KR20100023085A - 반도체 나노 막대, 반도체 나노 막대의 제조방법, 반도체나노 막대를 포함하는 태양 전지 및 반도체 나노막대를포함하는 전계 발광 소자 - Google Patents
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Abstract
반도체 나노 막대, 반도체 나노 막대의 제조방법, 반도체 나노 막대를 포함하는 태양 전지 및 반도체 나노막대를 포함하는 전계 발광 소자를 제공한다. 상기 나노 막대 형성 방법은 기판을 제공하는 단계, 상기 기판 상에 섬 모양의 씨드를 형성하는 단계, 및 상기 씨드 상에 나노 막대를 형성하는 단계를 포함한다. 상기 씨드는 ZnO계 금속산화물 씨드이고, 상기 나노 막대는 ZnO계 금속산화물 나노 막대일 수 있다. 상기 씨드 및 상기 나노 막대는 스퍼터링법을 사용하여 형성할 수 있다. 이와 같이 ,씨드 상에 나노 막대를 형성함으로써 금속 촉매제를 함유하지 않으면서도 결정성이 우수한 나노 막대를 형성할 수 있다. 이와 더불어서, 상기 씨드 및 상기 나노 막대를 반도체 제조방법에서 많이 사용되는 스퍼터링법을 사용하여 형성함으로써 제조단가를 낮출 수 있다.
Description
본 발명은 나노 소재 제조방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 반도체 나노 막대 제조방법에 관한 것이다.
저차원 나노소재는 박막형 소재보다 결정학적으로 기판의 영향이 없는 단결정 형태로 합성이 되어 나노소재의 내부에 결함이 매우 적은 구조를 보이고 있어, 광학적, 전기적으로 우수한 특성이 보고되고 있다. 특히 간단한 공정과 기존의 박막 성장 장비를 활용하여 저렴한 원료를 가지고 대면적으로 제작이 가능하다는 공정상의 장점을 가지고 있다.
나노입자, 나노선, 나노막대, 나노벨트 등의 다양한 모양을 가진 나노소재들이 제안되었고, 이에 대한 합성 개발 연구가 진행중에 있는데, 1차원 구조를 가진 나노선 및 나노막대가 차세대 광전소자용 나노구조로 전극형성의 공정상 장점으로 가장 주목을 받고 있는 나노구조이다. 특히 수직으로 잘 정렬이 된 나노구조는 향 후 광전소자로 소자를 제작하기 위한 공정에 있어 금속 배선의 연결이나 식각공정 등에 있어 기존의 반도체 공정을 사용할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
이와 같은 수직으로 정렬된 저차원 나노선 및 나노막대를 합성하는 기술로 현재까지 활용되고 있는 방법은 합성전 기상-액상-고상 성장기구를 이용하기 위해 금속 촉매제가 우선 성장되고 있는 방식을 취하고 있다. 그러나 사용된 금속촉매제는 나노구조의 광학적, 전기적 특성에 비균일한 방식으로 영향을 미치기 때문에 금속 촉매제를 사용하지 않는 방법이 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 금속 촉매를 함유하지 않으면서도 결정성이 우수한 반도체 나노 막대, 이의 제조방법, 이를 포함하는 태양전지 및 전계발광소자를 제공하는 것이다.
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 나노 막대 형성 방법을 제공한다. 상기 나노 막대 형성 방법은 기판을 제공하는 단계, 상기 기판 상에 섬 모양의 씨드를 형성하는 단계, 및 상기 씨드 상에 나노 막대를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 씨드는 ZnO계 금속산화물 씨드이고, 상기 나노 막대는 ZnO계 금속산화물 나노 막대일 수 있다. 상기 씨드는 (0002)ZnO 면이 상기 기판 표면에 대해 10도 이하의 각을 가질 수 있다. 상기 나노 막대는 c-축 우선 배향된 우르짜이트 구조를 가질 수 있다. 상기 나노 막대는 금속 불순물을 함유할 수 있다. 상기 금속 불순물은 Ga, Al, In, P, 또는 Mg일 수 있다.
상기 기판과 상기 씨드 사이에 격자부정합이 있을 수 있다.
