KR102256029B1 - 나노 구조체의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 개시의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따르면, 포토 레지스트층이 형성된 게르마늄 기판 상에 포커싱층을 형성하는 단계와, 포커싱층 상을 노광하여 포토 레지스트층에 나노 홀을 형성하는 단계와, 나노 홀을 통해 노출된 게르마늄 기판 상에 금속 물질을 증착하여 금속 패턴을 형성하는 단계, 및 게르마늄 기판을 탈이온수에 노출시켜 금속 패턴과 접하는 게르마늄 기판의 상부에 나노 구조체를 형성하는 단계를 포함하는 나노 구조체의 제조 방법이 개시된다.

Description

나노 구조체의 제조 방법 {METHOD FOR MANUFACTURING NANO STRUCTURE}
본 개시(disclosure)의 기술적 사상은 나노 구조체의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 제조 공정 비용을 현저하게 절감시키면서 공정 위험성 및 유해한 부산물을 감소시키는 동시에 고품질의 대면적 나노 구조체를 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.
대면적의 주기적인 배열의 나노 구조를 형성하는 기술은 전자 소자, 광 소자, 바이오 소자 등 반도체를 이용하는 소자들의 성능 향상을 위해 필수적이다.
나노 구조체를 형성하기 위해 사용되는 식각 방법으로 크게 플라즈마를 이용하는 건식 식각과 식각 용액을 이용하는 습식 식각이 있을 수 있다. 건식 식각의 경우 나노 사이즈의 패턴 형성이 용이하나, 플라즈마 이온의 물리적 충돌로 인한 반도체 격자 손상 문제, 이로 인한 소자 특성 저하 문제, 및 고가의 장비로 인한 연구. 개발 및 제조 비용 증가 등의 어려움이 있다. 습식 식각의 경우 제조 비용 등이 저렴하지만, 습식 용액의 측면 침식으로 인해 나노 사이즈의 패턴 형성이 어려우며, 반도체와 식각 용액의 화학적 반응에서 발생하는 가스 및 침전물로 인한 문제가 있다.
나노 구조를 형성하기 위한 또 다른 식각 방법으로 금속과 반도체의 산화 환원 반응 및 식각 용액을 이용한 기술, 예를 들어 MAC(Metal Assisted Chemical) 식각이 있을 수 있다. 해당 기술은 고품질의 나노 구조를 구현할 수 있는 특성을 가진다. 그러나, 주기적인 나노 구조에 대응하는 금속 패턴을 형성하기 위해 고가의 장비를 필요로 하며, 산화제로 무질서한 식각 반응을 야기하게되는 과산화수소가 주로 사용되어 선택적 식각이 어렵고, 식각 용액으로 강산이 사용되어 공정에 위험성이 크고, 인체에 유해한 부산물로 인해 연구 개발에 어려움이 따른다. 따라서, 새로운 조합의 산화제와 식각 용액에 대한 연구가 필요한 실정이다.
본 개시의 기술적 사상에 따른 나노 구조체의 제조 방법이 이루고자 하는 기술적 과제는, 고가의 장비 및 복잡한 공정 단계에 의한 과도한 연구, 개발 및 제조 비용을 완화하고, 식각 선택도 및 속도를 향상시키며, 공정 위험성 및 유해한 부산물로 인한 문제를 개선하면서 대면적의 고품질의 나노 구조를 제조할 수 있는 방법을 구현하는 데 있다.
