KR20080010062A - 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블, 나노케이블을 이용한전계효과 트랜지스터 및 그 제조 방법 - Google Patents

질화갈륨/산화갈륨 나노케이블, 나노케이블을 이용한전계효과 트랜지스터 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 질화갈륨(GaN)계 나노선을 이용한 질화갈륨/산화갈륨(Ga2O3) 나노케이블, 이의 제조방법 및 이를 이용한 소자에 관한 것으로서, 본 발명에 따라 질화갈륨 나노선을 열산화하여 제조된 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블은 하나의 1차원 나노구조가 반도체/절연체로 구성되어 있기 때문에 전계효과 트랜지스터, 바이오/가스 센서 등에 유리하게 이용될 수 있다.
나노케이블, 나노선, 질화갈륨, 산화갈륨, 전계효과

Description

질화갈륨/산화갈륨 나노케이블, 나노케이블을 이용한 전계효과 트랜지스터 및 그 제조 방법{GaN/Ga2O3 NANO CABLES, FET USING THE NANO CABLES AND METHODES OF PRODUCING THE SAMES}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 나노선과 열산화 후의 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블의 X-선 회절(XRD: X-ray Diffraction) 패턴이다.
도 2a는 질화갈륨 나노선의 투과전자현미경 사진(TEM: Transmission Electron Microscopy)이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 나노선 열산화 후의 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블의 투과전자현미경 사진(TEM)이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블 전계효과 트랜지스터(FET: Field Effect Transistor)의 기본 구조도이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블 소자의 주사전자현미경사진(SEM: Scanning Electron Microscopy)이다.
도 4는 본 발명에 일 실시예에 따른 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블 전계효과 트랜지스터의 인가전압에 따른 전류를 나타내는 그래프를 나타낸다.
본 발명은 질화갈륨계 나노선을 이용한 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블의 제조방법 및 이를 이용한 소자에 관한 것으로, 구체적으로는 질화갈륨계 나노선을 아르곤(Ar), 질소(N2), 산소(O2), 오존(O3), 수증기(H2O), 공기(air) 등의 분위기에서 열산화하여 제조되는 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블에 관한 것이다.
질화갈륨은 상온에서 3.4 eV의 넓은 밴드갭 에너지를 가지는 직접 천이형 반도체로서, 고온에서 안정하기 때문에, 자외선 및 청색 발광소자와 광검출소자로 널리 응용되고 있을 뿐만 아니라 고온 및 고출력 소자로도 응용이 기대되고 있다. 또한, 게이트 전극으로 백금(Pt) 또는 팔라듐(Pd) 금속을 사용하여 소자를 제작하면, 수소 등의 기체 검출소자 제작이 가능하다.
산화갈륨은 상온에서 4.6 eV의 매우 넓은 밴드갭 에너지를 가지는 절연체로서, 유전상수가 약 10~14 정도로 높기 때문에, 표면 보호막 및 절연막 등으로 응용이 기대되고 있다. 특히, 산화갈륨은 질화갈륨을 열산화함으로서 질화갈륨의 표면에 쉽게 형성할 수 있기 때문에 질화갈륨을 이용한 소자들에 적용하기 위한 연구가 진행되고 있다.
최근, 1차원 나노구조에 관한 연구가 시작되면서 이러한 나노구조체를 이용하여 기존의 박막 형태의 광/전자소자를 대체하려는 연구가 많은 관심을 모으고 있다. 나노선이 갖는 우수한 결정학적 특성, 양자역학적 특성, 크기 특성을 소자에 응용하기 위해 질화갈륨 나노선을 합성하고 조작하여 소자화하는 기술이 필요하다. 이때 나노선이 넓은 표면적을 갖기 때문에 나노선을 조작하는 과정에서 표면에 많은 수의 댕글링 본드(dangling bond)가 존재하며 불순물이 혼입되는 문제점이 있다. 따라서 소자 특성 향상을 위해서는 불순물의 혼입을 막고 댕글링 본드를 최소화하기 위해 질화갈륨 나노선 표면의 패시베이션(passivation)이 필요하다. 또한, 산화갈륨이 넓은 밴드갭과 높은 유전상수를 갖기 때문에 질화갈륨 나노선을 이용한 트랜지스터 제작시 산화갈륨은 게이트 절연막의 역할을 수행할 수 있다. 따라서 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블을 이용하면, 하나의 1차원 나노구조체가 반도체/절연체 역할을 수행하기 때문에 소자 구현 및 집적화에 유리하다.
