정보통신 응용을 위한 나노기술 개발 (2)
인쇄전자, LED, FMS 등 나노 융합기술에 초점
차세대 반도체 소자는 Si이나 GaN와 같은 무기물 기판에 복잡한 공정을 거치지 않고 종이에 인쇄를 하는 것처럼 인쇄기법을 사용하여 대량으로 값싸게 만들고 마음대로 휘거나 구부려서 사용할 수 있게 만들어야 할 것이다. 그러나 인쇄기법으로 저항이나 커패시터 등은 쉽게 만들 수 있으나 이들을 이용하여 메모리 기능과 스위칭기능을 갖게 하는 데는 아직까지 문제점이 남아있다. 이러한 연구주제의 주요한 예가 RF-ID 연구이다. 지금까지는 RF-ID가 바코드(Bar code)에 비해 여러 가지 장점이 있는 것은 사실이나 인쇄 기술을 사용하는 바코드를 가격면에서 따라잡으려면 RF-ID도 인쇄법으로 제작해야 함은 필연적이다. RF-ID를 인쇄기법으로 개발하는 준비는 연구가 많이 이루어졌으나 아직까지 핵심기술이라고 할 수 있는 센서를 해결하지 못하고 있는 것이 현실이다.
본 연구에서는 지금까지 해결하지 못한 Printable, Flexible RF-ID 센서개발 연구를 수행하고자한다. 이와같은 연구를 진행하기 위해서는 21세기 퓨전 기술시대의 도래에 따라 NT와 IT 융합을 통한 혁신적 기술 발전이 절실하며 이를 위해 그래핀(Graphene) 및 그래핀 화합물(Graphene compounds)과 같은 나노 복합 소재에 대한 선도적 개발과 실용화 연구가 필요하며, 강자성 반도체 물질(Ferromagnetic Semiconductor materials)과 같이 기존에 연구되어진 물질의 새로운 응용 영역을 독창적으로 찾아야할 필요가 있다.
글: 교육과학기술부
자료 협조: KOSEN(한민족과학기술자 네트워크) / www.kosen21.org
2011년도에는 Seo 등이 신소재(그래핀)를 이용한 LED의 향상 실험으로 GaN LED의 p-접촉 상에 투명 전도 전극으로써 그라핀의 성능을 비교했다.[14] 그래핀에 대한 특별한 매력은 ITO가 흡수해 버리는 300-400nm 자외선 영역 이하 더 짧은 파장의 광을 투과시킨다는 것이다. 400-800nm 파장영역에서 그래핀의 광 투과는 97%, 250nm 두께 ITO의 투과는 ~80%이다. 400nm 이하 자외선 영역에서 그래핀은 ~90% 광을 투과시키지만 ITO는 300nm 근처에서 불투명해 진다. 그래핀의 단점은 ITO에 비해 저항이 크다는 점으로서 20 mA에서 순방향 전압은 ITO기반 소자는 3.4 V이지만, 그래핀의 경우 5.87V이였다. 그럼에도 불구하고, 광출력이 20mA에서 그라핀 LED에서 25% 더 크게 나타났다.(그림 1참조) 그래핀 접촉의 전력 손실은 소자 성능의 초기 포화를 나타내며 80mA 근처에서 성능에 영향을 나타내기 시작한다. 이 연구로 인해 그래핀 일함수 조절과 면저항 감소 등 전기적 특성을 향상이 기대된다.
그림 1. 그래핀 전극과 ITO 전극을 사용한 GaN LED의 광출력 비교[14]
휘도 및 신뢰성 향상을 위한 LED의 기술 혁신 중 하나는 발광층의 내부 양자 효율을 향상시키는 것인데, 1995년 상용화 초기에는 InGaN/GaN 또는 InGaN/InGaN 형태의 단일 양자 우물 구조를 적용하였다. 1999년 이후 활성층 구조가 AlInGaN계 다중 양자 우물 구조로 변경되었고, 2000년 이후 고휘도 제품이 요구되면서 발광층 자체의 내부 양자 효율 향상을 기본으로 하여 n/p-AlGaN/GaN 초격자 클래드층(superlattice clad layer)이 적용되어 비약적인 발전을 하였다. 이렇게 발광층의 내부 양자 효율을 향상시키기 위해서는 발광층 자체의 고품위 성장 기술을 개발해야 하며, 그러하지 못할 경우 성장초기에 발생한 피트 같은 결정 결함은 성장 후 표면까지 전파된다.
변위는 결정의 성장 과정에서 나타나는 결정 결함인데 LED의 경우 통상적으로 변위 밀도는 108~1010/㎠ 정도이다. 변위 밀도는 발광 효율에도 커다란 영향을 미치는데, 발광 효율의 향상을 위하여 변위 밀도를 1×107/㎠ 정도 이하가 가능한 에피 성장 기술이 요구된다. 이러한 변위 밀도 감소를 위해서 측면 수평 에피 성장(LEO/ELO) 기술 등이 시도되어 왔으며, 최근에는 PSS 기술로 변위 밀도를 감소시키는 추세이다.
정전기 방전(ESD)은 외부 정전기에 의해 LED 내부 결함을 통하여 자체 파괴를 초래한다. 일반적으로 이러한 파괴를 방지하기 위해 모바일 제품은 제너다이오드 등을 실장하여 정전기 방전을 회피하나 제품의 다양화 등에 일정한 한계가 있다. 기술적으로 보면 니치아, 크리, 도요타고세이 등의 해외 선진업체 LED 제품의 내정 전압은 2kV 이상이나 대만이나 국내 제품은 아직 이에 미치지 못하고 있다. 이러한 정전기에 의한 파괴를 방지하기 위해서는 고품위성장 기술과 최적의 LED 설계기술 확립이 필요하다.
표면 플라즈몬(surface plasmon)은 금속 박막 표면에서 일어나는 전자들의 집단적 진동(collective charge density oscillation)을 지칭한다. LED의 경우 표면 플라즈몬과의 공명에 의하여 활성층의 전자와 정공의 결합이 증가하여 내부 양자 효율이 향상된다. 실제 Ag나 Al 또는 Au를 p-GaN 층이나 n-GaN 층과 다중 양자 우물 사이에 주입하면 이들의 플라즈몬과 다중 양자우물 구조가 상호 작용하여 활성층에서 전자와 정공의 결합을 촉진하여 재결합 효율을 향상시킨다
통상적으로 윗면인 p-형 반도체에(+) 전극이 형성되고, 절연체 기판 위에 전극이 형성될 수 없어 건식 식각(drying etching) 방식으로 위에서 n-형 반도체 일부분까지 식각하여 전극을 형성하는데, 이러한 방식은 보통 수평 전류가 흘러 전류 밀집 효과로 발광 효율이 저하된다. 고출력 LED의 필요성에 따라 대면적 칩이 제작되고 있으나 발열이나 광효율 및 생산 저하의 문제가 아직 존재한다. 니치아는 작은 면적 칩을 적용하여 100 lm/W LED를 2007년부터 양산하기 시작하였고, 루미레즈는 대면적 칩을 적용하여 115 lm/WLED 개발을 2007년 발표하기도 했다. 칩의 구조는발광 효율을 극대화하는 방향으로 발전해 왔다.
