KR20090105187A - 산화아연 나노결정과 실리콘 나노결정의 하이브리드나노구조 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 산화아연(ZnO) 나노결정과 실리콘(Si) 나노결정의 하이브리드 나노구조의 제조방법에 관한 것으로, 실리콘 기판(p-type)(10)상에 실리콘 산화막(SiOx)(12)을 이온빔 스퍼터링 증착법에 의해 두께 30nm-100nm로 증착시키는 제1 단계; RF 스퍼터링 증착법에 의해 상기 실리콘 산화막(12)상에 ZnO 박막(14)을 5-20nm가 되도록 증착시키는 제2 단계; 및 상기 실리콘 산화막(12)과 Zn0 박막(14)이 증착된 실리콘 기판(10)을 질소 분위기하에서 1000℃-1100℃의 온도에서 20분-60분 동안 급속열처리(Rapid Thermal Annealing)시키는 제3 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, ZnO 나노결정과 Si 나노결정이 하이브리드되어 전자나 캐리어들의 전이가 예상됨으로써 새로운 발광 및 전이적 특성을 가지며 ZnO보다 매우 긴 캐리어 수명시간(lifetime)을 나타낼 수 있게 되는 효과가 있다.
산화아연 나노결정 및 실리콘 나노결정의 하이브리드, 나노구조, 급속열처리

Description

산화아연 나노결정과 실리콘 나노결정의 하이브리드 나노구조 및 그의 제조방법{Hybrid Nano Structure of ZnO and Si Nano Crystals And a Manufacturing method thereof}
본 발명은 산화아연 나노결정과 실리콘 나노결정의 하이브리드 나노구조 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실리콘 기판위에 Zn0 나노결정과 Si 나노결정이 하이브리드되어 전자나 캐리어들의 전이가 예상됨으로써 새로운 발광 및 전이적 특성을 가지며 ZnO보다 매우 긴 캐리어 수명시간(lifetime)을 나타낼 수 있도록 하는 실리콘 나노결정과 ZnO 나노결정을 복합형태로 구현한 산화아연 나노결정과 실리콘 나노결정의 하이브리드 나노구조 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
종래 산화아연(ZnO:Zinc Oxide)은 직접 띠간격(direct bandgap) 반도체로써 상온에서 약 3.3 eV의 에너지 띠를 가지며, 60meV의 큰 엑시톤 (exciton)의 결합에너지(binding energy)를 갖는다. 산화아연(ZnO) 나노구조들은 덩어리(bulk) 산화아연(ZnO)과 비교하여 새로운 특성이 기대됨으로써 물성 및 응용소자로써 매우 매력 적이다. 나노 입자 또는 양자점, 나노선, 나노막대, 나노리본 또는 나노벨트와 같은 ZnO 나노구조들이 이온 주입범, 열증착, 화학 기상 증착법, 레이저 증착법 등 다양한 방법으로 제작되고 있다. 이러한 ZnO 나노구조의 전형적인 광루미네센스 (photoluminescence; PL) 스펙트럼은 가시광선 및 자외선 영역에서 나타난다. 자외선 PL은 ZnO의 에너지 띠 간격 (bandgap)에 기인하며, 가시광선 PL은 물질의 결함에 기인하는 것으로 알려져 있다. 또한 PL 피크(peak) 에너지와 PL 스펙트럼의 형태는 나노구조의 종류에 강하게 의존한다.
한편, 실리콘(Si)은 반도체 산업에서 집적 회로의 기본적인 물질로 사용되어 왔지만 광전소자의 응용에는 제한적이었는데 그 근본적인 이유는 실리콘(Si)이 간접 띠간격(indirect bandgap) 물질로써 광발광 효율이 매우 낮을 뿐만 아니라 양자구속효과에 기초하여 효율 증대를 위해서 제작된 실리콘 나노결정 (NC) 및 나노점, 나노와이어와 같은 나노구조들도 실용적인 광소자 응용을 위해서는 여전히 부족한 효율을 보였다. 이런 일련의 단점에도 불구하고, 한 개의 실리콘 칩위에 광전소자와 전자소자들은 집적할 수 있다면 낮은 가격, 신뢰성, 그리고 실리콘 기반의 기술을 응용할 수 있다는 매우 큰 장점들을 가지고 있어서, 실리콘은 여전히 매우 매력적인 물질이다.
