KR101467237B1 - 반도성 박막과 절연성 박막으로 적층형성된 초격자구조 박막이 구비된 반도체소자 - Google Patents

반도성 박막과 절연성 박막으로 적층형성된 초격자구조 박막이 구비된 반도체소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기판상에 형성되는 초격자구조 박막을 갖는 반도체소자에 있어서, 초격자구조 박막은 기판상에 절연성 박막과 반도성 박막이 순차적으로 적층된 것을 특징으로 하는 반도성 박막과 절연성 박막으로 적층형성된 초격자구조 박막이 구비된 반도체소자에 관한 것이다.
본 발명에 따른 초격자 박막은 반도성과 절연성 박막으로 적층 형성된 구조로 초격자 박막을 구성하는 반도성 박막 및 절연성 박막은 결정성과 비정질로 구성될 수 있으며, 혹은 혼합되어 사용될 수 있어 기존의 이종 반도성으로 이루어진 초격자의 두물질간의 격자상수의 불일치를 해결하기 위한 물질의 제약이 없어 다양한 소재들이 사용될 수 있는 특징을 가지고 있다.

Description

반도성 박막과 절연성 박막으로 적층형성된 초격자구조 박막이 구비된 반도체소자{SEMICONDUCTOR DEVICE HAVING SUPERLATTICE-STRUCTURED THIN FILM LAMINATED BY SEMICONDUCTING THIN FILM AND INSULATING THIN FILM}
본 발명은 초격자박막이 구비된 반도체소자에 관한 것이다. 구체적으로 기판상에 반도성 박막과 절연성 박막으로 적층형성된 초격자구조에 관한 것이다.
[관련 국가연구과제]
본 발명은 한국 과학재단 친환경 열전소자 응용을 위한 다성분계 신산화물 열전소재 개발 연구과제(과제번호 2012-03849) 및 지식경제부 광전변환효율 10%급 저비용 CIGS 태양전지 기술개발 과제(정부과제고유번호:2011-8520010050)의 연구지원으로부터 도출된 결과를 토대로 한다.
최근 반도체 소재를 구비한 광전기적 소자들은, 소자의 효율성을 향상을 위해 반도체 소재의 물리적 한계를 극복할 수 있는 두 가지 이상의 반도체의 층을 교대로 적층된 초격자 구조의 반도체 소재를 이용하여 향상된 소자를 구현하기 위한 연구들이 이루어지고 있다.
대표적인 예로서, 광 다이오드는 높은 발광 특성을 얻기 위해서, 소자의 발광 층을 이차원적 혹은 삼차원적으로 양자우물의 구조를 가지는 초격자 구조를 이용한다. 양자우물의 구조는 일반적인 다이오드 구조보다 전하를 효율적으로 구속시킬 수 있어, 전자와 정공의 높은 재결합이 유도되어 발광특성을 향상시킬 수 있다. 현재 상용적으로 널리 사용되고 있는 GaN기반 초격자 구조를 이용한 발광다이오드를 그 예라고 할 수 있다.
또한, 최근 원유 등과 같은 화력 연료의 값 급등과 중동에서의 국제적인 분쟁 위험의 증가로 인해 국내 원유 가격의 급등 및 급락이 지속 되어 있고, 고갈화가 지속 됨에 따라 친환경적인 에너지원을 얻기 위한 노력이 이루어지고 있다. 친환경적인 에너지 소자로는 태양력, 조력, 풍력 등 여러 가지 형태의 에너지원을 들 수 있다. 이러한 친환경적 에너지 소자의 효율을 향상시키기 위해 소재 및 구조에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다.
최근 각종 소자 및 공장에서 발생되는 폐열을 전기신호로 변환할 수 있는 열전특성을 갖는 소재를 활용하여 에너지를 생산하는 것이 주목받고 있다[한국특허출원 제10-2010-0029518호]. 이러한 초격자 구조는 반복적인 적층 구조로 인해, 포논의 산란이 유도되어 열전도도를 낮춤으로써, 열전 소재의 효율이 향상되는 것에 이용되고 있다. 또한, 반도체 소재를 초격자구조로 형성함에 따라 양자효과를 기대할 수 있어 물질의 밴드갭을 제어할 수 있다. 즉, 빛에 대한 전기적 특성이 제어될 수 있어 태양전지 혹은 광다이오드 등에도 이용이 되어지고 있다.
하지만, 기존의 소재들은 이종(異種)의 반도체가 적층(반도체-반도체)된 초격자 구조의 대한 것으로, 반도체들간의 격자 상수 및 결함을 제어하기 위해 단결정의 초격자를 구현해야만 한다.
