Al 기반 나노구조에 의한 Si-AlN 코어-쉘 마이크로 결정의 특성 연구

문수현, 박선우, 김경화 등, New Physics: Sae Mulli 74, 17 (2024).

반도체 분야에서의 코어-쉘 구조는 나노 결정의 적층 및 나노 복합 반도체 형성으로부터 특성의 변화를 유도할 수 있어 매우 중요한 기술이다. 실리콘(Si)은 다양한 응용 분야에서 매력의 원천으로 작용하며, 특히 육방정계 Si는 0.6 eV에서 1.69 eV의 준 직접 밴드갭 특성을 가지고 있다. 질화알루미늄(AlN)은 우르자이트 구조로, 6.2 eV의 밴드갭을 가진다. 따라서 육방정계 Si과 AlN의 결합은 전력반도체 혹은 광전소자에 대한 새로운 기회를 열 수 있다. 한편 나노구조를 합성하는 기술은 다양하지만, 최근 플라토-레일리 불안정성 원리(Plateau Rayleigh instability, PRI)를 기반으로 한 연구가 주목받고 있다. PRI 원리는 거미줄에 수증기가 흡수되어 일정한 간격의 물방울이 수 초 이내에 일련의 등거리 구형 방울구조를 빠르게 형성하는 것을 예로 들 수 있다.

그러나 PRI를 기반으로 한 대부분의 연구는 나노 현상에 국한되어 있으며, 마이크로 크기의 결정 성장에 미치는 영향은 앞으로도 많은 연구가 필요하다. 본 논문에서는 PRI 원리를 통해 Al 기반 나노구조로부터 Si-AlN 코어-쉘 마이크로 결정을 처음으로 성장하였다. Al 기반 나노구조 표면의 Al 막이 PRI 원리에 의해 등거리 타원형 Al 막으로 분리되어(그림 (a)) AlN 쉘을 형성하고, 동시에 Si 분자를 흡수하여 Si-AlN 코어-쉘 마이크로 결정이 형성되는 새로운 메커니즘을 제시하였다(그림 (b)). 성장된 마이크로 결정의 고해상도 투과 전자 현미경 분석을 통해 Si 코어에서 전형적인 2H 구조의 ABAB 적층 배열을 관찰하였으며(그림 (c)), AlN 쉘에서는 육각형 우르자이트 구조를 확인하였다(그림 (d)). 따라서 Si-AlN 코어-쉘 결정은 반도체 분야에서 새로운 소재가 될 것으로 기대한다.

a-InGaZnO 포토트랜지스터의 광전자 특성 분석

조영천, 강해용, 이현경, 전진호, 이현섭, 김강현, New Physics: Sae Mulli 74, 25 (2024).

a-InGaZnO(a-IGZO)는 인듐(In), 갈륨(Ga), 아연(Zn), 산소로 구성된 비결정질 구조의 산화물 반도체로서 높은 투명성과 우수한 전기적 특성으로 인해 디스플레이 분야에서 활발히 연구 및 상용화되어 왔다. 최근에는 디스플레이 분야를 넘어 센서, 메모리 소자 및 뉴로모픽 등 다양한 분야에 a-IGZO를 적용하려는 연구가 이루어지고 있다. 특히, 4차 산업 시대를 맞이하여 사물 인터넷(IoT)이 주목을 받으면서 사물과 사용자를 연결하는 광 통신, 광센서 분야가 각광을 받고 있어 a-IGZO를 광센서에 적용하려는 시도가 활발히 진행되고 있다.

그림 1. a-IGZO 박막의 산소 빈자리 농도조절.

그림 2. 450 nm 파장의 가시광선 영역의 광전류 특성.

광센서는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하여 작동하며 소자 구조와 작동 원리에 따라 광전도체(photoconductor), 포토다이오드(photodiode), 포토트랜지스터(phototransistor)로 분류할 수 있다. 최근에는 트랜지스터 구조가 전기적 신호의 증폭과 스위칭이 가능하다는 장점으로 인해 포토트랜지스터에 대한 연구가 주목받고 있다.

약 3 eV 이상의 넓은 밴드갭을 갖는 a-IGZO는 포토트랜지스터로 제작하였을 때 자외선 영역의 빛을 잘 흡수하여 작동이 용이하지만 가시광선 영역의 빛에서는 작동이 쉽지 않다는 단점이 존재한다. 이러한 문제를 극복하기 위해 본 연구에서는 a-IGZO 박막 내 산소 빈자리(oxygen vacancy) 농도를 조절하였다. 산소 빈자리는 산화물 박막 내 금속 원자(In, Ga, Zn)가 산소와 결합하지 못하여 생성되며, 빛을 받았을 때 광전자를 생성할 수 있다고 보고되어 있다.

본 연구에서 제작한 소자는 게이트 전극과 소스/드레인 전극으로 이루어진 박막 트랜지스터(TFT) 형태이며 a-IGZO 박막에 스퍼터를 이용하여 박막 위에 알루미늄(Al)을 매우 얇게 증착하는 공정과 UV ozone 처리를 하는 공정을 통해 산소 빈자리를 조절하였다(그림 1). 그 결과 Al이 증착된 소자의 경우, Al이 a-IGZO 박막의 산소와 결합하면서 산화알루미늄(AlOx)이 형성되고 박막 내 산소 빈자리가 증가하여 가시광 영역의 빛에 높은 광전류를 생성하는 것을 확인하였다. 반면, 박막에 UV ozone 처리를 한 경우, 산소 및 오존 분자가 박막 내부로 침투하여 상대적으로 산소 빈자리의 농도가 감소함에 따라 가시광선에 대해 광전류가 줄어드는 것을 확인하였다.

또한, 실시간으로 450 nm 파장의 파란색 광원을 10초 간격으로 켜기/끄기를 반복하며 소자의 전류 변화를 측정한 결과 뉴로모픽 분야에 적용이 가능한 장기기억(long term memory), 단기 기억(short term memory)과 같은 메모리적 특성이 나오는 것을 확인하였다(그림 2).

이러한 연구 결과를 토대로 광센서 분야에서 중요한 빛에 대한 감도 조절과 뉴로모픽 분야에서 중요한 인간의 기억 능력 모방이 a-IGZO 포토트랜지스터를 통해 동시에 구현 가능하다는 가능성을 제시할 수 있었다.