연구 개요
현재 연세대학교 BLISS Lab을 이끄는 서정목 교수가 당시 연세대학교 전기전자공학부 나노바이오소자연구실(Nanobio Device Laboratory) 소속으로 공저자로 참여한 연구입니다. p+ 다결정 실리콘/실리콘-게르마늄/n+ 단결정 실리콘(Si/Si1−xGex/Si) PIN 이종접합 웨이퍼를 수용액 무전해 식각(AEE)으로 수직 정렬 나노와이어로 만들고, 나노와이어와 벌크 적층으로 각각 만든 포토다이오드를 비교했습니다. 역바이어스에서 나노와이어 포토다이오드의 암전류는 9.2 × 10⁻⁶ A로, 벌크 포토다이오드의 1.0 × 10⁻² A보다 낮았습니다.
연구 배경
Si1−xGex 나노와이어는 Si보다 운반자 이동도가 높고 광검출 범위가 적외선까지 넓어지는 장점이 있습니다. 기상-액상-고상 성장, 용액상 합성, 리소그래피 기반 식각 등 기존 제작법은 대체로 고온이나 고진공, 주형과 전용 장비가 필요하며, 얻은 나노와이어는 배향 불량, 도핑 농도 제어의 어려움, 정렬 불량 같은 문제를 보일 수 있습니다.
설계와 접근
AEE에서는 HF/AgNO3 용액에서 갈바닉 치환으로 생긴 은 나노입자가 반도체의 국부 산화를 촉매하고 HF가 산화물을 제거하며, 이 과정이 반복되면서 웨이퍼에 수직 나노와이어가 식각됩니다. 미리 도핑한 웨이퍼에서 나노와이어를 깎아 내고 추가 도펀트 확산 공정을 거치지 않으므로 원래의 도핑 분포가 유지됩니다. 출발 적층은 n+ Si (100) 웨이퍼 위에 초고진공 화학기상증착으로 550 °C에서 성장한 300 nm 두께의 경사 조성 Si1−xGex 층(x = 11.8, 16.8, 22.2, 16.8, 11.8%인 60 nm 층 다섯 개)과, 그 위에 600 °C 열 CVD로 성장한 100 nm 두께의 붕소 도핑 p형 다결정 Si 층(3 ± 0.3 × 10¹⁸ atoms/cm³)으로 구성했습니다. 나노와이어는 4.9 M HF와 0.03 M AgNO3 혼합 용액에서 60 °C, 10분 동안 식각했고, 은을 HNO3로 제거한 뒤 나노와이어를 포토레지스트로 고정하고 150 nm 두께의 인듐주석산화물(ITO) 상부 전극을 스퍼터링했습니다.
평가 방법
나노와이어 형태는 전계방출 주사전자현미경(FE-SEM)으로 관찰했고, Si1−xGex 층이 식각 후에도 남아 있는지는 벌크와 나노와이어 구조의 X선 회절(XRD)로 확인했습니다. 나노와이어 포토다이오드와 벌크 포토다이오드의 전류-전압 특성은 어두운 조건과 형광등 실내광(50 W) 조건에서 측정했습니다.
연구 내용과 주요 결과
나노와이어는 넓은 면적에서 수직으로 정렬되었고 길이는 약 5 μm로 균일했으며 지름은 100~150 nm였고, 건조 과정의 모세관 힘으로 끝부분이 다발을 이루었습니다. 벌크와 나노와이어 구조 모두 2θ = 68.48°, 68.68°, 68.94°(x = 22.2, 16.8, 11.8%)에서 세 개의 Si1−xGex (400) 피크를 보였고, 이는 수직 방향 격자상수 5.476, 5.462, 5.444 Å에 해당하며 같은 조성에 대해 베가드 법칙으로 계산한 5.48, 5.46, 5.45 Å와 잘 맞았습니다. 나노와이어의 피크는 막보다 약하고 넓었는데(반치폭 0.28°, 0.36°, 0.38°; 막은 0.2°, 0.28°, 0.32°), 저자들은 나노와이어 끝이 모여 있는 것을 원인으로 들었습니다.
두 소자 모두 정류 특성을 보였습니다. 벌크 포토다이오드의 온/오프 비는 1 × 10³, 순방향 전류는 1.0 × 10⁻² A였습니다. 역바이어스에서 암전류는 나노와이어 포토다이오드가 9.2 × 10⁻⁶ A, 벌크 포토다이오드가 1.0 × 10⁻² A였습니다. 초록은 이를 세 자릿수 감소로, 결론은 네 자릿수 감소로 서술하며, 저자들은 개선의 원인을 나노와이어 구조의 넓은 표면적으로 해석했습니다.
초록에 따르면 나노와이어 포토다이오드는 역바이어스에서 어두운 조건과 빛 조건의 오프 전류가 네 자릿수 차이를 보였습니다. 벌크 포토다이오드의 경우 초록은 두 전류의 차이가 한 자릿수 미만이라고 밝히고, 결과 절은 역바이어스가 커질수록 그 차이가 두 자릿수에서 약 수백 배로 줄었다고 서술합니다.
남은 과제
광응답은 형광등 실내광에서 측정했으며, 저자들은 이 나노와이어 포토다이오드를 파장 1.55 μm의 적외선 검출에 응용할 수 있다고 제시했으나 이 논문에서 시험하지는 않았습니다.
함께 읽을 연구
Coaxial silicon nanowires as solar cells and nanoelectronic power sources
관련 논문의 초록은 동축 실리콘 PIN 구조를 이용한 전력 생산을 다룹니다. 여기서 다룬 적층형 SiGe 광다이오드와는 접합 방향과 용도가 다릅니다.
초록을 참고한 소개해설에 사용한 자료
이 해설은 출판사 PDF 전문(실험, 그림 설명, 참고문헌 포함)을 바탕으로 작성했습니다. 논문에는 보충자료가 없으며, 본문에 적히지 않은 그림 패널 수치는 사용하지 않았습니다.