KR101733350B1 - Quantum Optical Device and its manufacturing method - Google Patents

Quantum Optical Device and its manufacturing method Download PDF

Info

Publication number
KR101733350B1
KR101733350B1 KR1020160050952A KR20160050952A KR101733350B1 KR 101733350 B1 KR101733350 B1 KR 101733350B1 KR 1020160050952 A KR1020160050952 A KR 1020160050952A KR 20160050952 A KR20160050952 A KR 20160050952A KR 101733350 B1 KR101733350 B1 KR 101733350B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
quantum
gallium nitride
nitride semiconductor
nanostructure
Prior art date
Application number
KR1020160050952A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20160052511A (en
Inventor
조용훈
공수현
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020160050952A priority Critical patent/KR101733350B1/en
Publication of KR20160052511A publication Critical patent/KR20160052511A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101733350B1 publication Critical patent/KR101733350B1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/04Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/0004Devices characterised by their operation
    • H01L33/0008Devices characterised by their operation having p-n or hi-lo junctions
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/04Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
    • H01L33/06Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction within the light emitting region, e.g. quantum confinement structure or tunnel barrier
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/20Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/36Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/10Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/11Device type
    • H01L2924/12Passive devices, e.g. 2 terminal devices
    • H01L2924/1204Optical Diode
    • H01L2924/12041LED
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2933/00Details relating to devices covered by the group H01L33/00 but not provided for in its subgroups
    • H01L2933/0008Processes
    • H01L2933/0016Processes relating to electrodes

Abstract

본 발명은 양자광 소자 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 기판; 상기 기판 상에 형성된 n-형 질화갈륨 반도체층; 및 상기 n-형 질화갈륨 반도체층 상의 적어도 일부분에 형성된 나노 구조체층을 포함하고, 상기 나노 구조체층은, 나노 구조체; 및 상기 나노 구조체 및 상기 n-형 질화갈륨 반도체의 적어도 일부분을 덮는 금속층을 포함하고, 상기 나노 구조체는 원뿔 또는 다각형뿔 형상의 상단을 갖는 나노 구조체이며, 상기 상단의 적어도 일부분에 양자구조로 이루어진 활성층을 포함하는 양자광 소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 상기 양자광 소자는 양자구조의 광추출 효율이 높고, 양자구조와 나노공진기의 결합이 용이하여 양자광 소자의 생산 효율을 향상시킬 수 있다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a quantum optical device and a method of manufacturing the same. An n-type gallium nitride semiconductor layer formed on the substrate; And a nanostructure layer formed on at least a part of the n-type gallium nitride semiconductor layer, wherein the nanostructure layer comprises: a nanostructure; And a metal layer covering at least a part of the nano structure and the n-type gallium nitride semiconductor, wherein the nanostructure is a nanostructure having a top in the shape of a cone or polygonal horn, and at least a part of the top of the active layer And a method of manufacturing the same. The quantum optical device has a high quantum structure light extraction efficiency and can easily combine the quantum structure and the nanocavity, thereby improving the production efficiency of the quantum optical device.

Figure 112016055491836-pat00011
Figure 112016055491836-pat00011

Description

양자광 소자 및 이의 제조방법{Quantum Optical Device and its manufacturing method}[0001] The present invention relates to a quantum optical device and a manufacturing method thereof,

본 발명은 양자광 소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to a quantum optical device and a method of manufacturing the same.

양자점(quantum dot)은 나노 크기의 결정 구조체이며, 상기 양자점의 밴드갭이 반도체 내의 두 운반자(carrier)인 전자와 정공 모두의 움직임을 삼차원적으로 제한하는 양자역학적인 구속(quantum confinement) 효과를 나타내는 물질이다. 이러한 양자점의 전기적, 화학적 특성을 조절하여 단일광자원(양자광원) 적외선 검출기, 레이저, 발광 다이오드, 트랜지스터 및 태양전지 등과 같은 반도체 양광소자, 광전변화 소자로의 적용이 가능하다. The quantum dot is a nano-sized crystal structure, and the bandgap of the quantum dot exhibits a quantum confinement effect that restricts the movement of both electrons and holes, which are two carriers in the semiconductor, in a three-dimensional manner. Material. By controlling the electrical and chemical properties of such quantum dots, it can be applied to a semiconductor photodetector such as a single photon source (quantum source) infrared detector, a laser, a light emitting diode, a transistor and a solar cell, or a photoelectric conversion element.

특히, 인공원자라고 불리는 반도체 단일 양자점은 높은 구동 온도, 안정성, 빠른 광자 방출, 전류 구동 가능성 등을 나타낼 수 있으므로, 이를 기반으로 하여 단일 광자원으로 활용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 예를 들어, 단전자 메모리와 단광자 광원 등의 나노 전자소자 및 단광자 방출 소자(single photon emitter) 등의 나노 광소자로의 적용에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 상기 양자광 소자로서 반도체 자발 형성 양자점, 콜로이드 양자점, 나노선에 내재된 양자점 등이 연구되고 있으나, 물질적 및 구조적인 측면에서 한계점을 가지고 있다. 예를 들어, 상기 자발 형성 양자점은 평면 구조 안에 양자점들이 높은 밀도로 묻혀 있어 단일 양자점 하나의 특성으로 보기가 어렵고, 광자 방출 효율이 매우 제한되며, 양자점 들의 위치가 랜덤으로 성장되어 위치조절이 어려운 문제점이 있다. 또한, 구성하는 층 사이의 응력으로 인한 내부 전기장 효과 때문에 전자와 정공 사이의 재결합이 어려워져 내부 양자 효율이 낮은 문제점이 있다. 또한, 콜로이드 양자점, 나노선에 내재된 양자점은 단일 양자점의 확보가 어렵거나 또는 포지셔닝(Positioning) 및 광안정성의 확보가 어려워 소자화하는데 한계점이 있다. 또한, 양자광 소자의 종래 제조방법은 공진기 안에 양자점을 형성하는 것이 대부분이고, 이는 양자점과 공진기의 결합이 우연에 의존하기 때문에 공정수율이 낮거나 양산 비용이 높아지는 단점이 있다. In particular, a semiconductor single quantum dot called an artificial atom can exhibit high driving temperature, stability, fast photon emission, and current drivability, and therefore research is being conducted to utilize it as a single photon source based on this. For example, research into the application of nano-electronic devices such as single-electron memories and single-photon sources, and single photon emitters to nano-optical devices is actively under way. Semiconductor spontaneous formation quantum dots, colloidal quantum dots, and quantum dots embedded in nanowires have been studied as quantum optical devices, but they have limitations in terms of material and structural aspects. For example, the spontaneous formation quantum dot is difficult to be seen as a single quantum dot because the quantum dots are buried at a high density in a planar structure, the photon emission efficiency is very limited, and the position of the quantum dots is randomly grown, . Further, there is a problem in that recombination between electrons and holes becomes difficult due to the internal electric field effect due to the stress between the constituting layers, resulting in low internal quantum efficiency. In addition, the quantum dots contained in the colloidal quantum dots and the nanowires are difficult to secure a single quantum dots, or difficult to secure positioning and optical stability. In addition, in the conventional manufacturing method of a quantum optical device, most of the quantum dots are formed in the resonator because the combination of the quantum dots and the resonator depends on the coincidence, so that the process yield is low and the mass production cost is high.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 양자구조의 광추출 효율 및 발광 재결합 효율이 우수하면서 양자구조와 나노 공진기의 결합이 용이하여 소자의 대량생산이 가능한 고효율 양자광 소자 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a high-efficiency quantum optical device capable of mass production of a quantum structure and a nano- Method.

그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 하나의 양상은, According to one aspect of the present invention,

기판; 상기 기판 상에 형성된 n-형 질화갈륨 반도체층; 및 Board; An n-type gallium nitride semiconductor layer formed on the substrate; And

상기 n-형 질화갈륨 반도체층 상의 적어도 일부분에 형성된 나노 구조체층을 포함하고, And a nano structure layer formed on at least a part of the n-type gallium nitride semiconductor layer,

상기 나노 구조체층은,The nanostructure layer may be formed,

나노 구조체; 및 Nanostructures; And

상기 나노 구조체 및 상기 n-형 질화갈륨 반도체의 적어도 일부분을 덮는 금속층을 포함하고, 상기 나노 구조체는 원뿔 또는 다각형뿔 형상의 상단을 갖는 나노 구조체이며, 상기 상단의 적어도 일부분에 양자구조로 이루어진 활성층을 포함하는 양자광 소자에 관한 것이다. And a metal layer covering at least a part of the n-type gallium nitride semiconductor, wherein the nanostructure is a nanostructure having a cone or a polygonal cone-shaped top, and an active layer having a quantum structure is formed on at least a part of the top The present invention relates to a quantum optical device.

