A visible light photodetector is an essential optoelectronic device for conventional application such as digital imaging, flame detection, and environmental research. Also, recently, it has attracted great interest for new-generation application such as flexible and transparent electronics due to its wide utilization. Copper oxide (CuO) has been considered to be highly suitable as a light absorbing material for visible light detection due to its narrow band gap, cost effectiveness, and easy fabrication. However, research about CuO photodetector is still an early stage, resulting in a lack of theoretical understanding and insufficient performance.
In this research, we performed theoretical and experimental studies about CuO visible light photodetectors. First, we newly proposed grain-structure model to investigate the photodetection mechanism, and predicted the effect of grain structure on the optoelectronic property. Then, in order to verify the proposed model experimentally, we fabricated grain structure engineered CuO nanofilm photodetectors and evaluated the optoelectronic performance. We achieved 18 times and 50 times enhanced responsivity and detectivity, respectively, with the largest grain size and reduced contacting size between adjacent grains, as compared with the smallest grain based film. Also, the response speed was significantly improved with increasing the grain size. Moreover, in order to achieve further improved performance, we demonstrated CuO nanowire array photodetectors. The nanowire photodetector showed significantly suppressed dark current due to its 1 dimensional (1D) confined channel and had superior optoelectronic performances; high responsivity of 21.0 A/W and detectivity of $8.89×10^{11}$ Jones, and fast rising and decaying response speeds of 0.329 s and 1.21 s, respectively. We believe that the proposed grain and nanowire based nano-structural engineering method can pave a way for high performance visible light photodetector.
가시광 포토디텍터는 이미징, 화염 감지, 그리고 환경 연구와 같은 일반적인 응용에 필수적으로 필요한 광 소자이다. 또한 최근 이러한 다양한 이용 가능성 덕분에 유연하고 투명한 전자 소자와 같은 차세대 응용으로도 많은 주목을 받고 있다. 금속산화물 중 하나인 산화구리는 2 eV의 작은 밴드갭, 높은 경제성, 기계적 유연성 등의 특성으로 가시광 포토디텍터의 감지 물질로 많은 관심을 받고 있다. 하지만, 여전히 광 감지 원리의 이론적인 분석과 성능에 대한 연구 부족이라는 어려움을 겪고 있다.
본 연구에서 산화구리 가시광 포토디텍터에 관한 이론적 분석과 실험을 통한 검증을 진행하였다. 먼저, 결정립 구조 모델을 새롭게 제안하여 광 감지 원리를 분석하고, 결정립 구조가 광 소자 특성에 미치는 영향을 예측하였다. 이를 실험적으로 검증하기 위하여, 결정립 구조가 조절된 산화구리 박막을 제작하여 광 소자 성능을 평가하였다. 가장 작은 결정립 크기를 갖는 박막에 비해 가장 큰 결정립 크기와 결정립 간 감소된 접촉 크기를 갖는 박막에서 각각 18배와 50배 향상된 Responsivity와 Detectivity를 얻을 수 있었다. 뿐만 아니라 결정립 크기가 증가함에 따라 반응 속도 또한 향상된 결과를 얻을 수 있었다. 더 나아가, 더욱 향상된 성능을 얻기 위하여 산화구리 나노와이어 다발 포토디텍터를 구현하였다. 제작된 나노와이어 포토디텍터는 1차원의 한정 채널 구조 덕분에 상당히 감소된 암전류를 가졌고 높은 광 소자 성능을 나타내었다: 21.0 A/W의 높은 Responsivity와 $8.89×10^11$ Jones의 높은 Detectivity, 그리고 0.329 초 (증가)의 1.21 초 (감소)의 빠른 반응 속도를 가졌다. 제안하는 결정립 구조와 나노와이어 구조 기반의 나노구조 설계 방법은 고성능 가시광 포토디텍터 구현에 새로운 길을 열어줄 수 있을 것으로 기대한다.