본 개시의 기술적 사상에 따른 나노 구조체의 제조 방법이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제는 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따르면, 포토 레지스트층이 형성된 게르마늄 기판 상에 포커싱층을 형성하는 단계; 상기 포커싱층 상을 노광하여 상기 포토 레지스트층에 나노 홀을 형성하는 단계; 상기 나노 홀을 통해 노출된 상기 게르마늄 기판 상에 금속 물질을 증착하여 금속 패턴을 형성하는 단계; 상기 게르마늄 기판을 탈이온수에 노출시켜 상기 금속 패턴과 접하는 상기 게르마늄 기판의 상부에 나노 구조체를 형성하는 단계를 포함하는 나노 구조체의 제조 방법이 개시된다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 나노 구조체를 형성하는 단계는,　상기 탈이온수, 상기 금속 패턴, 및 상기 게르마늄 기판 간의 산화 환원 반응으로 게르마늄 산화 영역을 형성하는 단계, 및　상기 게르마늄 산화 영역이 상기 탈이온수에 용해 및 제거되는 단계를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 나노 구조체는 상기 게르마늄 기판으로부터 상기 산화 영역을 제거하여 정의될 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 게르마늄 산화 영역은 상기 금속 패턴 사이에 형성될 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 나노 구조체는 상기 게르마늄 기판의 하부로 갈수록 폭이 넓어지는 뿔형 구조일 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 나노 구조체를 형성하는 단계에서, 상기 게르마늄 기판은 상기 금속 패턴과 적어도 일부에서 접하는 제1 영역과 상기 제1 영역을 제외한 제2 영역을 포함하고, 상기 반응물은 상기 제2 영역에서 선택적으로 형성될 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 제2 영역은 상기 금속 패턴의 가장자리 영역과 중첩될 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 제2 영역은 서로 이격된 복수의 나노 구조체들을 한정하는 일체의 구조물일 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 나노 구조체를 형성하는 단계에서, 상기 나노 구조체의 상면의 지름은 상기 금속 패턴을 이루는 각각의 패턴의 하면의 지름보다 작을 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 나노 구조체들 각각의 상면의 레벨은 서로 일정하고, 상기 나노 구조체들 사이의 평평한 구간의 레벨은 서로 일정할 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 포커싱층은 나노 스피어 단일층일 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 나노 구조체를 형성하는 단계에서, 상기 나노 구조체는 복수개로써, 서로 동일한 간격을 두고 이격되도록 배열될 수 있다.
본 개시의 기술적 사상에 의한 다른 양태에 따르면, 포토 레지스트층에 나노 홀을 형성하는 단계; 상기 나노 홀을 통해 노출된 상기 게르마늄 기판 상에 금속 물질을 증착하여 금속 패턴을 형성하는 단계; 상기 게르마늄 기판을 탈이온수에 노출시켜 상기 게르마늄 기판의 상부에 게르마늄 산화 영역을 형성하는 단계; 및 상기 산화 영역이 상기 탈이온수에 용해 및 제거되어 나노 구조체가 형성되는 단계를 포함하는 나노 구조체의 제조 방법이 개시된다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 나노 구조체가 형성되는 단계에서, 상기 나노 구조체는 상기 게르마늄 기판으로부터 상기 산화 영역을 제거하여 정의될 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 상기 나노 구조체의 상면은 상기 금속 패턴과 접할 수 있다.
본 개시의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 나노 구조체의 제조 방법에 의하면, 고가의 장비를 이용하지 않으면서 공정 단계를 간소화하여 제조 비용을 현저하게 줄이고, 식각 선택도 및 속도를 향상시키며, 공정 위험성 및 유해한 부산물을 감소시키는 동시에, 고품질의 대면적 나노 구조체를 형성할 수 있다.
본 개시의 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 개시의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 나노 구조체의 제조 방법의 플로우 차트이다.
도 2a 내지 도 2i는 도 1의 나노 구조체의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다.
도 3은 본 개시의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 나노 구조체의 제조 방법에 의해 제조된 나노 구조체를 이용하여 제조한 발광 소자를 예시한 도면이다.
도 4는 본 개시의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 나노 구조체의 제조 방법에 의해 제조된 다양한 형태의 나노 구조체를 나타내는 사진들이다.
도 5는 도 1의 방법에 의해 제조된 주기적인 배열을 갖는 나노 구조체들의 파장에 따른 반사 특성을 설명하기 위한 그래프이다. 나노 구조체의 형태에 따른 파장별 반사 특성을 나타내고 있다.
도 6은 도 1의 방법에 의해 제조된 주기적인 배열을 갖는 나노 구조체들의 파장에 따른 반사 특성을 설명하기 위한 그래프이다. 나노 구조체를 형성하기 위한 식각 시간에 따른 파장별 반사 특성을 나타내고 있다.
