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KR101759255B1 - Method for inclined angle-controlled growth of nanostructure without catalyst - Google Patents

Method for inclined angle-controlled growth of nanostructure without catalyst Download PDF

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KR101759255B1
KR101759255B1 KR1020150132182A KR20150132182A KR101759255B1 KR 101759255 B1 KR101759255 B1 KR 101759255B1 KR 1020150132182 A KR1020150132182 A KR 1020150132182A KR 20150132182 A KR20150132182 A KR 20150132182A KR 101759255 B1 KR101759255 B1 KR 101759255B1
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sapphire substrate
thin film
nanostructure
film layer
forming
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이규승
채수룡
장종진
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한국산업기술대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 무촉매 방식으로 경사각을 갖는 나노 구조물 성장 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 금속촉매를 사용하지 않고 패터닝 및 식각 공정을 통하여 사파이어 기판 또는 화합물 박막 상부에 위치 선택적으로 수평 또는 경사 구조로 나노 구조물을 성장시키는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 무촉매 방식으로 경사각을 갖는 나노 구조물을 성장 방법은, M-면 사파이어 기판 상부에 나노 마스크층을 형성하는 단계; 패터닝 공정을 통해 상기 나노 마스크층을 식각하여 상기 M-면 사파이어 기판을 선택적으로 노출시키는 단계; 상기 M-면 사파이어 기판의 노출된 부분에 다중면 구조의 화합물 핵을 형성하는 단계; 상기 화합물 핵으로부터 상기 M-면 사파이어 기판 표면으로부터 수직 방향으로 소정의 각도를 이루는 나노 구조물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 나아가, 상기 나노 마스크층을 형성하기 전에 상기 M-면 사파이어 기판 표면을 NH3 가스로 질화 처리하여 상기 M-면 사파이어 기판 표면에 R-면 요철구조를 형성하는 단계를 더 포함하는 무촉매 방식 나노 구조물 성장 방법을 개시하고 있다.
The present invention relates to a nanostructure growth method having an inclination angle in an uncatalyzed manner, and more particularly, to a nanostructure growth method in which a nanostructure is grown in a horizontal or inclined structure in a horizontal or inclined structure on an upper surface of a sapphire substrate or a compound thin film through a patterning and etching process, To a method of growing a structure.
The method for growing a nanostructure having an inclination angle according to the present invention includes forming a nanomask layer on an M-plane sapphire substrate; Selectively etching the M-plane sapphire substrate by etching the nanomask layer through a patterning process; Forming a multi-faceted structure of compound nuclei in the exposed portions of the M-plane sapphire substrate; And forming a nanostructure having a predetermined angle in the vertical direction from the surface of the M-plane sapphire substrate from the compound nucleus. Further, the method may further include nitriding the surface of the M-plane sapphire substrate with NH 3 gas to form an R-plane concavo-convex structure on the surface of the M-plane sapphire substrate before forming the nanomask layer, Discloses a structure growth method.

Description

무촉매 방식 가변경사각을 갖는 나노 구조물 성장 방법{METHOD FOR INCLINED ANGLE-CONTROLLED GROWTH OF NANOSTRUCTURE WITHOUT CATALYST}METHOD FOR INCLINED ANGLE CONTROLLED GROWTH OF NANOSTRUCTURE WITHOUT CATALYST BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001]

본 발명은 무촉매 방식 가변경사각 갖는 나노 구조물 성장 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 금속촉매를 사용하지 않고 패터닝 및 식각 공정을 통하여 사파이어 기판 또는 화합물 박막 상부에 위치 선택적으로 수평 또는 경사 구조로 나노 구조물을 성장시키는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of growing a nanostructure having a variable inclination angle without catalyst, and more particularly, to a method of growing nanostructures having a variable or inclined structure in which the nanostructures are selectively and positively positioned on a sapphire substrate or a compound thin film by patterning and etching without using a metal catalyst. To a method for growing the same.

나노 기술은 나노 물질을 다루는 분야로, 나노선, 나노 벨트, 나노 리본 및 나노 막대 등의 나노 물질은 최근 수년간 연구계의 가장 큰 관심을 이끌어오고 있다. 이들 나노 물질은 우수한 전기적, 광학적, 기계적, 열적 특성을 지니기 때문에 화학 및 바이오센서를 위시하여 전계효과 트랜지스터(field effect transistor, FET), 발광다이오드(light emitting diode, LED), 논리회로(logic circuit) 등과 같은 다양한 종류의 나노 디바이스들의 기초 빌딩 블록이 된다.Nanotechnology is a field of nanomaterials, nanomaterials such as nanowires, nanobelt, nanoribbons and nanorods have been of greatest interest to researchers in recent years. Since these nanomaterials have excellent electrical, optical, mechanical and thermal properties, they can be used as a field effect transistor (FET), a light emitting diode (LED), a logic circuit, And so on. ≪ / RTI >

나노선을 포함하는 나노 기술은 급속히 연구 영역이 팽창되고 있어, 이제는 물리, 화학, 바이오, 공학 등 거의 모든 과학 영역으로 그 범위를 넓혀가고 있으며, 특히 반도체 나노선은 그 중에서 가장 주목받고 있는 분야라 할 수 있다. 반도체 나노선은 그 합성 과정에서 크기, 계면특성 및 전자적 특성을 조절할 수 있고, 이렇게 합성된 나노선을 이용하여 다량의 병렬조립(parallel assembly)이 가능하다. 그렇기 때문에 반도체 나노선은 나노 디바이스를 구현할 수 있는 가장 확실한 소재로 인식되고 있다.Nanotechnology, including nanowires, is rapidly expanding its research area, and now it is expanding its scope to almost all scientific fields such as physics, chemistry, biotechnology, and engineering. Especially, semiconductor nanowire is one of the most popular fields can do. Semiconductor nanowires can control size, interfacial properties, and electronic properties during the synthesis process, and a large amount of parallel assembly is possible using the thus synthesized nanowires. Therefore, semiconductor nanowires are recognized as the most reliable material for implementing nanodevices.

기존의 기판 수직형 반도체 나노선을 성장시키는 기술에는 성장 매커니즘 관점에서 바라봤을 경우 VLS(vaporliquid-solid) 성장법, VS(vapor-solid) 성장법, 전기화학증착법(Electrochemical Deposition), 용액 성장법(Solution Growth), SEG(Epitaxial Growth) 방법 등 여러 가지 방법이 있다.In the conventional technology for growing the substrate vertical semiconductor nanowire, the vapor growth method, the vapor-solid growth method, the electrochemical deposition method, the solution growth method Solution Growth, and SEG (epitaxial growth).

그 중 나노선을 성장시키는 방법으로 VLS(Vapor-Liquid-Solid) 성장법이 주로 이용되었는데, VLS 성장법은 나노 클러스터(nano-cluster) 또는 나노 규모의 방울로 이루어진 촉매 물질에 반응 물질을 흡착시켜 1차원으로 성장시키는 기술이다. 따라서 종래에는 단결정으로 잘 성장된 실리콘 기판 위에 금속 촉매를 증착하고 VLS 성장법을 이용하여 나노선을 성장시키는 방법이 주로 이용되었다. 한국특허 제10-2007-0087146호 등에서도 나노와이어를 성장시키기 위한 초기단계에서 금속촉매를 이용한 VLS 방법을 이용하고 있다.Among them, VLS (Vapor-Liquid-Solid) growth method was mainly used as a method of growing a nanowire. The VLS growth method adsorbs a reactant to a nano-cluster or a nano- It is a technology that grows in one dimension. Therefore, conventionally, a method of depositing a metal catalyst on a silicon substrate well grown with a single crystal and growing a nanowire using VLS growth method is mainly used. Korean Patent No. 10-2007-0087146 also uses a VLS method using a metal catalyst in an initial stage for growing nanowires.

그러나, VLS를 이용한 나노와이어 성장시 요구되는 금속촉매는 나노와이어 내부를 오염시켜 순도를 떨어뜨리고, 결과적으로 나노와이어의 품질을 저하시키고, 나노와이어의 성장과는 별도로 상기 금속촉매를 증착시키기 위한 별도 공정이 요구되는 문제점이 있었다.However, the metal catalyst required for nanowire growth using VLS may contaminate the inside of the nanowire, thereby lowering the purity. As a result, the quality of the nanowire may be deteriorated. In addition to the growth of the nanowire, There is a problem that a process is required.

