KR20210110019A - 광 트랜지스터용 양자점 반사 방지막, 이를 포함하는 광 트랜지스터 및 그 제조 방법 - Google Patents

광 트랜지스터용 양자점 반사 방지막, 이를 포함하는 광 트랜지스터 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 평균 입경(D50) 2 nm 내지 50 nm인 산화 아연 양자점 입자가 5 nm 내지 50 nm의 두께로 나노 어레이되어 형성된 나노 구조체막을 포함하는 광 트랜지스터용 양자점 반사 방지막, 이를 포함하는 광 트랜지스터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

Description

광 트랜지스터용 양자점 반사 방지막, 이를 포함하는 광 트랜지스터 및 그 제조 방법 {Anti reflection coating layer for phototransistor, and phototransistor comprising it and manufacturing method thereof}
본 발명은 광 트랜지스터용 양자점 반사 방지막, 이를 포함하는 광 트랜지스터 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 광학 소자에서 반사 방지(antireflection, AR)는 입사된 빛이 표면에서 반사되는 것을 방지하도록 표면 처리하거나 코팅층을 형성하는 것을 의미한다. 반사 방지(antireflection, AR) 기술은 표면에서의 반사에 따른 손실을 감소시킴으로써 투과율을 증대시키고, 광학장치의 품질, 성능 및 효율을 향상시킬 수 있다.
종래의 반사 방지 기술로 저굴절 코팅층을 이용한 단일막 반사 방지 코팅(single layer AR coating) 방식이 널리 알려져 있다. 저굴절 코팅층은 굴절률의 차이에 의해서 특정 구간의 파장에서 반사광을 감소시키는 효과를 구현할 수 있으나, 특정 구간 이외의 파장 범위에 대하여 반사 방지 효과를 얻기는 어려워 반사 방지 파장 범위가 협소한 단점이 있다.
다른 종래의 반사 방지 기술로 태양전지의 표면 텍스처 등과 같이 표면 형태를 마이크로 어레이(microstructure array)하는 방식이 있다. 마이크로 어레이 방식으로 형성된 마이크로 구조물은 코팅층의 물성에 의존하지 않고, 마이크로 구조물의 크기가 입사광의 파장과 비슷한 경우에 내부 반사에 의해서 빛이 코팅층의 내부로 트랩되는 결과로 반사 방지 효과를 얻는 것이다. 그러나, 마이크로 구조물을 적용한 경우에도 파장에 따른 반사 방지 효과에 큰 차이가 있고, 마이크로 구조물의 형태에 따라 입사각에 영향을 많이 받는 단점이 있다.
따라서, 반사 방지 파장 범위 및 입사각에 대한 의존도가 낮아 넓은 파장 범위의 빛에 대해 우수한 반사 방지 효과를 구현할 수 있는 반사 방지 기술에 대한 필요성이 높아지고 있다.
한국등록특허 10-1955336
본 발명은 파장에 의한 영향 및 입사 각도에 의한 영향을 저감하여 우수한 반사 방지능을 구현하고, 자외선 영역의 반사 방지 효율을 더욱 향상시킬 수 있으며, 반사 방지 가능한 파장 범위를 확대할 수 있는 새로운 나노 구조의 광 트랜지스터용 양자점 반사 방지막, 이를 포함하는 광 트랜지스터 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 광 트랜지스터용 양자점 반사 방지막은,
평균 입경(D50) 2 nm 내지 50 nm인 산화 아연 양자점 입자가 5 nm 내지 50nm의 두께로 나노 어레이되어 형성된 나노 구조체막을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 광 트랜지스터용 양자점 반사 방지막에 있어서, 상기 나노 구조체막은 입사각 20° 내지 60°에서 파장 250 nm 내지 370 nm의 빛에 대하여 측정한 반사율이 1% 내지 25%일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광 트랜지스터는,
기판; 상기 기판 상부에 형성되는 버퍼층; 상기 버퍼층 상부에 형성되고, 2차원 전자가스(two-dimensional electron gas) 채널을 포함하는 채널 형성층; 상기 채널 형성층 상부에 형성되고, 상기 채널 형성층에 상기 2차원 전자가스 채널이 형성되게 하는 채널 공급층; 상기 채널 공급층 상부 일측에 형성되는 소스 전극; 상기 채널 공급층 상부 타측에 형성되는 드레인 전극; 상기 채널 공급층 상부에 형성되되, 상기 소스 전극 및 드레인 전극이 형성된 영역 이외의 영역에 형성된 양자점 반사 방지막;을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 광 트랜지스터에 있어서, 상기 양자점 반사 방지막은, 평균 입경(D50) 2 nm 내지 50 nm인 산화 아연 양자점 입자가 5 nm 내지 50 nm의 두께로 나노 어레이되어 형성된 나노 구조체막을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광 트랜지스터에 있어서, 상기 나노 구조체막은, 평균 입경(D50) 2 nm 내지 50 nm인 산화 아연 양자점 입자가 15 nm 내지 25 nm의 두께로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광 트랜지스터에 있어서, 상기 나노 구조체막은, 입사각 20° 내지 60°에서 파장 250 nm 내지 370 nm의 빛에 대하여 측정한 반사율이 1% 내지 25%일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광 트랜지스터 제조 방법은,
