Formation of porous 3C-SiC thin film by anodization with UV-LED

J. of the Korean Sensors Society Vol. 18, No. 4 (2009) pp. 307 − 310

− 307 −

양극산화법과 UV-LED를 이용한 다공성 3C-SiC 박막 형성

김강산·정귀상

^†

Formation of porous 3C-SiC thin film by anodization with UV-LED

Kang-San Kim and Gwiy-Sang Chung ^†

Abstract

This paper describes the formation of porous 3C-SiC by anodization. 3C-SiC thin films were deposited on p-type Si(100) substrates by APCVD using HMDS(Hexamethyildisilane: Si

(CH

)

). UV-LED(380 nm) was used as a light source. The surface morphology was observed by SEM and the pore size was increased with increase of current density. Pore diameter of 70 ~ 90 nm was achieved at 7.1 mA/cm

current density and 90 sec anodization time. FT-IR was conducted for chemical bonding of thin film and porous 3C-SiC. The Si-H bonding was observed in porous 3C-SiC around wavenumber 2100 cm

. PL shows the band gap enegry of thin film(2.5 eV) and porous 3C-SiC(2.7 eV).

Key Words : porous 3C-SiC, anodization, polycrystalline 3C-SiC

1. 서 론

최근 친환경 에너지와 자동차 배기가스의 규제에 관한 인식의 증가로 인해 극한 환경용 다공성 막 (membrane) 에 대한 관심이 증대되고 있다 . 여러가지 반도체 재료중에 서 SiC ^{는 높은 기계적 특성} , ^{넓은 밴드갭} , ^{화학적 안정}

성으로 인해 극한 환경용 다공성 멤브레인으로 응용이 가능며 혈액과의 호완성 , ^{낮은 밀도} , ^{높은 강성 때문에} bio-labeling 같은 생물학과 의료분야에도 응용이 가능 하여 관련연구가 진행중이다 ^[1,2] . 다공성 SiC 를 멤브레

인으로 이용한 단백질 분리 특성이 2004 ^년 보고되었으

며 연료전지의 수소 분리막 등의 응용에 관한 연구가 진행되고 있다 ^[3] . 또한 , 다공성 SiC 자체를 감지 물질

로 이용하여 센서에 응용한 연구도 보고되고 있다 ^[1,4] .

그러나 , 이전까지 연구된 4H, 6H 등의 벌크 타입 SiC

는 미세구조물의 형성이 어려우며 정공 (hole) 의 제공을 외부 광원으로 부터 받을 수 밖에 없기 때문에 다공성 의 형성이 어렵다 . 그러나 , 박막으로 증착되는 3C-SiC

는 p-type Si 에 증착되어 정공의 제공을 받기가 쉬우며 ,

이방성 식각을 통한 막의 형성이 쉽기 때문에 M/NEMS

(micro/nano mechanical system) 응용에 용이하다 .

다공성 3C-SiC ^{의 형성은 양극산화로 진행되며} Si ^에

비해 높은 밴드갭으로 인해 SiC 내부에 전자와 정공의 쌍 (electron-hole pair) 형성을 위한 UV 광원으로 제논 ,

수은 그리고 할로겐 램프가 사용되었다 ^[5,6] . ^그러나 , ^다

공성 SiC 형성을 위해 사용되는 용액이 HF 수용액이 기 때문에 증발로 인한 램프의 손상이 발생하며 수은 램프의 경우 램프 파손시 위험성이 높다 .

따라서 , 본 연구에서는 정공의 형성을 위한 광원으로 상대적으로 안전한 UV-LED ^{를 사용하여 다공성} 3C-SiC

를 형성했으며 SEM(scanning electron microscopy) 으로 전류밀도와 공정시간에 따른 물리적 변화를 분석했고

FT-IR(fourier transform infrared spectroscopy) ^과 PL (photo luminescence) 로 화학적 , 광적 특성을 평가했다 .

