KR20060026797A - 커플된 양자점 구조 및 그 형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전하운반자를 포획하는 성질을 가진 자발형성 양자점을 포함하는 단층 혹은 다층 구조의 반도체층 상부에 금속탐침을 위치시켜 금속탐침과 반도체간에 전계를 인가함으로써 자발형성 양자점 상부의 반도체층에 반전 영역이 형성되도록 함으로써 자발형성 양자점과 국소 반전층에 따른 인공 양자점 사이의 커플된 양자 구조를 형성한다. 본 발명에 따르면, 새로운 커플된 양자구조가 가능하며, 이를 이용한 새로운 양자소자가 가능하다.
커플된 양자점, 인공 양자점, 자발형성 양자점, 금속탐침, 국소 반전층.
Description
도 1 은 본 발명의 커플된 양자점 구조를 모식적으로 보여주는 단면도.
도 2는 본 발명의 커플된 양자점 구조의 포텐셜 에너지를 보여주는 그래프(a)와 전자의 확률 분포를 보여주는 모식도(b).
*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***
10:제1반도체층 20:버퍼층
30:자발형성 양자점 40:제2반도체층
50:금속탐침
본 발명은 커플된 양자점 구조 및 그 형성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자발형성 양자점과 금속탐침에 인가된 전압에 의하여 형성되는 인공 양자점 간의 커플링된 양자점 구조 및 그 형성방법에 관한 것이다.
나노 크기의 결정상으로서 나노 크기의 단결정 자체나 나노 크기의 단결정들이 집합된 형태라고 할 수 있는 나노크리스탈(Nanocrystal)은 크게 차원에 따라 구 분되는데, 0차원에 해당하는 점이나 단일 구(sphere), 1차원에 해당하는 나노선, 나노막대, 나노바늘, 2차원에 해당하는 나노디스크 등이 있다.
0차원 나노크리스탈에 해당하는 형태인 점은 흔히 양자점(Quantum Dot)이라고 부르며 지름이 수~수십 나노미터의 물방울 형태의 반구들이 기판 상에 흩어진 형태로 볼 수 있다. 양자점의 크기를 아주 작게 해서 정상상태의 물질파보다도 짧은 영역으로 제한시키면 에너지 준위를 높일 수 있다. 에너지 상태에 따라 각 물질이 여기되었을 때 방출하는 빛의 색깔이 달라지므로 양자점의 크기를 조절함으로써 방출하는 빛의 파장을 조절할 수 있다. 따라서, 아주 작은 양자점들 자체가 발광원이 된다면 휘도가 매우 높은 고밀도 초소형 디스플레이를 만들 수 있으며, 반대로 발광원에 대한 초소형 고민감도의 광검출기로도 응용될 수 있다.
전자를 포획하는 성질을 가진 양자점 구조, 일예로서 자발형성된(self-assembled) 직경 수-수십 나노미터의 결정체의 형성과 관련된 연구는 그 구조의 물리적인 특성과 광학적, 전기적 소자들의 응용성과 관련되어 다양한 물질계가 이용되어져 왔다. 현재까지 인듐(또는 갈륨)비소/갈륨비소, 인듐인 계와 같은 화합물 반도체 기반의 자발 형성 양자점, 폴리머 내에 삽입된 나노 결정체, 그리고 실리콘 산화물(SiO2) 내에 존재하는 실리콘 나노 결정, 다결정 실리콘, 혹은 실리콘 산화물(SiO2)와 실리콘 질화물 (Si3N4) 박막층 사이의 결함 등이 알려져 있다. 특히, 화합물 반도체 구조로 이루어진 자발형성 양자점은 현재 수발광소자로서 응용가능성이 많이 연구되고 있으며, 실리콘 나노 결정체 역시 광소자 및 전자를 저장하는 기억 소자로서 활발히 연구되고 있다.
자발형성 양자점의 경우 양자점 개별적인 위치를 제어하기 어려운 단점을 가지고 있다. 따라서, 자발 형성된 수-수십 나노미터 크기의 실제 양자점의 개별적인 위치를 제어하려는 노력이 계속되고 있지만, 식각과 패턴을 통해 얻어진 양자점의 경우 제작 과정에서 발생하는 결정성의 손상과 계면서의 결함 등이 문제로 좋은 결과를 얻지 못하였다.
