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KR100862131B1 - 반도체 나노와이어 제조 방법 - Google Patents

반도체 나노와이어 제조 방법 Download PDF

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KR100862131B1
KR100862131B1 KR1020077019497A KR20077019497A KR100862131B1 KR 100862131 B1 KR100862131 B1 KR 100862131B1 KR 1020077019497 A KR1020077019497 A KR 1020077019497A KR 20077019497 A KR20077019497 A KR 20077019497A KR 100862131 B1 KR100862131 B1 KR 100862131B1
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nanowires
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찰스 엠. 리버
잉 구이
싱펭 두안
융-쉥 훵
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프레지던트 앤드 펠로우즈 오브 하버드 칼리지
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Abstract

그 길이 방향 축에 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 단결정, 봉형 및 벌크 도핑된 반도체, 및 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 갖는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체 중 적어도 하나인 벌크 도핑된 반도체. 그러한 반도체는 제1 반도체를 포함하는 내부 코어 및 제1 반도체와 다른 재료를 포함하는 외부 쉘(shell)을 포함할 수 있다. 그러한 반도체는 봉형이고, 그러한 반도체의 길이 방향 섹션을 따른 임의의 지점에서 4:1, 또는 10:1, 또는 100:1, 또는 심지어 1000:1보다 큰 섹션의 길이 대 최장 폭의 비율을 가질 수 있다. 그러한 반도체의 적어도 한 부분은 200㎚, 150㎚, 100㎚, 80㎚, 70㎚, 60㎚, 40㎚, 20㎚, 10㎚, 또는 심지어 5㎚보다 작은 최소폭을 가질 수 있다. 그러한 반도체는 단결정일 수 있고, 자유 설치형(free-standing)일 수 있다. 그러한 반도체는 소량 n-도핑, 다량 n-도핑, 소량 p-도핑 또는 다량 p-도핑될 수 있다. 그러한 반도체는 성장 동안에 도핑된다. 그러한 반도체는 다양한 디바이스 및 그 조합 중 임의의 것을 포함하는 디바이스의 일부가 될 수 있고, 다양한 조립 기술들이 그러한 반도체로부터 디바이스를 제조하는데 이용될 수 있다. 그러한 반도체의 어레이를 포함하는 2개 이상의 그러한 반도체가 조합되어, 디바이스를 형성하고, 예를 들면 디바이스의 교차 p-n 접합을 형성한다. 특정 크기의 그러한 디바이스는 양자 구속 및 다른 양자 현상을 나타낼 수 있고, 하나 이상의 그러한 반도체로부터 방출된 광의 파장은 그러한 반도체의 폭을 선택함으로써 제어될 수 있다. 이것으로부터 만들어지는 이러한 반도체 및 디바이스는 다양한 응용에 이용될 수 있다.
봉형 반도체, 도핑, 성장, 벌크-도핑, 디바이스 제조

Description

반도체 나노와이어 제조 방법{SEMICONDUCTOR NANOWIRES MANUFACTURING METHOD}
본 출원은 2000년 8월 20일에 출원된 "반도체 나노와이어"라는 제목의 계류중인 미국 예비 특허 공보 제60/226,835호, 2001년 5월 18일에 출원된 "반도체 나노와이어"라는 제목의 제60/292,121호, 2000년 12월 11일에 출원된 "나노 와이어 및 나노튜브 나노센서"라는 제목의 제60/254,745호, 2001년 5월 18일에 출원된 "메모리 및 스위칭 디바이스를 포함한 나노 와이어 전자 디바이스"라는 제목의 제60/292,045호, 및 2001년 5월 18일에 출원된 "방출 소자 및 센서를 포함한 나노와이어 디바이스"라는 제목의 제60/291,896호에 공통으로 소유된 35 U.S.C. 119(2) 하의 우선권을 주장하고, 이 출원들은 본 명세서에 참고로서 포함된다.
본 발명은 일반적으로는 서브-마이크로 전자 반도체 디바이스에 관한 것으로, 특히 n형 및 p형 도전성을 제공하도록 도핑된 예를 들면 나노와이어(nanowire)와 같은 나노미터 단위 반도체 제품, 그러한 제품의 성장 및 디바이스를 제조하기 위한 그 제품의 구성에 관한 것이다.
작은 단위의 전자 기술은 다양한 재료의 도핑에 크게 좌우된다. 전계 효과 트랜지스터, 바이폴라 트랜지스터, 상보형 인버터, 터널 다이오드 등과 같은 다양한 디바이스를 제조하기 위해 n형 및 p형 반도체 영역을 형성하는 반도체 재료의 도핑이 주지되어 있다.
통상의 현재 기술의 반도체 제조 시설은 비교적 고가이고, 청정실 및 수소 불화물과 같은 유독성 화학물의 이용을 필요로 한다. 반도체 및 마이크로제조 기술이 고도로 개발되어 있지만, 바람직하게는 더 낮은 비용으로 더 작은 단위의 환경친화적 제조를 포함하는 개선에 대한 지속적인 요구가 존재한다.
하나의 실시예에서, 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 일부를 포함하는 자유 설치형(free-standing)의 벌크 도핑(bulk-doped)된 반도체가 제공된다.
본 실시예의 다른 양태에서, 반도체는 제1 반도체를 포함하는 내부 코어; 및 제1 반도체와 상이한 재료를 포함하는 외부 쉘을 포함한다.
본 실시예의 다른 양태에서, 반도체는 봉형(elongated)이다. 본 양태의 다양한 선택적 특징에서, 반도체의 길이 방향 섹션에 따른 임의의 지점에서, 섹션의 길이 대 최장 폭의 비율은 4:1, 또는 10:1, 또는 100:1, 또는 심지어 1000:1보다 크다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 반도체의 적어도 하나의 부분은 200㎚, 150㎚, 100㎚, 80㎚, 70㎚, 60㎚, 40㎚, 20㎚, 10㎚ 또는 심지어 5㎚보다 작은 최소폭 을 가지고 있다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 반도체는 Si, Ge, Sn, Se, Te, B, 다이아몬드, P, B-C, B-P(BP6), B-Si, Si-C, Si-Ge, Si-Sn 및 Ge-Sn, SiC, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, ZnO/ZnS/ZnSe/ZnTe, CdS/CdSe/CdTe, HgS/HgSe/HgTe, BeS/BeSe/BeTe/MgS/MgSe, GeS, GeSe, GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, CuF, CuCl, CuBr, CuI, AgF, AgCl, AgBr, AgI, BeSiN2, CaCN2, ZnGeP2, CdSnAs2, ZnSnSb2, CuGeP3, CuSi2P3, (Cu, Ag)(Al, Ga, In, Tl, Fe)(S, Se, Te)2, Si3N4, Ge3N4, Al2O3, (Al, Ga, In)2(S, Se, Te)3 및 Al2CO를 포함하는 그룹으로부터의 반도체, 및 2개 이상의 그러한 반도체의 적절한 조합을 포함한다.
본 실시예의 여러 양태에서, 반도체는 주기율표의 그룹 Ⅲ으로부터의 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅴ로부터의 n형 도펀트; B, Al 및 In을 포함하는 그룹으로부터 선택된 p형 도펀트; P, As 및 Sb를 포함하는 그룹에서 선택된 n형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅱ로부터의 p형 도펀트; Mg, Zn, Cd 및 Hg를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅳ로부터의 p형 도펀트; C 및 Si를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 또는 Si, Ge, Sn, S, Se 및 Te를 포함하는 그룹에서 선택된 n형을 포함하는 그룹으로부터의 도펀트를 포함한다.
본 실시예의 다른 양태에서, 반도체는 디바이스의 일부이다. 본 실시예의 다른 양태에서, 반도체는 n 도핑된다. 본 양태의 다양한 선택적 특징에서, 반도체는 소량 n-도핑되거나 다량 n-도핑된다.
본 실시예의 또 다른 양태에서, 반도체는 p-도핑된다. 본 양태의 여러 선택적 특징에서, 반도체는 소량 p-도핑되거나 다량 p-도핑된다.
본 실시예의 다른 양태에서, 반도체는 단결정이다.
본 실시예의 추가적인 다양한 양태에서, 반도체는 자성이고, 반도체는 반도체를 자성으로 만드는 도펀트를 포함하고, 반도체는 강자성이며, 반도체는 반도체를 강자성으로 만드는 도펀트를 포함하고, 또는 반도체는 망간을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 그 길이 방향 축에 따른 임의의 지점에서, 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 봉형 및 벌크 도핑된 반도체가 제공된다.
본 실시예의 양태에서, 반도체는 자유 설치형이다.
본 실시예의 다른 양태에서, 반도체는 제1 반도체를 포함하는 내부 코어; 및 제1 반도체와 상이한 재료를 포함하는 외부 쉘을 포함한다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 반도체의 길이 방향에 따른 임의의 지점에서, 섹션의 길이 대 최장 폭의 비율은 4:1, 또는 10:1, 또는 100:1, 또는 심지어 1000:1보다 크다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 반도체의 적어도 하나의 길이 방향 섹션은 200㎚, 150㎚, 100㎚, 80㎚, 70㎚, 60㎚, 40㎚, 20㎚, 10㎚ 또는 심지어 5㎚보다 작은 최소폭을 가지고 있다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 반도체의 적어도 하나의 길이 방향 섹션은 200㎚, 150㎚, 100㎚, 80㎚, 70㎚, 60㎚, 40㎚, 20㎚, 10㎚ 또는 심지어 5㎚보다 작은 최대폭을 가지고 있다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 반도체는 Si, Ge, Sn, Se, Te, B, 다이아몬드, P, B-C, B-P(BP6), B-Si, Si-C, Si-Ge, Si-Sn 및 Ge-Sn, SiC, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, ZnO/ZnS/ZnSe/ZnTe, CdS/CdSe/CdTe, HgS/HgSe/HgTe, BeS/BeSe/BeTe/MgS/MgSe, GeS, GeSe, GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, CuF, CuCl, CuBr, CuI, AgF, AgCl, AgBr, AgI, BeSiN2, CaCN2, ZnGeP2, CdSnAs2, ZnSnSb2, CuGeP3, CuSi2P3, (Cu, Ag)(Al, Ga, In, Tl, Fe)(S, Se, Te)2, Si3N4, Ge3N4, Al2O3, (Al, Ga, In)2(S, Se, Te)3 및 Al2CO를 포함하는 그룹으로부터의 반도체, 및 2개 이상의 그러한 반도체의 적절한 조합을 포함한다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 반도체는 주기율표의 그룹 Ⅲ으로부터의 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅴ로부터의 n형 도펀트; B, Al 및 In을 포함하는 그룹으로부터 선택된 p형 도펀트; P, As 및 Sb를 포함하는 그룹에서 선택된 n형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅱ로부터의 p형 도펀트; Mg, Zn, Cd 및 Hg를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅳ로부터의 p형 도펀트; C 및 Si를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 또는 Si, Ge, Sn, S, Se 및 Te를 포함하는 그룹에서 선택된 n형 도펀트을 포함하는 그룹으로부터의 도펀트를 포함한다.
본 실시예의 다른 양태에서, 반도체는 디바이스의 일부이다.
본 실시예의 다른 양태에서, 반도체는 n 도핑된다. 본 양태의 다양한 선택적 특징에서, 반도체는 소량 n-도핑되거나 대량 n-도핑된다.
본 실시예의 또 다른 양태에서, 반도체는 p-도핑된다. 본 양태의 여러 선택적 특징의 실시예에서, 반도체는 소량 p-도핑되거나 다량 p-도핑된다.
본 실시예의 다른 양태에서, 반도체는 단결정이다.
또 다른 실시예에서, 단결정을 포함하는 도핑된 반도체가 제공된다.
본 실시예의 한 양태에서, 반도체는 벌크-도핑된다.
본 실시예의 한 양태에서, 반도체는 봉형이다. 본 양태의 다양한 선택적 특징에서, 반도체의 길이 방향 섹션에 따른 임의의 지점에서, 섹션의 길이 대 최장 폭의 비율은 4:1, 또는 10:1, 또는 100:1, 또는 심지어 1000:1보다 크다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 반도체의 적어도 한 부분은 200㎚, 150㎚, 100㎚, 80㎚, 70㎚, 60㎚, 40㎚, 20㎚, 10㎚ 또는 심지어 5㎚보다 작은 최소폭을 가지고 있다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 반도체는 Si, Ge, Sn, Se, Te, B, 다이아몬드, P, B-C, B-P(BP6), B-Si, Si-C, Si-Ge, Si-Sn 및 Ge-Sn, SiC, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, ZnO/ZnS/ZnSe/ZnTe, CdS/CdSe/CdTe, HgS/HgSe/HgTe, BeS/BeSe/BeTe/MgS/MgSe, GeS, GeSe, GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, CuF, CuCl, CuBr, CuI, AgF, AgCl, AgBr, AgI, BeSiN2, CaCN2, ZnGeP2, CdSnAs2, ZnSnSb2, CuGeP3, CuSi2P3, (Cu, Ag)(Al, Ga, In, Tl, Fe)(S, Se, Te)2, Si3N4, Ge3N4, Al2O3, (Al, Ga, In)2(S, Se, Te)3 및 Al2CO를 포함하는 그룹으로부터의 반도체, 및 2개 이상의 그러한 반도체의 적절한 조합을 포함한다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 반도체는 주기율표의 그룹 Ⅲ으로부터의 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅴ로부터의 n형 도펀트; B, Al 및 In을 포함하는 그룹으로부터 선택된 p형 도펀트; P, As 및 Sb를 포함하는 그룹에서 선택된 n형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅱ로부터의 p형 도펀트; Mg, Zn, Cd 및 Hg를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅳ로부터의 p형 도펀트; C 및 Si를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 또는 Si, Ge, Sn, S, Se 및 Te를 포함하는 그룹에서 선택된 n형 도펀트를 포함하는 그룹으로부터의 도펀트를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 그 길이 방향 축에 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 단결정, 봉형 및 벌크 도핑된 반도체, 및 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 갖는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체 중 적어도 하나인 도핑된 반도체가 제공되고, 벌크 도핑된 반도체의 섹션에 의해 생성된 현상은 섹션의 치수에 의해 야기되는 양자 구속을 나타내다.
본 실시예의 다른 양태에서, 길이 방향 섹션은 여기(excitation)에 응답하여 발광할 수 있고, 발광된 광의 파장은 폭에 관련된다. 본 양상의 선택적 특징에서, 발광된 광의 파장은 폭의 함수이고, 길이 방향 섹션은 분산없이 전기적 캐리어를 전송할 수 있으며, 길이 방향 섹션은 전기적 캐리어가 길이 방향 섹션을 탄도학적으로 통과하도록 전기적 캐리어를 전송할 수 있고, 길이 방향 섹션은 전기적 캐리어가 상기 길이 방향 섹션을 간섭성으로 통과하도록 전기적 캐리어를 전송할 수 있으며, 길이 방향 섹션은 상기 전기적 캐리어가 스핀-분극되도록 전기적 캐리어를 전송할 수 있고, 또한, 길이 방향 섹션은 스핀-분극된 전기적 캐리어가 스핀 정보를 손실하지 않고 길이 방향 섹션을 통과하도록 전기적 캐리어를 전송할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 하나 이상의 도핑된 반도체를 포함하는 용액이 제공되며, 여기에서 적어도 하나의 반도체는 그 길이 방향 축에 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 단결정, 봉형 및 벌크 도핑된 반도체, 및 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 갖는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체 중 적어도 하나이다.
본 실시예의 한 양태에서, 적어도 하나의 반도체는 봉형이다. 본 양태의 다양한 선택적 특징에서, 반도체의 길이 방향 섹션에 따른 임의의 지점에서, 섹션의 길이 대 최장 폭의 비율은 4:1, 또는 10:1, 또는 100:1, 또는 심지어 1000:1보다 크다.
본 실시예의 한 양태에서, 적어도 하나의 반도체의 적어도 한 부분은 200㎚, 150㎚, 100㎚, 80㎚, 70㎚, 60㎚, 40㎚, 20㎚, 10㎚ 또는 심지어 5㎚보다 작은 최소폭을 가지고 있다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 적어도 하나의 반도체는 Si, Ge, Sn, Se, Te, B, 다이아몬드, P, B-C, B-P(BP6), B-Si, Si-C, Si-Ge, Si-Sn 및 Ge-Sn, SiC, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, ZnO/ZnS/ZnSe/ZnTe, CdS/CdSe/CdTe, HgS/HgSe/HgTe, BeS/BeSe/BeTe/MgS/MgSe, GeS, GeSe, GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, CuF, CuCl, CuBr, CuI, AgF, AgCl, AgBr, AgI, BeSiN2, CaCN2, ZnGeP2, CdSnAs2, ZnSnSb2, CuGeP3, CuSi2P3, (Cu, Ag)(Al, Ga, In, Tl, Fe)(S, Se, Te)2, Si3N4, Ge3N4, Al2O3, (Al, Ga, In)2(S, Se, Te)3 및 Al2CO를 포함하는 그룹으로부터의 반도체, 및 2개 이상의 그러한 반도체의 적절한 조합을 포함한다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 적어도 하나의 반도체는 주기율표의 그룹 Ⅲ으로부터의 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅴ로부터의 n형 도펀트; B, Al 및 In을 포함하는 그룹으로부터 선택된 p형 도펀트; P, As 및 Sb를 포함하는 그룹에서 선택된 n형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅱ로부터의 p형 도펀트; Mg, Zn, Cd 및 Hg를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅳ로부터의 p형 도펀트; C 및 Si를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 및 Si, Ge, Sn, S, Se 및 Te를 포함하는 그룹에서 선택된 n형을 포함하는 그룹으로부터의 도펀트를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 하나 이상의 도핑된 반도체를 포함하는 디바이스가 제공되고, 여기에서 상기 적어도 하나의 반도체는 그 길이 방향 축에 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 단결정, 봉형 및 벌크 도핑된 반 도체, 및 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 갖는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체 중 적어도 하나이다.
본 실시예의 한 양태에서, 디바이스는 적어도 2개의 도핑된 반도체를 포함하고, 적어도 2개의 도핑된 반도체 양쪽은 그 길이 방향 축에 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 단결정, 봉형 및 벌크 도핑된 반도체, 및 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 갖는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체 중 적어도 하나이며, 첫 번째의 적어도 2개의 도핑된 반도체는 양자 구속을 나타내며, 두 번째의 적어도 2개의 도핑된 반도체는 첫 번째의 양자 구속을 조절한다.
본 실시예의 또 하나의 양태에서, 디바이스는 적어도 2개의 도핑된 반도체를 포함하고, 적어도 2개의 도핑된 반도체 양쪽은 그 길이 방향 축에 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 단결정, 봉형 및 벌크 도핑된 반도체, 및 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 갖는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체 중 적어도 하나이다. 본 실시예의 다양한 선택적 특징에서, 적어도 2개의 벌크-도핑된 반도체는 서로 물리적으로 접촉하고 있고, 적어도 2개의 벌크-도핑된 반도체의 제1은 제1 도전형이고, 적어도 2개의 벌크 도핑된 반도체의 제2는 제2 도전형이며, 제1 도전형은 n형이고, 제2 도전형은 p형이며, 또한 적어도 2개의 벌크 도핑된 반도체는 p-n 접합을 형성한다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 디바이스는 스위치, 다이오드, 발광 다이오드, 터널 다이오드, 쇼트키 다이오드, 바이폴라 접합 트랜지스터, 전계 효과 트랜 지스터, 인버터, 상보형 인버터, 광학 센서, 분석체(예를 들면, DNA)를 위한 센서, 메모리 디바이스, 다이나믹 메모리 디바이스, 스태틱 메모리 디바이스, 레이저, 논리 게이트, AND 게이트, NAND 게이트, EXCLUSIVE-AND 게이트, OR 게이트, NOR 게이트, EXCLUSIVE-OR 게이트, 래치, 레지스터, 클럭 회로, 논리 어레이, 상태 머신, 프로그램 가능한 회로, 증폭기, 변압기, 신호 처리기, 디지털 회로, 아날로그 회로, 발광 소스, 포토루미네슨스 디바이스, 전자루미네슨스 디바이스, 정류기, 포토다이오드, p-n 태양 전지, 포토트랜지스터, 단일-전자 트랜지스터, 단일 광자 에미터, 단일 양자 검출기, 스핀트로닉(spintronic) 디바이스, 원자력 마이크로스코프를 위한 매우 날카로운 탐침, 주사 터널링 마이크로스코프, 전계 방출 디바이스, 포토루미네슨스 태그, 광발전 디바이스, 포토닉 밴드 갭 재료(photonic band gap materials), 주사 근계 광학 마이크로스코프 팁, 및 디지털 및 아날로그 구성요소를 포함하는 회로 중 하나 이상을 포함한다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 이전 문단에서 열거된 하나 이상의 디바이스 구성요소를 포함하는 디바이스에 대해, 디바이스 구성요소들 중 하나는 적어도 하나의 반도체를 포함한다. 본 양태의 선택적 특징에서, 디바이스의 복수의 구성요소는 적어도 하나의 반도체를 포함하고, 각 디바이스 구성요소에 대해, 적어도 하나의 반도체는 그 길이 방향 축에 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 단결정, 봉형 및 벌크 도핑된 반도체, 및 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 갖는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체 중 적어도 하나이다.
본 실시예의 양태에서, 적어도 하나의 반도체는 봉형이다. 본 양태의 다양한 선택적 특징에서, 반도체의 길이 방향 섹션에 따른 임의의 지점에서, 섹션의 길이 대 최장 폭의 비율은 4:1, 또는 10:1, 또는 100:1, 또는 심지어 1000:1보다 크다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 적어도 하나의 반도체의 적어도 한 부분은 200㎚, 150㎚, 100㎚, 80㎚, 70㎚, 60㎚, 40㎚, 20㎚, 10㎚ 또는 심지어 5㎚보다 작은 최소폭을 가지고 있다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 적어도 하나의 반도체는 Si, Ge, Sn, Se, Te, B, 다이아몬드, P, B-C, B-P(BP6), B-Si, Si-C, Si-Ge, Si-Sn 및 Ge-Sn, SiC, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, ZnO/ZnS/ZnSe/ZnTe, CdS/CdSe/CdTe, HgS/HgSe/HgTe, BeS/BeSe/BeTe/MgS/MgSe, GeS, GeSe, GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, CuF, CuCl, CuBr, CuI, AgF, AgCl, AgBr, AgI, BeSiN2, CaCN2, ZnGeP2, CdSnAs2, ZnSnSb2, CuGeP3, CuSi2P3, (Cu, Ag)(Al, Ga, In, Tl, Fe)(S, Se, Te)2, Si3N4, Ge3N4, Al2O3, (Al, Ga, In)2(S, Se, Te)3 및 Al2CO를 포함하는 그룹으로부터의 반도체, 및 2개 이상의 그러한 반도체의 적절한 조합을 포함한다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 적어도 하나의 반도체는 주기율표의 그룹 Ⅲ으로부터의 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅴ로부터의 n형 도펀트; B, Al 및 In을 포함하는 그룹으로부터 선택된 p형 도펀트; P, As 및 Sb를 포함하는 그룹에서 선택된 n형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅱ로부터의 p형 도펀트; Mg, Zn, Cd 및 Hg를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅳ로부터의 p형 도펀트; C 및 Si를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 또는 Si, Ge, Sn, S, Se 및 Te를 포함하는 그룹에서 선택된 n형을 포함하는 그룹으로부터의 도펀트를 포함한다.
본 실시예의 또 다른 양태에서, 디바이스는 적어도 하나의 벌크-도핑된 반도체에 전기적으로 결합되는 또 하나의 반도체를 포함한다.
본 실시예의 또 다른 양태에서, 디바이스는 적어도 하나의 벌크 도핑된 반도체에 광학적으로 결합된 또 하나의 반도체를 포함한다. 본 실시예의 또 다른 하나의 양태에서, 디바이스는 적어도 하나의 벌크 도핑된 반도체에 자기적으로 결합되는 또 하나의 반도체를 포함한다.
본 실시예의 또 다른 양태에서, 디바이스는 적어도 하나의 벌크 도핑된 반도체에 물리적으로 접촉하는 또 하나의 반도체를 포함한다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 적어도 하나의 반도체는 전기 콘택트, 광학 콘택트, 또는 자기 콘택트 중 하나 이상에 결합된다.
본 실시예의 다른 양태에서, 적어도 하나의 반도체의 도전성은 신호에 응답하여 제어가능하다. 본 양태의 다양한 선택적 특징에서, 적어도 하나의 반도체의 도전성은 값들의 범위내의 임의의 값을 가지도록 제어가능하다. 적어도 하나의 반도체는 2개 이상의 상태 사이에서 스위칭 가능하다. 적어도 하나의 반도체는 도전 상태와 절연 상태 사이에서 신호에 의해 스위칭 가능하다. 적어도 하나의 반도체 의 2개 이상의 상태는 인가 신호없이 유지가능하다. 적어도 하나의 반도체의 도전성은 전기 신호에 응답하여 제어 가능하다. 적어도 하나의 반도체의 도전성은 광학 신호에 응답하여 제어 가능하다. 적어도 하나의 반도체의 도전성은 자성 신호에 응답하여 제어 가능하다. 그리고, 적어도 하나의 반도체의 도전성은 게이트 단자의 신호에 응답하여 제어 가능하다.
본 실시예의 다른 양태에서, 적어도 2개의 반도체가 어레이로 배치되고, 어레이로 배치되는 적어도 하나의 반도체는 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 포함하는 벌크 도핑된 반도체이다. 본 실시예의 선택적 특징에서, 어레이는 순서화된 어레이가 아니다.
본 실시예의 또 다른 양태에서, 디바이스는 2개 이상의 분리되고 상호접속된 회로를 포함하고, 회로들 중 적어도 하나는 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 포함하는 벌크-도핑된 반도체를 포함하지 않는다.
본 실시예의 다른 양태에서, 디바이스는 하나 이상의 핀 아웃(pinout)을 가지고 있는 칩 상에 실시된다. 본 실시예의 선택적 특징에서, 칩은 분리되고 상호접속된 회로를 포함하고, 회로들 중 적어도 하나는 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 포함하는 벌크 도핑된 반도체를 포함하지 않는다.
또 다른 실시예에서, 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 하나의 일부를 포함하는 벌크-도핑된 반도체를 성장시키기 위한 반응물의 집합체가 제공되고, 집합체는 반도체 반응물 및 도펀트 반응물을 포함한다.
본 실시예의 양태에서, 적어도 하나의 반도체는 봉형이다. 본 양태의 다양 한 선택적 특징에서, 반도체의 길이 방향 섹션에 따른 임의의 지점에서, 섹션의 길이 대 최장 폭의 비율은 4:1, 또는 10:1, 또는 100:1, 또는 심지어 1000:1보다 크다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 적어도 하나의 반도체의 적어도 한 부분은 200㎚, 150㎚, 100㎚, 80㎚, 70㎚, 60㎚, 40㎚, 20㎚, 10㎚ 또는 심지어 5㎚보다 작은 최소폭을 가지고 있다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 적어도 하나의 반도체는 Si, Ge, Sn, Se, Te, B, 다이아몬드, P, B-C, B-P(BP6), B-Si, Si-C, Si-Ge, Si-Sn 및 Ge-Sn, SiC, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, ZnO/ZnS/ZnSe/ZnTe, CdS/CdSe/CdTe, HgS/HgSe/HgTe, BeS/BeSe/BeTe/MgS/MgSe, GeS, GeSe, GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, CuF, CuCl, CuBr, CuI, AgF, AgCl, AgBr, AgI, BeSiN2, CaCN2, ZnGeP2, CdSnAs2, ZnSnSb2, CuGeP3, CuSi2P3, (Cu, Ag)(Al, Ga, In, Tl, Fe)(S, Se, Te)2, Si3N4, Ge3N4, Al2O3, (Al, Ga, In)2(S, Se, Te)3 및 Al2CO를 포함하는 그룹으로부터의 반도체, 및 2개 이상의 그러한 반도체의 적절한 조합을 포함한다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 적어도 하나의 반도체는 주기율표의 그룹 Ⅲ으로부터의 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅴ로부터의 n형 도펀트; B, Al 및 In을 포함하는 그룹으로부터 선택된 p형 도펀트; P, As 및 Sb를 포함하는 그룹에서 선택 된 n형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅱ로부터의 p형 도펀트; Mg, Zn, Cd 및 Hg를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅳ로부터의 p형 도펀트; C 및 Si를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 또는 Si, Ge, Sn, S, Se 및 Te를 포함하는 그룹에서 선택된 n형을 포함하는 그룹으로부터의 도펀트를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 반도체는 반도체의 성장 동안에 도핑된다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 반도체는 자유 설치형이다. 반도체는 겨우 100㎚의 최소폭을 가지고 있다. 도핑 범위가 제어된다. 도핑된 반도체는 에너지를 분자 집합체에 인가함으로써 성장된다. 분자 집합체는 반도체의 분자 및 도펀트의 분자를 포함한다. 도핑의 범위가 제어된다. 도펀트 분자의 양에 대한 반도체 분자의 양의 비율이 제어된다. 레이저를 이용하여 분자가 기화되어 기화된 분자를 형성한다. 반도체는 기화된 분자로부터 성장된다. 기화된 분자는 액체 클러스터로 응축된다. 액체 클러스터로부터 반도체가 성장된다. 레이저 지원 촉매 성장을 이용하여 반도체 성장이 수행된다. 분자의 집합체는 촉매 재료의 분자의 클러스터를 포함한다. 반도체의 폭이 제어된다. 반도체의 폭은 촉매 클러스터의 폭을 제어함으로써 제어된다.
본 실시예의 추가 양태에서, 도핑 단계는 적어도 분자에 대해 화학적 증착을 수행하는 단계를 포함한다. 성장된 반도체는 20㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 포함한다. 성장된 반도체는 10㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 포함한다. 성장된 반도체는 5㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 포함한다.
본 실시예의 또 다른 추가 양태에서, 성장된 반도체는 자성을 띤다. 성장된 반도체를 자성으로 만드는 재료로 반도체가 도핑된다. 성장된 반도체는 강자성이다. 성장된 반도체를 강자성으로 만드는 재료로 반도체가 도핑된다. 반도체는 망간으로 도핑된다.
본 실시예의 양태에서, 적어도 하나의 반도체는 봉형이다. 본 양태의 다양한 선택적 특징에서, 반도체의 길이 방향 섹션에 따른 임의의 지점에서, 섹션의 길이 대 최장 폭의 비율은 4:1, 또는 10:1, 또는 100:1, 또는 심지어 1000:1보다 크다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 적어도 하나의 반도체의 적어도 한 부분은 200㎚, 150㎚, 100㎚, 80㎚, 70㎚, 60㎚, 40㎚, 20㎚, 10㎚ 또는 심지어 5㎚보다 작은 최소폭을 가지고 있다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 적어도 하나의 반도체는 Si, Ge, Sn, Se, Te, B, 다이아몬드, P, B-C, B-P(BP6), B-Si, Si-C, Si-Ge, Si-Sn 및 Ge-Sn, SiC, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, ZnO/ZnS/ZnSe/ZnTe, CdS/CdSe/CdTe, HgS/HgSe/HgTe, BeS/BeSe/BeTe/MgS/MgSe, GeS, GeSe, GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, CuF, CuCl, CuBr, CuI, AgF, AgCl, AgBr, AgI, BeSiN2, CaCN2, ZnGeP2, CdSnAs2, ZnSnSb2, CuGeP3, CuSi2P3, (Cu, Ag)(Al, Ga, In, Tl, Fe)(S, Se, Te)2, Si3N4, Ge3N4, Al2O3, (Al, Ga, In)2(S, Se, Te)3 및 Al2CO를 포함하는 그룹으로부터의 반도체, 및 2개 이상의 그러한 반도체의 적절한 조합을 포함한다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 적어도 하나의 반도체는 주기율표의 그룹 Ⅲ으로부터의 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅴ로부터의 n형 도펀트; B, Al 및 In을 포함하는 그룹으로부터 선택된 p형 도펀트; P, As 및 Sb를 포함하는 그룹에서 선택된 n형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅱ로부터의 p형 도펀트; Mg, Zn, Cd 및 Hg를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅳ로부터의 p형 도펀트; C 및 Si를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 또는 Si, Ge, Sn, S, Se 및 Te를 포함하는 그룹에서 선택된 n형을 포함하는 그룹으로부터의 도펀트를 포함한다.
다른 실시예에서, 디바이스가 제조된다. 하나 이상의 반도체가 표면에 접촉되고, 적어도 하나의 반도체는 그 길이 방향 축에 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 단결정, 봉형 및 벌크 도핑된 반도체, 및 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 갖는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체 중 적어도 하나이다. 본 실시예의 다양한 양태에서, 표면은 기판이다. 표면에 접촉시키기 이전에, 적어도 하나의 반도체는 에너지를 반도체 분자 및 도펀트 분자에 인가함으로써 성장된다. 하나 이상의 반도체를 포함하는 용액이 표면에 접촉된다. 하나 이상의 반도체는 전계를 이용하여 표면 상에 정렬된다. 적어도 2개의 전극 사이에서 전계가 생성되고, 전극들 사이에 하나 이상의 반도체가 배치된다. 하나 이상의 다른 반도체를 포함하는 다른 용액이 표면에 접촉되어, 적어도 하나의 나머 지 반도체는 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 포함하는 벌크 도핑된 반도체이다. 표면은 하나 이상의 접촉된 반도체를 상기 표면에 부착하도록 컨디셔닝된다. 표면 상에 채널이 형성된다. 패턴이 표면 상에 형성된다. 하나 이상의 반도체가 전계를 이용하여 표면 상에 정렬된다. 적어도 하나의 반도체는 봉형이다.
본 양태의 다양한 선택적 특징에서, 반도체의 길이 방향 섹션에 따른 임의의 지점에서, 섹션의 길이 대 최장 폭의 비율은 4:1, 또는 10:1, 또는 100:1, 또는 심지어 1000:1보다 크다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 적어도 하나의 반도체의 적어도 한 부분은 200㎚, 150㎚, 100㎚, 80㎚, 70㎚, 60㎚, 40㎚, 20㎚, 10㎚ 또는 심지어 5㎚보다 작은 최소폭을 가지고 있다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 적어도 하나의 반도체는 Si, Ge, Sn, Se, Te, B, 다이아몬드, P, B-C, B-P(BP6), B-Si, Si-C, Si-Ge, Si-Sn 및 Ge-Sn, SiC, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, ZnO/ZnS/ZnSe/ZnTe, CdS/CdSe/CdTe, HgS/HgSe/HgTe, BeS/BeSe/BeTe/MgS/MgSe, GeS, GeSe, GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, CuF, CuCl, CuBr, CuI, AgF, AgCl, AgBr, AgI, BeSiN2, CaCN2, ZnGeP2, CdSnAs2, ZnSnSb2, CuGeP3, CuSi2P3, (Cu, Ag)(Al, Ga, In, Tl, Fe)(S, Se, Te)2, Si3N4, Ge3N4, Al2O3, (Al, Ga, In)2(S, Se, Te)3 및 Al2CO를 포함하는 그룹으로부터의 반도체, 및 2개 이상의 그러한 반도체의 적절한 조합을 포함한다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 적어도 하나의 반도체는 주기율표의 그룹 Ⅲ으로부터의 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅴ로부터의 n형 도펀트; B, Al 및 In을 포함하는 그룹으로부터 선택된 p형 도펀트; P, As 및 Sb를 포함하는 그룹에서 선택된 n형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅱ로부터의 p형 도펀트; Mg, Zn, Cd 및 Hg를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅳ로부터의 p형 도펀트; C 및 Si를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 또는 Si, Ge, Sn, S, Se 및 Te를 포함하는 그룹에서 선택된 n형을 포함하는 그룹으로부터의 도펀트를 포함한다.
