KR20180052748A - 나노구조물 제작 방법 - Google Patents

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그레고어 코브뮬러
베네딕트 마이어
조나단 핀리
게르하르트 압스트라이터
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테크니쉐 우니베르지테트 뮌헨
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Abstract

본 발명에 의하여 제공되는 나노와이어의 제작 방법은: 기판 상에서 제1 나노와이어를 성장시키는 단계; 상기 기판 상에 상기 제1 나노와이어를 둘러싸는 유전층을 형성하는 단계로서, 상기 유전층의 두께는 상기 제1 나노와이어의 길이보다 작은, 단계; 및 상기 유전층으로부터 상기 제1 나노와이어를 제거함으로써, 상기 유전층에 있는 구멍을 노출시키는 단계;를 포함한다.

Description

나노구조물 제작 방법
본 발명은 나노구조물, 구체적으로는 나노와이어 레이저 구조물(nanowire laser structure)을 제작하는 방법에 관한 것이다.
나노구조물, 특히 나노와이어는 최근 많은 관심을 받고 있으며, 신규한 전자 장치 및 전산 장치의 소형화 및 개선에 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 예를 들어 반도체 III-V 나노와이어는 단일 모드 광학 도파관(single mode optical waveguide)으로서 작동할 수 있고, 광학 필드(optical field)를 공진적으로 재순환시킬 수 있으며, 이득(gain)을 제공할 수 있는 능력으로 인하여 차세대 레이저 및 온-칩 장착 광원을 개발하는데 큰 잠재력을 제공한다.
그러나, 반도체 기판 상의 나노와이어와 같은 나노구조물의 제작은, 그것의 작은 치수와, 종족 매우 좁은 파라미터 사양을 충족시키기 위하여 필요한 높은 수준의 정밀도로 인하여 어려운 과제이다. 많은 나노구조물의 응용에 있어서, 두꺼운 유전층에 100 nm 또는 이보다 현저히 작은 범위의 치수로 구멍을 만들 것이 요구된다. 종종, 그러한 구멍들의 대규모 어레이가 섬세하게 결정된 치수와 정밀하게 정해진 위치로 반도체 기판 상에 제작될 것이 요구된다. 그러한 구멍 패턴을 만듦에 있어서의 도전적 과제는 에칭 공정 동안에 패턴 전달에 있어서의 높은 선택도를 갖는 적합한 레지스트층의 선택으로부터 초래되는 것이다. 매우 깊은 구멍의 에칭을 견디는 적합한 레지스트층은 많지 않으며, 그 레지스트층은 종종 그 아래의 필요한 유전층보다 쉽게 에칭된다.
두꺼운 유전층에 매우 얇은 구멍을 쉽게, 신속하게, 그리고 높은 정밀도로 제작함을 가능하게 하는 제작 기술이 필요하다.
상기 목적은 청구항 1 에 기재된 나노구조물을 제작하는 방법에 의해 달성된다. 종속항들에는 바람직한 실시예들이 기재되어 있다.
본 발명에 의하여 제공되는 나노와이어의 제작 방법은: 기판 상에서 제1 나노와이어를 성장시키는 단계; 상기 기판 상에 상기 제1 나노와이어를 둘러싸는 유전층을 형성하는 단계로서, 상기 유전층의 두께는 상기 제1 나노와이어의 길이보다 작은, 단계; 및 상기 유전층으로부터 상기 제1 나노와이어를 제거함으로써, 상기 유전층에 있는 구멍을 노출시키는 단계;를 포함한다.
본 발명자들은 세심하게 결정된 치수를 갖는 구멍들이 희생 나노와이어 성장 기술에 의하여 형성될 수 있다는 것을 알게 되었는데, 여기에서 상기 구멍들의 위치와 치수는 기판으로부터 추후에 제거되는 희생 나노와이어에 의하여 결정된다. 먼저 유전층을 형성하고나서 유전층에 구멍들을 형성하는 경우와는 달리, 본 발명에 따른 방법에서는 먼저 상기 희생 나노와이어들을 이용하여 원하는 구멍들의 위치와 치수를 먼저 결정하고, 그 다음에 상기 구멍들을 한정하는 유전층을 상기 나노와이어들 둘레에서 성장시킨다. 따라서 본 발명에 따른 방법은 유전층에 구멍 패턴을 형성하기 위한 종래 기술의 문제를 해결한다.
본 발명에 의하면 폭넓은 범위의 치수 및 형상을 가진 구멍들을 형성하는 것이 가능하다. 특히, 상기 구멍들에는 원통형 구멍이 포함될 수 있을 뿐만 아니라, 종장형의 도랑이 포함될 수 있다.
상기 기판 상에서의 나노와이어의 성장의 위치들 및 치수들이 세심하게 결정될 수 있기 때문에, 본 발명에 따른 방법에 의하면 높은 정밀도를 가진 구멍 패턴을 제작하는 것이 가능하게 된다. 특히 본 발명은 두꺼운 유전층에 매우 얇은 구멍들을 형성함에 있어서 유리한데, 상기 두꺼운 유전층은 종래의 반도체 제작 기술에 의해서는 제작하기 어려운 것이었다.
