KR101073348B1 - Method of fabricating semiconductor thin film with a single crystal and method of fabricating a optoelectronic device using the same - Google Patents
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Abstract
단결정 구조를 갖는 반도체 박막의 제조 방법이 제공된다. 상기 반도체 박막의 제조 방법은 제1 온도로 진행되는 화학기상증착법을 이용하여 기판 상에 반도체 나노 와이어를 형성하는 것을 구비한다. 상기 제1 온도보다 낮은 제2 온도로 진행되는 상기 화학기상증착법을 이용하여 상기 나노 와이어 상에 반도체층을 형성한다. 이를 이용하는 광전 소자의 제조 방법이 또한 제공된다. A method for producing a semiconductor thin film having a single crystal structure is provided. The method for manufacturing a semiconductor thin film includes forming a semiconductor nanowire on a substrate by using chemical vapor deposition at a first temperature. A semiconductor layer is formed on the nanowires by using the chemical vapor deposition method which proceeds at a second temperature lower than the first temperature. There is also provided a method of manufacturing an optoelectronic device using the same.
금속 산화물, 단결정 구조 Metal oxide, single crystal structure
Description
본 발명은 반도체 박막의 제조 방법 및 이를 이용하는 광전 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단결정 구조를 갖는 반도체 박막의 제조 방법 및 이를 이용하는 광전 소자의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor thin film and a method for manufacturing a photovoltaic device using the same, and more particularly, to a method for manufacturing a semiconductor thin film having a single crystal structure and a method for manufacturing a photovoltaic device using the same.
반도체 물질은 일정한 에너지 밴드 갭을 가진 물질로서 불순물 주입, 외부로부터의 광 조사 및 외부 열에너지 주입 등에 의해 전기적 특성 및 광학적 특성이 가변하는 물질이다. 이러한 반도체 물질은 Si, Ge과 같은 단일 원소 반도체 뿐만 아니라, SiC, SiGe, GaN, InAs, ZnS, ZnO와 같은 화합물 반도체로 구분될 수 있다. 이러한 반도체 물질은 기판 상에 박막(thin film)으로 형성되어 다양한 전자 소자에 응용될 수 있다. 예를 들어, 반도체 박막은 다이오드 및 트랜지스터와 같은 개별 회로 소자, 광전 소자, 압전 소자, 초전 소자 및 열전 소자 등에 사용된다. 이러한 반도체 박막이 상술한 소자들에서 우수한 전기적, 광학적 특성을 발현하기 위 해 여러 물성들이 요구되어진다. 이들 중에 반도체 박막의 단결정성 및 표면 평탄성 등은 박막의 여러 가지 특성을 향상시키는 요인으로 작용할 수 있다. 그러나, 대부분의 반도체 박막이 이와 다른 격자상수를 갖는 기판 상에 형성됨으로 인하여 단결정성을 갖는 박막으로 성장되는데 난점이 있다. 아울러, 격자상수의 차이에 의한 격자 부정합, 결정 성장시 온도와 공급량 등의 성장 조건, 기판의 표면 상태 등은 표면 평탄성을 재현시키는데 한계를 갖는 원인으로 작용한다.The semiconductor material is a material having a constant energy band gap and is a material in which electrical characteristics and optical characteristics vary by impurity injection, light irradiation from the outside, and external thermal energy injection. Such semiconductor materials may be classified into single element semiconductors such as Si and Ge, as well as compound semiconductors such as SiC, SiGe, GaN, InAs, ZnS, and ZnO. Such a semiconductor material may be formed as a thin film on a substrate and applied to various electronic devices. For example, semiconductor thin films are used for individual circuit devices such as diodes and transistors, photoelectric devices, piezoelectric devices, pyroelectric devices, thermoelectric devices, and the like. Various properties are required for the semiconductor thin film to express excellent electrical and optical properties in the aforementioned devices. Among them, the single crystallinity and surface flatness of the semiconductor thin film may act as factors for improving various characteristics of the thin film. However, since most semiconductor thin films are formed on a substrate having a different lattice constant, it is difficult to grow into a single crystal thin film. In addition, lattice mismatch due to the difference in lattice constant, growth conditions such as temperature and supply amount during crystal growth, surface state of the substrate, and the like act as a cause of limitation in reproducing surface flatness.
반도체 박막 형성에서 요구되는 단결정성 및 표면 평탄성은 광전 소자의 제작시 더욱 필요한 물성이다. 이러한 광전 소자는 앞서 언급한 화합물 반도체 박막을 사용하여 제조하는 것으로서 최근에는 청색 내지 자외선을 발광하거나 검출하는 반도체 재료에 대한 연구가 활발하게 진행되는 추세이다. 이들 물질로서 III족 질화물, 예컨대 갈륨나이트라이드(GaN)계 화합물 반도체 등이 주로 사용되나, 이를 대체하는 소재로서 산화아연(ZnO)계 화합물 반도체가 소개되었다. 산화아연계 반도체는 표면음파(SAW), 기체 감지기, 압전 소자 및 배리스터의 박막 재료로 사용되어져 왔으나, 최근에는 청색 내지 자외선을 발광할 수 있는 넓은 에너지 밴드 갭을 갖고 있을 뿐더러, 상온에서 큰 여기 구속 에너지 (excitation binding energy) (60 meV)를 가지고 있어 갈륨나이트라이드보다 고효율의 발광이 가능하다는 이유로 각광을 받고 있다. Single crystallinity and surface flatness required in the formation of a semiconductor thin film are more necessary physical properties in the fabrication of an optoelectronic device. Such photovoltaic devices are manufactured by using the aforementioned compound semiconductor thin films, and recently, research into semiconductor materials emitting or detecting blue to ultraviolet rays has been actively conducted. Group III nitrides such as gallium nitride (GaN) compound semiconductors are mainly used as these materials, but zinc oxide (ZnO) compound semiconductors have been introduced as a substitute material. Zinc oxide semiconductors have been used as thin film materials for surface acoustic wave (SAW), gas detectors, piezoelectric elements and varistors, but recently they have a wide energy band gap that can emit blue to ultraviolet light and have large excitation constraints at room temperature. It has an energy (excitation binding energy) (60 meV) is attracting attention because it can emit light with higher efficiency than gallium nitride.
한편, 산화아연계 반도체 박막에 관한 제조 공정에 있어서 단결정성 및 표면 평탄성 등의 물성을 만족시키기 위한 다양한 방법들이 시도되어 왔으며, 그 대표적인 공정으로 분자빔 에픽택시(Molecular Beam Epitaxy; MBE)가 있다. On the other hand, various methods have been tried to satisfy properties such as single crystallinity and surface flatness in the manufacturing process for the zinc oxide-based semiconductor thin film, and a typical process is a molecular beam epitaxy (MBE).
