KR101367694B1 - 나노스피어를 이용한 질화갈륨 나노구조체 형성방법 - Google Patents

나노스피어를 이용한 질화갈륨 나노구조체 형성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 기판(10)의 상부면에 복수의 나노스피어(20)를 단일층으로 배열하는 나노스피어 배열단계(S110); 상기 복수의 나노스피어(20)들 간의 간격에 실리카졸 용액을 스며들게 하여, 상기 기판(10)의 상부면에 내측으로 오목한 복수의 반구홈(31)을 갖는 나노패턴(30)을 형성하는 나노패턴 형성단계(S120); 화학적 용해방식 또는 연소방식을 통해 상기 나노스피어(20)를 제거하는 나노스피어 제거단계(S130); 나노스피어(20)가 제거된 나노패턴(30)을 일정온도로 가열하여 나노패턴(30)을 결정화시키는 열처리단계(S140); 결정화된 나노패턴(30)의 각 반구홈(31) 내부에 상부방향으로 성장된 로드(Rod) 형태의 산화아연 나노구조체(40)를 형성하는 산화아연 나노구조체 형성단계(S150); 및 상기 산화아연 나노구조체(40)의 외부면에 질화갈륨(GaN)을 이종결합시켜 질화갈륨 나노구조체(50)를 형성하는 질화갈륨 나노구조체 형성단계(S160);를 포함하는 나노스피어를 이용한 질화갈륨 나노구조체 형성방법이 개시된다.

Description

나노스피어를 이용한 질화갈륨 나노구조체 형성방법{Method Of Forming Gallium Nitride Nano Structure Using Nano Sphere}
본 발명은 나노스피어를 이용한 질화갈륨 나노구조체 형성방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 로드형태 또는 각뿔형태 등과 같이 3차원 형상의 질화갈륨 나노구조체를 형성할 수 있는 나노스피어를 이용한 질화갈륨 나노구조체 형성방법에 관한 것이다.
도 1은 종래의 LED의 구성 및 동작원리를 나타낸 단면도이다. 도 1을 참고하면, 종래의 LED(1)는 기판(2) 위에 순차적으로 n형 GaN층(3), 멀티 양자우물층(Quantum-Well,4), p형 GaN층(5)이 증착되는 방식으로 평면적으로 적층된다. 또한, 그 윗면에는 + 전극(6)이 형성되며 - 전극(7)은 절연체인 기판(2)상에 형성될 수 없으므로 Dry 에칭방식으로 n형 GaN층(3)의 일부분까지 식각된 후 형성된다.
이와 같은 종래의 LED는, 순방향 전압인가시 n형 GaN층(3)의 전자와 p형 GaN층(5)의 정공이 결합하면서 전도대와 가전대의 높이차이(에너지갭)에 해당하는 만큼의 에너지를 갖는 빛이 발산되도록 동작한다.
그러나, 이러한 종래의 LED는 2차원적으로 각 층이 평면적으로 적층된 구조를 갖기 때문에 상기 전자와 정공이 결합될 수 있는 공간이 제한되어 전자와 정공의 재결합(Electron-Hole Recombination)이 방해받게 되어 광효율이 증대시키는데 한계가 있었다.
더욱이, 이러한 문제점은 솔라셀 등의 반도체 소자에서도 발전효율이 증대되지 않는 한계가 발생하는 등의 동일한 문제점이 있었다.
한국 공개특허공보 제10-2010-0091207호(2010.08.18), 개선된 LED 구조
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 LED, 솔라셀 등의 반도체 소자를 제조하는데 사용되는 n형 GaN층, p형 GaN층 등의 질화갈륨층을 로드형태 또는 각뿔형태 등과 같이 3차원 형상의 질화갈륨 나노구조체로 형성할 수 있게 되므로, 전자와 정공의 재결합이 이루어지는 공간을 대폭 증대시킬 수 있어 광효율 및 발전효율을 획기적으로 증가시킬 수 있는 나노스피어를 이용한 질화갈륨 나노구조체 형성방법을 제공하는 것에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 나노스피어를 이용한 질화갈륨 나노구조체 형성방법은, 기판(10)의 상부면에 복수의 나노스피어(20)를 단일층으로 배열하는 나노스피어 배열단계(S110); 상기 복수의 나노스피어(20)들 간의 간격에 실리카졸 용액을 스며들게 하여, 상기 기판(10)의 상부면에 내측으로 오목한 복수의 반구홈(31)을 갖는 나노패턴(30)을 형성하는 나노패턴 형성단계(S120); 화학적 용해방식 또는 연소방식을 통해 상기 나노스피어(20)를 제거하는 나노스피어 제거단계(S130); 나노스피어(20)가 제거된 나노패턴(30)을 일정온도로 가열하여 나노패턴(30)을 결정화시키는 열처리단계(S140); 결정화된 나노패턴(30)의 각 반구홈(31) 내부에 상부방향으로 성장된 로드(Rod) 형태의 산화아연 나노구조체(40)를 형성하는 산화아연 나노구조체 형성단계(S150); 및 상기 산화아연 나노구조체(40)의 외부면에 질화갈륨(GaN)을 이종결합시켜 질화갈륨 나노구조체(50)를 형성하는 질화갈륨 나노구조체 형성단계(S160);를 포함한다.
