KR20120100341A

KR20120100341A - Ａｕ 촉매층을 이용한 ＧａＮ 나노와이어의 성장방법

Info

Publication number: KR20120100341A
Application number: KR1020110019170A
Authority: KR
Inventors: 이철로; 라용호; 김동욱; 박지현
Original assignee: 전북대학교산학협력단
Priority date: 2011-03-03
Filing date: 2011-03-03
Publication date: 2012-09-12

Abstract

본 발명은 나노와이어의 성장방법에 관한 것으로, 크기가 일정하고 성장길이가 일정한 GaN 나노와이어를 성장시킬 수 있는 나노와이어의 성장방법에 관한 것으로서, Au 촉매층을 이용한 GaN 나노와이어의 성장방법은 반도체기판 상에 Au 촉매층을 형성하는 단계와; 상기 Au 촉매층 상에 Ga 박막층을 형성하는 단계와; 상기 반도체기판을 어닐링하여 Au-Ga 용적방울을 형성하는 단계와; 상기 반도체기판을 MOCVD법으로 캐리어가스, TMGa, NH₃를 공급하여 GaN 나노와이어를 성장시키는 단계;를 포함하여 이루어진다.

Description

Ａｕ 촉매층을 이용한 ＧａＮ 나노와이어의 성장방법{Method for growing GaN nanowire using Au catalyst}

본 발명은 나노와이어의 성장방법에 관한 것으로, 크기가 일정하고 성장길이가 일정한 GaN 나노와이어를 성장시킬 수 있는 나노와이어의 성장방법에 관한 것이다.

나노와이어는 직경이 나노미터(1 nm = 10^-9m) 영역이고, 길이가 직경에 비해 훨씬 큰 수백 나노미터, 마이크로미터(1 ㎛ = 10^-6m) 또는 더 큰 밀리미터(1mm = 10^-3m) 단위를 갖는 선형 재료이다. 이러한 나노와이어의 물성은 그들이 갖는 직경과 길이에 의존한다.

상기 나노와이어는 작은 크기로 인하여 미세 소자에 다양하게 응용될 수 있으며, 특정 방향에 따른 전자의 이동특성이나 편광 현상을 나타내는 광학 특성을 이용할 수 있는 장점이 있다.

나노와이어를 현재 나노 기술 분야에서 널리 연구되고 있으며, 현재 레이저와 같은 광소자, 트랜지스터 및 메모리 소자 등 다양한 분야에 널리 응용되고 있는 차세대 기술이다. 현재 나노 와이어에 사용되는 재료는 실리콘, 아연 산화물과 발광반도체인 갈륨질화물 등의 III-V족 카드뮴설파이드계의 II-VI족 반도체 물질 등이 있다. 현재 나노와이어 제조 공정 기술은 나노 와이어의 길이 및 폭을 조절할 수 있는 수준까지 발전했으나 기판 위의 원하는 위치에 배열하여 소자화하기 위한 기술은 아직 성숙하지 못한 상황이다.

한편, 종래에 원하는 크기의 나노와이어를 성장시키기 위해 photo-lithography, nano-imprint, holo-lithgraphy 등의 방법으로 패턴을 형성하였으나, 고가의 비용이 소요되고, 많은 시간이 소요되는 문제점이 있다.

본 발명은 크기가 일정하고 성장길이가 일정한 GaN 나노와이어를 성장시킬 수 있는 Au 촉매층을 이용한 GaN 나노와이어의 성장방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

a) 반도체기판 상에 Au 촉매층을 형성하는 단계와;

b) 상기 Au 촉매층 상에 Ga 박막층을 형성하는 단계와;

c) 상기 반도체기판을 어닐링하여 Au-Ga 용적방울을 형성하는 단계와;

d) 상기 반도체기판을 MOCVD법으로 캐리어가스, TMGa, NH₃를 공급하여 GaN 나노와이어를 성장시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 Au 촉매층을 이용한 GaN 나노와이어의 성장방법을 제공한다.

