KR102232618B1 - Manufacturing method for hexagonal boron nitride thin film and opto-electronic elements comprising thin film prepared from the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법 및 그로부터 제조된 박막을 구비하는 광전소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 (S1) 기판 상에 그래핀층 또는 그래핀 산화물층을 형성시키는 단계; 및 (S2) 상기 그래핀층 또는 그래핀 산화물층 상에, 붕소 함유 전구체와 질소 함유 전구체를 공급하면서 유기금속화학증착(MOCVD)법으로 열처리하여, 상기 그래핀층 또는 그래핀 산화물층 상에 육방정계 질화붕소 박막을 형성시키는 단계를 포함하는 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법 및 그로부터 제조된 박막을 구비하는 광전소자에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a hexagonal boron nitride thin film and a photoelectric device having a thin film prepared therefrom, and in more detail, (S1) forming a graphene layer or a graphene oxide layer on a substrate; And (S2) heat treatment by an organometallic chemical vapor deposition (MOCVD) method while supplying a boron-containing precursor and a nitrogen-containing precursor on the graphene layer or the graphene oxide layer, and then hexagonal nitride on the graphene layer or the graphene oxide layer. It relates to a method for manufacturing a hexagonal boron nitride thin film including forming a boron thin film, and to a photoelectric device having a thin film prepared therefrom.

Description

육방정계 질화붕소 박막의 제조방법 및 그로부터 제조된 박막을 구비하는 광전소자{MANUFACTURING METHOD FOR HEXAGONAL BORON NITRIDE THIN FILM AND OPTO-ELECTRONIC ELEMENTS COMPRISING THIN FILM PREPARED FROM THE SAME}TECHNICAL FIELD The manufacturing method of a hexagonal boron nitride thin film and an optoelectronic device having a thin film manufactured therefrom TECHNICAL FIELD

본 발명은 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법 및 그로부터 제조된 박막을 구비하는 광전소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고품질의 단일 결정 방향을 갖는 다층의 박막을 대면적으로 제조할 수 있는 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법 및 그로부터 제조된 박막을 구비하는 광전소자에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a hexagonal boron nitride thin film and a photoelectric device having a thin film prepared therefrom, and more particularly, to a hexagonal nitride which can produce a high-quality multilayer thin film having a single crystal orientation in a large area. It relates to a method of manufacturing a boron thin film and a photoelectric device having a thin film manufactured therefrom.

2차원 나노구조 재료는 일정한 평면형태를 가지며 두께가 원자 한층 또는 몇 층으로 이루어진 소재로서, 화학, 재료 분야에서 가장 활발한 연구 분야 중 하나로 손꼽히고 있으며, 전자, 기계 및 생명공학 분야로의 접목을 통하여 연구 주제가 다변화되고 있다.Two-dimensional nanostructured materials are materials that have a certain planar shape and consist of one or several layers of atoms, and are considered one of the most active research fields in the fields of chemistry and materials. Research topics are diversifying.

대표적인 2차원 나노구조 재료로서 그래핀, 질화붕소 등을 수 있는데, 이중에서 질화붕소는 BN의 화학식을 가지고, 붕소 원자와 질소 원자가 평면 2차원 육각형 구조를 이루고 있으며, 흑연과 비슷한 육방정계 구조를 갖고 있어 화학적, 물리적 성질이 흑연과 비슷하여, 물리적, 화학적 안정성이 높은 물질이다. 불활성 분위기에서는 최대 3,000 ℃까지 안정하며, 스테인레스 스틸 정도의 높은 열전도율이 있어 열충격 저항성이 크고, 1,500 ℃ 정도의 급가열, 급냉각을 반복하여도 균열이나 파손이 없다. 그리고, 고온 윤활성 및 내식성이 대단히 우수하다.Typical two-dimensional nanostructure materials include graphene and boron nitride, among which boron nitride has the formula of BN, boron atoms and nitrogen atoms form a planar two-dimensional hexagonal structure, and has a hexagonal structure similar to graphite. It is a material with high physical and chemical stability because its chemical and physical properties are similar to graphite. It is stable up to 3,000 ℃ in an inert atmosphere, and has high thermal shock resistance due to the high thermal conductivity of stainless steel, and there is no crack or damage even after repeated rapid heating and rapid cooling of 1,500 ℃. And, it is very excellent in high temperature lubricity and corrosion resistance.

또한, 전기 저항 값이 월등히 높은데, 특히 고온에서의 전기 저항 값의 변화가 적어 넓은 온도 범위에서 전기절연 재료로 사용할 수 있으며, 전계를 가하면 자외선을 방출하는 특성이 있다. 뿐만 아니라, 질화붕소는 그래핀과 마찬가지로 모든 가스와 액체에 대해서 불침투성을 보이며, 투명하며 붕소 원자와 질소 원자가 그물처럼 연결된 육각형 벌집 구조의 공간적 여유로 인해 신축성이 뛰어나다. 이러한 질화붕소의 특이한 구조와 물성은 반도체 재료의 절연체 및 자외선 발생장치, 배리어 필름 등으로 응용될 수 있다.In addition, the electrical resistance value is remarkably high. In particular, it can be used as an electrical insulating material in a wide temperature range due to the small change in the electrical resistance value at high temperature, and has the characteristic of emitting ultraviolet rays when an electric field is applied. In addition, boron nitride, like graphene, is impermeable to all gases and liquids, is transparent, and has excellent elasticity due to the spatial margin of a hexagonal honeycomb structure in which boron atoms and nitrogen atoms are connected like a net. The unique structure and physical properties of boron nitride can be applied as an insulator of a semiconductor material, an ultraviolet ray generator, a barrier film, and the like.

최근 나노 기술에 대한 수요와 관심이 증대되면서 질화붕소도 나노시트, 나노튜브와 같은 형태로 얻기 위한 연구가 진행되고 있다. 현재 육방정계 질화붕소(hexagonal boron nitride, h-BN) 나노시트를 제조하는 방법으로는 기계적 박리, 액상 박리, 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition: CVD) 등이 있으며, 일반적으로 CVD 방법과 액상박리 방법이 육방정계 질화붕소 나노시트 제조에 사용되고 있다.Recently, as the demand and interest in nanotechnology has increased, research is being conducted to obtain boron nitride in the form of nanosheets and nanotubes. Currently, methods for manufacturing hexagonal boron nitride (h-BN) nanosheets include mechanical peeling, liquid phase peeling, and chemical vapor deposition (CVD), and generally CVD method and liquid phase peeling method. It is used in the manufacture of this hexagonal boron nitride nanosheet.

