KR20090109980A - 가시광 대역 반도체 나노선 광센서 및 이의 제조 방법 - Google Patents

가시광 대역 반도체 나노선 광센서 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 양태에 따른 반도체 나노선 광센서는, 적어도 상부가 절연체로 된 기판과; 상기 기판 상에 소정 간격으로 분리되어 형성된 두 전극과; 상기 각 전극 상에 형성된 금속 촉매층과; 상기 각 전극 상의 금속 촉매층으로부터 성장된 가시광 대역의 반도체 나노선들;을 포함한다. 상기 두 전극의 금속 촉매층 위에 성장된 양측의 반도체 나노선들이 상기 두 전극 사이에서 상기 기판과 이격되게 부양된 상태로 양측 상호간에 서로 접촉되는 구조로 연결되어 있다.
광센서, 나노선, 나노와이어

Description

가시광 대역 반도체 나노선 광센서 및 이의 제조 방법{Visible-range semiconductor nanowire-based photosensor and method for manufacturing the same}
본 발명은 반도체 나노선 기반의 광센서 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가시광 대역 광감응 재료로 사용된 반도체 나노선이 비교적 단순 설계된 전극들 사이에서 선택적으로 공중에 들떠 있는 상태로 배열되어 높은 감도와 빠른 응답속도를 확보할 수 있는 반도체 나노선 광센서와, 이의 제조 방법에 관한 것이다.
1차원 형태의 나노선(nanowires)은 나노미터 단위의 차원, 양자 제한 효과(quantum confinement effect), 높은 단결정성, 자기 조립(self-assembly), 내부 응력 감소 효과(internal stress), 고비표면적(high surface area-to-volume ratio) 등 기존의 벌크 재료에서 발견할 수 없는 새로운 특성과 기능들 때문에 전자 소자에 다양한 가능성을 열어줄 유력한 소재로 주목받고 있다. 탄소나노튜브(Carbon nanotube)와 유사한 형상을 갖는 1차원 나노선은 우수한 광전 특성을 나 타내고 다양한 조성의 합성이 가능하며, 도핑에 의한 반도체 물성 및 광전 특성의 제어가 용이하여, 나노선의 합성, 변조 및 소자화를 위한 관련 기술이 전 세계적으로 중점 연구되고 있다. 기존의 박막 공정 중심의 하향식(Top-down) 기술인 포토리소그래피(Photolithography)에 비하여, 상향식(Bottom-up) 방식의 나노선 기술은 집적화된 소자를 구현하면서 신개념 소자의 가능성을 보여주고 있다.
현재 반도체 나노선은 레이저 소자를 포함하여 전계효과 트랜지스터(FET: Field Effect Transistor), 논리 게이트, 화학/바이오 광센서 등 다양한 소자로의 응용 사례가 보고된 바 있다. 특히 최근에는 반도체 나노선의 우수한 결정성 및 광전 특성 등을 이용하여 반도체 나노선 레이저, 광센서, 광도파로(photo waveguide) 등의 다양한 나노광전 소자들이 연구되고 있으며, 나노광전 시스템(nano-optoelectronics system) 구현으로 연구가 진행되고 있다. 이와 관련하여 SOP(System-On-Package) 및 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 등의 공정 기술을 기반으로 반도체 나노선을 광원, 신호전달 매개체, 검지체로 응용하는 일련의 기술이 개발되고 있으며, 특히 반도체 나노선을 광센서에 응용하려는 연구가 보고되고 있다. 예컨대, SOP, SIP(System-In-Package) 및 MEMS 등의 다목적용 공정 기술에서는, 자외선에서 근적외선에 이르는 파장 범위에서 광센서, 광스위치, 광커플러를 필요로 하므로 우수한 감도와 응답 특성을 갖는 나노선 광센서가 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 예상된다.
고감도의 광전 특성과 정밀하게 제어된 광 특성을 갖는 반도체 나노 구조체 기반의 광센서를 구현하기 위해서는, 광대역 반도체 나노 구조체의 합성과 조성설계 기술이 뒷받침되어야 한다. 황화카드뮴(CdS)과 셀렌화카드뮴(CdSe) 그리고 이들의 고용체는 1.7 eV (730 nm)에서 2.4 eV (506 nm) 범위의 가시광 대역의 밴드갭을 가져 광전소자로서의 개발에 많은 이점을 갖고 있고, 비교적 쉬운 공정으로 합성될 수 있으므로 광전소자용 나노 구조체의 유력한 소재가 될 수 있다. 또한 각각 2성분계로 구성된 두 물질(CdS, CdSe)이 혼합되어 서로 단일 화합물 고용체를 형성할 경우 조성 변동에 따라 상기 고용체의 에너지 밴드갭을 변조할 수 있어서, 이 고용체는 재료의 선택성 측면에서 매우 유효하게 활용될 수 있다.
