일차원 반도체는 나노 단위의 다양한 전자소자, 광소자에 응용이 가능하며 이와 관련된 많은 연구가 진행되고 있다. 특히 이러한 많은 반도체 나노선들 중에 넓은 띠 간격을 갖는 탄화규소(SiC), 산화아연(ZnO), 질화갈륨(GaN) 나노선들은 높은 항복전압, ...
일차원 반도체는 나노 단위의 다양한 전자소자, 광소자에 응용이 가능하며 이와 관련된 많은 연구가 진행되고 있다. 특히 이러한 많은 반도체 나노선들 중에 넓은 띠 간격을 갖는 탄화규소(SiC), 산화아연(ZnO), 질화갈륨(GaN) 나노선들은 높은 항복전압, 열전도도, 전자 포화 속도 그리고 우수한 물리적 화학적 안정성을 갖는 장점을 갖고 있다. 하지만 이러한 일차원 반도체 나노선 기반의 FET, LED, LD, 태양전지 등의 소자 응용을 위해서는 나노선의 물성적 특성, 제조방법, 위치 제어, 소자 특성 분석 등에 대한 이해가 필요하다. 그러므로 본 논문에서는 넓은 띠 간격의 대표적인 반도체 나노선인 SiC, ZnO, GaN 나노선들 제조 방법, 정렬, 그리고 FET, LED, 태양전지 응용을 위한 전기적, 광학적 특성에 대한 연구를 수행하였다. 넓은 띠 간격의 나노선들 중 첫 번째로 SiC 나노선의 전기적인 특성을 분석하고자 전자선 리소그라피 방법을 이용하여 연구 내용을 제2장에 기술하였다. 연구의 첫 번째는 LTLM 방법을 이용하여 Ni/Au와 Ti/Au 오믹 특성을 비교 분석하였다. 실험결과 Ni/Au가 Ti/Au에 비해 약 40 배 이상 작은 비접촉저항 값을 나타내었다. 두 번째로 top-gate SiC 나노선 FET 구조를 전자선 리소그라피 방법을 이용하여 구현하여 전류-전압 특성 결과를 기술하였다. 분석된 결과 SiC 나노선의 전자농도와 이동도는 약 3 ×1019 cm-3 , 1.6 cm2/Vs 을 확인하였다. 제 3장에서는 ZnO 나노선을 제조하고 전자선 리소그라피 방법을 이용하여 단일 나노선의 전기적 특성을 분석하였다. 측정된 결과 VDS = 1V 일 때, 약 70 nS의 트랜스컨덕턴스를 나타내었고, 전자농도와 이동도는 2.8ⅹ1018 cm-3, 23.8 cm2/Vs을 확인하였다. 그리고 기둥형태와 가지 형태의 두 가지 형상의 나노선들을 성장하여 나노선 기반의 염료 감응형 태양전지 특성을 비교 분석한 결과, 가지 형상의 나노선의 태양전지가 일반적인 ZnO 나노선 태양전지에 비해 약 35 % 증가된 효율을 나타내었다. 제 4장에서는 전자선 리소그라피 방법 대신 전통적인 리소그라피 방법을 이용하여 GaN 나노선 기반 FET 구조를 구현하였으며, 전기적 측정 결과 GaN 나노선의 이동도는 60~70 cm2/Vs 를 확인하였다. 두 번째로 유전영동방법을 이용한 GaN 나노선의 정렬에 대한 연구를 진행하였으며, 유전영동방법에 의한 나노선 정렬은 인가되는 주파수와 전압에 크게 영향을 받으며 최고 약 80 %의 수율을 나타내었다. 세 번째로 GaN 나노선과 금속간의 오믹과 쇼트키 접합에 대한 연구를 진행하였다. 오믹 금속으로 Ti/Au를 적용한 결과 접촉저항과 비접촉저항 값은 약1.1×10−5 ± 5×10−6 Ωcm2 과 6.9×10−3 ± 3×10−4 Ωcm 의 값을 TLM 방법을 이용하여 계산하였다. 또한 GaN 나노선과4 종류의 쇼트기 금속(Al, Ti, Cr, Au)의 쇼트키 정류소자의 전기적 특성에 대한 연구를 진행하였다. 마지막으로, GaN 나노선과 p-GaN 기판의 동종접합 UV-Blue LED 소자 응용에 대한 연구를 수행하여, 3.4~4.0 V의 동작전압과 120~180 kΩ의 기생 전류를 얻을 수 있었다.
