KR101191466B1 - 나노월을 포함하는 산화아연계 2차원 나노 구조체의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 산화아연계 2차원 나노 구조체 - Google Patents

나노월을 포함하는 산화아연계 2차원 나노 구조체의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 산화아연계 2차원 나노 구조체 Download PDF

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Abstract

나노월을 포함하는 산화아연계 2차원 나노 구조체의 제조 방법이 제공된다. 상기 산화아연계 2차원 나노 구조체의 제조 방법은 산화막을 갖는 기판 상에 아연 함유 전구체, 마그네슘 함유 전구체 및 산소 함유 가스를 순차적으로 공급하는 화학기상증착공정을 진행하여 상기 산화막 상에 마그네슘이 함유된 비정질 금속산화층을 형성하는 것을 구비한다. 상기 공정을 유지하여 상기 비정질 금속산화층 상에 아연 및 마그네슘 중 마그네슘을 주 성분으로 채택하는 비정질층들 및 상기 비정질층들 사이에 아연 및 마그네슘 중 아연을 주 성분으로 채택하는 단결정 씨드층들을 형성한다. 상기 공정을 유지하여 상기 단결정 씨드층들 상에 선택적으로 2차원 나노 구조체를 형성한다. 이를 이용하여 제조된 산화아연계 2차원 나노 구조체가 또한 제공된다.
산화아연계 나노 구조체, 2차원 구조

Description

나노월을 포함하는 산화아연계 2차원 나노 구조체의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 산화아연계 2차원 나노 구조체{Method of fabricating a zinc oxide based 2 dimensional nanostructure and zinc oxide based 2 dimensional nanostructure manufatured thereof}
본 발명은 나노월을 포함하는 산화아연계 2차원 나노 구조체의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조되는 산화아연계 2차원 나노 구조체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산화아연과의 격자상수의 불일치도가 큰 기판 상에서도 수직으로 성장함과 아울러서 미세한 두께를 갖는 산화아연계 2차원 나노 구조체의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조되는 산화아연계 2차원 나노 구조체의 제조 방법에 관한 것이다.
금속 산화물 반도체를 이용한 나노 구조체는 나노점, 나노 와이어, 나노월(nanowall) 및 나노 튜브 등의 다양한 형태로 제조된다. 이러한 나노 구조체에서 이용되는 금속 산화물 반도체로는 III-V 족 및 II-VI 족 화합물 반도체를 주로 사용하며, 최근에는 II-VI 족 화합물 반도체 중 산화아연을 주로 사용한다.
산화아연은 육방정계(hexagonal system)를 가지는 우르자이트(wurzite) 결정 구조로, 3.37eV의 넓은 밴드갭(wide bandgap)과 상온에서 큰 엑시톤(exciton) 결합에너지를 가지는 직접 천이형 산화물 반도체 물질이다. 산화아연은 가시광선 영역에서 높은 투과성과 굴절율 및 큰 압전상수를 가진다. 이러한 특성으로 인하여 산화아연은 광결정(photonic crystal), 도파관(optical modulator waveguide), 바리스터(varistor), 태양전지(solar cell)의 투명전극, 표면탄성파 필터(surfaceacoustic wave filter), 레이저 다이오드(laser diode) 등의 발광소자(light-emitting device), 평판 디스플레이 또는 전계방출 디스플레이(FED), 광검출기(photodetectors), 가스센서, 자외선 차단막 등으로 다양하게 활용된다.
전자소자로서 사용되는 산화아연은 박막 형태로 사용되는 것이 일반적이었으나, 최근 산화아연계 나노 구조체로 사용되고 있다. 예컨대, 산화아연계 나노 와이어는 임계 방출전류 밀도를 증가시킴으로써 최대의 효율을 얻을 수 있다. 또한 산화아연계 나노 와이어는 작은 직경으로 인한 사이즈 효과(size effect)에 따른 양자 제한 효과(quantum confinement effect)를 가져 최대의 발광 효율을 얻을 수 있다. 또한, 산화아연계 나노월은 상기 나노 와이어에 비해 영 모듈(Young's module) 측면에서 높은 기계적 강도를 가지며, 넓은 표면적을 가짐으로써 발광 소자로 활용하는 경우에 높은 발광 효율을 가질 수 있다. 이에 더하여, 상기 나노월이 가스 센서로 활용되는 경우에 높은 민감도를 가질 수 있다.