액상 박리 방법은 육방정계 질화붕소에서 다층의 질화붕소를 용매 내에서 초음파 처리를 통해 떼어내는 방법으로, 제조하기는 간단하나 대량 생산이 어렵다는 단점이 있다. CVD 방법은 기판 위에 촉매 금속을 증착하여 얇은 금속 막을 형성한 후, 1,000℃ 이상의 고온에서 붕소와 질소가 포함된 기체를 흘려준 뒤, 냉각시켜 금속 막 위에 형성된 질화붕소 나노시트를 얻는 방법으로, 대면적으로 제조하기가 어렵다는 단점이 있다.The liquid phase peeling method is a method of separating multi-layer boron nitride from hexagonal boron nitride through ultrasonic treatment in a solvent, and has a disadvantage in that it is simple to manufacture but difficult to mass-produce. The CVD method is a method of depositing a catalytic metal on a substrate to form a thin metal film, flowing a gas containing boron and nitrogen at a high temperature of 1,000°C or higher, and cooling it to obtain a boron nitride nanosheet formed on the metal film. There is a disadvantage in that it is difficult to manufacture in an area.

따라서, 본 발명의 목적은 고품질의 단일 결정 방향을 갖는 다층의 육방정계 질화붕소 박막을 대면적으로 제조할 수 있는 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a hexagonal boron nitride thin film capable of manufacturing a high-quality multilayer hexagonal boron nitride thin film having a single crystal orientation in a large area.

그리고, 본 발명의 다른 목적은 상기 제조방법을 통해 제조된 육방정계 질화붕소 박막을 구비하는 광전소자를 제공하는 것이다.Further, another object of the present invention is to provide a photoelectric device having a hexagonal boron nitride thin film manufactured through the above manufacturing method.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따른 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법은, (S1) 기판 상에 그래핀층 또는 그래핀 산화물층을 형성시키는 단계; 및 (S2) 상기 그래핀층 또는 그래핀 산화물층 상에, 붕소 함유 전구체와 질소 함유 전구체를 공급하면서 유기금속화학증착(MOCVD)법으로 열처리하여, 상기 그래핀층 또는 그래핀 산화물층 상에 육방정계 질화붕소 박막을 형성시키는 단계를 포함한다.In order to achieve the above object, a method of manufacturing a hexagonal boron nitride thin film according to an aspect of the present invention includes: (S1) forming a graphene layer or a graphene oxide layer on a substrate; And (S2) heat treatment by an organometallic chemical vapor deposition (MOCVD) method while supplying a boron-containing precursor and a nitrogen-containing precursor on the graphene layer or the graphene oxide layer, and then hexagonal nitride on the graphene layer or the graphene oxide layer. And forming a boron thin film.

여기서, 상기 (S2) 단계는, 1,000 내지 1,200 ℃의 온도로 열처리하는 제1 열처리 단계; 700 내지 900 ℃의 온도로 열처리하는 저온처리 단계; 및 1,250 내지 1,450 ℃의 온도로 열처리하는 고온처리 단계를 포함할 수 있다.Here, the (S2) step, a first heat treatment step of heat treatment at a temperature of 1,000 to 1,200 ℃; A low temperature treatment step of heat treatment at a temperature of 700 to 900°C; And it may include a high-temperature treatment step of heat treatment at a temperature of 1,250 to 1,450 ℃.

이때, 상기 제1 열처리 단계는 1 분 내지 5 분 동안 이루어지고, 상기 저온처리 단계는 3 분 내지 10 분 동안 이루어지며, 상기 고온처리 단계는 1 시간 내지 5 시간 동안 이루어질 수 있다.In this case, the first heat treatment step may be performed for 1 to 5 minutes, the low temperature treatment step may be performed for 3 to 10 minutes, and the high temperature treatment step may be performed for 1 to 5 hours.

그리고, 상기 (S2) 단계는, 상기 붕소 함유 전구체와 상기 질소 함유 전구체가 번갈아 교번 공급되도록, 상기 붕소 함유 전구체와 상기 질소 함유 전구체를 각각 펄스(pulse) 공급하는 것일 수 있다.In addition, the step (S2) may be to supply the boron-containing precursor and the nitrogen-containing precursor in pulses so that the boron-containing precursor and the nitrogen-containing precursor are alternately supplied.

이때, 상기 펄스(pulse) 공급의 펄스 폭(pulse width)은 1 내지 10 초이고, 펄스 반복 주기(pulse repetition interval)는 2 내지 20 초일 수 있다.In this case, the pulse width of the pulse supply may be 1 to 10 seconds, and the pulse repetition interval may be 2 to 20 seconds.

한편, 상기 기판은, 사파이어(Al2O3), 실리콘(Si), 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN), 비소화갈륨(GaAs), 산화아연(ZnO), 산화갈륨(Ga2O3), 산화리튬알루미늄(LiAlO2), 질화알루미늄(AlN), 게르마늄(Ge), 실리콘게르마늄(SiGe), 산화리튬갈륨(LiGaO2), 또는 산화마그네슘알루미늄(MgAl2O4)에서 선택되는 것일 수 있다.Meanwhile, the substrate is sapphire (Al 2 O 3 ), silicon (Si), silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), gallium arsenide (GaAs), zinc oxide (ZnO), gallium oxide (Ga 2 O). 3 ), lithium aluminum oxide (LiAlO 2 ), aluminum nitride (AlN), germanium (Ge), silicon germanium (SiGe), lithium gallium oxide (LiGaO 2 ), or magnesium aluminum oxide (MgAl 2 O 4 ). I can.

그리고, 상기 붕소 함유 전구체는, (CH3CH2)3B, (CH3)3B 또는 이들의 혼합물일 수 있다.In addition, the boron-containing precursor may be (CH 3 CH 2 ) 3 B, (CH 3 ) 3 B or a mixture thereof.

그리고, 상기 질소 함유 전구체는, NH3일 수 있다.In addition, the nitrogen-containing precursor may be NH 3.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 광전소자는 전술한 본 발명의 방법으로 제조된 육방정계 질화붕소 박막을 구비한다.Meanwhile, the photoelectric device according to another aspect of the present invention includes a hexagonal boron nitride thin film manufactured by the method of the present invention described above.

본 발명의 일 실시예에 따른 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법에 의하면, 기판 상에 직접 육방정계 질화붕소(h-BN) 박막을 형성시키지 않고, 기판 상에 형성된 그래핀층 또는 그래핀 산화물층 상에 h-BN 박막을 형성시킴으로써 기판과의 격자 상수 차이로 발생되는 h-BN 박막의 결정 결함을 감소시켜 고품질의 h-BN 박막을 제조할 수 있다.According to the method of manufacturing a hexagonal boron nitride thin film according to an embodiment of the present invention, a graphene layer or a graphene oxide layer formed on a substrate without directly forming a hexagonal boron nitride (h-BN) thin film on the substrate By forming an h-BN thin film on the substrate, crystal defects of the h-BN thin film caused by a difference in lattice constant from the substrate can be reduced, thereby producing a high-quality h-BN thin film.

또한, 기존의 금속 촉매를 이용하여 h-BN 박막을 제조하는 경우와 달리, 유기금속화학증착법(MOCVD)을 이용하여 제조함으로써 단일 결정 방향을 갖는 다층의 h-BN 박막을 대면적으로 제조할 수 있다.In addition, unlike the case of manufacturing an h-BN thin film using a conventional metal catalyst, it is possible to manufacture a multilayer h-BN thin film having a single crystal orientation by using an organometallic chemical vapor deposition (MOCVD) method. have.