본 개시의 기술적 사상에 따른 예시적인 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 개시의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것으로, 아래의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 개시의 기술적 사상의 범위가 아래의 실시예들로 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하며 당업자에게 본 개시의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 영역, 층들, 부위 및/또는 구성 요소들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들, 부위 및/또는 구성 요소들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 특정 순서나 상하, 또는 우열을 의미하지 않으며, 하나의 부재, 영역, 부위, 또는 구성 요소를 다른 부재, 영역, 부위 또는 구성 요소와 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1 부재, 영역, 부위 또는 구성 요소는 본 개시의 기술적 사상의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2 부재, 영역, 부위 또는 구성 요소를 지칭할 수 있다. 예를 들어, 본 개시의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
달리 정의되지 않는 한, 여기에 사용되는 모든 용어들은 기술 용어와 과학 용어를 포함하여 본 개시의 개념이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 공통적으로 이해하고 있는 바와 동일한 의미를 지닌다. 또한, 통상적으로 사용되는, 사전에 정의된 바와 같은 용어들은 관련되는 기술의 맥락에서 이들이 의미하는 바와 일관되는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 여기에 명시적으로 정의하지 않는 한 과도하게 형식적인 의미로 해석되어서는 아니 될 것이다.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 수행될 수도 있다.
첨부한 도면에 있어서, 예를 들어, 제조 기술 및/또는 공차에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 개시의 기술적 사상에 의한 실시예들은 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들어, 제조 과정에서 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다. 도면 상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고, 이들에 대한 중복된 설명은 생략한다.
여기에서 사용된 '및/또는' 용어는 언급된 부재들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
이하에서는 첨부한 도면들을 참조하여 본 개시의 기술적 사상에 의한 실시예들에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 개시의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 나노 구조체의 제조 방법의 플로우 차트이다.
도 2a 내지 도 2i는 도 1의 나노 구조체의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다. 도 2g는 도 2f의 M부분을 확대하여 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2a를 참조하면, 게르마늄 기판(101) 상에 포토 레지스트층(103)을 형성하고, 상기 포토 레지스트층(103) 상에 포커싱층(105)을 형성할 수 있다(S101).
도시되지는 않았으나, 상기 게르마늄 기판(101)은 다른 기초 기판 상에 형성될 수 있다. 이 때 상기 기초 기판은 다양한 재료로 이루어질 수 있다. 상기 게르마늄 기판(101)은 상기 기초 기판 상에 전자빔 증착범(e-beam evaporation)을 이용해 증착될 수 있으며, 이 때 상기 게르마늄 기판(101)은 비정질(amorphous)로 이루어질 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 게르마늄 기판은 결정질(crystalline)로 이루어질 수 있다.
상기 포커싱층(105)은 상기 포커싱층(105) 상으로 조사된 광을 집중시키는 역할을 할 수 있다. 상기 포커싱층(105)은 나노 사이즈의 구조체들이 주기적으로 배열되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 포커싱층(105)은 나노 스피어, 비드, 또는 렌즈로 구성될 수 있으며, 그 재질, 크기, 형상, 배열, 및 간격 등에 의해 집광 특성이 조절될 수 있다.
본 개시의 기술적 사상에 따른 일 실시예에 따르면, 상기 포커싱층(105)은 나노 스피어 단일층일 수 있다. 상기 나노 스피어 단일층은 다음의 단계들을 통해 형성될 수 있다. 먼저, 상기 게르마늄 기판(101) 및　상기 포토 레지스트층(103)으로 이루어진 적층 구조물 상에　나노 스피어를 포함하는 용액을 도포하고,　상기 나노 스피어들이 배치된 상기 적층 구조물을 탈이온수(deionized water)에 담가 상기 탈이온수 수면 상에 나노 스피어 단일층을 형성한다. 이후, 상기 탈이온수를 증발시켜 상기 적층 구조물 상에 주기적으로 배열된 나노 스피어 단일층을 형성할 수 있다.
도 1 및 도 2b를 참조하면, 상기 포커싱층(105) 상에 광(L)을 조사하여 상기 포토 레지스트층(103)에 주기적으로 배열되는 나노 홀(NH)들을 형성할 수 있다(S103). 구체적으로, 상기 게르마늄 기판(101), 상기 포토 레지스트층(103), 및 상기 포커싱층(105)으로 이루어진 적층 구조물 상에 조사된 광(L)은 상기 포커싱층(105)으로 기능하는 상기 나노 스피어 단일층에 의해 포커싱되어 상기 포토 레지스트층(103)에 집중된 광 에너지를 전달할 수 있다. 상기 포토 레지스트층(103)은 상기 광 에너지에 의해 주기적으로 배열되는 나노 홀(NH)을 형성하여 패터닝될 수 있다. 상기 포토 레지스트층(103)은 조사되는 광(L)의 양에 따라 패턴의 너비 및 깊이가 달라질 수 있다.
