KR101697824B1 - 광자 다이오드 및 이의 제조방법 - Google Patents

광자 다이오드 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 광자 다이오드, 이를 포함하는 광전자 디바이스 및 광자 다이오드의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 기판; 및 상기 기판 상에 형성된 나노구조체를 포함하고, 상기 나노구조체는 코어-쉘 구조를 포함하고, 상기 코어는 나노와이어 또는 나노로드이며, 상기 쉘은 양자우물, 양자점 및 양자선 중 1종 이상인 양자구조를 포함하는 것인 광자 다이오드, 이를 포함하는 광전자 디바이스 및 광자 다이오드의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 한 방향으로만 선택적 빛 전달이 가능하고, 높은 효율의 광집적회로를 실현할 수 있는 광자 다이오드를 제공할 수 있다.

Description

광자 다이오드 및 이의 제조방법{PHOTONIC DIODE AND ITS MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 광자 다이오드 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
전기회로 시장의 대부분을 차지하고 있는 실리콘 기반의 전자회로의 내재적 한계를 대체할 대상으로, 광학 신호 처리 및 커뮤니케이션과 더 빠른 정보 전달에 이용되는 나노/마이크로 크기의 광전자 디바이스에 대한 관심이 높아지고 있고, 예를 들어, 광자 다이오드, 광자 트랜지스터 등과 같이 광자로 구동 가능한 소자들이 광전자 디바이스에 적용될 수 있다.
화합물 반도체 로드는, 특유한 1차원 구조에 의한 효율적 웨이브 가이딩 및 조정 가능한 넓은 직접 천이형 밴드갭 때문에, 높은 효율을 갖는 컴팩트한 광전자 디바이스를 위한 적절한 광 부품으로 보고되고 있다. 최근에는 성장 축을 따라 공간적으로 변화된 밴드갭 에너지(Eg)를 갖는 파장 가변 화합물 반도체 로드가 비선형 광자 다이오드로 적용되는 연구가 보고되었다. 이와 같이 보고된 다이오드는 정방향의 빛 (또는 광자) 전파를 허용하지만 반대방향(역방향)으로의 빛 전파를 허용하지 않는 성질을 가지고 있어서 광자 다이오드로 이용될 수 있다.
광자 다이오드로 사용하기 위하여 기존에 비대칭 메타물질인 이방성 평면 카이럴 구조체, 또는 자성 및 공간적인 비대칭을 지닌 광결정과 같은 다양한 구조 등이 보고되고 있지만, 이러한 비대칭 평면 카이럴 구조나 광결정 구조는 가시광 영역에서 작동하기 위하여 수백 나노미터의 주기성을 가진 구조의 배열을 이용하므로 반도체 로드에 비해 상대적으로 그 크기가 크고(수 마이크로 미터 내지 수십 마이크로 미터), 또한, 주기성을 가진 구조를 만들기 위해 복잡하고 제조 비용이 높은 나노 패턴 형성 공정을 필요로 하기 때문에 광집적회로에 적용하기에는 반도체 로드에 비하여 불리한 면이 있다.
또한, 비대칭 평면 카이럴 구조나 광결정 구조들은 입사광의 입사각에 상당히 민감하게 반응하여 입사각이 수직이 아닐 경우에 효율이 급격하게 떨어지므로, 입사광을 수직으로 넣어주기 위한 거울 또는 도파관이 필요하고, 또는 특정 편광 방향의 빛에만 작동하기 때문에 입사광의 편광 방향을 바꿔 주는 편광기가 필요하다.
따라서 크기가 크고 복잡한 공정 및 추가적인 광 부품이 필요한 비대칭 평면 카이럴 구조나 광결정 등과 같은 구조에 비해 쉽게 내부에 비대칭적인 빛의 흐름을 가지는 반도체 로드를 고집적회로에 적용하고자 하는 연구가 활발히 이루어 지고 있다. 최근 기상 수송 증착 방법을 이용하여 성장한 길이 방향으로 변화된 조성을 갖는 CdSSe 반도체 로드 내에서의 비대칭 광 전파 현상이 보고 되었고, 이러한 길이 방향으로 조성이 다른 반도체 로드를 광자 다이오드에 적용하고자 하는 연구들이 진행 중이다. 그러나, 기상 수송 증착 방식으로 성장된 CdSSe 로드는 수직적으로 성장하는 것이 어렵고, Cd, S, 및 Se와 같은 독성 원소로 구성된다는 단점을 가진다. 또한 상기 Cd는 공기 중에서 CdO로 산화 되기 때문에, CdO가 CdSSe 나노로드 표면에 잘 형성되고, 표면에 형성된 CdO로 인하여 빛의 진행 시 산란과 흡수를 일으켜 광자 다이오드의 효율 저하를 일으킬 수 있다. 이러한 CdSSe 로드는 벌크 구조가 대부분이고 벌크 구조인 경우에 정방향으로 빛이 진행할 경우에, 산란과 흡수가 많이 발생하기 때문에 광자 다이오드의 효율 저하를 일으키는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 광집적회로에 적용가능하고, 입사광 및 입사각과 편광 방향에 대한 민감도가 낮아 입사광 조절을 위한 추가적인 광 부품의 사용을 줄일 수 있는 광자 다이오드를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 상기 광자 다이오드를 이용한 광전자 디바이스를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 상기 광자 다이오드의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 측면에 따라,
기판; 및 상기 기판 상에 형성된 나노구조체; 를 포함하고, 상기 나노구조체는 코어-쉘 구조를 포함하고, 상기 코어는 나노와이어 또는 나노로드이며, 상기 쉘은 양자우물, 양자점 및 양자선 중 1종 이상인 양자구조를 포함하는 광자 다이오드에 관한 것이다.
