KR20200099634A - 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법 및 그로부터 제조된 박막을 구비하는 광전소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법 및 그로부터 제조된 박막을 구비하는 광전소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 (S1) 기판 상에 그래핀층 또는 그래핀 산화물층을 형성시키는 단계; 및 (S2) 상기 그래핀층 또는 그래핀 산화물층 상에, 붕소 함유 전구체와 질소 함유 전구체를 공급하면서 유기금속화학증착(MOCVD)법으로 열처리하여, 상기 그래핀층 또는 그래핀 산화물층 상에 육방정계 질화붕소 박막을 형성시키는 단계를 포함하는 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법 및 그로부터 제조된 박막을 구비하는 광전소자에 관한 것이다.
Description
본 발명은 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법 및 그로부터 제조된 박막을 구비하는 광전소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고품질의 단일 결정 방향을 갖는 다층의 박막을 대면적으로 제조할 수 있는 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법 및 그로부터 제조된 박막을 구비하는 광전소자에 관한 것이다.
2차원 나노구조 재료는 일정한 평면형태를 가지며 두께가 원자 한층 또는 몇 층으로 이루어진 소재로서, 화학, 재료 분야에서 가장 활발한 연구 분야 중 하나로 손꼽히고 있으며, 전자, 기계 및 생명공학 분야로의 접목을 통하여 연구 주제가 다변화되고 있다.
대표적인 2차원 나노구조 재료로서 그래핀, 질화붕소 등을 수 있는데, 이중에서 질화붕소는 BN의 화학식을 가지고, 붕소 원자와 질소 원자가 평면 2차원 육각형 구조를 이루고 있으며, 흑연과 비슷한 육방정계 구조를 갖고 있어 화학적, 물리적 성질이 흑연과 비슷하여, 물리적, 화학적 안정성이 높은 물질이다. 불활성 분위기에서는 최대 3,000 ℃까지 안정하며, 스테인레스 스틸 정도의 높은 열전도율이 있어 열충격 저항성이 크고, 1,500 ℃ 정도의 급가열, 급냉각을 반복하여도 균열이나 파손이 없다. 그리고, 고온 윤활성 및 내식성이 대단히 우수하다.
또한, 전기 저항 값이 월등히 높은데, 특히 고온에서의 전기 저항 값의 변화가 적어 넓은 온도 범위에서 전기절연 재료로 사용할 수 있으며, 전계를 가하면 자외선을 방출하는 특성이 있다. 뿐만 아니라, 질화붕소는 그래핀과 마찬가지로 모든 가스와 액체에 대해서 불침투성을 보이며, 투명하며 붕소 원자와 질소 원자가 그물처럼 연결된 육각형 벌집 구조의 공간적 여유로 인해 신축성이 뛰어나다. 이러한 질화붕소의 특이한 구조와 물성은 반도체 재료의 절연체 및 자외선 발생장치, 배리어 필름 등으로 응용될 수 있다.
최근 나노 기술에 대한 수요와 관심이 증대되면서 질화붕소도 나노시트, 나노튜브와 같은 형태로 얻기 위한 연구가 진행되고 있다. 현재 육방정계 질화붕소(hexagonal boron nitride, h-BN) 나노시트를 제조하는 방법으로는 기계적 박리, 액상 박리, 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition: CVD) 등이 있으며, 일반적으로 CVD 방법과 액상박리 방법이 육방정계 질화붕소 나노시트 제조에 사용되고 있다.
액상 박리 방법은 육방정계 질화붕소에서 다층의 질화붕소를 용매 내에서 초음파 처리를 통해 떼어내는 방법으로, 제조하기는 간단하나 대량 생산이 어렵다는 단점이 있다. CVD 방법은 기판 위에 촉매 금속을 증착하여 얇은 금속 막을 형성한 후, 1,000℃ 이상의 고온에서 붕소와 질소가 포함된 기체를 흘려준 뒤, 냉각시켜 금속 막 위에 형성된 질화붕소 나노시트를 얻는 방법으로, 대면적으로 제조하기가 어렵다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 고품질의 단일 결정 방향을 갖는 다층의 육방정계 질화붕소 박막을 대면적으로 제조할 수 있는 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법을 제공하는 것이다.
