KR20030071915A - 나노선과 이를 이용한 나노소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노선과 이를 이용한 나노소자에 관한 것으로서, 특히 나노선 위에 p 타입과 n 타입의 동종접합, 혹은 이종 접합 구조나 양자우물 구조를 가지는 나노선 및 이를 이용한 나노소자에 관한 것이다. 여기서, 본 발명의 나노소자에는 나노 어레이(array) 및 나노 어레이를 통해 만들어진 고집적 회로가 포함된다.

본 발명에 따른 나노선은 단일 나노선 안에 정공을 형성시키는 p-타입 영역과 전자를 생성시키는 n-타입 영역을 가짐으로써 나노선 하나 하나가 전계트랜지트터가 되며, 나노선 안에 이종접합구조로 이루어진 매우 얇은 층들을 겹겹이 쌓여진 양자우물구조 또는 초격자구조를 삽입하면 각각의 나노선이 레이저 다이오드나 공명터널링다이오드(resonant tunneling diode, RTD) 등의 나노소자가 된다. 또한 이러한 나노소자들의 어레이를 이용해 고집적회로를 제작할 수 있다.

Description

나노선과 이를 이용한 나노소자{Single nano wire and nano devices using thereof}

본 발명은 나노선과 이를 이용한 나노소자에 관한 것으로서, 특히 나노선 위에 p 타입과 n 타입의 동종접합, 혹은 이종 접합 구조나 양자우물 구조를 가지는 나노선 및 이를 이용한 나노소자에 관한 것이다. 한편, 본 발명의 나노소자에는 나노 어레이(array) 및 나노 어레이를 통해 만들어진 고집적 회로가 포함된다.

일반적으로, 일차원적인 형태의 나노선은 비교적 길이를 길게 만들 수 있어 조작이 용이할 뿐만이 아니라, 독특한 전기적 특성을 지녀서, 차세대 나노 소자의 핵심 소재로 주목을 받고 있다. 특히, 반도체 나노선의 경우 인위적인 불순물 도핑을 통해 p 타입 혹은 n 타입의 반도성을 띄는 나노선을 제작할 수 있어서, 이들 나노선을 십자접합(cross junction)시켜서 전계트랜지스터(FET, field effect transistor) 등 기본적인 전자소자 등을 제작할 수 있게 되었다.

하지만, 이러한 십자접합 나노소자는 접합면적이 적어서 소자 성능이 떨어지며, 소자의 수명 및 안정성에 큰 문제가 있을 뿐만이 아니라, 단순한 구조를 갖는 기본적인 전자소자를 만드는데도 매우 정밀한 제어기술이 필요로 해서 시장성은 거의 없는 것으로 알려져 있다.

한편, 나노기술은 기존 과학기술의 한계를 뛰어넘는 새로운 기술로 차세대 대용량, 초고속 첨단소자를 개발하기 위해 매우 중요한 기술로 인식되고 있다. 특히, 탄소 나노튜브나 나노선을 이용하면, 현재 가장 집적도가 높은 반도체인 1기가 D램보다 회로폭이 1백분의 1에 불과한 회로를 만들 수 있어 같은 면적에 집적도를 1만배까지 높일 수 있다. 하지만, 기존의 탄소나노 튜브나 나노선들을 이용해서 만들어졌던 나노 소자들은 단일 나노선으로 만들어진 것이 아니라, 두개 이상의 나노선들을 인위적으로 재배열해서 만들어진 것이라서 사실상 집적도를 높이는데 한계가 있고, 실제로 응용되기에도 많은 문제점들이 있다.

더불어서, 상기한 문제를 해결하기 위해서는 단일 나노선으로 이루어진 나노소자를 개발해야 하지만, 기존의 나노선 제작방법으로는 이러한 단일 나노선 나노소자 제작이 불가능한 문제점이 있다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 복잡한 구조의 나노선 제조를 가능케 하는 나노선 증착법을 이용하여 단일 나노선 형태의 나노소자를 제조함으로써 다양한 구조의 나노선 및 이를 이용한 나노소자를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 p-n 접합을 통해 나노사이즈의 전계트랜지스터(FET)나 발광다이오드(LED) 등의 기본적인 전자소자를 제작할 수 있도록 하는 가장 기본적인 나노소자의 구조를 갖는 나노소자를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 p 타입과 n 타입 영역 사이에 초격자나 양자우물구조를 삽입해서 레이저 다이오드(laser diode)를 제작할 수 있으며, p 타입과 p 타입 혹은, n 타입과 n 타입 영역사이에 초격자 혹은 양자우물구조를 삽입해서, 공명터널링 다이오드(resonant tunneling diode, RTD) 등을 제작할 수 있도록 하는 나노선 및 이를 이용한 나노소자를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 제조되는 단일나노선 각각이 하나의 소자로 작용하도록 하여 십자접합을 이용한 소자보다도 훨씬 집적도가 높은 회로를 보다 용이하게제작할 수 있도록 된 나노선과 이를 이용한 나노소자를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 기존의 나노소자 제작방법의 한계를 극복하고, 집적도가 높은 회로를 보다 용이하게 만들 수 있을 뿐만이 아니라, 매우 복잡한 구조를 필요로 하는 다양한 나노소자도 쉽게 제작할 수 있도록 나노선 하나 하나에 복잡한 구조를 부여해서 단일 나노선으로 이루어진 나노소자를 제작하는 방법을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 단일 나노선의 일실시예의 구조도로서,