그러나 종래의 나노선 기반의 광센서 소자를 구현하기 위해 나노선을 전극에 부착(전극에의 고정)하는 데에 있어서 고비용의 전자빔 리소그래피(e-beam lithography) 등의 기법이 사용되어야 하며, 더욱이 개별 나노선에 대하여 일일이 전극 부착 작업을 해주어야 한다. 또한 전극에의 나노선 부착 전에, 나노선의 분산 및 정렬 과정을 거쳐야 하는 공정상의 복잡함이 있다. 이러한 공정상의 어려움으로 인해 다수의 소자를 대량으로 일괄제작하지 못하는 치명적인 단점이 있다. 이러한 이유로 나노선을 이용한 실용화된 소자 및 제품들은 거의 개발되지 못하고 있는 상황이다.
본 발명의 일 과제는, 다수의 광센서 소자를 일괄제작하기에 용이하며 우수한 광감응성, 빠른 반응속도 및 회복속도를 갖는 가시광 대역 반도체 나노선 기반의 광센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 과제는, 분산, 정렬 등의 후공정 없이 반도체 나노선을 광센서 전극 위에 합성하여 광센서의 제조 공정을 단순화하고 그 제조 비용을 절감시켜 웨이퍼 스케일의 반도체 공정에 용이하게 적용될 수 있는 가시광 대역 반도체 나노선 기반의 광센서 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양태에 따른 반도체 나노선 광센서는,
적어도 상부가 절연체로 된 기판과;
상기 기판 상에 소정 간격으로 분리되어 형성된 두 전극과;
상기 각 전극 상에 형성된 금속 촉매층과;
상기 각 전극 상의 금속 촉매층으로부터 성장된 가시광 대역 반도체 나노선들;을 포함하고,
상기 두 전극의 금속 촉매층 위에 성장된 양측의 반도체 나노선들이 상기 두 전극 사이에서 상기 기판과 이격되게 부양된 상태로 양측 상호간에 서로 접촉되는 구조로 연결되어 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 두 전극의 금속 촉매층 위에 성장된 양측의 나노선들은 상기 두 전극 사이에서 공중 부양된 상태로 서로 엮여져 접촉되는 네트워크 구조를 가질 수 있다.
상기 나노선들은 CdSxSe1-x (0≤x≤1) 및 ZnSxSe1-x (0≤x≤1) 중에서 선택된 반도체 물질의 나노선들일 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 두 전극은 백금 전극일 수 있다. 상기 백금 전극의 두께는 3000 내지 8000Å이고, 두 전극 간 간격은 5 내지 20㎛일 수 있다. 상기 백금 전극과 기판 사이에는 티타늄층이 더 포함될 수 있다. 상기 금속 촉매층은 금 촉매층일 수 있다. 상기 금 촉매층의 두께는 20 내지 100Å일 수 있다. 본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 절연체는 SiO2, AlN, Si3N4, TiO2 중에서 선택된 것일 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따른 반도체 나노선 광센서 제조 방법은,
기판 위에 소정 간격으로 분리된 두 전극을 형성하는 단계와;
상기 각 전극 상에 금속 촉매층을 형성하는 단계와;
상기 각 전극 상의 금속 촉매층에서 가시광 대역 반도체 나노선들을 성장시키는 단계;를 포함하고,
상기 나노선들의 성장 단계에서, 상기 두 전극의 금속 촉매층 위에 성장된 양측의 반도체 나노선들이 상기 두 전극 사이에서 상기 기판과 이격되게 부양된 상태로 양측 상호간에 서로 접촉되는 구조로 연결되도록 상기 나노선들을 성장시킨다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 나노선들의 성장 단계에서, 상기 두 전극의 금속 촉매층 위에 성장된 양측의 나노선들이 상기 두 전극 사이에서 공중 부양된 상태로 서로 엮여져 접촉되는 네트워크 구조를 갖도록 상기 나노선들을 성장시킬 수 있다. 상기 나노선들은 CdSxSe1-x (0≤x≤1) 및 ZnSxSe1-x (0≤x≤1) 중에서 선택된 반도체 물질로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 두 전극의 형성 단계에서, 상기 두 전극은 백금을 사용하여 형성될 수 있고, 이러한 백금 전극은 전극 두께가 3000 내지 8000Å이 되고 두 전극 간 간격이 5 내지 20㎛가 되도록 형성될 수 있다. 상기 금속 촉매층은 금(Au) 촉매층으로 형성될 수 있고, 이러한 금 촉매층은 20 내지 100Å의 두께로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 나노선들의 성장 단계에서, 나노선 합성을 위한 반응로에 상기 금속 촉매층이 형성된 기판을 배치한 후 상기 반응로의 온도를 20 내지 40℃/min의 승온속도로 400 내지 600℃의 반응온도까지 상승시키고, 상기 반응온도에서 수소(H2)와 아르곤(Ar)을 포함하는 운반가스를 50 내지 200 sccm으로 흘려주면서 5 내지 30분 동안 유지시켜 펄스 레이저 증착법(pulsed laser deposition; PLD)을 사용하여 CdSxSe1-x (0≤x≤1) 또는 ZnSxSe1-x (0≤x≤1)의 나노선들을 합성할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 광센서 제조 방법은 다수의 소자를 일괄제작하기 위해 웨이퍼 스케일의 반도체 공정에 적용될 수 있다. 상기 전극 형성 단계에서 웨이퍼 기판 상에 상기 두 하부 전극을 한 쌍으로 하여 복수의 전극쌍을 형성하고, 이 후에 복수의 전극쌍에 대하여 상기 금속 촉매층 형성 단계 및 상기 반도체 나노선 형성 단계를 웨이퍼 단위로 실시하고, 이 후에 웨이퍼 상에 복수개로 일괄 제조된 소자들을 각 소자별로 분리할 수 있다.