그리고, 본 발명의 다른 목적은 상기 제조방법을 통해 제조된 육방정계 질화붕소 박막을 구비하는 광전소자를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따른 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법은, (S1) 기판 상에 그래핀층 또는 그래핀 산화물층을 형성시키는 단계; 및 (S2) 상기 그래핀층 또는 그래핀 산화물층 상에, 붕소 함유 전구체와 질소 함유 전구체를 공급하면서 유기금속화학증착(MOCVD)법으로 열처리하여, 상기 그래핀층 또는 그래핀 산화물층 상에 육방정계 질화붕소 박막을 형성시키는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 (S2) 단계는, 1,000 내지 1,200 ℃의 온도로 열처리하는 제1 열처리 단계; 700 내지 900 ℃의 온도로 열처리하는 저온처리 단계; 및 1,250 내지 1,450 ℃의 온도로 열처리하는 고온처리 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1 열처리 단계는 1 분 내지 5 분 동안 이루어지고, 상기 저온처리 단계는 3 분 내지 10 분 동안 이루어지며, 상기 고온처리 단계는 1 시간 내지 5 시간 동안 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 (S2) 단계는, 상기 붕소 함유 전구체와 상기 질소 함유 전구체가 번갈아 교번 공급되도록, 상기 붕소 함유 전구체와 상기 질소 함유 전구체를 각각 펄스(pulse) 공급하는 것일 수 있다.
이때, 상기 펄스(pulse) 공급의 펄스 폭(pulse width)은 1 내지 10 초이고, 펄스 반복 주기(pulse repetition interval)는 2 내지 20 초일 수 있다.
한편, 상기 기판은, 사파이어(Al2O3), 실리콘(Si), 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN), 비소화갈륨(GaAs), 산화아연(ZnO), 산화갈륨(Ga2O3), 산화리튬알루미늄(LiAlO2), 질화알루미늄(AlN), 게르마늄(Ge), 실리콘게르마늄(SiGe), 산화리튬갈륨(LiGaO2), 또는 산화마그네슘알루미늄(MgAl2O4)에서 선택되는 것일 수 있다.
그리고, 상기 붕소 함유 전구체는, (CH3CH2)3B, (CH3)3B 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
그리고, 상기 질소 함유 전구체는, NH3일 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 광전소자는 전술한 본 발명의 방법으로 제조된 육방정계 질화붕소 박막을 구비한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법에 의하면, 기판 상에 직접 육방정계 질화붕소(h-BN) 박막을 형성시키지 않고, 기판 상에 형성된 그래핀층 또는 그래핀 산화물층 상에 h-BN 박막을 형성시킴으로써 기판과의 격자 상수 차이로 발생되는 h-BN 박막의 결정 결함을 감소시켜 고품질의 h-BN 박막을 제조할 수 있다.
또한, 기존의 금속 촉매를 이용하여 h-BN 박막을 제조하는 경우와 달리, 유기금속화학증착법(MOCVD)을 이용하여 제조함으로써 단일 결정 방향을 갖는 다층의 h-BN 박막을 대면적으로 제조할 수 있다.
그리고, 본 발명의 제조방법으로 제조된 h-BN 박막은 높은 에너지 밴드갭(Energy Bandgap, 6.5 eV)을 가지고 있어, 깊은 자외선(Deep Ultra Violet) 영역에서 발광 및 수광소자로 사용할 수 있다.