한국 공개특허 제10-2007-0087146호 (2009.03.04. 공개)Korean Patent Laid-Open No. 10-2007-0087146 (published on Mar. 4, 2009) 한국 공개특허 제10-2010-0015799호 (2011.08.30. 공개)Korean Patent Publication No. 10-2010-0015799 (Published on Aug. 30, 2011)

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 나노 구조물 성장 초기 단계에서 금속촉매를 사용하지 않고, 대신에 화합물 핵을 증착시켜 나노 구조물의 성장 기초로 이용함으로써 공정을 보다 간소화하고, 금속촉매 사용으로 인해 발생하는 오염을 방지하여 고품질의 나노 구조물을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to overcome the above problems of the prior art, and it is an object of the present invention to simplify a process by using a metal catalyst instead of a metal catalyst in an initial stage of growing a nanostructure, And a method for manufacturing a high-quality nano structure by preventing contamination caused by the use of a metal catalyst.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 측면에 따른 무촉매 방식 나노 구조물 성장 방법에 있어서, In accordance with an aspect of the present invention, there is provided a method for growing a non-catalyst nanostructure,

M-면 사파이어 기판 상부에 나노 마스크층을 형성하는 단계; 패터닝 공정을 통해 상기 나노 마스크층을 식각하여 상기 M-면 사파이어 기판을 선택적으로 노출시키는 단계; 상기 M-면 사파이어 기판의 노출된 부분에 다중면 구조의 화합물 핵을 형성하는 단계; 상기 화합물 핵을 기초로 상기 M-면 사파이어 기판 표면으로부터 수직 방향으로 소정의 각도를 이루는 나노 구조물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.Forming a nanomask layer on the M-plane sapphire substrate; Selectively etching the M-plane sapphire substrate by etching the nanomask layer through a patterning process; Forming a multi-faceted structure of compound nuclei in the exposed portions of the M-plane sapphire substrate; And forming a nanostructure having a predetermined angle in the vertical direction from the surface of the M-plane sapphire substrate based on the compound nucleus.

또한, 상기 나노 마스크층이 식각되어 상기 M-면 사파이어 기판이 노출된 부분의 단위 크기가 수 나노미터 내지 수 마이크로미터 범위인 경우, 상기 소정의 각도는, 제1 각도 범위일 수 있다.In addition, when the unit size of the portion where the nano-mask layer is etched and the M-plane sapphire substrate is exposed ranges from several nanometers to several micrometers, the predetermined angle may be the first angle range.

또한, 상기 방법은, 상기 나노 마스크층을 형성하기 전에 상기 M-면 사파이어 기판 표면을 NH3 가스로 질화 처리하여 상기 M-면 사파이어 기판 표면에 R-면 요철구조를 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include nitriding the surface of the M-plane sapphire substrate with NH 3 gas to form an R-plane concave-convex structure on the surface of the M-plane sapphire substrate before forming the nanomask layer .

또한, 상기 나노 마스크층이 식각되어 상기 M-면 사파이어 기판이 노출된 부분의 단위 크기가 수 마이크로미터 범위인 경우, 상기 나노 구조물은, 상기 M-면 사파이어 기판 표면에 대하여 수평 방향으로 형성될 수 있다.When the unit size of the exposed portion of the M-plane sapphire substrate is in the range of a few micrometers, the nanostructure may be formed in a horizontal direction with respect to the surface of the M-plane sapphire substrate have.

상기 나노 마스크층이 식각되어 상기 M-면 사파이어 기판이 노출된 부분의 단위 크기가 수 나노미터 내지 수백 나노미터 범위인 경우, 상기 소정의 각도는 제2 각도 범위일 수 있다.When the nano-mask layer is etched so that the unit size of the exposed portion of the M-plane sapphire substrate ranges from a few nanometers to a few hundred nanometers, the predetermined angle may be a second angle range.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 무촉매 방식 나노 구조물 성장 방법에 있어서, In accordance with another aspect of the present invention, there is provided a method for growing a non-catalyst nanostructure,

M-면 사파이어 기판 상부에 GaN 박막층을 형성하는 단계; 상기 GaN 박막층 상부에 나노 마스크층을 형성하는 단계; 패터닝 공정을 통해 상기 나노 마스크층을 식각하여 상기 GaN 박막층을 선택적으로 노출시키는 단계; 상기 GaN 박막층의 노출된 부분에 다중면 구조의 화합물 핵을 형성하는 단계; 상기 화합물 핵으로부터 상기 GaN 박막층 표면으로부터 수직 방향으로 소정의 각도를 이루는 나노 구조물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.Forming a GaN thin film layer on the M-plane sapphire substrate; Forming a nano-mask layer on the GaN thin film layer; Etching the nanomask layer through a patterning process to selectively expose the GaN thin film layer; Forming a multi-facetted compound nucleus in the exposed portion of the GaN thin film layer; And forming a nanostructure having a predetermined angle in the vertical direction from the surface of the GaN thin film layer from the compound nucleus.

여기서, 상기 GaN 박막층이 반극성인 경우, 상기 소정의 각도는, 제1 각도 범위일 수 있다.Here, when the GaN thin film layer is semi-polar, the predetermined angle may be a first angle range.

또한, 상기 GaN 박막층이 비극성인 경우, 상기 나노 구조물은, 상기 M-면 사파이어 기판 표면에 대하여 수평 방향으로 형성될 수 있다.In addition, when the GaN thin film layer is non-polar, the nanostructure may be formed in a horizontal direction with respect to the surface of the M-plane sapphire substrate.

또한, 상기 방법은, 상기 GaN 박막층을 형성하기 전에, 상기 M-면 사파이어 기판 표면을 NH3 가스로 질화 처리하여 상기 M-면 사파이어 기판 표면에 R-면 요철구조를 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 GaN 박막층이 반극성인 경우, 상기 소정의 각도는, 제2 각도 범위일 수 있다.The method may further include nitriding the surface of the M-plane sapphire substrate with NH 3 gas to form an R-plane concave-convex structure on the surface of the M-plane sapphire substrate before forming the GaN thin film layer If the GaN thin film layer is semi-polar, the predetermined angle may be a second angle range.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 무촉매 방식 나노 구조물 성장 방법에 있어서, In accordance with another aspect of the present invention, there is provided a method for growing a non-catalyst nanostructure,

R-면 사파이어 기판 상부에 나노 마스크층을 형성하는 단계; 패터닝 공정을 통해 상기 나노 마스크층을 식각하여 상기 R-면 사파이어 기판을 선택적으로 노출시키는 단계; 상기 R-면 사파이어 기판의 노출된 부분에 다중면 구조의 화합물 핵을 형성하는 단계; 상기 화합물 핵으로부터 상기 R-면 사파이어 기판 표면에 대하여 수평 방향으로 나노 구조물을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.Forming a nano-mask layer on the R-plane sapphire substrate; Selectively etching the R-plane sapphire substrate by etching the nano-mask layer through a patterning process; Forming a multi-faceted structure of compound nuclei in exposed portions of the R-plane sapphire substrate; And forming a nanostructure from the compound nucleus in a horizontal direction with respect to the surface of the R-plane sapphire substrate.

본 발명의 실시예에 따르면, 나노 구조물 성장 초기 단계에서 사용되는 금속촉매로 인한 나노 구조물 내부의 오염문제를 방지할 수 있다.According to the embodiment of the present invention, it is possible to prevent the pollution problem inside the nanostructure due to the metal catalyst used in the initial stage of nanostructure growth.

또한, 상기 금속촉매의 증착, 성장 및 크기 조절 등의 단계가 수행될 필요가 없으므로 공정을 간소화시킬 수 있고 비용 측면에서도 경제적이다.In addition, since the steps such as deposition, growth, and size control of the metal catalyst need not be performed, the process can be simplified and cost-effective.

