KR101216124B1 - 반도체 장치 및 나노튜브 접촉부 이용 방법 - Google Patents

반도체 장치 및 나노튜브 접촉부 이용 방법 Download PDF

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Abstract

반도체 장치는 적어도 하나의 반도체층, 상기 반도체층과 전기 접촉하는 금속층, 상기 금속층과 상기 반도체층 사이에 개재된 탄소 나노튜브 접촉층을 포함한다. 접촉층은 금속층을 상기 반도체층에 전기적으로 접속하고, 낮은 비접촉저항을 갖는 반도체 접촉을 제공한다. 접촉층은 가시광 범위의 적어도 일 부분에 있어서 실질적으로 광투과층일 수 있다.
탄소 나노튜브, 다공성 막, 옴 접촉, 반도체 장치, 페르미 준위

Description

반도체 장치 및 나노튜브 접촉부 이용 방법{SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD USING NANOTUBE CONTACTS}
본 발명은 1 이상의 반도체층에 대한 접촉저항을 감소시키는 나노튜브 접촉층을 포함하는 전자 및 광전자(photoelectronic) 반도체 장치에 관한 것이다.
다른 물질들 사이의 접합점에서의 전자 이송은 각 물질 사이의 밴드 구조 정렬 및 상대적인 화학 포텐셜에 의해 지배된다. 밴드들 사이에 오 정렬이 생기면 전자 전위 장벽들이 생기는데, 캐리어 이송을 행하기 위해 이것이 극복되어야 한다. 더욱이, 위의 물질들이 접촉하는 경우 화학적 포텐셜의 평형이 생기므로 그 결과 공간 전하 층이 형성된다. 이 공간 전하 층은 자유 캐리어를 고갈시키므로 이송에 대한 장벽을 증대시키고, 전체적으로 장치의 성능을 열화시킨다.
장치를 적합하게 동작시키기 위해서는 일반적으로 n형 및 p형 반도체의 양자에 대해 저 저항 옴 접촉(Ohmic contacts)이 필요하다. 접촉저항이 높으면 접촉부에서의 전압 강하가 현저해지고, 스위칭 속도와 전압 진폭과 같은 교류 및 직류의 각각의 성능 저하를 일으킬 수 있다. 또한, 접촉저항이 높으면 이에 관련된 저항 가열에 의해 신뢰성이 열화될 수 있다.
일부의 용도에 있어서 전기 접촉부는 또한 광투과성이 있어야 한다. 예를 들면, GaN 발광 다이오드 및 레이저 다이오드에는 일반적으로 저 저항 투과성 p 옴 접촉부가 필요하다. GaN 레이저 다이오드들의 수명 제한 요인 중 하나는 p 옴 접촉이다. 달성가능한 비접촉저항(specific contact resistances; rc)이 비교적 높으므로, 전류가 p-n 접합부를 통해 흐를 때 금속화가 활발하여져서 GaN층에서 관통 전위(threading dislocation)의 아래로 금속 이동을 유발하여 결과적으로 상기 접합부의 단락을 일으킬 수 있다. p-GaN의 접촉부의 높은 rc 값에 영향을 미치는 요인들은 다음과 같다.
(i) 충분히 높은 일함수를 갖는 금속이 아닌 것. GaN의 밴드갭(bandgap)이 3.4 eV이고, 전자 친화도(elctron affinity)가 4.1 eV이지만, 금속 일함수는 일반적으로 =5 eV이다.
(ⅱ) Mg 수용체의 깊은 이온화 레벨이 약 170 meV이므로 p-GaN 홀 농도가 낮은 것.
(ⅲ) 처리중에 GaN 표면으로부터 질소가 손실되기 쉬운 경향이 있고, 따라서 n형 도전성이 표면에서 발생할 가능성이 있는 것.
GaN 발광 다이오드 구조의 접촉 야금술의 요망되는 추가의 특성은 LED의 상면으로부터 출력되는 출력광을 최대로 하기 위해 가시광에 대해 높은 투과성을 가지는 것이다.
전기적 접촉을 개선하기 위한 연구에서 다양한 금속화가 개시되어 있다. GaN 계 LED들을 참조하면, 표준 Ni/Au, Ni, Au, Pd, Pd/Au, Pt/Au, Au/Mg/Au, Au/C/Ni, Ni/Cr/Au 및 Pd/Pt/Au가 개시되어 있다. 통상적으로 접촉부에서 Ni, Pd 또는 Pt 금속은 P-GaN과 직접 접촉하고, 400 - 750℃에서 그 구조를 어닐링한다. 온도가 더 높아지면 접촉 형태에 심각한 열화가 관찰되는데, 이것은 통상 금속 갈라이드(gallide)의 형성에 기인된다.
