KR101995614B1 - 비대칭 수직 나노선 어레이를 이용한 열전소자 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

비대칭 수직 나노선 어레이를 이용한 열전소자 및 이의 제조방법을 제공한다. 비대칭 수직 나노선 어레이를 이용한 열전소자는 벌크 기판, 벌크 기판은 서로 이격 배치된, 도핑된 기판 영역들을 포함하고, 상기 도핑된 기판 영역들 상에 각각 수직으로 형성된 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이, 비대칭 수직 나노선 어레이의 나노선들 사이를 채우고 있는 열보호막, 상기 비대칭 수직 나노선 어레이의 각 상단에 따로 분리되어 접하는 열방출부 및 비대칭 수직 나노선 어레이의 하단과 연결된 도핑된 기판 영역들이 모두 동시에 접하는 열흡수부를 포함하고, 비대칭 수직 나노선 어레이는 나노선 직경이 상단부터 하단까지 직경이 일정하지 않은 것을 특징으로 하는 비대칭 수직 나노선 열전소자를 포함한다. 이에 따라, 열전변환 효율과 출력량을 향상시킬 수 있다. 또한, 비대칭 수직 실리콘 나노선, 실리콘 열흡수부 및 실리콘 열방출부를 반도체 공정을 활용하여 일체형으로 제작함으로써, 소자의 대량생산이 가능하게 하고, 나아가, 소자의 단가를 감소시킴으로써, 상용화에 유리한 열전소자 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.

Description

비대칭 수직 나노선 어레이를 이용한 열전소자 및 이의 제조방법 {Thermoelectric device using asymmetric vertical nanowire array and a method for manufacturing the same}

본 발명은 열전소자에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 비대칭 수직 나노선 어레이를 이용한 열전소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

전 세계적으로 지구 온난화, 탄소 배출권 규제, 화석연료 고갈 등의 문제로 인해 신재생 에너지 개발과 에너지 효율 개선에 대한 관심이 고조되고 있다. 최근 들어 버려지는 폐열 등을 회수해 전기에너지를 생산함으로써 연료효율을 향상시키는 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기술이 주목받고 있다. 다양한 에너지 하베스팅 소자들 중에서, 열전소자는 열에너지를 전기에너지로 (제백 효과(Seebeck Effect)) 또는 전기에너지를 열에너지로(펠티어 효과(Peltier effect)) 직접 변환해주는 소자로써 에너지 하베스팅에 가장 적합한 소자이다. 열전소자는 제백 효과를 이용하여 발전소자로 이용될 수 있으며 펠티어 효과를 이용하여 냉각소자로 이용할 수 있다. 따라서, 열전소자는 산업, 자동차, 우주, 항공, 선박, 웨어러블 디바이스 등 다양한 분야에서 광범위하게 활용할 수 있다.

제백 효과는 열전소자의 양단면인 고온부와 저온부 사이의 온도 차이에 의해 기전력이 생성되는 효과이다. 열전소자에서 제백 효과를 평가하는 지표로써 무차원지수인 ZT 값이 사용되며 이 값은 제백계수의 제곱과 전기전도도에 비례하고 열전도도에 반비례하는 관계를 가진다. 현재 널리 사용되고 있는 열전재료는 Bi₂Te₃이며, 이 물질의 ZT는 상온에서 약 0.9~1 사이의 값을 가진다. 하지만 Bi₂Te₃는 지구상의 매장량이 풍부하지 못한 희토류 금속으로써 가격이 비싸고 인체에 유해한 물질이기 때문에 대량생산 및 상용화에 많은 제약을 가지고 있다.

이에 비해, 실리콘은 지구상에서 매장량이 풍부하며, 수 십년간 반도체 산업의 기본 소재로 사용되어 왔기 때문에 반도체 공정 기술을 활용하여 저비용 대량생산으로 소자 제작이 가능하다. 하지만 실리콘은 높은 열전도도로 인해 열전변환 특성을 나타내는 ZT가 0.01의 매우 낮은 값을 가져 열전소자로 사용되지 못했었다. 최근 들어 바텀업(bottom-up)방식을 이용하여 실리콘을 나노선 구조로 제작할 경우에 ZT가 1에 가까운 열전특성을 보인다는 결과들이 여러 연구그룹에 의하여 보고되고 있다.

실리콘 나노선 소자를 제작하는 방법은 크게 탑다운(top-down)과 바텀업(bottom-up) 두 가지로 나눌 수 있다. 탑다운 방식은 기존의 반도체 공정을 활용하여 나노선을 제작하는 방법으로써 원하는 규격의 나노선을 원하는 위치에 제작할 수 있으며 대량생산이 가능하다는 장점을 가진다. 반면, 앞서 언급된 나노선 열전소자를 제작하는 바텀업 방식은 촉매반응을 이용하여 나노선을 형성하는 방법으로써 탑다운 방식에 비해 손쉽게 나노선 구조를 제작할 수 있지만 고품질의 나노선을 획득하기 어렵고 나노선의 규격을 제어하기 힘들다. 또한 소자 제작을 위해서는 나노선을 소자 제작을 위한 기판으로 이동시키는 추가적인 공정이 필요하고 이 공정은 수율이 낮기 때문에 대량생산이 어렵다는 문제점이 있다.

실리콘을 나노선 혹은 나노구조로 제작할 경우 열전도도가 약 1/100배로 급격히 줄어들어 ZT가 Bi₂Te₃와 비슷한 열전 변환 특성을 보이는 것이다. 나노선의 직경이 작아질수록 열전도도의 감소가 증가하여 제백 효과에 의해 생성되는 기전량은 더욱 증가하게 된다. 그러나 나노선의 직경 감소는 열전도도뿐만 아니라 전기전도도의 감소를 유발하고, 이로 인해 제백 효과로 생산된 전기가 나노선 양 끝단으로 전달되는 동안 크게 소모되는 문제점이 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2012-0077487호

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 나노선 직경이 상단부터 하단까지 직경이 일정하지 않는 비대칭 수직 나노선 어레이 및 나노선 주변의 열보호막을 통하여 실리콘 열전소자의 열전변환 효율과 출력량을 향상시킬 수 있는 열전소자 및 그 제조방법을 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 기판에 비대칭 수직 실리콘 나노선 어레이, 실리콘 열흡수부 및 실리콘 열방출부를 반도체 공정을 이용하여 일체형으로 제작함으로써, 소자의 대량생산이 가능하게 하고, 나아가 소자의 가격 경쟁력을 확보함으로써, 상용화에 유리한 열전소자 및 그 제조방법을 제공하는 데 목적이 있다.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 비대칭 수직 나노선 어레이 열전소자를 제공한다. 상기 비대칭 수직 나노선 어레이 열전소자는, 서로 이격 배치된, n형 도핑된 제1 기판영역 및 p형 도핑된 제2 기판영역들을 포함하는 벌크 기판, 상기 n형 도핑된 제1 기판영역 및 p형 도핑된 제2 기판영역 상에 각각 대응되어 수직으로 형성된 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이, 상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이의 각 상단에 따로 분리되어 접하는 제1 열방출부와 제2 열방출부, 상기 벌크 기판의 하부에 위치하고, 상기 n형 도핑된 제1 기판영역 및 p형 도핑된 제2 기판영역과 동시에 접하는 열흡수부 및 상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이 사이, 상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이를 형성하고 있는 나노선들 사이 및 상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이를 둘러싸는 측부를 채우고 있는 열보호막을 포함하고, 상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이는 상기 나노선들의 상단부터 하단까지 직경이 일정하지 않은 것을 의미하며 나노선의 상단과 하단의 직경이 일정한 나노선도 활용할 수 있다.