이로 인해 고품질의 단결정의 초격자를 얻기 위해서는 고온의 공정이 필요하다는 단점이 있다. 또한, 반도체들간의 격자상수가 맞는 물질이 한정적이므로, 선정하여 사용될 수 있는 소재가 매우 제한적인 단점이 있다. 더욱이, 에피텍셜(epitaxial)한 박막을 얻기 위해서는, 형성시키고자 하는 박막은 격자상수의 불일치가 크지 않는 기판이 요구되어, 동종 혹은 비슷한 구조를 가지는 단결정 기판을 이용해야하는 점으로 인해, 다양한 소자에 응용하기에는 경제적, 기술적 한계를 가지는 단점이 있다.
또한, 디스플레이의 백플레인용 소자로 널리 사용되고 있는 비정질 실리콘 트랜지스터 소자의 이동도는 1cm2/Vs에 불과하여, 디스플레이의 대면적화와 고해상도의 구현을 위해서는 고이동도를 가지는 새로운 소재들이 필요로 하고 있다.
이동도를 증가시키기 위해서는 비정질 실리콘을 결정화시키는 방법이 있지만, 이는 고온의 공정이 필요하다는 단점을 가진다. 대부분의 디스플레이의 패널은 글라스를 이용하고 있어 사용할 수 있는 공정 온도가 높지 않으며, 최근 투명 혹은 플랙시블 형태의 차세대 디스플레이를 구현하기 위해서는 더 낮은 공정 온도가 요구되고 있어 이에 적합하지 않다.
2004년도에 일본의 호소노 그룹에서 비정질의 IGZO 산화물 반도체를 활성층으로 이용한 트랜지스터 소자에서 10 cm2/VS의 이상의 이동도가 보고되었다(Nature 432, 488-482, 2004). 그 후 비정질 산화물 반도체를 이용하여 20 cm2/Vs 이상의 높은 이동도들이 보고되고는 있지만, 다양한 조건에서의 문턱 전압의 불안정성이 문제가 제시되고 있다.
또한, 비교적 안정한 특성을 보이는 소자의 이동도는 10 cm2/Vs의 이동도를 보여 기술적 한계가 보고되고 있다.
한편, 단결정의 초격자 구조를 가지는 IGZO 산화물 반도체를 채널층으로 사용한 결과에서는 80 cm2/Vs의 높은 이동도가 구현되는 것이 보고되었고(Science, Vol. 300, p.1269, 2003), ZnO/MgZnO의 초격자 구조 및 GaN을 기반으로한 초격자 구조에서도 역시 매우 우수한 이동도가 구현되어 발표되었다. 하지만, 이러한 소자들은 고품질의 단결정 성장이 필요하여, 물질에 제약이 있었다.
본 발명에 따른 반도성 박막과 절연성 박막으로 적층형성된 초격자구조 박막이 구비된 반도체소자는 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 다음과 같은 해결과제를 가진다.
첫째, 본 발명에 따른 초격자 박막은 반도성과 절연성 박막으로 적층 형성된 구조로 초격자 박막을 구성하는 반도성 박막 및 절연성 박막은 결정성과 비정질로 구성될 수 있으며, 혹은 혼합되어 사용될 수 있어 기존의 이종(異種) 반도성으로 이루어진 초격자의 두물질간의 격자상수의 불일치를 해결하기 위한 물질의 제약이 없어 다양한 소재들이 사용될 수 있는 특징을 가지고 있다.
둘째, 본 발명에 따른 반도성 박막과 절연성 박막으로 적층 형성된 초격자구조의 광학적, 전기적 특성은 활성층으로 활용되는 반도성 박막의 특성에 좌우됨에 따라 다양한 소자에 응용이 가능하다.
셋째, 본 발명에 따른 초격자 박막은 결정성에 큰 제약이 없어, 성장온도에 큰 제약이 없어 저온에서부터 고온까지 모두 활용할 수 있다는 특징이 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
본 발명은 기판상에 형성되는 초격자구조 박막을 갖는 반도체소자에 관한 것이다. 본 발명에 따른 초격자구조 박막은 기판상에 절연성 박막과 반도성 박막이 순차적으로 적층된 것을 특징으로 하는, 반도성 박막과 절연성 박막으로 적층형성된 초격자구조 박막이 구비된 반도체소자에 관한 것이다.
본 발명에 따른 절연성 박막은 Al2O3 로 이루어지며, 반도성 박막은 ZnO로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 초격자구조 박막은 스퍼터링(Sputtering), 분자선에피택시법(MBE), 이배퍼레이터(evaporator), 화학기상증착법(CVD), 원자층증착법(ALD) 또는 졸겔법(sol-gel) 중 어느 하나의 방법으로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 초격자구조 박막 내의 활성층은 반도성 박막인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 초격자구조 박막 밴드의 경우, 반도성 박막 물질의 전도대는 절연성 박막 물질의 전도대 보다 낮고, 반도성 박막 물질의 가전자대는 절연성 박막 물질의 가전자대보다는 높은 구조가 가능하다.