본 발명은 우수한 광감응성, 빠른 반응속도 및 회복속도를 갖는 나노선 기반의 광센서를 제공한다. 본 발명의 나노선 광센서 구조 및 그 제조 방법에 따르면, 합성된 나노선의 분산 및 정렬 등의 후공정 없이 나노선을 센서 전극 위에 제조함 으로써 광센서의 제조 공정이 단순화할 수 있고 그 제조 비용을 절감시켜 웨이퍼 스케일의 반도체 공정에 효과적으로 적용 가능하다. 또한 본 발명의 실시형태들에 따른 나노선 기반의 광센서는 감응 대역으로서 가시광 전대역을 포함할 수 있어, 넓은 영역에서 작동되는 광센서, 광스위치, 광커플러 등 다양한 나노광전소자로서 활용가능하다.
상술한 과제들을 달성하기 위해, 본 발명자들은 종래의 FET 형태의 광센서 구조 제조와 달리, 광센서의 2 전극의 특정 영역 상에서 금촉매를 사용하여 바닥으로부터 위로 이격된(들뜬) 위치에서 서로 접촉하여 전극 사이를 연결시키는 나노 구조체를 성장시켜 분산, 정렬 등의 후공정 없이 반도체 나노선 광센서를 제작하였다. 이렇게 제작된 본 발명자들의 반도체 나노선 광센서에 의하면, 종래 FET 형태로 제작된 나노선 광센서에서 두 전극 사이의 나노선이 기판과 접촉됨으로써 나노선을 통해 흐르는 광에 의한 전류 흐름이 기판에 의해 방해되고 저항이 증가하는 문제점을 제거할 수 있다. 또한 가시광 대역의 반도체 나노선(예컨대, 황화카드뮴-셀렌화카드뮴의 고용체 또는 황화아연-셀렌화아연의 고용체 나노선)이 두 전극 사이에서 공중에 들뜬 상태로 연결된 3차원 구조를 형성함으로써 벌크나 박막 형태의 광감응체에 비하여 우수한 광센서 특성을 나타냄을 확인하였다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 반도체 나노선 광센서의 개략적인 사시도이다. 도 1을 참조하면, 광센서(100)는 기판(10)과 그 위에 형성된 전극들(30)을 포함한다. 두개의 전극(30)은 기판(10) 상에서 소정 간격으로 분리되어 형성되어 있으며, 예컨대 백금으로 형성될 수 있다. 전극(30)과 기판(10) 사이에는 티타늄층(20)이 백금 전극(30)과 동일한 패턴으로 형성될 수 있다. 티타늄층(20)은 기판(10)과 백금 전극(30) 사이의 부착을 원활히 하는 접착층(adhesion layer)으로서의 역할을 갖는다. 기판(10)은 절연체이거나, 두 전극(30)을 절연시킬 수 있도록 적어도 기판(10)의 상면부는 절연체로 되어 있다 예컨대, 기판(10)은 상면에 절연막이 형성되어 있는 실리콘 기판 등의 반도체 기판일 수 있다. 이 절연체로는 예컨대, SiO2, AlN, Si3N4 또는 TiO2을 사용할 수 있다.
전극(30)으로서 백금 전극을 사용할 경우, 전극(30)의 두께는 3000 내지 8000Å인 것이 바람직하며, 두 전극(30) 사이의 간격은 약 5 내지 20㎛가 바람직하다. 각 전극(30) 상면의 적어도 일부에는 금속 촉매층(40)이 형성되어 있고, 이 금속 촉매층(40) 상에는 가시광 대역 반도체 나노선(50)이 배치되어 있다. 이 나노선들(50)은 금속 촉매층(40)이 있는 영역에서만 선택적으로 성장하여 얻어진 것이다. 금속 촉매층(40)으로는 금(Au) 또는 니켈(Ni) 등을 사용할 수 있으며, 특히 반도체 나노선 성장을 위해 금 촉매층을 사용할 수 있다. 금 촉매층은 20 내지 100Å의 두께로 형성될 수 있다. 가시광 대역 반도체 나노선들(50)은 황화카드뮴(CdS) 또는 셀렌화카드뮴(CdSe)이거나 이들의 고용체(CdSxSe1-x (0＜x＜1))일 수 있다. 또한 나노선들(50)은 CdS, CdSe 및 이들의 고용체 중 적어도 2가지 이상의 물질을 포함할 수도 있다. CdSxSe1-x (0≤x≤1) 반도체 물질 이외에도 반도체 나노선(50) 재료로서 ZnSxSe1-x (0≤x≤1)의 반도체 물질을 사용할 수 있다. CdSxSe1-x (0≤x≤1)과 ZnSxSe1-x (0≤x≤1) 나노선의 에너지 밴드갭은 각각 조성비(x)에 따라 자외선에서 가시광 영역의 범위에 해당하는 1.74 내지 2.45 eV (506 ~ 713 nm) 범위 및 2.65 내지 3.28 eV (378 ~ 468 nm) 범위에서 변화한다.