상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이는 상기 나노선 상단의 직경이 상기 나노선 하단의 직경보다 작거나, 상기 나노선 상단의 직경이 상기 나노선 하단의 직경보다 크거나 작은, 직경이 상단부터 하단까지 일정하지 않은 것일 수 있다. 상기 나노선의 직경이 상단부터 하단까지 일정한 구조일 수도 있다.

상기 나노선의 상단 및 하단의 직경의 차이 또는 나노선의 중간부분과 상,하단의 직경 차이가 3 nm 내지 100 μm일 수 있다.

상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이의 상단면 및 하단면은 원형, 삼각형, 사각형 또는 육각형의 형태일 수 있다.

상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이의 상기 나노선들은 일정 패턴을 형성하며 배열되는 것일 수 있다.

상기 나노선의 길이는 5 nm 내지 100 μm인 것일 수 있다.

상기 나노선들 간의 간격과 상기 나노선들 패턴의 한 변의 길이가 5nm 내지 100μm인 것일 수 있다.

상기 n형 도핑 물질로 P, As 또는 Sb을 포함할 수 있다.

상기 P형 도핑 물질로 B, BF₂, Al 또는 Ga을 포함할 수 있다.

상기 열보호막은 절연막, 자연 산화막, 또는 폴리머로 이루어진 것일 수 있다.

상기 절연막은 SiO₂, SiN, Al₂O₃, HfO₂ 또는 Polyimide을 포함할 수 있다.

상기 열흡수부 및 상기 열방출부는 각각 Pt, Al, Au, Cu, W, Ti 또는 Cr 중 선택되는 적어도 하나의 물질로 이루어지는 것일 수 있다.

상기 벌크 기판은 실리콘 기판, 사파이어 기판 또는 유리 기판 상에 결정질 실리콘, 폴리 실리콘, 비결정질 실리콘 또는 Bi₂Te₃의 반도체 물질을 증착하는 것일 수 있다.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 비대칭 수직 나노선 어레이 열전소자 제조방법을 제공한다. 상기 비대칭 수직 나노선 어레이 열전소자 제조방법은 벌크 기판의 상부에 서로 이격 배치된 제1 기판 영역 및 제2 기판 영역에 n형 및 p형 도핑하여 n형 도핑된 제1 기판영역 및 p형 도핑된 제2 기판영역을 형성하는 제1 단계, 상기 벌크 기판 상부를 식각하여, 상기 n형 도핑된 제1 기판영역 및 p형 도핑된 제2 기판영역의 상부에 각각 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이를 형성하는 제2 단계, 상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이를 둘러싸는 측부와, 상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이 사이 및 상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이를 형성하고 있는 나노선들 사이에 열보호막을 증착하는 제3 단계, 상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이 각각의 상단에 제1 열방출부 및 제2 열방출부를 형성하는 제4 단계, 상기 n형 도핑된 제1 기판영역 및 p형 도핑된 제2 기판영역의 하부가 노출되도록 상기 벌크 기판의 하부를 연마하는 제5 단계 및 상기 연마된 벌크 기판의 하부에 위치하고, 상기 n형 도핑된 제1 기판영역 및 p형 도핑된 제2 기판영역과 동시에 접하는 열흡수부를 형성하는 제6 단계를 포함하고, 상기 제2 단계에서, n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이는 상기 나노선들의 직경이 상단부터 하단까지 일정하지 않도록 형성될 수 있다.

상기 제1 단계는, 상기 벌크 기판의 제1 기판 영역을 제외한 나머지 영역 상에 제1 불순물 주입 방지막을 형성하는 단계, 상기 제1 기판 영역에 n형 도핑하여 n형 도핑된 제1 기판 영역을 형성하는 단계, 상기 제1 불순물 주입 방지막을 제거하는 단계, 상기 기판의 제2 기판 영역을 제외한 나머지 영역 상에 제2 불순물 주입 방지막을 형성하는 단계, 상기 제2 기판 영역에 p형 도핑하여 p형 도핑된 제2 기판 영역을 형성하는 단계 및 상기 제2 불순물 주입 방지막을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 도핑되는 물질의 주입 농도는 10¹⁶cm^-3 내지 10²⁰cm^{- 3} 일 수 있다.

상기 도핑되는 깊이는 5 nm 내지 100 μm일 수 있다.

상기 제2 단계는, 상기 n형 도핑된 제1 기판영역 및 p형 도핑된 제2 기판 영역 상에 마스크 패턴을 형성하는 단계, 상기 마스크 패턴 사이로 노출된 기판 영역을 건식 식각하여 n형 도핑된 제1 기판 영역 및 p형 도핑된 제2 기판 영역 상에 비대칭 수직 나노선을 형성하는 단계 및 상기 마스크 패턴을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 비대칭 수직 나노선을 형성하는 단계 및 상기 마스크 패턴을 제거하는 단계 사이에, 상기 비대칭 수직 나노선을 습식 식각하여 표면 거칠기를 증가시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 열보호막은 열전도도가 낮은 물질을 이용하여 형성할 수 있다.

상기 열흡수부 및 상기 열방출부는 각각 금속 물질을 증착하여 형성될 수 있다.

상기 금속 물질은 Pt, Al, Au, Cu, W, Ti 또는 Cr 중 적어도 하나의 물질일 수 있다.

상기 열흡수부 및 상기 열방출부는 상기 금속물질을 증착하기 전에 습식 식각을 통해 자연 산화막을 제거하는 것일 수 있다.

상기 제5 단계는, 반도체 연마 공정, 건식 식각 또는 습식 식각 공정을 이용하여 연마하는 것일 수 있다.

