KR102619552B1 - Pn 접합을 갖는 3차원 마이크로 구조체 기반 압전소자 - Google Patents
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Abstract
압전 소자를 제공한다. 상기 압전 소자는 하부 기판과 상기 하부 기판 상에 배치된 하부 전극을 구비한다. 상기 하부 전극 상에 PN 접합부들을 각각 구비하는 복수 개의 나노 로드들이 배치된다. 상기 각 나노 로드의 PN 접합부는 상기 하부 전극에 인접하는 N형 영역, 상기 N형 영역 상부에 P형 영역, 및 상기 N형 영역과 상기 P형 영역의 계면에 인접한 영역에 형성된 공핍층을 구비한다. 상기 나노 로드들 사이에 인캡슐레이션층이 배치된다. 상기 나노 로드들 및 인캡슐레이션층 상에 상부 전극이 배치된다. 상기 상부 전극 상에 상부 기판이 배치된다.
Description
본 발명은 에너지 하베스팅 소자에 관한 것으로, 구체적으로 압전소자에 관한 것이다.
대표적인 친환경 기술에 속하는 에너지 하베스팅 소자는 태양광, 진동, 열, 풍력 등과 같이 자연적으로 발생하는 에너지를 수확하여 전기에너지로 변환하는 소자를 의미한다. 에너지 하베스팅 소자 중 압력, 진동과 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 진동에너지 하베스팅 소자는 압전 (Piezoelectric) 방식, 정전 (Electrostatic) 방식, 전자기 방식 (Electromagnetic) 방식, 자왜 (Magnetrostrictive) 방식으로 나뉠 수 있다. 진동 에너지를 이용한 에너지 하베스팅 소자는 일상적인 동작(호흡, 걷기, 뛰기, 두드림, 스트레칭 등)으로부터도 전력 생성이 가능하고 전자노이즈가 발생되지 않아 반영구적으로 사용할 수가 있는 장점을 가지고 있다.
압전방식의 에너지 하베스팅 소자의 경우, 태양광 에너지, 열 에너지 등을 이용하는 하베스팅 소자에 비해 변환효율은 매우 우수한 것으로 알려져 있지만 단위 용량당 전력밀도가 상대적으로 낮다고 알려져 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 출력 전압이 향상된 압전 방식의 에너지 하베스팅 소자를 제공함에 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 압전 소자를 제공한다. 상기 압전 소자는 하부 기판과 상기 하부 기판 상에 배치된 하부 전극을 구비한다. 상기 하부 전극 상에 PN 접합부들을 각각 구비하는 복수 개의 나노 로드들이 배치된다. 상기 각 나노 로드의 PN 접합부는 상기 하부 전극에 인접하는 N형 영역, 상기 N형 영역 상부에 P형 영역, 및 상기 N형 영역과 상기 P형 영역의 계면에 인접한 영역에 형성된 공핍층을 구비한다. 상기 나노 로드들 사이에 인캡슐레이션층이 배치된다. 상기 나노 로드들 및 인캡슐레이션층 상에 상부 전극이 배치된다. 상기 상부 전극 상에 상부 기판이 배치된다.
상기 각 나노 로드는 상기 하부 전극에 인접하는 제1 PN 접합부, 제1 PN 접합부 상에 위치하는 제2 PN 접합부, 및 상기 제1 PN 접합부와 상기 제2 PN 접합부 사이에 배치된 터널접합부를 구비할 수 있다. 상기 제1 PN 접합부와 상기 제2 PN 접합부의 각각은 상기 N형 영역, 상기 P형 영역, 및 상기 공핍층을 구비할 수 있다. 상기 터널접합부는 상기 제1 PN 접합부의 P형 영역 대비 P형 도펀트의 도핑 농도가 더 높은 P++ 영역과 상기 제2 PN 접합부의 N형 영역 대비 N형 도펀트의 도핑 농도가 더 높은 N++ 영역을 구비할 수 있다. 상기 각 나노 로드는 상기 N형 영역과 상기 P형 영역 사이에 상기 공핍층이 형성된 진성 영역을 더 포함할 수 있다.
상기 나노 로드들은 육방정 우르짜이트 결정구조를 갖는 구조체들일 수 있다. 상기 나노 로드들은 GaN 나노 로드들일 수 있다. 상기 각 나노 로드는 상기 하부 전극에 인접하는 육각 기둥과 상기 상부 전극에 인접하는 뾰족한 단부를 구비할 수 있다. 상기 육각 기둥은 6개의 m-면들을 가지고, 상기 뾰족한 단부는 6개의 {1-101}면들을 가질 수 있다. 상기 단부는 상기 6개의 {1-101}면들이 하나의 점에 모인 꼭지점을 구비하거나 혹은 상기 6개의 {1-101}면들에 접하는 c-면을 상부면으로 구비할 수 있다. 상기 육각 기둥은 수백 nm의 직경을 갖고, 상기 나노 로드의 종횡비는 2 내지 10이고, 상기 육각기둥의 높이는 상기 단부의 높이에 비해 5 내지 15배일 수 있다.
상기 하부 전극은 상기 나노 로드들에 오믹 접합되고, 상기 상부 전극은 상기 나노 로드들에 쇼트키 접합되는 것일 수 있다.
