Study on Hetero-integration of Nano/micro-scale Semiconducting Materials onto Foreign Substrates for Effective Light Energy Conversion

Abstract

The hetero-integration of semiconductors onto substrates is an important pathway for efficient and practical light energy conversion devices. Such hetero-integration is desirable because it provides diverse substrates that can be utilized in versatile applications with novel functionalities. In addition to the hetero-integration of semiconductors, structuring of semiconductors is required for effective light-managing properties. From this viewpoint, this study focuses on the hetero-integration of nano/micro-scale semiconductors onto foreign substrates for effective light energy conversion. However, strategies to control the strain energy generated in semiconducting layers, resulting from large lattice mismatches between substrates and semiconductors, are also crucial for successful realization of such hetero-integration. Therefore, we utilize appropriate substrate modification and hetero-integration processes. Among the diverse semiconductors for light energy conversion, we demonstrate the hetero-integration of one-dimensional (1D) cadmium sulfide (CdS) nanoarrays on chemically treated graphite substrates and three-dimensional (3D) gallium nitride (GaN) LED microarrays onto structured Si substrates. First, we discuss the hetero-integration of 1D CdS nanoarrays on graphite substrates for effective charge extraction. Chemical treatment of graphite substrates and the subsequent use of a hydrothermal method for growing 1D CdS lead to intimate interfacial contacts between graphite and CdS, with strain release from the nanorod geometry. The resulting 1D CdS nanoarrays on graphite substrates exhibit an excellent photocatalytic performance with excellent recyclability, based on the improved charge extraction characteristics. In addition, the optical characteristics of 1D CdS nanoarrays on graphite substrates can be significantly enhanced compared to those of the control 1D CdS nanoarrays on conventional fluorine-doped tin oxide (FTO) substrates. This is attributed to the favorable band structure for extracting photogenerated charge carriers and intimate interfacial contacts between graphite and CdS. Second, we discuss the hetero-integration of 3D GaN LED microarrays on structured Si substrates. To reduce the strain energy resulting from lattice and thermal mismatches between Si and GaN, we hetero-epitaxially grow GaN using structured Si substrates. Such hetero-integration leads to 3D multifaceted tetrapod-shaped GaN LED microarray structures. The resulting 3D GaN LEDs not only display improved crystal quality comparable to that of GaN grown on planar sapphire (Al2O3) substrates, but also exhibit excellent light-extraction capabilities from their protruded and faceted structures. In addition, anisotropic growth of the active layers, resulting from different growth rates in each facet of the 3D GaN LED microarrays on structured Si substrates, leads to multi-color broadband light-emitting characteristics with the capability of tunable color emission. In this study, hetero-integration of semiconductors onto foreign substrates is rationally designed, considering light energy conversion properties and a lattice-mismatched system. We demonstrate functionalities of hetero-integrated semiconductors on foreign substrates according to each light energy conversion application.|효율적이고 실용적인 광 에너지 변환 소자를 구현하기 위해 화합물 반도체의 기판으로 이종집적이 필요하다. 이러한 이종집적은 다재다능한 응용분야에 활용 가능하며, 새로운 기능성을 가져올 수 있는 다양한 기판을 사용하여 이루어지는 것이 바람직하다. 하지만, 화합물 반도체의 다양한 기판을 사용한 이종집적 뿐만 아니라 광 에너지 변환 효율을 높이는데 유리한 형상으로의 구조화도 요구된다. 따라서 우리는 광 에너지 변환 효율을 높이는데 유리한 나노/마이크로 스케일의 구조를 갖는 화합물 반도체를 기존에 주로 사용하는 기판과 다른 기판으로 이종집적과 함께 격자 상수 차이에 의한 변형 에너지 저감을 위한 연구를 수행한다. 이러한 목적을 달성하기 위해 우리는 적절한 기판 표면 개선 및 이종집적 전략을 사용한다. 다양한 광 에너지 변환 화합물 반도체 소재 중, 본 연구를 통해 화학적으로 처리된 그래파이트 기판에 이종집적된 1차원 나노구조를 갖는 황화카드뮴과 구조화된 실리콘 기판으로 이종집적되어 우수한 품질 및 광학성능을 갖는 3차원 마이크로구조 기반 질화갈륨에 대한 소자 제작 및 특성 분석 연구를 수행한다. 첫 번째로 제작한 이종집적 기반 광 에너지 변환 소자는 그래파이트 기판 상으로 집적된 1차원 황화카드뮴 나노구조이다. 1차원 나노구조를 갖는 황화카드뮴은 광 흡수 능력을 크게 증가시킬 수 있는 한편, 황화카드뮴과 결합된 그래파이트 기판은 황화카드뮴에서 생성된 전자를 효과적으로 추출하여 광촉매 및 광전기화학 반응 효율을 크게 높일 수 있다. 그래파이트 기판의 화학적 처리 및 수열합성 방식을 통해 변형 에너지 저감에 유리한 1차원 나노구조로의 성장을 유도했을 뿐만 아니라 단단한 계면 접촉을 가질 수 있도록 했다. 그 결과로 제작된 소자는 그래파이트 기판의 향상된 전자 추출을 바탕으로 우수한 광 부식 저항성을 가지며, 반복된 광촉매 반응 실험에도 성능이 유지되는 장점을 가지고 있다. 또한, 향상된 전자 추출 성능과 함께 그래파이트 기판의 고전도성 및 유연성을 기반으로 기존 기판에 집적된 1차원 나노구조 황화카드뮴 대비 광전기화학 성능이 크게 증가될 수 있다. 두번째로 제작한 이종집적 기반 광 에너지 변환 소자는 다면화된 실리콘 기판 상으로 집적된 3차원 마이크로구조 질화갈륨 발광다이오드이다. 실리콘과 질화갈륨 사이의 고유 특성 차이로 인해 발생하는 변형 에너지를 줄이기 위해서 실리콘 기판을 마이크로 스케일로 구조화했고, 구조화된 기판으로 질화갈륨 발광다이오드 구성층 증착을 통해 3차원 다면구조화된 테트라포드 형상의 질화갈륨 소자를 구현하였다. 제작된 3차원 질화갈륨 소자는 마이크로 구조의 구조적 특징으로 집적 과정에서 발생하는 변형 에너지 저감을 통해 향상된 품질의 질화갈륨을 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 광 추출에 유리한 3차원 질화갈륨 형상을 가지고 있다. 또한, 3차원 질화갈륨 소자내에 다양화되어 형성된 발광층은 다양한 파장의 빛을 방출하는 효과를 구현할 수 있다. 이 연구를 통해, 기존과 다른 기판을 기반으로 나노, 마이크로 스케일의 구조를 갖는 광 에너지 변환 화합물 반도체 소재의 성공적 이종집적 구현 공정 개발 연구를 수행하였으며, 이를 통해 얻을 수 있는 광 에너지 변환 소자의 새로운 기능성에 대해 제안한다.

