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KR101603767B1 - 광조사를 이용한 반도체성 카본나노튜브의 선택적 성장방법 - Google Patents

광조사를 이용한 반도체성 카본나노튜브의 선택적 성장방법 Download PDF

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light
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semiconducting carbon
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최재영
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홍 구오
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Abstract

광조사를 이용한 반도체성 카본나노튜브의 선택적 성장방법이 개시된다. 개시된 성장방법은, 기판 상에 촉매물질로 된 나노도트를 마련하는 단계와, 상기 나노도트로부터 카본나노튜브를 성장시키는 단계와, 상기 촉매물질에 광을 조사하여 반도체성 탄소나노튜브를 선택적으로 성장시키는 단계;를 구비한다.

Description

광조사를 이용한 반도체성 카본나노튜브의 선택적 성장방법{Method of selectively growing semiconducting carbon nanotube using light irradiation}
카본 나노튜브를 제조시, 광을 이용하여 반도체성 카본 나노튜브만 선택하여 성장시키는 방법에 관한 것이다.
탄소나노튜브는 조절가능한 도전성과 특이한 기계적 강도를 가지는 1차원적 구조 때문에 집중적으로 연구되어 왔다.
탄소나노튜브는 일반적인 화학 기상 증착방법으로 제조시 반도체성 탄소나노튜브와 함께 금속성 탄소나노튜브가 생성된다. 반도체 공업에서는 주로 반도체성 탄소나노튜브가 사용되므로 반도체성 탄소나노튜브로부터 금속성 탄소나노튜브를 제거하는 방법이 시도되었다.
금속성 탄소나노튜브의 제거시 성장된 반도체성 탄소나노튜브가 함께 제거될 수 있으며, 또한, 금속성 탄소나노튜브의 제거시 반도체성 탄소나노튜브 구조의 결함을 유발할 수 있다.
탄소나노튜브를 제조시 반도체성 탄소나노튜브를 선택적으로 성장시키는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광조사를 이용한 반도체성 카본나노튜브의 선택적 성장방법은:
기판 상에 촉매물질로 된 나노도트를 마련하는 단계;
상기 나노도트로부터 카본나노튜브를 성장시키는 단계; 및
상기 촉매물질에 광을 조사하여 반도체성 탄소나노튜브를 선택적으로 성장시키는 단계;를 포함한다.
상기 기판은 사파이어 기판일 수 있으며, 상기 탄소나노튜브는 상기 기판에 대해서 나란하게 성장될 수 있다.
상기 나노도트를 마련하는 단계는 상기 기판 상에 제1방향으로 일렬로 배열된 나노도트를 배치하는 단계일 수 있다.
상기 선택적 성장단계는, 상기 기판 상으로 상기 제1방향과 직교하는 제2방향으로 형성된 슬리트를 통해서 상기 광을 상기 기판에 대해서 조사한다.
상기 광조사는 10~400 nm 파장을 가진 UV 광을 조사하는 단계일 수 있다.
상기 광조사 단계는, 상기 촉매물질과 성장된 카본나노튜브 사이의 계면에 광을 고정된 위치에서 조사하도록 상기 슬리트를 배치한 상태에서 광을 조사하는 단계일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광조사를 이용한 반도체성 카본나노튜브의 선택적 성장방법에 따르면, 잘 발달된 반도체성 탄소나노튜브를 얻으면서도 금속성 탄소나노튜브를 길게 성장시킨 후, 금속성 탄소나노튜브를 제거하는 공정을 줄일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다. 명세서를 통하여 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광조사를 이용한 반도체성 카본나노튜브의 선택적 성장방법을 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 기판(100) 상에 촉매물질로 이루어진 나노도트(110)를 정렬되게 준비한다. 기판(100)은 사파이어 기판일 수 있다. 사파이어 기판을 사용하는 경우, 성장되는 카본나노튜브가 사파이어 기판의 결정 방향을 따라 기판(100) 상에 수평으로 성장할 수 있다.
나노도트(110)는 기판(100) 상에 Ni, Co, Fe 또는 이들의 합금으로된 나노도트(110)를 사용할 수 있다. 나노도트(110)는 10 - 1000 nm 직경을 가진다. 기판(100) 상에 소정 간격으로 일 방향(Y 방향)으로 정렬한다. 도 1에는 1줄로 정렬된 나노도트(110)를 도시하였지만 본 발명의 실시예는 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 나노도트들(110)을 대략 5 mm 이하의 간격에 포함되도록 복수의 나노도트를 배치할 수도 있다.
나노도트(110)는 미리 만들어진 것을 사용할 수 있다. 본 발명의 실시예는 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 나노도트(110)는 기판(100) 상에 촉매물질로 이루어진 촉매박막을 형성한 후, 촉매박막을 패터닝하여 형성할 수도 있다.
도 2를 참조하면, 기판(100)을 화학기상 증착장치의 반응챔버에 배치한다. 챔버(122)의 상부에는 슬리트(slit)(120)가 형성되어 있다. 슬리트(120)는 챔버(122) 내 또는 챔버(122) 자체에 형성될 수 있다. 도 2에는 편의상 챔버(122)의 일부 상부면만을 표시하였다. 나노도트들(110)은 Y 방향으로 정렬되어 있으며, 슬리트(120)도 Y 방향으로 길게 형성된다. 슬리트(120)의 폭(D1)은 X 방향으로 대략 10 mm 폭을 가지도록 형성될 수 있다. 슬리트(120)는 나노도트들(110)로부터 X 방향으로, 도 2에서 우측방향으로 대략 수 mm 이격되게 형성될 수 있다.
