KR20140039393A - Doping method for semiconductor nanostructure - Google Patents

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박일규
정용일
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영남대학교 산학협력단
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Abstract

The purpose of the present invention is to provide a doping method for easily performing a doping process in a semiconductor nanostructure. According to one aspect of the present invention, provided is a doping method of a semiconductor nanostructure which includes a step of preparing a substrate where a semiconductor nanostructure is formed on at one surface; a step of arranging a doping member where a coating layer which is separated from the substrate and includes dopants which is formed in the upper part of the semiconductor nanostructure is formed; a step of supplying the dopants included in the coating layer to the semiconductor nanostructure by a thermal process.

Description

반도체 나노구조의 도핑방법{Doping method for semiconductor nanostructure}Doping method for semiconductor nanostructure

본 발명은 반도체의 도핑방법으로서, 더욱 상세하게는 반도체 나노구조로 소정의 도판트(dopant)를 도핑하는 방법에 대한 것이다. The present invention relates to a method of doping a semiconductor, and more particularly, to a method of doping a predetermined dopant with a semiconductor nanostructure.

종래의 실리콘을 기반으로 하는 반도체소자 분야는 탑-다운(top-down)방식의 리소그래피(lithography)를 이용하여 수십 nm(nanometer)의 선폭을 구현하는데 성공하였으나, 2차원 공정의 특성 상 그 이하인 수 nm의 선폭을 구현하기는 공정의 난이도나 소자특성의 안정성 측면에서 매우 어려울 것으로 예상된다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로서 최근 나노입자, 나노선, 나노와이어(혹은 나노막대), 나노벨트 등의 다양한 형상의 나노구조가 제안되고 있다. 예를 들어 매우 높은 종횡비(aspect ratio)를 가지는 1차원 나노구조물인 나노와이어(nanowire)는 크기효과 뿐 아니라 단결정성으로 인해 새로운 물리적, 화학적 성질을 가지면서도 면적 밀도, 표면 보호, 전자 주입, 소자 공정의 수월성 등으로 인해 국내외 나노기술 연구그룹들의 집중 연구대상이 되고 있으며, 바텀-업(bottom-up) 방식의 반도체 나노소자 구현에 있어 매우 유망한 빌딩 블록(building block)으로 인정받고 있다.Conventional silicon-based semiconductor devices have successfully achieved line widths of several tens of nanometers (nm) using top-down lithography. It is expected that it will be very difficult to realize the line width of nm in terms of the difficulty of the process and the stability of the device characteristics. Recently, nanostructures of various shapes, such as nanoparticles, nanowires, nanowires (or nanorods), and nanobelts, have been proposed as a solution for solving these problems. For example, nanowires, one-dimensional nanostructures with very high aspect ratios, have new physical and chemical properties not only in size but also due to their single crystallinity, but also have area density, surface protection, electron injection, and device processing. Due to its ease of use, it has been the subject of intensive research by domestic and overseas nanotechnology research groups, and is recognized as a very promising building block for implementing bottom-up semiconductor nanodevices.

나노구조 중 반도체 특성을 가지는 것을 반도체 나노구조라고 하며, 이러한 반도체 나노구조는 각종 광다이오드소자, 압전소자, 트랜지스터, LED, 태양전지 등 다양한 분야에 적용될 수 있는 빌딩 블록으로서, 이러한 반도체 나노구조를 이용할 경우 반도체소자의 고집적화를 적은 비용을 구현하는 것이 가능하므로 기존의 실리콘 기반의 반도체소자를 대체할 수 있는 대안으로 부상하고 있다. Among the nanostructures, semiconductor nanostructures are called semiconductor nanostructures, and these semiconductor nanostructures are building blocks that can be applied to various fields such as photodiode devices, piezoelectric devices, transistors, LEDs, and solar cells. In this case, since it is possible to realize high integration of semiconductor devices at low cost, it has emerged as an alternative to the existing silicon-based semiconductor devices.