본 발명에 따르면, 비대칭 수직 나노선 열전소자는 비대칭 수직 나노선 및 나노선을 둘러싸고 있는 열보호막을 통하여 열전도도와 전기전도도를 개선하여 제백 효과를 극대화시킴으로써 열전변환 효율과 출력량을 향상시킬 수 있는 열전소자 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 비대칭 수직 실리콘 나노선, 실리콘 열흡수부 및 실리콘 열방출부를 반도체 공정을 활용하여 일체형으로 제작함으로써, 소자의 대량생산이 가능하게 하고, 나아가, 소자의 단가를 감소시킴으로써, 상용화에 유리한 열전소자 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 수직 나노선 열전소자의 전체적인 구조를 나타낸 사시도 및 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 수직 나노선 어레이를 형성하기 위해 기판의 일정 영역을 도핑하는 단계를 설명하기 위한 단면도 및 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 수직 나노선 어레이를 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도 및 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 수직 나노선 어레이의 단면이 여러 형태로 형성됨을 나타낸 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 수직 나노선 사이에 열보호막을 증착하는 단계를 설명하기 위한 단면도 및 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 노출된 비대칭 수직 나노선 상단에 열방출부를 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도 및 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 도핑된 기판 영역 하부에 도핑이 수행되지 않은 부분을 연마하는 단계를 설명하기 위한 단면도 및 평면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연마된 기판의 하부에 열흡수부를 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.

층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 수직 나노선 열전소자의 전체적인 구조를 나타낸 사시도 및 단면도이다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 수직 나노선 열전소자의 전체적인 구조를 나타내는 사시도이다.

도 1a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 수직 나노선 열전소자는, 서로 이격 배치된, n형 도핑된 제1 기판 영역 및 p형 도핑된 제2 기판 영역들(210a, 220a)을 포함하는 벌크 기판(100), 상기 n형 도핑된 제1 기판 영역(210a) 및 p형 도핑된 제2 기판 영역(220a)상에 각각 대응되어 수직으로 형성된 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이(210b, 220b), 상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이(210b, 220b)의 각 상단에 따로 분리되어 접하는 제1 열방출부(401a)와 제2 열방출부(401b), 상기 벌크 기판(100)의 하부에 위치하고, 상기 n형 도핑된 제1 기판 영역(210a) 및 p형 도핑된 제2 기판 영역(220a)과 동시에 접하는 열흡수부(400) 및 상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이(210b, 220b)사이, 상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이(210b, 220b)를 형성하고 있는 나노선들 사이 및 상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이(210b, 220b)를 둘러싸는 측부를 채우고 있는 열보호막(300)을 포함하고, 상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이(210b, 220b)는 상기 나노선들의 직경이 상단부터 하단까지 일정하지 않은 것을 특징으로 한다.

보다 구체적으로 살펴보면, 먼저, 벌크 기판(100)이 준비될 수 있다. 상기 벌크 기판(100)은 열전소자 제작 시 기판으로 사용 가능한 재질일 수 있다. 예를 들어, 실리콘 기판, 사파이어 기판 또는 유리 기판일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 또한, 상기 실리콘 기판, 상기 사파이어 기판, 또는 상기 유리 기판 상에 결정질 실리콘, 폴리 실리콘, 비결정질 실리콘 또는 Bi₂Te₃ 등, 열전소자에 사용되는 반도체 물질을 증착하여 사용할 수도 있다. 예컨대, 상기 벌크 기판(100)은 실리콘 기판일 수 있다.

상기 벌크 기판(100)은 서로 이격 배치된, n형 도핑된 제1 기판 영역(210a) 및 p형 도핑된 제2 기판 영역(220a)을 포함할 수 있다. 상기 벌크 기판(100)의 상부에는 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이(210b, 220b)가 형성될 영역들이 서로 이격 배치되도록 일정 구역에 불순물을 주입하여 도핑될 수 있다. 상기 도핑되는 깊이는 5nm 내지 100μm일 수 있다. 상기 불순물은 n형 또는 p형 반도체를 형성할 수 있는 물질일 수 있다. 예를 들어, 상기 n형 반도체를 형성하는 물질로 P, As 또는 Sb일 수 있다. 예를 들어, p형 반도체를 형성하는 물질로 B, BF₂, Al 또는 Ga 일 수 있다.

상기 도핑하는 제조방법은 후술될 도 2 내지 도 8에서 다시 한번 구체적으로 설명하기로 한다.

상기 서로 이격 배치된 n형 도핑된 제1 기판 영역(210a) 및 p형 도핑된 제2 기판 영역(220a)상에는 각각 대응되어 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이(210b, 220b)가 수직으로 형성될 수 있다. 본 발명의 '비대칭 수직 나노선 어레이'는 나노선 직경이 상단부터 하단까지 일정하지 않은 것을 의미한다. 보다 자세하게는 상기 비대칭 수직 나노선 어레이는 나노선 상단의 직경이 나노선 하단의 직경보다 크거나, 나노선 상단의 직경이 나노선 하단의 직경보다 작거나, 나노선 중간부분의 직경이 상단 및 하단의 직경보다 크거나 작은 것일 수 있다.

예컨대, 상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이(210b, 220b)의 나노선의 상단의 직경과 나노선의 하단의 직경의 차이 및 나노선 중간부분과 나노선 상단 및 하단의 직경 차이가 3 nm 내지 100 μm인 것일 수 있다. 상기 나노선의 열전변환 특성을 향상시키기 위한 나노선 상단과 하단 사이의 열전도도 차이를 발생시키기 위해서는 적어도 3 nm 이상의 직경 차이가 필요하다. 또한, 상기 나노선의 길이가 100 μm일 때, 상기 나노선 상단의 직경 및 나노선 하단의 직경의 차이가 100μm를 초과하면 물리적으로 식각공정을 이용하여 비대칭 나노선을 제작하기가 어렵다.

상기 비대칭 수직 나노선은 본 발명의 핵심적인 특징으로, 나노선 직경이 상단부터 하단까지 일정하지 않음으로써, 나노선의 직경이 상대적으로 작은 부분은 열전도도의 감소에 기여할 수 있고, 상대적으로 직경이 큰 부분은 전기전도도 향상에 기여할 수 있다. 이로써, 열전소자 전체 ZT 값을 향상시키는 효과를 발휘한다. 또한, 상기 비대칭 수직 나노선이 수직 형태로 형성됨으로써, 수평 나노선 소자보다 단위 면적당 나노선 밀도가 높아 열전변환 출력을 높일 수 있는 효과를 발휘한다.

상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이(210b, 220b)의 나노선들은 일정 패턴을 형성하여 배열될 수 있다. 예를 들어, 상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이(210b, 220b)는 전자빔 리소그래피, 스테퍼, 스캐너, 또는 나노임프린트를 이용하여 다양한 도형의 어레이를 패터닝할 수 있다. 그 후, 건식 식각 공정을 통해 비대칭 수직 나노선 모양을 형성할 수 있다.

