KR20120100338A - 나노와이어의 성장방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나노와이어의 성장방법에 관한 것으로, 원하는 크기의 나노와이어를 균일하고 고결정질의 나노와이어를 성장시킬 수 있는 나노와이어으 제조방법에 관한 것으로서, 반도체기판 상에 용적방울을 형성하는 단계와; 상기 용적방울을 제외한 상기 반도체기판 상에 산화층을 형성하는 단계와; 상기 반도체기판 상에 용적방울을 에칭액을 이용하여 선택적으로 에칭하여 나노패턴 홀을 형성하는 단계와; 상기 나노패턴 홀의 바닥면인 상기 반도체기판으로부터 나노와이어를 성장시키는 단계;를 포함하여 이루어진다.

Description

나노와이어의 성장방법{Method for growing nanowire}
본 발명은 나노와이어의 성장방법에 관한 것으로, 원하는 크기의 나노와이어를 균일하고 고결정질의 나노와이어를 성장시킬 수 있는 나노와이어의 성장방법에 관한 것이다.
나노와이어는 직경이 나노미터(1 nm = 10-9m) 영역이고, 길이가 직경에 비해 훨씬 큰 수백 나노미터, 마이크로미터(1 ㎛ = 10-6m) 또는 더 큰 밀리미터(1mm = 10-3m) 단위를 갖는 선형 재료이다. 이러한 나노와이어의 물성은 그들이 갖는 직경과 길이에 의존한다.
상기 나노와이어는 작은 크기로 인하여 미세 소자에 다양하게 응용될 수 있으며, 특정 방향에 따른 전자의 이동특성이나 편광 현상을 나타내는 광학 특성을 이용할 수 있는 장점이 있다.
나노와이어를 현재 나노 기술 분야에서 널리 연구되고 있으며, 현재 레이저와 같은 광소자, 트랜지스터 및 메모리 소자 등 다양한 분야에 널리 응용되고 있는 차세대 기술이다. 현재 나노 와이어에 사용되는 재료는 실리콘, 아연 산화물과 발광반도체인 갈륨질화물 등의 III-V족 카드뮴설파이드계의 II-VI족 반도체 물질 등이 있다. 현재 나노와이어 제조 공정 기술은 나노 와이어의 길이 및 폭을 조절할 수 있는 수준까지 발전했으나 기판 위의 원하는 위치에 배열하여 소자화하기 위한 기술은 아직 성숙하지 못한 상황이다.
한편, 종래에 원하는 크기의 나노와이어를 성장시키기 위해 photo-lithography, nano-imprint, holo-lithgraphy 등의 방법으로 패턴을 형성하였으나, 고가의 비용이 소요되고, 많은 시간이 소요되는 문제점이 있다.
본 발명은 원하는 크기의 나노와이어를 균일하고 고결정질의 나노와이어를 성장시킬 수 있는 나노와이어의 성장방법을 제공함을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
a) 반도체기판 상에 용적방울을 형성하는 단계와;
b) 상기 용적방울을 제외한 상기 반도체기판 상에 산화층을 형성하는 단계와;
c) 상기 반도체기판 상에 용적방울을 에칭액을 이용하여 선택적으로 에칭하여 나노패턴 홀을 형성하는 단계와;
d) 상기 나노패턴 홀의 바닥면인 상기 반도체기판으로부터 나노와이어를 성장시키는 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 나노와이어의 성장방법을 제공한다.
상기 a)단계의 상기 반도체기판은 Si 또는 사파이어로 이루어질 수 있다.
상기 a)단계는 상기 반도체기판 상에 촉매층을 형성한 후 어닐링하여 용적방울을 형성하는 것이 바람직하고, 상기 촉매층은 Au, Ni, Cu, Al, Ag, Pt, Fe, Cr 중 선택된 어느 하나로 이루어진다.
그리고 상기 b)단계는 상기 용적방울이 형성된 반도체기판을 산소분위기 하에서 열처리하는 단계인 것이 바람직하다.
