발광소자를 위한 산화아연 나노막대 이종구조

Abstract

산화아연은 청자색 발광소재로 널리 이용되는 질화갈륨과 유사한 결정구조와 직접천이형 밴드갭을 가지고 있어서 차세대 광소재로 주목받고 있다. 특히 산화아연 나노소재는 다양한 기판 상에 높은 결정성을 지니고 성장할 수 있어서 저비용 고효율 광소자 개발의 기본 소재로 이용될 가능성이 있다.산화아연 나노소재를 이용한 광소자를 개발하기 위해서는 소재의 물성을 조절하고 개별 나노소재 기반의 소자들을 집적화하는 과제가 해결되어야 한다. 본 학위논문은 산화아연 나노막대의 물성을 도핑, 얼로잉을 통한 삼원계 화합물 제조, 성장위치가 조절된 이종구조 제조 기술을 이용하여 제어하고 제조된 이종구조들의 광학적 특성을 정량적으로 분석할 뿐 아니라 산화아연 나노막대 이종구조 어레이를 기반으로 한 발광다이오드와 태양전지를 시연하는 것을 내용으로 한다.먼저 산화아연 나노막대의 도핑을 위해 수소 플라즈마 처리와 갈륨 전구체의 흐름을 변조하는 기법을 개발했다. 산화아연 나노막대를 적정한 조건에서 수소 플라즈마 처리할 경우 전기전도도가 향상되는 것을 관찰했으며 광발광분석을 통해 수소가 산화아연 내에 도너로 작용했음을 확인했다. 갈륨 전구체의 흐름을 변조하는 방법은 산화아연 나노소재 도핑시 구조변형, 결함 준위의 증가와 같은 부정적인 효과를 최소화하면서 산화아연 나노막대의 전기적, 광학적 특성을 조절할 수 있는 방법임이 확인되었다. 또한 산화아연을 기반으로 한 광소자 개발에 주된 걸림돌인 p형 산화아연 제조에 대한 연구를 수행하여 산화아연 박막 제조시 인을 첨가할 경우 p형 전기전도특성을 보이는 것을 확인하였다.산화아연 나노막대의 밴드갭을 조절하기 위해 산화아연마그네슘 나노막대를 비촉매유기금속화학기상증착법으로 성장하는 연구를 수행하였다. 성장된 산화아연마그네슘 나노막대는 마그네슘의 함량에 따라 발광 에너지가 200 meV 까지 증가됨을 보여주었다. 또한 산화아연마그네슘 나노막대의 구조적, 광학적 특성을 분석한 결과 산화아연마그네슘을 나노막대 형태로 제조시 박막이나 벌크에 비해 성분분포의 불균일도가 현저히 감소하는 것을 확인하였다.산화아연 나노막대 기반의 광소자 개발을 위해 도핑과 밴드갭 조절 외에도 물성이 조절된 산화아연 나노막대 이종구조를 선택성장하여 소자 집적화의 초석을 닦는 연구를 수행했다. 이를 위해 전자빔 리소그래피와 비촉매유기금속화학기상증착법을 결합하여 산화아연 나노튜브를 원하는 위치에 선택성장하고 성장된 나노튜브에 이종물질을 코팅한 나노막대 혹은 나노튜브 이종구조 어레이를 성장했다. 대표적으로 산화아연 나노튜브에 산화아연마그네슘층과 산화아연층을 교대로 증착하여 동심배열 단일양자우물구조를 제조하여 선택성장된 산화아연 나노튜브의 발광 에너지를 정밀하게 조절할 수 있음을 확인했다.소재의 성장기술을 이용한 물성 조절 연구 외에도 소재의 물성을 정확하게 평가하는 연구 또한 수행되었다. 광소자 개발을 위해 산화아연 나노막대의 물성을 조절하는 연구를 진행한 바 광소재의 중요한 특성인 양자효율을 평가하는 연구를 수행했다. 산화아연의 경우 여기자 결합에너지가 60 meV에 달해서 상온에서의 광학적 특성도 여기자의 영향을 많이 받는다. 따라서 산화아연 나노막대와 나노막대 이종구조에서 여기자 수송 특성을 정량적으로 관찰하고 여기자 수송 특성과 양자효율과의 상관관계를 조사하였다. 나노막대에서의 여기자 수송 특성 관찰을 위해 음극선 발광 분석과 나노막대 양자구조를 결합한 새로운 분석법을 개발했으며 이를 통해 산화아연 나노막대 내에서의 여기자 확산거리를 정확하게 결정할 수 있었다. 산화아연 나노막대와 나노막대 이종구조의 시분해분광특성을 연구하여 여기자 재결합의 동역학을 조사했으며 시분해분광특성분석을 통해 산화아연 나노막대와 나노막대 이종구조간의 양자효율차이를 밝혔다. 이에 더하여 여기자 확산에 관한 공간 정보와 결합해서 산화아연 나노막대와 나노막대 이종구조에서의 양자효율차이를 여기자 확산의 관점에서 설명하였다.산화아연 나노막대의 물성을 조절하고 평가하는 연구를 바탕으로 선택성장된 산화아연 나노튜브에 인이 도핑된 산화아연층을 코팅하여 수직배향된 나노막대 이종구조 어레이를 제조하고 전극을 형성하여 나노막대 이종구조 기반의 발광다이오드와 태양전지 어레이를 개발하여 청색 전계발광과 광전특성을 관찰했다.