(a)는 자기결합모드에 의해서 제조된 p 타입과 n 타입의 동종접합구조를 갖는 나노선의 기본구조도이고,

(b)는 p 타입과 n 타입의 영역 사이에 매우 얇은 층들의 이종접합구조로 이루어진 양자우물구조나 초격자구조가 삽입된 나노선의 기본구조도이고,

(c)는 p 타입과 p 타입 혹은 n 타입과 n 타입 영역 사이에 양자우물구조나 초격자구조가 삽입된 나노선의 기본구조도이다.

도 2는 본 발명에 따른 나노소자의 일실시예의 회로구조도로서,

도 2a는 동종 혹은 이종접합구조로 이루어진 나노선들을 수평으로 배열해서 나노 전자소자들의 어레이를 제작해서 집적도를 높인 회로 구조도이고,

도 2b는 수직으로 배열된 나노선들의 어레이를 통해 집적도가 높은 회로 구조도이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 단일 나노선은; 증착법을 통해 동종접합 구조, 이종접합 구조, 양자우물 구조 또는 초격자 구조중에서 적어도 어느 한 구조를 가지는 점에 그 특징이 있다.

그리고, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 나노소자는; 증착법을 통해 동종접합 구조, 이종접합 구조, 양자우물 구조 또는 초격자 구조중에서 적어도 어느 한 구조를 가지는 나노선을 포함하는 점에 그 특징이 있다.

본 발명 나노소자의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 나노소자는 p 타입과 n 타입의 동종접합 구조를 갖는 나노선을 이용한 전계트랜지스터(FET) 또는 발광다이오드(LED)이다.

본 발명 나노소자의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 나노소자는 초격자 또는 양자우물 구조를 갖는 나노선을 이용한 레이저다이오드(laser diode)와 발광소자 또는 공명터널링다이오드(resonant tunneling diode; RTD), 공명터널링트랜지스터(resonant tunneling transister; RTT)중의 어느 하나이다.

본 발명 나노소자의 바람직한 실시예에 있어서, 수평으로 배열되어 이루어진 나노선 어레이 또는 수직으로 배열되어 이루어진 나노선 어레이를 포함한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 나노선과 이를 이용한 나노소자의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

먼저 본 발명에 따른 나노선과 이를 이용한 나노소자의 구성 및 작용에 대해 설명하기에 앞서 본 발명의 배경에 대해 개략적으로 살펴보면 다음과 같다.

본 발명의 발명자들은 최근에 유기화학기상증착법을 이용해서 기판에 수직한 방향으로 잘 배향된 나노선 및 이러한 나노선으로 이루어진 이종접합 나노선과 초격자 또는 양자우물구조를 가지는 나노선을 제조하는데 성공하였다. 이러한 나노선 제조법은 금속 촉매를 이용하는 기존의 나노선 제조법과는 달리 원자 및 분자 상태의 입자들이 금속나노선 팁 끝에 바로 흡착되어서 성장되는 방법으로 뚜렷한 계면을 가지는 복잡한 구조의 나노선을 제조할 수 있는 나노선 제조법이다. 이러한 나노선 제조법을 이용하면 단일 나노선으로 이루어진 나노소자들을 대량으로 제조할 수 있다.