1. 대한민국 특허공개번호 제10-2010-0088273호1. Republic of Korea Patent Publication No. 10-2010-0088273 2. 대한민국 특허공개번호 제10-2011-0135293호2. Korean Patent Publication No. 10-2011-0135293

그러나 다양한 형상을 가지는 나노구조는 소자제조 단계에서 도판트의 도핑을 제어하기가 용이하지 않은 문제점이 있다. 예를 들어, 산화물 반도체인 ZnO의 경우에는 일반적으로 n형 특성을 나타내며, 이를 나노와이어와 같은 나노구조로 구현한 경우에 이를 p형으로 도핑하기가 까다로운 것으로 알려져 있다. However, nanostructures having various shapes have a problem that it is not easy to control the doping of the dopant in the device manufacturing step. For example, ZnO, an oxide semiconductor, generally exhibits n-type characteristics, and when it is implemented as a nanostructure such as nanowires, it is known to be difficult to dope it with p-type.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 반도체 나노구조에서의 도핑을 용이하게 수행하기 위한 도핑방법의 제공을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The present invention has been made to solve various problems including the above problems, and an object of the present invention is to provide a doping method for easily performing doping in a semiconductor nanostructure. However, these problems are exemplary and do not limit the scope of the present invention.

본 발명의 일 관점에 의하면, 적어도 일면 상에 반도체 나노구조가 형성된 기판을 준비하는 단계; 상기 기판과 이격되어 상기 반도체 나노구조 상부에 도판트를 포함하는 코팅층이 형성된 도핑용 부재를 배치시키는 단계; 및 열처리를 통하여 상기 코팅층에 포함된 도판트를 상기 반도체 나노구조로 공급하는 단계;를 포함하는, 반도체 나노구조의 도핑방법이 제공된다. According to an aspect of the invention, preparing a substrate having a semiconductor nanostructure formed on at least one surface; Disposing a doping member having a coating layer including a dopant spaced apart from the substrate on the semiconductor nanostructure; And supplying the dopant included in the coating layer to the semiconductor nanostructure through heat treatment.

이때 상기 도핑용 부재는 지지부재의 적어도 일면 상에 상기 코팅층이 형성된 것일 수 있으며, 상기 코팅층은 상기 지지부재의 적어도 일면 상에 상기 도판트를 포함하는 전구체를 스핀코팅법 또는 스프레이코팅법으로 코팅하여 제조한 것일 수 있다.In this case, the doping member may be the coating layer formed on at least one surface of the support member, the coating layer is coated on at least one surface of the support member by the precursor coating containing the dopant by spin coating or spray coating method It may be prepared.

상기 반도체 나노구조는 0차원, 1차원 및 2차원 나노구조를 포함할 수 있다.The semiconductor nanostructure may include 0-dimensional, 1-dimensional and 2-dimensional nanostructures.

상기 반도체 나노구조는 단일원소, 산화물반도체 및 화합물반도체 중 어느 하나를 포함할 수 있다.  The semiconductor nanostructure may include any one of a single element, an oxide semiconductor, and a compound semiconductor.

이때 상기 ZnO, MgO, CdO, 를 포함할 수 있고, 상기 화합물반도체는 ZnSe, ZnS, BN, AlN, AlAs, AlP, GaN, GaP, GaAs, InN, InP, InAs를 포함할 수 있다. 또한 이에 도핑되는 도판트는 N, P, As, Sb, Li, Na, K, Ag, Cu, B, Al, Ga, In를 포함할 수 있다. At this time, it may include ZnO, MgO, CdO, and the compound semiconductor may include ZnSe, ZnS, BN, AlN, AlAs, AlP, GaN, GaP, GaAs, InN, InP, InAs. In addition, the dopant doped thereto may include N, P, As, Sb, Li, Na, K, Ag, Cu, B, Al, Ga, In.

한편 상기 반도체의 나노구조의 도핑방법은 상기 기판과 상기 도핑용 부재 사이에 이격거리를 유지하기 위한 스페이서를 배치시키는 단계를 더 포함할 수 있다. Meanwhile, the method of doping the nanostructure of the semiconductor may further include disposing a spacer for maintaining a separation distance between the substrate and the doping member.