상기 상부 기판 및 상기 하부 기판은 인간의 피부와 같거나 혹은 이보다 작은 탄성계수를 가질 수 있다. 상기 상부 기판 및 상기 하부 기판은, 다수의 기공을 갖는 실리콘 고분자(silicone polymer)와 탄소의 복합소재일 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 압전 소자의 제조방법을 제공한다. 먼저, 성장 기판 상에 상기 성장 기판의 상부 표면을 노출시키는 복수 개의 개구부들을 갖는 마스크층을 형성한다. 상기 개구부들 내에 노출된 성장 기판의 상부 표면 상에 유기금속화학증착법 (MOCVD)을 사용하여, PN 접합부들을 각각 구비하는 복수 개의 나노 로드들을 성장시킨다. 상기 각 나노 로드의 PN 접합부는 상기 하부 전극에 인접하는 N형 영역, 상기 N형 영역 상부에 P형 영역, 및 상기 N형 영역과 상기 P형 영역의 계면에 인접한 영역에 형성된 공핍층을 구비한다. 상기 나노 로드들 사이에 인캡슐레이션층을 배치한다. 상기 성장 기판 및 상기 마스크층을 분리하여, 상기 나노 로드들 및 인캡슐레이션층의 하부면을 노출시킨다. 상기 노출된 상기 나노 로드들 및 인캡슐레이션층의 하부면 상에 하부 전극과 하부 기판을 차례로 형성한다. 상기 나노 로드들 및 인캡슐레이션층의 상부면 상에 상부 전극 및 상부 기판을 차례로 형성한다.
상기 복수 개의 나노 로드들을 성장시키는 것은 상기 성장 기판을 챔버 내에 로딩한 후, 상기 챔버 내에 금속 전구체를 캐리어 가스와 함께 주입하는 단계; 상기 금속 전구체의 주입을 중단하고, 상기 캐리어 가스만 주입하는 단계; 반응 가스를 상기 캐리어 가스와 함께 주입하는 단계; 및 상기 반응 가스의 주입을 중단하고, 상기 캐리어 가스만 주입하는 단계를 구비하는 단위 사이클을 복수회 진행하여 수행할 수 있다. 상기 단위 사이클을 수백회 반복 진행하여 상기 나노 로드들을 성장킬 수 있다. 상기 나노 로드들을 성장시키는 것은 700 내지 1300 ℃에서 수행할 수 있다. 상기 금속 전구체는 트리메틸갈륨(trimethyl gallium, TMGa)이고, 상기 반응가스는 암모니아이고, 상기 캐리어 가스는 수소 (H2), 질소 (N2), 또는 아르곤 (Ar)을 함유할 수 있다.
상기 나노 로드들 내에 구비된 P형 영역은 상기 금속 전구체를 주입할 때 P형 도펀트 전구체를 상기 챔버 내에 주입하여 형성하고, 상기 나노 로드들 내에 구비된 N형 영역은 상기 금속 전구체를 주입할 때 N형 도펀트 전구체를 상기 챔버 내에 주입하여 형성할 수 있다. 상기 P형 도펀트 전구체는 비스(사이클로펜타디에닐)마그네슘 (Cp2Mg)이고, 상기 N형 도펀트 전구체는 실레인(SiH4)일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 출력 전압이 향상된 압전 방식의 에너지 하베스팅 소자가 제공될 수 있다. 나아가, 인체에 무해한 소재를 활용하여 제작되므로 우수한 생체/환경 적합성을 가질 수 있다.
그러나, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1a, 도 2a, 도 3a, 도 4a, 도 5a, 및 도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자의 제조방법을 나타낸 사시도들이고, 도 1b, 도 2b, 도 3b, 도 4b, 도 5b, 및 도 6b는 각각 도 1a, 도 2a, 도 3a, 도 4a, 도 5a, 및 도 6a의 절단선들 I-I'를 따라 취해진 단면도들이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 로드를 성장시키기 위한 유기금속화학증착법 (MOCVD)의 단위 사이클을 나타낸 모식도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 로드 성장 과정을 나타낸 모식도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 로드의 성장을 단계별로 나타낸 모식도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자의 동작을 나타낸 모식도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 소자를 나타낸 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 로드를 성장시키기 위한 유기금속화학증착법 (MOCVD)의 단위 사이클을 나타낸 모식도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 로드 성장 과정을 나타낸 모식도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 로드의 성장을 단계별로 나타낸 모식도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자의 동작을 나타낸 모식도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 소자를 나타낸 사시도이다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면들에 있어서, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다. 본 실시예들에서 "제1", "제2", 또는 "제3"는 구성요소들에 어떠한 한정을 가하려는 것은 아니며, 다만 구성요소들을 구별하기 위한 용어로서 이해되어야 할 것이다.
도 1a, 도 2a, 도 3a, 도 4a, 도 5a, 및 도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자의 제조방법을 나타낸 사시도들이고, 도 1b, 도 2b, 도 3b, 도 4b, 도 5b, 및 도 6b는 각각 도 1a, 도 2a, 도 3a, 도 4a, 도 5a, 및 도 6a의 절단선들 I-I'를 따라 취해진 단면도들이다.