상기 씨드 및 상기 나노 막대는 스퍼터링법을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 씨드 및 상기 나노 막대는 마그네트론 스퍼터링법을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 씨드를 형성하는 온도에 비해 상기 나노 막대를 형성하는 온도가 더 높을 수 있다. 상기 씨드는 300 ~ 600℃의 온도에서 형성하고, 상기 나노 막대는 500도 이상의 고온에서 형성할 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 나노 막대 구조체를 제공한다. 상기 나노 막대 구조체는 기판 상에 형성된 섬 모양의 씨드, 및 상기 씨드 상에 형성된 나노 막대를 포함한다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 나노 막대를 구비하는 태양전지를 제공한다. 상기 태양전지는 기판 상에 위치하는 제1 전극, 상기 제1 전극 상에 형성된 섬 모양의 씨드, 상기 씨드 상에 형성된 억셉터인 나노 막대, 상기 나노 막대 상에 형성된 도너층, 및 상기 도너층 상에 형성된 제2 전극을 포함한다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 나노 막대를 구비하는 전계 발광 소자를 제공한다. 상기 전계 발광 소자는 하부 기판 상에 위치하는 캐소드, 상기 캐소드 상에 형성된 섬 모양의 씨드, 상기 씨드 상에 형성된 나노 막대, 상기 하부 기판과 대향하는 대향면을 갖는 상부 기판, 및 상기 상부 기판의 대향면 상에 차례로 애노드와 형광층을 포함한다.
본 발명에 따르면, 씨드 상에 나노 막대를 형성함으로써 금속 촉매제를 함유하지 않으면서도 결정성이 우수한 나노 막대를 형성할 수 있다. 이와 더불어서, 상기 씨드 및 상기 나노 막대를 반도체 제조방법에서 많이 사용되는 스퍼터링법을 사용하여 형성함으로써 제조단가를 낮출 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면들에 있어서, 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되어지는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 층이 개재될 수도 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 막대 제조방법을 나타낸 단면도들이다.
도 1a를 참조하면, 기판(10) 상에 섬 모양의 씨드(island type seed; 15)을 형성한다.
상기 씨드(15)를 형성하기 전에, 상기 기판(10)을 세척 및 건조할 수 있다. 구체적으로, 상기 기판(10)을 트리클로로에틸렌(trichloroethylene) 용액, 아세톤 용액, 메탄올 용액에 순차적으로 담가 초음파 세척을 수행하고, 증류수로 최종 세척한 후, 오븐에 넣고 건조시킬 수 있다.
상기 기판(10)은 상기 씨드(15)를 구성하는 물질과 격자상수의 차이 즉, 격자부정합이 있는 기판일 수 있다. 이 경우, 상기 씨드(15)가 상기 기판(10) 상에 형성될 때 상기 씨드(15)는 격자상수 차이에 의한 변형을 완화하기 위해 섬 형상으 로 형성될 수 있다. 상기 기판(10)과 상기 씨드(15)의 격자부정합 정도는 18% 내지 40%, 구체적으로는 18% 내지 25%일 수 있다. 상기 씨드(15)는 ZnO계 금속산화물일 수 있다. 상기 씨드(15)가 ZnO인 경우에 격저부정합이 있는 적절한 기판은 실리콘 기판, 사파이어 기판, 또는 석영기판일 수 있다.
다른 예로는 상기 씨드(15)에 Ga, Al, In, P 또는 Mg의 금속 불순물을 첨가하는 경우에 상기 기판(10)과 상기 씨드(15) 사이의 변형을 적절히 제어하여 섬모양을 갖는 씨드(15)를 형성할 수도 있다.
또 다른 예로는 상기 기판은 표면이 비정질 상태인 기판 예를 들어, 유리기판, 또는 ITO(Indium TinOxide)가 코팅된 기판, 실리콘 산화막이 코팅된 기판, 고분자 기판일 수 있다.
상기 기판(10) 상에 상기 씨드(15)를 형성하는 것은 스퍼터링법를 사용하여 형성할 수 있다. 상기 스퍼터링법은 높은 운동에너지를 갖는 입자 즉, 전압차에 의해 가속화된 이온을 타겟에 충돌시켜 상기 타겟으로부터 증착할 물질을 스퍼터하고, 스퍼터된 물질을 기판 상에 증착하는 방법을 말한다. 스퍼터링 장치의 챔버 내에 이온을 공급하기 위해서는 상기 챔버 내에 플라즈마 상태를 발생시켜야 하며, 상기 타겟에 상기 이온을 충돌시키기 위해서는 상기 타겟에 전압을 걸어줘야 한다. 상기 스퍼터링법 중 마그네트론 스퍼터링법은 상기 타겟의 후방 또는 측면에 설치된 자석을 사용하는 것을 특징으로 한다. 상기 자석은 챔버 내의 전자들을 가두어 둘 수 있으므로, 통상의 스퍼터링 장비보다 이온 전류를 10 배 정도 향상시킬 수 있어 더 낮은 압력에서 더 빠르게 씨드층을 형성할 수 있다.