도 1은 종래 나노결정 하이브리드구조에서의 특성을 나타내는 도면이고, 도 2는 종래 나노입자와 나노튜브 하이브리드구조에서의 특성을 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 하이브리드 나노물질 또는 나노구조는 두 물질이나 구조 사이의 전자나 에너지의 상호작용에 의해 새로운 광학적 특성이나 전기적 특성들을 보이는 것으로 알려져 있다(도 1, Nature 429,642, 2004-양자우물과 나노결정의 하이브리드구조에서 에너지 전이에 의한 발광효율의 증대, 도 2, Adv. Mater.0000,1(2008), 나노입자와 나노튜브 하이브리드 구조에서 전자의 전이). 최근 실리콘 산화막(SiO2 또는 SiOX)속에 형성된 ZnO 나노입자들로부터 발광특성이 보고된 바 있다. 즉, 도 3은 종래 실리콘 나노결정 구조에서의 투과전자현미경(TEM) 사진이고, 도 4는 종래 실리콘 나노결정 구조에서의 포토루미네슨스(PL) 스펙트럼의 형태를 나타낸 그래프이고, 도 5는 종래 실리콘 나노결정 구조에서의 PL 수명(lifetime)을 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 이온 빔 스퍼터링 증착(Ion beam sputtering deposition:IBRD)에 의해 두께 30nm의 SiOx를 상온에서 증착하고, 1100 ℃에서 20분 동안 열처리하여(annealing) Si 나노결정이 형성된다. x값의 변위는 1.0~1.8로 Si (NC)나노결정의 크기가 조절된 것으로서, x값이 증가함에 따라 3.78nm에서 2.12nm로 Si NC크기가 감소한다.
도 4를 참조하면, PL은 x값 증가와 함께 857nm(1.45eV)에서 711nm(1.75eV)로 청색 천이한다.
도 5를 참조하면, PL 수명은 Si NC 크기 증가와 함께 27.1㎲에서 50㎲로 PL수명이 증가한다.
그러나, ZnO 나노결정과 Si 나노결정이 하이브리드된(다르게는 복합된, 또는 융합된) 시스템에 대한 연구보고는 없었다.
본 발명의 목적은 실리콘 기판위에 ZnO 나노결정과 Si 나노결정이 하이브리드되어 전자나 캐리어들의 전이가 예상됨으로써 새로운 발광 및 전이적 특성을 가지며 ZnO보다 매우 긴 캐리어 수명시간(lifetime)을 나타낼 수 있도록 하는 실리콘 나노층과 ZnO 나노층을 복합형태로 구현한 산화아연 나노결정과 실리콘 나노결정의 하이브리드 나노구조 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 산화아연 나노결정과 실리콘 나노결정의 하이브리드 나노구조의 제조방법은 실리콘 기판(p-type)상에 실리콘 산화막(SiOx)을 이온빔 스퍼터링 증착법에 의해 두께 30nm-100nm로 증착시키는 제1 단계; RF 스퍼터링 증착법에 의해 상기 실리콘 산화막상에 ZnO 박막을 5-20nm가 되도록 증착시키는 제2 단계; 및 상기 실리콘 산화막과 Zn0 박막이 증착된 실리콘 기판을 질소 분위기하에서 1000℃-1100℃의 온도에서 20분-60분 동안 급속열처리(Rapid Thermal Annealing)시키는 제3 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제3 단계에서는 ZnO와 Si의 결정화 작업에 의해서 SiO2 속에 실리콘 나노결정(Si NC)과 ZnO NC이 섞여 있는 ZnO NC/Si NC 하이브리드 나노층이 형성되는 것을 특징으로 한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 산화아연 나노결정과 실리콘 나노결정의 하이브리드 나노구조 및 그 제조방법에 의하면, Zn0 나노결정과 Si 나노결정이 하이브리드되어 전자나 캐리어들의 전이가 예상됨으로써 새로운 발광 및 전이적 특성을 가지며 ZnO보다 매우 긴 캐리어 수명시간(lifetime)을 나타낼 수 있게 되는 효과가 있다.
이하 본 발명에 따른 산화아연(ZnO) 나노결정과 실리콘 나노결정의 하이브리드 나노구조 및 그 제조방법에 대하여 첨부도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 ZnO-Si 나노결정의 하이브리드 나노구조의 제작과정을 순차적으로 나타낸 도면이고, 도 9는 본 발명에 따른 ZnO-Si 나노결정의 하이브리드 나노구조의 투과전자현미경(TEM)사진이고, 도 10은 본 발명에 따른 ZnO-Si 나노결정의 하이브리드 나노구조의 PL 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 6 내지 도 9를 참조하면, 먼저 본 발명에 따른 ZnO-Si 나노결정의 하이브리드 구조는 실리콘 기판(p-type)(10)상에 실리콘 산화막(SiOx)(12)이 이온빔 스퍼터링 증착법에 의해 두께 30nm-100nm로 증착된다. 이때 x값의 변화는 1.0~1.8이다(도 6).
이후, RF 스퍼터링 증착법에 의해 상기 실리콘 산화막(12)상에 ZnO 박막(14)이 5-20nm가 되도록 증착된다(도 7).