상기 a)단계의 상기 반도체기판은 Si, Sapphire, SiC, GaN 중 선택된 어느 하나로 이루어진다.

상기 a)단계는 상기 반도체기판 상에 Au 촉매층을 DC Sputter, E-beam evaporation, Thermal evaporation, Electroplating 중 선택된 어느 하나를 사용하여 증착하는 것이 바람직하고, DC Sputter의 증착시간은 50~250초인 것이 바람직하다.

그리고 상기 b)단계는 MOCVD 챔버 내에 캐리어가스, TMGa을 공급하여 상기 Au 촉매층 상에 Ga 박막층을 형성하는 단계이고, 특히 MOCVD 챔버 내에 캐리어가스, TMGa을 공급하면서 500~700℃의 온도로 10~100초동안 유지하여 상기 Au 촉매층 상에 Ga 박막층을 형성하는 것이 바람직하다.

상기 c)단계는 상기 반도체기판을 550~750℃에서 5~20분간 어닐링하여 Au-Ga 용적방울을 형성하는 것이 바람직하다.

상기 d)단계는 TMGa, NH3를 각각 0.2~0.8 sccm, 2~3slm을 공급하면서 500~700 Torr, 800~1000℃에서 30~90분간 유지하여 GaN 나노와이어를 성장시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 Au 촉매층을 이용한 GaN 나노와이어의 성장방법은 용적방울의 크기에 따라 나노와이어의 지름이 결정되기 때문에 용적방울의 크기를 조절하여, 크기가 일정하고 성장길이가 일정한 GaN 나노와이어를 성장시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 반도체기판 상에 Au 촉매층이 증착된 상태를 나타내는 도면이다.
도 2는 Ga 박막층을 형성하기 위하여 TMGa 가스를 공급하는 상태를 나타내는 도면이고,
도 3은 Au 촉매층 상에 Ga 박막층이 형성된 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 반도체기판 상에 Au-Ga 용적방울이 형성된 상태를 나타내는 도면이다.
도 5는 MOCVD법으로 GaN 나노와이어를 성장시키는 상태를 나타내는 도면이고,
도 6은 GaN 나노와이어가 성장된 상태를 나타내는 도면이다.
도 7은 Si 기판 상에 성장된 GaN 나노와이어의 FESEM 사진이다.

이하, 본 발명의 Au 촉매층을 이용한 GaN 나노와이어의 성장방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 Au 촉매층을 이용한 GaN 나노와이어의 성장방법은 반도체기판 상에 Au 촉매층을 형성하는 단계와; 상기 Au 촉매층 상에 Ga 박막층을 형성하는 단계와; 상기 반도체기판을 어닐링하여 Au-Ga 용적방울을 형성하는 단계와; 상기 반도체기판을 MOCVD법으로 캐리어가스, TMGa, NH₃를 공급하여 GaN 나노와이어를 성장시키는 단계;를 포함하여 이루어진다.

도 1은 반도체기판 상에 Au 촉매층이 증착된 상태를 나타내는 도면이다.

먼저, 도 1과 같이 반도체기판 상에 Au 촉매층을 형성한다. 여기서 반도체기판은 크게 한정되지 않고, Si, Sapphire, SiC, GaN 등의 기판 등을 사용할 수 있다.

그리고 상기 반도체기판에 Au 촉매층을 형성하는 방법은 크게 한정되는 것은 아니고, DC Sputter, E-beam evaporation, Thermal evaporation, Electroplating 등의 방법으로 촉매층을 증착할 수 있다.

상기 DC Sputter 등에 의한 Au촉매층의 증착시간은 크게 한정되는 것은 아니나, 고품질의 나노와이어를 성장시키기 위해서 DC Sputter에 의한 증착시간은 50~250초인 것이 바람직하다. 증착시간이 50초 미만에서는 Au와 In의 용적방울 형성이 어렵고, 200초 초과에서는 큰 용적방울이 형성되어 나노와이어 성장시 너무 큰 나노와이어가 형성되거나 박막이 형성되기 쉽다.