또한 상기 도판트를 상기 반도체 나노구조로 공급하는 단계는 산소 혹은 불활성가스가 일정비율 혼합된 산소 분위기에서 수행될 수 있다. In addition, supplying the dopant to the semiconductor nanostructure may be performed in an oxygen atmosphere in which oxygen or an inert gas is mixed in a predetermined ratio.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 나노구조의 형상에 관계없이 다양한 구조에서 용이하게 도핑을 수행할 수 있다. 또한 열처리 과정에서의 온도와 시간의 조절을 통해 도판트의 도핑깊이를 용이하게 제어할 수 있다.According to one embodiment of the present invention made as described above, doping can be easily performed in various structures regardless of the shape of the nanostructures. In addition, it is possible to easily control the doping depth of the dopant by adjusting the temperature and time in the heat treatment process.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다. The effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1은 본 발명의 실시예를 따르는 도핑방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예를 따르는 도핑방법의 구현을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도판트 공급단계에서의 열처리 온도에 따른 ZnO 나노와이어 구조의 변화를 관찰한 표면 및 단면 사진이다.
도 4는 도판트 공급단계에서의 열처리 온도에 따른 ZnO 나노와이어의 PL (Photoluminescence) 스펙트럼 측정 결과이다.
도 5는 본 발명의 실험예 및 비교예를 따르는 ZnO 나노와이어의 pn 다이오드 특성을 관찰한 결과이다.
1 is a flowchart of a doping method according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram illustrating an implementation of a doping method according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a surface and cross-sectional photographs observed the change of the ZnO nanowire structure according to the heat treatment temperature in the dopant supply step.
Figure 4 is a result of measuring the PL (Photoluminescence) spectrum of ZnO nanowires according to the heat treatment temperature in the dopant supply step.
5 is a result of observing the pn diode characteristics of the ZnO nanowires according to the experimental and comparative examples of the present invention.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, Is provided to fully inform the user. Also, for convenience of explanation, the components may be exaggerated or reduced in size.

이하의 실시예에서 반도체 나노구조의 실시예로서 1차원 구조의 반도체 나노와이어(혹은 나노선, 나노막대)를 예로 들었으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 양자점과 같은 0차원 또는 나노벨트, 나노시트와 같은 2차원 나노구조 등과 같은 다른 반도체 나노구조에서도 적용될 수 있음은 물론이다. In the following embodiments, the semiconductor nanowire (or nanowire, nanorod) having a one-dimensional structure as an example of the semiconductor nanostructure is exemplified, but the present invention is not limited thereto. Of course, it can be applied to other semiconductor nanostructures such as two-dimensional nanostructures such as sheets.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 도핑방법의 순서를 나타낸 흐름도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도핑방법을 구현하는 모습을 개략적로 도시한 것이다. 이때 도 2의 구조물들은 진공이 가능한 챔버(미도시) 내에 배치되어있으며, 도 2의 도핑방법은 진공 챔버 내에서 수행될 수 있다. 1 is a flowchart illustrating a sequence of a doping method according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 schematically illustrates a state of implementing a doping method according to an embodiment of the present invention. In this case, the structures of FIG. 2 are disposed in a vacuum capable chamber (not shown), and the doping method of FIG. 2 may be performed in the vacuum chamber.

도 1 및 도 2를 참조하면, 우선 적어도 일면 상에 반도체 나노와이어(110)가 형성된 기판(100)을 준비한다(S1). 1 and 2, first, a substrate 100 having semiconductor nanowires 110 formed on at least one surface thereof is prepared (S1).

기판(100)의 적어도 일면은 1차원 수직구조를 가지는 반도체 나노와이어(110)의 성장을 가능하게 하는 지지면을 구성한다. 이때 기판(10)은 반도체 공정에서 사용되는 것으로 열적, 화학적으로 안정된 재료이면 통상적인 물질을 사용할 수 있다. 예를 들어, 반도체, 금속, 부도체 기판 등을 이용할 수 있으며, 실리콘, 유리, 플라스틱 또는 폴리머 등을 사용할 수 있다.At least one surface of the substrate 100 constitutes a support surface that enables growth of the semiconductor nanowires 110 having a one-dimensional vertical structure. In this case, the substrate 10 may be used in a semiconductor process, and may be a conventional material as long as it is a thermally and chemically stable material. For example, a semiconductor, a metal, an insulator substrate, or the like may be used, and silicon, glass, plastic, or polymer may be used.

반도체 나노와이어(110)는 100nm 이하의 지름을 가지며 수 ㎛에서 수십 ㎛의 길이를 가지며 높은 종횡비(aspect ratio)를 가지는 1차원 구조가지는 나노구조이다. 반도체 나노와이어(110)는 기판(100) 일면 상에 시드층(미도시)을 형성한 후 시드층의 상부로 기판(100)의 일면에 수직한 방향으로 성장시켜 제조할 수 있다. 이러한 반도체 나노와이어(110)는 기상성장법, 혹은 수열합성법 등과 같은 방법에 의해 제조될 수 있다. 이때 반도체 나노와이어(110)는 시드층으로부터 에피텍셜(epitaxial) 성장에 의해 단결정 형태로 성장될 수 있다. The semiconductor nanowire 110 has a diameter of 100 nm or less, has a length of several micrometers to several tens of micrometers, and has a one-dimensional structure having a high aspect ratio. The semiconductor nanowire 110 may be manufactured by forming a seed layer (not shown) on one surface of the substrate 100 and growing it in a direction perpendicular to one surface of the substrate 100 to the top of the seed layer. The semiconductor nanowires 110 may be manufactured by a method such as a vapor phase growth method or a hydrothermal synthesis method. At this time, the semiconductor nanowires 110 may be grown in a single crystal form by epitaxial growth from the seed layer.

