[논문]바텀업 기반의 반도체 나노와이어 합성방법 및 응용소자 연구

이원우; 양동원; 박원일

doi:10.5757/vacmac.3.3.10

바텀업 기반의 반도체 나노와이어 합성방법 및 응용소자 연구
Application of Semiconductor Nanowires Based on Bottom-up Growth 원문보기

진공 이야기 = Vacuum magazine, v.3 no.3, 2016년, pp.10 - 14

이원우 (한양대학교 신소재공학과) , 양동원 (한양대학교 신소재공학과) , 박원일 (한양대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Semiconductor nanowires (NWs) refer to one-dimensional semiconductor materials that have a diameter constrained to tens of nanometers or less and an unconstrained length. Over the past few decades, most efforts in the semiconductor NWs have been focused on synthesis, structure and morphology control, and assembly, as appropriate for diverse functional device applications. This paper provides a detailed overview of the recent research activities and major achievements in nanowire research, which especially includes nanowires synthesis, position and direction-controlled assembly or growth. In addition, the fine tuning of structure and morphology, and the related properties and device applications of the NWs are highlighted.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 대표적인 바텀업 기반의 단결정 나노와이어 합성방법인 금속촉매 기반의 VLS법 (Vapor-Liquid-Solid method), 비촉매 화학기상증창법, 액상공정법 등에 대해 소개하고, 나노 와이어의 위치 및 방향, 형상 및 구조 등을 제어하는 방법에 관하여 논하고자 한다. 또한 이를 이용한 나노미터 크기의 초미세 바이오센서, 발광다이오드 (LED), 3차원 구조 구현 등에 관하여 소개하고자 한다.
지난 십 수년간 나노와이어 합성, 구조 및 형상 제어, 나노와이어 배열 등 다양한 이슈들이 심도 있게 연구되었으며, 나노스케일의 반도체 와이어가 가지는 뛰어난 기계적, 전기적, 광학적 특성 때문에 전계효과 트랜지스터(FET), 태양전지, 발광다이오드(LED), 센서, 레이저, 등 다양한 응용 소자들이 개발되었다 [1-3]. 본 논문에서는 대표적인 바텀업 기반의 단결정 나노와이어 합성방법인 금속촉매 기반의 VLS법 (Vapor-Liquid-Solid method), 비촉매 화학기상증창법, 액상공정법 등에 대해 소개하고, 나노 와이어의 위치 및 방향, 형상 및 구조 등을 제어하는 방법에 관하여 논하고자 한다. 또한 이를 이용한 나노미터 크기의 초미세 바이오센서, 발광다이오드 (LED), 3차원 구조 구현 등에 관하여 소개하고자 한다.
지금까지 반도체 나노와이어의 다양한 합성방법 및 이와 관련된 응용소자 연구의 최신동향에 대해서 살펴보았다. VLS, MOCVD법과 같은 화학기상증착공정 및 액상 공정을 이용한 실리콘, 산화아연, 질화갈륨 등 다양한 반도체 나노와이어의 성장이 지속적으로 연구되고 있다.

제안 방법

위와 같은 상호작용을 통하여 나노막대의 두께와 길이를 제어해 정교한 형태의 3차원 나노구조체 구현이 가능해졌다 [19]. 또한, 첨가물을 이용하여 극성에 따라 산화아연의 수평/수직 성장방향을 제어, 다단계 성장을 통한 정교한 구조의 3차원 형태를 구현하였다 [20].
비촉매 화학기상증창법(catalyst-free CVD)을 이용한 화합물 반도체 나노와이어 제조 및 LED 구현.
하지만 이정도 수치의 오차범위는 대면적 나노와이어 소자의 제작에 있어서 상당한 결함으로 작용 할 수 있는 수치이다. 이 논문에서는 이를 극복하고자 기판 위에 있는 폴리머를 패터닝하여 연결지점으로 만든 후, 이를 기준으로 나노와이어 기판으로 밀착프린팅법을 시행하여 마치 빗모양의 나노와이어 정렬구조를 얻어냈다. 그 결과 98.
이런 점에서 MOCVD법의 경우 실리콘, 그래핀, 질화붕소, 유리, 사파이어, 질화갈륨과 같은 여러가지 기판에서 고품질의 단결정 나노와이어 수직 배열 성장이 가능해졌고, SiN, SiO₂ 와 같은 비정질 물질을 이용한 패터닝 공정이 굉장히 용이해 원하는 위치에 원하는 방향으로 성장이 가능 하다 [7-14]. 이런 연구들을 기반으로 다양한 기판에서 배열된 단결정 질화갈륨을 성장시켜 고품질의 발광다이오드를 제작, 비정질 마스크의 에칭과 같은 추가 과정을 거쳐 질화갈륨 발광다이오드를 유연한 기판으로 전사시킨 플렉서블 소자를 제작하였다 [7, 10].

