KR101431820B1 - 나노와이어 소자 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 나노와이어를 이용하여 기판에 나노 패턴을 형성시켜 제조단가를 저감할 수 있는 나노와이어 소자 제조 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
상기의 목적 달성을 위하여 본 발명은, 기판 상에 제1나노와이어를 생성하는 제1단계; 상기 기판 상단에 제1나노와이어의 길이보다 작은 절연막을 형성하는 제2단계; 상기 제1나노와이어를 제거하여 절연막에 의한 나노패턴을 형성하는 제3단계; 상기 나노패턴의 홀에 제2나노와이어 코어부를 형성하는 제4단계; 상기 제2나노와이어 코어부 표면에 쉘부를 형성하는 제5단계; 및 상기 제2나노와이어 쉘부의 상단을 서로 연결하는 전극을 형성하는 제6단계를 포함한다.
상기의 목적 달성을 위하여 본 발명은, 기판 상에 제1나노와이어를 생성하는 제1단계; 상기 기판 상단에 제1나노와이어의 길이보다 작은 절연막을 형성하는 제2단계; 상기 제1나노와이어를 제거하여 절연막에 의한 나노패턴을 형성하는 제3단계; 상기 나노패턴의 홀에 제2나노와이어 코어부를 형성하는 제4단계; 상기 제2나노와이어 코어부 표면에 쉘부를 형성하는 제5단계; 및 상기 제2나노와이어 쉘부의 상단을 서로 연결하는 전극을 형성하는 제6단계를 포함한다.
Description
본 발명은 나노와이어 소자 제조 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 무촉매 방식으로 나노와이어를 성장시키는 나노와이어 소자 제조 방법에 관한 것이다.
나노와이어는 직경이 나노미터 영역이고, 길이가 직경에 비해 훨씬 큰 수백 나노미터, 마이크로미터 또는 더 큰 밀리미터 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 이동 특성이나 편광 현상을 나타내는 광학 특성을 이용할 수 있는 장점이 있어, FET와 같이 각종 전자소자의 핵심부품인 트랜지스터로 이용될 수 있고, 각종 화학센서 및 바이오센서 등에 응용이 가능하다.
상기한 바와 같은 특성을 갖는 나노와이어는 현재 나노 기술 분야에서 널리 연구되고 있으며, 레이저와 같은 광소자, 트랜지스터 및 메모리 소자 등 다양한 분야에 널리 응용되고 있는 차세대 기술이다. 또한, 나노와이어에 사용되는 재료는 실리콘, 아연 산화물과 발광반도체인 갈륨질화물 등의 III-V족 카드뮴설파이드계의 II-VI족 반도체 물질 등이 있다. 현재 나노와이어 제조 공정 기술은 나노와이어의 길이 및 폭을 조절할 수 있는 수준까지 발전했으나 기판 위의 원하는 위치에 배열하여 소자화하기 위한 기술은 아직 성숙하지 못한 상황이다.
기존의 대표적인 코어/쉘 형태의 나노와이어 제조방법으로는 예를 들어, 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition: CVD), 레이저 어블레이션법(Laser Ablation) 및 템플릿(template)을 이용하는 방법 등이 있다.
최근 코어/쉘 형태의 나노와이어 제조방법으로서, 미국 공개특허 제 2006/0273328호에서 코어/쉘로 이루어진 나노와이어를 형성시킨 후 기판과 분리시켜 쉘의 한쪽을 전극으로 접촉시키고 반대편 쉘의 일부분을 제거하여 드러난 코어부에 다시 전극을 형성하는 방법이 개시되었다. 여기서 p-GaN과 n-GaN을 코어 및 쉘로 만든 나노 와이어로 형성시킨 후 정렬된 나노 와이어 박막 형태로 만들어 한쪽에 전극을 접촉시키고 반대편 쉘을 에칭시켜 p-GaN 코어부가 드러나게 하고, 드러난 p-GaN에 전극을 형성하여 발광 소자로 이용하고 있다.
또한 공개특허 제2004-0090524 호에는 다중벽 구조의 ZnO계 나노와이어 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 코어부는 ZnO 나노 와이어이고 쉘부는 질화물 반도체, 유전체 등으로 구성된 나노와이어에 대한 것이 개시되어있다.
