반도체 나노와이어 기술

물질의 크기가 츠 수준에서 nm 수준으로 작아지면 표면적과 표면에너지는 107 배정도 증가 . Bulk 에 비해 표면적과 표면에너지가 대단히 크기 때문에 나노물질은 열역학적으로 매우 불안정 . 나노물질의 제조 및 구조 안정화를 위해서는 전체 표면에너지를 감소시킬 수 있는 방법이 중요 .

화학적 , 물리적 특성값 : Cm 에서 nm 크기로 감소하면 부피에 의존하는 물리적 특성값들이 1/6 정도 감소함 . 도핑물질 농도가 1018/cm3 인 반도체의 크기가 10x10x10 nm3 으로 줄어들면 , 이 크기에는 한 개의 도핑물질 , 따라서 도핑농도의 미세변화는 나노물질의 특성에 큰 영향

해결해야 할 문제들 :1) 부피대비 표면적이 커짐에 따라 생기는 표면에너지 조절2) 나노물질의 크기 , 형상 , 결정구조 , 화학적성분 등을 조절3) Ostwald ripening 현상 ( 나노입자가 시간이 지남에 따라 큰 입자로 되는 ) 방지

Bottom-Up 기술 : 나노기술의 핵심

나노구조 제조 방법(VLS, SLS, VS)

나노특성 분석 방법

나노소자 제조 방법

1. 촉매를 이용한 제조 방법 (VLS)

Au-GaAs 2 성분계 상평형도 및 촉매 이용한 나노와이어 제조방법

레이저를 이용한 촉매성장법 (LCG)

Si nanowire 성장

Laser ablation method ( 촉매법 )

Si 과 catalyst 인 Fe 를 9:1 로 섞은 target 을 만든 다음 laser 로 evaporation 시키면 , vapor 화 된 Fe 와 Si 이 liquid 상태로 saturation 되고 , nanocluster 가 supersaturation 되면 Si 이 nucleation 되면서 wire 가 자라기 시작한다 . 이 nanowires 가 water cooled Cu collector 에 도달하면 성장이 종결 .

자기촉매 (self-catalytic) VLS 방법

P. Yang et al. (UC Berkley) 촉매를 이용한Hetero-nanostructure 제조방법 개념도

Cyclic feeding chemical vapor deposition (CFCVD) system

The sequential dosing of precursors inhibits the detrimental gas phase reactions.

No or less particle contamination and faster reaction rate than conventional ALD

Good for large-sized wafer processing.

Star-shaped ZnO nanostructures on Au-coated silicon substrate

Star-shaped nanostructures

exhibited a sharpened tips and wider bases; these

wider bases are joined to each other

at the center and exhibits the star-

shaped morphologies.

A. Umar, Y.B Hahn et al., J. Crystal Growth, 277, 479 (2005)

Flower-shaped ZnO nanostructures on silicon

substrate

(a) (b) (c)

Grown on Si(100) substrate

A. Umar, Y.B. Hahn et al., Nanotechnology 16, 2462 (2005)

Flower-shaped ZnO nanostructures, containing triangular-shaped leaves grown by layer-by-layer deposition

manner

Flower-shaped ZnO nanostructures, containing small hexagonal nanorods

which are rooted in one centre.

Grown on Si(111) substrate

Coral type nanostructures, made by the addition of many nanorods

which grow together in one confined region

Grown on Si(111) substrate

Other ZnO nanostructures grown by CFCVD technique

(b)

(f)(e)

(d)(c)

(a)

Multipod ZnO nanocrystals grown on Si(100) substrate by the CFCVD technique

Tripod ZnO nanocrystals grown on Si(111) substrate by the CFCVD technique

(e) Hierarchical ZnO nanostructures formed by the layer by layer deposition of star-shaped ZnO nanostructures grown

onto the Si(111) substrate; (f) flower-shaped ZnO nanostructures grown on the Si(100) substrate by the CFCVD technique

2. 무촉매 제조법 : Vapor-solid Method

Advantages: Simple experimental setup, Easy fabrication process with cheap metal powders.Easy to control and optimize.Easy to scale-up.

Thermal Evaporation Technique CFCVD

Advantages: Excellent stoichiomerty control Easy to control and optimize.High throughput.

Hexagonal coaxial-shaped ZnO nanocolumns on steel alloy

(e) (f)

Raman spectra

PL spectra

Umar and Hahn, Appl. Phys. Lett. 88, 173120 (2006)

Sea-urchin like ZnO structures grown on silicon substrate A. Sekar, Y.B. Hahn et al, J. Crystal Growth, 277, 471 (2005)

Several hundreds of ZnO nanowires and nanorods in one arrays arranged in a circular-shaped and forming the urchin-like morphologies.

A. Umar, Y.B. Hahn et al., Nanotechnology, 2006(a) and (b) on Si(100); (c) and (d) on steel alloy

On Si(100)

On steel alloy

Direct synthesis of ZnO microcages/hollow spheres grown on

different substrates

3. Solution method

30 40 50 60

(002

)

Inte

nsi

ty (

a.u

)

Two theta (degree)

Advantages: Simple experimental setup, Easy fabrication process with cheap sources materials.Easy to control, optimize, and scale-up.

나노와이어 정렬 방법1. 전기장 유도 방법 (Electrical field-directed assembly)~ NW 는 이방성구조와 높은 극성으로 인해 전기장을 걸어주면 정렬함 .

2. 미세유체유동 유도 결합 (Fluidic flow-directed assembly)~ 마이크로 유체 통로를 통해서 NW 서스펜션을 통과시켜 정렬시키는 방법 , 유체흐름 방향에 따라 \ 기판위에 NW 정렬 .

3. Top-down 과 Bottom-up 하이브리드 방법

전계방출소자 (Field Effect Transistor)

Si 나노선 FET [Nano lett. 2003, 3, 149]

[Science 2001, 293, 1289] n-InP NW FET 의 SD 전류와 바이어스 전압

Y. Cui and C. M.Lieber, Science 291, 851-853 (2001).

Y. Huang et al., Small 1, 142-147 (2005)

나노 광소자

나노레이져의 개략도 [Nature 2003, 421, 241]

InP nanowire LED [ Nature 2002, 415,617]