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조물 성장 방법을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 질화 처리 단계를 더 포함하는 나노 구조물 성장 방법을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 질화 처리된 사파이어 기판 표면의 구조를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 각기 다른 조건에서 성장된 나노 구조물의 SEM 이미지이다.
도 5는 M-면 사파이어 기판 표면에 대하여 수평 방향으로 형성된 나노 구조물을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 구조물 성장 방법을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 질화 처리 단계를 더 포함하는 나노 구조물 성장 방법을 도시한 것이다.
도 8은 R-면 사파이어 기판 표면에 대하여 수평 방향으로 형성된 나노 구조물을 도시한 것이다.
도 9는 본 발명에 따라 성장된 나노 구조물의 응용 방법을 예시한 것이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are included to provide a further understanding of the invention and are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention.
FIG. 1 illustrates a method of growing a nanostructure according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 illustrates a method of growing a nanostructure according to an embodiment of the present invention, which further includes a nitriding treatment step.
FIG. 3 illustrates a structure of a sapphire substrate surface nitrided according to an embodiment of the present invention.
4 is an SEM image of a nanostructure grown under different conditions according to an embodiment of the present invention.
5 shows a nanostructure formed in a horizontal direction with respect to the surface of an M-plane sapphire substrate.
FIG. 6 illustrates a method of growing a nanostructure according to another embodiment of the present invention.
FIG. 7 illustrates a method of growing a nanostructure according to another embodiment of the present invention, which further includes a nitriding treatment step.
8 shows a nanostructure formed in a horizontal direction with respect to the surface of the R-plane sapphire substrate.
FIG. 9 illustrates a method of applying nanostructures grown according to the present invention.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention is capable of various modifications and various embodiments, and specific embodiments will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.

이하의 실시예는 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.The following examples are provided to aid in a comprehensive understanding of the methods, apparatus, and / or systems described herein. However, this is merely an example and the present invention is not limited thereto.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail. The following terms are defined in consideration of the functions of the present invention, and may be changed according to the intention or custom of the user, the operator, and the like. Therefore, the definition should be based on the contents throughout this specification. The terms used in the detailed description are intended only to describe embodiments of the invention and should in no way be limiting. Unless specifically stated otherwise, the singular form of a term includes plural forms of meaning. In this description, the expressions "comprising" or "comprising" are intended to indicate certain features, numbers, steps, operations, elements, parts or combinations thereof, Should not be construed to preclude the presence or possibility of other features, numbers, steps, operations, elements, portions or combinations thereof.

또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.It is also to be understood that the terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms, and the terms may be used to distinguish one component from another .

이하에서는, 본 발명에 따른 나노 구조물 성장 방법을 예시적인 실시 형태들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of a method of growing a nanostructure according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 명세서 전반에서 사용되는 용어인 "나노 구조물" 은 나노 샤프트(nanoshaft), 나노 필라(nanopillar), 나노 니들(nanoneedle), 나노 로드, 나노 와이어 및 나노 튜브(예를 들어, 단일벽 나노 튜브, 또는 다중벽 나노 튜브)를 포함하지만 이에 제한되지 않는 연장된 유사 치수의 다른 구조, 및 그것으로부터 다양하게 기능화되고 파생된 근모(fibril) 형태, 예를 들어, 실(thread), 단사(yarn), 직물(fabric) 형태의 나노 섬유(nanofiber)를 포함할 수 있다.The term "nanostructure" as used throughout this specification refers to nanostructures, nanopillars, nanoneedles, nanorods, nanowires and nanotubes (e.g., single wall nanotubes, or (E.g., multi-wall nanotubes), and other structures of elongated similar dimensions, including, but not limited to, a variety of functionalized and derived fibril forms, such as threads, and nanofibers in the form of a fabric.

또한, 나노 구조물은 다양한 단면 모양, 예를 들어, 직사각형, 다각형, 정사각형, 타원형, 또는 원형 모양을 가질 수 있다. 따라서, 나노 구조물은 원통형 및/또는 콘형 3 차원 모양을 가질 수 있다. 다양한 실시형태에서, 복수의 나노 구조물은 예를 들어 서로에 대해 실질적으로 병렬형(parallel), 아치형(arcuate), 정현형(sinusoidal) 등일 수 있다.In addition, the nanostructure may have various cross-sectional shapes, for example, rectangular, polygonal, square, elliptical, or circular. Thus, the nanostructure may have a cylindrical and / or cone-shaped three-dimensional shape. In various embodiments, the plurality of nanostructures can be, for example, substantially parallel, arcuate, sinusoidal, etc. with respect to each other.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조물 성장 방법을 도시한 것이다.FIG. 1 illustrates a method of growing a nanostructure according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조물을 성장시키기 위한 방법은, M-면 사파이어 기판(11) 상부에 나노 마스크층(13)을 형성하는 단계(S110), 패터닝 공정을 통해 상기 나노 마스크층(13)을 식각하여 상기 M-면 사파이어 기판(11)을 선택적으로 노출시키는 단계(S120), 상기 M-면 사파이어 기판(11)의 노출된 부분에 다중면 구조의 화합물 핵(14)을 형성하는 단계(S130), 상기 화합물 핵(14)을 기초로 상기 M-면 사파이어 기판(11) 표면으로부터 수직 방향으로 소정의 각도를 이루는 나노 구조물(15)을 형성하는 단계(S140)를 포함할 수 있다.A method for growing a nanostructure according to an embodiment of the present invention includes forming a nanomask layer 13 on an M-plane sapphire substrate 11 (S110), patterning the nanomask layer 13) to selectively expose the M-plane sapphire substrate 11 (S120), forming a compound nucleus 14 having a multi-plane structure on the exposed portion of the M-plane sapphire substrate 11 (S140) forming a nanostructure 15 having a predetermined angle in the vertical direction from the surface of the M-plane sapphire substrate 11 based on the compound nucleus 14 (S140) .

먼저, S110 단계에서는 M-면 사파이어 기판(11) 상부에 나노 마스크층(13)을 형성한다.First, in step S110, a nano-mask layer 13 is formed on the M-plane sapphire substrate 11.

상기 나노 구조물(15)을 성장 시키기 위한 기판은 사파이어, Si, SiC, ZnO, MgAl2O4, MgO, Ga2O3, LiAlO2, LiGaO2 등을 포함할 수 있다. 다만, 본 명세서에서는 본 발명에 따른 목적을 달성하기 위하여 결정면이 M-면인 사파이어 기판(11) 또는 결정면이 R-면인 사파이어 기판을 기준으로 설명한다.The substrate for growing the nanostructures 15 may include at least one of sapphire, Si, SiC, ZnO, MgAl 2 O 4 , MgO, Ga 2 O 3 , LiAlO 2 , LiGaO 2 And the like. However, in order to achieve the object of the present invention, a sapphire substrate 11 whose crystal plane is an M-plane or a sapphire substrate whose crystal plane is an R-plane will be described in this specification.

상기 나노 마스크층(13)은 온도 약 1000~1100℃ 범위에서 수행될 수 있다. 다만, 이에 국한되는 것은 아니고, 화합물의 종류 등에 따라 다양한 조건에서 수행될 수 있다.The nanomask layer 13 may be performed at a temperature in the range of about 1000 to about 1100 ° C. However, the present invention is not limited thereto, and can be carried out under various conditions depending on the kind of compound and the like.

상기 나노 마스크층(13)은 산화실리콘(SixOy), 질화실리콘(SixNy) 등을 포함할 수 있다. 상기 나노 마스크층(13) 형성은 일반적으로 이용되는 박막 증착 방법으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 스퍼터링, 이온빔 증착법, 플라즈마 증착법 또는 화상 기상 증착 등을 이용하여 증착시킬 수 있다.The nano-mask layer 13 may include silicon oxide (Si x O y ), silicon nitride (Si x N y ), or the like. The nanomask layer 13 may be formed by a commonly used thin film deposition method. For example, sputtering, ion beam deposition, plasma deposition, or image vapor deposition.

S120 단계에서는 패터닝 공정 및 식각 공정을 이용하여 형성된 나노 마스크층(13)을 식각하여 상기 M-면 사파이어 기판(11)을 선택적으로 노출시킨다. 이는 궁극적으로 상기 나노 구조물(15)을 상기 M-면 사파이어 기판(11) 상부에서 위치 선택적으로 성장시키기 위함이다.In step S120, the nanomask layer 13 formed using the patterning process and the etching process is etched to selectively expose the M-plane sapphire substrate 11. This is to ultimately positionally grow the nanostructures 15 above the M-plane sapphire substrate 11.