다른 실시예에서, 광을 생성하는 것은 하나 이상의 반도체가 발광하도록 유도하는 하나 이상의 반도체에 에너지를 인가함으로써 생성되고, 여기에서 적어도 하나의 반도체는 그 길이 방향 축에 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 단결정, 봉형 및 벌크 도핑된 반도체, 및 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 갖는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체 중 적어도 하나이다.
본 실시예의 양태에서, 적어도 하나의 반도체는 봉형이다. 본 양태의 다양한 선택적 특징에서, 반도체의 길이 방향 섹션에 따른 임의의 지점에서, 섹션의 길이 대 최장 폭의 비율은 4:1, 또는 10:1, 또는 100:1, 또는 심지어 1000:1보다 크다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 적어도 하나의 반도체의 적어도 한 부분은 200㎚, 150㎚, 100㎚, 80㎚, 70㎚, 60㎚, 40㎚, 20㎚, 10㎚ 또는 심지어 5㎚보다 작은 최소폭을 가지고 있다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 적어도 하나의 반도체는 Si, Ge, Sn, Se, Te, B, 다이아몬드, P, B-C, B-P(BP6), B-Si, Si-C, Si-Ge, Si-Sn 및 Ge-Sn, SiC, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, ZnO/ZnS/ZnSe/ZnTe, CdS/CdSe/CdTe, HgS/HgSe/HgTe, BeS/BeSe/BeTe/MgS/MgSe, GeS, GeSe, GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, CuF, CuCl, CuBr, CuI, AgF, AgCl, AgBr, AgI, BeSiN2, CaCN2, ZnGeP2, CdSnAs2, ZnSnSb2, CuGeP3, CuSi2P3, (Cu, Ag)(Al, Ga, In, Tl, Fe)(S, Se, Te)2, Si3N4, Ge3N4, Al2O3, (Al, Ga, In)2(S, Se, Te)3 및 Al2CO를 포함하는 그룹으로부터의 반도체, 및 2개 이상의 그러한 반도체의 적절한 조합을 포함한다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 적어도 하나의 반도체는 주기율표의 그룹 Ⅲ으로부터의 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅴ로부터의 n형 도펀트; B, Al 및 In을 포함하는 그룹으로부터 선택된 p형 도펀트; P, As 및 Sb를 포함하는 그룹에서 선택된 n형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅱ로부터의 p형 도펀트; Mg, Zn, Cd 및 Hg를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅳ로부터의 p형 도펀트; C 및 Si를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 또는 Si, Ge, Sn, S, Se 및 Te를 포함 하는 그룹에서 선택된 n형을 포함하는 그룹으로부터의 도펀트를 포함한다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 적어도 하나의 반도체는 벌크 도핑된다. 반도체는 다이렉트-밴드-갭 반도체를 포함한다. 2개의 교차된 반도체의 접합 양단에 전압이 인가된다. 각 반도체는 500㎚보다 작은 최소폭을 가지고 있다. 각 반도체는 100㎚보다 작은 최소폭을 가지고 있다. 100㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 하나의 반도체의 치수를 제어함으로써 방출광의 파장이 제어된다. 반도체는 봉형이고, 봉형 반도체의 폭이 제어된다. 반도체는 매스(mass)가 최소의 최단 치수를 가지는 경우, 반도체의 매스가 제1 파장에서 발광하는 특성을 가지고 있고, 반도체의 제어된 치수는 최소 최단 치수보다 작다.
또 다른 실시예에서, 도핑된 반도체 구성요소 및 하나 이상의 다른 구성요소를 포함하는 디바이스가 제조된다. 도핑된 반도체 구성요소를 생성하도록 그 성장 동안에 반도체가 도핑되고, 도핑된 반도체 구성요소가 하나 이상의 다른 구성요소 중 적어도 하나에 부착된다.
본 실시예의 양태에서, 도핑된 반도체는 그 길이 방향 축에 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 단결정, 봉형 및 벌크 도핑된 반도체, 및 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 갖는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체 중 적어도 하나이다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 반도체 구성요소는 적어도 나노와이어의 일부이고, 반도체는 반도체의 성장 동안에 도핑된다.
또 다른 실시예에서, 나노미터 단위에서 특성 치수를 가지는 봉형 소자를 포 함하는 반도체 반도체 디바이스를 상기 소자의 횡단 방향으로 제어가능하게 조립하기 위한 프로세스가 제공되고, 상기 프로세스는 제1 도핑 타입의 적어도 하나의 제1 소자를 생성하는 단계; 제1 소자를 제1 방향으로 배향시키는 단계; 및 제1 소자를 통해 전류가 흐를 수 있도록 제1 소자를 적어도 하나의 제1 콘택트에 접속시키는 단계를 포함한다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 프로세스는 제2 도핑 타입의 적어도 하나의 제2 소자를 생성하는 단계; 제2 소자를 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 배향시키는 단계; 제1 소자와 제2 소자 사이에서 전기적 접촉을 가능하게 하는 단계; 및 제1 및 제2 소자 사이에 전류가 흐를 수 있도록 제2 소자를 적어도 하나의 제2 콘택트에 접속시키는 단계를 더 포함한다. 프로세스는 제1 소자를 공간 이격된 콘택트에 접속시키고, 게이트 전극을 공간 이격된 콘택트간의 제1 소자 근처에 배치함으로써, FET를 형성하는 단계를 더 포함한다. 제1 도핑 타입은 n형 또는 p형 중 하나이다. 제1 도핑 타입이 p형이면, 제2 도핑 타입은 n형이고, 제1 도핑 타입이 n형이면 p형이다. 제1 소자는 적어도 하나의 전계 또는 유체 플로우를 인가함으로써 배향된다. 제1 소자는 유체 플로우에서 부유되고, 제1 소자는 기계적 툴을 적용함으로써 배향된다. 제2 소자는 적어도 하나의 전계 또는 유체 플로우를 인가함으로써 배향된다. 제2 소자는 유체 플로우에 부유된다. 제2 소자는 기계적 툴을 적용함으로써 배향된다.
또 다른 실시예에서, 금속 콘택트의 어레이를 가지는 실리콘 기판; 어레이와의 전기적 통신시 형성되고 p형 반도체 나노와이어로 형성되는 제1 바를 포함하는 크로스바 스위치; 및 n형 반도체 나노와이어로 형성되고 제1 바로부터 이격되며 거기에 가로로 배치되는 제2 바를 포함하는 반도체 디바이스가 제공된다.
본 실시예의 양태에서, 제2 바는 제1 바로부터 1-10㎚ 사이의 공간들이다.
또 다른 실시예에서, 콘택트 지점들 사이에 전위를 인가함으로써 2개의 콘택트 지점들 사이에 제1 나노와이어를 배치시키는 단계, 및 2개의 상이한 콘택트 지점들 사이에 제2 나노와이어를 배치시키는 단계를 포함하는 나노와이어 반도체 디바이스 제조방법이 제공된다.
다른 실시예에서, 선택적으로 나노와이어를 끌어당기는 하나 이상의 영역을 가지는 표면을 형성하는 단계를 포함하는 나노와이어 반도체 디바이스 제조방법이 제공된다.
다른 실시예에서, 나노와이어로부터 발광 다이오드를 제조하는 방법이 제공되는데, 다이오드는 2개의 도핑된 나노와이어 간의 p-n 접합의 치수에 의해 결정된 방출 파장을 가진다.
또 다른 실시예에서, p형 나노와이어 및 n형 나노와이어를 교차시킴으로써 반도체 접합을 제조하는 방법이 제공된다.
다른 실시예에서, 하나 이상의 봉형 구조를 포함하는 유체를 표면 상으로 흘리는(flowing) 단계; 및 봉형 구조의 어레이를 형성하도록 하나 이상의 봉형 구조를 표면 상에 정렬시키는 단계를 포함하는 표면 상에 하나 이상의 봉형 구조를 조립하는 방법이 제공된다.
본 방법의 다양한 실시예에서, 플로우시키는 단계는 유체를 제1 방향으로 흘 리는 단계를 포함하고, 정렬 단계는 어레이된 구조의 제1층을 형성하도록 유체가 제1 방향으로 흐를 때 하나 이상의 봉형 구조를 정렬시키는 단계를 포함하고, 방법은 플로우의 방향을 제1 방향에서 제2 방향으로 변경하는 단계, 및 흘리는 단계 및 정렬 단계를 반복하는 단계를 더 포함한다. 제1층으로부터의 적어도 제1 봉형 구조는 제2 어레이로부터의 적어도 제2 봉형 구조와 접촉한다. 제1 및 제2 봉형 구조 중 하나는 제1 도전형의 도핑된 반도체이고, 제1 및 제2 봉형 구조의 다른 하나는 제2 도전형의 도핑된 반도체이다. 제1 도전형은 p형이고, 제2 도전형은 n형이며, 제1 및 제2 봉형 구조는 p-n 접합을 형성한다. 표면은 기판의 표면이다. 방법은 기판의 표면으로부터 또 다른 기판의 표면으로 봉형 구조의 어레이를 이송하는 단계를 더 포함한다. 이송 단계는 스탬핑하는 단계를 포함한다. 하나 이상의 봉형 구조가 표면 상으로 정렬되는 동시에 유체내에 포함된다. 방법은 하나 이상의 봉형 구조를 표면 상의 특정 위치로 끌어당기는 하나 이상의 관능기로 표면을 컨디셔닝하는 단계를 더 포함하고, 정렬 단계는 하나 이상의 관능기를 이용하여 하나 이상의 봉형 구조를 특정 위치로 끌어당기는 단계를 포함한다. 컨디셔닝 단계는 하나 이상의 분자로 상기 표면을 컨디셔닝하는 단계를 포함한다. 컨디셔닝 단계는 하나 이상의 전하로 상기 표면을 컨디셔닝하는 단계를 포함한다. 컨디셔닝 단계는 하나 이상의 마그네토로 상기 표면을 컨디셔닝하는 단계를 포함한다. 컨디셔닝 단계는 하나 이상의 광 세기로 표면을 컨디셔닝하는 단계를 포함한다. 컨디셔닝 단계는 화학적 힘을 이용하여 상기 하나 이상의 봉형 구조를 상기 표면 상의 특정 위치로 끌어당기는 하나 이상의 관능기로 표면을 컨디셔닝하는 단계를 포함한 다. 컨디셔닝 단계는 광학 힘을 이용하여 상기 하나 이상의 봉형 구조를 상기 표면 상의 특정 위치로 끌어당기는 하나 이상의 관능기로 상기 표면을 컨디셔닝하는 단계를 포함한다. 컨디셔닝 단계는 정전기력을 이용하여 상기 하나 이상의 봉형 구조를 상기 표면 상의 특정 위치로 끌어당기는 하나 이상의 관능기로 상기 표면을 컨디셔닝하는 단계를 포함한다. 컨디셔닝 단계는 자기력을 이용하여 상기 하나 이상의 봉형 구조를 상기 표면 상의 특정 위치로 끌어당기는 하나 이상의 관능기로 상기 표면을 컨디셔닝하는 단계를 포함한다. 방법은 하나 이상의 봉형 구조를 상기 표면 상의 특정 위치에서 수용하도록 상기 표면을 패터닝하는 단계를 더 포함한다. 패터닝 단계는 표면 상에 물리적 패턴을 생성하는 단계를 포함한다. 물리적 패턴은 트렌치이다. 물리적 패턴은 단차(step)이다. 표면은 기판의 표면이고, 물리적 패턴을 표면상에 생성하는 단계는 기판의 결정 격자 단차를 이용하는 단계를 포함한다. 표면은 기판의 표면이고, 물리적 패턴을 표면상에 생성하는 단계는 자가-조립된 다이-블럭(self-assembled di-block) 폴리머 스트립(polymer strip)을 이용하는 단계를 포함한다. 물리적 패턴을 표면상에 생성하는 단계는 패턴을 이용하는 단계를 포함한다. 물리적 패턴을 표면상에 생성하는 단계는 인쇄된(imprinted) 패턴을 이용하는 단계를 포함한다. 플로우 단계는 채널을 이용하여 유체의 플로우를 제어하는 단계를 포함한다.
본 실시예의 추가 양태에서, 적어도 하나의 봉형 구조는 반도체이다. 적어도 하나의 봉형 구조는 도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 봉형 구조는 벌크-도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 도핑된 단결정 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 그 길이 방향 축을 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 봉형의 벌크 도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 포함하는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 그 길이 방향 축에 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 단결정, 봉형 및 벌크 도핑된 반도체, 및 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 갖는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체 중 적어도 하나인 도핑된 반도체이다. 도핑된 반도체는 Si, Ge, Sn, Se, Te, B, 다이아몬드, P, B-C, B-P(BP6), B-Si, Si-C, Si-Ge, Si-Sn 및 Ge-Sn, SiC, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, ZnO/ZnS/ZnSe/ZnTe, CdS/CdSe/CdTe, HgS/HgSe/HgTe, BeS/BeSe/BeTe/MgS/MgSe, GeS, GeSe, GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, CuF, CuCl, CuBr, CuI, AgF, AgCl, AgBr, AgI, BeSiN2, CaCN2, ZnGeP2, CdSnAs2, ZnSnSb2, CuGeP3, CuSi2P3, (Cu, Ag)(Al, Ga, In, Tl, Fe)(S, Se, Te)2, Si3N4, Ge3N4, Al2O3, (Al, Ga, In)2(S, Se, Te)3 및 Al2CO를 포함하는 그룹에서 선택되는 반도체를 포함한다. 도핑된 반도체는 주기율표의 그룹 Ⅲ으로부터의 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅴ로부터의 n형 도펀트; B, Al 및 In을 포함하는 그룹으로부터 선택된 p형 도펀트; P, As 및 Sb를 포함하는 그룹에서 선택된 n형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅱ로부터의 p형 도펀트; Mg, Zn, Cd 및 Hg를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅳ로부터의 p형 도펀트; C 및 Si를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 및 Si, Ge, Sn, S, Se 및 Te를 포함하는 그룹에서 선택된 n형을 포함하는 그룹으로부터 선택된 도펀트를 포함한다. 도핑된 반도체는 반도체의 성장 동안에 도핑된다.
또 다른 실시예에서, 표면 상에 하나 이상의 봉형 구조를 조립하는 방법이 제공되고, 여기에서 하나 이상의 봉형 구조는 그 길이 방향 축에 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 단결정, 봉형 및 벌크 도핑된 반도체, 및 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 갖는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체 중 적어도 하나이며, 방법은 하나 이상의 봉형 구조를 상기 표면 상의 특정 위치로 끌어당기는 하나 이상의 관능기로 상기 표면을 컨디셔닝하는 단계; 및 하나 이상의 관능기를 이용하여 하나 이상의 봉형 구조를 상기 특정 위치로 끌어당김으로써 상기 하나 이상의 봉형 구조를 정렬시키는 단계를 포함한다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 컨디셔닝 단계는 표면을 하나 이상의 분자로 컨디셔닝하는 단계를 포함한다. 컨디셔닝 단계는 표면을 하나 이상의 전하로 컨디셔닝하는 단계를 포함한다. 컨디셔닝 단계는 표면을 하나 이상의 마그네토로 컨디셔닝하는 단계를 포함한다. 컨디셔닝 단계는 표면을 하나 이상의 광 세기로 컨디셔닝하는 단계를 포함한다. 컨디셔닝 단계는 화학적 힘을 이용하여 상기 하나 이상의 봉형 구조를 상기 표면상의 특정 위치로 끌어당기는 하나 이상의 관능기로 상기 표면을 컨디셔닝하는 단계를 포함한다. 컨디셔닝 단계는 광학적 힘을 이용하여 상기 하나 이상의 봉형 구조를 상기 표면상의 특정 위치로 끌어당기는 하나 이상의 관능기로 상기 표면을 컨디셔닝하는 단계를 포함한다. 컨디셔닝 단계는 정전기력 을 이용하여 상기 하나 이상의 봉형 구조를 상기 표면상의 특정 위치로 끌어당기는 하나 이상의 관능기로 상기 표면을 컨디셔닝하는 단계를 포함한다. 컨디셔닝 단계는 자기력을 이용하여 상기 하나 이상의 봉형 구조를 상기 표면상의 특정 위치로 끌어당기는 하나 이상의 관능기로 상기 표면을 컨디셔닝하는 단계를 포함한다.
본 실시예의 추가 양태에서, 적어도 하나의 봉형 구조는 반도체이다. 적어도 하나의 봉형 구조는 도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 봉형 구조는 벌크-도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 도핑된 단결정 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 그 길이 방향 축을 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 봉형의 벌크 도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 포함하는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 그 길이 방향 축에 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 단결정, 봉형 및 벌크 도핑된 반도체, 및 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 갖는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체 중 적어도 하나인 도핑된 반도체이다. 도핑된 반도체는 Si, Ge, Sn, Se, Te, B, 다이아몬드, P, B-C, B-P(BP6), B-Si, Si-C, Si-Ge, Si-Sn 및 Ge-Sn, SiC, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, ZnO/ZnS/ZnSe/ZnTe, CdS/CdSe/CdTe, HgS/HgSe/HgTe, BeS/BeSe/BeTe/MgS/MgSe, GeS, GeSe, GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, CuF, CuCl, CuBr, CuI, AgF, AgCl, AgBr, AgI, BeSiN2, CaCN2, ZnGeP2, CdSnAs2, ZnSnSb2, CuGeP3, CuSi2P3, (Cu, Ag)(Al, Ga, In, Tl, Fe)(S, Se, Te)2, Si3N4, Ge3N4, Al2O3, (Al, Ga, In)2(S, Se, Te)3 및 Al2CO를 포함하는 그룹에서 선택되는 반도체를 포함한다. 도핑된 반도체는 주기율표의 그룹 Ⅲ으로부터의 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅴ로부터의 n형 도펀트; B, Al 및 In을 포함하는 그룹으로부터 선택된 p형 도펀트; P, As 및 Sb를 포함하는 그룹에서 선택된 n형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅱ로부터의 p형 도펀트; Mg, Zn, Cd 및 Hg를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅳ로부터의 p형 도펀트; C 및 Si를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 및 Si, Ge, Sn, S, Se 및 Te를 포함하는 그룹에서 선택된 n형을 포함하는 그룹으로부터 선택된 도펀트를 포함한다. 도핑된 반도체는 반도체의 성장 동안에 도핑된다.
또 다른 실시예에서, 표면 상에 복수의 봉형 구조를 조립하는 방법이 제공되며, 여기에서 하나 이상의 봉형 구조는 그 길이 방향 축에 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 단결정, 봉형 및 벌크 도핑된 반도체, 및 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 갖는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체 중 적어도 하나이며, 방법은 복수의 봉형 구조를 표면 상에 퇴적시키는 단계; 및 복수의 봉형 구조들 중 2개 이상 사이에서 정전기력을 생성하도록 표면을 전기적으로 충전하는 단계를 포함한다.
본 실시예의 다양한 실시예에서, 정전기력은 상기 2개 이상의 봉형 구조가 그 자체를 정렬시키도록 한다. 정전기력은 2개 이상의 봉형 구조가 그 자체를 하 나 이상의 패턴으로 정렬시키도록 한다. 하나 이상의 패턴은 평행 어레이를 포함한다.
본 실시예의 추가 양태에서, 적어도 하나의 봉형 구조는 반도체이다. 적어도 하나의 봉형 구조는 도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 봉형 구조는 벌크-도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 도핑된 단결정 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 그 길이 방향 축을 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 봉형의 벌크 도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 포함하는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 그 길이 방향 축에 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 단결정, 봉형 및 벌크 도핑된 반도체, 및 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 갖는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체 중 적어도 하나인 도핑된 반도체이다. 도핑된 반도체는 Si, Ge, Sn, Se, Te, B, 다이아몬드, P, B-C, B-P(BP6), B-Si, Si-C, Si-Ge, Si-Sn 및 Ge-Sn, SiC, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, ZnO/ZnS/ZnSe/ZnTe, CdS/CdSe/CdTe, HgS/HgSe/HgTe, BeS/BeSe/BeTe/MgS/MgSe, GeS, GeSe, GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, CuF, CuCl, CuBr, CuI, AgF, AgCl, AgBr, AgI, BeSiN2, CaCN2, ZnGeP2, CdSnAs2, ZnSnSb2, CuGeP3, CuSi2P3, (Cu, Ag)(Al, Ga, In, Tl, Fe)(S, Se, Te)2, Si3N4, Ge3N4, Al2O3, (Al, Ga, In)2(S, Se, Te)3 및 Al2CO를 포 함하는 그룹에서 선택되는 반도체를 포함한다. 도핑된 반도체는 주기율표의 그룹 Ⅲ으로부터의 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅴ로부터의 n형 도펀트; B, Al 및 In을 포함하는 그룹으로부터 선택된 p형 도펀트; P, As 및 Sb를 포함하는 그룹에서 선택된 n형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅱ로부터의 p형 도펀트; Mg, Zn, Cd 및 Hg를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅳ로부터의 p형 도펀트; C 및 Si를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 및 Si, Ge, Sn, S, Se 및 Te를 포함하는 그룹에서 선택된 n형을 포함하는 그룹으로부터 선택된 도펀트를 포함한다. 도핑된 반도체는 반도체의 성장 동안에 도핑된다.
또 다른 실시예에서, 표면 상에 복수의 봉형 구조를 조립하는 방법이 제공되는데, 여기에서 하나 이상의 봉형 구조는 그 길이 방향 축에 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 단결정, 봉형 및 벌크 도핑된 반도체, 및 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 갖는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체 중 적어도 하나이며, 방법은 랭뮤어-블로젯 막(Langmuir-Blodgett film)을 형성하도록 상기 하나 이상의 봉형 구조를 액상의 표면에 분산시키는 단계; 랭뮤어-블로젯 막을 압축하는 단계; 및 압축된 랭뮤어-블로젯 막을 표면 상으로 이송하는 단계를 포함한다.
본 실시예의 양태에서, 표면은 기판의 표면이다.
본 실시예의 추가 양태에서, 적어도 하나의 봉형 구조는 반도체이다. 적어도 하나의 봉형 구조는 도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 봉형 구조는 벌크-도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 도핑된 단결정 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 그 길이 방향 축을 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 봉형의 벌크 도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 포함하는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 그 길이 방향 축에 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 단결정, 봉형 및 벌크 도핑된 반도체, 및 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 갖는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체 중 적어도 하나인 도핑된 반도체이다. 도핑된 반도체는 Si, Ge, Sn, Se, Te, B, 다이아몬드, P, B-C, B-P(BP6), B-Si, Si-C, Si-Ge, Si-Sn 및 Ge-Sn, SiC, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, ZnO/ZnS/ZnSe/ZnTe, CdS/CdSe/CdTe, HgS/HgSe/HgTe, BeS/BeSe/BeTe/MgS/MgSe, GeS, GeSe, GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, CuF, CuCl, CuBr, CuI, AgF, AgCl, AgBr, AgI, BeSiN2, CaCN2, ZnGeP2, CdSnAs2, ZnSnSb2, CuGeP3, CuSi2P3, (Cu, Ag)(Al, Ga, In, Tl, Fe)(S, Se, Te)2, Si3N4, Ge3N4, Al2O3, (Al, Ga, In)2(S, Se, Te)3 및 Al2CO를 포함하는 그룹에서 선택되는 반도체를 포함한다. 도핑된 반도체는 주기율표의 그룹 Ⅲ으로부터의 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅴ로부터의 n형 도펀트; B, Al 및 In을 포함하는 그룹으로부터 선택된 p형 도펀트; P, As 및 Sb를 포함하는 그룹에서 선택된 n형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅱ로부터의 p형 도펀트; Mg, Zn, Cd 및 Hg를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅳ로부터의 p형 도펀트; C 및 Si를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 및 Si, Ge, Sn, S, Se 및 Te를 포함하는 그룹에서 선택된 n형을 포함하는 그룹으로부터 선택된 도펀트를 포함한다. 도핑된 반도체는 반도체의 성장 동안에 도핑된다.
또 다른 실시예에서, 표면 상에 하나 이상의 봉형 구조 중 복수 개를 조립하는 방법이 제공되는데, 여기에서 하나 이상의 봉형 구조는 그 길이 방향 축에 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 단결정, 봉형 및 벌크 도핑된 반도체, 및 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 갖는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체 중 적어도 하나이며, 방법은 하나 이상의 봉형 구조를 플렉시블 매트릭스로 분산시키는 단계; 적어도 하나의 봉형 구조가 한 방향으로 정렬되도록 하는 하나 이상의 봉형 구조상에 전단력(shear force)을 생성하는 방향으로 플렉시블 매트릭스를 스트레칭(stretching)하는 단계; 플렉시블 매트릭스를 제거하는 단계; 및 적어도 하나의 정렬된 봉형 구조를 표면으로 이송하는 단계를 포함한다.
본 실시예의 다양한 양태에서, 방향은 표면의 면에 평행하다. 스트레칭 단계는 전기적으로-유도된 힘으로 플렉시블 매트릭스를 스트레칭하는 단계를 포함한다. 스트레칭 단계는 광학적으로-유도된 힘으로 플렉시블 매트릭스를 스트레칭하는 단계를 포함한다. 스트레칭 단계는 기계적으로-유도된 힘으로 플렉시블 매트릭스를 스트레칭하는 단계를 포함한다. 스트레칭 단계는 자기적으로-유도된 힘으로 플렉시블 매트릭스를 스트레칭하는 단계를 포함한다. 표면은 기판의 표면이다. 플렉시블 매트릭스는 폴리머이다.
본 실시예의 추가 양태에서, 적어도 하나의 봉형 구조는 반도체이다. 적어도 하나의 봉형 구조는 도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 봉형 구조는 벌크-도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 도핑된 단결정 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 그 길이 방향 축을 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 봉형의 벌크 도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 포함하는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 그 길이 방향 축에 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 단결정, 봉형 및 벌크 도핑된 반도체, 및 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 갖는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체 중 적어도 하나인 도핑된 반도체이다. 도핑된 반도체는 Si, Ge, Sn, Se, Te, B, 다이아몬드, P, B-C, B-P(BP6), B-Si, Si-C, Si-Ge, Si-Sn 및 Ge-Sn, SiC, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, ZnO/ZnS/ZnSe/ZnTe, CdS/CdSe/CdTe, HgS/HgSe/HgTe, BeS/BeSe/BeTe/MgS/MgSe, GeS, GeSe, GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, CuF, CuCl, CuBr, CuI, AgF, AgCl, AgBr, AgI, BeSiN2, CaCN2, ZnGeP2, CdSnAs2, ZnSnSb2, CuGeP3, CuSi2P3, (Cu, Ag)(Al, Ga, In, Tl, Fe)(S, Se, Te)2, Si3N4, Ge3N4, Al2O3, (Al, Ga, In)2(S, Se, Te)3 및 Al2CO를 포함하는 그룹에서 선택되는 반도체를 포함한다. 도핑된 반도체는 주기율표의 그룹 Ⅲ으로부터의 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅴ로부터의 n형 도펀트; B, Al 및 In을 포함하는 그룹으로부터 선택된 p형 도펀트; P, As 및 Sb를 포함하는 그룹에서 선택된 n형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅱ로부터의 p형 도펀트; Mg, Zn, Cd 및 Hg를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅳ로부터의 p형 도펀트; C 및 Si를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 및 Si, Ge, Sn, S, Se 및 Te를 포함하는 그룹에서 선택된 n형을 포함하는 그룹으로부터 선택된 도펀트를 포함한다. 도핑된 반도체는 반도체의 성장 동안에 도핑된다.
다른 실시예에서, 도핑된 반도체를 성장시키기 위한 시스템이 제공되는데, 시스템은 반도체의 분자 및 도펀트의 분자를 제공하기 위한 수단; 및 도핑된 반도체를 생성하도록 반도체의 성장 동안에 도펀트의 분자로 반도체의 분자를 도핑하기 위한 수단을 포함한다.
본 실시예의 추가 양태에서, 적어도 하나의 봉형 구조는 반도체이다. 적어도 하나의 봉형 구조는 도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 봉형 구조는 벌크-도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 도핑된 단결정 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 그 길이 방향 축을 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 봉형의 벌크 도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 포함하는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 그 길이 방향 축에 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 단결정, 봉형 및 벌크 도핑된 반도체, 및 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 갖는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체 중 적어도 하나인 도핑된 반도체이다. 도핑된 반도체는 Si, Ge, Sn, Se, Te, B, 다이아 몬드, P, B-C, B-P(BP6), B-Si, Si-C, Si-Ge, Si-Sn 및 Ge-Sn, SiC, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, ZnO/ZnS/ZnSe/ZnTe, CdS/CdSe/CdTe, HgS/HgSe/HgTe, BeS/BeSe/BeTe/MgS/MgSe, GeS, GeSe, GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, CuF, CuCl, CuBr, CuI, AgF, AgCl, AgBr, AgI, BeSiN2, CaCN2, ZnGeP2, CdSnAs2, ZnSnSb2, CuGeP3, CuSi2P3, (Cu, Ag)(Al, Ga, In, Tl, Fe)(S, Se, Te)2, Si3N4, Ge3N4, Al2O3, (Al, Ga, In)2(S, Se, Te)3 및 Al2CO를 포함하는 그룹에서 선택되는 반도체를 포함한다. 도핑된 반도체는 주기율표의 그룹 Ⅲ으로부터의 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅴ로부터의 n형 도펀트; B, Al 및 In을 포함하는 그룹으로부터 선택된 p형 도펀트; P, As 및 Sb를 포함하는 그룹에서 선택된 n형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅱ로부터의 p형 도펀트; Mg, Zn, Cd 및 Hg를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅳ로부터의 p형 도펀트; C 및 Si를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 및 Si, Ge, Sn, S, Se 및 Te를 포함하는 그룹에서 선택된 n형을 포함하는 그룹으로부터 선택된 도펀트를 포함한다. 도핑된 반도체는 반도체의 성장 동안에 도핑된다.
또 다른 실시예에서, 하나 이상의 봉형 구조를 표면상에 조립하기 위한 시스템이 제공되는데, 시스템은 하나 이상의 봉형 구조를 포함하는 유체를 상기 표면 상으로 흘리기 위한 수단; 및 봉형 구조의 어레이를 형성하도록 하나 이상의 봉형 구조를 상기 표면 상에 정렬하기 위한 수단을 포함한다.
본 실시예의 추가 양태에서, 적어도 하나의 봉형 구조는 반도체이다. 적어도 하나의 봉형 구조는 도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 봉형 구조는 벌크-도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 도핑된 단결정 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 그 길이 방향 축을 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 봉형의 벌크 도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 포함하는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 그 길이 방향 축에 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 단결정, 봉형 및 벌크 도핑된 반도체, 및 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 갖는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체 중 적어도 하나인 도핑된 반도체이다. 도핑된 반도체는 Si, Ge, Sn, Se, Te, B, 다이아몬드, P, B-C, B-P(BP6), B-Si, Si-C, Si-Ge, Si-Sn 및 Ge-Sn, SiC, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, ZnO/ZnS/ZnSe/ZnTe, CdS/CdSe/CdTe, HgS/HgSe/HgTe, BeS/BeSe/BeTe/MgS/MgSe, GeS, GeSe, GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, CuF, CuCl, CuBr, CuI, AgF, AgCl, AgBr, AgI, BeSiN2, CaCN2, ZnGeP2, CdSnAs2, ZnSnSb2, CuGeP3, CuSi2P3, (Cu, Ag)(Al, Ga, In, Tl, Fe)(S, Se, Te)2, Si3N4, Ge3N4, Al2O3, (Al, Ga, In)2(S, Se, Te)3 및 Al2CO를 포함하는 그룹에서 선택되는 반도체를 포함한다. 도핑된 반도체는 주기율표의 그룹 Ⅲ으로부터의 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅴ로부터의 n형 도펀트; B, Al 및 In을 포함하는 그룹으로부터 선택된 p형 도펀트; P, As 및 Sb를 포함하는 그룹에서 선택된 n형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅱ로부터의 p형 도펀트; Mg, Zn, Cd 및 Hg를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅳ로부터의 p형 도펀트; C 및 Si를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 및 Si, Ge, Sn, S, Se 및 Te를 포함하는 그룹에서 선택된 n형을 포함하는 그룹으로부터 선택된 도펀트를 포함한다. 도핑된 반도체는 반도체의 성장 동안에 도핑된다.
또 다른 실시예에서, 표면 상에 하나 이상의 봉형 구조를 조립하기 위한 시스템이 제공되는데, 여기에서 하나 이상의 봉형 구조는 그 길이 방향 축에 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 단결정, 봉형 및 벌크 도핑된 반도체, 및 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 갖는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체 중 적어도 하나이며, 시스템은 하나 이상의 봉형 구조를 표면 상의 특정 위치로 끌어당기는 하나 이상의 관능기로 표면을 컨디셔닝하기 위한 수단; 및 하나 이상의 관능기를 이용하여 하나 이상의 봉형 구조를 특정 위치로 끌어당김으로써 하나 이상의 봉형 구조를 정렬시키기 위한 수단을 포함한다.
본 실시예의 추가 양태에서, 적어도 하나의 봉형 구조는 반도체이다. 적어도 하나의 봉형 구조는 도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 봉형 구조는 벌크-도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 도핑된 단결정 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 그 길이 방향 축을 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 봉형의 벌크 도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 포함하는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 그 길이 방향 축에 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 단결정, 봉형 및 벌크 도핑된 반도체, 및 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 갖는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체 중 적어도 하나인 도핑된 반도체이다. 도핑된 반도체는 Si, Ge, Sn, Se, Te, B, 다이아몬드, P, B-C, B-P(BP6), B-Si, Si-C, Si-Ge, Si-Sn 및 Ge-Sn, SiC, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, ZnO/ZnS/ZnSe/ZnTe, CdS/CdSe/CdTe, HgS/HgSe/HgTe, BeS/BeSe/BeTe/MgS/MgSe, GeS, GeSe, GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, CuF, CuCl, CuBr, CuI, AgF, AgCl, AgBr, AgI, BeSiN2, CaCN2, ZnGeP2, CdSnAs2, ZnSnSb2, CuGeP3, CuSi2P3, (Cu, Ag)(Al, Ga, In, Tl, Fe)(S, Se, Te)2, Si3N4, Ge3N4, Al2O3, (Al, Ga, In)2(S, Se, Te)3 및 Al2CO를 포함하는 그룹에서 선택되는 반도체를 포함한다. 도핑된 반도체는 주기율표의 그룹 Ⅲ으로부터의 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅴ로부터의 n형 도펀트; B, Al 및 In을 포함하는 그룹으로부터 선택된 p형 도펀트; P, As 및 Sb를 포함하는 그룹에서 선택된 n형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅱ로부터의 p형 도펀트; Mg, Zn, Cd 및 Hg를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅳ로부터의 p형 도펀트; C 및 Si를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 및 Si, Ge, Sn, S, Se 및 Te를 포함하는 그룹에서 선택된 n형을 포함하는 그룹으로부터 선택된 도펀트를 포함한다. 도핑된 반도체는 반도체의 성장 동안에 도핑된다.
