KR100853200B1

KR100853200B1 - 다중 구조의 나노와이어 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100853200B1
Application number: KR1020070035723A
Authority: KR
Inventors: 박종혁; 맹성렬; 박래만; 안드레아 씨. 페라리; 안드레아 파솔리; 알란 콜리
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2007-04-11
Filing date: 2007-04-11
Publication date: 2008-08-20
Also published as: EP2144846A1; WO2008126983A1; JP2010523341A; US20100117058A1

Abstract

화합물 반도체 나노로드와 실리콘 와이어가 접합된 다중 구조의 나노와이어 및 그 제조방법을 개시한다. 본 발명에 의한 다중 구조의 나노와이어의 제조방법은 화합물 반도체의 나노로드를 제공하는 단계; 상기 나노로드의 양단에 촉매팁을 형성하는 단계; 및 상기 촉매팁이 형성된 나노로드의 양단에 실리콘 나노와이어를 성장시키는 단계를 포함한다.

다중 나노와이어, 화합물 반도체, 나노로드, 나노와이어

Description

다중 구조의 나노와이어 및 그 제조방법{Multi-structure nanowire and method for formation of the same}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 나노와이어의 개략적인 도면이다.

도 2a 내지 도 2d는 다중구조 나노와이어를 형성하는 방법을 설명하기 위하여 공정 순서대로 도시한 개략적인 도면들이다.

<도면의 주요 부분에 대한 설명>

110, 112: 나노로드 120: 금속팁

130: 나노 와이어 100: 다중 나노와이어

200, 300: 혼합용액 400: 기판

본 발명은 반도체 나노와이어의 구조 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 화합물 반도체의 나노로드와 실리콘 나노와이어의 다중 구조 및 그 제조방법에 관한 관한 것이다.

나노와이어, 나노로드 등과 같은 나노구조는 새로운 전기, 촉매 및 광학적 특성에 기인하여 지난 10년 동안 집중적인 연구 과제가 되어왔다. 나노와이어는 직경이 수십 나노미터 정도이고 길이는 제한이 없으며, 나노로드는 나노와이어와 같은 직경을 가지며 길이는 일반적으로 직경의 3 내지 5 배 정도이다. 화학적 조성은 일정하게 유지하면서 단순히 그 크기를 변화시키는 것에 의하여 나노구조의 기본적인 특성이 변화될 수 있다. 나노구조는 분자와 벌크 형태의 중간적인 특성을 갖는다. 예를 들면, 반도체 물질에 기반을 둔 나노구조는 전자 및 홀 모두의 3차원에서의 양자 가둠 현상을 보이며, 이것은 나노구조의 크기가 작아지는 것과 함께 물질의 유효 밴드갭의 증가를 가져온다. 따라서, 나노구조의 크기가 작아짐에 따라 나노구조의 광학적 흡수 및 방출을 블루 쪽으로 이동시킨다. 또 다른 예로서 나노구조의 하나인 나노와이어는 다중 구조를 가질 때 광소자나 고기능성 전자소자로서 더욱 효과적으로 사용될 수 있다. 축방향으로 도핑 농도가 조절된 구조를 갖는 나노와이어나 이종 물질로 이루어진 나노와이어가 다중 구조의 나노 와이어에 해당된다.

그러나 나노 구조는 높은 기능적 잠재력에도 불구하고 응용제품들이 많이 개발되고 있지 못한데, 그 큰 이유 중 하나가 나노 구조의 생산의 어려움이다. 나노 와이어의 다중 구조는 더더욱 생산이 어렵다. 만일 다중 구조의 나노와이어 제작이 가능해진다면 초소형 광소자나 관통 전자소자 등과 같은 기능성 전자소자의 개발이 가능하게 된다.

본원 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 광소자 또는 전자소자로서 사용될 수 있는 다중 구조의 나노와이어 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 구조의 나노와이어는 화합물 반도체의 나노로드의 양쪽으로 실리콘 나노와이어가 접합되어 있는 다중 구조의 나노와이어를 포함한다.