상기 씨드(15)를 ZnO로 형성하는 경우에, 상기 씨드(15)를 형성하기 위한 타겟은 아연 산화물(ZnO)일 수 있다. 또한, 상기 씨드(15)는 300 내지 600℃ 구체적으로는, 400 내지 500℃의 온도 조건, 1W/cm2 이상 구체적으로는, 1 내지 3W/cm2의 파워 조건, 및 1 내지 30 mTorr의 압력조건에서 형성할 수 있다. 또한, 상기 씨드(15)를 형성할 때의 분위기 가스는 비활성 기체 및/또는 산소를 포함할 수 있다. 상기 비활성 기체는 아르곤일 수 있다. 상기 분위기 가스로서 비활성 기체 및 산소를 모두 사용하는 경우에, 비활성 기체/산소 유량비는 1 내지 3일 수 있다. 이 경우, 상기 ZnO 씨드(15)의 결정성을 향상시킬 수 있다. 이와 더불어서, 상기 씨드(15)를 형성하는 온도는 후술하는 나노 막대를 형성하는 온도보다 낮고, 파워는 후술하는 나노 막대를 형성하는 파워보다 낮다. 이로써, 상기 씨드(15)의 성장속도를 낮춰 상기 씨드(15)가 서로 격리된 섬 모양으로 형성되도록 할 수 있다.
상기 씨드(15)는 30nm 미만의 두께를 갖도록 형성할 수 있다. 이 경우에, 상기 씨드(15)는 섬 모양을 가질 수 있다. 상기 씨드(15)가 30nm이상의 두께를 갖는 경우에는 섬 모양이 아닌 박막 형태로 형성되어 후술하는 나노 막대를 형성하기에는 적합하지 않을 수 있다. 상기 씨드(15)가 ZnO 씨드인 경우에 (0002)ZnO 면은 기판 표면에 대해 10도 이하, 구체적으로는 6도 이하의 각을 갖는 것이 바람직하다. 다시 말해서, 상기 씨드(15)는 c-축으로 우선 배향된 것이 바람직하다.
도 1b를 참조하면, 상기 씨드(15) 상에 나노 막대(17)를 형성한다. 이와 같이, 씨드(15) 상에 형성된 나노 막대(17)는 결정성이 향상될 수 있다. 상기 나노 막대(17)는 ZnO계 금속 산화물일 수 있다. 상기 나노 막대(17)가 ZnO 나노 막대인 경우에, 상기 나노 막대(17)은 c-축에 우선 배향성을 나타내며, 나아가 육방정계의 단결정 구조(single crystalline hexagonal structure) 즉, 우르짜이트(wurtzite) 구조를 가질 수 있다. 이러한 나노 막대(17)는 (0002)ZnO 면이 기판 표면에 대해 10도 이하, 구체적으로는 6도 이하의 각을 갖는 씨드(15) 상에 선택적으로 형성될 수 있다.
상기 나노 막대(17)는 금속 불순물을 첨가하여 형성할 수 있다. 상기 금속 불순물은 증착물질의 변형량을 증가시켜 상기 나노 막대(17)가 막대 형태로 자랄 수 있도록 하는 원인이 될 수 있으며, 상기 나노 막대(17)의 전도도를 향상시킬 수 있다. 상기 금속 불순물은 Ga, Al, In, P, Mg일 수 있다. 상기 금속 불순물은 5at% 이하, 구체적으로는 2at% 이하로 첨가될 수 있다. Al 또는 Ga가 도핑된 ZnO 나노 막대의 경우 n형 반도체 특성을 나타낼 수 있고, P가 도핑된 ZnO 나노 막대의 경우 p형 반도체 특성을 나타낼 수 있다.
상기 나노 막대(17)는 약 100㎚ 내지 100㎛의 길이를 갖고, 약 5㎚ 내지 약 1㎛의 폭을 가질 수 있다.
상기 나노 막대(17)는 상기 씨드(15)와 동일한 방법을 사용하여 형성한다. 구체적으로, 상기 나노 막대(17)는 스퍼터링법 바람직하게는, 마그네트론 스퍼터링 법을 사용하여 형성할 수 있다.
