KR101552721B1 - 가지형 나노와이어 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

나노와이어 표면에 기생 나노와이어가 성장된 가지형 나노와이어와 그 제조 방법에 관한 것을 밝히고자 한다. 가지형 나노와이어는 프랙탈(fractal) 모양을 가질 수 있고, 기생 나노와이어의 씨드(seed)는 열적 에너지 조사 및 습식 에칭 방법으로 만들 수 있다. 상기 가지형 나노와이어는 여러 가지 센서, 광 검출 소자, 발광 다이오드, 수광소자 등 다양한 분야에서 효과적으로 사용될 수 있다.
가지형 나노와이어, 실리콘 풍부산화물, 실리콘 나노닷

Description

가지형 나노와이어 및 그의 제조방법{BRANCHED NANOWIRE AND ITS GROWTH METHOD}
본 발명의 구현예들은 가지형 나노와이어, 그의 제조방법 및 이를 이용한 나노소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광전소자, 센서, 또는 에너지 저장 등의 분야에 적용할 수 있도록 넓은 표면적을 가지는 프랙탈 모양의 가지형 나노와이어 및 그 제조방법에 관한 것이다.
나노와이어는 직경이 나노미터 영역이고, 길이가 수백 나노미터, 마이크로미터 또는 밀리미터 단위를 갖는 선형 재료로서, 직경과 길이에 따라 그의 물성이 달라진다. 이러한 나노와이어는 수 나노 크기에서 얻어지는 양자 제한적 특성으로 인해 벌크 물질과는 다른 전기적, 광학적 특성을 가지므로, 각종 전자 소자 및 광학 소자에의 응용 등 차세대 기술로써 많은 주목을 받아 왔다. 특히 축적된 실리콘 반도체 기술과의 접목이 가능한 실리콘 나노와이어는 현재의 수십 나노 크기의 디자인 룰(design rule)의 한계를 극복해 줄 대안으로서 많은 관심과 주목을 받고 있고 활발하게 연구되고 있다.
현재 반도체의 집적도 향상 및 속도 증가를 위한 수직형 구조의 실리콘 나노 와이어 FET(Field Effect Transistor)가 구현되었으며, 실리콘 나노 와이어는 FET(Field Effect Transistor) 이외에 각종 전자 소자나 센서, 광검출 소자(photodetector), 실리콘 광소자 집적 회로(Si Optoelectronic Integrated Circuit) 등에 응용이 가능하다.
본 발명의 구현예들은 넓은 표면적을 가지는 가지형 나노와이어를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 구현예들은 가지형 나노와이어를 용이하게 제조할 수 있는 가지형 나노와이어의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 구현예들은 우수한 광민감성 및 전도성을 갖는 상기 가지형 나노와이어를 포함하는 전자소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 구현예는
나노와이어;
상기 나노와이어 내부 또는 표면에 형성된 실리콘 핵으로부터 성장한 기생 나노와이어 가지를 포함하는 가지형 나노와이어에 관한 것이다.
본 발명의 다른 구현예는
실리콘계 나노와이어를 성장하는 단계;
상기 실리콘계 나노와이어 표면에 실리콘 핵을 형성하는 단계;
상기 실리콘 핵으로부터 기생 나노와이어가 성장되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가지형 나노와이어 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 또 다른 구현 예는 가지형 나노와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자소자에 관한 것으로, 상기 전자소자는 바이오 센서, 광검출소자(photodetector), 발광 소자, 수광 소자, 에너지 저장 소자, 전지로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 전자소자에 관한 것이다.
본 발명의 구현예들에 의한 가지형 나노와이어 제조 방법에 의하면 단일 형상의 나노와이어가 아닌 가지가 달린 나노와이어를 제조할 수 있어 넓은 표면적을 가진 일차원 구조물의 장점을 극대화할 수 있다. 실리콘 풍부 산화물(Silicon Rich Oxide, SRO) 나노 와이어를 기반으로 한 가지형 나노 와이어는 센서나 전지, 수광, 발광 소자와 같은 고효율, 대면적이 유리한 기술에 적용될 수 있다.
