Nano- and Micro-structured Gallium Phosphide by Metal-assisted Chemical Etching

Abstract

인화갈륨 (GaP)은 가시광선 대역 빛을 흡수하기에 알맞은 밴드갭 에너지와 이산화탄소 또는 물 환원을 하기 위해 적합한 전도띠 끝 위치를 가지고 있기 때문에 광전기화학적 환원을 통한 태양 연료 (수소 및 메탄, 메탄올 등과 같은 탄소화합물) 생산에 유망한 광전극소재 중 하나이다. 더 효율적인 태양에너지 변환을 위해, 나노 혹은 마이크로 구조 형태의 인화갈륨 형성이 필요한데 이는 이러한 구조들이 우수한 광특성 (예를 들면, 광반사 억제 및 광포획 증가)과 광전기적 특성을 가지기 때문이다. 일차원 나노 및 마이크로 구조를 형성하는 대표적인 방법 중 하나인 VLS 법을 이용하면 금속 촉매 및 고온 조건 하 상변태를 통해 인화갈륨 나노와이어를 형성할 수 있다. 하지만 이렇게 형성된 인화갈륨 나노와이어는 본질적으로 적층결함이 존재하며, 이와 더불어 촉매로 쓰이는 금속입자의 고온에서의 확산으로 인해 나노와이어의 광전기적 특성을 약화시킬 수 있다. 한편, 금속 촉매 화학 식각법은 이러한 결함들이 없는 나노 및 마이크로 구조를 형성하는데 효과적인 방법으로 제시되고 있다. 그러나 인화갈륨과 같은 3-5족 반도체의 나노 및 마이크로 구조 형성을 위한 연구보다는 대부분의 연구가 실리콘 나노 및 마이크로 구조 형성에 집중되어 왔다. 이에 본 논문에서는, 불산 (HF)과 과산화수소 (H2O2) 혼합용액 내에서 진행되는 금속 촉매 화학 식각법을 이용하여 나노, 마이크로 구조 인화갈륨 형성을 보일 것이다. 나노입자 리소그래피와 포토리소그래피를 이용하여 수 나노에서 수 마이크로 크기를 가지는 다양한 모양의 금속들을 인화갈륨 기판 위에 형성하고 이들을 혼합용액에 넣어 무전해 식각을 진행함으로써 인화갈륨 나노콘 구조와 마이크로 메사 (mesa) 구조를 형성할 수 있었다. 이때, 놀라운 점은 촉매로서의 금속의 크기가 수 마이크로 크기로 증가되었을 때 기존에 보고된 일반적인 금속 촉매 화학 식각 과정이 아닌 반대 형태의 역 (inverse) 금속 촉매 화학 식각 과정이 나타났다는 점이다. 즉, 금속이 촉매로서 작용할 뿐만 아니라 부식액에 대해 마스크로서 작용하여 금속으로 덮여 있지 않은 인화갈륨 부분에서 더 많은 식각이 발생하였다. 이를 통해 본 연구진은 인화갈륨 마이크로 메사 구조를 형성될 수 있었다. 위 결과에 더하여, 본 연구진은 과산화수소 농도에 따른 인화갈륨 나노, 마이크로 구조의 식각 정도의 차이 및 식각 시간에 따른 나노, 마이크로 구조의 높이 변화와 같은 다양한 결과들 역시 제시할 것이다.