특히, 본 발명에 따른 방법은 두께(t)의 유전층에 직경(d)의 구멍들을 제작함을 가능하게 하며, 여기에서 t/d는 2보다 크고, 바람직하게는 3보다 크며, 특히 5보다 크다. 일부 예에서 상기 비율 t/d은 10 이상에 달할 수 있다.
그러나 본 발명은 단일의 나노와이어로부터 형성되는 구멍에만 국한되는 것이 아니다. 그보다는, 기판 상에 복수의 제1 나노와이어가 성장될 수 있고, 상기 기판 상에서 상기 복수의 제1 나노와이어를 둘러싸도록 상기 유전층이 형성될 수 있으며, 여기에서 상기 유전층의 두께는 상기 복수의 제1 나노와이어들의 길이보다 작다. 그 다음에 상기 제1 나노와이어들은 상기 유전층으로부터 제거될 수 있고, 이와 함께 상기 유전층에서 구멍이 노출될 수 있다.
위와 같은 구성에 따르면, 상기 구멍의 크기 및 치수는 단일의 나노와이어가 아니라 상기 복수의 제1 나노와이어들에 대응된다. 예를 들어 상기 기판 상에서 복수의 제1 나노와이어들이 공간적으로 근접하게 성장될 수 있으며, 이로써 이들이 상기 기판 상에서 공통적인 나노와이어 구조물, 예를 들어 나노와이어 벽으로 합쳐질 수 있다. 일단 상기 복수의 제1 나노와이어들이 기판으로부터 제거된 다음에는, 상기 유전층에서 종장형의 도랑 형태를 이루는 구멍으로서 노출될 수 있다.
바람직한 일 실시예에서, 상기 제1 나노와이어는 상기 기판 상에 위치한 시드로부터 성장된다.
본 발명자들은 상기 기판 상에서 제1 나노와이어들의 성장을 활성화시키기 위하여 시드를 이용하는 것이 특히 유용하다는 것을 알게 되었으며, 이로써 제작 공정을 신속하게 수행할 수 있게 된다.
일 예에서, 상기 제1 나노와이어를 성장시키는 단계는: 상기 기판 상에 마스크층을 형성하는 단계; 상기 마스크층 내에 상기 기판까지 연장되는 개구를 형성하는 단계; 상기 개구 안에서 그리고 상기 기판 상에서 상기 제1 나노와이어를 성장시키는 단계;를 포함한다.
기판 상에서 희생 나노와이어들(그리고 이에 따라 상기 구멍들)이 형성되는 위치들은 마스크층에 의하여높은 정밀도로 선택될 수 있으며, 이로써 상기 제작 기술의 공간 정확도가 더 향상된다. 특히, 마스크층의 형성에 반도체 리소그래피 기술이 활용될 수 있으며, 이것은 나노미터 범위에서의 높은 위치 정밀도를 달성할 수 있다.
상기 마스크층은 80 nm 보다 크지 않은 두께, 그리고 바람직하게는 50 nm 보다 크지 않은 두께로 형성될 수 있다.
기판 상에 얇은 마스크층이 신속하게 그리고 복잡한 제조 기술없이 형성될 수 있으며 또한 이것은 표준적인 제조 기술에 의하여 쉽게 에칭될 수 있지만, 기판 상에서 희생 나노와이어들이 성장하는 위치들을 높은 정밀도로 결정하고 그 위치들에서 희생 나노와이어들의 성장을 지지하기에는 여전히 불충분하다. 예를 들어 Si/SiO2 와 같이, 공기에 노출된 상측 수 나노미터의 반도체 재료가 자연적으로 산화될 수 있다.
상기 마스크층은 유전체, 특히 SiO2 를 포함할 수 있다.
본 발명자들은 유전성 마스크층으로 인하여 기판 상에서 희생 나노와이어들이 성장하는 위치들이 높은 정밀도로 결정될 수 있다는 것을 알게 되었다. 또한, 유전성 마스크층은 후속의 처리 단계에서 기판 상에 형성된 유전층으로 편리하게 통합될 수 있다.
상기 유전층 및/또는 상기 유전성 마스크층은 스퍼터링 및/또는 화학 증기 증착 및/또는 원자층 증착 및/또는 분자빔 에피택시에 의하여 형성될 수 있다.
특히, 상기 유전층은 상기 기판 상에서 적어도 100 nm, 바람직하게는 적어도 150 nm, 특히 적어도 200 nm의 두께로 형성될 수 있다.
일 예에서, 제작되어야 하는 나노구조물은 파장 λ의 레이저 신호를 방출하도록 구성될 수 있고, 따라서 나노구조물의 치수들 그리고 특히 유전층은 상기 파장 λ에 맞게 구성될 수 있다. 구체적으로 그것의 치수들은 파장 λ 의 관점으로 편리하게 표현될 수 있다. 상기 유전층의 두께는 λ/(2 n)의 정수배로 선택될 수 있는데, 여기에서 n 은 상기 유전층의 굴절율이다.
상기 제1 나노와이어는 열분해 및/또는 선택적 에칭, 특히 습식 화학 에칭 및/또는 건식 화학 에칭에 의하여 상기 기판 및/또는 상기 유전층으로부터 제거될 수 있다.