한 예로, 일 측에서 고체 아연을 충전한 셀을 가열하여 고체 아연의 일부를 기화시켜 기판 표면에 도달시킴과 동시에 다른 측에서 라디칼화된 산소 가스를 기판 표면에 도달시킴으로써 기판 표면 상에 아연과 산소를 반응시켜 산화아연 결정을 성장시키는 방법이다. 이 경우에, 결정 성장 온도는 약 600 내지 700℃이다. 다른 예로는, 레이저 분자선 에픽택시 장치를 사용하여 매우 높은 결정 성장 온도로 비도핑 산화아연 반도체 결정을 성장시키는 방법이다. 이 방법은 원료인 산화아연 소결체를 KrF 엑시머레이저에 의해 연마(abrasion)하고 약 800℃로 가열한 기판에 결정을 성장시키는 것이다. 전자의 경우, 기판 표면에 도달한 아연의 이동(migration)이 충분히 이루어지지 않아 산화아연 결정이 수평면 상으로만 성장하지 않고 삼차원적으로 성장된다. 이에 따라, 결정 표면의 평탄성이 불량할 뿐만 아니라, 산화아연 결정이 단결정으로 용이하게 이루어지지 않는다. 전자의 방법에서 언급한 온도보다 높은 온도로 진행되면 표면 평탄성과 단결정성이 개선될 수 있으나, 소스가 되는 아연과 산소의 증기압이 높은 이유로 기판 표면에 도달한 아연과 산소가 반응하기 전에 재증발되어 결정 성장 속도가 저하될 수 있다. 한편 후자의 경우, 산화아연 소결체를 사용함으로 인하여 소결체에 포함되는 불순물이 산화아연 결정에 잔존된 채로 성장되는 문제점을 갖는다. For example, a cell filled with solid zinc on one side is heated to vaporize a portion of the solid zinc to reach the surface of the substrate, while simultaneously reaching the substrate surface with radicalized oxygen gas on the surface of the zinc and oxygen on the substrate surface. Reaction to grow zinc oxide crystals. In this case, the crystal growth temperature is about 600 to 700 ° C. Another example is a method of growing undoped zinc oxide semiconductor crystals at very high crystal growth temperatures using a laser molecular beam epitaxy device. In this method, a zinc oxide sintered body, which is a raw material, is abraded with a KrF excimer laser and grown in crystals on a substrate heated to about 800 ° C. In the former case, the zinc oxide crystals do not sufficiently migrate to the substrate surface, so that the zinc oxide crystals are grown three-dimensionally instead of only on the horizontal plane. As a result, not only the flatness of the crystal surface is poor, but the zinc oxide crystals are not easily formed into single crystals. If the temperature is higher than the temperature mentioned in the former method, the surface flatness and single crystallinity may be improved, but the zinc and oxygen reaching the surface of the substrate are evaporated before the reaction due to the high vapor pressure of zinc and oxygen as the source. The rate of crystal growth may be lowered. On the other hand, in the latter case, due to the use of the zinc oxide sintered body, there is a problem that impurities contained in the sintered body are grown while remaining in the zinc oxide crystals.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 표면 평탄성을 향상시킴과 아울러서 단결정 구조를 갖도록 형성하는데 기여하는 반도체 박막의 제조 방법을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide a method for manufacturing a semiconductor thin film which contributes to improving surface flatness and forming a single crystal structure.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 다른 과제는 표면 평탄성을 향상시킴과 아울러서 단결정 구조를 갖도록 형성하는데 기여하는 광전 소자의 제조 방법을 제공하는데 있다. Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing an optoelectronic device that contributes to improving surface flatness and forming a single crystal structure.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 일 양태에 따르면, 반도체 박막의 제조 방법이 제공된다. 상기 반도체 박막의 제조 방법은 제1 온도로 진행되는 화학기상증착법을 이용하여 기판 상에 반도체 나노 와이어를 형성하는 것을 구비한다. 상기 제1 온도보다 낮은 제2 온도로 진행되는 상기 화학기상증착법을 이용하여 상기 나노 와이어 상에 반도체층을 형성한다.According to an aspect of the present invention for achieving the above technical problem, a method for manufacturing a semiconductor thin film is provided. The method for manufacturing a semiconductor thin film includes forming a semiconductor nanowire on a substrate by using chemical vapor deposition at a first temperature. A semiconductor layer is formed on the nanowires by using the chemical vapor deposition method which proceeds at a second temperature lower than the first temperature.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 제2 온도로 진행되는 상기 화학기상증착법은 상기 제1 온도에서부터 상기 제2 온도로 연속적으로 감소시켜 진행될 수 있다. In some embodiments of the present invention, the chemical vapor deposition process proceeding to the second temperature may proceed by continuously decreasing from the first temperature to the second temperature.
다른 실시예들에서, 상기 반도체층은 단면도로 보았을 때 상부 표면으로 갈수록 (0001) 면과의 각도가 감소되는 격자면들을 갖도록 형성될 수 있다. In other embodiments, the semiconductor layer may be formed to have grating planes whose angle with the (0001) plane decreases toward the top surface when viewed in cross section.
또 다른 실시예들에서, 상기 화학기상증착법은 열화학기상증착법(thermal CVD), 유기금속화학기상증착법(MOCVD) 또는 플라즈마화학기상증착법(PECVD) 중 어느 하나의 방법을 이용하여 수행될 수 있다. In still other embodiments, the chemical vapor deposition may be performed using any one of thermal CVD, organometallic chemical vapor deposition (MOCVD), or plasma chemical vapor deposition (PECVD).
또 다른 실시예들에서, 상기 나노 와이어의 형성은 30 내지 60 분 동안 400 내지 1000℃의 온도에서 1torr 미만의 압력으로 진행되고, 상기 반도체층의 형성은 10 분 이상 200 내지 300℃ 이하의 온도에서 1torr 미만의 압력으로 진행될 수 있다. In still other embodiments, the formation of the nanowires is carried out at a pressure of less than 1 torr at a temperature of 400 to 1000 ℃ for 30 to 60 minutes, the formation of the semiconductor layer at a temperature of 200 to 300 ℃ or less for at least 10 minutes It may proceed at a pressure of less than 1 torr.
또 다른 실시예들에서, 상기 기판은 실리콘, 사파이어, 갈륨나이트라이드막, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막, 산화아연막 및 ITO로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하도록 형성될 수 있다. In still other embodiments, the substrate may be formed to include any one selected from the group consisting of silicon, sapphire, gallium nitride, silicon oxide, silicon nitride, zinc oxide, and ITO.
또 다른 실시예들에서, 상기 반도체는 산화아연계 반도체를 포함하도록 형성될 수 있다. 상기 산화아연계 반도체는 이원계 화합물으로 형성되거나 IIA 족 원소 또는 IIB 족 원소를 추가적으로 포함하는 삼원계 화합물로 형성될 수 있다. 또한, 상기 산화아연계 반도체는 언도우프트(undoped) 되도록 형성될 수 있다. 이와는 달리, 상기 산화아연계 반도체는 도핑되도록 형성되되, 도핑되는 불순물은 갈륨, 질소 또는 인(P)을 포함할 수 있다. In still other embodiments, the semiconductor may be formed to include a zinc oxide based semiconductor. The zinc oxide semiconductor may be formed of a binary compound or a ternary compound further including an IIA group element or a IIB element. In addition, the zinc oxide semiconductor may be formed to be undoped. Alternatively, the zinc oxide semiconductor is formed to be doped, and the doped impurities may include gallium, nitrogen, or phosphorus (P).
