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전기전자 전자 현미경 이용해 반도체 pn 접합의 계면 전기장 관찰 성공
2015.09.27 19:47
전자 현미경 이용해 반도체 pn 접합의 계면 전기장 관찰 성공http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2015060254&service_code=03 |
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| KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-06-18 | |
| <연구 배경> 전자 현미경은 빛 (가시 광선)보다 훨씬 파장이 짧은 전자를 이용하여 광학 현미경으로는 볼 수 없는 미세한 구조를 확대하여 관찰하는 장치이다. 이 가운데 주사형 투과 전자 현미경(STEM) ( 그림 1 )은 얇은 시료에 전자를 주사하면서 투과되는 산란 전자를 검출기로 검출하여 확대 관찰하는 현미경이다. 이 전자 현미경은 현재 원자 한 개 한 개를 직접 관찰할 수 있는 수준까지 개발되었다. 그러나 원자가 모인 경우 퍼져있는 "전기장"을 직접 관찰하는 것은 매우 어려웠다. 이 전기장은 재료에서 전자 흐름에 큰 영향을 미치므로 그 제어는 반도체 디바이스 및 발광 장치의 개발에 매우 중요하다. 즉, 향후 새로운 고성능 장치 · 재료를 개발해 나갈 위해 실제 장치 내부에 어떤 전기장 분포가 있는지를 고해상도로 관찰하는 현미경 기술의 개발이 필요하다. <연구 내용> 이번 시바타 교수는, 신개발의 분할형 검출기를 이용한 STEM ( 그림 2 )으로 반도체 pn 접합의 내부 전기장 관찰에 세계 최초로 성공했다 ( 그림 3 ). 또한 그 형상 대비를 정량적으로 평가하고 시뮬레이션 계산과 융합함으로써 그 전기장 강도의 정량적 검출에도 성공했다. 본 관찰에서는 나노 수준에 맞춘 전자선이 pn 접합 계면에 형성된 국소 전기장에 의해 다소 편향되는 현상을 이용하고 있으며, 분할 검출기에 의해 그 모퉁이를 감지하여 pn 접합 계면의 위치를 나노 스케일로 정확하게 결정하는 것을 사용한다. 이 기술은 미분 위상 콘트라스트 (DPC) 법으로 ( 그림 3 ) 향후 재료의 전자기장 관찰에 널리 응용할 수 있다. 또한 pn 접합에서의 전기장 강도가 직접 시각화될 수 있어 pn 접합 계면에서 전자와 정공이 어떻게 행동하는지 예측하거나 pn 접합 계면이 실제로 형성되어 있는지 확인하기 위해 필수적인 기술이 될 것으로 전망된다. <향후 계획> 최근 태양 전지, 발광 장치, 트랜지스터 등의 연구 개발에 있어서 재료의 미세 구조를 적극적으로 제어하여 특성을 향상시키는 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 특히 전류를 제어하고 빛 에너지와 전기 에너지를 상호 변환할 수 있는 pn 접합 계면 제어는 에너지의 고효율에 있어서 매우 중요하다. 본 연구 성과에 의해 정확한 pn 접합 계면 제어할 수 있는지를 직접 평가하는 것이 가능하게 되면, 보다 효율적인 트랜지스터의 개발과 고효율 광전 변환 소자의 개발을 강력하게 전진시킬 수 있을 것을 기대할 수 있다. 또한 현미경에 의한 전기장 직접 관측 기술은 물리 화학, 생명 과학, 전자 정보 공학, 재료 과학 등 첨단 기초 연구 분야와 반도체 표면 처리 기술, 고분자 재료, 바이오 재료, 에너지 산업 등 다양한 같은 산업 분야에서도 활용할 수 있는 가능성이 있어 연구 개발 수준과 연구 개발 효율을 크게 향상시킬 것으로 기대된다. (그림 1) 일반적인 주사형 투과 전자 현미경 (STEM)과 개요 (그림 2) 연구에 이용한 STEM에 의한 전기장 측정의 모식도 (그림 3) 연구에서 얻어진 반도체 pn 접합의 전기장 상 (미분 위상 콘트라스트) <용어 설명> 주 1) 분할형 검출기 STEM 검출기의 일종으로, 시료로부터 투과 산란된 전자선을 검출하는 검출기. 이때 검출면을 여러 검출 영역으로 분할하여 전자선의 미세한 궤도 변화를 포착할 수 있다. 주 2) 반도체 pn 접합 반도체의 p 형 영역과 n 형 영역의 계면. pn 접합 계면에 전위차가 발생하고 그 전위차에 따른 내부 전기장이 전자나 정공의 운동에 영향을 미친다. 다이오드, 트랜지스터, LED, 태양 전지 등의 기본 구조로 널리 응용되고 있다. 주 3) 주사형 투과 전자 현미경 (STEM) 가늘고 융합시킨 전자선을 시료에 주사하여 시료에 의해 투과 산란된 전자선의 강도로 시료 중의 구조를 직접 관찰하는 장치. 현재 원자의 직접 관찰도 가능하다. 전자 현미경은 광학 현미경의 선원 (가시 광선)에 의한 원리적 분해능 (약 1μm)의 한계를 전자의 파동의 성질을 이용하여 돌파한 관찰 장치이며, 양자 역학의 혜택을 가장 직접적 형태로 응용 전개한 관찰 기술이다.
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자료를 가져가실 때에는 출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』을 밝혀 주시기 바랍니다.
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