도 1a 및 도 1b를 참고하면, 성장 기판(100)이 제공될 수 있다. 상기 성장 기판(100)은 육방정계 결정구조 (Hexagonal Crystal Structure) 우르짜이트(wurtzite) 결정구조를 갖는 기판으로 일 예로서, 사파이어 기판일 수 있다. 상기 사파이어 기판의 상부면은 c-면일 수 있다.
상기 성장 기판(100) 상에 핵생성 입자들(105)을 형성할 수 있다. 상기 핵생성 입자들(105)은 결정핵 생성을 위한 입자로서, 일 예로서 AlN 또는 InN입자들일 수 있다. 이러한 핵생성 입자들(105)은 수 nm의 두께로 매우 얇게 형성됨에 따라 입자 형태를 가질 수 있고 핵생성 입자들(105) 사이에 상기 성장 기판(100)의 상부면이 노출될 수 있다.
상기 핵생성 입자들(105)이 형성된 상기 성장 기판(100) 상에, 복수 개의 개구부들(110a)을 갖는 마스크층(110)을 형성할 수 있다. 상기 개구부들(110a) 내에 상기 핵생성 입자들(105) 및 상기 성장 기판(100)의 일부 표면이 노출될 수이다. 상기 마스크층은 이산화규소 혹은 질화규소층일 수 있다.
그러나, 이에 한정되지 않고 상기 핵생성 입자들(105)을 형성하지 않을 수도 있다.
도 2a 및 도 2b를 참고하면, 상기 개구부들(110a) 내에 노출된 상기 핵생성 입자들(105) 및/또는 상기 성장 기판(100)의 표면 상에 나노 로드들(200)을 성장시킬 수 있다.
상기 나노 로드들(200)은 육방정 우르짜이트 결정구조를 갖는 구조체들로서, 수백 nm의 직경과 종횡비가 2 내지 10 일 예로서, 3 내지 7인 나노로드들일 수 있다. 일 예로서, 상기 나노 로드들(200)의 직경은 100 내지 500nm이고, 높이는 200 nm 내지 5 ㎛일 수 있다.
상기 나노 로드들(200)은 상기 성장 기판(100)의 상부면에 수직인 6개의 m-면({1-100} 면, 200c)으로 이루어진 육각기둥과 이 육각기둥의 상부에 6개의 {1-101}면들(200b)을 구비하는 뾰족한 단부를 가질 수 있다. 상기 육각기둥의 직경은 수백 nm일 수 있다. 상기 단부는 6개의 {1-101}면들이 하나의 점에 모인 꼭지점을 구비하거나 혹은 6개의 {1-101}면들에 접하고 상기 성장 기판(100)의 상부면에 평행한 혹은 상기 m-면에 수직인 c-면((0001) 면, 200a)을 구비할 수 있다. 상기 단부의 최상부면인 c-면은 상기 육각기둥의 단면 대비 0.1 내지 0.2배의 면적을 가질 수 있다.
상기 육각기둥의 높이(H1)는 상기 단부의 높이(H2)에 비해 클 수 있다. 일 예로서, 상기 육각기둥의 높이(H1)는 상기 단부의 높이(H2)에 비해 5 내지 15배, 구체적으로는 8 내지 12배일 수 있다.
상기 나노 로드들(200)은 III-V 족 반도체 일 예로서, GaN 또는 AlN 나노 로드들일 수 있다. 일 예에서, 상기 나노 로드들(200)은 인체에 무해한 GaN 나노로드일 수 있다. 상기 나노 로드들(200)이 상기 성장 기판(100)과 접촉하는 하부면은 V족 원자들이 노출된 V족원자-면이고, 상기 나노 로드들(200)의 최상부면 즉, c-면((0001) 면, 200a)은 III족 원자들이 노출된 III족원자-면일 수 있다. 일 예로서, 상기 나노 로드들(200)이 GaN 나노로드인 경우, 상기 V족원자-면은 N-면(N-face)이고 상기 III족원자-면은 Ga-면(Ga-face)일 수 있다.
또한, 나노 로드들(200)은 유기금속화학증착법 (MOCVD)을 이용하되 측면성장(lateral growth) 대비 수직성장(vertical growth) 속도가 더 큰 조건에서 성장된 것일 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 로드를 성장시키기 위한 유기금속화학증착법 (MOCVD)의 단위 사이클을 나타낸 모식도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 로드 성장 과정을 나타낸 모식도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 챔버 내에 금속 전구체를 캐리어 가스와 함께 일정 시간 동안 주입할 수 있다. 이 과정에서, 나노 로드(200)의 m-면들(200c), {1-101}면들(200b), 및 c-면(200a) 상에 금속 전구체의 금속원자가 흡착될 수 있다(단계 (a)).
이 후, 챔버 내에 일정 시간 동안 금속 전구체의 주입을 중단하고 캐리어 가스만 주입할 수 있다. 이 때, 나노 로드(200)의 m-면들(200c), {1-101}면들(200b), 및 c-면(200a) 상에 흡착된 금속원자들 중 일부는 탈착되고, 또 다른 일부는 m-면(200c)으로부터 c-면(200a)으로 확산될 수 있다. 이는 m-면(200c)에 비해 c-면(200a)에 대한 금속원자의 흡착계수(sticking coefficient)가 상대적으로 크기 때문이다. 결과적으로, 금속 전구체의 주입을 중단된 후 소정 시간 경과하였을 때 m-면들(200c)에 비해 c-면(200a) 그리고 c-면들 주변의 {1-101}면들 상에 흡착된 금속원자들이 더 많을 수 있다(단계 (b)).