기판 상부에 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 버퍼층 상부에 채널 형성층을 형성하는 단계; 상기 채널 형성층 상부에 채널 공급층을 형성하고, 상기 채널 형성층에 2차원 전자가스 채널을 형성하는 단계; 상기 채널 공급층 상부 일측에 소스 전극을 형성하고, 상기 채널 공급층 상부 타측에 드레인 전극을 형성하는 단계; 상기 소스 전극 및 드레인 전극이 형성된 영역 이외의 영역에 양자점 반사 방지막을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 광 트랜지스터 제조 방법에 있어서, 상기 양자점 반사 방지막을 형성하는 단계는, 평균 입경(D50) 2 nm 내지 50 nm인 산화 아연 양자점 입자를 제조하는 단계; 상기 산화 아연 양자점 입자를 에탄올에 분산시킨 분산액을 웨이퍼 상에 스핀 코팅하여 코팅층을 형성하는 단계; 및, 상기 코팅층을 건조하여 산화 아연 양자점 입자가 5 nm 내지 50 nm의 두께로 나노 어레이된 나노 구조체막을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 광 트랜지스터 제조 방법에 있어서, 상기 나노 구조체막은, 입사각 20° 내지 60°에서 파장 250 nm 내지 370 nm의 빛에 대하여 측정한 반사율이 1% 내지 25%일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광 트랜지스터 제조 방법에 있어서, 상기 산화 아연 양자점 입자를 제조하는 단계는, 아세트산 아연 이산화물을 디메틸 술폭시드(DMSO)에 용해한 제1용액에 수산화 테트라 메틸 암모늄을 에탄올에 용해한 제2용액을 적하하면서 반응시킨 후, 아세톤을 첨가하여 산화 아연 양자점 입자 침전물을 제조하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광 트랜지스터 제조 방법에 있어서, 상기 제1용액은 아세트산 아연 이산화물이 디메틸 술폭시드(DMSO) 10 mL 당 1 내지 5 mmol의 비율로 용해된 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광 트랜지스터 제조 방법에 있어서, 상기 제2용액은 상기 수산화 테트라 메틸 암모늄이 에탄올 10 mL 당 1 내지 10 mmol의 비율로 용해된 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광 트랜지스터 제조 방법에 있어서, 상기 분산액은 산화 아연 양자점 입자 침전물 50 내지 80 중량% 및 에탄올 20 내지 50 중량%를 혼합한 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광 트랜지스터 제조 방법에 있어서, 상기 웨이퍼는 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs)계, 갈륨 나이트라이드(GaN)계, 산화갈륨(Ga2O3)계 또는 실리콘 카바이드(SiC)계 웨이퍼일 수 있다.
기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명은 파장에 의한 영향 및 입사 각도에 의한 영향을 저감하여 우수한 반사 방지능을 구현하고, 자외선 영역의 반사 방지 효율을 더욱 향상시킬 수 있으며, 반사 방지 가능한 파장 범위를 확대할 수 있는 새로운 나노 구조의 양자점 반사 방지막을 포함하는 광 트랜지스터용 양자점 반사 방지막, 이를 포함하는 광 트랜지스터 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 나노 구조체막의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 광 트랜지스터의 구조가 예시된 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 트랜지스터의 구조가 예시된 단면도이다.
도 4는 종래 기술에 따른 광 트랜지스터와 본 발명의 일 실시예에 따른 광 트랜지스터의 전류 특성을 보여 주는 그래프이다.
도 5는 종래 기술에 따른 광 트랜지스터와 본 발명의 일 실시예에 따른 광 트랜지스터의 광 반응도 특성을 보여 주는 그래프이다.
도 6은 종래 기술에 따른 광 트랜지스터의 단면을 에너지 분산형 분광분석법(EDS)을 통해 성분 분석한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 트랜지스터의 단면을 에너지 분산형 분광분석법을 통해 성분 분석한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 일 구현예는 평균 입경 2 nm 내지 50 nm인 산화 아연 양자점 입자가 5 nm 내지 50 nm의 두께로 나노 어레이되어 형성된 나노 구조체막을 포함하는 광 트랜지스터용 양자점 반사 방지막에 관한 것이다.
이를 통해, 본 발명은 파장에 의한 영향 및 입사 각도에 의한 영향을 저감하여, 우수한 반사 방지능을 구현하고, 자외선 영역의 반사 방지 효율을 더욱 향상시킬 수 있으며, 반사 방지 가능한 파장 범위를 확대할 수 있는 새로운 나노 구조의 광 트랜지스터용 양자점 반사 방지막을 제공한다.