우선, 패터닝 공정은 포토 레지스트(photoresist, 감광액)를 상기 나노 마스크층 표면에 코팅하고, 노광기를 이용하여 원하는 패턴을 코팅된 포토 레지스트에 전사한 후, 현상액(developer)으로 현상을 하면 패턴이 형성된다. 보다 구체적으로는, 포토 레지스트는 빛을 조사하면 화학 변화를 일으키는 수지를 말하며, 자외선 영역에서 가시광선영역 파장까지의 빛에 반응하여 용해, 응고 등의 변화를 일으킨다. 빛이 조사된 부분만 고분자가 불용화하여 포토 레지스트가 남는 감광성 수지를 네가(Negative)형 포토 레지스트, 빛이 조사된 부분만 고분자가 가용화하여 포토 레지스트가 사라지는 감광성 수지를 포지(Positive)형 포토 레지스트라 한다. In the patterning process, a photoresist is coated on the surface of the nano-mask layer, a desired pattern is transferred to a coated photoresist using an exposure machine, and then developed with a developer to form a pattern . More specifically, a photoresist refers to a resin that causes a chemical change upon irradiation with light, and causes a change in dissolution, coagulation, or the like in response to light from the ultraviolet region to the visible light region. A negative type photoresist, a photosensitive resin in which a polymer solubilizes only a part irradiated with light, and a photoresist disappears, is called a positive type photoregister do.

상기 패터닝 공정 및 식각 공정을 통해, 나노 구조물(15)을 형성시키고자 하는 부분을 고려하여 상기 M-면 사파이어 기판(11)을 선택적으로 노출시킨다.The M-plane sapphire substrate 11 is selectively exposed in consideration of a portion where the nanostructure 15 is to be formed through the patterning process and the etching process.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여 상기 M-면 사파이어 기판(11)의 노출된 부분의 단위 크기는 수 나노미터 내지 수 마이크로미터 범위를 포함할 수 있다. 다만, 반드시 상기 범위에 국한되는 것은 아니다.In order to achieve the object of the present invention, the unit size of the exposed portion of the M-plane sapphire substrate 11 may range from several nanometers to several micrometers. However, it is not necessarily limited to the above range.

S130 단계에서는 상기 S120 단계를 통해 상기 M-면 사파이어 기판(11)이 외부로 노출된 부분에 다중면 구조의 화합물 핵(14)을 형성한다.In step S130, a compound nucleus 14 having a multi-plane structure is formed at a portion where the M-plane sapphire substrate 11 is exposed to the outside through step S120.

상기 화합물 핵(14)은 화학 기상 증착법 등을 이용하며, 온도 약 1000 ~ 1100℃, 압력 약 100~300torr, 시간 약 10초 범위에서 수행될 수 있고, 캐리어 가스는 N2 가스가 이용될 수 있다. 다만, 이에 국한되는 것은 아니고, 화합물의 종류 등에 따라 다양한 조건에서 수행될 수 있다.The compound nucleus 14 may be performed at a temperature of about 1000 to about 1100 ° C., a pressure of about 100 to 300 torr, and a time of about 10 seconds using a chemical vapor deposition method or the like, and N 2 gas may be used as the carrier gas . However, the present invention is not limited thereto, and can be carried out under various conditions depending on the kind of compound and the like.

종래 기술에서는 금속촉매를 증착시켜 그로부터 VLS(Vapor-Liquid-Solid) 방법을 이용하여 나노 구조물을 성장시켰으나, 상기 나노 구조물을 나노 소자에 적용하기 위해서는 높은 순도가 요구되는데, 금속촉매는 그 자체로 불순물일 수 밖에 없다는 문제점과 금속촉매는 성장시키고자 하는 나노 구조물과 다른 물질이므로 금속촉매를 성장시키는 공정과 나노 구조물을 성장시키는 공정을 별도로 수행해야하는 문제점이 있었으나, 본 발명에서는 나노 구조물을 성장 기초로 화합물 핵 증착시키고 이를 나노 구조물의 성장 기초로 이용함으로써 상기의 문제점을 해결할 수 있다.In the prior art, a metal catalyst is deposited and a nanostructure is grown therefrom using a Vapor-Liquid-Solid (VLS) method. However, in order to apply the nanostructure to a nano device, a high purity is required. However, since the metal catalyst is different from the nanostructure to be grown, there is a problem that the process of growing the metal catalyst and the process of growing the nanostructure have to be separately performed. However, in the present invention, The above problems can be solved by nuclear deposition and using it as a growth base of nanostructures.

S140 단계에서는 상기 화합물 핵(14)을 기초로 나노 구조물(15)을 성장시킨다. 상기 나노 구조물(15)은 상기 M-면 사파이어 기판(11)의 표면으로부터 수직 방향으로 제1 각도 범위를 이루며 성장한다. 상기 제1 각도는 바람직하게는 약 58.4도이고, 상기 제1 각도 범위는 약 55도 내지 62도 범위를 포함할 수 있다.In step S140, the nanostructure 15 is grown on the basis of the compound nuclei 14. The nanostructure 15 grows in a first angle range in the vertical direction from the surface of the M-plane sapphire substrate 11. The first angle is preferably about 58.4 degrees, and the first angle range may range from about 55 degrees to about 62 degrees.

상기 나노 구조물(15)은 화학 기상 증착법 등을 이용하며, 온도 약 1000~1100℃, 압력 약 100~500torr, 시간 약 300초, SiH4 가스 약 100nmol/min 범위에서 수행될 수 있고, 캐리어 가스는 H2가 이용될 수 있다. 다만, 이에 국한되는 것은 아니고, 화합물의 종류 등에 따라 다양한 조건에서 수행될 수 있다.The nanostructure 15 may be performed at a temperature of about 1000 to about 1100 ° C, a pressure of about 100 to about 500 torr, a time of about 300 seconds, and a SiH 4 gas of about 100 nmol / min using a chemical vapor deposition H 2 may be used. However, the present invention is not limited thereto, and can be carried out under various conditions depending on the kind of compound and the like.

상기 나노 구조물(15)을 이루는 화합물은 Ⅱ-Ⅳ족 화합물, Ⅲ-Ⅴ족 화합물, Ⅳ-Ⅵ족 화합물 또는 이들의 혼합물 또는 금속산화물을 포함할 수 있다.The compound forming the nanostructure 15 may include a Group II-IV compound, a Group III-V compound, a Group IV-VI compound, a mixture thereof, or a metal oxide.

나아가, Ⅱ-Ⅳ족 화합물은 CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe을 포함하는 이원소 화합물을, Ⅲ-Ⅴ족 화합물은 GaN, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs, InSb을 포함하는 이원소 화합물을, Ⅳ-Ⅵ족 화합물은 PbS, PbSe, PbTe을 포함하는 이원소 화합물을 각각 포함할 수 있다. 또한, 금속산화물은 TiO2, ZnO, SiO2, SnO2, Wo3, ZrO2, HfO2, Ta2O5, BaTiO2, Y2O3, ZrSiO4을 포함할 수 있다.Further, the group II-IV compound is a compound of the elemental compound containing CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe and ZnTe, and the group III-V compound is an elemental compound thereof including GaN, GaP, GaAs, GaSb, InP, InAs and InSb. And the Group IV-VI compound may include these elemental compounds including PbS, PbSe, and PbTe, respectively. The metal oxide may include TiO 2 , ZnO, SiO 2 , SnO 2 , Wo 3 , ZrO 2 , HfO 2 , Ta 2 O 5 , BaTiO 2 , Y 2 O 3 and ZrSiO 4 .

상기 S110 단계 내지 S140 단계에서는 상기 나노 구조물(15)이 제1 각도 범위를 이루며 형성되는 것을 개시하였으나, 상기 나노 구조물은 상기 M-면 사파이어 기판(11)의 질화 처리 유무, 패터닝 및 식각 공정에 의한 기판의 노출된 부분의 단위 크기(구멍 각각의 크기) 등의 조건에 따라 성장하는 형태 및 기판과 이루는 각도 범위가 달라질 수 있다. 그에 대하여 이하에서 보다 상세히 검토한다.Although it has been described that the nanostructure 15 is formed in the first angular range in steps S110 to S140, the nanostructure may be formed by the nitriding treatment of the M-plane sapphire substrate 11, The size of the exposed portion of the substrate and the size of the unit (the size of each of the holes) may vary, and the range of angles with the substrate may vary. Which will be discussed in more detail below.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조물(15) 성장 방법에서 질화 처리 단계를 더 포함하여, 나노 구조물(15)을 형성하는 방법을 도시한 것이다.FIG. 2 illustrates a method of forming a nanostructure 15 by further including a nitriding step in a method of growing a nanostructure 15 according to an embodiment of the present invention.