일단 나노 규모 치수들을 가진 초박형 구멍들이 형성된 다음에는, 이들이 후속하여 다른 나노구조물의 형성에 사용될 수 있다. 예를 들어 그들은 기판 상에서의 나노와이어들의 어레이를 성장시키기 위한 구멍 패턴으로서 사용될 수 있다.
따라서 상기 방법은 상기 기판 상에서 상기 구멍 안에 제2 나노와이어를 성장시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
특히 상기 제2 나노와이어는 상기 유전층을 넘어 연장되도록 성장될 수 있다.
따라서 상기 제2 나노와이어의 높이는 상기 유전층의 두께보다 더 클 수 있다.
상기 제2 나노와이어를 성장시키는 단계는: 상기 구멍 안에서 지지 요소를 성장시키는 단계; 상기 지지 요소를 상기 유전층 위로 연장시키는 단계; 및 상기 유전층 위로 연장된 상기 지지 요소의 적어도 일부분 둘레에서 몸체 요소를 성장시키는 단계;를 포함할 수 있다. 결과적으로 얻어지는 나노와이어 구조물은 깔대기 형태의 구조를 가질 수 있는바, 여기에서 얇은 지지 요소 또는 코어는 상기 유전층 위에 있는 부분에서 폭넓은 외피에 의해 둘러싸인다.
상기 지지 요소는 축방향 성장에 의해 성장될 수 있다.
상기 몸체 요소는 반경방향 성장에 의해 성장될 수 있다.
이와 같은 유형의 나노와이어 어레이 또는 나노와이어 구조물은 우수한 광학 특정을 가진, 일체적으로 통합된 나노와이어 레이저로 활용될 수 있다.
특히 상기 몸체 요소의 직경은 상기 지지 요소의 직경의 적어도 두 배로 클 수 있고, 바람직하게는 상기 지지 요소의 직경의 적어도 세 배로 클 수 있다.
일 예에서, 상기 나노구조물은 파장 λ 의 레이저 신호를 방출하도록 구성될 수 있고, 상기 지지 요소의 직경은 λ/(2·n)보다 작을 수 있으며, 여기에서 n 은 상기 지지 요소의 굴절율(index of refraction)이다.
또한 상기 몸체 요소의 직경은 λ/n보다 작지 않을 수 있고, 특히 1.5 λ/n 보다 작지 않을 수 있으며, 여기에서 n 은 상기 몸체 요소의 굴절율이다.
상기 제1 나노와이어를 성장시키는 단계 및/또는 상기 제2 나노와이어를 성장시키는 단계는, 분자빔 에피택시(molecular beam epitaxy) 또는 금속 유기 화학 증착(metal organic chemical vapor deposition) 또는 화학 비임 에피택시(chemical beam epitaxy) 또는 레이저 어블레이션(laser ablation) 또는 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering)을 포함할 수 있다.
상기 구멍의 치수 및 방위는, 제1 나노와이어를 그에 따라 대응되는 크기 및 방위로 성장시키기 위해서, 성장 파라미터들을 선택함으로써 세심하게 결정될 수 있다.
예를 들어 상기 제1 나노와이어 및/또는 상기 제2 나노와이어는 상기 기판의 상측 표면에 대해 직각인 방향으로 성장될 수 있다.
대안적으로는 상기 제1 나노와이어 및/또는 상기 제2 나노와이어가 상기 기판의 표면 법선에 대해 기울어진 각도로 성장될 수 있다. 바람직하게는 상기 각도가 적어도 20도, 특히 적어도 70도이다.
아래에서는 하기의 첨부 도면들을 참조로 하는 예시적인 실시예에 관한 상세한 설명에 의하여 본 발명에 따른 나노구조물의 제작 방법의 특징들과 장점들에 대해 상세히 설명한다.
도 1 에는 일 예에 따른 나노구조물의 제작 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 2 (a) 내지 (f) 에는 본 발명의 일 예에 따른 유전성 구조물(dielectric structure)에 구멍들을 제작하는 모습이 개략적인 단면도로 도시되어 있다.
도 3 에는 도 2 (a) 내지 (f)의 예시적인 방법에 따라 형성된 구멍 패턴에서, 후속되는 나노와이어 어레이(nanowire array)의 성장이 도시되어 있다.
도 4 에는 도 3 의 나노와이어들 중 하나를 상세히 도시하는 개략적 단면도이다.
도 1 의 흐름도를 참조하면, 제1 단계(S10)에서는 기판 상에서 제1 나노와이어가 성장한다. 후속 단계(S12)에서는, 상기 기판 상에 상기 제1 나노와이어를 둘러싸는 유전층이 형성되는데, 여기에서 상기 유전층의 두께는 상기 제1 나노와이어의 길이보다 작다. 제3 단계(S14)에서는, 상기 제1 나노와이어가 상기 유전층으로부터 제거됨으로써 상기 유전층에 있는 구멍이 노출된다.