예컨대, 상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이의 상단면 및 하단면은 원형, 삼각형, 사각형 또는 육각형 등의 형태일 수 있다. 상기 나노선의 길이는 5nm 내지 100μm일 수 있다. 상기 나노선들 간의 간격과 상기 나노선들의 패턴의 한 변의 길이가 5nm 내지 100μm일 수 있다. 상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이 형성 방법에 대하여는 후술될 도 2 내지 도 8에서 구체적으로 설명하기로 한다.

한편, 상기 열보호막(300)은 상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이(210b, 220b)사이, 상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이(210b, 220b)를 형성하고 있는 나노선들 사이 및 상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이(210b, 220b)를 둘러싸는 측부를 채우고 있는 형태로 형성될 수 있다. 상기 열보호막(300)은 열전도도가 낮은 물질로 이루어질 수 있다. 상기 열보호막(300)은 절연막, 자연 산화막, 또는 폴리머일 수 있다. 예컨대, 상기 열보호막(300)은 SiO₂, SiN, Al₂O₃, HfO₂ 또는 Polyimide일 수 있다.

상기 열보호막(300)은 열흡수부(400)를 통해 나노선으로 들어온 열이 나노선을 통해 열방출부(401)로 전달되는 동안 열방출부(401)외의 영역으로 빠져나가 소모되는 열을 최소화한다. 이로써, 흡수된 대부분의 열이 열전변환에 활용되어 열전변환 효율을 증대시키는 효과를 발휘한다. 또한, 상기 열보호막(300)은 추후에 수직 나노선의 상단부에 형성되는 열방출부(401)를 증착 할 때, 비대칭 수직 나노선들이 쓰러지지 않도록 지탱해주는 역할을 한다.

상기 비대칭 수직 나노선 어레이들 각각의 상단, 즉 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이(210b, 220b)의 상단에 각각 따로 분리되어 제1 열방출부(401a), 제2 열방출부(401b)가 형성될 수 있다. 상기 제1 열방출부(401a), 제2 열방출부(401b)는 도핑이 이루어진 반도체층이 저온의 열원과 접촉하도록 하고, 열전변환에 의해 생성된 전류가 흐를 수 있는 통로 역할을 한다. 따라서, 열방출부(401)를 구성하는 물질은 열전도도가 높은 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, Pt, Al, Au, Cu, W, Ti 및 Cr 중 선택되는 적어도 하나의 물질로 이루어지는 것일 수 있다.

상기 벌크 기판(100)의 하부에 위치하고, 상기 n형 도핑된 제1 기판영역(210a) 및 p형 도핑된 제2 기판영역(220a)과 동시에 접하도록 열흡수부(400)가 형성될 수 있다. 상기 열흡수부(400)는 상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이(210b, 220b)의 상단에 열을 전달해주고 열전변환에 의해 생성된 전류가 흐를 수 있는 통로 역할을 한다. 따라서, 상기 열흡수부(400)를 구성하는 물질은 열전도도가 높은 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, Pt, Al, Au, Cu, W, Ti 및 Cr 중 선택되는 적어도 하나의 물질로 이루어지는 것일 수 있다.

상기 열흡수부(400)는 고온의 열원(액체 또는 기체)과 접촉되며, 상기 열방출부(401)는 저온의 열원(액체 또는 기체)과 접촉된다. 따라서, 열흡수부(400)와 열방출부(401)는 열을 소모함 없이 나노선에 빠르게 전달하기 위해 열전도도가 높은 물질을 사용하고, 상기 열보호막(300)은 나노선에 전달된 열이 외부로 빠져나가는 것을 막아주기 위해 열전도도가 낮은 물질을 사용한다. 이로써, 열전소자의 열전변환 효율과 출력량을 향상시키는 효과를 발휘한다.

즉, 상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이(210b, 220b)사이 및 상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이(210b, 220b)를 형성하고 있는 나노선들 사이 를 둘러싸고 측부를 채우고 있는 상기 열보호막(300)은 나노선의 우수한 열전 변환 특성은 유지하며, 감소된 열전도도로 인해 생성되는 기전력의 크기를 증가시킴과 동시에 열흡수부(400)로 들어온 열이 효율적으로 나노선을 통과하여 열방출부(401)로 빠져나가도록 하여 나노선에 전달되는 열의 총량은 증가되며, 나노선의 전기전도도 감소를 줄여 열전변환에 의해 생성된 전기의 소모를 최소화한다.

도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 수직 나노선 열전소자의 단면도이다.

도 1b를 참조하면, 본 발명에 따른 비대칭 수직 나노선 열전소자에서, 외부의 열원과 접하는 열흡수부(400) 및 열방출부(401), 상기 열흡수부(400) 및 상기 열방출부(401) 사이에 위치하는 열보호막(300)과 상기 열보호막(300)사이에 위치하는 비대칭 수직 나노선 어레이들이 상호 연결된 형태를 모식적으로 확인할 수 있다. 내용은 도 1a의 설명과 동일하다.

도 2 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 수직 나노선 열전소자의 제조방법을 나타낸 단면도 및 평면도이다.

도 2 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 수직 나노선 열전소자의 제조방법을 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 수직 나노선을 형성하기 위해 기판의 일정 영역을 도핑하는 단계를 설명하기 위한 단면도 및 평면도이다.

도 2a를 참조하여, 벌크 기판(100)의 상부에 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이가 형성될 서로 이격 배치된, 제1 기판 영역(210) 및 제2 기판 영역(220)에, n형 및 p형을 도핑하여 각각 n형 도핑된 제1 기판 영역 및 p형 도핑된 제2 기판 영역을 형성하는 제1 단계를 설명하기로 한다.

상기 벌크 기판(100)은 열전소자 제작 시 기판으로 사용 가능한 재질일 수 있다. 예를 들어, 실리콘 기판, 사파이어 기판 또는 유리 기판일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 또한, 상기 실리콘 기판, 상기 사파이어 기판, 또는 상기 유리 기판 상에 결정질 실리콘, 폴리 실리콘, 비결정질 실리콘 또는 Bi₂Te₃ , 즉, 열전소자에 사용되는 반도체 물질을 증착하여 사용할 수도 있다. 예컨대, 상기 벌크 기판(100)은 실리콘 기판일 수 있다.

상기 벌크 기판(100)의 상부에 도핑되는 상기 n형 및 p형의 물질은 P, As, Sb, B, BF₂, Al 또는 Ga일 수 있다. 이때, 도핑을 수행하기 전에 상기 도핑 시 발생하는 결함을 줄이기 위해 불순물 주입 보호막(110a)을 증착할 수 있다.

일 예로 상기 제1 기판 영역(210) 및 상기 제2 기판 영역(220)에 도핑을 동시에 수행하지 않도록 할 수 있다. 상기 제1 기판 영역(210) 및 상기 제2 기판 영역(220)중 어느 하나의 기판 영역을 먼저 도핑할 때, 나머지 기판 영역에는 불순물 주입 방지막(110b)을 증착할 수 있다.

