• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.02a
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• pp.129-129
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• 2010

적외선 검출소자(Infrared Photodetector)는 근적외선에서 원적외선 영역에 이르는 광범위한 파장 범위의 적외선을 이용하는 기기로서 대상물이 방사하는 적외선 영역의 에너지를 흡수하여 이를 영상화할 수 있는 장비이다. 적외선 관련 기술은 2차 세계대전 기간에 태동하였으며, 현재에는 원거리 감지기술 등과 접목되면서 그 활용 분야가 다양해지고 있다. 특히 능동형 정밀 타격무기를 비롯한 감시 정찰 장비 및 지능형 전투 장비 시스템 등에 대한 요구를 바탕으로 보다 정밀하고 신속한 표적 감지 및 정보처리 기술에 관한 연구가 선진국을 통해서 활발히 진행되고 있다. 기존의 Bolometer 형식의 열 감지 소자는 반응 속도가 느리고 측정 감도가 낮은 단점이 있으며, MCT(HgCdTe)를 이용한 적외선 검출기의 경우 높은 기계적 결함과 77K 저온에서 동작해야하기 때문에 발생하는 추가 비용 등이 문제점으로 지적되고 있다[1]. 이에 반해 화합물 반도체 자기조립 양자점(self-assembled quantum dot)을 이용한 적외선 수광소자는 양자점이 가지는 불연속적인 내부 에너지 준위로 인하여, 높은 내부 양자 효율과 온도 안정성을 기대할 수 있으며, 고성능, 고속처리, 저소비전력 및 저소음의 실현이 가능하다. 본 연구에서는 적층 InAs/InGaAs dot-in-a-well 구조를 유기금속화학기상증착법을 이용하여 성장하고 이를 소자에 응용하였다. 균일한 적층 양자점의 성장을 위해서 원자현미경(atomic force microscopy)을 이용하여, 각 층의 양자점의 크기와 밀도를 관찰하였고, photoluminescence (PL)를 이용하여 발광특성을 연구하였다. 각 층간의 GaAs space layer의 두께와 온도 조절 과정을 조절함으로써 균일한 적층 양자점 구조를 얻을 수 있었다. 이를 이용하여 양자점의 전도대 내부의 에너지 준위간 천이(intersubband transition)를 이용하는 n-type GaAs/intrinsic InAs 양자점/n-type GaAs 구조의 양자점 적외선수광소자 구조를 성장하였다. 이 과정에서 상부 n-type GaAs의 성장 온도가 600도 이상이 되는 경우 발광효율이 급격히 감소하고, 암전류가 크게 증가하는 것을 관찰하였다. 이는 InAs 양자점과 주변 GaAs 간의 열에 의한 상호 확산에 의하여 양자점의 전자 구속 효과를 저해하는 것으로 설명된다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2014.02a
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• pp.177.1-177.1
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• 2014

단일벽 탄소나노튜브(single-wall carbon nanotube)와 그래핀(graphene)과 같은 저차원 구조의 탄소물질은 우수한 기계적, 전기적, 열적 광학적 특성으로 인해 투명하고 유연한 차세대 전자소자로의 응용(투명전극, 투명트랜지스터, 투명센서 등)을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 단일벽 탄소나노튜브와 단일층 그래핀을 이용한 하이브리드 박막을 제작하여 투명전극(transparent electrode)과 전계효과 트랜지스터(field effect transistors)로의 응용 가능성을 연구하였다. 하이브리드 박막의 제작은 간단한 방법으로 단일벽 탄소나노튜브가 스핀 코팅된 구리 호일 위에 열 화학기상증착법(thermal chemical vapor deposition)을 통해 제작 하였다. 제작 과정 중 탄소나노튜브의 스핀코팅 조건을 최적화하여 하이브리드 박막에서 탄소나노 튜브의 밀도와 정렬을 제어하였으며 하이브리드 박막 제작 후 스핀 코팅 방향에 따른 박막의 저항을 측정하여 단일벽 탄소나노튜브의 코팅 방향에 따라 박막의 저항이 달라지는 모습을 확인할 수 있었다. 하이브리드 박막의 투명전극 특성을 확인 한 결과 $300{\Omega}/sq$의 면저항에 96.4%의 우수한 투과도를 보이는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 하이브리드 박막은 CVD 그래핀과 비교하여 향상된 와 on-state current를 보이는 것을 확인 할 수 있었다. 우리는 단일벽 탄소나노튜와 단일층 그래핀으로 이루어진 하이브리드 박막이 앞으로의 투명하고 유연한 소자제작 연구에 있어 새로운 투명 전극 및, 트랜지스터 제작 방법을 제시 할 수 있을 것이다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.57-58
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• 2011

