KR20070084553A - 조정가능 에너지 밴드갭을 갖는 반도체 장치 - Google Patents

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아브라함 알. 발케넨드
에릭 피. 에이. 엠. 바커스
루이스 에프. 페이너
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

본 발명은 에너지 밴드갭이 전기적으로 가변될 수 있는 반도체 장치에 관한 것이다. 본 발명의 사상은, 적절히 처리되는 변형을 나타내는 물질(307), 예를 들어, 납 지르콘산염 티탄산염(PZT), 알루미늄 질화물(AIN) 또는 아연 산화물(ZnO)과 같은 압전 물질에 매립된 나노와이어(306)에 기초하는 장치를 제공하는 것이다. 나노와이어(306)는, 전압을 압전 물질에 인가함으로써 압전 물질(307)에 국부 변형을 가하여 역으로 스트레이닝될 수 있다. 그 결과 밴드갭 변동을 활용하여 예를 들어 LED나 레이저로부터 방출된 광의 색을 조정할 수 있다. 이것은 밴드갭이 방출된 광의 주파수에 비례한다는 사실의 결과이다. 다른 응용 분야에서는, 반도체 접합에서의 접촉 저항을 제어할 수 있으며, 이러한 특성은 메모리 및 스위치에 있어서 매우 유리하다.
반도체 장치, 에너지 밴드갭, 압전 물질, 반도체 나노와이어

Description

조정가능 에너지 밴드갭을 갖는 반도체 장치{SEMICONDUCTOR DEVICE WITH TUNABLE ENERGY BAND GAP}
본 발명은 에너지 밴드갭이 전기적으로 가변될 수 있는 반도체 장치에 관한 것이다.
반도체 재료에 있어서, 밴드갭은 중요한 파라미터이며, 반도체 재료의 성질을 상당한 정도로 결정한다. 밴드갭은 가전자대의 최상위와 전도대의 바닥 간의 에너지의 차이로서 정의된다. 이것은 가전자대로부터 전도대로 전자를 여기하는 데 필요한 에너지이다. 전도대에 있는 전자들은 그 반도체 재료를 통해 이동하는 기능을 갖고 있고, 이에 따라 도전성을 가질 수 있다. 발광 다이오드(LED)에서는, 밴드갭을 조정함으로써 방출된 광의 색이 변경된다. 전도대에 있는 전자가 가전자대 내로 떨어지게 되면, 이 전자는 광자 형태로 에너지를 방출한다. 밴드갭이 클수록, 광자의 활동성도 커진다. 가역 방식으로 밴드갭을 수정하는 방법은 반도체 격자를 스트레이닝(strain)하는 것이다. 약 100meV의 밴드갭 변경을 달성할 수 있다고 알려져 있다. 이 변경은 예를 들어 쇼트키 다이오드의 성질들을 급격히 변경하는 데 충분하다. 발광면에서, 이 변경은 예를 들어 노란색으로부터 녹색으로 색 변경을 야기한다.
미국 특허번호 4,935,935는 전기적으로 조정가능한 반도체 장치를 개시하고 있다. 적어도 하나의 압전 물질막은 스트레스 전달 관계로 반도체 장치에 위치하며 전기 회로로부터의 신호는 그 압전 물질막으로 하여금 스트레스를 반도체에 전달시키게 하며 이에 따라 반도체 장치의 응답을 가변하게 된다. 조정 전압을 압전 물질막에 인가하는 경우, 이 막은 조정 전압에 비례하여 변형되고 스트레스를 반도체에 인가하고, 이 스트레스는 반도체 에너지 갭을 가변한다.
미국 특허번호 4,935,935에서의 문제점은, 전기적으로 조정가능한 반도체 장치에서 인가된 영향을 증가시키는 방식에 있다.
본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결하고 에너지 밴드갭이 가변될 수 있는 반도체 장치를 제공하는 것이다.
이 목적은 청구항 제1항에 따라 에너지 밴드갭이 전기적으로 가변될 수 있는 반도체 장치에 의해 달성된다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 이 장치는, 적어도 하나의 반도체 나노와이어, 압전 물질, 및 압전 물질에 배치된 전극을 포함하고, 이 전극을 통해 전압이 인가되어 압전 물질을 변형시킬 수 있고, 여기서 적어도 하나의 반도체 나노와이어는 압전 물질과 기계적으로 접촉하도록 배치되고, 그 변형은 스트레스를 적어도 하나의 반도체 나노와이어에 인가하며, 이 스트레스는 반도체 나노와이어의 에너지 밴드갭이 가변되게 한다.
