KR101349000B1 - 나노와이어의 제조방법 - Google Patents

나노와이어의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나노와이어의 제조방법에 관한 것으로, 반도체기판으로부터 성장된 나노와이어를 표면 데미지나 크랙 없이 단시간 내에 쉽게 분리할 수 있어 고품질의 나노와이어를 제조할 수 있는 나노와이어의 제조방법에 관한 것으로서, 반도체기판 상에 용적방울을 형성하는 단계와; 상기 용적방울 상에 나노와이어를 성장시키는 단계와; 상기 용적방울을 선택적으로 에칭하여 상기 나노와이어를 분리하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

나노와이어의 제조방법{Method for manufacturing nanowires}
본 발명은 나노와이어의 제조방법에 관한 것으로, 반도체기판으로부터 성장된 나노와이어를 표면 데미지나 크랙 없이 단시간 내에 쉽게 분리할 수 있어 고품질의 나노와이어를 제조할 수 있는 나노와이어의 제조방법에 관한 것이다.
나노와이어는 직경이 나노미터(1 nm = 10-9m) 영역이고, 길이가 직경에 비해 훨씬 큰 수백 나노미터, 마이크로미터(1 ㎛ = 10-6m) 또는 더 큰 밀리미터(1mm = 10-3m) 단위를 갖는 선형 재료이다. 이러한 나노와이어의 물성은 그들이 갖는 직경과 길이에 의존한다.
상기 나노와이어는 작은 크기로 인하여 미세 소자에 다양하게 응용될 수 있으며, 특정 방향에 따른 전자의 이동특성이나 편광 현상을 나타내는 광학 특성을 이용할 수 있는 장점이 있다.
나노와이어를 현재 나노 기술 분야에서 널리 연구되고 있으며, 현재 레이저와 같은 광소자, 트랜지스터 및 메모리 소자 등 다양한 분야에 널리 응용되고 있는 차세대 기술이다. 현재 나노 와이어에 사용되는 재료는 실리콘, 아연 산화물과 발광반도체인 갈륨질화물 등의 III-V족 카드뮴설파이드계의 II-VI족 반도체 물질 등이 있다. 현재 나노와이어 제조 공정 기술은 나노 와이어의 길이 및 폭을 조절할 수 있는 수준까지 발전했으나 기판 위의 원하는 위치에 배열하여 소자화하기 위한 기술은 아직 성숙하지 못한 상황이다.
일반적으로 MBE(Molecular beam epitaxy)방법을 사용한 나노와이어성장방법은 800℃ 이상의 성장온도를 가지고, VLS 메커니즘방법으로 성장되어 나노와이어 끝부분에 금속 촉매가 존재하는 형상을 보이는 문제가 있다. 또한 나노와이어를 성장시키기 위해서 초고진공이 요구됨에 따라 성장시간이 3시간 이상 소요되어 생산성이 매우 떨어지며, 성장 장비에 따른 대량 생산이 불가능하며, 성장시키는데 소요되는 비용이 높다는 단점이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 반도체기판으로부터 성장된 나노와이어를 표면 데미지나 크랙 없이 단시간 내에 쉽게 분리할 수 있어 고품질의 나노와이어를 제조할 수 있는 나노와이어의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
a) 반도체기판 상에 용적방울을 형성하는 단계와;
b) 상기 용적방울 상에 나노와이어를 성장시키는 단계와;
c) 상기 용적방울을 선택적으로 에칭하여 상기 나노와이어를 분리하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노와이어의 제조방법을 제공한다.
특히, 상기 c) 단계는 상기 용적방울을 선택적으로 에칭한 후 초음파 처리하여 상기 나노와이어를 분리하는 단계로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 a) 단계의 용적방울은 촉매-제1소스로 이루어지고, 상기 촉매는 Au, Ni, Cu, Al, Ag, Pt, Fe, Cr 중 선택된 어느 하나로 이루어지는 것이 좋다. 그리고 상기 제1소스는 Ga, In, Si, Al 중 선택된 어느 하나로 이루어진다.