또한, 상기 d)단계는 상기 나노패턴 홀의 바닥면인 상기 반도체기판으로부터 나노와이어를 MOCVD법을 이용하여 캐리어가스와 원료 가스를 공급하여 성장시키는 단계인 것이 좋다.
본 발명의 나노와이어의 성장방법은 용적방울의 크기에 따라 나노와이어의 지름이 결정되기 때문에 용적방울의 크기, 즉 촉매층의 두께를 변화시켜 원하는 지름의 나노와이어를 균일하고 고결정질로 성장시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 반도체기판 상에 촉매층이 증착된 상태를 나타내는 도면이고,
도 2는 반도체기판 상에 용적방울이 형성된 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 반도체기판 상에 산화층이 형성된 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 용적방울을 선택적으로 에칭하여 나노패턴 홀을 형성한 상태를 나타내는 도면이다.
도 5는 MOCVD법으로 나노와이어를 성장시키는 상태를 나타내는 도면이고,
도 6은 나노와이어가 성장된 상태를 나타내는 도면이다.
도 7의 반도체기판 상에 형성된 나노패턴 홀의 FESEM 사진이고,
도 8은 Si 기판 상에 성장된 GaN 나노와이어의 FESEM 사진이다.
이하, 본 발명의 나노와이어의 성장방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 나노와이어의 성장방법은 반도체기판 상에 용적방울을 형성하는 단계와; 상기 용적방울을 제외한 상기 반도체기판 상에 산화층을 형성하는 단계와; 상기 반도체기판 상에 용적방울을 에칭액을 이용하여 선택적으로 에칭하여 나노패턴 홀을 형성하는 단계와; 상기 나노패턴 홀의 바닥면인 상기 반도체기판으로부터 나노와이어를 성장시키는 단계;를 포함하여 이루어진다.
도 1은 반도체기판 상에 촉매층이 증착된 상태를 나타내는 도면이고, 도 2는 반도체기판 상에 용적방울이 형성된 상태를 나타내는 도면이다.
먼저, 반도체기판 상에 용적방울을 형성한다. 여기서 반도체기판은 Si 또는 사파이어를 사용할 수 있다.
반도체기판 상에 용적방울을 형성하는 방법은 크게 특정되는 것은 아니나, 도 1과 같이 반도체기판 상에 촉매층을 형성하고, 도 2와 같이 어닐링하여 용적바울을 형성하는 것이 좋다.
상기 촉매층은 Au, Ni, Cu, Al, Ag, Pt, Fe, Cr 중 선택된 어느 하나로 이루어진다.
그리고 상기 반도체기판에 촉매층을 형성하는 방법은 크게 한정되는 것은 아니고, DC Sputter, E-beam evaporation, Thermal evaporation, Electroplating 등의 방법으로 촉매층을 증착할 수 있다.
상기 DC Sputter에 의한 Au촉매층의 증착시간은 크게 한정되는 것은 아니고, 증착시간을 조절하여 다양한 두께의 촉매층을 형성할 수 있다. 특히, 상기 촉매층의 두께는 용적방울의 크기를 결정하고, 용적방울의 크기는 나노와이어의 지름을 결정한다. 따라서, 나노와이어의 원하는 크기에 따라 촉매층의 두께를 DC Sputter의 증착시간을 조절하여 형성할 수 있다.
본 발명자는 10nm 두께의 Au 촉매층을 형성한 후 수소분위기 하에서 650℃로 10분 동안 유지하여 100nm 크기의 용적방울을 형성하였다. 이와 같은 조건으로 용적방울을 형성할 경우 촉매층의 두께가 1nm, 5nm, 10nm, 20nm, 30nm일 경우 각각 10nm, 50nm, 100nm, 200nm, 300nm의 크기의 용적방울을 형성할 수 있다.
도 3은 반도체기판 상에 산화층이 형성된 상태를 나타내는 도면이다.
