[논문]AFM을 이용한 나노 패턴 형성과 크기에 따른 광특성 시뮬레이션

황민영; 문경숙; 구상모

doi:10.4313/jkem.2010.23.6.440

AFM을 이용한 나노 패턴 형성과 크기에 따른 광특성 시뮬레이션
Simulations of Optical Characteristics according to the Silicon Oxide Pattern Distance Variation using an Atomic Force Microscopy (AFM) 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.23 no.6, 2010년, pp.440 - 443

황민영 (광운대학교 전자재료공학과) , 문경숙 (경원대학교 수학정보학과) , 구상모 (광운대학교 전자재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

We report a top-down approach based on atomic force microscopy (AFM) local anodic oxidation for the fabrication of the nano-pattern field effect transistors (FETs). AFM anodic oxidation is relatively a simple process in atmosphere at room temperature but it still can result in patterns with a high spatial resolution, and compatibility with conventional silicon CMOS process. In this work, we study nano-pattern FETs for various cross-bar distance value D, from ${\sim}0.5\;{\mu}m$ to $1\;{\mu}m$. We compare the optical characteristics of the patterned FETs and of the reference FETs based on both 2-dimensional simulation and experimental results for the wavelength from 100 nm to 900 nm. The simulated the drain current of the nano-patterned FETs shows significantly higher value incident the reference FETs from ${\sim}1.7\;{\times}\;10^{-6}A$ to ${\sim}2.3\;{\times}\;10^{-6}A$ in the infrared range. The fabricated surface texturing of photo-transistors may be applied for high-efficiency photovoltaic devices.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 입사된 빛의 반사도와 투과도를 줄일 수 있는 최적의 나노 패턴을 형성하기 위해 AFM의 anodic oxidation을 이용한 높고 좁은 산화막을 정의하였다. 형성된 나노 패턴은 희석된 BOE 용액에서 산화막을 제거하여 간격 400 nm의 나노 패턴을 완성하였다.

제안 방법

나노 패턴의 크기에 따른 광 특성은 2차원 시뮬레이션을 이용하여 분석하였다. 부피 대 표면적 비율 값이 증가할수록 높은 광 특성 효율을 보였다.
두께는 크고 폭이 얇은(t∼3.4 nm, W∼410 nm) 산화막 특성을 보이는 10 V의 인가전압을 사용하여 바둑판 구조의 나노 패턴을 제작하였다.
실험은 실온상태(27℃)에서 붕소(B)가 도핑된 실리콘(0.05 Ω-㎝) 표면위에 AFM의 탐침의 인가전압에 따른 샘플 표면의 산화막 형성 특성을 분석하였다.
이러한 이유로 AFM을 이용한 나노패턴 공정은 바이오 및 광 센서, 그리고 태양전지에 적용할 수 있다 [7]. 이에 본 연구는 AFM 이용한 쇼트키 장벽 전계효과 트랜지스터 (SB-FETs)의 채널부에 나노 패턴을 형성하여 부피 대 표변적 비율을 높여 일반 실리콘 소자와 빛의 파장별 전기적 특성을 시뮬레이션으로 비교-분석하였다 [9].

대상 데이터

시뮬레이션은 SB-FETs의 채널에 패턴이 없는 구조와 패턴간격이 1 μm, 0.5 μm인 소자를 적용하였다.

데이터처리

제작된 산화막의 높이는 ∼4 nm이고 이를 희석된 HF에서 산화막을 제거하여 깊이가 2 nm의 나노패턴을 얻을 수 있었다. 이를 SB-FETs의 채널에 적용하여 빛의 파장에 따른 전기적 특성분석을 2차원 시뮬레이션을 통해 비교-분석하였다.

