[논문]다공성 실리콘 나노선의 제작 및 광학적 특성 분석

김정길; 최석호

doi:10.7735/ksmte.2012.21.6.855

다공성 실리콘 나노선의 제작 및 광학적 특성 분석
Fabrication and Optical Characterization of Porous Silicon Nanowires 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.21 no.6, 2012년, pp.855 - 859

김정길 (경희대학교 대학원 물리학과) , 최석호 (경희대학교 응용과학대학 응용물리학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Silicon nanowires (SiNWs) were fabricated by a metal-assisted chemical etching of Si and the porous structure on their surfaces was controlled by changing the volume ratio of the etching solution composed of hydrofluoric acid, hydrogen peroxide, and deionized water. The concentration of hydrogen peroxide as the oxidant was varied for controlling the porosity of SiNWs. The optical properties of porous SiNWs were unique and very different from those of single-crystalline Si, as characterized by measuring their photoluminescence and Raman spectra for different porosities.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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제안 방법

대면적의 균일한 실리콘 나노선을 은촉매에 의한 화학적 습식 식각방법에 의해 제작을 할 수 있었으며, 식각 용액의 농도를 조절함으로써 제작과정 중에 실리콘 나노선의 표면 형상을 제어할 수 있었다. 제작된 실리콘 나노선의 다공성도는 식각 용액 속 과산화수소의 농도에 큰 영향을 받았다.
이렇게 준비된 실리콘 웨이퍼 위의 남는 용액은 탈이온수로 충분히 희석하여 제거하였다. 두 번째 단계로 은입자가 표면에 입혀진 실리콘 웨이퍼를 불산, 과산화수소, 탈이온수의 혼합액에 담아서 10분간 상온에서 식각하였다. 식각 용액의 농도는 HF/H₂O₂/H₂O의 체적비가 1/0.
이와 같이 기존의 실리콘 나노선 제작방법을 이용한 활발한 연구에도 불구하고 최근에는 실리콘 나노선을 제작하면서 동시에 표면 형상을 제어해야 하는 필요성이 제기되고 있어서 이에 대한 연구가 필수적이다. 본 논문에서는 top-down 방법 중에서 습식식각법 중의 하나인, 금속을 촉매로 한 전기화학적 식각법(metal-assisted chemical etching method)을 이용하여 실리콘 나노선을 제작하면서 실리콘 나노선의 표면 형상을 동시에 제어한다. 실리콘 나노선의 표면 형상의 제어는 나노선 제작과정 중 실리콘의 식각용액의 농도를 조절함으로써 가능할 수 있었으며 제작된 다공성 실리콘 나노선에서 발현되는 독특한 광학적 특성을 광루미네센스 (photoluminescence, PL)와 라만(Raman) 분광법을 이용하여 분석하였다.
두 번째 단계로 은입자가 표면에 입혀진 실리콘 웨이퍼를 불산, 과산화수소, 탈이온수의 혼합액에 담아서 10분간 상온에서 식각하였다. 식각 용액의 농도는 HF/H₂O₂/H₂O의 체적비가 1/0.2/2, 1/0.5/2, 1/0.75/2, 1/1/2가 되도록 조정하였다. 제작된 실리콘 나노선의 표면구조는 주사 전자현미경(scanning electron microscope, SEM)을 이용하여 분석하였으며, 325 및 532nm 파장의 레이저를 사용하여 광루미네센스와 라만스펙트럼을 각각 분석하였다.
실리콘 웨이퍼 표면의 유기물 등은 황산과 과산화수소의 3:1 혼합액으로 제거하였으며 탈이온수(deionized water)로 세정하였다. 실리콘 나노선을 제작하기 위한 첫 번째 단계로 실리콘 표면에 식각촉매로인 은입자를 형성시키기 위해, 실리콘 웨이퍼를 곧바로 0.005M의 AgNO₃와 5M의 불산혼합액에 1분간 느린 속도로 용액을 섞으면서 공기분위기에서 처리하였다. 이렇게 준비된 실리콘 웨이퍼 위의 남는 용액은 탈이온수로 충분히 희석하여 제거하였다.
본 논문에서는 top-down 방법 중에서 습식식각법 중의 하나인, 금속을 촉매로 한 전기화학적 식각법(metal-assisted chemical etching method)을 이용하여 실리콘 나노선을 제작하면서 실리콘 나노선의 표면 형상을 동시에 제어한다. 실리콘 나노선의 표면 형상의 제어는 나노선 제작과정 중 실리콘의 식각용액의 농도를 조절함으로써 가능할 수 있었으며 제작된 다공성 실리콘 나노선에서 발현되는 독특한 광학적 특성을 광루미네센스 (photoluminescence, PL)와 라만(Raman) 분광법을 이용하여 분석하였다.
75/2, 1/1/2가 되도록 조정하였다. 제작된 실리콘 나노선의 표면구조는 주사 전자현미경(scanning electron microscope, SEM)을 이용하여 분석하였으며, 325 및 532nm 파장의 레이저를 사용하여 광루미네센스와 라만스펙트럼을 각각 분석하였다.

대상 데이터

에칭에 사용될 실리콘은 붕소로 도핑되어 1-10 Ohm.cm의 저항을 가지고 있는 p형이며(100) 결정방향인 Si 웨이퍼를 사용하였다. 실리콘 웨이퍼 표면의 유기물 등은 황산과 과산화수소의 3:1 혼합액으로 제거하였으며 탈이온수(deionized water)로 세정하였다.