이후, 상기 실리콘 산화막(12)과 Zn0 박막(14)이 증착된 실리콘 기판(10)이 질소 분위기하에서 1000℃-1100℃의 온도에서 20분-60분 동안 급속열처리(Rapid Thermal Annealing)된다. 이에 따라, ZnO와 Si의 결정화 작업에 의해서 SiO2 속에, 즉 실리콘 나노결정(Si NC)(22,24)과 ZnO NC(23)이 섞여있는 ZnO NC/Si NC 하이브리드 나노층(20)이 형성된다.
도 10을 참조하면, x값의 변화에 따른 ZnO NC의 PL 세기의 변화를 볼 수 있는데, 모든 x값에 대하여 하이브리드 나노층의 PL 세기는 단층 ZnO의 PL세기 보다 크게 증가하며, x=1.0에서 거의 10배이상 증가한다. 이는 하이브리드 ZnO/Si NC 형성에 기인하여 Si NC의 PL세기와도 관련이 있으며, 에너지 및 캐리어의 ZnO 전이에 따른 복사결합(radiative recombination)의 증가로 여겨진다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 ZnO NC/Si NC의 하이브리드 나노층을 가진 산화아연 나노결정과 실리콘 나노결정의 하이브리드 나노구조는 각각 RF 스퍼터링 증착법과 이온 빔 스퍼터링 증착법을 이용하여 Si 위에 ZnO/SiOX의 복층구조의 증착 후 열처리에 의해서 제작하였다.
또한 SiOX의 산소 함유량 x는 1.0부터 1.8까지 변화하였다. ZnO/SiOX 박막은 ZnO NC/Si NC 하이브리드 나노구조를 형성하기 위하여 급속 열처리에 의해서 1000oC-1100oC에서 20분-60분 동안 실행하였다.
또한 고분해능 전자현미경 사진을 이용해서 x값의 변화에 따라서 4~5nm의 ZnO NC 과 2~10nm의 Si NC의 크기 변화를 관찰하였다.
하이브리드 나노층인 ZnO NC/Si NC의 모든 x값에서 하이브리드 나노층을 가진 하이브리드 나노구조의 PL 세기는 단층 ZnO의 PL 세기보다 크며, x=1.0에서 가장 큰 PL세기를 나타낸다.
이러한 결과들은 ZnO와 SiOX의 하이브리드 나노층에 의해서 ZnO의 발광효율을 증대시키며, 나아가서 광전자소자로써의 Si기반의 공정 기술에 쉽게 접목시킬 수 있다.
그러나 본 발명의 적용분야는 이에 제한되는 것은 아니며 기타 메모리소자에도 적용될 수 있음은 물론이다.
도 1은 종래 나노결정 하이브리드구조에서의 특성을 나타내는 도면이다.
도 2는 종래 나노입자와 나노튜브 하이브리드구조에서의 특성을 나타내는 도면이다.
도 3은 종래 실리콘 나노결정 구조에서의 투과전자현미경(TEM) 사진이다.
도 4는 종래 실리콘 나노결정 구조에서의 포토루미네슨스(PL) 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 5는 종래 실리콘 나노결정 구조에서의 PL 수명(lifetime)을 나타낸 그래프이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 ZnO-Si 나노결정의 하이브리드 나노구조의 제작과정을 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 ZnO-Si 나노결정의 하이브리드 나노구조의 투과전자현미경(TEM)사진이다.
도 10은 본 발명에 따른 ZnO-Si 나노결정의 하이브리드 나노구조의 PL 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10: 실리콘 기판
12: 실리콘 산화막
14: ZnO 박막
20: 하이브리드 나노층

Claims (3)

  1. 실리콘 기판(p-type)(10)상에 실리콘 산화막(SiOx)(12)을 이온빔 스퍼터링 증착법에 의해 두께 30nm-100nm로 증착시키는 제1 단계;
    RF 스퍼터링 증착법에 의해 상기 실리콘 산화막(12)상에 ZnO 박막(14)을 5-20nm가 되도록 증착시키는 제2 단계; 및
    상기 실리콘 산화막(12)과 Zn0 박막(14)이 증착된 실리콘 기판(10)을 질소 분위기하에서 1000℃-1100℃의 온도에서 20분-60분 동안 급속열처리(Rapid Thermal Annealing)시키는 제3 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 산화아연 나노결정과 실리콘 나노결정의 하이브리드 나노구조의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제3 단계의 ZnO와 Si의 결정화 작업에 의해서 SiO2 속에 실리콘 나노결정층(Si NC)(22,24)과 ZnO NC층(23)이 섞여있는 ZnO NC/Si NC 하이브리드 나노층(20)이 형성되는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노결정 및 실리콘 나노결정의 하이브리드 나노구조의 제조방법.
  3. 제 1 항 또는 제2항에 따른 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 산화아 연 나노결정 및 실리콘 나노결정의 하이브리드 나노구조.
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