KR101762175B1 - Nano rod light emitting device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
발광 소자 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 발광 소자는 관통홀을 구비하는 마스크층; 상기 관통홀을 통해 상기 마스크층 위로 성장된 것으로, 성장 방향에 따라 순차적으로 배치된, 수평 단면의 면적이 상대적으로 좁은 제1영역과 수평 단면의 면적이 상대적으로 넓은 제2영역을 구비하며, 제1형으로 도핑된 반도체 나노코어; 상기 반도체 나노코어의 표면을 둘러싸며 형성된 활성층; 상기 활성층의 표면을 둘러싸며 형성된 것으로, 제2형으로 도핑된 제2반도체층; 상기 반도체 나노코어 및 제2반도체층 각각에 전기적으로 연결되는 제1전극 및 제2전극;을 포함한다.A light emitting device and a manufacturing method thereof are disclosed. The disclosed light emitting device includes a mask layer having a through hole; And a second region grown on the mask layer through the through hole and sequentially arranged along the growth direction, the first region having a relatively narrow horizontal cross-sectional area and the second region having a relatively large horizontal cross- 1 type doped semiconductor nanocore; An active layer formed to surround the surface of the semiconductor nanocore; A second semiconductor layer formed to surround the surface of the active layer and doped with a second type; And a first electrode and a second electrode electrically connected to the semiconductor nanocore and the second semiconductor layer, respectively.
Description
본 개시는 발광소자 및 그 제조방법에 대한 것이다. This disclosure relates to a light emitting device and a method of manufacturing the same.
발광소자(Light Emitting Device; LED)는 화합물 반도체(compound semiconductor)의 PN접합을 통해 발광원을 구성함으로서, 다양한 색의 빛을 구현할 수 있는 반도체 소자를 말한다. 최근, 물리적, 화학적 특성이 우수한 질화물을 이용하여 구현된 청색 LED 및 자외선 LED가 등장하였고, 또한 청색 또는 자외선 LED와 형광물질을 이용하여 백색광 또는 다른 단색광을 만들 수 있게 됨으로써 발광소자의 응용범위가 넓어지고 있다. A light emitting device (LED) refers to a semiconductor device that can emit light of various colors by forming a light emitting source through a PN junction of a compound semiconductor. In recent years, blue LEDs and ultraviolet LEDs realized using nitrides excellent in physical and chemical properties have appeared, and since blue or ultraviolet LEDs and fluorescent materials can be used to form white light or other monochromatic light, ought.
발광소자의 기본 동작 원리는, 활성층에 주입된 전자와 정공들이 결합하여 빛을 방출하는 것이다. 그런데, 질화물계 화합물 반도체 결정 내에는 일반적으로 결정결함이 다수 존재하고 있어, 이 결정결함을 통해 전자와 정공이 결합하는 경우, 빛에너지가 아닌 열에너지로 방출하게 된다. 이러한 비발광 재결합을 감소시키는 것이 반도체 발광소자의 발광효율 향상을 위해 중요하다. The basic operation principle of the light emitting device is that electrons and holes injected into the active layer combine to emit light. However, in a nitride-based compound semiconductor crystal, many crystal defects generally exist, and when electrons and holes are coupled through the crystal defects, they are emitted as heat energy instead of light energy. Reducing such non-luminescent recombination is important for improving the luminous efficiency of the semiconductor light emitting device.
비발광 재결합의 원인이 되는 결정 결함은 성장 기판과 화합물 반도체 사이의 격자 상수 부정합이나 열팽창 계수의 차이 등에 의해 발생한다. 이러한 단점을 개선하기 위하여, 나노로드의 형태를 가지는 나노 스케일의 발광 구조를 형성하는 기술이 연구되고 있다. 이와 같은 구조는 1차원적 성장의 경우 박막 형태의 경우보다 기판과의 격자상수 불일치나 열팽창 계수의 차이에 의한 영향을 덜 받기 때문에 이종의 기판 위에서도 쉽게 대면적 성장이 가능한 것으로 알려져 있다. The crystal defects responsible for the non-luminescent recombination are caused by the lattice constant mismatch between the growth substrate and the compound semiconductor, the difference in the thermal expansion coefficient, and the like. In order to overcome such disadvantages, a technique for forming a nanoscale light emitting structure having a nanorod shape has been studied. Such a structure is known to be capable of large area growth easily on a heterogeneous substrate because it is less affected by the difference in lattice constant and thermal expansion coefficient from the substrate in the case of one-dimensional growth.