나아가, 그래핀처럼 유연하면서, 기계적, 화학적 안정성이 우수하여 광전소자의 기판으로 사용할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 상에 h-BN 박막층이 형성된 모습을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전구체의 펄스 공급 방법을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 h-BN 박막의 성장 시간에 따른 온도의 변화를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 기판 상에 형성된 h-BN 박막의 TEM 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 기판 상에 형성된 h-BN 박막의 자외선-가시광선 분광분석 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 기판 상에 형성된 h-BN 박막을 이용하여 제작한 광 검출기의 자외선 파장의 반응도를 비교하여 나타낸 그래프와 이의 측정에 사용된 전극을 나타낸 도면이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 상에 h-BN 박막층이 형성된 모습을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전구체의 펄스 공급 방법을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 h-BN 박막의 성장 시간에 따른 온도의 변화를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 기판 상에 형성된 h-BN 박막의 TEM 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 기판 상에 형성된 h-BN 박막의 자외선-가시광선 분광분석 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 기판 상에 형성된 h-BN 박막을 이용하여 제작한 광 검출기의 자외선 파장의 반응도를 비교하여 나타낸 그래프와 이의 측정에 사용된 전극을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 상에 h-BN 박막층이 형성된 모습을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 측면에 따른 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법은, (S1) 기판(10) 상에 그래핀층 또는 그래핀 산화물층(20)을 형성시키는 단계; 및 (S2) 상기 그래핀층 또는 그래핀 산화물층(20) 상에, 붕소 함유 전구체와 질소 함유 전구체를 공급하면서 유기금속화학증착(MOCVD)법으로 열처리하여, 상기 그래핀층 또는 그래핀 산화물층(20) 상에 육방정계 질화붕소 박막(30)을 형성시키는 단계를 포함한다.
종래에는 기판 상에 직접 형성시키는 방법으로 육방정계 질화붕소(h-BN) 박막을 제조하였는데, 이때 기판과의 격자 상수 차이로 인해 h-BN 박막의 결정 결함이 생겨 h-BN 박막의 품질이 떨어지는 문제가 있었다.
하지만, 본 발명에 따르면, 기판(10) 상에 직접 h-BN 박막(30)을 형성시키지 않고, 기판(10) 상에 그래핀층(20)을 전사시킨 후, 전사된 그래핀층(20) 상에 h-BN 박막(30)을 형성시킴으로써 기판(10)과의 격자 상수 차이로 발생되는 h-BN 박막(30)의 결정 결함을 감소시켜 고품질의 h-BN 박막(30)을 제조할 수 있다.
나아가, 종래의 금속 촉매를 이용하여 h-BN 박막을 제조하는 경우와 달리, 유기금속화학증착(MOCVD)법을 이용하여 제조함으로써 단일 결정 방향을 갖는 다층의 h-BN 박막을 대면적으로 제조할 수 있다.
이때, 상기 기판(10) 상에 전사된 그래핀층(20)은 화학기상증착(CVD)법에 의해 제조된 것일 수 있다. 기판(10) 상에 그래핀층(20)을 전사시키는 단계에 대해 좀 더 상세하게 설명하면, 촉매 금속층 상에 그래핀을 화학기상증착(CVD)법을 통해 합성한 후, 상기 그래핀에 캐리어를 부착하여 제1 구조체를 형성한 다음, 상기 제1 구조체로부터 상기 촉매 금속층을 제거하여 제2 구조체를 형성한 후, 타겟 기판, 즉, 그래핀층(20)을 전사시킬 기판(10)에 플라즈마 처리를 한 후, 상기 제2 구조체의 그래핀과 상기 타겟 기판(10)을 서로 마주보게 하여 압착시켜 제3 구조체를 형성한 다음, 상기 캐리어를 제거함으로써 기판(10) 상에 그래핀층(20)을 전사시킬 수 있다.
상기 그래핀층(20)은 기판(10)과 h-BN 박막(30)의 결자상수 불일치로 인해 생기는 결함을 제어하기 위한 것이다. 일반적으로 사용되는 사파이어 기판과 h-BN 박막과의 격자상수 불일치 값은 대략 46.5%로 나타나며, 다음의 식에 의해 도출될 수 있다.