상술한 나노월을 포함하는 산화아연계 나노 구조체의 제조방법으로는 일반적으로 수용액 합성법(synthesis in solution), 열화학기상증착법(thermal chemical vapor deposition), 유기금속화학기상증착법(MOCVD), 분자빔 에피택시법(molecular beam epitaxy) 등 여러 가지 방법이 있다.
예컨대, 산화아연계 나노 와이어는 금속 촉매제를 이용하여 에피택시 성장(epitaxi growth)을 할 수 있다. 상기의 에피택시는 금(Au)등의 금속 촉매제를 채택하는 화학기상증착(Chemical Vapor Depostion; CVD) 공정을 이용한 성장으로써 VLS(Vapor-Liquid-Solid) 메카니즘에 의해 진행될 수 있다. 상술한 방법에 의하면, 나노 와이어들이 성장함에 따라 씨드를 이루는 금이 나노 와이어들의 팁(tip) 부분으로 이동되고, 아연이 하단으로 이동되는 경향을 가진다. 금속촉매제는 비발광 재결합으로 인한 광학적 특성의 저하, 나노 와이어의 전도도에 대한 제어의 곤란성, 나노 와이어의 배향성 저하 등의 문제점을 야기한다.
이를 해결하기 위해 다양한 방법들이 시도되고 있으며, 이들 중 하나가 VS(Vapor-Solid) 메카니즘이 적용되는 유기금속화학기상증착(Metalorganic Chemical Vapor Depostion; MOCVD) 공정을 이용한 에피택시이며, 이 공정은 금속 촉매제의 사용을 배제하더라도 산화아연계 나노 와이어의 성장을 진행시킬 수 있다. 그러나, 유기금속 화학기상증착 공정이 진행되는 온도에 따라 나노 와이어의 성장 방향 및 자발적인 계면층의 형성에 영향을 미칠 수 있다. 더욱이 500℃ 이상의 고온에서 공정이 진행되는 경우에는 산화아연과 격자상수의 불일치도가 큰 기판, 예컨대 실리콘 또는 산화실리콘 등으로 이루어진 기판 상에서는 나노 와이어가 성장되지 않는다. 이러한 원인으로는 고온 공정에서 산화아연계 전구체가 기판에 흡착할 수 없거나, 흡착하였더라도 용이하게 탈착할 가능성이 높기 때문이다.
산화아연계 나노월 역시 산화아연과 격자상수의 불일치도가 큰 기판 예컨대, 실리콘 기판에서는 수직으로 성장하지 않고, 랜덤하게 성장된다. 이에 따라 종래에는 산화아연과 격자상수의 불일치도가 작은 기판 예를 들어, 갈륨나이트라이드 기판 또는 사파이어 기판 상에 나노월을 형성시키는 연구가 진행되어 왔다. 그러나, 갈륨나이트라이드 기판이나 사파이어 기판 등은 고가의 기판이어서 실제 공정에 적용하기에는 적합하지 않은 측면이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 비정질 금속산화층에 도입에 따른 격자상수의 불일치도가 큰 기판 상에서도 수직으로 성장함과 아울러서 미세한 두께로 형성하는데 기여하는 산화아연계 2차원 나노 구조체의 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 다른 과제는 비정질 금속산화층에 도입에 따른 격자상수의 불일치도가 큰 기판 상에서도 수직으로 성장함과 아울러서 미세한 두께로 형성하는데 기여하는 산화아연계 2차원 나노 구조체를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 일 양태에 따르면, 산화아연계 2차원 나노 구조체의 제조 방법이 제공된다. 상기 산화아연계 2차원 나노 구조체의 제조 방법은 산화막을 갖는 기판 상에 아연 함유 전구체, 마그네슘 함유 전구체 및 산소 함유 가스를 순차적으로 공급하는 화학기상증착공정을 진행하여 상기 산화막 상에 마그네슘이 함유된 비정질 금속산화층을 형성하는 것을 구비한다. 상기 공정을 유지하여 상기 비정질 금속산화층 상에 아연 및 마그네슘 중 마그네슘을 주 성분으로 채택하는 비정질층들 및 상기 비정질층들 사이에 아연 및 마그네슘 중 아연을 주 성분으로 채택하는 단결정 씨드층들을 형성한다. 상기 공정을 유지하여 상기 단결정 씨드층들 상에 선택적으로 2차원 나노 구조체를 형성한다. 마그네슘은 아연의 단결정 생성 온도 이상에서 비정질상이다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 2차원 나노 구조체는 상기 단결정 씨드층들 상에 나노 와이어들 및 상기 나노 와이어들 사이에 형성되는 나노월을 갖도록 형성될 수 있다. 상기 나노월은 단원자층(monolayer)으로 형성될 수 있다.