본 발명에 있어서, 초격자구조 박막 밴드의 경우, 반도성 박막 물질의 전도대는 절연성 박막 물질의 전도대보다 낮고, 반도성 박막 물질의 가전자대는 절연성 박막 물질의 가전자대보다는 낮은 구조가 가능하다.
본 발명에 있어서, 초격자구조 박막 밴드의 경우, 반도성 박막 물질의 전도대는 절연성 박막 물질의 전도대보다 높고, 반도성 박막 물질의 가전자대는 절연성 박막 물질의 가전자대보다도 높은 구조가 가능하다.
본 발명에 있어서, 초격자구조 박막의 종방향(a)으로 전류 흐름을 갖는 구조의 경우, 절연성 박막의 두께(t1)는 0 < t1 ≤ 10nm 이고, 반도성 박막의 두께(t2)는 0 < t2 ≤ 100nm 이며, 반도성 박막의 두께(t2)를 일정하게 하고, 절연성 박막의 두께(t1)를 조절하여 전류량을 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 초격자구조 박막의 횡방향(b)으로 전류 흐름을 갖는 구조의 경우, 절연성 박막의 두께(t1)는 10nm < t1 < 100nm 이고, 반도성 박막의 두께(t2)는 0 < t2 ≤ 100nm 이며, 절연성 박막의 두께(t1)를 일정하게 하고, 반도성 박막의 두께(t2)를 조절하여 전류량을 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 초격자구조 박막의 종방향(a) 및 폭방향(b)의 전류 흐름을 동시에 갖는 양방향 구조의 경우, 절연성 박막의 두께(t1)는 0 < t1 ≤ 10nm 이고, 반도성 박막의 두께(t2)는 0 < t2 ≤ 100nm 이며, 반도성 박막의 두께(t2)를 일정하게 하고, 절연성 박막의 두께(t1)를 조절하여 전류량을 제어하거나, 반도성 박막의 두께(t2)와 절연성 박막의 두께(t1)를 동시에 조절하여 전류량을 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 반도성 박막과 절연성 박막으로 적층형성된 초격자구조 박막이 구비된 반도체소자는 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 반도성 박막과 절연성 박막으로 구성된 초격자 박막이 구비된 반도체 소자를 형성함에 있어, 반도성 박막층을 활성층으로 이용함으로써, 보다 전류밀도가 높은 소자 구현이 가능하다.
둘째, 반도성 박막과 절연성 박막으로 구성된 초격자 박막이 구비된 반도체 소자에 있어, 반도성 박막에 사용되는 소재의 밴드갭 및 전기적 특성에 따라 발광 및 수광 소자의 활용 파장을 제어할 수 있다.
셋째, 본 발명의 초격자 박막을 구성하는 반도성과 절연성 박막의 결정성에 제약이 없어, 플렉시블 소자에 응용에 필수적인 요소인 저온 공정이 가능한 반도체 소자를 제작할 수 있고, 고온공정에서 이용이 가능하다.
넷째, 본 발명의 초격자 박막의 종방향의 전류는 절연성 박막의 두께의 조절을 통해 제어할 수 있고, 횡방향의 전류는 반도성 박막의 두께에 따라 제어할 수 있어 사용목적에 맞게 전류의 흐름을 제어할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 초격자구조 박막을 구비한 반도체소자의 일 실시예에 관한 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 초격자구조 박막이 반도성 박막과 절연성 박막으로 이루어지는 것을 나타내는 단면도이다
도 4는 본 발명에 따른 초격자 박막의 TEM 이미지이다.
도 5, 도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 초격자구조 박막으로 가능한 밴드구조를 나타낸다.
도 8은 전류의 방향에 따라 초격자구조를 이루는 박막의 바람직한 구조적 제어를 설명한다.
도 9는 도 1 구조의 실시예에 따른 초격자구조 박막을 전계효과 트랜지스터의 활성층으로 구성한 단면도와 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 10은 도 2 구조의 실시예에서 도 8의 b방향에 따른 전류 밀도를 측정하기 위한 것으로서, 반도성 박막의 두께에 따라 측정된 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 다른 일 실시예이다.
도 12 및 도 13은 도 11의 실시예에 따라 도 8의 a방향에 따른 전류 밀도를 측정하기 위한 것으로서, 반도성 박막의 두께 및 절연성 박막의 두께에 따라 측정된 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 14 및 도 15는 본 발명에 따른 초격자구조 박막을 열전소자에 응용하기 위해 측정된 온도에 따른 전류와 열전도성을 측정한 그래프이다.
도 16은 반도성 박막인 ZnO의 100 nm 두께의 박막과 절연성 박막으로 이루어진 초격자구조 박막의 광루미네선스(photoluminescence)를 분석한 그래프를 보여준다.