또한, 공개특허 제2009-0003840호에는 코어부 및 쉘부 나노와이어의 접촉을 미리 패턴을 형성한 절연막으로 차단하여 밀도 및 위치 제어가 가능한 코어/쉘 형태의 나노와이어를 제조하는 방법이 개시되어 있다.
상기 방법들은 기판상에 나노패턴을 형성하기 위하여 복잡한 공정을 적용하고 있어, 제조 단가가 높으며 또한 제조 수율에도 다소 문제를 나타낸다.
또한, 나노와이어의 생성을 위하여 금속 촉매를 사용하여 나노와이어의 성장에 따라 상기 촉매가 불순물로 약화시키는 단점이 있으며, 특히 금 촉매를 사용하는 경우 제조 단가가 상승하는 단점도 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 촉매를 이용한 나노와이어 성장 방식을 개선하기 위하여 안출된 것으로 나노와이어를 이용하여 기판에 나노 패턴을 형성시켜 제조단가를 저감할 수 있는 나노와이어 소자 제조 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
상기의 목적 달성을 위하여 본 발명은, 기판 상에 제1나노와이어를 생성하는 제1단계; 상기 기판 상단에 제1나노와이어의 길이보다 작은 절연막을 형성하는 제2단계; 상기 제1나노와이어를 제거하여 절연막에 의한 나노패턴을 형성하는 제3단계; 상기 나노패턴의 홀에 제2나노와이어 코어부를 형성하는 제4단계; 상기 제2나노와이어 코어부 표면에 쉘부를 형성하는 제5단계; 및 상기 제2나노와이어 쉘부의 상단을 서로 연결하는 전극을 형성하는 제6단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1나노와이어는 II-VI족, IV-VI족 화합물 반도체와 IV족 반도체와 그 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 제1나노와이어는 InAs인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 기판은 이측의 전극으로 이용하기 위하여 전도성 재질인 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 기판은 n형 또는 p형이 도핑된 실리콘인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 절연막은 강유전성 절연체, 무기절연체 및 유기절연체에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 절연막은 SiNx인 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 절연막의 두께는 100nm 내지 1㎛인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제2나노와이어 코어부와 쉘부는 II-VI족, IV-VI족 화합물 반도체와 IV족 반도체와 그 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 제2나노와이어 코어부와 쉘부는 GaAs인 것을 특징으로 하는 나노와이어 소자 제조 방법.
더욱 바람직하게는, 상기 제2나노와이어 코어부는 n형으로 도핑되고, 상기 제2나노와이어 쉘부는 p형으로 도핑되고, 상기 기판은 n형으로 도핑되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 제2나노와이어 쉘부 상단에 연결되는 금속을 더 포함하며, 상기 제2나노와이어의 중간에는 폴리머를 더 포함하며, 상기 금속과 상기 기판을 통하여 외부와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 금속은 ITO 전극인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 나노와이어 소자 제조 방법은 실리콘 기판상에 격자 상수 차이에 기인된 표면장력을 이용하여 별도의 촉매 없이 제1나노와이어를 성장시킨 후 에칭시켜 나노 패턴을 형성하고, 상기 나노 패턴에 제2나노와이어를 손쉽게 성장시켜 최종 나노와이어를 포함하는 소자를 제작하는 방법을 제공하여, 종래 기판에 나노 패턴을 형성하기 위한 복잡한 공정을 대체한 것으로 비교적 저가격으로 나노와이어 소자를 제조할 수 있는 효과가 있으며, 또한 넓은 면적에서도 성장 조건을 조절하여 나노와이어를 무촉매 형태로 성장시킬 수 있어, 소자의 수율을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 나노와이어 소자 제조 방법 중 제1나노와이어를 성장시키는 상태를 설명하는 모식도이며,
도 2는 도 1에 의하여 제조된 나노와이어의 전자현미경 사진이며,
도 3은 본 발명에 따른 나노와이어 소자 제조 방법 중 절연막을 생성하는 상태를 설명하는 모식도이며,
도 4는 본 발명에 따른 나노와이어 소자 제조 방법 중 제1나노와이어를 제거한 상태를 설명하는 모식도이며,
도 5는 도 4에 의하여 제조된 나노패턴의 전자현미경 사진이며,
도 6은 본 발명에 따른 나노와이어 소자 제조 방법 중 제2나노와이어를 생성하는 상태를 설명하는 모식도이며,
도 7은 도 6에 의하여 제조된 제2나노와이어의 전자현미경 사진이며,
도 8은 본 발명에 따른 나노와이어 소자 제조 방법에 의하여 제조된 제2나노와이어의 코어부와 쉘부의 구성을 나타내는 모식도이며,
도 9는 본 발명에 따른 나노와이어 소자 제조 방법에 의하여 제조된 최종 소자의 모식도이다.
