KR20100130296A - 고온 공정에서 버퍼층을 이용한 산화아연계 나노 와이어의 제조 방법 및 이를 이용하는 전자 장치의 제조 방법 - Google Patents

고온 공정에서 버퍼층을 이용한 산화아연계 나노 와이어의 제조 방법 및 이를 이용하는 전자 장치의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

산화아연계 나노 와이어의 제조 방법이 제공된다. 상기 산화아연계 나노 와이어의 제조 방법은 제1 온도로 진행되는 화학기상증착법을 이용하여 기판 상에 산화아연계 버퍼층을 형성하는 것을 구비한다. 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도로 진행되는 상기 화학기상증착법을 이용하여 상기 산화아연계 버퍼층 상에 산화아연계 나노 와이어를 형성한다. 이를 이용하는 전자 장치의 제조 방법이 또한 제공된다.
산화아연계 나노 와이어, 수직 성장, 미세 성장

Description

고온 공정에서 버퍼층을 이용한 산화아연계 나노 와이어의 제조 방법 및 이를 이용하는 전자 장치의 제조 방법{Method of fabricating a zinc oxide based nanowire using a buffer layer in a high temperature process and method of fabricating a electronic device using the same}
본 발명은 산화아연계 나노 와이어의 제조 방법 및 전자 장치의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고온 공정에서 버퍼층을 이용한 산화아연계 나노 와이어의 제조 방법 및 이를 이용하는 전자 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
산화아연은 육방정계(hexagonal system)를 가지는 우르자이트(wurzite) 결정구조로, 3.37eV의 넓은 밴드갭(wide bandgap)과 상온에서 큰 엑시톤(exciton) 결합에너지를 가지는 직접 천이형 산화물 반도체 물질이다. 산화아연은 가시광선 영역에서 높은 투과성과 굴절율 및 큰 압전상수를 가진다. 이러한 특성으로 인하여 산화아연은 광결정(photonic crystal), 도파관(optical modulator waveguide), 바리스터(varistor), 태양전지(solar cell)의 투명전극, 표면탄성파 필터(surfaceacoustic wave filter), 레이저 다이오드(laser diode) 등의 발광소 자(light-emitting device), 평판 디스플레이 또는 전계방출 디스플레이(FED), 광검출기(photodetectors), 가스센서, 자외선 차단막 등으로 다양하게 활용된다.
전자소자로서 사용되는 산화아연은 박막 형태로 사용되는 것이 일반적이었으나, 최근 나노구조를 가진 산화아연계 나노와이어가 사용되고 있다. 산화아연계 나노 와이어는 임계 방출전류 밀도를 증가시킴으로써 최대의 효율을 얻을 수 있다. 또한 산화아연계 나노 와이어는 작은 직경으로 인한 사이즈 효과(size effect)에 따른 양자 제한 효과(quantum confinement effect)를 가져 최대의 발광 효율을 얻을 수 있다.
산화아연계 나노와이어의 제조방법으로는 일반적으로 수용액 합성법(synthesis in solution), 열화학기상증착법(thermalchemical vapor deposition), 유기금속화학기상증착법(MOCVD), 분자빔 에피택시법(molecular beam epitaxy) 등 여러 가지 방법이 있다.
예컨대, 산화아연계 나노 와이어는 금속 촉매제를 이용하여 에피택시 성장(epitaxi growth)을 할 수 있다. 이러한 성장 방법은 실리콘 기판 상에 소정의 금속, 예컨대 산화물 나노선 제작에 널리 쓰이는 금(Au)등의 금속 촉매제를 사진공정을 이용하여 패터닝 한 후에, 실리콘 기판 상에 아연 함유 전구체를 공급함으로써 나노 와이어를 성장시키는 것이다. 상기의 에피택시는 화학기상증착(Chemical Vapor Depostion; CVD) 공정을 이용한 에피택시 성장으로써 VLS(Vapor-Liquid-Solid) 메카니즘에 의해 형성될 수 있다. 상술한 방법에 의하면, 나노 와이어들이 성장함에 따라 씨앗을 이루는 금이 나노 와이어들의 팁(tip) 부분으로 이동되고, 아연이 하단으로 이동되는 경향을 가진다. 금속촉매제는 비발광 재결합으로 인한 광학적 특성의 저하, 나노 와이어의 전도도에 대한 제어의 곤란성, 나노 와이어의 배향성 저하 등의 문제점을 야기한다.
이를 해결하기 위해 다양한 방법들이 시도되고 있으며, 이들 중 하나가 VS(Vapor-Solid) 메카니즘이 적용되는 유기금속화학기상증착(Metalorganic Chemical Vapor Depostion; MOCVD) 공정을 이용한 에피택시이며, 이 공정은 금속 촉매제의 사용을 배제하더라도 산화아연계 나노 와이어의 성장을 진행시킬 수 있다. 그러나, 유기금속 화학기상증착 공정이 진행되는 온도에 따라 나노 와이어의 성장 방향 및 자발적인 계면층의 형성에 영향을 미칠 수 있다. 상기의 공정이 400 내지 450℃의 온도로 진행되는 경우에 나노 와이어가 수직으로 성장하지만 기판과 나노 와이어 사이에 자발적인 계면층이 형성될 수 있다. 자발적인 계면층들은 나노 와이어의 하단에서 전위(dislocation)와 같은 디펙트(defect)가 집중되어 있는 곳이다. 이에 따라, 나노 와이어 내에서 전자 이동을 저해시킨다. 상기의 공정이 450℃ 이상의 온도로 진행되는 경우에 산화아연 나노 와이어는 방사형으로 무질서하게 성장된다. 더욱이 고온에서 공정이 진행되는 경우에는 산화아연과 격자상수의 불일치도가 큰 기판, 예컨대 실리콘 또는 산화실리콘 등으로 이루어진 기판 상에서는 나노 와이어가 성장되지 않는다. 이러한 원인으로는 고온 공정에서 산화아연계 전구체가 기판에 흡착할 수 없거나, 흡착하였더라도 용이하게 탈착할 가능성이 높기 때문이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 산화아연계 나노 와이어가 기판 상에 용이하게 성장되지 않는 고온의 공정에서 버퍼층을 도입함으로써 수직으로 성장함과 아울러서 작은 직경을 갖는 산화아연계 나노 와이어로 형성하는데 기여하는 산화아연계 나노 와이어의 제조 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 다른 과제는 산화아연계 나노 와이어가 기판 상에 용이하게 성장되지 않는 고온의 공정에서 버퍼층을 도입함으로써 수직으로 성장함과 아울러서 작은 직경을 갖는 산화아연계 나노 와이어가 형성되는데 기여하는 전자 장치의 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 일 양태에 따르면, 산화아연계 나노 와이어의 제조 방법이 제공된다. 상기 산화아연계 나노 와이어의 제조 방법은 제1 온도로 진행되는 화학기상증착법을 이용하여 기판 상에 산화아연계 버퍼층을 형성하는 것을 구비한다. 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도로 진행되는 상기 화학기상증착법을 이용하여 상기 산화아연계 버퍼층 상에 산화아연계 나노 와이어를 형성한다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 제2 온도로 진행되는 상기 화학기상증착법은 상기 제1 온도에서부터 상기 제2 온도로 연속적으로 증가시켜 진행될 수 있다.