다른 실시예들에서, 상기 비정질 금속산화층을 형성하기 전에, 상기 공정을 유지하여 상기 산화막 내에 마그네슘이 확산된 산화막을 형성할 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 상기 산화막은 자연 산화막으로 형성될 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 상기 비정질 금속산화층은 10 내지 20 nm의 두께로 형성될 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 상기 단결정 씨드층들, 상기 비정질층들, 상기 2차원 나노 구조체는 MgxZn1-xO(0<x<1) 삼원계 합금막으로 형성되되, 상기 단결정 씨드층들은 0.1≤x≤0.4의 값을 갖도록 형성되며, 상기 비정질층들은 0.8≤x≤0.9의 값을 갖도록 형성되고, 상기 나노 구조체들은 0.01≤x≤0.2의 값을 갖도록 형성될 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 상기 전구체들 및 상기 가스의 공급은 10 분 이상 500 내지 1000℃의 온도에서 1torr 이하의 압력으로 진행될 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 상기 마그네슘 함유 전구체는 0.5 내지 2.5 μmol/분으로 공급될 수 있다. 상기 마그네슘 함유 전구체는 비스- 사이클로펜타디닐마그네슘(Cp2Mg), 이오딘화메틸마그네슘 (MeMgI) 및 디에틸마그네슘(Et2Mg) 으로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 상기 아연 함유 전구체는 디메틸아연[Zn(CH3)2], 디에틸아연[Zn(C2H5)2], 아연아세테이트 [Zn(OOCCH3)2ㆍH2O], 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.
또 다른 실시예들에서, 상기 화학기상증착법들은 열화학기상증착법(thermal CVD), 유기금속화학기상증착법(MOCVD) 또는 플라즈마화학기상증착법(PECVD)을 이용하여 수행될 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 상기 기판은 실리콘, 사파이어, 갈륨나이트라이드, 산화실리콘, 질화실리콘, 산화아연, 및 ITO로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 다른 양태에 따르면, 산화아연계 2차원 나노 구조체가 제공된다. 상기 산화아연계 2차원 나노 구조체는 기판 상에 아연의 단결정 생성 온도 이상에서 비정질상을 갖는 마그네슘이 함유된 비정질 금속산화층을 포함한다. 상기 비정질 금속산화층 상에 아연 및 마그네슘 중 마그네슘을 주 성분으로 채택하는 비정질층들이 위치된다. 상기 비정질층들 사이에 아연 및 마그네슘 중 아연을 주 성분으로 채택하는 단결정 씨드층들이 위치된다. 상기 단결정 씨드층들 상에 선택적으로 2차원 나노 구조체가 형성된다.
본 발명에 따르면, 기판 상에 아연 함유 전구체, 산소 함유 가스와 더불어 아연의 단결정 생성 온도 이상에서 비정질상을 갖는 마그네슘을 함유하는 전구체를 이용하는 화학기상증착 공정을 통하여 기판 상에 비정질 금속산화층이 형성된다. 비정질 금속산화층 상에서 비정질층과 단결정 씨드층으로 구분되도록 진행되는 상분리 과정을 통해, 산화아연과 격자상수의 불일치도가 큰 기판 상에 고밀도로 수직 성장하는 나노월과 같은 2차원 나노 구조체를 형성할 수 있다. 상기 공정에 의해 형성된 나노월은 매우 얇은 두께로 형성되어 가스 센서에 적용시 높은 민감도를 가질 수 있다.
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.
이하, 도 1 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연계 2차원 나노 구조체의 제조 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 도 1 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연계 2차원 나노 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.
도 1을 참조하면, 기판(100)을 제공한다. 기판(100)은 예를 들어, 실리콘, 사파이어, 갈륨나이트라이드, 산화실리콘, 질화실리콘, 산화아연 및 ITO로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하도록 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.
