KR101263286B1 - 반도체 광소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 광소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 기판과, 상기 기판 상에 제조된 적어도 하나의 반도체 구조물과, 상기 적어도 하나의 반도체 구조물 상부 또는 반도체 구조물 사이에 성장된 반도체 박막과, 상기 반도체 구조물 상부에 성장된 반도체 박막에 형성된 제 1 전극부와, 상기 기판 상부 또는 하부에 형성된 제 2 전극부를 포함하는 것으로서, 박막형과 나노막대형 반도체 광소자의 우수한 특성을 유지하면서도 간단한 공정으로 생산이 가능한 고효율의 반도체 광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

Description

반도체 광소자 및 그 제조 방법{SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONIC DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 반도체 광소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이종구조가 함입된 나노막대와 박막의 접합 구조에 그물형태 또는 투명전극을 포함하는 광소자로서, 전극을 포함하는 기존의 박막 또는 나노막대를 이용한 광소자의 구조가 가지는 한계점을 극복하는 고효율의 반도체 광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 전세계적으로 저탄소 녹색성장의 각국 정부의 에너지 정책에 따라 에너지 전환 효율이 높은 발광소자(light-emitting diodes, LEDs) 및 광발전소자 (Photovoltaic cells)에 대한 수요가 급증하고 있다. 이러한 광소자의 효율을 결정하는 인자 중 가장 중요한 것은 소자 구조 및 전극 구조로서, 고품위의 반도체 광소자를 제조하기 위해서 최근 이종구조를 포함하는 박막 p-n 접합 내지는 동심 배열의 나노막대 이종구조 p-n 접합 등의 반도체 광소자 구조가 개발되어 왔고, 소자의 크기 내지는 형태 및 투명전극 사용을 통해 이러한 소자의 효율을 높이고자 하는 노력이 계속되어 왔다.
전자의 박막형 반도체 소자는 기판에 기존의 증착법을 사용한다는 점 및 양산화가 되었다는 점에 큰 잇점이 있고, 후자의 나노막대형 반도체 소자는 결정 결함이 거의 없는 높은 결정성을 지니는 반도체 소자를 제조할 수 있고 나노막대의 길이를 증가시키면 동심배열 이종구조의 활성층 면적을 크게 넓혀 광효율을 증가시킬 수 있다는 장점을 가진다.
이러한 장점에도 불구하고 각 형태의 소자는 현재까지 실내 조명 내지는 옥외 광발전소자에 사용하는데 많은 한계점을 가지고 있었다. 박막형 반도체 소자의 한계점에 대해 기술하자면, 소재 측면에서 박막형 반도체 소자는 많은 결정결함을 가질 뿐만 아니라, 소자 측면에서는 활성층 면적이 소자의 면적과 동일하다는 점에서 그 한계가 있다. 나노막대형 반도체 소자는 개별 나노막대 어레이의 상부면 내지는 외주면에 전극을 형성하여야 한다. 이때 상부면 내지는 외주면에 전극을 형성하게 되면 발광소자의 경우에 광추출, 광발전소자의 경우에 광흡수가 용이하지 않게 된다.