이하에서는 도면을 중심으로 본 발명을 설명하고자 한다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 초격자구조 박막을 구비한 반도체소자의 일 실시예에 관한 개념도이다.
본 발명은 기판상에 형성되는 초격자구조 박막을 갖는 반도체소자에 관한 것이다.
본 발명에 따른 초격자구조 박막은 기판상에 절연성 박막과 반도성 박막이 순차적으로 적층된 것이 바람직하다.
즉, 반도성 박막과 절연성 박막이 주기를 가지고 적층된 구조로 초격자 형태의 구조를 가지는 것이 특징이다. 또한, 초격자 구조에서의 반도성 박막 및 절연성 박막은 결정성 또는 비정질일 수 있으며, 두 개의 형태가 혼합된 실시예도 가능하다.
본 발명에 따른 반도성 박막 및 절연성 박막으로 구성된 초격자 구조의 박막은 결정성에 큰 제약이 없어, 광전기전자 소자에서 일반적으로 사용되고 있는 고온용 기판 또는 저온용 기판이 모두 사용될 수 있다. 예를 들면, 유리, 금속호일, 금속, 플라스틱 (저/고분자), 비정질 산화물/질화물, ITO와 같은 투명전극, 또는 실리콘과 같은 결정성을 가지는 기판 중에서 선택될 수 있다.
본 발명에 따른 초격자구조 박막은 스퍼터링(Sputtering), 분자선에피택시법(MBE), 이배퍼레이터(Evaporator)와 같은 물리적 성장방법도 가능하며, 화학기상증착법(CVD), 원자층증착법(ALD) 등과 같은 화학적 성장방법 및 졸겔법(Sol-Gel)과 같은 용액기반 성장방법 중 어느 하나의 방법으로 형성되는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 초격자구조 박막 내의 활성층은 반도성 박막인 것이 바람직하다. 초격자구조 박막내에서 활성층은 다음과 같은 기능작용을 한다.
첫째, 반도성과 절연성으로 구성된 초격자 박막의 전기적 특성을 부여하는 층으로, 반도성 박막층의 두께에 따라 이를 제어할 수 있다.
둘째, 반도성과 절연성으로 구성된 초격자 박막의 광학적 특성을 부여하는 층으로 반도성 박막의 밴드갭에 따라 발광 및 수광할 수 있는 빛의 파장을 제어할 수 있다.
종래에 초격자구조 박막내에서 절연성 박막을 활성층으로 할 수도 있을 것이나. 이 경우 다음과 같은 단점이 있다.
첫째, 절연성 박막내의 낮은 전하 밀도와 호핑(hoping) 메커니즘에 의한 이동을 해야하기에 전하의 이동이 쉽지 않다.
둘째, 광다이오드와 같은 광소자에 활용에 있어, 상대적인 밴드갭 차이에 의해 반도성 박막내에서 전자와 정공의 재결합 및 수광이 수월하여, 절연성 박막층을 활성층으로 활용하기 힘들다.
셋째, 소자의 구성에 있어서 절연성 박막과의 오믹(ohmic) 접합을 이루는 전극을 형성할 수 없어 전류의 흐름이 용이하지 않다.
그런데 본 발명과 같이 반도성 박막을 활성층으로 하면 다음과 같은 장점이 있다.
첫째, 상대적 밴드갭에 의해 구속화된 반도성 박막층 내에 전자와 정공의 높은 재결합을 유도할 수 있으며, 반도성의 밴드갭에 따라서 발광 및 수광 파장을 용이하게 제어할 수 있다.
둘째, 반도성 박막층의 높은 전도성으로 인해, 소자의 높은 전류를 유도할 수 있어, 유용한 소자를 구현할 수 있다.
셋째, 반도성 박막의 오믹(ohmic) 접합을 이룰수 있는 금속 전극을 형성할 수 있어 전류 흐름을 원활하게 할 수 있다.
도 5 내지 도 7은 반도성 박막과 절연성 박막으로 이루어진 초격자 구조의 밴드의 세가지 구조의 실시예를 보여주고 있다.
첫째, 도 5에 도시된 바와 같이, 반도성 박막 물질의 전도대는 절연성 박막 물질의 전도대 보다 낮고, 반도성 박막 물질의 가전자대는 절연성 박막 물질의 가전자대보다는 높은 구조가 가능하다.
둘째, 도 6에 도시된 바와 같이, 반도성 박막 물질의 전도대는 절연성 박막 물질의 전도대보다 낮고, 반도성 박막 물질의 가전자대는 절연성 박막 물질의 가전자대보다는 낮은 구조가 가능하다.
