KR101348271B1 - 투명 화합물 반도체 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 투명 화합물 반도체 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 투명하면서 안정성과 전하이동도가 높은 투명 화합물 반도체를 제공하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 투명 화합물 반도체는 Ba1-XLaXSnO3(0<x<0.1)의 조성을 가지며, 10㎠/V sec 이상의 전하이동도를 갖는다.

Description

투명 화합물 반도체 및 그의 제조 방법{Transparent Compound Semiconductor And Its Manufacturing Method}
본 발명은 투명 화합물 반도체 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 투명하면서 안정성과 전하이동도가 높은 투명 화합물 반도체 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
현재 정보통신기술(information technology)의 추세 중에 하나는 전자 소자의 기능과 표시 소자의 기능을 융합하려는 것이다. 전자 소자와 표시 소자가 융합하려면 전자 소자는 투명해야 한다.
따라서 투명성을 만족하면서 전자 소자로서의 기능을 수행할 수 있는 투명 반도체와 투명 전도체, 그 들의 제조 방법에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 예컨대 이러한 투명 전도체로서 ITO(Indium Tin Oxide)이 개발되어 사용되고 있고, ZnO 등이 투명 반도체로 개발되어 있으나 안정성이 떨어져 투명 반도체로서의 응용 가능성이 극히 제한되어 있다.
따라서 본 발명의 목적은 투명하면서 안정성과 전하이동도가 높은 투명 화합물 반도체 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 Ba화합물, La화합물 및 Sn화합물을 반응시켜 제조한 Ba1-XLaXSnO3(0<x<0.1)의 조성을 가지며, 10㎠/V sec 이상의 전하이동도를 갖는 투명 화합물 반도체을 제공한다.
본 발명에 따른 투명 화합물 반도체에 있어서, 상기 Ba1-XLaXSnO3는 상온에서 10㎠/V sec 이상의 전하이동도를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 투명 화합물 반도체에 있어서, 상기 Ba1-XLaXSnO3는 상기 Ba화합물, La화합물 및 Sn화합물을 Ba1-XLaXSnO3(0<x<0.1)에 따라 혼합한 후 500도 내지 1500도에서 반응시켜 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 투명 화합물 반도체에 있어서, 상기 Ba1-XLaXSnO3의 두께는 0.4nm 내지 400nm일 수 있다.
본 발명에 따른 투명 화합물 반도체에 있어서, 상기 Ba1-XLaXSnO3는 가시광선 대역에서 90% 이상의 광투과율을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 투명 화합물 반도체에 있어서, 상기 Ba1-XLaXSnO3는 공기 상태에서 상온 내지 530도로 온도를 승강시켰을 때 저항의 변화가 2% 미만일 수 있다.
본 발명에 따른 투명 화합물 반도체에 있어서, 상기 Ba1-XLaXSnO3는 단결정 또는 에피텍셜 필름 형태를 가질 수 있다.
본 발명은 또한, Ba화합물, La화합물 및 Sn화합물을 반응시켜 Ba1-XLaXSnO3(0<x<0.1)의 조성을 가지며, 10㎠/V sec 이상의 전하이동도를 갖는 투명 화합물 반도체의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 투명 화합물 반도체의 제조 방법에 있어서, 상기 Ba1-XLaXSnO3는 상온에서 10㎠/V sec 이상의 전하이동도를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 투명 화합물 반도체의 제조 방법에 있어서, 상기 Ba화합물은 BaCO3 또는 BaO이고, 상기 La화합물은 La2O3이고, 상기 Sn화합물은 SnO2일 수 있다.
본 발명에 따른 투명 화합물 반도체의 제조 방법에 있어서, 상기 Ba화합물, La화합물 및 Sn화합물을 Ba1-XLaXSnO3(0<x<0.1)에 따라 혼합한 후 500도 내지 1500도에서 반응시켜 상기 Ba1-XLaXSnO3를 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 투명 화합물 반도체의 제조 방법에 있어서, 상기 Ba1-XLaXSnO3를 베이스 기판 위에 물리 또는 화학적으로 증착하여 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 투명 화합물 반도체의 제조 방법에 있어서, 상기 베이스 기판은 격자상수가 0.37~045nm인 ABO3 구조를 갖는 페라브스카이트(perovskite) 금속산화물을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 투명 화합물 반도체의 제조 방법에 있어서, 상기 ABO3는 SrTiO3, LaAlO3, SrZrO3, BaNbO3 중에 하나일 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 투명 화합물 반도체의 제조 방법에 있어서, 상기 Ba1-XLaXSnO3의 두께는 0.4nm 내지 400nm일 수 있다.