격자상수 불일치 값(%) = 100*(b-a)/a
(a: h-BN 박막의 격자상수, b: 기판의 격자상수)
한편, 그래핀층(20)과 h-BN 박막(30)과의 격자상수 불일치 값은 대략 1.6%로 정도이다. 본 발명에서는 기판(10) 상에, h-BN 박막(30)과 격자상수 차이가 거의 없는 그래핀층(20)을 전사시킨 후, h-BN 박막(30)을 형성시킴으로써, 고품질의 박막 성장이 가능해진다.
또한, 그래핀 산화물층(20) 또한 상기 전사된 그래핀층(20)을 대체할 수 있다. 상기 그래핀 산화물층(20)은 그래핀 옥사이드 나노시트, 환원된 그래핀 옥사이드 나노시트(이때, 환원방법은 열적, 화학적 방법 등 제한되지 않은 방법이 사용가능 함), 화학적으로 합성된 그래핀 나노시트일 수 있고, 기판(10) 상에 그래핀 산화물층(20)을 형성하는 방법으로는, 스프레이 코팅, 스핀 코팅 등이 사용될 수 있다.
그리고, 상기 전사된 그래핀층(20)은 단층일 수도 있고, 2 이상 또는 수십 층 이상의 다층일 수도 있다. 이때, 상기 그래핀층(20)은 수 nm의 두께를 가질 수 있고, 수십 내지 수백 nm의 두께를 가질 수도 있다.
본 발명의 상기 기판(10)은, 사파이어(Al2O3), 실리콘(Si), 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN), 비소화갈륨(GaAs), 산화아연(ZnO), 산화갈륨(Ga2O3), 산화리튬알루미늄(LiAlO2), 질화알루미늄(AlN), 게르마늄(Ge), 실리콘게르마늄(SiGe), 산화리튬갈륨(LiGaO2), 또는 산화마그네슘알루미늄(MgAl2O4)에서 선택되는 것일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니고, h-BN 박막(30) 성장 시, 고온 열처리 단계(1,250 내지 1,450 ℃)의 고온 상태에서 기판이 안정적으로 유지될 수 있는 것이라면 모두 사용 가능하며, 따라서 상기 고온 열처리 단계의 온도보다 녹는점이 높은 기판이라면 모두 사용이 가능하고, 바람직하게는 사파이어 기판을 사용할 수 있다.
한편, 상기 (S2) 단계는, 1,000 내지 1,200 ℃의 온도로 열처리하는 제1 열처리 단계; 700 내지 900 ℃의 온도로 열처리하는 저온처리 단계; 및 1,250 내지 1,450 ℃의 온도로 열처리하는 고온처리 단계를 포함하는 것일 수 있다. 바람직하게는, 상기 제1 열처리 단계는 1,050 내지 1,150 ℃의 온도로, 상기 저온처리 단계는 750 내지 850 ℃의 온도로, 상기 고온처리 단계는 1,300 내지 1,400 ℃의 온도로 열처리하는 것일 수 있고, 더욱 바람직하게는 상기 제1 열처리 단계는 1,100 ℃의 정도의 온도로, 상기 저온처리 단계는 800 ℃ 정도의 온도로, 상기 고온처리 단계는 1,350 ℃ 정도의 온도로 열처리하는 것일 수 있다.
이때, 상기 제1 열처리 단계, 상기 저온처리 단계 및 상기 고온처리 단계는 수소 분위기에서 이루어지는 것일 수 있다.
상기 제1 열처리 단계는, 기판(10), 그래핀층 또는 그래핀 산화물층(20)이 열 분해되지 않는 온도 범위에서, 기판(10) 이동 중에 발생할 수 있는 유기물질에 의한 오염물 제거를 위해 수행된다.
그리고, 상기 저온처리 단계는, 고온처리 단계 진행 전, 기판(10)과 추후 성장될 h-BN 박막(30) 사이에 열 팽창계수나 반데르발스(Van der Waals) 힘에 의해 발생할 수 있는 상호작용(interaction)을 완화시켜주기 위한 h-BN 완충층을 형성시키기 위해 수행된다.
