상온 SILAR 공정으로 제조한 깃털형 ZnO 계층 구조의 고성능 UV 광검출기 응용

초록

씨드층이나 금속 촉매 없이 연속 이온층 흡착 반응(SILAR) 공정으로 실리콘 기판 위에 깃털형 산화아연(ZnO) 계층 구조를 직접 성장시켰습니다. 2단계 핵생성-성장 메커니즘을 제안해 독특한 깃털 형태 형성을 설명했습니다. UV-Vis-NIR 분광법, I-V 및 I-t 측정 등 상세한 광학·구조·광전자 특성 분석 결과, 우수한 반사 방지 특성과 뚜렷한 광감도를 확인했습니다. 이 결과는 SILAR로 성장한 깃털형 ZnO가 차세대 광검출기 소자 후보로 유망함을 시사합니다.

배경

산화아연은 넓은 밴드갭(~3.37 eV)과 큰 엑시톤 결합 에너지(~60 meV)로 UV 및 청색 발광 다이오드에 적합합니다. 최근 꽃, 튜브, 덴드라이트, 깃털형 구조 등 3차원(3D) ZnO 구조가 높은 표면적 덕분에 빛 흡수를 증대시키고 광학·전자·촉매 특성을 향상시켜 주목받고 있습니다. 수열법이나 용매열법 같은 기존 합성법은 일반적으로 씨드층이나 금속 촉매, 고온 어닐링이 필요해 공정이 복잡하고 불순물 혼입 위험이 있습니다. 이러한 단계를 배제한 진정한 의미의 확장 가능한 상온 합성법 개발이 핵심 과제로 남아 있습니다.

본 연구에서는 씨드층과 촉매 없이 실온 SILAR 공정으로 Si(100) 위에 깃털형 ZnO를 합성하는 최초의 사례를 보고하며, 성장 메커니즘을 규명하고 이종접합의 광전자 성능을 평가했습니다.

방법

Si(100) 웨이퍼를 에탄올에서 10분 초음파 세척했습니다. 아세트산아연 Zn(CH₃COO)₂을 100 mL 탈이온수에 녹여 0.01 M 용액을 만들고, 수산화암모늄으로 pH ≈ 11로 조절해 투명한 전구체 용액을 제조했습니다. 웨이퍼를 30초 담근 후 탈이온수로 20초 헹구고, 초순수로 20회 세척해 미결합 Zn(OH)₂을 제거했습니다. 90°C 수조에서 1분 처리해 흡착된 이온 복합체를 ZnO로 전환했습니다. 이 SILAR 사이클을 20회 반복했습니다. 결정 구조는 XRD, 형태는 SEM과 TEM, 원소 조성은 EDS로 분석했습니다. 광응답 측정에는 열증착으로 증착한 12 nm 반투명 Cu 전극(5 mm × 5 mm)을 사용했습니다. 이종접합 개요도는 Fig. 4c에 나타냈습니다.

결과 및 고찰

SEM 이미지(Fig. 1a)에서 줄기 길이 300~800 nm, 가지 폭 200~400 nm의 깃털형 형태를 확인했습니다. TEM(Fig. 1c)은 단결정 나노로드 세그먼트가 가지를 형성함을 보여주며 계층적 구조를 입증합니다. EDS(Fig. 1e)는 Zn, O, C, Si로 구성됨을 보여 순수 ZnO 증착을 확인합니다. XRD(Fig. 1f)는 우르츠라이트 ZnO(JCPDS 36-1451)와 일치하며, 강한 (002) 피크로 c-축 우선 배향을 입증합니다.

Si(100)을 Si 나노와이어로 대체하면 깃털형 ZnO가 형성되지 않습니다(Fig. 3), 이는 기판 결정학이 핵생성에 결정적임을 보여줍니다.

성장 메커니즘(Fig. 4)은 기판 상에 Zn(OH)₄²⁻이 초기 흡착된 후 탈수돼 ZnO 핵을 형성하는 것으로 시작합니다. 과량 OH⁻이 {110} 면을 안정화시켜 [100] 방향 급속 성장을 촉진, 나노시트 줄기를 만듭니다. 이 줄기의 결함 풍부한 가장자리가 이종 핵생성 부위가 되어 수직 가지가 자라나 깃털형 구조를 완성합니다.

발광 스펙트럼(Fig. 5a)은 384 nm에서 근밴드 UV 피크와 443 nm에서 약한 녹색 방출을 보이며, 후자는 산소 공공에 기인합니다. 반사율 스펙트럼(Fig. 5b)은 300~400 nm에서 40%에서 10%로 크게 감소해 우수한 반사 방지 특성을 확인합니다.

광다이오드 I-V 특성(Fig. 5d)은 암조건에서 -1 V, -2 V에서 각각 535, 1695의 정류비를 보이며, -2 V에서 광전류/암전류 비 ~90을 달성했습니다. 나노도트 ZnO/Si(Fig. 6a)와 비교 시 깃털형 이종접합은 현저히 향상된 정류비를 보여 캐리어 재결합 감소를 입증합니다. 에너지 밴드 다이어그램(Fig. 6b)은 0.3 eV 전도대 오프셋과 2.54 eV 가전자대 오프셋을 보여 효율적 전하 분리를 시사합니다.

365 nm 조명, 1 V 바이어스에서 깃털형 ZnO/p-Si 소자는 0.10 mA 응답 전류를 보이며, 이는 벌크 Si 대비 90% 향상입니다. 상승 및 하강 시간(Fig. 5c)도 연장되어 계층적 계면에서의 효과적 캐리어 트래핑을 반영합니다. 전반적으로 깃털형 ZnO는 평면 Si 대비 10배 감도 향상을 보입니다.

결론

씨드층·촉매 없는 실온 SILAR 공정으로 깃털형 ZnO 계층 구조 제조에 성공했습니다. 2단계 핵생성-성장 메커니즘으로 형태를 설명했습니다. 결과 이종접합은 뛰어난 반사 방지, 높은 UV 감도, 견고한 광전류를 보여 차세대 광검출기 유력 후보로 자리매김했습니다.