따라서 나노막대의 외주면에 전극을 형성하고, 상부만을 식각하는 방법으로 고효율의 발광소자를 제조하는 방법이 고안되었으나 여전히 구조적 한계로 인하여 고효율 소자를 제조하는 데 많은 어려움이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 상기 박막형과 나노막대형 반도체 광소자의 우수한 특성을 유지하면서도 간단한 공정으로도 제조가 가능한 고효율의 반도체 광소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 다양한 기판을 사용할 수 있으면서도 대면적 기판 위에 광효율이 높고 품질이 우수한 반도체 소자를 제조할 수 있는 반도체 광소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 반도체 광소자는 기판; 상기 기판 상에 제조된 적어도 하나의 반도체 구조물; 상기 적어도 하나의 반도체 구조물 상부 및 반도체 구조물 사이에 성장된 반도체 박막; 상기 반도체 박막 상부에 형성된 제 1 전극부; 및 상기 기판 상부 또는 하부에 형성된 제 2 전극부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 적어도 하나의 반도체 구조물은, 나노막대 또는 나노튜브 중 적어도 어느 하나의 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 나노막대 또는 나노튜브의 직경은 1㎚ ~ 500㎚이고, 길이는 10㎚ ~ 1000㎛인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 나노막대 또는 나노튜브는 상기 반도체 박막과 서로 반대 타입의 반도체 구조물인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 나노막대 또는 나노튜브의 다수 수송자는 전자이고, 상기 반도체 박막의 다수 수송자는 정공인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 나노막대 또는 나노튜브의 다수 수송자는 정공이고, 상기 반도체 박막의 다수 수송자는 전자인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 적어도 하나의 반도체 구조물는, Si, Ge, SiC, III-V족 화합물 (III-As, III-P, III-N, III-Sb), II-VI족 화합물 (II-O, II-S, II-Se), 산화물, 질화물 중 적어도 어느 하나를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 적어도 하나의 반도체 구조물는, Si, C, Ge, Mg, Cd, Ti, Li, Cu, Al, Ni, Y, Ag, Mn, V, Fe, La, Ta, Nb, Ga, In, S, Se, P, As, Co, Cr, B, N, Sb 및 H로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 1종 이상의 이종물질이 추가로 포함되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 적어도 하나의 반도체 구조물는, 상기 기판에 수직 또는 일방향으로 배열되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 적어도 하나의 반도체 구조물과 상기 반도체 박막 사이에 동심배열의 이종구조 또는 양자우물구조 중 적어도 어느 하나가 삽입된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 이종구조 또는 양자우물구조는 Si, Ge, SiC, III-V족 화합물(III-As, III-P, III-N, III-Sb), II-VI족 화합물(II-O, II-S, II-Se), 산화물, 질화물 중 적어도 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어진 단일층 구조로 된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 이종구조 또는 양자우물구조는 Si, Ge, SiC, III-V족 화합물(III-As, III-P, III-N, III-Sb), II-VI족 화합물(II-O, II-S, II-Se), 산화물, 질화물 중 적어도 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어진 다층 구조로 된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 이종구조 또는 양자우물구조는 Si, C, Ge, Mg, Cd, Ti, Li, Cu, Al, Ni, Y, Ag, Mn, V, Fe, La, Ta, Nb, Ga, In, S, Se, P, As, Co, Cr, B, N, Sb 및 H로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 1종 이상의 이종물질이 추가로 포함되어 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 반도체 박막은 Si, Ge, SiC, III-V족 화합물(III-As, III-P, III-N, III-Sb), II-VI족 화합물(II-O, II-S, II-Se), 산화물, 질화물 중 적어도 어느 하나 또는 이들의 조합으로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 반도체 박막은 Si, C, Ge, Mg, Cd, Ti, Li, Cu, Al, Ni, Y, Ag, Mn, V, Fe, La, Ta, Nb, Ga, In, S, Se, P, As, Co, Cr, B, N, Sb 및 H로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 1종 이상의 이종물질이 추가로 포함되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 