그리고, 상기 고온처리 단계는, 실질적으로 h-BN 박막(30)이 성장되는 단계로, 고온으로 유지하는 것이 특히 중요하다.
이때, 상기 제1 열처리 단계는 1 내지 5 분 동안 이루어지고, 상기 저온처리 단계는 3 내지 10 분 동안 이루어지며, 상기 고온처리 단계는 1 내지 5 시간 동안 이루어지는 것일 수 있다.
상기 제1 열처리 단계의 시간이 상기 시간보다 짧으면, 유기물질에 의한 오염물의 제거가 잘 이루어지지 않을 수 있고, 상기 시간보다 길어지게 되면 기판(10), 그래핀층 또는 그래핀 산화물층(20)이 열에 의해 손상을 입어 열 분해가 일어날 수 있어 바람직하지 못하다.
그리고, 상기 저온처리 단계의 시간이 상기 시간보다 짧으면, h-BN 완충층의 두께가 너무 얇아질 수 있는데, h-BN 완충층의 두께가 너무 얇으면 완충층으로서의 역할을 할 수 없고, 상기 시간보다 길어지게 되면, h-BN 완충층, 즉, 저품질의 h-BN 층의 두께가 너무 두꺼워져 h-BN 박막의 표면 거칠기가 크게 증가할 수 있어 바람직하지 못하다.
또한, 상기 고온처리 단계의 시간이 상기 시간보다 짧으면, h-BN 박막(30)의 성장이 제대로 이루어지지 않을 수 있고, 상기 시간보다 길어져도 self-terminating 현상으로 인해 h-BN 박막(30)의 두께는 크게 증가하지 않고, 비경제적이어서 바람직하지 않다.
한편, 상기 (S2) 단계에서, 상기 그래핀층 또는 그래핀 산화물층(20) 상에, 붕소 함유 전구체와 질소 함유 전구체를 공급할 때, 상기 전구체들을 운송해주는 운송체로는 수소 기체를 사용할 수 있는데, 이처럼 수소 기체를 운송체로 사용하는 경우, h-BN 박막(30)을 판상구조로 더욱 잘 성장시킬 수 있어 바람직하다. 수소 기체가 아닌 다른 불활성 기체를 운송체로 사용할 경우, 다른 불활성 기체의 원자는 수소보다 원자크기가 크고, 그 결과, h-BN 박막이 판상구조로 성장하기가 다소 어려울 수 있다.
그리고, 상기 (S2) 단계는, 상기 붕소 함유 전구체와 상기 질소 함유 전구체가 번갈아 교번 공급되도록, 상기 붕소 함유 전구체와 상기 질소 함유 전구체를 각각 펄스(pulse) 공급하는 것일 수 있다.
이때, 상기 펄스(pulse) 공급의 펄스 폭(pulse width)은 1 내지 10 초이고, 펄스 반복 주기(pulse repetition interval)는 2 내지 20 초일 수 있다.
상기 붕소 함유 전구체와 상기 질소 함유 전구체가 교번 공급되지 않고, 동시에 공급되는 경우에는, 고온의 분위기에서 기체상태의 전구체들간에 원하지 않는 사전 반응이 일어나 산소원자나 탄소원자에 의한 오염이 발생할 수 있어 바람직하지 못하다.
그리고, 상기 붕소 함유 전구체는, (CH3CH2)3B, (CH3)3B 또는 이들의 혼합물일 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 본 발명의 제조방법으로 제조된 h-BN 박막을 구비하는 발광 및 수광소자가 제공된다. 본 발명에 따라 제조된 h-BN 박막은 높은 에너지 밴드갭(Energy Bandgap, 6.5 eV)을 가지고 있어, 깊은 자외선(Deep Ultra Violet) 영역에서 발광 및 수광소자로 사용될 수 있다.
