JP7794500B2 - 金属ナノ粒子が適用されたナノホールを含む発光素子及びその製造方法 - Google Patents

金属ナノ粒子が適用されたナノホールを含む発光素子及びその製造方法

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Description

本発明は、ナノ粒子が適用された発光素子に関し、より詳細には、金属ナノ粒子が適用されたナノホールを含む発光素子、及び金属ナノ粒子が適用されたナノホールを含む発光素子の製造方法に関する。
プラズモニック（Ｐｌａｓｍｏｎｉｃ）効果は、外部の光によって金属内の自由電子が集団的に振動する現象であって、金属で現れる光－電子効果に該当する。このようなプラズモニック効果は、特定の波長の入射光においてほとんどの光エネルギーが自由電子に転移される共鳴現象による。
ナノサイズの金属粒子の場合、可視光線又は近赤外線帯域の光の電場とプラズモンとが対をなしながら光吸収が起こり、鮮やかな色を帯びるようになる。このような現象を表面プラズモン共鳴（ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）といい、表面プラズモン共鳴は、局所的に著しく増加した電場を発生させることができる。
このような電場は、光エネルギーが表面プラズモンによって変換され、金属のナノ粒子の表面に蓄積されることによって発生し得る。また、電場の発生は、光の回折限界よりも小さな領域で光制御が可能であることを意味することができる。
金属ナノ粒子は、表面プラズモン共鳴現象など、電磁波との強くかつ特徴的な相互作用をし、これによって、光吸収帯域の増幅及び制御が可能であるので、蛍光分光学、様々な種類のセンサ、光電子素子など、様々な分野への適用が見込まれている。
但し、従来技術による発光素子は、金属ナノ粒子をＬＥＤに半永久的にコーティングする工程段階が複雑であり、金属ナノ粒子による表面プラズモン効果を増加させるのに限界があるという問題があった。
本発明の一つの目的は、ナノ粒子がコーティングされ、活性層を貫通する深さで形成されたナノホールを含む発光素子を提供することである。
本発明の他の目的は、ナノ粒子による表面プラズモン共鳴の効果を極大化した発光素子を提供することである。
本発明の他の目的は、前記ナノホールを含む発光素子の製造方法を提供することである。
但し、本発明が解決しようとする課題は、以上で言及した課題に限定されるものではなく、本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲で多様に拡張され得る。
本発明の一目的を達成するために、本発明の実施例に係るナノホールを含む発光素子は、第１導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成された第２導電型半導体層と、表面プラズモン共鳴を起こすナノ粒子がコーティングされたナノホールとを含むことができる。前記ナノホールは、前記第２導電型半導体層及び前記活性層を貫通する深さで形成されてもよい。
一実施例において、前記ナノホールは、前記第２導電型半導体層上にオーミックメタルを形成する工程、前記オーミックメタル、前記第２導電型半導体層及び前記活性層を垂直にエッチングすることによって、前記活性層を貫通する深さのホール（ｈｏｌｅ）を形成する工程、及び前記ホールの内部に前記ナノ粒子をコーティングする工程を通じて形成されてもよい。
一実施例において、前記ナノ粒子は、ドロップキャスティング（ｄｒｏｐ ｃａｓｔｉｎｇ）工程、スピンコーティング（ｓｐｉｎ ｃｏａｔｉｎｇ）工程、電気泳動（ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ）工程、及びディウェッティング（ｄｅｗｅｔｔｉｎｇ）工程のうちの少なくとも１つの工程を用いて、前記ナノホールにコーティングされてもよい。
一実施例において、前記活性層は、６２０ｎｍ～６８０ｎｍの波長の赤色光を放出することができる。前記ナノ粒子は、前記赤色光の波長に対する表面プラズモン共鳴を起こすための第１形状を有するＡｕを含むことができる。
一実施例において、前記ナノ粒子は、コア構造を有するコア（Ｃｏｒｅ）ナノ粒子、及びコア－シェル（Ｃｏｒｅ－ｓｈｅｌｌ）構造を有するコア－シェルナノ粒子のうちの少なくとも１つであってもよい。
一実施例において、前記ナノ粒子は、パラジウム（Ｐｄ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、及びロジウム（Ｒｈ）のうちの少なくとも１つを含むことができる。
一実施例において、前記ナノホールは、前記ナノ粒子と前記活性層との間に配置される絶縁膜を含むことができる。前記ナノ粒子は、前記絶縁膜を境界として前記活性層と表面プラズモン共鳴を起こすことができる。