그리고, 본 발명의 제조방법으로 제조된 h-BN 박막은 높은 에너지 밴드갭(Energy Bandgap, 6.5 eV)을 가지고 있어, 깊은 자외선(Deep Ultra Violet) 영역에서 발광 및 수광소자로 사용할 수 있다.In addition, the h-BN thin film manufactured by the manufacturing method of the present invention has a high energy bandgap (6.5 eV), and thus can be used as a light-emitting and light-receiving device in a deep ultraviolet (Deep Ultra Violet) region.

나아가, 그래핀처럼 유연하면서, 기계적, 화학적 안정성이 우수하여 광전소자의 기판으로 사용할 수 있다.Furthermore, it can be used as a substrate for a photoelectric device because it is flexible like graphene and has excellent mechanical and chemical stability.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 상에 h-BN 박막층이 형성된 모습을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전구체의 펄스 공급 방법을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 h-BN 박막의 성장 시간에 따른 온도의 변화를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 기판 상에 형성된 h-BN 박막의 TEM 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 기판 상에 형성된 h-BN 박막의 자외선-가시광선 분광분석 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 기판 상에 형성된 h-BN 박막을 이용하여 제작한 광 검출기의 자외선 파장의 반응도를 비교하여 나타낸 그래프와 이의 측정에 사용된 전극을 나타낸 도면이다.
The following drawings attached to the present specification illustrate preferred embodiments of the present invention, and serve to further understand the technical idea of the present invention together with the detailed description of the present invention to be described later. It is limited to and should not be interpreted.
1 is a diagram schematically showing a state in which an h-BN thin film layer is formed on a substrate according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing a method of supplying a pulse of a precursor according to an embodiment of the present invention.
3 is a view showing a change in temperature according to a growth time of an h-BN thin film according to an embodiment of the present invention.
4 is a TEM image of an h-BN thin film formed on a substrate according to an embodiment of the present invention.
5 is an ultraviolet-visible ray spectroscopy graph of an h-BN thin film formed on a substrate according to an embodiment and a comparative example of the present invention.
6 is a graph showing a comparison of the reactivity of an ultraviolet wavelength of a photodetector manufactured using an h-BN thin film formed on a substrate according to an embodiment of the present invention and a comparative example, and a view showing an electrode used for measurement thereof.

이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The terms or words used in the specification and claims should not be construed as being limited to their usual or dictionary meanings, and the inventor may appropriately define the concept of terms in order to describe his own invention in the best way. It should be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that there is.

따라서, 본 명세서에 기재된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the configuration described in the present specification is only the most preferred embodiment of the present invention and does not represent all the technical spirit of the present invention, so there are various equivalents and modifications that can replace them at the time of the present application. It should be understood that you can.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 상에 h-BN 박막층이 형성된 모습을 모식적으로 나타낸 도면이다.1 is a diagram schematically showing a state in which an h-BN thin film layer is formed on a substrate according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 측면에 따른 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법은, (S1) 기판(10) 상에 그래핀층 또는 그래핀 산화물층(20)을 형성시키는 단계; 및 (S2) 상기 그래핀층 또는 그래핀 산화물층(20) 상에, 붕소 함유 전구체와 질소 함유 전구체를 공급하면서 유기금속화학증착(MOCVD)법으로 열처리하여, 상기 그래핀층 또는 그래핀 산화물층(20) 상에 육방정계 질화붕소 박막(30)을 형성시키는 단계를 포함한다.Referring to FIG. 1, a method of manufacturing a hexagonal boron nitride thin film according to an aspect of the present invention includes: (S1) forming a graphene layer or a graphene oxide layer 20 on a substrate 10; And (S2) heat treatment by an organometallic chemical vapor deposition (MOCVD) method while supplying a boron-containing precursor and a nitrogen-containing precursor on the graphene layer or the graphene oxide layer 20, and the graphene layer or the graphene oxide layer 20 ) And forming a hexagonal boron nitride thin film 30 on it.

종래에는 기판 상에 직접 형성시키는 방법으로 육방정계 질화붕소(h-BN) 박막을 제조하였는데, 이때 기판과의 격자 상수 차이로 인해 h-BN 박막의 결정 결함이 생겨 h-BN 박막의 품질이 떨어지는 문제가 있었다.Conventionally, a hexagonal boron nitride (h-BN) thin film was prepared by directly forming it on a substrate. At this time, crystal defects of the h-BN thin film occur due to the difference in lattice constant from the substrate, resulting in poor quality of the h-BN thin film. There was a problem.

하지만, 본 발명에 따르면, 기판(10) 상에 직접 h-BN 박막(30)을 형성시키지 않고, 기판(10) 상에 그래핀층(20)을 전사시킨 후, 전사된 그래핀층(20) 상에 h-BN 박막(30)을 형성시킴으로써 기판(10)과의 격자 상수 차이로 발생되는 h-BN 박막(30)의 결정 결함을 감소시켜 고품질의 h-BN 박막(30)을 제조할 수 있다.However, according to the present invention, without directly forming the h-BN thin film 30 on the substrate 10, after transferring the graphene layer 20 on the substrate 10, the transferred graphene layer 20 By forming the h-BN thin film 30 on the substrate 10, crystal defects of the h-BN thin film 30 caused by a difference in lattice constant from the substrate 10 can be reduced, thereby manufacturing a high-quality h-BN thin film 30. .

나아가, 종래의 금속 촉매를 이용하여 h-BN 박막을 제조하는 경우와 달리, 유기금속화학증착(MOCVD)법을 이용하여 제조함으로써 단일 결정 방향을 갖는 다층의 h-BN 박막을 대면적으로 제조할 수 있다.Furthermore, unlike the case of manufacturing an h-BN thin film using a conventional metal catalyst, it is possible to manufacture a multilayer h-BN thin film having a single crystal orientation by using an organometallic chemical vapor deposition (MOCVD) method. I can.

이때, 상기 기판(10) 상에 전사된 그래핀층(20)은 화학기상증착(CVD)법에 의해 제조된 것일 수 있다. 기판(10) 상에 그래핀층(20)을 전사시키는 단계에 대해 좀 더 상세하게 설명하면, 촉매 금속층 상에 그래핀을 화학기상증착(CVD)법을 통해 합성한 후, 상기 그래핀에 캐리어를 부착하여 제1 구조체를 형성한 다음, 상기 제1 구조체로부터 상기 촉매 금속층을 제거하여 제2 구조체를 형성한 후, 타겟 기판, 즉, 그래핀층(20)을 전사시킬 기판(10)에 플라즈마 처리를 한 후, 상기 제2 구조체의 그래핀과 상기 타겟 기판(10)을 서로 마주보게 하여 압착시켜 제3 구조체를 형성한 다음, 상기 캐리어를 제거함으로써 기판(10) 상에 그래핀층(20)을 전사시킬 수 있다.In this case, the graphene layer 20 transferred onto the substrate 10 may be prepared by a chemical vapor deposition (CVD) method. In a more detailed description of the step of transferring the graphene layer 20 onto the substrate 10, after synthesizing graphene on the catalyst metal layer through a chemical vapor deposition (CVD) method, a carrier is formed on the graphene. After attaching to form a first structure, the catalyst metal layer is removed from the first structure to form a second structure, and then plasma treatment is performed on the target substrate, that is, the substrate 10 to which the graphene layer 20 is to be transferred. After that, the graphene of the second structure and the target substrate 10 are pressed to face each other to form a third structure, and then the graphene layer 20 is transferred onto the substrate 10 by removing the carrier. I can make it.