다음으로, 세정된 기판(100)을 소정의 온도로 유지되는 챔버(미도시)에 로딩시킨 후에, 챔버 내의 샤워 헤드(미도시)와 같은 분사 부재를 통하여 기판(100)에 대하여 아연 함유 전구체, 금속 함유 전구체 및 산소 함유 가스를 공급하는 공정을 진행할 수 있다. 이 경우에, 금속은 아연의 단결정 생성 온도 이상에서 비정질상으로 형성되는 것으로서 예를 들어, 마그네슘일 수 있으며, 본 실시예에서는 금속으로서 마그네슘을 예로 들어 설명하기로 한다. 아울러, 본 실시예에서 진행되는 공정은 화학기상증착 공정으로서 예를 들어, 열화학기상증착법(thermal CVD), 유기금속화학기상증착법(MOCVD) 또는 플라즈마화학기상증착법(PECVD)일 수 있다.
또한, 아연 함유 전구체는 예컨대, 디메틸아연[Zn(CH3)2], 디에틸아연[Zn(C2H5)2], 아연아세테이트[Zn(OOCCH3)2ㆍH2O], 아연아세테이트 무수물[Zn(OOCCH3)2] 및 아연 아세틸아세토네이트[Zn(C5H7O2)2]으로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다. 마그네슘 함유 전구체는 비스- 사이클로펜타디닐마그네슘(Cp2Mg), 이오딘화메틸마그네슘 (MeMgI) 및 디에틸마그네슘(Et2Mg) 으로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다. 이 경우에, 마그네슘 함유 전구체는 0.5 내지 2.5 μmol/분으로 공급될 수 있다. 산소 함유 가스는 산소, 오존, 이산화질소, 수증기 및 이산화탄소로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다. 이러한 전구체들 및 가스의 공급은 순차적으로 진행되는 것이 바람직하다. 이에 더하여, 캐리어 가스로서 아르곤 가스를 챔버 내에 공급할 수 있다.
한편, 상기 전구체들 및 상기 가스의 공급은 아연의 단결정이 생성되는 온도인 500 내지 1000℃의 온도에서 1torr 이하의 압력으로 진행될 수 있다. 챔버 내의 온도 조절은 간접 가열 방식인 인덕션 코일을 사용하여 제어할 수 있다.
상기 전구체들 및 상기 가스를 공급하는 과정에서 산화막(102)이 형성될 수 있다. 이러한 산화막(102)은 공정 초기에 공급되는 산소에 의해 형성되는 자연 산화막(native oxide)로 형성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 전구체들 및 상기 가스가 공급되는 상기 공정을 유지시켜 산화막(102) 내에 마그네슘이 확산되어 금속확산 산화막(102a)을 형성할 수 있다. 이에 따라, 금속확산 산화막(102a)은 산화막(102) 전체 또는 일부에 형성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 공정을 유지시켜 상기 금속확산 산화막(미도시) 내부에 또는 상에 비정질 금속산화층(104)을 형성할 수 있으며, 구체적으로 비정질상을 갖는 산화마그네슘층이 형성될 수 있다. 이 경우에, 비정질 금속산화층(104)은 금속확산 산화막 상에 더 성장되어 10 내지 20 nm의 두께로 형성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 공정을 계속 유지시켜 비정질 금속산화층(104) 상에 마그네슘을 주 성분으로 채택하는 비정질층들(106) 및 비정질층들(106) 사이에 아연을 주 성분으로 채택하는 단결정 씨드층들(108)을 형성한다. 이 경우에, 주 성분의 의미를 산소를 제외한 성분들 중 상대적으로 가장 많이 함유된 성분이라고 정의할 경우에, 단결정 씨드층들(108)은 마그네슘에 비해 아연을 상대적으로 더 함유하며, 비정질층들(106)은 아연에 비해 마그네슘을 상대적으로 더 함유한다. 즉, 마그 네슘과 아연 사이의 상대적 함량에 따라 비정질층들(106)과 단결정 씨드층(108)들이 형성되며, 이에 따라, 비정질 금속산화층(104) 상에서 상분리 과정이 진행될 수 있다. 구체적으로, 단결정 씨드층들(108) 및 비정질층들(106)은 각각 MgxZn1-xO(0<x<1) 삼원계 합금막으로 형성될 수 있으며, 단결정 씨드층들(108)은 0.1≤x≤0.4의 값을 갖도록 형성되며, 비정질층들(106)은 0.8≤x≤0.9의 값을 갖도록 형성될 수 있다.