아래에서는 도 2 내지 3 을 참조하여 나노와이어 레이저 어레이(나노와이어 레이저 어레이)의 제작이라는 특정의 예에 있어서 나노구조물을 제작하는 방법에 대해 상세히 설명한다. 그러나 본 발명이 이에 국한되는 것은 아니며, 본 발명은 나노미터 범위의 직경을 가진 구멍이 유전층에 형성되는 일반적인 예들, 특히 유전층의 두께가 형성되어야 하는 구멍들의 직경보다 더 큰 경우들에 대해 적용될 수 있는 것이다.
도 2 의 (a) 내지 (f)에는 유전층(14)에 복수의 구멍을 가진 구멍 패턴(10)을 형성하기 위한 순차적인 단계들을 나타내는 개략적 단면도가 도시되어 있다. 도 2 에는 유전층(14)에 네 개의 구멍들(121 내지 124)을 형성하는 방법이 도시되어 있다. 그러나 본 발명이 이에 국한되는 것은 아니며, 본 발명은 유전층(14)에 단일의 구멍 또는 매우 많은 갯수의 구멍을 형성하기 위하여 채택될 수 있다. 사실, 본 발명의 방법은 반도체 제작 기술을 이용하여 수천 내지 수백만개의 구멍들을 포함하는 어레이(array)를 섬세하게 선택된 위치들에 그리고 정확하게 제어된 치수로 형성함을 가능하게한다는 점에서 특히 유리한 장점을 갖는다.
도 2 (a) 에 도시된 바와 같이, 얇은 유전성 마스크층(16)이 예를 들어 실리콘 기판(18)인 기판층 상에 형성될 수 있는데, 이것은 e-빔 리소그래피(e-beam lithography) 또는 나노임프린트 리소그래피(nano imprint lithography)에 의하여 이루어질 수 있다. 예를 들어, 유전성 마스크층(16)은 SiO2 로 이루어지고 5 내지 30 nm 범위의 두께를 가진 것일 수 있다. 도 2 (a) 에 도시된 바와 같이, 구멍(22)들을 가진 패턴화된 레지스트층(20)이 상기 유전성 마스크층(16) 상에 형성될 수 있다. 예를 들어 상기 레지스트층(20)은 PMMA 를 포함할 수 있다.
후속적으로 반응 이온 에칭(reactive ion etching; RIE) 및/또는 플루오르화수소산(HF) 에칭이 수행됨으로써 구멍(22)들을 유전성 마스크층(16)을 통해 아래로 그리고 실리콘 기판(18)의 상측면까지 연장시킬 수 있다. (레지스트층(20)이 제거된 이후의) 결과적인 구조는 도 2 (b) 에 도시되어 있다.
도 2 (c) 에 도시된 바와 같이, 그 다음에는 희생 나노와이어 구조물(sacrificial nanowire structure; 24)이 구멍(22)들 안에서 수직 방향으로 성장한다. 이와 같은 희생 나노와이어 구조물(24)은 수백 나노미터 정도의 높이를 갖기만 하면되며, 구체적으로는 유전층(14)의 요망되는 두께만큼 높으면 된다. 희생 나노와이어 구조물(24)은 대략 200 nm의 최대 직경을 갖도록 성장될 수 있으며, 바람직하게는 요망되는 유전층(14)의 분해(decomposition)/용해(dissolution) 온도 각각의 아래에서 열분해 또는 습식 화학법에 의해 쉽게 에칭될 수 있는 재료로 이루어진다. 예를 들어 희생 나노와이어 구조물(24)은 InAs, InGaAs, 또는 GaAs 와 같은 그룹 III / 그룹 V 의 반도체 재료의 조합으로 형성될 수 있다. 이 나노와이어들은 대기 조건 및 진공 조건 하에서 400 내지 800 ℃, 즉 SiO2 의 승화가 개시되는 1000℃보다 충분히 낮은 온도에서 열에 의해 증발될 수 있다. 결과적인 구조물은 희생 나노와이어 구조물(24)을 포함하여, 이것은 도 2 (c) 에 도시되어 있다.
희생 나노와이어 구조물(24)들이 성장한 이후의 후속 단계에서는 유전성 마스크층(16)과 희생 나노와이어 구조물(24) 상에서 두꺼운 유전층 퇴적부(26)가 성장될 수 있으며, 이것은 도 2 (d) 에 개략적으로 도시되어 있다. 유전층 퇴적부(26)의 성장은 스퍼터링, 플라스마 증진 화학 증착(plasma-enhanced chemical vapor deposition; PECVD), 원자층 증착(ALD), 또는 분자빔 에피택시(MBE)이나 금속 유기 화학 증착(metal-organic chemical vapor deposition; MOCVD)과 같은 에피택시 기술이 사용될 수 있다. 예를 들어 유전층 퇴적부(24)는 SiO2 또는 SiN 을 포함할 수 있으며, 200 nm 이상의 두께를 가질 수 있다. MBE 또는 MOCVD와 같은 에피택시 기술의 이용에 의하면, 분산 브랙 반사기(distributed Bragg reflector) 및/또는 하이 콘트라스트 격자(high contrast grating)를 포함하는 유전층 퇴적부(26)를 형성하는 것도 가능하게 되는데, 이것은 소정의 레이저 응용예들에 유리할 수 있다.