일반형 LED 칩의 구조는 빛을 발광하는 하나의 활성층과 이를 둘러싼 두 개의 양쪽 클래딩층으로 이루어진 기본 형태로 구성된다. 도핑된 클래딩층 극성에 맞게 전극을 통하여 전압을 인가하면 n-doping된 클래딩층에서는 전자를, p-doping된 클래딩층에서는 정공을 공급하여 전류가 흐르면서 이들 전자와 정공이 가운데 활성층에서 결합하여 빛을 발광한다. 기판은 발광되는 빛의 파장에 따라 방출되는 빛의 일부를 반사하거나 투과하는데, 일반형 LED에서는 기판을 분리하지 않고 그대로 두며 반사판으로 활용한다
플립칩형 LED는 일반형 LED를 거꾸로 뒤집어 실리콘 서브마운트 위에 stud bump를 통하여 고정한 형태로, 발광의 기본 구조 면에서 보면 일반형 LED와 동일하다. 방열 특성과 고출력 특성이 우활성층과 이를 둘러싼 두 개의 양쪽 클래딩층으로 이루어진 기본 형태로 구성된다. 전극에 접한 클래딩층은 각각 n-doping 되거나 p-doping 되어 있는데, 주로 기판과 접한 클래딩층 부분이 n-doping 되어 있고 다른 클래딩층 부분이 p-doping 되어 있다.
Droop 현상이란 보통의 LED 칩은 일반적으로 주입 전류 20mA 근처에서 최고의 발광 효율을 보이나 고출력 발광을 위해 전류 주입을 늘리면 LED칩의 외부 양자 효율이 감소하는 현상을 의미한다. 350 mA에서 23% 정도의 droop, 1A 근처에서 50% 정도의 droop이 발생하며, 이 현상은 고출력의 조명용 LED 개발에 원천적인 장애 요소로 남아 있다. Droop의 원인은 과학적으로 아직 정확하게 규명된 것은 아니지만, 추정되고 있는 3가지 정도의 원인으로 Auger 재결합시 전자와 전자간 산란으로 활성 영역에서 높은 전류밀도가 형성되는 Auger effect, n층 영역의 다중 양자구조의 분극에 의한 전기장이 p 층 영역보다 큰 경우 전자 블로킹층을 통해 전자가 누설되는 순방향 누설(forward leakage), threading dislocations 간 전자의 터널링이 발생되어 비발광성 에너지 전이가 일어나는 결정성 결함(crystal defects)으로 설명하고 있다.
LED 칩으로부터 발광할 때, LED 반도체 소재와 공기의 굴절률 차이로 인하여 활성층 내부에서 발광된 빛이 일정 각도 이상이 되면 공기와의 경계면에서 내부로 전반사되어 외부로 발광이 되지 않는다. 광추출(optical extraction) 기술은 이러한 내부로의 반사를 막아 외부로 탈출하게 하여 방출되는 빛의 양을 향상시키기 위한 기술이다. 사파이어 기판을 제거하거나 LED 칩의 표면을 가공하여 빛을 탈출시키면 많은 부분이 개선될 수가 있다.
광추출 효율을 향상시키기 위해 다양한 기술들이 연구 개발 중인데, PSS 표면 가공 기술은 사파이어 기판 표면에 일정한 형태의 형상과 깊이로 패터닝을 식각하여 사파이어 기판 쪽으로 진행하는 빛을 굴절률 차이에 의해 외부로 방출하는 방법이다. PSS 기술과 관련된 선행 특허는 일본의 미쯔비시, 마쓰시타, 샤프 및 미국의 에질런사에서 일본, 대만, 한국, 유럽 특허를 세분화하여 보유하고 도요타고세이와 니치아는 원천기술을 보유하고 있지 않다
p-GaN Roughness 성장 기술은 LED p-GaN 표면 쪽에서 반사되어 내부로 재반사되는 광손실을제거하여 외부로 빛을 방출시키는 기술이다. 대만은 PSS 기술 대신에 p-GaN 반도체 표면에 일정한 형상 및 깊이로 거칠기를 변화시키는 효율 향상 기술을 개발하였다. 대면적/고출력, 청색/녹색 및 power LED 제품에 적용되고 있는 성장 기술이나, PSS 기술보다 5~10% 정도 효율이 낮아서 점차 PSS 기술로 바뀌어가는 추세이다.
PBC 기술은 p-GaN 표면에 photonic band gap이 있는 photonic crystal에 의해 광추출 효율을 증가시키는 기술이다. 이 방법은 p-GaN 전극 접촉 부분으로 방출되는 파장을 고려한 이론적 설계를 바탕으로 나노 형상의 주기적 패턴을 E-beam 노광과 ICP/RIE 식각 공정에 의하여 형성한다. 최대 광추출은 패턴 깊이와 크기에 의해 결정되지만 전기적 특성까지 개선되는 것은 아니며, p-GaN 층의 낮은 전기 전도도에 의해 광추출 효율 면에서는 일정 두께 이상을 요구하지만 동작 전압 등과 같은 전기적 특성을 고려한 최적의 설계 조건이 필요하다. 청색 LED 소자의 경우 광추출 효율을 최대 30% 이상 증가시킬 수 있지만 현재 상용화가 이루어지지 않고 있으며, 향후 고휘도/고출력 LED 성능 향상을 위해 기술 개발이 필요하다
니치아사는 PBC 기술을 변형한 형태로 n-GaN을 가공하는 기술을 개발하였는데, 메사 식각시 기존의 평면 형태에서 일정한 형태를 갖는 원형을 주기적으로 반복 형성하여 광손실을 억제한 제품을 출시하였다. n-GaN Roughness 표면 가공 기술은 휘도가 30~40% 향상되는 세계 최고의 기록을 가지고 있다. 이 기술은 수직형 구조의 LED에 사용할 수 있으며, 모발일용은 가능하지만 일반 크기의 칩에 사용하기에는 일정한 한계가 있다. PNS 기술은 n-GaN 층에 일정한 형태를 갖는 원형을 주기적으로 반복 형성하는 것과는 달리 SiO2 Nano-rod에 의하여 n-GaN에 내부 산란점을 형성하는 기술이다. SiO2 Nano-rod는 임의의 구조를 형성하여 활성층에서 발광되어 n-GaN으로 방출되는 빛을 반사하지 않고 외부로 방출시키는 역할을 한다.
그림 2. (왼쪽) 양자점 사이의 간극을 통해서 전류가 통과해서 빛을 발하지 못하는 초기 디자인. (오른쪽) 원자층 증착 기술을 사용해서 양자점을 통해 전류가 흐르는 단일층 양자점-LED
전통적인 GaN LED의 구조에서 벗어나 새로운 시도의 광원 개발이 시도되는데, 그 중 하나가 양자점(QD) LED 이다. 2000년대부터 꾸준히 연구되어 왔으며 PL등의 특성으로 양자점 발광의 가능성이 널리 알려지게 되었다. 2011년 Edward 등은 단일층 양자점으로 절연체 격자 사양 구조를 만들었는데, 이것은 QD-LED의 새로운 구조물로 사용될 가능성을 보였다.[15] 그림 2에서 이전 연구는 양자점 표면에 리간드(유기 분자)를 부착시켰는데, 이런 리간드는 양자점 형성에 매우 중요한 역할을 하지만 그들은 후에 기능적 문제를 불러올 수 있었다. 단일층 QD-LED는 단일층 양자점과 절연체가 샌드위치 형태로 구성되어 있고 이것들은 두 개의 세라믹 전극 사이에 위치한 후 빛을 발하게 하기 위해서 전류는 서로 떨어진 양자점을 통해서 이동되어야 한다. 장치 속에 절연 처리를 해야 하는 기존의 증착 기술을 버리고 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD) 기술을 사용하여 알루미늄 산화물 절연체가 표면에 생성될 때 상부에 존재하는 양자점 간의 간극이 선택적으로 채워지도록 했다. 소수성 리간드를 이용함으로써 양자점을 위한 격자 사양으로 활용될 수 있는 구조가 만들어졌고 양자점 간의 간극을 보호할 수 있게 되었다. 단일층만을 가지는데도 불구하고 양자점을 통해서 직접 전류가 흐를 수 있는 장점을 갖는다. 연구진은 이 장치에 대한 특허를 신청하고 컴퓨터와 TV 디스플레이, 전구, 레이저, 전계 효과 트랜지스터 또는 태양전지에 사용될 수 있을 것으로 기대한다.