최근, 코어/셀 (Core/Shell) 형태의 나노로드 구조가 제안되고 있다. 이러한구조의 장점으로는, 첫째 결정결함을 최소화한다는 것이다. 일반적인 평면박막구조 발광소자는 크게 2가지 종류의 결정결함을 가지고 있다. 하나는 InGaN으로 구성되는 양자우물층과 GaN으로 구성되는 양자장벽층 사이의 격자 부정합에 기인하여 형성되는 부정합 전위로, 이 경우 전위는 성장면내에 평행하게 존재하게 된다. 다른 하나는 사파이어와 질화갈륨의 계면에서 형성되어 발광소자 구조가 성장 동안 성장방향으로 길어지면서 발광층까지 도달하게 되는 관통 전위이다. 나노로드 구조에서는 GaN층이 수평방향으로의 변형 또한 가능하기에 일반적인 평면박막 발광소자에 비해 격자부정합 전위 형성을 줄일 수 있다. 또한 기판상에서 차지하는 면적이 적으므로, 관통전위의 일부만이 활성층으로 전파되고, 전위가 형성되어도, 가까운 표면으로 이동, 소멸될 가능성이 크다. 둘째, 활성층이 껍질(Shell) 층의 형태로 코어(Core) 표면을 따라 형성되어 발광표면적이 증가하게 되고 실질적인 전류밀도가 감소하여 광효율이 향상된다. Recently, a nano-rod structure in the form of a core / shell has been proposed. One advantage of this structure is that it minimizes the first crystal defect. A typical planar thin film light emitting device has two types of crystal defects. One is a mismatch dislocation formed due to the lattice mismatch between the quantum well layer made of InGaN and the quantum barrier layer made of GaN. In this case, the dislocations are parallel to the growth plane. And the other is a threading dislocation which is formed at the interface between sapphire and gallium nitride and reaches the light emitting layer as the structure of the light emitting device becomes longer in the growth direction during growth. In the nano-rod structure, since the GaN layer can be deformed in the horizontal direction, formation of lattice mismatch dislocation can be reduced as compared with a general planar thin-film light-emitting device. In addition, since the area occupied on the substrate is small, there is a high possibility that only a part of the threading potential is propagated to the active layer, and even if a potential is formed, it moves and disappears to a near surface. Secondly, the active layer is formed along the surface of the core in the form of a shell layer to increase the light emitting surface area and reduce the actual current density, thereby improving the light efficiency.
본 개시는 누설 전류를 줄여 발광효율을 높일 수 있는 구조를 가지는 나노로드 발광소자 및 그 제조방법을 제시하고자 한다. This disclosure discloses a nano-rod light-emitting device having a structure capable of reducing the leakage current and increasing the luminous efficiency and a manufacturing method thereof.
일 유형에 따르는 발광 소자는 관통홀을 구비하는 마스크층; 상기 관통홀을 통해 상기 마스크층 위로 성장된 것으로, 성장 방향에 따라 순차적으로 배치된, 수평 단면의 면적이 상대적으로 좁은 제1영역과 수평 단면의 면적이 상대적으로 넓은 제2영역을 구비하며, 제1형으로 도핑된 반도체 나노코어; 상기 반도체 나노코어의 표면을 둘러싸며 형성된 활성층; 상기 활성층의 표면을 둘러싸며 형성된 것으로, 제2형으로 도핑된 제2반도체층; 상기 반도체 나노코어 및 제2반도체층 각각에 전기적으로 연결되는 제1전극 및 제2전극;을 포함한다. A light emitting device according to one type includes: a mask layer having a through hole; And a second region grown on the mask layer through the through hole and sequentially arranged along the growth direction, the first region having a relatively narrow horizontal cross-sectional area and the second region having a relatively large horizontal cross- 1 type doped semiconductor nanocore; An active layer formed to surround the surface of the semiconductor nanocore; A second semiconductor layer formed to surround the surface of the active layer and doped with a second type; And a first electrode and a second electrode electrically connected to the semiconductor nanocore and the second semiconductor layer, respectively.
상기 제1영역을 둘러싸는 부분의 활성층 두께가 상기 제2영역을 둘러싸는 부분의 활성층 두께보다 얇게 형성될 수 있다. The active layer thickness of the portion surrounding the first region may be smaller than the active layer thickness of the portion surrounding the second region.
상기 마스크층 표면으로부터 상기 제1영역의 수직 방향 높이는 대략 1nm 이상 1000nm 이하가 될 수 있다. The height of the first region from the surface of the mask layer in the vertical direction may be approximately 1 nm or more and 1000 nm or less.
상기 마스크층은 SiO2, SiN, TiO2, Si3N4, Al2O3, TiN, AlN, ZrO2, TiAlN, TiSiN 중 어느 하나 이상을 포함하여 이루어질 수 있다. The mask layer may include at least one of SiO 2 , SiN, TiO 2 , Si 3 N 4 , Al 2 O 3 , TiN, AlN, ZrO 2 , TiAlN, and TiSiN.
상기 반도체 나노코어의 수평 단면 형상은 원형, 타원형 또는 다각형 형상이 될 수 있다. The horizontal cross-sectional shape of the semiconductor nanocore may be circular, elliptical or polygonal.
상기 활성층과 제2반도체층 사이에 전자차단층이 더 마련될 수 있다. An electron blocking layer may further be provided between the active layer and the second semiconductor layer.
상기 제2반도체층을 덮는 투명전극층을 더 포함하며, 상기 투명전극층 상에 상기 제2전극이 마련될 수 있고, 상기 투명전극층과 상기 마스크층 사이에 절연층이 더 구비될 수 있다. The transparent electrode layer may further include a transparent electrode layer covering the second semiconductor layer. The second electrode may be provided on the transparent electrode layer, and an insulating layer may be further provided between the transparent electrode layer and the mask layer.
상기 마스크층의 하면에 제1형으로 도핑된 제1반도체층이 더 마련되고, 상기 제1전극은 상기 제1반도체층의 상면에 마련될 수 있으며, 이 경우, 상기 제1반도체층의 하부에는 반사금속층이 마련될 수 있다. A first semiconductor layer doped with a first type may be further provided on a lower surface of the mask layer, and the first electrode may be provided on an upper surface of the first semiconductor layer. In this case, A reflective metal layer may be provided.
또는, 상기 제1전극은 상기 마스크층의 하면에 마련될 수 있으며, 이 경우, 상기 제1전극은 반사금속 물질로 이루어질 수 있다. Alternatively, the first electrode may be provided on the lower surface of the mask layer. In this case, the first electrode may be formed of a reflective metal material.