M-면 사파이어 기판(11) 표면을 NH3 가스로 질화 처리하여 상기 M-면 사파이어 기판(11) 표면에 R-면 요철구조를 형성하는 단계(S210), 상기 M-면 사파이어 기판(11) 상부에 나노 마스크층(13)을 형성하는 단계(S220), 패터닝 공정을 통해 상기 나노 마스크층(13)을 식각하여 상기 M-면 사파이어 기판(11)을 선택적으로 노출시키는 단계(S231, S232), 상기 M-면 사파이어 기판(11)의 노출된 부분에 다중면 구조의 화합물 핵(14)을 형성하는 단계(S240), 상기 화합물 핵(14)으로부터 상기 M-면 사파이어 기판(11) 표면에 대하여 수평 방향 또는 상기 M-면 사파이어 기판(11) 표면으로부터 수직 방향으로 제2 각도를 이루는 나노 구조물(151, 152)을 형성하는 단계(S251, S252)를 포함할 수 있다.A step S210 of nitriding the surface of the M-plane sapphire substrate 11 with NH 3 gas to form an R-plane concave-convex structure on the surface of the M-plane sapphire substrate 11, A step S230 of forming a nano-mask layer 13 on the upper surface of the M-plane sapphire substrate 11 and selectively exposing the M-plane sapphire substrate 11 by etching the nano-mask layer 13 through a patterning process (steps S231 and S232) A step S240 of forming a compound nucleus 14 having a multisurface structure on the exposed portion of the M-plane sapphire substrate 11, a step S240 of forming a compound nucleus 14 on the surface of the M-plane sapphire substrate 11 from the compound nucleus 14, (S251, S252) of forming nanostructures 151, 152 having a second angle in a horizontal direction or in a vertical direction from the surface of the M-plane sapphire substrate 11.

먼저, S210 단계에서는 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이 고온에서 NH3 가스를 이용한 질화 처리를 통하여 상기 M-면 사파이어 기판(11) 표면을 R-면 요철구조로 개질한다. 상기 R-면 요철구조는 이 후 단계에서 나노 구조물(15)이 소정의 각도를 이루며 성장할 수 있는 기초를 제공한다.3, the surface of the M-plane sapphire substrate 11 is modified to have an R-plane concavo-convex structure by nitridation treatment using NH 3 gas at a high temperature. The R-plane concavo-convex structure provides a base on which the nanostructure 15 can grow at a predetermined angle in a subsequent step.

상기 질화 처리는 온도 약 1000~1100℃, 압력 약 100~300torr, 시간 약 300초 범위에서 수행될 수 있고, 캐리어 가스는 H2가 이용될 수 있다. 다만, 이에 국한되는 것은 아니고, 화합물의 종류 등에 따라 다양한 조건에서 수행될 수 있다.The nitridation treatment may be performed at a temperature of about 1000 to 1100 DEG C, a pressure of about 100 to 300 torr, and a duration of about 300 seconds, and H 2 may be used as the carrier gas. However, the present invention is not limited thereto, and can be carried out under various conditions depending on the kind of compound and the like.

상기 질화 처리는 물질의 표면에 질화물을 만들어 내식성, 내마모성, 피로 강도 등을 향상시키는 가공법을 의미한다. 본 발명에서는 NH3 가스를 이용한 가스질화법을 이용하였으나, 반드시 그에 국한되는 것은 아니고 액체질화법을 이용할 수도 있다.The nitriding treatment refers to a processing method in which nitride is formed on the surface of a material to improve corrosion resistance, abrasion resistance, fatigue strength and the like. In the present invention, a gas nitridation method using NH 3 gas is used, but not always limited thereto, but a liquid nitridation method may be used.

S220 단계는 상기 M-면 사파이어 기판(11) 상부에 나노 마스크층(13)을 형성하는 과정으로서, 상기 S110 단계와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.Step S220 is a process of forming the nano-mask layer 13 on the M-plane sapphire substrate 11, which is the same as step S110, and thus a detailed description thereof will be omitted.

S231 및 S232 단계는 상기 S120 단계와 마찬가지로 패터닝 및 식각 공정을 수행하나, 나노 구조물(15)의 형태 및 성장 각도를 조절하기 위하여 상기 M-면 사파이어 기판(11)이 노출된 부분의 단위 크기를 조절할 수 있다. S231 단계와 같이 상기 노출된 부분의 단위 크기가 수 마이크로미터 범위로 형성되는 경우에는, 나노 구조물(151)은 상기 M-면 사파이어 기판(11)의 표면에 대하여 수평 방향으로 성장한다. 한편, S231 단계와 같이 상기 노출된 부분의 단위 크기가 수 나노미터 내지 수백 나노미터 범위로 형성되는 경우에는, 나노 구조물(152)은 상기 M-면 사파이어 기판의 표면으로부터 수직 방향으로 제2 각도 범위를 이루며 성장한다. 상기 제2 각도는 바람직하게는 약 31.6도이고, 상기 제2 각도 범위는 약 28도 내지 35도를 포함할 수 있다.In steps S231 and S232, the patterning and etching process is performed in the same manner as in step S120, but the unit size of the exposed portion of the M-plane sapphire substrate 11 is adjusted to adjust the shape and growth angle of the nanostructure 15 . In step S231, the nanostructure 151 grows in a horizontal direction with respect to the surface of the M-plane sapphire substrate 11 when the unit size of the exposed portion is in the range of a few micrometers. On the other hand, when the unit size of the exposed portion is formed in the range of several nanometers to several hundreds of nanometers as in step S231, the nanostructure 152 is arranged in a second angle range . The second angle may preferably be about 31.6 degrees, and the second angle range may comprise about 28 degrees to 35 degrees.

S240 단계는 상기 M-면 사파이어 기판(11)이 외부로 노출된 부분에 다중면 구조의 화합물 핵(14)을 형성하는 과정으로서, 상기 S130 단계와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.Step S240 is a process of forming a compound nucleus 14 having a multi-faced structure on a portion where the M-plane sapphire substrate 11 is exposed to the outside, and is the same as the step S130.

S251 및 S252 단계는 S140 단계와 마찬가지로 상기 화합물 핵(14)을 기초로 나노 구조물(151, 152)을 성장시키는 과정을 수행하나, 상기 S231 또는 S232 단계에서 조절한 M-면 사파이어 기판(11)이 노출된 부분의 단위 크기 범위에 따라 상기 나노 구조물(151, 152)은 다른 형태 및/또는 다른 구조로 성장할 수 있다.In steps S251 and S252, the nanostructures 151 and 152 are grown on the basis of the compound nucleus 14 as in step S140. The M-plane sapphire substrate 11 adjusted in step S231 or S232 The nanostructures 151 and 152 may grow in different and / or different structures depending on the unit size range of the exposed portion.

S231 단계와 동일한 방법을 수행하였다면, 상기 나노 구조물(151)은 S251 단계에서 볼 수 있는 바와 같이 상기 M-면 사파이어 기판(11)에 대하여 수평 방향으로 성장할 수 있다. 한편, S232 단계와 동일한 방법을 수행하였다면, 상기 나노 구조물(152)은 S252 단계에서 볼 수 있는 바와 같이 상기 M-면 사파이어 기판(11)의 표면으로부터 수직 방향으로 제2 각도 범위를 이루며 성장할 수 있다.If the same method as in step S231 is performed, the nanostructure 151 may grow in a horizontal direction with respect to the M-plane sapphire substrate 11 as shown in step S251. On the other hand, if the same method as in step S232 is performed, the nanostructure 152 can grow in a second angular range in the vertical direction from the surface of the M-plane sapphire substrate 11, as shown in step S252 .

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 각기 다른 조건에서 성장된 나노 구조물의 SEM 이미지이다.4 is an SEM image of a nanostructure grown under different conditions according to an embodiment of the present invention.

도 4(a)는 상기 도 2에서 개시된 과정 중 S231 단계 및 S251 단계를 거쳐 상기 M-면 사파이어 기판에 대하여 수평 방향으로 형성된 나노 구조물 이미지이다.4 (a) is an image of a nanostructure formed in a horizontal direction with respect to the M-plane sapphire substrate through steps S231 and S251 of FIG. 2. FIG.