지난해 세계 경기 침체라는 악재 속에서 우리나라의 발광다이오드(LED) 생산 규모가 증가한 것으로 나타났다. 2012년 1월 대만 광학산업기술연구협회(PIDA)에 따르면 2011년 한국 LED 생산액은 33억 5천만 달러(3조8000억 원)로 집계됐다. 2011년 LED 산업 총생산액은 166억 달러로 2010년에 비해 2.6 % 성장에 그쳤다. 삼성 LED LG이노텍 서울반도체 등 주요 LED 업체들의 가동률이 하락한 가운데서도 국내 LED 총생산액이 늘어난 건 조명 제품이 통계에 포함됐기 때문이며, 삼성, LG, 금호전기 등은 2011년 LED 조명을 1만원 대에 출시하며 시장공략을 본격화 했다. 경쟁국인 대만은 2011년 45억 4천만 달러를 기록 전년대비 0.4% 감소했다. 현재 PIDA에 따르면 생산액 기준 세계 1위는 대만이다. 중국 LED 산업은 지난해 26% 성장했으며, 유럽은 재정위기로 7.3% 감소했다.
LED 산업은 거의 모든 산업을 대상으로 하는 차세대 조명 산업으로 메모리 반도체를 능가하는 거대한 소재부품 시장을 형성할 것으로 기대되는 유망 산업이다. 우리나라의 LED 기술 수준은 고휘도 LED 시제품을 출시하는 선발 해외 업체와 비교하면 기술 격차가 아직 존재한다. 게다가 현재의 LED 산업은 원천기술과 특허권을 선점한 선발 해외 업체들이 특허/기술 동맹을 구축하여, 한국이나 대만 등 후발 업체들에 대해 높은 진입 장벽을 형성하며 견제하고 있는 실정이다. 한국은 선발 업체에 대한 기술적 열세, 중국 등 후발 주자에 대한 가격 경쟁력에 밀리는 넛 크래커 현상 속에서 생산투자 측면에서 고군분투하고 있다. 이러한 상황에 쳐한 가장 심각한 원인과 문제는 원천 기술의 부재에 있다.
FMS(Ferromagnetic Semiconductor)
미세정보소자의 구현과 관련한 연구 분야에서는 현존하는 반도체 물질의 물리적인 한계 및 기술적 한계를 극복하기 위하여 새로운 기능의 물질을 개발하고 그것을 이용한 소자 응용에 대한 연구가 주류를 이루고 있다. 이에 따라, 반도체 물성 물리의 연구 분야에서는 새로운 기능의 반도체 물질, 즉 강자성 특성과 반도체 특성을 동시에 갖는 강자성 반도체, 강유전 특성과 반도체 특성을 동시에 갖는 강유전 반도체, 그리고 더 나아가서는 강자성 특성과 강유전 특성을 동시에 갖는 다강성 등 신물질 개발에 박차를 가하고 있다. 또한, 반도체 소자 분야에서는 위 강자성 반도체, 강유전 반도체, 그리고 다강성 등을 양자점, 양자선 등 저차원 나노크기의 양자구조로 제작하여 Spin 기능과 Dipole moment 기능을 융합하고 새로운 기능을 보이는 신개념 소자를 개발하는데 연구가 집중되고 있다. 그러한 이유는 앞서 언급한 바와 같이, Spin과 양자의 미세 에너지 상태를 이용하는 신기능 소자들은 기존의 고전적인 논리 뿐 아니라 양자역학적인 현상을 논리 연산 등에 이용할 수 있을 뿐 아니라 미세신호의 전송 및 검출 등에 대한 효율을 증대시킬 수 있고, 또한 미세신호의 제어에 따라 필연적으로 작은 구동에너지를 소모하게 되는 장점도 있기 때문이다.
현재까지 강자성 반도체 분야의 가장 큰 이슈는 상온 이상의 TC를 갖는 강자성 반도체의 개발과 그것을 이용한 Spin 기능성 반도체소자를 개발하는 것이다. 강자성 반도체에 관한 연구는 1990년대 초반 이래로 GaMnAs, InMnAs, GaMnSb 등 III-V 화합물반도체를 기반으로 한 강자성 반도체 및 Spintronics 소자 응용에 관한 연구가 주류를 이루어 왔으나, 이들은 모두 TC가 매우 낮을 뿐 아니라 Spin 전송/검출 효율도 낮아 Spintronics 소자의 구동 온도는 극저온에서의 가능성만을 보이고 있어 그에 연구가 미진한 상태였다.
그러나 2000년대 초반에 접어들면서 T. Dietl 등이 Zener 모델을 기초로 한 계산을 통하여 ZnO나 GaN와 같은 넓은 에너지 갭을 갖는 물질에서 상온 이상의 TC값을 얻을 수 있다고 발표한 이래로, ZnO 및 GaN 기반의 강자성 반도체에 대한 연구가 새로운 장이 열리게 되었다. 특히, ZnO 기반의 강자성 반도체에 관한 연구는 T. Dietl의 Zener 모델 이외에도 K. Sato 등의 ab initio 계산법 등 수 많은 이론적 근거가 ZnO 기반의 강자성 반도체에서의 상온-강자성을 뒷받침하고 있다. 그러한 이론적 근거들을 시초로 하여 ZnO에 V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni 등의 또는 Transition Metal(TM) 혹은 Ti나 Cu 등의 금속이온을 첨가하여 Zn1-xTMxO 강자성 반도체를 만들 경우 상온 이상의 TC값을 얻을 수 있다는 이론적 예측들이 대두되어 왔다.
이러한 상온-강자성에 대한 예측은 Zn1-x(Co0.5Fe0.5)O, Co-doped ZnO, Fe-doped ZnO:Cu, Mn-implanted ZnO, Cr-doped ZnO, 그리고 (Zn1-xMnx)O:As 등에서 실험적으로 관측된다고 보고가 되고 있으며, 점차 성장기술의 발달로 인하여 상온-강자성 Zn1-xTMxO 박막의 제작이 현실화되어 가고 있는 상태이다. 따라서 현 시점에서는 이러한 ZnO 기반의 강자성 반도체 박막들을 이용한 Spin 기능성 반도체소자를 구현하고자 하는 연구가 절실히 요구되고 있는 실정이다. 특히, 강자성 반도체를 나노구조 또는 양자구조로 형성하였을 경우 TC를 향상시킬 수 가능성이 있을 뿐 아니라 양자역학적으로 Multi-function의 구현이 가능하기 때문에 초고속 고밀도 정보의 기억/연산 알고리즘에 적용될 수 있는 신개념 반도체소자로 응용될 수 있는 장점이 있다고 알려져 있다. 그러나 아직까지 Zn1-xTMxO 나노/양자구조 강자성 반도체를 이용한 Spin기능반도체 소자에 관한 연구는 3차원 벌크구조에서의 Spin전송 등 Spin기능반도체 소자로써의 가능성 타진을 판단할 수 있는 매우 기초적인 실험 이외에는 시도된 바가 없다.
이러한 상황을 표 1에 나타내었듯이 최근까지 강자성 반도체 연구의 중심이 소자 응용에 필수적인 상온 강자성 박막을 제작하고자 하는 것에 초점이 맞추어져 있으며, 그 성장기구와 박막 내 자성의 근원, 자성이온과 수송자의 거동 등을 이해하고자 하는 노력이 집중되어 왔기 때문이다. 따라서 향후 Zn1-xTMxO 강자성 반도체 박막의 Spin소자 응용을 위해서는 기본 반도체 소자 구조 내 Spin의 거동과 수송자의 전자기적 성질 등과 같은 지금까지 잘 알려지지 않은 물리현상 이해에 대한 연구를 체계적으로 수행해 나아가야 한다.