一実施例において、前記絶縁膜は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、及びＡｌ２Ｏ３のうちの少なくとも１つを含むことができる。
一実施例において、前記ナノホールの直径は１００ｎｍ～５μｍであってもよい。
一実施例において、前記ナノホールの中心間の間隔は１００ｎｍ～１０μｍであってもよい。
本発明の他の目的を達成するために、本発明の実施例に係るナノホールを含む発光素子の製造方法は、ＬＥＤ及びオーミックメタルを形成するステップと、フォトリソグラフィ工程を行うステップと、ナノホールを形成するステップと、第１絶縁膜を蒸着するステップと、ＰＲを除去するステップと、ナノ粒子をコーティングするステップと、第２絶縁膜を蒸着するステップと、ｐ－オーミックメタルを露出させるステップと、ｎ－ＧａＮを露出させるステップと、メタルパッドを形成するステップとを含むことができる。前記ＬＥＤは、第１導電型半導体層、活性層、及び第２導電型半導体層を含むことができる。前記ナノホールは、前記第２導電型半導体層及び前記活性層を貫通する深さで形成されてもよい。
本発明の実施例に係るナノホールを含む発光素子は、ナノ粒子がコーティングされ、活性層を貫通する深さで形成されたナノホールを含むことができる。ナノ粒子は、ナノホールを介して活性層と近接した距離に半永久的にコーティングされるので、ナノホールを含む発光素子において表面プラズモン共鳴の効果が増加することができる。
したがって、本発明の実施例に係るナノホールを含む発光素子、及びナノホールを含む発光素子の製造方法によれば、発光素子の発光効率が極大化することができる。
但し、本発明の効果は、上述した効果に限定されるものではなく、本発明の思想及び領域から逸脱しない範囲で多様に拡張され得る。
本発明の実施例に係るナノホールを含む発光素子の積層構造を示す断面図である。 図１のナノホールを含む発光素子の積層構造を示す斜視図である。 ナノホールを含む発光素子のナノホールを示す拡大図である。 ナノホールにコーティングされたナノ粒子を示す拡大図である。 ナノ粒子の一例を示す光学イメージである。 図１のナノホールを含む発光素子を製造する方法を示すフローチャートである。 図１のナノホールを含む発光素子が製造される過程を示す図である。 本発明の実施例に係るナノホールを含む発光素子が前面発光する場合を示す図である。 本発明の実施例に係るナノホールを含む発光素子が背面発光する場合を示す図である。
本明細書に開示されている本発明の概念による実施例についての特定の構造的又は機能的な説明は、単に本発明の概念による実施例を説明するための目的で例示されたものであって、本発明の概念による実施例は、様々な形態で実施可能であり、本明細書に説明された実施例に限定されない。
本発明の概念による実施例は、様々な変更を加えることができ、様々な形態を有することができるので、実施例を図面に例示し、本明細書で詳しく説明する。しかし、これは、本発明の概念による実施例を特定の開示形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる変更、均等物、または代替物を含む。
「第１」又は「第２」などの用語を様々な構成要素を説明するのに使用できるが、前記構成要素は、前記用語によって限定されてはならない。前記用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ、例えば、本発明の概念による権利範囲から逸脱しないまま、第１構成要素は第２構成要素と命名されてもよく、同様に、第２構成要素は第１構成要素と命名されてもよい。
ある構成要素が他の構成要素に「連結されて」いるとか、「接続されて」いると言及された際には、その他の構成要素に直接的に連結又は接続されていることもあるが、その構成要素間に別の構成要素が存在することもあると理解されなければならない。反面、ある構成要素が他の構成要素に「直接連結されて」いるとか、「直接接続されて」いると言及された際には、その構成要素間に別の構成要素が存在しないものと理解されなければならない。構成要素間の関係を説明する表現、例えば、「～間に」と「すぐ～間に」又は「～に直接隣接する」なども同様に解釈されなければならない。