기판은 실리콘, 유리, 석영, 사파이어, 인튬-주석 산화물(ITO), 금속, Si, Ge, SiC, III-V족 화합물(III-As, III-P, III-N, III-Sb), II-VI족 화합물 (II-O, II-S, II-Se), 산화물, 질화물 중 적어도 어느 하나 또는 이들의 조합으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 기판은 Si, C, Ge, Mg, Cd, Ti, Li, Cu, Al, Ni, Na, Y, Ag, Mn, V, Fe, La, Ta, Nb, Ga, In, S, Se, P, As, Co, Cr, B, N, Sb 및 H로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 1종 이상의 이종물질이 추가로 포함되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 제 1 전극부와 제 2 전극부는 In, Li, Be, B, C, Na, Mg, Al, K, Ca, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Mg, Cd, In, Cu, Y, V, W, Al, Zn, Ta, Ng, Se, As, Cr, Nb, Sb, Sn, Pt, Pb, Pd, Zr, Hf, Sr, U, Ru, Mo 중 적어도 어느 하나 또는 이들의 합금 또는 그 산화물 및 질화물 중에서 선택된 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 제 1 전극부와 제 2 전극부는, 금속전극 또는 투명전극으로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 금속전극은 하나 이상의 개구부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 제 1 전극부는 단일층 또는 다층의 적층 구조로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 제 2 전극부는 기판 내지는 기판이 제거된 후 노출된 나노막대 또는 나노튜브에 형성된 금속전극 또는 투명전극 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 제 2 전극부는 In, Li, Be, B, C, Na, Mg, Al, K, Ca, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Mg, Cd, In, Cu, Y, V, W, Al, Zn, Ta, Ng, Se, As, Cr, Nb, Sb, Sn, Pt, Pb, Pd, Zr, Hf, Sr, U, Ru, Mo 중 적어도 어느 하나 또는 이들의 합금 또는 그 산화물 및 질화물 중에서 선택된 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 반도체 광소자의 제조방법은, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 소정의 반응 전구체들을 반응시켜 기판 상에 박막을 적층하는 단계; 상기 박막에 성장 마스크를 적층하는 단계; 상기 성장 마스크를 이용하여 개구부를 형성하는 단계; 형성된 개구부에 반도체 나노막대 또는 나노튜브 중 적어도 어느 하나를 형성하는 단계; 및 상기 나노막대 또는 나노튜브에 반도체 박막을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 또다른 반도체 광소자의 제조방법은, 기판을 준비하는 단계; 상기 기판 상에 소정의 반응 전구체들을 반응시켜 기판 상에 박막을 적층하는 단계; 상기 박막에 성장 마스크를 적층하는 단계; 상기 성장 마스크를 이용하여 개구부를 형성하는 단계; 형성된 개구부에 반도체 나노막대 또는 나노튜브 중 적어도 어느 하나를 형성하는 단계; 및 상기 나노막대 또는 나노튜브에 이종구조 또는 양자우물구조 중 적어도 어느 하나를 형성하는 단계; 및 상기 이종구조 또는 양자우물구조가 포함된 나노 막대 또는 나노튜브에 반도체 박막을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 반도체 나노막대 또는 나노튜브와 상기 반도체 박막은 결정질, 비정질 및 이들이 혼합된 준결정질중 어느 하나의 물질로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 반도체 나노막대 또는 나노튜브와 반도체 박막은 결정상수 차이가 100% 이내인 물질로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르면, 상기 반도체 나노막대 또는 나노튜브와 반도체 박막은 용액합성법, 물리증착법, 화학증착법, 스퍼터링법, 열 또는 전자빔 증발법, 펄스레이저 증착법 또는 기상 이송법 중의 적어도 어느 하나의 방법을 이용하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 반도체 광소자 및 그 제조 방법에 의하면, 기존의 박막형과 나노막대형 반도체 광소자의 우수한 특성을 유지하면서도 다양한 기판에 비교적 간단한 공정으로 고효율의 반도체 소자를 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 기판에 성장된 나노막대 내지는 나노튜브에 성장된 반도체 박막층을 포함하는 반도체 소자의 단면 구조도.
도 2는 도 1의 A-A??의 단면을 위에서 바라본 평면도의 일부 도면.
도 3은 본 발명에 따른 반도체 박막층 상에 형성된 하나 이상의 개구부를 포함하는 제 1 전극부를 포함하는 반도체 소자의 단면 구조도.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 반도체 박막층 상에 형성된 하나 이상의 개구부를 포함하는 제 1 전극부층 및 투명 전극층을 포함하는 반도체 소자의 단면 구조도.