이력 및 연구 실적

이력

1991년 12월 대전광역시 출생 2010년 02월 대전광역시 대전중앙고등학교 졸업 2016년 08월 한양대학교 공과대학 기계공학부 졸업 (공학사) 2019년 08월 한양대학교 공과대학 융합기계공학과 석박사통합과정 수료

연구 실적

(1) 전문 학술지 1. Youngshik Cho, Min Soo Jeon, Hanmin Jang, Heung Soo Lee, Dong Rip Kim, “High Quality GaN Tetrapodal Structures Hetero-Integrated on 3D Si Surfaces”, Applied Surface Science 565 (2021) 150584

2. Youngshik Cho, Min Soo Jeon, Hyewon Cho, Dong Rip Kim, “Hetero-integration of CdS nanorod arrays on graphite substrates to guide electron pathways for effective photocatalytic and photoelectrochemical activity”, (Will be submitted)

(2) 학술회의 1. Youngshik Cho, Dong Rip Kim, "Three-Dimensional GaN LED for Efficient Light Energy Conversion”, HYU – HIT International Workshop for Graduate Students, 2019, Harbin, China

2. Youngshik Cho, Min Soo Jeon, Hanmin Jang, Heung Soo Lee, Dong Rip Kim, “A New Approach to Fabricate Three-Dimensional GaN LEDs for Effective Light Energy Conversion”, 2019 MRS Fall Meeting, Boston, Massachusettes, USA

3. 조영식, 전민수, 김동립, “실리콘 마이크로구조를 이용한 3차원 GaN LED 제작”, 대한기계학회 2018년도 학술대회, 강원도, 대한민국

4. 조영식, 전민수, 조혜원, 김동립, “황화카드뮴 나노소자의 이종집적을 위한 공정 연구”, 대한기계학회 마이크로/나노공학부문 2021년 춘계학술대회, 부산광역시, 대한민국

5. 조영식, 전민수, 김동립, “텍스처링된 Si 기판으로 GaN의 성장 및 응용”, 대한기계학회 2021년 학술대회, 광주광역시, 대한민국

(3) 지적재산권 ▶ 국내특허등록 1. "지지체의 표면에 나노구조를 형성하는 방법", 등록번호: 10-2157277, (2020)

▶ 국내특허출원 1. "PN 접합을 갖는 3차원 마이크로 구조체 기반 압전소자", 출원번호: 10-2021-0075668, (2021)

수행 과제 1. "나노/마이크로구조체를 활용한 고성능 GaN-on-Si 발광다이오드 개발", 2016.03 ~ 2018.6, (재)한국연구재단

2. "Tray 코팅 내구성 향상 및 수명예측 기술 개발", 2016.07 ~ 2017.7, 엘지전자(주)

3. "지능형 바이오 시스템 구축을 위한 효율적인 나노구조체 개발", 2016.09 ~ 2019.12, (재)한국연구재단

4. "고성능 Flexible LED 구현을 위한 3차원 선택적 이종집적 및 전사기술 개발", 2018.03 ~ 2021.2, (재)한국연구재단

5. "식기세척기 사용에 따른 프라이팬 코팅 영향 분석", 2018.12 ~ 2019.10, 엘지전자(주)

6. “Self-powered 웨어러블 디바이스를 위한 Ultra-soft 유연기판에 집적화된 고성능 GaN 마이크로구조체 압전소자 개발”, 2021.03 ~ 2022.8, (재)한국연구재단