本明細書で使用した用語は、単に特定の実施例を説明するために用いられたもので、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は、文脈上明らかに別の意味を示すものでない限り、複数の表現を含む。本明細書において、「含む」又は「有する」などの用語は、説示された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部分品またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであって、１つ又はそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部分品またはこれらを組み合わせたものの存在又は付加可能性をあらかじめ排除しないものと理解されなければならない。
別に定義されない限り、技術的又は科学的な用語を含め、ここで用いられる全ての用語は、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。一般的に用いられる辞書に定義されているような用語は、関連技術の文脈上有する意味と一致する意味を有するものと解釈されなければならず、本明細書で明らかに定義しない限り、理想的又は過度に形式的な意味で解釈されない。
図１は、本発明の実施例に係るナノホールを含む発光素子の積層構造を示す断面図であり、図２は、図１のナノホールを含む発光素子の積層構造を示す斜視図である。
図１及び図２を参照すると、ナノホールを含む発光素子は、第１導電型半導体層２００、活性層３００、第２導電型半導体層４００、及びナノホールＮＨを含むことができる。
また、ナノホールを含む発光素子は、第１導電型半導体層２００の下部の基板１００、第２導電型半導体層４００の上部のオーミックメタル５００、及びメタルパッド６００をさらに含むことができる。
具体的には、ナノホールを含む発光素子は、基板１００上に形成された第１導電型半導体層２００、第１導電型半導体層２００上に形成された活性層３００、活性層３００上に形成された第２導電型半導体層４００、及び表面プラズモン共鳴を起こすナノ粒子ＮＰがコーティングされたナノホールＮＨを含むことができる。
基板１００は、ＧａＮのような半導体を積層（ｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙ）成長させることができる物質で構成され得る。例えば、基板１００は、サファイア、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、シリコン（Ｓｉ）、ガリウムリン（ＧａＰ）、インジウムリン（ＩｎＰ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＭｇＯ、ＬｉＡｌＯ２、及びＬｉＧａＯ２のうちの少なくとも１つを含むことができる。
第１導電型半導体層２００及び第２導電型半導体層４００は、それぞれ、ｎ型半導体層及びｐ型半導体層のうちの少なくとも１つとなり得る。
例えば、第１導電型半導体層２００及び第２導電型半導体層４００は窒化物半導体からなってもよい。
第１導電型半導体層２００及び第２導電型半導体層４００は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどの物質で構成され得る。
例えば、第１導電型半導体層２００のｎ型不純物にはＳｉ、Ｇｅ、Ｓｅ、Ｔｅなどが使用されてもよい。
例えば、第２導電型半導体層４００のｐ型不純物にはＭｇ、Ｚｎ、Ｂｅなどが使用されてもよい。
第１導電型半導体層２００及び第２導電型半導体層４００は、ＭＯＣＶＤ工程、ＭＢＥ工程、及びＨＶＰＥ工程のうちの少なくとも１つの工程により形成され得る。
活性層３００は、電子と正孔の再結合によって、所定のエネルギーを有する光を放出することができる。
例えば、活性層３００は、ＩｎＧａＮなどの単一の物質からなる層であってもよい。
例えば、活性層３００は、量子障壁層と量子井戸層が互いに交互に配置された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造で形成されてもよい。
活性層３００は、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、及びＩｎＡｌＧａＮのうちの少なくとも１つを含むことができる。
例えば、活性層３００が多重量子井戸（ＭＱＷ）構造である場合、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、及びＩｎＡｌＧａＮのうちエネルギーバンドギャップが小さい物質が量子井戸層として構成され、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、及びＩｎＡｌＧａＮのうちエネルギーバンドギャップが大きい物質が量子障壁層として構成されてもよい。
第１導電型半導体層２００、活性層３００、及び第２導電型半導体層４００は、一つの単位ＬＥＤ構造を形成することができる。