상기 a)단계는 상기 반도체기판 상에 촉매층을 형성한 후 MOCVD법으로 캐리어가스와 제1소스가 포함된 가스를 공급하여 촉매-제1소스로 이루어진 용적방울을 형성하고, 상기 캐리어가스와 제1소스가 포함된 가스를 공급하면서 500~700℃의 온도로 10~120초 동안 유지한 후 550~750℃에서 5~20분 동안 유지하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 b)단계는 MOCVD법을 이용하여 상기 용적방울 상에 나노와이어를 성장시키는 것이 바람직하고, 구체적으로 MOCVD법으로 캐리어가스, 제1소스가 포함된 가스 및 제2소스가 포함된 가스를 공급하여 상기 용적방울상에 제1소스-제2소스 나노와이어를 성장시키는 것이 좋다.
상기 제2소스가 포함된 가스는 NH3, O2, SiH4 중 선택된 어느 하나로 이루어진다.
본 발명의 나노와이어의 제조방법은 반도체기판에 형성된 용적방울 상에 나노와이어를 성장시킨 후 용적방울을 선택적으로 에칭하여 분리함으로서, 반도체기판으로부터 나노와이어를 표면 데미지나 크랙 없이 단시간 내에 쉽게 분리할 수 있어 고품질의 나노와이어를 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 반도체기판 상에 촉매층이 증착된 상태를 나타내는 도면이다.
도 2는 반도체기판 상에 용적방울이 형성된 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 용적방울 상에 나노와이어가 성장된 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 용적방울을 선택적으로 에칭한 상태를 나타내는 도면이다.
도 5는 FESEM 사진이다.
이하, 본 발명의 나노와이어의 제조방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 나노와이어의 제조방법은 반도체기판 상에 용적방울을 형성하는 단계와, 상기 용적방울 상에 나노와이어를 성장시키는 단계와, 상기 용적방울을 선택적으로 에칭하여 상기 나노와이어를 분리하는 단계;를 포함하여 이루어진다.
먼저, 반도체기판 상에 용적방울을 형성한다. 여기서 반도체기판은 크게 한정되지 않고, 실리콘, 유리, 고분자 박막 등의 기판 등을 사용할 수 있다.
반도체기판 상에 용적방울을 형성하는 방법은 크게 특정되는 것은 아니나, 도 1과 같이 반도체기판 상에 촉매층을 형성하고, 도 2와 같이 MOCVD법으로 캐리어가스와 제1소스가 포함된 가스를 공급하여 촉매-제1소스로 이루어진 용적방울을 형성하는 것이 좋다.
상기 촉매층은 Au, Ni, Cu, Al, Ag, Pt, Fe, Cr 중 선택된 어느 하나로 이루어진다.
그리고 상기 반도체기판에 촉매층을 형성하는 방법은 크게 한정되는 것은 아니고, DC Sputter, E-beam evaporation, Thermal evaporation, Electroplating 등의 방법으로 촉매층을 증착할 수 있다. 특히 DC Sputter에 의한 Au촉매층의 증착시간은 10~240 초인 것이 바람직하다. Au촉매층의 증착시간에 따른 두께는 후에 성장되는 나노와이어의 지름에 큰 영향을 미치고, 10초 미만으로 증착할 경우 용적방울이 형성되기 어려워 고품질의 GaN 나노와이어를 얻을 수 없고, 240초 초과로 증착할 경우 용적방울이 너무 커서 와이어가 아닌 박막이 형성되어 좋지 않다.
그리고 상기 제 1소스는 Ga, In, Si, Al 중에서 어느 하나이며, 상기 제 1 소스를 포함하는 가스로서 TMGa, TMIn, TMAl 등이 있다.
상기 캐리어가스의 종류는 크게 특정되는 것은 아니나, H2, N2, He 등 사용사용할 수 있다.