도 2는 Ga 박막층을 형성하기 위하여 TMGa 가스를 공급하는 상태를 나타내는 도면이고, 도 3은 Au 촉매층 상에 Ga 박막층이 형성된 상태를 나타내는 도면이다.

다음으로, 상기 Au 촉매층 상에 Ga 박막층을 형성한다. Ga 박막층을 형성하는 방법은 크게 특정되는 것은 아니나, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법으로 형성하는 것이 바람직하다.

구체적으로 MOCVD 챔버 내에 캐리어가스, TMGa을 공급하여 상기 Au 촉매층 상에 Ga 박막층을 형성한다.

상기 캐리어가스의 종류는 크게 특정되는 것은 아니나, H₂, N₂, He 등 사용할 수 있다.

그리고 후공정에서 Au-Ga 용적방울을 효과적으로 형성하기 위해 TMGa을 공급하면서 500~700℃의 온도로 10~100초동안 유지하여 상기 Au 촉매층 상에 Ga 박막층을 형성하는 것이 바람직하다. 온도가 500℃ 미만에서는 Au위에 Ga의 흡착에 의한 박막 형성이 잘 이루어지지 않으며, 700℃ 초과에서는 Au 박막의 형태가 변하게 된다. 10~100초의 범위안에서 성장하였을 때 가장 적절한 비율을 가지는 Au-Ga 용적방울이 형성된다.

도 4는 반도체기판 상에 Au-Ga 용적방울이 형성된 상태를 나타내는 도면이다.

그리고, 상기 반도체기판을 어닐링(annealing)하여 Au-Ga 용적방울을 형성한다. 상기 반도체기판을 어닐링함으로서, Au 및 In 두 성분의 합금비율이 결정되고, Au-Ga 용적방울을 형성되고, 특히 550~750℃에서 5~20분간 어닐링하는 것이 바람직하다. 온도가 550℃ 미만에서는 Au-Ga 용적방울 형성이 이루어지지 않으며, 750℃초과에서는 균일한 분포의 용적방울이 형성되지 않는다. 5~20분의 조건 안에서 어닐링을 함으로써 가장 균일한 크기와 분포의 용적방울의 모양을 만든다.

상기 Au-Ga 용적방울에 의해 나노와이어의 크기가 결정되기 때문에, Au 촉매층 및 Ga 박막층의 두께를 조절하여 나노와이어의 크기를 조절할 수 있다.

도 5는 MOCVD법으로 GaN 나노와이어를 성장시키는 상태를 나타내는 도면이고, 도 6은 GaN 나노와이어가 성장된 상태를 나타내는 도면이다.

마지막으로 상기 반도체기판을 MOCVD법으로 캐리어가스, TMGa, NH₃를 공급하여 GaN 나노와이어를 수직방향으로 성장시킨다.

상기 TMGa, NH3를 각각 0.2~0.8 sccm, 2~3slm을 공급하면서 500~700 Torr, 800~1000℃에서 30~90분간 유지하여 GaN 나노와이어를 성장시키는 것이 바람직하다. TMGa, NH₃의 비율이 위의 조건일 때 나노와이어가 형성되며, 그 외의 조건 하에서는 박막이 형성되거나 아무것도 형성되지 않는다. 30~90분간 형성함으로써 적절한 크기의 나노와이어를 형성할 수 있다. 그리고 압력과 온도에 따라서, 유량, 유속이 결정되고, 그에 따른 boundary layer의 두께, 확산거리가 달라지기 때문에, 위의 조건이 바람직하다.

GaN 나노와이어는 크기가 조절된 용적방울에 의해서 두께가 일정하고 성장길이가 비슷한 수직성장이 유도되어 원활히 성장되고, 이는 수직형 LED를 위한 설계로서 아주 유용한 구조이다.