또 다른 실시예들에서, 상기 화학기상증착법들을 진행하는 과정에서 아연 함유 가스는 디메틸아연[Zn(CH3)2], 디에틸아연[Zn(C2H5)2], 아연아세테이트 [Zn(OOCCH3)2·H2O], 아연아세테이트 무수물[Zn(OOCCH3)2] 및 아연 아세틸아세토네이트[Zn(C5H7O2)2]으로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하며, 산소 함유 가스는 산소, 오존, 이산화질소, 수증기 및 이산화탄소로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다. In another embodiment, the zinc-containing gas in the course of the chemical vapor deposition methods are dimethylzinc [Zn (CH 3 ) 2 ], diethylzinc [Zn (C 2 H 5 ) 2 ], zinc acetate [Zn ( OOCCH 3 ) 2 .H 2 O], zinc acetate anhydride [Zn (OOCCH 3 ) 2 ] and zinc acetylacetonate [Zn (C 5 H 7 O 2 ) 2 ]; The oxygen-containing gas may include any one selected from the group consisting of oxygen, ozone, nitrogen dioxide, water vapor, and carbon dioxide.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 다른 양태에 따르면, 광전 소자 의 제조 방법이 제공된다. 상기 광전 소자의 제조 방법은 산화아연계 반도체를 포함하며, 기판 상에 순차적으로 적층되는 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 구비하는 반도체 적층부를 형성하는 것을 구비한다. 상기 반도체 적층부를 형성하는 것은 상기 기판 상에 제1 온도로 진행되는 화학기상증착법을 이용하여 기판 상에 산화아연계 나노 와이어를 형성하고, 상기 제1 온도보다 낮은 제2 온도로 진행되는 상기 화학기상증착법을 이용하여 상기 나노 와이어 상에 산화아연계 반도체층을 형성하는 것을 포함한다. According to another aspect of the present invention for achieving the above technical problem, a method of manufacturing a photoelectric device is provided. The manufacturing method of the optoelectronic device includes a zinc oxide-based semiconductor, and includes forming a semiconductor laminate including an n-type semiconductor layer, an active layer, and a p-type semiconductor layer sequentially stacked on a substrate. The forming of the semiconductor laminate may include forming a zinc oxide-based nanowire on a substrate by using a chemical vapor deposition method at a first temperature on the substrate, and proceeding at a second temperature lower than the first temperature. Forming a zinc oxide-based semiconductor layer on the nanowires using a deposition method.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 n형 반도체층 하부 및 상기 p형 반도체층 상부에 각각 n형 및 p형 전극을 형성할 수 있다. 상기 n형 전극을 형성하기 전에, 상기 기판을 제거하고, 상기 n형 반도체층의 일부를 제거할 수 있다. In some embodiments of the present disclosure, n-type and p-type electrodes may be formed below the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer, respectively. Before forming the n-type electrode, the substrate may be removed and a portion of the n-type semiconductor layer may be removed.
다른 실시예들에서, 상기 n형 반도체층의 일부가 노출되도록 상기 반도체 적층부를 식각할 수 있다. 상기 노출된 n형 반도체층의 상에 n형 전극을 형성하고, 상기 p형 반도체층 상부에 p형 전극을 형성할 수 있다. In other embodiments, the semiconductor stack may be etched to expose a portion of the n-type semiconductor layer. An n-type electrode may be formed on the exposed n-type semiconductor layer, and a p-type electrode may be formed on the p-type semiconductor layer.
본 발명에 따르면, 기판 상에 산화아연계 반도체 등과 같은 박막을 단결정으로 형성함에 있어서, 화학기상증착법을 사용하여 기판 상에 먼저 반도체 나노 와이어를 형성하고, 이보다 저온으로 동일 공정을 진행하여 나노 와이어로부터 연속적으로 성장된 단결정 박막을 형성시킨다. 이에 따라, 분자빔 에픽택시에서 진행되는 온도보다 저온 공정으로 수행됨에도 나노 와이어가 갖는 우선 배향성과 저온 공정 중에 진행되는 수평 성장으로 인하여 박막의 표면으로 갈수록 그레인(grain) 사이즈가 큰 단결정으로 성장된다. 이는 또한 박막의 표면 평탄성을 향상시키는데 기여한다. According to the present invention, in forming a thin film, such as a zinc oxide-based semiconductor, on a substrate as a single crystal, a semiconductor nanowire is first formed on the substrate by chemical vapor deposition, and then the same process is performed at a lower temperature than the nanowire. A continuously grown single crystal thin film is formed. Accordingly, the nanowires grow into single crystals having a larger grain size toward the surface of the thin film due to the preferential orientation of the nanowires and horizontal growth during the low temperature process, even though the process is performed at a lower temperature than the temperature of the molecular beam epitaxy. This also contributes to improving the surface flatness of the thin film.
이하, 첨부한 도면들 및 후술되어 있는 내용을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 소자(element) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위 뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 또한, "하부(below)"로 지칭되는 것 역시 다른 소자 또는 층의 바로 아래 뿐만 아니라 중간에 다른 층 등을 개재한 경우를 모두 포함한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and the contents described below. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments disclosed herein are being provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the concept of the invention to those skilled in the art. In the drawings, the thicknesses of the layers and regions are exaggerated for clarity. Like numbers refer to like elements throughout. Also, an element or layer is referred to as "on" or "on" of another element or layer by interposing another layer or other element in the middle as well as directly above the other element or layer. Include all cases. In addition, what is referred to as a "below" also encompasses both the case directly below another element or layer as well as intervening another layer or the like in the middle.
이하, 도 1a 내지 도 1d를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 박막의 제조 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 도 1a 및 도 1b 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 박막의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이고, 도 1c 및 도 1d는 각각 도 1b의 A 및 B에 관한 확대도들이다. Hereinafter, a method of manufacturing a semiconductor thin film according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1A to 1D. 1A and 1B are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor thin film according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIGS. 1C and 1D are enlarged views of A and B of FIG. 1B, respectively.