본 발명의 사상은, 적절히 처리될 때 변형을 나타내는 물질, 예를 들어, 납 지르콘산염 티탄산염(PZT), 알루미늄 질화물(AIN) 또는 아연 산화물(ZnO)과 같은 압전 물질에 매립된 나노와이어에 기초하는 장치를 제공하는 것이다. 이 장치는, 예를 들어, 발광 응용 분야, 스위칭 응용 분야, 메모리 응용 분야에서 구현될 수 있다. 나노와이어는 전압을 압전 물질에 인가함으로써 국부 변형을 압전 물질에 가하여 역으로 스트레이닝될 수 있다. 따라서, 전기적으로 유도된 기계적 자극에 의해, 나노와이어가 역으로 스트레이닝된다. 그 결과 밴드갭 변동을 활용하여 예를 들어 LED나 레이저로부터 방출된 광의 색을 조정할 수 있다. 이것은 밴드갭이 방출된 광의 주파수에 비례한다는 사실의 결과이다. 다른 응용 분야에서는, 반도체 접합에서의 접촉 저항을 제어할 수 있고, 이 특성은 메모리 및 스위치에 있어서 매우 유리하다.
본 발명은, 상당한 스트레인 상태, 즉, 압전 물질에 인가된 상당한 전압으로 인해, 반도체 나노와이어가 겪는 스트레스(및 이에 따라 와이어의 에너지 밴드갭의 폭)가 와이어 직경이 작을수록 증가하기 때문에, 유리하다. 이것은 이러한 유형들의 응용에 있어서 나노와이어를 이용하는 것이 유리하다는 것을 의미한다. 게다가, 와이어의 직경이 양자 구속 효과가 관측될 수 있을 정도로 충분히 작으면(전형적으로 10-20nm 미만의 직경을 의미), 밴드갭이 양자 구속으로 인해 증가하게 된다. 이러한 2개의 밴드갭 가변 효과(즉, 인가된 스트레스나 양자 구속에 의해 유도된 밴드갭 변경)가 서로를 향상시킨다. 예를 들어, 압축 스트레스가 인가되면, 밴드갭은 인가된 스트레스로 인해 증가하는 한편, 나노와이어의 직경 감소 때문에 증가된 양자 구속 효과로 인해 밴드갭이 더 증가한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 반도체 나노와이어는 압전 물질에 매립되고, 이러한 매립은 전압이 인가된 경우 압전 물질에 의해 야기된 스트레스를 더 증가시킨다. 이상적으로는, 나노와이어가 압전 물질에 완전히 매립된다. 본 발명의 추가 실시예들은 종속항들에 의해 한정된다.
본 발명의 추가 특성들 및 이점들은 청구범위 및 다음의 설명에 의해 명백해질 것이다. 당업자라면 본 발명의 상이한 특성들을 조합하여 다음에 설명한 실시예들이 아닌 다른 실시예들을 구현할 수 있음을 인식한다.
첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 더욱 상세히 설명한다.
도 1은, 양극처리된(anodized) 알루미늄 산화 템플릿이 기판의 도전층 상에 배치된, 나노와이어가 성장될 수 있는 방식의 일예를 도시한다.
도 2는 압전 물질이 나노와이어 주위에 박층으로서 피착된 본 발명의 일실시예를 도시한다.
도 3은 나노와이어 및 압전 물질이 기판의 도전층 상에 배치된 본 발명의 다른 일실시예를 도시한다.