2. 실 험

본 연구에서는 p-type Si(100) 기판에 n-type 다결정

3C-SiC 를 APCVD 로 약 0.3 µ m 성장했다 ^[7] . 양극산화 용 시편의 크기는 약 2 × 2 cm ² 였으며 UV 광원에 노출 되어 양극산화된 영역은 지름 6 mm 의 원형이었다 .

Fig. 1 은 본 실험에 사용된 양극산화 장치를 도식적으

로 나타낸 것으로 금속전극으로 Pt 를 사용했으며 3C-

울산대학교 전기전자정보시스템공학부(School of Electrical Eng., University of Ulsan)

†Corresponding author : [email protected] (Received : April 27, 2009, Revised : July 1, 2009 Accepted : July 17, 2009)

센서학회지 제18권 제4호, 2009 − 308 − 김강산·정귀상

SiC ^{내부에 정공의 형성을 위한} 외부광원으로는

380 nm 파장의 UV-LED 를 사용했다 . 전류밀도는 4.0~

7.1 mA/cm ² 에서 제어했고 양극산화 시간은 30 ~ 60 초 그리고 선노광 시간은 10, 30 ^{초로 각각 제어했다} . ^수용

액은 HF : H 2 O : C 2 H 5 OH 가 각각 1 : 1 : 2 로 희석된 용액 을 사용했다 . ^{기공의 크기 및 분포는} SEM ^{으로 관측했}

으며 박막과 다공성 3C-SiC 의 특성은 FT-IR 과 PL 로 각각 비교 분석하였다 .

3. 결과 및 고찰

Fig. 2(a) ^와 (b) ^{는 전류밀도} 4.0 mA/cm ² , 5.5 mA/cm ²

에서 각각 양극산화된 3C-SiC 표면 SEM 이미지이다 .

양극산화 시간은 30 ~ 50 초 , 선노광 시간은 10 초였다 . Fig. 2(a) ^{의 경우} , ^{표면에서의 반응은 있었지만} 100,000

배의 배율에서도 기공은 발견되지 않았으나 Fig. 2(b)

의 경우 , 40,000 배에서 약 10 nm 의 기공이 형성됨을 확인할 수 있다 .

Fig. 3(a) 는 전류밀도를 7.1 mA/cm ² 로 증가시킨 다공성

3C-SiC 표면 SEM 이미지이다 (40,000 배 ). 5.5 mA/cm ² 에

비해 기공의 크기는 약 50 nm 로 증가했으며 전류밀도

Fig. 1. Experimental setup for anodization.

Fig. 2. Surface SEM images of anodized 3C-SiC thin films with current density; (a) 4.0 mA/cm

, (b) 5.5 mA/cm

.

Fig. 3. Surface SEM images of anodized 3C-SiC thin film with pre-exposure time; (a) 10 sec, (b) 30 sec.

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에 큰 영향을 받는 것을 확인했다 . 그러나 , 일정 이상 의 전류밀도에서는 박막의 파손도가 높아지기 때문에 전류밀도를 고정하고 충분한 정공 형성을 위해 선노광 시간을 30 초로 증가했다 . Fig. 3(b) 는 30 초간 선노광 후 7.1 mA/cm ^{2 에서 양극산화된} 3C-SiC ^의 SEM ^이미지

이며 박막의 파손도는 적었고 기공의 크기는 약

70~90 nm 로 증가했다 .

Fig. 4 ^{는 전류밀도와 선노광 시간에 따라} 양극산화된

다공성 3C-SiC 의 직경변화를 나타낸 그래프이다 . 전류 밀도의 증가에 따라 기공의 크기는 증가했으며 , 7.1 mA/

cm ^{2 의 전류밀도에서 선노광 시간의 제어를 통해 기공}

의 크기를 증가시킬 수 있었다 .