인듐-주석-산화물(ITO)는 GaN 교류 박막 전자발광 장치에서 투명 하위 전극으로서 사용되고, 접촉저항을 저하시키기 위해 p-GaN상의 투명 Ni/Au 접촉부 상에서 피복층(overlayer)으로서 사용된다. 일반적으로 ITO 접촉부는 어닐링 이후에도 단독으로 p-GaN 상에서 정류 거동을 나타내며, 더 일반적으로는 n-GaN 상에서 옴 투명층으로서 사용된다.
반도체 장치는 적어도 하나의 반도체층, 상기 반도체층과 전기적으로 접촉하는 금속층, 상기 금속층과 상기 반도체층 사이에 개재된 탄소 나노튜브를 포함하는 접촉층을 포함한다. 나노튜브 접촉층은 금속층을 반도체층에 전기적으로 접속시켜 준다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 나노튜브 접촉층은 기본적으로 단일벽 나노튜브(single wall nanotubes; SWNT)로 이루어진다. 접촉층은 가시광 범위의 적어도 일부에서 실질적으로 광투과층일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 적어도 하나의 반도체층은 p-GaN 또는 n-GaN층을 포함하는 제1의 GaN층을 포함하고, 이 제1의 GaN층은 반도체층을 포함하는 제2의 GaN과 p-n 접합을 형성하여 GaN LED를 형성하고, 여기서 나노튜브 접촉층은 금속층과 p-GaN층 사이에 접촉부를 제공한다. 이 실시예에 있어서, p-GaN층에 대한 금속층의 25 ℃에서의 비접촉저항(rc)은 2.0 × 10-2 Ωcm2 미만일 수 있다.
나노튜브 접촉층은 적어도 하나의 전하 이동 도핑 종(species)을 포함할 수 있으며, 전하 이동 도핑 종은 나노튜브 접촉층과, 접촉될 반도체층 사이의 페르미 준위(Fremi level) 차이를 감소시킨다. 도핑 종은 할로겐 또는 알칼리 금속일 수 있다. 나노튜브 접촉층의 면저항(sheet resistence)은 100 nm의 두께에서 200 옴/sq 미만이 될 수 있다.
반도체층에 대해 저 저항 나노튜브에 기초한 접촉부를 형성하는 방법은, 반도체층을 제공하는 단계, 이 반도체층 상에 나노튜브 접촉층을 증착 또는 배치하는 단계, 및 나노튜브 접촉층 상에 금속층을 증착하는 단계를 포함한다. 200℃ 미만의 온도에서 금속층의 증착 후에 반도체층과 금속층 사이에 옴 접촉부가 형성될 수 있으므로 옴 접촉부를 형성하기 위한 어닐링 단계는 불필요하다. 본 방법은 적어도 하나의 전하 이동 도핑 종 층을 이용하여 나노튜브 접촉층을 화학적으로 도핑 하는 단계를 포함할 수 있다. 나노튜브 접촉층은 기본적으로 단일벽 카본 나노튜브(SWNT)로 구성될 수 있다 .
나노튜브 접촉층은 나노튜브 접촉층의 증착 단계의 이전에 다공성 막 지지층 상에 증착될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 나노튜브를 상기 막의 표면 상에 가압부착하여 막의 상면에 나노튜브 접촉층을 형성하는 것이 가능하다. 접촉층 증착 단계는 반도체층과 접촉하는 상태로 나노튜브 접촉층을 배치하는 단계, 이어서 다공성 막 지지층을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명 및 그 특징과 이점들은 첨부 도면과 함께 이하의 상세한 설명을 검토함으로써 더 깊이 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속층과 p-GaN층 사이에 배치된 탄소 나노튜브 접촉층을 포함하는 GaN LED구조의 개략도이다.
