KR101596157B1 - 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 이용한 터널링 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 이용한 터널링 다이오드 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

실리콘 양자점의 사이즈와, 그래핀의 도핑 농도의 제어를 통하여 다이오드의 성능 및 전기적 특성을 향상시킨 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드를 제공한다. 본 발명의 이상적인 터널링 다이오드는 다이오드 기반의 광전자 소자에 활용이 가능하다.

Description

그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 이용한 터널링 다이오드 및 그 제조방법{TUNNELING DIODE USING HYBRID STRUCTURE OF GRAPHENE-SILICON QUANTUM DOTS AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 실리콘 양자점의 사이즈와, 그래핀의 도핑 농도의 제어를 통하여 다이오드의 성능 및 전기적 특성을 향상시킨 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
그래핀은 높은 전기전도도를 가질 뿐만 아니라 광학적으로도 높은 성능을 가지고 있어서 플렉시블 디스플레이와 터치패널 등 차세대 디스플레이 분야와 태양전지 등 에너지 사업분야, 스마트윈도우, RFID 등 다양한 전자 산업 분야에서 신소재로 활용도가 확대되고 있다.
최근 수년간 그래핀은 기초적인 학문의 발전뿐만 아니라, 산업적인 기술을 성장시킬 수 있는 가능성 때문에 많은 관심을 받고 있다. 특히 최근에는 그래핀의 대면적 제작기법이 개발되면서 다양한 산업분야에 그 응용 가능성이 확대되고 있다.
그 중 산업전반에 널리 사용되고 있는 화학기상증착법(chemical vapor deposition, CVD)을 이용하여 제작한 그래핀은 대면적이면서도 높은 투과도 및 전기전도도를 가지기 때문에 투명전극으로서의 응용가능성이 기대된다.
그래핀을 광 및 전자 소자에 활용하기 위해서는 반도체 소자구조의 기본인 다이오드 구조를 실현할 수 있어야 한다. 특히 그래핀이 현 산업전반에 널리 사용하는 실리콘 기반의 물질과 하이브리드 구조를 이루어 소자로 개발된다면 다른 물질과 비교하여 그 파급효과는 매우 클 것이다.
금속-반도체 또는 금속-산화막-반도체 구조를 바탕으로 여러 형태의 다이오드를 제조할 수 있지만, 금속의 낮은 투명도 때문에 금속-반도체 구조는 광소자로서의 응용에는 어려움이 존재한다.
현재까지 연구된 그래핀-실리콘 접합 구조의 대부분은 그래핀의 금속성과, 벌크(bulk) 단결정 실리콘 웨이퍼의 반도체 성질을 결합한 터널링(Tunneling) 접합 다이오드로서의 응용가능성을 보여줬다.
그러나, 단결정 실리콘은 밴드갭 에너지(bandgap eneegy)를 조절할 수 없기 때문에 그래핀과 접합하여 이상적인 소자의 성능을 발현하기 어려운 문제점이 있었다.
다이오드 성능을 판단하기 위해서는 일반적으로, 다이오드의 전류-전압 곡선에서 도출되는 이상 계수(Ideal factor, n) 값을 사용하는데, 다이오드로서의 역할을 하기 위한 이상적인 n 값은 1과 2사이로 잘 알려져 있다.
그러나, 현재까지 개발된 그래핀-단결정 실리콘 접합 터널링 다이오드의 이상 계수값은 5 이상으로 매우 높은 수치를 나타내어, 이상적인 다이오드의 성능을 발휘할 수 없는 문제점이 있었다.
이에, 실리콘의 밴드갭 에너지를 조절 할 수 있으면서 그래핀의 전기적 특성까지 조절이 가능한 보다 우수하고 이상적인 소자에 대한 필요성이 대두되었다.