상기 그래핀층(20)은 기판(10)과 h-BN 박막(30)의 결자상수 불일치로 인해 생기는 결함을 제어하기 위한 것이다. 일반적으로 사용되는 사파이어 기판과 h-BN 박막과의 격자상수 불일치 값은 대략 46.5%로 나타나며, 다음의 식에 의해 도출될 수 있다.The graphene layer 20 is for controlling defects caused by a mismatch between the substrate 10 and the h-BN thin film 30. The inconsistency value of the lattice constant between the sapphire substrate and the h-BN thin film generally used is approximately 46.5%, and can be derived by the following equation.

격자상수 불일치 값(%) = 100*(b-a)/aLattice constant mismatch value (%) = 100*(b-a)/a

(a: h-BN 박막의 격자상수, b: 기판의 격자상수)(a: lattice constant of h-BN thin film, b: lattice constant of substrate)

한편, 그래핀층(20)과 h-BN 박막(30)과의 격자상수 불일치 값은 대략 1.6%로 정도이다. 본 발명에서는 기판(10) 상에, h-BN 박막(30)과 격자상수 차이가 거의 없는 그래핀층(20)을 전사시킨 후, h-BN 박막(30)을 형성시킴으로써, 고품질의 박막 성장이 가능해진다.On the other hand, the lattice constant mismatch between the graphene layer 20 and the h-BN thin film 30 is about 1.6%. In the present invention, by transferring the graphene layer 20 having little difference between the h-BN thin film 30 and the lattice constant on the substrate 10, and forming the h-BN thin film 30, high-quality thin film growth is achieved. It becomes possible.

또한, 그래핀 산화물층(20) 또한 상기 전사된 그래핀층(20)을 대체할 수 있다. 상기 그래핀 산화물층(20)은 그래핀 옥사이드 나노시트, 환원된 그래핀 옥사이드 나노시트(이때, 환원방법은 열적, 화학적 방법 등 제한되지 않은 방법이 사용가능 함), 화학적으로 합성된 그래핀 나노시트일 수 있고, 기판(10) 상에 그래핀 산화물층(20)을 형성하는 방법으로는, 스프레이 코팅, 스핀 코팅 등이 사용될 수 있다.In addition, the graphene oxide layer 20 may also replace the transferred graphene layer 20. The graphene oxide layer 20 is a graphene oxide nanosheet, a reduced graphene oxide nanosheet (in this case, the reduction method may be a thermal or chemical method, etc.), a chemically synthesized graphene nanosheet. It may be a sheet, and as a method of forming the graphene oxide layer 20 on the substrate 10, spray coating, spin coating, or the like may be used.

그리고, 상기 전사된 그래핀층(20)은 단층일 수도 있고, 2 이상 또는 수십 층 이상의 다층일 수도 있다. 이때, 상기 그래핀층(20)은 수 nm의 두께를 가질 수 있고, 수십 내지 수백 nm의 두께를 가질 수도 있다.In addition, the transferred graphene layer 20 may be a single layer, or may be a multilayer of two or more or tens or more. At this time, the graphene layer 20 may have a thickness of several nm, and may have a thickness of several tens to several hundred nm.

본 발명의 상기 기판(10)은, 사파이어(Al2O3), 실리콘(Si), 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN), 비소화갈륨(GaAs), 산화아연(ZnO), 산화갈륨(Ga2O3), 산화리튬알루미늄(LiAlO2), 질화알루미늄(AlN), 게르마늄(Ge), 실리콘게르마늄(SiGe), 산화리튬갈륨(LiGaO2), 또는 산화마그네슘알루미늄(MgAl2O4)에서 선택되는 것일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니고, h-BN 박막(30) 성장 시, 고온 열처리 단계(1,250 내지 1,450 ℃)의 고온 상태에서 기판이 안정적으로 유지될 수 있는 것이라면 모두 사용 가능하며, 따라서 상기 고온 열처리 단계의 온도보다 녹는점이 높은 기판이라면 모두 사용이 가능하고, 바람직하게는 사파이어 기판을 사용할 수 있다.The substrate 10 of the present invention is sapphire (Al 2 O 3 ), silicon (Si), silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), gallium arsenide (GaAs), zinc oxide (ZnO), gallium oxide (Ga 2 O 3 ), lithium aluminum oxide (LiAlO 2 ), aluminum nitride (AlN), germanium (Ge), silicon germanium (SiGe), lithium gallium oxide (LiGaO 2 ), or magnesium aluminum oxide (MgAl 2 O 4 ) It may be selected from, but is not limited thereto, as long as the substrate can be stably maintained in a high temperature state of the high-temperature heat treatment step (1,250 to 1,450 °C) when the h-BN thin film 30 is grown. Therefore, any substrate having a melting point higher than the temperature of the high-temperature heat treatment step may be used, and a sapphire substrate may be preferably used.

한편, 상기 (S2) 단계는, 1,000 내지 1,200 ℃의 온도로 열처리하는 제1 열처리 단계; 700 내지 900 ℃의 온도로 열처리하는 저온처리 단계; 및 1,250 내지 1,450 ℃의 온도로 열처리하는 고온처리 단계를 포함하는 것일 수 있다. 바람직하게는, 상기 제1 열처리 단계는 1,050 내지 1,150 ℃의 온도로, 상기 저온처리 단계는 750 내지 850 ℃의 온도로, 상기 고온처리 단계는 1,300 내지 1,400 ℃의 온도로 열처리하는 것일 수 있고, 더욱 바람직하게는 상기 제1 열처리 단계는 1,100 ℃의 정도의 온도로, 상기 저온처리 단계는 800 ℃ 정도의 온도로, 상기 고온처리 단계는 1,350 ℃ 정도의 온도로 열처리하는 것일 수 있다.On the other hand, the (S2) step, a first heat treatment step of heat treatment at a temperature of 1,000 to 1,200 ℃; A low temperature treatment step of heat treatment at a temperature of 700 to 900°C; And a high-temperature treatment step of heat-treating at a temperature of 1,250 to 1,450°C. Preferably, the first heat treatment step may be performed at a temperature of 1,050 to 1,150°C, the low temperature treatment step may be performed at a temperature of 750 to 850°C, and the high temperature treatment step may be performed at a temperature of 1,300 to 1,400°C. Preferably, the first heat treatment step may be performed at a temperature of about 1,100°C, the low temperature treatment step may be performed at a temperature of about 800°C, and the high temperature treatment step may be performed at a temperature of about 1,350°C.