도 2는 p-GaN층에의 접촉을 위해 나노튜브 접촉층의 상면에 여러 가지 금속을 갖는 탄소 나노튜브 접촉층을 포함하는 본 발명에 따른 일례의 LED의 접합전류-전압(I-V) 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3은 N2에서 고온(700 ℃)에서의 어닐링 후 및 어닐링을 하지 않은 상태 모두에서 본 발명에 따른 탄소 나노튜브, 탄소 나노튜브 (CNT)/P-GaN 및 종래의 Ni/Au/P-GaN 접촉부에 대한 전송선로법(transmission line method; TLM) 측정을 이용하여 얻어진 비접촉저항(rc) 데이터를 나타내는 도면이다.
도 4는 434 nm에서 최대가 되는 강한 전자발광(청색광)을 나타내는 탄소 나노튜브 접촉층을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 GaN LED의 완성품의 발광 응답을 나타내는 그래프이다.
탄소 나노튜브는 최근 그 독특한 전자적 특성 및 열기계적 특성으로 인해 주목을 받아오고 있다. 그 (n, m) 지수에 의해 명시되는 특정의 결정구조에 따라 단일 나노튜브는 금속의 특성 또는 반도체의 특성을 가질 수 있다. 현재 시판되고 있는 벌크(bulk) 단일벽 나노튜브(SWNT) 샘플은 금속성 나노튜브(통상 1/3 중량부) 및 반도체성 나노튜브(통상 1/2 중량부)로 된 분자적으로 친밀한 혼합물이다. 나노튜브에 관한 최근의 연구는 각종 응용을 위해 반도체성 나노튜브로부터 금속성 나노튜브를 분리시키는데 집중되고 있으며, 혼합물의 분자 친밀성에 따라 특히 곤란한 작업이 되고 있다.
다중벽 나노튜브(multi-walled nanotubes; NWANT)를 살펴보면, MWNT 내의 각 셸(shell)은 금속성 또는 반도체성을 가진다. 반도체성 셸의 직경이 증가함에 따라 밴드갭은 감소한다. 1.4 nm 직경의 반도체성 나노튜브의 밴드갭은 약 0.6 eV이다. 10 nm 셸의 밴드갭은 0.08 eV이고, 이는 실온에서 열 여기 에너지(0.040 eV)에 가깝다.
전자장치와 관련하여 동적 반도체성 나노튜브 층을 이용하여 나노스케일의 장치를 제작하는데 상당한 노력이 집중되고 있다. 예를 들어, 와타나베 등의 "Transistor that uses carbon nanotube ring"라는 제목의 미국특허 제6,590,231호는 MOSFET들의 채널 영역에서의 나노튜브의 이용을 개시하고 있다.
와타나베 등의 특허와는 달리 본 명세서에 개시된 발명은 금속 전극과, 반도체 물질을 포함하는 활성층 사이의 전하의 이동을 개선하기 위해 접촉영역에 나노튜브를 사용한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치는 적어도 하나의 반도체층, 상기 반도체층과 전기 접촉하는 금속층, 및 금속층과 반도체층 사이에 개재된 탄소 나노튜브 접촉층을 포함한다. 접촉층은 금속층을 반도체층에 전기적으로 접속하고, 낮은 비접촉저항(specific contact resistance)을 갖는 반도체를 제공한다. 장치를 구성하는 반도체는 별개의 장치(예를 들어 다이오드 또는 트랜지스터) 또는 마이크로프로세서나 메모리 장치 등의 집적 장치의 일부일 수 있다. 장치는 전자장치 또는 광 전자장치일 수 있으며, 하나 이상의 MEMS 장치를 이용하여 구현되는 바와 같이 칩 상의 기계적 부품을 포함할 수 있다.
전술한 전자기기에 나노튜브를 적용하기 위해 금속성 나노튜브로부터 반도체성 나노튜브를 분리하는 대신, 본 발명자들은 친밀하게 혼합된 나노튜브 물질의 특성은 금속을 반도체에 전기적으로 결합하는데 상당한 이점을 가지는 중간층으로 사용하기에 적합하다는 것을 발견하였다. 금속층은 일반적으로 나노튜브 혼합물 내에 존재하는 금속성 나노튜브에 대해 장벽이 없이 강하게 결합하는 것이 발견되었다.