상기 화합물 반도체는 AlN, AlP, AlAs, GaN, GaP, GaAs, InP, InAs, InSb, AlInGaP, AlGaAs, InGaN, CdS, CdSe, CdTe, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, TiO₂, HgTe, CdHgTe 을 포함하는 그룹에서 선택된 어느 하나일 수 있다.

상기 나노로드의 길이는 2~100 ㎚ 인 것이 바람직하고, 상기 다중 구조의 나노와이어의 직경은 10~100 ㎚ 인 것이 바람직하다.

본 발명의 상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 다중 구조의 나노와이어의 제조방법은 화합물 반도체의 나노로드를 제공하는 단계, 상기 나노로드의 양단에 촉매팁을 형성하는 단계 및 상기 촉매팁이 형성된 나노로드의 양단에 실리콘 나노와이어를 성장시키는 단계를 포함한다.

상기 촉매팁은 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 나노로드의 양단에 실리콘 나노와이어를 성장시키는 단계는 상기 나노로드를 기판 위에 분산시키는 단계 및 상기 나노로드가 분산된 기판을 실리콘 소스 분위기의 챔버에 넣고, 실리콘 소스가 실리콘 원자 또는 실리콘 분자로 분해될 수 있도록 상기 챔버를 열처리하는 단계를 포함한다.

상기 실리콘 소스는 Si와 C의 혼합분말 또는 실란 가스(SiH₄)를 포함할 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이하의 설명에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 상부에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 구성 요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 생략되거나 과장되었고, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 한편, 사용되는 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 나노와이어(100)의 개략적인 도면이다. 도 1의 다중 나노와이어(100)는 화합물 반도체로 이루어진 나노로드(110)의 양쪽으로 실리콘 나노와이어(130)가 접합되어 있는 구조를 갖는다. 다중 나노와이어(100)의 직경은 약 10~100 ㎚ 일 수 있다. 화합물 반도체 나노로드(110)의 길이 는 약 2~100 ㎚ 의 범위일 수 있고, 실리콘 나노와이어(130)의 길이는 용도에 따라 조절될 수 있다.

나노로드(110)의 화합물 반도체는 AlN, AlP, AlAs, GaN, GaP, GaAs, InP, InAs, InSb, AlInGaP, AlGaAs, InGaN 등과 같은 Ⅲ-Ⅴ족의 화합물 또는 CdS, CdSe, CdTe, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, TiO₂, HgTe, CdHgTe 등과 같은 Ⅱ-Ⅵ족 화합물일 수 있다. 그러나 본 발명의 다중 나노와이어(100)에서 나노로드(110)로 사용할 수 있는 화합물 반도체는 위에서 열거한 물질에 한정되지 않는다.

이와 같이 화합물 반도체의 나노로드(110)의 양쪽으로 실리콘 나노와이어(130)가 접합되어 있는 구조를 가짐으로써 화합물 반도체의 응용 범위를 더욱 넓힐 수 있다. 예를 들면, 화합물 반도체 나노구조를 실리콘 기반의 소자에 접목하여 사용할 경우 화합물 반도체와 실리콘의 서로 다른 물성으로 말미암아 소자의 접목이 어려울 수 있다. 그러나 화합물 반도체 나노로드(110)의 양단에 형성되어 있는 실리콘 나노와이어(130)로 인하여 화합물 반도체 나노로드와 실리콘 소자와의 융합이 더욱 용이해질 수 있다.