상기 금속층은 알루미늄, 금, 은, 및 백금 1종 이상을 포함할 수 있다.The metal layer may include at least one of aluminum, gold, silver, and platinum.

삭제delete

상기 양자구조는 상기 나노 구조체 상단의 꼭지점 부분에 양자점 및 상단의 전면에 양자우물로 형성될 수 있다. The quantum structure may be formed as a quantum well at the top of the nanostructure and a quantum well at the top of the top.

상기 활성층의 상단에 p-형 질화갈륨 반도체층 또는 양자장벽층이 더 형성될 수 있다. A p-type gallium nitride semiconductor layer or a quantum barrier layer may be further formed on the active layer.

상기 n-형 질화갈륨 반도체층 상의 적어도 일부분에 형성된 n-형 금속 전극층 및 상기 나노 구조체층 상의 적어도 일부분에 형성된 p-형 금속 전극층을 더 포함할 수 있다.An n-type metal electrode layer formed on at least a portion of the n-type gallium nitride semiconductor layer, and a p-type metal electrode layer formed on at least a portion of the nano structure layer.

본 발명의 다른 양상은, According to another aspect of the present invention,

기판 상에 n-형 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계; 및Forming an n-type gallium nitride semiconductor layer on a substrate; And

상기 n-형 질화갈륨 반도체층 상의 적어도 일부분에 나노 구조체층을 형성하는 단계; 를 포함하고, Forming a nano structure layer on at least a portion of the n-type gallium nitride semiconductor layer; Lt; / RTI >

상기 나노 구조체층을 형성하는 단계는: The step of forming the nanostructure layer comprises:

상기 n-형 질화갈륨 반도체층 상에 마스크층을 형성하는 단계;Forming a mask layer on the n-type gallium nitride semiconductor layer;

상기 마스크층을 홀 패턴 형상으로 패터닝하는 단계;Patterning the mask layer in a hole pattern shape;

상기 n-형 질화갈륨 반도체층이 노출된 상기 홀 패턴의 홀을 통하여 n-형 질화갈륨 반도체를 성장시켜 나노 구조체를 형성하는 단계; Growing a n-type gallium nitride semiconductor through holes of the hole pattern in which the n-type gallium nitride semiconductor layer is exposed to form a nanostructure;

상기 나노 구조체의 상단에 양자구조로 이루어진 활성층을 형성하는 단계;Forming an active layer having a quantum structure on top of the nanostructure;

상기 마스크층을 제거하는 단계; 및Removing the mask layer; And

상기 식각하는 단계 이후에, 상기 나노 구조체 및 상기 n-형 질화갈륨 반도체층의 적어도 일부분을 덮는 금속층을 형성하는 단계; 를 포함하는 양자광 소자의 제조방법에 관한 것이다. Forming a metal layer covering at least a part of the nano structure and the n-type gallium nitride semiconductor layer after the etching; To a method of manufacturing a quantum optical device.

상기 활성층을 형성하는 단계 이후에, 상기 활성층의 상단에 p-형 질화갈륨 반도체층 또는 양자장벽층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. After the step of forming the active layer, a step of forming a p-type gallium nitride semiconductor layer or a quantum barrier layer on the active layer may be further included.

상기 마스크층은 Si3N4, SiO2 , TiO2, TiN, 및 Ti 중 1종 이상을 포함할 수 있다. The mask layer may include at least one of Si 3 N 4 , SiO 2 , TiO 2 , TiN, and Ti.

상기 나노 구조체층을 형성하는 단계 이후에, 상기 n-형 질화갈륨 반도체층 상의 적어도 일부분에 n-형 금속 전극층을 형성하는 단계; 및 상기 나노 구조체층 상의 적어도 일부분에 p-형 금속 전극층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. Forming a n-type metal electrode layer on at least a portion of the n-type gallium nitride semiconductor layer after forming the nano structure layer; And forming a p-type metal electrode layer on at least a part of the nano structure layer.

본 발명에 의한 양자광 소자는 위치 조절이 가능하고, 광추출 효율 및 발광 재결합 효율이 우수한 양자구조를 제공하고, 특히, 양자구조와 나노 공진기와의 결합이 용이하여 생산 수율을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 양자광 소자는 고체 양자 방출기, 온-칩 양자 디바이스, 양자컴퓨팅 양자암호 등과 같은 양자정보기술에 효과적으로 적용할 수 있다.   The quantum optical device according to the present invention provides a quantum structure capable of controlling the position, having excellent light extraction efficiency and light emitting recombination efficiency. In particular, the quantum structure can easily be coupled with the nanocavity, thereby improving the production yield. In addition, the quantum optical device can be effectively applied to quantum information technologies such as a solid quantum ejector, an on-chip quantum device, quantum computing quantum cryptography, and the like.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자광 소자를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자광 소자의 제조방법을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 양자광 소자의 형성단계에서 각 단계에 따른 주사전자현미경 및 투과전자현미경 사진을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조체의 형태에 따라, 플라즈몬 시스템의 수치 모델화를 시뮬레이션하여 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자광 소자의 Micro-PL(Micro-photoluminescence)스펙트럼 및 광학 특성을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자광 소자의 광학 특성을 나타낸 것이다.
1 shows a quantum optical device according to an embodiment of the present invention.
3 illustrates a method of manufacturing a quantum optical device according to an embodiment of the present invention.
4 is a scanning electron microscope and a transmission electron microscope photograph according to each step in the step of forming a quantum optical device according to Example 1 of the present invention.
5 is a graphical representation of a numerical modeling of a plasmon system according to the shape of a nanostructure according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 shows Micro-PL (Micro-photoluminescence) spectra and optical characteristics of a quantum optical device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 illustrates optical characteristics of a quantum optical device according to an embodiment of the present invention.

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 용어(terminology)들은 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.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear. Also, terminologies used herein are terms used to properly represent preferred embodiments of the present invention, which may vary depending on the user, intent of the operator, or custom in the field to which the present invention belongs. Therefore, the definitions of these terms should be based on the contents throughout this specification. Like reference symbols in the drawings denote like elements.

본 발명은 양자광 소자를 제공하는 것으로, 상기 양자광 소자는 광추출 효율의 개선, 내부 전기장 감소 효과 등이 뛰어난 양자구조를 제공하고, 나노공진기와의 결합이 용이하여 고효율 양자광 소자의 생산성을 증대시킬 수 있다. The present invention provides a quantum optical device, wherein the quantum optical device provides a quantum structure having an improved light extraction efficiency and an internal electric field reduction effect, facilitates coupling with a nano-resonator, Can be increased.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자광 소자를 나타낸 것으로, 도 1을 참조하여 본 발명에 의한 양자광 소자를 설명한다. 상기 양자광 소자는 기판(11), n-형 질화갈륨 반도체층(20), 및 나노 구조체층(30)을 포함할 수 있다. 기판(11)은 사파이어(Al2O3), Si, SiC, GaN 및 AlN 중 1종 이상일 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다. 바람직하게는 사파이어(Al2O3)이다.FIG. 1 shows a quantum optical device according to an embodiment of the present invention, and a quantum optical device according to the present invention will be described with reference to FIG. The quantum optical device may include a substrate 11, an n-type gallium nitride semiconductor layer 20, and a nanostructure layer 30. The substrate 11 may be at least one of sapphire (Al 2 O 3 ), Si, SiC, GaN, and AlN, but is not limited thereto. And is preferably sapphire (Al 2 O 3 ).

n-형 질화갈륨 반도체층(20)은 기판(11) 상에 형성되고, 예를 들어, GaN, GaNP, GaNAs, GaNSb, AlGaN, InGaN, BAlGaN, GaAlNP, GaAlNAs, InAlGaN, GaAlNSb, GaInNP, GaInNAs, GaInNSb 등일 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다. 바람직하게는 n-형 GaN이다. 상기 n-형 질화갈륨 반도체는 n-형 불순물 원소가 더 포함될 수 있고, 상기 n-형 불순물은 N, P, As, Ge, Si, Cu, Ag, Au, Sb, Bi 등일 수 있다. n-형 질화갈륨 반도체층(20)은 1 μm 내지 3 μm 두께로 형성될 수 있고, 바람직하게는 3 μm일 수 있다. The n-type gallium nitride semiconductor layer 20 is formed on the substrate 11 and is formed of a material such as GaN, GaNP, GaNAs, GaNSb, AlGaN, InGaN, BAlGaN, GaAlNP, GaAlNAs, InAlGaN, GaAlNSb, GaInNP, GaInNAs, GaInNSb, and the like. And is preferably n-type GaN. The n-type gallium nitride semiconductor may further include an n-type impurity element, and the n-type impurity may be N, P, As, Ge, Si, Cu, Ag, Au, The n-type gallium nitride semiconductor layer 20 may be formed to a thickness of 1 mu m to 3 mu m, and preferably 3 mu m.

