• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2011년도 제40회 동계학술대회 초록집
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• pp.104-104
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• 2011

ZnO는 3.37 eV의 넓은 에너지 밴드갭을 갖는 투명 전도성 반도체이며 우수한 전기적, 광학적 특성으로 인해 광원소자 개발을 위한 새로운 물질로 많은 주목을 받아왔다. 더욱이, ZnO는 쉽게 나노구조 형성이 가능하기 때문에 이를 응용한 가스센서, 염료감응태양전지, 광검출기 등의 소자 개발이 활발히 이루어지고 있다. 최근에는 GaN 기반 발광다이오드 (light emitting diode, LED)의 광추출 효율을 향상시키기 위한 ZnO 나노구조 응용에 관한 연구가 보고되고 있다. GaN 기반 LED의 경우 반도체 물질과 공기 사이의 높은 굴절률 차이로 인하여 낮은 광추출 효율을 나타낸다. 이를 해결하기 위한 방법으로 표면 roughening, texturing 등 에칭공정을 이용해 광추출 효율을 개선하려는 연구들이 보고되고 있으나, 복잡한 공정과정을 필요로 하고 에칭공정에 의한 소자 표면 손상으로 전기적 특성이 나빠질 수 있다. 반면 전기화학증착법으로 성장된 ZnO 나노구조를 이용할 때, 보다 간단한 방법으로 쉽고 빠르게 나노구조를 형성할 수 있고 낮은 공정온도를 가지기 때문에 소자의 전기적 특성에 큰 영향을 주지 않는다. 수직방향으로 잘 정렬된 ZnO 나노구조를 갖는 LED의 경우 내부 Fresnel 반사 손실을 효과적으로 줄여 발광 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 따라서, ZnO 나노구조의 성장제어 및 성장특성을 분석하는 것은 매우 중요하다. 본 연구에서는 ITO glass 위에 ZnO 나노구조를 성장하고 그 특성을 분석하였다. ITO glass 기판 위에 RF magnetron 스퍼터를 사용하여 Al 도핑된 ZnO (AZO)를 얇게 증착한 후 전기화학증착법으로 ZnO 나노구조를 성장하였다. 농도, 인가전압, 공정시간 등 다양한 공정조건을 변화시키면서 성장 메커니즘을 분석하였고, scanning electron microscope (SEM) 및 X-ray diffraction (XRD)을 통하여 구조 및 결정성 등을 분석하였다. 또한, UV-Visible-NIR spectrophotometer를 사용하여 투과율을 실험적으로 측정하여 ZnO 나노구조의 광학적 특성을 분석하였고, rigorous coupled wave analysis (RCWA) 방법을 사용하여 계면에서 발생하는 내부 반사율을 계산함으로써 나노구조의 효과를 이론적으로 분석하였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2009년도 제38회 동계학술대회 초록집
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• pp.89-90
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• 2010