도 2a 내지 도 2d는 다중구조 나노와이어를 형성하는 방법을 설명하기 위하여 공정 순서대로 도시한 개략적인 도면들이다. 도 2a 내지 도 2d의 실시예에서는 나노로드의 화합물 반도체로서 카드뮴 셀레나이드를 사용하였다. 먼저, 도 2a를 참조하면, 카드뮴 셀레나이드 나노로드(110)를 형성한다. 카드뮴 셀레나이드 나노로드(110)는 알려져 있는 습식 방법으로 형성할 수 있다. 이를 위하여 다이메틸 카드뮴(dimethyl cadmium)과 셀레늄 분말이 녹아있는 트리부틸포스파인(tributylphosphine)의 혼합 용액을 고온의 트리 옥틸포스파인옥사이드(trioctylphosphineoxide: TOPO)와 테트라데실포스포닉산(tetradecylphosphonic acid)의 혼합 용액(200)에 넣어 섞는다. 이때 다이메틸 카드뮴과 셀레늄 분말이 녹아있는 트리부틸포스파인은 약 1. 5:1의 비율로 혼합한다. 트리 옥틸포스파인옥사이드와 테트라데실포스포닉산의 혼합 용액(200)의 온도는 약 300℃의 온도를 갖는 것이 바람직하다. 이와 같이 형성되는 카드뮴 셀레나이드 나노로드(110)의 직경은 약 10~100 ㎚ 의 범위를 갖는다. 카드뮴 셀레나이드 나노로드(110)의 길이는 온도와 반응시간에 의하여 조절할 수 있으며, 2~100 ㎚ 범위의 길이가, 특히 나노광소자를 위해서는 대략 3 ㎚ 정도가 적당하다. 본 실시예에서는 카드뮴 셀레나이드를 사용하였으나, 나노로드(110) 물질은 이에 한정되지 않으며, 예를 들면, 카드뮴 셀레나이드(CdSe), 카드뮴 텔레나이드(CdTe), 산화아연(ZnO), 이산화티탄(TiO₂), 질화갈륨(GaO), 탄화규소(SiC), 질화규소(Si₃N₄), 황화아연(ZnS), 황화카드뮴(CdS) 등을 사용할 수 있다.

도 2b를 참조하면, 카드뮴 셀레나이드 나노로드(110)의 양쪽 끝에 금속 촉매팁(120)을 형성한다. 금속 촉매팁(120)으로는 금(Au)을 사용할 수 있다. 금 촉매팁(120)을 만들기 위하여 카드뮴 셀레나이드 나노로드(110)를 염화금(AuCl₃)과 함께 톨루엔(toluene), 도데실다이메틸암모늄(dodecyldimethylammonium) 및 도데실아민(dodecylamine)의 혼합 용액(300에 넣고 저어준다. 이렇게 하면 양 끝단에 반구 형태의 금 촉매팁(120)이 형성되어 있는 나노로드(112)를 형성할 수 있다. 한편, 금속 촉매팁으로 금 이외에 은(Ag), 니켈(Ni), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 코발트(Co), 이리듐(Ir), 로듐(Ro), 루테늄(Ru) 등의 물질을 사용할 수 있다.

도 2c를 참조하면, 금 촉매팁(120)을 가진 나노로드(112)가 형성되어 있는 혼합 용액을 실리콘 등과 같은 기판(400) 위에 스핀 코팅 등의 방법에 의하여 분산시킨다. 그후 혼합 용액을 증발시키면 기판(400) 위에는 나노로드(112)만 남게 된다.

도 2d를 참조하면, 나노로드(112)가 분산된 기판(400)을 실리콘 나노와이어를 형성할 수 있는 챔버로 옮겨서 나노로드(112)의 양단에 실리콘 나노와이어(130)를 성장시킨다. 실리콘 나노와이어(130)를 형성하기 위한 실리콘 원료로는 Si+C 분말이나 실란 가스(SiH₄) 등을 사용할 수 있다. 실리콘 원료로부터 실리콘 원자나 분자들을 열분해하는데 있어서, Si+C 분말을 사용할 경우에는 약 800℃ 이상의 온도가, 실란 가스를 사용할 경우에는 약 500℃ 이상의 온도가 요구된다. 실리콘 원료로부터 열에 의해 분해된 실리콘 원자나 분자들은 나노로드(112)의 양단에 있는 금 촉매팁(120)과 공융 혼합물이 되고, 실리콘 분자들이 과포화되면 실리콘 나노와이어(130)가 성장하게 된다.