다른 실시예들에서, 상기 화학기상증착법들은 열화학기상증착법(thermal CVD), 유기금속화학기상증착법(MOCVD) 또는 플라즈마화학기상증착법(PECVD) 중 어느 하나의 방법을 이용하여 수행될 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 상기 산화아연계 버퍼층의 형성은 5 내지 10 분 동안 100 내지 300℃의 온도에서 10torr 미만의 압력으로 진행되고, 상기 산화아연계 나노 와이어의 형성은 30 내지100 분 동안 500 내지 1000℃ 이하의 온도에서 1torr 미만의 압력으로 진행될 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 상기 기판은 실리콘, 사파이어, 갈륨나이트라이드, 산화실리콘, 질화실리콘, 산화아연, 금속 및 ITO로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하도록 형성될 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 상기 산화아연계 나노 와이어는 언도우프트(undoped) 되도록 형성될 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 상기 산화아연계 나노 와이어는 도핑 되도록 형성되며, 이 경우에 도핑되는 불순물은 갈륨을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 상기 산화아연계 버퍼층 및 상기 산화아연계 나노 와이어는 이원계 화합물으로 형성되거나 IIA 족 원소 또는 IIB 족 원소를 추가적으로 포함하는 삼원계 화합물로 형성될 수 있다.
또 다른 실시예들에서, 상기 화학기상증착법들을 진행하는 과정에서 아연 함유 가스는 디메틸아연[Zn(CH3)2], 디에틸아연[Zn(C2H5)2], 아연아세테이트 [Zn(OOCCH3)2·H2O], 아연아세테이트 무수물[Zn(OOCCH3)2] 및 아연 아세틸아세토네이트[Zn(C5H7O2)2]으로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하며, 산소 함유 가스는 산소, 오존, 이산화질소, 수증기 및 이산화탄소로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 다른 양태에 따르면, 전자 장치의 제조 방법이 제공된다. 상기 전자 장치의 제조 방법은 제1 전극을 갖는 제1 기판 상에 제1 온도로 진행되는 화학기상증착법을 이용하여 산화아연계 버퍼층을 형성하는 것을 구비한다. 상기 제1 온도보다 높은 제2 온도로 진행되는 상기 화학기상증착법을 이용하여 상기 산화아연계 버퍼층 상에 산화아연계 나노 와이어를 형성한다. 상기 산화아연계 나노 와이어 상에 제2 전극을 형성한다.
본 발명의 몇몇 실시예에서, 상기 제2 전극은 상기 제1 기판과 대향되는 제2 기판 상에 형성되되, 상기 제2 전극의 하부에 형광층이 형성될 수 있다.
다른 실시예들에서, 상기 제1 전극은 일 방향으로 신장되어 형성되되, 상기 제2 전극을 형성하기 전에 상기 제1 기판 상에 상기 제1 전극과 교차됨과 아울러서 상기 산화아연계 나노 와이어와 중첩되지 않는 게이트 전극을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 기판 상에 산화아연계 버퍼층을 형성한 후에 산화아연계 나노 와이어를 형성시킴으로써 고밀도로 수직 성장하는 나노 와이어를 형성할 수 있다. 구체적으로, 종래의 버퍼층 없이 진행되는 고온 공정에서는 나노 와이어의 성장이 무질서하거나 전혀 이루어지지 않았으나, 본 실시예에 따르는 경우에 양질의 나노 와이어를 형성할 수 있다. 아울러, 산화아연계 나노 와이어 형성시 버퍼층 성장 온도보다 높은 온도로 연속적으로 증가시킴으로 인하여 작은 직경의 나노 와이어를 용이하게 형성할 수 있다. 이에 따라, 우수한 전계 방출 특성 및 발광 효율이 얻어질 수 있다.
이하, 첨부한 도면들 및 후술되어 있는 내용을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 소자(element) 또는 층이 다른 소자 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 소자 또는 층의 바로 위 뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 또한, "하부(below)"로 지칭되는 것 역시 다른 소자 또는 층의 바로 아래 뿐만 아니라 중간에 다른 층 등을 개재한 경우를 모두 포함한다.
이하, 도 1a 내지 도 1c를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연계 나노 와이어의 제조 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 도 1a 및 도 1b 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연계 나노 와아어의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이고, 도 1c는 도 1b의 A에 관한 확대도이다.
도 1a를 참조하면, 기판(100)을 제공한다. 기판(100)은 예를 들어, 실리콘, 사파이어, 갈륨나이트라이드, 산화실리콘, 질화실리콘, 산화아연, 금(Au), 백금(Pt) 또는 니켈(Ni)과 같은 금속 및 ITO로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나로 형성될 수 있다. 이어서, 기판(100)에 대하여 초음파 세정을 진행시키며, 초음파 세정은 예컨대, 아세톤 및 메탄올으로 화학적 세정을 진행하고, 이후 순수로 세정할 수 있다. 계속해서, 기판(100)을 소정 온도의 오븐에서 건조시킬 수 있다.
다음으로, 제1 온도로 진행되는 유기금속 화학기상증착공정(Metallic organic chemical vapor deposition; MOCVD; 10)을 이용하여 기판 상에 산화아연계 버퍼층(102)을 형성한다. 이하에서는 산화아연계 버퍼층(102)이 산화아연의 이원계 화합물로 구성된 버퍼층인 경우를 예로 들어 설명한다.
구체적으로, 상기의 공정은 다음과 같이 진행될 수 있다. 세정된 기판(100)을 제1 온도로 유지되는 챔버(미도시)에 로딩시킬 수 있다. 챔버 내의 온도 조절은 간접 가열 방식인 인덕션 코일을 사용하여 제어할 수 있다. 이 경우에 제1 온도는 산화아연 버퍼층(102)의 성장시 필요한 온도로서 100 내지 300℃일 수 있다. 또한, 챔버 내의 압력은 0.0001 내지 10 torr일 수 있다.