성능/효과

05 Ω-㎝) 표면위에 AFM의 탐침의 인가전압에 따른 샘플 표면의 산화막 형성 특성을 분석하였다. 그림 3에서처럼 인가전압이 8 V에서 18 V 증가하면서 산화막의 높이는 1.5 nm에서 5.1 nm로 높아졌고, 폭은 320 nm에서 939 nm로 증가함을 확인하였다. 그림 1에서 보듯 샘플 표면의 반사율을 줄이기 위해서는 산화막의 폭은 작고, 높이는 높을수록 최적화된 패턴 간격을 줄일 수 있고 깊은 패턴을 제작이 가능하다.
나노 패턴의 크기에 따른 광 특성은 2차원 시뮬레이션을 이용하여 분석하였다. 부피 대 표면적 비율 값이 증가할수록 높은 광 특성 효율을 보였다. 때문에 같은 부피에서는 표면적이 증가할수록 광 특성에 영향을 주게 되어 나노 패턴은 고효율 photovoltaic 소자 제작에 있어서 중요하다고 판단된다.
빛의 파장을 350 nm로 고정한 상태에서 부피 대 표면적 비율이 5.0 × 107 m-1에서 5.7 × 107 m-1로 증가하면 드레인 전류는 ∼1.7 × 10-6 A에서 ∼2.3 × 10-6 A로 증가하는 것을 확인하였다.
제작된 산화막의 높이는 ∼4 nm이고 이를 희석된 HF에서 산화막을 제거하여 깊이가 2 nm의 나노패턴을 얻을 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	나노 패턴 형성에 AFM을 사용할 경우 장점은?	특히 일반 실리콘이 적외선 영역에서 0%에 가까운 흡수율을 보이는 반면 나노 패턴된 실리콘 소자는 적외선 영역에서도 뛰어난 광 특성을 보이고 있다 [1-4]. 나노 패턴 형성을 위해 원자힘현미경 (AFM)을 사용할 수 있는데, 이 AFM은 부분적이고 선택적인 부분에 산화패턴형성을 하는데 훌륭한 장점을 가지고 있다. 이 밖에도 AFM anodic oxidation은 상온에서 동작이 가능하여 간단한 공정으로 사용이 가능하다 [5,6]. 이러한 이유로 AFM을 이용한 나노패턴 공정은 바이오 및 광 센서, 그리고 태양전지에 적용할 수 있다 [7].
	일반 실리콘은 적외선 영역에서 얼마나 흡수율을 보이는가?	나노 패턴을 가지는 샘플의 표면은 그림 1에서 보는 것처럼 소자 표면의 반사율을 감소시켜 높은 광 특성을 지니고 있어, 현재 태양전지, 포토트랜지스터 등에서 많은 연구가 진행 중이다. 특히 일반 실리콘이 적외선 영역에서 0%에 가까운 흡수율을 보이는 반면 나노 패턴된 실리콘 소자는 적외선 영역에서도 뛰어난 광 특성을 보이고 있다 [1-4]. 나노 패턴 형성을 위해 원자힘현미경 (AFM)을 사용할 수 있는데, 이 AFM은 부분적이고 선택적인 부분에 산화패턴형성을 하는데 훌륭한 장점을 가지고 있다.
	AFM의 anodic oxidation을 이용하여 나노패턴을 형성할 경우 산화막은 어떤 용액에서 제거되었는가?	본 연구에서는 입사된 빛의 반사도와 투과도를 줄일 수 있는 최적의 나노 패턴을 형성하기 위해 AFM의 anodic oxidation을 이용한 높고 좁은 산화막을 정의하였다. 형성된 나노 패턴은 희석된 BOE 용액에서 산화막을 제거하여 간격 400 nm의 나노 패턴을 완성하였다.

참고문헌 (9)

N. Elfstrom, A. E. Karlstrom, and J. Linnros, Nano. Lett. 8, 3 (2008).
M. Skupinski, J. Jensen, A. Johansson, G. Possnert, M. Boman, K. Hjort, and A. Razpet, J. Vac. Sci. Technol. B 25, 3 (2007).
Y. Cao, S. Ding, T. Sun, Y. Yan, and Q. Zhao, J. Vac. Sci. Technol. B 27, 3 (2009).
S. Gwo, T. Yasuda, and S. Yamasaki, J. Vac. Sci. Technol. A 19, 4 (2001).
E. S. Snow, W. H. Juan, S. W. Pang, and P. M. Cambel, Appl. Phys. Lett. 66, 1792 (1995).
S. Masubuchi, M. Ono, K. Yoshida, K. Hirakawa, and T. Machida, Appl. Phys. Lett. 94, 082107 (2009).

상세보기
D. Stievenard and B. Legrand, Progress in surf. Sci. 81, 112 (2006).

상세보기
D. Stevenard, P. A. Fontaine, and E. Dubois, Appl. Phys. Lett. 70, 20 (1997).
SILVACO International, ATLAS User's Manual, Version 5.12.0.R. USA, SILVACO International Incorporated, pp. 1-898, 2007.

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