도 1 및 도 2c를 참조하면, 도 2b의 포토 레지스트층(103)을 패터닝한 후, 도 2b의 포커싱층(105)을 제거하고, 감광제를 이용하여 노광된 영역을 제거함으로써, 주기적인 나노 홀(NH)을 포함하는 포토 레지스트 패턴(103P)을 형성할 수 있다. 포커싱층(105)으로 나노 스피어 단일층을 이용한 경우, 상기 나노 홀(NH)은 나노 사이즈의 원형 홀일 수 있다.
도 1 및 도 2d를 참조하면, 나노 홀(NH)을 통해 노출된 게르마늄 기판(101) 상에 금속 물질(107)을 증착하여 금속 패턴(107P)을 형성한다(S105). 상기 금속 물질(107)은 전자빔(e-beam), 스퍼터(sputter) 등을 이용하여 증착될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예들에서, 상기 금속 물질(107)은 금(Au)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1 및 도 2e를 참조하면, 리프트 오프(lift-off) 과정을 통해 도 2d의 포토 레지스트 패턴(103P) 및 상기 포토 레지스트 패턴(103P) 상에 증착된 금속 물질층(107F)을 제거할 수 있다. 이에 따라, 나노 홀(NH) 내에 형성되었던 금속 패턴(107P) 만이 상기 게르마늄 기판(101) 상에 남는다. 상기 나노 홀(NH)의 형상에 따라 상기 금속 패턴(107P)은 원형 디스크 형태일 수 있다. 이후, 금속 패턴(107P)이 형성된 게르마늄 기판(101)을 탈이온수(Deionized water; DIW)에 노출시킨다.
도 1 및 도 2f를 참조하면, 게르마늄 기판(101), 탈이온수(DIW), 및 금속 패턴(107P)이 산화 환원 반응하여 상기 게르마늄 기판(101)의 상부 중 상기 금속 패턴(107P) 사이에 게르마늄 산화 영역(101X)이 형성된다(S107). 이 때, 상기 게르마늄 기판(101)은 상기 금속 패턴(107P)을 지지하는 제1 영역(R1)과 상기 제1 영역(R1)을 제외한 제2 영역(R2)을 포함하고, 상기 산화 환원 반응은 상기 제2 영역(R2)에서 선택적으로 발생하여 상기 게르마늄 산화 영역(101X)을 형성한다.
구체적으로, 상기 산화 환원 반응은 아래 반응식을 통해 나타낼 수 있다.
O2 + 4H+ +4e- ↔ 2H20 (반응식 1)
GeO2 + 4H+ + 4e- ↔ Ge + 2H20 (반응식 2)
상기 탈이온수(DIW)에 용해된 산소(O2)는 환원 반응을 유도하며, 상기 게르마늄 기판(101)의 표면을 산화시킨다. 상기 산소(O2)는 (반응식 1)에 따라 물(H20)로 환원될 수 있으며, 이 과정에서 필요한 수소 이온(H+)과 전자(e-)는 (반응식 2)의 게르마늄(Ge)이 산화되는 과정에서 공급될 수 있다. 상기 산화 환원 반응의 반응물로 게르마늄 산화물(GeO2)이 형성된다. 한편, 상기 산화 환원 반응은 상기 게르마늄 기판(101)으로부터 산소로의 개선된 전자 이동도때문에 상기 금속 패턴(107P)의 주변에서 더욱 활발하게 발생하게 된다. 따라서, 상기 게르마늄 기판(101) 중 상기 금속 패턴(107P)의 주변에 상기 산화 환원 반응의 반응물인 게르마늄 산화 영역(101X)이 형성된다.
