KR100793417B1 - 산화아연계 나노선을 구비한 3차원 구조를 갖는 나노 소자및 이를 이용한 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제 1 전도성 박막/산화아연계 나노선/제 2 전도성 박막의 3차원 구조를 갖는 나노 소자 및 이를 이용한 검출 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따라 반도체 박막 위에 수직 방향으로 배향된 산화아연계 나노선을 성장시키고 그 위에 n-타입의 반도체 박막을 합성하여 제조된 3차원 구조를 갖는 나노 소자이다. 본 발명에 따른 3차원 구조를 갖는 소자는 다수의 산화아연계 나노선의 양 끝단이 전도성이 우수한 반도체 박막과 전기적으로 병렬 연결되어 있어, 자외선 검출 소자, 가스 검출 소자 등에 산화아연계 나노선을 능동형 소재로 이용한 소자 구현에 유리하게 이용할 수 있다.
나노선, 검출 소자, 3차원 구조, 나노 소자
Description
도 1은 본 발명에 따른 n-타입의 반도체 박막/산화아연계 나노선/n-타입의 반도체 박막의 3차원 구조를 갖는 나노 소자의 제조 공정을 개략적으로 도시한 공정도 및 구조 도이다.
도 2a 및 2b는 본 발명에 따른 n-타입의 반도체 박막/산화아연계 나노선/n-타입의 반도체 박막의 3차원 구조를 갖는 나노 소자의 주사전자현미경사진(SEM:Scanning Electron Microscopy)으로 도 2a는 n-타입의 반도체 박막/산화아연계 나노선/n-타입의 반도체 박막 3차원 구조를 갖는 나노 소자를 45도 각도에서 관찰한 주사전자현미경사진이고, 도 2b는 산화아연계 나노선 위에 n-타입의 반도체 박막이 결합하는 과정을 순차적으로 관찰한 주사전자현미경사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 n-타입의 반도체 박막/산화아연계 나노선/n-타입의 반도체 박막의 3차원 구조를 갖는 나노 소자의 자외선 검출 특성을 보여주는 전류 변화 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
1 - 제 1 전도성 박막 2 - 제 2 전도성 박막
3 - 산화아연계 나노선 4 - 기판
5 - 전극
본 발명은 다수의 나노선의 양 단에 전기적 전도성이 우수한 전도성 박막을 결합하여 구성된 3차원 구조를 갖는 나노 소자, 이를 이용한 장치에 관한 것이다. 특히 전극으로 이용되는 전도성 박막 위에 수직으로 배열된 나노선을 형성하고, 다시 형성된 나노선 위에 전극으로 이용되는 전도성 박막을 결합한 3차원 구조를 갖는 소자에 관한 것이다.
상온에서 3.3eV의 넓은 밴드 갭 에너지와 60 meV의 큰 여기자(exciton) 결합 에너지를 갖는 것으로 알려진 산화아연은, 375~420nm의 파장을 갖는 발광소자 및 광검출 소자로 응용이 기대되는 물질이다. 또한, 산화아연의 결정립계에 산소가 흡착 또는 탈착될 경우 산화아연의 전기적 특성이 변하기 때문에, 산화아연을 이용한 기체 검출 소자 제작이 가능하다. 최근에는 알루미늄(Al), 갈륨(Ga)을 산화아연에 도핑하여 전기적 전도성이 우수한 투명 전극을 개발하고 이를 액정 디스플레이(LCD:Liquid Crystal Display) 소자와 플라스마 디스플레이 패널(PDP:Plasma Display Panel)에 적용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 하지만, 광전자 소자 또는 가스 검출 소자의 능동형 물질로 기존의 산화아연 박막 구조를 이용할 경우, 결정학적 특성 등이 우수한 나노선 구조를 이용할 경우와 비교하여 그 효율이 낮다.