본 발명의 일측에 따라, 상기 나노구조체는, 상기 나노구조체의 성장 방향에 따라 상부 단면이 좁은 테이퍼진 구조일 수 있다.
본 발명의 일측에 따라, 상기 나노구조체는, 상기 나노구조체의 성장 방향 축을 기준으로 0°초과 45°이하의 테이퍼 각을 갖는 것일 수 있다.
본 발명의 일측에 따라, 상기 코어 및 상기 쉘은, 각각, 상기 나노구조체의 성장 방향에 따라 상부 단면이 좁은 테이퍼진 구조이고, 상기 나노구조체의 성장 방향 축을 기준으로 상기 코어의 테이퍼 각이 상기 쉘의 테이퍼 각보다 더 큰 것일 수 있다.
본 발명의 일측에 따라, 상기 쉘의 두께는, 상기 나노구조체의 성장 방향에 따라, 점진적으로 증가하는 것일 수 있다.
본 발명의 일측에 따라, 상기 코어 및 상기 쉘은, III-V족 반도체 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 일측에 따라, 상기 III-V족 반도체 물질은, GaN, GaP, GaAs, GaSb, AlN, AlP, AlAs, AlSb, InN, InP, InAs, InSb, AlGaN, AlGaP, AlGaAs, AlGaSb, GaInN, GaInP, GaInAs, GaInSb, AlInN, AlInP, AlInAs, AlInSb, AlGaInN, AlGaInP, AlGaInAs 및 AlGaInSb 중 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 일측에 따라, 상기 쉘은, 단일 양자구조 또는 복수의 주기를 갖는 다중 양자구조를 포함하고, 상기 단일 양자구조는 1 nm 내지 15 nm의 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 일측에 따라, 상기 쉘은, 에너지 밴드 갭이 상이한 2종 이상의 III-V족 반도체 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 일측에 따라, 상기 쉘은, AlN/AlGaN, AlN/GaN, AlN/InGaN, AlN/InN, AlN/AlGaInN, AlGaN/GaN, AlGaN/InGaN, AlGaN/AlGaInN, GaN/InGaN, GaN/InN, AlGaInN/InGaN, AlGaInN/InN, AlP/AlGaP, AlP/GaP, AlP/InGaP, AlP/InP, AlP/AlGaInP, AlGaP/GaP, AlGaP/InGaP, AlGaP/AlGaInP, GaP/InGaP, GaP/InP, AlGaInP/InGaP, AlGaInP/InP, AlAs/AlGaAs, AlAs/GaAs, AlAs/InGaAs, AlAs/InAs, AlAs/AlGaInAs, AlGaAs/GaAs, AlGaAs/InGaAs, AlGaAs/AlGaInAs, GaAs/InGaAs, GaAs/InAs, AlGaInAs/InGaAs, AlGaInAs/InAs, AlSb/AlGaSb, AlSb/GaSb, AlSb/InGaSb, AlSb/InSb, AlSb/AlGaInSb, AlGaSb/GaSb, AlGaSb/InGaSb, AlGaSb/AlGaInSb, GaSb/InGaSb, GaSb/InSb, AlGaInSb/InGaSb, 및 AlGaInSb/InSb 중 1종 이상일 수 있다.
본 발명의 일측에 따라, 상기 쉘은, 1 nm 내지 1000 nm의 두께를 갖는 것일 수 있다.
본 발명의 일측에 따라, 상기 나노구조체는, 10 nm 내지 10 ㎛의 직경, 100 nm 내지 100 ㎛의 길이 및 1 내지 100의 종횡비를 갖는 것일 수 있다.