일차원 반도체는 나노 단위의 다양한 전자소자, 광소자에 응용이 가능하며 이와 관련된 많은 연구가 진행되고 있다. 특히 이러한 많은 반도체 나노선들 중에 넓은 띠 간격을 갖는 탄화규소(SiC), 산화아연(ZnO), 질화갈륨(GaN) 나노선들은 높은 항복전압, 열전도도, 전자 포화 속도 그리고 우수한 물리적 화학적 안정성을 갖는 장점을 갖고 있다. 하지만 이러한 일차원 반도체 나노선 기반의 FET, LED, LD, 태양전지 등의 소자 응용을 위해서는 나노선의 물성적 특성, 제조방법, 위치 제어, 소자 특성 분석 등에 대한 이해가 필요하다. 그러므로 본 논문에서는 넓은 띠 간격의 대표적인 반도체 나노선인 SiC, ZnO, GaN 나노선들 제조 방법, 정렬, 그리고 FET, LED, 태양전지 응용을 위한 전기적, 광학적 특성에 대한 연구를 수행하였다. 넓은 띠 간격의 나노선들 중 첫 번째로 SiC 나노선의 전기적인 특성을 분석하고자 전자선 리소그라피 방법을 이용하여 연구 내용을 제2장에 기술하였다. 연구의 첫 번째는 LTLM 방법을 이용하여 Ni/Au와 Ti/Au 오믹 특성을 비교 분석하였다. 실험결과 Ni/Au가 Ti/Au에 비해 약 40 배 이상 작은 비접촉저항 값을 나타내었다. 두 번째로 top-gate SiC 나노선 FET 구조를 전자선 리소그라피 방법을 이용하여 구현하여 전류-전압 특성 결과를 기술하였다. 분석된 결과 SiC 나노선의 전자농도와 이동도는 약 3 ×1019 cm-3 , 1.6 cm2/Vs 을 확인하였다. 제 3장에서는 ZnO 나노선을 제조하고 전자선 리소그라피 방법을 이용하여 단일 나노선의 전기적 특성을 분석하였다. 측정된 결과 VDS = 1V 일 때, 약 70 nS의 트랜스컨덕턴스를 나타내었고, 전자농도와 이동도는 2.8ⅹ1018 cm-3, 23.8 cm2/Vs을 확인하였다. 그리고 기둥형태와 가지 형태의 두 가지 형상의 나노선들을 성장하여 나노선 기반의 염료 감응형 태양전지 특성을 비교 분석한 결과, 가지 형상의 나노선의 태양전지가 일반적인 ZnO 나노선 태양전지에 비해 약 35 % 증가된 효율을 나타내었다. 제 4장에서는 전자선 리소그라피 방법 대신 전통적인 리소그라피 방법을 이용하여 GaN 나노선 기반 FET 구조를 구현하였으며, 전기적 측정 결과 GaN 나노선의 이동도는 60~70 cm2/Vs 를 확인하였다. 두 번째로 유전영동방법을 이용한 GaN 나노선의 정렬에 대한 연구를 진행하였으며, 유전영동방법에 의한 나노선 정렬은 인가되는 주파수와 전압에 크게 영향을 받으며 최고 약 80 %의 수율을 나타내었다. 세 번째로 GaN 나노선과 금속간의 오믹과 쇼트키 접합에 대한 연구를 진행하였다. 오믹 금속으로 Ti/Au를 적용한 결과 접촉저항과 비접촉저항 값은 약1.1×10−5 ± 5×10−6 Ωcm2 과 6.9×10−3 ± 3×10−4 Ωcm 의 값을 TLM 방법을 이용하여 계산하였다. 또한 GaN 나노선과4 종류의 쇼트기 금속(Al, Ti, Cr, Au)의 쇼트키 정류소자의 전기적 특성에 대한 연구를 진행하였다. 마지막으로, GaN 나노선과 p-GaN 기판의 동종접합 UV-Blue LED 소자 응용에 대한 연구를 수행하여, 3.4~4.0 V의 동작전압과 120~180 kΩ의 기생 전류를 얻을 수 있었다.
주제어
#wide bandgap nanowire, field-effect transistor, solar cell, light-emitting diode
학위논문 정보
저자
김태홍
학위수여기관
전북대학교 대학원
학위구분
국내박사
학과
반도체.화학공학부(반도체공학)
발행연도
2011
총페이지
xiii, 143 p.
키워드
wide bandgap nanowire, field-effect transistor, solar cell, light-emitting diode
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