셋째, 도 7에 도시된 바와 같이,반도성 박막 물질의 전도대는 절연성 박막 물질의 전도대보다 높고, 반도성 박막 물질의 가전자대는 절연성 박막 물질의 가전자대보다도 높은 구조가 가능하다.
이러한 밴드 구조의 선택은 반도성 박막과 절연성 박막으로 이루어진 초격자 구조의 박막의 전기적 및 광학적 특성의 제어의 필요에 따라서 선택될 수 있다.
도 8은 전류의 방향에 따라 초격자구조를 이루는 박막의 바람직한 구조적 제어를 설명한 것이다.
초격자구조 박막의 종방향(a), 즉 도 8의 a방향으로 전류 흐름을 갖는 구조에서, 전자의 원활한 흐름을 위해서는 절연성 박막의 두께(t1)가 0 < t1 ≤ 10nm 인 것이 바람직하다.
반도성 박막의 전하들은 절연성 박막에 다이렉트 터널링(Direct tunneling)과 전계방출 터널링(Fowler-Nordheim tunneling)을 통해 전류의 흐름이 유도된다. 하지만, 절연성 박막의 두께가 두꺼워짐에 따라 다이렉트 터널링(Direct tunneling)과 전계방출 터널링(Fowler-Nordheim tunneling)을 통한 전류 흐름이 어려워진다. 도 13을 보면, 절연성 박막의 두께가 10nm를 초과하면 전류의 밀도가 현저히 저하됨을 확인할 수 있다.
절연성 박막의 두께가 10 nm를 초과하는 경우에는, 반도성 박막에 있는 전하들이 절연성 박막을 통한 터널링에 제약을 받아 전류의 흐름에 방해하는 요인으로 작용한다. 따라서, 절연성의 박막의 두께가 10nm를 초과하는 경우에는 종방향(a) 방향의 전류의 흐름이 제약되므로, 횡방향(b)의 전류가 요구되는 소자에 더욱 적합하다.
초격자구조 박막의 횡방향(b), 즉 도 8의 b방향으로 전류 흐름을 갖는 구조에서, 반도성 박막의 두께(t2)는 0 < t2 ≤ 100nm 로 이루어지며, 반도성 박막의 두께(t2)를 조절하여 전류량을 제어하는 것이 바람직하다.
초격자 구조로 이루어진 반도체 박막의 횡방향의 전류의 흐름은 반도성 박막의 두께에 따라 제어될 수 있다. 반도성 층에 사용되는 물질은 두께가 감소함에 따라 양자제한 효과로 인한 페르미 준위에 전하들의 상태밀도 함수가 증가 될 수 있다. 이로 인해, 초격자 구조의 횡방향(b)의 전도성은 점차 감소하게 된다. 이에 반에, 양자제한 효과를 보이는 임계두께보다 커지게 되면 전도성을 점차 늘어나게 된다. 이로 인해, 반도성 물질의 두께에 따라서 횡방향(b)의 전류량을 제어할 수 있다. 하지만, 반도성의 물질의 두께가 증가할수록 초격자 내의 반도성 박막층은 나노구조의 효과(양자효과)를 보이지 않고, 일반적인 벌크 특성이 보인다. 따라서 반도성 박막의 두께(t2)는 0 < t2 ≤ 100nm 의 범위인 것이 바람직하다.
양자효과가 발생되고, 밴드갭의 제어를 기대할 수 있는 범위는 100 nm이내로서, 100nm를 초과하는 범위에서는 벌크(bulk)특성이 우세(dominant)하기 때문이다.
초격자구조 박막의 높이방향인 종방향(a) 및 폭방향인 횡방향(b)의 전류 흐름을 동시에 갖는 '양방향' 구조에서는, 절연성 박막의 두께(t1)는 0 < t1 ≤ 10nm 로 이루어지며, 반도성 박막의 두께(t2)는 0 < t2 ≤ 100nm를 조절하여 전류량을 제어하는 것이 바람직하다.
일 실시예로, 본 발명에 따른 절연성 박막은 Al2O3 로 이루어지며, 반도성 박막은 ZnO로 이루어지는 것이 바람직하다.
제1 실시예로서, 절연성 박막의 두께(t1)를 일정하게 설정하고, 반도성 박막의 두께(t2)를 조절하면서 전류량을 제어할 수 있다. 본 실시예에서는 횡방향의 전류를 제어하게 된다.
제2 실시예로서, 반도성 박막의 두께(t2)를 일정하게 설정하고, 절연성 박막의 두께(t1)를 조절하면서 전류량을 제어할 수 있다. 본 실시예에서는 종방향의 전류를 제어하게 된다. 다만, 절연성 박막의 두께(t1)가 너무 두꺼우면 종 방향의 전류가 흐르지 않을 수 있기 때문에, 두께(t1)의 범위를 정하여 조절하는 것이다.