특허청구된 발명을 실시하기 위해서는 필요하지는 않지만, 본 출원인은 이론에 구속되지 않고 본 발명에 따른 나노튜브층에 의해 얻어지는 저 저항 접촉부를 설명하는 메커니즘을 소개한다. 친밀하게 혼합된 금속성 나노튜브 및 반도체성 나노튜브 사이의 큰 접촉면적은 이들 사이에 장벽이 생성되는 경우에도 상당량의 전류를 전송하는 역할을 한다. 혼합물 내의 반도체성 나노튜브는 또한 다종의 반도체에 전기적으로 잘 결합한다. 금속성 나노튜브는 나노튜브 층을 통해 전기 접촉을 분배하여 금속층에 대한 접촉이 나노튜브 층의 작은 영역에 집중될 수 있게 하면서도 저 저항 접촉을 제공할 수 있도록 한다.
반도체성 나노튜브는 일반적으로 p형 도체임이 밝혀졌다. 이것은 이 반도체성 나노튜브를 p형 반도체 물질에 대한 접촉부로서 직접 적용할 수 있음을 의미한다. 그러나 나노튜브가 양호한 전기적 결합을 제공할 수 있는 반도체의 범위는 화학적 전하 이동 도핑(chemical charge transfer doping)에 의해 상당히 확대될 수 있다. 나노튜브의 화학적 도핑 및 나노튜브의 페르미 준위에 미치는 화학적 도핑의 영향은 동시계속 중이고 또 본원의 양수인과 동일한 양수인에게 양도된 미국특허출원 제10/622,818호(제목: "Transparent electrodes from single wall carbon nanotubes"; 출원일 2003년 7월 18일; 공개일 2004년 10월 7일; 공개번호 20040197546)에 기술되어 있다. '818은 참조로서 본원 명세서에 그 전체가 포함된다.
나노튜브와 전하 이동 복합체를 형성하는 광범위한 원소족 및 화합물족 중의 하나 이상(예를 들면, 할로겐 또는 알칼리 금속)을 이용하여 나노튜브를 화학적 전하 이동 도핑할 수 있다. 이러한 물질들을 이용하면 나노튜브의 나노튜브 페르미 준위는 쉽게 그리고 제어가능하게 조정될 수 있으며, n형 또는 p형 중 어느 것으로도 될 수 있다. 결정 격자를 구성하는 원자들의 희석 치환(dilute replacement)을 수반하는 통상의 반도체 도핑과는 달리 나노튜브 격자의 원자들은 제거될 필요가 없다. 대신 적절한 화학물질(들)에 노출되면 도펀트 종과 나노튜브 사이에서 간단한 전하 이동이 기본적으로 자발적으로 발생한다. 따라서 나노튜브 층과 이것에 접촉될 반도체층 사이의 밴드 정렬은 전하 이동 도핑을 이용하여 개선될 수 있다. 소망의 경우 나노튜브 층의 페르미 준위는 접촉될 반도체층의 페르미 준위에 대해 약 0.1볼트 이내로 접근시킬 수 있는 것으로 생각된다. 화학적 도핑에 의해 흡수 밴드가 억제되는 것은 나노튜브의 페르미 준위를 적어도 ±1 eV 만큼 이동시킬 수 있다는 것을 나타낸다.
나노튜브 층은 MWNT 또는 SWNT, 또는 이들의 혼합물로 구성할 수 있다. 그러나 화학적 도핑이 필요한 경우에는 순수 SWNT층이 일반적으로 바람직하다. 그 이유는 MWNT의 화학적 도핑은 일반적으로 외부 층에 제한되므로 페르미 준위 이동이 SWNT에 비해 훨씬 낮아지기 때문이다. 최근 순수 단일 탄소 나노튜브(결합제 없음)로 된 초박형 균일 막을 제조하는 방법들을 활용할 수 있게 되었다. 용도에 따라, 나노튜브 접촉층은 장치가 방출하는 광선의 파장 범위에서 광투과성을 가질 필요가 있다. 광투과성은 발광 장치와 같은 반도체 용도의 일부에서 중요하다.
두께가 100 내지 400 ㎚와 같은 약 1 ㎛ 이하의 얇은 SWNT층을 이용함으로써 나노튜브 층은 가시광 및/또는 적외선 범위 내에서 실질적으로 광투과성을 가질 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 "실질적으로 광투과성"이라는 표현은 두께가 적어도 100nm인 막과 같이 약 0.4 ㎛ 내지 10㎛의 파장 범위의 전역에서 적어도 10%의 광투과성을 제공하는 나노튜브막을 말한다. 또, 100 ㎚ SWNT 막은 약 3㎛ 내지 5㎛의 범위의 전역에서 적어도 50%의 광투과성을 제공할 수 있다. 그러나 이것은 특정 나노튜브 샘플에 기초한 명목상의 수치임에 주목해야 한다. 본 발명에 따른 나노튜브층에 의해 얻어지는 스펙트럼 투과성은 금속성 나노튜브 대 반도체성 나노튜브의 특정 비율, 존재하는 나노튜브 직경의 분포 및 나노튜브의 전하 이동 도핑 상태(존재하는 경우)에 의해 달라진다.