이 경우에, 상기 나노 막대(17)를 형성하기 위한 타겟은 아연 산화물 또는 금속이 도핑된 아연 산화물일 수 있다. 또한, 상기 나노 막대(17)는 상기 씨드(15)를 형성하는 온도보다 높은 500℃ 이상 구체적으로는 500 내지 700℃의 온도 조건, 상기 씨드(15)를 형성하는 파워보다 높은 2W/cm2 이상 구체적으로는 2W/cm2 내지 4W/cm2의 파워 조건 및 1 내지 30mTorr의 압력조건에서 형성할 수 있다. 또한, 상기 나노 막대(17)를 형성할 때 분위기 가스는 비활성 기체 및/또는 산소를 포함할 수 있다. 상기 비활성 기체는 아르곤일 수 있다. 상기 분위기 가스로서 비활성 기체 및 산소를 모두 사용하는 경우에, 비활성 기체/산소 유량비는 1 내지 3일 수 있다.
이와 같이, 반도체 제조방법에서 많이 사용되는 스퍼터링법을 사용하여 금속 촉매제 없이 결정성이 우수한 나노 막대를 형성할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노막대를 포함하는 전계방출소자의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.
도 2a를 참조하면, 하부 기판(40) 상에 캐소드 전극층(43)을 형성할 수 있다. 상기 캐소드 전극층(43) 상에 패턴층(44)을 형성할 수 있다. 상기 패턴층(44)은 상기 캐소드 전극층(43)의 상부를 노출시키는 개구부들을 구비할 수 있다. 상기 패턴층(44)는 상기 캐소드 전극층(43), 씨드(45) 및 상기 나노 막대(47)에 대해 식각선택비를 갖는 물질층일 수 있다. 일 예로서, 상기 패턴층(44)은 실리콘 산화막 또는 포토레지스트층일 수 있다.
상기 패턴층(44) 및 상기 개구부들 내에 노출된 상기 캐소드 전극층(43) 상에 씨드(45) 및 나노 막대(47)를 차례로 형성한다. 상기 씨드(45) 및 상기 나노 막대(47)에 대한 구체적인 설명은 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한 실시예를 참조하기로 한다.
도 3b를 참조하면, 상기 패턴층(44)를 제거한다. 이와 동시에, 상기 패턴층(44) 상에 형성되었던 씨드(45) 및 상기 나노 막대(47)가 제거된다. 그 결과, 상기 캐소드 전극층(43)의 상부면 상에 형성되었던 씨드(45) 및 상기 나노 막대(47)가 선택적으로 잔존하게 된다.
상기 나노 막대(47)가 형성된 하부 기판(40)의 외곽부 상에 스페이서(55)를 위치시킨다. 이 후, 상기 스페이서(55) 상에 애노드 전극층(51) 및 형광체층(53)이 차례로 형성된 상부 기판(50)을 위치시킨다.
이러한 전계발광소자에 있어서, 상기 캐소드 전극(43)과 상기 애노드 전극(51) 사이에 전계를 인가하면, 상기 나노 막대(47)로부터 전자가 방출되고 방출된 전자는 상기 형광체층(53)의 형광체를 여기시켜 발광하게 한다.
상기 나노 막대(47)은 금속 촉매를 함유하지 않으면서도 우수한 결정 특성을 타나내므로, 상기 전계발광소자의 턴-온 전계값을 낮출 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노막대를 포함하는 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 3을 참조하면, 하부전극(23)을 포함하는 기판(20) 상에 씨드(25) 및 억셉 터인 나노 막대(27)를 형성한다. 상기 하부전극(23)은 일 예로서, ITO층일 수 있다. 상기 씨드(25) 및 상기 나노 막대(27)에 대한 구체적인 설명은 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한 실시예를 참조하기로 한다.
억셉터인 나노 막대(27)는 n형 반도체일 수 있다. 이 경우, 상기 나노 막대(27)는 Ga 또는 Al을 도핑하여 형성한 ZnO 나노막대일 수 있다.
상기 나노 막대(27) 상에 도너층(28)을 형성한다. 상기 도너층(28)은 상기 나노 막대들(27) 사이의 공간을 잘 채울 수 있는 고분자층인 것이 바람직하다. 이러한 도너층(28)은 P3HT, MDMO-PPV일 수 있다. 상기 도너층(28) 상에 정공수송층(29)를 더 형성할 수 있다. 상기 정공수송층(29)은 PEDOT:PSS일 수 있다.
상기 정공수송층(29) 상에 상부 전극(30)을 형성한다. 상기 상부 전극(30)은 금 전극일 수 있다.