또 다른 실시예에서, 표면 상에 복수의 봉형 구조를 조립하기 위한 시스템이 제공되는데, 여기에서 하나 이상의 봉형 구조는 그 길이 방향 축에 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 단결정, 봉형 및 벌크 도핑된 반도체, 및 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 갖는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체 중 적어도 하나이며, 시스템은 복수의 봉형 구조를 표면 상에 퇴적시키기 위한 수단; 및 복수의 봉형 구조들 중 2개 이상 사이에서 정전기력을 생성하도록 표면을 전기적으로 충전하기 위한 수단을 포함한다.
본 실시예의 추가 양태에서, 적어도 하나의 봉형 구조는 반도체이다. 적어도 하나의 봉형 구조는 도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 봉형 구조는 벌크-도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 도핑된 단결정 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 그 길이 방향 축을 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 봉형의 벌크 도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 포함하는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 그 길이 방향 축에 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 단결정, 봉형 및 벌크 도핑된 반도체, 및 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 갖는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체 중 적어도 하나인 도핑된 반도체이다. 도핑된 반도체는 Si, Ge, Sn, Se, Te, B, 다이아몬드, P, B-C, B-P(BP6), B-Si, Si-C, Si-Ge, Si-Sn 및 Ge-Sn, SiC, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, ZnO/ZnS/ZnSe/ZnTe, CdS/CdSe/CdTe, HgS/HgSe/HgTe, BeS/BeSe/BeTe/MgS/MgSe, GeS, GeSe, GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, CuF, CuCl, CuBr, CuI, AgF, AgCl, AgBr, AgI, BeSiN2, CaCN2, ZnGeP2, CdSnAs2, ZnSnSb2, CuGeP3, CuSi2P3, (Cu, Ag)(Al, Ga, In, Tl, Fe)(S, Se, Te)2, Si3N4, Ge3N4, Al2O3, (Al, Ga, In)2(S, Se, Te)3 및 Al2CO를 포함하는 그룹에서 선택되는 반도체를 포함한다. 도핑된 반도체는 주기율표의 그룹 Ⅲ으로부터의 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅴ로부터의 n형 도펀트; B, Al 및 In을 포함하는 그룹으로부터 선택된 p형 도펀트; P, As 및 Sb를 포함하는 그룹에서 선택된 n형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅱ로부터의 p형 도펀트; Mg, Zn, Cd 및 Hg를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅳ로부터의 p형 도펀트; C 및 Si를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 및 Si, Ge, Sn, S, Se 및 Te를 포함하는 그룹에서 선택된 n형을 포함하는 그룹으로부터 선택된 도펀트를 포함한다. 도핑된 반도체는 반도체의 성장 동안에 도핑된다.
또 하나의 실시예에서, 표면 상에 복수의 봉형 구조를 조립하기 위한 시스템이 제공되는데, 여기에서 하나 이상의 봉형 구조는 그 길이 방향 축에 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 단결정, 봉형 및 벌크 도핑된 반도체, 및 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 갖는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체 중 적어도 하나이며, 시스템은 랭뮤어-블로젯 막을 형성하도록 상기 하나 이상의 봉형 구조를 액상의 표면에 분산시키기 위한 수단; 랭뮤어-블로 젯 막을 압축하기 위한 수단; 및 압축된 랭뮤어-블로젯 막을 표면 상으로 이송하기 위한 수단을 포함한다.
본 실시예의 추가 양태에서, 적어도 하나의 봉형 구조는 반도체이다. 적어도 하나의 봉형 구조는 도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 봉형 구조는 벌크-도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 도핑된 단결정 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 그 길이 방향 축을 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 봉형의 벌크 도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 포함하는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 그 길이 방향 축에 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 단결정, 봉형 및 벌크 도핑된 반도체, 및 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 갖는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체 중 적어도 하나인 도핑된 반도체이다. 도핑된 반도체는 Si, Ge, Sn, Se, Te, B, 다이아몬드, P, B-C, B-P(BP6), B-Si, Si-C, Si-Ge, Si-Sn 및 Ge-Sn, SiC, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, ZnO/ZnS/ZnSe/ZnTe, CdS/CdSe/CdTe, HgS/HgSe/HgTe, BeS/BeSe/BeTe/MgS/MgSe, GeS, GeSe, GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, CuF, CuCl, CuBr, CuI, AgF, AgCl, AgBr, AgI, BeSiN2, CaCN2, ZnGeP2, CdSnAs2, ZnSnSb2, CuGeP3, CuSi2P3, (Cu, Ag)(Al, Ga, In, Tl, Fe)(S, Se, Te)2, Si3N4, Ge3N4, Al2O3, (Al, Ga, In)2(S, Se, Te)3 및 Al2CO를 포 함하는 그룹에서 선택되는 반도체를 포함한다. 도핑된 반도체는 주기율표의 그룹 Ⅲ으로부터의 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅴ로부터의 n형 도펀트; B, Al 및 In을 포함하는 그룹으로부터 선택된 p형 도펀트; P, As 및 Sb를 포함하는 그룹에서 선택된 n형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅱ로부터의 p형 도펀트; Mg, Zn, Cd 및 Hg를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅳ로부터의 p형 도펀트; C 및 Si를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 및 Si, Ge, Sn, S, Se 및 Te를 포함하는 그룹에서 선택된 n형을 포함하는 그룹으로부터 선택된 도펀트를 포함한다. 도핑된 반도체는 반도체의 성장 동안에 도핑된다.
또 다른 실시예에서, 표면 상에 하나 이상의 봉형 구조 중 복수 개를 조립하기 위한 시스템이 제공되는데, 여기에서 하나 이상의 봉형 구조는 그 길이 방향 축에 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 단결정, 봉형 및 벌크 도핑된 반도체, 및 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 갖는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체 중 적어도 하나이며, 시스템은 하나 이상의 봉형 구조를 플렉시블 매트릭스로 분산시키는 위한 수단; 적어도 하나의 봉형 구조가 한 방향으로 정렬되도록 하는 하나 이상의 봉형 구조상에 전단력(shear force)을 생성하는 방향으로 플렉시블 매트릭스를 스트레칭하기 위한 수단; 플렉시블 매트릭스를 제거하기 위한 수단; 및 적어도 하나의 정렬된 봉형 구조를 표면으로 이송하기 위한 수단을 포함한다.
본 실시예의 추가 양태에서, 적어도 하나의 봉형 구조는 반도체이다. 적어도 하나의 봉형 구조는 도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 봉형 구조는 벌크-도핑 된 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 도핑된 단결정 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 그 길이 방향 축을 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 봉형의 벌크 도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 포함하는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체이다. 적어도 하나의 구조는 그 길이 방향 축에 따른 임의의 지점에서 500㎚보다 작은 최대 단면 치수를 가지는 단결정, 봉형 및 벌크 도핑된 반도체, 및 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 적어도 한 부분을 갖는 자유 설치형의 벌크 도핑된 반도체 중 적어도 하나인 도핑된 반도체이다. 도핑된 반도체는 Si, Ge, Sn, Se, Te, B, 다이아몬드, P, B-C, B-P(BP6), B-Si, Si-C, Si-Ge, Si-Sn 및 Ge-Sn, SiC, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb, ZnO/ZnS/ZnSe/ZnTe, CdS/CdSe/CdTe, HgS/HgSe/HgTe, BeS/BeSe/BeTe/MgS/MgSe, GeS, GeSe, GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, CuF, CuCl, CuBr, CuI, AgF, AgCl, AgBr, AgI, BeSiN2, CaCN2, ZnGeP2, CdSnAs2, ZnSnSb2, CuGeP3, CuSi2P3, (Cu, Ag)(Al, Ga, In, Tl, Fe)(S, Se, Te)2, Si3N4, Ge3N4, Al2O3, (Al, Ga, In)2(S, Se, Te)3 및 Al2CO를 포함하는 그룹에서 선택되는 반도체를 포함한다. 도핑된 반도체는 주기율표의 그룹 Ⅲ으로부터의 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅴ로부터의 n형 도펀트; B, Al 및 In을 포함하는 그룹으로부터 선택된 p형 도펀트; P, As 및 Sb를 포함하는 그룹에서 선택된 n형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅱ로부터의 p형 도펀트; Mg, Zn, Cd 및 Hg를 포함 하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 주기율표의 그룹 Ⅳ로부터의 p형 도펀트; C 및 Si를 포함하는 그룹에서 선택된 p형 도펀트; 및 Si, Ge, Sn, S, Se 및 Te를 포함하는 그룹에서 선택된 n형을 포함하는 그룹으로부터 선택된 도펀트를 포함한다. 도핑된 반도체는 반도체의 성장 동안에 도핑된다.
상기 설명한 실시예들의 특징 및 장점과, 이들 실시예들의 다른 특징 및 장점들은 첨부된 도면을 참조한 이하의 상세한 설명으로부터 더 잘 이해될 것이다.
본 발명을 더 잘 이해할 수 있도록 여기에 참고로 첨부한 도면을 참조하였다.
본 발명에 따르면, 반도체 나노와이어의 성장 방법, 및 반도체 나노와이어를 포함하는 제조 방법이 제공될 수 있다.
본 발명은 한 양태에서 매우 작은 공간 단위에서 반도체와 같은 재료의 도핑 제어를 위한 기술 및 유용한 디바이스를 생성하도록 하는 도핑된 재료의 서로에 대한 위치 배열을 제공한다. 한 셋트의 실시예는 반도체의 도핑에 관련되고, 도펀트(예를 들면, 보론, 알루미늄, 인, 비소, 등)는 n형 또는 p형 반도체가 요구되는지의 여부에 따라 선택된다.
다양한 실시예들에서, 본 발명은 인듐 인화물, 갈륨 비화물, 갈륨 질화물, 카드뮴 셀렌화물(selenide), 및 아연 셀렌화물에서 선택된 반도체의 도핑 제어에 관련된 것이다. 아연, 카드뮴 또는 마그네슘을 포함하지만 이에 한정되지 않는 도 펀트는 본 셋트의 실시예에서 p형 반도체를 형성하는데 이용될 수 있고, 텔루르, 황, 셀레늄 또는 게르마늄은 이들 재료로부터 n형 반도체를 형성하는 도펀트로서 이용될 수 있다. 이들 재료들은 다이렉트 밴드 갭 반도체 재료를 정의하고, 이들 및 도핑된 실리콘은 본 기술분야의 숙련자들에게는 주지되어 있다. 본 발명은 다양한 이용을 위해 임의의 도핑된 실리콘 또는 다이렉트 밴드 갭 반도체 재료의 이용을 고려한다.
본 명세서에서 이용되는 바와 같이, 물품의 "폭"은 물품의 주변 상의 한 점으로부터 제품의 중심을 통해 제품의 주변 상의 다른 점까지의 직선 거리이다. 여기에서 이용되는 바와 같이, 봉형 제품의 길이 방향 축을 따른 점에서의 "폭" 또는 "단면 치수"는 그 점에서 단면 중심을 통과하고 단면의 주변 상의 2개의 점을 잇는 직선에 따른 거리이다.
본 명세서에서 이용되는 바와 같이, "봉형(elongated)" 제품(예를 들면, 반도체 또는 그 섹션)은 제품의 길이 방향 축을 따른 임의의 지점에서, 상기 지점에서 제품의 길이 대 최대 폭의 비율이 2:1보다 큰 제품이다.
본 명세서에서 이용되는 바와 같이, 봉형 제품의 "길이 방향 축"은 제품의 최대 치수에 따른 축이다.
본 명세서에서 이용되는 바와 같이, 봉형 제품의 "길이"는 제품의 끝에서 끝까지의 길이 방향 축에 따른 거리이다.
본 명세서에서 이용되는 바와 같이, 봉형 제품의 "길이 방향 섹션"은 제로보다 크고 제품의 길이보다 작거나 같은 길이를 가질 수 있는 봉형 제품의 길이 방향 축에 따른 봉형 제품의 일부이다.
본 명세서에 이용되는 바와 같이, 봉형 제품의 길이 방향 축에 따른 지점에서의 "단면"은 제품의 길이 방향 축에 직교하는 봉형 제품과 교차하는 지점에서의 면이다.
본 명세서에 이용되는 바와 같이, "실린더형" 제품은 실린더와 같은 형태의 외형을 가지는 제품이지만, 제품의 내부에 관련된 어떠한 특성도 정의하거나 반영하지 않는다. 환언하면, 실린더형 제품은 속이 찬 내부를 가지거나 텅빈 내부를 가질 수도 있다.
본 명세서에 이용되는 바와 같이, "나노와이어(nanowire)"또는 "NW"는 길이 방향에 따른 임의의 지점에서 적어도 하나의 단면 치수, 및 일부 실시예에서 500㎚보다 작은, 바람직하게는 200㎚보다 작은, 더 바람직하게는 150㎚보다 작은, 더 바람직하게는 100㎚보다 작은, 더욱 더 바람직하게는 70㎚보다 작은, 더 바람직하게는 50㎚보다 작은, 더 바람직하게는 20㎚보다 작은, 더 바람직하게는 10㎚보다 작은, 심지어 5㎚보다 작은 2개의 직교 단면 치수를 가지는 봉형 반도체, 즉 나노단위 반도체이다. 봉형 반도체의 단면은 환형, 정사각형, 직사각형, 타원형을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 형태를 가질 수 있다. 규칙적이거나 불규칙적인 형태가 모두 포함된다.
본 명세서에 이용되는 바와 같이, "나노튜브(nanotube)" 또는 "NT"는 텅 빈 코어를 가지는 나노와이어이다.
본 명세서에 이용되는 바와 같이, "벌크-도핑된(bulk-doped)" 제품(예를 들 면, 반도체 또는 그 섹션)은 도펀트가 특정 영역에만 통합되는 제품과는 반대로, 도펀트가 거의 제품의 결정 격자에 전체에 걸쳐 포함되는 제품이다. 예를 들어, 탄소 NT와 같은 일부 제품들은 베이스 재료가 성장된 후에 통상 도핑되므로, 도펀트만이 탄소 NT의 표면 또는 외부로부터 결정 격자의 내부까지의 유한 거리만큼 연장한다. 또한, 탄소 NT는 종종 도펀트가 베이스 재료의 결정 격자 전체에 걸쳐 포함되지 않도록 베이스 재료와 도핑된 베이스 재료의 교대층을 형성하는 네스팅된(nested) 튜브로서 결합된다.
"나노와이어" 또는 "NW"를 설명하는데 이용되는 바와 같이, "도핑된"은 벌크 도핑된 것을 의미한다. 따라서, 본 명세서에서 이용되는 바와 같이, "도핑된 나노와이어" 또는 "도핑된 NW"는 벌크 도핑된 나노와이어이다.
본 명세서에서 이용되는 바와 같이, 제품(예를 들어, 나노와이어)의 "어레이"는 복수의 제품을 포함한다. 본 명세서에 이용되는 바와 같이, "교차된 어레이"는 적어도 하나의 제품이 제품 중 다른 하나 또는 신호 노드(예를 들면, 전극) 중 어느 하나와 접촉하는 어레이이다.
본 명세서에서 이용되는 바와 같이, 제2 제품에 "결합된" 제1 제품(예를 들면, 나노와이어 또는 대형 구조)은 제1 제품이 제2 제품과 물리적으로 접촉하거나 제2 제품의 특성(예를 들면, 전기적 특성, 광학 특성, 자기 특성)에 영향을 주기 충분하도록 제2 제품에 근접하여 배치된다.
그러므로, 본 발명은 한 양태에서, 임의의 방식(n형 또는 p형)으로 도핑된 500㎚보다 작은 최소폭을 가지는 봉형 반도체를 고안한다. 다른 실시예에서, 반도 체는 약 200㎚, 약 150㎚, 또는 약 100㎚보다 작은 최소폭을 가진다. 바람직하게는, 반도체는 약 80㎚, 더 바람직하게는 약 70㎚, 바람직하게는 약 50㎚보다 작은 최소폭을 가지고 있다. 적어도 하나의 치수가 약 20㎚, 약 10㎚, 또는 약 5㎚보다 작은 것들과 같은 더 작은 폭들도 포함된다. 일부 실시예에서, 봉형 반도체의 2개의 직교 단면 치수는 상기 주어진 값들보다 작을 수 있다. 어스펙트 비(aspect ratio), 즉 반도체 길이 대 최대 폭의 비는 2:1보다 크다. 다른 실시예에서, 어스펙트 비는 4:1, 10:1, 100:1, 또는 심지어 1000:1보다 클 수 있다. 이들과 같은 반도체들은 매우 작은 치수에서도 이하에 설명되는 바와 같이 다양하게 이용된다.
도 1은 실린더형 반도체 l1, 예를 들면 나노와이어와 같은 와이어형 반도체의 예를 예시하는 투시도이다. 실린더형 반도체 l1은 길이 l2와 길이 방향 축 l3을 가지고 있다. 길이 방향 축 l3을 따른 지점 l5에서, 실린더형 반도체 l1은 단면 l6을 교차하는 복수의 폭 l4를 가지고 있고, 폭 l4 중 하나는 지점 l5에서 최소폭이다.
이러한 반도체들은 자유 설치형(free-standing)일 수도 있다. 본 명세서에 이용되는 바와 같이, "자유 설치형" 제품은 일부 지점에서 그 수명 내내 다른 제품에 부착되지 않거나 용액 상태인 제품이다.
또한, 이러한 반도체는 벌크-도핑된 반도체일 수 있다. 본 명세서에 이용되는 바와 같이, "벌크-도핑된 반도체"(예를 들면 제품, 또는 제품의 일부)는 도펀트가 특정 영역에만 포함되는 반도체와는 반대로, 도펀트가 반도체의 결정 격자 거의 전체에 걸쳐 포함되는 반도체이다. 예를 들어, NT와 같은 일부 반도체들은 통상 반도체가 성장한 후에 도핑되므로, 도펀트는 나노튜브의 표면 또는 외부로부터 결정 격자의 내부로의 유한 거리만큼만 확장된다. 또한, NT는 도펀트가 반도체의 전체 결정 격자에 걸쳐 포함되지 않도록 반도체 및 도핑된 반도체의 교대층을 형성하는 네스팅된 튜브(즉, 실린더)로서 종종 결합된다. "벌크 도핑"은 반도체의 도핑 농도나 양을 정의하거나 반영하지 않으며, 또한 도핑이 반드시 일정해야 되는 것을 나타내지도 않는다는 점은 자명하다.
도핑된 반도체에 대해, 반도체는 반도체의 성장 동안에 도핑될 수 있다. 성장 동안에 반도체를 도핑하는 것은 도핑된 반도체가 벌크-도핑된 특성을 가지게 한다. 또한, 그러한 도핑된 반도체는 도핑된 반도체 내의 도펀트의 농도가 제어될 수 있고 일관되게 재생될 수 있도록 도핑이 제어가능하며, 그러한 반도체의 상업적 생산을 가능하게 한다.
상기 설명한 반도체를 이용하여 다양한 디바이스들이 제조될 수 있다. 그러한 디바이스는 광전자 디바이스 및 전자기계 디바이스를 포함한 전기 디바이스, 광학 디바이스, 기계 디바이스 또는 그 조합을 포함한다.
하나의 실시예에서, 전계 효과 트랜지스터(FET)는 500㎚보다 작은 최소폭 또는 상기 설명한 다른 폭을 가지는 도핑된 반도체를 이용하여 생성된다. FET 제조 분야의 통상의 기술자들에게 주지된 바와 같이, 도핑된 반도체는 p형 또는 n형 반도체 중 하나가 될 수 있다. 본 발명자가 알고 있는 바로는, FET는 나노튜브를 이용하는 것으로 알고 있지만, 이전 구성들은 나노튜브가 금속성인지 반도전성인지 여부에 대한 제어를 하지 않고 랜덤하게 나노튜브를 선택한다. 그러한 경우에, 디바이스들의 매우 낮은 백분율이 기능적이고, 아마 20분의 1 또는 50분의 1, 또는 아마 대략 100분의 1보다 작다. 본 발명은 제조 프로세스가 50분의 1보다 훨씬 많은 디바이스들이 기능적인 기술에 따라 기능적 FET를 제조하는 것에 관련될 수 있도록 하는 나노와이어의 도핑 제어를 고안한다. 예를 들어, 기술은 나노와이어를 도핑한 후, 그로부터 FET를 제조하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 n형 반도체와 p형 반도체의 단순한 접촉에 의해 배치된, 예를 들면 이하에 도시된 바와 같이 교차된 n형 및 p형 반도전형 나노와이어의 구성에 의한 소량 도핑된(lightly-doped) 상보형 인버터(상보형 금속 산화물 반도체)를 제공한다.
본 발명에 따르면, 다량 도핑된(heavily-doped) 반도전형 구성요소를 포함한 터널 다이오드가 제공된다. 터널 다이오드는 상보형 인버터와 유사하게 또는 정확하게 동일하게 배치될 수 있고, 반도체는 소량 도핑되기 보다는 다량 도핑된다. "다량 도핑된"이나 "소량 도핑된"의 용어는 본 기술 분야의 숙련자들에게는 주지된 용어이다.
본 발명의 한 중요한 양태는 인접하는 n형 및 p형 반도전형 구성요소로부터 유익을 얻을 수 있는 임의의 전자 디바이스를 실질적으로 제조할 수 있는 능력이다. 여기에서, 이들 구성요소는 미리 제조되고 나서(도핑될 때 구성요소가 서로 분리된 상태에서, 개별적이고 분리된 프로세스에서 도핑됨), 도핑 후 접촉된다. 이것은 단일 반도체가 한 영역에서는 n 도핑되고 인접 영역에서는 p 도핑되지만, n 형 반도체 영역 및 p형 반도체 영역은 도핑 이전에 처음부터 인접하고 있고 도핑 이전 또는 이후에 서로에 대해 이동하지 않는 전형적인 종래 구성과는 대조적이다. 즉, 처음에 비접촉 배치 상태인 n형 및 p형 반도체는 서로 접촉하게 되어 유용한 전자 디바이스를 형성한다. 실질적으로는, 바람직하게는 본 기술분야의 숙련자가 n형 및 p형 반도체를 조합하는 본 발명의 양상에 따라 임의의 디바이스가 만들어질 수 있다. 그러한 디바이스들은 전계 효과 트랜지스터(FET), 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT), 터널 다이오드, 상보형 인버터, 발광 디바이스, 광감지 디바이스, 게이트, 인버터, AND, NAND, OR 및 NOR 게이트, 래치, 플립플롭, 레지스터, 스위치, 클럭 회로, 스태틱 또는 다이나믹 메모리 디바이스 및 어레이, 상태 머신, 게이트 어레이 및 임의의 다른 다이나믹 또는 순차 로직 또는 프로그램가능한 회로를 포함하는 다른 디지털 디바이스를 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 혼합 신호 디바이스 및 신호 처리 회로뿐만 아니라 증폭기, 스위치 및 액티브 트랜지스터 디바이스를 이용하는 다른 아날로그 회로를 포함하지만 이에 제한되지는 않는 아날로그 디바이스 및 회로가 또한 포함된다.
반도체 나노와이어를 포함하는 전자 디바이스는 예를 들면 전기적, 광학적 또는 자기적 신호에 의해 제어될 수 있다. 상기 제어는 2개 이상의 이산 상태들간의 스위칭에 관련될 수 있고, 또는 나노와이어 전류, 즉 아날로그 제어의 연속 제어에 관련될 수도 있다. 전기적 신호, 광학 신호 및 자성 신호뿐만 아니라, 디바이스들은 이하와 같이 제어될 수도 있다.
(1) 디바이스는 생물학적 및 화학적 종, 예를 들면 DNA, 단백질, 금속 이온 에 응답하여 스위칭가능하다. 더 일반적인 의미로는, 이들 종들은 충전되어 있거나, 쌍극자(dipole)를 가지고 있다.
(2) 디바이스는 기계적 스트레칭, 진동 및 굴곡에 응답하여 스위칭가능하다.
(3) 디바이스는 온도에 응답하여 스위칭가능하다.
(4) 디바이스는 주위 압력에 응답하여 스위칭가능하다.
(5) 디바이스는 주위 기체 또는 액체의 이동에 응답하여 스위칭가능하다.
본 발명의 많은 디바이스들은 교차된 n형 및 p형 나노와이어의 접합일 수 있는 교차된 p/n 접합을 특히 잘 이용한다. 교차된 p/n 접합은 적어도 하나의 n형 반도체 및 적어도 하나의 p형 반도체에 의해 정의되고, 각 재료의 적어도 한 부분은 다른 재료의 적어도 한 부분과 접촉하고 있으며, 각 반도체는 다른 구성요소와 접촉하고 있지 않은 부분들을 포함한다. 이들은 나노와이어를 미리 도핑한 후 이하에 설명하는 기술을 이용하여 서로 근접하게 함으로써 배치될 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 발광 소스가 제공되고, 전자 및 정공이 결합하여 발광하는 발광 소스가 제공된다. 본 발명은 발광 소스의 한 타입은 발광 소스는 적어도 하나의 교차 p/n 접합, 특히 교차된 p형 및 n형 나노와이어를 포함한다. 교차된 나노와이어를 이용하는 본 발명의 이러한 및 다른 구성에서, 와이어들은 직교할 필요는 없으나 그럴 수는 있다. 순방향 바이어스된 경우(양전하가 p형 와이어에 인가되고 음전하가 n형 와이어에 인가되는 경우), 전자는 n형 와이어의 접합점을 향하여 흐르고, 정공은 p형 와이어의 접합점을 향하여 흐른다. 접합점에서, 정공과 전자가 결합하여 발광한다. 이하에 상세하게 설명되는 바와 같이, 하나 이상의 나노와이어 또는 다른 반도체들이 발광하도록 다른 기술들이 이용될 수도 있다.
본 발명의 크기 단위(나노단위)에서, 발출 광의 파장은 발광 접합을 형성하도록 교차되는 양쪽 구성요소 중 적어도 하나, 바람직하게는 양쪽의 크기를 제어함으로써 제어될 수 있다. 예를 들어, 나노와이어가 이용되는 경우에, 더 큰 최소 치수를 가지는 나노와이어(더 넓은 와이어)는 더 낮은 주파수에서 방출한다. 예를 들어, 인듐 인산염의 경우에, 전형적인 제조 프로세스와 연관된 크기 단위에서, 재료는 920㎚를 방출한다. 본 발명의 크기 단위에서, 방출된 파장은 920㎚보다 짧은 파장, 예를 들면 920 내지 580㎚의 파장으로 제어될 수 있다. 파장은 와이어 크기에 좌우되어 900, 850, 800, 750, 700㎚ 등과 같은 이 범위내에서 선택될 수 있다.
그러므로, 본 발명의 한 양태는 벌크 상태에서 방출을 유발하는 반도체보다 더 높은 주파수에서 방출하는 반도체 발광 소스를 포함하며, 그러한 발광 주파수의 증가는 본 명세서에서 양자 구속(quantum confinement)이라고 지칭된다. 본 명세서에서, "벌크 상태(bulk state)"는 500㎚보다 큰 최소 치수를 가지는 구성요소 또는 구성요소의 일부로서 존재하는 상태를 의미한다. "벌크 상태"는 또한 재료의 방출의 고유 파장 또는 주파수를 유발하는 상태로서 정의될 수 있다. 본 발명은 실질적으로 임의의 반도전성 또는 도핑된 반도전성 재료의 방출 주파수에 대한 제어를 제공한다.
표면 상에서의 나노와이어의 조립 또는 배치 제어는 전계를 이용하여 나노와이어를 정렬시킴으로써 실행될 수 있다. 전계가 전극들 사이에 생성되고, 나노와이어는 전극들 사이에 배치되어(선택적으로는 부유 액체에서 전극들간의 영역으로 흘러들어감) 전계에 따라 정렬됨으로써, 전극들 사이의 거리를 연결하여 각 전극을 접촉하도록 할 수 있다.
다른 구성에서, 각 접촉점은 서로 반대 관계로 배치되고, 개별적인 접촉점이 테이퍼링되어 서로를 향하는 점을 형성한다. 그러한 점들 사이에서 생성된 전계는 전극들 사이의 거리를 연결하여 전극들 각각을 접촉시키는 단일 나노와이어를 끌어당긴다. 이와 같이, 개별적인 나노와이어는 각 전기 콘택트 쌍들 사이에서 용이하게 조립될 수 있다. 다중 교차(수직 또는 거의 수직인 제2 방향인 다중 평행 와이어에 의해 교차되는 제1 방향의 다중 평행 와이어)를 포함하는 교차 와이어 구성은 교차 와이어의 반대 단부가 바람직하게 놓여져 있는 위치에서 제1 포지셔닝(positioning) 접촉점에 의해 용이하게 형성될 수 있다. 전극, 즉 접촉점은 전형적인 마이크로 제조 기술을 통해 제조될 수 있다.
이들 조립 기술들은 나노와이어가 바람직하게 배치되는 위치와 정렬되는 방향을 향하거나 그 방향으로 부유 나노와이어를 포함하는 유체를 지향시키는 유체 플로우 지향 장치를 포지셔닝하는 것에 관련되는 포지셔닝 배치로 대체되거나 보충될 수 있다. 나노와이어 용액은 이하와 같이 준비될 수 있다. 나노와이어가 합성된 후 용제(예를 들면, 에탄올)로 이송되어, 안정된 부유물을 얻기 위해 수초 내지 수분 동안 초음파 처리된다.
다른 구성는 나노와이어를 선택적으로 끌어당기지 않는 영역에 의해 둘러싸인 나노와이어를 선택적으로 끌어 당기는 영역을 포함하는 표면을 형성하는 것에 관련된 것이다. 예를 들면, -NH2는 표면에서 특정 패턴으로 제공될 수 있고, 그 패턴은 아민을 끌어당기는 표면 관능기를 가지는 나노와이어 또는 나노튜브를 끌어당길 것이다. 표면은 전자빔 패터닝과 같은 주지의 기술, 본 명세서에 참고로 첨부한 국제특허공개번호 제WO96/29629호(공개일:1996년 7월 26일) 또는 미국특허 제5,512,131호(공고일: 1996년 4월 30일)에 기술된 바와 같은 "소프트-리소그래피"을 이용하여 패터닝될 수 있다. 추가 기술들은 본 명세서에 참고로 첨부한 1999년 7월 2일에 출원된 Lieber 등에 의한 미국 특허출원 번호 제60/142,216호에 기재되어 있다. 유체 플로우 채널은 참고로 본 명세서에 첨부한 1997년 9월 18일에 공개된 국제특허공개번호 제WO 97/33737호에 기재된 바와 같은 다양한 기술을 이용하여 표면 상에 나노와이어의 배치에 유익한 크기 단위로 생성될 수 있다. 다른 기술들은 본 명세서에 참고로 첨부된 2000년 5월 25일에 출원된 미국특허출원번호 제09/578,589호에 기재되어 있는 것들을 포함한다.
도 7a-7e는 폴리디메틸 실록산(PDMA) 몰드를 이용하여 유체 플로우 채널을 생성하기 위한 하나의 기술을 도시하고 있다. 채널이 생성되어 표면에 인가될 수 있고, 몰드가 제거되고 다른 방향으로 재인가될 수 있어 교차 플로우 배치 또는 다른 배치를 제공한다.
플로우 채널 구성은 1㎜보다 작은, 바람직하게는 0.5㎜보다 작은, 200 마이크론 보다 작은 최소폭을 가지는 채널을 포함할 수 있다. 그러한 채널은 상기 참조한 특허 출원서 및 국제 공보에 기재된 바와 같이, 포토리소그래피를 이용하여 마스터를 제조하고 마스터 위에 PDMS를 캐스팅함으로써 용이하게 만들어진다. 물론 더 큰 단위의 조립도 가능하다. 나노와이어 어레이로 패터닝될 수 있는 영역은 원하는 크기만큼 될 수 있는 채널의 부분(feature)에 의해서만 정의된다.
반도체 나노와이어는 비정질 산화물이 1-10㎚ 두께로 덮여진 결정 코어를 가지고 있다. 이것은 표면 변형이 다양한 관능기(functional groups)로 표면을 완료시킬 수 있도록 한다. 예를 들면, 그 한쪽 단부가 나노와이어 표면과 반응하는 알킬옥시실란기(alkyloxysilane group)(예를 들면, -Si(OCH3))이고, 나머지 단부는 (1) -CH3, -COOH, -NH2, -SH, -OH, 하이드라지드(hydrazide) 및 알데히드기, (2) 광 활성화가능 모이어티(moiety): 아릴 아지드화물, 플루오르화 아릴 아지드화물, 벤조페논 등을 포함하는 분자를 이용할 수 있다. 기판 및 전극은 또한 특정 관능기로 변형되어 나노와이어가 그 상호작용에 기초하여 기판/전극 표면상으로 특징적으로 굳어지거나 굳어지지 않도록 한다.
표면-관능성화된 나노와이어는 예를 들면 (1) 동질이중관능(homobifunctional) NHS 에스테르, 동질이중관능 이미도에스테르(imidoester), 동질이중관능 설프하이드릴-반응성 링커, 디플루오르벤젠 유도체, 동질이중관능 광 액티브 링커, 동질이중관능 알데히드, 비스-에폭사이드, 동질이중관능 하이다지드 등을 포함하는 동질이중관능 교차-링커, (2) 이질이중관능(heterobifunctional) 교차 링커 (3) 삼중관능(trifunctional) 교차 링커로 기판 표면에 결합될 수 있다.
기판 및 전극으로의 나노와이어의 조립은 2분자(bimolecular) 인식을 이용하 여 지원될 수 있다. 예를 들면, 물리적 흡수 또는 공유 결합을 이용하여 하나의 생물학적 결합 파트너를 나노와이어 표면으로, 나머지 하나를 기판 또는 전극 상으로 고정시킬 수 있다. 일부 양호한 바이오-인식은 DNA-교배, 항체-항원 바인딩, 비오틴-아비딘(또는 스트렙타비딘) 결합이다.
나노와이어와 같은 벌크 도핑된 반도체를 성장하는데 이용될 수 있고, 성장 동안에 그러한 나노와이어를 도핑하는데 이용될 수 있는 많은 기술들이 있다.