III-V족 화합물 반도체의 일종인 InSb는 77 K에서 0.23 eV의 작은 밴드 갭을 가지며 높은 전하 이동도를 가지고 있기 때문에 대기권에서 전자파 흡수가 일어나지 않는 3~5 ${\mu}m$범위의 장파장 적외선 감지가 가능하여 중적외선 감지 소자로 이용되고 있다. 하지만 InSb는 밴드 갭이 매우 작기 때문에, 소자 제작시 누설전류에 의한 소자 특성의 저하가 문제시 되고 있다. 또한 다른 화합물 반도체에 비해 녹는점이 낮고, 휘발성이 강한 5족 원소인 Sb의 승화로 기판의 화학양론적 조성비(stoichiometry)가 변하기 쉬워, 계면특성 저하의 원인이 된다. 따라서 우수한 특성을 가지는 적외선 소자의 구현을 위해서, 저온에서 계면 특성이 우수한 고품질의 절연막 증착 연구가 필수적이다. 본 연구에서는 InSb 기판 위에 $SiO_2$, $Si_3N_4$의 절연막 형성시 증착온도의 변화에 따른 계면 트랩 밀도를 분석하였다. $SiO_2$, $Si_3N_4$ 절연막은 플라즈마 화학 기상 증착법(PECVD)을 이용하여 n형 InSb 기판 위에 증착하였으며, 증착온도를 $120^{\circ}C$부터 $240^{\circ}C$까지 변화시켰다. Metal oxide semiconductor(MOS) 구조 제작을 통하여, 커패시턴스-전압(C-V)분석을 진행하였으며, 절연막과 InSb 사이의 계면 트랩 밀도를 Terman method를 이용하여 계산하였다[1]. 또한, $SiO_2$와 $Si_3N_4$의 XPS 분석과 TOF-SIMS 분석을 통하여 계면 트랩 밀도의 원인을 밝혀 보았다. $120{\sim}240^{\circ}C$ 온도 범위에서 계면 트랩 밀도는 $Si_3N_4$의 경우 $2.4{\sim}4.9{\times}10^{12}cm^{-2}eV^{-1}$, $SiO_2$의 경우 $7.1{\sim}7.3{\times}10^{11}cm^{-2}eV^{-1}$ 값을 나타냈고, 두 절연막 모두 증착 온도가 증가할수록 계면 트랩 밀도가 증가하는 경향을 보였다. 그러나 모든 샘플에서 $Si_3N_4$의 경우, flat band voltage가 음의 전압으로 이동한 반면, $SiO_2$의 경우, 양의 전압으로 이동하는 것을 확인할 수 있었다. 계면 트랩 밀도 증가의 원인을 확인하기 위해서, oxide를 $120^{\circ}C$, $240^{\circ}C$에서 증착시킨 샘플을 XPS 분석을 통하여 깊이에 따른 성분분석을 하였고, 그 결과, $240^{\circ}C$에서 증착된 샘플에서 계면에서 $In_2O_3$와 $Sb_2O_3$ 피크의 증가를 확인하였다. 이는 계면에서 oxide양이 증가함을 의미하며, 이렇게 생성된 oxide는 계면 트랩으로 작용하므로, 계면 특성을 저하시키는 원인으로 작용함을 알 수 있었다. Nitride 절연막을 증착시킨 샘플은 TOF-SIMS 분석을 통해, 계면에서의 성분 분석을 하였고, 그 결과, $240^{\circ}C$에서 증착된 샘플에서 In-N, Sb-N, Si-N 결합의 감소를 확인하였다. 이렇게 분해된 결합들의 dangling 결합이 늘어 계면 트랩으로 작용하므로, 계면 특성을 저하시키는 원인으로 작용함을 알 수 있었다. 최종적으로, 소자특성을 확인 하기 위하여 계면 트랩 밀도가 가장 낮게 측정된 $200^{\circ}C$ 조건에서 $SiO_2$ 절연막을 증착하여 InSb 적외선 소자를 제작하였다. 전류-전압(I-V) 분석 결과 -0.1 V에서 16 nA의 누설 전류 값을 보였으며, $2.6{\times}10^3{\Omega}cm^2$의 RoA(zero bias resistance area)를 얻을 수 있었다. 절연막 증착조건의 최적화를 통하여, InSb 적외선 소자의 특성이 개선됨을 확인할 수 있었다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.08a
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• pp.400-401
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• 2012