다음으로, 챔버 내에 반응 가스를 캐리어 가스와 함께 일정 시간 동안 주입할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, m-면들(200c)에 비해 c면(200a) 그리고 c면(200a) 주변의 {1-101}면들(200b) 상에 흡착된 금속원자들이 더 많이 존재하므로, 흡착된 금속원자들과 주입된 반응가스의 반응에 따른 성장은 m-면들(200c)에 비해 c면(200a) 그리고 c면(200a) 주변의 {1-101}면들(200b)에서 주로 일어날 수 있다(단계 (c)).
이 후, 챔버 내에 일정 시간 동안 반응 가스의 주입을 중단하고 캐리어 가스만 주입할 수 있다. 이 때, 반응에 참여하지 않은 반응 가스는 나노 로드(200) 표면으로부터 제거될 수 있다.
이와 같은 메커니즘에 의해, 상기 나노 로드들(200)은 측면성장(lateral growth) 대비 수직성장(vertical growth) 속도가 더 클 수 있고, 이에 따라 앞서 설명한 바와 같이 상기 육각기둥의 높이(도 2b의 H1)는 상기 단부의 높이(도 2b의 H2)에 비해 클 수 있다.
상기 금속 전구체 가스는 트리메틸갈륨(trimethyl gallium, TMGa)일 수 있고, 상기 반응가스는 암모니아일 수 있다. 상기 캐리어 가스는 수소 (H2), 질소 (N2), 아르곤 (Ar), 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 나노로드 성장을 위한 MOCVD 사이클은 700 내지 1300 ℃에서 수행할 수 있다. 상기 단위 사이클은 수백회 일 예로서, 100 내지 500회 반복할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 로드의 성장을 단계별로 나타낸 모식도이다.
도 9를 참조하면, 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한 개구부들(110a) 내에 표면이 노출된 성장 기판(100)을 챔버 내에 로딩하고, 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한 바와 같이 나노 로드들(200)을 성장시킬 수 있다.
도 7 및 도 8을 참조하여 설명한 바와 같이, 나노 로드들(200)은 c면(200a)이 다른 면들에 비해 빠르게 성장함에 따라 수직성장할 수 있다. 구체적으로, 도 7을 참조하여 설명한 MOCVD 사이클을 상기 개구부들(110a) 내에 표면이 노출된 성장 기판(100)에 대해 수행하는 경우, 상기 개구부들(110a) 내에 노출된 상기 성장 기판(100)의 표면 상에, 6개의 {1-101}면들과 6개의 {1-101}면들에 접하고 상기 성장 기판(100)의 상부면에 평행한 c-면((0001) 면, 200a)을 갖는 피라미드 형태의 구조체가 형성될 수 있다. 이는 상기 개구부들(110a) 내에 표면이 노출된 성장 기판(100)의 표면이 c-면이기 때문에 c-면이 우선성장되는 이유도 있을 수 있다(a).
이 후, 도 7을 참조하여 설명한 MOCVD 사이클을 계속 수행하는 경우 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한 바와 같이, 나노 로드들(200)은 c면(200a)이 다른 면들에 비해 빠르게 성장함에 따라, 수직성장하여, 상기 성장 기판(100)의 상부면에 수직인 6개의 m-면({1-100} 면, 200c)으로 이루어진 육각기둥과 이 육각기둥의 상부에 6개의 {1-101}면들(200b)을 구비하는 단부(tip)를 가질 수 있다. 상기 단부는 6개의 {1-101}면들이 하나의 점에 모인 꼭지점을 구비하거나 혹은 6개의 {1-101}면들에 접하고 상기 성장 기판(100)의 상부면에 평행한 c-면((0001) 면, 200a)을 구비할 수 있다.
다시 도 2a 및 도 2b를 참고하면, 상기 각 나노 로드(200)는 하부 부분에 제1 도전형 도펀트로 도핑된 제1 도전형 영역(211), 상부 부분에 제2 도전형 도펀트로 도핑된 제2 도전형 영역(217)을 구비할 수 있다. 상기 제1 도전형과 상기 제2 도전형 중 하나는 P형이고 다른 하나는 N형 일 수 있다. 일 예로서, 제1 도전형 영역(211)은 N형 영역이고, 제2 도전형 영역(217)은 P형 영역일 수 있다. 이에 따라, 제1 도전형 영역(211)과 제2 도전형 영역(217)은 PN 접합부를 구성하여, 이들 사이의 계면을 포함한 영역에 자유 이송자(free carrier)가 소모되면서 형성된 공핍층(depletion layer)가 형성될 수 있다. N형 도펀트는 Si일 수 있고, P형 도펀트는 Mg일 수 있다.
상기 P형 또는 N형 도핑은 도 7을 참조하여 설명한 MOCVD 사이클에서 금속 전구체를 챔버내로 주입할 때 P형 또는 N형 도펀트 전구체를 함께 주입하여 수행할 수 있다. P형 도펀트 전구체는 비스(사이클로펜타디에닐)마그네슘 (Cp2Mg)일 수 있고, N형 도펀트 전구체는 실레인(SiH4)일 수 있다.