본 발명의 목적은 질화갈륨 나노선에 산화갈륨을 코팅시켜 반도체/절연체 구조를 단일 일차원 나노구조체로 구현할 수 있는 질화갈륨계 나노케이블 및 이를 대량으로 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 질화갈륨계 나노선을 합성하고 열산화하여 질화갈륨의 표면에 산화갈륨을 코팅하여 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블을 제공한다.
또한, 본 발명에서는 상기 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블, 나노케이블을 이용한 나노 전계효과 트랜지스터 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명은 질화갈륨(GaN)계 나노선; 질화갈륨계 나노선 표면에 코팅된 산화 갈륨(Ga2O3); 을 포함하여, 반도체/절연체 구조가 하나의 1차원 나노 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블을 제공한다. 바람직하게는 산화갈륨은, 산화갈륨의 특성을 향상시키기 위하여 Al, Ti, Hf 등의 다른 원소를 첨가하여 형성된다.
또한 본 발명은 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블의 제조방법에 있어서,
a) 질화갈륨 나노선을 합성하고,
b) 합성된 질화갈륨 나노선을 열산화하여, 질화갈륨/산화갈륨의 단일 1차원 나노 구조 형태로 제조하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블을 이용한 나노 전계효과 트랜지스터에 있어서, 산화 실리콘이 성장된 실리콘 기판; 실리콘 기판 위에 배열된 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블; 나노케이블 양 단의 산화갈륨이 제거된 부분에 증착된 금속; 나노케이블에 중간에 식각된 패턴에 증착된 금속; 으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노 전계효과 트랜지스터(FET: field effect transistor)를 제공한다.
또한 본 발명은 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블을 이용한 나노 전계효과 트랜지스터의 제조방법에 있어서,
a) 산화실리콘이 성장된 실리콘 기판에 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블을 배열시키고,
b) 나노케이블에 식각 마스크를 나노케이블이 배열된 기판에 코팅하고,
c) 식각 장치로 나노케이블 양 단의 마스크를 제거하고,
d) 에칭으로 양 단의 산화갈륨을 제거하고,
e) 식각 장치로 나노 케이블에 패턴을 형성하고, 금속을 증착하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블을 이용한 나노 전계효과 트랜지스터의 제조방법을 제공한다.
도면을 참조하여 본 발명을 좀 더 자세히 설명한다.
본 발명에 따른 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블은 질화갈륨 나노선(1) 표면에 산화갈륨 코팅(2)을 입혀 반도체/절연체 나노케이블 구조를 단일 1차원 나노구조 형태로 제조하는 것을 특징으로 한다. 산화갈륨 코팅(2)은, 질화갈륨 나노선(1) 표면의 열산화를 통해 이루어진다. 따라서 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블의 대량 생산에 용이하다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨 나노선(1)과 질화갈륨을 열산화하여 산화갈륨 코팅(2)을 질화갈륨 나노선(1) 표면에 형성한 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블의 X-선 회절 패턴을 나타낸 것이다.
