KR102184173B1 - Method for transfering semiconductor nanowires - Google Patents

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류상완
알리 조하르 무하마드
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전남대학교 산학협력단
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Abstract

Provided is a semiconductor nanowire transfer method. The semiconductor nanowire transfer method comprises the following steps of: forming semiconductor nanowires on a substrate; forming a semiconductor thin film on the semiconductor nanowires, and injecting impurities into the semiconductor thin film to generate stress between the semiconductor nanowires and the substrate; providing a device structure including the semiconductor thin film; and mechanically separating the substrate and the semiconductor nanowires by using the stress generated between the semiconductor nanowires and the substrate. The nanowire transfer method of the present invention is applicable to a large area and does not damage the top parts of the nanowires.

Description

반도체 나노와이어 전사방법 {METHOD FOR TRANSFERING SEMICONDUCTOR NANOWIRES}Semiconductor nanowire transfer method {METHOD FOR TRANSFERING SEMICONDUCTOR NANOWIRES}

본 발명은 반도체 나노와이어의 전사방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 반도체 나노와이어들과 기판 사이에 발생된 스트레스를 이용하여 기판으로부터 반도체 나노와이어들을 분리하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method of transferring semiconductor nanowires, and more specifically, to a method of separating semiconductor nanowires from a substrate by using stress generated between the semiconductor nanowires and a substrate.

나노와이어, 예컨대 GaN 나노와이어는 인듐 또는 알루미늄과 화합물을 만듦으로써 높은 재결합율비, 높은 전자 이동도, 작은 Auger 효과, 그리고 조절가능한 에너지 밴드갭 같은 훌륭한 특성을 제공한다. 이러한 이점대문에, GaN 나노와이어들은 다양한 광학 또는 전자적 응용에 사용되고 있다. Nanowires, such as GaN nanowires, provide excellent properties such as high recombination rate, high electron mobility, small Auger effect, and adjustable energy bandgap by compounding with indium or aluminum. Because of these advantages, GaN nanowires are used in a variety of optical or electronic applications.

일반적으로는, GaN 나노와이어들은 사파이어 또는 실리콘 기판 상에 성장되는데, 이러한 기판의 낮은 열적 그리고 전기적 도전성의 제약이 더욱 넓은 응용을 제약하고 있는 실정이다.In general, GaN nanowires are grown on a sapphire or silicon substrate, and the limitations of low thermal and electrical conductivity of such a substrate limit wider applications.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 이런 종류의 기판들로부터 나노와이어들을 분리하여 유연한 기판 또는 메탈 호일에 전사하기 위한 다양한 방식들이 시도되어 왔다. Rigid 기판들로부터 유연한 기판 또는 메탈 호일에 전사하기 위한 방식에서의 핵심적인 프로세스는 닥터블레이딩(Doctor's blading) 기술과 프린팅 방식을 이용한 나노와이어들의 리프트오프이다. In order to solve this problem, various methods have been attempted to separate nanowires from these kinds of substrates and transfer them to a flexible substrate or metal foil. The key process in transferring from rigid substrates to flexible substrates or metal foils is the lift-off of nanowires using Doctor's blading technology and printing method.

전형적인 실리콘 나노와이어 전사 방식은 프린팅 방식이다. 그러나, GaN 나노와이어들은 이러한 방식이 불가능하다. 그 이유는 GaN 나노와이어들은 유연하지만 기판과의 본딩이 강하기 때문이다. 따라서, 이들은 일반적으로 유연한 기판에 닥터블레이딩을 이용하여 전사하는 것이다. 이러한 방식은 숙련된 기술을 요하고 전사하기 위한 사이즈도 제한적이다. A typical silicon nanowire transfer method is a printing method. However, GaN nanowires are not possible in this way. The reason is that the GaN nanowires are flexible, but the bonding to the substrate is strong. Therefore, they are generally transferred to a flexible substrate using doctor blades. This method requires skilled skills and has a limited size for transfer.

또한, 블레이드의 곡률로 인해 기판으로부터의 나노와이어들의 제거가 균일하지 않은 문제점이 있다. 따라서 하나의 전사 사이즈의 한계는 1*1cm2 이하로 제한되는 경향이 있고 이는 생산성을 낮추는 원인이 된다. In addition, there is a problem in that the removal of nanowires from the substrate is not uniform due to the curvature of the blade. Therefore, the limit of one transfer size tends to be limited to 1*1cm 2 or less, which is a cause of lowering productivity.