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도 5를 참조하면, 상기 공정을 계속 유지시켜 상기 단결정 씨드층들(108)이 상기 비정질층들(106) 사이에 노출된 상기 비정질 금속산화층(104) 상에 수평으로 연장되어 형성될 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 공정을 유지시켜 상기 단결정 씨드층들(108) 상에 선택적으로 나노 와이어들(110)의 형성될 수 있다. 이와 동시에, 나노 와이어들(110）의 측방으로 또는 상기 수평으로 연장된 단결정 씨드층들(108) 상에서 네트워크들(111)이 성장될 수 있다. 나노 와이어들(110) 및 네트워크들(111)은 공정이 시작된 이후 약 10 분이 경과된 후부터 형성될 수 있다. 이러한 네트워크들(111)은 공정 조건에 따라 나노월(nanowall)의 형상을 갖도록 형성될 수 있다.
도 7를 참조하면, 상기 공정이 계속 유지되어 나노 와이어들(110)은 수직으로 더 성장됨과 아울러서 상기 나노 와이어들(110) 사이에 네트워크들(111)이 서로 연결되어 2차원 나노 구조체인 나노월들(112)을 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 공정이 총 20 분 이상 진행되는 경우에 나노월들(112)이 성장할 수 있다. 나노월은 단원자층(monolayer)으로 형성될 수 있으며, 10nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 한편, 나노월 역시 MgxZn1-xO(0<x<1) 삼원계 합금막으로 형성될 수 있으며, 이 경우에 0.01≤x≤0.2의 값을 갖도록 형성될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 비정질층들(106)로 인하여 작은 사이즈를 갖는 단결정 씨드층들(108)이 형성됨으로써 단결정 씨드층들(108) 상에 작은 직경의 나노 와이어들(110)이 수직으로 성장할 수 있을 뿐만 아니라, 나노 와이어들(110) 사이에 성장되는 나노월들(112)의 두께 역시 얇게 형성될 수 있다.
이하, 다시 도 7를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연계 2차원 나노 구조체에 대하여 설명하기로 한다.
기판(100) 상에 비정질 금속산화층(104)이 위치되며, 이러한 비정질 금속산화층(104)은 아연의 단결정 생성 온도 이상에서 비정질상을 갖는 금속의 산화막일 수 있다. 이 경우에, 금속은 마그네슘일 수 있으며, 본 실시예에서는 마그네슘인 경우를 예로 들어 설명한다. 비정질 금속산화층(104) 상에 마그네슘을 주 성분으로 채택하는 비정질층들(106) 및 비정질층들(106) 사이에 아연을 주 성분으로 채택하는 단결정 씨드층들(108)이 배치된다. 여기서 언급된 주 성분의 의미는 상술하였으므로 생략하기로 한다. 단결정 씨드층들(108) 상에 선택적으로 나노 구조체들이 형성된다. 나노 구조체들는 단결정 씨드층들(108) 상에 나노 와이어들(110)및 나노 와이어들(110) 사이에 형성되는 나노월(112)을 포함할 수 있다. 나노월은 단원자층(monolayer)으로 형성될 수 있으며, 예를 들어 10nm 이하의 두께로 형성될 수 있다. 각 부재들에 대하여 상술한 제조 방법에서 언급한 것들과 실질적으로 동일하므로, 이들에 대한 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예에 따르면, 단결정 씨드층들(108) 상에 작은 직경의 나노 와이어들(110)이 수직으로 성장될 뿐만 아니라, 나노 와이어들(110) 사이에 성장되는 나노월들(112)의 두께 역시 얇게 형성된다. 이러한 얇은 두께의 나노월들(112)은 화학 센서 및 바이오 센서와 가스 센서에 사용되는 트랜지스터의 채널로 사용될 수 있다. 나노월들(112)이 단원자층의 얇은 두께를 갖는 경우에, 채널 내의 원자들이 트랜지스터 주위의 기체들과의 반응에 대부분 참여할 수 있어, 가스 센서의 민감도가 향상될 수 있다.