각 전극(30) 상의 금속 촉매층(40) 위에 성장된 양측의 반도체 나노선들(50) 은 두 전극(30) 사이에서 기판과 이격되게 공중 부양된 상태로 양측 상호간에 서로 접촉되는 구조로 연결되어 있다. 예를 들어, 도 1에서 좌측 백금 전극(30)의 금 촉매층(40)에서 성장한 나노선들은 와이어 형상으로 길게 연장되어, 우측 백금 전극(30)의 금 촉매층(40)에서 성장한 나노선들과 공중에서 네트워크(망) 형태로 서로 엮여져서 접촉할 수 있다(도 4 참조). 일측 전극의 금 촉매층에서 성장한 나노선은 타측 전극의 금 촉매층에서 성장한 나노선과 1:1로 개별적으로 연결 또는 접촉될 수도 있다. 또한 일측 전극 영역에서 성장한 1개의 긴 나노선은 타측 전극 영 역에서 성장한 나노선 여러개의 나노선과 연결 또는 접촉될 수도 있다. 각 전극(30)에 전기적 신호 전달을 위해 각 전극(30)에는 도전 라인, 도전 패턴 또는 와이어 등의 도전체 구조(도시 안함)가 연결 설치될 수 있다.
상술한 바와 같은 센서 전극들 위에서 직접 성장되어 전극들 사이에서 공중 부양된 상태로 서로 접촉 연결된 나노선 구조를 사용함으로써, 두개의 전극(30)과 반도체 나노선(50) 사이에서의 얇은 비정질 박막층의 형성(바닥층의 효과)으로 인해 광에 의한 전기적 신호 전달의 신뢰성과 센서 감도가 크게 낮아지는 문제를 효과적으로 해결할 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 들어 반도체 나노선 광센서의 제조 방법을 설명한다. 본 발명의 일 측면에 따른 반도체 나노선 광센서 제조 방법은 크게 광센서의 전극 제작 단계(도 2(a) 및 2(b) 참조)와, 제작된 두 전극 위에 CdSxSe1-x (0≤x≤1) 또는 ZnSxSe1-x (0≤x≤1) 등의 가시광 대역 반도체 나노선들을 성장시키되, 각 전극 측에서 성장된 나노선들이 두 전극 사이에서 공중 부양된 상태로 서로 접촉하도록 성장시키는 단계(도 2(c) 참조)를 포함한다. 나노선 성장 전에 Au 등의 금속 촉매층(40)을 전극(30) 상에 형성한다(도 2(b)). 나노선들을 성장시켜 광센서 소자를 제조한 후에는, 제작된 광센서에 대하여 파장 변화에 따른 광감응성을 측정하였다.
이러한 반도체 나노선 광센서 제조 방법은 다수의 소자를 일괄제작하기 위해 웨이퍼 스케일의 반도체 공정에 적용될 수 있다. 도 10(a) 내지 10(c)를 참조하면, 상술한 전극 형성 단계에서 웨이퍼 기판(10') 상에 두 전극(30)을 한 쌍으로 하여 복수의 전극쌍(30p)을 형성하고, 이 후에 복수의 전극쌍(30p)에 대하여 상술한 금 촉매층(40) 형성 단계 및 CdSxSe1-x (0≤x≤1) 또는 ZnSxSe1-x (0≤x≤1) 등의 가시광 대역 반도체 나노선 형성 단계를 웨이퍼 단위로 실시할 수 있다. 이 후에는 도 10(d)에 도시된 바와 같이, 웨이퍼 상에 복수개로 일괄 제조된 소자들을 각 소자별로 분리할 수 있다. 예컨대, 웨이퍼 상의 소자 영역들의 경계(L)에서 웨이퍼 기판을 절단하거나 식각함으로써 개별 소자로의 분리 공정을 수행할 수 있다. 이로써, 웨이퍼 레벨의 대량 또는 다량 생산을 구현할 수 있게 된다.
실시예
[나노선 광센서의 전극 제작]
나노선 하나 하나에 대하여 개별적인 리소그래피를 하지 않고 웨이퍼 상에 주기적으로 형성된 하부 전극 사이에 나노선들이 일괄적으로 정렬되도록 하기 위해 금 촉매층을 이용하는 것이 효과적이다. 황화카드뮴-셀렌화카드뮴 고용체 나노선의 경우, 나노선 성장을 위한 금 촉매층을 20 내지 100Å 정도의 두께로 형성하면 금 촉매가 있는 위치에서만 나노선이 형성된다.