나아가, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전술한 본 발명의 방법으로 제조된 h-BN 박막을 구비하는 광전소자가 제공된다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
1. 육방정계 질화붕소(h-BN) 박막의 제조
(1) 실시예
Ni 촉매 금속층 상에 탄소 공급원인 CH4를 투입하면서 열처리(화학기상증착, CVD)하여 그래핀을 합성한 후, 상기 형성된 그래핀에 폴리메틸메타크릴레이트 코팅 필름의 캐리어를 부착하여 제1 구조체를 형성한 다음, 상기 제1 구조체로부터 상기 Ni 촉매 금속층을 제거하여 제2 구조체를 형성하였다.
이어서, 사파이어 기판에 플라즈마 처리를 한 후, 상기 제2 구조체의 그래핀과 상기 사파이어 기판을 서로 마주보게 하여 압착시켜 제3 구조체를 형성한 다음, 상기 폴리메틸메타크릴레이트 코팅 필름의 캐리어를 제거함으로써 사파이어 기판 상에 그래핀층을 전사시켰다.
이때, 전사된 그래핀층은 총 4층으로 구성되어 있었다.
이어서, 붕소 함유 전구체인 트리메틸붕소((CH3)3B)와 질소 함유 전구체인 암모니아(NH3)를, 운반체인 수소 기체를 이용하여 상기 그래핀층 상에 공급하면서, 유기금속화학증착(MOCVD)법으로 열처리하여, 상기 그래핀층 상에 육방정계 질화붕소 박막을 형성시켰다.
이때, 상기 전구체 기체들과 상기 수소 기체의 총 유량(total flow rate)은 10 slm(standard liter per minute)이 되도록 하였고, 트리메틸붕소((CH3)3B)의 유량은 2.9 μmol/min, 암모니아의 유량은 500 내지 8,000 sccm(standard cubic centimeter per minute)가 되도록 조절하였다.
그리고, 상기 트리메틸붕소와 상기 암모니아가 번갈아 교번 공급되도록, 각각 펄스(pulse) 공급하였다.
도 2는 전구체의 펄스 공급 방법을 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 트리메틸붕소의 흐름을 보면 4초간 공급이 이루어진 후, 8초간 공급이 차단되고, 다시 4초간 공급이 이루어진 후, 다시 8초간 공급이 차단되는 주기를 갖는다. 암모니아의 경우는, 트리메틸붕소의 공급이 차단되어 있는 시간의 중간 지점에 4초간 공급이 이루어진 후, 8초간 공급이 차단되는 주기를 가지며, 이로써, 상기 두 전구체 기체들은 서로 번갈아 교번하여 공급된다. 이때, 상기 트리메틸붕소의 공급이 이루어지는 4초간의 시간 전, 후로 각각 2초간 암모니아의 공급도 이루어지지 않는 공핍영역이 존재한다.
그리고, 상기 MOCVD법에 대해 좀 더 구체적으로 설명하면, PHAETHON 100U(탑엔지니어링 社) 장비를 이용하였는데, 우선 1,100 ℃에서 약 3 분간 제1 열처리를 수행한 다음, 온도를 낮춰 800 ℃의 온도에서 약 5 분간 열처리를 수행한 이후, 다시 온도를 높여 1,350 ℃의 온도에서 약 2 시간 정도 열처리를 수행함으로써 h-BN 박막을 형성시켰다. h-BN 박막의 성장 시간에 따른 온도의 변화를 도 3에 도시하였다. 이때, 상기 MOCVD 장비 내부의 압력은 30 내지 400 torr 정도가 되도록 유지하였다.
(2) 비교예
그래핀층을 전사시키지 않고, 사파이어 기판 상에 직접 h-BN 박막을 형성시키는 것을 제외하고는 실시예와 동일한 방법으로 h-BN 박막을 형성시켰다.
2. 육방정계 질화붕소(h-BN) 박막의 TEM 이미지 측정
구면 수차보정 투과전자현미경(Cs-Corrected Transmission Electron Microscope, 모델명: JEM-ARM 200F, 이하 TEM) 장비를 이용하여, 실시예 따라 제조된 h-BN 박막의 TEM 이미지를 얻었다.