본 발명의 제2 측면에 따라,
본 발명에 의한 광자 다이오드를 포함하는 광전자 디바이스에 관한 것이다.
본 발명의 제3 측면에 따라,
제1 물질의 시드를 기판 상에 형성하는 단계; 상기 제1 물질의 시드를 성장시켜 제1 물질 나노구조체 코어를 형성하는 단계; 및 상기 제1 물질 나노구조체 코어 측면 상에 제2 물질 쉘을 형성하여 제1 물질 나노구조체 코어/제2 물질 쉘을 포함하는 코어-쉘 구조를 형성하는 단계; 를 포함하고, 상기 나노구조체 코어는 나노와이어 또는 나노로드이고, 상기 쉘은 양자구조를 포함하는 것인 광자 다이오드의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 화학적으로 안정되어 산화 발생이 낮고, 독성이 적은 원소로 이루어진 반도체 물질을 포함하는 광자 다이오드를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 광자 다이오드는, 높은 양자 효율을 갖는 양자 구조를 나노구조체에 적용하여 효율을 높이고, 양자구조의 두께 변화를 통하여 양자 구속 효과를 조절할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 광자 다이오드는 기존에 알려진 비대칭 평면 카이럴 구조나 광결정 구조 등에 비하여 크기가 작고, 입사광의 편광방향 및 입사 각도에 대한 영향이 적어 추가적인 광 부품 없이 고집적회로에 효과적으로 적용할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 광자 다이오드는 한 방향으로만 선택적으로 빛을 전달할 수 있으므로, 빛만으로 구동 가능한 광집적회로에 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 광자 다이오드는 길이 방향으로 밴드갭 에너지 차이를 조절할 수 있으므로, 넓은 파장을 흡수하는 태양전지의 재료에 사용될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명의 광자 다이오드를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명의 광자 다이오드의 단면을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명의 광자 다이오드의 에너지 밴드 갭의 기울기에 따른 빛 전파를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명의 광자 다이오드의 제조방법을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명의 광자 다이오드의 제조방법을 이미지로 예시적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 본 발명의 나노구조체 코어의 SEM (scanning electron microscopy) 이미지 및 CL(cathodoluminescence) 스펙트라를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 본 발명의 광자 다이오드의 SEM 이미지, 및 CL 스펙트라를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 본 발명의 광자 다이오드의 HAADF STEM(high-angle annular dark field scanning transmission electron microscopy) 이미지, 양자구조층의 두께 및 인듐 함량을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 본 발명의 광자 다이오드를 charge coupled device (CCD) 픽셀 어레이로 측정한 팬크로매틱(panchromatic) 및 모노크로매틱(monochromatic) 마이크로-PL(micro-) 이미지를 예시적으로 나타낸 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 광자 다이오드를 제공한다. 본 발명에 의한 광자 다이오드는 독성이 적고 산화에 안정한 물질로 이루어지고 내부에 양자 구조를 지니고 있기 때문에, 기존의 벌크형 나노구조체에 비하여 향상된 효율을 갖는 나노구조체를 포함한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명의 광자 다이오드를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 1a를 참조하면, 광자 다이오드는 기판(미도시) 및 기판 상에 형성된 나노구조체(1)를 포함하고, 나노구조체(1)는 코어(10)-쉘(20) 구조를 포함할 수 있다. 코어(10)는, 나노와이어 또는 나노로드일 수 있다.
코어(10)는 반도체 물질로 이루어지고, 예를 들어, GaN, GaP, GaAs, GaSb, AlN, AlP, AlAs, AlSb, InN, InP, InAs, InSb, AlGaN, AlGaP, AlGaAs, AlGaSb, GaInN, GaInP, GaInAs, GaInSb, AlInN, AlInP, AlInAs, AlInSb, AlGaInN, AlGaInP, AlGaInAs 및 AlGaInSb 중 1종 이상의 III-V족 반도체 물질을 포함할 수 있고, 바람직하게는 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, AlGaInN, GaP, AlGaP, AlP, GaAs, AlGaAs, GaInAs 및 AlGaInAs 중 1종 이상일 수 있다.
도 1b를 참조하면, 코어(10)는 테이퍼진 구조이며, 예를 들어, 코어(10)의 성장 방향에 따라 상부 단면이 점진적으로 좁아지는 테이퍼진 구조일 수 있다. 예를 들어, 코어(10)의 상단의 단면 직경(도 1b에서 dcore)에 비해 하단의 단면 직경이 더 클 수 있다. 코어(10)의 성장 방향 축을 기준으로 코어(10)의 테이퍼 각은 0 °초과, 45°이하이고, 바람직하게는 0°초과, 10°이하일 수 있다.