다른 불리한 점은 GaN 나노와이어들의 탑 상부에 PDMS의 증착이다. 나노와이어들의 탑 상부에 컨택을 위해서는 PDMS가 에칭되어야 한다. GaN 나노와이어들을 노출시키기 위해 현재 사용가능한 PDMS 에칭 방식은 RIE 에칭을 이용한 드라이 에칭이다. 고에너지 플라즈마의 파티클들이 나노와이어들의 탑 쪽에 충돌하게 되면 나노와이어들의 표면이 손상된다. 그 결과 나노와이어들의 상부 쪽이 폴리크리스탈라인화된다. 변환의 정도는 파티클들의 파워와 PDMS를 에칭하기 위해 나노와이어들의 탑 부분에 노출된 시간 따라 달라진다. Another disadvantage is the deposition of PDMS on top of the top of the GaN nanowires. PDMS must be etched to make contact with the top of the nanowires. The PDMS etching method currently available to expose GaN nanowires is dry etching using RIE etching. When particles of high-energy plasma collide with the top of the nanowires, the surface of the nanowires is damaged. As a result, the top side of the nanowires becomes polycrystalline. The degree of conversion depends on the power of the particles and the time exposed to the top of the nanowires to etch the PDMS.

따라서, GaN 나노와이어들을 유연한 기판에 전사하기 위한 다른 방식은 대면적에 적용가능하고 나노와이어들의 탑 부분이 손상되지 않도록 하는 것이 필수적이고, 이를 통해 고효율 광학소자 응용에 적용가능하다. Therefore, another method for transferring GaN nanowires to a flexible substrate is applicable to a large area, and it is essential to prevent damage to the top portion of the nanowires, thereby being applicable to high-efficiency optical device applications.

상술한 문제점을 해결하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일측면은 반도체 나노와이어 전사방법에 있어서, 기판 상에 반도체 나노와이어들을 형성하는 단계: 상기 반도체 나노와이어들 상부에 반도체 박막을 형성하되, 상기 반도체 박막에 불순물을 주입하여 상기 반도체 나노와이어들과 상기 기판 사이에 스트레스를 발생시키는 단계; 상기 반도체 박막을 포함하는 소자 구조물을 마련하는 단계; 및 상기 반도체 나노와이어들과 상기 기판 사이에 발생된 스트레스를 이용하여 상기 기판과 상기 반도체 나노와이어들을 기계적으로 분리하는 단계를 포함하는 반도체 나노와이어 전사방법을 제공한다.As a technical means for solving the above-described problem, one aspect of the present invention is a method for transferring a semiconductor nanowire, the step of forming semiconductor nanowires on a substrate: forming a semiconductor thin film on the semiconductor nanowires, the Injecting impurities into a semiconductor thin film to generate stress between the semiconductor nanowires and the substrate; Providing a device structure including the semiconductor thin film; And mechanically separating the substrate and the semiconductor nanowires using the stress generated between the semiconductor nanowires and the substrate.

바람직하게는, 상기 기판 상에 형성된 반도체 나노와이어들을 측면성장시키는 단계를 더 포함한다. Preferably, it further comprises the step of side-growing the semiconductor nanowires formed on the substrate.

바람직하게는, 상기 반도체 나노와이어들은 III족과 V족 원소를 포함하는 III-V 족 화합물 반도체 또는 II족과 VI족 원소를 포함하는 II-VI족 화합물 반도체이다.Preferably, the semiconductor nanowires are Group III-V compound semiconductors including Group III and V elements or Group II-VI compound semiconductors including Group II and VI elements.

상기 스트레스는 나노와이어 상부의 반도체 박막에 구성 원자와 다른 크기를 갖는 불순물을 첨가함으로서 제공할 수 있다. 불순물 원자가 반도체 박막의 구성 원자 보다 더 큰 경우 나노와이어와 기판의 경계면에 인장 스트레스를 가하고, 불순물 원자가 반도체 박막의 구성 원자 보다 더 작은 경우 나노와이어와 기판의 경계면에 압축 스트레스를 가한다. The stress can be provided by adding an impurity having a size different from that of the constituent atoms to the semiconductor thin film on the nanowire. When the impurity atom is larger than the constituent atoms of the semiconductor thin film, tensile stress is applied to the interface between the nanowire and the substrate, and when the impurity atom is smaller than the constituent atom of the semiconductor thin film, compressive stress is applied to the interface between the nanowire and the substrate.

바람직하게는, 상기 반도체 나노와이어들은 n형 반도체이며, 반도체 박막은 p형 박막이다.Preferably, the semiconductor nanowires are n-type semiconductors, and the semiconductor thin film is a p-type thin film.