도 4(b)는 상기 도 2에서 개시된 과정 중 S232 단계 및 S252 단계를 거쳐 상기 M-면 사파이어 기판으로부터 수직 방향으로 제2 각도 범위에서 형성된 나노 구조물 이미지이다.4B is an image of a nanostructure formed in a second angle range from the M-plane sapphire substrate in a vertical direction through steps S232 and S252 of FIG. 2. FIG.

도 4(c)는 상기 도 1에서 개시된 과정을 거쳐 상기 M-면 사파이어 기판으로부터 수직 방향으로 제1 각도 범위에서 형성된 나노 구조물 이미지이다.4C is an image of the nanostructure formed in the first angle range in the vertical direction from the M-plane sapphire substrate through the process described in FIG.

도 5는 M-면 사파이어 기판 표면에 대하여 수평 방향으로 형성되고, 그 단면이 사다리꼴 형태인 나노 구조물을 도시한 것이다.5 shows a nanostructure formed in a horizontal direction with respect to the surface of an M-plane sapphire substrate, the cross-section of which is a trapezoidal shape.

상기 도 5(a)는 본 발명의 일 실시예 중에서 상기 S251 단계를 통해 M-면 사파이어 기판(11)에 대하여 수평 방향으로 형성된 나노 구조물을 개략적으로 나타낸 것이고, 도 5(b)는 해당 나노 구조물에 대한 SEM 이미지이다. 5 (a) schematically shows a nanostructure formed in a horizontal direction with respect to an M-plane sapphire substrate 11 through the step S251 in one embodiment of the present invention, and FIG. 5 (b) Is an SEM image.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 구조물 성장 방법을 도시한 것이다.FIG. 6 illustrates a method of growing a nanostructure according to another embodiment of the present invention.

본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 구조물을 성장시키기 위한 방법은, M-면 사파이어 기판(11) 상부에 GaN 박막층(12)을 형성하는 단계(S610), 상기 GaN 박막층(12) 상부에 나노 마스크층(13)을 형성하는 단계(S620), 패터닝 공정을 통해 상기 나노 마스크층(13)을 식각하여 상기 GaN 박막층(12)을 선택적으로 노출시키는 단계(S630), 상기 GaN 박막층(12)의 노출된 부분에 다중면 구조의 화합물 핵(14)을 형성하는 단계(S640), 상기 화합물 핵(14)을 기초로 상기 GaN 박막층(12) 표면으로부터 수직 방향으로 소정의 각도를 이루는 나노 구조물(151, 152)을 형성하는 단계(S651, S652)를 포함할 수 있다.A method for growing a nanostructure according to another embodiment of the present invention includes forming a GaN thin film layer 12 on an M-plane sapphire substrate 11 (S610), forming a nanomask (not shown) on the GaN thin film layer 12 A step of forming a layer 13 on the GaN layer 12 by selectively etching the GaN layer 12 by etching the nanomask layer 13 through a patterning process S630, (S640), forming nano structures (151, 152) having a predetermined angle in the vertical direction from the surface of the GaN thin film layer (12) based on the compound nuclei (14) 152 (S651, S652).

S610 단계에서는 M-면 사파이어 기판(11) 상부에 GaN 박막층(12)을 형성한다.In step S610, a GaN thin film layer 12 is formed on the M-plane sapphire substrate 11.

상기 GaN 박막층(12)의 결정면의 방향에 따른 극성의 종류(10-10(비극성) 또는 10-13(반극성) 등) 등의 조건에 따라 형성되는 나노 구조물(151, 152)의 형태, 구조 및 기판과 이루는 각도 범위가 달라질 수 있다. 구체적으로, 상기 GaN 박막층(12)의 결정면이 10-10(비극성)이 되도록 성장시키기 위해서는 온도 약 900 ~ 1100℃에 도달하자마자 GaN 박막층 성장과정을 수행하고, 결정면이 10-13(반극성)이 되도록 성장시키기 위해서는 온도 약 900 ~ 1100℃에 도달한 뒤 해당 온도를 5 ~ 10분 정도 유지시킨 후에 GaN 박막층 성장과정을 수행하여 각각 형성시킬 수 있다. 이는 상기 M-면 사파이어 기판(11) 표면이 고온에서 표면에너지가 변화되기 때문이다.The shape and structure of the nanostructures 151 and 152 formed according to the conditions such as the kind of the polarity (10-10 (nonpolar) or 10-13 (semi-polar)) according to the direction of the crystal face of the GaN thin film layer 12, And the angle range with the substrate can be varied. Specifically, in order to grow the GaN thin film layer 12 to have a crystal plane of 10 to 10 (non-polar), the growth process of the GaN thin film layer is performed at a temperature of about 900 to 1100 ° C., In order to grow the GaN thin film layer, the GaN thin film layer may be grown by maintaining the temperature at about 900 to 1100 ° C for about 5 to 10 minutes. This is because the surface energy of the surface of the M-plane sapphire substrate 11 is changed at a high temperature.

상기 GaN 박막층(12)의 결정면 방향이 10-10(비극성)인 경우에는 상기 나노 구조물(151)은 상기 GaN 박막층(12) 표면에 대하여 수평 방향으로 성장하며, 그 단면은 상기 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이 사다리꼴 형태로 성장할 수 있다.When the crystal plane direction of the GaN thin film layer 12 is 10-10 (non-polar), the nanostructure 151 grows in a horizontal direction with respect to the surface of the GaN thin film layer 12, As you can see, it can grow into a trapezoidal shape.

상기 GaN 박막층(12)의 결정면 방향이 10-13(반극성)인 경우에는 상기 나노 구조물(152)은 상기 GaN 박막층(12) 표면으로부터 수직 방향으로 제1 각도 범위에서 성장할 수 있다.When the crystal plane direction of the GaN thin film layer 12 is 10-13 (semi-polar), the nanostructure 152 may grow in a first angle range from the surface of the GaN thin film layer 12 in the vertical direction.

S620 단계는 상기 GaN 박막층(12) 상부에 나노 마스크층(13)을 형성하는 과정으로서, 상기 S110 단계와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.Step S620 is a process of forming the nano-mask layer 13 on the GaN thin film layer 12, which is the same as step S110, and thus a detailed description thereof will be omitted.

S630 단계는 상기 나노 마스크층(13)에 대하여 패터닝 및 식각 공정을 수행하여 상기 GaN 박막층(12)을 선택적으로 노출시키는 과정으로서, 상기 S120 단계와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.In operation S630, the nanomask layer 13 is patterned and etched to selectively expose the GaN thin film layer 12, which is the same as in operation S120.

S640 단계는 상기 GaN 박막층(12)이 노출된 부분에 다중면 구조의 화합물 핵(14)을 성장시키는 과정으로서, 상기 S130 단계와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.In step S640, a compound nucleus 14 having a multi-facet structure is grown on the exposed part of the GaN thin film layer 12. Since the compound nucleus 14 is the same as the step S130, detailed description will be omitted.

S651 단계 및 S652 단계는 상기 화합물 핵(14)으로부터 나노 구조물(151, 152)을 성장시키는 과정으로서, 상기 S251 단계 및 S252 단계와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다. 상기 GaN 박막층(12)의 결정면 방향이 10-10(비극성)이면 S651 단계로 진행될 수 있고, 상기 GaN 박막층(12)의 결정면 방향이 10-13(반극성)이면 S652 단계로 진행될 수 있다.Step S651 and step S652 are the same as steps S251 and S252 for growing the nanostructures 151 and 152 from the compound nucleus 14, and therefore detailed description thereof will be omitted. If the crystal plane direction of the GaN thin film layer 12 is 10-10 (non-polar), the process may proceed to step S651. If the crystal plane direction of the GaN thin film layer 12 is 10-13 (semi-polar), the process may proceed to step S652.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노 구조물 성장 방법에서 질화 처리 단계를 더 포함하여, 나노 구조물(15)을 형성하는 방법을 도시한 것이다.FIG. 7 illustrates a method of forming a nanostructure 15 by further including a nitriding process in a nanostructure growth method according to another embodiment of the present invention.