이어서, 챔버 내의 샤워 헤드(미도시)와 같은 분사 부재를 통하여 기판(100)에 대하여 산화아연 버퍼층(102)을 형성하기 위한 여러 가스가 혼합된 전구체(precursor)를 공급할 수 있다. 이 경우에, 아연 함유 유기 금속물은 수소가 함유된 유기금속계 화합물을 사용하며, 이러한 아연 함유 가스는 예컨대, 디메틸아연[Zn(CH3)2], 디에틸아연[Zn(C2H5)2], 아연아세테이트[Zn(OOCCH3)2·H2O], 아연아세테이트 무수물[Zn(OOCCH3)2] 및 아연 아세틸아세토네이트[Zn(C5H7O2)2]으로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다. 아울러, 산소 함유 가스는 산소, 오존, 이산화질소, 수증기 및 이산화탄소로 이루어진 일 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 상기 가스들의 공급은 공정 조건에 따라 두 가스를 동시, 이시 또는 이들의 조합으로 진행될 수 있으며, 당업자에게 자명하게 공지된 다양한 순서로 진행될 수 있다. 예를 들면, 아연 함유 가스를 먼저 챔버 내로 유입시키고, 소정 시간 후에 아연 함유 가스와 함께 산소 함유 가스를 유입시키는 것으로 진행될 수 있다. 제1 온도의 유기금속 화학기상증착공정(10)은 5 내지 10분간 진행될 수 있다. 이에 더하여, 아르곤 가스 또는 질소 가스와 같은 불활성 가스를 캐리어 가스로 공급할 수 있다.
그 결과, 기판(100) 상에 산화아연 버퍼층(102)이 성장되어 형성될 수 있다. 산화아연 버퍼층(102)은 200 내지 300nm의 두께로 형성될 수 있다.
도 1b를 참조하면, 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 상술한 전구체를 이용하는 유기금속 화학기상증착공정(20)을 진행할 수 있다. 이 경우에, 상기 공정(20)은 온도를 제외하고는 제1 온도에서 진행된 공정(10)의 조건으로 진행되며, 상기 공정(20)은 30 내지 100분 동안 500 내지 1000℃의 온도로 10torr 미만의 압력으로 수행될 수 있다. 또한 상기 공정(20)의 온도는 제2 온도에서 시작되도록 설정될 수도 있으며, 이와는 달리 공정 진행 중에 소정 시간 동안 제1 온도에서 제2 온도로 증가되도록 설정될 수 있다. 이러한 감소는 선형성을 가지면서 연속적으로 이루어거나 불연속적으로 이루어질 수 있다.
그 결과, 산화아연 버퍼층(102) 상에 연속적으로 산화아연 나노 와이어들(104)을 형성한다. 산화아연 나노 와이어들(104)은 5 내지 90nm 직경을 갖도록 형성될 수 있다. 한편, 산화아연 결정과 격자상수의 불일치도가 큰 실리콘 기판(100) 또는 산화실리콘 기판(100) 등의 경우에 산화아연 전구체는 500℃ 이상의 고온에서 기판(100) 에 화학적으로 용이하게 흡착되지 않는다. 이로 인하여 나노 와이어들(104)은 방사형으로 무질서하게 형성되거나 전혀 성장되지 않을 수 있다. 본 실시예에 따르면, 산화아연 나노 와이어들(104)과 실질적으로 동일한 격자 구조를 갖는 버퍼층(102)을 형성한 후에, 나노 와이어들(104)을 성장시킴으로써 산화아연 전구체는 격자 상수가 서로 다른 기판(100) 대신에 버퍼층(102) 상에서 실질적으로 화학적으로 반응하여 흡착할 수 있다. 이에 따라, 기판(100) 상에 성장되는 산화아연 나노 와이어들(104)은 기판(100)과의 격자 부정합(lattice mismatch)을 줄일 수 있다. 즉, 산화아연 버퍼층(102)으로 인하여 산화아연 나노 와이어들(104)은 기판(100)의 격자상수와 상관없이 500℃ 이상의 고온에서도 버퍼층(102)의 우선 배향성에 따라 수직의 성장 방향을 가지면서 고밀도로 성장할 수 있다. 아울러, 500℃ 이상의 고온 공정을 통해서 나노 와이어들(104)은 작은 직경을 갖도록 성장될 수 있다.
한편, 상기 공정(20)이 온도의 연속적인 증가로 진행되는 경우에 산화아연 나노 와이어들(104)은 도 1c와 같은 단면도로 보았을 때 상부 끝단(tip)로 갈수록 (0001) 면과의 각도가 증가되는 나노벽(nano wall)로서의 격자면들(lattice plane)을 갖도록 성장될 수 있다. 도 1c에 도시된 좌표계는 산화아연과 같은 우르짜이트 구조(wurtzite structure)에 관한 좌표를 표시하는데 사용되는 밀러 인덱스(miller index)이다. 여기서의 좌표 (hkil)는 헥사고날(hexagonal) 구조의 격자면을 표시하는 것으로서 이들 중 h, k 및 l은 입방 구조(cubic structure)의 밀러 인덱스와 동일하며, i는 -h-k로 나타내어진다.
예를 들어, 도 1c에 나타난 격자면은 h=0, k=1 및 l=1의 좌표를 가져 {01-11} 격자면(여기서, (0111) 면을 포함하는 대표 격자면임)으로 나타낸 것이다.