제3 실시예로서, 절연성 박막의 두께(t1)와, 반도성 박막의 두께(t2)를 동시에 조절하면서 전류량을 제어할 수도 있다. 본 실시예에서는 양방향의 전류를 제어하게 된다. 다만 사용 목적에 따라 조절되는 범위가 달라지게 된다.
전도성은 반도성 박막에 의해 부여되므로 반도성 박막의 두께에 의해 제어되는 것이며, 절연성 박막은 전류의 흐름의 원활한 정도를 제어하는 것에 해당된다. 참고로, 절연성 박막은 반도성 박막의 양자효과를 주기 위한 층이다. 즉, 밴드를 구속 시키기 위한 층에 해당된다.
다시 정리하여 설명하면, 종방향 또는 양방향으로 전류제어를 하는 반도체소자의 경우, 절연성 박막의 두께(t1)는 0 < t1 ≤ 10nm 로 이루어지며, 반도성 박막의 두께(t2)는 0 < t2 ≤ 100nm 로 구비되는 것이 바람직하다.
횡방향으로 전류제어를 하는 반도체소자의 경우, 절연성 박막의 두께(t1)는 10nm < t1 < 100nm 로 이루어지며, 반도성 박막의 두께(t2)는 0 < t2 ≤ 100nm 로 구비되는 것이 바람직하다.
종방향의 전류는 절연성 박막의 두께(t1)에 따라 제어되며, 횡방향의 전류는 반도성 박막의 두께(t2)에 따라 제어될 수 있다. 다만, 종방향의 전류는 반도성 박막의 두께(t2)에 따라 약간씩 증가되는 것을 볼 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 반도성 박막의 두께에 따라 전류량을 사용 용도에 따라 제어할 수 있는 것이 특징이다.
본 발명에 따른 초격자 박막은 전계 효과 트랜지스터의 활성층으로 사용될 수 있으며, 열전소자 및 전기적ㆍ광학적 소자에서의 활성층으로도 활용이 가능하다.
이하, 본 발명을 구체적인 실시예를 통해 보다 상세히 설명하고자 한다.
실시예 1은 전계효과 트랜지스터의 적용에 관한 것으로서, 양 방향의 전류를 활용하는 소자에 관한 것이다.
반도성 박막과 절연성 박막으로 구성된 초격자 구조의 박막을 형성하기 위해, 원자층증착법(ALD)을 통해 박막을 성장하였다.
2ⅹ2 cm2의 SiO2/Si 기판 위에, 반도성 물질은 ZnO 반도체를, 절연성 물질은 Al2O3 박막을 주기적으로 성장시켜 초격자 박막을 성장시켰다.
Zn 원자와 Al의 원자로는 DEZn 소스(Diethylzinc source)와 TAM source(Trimethylaluminium source)를 사용하였으며, O원자는 H2O 소스를 이용하여 성장하였다. 도 4는 원자층증착법을 통해 성장시킨 초격자 박막의 이미지의 예를 보여준다. 성장된 반도성 박막(5nm)과 절연성 박막(3.6nm)으로 구성된 초격자의 전계효과 트랜지스터의 활성층으로 활용하기 위해 약 30 nm의 두께로 성장된 초격자 박막을 패터닝을 하였다. 그 후, 그 위에 소스/드레인 전극을 전자빔 이배퍼레이터(e-beam evaporator)를 이용하여 형성시켰다. 도 1은 반도성 박막과 절연성 박막으로 구성된 초격자 구조의 박막을 활성층으로 활용한 전계효과 트랜지스터의 구조를 보여준다. 도 9는 트랜지스터의 전류-전압 특성을 평가한 그 결과를 보여준다. 소자의 전계효과 이동도는 매우 높은 27.8 cm2/Vs로 측정되었다.
실시예 2는 초격자구조 박막의 각 두께에 따른 전류의 변화 측정에 관한 것이다.
반도성 박막과 절연성 박막으로 구성된 초격자 구조의 박막의 각 두께에 따른 전류의 변화를 분석하기 위해, 원자층증착법(ALD)을 통해 반도성 박막 및 절연성 박막의 두께에 따른 전기적 특성을 평가하였다.
2ⅹ2 cm2의 SiO2/Si 기판과 ITO/glass 기판 위에, 반도성 물질은 ZnO 반도체를, 절연성 물질은 Al2O3 박막을 주기적으로 성장시켜 초격자 박막을 성장시켰다. SiO2/Si 기판 위에 성장된 반도성 박막과 절연성 박막으로 이루어진 초격자 구조의 도 8에서의 횡방향인 b방향의 전류(lateral current)의 영향을 확인하기 위해, 초격자 박막을 패터닝하였다. 그 후에 전극을 전자빔 이배퍼레이터(e-beam evaporator)를 이용해 박막의 양 끝에 성장하여 분석을 하였다.