상기 제1 도전형 영역(211)과 상기 제2 도전형 영역(217) 사이에 도펀트가 도핑되지 않은 진성 영역(intrinsic region, 215)이 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 각 나노 로드(200)는 차례로 적층된 제1 도전형 영역(211), 진성 영역(intrinsic region, 215), 및 제2 도전형 영역(217)을 구비할 수 있다. 상기 진성 영역(intrinsic region, 215)을 포함한 영역 내에 공핍층이 형성될 수 있다.
한편, 앞서 설명한 {1-101}면들(200b) 그리고 c-면(200a)을 포함한 단부는 제2 도전형 영역(217)에 포함될 수 있다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 상기 나노 로드들(200) 상에 인캡슐레이션층(encapsulation layer, 300)을 형성할 수 있다. 상기 인캡슐레이션층(300)은 상기 나노 로드들(200) 사이의 영역을 충진하며, 상기 인캡슐레이션층(300)의 상부면은 상기 나노 로드들(200)의 상부면 혹은 상부 꼭지점과 실질적으로 동일한 레벨에 위치하도록 형성할 수 있다. 상기 인캡슐레이션층(300)은 스핀코팅법으로 형성할 수 있고, 에폭시레진 (Epoxy resin), 에코플렉스 (Ecoflex), 폴리메틸 메타크릴레이트 (PMMA), 폴리디메틸실록산 (PDMS), 폴리바이닐 알코올 (PVA) 등의 유연 탄성고분자로 형성할 수 있다. 상기 인캡슐레이션층(300)이 유연한 고분자로 형성된 경우, 압전 소자가 외력에 의해 눌리거나 구부려질 때 나노 로드들(200)이 파손되는 것을 방지할 수 있어, 압전 소자의 내구성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 성장 기판(100)의 하부면에 레이저(L)를 조사하여, 상기 성장 기판(100) 및 상기 마스크층(110)을 분리하여, 상기 나노 로드들(200) 및 인캡슐레이션층(300)의 하부면을 노출시킬 수 있다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 노출된 상기 나노 로드들(200) 및 인캡슐레이션층(300)의 하부면 상에 하부 전극(610)을 형성할 수 있다. 상기 하부 전극(610)은 전자빔 증착 (e-beam evaporation), 스퍼터링 (sputtering) 등의 일반적인 반도체 공정을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 하부 전극(610)은 상기 나노 로드(200)의 하부면 즉, 앞서 설명한 V족원자-면(일 예로서, N-face)에 오믹 접합할 수 있는 In층을 포함할 수 있다. 이 경우, 후속하는 열처리 과정에서 계면(interfacial) InN층이 형성되어 오믹특성이 향상될 수 있다. 상기 하부 전극(610)은 상기 In층 상에 배치된 Ti/Al, Cr/Au, 또는 ITO층을 더 포함할 수 있다. 한편, 상기 하부 전극(610)을 형성한 후 열처리를 통해, 상기 하부 전극(610)을 상기 나노 로드(200)에 오믹 접합시킬 수 있다. 이 때, 열처리는 300 내지 500 ℃에서 수행할 수 있다. 상기 하부 전극(610)은 약 100 내지 300 nm의 두께로 형성하여 유연성을 가질 수 있도록 할 수 있다.
상기 하부 전극(610) 상에 하부 기판(620)을 배치할 수 있다. 상기 하부 기판(620)은 전도성을 가지면서 유연한 소재를 사용하여 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 하부 기판(620)은 동물 일 예로 인간의 피부와 같거나 혹은 이보다 작은 탄성계수 일 예로서, 0.1 내지 20 KPa를 가져 피부의 굴곡부 상에 압전소자를 밀착시킬 수 있도록 할 수 있다. 상기 하부 기판(620)은 실리콘 고분자(silicone polymer)와 탄소의 복합소재이되, 다수의 기공을 갖는 다공성 소재일 수 있다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 상기 나노 로드들(200)의 뾰족한 단부 및 인캡슐레이션층(300)의 상부면 상에 상부 전극(510)을 형성할 수 있다. 상기 상부 전극(510)은 전자빔 증착 (e-beam evaporation), 스퍼터링 (sputtering) 등의 일반적인 반도체 공정을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 상부 전극(510)은 상기 하부 전극(610)과는 달리 상기 나노 로드(200)의 일함수보다 매우 큰 일함수를 갖는 물질을 사용하여 형성할 수 있다. 일 예로서, 상기 상부 전극(510)은 니켈 (Ni), 백금(Pt), 금 (Au), 팔라듐(Pd), 또는 인듐 주석 산화물 (ITO)을 포함할 수 있다. 상기 상부 전극(510)은 상기 나노 로드(200)에 쇼트키 접합될 수 있다. 상기 상부 전극(510)은 약 100 내지 300 nm의 두께로 형성하여 유연성을 가질 수 있도록 할 수 있다.