반도체 나노와이어(110)는 반도체 특성을 가지는 재료를 모두 포함하며, 예를 들어 Si, Ge와 같은 단일원소, ZnO, MgO, CdO와 같은 산화물 반도체, ZnSe, ZnS, BN, AlN, AlAs, AlP, GaN, GaP, GaAs, InN, InP, InAs 등과 같은 화합물반도체를 모두 포함할 수 있다.The semiconductor nanowire 110 includes all materials having semiconductor characteristics, for example, a single element such as Si, Ge, an oxide semiconductor such as ZnO, MgO, CdO, ZnSe, ZnS, BN, AlN, AlAs, AlP, Compound semiconductors such as GaN, GaP, GaAs, InN, InP, InAs, etc. may be included.

다음, 기판(100)과 이격되어 반도체 나노와이어(110)의 상부에 도판트를 포함하는 코팅층(120)이 형성된 도핑용 부재(140)를 배치시킨다(S2). 이때 도핑용 부재(140)는 지지부재(130)의 적어도 일면 상에 코팅층(120)이 형성된 것일 수 있다.  Next, the doping member 140 formed with a coating layer 120 including a dopant is disposed on the semiconductor nanowire 110 spaced apart from the substrate 100 (S2). In this case, the doping member 140 may have a coating layer 120 formed on at least one surface of the supporting member 130.

코팅층(120)은 매트릭스(121)와 매트릭스(121) 내부에 포함된 도판트(122)로 이루어질 수 있다. 이때 코팅층(120)은 지지부재(130)의 일면에 도판트(122)를 포함하는 전구체를 스핀코팅법 또는 스프레이코팅법(spray coating)에 의해 제조한 것일 수 있다. 도판트(122)는 도핑의 대상이 되는 반도체 나노와이어(110)의 재료 및 목적하는 도핑의 형태에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 예를 들어, ZnO로 이루어진 반도체 나노와이어(110)를 p형으로 도핑하고자 할 때, 코팅층(120) 내에는 도판트(122)로서 N, P, As, Sb, Li, Na, K, Ag, Cu, B, Al, Ga, In를 포함할 수 있다.The coating layer 120 may be formed of the matrix 121 and the dopant 122 included in the matrix 121. In this case, the coating layer 120 may be prepared by spin coating or spray coating a precursor including the dopant 122 on one surface of the support member 130. The dopant 122 may be appropriately selected depending on the material of the semiconductor nanowire 110 to be doped and the desired doping type. For example, when the semiconductor nanowire 110 made of ZnO is to be doped with p-type, N, P, As, Sb, Li, Na, K, Ag, as a dopant 122 in the coating layer 120 Cu, B, Al, Ga, In may be included.

다음, 열처리를 통하여 코팅층(120)에 포함된 도판트(122)를 코팅층(120) 외부로 외확산 시킨 후 도 2의 화살표 D와 같이 기판(100) 상에 형성된 반도체 나노와이어(110)로 공급하게 된다(S3). 이러한 반도체 나노와이어(110)로 공급된 도판트(122)는 반도체 나노와이어(110) 내부로 확산되어 반도체 나노와이어(110)를 도핑하여 전기적 특성을 변화시키게 된다. 예를 들어, n형 ZnO로 이루어진 반도체 나노와이어(110)로 P를 공급하는 경우, P의 도핑에 의해 p형 ZnO로 이루어진 반도체 나노와이어(110)를 얻을 수 있다. Next, the dopant 122 included in the coating layer 120 is externally diffused through the heat treatment to the outside of the coating layer 120 and then supplied to the semiconductor nanowires 110 formed on the substrate 100 as shown by the arrow D of FIG. 2. (S3). The dopant 122 supplied to the semiconductor nanowires 110 diffuses into the semiconductor nanowires 110 to dope the semiconductor nanowires 110 to change electrical characteristics. For example, when P is supplied to the semiconductor nanowire 110 made of n-type ZnO, the semiconductor nanowire 110 made of p-type ZnO may be obtained by P doping.