미국공개특허 제2014/0151631호(2014.06.05), "Asymmetric bottom contacted device"
Chun-Chung Chen , Mehmet Aykol , Chia-Chi Chang , A. F. J. Levi , and Stephen B. Cronin, Nano Lett. 2011, 11(5), pp 1863-1867 Ali Fattah, Saeid Khatami, Carmen C. Mayorga-Martinez, Mariana Median-Sanchez, Luis Baptista-Pires, and Arben Merkoci, small 2014, DOI: 10.1002/smll.201400691
본 발명은 그래핀-실리콘 양자점(quantum dots)을 포함하는 하이브리드 구조를 이용한 터널링 다이오드를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 실리콘 양자점의 사이즈 제어를 통하여 에너지 밴드 갭을 조절하여 다이오드의 성능을 향상시킨 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 그래핀의 도핑 농도의 제어를 통하여 전기적 특성을 향상시킨 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 터널링 다이오드 기반의 광전자 소자에 활용이 가능한 이상적인 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드는 실리콘 산화물 박막 안에 형성된 실리콘 양자점(Si quantum dots)을 포함하는 실리콘 양자점층과, 상기 실리콘 양자점층 상에 형성되는 도핑된 그래핀으로 구성되는 하이브리드 구조(hybrid structure); 및 상기 하이브리드 구조의 상하부에 형성된 전극을 포함한다.
상기 터널링 다이오드는 상기 도핑된 그래핀의 도핑 농도 및 상기 실리콘 양자점의 크기에 따라 이상계수(Ideal factor)가 1 내지 2의 값을 가질 수 있다.
또한, 상기 실리콘 양자점층은 기판 상에 SiO2 박막 및 SiOx 박막을 순차적으로 적층한 이후, 1000℃ 내지 1200℃ 의 질소 분위기 상에서 열처리되어, 상기 SiO2 박막 안에 형성된 상기 실리콘 양자점을 포함할 수 있다.
상기 x 는 0.8 내지 1.6의 값을 갖도록 제어되고, 상기 x의 값에 대응하여 상기 실리콘 양자점의 크기가 조절될 수 있다,
또한, 상기 SiO2 박막 및 SiOx 박막은 각각 2nm 의 두께 단위로 순차적으로 23회 내지 25회 적층될 수 있다.
상기 도핑된 그래핀은 촉매층을 탄소 함유 혼합 가스와 반응시켜 상기 촉매층 상에 화학기상증착(CVD) 방식으로 증착되어 형성된 그래핀에 도핑 농도가 조절된 것일 수 있다.
상기 하이브리드 구조는 상기 증착되어 형성된 그래핀이 상기 실리콘 양자점층 상에 전사되어 형성될 수 있다.
상기 도핑된 그래핀은 10 내지 30mM 농도를 갖는 AuCl3 를 상기 증착되어 형성된 그래핀에 스핀코팅하여, 90℃ 내지 110℃ 에서 어닐링 처리될 수 있다.
그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드의 제조 방법은 기판 상에 실리콘 산화물 박막 안에 형성되는 실리콘 양자점을 포함하는 실리콘 양자점층을 형성시키는 단계; 상기 실리콘 양자점층 상에 도핑된 그래핀을 형성하여 하이브리드 구조를 형성시키는 단계; 및 상기 하이브리드 구조의 상하부에 전극을 형성시키는 단계를 포함한다.
상기 실리콘 양자점층을 형성시키는 상기 단계는, 기판 상에 SiO2 박막 및 SiOx 박막을 순차적으로 적층한 이후, 1000℃ 내지 1200℃ 의 질소 분위기 상에서 열처리되어, 상기 SiO2 박막 안에 상기 실리콘 양자점을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 x 는 0.8 내지 1.6의 값을 갖도록 제어되고, 상기 x의 값에 대응하여 상기 실리콘 양자점의 크기가 조절될 수 있다.
하이브리드 구조를 형성시키는 상기 단계는, 촉매층을 탄소 함유 혼합 가스와 반응시켜 상기 촉매층 상에 화학기상증착(CVD) 방식으로 증착하여 그래핀을 형성하는 단계; 상기 형성된 그래핀이 상기 실리콘 양자점층 상에 전사되는 단계; 및 10 내지 30mM 농도를 갖는 AuCl3 를 스핀코팅하여, 90℃ 내지 110℃ 에서 어닐링 처리하여 상기 그래핀을 도핑하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드에서의 실리콘 양자점의 사이즈 제어를 통하여 에너지 밴드 갭을 조절하여 터널링 다이오드의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드에서의 그래핀의 도핑 농도의 제어를 통하여 터널링 다이오드의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드를 통하여 터널링 다이오드 기반의 광전자 소자에 활용이 가능한 이상적인 터널링 다이오드를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드를 갖는 터널링 다이오드를 도시한 것이다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드의 제조 과정을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드에 포함되는 실리콘 양자점의 투과전자현미경(TEM) 이미지를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 터널링 다이오드에 포함되는 실리콘 양자점의 SiOx 박막의 x 값에 따른 실리콘 양자점의 평균적 크기를 도시한 그래프이다.