도 1a를 참조하면, 기판(100)을 제공한다. 기판(100)은 예를 들어, 실리콘, 사파이어, 갈륨나이트라이드, 산화실리콘, 질화실리콘, 산화아연 및 ITO로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나로 형성될 수 있다. 이어서, 기판(100)에 대하여 초음파 세정을 진행시키며, 초음파 세정은 예컨대, 아세톤 및 메탄올으로 화학적 세정을 진행하고, 이후 순수로 세정할 수 있다. 계속해서, 기판(100)을 소정 온도의 오븐에서 건조시킬 수 있다. Referring to FIG. 1A, a
다음으로, 제1 온도로 진행되는 유기금속 화학기상증착공정(Metallic organic chemical vapor deposition; MOCVD; 10)을 이용하여 기판 상에 반도체 나노 와이어들(102)을 형성한다. 이하에서는 반도체 나노 와이어들(102)이 산화아연의 이원계 화합물로 구성된 나노 와이어인 경우를 예로 들어 설명한다. Next, the
구체적으로, 상기의 공정은 다음과 같이 진행될 수 있다. 세정된 기판(100)을 제1 온도로 유지되는 챔버(미도시)에 로딩시킬 수 있다. 챔버 내의 온도 조절은 간접 가열 방식인 인덕션 코일을 사용하여 제어할 수 있다. 이 경우에 제1 온도는 나노 와이어(102)의 성장시 필요한 온도로서 400 내지 1000℃일 수 있다. 또한, 챔버 내의 압력은 0.0001 내지 1.0 torr일 수 있다.Specifically, the process may proceed as follows. The cleaned
이어서, 챔버 내의 샤워 헤드(미도시)와 같은 분사 부재를 통하여 기판(100)에 대하여 산화아연 나노 와이어들(102)을 형성하기 위한 여러 가스가 혼합된 전구체(precursor)를 공급할 수 있다. 이 경우에, 아연 함유 유기 금속물은 수소가 함유된 유기금속계 화합물을 사용하며, 이러한 아연 함유 가스는 예컨대, 디메틸아 연[Zn(CH3)2], 디에틸아연[Zn(C2H5)2], 아연아세테이트[Zn(OOCCH3)2·H2O], 아연아세테이트 무수물[Zn(OOCCH3)2] 및 아연 아세틸아세토네이트[Zn(C5H7O2)2]으로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다. 아울러, 산소 함유 가스는 산소, 오존, 이산화질소, 수증기 및 이산화탄소로 이루어진 일 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 상기 가스들의 공급은 공정 조건에 따라 두 가스를 동시, 이시 또는 이들의 조합으로 진행될 수 있으며, 당업자에게 자명하게 공지된 다양한 순서로 진행될 수 있다. 예를 들면, 아연 함유 가스를 먼저 챔버 내로 유입시키고, 소정 시간 후에 아연 함유 가스와 함께 산소 함유 가스를 유입시키는 것으로 진행될 수 있다. 제1 온도의 유기금속 화학기상증착공정(10)은 30 내지 90분 간 진행될 수 있다. 이에 더하여, 아르곤 가스 또는 질소 가스와 같은 불활성 가스를 캐리어 가스로 공급할 수 있다.Subsequently, a precursor mixed with various gases for forming the
그 결과, 기판(100) 상에 산화아연 나노 와이어들(102)이 성장되어 형성될 수 있다. 이러한 나노 와이어들(102)은 5 내지 90nm의 직경을 갖도록 성장될 수 있다. 한편, 산화아연 나노 와이어들(102)이 성장되기 전에, 나노 와이어들(102)과 기판(100) 사이의 격자 부정합(lattice mismatch)을 줄이기 위해 버퍼층(미도시)이 추가로 형성될 수 있다. As a result,
도 1b를 참조하면, 제1 온도보다 낮은 제2 온도에서 상술한 전구체를 이용하는 유기금속 화학기상증착공정(20)을 진행할 수 있다. 이 경우에, 상기 공정(20)은 온도를 제외하고는 제1 온도에서 진행된 공정(10)의 조건으로 진행되며, 상기 공 정(20)은 10 분 이상 200 내지 300℃의 온도로 1torr 미만의 압력으로 수행될 수 있다. 또한 상기 공정(20)의 온도는 제2 온도에서 시작되도록 설정될 수도 있으며, 이와는 달리 공정 진행 중에 소정 시간 동안 제1 온도에서 제2 온도로 감소되도록 설정될 수 있다. 이러한 감소는 선형성을 가지면서 연속적으로 이루어거나 불연속적으로 이루어질 수 있다. Referring to FIG. 1B, an organometallic chemical
그 결과, 산화아연 나노 와이어들(102) 상에 연속적으로 산화아연 반도체층(104)을 형성한다. 이에 따라, 산화아연 반도체층(104)과 산화아연 나노 와이어들(102)을 포함하는 반도체 박막(110)이 형성된다. 이 경우에, 반도체 박막(110)은 기판(100) 상에 그대로 잔존시킬 수도 있으나, 다른 실시예에 있어서는 반도체 박막(110)은 기판(100)과 분리되어 다양한 전자 소자의 기판으로 사용될 수 있다. As a result, the zinc
아울러, 상기 공정(20)이 온도의 연속적인 감소로 진행되는 경우에 산화아연 반도체층(104)은 도 1c 및 도 1d와 같은 단면도로 보았을 때 상부 표면으로 갈수록 (0001) 면과의 각도가 감소되는 격자면들(lattice plane)을 갖도록 형성될 수 있다. 도 1b의 A 영역은 산화아연 나노 와이어(102)와 이에 인접한 산화아연 반도체층(104)의 부분들이며, 도 1b의 B 영역은 산화아연 반도체층(104)의 표면과 이에 인접한 내부이다. 또한, 도 1c 및 도 1d에 도시된 좌표계는 산화아연과 같은 우르짜이트 구조(wurtzite structure)에 관한 좌표를 표시하는데 사용되는 밀러 인덱스(miller index)이다. 여기서의 좌표 (hkil)는 헥사고날(hexagonal) 구조의 격자면을 표시하는 것으로서 이들 중 h, k 및 l은 입방 구조(cubic structure)의 밀러 인덱스와 동일하며, i는 -h-k로 나타내어진다.In addition, when the
예를 들어, 도 1c에 나타난 격자면은 h=1, k=0 및 l=0의 좌표를 가져 {10-10} 격자면(여기서, (1010) 면을 포함하는 대표 격자면임)으로 나타낸 것이다. For example, the lattice plane shown in FIG. 1C is represented by the {10-10} lattice plane (here, representative lattice plane including the (1010) plane) with coordinates of h = 1, k = 0 and l = 0. .
이를 이용하여 산화아연 나노 와이어들(104)의 격자면들을 살펴보면, 도 1c의 산화아연 나노 와이어(102)는 수직 방향으로 성장하여 <0001> 방향의 우선 배향성을 갖도록 형성되며, 그 측면의 격자면은 {10-10} 면으로서 (0001) 면과 실질적으로 수직으로 형성될 수 있다. 또한, 산화아연 나노 와이어(102) 상부에 인접한 반도체층(104)은 그 내부에서 {10-11}면의 격자면을 갖도록 형성될 수 있다. 이 경우에, {10-11}면은 (0001)면과 약 61.61 도의 각도를 갖는다. 또한, 도 1d의 산화아연 반도체층(104)은 산화아연 나노 와이어(102)의 우선 배향성으로 인하여 수직으로 성장할 수 있다. 이와 함께, 도 1d의 반도체층(104)은 {10-12}의 격자면을 갖도록 형성될 수 있다. 이 경우에, {10-12}면은 (0001)면과 약 42.5 도의 각도를 갖는다. 도 1d의 반도체층 표면은 (0001)면과 수평인 {0001}면의 격자면을 갖도록 형성될 수 있다. 정리하자면, 감소되는 온도 구간에 해당하는 격자면들은 (0001)면과 서로 다른 각도를 이루며 형성되며, 그 각도는 상부 표면으로 갈수록 감소된다. 산화아연의 흡착이 표면 에너지가 높은 쪽으로 이루어는 점을 감안한다면, 공정 온도가 감소됨에 따라 반도체층(104)의 표면으로 갈수록 박막의 성장이 수평으로 진행될 수 있다. 이에 따라, 반도체층(104)은 표면은 평탄화한 단결정을 가질 수 있다. 아울러, 반도체층(104) 표면은 산화아연 나노 와이어(102)의 우선 배향성에 따른 단결정성을 갖는다. 따라서, 상기 공정이 분자빔 에픽택시의 공정 온도보다 저온에서 진행됨에도 불구하고 상기 공정에 의해 성장된 반도체 박막(110)은 우수한 표면 평탄성 및 단결정성을 가짐과 아울러서 단시간에 원하는 두께로 성장될 수 있다. Looking at the lattice planes of the
한편, 본 실시예에서는 반도체 박막(110)을 산화아연과 같은 이원계 화합물을 예로 들었으나, IIA 족 원소 또는 IIB 족 원소를 추가적으로 포함하는 삼원계 화합물로 구성된 산화아연계 반도체 박막 역시 본 실시예에 의해 제조될 수 있다. IIA, IIB 족 원소들은 산화아연계 박막의 에너지 밴드 갭(energy band gap)을 조절하기 위함이며, 이러한 원소들로는 카드뮴, 마그네슘 등일 수 있다. 이 뿐만 아니라, 본 실시예의 제조 방법을 이용하여 다양한 반도체 박막이 형성될 수 있다. 이러한 반도체의 예로는 Si, Ge과 같은 단일 원소 반도체, 이원계 화합물 반도체, 삼원계 화합물 반도체 및 사원계 화합물 반도체 일 수 있다. 이 경우에 이원계 화합물 반도체는 SiC, SiGe, GaN, InAs, ZnS 또는 ZnO 일 수 있다. Meanwhile, in the present embodiment, the semiconductor