나노 구조체층(30)은 나노 구조체(32); 활성층(33); 및 나노 구조체(32) 및 n-형 질화갈륨 반도체층(20)의 적어도 일부분을 덮는 금속층(35)을 포함한다. The nanostructure layer 30 includes a nanostructure 32; An active layer 33; And a metal layer 35 covering at least a part of the nano structure 32 and the n-type gallium nitride semiconductor layer 20.

나노 구조체(32)는 원뿔 또는 다각형뿔 형상을 갖는 상단 및 n-형 질화갈륨 반도체층(20)으로부터 성장된 수직형 기둥의 하단을 포함한다. 상기 상단의 적어도 일부분에 활성층(33)이 형성되고, 활성층(33)은 양자구조를 포함한다. 즉, 원뿔 또는 다각형뿔과 같이 꼭지점 부분이 뾰족한 구조체에 양자구조가 형성되므로, 양자구조의 분포가 균일해지고, 위치 조절이 용이해진다. 상기 양자구조는 단층 또는 복수층으로 형성될 수 있고, 상기 양자구조는 양자우물(quantum well), 및 양자점(quantum dot)일 수 있으며, 이에 제한하는 것은 아니다. 바람직하게는 상기 상단의 꼭지점에 양자점 및 상단의 전면에 양자우물이 형성될 수 있다.The nanostructure 32 includes a top end having a conical or polygonal horn shape and a bottom end of a vertical column grown from the n-type gallium nitride semiconductor layer 20. An active layer 33 is formed on at least a part of the upper end, and the active layer 33 includes a quantum structure. That is, since a quantum structure is formed in a structure in which the apex portion is sharp like a cone or a polygonal horn, the distribution of the quantum structure becomes uniform and the position adjustment becomes easy. The quantum structure may be a single layer or a plurality of layers, and the quantum structure may be a quantum well and a quantum dot, but is not limited thereto. Preferably, quantum wells may be formed on the quantum dots and on the entire upper surface of the upper apex.

상기 양자구조는 i-형 질화갈륨 반도체이며, 보다 구체적으로, GaN, GaNP, GaNAs, GaNSb, AlGaN, InGaN, BAlGaN, GaAlNP, GaAlNAs, InAlGaN, GaAlNSb, GaInNP, GaInNAs, GaInNSb, 등일 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다. 바람직하게는 InGaN 화합물이다. The quantum structure may be an i-type gallium nitride semiconductor, and more specifically GaN, GaNP, GaNAs, GaNSb, AlGaN, InGaN, BAlGaN, GaAlNP, GaAlNAs, InAlGaN, GaAlNSb, GaInNP, GaInNAs, GaInNSb, It does not. It is preferably an InGaN compound.

활성층(33) 상에 양자장벽층(34) 또는 p-형 질화갈륨 반도체층(34)이 더 형성될 수 있다. 양자장벽층(34)은 i-형 질화갈륨 반도체를 포함하고, 상기 p-형 질화갈륨 반도체에는 p-형 불순물 원소가 더 포함될 수 있고, 상기 p-형 불순물은 Mg, B, In, Ga, Al, Tl 등일 수 있다. A quantum barrier layer 34 or a p-type gallium nitride semiconductor layer 34 may be further formed on the active layer 33. The p-type gallium nitride semiconductor may further include a p-type impurity element, and the p-type impurity may be at least one selected from the group consisting of Mg, B, In, Ga, Al, Tl, and the like.

금속층(35)은 양자구조가 형성된 나노 구조체(32)의 상단 및 n-형 질화갈륨 반도체층(20) 상의 적어도 일부분을 덮는다. 이러한 금속층(35)의 형성은, 양자구조의 효율 및 본 발명에 의한 양자광 소자의 생산성을 보다 향상시킬 수 있다. 즉, 나노 구조체(32)의 상단이, 예를 들어 피라미드 구조와 같이 뾰족한 구조이므로, 이러한 구조에 금속필름을 증착하여 금속층을 형성하면, 금속표면에 존재하는 표면 플라즈몬 공명 현상을 일으키는, 표면 플라즈몬 폴라리톤이 피라미드 꼭지점 부분에 강하게 응집하여 양자구조와 결합한다. 이러한 표면 플라즈몬은 종래의 공진기에 비해서 넓은 스펙트럼 분포를 가지고 있기 때문에, 예를 들어, 양자점과 같은 양자구조의 에너지와 표면플라즈몬의 에너지를 일치시키는 것이 비교적 쉬워 나노 공진기과 양자점이 결합된 시스템을 웨이퍼 전체에 높은 공정수율로 생산할 수 있다. 또한, 나노 구조체의 꼭지점에 위치한 양자구조 부분, 예를 들어 양자점 부분에 표면플라즈몬이 셀프-얼라인(self-align)되므로, 양자구조의 효율을 향상시킬 수 있다. The metal layer 35 covers at least a portion of the upper end of the nanostructure 32 on which the quantum structure is formed and the n-type gallium nitride semiconductor layer 20. The formation of the metal layer 35 can further improve the efficiency of the quantum structure and the productivity of the quantum optical device according to the present invention. That is, since the upper end of the nanostructure 32 has a pointed structure such as a pyramid structure, when a metal film is formed by depositing a metal film on such a structure, a surface plasmon polar The riton is strongly aggregated at the apex of the pyramid and combines with the quantum structure. Since such a surface plasmon has a broad spectrum distribution compared to a conventional resonator, it is relatively easy to match the energy of a quantum structure such as a quantum dot and the energy of a surface plasmon, for example, so that a system in which a nanocavity and a quantum dot are combined, And can be produced at a high process yield. In addition, the efficiency of the quantum structure can be improved because the surface plasmon is self-aligned to the quantum structure portion located at the apex of the nanostructure, for example, the quantum dot portion.

금속층(36)은 표면 플라즈몬을 가질 수 있는 금속이며, 예를 들어, 알루미늄, 금, 은, 및 백금 중 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다. 금속층(36)의 두께는 5 nm 내지 100 nm이고, 바람직하게는 30 nm 내지 50 nm 이다.The metal layer 36 is a metal having a surface plasmon, and may include, for example, at least one of aluminum, gold, silver, and platinum, but is not limited thereto. The thickness of the metal layer 36 is 5 nm to 100 nm, preferably 30 nm to 50 nm.

본 발명의 일 실시예에 따라, n-형 질화갈륨 반도체층(20) 상의 적어도 일부분에 n-형 금속 전극층; 및 나노 구조체층(30) 상의 적어도 일부분에 p-형 금속 전극층이 더 형성될 수 있다. 나노 구조체층(30)은 나노 구조체(32); 활성층(33); 및 나노 구조체(32) 및 n-형 질화갈륨 반도체층(20)의 적어도 일부분을 덮는 금속층(35)을 포함할 수 있고, 바람직하게는 상기 활성층(33) 상에 p-형 질화갈륨 반도체층이 더 형성된다. 상기 n-형 금속 전극층 및 상기 p-형 금속 전극층은 오믹 전자로 작용하여 양자광 소자(10)에 전류를 공급하여 전기구동이 가능하게 한다.According to an embodiment of the present invention, an n-type metal electrode layer is formed on at least a portion of the n-type gallium nitride semiconductor layer 20; And a p-type metal electrode layer may be further formed on at least a portion of the nanostructure layer 30. The nanostructure layer 30 includes a nanostructure 32; An active layer 33; And a metal layer 35 covering at least a part of the nano structure 32 and the n-type gallium nitride semiconductor layer 20, and preferably a p-type gallium nitride semiconductor layer is formed on the active layer 33 Lt; / RTI > The n-type metal electrode layer and the p-type metal electrode layer act as ohmic electrons to supply electric current to the quantum optical device 10 to enable electric driving.