이하에서 첨부 도면을 참고하여 본 발명의 다양한 구현예들에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 일실시예에 의한 가지형 나노와이어는 나노와이어 표면에 복수의 기생 나노와이어가 성장된다.
도 1은 본 발명의 일실시예인 가지형 나노와이어 제조에 사용될 실리콘 풍부 산화물을 포함한 실리콘계 나노와이어의 투과전자현미경(TEM) 사진이다. 도 1을 참 고하면, 실리콘계 나노와이어(10)는 코어부(12)와 쉘부(14)로 구성되고, 상기 코어부(12)는 결정성 또는 비정질의 실리콘 풍부산화물(Silicon Rich Oxide, SRO)로 이루어지고, 상기 쉘부(14)는 실리카로 이루어질 수 있다. 이 때, 상기 쉘부(14)의 실리카는 나노와이어 형성 공정중 또는 대기 중의 산소에 의해 실리콘이 산화되어 생길 수 있다.
상기 실리콘 풍부 산화물(SRO)은 실리콘(Si)이 여분으로 많은 SiOx(단, 0<x<2) 형태로 존재한다. 나노와이어의 내부에 실리콘의 함량이 높은 실리콘 풍부 산화물을 포함하는 경우 일반적인 실리콘계 나노와이어보다 우수한 전도 특성 및 광민감성을 가지므로 실리카 혹은 실리콘 나노와이어의 제한적인 응용처를 극복할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예인 가지형 나노와이어 제조에 사용된 또 다른 실리콘 풍부 산화물을 포함한 실리콘계 나노와이어의 투과전자현미경(TEM) 사진이다. 도 2를 참고하면, 실리콘 풍부 산화물을 포함한 실리콘계 나노와이어는 코어부에 일방향으로 정렬된 금속 나노닷(26)들을 포함하는 구조일 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일실시예인 가지형 나노와이어 제조에 사용된 실리콘계 나노와이어는 금속 나노닷 어레이가 나노와이어의 중앙에 일방향으로 정렬되어 있기 때문에 전자 소자나 광특성을 이용한 소자의 구현이 용이하다. 이 때, 나노와이어에 포함되는 코어부(22)는 상기 금속 나노닷(26)들을 연결하는 기능을 한다.
상기 실리콘계 나노 와이어의 내부에 일방향으로 정렬된 금속 나노닷(26)은 나노 와이어의 성장에 촉매로 사용될 수 있는 금속들이 사용될 수 있으며, 구체적으로 Au, Ni, Fe, Ag, Al 및 Pd 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
이 때, 나노와이어의 일방향으로 정렬된 금속 나노닷의 직경은 특별히 제한되지는 않으나, 형성된 나노 와이어의 직경과 같거나 작은 직경을 갖고, 금속 나노닷은 약 10nm ~1㎛의 간격으로 배열될 수 있다.
도 1 및 도 2에서 보여준 상기 실리콘계 나노와이어(10)는 나노와이어 내부 및 표면에 기생 나노와이어를 성장시킬 수 있는 씨드(seed), 즉 실리콘 핵들을 포함한다.
상기 기생 나노와이어가 나노와이어 표면에 드러난 상기 실리콘 핵으로부터 성장됨으로서 가지형 나노와이어 구조가 될 수 있다.
상기 가지형 나노와이어는 n형 도펀트 또는 p형 도펀트로 도핑될 수 있으며, 도핑된 가지형 나노와이어는 일반적인 실리콘계 나노와이어보다 우수한 전도 특성 및 광민감성을 가지므로 실리카 혹은 실리콘 나노와이어의 제한적인 응용처를 극복할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예는 상기와 같은 구조를 갖는 가지형 나노와이어의 제조방법에 관련된다.
본 발명의 하나의 구현예에 따르면, 가지형 나노와이어의 제조방법은
실리콘계 나노와이어를 성장하는 단계;
상기 실리콘계 나노와이어 내부 또는 표면에 실리콘 핵을 형성하는 단계;
상기 실리콘 핵으로부터 기생 나노와이어를 성장하는 단계를 포함한다.