한편, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 나노스피어를 이용한 질화갈륨 나노구조체 형성방법은, 기판(10)의 상부면에 복수의 나노스피어(20)를 단일층으로 배열하는 나노스피어 배열단계(S110); 상기 복수의 나노스피어(20)들 간의 간격에 실리카졸 용액을 스며들게 하여, 상기 기판(10)의 상부면에 내측으로 오목한 복수의 반구홈(31)을 갖는 나노패턴(30)을 형성하는 나노패턴 형성단계(S120); 화학적 용해방식 또는 연소방식을 통해 상기 나노스피어(20)를 제거하는 나노스피어 제거단계(S130); 나노스피어(20)가 제거된 나노패턴(30)을 일정온도로 가열하여 나노패턴(30)을 결정화시키는 열처리단계(S140); 결정화된 나노패턴(30)의 각 반구홈(31) 내부에 각뿔(Polypyramid) 형태의 질화갈륨 나노구조체(60)를 형성하는 질화갈륨 나노구조체 형성단계(S170);를 포함한다.
본 발명에 따른 면광원 조명장치에 의하면,
첫째, 로드형태 또는 각뿔형태 등과 같이 3차원 형상의 이루어진 질화갈륨 나노구조체를 선택적으로 n형 또는 p형으로 도핑시켜 LED 및 솔라셀 등의 반도체 소자에 사용되는 n형 GaN층, p형 GaN층 등을 형성할 수 있게 되어, 전자와 정공의 재결합이 이루어지는 공간을 대폭 증대시킬 수 있어 광효율 및 발전효율을 획기적으로 증가시킬 수 있다.
둘째, 나노스피어는 연소시키면서도 나노패턴를 경화시킬 수 있는 소정의 온도(A) 범위 내에서 열처리가 이루지면서, 기판의 상부면에 배열된 나노스피어를 제거함과 동시에 나노패턴를 결정화시킬 수 있어 제조공정 및 제조시간을 감축할 수 있으므로 경제적 효용가치가 상승하게 된다.
셋째, 스핀 코팅 방식으로 기판의 상부면에 나노스피어를 배열하게 되므로, 회전속도를 적절하게 제어하여 나노패턴이 나노스피어의 중심수평선 아래에 형성되도록 조절함으로써 나노스피어의 상부에는 나노패턴이 형성되지 않도록 하여 이후 상기 나노스피어를 제거하는 공정이 용이해지는 효과를 제공한다.
넷째, 기판의 상부면에 나노스피어를 배열하는 과정에서 나노스피어의 지름이 100nm 내지 3㎛ 범위 내에서 조절할 수 있으므로 이후에 형성되는 3차원 질화갈륨 나노구조체의 크기를 적절하게 조절할 수 있다.
다섯째, 제조단가가 높으며 대면적 웨이퍼 공정에의 적용이 어려운 전자선 리소그래피 패터닝을 사용하지 않기 때문에, 일반적인 나노구조물 형성방법에 비하여 단시간 내에 나노구조물을 형성할 수 있는 특징이 있으며, 이로 인해 대면적 웨이퍼에 적용이나 제조단가, 그리고 공정시간 단축의 효과를 구현할 수 있다.