바람직한 실시예에 의하면, 반도체 나노와이어들은 GaN 계열이며, 상기 반도체 박막은 p-GaN박막이며, 상기 불순물은 Mg 이고, 상기 p-GaN의 Mg 농도는 1*1017cm-3 내지 1*1020cm-3이다. p-GaN 박막에서 Mg은 Ga 원자를 치환하며, 작은 원자반경으로 경계면에 압축 스트레스를 유발하게 된다. 불순물 농도의 증가에 따라 나노와이어와 기판의 경계면에 가하지는 스트레스는 증가하게 되는데, 불순물의 농도를 적절히 조절하여 원하는 분리 공정에서 나노와이어가 분리될 수 있도록 하는 것이 중요하다.According to a preferred embodiment, the semiconductor nanowires are GaN-based, the semiconductor thin film is a p-GaN thin film, the impurity is Mg, and the Mg concentration of the p-GaN is 1*10 17 cm -3 to 1*10 20 cm -3 . In the p-GaN thin film, Mg displaces Ga atoms and causes compressive stress at the interface with a small atomic radius. As the impurity concentration increases, the stress applied to the interface between the nanowire and the substrate increases. It is important to properly control the impurity concentration so that the nanowire can be separated in a desired separation process.

본 발명의 나노와이어들 전사방법은 대면적에 적용가능하고 나노와이어들의 탑 부분이 손상되지 않는 방식을 제공할 수 있다.The nanowires transfer method of the present invention is applicable to a large area and can provide a method in which the top portion of the nanowires is not damaged.

본 발명은 유연 디스플레이 패널과 고효율 광학소자 응용에 적용가능하다. The present invention is applicable to flexible display panels and high-efficiency optical device applications.

본 발명에 의하면, 나노와이어들을 전사하는데 있어 쓰루풋이 높은 대량생산이 가능하게 하는 효과가 있다. According to the present invention, there is an effect of enabling mass production with high throughput in transferring nanowires.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 나노와이어 전사방법을 설명하기 위한 도면들이다. 도 1에는 (a) 내지 (e)로 각 단계를 나타내고 있다.
도 2는 (a) 내지 (f)의 단계들을 통해서 본 발명의 실시예에 따라서 기판과 반도체 나노와이어들이 분리되는 과정을 사진으로 보여준 그림들이다.
도 3은 도 2의 실시예에 따라서 기판과 반도체 나노와이어들이 분리된 기판과 반도체 나노와이어들의 분리과정을 도시한 SEM사진들이다.1 is a diagram illustrating a method of transferring a semiconductor nanowire according to an exemplary embodiment of the present invention. In Fig. 1, each step is shown in (a) to (e).
2 are pictures showing a process in which a substrate and a semiconductor nanowire are separated according to an embodiment of the present invention through steps (a) to (f).
3 are SEM photographs illustrating a process of separating the substrate and the semiconductor nanowires from which the substrate and the semiconductor nanowires are separated according to the embodiment of FIG. 2.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments of the present invention exemplified below may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to more completely describe the present invention to those of ordinary skill in the art.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 나노와이어 전사방법을 설명하기 위한 도면들이다. 도 1에는 (a) 내지 (d)로 각 단계를 나타내고 있다. 1 is a diagram illustrating a method of transferring a semiconductor nanowire according to an exemplary embodiment of the present invention. In Fig. 1, each step is shown in (a) to (d).

도 1의 (a)에 의하면, 기판(10) 상에 반도체 나노와이어들(20)을 형성한다. 형성하는 방법은 특별히 한정된 방식에 제한되지 않는다. 일 실시예에 의하면, 화합물반도체 나노와이어들이 기판상에 성장될 수 있다. Referring to FIG. 1A, semiconductor nanowires 20 are formed on a substrate 10. The forming method is not limited to a particularly limited method. According to an embodiment, compound semiconductor nanowires may be grown on a substrate.

나노와이어들의 물질은 III족 원소와 V족 원소로 이루어진 화합물 반도체일 수 있다. III족 원소는 Al, Ga, In 등과 같은 원소일 수 있고, V족 원소는 N, As 등이다. 이러한 원소들은 질소 단독으로 또는 다른 결합으로 이용될 수 있다. 따라서, NW의 예는 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, AlInN, InAlGaN 등과 같다. 여기서는 GaN 나노와이어의 예를 보여준다. The material of the nanowires may be a compound semiconductor composed of a group III element and a group V element. The group III element may be an element such as Al, Ga, In, and the like, and the group V element is N, As, and the like. These elements can be used alone or in other combinations. Therefore, examples of NW are GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, AlInN, InAlGaN, and the like. Here, an example of GaN nanowires is shown.