이러한 태양전지에 광이 조사되면, 상기 억셉터 나노 막대(27)가 상기 도너층(28) 사이에서 전자-홀 쌍이 생성되며, 생성된 전자는 상기 나노 막대(27)를 통해 하부 전극(21)으로 전달되고, 생성된 홀은 상기 도너층(28)과 상기 정공수송층(29)을 통해 상부 전극(30)으로 전달되어 전류를 발생시킨다.
이 때, 상기 나노 막대(27)와 상기 도너층(28) 사이에는 넓은 면적의 게면을 확보할 수 있어 효율적으로 전하분리를 수행할 수 있다. 또한 상기 나노 막대(27)는 금속촉매를 함유하지 않으면서도 우수한 결정성을 나타내므로, 상기 나노 막대(27) 내에서 전자가 빠르게 이동할 수 있다. 그 결과, 광변환 전류 밀도의 증가를 나타낼 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예(example)를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실험예 1>
p형 Si(001) 기판을 트리클로로에틸렌(trichloroethylene) 용액, 아세톤 용액, 메탄올 용액에 순차적으로 담가 초음파 세척을 수행하고, 증류수로 최종 세척한 후, 오븐에 넣고 건조시켰다. 상기 건조된 기판을 마그네트론 스퍼터링 장비의 챔버 내에 로딩하고, 상기 기판을 450℃로 예열하면서 기판 표면의 수분을 제거하였다. 이와 동시에, 두 개의 타겟들, 즉, ZnO 타겟과 1wt%의 Ga2O3가 섞인 ZnO 타겟을 낮은 파워 조건에서 선스퍼터링(presputtering)하여 타겟들 표면의 오염물을 제거할 수 있다.
이어서, 상기 예열된 기판의 온도를 450℃로 유지하고, 챔버 내 압력을 15mtorr, 아르곤 가스의 유량을 20sccm, 산소 가스의 유량을 10sccm, 파워를 1.23W/cm2로 설정한 후, ZnO 타겟에 대한 스퍼터링을 1분간 실시하여 ZnO 버퍼층을 형성하였다.
이어서, 기판 온도를 680℃, 챔버 내 압력을 15mtorr, 아르곤 가스의 유량을 20sccm, 산소 가스의 유량을 10sccm, 파워를 3.08W/cm2로 설정한 후, ZnO:1wt% Ga2O3 타겟에 대한 스퍼터링을 80분간 실시하여, 상기 ZnO 버퍼층이 형성된 기판 상 에 Ga가 도핑된 ZnO층 즉, ZnO:Ga층을 형성하였다.
<실험예 2>
ZnO 버퍼층을 형성함에 있어서, ZnO 타겟에 대한 스퍼터링을 3분간 실시한 것을 제외하고는 상기 실험예 1과 동일한 방법을 사용하여 결과물을 얻었다.
도 4a 및 도 4b는 실험예 1에 따라 제조된 결과물의 상부면 및 단면을 각각 촬영한 SEM 사진들이다. 도 5a 및 도 5b는 실험예 2에 따라 제조된 결과물의 상부면 및 단면을 각각 촬영한 SEM 사진들이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, ZnO:Ga층은 촘촘히 배향된 ZnO:Ga 나노 막대들로 이루어진 것을 알 수 있다. 상기 ZnO:Ga 나노 막대들은 90 ~ 144nm의 직경, 그리고 약 1.38um의 길이를 갖는 것으로 측정되었다. 이와 더불어서, ZnO:Ga층 하부의 ZnO 버퍼층은 섬 형상의 ZnO 씨드들로 이루어진 것이 확인되었다. 상기 ZnO 씨드들의 두께는 약 10nm였다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, ZnO:Ga층은 다결정막에서 관찰가능한 과립형의 표면(granular type surface)을 갖는 박막 형태로 형성됨을 알 수 있다. 이와 더불어서, ZnO:Ga층 하부의 ZnO 버퍼층 또한 박막형태로 형성됨을 알 수 있다. 상기 박막 형태의 ZnO 버퍼층은 섬 형상의 ZnO 씨드들이 등방성으로 성장되어 형성된 것으로 예측할 수 있다. 상기 ZnO 버퍼층의 두께는 약 30nm였다.
도 4a, 도 4b, 도 5a 및 도 5b에 나타난 결과로부터, 기판 상에 섬 형상의 씨드들을 형성하여야만 상기 씨드들 상에 반도체 나노막대들을 형성할 수 있음을 알 수 있다. 반면, 상기 씨드들이 등방성으로 성장하여 박막을 형성하는 경우에는 그 상부에 반도체 나노막대들을 형성할 수 없음을 알 수 있다. 또한, 상기 버퍼층을 30nm이하의 두께로 형성하는 경우에 씨드들을 형성할 수 있다.
