms and the like from a cluster rate structure through a heat treatment process. Can be created.
한편 상술한 구조 외에도 본 실시예에 따른 직접 밴드갭 특성을 갖는 초격자 구조의 실리콘 결정은 아래의 표 3 내지 8에 기재된 것과 같은 구조 중 하나의 구조를 가질 수도 있다.In addition to the structure described above, the superlattice structure silicon crystal having a direct bandgap characteristic according to this embodiment may have one of the structures shown in Tables 3 to 8 below.
여기서, n은 연속적으로 적층된 제1구조층의 층수를, space group은 3차원 결정이 가질 수 있는 공간군(대칭성)을, a,b,c,α,β,γ는 격자상수(lattice constant)를, Wyckoff positions은 결정 내 원자들의 와이코프 위치를 의미한다.The space group is a space group (symmetry) that a three-dimensional crystal can have, a, b, c, α, β and γ denote a lattice constant ), And Wyckoff positions refer to the Wiekoff position of the atoms in the crystal.
또한 본 실시예에 따른 직접 밴드갭 특성을 갖는 초격자 구조의 실리콘 결정은 전술한 것과 같은 뛰어난 광흡수 특성뿐만 아니라, 직접 밴드갭 구조에서 나타나는 우수한 광방출 특성을 가지기 때문에, 마이크로파 집적회로(microwave integrated circuit), 발광 다이오드(light emitting diode), 광전지(photovoltaic cell), 접합형 트랜지스터(bipolar transistor), 전계효과 트랜지스터(field effect transistor), 사이리스터(thyristor), 광 검출기(photodetector), 광다이오드(photodiode), 포토트랜지스터(phototransistor), 광전자증배관(photomultiplier), 집적광학회로(integrated optical circuit), 포토레지스터(photoresistor), 광도전형 촬상관(photoconductive camera tube), CCD(Charge Coupled Device), 레이저 다이오드(laser diode), 옵토 커플러(optocoupler) 및 광섬유(optical fiber) 등과 같은 전자 소자에서 사용되는 광방출 또는 광흡수 소재로 활용될 수 있다.In addition, since the superlattice structure silicon crystal having the direct bandgap characteristic according to this embodiment has not only excellent light absorption characteristics as described above, but also excellent light emission characteristics appearing in a direct bandgap structure, the microwave integrated circuit a photodiode, a photodiode, a light emitting diode, a photovoltaic cell, a bipolar transistor, a field effect transistor, a thyristor, a photodetector, a photodiode, A phototransistor, a photomultiplier, an integrated optical circuit, a photoresistor, a photoconductive camera tube, a CCD (Charge Coupled Device), a laser diode ), Optical couplers (optocouplers), and optical fibers. It can be used as material.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 직접 밴드갭 특성의 초격자 구조의 실리콘 결정 및 이를 포함하는 전자 소자는 직접 밴드갭 특성을 가짐으로써, 우수한 광흡수 및 광방출 특성을 가질 수 있고, 본 발명의 실시예에 따른 준직접 특성의 초격자 구조의 실리콘 결정 및 이를 포함하는 전자 소자는 종래 다이아몬드 구조의 실리콘 결정보다 우수한 광흡수 특성을 가질 수 있다.As described above, the silicon crystal of the super lattice structure of the direct bandgap characteristic according to the embodiment of the present invention and the electronic device including the silicon crystal have a direct bandgap characteristic, so that they can have excellent light absorption and light emission characteristics, The superlattice structure silicon crystal of the quasi direct characteristic according to the embodiment and the electronic device including the superlattice structure can have a light absorption characteristic superior to the silicon crystal of the conventional diamond structure.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. I will understand. Accordingly, the technical scope of the present invention should be defined by the following claims.
Claims (10)
상기 초격자 구조는 Si(111)n/Si(SC) 구조가 반복되는 형태이며, 상기 Si(111)은 다이아몬드 구조에서 [111] 방향으로 배열된 실리콘으로 구성된 상기 제1구조층이고, 상기 Si(SC)는 자이와츠 체인(Seiwatz Chain)을 포함하는 실리콘으로 구성된 상기 제2구조층이며, n은 연속적으로 적층된 제1구조층의 개수이고,
상기 n이 3, 4 또는 5이고, 직접 밴드갭(direct bandgap) 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 결정.