다른 나노와이어들의 물질의 예로는 II족 원소와 VI족 원소로 이루어진 화합물 반도체일 수 있다. II족은 Zn, Cd 등이고, VI은 S, Se, Te, O등이다. An example of a material of other nanowires may be a compound semiconductor composed of a group II element and a group VI element. Group II is Zn, Cd, etc., VI is S, Se, Te, O, etc.

기판은 글래스, 실리콘, 사파이어, BeO, 메탈 호일, 그래핀, 그랩파이트, SiC, SiN, AlN, CrN 등일 수 있다. 이때 기판이 어떠한 오리엔테이션, 도핑 유형, 캐리어 농도를 갖더라도 이와 무관하게 본 공정을 적용할 수 있다. The substrate may be glass, silicon, sapphire, BeO, metal foil, graphene, grabite, SiC, SiN, AlN, CrN, or the like. At this time, this process can be applied regardless of any orientation, doping type, and carrier concentration of the substrate.

도 1의 (b)에 의하면, 반도체 나노와이어들을 측면성장함으로써 직경이 더 커질 수 있도록 한다. 측면성장된 나노와이어들은 도면부호 30이다. 이러한 과정에 의하면 예를 들어 30nm 의 직경이 3μm의 직경으로 성장하는 것도 가능하다. 기판 상에 나노와이어를 수직 성장하는 공정에서 직경의 조절이 제한적인 반면 보다 큰 직경을 가지는 나노와이어를 형성하는 것은 측면성장을 통해서 가능하다. According to (b) of FIG. 1, the diameter of the semiconductor nanowires can be increased by lateral growth. The side-grown nanowires are referenced 30. According to this process, for example, it is possible to grow a diameter of 30 nm to a diameter of 3 μm. In the process of vertically growing nanowires on a substrate, the control of the diameter is limited, whereas forming nanowires having a larger diameter is possible through side growth.

측면성장은 나노와이어의 직경을 용이하게 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 그 과정에서 다른 조성의 반도체 물질을 성장하여 측면에 양자우물과 같은 활성층을 성장할 수 있게 한다. 즉 나노와이어의 측면을 따라 나노 미터 두께의 얇은 층을 성장할 수 있고, 이 층을 광소자 또는 전자 소자의 활성층으로 이용할 수 있게 한다. 일예로 GaN 나노와이어 수직 성장 후 측면성장 과정에서 작은 밴드갭을 갖는 InGaN을 양자우물로 성장할 수 있다. 이때 InGaN은 나노와이어의 측면에서 전자-정공을 포획하여 빛을 효율적으로 방출하는 역할을 할 수 있다.The lateral growth not only allows the diameter of the nanowires to be easily adjusted, but also enables the growth of semiconductor materials of different compositions in the process to grow an active layer such as a quantum well on the side. That is, a thin layer of nanometer thickness can be grown along the side of the nanowire, and this layer can be used as an active layer of an optical device or an electronic device. For example, after vertical growth of GaN nanowires, InGaN having a small band gap may be grown into a quantum well in the lateral growth process. At this time, InGaN can play a role of efficiently emitting light by trapping electrons and holes at the side of the nanowire.

도 1의 (c), (d)에 의하면, 측면성장된 반도체 나노와이어들(30) 상부에 반도체 박막(40)을 형성한다. 이 과정에서 상기 반도체 박막(40)에 불순물을 주입하여 상기 반도체 나노와이어들과 상기 기판 사이에 스트레스를 발생시킨다. 바람직한 실시형태에 의하면, 상술한 반도체 박막을 형성하면서 불순물을 함께 주입하는 것도 가능하고, 반도체 박막을 형성한 후에 불순물을 별도로 주입하는 것도 가능하다. 필요에 따라서는 불순물 주입후 열처리를 추가하는 것도 가능하다. 1C and 1D, a semiconductor thin film 40 is formed on the side-grown semiconductor nanowires 30. In this process, impurities are injected into the semiconductor thin film 40 to generate stress between the semiconductor nanowires and the substrate. According to a preferred embodiment, impurities may be injected together while forming the above-described semiconductor thin film, or impurities may be separately injected after forming the semiconductor thin film. If necessary, it is possible to add heat treatment after impurity implantation.