보다 구체적으로 살펴보면, 상기 n형 도핑된 제1 기판 영역 및 p형 도핑된 제2 기판 영역을 형성하는 제1 단계는, 상기 벌크 기판(100)의 표면에 불순물 주입 보호막을 형성하는 단계, 상기 불순물 주입 보호막 위에 제1 기판 영역(210)을 제외한 나머지 영역 상에 제1 불순물 주입 방지막을 형성하는 단계, 상기 제1 기판 영역(210)에 n형 도핑하여 n형 도핑된 제1 기판 영역을 형성하는 단계, 상기 제1 불순물 주입 방지막을 제거하는 단계, 상기 벌크 기판(100)의 제2 기판 영역(220)을 제외한 나머지 영역 상에 제2 불순물 주입 방지막을 형성하는 단계, 상기 제2 기판 영역(220)에 p형 도핑하여 p형 도핑된 제2 기판 영역(220)을 형성하는 단계, 상기 제2 불순물 주입 방지막을 제거하는 단계 및 불순물 주입 보호막을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 불순물 주입 보호막은 SiO₂ 또는 SiN 박막일 수 있다. 상기 불순물 주입 보호막은 도핑 시 데미지를 줄이고, 추후 이루어지는 열처리 공정 시 도핑 물질이 외부로 빠져나가는 것을 차단하는 역할을 한다. 상기 제1 불순물 주입 방지막 및 상기 제2 불순물 주입 방지막은 리소그래피 공정 및 식각 공정을 통하여 패터닝 하여 형성될 수 있다. 불순물 주입 방지막을 구성하는 물질은 감광제, SiO₂ 또는 SiN 박막일 수 있다. 이 때, 상기 제1 기판 영역(210) 및 상기 제2 기판 영역(220)에 도핑을 수행하는 순서는 바꾸어서 진행할 수 있다.

상기 도핑되는 물질의 주입 농도는 10¹⁶cm^-3 내지 10²⁰cm^{- 3} 일 수 있다.

상기 도핑되는 깊이는 5nm 내지 100μm일 수 있다.

도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 수직 나노선을 형성하기 위해 기판의 일정 영역을 도핑하는 단계를 설명하기 위한 평면도이다.

도 2b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 수직 나노선을 형성하기 위해 기판의 일정 영역을 도핑하는 단계의 각 구조를 위에서 바라본 모습을 확인할 수 있다. 도 2a의 설명과 내용은 동일하다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 수직 나노선 어레이를 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도 및 평면도이다.

도 3a를 참조하면, 도핑(도 2 참조)을 수행한 후의 벌크 기판(100)의 상부를 식각하여, n형 도핑된 제1 기판 영역(210a) 및 p형 도핑된 제2 기판 영역(220a)의 상부에 각각 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이(210b, 220b)를 형성하는 제2 단계를 설명할 수 있다.

상기 제2 단계는, 상기 n형 도핑된 제1 기판 영역(210a) 및 p형 도핑된 제2 기판 영역(220a) 상에 마스크 패턴(116)을 형성하는 단계, 상기 마스크 패턴(116) 사이로 노출된 기판 영역을 건식 식각하여 n형 도핑된 제1 기판 영역(210a) 및 p형 도핑된 제2 기판 영역(220a) 상에 비대칭 수직 나노선을 형성하는 단계 및 상기 마스크 패턴(116)을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 비대칭 수직 나노선을 형성하는 단계 및 상기 마스크 패턴(116)을 제거하는 단계 사이에, 상기 비대칭 수직 나노선을 습식 식각하여 표면 거칠기를 증가시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

보다 구체적으로 살펴보면, 상기 n형 도핑된 제1 기판 영역(210a) 및 p형 도핑된 제2 기판 영역(220a) 상에 다양한 도형의 어레이를 패터닝하여 마스크 패턴(116)을 형성할 수 있다. 이때, 상기 패터닝은 전자빔 리소그래피, 스테퍼, 스캐너 또는 나노임프린트 등의 방법을 사용할 수 있다.

열전소자의 열전변환 효율은 비대칭 나노선의 표면 거칠기 및 표면 형태에 영향을 받으며, 나노선의 간격 및 나노선의 길이에 의해서도 영향을 받는다. 따라서, n형 도핑된 제1 기판 영역(210a) 및 p형 도핑된 제2 기판 영역(210b)의 상부에 어레이 형태로 패터닝 되는 도형은 열전소자의 특성 향상을 위하여 원형, 삼각형, 사각형 또는 육각형일 수 있다. 상기 원형의 지름, 도형 사이의 간격은 5nm 내지 100μm일 수 있다. 또한, 상기 삼각형, 사각형 또는 육각형의 한 변의 길이, 도형 사이의 간격은 5nm 내지 100μm일 수 있다.

그 다음에, 상기 마스크 패턴(116) 사이로 노출된 기판 영역을 건식 식각하여 n형 도핑된 제1 기판 영역(210a) 및 p형 도핑된 제2 기판 영역(220a)상에 비대칭 수직 나노선을 형성할 수 있다. 상기 건식 식각 공정시 식각 선택비를 높이기 위해 SiO₂ 또는 SiN 박막(112)을 감광제(114) 패터닝 전에 증착할 수 있다.

상기 건식 식각을 수행함으로써 상기 n형 도핑된 제1 기판 영역(210a) 및 p형 도핑된 제2 기판 영역(220a)의 상부에 각각 나노선의 직경이 상단부터 하단까지 일정하지 않은 n형 비대칭 수직 나노선 어레이(210b) 및 p형 수직 나노선 어레이(220b)를 대응하여 수직으로 형성할 수 있다. 이때, 상기 건식 식각에 사용되는 식각 가스의 비율과 식각 장비의 압력, 온도, 소스 파워 및 바이어스 파워를 조절하여 나노선 상단의 직경이 하단의 직경보다 크거나, 또는 나노선 상단의 직경이 하단의 직경보다 작거나, 나노선 중간부분이 상단 및 하단보다 크거나 작게 비대칭 나노선을 제작할 수 있다.

상기 나노선 상단의 직경이 상대적으로 작은 부분은 열전도도의 감소에 기여하고, 상대적으로 직경이 큰 다른 부분은 전기전도도 향상에 기여하여 나노선 전체의 ZT 값을 향상시키는 효과를 발휘한다.

상기 비대칭 수직 나노선의 식각되는 깊이는 50nm 에서 50μm일 수 있다. 또한, 상기 비대칭 수직 나노선을 형성한 후, 습식 식각을 통해 표면 거칠기를 증가시켜 열전변환 효율을 증가시킬 수 있다.

그 다음에, 상기 마스크 패턴(116)을 제거할 수 있다.

도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 수직 나노선을 형성하는 단계를 설명하기 위한 평면도이다.