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 터널링 다이오드에 포함되는 실리콘 양자점에 대한 실리콘 양자점의 크기 별 파장에 따른 광루미네센스(Photoluminescence, PL) 스펙트럼을 도시한 것이고, 도 5b은 실리콘 양자점의 사이즈에 따라 도 5a의 광 광루미네센스 피크의 변화를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드에서의 실리콘 양자점층 상에 그래핀 전사 후의 표면에 대한 원자힘현미경(AFM) 이미지를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드에서의 실리콘 양자점층 상에 전사 후의 그래핀에 대한 라만 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드에서의 실리콘 양자점층 상에 그래핀 전사 전과 후의 광루미네센스(PL) 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드에 대한 그래핀의 도핑 농도 별 라만 스펙트럼을 도시한 것이고, 도 10은 그래핀의 도핑 농도에 따른 2D 피크 및 G 피크의 최고점을 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드에 대한 그래핀의 도핑 농도에 따른 그래핀의 면저항을 도시한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드에 대한 그래핀의 도핑 농도에 따른 전류-전압 곡선을 도시한 그래프이고, 도 13a 는 도 12에서의 터널링 다이오드에 대한 역방향인 경우의 이상 계수를 도시한 그래프이며, 도 13b는 도 12에서의 터널링 다이오드에 대한 순방향인 경우의 이상 계수를 도시한 그래프이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드에 대한 실리콘 양자점의 크기에 따른 전류-전압 곡선을 도시한 그래프이고, 도 15a 는 도 14에서의 터널링 다이오드에 대한 역방향인 경우의 이상 계수를 도시한 그래프이며, 도 15b는 도 14에서의 터널링 다이오드에 대한 순방향인 경우의 이상 계수를 도시한 그래프이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 소자가 ""직접 위(directly on)" 또는 "바로 위"로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자 또는 층을 개재하지 않은 것을 나타낸다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below 또는 beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있으며, 이 경우 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드를 갖는 터널링 다이오드를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드(100)는 도핑된 그래핀(120) 및 실리콘 양자점(111) 기반의 하이브리드 구조(130, hybrid structure) 및 하이브리드 구조(130)의 상하부에 형성된 전극(140)을 포함한다.
본 발명의 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드를 포함하는 터널링 다이오드(100)는 도핑된 그래핀(120)의 도핑 농도 및 실리콘 양자점(111)의 크기에 따라 이상계수(Ideal factor)가 1 내지 2 의 값을 갖는다.
하이브리드 구조(130)는 실리콘 산화물 박막 안에 형성된 실리콘 양자점(111)을 포함하는 실리콘 양자점층(110)과, 실리콘 양자점층(110) 상에 형성되는 도핑된 그래핀(120)을 포함한다.
도핑된 그래핀(120)은 촉매층을 탄소 함유 가스와 반응시켜 상기 촉매층 상에 화학기상증착(CVD) 방식으로 증착되어 형성된 그래핀에, 도핑 농도가 조절된 것일 수 있다.
예를 들어, 도핑된 그래핀(120)의 도핑 농도는 10 내지 30mM 농도를 갖는 AuCl3 를 상기 증착되어 형성된 그래핀에 스핀코팅하여, 90℃ 내지 110℃ 에서 어닐링 처리하여 조절될 수 있다.
또한, 실시예에 따라 하이브리드 구조(130)는 상기 증착되어 형성된 그래핀이 실리콘 양자점층(110) 상에 전사되어 형성될 수 있다.