オーミックメタル５００は、第２導電型半導体層４００上に形成され得る。オーミックメタル５００は、第２導電型半導体層４００に電圧を印加するための電極であり得る。例えば、オーミックメタル５００はｐ－オーミックメタルであってもよい。
ナノホールＮＨは、第１導電型半導体層２００、活性層３００、及び第２導電型半導体層４００が積層された面に対して垂直方向に形成され得る。ナノホールＮＨは、垂直方向に前記単位ＬＥＤ構造に一定の配列で繰り返して形成され得る。
ナノホールＮＨは、前記第２導電型半導体層４００及び前記活性層３００を貫通する深さで形成され得る。例えば、ナノホールＮＨは、前記活性層３００を貫通し、前記第１導電型半導体層２００の一部にまで形成されてもよい。
ナノホールＮＨは、表面プラズモン共鳴を起こすナノ粒子ＮＰがコーティングされ得る。例えば、ナノホールＮＨは、前記ナノ粒子ＮＰと前記活性層３００との間に配置される絶縁膜を含むことができる。ナノ粒子ＮＰは、前記絶縁膜を境界として前記活性層３００と表面プラズモン共鳴を起こすことができる。
具体的には、ナノホールＮＨは、前記第２導電型半導体層４００上にオーミックメタル５００を形成する工程、前記オーミックメタル５００、前記第２導電型半導体層４００、及び前記活性層３００を垂直にエッチングすることによって、前記活性層３００を貫通する深さのホール（ｈｏｌｅ）を形成する工程、及び前記ホールの内部に前記ナノ粒子ＮＰをコーティングする工程を通じて形成され得る。
一方、本発明のナノホールを含む発光素子の具体的な製造工程については、図６及び図７を参照して詳細に後述する。
図２の拡大図に示すように、ナノ粒子ＮＰは、ナノホールＮＨを介して活性層３００と近接した距離に半永久的にコーティングされ得る。したがって、発光素子において、ナノ粒子ＮＰによる表面プラズモン共鳴の効果が極大化することができる。
メタルパッド６００は、前記単位ＬＥＤ構造に配線などを介して電気を印加するために形成され得る。メタルパッド６００は、ｐ型メタルパッド６１０及びｎ型メタルパッド６２０を含むことができる。
例えば、ｐ型メタルパッド６１０は、オーミックメタル５００と電気的に接続されてもよい。例えば、ｎ型メタルパッド６２０は、第１導電型半導体層２００と電気的に接続されてもよい。
図３は、ナノホールを含む発光素子のナノホールＮＨを示す拡大図である。
図３を参照すると、ナノホールＮＨは、第１導電型半導体層２００、活性層３００、及び第２導電型半導体層４００が積層された面に対して垂直方向に形成され得る。
ナノホールＮＨの断面の形状は、図３のように円形であり得る。例えば、ナノホールＮＨの直径は１００ｎｍ～５μｍであってもよい。
一方、本発明の実施例に係るナノホールＮＨの形状は円形に限定されない。例えば、ナノホールＮＨの形状は、三角形、四角形、六角形などの様々な形状を有することができる。
一実施例において、ナノホールＮＨは一定の配列を有することができる。複数のナノホールＮＨは、周期的に繰り返して形成され得る。例えば、複数のナノホールＮＨの中心間の間隔は１００ｎｍ～１０μｍであってもよい。
ナノホールＮＨは、ナノ粒子ＮＰと前記活性層３００との間に配置される絶縁膜を含むことができる。絶縁膜を境界として、ナノ粒子ＮＰは活性層３００と表面プラズモン共鳴を起こすことができる。
絶縁膜は、活性層３００とナノ粒子ＮＰとの間に適切な距離を形成する機能を行うことができる。例えば、絶縁膜は、１ｎｍ～１５０ｎｍの厚さを有することができる。
一実施例において、前記絶縁膜は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、及びＡｌ２Ｏ３のうちの少なくとも１つを含むことができる。
図４は、ナノホールＮＨにコーティングされたナノ粒子ＮＰを示す拡大図であり、図５は、ナノ粒子ＮＰの一例を示す光学イメージである。
図４を参照すると、ナノ粒子ＮＰは、ナノホールＮＨの内部に半永久的にコーティングされ得る。ナノ粒子ＮＰがナノホールＮＨにコーティングされる場合、ナノ粒子ＮＰは表面プラズモン共鳴を起こすことができる。
ナノ粒子ＮＰは、表面プラズモン現象を利用するのに適した物質として、外部刺激によって電子の放出が容易であり、負の誘電定数を有する金属で構成され得る。
例えば、ナノ粒子ＮＰは、パラジウム（Ｐｄ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、ニッケル（Ｎｉ）、及びチタン（Ｔｉ）のうちの少なくとも１つを含むことができる。
ナノ粒子ＮＰは、活性層３００を貫通する深さで形成されたナノホールＮＨを介して、活性層３００と近接した距離に半永久的にコーティングされ得る。
具体的には、ナノ粒子ＮＰは、活性層３００との距離が１ｎｍ～１５０ｎｍになるように、絶縁膜を境界として活性層３００の表面にコーティングされ得る。すなわち、ナノ粒子ＮＰは、前記絶縁膜を境界として前記活性層３００と表面プラズモン共鳴を起こすことができる。