최근에는 나노선이 갖는 우수한 결정학적 특성, 양자역학적 특성, 크기 특성을 소자에 응용하기 위해, 산화아연(ZnO) 나노선, 질화 갈륨(GaN) 나노선을 합성하고 이를 기판에 분산하여 소자화하는 기술을 이용하고 있다. 하지만, 나노선을 분산하고 전극을 형성하는 기존의 기술은 1개의 나노선을 검출용 능동 물질로 이용하기 때문에 광 에너지 또는 나노선 표면에서의 대기 물질과 화학적 반응 등의 외부 환경 변화에 의해 발생 된 나노선 내부의 전기적 신호 변화가 매우 작다. 또한, 나노선을 소자화하기 위해서는 나노 크기의 1차원 나노 구조를 각각 제어해야하기 때문에 기존의 반도체 기술을 이용한 대량 생산 등에 한계가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 기존의 반도체 공정에서 사용되고 있는 스퍼터법(sputter)과 유기금속 화학증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 우수한 광전자 소자 및 가스 검출 소자 등에 응용될 수 있는 전도성 박막/산화아연계 나노선/전도성 박막의 3차원 구조를 갖는 나노 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 기존의 나노선을 이용한 소자 구조와 비교하여 광에너지, 가스 등의 화학적 변화를 전기적 신호로 효과적으로 변환하기 위해 병렬로 연결된 각각의 산화아연계 나노선의 표면이 외부 환경에 노출되는 구조인 전도 성 박막/산화아연계 나노선/전도성 박막의 3차원 구조를 갖는 나노 소자를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 스퍼터법 또는 유기금속 화학기상 증착법으로 기판(4) 위에 제 1 전도성 박막(1)을 합성하고, 그 위에 유기금속 화학기상 증착법을 이용하여 산화아연계 나노선(3)을 성장시키고, 산화아연계 나노선(3) 위에 스퍼터법 또는 유기금속 화학기상 증착법을 이용하여 제 2 전도성 박막(2)을 합성하여 제 1 전도성 박막(1)/산화아연계 나노선(3)/제 2 전도성 박막(2) 3차원 구조를 갖는 나노 소자를 제공한다.
기판 위에 형성된 제 1 전도성 박막(1); 제 1 전도성 박막 상에 주상형으로 성장된 다수의 산화아연계 나노선(3); 및 제 1 전도성 박막과 마주보도록 산화아연계 나노선의 끝단에 형성된 제 2 전도성 박막(2); 으로 이루어진 3차원 구조를 갖는 나노 소자를 제공한다.
다수의 산화아연계 나노선(3)은, 제 1 및 제 2 전도성 박막(1, 2) 사이에서 병렬로 연결되며, 산화아연의 결정립계에 산소가 흡착 또는 탈착될 경우 산화아연의 전기적 특성이 변하는 성질을 이용하기 위해, 제 1 및 제 2 전도성 박막(1, 2)과 결합된 끝단을 제외한 주상 부분이 대기에 완전히 노출되도록 형성되는 것이 바람직하다.
제 1 및 제 2 전도성 박막(1, 2)은, 스퍼터법 또는 유기금속 화학기상 증착법에 의해 합성되는 n-타입 반도체 박막인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 형성된 제 1 및 제 2 전도성 박막(1, 2)은, 스퍼터법에 의해 합성되는 경우 III-족 원소를 도핑하고, 유기금속 화학기상 증착법에 의해 합성되는 경우, 높은 과포화 조건에서 결정립이 연결되는 다결정(polycrystalline) 구조로 합성되어, 결정립계에 존재하는 결함에 의해 높은 전기 전도성을 갖도록 한다.
또한, 3차원 구조를 갖는 나노 소자를 이용하여, 제 1 전도성 박막(1)/산화아연계 나노선(3)/제 2 전도성 박막(2)의 3차원 구조를 갖는 나노 소자; 제 1 및 제 2 전도성 박막에 부착된 전극(5); 전극과 연결되고, 전류 변화 측정 장치를 구비한 회로; 로 이루어진 것을 특징으로 하는 검출 장치를 제공한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 보다 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 제 1 전도성 박막(1)/산화아연계 나노선(2)/제 2 전도성 박막(3) 3차원 구조를 갖는 나노 소자는 스퍼터법 또는 유기금속 화학기상 증착법을 이용하여 성장 온도가 250~350°C인 높은 과포화 조건(high supersaturation condition)에서 전기 전도성이 우수한 n-타입 반도체로 기판(4) 위에 제 1 전도성 박막(1)을 합성하고, 그 위에 유기금속 화학기상 증착법을 이용하여 성장 온도가 550~700°C이고 성장 압력이 1~3 torr인 낮은 과포화 조건(low supersaturaion condition)에서 산화아연계 나노선(3)을 성장시킨다. 산화아연계 나노선(3) 위에 스퍼터법 또는 유기금속 화학기상 증착법을 이용하여 다시 높은 과포화 조건에서 전기 전도성이 우수한 n-타입 반도체로 제 2 전도성 박막(2)을 합성하여, 제 1 전도성 박막(1)/산화아연계 나노선(3)/제 2 전도성 박막(2)의 3차원 구조를 갖는 나노 소자를 제조한다.