이때 도판트(122)를 반도체 나노와이어(110)로 공급하는 단계는 산소 혹은 아르곤, 질소과 같은 불활성 가스가 혼합된 산소 분위기의 챔버에서 수행될 수 있다. In this case, supplying the dopant 122 to the semiconductor nanowire 110 may be performed in an oxygen atmosphere chamber in which an inert gas such as oxygen, argon, or nitrogen is mixed.

이러한 도판트(122)의 공급량 및 도핑깊이는 열처리 시의 온도와 시간을 조절함으로써 제어할 수 있다. 즉, 도판트는 반도체 나노와이어(110) 내로 확산되어 가며, 이때 확산에 의한 도핑깊이 d는 아래 수학식 1과 같이 확산계수 D 및 시간 t의 함수로 표현될 수 있으며, 이때 확산계수 D는 온도의 함수이므로, 확산에 의한 도핑깊이는 온도 및 시간의 제어를 통해 조절이 가능하다.  The supply amount and the doping depth of the dopant 122 can be controlled by adjusting the temperature and time during the heat treatment. That is, the dopant is diffused into the semiconductor nanowire 110, wherein the doping depth d due to diffusion may be expressed as a function of the diffusion coefficient D and the time t as shown in Equation 1 below, where the diffusion coefficient D is As a function, the depth of doping by diffusion can be controlled by controlling the temperature and time.

수학식 1:

Figure pat00001
Equation 1:
Figure pat00001

한편, 기판(110)과 도핑용 부재(140) 사이에 적절한 이격거리를 유지하기위하여 기판(110)과 도핑용 부재(140) 사이에 스페이서(150)를 배치시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 스페이서(150)로 인하여 기판(110)의 반도체 나노와이어(120)와 도핑용 부재(140)의 코팅층(120) 사이의 거리가 일정하게 이격될 수 있으므로 도핑공정을 안정적으로 수행할 수 있다. The method may further include disposing a spacer 150 between the substrate 110 and the doping member 140 to maintain a proper spacing between the substrate 110 and the doping member 140. The distance between the semiconductor nanowire 120 of the substrate 110 and the coating layer 120 of the doping member 140 can be uniformly spaced due to the spacers 150 and thus the doping process can be performed stably.

본 발명의 실시예를 따를 경우, 도판트(122)의 공급원인 도핑용 부재(140)가 도핑의 대상이 되는 반도체 나노와이어(110)로 부터 일정거리 이격되어 있으며, 따라서 열처리가 완료된 후에는 단지 도핑용 부재(140)를 반도체 나노와이어(110)의 상부로부터 이동시킴으로써 도핑공정을 완료시킬 수 있다. According to the embodiment of the present invention, the doping member 140, which is a source of the dopant 122, is spaced from the semiconductor nanowire 110 to be doped by a certain distance. Therefore, after the heat treatment is completed, The doping process can be completed by moving the doping member 140 from above the semiconductor nanowire 110.

반도체 나노와이어에 도핑하기 위하여 도판트를 포함하는 코팅층을 직접 반도체 나노와이어 상에 코팅한 후 열처리를 통해 도판트를 반도체 나노와이어로 확산시켜 도핑할 경우에는, 열처리가 완료된 다음에는 반드시 코팅층을 제거하는 단계를 거쳐야 한다. 즉, 상기 코팅층은 도판트를 공급하기 위해서만 필요한 요소이며, 실제 반도체소자를 구성하는 요소는 아니므로 도핑공정 이후에는 반드시 제거되어야 하기 때문이다. In order to dope the semiconductor nanowires, the coating layer containing the dopant is directly coated on the semiconductor nanowires, and when the dopant is diffused into the semiconductor nanowires by doping, the coating layer must be removed after the heat treatment is completed. You have to go through the steps. That is, the coating layer is a necessary element only for supplying the dopant, and is not an element constituting the actual semiconductor device, so it must be removed after the doping process.

이때 코팅층은 식각물질을 이용하여 화학적으로 제거하여야 하며, 이 경우 식각 후에도 코팅층의 잔류물이 잔존할 수 있으며, 과도하게 식각된 경우에는 코팅층 하부에 있는 반도체 나노와이어가 손상을 받는 문제가 발생할 수 있다. In this case, the coating layer should be chemically removed using an etching material. In this case, the residue of the coating layer may remain even after etching, and if excessively etched, the semiconductor nanowire under the coating layer may be damaged. .

