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저온 수열 합성법에 의해 (1-102) 사파이어 기판상에 성장된 무분극 ZnO Layer 에 관한 연구

Growth of Non-Polar a-plane ZnO Layer On R-plane (1-102) Sapphire Substrate by Hydrothermal Synthesis

마이크로전자 및 패키징 학회지 = Journal of the Microelectronics and Packaging Society, v.21 no.4, 2014년, pp.45 - 49  

장주일 (전남대학교 응용화학공학부) ,  오태성 (홍익대학교 신소재공학부) ,  하준석 (전남대학교 응용화학공학부)

초록
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본 연구에서는 낮은 비용과 간단한 공정의 장점을 가지고 있는 저온수열합성법을 이용하여 r-plane (1-102) sapphire 기판 위에 non-polar a-plane ZnO 박막을 성장하였다. 일반적으로 nanorod 형태의 ZnO를 성장시키는 특성을 보이는 Hexamethylenetetramine (HMT)와 2D layer 형태의 ZnO를 성장특성을 보이는 것으로 알려진 sodium citrate, 두 가지 전구체를 동시에 첨가하여 성장 하였을 때 몰 농도의 변화에 따른 ZnO 성장 특성을 비교해 보았다. ZnO 구조체의 형태와 특성 변화에 대하여 field emission scanning electron microscope (FE-SEM), high resolution X-ray diffraction(HRXRD)을 이용하여 분석을 진행하였다. 결과적으로, 두 가지의 용액의 특정 몰 농도일 때 r-plane (1-102) sapphire 기판 위에서 non polar a-plane (11-20) ZnO 구조체가 성장 될 수 있음을 확인 하였다. 이는 첨가제 조건에 의하여 c축 성장을 억제시키고, 측면 성장을 촉진시키는 반응에 의한 것으로 생각된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, we grew non-polar ZnO nanostructure on (1-102) R-plane sapphire substrates. As for growth method of ZnO, we used hydrothermal synthesis which is known to have the advantages of low cost and easy process. For growth of non-polar, the deposited AZO seed buffer layer with of 80 nm on R-p...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이런 이유로 일반적으로 c-plane ZnO 2D layer성장을 위해서 sodium citrate 전구체는 널리 사용되고 있다.23) 본 연구에서는 이러한 sodium citrate 전구체의 성질을 이용하여, sodium citrate의 몰 농도가 증감함에 따라 r-plane sapphire 기판 위에 성장되는 non-polar ZnO의 형상 변화에 대하여 알아보았다. 뿐만 아니라, sodium citrate 전구체 용액 내에, HMT 전구체를 첨가하면서, HMT의 몰 농도 변화에 따른 nonpolar ZnO 의 형상 변화에 대하여도 알아보았다.
  • 따라서, 본 연구에서는 낮은 비용 등의 여러 장점을 가지고 있는 저온 수열합성법을 이용하여 QCSE의 영향을 받지 않는 non-polar ZnO 성장에 대하여 알아보았다. r-plane (1-102) sapphire를 기판으로 사용하여 성장 용액 내에 두 가지 다른 전구체의 농도를 변화시키면서 non-polar a-plane ZnO 구조체의 성장 및 특성에 관하여 연구를 진행하였다.
  • 본 연구에서는 저온수열합성법으로 sodium citrate 그리고 HMT 이 두 가지 전구체를 가지고 AZO 씨앗층이 증착된 r-plane sapphire 기판 위에 non-polar ZnO 구조체의 성장에 관한 연구를 진행하였다. FE-SEM 및 x-ray 분석을 결과 sodium citrate 만 넣어 성장하였을 때에는 c-plane (0002) 그리고 a-plane (11-20) 및 다양한 면들이 성장하였으나, sodium citrate 그리고 HMT 이 두 가지 전구체를 넣어 성장한 ZnO 구조체는 특정 몰 농도에서 ZnO 구조체의 c-plane (0002) 및 기타 다른 면의 성장이 억제 하였고 ZnO 구조체의 a-plane (11-20) 성장을 촉진시켰다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Zinc Oxide의 특징은 무엇인가? Zinc Oxide (ZnO) 는 II–VI 족에서 가장 중요한 반도체 재료 중 하나로서, 상온에서의 3.37 eV direct band gap과 GaN (~24 meV) 보다 높은 excitation binding energy(60 meV)를 가지고 있어, 향후 GaN 을 대체할 수 있는 물질로 관심을 받고 있다. 이 같은 ZnO 특성을 이용하여 현재, transparent conductors1), including quantum cascade lasers2), ultraviolet light-emitting diodes3), UV detectors4), gas sensors5), 그리고, thin film solar cells6) 등의 다양한 디바이스에 적용 되고 있다.
ZnO 구조체는 어떻게 제작되는가? 이러한 ZnO 구조체는 chemical vapor deposition (화학기상증착법)9), metal-organic chemical vapor deposition (유기금속화학증착법)10), pulsed laser deposition (펄스레이저증착법)11), electrochemical deposition (전기화학적증착법)12), 그리고 hydrothermal synthesis method (수열합성법)13-15) 등의 다양한 기술로 제작 될 수 있다. 이러한 다양한 방법 중에, 수열합성법은 낮은 비용과, 간단한 공정, 낮은 공정 온도 그리고 대면적의 non-polar ZnO 을 구조체를 합성할 수 있는 장점을 가지고 있다.
수열합성법에 의해 제작된 ZnO 구조체는 어떤 특징을 가지는가? 그러나 이렇게 성장된 일반적인 ZnO는 Wurtzite 결정 구조를 갖게 되며, 기판에 수직인 c-axis를 따라서 우선배향 되는 형태로 성장하는데, 이 경우 자발분극과 압전분극의 영향으로 Quantum Confined Stark Effect (QCSE)가 나타나게 된다. 이로부터 유발된 정전기장은 양자우물구조의 에너지밴드 구조를 변화시켜 전자와 정공의 재결합으로 광자를 발생시키는 발광소자에 있어서 낮은 내부양자효율을 유발하게 된다.
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참고문헌 (25)