도전성 광투과 전극으로서 사용하기 위한 광투과성인 본질적으로 순수한 SWNT의 균질막으로 개략적으로 기재하였으나, 본 발명에 따른 나노튜브 접촉층은 보다 일반적으로 MWNT를 포함할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 나노튜브 접촉층은 광투과성을 필요로 하지 않는 용도(예를 들어 트랜지스터)에는 일반적으로 비광투과성(non-optically transparent)으로 할 수 있다.
나노튜브는 또한 회로 소자들에 대한 전기 접속에 있어서 추가의 중요한 장점을 제공한다. 장치의 밀도를 높이기 위해 노력하고 있는 마이크로 전자업계가 직면하고 있는 과제 중에 도체-반도체 또는 도체-절연체 접합부에서의 화학종의 전자이동(elctromigration)이 있다. 이 영향은 개개의 장치의 치수를 축소시킴에 따라 전계(electric fields)가 증대함으로써 악화된다. 종의 전자이동이 발생하는 용이성은 물질의 원자 결합 강도에 관련된다. 원자 이동이 발생하기 위해서는 결합이 깨지고 재형성되어야 한다. 나노튜브 측벽을 구성하는 탄소 원자는 예외적으로 단단히 결합되어 있으므로 그 원자를 제거하기 위해 원자당 약 7 eV가 필요하다. 이것은 원소 금속 물질의 경우 원자를 제거하는데 원자당 약 1 내지 약 3 eV가 필요한 것에 비교된다. 따라서 나노튜브로부터의 탄소의 전자이동은 사실상 존재하지 않는다. 또, 나노튜브 자체도 전체로서 전자이동이 발생하기에는 그 크기가 너무 크다. 그 역도 사실이다. 인접하는 물질로부터 나노튜브 결정구조로의 화학종의 이동도 측정가능한 정도로는 발생하지 않는다.
나노튜브는 반도체층에 저 저항 접촉을 형성하기 위해 다양한 방식으로 적용될 수 있다. 반도체에 저 저항 전기 접촉부를 형성하는 일반적인 목적을 위해서는, 예를 들면, 나노튜브는 에어 브러시, 페인트 또는 드롭 캐스트(drop cast)될 수 있다. 이들 방법에 의해 생성되는 층의 두께는 일반적으로 높은 균일성을 갖지는 않지만 전체적으로 저 저항 옴 접촉부가 얻어진다.
다른 실시예에서는 광투과성 나노튜브 층이 형성된다. 광투과성 나노튜브 층을 형성하기 위한 하나의 프로세스가 '818에 기재되어 있다. '818에 기재된 바와 같이, 광투과성이고 도전성인 SWNT 막을 형성하는 방법은 다공성 막을 제공하고, 복수의 SWNT를 용액에 분산시키는 단계를 포함하고, 용액은 SWNT가 현탁액 중에서 응집하는 것을 방지하기 위해 적어도 하나의 표면 안정화 제를 포함한다. 다음에 용액은 다공성 막에 도포되고, 이어서 용액이 제거되고, SWNT를 다공성 막의 표면 상에 가압하여 그 막 위에 SWNT 막을 형성한다. 이 방법은 막의 용해 등에 의해 다공성 막으로부터 SWNT 막을 분리하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 적용하면, 나노튜브/지지층 물품의 나노튜브 측은 실리콘 웨이퍼의 상면 전체에 걸쳐 반도체 표면(복수의 표면) 상에 배치될 수 있다. 이어서 막을 용해하는 등에 의해 지지층을 선택적으로 제거할 수 있다. 이어서 필요시 후속 층을 추가하기 위한 프로세스를 속행할 수 있다.