최근 우리는 InGaAs 위에 성장한 InAs 양자점에 GaAs를 얇게 덮음으로써 양자고리를 성장하고, 그 광학적 특성을 분석하였다. [1] 이번 연구에서는 이 양자고리 구조의 전자 구조 및 광학적 특성을 전산모사를 통해 계산하였고, GaAs가 구조의 응력, 압전 포텐셜 및 light-hole 분율에 미치는 영향을 분석하였다. 이론적인 분석을 위해, valence force field 방법을 이용하여 이종 물질간의 격자상수 차이에 의한 격자 변형 및 압전 포텐셜의 변화를 계산하였고, 양자고리 내 전자의 양자화 에너지 및 파동함수를 k p 방법을 통해 얻을 수 있었다. 또한 광학적인 특성 등의 다체 효과를 예측하기 위해 configuration interaction 방법을 사용하였다. 이 연구에서 우리는, GaAs가 InAs에 강한 압축 응력을 가할 것이라는 일반적인 예측과 달리, InGaAs 매트릭스 안에서는 격자상수가 작은 GaAs가 InAs 양자고리에 효과적인 압축 응력을 가할 수 없음을 보였다. 특히 GaAs 층의 두께가 얇을 경우, InGaAs 매트릭스에 의해 인장 응력을 받는 GaAs가 InAs의 응력을 해소하기 충분한 공간을 제공하여, 오히려 InAs의 압축 응력을 약화시키는 것을 알 수 있었다. 이 연구 결과는 응력 분포가 단순한 양자우물 등의 2차원 구조와 달리, 응력 분포가 복잡한 3차원 나노 구조에서는 단순히 격자상수만으로 파장 변화 경향을 예측할 수 없음을 나타낸다. 또한 우리는, GaAs의 큰 negative 이방 응력과 InAs의 작은 positive 이방 응력에 의해 전자와 heavy-hole은 InAs에, light-hole은 GaAs에 구속됨을 보였다. 즉, InAs보다 밴드갭이 큰 GaAs가 전자와 heavy-hole에 대해서는 강한 포텐셜 배리어로 작용하지만 light-hole에 대해서는 포텐셜 우물로 작용하는, 반 우물-반 배리어 특성을 가짐을 알 수 있었다. 이로 인해 GaAs가 있는 양자고리의 light-hole 분율이 GaAs가 없을 경우에 비해 2배에서 8배가량 증가함을 보일 수 있었다. 비슷한 특성이 hole에 대해서는 InP나 InGaAsP 위에 성장한 GaAs 층에서 보고된 바가 있으나, 전자는 InAs로, hole은 GaAs로 분리할 수 있는 3차원 나노 구조에 대한 연구는 이 연구가 처음이다. [2]

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2014년도 제46회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.310-310
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• 2014

ZnO박막은 넓은 밴드갭 (3.37 eV), 높은 여기 결합 에너지 (60 meV)를 가지는 육방정계 우르자이트(hexagonal wurtzite) 결정구조를 가지는 II-VI족 화합물 반도체로, 가시광선 영역에서의 높은 광학적 투과도 특성과 자외선 파장에서 발광이 가능한 장점을 가진다. 최근, ZnO박막 성장 기술이 상당히 발전하였지만, 아직까지도 p-형 ZnO박막 성장 기술은 충분히 발전하지 못하여 ZnO의 동종접합 LED는 아직 상용화되지 않고 있는 실정이다. 따라서, 많은 연구 그룹에서 p-GaN, p-SiC, p-diamond, p-Si 등과 같은 p-type 물질 위에 n-type ZnO를 성장시킨 이종접합 다이오드가 연구되고 있다. 특히, p-GaN의 경우 ZnO와의 격자 불일치 정도가 1.8 % 정도로 작다는 장점이 있어 많은 연구가 이루어 지고 있다. 일반적으로 c-축을 기반으로 한 극성ZnO 발광다이오드에서는 자발 분극과 압전 분극 현상에 의해 밴드 휨 현상이 발생하고, 이로 인해 전자와 정공의 공간적 분리가 발생하게 되어 발광 재결합 효율이 제한되고 있다는 문제가 발생한다. 따라서, 본 연구에서는 극성 (0001) 및 비극성 (10-10) n-ZnO/p-GaN 발광다이오드의 성장 및 발광 소자의 전기 및 광학적 특성에 대한 비교 연구를 진행하였다. 금속유기 화학증착법을 이용하여 c-면과 m-면 위에 각각 극성 (0001) 및 반극성 (11-22) GaN박막을 $2.0{\mu}m$ 성장시킨 후 Mg 도핑을 한 p-GaN을 $0.4{\mu}m$ 성장시켜 각각 극성 (0001) 및 반극성 (11-22) p-GaN템플릿을 준비하였다. 이후, N2분위기 $700^{\circ}C$에서 3분동안 열처리를 통하여 Mg 도펀트를 활성화시킨 후 원자층 증착법을 이용하여 동시에 극성 및 반극성 p-GaN의 위에 n-ZnO를 $0.11{\mu}m$ 성장시켜 이종접합구조의 발광소자를 형성하였다. 이때, 극성 (0001) p-GaN 위에는 극성의 n-ZnO 박막이 성장되는 반면, 반극성 (11-22) p-GaN 위에는 비극성 (10-10) n-ZnO 박막이 성장됨을 HR-XRD로 확인하였다. 극성 (0001) n-ZnO/p-GaN이종접합 발광다이오드의 전계 발광 스펙트럼에서는 430 nm 와 550 nm의 두 피크가 동시에 관찰되었다. 430 nm 대역의 파장은 p-GaN의 깊은 준위에서 발광하는 것으로 판단되며, 550 nm 피크 영역은 ZnO의 깊은 준위에서 발광되는 것으로 판단된다. 특히, 10 mA 이하의 저전류 주입시 550 nm의 피크는 430 nm 영역보다 더 큰 발광세기를 나타내고 있다. 하지만, 10 mA 이상의 전류주입 하에서는 550 nm의 영역보다 430 nm의 발광세기가 더욱 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 ZnO의 밴드갭이 3.37 eV로 GaN의 밴드갭인 3.4 eV다 작기 때문에 우선적으로 ZnO의 깊은 준위에서 발광하는 550 nm가 더욱 우세하지만, 지속적으로 전류주입 증가에 따른 캐리어 증가시 n-ZnO에서 p-GaN로 전자가 넘어가며 p-GaN의 깊은 준위인 430 nm에서의 피크가 우세해지는 것으로 판단된다. 반면에, 비극성 (10-10) n-ZnO/반극성 (11-22) p-GaN 구조의 이종접합 발광다이오드로 전계 발광 스펙트럼에서는 극성 (0001) n-ZnO/p-GaN에 비하여 매우 낮은 전계 발광 세기를 나타내고 있다. 이는, 극성 n-ZnO/p-GaN에 비하여 비극성 n-ZnO/반극성 p-GaN의 결정성이 상대적으로 낮기 때문으로 판단된다. 또한, 20 mA 영역에서도 510 nm의 깊은 준위와 430 nm의 발광이 관찰되었다. 동일한 20 mA하에서 두 피크의 발광세기를 비교하면 430 nm의 영역은 극성 n-ZnO/p-GaN에 비하여 매우 낮은 값을 나타내고 있다. 이는 반극성 (11-22) p-GaN의 경우 극성 (0001) p-GaN에 비하여 우수한 p-형 특성에 기인한 것으로 판단된다.