M-면 사파이어 기판(11) 표면을 NH3 가스로 질화 처리하여 상기 M-면 사파이어 기판(11) 표면에 R-면 요철구조(도 3 참조)를 형성하는 단계(S710), 상기 M-면 사파이어 기판(11) 상부에 GaN 박막층(12)을 형성하는 단계(S710), 상기 GaN 박막층(12) 상부에 나노 마스크층(13)을 형성하는 단계(S720), 패터닝 공정을 통해 상기 나노 마스크층(13)을 식각하여 상기 GaN 박막층(12)을 선택적으로 노출시키는 단계(S730), 상기 GaN 박막층(12)의 노출된 부분에 다중면 구조의 화합물 핵(14)을 형성하는 단계(S740), 상기 화합물 핵(14)을 기초로 상기 GaN 박막층(12) 표면으로부터 수직 방향으로 소정의 각도를 이루는 나노 구조물(15)을 형성하는 단계(S750)를 포함할 수 있다.(S710) of nitriding the surface of the M-plane sapphire substrate 11 with NH 3 gas to form an R-plane concave-convex structure (see FIG. 3) on the surface of the M-plane sapphire substrate 11 A step S710 of forming a GaN thin film layer 12 on the sapphire substrate 11 and a step of forming a nanomask layer 13 on the GaN thin film layer S720, A step S730 of selectively etching the GaN thin film layer 12 by etching the GaN thin film layer 13 to form a compound nucleus 14 having a multi-plane structure on the exposed portion of the GaN thin film layer 12, And forming a nanostructure 15 having a predetermined angle in the vertical direction from the surface of the GaN thin film layer 12 based on the compound nucleus 14 (S750).

S710 단계에서는 고온에서 NH3 가스를 이용한 질화 처리를 통하여 상기 M-면 사파이어 기판(11) 표면을 R-면 요철구조로 개질하는 과정으로서, 상기 S210 단계와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.In step S710, as the process of surface R- M- surface of sapphire substrate 11, the surface modification to the concave-convex structure through the nitriding treatment using NH 3 gas at a high temperature, the same as the step S210, so a detailed description thereof will be omitted.

S720 단계에서는 상기 M-면 사파이어 기판(11) 상부에 GaN 박막층(12)을 형성하는 과정으로서, 상기 S610 단계와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다. 다만, 상기 GaN 박막층(12)은 S610 단계에서 형성된 결정면 방향이 10-10 또는 10-13인 GaN 박막층(12)과 달리 S720 단계에서 형성되는 질화 처리의 효과로 GaN 박막층(12)은 11-22(반극성)의 결정면을 가진다.In step S720, a GaN thin film layer 12 is formed on the M-plane sapphire substrate 11, which is the same as the step S610, and thus a detailed description thereof will be omitted. Unlike the GaN thin film layer 12 having a crystal plane direction of 10 < -10 > or 10 < -13 > formed in the step S610, the GaN thin film layer 12 is formed by the nitriding process formed in the step S720, (Semi-polar).

S730 단계 내지 S760 단계는 각각 상기 S620 단계 내지 S652(또는 S651) 단계와 동일하므로, 자세한 설명은 생략한다. 다만, 상기 GaN 박막층의 결정면 방향(11-22)에 의하여 S760 단계에서 형성되는 나노 구조물(15)은 상기 GaN 박막층(12)으로부터 수직 방향으로 제2 각도 범위로 성장한다.Steps S730 to S760 are the same as steps S620 to S652 (or S651), respectively, and thus detailed description thereof will be omitted. However, the nanostructure 15 formed in step S760 by the crystal plane direction 11-22 of the GaN thin film layer grows in the second angle range from the GaN thin film layer 12 in the vertical direction.

도 8은 R-면 사파이어 기판 표면에 대하여 수평 방향으로 형성된 나노 구조물을 도시한 것이다.8 shows a nanostructure formed in a horizontal direction with respect to the surface of the R-plane sapphire substrate.

도 8(a)는 사파이어 기판에 대하여 수평 방향으로 형성된 나노 구조물의 개략적으로 나타낸 것이고, 도 8(b)는 해당 나노 구조물에 대한 SEM 이미지이다.FIG. 8A is a schematic view of a nanostructure formed in a horizontal direction with respect to a sapphire substrate, and FIG. 8B is a SEM image of the nanostructure.

R-면 사파이어 기판 표면에 대하여 수평 방향으로 나노 구조물을 형성하는 방법으로서, R-면 사파이어 기판 상부에 나노 마스크층을 형성하는 단계, 패터닝 공정을 통해 상기 나노 마스크층을 식각하여 상기 R-면 사파이어 기판을 선택적으로 노출시키는 단계, 상기 R-면 사파이어 기판의 노출된 부분에 다중면 구조의 화합물 핵을 형성하는 단계, 상기 화합물 핵으로부터 상기 R-면 사파이어 기판 표면에 대하여 수평 방향으로 나노 구조물을 형성하는 단계를 포함할 수 있는 것으로서, 이상에서 살펴본 M-면 사파이어 기판을 이용하여 나노 구조물을 형성하는 방법과 동일하다. 다만, 도 8(a) 또는 도 8(b)에서 볼 수 있는 바와 같이 나노 구조물은 그 단면의 상부가 뾰족한 삼각형 형태로 성장될 수 있다.A method for forming a nano structure in a horizontal direction with respect to a surface of an R-plane sapphire substrate, comprising the steps of: forming a nano-mask layer on an R-plane sapphire substrate; etching the nano-mask layer through a patterning process, Forming a compound nucleus having a multi-faced structure on the exposed portion of the R-plane sapphire substrate, forming a nanostructure in a horizontal direction with respect to the surface of the R-plane sapphire substrate from the compound nucleus, And a method of forming a nanostructure using the above-described M-plane sapphire substrate. However, as can be seen from FIG. 8 (a) or FIG. 8 (b), the nanostructure can be grown in a triangular shape having a sharp top on its cross section.

도 9는 본 발명에 따라 성장된 나노 구조물의 응용 방법을 예시한 것이다.FIG. 9 illustrates a method of applying nanostructures grown according to the present invention.

도 9(a) 또는 도 9(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따라 성장된 나노 구조물은 그 상부에 고품질 반도체 층을 형성하여, 다양한 광소자 또는 전자 소자에 활용할 수도 있다.As shown in FIG. 9 (a) or FIG. 9 (b), the nanostructure grown according to the present invention may be formed on a high-quality semiconductor layer to be used for various optical devices or electronic devices.

또한, 도 9(c)에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명에 따라 사파이어 기판 또는 GaN 박막층에 대하여 수평 성장된 나노 구조물을 트랜지스터 제작에 활용할 수도 있다.Further, as shown in FIG. 9 (c), a nanostructure grown horizontally on the sapphire substrate or the GaN thin film layer according to the present invention may be used for manufacturing a transistor.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The foregoing description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various changes and modifications may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments described in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention but to illustrate the present invention. The scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the scope of the present invention.

11: M-면 사파이어 기판
12: GaN 박막층
13: 나노 마스크층
14: 화합물 핵
15: 기판으로부터 수직 방향으로 제1 각도로 형성된 나노 구조물
151: 기판에 대하여 수평 방향으로 형성된 나노 구조물
152: 기판으로부터 수직 방향으로 제2 각도로 형성된 나노 구조물
11: M-plane sapphire substrate
12: GaN thin film layer
13: Nano mask layer
14: compound nuclei
15: a nanostructure formed at a first angle in the vertical direction from the substrate
151: a nano structure formed in a horizontal direction with respect to a substrate
152: nano structure formed at a second angle in the vertical direction from the substrate

Claims (11)

