KR102110446B1 - 나노와이어 백색 발광소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
서로 상이한 폭을 갖는 복수의 활성층의 형성으로 복수의 나노와이어 발광구조물 각각에서 동시에 다양한 색상의 광을 발광할 수 있으며, 다양한 색상의 광 조합으로 백색광을 발광시키는 것이 가능하도록 설계된 나노와이어 백색 발광소자 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 나노와이어 백색 발광소자는 기판; 및 상기 기판 상에 배치된 적어도 하나 이상의 나노와이어 발광구조물;을 포함하며, 상기 나노와이어 발광구조물은, 상기 기판 상에 배치된 제1 도전형 질화물층; 상기 제1 도전형 질화물층 상에 적층된 복수의 활성층; 및 상기 복수의 활성층 상에 적층된 제2 도전형 질화물층;을 포함하며, 상기 복수의 활성층은 상호 간이 서로 상이한 폭을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 나노와이어 백색 발광소자는 기판; 및 상기 기판 상에 배치된 적어도 하나 이상의 나노와이어 발광구조물;을 포함하며, 상기 나노와이어 발광구조물은, 상기 기판 상에 배치된 제1 도전형 질화물층; 상기 제1 도전형 질화물층 상에 적층된 복수의 활성층; 및 상기 복수의 활성층 상에 적층된 제2 도전형 질화물층;을 포함하며, 상기 복수의 활성층은 상호 간이 서로 상이한 폭을 갖는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 나노와이어 구조를 기반으로 제작된 백색 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 서로 상이한 폭을 갖는 복수의 활성층의 형성으로 복수의 나노와이어 발광구조물 각각에서 동시에 다양한 색상의 광을 발광할 수 있으며, 다양한 색상의 광 조합으로 백색광을 발광시키는 것이 가능하도록 설계된 나노와이어 백색 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, LED(Light Emitting Diode) 발광소자는 전자(electron)와 정공(hole)의 재결합(recombination)시 발생하는 발광 현상을 이용한 소자이다. 대표적인 발광 소자로서, GaN을 기반으로 한 질화물 반도체가 이용되고 있다. 이러한 질화물 반도체를 이용한 LED 발광 소자는 밴드 갭(band gap)이 커서 다양한 색광을 구현할 수 있고, 또한 열적 안정성이 우수하여 많은 분야에 응용되고 있다.
현재, 대부분의 백색 LED 발광소자는 대부분 청색 GaN LED 발광소자를 기반으로, 그 위에 다양한 색깔의 형광체를 사용하여 색을 혼합함으로써, 백색광을 구현하고 있다.
그러나, 이와 같이 제작된 백색 LED 발광소자는 공정이 복잡하여 제조비용이 많이 들고 있다. 또한, 장시간 사용시 형광체 등의 물질들은 손상을 입어 장시간 사용에 문제를 일으키고 있다.
결국, 이러한 문제들은 백색 LED 발광소자의 단가 및 수명에 영향을 미치게 되어, 기존의 형광등을 대체하는 조명시장을 점령하는 데 걸림돌이 되고 있다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2005-0082183호(2005.08.23. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 질화물계 반도체 발광소자가 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 서로 상이한 폭을 갖는 복수의 활성층의 형성으로 복수의 나노와이어 발광구조물 각각에서 동시에 다양한 색상의 광을 발광할 수 있으며, 다양한 색상의 광 조합으로 백색광을 발광시키는 것이 가능하도록 설계된 나노와이어 백색 발광소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 나노와이어 백색 발광소자는 기판; 및 상기 기판 상에 배치된 적어도 하나 이상의 나노와이어 발광구조물;을 포함하며, 상기 나노와이어 발광구조물은, 상기 기판 상에 배치된 제1 도전형 질화물층; 상기 제1 도전형 질화물층 상에 적층된 복수의 활성층; 및 상기 복수의 활성층 상에 적층된 제2 도전형 질화물층;을 포함하며, 상기 복수의 활성층은 상호 간이 서로 상이한 폭을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 나노와이어 백색 발광소자 제조 방법은 (a) 기판 상에 제1 도전형 질화물층을 형성하는 단계; (b) 상기 제1 도전형 질화물층 상에 복수의 활성층을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 복수의 활성층 상에 제2 도전형 질화물층을 형성하여, 상기 제1 도전형 질화물층, 활성층 및 제2 도전형 질화물층을 포함하는 나노와이어 구조물을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 복수의 활성층은 상호 간이 서로 상이한 폭을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 나노와이어 백색 발광소자 및 그 제조 방법은 동일 기판 상에 서로 다른 폭 및 높이를 갖는 복수의 양자우물구조 활성층을 형성하는 것에 의해, 각 폭 및 높이에 따라 각 활성층에서 서로 다른 빛을 방출할 수 있게 된다.