도 1a를 참조하면, 쉘(20)은 코어(10)의 외주면을 감싸는 원형 또는 다각형의 실린더 형상일 수 있다. 쉘(20)은 단층 또는 복수층으로 이루어지고, 바람직하게는 양자구조로 이루어진 양자구조층을 포함할 수 있다. 상기 양자구조층은 빛의 정방향 진행 시 산란을 줄여 빛의 흡수를 줄이고, 빛의 역방향 진행 시 높은 양자효율로 인한 빛의 흡수를 높여 광 다이오드의 효율을 개선시킬 수 있다. 상기 양자구조층은, 단일 양자 구조 또는 복수의 주기를 갖는 다중 양자구조를 포함하고, 예를 들어, 단층의 단일 양자구조, 상기 단일 양자구조가 복수층을 형성하는 다중 양자구조 등일 수 있다. 상기 단일 양자 구조는 1 nm 내지 15 nm, 바람직하게는 1 nm 내지 10 nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 양자구조는, 양자우물, 양자점 및 양자선 중 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는 양자우물일 수 있다.
쉘(20)은, 상기 양자구조층을 이루는 각층에 따라 또는 코어(10)의 성장 방향에 따라 구성 물질의 성분비를 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 각층에 따라 성분비가 변화된 복수층의 양자구조층을 형성하거나 또는 코어(10)의 성장 방향에 따라 성분비가 변화된 양자구조층을 형성할 수 있다. 이러한 성분비의 변화를 이용하여 양자구조의 밴드갭 에너지 차이를 조절할 수 있고, 예를 들어, 코어(10)의 성장 방향에 따라 점진적으로 감소하는 밴드갭 에너지의 기울기를 형성할 수 있다.
쉘(20)은, 코어(10)와 서로 동일하거나 또는 상이한 반도체 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어, GaN, GaP, GaAs, GaSb, AlN, AlP, AlAs, AlSb, InN, InP, InAs, InSb, AlGaN, AlGaP, AlGaAs, AlGaSb, GaInN, GaInP, GaInAs, GaInSb, AlInN, AlInP, AlInAs, AlInSb, AlGaInN, AlGaInP, AlGaInAs 및 AlGaInSb 중 1종 이상의 III-V족 반도체 물질을 포함할 수 있다. 바람직하게는 쉘(20)은 에너지 밴드갭이 상이한 2종 이상의 III-V족 반도체 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어, AlN/AlGaN, AlN/GaN, AlN/InGaN, AlN/InN, AlN/AlGaInN, AlGaN/GaN, AlGaN/InGaN, AlGaN/AlGaInN, GaN/InGaN, GaN/InN, AlGaInN/InGaN, AlGaInN/InN, AlP/AlGaP, AlP/GaP, AlP/InGaP, AlP/InP, AlP/AlGaInP, AlGaP/GaP, AlGaP/InGaP, AlGaP/AlGaInP, GaP/InGaP, GaP/InP, AlGaInP/InGaP, AlGaInP/InP, AlAs/AlGaAs, AlAs/GaAs, AlAs/InGaAs, AlAs/InAs, AlAs/AlGaInAs, AlGaAs/GaAs, AlGaAs/InGaAs, AlGaAs/AlGaInAs, GaAs/InGaAs, GaAs/InAs, AlGaInAs/InGaAs, AlGaInAs/InAs, AlSb/AlGaSb, AlSb/GaSb, AlSb/InGaSb, AlSb/InSb, AlSb/AlGaInSb, AlGaSb/GaSb, AlGaSb/InGaSb, AlGaSb/AlGaInSb, GaSb/InGaSb, GaSb/InSb, AlGaInSb/InGaSb 및 AlGaInSb/InSb 중 1종 이상일 수 있다.
쉘(20)은, 1 nm 내지 1000 nm, 바람직하게는 1 nm 내지 500 nm, 더 바람직하게는 1 nm 내지 100 nm의 두께를 가질 수 있다.
도 1b를 참조하면, 쉘(20)은 나노구조체(1)의 성장 방향에 따라 상부 단면이 좁은 테이퍼진 구조이고, 나노구조체(1)의 성장 방향 축을 기준으로 코어(10)의 페이퍼 각이 쉘(20)의 페이퍼 각보다 더 클 수 있다.