상기 제2전극은 반사금속 물질로 이루어지며, 상기 제2반도체층의 표면 전체를 덮는 형태로 마련되고, 상기 제1전극은 투명전극 물질로 이루어지며, 상기 마스크층의 하면에 마련될 수 있다. The second electrode is made of a reflective metal material and covers the entire surface of the second semiconductor layer. The first electrode is made of a transparent electrode material, and may be provided on a lower surface of the mask layer.
또한, 일 유형에 따르면, 기판 상에 성장 방향에 따라 순차적으로 배치된 것으로, 상기 성장 방향에 수직인 단면의 면적이 상대적으로 좁은 제1영역과 상기 성장 방향에 수직인 단면의 면적이 상대적으로 넓은 제2영역을 구비하며, 제1형으로 도핑된 반도체 나노코어를 형성하는 단계; 상기 반도체 나노코어의 표면에 활성층을 형성하는 단계; 및 상기 활성층의 표면에 제2형으로 도핑된 제2반도체층을 형성하는 단계;를 포함하는 발광소자 제조방법이 제공된다. According to one aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, which is sequentially disposed on a substrate along a growth direction, the method comprising: forming a first region in which an area of a cross section perpendicular to the growth direction is relatively narrow, Forming a semiconductor nanocrystal having a second region and doped with a first type; Forming an active layer on a surface of the semiconductor nanocore; And forming a second semiconductor layer doped with a second type on the surface of the active layer.
상기 반도체 나노코어를 형성하는 단계는, 기판상에 제1형으로 도핑된 제1반도체층을 형성하는 단계; 상기 제1반도체층 상에 절연물질로 된 제1마스크층과 제2마스크층을 순차 형성하고, 상기 제1마스크층과 제2마스크층을 관통하는 관통홀을 형성하는 단계; 상기 관통홀을 통해, 상기 제1반도체층으로부터 상기 반도체 나노코어를 성장시키는 단계; 상기 제2마스크층을 제거하는 단계;를 포함한다. The forming of the semiconductor nanocore may include forming a first semiconductor layer doped with a first type on the substrate; Sequentially forming a first mask layer and a second mask layer made of an insulating material on the first semiconductor layer and forming through holes passing through the first mask layer and the second mask layer; Growing the semiconductor nanocrystals from the first semiconductor layer through the through holes; And removing the second mask layer.
상기 제1마스크층과 제2마스크층은 상호간 물리적 또는 화학적 선택비가 있는 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 상기 제1마스크층은 SiN으로 이루어지고, 상기 제2마스크층은 SiO2로 이루어질 수 있으며, 이 경우, 식각액으로 HF용액을 사용하여 상기 제2층을 제거할 수 있다. The first mask layer and the second mask layer may be formed of a material having a physical or chemical selectivity ratio to each other. For example, the first mask layer may be made of SiN and the second mask layer may be made of SiO 2 . In which case the second layer can be removed using an HF solution as the etchant.
상술한 발광 소자 및 제조방법에 의하면, 발광 나노로드의 하부쪽 소정 영역의 단면이 다른 영역에 비해 좁게 형성된 발광 소자가 제공되며, 이에 따라, 마스크층과의 인접면에서 발생할 수 있는 누설 전류를 줄이고, 광효율을 높일 수 있다. According to the light emitting device and the manufacturing method described above, a light emitting device is provided in which a section of a predetermined region under the light emitting nano-rods is narrower than other regions, thereby reducing a leakage current that may occur in the vicinity of the mask layer , The light efficiency can be increased.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자의 개략적인 구성을 보인다.
도 2는 도 1의 발광 소자의 발광 나노로드의 보다 상세한 구성을 보인 확대도이다.
도 3은 도 2와 비교하기 위한 비교예의 발광 나노로드의 구성을 보인다.
도 4는 다른 실시예에 따른 발광 소자의 개략적인 구성을 보인다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 개략적인 구성을 보인다.
도 6a 내지 도 6e는 실시예에 따른 발광 소자 제조방법을 설명하는 도면들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>
100, 200, 300... 발광소자 110...기판
120...제1반도체층 130...마스크층
131...제1마스크층 132...제2마스크층
140...발광 나노로드 142...반도체 나노코어
144...활성층 146...제2반도체층
160...투명전극층 170, 174...제2전극
180, 182, 184...제1전극 190...반사전극층1 shows a schematic configuration of a light emitting device according to an embodiment of the present invention.
2 is an enlarged view showing a more detailed structure of a light emitting nano rod of the light emitting device of Fig.
Fig. 3 shows the structure of the light emitting nano rod of the comparative example for comparison with Fig.
4 shows a schematic configuration of a light emitting device according to another embodiment.
FIG. 5 shows a schematic structure of a light emitting device according to another embodiment.
6A to 6E are views illustrating a method of manufacturing a light emitting device according to an embodiment.
Description of the Related Art [0002]
100, 200, 300 ...
120 ...
131 ...
140 ... light
144 ...
160 ...
180, 182, 184 ...
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, like reference numerals refer to like elements, and the size and thickness of each element may be exaggerated for clarity of explanation.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자의 개략적인 구성을 보이며, 도 2는 도 1의 발광 소자의 발광 나노로드의 보다 상세한 구성을 보인 확대도이다.FIG. 1 is a schematic view of a light emitting device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged view showing a more detailed configuration of a light emitting nano rod of the light emitting device of FIG.
