Ex) Article Title, Author, Keywords
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New Phys.: Sae Mulli 2024; 74: 17-24
Published online January 31, 2024 https://doi.org/10.3938/NPSM.74.17
Copyright © New Physics: Sae Mulli.
Suhyun Mun1, Seonwoo Park1, Kyoung Hwa Kim1*, Injun Jeon2,3, Hyung Soo Ahn1†, Min Yang1, Young Tea Chun1, Sam Nyung Yi1, Jae Hak Lee1,4, Chae Ryong Cho3, Yeon-Suk Jang5, Won Jae Lee5, Myeong-Cheol Shin6, Sang-Mo Koo6‡
1Department of Nano-Semiconductor Engineering, National Korea Maritime and Ocean University, Busan 49112, Korea
2Division of Energy Technology, Daegu Gyeongbuk Institute of Science & Technology, Daegu 42988, Korea
3Department of Nanoenergy Engineering, Pusan National University, Busan 46241, Korea
4LNBS Co., Ltd., Busan 48731, Korea
5Department of Advanced Materials Engineering, Dong-Eui University, Busan 47340, Korea
6Department of Electronic Materials Engineering, Kwangwoon University, Seoul 01897, Korea
Correspondence to:*kimkh@kmou.ac.kr
†ahnhs@kmou.ac.kr
‡smkoo@kw.ac.kr
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Hexagonal Si-AlN core-shell microcrystals were grown by the mixed-source hydride vapor phase method. In particular, it was found that the hexagonal Si-AlN core-shell microcrystals were grown by the role of the Al-based nanostructure. Since hexagonal Si has a quasi-direct bandgap energy and AlN also has a hexagonal wurtzite structure, it can open up new opportunities for power semiconductors or optoelectronic devices. In this paper, the hexagonal Si-AlN core-shell microcrystals grown were characterized using scanning electron microscopy (FE-SEM), EDS and HRTEM, and the growth mechanism is presented. Therefore, the hexagonal Si-AlN core-shell microcrystal is expected to be an example of a new method in the field of semiconductor growth.
Keywords: Al-based nanostructure, hexagonal Si, core-shell, mixed-source HVPE, TEM
육방정계 (hexagonal) Si-AlN 코어-쉘 (core-shell) 마이크로 결정을 혼합소스 수소화물기상법에 의해 성장하였다. 특히 육방정계 Si-AlN 코어-쉘 마이크로 결정은 Al 기반 나노구조 (Al-based nanostructure)를 기반으로 성장되는 것을 발견하였다. 육방정계 Si은 준 직접 밴드갭 (quasi-direct bandgap) 에너지를 가지며 AlN 또한 육각형 우르자이트 (wurtzite) 구조를 가지므로 전력반도체 혹은 광전소자에 대한 새로운 기회를 열 수 있다. 본 논문에서 성장된 육방정계 Si-AlN 코어-쉘 마이크로 결정은 주사전자현미경 (FE-SEM), EDS, 및 HRTEM을 사용하여 그 특성을 확인하였으며 성장 메커니즘을 제시한다. 따라서 육방정계 Si-AlN 코어-쉘 마이크로 결정은 반도체 성장 방법의 새로운 예가 될 것으로 기대한다.
Keywords: Al 기반 나노구조, 육방정계 실리콘, 코어-쉘, 혼합소스 수소화물기상법, 투과전자현미경
최근 GaP 혹은 GaAs 나노와이어 (nanowire)의 템플릿에서 결정 품질이 높은 코어-쉘 (core-shell) Si 혹은 Ge 나노와이어의 형태가 실현되고 있다[1-6]. 자연 입방체 상에서 Si 혹은 Ge결정은 간접적인 밴드갭 (indirect bandgap)을 갖지만, 육각형 상 (hexagonal phase)은 직접적인 밴드 갭 (direct bandgap)을 가질 것으로 예측되었기 때문이다[7-10].