먼저 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 적어도 상면부가 절연체(예컨대, SiO2, AlN, Si3N4 또는 TiO2)로 된 실리콘 등의 기판(10) 상에 약 50nm 두께의 티타늄층(20)과 백금층(30)을 형성하였다. 그리고 나서 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 포토리소그래피 공정과 리프트 오프(lift-off) 공정을 이용하여 백금 전극(30)의 패턴을 형성하였다. 백금 전극(30)의 두께는 3000 내지 8000Å 정도이었고, 두 전극(30)은 5 내지 50㎛의 간격으로 서로 분리되어 있다. 바람직하게는, 두 전극(30) 간의 간격은 5 내지 20㎛이며, 간격이 5㎛ 미만이면 서로 분리된 두 전극을 형성하기가 어려우며, 간격이 20㎛을 넘으면 양쪽 전극측에서 성장한 나노선들이 이격되어 광에 의한 전기적 신호 전달에 어려움이 발생할 가능성이 있다.
두개의 백금 전극(30) 상의 적어도 일부 영역에, 바람직하게는 두 전극의 서로 인접한 일부 특정 영역 상에 한하여, 금 촉매층(40)을 형성하여 효과적으로 나노선(50)을 제조할 수 있다. 이 경우 두개의 백금 전극(30)과 CdSxSe1-x (0≤x≤1) 나노선(50) 사이에 형성되는 박막의 비정질(바닥층의 효과)으로 인하여 광에 의한 전기적 신호 전달 특성이 크게 낮아지는 문제점을 해결할 수 있게 되어, 우수한 광감응 특성을 효과적으로 발현하게 할 수 있다. 금 촉매층(40)은 이온 스퍼터링 공정에 의하여 20 내지 50Å의 두께로 형성하였다.
상술한 전극(30) 형성과 함께, 각 전극(30)에 전기적 신호 전달을 위해 각 전극(30)에 연결되는 도전 라인, 도전 패턴 또는 와이어 등의 도전체 구조(도시 안함)가 형성될 수 있다.
[제작된 전극 위에 공중 부양된 CdS x Se 1-x (0≤x≤1) 나노선의 제조 단계]
황화카드뮴, 셀렌화카드뮴 및 황화카드뮴-셀렌화카드뮴 고용체 나노선은 펄스 레이저 증착법(pulsed laser deposition: PLD)을 이용하였다. PLD에서는, 고강도의 레이저 빔이 타겟 표면에 조사될 때 타겟 물질은 순간적으로 액상과 기상을 거쳐 플라즈마 상태로 만들어지게 된다. PLD에 의해 형성되는 기상 플라즈마는 타겟과 동일한 조성을 갖게 되므로, PLD를 이용하여 복잡한 다성분계 재료를 제조할 때 조성설계가 쉽다. 이러한 장점을 갖는 PLD를 이용한 제조 방법은 CdS-Se, ZnS-Se 등의 복잡한 3성분계 화합물의 고용체 나노선의 제조에 유리하다.
PLD를 이용한 나노선 제조시, 레이저 발생원으로서 KrF 가스를 사용하여 약 248nm 파장의 자외선 빔을 발생시키는 엑시머 레이저를 이용하였으며, 레이저의 반복 주파수는 5Hz, 에너지 밀도는 5 J/cm2 인 조건에서 나노선을 제조하였다.
황화카드뮴-셀렌화카드뮴 고용체 나노선, 황화카드뮴 나노선 및 셀렌화카드뮴 나노선 제조를 위한 PLD용 레이저 타겟으로서, 통상적인 세라믹 제조 공정인 고상 합성법에 의해 황화카드뮴(CdS), 셀렌화카드뮴(CdSe) 그리고, 이들의 고용체 3 종 (CdS0.75Se0.25, CdS0.50Se0.50, CdS0.25Se0.75)을 포함하여 5종의 타겟을 제작하였다. CdSxSe1-x (x = 0, 0.25, 0.50, 0.75, 1) 타겟은, CdS, CdSe 분말을 각각의 조성비에 맞게 측량한 후 에탄올을 용매로 하여 습식 혼합하고 건조시킨 후 원기둥 형태로 성형하여 이 성형체를 소결함으로써 제조하였다.
CdSxSe1-x 나노선 제조를 위해, PLD 반응관 중앙에 소결된 타겟을 위치시킨 후 제작된 전극 패턴(백금 전극 상에 금 촉매층이 형성되어 있음)을 타겟 앞쪽에 위치시켰다. 반응로는 30℃/min의 승온속도로 약 500℃의 반응온도까지 그 온도를 상승시킨 후, 반응온도에서 약 5% H2가 혼합된 Ar 가스를 약 100 sccm 흘려주면서 10분동안 유지시켜 나노선을 제조하였다. 이 때, 반응관 내의 전체 압력은 로터리 펌프를 사용하여 약 2 Torr 정도로 유지하였다.