예를 들면, SiNW(봉형 나노단위 반도체)는 레이저 지원 촉매 성장(LCG)을 이용하여 합성될 수 있다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 원하는 재료(예를 들면, InP)와 촉매 재료(예를 들면, Au)를 포함하는 합성 타겟의 레이저 기화는 버퍼 기체와의 충돌을 통해 액체 나노클러스터로 급격히 응축되는 뜨겁고 고밀도 증기를 생성한다. 액체 나노클러스터가 원하는 상으로 과포화될 때 성장이 시작되어, 반응물이 가용한 한 지속된다. 나노와이어가 뜨거운 반응 구역에서 나오거나 온도가 내려갈 때 성장이 종료된다. Au는 광범위한 봉형 나노단위 반도체를 성장하기 위한 촉매로서 통상 이용된다. 그러나, 촉매는 Au만으로 제한되지는 않는다. (Ag, Cu, Zn, Cd, Fe, Ni, CO,...)와 같은 다양한 재료들이 촉매로서 이용될 수 있다. 일반적으로는, 원하는 반도체 재료와의 합금을 형성할 수 있지만 원하는 반도체의 소자보다는 더 안정된 화합물을 형성하지 않는 임의의 금속이 촉매로서 이용될 수 있다. 버퍼 기체는 Ar, N2, 및 다른 비활성 기체가 될 수 있다. 종종, H2 및 버퍼 기체의 혼합은 잔류 산소에 의한 원하지 않는 산화를 방지하는데 이용된다. 원하 는 경우에, 반응성 기체(예를 들면, GaN에 대해 암모니아)가 주입될 수 있다. 이러한 프로세스의 핵심 포인트는 연속적으로 크기를 정의하고 결정 나노와이어의 성장 방향을 지향하는 액체 나노클러스터를 생성하는 레이저 절제(laser ablation)이다. 결과적인 나노와이어의 직경은 촉매 클러스터의 크기에 의해 결정되고, 이것은 성장 조건(예를 들면, 배경 압력, 온도, 플로우 레이트, ...)을 제어함으로써 가변될 수 있다. 예를 들면, 저압은 통상 더 작은 직경의 나노와이어를 생성한다. 추가 직경 제어는 균일한 직경 촉매 클러스터를 이용하여 수행될 수 있다.
LCG와 동일한 기본 원리로, 일정한 직경 나노클러스터(나노클러스터의 균일성 정도에 따라 10-20% 이하의 변동이 있음)가 촉매 클러스터로 이용되는 경우, 일정한 크기(직경) 분포를 가지는 나노와이어가 생성될 수 있고, 도 4에 예시된 바와 같이, 나노와이어의 직경은 촉매 클러스터의 크기에 의해 결정된다. 성장 시간을 제어함으로써, 다른 길이를 가지는 나노와이어가 성장될 수 있다.
LCG로, 나노와이어는 하나 이상의 도펀트를 합성 타겟(예를 들면, InP의 n형 도핑에 대해 Ge)에 도입함으로써 유연하게 도핑될 수 있다. 도핑 농도는 합성 타겟에 도입된 도핑 소자의 상대량, 통상적으로는 0-20%를 제어함으로써 제어될 수 있다.
레이저 절제는 나노와이어 및 다른 관련된 봉형 나노단위 구조의 성장을 위한 촉매 클러스터 및 증기 상 반응물을 생성하는 방법으로서 이용될 수 있지만, 제조는 레이저 절제로만 한정되는 것은 아니다. 나노와이어 성장을 위한 증기 상 및 촉매 클러스트를 생성하는데 다양한 방법들이 이용될 수 있다(예를 들면, 열적 증 발).
나노와이어를 성장하는데 이용될 수 있는 다른 기술은 촉매 화학적 증착(C-CVD)이다. C-CVD 방법에서 레이저 증발로부터의 증기 소스와는 반대로 반응성 분자(예를 들면, 실란 및 도펀트)가 증기 상 분자라는 점을 제외하고는, C-CVD는 LCG와 동일한 기본 원리를 이용한다.
C-CVD에서, 나노와이어는 도핑 소자를 증기 상 반응물(예를 들면, p형 및 n형 도핑된 나노와이어에 대해 디보란(diborane) 및 포스페인(phosphane))에 주입함으로써 도핑될 수 있다. 도핑 농도는 합성 타겟에 주입되는 도핑 소자의 상대량을 제어함으로써 제어될 수 있다. 기체 반응물내의 것과 동일한 도핑 비율을 가지는 봉형 나노단위 반도체를 얻을 필요는 없다. 그러나, 성장 조건(예를 들면, 온도, 압력 등)을 제어함으로써, 동일한 도핑 농도를 가지는 나노와이어가 재생될 수 있다. 그리고, 도핑 농도는 기체 반응물의 비율을 간단히 가변시킴으로써 큰 범위에 걸쳐 가변될 수 있다(예를 들면, 1ppm-10%).
나노와이어와 같은 봉형 나노단위 반도체를 성장시키는데 이용될 수 있는 수개의 다른 기술들이 있다. 예를 들면, 임의의 다양한 재료의 나노와이어는 증기-고체 프로세스를 통해 증기 상으로부터 바로 성장될 수 있다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이 나노와이어는 표면 단차, 즉 다른 타입의 패터닝된 표면의 에지 상의 퇴적에 의해 생성될 수 있다. 또한, 예를 들면 도 6에 도시된 바와 같이, 나노와이어는 임의의 일반적인 봉형 템플레이트 내/상의 증착에 의해 성장될 수 있다. 다공성 막은 다공성 실리콘, 양극성 알루미나 또는 다이블럭 코폴리머 및 임의의 다른 유사 구조일 수 있다. 천연 섬유는 DNA 분자, 단백질 분자, 탄소 나노튜브, 임의의 다른 봉형 구조일 수 있다. 상기 기술한 모든 기술에 대해, 소스 재료는 기상보다는 액상으로부터 나올 수 있다. 액상인 동안에, 템플레이트는 상기 언급한 템플레이트뿐만 아니라 계면 활성제 분자에 의해 형성된 칼럼 교질입자(micelle)일 수도 있다.
하나 이상의 상기 기술을 이용하여, 반도체 나노와이어 및 도핑된 반도체 나노와이어와 같은 봉형 나노단위 반도체가 성장될 수 있다. 그러한 벌크 도핑된 반도체는 반도체 및 도펀트를 포함하는 다양한 재료 조합을 포함할 수 있다. 이하는 그러한 재료의 비포괄적인 리스트이다. 다른 재료들이 이용될 수도 있다. 그러한 재료는 이하와 같고, 이것으로 제한되지는 않는다.
원소 반도체:
Si, Ge, Sn, Se, Te, B, 다이아몬드, P
원소 반도체의 고용체(solid solution):
B-C, B-P(BP6), B-Si, Si-C, Si-Ge, Si-Sn, Ge-Sn
Ⅳ-Ⅳ 그룹 반도체:
SiC
Ⅲ-Ⅴ 반도체:
BN/BP/BAs, AlN/AlP/AlAs/AlSb, GaN/GaP/GaAs/GaSb, InN/InP/InAs/InSb
Ⅲ-Ⅴ 그룹의 합금:
상기 합성물의 2개 이상의 임의의 조합(예를 들면, AlGaN, GaPAs, InPAs, GaInN, AlGaInN, GaInAsP,...)
Ⅱ-Ⅵ 반도체:
ZnO/ZnS/ZnSe/ZnTe, CdS/CdSe/CdTe, HgS/HgSe/HgTe, BeS/BeSe/BeTe/MgS/MgSe
Ⅱ-Ⅵ 그룹의 합금:
상기 합성물의 임의의 조합(예를 들면, (ZnCd)Se, Sn(SSe), ...)
Ⅱ-Ⅵ과 Ⅲ-Ⅴ 반도체의 합금:
임의의 하나의 Ⅱ-Ⅵ 및 임의의 하나의 Ⅲ-Ⅴ 합성물의 조합, 예를 들면 (GaAs)x(ZnS)1-x
Ⅳ-Ⅵ 반도체:
GeS, GeSe, GeTe, SnS, SnSe, SnTe, PbO, PbS, PbSe, PbTe
Ⅰ-Ⅶ 반도체:
CuF, CuCl, CuBr, CuI, AgF, AgCl, AgBr, AgI
다른 반도체 화합물:
Ⅱ-Ⅳ-Ⅴ2: BeSiN2, CaCN2, ZnGeP2, CdSnAs2, ZnSnSb2 ...
Ⅰ-Ⅳ2-Ⅴ3: CuGeP3, CuSi2P3, ...
Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ2: (Cu, Ag)(Al, Ga, In, Tl, Fe)(S, Se, Te)2
Ⅳ3-Ⅴ4: Si3N4, Ge3N4, ...
Ⅲ2-Ⅵ3: Al2O3, (Al, Ga, In)2(S, Se, Te)3, ...
Ⅲ2-Ⅳ-Ⅵ: Al2CO ...
그룹 Ⅳ 반도체 재료에 대해, p형 도펀트는 그룹 Ⅲ에서 선택될 수 있고, n형 도펀트는 그룹 Ⅴ에서 선택될 수 있다. 실리콘 반도체 재료에 대해서는, p형 도펀트는 B, Al 및 In을 포함하는 그룹에서 선택될 수 있고, n형 도펀트는 P, As 및 Sb를 포함하는 그룹에서 선택될 수 있다. 그룹 Ⅲ-Ⅴ 반도체 재료에 대해서는, p형 도펀트는 Mg, Zn, Cd 및 Hg를 포함하는 그룹 Ⅱ 또는 C 및 Si를 포함하는 그룹 Ⅳ에서 선택될 수 있다. n형 도펀트는 Si, Ge, Sn, S, Se, 및 Te를 포함하는 그룹에서 선택될 수 있다. 본 발명이 이들 도펀트로만 제한되지 않는다는 것은 자명하다.
예
나노와이어의 도핑 및 전기적 전송
단결정 n형 및 p형 실리콘 나노와이어(SiNW)는 전기적 전송 측정에 의해 준비되어 특성화된다. 본 명세서에 이용되는 바와 같이, "단결정" 아이템은 아이템 전체에 걸쳐 공유 결합, 이온 결합 또는 그 조합을 가지는 아이템이다. 그러한 단결정 아이템은 결정내에 결함을 포함할 수 있지만, 이온적으로나 공유적으로 결합되지 않고 서로 아주 근접해 있는 하나 이상의 결정을 포함하는 아이템과 구별된다. 레이저 촉매 성장은 SiNW의 기상 성장 동안에 보론이나 인 도펀트 중 어느 하 나를 제어가능하게 주입하는데 이용되었다. 개별적인 보론-도핑되고 인 도핑된 SiNW상에 수행된 2단자 게이트 의존성 측정 결과를 보면, 이들 재료들은 각각 p형 및 n형 재료로서 동작한다는 것을 알 수 있다. 게이트 의존성 전송 측정으로부터 만들어진 캐리어 이동도의 추정은 확산 전송과 일치한다. 뿐만 아니라, 이들 연구에 따르면, SiNW를 다량 도핑하고 금속 영역(metallic regime)에 접근할 수 있다는 것을 알 수 있다. 다량 도핑된 SiNW 상에 수행된 온도 의존성 측정은 4.2K 이하의 온도에서 쿨롱 차단에 대한 증거를 전혀 보여주지 못하므로, SiNW의 구조적 및 전자적 균일성을 증명한다. 도핑된 SiNW의 잠재적인 응용이 기재된다.
현재, 치수 및 크기가 물리적 특성에 얼마나 영향을 미치는가에 대한 기본적인 개념을 테스트하고 부각되는 나노기술에 대한 중요한 구축 블록으로서 기능하는 그 잠재력으로 인해, 나노와이어 및 나노튜브와 같은 1차원(1D) 나노구조에 관심이 집중되고 있다. 예측가능하고 제어가능한 도전성이 다수의 나노단위 전자장치 응용에 핵심적이므로, 1D 나노구조에서 특히 중요한 것은 이들 "와이어"를 통한 전기적 전송이다. 지금까지, 많은 노력들이 탄소 나노튜브에서의 전기적 전송에 집중되었다. 이들 연구들은 수백 나노미터에 걸쳐 연장되는 간섭 상태의 존재, 실온에서의 안정된 도전, 및 루팅거 액체 상태를 포함하는 흥미로운 기본 특징을 보여주었고, 전계 효과 트랜지스터와 같은 디바이스에 대한 잠재력을 증명하였다. 그러나, 나노튜브에는 중요한 한계가 있다. 우선, 직경 및 헬리시티(helicity)에 민감하게 좌우되는 금속성 또는 반도전성 튜브의 특정 성장은 불가능하다. 특정 도전 형태에 좌우되는 연구들은 우연적인 관찰(chance observation)에 좌우된다. 둘째, 디바이스 응용에도 잠재적으로는 중요하지만, 반도전 나노튜브의 도핑 제어는 불가능하다. 그러나, 반도체 나노와이어는 이들 탄소 나노튜브의 제한을 극복할 수 있다. 이들 나노와이어는 직경에 관계없이 반도전 상태를 유지할 것이고, 더구나 나노와이어를 도핑하는 반도체 산업으로부터의 방대한 지식을 활용할 수 있다.
이를 위해, 여기에서 SiNW의 도핑 제어의 제1 증명 및 전송 측정을 이용한 이들 도핑된 나노와이어의 전기적 성질의 특성을 보고한다. 게이트-의존성의 2단자 측정은 보론 도핑(B-도핑) 및 인-도핑(P-도핑) SiNW가 각각 p형 및 n형 재료로서 작용하고 캐리어의 이동도의 평가는 이들 나노와이어에서 확산성 전송을 시사한다는 것을 증명한다. 뿐만 아니라, 다량 도핑된 SiNW에 대해 수행된 온도 의존성 측정은 4.2K 이하의 온도에서 쿨롱 차단에 대한 어떠한 증거도 보여주지 못한다.
SiNW는 상기 설명한 레이저-지원 촉매 성장(LCG)를 이용하여 합성되었다. 요약하면, ND-YAG 레이저(532㎚; 8㎱ 펄스폭, 300mJ/펄스, 10Hz)는 금 타겟을 절제하는데 이용될 수 있고, 반응기내에 금 나노클러스터 촉매 입자를 생성한다. SiNW는 반응물로서 SiH4의 플로우 내에서 성장된다. 그러한 SiNW는 반응물 플로우에 B2H6를 제공함으로써 보론으로 도핑되고, 반응물 기체 입구에서 Au-P 타겟(99.5:0.5 wt%, Alfa Aesar) 및 추가 적린(red phosphorous)(99%, Alfa Aesar)를 이용하여 인으로 도핑된다. 투과 전자 마이크로스코피(TEM) 측정은 이러한 기술을 이용하여 성장된 도핑 SiNW는 상기 설명한 바와 같이 고밀도 SiOx 시스(sheath)로 피복되는 단결정 실리콘 코어를 가지고 있다는 것을 증명한다.
개별 SiNW로의 전기적 콘택트는 JEOL 6400 라이터(writer)를 이용하여 표준 전자빔 리소그래피 방법을 이용하여 수행된다. 나노와이어는 기본적인 도전 Si가 후방 게이트로서 이용되면서 산화 Si 기판(1-10Ω·㎝ 비저항, 600㎚ SiO2, Silicon Sense Inc.) 상에 지지되었다. SiNW로의 콘택트는 열적으로 기화된 Al(50㎚) 및 Au(150㎚)를 이용하여 만들어졌다. 전기적 전송 측정은 컴퓨터 제어하에서 1㎀보다 적거나 같은 잡음을 가지는 수제(homebuilt) 시스템을 이용하여 수행되었다. 온도 의존성 측정은 양자 설계 자기특성 측정 시스템에서 수행되었다.
TEM 연구 결과에 따르면, 이들 측정들이 개별 와이어의 보론 또는 인 도핑 레벨의 크기를 정할 만큼 충분한 민감도를 가지지 않을 지라도 보론 및 인 도핑 SiNW는 단결정이라는 것을 보여주었다. 그러나, 전기적 전송 스펙트로스코피(spectroscopy)를 이용하여 p형(보론) 및 n형(인) 도펀트의 존재 및 상대 도핑 레벨을 분명하게 증명할 수 있다. 이들 측정에서, 게이트 전극은 나노와이어의 전류 대 전압을 측정하면서, SiNW의 정전 전위를 가변시키는데 이용된다. 컨덕턴스는 양(음)의 게이트 전압을 증가시키기 위해 역으로 가변되기 때문에, 게이트 전압의 함수로서의 도전성의 변화는 주어진 나노와이어가 p형인지 n형인지를 구별하는데 이용된다.
진성 및 B-도핑 SiNW 상에 기록된 통상의 게이트 의존성 전류 대 바이어스 전압(I-V) 커브는 도 8a-8c에 도시되어 있다. 도 8a 및 8c에 도시된 2개의 B-도핑 와이어는 1000:1 및 2:1의 SiH4:B2H6의 비율을 각각 이용하여 합성되었다. 일반적 으로, 2단자 I-V 커브는 선형이고, 따라서 금속 전극이 SiNW에 오옴성 접촉을 한다는 것을 암시한다. 진성 나노와이어에서 관찰되는 작은 비선형성은 이러한 콘택트가 작은 비오옴성이라는 것을 나타낸다. 제로 게이트 전압(Vg=0)에서 기록되고 SiNW 상의 접촉 저항 및 산화물 코팅으로부터의 기여를 나타내는 I-V 데이터의 분석은 3.9x102Ω·㎝의 비저항을 산출한다. 중요하게도, Vg가 점증하는 음(양)으로 되는 경우에, 도전성은 증가한다(감소한다). 이러한 게이트 의존성은 SiNW가 p-도핑 반도체(이하에 설명됨)라는 것을 보여준다. 유사한 I-V 대 Vg 커브는 소량 B-도핑된 SiNW에 대해 기록되었고, 이것이 또한 p형이라는 것을 보여준다. 더구나, 이러한 B-도핑 SiNW(1Ω·㎝)의 Vg=0 저항은 진성 SiNW보다 작은 2차 이상의 크기이고, 도전성을 화학적으로 제어할 수 있는 능력을 명백하게 증명한다. 이러한 후자의 사항은 도 8c에 도시된 다량 B-도핑된 SiNW 상의 I-V 측정에 의해 더 지원된다. 이러한 와이어는 6.9x10-3Ω·㎝의 매우 낮은 비저항을 가지고 있고, Vg에 대한 의존성을 보여주지 않는다, 즉 0 및 20V의 Vg로 기록된 I-V 데이터는 중첩된다. 이들 결과들은 금속 한계 근처에 존재하는 높은 캐리어 농도와 일치한다.
본 발명자는 또한 소량 및 다량 P-도핑된 SiNW에서의 Vg-의존성 전송을 측정하였다. 소량 도핑된 나노와이어(도 9a) 상에 기록된 I-V는 다소 비선형이고, 이것은 전극과 나노와이어간의 비이상적 접촉을 나타내며, Vg 의존성은 B-도핑 SiNW에 대해 관찰되는 것과 반대이다. 중요한 것은, 이와같이 관찰되는 게이트 의존성은 P-도핑에 예상되는 것과같이 n형 재료와 일치한다는 점이다. Vg=0에서 이러한 와이어의 추정된 비저항은 2.6x102Ω·cm이다. 이러한 비교적 높은 비저항은 낮은 도핑 레벨 및/또는 낮은 이동도를 암시한다. 뿐만 아니라, 다량 P-도핑된 SiNW가 만들어지고 연구되었다. 통상의 다량 P-도핑된 와이어 상에 기록되는 I-V 데이터는 선형이고, 2.3X10-2의 비저항을 가지며, Vg에 의존성을 나타내지 않는다. 낮은 비저항(소량 P 도핑된 샘플보다 작은 크기의 4차) 및 Vg 의존성은 높은 캐리어 농도가 SiNW의 P-도핑을 통해 생성될 수도 있다는 것을 증명한다.
상기 결과는 보론 및 인이 큰 크기의 차수만큼의 SiNW의 도전성을 변경하는데 이용될 수 있고, 도핑된 SiNW의 도전성은 보론 및 인 도펀트에 대해 양(음)의 Vg에 반대로 응답한다는 것을 증명한다. 실제, Vg-의존성은 SiNW에서 보론으로 도핑하는 p형(정공) 및 인으로 도핑하는 n형(전자)에 대한 강력한 증거를 제공한다. 관찰된 게이트 의존성은 SiNW 밴드에 대한 정전 전위의 영향을 도시한 도 10a 및 10b에 도시된 개략도를 참조함으로써 이해될 수 있다. 이들 도면에서, p형 나노와이어(a) 및 n형 나노와이어(b)는 양쪽 단부에서 금속 전극에 접촉된다. 종래 금속-반도체 인터페이스에 대해서는, SiNW 밴드이 굴곡되어(p형에 대해서는 위로, n형에 대해서는 아래로) 나노와이어 페르미(Fermi) 레벨을 금속 콘택트의 것과 나란하게 한다. Vg>0인 경우, 밴드이 낮아져, B-도핑된 SiNW에서 정공을 비우게 하여 도 전성을 억제하지만, P-도핑된 SiNW에서 전자의 축적을 유발하여 도전성을 향상시킨다. 역으로, Vg<0은 밴드을 상승시켜, B-도핑된(p형) SiNW의 도전성을 증가시키고 P-도핑된(n형) 나노와이어의 도전성을 감소시킨다.
뿐만 아니라, 상호 컨덕턴스 dI/dVg=μC/L2(μ은 캐리어 이동도, C는 커패시턴스, L은 SiNW의 길이)로부터 캐리어의 이동도를 추정할 수 있고, 여기서, SiNW 커패시턴스는 C≒2πεε0L/ln(2h/r)에 의해 주어지고, ε은 유전체 상수이며, h는 실리콘 산화물 층의 두께이고, r은 SiNW 반경이다. 이 모델에 대해 예상되는 바와 같이, dI/dVg 대 V의 플롯은 진성(도 8a) 및 소량 B-도핑된(도 8b) SiNW에 대해 선형인 것으로 발견되었다. 진성(2.13x10-11) 및 B-도핑된(9.54x10-9) SiNW에 대한 dI/dVg의 기울기는 5.9x10-3cm2/V·s 및 3.17cm2/V·s의 이동도를 각각 나타낸다. B-도핑된 나노와이어에 대한 이동도는 1020cm-3의 도핑 농도에서 벌크 Si에 예상되는 것에 상당하다. 유의할 점은, 진성(낮은 도펀트 농도) SiNW에서 이동도가 매우 낮더라도 이동도가 감소함에 따라 도펀트 농도와 함께 증가할 것으로 예상된다는 점이다. 감소된 이동도는 더 작은 직경(진성) SiNW에서의 향상된 분산에 기인한다고 할 수 있다. (일정한 도펀트 농도에 대한) 직경의 함수로서의 이동도에 대한 향후 연구가 이러한 중요한 점을 조사해야 한다고 생각한다.
최근, 다량 B-도핑된 SiNW의 최초 온도-의존성 연구를 실행했다. 온도 의존 성 I-V 커브에 따르면, 도핑된 반도체에서 예상되는 바와 같이(도 11a 및 11b), 온도가 감소함에 따라 컨덕턴스가 감소한다는 것을 알 수 있다. 더 중요한 것은, 최저 액세스 가능한 온도(도 11b) 아래까지 쿨롱 차단의 증거를 전혀 볼 수 없다. 고해상도 I-V대 Vg 측정은 쿨롱 차단에 대한 어떠한 표시도 보여주지 못하므로, V=0 근처의 작은 비선형성은 콘택트 효과에 기인한다. 전극(150㎚ 두께, 2.3㎛ 길이의 와이어)간의 이러한 동질 와이어에서의 쿨롱 충전 효과는 kT=e2/2C에서 추정된 약 26mK 이하의 온도를 필요로 한다. 이것은 SiNW 직경의 변동 및 결함이 SiNW를 작은 섬들로 효과적으로 "분쇄하지(break up)"못할 만큼 충분히 작은 것을 분명하게 나타내고, 이것은 이들 온도에서 쿨롱 차단을 나타낸다. 이들 결과는 쿨롱 차단을 나타내는 리소그래피에 의해 패터닝된 SiNW의 연구와 대조되며, 고품질의 자유 설치형(free-standing) 나노와이어를 증명한다.
단결정 n형 및 p형 실리콘 나노와이어(SiNW)가 준비되고, 전기적 전송 측정에 의해 특징지어진다. 레이저 촉매 성장은 SiNW의 증기 상 성장 동안에 보론이나 인 도펀트를 제어가능하게 도입하는데 이용된다. 개별적인 보론 도핑 및 인 도핑 SiNW에 대해 수행된 2단자 게이트 의존성 측정에 따르면, 이들 재료는 각각 p형 및 n형 재료로서 작용한다는 것을 알 수 있다. 게이트 의존성 전송 측정으로부터 수행된 캐리어 이동도의 추정은 확산 전송과 일치하고, 더 작은 직경의 와이어에서 감소된 이동도에 대한 표시를 나타낸다. 뿐만 아니라, 이들 연구들에 따르면, 높은 도펀트 농도를 SiNW에 통합시켜 금속형에 근접시킬 수 있다는 것을 보여준다. 다량 도핑된 SiNW에 대해 수행된 온도-의존성 측정은 4.2K 이하의 온도에서 충전하는 단일 전자에 대한 어떠한 증거도 보여주지 못하며, 따라서 SiNW가 높은 수준의 구조적 및 도핑 균일성을 소유하고 있다는 것을 암시한다.
n형 및 p형 재료를 생성하는 SiNW의 성공적인 도핑은 나노단위 과학 및 기술에서 흥미로운 기회를 만들 것으로 믿고 있다. 도핑된 SiNW는 1D 나노구조에서 전송의 기본 이슈를 연구하기 위한 후보이다. 본 명세서에서 연구되는 구조는 또한 전계 효과 트랜지스터(FET)이고, 많은 SiNW FET를 나노전자 응용을 위한 구조로 통합하는 것은 자가-조립 기술을 이용하여 가능하다. 미래의 디바이스 및 센서에 대해서도 고려될 수 있는 p-n 접합을 생성하도록 p형 및 n형 SiNW를 예를 들면 교차된 어레이로 조합할 수도 있을 것이다.
교차된 SiNW p-n 접합은 n형(p형) SiNW에 대한 p형(n형) SiNW의 지향성 조립에 의해 형성되었다. 전송 측정은 역방향 바이어스에서 정류를, 순방향 바이어스에서는 예리한 전류 개시를 나타낸다. 접합을 구성하는 p형 및 n형 SiNW에 대해 수행되는 동시 측정은 이들 나노와이어로의 접촉이 오옴성(비정류형)이고 따라서 정류 작용은 2개의 SiNW간의 p-n 접합에 기인한다는 것을 증명한다.
도 8a는 상이한 게이트 전압(Vg)에서 70㎚ 직경 진성 SiNW에 기록된 전류(I) 대 바이어스 전압(V) 커브를 도시하고 있다. 커브 1, 2, 3, 4, 5, 6 및 7은 각각 Vg=-30, -20, -10, 0V, 10, 20, 및 30V에 대응한다. 인셋(inset)은 금속 콘택트(단위 바=10㎛)를 가지는 SiNW의 전형적인 주사 전자 마이크로그래프이다. 도 8b는 150㎚ 직경 B-도핑된 SiNW에 기록된 I-V 데이터를 도시한다. 커브 1-8은 각각 Vg=-20, -10, -5, 0, 5, 10, 15 및 20V에 대응한다. 도 8c는 150㎚ 직경 다량 B-도핑된 SiNW에 기록된 I-V 커브를 도시한다. Vg=20V(직선) 및 0V(굵은 파선)이다.
도 9a는 60㎚ 직경 P-도핑된 SiNW에 대해 기록된 I-V 데이터를 도시하고 있다. 커브 1, 2, 3, 4, 5 및 6은 Vg=20, 5, 1, 0, -20 및 -30V에 각각 대응한다. 도 9b는 90㎚ 직경의 다량 P-도핑된 SiNW에 기록된 I-V 커브를 도시한다. Vg=0V(직선) 및 -20V(굵은 파선)이다.
도 10a는 p형 SiNW 디바이스에 대한 에너지 밴드 다이어그램을 도시하고 있다. 도 10b는 n형 SiNW 디바이스에 대한 에너지 밴드 다이어그램을 도시하고 있다. 상기 도면들은 양쪽 타입의 나노와이어에 대해 정전위에 대한 Vg의 영향을 개략적으로 도시하고 있다.
도 11a 및 11b는 다량 B-도핑된 SiNW에 기록된 온도 의존성 I-V 커브를 도시하고 있다. 도 11a에서, 커브 1, 2 3, 4, 5 및 6은 295, 250, 200, 150, 100 및 50K에 각각 대응한다. 도 11b는 4.2K에서 나노와이어에 대해 기록된 I-V 데이터를 도시하고 있다.
반도체 나노와이어의 직경 선택 합성
단결정 GaP 나노와이어의 거의 단분산(monodisperse) 샘플들은 레이저 촉매 성장(LCG) 프로세스에서 명확한 금 콜로이드를 촉매로서 활용함으로써 10, 20 및 30㎚의 직경 및 10㎛ 이상의 길이로 합성되었다. 본 방법에서, 고체 GaP의 레이저 절제에 의해 생성된 Ga 및 P 반응물은 금 나노클러스터 촉매에 의해 나노와이어 구조로 연속적으로 지향된다. 이와같이 준비된 나노와이어의 투과 전자 마이크로스코피(TEM) 연구는 나노와이어 직경의 분배가 나노클러스터 촉매의 분배에 의해 정의된다는 것을 증명한다. 고해상도 TEM은 와이어가 [111] 성장 방향을 가지는 단결정 아연 혼합물이라는 것을 나타내고, 에너지 분산 X-레이 분석은 나노와이어 조성이 화학량적인 GaP인 것을 확인한다. LCG 방법과 조합된 단분산 나노클러스터 촉매의 이용은 명확하고 잘 제어된 직경을 가지는 다양한 범위의 반도체 나노와이어의 성장을 가능하게 하고, 따라서 1차원(1D) 시스템의 기본 특성으로부터 기능적 나노디바이스의 조립까지의 기회를 제공한다.
단결정 GaP 나노와이어의 거의 단분산 샘플들은 레이저 촉매 성장(LCG) 합성 방법에서 명확한 금 콜로이드를 촉매로서 활용함으로써 10, 20 및 30㎚의 직경 및 10㎛ 이상의 길이로 합성되었다. 이와같이 준비된 나노와이어의 투과 전자 마이크로스코피(TEM) 연구는 나노와이어 직경의 분배는 나노클러스터 촉매에 의해 정의된다는 것을 증명한다. 고해상도 TEM은 와이어가 [111] 성장 방향을 가지는 단결정 아연 혼합물이라는 것을 나타내고, 에너지 분산 X-레이 분석(EDAX)은 나노와이어 조성이 화학량적인 GaP인 것을 확인한다.
최근의 저차원 반도체 재료에 대한 관심은 전자 및 광전자 디바이스의 소형화에 대한 압력 및 나노단위 화학 및 물리의 기본을 이해할 필요성에 의해 동기부여가 되었다. 특히, 1차원(1D) 시스템은 기본 및 응용 관점에서 모두 흥미롭다. 루팅거(Luttinger) 액체 상태와 같은 아주 흥미로운 물리적 현상 및 인터커넥트로 부터 주사 프로브 마이크로스코피에 이르는 수많은 응용은 고품질의 명확한 1D 나노구조를 필요로한다. 1D 나노구조 분야에서의 실험 진행은 제어된 크기, 구조 및 조성을 가지는 이러한 크기형의 새로운 재료를 생성할 수 있는 능력에 의해 제한되었다.
1D 나노구조 합성에 대한 초기 접근법은 박막 성장 및 리소그래피 기술을 채용했다. 특히, "T-와이어"는 분자 빔 에피택시를 통해 반도체 양자 웰을 성장시키고 분열(cleavage) 및 과성장(overgrowth)이 이어짐으로써 제조된 반면, "V-홈(groove)"나노와이어는 표면상의 트렌치를 에칭한 후 소량의 재료를 결과적인 홈에 퇴적함으로써 준비된다. 이들 접근법들의 중요한 제한들 중의 하나는 나노와이어가 기판에 삽입되어, 복잡한 2D 및 3D 나노구조의 조립을 선도한다는 것이다. 템플리트 접근법은 다양한 범위의 나노와이어를 성장시키는데 이용되었다. 이들 방법들은 다결정 구조가 자주 발생된다는 점에서 제한되지만, 나노와이어의 길이 및 직경에 대해 양호한 제어를 제공할 수 있다.
본 연구소에서는 LCG 방법을 통해 자유설치형 단결정 반도체 나노와이어에 대한 일반적인 합성 접근법의 개발 방향에 중요한 진척을 만들었다. LCG에서, 고체 타겟의 레이저 절제는 증기-액체-고체 성장 메카니즘을 통해 나노와이어를 생성하는 나노단위 금속 촉매 클러스터 및 반응성 반도체 원자를 동시에 생성하는데 이용된다. 이 방법은 다양한 범위의 Ⅳ, Ⅲ-Ⅴ 및 Ⅱ-Ⅳ 그룹 나노와이어를 생성하는데 이용되었다. 우리는 촉매 나노클러스터의 크기가 성장 동안에 와이어의 크기를 결정한다는 것을 제안했고, 따라서 단분산 촉매 클러스터를 활용함으로써 좁은 크기 분포를 갖는 와이어를 생성하는 것을 상상할 수 있다(도 12). 여기에서, 이러한 접근법을 조사하기 위해 나노미터 직경의 금 콜로이드를 활용한다.
GaP 나노와이어는 8.4, 18.5, 및 28.2㎚ 직경의 금 콜로이드를 이용하는 LCG에 의해 성장되었다. 이들 실험에서, 촉매 나노클러스터는 SiO2 기판에 지지되고, 레이저 절제는 고체 GaP 타켓에서 Ga 및 P 반응물을 생성하는데 이용된다. 전계 방출 주사 전자 마이크로스코피(FESEM)는 10㎛를 초과하는 길이를 가지는 나노와이어(도 13a)는 모두 3개의 촉매 크기를 이용하여 얻어졌다는 것을 증명한다. 나노와이어 단부의 조사는 나노클러스터 촉매의 존재를 보여주고 있다(도 13a, 인셋). Au 콜로이드 없이 수행되는 제어 실험은 나노와이어를 생성하지 못한다. FESEM은 초점면에서의 작은 변동이 관찰된 직경에서 큰 변경을 생성하기 때문에 이들 분포의 양을 정하기 위한 양호한 방법이 아니지만, FESEM 화상에 따르면, 나노와이어 직경 분포는 콜로이드 촉매가 없는 실험에서 얻어지는 것보다 더 좁다는 것을 알 수 있다.
이들 실험에서 이용되는 성장 장치는 보고된 것과 유사하다. 기판은 600㎚의 열적 산화물(Silicon Sense)을 가지는 실리콘 웨이퍼를 0.4% N-[3-(트리메스옥시시릴)프로필]-에틸렌디아민를 가지는 95:5 EtOH:H2O 용액에 5분동안 방치한 후 100-110℃에서 10분동안 경화함으로써 만들어진다. Au 콜로이드 용액(Ted Pella)은 109-1011 입자/mL의 농도로 희석되어 결합(aggregation)을 최소화하고, 기판 상에 퇴적된다. 기판은 노의 하류 단부에서 석영관 내에 배치되고 GaP의 고체 타겟 은 상류 단부에서 노의 3-4cm 외부에 배치된다. 챔버는 100mTorr 이하로 배기된 후, 기류가 100sccm인 상태에서 250Torr로 유지된다. 노는 700℃로 가열되고 타겟은 ArF 엑시머 레이저(λ=193㎚, 100mJ/펄스, 10Hz)로 10분동안 절제되었다. 냉각 후에, 기판은 FESEM(LEO 982)에 의해 검사되었다. TEM(JEOL 200CX 및 2010) 및 EDAX 분석을 위해, 나노와이어는 에탄올에서의 초음파 처리에 의해 기판으로부터 제거된 후 구리 그리드 상에 퇴적되었다.