이 결과, 본 발명에 따른 나노와이어 백색 발광소자 및 그 제조 방법은 나노와이어 발광구조물의 폭 사이즈에 따라 InGaN 양자우물층에서 In의 조성비가 결정되므로, 이에 따라 다양한 폭 조절을 통하여 원하는 파장대(400 ~ 700nm영역)의 다색광을 구현할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 나노와이어 백색 발광소자 및 그 제조 방법은 단일의 나노와이어 발광구조물에서 다양한 색의 빛을 동시에 구현하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 다양한 색의 빛 조합에 의해 백색 광을 발광시킬 수 있게 된다.
특히, 미래사회는 형광을 대체할 새로운 조명 재료를 찾고 있으며, 이의 대체 조명으로써 발광다이오드(LED)가 가장 유망한 대체품으로써 떠오르고 있다. 그러나, 기존의 방법인 청색 발광다이오드를 기반으로 한 형광체 물질을 통한 백색 발광소자의 제작은 제조 공정이 복잡하고 단가가 높아 실생활의 조명을 대체하기에는 아직 역부족이다.
따라서, 본 발명에 따른 나노와이어 백색 발광소자 및 그 제조 방법은 복수의 활성층의 폭 및 높이를 서로 다르게 형성하는 단순한 제조 방법을 통하여 백색광을 제작하는 것이 가능하므로, 제조공정이 단순하여 비용절감이 가능해질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 나노와이어 백색 발광소자 및 그 제조 방법은 다양한 폭 조절에 의해 원하는 파장대의 색만을 제작할 수 있으므로, 적색, 녹색 및 청색의 빛을 혼합한 다양한 색의 광원을 제작하는 것이 가능해질 수 있다.
이에 더불어, 본 발명에 따른 나노와이어 백색 발광소자 및 그 제조 방법은 초소형 크기의 발광소자로써 미래의 의료 및 바이오 분야에서의 활용도 가능할 뿐만 아니라, 나노 크기의 반도체 소자 구현을 통하여 초미세, 초집적 전자소자에서도 응용이 가능해질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노와이어 백색 발광소자를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 나노와이어 백색 발광소자를 보다 구체적으로 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 나노와이어 백색 발광소자의 구동 원리를 설명하기 위한 모식도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 나노와이어 백색 발광소자의 활성층 부분을 확대하여 나타낸 단면도.
도 5 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 나노와이어 백색 발광소자 제조 방법을 나타낸 공정 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 나노와이어 백색 발광소자를 보다 구체적으로 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 나노와이어 백색 발광소자의 구동 원리를 설명하기 위한 모식도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 나노와이어 백색 발광소자의 활성층 부분을 확대하여 나타낸 단면도.
도 5 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 나노와이어 백색 발광소자 제조 방법을 나타낸 공정 단면도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노와이어 백색 발광소자 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노와이어 백색 발광소자를 나타낸 단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 나노와이어 백색 발광소자를 보다 구체적으로 나타낸 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 나노와이어 백색 발광소자(100)는 기판(110) 및 나노와이어 발광구조물(150)을 포함한다.
