HVPE 방법을 이용한 단결정 육각형 실리콘의 성장과 물리적 특성

Abstract

전기에너지 생산과 저장 그리고 전송 분야는 에너지 사용의 효율 향상이 매우 중요한 요소이다. 이러한 원천 소재의 개발은 가장 기초적이며 근원적인 해결책이라고 할 수 있다. 실리콘은 기계적, 물리적, 열적, 화학적 특성이 뛰어나며 자연에서 쉽게 얻을 수 있을 만큼 풍부하다. 이러한 이점을 기반으로 실리콘은 전자 산업, 건축 산업, 소비재 산업, 의료 산업, 에너지 산업 등 다양한 분야에서 광범위하게 사용되고 있다. 특히 실리콘은 반도체 소자를 제작하기 위한 핵심 소재이다. 실리콘 단결정은 다이아몬드 구조의 입방정계에 속한다. 오늘날 Si과 관련된 대부분 산업에서는 입방 결정 구조 또는 비정질 실리콘이 사용되고 있다. 하지만 실리콘은 1.1eV의 간접 밴드갭과 3.2eV의 직접 밴드갭을 가지는 간접천이형 반도체 물질로서 빛을 흡수하거나 방출하는 과정에서 광효율이 우수하지 못하다. 이로 인해 입방 실리콘 또는 비정질 실리콘 이외의 광 흡수제로서 효율을 향상시킬 수 있는 새로운 구조의 단결정 실리콘이 요구되고 있다. 흑연과 다이아몬드는 모두 탄소로 이루어져 있지만 서로 다른 성질을 나타낸다. 물질을 구성하는 원소는 탄소 원자로 동일하지만 원자의 배열, 즉 결정 구조가 다르기 때문에 그 물리적 특성이 달라진다. 이와 유사하게 실리콘 역시 같은 온도와 압력에서 다른 성질을 갖는 다양한 구조의 실리콘 동소체가 존재한다. 조건에 따라 다른 결정 구조를 얻을 수 있으며, 특히 육각형 구조 실리콘은 이 분야에서 새로운 소재의 발전 가능성을 제시한다. 육각형 구조 실리콘은 준 직접 에너지 밴드갭을 가져 이로 인해 우수한 광학적인 특성을 가질 것으로 예측된다. 따라서 육각형 구조 실리콘의 광전지 소자와 발광 소자로서의 응용성이 기대된다. 실리콘 결정은 자연적으로 입방 구조로 결정화되기 때문에 육각형 구조의 실리콘을 얻는 것은 매우 어려운 일이다. 따라서 순수한 육각형 구조 실리콘을 대량으로 제조하는 새로운 기술이 필요하다. 본 연구에서는 혼합소스 HVPE 방법을 통해 마이크로 바늘 형태의 단결정 육각형 실리콘을 대량으로 성장하였다. 성장된 육각형 실리콘 마이크로 바늘과 성장 기판은 FE-SEM, EDS, XRD, XPS, Raman을 통해 물리적 특성을 분석하였다. 결과적으로 혼합소스 HVPE 방법을 이용한 육각형 구조 실리콘의 대량 성장 가능성을 확인하고 상압에서 성장 메커니즘을 파악했다. 이를 통해 기존의 실리콘과 관련된 산업을 크게 변화시킬 수 있을 것으로 기대된다.