금 콜로이드를 이용하여 생성된 나노와이어 직경 분포의 정량적인 측정을 얻고 그 구조와 조성을 더 잘 특성화하기 위해, TEM을 이용했다. 본 기술의 한계 내에서, 고해상도 TEM은 와이어가 [111] 방향으로 성장하는 단결정이라는 것을 보여 주었고(도 13b), EDAX는 조성이 화학양적인 GaP(Ga:P 1.00:0.94)인 것을 확인한다. 중요한 것은, 나노와이어 직경의 광범위한 TEM 분석은 콜로이드 촉매 직경 및 분산과의 매우 양호한 상관 관계를 증명한다는 것이고(도 14a 및 14b), 즉 28.2±2.6, 18.5±0.9 및 8.4±0.9㎚ 콜로이드로부터 성장된 와이어에 대해, 각각 30.2±2.3, 20.0±1.0 및 11.4±1.9㎚의 평균 직경을 관찰하였다. 평균 나노와이어 직경은 콜로이드보다 통상 1-2㎚ 정도 크다. 이러한 증가는 나노와이어의 응집이 발생하기 전에 콜로이드와 Ga 및 P 반응물과의 합금 때문인 것으로 생각한다. 30㎚ 및 20㎚ 와이어에 대해(도 14a 및 14b), 나노와이어 분포의 폭은 콜로이드의 폭을 반영하고, 와이어의 단분산성이 콜로이드의 분산에 의해서만 제한된다는 것을 암시한다는 것은 분명하다. 10㎚ 직경의 와이어에 대해(도 14c), 와이어 분포의 작은 광폭화(1㎚)는 콜로이드의 결합(aggregation)에 기인한다고 할 수 있다. 평균 직경 및 분포 폭은 콜로이드의 농축된 용액이 기판 상으로 분산됨에 따라 증가된다. 분포가 ~2.5㎚만큼 분리되는 피크를 가지고 있다는 사실은, 이러한 점을 구체화하는데 추가 작업이 요구되지만, 일부 와이어는 2개의 콜로이드 집합체으로부터 성장한다는 것을 암시한다. 모든 경우에, 와이어 직경의 분포는 콜로이드 촉매를 이용하지 않고 성장된 것보다 1차 이상이며, 43±24㎚이다(도 14d).
이러한 연구는 다양한 콜로이드에 대한 반도체 나노와이어의 직경에 대한 시스템적인 제어를 발휘할 수 있는 능력을 처음으로 분명하게 증명한 것이라 생각한다. 명백하지 않은 촉매를 가지는 표면상에 나노와이어를 성장시키는 종래의 시도들은 50㎚ 이상의 비균일 직경을 가지는 나노와이어로 이어지게 된다. 배경 캐리어 기체를 가변시킴으로써 나노와이어의 직경을 제어하는 다른 시도는 단순히 와이어의 평균 직경을 약간 시프팅하였고, 우리가 콜로이드-매개 성장으로 달성한 것보다 훨씬 더 넓은 와이어 분포를 제공하였다.
요약하면, 단분산 직경 분포를 가지는 반도체 와이어의 제어된 합성을 증명하였다. 이들 고품질의 단결정 와이어는 나노단위 과학 및 기술의 여러 분야의 응용뿐만 아니라 저차원 물리학의 추가 연구 모두에 대해서도 바람직한 후보가 될 수 있다. 특히, 제어된 직경의 샘플의 합성은 이들 나노단위 구축 블록을 복잡하고 기능적인 2D 및 3D 나노시스템으로의 조립을 크게 용이하게 한다.
도 12는 명확한 GaP 반도체 나노와이어의 성장을 위해 촉매로서 단분산 금 콜로이드의 이용을 도시한 개략도이다.
도 13a는 28.2㎚ 콜로이드(단위 바는 5㎛이다)로부터 합성되는 나노와이어의 FESEM 화상을 도시하고 있다. 인셋은 이들 와이어 중 하나의 단부의 TEM 화상이다(단위 바는 50㎚이다). 높은 콘트라스트 특징은 와이어의 단부에서 콜로이드 촉매에 대응한다. 도 13b는 본 샘플에서의 다른 와이어의 TEM 화상을 도시한다(단위 바는 10㎚이다). [111] 격자 면이 해상되어, 이전 연구와 일치하게 와이어 성장이 이 축을 따라 발생한다는 것을 보여주고 있다. 면간 스페이싱(inter-plane spacing)의 측정은 GaP에 대한 벌크값 0.5451㎚에 일치하여, 와이어에 대해 0.54㎚(±0.05㎚)의 격자 상수를 제공한다.
도 14a-14c는 28.2㎚(도 14a), 18.5㎚(도 14b), 및 8.4㎚(도 14c) 콜로이드로부터 성장된 와이어에 대해 측정된 직경의 히스토그램을 도시하고 있다. 직선은 와이어의 분포를 나타낸다. 도 14d는 레이저가 Au 나노클러스터 및 GaP 반응물을 모두 생성하는데 이용되고, 콜로이드 없이 이전 방법을 이용하여 성장된 와이어에 대한 직경의 히스토그램이다. 분포가 매우 넓고(표준 편차 23.9㎚), 평균 직경(42.7㎚)은 소정 콜로이드 촉매를 이용하여 합성된 것보다 크다. 모든 경우에, 보고된 나노와이어 직경은 결정 코어에 대응한다. 모든 나노와이어의 표면 상의 비정질 산화물 층은 동일한 실험에서 와이어별로 비교적 일정하지만, 합성들간 두께에서 2-6㎚로 가변된다.
화합물 반도체 나노와이어의 일반적인 합성
넓은 범위의 멀티컴포넌트 반도체 나노와이의 예측가능한 합성은 레이저-지원 촉매 성장을 이용하여 달성된다. 이원 그룹(binary group) Ⅲ-Ⅴ 재료(GaAs, GaP, InAs, InP), 삼원 Ⅲ-Ⅴ재료(GaAs/P, InAs/P), 이원 Ⅱ-Ⅵ 화합물(ZnS, ZnSe, CdS, CdSe) 및 이원 SiGe 합금의 나노와이어는 고순도(>90%) 단결정으로서 벌크 양으로 준비되었다. 나노와이어는 3 내지 10 나노미터의 가변하는 직경 및 수십 마이크로미터까지 연장되는 길이를 가지고 있다. 이러한 다양한 범위의 기술적으로 중요한 반도체 나노와이어의 합성은 많은 다른 재료들까지로 확장될 수 있고, 나노단위 과학 및 기술에서 중요한 기회를 제공한다.
나노단위 재료의 합성은 작은 구조의 기본 특성을 이해하고, 나노구조화된 재료를 생성하고 나노기술을 개발하는 것과 관련된 연구에 중요하다. 나노와이어와 나노튜브는 1차원 시스템에 관한 기본적인 의문들을 해명할 잠재력을 가지고 있고 분자 전자공학으로부터 혁신적인 주사 마이크로스코피 프로브의 범위에 걸쳐 중심적인 역할을 할 것으로 예상되므로, 상당한 주의가 집중되었다. 그러한 다양하고 흥미로운 기회를 조사하기 위해서는 화학적 조성과 직경이 가변될 수 있는 나노와이어 재료가 필요하다. 지난 수년간에 걸쳐, 나노와이어의 벌크 합성에 상당한 노력이 들어갔고, 템플레이트, 레이저 절제, 용해 및 다른 방법을 이용하여 진척이 이루어졌으나, 어느 경우든 다양한 나노와이어 재료를 합성하는데 하나의 접근법이 예측적 방식으로 활용되는 것을 증명하지 못했다. 여기에서, 레이저 지원 촉매 성장(LCG) 방법을 이용하여, 광범위한 이원 및 삼원 Ⅲ-Ⅴ, Ⅱ-Ⅳ 및 Ⅳ-Ⅳ 그룹 반도체 나노와이의 예측가능한 합성을 설명한다.
최근, 증기-액체-고체(VLS) 메카니즘에 의해 단결정 나노와이어의 크기를 정의하고 성장의 방향을 지정하는 나노미터 직경 촉매 클러스터를 생성하도록 레이저 절제를 활용하는 LCG 방법을 이용한 소자 Si 및 Ge 나노와이어의 성장을 보고하였 다. VLS 성장 프로세스 및 LCG 방법의 핵심 특징은 평형 상태도가 촉매 및 성장 조건을 예측하는데 이용되고, 이에 의해 새로운 나노와이어 재료의 합리적인 합성을 가능하게 한다는 점이다. 중요하게도, 여기에서 Ⅲ-Ⅴ재료 GaAs, GaP, GaAsP, InAs, InP 및 InAsP, Ⅱ-Ⅳ재료 ZnS, ZnSe, CdS 및 CdSe, 및 SiGe의 Ⅳ-Ⅳ 합금의 반도체 나노와이어가 본 접근법을 이용하여 높은 산출량 및 순도로 합성될 수 있다는 것을 보여주고 있다. GaAs 및 CdSe와 같은 화합물 반도체는 그들의 다이렉트 밴드 갭이 인력이 있는 광학 및 광전기 특성을 유발하므로, 특히 흥미로운 대상이다. 나노와이어는 3㎚ 정도의 작은 직경 및 10㎛를 초과하는 길이를 가지는 단결정으로서 준비되었고, 상기 단결정들은 강한 방사 양자 구속의 영역에 배치된다. 이들 연구들은 LCG는 나노와이어 합성에 대해 매우 일반적이고 예측성의 접근법을 나타난다는 것을 증명하고, 더구나 준비된 다양한 범위의 Ⅲ-Ⅴ, Ⅱ-Ⅳ 및 Ⅳ-Ⅳ 나노와이어가 나노단위 연구 및 기술에서 많은 새로운 기회를 열 것이라고 믿는다.
LCG 방법을 이용한 이원 이상의 복잡한 나노와이어에 대한 성장 조건의 예측은 원리상으로는 삼원 이상의 고차 상태도로 인해 소자 Si 및 Ge 나노와이어의 이전 연구보다 훨씬 더 어렵다. 그러나, 이러한 복잡성은 관심사가 되는 촉매 및 화합물 반도체에 대한 의사이원(pseudobinary) 상태도를 고려함으로써 상당히 감소될 수 있다. 예를 들면, Au-Ga의 의사이원 상태도를 보면, Au-Ga-As 액체 및 GaAs 고체는 GaAs가 많은 영역에서 630℃ 이상에서 원리 상(principle phase)이라는 것을 알 수 있다(도 15). 이것은, 타겟 합성 및 성장 온도가 상태도의 이 영역으로 설정되면, Au는 LCG 방법에 의해 GaAs 나노와이어를 성장시키는데 촉매로서 기능할 수 있다는 것을 암시한다. 실제로, (GaAs)0.95Au0 .05 타겟을 이용하는 LCG는 나노와이어로 주를 포함하는 샘플들을 생성한다는 것을 발견한다. 890℃에서 준비된 재료의 전형적인 전계-방출 주사 전자 마이크로스코피(FE-SEM) 화상(도 16a)을 보면, 제품이 10㎛ 이상으로 연장되는 길이를 가지는 와이어형이라는 것을 알 수 있다. 이들 고해상도 SEM 화상을 분석하면, LCG 방법에 의해 제조된 제품의 적어도 90%가 소량의 입자 재료만을 가지는 나노와이어라는 것을 알 수 있다. 벌크 샘플들로부터의 X-레이 회절 데이터는 벌크 GaAs와 일치하는 격자 상수를 가지는 섬아연광(ZB) 구조로 인덱싱될 수 있고, 또한 재료가 1% 수준의 순수 GaAs인 것을 보여주고 있다. 최근에는, GaAs 나노와이어의 높은 수율이 Ag 및 Cu 촉매를 이용하여 얻어졌다는 점에 주목한다. 이들 데이터는 이들 금속(M=Ag, Cu)이 의사이원 상태도의 GaAs 풍부 영역에서 M-Ga-As 액체 및 GaAs 고체 상을 나타낸다는 사실과 일치하고, 또한 나노와이어 성장에 대한 LCG 접근법의 예측가능성을 증명한다.
GaAs 나노와이어의 구조 및 조성은 투과 전자 마이크로스코피(TEM), 수렴성 빔 전자 회절(ED) 및 에너지 분산 X-레이 형광(EDX)를 이용하여 세부적으로 특징지어진다. TEM 연구에 따르면, 나노와이어는 3㎚ 내지 30㎚ 범위의 직경을 가지고 있다. 단일 20㎚ 직경 와이어의 전형적인 회절 콘트라스트 화상(도 17a)은 와이어가 단결정(균일한 콘트라스트)이고 직경이 균일하다는 것을 나타낸다. EDX에 의해 결정된 이 와이어의 Ga:As 조성, 51.4:48.6은 계기 민감도의 범위내에서, GaAs 결정 표준의 분석으로부터 얻어지는 조성과 동일하다. 더구나, 이러한 나노와이어의 장축에 수직으로 기록된 ED 패턴(인셋, 도 17a)은 ZB GaAs 구조의 <112> 구역 축에 대해 인덱싱될 수 있고, 따라서 성장은 [111] 방향을 따라 발생한다는 것을 보여주고 있다. 개별적인 GaAs 나노와이어의 광범위한 측정을 보면, 성장은 모든 경우에 <111> 방향을 따라 발생한다. 이러한 방향 및 단결정 구조는 와이어 축에 수직인 (111) 격자 면(스페이싱 0.32+/-0.01㎚, 벌크 GaAs, 0.326㎚)을 명백하게 보여주는 격자 해상 TEM 화상(예를 들면, 도 17b)에 의해 더 확인된다. 최근, TEM 연구들에 따르면, 대부분의 나노와이어는 나노입자를 가지는 한 단부에서 종료한다는 것을 발견하였다(인셋, 도 16a). EDX 분석은, 나노입자들은 주로 Au를 포함하는 것을 나타낸다. 나노와이어의 단부에서 Au 나노입자의 존재는 의사이원 상테도와 일치하고, LCG에 대해 제안된 VLS 성장 메카니즘에 대한 강력한 증거를 나타낸다.
LCG에 의한 이원 GaAs 나노와이어의 성공적인 합성은 분리된 경우가 아니라, 다양한 이원 및 그 이상의 복잡한 나노와이어 재료에 일반적이다(표 1). 합성 접근법은 최대 범위의 나노와이어까지 확장하면, 나노와이어 컴포넌트 소자들이 액체 상에서 용해가능하지만 원하는 나노와이어 상보다 더 안정된 고체 화합물을 형성하지 않는 금속을 식별함으로써 세부 상태도 없이도 LCG를 위한 촉매가 선택될 수 있다, 즉 이상적인 금속 촉매는 물리적으로는 액티브하고 화학적으로는 안정되어야 한다는 것을 알았다. 이러한 관점에서, 새로운 금속 Au는 많은 재료에 대한 양호한 개시점을 나타낸다. 이러한 새로운 금속은 또한 과거에는 금속-유기 화학적 증착(MOCVD)에 의해 표면 지지된 나노와이어의 VLS 성장에 이용되었다. MOCVD 방법에 의해 생성된 나노와이어는 (1) MOCVD 나노와이어는 표면 상에 생성되고 조립을 위해 요구되는 벌크 양으로 생성되지 않는다 (2) MOCVD는 베이스로부터 그 단부까지 두드러지게 테이퍼링하고(즉, 균일한 직경을 가지지 않는다) (3) 최소 나노와이어 직경 10-15㎚는 우리의 연구에서 얻어진 3-5㎚ 직경보다 훨씬 크다는 것을 포함하는 수개의 측면에서 이러한 정보에 보고된 재료와는 상이하다. 최근에, 이하에 설명되는 바와 같이, LCG 방법은 관심이 되는 재료의 고체 타겟과 촉매를 생성하는 것만으로도 많은 상이한 재료들(예를 들면, 표 1)로 용이하게 확장된다는 것을 인식하는 것이 중요하다.
우선, GaP 및 삼원 합금 GaAs1 - xPx를 포함하는 GaAs에 우리의 연구를 확장시켰다. (GaP)0.95Au0 .05 타겟으로부터 LCG에 의해 얻어진 제품의 FE-SEM 화상은 10㎛를 초과하는 길이를 가지는 고순도 나노와이어를 나타낸다(도 16b). 광범위한 TEM 특성화에 따르면, 이들 나노와이어는 LCG 메카니즘에 대해 예상되는 바와 같이, (ⅰ) 단결정 GaP이고, (ⅱ) <111> 방향을 따라 성장하며, (ⅲ) Au 나노입자에서 종료한다(인셋, 도 16b). 삼원 GaAsP 합금 나노와이어의 연구를 통해 본 LCG 접근법의 한계를 더 테스트했다. 삼원 Ⅲ-Ⅴ 합금의 합성은 전자 및 광학 디바이스에 중요한 밴드 갭 공학의 경우에 주요한 관심사이다. Au 촉매로 GaAs0 .6P0 .4 타겟을 이용하는 GaAsP 나노와이어의 LCG는 거의 순수한 나노와이어를 산출했다(도 16c). TEM 화상, ED 및 EDX에 따르면, 이들 나노와이어는 단결정이고, <111> 방향을 따라 성장하며, 1.0:0.58:0.41의 Ga:As:P 비율로서 개시 타겟 조성과 실질적으로 동일하고, Au로 주를 포함하는 나노클러스터에서 종료한다는 것을 보여주고 있다(인셋, 도 16c). ca. 10 및 6㎚의 직경을 가지는 나노와이어에 대해 기록된 고해상도 TEM 화상(도 17c, 도 17d)은 명확한 (111) 격자 면을 보여주고, 조성 변형에 대한 어떠한 증거도 보여주지 않는다. 삼원 나노와이어 조성이 타겟 조성에 의해 제어될 수 있다는 관찰은 특히 중요하다고 생각한다. 왜냐하면, 이것은 밴드-갭 변동(조성) 및 양자 구속(크기)으로 인해 여기 에너지 변경을 조사할 기회를 제공하기 때문이다.
상기 결과에 기초하여, In-As-P를 포함하는 Ⅲ-Ⅴ이원 및 삼원 재료를 준비하기 위해 LCG를 성공적으로 이용했다는 것은 아마 놀랄만한 것은 아니다. 더 중요한 것은 이러한 합성 접근법이 Ⅱ-Ⅳ 재료 ZnS, ZnSe, CdS 및 CdSe(표 1), Ⅳ-Ⅳ SiGe 합금을 포함하는 많은 다른 부류의 나노와이어의 준비에 용이하게 확장될 수 있다. Ⅱ-Ⅳ 나노와이어 CdS 및 CdSe의 경우는 이들 재료, 우르차이트(W)의 안정된 구조적 상이 상기 설명한 Ⅲ-Ⅴ 재료의 ZB 구조 및 ZnS 및 ZnSe의 ZB 구조와 상이하므로, 특히 중요하다. 중요한 것은, CdS 및 CdSe의 나노와이어는 Au 촉매를 포함하는 LCG 접근법을 이용하여 높은 수율로 합성될 수 있다는 것을 발견하였다(도 18a). 개별적인 CdSe 나노와이어에 대해 얻어진 TEM 및 ED 데이터(예를 들면, 도 18b 및 18c)는 이들 재료들이 W-형 구조 및 ZB 구조의 <111> 방향과 분명히 구별되는 <110> 성장 방향을 가지는 단결정이라는 것을 증명한다. CdS 나노와이어(표 1)의 연구는 다소 더 복잡한 거동을 보여주고 있고, 즉 2개의 상이한 <100> 및 <002> 방향을 따른 성장을 가지는 W-형 나노와이어를 보여주고 있다. 소수의 CdS 나노와이어에 대해 지정된 <002> 방향은 ZB 구조의 <111> 방향에 대응할 수 있는 것도 가능하다. 그러나, 벌크 나노와이어 샘플에 수행된 X-레이 회절 측정은 W 지정과 일치한다. 뿐만 아니라, W-형 CdS 및 CdSe 나노클러스터의 이전 연구는 <002> 방향에 따른 봉형을 나타내었다. 성장 온도의 함수로서의 나노와이어 구조의 체계적인 연구는 CdS에 대한 이들 결과의 원인을 밝히는데 도움을 줄 것이며, 어떻게 나노와이어 성장 방향이 제어되는지에 대한 통찰력을 제공할 것이라고 생각한다.
최근, Ⅳ-Ⅳ 이원 Si-Ge 합금의 나노와이어를 준비하기 위해 LCG를 이용했다(표 1). Au 촉매를 이용하면, 전체 Si1 - xGex 조성 범위에서 단결정 나노와이어를 합성할 수 있었다. 상기 설명한 GaAsP의 경우와 달리, Si-Ge 합금은 개시 타겟과는 동일한 조성을 나타내지 않는다. 오히려, 조성은 고온의 중앙 영역에서 생성된 Si가 많은 재료와 저온 단부에서 생성된 Ge가 많은 재료를 갖는 성장 반응기 내에서 연속적으로 가변된다. 특히, 1150℃에서 (Si0 .70Ge0 .30)0.95Au0 .05로부터의 LCG 성장은 노의 중앙에서 단부까지 95:5, 81:19, 74:26, 34:66 및 13:87의 Si:Ge 비율을 가지는 나노와이어를 각각 생성했다. 이러한 조성 변동은 2개의 개별적인 나노와이어 재료의 최적 성장 온도는 매우 상이하다는 사실로부터 발생한다. 그러한 차이가 단일 성장 실험에서 합금 조성의 범위를 준비하도록 이용될 수 있다는 것을 결과가 보여주더라도, 그러한 차이는 제어된 조성 합금을 합성하는 어려움을 증가시킬 수 있다.
결론적으로, LCG 기술을 이용하여 광범위한 단결정 이원 및 삼원 화합물 반 도체 나노와이어를 합성했다. 이들 결과들은 합리적인 나노와이어 합성을 위해 이러한 접근법의 일반성을 명백하게 증명할 것이라 믿는다. 이들 고품질의 단결정 반도체 나노와이어의 가용성은 나노미터 단위 과학 및 기술에서 매력적인 기회를 가능하게 할 것으로 예상된다. 예를 들면, 이들 나노와이어는 1D에서 여기자의 제한, 다이나믹스 및 전송을 검사하는데 이용될 수 있고, 나노구조의 재료에 대한 광학적으로-액티브한 빌딩 블록으로서 기능할 수 있다. 더구나, 성장을 더 제어함으로써, LCG 접근법은 단일 와이어 동질 및 이질 접합 및 수퍼 격자를 포함하는 더 복잡한 나노와이어 구조를 합성하는데 이용될 수 있다고 생각되며, 따라서 나노단위 발광 다이오드 및 레이저 디바이스의 합성을 가능하게 한다.
나노와이어의 LCG 성장을 위한 장치 및 일반적인 절차를 상기 설명했다. 합성에 이용되는 타겟은 (재료)0.95Au0 .05로 구성된다. 합성에 이용되는 전형적인 조건은 (ⅰ)100-500torr Ar:H2,(95:5) (ⅱ) 50-150 sscm 기체 플로우, 및 (ⅲ)펄스형 Nd:YAG 레이저(λ=1064㎚, 10Hz 펄스 레이트, 2.5W 평균 전력)에 의한 절제였다. 상이한 나노와이어 재료의 성장에 이용되는 특정 온도는 표 1에 주어져 있다. 나노와이어 제품은 노의 하류 냉각 단부에서 수집되었다.
나노와이어 샘플은 X-레이 회절(SCINTAG XDS 2000), FE-SEM(LEO 982), 및 TEM(Philips 420 및 JEOL 2010)을 이용하여 특성화된다. 전자 회절 및 조성 분석(EDX) 측정은 TEM에 대해 수행되었다. TEM 분석을 위한 샘플들은 이하와 같이 준비되었다. 즉, 샘플들이 나노와이어 재료를 부유시키는 에탄올에서 간단하게 초 음파 처리되고, 부유 방울이 TEM 그리드 상에 배치되어 건조하도록 허용된다.
막 및 나노튜브를 이용하는 템플레이트 매개 방법은 다수의 재료를 준비하는데 이용되었다. 그러나, 이러한 나노와이어는 통상 10㎚보다 큰 직경을 가지고 있고, 이 길이는 강한 양자 구속 효과에 대해 요구되는 것보다 더 크며, 고유의 물리적 특성을 프로빙하는 것을 어렵게 하는 다결정 구조를 가지고 있다.
표 1은 합성된 단결정 나노와이어의 요약이다. 성장 온도는 이들 연구에서 조사된 범위에 대응한다. 최소(Min.) 및 평균(Ave.) 나노와이어 직경(Diam.)은 TEM 및 FE-SEM 화상에서 결정되었다. 구조는 전자 회절 및 격자 해상 TEM 촬상을 이용하여 결정되었고, 이는 ZB, 섬아연광; W, 우르자이트; 및 D, 다이아몬드 구조 형태들이다. 조성은 개별적인 나노와이어에 대해 수행된 EDX 측정으로부터 결정되었다. 모든 나노와이어는 Ag 및 Cu도 사용되었던 GaAs를 제외하고는 촉매로서 Au를 이용하여 합성되었다. Ag 및 Cu 촉매로 얻어지는 GaAs 나노와이어는 Au 촉매로 얻어지는 것과 동일한 크기, 구조 및 조성을 가지고 있다.
재료 성장온도(℃) 최소 직경(㎚) 평균 직경(㎚) 구조 성장 방향 구성요소 비율
GaAs 800-1030 3 19 ZB <111> 1.00:0.97
GaP 870-900 3-5 26 ZB <111> 1.00:0.98
GaAs0 .6P0 .4 800-900 4 18 ZB <111> 1.00:0.58:0.41
InP 790-830 3-5 25 ZB <111> 1.00:0.98
InAs 700-800 3-5 11 ZB <111> 1.00:1.19
InAs0 .5P0 .5 780-900 3-5 20 ZB <111> 1.00:0.51:0.51
ZnS 990-1050 4-6 30 ZB <111> 1.00:1.08
ZnSe 900-950 3-5 19 ZB <111> 1.00:0.01
CdS 790-870 3-5 20 W <100>,<002> 1.00:1.04
CdSe 680-1000 3-5 16 W <110> 1.00:0.99
Si1 - xGex 820-1150 3-5 18 D <111> Si1 - xGex
도 15는 Au 및 GaAs에 대한 의사이원 상태도를 도시하고 있다. 액체 Au-Ga-As 구성요소는 L로 지정된다.
도 16a-16c는 LCG에 의해 준비된 GaAs(도 16a), GaP(도 16b), 및 GaAs0.6P0.4(도 16c) 나노와이어의 FE-SEM 화상을 도시하고 있다. 도 16a-16c의 단위 바는 2㎛이다. 도 16a-16c의 인셋은 각각 GaAs, GaP, 및 GaAs0 .6P0 .4 나노와이어의 TEM 화상이다. 단위 바는 모두 50㎚이다. 높은 콘트라스트(어두운) 부분은 응고된 나노클러스터 촉매에 해당한다.
도 17a는 ca. 20㎚ 직경의 GaAs 나노와이어의 회절 콘트라스트 TEM 화상을 도시하고 있다. 인셋은 <112> 구역 축을 따라 기록된 수렴성 빔 전자 회절 패턴(ED)를 도시하고 있다. ED 패턴의 [111] 방향은 와이어 축과 평행하고, 따라서 성장은 [111] 방향에 따라 발생하는 것을 보여주고 있다. 단위 바는 20㎚에 대응한다. 도 17b는 ca. 20㎚ 직경 GaAs 나노와이어의 고해상도 TEM 화상을 도시하고 있다. 나노와이어 축에 수직인 격자 스페이싱, 0.32±0.01㎚는 벌크 GaAs 내의 (111) 면들의 0.326㎚ 스페이싱과 거의 일치한다. 단위 바는 10㎚에 대응한다. 도 17c 및 17d는 각각 10 및 6㎚ 직경의 GaAs0 .6P0 .4 나노와이어의 고해상도 TEM 화상을 도시하고 있다. (111) 격자 면(와이어 축에 수직임)은 모든 3개의 나노와이어에서 명백하게 해상된다. 도 17c 및 17d에서의 단위 바는 5㎚이다.
도 18a는 LCG에 의해 준비된 CdSe 나노와이어의 FE-SEM 화상을 도시하고 있다. 단위 바는 2㎛에 대응한다. 도 18a의 인셋은 와이어 단부에서 나노클러스터(어두운 부분)를 나타내는 개별적인 CdSe 나노와이어의 TEM 화상이다. EDX는 나노클러스터가 주로 Au로 구성된 것을 도시하고 있다. 단위 바는 50㎚이다. 도 18b는 18㎚ 직경의 CdSe 나노와이어의 회절 콘트라스트 TEM 화상을 도시하고 있다. 일정한 콘트라스트는 나노와이어가 단결정이라는 것을 나타낸다. 도 18b의 인셋은 <001> 구역 축을 따라 기록되는 ED 패턴으로서, 우르트자이트 구조로 인덱싱된다. ED 패턴의 [110] 방향은 와이어 축에 평행하고, 따라서 성장이 [110] 방향을 따라 발생한다는 것을 보여주고 있다. 단위 바는 50㎚이다. 도 18b는 잘-해상된 (100) 격자 면을 나타내는 ca.13㎚ 직경 CdSe 나노와이어의 고해상도 TEM 화상을 도시하고 있다. 실험상의 격자 간격, 0.36±0.01㎚는 벌크 결정에서 0.372㎚ 분리와 일치한다. 나노와이어 축에 대한 30도 방향 (100) 격자 면은 ED에 의해 결정되는 [110] 성장 방향과 일치한다. 단위 바는 5㎚에 대응한다.
단결정 GaN 나노와이어의 레이저 지원 촉매 성장
단결정 GaN 나노와이어는 레이저 지원 촉매 성장(LCG)을 이용하여 벌크 양으로 합성되었다. (GaN, Fe) 혼합 타겟의 레이저 절제는 결정 나노와이어의 성장을 한정하고 지향하는 촉매 사이트로서 기능하는 액체 나노클러스터를 생성한다. 전계 방출 주사 전자 마이크로스코피에 따르면, 제품은 주로 와이어형 구조로 구성되고, 그 직경은 10㎚ 정도이고, 길이는 1㎛를 크게 초과한다. 벌크 나노와이어 샘플의 분말 X-레이 회절 분석은 GaN 우르트자이트 구조로 인덱싱될 수 있고, 95% 이상의 상 순도(phase purity)를 나타낸다. 개별적인 나노와이어의 투과 전자 마이크로스코피, 수렴성 빔 전자 회절, 및 에너지 분산 X-레이 형광 분석에 따르면, 이들은 [100] 성장 방향을 가지는 GaN 단결정이라는 것을 보여준다. GaN의 단결정 나노와이어의 벌크양과 다른 기술적으로 중요한 반도전성 질화물 재료의 합성은 추가적인 기본 연구 및 응용에 많은 기회를 제공할 것이다.
여기에서, 단결정 GaN 나노와이어의 벌크 합성을 보고한다. GaN 및 촉매 금속의 혼합 타겟의 레이저 절제는 결정 나노와이어의 성장을 한정하고 지향하는 반응성 지역으로서 기능하는 액체 나노클러스터를 생성한다. 전계 방출 주사 전자 마이크로스코피(FE-SEM)는 제품이 주로 와이어형 구조로 이루어진 것을 보여준다. 벌크 나노와이어 샘플의 분말 X-레이 회절(PXRD) 분석은 GaN 우르트자이트 구조로 인덱싱될 수 있고, 95% 이상의 상 순도를 나타낸다. 개별적인 나노와이어의 투과 전자 마이크로스코피(TEM), 수렴성 빔 전자 회절(CBED), 및 에너지 산란 X-레이 형광(EDX) 분석에 따르면, 이들 나노와이어가 [100] 성장 방향을 가지는 GaN 단결정이라는 것을 보여준다.
나노구조의 GaN 재료는 광전자공학에 대한 상당한 잠재력으로 인해 지난 수십년동안 많은 관심을 끌어왔다. 이들 연구들은 주로 제로 차원(0D) 양자 도트 및 2차원(2D) 양자 웰 구조에 초점이 맞추어져 있고, 이들은 확립된 방법에 따라 용이하게 합성될 수 있다. 기초 및 응용 연구에서 유일한 기회를 가능하게 할 수 있는 1차원(1D) GaN 나노와이어의 조사는 그 합성에 관련된 어려움 때문에 제한된다. 구체적으로는, GaN 나노와이어 성장에 대한 단지 하나의 리포트가 있었다. 본 연구에서, 탄소 템플레이트는 Ga-산화물 및 NH3 증기의 존재하에서 템플레이트로서 이용되어 GaN 나노와이어를 산출하였다. 레이저 지원 촉매 성장(LCG)이라 불리는 GaN 나노와이어 성장에 대한 예측가능한 합성 접근법을 활용했다. 이 방법에서, 펄스형 레이저가 원하는 재료와 촉매를 포함하는 고체 타겟을 기화하는데 이용되고, 상승된 온도에서 형성된 결과적인 액체 나노클러스터는 성장의 방향을 결정하며, 증기-액체-고체 성장 메카니즘을 통해 결정 나노와이어의 직경을 정의한다. 이 방법의 핵심 특징은 1D 성장을 정의하는데 이용되는 촉매는 상태도 데이터 및/또는 화학적 반응도의 인지로부터 선택될 수 있다는 점이다. 솔루션-액체-고체 상 성장이라 불리는 관련 접근법은 질화물이 아닐지라도 용액 상태인 수개의 Ⅲ-Ⅴ 재료의 나노와이어를 준비하도록 부흐로(Buhro) 및 동업자에 의해 이용되었다.
GaN의 경우에, LCG에 관련된 3원 상태도(즉, 촉매-Ga-N)에 관한 세부 정보는 가용하지 않다. 그러나, 촉매를 합리적으로 선택하는 성장 프로세스의 지식을 이용할 수 있다. 구체적으로는, 촉매는 GaN과 혼합가능한 액체 상을 형성하지만, 나노와이어 성장 조건 하에서 더 안정된 고체 상을 형성하지 않는다. 지침 원리는 Ga 및 N을 모두 용해시키고 GaN보다 더 안정된 화합물을 형성하지 않는 Fe는 LCG에 의한 GaN 나노와이어 성장에 양호한 촉매라는 것을 암시한다. 레이저 절제에 의한 촉매 나노클러스터의 생성에 이은 나노와이어 성장의 전체 전개는 도 19에 예시되어 있다.