• 한국전기전자재료학회:학술대회논문집
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• 한국전기전자재료학회 2008년도 추계학술대회 논문집 Vol.21
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• pp.111-111
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• 2008

태양전지는 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환시켜주는 광전 소자로서 구조적으로 단순하고 제조 공정도 비교적 간단하지만, 실용화를 위해서는 비용적인 측면이 많은 걸림돌이 되고 있다. 기존의 실리콘 태양전지는 낮은 광흡수율, 고비용임에도 불구하고 가장 많이 활용되고 있는 태양전지 기술이다. 그러나 태양전지의 경제성 향상과 실용화를 위해서는 기존의 실리콘 태양전지 보다 고효율 및 고신뢰도의 박막형 태양전지의 개발이 필요하다. 박막헝 태양전지의 재료로는 비정질 실리콘, 다결정 실리콘. CIGS, CdTe 등이 있다. 그 중에서도 박막형 태양전지에 광흡수층 물질로는 밴드갭 에너지 (l.4eV 부근), 변환 효율, 경제성 등을 고려했을 때 II-VI족 화합물인 CdTe가 가장 적합한 것으로 각광받고 있다. 하지만 아직까지 실리콘 태양전지에 비해 효율이 많이 떨어지는 단점을 가지고 있기 때문에 효율을 더 끌어올리기 위한 연구가 활발히 진행되고 있는 실정이다. 또한 CMP(chemical mechanical polishing) 공정은 반도체 박막 분야뿐만 아니라 물리, 화학 반응의 기초 연구에도 널리 응용이 되는 기술로써, 시료와 연마 패드 사이의 회전마찰에 의한 기계적 연마와 연마제 (abrasive) 에 의한 화학적 에칭으로 박막 표면을 평탄화하는 기술이다. 본 연구에서는 sputtering 법에 의해 증착된 CdTe 박막에 CMP 공정을 적용하여 표면 특성을 개선한 뒤 태양전지 변환 효율과 직접적인 연관성을 가지고 있는 표면 및 광특성의 변화를 CMP 공정 전과 후로 비교하였다. 표면의 변화를 관찰하기 위해서 AFM(atomic forced microscope) 과 SEM(scanning electron microscopy) 을 이용하였으며, 광특성의 비교를 위해서 흡수율과 PL특성을 측정하였다.