본 발명은 상기 방법을 이용해서 만들어진 단일선으로 이루어진 다양한 나노소자 및 이를 개발하는 방법을 제공하고자 하는데 있다. 현재까지 본 발명에서 제공하는 나노선 제조법으로 성장된 나노선은 산화아연계 나노선에 한정되어 있지만, GaAs 및 GaN 등 다양한 종류의 나노선들이 제조가능하며, 이러한 나노선 모두 본 발명에서 제공하는 방법으로 단일선 나노소자로 제작될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 단일선 나노소자에 대한 구체적인 일실시예의 도면으로서, 도 1(a)는 나노선 제조시 p 타입 도펀트를 함유하는 전구체를 반응기로 주입하는 등의 방법을 이용해 p 타입 도핑을 하고 난 후에, n 타입 도펀트를 함유하는 전구체를 반응기로 주입하는 등의 방법을 이용해 n 타입 도핑을 해서 p-n 동종접합구조를 갖는 나노선을 제조하면, 단일나노선으로 구성된 전계트랜지스터(FET)나 발광다이오드(LED)가 만들어진다. p 타입 혹은 n 타입 도펀트는 나노선에 함유된 원소의 최외각 전자 수와 관련되어 결정되며, 당업자에게 이미 잘 알려져 있어 상세히 기술하지는 않는다.

도 1(b)는 p 타입과 n 타입의 영역 사이에 매우 얇은 층들의 이종접합구조로 이루어진 양자우물구조 및 초격자구조가 삽입된 나노선의 나노선의 기본구조도로서, 나노선 제조시 p 타입 도펀트를 첨가해서 p 타입 영역을 만들고 난 후 밴드구조 혹은 밴드갭이 서로 다를 물질들에 해당하는 반응 전구제를 반응기로 교대로 주입하는 등의 방법을 이용해서, 양자우물구조 또는 초격자 구조를 가지는 영역을 만들고 난 후, n 타입 도펀트를 첨가해서 n 타입 영역을 만든다. 상기 방법으로 제조된 나노선의 매우 얇은 층에 전하운반자 또는 엑시톤 등이 강하게 구속되어서 전하상태밀도가 변화하고, 발광효율이 증대된다. 또한 나노선 자체가 빛을 구속시킬 수있는 공동(cavity) 역할을 하기 때문에 단일나노선으로 이루어진 나노레이저를 만들 수 있다.

도 1(c)는 n 타입과 n 타입 또는 p 타입과 p 타입 영역사이에 양자우물구조 및 초격자구조가 삽입해서 단일 나노선으로 이루어진 공명터널링다이오드(RTD)의 기본구조이다. 또한, FET(Field Effect Transistor)와 RTD(Resonant Tunneling Diode)를 결합한 RTT(Resonant Tunneling Transistor)를 제작할 수 있다.

이러한 단일 나노선구조의 나노소자를 이용해서 회로로 만들 때 집적화가 용이할 뿐만 아니라 집적도도 크게 증가될 수 있다. 도 2a는 동종 혹은 이종접합구조로 이루어진 나노선들을 수평으로 배열해서 나노 전자소자들의 어레이를 제작해서 집적도를 높인 회로도의 간단한 구조를 나타낸다. 실제로 나노선들을 수평으로 배열하는 방법들은 많이 개발되어지고 있으며, 비교적 간단하기 때문에 이러한 방법들을 이용해서 나노소자 어레이나 회로를 쉽게 구현할 수 있다. 도 2b는 수직으로 배열된 나노선들의 어레이를 통해 집적도를 높인 회로도의 간단한 구조도를 나타낸다. 본 발명의 발명자들이 개발한 나노선 제조법으로 제조된 나노선은 수직으로 잘 배향될 뿐만이 아니라 사이즈 및 밀도가 균일해서 수직 배향 나노선 어레이와 이를 이용한 집적화된 회로를 만들 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 복잡한 구조의 나노선 제조를 가능케 하는 나노선 증착법을 이용하여 단일 나노선 형태의 나노소자를 제조함으로써 다양한 구조의 나노선 및 이를 이용한 나노소자를 제공하는 이점이 있다. 또한, 본 발명은 p-n 접합을 통해 나노사이즈의 전계트랜지스터(FET)나 발광다이오드(LED) 등의 기본적인 전자소자를 제작할 수 있도록 하는 가장 기본적인 나노소자의 구조를 갖는 나노소자를 제공하는 이점이 있다. 그리고, 본 발명은 p 타입과 n 타입 영역 사이에 초격자나 양자우물구조를 삽입해서 레이저 다이오드(laser diode)를 제작할 수 있으며, p 타입과 p 타입 혹은, n 타입과 n 타입 영역사이에 초격자 혹은 양자우물구조를 삽입해서, 공명터널링 다이오드(resonant tunneling diode, RTD) 등을 제작할 수 있도록 하는 나노선 및 이를 이용한 나노소자를 제공하는 이점이 있다. 더욱이, 본 발명은 제조되는 단일나노선 각각이 하나의 소자로 작용하도록 하여 십자접합을 이용한 소자보다도 훨씬 집적도가 높은 회로를 보다 용이하게 제작할 수 있도록 된 나노선과 이를 이용한 나노소자를 제공하는 이점이 있다. 한편, 본 발명은 기존의 나노소자 제작방법의 한계를 극복하고, 집적도가 높은 회로를 보다 용이하게 만들 수 있을 뿐만이 아니라, 매우 복잡한 구조를 필요로 하는 다양한 나노소자도 쉽게 제작할 수 있도록 나노선 하나 하나에 복잡한 구조를 부여해서 단일 나노선으로 이루어진 나노소자를 제작하는 방법을 제공하는 이점이 있다.