종래의 광 트랜지스터용 반사 방지막의 경우 굴절률과 두께에 따라 특정 파장 및 입사 각도에서만 목적하는 정도의 반사 방지 효과를 구현하며, 입사 각도가 변함에 따라 오히려 반사 방지막이 없는 경우보다도 반사도가 증가하는 구간이 발생하는 문제점이 있으나, 본 발명의 구현예들은 반사 방지 가능한 파장 범위를 확대할 수 있는 새로운 나노 구조의 광 트랜지스터용 양자점 반사 방지막을 제공한다.
본 발명의 광 트랜지스터용 양자점 반사 방지막은 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs)계, 갈륨 나이트라이드(GaN)계, 산화갈륨(Ga2O3)계 또는 실리콘 카바이드(SiC)계 웨이퍼의 수광면에 나노 구조체막으로 형성되어 우수한 반사 방지 효과를 구현할 수 있다.
나노 구조체막은 나노 어레이 방식에 의해 형성된 것으로, 평균 입경 2 nm 내지 50 nm인 산화 아연 양자점 입자가 5 nm 내지 50 nm의 두께로 적층 배열된 것을 특징으로 한다. 이를 통해, 나노 구조체막은 수광면을 통해 입사된 빛이 나노 구조체 내에서 굴절률이 연속적으로 변화하는 것과 같은 방식으로 회절됨으로써, 파장에 의한 영향 및 입사 각도에 의한 영향을 최소화할 수 있다.
나노 구조체 막은 마이크로 어레이에 의해 형성된 마이크로 구조체막과 비교하였을 때, 자체의 밴드갭이 커서 자외선 영역에서의 손실이 적다. 또한, 종래의 비양자점 산화 아연계 반사 방지막은 가시광 영역에 적용되는 것으로, 가시광선 영역과 자외선 영역에서의 반사 방지능을 우수한 정도로 양립하기 어려우나, 본 발명의 나노 구조체 막은 이와 같은 문제점을 해결하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 나노 구조체막의 구조를 나타낸 모식도이다. 도 1을 참조하면, 나노 구조체막은 산화 아연 양자점 입자가 적층 형태로 배열되어, 반사 방지막에 입사되는 파장보다 양자점 입자의 크기와 이들이 배열되어 이루는 간격이 작은 형태의 나노 구조물(sub-wavelength-size nanoarray)로 적용된다. 이를 통해, 본 발명의 반사 방지막은 가시광선 영역과 자외선 영역에서의 반사 방지능을 우수한 정도로 양립할 수 있다.
도 1에서는 산화 아연 양자점 입자가 단층 배열된 것만을 표시하였으나, 이외에도 랜덤 배열 또는 다층 배열될 수 있다. 구체적으로, 나노 구조체막은 하기 식 1을 만족하도록 나노 어레이된 구조일 수 있다.
<식 1>
양자점 입자의 평균 배열 간격 (nm) < 나노 구조체막의 입사되는 파장 (nm)
이 경우, 나노 구조체막은 나노 구조물의 표면에 입사된 빛이 굴절률 n이 연속적으로 변화하는 것과 같은 방식으로 휘어지기 때문에 대부분의 파장 범위에서 반사 방지 효과를 얻을 수 있고, 입사각에 의한 영향도 거의 받지 않는 장점이 있다.
나노 구조체막에 나노 어레이되는 산화 양자점 입자의 평균 입경(D50)이 2 nm 미만인 경우, 나노 구조체막의 계면에서 반사되는 빛에 의해 반사 방지막의 반사 방지 효과가 저감될 수 있다. 또한, 나노 구조체막에 나노 어레이되 되는 산화 양자점 입자의 평균 입경(D50)이 50 nm인 초과인 경우, 광 트랜지스터에 적용 시 두께를 과도하게 증가시킬 수 있어, 기기 효율이 저하될 수 있다.
본 발명에 있어서, 특별히 언급하지 않는 한, 평균 입경이란 수평균 직경이며, D50(분포율이 50% 되는 지점의 입경)을 전자 현미경 등으로 측정한 것을 의미한다. 이때, 평균 입경(D50)은 산화 아연은 투과 전자 현미경 (Transmission electron microscope, TEM)의 통해 측정한 평균 입자 크기(D50)로 결정될 수 있다.
구체적으로, 나노 구조체막을 이루는 산화 아연 양자점 입자는 평균 입경 3 nm 내지 45 nm, 보다 구체적으로 5 nm 내지 40 nm 일 수 있다. 이 경우, 나노 어레이에 의해 형성된 나노 구조체막이 수광면을 통해 입사된 빛을 연속적으로 회절시키는 효과가 더욱 향상되어, 반사 방지 가능 파장의 범위를 더욱 확대하고, 입사 각도에 의한 영향을 더욱 저감할 수 있다.
