Nanostructuring Approach for Novel Semiconducting Materials Using Atomic and Molecular Layer Deposition

Abstract

본 연구의 목적은 상이한 성질의 물질을 나노 수준에서 조합하여 새로운 나노복합구조를 형성하고 단일 재료를 능가하는 우수한 반도체 소재를 개발하는 것이다. 원자층 및 분자층 증착법은 분자 수준에서 박막 두께와 조성이 조절되며, 박막 품질, 균일도 및 컨포멀성이 우수하므로 기존의 액상 공정을 대체하여 나노복합구조 제조에 적합하다. 구체적인 사례로, 유기나노층과 무기나노층이 번갈아 적층된 초격자 소재를 분자층 및 원자층증착법으로 제조하여 전기적 물성과 안정성 향상을 관찰하였고, 초격자 구조에 기반한 성능 향상 원리를 설명하였다. 다른 예시로, 양자점 어레이를 비정질 매트릭스로 채운 구조의 상 복합물을 개량된 원자층증착법을 이용하여 제작하였으며, 비정질-양자점 파동함수 혼성에 기인한 우수한 전하전도경로를 설명하였다. 마지막으로, 양자화된 전도상태를 구현 가능한 상 복합물 나노층을 제작하였고, 이를 여러 번 적층하여 순차적으로 활성화되는 새로운 원리의 다진법 트랜지스터 채널 소재를 개발하였다. 원자층 및 분자층증착법 기반의 나노복합구조를 이용한 반도체 소재는 지금까지 없었던 인공 반도체 물질을 형성하는 적절한 방법이 될 것이다.|The objective of the thesis is to develop new semiconductor materials by constructing a nanostructure that synergistically combines some characteristic classes of materials. Atomic layer deposition (ALD) and molecular layer deposition (MLD) were introduced as the most suitable fabrication method due to precise control of thickness and composition at the molecular level, superior thin film quality, uniformity, and mutual compatibility. For example, a semiconducting organic-inorganic hybrid superlattice comprised of 4-mercaptophenol organic monolayers and ZnO inorganic nanolayers was produced by using MLD/ALD. The organic and inorganic components of this superlattice structure exhibited synergistic effects, such as multichannel high-mobility charge transport and mutual stabilization. Next, a phase composite consisting of a ZnO amorphous matrix embedded in a randomly close-packed ZnO nanocrystal array was formed autonomously during a modified ALD and exhibited superior electrical properties compared to the polycrystalline and amorphous ZnO. The amorphous matrix allows a significant wavefunction overlap with the ZnO nanocrystals, leading to an efficient charge transport pathway that is tolerant to size disorder in nanocrystals. The formation of nanostructures using atomic and molecular layer deposition will pave the way for creating artificial semiconductor materials that have never existed before.