나노 융합 소자 및 소재 연구실의 ‘반도체 나노선 소자’ 연구
나노 융합 소자 및 소재 연구실의 ‘반도체 나노선 소자’ 연구
  • 이현승 / 신소재 통합과정(나노
  • 승인 2008.11.26 00:00
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저차원 나노구조를 통해 구현되는 차세대 융합 소자
▲ 반도체 나노선의 합성과 이를 통한 전자소자, 광소자, 광전자소자로의 응용
나노과학 또는 나노기술이라는 말은 공학도나 과학자가 아닌 일반인에게도 전혀 어색하지 않은 대중적인 용어가 되었다. 특정 용어의 생성과 소멸은 그 시대의 사회상을 반영한다고 할 때, 짧은 기간에 대중적인 인지도가 부여된 나노과학이 현재 얼마나 많은 각광을 받고 있고, 빠른 발전을 이루고 있는 학문인지를 미루어 짐작할 수 있다. 나노미터 크기(10-9m)의 초미시 세계를 다루는 학문인 나노과학은 그 등장부터 커다란 주목을 끌며 시작되었고, 현재는 21세기를 지배할 핵심기술로 여겨지고 있다. 실제로 첨단 분야의 거의 모든 곳이 나노과학과 관련되어 있고, 나노 관련 학술논문의 숫자나 관련 특허의 증가율은 해를 거듭하며 높아지고 있다. 이러한 집중적인 관심과 노력의 결실로 나노과학은 빠른 성장을 이루어가고 있고, 초기 단계에서는 50년 이내에 불가능하리라 여겨졌던 원자분자 단위의 물질계를 임의로 조작하여 나노 크기의 소재와 소자를 연구하는 기술이 기초연구 단계에서 이루어지고 있으며, 특히 에너지기술 또는 바이오기술과의 융합연구 등은 실제 응용에 관한 연구도 활발히 진행되고 있는 실정이다. 신소재공학과 조문호 교수의 나노 융합 소자 및 소재 연구실에서는 다양한 저차원의 나노소재 중에서도 주로 Si과 Ge을 기반으로 한 반도체 나노선을 합성하고, 이러한 물질의 소자화를 통해 물리적 특성을 연구하며, 더 나아가 이를 전자소자(Electronics)광소자(Photonics)광전자소자(Optoelectronics)에너지기술( ET)바이오기술(BT)에너지기술 등에 응용하고자 하고 있다. 나노선(nanowire)은 지름이 수 나노미터 내지 수백 나노미터인 가늘고 긴 선 구조물이며, 2006년 <네이처>가 ‘물리학에서 주목 받는 5개 분야’ 중 하나로 선정했을 정도로 세계적으로 각광받는 연구 분야이다. 현재 나노 융합 소자 및 소재 연구실에서는 SiGe과 같은 4족 반도체 나노선, 실리사이드 계열의 금속성 나노선 등 고품질의 다양한 나노선을 합성하고 있으며, 성장과정에서의 공정 변수 조절을 통해 나노선의 형상과 조성을 자유롭게 제어하는 기술을 보유하고 있다. 4족 반도체의 경우 일반적으로 촉매 화학기상증착법(catalyst-assisted chemical vapor deposition)을 사용하고 있다. 촉매로 쓰는 나노 사이즈의 금속을 일정한 열역학적인 조건 하에서 액상으로 만들고 나노 와이어로 성장시키고 싶은 물질을 포함한 기체를 흘려주면 액상 촉매에 과포화된 물질이 고체상태로 길게 자라나게 된다. 또한 최근에는 새로운 비촉매 화학 기상법을 통해 NiSi 나노선을 성공적으로 합성하여 세계적 학술지인 <나노레터스>와 <어드밴스드 머티리얼즈>에 다수의 연작으로 발표한 바 있다. 이렇게 합성된 나노선의 물리적 특성을 연구하기 위하여 단일 나노선을 채널로 이용한 전계효과 트랜지스터를 제작하고 그 전기적 특성을 분석한다. 전계효과 트랜지스터는 전기신호의 증폭 및 스위칭 작용을 하는 데 세 개의 전극으로 구성되어 있다. 두 전극은 전자를 주고받는 역할을 하고, 또 다른 하나의 전극은 전계효과를 이용하여 이러한 전자의 흐름을 제어하는 역할을 한다. 나노선의 성장과정에서 나노선을 도핑시키면 n형 또는 p형의 채널을 갖는 전계효과 트랜지스터를 제작할 수 있다. 길이방향 또는 둘레방향으로 조성이 바뀌는 이종복합구조의 나노선을 합성하고 이를 이용하여 제작한 나노선 트랜지스터의 특성을 분석하면 단일 나노선을 이용한 p-n 다이오드, 양자점이 나노선 내부에 포함된 구조의 양자 소자의 제작도 가능하다. 