KR20100088273A - ｐｎ 구조를 지닌 Ｚｎ 산화물 나노 와이어 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

pn 구조를 지닌 Zn 산화물 나노 와이어 및 그 제조 방법이 개시된다. 개시된 p형 도핑된 나노와이어는, Zn 산화물 나노 와이어 표면에 P가 첨가되어, p-n 접합된 구조를 지닌다.

Description

ｐｎ 구조를 지닌 Ｚｎ 산화물 나노 와이어 및 그 제조 방법{A Zn oxide nanowire having pn structure and manufacturing method of the same}
본 발명의 실시예는 pn 구조를 지닌 나노 와이어 및 그 제조 방법에 관한 것으로, Zn 산화물 나노 와이어 표면에 P를 첨가하여 p-n 구조를 형성한 Zn 산화물 나노 와이어 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
나노 와이어는 현재 다양한 분야에서 각광을 받고 있으며, 전자 소자 분야, 특히, 발광 소자(light emitting diode: LED), 태양 전지 등의 광응용 분야뿐만 아니라 CMOS 등에서도 많은 연구가 진행중이다.
일반적으로 반도체 재료는 크게 n형 및 p형으로 구분될 수 있으며, 동일한 재료에서 이 두가지 특성의 구형 여부에 따라 그 응용 범위가 결정된다. 대표적인 반도체 소재인 Si 또는 GaN 등의 경우 이와 같은 n형 및 p형의 구현이 용이하므로 다양한 분야에 사용되고 있다.
Zn 산화물은 Ⅱ-Ⅵ족 산화물 반도체 재료이며 3.37eV의 넓은 밴드갭(wide direct band gap)과 60mV의 여기 결합에너지(excition binding energy)를 가지고 있어 여러 반도체 소자 및 광학 소자 등에서 각광을 받고 있다.
Zn 산화물은 일반적으로 n형 특성을 나타내며 p형 특성의 구현이 쉽지 않은 것으로 알려져 있다. 최근 N을 도핑하여 p형 특성 구현에 관한 연구가 진행되고 있으나 물질 특성의 안정성 확보가 쉽지 않은 문제점이 있다.
본 발명의 일측면에서는 Zn 산화물 나노 와이어 표면에 P를 첨가하여 p-n 구조로 형성된 Zn 산화물 나노 와이어를 제공한다.
본 발명의 다른 측면에서는 Zn 산화물 나노 와이어 표면에 P를 첨가하여 p-n 구조로 형성된 Zn 산화물 나노 와이어의 제조 방법을 제공한다.
n형 Zn 산화물 나노 와이어; 및
상기 n형 Zn 산화물 나노 와이어 표면에 형성된 것으로 P가 도핑된 p형 Zn 산화물;을 포함하는 pn 구조를 지닌 Zn 산화물 나노 와이어를 제공한다.
상기 p형 Zn 산화물은 상기 n형 Zn 산화물 나노 와이어의 표면에 돌기 또는 도트 형태로 형성된 것일 수 있다.
기판; 및 상기 기판 상에 형성된 Zn 산화층;을 더 포함하며, 상기 n형 Zn 산화물 나노 와이어는 상기 Zn 산화층 상에 상방으로 형성된 것일 수 있다.
상기 n형 Zn 산화물 나노 와이어; 및 p형 Zn 산화물p형 Zn 산화물 상에는 P층이 더 형성된 것일 수 있다.
또한, 기판 상에 Zn 산화층을 형성하는 단계;
상기 Zn 산화층 상에 Zn 산화물 나노 와이어를 형성하는 단계; 및
상기 Zn 산화물 나노 와이어 표면에 p형 Zn 산화물을 형성하는 단계;를 포함하는 pn 구조를 지닌 Zn 산화물 나노 와이어의 제조 방법을 제공한다.
상기 기판 상에 Zn을 도포하여 시드층을 형성하는 단계; 및 상기 시드층을 Zn 산화층을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 Zn 산화물 나노 와이어를 형성하는 단계는, 챔버 내의 Zn 산화물 소스에 열을 인가하여, 상기 Zn 산화층 표면에 상방으로 Zn 산화물 나노 와이어를 성장시킬 수 있다.
상기 Zn 산화물 나노 와이어 표면에 p형 Zn 산화물을 형성하는 단계는, 챔버 내에 P 소스 물질에 열을 인가하여 상기 Zn 산화물 나노 와이어 표면에 P를 도핑함으로써 p형 Zn 산화물을 형성할 수 있다.