例えば、ナノ粒子ＮＰは、コア構造を有するコア（Ｃｏｒｅ）ナノ粒子ＮＰであってもよい。例えば、ナノ粒子ＮＰは、コア－シェル（Ｃｏｒｅ－ｓｈｅｌｌ）構造を有するコア－シェルナノ粒子ＮＰであってもよい。
ナノ粒子ＮＰは、ドロップキャスティング（ｄｒｏｐ ｃａｓｔｉｎｇ）工程、スピンコーティング（ｓｐｉｎ ｃｏａｔｉｎｇ）工程、電気泳動（ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ）工程、及びディウェッティング（ｄｅｗｅｔｔｉｎｇ）工程のうちの少なくとも１つの工程を用いて、ナノホールＮＨの内部にコーティングされ得る。
一実施例において、単位ＬＥＤ構造は、赤色光を放出する赤色ＬＥＤであってもよい。例えば、活性層３００は、６２０ｎｍ～６８０ｎｍの波長の赤色光を放出することができる。
赤色ＬＥＤにおいて、ナノ粒子ＮＰは、赤色光の波長に対する表面プラズモン共鳴を起こすための第１形状を有するＡｕを含むことができる。
図５に示すように、赤色ＬＥＤにおいて、ナノ粒子ＮＰは、コア－シェル（Ｃｏｒｅ－ｓｈｅｌｌ）構造を有するコア－シェルナノ粒子ＮＰであり得る。例えば、ナノ粒子ＮＰは、Ａｕコア及びＳｉＯ２シェルで構成されてもよい。
赤色光の波長に対する表面プラズモン共鳴を起こすために、ナノ粒子ＮＰは、赤色ＬＥＤに最適化された第１形状を有することができる。例えば、第１形状は、尖った形状（ｐｏｉｎｔｅｄ ｓｈａｐｅ）、星状（ｓｔａｒ ｓｈａｐｅ）、角張った形状（ａｎｇｌｅｄ ｓｈａｐｅ）などであってもよい。
一方、本発明のナノ粒子ＮＰの形状は、第１形状に限定されるものではない。例えば、本発明の単位ＬＥＤ構造は、赤色光以外に緑色光、青色光、及び赤外線などを放出することができる。
したがって、本発明のナノ粒子ＮＰは、第１形状に限定されず、ターゲット光源の波長に対する表面プラズモン共鳴を起こすための最適の形状を有することができる。例えば、ナノ粒子ＮＰは、球形、直方体、正八面体などの様々な形状を有することができる。
図６は、図１のナノホールを含む発光素子を製造する方法を示すフローチャートであり、図７は、図１のナノホールを含む発光素子が製造される過程を示す図である。
図６及び図７を参照すると、本発明に係るナノホールを含む発光素子は、ＬＥＤ及びオーミックメタル５００を形成するステップ（Ｓ１００）、フォトリソグラフィ工程を行うステップ（Ｓ２００）、ナノホールＮＨを形成するステップ（Ｓ３００）、第１絶縁膜を蒸着するステップ（Ｓ４００）、ＰＲを除去するステップ（Ｓ５００）、ナノ粒子ＮＰをコーティングするステップ（Ｓ６００）、第２絶縁膜を蒸着するステップ（Ｓ７００）、ｐ－オーミックメタルを露出させるステップ（Ｓ８００）、ｎ－ＧａＮを露出させるステップ（Ｓ９００）、及びメタルパッド６００を形成するステップ（Ｓ１０００）を通じて製造され得る。
一実施例において、ナノホールを含む発光素子の製造方法は、ＬＥＤ及びオーミックメタル５００を形成するステップ（Ｓ１００）を含むことができる。ＬＥＤは、第１導電型半導体層２００、活性層３００、及び第２導電型半導体層４００を含むことができる。
例えば、発光素子の製造方法は、基板１００上に第１導電型半導体層２００を形成し、第１導電型半導体層２００上に活性層３００を形成し、活性層３００上に第２導電型半導体層４００を形成することができる。
基板１００は、ＧａＮのような半導体を積層（ｅｐｉｔａｘｉａｌｌｙ）成長させることができる物質で構成され得る。例えば、基板１００は、サファイア、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、シリコン（Ｓｉ）、ガリウムリン（ＧａＰ）、インジウムリン（ＩｎＰ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＭｇＯ、ＬｉＡｌＯ２、及びＬｉＧａＯ２のうちの少なくとも１つを含むことができる。
第１導電型半導体層２００及び第２導電型半導体層４００は窒化物半導体からなることができる。例えば、第１導電型半導体層２００及び第２導電型半導体層４００は、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮなどの物質で構成されてもよい。
活性層３００は、電子と正孔の再結合によって、所定のエネルギーを有する光を放出することができる。例えば、活性層３００は、量子障壁層と量子井戸層が互いに交互に配置された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造で形成されてもよい。