이에 더하여 산화아연계 박막의 전도성(conductivity)을 조절하기 위하여 상기 공정들(10, 20)의 전구체를 공급하는 과정에서 인시츄(in-situ) 공정을 이용하여 소정 도전형의 불순물을 유입시킴으로써 P형 또는 N 형 불순물이 박막에 도핑될 수 있다. P형 불순물은 인(P), 질소(N) 등 일 수 있으며, N형 불순물은 갈륨(Ga) 등 일 수 있다. 한편, 불순물이 고농도로 도핑된 경우에 반도체 박막은 메모리 소자 및 디스플레이와 같은 전자 장치의 도전막으로서 사용될 수 있다.In addition, in order to control the conductivity of the zinc oxide-based thin film, in the process of supplying the precursors of the
또한, 본 실시예에서는 유기금속 화학기상증착공정을 예로 들어 설명하고 있으나, 반도체 박막은 다양한 화학기상증착공정 예컨대, 열화학기상증착법(thermal CVD) 또는 플라즈마화학기상증착법(PECVD)등을 통해 형성될 수 있다. In addition, in the present embodiment, the organic metal chemical vapor deposition process is described as an example, but the semiconductor thin film may be formed through various chemical vapor deposition processes, for example, thermal CVD or plasma chemical vapor deposition (PECVD). have.
이하, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 박막 의 제조 방법이 적용된 광전 소자들의 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다. 도 2a 및 도 2b는 본 실시예에 따른 방법을 이용하여 제작된 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전 소자들의 단면도들이다. 본 발명에서 언급되는 광전 소자는 LED(Light Emitting Diode), LD(Laser Diode)와 같은 발광 소자 및 특정한 파장을 감지하는 수광 소자일 수 있다. 본 명세서에서는 반도체 박막이 채택되는 다양한 응용 소자 중 LED를 예로 들어 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of manufacturing optoelectronic devices to which a method of manufacturing a semiconductor thin film according to an exemplary embodiment of the present invention is applied will be described with reference to FIGS. 2A and 2B. 2A and 2B are cross-sectional views of optoelectronic devices according to another embodiment of the present invention, fabricated using the method according to the present embodiment. The photoelectric device referred to in the present invention may be a light emitting device such as a light emitting diode (LED), a laser diode (LD), and a light receiving device that detects a specific wavelength. In the present specification, the LED will be described as an example among various application devices in which semiconductor thin films are adopted.
도 2a를 참조하면, 기판(202a) 상에 산화아연계 반도체 박막을 형성한다. 기판(202a)은 전도성 기판으로 형성될 수 있으며, 예를 들면 실리콘, 산화아연, 갈륨나이트라이드, 갈륨아세나이드(GaAs), 실리콘 카바이드(SiC) 또는 ITO를 포함하는 기판일 수 있다. 산화아연계 반도체는 이원계 화합물으로 형성되거나 IIA족 원소 또는 IIB족 원소를 추가적으로 포함하는 삼원계 화합물로 형성될 수 있다. IIA, IIB 족 원소들은 산화아연계 반도체 박막의 에너지 밴드 갭(energy band gap)을 조절하기 위함이며, 이러한 원소들로는 카드뮴, 마그네슘 등일 수 있다. 따라서, 산화아연계 반도체 박막은 구간마다 다른 조성비를 갖도록 형성될 수 있다. 예를 들어, n형 및 p형 반도체층들 사이에 개재되는 활성층이 캐리어를 내부에 유효하게 가두기 위해 상기 반도체층들은 동일한 조성비로 형성될 수 있으며, 활성층은 상기 반도체층들과 다른 조성비를 갖도록 형성될 수 있다. 산화아연계 반도체 박막은 산화아연계 나노 와이어(미도시) 및 산화아연계 반도체층(미도시)를 구비하여 형성될 수 있다. 산화아연계 반도체 박막은 도 1a 및 도 1b의 실시예에서 언급된 방법과 실질적으로 동일한 방법으로 형성되므로 이의 제조 과정에 대한 설명은 생략하기로 한다. Referring to FIG. 2A, a zinc oxide based semiconductor thin film is formed on the
이어서, 산화아연계 박도체 박막에 대하여 n형 불순물을 주입하여 기판(202a)에 인접한 상기 반도체 박막에 n형 반도체층(204a)을 형성할 수 있다. n형 불순물의 주입은 산화아연계 반도체 박막을 형성하는 과정에서 인시츄 공정을 통해 이루어질 수 있다. n형 불순물로는 갈륨(Ga)일 수 있다. 계속해서, 상기 박막의 형성 과정에서 불순물의 주입을 중단시켜 언도우프된(undoped) 활성층(206)을 형성할 수 있다. 이는 비발광 재결합 중심(recombination center)의 형성을 피하기 위하기 위함이다. 다음으로, 상기 박막의 형성 과정에서 p형 불순물을 주입하여 활성층(206) 상에 p형 반도체층(208)을 형성할 수 있다. p형 불순물의 주입은 상기 인시츄 공정을 통해 이루어질 수 있다. p형 불순물로는 인(P) 또는 질소(N)일 수 있다. 이에 따라, 기판(202a) 상에 순차적으로 적층되는 n형 반도체층(204a), 활성층(206) 및 p형 반도체층(208)으로 구성되는 반도체 적층부(210a)가 완성된다. Subsequently, an n-type impurity may be implanted into the zinc oxide thin conductor thin film to form an n-
이어서, p형 반도체층(208) 상부 및 n형 반도체층(204a) 하부에 각각 p형 및 n형 전극들(212, 214a)을 형성할 수 있다. 전극들(212, 214a)은 반도체 적층부(210a) 및 기판(202a)과 저항성 접촉(ohmic contact)을 이루도록 Ni/Al, Ni/Au, Ti/Al 또는 Ti/Au 등의 적층체로 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 기판(202a)의 하부에 n형 전극(214a)을 형성하는 것으로 도시하고 있으나, 다른 실시예에서는 기판(202a)을 레이저 리프트 오프 또는 화학적기계적연마공정(Chemical Mechanical Polishing; CMP)을 이용하여 제거할 수 있다. 이에 더하여, n형 반도체층(204a)의 일부인 산화아연 나노 와이어를 제거할 수 있다. 이후에, n형 반도체층(204a) 하부 에 n형 전극을 형성할 수 있다. Subsequently, p-type and n-
이에 따라, 반도체 적층부(210a), p형 및 n형 전극들(212, 214a)을 구비하는 LED(200)가 완성된다. 본 실시예에 따라 제조된 LED는 양호한 표면 평탄성과 단결정성을 갖는 반도체 적층부(210a)를 구비함으로써 우수한 발광 효율을 갖는다.As a result, the LED 200 including the
도 2b의 실시예에서는 기판(202b)의 재질 및 n형 전극(214b)의 배치를 제외하고는 도 2a의 실시예와 실질적으로 동일하므로, 차이점에 대해서만 설명하기로 한다. 기판(202b)은 비도전성 기판으로서 사파이어 기판일 수 있다. 기판(202b) 상에 반도체 적층부(210b)를 형성한 후에, n형 반도체층(202b)의 일부가 노출되도록 반도체 적층부(210b)를 식각할 수 있다. 이어서, 노출된 n형 반도체층(204b)의 상에 n형 전극(214b)을 형성할 수 있고, p형 반도체층(208) 상부에 p형 전극(212)을 형성할 수 있다. Since the embodiment of FIG. 2B is substantially the same as the embodiment of FIG. 2A except for the material of the
이하, 실험예들 및 비교예들을 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기 실험예들은 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 본 발명이 하기 실험예들에 의하여 한정되는 것은 아님으로 이해되어야 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to experimental and comparative examples. However, the following experimental examples are for illustrating the present invention, it should be understood that the present invention is not limited by the following experimental examples.