한편, 강유전 특성과 반도체적 특성을 동시에 갖는 강유전 반도체와 관련한 연구 동향을 살펴보면 다음과 같다. 현재까지 연구되어 온 강유전성 소재는 주로 비휘발성 메모리 소자의 응용을 위한 순수 강유전체에 관한 것이었으며, 주로 Pb(ZrxTi1-x)O3, SrBi2Ta2O9, Bi3.25La0.75Ti3O12와 같은 ABO3 구조의 Perovskite 구조를 가지는 물질에 집중되어 왔다. 그러나 이러한 물질은 강유전 특성을 가짐에도 불구하고, 전기적으로는 절연체의 특성을 가지고 있기 때문에 반도체 소자로써 응용 즉 Bipolar Carrier Action을 이용할 수 없다는 단점이 있어, 반도체이면서 강유전 특성을 갖는 신소재 즉 강유전 반도체에 대한 관심이 집중되고 있다. 주로, GaAs, InP, ZnTe, ZnO 등과 같은 III-V 및 II-VI 계열의 화합물반도체를 기반으로 활발히 진행되고 있는 추세이며, 그 중 특히 Hexagonal Structure의 결정 구조를 갖는 ZnO 산화물 반도체를 기반으로 한 강유전 반도체에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만, 순수 강유전체가 아닌 강유전 반도체에 관한 연구는 그것에 대한 물성론적 이해 뿐 아니라 아직 고체물리학적 이론의 정립도 채 이루어지지 않은 상태이기 때문에 아직 괄목할만한 성과는 보이지 못하고 있는 실정이다. ZnO와 관련된 강유전 반도체 연구는 1990년 대 초 A. Onodera에 의해서 시도되어 가능성을 확인되었으며, 이 후 강유전 특성 개선을 위하여 Li, V 등 여러 가지 격자변이 유발용 원자를 주입하는 등 다양한 실험적 시도가 이루어지고 있다. 표 2은 현재까지 연구된 ZnO 기반의 강유전 반도체와 관련된 주요 연구 결과를 요약한 것이며, 현재 해당 분야의 연구가 아주 기초적인 수준에 머물러 있음을 확인할 수 있다.
강자성 반도체와 강유전 반도체의 연구와 더불어 최근에는 강유전 특성과 함께 강자성 특성을 함께 가지는 물질 즉, 다강성에 대한 관심이 매우 큰 이슈를 자아내고 있다. 다강성은 자기장의 변화에 따른 강유전 특성 변화 혹은 전기장의 변화에 따른 강자성 특성 변화 등 독특한 현상을 보이는 물질이다. 이러한 다강성은 강유전성, 강자성의 특성을 동시에 나타낸다는 것 자체로서의 효용가치가 매우 높으며, Magnetoelectric Coupling 효과 혹은 Electromagnetic Coupling 효과 등을 이용하면, DRAM의 구조와 마찬가지로 워드 라인과 비트 라인의 전압을 조절하여 데이터를 저장 및 삭제하는 프로그래밍을 가능케 하고, 자기헤드를 이용하여 그 데이터를 읽어낼 수 있는 등 기존의 개념에서 매우 확장된 신개념 반도체 소자를 창출해 낼 수 있게 할 가능성이 있다. 한편, 이러한 개념은 현재 연구되고 있는 Spin Torque 등의 개념과 결합함으로써, 현재 사용되고 있는 비휘발성 소자에 비해 수천 배 이상의 고속 동작이 가능하며, DRAM이나 플래시 메모리와 같은 복잡한 구조의 회로가 아니라 현재의 하드디스크와 비교할만한 고밀도 정보 소자를 제작 할 수 있을 것이다. 이와 같은 개념의 신개념 소자와 관련해서는, 강유전 특성을 가진 절연체 박막과 페르미 준위에서의 Spin 방향이 모두 한 방향으로 편향되어있는 LSMO Half Metal과의 접합 구조를 통하여 현재의 On/Off 만을 다룰 수 있는 소자가 아닌 4 bit 표현이 가능한 소자가 이미 시연된 바 있다. 이렇게 전자가 가지는 Spin의 방향에 대한 자유도와 electric dipole moment의 방향에 대한 자유도를 조합하는 방법을 소자에 응용할 경우 저장용량의 획기적인 증가 및 빠른 속도로 작동하는 논리소자에 응용할 수 있을 것으로도 기대된다. 하지만, 위 연구에 사용된 물질들은 기존의 Perovskite 산화물 혹은 MnO3와의 화합물 구조로 구성된 고전적인 산화물 다강성 물질로써 박막 제조가 매우 어렵고 극저온에서만 동작하는 등 실제적인 응용성과 재현성에서 매우 큰 문제점을 드러내고 있다. 이러한 이유 때문에 최근에는 반도체 기반의 강유전체 즉, 다강성의 연구가 활발히 진행되고 있으며 주로 ZnCoO:Li, ZnCrO, CdZnTe, InMnP:Au 등과 같은 II-VI 혹은 III-V 계열의 화합물반도체 기반의 다강성 물질이 주목을 받고 있다. 하지만, 이러한 다강성을 보이는 실험적 연구는 아직 매우 기초적인 수준에 머물러 있을 뿐 아니라 이론적 연구에 있어서도 이제 막 연구를 시작하는 착수기 단계에 놓여 있을 뿐이다. 표 3은 현재까지 연구된 ZnO 기반의 다강성 연구에 대한 주요 결과를 요약한 것이다.
이상에서 언급한 물질들의 주요한 정보 수송 매체인 'Spin'과 'Charge'의 개념을 반도체라는 하나의 물질에서 동시에 제어하고자 할 때 그 효용가치가 극대화될 것이며, 그것의 효율적인 측면을 고려한다면 나노 및 양자구조의 저차원 구조물을 이용해야 할 필요가 있다. 하지만, 강자성 반도체, 강유전 반도체 및 다강성체 반도체등의 제작을 위한 연구와 Charge/Spin/Dipole의 동시적 거동에 대한 이해를 도모하고자 하는 연구는 국내뿐 아니라 세계적으로 매우 미흡한 성과만을 보이고 있다. 특히, 실제 응용체제를 위한 저차원구조물 기반의 미세정보 반도체소자에 대한 연구는 더욱 미흡한 실정이다. 이와 관련한 연구는 미국의 D. D. Awschalom, H. Tang, 일본의 H. Ohno, Y. Arakawa, 독일의 G. Schmidt, 스웨덴의 K. V. Rao 등에 의해 주도가 되고 있지만 그들마저도 가능성만을 보여주고 있는 실정이기 때문에 아직 실제 소자의 구현을 위해서는 해결되어야 할 문제점이 무수히 많은 실정임을 인지할 수 있다. 따라서 관련분야의 후발주자인 국내의 연구진은 보다 체계적인 기술 축적이 필요하며 해당분야에 대한 조속한 지식 습득이 필요하다. 특히, 소자응용 분야에서는 나노 및 양자 기술을 이용하여 새로운 정보 소자에 대한 연구를 진행하여 그로부터 매우 다양하고 혁신적인 개념의 신개념 반도체소자들을 개발해 나가야만 그들과의 격차를 줄일 수 있다. 이와 관련한 분야인 양자전산 분야에서는 이미 Multi-Level 논리 이론이 체계화되고 있으며 양자분포의 크기에 더하여 입자의 위상을 활용함으로써 논리 상태를 나타낼 수 있다고 이론적으로 보고되고 있다. 하지만, 양자논리소자를 구현하기 위하여 고전적인 강자성체, 강유전체, 그리고 다강성 물질 등에 신분자구조체 물질 등을 결합하는 다양한 방법들이 고안되고 있지만 그러한 시도들은 아직 매우 초보이고 기초적인 수준에 있다.