지금까지 자발 형성된 양자점을 사용한 양자 기능 소자들이 제시되었지만, 이들은 개별적인 양자점의 성질을 이용하기 보다는 많은 수로 구성된 양자점들의 앙상블 특성을 이용한 응용 소자들이 이제까지 주로 제시되어 왔다. 즉, 양자점 구조의 응용에서는 많은 수로 구성된 양자점들의 통계적 성질을 이용하는 방법이 주로 제시되어져 왔을 뿐이다.
한편, 이제까지 단일 양자점 또는 커플된 양자 구조의 에너지 상태를 제어하는 방법은 양자점 구조를 어떻게 형성시키는가에 관심이 집중되었을 뿐, 보다 효과적인 방안이 제시되지 못하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 새로운 구조의 커플된 양자구조를 제공하여 단일 양자점 뿐만 아니라 커플된 양자구조의 응용을 위한 기반 기술을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 양자점에서 전자 에너지 분포 상태를 제어하는 방법을 제공하여 이를 이용한 새로운 양자 소자의 개발을 가능케 하는 것이다.
본 발명에 따르면, 반도체 박막 내에 전자를 포획하는 성질을 가진 양자점 구조(일예로 자발 형성된 직경 수∼수십 나노미터의 결정체) 위에 수 나노미터의 반경을 가지는 날카로운 금속 탐침을 위치시킨다. 상기 금속 탐침에 전압을 인가하면, 금속 탐침과 양자점 구조 사이에 3차원적으로 발생하는 국소 반전층에 의한 가상 양자점이 생성되면서 금속 탐침, 가상 양자점, 그리고 실제 양자점 사이에 독특한 에너지 밴드 구조를 생성하게 된다.
본 발명은 이와 같은 구조를 이용하여 양자점들에 포획된 전자의 상태를 변화시키거나, 전자를 방출하게 해서 양자 정보를 저장하거나 처리할 수 있는 장치를 구성할 수 있는 기반기술을 제공한다. 즉, 실제 양자점과 그 상부에 금속 미세탐침을 사용하여 형성되는 인공 양자점에 전압을 조절함으로써 실제 양자점과 인공 양자점 사이에 존재하는 포텐셜 에너지를 제어할 수 있고, 나아가서 이를 이용한 소자제조가 가능하다.
구체적으로 본 발명은 제1반도체층과, 상기 제1반도체층에 형성된 적어도 하나 이상의 양자점과, 상기 제1반도체층 상부에 형성되는 제2반도체층, 및 상기 제2반도체층 표면 근처에 이격되어 위치하는 적어도 하나 이상의 금속탐침을 포함하는 커플된 양자점 구조를 제공한다.
상기 금속 탐침은 하나의 양자점 바로 상부 근처에 이격되어 위치할 수도 있으며, 두 개의 양자점 사이의 중간 지점에 위치할 수도 있다.
또한, 본 발명은 제1반도체층과, 상기 제1반도체층에 형성된 적어도 하나 이상의 양자점과, 상기 제1반도체층 상부에 형성되는 제2반도체층을 포함하는 양자점 구조를 형성하고, 상기 양자점 구조 표면에 금속탐침을 위치시키고, 상기 금속탐침에 전압을 인가하여 상기 제2반도체층에 국부적인 반전 영역을 형성하는 것을 포함하는 커플된 양자점 구조 형성방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 양자점 개개의 특성을 이용하는 것 뿐만 아니라, 결합(coupled) 양자점 구조를 인공적으로 형성하는 것이 가능하다. 이러한 인공적인 결합 양자점 구조는 실제 양자점들간의 결합구조에 비하여 포텐셜 에너지 조절능력이 탁월하다. 따라서, 본 발명은 향후 신개념의 양자소자를 제조할 수 있는 기반을 제공할 것으로 기대된다.