본 발명에 따른, 산화아연계 나노선(3)의 양쪽 끝단을 병렬로 연결하는 두 개의 전도성 박막(1, 3)은 스퍼터법 또는 유기금속 화학기상 증착법으로 합성된 전기 전도성이 우수한 n-타입 반도체 박막이다. n-타입 반도체 박막은 스퍼터법을 이용하는 경우, III-족 원소가 도핑된 AlZnO, GaZnO, InSbO 타깃을 사용하여 AlZnO, GaZnO, InSnO 박막을 합성하고, 유기금속 화학기상 증착법을 이용하는 경우, 아연 전구체로 디에틸아연(Zn(C2H5)2), 디에틸아연(Zn(CH3)2) 등을 이용할 수 있고, 아연을 산화시키기 위한 산소 함유 기체로 O2, N2O, NO2 등을 이용할 수 있다.
산화아연계 나노선(3) 위에 합성한 전기적 특성이 우수한 n-타입 반도체 박막은 다수의 산화아연계 나노선(3)의 끝단에서 합성된 결정립이 연결된 다결정(polycrystalline) 박막이다. 산화아연계 나노선(3)은 결정 성장을 위한 핵으로 이용될 수 있고, 높은 과포화 조건에서 공급되는 원료 물질은 각각의 산화아연계 나노선 위에서 결정립을 형성한다. 이 같은 다결정 박막은 결정립계에 존재하는 결함 등에 의해 높은 전기 전도성을 갖게 되거나, III-족 원소를 도핑하여 전기 전도성이 우수한 n-타입 반도체 박막을 형성하게 된다. 그러므로 산화아연계 나노선(3)의 양쪽 끝에 전기 전도성이 우수한 n-타입 반도체 박막 구조를 연결한 제 1 전도성 박막(1)/산화아연계 나노선(3)/제 2 전도성 박막(2) 3차원 구조를 갖는 나노 소자의 전기 전도성은 산화아연계 나노선(3)의 전기적 저항 변화에 의해 결정된다. 또한, 산화아연계 나노선(3) 위에 합성된 제 2 전도성 박막(2)의 경우, 박막을 구성하는 물질이 산화아연계 나노선(3)의 표면 등에 증착하지 않고 산화아연계 나노선(3)의 끝단에서 합성되기 때문에 대기에 완전히 노출된 산화아연의 표면 특성을 이용한 소자 구현이 가능하다.
산화아연계 나노선(3)은 단결정의 우수한 결정성을 가지기 때문에 결정 결함에 의한 전자의 농도가 106cm이하로 낮고, 높은 전기저항을 갖기 때문에 자외선 등의 광 에너지에 노출되거나 산화아연계 나노선(3) 표면의 화학 반응에 의한 전자 또는 정공의 농도 변화에 따라 전기 전도성의 변화가 크다. 또한, 산화아연계 나노선(3)의 합성 온도에 의해 산화아연계 나노선(3)의 지름을 30~80nm로 제어할 수 있으며, 산화아연계 나노선(3)의 지름이 작고 길이가 길수록 자외선 검출 및 분위기 가스 검출 성능이 우수한 것을 확인할 수 있다.
산화아연계 나노선(3)은 대기압의 수소가스 분위기 내에서의 후 열처리 공정 등을 이용하여 산화아연 표면의 특성을 변화시켜 분위기 가스 등에 의한 전기 전도성의 변화를 방지할 수 있다. 동시에 후 열처리 공정을 통해 유기 물질의 흡착이 유리하도록 표면 특성을 제어할 수 있다.
제조된 제 1 전도성 박막(1)/산화아연계 나노선(3)/제 2 전도성 박막(2) 3차원 구조를 갖는 나노 소자의 제 1 및 제 2 전도성 박막(1, 2)에 각각 전극(5)을 부착시켜 전압을 걸고 산화아연계 나노선(3)을 통과하여 흐르는 전류량의 변화를 측 정함으로써, 새로운 형태의 다수의 산화아연계 나노선(3)을 이용한 검출 장치를 제작할 수 있다.
이하 본 발명을 하기 실시 예에 의거하여 좀 더 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시 예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명을 한정하지는 않는다.