상기 n-형 금속 전극층은 Co, Ir, Ta, Cr, Mn, Mo, Tc, W, Re, Fe, Sc, Ti, Sn, Ge, Sb, Al, Pt, Ni, Au, ITO 및 ZnO 중 1종 또는 2종 이상의 혼합물로 이루어진, 단일층 또는 복수층으로 구성될 수 있다. 상기 p-형 금속 전극층은 Co, Ir, Ta, Cr, Mn, Mo, Tc, W, Re, Fe, Sc, Ti, Sn, Ge, Sb, Al, Pt, Ni, Au, ITO 및 ZnO 중 1종 또는 2종 이상의 혼합물로 이루어진, 단일층 또는 복수층으로 구성될 수 있다. The n-type metal electrode layer may include one or more of Co, Ir, Ta, Cr, Mn, Mo, Tc, W, Re, Fe, Sc, Ti, Sn, Ge, Sb, Al, Pt, Ni, Au, ITO, Or a mixture of two or more species. The p-type metal electrode layer may be formed of one of Co, Ir, Ta, Cr, Mn, Mo, Tc, W, Re, Fe, Sc, Ti, Sn, Ge, Sb, Al, Pt, Ni, Au, ITO, Or a mixture of two or more species.

상기 n-형 금속 전극층 및 상기 p-형 금속 전극층은 30 nm 내지 200 nm 두께로 형성될 수 있고, 바람직하게는 150 nm 내지 180 nm 두께이다.The n-type metal electrode layer and the p-type metal electrode layer may be formed to a thickness of 30 nm to 200 nm, and preferably 150 nm to 180 nm.

본 발명은 본 발명에 의한 양자광 소자의 제조방법을 제공한다. 상기 제조방법은 n-형 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계 및 나노 구조체층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. The present invention provides a method of manufacturing a quantum optical device according to the present invention. The manufacturing method may include forming an n-type gallium nitride semiconductor layer and forming a nanostructure layer.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자광 소자의 제조방법을 나타낸 것으로, 상기 도 3을 참조하여 본 발명에 의한 양자광 소자의 제조방법을 설명한다. 도 3(a)는 n-형 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계 및 도 3(b) 내지 도 3(h)는 나노 구조체층을 형성하는 단계를 나타내며, 보다 구체적으로, 도 3(b)는 마스크층을 형성하는 단계, 도 3(c)는 패터닝하는 단계, 도 3(d)는 나노 구조체를 형성하는 단계, 도 3(e)는 활성층을 형성하는 단계, 도 3(g)는 마스크층을 제거하는 단계 및 도 3(h)는 금속층을 형성하는 단계이다. 상기 활성층을 형성하는 단계 이후에, p-형 질화갈륨 반도체층 또는 양자장벽층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 도 3(f)에 나타내었다. FIG. 3 illustrates a method of manufacturing a quantum optical device according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, a method of manufacturing a quantum optical device according to the present invention will be described. 3 (a) shows a step of forming an n-type gallium nitride semiconductor layer and Figs. 3 (b) to 3 (h) show steps of forming a nano structure layer. More specifically, 3 (e) is a step of forming an active layer, and Fig. 3 (g) is a step of forming a mask layer. Fig. 3 And Fig. 3 (h) is a step of forming a metal layer. After the step of forming the active layer, a step of forming a p-type gallium nitride semiconductor layer or a quantum barrier layer may be further included, which is shown in Fig. 3 (f).

도 3(a)에서, 상기 n-형 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계는 상기 언급한 기판(11) 상의 적어도 일부분에 MOCVD(metal-organic chemical vapour deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy) 또는 HVPE(Hydride Vapour Phase Epitaxy 등을 이용하여 n-형 질화갈륨 반도체층(20)을 형성하는 단계이며, 공정 조건은 본 발명에서 특별히 제한하지 않는다. 상기 n-형 질화갈륨 반도체는 상기 언급한 바와 같다. 3 (a), the step of forming the n-type gallium nitride semiconductor layer may be performed by using a metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD), a molecular beam epitaxy (MBE), or a HVPE Type gallium nitride semiconductor layer 20 is formed using a hydride vapor phase epitaxy or the like, and the process conditions are not particularly limited in the present invention. The n-type gallium nitride semiconductor is as described above.

도 3(b)에서, 상기 마스크층을 형성하는 단계는 n-형 질화갈륨 반도체층(20) 상의 적어도 일부분에 마스크층(31)을 증착하는 단계이다. 마스크층(31)은 본 발명에 의한 나노 구조체 성장을 위한 마스크 기능을 갖는다. 마스크층(31)은 다음 단계에서 형성되는 패턴 크기보다 얇은 두께로 형성되며, 바람직하게는 100 nm 내지 200 nm 이다. 마스크층(31)은 Si3N4, SiO2 , TiO2, TiN 및 Ti 중 1종 이상이며, 이에 제한하지 않는다. In FIG. 3 (b), the step of forming the mask layer is a step of depositing a mask layer 31 on at least a part of the n-type gallium nitride semiconductor layer 20. The mask layer 31 has a mask function for growing the nanostructure according to the present invention. The mask layer 31 is formed to a thickness thinner than the pattern size formed in the next step, and is preferably 100 nm to 200 nm. The mask layer 31 is at least one of Si 3 N 4 , SiO 2 , TiO 2 , TiN, and Ti, but is not limited thereto.

도 3(c)에서, 상기 패터닝하는 단계는 마스크층(31)을 포토 리소그래피, 전자빔 리소그래피, 임프린트 리소그래피 방법(Imprint Lithography Method) 등을 이용하여 홀 패턴을 형성하는 단계이다. 도 3(c)에서 제시한 바와 같이, 상기 홀 패턴의 홀 부분에서 상기 n-형 질화갈륨 반도체층이 노출된다. 3 (c), the patterning step is a step of forming a hole pattern on the mask layer 31 using photolithography, electron beam lithography, an imprint lithography method, or the like. As shown in Fig. 3 (c), the n-type gallium nitride semiconductor layer is exposed in the hole portion of the hole pattern.

도 3(d)에서, 상기 나노 구조체를 형성하는 단계는 상기 홀 패턴의 홀 부분을 통하여 성장되고 돌출된 상단을 갖는 나노 구조체(32)를 형성하는 단계이다. 상기 단계는 MOCVD(metal-organic chemical vapour deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy) 또는 HVPE(Hydride Vapour Phase Epitaxy 등을 이용하고, 공정 조건은 본 발명에서 특별히 제한하지 않는다. 나노 구조체(32)는 n-형 질화갈륨 반도체로 이루어진다. 또한, 나노구조체(32)는 상기 언급한 바와 같이, 원뿔 또는 다각형뿔의 상단을 갖는다. 3 (d), the step of forming the nanostructure is a step of forming a nanostructure 32 having a protruded top portion grown through a hole portion of the hole pattern. The nanostructure 32 may be formed of a material selected from the group consisting of n-type and n-type, for example, MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition), MBE (Molecular Beam Epitaxy) or HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy) The nanostructure 32 also has a top of a cone or polygonal horn, as mentioned above.

도 3(e)에서, 상기 활성층을 형성하는 단계는 나노 구조체(32) 상단의 적어도 일부분에 활성층(33)을 형성하는 단계이다. 상기 단계는 600 내지 850 ℃, 바람직하게는 650 내지 750 ℃에서 MOCVD(metal-organic chemical vapour deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy) 또는 HVPE(Hydride Vapour Phase Epitaxy) 등을 이용하여 양자구조를 형성한다. 상기 양자구조(34)의 형태는 상기 언급한 바와 같다. 3 (e), the step of forming the active layer is a step of forming the active layer 33 on at least a part of the top of the nanostructure 32. The above step forms a quantum structure using metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD), molecular beam epitaxy (MBE), or hydride vapor phase epitaxy (HVPE) at 600 to 850 ° C, preferably 650 to 750 ° C. The form of the quantum structure 34 is as described above.