그러나, 본 발명의 실시예에 의할 경우에는 코팅층이 직접 나노와이어와 직접 접촉하고 있지 않고 이격된 상태에서 도핑이 수행되며, 도핑공정이 완료되면 도핑용 부재를 다른 영역으로 이동시키기만 하면 되므로 코팅층을 직접 코팅하는 경우와 같이 코팅층을 제거해야하는 문제점이 발생되지 않는다. However, according to the embodiment of the present invention, the coating layer is not directly in direct contact with the nanowires, and the doping is performed in a spaced state. When the doping process is completed, the doping member only needs to move the coating layer to another area. As in the case of direct coating, there is no problem of removing the coating layer.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 실험예를 제공한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험예들에 의해서 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, experimental examples are provided to facilitate understanding of the present invention. It should be understood, however, that the following examples are for the purpose of promoting understanding of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.

실험예를 따르는 시편을 제조하기 위하여 기판 상에 ZnO 나노와이어를 성장시킨 후 본 발명의 실시예에 따라 도핑공정을 수행하였다. ZnO는 Ⅱ-Ⅵ족 산화물 반도체 재료이며 3.37eV의 넓은 밴드갭(wide direct band gap)과 60mV의 여기 결합에너지(excition binding energy)를 가지고 있으며, 합성이 용이하며 우수한 전기/광학적 특성을 가직 있어 다양한 반도체 소자 및 광학 소자 등에서 사용되고 있다. ZnO는 일반적으로 n형 반도체 특성을 나타내며, p형으로의 도핑이 어려운 것으로 알려져 있다. ZnO nanowires were grown on a substrate to prepare a specimen according to the experimental example, and then a doping process was performed according to the embodiment of the present invention. ZnO is a II-VI oxide semiconductor material, has a wide direct band gap of 3.37 eV and excitation binding energy of 60 mV, is easy to synthesize, and has excellent electrical and optical properties. It is used in semiconductor elements, optical elements, and the like. ZnO generally exhibits n-type semiconductor properties and is known to be difficult to dop p-type.

도핑용 부재를 제조하기 위해 지지부재는 P가 도핑된 n형 실리콘 기판을 이용하였다. 그 위에 P 또는 As 도판트를 4inch 실리콘 기판 1장 기준 3ml를 올려놓은 후 스핀코팅법을 이용하여 3000rpm에서 1분 동안 코팅하였다. 그 후 핫 플레이트(hot plate) 위에서 200℃, 10분 열처리함으로써 지지부재 위에 코팅층이 형성 된 도핑용 부재를 형성하였다. In order to manufacture the doping member, the support member used an n-type silicon substrate doped with P. The P or As dopant was placed on a 3 ml standard of 4 inch silicon substrate, and then coated at 3000 rpm for 1 minute by spin coating. Thereafter, a heat treatment was performed at 200 ° C. on a hot plate for 10 minutes to form a doping member having a coating layer formed thereon.

도 3에는 기판 상에 형성된 ZnO 나노와이어를 본 발명의 실시예에 따라 도핑공정을 수행한 후의 표면 및 단면관찰 결과가 나타나 있다. 이하 도핑용 부재의 코팅층이 스핀코팅법에 의해 제조되었으며, 이러한 도핑용 부재를 가열하여 코팅층으로부터 도판트를 공급한다는 점에서 상기 도핑용 부재를 이용한 도핑공정을 SOD(spin on doping) 열처리로 명명할 수 있다. 3 shows the surface and cross-sectional observation results of the ZnO nanowires formed on the substrate after the doping process is performed according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, the coating layer of the doping member was manufactured by spin coating, and the doping process using the doping member may be referred to as a spin on doping (SOD) heat treatment in that the doping member is heated to supply the dopant from the coating layer. Can be.

도 3a,3b는 ZnO를 성장시킨 직 후의 관찰결과이며, 도 3c,3d는 도핑공정시 열처리를 450℃에서 수행한 후의 관찰결과이며, 도 3e,3f는 500℃에서 수행한 후의 관찰결과이며, 도 3g, 3h는 550℃에서 수행한 후의 관찰결과이다.3A and 3B are observation results immediately after ZnO is grown, and FIGS. 3C and 3D are observation results after performing a heat treatment at 450 ° C. during the doping process, and FIGS. 3E and 3F are observation results after performing at 500 ° C. Figure 3g, 3h is an observation result after performing at 550 ℃.