상기 P 소스는 P2O5일 수 있다.
상기 P 소스는 상기 챔버의 가열 수단과 독립적인 가열 수단에 의해 가열될 수 있다.
상기 Zn 산화물 나노 와이어 및 상기 p형 Zn 산화물은 열 기상 증착법에 의해 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 다양한 분야에 응용 가능한 pn 접합 구조를 지닌 Zn 산화물 나노 와이어를 제공할 수 있다. 그리고, 경제적인 방법에 의해 용이하게 제조 가능하며, 안정된 특성을 지닌 pn 구조를 지닌 Zn 산화물 나노 와이어를 제공할 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서, 본 발명의 실시예에 의한 pn 구조를 지닌 Zn 산화물 나노 와이어 및 그 제조방법에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 참고로, 도면에 도시된 각각 층 또는 영역들의 두께 및 폭은 설명을 위하여 과장되게 도시한 것임을 명심하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 pn 구조를 지닌 Zn 산화물 나노 와이어의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기판(10) 상에 Zn 산화층(11)이 형성되어 있으며, Zn 산화층(11) 상에는 Zn 산화물 나노 와이어(12)가 형성되어 있다. Zn 산화물 나노 와이어(12)는 Zn 산화층(11) 상에 상방으로 형성되어 있다. Zn 산화물 나노 와이어(12)는 n형 특성을 나타낸다. Zn 산화물 나노 와이어(12) 표면에는 p형 Zn 산화물(13)이 돌기 또는 도트 형태로 형성되어 있다. p형 Zn 산화물(13)은 Zn 산화물에 P(phosphorus)가 도핑되어 형성된 것이다. 결과적으로 본 발명의 실시예에 의한 pn 구조를 지닌 Zn 산화물 나노 와이어(W)는 코어-셀(core-shell) 구조를 지니며, 코어 영역에는 n형의 Zn 산화물 나노 와이어(12)가 형성되어 있으며, 셸 영역에는 P가 도핑된 p형 Zn 산화물(13)이 형성된 이종 구조(heterostructure)를 지닌 것이다. 그리고, pn 구조를 지닌 Zn 산화물 나노 와이어(W)의 n형의 Zn 산화물 나노 와이어(12) 및 p형 Zn 산화물(13)상에는 P층(14)이 형성되어 있다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 실시예에 의한 pn 구조를 지닌 Zn 산화물 나노 와이어의 제조 방법에 대해 상세히 설명하고자 한다.
도 2a를 참조하면, 먼저 기판(10)을 마련한다. 기판(10)은 반도체 공정에서 사용되는 통상적인 물질을 사용할 수 있으며, Si 또는 Glass 등을 이용할 수 있다. 만일 기판(10)이 실리콘으로 형성된 경우, 기판(10) 표면에 Si 산화층(10a)이 형성된 것일 수 있다. 기판(10) 상에 시드(seed)층(11a)을 형성한다. 시드층(11a)은 수 nm 내지 수십 nm 두께로 Zn을 도포하여 형성할 수 있다.
도 2b를 참조하면, 시드층(11a)을 열처리 함으로써 Zn 산화층(11)을 형성한다. 예를 들어 섭씨 약 400도의 산소가 존재하는 분위기 하에서 약 40분 동안 열처리를 진행할 수 있다.
도 2c를 참조하면, 예를 들어 열기상 증착법으로 Zn 산화층(11) 상에 pn 구조를 지닌 Zn 산화물 나노 와이어(W)를 성장시킨다. 이에 대해 도 3을 참조하여 구체적으로 예를 들어 설명하면 다음과 같다. 도 3은 p-n 이종 구조로 형성된 Zn 산화물 나노 와이어의 제조를 위한 열기상 증착 시스템을 개괄적으로 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 챔버(C) 내에 기판(10)이 장착되어 있으며, Zn 산화물 소스 및 P 소스가 포함되어 있다. 챔버(C)에 열을 인가할 수 있는 히터(heater)가 설치되어 있으며, P 소스는 상기 히터와 독립적인 가열기(heater power)와 연결된 가열 도가니에 담겨져 있다. 즉, P 소스는 챔버(C)의 가열 수단인 히터와 독립적으로 가열 수단에 의해 가열될 수 있다. 그리고 챔버(C) 내에 캐리어 가스(CG) 등의 가스(Gas1, 2, 3)를 공급할 수 있는 가스 공급로가 설치되어 있다.
