Growth, modulation and photoresponse characteristics of vertically aligned ZnO nanowires

연구 배경

ZnO는 넓은 밴드갭(3.4 eV)과 큰 엑시톤 결합 에너지(60 meV)를 가져 나노와이어 형태로 센서와 광전자 소자에 연구되고 있으며, 소자 성능은 나노와이어의 품질, 종횡비, 정렬, 밀도에 크게 좌우됩니다. ZnO와 격자 불일치가 작은 ScAlMgO4와 사파이어 기판은 비싸고 Si 기반 소자 공정과 호환되지 않으며, Si 기판에서는 큰 격자 불일치로 나노와이어 품질이 떨어집니다. MOCVD로 성장한 나노와이어를 패터닝하는 것도 어려운데, 기존 희생층은 고온 안정성이 낮거나 유해한 식각액이 필요하기 때문입니다.

설계와 접근

같은 MOCVD 성장 조건에서 세 가지 기판 변형을 비교했습니다. RF 반응성 마그네트론 스퍼터링으로 증착한 두께 500 nm의 질화알루미늄(AlN) 막을 중간층으로 사용했습니다. 고온 안정성과 탈이온수(DI water) 용해성을 이유로 선택한 불화바륨(BaF2) 막은 열증착 후 리프트오프로 두께 850 nm의 패턴을 만들었고, 그 위에 630 °C에서 나노와이어를 성장시킨 뒤 BaF2를 탈이온수에 녹여 불필요한 나노와이어를 함께 제거했습니다. 세 번째 방법에서는 두께 200 nm의 질화실리콘 마스크를 통해 80 °C 수산화칼륨(KOH) 용액으로 Si에 V자형 미세공동을 식각해, 중간층이나 희생층 없이 한 번의 성장으로 공동 안과 밖의 나노와이어를 함께 얻었습니다.

평가 방법

막과 나노와이어는 전계방출 주사전자현미경(FESEM), X선 회절(XRD), 푸리에 변환 적외선(FTIR) 분광, 원자힘현미경(AFM), 고분해능 투과전자현미경(HRTEM)으로 분석했습니다. 공동 바깥과 안에서 성장한 나노와이어 위에 스퍼터링한 Au/Ti 전극(전극 간격 1 mm, 감광 면적 0.3 mm²)으로 UV 검출기를 만들고, 352 nm UV 조사 하에서 3 V의 시간 분해 전류를 측정했습니다.

연구 내용과 주요 결과

스퍼터링한 AlN 막은 36.1° 부근의 XRD 피크로 (0002) 배향을 보였고, Al–N 결합에 해당하는 682 cm⁻¹의 FTIR 흡수 피크, 약 50 nm의 평균 결정립 크기, 2 nm의 제곱평균제곱근(RMS) 거칠기를 나타냈습니다. AlN/Si 위의 나노와이어는 길이 3~4 μm, 폭 80 nm로 같은 조건의 Si 기판보다 종횡비가 컸으며, 저자들은 이를 AlN 막의 낮은 격자 불일치와 압축 응력으로 해석했습니다.

BaF2 막은 RMS 거칠기 21 nm의 다결정이었고, 기포 발생 없이 약 50 nm/min의 속도로 탈이온수에 녹았습니다. 성장 후 패턴화된 BaF2를 제거하자 나노와이어 배열에 지름 3 μm의 원형 패턴과 사각형 패턴이 남았습니다.

KOH 식각으로 측벽이 표면과 54.7°를 이루는 V자형 트렌치가 만들어졌습니다. 공동 바깥의 나노와이어는 종횡비 약 10, 수밀도 약 10⁷ per mm²였고, 공동 안쪽 경사면에서는 종횡비 20, 밀도 5 × 10⁷ per mm²였습니다. 공동 안의 나노와이어가 더 가늘었는데, 저자들은 공동 안에서 기체 종이 정체되고 새로운 전구체 공급이 부족한 것과 관련지었습니다. XRD와 HRTEM 분석에서는 면간 거리 0.52 nm의 c축 방향 단결정 성장이 확인되었고 뚜렷한 결함은 관찰되지 않았습니다.

광전류/암전류 비는 공동 바깥 검출기에서 1.8, 공동 안 검출기에서 6이었고, UV를 끈 뒤의 감쇠 시간은 각각 약 100초와 약 5초였으며, 여러 차례의 온/오프 반복에서도 비슷한 결과를 보였습니다. 저자들은 높은 온/오프 비를 공동 안 나노와이어의 큰 표면적 대 부피 비로, 빠른 감쇠를 나노와이어 표면의 산소 흡착에 따른 빠른 재결합으로 해석했으며, 흡착 산소는 표면 공핍층을 형성합니다.

남은 과제

저자들은 AlN과 BaF2를 이용한 방법이 미세공동 방법보다 공정이 복잡하다고 밝혔으며, 나노와이어 표면 기능화와 표면적 대 부피 비 증가로 광응답 특성을 더 개선할 수 있다고 제시했습니다.

다른 연구와의 연결

J.P. Kar, J.M. Myoung 등 연구진의 이전 논문은 실리콘 마이크로채널을 이용해 ZnO 나노와이어 UV 검출기를 제작했으며, 초록에 따르면 이미 공동 윗면과 바닥 쪽 나노와이어를 비교해 이 논문과 같은 종횡비(약 10과 20)와 수밀도(약 10⁷과 5 × 10⁷ per mm²), 바닥 쪽 나노와이어의 더 나은 UV 응답을 보고했습니다. 이 연구는 이 미세공동 비교를 나노와이어 성장과 패터닝을 따로 제어하는 AlN 층, BaF2 층과 함께 보고했습니다.