실리콘 양자점층(110)은 기판(150) 상에 SiO2 박막 및 SiOx 박막을 순차적으로 적층한 이후, 1000℃ 내지 1200℃ 의 질소 분위기 상에서 열처리되어 상기 SiO2 박막 안에 형성된 실리콘 양자점(111)을 포함할 수 있다. 상기 x 는 0.8 내지 1.6의 값을 갖도록 제어되고, 상기 x의 값에 대응하여 실리콘 양자점(111)의 크기가 조절될 수 있다.
또한, 상기 SiO2 박막 및 SiOx 박막은 각각 2nm 의 두께 단위로 순차적으로 23회 내지 25회 적층될 수 있다.
도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드의 제조 과정을 도시한 것이다.
<실리콘 양자점의 제작>
도 1에서 전술한 바와 같이, 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드는 실리콘 산화물 박막 안에 형성된 실리콘 양자점(111)을 포함하는 실리콘 양자점층(110)을 포함한다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드의 제조 방법은 실리콘 양자점층(110)은 기판(150) 상에 SiO2 박막(112) 및 SiOx 박막(113)을 순차적으로 적층한 이후, 1000℃ 내지 1200℃ 의 질소 분위기 상에서 열처리되어 SiO2 박막(112) 내부에 실리콘 양자점(111)을 형성하는 과정을 포함할 수 있다.
예를 들어, 실리콘 양자점층(110)은 이온빔 스퍼터링 증착법을 이용하여 기판(150) 상에 2nm 의 SiO2 박막(112) 및 2nm 의 SiOx 박막(113)을 교대로 선정된 주기로 증착하여, 1000℃ 내지 1200℃의 질소 분위기 상에서 20분간 급속 열처리 하여 형성될 수 있다. 이 경우, 2nm 의 SiO2 박막(112) 및 2nm 의 SiOx 박막(113)은 25번의 횟수 주기로 100nm 두께로 증착될 수 있고, 상기 x 는 0.8 내지 1.6의 값을 갖도록 제어되고, 상기 x의 값에 대응하여 상기 실리콘 양자점의 크기가 조절될 수 있다.
또한, 상기 x 값은 X선 광전자 분광기(XPS)를 사용하여 조절될 수 있다. 이하에서는 제작된 실리콘 양자점의 특성을 도 3 내지 도 6을 참조하여 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드에 포함되는 실리콘 양자점의 투과전자현미경(TEM) 이미지를 도시한 것이다.
보다 구체적으로는 도 3은 도 2에서 전술한 바와 같이 이온빔 스퍼터링 증착법을 이용하여 기판(150) 상에 2nm 의 SiO2 박막(112) 및 2nm 의 SiOx 박막(113)을 교대로 25번의 횟수 주기로 증착하여, 1000℃ 내지 1200℃의 질소 분위기 상에서 20분간 급속 열처리 하여 형성된 실리콘 양자점층(110)의 단면의 투과전자현미경 이미지를 도시한 것으로서, 상기 x 는 1.0으로 제어하였다.
도 3을 참조하면, 실리콘 산화물(SiO2) 박막 안에 2.5 내지 3.0 nm 사이즈를 갖는 실리콘 양자점이 균일하게 형성되었음을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 터널링 다이오드에 포함되는 실리콘 양자점의 SiOx 박막의 x값에 따른 실리콘 양자점의 평균적 크기를 도시한 그래프이다.
도 4를 참조하면, x 값이 0.8 에서 1.6으로 증가함에 따라 실리콘 양자점의 평균적 크기는 3.4nm 에서 1.9nm 로 감소함을 확인할 수 있다.
도 5a는 본 발명의 실시예에 따른 터널링 다이오드에 포함되는 실리콘 양자점에 대한 실리콘 양자점의 크기 별 파장에 따른 광루미네센스(Photoluminescence, PL) 스펙트럼을 도시한 것이고, 도 5b은 실리콘 양자점의 사이즈에 따라 도 5a의 광 광루미네센스 피크의 변화를 도시한 것이다.
도 5a를 참조하면, 실리콘 양자점의 크기가 1.9nm, 2.1nm, 2.5nm, 2.8nm 및 3.4nm 인 모든 경우에 대하여 광루미네센스 피크는 근적외선 영역부터 가시광선 영역에서 관찰됨을 확인할 수 있다.