도 3b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 수직 나노선을 형성하는 단계의 각 구조를 위에서 바라본 모습을 확인할 수 있다. 도 3a의 설명과 내용은 동일하다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 수직 나노선 어레이의 단면이 여러 형태로 형성됨을 나타낸 모식도이다.

도 4a를 참조하면, 벌크 기판(100)의 n형 도핑된 제1 기판 영역(210a) 및 p형 도핑된 제2 기판 영역(220a)상에 각각 형성된 n형 비대칭 수직 나노선 어레이(210b) 및 p형 수직 나노선 어레이(220b)의 상단면과 하단면이 원형의 형태로 형성됨을 확인할 수 있다. 또한, 비대칭 수직 나노선의 상단의 직경이 하단의 직경보다 큰 경우와 상단의 직경이 하단의 직경보다 작은 경우, 중간부분의 직경이 상단 및 하단부보다 큰 경우, 중간부분의 직경이 상단 및 하단부보다 작은 경우의 구조를 확인할 수 있다.

도 4b를 참조하면, 벌크 기판(100)의 n형 도핑된 제1 기판 영역(210a) 및 p형 도핑된 제2 기판 영역(220a)상에 각각 형성된 n형 비대칭 수직 나노선 어레이(210b) 및 p형 수직 나노선 어레이(220b)의 상단면과 하단면이 삼각형의 형태로 형성됨을 확인할 수 있다. 또한, 상기 비대칭 수직 나노선 상단의 직경이 하단의 직경보다 큰 경우와 상단의 직경이 하단의 직경보다 작은 경우, 중간부분의 직경이 상단 및 하단부보다 큰 경우, 중간부분의 직경이 상단 및 하단부보다 작은 경우의 구조를 확인할 수 있다.

도 4c를 참조하면 벌크 기판(100)의 n형 도핑된 제1 기판 영역(210a) 및 p형 도핑된 제2 기판 영역(220a)상에 각각 형성된 n형 비대칭 수직 나노선 어레이(210b) 및 p형 수직 나노선 어레이(220b)의 상단면과 하단면이 사각형의 형태로 형성됨을 확인할 수 있다. 또한, 상기 비대칭 수직 나노선의 상단의 직경이 하단의 직경보다 큰 경우와 상단의 직경이 하단의 직경보다 작은 경우, 중간부분의 직경이 상단 및 하단부보다 큰 경우, 중간부분의 직경이 상단 및 하단부보다 작은 경우의 구조를 확인할 수 있다.

도 4d를 참조하면, 벌크 기판(100)의 n형 도핑된 제1 기판 영역(210a) 및 p형 도핑된 제2 기판 영역(220a)상에 각각 형성된 n형 비대칭 수직 나노선 어레이(210b) 및 p형 수직 나노선 어레이(220b)의 상단면과 하단면이 육각형의 형태로 형성됨을 확인할 수 있다. 또한, 상기 비대칭 수직 나노선의 상단의 직경이 하단의 직경보다 큰 경우와 상단의 직경이 하단의 직경보다 작은 경우, 중간부분의 직경이 상단 및 하단부보다 큰 결우, 중간부분의 직경이 상단 및 하단부보다 작은 경우의 구조를 확인할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 수직 나노선 사이에 열보호막을 증착하는 단계를 설명하기 위한 단면도 및 평면도이다.

도 5a를 참조하면, 상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이(210b, 220b)를 둘러싸는 측부와, 상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이(210b, 220b)사이, 상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이(210b, 220b)를 형성하고 있는 나노선들 사이에 열보호막(300)을 증착하는 제3 단계를 설명할 수 있다.

이때, 상기 열보호막(300)은 추후에 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이(210b, 220b) 각각의 상단부에 제1 열방출부(401a) 및 제2 열방출부(401b)가 접하여 증착될 수 있도록, n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이(210b, 220b)의 상단면과 높이를 맞추어 식각(제거)될 수 있다.

상기 열보호막(300)은 열전도도가 낮은 물질로 이루어질 수 있다. 상기 열보호막(300)은 열흡수부(400)를 통해 나노선으로 들어온 열이 나노선을 통해 열방출부(401)로 전달되는 동안 열방출부(401)외의 영역으로 빠져나가 소모되는 열을 최소화한다. 이로써, 흡수된 대부분의 열이 열전변환에 활용되어 열전변환 효율을 증대시키는 효과를 발휘한다. 나아가, 상기 열보호막(300)은 추후에 수직 나노선의 상단부에 형성되는 열방출부(401)를 증착할 때, 비대칭 수직 나노선들이 쓰러지지 않도록 지탱해주는 역할을 한다. 상기 열보호막(300)은 SiO₂, SiN, high-k 절연막, 자연 산화막 또는 폴리머일 수 있다.[도 1a참조]

상기 열보호막(300)은 열전도도가 낮은 물질들을 플라즈마 기상 증착, 화학 기상 증착, 원자층 증착, 고밀도 플라즈마 기상 증착 또는 스핀 코팅의 방법을 통하여 형성될 수 있다. 한편, 상기 비대칭 수직 나노선의 상단과 접하는 열보호막(300)은 건식 식각, 습식 식각 및 연마공정을 통해 나노선 상단이 열보호막(300) 바깥으로 노출되도록 할 수 있다.

도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 수직 나노선 사이에 열보호막을 증착하는 단계를 설명하기 위한 평면도이다.

도 5b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 수직 나노선 사이에 열보호막을 증착하는 단계의 각 구조를 위에서 바라본 모습을 확인할 수 있다. 도 5a의 설명과 내용은 동일하다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 노출된 비대칭 수직 나노선 어레이의 상단에 열방출부를 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도 및 평면도이다.

도 6a를 참조하면, 상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이 각각의 상단에 제1 열방출부(401a) 및 제2 열방출부(401b)를 형성하는 제4 단계를 설명할 수 있다.

상기 열보호막(300)을 증착(도 5 참조)한 후에, 노출된 비대칭 수직 나노선 어레이의 상단에 열방출부(401)를 형성할 수 있다. 상기 열방출부(401)는 열전도도가 높은 금속 물질을 증착하여 형성할 수 있다. 상기 금속물질은 Pt, Al, Au, Cu, W, Ti 및 Cr 중 선택되는 적어도 하나의 물질로 이루어지는 것일 수 있다. 상기 열방출부(401)는 비대칭 수직 나노선의 상단에 열을 전달해주고 열전변환에 의해 생성된 전류가 흐를 수 있는 통로 역할을 한다.