주요 성과
가. Printing electronics (RFID)
인쇄전자의 가치사슬 및 주요 응용분야별 현황을 살펴볼 때, Material 및 Printing Machine의 성능이 단기적인 병목이 될 것이며, 중장기적으로는 Design/Process를 통한 응용소자의 생산이 중요해질 전망이다. Material 분야의 경우 고성능 무기재료의 잉크화와 유기재료 성능의 획기적 개선이 요구되며, Printing Machine 분야는 정밀도 및 생산성의 혁신이 필요하다. Logic/ Memory 및 Display 분야의 경우 유기 기반은 성능 개선 및 신뢰성 확보가 필요하고, 무기 기반은 수율 향상 및 안정성 확보 등이 필요하다. 본 활동은 무기 기반의 인쇄전자용 잉크 확보 측면에 비중을 두었다.
그림 6. 그래핀 옥사이드 편린의 평면 TEM 이미지
그림 7. 그래핀 옥사이드의 Raman shift
그림 8. 그래핀 옥사이드를 이용한 저항 스위칭 특성의 메모리 소자 구조
◎ Graphene Oxide 특성 연구 및 비휘발성 메모리 소자 제작
소자 특성을 확인하기 위해서 흑연을 산화후 박리시켜 현탁액을 제조한 후환원시켜 환원된 Graphene Oxide(reduced-GO, r-GO) 또는 Graphene 박막을 형성 후 Al/GO/Al 평면 구조를 형성하여 저항 스위칭 형태를 관찰하였다. 평면 구조의 특징은 기존 반도체 공정을 이용하여 제작할 수 있지만, 인쇄공정을 이용하여 유연한 기판 상에 제작할 수 있는 특징을 보인다. 소자의 전압 스위칭 특성에서는 정류특성과 비정류 특성의 전류 흐름을 관찰할 수 있었으며, pre-forming 결과적으로 Al/GO/Al 평면 구조의 셋전압은 0.7 V이며 on/off 비율이 103 인 저항 스위칭 특성을 이용한 메모리 소자를 제작하였다.(그림 10)
그림 9. 저항 스위칭 특성의 메모리 소자를 테스트 베드에 장착한 모습
그림 10. 저항 스위칭 소자의 1-V 특성
그림 11. Al/GO 계면의 EBIC(Electron Beam Induced Current) 관찰 (a) 일반 SEM 이미지 (b) 0 V (c) 0.5 V (d) 0.7 V
그림 11에는 Al/GO 계면의 전자빔유도전류를 측정하여 금속과 GO 계면에 저항의 국소적인 변화와 연관된 포텐셜 장벽을 관찰한 자료이다. 유도된 전류모드는 내부전계에 의해 유도된 것으로 판단되며 이러한 전기장은 인가바이어스의 방향에 의존하고 있다. 밝은 부분은 전류와 전계의 양극 편극을 보여주고, 어두운 부분은 전류의 전계의 음극 편극을 나타낸다. 어두운 부분인 Al 전극 근처의 전계에 대한 반대편 전극의 에너지 장벽이 형성되고 이러한 장벽이 전기적 스위칭 역할을 유도한 결과이다. 그림 10의 I-V 특성에서 보듯이 인가 방향에 대한 전류 분포는 인가전압 0.7V일 때 갑자기 높은 전도성을 가지게 되며 결과적으로 resistive switching 효과를 보여준다. GO의 국소적인 저항 변화는 전극과의 계면에서 산소 원자의 확산과 이에 따른 sp2 Graphene cluster와 sp3 insulating graphene cluster의 형성에 기인한 것으로 판단된다.
기존 그래핀 옥사이드를 활용한 비휘발성 메모리 소자는 Al 전극간 간격이 20nm 에 불과했으나 본 결과는 전극 간 간격이 20nm에서 수mm 가지 확대할 수 있다는 점에서 그 차이가 있다. 본 결과는 기존 그래핀 옥사이드를 이용한 비휘발성 메모리가 반도체 공정 장비를 이용했어야 하는 점을 확대해 인쇄법을 이용하여 2차원 구조를 적용할 수 있다.
◎ 고체 탄소원을 이용한 Graphene 성장 및 특성연구
메탄(CH4)과 같은 개스 또는 PR과 같은 고체 탄소 원료를 주입하여 고온에서 그래핀을 성장하는 경우, 탄소원자와 금속 표면 기판 사이의 친화도(affinity) 커서 금속 표면에 그래핀이 성장되어지는 현상을 이용하기 때문에 금속 기판의 사용은 필수적이다. 주로 구리(Cu)와 니켈(Ni)과 같은 전이 금속층(transition metal layer)을 흔히 이용하며, 실리콘과 같은 비금속 기판 상에는 형성되지 않는 특성이 있다.
본 결과는 그래핀을 성장하기 위한 탄소 원료로서 메탄과 같은 개스를 사용하 효과를 볼 수 있었으며, 실리콘 태양전지에 일반적으로 진공장비를 사용하여 제작되는 단층 반사 방지막 코팅 막이 10% 정도, 다층 반사 방지막 코팅 막이 약 5%이하로 반사율을 낮출 수 있는 점에 비교하면 상대적으로 저렴하고 우수한 특성을 나타냄을 알 수 있었다.
그림 12. 고체 탄소 원료를 사용한 그래핀의 제작 과정
그림 12에는 시료 준비 과정을 나타내었다. 금속 기판을 준비하거나 비금속 기판 상에 카탈리스로 사용될 금속층을 증착한 후 PR(Sheply, Mroposit 1400-27)을 도포한다. PR의 종류는 일반적으로 양성(positive) PR과 음성(negative) PR로 구분한다. 양성 PR 중에서 diazonaphtoquino(DNQ)와 phenol-formaldehyde(Novolac) 레진이 함유된 PR은 포토리소그래피 공정에 있어서 파장이 365nm인 i-라인 광원과 436nm인 g-라인 광원에 흔히 적용되며, polyhydroxstyrene(PHS)와 photo acid generator(PAG) 폴리머가 함유된 PR은 248nm 파장의 KrF 엑시머 레이져 광원에 주로 사용된다. 이때 DNQ와 Novolac, 그리고 PHS는 벤젠 분자를 포함한 방향족이며, 벤젠 분자에는 탄소-탄소 결합인 탄소의 sp2 결합이 이미 존재하여 그래핀 성장에 도움이 된다. PR을 패턴 형태대로 UV광에 노광하고 현상하여 패턴을 형성한 후, 진공 가열 장치 안에서 가열하여 고체상의 PR을 증발시킴으로써 최종적으로 금속 카탈리스트 층 상에 그래핀을 형성한다.
그림 13. 라만 스펙트럼 (a) PR 두께 0.7 μm (b) PR 두께 0.4 μm
그림 13(a)에는 성장된 그래핀의 특성을 나타내었다. 1×1㎠크기의 사파이어 기판 상에 니켈 박막층을 200 nm 두께로 성장시키고, PR의 두께는 0.7μm 이며, 승온 속도는 620℃/min, 수소와 질소의 혼합비는 1:1, 압력은 1Torr, 성장온도 950℃에서 10분간 성장한 뒤 급속 냉각시킨 후 SiO2박막으로 옮겨진 그래핀의 라만스펙트럼이다. AFM으로 측정한 두께는 약 4nm 가 측정되었다. 이는 그래핀의 두께를 0.35nm로 가정할 때 약 9~11 층의 두께에 해당한다. 1320cm1 근방에 D 피크, 1580cm1 근방의 G 피크, 2630cm1 근방에서 2D 피크가 보인다.