기판(110)은 상면 및 상면에 반대되는 하면을 갖는 플레이트 형상을 가질 수 있으나, 이는 예시적인 것으로 그 형상은 다양하게 변경될 수 있다.
이때, 기판(110)은 실리콘(Si), 사파이어(Al2O3), 유리, 탄화규소(SiC), 산화갈륨(Al2O3), GaN이 증착된 사파이어(GaN on Sapphire), InGaN이 증착된 사파이어(InGaN on sapphire, AlGaN이 증착된 사파이어(AlGaN on sapphire) 및 AlN이 증착된 사파이어(AlN on sapphire) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
나노와이어 발광구조물(150)은 기판(110)의 상면 상에 적어도 하나 이상이 배치된다. 이러한 나노와이어 발광구조물(150)은 기판(110)의 상면 상에서 일정한 간격으로 적어도 하나 이상이 이격되는 형태로 배치될 수 있다.
나노와이어 발광구조물(150)은 제1 도전형 질화물층(120), 복수의 활성층(130) 및 제2 도전형 질화물층(140)을 포함한다. 특히, 나노와이어 발광구조물(150)은 복수의 활성층(130) 상호 간이 서로 상이한 폭을 갖도록 설계된다.
제1 도전형 질화물층(120)은 기판(110)의 상면 상에 배치된다. 이러한 제1 도전형 질화물층(120)은 Si 또는 Ge을 도핑한 AlGaN으로 이루어진 제1층(미도시)과, 언도우프의 GaN(undoped-GaN)으로 이루어진 제2층(미도시)이 교번적으로 형성된 적층 구조를 가질 수 있다. 물론, 제1 도전형 질화물층(120)은 단일의 질화물층으로 성장시키는 것도 무방하다. 이때, 제1 도전형 질화물층(120)은 20nm ~ 5㎛의 높이를 갖는 것이 바람직하다.
복수의 활성층(130)은 제1 도전형 질화물층(120) 상에 적층되며, 복수개가 수직적으로 배치된다. 이때, 복수의 활성층(130)은 제1 도전형 질화물층(120)과 제2 도전형 질화물층(140) 사이에서 단일양자우물구조 또는 양자장벽층과 양자우물층이 교대로 다수 적층된 다중양자우물(multi-quantum well : MQW) 구조를 가질 수 있으며, 이 중 다중양자우물 구조를 갖는 것이 보다 바람직하다.
제2 도전형 질화물층(140)은 복수의 활성층(130) 상에 적층된다. 제2 도전형 질화물층(140)은, 일 예로, Mg를 p형 도펀트로 도핑한 p형 AlGaN의 제1층(미도시)과, Mg을 도핑한 p형 GaN로 이루어진 제2층(미도시)이 교번적으로 형성된 적층 구조를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이때, 제2 도전형 질화물층(140)은, 제1 도전형 질화물(120)과 마찬가지로, 20nm ~ 5㎛의 높이를 갖는 것이 바람직하다.
전술한 복수의 활성층(130)은 제1 활성층(132), 제2 활성층(134) 및 제3 활성층(136)이 차례로 적층되는 3층 구조를 가질 수 있으며, 이하에서는 3층 구조를 일 예로 설명하도록 한다.
제1 활성층(132)은 제1 도전형 질화물층(120) 상에 적층되며, 제1 폭(w1) 및 제1 높이(h1)를 갖는다.
이러한 제1 활성층(132)은 단일양자우물구조 또는 양자장벽층과 양자우물층이 교대로 다수 적층된 다중양자우물(multi-quantum well : MQW) 구조를 가질 수 있으며, 이 중 다중양자우물 구조를 갖는 것이 보다 바람직하다. 이때, 양자장벽층 및 양자우물층 각각은 1 ~ 20층의 적층 구조를 가질 수 있다.
일 예로, 제1 활성층(132)은 GaN으로 이루어진 양자장벽층과, InGaN으로 이루어진 양자우물층에 의해 다중양자우물 구조를 가질 수 있다.