도 2는 도 1에 의하여 제조된 나노와이어의 전자현미경 사진이며,
도 3은 본 발명에 따른 나노와이어 소자 제조 방법 중 절연막을 생성하는 상태를 설명하는 모식도이며,
도 4는 본 발명에 따른 나노와이어 소자 제조 방법 중 제1나노와이어를 제거한 상태를 설명하는 모식도이며,
도 5는 도 4에 의하여 제조된 나노패턴의 전자현미경 사진이며,
도 6은 본 발명에 따른 나노와이어 소자 제조 방법 중 제2나노와이어를 생성하는 상태를 설명하는 모식도이며,
도 7은 도 6에 의하여 제조된 제2나노와이어의 전자현미경 사진이며,
도 8은 본 발명에 따른 나노와이어 소자 제조 방법에 의하여 제조된 제2나노와이어의 코어부와 쉘부의 구성을 나타내는 모식도이며,
도 9는 본 발명에 따른 나노와이어 소자 제조 방법에 의하여 제조된 최종 소자의 모식도이다.
이하 본 발명은 첨부한 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 나노와이어 소자 제조 방법은 실리콘 기판 상에 무촉매로 제1나노와이어를 생성하는 제1단계, 기판에 절연막을 형성하는 제2단계, 형성된 제1나노와이어를 제거하는 제3단계, 제2나노와이어 코어를 성장시키는 제4단계, 제2나노와이어 표면에 쉘을 형성시키는 제5단계 및 외부에 전원 연결을 위한 전극을 형성하는 제6단계를 포함하여 구성된다.
상기 단계를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
1) 제1나노와이어 생성하는 제1단계
제1단계는 기판(1)의 표면에 제1나노와이어(2)를 무촉매 방식으로 생성하는 단계이다.
상기 기판(1)은 특별한 제한은 없으나, 일측의 전극으로 사용하기 위해서는 실리콘, 유리 위에 실리콘을 코팅한 기판, 인듐석 산화물, 흑연, 황화 몰리브덴, 구리, 아연, 알루미늄 등 전도성 재질이면 무방하나, 바람직하게는 n형 또는 p형이 도핑된 실리콘이 적절한다.
상기 기판(1) 상면에 폴리라이신으로 코팅한 후, 유기 금속 화학 증착법(MOCVD)으로 제1나노와이어(2)를 성장시킨다.
상기 제1나노와이어(2)는 II-VI족, III-V족, IV-VI족, IV족 화합물 반도체와 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으며, 바람직하게는 InAs이다.
상기 방식은 별도의 금속 촉매가 필요 없으며, 상기 기판(1)과 제1나노와이어(2), 예를 들면, InAs의 격자 상수 차이에 의하여 비교적 균일하게 제1나노와이어(2)가 도 1의 모식도와 같이 성장한다.
상기 제1나노와이어(2)의 직경은 나노미터의 영역을 가지며, 길이는 수백 나노미터에서 밀리미터 단위를 가지며, 상기 직경과 길이는 필요에 따라 조절 가능하며, 상기 직경과 길이에 따라 물성치가 달라진다.
한편, 도 2는 제1나노와이어(1)의 재질로 InAs를 사용하여 생성한 결과의 전자현미경 사진이다.
여기서 기판(1)의 크기는 2인치이고, 기판(1)의 성장 온도는 450℃ 내지 650℃이며, V/III 비율은 10 내지 200이며, 압력은 50 내지 500mmbar의 공정 조건하에서 제조되었다.
상기 도 2에서 알 수 있듯이 기판(1)의 전면에 걸쳐 비교적 균일하게 성장되는 것을 확인할 수 있다.
2) 절연막 증착하는 제2단계
제2단계에서는 기판(1)에 절연막(3)을 증착한다.
상기 절연막(3)의 재질은 특별한 제한이 없으나, 강유전성 절연체, 무기절연체, 유기절연체 등이 가능하며, 바람직하게는 SiNx가 적절하다.
또한, 상기 절연막(3)의 두께는 100nm 내지 1㎛로 형성한다.