도 2c 및 도 3을 참조하면, 기판(10)으로부터 소정 거리, 예를 들어 약 10 ~ 50mm에 Zn 산화물 소스(ZnO:C = 1:1)가 위치하고 있으며, 히터를 통해 챔버(C) 내의 Zn 산화물 소스에 열을 인가한다. 이에 따라 기판(10)의 Zn 산화층(11) 상에 Zn 산화물 나노 와이어가 성장한다. Zn 산화물 나노 와이어의 성장이 시작되면서, P 소스인 P 산화물, 예를 들어 P2O5에 대해 가열기를 통하여 섭씨 약 600도의 온도를 가해준다. 이와 같은 상태를 수분 ~ 수시간 동안 유지한다. 이에 따라 Zn 산화물 나노 와이어 표면에 P가 증착되면서, PN 구조를 지닌 Zn 산화물 나노 와이어(W)가 형성된다. 나노 와이어(W)의 내부는 n형의 Zn 산화물로 형성되어, 그 표면에는 P가 증착되어 도핑된 p형 Zn 산화물이 형성됨으로써 코어-셸 구조로 형성된다. PN 구조를 지닌 Zn 산화물 나노 와이어(W)의 형성 공정이 종료되면 챔버(C)를 상온까지 냉각한다.
열 기상 증착법은 MOCVD 공정에 비해 경제적인 장점을 지닌다. 그리고, p형 Zn 산화물을 형성하기 위해 사용한 P의 경우 고온에서 Zn 산화물 나노와이어와 안정적인 결합 상태를 유지하는 장점을 지닌다.
상술한 방법에 의해 형성한 시편에 대해 그 특성을 조사하였다.
도 4a는 Zn 산화층(11) 상에 Zn 산화물 나노 와이어를 형성시킨 후 SEM(주사 전자 현미경 : scanning electron microscope) 이미지를 나타낸 도면이다. 도 4a를 참조하면, 상방으로 형성된 Zn 산화물 나노와이어를 확인할 수 있다.
도 4b는 상기 도 4a에 나타낸 Zn 산화물 나노 와이어에 대하여 PL(Photoluminescence) 스펙트럼 분석을 실시하여 그 결과를 나타낸 그래프이다. 도 4b를 참조하면, 약 377nm 파장에서 픽(peak)이 발생하는 것을 알 수 있다. 이는 통상적인 벌크 Zn 산화물의 픽으로서 Zn 산화물 나노 와이어가 형성된 것을 확인할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 pn 구조를 지닌 Zn 산화물 나노 와이어의 일부 영역에 대한 TEM(투과 전자 현미경 : Transmission Electron Microscope) 이미지를 나타낸 도면이다.
도 5a를 참조하면, Zn 산화물 나노 와이어 표면에는 돌기 또는 도트 형태의 구조체가 형성된 영역 B가 존재하고 있는 것을 알 수있다. 도 5b를 참조하면, B 영역은 Zn 산화물 나노 와이어(12) 표면의 p형 Zn 산화물(13)이 존재하는 영역이다. 이 때, p형 Zn 산화물을 형성하기 위해 증착된 P의 존재 여부를 확인하기 위하여 EDX(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 분석을 실시하여 그 결과 그래프를 도 5c에 나타내었다. 도 5c를 참조하면, Zn 및 O가 검출되며, 또한 P에 해당하는 픽이 관찰되므로 Zn 나노 와이어 표면(12)의 B 영역에 P이 존재하고 있음을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 pn 구조를 지닌 Zn 산화물 나노 와이어를 솔라 셀(sollar cell) 개념도를 나타낸 도면이다. 도 6을 참조하면, 기판(10) 상에 Zn 산화층(11)이 형성되어 있으며, Zn 산화층(11) 상에는 Zn 산화물 나노 와이어(12)가 형성되어 있다. Zn 산화물 나노 와이어(12) 표면에는 p형 Zn 산화물(13)이 돌기 또는 도트 형태로 형성되어 있다.
p형 Zn 산화물(13)은 Zn 산화물에 P(phosphorus)가 도핑되어 형성된 것이다. PN 구조를 지닌 Zn 산화물 나노 와이어(W) 상에는 P층(14)이 형성되어 있으며, 그 상부에는 전극(15), 예를 들어 ITO를 포함하는 투명 전극(15)이 형성될 수 있다. 넓은 표면적과 비유기(inorganic) 결정 구조의 p-n 접합을 지님으로써 종래의 유기 물을 이용한 나노와이어 솔라 셀과 비교하여 안정성과 고효율 등의 장점을 지닌다.