이를 위해, 제1 활성층(132)은, 제1 도전형 질화물층(120)과 마찬가지로, 분자선 에피텍셜법(Molecular Beam Epitaxy) 또는 유기금속 화학증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.
이때, 제1 활성층(132)은 제1 도전형 질화물층(120)과 실질적으로 동일한 제1 폭(w1)을 가질 수 있다. 이때, 제1 폭(w1)은 20 ~ 200nm이고, 제1 높이(h1)는 5 ~ 10nm일 수 있다. 이에 따라, 제1 활성층(132)은 제1 파장대의 광을 발산한다. 이때, 제1 파장대는 550 ~ 700nm일 수 있다.
제2 활성층(134)은 제1 활성층(132) 상에 적층되며, 제1 폭(w1)보다 큰 제2 폭(w2) 및 제1 높이(h1)보다 낮은 제2 높이(h2)를 갖는다.
이러한 제2 활성층(134)은, 제1 활성층(132)과 마찬가지로, 단일양자우물구조 또는 양자장벽층과 양자우물층이 교대로 다수 적층된 다중양자우물(multi-quantum well : MQW) 구조를 가질 수 있으며, 이 중 다중양자우물 구조를 갖는 것이 보다 바람직하다. 이때, 양자장벽층 및 양자우물층 각각은 1 ~ 20층의 적층 구조를 가질 수 있다.
일 예로, 제2 활성층(134)은 GaN으로 이루어진 양자장벽층과, InGaN으로 이루어진 양자우물층에 의해 다중양자우물 구조를 가질 수 있다.
본 단계에서, 제2 활성층(134)은 분자선 에피텍셜법(Molecular Beam Epitaxy) 또는 유기금속 화학증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.
이때, 제2 활성층(134)은 제1 폭(w1)보다 큰 100 ~ 400nm의 제2 폭(w2) 및 제1 높이(h1)보다 낮은 3 ~ 6nm의 제2 높이(h2)를 갖는다. 이에 따라, 제2 활성층(134)은 제1 파장대보다 단파장인 제2 파장대의 광을 발산한다. 이때, 제2 파장대는 500 ~ 580nm일 수 있다.
제3 활성층(136)은 제2 활성층(134) 상에 적층되며, 제2 폭(w2)보다 큰 제3 폭(w3) 및 제2 높이(h2)보다 낮은 제3 높이(h3)를 갖는다.
이러한 제3 활성층(136)은, 제1 활성층(132)과 마찬가지로, 단일양자우물구조 또는 양자장벽층과 양자우물층이 교대로 다수 적층된 다중양자우물(multi-quantum well : MQW) 구조를 가질 수 있으며, 이 중 다중양자우물 구조를 갖는 것이 보다 바람직하다. 이때, 양자장벽층 및 양자우물층 각각은 1 ~ 20층의 적층 구조를 가질 수 있다.
일 예로, 제3 활성층(136)은 GaN으로 이루어진 양자장벽층과, InGaN으로 이루어진 양자우물층에 의해 다중양자우물 구조를 가질 수 있다.
본 단계에서, 제3 활성층(136)은 분자선 에피텍셜법(Molecular Beam Epitaxy) 또는 유기금속 화학증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.
이때, 제3 활성층(136)은 제2 폭(w2)보다 큰 300 ~ 700nm의 제3 폭(w3) 및 제2 높이(h2)보다 낮은 1 ~ 4nm의 제3 높이(h3)를 갖는다. 이에 따라, 제3 활성층(136)은 제2 파장대보다 단파장인 제3 파장대의 광을 발산한다. 이때, 제3 파장대는 400 ~ 500nm일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 나노와이어 백색 발광소자(100)는 제1 전극(170), 패시베이션층(180) 및 제2 전극(190)을 더 포함할 수 있다.