상기 제1 영역(R1)은 후술하는 도 2h에 나타나는 서로 이격된 복수의 나노 구조체(101N)들에 해당하는 영역들일 수 있다. 즉, 상기 나노 구조체(101N, 도 2h 참조)의 상면은 상기 금속 패턴(107P)과 접한다. 상기 제1 영역(R1), 즉 상기 나노 구조체(101N, 도 2h 참조)는 복수개로써, 서로 동일한 간격으로 두고 이격되도록 배열될 수 있다. 상기 제2 영역(R2)은 서로 이격된 복수의 나노 구조체(101N, 도 2h 참조)들을 한정하는 일체(one body)의 구조물일 수 있다. 도 2h의 나노 구조체(101N)는 상기 게르마늄 기판(101)으로부터 상기 게르마늄 산화 영역(101X)을 제거하여 정의될 수 있다.
도 2g를 함께 참조하면, 상기 제1 영역(R1)은 상기 게르마늄 기판(101)의 하부로 갈수록 폭이 넓어지는 뿔형 구조일 수 있다. 상기 제1 영역(R1), 즉 상기 나노 구조체(101N, 도 2h 참조)의 상면(101NT)의 지름(WNT)은 상기 제1 영역(R1), 즉 상기 나노 구조체(101N, 도 2h 참조)의 하부의 지름(WNB)보다 작을 수 있다.
한편, 상기 제1 영역(R1), 즉 상기 나노 구조체(101N, 도 2h 참조)의 상면(101NT)의 지름(WNT)은 상기 금속 패턴(107P)을 이루는 각각의 패턴의 하면(107PB)의 지름(W107P)보다 작을 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 영역(R2)은 상기 금속 패턴(107P)의 가장자리 영역과 적어도 일부에서 중첩되는 영역(WOV)을 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2h를 참조하면, 게르마늄 산화물은 물에 용해되므로, 도 2f 및 도 2g의 게르마늄 산화 영역(101X)은 탈이온수(DIW)에 의해 게르마늄 기판(101S)으로부터 제거될 수 있다(S109). 이에 따라, 상기 게르마늄 기판(101)의 상기 금속 패턴(107P)의 주변에 게르마늄으로 이뤄진 나노 구조체(101N)가 형성된다 (S111). 이 때, 상기 나노 구조체(101N)들 각각의 상면의 레벨은 서로 일정하고, 상기 나노 구조체(101N)들 사이의 평평한 구간의 레벨은 서로 일정할 수 있다.
일반적으로는 MAC(Metal Assisted Chemical) 식각에서 반도체 물질의 산화 환원 반응을 유도하기 위한 산화제로써 과산화수소(H2O2)가 사용되고, 식각 용액으로써 HF 또는 H2SO4과 같은 강산이 사용된다. 그러나, 과산화수소(H2O2)를 산화제로 사용하게 되면 금속 촉매제가 존재하는 영역은 물론 금속 촉매제가 존재하지 않는 영역까지 식각이 이루어지는 무질서한 식각반응이 야기되고, 그에 따라 선택적 식각이 제한된다. 또한, HF 또는 H2SO4과 같은 강산의 사용으로 인해 공정 위험도가 높아지고 인체에 유해한 공정 부산물이 발생한다.
반면, 본 개시의 실시예들에 따르면, 식각용액으로 탈이온수(DIW)를 이용하고 산화제로써 과산화수소(H2O2)에 비하여 낮은 표준 환원 전위를 갖는 탈이온수(DIW)에 용해된 산소(O2)를 이용함으로써, MAC 식각에서 높은 선택도를 유지할 수 있어 고품질의 나노 구조체를 제조할 수 있게 되며 안전성 문제를 해결할 수 있다.
도 1 및 도 2i를 참조하면, 도 2h의 금속 패턴(107P)을 제거하여 나노 구조체(101N)를 포함하는 게르마늄 기판(101S)을 완성할 수 있다.
본 개시의 기술적 사상에 의한 나노 구조체의 제조 방법에 따르면, 결정 격자의 손상이 없는 고품질의 나노 구조를 대면적으로 형성할 수 있다. 이에 따라, 상기 나노 구조체(101N)를 포함하는 게르마늄 기판(101S) 상에 반도체 물질을 고품질로 성장시킬 수 있다.