도면들을 참조하면, 발광 소자(100)는 발광 나노로드(140)를 포함하며, 발광 나노로드(140)는 제1형으로 도핑된 반도체 나노코어(142)와 반도체 나노코어(142)의 표면을 둘러싸는 활성층(146), 상기 활성층(146)의 표면을 둘러싸며, 제2형으로 도핑된 제2반도체층(148)을 포함한다. 반도체 나노코어(142)는 성장 방향에 따라 순차적으로, 수평 단면의 면적이 상대적으로 좁은 제1영역(R1)과 수평 단면의 면적이 상대적으로 넓은 제2영역(R2)를 구비한다. Referring to the drawings, the
보다 구체적인 구성을 전체적으로 살펴보면 다음과 같다. The more specific configuration is as follows.
기판(110)은 반도체 단결정 성장을 위한 성장 기판으로서, 실리콘(Si) 기판, 실리콘 카바이드(SiC) 기판, 사파이어(Sapphire) 기판 등이 사용될 수 있고, 이 외에도, 기판(110) 상에 형성될 제1반도체층(120)의 성장에 적합한 물질, 예를 들어, ZnO, GaAs, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2, GaN 으로 이루어진 기판이 사용될 수 있다. The
기판(110) 위에 다수의 관통홀을 구비하는 마스크층(130)이 마련된다. 마스크층(130)은 절연물질로서, 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물을 포함하여 이루어질 수 있으며, 예를 들어, SiO2, SiN, TiO2, Si3N4, Al2O3, TiN, AlN, ZrO2, TiAlN, TiSiN 등으로 이루어질 수 있다. 마스크층(130)은 이러한 절연물질로 된 막을 제1반도체층(120) 위에 형성한 후, 리소그래피 공정에 의해 원하는 관통홀 패턴으로 식각하여 형성될 수 있다. 관통홀은 원형, 타원형, 다각형 등의 단면 형상을 가질 수 있다. A
기판(110)과 마스크층(130) 사이에는 제1형으로 도핑된 제1반도체층(120)이 더 형성될 수 있다. 제1반도체층(120)은 제1형으로 도핑된 반도체층으로, Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, n형 불순물이 도핑된 AlxGayInzN(x+y+z=1) (0=x=1, 0=y=1, 0=z=1, x+y+z=1)으로 된 반도체 물질로 형성될 수 있다. n형 불순물로 Si, Ge, Se, Te 등이 사용될 수 있다. A
기판(110)과 제1반도체층(120) 사이에는 도시되지는 않았으나, 필요에 따라, 에피텍시 성장에 필요한 버퍼층이 더 형성될 수 있으며, 제1반도체층(120)이 복수층 구성을 가질 수도 있다. 제1반도체층(120)은 경우에 따라 생략될 수도 있다.Although not shown, a buffer layer may be formed between the
반도체 나노코어(142)는 제1반도체층(120)과 동일한 제1형으로 도핑된 반도체 물질로 이루어지며, 예를 들어, n-AlxGayInzN(0=x=1, 0=y=1, 0=z=1, x+y+z=1)으로 이루어질 수 있다. 반도체 나노코어(142)는 마크크층(130)에 형성된 관통홀을 통해 제1반도체층(120)으로부터 수직 성장된 형태를 가지며, 관통홀의 단면 형상을 따라 원형, 타원형, 다각형 등의 단면 형상을 갖게 된다.The
반도체 나노코어(142)의 영역은 성장방향에 따라 순차적으로, 성장방향에 수직인 단면의 면적이 상대적으로 좁은 제1영역(R1)과 성장방향에 수직인 단면의 면적이 상대적으로 넓은 제2영역(R2)을 포함한다. 구체적으로, 관통홀을 지나 소정 높이까지는 단면 폭이 상대적으로 좁은 제1영역(R1)이 되고, 이후의 제2영역(R2)은 단면 폭이 상대적으로 넓게 형성되어 있다. 본 실시예에서 반도체 나노코어(142)를 이러한 형상으로 형성하는 것은 반도체 나노코어(142)의 표면에 순차적으로 활성층(146), 제2반도체층(148)이 형성될 때, 마스크층(130)에 인접한 부분의 활성층(146) 두께를 얇게 하고 제2반도체층(148)이 마스크층(130)과 접하는 영역을 줄이고자 하는 것이다. 이러한 구성에 의한 작용, 효과에 대해서는 도 3의 비교예를 함께 참조하여 후술하기로 한다. 마스크층(130) 표면으로부터 제1영역(R1)까지의 높이는 제1영역(R1)의 표면을 둘러싸는 부분의 활성층(146) 두께가 제2영역(R2)을 둘러싸는 부분의 활성층(146) 두께에 비해 얇게 형성되게 되는 범위로 적절히 정해지며, 대략 1nm 이상 1000nm이하가 될 수 있다. The region of the
도면에서는 제2영역(R2)은 반도체 나노코어(142)의 최상단까지 단면 폭이 일정하게 도시되어 있으나, 이는 예시적인 것이고, 상단부 팁부분의 형상은 제조공정에 따라 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들어, 반도체 나노코어(142) 팁 부분의 형상은 위쪽으로 갈수록 폭이 좁아지는 뿔 형상 또는 뿔대 형상이 될 수 있다.In the drawing, the second region R2 is shown to have a constant sectional width to the top of the