상기 가지형 나노와이어 제조 단계 중 실리콘계 나노와이어를 성장하는 하나의 방법은,
실리콘 기판 상에 금속 촉매를 코팅하는 단계;
상기 코팅된 실리콘 기판을 반응로에 넣는 단계;
상기 반응로에 나노와이어 전구체를 주입하면서 가열하는 단계;
상기 기판 상에 금속촉매가 코팅된 곳으로부터 실리콘계 나노 와이어가 성장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일반적으로, 나노와이어를 성장시키는 방법으로는 VLS(vapor-liquid-solid) 공정 및 SLS(solid-liquid-solid) 공정을 예로 들 수 있다.
구체적으로, VLS(vapor-liquid-solid) 공정은 실리콘계 기판 위에 금, 코발트, 니켈 등의 촉매 금속을 코팅한 후 고온의 반응로(furnace)에 넣고, 실리콘 공급원을 외부에서 기체 형태(예컨대, SiH4)로 주입하면, 증기상 실리콘 함유종이 금, 코발트, 니켈 등의 용융 촉매의 표면 상에서 응축되어 결정화함으로써 실리콘계 나노와이어로 성장하는 방법이다.
이에 반하여, SLS(solid-liquid-solid) 공정은 별도의 증기상 실리콘을 공급하지 않고, 고체 기판(예를 들어, 실리콘 기판)으로부터 확산된 실리콘이 용융 촉매의 표면 상에서 응축되어 결정화함으로써 나노와이어로 성장하는 방법이다.
본 발명에서 사용된 나노와이어 구현예들은 특징적으로 SLS(solid-liquid- solid) 공정과 VLS(vapor-liquid-solid)-유사 공정을 사용함으로써 나노와이어를 제조할 수 있다.
상기 가지형 나노와이어 제조 단계 중 실리콘계 나노와이어를 성장하는 또 다른 방법은,
실리콘 기판의 표면을 습식 에칭함으로써 표면 결함(defect site)을 형성하는 단계;
상기 실리콘 기판을 탈이온수 또는 공기 중에 노출시켜 상기 실리콘 기판의 표면에 산화물층을 형성하는 단계;
상기 산화물층이 형성된 실리콘 기판을 반응로에 넣는 단계;
상기 반응로에 나노와이어 전구체를 주입하면서 가열하는 단계;
상기 산화물층 내부에 형성된 실리콘 핵으로부터 실리콘계 나노와이어가 성장되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 3은 습식에칭 방법으로 무촉매 실리카 나노와이어 제조 공정을 설명하기 위한 공정흐름도이다. 도 3을 참고하면, 먼저 실리콘 기판(30)의 표면을 습식 에칭함으로써 표면 결함(defect site)을 형성한다. 이 때, 불순물을 제거하기 위해 통상의 방법에 의해 기판을 미리 세척할 수 있다.
상기 습식 에칭 단계에서 사용하는 에칭 용액의 예들은 NaOH, 초산수용액, 불산수용액, 인산수용액 등을 포함하나, 반드시 이들로 제한되는 것은 아니다.
이어서 상기 실리콘 기판(30)을 탈이온수(DI water) 또는 공기 중에 노출시 켜 상기 실리콘 기판(30)의 표면에 산화물층(32)을 형성한다. 상기 산화물층은 SiOx(단, 0<x<2)를 포함하는데, 이는 Si이 풍부한 SiOx로 산화물층(32)이 구성됨을 의미한다.
이 때, 상기 실리콘 기판(30)을 탈이온수(DI water) 또는 공기 중에 장시간 노출시킬 경우 산화가 많이 진행되어 산화물층이 SiOx(단, 0<x<2)가 아니라 SiO2로 형성될 가능성이 있기 때문에, 상기 노출 시간은 10분 내지 1시간이 바람직하고, 상기와 같은 방법에 의해 형성된 산화물층의 두께는 2nm 이하가 바람직하다.
이어서 상기 산화물층(32)이 형성된 실리콘 기판(30)을 반응로에 넣고 나노와이어 전구체를 주입하면서 가열하여 상기 산화물층(32) 내부에 형성된 실리콘 핵(34)으로부터 실리콘 나노와이어(36)를 성장시킨다.