도 2 (d) 에 개략적으로 도시된 바와 같이, 희생 나노와이어 구조물(24)들은 그들의 모든 면들이 유전층 퇴적부(26)에 의해 기생적으로(parasitically) 덮인다. 본 발명자들은, 요망되는 유전층(14) 위로 돌출하는 희생 나노와이어 구조물(24)의 측벽들에 있어서의 상기 기생적인 퇴적을 최소화하기 위하여, 원자층 증착과 같은 보다 균질한 기술보다는 고방향성 스퍼터링 기술(highly directional sputtering technique)을 유전층 퇴적부(26)의 형성에 채택하는 것이 유리하다는 것을 알게 되었다. 이것은 거의 직각인 입사각 하에서 타겟(target)으로부터의 스퍼터링이 통상적으로 상기 기생적 유전층의 상대적으로 더 이방성인(anisotropic) 성장으로 귀결될 것이기 때문인데, 이 경우에는 도 2 (d) 에 도시된 바와 같이 희생 나노와이어 구조물(24)의 상부면에 상당한 유전층 재료(26)가 형성되지만 측면에는 유전성 물질이 상대적으로 얇은 층을 형성할 뿐이기 때문이다. 이와 대조적으로, 원자층 증착은 통상적으로 상대적으로 등방성 성장을 초래하며, 이 경우에는 기생적 유전층 퇴적부(26)가 희생 나노와이어 구조물(24)의 모든 둘레에 균일하게 분포되는 결과를 낳는다.
후속 단계에서, 예를 들어 완충(buffered) 플루오르화수소산(HF)을 이용하여 희생 나노와이어 구조물(24) 상의 유전층 퇴적부(26)의 기생적 퇴적물들이 에칭될 수 있다. 본원의 발명자들은 샘플을 완충 HF 용액 안으로 매우 짧게 담그는 것으로 희생 나노와이어 구조물(24)으로부터 유전층 퇴적부(26)의 얇은 기생 층을 제거하는 것이 충분히 이루어질 수 있다는 것을 알게 되었다. 결과적인 샘플은 도 2 (e) 에 도시되어 있다. 실리콘 기판(18) 상에 남아 있는 유전층은 요망되는 두께의 유전층(14)에 해당된다.
이제 샘플은 대략 800℃ 범위의 온도를 제공할 수 있는 어닐링 장치(annealing device)로 전달될 수 있다. 이 온도에서, 희생 나노와이어 구조물(24)들은 열용해된다(dissolve thermally). 예를 들어 10-6 내지 10-9 Torr 의 높은 진공에서 GaAs 희생 나노와이어(GaAs sacrificial nanowire; 80)들의 열분해는, 650 내지 750 ℃ 범위의 어닐링 온도를 필요로 한다. 본 발명자들은, 예를 들어 현장에서 질량분석법(mass spectrometry)을 활용함으로써 어닐링 과정 동안에 증발하는 종류(species)를 모니터링하는 것이 도움이 된다는 것을 알게 되었다. 질량분석기에서 증발하는 종류의 측정가능한 흔적이 더 이상 검출되지 않는 때에 어닐링 과정이 완료된 것으로 볼 수 있다. 이것은 어닐링 과정의 지속 시간을 결정함을 가능하게 한다.
어닐링 단계 후에는 도 2 (f) 에 도시된 구성이 남게 되는바, 여기에는 (제거된) 희생 나노와이어 구조물(24)들의 직경에 대응되는 직경과 형상을 가진 나노구멍들(121 내지 124)이 도시되어 있으며, 그 구멍들은 실리콘 기판(18)까지 유전층(14) 전체를 통해 연장된다.
도 2 (a) 내지 (f) 를 참조하여 전술된 기술에 의하면, 200 nm 이상 두께의 유전층(14)에 100 nm 이하 범위의 직경을 가진 얇은 나노구멍(121 내지 124)이 형성될 수 있다.
도 2 (f) 에 도시된 구멍 패턴(10)은 세심하게 정해진 위치 및 크기를 가진 얇은 구멍들(121 내지 124)을 필요로 하는 다양한 종류의 나노구조물 제작 기술에서 이용될 수 있다. 예를 들어 도 3 에는 구멍 패턴(10)에 나노와이어 레이저 어레이(nanowire laser array; 28)의 성장이 도시되어 있다.
후속적으로, 그룹 III/그룹 V 의 반도체로부터 만들어진 복수의 나노와이어 레이저 구조물(301 내지 304)을 포함하는 나노와이어 레이저 어레이(28)를 위한 성장 과정이 설명되는바, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 유사한 기술이 다른 반도체 재료로 만들어진 나노와이어 레이저 구조물을 제작하는데 활용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 자기-결정화(self-catalyze) 성장 과정에서, 그룹 III 원소는 핵형성(nucleation) 단계 동안에 구멍들(121 내지 124) 안에 금속 드롭릿 시드(metallic droplet seed)를 형성할 수 있다. 이 시드 드롭릿은 GaAs 또는 InGaAs 기반의 나노와이어 레이저가 필요한지의 여부에 따라서 Ga 또는 In 을 포함할 수 있다. 성장 온도는 SiO2 유전층(14) 상에서가 아니라 구멍들(121 내지 124) 안에서만 금속 드롭릿의 형성을 증진하도록 선택될 수 있다. 500℃ 초과 범위의 온도를 가진 높은 기판 온도를 이용함으로써 우수한 성장 선택성이 얻어질 수 있다.