이를 이용하여 산화아연 나노 와이어들(104)의 격자면들을 살펴보면, 도 1c의 산화아연 나노 와이어들(104)은 버퍼층(102) 상부에 인접한 영역에서는 {01-13}면의 격자면을 갖도록 형성될 수 있다. 이 경우에, {01-13}면은 (0001)면과 약 31.7 도의 각도를 갖는다. {01-13}면의 격자면의 상부 영역의 나노 와이어들(104)은 끝단으로 갈수록 {01-12}면, {01-11}면 {01-10}면의 격자면들을 갖도록 형성된다. 이 경우에, {01-12}면은 (0001)면과 약 42.5 도의 각도를 갖고, {01-11}은 약 61.6도의 각도를 가지며, {01-10}은 약 90도의 각도를 갖는다. 정리하자면, 증가되는 온도 구간에 해당하는 격자면들은 (0001)면과 서로 다른 각도를 이루며 형성되 며, 그 각도는 끝단으로 갈수록 증가된다. 산화아연의 흡착이 표면 에너지가 높은 쪽으로 이루어는 점을 감안한다면, 공정 온도가 증가함에 따라 산화아연 나노 와이어들(104)은 끝단으로 갈수록 더 작은 직경으로 성장되어 형성될 수 있다. 이에 의해 제작된 산화아연 나노 와이어들(104)은 뾰족한 끝단을 갖게 되어 우수한 전계 방출 특성을 나타낸다. 또한 나노 와이어들(104)은 작은 직경으로 형성됨으로써 탁월한 양자 제한 효과(quantum confinement effect)를 갖게 되어 와이드 에너지 밴드 갭을 가질 수 있다. 이에 따라, 산화아연 나노 와이어들(104)이 자외선 영역의 광을 발광 또는 수광하는데 효과적이다. 이에 더하여, 상온에서 안정한 지역적 엑시톤(localized exciton)을 가져 최대의 발광 효율을 얻을 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 산화아연 나노 와이어들(104)을 산화아연과 같은 이원계 화합물을 예로 들었으나, IIA 족 원소 또는 IIB 족 원소를 추가적으로 포함하는 삼원계 화합물로 구성된 산화아연계 나노 와이어 역시 본 실시예에 의해 제조될 수 있다. IIA, IIB 족 원소들은 산화아연계 박막의 에너지 밴드 갭(energy band gap)을 조절하기 위함이며, 이러한 원소들로는 카드뮴, 마그네슘 등일 수 있다. 이에 더하여 산화아연계 박막의 전도성(conductivity)을 조절하기 위하여 상기 공정들(10, 20)의 전구체를 공급하는 과정에서 인시츄(in-situ) 공정을 이용하여 소정 도전형의 불순물을 유입시킴으로써 P형 또는 N 형 불순물이 박막에 도핑될 수 있다. P형 불순물은 인(P), 질소(N) 등 일 수 있으며, N형 불순물은 갈륨(Ga) 등 일 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 유기금속 화학기상증착공정을 예로 들어 설명하고 있 으나, 반도체 박막은 다양한 화학기상증착공정 예컨대, 열화학기상증착법(thermal CVD) 또는 플라즈마화학기상증착법(PECVD) 등을 통해 형성될 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연계 나노 와이어의 제조 방법이 적용된 전자 장치의 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다. 도 2는 본 실시예의 방법을 이용하여 제작된 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자 장치의 단면도이다. 본 발명에서 언급되는 전자 장치는 본 실시예인 방법에 의해 제조되는 산화아연계 나노 와이어가 적용되는 응용 소자로서 예컨대, 전계 방출 디스플레이(field emission display; FED), 플라즈마 디스플레이(PDP), 자외선을 발/수광하는 LED(Light Emitting Diode) 또는 LD(Laser Diode) 등과 같은 광전 소자, 마이크로웨이브 증폭기, 반도체 제조 장치에 사용되는 레이저 빔, 또는 바이오 센서 등일 수 있다. 이 중, 디스플레이 장치, 광전 소자 및 마이크로웨이브 증폭기는 제1 전극과 이에 이격되게 배치되는 제2 전극을 구비하며, 제1 전극 상에 상기 산화아연계 나노 와이어를 포함하는 구조를 갖는다. 본 명세서에서는 산화아연계 나노 와이어가 채택되는 다양한 응용 소자들 중 전계 방출 디스플레이를 일례로 예시하였으며, 본 발명인 전자 장치는 전계 방출 디스플레이를 예로 들도록 한다. 한편, 전계 방출 디스플레이는 이극관(diode) 구조(즉, 캐소드-애노드 구조) 또는 삼극관(triode) 구조(즉, 캐소드-게이트-애노드 구조)로 구성될 수 있다. 게이트 전극의 사용은 전계 방출의 제어에 더 적합하여 선호된다. 결론적으로, 본 명세서에서는 삼극관 구조의 전계 방출 디스플레이를 예로 들어 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 제1 전극(204)을 갖는 제1 기판(202) 상에 개구부들(210) 을 갖는 절연층들(206)을 형성할 수 있다. 제1 기판(202)은 예를 들어, 실리콘, 사파이어, 갈륨나이트라이드, 산화실리콘, 질화실리콘, 산화아연 및 ITO로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나로 형성될 수 있다. 제1 전극(204)은 캐소드 전극(cathode electrode; 204)으로서 도핑된 실리콘, 갈륨나이트라이드, 도핑된 산화아연, ITO 및 금(Au), 백금(Pt) 또는 니켈(Ni)과 같은 금속으로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나로 형성될 수 있다. 캐소드 전극(204)은 제1 기판(202) 상에 제1 방향을 따라 다수의 스트라이프 패턴으로 배치되도록 형성될 수 있다.
이어서, 개구부들(210) 내의 캐소드 전극(204) 상에 제1 온도에서 진행되는 유기금속 화학기상증착공정을 사용하여 산화아연계 버퍼층들(214)을 형성할 수 있다. 산화아연계 버퍼층(212)은 이원계 화합물으로 형성되거나 IIA족 원소 또는 IIB족 원소를 추가적으로 포함하는 삼원계 화합물로 형성될 수 있다. 계속해서, 제1 온도보다 높은 제2 온도에서 진행되는 유기금속 화학기상증착공정을 사용하여 버퍼층들(212) 상에 산화아연계 나노 와이어들(214)을 형성할 수 있다. 제2 온도에서 진행되는 공정은 공정 온도를 제외하고는 제1 온도의 공정과 실질적으로 동일한 조건으로 진행될 수 있다. 산화아연계 버퍼층들(212) 및 나노 와이어들(214)은 도 1a 및 도 1b의 실시예에서 언급된 방법과 실질적으로 동일한 방법으로 형성되므로 이의 제조 과정에 대한 설명은 생략하기로 한다.
다음으로, 절연층들(206) 상에 제1 방향과 다른 제2 방향을 따라 신장되는 다수개의 게이트 전극들(208)을 형성할 수 있다. 한편, 제2 전극(218)을 갖는 제2 기판(216) 상에 개구부들(210)과 상응하는 형광층들(220)을 형성할 수 있다. 이 경 우에, 제2 기판(216)은 투명 기판으로서 ITO막일 수 있으며, 제2 전극(218)은 애노드 전극(anode electrode; 218)으로서 금(Au), 백금(Pt) 또는 니켈(Ni)과 같은 금속막일 수 있다. 또한 형광층들(220)은 백색 형광층으로 이루어지거나, 적색, 녹색 및 청색 형광층들이 조합된 구성으로 이루어질 수 있다.