100nm미만의 두께인 경우에는 절연성이 문제가 있고, 1㎛를 초과하는 경우 증착에 문제가 있다.
또한 상기 절연막(3)을 증착하는 방법은 어떠한 제한이 있는 것은 아니다.
제2단계에서 형성된 절연막(3)은 도 3에 도시된 바와 같이, 기판(1) 상단에 형성되며, 제1나노와이어(2)의 길이보다 작은 두께에 의하여 절연막(3) 상단으로 제1나노와이어(2)가 돌출형성된다.
3) 제1나노와이어를 제거하는 제3단계
제2단계에서 형성된 기판(1)은 제1나노와이어(2)와 절연막(3)을 포함하여 구성되며, 제3단계에서는 상기 제1나노와이어(2)만을 황산/과수 혼합물을 이용하여 제거한다.
상기 단계 완료 후의 기판(1)은 도 4의 모식도와 도 5의 표면 사진을 통하여 확인할 수 있듯이 표면에 아주 작은 홀크기를 가진 절연막 나노패턴(4)이 형성된다.
본 발명에 따른 상기 절연막 나노패턴(4) 생성은 비교적 간단하면서 저가격으로 할 수 있는 장점이 있다.
기존 방식으로 상기 나노패턴(4)을 형성하기 위해서는 전자빔 리소그라피 공정이나 나노-임프린트 등으로 구현되어야 한다.
특히 전자빔 리소그라피 공정의 경우에는 기판(1)의 표면에 절연막을 먼저 형성하고, 상기 절연막 상에 감광성 포토레지스트 조성물을 코팅하고, 상기 절연막의 에칭하고자 하는 구간을 선택적으로 노광하고, 이 후 상기 노광된 부분을 에칭하여 상기 절연막을 제거하여 패턴을 형성하는 과정을 거치므로, 공정 자체가 매우 복잡하고, 또한 공정의 조건이 엄격하여 높은 공정 가격을 요구하는 단점이 있다.
이에 반하여, 본 발명에 따른 나노패턴(4) 생성은 상기 제1 내지 제3단계 만 수행하면 되므로 비교적 간단하고 저가격으로 구현할 수 있는 장점이 있다.
4) 제2나노와이어 코어부를 성장시키는 제4단계
상기 제3단계를 통하여 제조된 기판(1) 상의 나노패턴(4)의 홀에 제2나노와이어 코어부(5)를 도 6의 모식도와 같이 성장시킨다.
상기 제2나노와이어는 필요한 경우 II-VI족, III-V족, IV-VI족, IV족 화합물 반도체와 그 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있으나, GaAs가 바람직하다.
상기 코어부(5)는 별도의 금속 촉매를 사용하지 않고 형성시키는 유기금속화학증착법(MOCVD: Metal Organic Chemical Vapor Deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy)법을 이용한다.
또한, 반도체 소자로 적용하기 위하여 상기 코어부(5)는 p형 또는 n형으로 도핑된 상태로 형성한다.
제4단계에서 형성된 제2나노와이어 코어부(5)를 포함하는 기판(1)의 전자현미경 사진을 도 7과 같다.
상기 도 7에는 나노패턴(40)의 홀에 제2나노와이어 코어부(5)가 성장된 것을 확인할 수 있다.
이때 공정 조건은 다음과 같다.
기판(1)의 성장 온도는 600 ℃ 내지 900 ℃ 이며, V/III 비율은 10 내지 500 이며, 압력은 50 내지 500 mmbar이다.
5) 제2나노와이어의 쉘부 형성하는 제5단계
상기 코어부(5)의 표면에는 도 8의 모식도에 도시된 바와 같이 쉘부(6)를 형성한다. 상기 쉘부(6)는 상기 제4단계와 동일한 방법으로 생성시키며, 상기 코어부(5)와 대응되는 n형 또는 p형으로 도핑된 상태로 형성한다.
상기 쉘부(6)는 도 8에 도시된 바와 같이 상기 절연막(3) 위에 형성되어 상기 기판(1)과 전기적으로 절연되는 효과가 있다.
상기 쉘부(6)는 상기 코어부(5)와 동일한 물질로 구성되는 동정 접합 형태로 구성하는 것이 바람직하나, 필요한 경우 이종 물질로 형성되는 헤테로 구조로 형성할 수 있다.