例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、及びＩｎＡｌＧａＮのうちエネルギーバンドギャップが小さい物質が量子井戸層として構成され、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、及びＩｎＡｌＧａＮのうちエネルギーバンドギャップが大きい物質が量子障壁層として構成されてもよい。
発光素子の製造方法は、第２導電型半導体層４００上にオーミックメタル５００をさらに形成することができる。オーミックメタル５００は、第２導電型半導体層４００に電圧を印加するための電極であり得る。例えば、オーミックメタル５００はｐ－オーミックメタルであってもよい。
一実施例において、ナノホールを含む発光素子の製造方法は、フォトリソグラフィ工程を行うステップ（Ｓ２００）を含むことができる。
フォトリソグラフィ工程では、マスク金属をＬＥＤ構造の上部のオーミックメタル５００上に蒸着し、前記マスク金属を選択的にパターニングすることができる。
例えば、電子ビーム（ｅｌｅｃｔｒｏｎ－ｂｅａｍ）リソグラフィ、集束イオンビーム（ｆｏｃｕｓｅｄ ｉｏｎ ｂｅａｍ、ＦＩＢ）リソグラフィ、ナノインプリント法（ｎａｎｏ－ｉｍｐｒｉｎｔ）、ＳｉＯ２ナノパーティクルを用いたマスク形成法、自己凝集性金属マスク法（ｓｅｌｆ－ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｍｅｔａｌ ｍａｓｋ）などを用いて、前記マスク金属をパターニングすることができる。
一実施例において、ナノホールを含む発光素子の製造方法は、ナノホールＮＨを形成するステップ（Ｓ３００）を含むことができる。
ナノホールＮＨは、第１導電型半導体層２００、活性層３００、及び第２導電型半導体層４００が積層された面に対して垂直方向に形成され得る。ナノホールＮＨは、垂直方向に前記単位ＬＥＤ構造に一定の配列で繰り返して形成され得る。
ナノホールＮＨを形成するステップは、単位ＬＥＤ構造及びオーミックメタル５００の選択的除去のために、ナノパターニング技術を用いた選択的エッチング工程を用いることができる。例えば、ナノホールＮＨ形成ステップは、乾式エッチング法（ｄｒｙ ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いて選択的エッチングを行うことができる。
具体的には、ナノホールＮＨを形成するステップは、反応性イオンエッチング法（ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ；ＲＩＥ）、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｉｏｎ ｅｔｃｈｉｎｇ；ＩＣＰ－ＲＩＥ）、化学的イオンビームエッチング（ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｉｏｎ ｂｅａｍ ｅｔｃｈｉｎｇ；ＣＡＩＢＥ）などを用いて、選択的エッチングを行うことができる。
例えば、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング（ＩＣＰ－ＲＩＥ）を用いる場合には、選択比（ｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙ）、エッチング率（ｅｔｃｈ ｒａｔｅ）などの工程パラメータを適切に調節して、単位ＬＥＤ構造及びオーミックメタル５００をエッチングすることができる。
ナノホールＮＨは、前記第２導電型半導体層４００及び前記活性層３００を貫通する深さで形成され得る。例えば、ナノホールＮＨは、前記活性層３００を貫通し、前記第１導電型半導体層２００の一部にまで形成されてもよい。
一実施例において、ナノホールを含む発光素子の製造方法は、第１絶縁膜を蒸着するステップ（Ｓ４００）、及びＰＲを除去するステップ（Ｓ５００）を含むことができる。
ナノホールＮＨは、前記ナノ粒子ＮＰと前記活性層３００との間に配置される第１絶縁膜を含むことができる。
第１絶縁膜は、活性層３００とナノ粒子ＮＰとの間に適切な距離を形成する機能を行うことができる。例えば、第１絶縁膜は、１ｎｍ～１５０ｎｍの厚さを有することができる。
第１絶縁膜は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、及びＡｌ２Ｏ３のうちの少なくとも１つを含むことができる。
第１絶縁膜が蒸着された後、ＰＲ除去工程が行われ得る。例えば、ＰＲは、アセトン及びイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）を使用して除去されてもよい。他の例を挙げると、ＰＲは、エッチング工程により除去されてもよい。
一実施例において、ナノホールを含む発光素子の製造方法は、ナノ粒子ＮＰをコーティングするステップ（Ｓ６００）を含むことができる。