즉, 실리콘 기판의 표면 결함으로 인해 표면에너지가 높은 부분으로 실리콘 원자가 이동하게 되어 상기 산화물층(32)의 내부에 실리콘이 풍부한 부분이 형성되고, 이러한 실리콘이 풍부한 부분은 실리콘 핵(34)으로 작용하여 실리콘 나노와이어를 형성하게 되는 것이다.
상기 나노와이어 전구체는 SiH4, SiCl4 및 SiH2Cl2로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상일 수 있으나, 반드시 이들로 제한되는 것은 아니다.
이 때, 상기 가열은 400 내지 700℃의 온도에서 수행될 수 있는데, 수득하고자 하는 나노와이어의 길이에 따라 가열 시간은 조절 가능하다.
상기 가지형 나노와이어 제조 단계 중 실리콘계 나노와이어(10) 내부 또는 표면에 존재하는 실리콘 핵들은 열적 에너지 조사에 의하여 형성될 수 있다.
상기 실리콘 핵은 상기 실리콘계 나노 와이어 내부의 잉여 실리콘의 양, 나노 와이어에 조사 되는 에너지의 양과 시간에 의해 상기 실리콘 핵의 밀도나 크기가 달라질 수 있다.
도 4는 열적 에너지 조사에 의하여 나노와이어 표면에 드러난 실리콘 핵들을 보여주는 TEM 사진이다. 즉, 실리콘 풍부 산화물을 포함하는 나노와이어를 1000℃ 이상의 고온에서 열처리하거나 이온빔, 전자빔 또는 레이저를 조사하면 잉여의 실리콘이 실리콘 핵을 형성하고 수 nm 크기의 실리콘 양자점(silicon quantum dot)을 만들게 된다. 이러한 실리콘 양자점은 벌크 실리콘에서는 얻을 수 없는 광특성을 나타내어 가시광 영역에서 발광 혹은 수광이 가능한 특징이 있다.
상기 가지형 나노와이어 제조 단계 중 실리콘계 나노와이어(40) 내부 또는 표면에 존재하는 실리콘 핵(44)들은 습식에칭 방법을 사용하여 형성할 수도 있다.
도 5는 습식에칭 방법으로 형성한 실리콘 핵들을 함유한 실리콘계 나노와이어의 일실시예를 보여주는 도면이다. 도 5를 참고하면, 먼저 실리콘계 나노와이어(50)의 표면을 습식 에칭함으로써 표면 결함(defect site)을 형성한다. 이 때, 불순물을 제거하기 위해 통상의 방법에 의해 상기 나노와이어를 미리 세척할 수 있다.
상기 습식 에칭 단계에서 사용하는 에칭 용액의 예들은 NaOH, 초산수용액, 불산수용액, 인산수용액 등을 포함하나, 반드시 이들로 제한되는 것은 아니다.
이어서 상기 실리콘계 나노와이어(50)를 탈이온수(DI water) 또는 공기 중에 노출시켜 상기 실리콘계 나노와이어(50)의 표면에 산화물층(52)을 형성한다. 상기 산화물층은 SiOx(단, 0<x<2)를 포함하는데, 이는 Si이 풍부한 SiOx로 산화물층(52)이 구성됨을 의미한다.
이 때, 상기 실리콘계 나노와이어(50)를 탈이온수(DI water) 또는 공기 중에 장 시간 노출시킬 경우 산화가 많이 진행되어 산화물층이 SiOx(단, 0<x<2)가 아니라 SiO2로 형성될 가능성이 있기 때문에, 상기 노출 시간은 10분 내지 1 시간이 바람직하고, 상기와 같은 방법에 의해 형성된 산화물층의 두께는 2nm 이하가 바람직하다.