도 6은 도 3 내지 도 5의 반도체 소자를 위에서 바라본 평면도.
도 7은 본 발명에 따른 기판 내지는 기판에 형성된 반도체에 형성된 전극을 포함하는 반도체 소자의 단면 구조도.
도 8은 본 발명에 따른 기판 내지는 기판에 형성된 반도체 구조물 하부에 형성된 하부 전극을 포함하는 반도체 소자의 단면 구조도.
도 9는 본 발명에 따른 기판 내지는 기판에 형성된 반도체 구조물를 포함하는 기판이 제거되고, 제거된 후 노출된 나노막대 내지는 나노튜브에 형성된 하부 전극을 포함하는 반도체 소자의 단면 구조도.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등 물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 통해 발명의 구성과 작용을 상세하게 설명하기로 한다. 이하의 실시예는 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정 되는 것은 아니다. 이하의 설명에서 어떤 층이 다른 층의 위에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 층의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제 3의 층이 게재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명에 따른 기판에 성장된 나노막대 내지는 나노튜브에 성장된 반도체 박막층을 포함하는 반도체 소자의 단면 구조도이고, 도 2는 도 1의 A-A??의 단면을 위에서 바라본 평면도의 일부 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에서의 반도체 광소자는 기본적으로 기판(100,110)과 상기 기판(100,110)상에 제조된 적어도 하나의 반도체 구조물(120)과 상기 적어도 하나의 반도체 구조물(120) 상부 또는 반도체 구조물(120) 사이에 성장된 반도체 박막(140)을 포함하여 구성된다.
즉, 상기 반도체 박막(140)과 반도체 구조물(120) 접합의 광소자 구조를 그 기본으로 한다.
상기 반도체 구조물(120)는 나노막대 또는 나노튜브의 형태로 구성될 수 있다.
설명의 편의를 위해 "반도체 구조물(120)"와 "나노막대 또는 나노튜브"를 교차 설명하도록 한다.
상기 나노막대와 나노튜브는 반도체 물질로 본 발명의 실시예에서는 유기금속 화학기상증착법(MOCVD)을 포함하는 기상이송법(vapor transport) 내지는 물리적 성장방법 뿐만 아니라, 수열합성법(hydrothermal method)를 포함하는 용액합성법 (solution synthesis method)으로 성장한다.
이는, 유기금속 화학기상증착법을 예로 들 수 있으며, 기판(100,110)위에 수직 또는 일방향으로 형성된 나노막대 또는 나노튜브인 것이 바람직하다.
또한, 나노막대와 나노튜브의 반도체 타입은 기판(100,110) 또는 기판(100,110)에 적층된 물질과 동일한 타입의 반도체 구조물인 것이 바람직하다.
상기 기판(100,110)은 실리콘, 유리, 석영, 사파이어, 인듐-주석 산화물 기판, 금속 기판, Si, Ge, SiC, III-V족 화합물(III-As, III-P, III-N, III-Sb), II-VI족 화합물(II-O, II-S, II-Se), 산화물, 질화물 또는 이들의 조합 내지는 적층 구조로 구성된 기판을 사용할 수 있다.
상기 반도체 박막(140)과 반도체(120) 접합 사이에는 이종구조(130) 또는 양자우물구조(130')가 삽입될 수 있다.
상기 이종구조(130)와 양자우물구조(130')는 서로 치환될 수 있다.
상기 반도체 구조물(120)의 외주면에 이종구조(130) 내지는 양자우물구조(130')가 삽입되는데, 이는 발광소자 또는 광발전소자의 효율을 증가시키기 위한 것이다.
이종구조(130) 내지 양자우물구조(130')는 반도체 구조물(120) 외주면에 동심배열로 형성되는 것이 바람직한데, 이렇게 형성된 동심배열의 이종구조(130) 내지 양자우물구조(130')는 발광소자에 있어서 발광 활성층의 면적이 증가하는 잇점이 있으며, 광발전소자에 있어서 광흡수층을 증가시키는 잇점을 가진다.