상기 캐리어가스와 제1소스가 포함된 가스를 공급하면서 500~700℃의 온도로 10~120초 동안 유지한 후 550~750℃에서 5~20분 동안 유지하여 촉매-제1소스의 용적방울을 형성하는 것이 바람직하다. 그 미만의 온도와 시간에서는 촉매와 제1소스의 간에 비율이 적절치 않고, 그 초과의 온도와 시간에서는 용적방울의 생성이 어렵다.
다음으로 도 3과 같이 상기 용적방울 상에 수직방향으로 나노와이어를 성장시킨다. 특히 MOCVD법으로 캐리어가스, 제1소스가 포함된 가스 및 제2소스가 포함된 가스를 공급하여 상기 용적방울상에 제1소스-제2소스 나노와이어를 성장시키는 것이 바람직하다.
상기 캐리어가스의 종류는 크게 특정되는 것은 아니나, H2, N2, He 등 사용사용할 수 있다.
상기 제2소스가 포함된 가스는 NH3, O2, SiH4 중 선택된 어느 하나로 이루어진다.
상기 나노와이어는 GaN, InN, AlGaN, InGaN 등으로 이루어진다.
특히, 제1소스(예를 들어 Ga)가 포함된 가스 (예를 들어 TMGa) 및 제2 소스(예를 들어 N)가 포함된 가스 (예를 들어 NH3)를 각각 0.1~0.8 sccm, 2~4 slm을 흘려주면서 500~700 Torr, 850~980℃에서 30~80분간 유지하여 상기 Ga-Au 용적방울 상에 GaN 나노와이어를 성장시켰다. 제1소스와 제2소스의 비율이 위 조건보다 적을 시 나노와이어가 생성되지 않거고, 많을 시 박막이 형성된다. 그리고 위 조건의 온도와 시간 미만에서는 원하는 나노와이어의 크기만큼 성장되지 않으며, 초과에서는 대류현상에 의해 나노와이어가 형성되지 않는다.
그리고 도 4와 같이 상기 용적방울 상에 나노와이어를 성장시킨 후 상기 용적방울을 선택적으로 에칭하여 상기 나노와이어를 분리한다. 즉 상기 용적방울의 촉매를 요오드용액 등의 에칭액으로 선택적으로 에칭하여 단시간 내에 간편하게 나노와이어를 분리할 수 있다.
나아가 상기 용적방울을 에칭액으로 선택적으로 에칭한 후 초음파 처리하여 상기 반도체기판으로부터 나노와이어를 분리시키는 것이 바람직하다.
이와 같이 반도체기판으로부터 성장된 나노와이어를 에칭 및 초음파처리하여 분리함으로써, 표면 데미지나 크랙 없이 단시간 내에 쉽게 분리할 수 있어 고품질의 나노와이어를 제조할 수 있는 이점이 있다.
이하, 본 발명의 나노와이어의 제조방법을 실시예를 들어 상세히 설명하고, 본 발명의 권리범위는 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
Si 기판 위에 Au촉매층을 형성하였다. Au 촉매층은 DC Sputter를 사용하여 Au 필름을 Si 기판 위에 증착시켰고, 이때 증착시간은 120초로 하였다.
Au 촉매층이 형성된 Si 기판을 MOCVD 챔버 내에 넣고, H2를 캐리어가스로 사용하여 TMGa를 공급하면서 600℃ 온도로 30초 동안 유지하고, 그 이후 650℃에서 10분동안 유지하여 Ga-Au 용적방울을 형성하였다.
그리고 H2를 캐리어가스로 사용하여 TMGa과 NH3를 각각 0.2 sccm, 3 slm을 흘려주면서 600 Torr, 950℃에서 60분간 유지하여 상기 Ga-Au 용적방울 상에 GaN 나노와이어를 성장시켰다.
이 GaN 나노와이어의 지름은 150~190nm이고 길이는 약 1μm인 것으로 측정되었다.