상기와 같은 본 발명에 따른 증착법을 통한 나노선과 이를 이용한 나노소자의 구체적이고 실질적인 이점들을 살펴보면 다음과 같다.

더 많은 정보를 더 빠른 시간에 처리하기 위해서 소자들의 사이즈가 계속해서 줄어들고 집적화가 높아짐에 따라 회로소자 하나의 선폭은 30여년 전 10㎛에서 0.25㎛로 40분의 1이상 줄었고 회로집적도는 무려 400배 이상 증가했다. 이른바 18∼24개월마다 반도체 집적도가 2배로 증가한다는 무어의 법칙이 그대로 적용되어져왔다. 하지만 전문가들은 2000년대 중반 회로소자의 선폭이 0.04㎛에 이르면 기존의 탑다운(top down) 방식인 식각을 통해 제조되던 마이크로 미터 혹은 서브마이크로 미터의 크기를 갖는 소자들에 대한 한계가 오기 시작하고, 향후 나노사이즈의 소자에 대한 연구는 나노 소재들을 인위적인 조작으로 만드는 바톰 업(bottom up)의 접근방식이 주로 이용되어 질 것으로 예상되고 있다.

이러한 나노기술의 선두에 있는 물질들이 탄소나노튜브 및 나노선들이다. 이중 나노선은 다양한 물질들로 만들어져서 독특한 물성을 지니며, 도핑등을 통해서 전기적 특성을 제어할 수 있으며, 비교적 조작이 용이해서 나노소재로 개발될 가능성이 크다. 이미, 금속촉매를 이용하여 나노선을 제조하는 방법이 1967년에 개발되었고, 이를 이용한 여러 가지 기술들이 개발되어서 많은 나노선 제조되었다. 하지만, 오랜 역사에도 불구하고, 단일구조를 가지는 나노선 제조에 한정이 되어 있어서 단순한 나노소자 제작에 한정되어 있다. 하지만, 본 발명의 발명자들은 최근 새로 개발한 나노선 제조법을 이용하면, 순도가 매우 높으며, 복잡한 구조를 가지는 나노선을 제조할 수 있다는 사실을 밝혀냈다. 본 발명에서는 이러한 새로운 나노선 제조법을 이용한 차세대 나노소자 및 나노소자 어레이를 제조해서 집적도를 높이는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 발명자들이 제시한 나노선 및 나노소자 제조법은 기존의 바톰업(boottom up) 방식의 한계를 극복하고, 향후 지속적으로 추진될 탑다운(top down) 방식을 이용한 신 개념의 나노소자와 이들을 이용한 고집적회로를 구현하기 위한 획기적인 방법을 제공한다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.

Claims (5)

1. 증착법을 통해 동종접합 구조, 이종접합 구조, 양자우물 구조 또는 초격자 구조중에서 적어도 어느 한 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 나노선.
2. 증착법을 통해 동종접합 구조, 이종접합 구조, 양자우물 구조 또는 초격자 구조중에서 적어도 어느 한 구조를 가지는 나노선을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 나노소자.
3. 제2항에 있어서, 상기 나노소자는 p 타입과 n 타입의 동종접합 구조를 갖는 나노선을 이용한 전계트랜지스터(FET) 또는 발광다이오드(LED)인 것을 특징으로 하는 나노소자.
4. 제2항에 있어서, 상기 나노소자는 초격자 또는 양자우물 구조를 갖는 나노선을 이용한 레이저다이오드(laser diode)와 발광소자, 공명터널링다이오드(resonant tunneling diode; RTD) 및 공명터널링트랜지스터(resonant tunneling transister;RTT)중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 나노소자.
5. 제2항에 있어서, 상기 나노소자는 수평으로 배열되어 이루어진 나노선 어레이 또는 수직으로 배열되어 이루어진 나노선 어레이인 것을 특징으로 하는 나노소자.