일차원 나노구조를 갖는 질화알루미늄의 합성 및 전계방출 특성평가

Abstract

최근 CNT의 발견 이후 GaN, InN, AlN 을 포함하는 3족 질화물 반도체의 일차원 나노 구조에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이 중 질화알루미늄(AlN)은 넓은 direct bandgap(6.2 eV)을 갖고 있는 절연물질로서, 높은 열전도도 및 우수한 고온특성을 갖고 있어 고온 구조재료 및 반도체 패키징 소자 등으로 활용이 가능한 물질이다. 또한 직접천이형 반도성 재료로써 GaN, InN 등과 솔리드 솔루션을 이루어 광학소자로서 우수한 특성을 갖고 있어 이에 대해 많은 연구가 진행되고 있다. 최근에는 질화알루미늄의 낮은 일함수에 기인하여 Field Emitter로서 적용하고자 하는 연구가 많이 진행되고 있다. 질화알루미늄 Field emitter로 사용하기 위해서는 높은 종횡비를 갖는 나노구조체를 합성하여야 하는데, V-S 성장기구로 합성되는 일차원 나노구조체의 경우는 아직 정확한 메카니즘이 밝혀지지 않아 크기의 컨트롤이 어렵다는 단점이 있다. 본 연구는 반응성이 높은 HCl gas를 이용한 HVPE(Halide vapor phase epitaxy) 방법을 이용하여 높은 종횡비를 갖는 고순도 AlN을 합성하였으며, V-S 성장기구를 이용하여, 나노구조체의 직경을 제어하는 실험을 수행하였다. V-S 성장기구는 촉매를 이용하는 V-L-S 성장기구에 비해 공정이 간단해지며, 에칭(Etching) 과정에서의 오염에 자유로워지게 된다. 본 실험은 촉매를 사용하지 않는 V-S 성장기구를 통해 질화알루미늄 나노구조체의 직경을 제어하는 실험을 수행하였으며, 20nm의 직경을 갖는 높은 종횡비의 질화알루미늄을 합성하였다. 합성된 질화알루미늄은 5.6eV의 turn-on field, 2092의 Field enhancement factor의 특성을 나타내었다.; Interestin low-dimensional systems, such as zero- and one-dimensional nanostructures,has been stimulated by a desire to tune the fundamental optical and electronic properties of materials through rational control of their physical size. To realize the potential impact of these materials in nanoscale chemistry and physics, from both fundamental and applied viewpoints, demands materials of well-defined size, structure, and composition. In case of one-dimensional nanostructures, many studies have reported how to control of the diameter size in the liquid phase catalytic process (V-L-S growth mechanism). But one-dimensional nanostructures, which are grown using non-catalytic process, have been relatively unexplored, due to the synthetic challenge of producing high-quality materials of controlled size. The significance of the non-catalytically grown one-dimensional nanostructures originates from their sharp morphology and from well-aligned uniform arrays by which on can use them in a multitude of future electronic device applications. Aluminum nitride (AlN), as well as GaN, BN, and InN, which are a group of ⅢⅤwide band-gap semiconductor materials, has potential applications in high-power/high-frequency electronics, acousto-optical devices, and piezoelectric devices. With a low value of electron affinity ranging from negative to nearly zero, high chemical and thermal stability, AlN should be a good candidate for field emission applications. One-dimensional single-crystalline AlN nanostructures, which have a tip size of <20nm, were synthesized by the HVPE (Halide Vapor-Phase Epitaxy) system. The tip size and shape depend on the HCl flow rate. As the HCl flow rate increases, the tip size of the AlN nanostructure decreases. The AlN nanostructureswere grown along the c-axis and preferentially oriented with their growth direction perpendicular to the substrate. The morphology and crystallinity of AlN nanorods were characterized by SEM and XRD. The chemical composition was analyzed by energy-dispersive x-ray spectroscopy in SEM. The field emission measurements show that the turn-on field and field enhancement factor (β) are 5.6 V/μm at a field emission current density (J) of 10 μA/㎠ and 2092, respectively.