여섯째, 현재 널리 사용되고 있는 질화갈륨계 LED의 제조공정에 즉시적으로 적용할 수 있고, 나노구조 LED 구조에도 적용할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 LED의 구성 및 동작원리를 나타낸 단면도,
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노스피어가 기판의 상부면에 배열된 상태를 나타낸 사시도 및 단면도,
도 2c는 도 2a 및 도 2b의 상태를 광학현미경 및 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진,
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기판의 상부면에 나노패턴이 형성된 상태를 나타낸 사시도 및 단면도,
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노패턴에서 나노스피어가 제거된 상태를 나타낸 사시도 및 단면도,
도 4c는 도 4a 및 도 4b의 상태를 광학현미경 및 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진,
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노패턴에 로드형태의 산화아연 나노구조체가 성장된 상태를 나타낸 사시도 및 단면도,
도 5c는 도 5a 및 도 5b의 상태를 광학현미경 및 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진,
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 산화아연 나노구조체의 외부면에 로드형태의 질화갈륨 나노구조체가 형성된 상태를 나타낸 사시도 및 단면도,
도 6c는 도 6a 및 도 6b의 상태를 광학현미경 및 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진,
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노패턴에 각뿔형태의 질화갈륨 나노구조체가 형성된 상태를 나타낸 사시도 및 단면도,
도 7c는 도 7a 및 도 7b의 상태를 광학현미경 및 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진,
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노스피어를 이용한 질화갈륨 나노구조체 형성방법의 순서를 나타낸 흐름도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 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 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
먼저, 도 2 내지 도 6c, 도 8을 참조하여 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 나노스피어를 이용한 질화갈륨 나노구조체 형성방법을 설명하기로 한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 나노스피어를 이용한 질화갈륨 나노구조체 형성방법은, 나노스피어 배열단계(S110), 나노패턴 형성단계(S120), 열처리단계(S140), 산화아연 나노구조체 형성단계(S150) 및 질화갈륨 나노구조체 형성단계(S160)를 포함하여 구성된다.
본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 나노스피어 배열단계(S110)는, 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이, 기판(10)상에 구형상을 갖는 나노스피어(20)를 배열하는 단계로서, 기판(10)의 상부면에 다수의 나노스피어(20)를 단일층으로 배열한다. 여기서, 상기 '구(sphere)형상'이란 한 점에서 같은 거리에 있는 모든 점으로 이루어진 입체 모양이라는 수학적 정의의 구뿐만 아니라, 외견상 둥글게 생긴 형상의 것을 모두 포괄하는 의미로 이해할 수 있다.
또한, 상기 기판(10)의 상부면에 나노스피어(20)를 배열하는 방식으로는, 락뮤어 브릿지 방식, 닥터블레이드 방식, 딥코팅 방식 및 스핀코팅 방식이 이용될 수 있으나, 상기 제조단가를 고려하면 상기 스핀코팅 방식을 이용하여 기판(10)상에 나노스피어(20)를 배열하는 것이 바람직하다.
상기 스핀코팅 방식의 경우에는, 증류수나 일반 유기용매에 희석시킨 폴리스티렌 비드 용액을 기판(10)의 상부면에 도포하여 배열된다. 보다 구체적으로 설명하면, 일정량이 포함된 폴리스티렌 비드 입자를 증류수를 이용하여 희석시키고, 희석시킨 용액을 기판(10)의 상부면에 도포한 다음, 상온 상압 조건하에서 증류수를 증발시키면 기판 상에 구형 나노스피어(20)들이 단일층으로 배열된다. 이때, 폴리스티렌 비드 입자의 희석 농도는 메탄올이나 에탄올과 같은 유기용매를 사용하는 경우 분산이 용이하도록 적절히 조절할 수 있다.
이때, 기판(10) 위에 상기 폴리스티렌 비드 용액을 도포하기 전에 UV/Ozone 처리, O2 Plasma 처리등의 방법을 통해 표면 에너지 값을 증가시켜 나노스피어(20)들의 분산과 배열이 보다 용이하도록 처리할 수 있다.
여기서, 상기 기판(10)의 상부면에 나노스피어(20)를 배열하는 과정에서 나노스피어(20)의 지름은 LED 및 솔라셀 등의 반도체 소장의 발광효율 및 발전효율을 고려하여 100nm 내지 3㎛ 범위 내에서 정해지는 것이 바람직하며, 이로 인해 후술되는 나노패턴(30)의 반구홈(31)의 크기 및 반구홈(31)의 내부에 형성되는 질화갈륨 나노구조체(50)의 크기를 적절하게 조절할 수 있는 효과를 구현할 수 있다.