상기 상부 전극(510) 상에 상부 기판(520)을 배치할 수 있다. 상기 상부 기판(520)은 상기 하부 기판(620)과 마찬가지로 전도성을 가지면서 유연한 소재를 사용하여 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 상부 기판(520)은 동물 일 예로 인간의 피부와 같거나 혹은 이보다 작은 탄성계수를 가져 피부의 굴곡부 상에 압전소자를 밀착시킬 수 있도록 할 수 있다. 상기 상부 기판(520)은 실리콘 고분자(silicone polymer)와 탄소의 복합소재이되, 다수의 기공을 갖는 다공성 소재일 수 있다.
이와 같이, 상부 기판(520) 뿐 아니라 하부 기판(620)을 모두 동물이 피부와 갖거나 작은 탄성계수를 갖는 초유연성 전도성 기판으로 사용함에 따라, 피부와 초밀착시킬 수 있고 이에 따라 피부와의 기계적 특성 미스매치를 최소화할 수 있다. 그 결과, 동물로부터 발생하는 진동 등 미세 기계에너지를 높은 효율로 하베스팅할 수 있다. 이에 따라, 이 압전 소자를 웨어러블 디바이스와 전기적으로 연결하여 자가발전 웨어러블 디바이스를 가능하게 할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자의 동작을 나타낸 모식도이다.
도 10을 참조하면, 압전소자에 외력(F)이 가해지면, 나노 로드(200) 내에 압전 포텐셜이 생성될 수 있다. 구체적으로, 상기 나노 로드(200)는 c-축으로 성장된 즉, 수직성장된 우르짜이트 구조를 갖는 결정성 구조체로서, 이 결정 구조에서 기인하는 비대칭적 전하분포는 외력에 의해 분극을 유발하여 압전 포텐셜을 생성할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 나노 로드(200)는 제1 도전형 영역(211)과 제2 도전형 영역(217) 사이의 계면을 포함한 영역에 공핍층(depletion layer)를 형성할 수 있는데, 이러한 공핍층(depletion layer)는 제1 도전형 영역(211)과 제2 도전형 영역(217) 내의 자유 캐리어를 소모하므로, 이러한 자유 캐리어에 의해 압전 포텐셜이 차폐되는 것을 방지할 수 있다. 이와 같이, 내부에 PN 접합을 포함하는 나노 로드(200)는 외력(F)에 의해 더 큰 압전 포텐셜을 생성할 수 있다.
상기 외력(F)이 압축력일 경우, 상기 압전 포텐셜에 의해 상부 전극(510)에는 (+) 전압이 생성되고 상기 하부 전극(610)에는 (-) 전압이 생성될 수 있다. 그 결과, 상기 상부 전극(510)과 상기 하부 전극(610) 사이에 전기적으로 연결된 외부 회로를 통해 전자가 상기 상부 전극(510)으로 이동할 수 있다.
또한, 앞서 설명한 바와 같이 상기 상부 전극(510)은 상기 나노 로드(200)에 쇼트키 접합됨에 따라, 이들 사이의 쇼트키 베리어로 인해 상기 상부 전극(210)으로 이동한 전자는 상기 상부 전극(210)과 상기 나노 로드(200) 사이의 쇼트키 배리어에서 축적될 수 있다. 상기 축적된 전자는 상기 외력(F)이 제거되면 다시 상기 외부회로를 따라 반대방향으로 흐를 수 있다. 이와 같이, 외력(F)이 가해지고 제거되는 과정에서 전기적 전류 펄스가 생성될 수 있다.
또한, 나노 로드(200)는 큰 종횡비를 가지고 또한 뾰족한 단부를 가짐에 따라, 상기 외력(F)에 의해 상기 나노 로드(200)에 가해지는 응력이 길이 방향으로 집중될 수 있고, 이에 따라 더 큰 압전 포텐셜이 생성될 수 있다. 그 결과, 외력(F)이 가해지고 제거되는 과정에서 나타나는 출력전압이 향상될 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전 소자를 나타낸 사시도로서, 일 실시예에 따른 압전 소자 대비 나노 로드 내에 포함된 도전형 영역들의 구성에 차이가 있고, 그 외에는 유사할 수 있다.
도 11을 참조하면, 각 나노 로드(200)는 다중접합 구조 구체적으로, 하부 부분에 제1 PN 접합부(230), 상부 부분에 제2 PN 접합부(210), 및 상기 제1 PN 접합부(230)와 상기 제2 PN 접합부(210) 사이에 배치된 터널접합부(220)를 구비할 수 있다.
상기 제1 PN 접합부(230)는 하부 부분에 제1 도전형 도펀트로 도핑된 제1 도전형 영역(231), 상부 부분에 제2 도전형 도펀트로 도핑된 제2 도전형 영역(237)을 구비할 수 있다. 상기 제1 도전형과 상기 제2 도전형 중 하나는 P형이고 다른 하나는 N형 일 수 있다. 일 예로서, 제1 도전형 영역(231)은 N형 영역이고, 제2 도전형 영역(237)은 P형 영역일 수 있다. 이에 따라, 제1 도전형 영역(231)과 제2 도전형 영역(237) 사이의 계면을 포함한 영역에 자유 이송자가 소모되면서 공핍층이 형성될 수 있다. 상기 제1 도전형 영역(231)과 상기 제2 도전형 영역(237) 사이에 도펀트가 도핑되지 않은 진성 영역(intrinsic region, 235)이 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 PN 접합부(230)는 차례로 적층된 제1 도전형 영역(231), 진성 영역(intrinsic region, 235), 및 제2 도전형 영역(237)을 구비할 수 있다. 상기 진성 영역(intrinsic region, 235)을 포함한 영역 내에 공핍층이 형성될 수 있다.