도 3은 본 개시의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 나노 구조체의 제조 방법에 의해 제조된 나노 구조체를 이용하여 제조한 발광 소자를 예시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 나노 구조체(101N)를 포함하는 게르마늄 기판(101S) 상에 제1 반도체 물질층(109) 및 제2 반도체 물질층(111)을 형성하고, 상기 적층 구조의 양면에 제1 전극(113A)과 제2 전극(113B)을 각각 형성하여 발광 소자를 제조할 수 있다. 상기 발광 소자는 결정 격자의 손상이 없는 고품질의 게르마늄 기판(101S)과, 이를 기초로 형성된 격자 손상이 없는 제1 및 제2 반도체 물질층을 기반으로 하므로, 성능이 향상된 발광 소자로 기능할 수 있다.
도 4는 본 개시의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 나노 구조체의 제조 방법에 의해 제조된 다양한 형태의 나노 구조체를 나타내는 사진들이다. A 내지 F 케이스들은 각각 서로 다른 직경, 높이, 및 형상을 가지는 나노 구조체들을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 도 1 내지 도 2i를 참조하여 설명한 나노 구조체의 제조 방법에서, 금속 패턴의 형태 및/또는 식각 시간 등에 따라 A 내지 F 케이스와 같은 다양한 형태의 나노 구조체를 형성할 수 있다. 나노 구조체의 다양한 형태에 따른 광 반사 특성은 도 5 및 도 6을 참조하여 상세히 후술하도록 한다.
도 5는 도 1의 방법에 의해 제조된 주기적인 배열을 갖는 나노 구조체들의 파장에 따른 광 반사 특성을 설명하기 위한 그래프이다. 평평한 상면을 갖는 상태의 게르마늄 기판과 도 4의 A, B, 및 C 케이스에 나타난 나노 구조체를 포함하는 기판에 대한 파장별 광 반사 특성을 나타내고 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 식각하지 않아 평평한 상면을 갖는 상태(Planar Ge surface)의 게르마늄 기판은 약 40%에 가까운 반사율을 가지는 것이 확인된다. 그러나, A, B, 및 C 케이스를 참조하면, 본 개시의 기술적 사상에 따른 주기적인 나노 구조체 배열을 갖는 게르마늄 기판은 평평한 게르마늄 기판에 비해서 파장 범위 300nm부터 1700nm까지의 전체에 걸쳐서 현저하게 낮은 광 반사율을 나타낸다.
특히, A, B, 및 C 케이스에서, 나노 구조체 배열을 갖는 게르마늄 기판은 파장 범위 300nm부터 1000nm까지 현저하게 낮은 광 반사율을 가진다. A 케이스에서, 게르마늄 기판은 약 500nm 및 높이 약 300nm의 주기적인 나노 구조체 배열을 가지며 약 20% 전후의 광 반사율을 가진다. B 케이스에서, 게르마늄 기판은 직경 약 800nm 및 높이 약 380nm의 주기적인 나노 구조체 배열을 가지며 약 15% 전후의 광 반사율을 가진다. C 케이스에서, 게르마늄 기판은 직경 약 1000nm 및 높이 약 450nm의 주기적인 나노 구조체 배열을 가지며 약 10% 전후의 광 반사율을 가진다.
도 6은 도 1의 방법에 의해 제조된 주기적인 배열을 갖는 나노 구조체들의 파장에 따른 반사 특성을 설명하기 위한 그래프이다. 나노 구조체를 형성하기 위한 식각 시간에 따른 파장별 반사 특성을 나타내고 있다.
도 6을 참조하면, 식각하지 않은 상태(As-deposited)의 게르마늄 기판은 약 40%에 가까운 반사율을 가지는 것이 확인된다. 그러나, 게르마늄 기판에 대한 식각 시간이 약 36시간, 약 48시간, 약 60시간로 증가함에 따라 광 반사율이 약 20%, 약 15%, 약 10%까지 감소하는 것을 확인할 수 있다.