그래핀(Graphene)은 열 전도도가 높고 전자 이동도(200 000 cm2V-1s-1)가 우수한 전기적 특성을 가지고 있어 전계 효과 트랜지스터(Field effect transistor; FET), 유기 전자 소자(Organic electronic device)와 광전자 소자(Optoelectronic device) 같은 반도체 소자에 응용 가능하다. 그러나 에너지 밴드 갭이 없기 때문에 소자의 전기적 특성이 제한되는 단점이 있다. 최근에는 아크 방출(Arc discharge method), 화학적 기상 증착법(Chemical vapor deposition; CVD), 이온-조사법(Ion-irradiation) 등을 이용한 이종원자(Hetero atom)도핑과 화학적 처리를 이용한 기능화(Functionalization) 등의 방법으로 그래핀을 도핑 후 에너지 밴드 갭을 형성시키는 연구 결과들이 보고된 바 있다. 그러나 이러한 방법들은 표면이 균일하지 않고, 그래핀에 많은 결함들이 발생한다는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 자가조립 단층막(Self-assembled monolayers; SAMs)을 이용하여 이산화규소(Silicon oxide; SiO2) 기판을 기능화한 후 그 위에 그래핀을 전사하면 그래핀의 일함수를 쉽게 조절하여 소자의 전기적 특성을 최적화할 수 있다. SAMs는 그래핀과 SiO2 사이에 부착된 매우 얇고 안정적인 층으로 사용된 물질의 특성에 따라 운반자 농도나 도핑 유형, 디락 점(Dirac point)으로부터의 페르미 에너지 준위(Fermi energy level)를 조절할 수 있다[1-3]. 본 연구에서는 SAMs한 기판을 이용하여 그래핀의 도핑 효과를 확인하였다. CVD를 이용하여 균일한 그래핀을 합성하였고, 기판을 3-Aminopropyltriethoxysilane (APTES)와 Borane-Ammonia(Borazane)을 이용하여 각각 아민 기(Amine group; -NH2)와 보론 나이트라이드(Boron Nitride; BN)로 기능화한 후, 그 위에 합성한 그래핀을 전사하였다. 기판 위에 NH2와 BN이 SAMs 형태로 존재하는 것을 접촉각 측정(Contact angle measurement)을 통해 확인하였고, 그 결과 NH2와 BN에 의해 그래핀에 도핑 효과가 나타난 것을 라만 분광법(Raman spectroscopy)과 X-선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy: XPS)을 이용하여 확인하였다. 본 연구 결과는 안정적이면서 패턴이 가능하기 때문에 그래핀을 기반으로 하는 반도체 소자에 적용 가능할 것이라 예상된다.

• Korean Journal of Materials Research
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• v.13 no.5
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• pp.333-337
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• 2003

We report a new fabrication process for carbon nanotube field emitters with high performance. The key of the fabrication process is trim-and-leveling the carbon nanotubes grown in trench structures by employing a planarization process, which leads to a uniform distance from the carbon nanotube tip to the electrode. In order to enable this processing, spin-on-glass liquid is applied over the CNTs grown in trench to have them stubborn adhesion among themselves as well as to the substrate. Thus fabricated emitters reveal an extremely stable emission and aging characteristics with a large current density of 40 ㎃/$\textrm{cm}^2$ at 4.5 V/$\mu\textrm{m}$. The field enhancement factor calculated from the F-N plot is $1.83${\times}$10^{5}$ $cm^{－1}$ , which is a very high value and indicates a superior quality of the emitter originating from the nature of open-tip and high stability of the carbon nanotubes obtained new process.