불순물은 나노와이어의 분리만을 위해서는 상부 박막에 스트레스를 가할 수 있는 어떤 불순물도 사용이 가능하다. 스트레스를 발생하기 위한 불순물로는 나노와이어 상부의 반도체 박막에 구성 원자와 다른 크기를 갖는 불순물을 첨가함으로서 제공할 수 있다. 불순물 원자가 반도체 박막의 구성 원자 보다 더 큰 경우 나노와이어와 기판의 경계면에 인장 스트레스를 가하고, 불순물 원자가 반도체 박막의 구성 원자 보다 더 작은 경우 나노와이어와 기판의 경계면에 압축 스트레스를 가한다. As for the impurities, any impurities that can stress the upper thin film can be used only for separating the nanowires. As an impurity for generating stress, it may be provided by adding an impurity having a size different from that of the constituent atoms to the semiconductor thin film on the nanowire. When the impurity atom is larger than the constituent atoms of the semiconductor thin film, tensile stress is applied to the interface between the nanowire and the substrate, and when the impurity atom is smaller than the constituent atom of the semiconductor thin film, compressive stress is applied to the interface between the nanowire and the substrate.

한편, 첨가된 불순물은 스트레스를 가하는 역할을 함과 동시에 전자나 정공을 생성하여 전기적 특성을 변화시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시형태에 의하면, 불순물을 투입하면서 전기적 특성과 스트레스를 모두 적절하게 확보하는 것이 가능하다. 예를 들어, 나노와이어 상부에 형성되는 반도체 박막에는 p-형 불순물을 첨가할 수 있는데, 이러한 방식으로 일반적으로 n-형 배경도핑된 나노와이어와 함께 용이하게 p-n 다이오드 구조를 구성할 수 있다. 이와 같은 방식에 의하면 나노와이어 상부에는 p형 반도체 박막을 형성함과 동시에 나노와이어와 기판 사이에 스트레스를 발생시킬 수 있도록 유도하는 것이다. On the other hand, the added impurity serves to apply stress and at the same time generates electrons or holes to change electrical properties. Accordingly, according to a preferred embodiment of the present invention, it is possible to appropriately secure both electrical characteristics and stress while introducing impurities. For example, a p-type impurity may be added to a semiconductor thin film formed on a nanowire, and in this way, a p-n diode structure can be easily constructed together with a generally n-type background-doped nanowire. According to this method, a p-type semiconductor thin film is formed on the upper portion of the nanowire and at the same time, stress is induced between the nanowire and the substrate.

본 발명자들이 확인한 바에 의하면, 사파이어 기판 상에 GaN 나노와이어들을 성장 시키고, 측면성장을 실시한 후, GaN 박막을 성장시키면서 Mg 불순물을 일정 수준으로 주입한 경우 GaN 박막은 p형 반도체 역할을 수행함과 더불어 사파이어 기판과 GaN 나노와이어들 사이의 스트레스도 가해지게 할 수 있음을 발견하였다. 이러한 원리를 이용하면 나노와이어들의 특성, 나노와이어들 상부에 형성되는 반도체 박막의 특성, 불순물의 종류와 투입량을 적절하게 조절함으로써 다양한 전자 디바이스, 광 디바이스의 제작에 응용할 수 있음을 확인하였다. According to the inventors' confirmation, when GaN nanowires are grown on a sapphire substrate, side-grown, and Mg impurities are implanted at a certain level while growing a GaN thin film, the GaN thin film plays the role of a p-type semiconductor and sapphire. It has been found that stress can also be applied between the substrate and the GaN nanowires. Using this principle, it was confirmed that the properties of the nanowires, the properties of the semiconductor thin film formed on the nanowires, and the type and amount of impurities are appropriately adjusted to be applicable to the manufacture of various electronic devices and optical devices.

한편, 마그네슘(Mg)은 갈륨(Ga)에 비해 원자의 사이즈가 작기 때문에 압축 스트레스가 박막에 가해진다. 유도된 압축 스트레인은 GaN 박막 안에 마그네슘의 함량을 조절함으로써 최적화 될 수 있다. GaN 박막 내부의 유도된 스트레인의 효과는 기판과 나노와이어 사이 인터페이스에 가해지고 그것은 나노와이어와 기판 인터페이스 사이의 본딩 강도를 약화시킨다. 이러한 스트레스는 추후 기판과 나노와이어들을 분리 가능하도록 하는 기능을 수행한다.On the other hand, since magnesium (Mg) has a smaller atomic size than gallium (Ga), compressive stress is applied to the thin film. The induced compressive strain can be optimized by controlling the magnesium content in the GaN thin film. The effect of the induced strain inside the GaN thin film is exerted on the interface between the substrate and the nanowire, which weakens the bonding strength between the nanowire and the substrate interface. This stress performs a function of separating the substrate and the nanowires later.