이러한 디스플레이인 전자 장치(200)는 산화아연 나노 와이어들(214)을 갖는 제1 기판(202) 및 애노드 전극(anode electrode; 218)을 갖는 제2 기판(216)을 대향되게 배치함으로써 완성된다. 이 경우에 제1 및 제2 기판들(202, 216) 사이를 지지하는 스페이서들(미도시)이 다수 형성될 수 있으며, 제1 및 제2 기판들(202, 216) 사이는 진공에 가까운 분위기로 형성되어 있다. 상술한 산화아연 나노 와이어들이 본 발명인 전자 장치(200)에 적용되는 경우에, 나노 와이어들(214)이 수직으로 정렬됨과 아울러서 작은 직경을 갖게 되어 우수한 전계 방출 효과를 나타내며 디스플레이인 전자 장치(200)는 향상된 전기적 특성을 가질 수 있다.
한편, 도면에서는 전계 방출 디스플레이를 도시하였으나, 광전 소자의 경우에는 본 실시예에 따른 방법을 이용하여 제1 전극을 갖는 기판 상에 산화아연 버퍼층을 형성할 수 있다. 이후, 본 실시예에 따른 방법에 의해 산화아연 나노 와이어들을 형성하는 과정에서 나노 와이어들의 성장 구간마다 소정 도전형의 불순물들을 함께 챔버 내에 공급할 수 있다. 그 결과, 산화아연 나노 와이어들은 순차적으로 적층되는 n형층, 활성층 및 p형층을 갖도록 형성될 수 있다. 이 경우에, n형층은 갈륨으로 도핑될 수 있다. 아울러, 활성층은 비발광 재결합 중심(recombination center)의 형성을 피하기 위해 언도우프된(undoped)되게 형성할 수 있다. 또한 산 화아연계 나노 와이어들은 이원계 화합물으로 형성되거나 IIA족 원소 또는 IIB족 원소를 추가적으로 포함하는 삼원계 화합물로 형성될 수 있다. 이 경우에 IIA, IIB 족 원소들은 산화아연계 반도체 박막의 에너지 밴드 갭(energy band gap)을 조절하기 위함이며, 이러한 원소들로는 카드뮴, 마그네슘 등일 수 있다. 따라서 산화아연계 나노 와이어들은 구간마다 다른 조성비를 갖도록 형성될 수 있다. 예를 들어, n형 및 p형층들 사이에 개재되는 활성층이 캐리어를 내부에 유효하게 가두기 위해 n형 및 p형 층들은 동일한 조성비로 형성될 수 있으며, 활성층은 n형 및 p형 층들과 다른 조성비를 갖도록 형성될 수 있다.
이어서, 산화아연 나노 와이어들 상에 제2 전극을 형성함으로써 광전 소자를 완성시킬 수 있다. 이러한 광전 소자는 작은 직경의 나노 와이어들로 구성됨으로써 탁월한 양자 제한 효과(quantum confinement effect)가 나타나며, 이는 산화아연 나노 와이어로 된 활성층이 와이드 에너지 밴드 갭을 가질 수 있도록 기여한다. 이에 더하여, 이러한 광전 소자는 상온에서 안정한 지역적 엑시톤(localized exciton)을 가져 최대의 발광 효율을 얻을 수 있다.
이하, 실험예들 및 비교예들을 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기 실험예들은 본 발명을 예시하기 위한 것으로서 본 발명이 하기 실험예들에 의하여 한정되는 것은 아님으로 이해되어야 한다.
<실험예들: examples>
도 3a 내지 도 3e는 종래의 제조 방법에 의해 제작된 산화아연 나노 와이어 의 SEM(Scanning Eelectron Microscope) 사진이고, 도 3f는 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법에 의해 제작된 산화아연 나노 와이어의 SEM 사진이다.
실험예들에서 본 실시예인 산화아연 나노 와이어는 다음과 같이 제조되었다. 본 실험예들에서 제작된 나노 와이어는 산화아연으로 구성되는 이원계 화합물 반도체로서 유기금속 화학기상증착공정을 사용하여 형성되었다. 구체적으로, 실리콘 기판(에 대하여 아세톤, 메탄올 및 순수의 순서로 초음파 세정을 5분간 실시한 후에, 약 80℃의 온도의 오븐에서 10분간 건조 과정을 거쳤다. 이어서, 기판을 챔버 내에 위치시켜 간접 가열 방식인 인덕션 코일을 사용하여 챔버의 온도를 산화아연 버퍼층에 필요한 260℃로 유지하였고, 챔버 내의 압력은 0.001torr로 유지시켰다. 다음으로, 챔버 내로 아연 함유 가스인 디메틸아연[Zn(CH3)2]을 초기 30초 동안 공급하고, 이후 이와 함께 6N 농도의 산소 가스를 공급하였다. 이와 동시에, 6N의 아르곤 가스를 챔버 내에서 캐리어 가스로 사용하였다. 즉, 260℃의 온도에서 10분 동안 유기금속 화학기상증착공정을 진행하여 실리콘 기판 상에 200 내지 300nm 두께의 산화아연 버퍼층을 성장시켰다. 이후, 아연 함유 가스 및 산소 가스의 공급을 계속 유지하면서 5분 동안 온도를 550℃까지 연속적으로 증가시킨 후에 이 상태로 추가적으로 25분 동안 유지하여 산화아연 버퍼층 상에 연속적으로 성장된 산화아연 나노 와이어들을 형성하였다.
본 실시예와 대비되는 종래의 방법에 따른 비교예들은 다음과 같이 제작되었다. 도 3a 내지 도 3d의 비교예들은 실리콘 기판에 대하여 본 실시예에서 실시된 초음파 세정을 거친 후에 챔버 내에 위치시켰다. 챔버 내의 압력은 0.001torr로 유지하면서 챔버 내로 디메틸아연을 먼저 공급한 후에 디메틸아연과 더불어 6N의 산소 가스를 각 30분간 공급하였다. 이와 동시에, 6N의 아르곤 가스를 챔버 내로 유입시켜 캐리어 가스로 사용하였다. 다만, 도 3a 내지 도 3d의 비교예들은서는 상술한 조건들을 동일하게 유지하면서 챔버 내 온도를 460℃, 490℃, 520℃ 및 550℃로 조절하면서 네 개의 비교예들을 제작하였다. 한편, 도 3e의 비교예는 실리콘 기판 대신에 사파이어(Al2O3) 기판을 사용한 것을 제외하고는 다른 비교예들과 동일한 조건으로 유기금속 화학기상증착공정을 진행하였다. 이 비교예에서의 공정 온도는 550℃로 설정하였다.