동심배열로 형성된 이종구조(130) 내지 양자우물구조(130')는 Si, Ge, SiC, III-V족 화합물(III-As, III-P, III-N, III-Sb), II-VI족 화합물(II-O, II-S, II-Se), 산화물, 질화물 또는 이들의 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하며 단일층 이상의 다층구조로 형성될 수 있다.
또한, 이종구조(130) 내지 양자우물구조(130')에는 Si, C, Ge, Mg, Cd, Ti, Li, Cu, Al, Ni, Y, Ag, Mn, V, Fe, La, Ta, Nb, Ga, In, S, Se, P, As, Co, Cr, B, N, Sb 및 H로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상의 이종물질이 추가로 포함될수 있다.
한편, 이종구조(130) 내지 양자우물구조(130') 외주에 반도체 구조물를 형성시켜 반도체 박막(140)을 형성한다.
상기 반도체 구조물(120)를 중심으로 성장된 반도체 박막(140)이 서로 합쳐져서 연속적인 박막 형태를 이루게 된다.
반도체 박막(140)은 Si, Ge, SiC, III-V족 화합물(III-As, III-P, III-N, III-Sb), II-VI족 화합물(II-O, II-S, II-Se), 산화물, 질화물 또는 이들의 조합으로 이루어지며, Si, C, Ge, Mg, Cd, Ti, Li, Cu, Al, Ni, Y, Ag, Mn, V, Fe, La, Ta, Nb, Ga, In, S, Se, P, As, Co, Cr, B, N, Sb 및 H로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상의 이종물질이 추가로 포함될 수 있다.
상기 반도체 박막(140)의 타입은 반도체 구조물(120) 또는 기판(100,110)과 반대의 타입으로 형성시키는 것이 바람직하고, 반도체 박막(140)의 두께는 품질의 요구수준 또는 사양에 따라 적절히 조절 가능하다.
상기 반도체 구조물(120)의 다수 수송자가 전자인 경우, 반도체 박막(140)의 다수 수송자는 정공인 것이 바람직 하고, 역으로 반도체 구조물(120)의 다수 수송자가 정공인 경우, 반도체 박막(140)의 다수 수송자가 전자인 것이 바람직하다.
그리고, 반도체 박막(140) 층은 반도체 구조물(120) 사이의 이격된 공간을 충전하므로 전류주입이 용이할 뿐만 아니라 보다 간단한 전극구조를 제공할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 반도체 박막층 상에 형성된 하나 이상의 개구부를 포함하는 전극이 형성된 반도체 소자의 단면 구조도이고, 도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 반도체 박막층 상에 형성된 하나 이상의 개구부를 포함하는 전극층 또는 투명전극으로 구성되는 제 1 전극부가 형성된 반도체 소자의 단면 구조도이고, 도 6은 도 3 내지 도 5의 반도체 소자를 위에서 바라본 평면도이다.
도 3 내지 도 6은 반도체 박막(140)의 상부에 제 1 전극부(150)를 증착시키는 것으로, 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 금속 내지 또는 투명전극의 구조가 하나 이상의 개구부를 포함하고 단일층 내지 하나 이상의 적층 구조로 형성된다.
상기 제 1 전극부(150)는 In, Li, Be, B, C, Na, Mg, Al, K, Ca, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Mg, Cd, In, Cu, Y, V, W, Al, Zn, Ta, Ng, Se, As, Cr, Nb, Sb, Sn, Pt, Pb, Pd, Zr, Hf, Sr, U, Ru, Mo 또는 이들을 포함하는 조합으로 합금된 금속 내지는 산화물을 포함할 수 있다.