쉘(20)은, 코어(10)의 성장 방향에 따라 상기 양자구조층의 두께를 변화시킬 수 있다. 이러한 양자구조층의 두께 조절에 의해 성장 방향(즉, 길이 방향)으로 밴드갭 에너지의 기울기를 형성하고, 양자구속 효과를 조절할 수 있다. 예를 들어, 도 1c는 본 발명의 광자 다이오드의 에너지 밴드 갭의 기울기에 따른 빛 전파를 예시적으로 나타낸 것으로, 도 1b 및 도 1c를 참조하면, 상기 양자구조층은 코어(10)의 성장 방향에 따라 두께가 점진적으로 증가(도 1b에서 tQW로 나타냄)하므로, 이러한 두께 변화로 인하여, 코어(10)의 성장 방향에 따라 밴드갭 에너지가 점진적으로 감소하는 양자구조층의 에너지 기울기가 형성되고, 이러한 에너지 기울기에 의해 나노구조체(1)를 통하여 빛이 정방향으로 진행 시 빛의 흡수를 줄이고, 역방향으로 진행 시 빛의 흡수를 높일 수 있다. 예를 들어, 쉘(20)의 두께는, 나노구조체(1)의 성장 방향에 따라, 점진적으로 증가할 수 있다.
나노구조체(1)는, 쉘(20)의 외부를 감싸는 외부층(30)을 더 포함할 수 있다. 외부층(30)은 쉘(20)을 보호하기 위한 것으로, 예를 들어, 양자구조의 박질 저하를 방지하고 매끈한 나노구조체(1)의 옆면을 얻기 위한 것이다. 외부층(30)은 반도체 물질로 이루어진 단층 또는 복수층일 수 있고, 바람직하게는 코어(10)와 동일한 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 외부층(30)은 500 nm 이하일 수 있고, 바람직하게는 50 nm 이하일 수 있고, 도 1b를 참조하면, 외부층(30)은 코어(10)의 성장 방향에 따라 두께가 점진적으로 감소 또는 증가 할 수 있다. 바람직하게는 성장 방향을 따라 외부층(30)의 두께가 증가할 수 있다.
나노구조체(1)는, 10 nm 이상, 바람직하게는 10 nm 내지 10 ㎛의 직경, 100 nm 이상, 바람직하게는 100 nm 내지 100 ㎛의 길이 및 1 이상, 바람직하게는 1 내지 100의 종횡비를 가질 수 있다. 상기 종횡비가 1 미만이면 나노구조체 내부에서 발생한 빛을 제대로 가이드 할 수 없어서 광자 다이오드의 효율이 낮아질 수 있다.
나노구조체(1)는, 나노구조체의 성장 방향에 따라 상부 단면이 좁은 테이퍼진 구조이며, 나노구조체(1)의 성장 방향 축을 기준으로 0°초과, 45°이하, 바람직하게는 0°초과, 10°이하의 테이퍼 각을 가질 수 있다.
나노구조체(1)는, 원형 또는 다각형의 단면 형상을 가질 수 있다. 또한, 코어(10) 및 쉘(20)의 단면이 동일할 수도 있고, 상이할 수도 있다.
상기 기판은, 사파이어 (Al2O3), Si, SiC, GaN 및 AlN 기판 중 1종 이상일 수 있으며, 바람직하게는 Si 기판이다.
본 발명은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 광자 다이오드를 포함하는 디바이스를 제공할 수 있다. 본 발명에 의한 광자 다이오드를 포함하는 디바이스는, 한 방향으로만 선택적으로 빛을 전달할 수 있고, 길이 방향으로 큰 밴드갭 에너지의 차이를 가지고 있어서 넓은 파장의 빛을 흡수 또는 방출할 수 있으며, 입사광의 편광방향 및 입사 각도에 대한 영향이 적어 추가적 광 부품의 사용을 줄일 수 있다.
상기 디바이스는, 집적 회로 디바이스, 발광 디바이스, 광 탐지 디바이스, 광전자 디바이스, 데이터 저장 디바이스, 태양전지 디바이스 등일 수 있고, 바람직하게는 빛만으로 구동 가능한 광전자 디바이스이며, 더 바람직하게는 광집적회로에 적용 가능한 광전자 디바이스이다.
본 발명은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 광자 다이오드의 제조방법을 제공한다. 상기 제조방법은, 시드를 형성하는 단계(S1), 나노구조체 코어를 형성하는 단계(S2) 및 코어-쉘 구조를 형성하는 단계(S3)를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명의 광자 다이오드의 제조방법을 예시적으로 나타낸 것이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명의 광자 다이오드의 제조방법을 이미지로 예시적으로 나타낸 것으로, 도 2 및 도 3을 참조하면, 시드를 형성하는 단계(S1)는 기판 상에 나노구조체의 코어로 성장할 수 있는 제1 물질의 시드를 기판 상에 형성하는 단계이다. 예를 들어, 높은 밀도의 시드 층을 형성하기 위해, 800 ℃ 내지 1200 ℃의 온도 및 50 Torr 내지 550 Torr의 압력에서 제1 물질의 원료 가스, 또는 상기 원료 가스와 비활성 가스의 혼합물을 상기 기판 상에 가하여 제1 물질의 단결정 시드를 형성할 수 있다.