도 3a에서 알 수 있듯이, 460oC의 저온에서 성장된 산화아연 나노선은 70 내지 90nm의 비교적 큰 직경을 갖는 나노로드들(nanorod)로 형성되었다. 이러한 나노로드들은 실리콘 기판 상에 비교적 높은 밀도를 가지고 수직성장 되었다. 유기금속 화학기상증착공정에 의한 산화아연 나노 와이어의 성장은 비교적 낮은 온도에서도 수직으로 정렬될 수 있음을 보여주나, 실리콘 기판과 나노로드들 사이에 결함(defect)이 존재하는 자발적인 계면층이 형성되었다. 이에 더하여, 도 3b에서 보는 바는 같이 성장온도가 도 3a의 비교예보다 더 높은 490oC로 높아짐에 따라 산화아연 나노 와이어들이 기울어져 성장되는 것을 보여준다. 도 3c에서 나타난 바와 같이 520oC의 고온에서 성장된 산화아연 나노 와이어들은 자발적인 계면층들을 갖고 있지 않으나, 매우 낮은 밀도로 성장될 뿐만 아니라, 무질서한 방사형으로 성장된 것을 볼 수 있다. 더욱이 도 3d에서와 같이 550oC에서 진행된 공정에서는 산화아연 나노 와이어들이 성장되지 못한 것을 볼 수 있다. 이는 실리콘 기판과 같이 격자상수 불일치도가 큰 기판의 경우, 산화아연 반응물이 기판에 흡착하지 못하거나, 흡착하였다고 하더라도 쉽게 탈착되는 것에 기인한다. 반면, 도 3e에서와 같이 실리콘 기판에서는 성장되지 않은 나노 와이어들이 사파이어 기판 상에서는 고온임에도 불구하고 높은 길이/직경 비(aspect ratio)를 가지고 성장된 것을 볼 수 있다. 이는 사파이어 기판이 산화아연 격자와 유사한 격자상수를 가지므로 실리콘 기판에 비해 산화아연 반응물의 흡착이 용이하다는 것을 알 수 있다. 도 3f에서와 같이 본 실시예에 따라 제조된 산화아연 나노 와이어들은 비교적 고온인 550oC에서 약 10nm의 직경으로 얇게 형성되면서 수직으로 잘 정렬된 것을 보인다. 이와 같이, 산화아연 버퍼층을 이용함으로써 실리콘 기판과 같이 반응물의 비흡착 및 탈착현상이 일어나는 기판에서도 어스펙트비가 매우 우수한 나노 와이어들이 수직으로 어레이(array) 할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 종래의 제조 방법에 의해 제작된 산화아연 나노 와이어의 XRD(X-Ray Diffraction)를 나타낸 그래프들이며, 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법에 의해 제작된 산화아연 나노 와이어의 XRD를 나타낸 그래프이다. 도 4a, 도 4b 및 도 4c는 각각 도 3a, 도 3c 및 도 3f의 예들에 관한 XRD 그래프이다.
도 4a에서는, 도3a의 SEM 사진을 통해 확인한 바와 같이 일반 산화아연 박막에 비해 높은 우선 배향성을 보이는 것을 확인할 수 있다. 또한 도 4b에서 도 3c의 SEM 사진을 통해 확인한 바와 같이 산화아연 나노 와이어들이 수직으로 성장되지 않아 감소된 우선 배향성을 보인다. 이와는 달리, 도 4c에서는 산화아연 버퍼층의 도입에 따라 산화아연 나노 와이어들이 향상된 우선 배향성을 보여주고 있다. 이처럼 실리콘과 같이 격자상수 불일치도가 높은 기판 위에 성장되더라도 나노 와이어들의 우수한 우선 배향성을 가지면서 성장할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 5a는 본 실시예에 따른 제조 방법에서 형성되는 산화아연 버퍼층의 저배율 TEM(Transmission Electron Microscope) 사진이고, 도 5b 내지 도 5c는 본 실시예에 따른 제조 방법을 이용하여 제작된 산화아연 나노 와이어들의 저배율 TEM(Transmission Electron Microscope) 사진들이다. 도 5a는 도 3f의 실시예에서와 같이 260℃에서 형성된 산화아연 버퍼층이고, 도 5b 및 도 5c는 260℃에 형성된 산화아연 버퍼층 상에 각각 460oC 및 550oC에서 성장된 산화아연 나노 와이어들이다.
도 5a에서와 같이, 산화아연 버퍼층의 표면은 뾰족한 삼각 형상으로 이루어진 거칠기를 갖도록 형성된다. 한편, 도 5b 및 도 5c에서 알 수 있듯이, 양 실시예들 모두에서 나노 와이어와 나노 쉬트(nanosheet)의 형태들이 관찰된다. 나노 쉬트는 나노 와이어의 기저부에 위치되는 것으로서 네트워크 구조의 조합을 의미한다. 이 경우에, 도 5c의 실시예에서는 도 5b의 실시예에 비해 나노 쉬트가 더 길게 성 장된 것을 알 수 있다. 정리하자면, 도 5c의 산화아연 나노 와이어들은 산화아연 버퍼층 상에 다양한 표면을 가지는 네트워크 구조 위에 성장된 것을 알 수 있다. 이에 더하여, 도 5c의 나노 쉬트는 수직 성장 방향으로 일정한 기울기를 갖도록 형성된다. 이에 대한 자세한 설명은 도 6에서 후술하도록 한다. 또한 도 5c의 실시예는 도 5b의 실시예에 비해 고온에서 성장함에 따라 나노와이어의 직경이 감소된 것을 확인할 수 있다. 아울러, 도 5c 내의 삽입된 사진은 산화아연 나노 와이어들 회절패턴으로서 격자상수 불일치도가 큰 실리콘 기판 위에서도 에피성장에 가까운 우선배향성을 지니고 있음을 보여준다.
도 6a 내지 도 6c는 본 실시예에 따른 제조 방법을 이용하여 제작된 산화아연 나노 와이어를 수직 성장 방향을 따라 구별된 각각의 영역들로 나타낸 고분해능 TEM 사진들이다. 자세하게는 도 6a 내지 도 6c는 도 5c의 산화아연 나노 와이어의 기저부인 나노 쉬트를 확대한 사진으로서, 도 6a는 산화아연 버퍼층에 인접한 나노 쉬트의 확대 사진이고, 도 6b 및 도 6c는 도 6a의 나노 쉬트의 상부로부터 차례로 형성되는 나노 쉬트들의 확대 사진들이다.
