반도체 나노와이어 기술

물질의 크기가 츠 수준에서 nm수준으로 작아지면 표면적과 표면에너지는 107배정도 증가. Bulk에 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: Cm에서 nm 크기로 감소하면 부피에 의존하는 물리적 특성값들이 1/6정도 감소함. 도핑물질 농도가 1018/cm3인 반도체의 크기가 10x10x10 nm3으로 줄어들면, 이 크기에는 한 개의 도핑물질, 따라서 도핑농도의 미세변화는 나노물질의 특성에 큰 영향 해결해야 할 문제들: 부피대비 표면적이 커짐에 따라 생기는 표면에너지 조절 나노물질의 크기, 형상, 결정구조, 화학적성분 등을 조절 Ostwald ripening현상(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

레이저를 이용한 촉매성장법(LCG) 1. 촉매를 이용한 제조 방법 (VLS) Si nanowire 성장 Au-GaAs 2성분계 상평형도 및 촉매 이용한 나노와이어 제조방법 Si nanowire 성장

Laser ablation method (촉매법) Si과 catalyst인 Fe를 9:1로  섞은 target을 만든 다음 laser로 evaporation 시키면, vapor화 된 Fe와 Si이 liquid상태로 saturation되고, nanocluster가 supersaturation되면 Si이 nucleation되면서 wire가 자라기 시작한다. 이 nanowires가 water cooled Cu collector에 도달하면 성장이 종결.

자기촉매(self-catalytic) VLS 방법 촉매를 이용한 Hetero-nanostructure 제조방법 개념도 P. Yang et al. (UC Berkley)

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. Umar, Y.B. Hahn et al., Nanotechnology 16, 2462 (2005) (a) (b) (c) Grown on Si(100) substrate Grown on Si(111) substrate Grown on Si(111) substrate Flower-shaped ZnO nanostructures, containing triangular-shaped leaves grown by layer-by-layer deposition manner Coral type nanostructures, made by the addition of many nanorods which grow together in one confined region Flower-shaped ZnO nanostructures, containing small hexagonal nanorods which are rooted in one centre.

Other ZnO nanostructures grown by CFCVD technique 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 Thermal Evaporation Technique CFCVD Advantages: Advantages: Simple experimental setup, Easy fabrication process with cheap metal powders. Easy to control and optimize. Easy to scale-up. Excellent stoichiomerty control Easy to control and optimize. High throughput.

Hexagonal coaxial-shaped ZnO nanocolumns on steel alloy Raman spectra PL spectra (e) (f) 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.

Direct synthesis of ZnO microcages/hollow spheres grown on different substrates On Si(100) On steel alloy (a) and (b) on Si(100); (c) and (d) on steel alloy A. Umar, Y.B. Hahn et al., Nanotechnology, 2006

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

나노와이어 정렬 방법 2. 미세유체유동 유도 결합 1. 전기장 유도 방법 (Fluidic flow-directed assembly) ~ 마이크로 유체 통로를 통해서NW 서스펜션을 통과시켜 정렬시키는 방법, 유체흐름 방향에 따라 \ 기판위에 NW 정렬. 1. 전기장 유도 방법 (Electrical field-directed assembly) ~ NW는 이방성구조와 높은 극성으로 인해 전기장을 걸어주면 정렬함.

3. Top-down과 Bottom-up 하이브리드 방법

전계방출소자 (Field Effect Transistor) Si 나노선 FET [Nano lett. 2003, 3, 149] [Science 2001, 293, 1289] n-InP NW FET의 SD 전류와 바이어스 전압

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

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

InP nanowire LED [ Nature 2002, 415,617]