A superlattice structure in which at least one first structure layer and a single second structure layer are alternately stacked,
Wherein the superlattice structure is a structure in which a Si (111) n / Si (SC) structure is repeated, the Si (111) is the first structure layer made of silicon arranged in a [111] direction in a diamond structure, (SC) is the second structure layer composed of silicon including a Seiwatz chain, n is the number of the first structure layers continuously stacked,
Wherein n is 3, 4 or 5 and has a direct bandgap characteristic.
상기 n개의 제1구조층은 입방밀집구조(cubic close-packed structure), 육방밀집구조(hexagonal close-packed structure) 또는 입방밀집구조와 육방밀집구조가 혼합된 형태의 적층구조를 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 결정.
The method according to claim 1,
Wherein the n first structure layers have a laminated structure in which a cubic close-packed structure, a hexagonal close-packed structure, or a cubic compact structure and a hexagonal close structure are mixed Silicon crystals.
상기 실리콘 결정은, 아래의 표 1(1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f)과 같은 구조 중 하나의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 결정.
(표 1a)
(표 1b)
(표 1c)
(표 1d)
(표 1e)
(표 1f)
(여기서, n은 연속적으로 적층된 제1구조층의 층수를, space group은 3차원 결정이 가질 수 있는 공간군(대칭성)을, a,b,c,α,β,γ는 격자상수(lattice constant)를, Wyckoff positions은 결정 내 원자들의 와이코프 위치를 의미한다.)
The method according to claim 1,
Wherein the silicon crystal has one of the structures shown in Table 1 (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, and 1f) below.
(Table 1a)
(Table 1b)
(Table 1c)
(Table 1d)
(Table 1e)
(Table 1f)
(Where n is the number of consecutively stacked first structural layers, and space group is the space group (symmetry) that a three-dimensional crystal can have, and a, b, c, constant, and Wyckoff positions refer to the wikhoc positions of the atoms in the crystal.)
An electronic device comprising the silicon crystal of claim 1 as a light absorbing or light emitting material.
상기 전자 소자는, 마이크로파 집적회로(microwave integrated circuit), 발광 다이오드(light emitting diode), 광전지(photovoltaic cell), 접합형 트랜지스터(bipolar transistor), 전계효과 트랜지스터(field effect transistor), 사이리스터(thyristor), 광 검출기(photodetector), 광다이오드(photodiode), 포토트랜지스터(phototransistor), 광전자증배관(photomultiplier), 집적광학회로(integrated optical circuit), 포토레지스터(photoresistor), 광도전형 촬상관(photoconductive camera tube), CCD(Charge Coupled Device), 레이저 다이오드(laser diode), 옵토 커플러(optocoupler) 및 광섬유(optical fiber) 중 하나인 것을 특징으로 하는 실리콘 결정을 포함하는 전자 소자.
The method according to claim 6,
The electronic device may be a microwave integrated circuit, a light emitting diode, a photovoltaic cell, a bipolar transistor, a field effect transistor, a thyristor, A photodiode, a phototransistor, a photomultiplier, an integrated optical circuit, a photoresistor, a photoconductive camera tube, a CCD Wherein the device is one of a charge coupled device, a laser diode, an optocoupler, and an optical fiber.
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08172208A (en) * | 1994-12-16 | 1996-07-02 | Crystal Device:Kk | Superlattice device and manufacture thereof |
| US7880161B2 (en) * | 2007-02-16 | 2011-02-01 | Mears Technologies, Inc. | Multiple-wavelength opto-electronic device including a superlattice |
| WO2013030935A1 (en) * | 2011-08-29 | 2013-03-07 | 株式会社日立製作所 | Solar cell |
-
2015
- 2015-09-24 KR KR1020150135944A patent/KR101703039B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| JPH08172208A (en) * | 1994-12-16 | 1996-07-02 | Crystal Device:Kk | Superlattice device and manufacture thereof |
| US7880161B2 (en) * | 2007-02-16 | 2011-02-01 | Mears Technologies, Inc. | Multiple-wavelength opto-electronic device including a superlattice |
| WO2013030935A1 (en) * | 2011-08-29 | 2013-03-07 | 株式会社日立製作所 | Solar cell |
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