  1. P. Nunes, B. Fernandes, E. Fortunato, P. Vilarinho, R. Martins, "Performances presented by zinc oxide thin films deposited by spray pyrolysis", Thin Solid Films, 337, 176 (1999). 

  2. H. C. Chou, A. Mazady, A. Rivera and M. Anwar, "Energy Scavenging Using ZnONanorods Grown on Flexible Substrates", Electronic Materials Conference, University Park, PA, USA, Jun. 20 (2012). 

  3. Y. Ryu, T. S. Lee, J. A. Lubguban, H. W. White, B. J. Kim, Y. S. Park and C. J. Youn, "Next generation of oxide photonic devices: ZnO-based ultraviolet light emitting diodes", Appl. Phys. Lett., 88, 241108 (2006). 

  4. S. Liang, H. Sheng, Y. Liu, Z. Huo, Y. Lu and H. Shen, "ZnO Schottky ultraviolet photodetectors", J. Cryst. Growth, 225, 110 (2001). 

  5. U. Rau, M. Schmidt, "Electronic properties of ZnO/CdS/Cu(In,Ga) $Se_2$ solar cells - aspects of heterojunction formation", Thin Solid Films, 387, 141 (2001). 

  6. T. P. Chou, Q. F. Zhang, G. E. Fryxell and G. Z. Cao, "Hierarchically Structured ZnO Film for Dye-Sensitized Solar Cells with Enhanced Energy Conversion Efficiency", Adv. Mater., 19 (2007) 2588-2592. 

  7. M. H. Jeong, J. M. Kim, S. H. Yoo, C. W. Lee and Y. B. Park, "Effect of PCB Surface Finishs on Intermetallic Compound Growth Kinetics of Sn-3.0 Ag-0.5 Cu Solder Bump", J. Microelectron. Packag. Soc., 17(1), 81 (2010). 

  8. G. T. Lim, B. J. Kim, K. W. Lee, M. J. Lee, Y. C. Joo and Y. B. Park, "Study on the Intermetallic Compound Growth and Interfacial Adhesion Energy of Cu Pillar Bump", J. Microelectron. Packag. Soc., 15(4), 17 (2008). 

  9. Y. Dai, Y. Zhang, Q. K. Li and C. W. Nan, "Synthesis and optical properties of tetrapod-like zinc oxide nanorods", Chem. Phys. Lett., 358, 83 (2002). 