중요한 것은, GaN/Fe 타겟을 이용하는 LCG는 높은 수율의 나노미터 직경 와이어형 구조를 생성한다는 것을 발견하였다. LCG에 의해 생성된 제품의 전형적인 FE-SEM 화상(도 20a)에 따르면, 제품은 10㎚ 정도의 직경 및 1㎛를 크게 초과하는 길이를 가지는 1D 구조, 즉 높은 어스펙트 비 나노와이어로 주로 구성된다는 것을 보여주고 있다. FE-SEM 데이터는 또한 제품이 ca. 90% 나노와이어로 구성되고 나머지는 나노 입자인 것을 보여주고 있다. 또한 PXRD를 이용하여 벌크 나노와이어 샘플의 전체 결정 구조 및 상 순도를 평가했다(도 20b). PXRD 패턴에서 모든 상대적으로 예리한 회절 피크는 a=3.187 및 c=5.178Å인 격자 상수를 가지는 우르트자이트 구조로 인덱싱될 수 있다. 이들 값들은 벌크 GaN: a=3.189, c=5.182Å에 대한 문헌상 값들과 거의 일치한다. 뿐만 아니라, 배경 신호 및 관찰된 피크의 비교는 GaN 우르트자이트 상이 합성시 생성되는 결정 재료의 95% 이상을 표시한다는 것을 나타낸다.
LCG 실험 장치는 이전에 보고된 것과 유사하다. GaN/Fe(원자비 (GaN):Fe=0.95:0.05) 화합 타겟은 노의 중앙에서 수정 튜브로 배치되었다. 실험 시스템은 30mtorr로 배기된 후, 무수 암모니아 기체로 재충진된다. 압력 및 플로우 레이트가 각각 ca. 250torr 및 80ccm으로 유지되는 동안, 노 온도는 30℃/min에서 900℃로 증가되었다. 그리고 나서, 펄스형 Nd-YAG 레이저(1064㎚, 8ns 펄스폭, 10Hz 반복, 2.5W 평균 전력)가 이용되어 5분의 전형적인 절제 지속기간 동안으로 타겟을 절제한다. 절제 후에, 노는 턴오프되어 실온으로 냉각되도록 한다. 그리고 나서, 시스템이 배출되고, 연한 노르스름한 분말이 내부 석영관 벽의 단부로부터 수집된다. 제품은 FE-SEM 및 PXRD 연구에 바로 이용되었다. 제품은 에탄올 내에 부유된 후, TEM, CBED, 및 EDX 측정을 위해 TEM 그리드 상으로 이송된다.
GaN 나노와이어의 형태, 구조 및 조성은 TEM, CBED, 및 EDX를 이용하여 더 상세하게 특징지어진다. TEM 연구에 따르면, 나노와이어는 일정한 직경으로서 직선이고, 통상 하나의 단부에서 나노입자로 종전한다. 도 20a는 하나의 나노와이어의 대표적 회절 콘트라스트 화상을 도시하고 있다. 와이어 축을 따른 균일한 콘트라스트는 나노와이어가 단결정이라는 것을 나타낸다. 나노와이어 단부에서 관찰되는 나노 입자(어둡고, 높은 콘트라스트 부분)는 액체 나노클러스터의 이하의 결정화에서 예상되는 바와 같이 면이 형성된다(도 19). 나노와이어 및 터미널 나노입자의 조성을 어드레싱하는데 EDX를 이용하였다. 나노와이어에 기록된 데이터는 GaN 표준과 동일한 비율 ca.에서 Ga 및 N만을 나타내고, 나노 입자는 Ga, N 및 Fe를 포함한다. 터미널 나노입자만에서의 Fe(Ga 및 N과 함께)의 존재는 합성시 Fe의 촉매 성질을 확인한다.
촉매의 중요성을 더 조사하기 위해, Au 촉매를 이용하여 GaN 나노와이어 성장을 조사하였다. 금은 최근에 Ⅲ-Ⅴ 및 Ⅱ-Ⅳ 재료의 다수 나노와이어의 성장을 위한 촉매로서 이용되고, 이러한 것은, GaN 나노와이어의 성장시 효과적으로 기능할 것으로 예상된다. 그러나, Au는 N의 낮은 용해성을 나타내고, 따라서 액체/고체 성장 인터페이스에 N을 효과적으로 전송하지 못할 수도 있다. 이러한 분석에 일치하게, Au 촉매를 이용하여 GaN 나노와이어를 얻을 수 없었다. 이것은 촉매의 중요한 역할과 촉매가 합리적으로 선택될 수 있는 방법을 강조한다고 생각한다.
최근에, CBED 및 고해상도 TEM(HRTEM)을 이용하여 GaN 나노와이어의 구조를 더 상세하게 특징지었다. 나노와이어의 전형적인 CBED 패턴(인셋, 도 21a)은 회절 콘트라스트 화상으로부터 유추되는 단결정 구조와 일치하는 예리한 회절 패턴을 나타낸다. 이 패턴을 인덱싱하면, [100] 방향이 와이어 축을 따라 정렬된다는 것을 더 증명한다. 뿐만 아니라, 도 21b는 ca. 10㎚ 직경을 가지는 GaN 나노와이어의 격자 해상된 HRTEM 화상을 도시하고 있다. <001> 구역 축을 따라 기록되었던 화상은 나노와이어의 단결정 구조 및 [100], [010] 및 [-110] 방향에 따른 격자 면을 명백하게 도시하고 있다. 이러한 화상은 [100] 방향이 와이어 축에 평행하게 진행하므로, GaN 나노와이어에서 [100] 성장 방향을 확인한다.
결론적으로, GaN 나노와이어의 합리적 합성을 위한 LCG 방법을 활용하였다. 고도의 순수 GaN 나노와이어는 유일한 [100] 성장 방향을 가지는 단결정으로서 얻어졌다. 촉매 및 성장 조건의 예측가능한 선택에 기초한 이러한 접근법은 InN, (GaIn)N 합금 및 관련된 질화물 나노와이어에까지 용이하게 확장될 수 있다. GaN 및 다른 기술적으로 중요한 반도전 질화물 재료의 단결정 나노와이어의 벌크 양의 합성은 추가 기본 연구 및 응용에 대한 많은 기회를 열 것으로 예상된다.
도 19는 레이저 지원 촉매 성장에 의한 GaN 나노와이어 성장을 도시한 개략도이다.
도 20a는 LCG에 의해 합성된 벌크 GaN 나노와이어의 FE-SEM(LEO 982) 화상을 도시하고 있다. 단위 바는 1㎛이다. 도 20b는 벌크 GaN 나노와이어에 기록된 PXRD(Scintag, XDS2000) 패턴을 도시하고 있다. 피크 상의 숫자들은 우르트자이트 구조의 (hkl) 값에 해당된다.
도 21a는 더 높은(더 어두운) 콘트라스트의 면을 이루는 나노 입자내에서 종료하는 GaN 나노와이어의 회절 콘트라스트 TEM(Philips, EM420) 화상을 도시하고 있다. 도 21a의 인셋은 백색 원에 의해 지시된 영역 상의 <001> 구역 축을 따라 기록된 CBED 패턴을 도시하고 있다. 백색 단위 바는 50㎚에 대응한다. 도 21b는 ca. 10㎚의 직경을 가지는 또 하나의 GaN 나노와이어의 HRTEM(JEOL 2010) 화상을 도시하고 있다. 화상은 <001> 구역 축을 따라 취해진다. [100], [010], 및 [-110] 방향은 와이어 축과 평행인 [100] 으로 지시된다. 백색 단위 바는 5㎚에 대응한다.
인듐 인화물 나노와이어 빌딩 블록으로부터 조립되는 나노단위 전자 및 광전 자 디바이스
나노와이어(NW) 및 나노튜브(NT)와 같은 1차원 나노구조는 전하 캐리어 및 여기자(exciton)의 효율적인 전송에 이상적으로 적합하며, 나노단위 전자장치 및 광전자장치에 대해 중요한 빌딩 블록이 될 것으로 예상된다. 탄소 NT의 전기적 전송의 연구는 전계 효과 트랜지스터(FET), 단일 전자 트랜지스터, 정류 접합 및 화학적 센서를 생성하게 하였다. 반도전성 또는 금속성 NT의 선택적 성장 및/또는 조립이 현재는 가능하지 않다는 점에서 NT 빌딩 블록의 이용이 매우 제한되더라도, 이들 결과들은 그러한 재료로부터 가능한 흥미로운 응용을 나타낸다. 고가의 제조 라인에 대한 필요성을 제거할 수 있는, 액티브 디바이스 및 디바이스 어레이의 상향식 조립을 위한 빌딩 블록으로서의 나노단위 구조의 이용은, 상이한 블록들의 전자 특성이 정의되고 제어가능한 것을 모두 요구한다. 이를 위해, 전기적 특성이 도핑에 의해 제어되었던 화합물 반도체 NW 빌딩 블록으로부터 기능적 나노단위 디바이스의 합리적 조립을 보고한다. 게이트-의존성 전송 측정은, 인듐 인화물(InP) NW는 제어된 n형 및 p형 도핑으로 합성될 수 있고, 나노단위 FET로서 기능할 수 있다는 것을 증명한다. 또한, 명확한 n형 및 p형 재료의 가용성은 교차된 NW 어레이를 형성함으로써 p-n 접합의 생성을 가능하게 한다. 전송 측정은 나노단위 p-n 접합은 명확한 전류 정류를 나타낸다는 것을 드러낸다. 중요한 것은, 순방향 바이어스된 InP p-n 접합은 이들 구조들이 지금까지 생성된 최소 발광 다이오드가 되게 하는 강력한 양자 구속 발광을 나타낸다. 최근, 전계 지향성 조립이 이들 새로운 나노단위 빌딩 블록으로부터 고도로 집적되고 기능적인 디바이스를 생성할 수 있는 하나의 전략이 될 것으로 보인다.
단결정 InP NW는 이전에 설명한 레이저 지원 촉매 성장(LCG)에 의해 준비되었다. n형 및 p형 InP NW는 도펀트로서 각각 텔루륨(Te) 및 아연(Zn)을 이용하여 준비되었고, 도펀트의 추가없이 생성된 NW로서 동일한 고품질인 것으로 나타났다. 합성된 아연-도핑된 InP NW의 전계 방출 주사 전자 마이크로스코피(FE-SEM) 화상(도 22a)은 와이어가 직경은 10㎚의 정도이고 길이가 수십 마이크로미터까지 연장된다는 것을 증명한다. 고해상도 투과 전자 마이크로스코피(TEM) 화상(인셋, 도 22a)은 도핑된 NW가 <111> 성장 방향을 가지는 단결정이라는 것을 더 보여준다. 일반적으로, NW 상의 1-2㎚ 비정질 오버-레이어(over-layer)는 TEM 화상에서 볼 수 있다. 이러한 얇은 층은 합성 후에 NW가 공기에 노출될 때 형성되는 산화물에 기인한다. 에너지 산란성 X-레이(EDX) 분석에 의해 결정된 개별적인 NW의 전체 조성은 1:1 In:P인 것으로 확인되었으며, NW의 화학량적 조성이 확인된다. 그러나, EDX 및 다른 원소 분석 방법은 개별적인 NW에서 도핑 레벨을 결정할 만큼 충분히 민감하지 못하다.
NW에서 도펀트의 존재와 타입을 확인하기 위해, 개별적인 NW에 대해 게이트-의존성의 2단자 전송 측정을 수행했다. 이들 측정에서, NW 컨덕턴스는 n형 및 p형 NW에 대해 게이트 전압(Vg)의 변화에 역으로 응답한다. 구체적으로는, Vg>0이면, 전자를 축적하게 하고 n형 NW에 대해 컨덕턴스가 증가하도록 하는데 반해, 동일하게 인가된 게이트는 정공을 공핍화하고 p형 NW에 대한 컨덕턴스를 감소시킨다. 도 22b 및 22c 및 100c는 개별적인 Te- 및 Zn-도핑된 NW로부터 각각 얻어지는 전형적인 게이트 의존성 I-V 커브를 도시한다. I-V 커브는 Vg=0에서 NW의 양쪽 타입에 대해 거의 선형이고, 이것은 금속 전극이 NW에 오옴성 접촉을 하고 있다는 것을 나타낸다. Te 도핑된 NW에 기록된 전송 데이터(도 22b)는 Vg>0에 대해서는 컨덕턴스의 증가를 나타내고, Vg<0에 대해서는 컨덕턴스가 감소한다. 이들 데이터는 Te 도핑된 InP NW가 n형이라는 것을 분명하게 보여주고 있다. Zn 도핑된 NW에 기록된 게이트 의존성 전송 데이터는 n형, Te 도핑된 InP NW와 비교할 때 Vg의 변동과 함께 정반대의 컨덕턴스 변화를 나타낸다. 구채적으로는, Vg>0에 대해, 컨덕턴스가 감소하고, Vg<0에 대해서는 컨덕턴스가 증가한다(도 22c). 이들 결과들은 Zn-도핑된 InP NW가 p형임을 증명한다.
이들 결과들은 재생가능하다. 직경이 20㎚ 내지 100㎚인 20개의 개별적인 NW에 대해 수행된 측정은 각 경우에 InP NW 합성 동안에 이용되는 도펀트와 일치하는 게이트 효과를 보여준다. 뿐만 아니라, 게이트 전압은 컨덕턴스가 측정불가능할 정도로 작게 되도록 n형 및 p형 NW에서 전자와 정공을 완전하게 공핍화시키는데 이용될 수 있다. 예를 들면, 도 22b의 NW의 컨덕턴스는 Vg가 -20V보다 작거나 같은 경우에 도전(온 상태)에서 절연(오프 상태)로 스위칭될 수 있으므로, FET로서 기능한다. 컨덕턴스 변조는 일부 NW에 대해 크기의 4-5차수 정도 크게 될 수 있다. 비교적 큰 스위칭 전압은 측정에 이용되는 두꺼운(600㎚) 산화물 배리어에 관련된다. 이러한 게이트 의존성 작용은 금속-산화물-반도체(MOS) FET 및 반도전성 NT FET의 최근 연구와 유사하다. NT에 대한 우리의 연구의 중요한 차이점은 예측가능한 반도전 작용이 모든 NW에서 달성될 수 있다는 점이다. 종합적으로 고려하면, 이들 결과들은 단결정 InP NW가 제어된 캐리어 타입과 합성될 수 있다는 것을 명백하게 예시하고 있다. 이들 NW는 벌크 양으로 생성되므로, 이들은 디바이스 및 디바이스 어레이를 조립하는데 쉽게 이용될 수 있는 재료를 나타낸다.
명확한 n형 및 p형 NW 빌딩 블록의 가용성은 2개 이상의 와이어간의 접합을 형성함으로써 복잡한 기능의 디바이스를 생성할 수 있는 가능성을 열었다. 이러한 흥미로운 기회를 조사하기 위해, 2개의 n형, 2개의 p형, 및 하나의 n형과 하나의 p형 NW를 각각 교차시킴으로써 형성된 n-n, p-p, p-n 접합의 전송 거동을 연구했다. 도 23a는 29㎚ 및 40㎚ 직경의 NW로 형성된 대표적인 교차 NW 디바이스를 나타낸다. 4개의 가지들은 이하의 설명의 단순화를 위해 A, B, C, D로서 지정된다. 중요한 것은, 조립 이전에 교차 접합을 생성하는데 이용되는 NW의 타입을 선택할 수 있으므로, 연구된 접합의 타입들은 매번 실험에 대해 제어가능하다.
도 23b 및 23c는 n-n 및 p-p 접합에 각각 기록된 전류-전압(I-V) 데이터를 나타낸다. 양 접합 타입에 대해, 개별적인 NW(AC, BD)에 기록된 전송 데이터는 선형 또는 거의 선형 I-V 거동(도 23b의 커브(80) 및 도 23c의 커브(82))을 나타낸다. 이들 결과들은 실험에 이용되는 금속 전극들이 NW에 오옴형 또는 거의 오옴형 접촉을 하고 있다는 것과 접합에 대한 I-V 측정에 비선형성 기여를 전혀 하지 못한다는 것을 나타낸다. 일반적으로, n-n 및 p-p 접합에 대해 수행된 전송 측정은 선형 또는 거의 선형 거동을 나타내고, 이와같이 수행된 접합에 관한 중요한 점을 유추할 수 있게 한다. 우선, 개별적인 NW간 인터페이스 산화물은 중대한 터널링 배리어를 생성하지 않는다. 왜냐하면, 그러한 배리어는 높은 비선형 I-V 거동을 유발하기 때문이다. 두 번째로, 인접하는 가지의 각 쌍(AB, AD, CB, CD)을 통해 기록된 I-V 커브는 유사한 전류 레벨을 나타내고, 이것은 개별적인 NW의 레벨보다 작다. 이들 결과들은 접합이 전송 거동을 지배한다는 것을 증명한다. 마지막으로, 이들 데이터는, 개별적인 NW가 작은 접촉 면적(10-12 - 10-10cm2) 및 단순한 접합 제조 방식임에도 불구하고 서로 상당히 양호한 전기적 접촉을 제공한다는 것을 나타낸다.
개별적인 NW간의 양호한 접촉은 기능적 디바이스를 만드는 이들 NW를 조사하기 위한 기본 토대를 제공한다. 예로서, 교차된 p형 및 n형 NW로부터 p-n 접합을 만들었다. 이들 접합은 n형 및 p형 NW의 묽은 용액을 순차 퇴적하고 그 중간에 건조함으로써 재생가능하게 만들어질 수 있다. 도 23d는 교차 NW p-n 접합의 전형적인 I-V 거동을 나타낸다. 개별적인 n형 및 p형 NW 구성요소(커브 84 및 86)의 선형 I-V는 NW와 금속 전극간의 오옴성 접촉을 나타낸다. p-n 접합에 대한 전송 거동(커브 88)은 역방향 바이어스에서 확실한 전류 정류, 즉 역방향 바이어스에서는 전류가 거의 흐르지 않는 반면, 순방향 바이어스에서는 예리한 전류 온셋이 있다. 중요한 것은, 상기 거동은 벌크 반도체 p-n 접합과 유사하고, 이것은 많은 중대한 전자 및 광전자 디바이스에 대한 기본을 형성한다. 표준 p-n 접합에서, 정류는 p형 및 n형 재료간의 계면에서 형성된 전위 배리어로부터 발생한다. 접합이 순방향 바이어스된 경우(p측이 양으로 바이어스됨), 배리어가 감소되고, 상당히 큰 전류가 접합을 통해 흐를 수 있으며, 반면에 역방향 바이어스에서는 배리어가 더 증가하므로, 작은 전류만이 흐를 수 있다.
관찰된 정류가 p형 및 n형 InP NW간의 교차점에서 형성되는 p-n 접합에 기인한다는 것으로 생각하는 수 개의 이유들이 있다. 우선, 접합을 만드는데 이용되는 개별적인 p형 및 n형 NW의 선형 또는 거의 선형 I-V 거동은 NW와 금속 전극간의 오옴성 접촉이 만들어졌다는 것을 나타낸다. 이것은 금속 반도체 쇼트키 다이오드로부터 발생할 가능성을 제외시킨다. 두 번째로, 인접하는 전극들의 모든 쌍(AB, AD, CD, CD)를 통해 결정된 접합의 I-V 거동(도 23d의 커브(88))은 유사한 정류 효과 및 전류 레벨을 나타내고, 이것은 개별적인 NW를 통한 전류 레벨보다 훨씬 더 작다. 이들 결과들은 접합이 I-V 거동을 지배한다는 것을 증명한다. 세 번째로, 접합 전압 강하가 2개의 독립적인 전극(예를 들면, C-D)에서 측정되면서 전류가 2개의 인접하는 전극(예를 들면, A-B)을 통해 통과하는 4단자 측정은, 동일한 전류 레벨에서의 2단자 측정과 비교할 때 약간 작은 전압 강하(0.1-2.0V)를 가지는 유사한 I-V 및 정류를 나타낸다. 마지막으로, 10개의 독립적인 p-n 접합에 대해 수행된 측정은 I-V 데이터에서 유사한 정류를 보여 주었다, 즉 p형 NW가 양으로 바이어스된 경우에 상당한 전류가 p-n 접합을 통해 흐를 수 있다.
상기 데이터는 나노단위 p-n 접합을 합리적으로 제조할 수 있다는 것을 분명하게 보여준다. InP와 같은 다이렉트 밴드 갭 반도체에서, p-n 접합은 발광 다이오드(LED) 및 레이저를 포함하는 중대한 광전자 디바이스에 대한 기초를 형성한다. 나노단위 디바이스가 유사하게 작용하는지 여부를 평가하기 위해, 교차된 NW p-n 접합으로부터 광루미네슨스(PL) 및 전자루미네슨스(EL)를 연구했다. 중요한 것은, EL은 순방향 바이어스에서 이들 나노단위 접합으로부터 용이하게 관찰될 수 있다. 도 24a는 순방향 바이어스에서 전형적인 NW p-n 접합으로부터 취해진 EL 화상을 나타내고, 인셋은 교차된 NW 접합의 PL 화상을 나타낸다. PL 화상은 2개의 연장된 와이어형 구조를 분명하게 보여주고 있고, EL 화상은 광이 포인트형 소스로부터 온다는 것을 보여주고 있다. EL 및 PL 화상과 비교하면, EL 최대의 위치는 PL 화상의 교차점과 대응한다는 것을 보여주고 있고, 따라서 광은 실제로 NW p-n 접합으로부터 나온다는 것을 증명한다.
접합의 I-V 특성(인셋, 도 24b)은 ∼1.5V에서 예리한 전류 온셋을 가지는 명백한 정류를 보여준다. EL 세기 대 전압 커브는 상당한 광이 1.7V 정도의 낮은 전압에서 우리의 시스템으로 검출될 수 있다는 것을 보여준다. EL 세기는 바이어스 전압과 함께 급격하게 증가하고, I-V 거동과 유사하다. EL 스펙트럼(도 24c)은 820㎚ 근처의 최대 세기를 나타내고, 이것은 InP의 벌크 밴드 갭(925㎚)에 대해 상당히 청색 시프팅된다. 청색-시프트는 다른 요인들이 기여할 수 있지만, 부분적으로는 여기자의 양자 구속에 기인한다. 양자 구속의 중요성은 더 작은( 및 더 큰) 직경의 NW(도 24d)로부터 조립되는 p-n 접합으로부터 기록되는 EL 결과에서 명백하게 보여질 수 있고, 이것은 더 큰(더 작은) 청색-시프트를 보여준다. 이들 나노LED에서 크기와 함께 컬러를 튜닝하는 능력은 미래에 특히 유용할 것이다. 이들 초기 디바이스의 양자 효율(전자 대 광자)은 ∼0.001%로 비교적 낮고, 이는 최적화에 거의 주의를 기울이지 않았으므로 놀랄만한 것은 아니다. 효율은 상기 벌크 InP LED의 효율(∼0.002%)과 실제로 비교할 만하다. 낮은 양자 효율을 표면 상태를 통한 비방사형 재조합에 기인한다고 생각하며, 이러한 해로운 프로세스는 표면 패시베이션을 통해 감소될 수 있다고 생각한다.
GaN은 다이렉트 넓은 밴드갭 반도체 재료로서, 실온에서 짧은 파장(UV 및 청색) 영역에서 발광한다. 청색 LED는 강하고 에너지가 효율적이고 신뢰할만한 광원이 필요한 에미터로서 중요하다. 또한, 청색은 삼원색(적, 녹, 청) 중 하나이므로, 완전 컬러 LED 디스플레이 및 LED 백색 램프의 제조를 가능하게 하므로 중요하다.
여기에서, 처음으로 만들어진 BLUE/UV 나노LED(10㎚의 수준에서 발광 영역)를 보고하고, 이것은 p형 Si 및 n형(의도적이지 않게 도핑된) GaN 나노와이어로 구축된다. IR 근처 영역에서 발광하는 이전에 보고한 나노LED와 함께, 전체 컬러 스펙트럼을 커버하는 다른 재료로 LED를 만드는 큰 잠재력을 보여준다.
도 25a는 2개의 p형 Si 및 n형 GaN 교차 나노접합으로부터 취해지는 EL 화상을 보여준다. p-Si는 보론으로 도핑된다. 도 25b는 다양한 게이트 전압에 대한 전류 대 전압을 보여준다. 나노접합은 상이한 게이트 전압에서 양호한 정류를 보여준다. 도 25c에 도시된 EL 스펙트럼은 발광이 약 380㎚ 및 470㎚라는 것을 보여준다. n-InP 및 p-Si 나노접합은 양호한 정류를 가지고 있다.
고도로 집적된 NW-베이스된 디바이스를 만드는 것은, 결국은 이들 빌딩 블록을 뚜렷한 어레이로 정렬하여 조립하는 기술을 필요로 한다. 이러한 다음 단계의 개발의 실행가능성을 증명하기 위해, 집적을 위한 2개의 기본 구조인 평행하고 교차된 어레이들로 개별적인 NW를 기본 구조로 정렬하고 배치시키는데 전계(E-전계)를 이용했다. E-전계 지향성 조립은 전극 사이에 NW 용액을 배치한 후(도 26a) 50-100V의 바이어스 전압을 인가함으로써 수행되었다. 이러한 접근법의 잠재력은 평행 전극간의 클로로벤젠 부유 NW의 정렬의 경우에서 용이하게 보여진다(도 26b). FE-SEM 화상은 거의 모든 NW가 평행 전극에 수직으로 또한 E-전계 방향에 따라 정렬된다는 것을 보여준다. 또한, 개별적인 NW를 특정 위치에 배치하는데 전극 어레이를 이용했다. 예를 들면, 전극 어레이간의 NW의 E-전계 조립(도 26c)은 개별적인 NW가 직경상으로 대향한 전극쌍을 교락(bridge)하고 평행 어레이를 형성하도록 배치될 수 있다. 뿐만 아니라, 전계 방향을 변경시킴으로써, 정렬이 층별로 수행되어 교차 NW 접합을 제조할 수 있다(도 26d). 이들 데이터는 E-전계 조립이 높은 수준의 방향성 및 공간적 제어로 개별적인 NW를 합리적으로 퇴적하는 방법을 나타낸다는 것을 명백하게 보여준다. 고도의 집적된 기능 디바이스는 이러한 E-전계 및/또는 다른 조립 기술과 접합한 NW 빌딩 블록을 이용하여 용이하게 액세스가능할 수 있다고 믿는다.
전체적으로 볼 때, 본 명세서에서 제공된 결과들은 나노단위 전자 및 광전자 디바이스의 상향식 조립에 대해 합리적인 접근법을 제공한다. 수 조 달러의 제조 라인없이도 액티브 디바이스를 조립하는 증명된 능력은 이 분야에서 특히 중요하며, 즉각적이고 장기간의 진보를 위한 오거(auger)를 매우 신뢰한다. 현재 가능한 광범위한 NW 재료 및 그 전자 특성을 제어하는 명백하게 정의된 능력이 전체 가시 및 적외선 근방 범위(예를 들면, 청색에 대한 GaN NW)를 커버하는 나노단위 LED를 가능하게 할 것으로 생각한다. 그러한 나노단위 광원은 새로운 타입의 고도의 평행한 광학 센서의 생성시 및 나노전자공학에서의 광학 인터커넥트에 유용하다. 더구나, 도핑된 NW 빌딩 블록의 조립은 다수의 다른 타입의 전자 디바이스 및 가능하게는 심지어 레이저를 생성하는한 큰 잠재력을 가지고 있다.
InP NW는 LCG를 이용하여 합성되었다. LCG 타겟은 통상 94%(원자 비율)의 InP, 촉매로서 5%의 Au, 및 도핑 요소로서 1%의 Te 또는 Zn으로 구성되었다. 노 온도(중간)는 성장 동안에 800℃로 설정되었고, 타겟은 노의 중간보다는 상류 단부에 배치되었다. 펄스형(8ns, 10Hz) Nd-YAG 레이저(1064㎚)는 타겟을 기화시키는데 이용되었다. 통상, 성장은 10분동안 수행되어 노의 하류의 찬 단부에서 NW가 수집되었다.
개별적인 NW에 대한 전송 측정은 공개된 절차를 이용하여 수행되었다. 요약하면, 우선 NW가 에탄올에서 분산된 후, 도전성 실리콘이 후방 게이트로서 이용되면서, 산화된 실리콘 기판(600㎚ 산화물, 1-10Ω·cm 비저항) 상에 퇴적되었다. NW로의 전기적 접촉은 전자 빔 리소그래피(JEOL 6400)를 이용하여 정의되었다. Ni/In/Au 콘택트 전극이 열적으로 증발되었다. 전기적 전송 측정은 컴퓨터 제어하에서 1pA보다 작은 노이즈를 가지는 가정용 내장 시스템을 이용하여 수행되었다.
n-n 및 p-p 접합은 랜덤 퇴적에 의해 얻어진다. 우선, 비교적 고농도를 이용하여 산화된 실리콘 기판 상에 NW를 퇴적하고, 교차된 NW의 위치를 결정한 후, 전자빔 리소그래피에 의해 교차의 모두 4개의 가지 상에 전극을 정의하였다. Ni/In/Au 전극이 NW로의 접촉을 만드는데 이용되었다.
p-n 접합은 층별 퇴적에 의해 얻어진다. 우선, 한 타입(예를 들면, n형)의 NW의 희석 용액이 기판 상에 퇴적되고, 개별적인 NW의 위치가 기록된다. 제2 단계에서, 다른 타입(예를 들면, p형)의 NW의 묽은 용액이 퇴적되고, 교차된 n형 및 p형 NW의 위치가 기록된다. 그리고 나서, 금속 전극이 정의되고, 전송 거동이 측정되었다.
EL이 가정용 내장 마이크로-루미네슨스 기구로 연구되었다. PL 또는 산란광(514㎚, Ar-이온 레이저)은 접합의 위치를 로케이팅하는데 이용된다. 접합이 로케이팅된 경우에, 여기자 레이저가 차단되고, 접합이 순방향 바이어스되었다. EL 화상은 액체 질소 냉각 CCD 카메라로 얻어졌으며, EL 스펙트럼은 300mm 스펙트로미터에서 150 라인/mm 격자로 EL을 분산시킴으로써 얻어졌다.
도 22a-22c는 InP NW의 도핑 및 전기적 전송을 예시한다. 도 22a는 Zn-도핑된 InP NW의 전형적인 FE-SEM 화상을 도시하고 있다. 단위 바는 10㎛이다. 인셋은 하나의 26㎚ 직경 NW의 격자 해상 TEM 화상이다. (111) 격자 면은 와이어 축에 수직으로 볼 수 있다. 단위 바는 10㎚이다. 도 22b 및 22c는 Te 및 Zn 도핑된 NW의 게이트 의존성 I-V 거동을 각각 도시하고 있다. 도 22b 및 22c의 인셋은 2단자 Ni/In/Au 컨택트 전극으로 측정된 NW를 도시하고 있다. 단위 바는 1㎛에 대응한다. 도 22b의 NW의 직경은 47㎚이고, 도 22c의 경우는 45㎚이다. 측정에 이용되는 구체적인 게이트 전압은 대응하는 I-V 커브상의 도면들 우측 상에 나타난다. 데이터는 실온에서 기록되었다.
도 23a-23d는 교차 NW 접합 및 전기적 특성을 예시하고 있다. 도 23a는 Ni/In/Au 접촉 전극을 포함하는 전형적인 교차 NW 디바이스의 FE-SEM 화상을 도시하고 있다. 단위 바는 2㎛에 대응한다. NW의 직경은 29㎚(A-C), 40㎚(B-D)이고, 디바이스를 만드는데 이용되는 NW의 직경은 20-75㎚의 범위이다. 도 23b-23d는 n-n, p-p, 및 p-n 접합 각각의 I-V 거동을 도시하고 있다. 커브(80, 82)는 각각 접합에서 개별적인 n 및 p-NW의 I-V 거동에 대응한다. 커브(88)는 접합에 대한 I-V 거동을 표시한다. 도 23d에서, p형 및 n형 NW에 대해 기록된 전류는 더 잘 보이게 하기 위해 10으로 나누어진다. 실선은 한 쌍의 인접 가지의 전송 거동을 나타내고, 파선은 나머지 3쌍의 인접 가지들의 전송 거동를 나타낸다. 데이터는 실온에서 기록되었다.
도 24a-24d는 NW p-n 접합의 광전 특성을 예시한다. 도 24a는 2.5V에서 순방향 바이어스된 NW p-n 접합으로부터 방출되는 광의 EL 화상이다. 도 24a의 인셋은 접합의 PL 화상을 도시하고 있다. 양쪽 단위 바는 5㎛에 해당한다. 도 24b는 EL 세기 대 전압을 도시하고 있다. 도 24b의 인셋은 I-V 특성을 도시하고 있고, 인셋 내의 인셋은 접합 자체의 FE-SEM 화상을 도시하고 있다. 단위 바는 5㎛에 해당한다. 이러한 접합을 형성하는 n형 및 p형 NW는 각각 65 및 68㎚의 직경을 가진다. 도 24c는 도 24a에 도시된 접합의 EL 스펙트럼을 도시한다. 스펙트럼은 820㎚에서 피크치를 갖는다. 도 24d는 제2 순방향 바이어스된 교차 NW p-n 접합으로부터 기록된 EL 스펙트럼을 도시한다. EL 최대는 680㎚에서 발생한다. 도 24d의 인셋은 EL 화상을 보여주고, EL이 접합 영역으로부터 발원한다는 것을 증명한다. 단위 바는 5㎛이다. 이러한 접합을 형성하는 n형 및 p형 NW는 각각 39 및 49㎚의 직경을 가지고 있다.
도 26a-26d는 E-전계를 포함한 NW의 평행 및 직교 조립을 예시하고 있다. 도 26a는 E-전계 정렬의 개략도이다. 전극(오렌지색)은 NW 용액의 방울이 기판(청색) 상에 퇴적된 후에 50-100V로 바이어스된다. 도 26b는 2개의 평행 전극들 사이에 정렬되는 NW의 평행 어레이를 도시하고 있다. NW는 클로로벤젠에 부유되고, 100V의 인가 바이어스를 이용하여 정렬된다. 도 26c는 80V의 바이어스를 이용하여 이하의 E-전계 조립 이전에 얻어진 NW의 공간적으로 배치된 평행 조립을 도시하고 있다. 도 26c의 상부 인셋은 15쌍의 평행 전극을 도시하고 있고, 개별적인 NW는 각 직경으로 대향된 전극 쌍을 교락한다. 도 26d는 2개의 조립 단계에서 직교 방향으로 인가된 E-전계로 층별 정렬을 이용하여 얻어진 교차 NW 접합을 도시하고 있다. 양 단계에서 인가된 바이어스는 80V였다. 도 26b-26d의 단위 바는 10㎛에 해당한다.