이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 제1반도체층, 제2반도체층, 양자점, 금속탐침 등에 관하여는 그 재료 및 제조방법에 있어서는, 특허청구범위에서 명시적으로 언급되고 있지 않는 한, 다음의 실시예에 제한되지 않으며, 당업자라면 제1반도체층, 제2반도체층, 양자점, 금속탐침 등의 재료 및 각각의 형성방법에 있어서 다양한 예와 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
실제 양자점을 생성하는 방법은 그 재료와 구조에 따라서 여러 가지 방법이 있을 수 있으나, 본 실시예에서는 분자선 에피탁시 방법으로 인듐비소/갈륨비소의 자발형성 양자점 구조를 형성하였다.
먼저, 제1반도체층으로서 N형 갈륨비소 반도체 기판을 준비하였다. 상기 갈륨비소 기판 상에 N형 버퍼층을 약 0.5 ??m 성장시킨 후, 인듐비소 양자점을 자발형성 방법으로 형성하였다. 이때 형성되는 인듐비소 양자점의 모양은 위가 잘린 피 라미드 형태 혹은 납작한 반구모양을 갖고 있으며 바닥면의 한변의 길이 혹은 지름의 크기는 대략 10-40 nm 분포를 갖고, 높이는 1-7 nm 사이의 분포를 갖는다. 그리고 면 밀도는 대략 109-1011 cm-2 이다. 상기 자발형성 양자점의 형성은 스트란스키-크라스타노브(Stranski-Krastanov) 방법에 의한 것으로서 격자상수가 다른 박막(일예로 InAs(인듐비소))을 규정된 기판(일예로 GaAs (갈륨비소)에 임계두께 이상으로 성장시킬 경우 2차원 층-층(layer by layer) 성장이 되다가 순간적으로 3차원 양자점 구조가 생성되는 원리를 이용하는 것이다. 그러나 양자점을 성장시키기 위한 방법으로는 자발형성 방법 외에도 나노미터 크기의 마스크를 이용한 선택성장 및 선택적 에칭방법을 이용할 수도 있다.
상기와 같은 실제 양자점 상부에 반전층으로 작용하는 제2반도체층을 형성하기 위해서 1017/cm3 ∼ 1018/cm3 정도의 농도로 P형물질을 도핑한 P형 갈륨비소층을 형성한다. 이 갈륨비소층의 두께는 약 10-20 nm 이다.
형성된 제1반도체층, 양자점, 제2반도체층의 구조물 위에 미세한 간격으로 이격되는 금속탐침을 위치시킨다. 금속탐침을 양자점 근처에 정확히 위치시키기 위하여 AFM(원자힘 현미경) 등의 장치를 사용하여 양자점이 위치한 곳을 정확하게 확인할 수 있을 것이다.
금속탐침은 가능하면 뾰족하게 제작하는 것이 중요한데 그 이유는 한 개의 양자점 에너지 상태만을 변화시키기 위해서이다. 만일, 탐침 끝 부분이 실제의 양자점 분포(lateral distribution) 와 비슷하게 되거나 하나의 양자점의 크기 보다 큰 경우에는 한 개의 양자점 전자분포를 제어하는데 어려움이 따르게 된다. 따라서 금속선 끝을 화학적 에칭방법 혹은 적절한 물리적 방법으로 끊어 끝을 탐침의 형태로 뾰족하게 만드는 것이 중요하다. 금속 탐침 끝의 반경은 10 nm 에서 30 nm 로 제작되는 것이 바람직하며, 금속의 재질은 백금-이리듐(Pt-Ir) 합금 혹은 텅스텐(W)을 사용할 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
제1반도체층, 양자점, 제2반도체층의 구조물의 표면에 금속 탐침을 위치시켜 전기장에 의한 인공 양자점구조를 형성하기 위하여 금속 탐침은 구조물 표면으로부터 100 nm 이하로 접근하도록 하는 것이 바람직하다.
도 1을 참조하면, 제1반도체층(10) 상에 버퍼층(20)이 형성되고, 그 위에 양자점(30)과 제2반도체층(40)이 형성되어 있는 것을 볼 수 있으며, 금속 탐침(50)이 제2반도체층의 표면 위에 근접하여 위치하는 것을 볼 수 있다.