도 6은 실험예들 1 및 2의 ZnO:Ga 나노막대와 ZnO:Ga 박막의 Θ-2Θ XRD(X-Ray Diffraction) 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 실리콘 기판으로부터의 피크 69.12o와 함께 ZnO(0002) 면으로부터 강한 회절 피크들 34.56o, 34.54o이 관찰되므로, ZnO:Ga 나노막대는 ZnO:Ga 박막과 같이 (0002)면으로 우선 성장(preferred orientation)됨을 알 수 있다.
도 7a는 실험예 1에 따른 ZnO:Ga 나노막대를 촬영한 TEM 사진이다. 도 7b는 도 7a의 a부분을 확대하여 나타낸 TEM 사진이다. 이와 더불어서, 도 7b의 좌측 상단은 b 부분에 대한 FFT(fast fourier transform) 회절결과(diffractogram)를 나타낸다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 막대 형태(rodlike morphology)의 ZnO:Ga 구조체 즉, ZnO:Ga 나노 막대를 확인할 수 있다. 상기 ZnO:Ga 나노 막대는 매우 매끈한 측면을 갖고, 균일한 폭을 갖는다. 이와 더불어서, 팁부분의 직경이 감소되었고, 평평한 팁 표면을 가진다. 이러한 나노 막대는 고품질의 레이저 소자를 제작하는데 사용될 수 있다.
또한, 상기 ZnO:Ga 나노 막대는 c=5.206Å의 격자상수를 갖는 육방정계의 단결정 구조(single crystalline hexagonal structure) 즉, 우르짜이트(wurtzite) 구조를 갖는 것을 확인할 수 있다. 이와 더불어서, 상기 ZnO:Ga 나노 막대는 [0001]ZnO 방향을 따라 성장되었으며, 전위(dislocation)와 적층결함(stacking fault)과 같은 구조적 결함이 없었다.
도 7c는 실험예 1에 따른 ZnO:Ga 나노막대들을 촬영한 TEM 사진이다. 또한, 도 7c의 좌측에는 c 부분과 d부분에 대한 SAEDPs(selected area electron diffraction patterns)가 도시된다.
도 7c를 참조하면, Si와 ZnO 씨드 사이의 경계부분(c)의 SAEDPs는 ZnO 씨드가 c-축으로 우선 배향된 것을 나타내고 있다. 또한, ZnO 씨드의 (0002)면은 Si의 (001) 면에 대해 ㅁ 9ㅀ의 각을 가진다. 반면, ZnO:Ga 나노 막대의 팁부분(d)의 (0002)면은 Si의 (001) 면에 대해 ㅁ 6ㅀ의 각을 가진다. 이로부터, 상기 ZnO:Ga 나노 막대 내에는 ZnO의 (0002) 면들이 거의 완전하게 배향되어 있는 것으로 예측할 수 있다.
도 7d 및 도 7e는 실험예 1에 따른 결과물의 ZnO 씨드와 Si 기판 사이의 경계부분을 촬영한 TEM 사진들이고, 도 7d 및 도 7e에 삽입된 사진들은 각각 화살표가 가리키는 부분들에 대한 FFT 회절결과들을 나타낸다.
도 7d 및 도 7e를 참조하면, 상부에 ZnO:Ga 나노막대가 형성된 ZnO 씨드의 (0002)면은 Si 기판의 (001)면과 평행하고, 상부에 ZnO:Ga 나노막대가 형성되지 않 은 ZnO 씨드의 (0002)면은 Si 기판의 (001)면과 8도와 14도의 각을 나타낸다. 이러한 결과로부터, ZnO 씨드의 (0002)면이 기판의 표면과 6도 이하의 각을 가질 때에만 그 상부에 ZnO:Ga 나노막대가 형성됨을 알 수 있다.
도 8a는 실험예 1에 따른 ZnO:Ga 나노 막대와 실험예 2에 따른 ZnO:Ga 박막에 대한 11K에서의 PL 스펙트럼이고, 도 8b는 실험예 1에 따른 ZnO:Ga 나노 막대와 실험예 2에 따른 ZnO:Ga 박막에 대한 온도에 따른 정규화된 세기를 나타낸 그래프이다.
