울산과학기술대학교 최경진 교수 공동 연구팀이 화합물 반도체(III-V 반도체) 나노선을 이용한 웨이퍼 스케일의 대면적 합성 기술을 세계 최초로 개발했다. 최경진 교수(기계 및 신소재공학)와 한국광기술원 신재철 박사팀이 공동으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하는 나노·소재기술개발사업의 지원을 받아 수행되었고, 나노분야의 세계적인 과학저널인 ≪ACS Nano≫ 5월 17일자 온라인 판에 게재됐다. 지난 2004년 MIT 선정 10대 유망기술에 선정된 바 있는 나노선(Nanowire)은 트랜지스터, 메모리, 센서 등 첨단 전기전자 소자를 개발하는 데 핵심적인 미래기술이다. 나노와이어는 절연체, 반도체, 금속, 폴리머 등 다양한 물질로 이루어진, 직경은 대략 수백에서 수 나노미터(1nm=10억분의 1m)이면서 길이는 수 마이크론 정도인 와이어 형태의 나노구조체이다. 1950년대에 처음으로 우연히 발견됐다가 1990년대 중반 나노과학 및 기술의 발달과 함께 재조명되어 현재까지 트랜지스터, 메모리, 센서 등 다양한 첨단 전기전자 소자로의 가능성이 확인된 핵심적 미래기술이다. 그러나 지금까지 반도체 나노와이어는 주로 금속나노입자를 촉매로 사용하는 Vapor-Liquid-Solid(VLS) 또는 나노패터닝에 기반을 둔 Selective-Area Epitaxy(SAE) 기법을 이용하여 합성하여 왔으나, 이 경우 금속촉매가 반도체의 특성을 떨어뜨리는 불순물로 작용하거나 고비용/장시간의 나노패터닝 공정으로 대면적 대량생산에는 근본적 한계가 있었다. 최경진 교수 공동 연구팀은 이를 극복하고자 실리콘 기판과 III-V 반도체 물질 사이의 격자상수 차이에서 발생하는 Strain을 이용하여 무촉매, 무패턴 방식으로 반도체 나노선을 성장하였다. 특히, 실리콘 기판의 표면처리 기술을 개발하여 화합물 반도체인 InAsP 나노선을 2인치 실리콘 웨이퍼 상에 균일하게 성장하는 기술을 세계 최초로 개발했다. 또한 무촉매, 무패턴 InAsP 반도체 나노선 대면적 합성기술을 기반으로 하여 세계 최고 수준의 나노선 태양전지 시현에도 성공했다. 울산과학기술대학교 기계 및 신소재 공학부 최경진 교수는“이 기술을 한 단계 더 발전시켜 나노선의 밀도와 밴드갭 에너지를 조절하게 되면, 나노선이 흡수하는 태양빛의 광량 및 파장을 마음대로 제어할수있게된다”고밝히고,“ 본기술을이용하면 제4세대 초고효율/저가형 태양전지의 대면적 생산이 가능해져 향후 세계 신재생 에너지 산업에서 선도적 위치를 차지할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
나노와이어 균일합성 기술 세계 최초 개발 기존 나노와이어의 한계를 해결하기 위하여 기판과 박막물질 사이의 Lattice-Mismatch에서 발생하는 Strain을 이용하여 무촉매 무패턴 방식으로 반도체 나노와이어를 합성하는 기술을 도입하였다. 즉, 기판으로 사용된 Silicon과 나노와이어 물질인 InAs0.75P0.25 사이의 Lattice-Mismatch는 10.7%로 이와 같은 큰 격자부정합을 가지는 시스템의 경우, 물질을 증착하게 되면 박막형태가 아닌 Island 형태로 Seed형성되어 Strain 에너지를 최소화하게 된다. 그러나 표면처리 공정 없이 바로 InAsP 나노와이어를 성장하게 되면 나노와이어가 웨이퍼 전면에 균일하게 성장되지 못하고 웨이퍼 가장자리에만 국부적으로 성장되는데 이를 Poly-L-lysine 표면 처리를 통하여 실리콘 표면에 (+)전하를 띠게 만든 후, (+)전하를 띤 실리콘 표면과 (-)전하를 띠는 As 원자와의 정전기적 결합력을 이용하여 웨이퍼 전면적에 나노와이어를 균일하게 합성하는 기술을 세계 처음으로 개발하였다. 합성된 InAsyP1-y 나노와이어의 투과전자현미경 분석결과, InAs와 InP로의 상분리 없이 단일상의 고품질 단결정으로 성장되어 VLS 방식으로 성장된 나노와이어와는 달리 길이방향으로의 As 및 P원자의 분포가 일정하게 유지되는 결과를 가져왔다. 또한 실리콘 위에 III-V 화합물 반도체를 성장시키는 Heteroepitaxy 경우, 두 물질 사이의 계면 특성은 광전소자로의 응용 시, 소자의 성능을 결정짓는 매우 중요한 변수가 된다. 분석 결과 실리콘 기판과 나노와이어 계면은 매우 경계가 뚜렷하고 격자부정합에 의한 Misfit Dislocation만 존재할 뿐 Threading Dislocation이나 Antiphase Domain 등은 관찰되지 않았다. 또한 PL 광분석 결과, 지금까지 발표된 반도체 나노와이어 중에서 가장 작은 값으로 나타났다. 이번 연구에서는 개발된 웨이퍼 스케일의 나노와이어 균일 합성법을 이용한 태양전지 제작에도 성공했다. 즉, p-형 실리콘 기판 위에 n-형 InAsyP1-y 나노와이어를 성장하여 p-n 접합 다이오드를 제작한 결과, 지금까지 보고된 이종접합 및 동종접합 나노와이어 기반 다이오드의 전기적 특성을 비교할 때 세계 최고 수준의 Ideality Factor와 Rectifying Ratio를 나타내었고 AM1.5 및 1sun 조건하에서 측정한 태양전지 효율은 약 3.6%의 높은 광전변환 효율을 나타내었다.
4세대 태양전지 대면적 생산 길 열어
이번에 개발된 기술을 통해 성장된 나노선은 기판과의 계면이 무결점일 뿐만 아니라 금속촉매에 의한 반도체 특성저하를 원천적으로 해결함으로써 향후 나노구조 태양전지, LED, 광검출 센서 등 새로운 기술 분야에서 다양하게 응용이 가능할 것으로 기대되고 있다. 개발된 기술은 파급효과가 매우 큰 기반원천기술로써 시현된 태양전지뿐만 아니라 LED, 광검출기, 나노 레이져 등에 폭넓게 응용 가능한 기술로 평가받고 있다. 특히, 이 기술을 한 단계 더 발전시켜 나노선의 밀도 및 Bandgap 에너지 조절기술을 개발한다면, 제4세대 초고효율/저가형 태양전지의 대면적 생산이 가능해져 산업적 파급 효과도 클 것으로 기대된다.
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