또한, 바람직하게는 질화갈륨 나노선(1) 표면의 산화갈륨 코팅(2)의 특성을 향상시키기 위하여 특정물질(Al, Ti, Hf 등)을 첨가할 수도 있다. 일 예로, 산화갈륨 코팅(2)의 밴드갭을 높이기 위하여, 질화갈륨 나노선(1) 표면에 Al이 첨가된 형태의 산화갈륨-산화알루미늄(Al2O3) 합금을 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로, 질화갈륨 나노선(1)은 고체 상태의 갈륨(Ga) 또는 질화갈륨(GaN) 분말을 가열하여 증발하고 암모니아(NH3) 가스 분위기 하에서 합성된다. 분말 소스의 온도는 1100℃이고 성장압력은 600 mTorr이며 질화갈륨 나노선(1)이 합성되는 위치의 온도는 900℃이다. 질화갈륨 나노선(1)을 열산화하여 질화갈륨 나노선(1) 표면에 산화갈륨 코팅(2)을 할 경우 열산화 시의 분위기는 아르곤, 질소, 산소, 오존, 수증기, 공기 등을 이용할 수 있고, 열산화하는 온도는 600~1000℃이다.
본 발명에 따라 제조되는 질화갈륨 나노선(1) 표면에 형성되는 산화갈륨 코팅(2)의 결정성 및 두께는 열산화 온도, 열산화 시간, 분위기, 산화될 질화갈륨 나노선(1)의 직경에 따라 다양하게 조절할 수 있다.
상기 질화갈륨 나노선(1)은 단결정의 우수한 결정성을 갖고 결함이 적어 106~107cm-1의 낮은 전자 농도를 나타낼 뿐만 아니라 고온에서 열적 안정성이 뛰어나다. 또한, 상기 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블은 질화갈륨 나노선(1)의 열산화에 의해 쉽게 반도체/절연체 구조를 형성할 수 있으며, 반도체/절연체 구조가 하나의 1차원 나노구조로 이루어져 있기 때문에 질화갈륨 나노선(1)의 표면에 존재하는 댕글링 본드 등을 패시베이션할 수 있고 질화갈륨/산화갈륨 계면에서의 계면 전하밀도가 낮다. 따라서 상기 나노케이블을 이용하여 트랜지스터 제작시, 반도체/절연체 계면에서의 포획 전하밀도가 낮기 때문에 우수한 캐패시턴스(capacitance) 특성을 나타낼 것이다.
도 3a은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블을 이용 한 나노 전계효과 트랜지스터의 기본구조도를 도시한 것이고, 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 나노 전계효과 트랜지스터의 주사전자현미경 사진을 나타낸 것이다. 나노케이블을 이용한 트랜지스터는, 실리콘이 성장한 기판, 기판 위에 배열된 나노케이블, 나노케이블의 양 단의 산화갈륨 코팅(2)이 제거된 부위에 증착된 소스 전극 역할을 하는 금속(3)과 드레인 전극 역할을 수행하는 금속(4), 나노케이블 가운데에 식각된 패턴에 증착된 게이트 역할을 하는 금속(5)을 포함하여 구성된다.
이하, 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 좀더 상세하게 설명하고자 한다.
실시예 1: 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블의 제작
수평로를 이용하여 질화갈륨 나노선(1)을 합성하였다. 이때, 반응물질로 질화갈륨 분말을 사용하고 질소 소스로서 30 sccm의 암모니아 가스를 흘러주었다. 반응물질의 증발온도는 1100℃로 유지하였고 질화갈륨 나노선(1)이 합성되는 온도는 900℃였다. 이 때의 성장압력은 600 mTorr로 유지하였다. 합성된 질화갈륨 나노선(1)의 직경과 길이는 각각 5㎛와 20nm였다. 합성된 질화갈륨 나노선(1)을 열산화하여 산화갈륨 코팅(2)을 만들어 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블 구조를 제작하였다. 열산화는 10 mol/min의 N2 가스를 흘려주면서 1000℃에서 30분동안 실시하였다.
제작된 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블을 투과전자현미경으로 관찰한 결과를 도 2(b)에 나타내었다. 나노케이블 구조에서 질화갈륨 나노선(1)의 직경은 13.5nm였고 질화갈륨 나노선(2) 표면의 산화갈륨 코팅(2)의 두께는 4.5nm로 관찰되었다.