금속 탐침에 예를 들어 양(+) 전압을 인가하면 P형 갈륨비소층에 국소적으로 반전영역(inversion region)을 형성한다. 반전영역이 형성되는 메카니즘은 금속-산화물-반도체(metal-oxide-semiconductor, MOS) 구조에서의 반전영역 형성과정과 비슷하다고 할 수 있다. 즉, 금속탐침에 의해 p-형 반도체층 상부에 전계를 인가함에 있어서 양(+)전압을 서서히 증가하게 되는 경우 p-형 반도체 내 일정거리에서 볼 때 정공의 농도는 인가전압의 증가에 따라서 점점 감소하게 되고 보다 큰 인가전압에 대해서는 정공의 농도보다 전자의 농도가 증가하게 되어 p-형 반도체 내에서 국소적으로 전자층이 형성되게 되는데 이를 반전층의 형성과정이라 할 수 있으며, 본 발명의 경우에는 금속탐침에 인가되는 전계에 의하여 제 2 반도체 층에 국소적 반 전영역을 형성하는 것이다. 이렇게 형성된 국소적 반전영역은 인위적으로 만들어진 양자점으로 취급할 수 있고, p형 갈륨비소층 하부에 위치하는 실제 양자점과 거리상으로 약 20 nm 이하의 범위에서 이격되어 있는 상태를 형성하게 된다.
도 2를 참조하면, 먼저 왼쪽의 그래프(a)에서 볼 수 있듯이, 형성된 두 양자점(자발형성된 실제 양자점, 전계인가에 의해 국소적으로 반전된 영역인 인공 양자점)이 20 nm 이하로 접근하게 될 때, 이들 양자점 사이에는 결합된 전자분포 상태가 만들어진다.
도 2의 오른쪽 그림(b)은 이와 같은 구조에서 형성되는 바닥상태에 존재하는 전자의 확률 분포함수를 금속 탐침으로부터 인가된 전압의 변화에 대해서 나타내고 있다. 4V가 인가되었을 때(맨 위 그림), 전자는 실제 양자점에 다수 분포하지만, 10V에서는(아래 그림) 표면의 금속 탐침에 의하여 전압이 인가되어 형성된 인공 양자점에 분포한다. 7.5V에서는(중간 그림) 금속 탐침에 의하여 전압이 인가되어 생성된 인공 양자점과 실제 양자점에 동시에 존재하게 된다.
금속 탐침에 의한 전압의 인가로 형성되는 인공 양자점과 실제 양자점이 만드는 양자 구조에서 생성되는 커플된 양자상태는 금속 탐침으로부터 인가된 전압과 실제 양자점의 깊이에 따라서 급격히 변하게 된다. 이런 결합된 양자상태 혹은 금속 탐침과 양자점의 커플된 구조는 양자점에 구속된 전자의 개별적인 양자 상태의 정보를 입력하거나 바꾸는데 이용될 수 있다.
한편, 앞에서 설명한 실시예와는 달리 금속탐침을 하나의 양자점이 아닌 두 개의 양자점의 전자 에너지 분포를 변화시키도록 동시에 제어하는 것도 가능하다. 예를 들어, 두 개의 양자점의 위치를 AFM 등의 장치로 확인한 후, 두 양자점의 중간 위치에 금속 탐침을 위치시키고, 상기 금속 탐침에 인가되는 전압에 의하여 각각의 양자점 및 인공 양자점의 전자 에너지 상태를 제어할 수 있다.
본 발명에 의하면 단일 전자의 양자 상태를 금속 탐침에서 인가된 전압에 의해서 바꿀 수 있는 구조를 제시하여 새로운 양자 기능 반도체 소자에 대한 원형을 제시 할 수 있을 것이다. 특히 3차원적으로 구속된 실제 양자점 구조와 금속 탐침을 사용하여 형성되는 인공 양자점 간의 포텐셜 에너지를 조절하게 함으로써 양자점 개개 혹은 커플된 양자점의 특성을 이용할 수 있는 구성방법을 제공하고 이 같은 구성방법을 확장하여 소자 제조기술의 기반을 제공하고자 한다.