그림 13(b)는 그림 13(a)과 그래핀의 성장 조건과 동일하지만 PR층의 두께를 0.4μm로 줄인 후 성장된 그래핀의 특성을 나타낸다. 박막의 두께는 약 1.5nm 이며 이는 0.35nm 두께의 약 2~5층으로 추정할 수 있다. 그림 13(a)과 비교하여 G peak이 더욱 정렬되고 D peak은 감소하였다. 2D peak은 그래파이트의 2D 형태로 갈라지기 직전의 모습을 한다.
그림 14. (a) 한 금속층 상에 두께를 달리 형성한 PR층의 도식도 (b) 두께를 달리한 PR로부터 형성된 그래핀 및 그래핀층
PR의 두께를 조절하여 동일한 금속 기판 상에 서로 다른 두께의 그래핀을 동시에 성장할 수 있다. 그림 14(a)에서와 같이 두께가 서로 다른 PR의 줄무늬 패턴을 형성하고 상기 조건 그래핀을 성장한 결과를 그림 14(b)에 나타내었다. PR의 두께가 0.7μm인 부분은 투명하며 그래핀 성장이 되었지만, PR의 두께가 1.5μm인 지역은 검게 탄화된 형태로 보인다. 검게 탄화된 부분은 일반적인 폴리머가 탄화되어 부도체인 것과 다르게 전도성을 보이므로 그래핀이 수 십 층 이상인 그래핀층 또는 그래핀 플랙스로 추정된다. 수십 층 이상 적층된 그래핀층은 전자소자 또는 집적 회로에서 전도성 금속전극으로 사용될 수 있다. 이상에서와 같이 동일한 한 종류의 금속 기판 상에 PR의 두께를 달리하여 패터닝한 후 그래핀으로 변환시키면, 두께가 서로 다른 그래핀을 한번에 형성할 수 있어서 그래핀을 이용한 각종 소자 또는 집적회로 구성이 용이하게 된다.
FMS (Ferromagnetics Semiconductors)
◎ 다층구조를 위한 Ga1-xMnxAs 박막의 강자성반도체 상전이 현상 연구
Ga1-xMnxAs의 강자성 특성은 Mn의 local magnetic moments에 의한 hole-mediated exchange와 mean-field-like Zener model에 의한 것으로 알려져 있다. 그러나 최근에 Mn 농도 8%,10%의
Ga1-xMnxAs 자발 자화도의 임계 지수 β 값이 0.407 이며, 이는 disordered 강자성 특성의 메커니즘인 short-range Heisenberg model 에 더 부합하다는 연구결과가 발표됨에 따라 mean-field-like Zener model에 의한 Ga1-xMnxAs의 강자성 특성 메커니즘은 문제가 있는 것으로 여겨지고 있다. 또한 최근에 비열의 임계 지수 α 의 측정이 자성 상전이를 특성을 결정하는 데 있어서 자발 자화도의 임계 지수 β 와 자화율 임계 지수 γ 보다 더 적합하다는 연구 결과가 보고되었다. 따라서 본 연구에서는 다양한 Mn 농도의 Ga1-xMnxAs시료를 MBE법으로 성장하여 Ga1-xMnxAs의 임계 온도 근처에서 열 확산도(thermal diffusivity) D 측정을 통해 Mn 농도에 따른 Ga1-xMnxAs의 임계 온도 근처에서의 교차적 임계 작용(crossover critical behavior)을 실험적으로 연구하였다.
그림 15. (a) 2%, (b) 3%, and (c) 6% of Mn 농도를 가지는 Ga1-xMnxAs의 온도의존성 thermal diffusivity. GaAs substrate의 thermal diffusivity(dashed line)
그림 16. Ga1-xMnxAs (Mn = 10%) 시료의 자성비열과 온도에 따른 열 확산도(thermal diffusivity) D 곡선
그림 15는 Mn 농도 2,3,6%의 Ga1-xMnxAs 시료의 온도에 따른 열 확산도 D를 측정한 그래프이다. 모든 시료에서 Curie 온도 부근에서 매우 sharp한 역λ 모양의 피크가 관측되었는데, 이것은 second-order 상전이 즉 강자성-상자성의 상전이가 있음을 의미하며, 또한 시료가 매우 좋은 결정성과 동질성을 가짐을 의미한다.
그림 16은 Mn 농도 10%의 Ga1-xMnxAs 시료를 160˚C에서 24시간 동안 열쳐리 한 후 표준화한 역열 확산도 D를 Curie 온도 부근에서 측정한 그래프이다. 그림 16의 삽입 그래프는 이 시료의 온도 의존 자화도를 나타내며, 이때 Curie 온도는 약 124 K 임을 확인 할 수 있다. 그림에서 볼 수 있듯이 결과는 시료의 강자성 특성이 mean-field-like Zener model에 잘 부합됨을 보여 주고 있다. 이러한 결과는 저온에서 열처리한 Ga1-xMnxAs의 exchange interaction length를 증가시킴을 의미한다. 또한 이것으로부터 최근에 발표된 Ga1-xMnxAs의 short range exchange interaction 은 Ga1-xMnxAs의 고유의 특성이 아니라 시료의 결정성 및 질에 크게 의존한 다는 것을 확인 할 수 있다.
이에 따라 모든 as grown Ga1-xMnxAs 시료에서는 Curie 온도 부근에서 비열의 임계 지수 α가 mean-field-like에서 Ising-like로 변화는 교차적 임계 작용을 확인하였다. 그러나 Mn 농도 2.6%인 as grown Ga1-xMnxAs 시료와 Mn 농도 10%의 저온에서 열처리한 Ga1-xMnxAs 시료는 실험적으로 관측할 수 있는 최소 Ginzburg 값(t=10-3)까지 mean-field-like 거동을 보임을 확인 할 수 있었고, 이러한 결과는 최근에 보고된
Ga1-xMnxAs의 magnetic ions 사이의 exchange interaction length인 5Å보다는 긴 exchange interaction length를 가진다는 것을 실험적으로 확인 하였다.
그림 17. (a) 시료A, B, C의 XRD pattern (b) 시료A, B, C의 DCRC pattern (c) 시료A, B, C의 TAD pattern
그림 18. 시료 A,B,C의 M-H curve
◎ Be-codoped InMnP 자성반도체의 자성 특성 향상 연구
Be을 동시에 도핑한 자성반도체인 p-type InMnP:Be 박막을 MBE(molecular-beam-epitaxy)로 성장하고 200, 250, 300℃에서 annealing 하여(시료 A, B, C) 그 특성을 조사하였다. triple-axis XRD(x-ray diffraction) 패턴에서 시료들은 본래의 InMnP의 특성을 보여주었다. InMnP:Be 박막의 상전이 온도인 큐리 온도는 140 K에서 결정되었다. MFM(magnetic force microscopy) 이미지를 통하여 강자성 스핀-분극 영역을 확인하였고 annealing 온도에 따라 증가된 강자성의 특성은 증가된 p-d hybridization 결합에 의한 InMnP:Be(p~ 1020 cm-3)박막의 높은 p-type 전도도에 의한 것으로 밝혀졌다. 그 결과 증가된 강자성 특성을 Be을 도핑한 자성반도체인 p-type InMnP:Be 박막에서 얻을 수 있음을 확인하였다. 그림 17은 200, 250, 300℃에서 annealing한 InP:Be 박막과 InMnP:Be박막의 XRD 스펙트럼이다. 그림에서 알 수 있듯이 precipitates에서 만들어지는 다른 상들은 나타나지 않았다. triple axis diffraction (TAD) 측정을 통하여 InP (002) peak과 본래의 InMnP phase를 확인하였다. 이러한 결과는 Mn 이온들이 InP 격자에 잘 결합되었음을 보여준다. 그림 18은 10 K에서 M-H curve를 나타내며 강자성의 특성을 잘 보여준다. 그림 19는 zero-field-cooled (ZFC)와 field-cooled (FC) M-T curve를 나타낸다. 큐리 온도는 시료 A, B, C에 대해 각각 140, 140, 85K로 결정되었다. 큐리 온도는 문헌에 발표된 큐리 온도보다 높으며 증가된 큐리 온도는 증가된 p-d hybridization 결합에 의한 InMnP:Be (p~ 1020 cm-3)박막의 p-type 전도도에 의한 것으로 밝혀졌다. 그림 20은 시료 A와 C의 AFM 이미지(왼쪽)와 MFM 이미지 (오른쪽)를 나타낸다. 모두 강자성 스핀 분극을 확인할 수 있다. 그러나 시료C의 강자성 dipole 모멘트의 크기가 시료 A보다 약하다는 사실을 관찰할 수 있다. 결론적으로 InP에 기반을 둔 자성반도체는 낮은 온도에서의 annealing과 Mn과 Be를 co-도핑함으로써 강자성 특성을 증가 시킬 수 있음을 확인하였다.