챔버(122)의 상방에는 UV 조사 장치(미도시)가 설치된다. UV 조사 장치로부터의 UV 광(140)은 슬리트(120)를 통해서 기판(100) 상에 성장된 카본 나노튜브(도 3의 130)에 UV 광을 조사하기 위한 것이다. UV 광(140)은 10-400 nm의 파장을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예는 UV 광조사에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 10-1000 nm 파장의 광도 사용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 챔버 내로 탄소 함유 가스, 예컨대, 아세틸렌, 에틸렌, 에탄올, 메탄 등을 공급한다. 탄소 함유가스는 기판(100) 상으로 X 방향으로 공급되며, 이에 따라 촉매 나노도트(110)로부터 탄소나노튜브(130)가 도 3의 우측으로 사 파이어 기판(100)의 결정방향을 따라서 성장한다. 1차적으로 성장된 탄소나노튜브(130)는 수 mm 이내일 수 있다.
도 4를 참조하면, UV 광 조사장치로 UV 광(도 2의 140 참조)을 조사하면, 탄소나노튜브(130)는 리니어하게 성장된다. 성장된 탄소나노튜브(130)는 금속성 탄소나노튜브(132)와 반도체성 탄소나노튜브(134)가 혼재된다. UV 광(140)이 촉매나노도트(110)와 금속성 탄소나노튜브(132)의 계면에 조사되면, 금속성 탄소나노튜브(132)의 성장이 멈추며, 이에 따라 반도체성 탄소나노튜브(134) 만 선택적으로 성장하게 된다.
도 5는 도 4의 A 영역에서의 탄소나노튜브(130)의 라만 스펙트럼이며, 도 6은 도 4의 B 영역에서의 탄소나노튜브(134)의 라만 스펙트럼이다. 도 5 및 도 6에는 514.5 nm 레이저 광을 사용하였다. 도 5 및 도 6에서의 "S"는 반도체성 탄소나노튜브를 나타내는 피크이며, "M"은 금속성 탄소나노튜브를 나타내는 피크이다.
도 5를 참조하면, A영역에서는 금속성 탄소나노튜브와 반도체성 탄소나노튜브가 혼재되어 있는 것을 알 수 있다.
도 6을 참조하면, B영역에서는 금속성 탄소나노튜브만 성장되어 있는 것을 알 수 있다. 이는 본 발명의 실시예에 따른 광조사에 의해 반도체성 탄소나노튜브는 성장하지만, 금속성 탄소나노튜브는 성장이 억제되는 것을 보여준다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 선택적으로 성장된 반도체성 탄소나노튜브의 라만 스펙트럼 그래프이다. 도 7을 참조하면, 1590 cm-1 피크가 잘 발달된 것을 볼 수 있으며, 1350 cm-1 에서의 결함 피크는 거의 보이지 않았다. 이는 UV 레이저 광에 의해서도 성장된 반도체성 탄소나노튜브 구조에 결함이 없는 것을 보여주는 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 성장된 탄소나노튜브를 전계효과 트랜지스터의 채널로 사용했을 때의 IV 특성을 나타내는 그래프이다. 탄소나노튜브 전계효과 트랜지스터에 인가한 바이어서 전압은 100 mV였으며, 채널 길이는 5.6 ㎛, 백게이트인 실리콘 기판 상의 실리콘 옥사이드는 800 nm 두께였다. 트랜지스터 특성인 On/Off ration 가 104 이상으로 높게 나타났다.
본 발명의 실시예에서처럼, UV 광조사시 금속성 탄소나노튜브의 성장이 억제되는 이유는, UV 광이 카본 소스, 예컨대 메탄(CH4)을 자유 래디컬로 형성하며, 이 자유 래디컬이 금속성 탄소나노튜브만 선택적으로 공격하여 성장을 방해하는 것으로 해석된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 잘 발달된 반도체성 탄소나노튜브를 얻으면서도 금속성 탄소나노튜브를 길게 성장시킨 후, 금속성 탄소나노튜브를 제거하는 공정을 줄일 수 있으며, 따라서 반도체성 탄소나노튜브의 제조 수율이 향상될 수 있다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시예들은 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광조사를 이용한 반도체성 카본나노튜브의 선택적 성장방법을 설명하는 도면이다.
도 5는 도 4의 A 영역에서의 탄소나노튜브의 라만 스펙트럼이며, 도 6은 도 4의 B 영역에서의 라만 스펙트럼이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 선택적으로 성장된 반도체성 탄소나노튜브의 라만 스펙트럼 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 성장된 탄소나노튜브를 전계효과 트랜지스터의 채널로 사용했을 때의 IV 특성을 나타내는 그래프이다.

Claims (6)

  1. 사파이어 기판 상에 촉매물질로 된 복수의 나노도트를 제1방향으로 형성하는 단계;
    상기 나노도트로부터 카본나노튜브를 상기 기판의 표면에 대해서 나란하게 성장시키는 단계; 및
    상기 촉매물질에 UV 광을 조사하여 반도체성 탄소나노튜브를 선택적으로 성장시키는 단계;를 포함하는 광조사를 이용한 반도체성 카본나노튜브의 선택적 성장방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 선택적 성장단계는, 상기 기판 상으로 상기 제1방향으로 형성된 슬리트를 통해서 상기 광을 상기 기판에 대해서 조사하는 광조사를 이용한 반도체성 카본나노튜브의 선택적 성장방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 광조사는 10~400 nm 파장을 가진 UV 광을 조사하는 단계인 광조사를 이용한 반도체성 카본나노튜브의 선택적 성장방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 광조사 단계는, 상기 촉매물질과 성장된 카본나노튜브 사이의 계면에 광을 고정된 위치에서 조사하도록 상기 슬리트를 배치한 상태에서 광을 조사하는 단계인 광조사를 이용한 반도체성 카본나노튜브의 선택적 성장방법.
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