이와 같이 하여 도 1의 다중 나노와이어와 같이 중앙에 카드뮴 셀레나이드 나노로드(110)가 있고, 그 양쪽으로 실리콘 나노와이어(130)가 접합되어 있는 다중구조 나노와이어(100)가 형성된다.

한편, 실리콘 나노와이어(130)가 성장된 후 실리콘 나노와이어(130)의 양단에 남아있는 촉매팁(120)은 습식 방법으로 제거할 수 있다.

지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

본 발명에 의하면 화합물 반도체 나노로드의 양단에 금속팁을 형성하고, 이를 촉매로하여 화합물 반도체 나노로드의 양단으로 실리콘 나노와이어를 성장시킴으로써, 화합물 반도체와 실리콘으로 구성된 다중 구조의 나노와이어를 형성할 수 있다. 이와 같이 형성된 다중 구조의 나노와이어는 광소자 또는 전자소자로서 사용될 수 있다.

Claims

Ⅱ-Ⅵ족 또는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체의 나노로드; 및

각각 상기 나노로드의 양단에 접합되어 있고, 각각 상기 나노로드의 양단의 반대편으로 신장되어 있는 실리콘 나노와이어.
제1 항에 있어서, 상기 화합물 반도체는 AlN, AlP, AlAs, GaN, GaP, GaAs, InP, InAs, InSb, AlInGaP, AlGaAs, InGaN, CdS, CdSe, CdTe, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, TiO₂, HgTe, CdHgTe 으로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나를 포함하는 다중 구조의 나노와이어.
제1 항에 있어서, 상기 나노로드의 길이는 2~100 ㎚ 인 다중 구조의 나노와이어.
제1 항에 있어서, 상기 다중 구조의 나노와이어의 직경은 10~100 ㎚ 인 다중 구조의 나노와이어.
화합물 반도체의 나노로드를 제공하는 단계;

상기 나노로드의 양단에 촉매팁을 형성하는 단계;

상기 촉매팁이 형성된 나노로드의 양단에 실리콘 나노와이어를 성장시키는 단계를 포함하는 다중 구조의 나노와이어의 제조 방법.
제5 항에 있어서, 상기 화합물 반도체는 AlN, AlP, AlAs, GaN, GaP, GaAs, InP, InAs, InSb, AlInGaP, AlGaAs, InGaN, CdS, CdSe, CdTe, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, TiO₂, HgTe, CdHgTe 으로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나를 포함하는 다중 구조의 나노와이어의 제조 방법.
제5 항에 있어서, 상기 나노로드의 길이는 2~100 ㎚ 인 다중 구조의 나노와이어의 제조 방법.
제5 항에 있어서, 상기 다중 구조의 나노와이어의 직경은 10~100 ㎚ 인 다중 구조의 나노와이어의 제조 방법.
제5 항에 있어서, 상기 촉매팁은 금(Au), 은(Ag), 니켈(Ni)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나를 포함하는 다중 구조의 나노와이어의 제조 방법.
제5 항에 있어서, 상기 나노로드의 양단에 실리콘 나노와이어를 성장시키는 단계는 상기 나노로드를 기판 위에 분산시키는 단계; 및

상기 나노로드가 분산된 기판을 실리콘 소스 분위기의 챔버에 넣고, 실리콘 소스가 실리콘 원자 또는 실리콘 분자로 분해될 수 있도록 상기 챔버를 열처리하는 단계; 를 포함하는 다중 구조의 나노와이어의 제조 방법.
제10 항에 있어서, 상기 실리콘 소스는 Si 과 C 의 혼합분말 또는 실란 가스(SiH₄)인 다중 구조의 나노와이어의 제조 방법.