반도체에서의 코어-쉘 구조는 나노 결정의 적층 및 나노 복합 반도체 형성으로부터 특성 변화를 유도할 수 있기에 임의의 재료에 의한 코어-쉘 결합 기술은 소자 응용에 매우 중요하다[11]. Nanonecklaces[12-17], CdS[18,19], CdSe-ZnS[20-22], TiO2-(MoO3)[23], CdSe-CdS[24,25], InAs[26], Ge-Si[27-30] 등의 연구에서는 다양한 구조의 코어-쉘에 의해 나노 물질의 안정성을 추구하고 있다. 이들 대부분의 코어-쉘 구조 형성은 코어를 기반으로 하여 쉘을 구성하는 원리를 보고하였다. 또한 나노 크기의 코어-쉘을 형성하여 독특한 물성을 나타내어, 다양한 산업 분야에 적용하고 있다.
본 논문에서는 기존의 코어-쉘 형성과는 다르게 쉘이 먼저 형성된 후 코어가 쉘을 대체하는 독특한 성장 메커니즘을 발견하였다. 이는 Al 기반 나노구조가 플라토-레일리 불안정성 원리 (Plateau Rayleigh instability, PRI)를 기반으로 하여 코어-쉘을 형성하는 데 매우 중요한 역할을 하였기 때문이다[31]. PRI는 거미줄에서 수증기를 흡수하여 물방울이 형성되는 현상이 예로서, 수 초 이내에 일련의 등거리 구형 방울구조를 빠르게 형성하는 원리이다. Mead-Hunter 등은 PRI를 전산 유체 역학 (computational fluid dynamics, CFD)에 사용하여 1D 나노 헤테로 구조에 대한 새로운 합성 패러다임을 입증하였다[32]. Day 등은 PRI를 반도체 물질의 결정 성장 과정에 적용하였고, 나노선의 두께를 자유롭게 조절하는데 성공하였다[33,34]. 한편 Chu 등은 PRI에 의한 성장을 고온으로 확장하고 SiC-SiO2 코어-쉘을 성장하였다[35]. 최근 Liu 등은 Ag 나노와이어의 다양한 나노 크기 및 마이크로 크기 금속 구조의 PRI 기반 형태 조작 능력을 제안하였다[36]. 그러나 대부분의 연구는 나노 현상에 국한 되어있으며 마이크로 크기의 결정 성장에 미치는 영향은 앞으로 많은 연구가 요구된다. 우리는 이러한 자연 현상에서 나노의 역할이 일반적인 마이크로 크기의 반도체 성장에 기여하는 새로운 패러다임을 제시한다.
2H-Si 반도체는 준 직접 밴드갭 혹은 직접 밴드갭을 가진다고 알려져 있다[37-39]. 우리는 이러한 2H-Si 반도체를 구현하기 위한 하나의 방법으로 Al 기반 나노구조 (Al-based nanostructure)를 제안하였다[40]. 여기서 우리는 단결정 표면에서의 에피택셜 박막 성장과는 다르게 별도의 기판 없이 Al 기반 나노구조에 의해 육방정계 Si 결정이 성장됨을 설명하였다. 본 논문에서는 이러한 Al 기반 나노구조가 표면에 Al을 흡수함으로써 형성된 AlN 막 (membrane)이 PRI에 기초하여 타원형 막 (elliptical membrane)이 되고, Si 분자를 흡수하는 과정에 의해 육방정계 Si-AlN 코어-쉘 마이크로결정이 형성되는 과정을 설명한다. 또한 기존의 코어-쉘 형성과는 다르게 쉘이 형성된 후 코어가 형성되는 메커니즘을 보고한다.