또한, 상기 나노스피어(20)를 이루는 재질은 상술한 폴리스티렌 이외에 플리에틸렌, 실리카 또는 유리로도 형성할 수 있음은 물론이다.
상기 나노패턴 형성단계(S120)는, 실리카졸 용액을 이용하여 나노패턴(30)을 형성하는 단계로서, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 다수의 나노스피어(20)들 간의 간격에 실리카(SiO2)졸 용액을 스며들게 하여, 상기 기판(10)의 상부면에 내측으로 오목한 다수의 반구홈(31)을 갖는 나노패턴(30)을 형성할 수 있다.
여기서, 상기 실리카졸 용액은, 테트라에칠오소실리케이트(Tetraethylorthosilicate)와 에탄올, 0.1M 염산을 1:10:1의 비율로 혼합한 혼합물로써, 상온에서 4시간동안 교반하여 형성할 수 있으며, 스핀코팅 방식으로 통해 상기 나노패턴(30)을 형성할 때에 나노패턴(30)의 두께가 적절하게 조절될 수 있도록 소정의 점성이 유지되도록 구비되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 상기 나노패턴 형성단계(S120)에서, 실리카졸 용액을 이용한 스핀코팅 방식을 통해 상기 다수의 반구홈(31)을 갖는 나노패턴(30)을 형성하되, 상기 스핀코팅 방식에서의 회전속도를 적절하게 조절하여 도 3b에 도시된 바와 같이 상기 나노패턴(30)이 나노스피어(20)의 중심수평선 아래에 형성되도록 하는 것이 바람직하며, 이로 인해, 나노스피어(20)의 상부에는 나노패턴(30)이 형성되지 않게 되므로 이후 상기 나노스피어 제거단계(S130)를 통해 나노스피어(20)를 보다 용이하게 제거할 수 있다.
상기 나노스피어 제거단계(S130)는, 나노패턴 형성단계(S120)를 통해 형성된 나노패턴(30)상에서 나노스피어(20)를 제거하는 단계로서, 도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이 화학적 용해방식 또는 연소방식을 통해 나노스피어(20)를 제거한다.
보다 구체적으로 설명하면, 상기 나노패턴(30)이 형성된 기판(10)을 나노스피어(20)를 용해시킬 수 있는 용해액에 침지시켜 상기 나노스피어(20)와 용해액 간의 화학적 반응에 따라 나노스피어(20)가 용해되도록 하여 제고하는 화학적 방식을 이용할 수 있음은 물론, 상기 기판(10) 및 나노패턴(30)상에 배치된 나노스피어(20)를 상기 나노스피어(20)가 연소될 수 있는 온도이상으로 가열하여 상기 나노스피어(20)를 제거하는 연소방식을 이용할 수 있다.
상기 열처리단계(S140)는, 나노스피어 제거단계(S130)를 통해 나노스피어(20)가 제거된 나노패턴(30)을 일정온도로 가열하여 나노패턴(30)이 일정크기 이상의 강성을 갖도록 열처리하는 단계이다. 상기 일정온도는 나노패턴(30)을 이루는 재질 또는 이후 제조공정에서 요구되는 강성의 크기에 따라 적절하게 조절될 수 있다.
여기서, 상기 나노스피어 제거단계(S130)와 열처리단계(S140)는, 상기 기판(10)의 상부면에 형성된 나노패턴(30)을 소정의 온도(A)로 가열하는 방식으로 열처리하여 동시에 이루어지도록 할 수 있는데, 상기 소정의 온도(A)는 하기 [수학식 1]과 같이, 상기 나노스피어(20)가 연소되는 연소온도(B)보다 크고, 상기 나노패턴(30)이 가열에 의해 물성이 변화되지 않는 내열온도(C)보다 작은 범위 내에서 정해지는 것이 바람직하다.
[수학식 1]
연소온도(B)〈 소정의 온도(A) 〈 내열온도(C)
이와 같이, 상기 나노스피어(20)는 연소시키면서도 나노패턴(30)를 경화시킬 수 있는 소정의 온도(A) 범위 내에서 열처리가 이루어지면서, 기판(10) 및 나노패턴(30)의 상부에 배열된 나노스피어(20)를 제거함과 동시에 나노패턴(30)을 결정화할 수 있어 제조공정 및 제조시간을 감출할 수 있으므로 경제적 효용가치가 상승하게 된다.