도 2 및 도 10은 초격자 박막의 반도성 층의 두께에 따른 전류-전압 특성을 평가한 그 결과를 보여준다. 반도성 박막의 층의 두께가 증가함에 따라 전류가 높아지는 것을 확인하였다. 이는 횡방향인 b방향의 전류(lateral current)는 전도성 층의 두께를 증가시킴으로써 향상시킬 수 있는 것을 보여준다.
ITO/glass 기판 위에 성장된 초격자 구조는 도 8에서의 종방향인 a방향의 전류(vertical current)의 영향을 확인하기 위해, 초격자 박막을 패터닝한 후에 상부 전극을 전자빔 이배퍼레이터(e-beam evaporator)를 이용하여 형성한 후 분석을 하였다.
도 11 내지 도 13은 초격자 박막의 반도성 박막의 두께와 절연성 박막의 두께에 따른 전류-전압 특성을 평가한 그 결과를 보여준다. 반도성 박막의 두께에 따른 전류의 큰 변화는 보이지 않지만, 절연성 박막의 두께가 증가함에 따라 전류의 양이 감소하는 것을 알 수 있다.
이것을 반도성과 절연성으로 이루어진 초격자의 도 8의 종방향((vertical 방향)인 a방향으로의 전류는 절연성의 두께가 증가하면 전자의 터널링(electron tunneling)이 쉽지 않아 감소하는 것을 확인할 수 있다.
이 결과를 통해, 반도성 박막과 절연성 박막의 두께에 의해 전류 양을 제어할 수 있음을 확인할 수 있다.
실시예 3은 열전소자의 적용에 관한 것이다.
반도성 박막과 절연성 박막으로 구성된 초격자 구조 박막의 열전소자로서의 응용성을 확인하기 위해, 3ⅹ3 cm2의 사파이어 기판에 원자층증착법(ALD)을 통해 반도성 박막 및 절연성 박막의 초격자 박막을 성장하여 특성을 평가하였다.
반도성 ZnO 반도체를 두께 5 nm의 박막으로, 절연성 Al2O3 를 두께 3.6 nm의 박막으로 하여, 각 박막을 주기적으로 성장시켜 총 200nm의 두께의 초격자 박막을 성장시켰다.
도 14 및 도 15는 초격자 박막의 제백계수(seebeck coefficient)와 전도성 분석을 통한 역률(power factor)과 열전도도를 분석한 결과를 보여준다. 초격자 박막의 열전도도는 전도층의 전자와 포논이 절연층에 의해 산란이 유도되어 현저히 감소된 결과를 확인할 수 있고, 반도성과 절연성으로 이루어진 초격자 박막의 425 k에서의 역률(Power factor)은 6.65ⅹ10-5 W/mK2를 보였다.
실시예 4는 광학적 특성 분석에 관한 것이다.
반도성 박막과 절연성 박막으로 구성된 초격자구조 박막의 광학적 소자로서의 응용성을 확인하기 위해, 광루미네선스(photoluminescence) 분석을 통해 평가하였다.
3ⅹ3 cm2의 사파이어와 SiO2/Si 기판에 원자층증착법(ALD)을 통해 반도성 및 절연성의 초격자 박막을 성장하여 특성을 평가하였다.
반도성 ZnO 반도체를 두께 5 nm의 박막으로, 절연성 Al2O3 를 두께 3.6 nm의 박막으로 하여, 각 박막을 주기적으로 성장시켜 총 99.7nm의 두께의 초격자 박막을 성장시켰다.
일반적으로 ZnO 전도성 박막은 높은 엑시톤 바인딩 에너지(exciton binding energy)로 인해, 발광 다이오드 혹은 레이저와 같은 광소자로 응용을 하기 위한 연구들이 많이 이루어졌다.
하지만, ZnO 박막은 산소결핍과 같은 결함으로 인해 자외선에 해당하는 밴드갭을 가지고 있지만, 가시광 영역에서의 발광과 흡수를 하는 것으로 알려져 있다.
도 16은 반도성의 ZnO의 100 nm 두께의 박막과, 반도성(ZnO)과 절연성(Al2O3)막으로 이루어진 초격자 박막의 광루미네선스(photoluminescence) 분석한 그래프를 보여준다.