상기 제2 PN 접합부(210)는 하부 부분에 제1 도전형 도펀트로 도핑된 제1 도전형 영역(211), 상부 부분에 제2 도전형 도펀트로 도핑된 제2 도전형 영역(217)을 구비할 수 있다. 상기 제1 도전형과 상기 제2 도전형 중 하나는 P형이고 다른 하나는 N형 일 수 있다. 일 예로서, 제1 도전형 영역(211)은 N형 영역이고, 제2 도전형 영역(217)은 P형 영역일 수 있다. 이에 따라, 제1 도전형 영역(211)과 제2 도전형 영역(217) 사이의 계면을 포함한 영역에 자유 이송자가 소모되면서 공핍층이 형성될 수 있다. 상기 제1 도전형 영역(211)과 상기 제2 도전형 영역(217) 사이에 도펀트가 도핑되지 않은 진성 영역(intrinsic region, 215)이 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 제2 PN 접합부(210)는 차례로 적층된 제1 도전형 영역(211), 진성 영역(intrinsic region, 215), 및 제2 도전형 영역(217)을 구비할 수 있다. 상기 진성 영역(intrinsic region, 215)을 포함한 영역 내에 공핍층이 형성될 수 있다.
상기 터널접합부(220)는 상기 제1 PN 접합부(230)의 제2 도전형 영역(237) 대비 제2 도전형 도펀트의 도핑 농도가 더 높은 제2 도전형 영역 즉, P++ 영역(222) 및 상기 상기 제2 PN 접합부(210)의 제1 도전형 영역(211) 대비 제1 도전형 도펀트의 도핑 농도가 더 높은 제1 도전형 영역, 즉, N++ 영역(223)을 구비할 수 있다.
이러한 나노 로드(200)를 구비하는 압전 소자는 상기 나노 로드(200) 내에 차례로 적층된 제1 PN 접합부(230)와 제2 PN 접합부(210)를 구비함에 따라, 하나의 PN 접합부를 갖는 경우 대비 제1 PN 접합부(230)와 제2 PN 접합부(210) 내에 두층의 공핍층들이 각각 형성됨에 따라 자유 캐리어를 더 많이 소모하여 압전 포텐셜 차폐를 방지할 수 있다. 이는 상기 나노 로드(200)가 큰 종횡비를 갖기 때문에 하나의 PN 접합부로는 자유 캐리어를 충분히 소모하기 어려울 수 있기 때문이다. 또한, 상기 터널접합부(220)는 제1 PN 접합부(230)와 제2 PN 접합부(210) 내에 두층의 공핍층들이 각각 형성될 때 제1 PN 접합부(230)와 제2 PN 접합부(210) 사이에 자유 캐리어의 이동을 더 원활하게 할 수 있어 자유 캐리어 소모를 더 촉진할 수 있다. 이에 따라, 큰 종횡비를 갖는 나노 로드(200) 내에 외력에 의해 생성되는 압전 포텐셜의 크기를 더 증가시킬 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
Claims (20)
- 하부 기판;
상기 하부 기판 상에 배치된 하부 전극;
상기 하부 전극 상에 PN 접합부들을 각각 구비하는 복수 개의 나노 로드들이 배치되되, 상기 각 나노 로드의 PN 접합부는 상기 하부 전극에 인접하는 N형 영역, 상기 N형 영역 상부에 P형 영역, 및 상기 N형 영역과 상기 P형 영역의 계면에 인접한 영역에 형성된 공핍층을 구비하고;
상기 나노 로드들 사이에 배치된 인캡슐레이션층;
상기 나노 로드들 상에 배치된 상부 전극; 및
상기 상부 전극 상에 배치된 상부 기판을 구비하되,
상기 각 나노 로드는 상기 하부 전극에 인접하는 제1 PN 접합부, 제1 PN 접합부 상에 위치하는 제2 PN 접합부, 및 상기 제1 PN 접합부와 상기 제2 PN 접합부 사이에 배치된 터널접합부를 구비하고,
상기 제1 PN 접합부와 상기 제2 PN 접합부의 각각은 상기 N형 영역, 상기 P형 영역, 및 상기 공핍층을 구비하는 압전 소자. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 터널접합부는 상기 제1 PN 접합부의 P형 영역 대비 P형 도펀트의 도핑 농도가 더 높은 P++ 영역과 상기 제2 PN 접합부의 N형 영역 대비 N형 도펀트의 도핑 농도가 더 높은 N++ 영역을 구비하는 압전 소자. - 제1항에 있어서,
상기 N형 영역과 상기 P형 영역 사이에 상기 공핍층이 형성된 진성 영역을 더 포함하는 압전 소자. - 제1항에 있어서,
상기 나노 로드들은 육방정 우르짜이트 결정구조를 갖는 구조체들인 압전 소자. - 제1항에 있어서,
상기 나노 로드들은 GaN 나노 로드들인 압전 소자. - 제5항에 있어서,
상기 각 나노 로드는 상기 하부 전극에 인접하는 육각 기둥과 상기 상부 전극에 인접하는 뾰족한 단부를 구비하는 압전 소자. - 제7항에 있어서,