ナノホールＮＨには、表面プラズモン共鳴を起こすナノ粒子ＮＰがコーティングされ得る。ナノ粒子ＮＰは、前記第１絶縁膜を境界として前記活性層３００と表面プラズモン共鳴を起こすことができる。
ナノ粒子ＮＰは、表面プラズモン現象を利用するのに適した物質として、外部刺激によって電子の放出が容易であり、負の誘電定数を有する金属で構成され得る。
例えば、ナノ粒子ＮＰは、パラジウム（Ｐｄ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、ニッケル（Ｎｉ）、及びチタン（Ｔｉ）のうちの少なくとも１つを含むことができる。
例えば、ナノ粒子ＮＰは、コア構造を有するコア（Ｃｏｒｅ）ナノ粒子ＮＰであってもよい。例えば、ナノ粒子ＮＰは、コア－シェル（Ｃｏｒｅ－ｓｈｅｌｌ）構造を有するコア－シェルナノ粒子ＮＰであってもよい。
ナノ粒子ＮＰは、ドロップキャスティング（ｄｒｏｐ ｃａｓｔｉｎｇ）工程、スピンコーティング（ｓｐｉｎ ｃｏａｔｉｎｇ）工程、電気泳動（ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ）工程、及びディウェッティング（ｄｅｗｅｔｔｉｎｇ）工程のうちの少なくとも１つの工程を用いて、ナノホールＮＨの内部にコーティングされ得る。
このように、ナノ粒子ＮＰがナノホールＮＨを介して活性層３００と近接した距離にコーティングされる場合、発光素子において表面プラズモン共鳴の効果が極大化することができる。
一実施例において、ナノホールを含む発光素子の製造方法は、第２絶縁膜を蒸着するステップ（Ｓ７００）を含むことができる。
第２絶縁膜は、ナノ粒子ＮＰがナノホールＮＨの内部に半永久的にコーティングされ得るように、ナノ粒子ＮＰを保護する機能を行うことができる。
第２絶縁膜は、第１絶縁膜と同様に、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、及びＡｌ２Ｏ３のうちの少なくとも１つを含むことができる。
一実施例において、ナノホールを含む発光素子の製造方法は、ｐ－オーミックメタルを露出させるステップ（Ｓ８００）と、ｎ－ＧａＮを露出させるステップ（Ｓ９００）と、メタルパッド６００を形成するステップ（Ｓ１０００）とを含むことができる。
ｐ－オーミックメタルを露出させるステップは、第２導電型半導体層４００上のオーミックメタル５００の上層部に形成された前記第２絶縁膜をアッシング（ａｓｈｉｎｇ）及びエッチング（ｅｔｃｈｉｎｇ）することによって、ｐ－オーミックメタルを露出させることができる。
ｎ－ＧａＮを露出させるステップは、フォトリソグラフィ工程及び乾式エッチング工程を用いて、第１導電型半導体層２００の上層部に形成された前記第２絶縁膜を除去することによって、ｎ－ＧａＮを露出させることができる。
メタルパッド６００を形成するステップは、単位ＬＥＤ構造に配線などを介して電気を印加できるように、ｐ型メタルパッド６１０及びｎ型メタルパッド６２０を形成することができる。
例えば、ｐ型メタルパッド６１０は、ｐ－オーミックメタルと電気的に接続されてもよい。例えば、ｎ型メタルパッド６２０は、第１導電型半導体層２００と電気的に接続されてもよい。
図８は、本発明の実施例に係るナノホールを含む発光素子が前面発光する場合を示す図である。
図８を参照すると、活性層３００から出力された光がオーミックメタル５００を通過することができる。例えば、オーミックメタル５００は透明金属で構成されてもよい。したがって、ナノホールを含む発光素子は前面発光することができる。
特に、ナノホールを含む発光素子は、前面発光する場合に、ナノホールＮＨを介してナノ粒子ＮＰが活性層３００の近くに持続的に固定されているので、内部量子効率が増加することができる。
図９は、本発明の実施例に係るナノホールを含む発光素子が背面発光する場合を示す図である。
図９を参照すると、活性層３００から出力された光がオーミックメタル５００で反射され得る。例えば、オーミックメタル５００は、光を反射させることができる金属で構成されてもよい。したがって、ナノホールを含む発光素子は背面発光することができる。
同様に、ナノホールを含む発光素子は、背面発光する場合に、ナノホールＮＨを介してナノ粒子ＮＰが活性層３００の近くに持続的に固定されているので、内部量子効率が増加することができる。
すなわち、ナノ粒子ＮＰは、ナノホールＮＨを介して活性層３００と近接した距離に半永久的にコーティングされるので、ナノホールを含む発光素子において表面プラズモン共鳴の効果が増加することができる。
したがって、本発明の実施例に係るナノホールを含む発光素子、及びナノホールを含む発光素子の製造方法によれば、発光素子の発光効率が極大化することができる。