또한, 도 5b을 참조하면, 실리콘 양자점의 크기가 3.4 nm에서 1.9nm로 감소함에 따라, 광루미네센스 피크의 에너지는 실리콘 양자점의 양자가둠효과(Quantum Confinement Effect, QCE)에 의하여 1.60eV 에서 1.76eV로 청색천이 한다.
반면, 도 5b에 도시된 바와 같이 광루미네센스의 세기는 실리콘 양자점의 크기가 2.8 nm에서 가장 크고, 이는 본 발명의 실시예에 따른 2.8 nm 크기의 실리콘 양자점이 밀도가 높고 결정성이 가장 월등함을 나타낸다.
도 2c 및 도 2d 를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드의 제조 방법은 화학기상증착법을 이용하여 단일층의 그래핀(120)을 제조한 이후, 제조된 단일층의 그래핀(120)을 실리콘 양자점층(110) 상에 전사하는 과정을 포함한다.
하이브리드 구조(130)는 실리콘 산화물 박막 안에 형성된 실리콘 양자점(111)을 포함하는 실리콘 양자점층(110)과, 실리콘 양자점층(110) 상에 형성되는 도핑된 그래핀(120)을 포함한다.
도핑된 그래핀(120)은 촉매층을 탄소 함유 가스와 반응시켜 상기 촉매층 상에 화학기상증착(CVD) 방식으로 증착되어 형성된 그래핀에, 도핑 농도가 조절된 것일 수 있다. 이하에서는 도핑된 그래핀의 제작과정을 보다 상세히 설명하기로 한다.
<도핑된 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조의 제작>
화학기상증착법을 이용한 단일층의 그래핀 제조는 촉매층으로 활용할 구리(또는 니켈)를 기판 위에 증착하고, 고온에서 메탄 및 수소의 혼합가스와 반응시켜 적절한 양의 탄소가 촉매층에 녹아 들어가거나 흡착되도록 하고, 냉각을 하여 촉매층에 포함되어 있던 탄소원자들이 표면에서 결정화되면서 그래핀 결정 구조를 금속 위에 형성한다.
이후, 합성된 그래핀 박막에서 촉매층을 제거함으로써 기판으로부터 분리시킨 후 단일층의 그래핀을 제조할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 70um의 구리 호일을 석영관(quartz tube)에 넣고 메탄 가스의 유량을 10sccm에서 30sccm까지 변화시키고 수소 가스를 10sccm, 공정압력을 3mTorr로 고정하여 그래핀을 합성하였다.
이후, 폴리메타크릴산메틸(Poly(methyl methacrylate) 및 벤젠을 혼합한 PMMA를 합성된 그래핀 위에 스핀-코팅하는데, PMMA의 코팅을 통하여 PMMA가 과황산암모늄(ammonium persulfate) 용액을 사용하여 구리 호일을 제거할 때 그래핀을 잡아서 고정시키는 역할을 하도록 하였다.
이후, 과황산암모늄 용액에 구리 호일을 제거한 후, 그래핀 상에 잔존하는 과황산암모늄 용액을 초순수(DI water)로 세척하고, 세척된 그래핀을 300nm SiO2/Si 기판 위에 전사하였다.
다음으로, 그래핀을 SiO2/Si 기판에 전사한 후 열처리를 통하여 기판 및 그래핀 사이의 결합력을 높였다. 열처리 이후, 아세톤을 사용하여 그래핀 위에 존재하는 PMMA를 제거하고, 그래핀 표면에 남아 있는 PMMA 잔여물을 제거하기 위해 급속열처리기로 열처리하여 최종적으로 단일층의 그래핀을 제조하였다.
다시 도 2c 를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드의 제조 방법은 화학기상증착법을 이용하여 단일층의 그래핀(120)을 제조한 이후, 제조된 단일층의 그래핀(120)을 실리콘 양자점층(110) 상에 전사하는 과정을 포함한다.
다시 도 2d를 참조하면, 도핑된 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조(130)는 실리콘 양자점층(110) 상에 전사된 그래핀(120)에 도핑 농도를 조절함으로써 형성될 수 있다.