상기 제1 물질은, 상기 언급한 코어에 적용 가능한 반도체 물질이며, 상기 비활성 기체는 수소(H), 질소(N), 산소(O) 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 기판은, 상기 언급한 바와 같다.
나노구조체 코어를 형성하는 단계(S2)는 시드를 형성하는 단계(S1)에서 형성된 제1 물질의 시드를 성장시켜 제1 물질 나노구조체 코어를 형성하는 단계이다. 예를 들어, 800 ℃ 내지 1200 ℃의 온도 및 50 Torr 내지 500 Torr의 압력에서 제1 물질의 원료 가스, 또는 상기 원료 가스와 비활성 가스의 혼합물을 상기 기판 상에 가하여 제1 물질의 시드를 성장시켜 나노구조체 코어를 형성할 수 있다. 상기 제1 물질은 상기 언급한 코어에 사용되는 반도체 물질을 포함한다.
코어-쉘 구조를 형성하는 단계(S3)는, 나노구조체 코어를 형성하는 단계 (S2)에서 성장된 나노구조체 코어의 측면 상에 제2 물질 쉘을 형성하여 제1 물질 나노구조체 코어/제2 물질 쉘을 형성하는 단계이다. 예를 들어, 품질이 높고 높은 효율을 가지는 활성층을 성장시키기 위해서, 600 ℃ 내지 900 ℃, 바람직하게는 650 ℃ 내지 750 ℃에서 MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy) 또는 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등을 이용하여 양자구조를 포함하는 제2 물질 쉘을 형성한다. 단계(S3)는 제2 물질 쉘의 층수, 제2 물질 쉘을 구성하는 성분 등에 따라 반복될 수 있다. 상기 제2 물질은 상기 언급한 쉘에 사용되는 반도체 물질을 포함한다.
코어-쉘 구조를 형성하는 단계(S3) 이후에 외부층(S3')을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다(도 2 및 도 3에서 미도시). 외부층(S3')을 형성하는 단계는, 예를 들어, 상기 쉘의 품질 저하를 막고 형성된 나노구조체의 표면을 매끄럽게 만들기 위해서, 800 ℃ 내지 1200 ℃ 및 50 Torr 내지 500 Torr 압력에서 외부층의 원료 가스, 또는 상기 원료 가스와 비활성 가스의 혼합물을 가하여 상기 쉘을 둘러싸는 외부층(S3')을 형성할 수 있다. 상기 외부층은 상기 언급한 반도체 물질을 포함한다.
하기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
실시예 1
GaN을 에칭하지 않는 질소를 비활성 기체로 이용하여, 1000 ℃의 온도 및 500 Torr의 압력에서 Si 기판 상에 GaN 시드를 형성한 이후, MOCVD를 이용하여 성장 압력 500 Torr 및 1000 ℃의 온도에서 GaN 시드를 성장시켜 높은 종횡비를 가지고 길이 방향으로 직경이 테이퍼진 나노로드 형상의 GaN 나노구조체 코어를 형성하였다. 680 ℃의 온도 및 350 Torr의 압력에서 상기 나노구조체를 둘러싸는 5주기의 InGaN/GaN 양자우물 층을 형성하여 GaN/InGaN 코어-쉘 구조의 광자 다이오드를 제조하였다. 다음으로, InGaN/GaN 양자우물 층은 950 ℃의 온도 및 350 Torr의 압력에서 성장된 GaN 캡핑층(~50 nm 두께)으로 둘러 싸여진다.
상기 제조된 GaN 나노구조체 코어 및 광자 다이오드에 대한 SEM 이미지 및 CL 스펙트라를 도 4 및 도 5에 나타내었다.
도 4를 살펴보면, 도 4에서 (a) 내지 (b)는 각각, GaN 나노구조체 코어의 cross sectional SEM 및 top-view SEM 이미지를 나타낸 것으로, 기판 표면에 대해 55°로 기울어져서 형성되고, 성장 방향에 따라 테이퍼진 로드 형상인 것으로 확인할 수 있다. 도 4에서 (c)는 GaN 나노구조체 코어의 CL 스펙트라를 나타낸 것으로, 성장 방향에 따른 다양한 위치 P1 내지 P12에서, 364 nm의 강한 NBE(near band edge) 발광 피크를 확인할 수 있고, 나노구조체 코어의 상단 부분으로 갈수록 결함 등이 없는 고결정성을 갖는 것을 확인할 수 있다.