도 3(a)는 반응로 중앙 부분의 온도가 500℃일때 제조된 황화카드뮴(CdS) 나노선들의 주사 전자 현미경 사진이다. CdS 나노선의 직경은 약 50 내지 200nm이고 나노선 길이는 수십 마이크로미터이었다. 도 3(a)의 우측 상단에 삽입된 그림에서 알 수 있는 바와 같이, 제조된 나노선의 끝부분에는 금촉매와 CdS의 합금체로 된 팁이 관찰되었다. 이와 같이 1차원 형상의 나노선는 촉매를 이용하여 제조될 수 있는데, 기체-액체-고체 결정성장법(Vapor-Liquid-Solid process, VLS)에 의해 나노선이 성장되며 원료 물질과 촉매 물질이 서로 반응하여 고용 합금(eutectic alloy) 을 이룬다.
도 3(b)는 상기 제조된 CdS 나노선의 투과 전자 현미경 사진을 나타낸다. 패스트 푸리에 변환(fast fourier transform, FFT) 회절상을 통하여 나노선의 길이 방향은 [002] 방향인 것으로 확인되었고, 고분해능 격자 사진을 통하여 격자결함이 없는 단결정 나노선이 제조되었음을 확인할 수 있었다.
도 3(c)는 CdSxSe1-x (0≤x≤1) 나노선의 X선 회절 분석 패턴을 나타낸다. CdSxSe1-x 고용체 나노선은 CdS와 CdSe의 상분리 없이 완전한 고용체를 이루고 있으며 조성비 x값의 변화와 상관없이 육방정 결정상을 가지고 있음을 확인하였다. x 값이 증가함에 따라 회절 피크들은 높은 각 쪽으로 이동하였는데, 이는 CdSxSe1-x 나노선의 격자 상수 및 단위포의 체적은 육방정 구조의 CdS의 격자 상수(a=0.412nm, c=0.668)와 CdSe의 격자 상수(a=0.430nm, c=0.701nm)의 차이에 의한 결과이며 CdSxSe1-x 고용체 나노선이 완전한 화합물 고용체를 이루고 있다는 근거가 될 수 있다.
도 3(d)는 제조된 CdSxSe1-x 나노선의 상온 포토루미네센스 스펙트럼을 나타낸다. CdSxSe1-x 나노선은 x값에 따라, 각각 1.74eV (x=0), 1.95 eV (x=0.25), 2.11 eV (x=0.50), 2.26 eV (x=0.75), 2.45 eV (x=1)에서 강한 NBE (Near Band Emission) 발광 피크가 관찰되었다. NBE 발광 피크는 물질의 에너지 밴드갭에 해당되며, CdSxSe1-x 나노선의 x값 변화에 1.74 ~ 2.45 eV 범위로 에너지 밴드갭을 조절할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
도 4는 전극 패턴 위에 제조된 황화카드뮴-셀렌화카드뮴 고용체 나노선의 주사 전자 현미경 사진을 나타낸다. 도 4(a)는 두 전극측에서 각각 성장되어 두 전극 사이에서(그리고 기판 상면 위로 공중 부양된 상태에서) 서로 접촉 연결된 나노 구조체를 약 30도의 기울어진 각도로 본 사진을 나타내고, 도 4(b)는 평면도 사진을 나타낸다. 소정간격으로 떨어진 두 전극측에서 각각 성장된 나노선은 두 전극 사이에서 기판 위로 공중 부양된 상태에서 각각 개별적으로 연결되거나 서로 엮여져 네트워크 형태로 접촉 연결된 것을 확인할 수 있다.
[파장 변화에 따른 CdS x Se 1-x (0≤x≤1) 나노선의 광감응성 평가]
광원으로부터 분리된 특정 파장의 빛을 CdSxSe1-x 나노선을 이용한 광센서 소자에 조사하면서, 광전류(photocurrent)값의 변화를 측정하였다. 사용된 광감응 측정 시스템은 무오존 제논(Ozone-free Xenon) 광원을 사용하여 광원으로부터 나온 빛의 파장을 분리시키고, 그 분리된 빛을 필터 및 렌즈를 통하여 광센서 소자까지 진행시키서 나노선 광센서의 광전류값의 변화를 측정하였다.
무오존 제논 광원을 사용하여 1.55 내지 2.76eV (450 ~800nm) 범위의 에너지에서 측정된 CdSxSe1-x 나노선의 광전류 감응 곡선을 도 5에 나타내었다. 도 5의 광전류 감응 곡선은 나노선 광센서 소자에 5V 전압을 인가하여 광전류 값의 변화를 측정하여 얻은 것이다. CdSxSe1-x 나노선의 광감응도는 특정 에너지에서 급격한 광전류 값의 감소를 나타냈다. 급격한 변화를 나타내는 CdSxSe1-x (x = 0, 0.25, 0.50, 0.75, 1) 나노선의 광감응 에너지는 각각 1.74eV (x=0), 1.95eV (x=0.25), 2.11eV (x=0.50), 2.45eV(x=1)인 것으로 측정되었다. 이러한 결과는 상온에서 측정된 포토루미네센스 스펙트럼으로부터 예측되는 에너지 밴드갭(도 3(d) 참조)과 매우 잘 일치한다.