본 발명은 도면을 참조하여 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 pn 구조를 지닌 Zn 산화물 나노 와이어의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 실시예에 의한 pn 구조를 지닌 Zn 산화물 나노 와이어의 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 3은 p-n 이종 구조로 형성된 Zn 산화물 나노 와이어의 제조를 위한 열기상 증착 시스템을 개괄적으로 나타낸 도면이다.
도 4a는 Zn 산화층 상에 Zn 나노 와이어를 형성시킨 후의 SEM이미지를 나타낸 도면이다.
도 4b는 상기 도 4a에 나타낸 Zn 산화물 나노 와이어에 대한 PL(Photoluminescence) 스펙트럼 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 pn 구조를 지닌 Zn 산화물 나노 와이어의 일부 영역에 대한 TEM 이미지를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 pn 구조를 지닌 Zn 산화물 나노 와이어를 솔라 셀(sollar cell)을 나타낸 도면이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10... 기판 11... Zn 산화층
12... Zn 산화물 나노 와이어 13... p형 Zn 산화물
W... pn 구조를 지닌 Zn 산화물 나노 와이어(W)

Claims (11)

  1. n형 Zn 산화물 나노 와이어; 및
    상기 n형 Zn 산화물 나노 와이어 표면에 형성된 것으로 P가 도핑된 p형 Zn 산화물;을 포함하는 pn 구조를 지닌 Zn 산화물 나노 와이어.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 p형 Zn 산화물은 상기 n형 Zn 산화물 나노 와이어의 표면에 돌기 또는 도트 형태로 형성된 pn 구조를 지닌 Zn 산화물 나노 와이어.
  3. 제 1항에 있어서,
    기판; 및
    상기 기판 상에 형성된 Zn 산화층;을 더 포함하며, 상기 n형 Zn 산화물 나노 와이어는 상기 Zn 산화층 상에 상방으로 형성된 pn 구조를 지닌 Zn 산화물 나노 와이어.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 n형 Zn 산화물 나노 와이어; 및 p형 Zn 산화물 상에는 P층이 더 형성된 pn 구조를 지닌 Zn 산화물 나노 와이어.
  5. 기판 상에 Zn 산화층을 형성하는 단계;
    상기 Zn 산화층 상에 Zn 산화물 나노 와이어를 형성하는 단계; 및
    상기 Zn 나노 와이어 표면에 p형 Zn 산화물을 형성하는 단계;를 포함하는 pn 구조를 지닌 Zn 산화물 나노 와이어의 제조 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 기판 상에 Zn을 도포하여 시드층을 형성하는 단계; 및
    상기 시드층을 Zn 산화층으로 형성하는 단계;를 더 포함하는 pn 구조를 지닌 Zn 산화물 나노 와이어의 제조 방법.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 Zn 나노 와이어를 형성하는 단계는,
    챔버 내의 Zn 산화물 소스에 열을 인가하여, 상기 Zn 산화층 표면에 상방으로 Zn 산화물 나노 와이어를 성장시키는 것을 포함하는 pn 구조를 지닌 Zn 산화물 나노 와이어의 제조 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 상기 Zn 산화물 나노 와이어 표면에 p형 Zn 산화물을 형성하는 단계는, 챔버 내에 P 소스 물질에 열을 인가하여 상기 Zn 산화물 나노 와이어 표면에 P를 도핑함으로써 p형 Zn 산화물을 형성시키는 pn 구조를 지닌 Zn 산화물 나노 와이어의 제조 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 P 소스는 P2O5인 pn 구조를 지닌 Zn 산화물 나노 와이어의 제조 방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 P 소스는 상기 챔버의 가열 수단과 독립적인 가열 수단에 의해 가열되는 pn 구조를 지닌 Zn 산화물 나노 와이어의 제조 방법.
  11. 제 6항에 있어서,
    상기 Zn 산화물 나노 와이어 및 상기 p형 Zn 산화물은 열 기상 증착법에 의해 형성되는 pn 구조를 지닌 Zn 산화물 나노 와이어의 제조 방법.
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