구체적으로는 도핑된 그래핀(120)은 p형 또는 n형 도핑 용액을 그래핀에 스핀코팅하여 어닐링 처리하여 제작될 수 있다. 예를 들어, 도핑된 그래핀(120)은 증착되어 형성된 그래핀에 10mM 내지 30mM 농도를 갖는 AuCl3 를 스핀코팅하여, 90℃ 내지 110℃ 에서 10분간 어닐링 처리한다. 도핑된 그래핀(120)의 도핑 농도는 AuCl3 의 농도를 조절하여 제어할 수 있다.
<그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조의 터널링 다이오드의 제작>
도 2e를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드의 제조 방법은 도 2a 내지 도 2d 의 제조 과정을 통하여 형성된 기판 상에 형성된 도핑된 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조(130)의 상하부에 전극을 형성하는 과정을 포함한다.
예를 들면, 본 발명의 실시예에 따른 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드의 제조 방법은 도핑된 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조(130)의 상하부에 크롬/금(Cr/Au) 금속을 순차적으로 증착시켜 전극을 형성하는 프로세스를 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드에서의 실리콘 양자점층 상에 그래핀 전사 후의 표면에 대한 원자힘현미경(AFM) 이미지를 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 실리콘 양자점층 상에 그래핀이 균일하게 전사되었음을 확인할 수 있다. 이는 실리콘 양자점층의 산화막이 친수성(hydrophilic)으로 그래핀이 상기 실리콘 양자점층 상에 전사되어 접합 시에 안정하고 균질하게 형성되기 때문이다.
도 7은 본 발명의 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드에서의 실리콘 양자점층 상에 전사 후의 그래핀에 대한 라만 스펙트럼을 도시한 그래프이다.
그래핀과 같은 2차원 물질들은 강한 전자-포논(phonon) 결합(coupling)으로 인하여 다양한 라만 피크(peak)들이 관찰된다. 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 단일층 그래핀에 대해서 1580~1590 cm-1 부근의 G 피크와, 2700 cm-1 부근의 2D 피크로서 포논과 관련된 라만 피크가 나타남은 확인할 수 있다.
일반적으로, G 피크와 2D 피크에서의 라만 세기의 비(I(G/2D))는 그래핀의 두께(층수)와 관련이 있고, D 피크와 G 피크의 라만 세기의 비(I(D/G))는 그래핀의 결정성(또는 결함의 양)과 깊은 관련이 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, G 피크와 2D 피크에서의 라만 세기의 비(I(G/2D))는 0.47 였고, D 피크와 G 피크의 라만 세기의 비는 0.09 로서 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 양자점층 상에 전사 후의 그래핀은 양질인 것으로 확인이 되었다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드에서의 실리콘 양자점층 상에 그래핀 전사 전과 후의 광루미네센스(PL) 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 8을 참조하면, 그래핀 전사 전 후로 광루미네센스의 세기 변화는 거의 없음을 확인할 수 있고, 이는 실리콘 양자점층 상에 그래핀이 전사 되더라도 광흡수 및 발광량에는 변화가 없음을 의미하며, 그래핀의 투과도가 매우 높은 것을 의미한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드에 대한 그래핀의 도핑 농도 별 라만 스펙트럼을 도시한 것이고, 도 10은 그래핀의 도핑 농도에 따른 2D 피크 및 G 피크의 최고점을 도시한 것이다.
도 9를 참조하면, 그래핀의 도핑 농도 별로 D 피크, G 피크 및 2D 피크가 생성됨을 확인할 수 있고, 도 10을 참조하면, 도핑농도가 증가함에 따라서 2D 피크와 G 피크의 최고위치는 높은 파수(wavenumber) 방향으로 청색천이(blue-shift) 한다. 이러한 라만 피크의 변화는 그래핀의 AuCl3 의 도핑 농도에 의해 전자의 구조가 변하는 것을 의미하고, 구체적으로는 전자의 구조가 점차적으로 한 방향인 라만 산란 에너지가 높아지는 방향으로 변하는 것을 의미한다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드에 대한 그래핀의 도핑 농도에 따른 그래핀의 면저항을 도시한 그래프이다.