• 전기전자학회논문지
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• 제24권2호
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• pp.435-440
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• 2020

고주파 마그네트론 스퍼터링으로~500 nm 두께의 ZnO:Al막을 증착하였다. 증착된 ZnO:Al막을 100 ℃, 200 ℃, 300 ℃ 및 400 ℃에서 10시간 동안 열처리하였다. ZnO:Al막의 열처리에 따른 저항률, 캐리어 농도 및 이동도 변화를 측정하였다. XRD, FESEM 결과를 통해 열처리에 따른 ZnO:Al막의 저항률 변화 원인을 조사하였다. ZnO:Al막의 광 투과율을 측정한 후 에너지 밴드 갭, Urbach 에너지 및 굴절률을 도출하였다. ZnO:Al막의 전기적 특성 변화를 광특성과 연관지어 설명하였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2016년도 제50회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.352.1-352.1
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• 2016

양자점은 나노미터 크기의 반도체 결정으로 밴드갭에 따라 광학적, 전기적 성질이 달라지는 독특한 성질을 가지는 형광물질으로 활발히 연구되고 있다. 중금속을 기반으로 한 양자점은 높은 발광효율과 광안전성을 가지며, 가시광선 영역에서 빛을 내는 특징을 가지고 있다. 그러나 중금속을 사용하기 때문에 독성이 있어 인체나 환경에 유해하여 응용 연구에 제한적이다. 반면에, 탄소 기반의 양자점은 중금속 기반의 양자점과 비슷한 성질을 가질 뿐만 아니라, 높은 용해도와 낮은 독성으로 인해 생체적합성이 높다는 장점이 있다. 이를 이용하여 발광다이오드(LEDs), 태양전지, 광촉매 뿐만 아니라 바이오이미징, 바이오센서 등 생물학분야에도 응용 될 수 있다. 본 연구에서는 Bottom-up 합성 방법으로 유기전구체를 이용하여 질소를 함유하고 있는 양친매성 탄소 양자점(N-GQDs)을 합성하였다. 합성에 사용한 유기전구체는 기존에 보고된 유기전구체와 다르게 반응 진행 중에도 pH 측정 결과 중성을 나타내며, 반응 온도($225^{\circ}C$)와 유사한 온도에서도 pH 값은 여전히 6.0 이상의 값을 나타냈다. 중성을 띄는 특징으로 인해 추가적인 산제거 과정이나 표면안정화 과정이 필요 없다는 장점을 가지고 있다. 합성된 N-GQDs는 높은 결정성의 원형구조를 가지며, 원자힘현미경(AFM) 분석을 통해 높이가 ~ 1.5 nm 미만으로 3층 이하의 두께로 형성되었음을 확인하였다. 또한, 적외선 분광법(FT-IR) 분석을 통해 O-H기, 방향족 고리의 C = C (또는 C = N)기 및 C-N기가 각각 ~3250, ~1670과 ~1140 cm-1에서 확인할 수 있다. 합성된 양자점을 유기태양전지의 active layer에 소량(2 wt%) 첨가하여 양자점의 광학적, 전기적 성질을 확인하였다. 비교군 유기태양전지보다 N-GQDs가 첨가된 유기태양전지의 외부양자효율(PCE)이 7.3%에서 8.4%로 약 20%가 증가하는 것을 보였다. 이는 양자점이 상대적으로 흡수가 약한 단파장 영역의 빛을 흡수하고 PL을 내어 active layer로 에너지 트랜스퍼 현상이 일어나 전자전달을 원활하게 해 주기 때문이다. 앞으로 본 연구의 가능성과 추가적인 연구를 통해 더 많은 분야에 응용되기를 기대한다.

