산화아연 나노막대를 이용한 나노전자소자의 제작 및 특성 제어 연구

Abstract

산화아연(ZnO) 나노막대(nanorod)는 3.37eV의 넓은 직접 밴드갭(direct band-gap)과 n-형 반도체로서 60meV의 높은 여기전자에너지(exciton binding energy)를 가지고 있다. 이러한 좋은 특성 때문에 산화아연 나노막대를 이용하여 자외선영역의 태양전지/발광소자(LED), 투명전극 소재, 전계효과 트랜지스터(FET) 등에 적용하고자 하는 시도가 많이 있었다.

본 연구의 목적은 산화아연 나노막대 소자의 특성 및 제작방법을 제어하여 위와 같은 연구에 기초가 되는 것에 있다. 이를 위해 우리가 진행했던 연구를 산화아연 나노막대 성장, 소자의 제작과 습도특성 그리고 원하는 위치의 수평성장으로 나누어 볼 수 있다. 산화아연 나노막대가 습도환경에 노출 될 경우 손상을 받게 되는 사실을 잘 알려져 있지만 이로 인한 전기적 특성의 변화에 대한 것을 알려져 있지 않다. 때문에 습도 환경에서의 전기적 특성 변화를 살펴보고 이를 이용하여 산화아연 나노막대의 전기적 특성을 제어 할 수 있는 가능성을 살펴보았다. 또한 패턴을 사용한 산화아연 나노막대의 수평성장을 통하여, 특정 위치에 산화아연 나노막대를 수평으로 성장시켜 소자 제작에 높은 수율을 기대하였고, 손쉽게 한 가닥의 나노막대의 성장 특성을 관찰 할 수 있는 방법이 되었다.

우리가 산화아연 나노막대를 성장시키기 위해 사용한 방법은 열화학기상증착법 (thermal chemical vapor deposition)이다. 이를 이용하여 기판(Si/SiO2 wafer) 위에 수직으로 성장시킨 산화아연 나노막대를 다른 기판(Si/SiO2 wafer)에 전이(transfer)시킨 후 소스, 드레인, 게이트를 가지는 FET 형태의 소자를 제작한 후, 제작된 소자를 상대습도 80% 환경에서 노출시간에 따른 특성 변화를 살펴보았다. 그 결과로 FET 전하수송(charge transfer)특성에서 문턱전압(threshold voltage)이 양전압 쪽으로 이동(positive shift) 하는 현상을 확인 할 수 있었으며, 그 원인이 표면적이 넓어지면서 공핍영역(depletion region)이 커지기 때문이라는 것을 확인했다. 표면적을 관찰하기 위해 노출시간에 따라 주사전자현미경(SEM; scanning electron microscope)을 사용하여 관찰하였다. 이러한 연구로서 습도가 산화아연 나노막대에 어떠한 영향을 미치는가에 관하여 살펴보고, 이러한 결과를 이용하여 산화아연 나노막대의 특성을 제어 할 수 있는 가능성을 살펴보았다.

또한 후속 연구로서 원하는 위치에서 산화아연 나노막대가 수평으로 성장되도록 제어하여 특정위치에서 높은 수율로 산화아연 나노막대 전계효과트랜지스터(ZnO nanorod field effect transistor)를 만들 수 있는 한 가지 방법이 될 수 있다는 것을 보였다. 우리가 시도한 방법은 SiO2시편에 일반적인 포토리소그래피 방법으로 패턴을 만들고 특정 위치에만 촉매층(seed layer)과 성장방지층(capping layer)가 증착되도록 하였다. 그리고 촉매층이 형성된 SiO2기판에 열화학기상증착법(thermal chemical vapor deposition)을 이용하여, 촉매층이 노출된 부분에서만 산화아연 나노막대의 성장이 이루어지고, 촉매층이 덥히지 않은 부분 또는 성장방지층에 가려진 부분에서는 산화아연 나노막대의 성장이 이루어지지 않게 하였다.

이러한 방법을 사용하여 특정한 패턴에서만 산화아연 나노막대가 수평하게 성장하도록 만들었다. 나노막대가 성장된 SiO2기판에 포토리소그래피 방법으로 촉매층 패턴을 덮는 패턴을 만들어 소스, 드레인, 게이트를 가지는 FET 형태의 소자를 제작하였다. 이렇게 만들어진 소자의 FET 전하수송(charge transfer)특성을 살펴보고, 원자힘현미경(AFM ; atomic force microscope)과 주사전자현미경(SEM ; scanning electron microscope)을 사용하여 소자의 표면 상태를 확인해 보았다. 위와 같은 방법을 사용하여 산화아연 나노막대를 성장시켜 만든 소자의 특성이 기존에 수직성장 한 후 기판에 전이시켜 만든 소자와 동등하다는 것을 보였다.