실시예 2: 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블을 이용한 나노 전계효과 트랜지스터의 제작
제조된 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블을 산화실리콘이 성장된 실리콘 기판에 배열시킨다. 이빔 레지스트(ER: e-beam resist)를 상기 나노케이블이 배열된 기판 위에 코팅한다. 그리고나서 이빔 식각장치 (e-beam lithography)를 이용하여 나노케이블의 양 끝단 부분의 이빔 레지스트를 제거한다. 그 후 기판을 3%로 희석된 불산(HF) 용액에 담궈 나노케이블의 양 끝단 부분의 산화갈륨 코팅(2)을 에칭하여 제거한다. 산화갈륨 코팅(2)이 제거되고 질화갈륨 나노선(1)이 노출된 부분에 Ti/Au 금속을 스퍼터링을 이용하여 증착한다. 이때 나노케이블의 양 단에 증착된 금속은 각각 소스(3)와 드레인(4) 전극 역할을 수행한다. 마지막으로 나노케이블의 가운데를 이빔 식각장치를 이용하여 패턴을 형성하고 백금(5: Pt) 금속을 스퍼터링을 이용하여 증착한다. 백금(5)/산화갈륨(2)/질화갈륨(1), 다시말해 금속/절연체/반도체(MOS) 구조가 형성되고 백금(5)은 게이트, 산화갈륨(2)은 게이트 유전체, 질화갈륨(1)은 채널 역할을 수행한다.
이빔 식각장치 외에 사진 식각장치(photolithohgraphy) 등의 다른 패턴 형성장치를 이용해도 무방하다.
또한, 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된, 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블 구조의 나노 전계효과 트랜지스터에서 관찰된 전류-전압 특성을 도 4에 나타내었다. 인가전압에 따른 전류 변화 측정 결과 게이트 전압의 변화에 따른 드레인 전류의 변화가 뚜렷하게 나타내는 것을 알 수 있었다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
본 발명에 따라 제조된 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블은 단일 1차원 나노구조체로 반도체/절연체를 구성하므로 나노선을 이용한 소자 제작시 집적화에 유리하며, 나노선의 표면이 대기에 노출되기 않기 때문에 댕글링 본드, 불순물 혼입에 의한 나노선의 특성 저하를 방지하여 고온 등의 혹독한 환경에서도 나노선 고유의 특성을 유지할 수 있을 것으로 기대된다.

Claims (5)

  1. 질화갈륨(GaN)계 나노선; 질화갈륨계 나노선 표면에 코팅된 산화갈륨(Ga2O3); 을 포함하여, 반도체/절연체 구조가 하나의 1차원 나노 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블.
  2. 제1항에 있어서,
    산화갈륨은, 산화갈륨의 특성을 향상시키기 위하여 Al, Ti, Hf 등의 다른 원소를 첨가하여 형성되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블.
  3. 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블의 제조방법에 있어서,
    a) 질화갈륨 나노선을 합성하고,
    b) 합성된 질화갈륨 나노선을 열산화하여, 질화갈륨/산화갈륨의 단일 1차원 나노 구조 형태로 제조하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블의 제조방법.
  4. 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블을 이용한 나노 전계효과 트랜지스터에 있어서, 산화 실리콘이 성장된 실리콘 기판; 실리콘 기판 위에 배열된 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블; 나노케이블 양 단의 산화갈륨이 제거된 부분에 증착된 금속; 나노 케이블에 중간에 식각된 패턴에 증착된 금속; 으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노 전계효과 트랜지스터(FET: field effect transistor).
  5. 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블을 이용한 나노 전계효과 트랜지스터의 제조방법에 있어서,
    a) 산화실리콘이 성장된 실리콘 기판에 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블을 배열시키고,
    b) 나노케이블에 식각 마스크를 나노케이블이 배열된 기판에 코팅하고,
    c) 식각 장치로 나노케이블 양 단의 마스크를 제거하고,
    d) 에칭으로 양 단의 산화갈륨을 제거하고,
    e) 식각 장치로 나노 케이블에 패턴을 형성하고, 금속을 증착하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨/산화갈륨 나노케이블을 이용한 나노 전계효과 트랜지스터의 제조방법.
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