실리콘 나노와이어로부터 나노단위 전자 디바이스의 상향식 조립
4가지 타입의 중요한 기능적 나노디바이스가 잘 제어된 도펀트 타입 및 레벨을 가지는 p형 및 n형 실리콘 나노와이어(SiNW)로부터 합리적인 상향식 조립에 의해 생성되었다. 이들 모든 디바이스에서, 개별적인 p형 및 n형 SiNW에 대한 전기적 전송 측정은 SiNW와 리드간의 오옴성 또는 거의 오옴성 접촉을 암시했다. 중요하게도, 교차된 p형 및 n형 SiNW를 포함하는 pn 접합의 4가지 프로브 측정은 pn 다이오드 거동에 예상되는 바와 같이 전류 정류 거동을 보여주었다. n+pn 교차 접합은 바이폴라 트랜지스터를 생성하도록 조립되었고, 여기에서 0.94/16 정도 크기의 공통 베이스/에미터 전류 이득이 얻어졌다. 교차된 소량 도핑 pn 접합으로 만들어진 상보형 인버터는 이득 0.13을 가지는 입력 전압에 반비례하는 확실한 출력 전압을 보여주었다. 다량 도핑된 SiNW pn 교차의 형태인 터널 다이오드는 순방향 바이어스에서 5대 1의 피크 대 골(valley) 비율(PVR)을 가지는 음의 차동 저항(NDR) 양태를 보여준다.
종래 전자장치의 최소화가 최근에 집중적으로 추구되었다. 그러나, 리소그래픽 방법의 근본적 한계는 현재 기술이 심도깊은 나노전자공학 영역에 도달할 수 없게 한다. 개별적인 블록의 제조 및 조립이 저가일 것으로 예상되는, 집적 디바이스의 상향식 조립을 위한 빌딩 블록으로서의 나노단위 구조의 이용은, 마이크로전자공학에서 성공적인 것으로 판명된 일부 개념들을 여전히 유지하면서 제조 라인의 비용을 크게 삭감할 수 있다. 나노와이어(NW) 및 나노튜브(NT)와 같은 1차원 구조는 나노전자공학에 대한 중대한 빌딩 블록으로서 이상적인 후보이다. 이들 빌딩 블록으로 기능적 나노디바이스 및 디바이스 어레이를 구축하는 방법이 나노 과학 및 기술에서 핵심적인 것이다. NT는 전계 효과 트랜지스터, 단일 전자 트랜지스터로서 테스팅되었다. NT-NW 이질 접합, NT 분자간 접합 및 교차 접합이 증명되었다. 그러나, 금속형 및 반도체 NT의 특정 성장이 제어가능하지 않고 반도체 NT의 제어된 도핑이 어려우므로, 합리적 조립에서의 NT의 이용은 개별적인 튜브 특성의 미예측성에 의해 제한된다.
이전에, 단결정 반도체 SiNW의 제어된 도핑을 증명하였고, 여기에서 도펀트의 타입(p형 및 n형) 및 상대 도핑 농도(소량으로부터 축퇴까지)는 잘 제어된다. 그러므로, 그 특성이 예측가능하고 제어가능한 이들 SiNW는 액티브 디바이스 및 디바이스 어레이의 상향식 조립에 대한 중대한 빌딩 블록을 제공한다. 고밀도의 SiNW 디바이스 어레이는 예를 들면 반도체로의 특정 펩티드 결합, DNA 베이스 매칭 인터액션, 및/또는 리간드-수용기 인터액션과 같은 화학적 조립의 지향성 조립에 의해 형성될 수 있다. 작동가능한 집적 디바이스를 실현하기 위해서는, 개별적인 역방향으로 조립된 액티브 디바이스의 전기적 특성을 이해하는 것이 필수적이다. 여기에서, 20 내지 50㎚의 직경을 가지는 이들 SiNW로부터의 기능적 디바이스의 합리적 조립 및 디바이스 전기적 특성을 보고한다. 또한, 도펀트 타입 및 도핑 레벨의 제어는 다중 타입의 전자 디바이스를 제조할 수 있는 능력을 우리에게 제공한다는 것을 증명한다. pn 다이오드, 바이폴라 트랜지스터, 상보형 인버터 및 터널 다이오드를 포함하는 4가지 타입의 중요한 기능적 구조들은 가변하는 p형 및 n형 도핑 레벨의 SiNW을 제어가능하게 조합함으로써 생성된다. 나노단위 pn 접합은 교차 SiNW 접합의 형태로 생성되었다. 이들 pn 접합에 대한 전기적 전송 측정은 반도체 물리학에 의해 예측가능한 전류 정류를 보여주었다. 0.94/16 정도의 큰 공통 베이스/에미터 전류 이득을 가지는 것으로 증명되었던 n+pn 교차 SiNW 접합 내지 바이폴라 트랜지스터를 구축하는 능력을 활용하였다. 소량 도핑된 pn 교차로 만들어진 인버터는 0.13의 전압 이득으로 입력 전압에 반비례하는 출력 전압을 확실하게 보여주었다. 그리고, 다량 도핑된 pn 교차로 만들어진 터널 다이오드의 결과는 5 대 1의 PVR을 가지는 순방향 바이어스에서 NDR 거동을 보여주었다. p형 및 n형 SiNW는 SiNW의 레이저 지원 촉매 성장 동안에 도핑 소스로서 각각 디보란(diborane) 및 인(phosphorous)을 이용하여 합성되었다. 600㎚ 열 산화물을 가지는 도핑된 실리콘 기판 상에서 SiNW와 접촉하는 금속 리드는 전자 빔 리소그래피에 의해 정의되었다. pn, pp, 및 nn 접합은 하나의 p형 및 하나의 n형, 2개의 p형 및 2개의 n형 SiNW를 각각 교차시킴으로써 형성되었다. 접합의 타입들은 주어진 접합을 생성하는데 이용되는 SiNW의 타입을 선택함으로써 제어되었다. 전형적인 교차 접합의 전계 방출 주사 전자 마이크로스코피(FE-SEM) 화상이 도 27a에 도시되어 있고, 4개의 콘택트 리드가 설명의 편의상 1, 2, 3, 및 4로서 라벨링된다. 도 27b는 p 및 n형 SiNW의 직경이 각각 20.3㎚ 및 22.5㎚ 정도로 작고 pn 교차 접합상에서 전류 대 전압(I-V) 데이터를 보여준다. 접합에 대한 4단자 측정은 2개의 인접하는 리드(예를 들면, 리드 1-2 또는 리드 1-4, 양의 전류 방향은 p형으로부터 n형으로의 SiNW이다) 간에 전류를 흘리고 나머지 2개의 리드(예를 들면, 리드 3-4, 또는 리드 3-2)간의 전압 강하를 측정함으로써 수행되었다. 접합의 I-V 커브(도 27b의 커브(130))는 역방향 바이어스(셋업시 음의 바이어스)에서는 거의 전류가 나타나지 않고, 순방향 바이어스(양의 바이어스)에서는 매우 가파른 전류 온셋을 나타낸다. 이에 비해, 단일 p형(리드 1-3 사이) 및 n형(리드 2-4 사이) SiNW는 선형 I-V 양태(도 27b에서 커브 (110) 및 (120))를 나타내고, 이것은 SiNW와 리드간 오옴성(정류되지 않음) 접촉을 암시한다. 또한, 이러한 정류 거동은 접합 자체에 의해서 야기되어야만 한다. 이러한 양태는 pn 접합 다이오드의 에너지 밴드 다이어그램에 의해 설명될 수 있다. 내장(built-in) 전위 배리어는 p형 및 n형 SiNW가 서로 접촉하는 경우에 접합면에서 형성된다. 전자는 접합면에서 형성하는 넓은 스페이스 전하 영역을 통해 터널링할 수 없고, 열적 여기에 의해 전송될 수 있다. 순방향 바이어스는 내장 전위 배리어를 감소시키고, 따라서 다량의 전류가 흐를 수 있는데 반해(도 27e), 역방향 바이어스는 배리어를 증가시키므로 전류 레벨이 낮다(도 27f).
p형 및 n형 SiNW는 독립적으로 아세톤에서 분산된다. p-n 접합은 순차 퇴적에 의해 얻어졌다. 한 타입의 SiNW(예를 들면, n형)의 용액이 먼저 기판 상에 퇴적되고, SiNW의 위치는 정렬 마크에 대해 기록되었다. 두 번째로, 나머지 타입의 SiNW(예를 들면, p형)의 용액이 퇴적되고 교차 pn 접합의 위치가 기록되었다. pp 또는 nn 접합은 단지 하나의 타입의 SiNW 즉 p형 또는 n형을 퇴적함으로써 얻어졌다. 그리고 나서, 접합 위치가 기록되었다.
정류 양태가 접합면에서 일부 다른 비대칭 터널링 배리어 대신에 pn 다이오드 양태라는 것으로 생각하는 이유들은 이하와 같다. (a) SiNW의 진성 산화물 층은 전자가 산화물 층을 용이하게 터널링할 수 있을 정도로 얇고, 접합에서 p형 및 n형 와이어간 적당히 강한 결합이 여전히 존재하며, 따라서 내장 전위 배리어를 형성할 수 있다. 이것은 pp 및 nn 접합에서의 전송 측정에 의해 확인된다. pp 접합(도 27c의 커브(110)) 및 nn 접합(도 27d의 커브(120))의 단일 와이어(리드 1-3, 2-4 간)는 양호한 접촉을 암시하는 선형 또는 거의 선형 I-V 거동을 나타낸다. pp 접합(도 27c의 커브(130)) 및 nn 접합(도 27d의 커브(130)) 상의 2단자 측정(리드 1-2, 1-4, 2-3 또는 3-4 사이)은 선형 또는 거의 선형 I-V를 나타낸다. 접합에 대한 2단자 측정 저항과 단일 SiNW 저항을 비교하면, 접합 저항의 크기가 와이어 저항과 유사하다는 것을 발견하고, 이것은 산화물이 상당한 전자 터널링 배리어를 야기하지 않는다는 것을 암시한다. (b) 20개의 독립적인 pn 접합들에 대한 측정은 일치된 정확한 정류 거동을 나타낸다.
대부분의 반도체 디바이스의 기본 단위로서, pn 접합은 정류기, 증폭기, 스위칭 회로 및 다수의 다른 전자 회로 기능에 필요한 특성을 제공한다. SiNW 교차로부터 pn 접합을 만드는데 성공한 것은 다른 중요한 기능의 디바이스를 만들 가능성을 제공한다. 패시브 디바이스, p-n 다이오드뿐만 아니라 액티브 디바이스를 생성할 수 있다는 것을 증명하기 위해, 전류 이득이 가능한 바이폴라 트랜지스터를 구축했다. 바이폴라 트랜지스터는 n+pn(도 28a의 좌측) 및 p+np 접합 디바이스이고, 이것은 에미터에서 높은 도핑 레벨을, 베이스 및 콜렉터에서는 낮은 도핑 레벨을 요구한다. SiNW의 도핑시 양호한 제어는 이러한 복잡한 디바이스를 만들 수 있게 한다. n+pn 바이폴라 트랜지스터는 2개의 n형 SiNW(하나는 다량으로 도핑되고, 나머지는 소량으로 도핑됨)를 하나의 소량으로 도핑된 p형 와이어상에 기계적으로 조절함으로써 구축되고, 공통 베이스 구성(도 28a의 우측)으로 동작되었다. 도 28b는 바이폴라 트랜지스터의 전형적인 SEM 화상이다. 우선, 트랜지스터내의 SiNW 및 접합들이 개별적으로 특성화되었다. 3개의 개별적인 SiNW의 I-V 커브는 선형이고, 2개의 개별적인 접합들은 정확한 정류 거동을 가지고 있다. 그리고 나서, n+형 SiNW는 에미터로서 이용되고, n형은 콜렉터로서 이용되어 바이폴라 트랜지스터 측정을 수행한다. 에미터-베이스(E-B)는 항상 순방향 바이어스되어 전자를 베이스 영역으로 주입한다. 콜렉터-베이스(C-B) 전압이 제로보다 큰 경우에, 트랜지스터는 액티브 모드로 동작되고, C-B 접합은 역방향 바이어스되고 매우 작은 누설 전류만이 접합을 통해 흐른다. 그러나, 에미터로부터 주입되는 전자들은 베이스를 통해 확산하여 C-B 접합 공간 전하 영역에 도달하고, 콜렉터에 의해 수집된다. 실제 콜렉터 전류는 에미터로부터의 주입된 전자에만 의존하므로, E-B 전압에만 의존한다. 이것은 도 28c의 영역 Ⅱ에서 명백하게 보여지며, 여기에서 콜렉터 전류는 순방향 E-B 전압에 따라 높아지고, 어얼리(Early) 효과 및 역방향 바이어스와 함께 누설 전류를 서서히 증가시키는 것의 존재로부터 기인하는 C-B 전압에 따라 느리게 변한다. 이것은 트랜지스터 동작을 증명한다. 역방향 바이어스된 콜렉터 접합의 큰 전류 흐름은 인근 에미터 접합으로부터 주입된 캐리어에 기인한다고 할 수 있다. C-B 전압이 제로 이하인 경우, 바이폴라 트랜지스터는 포화 모드로 작동하고(도 28b의 영역 Ⅰ), 여기에서 E-B 및 C-B 접합이 모두 순방향 바이어스된다. 에미터 주입으로부터의 콜렉터 전류는 순방향 바이어스된 C-B 전류에 의해 보상된다. 그러므로, 콜렉터 전류는 순방향 C-B 전압과 함께 내려간다. E-B 상의 순방향 바이어스가 높을수록, 전류를 제로로 보상하는데 필요한 C-B 상의 순방향 바이어스가 더 높아진다(도 28b의 커브 1 내지 4).
n+pn 바이폴라 트랜지스터는 퇴적 및 기계적 조작에 의해 제조되었다. 우선, p형 SiNW는 용액으로부터 기판상에 퇴적되었다. 제2 단계에서, n+ 및 n형 SiNW가 예리한 STM 팁에 부착되고, 광학 마이크로스코프하에서 p형 SiNW 상에 해제되었다.
액티브 모드에서 바이폴라 트랜지스터의 공통 베이스 전류 이득은 0.94 정도로 크고(도 28d), 공통 에미터 전류 이득은 16이다. 3가지 중요한 점들은 이러한 큰 전류 이득으로부터 암시된다. (a) 에미터로부터 베이스로의 전자 주입의 효율이 매우 높고, 이는 베이스보다 에미터에서의 더 높은 도핑 농도에 기인한다. (b) 베이스 영역이 넓지만(15㎛), 에미터와 콜렉터간 액티브 인터액션이 여전히 존재한다. 베이스로부터의 대부분의 주입된 전자들은 베이스를 통과하여 콜렉터에 도달할 수 있고, 이것은 베이스내의 전자의 이동도가 매우 높다는 것을 암시한다. (c) 베이스와 콜렉터간의 공간 전하 영역은 전자를 수집하여 콜렉터로 보내기 위해 높은 효율을 가지고 있고, 이것은 인터페이스에서의 산화물 배리어가 크게 기여하지 않는다는 것을 암시하며, 단일 pn 접합에 대한 우리의 분석을 더 확인한다. 본 바이폴라 트랜지스터는 예를 들면 베이스 폭을 축소시킴으로써 개선될 수 있어, 전형적인 공통 베이스 전류 이득이 0.99보다 큰 상용 트랜지스터의 성능에 도달한다.
논리 회로내의 이들 역방향 빌딩 블록의 응용을 활용하고 제어된 SiNW의 도핑이 우리에게 제공할 수 있는 성능을 더 증명하기 위해, 소량으로 p형 및 소량으로 n형 도핑된 SiNW 교차 형태의 상보형 인버터를 생성한다. 교차된 SiNW 인버터 구조의 개략도는 도 29a(하부)에 도시되어 있고, 반도체 물리학의 인버터의 구조는 도 29a(상부)에 도시되어 있다. 인버터에서 소량 도핑된 p형 및 n형 SiNW는 매우 큰 게이트 효과를 나타내고, 도 29b의 인셋에서 p형 SiNW에 대해 도시된 바와 같이 완전하게 공핍화될 수 있다. 도 29b에서 알 수 있는 바와 같이, 출력 전압은 양(음)의 입력 전압에 대해 음(제로)이고, 이것은 전형적인 인버터 거동이다. 이러한 거동은 아래와 같이 설명될 수 있다. 음(양)의 입력에 의한 n형(p형) 와이어의 공핍화는 출력이 그라운드(바이어스)와 동일하게 만든다. 전압 이득은 0.13, 즉 전압 반전의 기울기로서 계산된다. 이득은 1보다 큰 상용 인버터보다 낮지만, 600㎚ 산화물 대신에 더 얇은 게이트 산화물 층을 이용함으로써 개선될 수 있으며, 이는 SiNW의 게이트 응답을 감소시키고, 더 소량 도핑된 SiNW를 이용하여, 오옴성 접촉을 하도록 노력할 필요가 있으며, 추가로 조사될 필요가 있다.
2개의 교차된 소량 도핑된 p형 및 n형 SiNW가 인버터를 만드는 동안에, 2개의 교차된 축퇴되게 도핑된 p+ 및 n+형 SiNW는 터널 다이오드를 형성할 수 있다. pn 접합에 비해, 터널 다이오드는 정류 거동을 나타내지 않고, 오히려 순방향 바이어스에서 NDR 거동을 나타내며, PVR은 도 29c에 도시된 바와 같이 5 내지 1이다. 차이점은 에사키(Esaki) 다이오드 메카니즘에 의해 설명될 수 있다. 내장 전위는 p+ 및 n+ 형이 서로 접촉할 때 형성되지만, 공간 전하 영역 폭은 전자 터널링을 허용할 만큼 얇다. 전자는 전류를 흐르게 하는 역방향 바이어스(도 29d의 좌측) 및 낮은 순방향 바이어스(도 29d의 중간)에서 이러한 얇은 공간 전하 영역을 통해 터널링할 수 있다. 특정 지점 이상으로, 순방향 바이어스에서의 추가 증가는 전자 터널링을 억제하여 전류를 감소시키는 p측의 밴드 갭(도 29d의 우측)으로 이동하는 n측의 도전 밴드가 나타나게 된다. 순방향 바이어스의 추가 증가는 열적 여기 메카니즘이 도통을 지배하도록 하는 내장 전위 배리어를 감소시키고, 전류는 높아진다.
여기에 기술된 결과들은 도펀트 타입과 도핑 레벨 양쪽에 대한 제어를 통해 도핑된 SiNW로부터 다중 타입의 나노단위 전자 디바이스의 상향식 조립을 증명한다. 개별적인 디바이스들은 종래 제조된 디바이스와 같이 예측 가능한 거동을 나타낸다. 이들 기능적 디바이스의 대량 생산 및 높은 집적도는 전계 및 플로우 용액 정렬로 지원된 화학적 조립에 의해 실현될 수 있고, 이것은 고가의 제조 라인을 회피하면서도 나노전자장치의 흥미로운 실제 응용을 가능하게 한다. 더구나, 광학 신호와 조합하여, pn 다이오드는 포토다이오드 및 pn 태양 전지로서 기능할 수 있고, 바이폴라 트랜지스터 교차는 포토트랜지스터를 형성할 수 있다.
전계 및 플로우되는 용액에 의한 NW의 정렬은 한 타입의 평행 NW 어레이를 생성한다. 다른 타입의 NW를 규정하도록 전계와 흐르는 플로우 방향을 스위칭하면, 매우 조밀한 NW 교차를 형성할 수 있다.
도 27a-27f는 교차된 SiNW 접합을 예시한다. 도 27a는 접촉 리드로서 Al/Au를 가지는 교차 NW 접합의 전형적인 FE-SEM 화상을 도시하고 있다. 단위 바는 2㎛이다. NW의 직경은 20 내지 50㎚의 범위이다. 도 27b-27d는 pn, pp, 및 nn 접합의 I-V 거동을 각각 도시하고 있다. 커브(110, 120)는 접합에서 개별적인 p형 및 n형 SiNW의 I-V 거동에 각각 대응한다. 커브(130)는 도 27b에서의 pn 접합을 통한 4단자 I-V 및 도 27c 및 27d의 pp 및 nn 접합을 통한 2단자 I-V를 각각 표시한다. 도 27b에서, 실선은 리드 1과 2간의 전류에 이어 리드 3과 4간의 전압을 동시에 측정함으로써 얻어지는 I-V이고, 파선은 리드 1과 4간의 전류에 이어 리드 3과 2간의 전압을 측정함으로써 얻어지는 I-V이다. 도 27c 및 27d에서, 직선은 한 쌍의 인접하는 리드(1-2)에 대한 I-V이고, 파선은 다른 3개 쌍(1-4, 2-3, 3-4)에 대한 I-V이다. 도 27e 및 27f는 순방향 바이어스 및 역방향 바이어스 하에서의 pn 접합의 에너지 밴드 다이어그램을 각각 도시하고 있다.
도 28a-28d는 n+pn 교차 SiNW 바이폴라 트랜지스터를 예시하고 있다. 도 28a는 반도체 물리학(좌측) 및 교차 SiNW 구조(우측)에서 n+pn 바이폴라 트랜지스터의 공통 베이스 구성 개략도를 도시하고 있다. n+, p 및 n형 SiNW는 각각 에미터, 베이스 및 콜렉터로서 기능한다. 베이스는 접지된다. 에미터는 특정 값에서 음으로 바이어스된다. 콜렉터 전압은 양에서 음으로 주사된다. 도 28b는 SiNW 바이폴라 트랜지스터의 전형적인 FE-SEM 화상을 도시하고 있다. 단위 바는 5㎛이다. 도 28b는 에미터 및 베이스 SiNW가 15㎛ 이격된 상태에서 n+pn 트랜지스터에 기록된 콜렉터 전류 대 콜렉터-베이스 전압 거동을 도시하고 있다. 커브(1 내지 4)는 -1, -2, -3, -4V의 에미터-베이스 전압에서의 거동에 대응한다. 영역 Ⅰ 및 Ⅱ는 파선에 의해 분리되고, 각각 포화 모드 및 액티브 모드에 해당한다. 도 28d는 공통 베이스 전류 이득 대 콜렉터-베이스 전압을 도시하고 있다.
도 29a-29d는 상보형 인버터 및 터널 다이오드를 예시하고 있다. 도 29a는 반도체 물리학(상부)에서의 상보형 인버터 구조 및 소량 도핑된 pn 교차(하부)에 형성된 구조의 개략도를 도시하고 있다. 기저부 개략도에서, n형 NW의 한쪽 단부는 -5V로 바이어스되고, p형 NW의 한 단부는 그라운딩된다. 입력 전압은 후방 게이트 전압이고, p형 및 n형 NW의 한쪽 단부는 출력 단자로서 단락된다. 도 29b는 pn 교차 인버터에서의 출력 전압 대 입력 전압 데이터를 도시하고 있다. 도 29b의 인셋은 인버터에서 p형 NW의 I-V 커브이다. 커브 1 내지 5는 후방 게이트 전압 -50, -30, -10, 0 및 10V에서의 I-V에 각각 해당한다. 이러한 인버터에서 n형 NW는 유사한 I-V 거동을 가지고 있고, -30V의 게이트 전압에서 완전하게 비워질 수 있다. 도 29c는 다량 도핑된 pn 교차로부터 만들어지는 터널 다이오드의 2단자 측정을 도시하고 있다. 개별적인 p형 및 n형 SiNW의 I-V 거동은 선형인 것으로 테스트되었다. 도 29c의 인셋은 NDR을 도시한 I-V 커브의 일부를 확장한다. 도 29d는 교차 SiNW 터널 다이오드의 에너지 밴드 다이어그램을 도시하고 있다. 역방향 바이어스(예를 들면, 도 29c의 위치 1에서)에서, 전자는 접합을 통해 터널링할 수 있다(그림 좌측). 작은 순방향 바이어스에서(예를 들면, 도 29c의 위치 2에서), 전자 터널링이 허용된다(도면 중간). 추가 증가된 순방향 바이어스에서(예를 들면, 도 29c에서 위치 3에서), 전자 터널링은 금지된다(도면 우측).
표면 상으로의 나노와이어의 제어 배치
1. 에탄올에서의 나노와이어(NW)의 안정된 부유는 욕조 초음파 처리기에서 NW를 에탄올에 3분동안 초음파 처리함으로써 준비된다.
2. 기판(실리콘 웨이퍼)은 -NH2 말단을 가지는 자가-조립된 모노층(SAM)에 의해 피복되었다.
3. 마이크로유체 몰드는 PDMS로 만들어진다. 마이크로채널은 기판이 PDMS 몰드와 접촉하게 될 때 형성되고, 도관의 3개의 벽이 몰드에서 몰딩된 부분들에 대응하고, 제4 벽은 기판의 표면에 대응하며, 이것은 2에 기술된 바와 같이 화학적으로 변형된다.
4. NW 부유는 기판 상의 +100V 바이어스의 인가로 제조된(as-made) 마이크로 채널을 통해 흐른다. 10분 정도의 플로우 시간 이후에, 채널이 에탄올로 세척된 후, 자연상태로 건조된다. PDMS 스탬프가 제거된 경우, 기판 표면 상에서 플로우 방향으로 정렬된 NW 어레이를 얻었다.
5. 플로우 방향을 변경하고, 층별 구조를 적용함으로써, NW 어레이로부터 다중 크로스-바를 얻을 수 있고, 이것은 NW로부터 만들어지는 디바이스에 대한 가장 중요한 구성이 될 것으로 예상된다.
6. 표면을 패터닝함으로써, 특정 장소에 정렬된(배치된) NW를 얻을 수 있으므로, 더 규칙적인 디바이스 어레이를 생성할 수 있다.
패터닝 프로세스: Ⅰ. PMMA의 층이 기판 표면 상에서 스핀 코딩되고, EBL(전자 빔 리소그래피)을 이용하여 패턴을 기록하고, 즉 후에 화학적으로 관능성화되는 Si 표면을 선택적으로 노출시킨다(2와 같음). Ⅱ. 이제 PMMA 트렌치를 가지며, 그 기저부는 -NH2 SAM으로 덮여지는 노출된 Si 표면이다. NW 부유물을 이들 패턴 상으로 플로우하는 경우, (4, 5에 기술된 바와 같이, 이 경우에 표면만이 패터닝된다), NW는 PMMA 트렌치로 지향될 것이다. 마지막으로, PMMA 표면에 붙은 NW와 함께 PMMA를 들어올린다. 그래서, PMMA 트렌치의 기저부에 남은 것들만이 기판 표면 상에 남아 있으므로, 깨끗한 디바이스 어레이를 얻는다.
1차 나노구조의 기능적 네트워크로의 지향성 조립
나노와이어 및 나노튜브와 같은 1차 나노 구조는 전자 및 여기자의 효율적인 전송을 위한 최소 치수를 나타내고, 따라서 기능적 나노단위 전자 및 포토닉 구조의 계층적 조립에 대한 이상적인 빌딩 블록이다. 명확한 기능적 네트워크로의 1차원 나노구조의 계층적 조립에 대한 접근법을 보고한다. 나노와이어는 평균 분리의 제어로 평행 어레이로 조립될 수 있고, 유체 정렬을 표면 패터닝과 조합함으로써 주기성을 제어할 수 있다는 것을 보여준다. 뿐만 아니라, 복잡하게 교차된 나노와이어 어레이는 후속 공정에 대해 상이한 플로우 방향을 가지는 층별 조립을 이용하여 준비될 수 있다. 전송 연구에 따르면, 교차된 나노와이어 어레이는 전기적으로 도전 네트워크를 형성하고, 개별적인 어드레스가능한 디바이스는 각 교차점에서 기능한다.
예를 들면, 나노클러스터 및 나노와이어(NW)와 같은 나노단위 재료는 종래 리소그래피-기반 제조의 근본적이고 경제적인 한계를 극복할 수 있는 기능적 나노단위 디바이스의 계층적 조립을 위한 매력적인 빌딩 블록을 대표한다. 0차 나노클러스터에 대해 초점 맞춰진 연구는 나노미터로부터 마이크로미터 길이 단위로 연장하는 순서를 가진 어레이의 조립을 포함하여, 중요한 진척을 이루었다. 반면에, NW 및 탄소 나노튜브(NT)와 같은 1차원(1D) 나노구조의 조립은 이들 재료는 나노전자공학 및 포토닉스의 응용에 대한 빌딩 블록으로서 더 큰 잠재력을 제공함에도 불구하고 훨씬 적은 성공을 이루었다.
나노기술의 이들 및 다른 영역에서 NW 및 NT의 실질적인 잠재력을 달성하는 것은 잘-정돈된 구조의 제어되고 예측가능한 조립을 필요로 한다. 1D 나노구조의 계층적 조립을 위한 접근법을 제시하고, 그럼으로써 NW는 유체 플로우에서 정렬되고 분리 및 공간적 위치는 용이하게 제어된다. 교차된 NW 어레이는 후속 공정에 대해 상이한 플로우 방향을 가지는 층별 조립을 이용하여 준비되었다. 전송 연구에 따르면, 교차된 NW 어레이는 전기적으로 도전하는 네트워크를 형성하고, 개별적인 어드레스가능한 디바이스는 각 NW/NW 교차점에서 기능한다는 것을 보여준다. 이러한 접근법은 고도로 집적된 디바이스 어레이로 다른 1D 나노구조를 조직화하는데 잠재적으로 이용될 수 있고, 따라서 새로운 전자 및 포토닉 나노시스템의 상향식 조립을 위한 일반적인 경로를 제공한다.
이들 연구에 이용된 갈륨 인화물(GaP), 인듐 인화물(InP) 및 실리콘(Si) NW는 레이저 지원 촉매 성장에 의해 합성되고, 이어서 에탄올 용액에서 부유된다. 일반적으로, 폴리(디메틸실록산)(PDMS) 몰드와 편평한 기판 사이에 형성된 유체 채널 구조를 통해 NW의 부유물을 통과시킴으로써 NW의 어레이를 조립하였다(도 30a 및 30b). 평행 및 교차 어레이의 NW는 이하에 설명되는 조립 프로세스에 대해, 단일(도 30a) 및 순차 교차된(도 30b) 플로우를 이용하여 용이하게 달성될 수 있다.
NW의 평행 조립의 전형적인 예(도 31a)에 따르면, 사실상 모든 NW가 한 방향, 즉 플로우 방향으로 정렬된다는 것을 보여준다. 또는 플로우 방향에 대해서는 다소 작은 편차가 있고, 이것은 이하에 설명된다. 더 큰 길이 단위에서의 조립된 NW의 조사(도 31b)는 정렬이 수백 마이크로미터로 용이하게 확장된다는 것을 보여준다. 실제로, NW의 정렬은 밀리미터 길이 단위까지 확장하는 것으로 발견되었고, 50 내지 500㎛ 범위의 폭과 6-20mm의 길이를 가지는 채널을 이용하여 수행된 실험에 기초하여, 유체 채널의 크기에 의해 한정되는 것으로 보인다.
정렬 및 NW의 평균 분리를 제어하는 요인을 이해하는 수개 타입의 실험을 수행했다. 우선, 정렬 정도는 플로우 레이트에 의해 제어될 수 있다는 것을 발견하였다. 플로우 레이트가 증가함에 함께, 플로우 방향(예를 들면, 도 31c의 인셋)에 대한 NW 각도 분포의 폭은 상당히 좁아진다. 조건들의 범위에 대해 측정된 분포 폭의 비교에 따르면, 폭은 최저 플로우 레이트, ~4mm/s로부터 급격히 감소하여 ~10mm/s인 거의 상수값에 도달한다는 것을 보여준다(도 31c). 본 연구에서 조사된 최고 플로우 레이트에서, NW의 80% 이상이 플로우 방향의 ±5도 내로 정렬된다(도 31c). 본 관찰된 결과들은 시어(shear) 플로우의 프레임워크내에서 설명될 수 있다. 구체적으로는, 기판 표면 근처의 채널 플로우는 시어 플로우와 닮아있고, 기판 상에서 고정되기 전에 플로우 방향으로 NW를 정렬시킨다. 더 높은 플로우 레이트는 더 큰 전단력을 생성하므로, 더 나은 정렬을 제공한다.
뿐만 아니라, 평균 NW 표면 범위는 플로우 지속기간에 의해 제어될 수 있다(도 31d). 일정한 플로우에서 수행된 실험에 따르면, NW 밀도는 플로우 지속기간에 따라 체계적으로 증가한다. 이들 실험에서, 30분의 플로우 지속기간은 ca. 250NW/100㎛의 밀도 또는 ~400㎚의 평균 NW/NW 분리를 생성했다. 연장된 퇴적 시간은 100㎚ 이하의 전도의 스페이싱을 가지는 NW 어레이를 생성할 수 있다. 유의할 점은, 퇴적 레이트 및 평균 분리 대 시간은 표면 화학적 관능성에 강하게 의존한다는 점이다. 구체적으로는, GaP, InP 및 Si NW는 메틸-말단의 모노층 또는 노출된 SiO2 표면 중 어느 하나에서보다 부분적인 양전하를 가지는 아미노-말단의 모노층상에서 더 신속하게 퇴적한다는 것을 보여주었다. NW-NW 접촉없이 달성될 수 있는 정렬된 NW의 최소 분리는 조립 프로세스에서 이용되는 NW의 길이에 좌우된다는 점을 인식하는 것이 또한 중요하다. 100㎚에서 수십 마이크로미터 단위까지의 NW 길이의 제어를 증명하는 최근의 진척은 접촉없이 액세스가능한 간격의 범위를 증가시킬 것이다.
결과들은 다중 길이 단위에 대한 NW 구조의 순서화 - 밀리미터 단위 영역에 대한 100㎚ 내지 마이크로미터 단위 분리를 가지는 나노미터 직경 와이어의 조직을 증명한다. 이러한 계층적 순서는 최상의 제어로 조립을 가능하게 하는 것은 공간적 위치가 지정되어야 하지만, 미시적 및 거시적인 세계을 용이하게 연결할 수 있다. 화학적으로 패터닝된 기판과 NW간의 상보적인 화학적 인터액션을 활용함으로써 이러한 중요한 목적을 달성했다(도 32a). 대표적인 실험의 SEM 화상(도 32b-32d)은 표면 패턴과 동일한 측면 기간을 가지는 평행 NW 어레이를 도시하고 있다. 이들 데이터는 NW가 화학적 패턴에 의해 정의되는 위치에 우선적으로 조립되는 것을 증명하고, 더구나 주기적인 패턴이 NW를 규칙적인 슈퍼구조로 조직화할 수 있다는 것을 보여준다. 패터닝된 표면만으로 1D 나노구조 조직화의 양호한 제어를 제공하지 못한다는 것을 인식하는 것이 중요하다. 패터닝된 기판 상의 NT 및 NW의 조립은 브리징(bridging) 및 거의 지향성 제어없이 패터닝된 영역 주위의 루핑(looping)에 의해 정렬되는 1D 나노구조를 도시하고 있다. 유체 플로우의 이용은 이들 중요한 문제들을 회피하고, 하나 이상의 방향으로 제어된 조립을 가능하게 한다. 이러한 접근법을 다이블럭 코폴리머내의 나노단위 도메인 형성과 분자의 자발적인 순서화와 같은 다른 표면 패터닝 방법과 조합함으로써, 종래 리소그래피의 한계를 뛰어넘는 잘-계층화된 NW 어레이를 생성할 수 있다.