활성층(146)은 전자-정공 재결합에 의해 빛을 발광하는 층으로, AlxGayInzN에서 x, y, z 값을 주기적으로 변화시켜 띠 간격을 조절하여 만든 단일양자우물 (single quantum well) 또는 다중양자우물(multi quantum well) 구조로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 양자우물층과 장벽층이 InGaN/GaN, InGaN/InGaN, InGaN/AlGaN 또는 InGaN/InAlGaN의 형태로 쌍을 이루어 양자우물구조를 형성할 수 있으며, InGaN층에서의 In 몰분율에 따라 밴드갭 에너지가 제어되어 발광파장대역이 조절될 수 있다. 통상적으로, In의 몰분율이 1% 변화할 때 발광 파장은 약 5nm 정도 시프트된다. 활성층(146)은 반도체 나노코어(142)로부터 방사형으로 성장되어 반도체 나노코어(142)의 표면을 둘러싸는 형태가 되는데, 반도체 나노코어(142)의 제1영역(R1)을 둘러싸는 부분의 두께는 제2영역(R2)을 둘러싸는 부분의 두께보다 얇게 형성된다.The
제2반도체층(148)은 활성층(146)의 표면을 덮는 형태로 마련된다. 제2반도체층(148)은 p-AlxGayInzN(0=x=1, 0=y=1, 0=z=1, x+y+z=1)으로 이루어질 수 있으며, p형 불순물로는 Mg, Zn, Be 등이 사용될 수 있다.The
제2반도체층(148)과 활성층(146) 사이에는 도시되지는 않았으나, 필요에 따라, 전자차단층(electron blocking layer)이 더 마련될 수 있다. Although not shown, an additional electron blocking layer may be provided between the
제1전극(180) 및 제2전극(170)은 각각 제1반도체층(120) 및 제2반도체층(148)과 전기적으로 연결되어, 활성층(146)에 전자, 정공 주입을 위한 전압이 인가되도록 마련된다. 제1전극(180)은 제1반도체층(120) 상에 형성될 수 있다. 또한, 제2전극(170)은, 다수의 발광 나노로드(140)를 덮는 형태로 마련된 투명전극층(160) 상에 마련될 수 있다. 투명전극층(160)은 발광 나노로드(140)에 전류를 공급하는 경로가 되고, 또한, 발광 나노로드(140)에서 발광된 광을 투과시킬 수 있도록 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide;TCO)로 형성될 수 있다. 예를 들어 ITO(Indium tin Oxide), AZO(Aluminium Zinc Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 등으로 형성될 수 있다.The
마스크층(130)과 투명전극층(160) 사이에는 도시되지는 않았으나, 절연층이 더 마련될 수 있으며, 삽입되는 절연층의 두께는 효율적인 전류 경로를 위해 적절히 정해질 수 있다. Although not shown, an insulating layer may be further provided between the
기판(110)의 하면에는 반사전극층(190)이 더 마련될 수 있다. 반사전극층(190)은 발광 나노로드(140)에서 발광된 광을 위쪽으로 반사시키기 위한 것이다. 발광 나노로드(140)의 활성층(146)에서 생성되는 광은 자발 방출(spontaneous emission)이기 때문에 특별한 방향성이 없어서 모든 방향을 향하는데, 이 중, 아래쪽을 향하는 광을 위쪽으로 반사시켜 발광 방향을 앞쪽(front)으로 형성하기 위한 것이다. 반사전극층(190)은 반사성이 좋은 반사 금속, 예를 들어, 은(Ag), 알루미늄(Al), 또는 은이나 알루미늄을 포함하는 합금 등을 포함하여 이루어질 수 있다. A
도 3을 도 2와 함께 참조하여, 실시예의 발광 나노로드(140)의 형상에 의해 누설 전류가 감소하게 되는 작용을 설명하기로 한다. 도 3은 도 2의 구성과 비교예로서의 발광 나노로드(140')의 구성을 보인다.Referring to FIG. 3 together with FIG. 2, the operation of reducing the leakage current by the shape of the light emitting nano-
비교예의 발광 나노로드(140')는 제1반도체층(120)으로부터 관통홀을 통해 성장된 반도체 나노코어(142')와 반도체 나노코어(142')의 표면에 순차 형성된 활성층(146'), 제2반도체층(148')을 포함한다. 비교예에서, 반도체 나노코어(148')의 단면 폭은 마스크층(130)의 관통홀 폭보다 다소 넓게 형성되어 있으며, 실시예와는 달리, 마스크층(130) 위에서는 반도체 나노코어(148')가 일정한 폭을 가지고 있다. 또한, 반도체 나노코어(142')의 표면에 형성된 활성층(146')의 두께, 활성층(146')의 표면에 형성된 제2반도체층(148')의 두께도 전체적으로 균일하게 형성되어 있다. 이러한 구조에서, 전류 경로의 일부가 제2반도체층(148')으로부터 마스크층(130)으로 누설되는 현상이 생길 수 있다. 이러한 현상은 제2반도체층(148')이 마스크층(130)과 인접한 부분에서 생길 수 있으며, 마스크층(130)의 표면 상태에 따라 누설되는 전류량은 더 많아질 수 있다. 이렇게, 활성층(148')에서의 전자, 정공 결합에 기여하지 않고 누설되는 전류에 의해 광효율이 낮아지게 된다. The light emitting nano-rods 140 'of the comparative example include the semiconductor nanocrystals 142' grown through the through-holes from the