이론/모형

실리콘 나노선 표면의 다공성 구조 형성의 원리는 실리콘의 식각 과정에서 산화-환원 반응의 적절한 제어로 설명을 하였다. 실리콘 나노선의 다공성도의 변화에 따른 독특한 광학적 특성을 라만 및 광루미네선스 분광법을 통해 분석하였다. 본 논문에서 보여주는 대면적 실리콘 나노선의 균일한 제작과 표면구조의 동시 제어 방법, 그리고 다공성 구조에서 보이는 광학적 특성은 앞으로 실리콘 나노선 기반의 광전자 소자 개발에 크게 활용될 것이다.

성능/효과

2(b), (c), 및 (d)에서는 표면에 다공성 구조가 다수 형성되었고 그 크기가 수 나노인 것을 확인할 수 있다. 실리콘 식각 혼합액 속의 과산화수소의 농도가 높아짐에 따라 실리콘 나노선의 표면에 다공성 구조가 형성되는 것을 관찰할 수 있었다. 이는 과량의 산화제로 인해 실리콘의 식각에 필요한 정공의 양보다 더 많은 정공이 실리콘에 주입되어 비롯된 잉여 전공이 실리콘표면의 식각에 영향을 끼친 것으로 이해할 수 있다.
대면적의 균일한 실리콘 나노선을 은촉매에 의한 화학적 습식 식각방법에 의해 제작을 할 수 있었으며, 식각 용액의 농도를 조절함으로써 제작과정 중에 실리콘 나노선의 표면 형상을 제어할 수 있었다. 제작된 실리콘 나노선의 다공성도는 식각 용액 속 과산화수소의 농도에 큰 영향을 받았다. 실리콘 나노선 표면의 다공성 구조 형성의 원리는 실리콘의 식각 과정에서 산화-환원 반응의 적절한 제어로 설명을 하였다.
측면사진에서 보는 바와 같이 실리콘 나노선의 길이는 대략 17μm 정도이며, 전체적으로 균일한 길이를 가지고 있으며 평평한 에칭바닥임을 확인할 수 있다.

후속연구

실리콘 나노선의 다공성도의 변화에 따른 독특한 광학적 특성을 라만 및 광루미네선스 분광법을 통해 분석하였다. 본 논문에서 보여주는 대면적 실리콘 나노선의 균일한 제작과 표면구조의 동시 제어 방법, 그리고 다공성 구조에서 보이는 광학적 특성은 앞으로 실리콘 나노선 기반의 광전자 소자 개발에 크게 활용될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실리콘 나노선은 어떤 구조인가?	또한 실리콘 나노선은 높은 부피 대 표면의 비를 실현할 수 있는 구조를 바탕으로, 크기가 작으면서도 높은 성능을 구현할 수 있는 소자제작의 발전에 크게 기여할 수 있는 나노구조체 구성요소로서의 역할로도 기대된다(8). 특히 다공성 구조가 형성되어 있는 실리콘 나노선은 비다공성 실리콘 나노선에서는 관찰되지 않는 독특한 물리적 특성을 보인다. 특히 나노선 구조에서는 양자 구속 효과(quantum confinement effect) 로 인하여 에너지 준위의 변화가 생기게 되는데, 이차원 또는 일차원적인 구조에 의한 전기적 특성 변화는 실리콘의 광학적 성질과 전기전도도에 크게 영향을 줄 수 있다(9~15).
	실리콘 나노선을 제작하기 위한 기존의 제작방법의 장단점은 무엇인가?	실리콘 나노선을 제작하기 위한 기존의 제작방법으로는 일반 적으로 크게 두 가지 접근 방법이 있다. 즉, Bottom-up 방식과 top-down 방식이다. Bottom-up 방식은 원자나 분자 등의 작은 단위체들을 쌓아 만드는 것으로, 기존에 잘 알려진 vapor-liquid -solid(VLS) 및 solid-vapor-solid(SLS) 방식이 대표적인 방법 들이다. Bottom-up 방식을 통한 실리콘 나노선의 제작에서는 실리콘 나노선의 길이 제어가 용이하고 대면적화가 가능하지만, 표면 형상(morphology) 제어가 불가능하다(16~17). Top-down 방식은 주로 마이크로 단위의 구조체를 갖는 재료의 물리적인 가공과 처리에 사용되고 있는 방법이다. 대표적으로는 Reactiveion etching method(RIE) 방법을 예로 들 수 있는데, 이 방식은 실리콘 웨이퍼를 리소그래피(Lithography) 하는 과정에서 필요한 패턴을 갖는 식각 마스크(mask)를 제작하고, 이온을 이용하여 필요한 부분의 실리콘을 식각하는 건식 식각 공정이다. 그러나 이러한 물리적 식각 방법을 통해 제작한 실리콘 나노선은 가속된 이온의 충돌에 의해 다소 거친 표면을 가지게 되고, 매끈하거나 다공성 구조 등과 같은 표면구조의 제어가 어렵다(18~21). 이와 같이 기존의 실리콘 나노선 제작방법을 이용한 활발한 연구에도 불구하고 최근에는 실리콘 나노선을 제작하면서 동시에 표면 형상을 제어해야 하는 필요성이 제기되고 있어서 이에 대한 연구가 필수적이다.
	실리콘 나노선은 어떤 곳에 응용될 가능성이 있는가?	실리콘 나노선은 나노구조체에서 발현되는 독특한 물리적 성질을 기반으로 광소자, 전기소자, 광전자 소자, 생체 센서, 압전 센서, 화학 센서, 재생에너지 소자(renewable energy devices) 등으로의 응용에 높은 가능성을 가지고 있어 활발히 연구되고 있다(1~7). 또한 실리콘 나노선은 높은 부피 대 표면의 비를 실현할 수 있는 구조를 바탕으로, 크기가 작으면서도 높은 성능을 구현할 수 있는 소자제작의 발전에 크게 기여할 수 있는 나노구조체 구성요소로서의 역할로도 기대된다(8).

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