• 한국재료학회:학술대회논문집
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• 한국재료학회 2011년도 추계학술발표대회
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• pp.42.1-42.1
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• 2011

박막형 디스플레이구서에 있어서 투명전극은 필수적이다. 투명전극은 정보를 표시하기 위해 빛을 외부로 방출시키거나 태양광 등을 소자 내부로 입사시켜야 한다. 또한 전극을 형성하는 박막은 높은 광투과율과 ${\sim}10-4{\Omega}cm$ 정도의 낮은 전기비저항을 가져야 한다. 가장 널리 사용되는 투명전극으로 ITO (Indium Tin Oxide)는 인듐의 독성, 저온증착의 어려움, 스퍼터링시 음이온 충격에 의한 막 손상으로 저항의 증가 및 액정디스플레이의 투명전극으로 사용될 경우 $400^{\circ}C$정도의 높은 온도와 수소플라즈마 분위기에서 장시간 노출시 열화로 인한 광학적 특성변화가 문제로 지적된다. 이러한 문제 해결의 대안으로 ZnO 산화물 반도체가 있는데 ITO 박막에 비해 비저항이 높기 때문에 도핑을 이용한 비저항을 ${\sim}10-4{\Omega}cm$ 정도로 낮추어야 한다. 투명전도막으로는 ITO, FTO 등과 더블어 체적 저항율은 다소 높으나 환원성 분위기에 대한 내성, 가시광 영역에서의 높은 광투과율과 저렴한 가격 등의 장점 등으로 AZO 박막이 주목 받고 있다. ZnO는 ITO 나 FTO에 비해서 700 kJ/mol의 큰 분해에너지를 가지므로 코팅 때 발생하는 전도도 및 투과율이 나빠지는 현상이 발생하지 않는 특징이 있으며, 위의 두 재료에 비해 밴드갭도 가장 낮아서 자외선 투과율이 낮다. 그러나 내습성이 약하기 때문에 이를 보완하기 위하여 내습성향상과 전도성 향상을 위해서 3족 원소인 B, In, Al, Ga 등을 도핑한 ZnO 투명전도막의 연구가 진행되고 있다. 이러한 원소들 중에서 Al로 도핑했을 때 가장 낮은 비저항을 얻을 수 있다고 알려져 있다. 본 연구에서는 SiOC 박막위에 AZO 박막을 제조하기 위하여 RF 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 박막을 성장시켰으며, 박막의 전기적 및 광학적 특성을 조사하였다. AZO 박막은 rf power가 5~200 W인 RF 마그네트론 스퍼터 방법에 의해서 제작되었다. SiOC 박막은 산소와 DMDMOS 전구체의 유량비를 다르게 하여 플라즈마 발생 화학적 기상 증착방법으로 증착되었다. 증착된 SiOC박막은 UV visible spectroscopy에 의해서 분석하였다. 투명전극의 비저항은 rf 전력이 작을 수록 낮았으며, SiOC 절연막 위에 AZO를 증착시킨 후 반사률은 반대로 바뀌는 것을 확인하였다.

• 한국정보통신학회논문지
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• 제19권6호
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• pp.1393-1398
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• 2015

본 연구에서는 고주파 마그네트론 스퍼터링 법으로 PES 기판 위에 공정압력을 5 에서 20 mTorr 로 변화시켜 가며 GZO (Ga-doped ZnO) 박막을 제작하여, 전기적 및 광학적 특성을 조사하였다. XRD 측정을 통해 공정압력에 무관하게 모든 GZO 박막이 c 축으로 우선 성장함을 확인할 수 있었고, 5 mTorr 에서 제작한 GZO 박막이 반가폭 0.44° 로 가장우수한 결정성을 나타내었다. AFM 관찰 결과, 표면 거칠기 값은 공정압력 5 mTorr 제작한 박막에서 가장 낮은 값인 0.20 nm 를 나타내었다. 공정압력 5 mTorr 에서 증착한 GZO 박막의 재료평가지수는 6652 로 가장 우수한 값을 나타내었고 이때 비저항과 가시광 영역에서의 평균 투과도는 각각 6.93×10^-4Ω·cm 과 81.4 % 이었다. 공정압력이 증가함에 따라 캐리어 농도가 감소하고 이로 인해 에너지 밴드갭이 좁아지는 Burstein-Moss 효과도 관찰할 수 있었다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2012년도 제42회 동계 정기 학술대회 초록집
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• pp.199-199
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• 2012