나노와이어의 지지 요소가 먼저 예를 들어 5 내지 20 ㎛와 같이, 1 ㎛ 이상의 길이로 성장될 수 있는바, 이로써 나노와이어 레이저 공동(nanowire laser cavity)의 길이가 정해진다. 이 경우, 지지 요소의 통상적인 직경은, III-V 플럭스/압력 및 온도와 같은 성장 조건에 따라서 대략 20 내지 150 nm의 범위에 있을 수 있다. 이 직경 범위는 통상적으로 유효 모드 밀폐(effective mode confinement)을 가능하게 하기에 불충분할 수 있다. 그러나, 내측 나노와이어 지지 요소의 성장 이후에 그 성장 과정은 축방향 성장으로부터 측방향 성장으로 변화될 수 있으며, 이로써 상기 나노와이어 구조물의 폭이 넓어져서 상기 유전층 위에서 지지 요소를 둘러싸는 몸체 요소가 형성될 수 있다. 이것은 예를 들어 III-V 화합물 반도체 나노와이어(III-V compound semiconductor nanowire)들의 {110} 또는 {112} 안정 평면을 따라서 반경방향 성장을 유도하고 면-의존 성장율 차이(facet-dependent growth rate difference)를 활용하기 위하여 성장 온도를 낮춤으로써 달성될 수 있다. 기초 광학 모드(fundamental optical mode)의 요망되는 광 밀폐(optical confinement)에 따라서, 상기 반경방향 성장에 의하여 몸체 요소가 200 nm 이상의 범위, 예를 들어 GaAs 및 InGaAs 기반의 나노와이어들에 대해서는 300 내지 600 nm 범위의 직경을 갖는 결과가 얻어질 수 있다. 이 반경방향 성장 단계 동안, 그룹 V 풍부 조건(group-V rich condition) 하에서 성장이 이루어질 수 있도록 그룹 V 압력/플럭스가 증가될 수 있다. 이것은, V 풍부 성장 환경이 나노와이어 성장 전방부에서 자기 결정화 금속 드롭릿을 소비하므로 스페큘러 미러(specular mirror)와 유사한 단부 면(end facet)으로 구결된다는 추가적인 장점을 갖는다.
그 결과, 복수의 나노와이어 레이저 구조물들(301 내지 304)을 가진 나노와이어 레이저 어레이(28)가 얻어지는데, 여기에서 몸체 요소들 각각은 SiO2 유전층(14) 위에서만 측방향으로 연장되고, 기저부에 있는 깔대기와 유사한 지지 요소는 몸체 요소 각각을 아래에 놓인 실리콘 기판(18)에 연결한다.
나노와이어 와이어 구조물들(301 내지 304)(아래에서는 참조번호 30 으로 지칭됨)의 예가 도 3 에 도시되어 있는바, 아래에서는 이에 대해 도 4 를 참조하여 보다 상세히 설명한다.
나노와이어 레이저 구조물(30)은 실리콘 기판(18), 실리콘 기판(18)으로부터 수직으로 연장되고 축방향 성장으로부터 귀결되는 종장형 몸체 요소(32)(검정으로 표시됨), 및 후속의 측방향 성장으로부터 귀결되고 지지 요소(32) 상에서 지지 요소(32) 둘레에 형성되는 종장형 몸체 요소(34)(도 4 에서 해칭으로 표시됨)를 포함한다.
도 4 의 구성으로부터 알 수 있는 바와 같이, 지지 요소(32)는 종장형 몸체 요소(34)를 통하여 연장되고, 따라서 나노와이어 레이저 구조물(30)의 코어로서의 역할을 수행한다. 종장형 몸체 요소(34)는 지지 요소(32) 둘레에서 연장되므로, 나노와이어 레이저 구조물(30)의 외피(shell)로 생각될 수 있다.
지지 요소(32)와는 대조적으로, 종장형 몸체 요소(34)는 실리콘 기판(18)까지 아래로 끝까지 연장되는 것이 아니고 유전층(14)에 의하여 실리콘 기판(18)으로부터 분리되는바, 상기 유전층(14)은 지지 요소(32)의 하측 부분을 둘러싸고 종장형 몸체 요소(34)의 하측 표면과 실리콘 기판(18)의 상측 표면 사이에서 연장된다.
나노와이어 레이저 구조물(30)의 치수는 나노와이어 레이저 구조물(30)이 방출할 것으로 예정되어 잇는 레이저 신호의 레이저 파장에 따라서 선택된다. 예를 들어 지지 요소(32)의 직경(d1)은 λ/(2·n)보다 작게 선택될 수 있는데, 여기에서 n 은 지지 요소(32)의 굴절율을 의미한다. λ/(2·n)보다 작은 직경(d1)은 지지 요소(32) 내에서 레이저 파장이 형성되고 공진함을 방지하고, 따라서 지지 요소(32)가 형성되는 바탕이 되는 하측의 실리콘 기판(18)과 상기 레이저 파장이 직접적으로 접촉 또는 커플링됨을 방지한다.