도 11을 참조하면, 초기상태 그래핀의 면저항은 450∼500ohm/sq로 관찰되며, 도핑된 그래핀의 면저항은 도핑 농도가 30mM까지 증가함에 따라 170ohm/sq 까지 단조롭게 감소함을 확인할 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드에 대한 그래핀의 도핑 농도에 따른 전류-전압 곡선을 도시한 그래프이고, 도 13a 는 도 12에서의 터널링 다이오드에 대한 역방향인 경우의 이상 계수를 도시한 그래프이며, 도 13b는 도 12에서의 터널링 다이오드에 대한 순방향인 경우의 이상 계수를 도시한 그래프이다.
이상적인 다이오드의 이상 계수(n)의 값은 1.0 내지 2.0 사이의 범위이다. 이상 계수의 값이 1에 가까울수록 가장 이상적인 다이오드로서, 전하 트랩(trap sites or states)이 적음을 의미한다. 또한, 이상 계수의 값이 1에 가까울수록 전자-정공의 재결합률(recombination rate)이 낮다.
도 12, 도 13a 및 도 13b에서의 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드는 실리콘 양자점의 크기가 2.8nm를 갖는 경우로서, 그래핀의 AuCl3 의 도핑 농도가 0 내지 30mM 인 범위에서 순방향 및 역방향에서 1.0 내지 2.0 사이의 값을 갖는 이상적인 다이오드의 특성을 갖는다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드는 그래핀의 AuCl3 의 도핑 농도가 20mM인 경우, 순방향 및 역방향 모두의 경우에 이상계수가 가장 1.0에 가까운 값이 되어 터널링 다이오드의 성능이 최적화됨을 확인할 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드에 대한 실리콘 양자점의 크기에 따른 전류-전압 곡선을 도시한 그래프이고, 도 15a 는 도 14에서의 터널링 다이오드에 대한 역방향인 경우의 이상 계수를 도시한 그래프이며, 도 15b는 도 14에서의 터널링 다이오드에 대한 순방향인 경우의 이상 계수를 도시한 그래프이다.
도 14, 도 15a 및 도 15b에서의 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드는 도 13a 및 도 13b의 결과에 따라 그래핀의 AuCl3 의 도핑 농도가 20mM 인 경우로서, 그래핀의 AuCl3 의 도핑 농도가 동일함에도 실리콘 양자점 크기에 따라 터널링 다이오드의 이상 계수는 일정하지 않음을 확인할 수 있다.
실리콘 양자점의 크기가 2.8nm에서 다이오드 이상 계수가 1에 가까워짐을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드는 그래핀의 AuCl3의 도핑 농도가 20mM이고, 실리콘 양자점 크기가 2.8nm인 경우, 그래핀/실리콘 접합 다이오드의 성능이 최적화 된다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드의 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
도 16을 참조하면, 단계 1610에서 기판 상에 실리콘 산화물 박막 안에 형성되는 실리콘 양자점을 포함하는 실리콘 양자점층을 형성시킨다.
단계 1610은 기판 상에 SiO2 박막 및 SiOx 박막을 순차적으로 적층한 이후, 1000℃ 내지 1200℃ 의 질소 분위기 상에서 열처리되어, 상기 SiO2 박막 안에 상기 실리콘 양자점을 형성하는 단계일 수 있다. 이 때, 상기 x 는 0.8 내지 1.6의 값을 갖도록 제어되고, 상기 x의 값에 대응하여 상기 실리콘 양자점의 크기가 조절될 수 있다.
단계 1620에서 실리콘 양자점층 상에 도핑된 그래핀을 형성하여 하이브리드 구조를 형성시킨다.
단계 1620은 촉매층을 탄소 함유 혼합 가스와 반응시켜 촉매층 상에 화학기상증착(CVD) 방식으로 증착하여 그래핀을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 단계 1620은 형성된 그래핀이 실리콘 양자점층 상에 전사되고, 10 내지 30mM 농도를 갖는 AuCl3 를 스핀코팅하여, 90℃ 내지 110℃ 에서 어닐링 처리하여 그래핀을 도핑하는 단계를 포함할 수 있다.