도 3(f)에서, p-형 질화갈륨 반도체층 또는 양자장벽층을 형성하는 단계는, 상기 양자구조를 형성하는 단계 이후에, 활성층(33) 상에 p-형 질화갈륨반도체(34) 또는 양자장벽층(34)을 형성하는 단계이며, 상기 나노 구조체를 형성하는 단계와 동일한 공정으로 진행된다. 3 (f), the step of forming the p-type gallium nitride semiconductor layer or the quantum barrier layer may include the step of forming the p-type gallium nitride semiconductor 34 or Forming a quantum barrier layer 34, and proceeding to the same process as that for forming the nanostructure.

도 3(g)에서, 마스크층을 제거하는 단계는, 마스크층(31)을 용해시켜 제거하는 단계이며, 마스크층 이외의 구조체에 손상을 주지 않는 용액을 적용할 수 있다. 바람직하게는, HF 용액일 수 있다. In Fig. 3 (g), the step of removing the mask layer is a step of dissolving and removing the mask layer 31, and a solution which does not damage the structure other than the mask layer can be applied. Preferably, it may be an HF solution.

도 3(h)에서, 금속층을 형성하는 단계는, 전자빔 진공증착기(e-beam evaporator)를 이용하여 나노 구조체(32) 및 마스크 제거 단계에서 노출되거나 또는 나노 구조체가 형성되지 않은 n-형 질화갈륨 반도체층 상(20)의 적어도 일부분에 금속필름으로 증착하여 금속층(35)을 형성하는 단계이며, 공정조건은 본 발명에서 특별히 제한하지 않는다. 3 (h), the step of forming the metal layer is performed by using an electron beam evaporator (e-beam evaporator) to expose the nano structure 32 and the n-type gallium nitride Forming a metal layer 35 on at least a part of the semiconductor layer 20 to form a metal layer 35. The process conditions are not particularly limited in the present invention.

상기 제조방법은, 상기 n-형 질화갈륨 반도체층 상의 적어도 일부분에 n-형 금속 전극층을 형성하는 단계; 및 상기 나노 구조체층 상의 적어도 일부분에 p-형 금속 전극층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 바람직하게는 나노 구조체층을 형성하는 단계 이후에 실시될 수 있으며, 공정 조건은 특별히 제한하지 않는다(미도시). The method includes: forming an n-type metal electrode layer on at least a portion of the n-type gallium nitride semiconductor layer; And forming a p-type metal electrode layer on at least a part of the nano structure layer. Preferably, the n-type metal electrode layer may be formed after forming the nano structure layer. The process conditions are not particularly limited Not shown).

본 발명에서 제시한 증착 방법 및 화합물의 성장방법은 통상적인 공정 조건을 이용하고 있을 뿐, 특별히 제한하지 않으며, 본 발명의 기술 분야에서 당업자는 본 발명의 기재 사항으로 용이하게 이해할 수 있다. The deposition method and the method for growing the compound according to the present invention use conventional process conditions and are not particularly limited, and those skilled in the art can easily understand the present invention.

실시예Example 1 One

MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition)을 이용하여, 1080 ℃에서 c-plane 사파이어 기판 상에 n-형 GaN 템플릿층(3 μm )형성하였다. 이어서, PECVD을 이용하여, 350 ℃에서 Si3N4 100 nm (두께)를 증착하였다. 다음으로, 임프린트 리소그래피 방법(Imprint Lithography Method)을 이용하여 Si3N4를 홀 패턴으로 패터닝하였다. 상기 홀 내에서 MOCVD를 이용하여 1080 ℃에서 GaN를 성장시켜, 상기 홀 패턴에서 돌출한 상단을 갖는 육각형뿔의 GaN 피라미드 나노구조체를 제조하였다. InGaN 단일 양자 우물층 및 GaN 양자장벽 층(barrier layer)을 상기 육각형뿔의 GaN 피라미드 나노구조 상에 성장시켜 상기 구조체의 꼭지점 부분에 단일 양자점을 획득하였다. 다음으로, Si3N4 패턴을 HF 용액 (50 %)을 가하여 15분 동안 제거하고, e-beam evaporator을 이용하여 40 nm 두께의 은 필름을 증착하였다. 상기 제조된 양자광 소자의 표면에 대한 TEM 이미지를 도 4에 나타내었다.An n-type GaN template layer (3 μm) was formed on a c-plane sapphire substrate at 1080 ° C. by MOCVD (metal-organic chemical vapor deposition). Subsequently, using PECVD, Si 3 N 4 100 nm (thickness). Next, Si 3 N 4 was patterned into a hole pattern by using an imprint lithography method. GaN was grown at 1080 ° C using MOCVD in the hole to form a hexagonal pyramidal GaN nanostructure having an upper end protruding from the hole pattern. An InGaN single quantum well layer and a GaN quantum barrier layer were grown on the GaN pyramid nanostructure of the hexagonal pyramid to obtain a single quantum dot at the apex of the structure. Next, Si 3 N 4 The pattern was removed with HF solution (50%) for 15 minutes, and a silver film with a thickness of 40 nm was deposited using an e-beam evaporator. A TEM image of the surface of the quantum optical device was shown in FIG.

실시예Example 2 2

은 필름을 형성하지 않은 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 양자광 소자를 제조하였다. A quantum optical device was manufactured in the same manner as in Example 1 except that no film was formed.

특성 분석Character analysis

수치 모델화(Numerical Modeling ( NumericalNumerical modelingmodeling ))

3차원 모델링은 통상적인 시간영역 유한 차분법(commercial finite-difference time-domain method program, Lumerical Solutions)을 이용하여 분석하였다. 은 및 GaN의 굴절율은 실험데이타의 피팅(silver: Johnson and Christy, GaN: ref (32))하여 모델화하였다. 구조체의 차수는 SEM 에 측정된 평균 크기 파라미터에 매칭하였다. 단일 쌍극자(single dipole)는 구조체의 꼭지점 아래의 11 nm에 위치되고, 이는 TEM 데이타에서 양자점의 위치이다. 상기 쌍극자는<

Figure 112016040186617-pat00001
>면 방향에 따라 선형적으로 극성화되고, 이는 상기 나노구조체 상의 양자점의 실험적 특징이 된다. 비교 구조체로서, 평면형 GaN 구조체 내에 임베이드된 쌍극자도 동일한 방법으로 시뮬레이션되었다. 또한, 여기서 쌍극자는 GaN 구조체 및 공기와의 계면 아래 11 nm 에서 위치된다. 상기 시뮬레이션된 수지 모델화는 본 발명의 도 5에 제시하였다. Three-dimensional modeling was performed using a conventional finite-difference time-domain method program (Lumerical Solutions). The refractive indices of silver and GaN were modeled by fitting the experimental data (silver: Johnson and Christy, GaN: ref (32)). The order of the structures matched the mean size parameter measured in the SEM. A single dipole is located at 11 nm below the vertex of the structure, which is the position of the quantum dot in the TEM data. The dipole is <
Figure 112016040186617-pat00001
Plane direction, which is an experimental feature of the quantum dot on the nanostructure. As a comparison structure, the dipole imprinted in the planar GaN structure was also simulated in the same way. Also here, the dipole is located at 11 nm below the interface with the GaN structure and air. The simulated resin modeling is shown in Figure 5 of the present invention.