최근 그래핀의 대면적 합성 및 롤투롤 전사 공정의 개발로 그래핀의 상용화가 가시화 되고 있다. 하지만, 그래핀의 독특한 특성인 선형적이고 밴드갭이 없는 에너지 띠 분포 때문에 반도체 소자로서의 직접적인 적용에는 한계가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위한 돌파구로써, 그래핀 복합체의 연구와 개발이 활발히 진행되고 있으며 본 연구에서는 그래핀 복합 적층 구조를 다룬다. 이는 디스플레이, 초고속 반도체 소자, 고성능 광전자소자 및 초고감도 센서 등 다양한 분야에 대한 그래핀의 실용화 가능성이 높아진 것을 의미한다. 특히, 높은 가시광 투과도와 낮은 면저항으로 기존 투명 전극에 대표적으로 사용되고 있는 ITO (Indium Tin Oxide)를 그래핀으로 대체하는 것에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 그래핀이 높은 전자이동도를 가지는 것에 비하여 비저항과 투과도 측면에 있어서는 ITO의 성능을 뛰어넘지 못하는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 ITO가 가지는 취약점인 기판과의 약한 접착력, 높은 취성, 기판과의 열팽창률 차이 등의 공정상 문제점을 극복하고자 하였다. 그래핀 복합 적층 필름은 플라스틱 기판 (PET) 위에 열 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 이용하여 합성한 그래핀을 전사하고, ITO 용액을 도포한 다음 다시 그래핀을 씌워 제작하여 샌드위치 구조(sandwich structure)를 형성하였다. 완성된 필름은 광학적, 전기적 특성 분석을 수행하였다. 광학적 분석으로는 라만 분광을 이용한 그래핀 품질평가와 파장대에 따른 광 투과도, 그리고 반사도 측정을 하였으며, 전기적 특성은 면저항을 측정함으로써 분석한다. 결함이 적고, 대면적에 걸쳐 한 층을 이루어야 하는 고품질 그래핀의 요구사항에 따라 라만 분광의 G, 2D, D 띠를 분석하였다. G와 2D 띠의 비율을 통해 그래핀의 층 수를, D 띠의 강도를 통해 결함의 유무를 판단하였다. 또한, 가시광 영역에서 90% 이상의 광 투과도를 보여야 하는 투명 소자의 요구사항 달성 정도를 UV-VIS를 이용하여 확인하였다. 마지막으로, 제작한 필름의 면저항 또한 4-프로브 멀티미터를 이용하여 측정하고, 일반적인 터치스크린의 면저항인 $500{\Omega}/sq$를 만족하는지 평가하였다.

• 한국세라믹학회지
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• 제40권11호
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• pp.1113-1119
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• 2003

저온 박막 공정을 위해 비등점이 낮은 용매인 isopropanol을 사용하였고, 용질로 zinc acetate의 몰 농도를 0.3∼1.3 mol/l까지 변화시켜 sol을 합성하였다. Zn 농도 변화에 따른 ZnO 박막의 구조 및 광학, 전기적 특성을 분석하였다. XRD 측정에서 Zn의 농도가 0.7 mol/l 일 때 c-축으로 결정 배향성이 뚜렷하였다. SEM으로 박막의 표면 morphology를 관찰한 결과 0.7 mol/l 에서 균일한 표면층을 갖는 나노구조를 이루고 있었다. UV-vis. 측정을 통한 ZnO 박막의 광투과도는 Zn의 농도가 0.7 mol/l 이하에서 87%였으나, 1.0 mol/l 이상의 농도에서는 급격히 감소하였다. 이때 광 밴드갭 에너지는 3.07∼3.22 eV의 값을 나타내며, 벌크 ZnO의 특성과 유사하였다. 박막의 전기 비저항 값은 150 $\Omega$-cm로 Zn의 농도변화에 따라 큰 변화를 보이지 않았으며, I-V 특성분석에서 전형적인 ohmic contact 특성을 보였다.