반도체 와이어 및 카본 나노튜브는 잘 알려져 있는 기체-액체-고체(VLS) 공정을 이용함으로써 성장될 수 있다. 이 공정은 전형적으로 400℃ 내지 800℃의 온도 범위에서 수행된다. VLS 공정은 추가 성장을 위해 작은 금속 입자들을 원자핵 으로서 이용한다. 충분히 작은 금속 입자들을 이용하는 경우, 와이어 직경을 10nm보다 작게 할 수 있다. 다른 방법으로는, 실온에서 전기화학적 공정을 이용함으로서 적절한 템플릿에 반도체 와이어 및 금속을 피착할 수 있다. 어느 공정에서든, 또는 상술한 2개의 공정을 조합함으로써, 예를 들어, n형 반도체 재료 및 p형 반도체 재료로 이루어지거나 이종접합을 나타내는 세그먼트형 와이어를 성장시킬 수 있다. 고 밀도의 반도체 와이어가 필요한 경우, 적절한 템플릿을 이용할 수 있다. 알루미늄의 전기화학적 산화, 즉, 양극처리화는 적절한 상태에서 매우 규칙적인 다공성 알루미나가 발생하는 것으로 알려져 있다. 전형적으로, 기판 상에 배치되어 있는 구멍들은 그 기판의 표면에 수직한다. 구멍의 직경은 매우 균등하며 일반적으로 약 5nm 에서 300nm까지 가변될 수 있다. e-빔 또는 임프린팅(imprinting)을 이용하는 것과 같은 국부적 표면 기처리에 의해, 구멍들을 측면으로 배열할 수 있다. 트랙 에칭된 멤브레인과 같은 다른 템플릿을 양극처리된 알루미나 대신에 이용할 수 있다. 본 발명은, 템플릿에서 적절한 기상으로부터의 촉매 성장이나 전기화학적 성장, 및 압전 물질 내에 나노와이어를 매립에 기초하는 제조 방법을 설명한다. 나노와이어에 대해서는, 임의의 반도체 유형인 IV, III-V, 또는 II-VI 재료를 이용할 수 있다.
도 1은 나노와이어가 성장될 수 있는 방식의 일예를 도시한다. 양극처리된 알루미늄 산화 템플릿(101)이 기판(102)의 도전층(120) 상에 배치된다. 템플릿의 구멍(103)은 VLS 반도체 와이어 성장을 위한 촉매로서 Au, Fe, Co, Ni 등과 같은 금속 피착물(104)로 부분적으로 채워진다. 표준 VLS 성장 또는 전기화학적 피착을 이용하여 CdSe, Si, 또는 InP와 같은 반도체 재료(105)를 피착할 수 있다. 와이어 성장 동안 성장 조건들을 변경함으로써, 예를 들어, pn-접합 또는 이종 접합을 갖는 세그먼트형 와이어(106)가 성장될 수 있다. 부분적으로 채워진 구멍들은 적절한 접촉 금속(150)으로 (예를 들어 전기화학적으로) 더 채워질 수 있다. 이후, 1M KOH로 템플릿을 에칭하거나 4% H3PO4 또는 1.5% CrO3로 그 템플릿을 부분적으로 에칭함으로써 (알루미나로도 알려져 있는) 알루미늄 산화물을 제거하여, 와이어의 적어도 최상위 부분이 더 이상 알루미나에 매립되지 않는다. 따라서, 에칭 공정에 의해 독립형(freestanding) 나노와이어를 생성한다. 후속하여, 최상위부는 예를 들어 졸겔 합성을 통해 BaTiO2 또는 PZT와 같은 압전 물질(107)에 매립된다. 개별적인 와이어들 또는 와이어들의 소 그룹들을 국부적으로 처리할 수 있도록 압전 물질에 의해 생성된 층들을 패터닝할 수 있다. 이 매립 공정 전에 또는 후에, 점선(108)에 표시된 대로 이 층들의 최상부들을 연마하고, 전기적 접촉부(도시하지 않음)를 그 위에 피착한다. 적어도 최상위의 금속은 와이어 및 압전 물질이 별도로 처리될 수 있도록 패터닝되어야 한다. 나노와이어는 본 발명의 일실시예에서 유전 박층에 의해 부분적으로 또는 완전히 피복될 수 있다. 압전 물질(또는 적어도 압전 물질에 대한 접촉부)이 패터닝되지 않은 경우, 모든 와이어들이 동시에 영향을 받는다. 이것은, LED형 이미터의 경우엔 허용가능하지만, 일부 전자 응용에서는, 다른 구성 요소들에 영향을 끼치지 않으면서 반도체 와이어들의 성질을 국부적으로 변경해야 한다.