바람직한 실시예인 Mg이 도핑된 GaN를 이용하여 구체적인 적용 조건을 설명하겠다. Mg의 원자 사이즈는 Ga보다 작다. p-GaN의 불순물 농도는 1*1017cm-3 에서 1*1020cm-3의 범위에서 사용한다. 호스트 원자들 대비 도펀트 또는 불순물의 농도는 박막의 성장시 전구체의 유량비를 변화시켜 조절한다. 호스트대 불순물의 증가한 비율은 인장 스트레스를 야기시키는 원인이 되고 이러한 스트레스는 기판과 나노와이어들을 분리 가능하도록 하는 동력으로 작용된다. p-GaN의 불순물 농도는 1*1017cm-3 내지 1*1020cm-3가 적당한 것으로 확인되었는데 캐리어 농도가 1*1017cm-3 보다 작으면 인장 스트레스가 적게 발생하게 되고 1*1020cm-3 보다 높으면 인장 스트레스가 너무 많이 발생하여 후단 공정에서 기판과 나노와이어들을 분리하기 전에 분리되어 버릴 수 있다. Specific application conditions will be described using GaN doped with Mg, which is a preferred embodiment. The atomic size of Mg is smaller than that of Ga. The impurity concentration of p-GaN is used in the range of 1*10 17 cm -3 to 1*10 20 cm -3 . The concentration of the dopant or impurity relative to the host atoms is controlled by changing the flow rate ratio of the precursor when the thin film is grown. The increased ratio of impurities to the host causes tensile stress, and this stress acts as a driving force for separating the substrate and the nanowires. The impurity concentration of p-GaN was found to be 1*10 17 cm -3 to 1*10 20 cm -3 suitable. If the carrier concentration is less than 1*10 17 cm -3 , the tensile stress is less generated and 1*10 If it is higher than 20 cm -3 , too much tensile stress may occur and may be separated before separating the substrate and the nanowires in the subsequent process.

한편, 나노와이어들이 II족 원소와 VI족 원소로 이루어진 화합물 반도체인 경우에도 본 발명의 적용이 가능하다. 예를 들어 ZnO는 나노와이어 형태로 성장가능한 대표적인 소재이다. 나노와이어 상부에 박막형태의 반도체 층을 성장하고, 여기에 불순물을 첨가하여 스트레스를 가하면 나노와이어와 기판의 계면에서 분리가 일어날 수 있다.On the other hand, the present invention can be applied even when the nanowires are a compound semiconductor composed of a group II element and a group VI element. For example, ZnO is a representative material that can be grown in the form of nanowires. When a thin-film semiconductor layer is grown on top of the nanowire and stress is applied by adding impurities thereto, separation may occur at the interface between the nanowire and the substrate.

다음으로, 도 1e에 따르면, 반도체 박막을 포함하는 소자 구조물을 마련하고, 반도체 나노와이어들과 상기 기판(10) 사이에 발생된 스트레스를 이용하여 상기 기판와 상기 반도체 나노와이어들을 기계적으로 분리하는 단계가 포함된다. 기계적 분리 이전에 나노와이어들을 지지할 새로운 기판(50)을 상부 박막에 먼저 본딩한 후 적절한 힘을 가하면 나노와이어와 성장 기판(10)의 경계면에서 분리가 일어나고, 결과적으로 새로운 기판(50)에 나노와이어들이 전사된다. 전사 기판을 폴리머 등의 유연한 소재로 사용하면, 다양한 응용분야에서 유연성에 기반한 장점을 갖게 된다. Next, according to FIG. 1E, the step of preparing a device structure including a semiconductor thin film and mechanically separating the substrate and the semiconductor nanowires using the stress generated between the semiconductor nanowires and the substrate 10 is performed. Included. Prior to mechanical separation, if a new substrate 50 to support the nanowires is first bonded to the upper thin film and then an appropriate force is applied, separation occurs at the interface between the nanowires and the growth substrate 10, and as a result, nanowires are applied to the new substrate 50. The wires are transferred. When the transfer substrate is used as a flexible material such as a polymer, it has an advantage based on flexibility in various applications.

기판(50)은 도 1e에서는 간략히 도시되어 있지만 기판(50)은 소자구조물일 수 있다. 따라서, 기판(50)은 소자구조물을 포함할 수 있다. 여기서 소자 구조물은 광학소자 또는 전자 소자 등 모두가 적용 가능함은 물론이고, 기판이라 함은 소자구조물의 일부 또는 전부를 의미하는 것 일 수 있다. 또한, 나노와이어들이 성장되는 기판(도 1a의 10)도 소자 구조물의 일부일 수 있음은 물론이다. The substrate 50 is shown briefly in FIG. 1E, but the substrate 50 may be a device structure. Accordingly, the substrate 50 may include a device structure. Here, the device structure may be applied to all of an optical device or an electronic device, and the substrate may mean part or all of the device structure. In addition, it goes without saying that the substrate on which the nanowires are grown (10 in FIG. 1A) may also be a part of the device structure.