<실험예들: examples>
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.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연계 2차원 나노 구조체 및 비교예들의 SEM(Scanning Eelectron Microscope) 사진들이다.
실험예들에서 본 실시예인 산화아연계 2차원 나노 구조체는 다음과 같이 제조되었다. 본 실험예들에서 제작된 나노 구조체는 유기금속 화학기상증착공정을 사용하여 형성되었다. 구체적으로, n형 도핑된 실리콘 기판에 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 500℃로 유지하였고, 챔버 내의 압력은 0.001torr로 유지시켰다. 다음으로, 챔버 내로 아연 함유 가스인 디메틸아연[Zn(CH3)2]을 초기 30초 동안 공급하고, 이후 30초 동안에 마그네슘 함유 전구체인 비스- 사이클로펜타디닐마그네슘(Cp2Mg)을 0.5 ~ 2.5μmol/min의 유량으로 공급하였다. 연속적으로, 챔버 내로 산소 가스를 30초간 50 ~ 100sccm의 유량으로 공급하였다. 이와 동시에, 6N의 아르곤 가스를 챔버 내에서 캐리어 가스로 사용하였다. 즉, 500℃의 온도에서 10분 동안 유기금속 화학기상증착공정을 진행하여 실리콘 기판 상에 산화아연계 2차원 나노 구조체(여기서는 나노와이어)들을 성장시켰다.
본 실시예와 대비되는 종래의 방법에 따른 비교예들은 다음과 같이 제작되었다. 실리콘 기판 대신에 사파이어(Al2O3) 기판 및 p형 도핑된 갈륨아세나이드(GaAs) 기판을 사용하고, 비정질 금속산화층을 형성하는 것을 제외하고는 본 실시예들과 동일한 조건으로 유기금속 화학기상증착공정을 진행하였다.
도 8에서 알 수 있듯이, 실리콘 기판에서 성장된 산화아연계 나노 와이어들 및 산화아연계 나노월들이 산화아연과 격자상수의 불일치도가 작은 다른 기판들과 실질적으로 동일하거나 오히려 얇은 두께로 수직 정렬됨을 확인하였다.
도 9는 종래 방법의 적용시에 공정 진행 과정을 시간별로 나타낸 SEM 사진들이다. n형 도핑된 실리콘 기판 상에서 나노월의 형성 과정은 p형 도핑된 갈륨아세나이드 기판 상에서 나노월의 형성 과정과 실질적으로 동일하다. 다만, p형 도핑된 갈륨아세나이드 기판의 경우에 성장 단계가 용이하게 구분될 수 있다.
도 9에서 보는 바와 같이 1 분 경과된 경우에는 구조의 성장이 이루어 지지 않다가 5 분 경과되면서부터 기공을 덮는 얇은 층이 형성된 것을 관찰할 수 있었다. 이후 10분 경과된 후에는 일부 나노선과 나노시트가 관찰되었으며, 20 분 경과된 후에는 네트워크 구조가 연결된 나노월 구조가 형성된 것을 볼 수 있다. 이를 근거로, 나노월은 성장초기에 형성되는 것이 아니라 단계별 성장을 이루고 있는 것을 확인할 수 있다.
도 10은 본 실시예에 따른 방법에 의해 제작된 산화아연계 2차원 나노 구조 체들의 TEM(Transmission Electron Microscope) 사진들과 XRD(X-Ray Diffraction) 사진들이다. 도 10a와 도 10b는 영역 축[zone axis]을 [2-1-10]ZnO로 측정한 이미지 및 회절패턴이다. 여기서 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.
예를 들어, 도 1c에 나타난 격자면은 h=0, k=1 및 l=1의 좌표를 가져 {01-11} 격자면(여기서, (0111) 면을 포함하는 대표 격자면임)으로 나타낸 것이다.
도 10에서 보는 것과 같이, 실리콘 기판 위에 수직으로 잘 성장된 것을 볼 수 있고, 일정 넓이를 가진 나노월들이 합쳐져 네트워크 구조가 된 것을 확인 할 수 있다. 도 10c와 도 10d는 [01-10]ZnO의 영역 축으로 측정한 이미지 및 회절패턴인데, {-2112}ZnO 면의 회절패턴이 선명하게 보인다. 이는 나노월이 {-2112}ZnO 면과 {01-10}ZnO 면으로 주로 성장됨을 보여주는 결과이다.