상기 산화아연 나노구조체 형성단계(S150)는, 후술되는 질화갈륨 나노구조체(50)가 로드형태로 형성될 수 있도록 상기 질화갈륨 나노구조체(50)를 증착시킬 수 있는 산화아연 나노구조체(40)를 형성하는 단계로서, 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 상기 열처리단계(S140)에서 결정화된 나노패턴(30)의 각 반구홈(31) 내부에 상부방향으로 성장된 로드형태의 산화아연 나노구조체(40)를 형성한다.
여기서, 상기 산화아연 나노구조체(40)를 형성하는 방법으로는 수열합성법(Hydrothermal Method)을 이용하여 상기 반구홈(31) 내부에 로드형태로 산화아연 나노구조체(40)를 성장시킬 수 있으며, 상기 수열합성법 이외에 기상증착법, 액상증착법, MOCVD 등의 방법을 이용할 수도 있다.
상기 산화아연 나노구조체(40)는, 상기 실리카졸 용액이 스며들지 않은 나노스피어(20)와 기판(10)의 접촉부위 즉, 나노패턴(30)이 형성되지 않은 반구홈(31)의 중앙에 기판(10)이 드러난 부분에서 성장된다.
드러난 기판(10)은 질화갈륨 기판으로서 산화아연 나노구조체(40)와 결정구조가 동일하며 수직방향으로 성장하는 속도가 빨라 로드 형태의 산화아연 나노구조체(40)를 형성할 수 있다.
상기 질화갈륨 나노구조체 형성단계(S160)는, 상기 산화아연 나노구조체 형성단계(S150)를 통해 반구홈(31) 내부에 형성된 산화아연 나노구조체(40)상에 질화갈륨 나노구조체(50)를 형성하는 단계로서, 도 6a 내지 도 6c에 도시된 바와 같이, 상기 산화아연 나노구조체(40)의 외부면에 질화갈륨(GaN)을 이종결합시켜 질화갈륨 나노구조체(50)를 형성한다.
여기서, 상기 산화아연 나노구조체(40)상에 질화갈륨(GaN)을 이종결합시키는 방법으로는, 화학기상증착법(CVD : Chemical Vapor Deposition) 또는, 금속유기화학증착법(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) 중 하나의 방법을 통해 상기 산화아연 나노구조체(40)의 외부면에 상기 질화갈륨 나노구조체(50)를 증착시킬 수 있다.
다음으로, 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 나노스피어를 이용한 질화갈륨 나노구조체 형성방법을 설명하기로 한다.
본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 나노스피어를 이용한 질화갈륨 나노구조체 형성방법은 도 8을 참조하면 나노스피어 배열단계(S110), 나노패턴 형성단계(S120), 나노스피어 제거단계(S130), 열처리단계(S140) 및 질화갈륨 나노구조체 형성단계(S170)를 포함한다.
여기서, 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 나노스피어를 이용한 질화갈륨 나노구조체 형성방법은, 상술한 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 나노스피어를 이용한 질화갈륨 나노구조체 형성방법과 비교하여 보면, 기판(10)상에 나노스피어(20)를 배열하는 나노스피어 배열단계(S110)부터 시작하여 나노패턴(30)을 소정의 온도(A)로 열처리단계(S140)까지의 과정은 모두 동일하며 상기 열처리단계(S140) 이후의 과정 즉, 상기 질화갈륨 나노구조체 형성단계(S170)에 있어서 구별되는 차이점이 있다.
상기 질화갈륨 나노구조체 형성단계(S170)는, 나노패턴(30)상에 각뿔형태의 질화갈륨 나노구조체(50)를 형성하는 단계로서, 도 7a 내지 도 7c에 도시된 바와 같이, 상기 열처리단계(S140)을 통해 결정화된 나노패턴(30)의 각 반구홈(31) 내부에 각뿔형태의 질화갈륨 나노구조체(60)를 형성한다.
여기서, 반구홈(31) 내부에 질화갈륨 나노구조체(50)를 형성하는 방법으로는, 화학기상증착법(CVD : Chemical Vapor Deposition) 또는, 금속유기화학증착법(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) 중 하나의 방법을 통해 상기 산화아연 나노구조체(40)의 외부면에 상기 질화갈륨 나노구조체(50)를 증착시킬 수 있다.