또한, 본 명세서에서 상세한 설명은 생략했지만 나노와이어들은 LED 활성층, 양자우물, 양자점 등의 구조물을 포함하는 것도 가능함은 물론이다. 또한, 나노와이어들과 반도체 박막 사이 또는 기판과 나노와이어들과 사이에도 각종 구조물이 추가되는 것도 가능하다. In addition, although detailed descriptions are omitted in the present specification, it is of course possible for the nanowires to include structures such as an LED active layer, a quantum well, and a quantum dot. In addition, various structures may be added between the nanowires and the semiconductor thin film or between the substrate and the nanowires.

한편, 상술한 방식에 의하면, i) 기판 상에 반도체 나노와이어들을 형성하고, ii) 반도체 나노와이어들 상부에 반도체 박막을 형성하고 불순물을 주입하여 스트레스를 발생시키며, ii) 반도체 박막을 포함하는 소자 구조물을 마련하고, iv) 기판과 반도체 나노와이어들을 기계적으로 분리한다. 여기서 세부적인 단계들은 그 순서를 일부 변경하는 것도 가능하다. 예를 들어, 기판과 반도체 나노와이어들을 기계적으로 분리하기 전에 불순물을 반도체 박막에 요구되는 일부 또는 전부를 주입하여 스트레스를 발생시키는 과정이 도입되면 본 발명의 목적은 달성될 수 있다. Meanwhile, according to the above method, i) forming semiconductor nanowires on a substrate, ii) forming a semiconductor thin film on top of the semiconductor nanowires and injecting impurities to generate stress, ii) a device including a semiconductor thin film A structure is prepared, and iv) the substrate and the semiconductor nanowires are mechanically separated. Here, it is possible to partially change the order of detailed steps. For example, before mechanically separating the substrate and the semiconductor nanowires, the object of the present invention can be achieved if a process of generating stress by injecting some or all of the impurities required into the semiconductor thin film is introduced.

(실험예)(Experimental example)

도 2는 (a) 내지 (f)의 단계들을 통해서 본 발명의 실시예에 따라서 기판과 반도체 나노와이어들이 분리되는 과정을 사진으로 보여준 그림들이다. 도 2에 의하면 2" 글라스 기판으로부터 GaN 나노와이어들이 형성되어 있고 GaN 나노와이어들 상부에 스트레스를 가하는 p-GaN 박막이 형성되어 있다. 이러한 상황에서 플라스틱 테이프가 GaN박막 상부에 붙여졌고 플라스틱 테이프와 기판 사이에 일정한 힘으로 눌려졌다. 그 이후, 테이트를 한쪽 끝에서부터 천천히 뜯어내었다. 결과적으로 GaN 나노와이어들은 기판과 분리해 낼 수 있었다.2 are pictures showing a process in which a substrate and a semiconductor nanowire are separated according to an embodiment of the present invention through steps (a) to (f). According to Fig. 2, GaN nanowires are formed from a 2" glass substrate, and a p-GaN thin film is formed that exerts stress on the GaN nanowires. In this situation, a plastic tape was pasted on the GaN thin film, and the plastic tape and the substrate It was pressed with a certain force in between, and then the tate was slowly peeled off from one end, resulting in the GaN nanowires being able to separate from the substrate.

도 3은 도 2의 실시예에 따라서 기판과 반도체 나노와이어들이 분리된 기판과 반도체 나노와이어들의 분리과정을 도시한 SEM사진들이다.3 are SEM photographs illustrating a separation process of the substrate and the semiconductor nanowires from which the substrate and the semiconductor nanowires are separated according to the embodiment of FIG. 2.

도 3의 (a)에는 GaN 코어 나노와이어들은 기판상에 성장하여 형성된다. 이후, GaN 코어 쉘 주위로 측면으로 성장된다. 이후 p-GaN 박막은 GaN 나노와이어들 상부에 고속 성장하여 GaN 나노와이어들을 서로 합체하는 과정이 수행된다. 합체 이후에, Mg 불순물이 p-GaN 박막에 주입된다. 이러한 과정의 SEM사진은 (b)에 도시되어 있다. 도 3의 (c)는 충분한 스트레스가 가해져 GaN 나노와이어들이 기판으로부터 분리된 상황을 도시하고 있다. 도 3의 (d)-(f)의 SEM 사진들은 다른 기판에 전사된 GaN 나노와이어들의 뒤집힌 사진들이다. 추후의 소자 공정을 위하여 나노와이어가 위로 노출된 형태로 다른 기판에 전사되었다. 나노와이어 손상 없이 높은 밀도의 나노와이어를 다른 기판으로 전사할 수 있음을 보여준다. In Fig. 3A, GaN core nanowires are formed by growing on a substrate. Then, it is grown laterally around the GaN core shell. Thereafter, the p-GaN thin film is grown on top of the GaN nanowires at high speed, and the process of combining the GaN nanowires with each other is performed. After coalescence, Mg impurities are implanted into the p-GaN thin film. The SEM picture of this process is shown in (b). 3C shows a situation in which the GaN nanowires are separated from the substrate by applying sufficient stress. The SEM images of (d)-(f) of FIG. 3 are inverted images of GaN nanowires transferred to another substrate. For later device processing, the nanowires were transferred to another substrate in an exposed form. It shows that high-density nanowires can be transferred to other substrates without damaging the nanowires.