광학적 특성Optical properties

양자점의 광학적 특성은, 7 K ~ 300 K의 온도 범위에서 저진동 크라이오스탯(low-vibration cryostat) 내에 마운팅하였다. 양자점의 스펙트럼은 7 K에서 저온 마이크로-PL시스템(low temperature micro-photoluminescence system, 렌즈: Mitutoyo, 100x, N.A.=0.5)으로 측정하였다. 여기 레이저는 405 nm의 파장을 갖는다. 발광 스펙트럼은 단색화장치(monochromator, Acton, SP2500, CCD(charge-coupled device) 장착)을 이용하여 측정하였다. 또한, 소멸 시간은 TCSPC(time-correlated single-photon counting, Picoharp 300, Picoquant) 시스템에 결합된 rapid APD (temporal resolution = 40 ps, ID Quantique)를 이용하여 측정하였다. 발광스펙트럼, Micro-PL 의 소멸 히스토그램(decay histograms) 및 측정된 소멸 시간 대 양자점 발광의 파장의 산점도를 도 6에 나타내었다. The optical properties of the quantum dots were mounted in a low-vibration cryostat in the temperature range of 7 K to 300 K. The spectra of the quantum dots were measured at 7 K with a low temperature micro-photoluminescence system (Lens: Mitutoyo, 100x, N.A. = 0.5). The excitation laser has a wavelength of 405 nm. The emission spectrum was measured using a monochromator (Acton, SP2500, charge-coupled device (CCD)). The extinction time was measured using Rapid APD (temporal resolution = 40 ps, ID Quantique) coupled to a time-correlated single-photon counting (Picoharp 300, Picoquant) system. The emission spectra, the decay histograms of Micro-PL, and the scatter plot of the wavelength of quantum dot emission versus measured extinction time are shown in FIG.

도 4를 살펴보면, 도4(a) 내지 4(e)는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 육각뿔의 나노구조체의 각 단계에서 측정된 것이다. 보다 구체적으로, 도 4a는 InGaN의 양자구조를 갖는 GaN로 이루어진 나노구조체를 나타낸 것이다. 또한, 도4b는 상기 도4a에 나타낸 구조체의 꼭지점 부분을 확대한 것으로, 꼭지점에 양자점 및 구조체 상단 전면에 양자우물이 형성된 것을 확인할 수 있다. 도 4(c)는 Si3N4가 선택적으로 식각된 구조체이며, 4(d)는 Ag 필름이 증착된 구조체이다. 도 4(e)는 상기 도 4(d)에 나타낸 구조체를 보다 구체적으로 도식화하였다. 즉, 도 4(e)에서 꼭지점에 양자점 및 구조체 상단의 표면에 양자우물이 형성되고, Ag필름 증착에 의한 표면플라즈몬 폴라리톤과 양자구조의 결합을 나타내었다.Referring to FIG. 4, FIGS. 4 (a) to 4 (e) are measured at each step of a hexagonal-shaped nanostructure produced according to Example 1 of the present invention. More specifically, FIG. 4A shows a nanostructure made of GaN having a quantum structure of InGaN. FIG. 4B is an enlarged view of the vertex of the structure shown in FIG. 4A. It can be seen that quantum wells are formed on the quantum dots at the vertices and on the entire upper surface of the structure. 4 (c) is a structure in which Si 3 N 4 is selectively etched, and 4 (d) is a structure in which an Ag film is deposited. Fig. 4 (e) schematically shows the structure shown in Fig. 4 (d). That is, in FIG. 4 (e) quantum wells are formed on the quantum dots at the vertices and on the upper surface of the structure, and the combination of the surface plasmon polariton and the quantum structure by the deposition of Ag film is shown.

도 5는 나노구조체 및 필름이 증착된 나노구조체의 형태에 따라 플라즈몬 시스템을 수치 모델화를 시뮬레이션하여 나타낸 것이다. 도 5(a)는 본 발명에 의한 나노구조체에 관련해서, 450 및 481 nm의 전기장의 표면도(surface plot)이고, 로그 좌표에서 전기장의 크로스-섹션 명암측면도(Cross-sectional intensity profiles)이다. 점선은 나노구조체 상의 은 필름의 위치를 나타낸 것이다. 도 5b는 종래의 평면 구조체와 본 발명에 의한 나노구조체 및 이들의 은 필름의 형성에 (실시예 1 및 실시예 2)따라 쌍극자의 방사증강을 나타낸 것으로, 뽀족한 나노구조체 위에 은 필름을 형성할 시 기존구조의 쌍극자보다 훨씬 큰 자발방출 확률을 가질 수 있다. 자발방출확률을 늘려주게 되면 빠른 반복 구동의 가능성은 물론이고 높은 온도에서 높은 양자효율을 가지는 양자광원을 제작할 수 있다는데에 의의가 있다. 5 is a graphical representation of a numerical modeling of the plasmon system according to the morphology of the nanostructure and the nanostructure on which the film is deposited. 5 (a) is a surface plot of an electric field of 450 and 481 nm with respect to the nanostructure according to the present invention, and is a cross-sectional intensity profiles of an electric field in logarithmic coordinates. The dotted line indicates the position of the silver film on the nanostructure. FIG. 5B shows spinning enhancement of a dipole according to the conventional planar structure, the nanostructure of the present invention, and the silver film of the present invention (Example 1 and Example 2), and a silver film is formed on the pointed nanostructure It is possible to have a much larger spontaneous emission probability than the dipole of the existing structure. If the spontaneous emission probability is increased, it is possible to fabricate a quantum light source having a high quantum efficiency at a high temperature as well as a possibility of fast repetitive driving.

도 6을 살펴보면, 도 6(a)는 실시예 1 및 실시예 2에 따라, 은 필름의 증착에 따른 Micro-PL(Micro-photoluminescence) 스펙트럼를 7K에서 측정하여 나타내었다. QD 방출에 관련된 샤프한 피크 및 InGaN 양자우물에서 발생한 넓은 띠 모양의 백그라운드 발광 피크 및 QD 발광에 관련된 샤프한 발광 피크를 확인할 수 있으며, 은 필름이 증착된 실시예 1의 QD 발광 피크가 은 필름이 없는 실시예 2에 비하여 피크세기가 증가한 것을 확인할 수 있다. 6, the micro-photoluminescence (&quot; PL &quot;) spectrum according to the deposition of the silver film was measured at 7K according to Example 1 and Example 2, respectively. A sharp peak related to the QD emission, a broad band-shaped background emission peak generated in the InGaN quantum well, and a sharp emission peak related to the QD emission can be confirmed, and the QD emission peak of Example 1 in which the silver film is deposited can be confirmed It can be confirmed that the peak intensity is increased as compared with Example 2.

도 6(b)는 QD 안에서 전도대로 올라간 전자가 빛을 내며 원자가대로 하강하는 시간을 나타내는 Micro-PL 하강 시간 히스토그램이며, IRF는 장치 반응 기능(instrument response function)이고, 도 6c는 측정된 하강 시간(decay times) 대 양자점 발광의 파장의 산점도(scatter plot)을 나타낸 것이다. 상기 도 6(b) 및 도 6(c)를 살펴보면, 실시예 1은 실시예 2에 비하여, 하강 시간이 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있고, 실시예 1의 평균 하강 시간은 234 ± 64 ps이고, 실시예 2의 평균 하강 시간은 4378 ± 2113 ps이다. 이러한 Micro-PL 하강 히스토그램을 통하여 광범위한 스펙트라 범위에 걸쳐 QD 상에 강한 "Purcell effect "를 확인할 수 있고, 이러한 "Purcell effect "로 인하여 QD의 방출 피크의 세기를 증가시키는 것으로 예상된다. FIG. 6 (b) is a micro-PL descent time histogram showing the time when the electrons ascending to the conduction band in the QD emit light and descending to the valence band, IRF is the instrument response function, (decay times) versus scatter plot of the wavelength of the quantum dot emission. 6 (b) and 6 (c), it can be seen that the falling time of Example 1 is drastically reduced as compared with that of Example 2, and the average falling time of Example 1 is 234 ± 64 ps , And the average fall time in Example 2 is 4378 + - 2113 ps. Such a Micro-PL descending histogram can confirm a strong "Purcell effect" on the QD over a wide spectral range and is expected to increase the intensity of the emission peak of QD due to this "Purcell effect".