6) 전극을 형성하는 제6단계
제6단계에서는 제2나노와이어 코어부(5)와 쉘부(6)의 전기적 연결을 위한 전극을 형성한다.
상기 전극은 도 9에 도시된 바와 같이 폴리머(7)로 제2나노와이어의 중간을 채운 뒤 제2나노와이어 쉘부(6) 상단을 금속(8)으로 연결한다.
여기서 상기 금속(8)은 필요한 경우 ITO로 형성하고, 상기 금속(8)과 상기 기판(1)에 각각 필요한 전선을 연결하는 경우, 제2나노와이어의 반도체적 특성에 따라 태양전지 또는 LED 등의 다이오드 광전소자로 이용할 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
1: 기판 2: 제1나노와이어
3: 절연막 4: 나노패턴
5: 제2나노와이어 코어부 6: 제2나노와이어 쉘부
7: 폴리머 8: 금속
3: 절연막 4: 나노패턴
5: 제2나노와이어 코어부 6: 제2나노와이어 쉘부
7: 폴리머 8: 금속
Claims (13)
- 기판 상면을 폴리라이신으로 코팅한 후, 무촉매 방식의 유기 금속 화학 증착법으로 제1나노와이어를 생성하는 제1단계;
상기 기판 상단에 제1나노와이어의 길이보다 작은 절연막을 형성하는 제2단계;
상기 제1나노와이어를 제거하여 절연막에 의한 나노패턴을 형성하는 제3단계;
상기 나노패턴의 홀에 제2나노와이어 코어부를 형성하는 제4단계;
상기 제2나노와이어 코어부 표면에 쉘부를 형성하는 제5단계; 및
상기 제2나노와이어 쉘부의 상단을 서로 연결하는 전극을 형성하는 제6단계를 포함하는 나노와이어 소자 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 제1나노와이어는 II-VI족, IV-VI족 화합물 반도체와 IV족 반도체와 그 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 나노와이어 소자 제조 방법.
- 청구항 2에 있어서, 상기 제1나노와이어는 InAs인 것을 특징으로 하는 나노와이어 소자 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 기판은 이측의 전극으로 이용하기 위하여 전도성 재질인 것을 특징으로 하는 나노와이어 소자 제조 방법.
- 청구항 4에 있어서, 상기 기판은 n형 또는 p형이 도핑된 실리콘인 것을 특징으로 하는 나노와이어 소자 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 절연막은 강유전성 절연체, 무기절연체 및 유기절연체에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 나노와이어 소자 제조 방법.
- 삭제
- 청구항 6에 있어서, 상기 절연막의 두께는 100nm 내지 1㎛인 것을 특징으로 하는 나노와이어 소자 제조 방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 제2나노와이어 코어부와 쉘부는 II-VI족, IV-VI족 화합물 반도체와 IV족 반도체와 그 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 나노와이어 소자 제조 방법.
- 청구항 9에 있어서, 상기 제2나노와이어 코어부와 쉘부는 GaAs인 것을 특징으로 하는 나노와이어 소자 제조 방법.
- 청구항 10에 있어서, 상기 제2나노와이어 코어부는 n형으로 도핑되고, 상기 제2나노와이어 쉘부는 p형으로 도핑되고, 상기 기판은 n형으로 도핑되는 것을 특징으로 하는 나노와이어 소자 제조 방법.
- 청구항 11에 있어서, 상기 제2나노와이어 쉘부 상단에 연결되는 금속을 더 포함하며, 상기 제2나노와이어의 중간에는 폴리머를 더 포함하며, 상기 금속과 상기 기판을 통하여 외부와 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 나노와이어 소자 제조 방법.
- 청구항 12에 있어서, 상기 금속은 ITO 전극인 것을 특징으로 하는 나노와이어 소자 제조 방법.
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| KR20090003840A (ko) * | 2007-07-05 | 2009-01-12 | 삼성전자주식회사 | 코어/쉘 형태의 나노와이어를 제조하는 방법, 그에 의해제조된 나노와이어 및 이를 포함하는 나노와이어 소자 |
-
2012
- 2012-08-14 KR KR1020120089170A patent/KR101431820B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
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| KR20090003840A (ko) * | 2007-07-05 | 2009-01-12 | 삼성전자주식회사 | 코어/쉘 형태의 나노와이어를 제조하는 방법, 그에 의해제조된 나노와이어 및 이를 포함하는 나노와이어 소자 |
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