산화 아연 양자점 입자의 형태는 구형, 로드(rod)형, 침상형, 플레이크형 등 일 수 있다. 이를 통해, 나노 구조체막은 산화 아연 양자점 입자의 크기를 초과하는 파장을 갖는 빛에 대하여 우수한 반사 방지 효과를 구현할 수 있다.
산화 아연 양자점 입자의 배열 형태는 도 1에서와 같이 단층 배열, 랜덤 배열 또는 하나의 입자가 다른 입자와 일정 간격을 이루며 적층된 다층 배열일 수 있다. 이를 통해, 나노 구조체막은 파장에 의한 영향 및 입사 각도에 의한 영향을 더욱 저감하는 효과를 구현할 수 있다.
구체적으로, 산화 아연 양자점 입자의 배열 형태가 하나의 입자가 다른 입자와 일정 간격을 이루며 적층된 다층 배열일 경우, 나노 구조체막의 계면에서 반사되는 빛에 의해 반사 방지막의 반사 방지 효과가 저감되는 것을 방지하는 효과가 우수할 수 있다.
나노 구조체막의 두께가 5 nm 미만인 경우, 나노 구조체막의 계면에서 반사되는 빛에 의해 반사 방지막의 반사 방지 효과가 저감될 수 있다. 또한, 나노 구조체막의 두께가 5 nm 초과인 경우, 광 트랜지스터에 적용 시 두께를 과도하게 증가시킬 수 있어, 기기 효율이 저하될 수 있다.
구체적으로 나노 구조체막의 두께는 10 nm 내지 30 nm, 보다 구체적으로 15 nm 내지 25 nm일 수 있다. 범위 내에서, 종래의 반사 방지막에 비해 더욱 넓은 반사 방지 파장 범위를 확보하고, 입사 각도에 따른 반사율 변화가 적은 반사 방지 효과가 향상된 반사 방지막을 제공할 수 있다.
나노 구조체막은 입사각 20° 내지 60°에서 파장 250 nm 내지 370 nm의 빛에 대하여 측정한 반사율이 1% 내지 25%일 수 있다. 상기 범위 내에서, 종래의 반사 방지막에 비해 더욱 넓은 반사 방지 파장 범위를 확보하고, 입사 각도에 따른 반사율 변화가 적은 반사 방지 효과가 향상된 반사 방지막을 제공할 수 있다.
나노 구조체막은 하기 식 2로 표시되는 반사율 차이값이 20 이하일 수 있다. 이 경우, 나노 구조체막은 입사각 20° 내지 입사각 60°에서의 반사율 편차가 적어, 입사 각도에 의한 영향이 더욱 저감될 수 있다.
<식 2>
반사율 차이값 = │( RD60 - RD20 )│
식 2에서, RD60은 입사각 60°에서 파장 250 nm 내지 370 nm의 빛에 대하여 측정된 반사율(%)이고, RD20은 입사각 20°에서 파장 250 nm 내지 370nm의 빛에 대하여 측정된 반사율(%)이다.
구체적으로, RD60은 15% 내지 25%일 수 있고, RD20은 1% 내지 20%의 범위일 수 있다. 범위 내에서, 입사 각도에 의한 반사율 변화를 저감시키면서도, 더욱 넓은 반사 방지 파장 범위를 확보할 수 있다.
보다 구체적으로, RD60은 파장 250nm 내지 370nm의 빛에 대하여 최대 반사율이 25%, 최소 반사율이 15%이며, RD20은 파장 250nm 내지 370nm의 빛에 대하여 최대 반사율이 20%, 최소 반사율이 1%일 수 있다.
하나의 예시에서, 식 2로 표시되는 반사율 차이값은 파장 250nm의 빛에 대하여 10% 내지 20%, 파장 270nm의 빛에 대하여 10% 내지 20%, 파장 300nm의 빛에 대하여 5% 내지 15%, 파장 320nm의 빛에 대하여 5% 내지 10%, 파장 350nm의 빛에 대하여 3% 내지 8%, 파장 370nm의 빛에 대하여 1% 내지 5%일 수 있다. 범위 내에서, 더욱 넓은 반사 방지 파장 범위를 확보하면서도 더욱 우수한 반사 방지 효과를 구현할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예는 전술한 광 트랜지스터용 양자점 반사 방지막 제조 방법에 관한 것으로, 평균 입경 2 nm 내지 50 nm인 산화 아연 양자점 입자를 제조하는 단계; 산화 아연 양자점 입자를 에탄올에 분산시킨 분산액을 웨이퍼 상에 스핀 코팅하여 코팅층을 형성하는 단계; 및 코팅층을 건조하여 산화 아연 양자점 입자가 5 nm 내지 50 nm의 두께로 나노 어레이된 나노 구조체막을 형성하는 단계;를 포함한다.