<실험예들: examples>Experimental Examples
도 3a 및 도 3b는 본 실시예에 따른 제조 방법의 수행시 박막 성장 시간을 단시간으로 설정하여 형성된 박막의 단면 사진 및 평면 사진이며, 도 3c 및 도 3d는 본 실시예에 따른 제조 방법의 수행시 박막 성장 시간을 장시간으로 설정하여 형성된 박막의 평면 사진 및 단면 사진이고, 도 3e는 도 3d의 도시된 구역을 영역 별로 확대한 단면 사진이다. 도 3의 사진들은 SEM(Scanning Eelectron Microscope) 사진들이다. 3A and 3B are cross-sectional photographs and planar photographs of a thin film formed by setting a thin film growth time to a short time when performing the manufacturing method according to the present embodiment, and FIGS. 3C and 3D illustrate the manufacturing method according to the present embodiment. FIG. 3E is a planar photograph and a cross-sectional photograph of a thin film formed by setting the thin film growth time to a long time, and FIG. 3E is a cross-sectional photograph of the region shown in FIG. 3D. 3 are scanning electron microscope (SEM) images.
실험예들에서 본 실시예인 반도체 박막은 다음과 같이 제조되었다. 본 실험예들에서 제작된 반도체 박막은 산화아연으로 구성되는 이원계 화합물 반도체로서 유기금속 화학기상증착공정을 사용하여 형성되었다. 구체적으로, 사파이어 기판(Al2O3)에 대하여 아세톤, 메탄올 및 순수의 순서로 초음파 세정을 5분간 실시한 후에, 약 80℃의 온도의 오븐에서 10분간 건조 과정을 거쳤다. 이어서, 기판을 챔버 내에 위치시켜 간접 가열 방식인 인덕션 코일을 사용하여 챔버의 온도를 나노 와이어 성장에 필요한 400℃로 유지하였고, 챔버 내의 압력은 0.001torr로 유지시켰다. 다음으로, 챔버 내로 아연 함유 가스인 디메틸아연[Zn(CH3)2]을 초기 30초 동안 공급하고, 이후 이와 함께 6N 농도의 산소 가스를 공급하였다. 이와 동시에, 6N의 아르곤 가스를 챔버 내에서 캐리어 가스로 사용하였다. 즉, 400℃의 온도에서 유기금속 화학기상증착공정을 진행하여 사파이어 기판 상에 차례로 적층되는 버퍼층과 산화아연 나노 와이어을 성장시켰다. 이후, 아연 함유 가스 및 산소 가스의 공급을 계속 유지하면서 온도를 300℃까지 연속적으로 감소시켜 산화아연 나노 와이어 상에 연속적으로 산화아연 반도체층을 형성하였다. In the experimental examples, the semiconductor thin film of the present embodiment was manufactured as follows. The semiconductor thin film fabricated in the present experimental examples was formed using an organometallic chemical vapor deposition process as a binary compound semiconductor composed of zinc oxide. Specifically, ultrasonic cleaning was performed on the sapphire substrate (Al 2 O 3 ) in the order of acetone, methanol and pure water for 5 minutes, followed by drying for 10 minutes in an oven at a temperature of about 80 ° C. Subsequently, the substrate was placed in the chamber to maintain the temperature of the chamber at 400 ° C. required for nanowire growth using an induction coil, an indirect heating method, and the pressure in the chamber was maintained at 0.001 torr. Next, dimethylzinc [Zn (CH 3 ) 2 ], which is a zinc-containing gas, was supplied into the chamber for an initial 30 seconds, followed by an oxygen gas having a concentration of 6N. At the same time, 6N argon gas was used as the carrier gas in the chamber. That is, an organic metal chemical vapor deposition process was performed at a temperature of 400 ° C. to grow a buffer layer and zinc oxide nanowires sequentially stacked on the sapphire substrate. Thereafter, while continuously maintaining the supply of zinc-containing gas and oxygen gas, the temperature was continuously decreased to 300 ° C to form a zinc oxide semiconductor layer on the zinc oxide nanowire continuously.
도 3a 및 도 3b는 산화아연 나노선 성장 이후 20분 동안 산화아연 반도체층을 성장시킨 실시예들이며, 도 3c 내지 도 3e는 산화아연 나노선 성장 이후 3시간 동안 산화아연 반도체층을 성장시킨 실시예들이다. 도 3a 및 도 3b에서 알 수 있듯 이, 산화아연 나노 와이어 상에 성장한 반도체층은 평탄한 표면으로 형성됨과 아울러서, 그 표면 상에 단결정 우르짜이트가 가지는 헥사고날(hexgonal) 형태의 면들(sheets)을 갖는 것을 관찰할 수 있다. 다만, 도 3b에서 헥사고날 형태의 면들의 기울기가 차이가 나고 있는 것을 보여주고 있다. 이는 산화아연 반도체 박막의 표면이 완전한 정합(match)에 이르지 못한 것에 기인한다. 도 3c 및 도 3d에서는 도 3a의 실시예와 달리 반도체층의 표면 상에 수 μm 사이즈의 헥사고날 면들이 분명하게 보이며, 그 기울기가 정확하게 일치하는 것을 볼 수 있다. 이는 400℃ 저온 공정으로 반도체층을 성장시켰음에도 불구하고 장시간 성장에 따라 정합에 가까운 성장이 이루어짐을 보여준다고 볼 수 있다. 도 3e에서 나타난 바와 같이, 영역 A는 산화아연 나노 와이어가 성장된 구간이며, 영역 B는 1차원에서 2차원 성장을 이루면서 그레인 사이즈의 변화가 없는 구간이다. 마지막으로 영역 C는 2차원 성장이 이루어지면서 그레인 사이즈의 증가가 급격히 일어나는 구간이다.3A and 3B illustrate examples in which a zinc oxide semiconductor layer is grown for 20 minutes after growth of zinc oxide nanowires, and FIGS. 3C to 3E illustrate examples in which a zinc oxide semiconductor layer is grown for 3 hours after growth of zinc oxide nanowires. admit. As can be seen in FIGS. 3A and 3B, the semiconductor layer grown on the zinc oxide nanowires is formed with a flat surface, and the hexagonal shape sheets of the single crystal urethane are formed on the surface. It can be observed to have. However, it is shown in Figure 3b that the slope of the hexagonal shape of the plane is different. This is due to the surface of the zinc oxide semiconductor thin film not reaching a perfect match. In FIGS. 3C and 3D, unlike the embodiment of FIG. 3A, hexagonal planes of several μm in size are clearly visible on the surface of the semiconductor layer, and the slopes thereof are exactly coincident. Although the semiconductor layer was grown at a low temperature of 400 ° C., it can be seen that the growth is almost matched with the growth for a long time. As shown in FIG. 3E, the region A is a section in which zinc oxide nanowires are grown, and the region B is a section in which grain size does not change while forming two-dimensional growth in one dimension. Finally, area C is a section in which grain size increases rapidly as two-dimensional growth occurs.