본 발명에 따른 투명 화합물 반도체인 Ba1-XLaXSnO3(0<x<0.1)는 투명하면서 안정성과 전하이동도가 높은 특성을 갖고 있다. 즉 Ba1-XLaXSnO3는 가시광선대역에서 90% 이상의 광투과도를 갖는 투명성과, 공기 중에서 상온 내지 530도로 온도를 승강시켰을 때 저항의 변화가 2% 미만의 안정성과, 10㎠/V sec 이상의 전하이동도를 갖는 투명 화합물 반도체를 제공한다.
특히 본 발명에 따른 Ba1-XLaXSnO3(0<x<0.1)는 10㎠/V sec 이상의 높은 전하이동도를 갖는 투명 화합물 반도체이기 때문에, 표시 소자 등 다양한 전자 제품에 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 Ba1-XLaXSnO3(0<x<0.1)의 광학적 전송 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 Ba1-XLaXSnO3(0<x<0.1)의 온도 저항도를 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 Ba1-XLaXSnO3(0<x<0.1)의 전하밀도, 저항 및 전하이동도를 보여주는 그래프이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
본 발명에 따른 투명 화합물 반도체는 Ba1-XLaXSnO3(0<x<0.1)의 조성을 갖는다. Ba1-XLaXSnO3는 (Ba+La):Sn=1:1의 조성비를 만족한다.
여기서 Ba1-XLaXSnO3가 0<x<0.1의 조성비를 갖는 이유는, Ba1-XLaXSnO3가 반도체성을 갖도록 하기 위해서이다. x=0 즉, La=0인 경우에는, BaSnO3는 절연체가 되기 때문에, La의 조성비는 0 보다는 커야한다. 또한 La를 도핑해서 10이 되는 경우에는, Ba0.9La0.1SnO3는 금속이 되기 때문에, La는 10 보다는 작은 조성비를 가져야 한다. 따라서 Ba1-XLaXSnO3가 반도체성을 갖기 위해서는, 0<x<0.1의 조성비를 갖는 것이다.
Ba1-XLaXSnO3는 양호한 투명성, 안정성 및 10㎠/V sec 이상의 전하이동도를 갖도록, 0.4nm 내지 400nm의 두께를 갖도록 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같은 두께로 Ba1-XLaXSnO3를 형성하는 이유는 다음과 같다. 먼저 0.4nm가 원자층 하나의 두께에 해당되기 때문에, Ba1-XLaXSnO3를 0.4nm 보다는 얇게 형성할 수는 없다. 그리고 Ba1-XLaXSnO3의 두께가 400nm을 초과하면 투명성이 떨어지기 때문이다.
그리고 Ba1-XLaXSnO3는 단결정 또는 에피텍셜 필름 형태로 제조할 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 투명 화합물 반도체로 사용되는 Ba1-XLaXSnO3는 다음과 같이 형성할 수 있다.
먼저 Ba1-XLaXSnO3는 BaSnO3에 La를 도핑하여 형성할 수 있다. BaSnO3는 격자상수가 0.41nm인 절연성 물질로서, 3eV보다 큰 밴드갭을 가지며, 투명하다.
이때 Ba1-XLaXSnO3의 기초 물질로 BaSnO3를 사용한 이유는 다음과 같다. 먼저 기초과학적인 측면에서 밴드갭이 4eV 가까이 되는 절연체에 금속 물질의 도핑이 1020/㎤ 이하가 되면서, 전하이동도가 클 수 있는 물질이 있다는 것에 대해서 예상하는 데는 무리가 있다. 하지만 본 발명에서는 BaSnO3와 같이 ABO3 구조를 갖는 페라브스카이트(perovskite) 금속산화물 구조에서 A-위치(site) 도핑을 통하여 높은 전하이동도의 구현이 가능하다는 것을 확인하였다. 즉 페라브스카이트 금속산화물은 결정화(crystallization) 온도가 다른 구조의 금속화합물에 비해 높은 점은 있지만, 두 개의 양이온(cation) 위치에 물질을 도핑할 수 있는 가능성을 제공하는 장점을 갖고 있다. 특히 본 발명에서는 3eV의 높은 밴드갭을 가진 페라브스카이트 금속산화물인 BaSnO3를 Ba1-XLaXSnO3의 기초 물질로 사용하였다.
BaSnO3는 3eV 보다 큰 밴드갭을 가지고 있으며, 이것은 투명성이 높다는 것을 의미한다. 또한 이러한 높은 밴드갭을 가진 BaSnO3를 이용한 Ba1-XLaXSnO3는 약 1.2eV의 밴드갭을 갖는 실리콘이나, 약 1.5eV의 밴드갭을 갖는 GaAs에 비해서 투명성 측면에서 장점들을 갖고 있다.