M-면 사파이어 기판 표면을 NH3 가스로 질화 처리하여 상기 M-면 사파이어 기판 표면에 R-면 요철구조를 형성하는 단계;
상기 M-면 사파이어 기판 상부에 나노 마스크층을 형성하는 단계;
패터닝 공정을 통해 상기 나노 마스크층을 식각하여 상기 M-면 사파이어 기판을 단위 크기가 1㎛ 내지 10㎛ 범위로 노출시키는 단계;
상기 M-면 사파이어 기판의 노출된 부분에 다중면 구조의 화합물 핵을 형성하는 단계; 및
상기 화합물 핵을 기초로 상기 M-면 사파이어 기판 표면에 대하여 수평 방향으로 나노 구조물을 형성하는 단계;
를 포함하여, 상기 나노 구조물의 단면은 사다리꼴 형태인 것을 특징으로 하는 무촉매 방식 나노 구조물 성장 방법.
Nitriding the surface of the M-plane sapphire substrate with NH 3 gas to form an R-plane concave-convex structure on the surface of the M-plane sapphire substrate;
Forming a nanomask layer on the M-plane sapphire substrate;
Etching the nanomask layer through a patterning process to expose the M-plane sapphire substrate with a unit size ranging from 1 탆 to 10 탆;
Forming a multi-faceted structure of compound nuclei in the exposed portions of the M-plane sapphire substrate; And
Forming a nanostructure in a horizontal direction on the surface of the M-plane sapphire substrate based on the compound nucleus;
Wherein the cross-section of the nanostructure is a trapezoidal shape.
삭제delete 삭제delete 삭제delete M-면 사파이어 기판 표면을 NH3 가스로 질화 처리하여 상기 M-면 사파이어 기판 표면에 R-면 요철구조를 형성하는 단계;
상기 M-면 사파이어 기판 상부에 나노 마스크층을 형성하는 단계;
패터닝 공정을 통해 상기 나노 마스크층을 식각하여 상기 M-면 사파이어 기판을 단위 크기가 10nm 내지 1000nm 범위로 노출시키는 단계;
상기 M-면 사파이어 기판의 노출된 부분에 다중면 구조의 화합물 핵을 형성하는 단계; 및
상기 화합물 핵을 기초로 상기 M-면 사파이어 기판 표면으로부터 수직방향으로 28도 내지 35도를 이루는 나노 구조물을 형성하는 단계;
를 포함하여, 상기 나노 구조물의 형상은 나노 막대형상인 것을 특징으로 하는 무촉매 나노 구조물 성장방법.
Nitriding the surface of the M-plane sapphire substrate with NH 3 gas to form an R-plane concave-convex structure on the surface of the M-plane sapphire substrate;
Forming a nanomask layer on the M-plane sapphire substrate;
Etching the nanomask layer through a patterning process to expose the M-plane sapphire substrate with a unit size ranging from 10 nm to 1000 nm;
Forming a multi-faceted structure of compound nuclei in the exposed portions of the M-plane sapphire substrate; And
Forming nanostructures in the vertical direction from 28 degrees to 35 degrees from the surface of the M-plane sapphire substrate based on the compound nuclei;
Wherein the shape of the nanostructure is nanorodic. ≪ RTI ID = 0.0 > 8. < / RTI >
삭제delete M-면 사파이어 기판 상부에 GaN 박막층을 형성하는 단계;
상기 GaN 박막층 상부에 나노 마스크층을 형성하는 단계;
패터닝 공정을 통해 상기 나노 마스크층을 식각하여 상기 GaN 박막층을 선택적으로 노출시키는 단계;
상기 GaN 박막층의 노출된 부분에 다중면 구조의 화합물 핵을 형성하는 단계; 및
상기 화합물 핵으로부터 상기 GaN 박막층 표면으로부터 수직 방향으로 소정의 각도를 이루는 나노 구조물을 형성하는 단계;
를 포함하여,
상기 GaN 박막층이 반극성인 경우, 상기 소정의 각도는, 55도 내지 62도이며, 상기 GaN 박막층은 온도 900 내지 1100℃에 도달 후 상기 온도를 5 내지 10분간 유지시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 무촉매 방식 나노 구조물 성장 방법.
Forming a GaN thin film layer on the M-plane sapphire substrate;
Forming a nano-mask layer on the GaN thin film layer;
Etching the nanomask layer through a patterning process to selectively expose the GaN thin film layer;
Forming a multi-facetted compound nucleus in the exposed portion of the GaN thin film layer; And
Forming a nanostructure having a predetermined angle in the vertical direction from the surface of the GaN thin film layer from the compound nucleus;
Including,
Wherein the predetermined angle is in a range of 55 to 62 degrees when the GaN thin film layer is semi-polar and the temperature is maintained for 5 to 10 minutes after reaching a temperature of 900 to 1100 DEG C in the GaN thin film layer. Catalytic nanostructure growth method.
M-면 사파이어 기판 상부에 GaN 박막층을 형성하는 단계;
상기 GaN 박막층 상부에 나노 마스크층을 형성하는 단계;
패터닝 공정을 통해 상기 나노 마스크층을 식각하여 상기 GaN 박막층을 선택적으로 노출시키는 단계;
상기 GaN 박막층의 노출된 부분에 다중면 구조의 화합물 핵을 형성하는 단계; 및
상기 화합물 핵으로부터 상기 GaN 박막층 표면으로부터 수직 방향으로 소정의 각도를 이루는 나노 구조물을 형성하는 단계;
를 포함하여,
상기 GaN 박막층이 비극성인 경우,
상기 나노 구조물은, 상기 M-면 사파이어 기판 표면에 대하여 수평 방향으로 형성되고, 상기 나노 구조물의 단면은 사다리꼴 형태이며, 상기 GaN 박막층은 온도 900 내지 1100℃에 도달 시 형성되는 것을 특징으로 하는 무촉매 방식 나노 구조물 성장 방법.
Forming a GaN thin film layer on the M-plane sapphire substrate;
Forming a nano-mask layer on the GaN thin film layer;
Etching the nanomask layer through a patterning process to selectively expose the GaN thin film layer;
Forming a multi-facetted compound nucleus in the exposed portion of the GaN thin film layer; And
Forming a nanostructure having a predetermined angle in the vertical direction from the surface of the GaN thin film layer from the compound nucleus;
Including,
When the GaN thin film layer is non-polar,
Wherein the nanostructure is formed in a horizontal direction with respect to a surface of the M-plane sapphire substrate, the cross section of the nanostructure is in a trapezoidal shape, and the GaN thin film layer is formed when the temperature reaches 900 to 1100 ° C. Method for growing nanostructures.
M-면 사파이어 기판 상부에 GaN 박막층을 형성하는 단계;
상기 GaN 박막층 상부에 나노 마스크층을 형성하는 단계;
패터닝 공정을 통해 상기 나노 마스크층을 식각하여 상기 GaN 박막층을 선택적으로 노출시키는 단계;
상기 GaN 박막층의 노출된 부분에 다중면 구조의 화합물 핵을 형성하는 단계; 및
상기 화합물 핵으로부터 상기 GaN 박막층 표면으로부터 수직 방향으로 소정의 각도를 이루는 나노 구조물을 형성하는 단계;
를 포함하는 무촉매 방식 나노 구조물 성장 방법으로,
상기 방법은,
상기 GaN 박막층을 형성하기 전에, 상기 M-면 사파이어 기판 표면을 NH3 가스로 질화 처리하여 상기 M-면 사파이어 기판 표면에 R-면 요철구조를 형성하는 단계를 더 포함하며,
상기 GaN 박막층이 반극성인 경우,
상기 소정의 각도는, 28도 내지 35도이고, 상기 나노 구조물의 형상은 나노 막대형상이며, 상기 GaN 박막층은 온도 900 내지 1100℃에 도달 후 상기 온도를 5 내지 10분간 유지시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 무촉매 방식 나노 구조물 성장 방법.
Forming a GaN thin film layer on the M-plane sapphire substrate;
Forming a nano-mask layer on the GaN thin film layer;
Etching the nanomask layer through a patterning process to selectively expose the GaN thin film layer;
Forming a multi-facetted compound nucleus in the exposed portion of the GaN thin film layer; And
Forming a nanostructure having a predetermined angle in the vertical direction from the surface of the GaN thin film layer from the compound nucleus;
The method of growing nanostructures according to claim 1,
The method comprises:
Further comprising the step of nitriding the surface of the M-plane sapphire substrate with NH 3 gas to form an R-plane concavo-convex structure on the surface of the M-plane sapphire substrate before forming the GaN thin film layer,
When the GaN thin film layer is semi-polar,
Wherein the predetermined angle is from 28 degrees to 35 degrees and the nanostructure is in the form of nanorods and the GaN thin film layer is formed by maintaining the temperature for 5 to 10 minutes after reaching a temperature of 900 to 1100 DEG C A method for growing a nanostructure without catalyst.
삭제delete 제1항, 제5항 및 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항의 방법에 의하여 제조된 나노 구조물.A nanostructure produced by the method of any one of claims 1, 5 and 7 to 9.
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