도 4a 내지 도 4d는 도 3e에 도시된 영역별 TEM(Transmission Eelectron Microscope) 사진들 및 이에 대응하는 회절 패턴들이며, 도 4e 내지 도 4g는 도 4a에 도시된 구역을 확대한 TEM 사진이고, 도 4h는 도 4c에 도시된 구역을 확대한 TEM 사진이다. 4A to 4D are region-specific transmission electron microscope (TEM) images and corresponding diffraction patterns shown in FIG. 3E, and FIGS. 4E to 4G are enlarged TEM images of the region shown in FIG. 4A, and FIG. 4H. Is an enlarged TEM photograph of the area shown in FIG. 4C.
도 4a 내지 도 4d의 TEM 사진들에서 알 수 있듯이, 성장방향이 수직에서 수평으로 변화되는 것을 알 수 있다. 아울러, 도 4a 내지 도 4d의 회절패턴들에서와 같이,성장시간에 따라 그레인 사이즈의 증가가 이루어짐을 보여 주고 있다. 한편, 도 4e에서는 성장된 그레인의 경계가 (0001)면에 대하여 수평한 경계와 소정의 각 도로 기울어진 경계로 나누어진 것을 볼 수 있다. 이 경우에, 수평인 경계는 {0001}면이며, 기울어진 면은 (0001)면과 42.5도 기울어진 {10-12}면이다. 특히, 도 4f에서는 두 개의 큰 그레인이 한 그레인으로 합쳐지는 경계를 보여주고 있다. 한편, 도 4h에서 알 수 있듯이, 산화아연 나노 와이어 상에 인접한 반도체층에서는 (0001)면에 대한 기울기 정도가 큰 {10-11}면이 지배적이며, 성장이 이루어져 그레인이 증가함에 따라 {10-12}면이 많이 존재함을 알 수 있다. 이는 수직성장에 비해 수평성장의 정도가 증가되는 방향으로 경계가 바뀜을 알 수 있다. As can be seen in the TEM photographs of FIGS. 4A to 4D, it can be seen that the growth direction is changed from vertical to horizontal. In addition, as shown in the diffraction patterns of FIGS. 4A to 4D, the grain size increases with the growth time. Meanwhile, in FIG. 4E, it can be seen that the boundary of the grown grain is divided into a horizontal boundary with respect to the (0001) plane and a boundary inclined at a predetermined angle. In this case, the horizontal boundary is the {0001} plane, and the inclined plane is the (0001) plane and the {10-12} plane that is inclined 42.5 degrees. In particular, FIG. 4F shows a boundary where two large grains merge into one grain. On the other hand, as can be seen in Figure 4h, in the semiconductor layer adjacent to the zinc oxide nanowires, the {10-11} plane with a large degree of inclination with respect to the (0001) plane is dominant, and as the grain increases, the {10- 12} there are many planes. It can be seen that the boundary is shifted in the direction of increasing the horizontal growth compared to the vertical growth.
도 5a는 본 실시예에 따른 제조 방법에서 성장 온도에 따른 박막의 격자상수 및 스트레스 변화를 나타낸 그래프이고, 도 5b는 도 3e에 도시된 영역들에 따른 격자 상수 및 스트레스의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 5a의 가로축은 반도체층의 성장 온도이며, 도 5a의 좌측 및 우측 세로축들은 각각 격자 상수(Lattice constant) 및 스트레스(Stress)이다. 또한, 도 5b의 좌측 및 우측 세로축들은 각각 격자 상수(Lattice constant) 및 스트레스(Stress)이다.Figure 5a is a graph showing the lattice constant and stress change of the thin film according to the growth temperature in the manufacturing method according to the present embodiment, Figure 5b is a graph showing the change of the lattice constant and stress according to the regions shown in Figure 3e. The horizontal axis of FIG. 5A is the growth temperature of the semiconductor layer, and the left and right vertical axes of FIG. 5A are a lattice constant and a stress, respectively. In addition, the left and right vertical axes of FIG. 5B are a lattice constant and a stress, respectively.
도 5a에서 알 수 있듯이, 성장 온도의 변화에 따른 산화아연 반도체 박막의 격자상수는 거의 일정한 것으로 나타나는 반면에, 스트레스는 성장 온도가 낮아짐에 따라 인장응력(tensile stress)를 받고, 성장 온도가 높아짐에 따라 약한 압축응력을 받는 것으로 나타난다. 이는 온도가 증가됨에 따라 나노구조로 변화되기 때문이다. 도 5b에서는 산화아연 나노 와이어인 영역 A는 도 5a에서 나타난 바와 같이 약한 압축응력을 받고 있으며, 성장온도가 감소하여 박막으로 성장함에 따라 인장응력으로 바뀌는 것을 알 수 있다. 또한 그레인 사이즈가 커지는 영역 C는 상대 적으로 과도한 인장응력을 받고 성장됨을 알 수 있다. As can be seen in FIG. 5A, the lattice constant of the zinc oxide semiconductor thin film according to the change of the growth temperature is almost constant, whereas the stress is subjected to tensile stress as the growth temperature is lowered and the growth temperature is increased. Therefore, it appears to be subjected to a weak compressive stress. This is because the nanostructure changes as the temperature increases. In FIG. 5B, the region A, which is a zinc oxide nanowire, is subjected to a weak compressive stress as shown in FIG. 5A, and the growth temperature decreases to change into tensile stress as it grows into a thin film. Also, it can be seen that the area C where the grain size increases is grown under relatively excessive tensile stress.
도 6은 본 실시예에 따른 제조 방법을 이용한 박막 성장의 메카니즘을 설명하는 도면이다. 도 6은 산화아연 박도체 박막의 성장단계를 4가지 영역과 그 표면의 격자면(lattice plane)으로 구별하여 도시한다. 도 6의 4가지 영역들은 각각 도 3e의 도시된 영역들에 대응된다. 6 is a view for explaining the mechanism of thin film growth using the manufacturing method according to the present embodiment. FIG. 6 shows the growth stages of the zinc oxide thin film thinly divided into four regions and a lattice plane of the surface thereof. The four regions of FIG. 6 correspond to the regions shown in FIG. 3E, respectively.