도 5를 살펴보면, 도 5에서 (a)는 광자 다이오드에 대한 SEM 이미지를 나타낸 것으로, GaN 나노구조체 코어와 같이 로드 형상인 것을 확인할 수 있고, ~ 10 ㎛의 길이 및 ~ 1 ㎛의 두께를 갖고, 테이퍼진 구조인 것을 확인할 수 있다. 실시예 1에서 형성된 136 개의 광자 다이오드의 평균 값을 측정하였으며, 그 결과, 11.3 ㎛ ± 4.5 ㎛ 평균 길이, 2.1 ㎛ ± 0.7 ㎛ 직경 및 0.77°± 0.49°테이퍼 각(성장 방향 축 기준)을 갖는다. 도 5에서 (b)는 광자 다이오드의 모노크로매틱 CL 이미지 및 CL 스펙트라를 나타낸 것으로, 모노크로매틱 CL에서 발광 파장이 405 nm에서 525 nm까지 변화하고, CL 스펙트라에서 성장 방향에 따른 다양한 위치 P1에서 P5까지의 발광 파장 및 세기가 변화하는 것을 확인할 수 있다.
이는 길이 방향에 따른 양자우물의 밴드갭 에너지 차이에 의한 것이다. 즉, 이러한 기울기가 길이 방향(코어 성장 방향)에 따른 양자우물의 두께 변화로 인하여 발생하므로, 양자 구속 효과에 따라 발광 파장의 이동이 발생한 것이다. 또는, 나노로드 상단의 양자 우물 내의 In의 함량이 하단에 비해 더 높아서, 밴드 갭 에너지가 성장 방향을 따라 변하여 발광 파장의 이동이 발생한 것일 수 있다.
도 6은 광자 다이오드에 대한 HAADF STEM 이미지와 양자우물층의 두께 및 양자우물층의 In 함량을 나타낸 것으로, (a)에서 (e) 부위까지 5 주기의 양자우물층이 형성되고, 상단으로 갈수록 양자우물층의 두께가 증가하고, In 함량이 증가된 것을 확인할 수 있다.
도 7에서 (a) 및 (b)는 405 nm cw (continuous wave) 레이저가 1 마이크로 미터 내지 2 마이크로 미터의 작은 크기로 포커싱되어 나노구조체(1)의 국소 부분을 여기하여 발생한 빛이 역방향 및 정방향으로 가이드 될 때 나노구조체(1)의 영상 평면 (image plane)을 CCD 픽셀 어레이로 측정한 팬크로매틱 및 모노크로매틱 마이크로 PL 이미지를 나타낸 것으로, 상기 팬크로매틱 이미지에서 점선은 실시예 1의 나노구조체(1)의 형상을 나타낸 것이고, PL 맵핑에서 화이트 스펙트라가 이동한 것을 확인할 수 있다.
도 7에서 (c)는 405 nm cw 레이저를 이용하여 길이 방향으로 큰 밴드갭 에너지 기울기(Eg)를 가지는 나노구조체(1)의 여러 부분을 국소적으로 여기하여, 여기된 지점의 발광 세기와 나노구조체(1)의 양 쪽 끝으로 가이드되는 빛의 세기를 나타내는 팬크로매틱 PL 이미지를 표현한 것으로, 레이저에 의해 발생한 빛이 하단으로 정방향 가이드 될 경우 하단에서 방출하는 빛의 강도가 거의 일정하지만(F1에서 F7), 발생한 빛이 상단으로 역방향 가이드 될 경우 가이드 되는 빛의 진행 거리가 증가 함에 따라 상단에서 방출하는 빛의 강도가 상당히 낮아진 것을 확인할 수 있다(R1에서 R7).
본 발명에 의한 광자 다이오드는, 양자구조를 갖는 코어-쉘 나노구조체를 적용하여 높은 양자 효율을 나타내고, 로드의 길이 방향에 따라 양자구조의 두께와 In 조성 변화에 따른 에너지 기울기를 형성하여 빛의 산란 손실을 낮추면서 한 방향으로 선택적 빛 전달을 가능하게 한다.