도 3을 참조하면, 도핑공정시 열처리 온도가 550℃인 경우에는 ZnO가 용융되어 나노와이어의 구조가 서로 녹아붙어 손상을 입는 것이 관찰되었으며, 이로부터 도핑공정시 550℃ 미만으로 열처리 온도를 유지하는 것이 필요하였다. Referring to FIG. 3, when the heat treatment temperature is 550 ° C. during the doping process, ZnO is melted and the structures of the nanowires are melted together to be damaged. From this, the heat treatment temperature is maintained below 550 ° C. during the doping process. Was necessary.

도 4a는 질소(75wt%)와 산소(25wt%)분위기에서 도핑공정시(즉, SOD 열처리 분위기), 열처리 온도에 따른 PL 스펙트럼 측정 결과가 나타나 있으며, 도 4b는 SOD 열처리가 완료된 시편을 급속열처리법(rapid thermal annealing, RTA)으로 800℃, 3분간 Ar분위기에서 열처리 후의 결과이다.Figure 4a shows the results of the PL spectrum measurement according to the heat treatment temperature during the doping process (ie, SOD heat treatment atmosphere) in the nitrogen (75wt%) and oxygen (25wt%) atmosphere, Figure 4b is a rapid heat treatment of the specimen complete SOD heat treatment Rapid thermal annealing (RTA) results in heat treatment at 800 ° C for 3 minutes in an Ar atmosphere.

도 4a를 참조하면, 질소(75wt%)와 산소(25wt%)분위기나 Ar 에서의 열처리 후 분위기나 모두 온도가 400℃ 이상 475℃ 이하 범위에서 ZnO의 도핑이 일어나지 않았으나, 500℃에서는 도핑에 의해 p형 ZnO가 형성되어 3.331eV에서 FA 피크가 관찰되었다. 이는 온도가 낮을 경우에는 실질적으로 도핑이 일어나지 않았기 때문으로 판단된다. Referring to FIG. 4A, ZnO doping did not occur in a temperature range of 400 ° C. or more and 475 ° C. or less after the heat treatment in an atmosphere of nitrogen (75 wt%) and oxygen (25 wt%) or Ar. p-type ZnO was formed and an FA peak was observed at 3.331 eV. This is considered to be because doping did not occur substantially at low temperatures.

도 4b를 참조하며, RTA 이후에도 PL 스펙트럼의 변화가 없는 것으로 보아 SOD 열처리만으로도 도핑 및 활성화(activation)가 동시에 이루어짐을 알 수 있다. 종래의 다른 방법을 통해 만들어지는 p-ZnO 층은 도핑공정 이후에 RTA 공정을 통해 활성화(activation)을 해야 p-형의 특성이 나타나지만, 본 발명의 실험예를 통해 제조된 나노와이어는 단일 도핑공정만으로도 p-형 특성을 낼 수 있음을 알 수 있다. 따라서 종래의 기술에 비해 공정단계를 줄일 수 있는 장점이 있다.Referring to FIG. 4B, since there is no change in the PL spectrum even after the RTA, it can be seen that doping and activation are simultaneously performed only by the SOD heat treatment. The p-ZnO layer made by another conventional method does not show p-type characteristics after activation after the doping process through an RTA process, but the nanowires manufactured through the experimental example of the present invention have a single doping process. It can be seen that only the p-type characteristic can be obtained. Therefore, there is an advantage that can reduce the process step compared to the prior art.

도 3 및 도 4로부터 ZnO 나노와이어의 경우 ZnO의 용융과 도핑을 고려할 때 도판트의 공급을 위한 열처리온도가 475℃ 보다 높고 550℃ 보다 작은 범위에서 이루어져야 함을 알 수 있다. 3 and 4, in the case of ZnO nanowires, considering the melting and doping of ZnO, the heat treatment temperature for supplying the dopant should be higher than 475 ° C and lower than 550 ° C.

도 5는 500℃에서 열처리된 p형 ZnO 나노와이어와 n형 실리콘과의 pn 다이오드 특성이 나타나 있다. 비교예로서 도핑되지 않은 ZnO의 전기적 특성결과를 대비하였다.Figure 5 shows the pn diode characteristics of p-type ZnO nanowires and n-type silicon heat-treated at 500 ℃. As a comparative example, the electrical properties of the undoped ZnO were compared.