하나 이상의 개구부를 포함하는 제 1 전극부(150)는 반도체 구조물(120)의 이격된 공간에 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 효율적인 전류 주입을 위하여 투명 전극층(151)이 하나 이상의 개구부를 포함하는 제 1 전극부(150)에 다층으로 형성될 수 있다.
이러한 전극 구조는 발광소자에 있어서 나노막대 내지는 나노튜브의 활성층에서 발광된 광자가 나노막대 내지는 나노튜브의 길이 방향으로 추출되는 것을 용이하며, 광발전소자에 있어서는 역으로 나노막대 내지는 나노튜브의 광흡수층에 보다 많은 광자가 주입될 수 있도록 하는 역할을 하고, 하나 이상의 개구부를 포함하는 그물 구조의 전극부의 접합면적을 줄임으로써 고효율의 광소자를 구현할 수 있도록 한다.
그리고, 적은 접합면적의 전극부임에도 불구하고 반도체 박막(140)층과 반도체 구조물(120)의 넓은 접합면적 때문에 고효율의 광소자가 가능하다.
반도체 박막(140)과 반도체 구조물(120) 접합의 광소자는 반도체 박막(140)상에 제 1 전극부(150)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제 1 전극부(150)와 후술될 제 2 전극부(160,161)는 투명전극 또는 하나 이상의 개구부를 포함하는 금속, 투명전극 구조, 전술한 전극의 적층구조 중 적어도 어느하나를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제 1 전극부(150)와 제 2 전극부(160,161)는 각각 반도체 박막(140) 상부 또는 기판(100,110) 하부에 형성된다.
개구부를 포함하는 성장 마스크나 절연체 내지는 기판(100, 110)에 나노막대 내지 또는 나노튜브를 성장하는데, 상기 나노막대 또는 나노튜브는 기판의 원하는 위치에 성장된 것이 고효율의 광소자를 위한 제 1 전극부(150)를 제조할 수 있다.
여기서, 성장 마스크 또는 절연체를 코팅할 수 있는데, 이 성장 마스크나 절연체는 리소그라피(lithography), 예컨대 나노 사이즈 기술에서 통상적으로 사용되는 전자빔(e-beam) 리소그라피의 방법으로 개구부를 형성하여 하부의 기판을 노출하는 구조를 포함한다.
기판(100,110) 위에 성장된 반도체 구조물(120) 즉, 나노막대 또는 나노튜브의 직경은 1㎚ ~ 500㎚이고, 길이는 10㎚ ~ 1000㎛인 것이 바람직하다.
도 7은 본 발명에 따른 기판 내지는 기판에 형성된 반도체 구조물 내지는 전도체에 형성된 전극을 포함하는 반도체 소자의 단면 구조도이고, 도 8은 본 발명에 따른 기판 내지는 기판에 형성된 반도체 구조물 내지는 전도체의 하부에 형성된 하부 전극을 포함하는 반도체 소자의 단면 구조도이고, 도 9는 본 발명에 따른 기판 내지는 기판에 형성된 반도체 구조물 내지는 전도체를 포함하는 기판이 제거되고, 제거된 후 노출된 나노막대 내지는 나노튜브에 형성된 하부 전극을 포함하는 반도체 소자의 단면 구조도이다.
기판(100,110) 또는 기판이 제거된 반도체 구조물(120)에 제 2 전극부(160)을 형성할 수 있는데, 제 1 전극부(150), 투명 전극층(151), 제 2 전극부(160,161)는 In, Li, Be, B, C, Na, Mg, Al, K, Ca, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Mg, Cd, In, Cu, Y, V, W, Al, Zn, Ta, Ng, Se, As, Cr, Nb, Sb, Sn, Pt, Pb, Pd, Zr, Hf, Sr, U, Ru, Mo 내지는 이들을 포함하는 조합으로 합금된 금속 또는 산화물을 포함하며, 하나 이상의 다층의 적층구조일 수 있다.