도 4는 실시예에 따른 방법으로 기판 상에 형성된 h-BN 박막의 TEM 이미지를 보여준다. 도 4를 참조하면, 사파이어 기판, 사파이어 기판 상에 전사된 그래핀층, 전사된 그래핀층 상에 형성된 h-BN 박막이 서로 구별되어 있는 것을 확인할 수 있다. 전사된 그래핀층은 4층의 박막으로 관찰되며, 형성된 h-BN 박막은 전사된 그래핀층 상에 약 60° 회전하여 약 30 내지 35 nm 두께의 다층 Bernal Staking(ABAB) 구조를 가지고 있음을 확인하였다.
또한, SAED(Selected Area Electron Diffraction) 분석결과 전사된 그래핀층 및 형성된 h-BN 박막이 육방정계 구조임을 확인하였다.
그리고, DFT(Density Functional Theory)를 이용한 h-BN 박막의 내평면격자 상수(In-Plane Lattice Constant)가 0.256 nm, 그래핀층의 내평면격자 상수가 0.24 nm로 이론적인 값과 유사한 값을 가지고 있음을 확인하였다.
3. 육방정계 질화붕소(h-BN) 박막의 특성 비교
도 5는 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 기판 상에 형성된 h-BN 박막의 자외선-가시광선 분광분석 그래프이다.
도 5를 참조하면, 실시예와 비교예에 모두 300 내지 800 nm 영역의 파장에서 약 98%의 높은 투과율을 가지고 있으며, 200 내지 300 nm 영역의 파장에서는 비교예에 비해 실시예에 따른 h-BN 박막의 흡수율이 급격하게 증가하는 것을 확인하였다.
또한 자외선-가시광선 분석 결과를 바탕으로 Tauc's equation을 이용하여 광학적 밴드 갭(Optical Bandgap)을 계산한 결과, 실시예에 따른 h-BN 박막의 경우 5.65 eV, 비교예에 따른 h-BN 박막의 경우 5.57 eV인 것을 확인하였다. 이는 다른 선행연구들에 의해 알려진 다층의 h-BN 박막의 광학적 밴드갭(5.56 내지 5.92 eV)과 유사하다.
도 6은 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 기판 상에 형성된 h-BN 박막을 이용하여 제작한 광 검출기의 자외선 파장의 반응도를 비교하여 나타낸 그래프와 이의 측정에 사용된 전극을 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예와 비교예에 따라 형성된 h-BN 박막을 이용하여 광 검출기를 제작하였는데, h-BN 박막 위에 Ni/Au를 각각 50 nm로 증착하여 전극을 형성하였고, metal-semiconductor-metal(MSM)구조로 전극의 길이는 300 ㎛, 전극의 폭은 10 ㎛, 전극과 전극의 간격은 5 ㎛가 되도록 제작하였다.
이와 같이 제작된 광 검출기의 자외선 파장의 반응도를 알아보기 위해 역방향 전압에 따른 암실 분위기에서 측정된 암전류(Idark)와, 254 nm 파장을 갖는 4 W 파워의 램프를 사용하여 광전류(Iphoto)를 측정하였다.
실시예에 의해 제작된 광 검출기의 암전류는 -100 V의 역방향 전압인가 시 5.70×10-13 A, 광전류는 6.46×10-11 A로 확인되었고, 비교에예 의해 제작된 광 검출기의 암전류는 4.10×10-13 A, 광전류는 1.57×10-12 A로 확인되었다.