도 6a에서 알 수 있듯이, 네트워크의 측면은 (01-10)면으로 이루어지며, 그 윗면은 (0001)면과 31.7도 방위를 가지는 (01-13)면으로 구성된 것을 알 수 있다. 도 6b에서는 네트워크의 측면이 도 6a와 동일하나, 그 윗면은 42.5도의 방위를 가지는 (01-12)면으로 구성된 것을 보여주고 있다. 또한 도 6c에서는 네트워크 측면이 도 6a와 동일하나, 그 윗면은 61.6도의 방위를 가지는 (01-11)면으로 이루어진 것을 확인할 수 있다. 아울러 산화아연 나노 와이어는 기울어진 면을 따라 10nm 이 하의 작은 반경을 가지고 성장된 것을 알 수 있다. 이러한 확대 사진들을 통해 버퍼층 상에 연속적으로 성장된 나노 와이어는 네트워크 구조를 포함하는 것을 알 수 있으며, 이러한 네트워크 구조는 연속적으로 성장온도가 증가함에 따라 (0001)면에 다른 기울기를 가지는 다양한 표면들로 존재하고 있음을 확인할 수 있다.
도 7은 종래 및 본 실시예의 방법들에 의해 제작된 산화아연 나노 와이어들의 파장 및 온도에 따른 PL(PhotoLuminescence)를 측정하여 나타낸 그래프이다. 도 7의 그래프에서
Figure 112009033498358-PAT00001
로 표시된 데이터들은 도 3a의 비교예에 관한 PL 세기이고,
Figure 112009033498358-PAT00002
로 표시된 데이터들은 도 3f의 실시예에 관한 PL 세기이다. 상온 PL 측정결과, 산화아연 버퍼층의 도입에 따른 나노 와이어들이 460oC에서 성장된 나노로드에 비해 PL 강도가 매우 높은 것을 볼 수 있다. 또한 산화아연 나노 와이어는 산소공공, 전위나 면결함에 의해 발생하는 비발광재결합 준위를 가지지 않는 것으로 보여 본 실시예에 따른 나노 와이어에서는 어느 정도 결함이 제거된 우수한 결정성을 예측할 수 있다. 삽입된 그래프에서 얻어진 활성화 에너지는 103meV로 산화아연의 박막의 59meV에 비해 매우 높은 값을 지니고 있다. 이에 따라 사이즈 효과(size effect)에 따른 양자 제한 효과와 상온에서 안정한 지역적 엑시톤의 사용이 가능하리라고 예상된다.
도 8은 종래 및 본 실시예의 방법들에 의해 제작된 산화아여 나노 와이어들의 전류 밀도 및 턴 온 필드값을 나타낸 그래프이다.
도 8에 있어서, 가로축은 에미터 역할하는 산화아연 나노 와이어들에 인가되 는 전기장의 세기를 나타내고, 세로축은 산화아연 나노 와이어들에서 방출되는 전류 밀도를 나타낸다. 도 7의 그래프에서
Figure 112009033498358-PAT00003
로 표시된 데이터들은 도 3a의 비교예에 관하여 측정된 전류 밀도이고,
Figure 112009033498358-PAT00004
로 표시된 데이터들은 도 3f의 실시예에 관하여 측정된 전류 밀도이다.
전류 밀도의 측정은 다음과 같이 진행되었다. 산화아연 나노 와이어들이 성장된 소정 크기의 실리콘을 전극판에 소량의 실버페이스트로 고정시켰다. 전류를 공급하기 위한 캐소드 전극과 애노드 전극으로는 전극판을 사용하였다. 또한 캐소드 전극 위 실리콘 기판의 두께와 실리콘 기판 상에 성장된 산화아연 나노 와이어들의 길이에 따라 나노 와이어인 에미터와 상판의 에노드 전극판 사이에 소정의 갭(gap)으로 이격시켜 시편은 제작되었다. 상기 에미터와 에노드 전극 사이의 갭을 만들기 위해서 비전도체인 스페이서(spacer)를 사용하며, 스페이서는 케소드와 에노드 알루미늄 전극 사이에 개재되도록 배치되었다.
도 8의 그래프로부터 알 수 있듯이, 도 3a의 비교예에서 턴-온 필드값 및 전류 밀도는 각각 4.6V/μm 및 0.4mA/cm2로 측정되었다. 이는 나노 와이어들를 통해 방출되는 전자의 전류 밀도가 0.4mA/cm2 이상이 되기 위해 필요한 전기장이 4.6V/μm 이상임을 의미한다. 한편, 도 3f의 실시예에서는 턴-온 필드값 및 전류 밀도는 각각 3.3V/μm 및 0.23mA/cm2로 측정되었다. 이를 토대로 전계 향상 지수(field enhancement factor, β)를 구할 수 있다. 이는 전계 에미터의 콘(cone) 각과 에미 터 사이의 거리를 고려한 전계 방출 지수이다. 전계 향상 지수는 비교예와 본 실시예에서 각각 1935 및 1395로 계산된다. 이에 따라, 본 실시예에 따른 산화아연 나노 와이어들이 비교예에 비해 상대적으로 높은 전계 방출 특성을 가짐을 확인할 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의하여 정해져야 한다.
도 1a 및 도 1b 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연계 나노 와아어의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도들이다.
도 1c는 도 1b의 A에 관한 확대도이다.
도 2는 본 실시예의 방법을 이용하여 제작된 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자 장치의 단면도이다.
도 3a 내지 도 3e는 종래의 제조 방법에 의해 제작된 산화아연 나노 와이어의 SEM(Scanning Eelectron Microscope) 사진이고, 도 3f는 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법에 의해 제작된 산화아연 나노 와이어의 SEM 사진이다.
도 4a 및 도 4b는 종래의 제조 방법에 의해 제작된 산화아연 나노 와이어의 XRD(X-Ray Diffraction)를 나타낸 그래프들이며, 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 방법에 의해 제작된 산화아연 나노 와이어의 XRD를 나타낸 그래프이다.
도 5a는 본 실시예에 따른 제조 방법에서 형성되는 산화아연 버퍼층의 저배율 TEM(Transmission Electron Microscope) 사진이고, 도 5b 내지 도 5c는 본 실시예에 따른 제조 방법을 이용하여 제작된 산화아연 나노 와이어들의 저배율 TEM(Transmission Electron Microscope) 사진들이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 실시예에 따른 제조 방법을 이용하여 제작된 산화아연 나노 와이어를 수직 성장 방향을 따라 구별된 각각의 영역들로 나타낸 고분해능 TEM 사진들이다.