이상, 본 발명의 나노와이어 전사방식은 유연기판을 이용한 소자들에 폭넓게 적용가능하다. 예를 들어, 일반적으로 μLED의 제조를 위해서 리프트오프 전사 방식이 이용되고 있다. 또한, μLED의 박막 제조를 대신하여 나노와이어 LED가 매우 작은 사이즈로 제조가능하다. 나노와이어들이 상용화되면, 유연기판 상에 나노와이어 LED 의 제조를 위한 요구가 대두될 것이다. 본 발명은 매우 단순하고 대면적으로 적용가능하며 비용이 적게 들고 전사율이 100%에 가깝다.As described above, the nanowire transfer method of the present invention can be widely applied to devices using a flexible substrate. For example, in general, a lift-off transfer method is used to manufacture μLEDs. In addition, instead of manufacturing a thin film of μLED, a nanowire LED can be manufactured in a very small size. When nanowires are commercialized, there will be a demand for the manufacture of nanowire LEDs on a flexible substrate. The present invention is very simple, can be applied to a large area, has a low cost, and has a transfer rate close to 100%.

전술한 본 발명에 따른 나노와이어들의 바람직한 전사방식을 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.Although the preferred transfer method of the nanowires according to the present invention described above has been described with reference to embodiments, the present invention is not limited thereto, and various modifications are made within the scope of the claims, the detailed description of the invention, and the accompanying drawings. It is possible and this also belongs to the invention.

Claims (8)

반도체 나노와이어 전사방법에 있어서,
기판 상에 반도체 나노와이어들을 형성하는 단계:
상기 기판 상에 형성된 반도체 나노와이어들을 측면성장시키는 단계;
측면성장된 상기 반도체 나노와이어들 상부에 반도체 박막을 형성하여 반도체 나노와이어들이 상기 반도체 박막을 통해 연결되는 단계;
상기 반도체 박막의 형성시 또는 형성 후에, 상기 반도체 박막에 불순물을 주입하여 상기 반도체 나노와이어들과 상기 기판 사이에 스트레스를 발생시키는 단계;
상기 반도체 박막을 포함하는 소자 구조물을 형성하는 단계; 및
상기 반도체 나노와이어들과 상기 기판 사이에 발생된 스트레스를 이용하여 상기 기판와 상기 반도체 나노와이어들을 기계적으로 분리하여 상기 소자구조물에 상기 반도체 나노와이어들이 전사되는 단계를 포함하되,
상기 반도체 나노와이어들은 GaN 계열이며,
상기 반도체 박막은 p형 GaN박막이며,
상기 불순물은 Mg 인 반도체 나노와이어 전사방법.
In the semiconductor nanowire transfer method,
Forming semiconductor nanowires on a substrate:
Side-growing semiconductor nanowires formed on the substrate;
Forming a semiconductor thin film on the side-grown semiconductor nanowires to connect the semiconductor nanowires through the semiconductor thin film;
Generating stress between the semiconductor nanowires and the substrate by implanting impurities into the semiconductor thin film during or after the formation of the semiconductor thin film;
Forming a device structure including the semiconductor thin film; And
And mechanically separating the substrate and the semiconductor nanowires using the stress generated between the semiconductor nanowires and the substrate, and transferring the semiconductor nanowires to the device structure,
The semiconductor nanowires are GaN-based,
The semiconductor thin film is a p-type GaN thin film,
The impurity is Mg semiconductor nanowire transfer method.
 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 p형 GaN 박막의 캐리어 농도는 1*1017cm-3 내지 1*1020cm-3인 것을 특징으로 하는 반도체 나노와이어 전사방법.



The method of claim 1,
A semiconductor nanowire transfer method, characterized in that the carrier concentration of the p-type GaN thin film is 1*10 17 cm -3 to 1*10 20 cm -3 .
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