Claims (8)
- 제1반도체층과,상기 제1반도체층에 형성된 적어도 하나 이상의 양자점과,상기 제1반도체층 상부에 형성되는 제2반도체층, 및상기 제2반도체층 표면 근처에 이격되어 위치하는 적어도 하나 이상의 금속탐침을 포함하는커플된 양자점 구조.
- 제1항에 있어서, 상기 제1반도체층과 제2반도체층은 도핑된 도판트 타입이 서로 반대인 것을 특징으로 하는 커플된 양자점 구조.
- 제1항에 있어서, 상기 금속탐침은 상기 제2반도체층 표면 근처의 100nm 이내의 범위에서 이격되어 위치하는 것을 특징으로 하는 커플된 양자점 구조.
- 제1항에 있어서, 상기 금속탐침을 통하여 전계를 인가할 경우 상기 제2반도체층에 국부적으로 형성되는 반전 영역을 포함하는 커플된 양자점 구조.
- 제1항에 있어서, 상기 양자점은 두 개이며, 상기 금속탐침은 두 양자점의 중간 지점에 위치하는 커플된 양자점 구조.
- 제1반도체층과, 상기 제1반도체층에 형성된 적어도 하나 이상의 양자점과, 상기 제1반도체층 상부에 형성되는 제2반도체층을 포함하는 양자점 구조를 형성하고,상기 양자점 구조 표면에 금속탐침을 위치시키고,상기 금속탐침에 전압을 인가하여 상기 제2반도체층에 국부적인 반전 영역을 형성하는 것을 포함하는커플된 양자점 구조 형성방법.
- 제6항에 있어서, 상기 금속탐침에 인가되는 전압을 변화시켜 상기 양자점 또는 상기 반전 영역의 전자의 에너지 상태를 변화시키는 것을 특징으로 하는 커플된 양자점 구조 형성방법.
- 제6항에 있어서, 상기 양자점은 두 개이며, 상기 금속탐침은 두 양자점의 중간 지점에 위치되어 각각의 양자점의 전자의 에너지 상태를 변화시키는 것을 특징으로 하는 커플된 양자점 구조 형성방법.
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| KR20040075667A KR100577738B1 (ko) | 2004-09-21 | 2004-09-21 | 커플된 양자점 구조 및 그 형성방법 |
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|---|---|---|---|---|
| KR100850647B1 (ko) * | 2006-12-15 | 2008-08-07 | 한국과학기술원 | 원자력힘 현미경 리소그래피와 수열합성법을 이용한강유전체 셀의 제조방법 |
| WO2009102165A2 (ko) * | 2008-02-16 | 2009-08-20 | Chungbuk National University Industry-Academic Cooperation Foundation | 상온에서 동작하는 단전자 트랜지스터 및 그 제조방법 |
| KR100966009B1 (ko) * | 2008-02-16 | 2010-06-24 | 충북대학교 산학협력단 | 상온에서 동작하는 단전자 트랜지스터 및 그 제조방법 |
-
2004
- 2004-09-21 KR KR20040075667A patent/KR100577738B1/ko not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100850647B1 (ko) * | 2006-12-15 | 2008-08-07 | 한국과학기술원 | 원자력힘 현미경 리소그래피와 수열합성법을 이용한강유전체 셀의 제조방법 |
| WO2009102165A2 (ko) * | 2008-02-16 | 2009-08-20 | Chungbuk National University Industry-Academic Cooperation Foundation | 상온에서 동작하는 단전자 트랜지스터 및 그 제조방법 |
| WO2009102165A3 (ko) * | 2008-02-16 | 2009-11-05 | 충북대학교산학협력단 | 상온에서 동작하는 단전자 트랜지스터 및 그 제조방법 |
| KR100966009B1 (ko) * | 2008-02-16 | 2010-06-24 | 충북대학교 산학협력단 | 상온에서 동작하는 단전자 트랜지스터 및 그 제조방법 |
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