도 5를 참조하면, 본 실험예에 따라 도핑된 p-ZnO는 n형 실리콘과 pn 다이오드 특성을 나타내었으나, 비교예인 도핑되지 않은 ZnO에서는 pn 다이오드 특성이 나타나지 않았다. Referring to FIG. 5, p-ZnO doped according to the present experimental example showed n-type silicon and pn diode characteristics, but pn diode characteristics were not shown in undoped ZnO, which is a comparative example.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

100: 기판 110: 반도체 나노와이어
120: 코팅층 121: 매트릭스
122: 도판트 130: 지지부재
140: 도핑용 부재 150: 스페이서
100: substrate 110: semiconductor nanowire
120: coating layer 121: matrix
122: dopant 130: support member
140: doping member 150: spacer

Claims (10)

적어도 일면 상에 반도체 나노구조가 형성된 기판을 준비하는 단계;
상기 기판과 이격되어 상기 반도체 나노구조 상부에 도판트를 포함하는 코팅층이 형성된 도핑용 부재를 배치시키는 단계; 및
열처리를 통하여 상기 코팅층에 포함된 도판트를 상기 반도체 나노구조로 공급하는 단계;
를 포함하는, 반도체 나노구조의 도핑방법.
Preparing a substrate having a semiconductor nanostructure formed on at least one surface;
Disposing a doping member having a coating layer including a dopant spaced apart from the substrate on the semiconductor nanostructure; And
Supplying a dopant included in the coating layer to the semiconductor nanostructure through heat treatment;
Doping method of the semiconductor nanostructure, including.
제1항에 있어서,
상기 도핑용 부재는 지지부재의 적어도 일면 상에 상기 코팅층이 형성된 것인, 반도체 나노구조의 도핑방법.
The method of claim 1,
The doping member is a semiconductor nanostructure doping method, wherein the coating layer is formed on at least one surface of the support member.
제2항에 있어서,
상기 코팅층은 상기 지지부재의 적어도 일면 상에 상기 도판트를 포함하는 전구체를 스핀코팅법 또는 스프레이코팅법으로 코팅하여 제조한 것인, 반도체 나노구조의 도핑방법.
3. The method of claim 2,
The coating layer is prepared by coating a precursor including the dopant on at least one surface of the support member by a spin coating method or a spray coating method, the semiconductor nanostructure doping method.
제1항에 있어서,
상기 반도체 나노구조는 0차원, 1차원 및 2차원 나노구조를 포함하는, 반도체 나노구조의 도핑방법.
The method of claim 1,
The semiconductor nanostructure comprises a 0-dimensional, one-dimensional and two-dimensional nanostructures, semiconductor nanostructures doping method.
제4항에 있어서,
상기 반도체 나노구조는 단일원소, 산화물반도체 및 화합물반도체 중 어느 하나를 포함하는, 반도체 나노구조의 도핑방법.
5. The method of claim 4,
The semiconductor nanostructure comprises any one of a single element, oxide semiconductor and compound semiconductor, doping method of a semiconductor nanostructure.
제5항에 있어서,
상기 산화물반도체는 ZnO, MgO, CdO 를 포함하는, 반도체 나노구조의 도핑방법.
6. The method of claim 5,
The oxide semiconductor comprises ZnO, MgO, CdO, doping method of a semiconductor nanostructure.
제5항에 있어서,
상기 화합물반도체는 ZnSe, ZnS, BN, AlN, AlAs, AlP, GaN, GaP, GaAs, InN, InP, InAs를 포함하는, 반도체 나노구조의 도핑방법.
6. The method of claim 5,
The compound semiconductor comprises ZnSe, ZnS, BN, AlN, AlAs, AlP, GaN, GaP, GaAs, InN, InP, InAs, semiconductor nanostructure doping method.
제5항 또는 제6항에 있어서,
상기 도판트는 N, P, As, Sb, Li, Na, K, Ag, Cu, B, Al, Ga, In을 포함하는, 반도체 나노구조의 도핑방법.
The method according to claim 5 or 6,
The dopant includes N, P, As, Sb, Li, Na, K, Ag, Cu, B, Al, Ga, In.
제1항에 있어서,
상기 기판과 상기 도핑용 부재 사이에 이격거리를 유지하기 위한 스페이서를 배치시키는 단계를 더 포함하는, 반도체 나노구조의 도핑방법.
The method of claim 1,
And disposing a spacer for maintaining a separation distance between the substrate and the doping member.
제1항에 있어서,
상기 도판트를 상기 반도체 나노구조로 공급하는 단계는 산소 혹은 불활성가스가 일정비율 혼합된 산소 분위기에서 수행되는, 반도체 나노구조의 도핑방법.
The method of claim 1,
The step of supplying the dopant to the semiconductor nanostructures is a method of doping semiconductor nanostructures is carried out in an oxygen atmosphere mixed oxygen or inert gas in a certain ratio.
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