Claims (14)

  1. 기판; 및
    상기 기판 상에 형성된 나노구조체;
    를 포함하고,
    상기 나노구조체는 코어-쉘 구조를 포함하고, 상기 코어는 나노와이어 또는 나노로드이며, 상기 쉘은 양자우물, 양자점 및 양자선 중 1종 이상인 양자구조를 포함하고,
    상기 나노구조체는 상기 나노구조체의 성장 방향에 따라 상부 단면이 좁은 테이퍼진 구조이며,
    상기 나노구조체는 상기 나노구조체의 성장 방향 축을 기준으로 0°초과 10°이하의 테이퍼 각을 갖고,
    상기 쉘의 두께는 상기 나노구조체의 성장 방향에 따라, 점진적으로 증가하는 것인,
    광자 다이오드.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 코어 및 상기 쉘은, 각각, 상기 나노구조체의 성장 방향에 따라 상부 단면이 좁은 테이퍼진 구조이고, 상기 나노구조체의 성장 방향 축을 기준으로 상기 코어의 테이퍼 각이 상기 쉘의 테이퍼 각보다 더 큰 것인, 광자 다이오드.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 코어 및 상기 쉘은, III-V족 반도체 물질을 포함하는 것인, 광자 다이오드.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 III-V족 반도체 물질은, GaN, GaP, GaAs, GaSb, AlN, AlP, AlAs, AlSb, InN, InP, InAs, InSb, AlGaN, AlGaP, AlGaAs, AlGaSb, GaInN, GaInP, GaInAs, GaInSb, AlInN, AlInP, AlInAs, AlInSb, AlGaInN, AlGaInP, AlGaInAs 및 AlGaInSb 중 1종 이상인 것인, 광자 다이오드.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 쉘은, 단일 양자구조 또는 복수의 주기를 갖는 다중 양자구조를 포함하고, 상기 단일 양자구조는 1 nm 내지 15 nm의 두께를 갖는 것인, 광자 다이오드.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 쉘은, 에너지 밴드 갭이 상이한 2종 이상의 III-V족 반도체 물질을 포함하는 것인, 광자 다이오드.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 쉘은, AlN/AlGaN, AlN/GaN, AlN/InGaN, AlN/InN, AlN/AlGaInN, AlGaN/GaN, AlGaN/InGaN, AlGaN/AlGaInN, GaN/InGaN, GaN/InN, AlGaInN/InGaN, AlGaInN/InN, AlP/AlGaP, AlP/GaP, AlP/InGaP, AlP/InP, AlP/AlGaInP, AlGaP/GaP, AlGaP/InGaP, AlGaP/AlGaInP, GaP/InGaP, GaP/InP, AlGaInP/InGaP, AlGaInP/InP, AlAs/AlGaAs, AlAs/GaAs, AlAs/InGaAs, AlAs/InAs, AlAs/AlGaInAs, AlGaAs/GaAs, AlGaAs/InGaAs, AlGaAs/AlGaInAs, GaAs/InGaAs, GaAs/InAs, AlGaInAs/InGaAs, AlGaInAs/InAs, AlSb/AlGaSb, AlSb/GaSb, AlSb/InGaSb, AlSb/InSb, AlSb/AlGaInSb, AlGaSb/GaSb, AlGaSb/InGaSb, AlGaSb/AlGaInSb, GaSb/InGaSb, GaSb/InSb, AlGaInSb/InGaSb, 및 AlGaInSb/InSb 중 1종 이상인 것인, 광자 다이오드.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 쉘은, 1 nm 내지 1000 nm 두께를 갖는 것인, 광자 다이오드.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 나노구조체는, 10 nm 내지 10 ㎛의 직경, 100 nm 내지 100 ㎛의 길이 및 1 내지 100의 종횡비를 갖는 것인, 광자 다이오드.
  13. 제1항, 제4항 및 제6항 내지 제12항 중 어느 한 항의 광자 다이오드를 포함하는 광전자 디바이스.
  14. 제1 물질의 시드를 기판 상에 형성하는 단계;
    상기 제1 물질의 시드를 성장시켜 제1 물질 나노구조체 코어를 형성하는 단계; 및
    상기 제1 물질 나노구조체 코어 측면 상에 제2 물질 쉘을 형성하여 제1 물질 나노구조체 코어/제2 물질 쉘을 포함하는 코어-쉘 구조를 형성하는 단계; 를 포함하고,
    상기 나노구조체 코어는 나노와이어 또는 나노로드이고,
    상기 쉘은 양자우물, 양자점 및 양자선 중 1종 이상인 양자구조를 포함하며,
    상기 나노구조체는 상기 나노구조체의 성장 방향에 따라 상부 단면이 좁은 테이퍼진 구조이고
    상기 나노구조체는 상기 나노구조체의 성장 방향 축을 기준으로 0°초과 10°이하의 테이퍼 각을 가지며,
    상기 쉘의 두께는 상기 나노구조체의 성장 방향에 따라, 점진적으로 증가하는 것인,
    광자 다이오드의 제조방법.
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