종장형 몸체 요소(34)의 외측 직경(d2)은 지지 요소(32)의 직경(d1)보다 적어도 2배 클 수 있고, 구체적으로는 적어도 λ/n 에 이를 수 있는데, 여기에서 n 은 지지 요소(32)의 굴절율을 의미한다. 따라서 레이저 파장은 종장형 몸체 요소(34) 내에서 형성 및 공진할 수 있다. 따라서 종장형 몸체 요소(34)가 레이저 공동으로서의 역할을 한다.
레이저 파장에 따라서, 지지 요소(32)의 직경(d1)은 80 nm 내지 300 nm 사이의 범위 내에 있을 수 있다. 이에 대응하여, 종장형 몸체 요소(34)의 직경(d2)은 적어도 160 nm 일 수 있고, 특히 적어도 400 nm 이거나 적어도 600 nm 일 수 있다.
유전층(14)은 종장형 몸체 요소(34)의 하측 단부에서 레이저 모드를 반사시키는 역할을 하고, 따라서 나노와이어 레이저 구조물(30)의 레이징(lasing)을 위한 광학 모드들의 공진 재순환을 제공한다. 본 발명자들은, 유전층(14)이 나노와이어 인터페이스(nanowire interface)에서 0.9 또는 실리콘 기판(18)으로부터 직접 레이저 모드들을 반사시킴으로써 얻어질 수 있는 것보다 2 내지 3 의 차수(two to three orders of magnitude)로 높은 모드 반사도(modal reflectivity)를 증진시킨다는 것을 알게 되었다. 나노와이어 레이저 구조물(30)은 지지 요소(32)에 의하여 유전층(14)에 직접 앵커링되지만, 이것은 종장형 몸체 요소(34)가 유전층(14)에 의하여 실리콘 기판(18)으로부터 분리되어 있음에 의해 형성되는 낮은 차수의 모드 레이저 공동(low order mode laser cavity)으로 인하여 90%보다 큰 밀폐 인자(confinement factor) 및 β=0.2인 자발 방출인 우수한 광파 안내 특성을 유지한다.
바람직하게는, 유전층(14)의 두께(t)가 λ/(2·n)의 정수배로서 선택될 수 있는데, 여기에서 n 은 유전층(14)의 굴절율을 나타낸다. 이 두께는 종장형 몸체 요소(34)와의 인터페이스에서 유전층(14)의 상측 표면측과, 아래에 놓인 실리콘 기판(18)과의 인터페이스에서 유전층(14)의 하측 표면측 모두에서의 반사를 허용하며, 따라서 상기 종장형 몸체 요소(34) 내부의 인터페이스들(34/14 및 14/18)로부터의 광반사의 보강 간섭을 이용함으로써 반사 특성이 더 향상된다.
요망되는 레이저 파장에 따라서, 유전층(14)의 두께(t)는 100 nm 내지 800 nm 범위 내에서 선택될 수 있다.
종장형 몸체 요소(34)의 길이(l)는 적어도 1 ㎛에 이를 수 있다. 본 발명자들은 공동 길이가 적어도 1 ㎛ 인 경우에서 손실이 효율적으로 억제된다는 것을 알게 되었다. 만일 유전층(14)의 반사도가 특히 우수하다면, 더 짧은 몸체 요소가 사용될 수 있을 것이다.
일부 적용예들에서는, 지지 요소(32) 및/또는 종장형 몸체 요소(34)가 개별적으로 도핑될 수 있다. 그 도핑은 균일할 수 있다. 대안적으로 다단식 도핑(graded doping)이 채택될 수 있다.
도 2 및 도 3 을 참조하면, 여기에는 유전층(14)에 구멍들(121 내지 124)이 형성되어 있는 구성이 도시되어 있고, 상기 구멍들(121 내지 124) 각각의 크기 및 치수는 대응되는 희생 나노와이어 구조물(24)의 치수들에 대응된다. 그러나 이것은 단순히 일 예일 뿐이고, 다른 크기 및 형상을 가진 구멍들이 형성될 수 있다. 예를 들어, 일 예에서 희생 나노와이어 구조물(24)은 실리콘 기판(18) 상에서 보다 근접한 공간을 두고 성장될 수 있으며, 이로써 이들이 합쳐져서 함께 나노벽(nano wall)을 형성할 수 있다. 실리콘 기판(18)으로부터 나노벽을 제거할 경우, 그 구멍은 유전층(14)에 형성된 좁고 긴 도랑 형태에 대응된다.
상기 설명과 첨부 도면들은 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명을 제한하는 것으로 이해되어서는 안 될 것이다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 정해진다.