이를 통해 본 발명은 공정이 간소화되고, 효율이 향상되어, 다양한 광학 소자에 적용이 가능한 나노 어레이 방식의 광 트랜지스터용 양자점 반사 방지막 제조 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 제조 방법에 의해 제조되는 전술한 광 트랜지스터용 양자점 반사 방지막의 구체적인 내용은 앞서 설명한 바와 동일하다.
산화 아연 양자점 입자를 제조하는 단계는 아연 염 화합물을 전구체로, 환원 용액을 첨가하여 산화 아연 양자점 입자를 합성한다. 이 경우, 산화 아연 양자점 입자의 크기를 평균 입경 2 nm 내지 50 nm 내로 균일하게 제조하면서도, 효과적으로 나노 어레이되어 나노 구조체막이 형성될 수 있다.
아연 염 화합물은 예를 들면, 아세트산 아연 이산화물 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예시의 아연 염 화합물을 1종을 단독으로 사용하거나 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 이 경우, 나노 구조체막이 더욱 효과적으로 나노 어레이되어, 반사 방지 효과가 더욱 향상될 수 있다.
아연 염 화합물은 용매로 예를 들면, 디메틸 술폭시드(DMSO), 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예시의 용매를 1종을 단독으로 사용하거나 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 이 경우, 나노 구조체막이 더욱 효과적으로 나노 어레이되어, 반사 방지 효과가 더욱 향상될 수 있다.
구체적으로, 산화 아연 양자점 입자를 제조하는 단계는 아세트산 아연 이산화물을 디메틸 술폭시드(DMSO)에 용해한 제1용액에 수산화 테트라 메틸 암모늄을 에탄올에 용해한 제2용액을 적하하면서 반응시킨 후, 아세톤을 첨가하여 산화 아연 양자점 입자 침전물을 제조하는 것을 포함할 수 있다. 이때, 제1 용액은 전구체 용액, 제2용액은 환원 용액의 역할을 수행한다.
제1용액은 아세트산 아연 이산화물이 디메틸 술폭시드(DMSO) 10 mL 당 1 내지 5 mmol의 비율로 용해된 것일 수 있다. 이 경우, 산화 아연 양자점 입자가 균일하게 제조되어 나노 어레이 효율이 더욱 향상될 수 있다.
제2용액은 수산화 테트라 메틸 암모늄이 에탄올 10 mL 당 1 내지 10 mmol의 비율로 용해된 것일 수 있다. 이 경우, 산화 아연 양자점 입자가 균일하게 제조되어 나노 어레이 효율이 더욱 향상될 수 있다.
코팅층을 형성하는 단계에서는 산화 아연 양자점 입자를 제조하는 단계에서 얻어진 산화 아연 양자점 입자를 에탄올에 분산시킨 분산액을 웨이퍼 상에 스핀 코팅하여 코팅층을 형성한다.
분산액은 산화 아연 양자점 입자 침전물 50 내지 80 중량% 및 에탄올 20 내지 50 중량%의 비율로 분산시킨 것일 수 있다. 이때 분산 방법은 특별히 제한되지 않는다. 분산매로 에탄올을 사용함으로써, 분산도가 향상되고 나노 어레이 효율이 향상되는 효과를 구현할 수 있다.
산화 아연 양자점 입자 침전물은 산화 아연 양자점 입자를 제조하는 단계에서 수득된 것으로, 감압 여과 등을 통해 용매를 제거한 상태의 산화 아연 양자점 입자를 의미한다.
스핀 코팅 방식은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면, 2000 내지 4000 rpm에서 0.1 내지 5 분간 스핀 코터에 의해 수행되는 것일 수 있다. 이 경우, 산화 아연 양자점 입자가 나노 어레이 효율이 향상되도록 표면 균일성이 우수한 코팅층을 형성할 수 있다.
코팅층이 형성되는 웨이퍼는 사파이어 기판의 수광면에 에피텍셜 레이어가 형성된 웨이퍼일 수 있다. 이 경우, 본 발명의 반사 방지막은 광전 특성이 더욱 향상될 수 있다.
에피텍셜 레이어는 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs)계, 갈륨 나이트라이드(GaN)계, 산화갈륨(Ga2O3)계 또는 실리콘 카바이드(SiC)계를 포함한 모든 광 트랜지스터에 사용되는 물질일 수 있다. 이 경우, 본 발명의 반사 방지막을 포함하는 것에 의한 빛의 감지 반응도가 더욱 향상될 수 있다.
일 구체예에서, 코팅층이 형성되는 웨이퍼는 사파이어 기판의 수광면에 갈륨 나이트라이드(GaN)계 에피텍셜 레이어가 형성된 웨이퍼일 수 있다. 이 경우, 본 발명의 반사 방지막은 입사각 20° 내지 60°에서 파장 250 nm 내지 370 nm의 빛에 대하여 측정한 반사율이 1% 내지 25%의 우수한 정도로 구현될 수 있으며, 광전 특성이 더욱 향상될 수 있다.