본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 개시의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 개시의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 개시의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 개시의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 개시의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
101, 101S: 게르마늄 기판
101N: 나노 구조체
101X: 게르마늄 산화 영역
103: 포토 레지스트층
103P: 포토 레지스트 패턴
105: 포커싱층
107: 금속 물질
107P: 금속 패턴
109, 111: 제1 및 제2 반도체 물질층
113A, 113B: 제1 및 제2 전극
DIW: 탈이온수
NH: 나노 홀
R1, R2: 제1 및 제2 영역

Claims (15)

  1. 포토 레지스트층이 형성된 게르마늄 기판 상에 포커싱층을 형성하는 단계;
    상기 포커싱층을 통해서 상기 포토 레지스트층을 선택적으로 노광하고 상기 포커싱층을 제거하는 단계;
    상기 포토 레지스트층을 현상하여 상기 포토 레지스트층에 복수의 나노 홀들을 형성하는 단계;
    상기 복수의 나노 홀들이 형성된 상기 포토 레지스트층 전면에 금속 물질을 증착하는 단계;
    상기 복수의 나노 홀들을 채우는 상기 금속 물질은 잔존시키고 상기 포토 레지스트층 상의 상기 금속 물질 및 상기 포토 레지스트층을 제거하여, 상기 게르마늄 기판 상에 금속 패턴을 형성하는 단계;
    탈이온수를 이용하여 상기 금속 패턴 사이에서 노출되는 상기 게르마늄 기판의 상부를 일부 제거하여 상기 게르마늄 기판의 상부에 나노 구조체를 형성하는 단계; 및
    상기 금속 패턴을 제거하는 단계;
    를 포함하는 나노 구조체의 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 나노 구조체를 형성하는 단계는,　
    상기 탈이온수와 상기 게르마늄 기판 간의 산화 환원 반응을 통해서 상기 금속 패턴 사이에서 노출되는 상기 게르마늄 기판 상부에 산화 영역을 형성하는 단계; 및　
    상기 산화 영역이 상기 탈이온수에 용해 및 제거되는 단계;
    를 포함하는, 나노 구조체의 제조 방법.　
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 나노 구조체는, 상기 산화 영역이 제거되어 정의되는, 나노 구조체의 제조 방법.　
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 나노 구조체는, 상기 게르마늄 기판의 하부로 갈수록 폭이 넓어지는 뿔형 구조인, 나노 구조체의 제조 방법.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 게르마늄 기판은 상기 금속 패턴과 적어도 일부에서 접하는 제1 영역과 상기 제1 영역을 제외한 영역으로 상기 산화 영역을 포함하는 제2 영역을 갖는, 나노 구조체의 제조 방법.　
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제2 영역은, 상기 금속 패턴의 가장자리 영역과 중첩되는, 나노 구조체의 제조 방법.　
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 제2 영역은, 서로 이격된 복수의 나노 구조체들을 한정하는 일체의 구조물인, 나노 구조체의 제조 방법.　
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 나노 구조체의 상면의 지름은 상기 금속 패턴의 하면의 지름보다 작은, 나노 구조체의 제조 방법.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 나노 구조체들 각각의 상면의 레벨은 서로 일정하고, 상기 나노 구조체들 사이의 평평한 구간의 레벨은 서로 일정한, 나노 구조체의 제조 방법.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 포커싱층은, 나노 스피어 단일층인, 나노 구조체의 제조 방법.　
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 나노 구조체는 복수개로써, 서로 동일한 간격을 두고 이격되도록 배열되는, 나노 구조체의 제조 방법.
  13. 게르마늄 기판 상의 예비층에 복수의 나노 홀들을 형성하는 단계;
    상기 복수의 나노 홀들이 형성된 상기 예비층 전면에 금속 물질을 증착하는 단계;
    상기 복수의 나노 홀들을 채우는 상기 금속 물질은 잔존시키고 상기 예비층 상의 상기 금속 물질 및 상기 예비층을 제거하여 상기 게르마늄 기판 상에 금속 패턴을 형성하는 단계;
    상기 게르마늄 기판을 탈이온수에 노출시켜 상기 게르마늄 기판의 상부 중 상기 금속 패턴 사이에 산화 영역을 형성하는 단계;
    상기 산화 영역이 상기 탈이온수에 용해 및 제거되어 나노 구조체가 형성되는 단계; 및
    상기 금속 패턴을 제거하는 단계;
    를 포함하는, 나노 구조체의 제조 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 나노 구조체는, 상기 산화 영역이 제거되어 정의되는, 나노 구조체의 제조 방법.　
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 나노 구조체의 상면은, 상기 금속 패턴과 접하는, 나노 구조체의 제조 방법.
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