도 7 내지는 도 9에서 도시된 바와 같은 구조로 제 2 전극부(160,161)를 형성할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 반도체 소자의 구조는 기판(100,110) 또는 반도체 박막(140), 전도체 박막이 증착된 기판의 상부에 제 2 전극부(160,161)를 형성시키는 것으로서, 성장 마스크 또는 절연체, 나노막대 또는 나노튜브와 같은 반도체 구조물(120), 이종구조 내지는 양자우물구조(130), 반도체 박막(140)층이 제거되어 노출된 기판(110)에 제 2 전극부(160,161)가 형성된다.
도 8에 도시된 바와 같이, 기판(100) 하부에 전극층을 형성하는 방법으로 기판(100)이 적외선 또는 가시광선 영역에 대하여 투명한 기판에 적용될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 기판(100)을 제거한 후, 하부가 노출된 반도체 구조물(120)에 직접 전극을 형성하는 방법으로 기판(100)은 화학적/물리적 식각 내지는 물리적 박피 방법이 사용될 수 있다.
이때, 제 2 전극부(160,161)로는 금속전극 또는 투명전극 모두 사용 가능하며 금속전극은 반사판으로 사용될 수 있으며 투명전극 또한 광투과층으로 적합하여 모두 반도체 광소자의 광효율을 높일 수 있다.
본 발명에서의 반도체 광소자는 적외선, 가시광선 내지는 자외선을 발광하는 발광소자(LEDs), 레이저 다이오드(LDs), 적외선, 가시광선 또는 자외선을 흡수하여 발전하는 광발전소자 (Solar Cells)의 기능을 수행할 수 있다.
100, 110 : 기판 120 : 반도체 구조물(나노막대 또는 나노튜브)
130 : 이종구조 130' : 양자우물구조
140: 반도체 박막 150 : 제 1 전극부
151: 투명 전극층 160, 161: 제 2 전극부

Claims (28)

  1. 발광소자(LEDs) 또는 광 발전소자(Solar Cells)로서,
    개구부를 포함하는 성장 마스크와 절연체 중 어느 하나로 코팅된 기판;
    상기 기판의 개구부에 성장된 반도체 나노막대, 반도체 나노피라미드 및 반도체 나노튜브 중 어느 하나를 포함하는 적어도 하나의 반도체 구조물;
    상기 반도체 구조물 외주면에 동심배열로 형성된 이종구조 또는 양자우물구조;
    상기 이종구조 또는 양자우물구조가 포함된 나노막대 또는 나노튜브와 반대되는 전도성 타입의 반도체 박막;
    상기 반도체 박막 상부에 증착된 제 1 전극부; 및
    상기 기판 상부 또는 하부에 형성된 제 2 전극부를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 반도체 구조물은, 나노막대 또는 나노튜브 중 적어도 어느 하나의 형상을 갖고,
    상기 제1 전극부는 나노막대 또는 나노튜브의 상부에 개구부가 형성된 그물 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노막대 또는 나노튜브의 직경은 1㎚ ~ 500㎚이고, 길이는 10㎚ ~ 1000㎛인 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노막대 또는 나노튜브는 상기 반도체 박막과 서로 반대 타입의 반도체인 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노막대 또는 나노튜브의 다수 수송자는 전자이고, 상기 반도체 박막의 다수 수송자는 정공인 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노막대 또는 나노튜브의 다수 수송자는 정공이고, 상기 반도체 박막의 다수 수송자는 전자인 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 반도체 구조물은,
    Si, Ge, SiC, III-V족 화합물 (III-As, III-P, III-N, III-Sb), II-VI족 화합물 (II-O, II-S, II-Se), 산화물, 질화물 중 적어도 어느 하나를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 반도체 구조물은,
    Si, C, Ge, Mg, Cd, Ti, Li, Cu, Al, Ni, Y, Ag, Mn, V, Fe, La, Ta, Nb, Ga, In, S, Se, P, As, Co, Cr, B, N, Sb 및 H로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 1종 이상의 이종물질이 추가로 포함되는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 반도체 구조물은,