AlN 나노와이어 성장에는 혼합소스 수소화물기상법 (mixed-source hydride vapor phase epitaxy, HVPE)이 사용되었다. 혼합소스 HVPE 방법에서는 하나의 보트 우물에 모든 금속 원료를 혼합하여 결정을 성장한다[41, 42]. HVPE 장비는 3개의 고온 구역 가열로 (
Figure 1은 Si-AlN 코어-쉘 형성 과정을 전계방출형 주사전자현미경으로 측정한 것이다. 혼합소스 HVPE에는 금속 Al 20 g과 Ga 5 g 그리고 Si 30 g이 혼합되어 있다. Figure 1(a)는 약 6 개의 타원형 막이 형성되어 있는 Al 기반 나노구조를 보여준다. Al 기반 나노구조의 표면 전체에 생성되었던 AlN 막은 PRI 원리를 기반으로 하여 표면장력을 감소시키는 방향으로 형태를 조정하게 되기 때문에 1.8 μm - 5.0 μm 정도의 간격을 가지는 타원형 AlN 막으로 분리된다. 타원형 AlN 막의 간격은 Al 기반 나노구조의 위치에 따라 다소 변화는 있지만 거의 일정한 간격으로 형성된다[32-36]. 따라서 평균 4.5 μm의 등 간격으로 형성되는 타원형의 AlN 막은 수 초 이내에 일련의 등거리 구형 방울구조를 빠르게 형성하는 원리인 PRI에 의해 형성된 것이 분명하다. Al 기반 나노구조의 표면에 형성된 타원형 막은 반 투명 막으로, 폭은 1.5 μm 정도로 관측되었다 (Fig. 1(b)). 타원형 막은 특정 분자나 이온이 투과되어 분위기 분자를 흡수할 수 있도록 한다 (Fig. 1(c)). 또한 타원형 AlN 막은 Al 기반 나노구조를 중심으로 일정한 모서리 각도를 유지하고 있다. AlN 막은 Al 기반 나노구조 전체에 분포하면서 빠르게 타원형으로 분리되어 16.5° - 28.8° 정도의 모서리 각을 가진 타원형 AlN 막을 구성하는 것으로 관측되었다. 이는 Zheng 등이 예측한 PRI 원리에 의한 물방울의 모서리 각인 19°의 값과 유사한 범위에 있음을 알 수 있다[43]. Figure 1(c)의 (c-1)-(c-4)은 EDS mapping 결과로서 Al (Fig. 1(c-1)), N (Fig. 1(c-2)), Si (Fig. 1(c-3)), Ga (Fig. 1(c-4))의 서로 다른 성분의 구성이 나타난다. 특히 Al 기반 나노구조가 AlN 성분임을 알 수 있으며 Si 구슬의 형성 또한 확인하였다. Ga의 역할은 Fig. 1(d), (e)에서 20 μm의 구슬 (Fig. 1(c) “A”)과 3.5 μm의 구슬 (Fig. 1(c) “B”)의 EDS 성분 비교로 판단할 수 있다. “A” 구슬은 Si이 88.9 at.% 이며 “B” 구슬은 Ga 성분이 97.7 at.% 이다. 이는 초기 단계의 구슬 형성에서 GaCl3에 의한 흡착이 발생하고 있기 때문임을 알 수 있다[44,45].
타원형 막의 생성은 NH3 주입시기로 결정된다. NH3 가스는 온도를 상승시키는 시점부터 성장 종료까지 지속적으로 주입하고, HCl 가스는 온도가 1250 °C 로 안정되었을 때 주입하여 성장을 마치면 타원형 막은 발견되지 않는다. 이 경우에는 초기에 AlN 구슬이 형성되어 AlN-AlN 코어-쉘 구조의 육각형 결정이 발견된다. 한편 성장 시작 후 NH3 가스 공급을 중단하면 Al 기반 나노구조의 표면에 잔류되어 있는 NH3 가스와 AlCl은 AlN 막을 형성하고 곧 바로 PRI에 의해 등 간격의 타원형 AlN 막을 만든다. 타원형 막은 NH3 가스의 공급을 중단한 뒤 HCl 주입 10-15분 후에 다량으로 찾을 수 있었다. 이는 전형적인 코어-쉘을 얻을 수 있는 방법이다. 보트내의 잔여 NH3 가스가 Al 기반 나노구조를 형성하고, 잔여 NH3 가스가 거의 소멸하면 AlCl은 더 이상 Al 기반 나노구조를 형성하지 않고 AlN 막을 형성하기 때문이다.