나노 구조체막 형성 단계는 코팅층을 형성하는 단계에서 형성된 코팅층을 건조하여, 산화 아연 양자점 입자가 5 nm 내지 50 nm의 두께로 나노 어레이된 나노 구조체막을 형성한다. 이를 통해, 코팅층에 포함된 산화 아연 양자점 입자가 로 나노 어레이되어, 반사 방지 효과가 더욱 향상될 수 있다.
나노 구조체막 형성 단계에서 건조 방식은 예를 들면, 5 ℃ 내지 35 ℃의 온도에서, 건조로, 오븐등을 이용하여 30분 내지 1시간 동안 건조시키는 것일 수 있다. 이 경우, 코팅층에 포함된 산화 아연 양자점 입자가 전술한 나노 구조체막의 형태로 나노 어레이되어, 반사 방지 효과가 더욱 향상될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예는 전술한 광 트랜지스터용 양자점 반사 방지막을 포함하는 광 트랜지스터에 관한 것이다. 이에 대해 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다. 도 2는 종래 기술에 따른 광 트랜지스터의 구조가 예시된 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 트랜지스터의 구조가 예시된 단면도이다.
도 2를 참조하면, 일반적으로 광 트랜지스터는, 기판(10), 버퍼층(20), 채널 형성층(30), 채널 공급층(40), 소스 전극(60), 드레인 전극(70)을 포함한다. 선택적으로, 캡층(50)을 포함할 수 있다.
기판(10)은 예를 들면 사파이어 기판일 수 있다. 물론, 이에 한정되지 않고 기판(10)은 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs)계, 갈륨 나이트라이드(GaN)계, 산화갈륨(Ga2O3)계 또는 실리콘 카바이드(SiC)계 웨이퍼일 수 있다.
버퍼층(20)은 예를 들면 AlN 또는 AlGaN의 적층일 수 있다. 버퍼층(20) 상에 채널 형성층(30) 및 채널 공급층(40)이 순차적으로 적층되어 있다. 채널 형성층(30)과 채널 공급층(40)은 분극율이 다르고 밴드 갭이 다른 반도체층일 수 있다. 채널 형성층(30)의 분극률과 밴드 갭은 채널 공급층(40)보다 작을 수 있다. 채널 형성층(30)은 반도체층으로써, 예를 들면 GaN층이나 InGaN층일 수 있고, AlGaN층/GaN층일 수도 있다. 채널 형성층(30)은 2차원 전자가스 채널(31)을 포함한다.
채널 형성층(30) 상에는 채널 공급층(40)이 적층되어 있다. 채널 공급층(40)은 채널 형성층(30)에 2차원 전자가스 채널(31)을 형성시키는 층, 혹은 채널 형성층(30)에 2차원 전자가스 채널(31)이 형성되게 하는 층이다.
채널 공급층(40)은 채널 형성층(30)보다 분극률이 큰 반도체층이다. 채널 공급층(40)과 채널 형성층(30) 사이의 분극률 차이에 따라 채널 공급층(40)에 분극이 나타나고, 이 분극에 의해 채널 공급층(40)과 접촉하는 채널 형성층(30)의 계면에 2차원 전자가스가 생성되어, 채널 형성층(30)에 2차원 전자가스 채널(31)이 형성된다. 채널 공급층(40)은 AlGaN층, AlN층 또는 AlInN층일 수 있다.
캡층(50)은 채널 공급층(40) 상에 형성되며, 소자의 전류 붕괴 현상을 개선할 수 있다. 캡층(50)은 반도체층으로써, 예를 들면 GaN층이나 InGaN층일 수 있고, AlGaN층/GaN층일 수도 있다.
채널 공급층(40) 상에 소스 전극(60) 및 드레인 전극(70)이 존재한다. 소스 전극(60)과 드레인 전극(70)은 서로 이격되어 형성된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 전술한 도 2의 광 트랜지스터 구조에 양자점 반사 방지막(80)을 더 포함한다. 양자점 반사 방지막(80)은 채널 공급층(40) 상부에 형성되되, 소스 전극(60) 및 드레인 전극(70)이 형성된 영역 이외의 영역에 형성될 수 있다. 한편, 양자점 반사 방지막(80)은 도 1에 도시된 바와 같은 나노 구조체 막을 포함한다.
나노 구조체막은 평균 입경(D50) 2 nm 내지 50 nm인 산화 아연 양자점 입자가 15 nm 내지 25 nm의 두께로 형성될 수 있다. 또한, 나노 구조체막은 입사각 20° 내지 60°에서 파장 250 nm 내지 370 nm의 빛에 대하여 측정한 반사율이 1% 내지 25%일 수 있다. 이에 대한 설명은 반복되므로 생략한다. 나노 구조체막은 수광면을 통해 입사된 빛이 나노 구조체 내에서 굴절률이 연속적으로 변화하는 것과 같은 방식으로 회절됨으로써, 파장에 의한 영향 및 입사 각도에 의한 영향을 최소화할 수 있다.