다음은 상기 용적방울을 제외한 상기 반도체기판 상에 도 3과 같이 산화층을 형성하는 단계이다. 상기 산화층을 형성하는 이유는 후공정에서 용적방울을 선택적으로 에칭하여 나노패턴 홀을 형성하기 위함이다.
상기 산화층을 형성하는 방법은 크게 특정되는 것은 아니나, 상기 용적방울이 형성된 반도체기판을 산소분위기 하에서 열처리하는 것이 바람직하다. 산소분위기 하에서 열처리할 경우 반도체기판을 산화시킴과 동시에 용적방울에 영향을 주지 않아, 용적방울을 유지시켜 후공정에 의해 나노패턴 홀을 형성할 수 있다.
상기 산화층은 SiO2, SiN2 등으로 이루질 수 있다.
도 4는 용적방울을 선택적으로 에칭하여 나노패턴 홀을 형성한 상태를 나타내는 도면이다.
그리고 상기 반도체기판 상에 용적방울을 에칭액을 이용하여 선택적으로 에칭하여 도 4와 같이 나노패턴 홀을 형성한다.
이와 같이 상기 용적방울을 에칭하여 나노패턴 홀을 형성시킬 수 있어, 종래의 나노패턴 형성방법인 photo-lithography, nano-imprint, holo-lithgraphy 등에 비하여 단시간에 저렴한 비용으로 간편하게 나노패턴을 형서할 수 있는 이점이 있다.
예를 들면, 상기 촉매층을 Au로 형성하여 Au 용적방울이 형성된 경우 KI/I2의 요오드 용액을 에칭액으로 이용하여 반도체기판 및 산화층에 영향을 주지 않은 상태에서 Au 용적방울을 선택적으로 에칭시킬 수 있다.
이 애칭액은 다음의 화학 반응식에 의해서 반응하여 Au만을 선택적으로 애칭하게 된다.
2Au + I2 → 2AuI
상기 촉매층의 종류에 따라 반도체기판 및 산화층에 영향을 주지 않고, 촉매층을 에칭할 수 있는 에칭액을 이용하여 상기 용적방울을 선택적으로 에칭할 수 있다.
도 5는 MOCVD법으로 나노와이어를 성장시키는 상태를 나타내는 도면이고, 도 6은 나노와이어가 성장된 상태를 나타내는 도면이다.
다음으로 상기 나노패턴 홀의 바닥면인 상기 반도체기판으로부터 나노와이어를 성장시킨다. 구체적으로 상기 나노패턴 홀의 바닥면인 상기 반도체기판으로부터 나노와이어를 MOCVD법을 이용하여 캐리어가스와 원료 가스를 공급하여 성장시킨다.
상기 캐리어가스의 종류는 크게 특정되는 것은 아니나, H2, N2, He 등 사용사용할 수 있다.
그리고 상기 원료 가스는 제조하고자 하는 나노와이어의 종류에 의해 결정되고, 예를 들면 GaN의 나노와이어를 상기 나노패턴 홀의 바닥면인 상기 반도체기판 상에 성장시키고자 하는 경우 TMGa, NH3를 원료 가스로 사용할 수 있는 등, 나노와이어의 종류에 따라, TMGa, TMIn, TMAl 등과, NH3, O2, SiH4 등을 원료가스로 사용할 수 있다. 특히, TMGa와 NH3를 각각 0.2~1.0 sccm, 2.5~4.5 SLM을 흘려주면서 450~750torr, 650~850℃에서 30~90분간 유지하여 GaN 나노와이어를 성장시키는 것이 바람직하다. TMGa와 NH3의 유량이 위 조건 외에서는 두 원료가스의 비율이 적절하지 않아 나노와이어가 생성되지 않거나 단결정 및 다결정 박막이 성장된다. 그리고 위의 압력과 온도 조건 외에서는 대류에 의해 원료가스들이 흡착되지 않아 나노와이어가 원활히 형성되지 않는다.