(예를 들어, 리소그래피 방법들을 이용하여 Au 박막을 패터닝함으로써 또는 자기 조립 방법들을 이용하여 콜로이드성 Au 입자들을 피착함으로써) Si 상에 Au 패턴을 직접 피착하는 경우, VLS 방법을 이용하여 Au 입자들의 위치에 와이어를 국부적으로 성장시킬 수 있다. Si(100) 및 Si(111)상에서의 GaP, GaAs, 및 InP의 에피택셜 성장을 설명하였으며, 다양한 사파이어 표면(예를 들어, Al2O3(001), Al2O3(2-10), Al2O3(100), Al2O3(101))상에 GaN을 에피택셜 성장시켰다. 와이어와 기판 간의 에피택셜 관계는 와이어 배향 및 와이어의 (바닥) 접촉에 있어서 유리하다. 이 방법에 따라 기판 표면에서 독립형 와이어가 발생하며 다른 실시예에서 설명한 바와 같이 추가 처리를 수행할 수 있다.
도 2는 나노와이어(206) 주위에 압전 물질(207)이 박층으로서 피착되는 본 발명의 일실시예를 도시한다. 나노와이어는 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이 성장된다. 이 특정 실시예에서, 나노와이어의 최상위는 금속(209)으로 피복된다. 와이어는, 예를 들어, 스퍼터 에칭과 조합되는 화학적 기상 증착 또는 스퍼터 증착에 의해 양호한 스텝 커버리지를 갖는 압전 물질에 의해 피복된다. 와이어들 간의 영역은 유전 재료(210)로 채워진다. 이 층들의 최상위부는 연마용 점선(208)에 의해 연마되고, 전기적 접촉부(도시하지 않음)가 그 위에 피착된다.
도 3은 기판(302)의 도전층(320) 상에 압전 물질(307)이 배치되는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 이후, 나노와이어(306)가 그 위에 피착되고, 금속 소스 및 드레인 전극(311)의 형태로 전기적 접촉부가 나노와이어(306)에 부착된다. 후 속하여, 나노와이어가 압전 물질(307, 312)에 매립되도록 압전 물질의 다른 층(312)을 나노와이어(306) 상에 피착할 수 있다. 이후, 최상위 전극들(313)을 국부적으로 부착하여 압전 물질을 처리한다. 압전 물질(312)의 최상위층을 이용하지 않는 경우, 최상위 전극들은 압전 물질(307)에 부착된다. 제2 층(312)의 결과로, 나노와이어가 전면(all-around) 작용될 수 있으며, 이것은 인가된 스트레인의 영향을 증가시킨다. 전압(V)을 전극들(313)을 통해 압전 물질(312)에 인가하면, 압전 물질은 국부적 확장을 겪게 되고, 나노와이어(306)는 스트레스에 역으로 노출된다. 그 결과 나노와이어(306)의 밴드갭 변동이 나노와이어의 전기적 성질을 가변되게 한다.
본 발명의 특정 실시예들을 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 많은 상이한 변경, 수정 등은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 상술한 실시예들은 본 발명의 범위를 제한하려는 것이 아니며, 청구범위에 의해 한정된다.

Claims (8)

  1. 에너지 밴드갭이 전기적으로 가변될 수 있는 반도체 장치로서,
    적어도 하나의 반도체 나노와이어(306)와,
    압전 물질(307)과,
    상기 압전 물질에 배치된 전극(313) - 상기 전극을 통해 전압이 인가되어 상기 압전 물질을 변형시킬 수 있음 -
    을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 반도체 나노와이어는 상기 압전 물질과 기계적으로 접촉하도록 배치되며, 상기 변형은 상기 적어도 하나의 반도체 나노와이어에 스트레스를 인가하여, 상기 반도체 나노와이어의 에너지 밴드갭을 가변시키는 반도체 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 반도체 나노와이어가 압전 물질(307, 312)에 매립된 반도체 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 반도체 장치는 세그먼트형인 다수의 반도체 나노와이어(306)를 포함하는 반도체 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 반도체 나노와이어(306)에 유전층이 부착된 반도체 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 반도체 나노와이어(306)에 전기적 접촉부들(311)이 배치된 반도체 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 장치는 병렬 배치된 다수의 반도체 나노와이어를 포함하고,
    상기 다수의 반도체 나노와이어 간의 영역은 유전 재료(210)로 채워진 반도체 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    도전층(320)을 구비하는 기판(302)을 더 포함하고,
    상기 도전층 상에는 상기 압전 물질(307)이 배치된 반도체 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 반도체 나노와이어(306)는 발광 다이오드 내에 포함되며, 상기 반도체 나노와이어의 가변 에너지 밴드갭은 상기 발광 다이오드로부터 방 출된 광의 색을 가변하는 반도체 장치.
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