다음으로, 도 4 내지 도 7을 참조하여 종래 기술에 따른 광 트랜지스터와 본 발명의 일 실시예에 따른 광 트랜지스터의 광 반응 특성에 대해 설명한다.
도 4는 종래 기술에 따른 광 트랜지스터와 본 발명의 일 실시예에 따른 광 트랜지스터의 전류 특성을 보여 주는 그래프이다.
도 4에서 C1과 C2는 양자점 반사 방지막이 없는 종래 기술 광 트랜지스터의 전류 특성을 보여 주고, C3과 C4는 양자점 반사 방지막이 있는 본 발명 광 트랜지스터의 전류 특성을 보여 준다. C1, C3은 광전류(photocurrent)이고, C2, C4는 암전류(Dark current)이다.
도 4를 참고하면, 동일한 입력 전압(예를 들어, 3V)에서, 각각의 광전류와 암전류와의 차이값(C1-C2, C3-C4)이 종래 기술 광 트랜지스터의 차이값(C1-C2) 보다 본 발명 광 트랜지스터의 차이값(C3-C4)이 현저하게 큰 것을 확인할 수 있다. 즉, 양자점 반사 방지막이 있는 본 발명의 광 트랜지스터에서 암전류의 값이 상대적으로 낮아지는 특성을 갖는 것을 알 수 있는데, 이는 양자점 반사 방지막이 자유 산소 이온을 표면에 흡수함으로써 포텐셜이 변화하기 때문이며, 자외선 영역에서는 전자정공쌍이 생성됨과 동시에 자유 산소 이온에 트랩된 전자와 표면 포텐셜을 상승시켜 광전류의 큰 증가를 얻는다. 결과적으로, 양자점 반사 방지막이 있는 광 트랜지스터는 암전류와 광전류의 차이가 커지는 특성을 갖는다. 이는 양자점 반사 방지막이 있는 본 발명의 광 트랜지스터가 효과적으로 자외선 영역에서의 반사를 방지할 수 있음을 보여준다.
도 5는 종래 기술에 따른 광 트랜지스터와 본 발명의 일 실시예에 따른 광 트랜지스터의 광 반응도 특성을 보여 주는 그래프이다.
도 5에서 R1은 양자점 반사 방지막이 없는 종래 기술 광 트랜지스터의 광 반응도 특성을 보여 주고, R2는 양자점 반사 방지막이 있는 본 발명 광 트랜지스터의 광 반응도 특성을 보여 준다.
도 5를 참고하면, 자외선 영역의 임의의 파장에 대해 양자점 반사 방지막이 있는 광 트랜지스터의 광 반응도 특성이 높음을 확인할 수 있다. 예를 들어, 300nm 대역에서 R1은 약 1.00 × 106 A/W이고, R2는 약 1.75 × 106 A/W으로, 약 75% 정도 광 반응도 특성이 향상된 것을 알 수 있다.
도 6은 종래 기술에 따른 광 트랜지스터의 단면을 에너지 분산형 분광분석법(EDS)을 통해 성분 분석한 그래프이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 트랜지스터의 단면을 에너지 분산형 분광분석법을 통해 성분 분석한 그래프이다. 우측 상단의 노란선(Y)은 분석 대상의 수직 길이를 의미하는 것으로 상단 끝점은 분석 시작 지점이고, 하단 끝점은 분석 종료 지점이다.
도 6을 참고하면, 약 40nm 지점부터 약 65nm 근처의 영역에 Al, Ga, N이 존재하고, 약 65nm 이후에는 Ga, N이 존재하는 것을 확인할 수 있다.
도 7을 참고하면, 약 40nm 지점부터 약 65nm 근처의 영역에는 대부분 Zn, O가 존재하고, 약 65nm 지점부터 약 90nm 근처의 영역에는 대부분 Al, Ga, N이 존재하나, 일부 영역(A 영역, 대략 65nm ~ 70nm)에도 산소 이온 O가 존재함을 알 수 있다. 이로부터 양자점 반사 방지막을 확인할 수 있으며, 양자점 반사 방지막과 접하는 AlGaN 층에도 산소 이온이 포함됨을 알 수 있다.