이와 같이 본 발명에서 성장되는 나노와이어는 나노패턴 홀의 크기, 즉 용적방울의 크기에 의해서 두께가 일정하고 성장길이가 비슷한 수직성을 가지고 있는 특징이 있다. 나노와이어의 두께는 철저하게 나노패턴 홀, 즉 촉매층의 두께에 의해 조절되는 용적방울의 크기에 의존하게 된다. 그리고 나노와이어의 길이는 성장시간에 비례하여 증가하기 때문에, 원하는 크기의 용적방울로 나노패턴 홀을 조절하여 균일하고 고결정질의 나노와이어의 수직성장을 이루어낼 수 있는 것이다.
이하, 본 발명의 나노와이어의 성장방법을 실시예를 들어 상세히 설명하고, 본 발명의 권리범위는 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
Si 기판 위에 Au촉매층을 형성하였다. Au 촉매층은 DC Sputter를 사용하여 10nm 두께의 Au 촉매층을 Si 기판 위에 증착시켰고, 이때 증착시간은 120초가 소요되었다.
Au 촉매층이 형성된 Si 기판을 수소분위기 하에서 650℃로 10분 동안 유지하여 직경이 약 100nm 크기의 용적방울을 형성하였다.
그리고 Au 용적방울 형성된 Si 기판을 산소분위기 하에서 800℃로 10분간 유지하여 상기 Si 기판 상에 SiO2 산화층을 형성하였다. 이때 SiO2 산화층은 Au 용적방울을 제외한 Si 기판 상에 형성되었다.
상기 Au 용적방울을 선택적으로 에칭하기 위해 KI/I2의 에칭액을 제조하였다. 이 에칭액의 혼합비율은 KI/I2(KI : I2 : H2O = 4 g : 1 g : 50 ml)이다. KI/I2의 에칭액에 상기 Si 기판을 10분간 담가두어 Si 기판에 손상을 주지 않고, Au 용적방울만을 에칭하여 도 7의 FESEM(field emission scanning electron microscope)과 같은 나노패턴 홀을 형성하였다.
그리고 GaN 나노와이어를 MOCVD법을 이용하여 성장시켰다. 도 8은 Si 기판 상에 성장된 GaN 나노와이어의 FESEM 사진이다.
이때 H2를 캐리어가스로 사용하여 TMGa과 NH3를 각각 0.2 sccm, 1.5 SLM을 흘려주면서 600torr, 740℃에서 60분간 유지하였다.
10: 반도체기판,
20: 촉매층,
30: 용적방울,
40: 산화층,
50: 나노패턴 홀,
60: 나노와이어

Claims (6)

  1. a) 반도체기판 상에 용적방울을 형성하는 단계와;
    b) 상기 용적방울을 제외한 상기 반도체기판 상에 산화층을 형성하는 단계와;
    c) 상기 반도체기판 상에 용적방울을 에칭액을 이용하여 선택적으로 에칭하여 나노패턴 홀을 형성하는 단계와;
    d) 상기 나노패턴 홀의 바닥면인 상기 반도체기판으로부터 나노와이어를 성장시키는 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 나노와이어의 성장방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 a)단계의 상기 반도체기판은 Si 또는 사파이어로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노와이어의 성장방법.
  3. 상기 a)단계는 상기 반도체기판 상에 촉매층을 형성한 후 어닐링하여 용적방울을 형성하는 것을 특징으로 하는 나노와이어의 성장방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 촉매층은 Au, Ni, Cu, Al, Ag, Pt, Fe, Cr 중 선택된 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노와이어의 성장방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 b)단계는 상기 용적방울이 형성된 반도체기판을 산소분위기 하에서 열처리하는 단계인 것을 특징으로 하는 나노와이어의 성장방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 d)단계는 상기 나노패턴 홀의 바닥면인 상기 반도체기판으로부터 나노와이어를 MOCVD법을 이용하여 캐리어가스와 원료 가스를 공급하여 성장시키는 단계인 것을 특징으로 하는 나노와이어의 성장방법.
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KR102263263B1 (ko) * 2019-12-17 2021-06-09 한국세라믹기술원 물 분해용 고비표면적 GaN 다공성 광전극 및 그 제조 방법

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