도 6에는 2.48eV의 특정 에너지가 단속적, 주기적으로 조사된 CdS 나노선의 온/오프(ON/OFF)에 의한 동적 거동을 나타낸다. 특정 에너지의 빛의 조사 유무에 따라 황화카드뮴 나노선의 광감응도는, 5V의 인가 전압에서 거의 100배 정도의 차이를 보이는데, 이는 황화카드뮴 나노선을 이용한 광센서가 현저하게 높은 감도로써 특정 에너지에서 작동한다는 것을 보여준다.
[ZnS x Se 1-x (0≤x≤1) 나노선 기반의 반도체 나노선 광센서의 제작]
상술한 CdSxSe1-x (0≤x≤1) 나노선 광센서의 제작 방식과 마찬가지의 방식 으로 ZnSxSe1-x (0≤x≤1) 나노선 광센서를 제작하였다. 백금 전극과 금 촉매층의 전극 구조를 형성하고, 그 후 반도체 나노선 재료로서 CdS, CdSe 분말 대신에 ZnS, ZnSe 분말을 사용하여 PLD로써 ZnS, ZnSe, 및 이들의 고용체 3종 ZnS0.75Se0.25, ZnS0.50Se0.50, ZnS0.25Se0.75 나노선을 제작하였다. 두 전극측에서 각각 성장된 ZnSxSe1-x 나노 구조체는 두 전극 사이에서 기판 상면 위로 공중 부양된 상태에서 서로 접촉 연결되어 있었다.
도 7은 제조된 ZnSxSe1-x 나노선의 X선 회절 분석 패턴을 나타낸 그래프이다. 도 7을 통해, ZnSxSe1-x 나노선은 ZnS와 ZnSe의 상분리 없이 완전한 고용체를 이루고 조성비 x값의 변화와 상관없이 육방정 결정상을 가지고 있음을 확인할 수 있다.
도 8은 상기 ZnSxSe1-x 나노선의 조성(x)에 따른 밴드갭 에너지를 나타낸 그래프이고, 도 9는 상기 ZnSxSe1-x 나노선의 상온 포토루미네센스 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. ZnSxSe1-x 나노선은 x값에 따라, 각각 2.65eV (x=0), 2.80 eV (x=0.25), 2.95 eV (x=0.50), 3.10 eV (x=0.75), 3.28 eV (x=1)에서 강한 NBE (Near Band Emission) 발광 피크가 관찰되었다. NBE 발광 피크는 물질의 에너지 밴드갭에 해당되며, ZnSxSe1-x 나노선의 x값 변화에 2.65 ~ 3.28 eV 범위로 에너지 밴 드갭을 조절할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, ZnSxSe1-x (x = 0, 0.25, 0.50, 0.75, 1) 나노선 기반의 광센서들은 각각 2.65eV (x=0), 2.80 eV (x=0.25), 2.95 eV (x=0.50), 3.10 eV (x=0.75), 3.28 eV (x=1) 근방의 광자 에너지에서 급격한 광전류 값의 변화를 나타낸다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 또한, 본 발명은 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 반도체 나노선 광센서의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 반도체 나노선 광센서의 제조 공정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3(a)는 본 발명의 실시형태에 따라 제조된 황화카드뮴(CdS) 나노선들의 주사 전자 현미경 사진이고, 도 3(b)는 상기 CdS 나노선의 투과 전자 현미경 사진이고, 도 3(c)는 CdSxSe1-x 나노선의 X선 회절 분석 패턴을 나타낸 그래프이고, 도 3(d)는 상기 CdSxSe1-x 나노선의 상온 포토루미네센스(photoluminescence) 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 4는 일정간격으로 분리 두 전극 상에서 성장한 황화카드뮴-셀렌화카드뮴 고용체 나노선들을 나타낸 주사 전자 현미경 사진으로서, 도 4(a)는 기울어진 각도로 본 사진이고, 도 4(b)는 평면도 사진이다.