Fig. 5 ^{는 박막과 다공성} 3C-SiC ^{의 화학적 특성을 비교}

를 위한 FT-IR 스펙트럼이다 . FT-IR 의 측정결과 , 파수

600 cm ^-1 (Si-Si 결합 ), 800 cm ^-1 (Si-C 결합 ) 그리고 1100 cm ^-1 (Si-O-Si ^결합 ) ^{에서 피크가 공통적으로 나타났다} . ^그러

나 , 다공성 3C-SiC 의 경우 박막에 비해 반치폭이 약

20 cm ^-1 향상되었으며 이러한 결과는 이미 보고된 다공

성 SiC ^{의 스트레스가 박막에 비해 감소하는 결과와 유}

사하다 ^[8] . Fig. 5(b) 는 고파수영역에서 측정한 것으로 다공성 3C-SiC 의 경우 파수 2100 cm ^-1 전후에 약한 진 동피크가 측정되었다 . ^이것은 Si-H ^{의 결합 피크이며} FT-IR 에서 박막과 다공성 3C-SiC 를 구분지어줄 수 있 는 피크이다 . Si-H 결합의 안정성으로 인해 Si 기판은

식각되지 않은 것으로 사료되며 C-H 결합은 거의 발

견되지 않았다 ^[6] .

Fig. 6 ^{은 상온에서 측정한 박막과 다공성} 3C-SiC ^의 PL 스펙트라이다 . 여기파장은 325 nm 의 He-Cd 레이저 를 사용했고 박막의 경우는 약 487 nm 다공성 3C-SiC

의 경우는 약 460 nm ^{의 파장대역에서 피크가 측정되}

었다 . 이는 각각 약 2.5 eV 와 2.7 eV 에 해당하는 수치

이다 . ^다공성 3C-SiC ^{의 밴드갭 이동은 양자가둠의 효}

과가 원일일 수 있으나 SiC 의 결정립 크기가 수십 nm

로 크기 때문에 명확한 증거는 얻어지지 않았고 전기 적상태의 변화에 의한 현상으로 사료된다 ^[6] .

Fig. 4. Porosity diameter variation graph of anodized 3C- SiC with current density and pre-exposure time.

Fig. 5. FT-IR spectra of thin film and porous 3C-SiC; (a) 480 ~ 1500 cm

, (b) 2050 ~ 2150 cm

.

Fig. 6. PL spectra of thin film and porous 3C-SiC.

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4. 결 론

본 연구에서는 극환 환경용 다공성 3C-SiC 의 형성 을 위해 일반 UV 램프보다 안전한 UV-LED 를 이용하 여 전류밀도와 시간 , 선노광 등의 제어를 통해 다공성

3C-SiC 를 형성하고 물리적 , 화학적 , 광학적 특성을 분 석했다 . 전류밀도 7.1 mA/cm ² , 양극산화 시간 60 초 , 선 노광 시간 30 초에서 약 70 nm 의 다공성 3C-SiC 가 형 성되었다 . FT-IR 측정 결과 Si-H 결합을 통해 박막과

다공성 3C-SiC ^{의 차이점을 확인했으며} PL ^{을 통해서}

박막과 다공성 3C-SiC 의 밴드갭을 비교하였고 청색영

역에서의 발광 특성을 확인했다 . 박막과 다공성 3C-

SiC ^{의 밴드갭 이동은 양자가둠의 효과일 수 있으나 지}

속적인 연구가 필요하다 .

본 연구에서 제작된 다공성 3C-SiC 박막은 높은 화 학적 , ^{열적 안정성과 기계적 특성} , ^{다공성의 넓은 표면}

적 그리고 청색영역에서의 발광특성으로 인해 극한 환 경용 막 , 가스센서 , 광학 소자 분야에 유용하게 사용 가능할 것으로 기대된다 .

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김 강 산

• 2008년 3월 울산대학교 전기전자정보시 스템공학부(공학석사)

• 현재 울산대학교 전기전자정보시스템공 학부 박사 과정

• 주관심분야: 3C-SiC MEMS, Hydrogen sensor, porous 3C-SiC

정 귀 상

• 1992년 3월 TUT(공학박사)

• 2004년 2월 UC Berkeley 연구교수

• 현재 울산대학교 전기전자정보시스템공 학부 교수

• 주관심 분야: Sensor nodes & Energy harvesting based on M/NEMS

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