以上のように、実施例をたとえ限定された図面によって説明したが、当該技術分野における通常の知識を有する者であれば、前記の記載から様々な修正及び変形が可能である。例えば、説明された技術が説明された方法と異なる順序で行われたり、及び／又は説明されたシステム、構造、装置、回路などの構成要素が説明された方法と異なる形態で結合又は組み合わせられたり、他の構成要素又は均等物によって代替又は置換されたりしても適切な結果が達成され得る。
したがって、他の具現、他の実施例及び特許請求の範囲と均等なものも、添付の特許請求の範囲の範囲に属する。

Claims (11)

  1. 第１導電型半導体層と、
    前記第１導電型半導体層上に形成された活性層と、
    前記活性層上に形成された第２導電型半導体層と、
    表面プラズモン共鳴を起こすナノ粒子がコーティングされたナノホールとを含み、
    前記ナノホールは、前記第２導電型半導体層及び前記活性層を貫通する深さで形成されることを特徴とする、ナノホールを含む発光素子。
  2. 前記ナノホールは、
    前記第２導電型半導体層上にオーミックメタルを形成する工程、前記オーミックメタル、前記第２導電型半導体層及び前記活性層を垂直にエッチングすることによって、前記活性層を貫通する深さのホール（ｈｏｌｅ）を形成する工程、及び前記ホールの内部に前記ナノ粒子をコーティングする工程を通じて形成されることを特徴とする、請求項１に記載のナノホールを含む発光素子。
  3. 前記ナノ粒子は、
    ドロップキャスティング（ｄｒｏｐ ｃａｓｔｉｎｇ）工程、スピンコーティング（ｓｐｉｎ ｃｏａｔｉｎｇ）工程、電気泳動（ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ）工程、及びディウェッティング（ｄｅｗｅｔｔｉｎｇ）工程のうちの少なくとも１つの工程を用いて、前記ナノホールにコーティングされることを特徴とする、請求項１に記載のナノホールを含む発光素子。
  4. 前記活性層は、６２０ｎｍ～６８０ｎｍの波長の赤色光を放出し、
    前記ナノ粒子は、前記赤色光の波長に対する表面プラズモン共鳴を起こすための第１形状を有するＡｕを含むことを特徴とする、請求項１に記載のナノホールを含む発光素子。
  5. 前記ナノ粒子は、
    コア構造を有するコア（Ｃｏｒｅ）ナノ粒子、及びコア－シェル（Ｃｏｒｅ－ｓｈｅｌｌ）構造を有するコア－シェルナノ粒子のうちの少なくとも１つであることを特徴とする、請求項１に記載のナノホールを含む発光素子。
  6. 前記ナノ粒子は、
    パラジウム（Ｐｄ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、及びロジウム（Ｒｈ）のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１に記載のナノホールを含む発光素子。
  7. 前記ナノホールは、前記ナノ粒子と前記活性層との間に配置される絶縁膜を含み、
    前記ナノ粒子は、前記絶縁膜を境界として前記活性層と表面プラズモン共鳴を起こすことを特徴とする、請求項１に記載のナノホールを含む発光素子。
  8. 前記絶縁膜は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、及びＡｌ２Ｏ３のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項７に記載のナノホールを含む発光素子。
  9. 前記ナノホールの直径は１００ｎｍ～５μｍであることを特徴とする、請求項１に記載のナノホールを含む発光素子。
  10. 前記ナノホールの中心間の間隔は１００ｎｍ～１０μｍであることを特徴とする、請求項１に記載のナノホールを含む発光素子。
  11. ＬＥＤ及びオーミックメタルを形成するステップと、
    フォトリソグラフィ工程を行うステップと、
    ナノホールを形成するステップと、
    第１絶縁膜を蒸着するステップと、
    フォトレジスト（ＰＲ）を除去するステップと、
    ナノ粒子をコーティングするステップと、
    第２絶縁膜を蒸着するステップと、
    ｐ－オーミックメタルを露出させるステップと、
    ｎ－ＧａＮを露出させるステップと、
    メタルパッドを形成するステップとを含み、
    前記ＬＥＤは、第１導電型半導体層、活性層、及び第２導電型半導体層を含み、
    前記ナノホールは、前記第２導電型半導体層及び前記活性層を貫通する深さで形成されることを特徴とする、ナノホールを含む発光素子の製造方法。
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