일반적인 접근법은 도 31b에 예시된 층별 구조를 이용하여 NW를 더 복잡한 교차 구조로 조직화하는데 이용될 수 있고, 이것은 밀집된 나노디바이스 어레이를 구축하는데 중요하다. 교차되고 더 복잡한 구조를 형성하기 위해서는 나노단위 기판 인터액션이 순차 플로우 단계들이 이전 단계들에 영향을 미치지 않을 만큼 충분히 강해야 한다. 이러한 조건이 달성될 수 있다는 것을 발견했다. 예를 들면, 2단계 조립 프로세스에서 플로우를 직교 방향으로 교대하는 것은 크로스바 구조를 생성한다(도 33a 및 33b). 양 도면을 보면, 다중의 크로스바가 매우 직선적이고, 저가이며, 신속하고 스케일링 가능한 프로세스에서 개별적인 교차점 간의 수백 나노미터 분리만으로 얻어질 수 있다는 것을 알 수 있다. 개별적인 NW간의 분리가 완전히 균일하지는 않지만, 주기적인 어레이는 상기 설명한 패터닝된 표면을 이용하여 용이하게 계획될 수 있다. 중요한 것은, 이들 크로스바 구조는 기능적 디바이스를 생성할 수 있다(이하 참조).
다중 교차된 NW 어레이에 대한 접근법은 단일 교차 구조를 만들 수 있도록 랜덤 퇴적을 이용한 전류 효과, 개별적인 NW 및 NT의 직접적인 조작 및 전계에 대한 상당한 장점을 제공한다. 랜덤 퇴적 및 조작으로, 집적 나노디바이스에 필요한 다중 크로스바를 얻기는 어렵다. 전계가 조립에 대한 더 많은 제어를 가능하게 하는데 대해, 이러한 방법은 (ⅰ) 분리들이 마이크로미터 레벨 이하에서 측정될 때 근처 전극들간의 정전 간섭 및 (ⅱ) 다중 NW 디바이스 구조의 조립을 위한 전극을 제조하기 위한 광범위한 리소그래피의 필요에 의해 제한된다. 본 유체 접근법은 본질적으로 매우 평행하고 측정가능하며, 더구나 후속 조립 단계에서 플로우 방향간의 각도를 제어하는 것만으로 기하학적으로 복잡한 구조의 지향성 조립을 허용한다. 예를 들어, 정삼각형(도 33c)은 3개의 플로우 방향 간의 60도 각도를 이용하여 3층 퇴적 순서로 조립되었다. 그러므로, 플로우 정렬의 방법은 NW의 다중 "층들"의 조립을 요구하는 것들을 포함하여, 많은 디바이스 구성의 필요 요소를 충족하는 플렉시블 방식으로 제공한다.
전계는 반도체 NW의 부유물을 평행 NW 어레이 및 단일 NW 교차로 정렬하는데 이용될 수 있고, 여기에서 패터닝된 마이크로-전극 어레이는 전계 패턴을 생성하는데 이용된다. 그러나, 프린징(fringing) 전계 및 충전은 서브마이크론 단위에서 다중 교차의 조립시의 중요한 복잡화(complication)를 발생시킨다.
이러한 층별 조립 구조의 중요한 특징은 각 층이 나머지 층들과 독립적이고, 다양한 동질 및 이질 접합 구성이 각 단계에서 이용되는 NW 부유의 조성을 간단하게 변경함으로써 각 교차점에서 얻어질 수 있다는 점이다. n형 및 p형 NW 및 NT로 본 접근법을 이용하여 개별적인 나노단위 디바이스를 직접 조립하고 이어서 어드레싱할 수 있고, 여기에서 NW/NT는 배선 및 액티브 디바이스 소자 모두로서 기능한다. NW의 모두 8개의 단부들이 금속 전극에 의해 접속되는 n형 InP NW로 만들어지는 전형적인 2X2 크로스바 어레이는 이러한 점을 증명한다(도 33d). 전송 측정(도 33e)에 따르면, 8개 단부의 임의의 2개를 통해 전류가 흐를 수 있고 개별적인 NW 및 NW-NW 접합의 전기적 특성이 평가될 수 있다는 것을 나타낸다. 4개의 교차점에 대해 기록된 전류-전압(I-V) 데이터는 선형 또는 거의 선형 거동(커브 200)을 나타내고, n-n형 타입 접합에 대한 기대와 일치한다. 랜덤 퇴적에 의해 형성된 단일 NW/NW p-n 접합이 발광 다이오드(LED)의 거동 특성을 나타내므로, 본 접근법은 고밀도 및 개별적으로 어드레싱가능한 나노LED 및 전자적으로 더 복잡한 나노디바이스를 조립하는데 이용될 수 있다는 것이 분명하다고 생각한다.
이들 연구들은 밀리미터 크기 영역을 통해 나노미터를 연결할 수 있는 잘-정돈된 기능적 네트워크로의 1D 나노재료의 계층적 조립을 위한 일반적이고 합리적인 접근법을 제공한다. NW는 평균 분리의 제어를 통해 평행 어레이로 조립될 수 있고, 유체 정렬을 표면 패터닝 기술과 조합함으로써 주기성을 제어할 수도 있다는 것을 보여주고 있다. 후속 단계에서 플로우 방향을 가변시킴으로써 교차되고 더 복잡한 구조의 층별 조립의 가능성을 증명하였고, 이러한 접근법이 탄소 NT와 같은 1D 나노구조로 확장될 수 있다는 것을 암시하는 예비적 결과를 얻었다. 플로우 조립은 배선, 인터커넥트 및 기능적 디바이스에 필요한 구조로 NW 및 NT 빌딩 블록의 조직화를 위한 일반적인 전략을 나타내고, 따라서 미래의 나노기술을 위한 역방향 제조 패러다임을 가능하게 한다고 생각한다.
추가 연구는 단일 벽으로 된 탄소 나노튜브 및 이중성 DNA는 유체 접근법을 이용하여 평행 어레이로 정렬될 수 있다는 것을 보여주고 있다.
도 30a 및 30b는 플로우 조립을 위한 유체 채널 구조의 개략도이다. 도 30a는 PDMS 몰드가 편평한 기판에 접촉하게 되었을 때 형성되는 채널을 도시한다. NW 조립은 설정된 지속기간동안 제어된 플로우 레이트로 채널 내부에 NW 부유를 플로우함으로써 수행되었다. NW의 평행 어레이는 PDMS 몰드가 제거된 경우에 기판 상에서 플로우 방향으로 관찰된다. 도 30b는 다중 교차된 NW 어레이가 층별 조립 프로세스에서 플로우 방향을 순차적으로 변경함으로써 얻어질 수 있다는 것을 예시하고 있다.
도 31a-31d는 NW 어레이의 평행 조립을 예시한다. 도 31a 및 31b는 채널 플로우로 정렬된 InP NW의 평행 어레이의 SEM 화상이다. 단위 바는 도 31a 및 31b에서 각각 2㎛ 및 50㎛에 해당한다. 플로우 조립에 이용되는 실리콘(SiO2/Si) 기판은 3-아미노프로필트리에톡시실란(APTES)의 1mM 클로로포름 용액에 30분동안 담근 후 10분 동안 110℃에서 가열함으로써 아미노-말단 자기 조립된 모노층(SAM)으로 관능성화되었다. 이하의 실험에서 이용되는 모든 기판은 달리 지정되지 않는 한 동일하게 관능성화된다. 도 31c는 플로우 방향 대 플로우 레이트에 대한 NW 각도 확산을 나타낸다. 도면에서의 각 데이터 포인트는 ~ 200NW(예를 들면, 인셋 참조)의 각도 분포의 통계적 분석에 의해 얻어진다. 인셋은 9.40mm/s의 플로우 레이트에서 NW 각도 분포의 히스토그램을 도시한다. 도 31d는 NW 어레이 대 플로우 시간의 평균 밀도를 도시한다. 평균 밀도는 채널폭에 의해 채널의 임의의 교차 섹션에서 NW의 평균 개수를 분할함으로써 계산된다. 모든 실험들은 6.40mm/s의 플로우 레이트로 수행되었다.
도 32a-32d는 주기적인 NW 어레이의 조립을 예시한다. 도 32a는 화학적으로 패터닝된 기판으로의 NW의 조립의 개략도이다. 밝은 그레이 영역은 아미노-말단의 표면에 해당하고, 어두운 그레이 영역은 메틸-말단의 또는 노출된 표면 중 어느 하나에 해당한다. NW는 표면의 아미노-말단의 영역에 우선적으로 유인된다. 도 32b 및 32c는 5㎛ 및 2㎛ 분리를 가지는 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA) 패터닝된 표면 상에 정렬된 GaP NW의 평행 어레이를 도시하고 있다. 화상에서 어두운 영역은 잔류 PMMA에 해당하고, 밝은 영역은 아미노-말단 SiO2/Si 표면에 해당한다. NW는 아미노-종료 영역에 우선적으로 유인된다. PMMA는 표준 전자 빔(E-빔) 리소그래피로 패터닝되고, 결과적인 SiO2 표면은 에탄올내에 0.5% APTES의 용액에 50℃에고 10분동안, 100℃에서 10분동안 침지됨으로써 관능성화된다. 단위 바는 도 32b 및 32c 각각에서 5㎛ 및 2㎛에 해당한다. 도 32d는 패터닝된 SAM 표면을 이용하여 얻어진 500㎚ 분리를 가지는 GaP NW의 평행 어레이를 도시한다. SiO2/Si 표면은 순수 헥사메틸디실라잔(HMDS)에 50℃에서 15분동안, 110℃에서 10분동안 침지됨으로써 메틸-말단의 SAM으로 우선 관능성화된다. 이 표면은 E-빔 리소그래피에 의해 패터닝되어, 500㎚를 가지는 평행 부분의 어레이를 형성한 후 APTES를 이용하여 관능성화가 이어진다. 단위 바는 500㎚에 해당한다.
도 33a-33e는 교차 NW 어레이의 층별 조립 및 전송 측정을 예시하고 있다. 도 33a 및 33b는 후속 단계에 대해 직교 플로우 방향으로 2단계 조립 프로세스에서 얻어지는 InP NW의 교차된 어레이의 전형적인 TEM 화상을 도시하고 있다. 플로우 방향은 화상에서 화살표로 강조된다. 도 33c는 숫자가 붙은 화살표로 지시된 플로우 방향에서 60도 각도를 가지는 3단계 조립 프로세스에서 얻어지는 GaP NW의 정삼각형을 도시하고 있다. 단위 바는 3개의 화상에서 500㎚에 해당한다. 도 33d는 직교 플로우를 이용하여 n형 InP NW의 순차 조립에 의해 만들어지는 전형적인 2X2 교차 어레이의 SEM 화상을 도시하고 있다. 열적 증발에 의해 퇴적된 Ni/In/Au 콘택트 전극은 E-빔 리소그래피에 의해 패터닝된다. NW는 6% HF 용액에서 짧게(3-5s) 에칭되어 전극 퇴적 이전에 비정질 산화물 외부층을 제거한다. 단위 바는 2㎛에 해당한다. 도 33e는 2X2 교차 어레이에서 2-단자 측정으로부터의 대표적인 I-V 커브를 도시하고 있다. 커브(210)는 4개의 개별적인 NW(ad, bg, cf, eh)의 I-V를 표시하고, 커브(200)는 4개의 n-n 교차된 접합(ab, cd, ef, gh)의 I-V를 표시한다.
전계 효과 트랜지스터, pn 접합, 발광 다이오드, 바이폴라 트랜지스터, 상보형 인버터, 터널 다이오드를 증명했다. 나노와이어를 이용하여 현존하는 모든 타입의 반도체 디바이스를 만들 수 있다. 이하는 잠재적인 응용이다.
(1) 화학적 및 생물학적 센서
(2) 메모리 및 컴퓨팅
(3) 광 검출기 및 편광 검출기
(4) 포토루미네슨스 특성을 이용한 태그 지시
(5) 단일 전자 트랜지스터
(6) 레이저
(7) 광발전 태양 전지
(8) 주사 탐침 마이크로스코피 및 근접계 촬상을 위한 매우 날카로운 팁
(9) 전기화학적 및 생물학적 응용을 위한 매우 작은 전극
(10) 나노전자공학 및 광전자공학을 위한 인터커텍트 와이어
(11) 온도 센서
(12) 압력 센서
(13) 플로우 센서
(14) 중량 센서
(15) 단일 광자 에미터 및 검출기
(16) 양자 컴퓨팅을 위한 탄도학적 전송 및 간섭성 전송
(17) 스핀트로닉스(spintronics) 디바이스
(18) 2D 및 3D 광자 밴드갭 재료를 위한 나노와이어의 조립
이하는 디바이스를 형성하기 위해 나노와이어를 조립하기 위한 다른 기술에 대한 설명이다. 유체 공학은 나노와이어를 조립하는데 사용될 수 있다.
나노와이어(또는 임의의 다른 봉형 구조)는 표면 상에서 나노와이어 용액의 플로우를 유도함으로써 정렬될 수 있고, 여기에서 플로우는 채널 플로우 또는 임의의 다른 방식에 의한 플로우가 될 수 있다.
제어된 위치 및 주기성을 가지는 나노와이어 어레이는 기판의 표면을 패터닝하거나 다른 관능기로 나노와이어의 표면을 컨디셔닝함으로써 생성될 수 있다.
여기에서, 위치 및 주기성 제어는 예를 들면, A 와이어는 A' 패터닝된 영역으로 진행하고, B 와이어는 B' 패터닝된 영역으로 진행하며, C 와이어는 C' 패터닝된 영역으로 진행하는 등과 같이, 패터닝된 표면과 와이어 사이에 특정 상보형 힘(화학적 또는 생물학적 또는 정전기적 또는 자기적 또는 광학적)을 설계함으로써 달성된다.
여기에서, 기판 및/또는 나노와이어의 표면은 상이한 분자/재료, 또는 상이한 전하, 상이한 마그네토 또는 상이한 광 세기(예를 들면, 광 빔으로부터의 간섭/회절 패턴에 의함) 또는 이들 조합으로 컨디셔닝될 수 있다.
조립된 나노와이어 어레이는 다른 기판으로 이송될 수 있다(예를 들면, 스탬핑에 의함).
나노와이어는 상보형 인터액션에 의해 조립될 수 있다. 플로우는 상기 방법에서 나노와이어의 조립에 이용된다(플로우에만 제한되지 않음). 상보형 화학적, 생물학적, 정전기적, 자기적 또는 광학적 인터액션 하나만으로 나노와이어 조립(더 적은 제어를 가지지만)에 활용될 수 있다.
나노와이어는 물리적 패턴을 이용하여 조립될 수 있다. 표면 단차, 트렌치 등과 같은 물리적 패턴으로 기판 상으로의 나노와이어 용액의 퇴적.
나노와이어는 표면 단차의 코너 또는 트렌치를 따라 정렬될 수 있다.
물리적 패턴들은 자연적인 결정 격자 단차 또는 자가-조립된 다이블럭 코폴리머 스트립, 또는 프린트된 패턴 또는 임의의 다른 패턴에 의해 형성될 수 있다.
나노와이어는 나노와이어간의 정전기력 또는 자기력에 의해 조립될 수 있다. 전하를 나노와이어 표면에 도입함으로써, 나노와이어간의 정전기력이 그들을 평행 어레이와 같은 특정 패턴으로 정렬시킬 수 있다.
나노와이어는 LB 막을 이용하여 조립될 수 있다. 나노와이어는 우선 표면 컨디셔닝되고, 액상의 표면에 분산되어 랭뮤어-블로젯(Langmuir-Blodgett, LB) 막을 형성한다. 그리고 나서, 나노와이어는 표면을 압축함으로써 다른 패턴(예를 들면 평행 어레이)으로 정렬될 수 있다. 그리고 나서, 나노와이어 패턴은 원하는 기판 상으로 이송될 수 있다.
나노와이어는 나노와이어를 플렉시블 매트릭스(폴리머가 될 수 있음)로 분산시킨 후 매트릭스를 한 방향으로 스트레칭함으로써 시어(shear) 스트레칭에 의해 조립될 수 있고, 나노와이어는 유도되는 전단력에 의해 스트레칭 방향으로 정렬될 수 있다. 그리고 나서, 매트릭스는 제거되고, 정렬된 나노와이어 어레이는 원하는 기판으로 이송될 수 있다.
여기에서, 매트릭스의 스트레칭은 기계적, 전기적, 광학적, 자기적 힘에 의해 유도될 수 있다. 그리고, 스트레칭 방향은 기판의 면내이거나 아닐 수도 있다.
이하에 청구되는 본 발명의 일부 예시적 실시예를 지금까지 설명했지만, 본 기술 분야의 숙련자라면, 상기 설명이 단순히 예시적이며 제한하는 것이 아니며, 예를 통해 제공된 것이라는 것을 잘 알고 있을 것이다. 수많은 변형과 다른 예시적 실시예들이 본 기술 분야의 숙련자의 범주에 해당되고, 이하에 제시하는 청구의 범위의 범주내에 든다고 할 수 있다. 특히, 여기에 제공된 많은 예들은 방법 단계 및 시스템 요소의 특정 조합에 관련되지만, 이들 단계 및 요소들은 다른 방식으로 조합되어 동일한 목적을 달성할 수 있다는 것은 자명하다. 시스템이나 방법의 한 실시예와 접속하여서만 기술되는 단계, 요소 및 특징들은 다른 실시예에서 동일한 역할에서 제외되는 것으로 받아들여서는 안 된다. 또한, 이하의 청구의 범위에서 인용된 하나 이상의 수단 플러스 기능 한정에 대해, 수단은 인용된 기능을 수행하기 위해 여기에 개시된 수단으로 한정되는 것으로 받아들여서는 안되며, 인용된 기능을 수행하기 위해 현재 알려지거나 나중에 개발되는 임의의 등가 수단을 범주 내에 포함하는 것으로 받아들여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 제품, 또는 나노와이어 예의 투시도이다.
도 2는 반도체 나노와이어의 제조를 위한 레이저 지원 촉매 성장 프로세스 예의 단순화된 개략도.
도 3은 나노와이어 성장을 예시한 개략도.
도 4는 나노와이어 직경을 제어하기 위한 방법의 예를 예시한 개략도.
도 5는 표면 단차(step)의 에지 상의 퇴적에 의한 나노와이어 제조를 예시하는 개략도.
도 6은 봉형 템플레이트의 내부 또는 바로 위의 증착에 의한 나노와이어 성장을 예시하는 개략도.
도 7a-7e는 디바이스를 형성하는 반도체 나노와이어의 직교 조립을 설명하는 도면.
도 8a-8c는 상이한 도핑 레벨 및 게이트 전압에 대한 바이어스 전압의 함수로서 실리콘 나노와이어 전류를 도시한 도면.
도 9a 및 9b는 상이한 인 도핑 레벨 및 게이트 전압에 대한 바이어스 전압의 함수로서 실리콘 나노와이어 전류를 도시한 도면.
도 10a 및 10b는 p형 및 n형 실리콘 나노와이어 디바이스에 대한 에너지 밴드 다이어그램을 각각 도시한 도면.
도 11a 및 11b는 다량으로 보론 도핑된 실리콘 나노와이어 상에 기록되는 온 도 의존형 전류-전압 커브를 도시한 도면.
도 12는 명확한 GaP 반도체 나노와이어의 성장을 위한 촉매로서 모노분산된 금 콜로이드의 이용을 도시한 개략도.
도 13a는 28.2㎚ 콜로이드로부터 합성된 나노와이어의 FE-SEM 화상을 도시한 도면.
도 13b는 샘플 내의 다른 와이어의 TEM 화상을 도시한 도면.
도 14a-14c는 상이한 직경의 콜로이드로부터 성장된 와이어에 대해 측정된 직경의 히스토그램을 도시한 도면.
도 14d는 레이저가 금 나노클러스터(nanocluster) 및 GaP 반응물 모두를 생성하는데 이용되는 콜로이드 없이 이전의 방법을 이용하여 성장된 와이어에 대한 직경의 히스토그램을 도시한 도면.
도 15는 금 및 갈륨 비화물에 대한 의사이원(pseudobinary) 상태도를 도시한 도면.
도 16a-16c는 레이저 지원 촉매 성장에 의해 준비되는 상이한 나노와이어의 FE-SEM 화상을 도시한 도면.
도 17a는 대략 20㎚ 직경 갈륨 비화물 나노와이어의 회절 콘트라스트 TEM 화상을 도시한 도면.
도 17b-17d는 상이한 직경의 나노와이어의 고해상도 TEM 화상을 도시한 도면.
도 18a는 레이저 지원 촉매 성장에 의해 준비된 CdSe 나노와이어의 FE-SEM 화상을 도시한 도면.
도 18b는 18㎚ 직경 CdSe 나노와이어의 회절 콘트라스트 TEM 화상을 도시한 도면.
도 18c는 약 13㎚ 직경 CdSe 나노와이어의 고해상도 TEM 화상을 도시한 도면.
도 19는 레이저 지원 촉매 성장에 의한 GaN 나노와이어 성장을 도시한 개략도.
도 20a는 레이저 지원 촉매 성장에 의해 합성된 벌크 GaN 나노와이어의 FE-SEM 화상을 도시한 도면.
도 20b는 벌크 GaN 나노와이어 상에 기록된 PXRD 패턴을 도시한 도면.
도 21a는 더 높은 콘트라스트의 면상 나노입자에서 종단하는 GaN 나노와이어의 회절 콘트라스트 TEM 화상을 도시한 도면.
도 21b는 약 10㎚ 직경을 가지는 다른 GaN 나노와이어의 HRTEM 화상을 도시한 도면.
도 22a-22c는 InP 나노와이어의 도핑 및 전기적 전송을 설명하는 도면.
도 23a-23d는 교차 나노와이어 접합 및 전기적 특성을 설명하는 도면.
도 24a-24d는 나노와이어 P-N 접합의 광전 특성을 설명하는 도면.
도 25a는 p형 Si 및 n형 GaN 나노접합으로부터 얻어진 EL 화상을 도시한 도면.
도 25b는 다양한 게이트 전압에 대한 전압의 함수로서 전류를 도시한 도면.
도 25c는 도 25a의 나노 접합에 대한 EL 스펙트럼을 도시한 도면.
도 26a-26d는 전계에 의한 나노와이어의 평행 및 직교 조립을 설명하는 도면.
도 27a-27f는 교차 실리콘 나노와이어 접합을 설명하는 도면.
도 28a-28d는 n+pn 교차 실리콘 나노와이어 바이폴라 트랜지스터를 설명하는 도면.
도 29a-29d는 상보형 인버터 및 터널 다이오드를 설명하는 도면.
도 30a 및 30b는 플로우 조립을 위한 유체 채널 구조의 개략도이다.
도 31a-31d는 나노와이어 어레이의 평행 조립을 설명하는 도면.
도 32a-32d는 주기적인 나노와이어 어레이의 조립을 설명하는 도면.
도 33a-33e는 교차 나노와이어 어레이의 층별 조립 및 전송 측정을 설명하는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
l1 : 실린더형 반도체
l2 : 길이
l3 : 길이 방향 축
l4 : 복수의 폭
l5 : 지점

Claims (37)

  1. 각각이 500nm보다 작은 최소폭을 갖는 적어도 한 부분을 포함하는 반도체 나노와이어들의 개체군을, 20%보다 작은 직경에서의 변동을 가지며 상기 반도체 나노와이어들의 개체군이 20%보다 작은 직경에서의 변동을 갖도록 선택되는 촉매 콜로이드 입자로부터 촉매적으로 성장시키는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 콜로이드 입자는, 상기 촉매 콜로이드 입자를 생성하기 위해 고체 타겟을 레이저 절제하는 프로세스에 의해 형성되는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 나노와이어들의 개체군의 길이를 제어하는 단계를 더 포함하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 나노와이어들 각각의 적어도 한 부분은 20nm보다 작은 최소폭을 갖는 적어도 한 부분을 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 나노와이어들 각각의 적어도 한 부분은 10nm보다 작은 최소폭을 갖는 적어도 한 부분을 포함하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 나노와이어들 각각의 적어도 한 부분은 5nm보다 작은 최소폭을 갖는 적어도 한 부분을 포함하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 콜로이드 입자는 희석(dilution)에 따라 크기가 선택되는 방법.
  8. 각각이 500nm보다 작은 최소폭을 갖는 적어도 한 부분을 포함하는 도핑된 반도체 나노와이어들의 개체군을 생성하기 위해, 반도체 나노와이어들의 개체군을 성장시키는 단계, 및 상기 반도체 나노와이어들을 성장시키면서 상기 반도체 나노와이어들의 개체군을 도핑하는 단계를 포함하며,
    상기 성장 단계는, 상기 반도체 나노와이어들의 개체군이 20%보다 작은 직경에서의 변동을 갖도록 선택된 촉매 콜로이드 입자로부터 촉매적으로 상기 반도체 나노와이어들의 개체군을 성장시키는 단계를 포함하는 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 레이저 지원 촉매 성장을 이용하여, 각각이 500nm보다 작은 최소폭을 갖는 적어도 한 부분을 포함하는 반도체 나노와이어들의 개체군을, 상기 반도체 나노와이어들의 개체군이 20%보다 작은 직경에서의 변동을 갖도록 선택된 촉매 콜로이드 입자로부터 촉매적으로 성장시키는 단계를 포함하는 방법.
  12. 각각이 500nm보다 작은 최소폭을 갖는 적어도 한 부분을 포함하는 하나 이상의 반도체 나노와이어의 개체군을, 상기 반도체 나노와이어들의 개체군이 20%보다 작은 직경에서의 변동을 갖도록 선택된 촉매 콜로이드 입자로부터 촉매적으로 성장시키는 단계,
    상기 하나 이상의 반도체 나노와이어를 포함하는 용액을 기판의 표면에 접촉시켜 상기 하나 이상의 반도체 나노와이어를 상기 표면에 퇴적시키는 단계, 및
    상기 하나 이상의 반도체 나노와이어를 전계를 사용하여 배향하여 상기 하나 이상의 반도체 나노와이어를 상기 표면에 정렬시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  13. 삭제
  14. 제12항에 있어서,
    상기 정렬 단계는 적어도 2개의 전극 사이에서 전계를 생성하는 단계, 및 상기 하나 이상의 반도체 나노와이어를 상기 전극 사이에 배치하는 단계
    를 포함하는 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 하나 이상의 반도체 나노와이어를 유체 플로우를 사용하여 배향하는 단계를 더 포함하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 하나 이상의 반도체 나노와이어를 유체 플로우를 사용하여 배향하는 단계는 상기 하나 이상의 반도체 나노와이어를 포함하는 유체를 상기 표면상으로 흘리는 단계를 포함하는 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 촉매 콜로이드 입자는, 상기 촉매 콜로이드 입자를 생성하기 위해 고체 타겟을 레이저 절제하는 프로세스에 의해 형성되는 방법.
  18. 각각이 500nm보다 작은 최소폭을 갖는 적어도 한 부분을 포함하는 하나 이상의 반도체 나노와이어의 개체군을, 상기 반도체 나노와이어들의 개체군이 20%보다 작은 직경에서의 변동을 갖도록 선택된 촉매 콜로이드 입자로부터 촉매적으로 성장시키는 단계,
    상기 하나 이상의 반도체 나노와이어를 포함하는 용액을 기판의 표면에 접촉시켜 상기 하나 이상의 반도체 나노와이어를 상기 표면에 퇴적시키는 단계, 및
    상기 하나 이상의 반도체 나노와이어를 기계적 도구를 사용함으로써 배향하여 상기 하나 이상의 반도체 나노와이어를 상기 표면에 정렬시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 촉매 콜로이드 입자는, 상기 촉매 콜로이드 입자를 생성하기 위해 고체 타겟을 레이저 절제하는 프로세스에 의해 형성되는 방법.
  20. 각각이 500nm보다 작은 최소폭을 갖는 적어도 한 부분을 포함하는 하나 이상의 반도체 나노와이어의 개체군을, 상기 반도체 나노와이어들의 개체군이 20%보다 작은 직경에서의 변동을 갖도록 선택된 촉매 콜로이드 입자로부터 촉매적으로 성장시키는 단계,
    상기 반도체 나노와이어들에 대해 친화력을 갖는 하나 이상의 관능기로 기판의 표면을 관능성화하여 상기 하나 이상의 반도체 나노와이어를 상기 표면에 부착하도록 상기 표면을 컨디셔닝하는 단계, 및
    상기 하나 이상의 반도체 나노와이어를 상기 표면에 퇴적시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 컨디셔닝 단계는 상기 표면을 패터닝하는 단계를 포함하는 방법.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 하나 이상의 관능기(functional group)는 하나 이상의 알킬옥시실란(alkyloxysilane)기를 포함하는 방법.
  23. 각각이 500nm보다 작은 최소폭을 갖는 적어도 한 부분을 포함하는 반도체 나노와이어들의 개체군을, 상기 반도체 나노와이어들의 개체군이 20%보다 작은 직경에서의 변동을 갖도록 선택된 촉매 콜로이드 입자로부터 촉매적으로 성장시키는 단계, 및
    상기 반도체 나노와이어들을 기판의 표면에 퇴적시켜 전계 효과 트랜지스터를 형성하는 단계를 포함하는 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 촉매 콜로이드 입자는, 상기 촉매 콜로이드 입자를 생성하기 위해 고체 타겟을 레이저 절제하는 프로세스에 의해 형성되는 방법.
  25. 각각이 500nm보다 작은 최소폭을 갖는 적어도 한 부분을 포함하는 반도체 나노와이어들의 개체군을, 상기 반도체 나노와이어들의 개체군이 20%보다 작은 직경에서의 변동을 갖도록 선택된 촉매 콜로이드 입자로부터 촉매적으로 성장시키는 단계, 및
    상기 반도체 나노와이어들을 기판의 표면에 퇴적시켜 디바이스를 형성하는 단계-상기 디바이스는 스위치, 다이오드, 발광 다이오드, 터널 다이오드, 쇼트키 다이오드, 바이폴라 접합 트랜지스터, 인버터, 광학 센서, 분석체를 위한 센서, 메모리 디바이스, 레이저, 논리 게이트, 래치, 레지스터, 증폭기, 신호 처리기, 디지털 또는 아날로그 회로, 발광 소스, 포토다이오드, 포토트랜지스터, 광발전 디바이스 중 하나 이상, 또는 이들의 결합체를 포함함-
    를 포함하는 방법.
  26. 각각이 500nm보다 작은 최소폭을 갖는 적어도 한 부분을 포함하는 반도체 나노와이어들의 개체군을, 상기 반도체 나노와이어들의 개체군이 20%보다 작은 직경에서의 변동을 갖도록 선택된 촉매 콜로이드 입자로부터 촉매적으로 성장시키는 단계를 포함하고, 상기 촉매 콜로이드 입자의 적어도 일부는 금을 포함하는 방법.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 촉매 콜로이드 입자의 적어도 일부는 각각 Ag, Cu, Zn, Cd, Fe, Ni, Co 중 하나 이상, 또는 이들의 혼합물을 더 포함하는 방법.
  28. 적어도 하나의 p형 반도체 나노와이어와 적어도 하나의 n형 반도체 나노와이어를 교차시켜 반도체 나노와이어 접합을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 p형 반도체 나노와이어와 n형 반도체 나노와이어 중 하나 또는 양쪽 모두는, 반도체 나노와이어들의 개체군으로부터 선택되며, 상기 반도체 나노와이어들의 개체군은 각각이 500nm보다 작은 최소폭을 갖는 적어도 한 부분을 포함한 상기 반도체 나노와이어들의 개체군을, 상기 반도체 나노와이어들의 개체군이 20%보다 작은 직경의 변동을 갖도록 선택된 촉매 콜로이드 입자로부터 촉매적으로 성장하는 단계를 포함하는 방법에 따라 성장되는 방법.
  29. 각각이 500nm보다 작은 최소폭을 갖는 적어도 한 부분을 포함하는 반도체 나노와이어들의 개체군을, 상기 반도체 나노와이어들의 개체군이 20%보다 작은 직경에서의 변동을 갖도록 선택된 촉매 콜로이드 입자로부터 촉매적으로 성장시키는 단계를 포함하고, 상기 반도체 나노와이어들의 개체군은 10%보다 작은 직경에서의 변동을 갖는 방법.
  30. 각각이 500nm보다 작은 최소폭을 갖는 적어도 한 부분을 포함하는 반도체 나노와이어들의 개체군을 결합(aggregation)을 최소화하고, 적어도 네개의 상기 반도체 나노와이어가 20%보다 작은 직경의 변동을 갖도록 선택된 거의 균일한 크기를 갖도록 사전 선택된 촉매 콜로이드 입자로부터 촉매적으로 성장시키는 단계를 포함하고, 상기 성장된 반도체 나노와이어들은 10%보다 작은 직경의 변동을 갖는 방법.
  31. 각각이 500nm보다 작은 최소폭을 갖는 적어도 한 부분을 포함하는 반도체 나노와이어들의 개체군을 결합(aggregation)을 최소화하고, 적어도 네개의 상기 반도체 나노와이어가 20%보다 작은 직경의 변동을 갖도록 선택된 거의 균일한 크기를 갖도록 사전 선택된 촉매 콜로이드 입자로부터 촉매적으로 성장시키는 단계를 포함하고, 상기 촉매 콜로이드 입자는 희석에 따라 사전 선택되는 방법.
  32. 각각이 500nm보다 작은 최소폭을 갖는 적어도 한 부분을 포함하는 반도체 나노와이어들의 개체군을, 크기가 선택된 촉매 콜로이드 입자로부터 성장시키는 단계를 포함하고, 상기 촉매 콜로이드 입자는 20%보다 작은 직경에서의 변동을 갖도록 크기가 선택되는 방법.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 촉매 콜로이드 입자는 10%보다 작은 직경에서의 변동을 갖도록 크기가 선택되는 방법.
  34. 각각이 500nm보다 작은 최소폭을 갖는 적어도 한 부분을 포함하는 반도체 나노와이어들의 개체군을, 크기가 선택된 촉매 콜로이드 입자로부터 성장시키는 단계를 포함하고, 상기 촉매 콜로이드 입자는 희석에 따라 크기가 선택되는 방법.
  35. 레이저 지원 촉매 성장을 이용하여, 각각이 500nm보다 작은 최소폭을 갖는 적어도 한 부분을 포함하는 반도체 나노와이어들의 개체군을, 크기가 선택된 촉매 콜로이드 입자로부터 성장시키는 단계를 포함하는 방법.
  36. 제8항에 있어서,
    상기 도핑된 반도체 나노와이어들의 적어도 일부의 표면에 하나 이상의 다른 물질을 첨가하는 단계를 더 포함하고, 상기 하나 이상의 다른 물질은 비정질 산화물(amorphous oxide)을 포함하는 방법.
  37. 제20항에 있어서,
    상기 하나 이상의 관능기는 -CH3, -COOH, -NH2, -SH, -OH, 하이드라지드(hydrazide) 및 알데히드기로 이루어지는 그룹에서 선택되는 방법.
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