이하, 본 발명의 나노와이어의 성장방법을 실시예를 들어 상세히 설명하고, 본 발명의 권리범위는 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

Si 기판 위에 Au촉매층을 형성하였다. Au 촉매층은 DC Sputter를 사용하여 10nm 두께의 Au 촉매층을 Si 기판 위에 증착시켰고, 이때 증착시간은 120초가 소요되었다.

Au 촉매층이 형성된 Si 기판을 MOCVD 챔버 내에 넣고, H₂를 캐리어가스로 사용하여 TMGa을 챔버 내에 공급하면서 600℃의 온도로 30초 동안 유지하여 상기 Au 촉매층 상에 Ga 박막층을 형성하였다.

Au 촉매층 및 Ga 박막층이 형성된 Si 기판을 650℃에서 10분동안 어닐링하여 Au-Ga 용적방울을 형성하였다.

그리고 MOCVD법을 이용하여 H₂를 캐리어가스로 사용하고, TMGa과 NH₃를 각각 0.2 sccm, 3 slm을 흘려주면서 600 Torr, 950℃에서 60분간 유지하여 GaN 나노와이어를 성장시켰다.

도 7은 Si 기판 상에 성장된 GaN 나노와이어의 FESEM(field emission scanning electron microscope) 사진이다.

성장된 GaN 나노와이어의 지름은 100~250nm이고, 길이는 약 1㎛ 이상인 것으로 측정되었고, 전체적으로 두께가 일정한 우수한 품질의 GaN 나노와이어이었다.

10: 반도체기판,
20: Au 촉매층,
30: Ga 박막층,
40: Au-Ga 용적방울,
50: 나노와이어

Claims

a) 반도체기판 상에 Au 촉매층을 형성하는 단계와;
b) 상기 Au 촉매층 상에 Ga 박막층을 형성하는 단계와;
c) 상기 반도체기판을 어닐링하여 Au-Ga 용적방울을 형성하는 단계와;
d) 상기 반도체기판을 MOCVD법으로 캐리어가스, TMGa, NH₃를 공급하여 GaN 나노와이어를 성장시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 Au 촉매층을 이용한 GaN 나노와이어의 성장방법.
제1항에 있어서,
상기 a)단계의 상기 반도체기판은 Si, Sapphire, SiC, GaN 중 선택된 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 Au 촉매층을 이용한 GaN 나노와이어의 성장방법.
제1항에 있어서,
상기 a)단계는 상기 반도체기판 상에 Au 촉매층을 DC Sputter, E-beam evaporation, Thermal evaporation, Electroplating 중 선택된 어느 하나를 사용하여 증착하는 것을 특징으로 하는 Au 촉매층을 이용한 GaN 나노와이어의 성장방법.
제3항에 있어서,
상기 a)단계에서 Au 촉매층의 증착시간은 50~250초인 것을 특징으로 하는 Au 촉매층을 이용한 GaN 나노와이어의 성장방법.
제1항에 있어서,
상기 b)단계는 MOCVD 챔버 내에 캐리어가스, TMGa을 공급하여 상기 Au 촉매층 상에 Ga 박막층을 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 Au 촉매층을 이용한 GaN 나노와이어의 성장방법.
제5항에 있어서,
상기 b)단계는 MOCVD 챔버 내에 캐리어가스, TMGa을 공급하면서 500~700℃의 온도로 10~100초동안 유지하여 상기 Au 촉매층 상에 Ga 박막층을 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 Au 촉매층을 이용한 GaN 나노와이어의 성장방법.
제1항에 있어서,
상기 c)단계는 상기 반도체기판을 550~750℃에서 5~20분간 어닐링하여 Au-Ga 용적방울을 형성하는 단계인 것을 특징으로 하는 Au 촉매층을 이용한 GaN 나노와이어의 성장방법.
제1항에 있어서,
상기 d)단계는 TMGa, NH3를 각각 0.2~0.8 sccm, 2~3slm을 공급하면서 500~700 Torr, 800~1000℃에서 30~90분간 유지하여 GaN 나노와이어를 성장시키는 것을 특징으로 하는 Au 촉매층을 이용한 GaN 나노와이어의 성장방법.