상기 열방출부(401)는 n형 비대칭 수직 나노선 어레이의 상단과 p형 비대칭 수직 나노선 어레이의 상단과 각각 따로 분리되어 제1 열방출부(401a) 및 제2 열방출부(401b)가 접하도록 제작될 수 있다. 상기 열방출부(401)는 리프트 오프 공정 또는 습식 식각을 통해 패턴을 만들 수 있다. 리프트 오프 공정의 경우, 상기 패턴은 상기 노출된 비대칭 수직 나노선 어레이의 상단에 감광제를 도포하고 패터닝한 후 상기 금속물질을 증착하고 감광제를 제거함으로써 형성할 수 있다. 습식 식각을 이용할 경우, 노출된 비대칭 수직 나노선 어레이의 상단에 상기 금속물질을 증착하고 그 위에 감광제를 이용하여 패터닝한 후 습식식각 공정을 수행하여 패턴을 형성할 수 있다.

도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 수직 나노선 어레이의 상단에 열방출부를 형성하는 단계를 설명하기 위한 평면도이다.

도 6b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비대칭 수직 나노선 어레이의 상단에 열방출부를 형성하는 단계의 각 구조를 위에서 바라본 모습을 확인할 수 있다. 도 6a의 설명과 내용은 동일하다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 도핑된 기판 영역 하부에 도핑이 수행되지 않은 부분을 연마하는 단계를 설명하기 위한 단면도 및 평면도이다.

도 7a를 참조하면, 상기 n형 도핑된 제1 기판 영역(210a) 및 상기 p형 도핑된 제2 기판 영역(220a)의 하부가 노출되도록 상기 벌크 기판(100)의 하부를 연마하는 제5 단계를 설명할 수 있다.

보다 구체적으로 살펴보면, 상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이(210b, 220b) 형성을 위한 n형 도핑된 제1 기판 영역(210a) 및 p형 도핑된 제2 기판 영역(220a)의 하부가 노출되도록 도핑이 수행되지 않은 상기 벌크 기판(100)의 하부 영역을 제거할 수 있다. 도핑이 수행되지 않은 부분은 전기전도도가 낮기 때문에 열전변환에 의해 생성된 전기가 도핑 물질이 주입되지 않은 부분을 통과할 때 소모될 뿐만 아니라 도핑이 되지 않은 반도체 층은 ZT 값이 낮아 열전변환 효율이 떨어진다. 따라서, 열전소자의 특성을 향상시키기 위해 도핑이 이루어지지 않은 부분을 제거하는 것이 필요하다. 상기 도핑이 이루어지지 않은 부분을 제거하기 위해서는 반도체 연마공정, 건식 식각 또는 습식 식각 공정을 이용할 수 있다.

도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 도핑된 기판 영역 하부에 도핑이 수행되지 않은 부분을 연마하는 단계를 설명하기 위한 평면도이다.

도 7b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 도핑된 기판 영역 하부에 도핑이 수행되지 않은 부분을 연마하는 단계의 각 구조를 위에서 바라본 모습을 확인할 수 있다. 도 7a의 설명과 내용은 동일하다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연마된 기판의 하부에 열흡수부를 형성하는 단계를 설명하기 위한 단면도이다.

도 8a를 참조하면, 상기 제5 단계(도 7참조) 후의 연마된 벌크 기판의 하부에 위치하고, 상기 n형 도핑된 제1 기판 영역(210a) 및 p형 도핑된 제2 기판 영역(220a)과 동시에 접하는 열흡수부(400)를 형성하는 제6 단계를 설명할 수 있다.

상기 열흡수부(400)는 상기 제5 단계 후의 연마된 벌크 기판의 하부에 위치하고, 상기 n형 도핑된 제1 기판영역(210a) 및 p형 도핑된 제2 기판영역(210b)과 동시에 접하도록 형성될 수 있다. 상기 열흡수부(400)는 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이(210b, 220b)로 전달된 열이 외부로 빠져나가도록 한다.

상기 열흡수부(400)는 열전도도가 높은 금속 물질을 증착하여 형성될 수 있다. 상기 금속 물질은 Pt, Al, Au, Cu, W, Ti 및 Cr 중 선택되는 적어도 하나의 물질로 이루어지는 것일 수 있다. 상기 열흡수부(400)는 리프트 오프 공정 또는 습식 식각을 통해 패턴을 만들 수 있다. 또한, 상기 금속물질을 증착하기 전에 습식 식각을 통해 자연 산화막을 제거할 수 있다.

도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연마된 기판의 하부에 열흡수부를 형성하는 단계를 설명하기 위한 평면도이다.

도 8b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연마된 기판의 하부에 열흡수부를 형성하는 단계의 각 구조를 위에서 바라본 모습을 확인할 수 있다. 도 8a의 설명과 내용은 동일하다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다. 예를 들면, 상기 제1 단계는 제2 단계와 순서를 바꾸어 진행될 수도 있다.

100: 벌크 기판
110a: 불순물 주입 보호막 110b: 불순물 주입 방지막
112: SiO₂ 또는 SiN 박막 114: 감광막
116: 마스크 패턴
210: 제1 기판 영역 220: 제2 기판 영역
210a: n형 도핑된 제1 기판 영역 220a: p형 도핑된 제2 기판 영역
210b: n형 비대칭 수직 나노선 어레이
220b: p형 비대칭 수직 나노선 어레이
300: 열보호막 400: 열흡수부
401: 열방출부 401a: 제1 열방출부
401b: 제2 열방출부

Claims (23)