Figure 2는 Si-AlN 코어-쉘 형성 과정의 메커니즘을 개략적으로 보여준다. 금속 Al 은 1250 °C에서 HCl과 NH3 가스와 반응하여, 폭은 수 십 nm에서 수 백 nm 정도이며 길이는 최대 수 mm 정도인 Al 기반 나노구조를 형성한다 (Fig. 2(a)). Ga은 HCl과의 반응으로 GaCl3 화 되어 나노와이어의 형성에 기여하며 나노와이어의 표면에서 흡착되어 AlN 막의 형성에 기여하고 원재료인 Si을 녹여 HCl과 잘 반응하게 하는 역할을 한다 (Fig. 2(b)). Al 기반 나노구조는 AlCl과 NH3 가스가 주로 반응하여 형성되기 때문에 AlN 계열의 우르자이트 (wurtzite) 구조이다 (Fig. 2(c)). 혼합소스 HVPE는 별도의 소스를 공급하지 않는 방법으로 AlCl의 양이 급격히 감소하면 Al 기반 나노구조가 완전한 AlN 나노와이어로 형성되지 않고 속이 비어 있는 (hollow) 매우 불안정한 형태의 상태를 유지한다. 성장 시작 후 10 분이 경과하여 NH3 가스의 공급을 중단하면, Al 기반 나노구조의 표면에 잔류 되어 있는 NH3 가스와 AlCl은 AlN 막을 형성하고 곧 바로 PRI에 의해 등 간격의 타원형 AlN 막을 만든다 (Fig. 2(d)). 동시에 SiCln 은 AlN 막과 타원형 AlN 막 내로 흡착된다 (Fig. 2(e)). 이때 혼합소스 HVPE는 소스를 공급하지 않으므로 AlCl의 양이 급격히 감소하여 Si 구슬은 커지고 막은 두꺼워지면서 기존의 Al 기반 나노구조와 합성되어 AlN 쉘로 발전한다 (Fig. 2(f)). Figure 2(g)는 Al 기반 나노구조에 Si 구슬이 만들어지면서 GaCl3에 의해 뭉쳐지는 현상을 나타내었다. 일정한 간격으로 뭉쳐진 Si 구슬은 (Fig. 2(g) “B”) 외부의 AlN 쉘이 형성된 후 내부의 Si 코어를 채우는 소스로 작용한다. 이후 Al 기반 나노구조는 AlN 쉘로 진행되고 내부의 빈 공간은 Si 코어로 채워져 Si-AlN 코어-쉘이 성장된다 (Fig. 2(h)). Si-AlN 코어-쉘은 50 μm 정도의 구슬을 가진다.
Figure 3은 V/III 비와 코어/마이크로 결정 폭의 비를 나타낸 그림이다. 본 연구에서는 NH3와 SiCln을 V/III 비로 설정하여 성장된 마이크로 결정의 전체 폭과 코어의 비를 V/III 비에 따라 나타내었다. 이는 코어가 쉘을 완전히 채우는 데 필요한 공정 조건으로, V/III 비가 커지면 코어/마이크로 결정 폭의 비가 작아지고 코어의 폭이 작다는 것을 의미한다. 반대로 V/III 비가 작으면 코어가 커진다는 것을 나타내며 완전히 코어만 있을 경우에는 코어/마이크로 결정 폭의 비가 1의 값을 나타낸다. 따라서 V/III 비에 따라 코어와 쉘의 공정 조건을 예측할 수 있다.
Figure 4는 Al 기반 나노구조 및 막의 에너지 분산 X선 분광기 스펙트럼의 결과이다. Figure 4(a)에서 폭 250 nm의 Al 기반 나노구조와 폭 680 nm, 길이 1200 nm의 타원형 막을 측정하였다. “S72” 지점의 성분 분석에서는 Al 성분만 측정되었다. 마찬가지로 “S73” 지점에서도 Al 성분이 100 At% 로 분석되었다 (Fig. 4(b)). 이는 Al 기반 나노구조 및 막은 Al으로 구성된 것을 보여주고 있다. 그러나 실제 EDS mapping 결과 (Fig. 1(c))에서는 N 성분도 함께 검출되기 때문에 Al 기반 나노구조와 타원형 막은 AlN 계열이라고 판단된다. Figure 4(c)는 타원형 막 내에서 흡착된 430 nm 구슬의 EDS mapping 결과로, Si 성분으로 구성된 구슬 모양이 관측되었다 (Fig. 4(d)). Figure 4(e)는 구슬 하나의 EDS line scanning profile로서 Al 성분과 Si 성분이 극적으로 변화하는 것을 보여준다. 따라서 Al 기반 나노구조와 막은 반응관 내에서 주요 분위기 분자인 Si을 흡수하며 Si-AlN 코어-쉘을 형성하는 매우 중요한 역할을 하고 있음을 알 수 있다.