또한 나노선 트랜지스터에 빛을 쪼여주었을 때 발생하는 광전류(photocurrent)나 전류를 흘려주었을 때 방출되는 광자의 관찰 등을 통하여 단일 나노선 구조에서의 광학적 특성에 대해서도 알아볼 수 있다. 아직까지 단일 나노결정에 기반을 둔 전기적 발광소자는 구현되지 않았기 때문에, 단일 나노선에서의 전하 이동과 광자 방출 사이의 관계에 대한 기초적인 이해가 부족한 실정이다. 이에 본 연구실에서는 주사광학현미경(Scanning optical microscope)을 이용하는 나노선 광전특성 분석 시스템을 구성하여 국부적인 빛 조명이 단일 나노선의 광전기적 동작에 주는 영향을 연구하고 있다. 이와 같은 나노선 합성 및 단일 나노선의 특성과 관련한 연구 결과를 토대로, 본 연구실에서는 자기조립형 집적 SiGe 나노선 광전자 소자 기술의 개발을 목표로 하고 있다. 이 기술은 나노크기에서 일차원적인 구조를 가지는 SiGe 나노선의 정렬화된 구조를 기반으로 새로운 광전자 소자를 개발하는 것으로, 반도체 정보 소자 기술에 있어서 광전송에 의한 초고속 통신 소자 기술, 특히 발광소자의 개발에 실리콘 소재를 적용하는 가능성을 탐색하는 연구이다. 이를 위하여 결함이 거의 없는 단결정의 Si1-xGex(0≤x≤1) 반도체를 촉매 기상증착법을 이용하여 일차원 나노선 구조로 성공적으로 합성하고, 합성된 나노선의 조성 및 크기에 따른 광특성 변화를 연구하여 세계적 학술지인 <나노 레터스>에 결과를 발표한 바 있다. 이들이 가지는 Si과 Ge의 연속고용 효과와 추가적으로 저차원 나노구조에서만 발현되는 양자구속 효과를 이용하면 광범위한 에너지 영역에서 밴드갭 엔지니어링(band-gap engineering)이 가능하다. 이렇게 고품위 단결정의 나노선 구조로 합성된 SiGe을 광원 소재 물질로 도입하고 이를 기반으로 하는 다양한 형태의 저차원 이종접합 구조를 형성함으로써, 발생하는 광원의 에너지를 자외선부터 적외선까지 조절이 가능할 것이다. 특히 인위적인 발광 에너지의 조절은 장거리 광섬유 통신에 사용되는 1.3~1.5㎛ 파장의 광통신 기술에 직접적으로 집적될 수 있다. 이러한 집적화는 기존의 이종 집적화에 따른 광손실이나 칩과 광섬유간의 모드 불일치의 문제 해결에 근본적인 대안이 될 수 있다. 나아가 최근에는 하향식(top-down) 나노기술과 상향식(bottom-up) 나노기술의 융합을 통해 대면적 나노선 정렬구조 형성 공정을 개발하고 있다. 이러한 대면적의 정렬된 나노선 구조는 반도체 산업 부문에서뿐만 아니라 환경바이오의료 산업에서 고감도를 보이는 환경 유해 가스 센서 또는 질병 진단용 나노선 센서 등으로의 응용이 가능하며, 그 동안 무질서한 구조성장으로 인해 원천연구에만 제한되던 상향식 나노선 기술을 응용 측면에서 질적으로 발전시키는 계기가 될 것이다. 이에 본 연구실에서는 앞서 말한 전자공학적인 측면 외에도 다양한 분야와의 접목이 시도되고 있다. 용적 대비 표면적이 넓은 나노 와이어는 높은 반응성을 지니는데, 이를 기반으로 하는 전자소자는 바이오 분야와 접목하여 미세한 바이오 물질도 검출이 가능하다. 이를 이용하면 질병진단에 관련되는 암의 초기 진단 센서 등에 활용될 수 있으며, 이는 또한 소형화가 주는 이점으로 센서의 소형 경량화를 실현할 수 있다. 높은 용적 대비 비표면적은 또한 에너지 기술에 있어서 나노소재를 이용한 에너지 변화에도 활용될 수 있어, 태양전지나 연료전지 분야에 쓰이는 핵심소재에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있다. 21세기는 나노라는 미지의 세계를 개척하기 시작하면서 시작하였고, 나노과학의 발전과 함께 발전을 거듭해 나갈 것이다. 그리고 나노 융합 소자 및 소재 연구실은 나노과학 분야에 있어서 핵심이 되는 재료를 개발하고 그 특성을 연구하는 선구자로의 역할을 주도적으로 수행해 나갈 것이다.

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