단계 1630에서 하이브리드 구조의 상하부에 전극을 형성시킨다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (11)

  1. 실리콘 산화물 박막 안에 형성된 실리콘 양자점(Si quantum dots)을 포함하는 실리콘 양자점층과, 상기 실리콘 양자점층 상에 단일층으로 형성되는 도핑된 그래핀으로 구성되는 하이브리드 구조(hybrid structure); 및
    상기 하이브리드 구조의 상하부에 형성된 전극을 포함하고,
    상기 실리콘 양자점층은
    기판 상에 상기 실리콘 양자점과 상기 실리콘 산화물 박막을 순차적으로 반복하여 적층하여 형성되는 것을 특징으로 하는
    그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 터널링 다이오드는
    상기 도핑된 그래핀의 도핑 농도 및 상기 실리콘 양자점의 크기에 따라 이상계수(Ideal factor)가 1 내지 2의 값을 갖는 것을 특징으로 하는
    그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 양자점층은
    기판 상에 SiO2 박막 및 SiOx 박막을 순차적으로 적층한 이후, 1000℃ 내지 1200℃ 의 질소 분위기 상에서 열처리되어, 상기 SiO2 박막 안에 형성된 상기 실리콘 양자점을 포함하는
    그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 x 는 0.8 내지 1.6의 값을 갖도록 제어되고, 상기 x의 값에 대응하여 상기 실리콘 양자점의 크기가 조절되는 것을 특징으로 하는
    그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 SiO2 박막 및 SiOx 박막은 각각 2nm 의 두께 단위로 순차적으로 23회 내지 25회 적층되는 것을 특징으로 하는
    그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 도핑된 그래핀은 촉매층을 탄소 함유 혼합 가스와 반응시켜 상기 촉매층 상에 화학기상증착(CVD) 방식으로 증착되어 형성된 그래핀에 도핑 농도가 조절된 것을 특징으로 하는
    그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 하이브리드 구조는 상기 증착되어 형성된 그래핀이 상기 실리콘 양자점층 상에 전사되어 형성되는 것을 특징으로 하는
    그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 도핑된 그래핀은
    10 내지 30mM 농도를 갖는 AuCl3 를 상기 증착되어 형성된 그래핀에 스핀코팅하여, 90℃ 내지 110℃ 에서 어닐링 처리된 것을 특징으로 하는 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드.
  9. 기판 상에 실리콘 산화물 박막 안에 형성되는 실리콘 양자점을 포함하는 실리콘 양자점층을 형성시키는 단계;
    상기 실리콘 양자점층 상에 단일층으로 도핑된 그래핀을 형성하여 하이브리드 구조를 형성시키는 단계; 및
    상기 하이브리드 구조의 상하부에 전극을 형성시키는 단계를 포함하고,
    상기 실리콘 양자점층을 형성시키는 단계는
    상기 기판 상에 상기 실리콘 양자점과 상기 실리콘 산화물 박막을 순차적으로 반복하여 적층하여 형성시키는 것을 특징으로 하는
    그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 실리콘 양자점층을 형성시키는 상기 단계는,
    기판 상에 SiO2 박막 및 SiOx 박막을 순차적으로 적층한 이후, 1000℃ 내지 1200℃ 의 질소 분위기 상에서 열처리되어, 상기 SiO2 박막 안에 상기 실리콘 양자점을 형성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 x 는 0.8 내지 1.6의 값을 갖도록 제어되고, 상기 x의 값에 대응하여 상기 실리콘 양자점의 크기가 조절되는 것을 특징으로 하는 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드의 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    하이브리드 구조를 형성시키는 상기 단계는,
    촉매층을 탄소 함유 혼합 가스와 반응시켜 상기 촉매층 상에 화학기상증착(CVD) 방식으로 증착하여 그래핀을 형성하는 단계;
    상기 형성된 그래핀이 상기 실리콘 양자점층 상에 전사되는 단계; 및
    10 내지 30mM 농도를 갖는 AuCl3 를 스핀코팅하여, 90℃ 내지 110℃ 에서 어닐링 처리하여 상기 그래핀을 도핑하는 단계
    를 포함하는 그래핀-실리콘 양자점 하이브리드 구조를 포함하는 터널링 다이오드의 제조 방법.
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