나노튜브에 의해 얻어지는 높은 온도 안정성에 의해, 본 발명에 따른 나노튜브 접촉층은 종래의 집적 회로 가공과의 호환성이 높다. 예를 들어, 주위 공기 중에서 산화를 활성화하는 촉매들(예를 들어, 천이 금속)이 없는 경우 SWNT는 400℃ 보다 높은 온도에서 견딜 수 있다. 불활성 기체 분위기(예를 들어, N2 또는 Ar)에 의해 산화 분위기로부터 보호되는 경우나 적절히 코팅된 경우, 나노튜브는 1000℃를 초과하는 온도에서 안정하다. 따라서 층간(interlevel) 유전체 증착의 경우, PECVD 질화물 증착 프로세스는 일반적으로 PECVD 산화물 증착 프로세스에 비해 바람직한데 이는 질화물 증착 프로세스가 본질적으로 환원 프로세스이고 이에 대해 산화물 프로세스는 본질적으로 산화 프로세스이기 때문이다.
본 발명에 따른 나노튜브층을 패터닝(pattern)하기 위해서는 표준적인 집적회로 가공법이 사용될 수 있다. 예를 들어 포토레지스트 패턴을 나노튜브 층 상에 형성하고, 제거될 영역을 노출시킬 수 있다. 산소를 포함하는 환경에서의 플라즈마 에칭은 나노튜브를 포함하는 층의 제거에 사용될 수 있다. 얻을 수 있는 나노튜브 접촉부의 치수는 적어도 약 100 ㎚에 근접하는 것이 예상된다.
실시예
이하의 구체예에 의해 본 발명을 더 설명한다. 이들 실시예는 어떤 방식으로든 본 발명의 범위 또는 내용을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
도 1에 도시한 GaN 양자 우물 LED(100)는 c-평면 전기 절연 사파이어(Al2O3) 기판(105) 위에서 금속 유기화학 증착(MOCVD)에 의해 성장되었다. p-GaN층(115) 내의 홀 농도(hole concentration)는 약 1×1017cm-3이다. n-GaN층(110)의 전자 농도는 5×1018 내지 1019 cm-3이다. 접합 영역은 참조 번호 118로 도시되어 있다. P+ 나노튜브 층(120)을 형성하기 위해, 정제된 펄스식 레이저 기화 성장 SWNT를 약 1.5×10-3 mg/ml의 희석 농도로 수성 계면활성 현탁액(1% v/v TRITON X-100TM) 내에서 초음파 파쇄에 의해 분산시켰다. 현탁액을 0.1㎛ 통공 사이즈의 혼합 셀룰로오즈 에스테르 막(Millipore, Billerica, Ma)을 통해 진공 여과시킨 다음 대량의 탈이온수를 이용하여 세정하여 계면활성제를 제거하였다. 막 상에 투명전극으로서 사용하기 위한 1500Å 나노튜브막이 형성되었다.
나노튜브 막을 이동시키기 위해, 여전히 습윤 상태인 막을 나노튜브막 측의 p-GaN층(115) 상에 배치하였다. 이어서, 이 조립체를 다공성 여과지(filter paper)로 피복하고, 4 kg의 질량의 부하를 가하면서 하룻밤 동안 건조 및 평탄화시켜, p-GaN층(115)에 접착된 나노튜브 막(막이 여전히 부착되어 있음)을 남긴다. 접착은 일반적으로 나노튜브 막을 손상시키지 않고 연속 아세톤 욕(bath)에서 다음에 메탄올 욕에서 막의 용해를 속행하는 것을 가능하게 하는 것에 적당하다(연속조는 나노튜브막 내에 포획된 용해 셀룰로오스 에스테르를 최소로 억제하기 위해 사용된다.). 일단 건조 후, 나노튜브(120)/p-GaN(115)/n-GaN(110)/기판(105)의 조립체를 Ar 중에서 6시간 동안 600℃의 온도로 어닐링함으로써 셀룰로오스 에스테르 막의 최종 흔적을 제거한다. E-빔 증착된 Ti/Al/Pt/Au, Pd/Au 또는 Pd를 리프트-오프(lift-off)에 의해 패터닝시키고, Cl2/Ar 유도 결합 플라즈마 에칭에 의해 메사(mesa)를 형성시켜 접합부의 n-GaN 측을 노출시켰다. 금속 접촉부(112) 내지 n-GaN(110)를 N2 중에서 1분간 700℃의 온도로 어닐링하였다. 마찬가지로, 나노튜브 층(120) 상에 금속 접촉부(122)가 형성되었다.