또한, 상기 금속유기화학증착법으로 산화아연 나노구조체(40)의 외부면에 질화갈륨을 증착시킬 때에 사용되는 암모니아 수소 캐리어가스에 의해 상기 산화아연 나노구조체(40)가 에칭이 되는 문제점이 발생할 수 있다. 이를 해결하기 위해서 질소 캐리어가스를 이용하는 방법과 산화아연 나노구조체(40)를 열처리하여 성장하는 방법 및, 저온에서 질화갈륨 Buffer Layer 성장 방법 등을 이용할 수 있다.
더불어, 상기 각뿔형상의 질화갈륨 나노구조체(50)를 형성하기 위해서는, SiO2 또는 SiNx 등의 나노패턴 형상구조를 이용하여 저온에서 질화갈륨 buffer layer를 형성 후에 질소 분위기에서 질화갈륨을 성장시키며, 캐리어가스의 수소 및 질소의 분률 변화를 통해 질화갈륨의 형상을 제어할 수 있다. 또한 III/V 비율을 조절하였을 때에도 각뿔형상의 질화갈륨 나노구조체(50)을 제조할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노스피어를 이용한 질화갈륨 나노구조체 형성방법에 따르면, 로드형태 또는 각뿔형태 등과 같이 3차원 형상의 이루어진 질화갈륨 나노구조체(50)를 선택적으로 n형 또는 p형으로 도핑시킴으로써 LED 및 솔라셀 등의 반도체 소자에 사용되는 n형 GaN층, p형 GaN층 등을 형성할 수 있게 되어, 전자와 정공의 재결합이 이루어지는 공간을 대폭 증대시킬 수 있으므로 광효율 및 발전효율을 획기적으로 증가시킬 수 있다.
또한, 제조단가가 높으며 대면적 웨이퍼 공정에의 적용이 어려운 전자선 리소그래피 패터닝을 사용하지 않기 때문에, 일반적인 나노구조물 형성방법에 비하여 단시간 내에 상술한 질화갈륨 나노구조체(50,60)를 형성할 수 있는 특징이 있으며, 이로 인해 대면적 웨이퍼에 적용이나 제조단가, 그리고 공정시간 단축의 효과를 구현할 수 있다. 더불어, 현재 널리 사용되고 있는 질화갈륨계 LED의 제조공정에 즉시적으로 적용할 수 있고, 나노구조 LED 구조에도 적용할 수 있는 장점이 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
10...기판 20...나노스피어
30...나노패턴 31...반구홈
40...산화아연 나노구조체 50,60...질화갈륨 나노구조체
S110...나노스피어 배열단계 S120...나노패턴 형성단계
S130...나노스피어 제거단계 S140...열처리단계
S150...산화아연 나노구조체 형성단계
S160,S170...질화갈륨 나노구조체 형성단계

Claims (8)

  1. 기판(10)의 상부면에 복수의 나노스피어(20)를 단일층으로 배열하는 나노스피어 배열단계(S110);
    상기 복수의 나노스피어(20)들 간의 간격에 실리카졸 용액을 스며들게 하여, 상기 기판(10)의 상부면에 내측으로 오목한 복수의 반구홈(31)을 갖는 나노패턴(30)을 형성하는 나노패턴 형성단계(S120);
    상기 나노패턴(30)이 형성된 기판(10)을 상기 나노스피어(20)를 용해시킬 수 있는 용해액에 침지시켜 상기 나노스피어(20)와 용해액 간의 화학적 반응에 따라 상기 나노스피어(20)가 용해되도록 하여 제고하는 화학적 용해방식 또는 상기 기판(10) 및 나노패턴(30)상에 배치된 상기 나노스피어(20)가 연소될 수 있는 온도이상으로 가열하여 상기 나노스피어(20)를 제거하는 연소방식을 통해 상기 나노스피어(20)를 제거하는 나노스피어 제거단계(S130);
    상기 나노스피어(20)가 제거된 상기 나노패턴(30)을 상기 나노패턴(30)의 재질 또는 제조공정에서 요구되는 강성의 크기에 따라 조절되는 온도로 가열하여 나노패턴(30)을 결정화시키는 열처리단계(S140);
    결정화된 나노패턴(30)의 각 반구홈(31) 내부에 상부방향으로 성장된 로드(Rod) 형태의 산화아연 나노구조체(40)를 형성하는 산화아연 나노구조체 형성단계(S150); 및
    상기 산화아연 나노구조체(40)의 외부면에 질화갈륨(GaN)을 이종결합시켜 질화갈륨 나노구조체(50)를 형성하는 질화갈륨 나노구조체 형성단계(S160);를 포함하는 나노스피어를 이용한 질화갈륨 나노구조체 형성방법.