최종적으로, 암전류(Idark) 대비 광전류(Iphoto)의 비(Iphoto/Idark)를 계산한 결과, 실시예에 의해 제작된 광 검출기가 약 30 배 높은 반응도를 나타내었음을 확인하였다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
10: 기판
20: 그래핀층 또는 그래핀 산화물층
30: 육방정계 질화붕소 박막(h-BN 박막)
20: 그래핀층 또는 그래핀 산화물층
30: 육방정계 질화붕소 박막(h-BN 박막)
Claims (9)
- (S1) 기판 상에 그래핀층 또는 그래핀 산화물층을 형성시키는 단계; 및
(S2) 상기 그래핀층 또는 그래핀 산화물층 상에, 붕소 함유 전구체와 질소 함유 전구체를 공급하면서 유기금속화학증착(MOCVD)법으로 열처리하여, 상기 그래핀층 또는 그래핀 산화물층 상에 육방정계 질화붕소 박막을 형성시키는 단계를 포함하는 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 (S2) 단계는, 1,000 내지 1,200 ℃의 온도로 열처리하는 제1 열처리 단계; 700 내지 900 ℃의 온도로 열처리하는 저온처리 단계; 및 1,250 내지 1,450 ℃의 온도로 열처리하는 고온처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법. - 제2항에 있어서,
상기 제1 열처리 단계는 1 분 내지 5 분 동안 이루어지고,
상기 저온처리 단계는 3 분 내지 10 분 동안 이루어지며,
상기 고온처리 단계는 1 시간 내지 5 시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 (S2) 단계는, 상기 붕소 함유 전구체와 상기 질소 함유 전구체가 번갈아 교번 공급되도록, 상기 붕소 함유 전구체와 상기 질소 함유 전구체를 각각 펄스(pulse) 공급하는 것을 특징으로 하는 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법. - 제4항에 있어서,
상기 펄스(pulse) 공급의 펄스 폭(pulse width)은 1 내지 10 초이고, 펄스 반복 주기(pulse repetition interval)는 2 내지 20 초인 것을 특징으로 하는 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 기판은, 사파이어(Al2O3), 실리콘(Si), 탄화규소(SiC), 질화갈륨(GaN), 비소화갈륨(GaAs), 산화아연(ZnO), 산화갈륨(Ga2O3), 산화리튬알루미늄(LiAlO2), 질화알루미늄(AlN), 게르마늄(Ge), 실리콘게르마늄(SiGe), 산화리튬갈륨(LiGaO2), 또는 산화마그네슘알루미늄(MgAl2O4)에서 선택되는 것을 특징으로 하는 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 붕소 함유 전구체는, (CH3CH2)3B, (CH3)3B 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 질소 함유 전구체는, NH3인 것을 특징으로 하는 육방정계 질화붕소 박막의 제조방법. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 육방정계 질화붕소 박막을 구비하는 광전소자.
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN115028474A (zh) * | 2022-05-11 | 2022-09-09 | 中北大学 | 一种石墨烯传感器复合热防护结构及其制备 |
| CN115323475A (zh) * | 2021-11-19 | 2022-11-11 | 北京大学 | 一种高指数晶面六方氮化硼薄膜的制备方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20140105293A (ko) * | 2013-02-22 | 2014-09-01 | 삼성전자주식회사 | 그래핀 적층 구조체의 제조방법, 및 그래핀 적층 구조체와 이를 구비하는 전기소자 |
| JP2018535536A (ja) * | 2015-09-08 | 2018-11-29 | マサチューセッツ インスティテュート オブ テクノロジー | グラフェンベースの層転写のためのシステム及び方法 |
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Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| KR20140105293A (ko) * | 2013-02-22 | 2014-09-01 | 삼성전자주식회사 | 그래핀 적층 구조체의 제조방법, 및 그래핀 적층 구조체와 이를 구비하는 전기소자 |
| JP2018535536A (ja) * | 2015-09-08 | 2018-11-29 | マサチューセッツ インスティテュート オブ テクノロジー | グラフェンベースの層転写のためのシステム及び方法 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115323475A (zh) * | 2021-11-19 | 2022-11-11 | 北京大学 | 一种高指数晶面六方氮化硼薄膜的制备方法 |
| CN115028474A (zh) * | 2022-05-11 | 2022-09-09 | 中北大学 | 一种石墨烯传感器复合热防护结构及其制备 |
| CN115028474B (zh) * | 2022-05-11 | 2023-09-08 | 中北大学 | 一种石墨烯传感器复合热防护结构及其制备 |
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