본 실시예에서는 반도체 나노코어(142)에 마스크층(130)에 인접한 부분의 단면 폭을 상대적으로 좁게 형성한 제1영역(R1)과, 단면 폭이 상대적으로 넓은 제2영역(R2)을 구비하게 하여, 반도체 나노코어(142)의 표면에 단차 형상을 형성함으로써, 제1영역(R1)의 표면에는 활성층(146), 제2반도체층(148)이 얇게 형성되는 구조를 채택하고 있다. 이러한 구조는 제2반도체층(148)으로부터 마스크층(130)으로 누설되는 전류를 줄이기 위한 것이다. 이러한 단차 형상에 의해, 마스크층(130)과 단차 형상 사이의 좁은 영역에는 활성층(146), 제2반도체층(148)을 형성하기 위한 공급원이 되는 가스가 원활히 공급되지 않게 된다. 따라서, 제1영역(R1) 표면에 형성된 활성층(148) 두께 d1은 비교예의 반도체 나노코어(142') 표면에 형성된 활성층(146') 두께 d1'에 비해 얇게 형성되고, 또한, 실시예의 제2반도체층(148) 두께 d2도 비교예의 제2반도체층(148')의 두께 d2'에 비해 얇게 형성된다. 이러한 구조에서, 마스크층(130)에 인접한 제2반도체층(148) 부분으로부터 전류 경로가 형성될 때, 저항이 높은 경로가 되는 마스크층(130) 쪽보다, 상대적으로 저항이 낮은 경로를 형성하게 되는 활성층(146) 쪽으로 전류 병목 현상이 일어나게 되고, 마스크층(130)으로 누설되는 전류 양은 줄어들게 된다. In this embodiment, the
도 4는 다른 실시예에 따른 발광 소자(200)의 개략적인 구성을 보인다. 본 실시예는 제1전극(182)의 위치에서 도 1의 발광 소자(100)와 차이가 있다. 반도체 성장기판으로 사용된 기판(도 1의 110)을 떼어내고, 제1반도체층(120)의 하면에 제1전극(182)을 형성하고 있다. 기판(도 1의 110)이 전도성이 있는 기판인 경우, 기판(도 1의 110)의 하면에 제1전극(182)을 형성하는 것도 가능하다. 제1전극(182)은 또한, 발광 나노로드(140)에서 생성되어 하부를 향한 광을 다시 전면으로 반사시킬 수 있도록 반사금속 물질로 형성될 수 있다. 4 shows a schematic configuration of a
도 5는 또 다른 실시예에 따른 발광 소자(300)의 개략적인 구성을 보인다. 본 실시예는 발광 방향이 배면이 되도록 구성한 점에서 도 1의 발광 소자(100), 도 4의 발광 소자(200)와 차이가 있다. 제2전극(174)은 반사금속 물질로 형성되어 발광 나노로드(140)의 표면을 둘러싸는 형태로 마련된다. 제1전극(184)은 투명전극 물질로 이루어지고, 제1반도체층(120)의 하면에 마련된다. 이에 따라, 발광 나노로드(140)에서 생성된 광은 발광 나노로드(140)의 표면에서 반사되고 모두 배면쪽을 향하게 된다. FIG. 5 shows a schematic configuration of a
도 6a 내지 도 6e는 실시예에 따른 발광 소자 제조방법을 설명하는 도면들이다. 6A to 6E are views illustrating a method of manufacturing a light emitting device according to an embodiment.
도 6a를 참조하면, 기판(110) 상에 제1마스크층(131), 제2마스크층(132)이 형성되며, 이 때, 기판(110)과 제1마스크층(131) 사이에 제1반도체층(120)이 더 형성될 수 있다. 제1반도체층(120)은 경우에 따라 생략될 수도 있다. Referring to FIG. 6A, a
기판(110)으로는 실리콘(Si) 기판, 실리콘 카바이드(SiC) 기판, 사파이어(Sapphire) 기판이나, 또는 ZnO, GaAs, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2, GaN 으로 이루어진 기판이 사용될 수 있다.As the
제1반도체층(120)은 제1형으로 도핑된 반도체층으로, Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, n형 불순물이 도핑된 AlxGayInzN(x+y+z=1) (0=x=1, 0=y=1, 0=z=1, x+y+z=1)으로 된 반도체 물질로 형성될 수 있다. n형 불순물로 Si, Ge, Se, Te 등이 사용될 수 있다. 제1반도체층(120)은 혼성 기상 결정 성장(hydride vapor phase epitaxy;HVPE), 분자선 결정 성장(molecular beam epitaxy;MBE), 유기 금속 기상 결정 성장(metal organic vapor phase epitaxy;MOVPE), 금속 유기 화학 증착법(metal organic chemical vapor deposition;MOCVD)등의 방법으로 형성될 수 있다.The
제1마스크층(131) 및 제2마스크층(132)은 절연물질로서, 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물을 포함하여 이루어질 수 있으며, 예를 들어, SiO2, SiN, TiO2, Si3N4, Al2O3, TiN, AlN, ZrO2, TiAlN, TiSiN 중 어느 하나를 포함하여 이루어질 수 있다. 제1마스크층(131)과 제2마스크층(132)은 상호간 물리적 또는 화학적 선택비가 있는 물질로 형성될 수 있는데, 후술하겠지만, 반도체나노코어의 성장 후, 상부의 제2마스크층(132)만을 제거할 때의 편이성을 위한 것이다. 예를 들어, 제1마스크층(131)은 SiN으로, 제2마스크층(132)은 SiO2로 형성할 수 있다. 제1마스크층(131)과 제2마스크층(132)의 두께는 각각 대략 1nm 이상 1000nm이하가 될 수 있다. 또한, 필요에 따라서 복수층의 구조를 가질 수 있으며, 두 개 또는 세 개 이상의 재료가 교대로 배치되어 복수 층을 이루는 구조도 가능하다. The