도 7은 종래 및 본 실시예의 방법들에 의해 제작된 산화아연 나노 와이어들 의 파장 및 온도에 따른 PL(PhotoLuminescence)를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 8은 종래 및 본 실시예의 방법들에 의해 제작된 산화아여 나노 와이어들의 전류 밀도 및 턴 온 필드값을 나타낸 그래프이다.

Claims (20)

  1. 제1 온도로 진행되는 화학기상증착법을 이용하여 기판 상에 산화아연계 버퍼층을 형성하고,
    상기 제1 온도보다 높은 제2 온도로 진행되는 상기 화학기상증착법을 이용하여 상기 산화아연계 버퍼층 상에 산화아연계 나노 와이어를 형성하는 산화아연계 나노 와이어의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 온도로 진행되는 상기 화학기상증착법은 상기 제1 온도에서부터 상기 제2 온도로 연속적으로 증가시켜 진행되는 산화아연계 나노 와이어의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 화학기상증착법들은 열화학기상증착법(thermal CVD), 유기금속화학기상증착법(MOCVD) 또는 플라즈마화학기상증착법(PECVD) 중 어느 하나의 방법을 이용하여 수행되는 산화아연계 나노 와이어의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화아연계 버퍼층의 형성은 5 내지 10 분 동안 100 내지 300℃의 온도 에서 10torr 미만의 압력으로 진행되고, 상기 산화아연계 나노 와이어의 형성은 30 내지100 분 동안 500 내지 1000℃ 이하의 온도에서 1torr 미만의 압력으로 진행되는 산화아연계 나노 와이어의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘, 사파이어, 갈륨나이트라이드, 산화실리콘, 질화실리콘, 산화아연, 금속 및 ITO로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하도록 형성되는 산화아연계 나노 와이어의 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화아연계 나노 와이어는 언도우프트(undoped) 되도록 형성되는 산화아연계 나노 와이어의 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화아연계 나노 와이어는 도핑되도록 형성되되, 도핑되는 불순물은 갈륨을 포함하는 산화아연계 나노 와이어의 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화아연계 버퍼층 및 상기 산화아연계 나노 와이어는 이원계 화합물으로 형성되거나 IIA 족 원소 또는 IIB 족 원소를 추가적으로 포함하는 삼원계 화합 물로 형성되는 산화아연계 나노 와이어의 제조 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 화학기상증착법들을 진행하는 과정에서 아연 함유 가스는 디메틸아연[Zn(CH3)2], 디에틸아연[Zn(C2H5)2], 아연아세테이트 [Zn(OOCCH3)2·H2O], 아연아세테이트 무수물[Zn(OOCCH3)2] 및 아연 아세틸아세토네이트[Zn(C5H7O2)2]으로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하며, 산소 함유 가스는 산소, 오존, 이산화질소, 수증기 및 이산화탄소로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하는 산화아연계 나노 와이어의 제조 방법.
  10. 제1 전극을 갖는 제1 기판 상에 제1 온도로 진행되는 화학기상증착법을 이용하여 산화아연계 버퍼층을 형성하고,
    상기 제1 온도보다 높은 제2 온도로 진행되는 상기 화학기상증착법을 이용하여 상기 산화아연계 버퍼층 상에 산화아연계 나노 와이어를 형성하고,
    상기 산화아연계 나노 와이어 상에 제2 전극을 형성하는 것을 포함하는 전자 장치의 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제2 온도로 진행되는 상기 화학기상증착법은 상기 제1 온도에서부터 상 기 제2 온도로 연속적으로 증가시켜 진행되는 전자 장치의 제조 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 화학기상증착법들은 열화학기상증착법(thermal CVD), 유기금속화학기상증착법(MOCVD) 또는 플라즈마화학기상증착법(PECVD) 중 어느 하나의 방법을 이용하여 수행되는 전자 장치의 제조 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 산화아연계 버퍼층의 형성은 5 내지 10 분 동안 100 내지 300℃의 온도에서 10torr 미만의 압력으로 진행되고, 상기 산화아연계 나노 와이어의 형성은 30 내지100 분 동안 500 내지 1000℃ 이하의 온도에서 1torr 미만의 압력으로 진행되는 전자 장치의 제조 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘, 사파이어, 갈륨나이트라이드, 산화실리콘, 질화실리콘, 산화아연, 금속 및 ITO로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하도록 형성되는 전자 장치의 제조 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 산화아연계 나노 와이어는 언도우프트(undoped) 되도록 형성되는 전자 장치의 제조 방법.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 산화아연계 나노 와이어는 도핑되도록 형성되되, 도핑되는 불순물은 갈륨을 포함하는 전자 장치의 제조 방법.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 산화아연계 버퍼층 및 상기 산화아연계 나노 와이어는 이원계 화합물으로 형성되거나 IIA 족 원소 또는 IIB 족 원소를 추가적으로 포함하는 삼원계 화합물로 형성되는 전자 장치의 제조 방법.
  18. 제 10 항에 있어서,
    상기 화학기상증착법들을 진행하는 과정에서 아연 함유 가스는 디메틸아연[Zn(CH3)2], 디에틸아연[Zn(C2H5)2], 아연아세테이트 [Zn(OOCCH3)2·H2O], 아연아세테이트 무수물[Zn(OOCCH3)2] 및 아연 아세틸아세토네이트[Zn(C5H7O2)2]으로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하며, 산소 함유 가스는 산소, 오존, 이산화질소, 수증기 및 이산화탄소로 이루어진 일 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하는 전자 장치의 제조 방법.
  19. 제 10 항에 있어서,
    상기 제2 전극은 상기 제1 기판과 대향되는 제2 기판 상에 형성되되, 상기 제2 전극의 하부에 형광층이 형성되는 전자 장치의 제조 방법.
  20. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 전극은 일 방향으로 신장되어 형성되되, 상기 제2 전극을 형성하기 전에 상기 제1 기판 상에 상기 제1 전극과 교차됨과 아울러서 상기 산화아연계 나노 와이어와 중첩되지 않는 게이트 전극을 형성하는 것을 더 포함하는 전자 장치의 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101302893B1 (ko) * 2011-05-11 2013-09-06 성균관대학교산학협력단 Ａｚｏ버퍼층이 형성된 나노 구조체 및 그 제조방법
US9305778B2 (en) 2012-11-16 2016-04-05 Samsung Electronics Co., Ltd. Controlled manufacturing method of metal oxide semiconductor and metal oxide semiconductor structure having controlled growth crystallographic plane
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