도 11은 본 실시예에 따른 방법에 의해 제작된 산화아연계 2차원 나노 구조체들의 고분해능 TEM 사진들 및 EDX(Energy Dispersive Analysis) 사진들이다.
도 11a는 나노 와이어의 확대 이미지이다. 단결정 씨드층(108), 나노 와이어의 하부(110a) 및 상부(110b)의 마그네슘의 원자량비는 각각 36at%, 13at% 및 9.6at% 임을 보여주고 있다. 이는 나노 와이어들의 상부로 갈수록 아연의 성분이 증가하여 나노 와이어는 우르짜이트 구조를 갖는 것을 알 수 있다. 도 11b에서는 비정질 금속산화층(104) 및 비정질층(106)이 각각 97at% 및 78at%임을 보여주고 있다. 또한, 도 11c에서는 나노월과 나노 와이어의 확대 이미지이다. 나노월의 하부(112a) 및 상부(112b)는 각각 4.8at% 및 16at%임을 보여주고 있다. 이는 나노월의 상부로 갈수록 아연의 성분이 증가하여 나노월 역시 우르짜이트 구조를 갖는 것을 알 수 있다. 한편, 도 11c에서는 나노월이 성장되는 기판(100)과의 계면 부분의 이미지에서 알 수 있듯이, 금속산화층(104) 상으로 개별적인 단결정 씨드층(108)이 수평으로 넓어지면서 만나는 것을 확인할 수 있다. 단결정 씨드층(108)은 단결정인데 반해, 단결정 씨드층(108)주변으로 비정질층이 덮고 있음을 확인하였다. 이는 비정질층(106) 상에서는 산화아연계 반응물의 흡착이 더 이상 이루어지지 않아, 단결정 씨드층(108)이 더 이상 성장이 진행되지 않았던 것으로 생각된다. 이는 마그네슘이 산화아연에 존재하는 정도에 따라 단결정 또는 비정질로 상변이가 일어남을 보여주고 있다.
도 12는 본 실시예에 따른 방법에 의해 제작된 나노 와이어 및 나노월의 파장 따른 PL(PhotoLuminescence)를 측정하여 나타낸 그래프이다. 나노선에 비해 나노월의 광학적 특성이 우수한 것을 볼 수 있는데, 이는 마그네슘의 고용과 나노선의 우수한 결정학적 특성에 기인한 것으로 보인다.
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 이해 할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의하여 정해져야 한다.
도 1 내지 도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연계 2차원 나노 구조체의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.
도 8는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연계 2차원 나노 구조체 및 비교예들의 SEM(Scanning Eelectron Microscope) 사진들이다.
도 9은 종래 방법의 적용시에 공정 진행 과정을 시간별로 나타낸SEM 사진들이다.
도 10은 본 실시예에 따른 방법에 의해 제작된 산화아연계 2차원 나노 구조체들의 TEM(Transmission Electron Microscope) 사진들과 XRD(X-Ray Diffraction) 사진들이다.
도 11은 본 실시예에 따른 방법에 의해 제작된 산화아연계 2차원 나노 구조체들의 고분해능 TEM 사진들 및 EDX(Energy Dispersive Analysis) 사진들이다.
도 12는 본 실시예에 따른 방법에 의해 제작된 나노 와이어 및 나노월의 파장 따른 PL(PhotoLuminescence)를 측정하여 나타낸 그래프이다.