ZnO nanomaterials have great potential for highly-efficient and novel photonic device applications due to their high crystallinity, wide and direct band gap, peculiar physical properties such as large exciton binding energy. Semiconductor photonic devices can be realized by tuning structural, electrical, and optical properties of semiconducting materials. In this dissertation, the methods for controlling characteristics of ZnO nanorods are presented, and the physical understanding on the control of the properties are discussed. Finally, some photonic devices such as light-emitting devices and solar cells based on ZnO nanorod heterostructures are demonstrated.The physical properties of ZnO nanorods were controlled by doping, alloying for band gap engineering, and formation of heterostructures. Current-voltage characteristics measurements and transfer characterizations of field-effect transistors based on doped ZnO nanorods exhibited that the electrical conductivity of ZnO nanorods could be precisely controlled without deterioriation such as structural deformation and optical quality degradation. Alloying with MgO in ZnO nanorods made it possible to tune band gap energy of ZnO in the ultraviolet wavelength region. The structural characterizations and the temperature-dependent PL measurements revealed that ternary alloyed MgZnO nanorods had improved homogeneity of elements compared to bulk and thin films counterparts. Additionally, the photoluminescent properties of position-controlled ZnO nanotube arrays were finely tuned by formation of heterostructures along radial direction of ZnO nanotubes.The quantum efficiency of ZnO nanorod heterostructures was quantitatively investigated by study on exciton transport in ZnO nanostructures. The precise and quantitative analysis technique for determination of exciton diffusion length in ZnO nanorods was developed using cathodoluminescence spectroscopy and ZnO nanorod single-quantum-wells. The combination of cathodoluminescence spectroscopy and time-resolved photoluminescence spectroscopy enabled to investigate exciton transport and internal quantum efficiency of ZnO nanorods in the quantitative manner. Through a series of experimental results, it was revealed that ZnO coaxial nanorod heterostructures can give gain of internal quantum efficiency of ZnO nanorods.The demonstration of photonic devices such as light-emitting devices and photovoltaic cells based on position-controlled ZnO nanorod heterostructures is presented. ZnO nanoarchitecture LED arrays were fabricated by position-controlled growth of ZnO nanotubes, doping in ZnO via phosphorous incorporation, and metallization technique for three-dimensional structures. The ZnO nanoarchitecture LED arrays exhibited electroluminescence which can be observed with unaided eyes under dark condition. Additionally, the photovoltaic characteristics of ZnO-based coaxial nanorod p-n junction arrays, ZnO:P/ZnO, were also investigated.