성능/효과

그림 6에서는 액상공정 용액의 농도(소스의 농도)에 따른 산화아연 나노막대의 두께와 성장속도 변화 사이의 상관관계를 분석하였다. 용액의 농도가 상대적으로 높은 경우, 산화아연 나노막대의 성장속도가 두께와 독립적으로 같은 길이의 나노막대가 성장(Surface reaction)되었고, 농도가 상대적으로 낮은 경우, 산화아연 나노막대의 성장이 아연 이온의 확산에 영향, 산화아연 나노막대의 길이는 두께와 비례하며 성장함(Gibbs-Thomson effect)을 확인 할 수 있었다. 특히, Gibbs-Thomson effect가 일어나는 농도 구간에서는 가까운 거리의 나노막대 사이에 소스의 경쟁대신 시너지를 일으켜 서로 성장을 돕는 현상이 나타났고 용액의 농도가 이보다 더 낮은 경우는 소스의 경쟁이 일어나 산화아연 나노막대의 성장속도는 두께와 반비례하여 성장함(Competition effect)을 확인하였다.
용액의 농도가 상대적으로 높은 경우, 산화아연 나노막대의 성장속도가 두께와 독립적으로 같은 길이의 나노막대가 성장(Surface reaction)되었고, 농도가 상대적으로 낮은 경우, 산화아연 나노막대의 성장이 아연 이온의 확산에 영향, 산화아연 나노막대의 길이는 두께와 비례하며 성장함(Gibbs-Thomson effect)을 확인 할 수 있었다. 특히, Gibbs-Thomson effect가 일어나는 농도 구간에서는 가까운 거리의 나노막대 사이에 소스의 경쟁대신 시너지를 일으켜 서로 성장을 돕는 현상이 나타났고 용액의 농도가 이보다 더 낮은 경우는 소스의 경쟁이 일어나 산화아연 나노막대의 성장속도는 두께와 반비례하여 성장함(Competition effect)을 확인하였다. 위와 같은 상호작용을 통하여 나노막대의 두께와 길이를 제어해 정교한 형태의 3차원 나노구조체 구현이 가능해졌다 [19].

후속연구

특히 재료를 직접 성장시키는 Bottom-Up 방식의 특성상 매우 다양한 조성과 구조의 나노와이어를 제조할 수 있고, 소자의 고기능화 및 고집적화가 가능해질 것으로 생각된다. 이를 통해 기존의 벌크한 재료로는 불가능 했던 차세대 광소자, 바이오소자, 전자소자, 에너지소자 등 응용소자 연구들이 활발하게 진행되고 있고, 앞으로도 지속적인 연구가 진행될 것으로 기대된다. [21, 22].
VLS, MOCVD법과 같은 화학기상증착공정 및 액상 공정을 이용한 실리콘, 산화아연, 질화갈륨 등 다양한 반도체 나노와이어의 성장이 지속적으로 연구되고 있다. 특히 재료를 직접 성장시키는 Bottom-Up 방식의 특성상 매우 다양한 조성과 구조의 나노와이어를 제조할 수 있고, 소자의 고기능화 및 고집적화가 가능해질 것으로 생각된다. 이를 통해 기존의 벌크한 재료로는 불가능 했던 차세대 광소자, 바이오소자, 전자소자, 에너지소자 등 응용소자 연구들이 활발하게 진행되고 있고, 앞으로도 지속적인 연구가 진행될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	나노와이어를 원하는 기판에 전사시키는 기술의 예는?	VLS법으로 성장시킨 나노와이어를 응용한 소자를 제작하기 위해서는 나노와이어를 원하는 기판에 전사시키는 기술과 방향 및 밀도제어 기술이 필요하다. 미세유체 배열(Microfluidic alignment), 밀착프린팅(contactprinting), 유전이동(dielectrophoresis), 자가조립 (Self-assembly)법 등 이외의 수많은 방법들이 개발되었고 현재도 진행 중에 있다. 이러한 다양한 나노와이어 배열 방법 중, 그림 1에서 소개하고 있는 내용은 기존의 밀착프린팅법을 개선 한 최신 연구내용으로 좀더 정교한 대면적 나노와이어 배열을 얻을 수 있는 방법으로 주목을 받은 연구이다.
	반도체 나노와이어의 직경은?	반도체 나노와이어는 일반적으로 수~수십 나노미터 크기의 직경을 가지며, 실리콘 등의 반도체 물질로 이루어져 반도체 특성을 가지는 1차원 구조체를 일컫는다. 이러한 반도체 나노와이어는 구조적으로 표면적이 넓고, 유연성을 가진 물질로써 소자의 효율을 향상시키고 작은 크기의 집적소자를 만들기에 유리하다.
	반도체 나노와이어의 구조적으로 유리한점은?	반도체 나노와이어는 일반적으로 수~수십 나노미터 크기의 직경을 가지며, 실리콘 등의 반도체 물질로 이루어져 반도체 특성을 가지는 1차원 구조체를 일컫는다. 이러한 반도체 나노와이어는 구조적으로 표면적이 넓고, 유연성을 가진 물질로써 소자의 효율을 향상시키고 작은 크기의 집적소자를 만들기에 유리하다. 지난 십 수년간 나노와이어 합성, 구조 및 형상 제어, 나노와이어 배열 등 다양한 이슈들이 심도 있게 연구되었으며, 나노스케일의 반도체 와이어가 가지는 뛰어난 기계적, 전기적, 광학적 특성 때문에 전계효과 트랜지스터(FET), 태양전지, 발광다이오드(LED), 센서, 레이저, 등 다양한 응용 소자들이 개발되었다 [1-3].

참고문헌 (22)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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