또는 Ba1-XLaXSnO3는 Ba화합물, La화합물 및 Sn화합물을 반응시켜 형성할 수 있다. 이때 Ba화합물로는 BaCO3 또는 BaO이 사용될 수 있다. La화합물로는 La2O3이 사용될 수 있다. 그리고 Sn화합물로는 SnO2이 사용될 수 있다. 예컨대 Ba화합물, La화합물 및 Sn화합물을 Ba1-XLaXSnO3(0<x<0.1)의 조성비에 따라 혼합한 후, 500도에서 내지 1500도로 반응시켜 Ba1-XLaXSnO3를 제조한다. 이때 500도 내지 1500도에서 반응을 수행하는 이유는, 500도 이하에서는 Ba1-XLaXSnO3의 결정구조가 형성되지 않고, 1500도 초과하는 경우에는 Ba1-XLaXSnO3의 결정구조가 깨지거나 투명 화합물 반도체로서의 특성이 떨어지기 때문이다.
Ba1-XLaXSnO3는 Ba화합물, La화합물 및 Sn화합물을 반응시켜 형성할 때, 베이스 기판을 제공하고 물리적 또는 화학적인 방법을 사용하여 베이스 기판 위에 형성할 수 있다. 베이스 기판으로는 ABO3 구조를 갖는 페라브스카이트 금속산화물로서, 격자상수가 0.41nm인 BaSnO3와 비슷한 물질이 사용될 수 있다. 예컨대 베이스 기판으로는 격자상수가 0.37~045nm인 SrTiO3, LaAlO3, SrZrO3, BaNbO3 등이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
그리고 Ba화합물, La화합물 및 Sn화합물을 반응시켜 형성한 Ba1-XLaXSnO3는 10㎠/V sec 이상의 전하이동도를 갖는다. 특히 Ba1-XLaXSnO3는 상온에서 10㎠/V sec 이상의 전하이동도를 갖는다.
이와 같은 본 발명에 따른 Ba1-XLaXSnO3가 양호한 투명성, 안정성 및 전하이동도를 갖고 있음을 도 1 내지 도 3의 그래프를 통해서 확인할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 Ba1-XLaXSnO3(0<x<0.1)의 광학적 전송 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.
도 1을 참조하면, 도핑되지 않은 BaSnO3와 본 발명의 실시예에 따른 Ba1-XLaXSnO3 단결정의 광학적 전송 스펙트럼을 보여준다. 여기서 (a)는 도핑되지 않은 BaSnO3와 도핑된 BaSnO3(본 발명에 따른 Ba1-XLaXSnO3) 단결정의 전송 스펙트럼이다. (b)는 도핑되지 않은 BaSnO3와 도핑된 BaSnO3의 흡수계수(Absorption coefficient (α))를 포톤 에너지의 기능으로 나타낸 그래프이다.
도핑되지 않은 BaSnO3와 도핑된 BaSnO3(n=2.39x1020cm-3)의 흡수계수(α)는 두께가 다른 같은 견본의 전송 스펙트럼 측정으로 추출하였다. α와 포톤 에너지의 관계로부터 예측된 도핑되지 않은 BaSnO3와 도핑된 BaSnO3(n=2.39x1020cm-3)의 광학적 밴드갭은 각각 3.03eV과 3.01eV이었다.
즉 본 발명의 실시예에 따른 Ba1-XLaXSnO3는 가시광선 대역에서 일반적 두께의 박막의 경우 90% 이상의 광투과도를 갖고 있는 것을 확인할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 Ba1-XLaXSnO3(0<x<0.1)의 온도 저항도를 보여주는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 Ba0.96La0.04SnO3-δ 박막필름의 산소(O2), 아르곤(Ar) 및 공기 상태에서의 온도 저항도를 보여준다. Ba0.96La0.04SnO3-δ 박막필름을 산소, 아르곤 또는 공기 상태에서 상온 내지 530도로 온도를 승강시켰을 때 저항의 변화율을 측정하였다. Ba0.96La0.04SnO3-δ 박막필름은 에피텍셜 필름일 수 있다.
여기서 (a)에서 위 그래프는 온도와 가스 환경에서 변하는 것을 보여주고, 아래의 그래프는 그것에 따른 결과적인 저항 변화치를 나타낸다. 필름은 100nm 두께, 온도는 5시간 동안 섭씨 530도에서 유지하였다.