  2. 기판(10)의 상부면에 복수의 나노스피어(20)를 단일층으로 배열하는 나노스피어 배열단계(S110);
    상기 복수의 나노스피어(20)들 간의 간격에 실리카졸 용액을 스며들게 하여, 상기 기판(10)의 상부면에 내측으로 오목한 복수의 반구홈(31)을 갖는 나노패턴(30)을 형성하는 나노패턴 형성단계(S120);
    상기 나노패턴(30)이 형성된 기판(10)을 상기 나노스피어(20)를 용해시킬 수 있는 용해액에 침지시켜 상기 나노스피어(20)와 용해액 간의 화학적 반응에 따라 상기 나노스피어(20)가 용해되도록 하여 제고하는 화학적 용해방식 또는 상기 기판(10) 및 나노패턴(30)상에 배치된 상기 나노스피어(20)가 연소될 수 있는 온도이상으로 가열하여 상기 나노스피어(20)를 제거하는 연소방식을 통해 상기 나노스피어(20)를 제거하는 나노스피어 제거단계(S130);
    상기 나노스피어(20)가 제거된 상기 나노패턴(30)을 상기 나노패턴(30)의 재질 또는 제조공정에서 요구되는 강성의 크기에 따라 조절되는 온도로 가열하여 나노패턴(30)을 결정화시키는 열처리단계(S140);
    결정화된 나노패턴(30)의 각 반구홈(31) 내부에 각뿔(Polypyramid) 형태의 질화갈륨 나노구조체(60)를 형성하는 질화갈륨 나노구조체 형성단계(S170);를 포함하는 나노스피어를 이용한 질화갈륨 나노구조체 형성방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 나노스피어 제거단계(S130);와 열처리단계(S140);는,
    상기 기판(10)의 상부면에 형성된 나노패턴(30)을 하기 [수학식 1]과 같이, 상기 나노스피어(20)가 연소되는 연소온도(B)보다 크고, 상기 나노패턴(30)이 가열에 의해 물성이 변화되지 않는 내열온도(C)보다 작은 범위 내에서 정해지는 소정의 온도(A)로 가열하는 방식으로 열처리하여 동시에 이루어지는 것을 특징으로 하는 나노스피어를 이용한 질화갈륨 나노구조체 형성방법.
    [수학식 1]
    연소온도(B)〈 소정의 온도(A) 〈 내열온도(C)
  4. 삭제
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 나노패턴 형성단계(S120);에서,
    상기 실리카졸 용액을 이용한 스핀코팅(Spin Coating) 방식을 통해 상기 복수의 반구홈(31)을 갖는 나노패턴(30)을 형성하되,
    상기 나노패턴(30)이 상기 나노스피어(20)의 중심수평선 아래에 형성되도록 회전속도를 조절하여 형성하는 것을 특징으로 하는 나노스피어를 이용한 질화갈륨 나노구조체 형성방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 나노패턴 형성단계(S120);에서,
    상기 실리카졸 용액은,
    테트라에칠오소실리케이트(Tetraethylorthosilicate), 에탄올 및, 염산을 1:10:1의 비율로 혼합한 혼합물인 것을 특징으로 하는 나노스피어를 이용한 질화갈륨 나노구조체 형성방법.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 나노스피어 배열단계(S110)에서,
    상기 나노스피어(20)의 지름이 100nm 내지 3㎛가 되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 나노스피어를 이용한 질화갈륨 나노구조체 형성 방법.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    질화갈륨 나노구조체 형성단계(S160,S170);는,
    화학기상증착법(CVD : Chemical Vapor Deposition) 또는, 금속유기화학증착법(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) 중 하나의 방법을 통해 상기 질화갈륨 나노구조체(50,60)를 형성하는 것을 특징으로 하는 나노스피어를 이용한 질화갈륨 나노구조체 형성방법.
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OPTICS EXPRESS, 2010, Vol. 18, No. 8, 7664-7669. *
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