이때, 상기 제1 열처리 단계, 상기 저온처리 단계 및 상기 고온처리 단계는 수소 분위기에서 이루어지는 것일 수 있다.In this case, the first heat treatment step, the low temperature treatment step, and the high temperature treatment step may be performed in a hydrogen atmosphere.

상기 제1 열처리 단계는, 기판(10), 그래핀층 또는 그래핀 산화물층(20)이 열 분해되지 않는 온도 범위에서, 기판(10) 이동 중에 발생할 수 있는 유기물질에 의한 오염물 제거를 위해 수행된다.The first heat treatment step is performed to remove contaminants caused by organic substances that may occur during movement of the substrate 10 in a temperature range in which the substrate 10, the graphene layer, or the graphene oxide layer 20 is not thermally decomposed. .

그리고, 상기 저온처리 단계는, 고온처리 단계 진행 전, 기판(10)과 추후 성장될 h-BN 박막(30) 사이에 열 팽창계수나 반데르발스(Van der Waals) 힘에 의해 발생할 수 있는 상호작용(interaction)을 완화시켜주기 위한 h-BN 완충층을 형성시키기 위해 수행된다.And, the low-temperature treatment step, before the high-temperature treatment step, between the substrate 10 and the h-BN thin film 30 to be grown in the future, the interaction that can be generated by the coefficient of thermal expansion or Van der Waals (Van der Waals) force. It is performed to form an h-BN buffer layer to alleviate the interaction.

그리고, 상기 고온처리 단계는, 실질적으로 h-BN 박막(30)이 성장되는 단계로, 고온으로 유지하는 것이 특히 중요하다.In addition, the high-temperature treatment step is a step in which the h-BN thin film 30 is substantially grown, and it is particularly important to maintain the high temperature.

이때, 상기 제1 열처리 단계는 1 내지 5 분 동안 이루어지고, 상기 저온처리 단계는 3 내지 10 분 동안 이루어지며, 상기 고온처리 단계는 1 내지 5 시간 동안 이루어지는 것일 수 있다.In this case, the first heat treatment step may be performed for 1 to 5 minutes, the low temperature treatment step may be performed for 3 to 10 minutes, and the high temperature treatment step may be performed for 1 to 5 hours.

상기 제1 열처리 단계의 시간이 상기 시간보다 짧으면, 유기물질에 의한 오염물의 제거가 잘 이루어지지 않을 수 있고, 상기 시간보다 길어지게 되면 기판(10), 그래핀층 또는 그래핀 산화물층(20)이 열에 의해 손상을 입어 열 분해가 일어날 수 있어 바람직하지 못하다.If the time of the first heat treatment step is shorter than the time, the removal of contaminants by organic substances may not be performed well. If the time is longer than the time, the substrate 10, the graphene layer, or the graphene oxide layer 20 It is not desirable because it may be damaged by heat and thermal decomposition may occur.

그리고, 상기 저온처리 단계의 시간이 상기 시간보다 짧으면, h-BN 완충층의 두께가 너무 얇아질 수 있는데, h-BN 완충층의 두께가 너무 얇으면 완충층으로서의 역할을 할 수 없고, 상기 시간보다 길어지게 되면, h-BN 완충층, 즉, 저품질의 h-BN 층의 두께가 너무 두꺼워져 h-BN 박막의 표면 거칠기가 크게 증가할 수 있어 바람직하지 못하다.And, if the time of the low-temperature treatment step is shorter than the time, the thickness of the h-BN buffer layer may become too thin, but if the thickness of the h-BN buffer layer is too thin, it cannot serve as a buffer layer, and the time is longer than the above time. In this case, the thickness of the h-BN buffer layer, that is, the h-BN layer of low quality, becomes too thick, and the surface roughness of the h-BN thin film may be greatly increased, which is not preferable.

또한, 상기 고온처리 단계의 시간이 상기 시간보다 짧으면, h-BN 박막(30)의 성장이 제대로 이루어지지 않을 수 있고, 상기 시간보다 길어져도 self-terminating 현상으로 인해 h-BN 박막(30)의 두께는 크게 증가하지 않고, 비경제적이어서 바람직하지 않다.In addition, if the time of the high-temperature treatment step is shorter than the time, the growth of the h-BN thin film 30 may not be performed properly, and even if it is longer than the time, the h-BN thin film 30 The thickness does not increase significantly, and it is uneconomical and is not desirable.

한편, 상기 (S2) 단계에서, 상기 그래핀층 또는 그래핀 산화물층(20) 상에, 붕소 함유 전구체와 질소 함유 전구체를 공급할 때, 상기 전구체들을 운송해주는 운송체로는 수소 기체를 사용할 수 있는데, 이처럼 수소 기체를 운송체로 사용하는 경우, h-BN 박막(30)을 판상구조로 더욱 잘 성장시킬 수 있어 바람직하다. 수소 기체가 아닌 다른 불활성 기체를 운송체로 사용할 경우, 다른 불활성 기체의 원자는 수소보다 원자크기가 크고, 그 결과, h-BN 박막이 판상구조로 성장하기가 다소 어려울 수 있다.On the other hand, in the step (S2), when supplying a boron-containing precursor and a nitrogen-containing precursor on the graphene layer or the graphene oxide layer 20, hydrogen gas may be used as a carrier for transporting the precursors. When hydrogen gas is used as a carrier, it is preferable that the h-BN thin film 30 can be better grown in a plate-like structure. When an inert gas other than hydrogen gas is used as a carrier, the atoms of the other inert gas have an atomic size larger than that of hydrogen, and as a result, it may be somewhat difficult for the h-BN thin film to grow in a plate-like structure.

그리고, 상기 (S2) 단계는, 상기 붕소 함유 전구체와 상기 질소 함유 전구체가 번갈아 교번 공급되도록, 상기 붕소 함유 전구체와 상기 질소 함유 전구체를 각각 펄스(pulse) 공급하는 것일 수 있다.In addition, the step (S2) may be to supply the boron-containing precursor and the nitrogen-containing precursor in pulses so that the boron-containing precursor and the nitrogen-containing precursor are alternately supplied.

이때, 상기 펄스(pulse) 공급의 펄스 폭(pulse width)은 1 내지 10 초이고, 펄스 반복 주기(pulse repetition interval)는 2 내지 20 초일 수 있다.In this case, the pulse width of the pulse supply may be 1 to 10 seconds, and the pulse repetition interval may be 2 to 20 seconds.

상기 붕소 함유 전구체와 상기 질소 함유 전구체가 교번 공급되지 않고, 동시에 공급되는 경우에는, 고온의 분위기에서 기체상태의 전구체들간에 원하지 않는 사전 반응이 일어나 산소원자나 탄소원자에 의한 오염이 발생할 수 있어 바람직하지 못하다.If the boron-containing precursor and the nitrogen-containing precursor are not alternately supplied, but are supplied simultaneously, unwanted pre-reaction may occur between the gaseous precursors in a high-temperature atmosphere, and contamination by oxygen atoms or carbon atoms may occur. Can't do it.