상기와 같은 과정에서 실리콘계 나노와이어의 표면에는 실리콘 핵(54)이 형성 된다. 즉, 실리콘계 나노와이어의 표면 결함으로 인해 표면에너지가 높은 부분으로 실리콘 원자가 이동하게 되어 상기 산화물층(52)의 내부에 실리콘이 풍부한 부분이 형성되고, 이러한 실리콘이 풍부한 부분은 실리콘 핵(54)으로 작용하게 되는 것이다.
도 6은 본 발명의 일실시예인 가지형 나노와이어 구조(60)를 보여주는 도면으로 실리콘계 나노와이어 표면에 존재하는 실리콘 핵으로부터 성장된 기생 나노와이어(64)를 보여준다.
상기 가지형 나노와이어 제조 단계 중 실리콘 핵으로부터 기생 나노와이어를 성장하는 단계는
상기 실리콘 핵이 드러난 상기 실리콘계 나노와이어를 반응로에 넣는 단계;
상기 반응로에 나노와이어 전구체를 주입하면서 가열하는 단계;
상기 실리콘 핵으로부터 상기 기생 나노와이어가 성장되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 실리콘계 나노와이어 또는 기생 나노와이어 성장시 반응로에는 나노와이어 전구체와 Ar, N2, He 및 H2로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 기체가 사용될 수 있다. 또한, 상기 기체는 구체적으로 0.001~10 slm의 양으로 주입할 수 있으나, 이는 공정에 따라 변경될 수 있다.
상기 나노와이어 성장 반응로는 마이크로 챔버를 사용할 수 있는데, 상기 마이크로 챔버 내부에는 2x10-1 torr~2x10-6 torr 분압으로 산소를 주입할 수 있다. 이러한 경우 마이크로 챔버 내의 극소량의 산소가 실리콘 풍부 산화물을 포함하는 나노 와이어의 성장에 주요 역할을 하게 된다. 즉, 외부에서 산소를 2x10-1 torr~2x10-6 torr의 분압을 갖도록 주입시키며 나노 와이어를 성장한 경우 SiOX(0<x<2) 형상을 갖게 되어 실리콘 풍부산화물을 포함하는 나노와이어를 형성시킬 수 있다. 이 때, 산소의 분압이 2x10-1 torr 보다 크게 주입되는 경우에는 실리카(SiO2) 나노와이어가 형성되고, 상기 산소의 분압이 2x10-6 torr 보다 작게 주입되는 경우에는 실리콘(Si) 나노와이어가 성장될 수 있다.
한편, 상기 반응로 또는 마이크로챔버 내에 기체를 주입하면서 가열하는 단 계는 10~760torr의 압력에서 수행되는 것이 바람직하며, 가열 온도는 400~1300℃, 바람직하게는 800~1200℃, 가열 시간은 수분 내지 수시간 수행한다. 마찬가지로 상기 공정 압력, 가열 온도, 가열 시간도 공정에 따라 변경될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예로 프랙탈 모양으로 성장된 가지형 나노와이어(70)를 보여준다.
가지형 나노 와이어의 제작예를 살펴 보면 실리콘계 나노 와이어가 성장되어 있는 시편을 열처리 또는 습식에칭하여 수~수십 nm 크기의 실리콘 핵을 형성시킨 후, 300℃~1200℃ 이상의 고온 챔버에 넣고 SiH4, SiCl4, H2, Ar 등의 가스를 주입한다. 실리콘 나노 와이어를 성장시키는 기구(mechanism)인 VLS(vapor-liquid-solid) 공정에 의해 SiH4 가스로부터 분해된 실리콘 원자들이 실리콘계 나노와이어 표면에 존재하는 실리콘 핵으로 침투하여 들어가 핵에 흡착되며 핵을 성장시킨다. 성장된 핵은 실리콘계 나노와이어의 밖으로 나오면서 특정한 방향을 가진 실리콘 기생 나노 와이어(74)로 성장하게 되면서 가지형을 이루게 된다. 상기 실리콘 기생 나노 와이어(74)의 성장 조건에 산소를 극소량 주입하는 경우 성장되는 기생 나노 와이어(74)가 실리콘 풍부 산화물(SRO) 나노 와이어가 되어 다시 제 3의 기생 나노 와이어(76)를 형성할 수 있다. 또한 제 3의 기생 나노와이어 형성시 습식에칭 방법으로 기생 나노와이어 표면에 실리콘 핵을 형성시켜 이로부터 제 3의 기생 나노와이어를 성장 시킬 수도 있다. 이러한 과정을 통하여 가지에서 다시 가지가 생성되 는 프랙탈 모양의 가지형 나노와이어를 제조할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 가지형 나노와이어의 SEM 사진으로, 이를 통해 미세한 나무 가지 형태의 나노와이어가 성장되었음을 확인할 수 있다.
