n-ZnO/p-Si 이종접합구조 다이오드 특성 연구

Abstract

차세대 광원으로 주목받는 LED (light-emitting diode)에 대한 관심과 수요는 꾸준히 증가하였고, 현재 많은 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 가장 큰 이유는 기존의 광원보다 에너지 절감 효과가 크며, 수명이 우수한 장점이 있기 때문이다. 기존의 청색 LED 기술은 GaN를 기반으로 하고 있다. 하지만 GaN를 기반으로 하는 LED는 특정국가에 원천기술이 묶여 있으며, 이를 해결하기 위해 차세대 물질로의 대체를 하기 위한 노력이 시도되고 있다. 이러한 GaN를 대체하기 위한 물질로는 SiC, ZnSe, ZnS, ZnO 등의 화합물 반도체가 대표적이다. 그 중 가장 유력한 대체 물질로 주목받는 ZnO는 2-6 족 화합물 반도체로서 3.27 eV의 광대역 밴드갭을 가지는 직접 천이형 반도체이며, 상온에서 60 meV의 큰 엑시톤 결합 에너지를 가진다. 이런 큰 엑시톤 특성 때문에 ZnO는 단파장 빛 방출 다이오드(light emitting diode)와 엑시톤 기반의 레이저 다이오드(laser diodes)의 적용에 큰 주목을 받고 있다.

ZnO 박막을 제조하려는 방법에는 스퍼터링, 화학기상 증착 (CVD), 분자 빔 에피택시 (MBE), 원자층 증착법 (ALD), 펄스 레이저 증착 (PLD) 등 매우 다양한 방법들이 사용되고 있다. 증착된 ZnO 박막은 산소 결핍형 산화물이기 때문에 구조적, 광학적 특성이 좋지 못하다. 그래서 아일랜드 크기를 증가시키고 격자 응력을 완화해 박막의 결정성과 발광 특성을 향상시키기 위해 성장 후 후속 열처리 과정이 필요로 하다. 증착된 ZnO 박막은 산소의 공공과 Zn의 침입 때문에 쉽게 n형 반도체 특성이 있는 것으로 알려졌다. 반면 ZnO는 p형 형성을 위한 도핑과정에서 억셉터 불순물의 낮은 용해도와 높은 자체 보상 효과에 의해 특성이 좋고 재현성 있는 p형 ZnO 구현이 어려워 p-GaN, SiC, p-다이아몬드 기판을 이용한 헤테로 접합을 많이 시도하고 있다. 하지만 위 기판들은 고 가격이라는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 가격이 저렴한 p-Si(111)기판을 이용하여 이종 접합을 시도하였다. 특히 Si 기판은 ZnO와 열팽창 계수가 비슷하고, 기존의 실리콘 기반의 소자 제작 기술을 그대로 활용할 수 있는 장점을 가지고 있다. 다만 Si(111)기판에서 (111) 면간 거리가 a= 0.384 nm로서 ZnO 결정의 a= 0.325 nm 와 격자 불일치가 15.4 %의 다소 큰 차이를 보인다.

Si 기판을 이용하여 이종 접합 다이오드 제작 시 p 타입의 Si(111) 기판의 구조적 안정성을 확보하고 ZnO 박막의 전자농도 및 전기적 특성의 조절이 쉬워야 하며 이를 통해 간접 천이 밴드갭을 가진 Si 이 아닌 직접 천이 밴드갭을 가진 ZnO 쪽에 Si 쪽의 홀이 유입되어 재결합을 통한 발광이 일어나도록 하여야 한다. 이러한 재결합 과정이 일어나려면 캐리어 농도 차이에 의한 캐리어 흐름을 고려할 필요가 있다. 특히, 광대역 반도체 물질을 이용한 p-n 접합 소자에서 캐리어 농도가 높은 쪽이 낮은 쪽으로 공간전하 영역을 넘어 이동하는 단일 캐리어에 의한 주된 전류 특성이 나타난다고 보고되고 있다.

정공 농도를 변화시키기 위해서 기판의 비저항이 다른 두 개의 p형 Si(111) 기판을 사용하여 소자를 제작하였다. 전자의 농도 변화를 시키려는 방법에는 도핑에 의한 방법과 후속 열처리를 통한 캐리어 조절 방법 2가지 방법이 있다. 전자는 ZnO 박막에 In을 0.6 ~ 10 at. %를 도핑 하면 Zn2+자리에 In3+를 치환이 되어 자유 전자를 증가시켜 캐리어 농도를 변화시킬 수 있다. 후자의 방법으로는 N2 분위기와 air 분위기에서 열처리 하여 ZnO 박막 내의 캐리어 농도를 변화 시키는 방법을 사용하였다. ZnO 박막의 구조적 특성은 XRD 측정과 AFM 측정을 통하여 분석하였으며, 캐리어 농도는 Hall 측정을 통해 조사하였다. 마지막으로 포토리소그래픽 공정과 lift-off 방법을 이용하여 다이오드 소자를 제작하고 I-V 측정을 하였다.

ZnO의 캐리어 농도변화는 I-V 특성에 영향을 주는 것을 확인할 수 있었으며, 또한 구조적 특성 때문에 I-V 결과에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 문턱 전압은 1.8 ~ 4.6 V까지 다양한 값을 가졌으며 가장 낮은 on-off 비 (± 5 V)는 1.0 x 106 인 것을 확인을 하였다. 높은 전압일 때 가장 낮은 시리즈 저항 값은 37 Ω인 것을 확인하였다. 높은 전압일 때 단일 캐리어에 의한 주된 전류 특성 흐름은 p+-Si 기판(~ 1019 /cm3)과 대기 분위기에서 열 처리된 ZnO 박막(~ 1016 /cm3)의 이종접합 다이오드의 I-V 결과에서 명확하게 나타난 것을 확인하였다. 제작된 모든 소자는 순방향 전압 인가 시 황색 발광을 하는 것을 확인하였다.