10: 구멍 패턴
121 - 124: 구멍 패턴(10)의 구멍들
14: 유전층
16: 유전성 마스크층
18: 기판
20: 패턴화된 레지스트층
22: 패턴화된 레지스트층(20)의 구멍들
24: 희생 나노와이어 구조물
26: 유전층 퇴적부
28: 나노와이어 레이저 어레이
30, 301 - 304: 나노와이어 레이저 어레이(28)의 나노와이어 레이저 구조물들
32: 나노와이어 레이저 구조물(30)의 지지 요소, 코어(심)
34: 나노와이어 레이저 구조물(30)의 몸체 요소, 외피

Claims (15)

  1. 기판(18) 상에서 제1 나노와이어(24)를 성장시키는 단계;
    상기 기판(18) 상에 상기 제1 나노와이어(24)를 둘러싸는 유전층(14)을 형성하는 단계로서, 상기 유전층(14)의 두께(t)는 상기 제1 나노와이어(24)의 길이보다 작은, 단계; 및
    상기 유전층(14)으로부터 상기 제1 나노와이어(24)를 제거함으로써, 상기 유전층(14)에 있는 구멍(10; 121 - 124)을 노출시키는 단계;를 포함하는, 나노와이어의 제작 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 나노와이어(24)는 상기 기판(18) 상에 위치한 시드(seed)로부터 성장하는, 나노와이어의 제작 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 나노와이어(24)를 성장시키는 단계는:
    상기 기판(18) 상에 마스크층(16)을 형성함;
    상기 마스크층(16) 내에 상기 기판(18)까지 연장되는 개구(22)를 형성함;
    상기 개구(22) 안에서 그리고 상기 기판(18) 상에서 상기 제1 나노와이어(24)를 성장시킴;을 포함하는, 나노와이어의 제작 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 마스크층(16)은, 80 nm 보다 크지 않은 두께, 바람직하게는 50 nm 보다 크지 않은 두께, 그리고 특히 30 nm 보다 크지 않은 두께로 형성되는, 나노와이어의 제작 방법.
  5. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전층(14)은 상기 기판(18) 상에서 적어도 100 nm 의 두께(t), 바람직하게는 적어도 150 nm 의 두께(t), 그리고 특히 적어도 200 nm 의 두께(t)로 형성되는, 나노와이어의 제작 방법.
  6. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노구조물은 파장 λ 의 레이저 신호를 방출하도록 구성되고, 상기 유전층(14)의 두께(t)는 λ/(2·n)의 정수배이며, 여기에서 n 은 상기 유전층(14)의 굴절율인, 나노와이어의 제작 방법.
  7. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 나노와이어(24)는 열분해 및/또는 선택적 에칭에 의하여, 특히 습식 화학 에칭 및/또는 건식 화학 에칭에 의하여 제거되는, 나노와이어의 제작 방법.
  8. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노와이어의 제작 방법은, 상기 기판(18) 상에서 그리고 상기 구멍(10; 121 - 124) 안에서 제2 나노와이어(30; 301 - 304)를 성장시키는 단계를 더 포함하는, 나노와이어의 제작 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 나노와이어(30; 301 - 304)를 성장시키는 단계는:
    상기 구멍(10; 121 - 124) 안에서 지지 요소(32)를 성장시킴;
    상기 지지 요소(32)를 상기 유전층(14) 위로 연장시킴; 및
    상기 유전층(14) 위로 연장된 상기 지지 요소(32)의 적어도 일부분 둘레에서 몸체 요소(34)를 성장시킴;을 포함하는, 나노와이어의 제작 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 몸체 요소(34)의 직경(d2)은 상기 지지 요소(32)의 직경(d1)보다 적어도 2배로 크고, 바람직하게는 상기 지지 요소(32)의 직경(d1)보다 적어도 3배로 큰, 나노와이어의 제작 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 나노구조물은 파장 λ 의 레이저 신호를 방출하도록 구성되고, 상기 지지 요소(32)의 직경(d1)은 λ/(2·n)보다 작으며, 여기에서 n 은 상기 지지 요소(32)의 굴절율(index of refraction)인, 나노와이어의 제작 방법.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노구조물은 파장 λ 의 레이저 신호를 방출하도록 구성되고, 상기 몸체 요소(34)의 직경(d2)은 λ/n보다 작지 않고, 특히 1.5 λ/n 보다 작지 않으며, 여기에서 n 은 상기 몸체 요소(34)의 굴절율인, 나노와이어의 제작 방법.
  13. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 나노와이어(24)를 성장시키는 단계 및/또는 상기 제2 나노와이어(30; 301 - 304)를 성장시키는 단계는, 분자빔 에피택시(molecular beam epitaxy) 또는 금속 유기 화학 증기 증착(metal organic chemical vapor deposition)을 포함하는, 나노와이어의 제작 방법.
  14. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 나노와이어(24) 및/또는 상기 제2 나노와이어(30; 301 - 304)는 상기 기판(18)의 상측 표면에 대해 직각인 방향으로 성장되는, 나노와이어의 제작 방법.
  15. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 나노와이어(24) 및/또는 상기 제2 나노와이어(30; 301 - 304)는 상기 기판(18)의 표면 법선에 대해 기울어진 각도로 성장되고, 상기 각도는 바람직하게는 적어도 20도이고, 특히 적어도 70도인,, 나노와이어의 제작 방법.
KR1020187010764A 2015-09-15 2016-09-14 나노구조물 제작 방법 KR20180052748A (ko)

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