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제안 방법
- GaN 나노로드 소자에서의 전기적 특성을 향상시키기 위한 방안으로 나노로드가 금속 전극에 접촉하는 부분의 자연 산화막 제거를 KOH 식각 용액을 이용하여 진행하였다. 처리 전후의 전기적 특성을 비교함으로써 전기전도도가 크게 향상된 것이 확인되었으나 여전히 전압-전류가 선형적인 특성을 보이지 않는 것을 나노로드-금속 사이에 쇼트키 접합이 형성되었기 때문으로 해석하고 열처리 공정을 추가적으로 진행하였다.
- GaN 나노로드 표면의 자연 산화막 제거가 GaN 나노로드 소자에서의 전기적 특성에 미치는 영향을 관찰하기 위하여 그림 5의 (a)와 같이 전압-전류 특성을 처리 전후 측정하였다. 앞의 실험에 따르면 나노로드의 표면을 식각할 때 KOH 식각 용액의 온도를 50℃로 하는 것보다 상온으로 하는 것이 GaN 나노로드의 자연 산화막만을 식각하기 위한 제어에 유리하며 반응 시간은 5분정도가 적당한 것으로 사료된다.
- 나노로드의 길이는 대략 10 µM 정도이며 그 지름은 400～500 nM 정도의 분포를 이룬다. GaN 나노로드를 KOH 용액으로 습식 식각하였을 경우 얼만큼의 표면 산화막이 깎여 나가는지 확인하기 위하여 KOH 용액에서 시간에 따른 나노선의 반응 정도와 용액의 온도 가변시 식각되는 정도를 관찰하였다. 가루 형태의 KOH 물질 (Sigma Aldrich)을 증류수에 (deionized) 에 섞어 식각 용액을 제작하였고 이 때 용액의 몰농도는 1 M로 고정하였다.
- 그림 3(e)에서와 같이 상온에서의 SEM 이미지를 살펴보면 5분이 지난 후에는 SEM 상에서 겨우 확인될 만큼의 적은 표면층이 깎여져 나간 것을 확인할 수 있으며, 반응의 정도를 살펴보기 위해 반응시간을 20, 40, 60분까지 변화시켜 보았다. 그림 3의 (f-h)에서 보이는 것과 같이 시간이 지날수록 표면이 확연하게 깎여져 나가는 것을 쉽게 확인할 수 있다.
- 그림 3의 (a)에서 (d)의 이미지와 같이 식각의 정도를 좀더 확연히 구분하고 나노선이 식각액에 의해서 기판에서 벗어나는 것을 방지하기 위해 더 빠른 식각 속도를 보여주는 50℃ 핫플레이트 위에서의 식각의 경우 이빔리소그래피 방법을 이용하여 나노로드에 선택적으로 Pt 를 증착하여 증착된 부분과 되지 않은 부분을 쉽게 비교할 수 있도록 하였다. 이러한 이빔리소그래피 공정은 그림 4에서 자세하게 설명되어 있다 [9].
- 일반적으로 자연 산화막을 제거하기 위해 표면 식각의 방법을 많이 사용하고 있으며 습식 식각의 경우 액티브 영역과 식각될 영역의 화학적 반응 정도가 뚜렷하다면 쉽고 간편하게 효과적인 식각을 할 수 있으므로 매우 효율적일 것으로 사료된다. 따라서 이 실험에서는 넓은 에너지 밴드갭 (3.4 eV)으로 그 광학적 특성이 우수하여 이미 상업화된 소자로도 그 활용가치가 높은 물질인 GaN 나노로드를 실험 재료로 활용하였고 KOH 용액을 이용하여 표면 산화막을 제거하였다 [4], 산화막의 제거 전후의 전기적 특성을 비교함으로써 실제 나노로드에서 자연 산화막이 존재하며 그 영향이 상당히 크다는 것을 검증하였으며 [5,6] 자연 산화막의 습식 식각 외에도 할로겐 램프를 이용한 빠른 열처리(rapid thermal annealing, RTA) 공정을 통하여 나노로드와 금속 전극 사이의 접촉 저항을 감소시켜 전기전도도를 향상시키는 실험 또한 진행되었다. 이론적으로, 나노로드를 소자화할 때 전극물질로 쓰이는 금속은 나노로드의 전자친화도를 기준으로 그 일함수가 가능한 유사한 물질을 우선적으로 사용하여 금속과 나노로드의 에너지 장벽을 낮추는 것이 일반적이다.
- 이러한 접촉을 향상시키는 방법 중의 하나로 열처리 공정을 사용할 수 있고, 이 실험에서도 RTA 공정이 사용되었다. 이 또한 처리 전후의 GaN 나노로드 소자에서의 전기적 특성 변화를 관찰함으로써 그 실제적인 효과를 관찰하였다.
- GaN 나노로드 소자에서의 전기적 특성을 향상시키기 위한 방안으로 나노로드가 금속 전극에 접촉하는 부분의 자연 산화막 제거를 KOH 식각 용액을 이용하여 진행하였다. 처리 전후의 전기적 특성을 비교함으로써 전기전도도가 크게 향상된 것이 확인되었으나 여전히 전압-전류가 선형적인 특성을 보이지 않는 것을 나노로드-금속 사이에 쇼트키 접합이 형성되었기 때문으로 해석하고 열처리 공정을 추가적으로 진행하였다. 열처리 공정 후에 나노로드 소자의 전압-전류 특성이 선형적으로 바뀌었을 뿐 아니라 전기전도도가 수십에서 수백배 증가하는 결과를 보여주었다.
- 화학적 반응 속도에 영향을 미치는 주요인은 식각 용액의 농도, 반응 시간 및 용액의 온도 등이므로 반응 시간 및 용액 온도에 따른 변화를 단계별로 관찰 및 검증하여 실제 소자를 만들 때의 조건으로 사용되었다. 이러한 표면 식각 반응식은 아래의 화학식을 따른다 [4].
대상 데이터
- GaN 나노로드를 KOH 용액으로 습식 식각하였을 경우 얼만큼의 표면 산화막이 깎여 나가는지 확인하기 위하여 KOH 용액에서 시간에 따른 나노선의 반응 정도와 용액의 온도 가변시 식각되는 정도를 관찰하였다. 가루 형태의 KOH 물질 (Sigma Aldrich)을 증류수에 (deionized) 에 섞어 식각 용액을 제작하였고 이 때 용액의 몰농도는 1 M로 고정하였다. 그림 2에서 용액의 온도를 각각 상온과 50℃로 고정하고 식각 시간을 달리했을 때 나노로드의 표면의 식각 정도를 그래프로 나타내었다.
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