또, CNT막을 사파이어 상의 단일층 p-GaN 상에 증착하고, CNT막이 패터닝되거나 패터닝되지 않고 금속층과 p-GaN층 사이에 개재된 구조에서 전송 선로법(TLM)을 이용하여 비접촉저항(rc)을 측정하였다. 각각의 경우 비접촉저항(rc)은 관계식 rc=(Rc2/Rs)W2에 의해 구조 R=2Rc+Rs(L/W)의 총 측정 저항으로부터 얻어진다. 여기서, Rc는 측정된 접촉저항, Rs/W는 저항 대 패드(pad) 간격의 그래프의 기울기, W는 폭, L은 패드 간격이다.
도 2는 본 발명에 따른 p-GaN층 상의 CNT막 상부에 각종 금속을 배치한 LED의 접합전류-전압(I-V) 특성을 보여준다. 각각의 경우에 접합부는 탁월한 정류 특성을 나타낸다. 따라서 SWNT 접촉층은 비교적 낮은 홀 농도(약 1×1017 cm-3)를 갖는 p-GaN층에도 불구 하고 우수한 옴 접촉부를 제공한다. TLM 측정으로부터 얻어진 접촉저항 데이터는 도 3에 도시되어 있다. CNT막 자체는 도전성이 우수하고, 전류가 주로 CNT막을 통과하는 경우의 이들 막의 상면에 증착될 때의 접촉저항 5.4×10-3 Ωcm2가 700℃에서 1분간의 N2 어닐링 후에 1.3×10-4 Ωcm2이 된다. CNT를 패터닝하여 전류가 p-GaN을 통과하도록 한 경우, 이 구조의 접촉저항은 700℃에서 어닐링된 후에는 1.1×10-2Ωcm2로 밝혀졌지만, CNT는 증착된 상태에서도 저항거동(Ohmic behavior)을 생성한다. 이것은 증착된 상태에서 비저항성인 동일 층상의 표준 Ni/Au저촉부의 경우(중간 나노튜브층이 없음)에 대해 명확한 대조를 이룬다.
또, SWNT 접촉부의 구조의 접촉저항은 p-GaN 상의 직접 Ni/Au 금속화에 의해 얻어진 최저값의 1/3배였다. 그 금속화에서의 최저값은 500℃에서 발생하고, 700℃에 의해 Ni/Au의 접촉 형태는 GaN과의 접촉 금속들의 반응에 의한 것과 유사하게 심하게 열화 한다. 따라서 CNT막의 하나의 장점은 접합부의 n측에서 최저의 접촉저항을 생성하는데 필요한 어닐 온도에서 안정하므로 가공 순서를 단순화시킬 수 있는 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 완성된 GaN LED의 발광응답을 보여주는 것이다. GaN LED는 434 nm(청색광)에서 최고가 되는 강한 전자발광을 나타내는 탄소 나노튜브 접촉층을 포함한다. 이것은 접합부의 높은 저항 특성 및 나노튜브 층의 실질적 광투과성을 실증한다.
본 명세서에서 제시한 실시예는 저 저항을 나타내고, 본 발명에 따른 광투과성 CNT막은 GaN에 대한 우수한 p-옴 접촉부을 생성하고, 그 열안정성에 의해 p-접촉부도 그 위치에 배치된 상태 그대로 n-접촉부의 어닐링을 실행할 수 있다. 다른 잠재적인 유사 용도에는 p-형 ZnO상의 저 저항 접촉부들이 포함된다. 여기에도 p-GaN과 유사한 문제가 있다. 더욱, 전술한 바와 같이, 본 발명은 n-형 층의 접촉에도 광범위하게 적용될 수 있으며, MEMS 장치들을 갖는 회로들을 포함하여 각종의 집적 회로들의 제조에 사용될 수 있다.
이상에서 바람직한 구체적인 실시예들을 참고로 본 발명을 기술하였지만, 본 발명은 이에 제한되지 않으며 당업자에 의해 본 발명의 영역 및 사상을 일탈하지 않는 범위 내에서 여러 가지로 수정 및 변형실시될 수 있다.