그리고, 상기 붕소 함유 전구체는, (CH3CH2)3B, (CH3)3B 또는 이들의 혼합물일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.In addition, the boron-containing precursor may be (CH 3 CH 2 ) 3 B, (CH 3 ) 3 B or a mixture thereof, but is not limited thereto.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 본 발명의 제조방법으로 제조된 h-BN 박막을 구비하는 발광 및 수광소자가 제공된다. 본 발명에 따라 제조된 h-BN 박막은 높은 에너지 밴드갭(Energy Bandgap, 6.5 eV)을 가지고 있어, 깊은 자외선(Deep Ultra Violet) 영역에서 발광 및 수광소자로 사용될 수 있다.Meanwhile, according to another aspect of the present invention, there is provided a light-emitting and light-receiving device including an h-BN thin film manufactured by the manufacturing method of the present invention described above. The h-BN thin film manufactured according to the present invention has a high energy bandgap (6.5 eV), and thus can be used as a light-emitting and light-receiving device in a deep ultraviolet (Deep Ultra Violet) region.

나아가, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전술한 본 발명의 방법으로 제조된 h-BN 박막을 구비하는 광전소자가 제공된다.Further, according to another aspect of the present invention, there is provided an optoelectronic device including an h-BN thin film manufactured by the method of the present invention described above.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.Hereinafter, examples will be described in detail to illustrate the present invention in detail. However, the embodiments according to the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to more completely describe the present invention to those of ordinary skill in the art.

1. 육방정계 질화붕소(h-BN) 박막의 제조1. Preparation of hexagonal boron nitride (h-BN) thin film

(1) 실시예(1) Examples

Ni 촉매 금속층 상에 탄소 공급원인 CH4를 투입하면서 열처리(화학기상증착, CVD)하여 그래핀을 합성한 후, 상기 형성된 그래핀에 폴리메틸메타크릴레이트 코팅 필름의 캐리어를 부착하여 제1 구조체를 형성한 다음, 상기 제1 구조체로부터 상기 Ni 촉매 금속층을 제거하여 제2 구조체를 형성하였다. After the graphene is synthesized by heat treatment (chemical vapor deposition, CVD) while introducing CH 4 as a carbon source on the Ni catalyst metal layer, the first structure is formed by attaching a carrier of a polymethyl methacrylate coating film to the formed graphene. After formation, the second structure was formed by removing the Ni catalyst metal layer from the first structure.

이어서, 사파이어 기판에 플라즈마 처리를 한 후, 상기 제2 구조체의 그래핀과 상기 사파이어 기판을 서로 마주보게 하여 압착시켜 제3 구조체를 형성한 다음, 상기 폴리메틸메타크릴레이트 코팅 필름의 캐리어를 제거함으로써 사파이어 기판 상에 그래핀층을 전사시켰다.Subsequently, after plasma treatment is performed on the sapphire substrate, the graphene of the second structure and the sapphire substrate are pressed to face each other to form a third structure, and then the carrier of the polymethyl methacrylate coating film is removed. The graphene layer was transferred onto the sapphire substrate.

이때, 전사된 그래핀층은 총 4층으로 구성되어 있었다.At this time, the transferred graphene layer was composed of a total of 4 layers.

이어서, 붕소 함유 전구체인 트리메틸붕소((CH3)3B)와 질소 함유 전구체인 암모니아(NH3)를, 운반체인 수소 기체를 이용하여 상기 그래핀층 상에 공급하면서, 유기금속화학증착(MOCVD)법으로 열처리하여, 상기 그래핀층 상에 육방정계 질화붕소 박막을 형성시켰다.Subsequently, while supplying the boron-containing precursor trimethylboron ((CH 3 ) 3 B) and the nitrogen-containing precursor ammonia (NH 3 ) onto the graphene layer using hydrogen gas as a carrier, organometallic chemical vapor deposition (MOCVD) By heat treatment by the method, a hexagonal boron nitride thin film was formed on the graphene layer.

이때, 상기 전구체 기체들과 상기 수소 기체의 총 유량(total flow rate)은 10 slm(standard liter per minute)이 되도록 하였고, 트리메틸붕소((CH3)3B)의 유량은 2.9 μmol/min, 암모니아의 유량은 500 내지 8,000 sccm(standard cubic centimeter per minute)가 되도록 조절하였다.At this time, the total flow rate of the precursor gases and the hydrogen gas was 10 slm (standard liter per minute), and the flow rate of trimethylboron ((CH 3 ) 3 B) was 2.9 μmol/min, ammonia. The flow rate was adjusted to be 500 to 8,000 sccm (standard cubic centimeter per minute).

그리고, 상기 트리메틸붕소와 상기 암모니아가 번갈아 교번 공급되도록, 각각 펄스(pulse) 공급하였다.Then, each pulse was supplied so that the trimethylboron and the ammonia were alternately supplied.

도 2는 전구체의 펄스 공급 방법을 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 트리메틸붕소의 흐름을 보면 4초간 공급이 이루어진 후, 8초간 공급이 차단되고, 다시 4초간 공급이 이루어진 후, 다시 8초간 공급이 차단되는 주기를 갖는다. 암모니아의 경우는, 트리메틸붕소의 공급이 차단되어 있는 시간의 중간 지점에 4초간 공급이 이루어진 후, 8초간 공급이 차단되는 주기를 가지며, 이로써, 상기 두 전구체 기체들은 서로 번갈아 교번하여 공급된다. 이때, 상기 트리메틸붕소의 공급이 이루어지는 4초간의 시간 전, 후로 각각 2초간 암모니아의 공급도 이루어지지 않는 공핍영역이 존재한다.2 is a diagram showing a method of supplying a pulse of a precursor. Referring to FIG. 2, the flow of trimethylboron has a period in which the supply is made for 4 seconds, the supply is cut off for 8 seconds, the supply is made again for 4 seconds, and then the supply is cut off again for 8 seconds. In the case of ammonia, the supply is made for 4 seconds at the midpoint of the time when the supply of trimethylboron is blocked, and then the supply is cut off for 8 seconds, whereby the two precursor gases are alternately supplied with each other. At this time, there is a depletion region in which ammonia is not supplied for 4 seconds before and after the supply of trimethylboron is performed for 2 seconds, respectively.

그리고, 상기 MOCVD법에 대해 좀 더 구체적으로 설명하면, PHAETHON 100U(탑엔지니어링 社) 장비를 이용하였는데, 우선 1,100 ℃에서 약 3 분간 제1 열처리를 수행한 다음, 온도를 낮춰 800 ℃의 온도에서 약 5 분간 열처리를 수행한 이후, 다시 온도를 높여 1,350 ℃의 온도에서 약 2 시간 정도 열처리를 수행함으로써 h-BN 박막을 형성시켰다. h-BN 박막의 성장 시간에 따른 온도의 변화를 도 3에 도시하였다. 이때, 상기 MOCVD 장비 내부의 압력은 30 내지 400 torr 정도가 되도록 유지하였다.And, to describe the MOCVD method in more detail, PHAETHON 100U (Top Engineering Co., Ltd.) equipment was used. First, the first heat treatment was performed at 1,100°C for about 3 minutes, and then the temperature was lowered to about 800°C. After performing the heat treatment for 5 minutes, the temperature was raised again and the heat treatment was performed at a temperature of 1,350° C. for about 2 hours to form an h-BN thin film. The change in temperature according to the growth time of the h-BN thin film is shown in FIG. 3. At this time, the pressure inside the MOCVD equipment was maintained to be about 30 to 400 torr.