도 7을 살펴보면, 도 7(a)는 피크 강도의 "Log-Log plot "을 나타낸 것이고, 여기서 여기파워 40 μW의 양자점의 Micro-PL스펙트럼이며, 선은 피팅 커버 및 2차 행동(quadratic behaviors)을 의미한다. 실시예 1의 QD에서 멀티-엑시톤 복합체가 측정되었고, 여기 피크의 세기는 선형적으로 증가하였고, 반면이, 바이엑시톤 피크의 강도는 여기 파워과 함께 2차적으로 증가하였다. 7 shows the "Log-Log plot" of the peak intensity, where the Micro-PL spectrum of the quantum dots with an excitation power of 40 μW, with the line representing the fitting cover and the quadratic behaviors, . In the QD of Example 1, a multi-exciton complex was measured and the intensity of the excitation peak was linearly increased, whereas the intensity of the excitation peak was increased secondarily with excitation power.

도 7(b)는 발광의 분극방향의 기능으로서 단일 양자점의 스펙트럼의 강도에 대한 극좌표 기점법을 나타낸 것이다. QD에 따른 발광은 선형분극화되고, 하기의 식에 제시한 높은 분극비율(P)는 ~0.93이다. 하기의 식에서 I는 발광세기이다. Fig. 7 (b) shows the polar origin method for the intensity of the spectrum of a single quantum dot as a function of the polarization direction of light emission. The luminescence according to QD is linearly polarized, and the high polarization ratio (P) shown in the following equation is ~ 0.93. I is the luminescence intensity in the following equation.

Figure 112016040186617-pat00002
Figure 112016040186617-pat00002

도 7(c)는 연속파자극(continuous-wave excitation) 하에서 광자상관 측정을 나타낸 것이며, 여기서 2차 간섭성 기능을 사용하여 피팅된 선을 나타내었다. 참조논문 "A gallium nitride single-photon source operating at 200 K. Nature Mater. 5, 887-892 (2006)"을 참조하고, 하기의 식을 적용하여 값을 구하였다. g(2)의 피팅 결과 0.19 ± 0.17이고 본 발명에 의한 QD가 종래에 규정되지 않은 광자 비다발성을 제공하는 것을 알 수 있다. Figure 7 (c) shows photon correlation measurements under continuous-wave excitation, where the fitted lines are shown using a second-order coherent function. Reference is made to "A gallium nitride single-photon source operating at 200 K. Nature Mater. 5, 887-892 (2006)", and the value is obtained by applying the following equation. The fitting result of g (2) is 0.19 +/- 0.17 and it can be seen that the QD according to the present invention provides photon ratio multiplicity not previously defined.

Figure 112016040186617-pat00003
Figure 112016040186617-pat00003

10: 양자광 소자
11: 기판
20: n-형 질화갈륨 반도체층
30: 나노 구조체층
31: 마스크층
32: 나노 구조체
33: 활성층
34: 양자장벽층/p-형 질화갈륨 반도체층
35: 금속층
10: Quantum optical device
11: substrate
20: n- type gallium nitride semiconductor layer
30: nano structure layer
31: mask layer
32: Nano structure
33:
34: quantum barrier layer / p-type gallium nitride semiconductor layer
35: metal layer

Claims (14)

기판;
상기 기판 상에 형성된 n-형 질화갈륨 반도체층; 및
상기 n-형 질화갈륨 반도체층 상의 적어도 일부분에 형성된 나노 구조체층을 포함하고,
상기 나노 구조체층은,
나노 구조체; 및
상기 나노 구조체 및 상기 n-형 질화갈륨 반도체의 적어도 일부분을 덮는 금속층을 포함하고,
상기 나노 구조체는 원뿔 또는 다각형뿔 형상의 상단을 갖는 나노 구조체이며, 상기 상단의 적어도 일부분에 양자구조로 이루어진 활성층을 포함하고,
상기 양자구조는 상기 나노 구조체 상단의 꼭지점 부분에 단일 양자점이 형성되고, 상단의 전면에 양자우물이 형성되고,
상기 금속층은 표면 플라즈몬을 갖는 금, 은, 및 백금 중 1종 이상의 금속을 포함하는 금속 필름을 포함하고,
상기 금속층은, 5 nm 내지 100 nm 두께를 가지며,
상기 금속 필름의 표면 플라즈몬 폴라리톤은 상기 양자점이 위치하는 나노구조체 꼭지점 부분에 자발적으로 응집하고, 상기 기판 전체에서 상기 양자점과 상기 표면 플라즈몬의 상호작용에 의하여 상기 양자점의 양자효율과 발광 세기를 증대시키는,
양자광 소자.
Board;
An n-type gallium nitride semiconductor layer formed on the substrate; And
And a nano structure layer formed on at least a part of the n-type gallium nitride semiconductor layer,
The nanostructure layer may be formed,
Nanostructures; And
And a metal layer covering at least a part of the nano structure and the n-type gallium nitride semiconductor,
Wherein the nanostructure is a nanostructure having a top in the shape of a cone or a polygonal horn, the active layer comprising a quantum structure in at least a part of the top,
Wherein the quantum structure has a single quantum dot formed at a vertex portion at an upper end of the nanostructure, a quantum well formed at an entire upper surface,
Wherein the metal layer comprises a metal film comprising at least one metal selected from the group consisting of gold, silver and platinum having a surface plasmon,
The metal layer has a thickness of 5 nm to 100 nm,
The surface plasmon polariton of the metal film spontaneously coheres at a vertex portion of the nanostructure where the quantum dots are located and the quantum efficiency and luminescence intensity of the quantum dots are increased by the interaction of the quantum dots and the surface plasmon in the entire substrate ,
Quantum optical device.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 나노 구조체의 하단은 상기 n-형 질화갈륨 반도체층과 연결된 것인, 양자광 소자.
The method according to claim 1,
And the lower end of the nanostructure is connected to the n-type gallium nitride semiconductor layer.
제1항에 있어서,
상기 활성층의 상단에 p-형 질화갈륨 반도체층 또는 양자장벽층이 더 형성된 것인, 양자광 소자.
The method according to claim 1,
And a p-type gallium nitride semiconductor layer or a quantum barrier layer is further formed on an upper end of the active layer.
제6항에 있어서,
상기 양자장벽층은 i-형 질화갈륨 반도체인 것인, 양자광 소자.
The method according to claim 6,
Wherein the quantum barrier layer is an i-type gallium nitride semiconductor.
제1항에 있어서,
상기 n-형 질화갈륨 반도체층 상의 적어도 일부분에 형성된 n-형 금속 전극층 및 상기 나노 구조체층 상의 적어도 일부분에 형성된 p-형 금속 전극층을 더 포함하는 것인, 양자광 소자.
The method according to claim 1,
Type metal electrode layer formed on at least a part of the n-type gallium nitride semiconductor layer, and a p-type metal electrode layer formed on at least a part of the nano structure layer.
제8항에 있어서,
상기 n-형 금속 전극층은 Co, Ir, Ta, Cr, Mn, Mo, Tc, W, Re, Fe, Sc, Ti, Sn, Ge, Sb, Al, Pt, Ni, Au, ITO 및 ZnO 중 1종 이상을 포함하는 것인, 양자광 소자.
9. The method of claim 8,
The n-type metal electrode layer may include one or more of Co, Ir, Ta, Cr, Mn, Mo, Tc, W, Re, Fe, Sc, Ti, Sn, Ge, Sb, Al, Pt, Ni, Au, ITO, And more than one species.
제8항에 있어서,
상기 p-형 금속 전극층은 Co, Ir, Ta, Cr, Mn, Mo, Tc, W, Re, Fe, Sc, Ti, Sn, Ge, Sb, Al, Pt, Ni, Au, ITO 및 ZnO 중 1종 이상을 포함하는 것인, 양자광 소자.
9. The method of claim 8,
The p-type metal electrode layer may be formed of one of Co, Ir, Ta, Cr, Mn, Mo, Tc, W, Re, Fe, Sc, Ti, Sn, Ge, Sb, Al, Pt, Ni, Au, ITO, And more than one species.
제1항, 제5항 내지 제10항 중 어느 한 항의 양자광 소자의 제조방법에 있어서,
상기 제조방법은:
기판 상에 n-형 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계; 및
상기 n-형 질화갈륨 반도체층 상의 적어도 일부분에 나노 구조체층을 형성하는 단계; 를 포함하고,
상기 나노 구조체층을 형성하는 단계는:
상기 n-형 질화갈륨 반도체층 상에 마스크층을 형성하는 단계;
상기 마스크층을 홀 패턴 형상으로 패터닝하는 단계;
상기 n-형 질화갈륨 반도체층이 노출된 상기 홀 패턴의 홀을 통하여 n-형 질화갈륨 반도체를 성장시켜 나노 구조체를 형성하는 단계;
상기 나노 구조체의 상단에 양자구조로 이루어진 활성층을 형성하는 단계;
상기 마스크층을 제거하는 단계; 및
상기 마스크층을 제거하는 단계 이후에, 상기 나노 구조체 및 상기 n-형 질화갈륨 반도체층의 적어도 일부분을 덮는 금속층을 형성하는 단계;
를 포함하고,
상기 활성층을 형성하는 단계는, 상기 나노 구조체 상단의 전면에 양자우물층을 성장시켜 상단의 꼭지점 부분에 단일 양자점을 형성하고,
상기 금속층은 표면 플라즈몬을 갖는 금, 은, 및 백금 중 1종 이상의 금속을 포함하는 금속 필름을 포함하고,
상기 금속층은, 5 nm 내지 100 nm 두께를 가지며,
상기 금속 필름의 표면 플라즈몬 폴라리톤은 상기 양자점이 위치하는 나노구조체 꼭지점 부분에 자발적으로 응집하고, 상기 기판 전체에서 상기 양자점과 상기 표면 플라즈몬의 상호작용에 의하여 상기 양자점의 양자효율과 발광 세기를 증대시키는 것인,
양자광 소자의 제조방법.
11. A method of manufacturing a quantum optical device according to any one of claims 1 to 10,
The method comprises:
Forming an n-type gallium nitride semiconductor layer on a substrate; And
Forming a nano structure layer on at least a portion of the n-type gallium nitride semiconductor layer; Lt; / RTI &gt;
The step of forming the nanostructure layer comprises:
Forming a mask layer on the n-type gallium nitride semiconductor layer;
Patterning the mask layer in a hole pattern shape;
Growing a n-type gallium nitride semiconductor through holes of the hole pattern in which the n-type gallium nitride semiconductor layer is exposed to form a nanostructure;
Forming an active layer having a quantum structure on top of the nanostructure;
Removing the mask layer; And
Forming a metal layer covering at least a part of the nano structure and the n-type gallium nitride semiconductor layer, after the step of removing the mask layer;
Lt; / RTI &gt;
The step of forming the active layer may include growing a quantum well layer on the entire upper surface of the nanostructure to form a single quantum dot at a vertex portion of the upper end,
Wherein the metal layer comprises a metal film comprising at least one metal selected from the group consisting of gold, silver and platinum having a surface plasmon,
The metal layer has a thickness of 5 nm to 100 nm,
The surface plasmon polariton of the metal film spontaneously coheres at a vertex portion of the nanostructure where the quantum dots are located and the quantum efficiency and luminescence intensity of the quantum dots are increased by the interaction of the quantum dots and the surface plasmon in the entire substrate In fact,
A method of manufacturing a quantum optical device.
제11항에 있어서,
상기 활성층을 형성하는 단계 이후에, 상기 활성층의 상단에 p-형 질화갈륨 반도체층 또는 양자장벽층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것인, 양자광 소자의 제조방법.
12. The method of claim 11,
And forming a p-type gallium nitride semiconductor layer or a quantum barrier layer on top of the active layer after the step of forming the active layer.
제11항에 있어서,
상기 마스크층은 Si3N4, SiO2 , TiO2, TiN, 및 Ti 중 1종 이상을 포함하는 것인, 양자광 소자의 제조방법.
12. The method of claim 11,
Wherein the mask layer comprises at least one of Si 3 N 4 , SiO 2 , TiO 2 , TiN, and Ti.
제11항에 있어서,
상기 나노 구조체층을 형성하는 단계 이후에, 상기 n-형 질화갈륨 반도체층 상의 적어도 일부분에 n-형 금속 전극층을 형성하는 단계; 및 상기 나노 구조체층 상의 적어도 일부분에 p-형 금속 전극층을 형성하는 단계를 더 포함하는, 양자광 소자의 제조방법.
12. The method of claim 11,
Forming a n-type metal electrode layer on at least a portion of the n-type gallium nitride semiconductor layer after forming the nano structure layer; And forming a p-type metal electrode layer on at least a part of the nano structure layer.
KR1020160050952A 2016-04-26 2016-04-26 Quantum Optical Device and its manufacturing method KR101733350B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160050952A KR101733350B1 (en) 2016-04-26 2016-04-26 Quantum Optical Device and its manufacturing method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160050952A KR101733350B1 (en) 2016-04-26 2016-04-26 Quantum Optical Device and its manufacturing method