    상기 기판에 수직 또는 일방향으로 배열되는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 반도체 구조물과 상기 반도체 박막 사이에 동심배열의 이종구조 또는 양자우물구조 중 적어도 어느 하나가 삽입된 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 이종구조 또는 양자우물구조는 Si, Ge, SiC, III-V족 화합물(III-As, III-P, III-N, III-Sb), II-VI족 화합물(II-O, II-S, II-Se), 산화물, 질화물 중 적어도 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어진 단일층 구조로 된 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 이종구조 또는 양자우물구조는 Si, Ge, SiC, III-V족 화합물(III-As, III-P, III-N, III-Sb), II-VI족 화합물(II-O, II-S, II-Se), 산화물, 질화물 중 적어도 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어진 다층 구조로 된 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
  13. 제 11항 또는 제 12항에 있어서,
    상기 이종구조 또는 양자우물구조는 Si, C, Ge, Mg, Cd, Ti, Li, Cu, Al, Ni, Y, Ag, Mn, V, Fe, La, Ta, Nb, Ga, In, S, Se, P, As, Co, Cr, B, N, Sb 및 H로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 1종 이상의 이종물질이 추가로 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 박막은 Si, Ge, SiC, III-V족 화합물(III-As, III-P, III-N, III-Sb), II-VI족 화합물(II-O, II-S, II-Se), 산화물, 질화물 중 적어도 어느 하나 또는 이들의 조합으로 구성된 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 반도체 박막은 Si, C, Ge, Mg, Cd, Ti, Li, Cu, Al, Ni, Y, Ag, Mn, V, Fe, La, Ta, Nb, Ga, In, S, Se, P, As, Co, Cr, B, N, Sb 및 H로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 1종 이상의 이종물질이 추가로 포함되는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘, 유리, 석영, 사파이어, 인튬-주석 산화물(ITO), 금속, Si, Ge, SiC, III-V족 화합물(III-As, III-P, III-N, III-Sb), II-VI족 화합물 (II-O, II-S, II-Se), 산화물, 질화물 중 적어도 어느 하나 또는 이들의 조합으로 구성된 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 기판은 Si, C, Ge, Mg, Cd, Ti, Li, Cu, Al, Ni, Na, Y, Ag, Mn, V, Fe, La, Ta, Nb, Ga, In, S, Se, P, As, Co, Cr, B, N, Sb 및 H로 이루어진 군 중에서 선택된 적어도 1종 이상의 이종물질이 추가로 포함되는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극부와 제 2 전극부는 In, Li, Be, B, C, Na, Mg, Al, K, Ca, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Cd, Cu, Y, V, W, Zn, Ta, Ng, Se, As, Cr, Nb, Sb, Sn, Pt, Pb, Pd, Zr, Hf, Sr, U, Ru, Mo 중 적어도 어느 하나 또는 이들의 합금 또는 그 산화물 및 질화물 중에서 선택된 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
  19. 제 1 항 또는 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 전극부와 제 2 전극부는,
    금속전극 또는 투명전극으로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 금속전극은 하나 이상의 개구부를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극부는 단일층 또는 다층의 적층 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전극부는 기판 내지는 기판이 제거된 후 노출된 나노막대 또는 나노튜브에 형성된 금속전극 또는 투명전극 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 전극부는 In, Li, Be, B, C, Na, Mg, Al, K, Ca, Ag, Au, Fe, Co, Ni, Cd, Cu, Y, V, W, Zn, Ta, Ng, Se, As, Cr, Nb, Sb, Sn, Pt, Pb, Pd, Zr, Hf, Sr, U, Ru, Mo 중 적어도 어느 하나 또는 이들의 합금 또는 그 산화물 및 질화물 중에서 선택된 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체 광소자.
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