GaN 나노와이어의 하단부에 위치한 용적방울을 에칭하기 위해 온도 30℃에서 KI/I2의 에칭액을 제조하였다. 이 애칭액의 혼합비율은 KI/I2(KI : I2 : H2O = 4 g : 1 g : 40 ml)이다.
이 애칭액은 다음의 화학 반응식에 의해서 반응하여 Au만을 선택적으로 애칭하게 된다.
2Au + I2 → 2AuI
이때 에칭의 반응 속도는 500 nm/min 이다.
KI/I2의 에칭액으로 용적방울을 선택적으로 에칭하였다.
그리고 Ethanol속에 용적방울이 선택적으로 에칭된 반도체기판을 넣고, 약 10 분 정도 ultra sonicfication을 처리하여, 반도체기판으로부터 GaN 나노와이어를 완전히 분리시켰다.
완전히 분리된 GaN 나노와이어는 도 5의 FESEM(field emission scanning electron microscope) 사진과 같이 나노와이어의 표면에 데미지나 크랙 등이 존재하지 않음을 확인할 수 있다.
이와 같이 제조된 고품질의 나노와이어는 전자 소자 제작에 용이하고, 예를 들어 nano electrode, FET, LED 등에 이용가능 하다.
10: 반도체기판,
20: 촉매층,
30: 용적방울,
40: 나노와이어

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. (a) 반도체기판 위에 금속 촉매층을 형성하는 단계;
    (b) 상기 금속 촉매층이 형성된 반도체 기판을 MOCVD 챔버 내에 넣고, 물질 H2를 캐리어가스로 사용하여 Ga,In,Si 및 Al중에서 어느 하나의 제 1소스를 포함하는 가스를 공급하면서 600℃ 온도 및 30초 동안 유지하고, 그 이후 650℃ 온도에서 10분동안 유지하여 상기 소스중의 하나와 금속에 의한 용적방울을 형성하는 단계;
    (c) 상기 물질 H2를 캐리어가스로 사용하여 상기 제 1 소스를 포함하는 가스 및 NH3, O2, SiH4 중 선택된 어느 하나로 이루어진 제 2 소스를 포함하는 가스를 각각 0.1~0.8 sccm, 2~4 slm을 흘려주면서 500~700 Torr, 850~980℃에서 30~80분간 유지하여 상기 용적방울 상에 제 1 소스와 제 2 소스를 포함하는 나노와이어를 성장시키는 단계;
    (d) 상기 나노와이어의 하단부에 위치하는 용적방울에 포함된 금속 촉매와 요오드 용액과의 반응에 의거 용적방울이 선택적으로 에칭되는 단계; 및
    (e) 상기 선택적으로 에칭된 반도체기판을 넣고, 초음파 처리하여, 상기 반도체기판으로부터 상기 성장한 나노와이어를 분리시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노와이어의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제3항에 있어서,
    상기 c)단계는 MOCVD법을 이용하여 상기 용적방울 상에 나노와이어를 성장시키는 것을 특징으로 하는 나노와이어의 제조방법.
  9. 제 3항 또는 8항에 있어서,
    상기 c)단계는 MOCVD법으로 캐리어가스, 제1소스가 포함된 가스 및 제2소스가 포함된 가스를 공급하여 상기 용적방울상에 제1소스-제2소스 나노와이어를 성장시키는 것을 특징으로 하는 나노와이어의 제조방법.
  10. 삭제
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Eun-Su Jang et al. Journal of the Korean Physical Society. October 2009, Vol. 55, No. 4, pp. 1496-1500 *
Eun-Su Jang et al. Journal of the Korean Physical Society. October 2009, Vol. 55, No. 4, pp. 1496-1500*
S H Christiansen et al. Nanotechnology. 2009, Vol. 20, 165301 (9 pp.) *
S H Christiansen et al. Nanotechnology. 2009, Vol. 20, 165301 (9 pp.)*

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