상기 육각 기둥은 6개의 m-면들을 가지고,
상기 뾰족한 단부는 6개의 {1-101}면들을 갖는 압전 소자. - 제8항에 있어서,
상기 단부는 상기 6개의 {1-101}면들이 하나의 점에 모인 꼭지점을 구비하거나 혹은 상기 6개의 {1-101}면들에 접하는 c-면을 상부면으로 구비하는 압전 소자. - 제7항에 있어서,
상기 육각 기둥은 수백 nm의 직경을 갖고,
상기 나노 로드의 종횡비는 2 내지 10이고,
상기 육각기둥의 높이는 상기 단부의 높이에 비해 5 내지 15배인 압전 소자. - 제1항에 있어서,
상기 하부 전극은 상기 나노 로드들에 오믹 접합되고,
상기 상부 전극은 상기 나노 로드들에 쇼트키 접합되는 것인 압전 소자. - 제1항에 있어서,
상기 상부 기판 및 상기 하부 기판은 인간의 피부와 같거나 혹은 이보다 작은 탄성계수를 갖는 압전 소자. - 제12항에 있어서,
상기 상부 기판 및 상기 하부 기판은,
다수의 기공을 갖는 실리콘 고분자(silicone polymer)와 탄소의 복합소재인 압전 소자. - 성장 기판 상에 상기 성장 기판의 상부 표면을 노출시키는 복수 개의 개구부들을 갖는 마스크층을 형성하는 단계;
상기 개구부들 내에 노출된 성장 기판의 상부 표면 상에 유기금속화학증착법 (MOCVD)을 사용하여, PN 접합부들을 각각 구비하는 복수 개의 나노 로드들을 성장시키되, 상기 각 나노 로드의 PN 접합부는 상기 성장 기판에 인접하는 N형 영역, 상기 N형 영역 상부에 P형 영역, 및 상기 N형 영역과 상기 P형 영역의 계면에 인접한 영역에 형성된 공핍층을 구비하는 단계;
상기 나노 로드들 사이에 인캡슐레이션층을 배치하는 단계;
상기 성장 기판 및 상기 마스크층을 분리하여, 상기 나노 로드들 및 인캡슐레이션층의 하부면을 노출하는 단계;
상기 노출된 상기 나노 로드들 및 인캡슐레이션층의 하부면 상에 하부 전극과 하부 기판을 차례로 형성하는 단계; 및
상기 나노 로드들 및 인캡슐레이션층의 상부면 상에 상부 전극 및 상부 기판을 차례로 형성하는 단계를 구비하되,
상기 각 나노 로드는 상기 하부 전극에 인접하는 제1 PN 접합부, 제1 PN 접합부 상에 위치하는 제2 PN 접합부, 및 상기 제1 PN 접합부와 상기 제2 PN 접합부 사이에 배치된 터널접합부를 구비하고,
상기 제1 PN 접합부와 상기 제2 PN 접합부의 각각은 상기 N형 영역, 상기 P형 영역, 및 상기 공핍층을 구비하는 압전 소자 제조방법. - 제14항에 있어서,
상기 복수 개의 나노 로드들을 성장시키는 것은
상기 성장 기판을 챔버 내에 로딩한 후,
상기 챔버 내에 금속 전구체를 캐리어 가스와 함께 주입하는 단계;
상기 금속 전구체의 주입을 중단하고, 상기 캐리어 가스만 주입하는 단계;
반응 가스를 상기 캐리어 가스와 함께 주입하는 단계; 및
상기 반응 가스의 주입을 중단하고, 상기 캐리어 가스만 주입하는 단계를 구비하는 단위 사이클을 복수회 진행하여 수행하는 압전 소자 제조방법. - 제15항에 있어서,
상기 단위 사이클을 수백회 반복 진행하여 상기 나노 로드들을 성장시키는 압전 소자 제조방법. - 제15항에 있어서,
상기 나노 로드들을 성장시키는 것은 700 내지 1300 ℃에서 수행하는 압전 소자 제조방법. - 제15항에 있어서,
상기 금속 전구체는 트리메틸갈륨(trimethyl gallium, TMGa)이고,
상기 반응가스는 암모니아이고,
상기 캐리어 가스는 수소 (H2), 질소 (N2), 또는 아르곤 (Ar)을 함유하는 압전 소자 제조방법. - 제15항에 있어서,
상기 나노 로드들 내에 구비된 P형 영역은 상기 금속 전구체를 주입할 때 P형 도펀트 전구체를 상기 챔버 내에 주입하여 형성하고,
상기 나노 로드들 내에 구비된 N형 영역은 상기 금속 전구체를 주입할 때 N형 도펀트 전구체를 상기 챔버 내에 주입하여 형성하는 압전 소자 제조방법. - 제19항에 있어서,
상기 P형 도펀트 전구체는 비스(사이클로펜타디에닐)마그네슘 (Cp2Mg)이고,
상기 N형 도펀트 전구체는 실레인(SiH4)인 압전 소자 제조방법.
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| KR102214226B1 (ko) | 2018-01-26 | 2021-02-09 | 성균관대학교산학협력단 | 압저항 방식의 적층형 rlc로 구성된 다기능 유연 센서 및 이의 제조 방법 |
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