• Korean Journal of Optics and Photonics
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• v.33 no.5
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• pp.218-229
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• 2022

We have investigated reliable inspection methods for finding the defects generated during the manufacturing process of lightweight, large-aperture satellite telescope mirrors using silicon carbide, and we have measured the basic physical properties of the mirrors. We applied the advanced ceramic material (ACM) method, a combined method using liquid-silicon penetration sintering and chemical vapor deposition for the carbon molded body, to manufacture four SiC mirrors of different sizes and shapes. We have provided the defect standards for the reflectors systematically by classifying the defects according to the size and shape of the mirrors, and have suggested effective nondestructive methods for mirror surface inspection and internal defect detection. In addition, we have analyzed the measurements of 14 physical parameters (including density, modulus of elasticity, specific heat, and heat-transfer coefficient) that are required to design the mirrors and to predict the mechanical and thermal stability of the final products. In particular, we have studied the detailed measurement methods and results for the elastic modulus, thermal expansion coefficient, and flexural strength to improve the reliability of mechanical property tests.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.02a
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• pp.123-123
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• 2010

3족 질화물계 물질은 발광다이오드와 같은 광전자소자적용에 있어서 매우 우수한물 질이다.일반적으로, GaN 에피 성장에 있어서 저온 중간층을 삽입한 2 단계 성장 방법은 낮은 결함밀도와 균일한 표면을 얻기 위해 도입된 기술이다. 특히 AlN 중간층은 GaN 중간층과 비교하였을 때 결정성뿐만 아니라 높은 온도에서의 열적안정성, GaN 기반의 자외선 검출기서의빛 흡수 감소 등의 장점을 가지고 있다. 또한 패턴 사파이어 기판위 GaN 에피 성장은 측면성장 효과를 통해 결함 밀도 감소와 광 추출 효율을 향상시키는 것으로 알려져 있다.또한 열응력으로 인한 기판의 휨 현상은 박막성장중 기판의 온도 분포를 불균일하게 만드는 원인이 되며 이는 결국 박막 조성 및 결정성의 열화를 유도하게 되고 최종적으로 소자특성을 떨어 뜨리는 원인이 되는데 AlN 중간층의 도입으로 이것을 완화시킬 수 있는 효과가 있다. 하지만, AlN 중간층이 패턴된 기판 위에 성장시킨 GaN 에피층에 미치는 영향은 명확하지 않다. 본 연구팀은 일반적인 c-plane 사파이어 기판과 플라즈마 건식 에칭을 통한 렌즈 모양의 패턴된 사파이어 기판을 이용해서 AlN 중간층과 GaN 에피층을 유기금속 화학기상증착법으로 성장하였다. 특히, 렌즈 모양의 패턴된 사파이어 기판은 패턴 모양과 패턴 밀도가 성장에 미치는 영향을 연구하기 위해 두가지 패턴의 사파이어 기판을 이용하였다. AlN 중간층 두께를 조절함으로써 최적화된 GaN 에피층을 90분까지 4단계로 시간 변화를 주어 성장 양상을 관찰한 결과, GaN 에피박막의 성장은 패턴 기판의 trench 부분에서 시작하여 기판의 패턴부분을 덮는 측면 성장을 보이고있다. 또한 TEM과 CL을 통해 GaN 에피박막의 관통 전위를 분석해 본 결과 측면 성장과정에서 성장 방향을 따라 옆으로 휘게 됨으로 표면까지 도달하는 결정결함의 수가 획기적으로 줄어드는 것을 확인함으로써 고품질의 GaN 에피층을 성장시킬 수 있었다. 그리고 패턴밀도가 높고 모양이 볼록할수록 측면 성장 효과로 인한 결정성 향상과 난반사 증가를 통한 임계각 증가로 광추출 효율이 향상 되는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 바탕으로 최적화된 AlN 중간층을 이용하여 패턴 기판위에서 고품질의 GaN 에피층을 성장시킬 수 있었다.