도 8a를 참조하면, ZnO:Ga 나노 막대와 ZnO:Ga 박막은 모두 샤프한 UV 발광을 나타낸다. 상기 UV 발광은 근접 밴드-에지 여기자 재결합(near band-edge excitonic recombination)으로부터 발생한다. 그러나, ZnO:Ga 나노 막대는 ZnO:Ga 박막에 비해 5 배 정도 큰 광발광(photoluminescence) 세기를 나타낸다. 이로부터 ZnO:Ga 나노 막대가 ZnO:Ga 박막에 비해 더 우수한 결정성을 가짐을 알 수 있다.
도 8b를 참조하면, 여기 발광(excitonic emission)의 I300K/I10K 비는 ZnO:Ga 나노 막대(I300K/I10K = 0.076)가 ZnO:Ga 박막(I300K/I10K = 0.007)에 비해 향상되었다. 이로부터 ZnO:Ga 나노 막대 내에서는 온도가 상승되는 경우에도 캐리어들이 그레인 바운더리와 같은 비발광성 재결합(nonradiative recombination) 사이트들에 도달할 확률이 낮음을 알 수 있다. 따라서, ZnO:Ga 나노 막대의 경우 ZnO:Ga 박막에 비해 발광 효율(luminescence efficiency)이 향상됨을 알 수 있다.
도 9는 실험예 1에 따른 ZnO:Ga 나노 막대에 인가한 전계에 대한 emission 전류 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 9를 참조하면, 턴온 전계 즉, 약 1uA/cm2전류를 나타내는 전계는 2.9V/um로 매우 양호한 값을 나타내었다. 이와 더불어서, Fowler-Nordheim 방정식으로부터 구한 전계 강화인자(field enhancement factor)값이 2027로 매우 높다. 이는 나노 막대의 결정학적 품질이 매우 우수함을 나타내며, 우수한 결정학적 품질은 높은 전자 이동도를 나타낸다.
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.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 막대 제조방법을 나타낸 단면도들이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노막대를 포함하는 전계방출소자의 제조방법을 나타낸 단면도들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노막대를 포함하는 태양전지를 나타낸 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 실험예 1에 따라 제조된 결과물의 상부면 및 단면을 각각 촬영한 SEM 사진들이다.
도 5a 및 도 5b는 실험예 2에 따라 제조된 결과물의 상부면 및 단면을 각각 촬영한 SEM 사진들이다.
도 6은 실험예들 1 및 2의 ZnO:Ga 나노막대와 ZnO:Ga 박막의 Θ-2Θ XRD(X-Ray Diffraction) 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7a는 실험예 1에 따른 ZnO:Ga 나노막대를 촬영한 TEM 사진이다.
도 7b는 도 7a의 a부분을 확대하여 나타낸 TEM 사진이다.
도 7c는 실험예 1에 따른 ZnO:Ga 나노막대들을 촬영한 TEM 사진이다.
도 7d 및 도 7e는 실험예 1에 따른 결과물의 ZnO 씨드와 Si 기판 사이의 경계부분을 촬영한 TEM 사진들이다.
도 8a는 실험예 1에 따른 ZnO:Ga 나노 막대와 실험예 2에 따른 ZnO:Ga 박막에 대한 11K에서의 PL 스펙트럼이다.
도 8b는 실험예 1에 따른 ZnO:Ga 나노 막대와 실험예 2에 따른 ZnO:Ga 박막에 대한 온도에 따른 정규화된 세기를 나타낸 그래프이다.
도 9는 실험예 1에 따른 ZnO:Ga 나노 막대에 인가한 전계에 대한 emission 전류 밀도를 나타낸 그래프이다.
Claims (20)
- 기판을 제공하는 단계;상기 기판 상에 섬 모양의 씨드를 형성하는 단계; 및상기 씨드 상에 나노 막대를 형성하는 단계를 포함하는 나노 막대 형성 방법.
- 제1항에 있어서,상기 씨드 ZnO계 금속산화물 씨드이고, 상기 나노 막대는 ZnO계 금속산화물 나노 막대인 나노 막대 형성 방법.
- 제2항에 있어서,상기 씨드는 (0002)ZnO 면이 상기 기판 표면에 대해 10도 이하의 각을 갖는 나노 막대 형성 방법.
- 제2항에 있어서,상기 나노 막대는 c-축 우선 배향된 우르짜이트 구조를 갖는 나노 막대 형성 방법.
- 제2항에 있어서,상기 나노 막대는 금속 불순물을 함유하는 나노 막대 형성 방법.
- 제5항에 있어서,상기 금속 불순물은 Ga, Al, In, P, 또는 Mg인 나노 막대 형성 방법.