  10. S. C. Liu and J. J. Wu, "Growth of Highly Oriented ZnO Nanorods by Chemical Vapor Deposition", MRS Proc., 703, V2 (2001). 

  11. J. H. Choi, H. Tabata and T. Kawai, "Initial preferred growth in zinc oxide thin films on Si and amorphous substrates by a pulsed laser deposition", J. Gryst. Growth, 226, 493 (2001). 

  12. D. Pradhan and K. T. Leung, "Controlled Growth of Two-Dimensional and One-Dimensional ZnO Nanostructures on Indium Tin Oxide Coated Glass by Direct Electrodeposition", Langmuir, 24(17), 9707 (2008). 

  13. L. E. Greene, M. Law, D. H. Tan, M. Montano, J. Goldberger, G. Somorjai and P. D. Yang, "General route to vertical ZnO nanowire arrays using textured ZnO seeds", NanoLett., 5, 1231 (2005). 

  14. L. Vayssieres, "Growth of Arrayed Nanorods and Nanowires of ZnO from Aqueous Solutions", Adv. Mater., 15, 464 (2003). 

  15. L. E. Greene, M. Law, J. Goldberger, F. Kim, J. C. Johnson, Y. Zhang, R. J. Saykally, P. Yang, "Low-Temperature Wafer-Scale Production of ZnO Nanowire Arrays", Angew. Chem. Int. Ed., 42(26), 3031 (2003). 

  16. A. P. de Moura, R. C. Lima, M. L. Moreira, D. P. Volanti, J. W. M. Espinosa, M. O. Orlandi, P. S. Pizani, J. A. Varela and E. Longo, "ZnO architectures synthesized by a microwave-assisted hydrothermal method and their photoluminescence properties", Solid State Ionics., 181, 775 (2010). 

  17. P. Waltereit, O. Brandt, A. Trampert, H. T. Grahn, J. Menniger, M. Ramsteiner, M. Reiche and K. H. Ploog, "Nitride semiconductors free of electrostatic fields for efficient white light-emitting diodes", Nature, 406, 865 (2000). 

  18. Y. Chen, D. M. Bagnall, H. J. Koh, K. T. Park, K. Hiraga, Z. Zhu and T. Yao, "Plasma assisted molecular beam epitaxy of ZnO on c-plane sapphire: Growth and characterization", J. Appl. Phys., 84, 3912 (1998). 

  19. J. J, Zhu, T. Aaltonen, V. Venkatachalapathy, A. Galeckas and A. Yu. Kuznetsov, "Structural and optical properties of polar and non-polar ZnO films grown by MOVPE", J. Crystal Growth, 310(23), 5020 (2008). 

  20. Y. Kashiwaba, T. Abe, S. Onodera, F. Masuoka, A. Nakagawa, H. Endo, I. Niikura and Y. Kashiwaba, "Comparison of non-polar ZnO films deposited on single crystal ZnO and sapphire substrates", J. Crystal Growth, 298, 477 (2008). 

  21. D. -H. Mun, S. J. Bak, J. -S. Ha, H. -J. Lee, J. K. Lee, S. H. Lee and Y. B. Moon, "Effects of Precursor Concentration on the Properties of ZnO Nanowires Grown on (1-102) R-Plane Sapphire Substrates by Hydrothermal Synthesis", J. Nanosci. Nanotechnol., 14, 5970 (2014). 

  22. S. Baruah and J. Dutta, "Hydrothermal growth of ZnO nanostructures", Sci. Techno. Adv. Mater., 10(1), 013001 (2009). 

  23. D. Andeen, J. H. Kim, F. F. Lange, G. K. L. Goh and S. Tripathy, "Lateral Epitaxial Overgrowth of ZnO in Water at $90^{circle}C$ ", Advanced Funcitonal Materials, 16(6), 799 (2006). 

  24. M. N. R. Ashfold, R. P. Doherty, N. G. Ndifor-Angwafor, D. J. Riley and Y. Sun, "The kinetics of the hydrothermal growth of ZnO nanostructures", Thin Solid Films, 515, 8679 (2007). 

  25. L. Schmidt-Mende, J. L. MacManus-Driscoll, "ZnO - nanostructures, defects, and devices", Mater. Today, 10(5), 40 (2007). 

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