Claims (21)

  1. 산화막을 갖는 기판 상에 아연 함유 전구체, 마그네슘 함유 전구체 및 산소 함유 가스를 순차적으로 공급하는 화학기상증착공정을 진행하여 상기 산화막에 마그네슘이 함유된 비정질 금속산화층을 형성하고,
    상기 공정을 유지하여 상기 비정질 금속산화층 상에 아연 및 마그네슘 중 마그네슘을 주 성분으로 채택하는 비정질층들 및 상기 비정질층들 사이에 아연 및 마그네슘 중 아연을 주 성분으로 채택하는 단결정 씨드층들을 형성하고,
    상기 공정을 유지하여 상기 단결정 씨드층들 상에 선택적으로 2차원 나노 구조체를 형성하는 것을 포함하되,
    상기 전구체들 및 상기 가스의 공급은 10 분 이상 500 내지 1000℃의 온도에서 1torr 이하의 압력으로 진행되며,
    상기 마그네슘 함유 전구체는 0.5 내지 2.5 μmol/분으로 공급되는 것을 특징으로 하는 산화아연계 2차원 나노 구조체의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차원 나노 구조체는 상기 단결정 씨드층들 상에 나노 와이어들 및 상기 나노 와이어들 사이에 형성되는 나노월을 갖도록 형성되는 산화아연계 2차원 나노 구조체의 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 나노월은 단원자층(monolayer)으로 형성되는 산화아연계 2차원 나노 구조체의 제조 방법.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화막은 자연 산화막으로 형성되는 산화아연계 2차원 나노 구조체의 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 비정질 금속산화층은 10 내지 20 nm의 두께로 형성되는 산화아연계 2차원 나노 구조체의 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 단결정 씨드층들, 상기 비정질층들, 상기 2차원 나노 구조체는 MgxZn1-xO(0<x<1) 삼원계 합금막으로 형성되되, 상기 단결정 씨드층들은 0.1≤x≤0.4의 값을 갖도록 형성되며, 상기 비정질층들은 0.8≤x≤0.9의 값을 갖도록 형성되고, 상 기 2차원 나노 구조체들은 0.01≤x≤0.2의 값을 갖도록 형성되는 산화아연계 2차원 나노 구조체의 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 마그네슘 함유 전구체는 비스- 사이클로펜타디닐마그네슘(Cp2Mg), 이오딘화메틸마그네슘 (MeMgI) 및 디에틸마그네슘(Et2Mg) 으로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하는 산화아연계 2차원 나노 구조체의 제조 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 아연 함유 전구체는 디메틸아연[Zn(CH3)2], 디에틸아연[Zn(C2H5)2], 아연아세테이트 [Zn(OOCCH3)2ㆍH2O], 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 포함하는 산화아연계 산화아연계 2차원 나노 구조체의 제조 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 화학기상증착법들은 열화학기상증착법(thermal CVD), 유기금속화학기상증착법(MOCVD) 또는 플라즈마화학기상증착법(PECVD)을 이용하여 수행되는 산화아연계 2차원 나노 구조체의 제조 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘, 사파이어, 갈륨나이트라이드, 산화실리콘, 질화실리콘, 산화아연, 및 ITO로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하도록 형성되는 산화아연계 2차원 나노 구조체의 제조 방법.
  15. 기판 상에 위치한, 마그네슘이 함유된 비정질 금속산화층;
    상기 비정질 금속산화층 상에 위치되며, 아연 및 마그네슘 중 마그네슘을 주 성분으로 채택하는 비정질층들;
    상기 비정질층들 사이에 위치되며, 아연 및 마그네슘 중 아연을 주 성분으로 채택하는 단결정 씨드층들; 및
    상기 단결정 씨드층들 상에 선택적으로 형성된 2차원 나노 구조체를 포함하는 산화아연계 2차원 나노 구조체.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 2차원 나노 구조체는 상기 단결정 씨드층들 상에 나노 와이어들 및 상기 나노 와이어들 사이에 형성되는 나노월을 포함하는 산화아연계 2차원 나노 구조체.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 나노월은 단원자층(monolayer)으로 형성되는 산화아연계 2차원 나노 구조체.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 비정질 금속산화층은 10 내지 20 nm의 두께를 갖는 산화아연계 2차원 나노 구조체.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 단결정 씨드층들, 상기 비정질층들, 상기 2차원 나노 구조체는 MgxZn1-xO(0<x<1) 삼원계 합금막을 포함하되, 상기 단결정 씨드층들은 0.1≤x≤0.4의 값을 가지며, 상기 비정질층들은 0.8≤x≤0.9의 값을 갖고, 상기 나노 구조체들은 0.01≤x≤0.2의 값을 갖는 산화아연계 2차원 나노 구조체.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 금속은 마그네슘을 포함하는 산화아연계 2차원 나노 구조체.
  21. 제 15 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘, 사파이어, 갈륨나이트라이드, 산화실리콘, 질화실리콘, 산화아연, 및 ITO로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하도록 형성되는 산화아연계 산화아연계 2차원 나노 구조체.
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