초격자 박막은 양자효과로 인해 자외선 영역의 발광 피크가 단파장의 에너지대로 이동한 것을 볼 수 있으며, 결함 준위로 인한 가시광 영역에서의 발광(deep-level emission)이 보이지 않는 것을 확인할 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (14)

  1. 기판상에 형성되는 초격자구조 박막을 갖는 반도체소자에 있어서,
    상기 초격자구조 박막은 기판상에 절연성 박막과 반도성 박막이 순차적으로 적층된 것을 특징으로 하는
    반도성 박막과 절연성 박막으로 적층형성된 초격자구조 박막이 구비된 반도체소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연성 박막은 Al2O3 로 이루어지며,
    상기 반도성 박막은 ZnO로 이루어지는 것을 특징으로 하는
    반도성 박막과 절연성 박막으로 적층형성된 초격자구조 박막이 구비된 반도체소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 초격자구조 박막은 스퍼터링(Sputtering), 분자선에피택시법(MBE), 이배퍼레이터(evaporator), 화학기상증착법(CVD), 원자층증착법(ALD) 또는 졸겔법(sol-gel) 중 어느 하나의 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는
    반도성 박막과 절연성 박막으로 적층형성된 초격자구조 박막이 구비된 반도체소자.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 초격자구조 박막 내의 활성층은 반도성 박막인 것을 특징으로 하는
    반도성 박막과 절연성 박막으로 적층형성된 초격자구조 박막이 구비된 반도체소자.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 초격자구조 박막 밴드의 경우,
    반도성 박막 물질의 전도대는 절연성 박막 물질의 전도대 보다 낮고,
    반도성 박막 물질의 가전자대는 절연성 박막 물질의 가전자대보다는 높은 구조인 것을 특징으로 하는
    반도성 박막과 절연성 박막으로 적층형성된 초격자구조 박막이 구비된 반도체소자.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 초격자구조 박막 밴드의 경우,
    반도성 박막 물질의 전도대는 절연성 박막 물질의 전도대보다 낮고,
    반도성 박막 물질의 가전자대는 절연성 박막 물질의 가전자대보다는 낮은 구조인 것을 특징으로 하는
    반도성 박막과 절연성 박막으로 적층형성된 초격자구조 박막이 구비된 반도체소자.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 초격자구조 박막 밴드의 경우,
    반도성 박막 물질의 전도대는 절연성 박막 물질의 전도대보다 높고,
    반도성 박막 물질의 가전자대는 절연성 박막 물질의 가전자대보다도 높은 구조인 것을 특징으로 하는
    반도성 박막과 절연성 박막으로 적층형성된 초격자구조 박막이 구비된 반도체소자.
  8. 청구항 1에 있어서,
    초격자구조 박막의 종방향(a)으로 전류 흐름을 갖는 구조의 경우,
    절연성 박막의 두께(t1)는 0 < t1 ≤ 10nm 이고,
    반도성 박막의 두께(t2)는 0 < t2 ≤ 100nm 인 것을 특징으로 하는
    반도성 박막과 절연성 박막으로 적층형성된 초격자구조 박막이 구비된 반도체소자.
  9. 청구항 8에 있어서,
    반도성 박막의 두께(t2)를 일정하게 하고, 절연성 박막의 두께(t1)를 조절하여 전류량을 제어하는 것을 특징으로 하는
    반도성 박막과 절연성 박막으로 적층형성된 초격자구조 박막이 구비된 반도체소자.
  10. 청구항 1에 있어서,
    초격자구조 박막의 횡방향(b)으로 전류 흐름을 갖는 구조의 경우,
    절연성 박막의 두께(t1)는 10nm < t1 < 100nm 이고,
    반도성 박막의 두께(t2)는 0 < t2 ≤ 100nm 인 것을 특징으로 하는
    반도성 박막과 절연성 박막으로 적층형성된 초격자구조 박막이 구비된 반도체소자.
  11. 청구항 10에 있어서,
    절연성 박막의 두께(t1)를 일정하게 하고, 반도성 박막의 두께(t2)를 조절하여 전류량을 제어하는 것을 특징으로 하는
    반도성 박막과 절연성 박막으로 적층형성된 초격자구조 박막이 구비된 반도체소자.
  12. 청구항 1에 있어서,
    초격자구조 박막의 종방향(a) 및 횡방향(b)의 전류 흐름을 동시에 갖는 양방향 구조의 경우,
    절연성 박막의 두께(t1)는 0 < t1 ≤ 10nm 이고,
    반도성 박막의 두께(t2)는 0 < t2 ≤ 100nm 인 것을 특징으로 하는
    반도성 박막과 절연성 박막으로 적층형성된 초격자구조 박막이 구비된 반도체소자.
  13. 청구항 12에 있어서,
    반도성 박막의 두께(t2)를 일정하게 하고, 절연성 박막의 두께(t1)를 조절하여 전류량을 제어하는 것을 특징으로 하는
    반도성 박막과 절연성 박막으로 적층형성된 초격자구조 박막이 구비된 반도체소자.
  14. 청구항 12에 있어서,
    반도성 박막의 두께(t2)와 절연성 박막의 두께(t1)를 동시에 조절하여 전류량을 제어하는 것을 특징으로 하는
    반도성 박막과 절연성 박막으로 적층형성된 초격자구조 박막이 구비된 반도체소자.
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