제조예: 가지형 나노와이어의 제조
실리콘 기판을 유기 세정과 불산을 이용하여 자연 산화막을 제거한 후 촉매로 니뽄페인트(Nipponpaint)사의 금나노 입자(Au nano particle)를 20nm 두께로 스핀 코팅하였다. 이어서, 나노 와이어 성장을 위해 반응로에 기판을 넣고 나노 와이어가 성장될 면이 아래 방향을 향하게 하였다. 기체로 아르곤(Ar)을 100sccm
정도로 주입하면서 산소 분압을 10-3 ~ 10-4 torr로 하였다. 공정 압력을 500torr로 일정하게 하며 공정 온도인 1000℃에 도달되면 30분 유지시켜 나노 와이어와 금속 나노닷이 성장되도록 하였다. 이어서, 25℃ 정도로 천천히 자연 냉각시켜 나노 와이어의 성장을 종료시켰다.
제조된 나노와이어에 전류밀도 1-200 A/cm2 로 전자빔 조사를 1초 내지 1시간 수행하여 실리콘핵을 형성시켰다. 반응로에 4~10% 농도로 H2에 희석된 SiH4 가스를 20~100sccm 정도로 주입하고 내부 압력을 4~500torr로 한 후 400~800℃의 온도에서 가지를 성장 시켰다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 참고로 본 발명의 몇몇 실시예들에 대해서 상세하게 설명하였으나, 이들은 단지 예시적인 것에 불과하며, 본 발명의 본질 및 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자들에게 자명할 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
삭제
이하의 도면들은 본 발명의 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 이해를 돕는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 이들 도면에 기재된 사항으로만 한정되어 해석되어서는 안된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 실리콘 풍부 산화물을 함유한 실리콘계 나노 와이어의 투과전자현미경(TEM) 사진,
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 금속 나노닷을 함유한 실리콘계 나노 와이어의 TEM사진,.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 습식에칭 방법으로 실리콘 나노와이어를 제조하는 공정을 보여주는 공정흐름도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 실리콘계 나노와이어 표면에 형성된 실리콘 핵을 나타내는 TEM 사진,
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 습식에칭으로 실리콘계 나노와이어 표면에 형성된 실리콘 핵을 나타내는 모식도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 실리콘 핵으로부터 성장된 기생 나노와이어가 있는 가지형 나노와이어를 보여주는 도면,
도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 프랙탈 모양으로 성장된 가지형 나노와이어를 보여주는 도면, 및
도 8 본 발명의 일실시예에 의해 제조된 가지형 나노와이어의 SEM 사진이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10, 20, 36, 40, 50, 72 : 실리콘계 나노 와이어
12, 22 : 코어부 14 : 쉘부
26 : 금속 나노닷 30 : 실리콘 기판
32, 52 : 산화물층 34, 44, 54 : 실리콘 핵
56 : 표면 결함 60 : 가지형 나노와이어
64, 74 : 기생 나노와이어 76 : 제 2 기생 나노와이어
70 : 프랙탈 가지형 나노와이어

Claims (20)

  1. 표면에 산화물층을 포함하는 실리콘계 나노와이어로서, 상기 표면에 다수의 표면 결함이 형성된 실리콘계 나노와이어:
    상기 산화물층 내부에 형성된 실리콘 핵으로부터 성장한 기생 나노와이어 가지를 포함하는 가지형 나노와이어.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 실리콘계 나노와이어는 실리콘 풍부산화물(silicon rich oxide,SRO)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가지형 나노와이어.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 실리콘계 나노와이어는 코어부와 쉘부로 구성되고, 상기 코어부는 결정성 또는 비정질의 실리콘 풍부산화물로 이루어지고, 상기 쉘부는 실리카로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가지형 나노와이어.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 실리콘계 나노와이어는 그 내부에 일방향으로 정렬된 금속 나노닷들을 포함하는 것을 특징으로 하는 가지형 나노와이어