영역 A에서는 주로 {0110}의 격자면을 가지고 성장되며 (0001)면과 90도의 방위관계를 가지고 성장됨을 알 수 있다. 영역 B 및 C 표면에서는 각각 {0111}, {0112}, {0001}면을 가지고 성장되며, 이들면들은 각각 (0001)면과 61.61, 42.47, 0도의 방위관계를 가지고 성장됨을 알 수 있다. 이는 성장온도가 감소함에 따라 형성되는 격자면이 다를 뿐만 아니라, 격자면과 (0001)면 사이의 각도가 감소됨을 보여준다. 한편, 도 6에서는 각각의 격자 표면에 노출된 브로큰 본드(broken bonds)를 노란색 원으로 표시하였다. 성장 온도가 감소함에 따라 브로큰 본드의 수는 한 주기(period)를 기준으로 2, 3, 5, 0의 순서로 변화함을 알 수 있다. 이러한 브로큰 본드 수의 변화를 통해 산화아연 반도체층은 나노 와이어의 우수한 우선배향성을 지니며 성장됨과 동시에 반도체층 상부에서 수평성장을 주도하는 {0112}가 경계로 이루어짐으로써 그레인이 성장 시간에 따라 계속 증가될 수 있음을 알 수 있다. 또한 반도체층의 표면은 우르짜이트 구조에서 보여지는 헥사고날 형상의 단결정를 가짐과 아울러서 가장 낮은 표면에너지를 가지는 {0001}면으로 형성됨을 보여준다.In region A, it is grown with a lattice plane of {0110} and grows in a 90 degree azimuth with (0001) plane. The regions B and C are grown with {0111}, {0112}, and {0001} planes, respectively, and these planes are grown with (0001) planes with 61.61, 42.47, and 0 degrees, respectively. This shows that not only the lattice plane formed as the growth temperature decreases, but also the angle between the lattice plane and the (0001) plane decreases. Meanwhile, in FIG. 6, broken bonds exposed on the surface of each lattice are indicated by yellow circles. It can be seen that as the growth temperature decreases, the number of broken bonds changes in the order of 2, 3, 5, and 0 based on one period. Through this change in the number of broken bonds, the zinc oxide semiconductor layer grows with excellent preferential orientation of the nanowires, and at the same time, the grain is continuously increased as the growth time is formed by the boundary of {0112} which leads to horizontal growth at the top of the semiconductor layer. It can be seen that. In addition, the surface of the semiconductor layer has a hexagonal-shaped single crystal seen in the Urtzite structure, as well as the {0001} surface having the lowest surface energy.
도 7은 본 실시예에 따른 제조 방법에 따라 제작된 박막의 투과도를 나타낸 그래프이다. 도 3a 내지 도 3e의 실험예에서 설명한 방법에 의해 제작된 산화아연 박막들을 이용하여 투과도를 실험하였다. 이 실험에서는 소정의 파장의 광을 두 시편들에 대하여 조사하여 구한 투과도와 더불어 파장의 변화에 따른 투과도를 진행하였다. 그 결과, 두 시편 모두 약 600nm 파장의 광에서 85%이상의 투과도를 보였다. 더욱이, 3시간 동안 성장된 박막은 20분 동안 성장된 박막에 비해 두껍게 형성됨에도 불구하고 높은 투과도를 보였다. 7 is a graph showing the transmittance of the thin film produced according to the manufacturing method according to the present embodiment. The transmittance was tested using zinc oxide thin films prepared by the method described in the experimental example of FIGS. 3A to 3E. In this experiment, the transmittance was measured by irradiating light of predetermined wavelength to two specimens and the transmittance according to the change of wavelength. As a result, both specimens showed more than 85% transmittance at about 600nm wavelength. Moreover, the thin film grown for 3 hours showed high transmittance despite being thicker than the thin film grown for 20 minutes.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의하여 정해져야 한다.Although the present invention has been described in detail through the representative embodiments, those skilled in the art to which the present invention pertains can make various modifications without departing from the scope of the present invention. Will understand. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined by the claims below and equivalents thereof.
도 1a 및 도 1b 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 박막의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다. 1A and 1B are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor thin film according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 1c 및 도 1d는 각각 도 1b의 A 및 B에 관한 확대도들이다. 1C and 1D are enlarged views of A and B of FIG. 1B, respectively.
도 2a 및 도 2b는 본 실시예에 따른 방법을 이용하여 제작된 본 발명의 다른 실시예에 따른 광전 소자들의 단면도들이다. 2A and 2B are cross-sectional views of optoelectronic devices according to another embodiment of the present invention, fabricated using the method according to the present embodiment.
도 3a 및 도 3b는 본 실시예에 따른 제조 방법의 수행시 박막 성장 시간을 단시간으로 설정하여 형성된 박막의 단면 사진 및 평면 사진이며, 도 3c 및 도 3d는 본 실시예에 따른 제조 방법의 수행시 박막 성장 시간을 장시간으로 설정하여 형성된 박막의 평면 사진 및 단면 사진이고, 도 3e는 도 3d의 도시된 구역을 영역별로 확대한 단면 사진이다. 3A and 3B are cross-sectional photographs and planar photographs of a thin film formed by setting a thin film growth time to a short time when performing the manufacturing method according to the present embodiment, and FIGS. 3C and 3D illustrate the manufacturing method according to the present embodiment. FIG. 3E is a planar photograph and a cross-sectional photograph of a thin film formed by setting the thin film growth time to a long time, and FIG. 3E is a cross-sectional photograph of the region shown in FIG. 3D.
도 4a 내지 도 4d는 도 3e에 도시된 영역별 TEM(Transmission Eelectron Microscope) 사진들 및 이에 대응하는 회절 패턴들이며, 도 4e 내지 도 4g는 도 4a에 도시된 구역을 확대한 TEM 사진이고, 도 4h는 도 4c에 도시된 구역을 확대한 TEM 사진이다. 4A to 4D are region-specific transmission electron microscope (TEM) images and corresponding diffraction patterns shown in FIG. 3E, and FIGS. 4E to 4G are enlarged TEM images of the region shown in FIG. 4A, and FIG. 4H. Is an enlarged TEM photograph of the area shown in FIG. 4C.
도 5a는 본 실시예에 따른 제조 방법에서 성장 온도에 따른 박막의 격자상수 및 스트레스 변화를 나타낸 그래프이고, 도 5b는 도 3e에 도시된 영역들에 따른 격자 상수 및 스트레스의 변화를 나타낸 그래프이다. Figure 5a is a graph showing the lattice constant and stress change of the thin film according to the growth temperature in the manufacturing method according to the present embodiment, Figure 5b is a graph showing the change of the lattice constant and stress according to the regions shown in Figure 3e.
도 6은 본 실시예에 따른 제조 방법을 이용한 박막 성장의 메카니즘을 설명하는 도면이다. 6 is a view for explaining the mechanism of thin film growth using the manufacturing method according to the present embodiment.
도 7은 본 실시예에 따른 제조 방법에 따라 제작된 박막의 투과도를 나타낸 그래프이다. 7 is a graph showing the transmittance of the thin film produced according to the manufacturing method according to the present embodiment.
Claims (23)
Priority Applications (1)
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