1. 서로 이격 배치된, n형 도핑된 제1 기판영역 및 p형 도핑된 제2 기판영역들을 포함하는 벌크 기판;
   상기 n형 도핑된 제1 기판영역 및 p형 도핑된 제2 기판영역 상에 각각 대응되어 수직으로 형성된 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이;
   상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이의 각 상단에 따로 분리되어 접하는 제1 열방출부와 제2 열방출부;
   상기 벌크 기판의 하부에 위치하고, 상기 n형 도핑된 제1 기판영역 및 p형 도핑된 제2 기판영역과 동시에 접하는 열흡수부; 및
   상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이 사이, 상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이를 형성하고 있는 나노선들 사이 및 상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이를 둘러싸는 측부를 채우고 있는 열보호막을 포함하고,
   상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이는 상기 나노선들의 직경이 상단부터 하단까지 일정하지 않는 것을 특징으로 하는 비대칭 수직 나노선 열전소자.
2. 제1항에 있어서,
   상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이는 상기 나노선 상단의 직경이 상기 나노선 하단의 직경보다 크거나, 상기 나노선 상단의 직경이 상기 나노선 하단의 직경보다 작거나, 나노선 중간부분의 직경이 상단 및 하단보다 크거나, 나노선 중간부분의 직경이 상단 및 하단보다 작은 것을 특징으로 하는 비대칭 수직 나노선 열전소자.
3. 제2항에 있어서,
   상기 나노선 상단의 직경이 상기 나노선 하단의 직경보다 크거나, 상기 나노선 상단의 직경이 상기 나노선 하단의 직경보다 작은 경우, 상기 나노선의 상단 및 하단의 직경의 차이는 3 nm 내지 100 μm인 것을 특징으로 하는 비대칭 수직 나노선 열전소자.
4. 제1항에 있어서,
   상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이의 상단면 및 하단면은 원형, 삼각형, 사각형 또는 육각형의 형태인 것을 특징으로 하는 비대칭 수직 나노선 열전소자.
5. 제1항에 있어서,
   상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이의 상기 나노선들은 일정 패턴을 형성하며 배열되는 것을 특징으로 하는 비대칭 수직 나노선 열전소자.
6. 제1항에 있어서,
   상기 나노선의 길이는 5nm 내지 100μm인 것을 특징으로 하는 비대칭 수직 나노선 열전소자.
7. 제5항에 있어서,
   상기 나노선들 간의 간격과 상기 나노선들 패턴의 한 변의 길이가 5nm 내지 100μm인 것을 특징으로 하는 비대칭 수직 나노선 열전소자.
8. 제1항에 있어서,
   상기 n형 도핑 물질로 P, As 또는 Sb를 포함하는 것을 특징으로 하는 비대칭 수직 나노선 열전소자.
9. 제1항에 있어서,
   상기 P형 도핑 물질로 B, BF₂, Al 또는 Ga을 포함하는 것을 특징으로 하는 비대칭 수직 나노선 열전소자.
10. 제1항에 있어서,
    상기 열보호막은 절연막, 자연 산화막 또는 폴리머로 이루어진 것을 특징으로 하는 비대칭 수직 나노선 열전소자.
11. 제10항에 있어서,
    상기 절연막은 SiO₂, SiN 또는 high-k 절연막을 포함하는 것을 특징으로 하는 비대칭 수직 나노선 열전소자.
12. 제1항에 있어서,
    상기 열흡수부 및 상기 열방출부는 각각 Pt, Al, Au, Cu, W, Ti 및 Cr 중 선택되는 적어도 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비대칭 수직 나노선 열전소자.
13. 제1항에 있어서,
    상기 벌크 기판은 실리콘 기판, 사파이어 기판 또는 유리 기판 상에 결정질 실리콘, 폴리 실리콘, 비결정질 실리콘 또는 Bi₂Te₃의 반도체 물질을 증착하는 것을 특징으로 하는 비대칭 수직 나노선 열전소자.
14. 벌크 기판의 상부에 서로 이격 배치된 제1 기판 영역 및 제2 기판 영역에 n형 및 p형 도핑하여 n형 도핑된 제1 기판영역 및 p형 도핑된 제2 기판영역을 형성하는 제1 단계;
    상기 벌크 기판 상부를 식각하여, 상기 n형 도핑된 제1 기판영역 및 p형 도핑된 제2 기판영역의 상부에 각각 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이를 형성하는 제2 단계;
    상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이를 둘러싸는 측부와, 상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이 사이 및 상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이를 형성하고 있는 나노선들 사이에 열보호막을 증착하는 제3 단계;
    상기 n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이 각각의 상단에 제1 열방출부 및 제2 열방출부를 형성하는 제4 단계;
    상기 n형 도핑된 제1 기판영역 및 p형 도핑된 제2 기판영역의 하부가 노출되도록 상기 벌크 기판의 하부를 연마하는 제5 단계; 및
    상기 연마된 벌크 기판의 하부에 위치하고, 상기 n형 도핑된 제1 기판영역 및 p형 도핑된 제2 기판영역과 동시에 접하는 열흡수부를 형성하는 제6 단계를 포함하고,
    상기 제2 단계에서, n형 및 p형 비대칭 수직 나노선 어레이는 상기 나노선들의 직경이 상단부터 하단까지 일정하지 않도록 형성되는 것을 특징으로 하는 비대칭 수직 나노선 열전소자 제조방법.
15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 단계는,
    상기 벌크 기판 상에 불순물 주입 보호막을 형성하는 단계;
    상기 벌크 기판의 제1 기판 영역을 제외한 나머지 영역 상에 제1 불순물 주입 방지막을 형성하는 단계;
    상기 제1 기판 영역에 n형 도핑하여 n형 도핑된 제1 기판 영역을 형성하는 단계;
    상기 제1 불순물 주입 방지막을 제거하는 단계;
    상기 기판의 제2 기판 영역을 제외한 나머지 영역 상에 제2 불순물 주입 방지막을 형성하는 단계;
    상기 제2 기판 영역에 p형 도핑하여 p형 도핑된 제2 기판 영역을 형성하는 단계; 및
    상기 제2 불순물 주입 방지막 및 상기 불순물 주입 보호막을 제거하는 단계를 포함하는 비대칭 수직 나노선 열전소자 제조방법.
16. 제14항에 있어서,
    상기 n형 또는 상기 p형 도핑되는 물질의 주입 농도는 10¹⁶cm^-3 내지 10²⁰cm^{- 3} 인 것을 특징으로 하는 비대칭 수직 나노선 열전소자 제조방법.
17. 제14항에 있어서,
    상기 n형 또는 상기 p형 도핑되는 깊이는 5nm 내지 100μm인 것을 특징으로 하는 비대칭 수직 나노선 열전소자 제조방법.
18. 제14항에 있어서, 상기 제2 단계는,
    상기 n형 도핑된 제1 기판영역 및 p형 도핑된 제2 기판 영역 상에 마스크 패턴을 형성하는 단계;
    상기 마스크 패턴 사이로 노출된 기판 영역을 건식 식각하여 n형 도핑된 제1 기판 영역 및 p형 도핑된 제2 기판 영역 상에 비대칭 수직 나노선을 형성하는 단계; 및
    상기 마스크 패턴을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비대칭 수직 나노선 열전소자 제조방법.
19. 제18항에 있어서,
    상기 비대칭 수직 나노선을 형성하는 단계 및 상기 마스크 패턴을 제거하는 단계 사이에, 상기 비대칭 수직 나노선을 습식 식각하여 표면 거칠기를 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비대칭 수직 나노선 열전소자 제조방법.
20. 제14항에 있어서,
    상기 열흡수부 및 상기 열방출부는 각각 금속 물질을 증착하여 형성되는 것을 특징으로 하는 비대칭 수직 나노선 열전소자 제조방법.
21. 제20항에 있어서,
    상기 금속 물질은 Pt, Al, Au, Cu, W, Ti 및 Cr 중 선택되는 적어도 하나의 물질인 것을 특징으로 하는 비대칭 수직 나노선 열전소자 제조방법.
22. 제20항에 있어서,
    상기 열흡수부 및 상기 열방출부는 상기 금속물질을 증착하기 전에 습식 식각을 통해 자연 산화막을 제거하는 것을 특징으로 하는 비대칭 수직 나노선 열전소자 제조방법.
23. 제14항에 있어서,
    상기 제5 단계는, 반도체 연마 공정, 건식 식각 또는 습식 식각 공정을 이용하여 연마하는 것을 특징으로 하는 비대칭 수직 나노선 열전소자 제조방법.
    
    

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