그림 19. 시료 A, B, C의 M-T curve
그림 20. 시료 A,C의 AFM(왼쪽), MFM(오른쪽) 이미지
LED
◎ 광소자 및 전력소자용 기판 연구
Langasite(LGS, La3Ga5SiO14)는 piezoelectric 결정으로 잘 알려져 있으면서 석영이나 LiNbO3와 음향학적으로 호환이 되기 때문에 acoustoelectronics 분야에 유망한 물질로 알려져 있다. LGS는 trigonal 구조의 석영과 유사한 결정 상수를 갖는다.(a=8.170, c=5.095)
이러한 결정 상수는 wurtzite 구조인 GaN(a=3.189, c=5.185)와 비교할 때 두 물체의 a 면방향으로 61%의 길이 차이가 발생하고, 각각의 c면과 a면간에는 약 37%의 차이가 발생하나, LGS [100]면과 GaN의 [100] 면 간에는 1.017%의 길이차이가 발생하여 GaN를 성장하는 이종기판으로서 LGS의 유용성을 예측할 수 있다.(그림 21 참조)
이에 방문 기관인 FOMOS사로부터 구매한 LGS[100] 기판을 준비하고 MOCVD 방식과 MBE 방식으로 성장 연구를 진행하였다. 그림 22는 MBE 방식으로 700~730℃ 성장온도 범위에서 성장한 결과를 나탸낸 것이다. 그림 22(a)는 성장된 시료의 표면 사진으로서 많은 결정 입자가 분포한 거친 형상을 보이며 2차원 성장보다는 3차원 성장이 발생한 흔적이 보인다. 그림 22(b)의 성장된 박막의 PL결과로는 모든 시료에서 GaN peak이 관찰되었으나 표면 형태로 보아 성장 조건을 더욱 연구해야할 단계이다.
MOCVD 장치를 이용하여 LGS 상에 GaN을 성장을 시도하였다. 초기 버퍼의 성장온도는 1050℃였으며 성장온도는 1040℃이었다. XRD 상으로는 다수의 GaN이 발견되었으나 역시 MBE 방식과 유사하게 표면이 거칠게 성장이 되었다. 비록 초기 결과는 표면이 매끈하지는 않았으나 버퍼 조건의 최적화를 통해 LGS와 GaN의 이종 성장 조건을 찾아서 우수한 막질의 GaN 박막을 성장할 것으로 예상하며 고온 고전압에서 견디는 소자를 제조할 예정이다.
그림 21. Langasite와 GaN의 격자 상수 비교
◎ New light source 개발
ITO가 코팅된 유리 기판 상에 n-ZnO 나노로드를 성장한 후 p+-Si 기판과 접촉을 하여 청색-백색 발광하는 다이오드(Vertical contact light emitting diode, VCLED)를 개발하였다. VCLED는 n-ZnO 나노로드의 n형 나노로드 팁 끝단과 p+-Si 기판과의 접촉을 통해서 nano 스케일의 p-n 헤테로접합을 구성하고자 한 결과이다.
현재까지 ZnO 나노로드의 이용방안은 Si와 같은 이종 기판 상에 나노로드를 이종 성장하는 방식을 이용해왔는데, 그 근본 이유는 ZnO의 p형 도핑이 효과적으로 이루어지지 않기 때문이다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 n형 ZnO 나노로드와 p형 실리콘 기판을 접촉하여 pn 구조를 이루었다.
다이오드의 발광 기재는 p형 Si에서 주입된 전공과 ZnO 내부 전자의 재결합이다. ZnO와 Si의 에너지 밴드갭의 불연속성은 2eV에 이르며 이러한 장벽을 극복하고 주입되기 위해서는 높은 정공 농도와 전기장이 필요하다. ZnO와 Si의 접촉 구조는 최적화된 것이 아니며, valence 대역의 불연속도를 낮추어 정공 주입의 효율과 발광 효율을 증가시킬 필요가 있다. 특히 Si 표면의 산화막이 전하의 주입을 방해하므로, 발광 효율을 증가시키기 위해 산화막을 없애는 방안이 요구된다.
그림 22. (a) Langasite 상에 MBE로 성장된 GaN 박막의 표면 (b) Langasite 상에 MBE로 성장된 GaN의 PL 특성
최근 산업계에서는 백색광 LED와 자외선 LED는 주로 GaN, AlN 등 질화물 계열의 물질을 이용하고 있다. 효율을 높이는 연구가 진행되고 점차 그 사용 범위가 넓어져 가지만 국내 업체로서는 후발 업체로서 경쟁력에 한계를 느끼고 있다. 본 연구는 새로운 광원을 얻을 수 있는 시도이며, 본 연구결과는 그 독창성을 인정받아 미국응용물리레터지에서 다운로드 top 20위 권에 차트되고, Laserfocusworld 매거진에 리뷰되어 관심을 끌었다(그림 24 참조).
그림 23. (a) VCLED의 구조도와 I-V 특성 (b) VCLED의 EL과 발광형태
연구개발 성과 현황
국내 파급효과
가. 인쇄전자 분야 - 현재 인쇄전자 분야는 세계적으로도 유기물을 기반한 트랜지스터 및 태양광 전지 기술에 초기 발전 단계이다. 인쇄전자가 활발히 연구되고 발전하기 위한 조건중 현재로서는 인쇄전자에 적합한 인쇄물질의 부재가 가장 큰 병목이다. 본 연구에서 확보된 신소재 그래핀 및 그래핀 옥사이드, 그래핀 플랙스를 통해 인쇄 공정에 적합한 인쇄성과 메모리 소자와 같은 기능이 확보되었으므로 이를 활용한 인쇄전자 분야에 대한 발전을 기대하며, 세계적인 인쇄전자 개발을 선도할 것으로 믿는다.
그림 24. 신소재 ZnO 나노 구조연구를 통해서 소자구조를 제안한 APL 투고 결과가 이 연구분야 응용을 위한 선도적인 연구 결과로 인정되어 2011년 5월 Laser Focus World magazine에 소개됨 (b)신소재 ZnO 나노 구조연구를 통해서 소자구조를 제안한 APL 투고 결과가 이 연구 응용을 위한 선도적인 연구 결과로써 다운로드횟수에서 2011년 3월 APL 다운로드 Top 20 리스트 선정 (7위권)
나. LED 분야 - 현재 백색광 LED 분야의 산업체에서는 질화물 반도체가 주류를 이루고 있지만, 선진 국가와의 원천기술 보유 여부에 따른 기술 격차가 존재하고 있다. 이를 극복할 방안으로 ZnO, 질화물 반도체와 같은 광물질에 대한 원천기술을 새롭게 확보할 필요가 있다. 본 과제를 통해 GaN의 에피 성장 기술을 연구하고, ZnO 나노로드를 활용한 광원의 개발 성과를 이루었고, 이러한 성과에 대한 효율화 향상 연구에 힘쓴다면 LED 또는 여타 광소자 분야의 원천기술을 확보하여 광산업에 대한 국내 기업의 국가 경쟁력 강화에 기여할 것으로 기대한다.