이는 양자점 반사 방지막이 자유 산소 이온을 표면에 흡수함으로써 포텐셜이 변화하여 양자점 반사 방지막과 접하는 AlGaN 층에도 산소 이온이 존재하게 됨을 알 수 있으며, 자유 산소 이온에 트랩된 전자와 표면 포텐셜이 상승되어 광전류가 크게 증가함을 추정할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 트랜지스터는, 파장에 의한 영향 및 입사 각도에 의한 영향을 저감하여 우수한 반사 방지능을 구현하고, 자외선 영역의 반사 방지 효율을 더욱 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

Claims (14)

  1. 평균 입경(D50) 2 nm 내지 50 nm인 산화 아연 양자점 입자가 5 nm 내지 50nm의 두께로 나노 어레이되어 형성된 나노 구조체막을 포함하는 광 트랜지스터용 양자점 반사 방지막.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나노 구조체막은 입사각 20° 내지 60°에서 파장 250 nm 내지 370 nm의 빛에 대하여 측정한 반사율이 1% 내지 25%인 광 트랜지스터용 양자점 반사 방지막.
  3. 기판;
    상기 기판 상부에 형성되는 버퍼층;
    상기 버퍼층 상부에 형성되고, 2차원 전자가스(two-dimensional electron gas) 채널을 포함하는 채널 형성층;
    상기 채널 형성층 상부에 형성되고, 상기 채널 형성층에 상기 2차원 전자가스 채널이 형성되게 하는 채널 공급층;
    상기 채널 공급층 상부 일측에 형성되는 소스 전극;
    상기 채널 공급층 상부 타측에 형성되는 드레인 전극;
    상기 채널 공급층 상부에 형성되되, 상기 소스 전극 및 드레인 전극이 형성된 영역 이외의 영역에 형성된 양자점 반사 방지막;
    을 포함하는 광 트랜지스터.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 양자점 반사 방지막은,
    평균 입경(D50) 2 nm 내지 50 nm인 산화 아연 양자점 입자가 5 nm 내지 50 nm의 두께로 나노 어레이되어 형성된 나노 구조체막을 포함하는 광 트랜지스터.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 나노 구조체막은,
    평균 입경(D50) 2 nm 내지 50 nm인 산화 아연 양자점 입자가 15 nm 내지 25 nm의 두께로 형성되는 광 트랜지스터.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 나노 구조체막은,
    입사각 20° 내지 60°에서 파장 250 nm 내지 370 nm의 빛에 대하여 측정한 반사율이 1% 내지 25%인 광 트랜지스터.
  7. 기판 상부에 버퍼층을 형성하는 단계;
    상기 버퍼층 상부에 채널 형성층을 형성하는 단계;
    상기 채널 형성층 상부에 채널 공급층을 형성하고, 상기 채널 형성층에 2차원 전자가스 채널을 형성하는 단계;
    상기 채널 공급층 상부 일측에 소스 전극을 형성하고, 상기 채널 공급층 상부 타측에 드레인 전극을 형성하는 단계;
    상기 소스 전극 및 드레인 전극이 형성된 영역 이외의 영역에 양자점 반사 방지막을 형성하는 단계;
    를 포함하는 광 트랜지스터 제조 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 양자점 반사 방지막을 형성하는 단계는,
    평균 입경(D50) 2 nm 내지 50 nm인 산화 아연 양자점 입자를 제조하는 단계;
    상기 산화 아연 양자점 입자를 에탄올에 분산시킨 분산액을 웨이퍼 상에 스핀 코팅하여 코팅층을 형성하는 단계; 및
    상기 코팅층을 건조하여 산화 아연 양자점 입자가 5 nm 내지 50 nm의 두께로 나노 어레이된 나노 구조체막을 형성하는 단계;
    를 포함하는 광 트랜지스터 제조 방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 나노 구조체막은,
    입사각 20° 내지 60°에서 파장 250 nm 내지 370 nm의 빛에 대하여 측정한 반사율이 1% 내지 25%인 광 트랜지스터 제조 방법.
  10. 청구항 8에 있어서, 상기 산화 아연 양자점 입자를 제조하는 단계는,
    아세트산 아연 이산화물을 디메틸 술폭시드(DMSO)에 용해한 제1용액에 수산화 테트라 메틸 암모늄을 에탄올에 용해한 제2용액을 적하하면서 반응시킨 후, 아세톤을 첨가하여 산화 아연 양자점 입자 침전물을 제조하는 것을 포함하는 광 트랜지스터 제조 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1용액은 아세트산 아연 이산화물이 디메틸 술폭시드(DMSO) 10 mL 당 1 내지 5 mmol의 비율로 용해된 것인 광 트랜지스터 제조 방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 제2용액은 상기 수산화 테트라 메틸 암모늄이 에탄올 10 mL 당 1 내지 10 mmol의 비율로 용해된 것인 광 트랜지스터 제조 방법.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 분산액은 산화 아연 양자점 입자 침전물 50 내지 80 중량% 및 에탄올 20 내지 50 중량%를 혼합한 것인 광 트랜지스터 제조 방법.
  14. 청구항 8에 있어서,
    상기 웨이퍼는 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs)계, 갈륨 나이트라이드(GaN)계, 산화갈륨(Ga2O3)계 또는 실리콘 카바이드(SiC)계 웨이퍼인 광 트랜지스터 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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