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기생 나노와이어 표면에 제 2 기생 나노와이이어가 더 성장되고, 제 2 기생 나노와이어 표면에 제 3, 제 4 기생 나노와이어가 반복적으로 더 성장된 프랙탈(fractal) 모양인 것을 특징으로 하는 가지형 나노와이어
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 가지형 나노와이어는 n형 도펀트 또는 p형 도펀트로 도핑된 것을 특징으로 하는 가지형 나노와이어
  9. 실리콘계 나노와이어를 성장하는 단계;
    상기 실리콘계 나노와이어 내부 또는 표면에 실리콘 핵을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 핵으로부터 기생 나노와이어를 성장하는 단계를 포함하는 가지형 나노와이어 제조 방법에 있어서, 상기 실리콘 핵 형성 단계는 상기 실리콘계 나노와이어의 표면을 습식 에칭함으로써 표면 결함(defect site)을 형성하는 단계;
    상기 실리콘계 나노와이어를 탈이온수 또는 공기 중에 노출시켜 상기 실리콘계 나노와이어의 표면에 산화물층을 형성하는 단계;
    상기 산화물층으로 실리콘 원자가 이동하여 실리콘 핵을 형성하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가지형 나노와이어 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 실리콘계 나노와이어를 성장하는 단계는
    실리콘 기판 상에 금속 촉매를 코팅하는 단계;
    상기 코팅된 실리콘 기판을 반응로에 넣는 단계;
    상기 반응로에 나노와이어 전구체를 주입하면서 가열하는 단계;
    상기 기판 상에 금속촉매가 코팅된 곳으로부터 실리콘계 나노 와이어가 성장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가지형 나노와이어 제조 방법
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 실리콘계 나노와이어를 성장하는 단계는
    실리콘 기판의 표면을 습식 에칭함으로써 표면 결함(defect site)을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 기판을 탈이온수 또는 공기 중에 노출시켜 상기 실리콘 기판의 표면에 산화물층을 형성하는 단계;
    상기 산화물층이 형성된 실리콘 기판을 반응로에 넣는 단계;
    상기 반응로에 나노와이어 전구체를 주입하면서 가열하는 단계;
    상기 산화물층 내부에 형성된 실리콘 핵으로부터 실리콘계 나노와이어가 성장되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가지형 나노와이어 제조 방법
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제 9 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 습식 에칭 단계는 NaOH, 초산수용액, 불산수용액 및 인산수용액으로 이루어진 군에서 선택된 수용액에 의해 에칭하는 단계임을 특징으로 하는 가지형 나노와이어 제조 방법
  16. 제 9 항에 있어서, 상기 실리콘 핵으로부터 기생 나노와이어를 성장하는 단계는
    상기 실리콘 핵이 드러난 상기 실리콘계 나노와이어를 반응로에 넣는 단계;
    상기 반응로에 나노와이어 전구체를 주입하면서 가열하는 단계;
    상기 실리콘 핵으로부터 상기 기생 나노와이어가 성장되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가지형 나노와이어 제조 방법
  17. 제 10 항, 제 11 항, 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노와이어 전구체는 SiH4, SiCl4 및 SiH2Cl2로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 가지형 나노와이어 제조 방법
  18. 제 10 항, 제 11 항, 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열 공정이 400~1300℃의 온도 및 10~760torr의 압력에서 수행되는 것을 특징으로 하는 가지형 나노와이어 제조 방법
  19. 제1항 내지 4항, 7항 내지 8항 중 어느 한 항에 따른 가지형 나노와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자소자.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 전자소자는 바이오 센서, 광검출소자(photodetector), 발광 소자, 수광 소자, 에너지 저장 소자, 전지로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 전자소자.
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