실시 예 1: 전도성 박막/산화아연계 나노선/전도성 박막 3차원 구조를 갖는 소자 제조
도 1의 구조를 제조하기 위해, 상온에서 3 wt% 알루미늄이 도핑된 산화아연 타깃을 스퍼터링하여 전기적 전도성이 우수한 AlZnO 박막을 증착하고, 샤워기 형상의 노즐을 통해 반응가스를 공급할 수 있는 유기금속 화학기상 증착기에 디에틸아연과 산소를 각각 5~33㎛ol/min, 20~25 sccm 공급하고, 500~650°C의 성장 온도와 1~3 torr의 성장 압력을 유지하여 증착된 AlZnO 박막 위에 수직으로 배열된 산화아연 나노선을 성장시키고, 다시 나노선 위에 상온에서 3 wt% 알루미늄이 도핑된 산화아연 타깃을 스퍼터링하여 전기적 전도성이 우수한 다결정 AlZnO 박막을 증착하여 산화아연계 전도성 박막/나노선/전도성 박막의 3차원 구조를 갖는 소자를 제조한다.
합성된 산화아연계 전도성 박막/나노선/전도성 박막의 3차원 구조를 갖는 소자를 주사전자현미경으로 관찰한 결과를 도 2a에 나타내었다. 나노선의 지름과 길이는 각각 50nm, 700nm로 관찰되었다.
또한, 나노선 위에 박막이 합성되는 형상을 관찰하기 위해, 스퍼터 시간에 따라 나노선 위에 합성되는 박막의 형상을 주사전자현미경으로 관찰한 결과를 도 2b에 나타내었다.
실시 예 2: 전도성 박막/산화아연계 나노선/전도성 박막 3차원 구조를 갖는 소자를 이용한 자외선 검출 소자의 제작
전도성 박막/산화아연계 나노선/전도성 박막의 3차원 구조를 갖는 나노 소자의 산화아연계 나노선 양쪽 끝단에 연결된 전도성 박막에 각각 전극을 형성하여 도 1의 소자 구조를 제작한다. 산화아연 나노선의 밴드 갭 에너지에 해당하는 377nm보다 짧은 파장을 갖는 350~370nm 파장의 자외선 광선을 전도성 박막/산화아연계 나노선/전도성 박막 3차원 구조를 갖는 나노 소자에 조사할 경우, 도 3에서 나타난 것과 같이 산화아연계 나노선을 통해 흐르는 전류의 량이 자외선을 조사하기 전과 비교하여 3배 증가하는 것을 관찰할 수 있고, 자외선 조사 후 1초 이내에 전류량이 급속하게 증가하는 것을 확인할 수 있다.
본 발명에 따른, 제 1 전도성 박막/산화아연계 나노선/제 2 전도성 박막 3차원 구조를 갖는 나노 소자는, 다수의 산화아연계 나노선을 기존의 박막 증착 기술만을 이용하여 제조할 수 있다. 또한, 다수의 산화아연계 나노선 표면이 모두 대기에 노출되어 있기 때문에, 산화아연계 나노선을 이용한 다양한 검출 소자 개발에 응용이 가능하다.
Claims (7)
- 기판 위에 형성된 제 1 전도성 박막;제 1 전도성 박막 상에 외주가 대기에 노출된 주상형으로 성장되어, 산화아연의 결정립계에 산소가 흡착 또는 탈착될 경우 산화아연의 전기적 특성이 변하는 성질을 이용할 수 있는 다수의 산화아연계 나노선; 및제 1 전도성 박막과 마주보도록 나노선의 끝단에 형성된 제 2 전도성 박막; 으로 이루어진 3차원 구조를 갖는 나노 소자.
- 제1항에 있어서,다수의 나노선은, 제 1 및 제 2 전도성 박막 사이에서 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 3차원 구조를 갖는 나노 소자.
- 삭제
- 제1항에 있어서,제 1 및 제 2 전도성 박막은, 스퍼터법 및 유기금속 화학기상 증착법 중에서 선택된 어느 한 방법에 의해 합성된 n-타입 반도체 박막인 것을 특징으로 하는 3차원 구조를 갖는 나노 소자.
- 제4항에 있어서,제 1 및 제 2 전도성 박막은, 스퍼터법에 의해 합성되는 경우 III-족 원소를 도핑하여 높은 전기 전도성을 갖는 것을 특징으로 하는 3차원 구조를 갖는 나노 소자.
- 제4항에 있어서,제 1 및 제 2 전도성 박막은, 유기금속 화학기상 증착법에 의해 합성되는 경우, 높은 과포화 조건에서 결정립이 연결되는 다결정(polycrystalline) 구조로 합성되어, 결정립계에 존재하는 결함에 의해 높은 전기 전도성을 갖는 것을 특징으로 하는 3차원 구조를 갖는 나노 소자.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 3차원 구조를 갖는 나노 소자;제 1 및 제 2 전도성 박막에 부착된 전극; 및전극과 연결되고, 전류 변화 측정 장치를 구비한 회로;로 이루어진 것을 특징으로 하는 검출 장치.
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