(b)는 저항도와 온도와의 관계를 보여주며, 저항도는 공기에서는 1.7% 정도 변화했고, 섭씨 530도에서 5시간 동안 8% 정도 아르곤에서는 내려갔고, 섭씨 530도에서 5시간 동안 8% 정도 산소에서는 올라간 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 Ba1-XLaXSnO3는 공기, 산소, 아르곤 상태에서 상온 내지 530도로 온도를 승강시키더라도 저항의 변화가 크지 않는 안정성을 갖고 있음을 확인할 수 있다. 특히 본 발명에 따른 Ba1-XLaXSnO3는 공기 상태에서 상온 내지 530도로 온도를 승강시켰을 때 저항의 변화가 2% 미만인 안정성을 갖고 있음을 확인할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 Ba1-XLaXSnO3(0<x<0.1)의 전하밀도, 저항 및 전하이동도를 보여주는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 Ba1-XLaXSnO3의 박막필름의 온도 변화에 따른 전하밀도(n), 저항(ρ) 및 전하이동도(μ)의 변화를 보여준다. 전하밀도(n), 저항(ρ) 및 전하이동도(μ)는 온도에 영향을 받는 계수이다. 여기서 (a,b,c)는 Ba1-XLaXSnO3 박막필름의 전하밀도(n), 저항(ρ) 및 전하이동도(μ)를 보여준다.
본 발명의 실시예에 따른 Ba1-XLaXSnO3는 10㎠/V sec 이상의 전하이동도를 갖는 것을 확인할 수 있다. Ba1-XLaXSnO3는 상온에서 10㎠/V sec 이상의 전하이동도를 갖는 것을 확인할 수 있다. 더욱이 x의 값이 0.04, 0.07인 경우, Ba1-XLaXSnO3는 50㎠/V sec 이상의 전하이동도를 갖는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 Ba1-XLaXSnO3는 투명하면서 안정성과 전하이동도가 높은 특성을 갖고 있다. 즉 Ba1-XLaXSnO3는 가시광선대역에서 90% 이상의 광투과도를 갖는 투명성과, 공기 상태에서 상온 내지 530도로 온도를 승강시켰을 때 저항의 변화가 2% 미만의 안정성과, 50㎠/V sec 이상(상온에서 ~1020/㎤ 도핑 레벨 수준에서)의 전하이동도를 갖는 우수한 투명 화합물 반도체로서의 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 Ba1-XLaXSnO3는 양호한 투명성, 안정성 및 전하이동도를 갖기 때문에, 전자 및 통신기기 산업 등 다양한 산업 분야에서 사용될 수 있다. 특히 본 발명에 따른 Ba1-XLaXSnO3는 산화물의 안정성과 큰 밴드갭 때문에, 높은 온도에서 작동할 수 있고, 방사선에 영향을 덜 받으며, 높은 전력량을 취급해야하는 우주산업이나 군용산업 등에 사용될 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.

Claims (15)

  1. Ba화합물, La화합물 및 Sn화합물을 혼합한 후 500도 내지 1500도에서 반응시켜 제조한 Ba1-XLaXSnO3(0<x<0.1)의 조성을 가지며, 상기 Ba1-XLaXSnO3의 두께는 0.4nm 내지 400nm이고, 10㎠/V sec 이상의 전하이동도를 갖는 것을 특징으로 하는 투명 화합물 반도체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 Ba1-XLaXSnO3는 상온에서 10㎠/V sec 이상의 전하이동도를 갖는 것을 특징으로 하는 투명 화합물 반도체.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 Ba1-XLaXSnO3는 가시광선 대역에서 90% 이상의 광투과율을 갖는 것을 특징으로 하는 투명 화합물 반도체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 Ba1-XLaXSnO3는 공기 상태에서 상온 내지 530도로 온도를 승강시켰을 때 저항의 변화가 2% 미만인 것을 특징으로 하는 투명 화합물 반도체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 Ba1-XLaXSnO3는 단결정 또는 에피텍셜 필름 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 투명 화합물 반도체.
  8. Ba화합물, La화합물 및 Sn화합물을 혼합한 후 500도 내지 1500도에서 반응시켜 제조한 Ba1-XLaXSnO3(0<x<0.1)의 조성을 가지며, 상기 Ba1-XLaXSnO3의 두께는 0.4nm 내지 400nm이고, 10㎠/V sec 이상의 전하이동도를 갖는 것을 특징으로 하는 투명 화합물 반도체의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 Ba1-XLaXSnO3는 상온에서 10㎠/V sec 이상의 전하이동도를 갖는 것을 특징으로 하는 투명 화합물 반도체의 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 Ba화합물은 BaCO3 또는 BaO이고, 상기 La화합물은 La2O3이고, 상기 Sn화합물은 SnO2인 것을 특징으로 하는 투명 화합물 반도체의 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 제8항에 있어서,
    상기 Ba1-XLaXSnO3를 베이스 기판 위에 물리 또는 화학적으로 증착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 투명 화합물 반도체의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 베이스 기판은 격자상수가 0.37~045nm인 ABO3 구조를 갖는 페라브스카이트(perovskite) 금속산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 화합물 반도체의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 ABO3는 SrTiO3, LaAlO3, SrZrO3, BaNbO3 중에 하나인 것을 특징으로 하는 투명 화합물 반도체의 제조 방법.
  15. 삭제
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