도 5는 무오존 제논 광원(Ozone-free Xenon)을 사용하여 측정된 광전류 감응 곡선으로서, 본 발명의 실시형태에 따라 제조된 황화카드뮴-셀렌화카드뮴 고용체 나노선의 광전류 감응 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시형태에 따라 제조된 황화카드뮴 나노선에 2.48 eV의 빛을 단속적으로 조사하면서 얻은 전류의 동적 거동을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시형태에 따라 제조된 ZnSxSe1-x 나노선의 X선 회절 분석 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 8은 상기 ZnSxSe1-x 나노선의 조성(x)에 따른 밴드갭 에너지를 나타낸 그래프이고, 도 9는 상기 ZnSxSe1-x 나노선의 상온 포토루미네센스 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시형태에 따라 웨이퍼 레벨로 반도체 나노선 광센서들을 제조하는 공정을 설명하기 위한 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100: 반도체 나노선 광센서 10: 기판
20: 티타늄층 30: 백금 전극
40: 금속 촉매층 50: 나노선

Claims (18)

  1. 적어도 상부가 절연체로 된 기판;
    상기 기판 상에 소정 간격으로 분리되어 형성된 두 전극;
    상기 각 전극 상에 형성된 금속 촉매층; 및
    상기 각 전극 상의 금속 촉매층으로부터 성장된 가시광 대역 반도체 나노선들;을 포함하고,
    상기 두 전극의 금속 촉매층 위에 성장된 양측의 반도체 나노선들이 상기 두 전극 사이에서 상기 기판과 이격되게 부양된 상태로 양측 상호간에 서로 접촉되는 구조로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 나노선 광센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 두 전극의 금속 촉매층 위에 성장된 양측의 나노선들은 상기 두 전극 사이에서 공중 부양된 상태로 서로 엮여져 접촉되는 네트워크 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 나노선 광센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 나노선들은 CdSxSe1-x (0≤x≤1) 및 ZnSxSe1-x (0≤x≤1) 중에서 선택된 반도체 물질의 나노선들인 것을 특징으로 하는 반도체 나노선 광센서.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 두 전극은 백금 전극인 것을 특징으로 하는 반도체 나노선 광센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 백금 전극의 두께는 3000 내지 8000Å이고, 두 전극 간 간격은 5 내지 20㎛인 것을 특징으로 하는 반도체 나노선 광센서.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 백금 전극과 기판 사이에는 티타늄층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 나노선 광센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속 촉매층은 금(Au) 촉매층인 것을 특징으로 하는 반도체 나노선 광센서.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 금 촉매층의 두께는 20 내지 100Å인 것을 특징으로 하는 반도체 나노선 광센서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 절연체는 SiO2, AlN, Si3N4 및 TiO2 로 이루어진 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 반도체 나노선 광센서.
  10. 기판 위에 소정 간격으로 분리된 두 전극을 형성하는 단계;
    상기 각 전극 상에 금속 촉매층을 형성하는 단계; 및
    상기 각 전극 상의 금속 촉매층에서 가시광 대역 반도체 나노선들을 성장시키는 단계;를 포함하고,
    상기 나노선들의 성장 단계에서, 상기 두 전극의 금속 촉매층 위에 성장된 양측의 반도체 나노선들이 상기 두 전극 사이에서 상기 기판과 이격되게 부양된 상태로 양측 상호간에 서로 접촉되는 구조로 연결되도록 상기 나노선들이 성장되는 것을 특징으로 하는 반도체 나노선 광센서의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 나노선들의 성장 단계에서, 상기 두 전극의 금속 촉매층 위에 성장된 양측의 나노선들이 상기 두 전극 사이에서 공중 부양된 상태로 서로 엮여져 접촉되는 네트워크 구조를 갖도록 상기 나노선들이 성장되는 것을 특징으로 하는 반도체 나노선 광센서의 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 나노선들은 CdSxSe1-x (0≤x≤1) 및 ZnSxSe1-x (0≤x≤1) 중에서 선택된 반도체 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 나노선 광센서의 제조 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 두 전극의 형성 단계에서, 상기 두 전극은 백금을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 나노선 광센서의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 두 전극은 전극 두께가 3000 내지 8000Å이 되고 두 전극 간 간격이 5 내지 20㎛가 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 나노선 광센서의 제조 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 금속 촉매층은 금 촉매층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 나노선 광센서의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 금 촉매층은 20 내지 100Å의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 반 도체 나노선 광센서의 제조 방법.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 나노선들의 성장 단계에서, 나노선 합성을 위한 반응로에 상기 금속 촉매층이 형성된 기판을 배치한 후 상기 반응로의 온도를 20 내지 40℃/min의 승온속도로 400 내지 600℃의 반응온도까지 상승시키고, 상기 반응온도에서 수소(H2)와 아르곤(Ar)을 포함하는 운반가스를 50 내지 200 sccm으로 흘려주면서 5 내지 30분 동안 유지시켜 펄스 레이저 증착법을 사용하여 CdSxSe1-x (0≤x≤1) 또는 ZnSxSe1-x (0≤x≤1)의 나노선들을 합성하는 것을 특징으로 하는 반도체 나노선 광센서의 제조 방법.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 전극 형성 단계에서 웨이퍼 상에 상기 두 하부 전극을 한 쌍으로 하여 복수의 전극쌍을 형성하고, 이 후에 복수의 전극쌍에 대하여 상기 금속 촉매층 형성 단계 및 상기 반도체 나노선 형성 단계를 웨이퍼 단위로 실시하여 상기 웨이퍼 상에 복수개의 광센서 소자를 일괄 제조하고, 이 후에 상기 웨이퍼 상에 복수개로 일괄 제조된 소자들을 각 소자별로 분리하는 것을 특징으로 하는 반도체 나노선 광센서의 제조 방법.
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