(2) 비교예(2) Comparative example

그래핀층을 전사시키지 않고, 사파이어 기판 상에 직접 h-BN 박막을 형성시키는 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 h-BN 박막을 형성시켰다.An h-BN thin film was formed in the same manner as in Example except that the graphene layer was not transferred and the h-BN thin film was directly formed on the sapphire substrate.

2. 육방정계 질화붕소(h-BN) 박막의 TEM 이미지 측정2. TEM image measurement of hexagonal boron nitride (h-BN) thin film

구면 수차보정 투과전자현미경(Cs-Corrected Transmission Electron Microscope, 모델명: JEM-ARM 200F, 이하 TEM) 장비를 이용하여, 실시예 따라 제조된 h-BN 박막의 TEM 이미지를 얻었다.Using a spherical aberration correction transmission electron microscope (Cs-Corrected Transmission Electron Microscope, model name: JEM-ARM 200F, hereinafter TEM) equipment, a TEM image of the h-BN thin film prepared according to the Example was obtained.

도 4는 실시예에 따른 방법으로 기판 상에 형성된 h-BN 박막의 TEM 이미지를 보여준다. 도 4를 참조하면, 사파이어 기판, 사파이어 기판 상에 전사된 그래핀층, 전사된 그래핀층 상에 형성된 h-BN 박막이 서로 구별되어 있는 것을 확인할 수 있다. 전사된 그래핀층은 4층의 박막으로 관찰되며, 형성된 h-BN 박막은 전사된 그래핀층 상에 약 60° 회전하여 약 30 내지 35 nm 두께의 다층 Bernal Staking(ABAB) 구조를 가지고 있음을 확인하였다.4 shows a TEM image of an h-BN thin film formed on a substrate by a method according to an embodiment. Referring to FIG. 4, it can be seen that the sapphire substrate, the graphene layer transferred on the sapphire substrate, and the h-BN thin film formed on the transferred graphene layer are distinguished from each other. The transferred graphene layer was observed as a four-layer thin film, and the formed h-BN thin film was rotated about 60° on the transferred graphene layer to confirm that it had a multilayer Bernal Staking (ABAB) structure of about 30 to 35 nm thickness. .

또한, SAED(Selected Area Electron Diffraction) 분석결과 전사된 그래핀층 및 형성된 h-BN 박막이 육방정계 구조임을 확인하였다.In addition, as a result of SAED (Selected Area Electron Diffraction) analysis, it was confirmed that the transferred graphene layer and the formed h-BN thin film had a hexagonal structure.

그리고, DFT(Density Functional Theory)를 이용한 h-BN 박막의 내평면격자 상수(In-Plane Lattice Constant)가 0.256 nm, 그래핀층의 내평면격자 상수가 0.24 nm로 이론적인 값과 유사한 값을 가지고 있음을 확인하였다.In addition, the In-Plane Lattice Constant of the h-BN thin film using DFT (Density Functional Theory) is 0.256 nm, and the In-Plane Lattice Constant of the graphene layer is 0.24 nm, which is similar to the theoretical value. Was confirmed.

3. 육방정계 질화붕소(h-BN) 박막의 특성 비교3. Comparison of properties of hexagonal boron nitride (h-BN) thin films

도 5는 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 기판 상에 형성된 h-BN 박막의 자외선-가시광선 분광분석 그래프이다.5 is an ultraviolet-visible ray spectroscopy graph of an h-BN thin film formed on a substrate according to an embodiment and a comparative example of the present invention.

도 5를 참조하면, 실시예와 비교예에 모두 300 내지 800 nm 영역의 파장에서 약 98%의 높은 투과율을 가지고 있으며, 200 내지 300 nm 영역의 파장에서는 비교예에 비해 실시예에 따른 h-BN 박막의 흡수율이 급격하게 증가하는 것을 확인하였다.Referring to FIG. 5, both Examples and Comparative Examples have a high transmittance of about 98% at a wavelength in the 300 to 800 nm region, and h-BN according to the Example compared to the Comparative Example at a wavelength in the 200 to 300 nm region. It was confirmed that the absorption rate of the thin film increased rapidly.

또한 자외선-가시광선 분석 결과를 바탕으로 Tauc's equation을 이용하여 광학적 밴드 갭(Optical Bandgap)을 계산한 결과, 실시예에 따른 h-BN 박막의 경우 5.65 eV, 비교예에 따른 h-BN 박막의 경우 5.57 eV인 것을 확인하였다. 이는 다른 선행연구들에 의해 알려진 다층의 h-BN 박막의 광학적 밴드갭(5.56 내지 5.92 eV)과 유사하다.In addition, as a result of calculating the optical bandgap using Tauc's equation based on the results of ultraviolet-visible light analysis, the h-BN thin film according to the embodiment was 5.65 eV, and the h-BN thin film according to the comparative example It was confirmed that it was 5.57 eV. This is similar to the optical band gap (5.56 to 5.92 eV) of the multilayer h-BN thin film known by other previous studies.

도 6은 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 기판 상에 형성된 h-BN 박막을 이용하여 제작한 광 검출기의 자외선 파장의 반응도를 비교하여 나타낸 그래프와 이의 측정에 사용된 전극을 나타낸 도면이다.6 is a graph showing a comparison of the reactivity of an ultraviolet wavelength of a photodetector manufactured using an h-BN thin film formed on a substrate according to an embodiment of the present invention and a comparative example, and a view showing an electrode used for measurement thereof.

본 발명의 실시예와 비교예에 따라 형성된 h-BN 박막을 이용하여 광 검출기를 제작하였는데, h-BN 박막 위에 Ni/Au를 각각 50 nm로 증착하여 전극을 형성하였고, metal-semiconductor-metal(MSM)구조로 전극의 길이는 300 ㎛, 전극의 폭은 10 ㎛, 전극과 전극의 간격은 5 ㎛가 되도록 제작하였다.A photodetector was fabricated using the h-BN thin film formed according to the example and the comparative example of the present invention, and an electrode was formed by depositing Ni/Au at 50 nm on the h-BN thin film, respectively, and metal-semiconductor-metal ( MSM) structure, the length of the electrode was 300 ㎛, the width of the electrode was 10 ㎛, the distance between the electrode and the electrode was manufactured to be 5 ㎛.