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130137848A Division KR20150055454A (en) 2013-11-13 2013-11-13 Quantum Optical Device and its manufacturing method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160052511A KR20160052511A (en) 2016-05-12
KR101733350B1 true KR101733350B1 (en) 2017-05-24

Family

ID=56024879

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160050952A KR101733350B1 (en) 2016-04-26 2016-04-26 Quantum Optical Device and its manufacturing method

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101733350B1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110923808A (en) * 2018-09-19 2020-03-27 中国科学院上海高等研究院 Seed crystal substrate with double-shell structure and preparation method thereof

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100897490B1 (en) * 2000-07-18 2009-05-15 소니 가부시끼 가이샤 Semiconductor light-emitting device and method for manufacturing semiconductor light-emitting device

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100897490B1 (en) * 2000-07-18 2009-05-15 소니 가부시끼 가이샤 Semiconductor light-emitting device and method for manufacturing semiconductor light-emitting device

Also Published As

Publication number Publication date
KR20160052511A (en) 2016-05-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Barrigón et al. Synthesis and applications of III–V nanowires
Zhao et al. III-nitride nanowires on unconventional substrates: From materials to optoelectronic device applications
US10263149B2 (en) Nanostructured LED array with collimating reflectors
CN107251239B (en) III valence nitride nanowires and its manufacturing method with strain modified surface active region
US9761757B2 (en) III-nitride nanowire LED with strain modified surface active region and method of making thereof
US8669544B2 (en) High efficiency broadband semiconductor nanowire devices and methods of fabricating without foreign catalysis
JP6296993B2 (en) Manufacturing method of semiconductor microwire or nanowire, semiconductor structure including the microwire or nanowire, and manufacturing method of semiconductor structure
US20110156000A1 (en) Method of manufacturing a semiconductor device and semiconductor device
KR101524319B1 (en) Nanostructured led array with collimating reflectors
Li et al. Wurtzite-phased InP micropillars grown on silicon with low surface recombination velocity
Mohammad et al. Ultraviolet electroluminescence from flowers-like n-ZnO nanorods/p-GaN light-emitting diode fabricated by modified chemical bath deposition
JP2016519421A (en) High dielectric film for improving the extraction efficiency of nanowire LEDs
Yao et al. Facile five-step heteroepitaxial growth of GaAs nanowires on silicon substrates and the twin formation mechanism
Patsha et al. Optoelectronic properties of single and array of 1-D III-nitride nanostructures: An approach to light-driven device and energy resourcing
Johar et al. Three-dimensional hierarchical semi-polar GaN/InGaN MQW coaxial nanowires on a patterned Si nanowire template
Sankaranarayanan et al. Catalytic growth of gallium nitride nanowires on wet chemically etched substrates by chemical vapor deposition
Hansen et al. Chip-Scale Droop-Free Fin light-emitting diodes using facet-selective contacts
KR101733350B1 (en) Quantum Optical Device and its manufacturing method
Boras et al. Self-catalyzed AlGaAs nanowires and AlGaAs/GaAs nanowire-quantum dots on Si substrates
KR20150055454A (en) Quantum Optical Device and its manufacturing method
KR20190117179A (en) Light emitting device for light amplification using graphene quantum dot and method for producing the device
JP2012222274A (en) Manufacturing method of nanopillar
KR102128835B1 (en) Automotive application composition comprising light emitting device for light amplification using graphene quantum dot
Park et al. Synthesis of hybrid nanowires comprising uniaxial and coaxial InGaN/GaN MQWs with a nano-cap
Deshpande et al. Bright LEDs using position-controlled MOCVD growth of InP nanopillar array on a silicon substrate

Legal Events

Date Code Title Description
A107 Divisional application of patent
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right