다. FMS 분야 - 미세정보소자의 구현과 관련한 연구분야에서는 현존하는 반도체 물질의 물리적인 한계 및 기술적 한계를 극복하기 위하여 새로운 기능의 반도체 물질, 즉 강자성 특성과 반도체 특성을 동시에 갖는 강자성 반도체, 강유전 특성과 반도체 특성을 동시에 갖는 강유전 반도체, 그리고 더 나아가서는 강자성 특성과 강유전 특성을 동시에 갖는 다강성 등 신물질 개발에 박차를 가하고 있으며, Spin 기능과 Dipole moment 기능을 융합하고 새로운 기능을 보이는 신개념 소자를 개발하는데 연구가 집중되고 있다. 본 과제를 통해 얻은 성과는 학문적 발전의 토대가 되면서 새로운 산업적 기술의 선점을 위한 초석이 될 것이다.
그림 25. 동국대학교 QSRC가 중심이된 국제 연구를 위한 컨소시엄의 기본 구조
사업 결과의 활용
기술정보 활용 및 보급계획
본 사업의 결과물은 단순한 현황파악에 그치지 않고 차세대 반도체 소자를 위한 원천기술의 확보와 실용화를 위한 정보를 습득하는 것이 목표이었으며, 가급적 공동 연구 형식으로 진행하는 것이 원천기술을 확보할 수 있는 현실적인 방안이라 생각하였다. 수집된 정보를 발전, 이용할 수 있는 잠재력을 지닌 국내의 실험실 또는 연구소와 연계하여 수집된 원천 기술을 공동 연구하는 것이 효율적일 것이다.
이후 산업체 이전이 가시화 된다면, 기존 IT 산업의 포화로 인한 신성장동력을 찾고 있는 대기업과의 연계를 통해 산업화가 가능할 것으로 기대된다.
가. 인쇄전자 분야 - 인쇄전자 확산의 병목인 인쇄물질을 개발하고 기능성 소자를 구현한 후 단위 모듈을 연구하는 과정이 필요하며, 이를 위해서는 독자적인 연구보다는 관련 산업체와의 협업을 통한 기술개발과 기술 공유가 보다 바람직할 것으로 판단한다. 이에 산업체와의 기초기술 개발을 위한 과제를 수행하며 그 실용성을 증명하고 기술을 보급할 계획이다. 본 연구실은 2011년 12월부터 4년 간 "20원대 저가형 친환경 RFID 태그 기술 개발" 사업에 참여하게 되어 인쇄용 비귀금속 안테나 물질을 개발 중이다.
나. LED 분야 - 질화물 반도체 계열의 백색광 LED 분야는 산업체가 대학의 연구실보다 효율면에서 많이 발전해 있는 상황이다. 대기업과의 협업보다는 독자적인 원천기술 개발을 목표로 국내의 질화물 반도체 분야에서 선도적인 연구실과 공동으로 새로운 광원 및 GaN 에피 기술을 개발할 계획이다.
다. FMS 분야 - 본 연구소의 FMS 분야는 세계적으로도 선도기술 개발 그룹 수준이므로 독자적인 개발이 불가피한 점이 있으나 UCLA와 같은 선도적인 연구소와 협업하여 원천기술을 개발한 후 국내 소요 분야에 보급 계획이다.
사업 기대효과
기존 개념의 메모리, 광통신, 디스플레이용 요소 기술과 달리, 신소재를 채용한 소자는 나노기술을 융합한 IT 기술로서 미국, 일본, 유럽 선진 각국에서 21세기 핵심 첨단산업으로 지향하는 바, 국가 경쟁력 강화는 물론이고 장래 산업 주도권 확보가 예상된다.
차세대 반도체 소자 개발을 위한 신소재 분야의 연구는 기술 집약의 원천기술에 해당하기 때문에 국가적인 산업으로서 해외에서의 기술도입은 불가능한 분야이고, 앞으로 개발될 거의 모든 디지털 정보기기 시스템에 적용될 것이므로 그에 따른 국내외 타 산업분야에 막대한 영향을 줄 것이다.
본 사업을 통해 관련 기술의 확보 뿐 아니라 해외 우수 연구 기관과의 네트워크를 형성하여 일회성이 아닌 지속적인 최신 정보와 인력 교류를 위한 기반을 다졌다. 향후 동국대 양자기능반도체센터(QSRC)가 중심이 되어 국제 컨소시엄을 형성하여 보다 다양한 분야에서, 보다 진일보된 연구를 진행할 수 있을 것으로 기대한다.
참고문헌
1. 전자통신동향분석 제26권 제2호(2011년)
2. A. K. Geim and K. S. Novoselov: Nat. Mater. 6(2007)183.
3. K.I. Bolotin, K.J. Sikes, Z. Jiang, M. Klima, G. Fudenberg, J. Hone, P. Kim, H.L. Stormer: Solid State Commun 146(2008)351.
4. Lee, C., Wei, X., Kysar, J. W. & Hone J: Science 321(2008)385.
5. Balandin, A. A.; Ghosh, S.; Bao, W. Z.; Calizo, I.; Teweldebrhan, D.; Miao, F.; Lau, C. N.: Nano Lett. 8(2008)902?907.
6. K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov, D.Jiang, M.I. Katsnelson, I.V. Grigorieva, S.V. Dubonos, and A.A. Firsov, "Two-dimensional Gas of Massless Dirac Fermions in Graphene," Nature, July 2005, pp.197-200.
7. Yanqing Wu et al., "High-frequency, Scaled Graphene Transistors on Diamond-like Carbon," Nature, Vol.472, Apr. 2011, pp.74-78.
8.
9. Hu Young Jeong, Jong Yun Kim, Jeong Won Kim, Jin Ok Hwang, Ji-Eun Kim, Jeong Yong Lee, Tae Hyun Yoon, Byung Jin Cho, Sang Ouk Kim, Rodney S. Ruoff, and Sung-Yool Choi, "Graphene Oxide Thin Films for Flexible Nonvolatile Memory Applications," Nano Lett., Oct. 2010, pp.4381-4386
10. Shou-En Zhu et al., "Graphene-based Bimorph Microactuators," Nano Lett., Jan. 2011, pp.977-981.
11. Thomas Mueller, Fengnian Xia, and Phaedon Avouris, "Graphene Photodetectors for High-Speed Optical Communications," Nature Photonics,Mar. 2010, pp.297-301.
12. 전자통신동향분석 제24권 제6호(2009년)
13. http://www.sei.co.jp/news/press/12/prs008_s.html
14.Tae Hoon Seo et al, Jpn. J. Appl. Phys., vol50, p125103, 2011
15. Edward M. Likovich, Rafael Jaramillo, Kasey J. Russell, Shriram Ramanathan, and Venkatesh Narayanamurti, "High-Current-Density Monolayer CdSe/ZnS Quantum Dot Light-Emitting Devices with Oxide Electrodes", Advanced Materials, Vol.23, p4521
회원가입 후 이용바랍니다.
개의 댓글
댓글 정렬
BEST댓글
BEST 댓글
답글과 추천수를 합산하여 자동으로 노출됩니다.
댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글수정
댓글 수정은 작성 후 1분내에만 가능합니다.
내 댓글 모음