다음, 도 6b와 같이, 제1마스크층(131)과 제2마스크층(132)을 관통하여 제1반도체층(120)을 드러내는 관통홀을 형성한다. 관통홀은 원형, 타원형, 다각형 등의 단면 형상을 가질 수 있으며, 포토 리소그래피 공정에 의해 원하는 관통홀 형상으로 패터닝 및 식각한다. Next, as shown in FIG. 6B, a through hole is formed through the
다음, 도 6c와 같이, 제1반도체층(120)으로부터 관통홀을 통해 반도체 나노코어(142)를 형성한다. 이 때, 관통홀 위로 성장되는 반도체 나노코어(142)의 단면 폭은 관통홀의 폭보다 다소 넓게 형성되며, 이에 따라 반도체 나노코어(142)는 관통홀 내부의, 단면 폭이 상대적으로 좁은 제1영역(R1)과 관통홀 위로 성장된, 단면 폭이 상대적으로 넓은 제2영역(R2)을 구비하게 된다.Next, as shown in FIG. 6C, the
다음, 도 6d와 같이 제2마스크층(132)을 제거한다. 제2마스크층(132)만이 선택적으로 제거될 수 있도록, 제1마스크층(131) 제2마스크층(132)의 재질에 알맞은 식각액이 사용될 수 있다. 제1마스크층(131)이 SiN으로 이루어지고, 제2마스크층(132)이 SiO2로 이루어진 경우, HF 용액을 식각액으로 사용한 습식 식각으로 제2마스크층(132)만을 선택적으로 제거할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 건식 식각공정을 사용하는 것도 가능하다. Next, as shown in FIG. 6D, the
다음, 도 6e와 같이, 반도체 나노코어(142)의 표면에 순차적으로, 활성층(146), 제2반도체층(148)을 형성한다. 활성층(146)은, AlxGayInzN에서 x, y, z 값을 주기적으로 변화시켜 띠 간격을 조절하여 만든 단일양자우물 (single quantum well) 또는 다중양자우물(multi quantum well) 구조로 이루어질 수 있다. 제2반도체층(148)은 p-AlxGayInzN (0=x=1, 0=y=1, 0=z=1, x+y+z=1)으로 이루어질 수 있으며, p형 불순물로는 Mg, Zn, Be 등이 사용될 수 있다.Next, as shown in FIG. 6E, the
도 6d의 공정에 의해, 반도체나노코어(142)의 측면에 단차 형상이 형성됨에 따라, 제1마스크층(131)과 단차 형상사이의 좁은 공간에는 활성층(146), 제2반도체층(148)의 성장에 필요한 공급원이 되는 가스가 원활히 공급되지 않아, 제1영역(R1)의 표면에는 상대적으로 두께가 얇게 활성층(146), 제2반도체층(148)이 형성되게 된다. 제1영역(R1)의 표면을 둘러싸는 부분의 활성층(146) 두께가 제2영역(R2)을 둘러싸는 부분의 활성층(146) 두께에 비해 얇게 형성되는 정도는 제1마스크층(131)과 단차 형상사이의 좁은 공간의 크기와 관계되며, 이를 고려하여, 도 6a의 단계에서 제2마스크층(132)의 두께를 적절히 정해야 할 것이다. 6D, the
다음, 도시되지는 않았으나, 활성층(142)에 전자 정공 주입을 위해 필요한 전극 구조를 형성하는 단계가 더 수행된다. 이러한 과정에 따라, 마스크층과의 인접면에서 발생할 수 있는 누설 전류를 줄여 광효율을 높일 수 있는 발광소자가 제조된다.Next, although not shown, a step of forming an electrode structure necessary for electron hole injection into the
이상, 반도체 나노코어(142)가 성장방향에 따라 순차적으로 단면 폭이 상대적으로 좁은 제1영역(R1)과 상대적으로 넓은 제2영역(R2)을 구비하고, 제1영역(R1)을 둘러싸는 활성층(146), 제2반도체층(148)의 두께가 얇게 형성하는 성된 구조의 발광 나노로드(140)를 이용한 다양한 구조의 발광소자 및 제조방법을 설명하였다. 설명에서의 구체적인 사항은 모두 예시적인 것이며, 예를 들어, 전극 구조, 절연층 구조, 팁부의 구체적인 형상등은 다양하게 변형될 수 있다. 또한, 제1형은 n형, 제2형은 p형을 예시하여 설명하였으나 이는 서로 바뀔 수 있다. The
이러한 본원 발명인 발광소자 및 그 제조방법은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.Although the light emitting device and the method of manufacturing the same of the present invention have been described with reference to the embodiments shown in the drawings for the sake of understanding, those skilled in the art will appreciate that various modifications and equivalents may be made thereto by those skilled in the art. It will be appreciated that embodiments are possible. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the appended claims.