- 제1항에 있어서,상기 기판과 상기 씨드 사이에 격자부정합이 있는 나노 막대 형성 방법.
- 제1항에 있어서,상기 씨드 및 상기 나노 막대는 스퍼터링법을 사용하여 형성하는 나노 막대 형성 방법.
- 제8항에 있어서,상기 씨드 및 상기 나노 막대는 마그네트론 스퍼터링법을 사용하여 형성하는 나노 막대 형성 방법.
- 제8항에 있어서,상기 씨드를 형성하는 온도에 비해 상기 나노 막대를 형성하는 온도가 더 높은 나노 막대 형성 방법.
- 제10항에 있어서,상기 씨드는 300 내지 600℃의 온도에서 형성하고, 상기 나노 막대는 500℃ 이상의 온도에서 형성하는 나노 막대 형성 방법.
- 제1항에 있어서,상기 씨드는 30㎚ 미만의 두께를 나노 막대 형성 방법.
- 기판;상기 기판 상에 형성된 섬 모양의 씨드; 및상기 씨드 상에 형성된 나노 막대를 포함하는 나노 막대 구조체.
- 제13항에 있어서,상기 씨드 ZnO계 금속산화물 씨드이고, 상기 나노 막대는 ZnO계 금속산화물 나노 막대인 나노 막대 구조체.
- 제14항에 있어서,상기 씨드는 (0002)ZnO 면이 상기 기판 표면에 대해 10도 이하의 각을 갖는 나노 막대 구조체.
- 제14항에 있어서,상기 나노 막대는 c-축 우선 배향된 우르짜이트 구조를 갖는 나노 막대 구조체.
- 제13항에 있어서,상기 나노 막대는 금속 불순물을 함유하는 나노 막대 구조체.
- 제13항에 있어서,상기 기판과 상기 씨드 사이에 격자부정합이 있는 나노 막대 구조체.
- 기판 상에 위치하는 제1 전극;상기 제1 전극 상에 형성된 섬 모양의 씨드;상기 씨드 상에 형성된 억셉터인 나노 막대;상기 나노 막대 상에 형성된 도너층; 및상기 도너층 상에 형성된 제2 전극을 포함하는 태양 전지.
- 하부 기판 상에 위치하는 캐소드;상기 캐소드 상에 형성된 섬 모양의 씨드;상기 씨드 상에 형성된 나노 막대;상기 하부 기판과 대향하는 대향면을 갖는 상부 기판; 및상기 상부 기판의 대향면 상에 차례로 애노드와 형광층을 포함하는 전계 발광 소자.
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| KR1020080081669A KR101105103B1 (ko) | 2008-08-21 | 2008-08-21 | 반도체 나노 막대, 반도체 나노 막대의 제조방법, 반도체나노 막대를 포함하는 태양 전지 및 반도체 나노막대를포함하는 전계 발광 소자 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020080081669A KR101105103B1 (ko) | 2008-08-21 | 2008-08-21 | 반도체 나노 막대, 반도체 나노 막대의 제조방법, 반도체나노 막대를 포함하는 태양 전지 및 반도체 나노막대를포함하는 전계 발광 소자 |
Publications (2)
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| KR101105103B1 KR101105103B1 (ko) | 2012-01-16 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101021748B1 (ko) * | 2008-10-29 | 2011-03-15 | 성균관대학교산학협력단 | 금속 산화물 나노 구조체를 갖는 전자 소자, 이의 제조 방법 및 이를 구비하는 전자 장치 |
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|---|---|---|---|---|
| KR100696362B1 (ko) * | 2005-04-01 | 2007-03-19 | 학교법인 포항공과대학교 | 나노막대가 함입된 산화물 박막 구조물 및 그 제조방법 |
| KR100972842B1 (ko) * | 2007-09-11 | 2010-07-28 | 포항공과대학교 산학협력단 | 나노막대를 포함하는 나노디바이스 및 그 제조 방법 |
-
2008
- 2008-08-21 KR KR1020080081669A patent/KR101105103B1/ko active IP Right Grant
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| KR101021748B1 (ko) * | 2008-10-29 | 2011-03-15 | 성균관대학교산학협력단 | 금속 산화물 나노 구조체를 갖는 전자 소자, 이의 제조 방법 및 이를 구비하는 전자 장치 |
| US8709839B2 (en) | 2011-06-14 | 2014-04-29 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method of fabricating semiconductor light emitting device |
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| KR101105103B1 (ko) | 2012-01-16 |
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