본 논문에서는 Si-AlN 코어-쉘 성장이 일반적인 코어-쉘 형성과는 다르게 쉘 형성 후 코어가 채워지는 현상을 발견하였다[18-30]. Figure 5는 Si-AlN 코어-쉘 형성의 과정을 보여준다. Figure 5(a)는 아직 채워지지 않았지만 코어가 성장되기 시작된 쉘을 측정한 것이다. 코어는 쉘 내부로 흡수된 원소들에 의해
Figure 6은 Si-AlN 코어-쉘의 성장 메커니즘을 개략적으로 나타내었다. 먼저 성장 온도 1250 °C에서 AlCl과 NH3에 의해 Al 기반 나노구조들이 형성된다 (Fig. 6(a)). NH3의 공급중단으로 Al 기반 나노구조에는 AlCl에 의한 AlN 막이 형성되고 PRI 원리에 의해 등 간격의 타원 막이 형성된다. 타원 막은 SiCln을 흡수하여 구슬을 만든다 (Fig. 6(b)). 이와 동시에 Al 기반 나노구조는 육방정계 쉘 형태의 몸체 역할을 한다 (Fig. 6(c)). Al 기반 나노구조 내부로 흡수된 Si 분자들은 내부에서 결정을 이루게 되며 (Fig. 6(d)) 부족한 소스들은 구슬에서 소스를 공급받아 (Fig. 6(e)) 완전한 형태의 Si-AlN 코어-쉘이 성장된다 (Fig. 6(f)). Figure 6(g)에서 가장 이상적인 Si-AlN 코어-쉘을 확인할 수 있다.
Figure 7은 Al 기반 나노구조의 고해상도 투과 전자 현미경 이미지를 보여준다. Figure 7(a)는 폭이 327 nm의 Al 기반 나노구조를 측정하였으며, 양쪽에 구슬이 형성되어 있다. Figure 7(b)는 Fig. 7(a)의 “A”부분을 확대한 이미지이며, Al 기반 나노구조는 속이 비어있는 구조를 가지고 있다. 이는 일반적인 나노 튜브의 형성방법과는 다르게 AlCl의 양이 급격히 감소하면 Al 기반 나노구조가 완전한 AlN 나노와이어로 발전되지 못하여 발생된 것이다[44,45]. “A”부분의 고속 푸리에 역변환 상 (inverse fast Fourier transform image, IFFT)에서 성장 방향인
혼합소스 수소화물기상법을 통하여 Al 기반 나노구조에 의한 육방정계 Si-AlN 코어-쉘 결정을 성장하였다. Al 기반 나노구조 표면의 AlN 막은 PRI 원리에 의해 분리되며 타원형의 막은 Si 분자의 흡착에 기여하여 육방정계 Si-AlN 코어-쉘 결정이 성장되었음을 관측하였다. FE-SEM 이미지로부터 Si-AlN 코어-쉘 결정은 일반적인 코어-쉘 형성과는 다르게 쉘 형성 후 코어가 형성되는 성장 메커니즘이 있음을 발견하였다. 또한 HRTEM 측정으로부터 육방정계의 원자 구조를 확인하였으며 EDS 측정을 통해 성장된 Si-AlN 코어-쉘 결정의 성분이 뚜렷하게 구분됨을 알 수 있었다. Al 기반 나노구조의 형성과정 메커니즘의 해석에 의해 Si-AlN 코어-쉘 마이크로 결정의 성장 뿐만 아니라 다양한 소재의 코어를 가지는 이종 접합의 코어-쉘 마이크로 결정의 성장으로 확장이 가능할 것으로 예상되며, 이 방법으로 성장된 Si-AlN 코어-쉘 결정은 반도체 성장 분야의 새로운 예가 될 것으로 기대한다.
이 논문은 2022년 정부(산업통상자원부) 및 한국산업기술평가관리원의 지원을 받아 수행되었으며 (RS-2022-00154720, Si-on-SiC 구조기반 차세대전력반도체개발), 2021년 정부(산업통상자원부)의 재원으로 한국산업기술진흥원의 지원을 받아 수행되었습니다 (P0012451, 2021년 산업전문인력역량강화사업).