이와 같이 제작된 광 검출기의 자외선 파장의 반응도를 알아보기 위해 역방향 전압에 따른 암실 분위기에서 측정된 암전류(Idark)와, 254 nm 파장을 갖는 4 W 파워의 램프를 사용하여 광전류(Iphoto)를 측정하였다.In order to find out the reactivity of the ultraviolet wavelength of the photodetector manufactured as described above, the dark current (I dark ) measured in a dark room atmosphere according to the reverse voltage and the photocurrent (I photo ) using a 4 W power lamp having a wavelength of 254 nm are used. It was measured.

실시예에 의해 제작된 광 검출기의 암전류는 -100 V의 역방향 전압인가 시 5.70×10-13 A, 광전류는 6.46×10-11 A로 확인되었고, 비교에예 의해 제작된 광 검출기의 암전류는 4.10×10-13 A, 광전류는 1.57×10-12 A로 확인되었다.The dark current of the photodetector fabricated according to the example was found to be 5.70×10 -13 A, and the photocurrent was 6.46×10 -11 A when a reverse voltage of -100 V was applied, and the dark current of the photo detector fabricated by the comparative example was 4.10. ×10 -13 A, photocurrent was confirmed to be 1.57 × 10 -12 A.

최종적으로, 암전류(Idark) 대비 광전류(Iphoto)의 비(Iphoto/Idark)를 계산한 결과, 실시예에 의해 제작된 광 검출기가 약 30 배 높은 반응도를 나타내었음을 확인하였다.Finally, as a result of calculating the ratio (I photo /I dark ) of the photocurrent (I photo ) to the dark current (I dark), it was confirmed that the photodetector prepared according to the Example exhibited about 30 times higher reactivity.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 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 자에게 자명한 것이다.On the other hand, the embodiments of the present invention disclosed in the specification and drawings are only presented specific examples to aid understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. It is apparent to those of ordinary skill in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention may be implemented in addition to the embodiments disclosed herein.

10: 기판
20: 그래핀층 또는 그래핀 산화물층
30: 육방정계 질화붕소 박막(h-BN 박막)
10: substrate
20: graphene layer or graphene oxide layer
30: hexagonal boron nitride thin film (h-BN thin film)

Claims (9)

(S1) 기판 상에 그래핀층을 전사시키는 단계; 및
(S2) 상기 그래핀층 상에, 붕소 함유 전구체와 질소 함유 전구체를 공급하면서 유기금속화학증착(MOCVD)법으로 열처리하여, 상기 그래핀층 상에 육방정계 질화붕소 박막을 형성시키는 단계를 포함하고,
상기 (S2) 단계는 700 내지 900 ℃의 온도로 열처리하는 저온처리 단계를 통해, h-BN 완충층을 형성하는 단계를 포함하는 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법.
(S1) transferring the graphene layer onto the substrate; And
(S2) heat treatment by an organometallic chemical vapor deposition (MOCVD) method while supplying a boron-containing precursor and a nitrogen-containing precursor on the graphene layer to form a hexagonal boron nitride thin film on the graphene layer,
The step (S2) is a method of manufacturing a hexagonal boron nitride thin film comprising forming an h-BN buffer layer through a low temperature treatment step of heat treatment at a temperature of 700 to 900°C.
제1항에 있어서,
상기 (S2) 단계는, 1,000 내지 1,200 ℃의 온도로 열처리하는 제1 열처리 단계; 및 1,250 내지 1,450 ℃의 온도로 열처리하는 고온처리 단계를 더 포함하고,
상기 h-BN 완충층은 상기 기판 및 상기 육방정계 질화붕소 박막 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법.
The method of claim 1,
The step (S2) may include a first heat treatment step of heat treatment at a temperature of 1,000 to 1,200°C; And further comprising a high-temperature treatment step of heat treatment at a temperature of 1,250 to 1,450 ℃,
The h-BN buffer layer is a method of manufacturing a hexagonal boron nitride thin film, characterized in that formed between the substrate and the hexagonal boron nitride thin film.
제2항에 있어서,
상기 제1 열처리 단계는 1 분 내지 5 분 동안 이루어지고,
상기 저온처리 단계는 3 분 내지 10 분 동안 이루어지며,
상기 고온처리 단계는 1 시간 내지 5 시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법.
The method of claim 2,
The first heat treatment step is performed for 1 minute to 5 minutes,
The low temperature treatment step is performed for 3 to 10 minutes,
The high-temperature treatment step is a method of manufacturing a hexagonal boron nitride thin film, characterized in that it is made for 1 to 5 hours.
제1항에 있어서,
상기 (S2) 단계는, 상기 붕소 함유 전구체와 상기 질소 함유 전구체가 번갈아 교번 공급되도록, 상기 붕소 함유 전구체와 상기 질소 함유 전구체를 각각 펄스(pulse) 공급하는 것을 특징으로 하는 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법.
The method of claim 1,
In the step (S2), the boron-containing precursor and the nitrogen-containing precursor are supplied in a pulse so that the boron-containing precursor and the nitrogen-containing precursor are alternately supplied. Way.
제4항에 있어서,
상기 펄스(pulse) 공급의 펄스 폭(pulse width)은 1 내지 10 초이고, 펄스 반복 주기(pulse repetition interval)는 2 내지 20 초인 것을 특징으로 하는 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법.
The method of claim 4,
The method of manufacturing a hexagonal boron nitride thin film, characterized in that the pulse width of the pulse supply is 1 to 10 seconds, and the pulse repetition interval is 2 to 20 seconds.
제1항에 있어서,
상기 기판은, 사파이어(Al2O3), 실리콘(Si), 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN), 비소화갈륨(GaAs), 산화아연(ZnO), 산화갈륨(Ga2O3), 산화리튬알루미늄(LiAlO2), 질화알루미늄(AlN), 게르마늄(Ge), 실리콘게르마늄(SiGe), 산화리튬갈륨(LiGaO2), 또는 산화마그네슘알루미늄(MgAl2O4)에서 선택되는 것을 특징으로 하는 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법.
The method of claim 1,
The substrate is sapphire (Al 2 O 3 ), silicon (Si), silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), gallium arsenide (GaAs), zinc oxide (ZnO), gallium oxide (Ga 2 O 3 ) , Lithium aluminum oxide (LiAlO 2 ), aluminum nitride (AlN), germanium (Ge), silicon germanium (SiGe), lithium gallium oxide (LiGaO 2 ), or magnesium aluminum oxide (MgAl 2 O 4 ). Method for producing a hexagonal boron nitride thin film.
제1항에 있어서,
상기 붕소 함유 전구체는, (CH3CH2)3B, (CH3)3B 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법.
The method of claim 1,
The boron-containing precursor is (CH 3 CH 2 ) 3 B, (CH 3 ) 3 B, or a mixture thereof.
제1항에 있어서,
상기 질소 함유 전구체는, NH3인 것을 특징으로 하는 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법.
The method of claim 1,
The nitrogen-containing precursor is a method of manufacturing a hexagonal boron nitride thin film, characterized in that NH 3.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 육방정계 질화붕소 박막을 구비하는 광전소자.A photoelectric device comprising a hexagonal boron nitride thin film manufactured by the method of any one of claims 1 to 8.
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