Claims (17)

  1. 반도체 장치로서,
    적어도 하나 이상의 반도체층;
    상기 반도체층과 전기적으로 접촉하는 금속층; 및
    상기 금속층과 상기 반도체층 사이에 개재된 탄소 나노튜브 접촉층을 포함하고, 상기 나노튜브 접촉층을 포함하는 나노튜브는 친밀하게 혼합되어 상기 나노튜브 접촉층을 통해 전기적 접촉을 제공하고, 상기 나노튜브 접촉층은 상기 금속층을 상기 반도체층에 전기적으로 접속하는, 반도체 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나노튜브 접촉층은 단일벽 나노튜브(SWNT)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 접촉층은 가시광 범위의 적어도 일 부분에 있어서 광투과층인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나 이상의 반도체층은 제2의 GaN 반도체층과 p-n 접합을 형성하는 p- 또는 n- 반도체층을 갖는 제1의 GaN 반도체층을 구비하고, 상기 장치는 GaN LED이고, 상기 나노튜브 접촉층은 금속층과 p-GaN층 사이의 접촉을 제공하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 금속의 상기 p-GaN에 대한 25 ℃에서의 비접촉저항은 2.0×10-2Ωcm2 미만인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 나노튜브 접촉층은 적어도 하나의 전하 이동 도핑 종을 포함하고, 상기 전하 이동 도핑 종은 나노튜브 접촉층과 상기 반도체층 사이의 페르미 준위 차이를 감소시키는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 도핑 종은 할로겐 또는 알칼리 금속인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 나노튜브 접촉층의 면저항은 100nm의 두께에서 200 ohms/sq 미만인 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  9. 반도체층에 대해 저 저항 나노튜브 계 접촉부를 형성하는 방법으로서,
    반도체층을 제공하는 단계;
    상기 반도체층 상에 나노튜브 접촉층을 증착 또는 배치하는 단계로서, 상기 나노튜브 접촉층을 포함하는 나노튜브가 친밀하게 혼합되어 나노튜브 접촉층을 통해 전기적 접촉을 제공하는, 나노튜브 접촉층을 증착 또는 배치하는 단계; 및
    상기 나노튜브 접촉층 상에 금속층을 증착하는 단계를 포함하고, 상기 나노튜브 접촉층은 상기 금속층을 상기 반도체층에 전기적으로 접속하는, 저 저항 나노튜브 계 접촉부의 형성 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    200℃ 미만의 온도에서의 상기 금속층의 증착 후에 상기 반도체층과 금속층 사이에 옴 접촉이 형성되는 것에 의해 상기 옴 접촉부를 형성하기 위한 어닐링 단계가 필요치 않는 것을 특징으로 하는 저 저항 나노튜브 계 접촉부의 형성 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    적어도 하나의 전하 이동 도핑 종 층을 이용하여 상기 나노튜브 접촉층을 화학적으로 도핑 하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 전하 이동 도핑 종은 나노튜브 접촉층과 상기 반도체층 사이의 페르미 준위 차이를 감소시키는 것을 특징으로 하는 저 저항 나노튜브 계 접촉부의 형성 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 나노튜브 접촉층은 단일벽 나노튜브(SWNT)를 포함하는 것을 특징으로 하는 저 저항 나노튜브 계 접촉부의 형성 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 나노튜브 접촉층은 상기 접촉층의 증착 단계 이전에 지지층 상에 증착되고, 상기 접촉층 증착 단계는:
    상기 반도체층과 접촉하는 상태로 상기 나노튜브 접촉층을 배치하는 단계, 및
    상기 지지층을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저 저항 나노튜브 계 접촉부의 형성 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 지지층은 다공성 막을 포함하는 것을 특징으로 하는 저 저항 나노튜브 계 접촉부의 형성 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 지지층 위에 증착된 상기 나노튜브 접촉층은,
    복수의 나노튜브를 용액에 분산시키는 단계로서, 상기 용액은 상기 나노튜브가 현탁액으로부터 응집하는 것을 방지하기 위해 적어도 하나의 표면 안정제를 포함하는, 복수의 나노튜브를 용액에 분산시키는 단계;
    상기 용액을 다공성 막에 도포하는 단계; 및
    상기 용액을 제거하는 단계를 포함하고, 상기 나노튜브는 상기 다공성 막의 표면 상에 가압되어 다공성 막에 배치된 나노튜브 접촉층을 형성하는 것을 특징으로 하는 저 저항 나노튜브 계 접촉부의 형성 방법.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 나노튜브 접촉층의 면저항은 100 ㎚의 두께에서 200 옴/sq 미만인 것을 특징으로 하는 저 저항 나노튜브 계 접촉부의 형성 방법.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 반도체층은 P-GaN을 포함하는 것을 특징으로 하는 저 저항 나노튜브 계 접촉부의 형성 방법.
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