Claims (20)
상기 관통홀을 통해 상기 마스크층 위로 성장된 것으로, 성장 방향에 따라 순차적으로 수평 단면의 면적이 상대적으로 좁은 제1영역과 수평 단면의 면적이 상대적으로 넓은 제2영역을 구비하여 단차 형상이 형성된 측면을 가지며, 제1형으로 도핑된 반도체 나노코어;
상기 반도체 나노코어의 표면을 둘러싸며 형성된 활성층;
상기 활성층의 표면을 둘러싸며 형성된 것으로, 제2형으로 도핑된 제2반도체층;
상기 반도체 나노코어 및 제2반도체층 각각에 전기적으로 연결되는 제1전극 및 제2전극;을 포함하고,
상기 반도체 나노코어의 측면에 형성된 상기 단차 형상은 상기 마스크층으로부터 수직 방향으로 이격된 것을 특징으로 하는 발광 소자.A mask layer having a through hole;
And a second region grown on the mask layer through the through hole and having a first region in which an area of a horizontal cross section is relatively narrow and a second region having a relatively large area in a horizontal cross- A semiconductor nanocrystal doped with a first type;
An active layer formed to surround the surface of the semiconductor nanocore;
A second semiconductor layer formed to surround the surface of the active layer and doped with a second type;
And a first electrode and a second electrode electrically connected to the semiconductor nanocore and the second semiconductor layer, respectively,
Wherein the stepped shape formed on a side surface of the semiconductor nanocore is vertically spaced from the mask layer.
상기 반도체 나노코어의 측면 상의 상기 활성층 부분은 단차를 가지도록 형성되고,
상기 반도체 나노코어의 측면 상의 상기 제2반도체층 부분은 단차를 가지도록 형성되고,
상기 제1영역을 둘러싸는 부분의 활성층 두께가 상기 제2영역을 둘러싸는 부분의 활성층 두께보다 얇은 것을 특징으로 하는 발광 소자. The method according to claim 1,
The active layer portion on the side surface of the semiconductor nanocore is formed to have a step,
The portion of the second semiconductor layer on the side surface of the semiconductor nanocore is formed to have a step,
Wherein the thickness of the active layer in the portion surrounding the first region is thinner than the thickness of the active layer in the portion surrounding the second region.
상기 마스크층 표면으로부터 상기 제1영역의 수직 방향 높이는 1nm 이상 1000nm 이하인 것을 특징으로 하는 발광 소자.The method according to claim 1,
Wherein a height in the vertical direction of the first region from the surface of the mask layer is not less than 1 nm and not more than 1000 nm.
상기 활성층과 제2반도체층 사이에 전자차단층이 더 마련된 것을 특징으로 하는 발광 소자.The method according to claim 1,
And an electron blocking layer is further provided between the active layer and the second semiconductor layer.
상기 제2반도체층을 덮는 투명전극층을 더 포함하며,
상기 투명전극층 상에 상기 제2전극이 마련된 것을 특징으로 하는 발광 소자. The method according to any one of claims 1 to 3 and 6,
And a transparent electrode layer covering the second semiconductor layer,
And the second electrode is provided on the transparent electrode layer.
상기 투명전극층과 상기 마스크층 사이에 절연층이 더 구비된 것을 특징으로 하는 발광 소자.8. The method of claim 7,
And an insulating layer is further provided between the transparent electrode layer and the mask layer.
상기 마스크층의 하면에 제1형으로 도핑된 제1반도체층이 더 마련되고,
상기 제1전극은 상기 제1반도체층의 상면 일영역에 마련된 것을 특징으로 하는 발광 소자.8. The method of claim 7,
A first semiconductor layer doped with a first type is further provided on a lower surface of the mask layer,
Wherein the first electrode is provided in one region of the upper surface of the first semiconductor layer.
상기 제1전극은 상기 마스크층의 하면에 마련된 것을 특징으로 하는 발광 소자.8. The method of claim 7,
Wherein the first electrode is provided on a lower surface of the mask layer.
상기 제2전극은 반사금속 물질로 이루어지며, 상기 제2반도체층의 표면 전체를 덮는 형태로 마련되고,
상기 제1전극은 투명전극 물질로 이루어지며, 상기 마스크층의 하면에 마련되는 것을 특징으로 하는 발광소자.
The method according to any one of claims 1 to 3 and 6,
Wherein the second electrode is made of a reflective metal material and is provided so as to cover the entire surface of the second semiconductor layer,
Wherein the first electrode is made of a transparent electrode material and is provided on a lower surface of the mask layer.
상기 반도체 나노코어의 표면에 활성층을 형성하는 단계; 및
상기 활성층의 표면에 제2형으로 도핑된 제2반도체층을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 반도체 나노코어를 형성하는 단계는,
상기 기판 상에 제1형으로 도핑된 제1반도체층을 형성하는 단계;
상기 제1반도체층 상에 절연물질로 된 제1마스크층과 제2마스크층을 순차 형성하고, 상기 제1마스크층과 제2마스크층을 관통하는 관통홀을 형성하는 단계;
상기 관통홀을 통해, 상기 제1반도체층으로부터 상기 반도체 나노코어를 성장시키는 단계; 및
상기 제2마스크층을 제거하는 단계;를 포함하는 발광소자 제조방법.
A first region having a relatively narrow horizontal cross-section area and a second region having a relatively large horizontal cross-sectional area, sequentially on the substrate in a growth direction, and forming a semiconductor nano-core doped with the first type step;
Forming an active layer on a surface of the semiconductor nanocore; And
And forming a second semiconductor layer doped with a second type on the surface of the active layer,
The step of forming the semiconductor nanocore may include:
Forming a first semiconductor layer doped with a first type on the substrate;
Sequentially forming a first mask layer and a second mask layer made of an insulating material on the first semiconductor layer and forming through holes passing through the first mask layer and the second mask layer;
Growing the semiconductor nanocrystals from the first semiconductor layer through the through holes; And
And removing the second mask layer.
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