제1 전극(170)은 기판(110)의 하면에 배치된다. 이때, 제1 전극(170)은 Ni, Au, Al, Ti 및 Ag 중 선택된 1종 이상의 재질로 이루어진 단일층 또는 다중층 구조를 가질 수 있다.
패시베이션층(180)은 기판(110)의 상면과 나노와이어 발광구조물(150)의 측면을 덮는다. 이러한 패시베이션층(180)은 제1 및 제2 전극(170, 190)에서 누설전류가 발생하는 것을 방지하기 위해 형성되며, 이를 위해 투명한 절연 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 구체적으로, 패시베이션층(180)은 폴리이미드(polyimide) 및 폴리실라잔(polysilazane) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 투명한 절연 물질로 형성되는 것이 바람직하다.
제2 전극(190)은 패시베이션층(180) 및 제2 도전형 질화물층(140) 상에 배치되어, 제2 도전형 질화물층(140)에 연결된다. 이때, 제2 전극(190)은, 제1 전극(170)과 마찬가지로, Ni, Au, Al, Ti 및 Ag 중 선택된 1종 이상의 재질로 이루어진 단일층 또는 다중층 구조를 가질 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 나노와이어 백색 발광소자의 구동 원리를 설명하기 위한 모식도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 나노와이어 백색 발광소자의 활성층 부분을 확대하여 나타낸 단면도로, 이를 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 나노와이어 발광구조물(150)의 재질로 사용되는 3족 질화물계 반도체 재료들은 (AlxGa1-x)yIn1-yN의 합성비를 조절하는 것을 통하여, GaN, InGaN, AlGaN, AlN, InN 등의 화합물을 만들 수 있다.
이때, 나노와이어 발광구조물(150)은 분자선 에피텍셜법(Molecular Beam Epitaxy)이나 유기금속 화학증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)의 증착 장비들을 사용하여 증착하는 방식으로 형성하게 된다.
이러한 재료들을 기반으로, 제1 도전형 질화물층(120), 복수의 활성층(130) 및 제2 도전형 질화물층(140)이 차례로 적층되는 나노와이어 발광구조물(150)을 형성하는 것에 의해, 발광다이오드, 레이저다이오드 등의 발광소자(100)를 구현할 수 있게 된다.
이때, 활성층(130)의 양자우물구조는 일반적으로 InGaN을 사용하여 만들 수가 있는데, InGaN에서 In(인듐)의 조성비에 따라 반도체의 밴드갭을 조절할 수 있게 된다. 즉, 밴드갭의 조절을 통하여 파장을 조절함으로써, 방출되는 빛의 색깔을 변경시킬 수 있게 된다.
특히, 본 발명의 나노와이어 발광구조물(150)에서의 다양한 색상의 광 방출 원리는 다음과 같다.
분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy) 증착 장비를 사용하여, InGaN의 활성층(130) 증착시, 동일한 박막 증착 조건에서의 In(인듐) 원자들의 수와 이동 거리는 일정하다. 따라서, 박막 증착시, 증착되는 면적이 증가하게 되면, 정해진 원자 수 때문에 형성되는 박막의 두께는 얇아지게 된다.
이와 같은 원리로써, InGaN에서의 In의 조성 또한 증착 면적이 증가하면 조성 비율이 낮아지게 된다. 즉, 넓은 영역에서 박막의 두께는 얇아지게 되고, In의 조성은 감소한다.
이러한 원리를 기반으로, 서로 다른 폭을 갖는 복수의 활성층(130)을 형성하게 되면, InGaN 양자우물층의 두께가 달라지게 되고, 이어 따라 InGaN 양자우물층에서의 조성비도 바뀌게 됨과 동시에 밴드갭 및 파장을 변화시킬 수가 있어 동시에 여러가지 색상의 광을 방출하는 다색광의 나노와이어 발광구조물(150)을 형성할 수 있게 된다.
이와 같이, 서로 다른 폭을 갖는 복수의 활성층(130)에 의해 다색광을 방출하는 나노와이어 발광구조물(150)을 형성하고, 나노와이어 발광구조물(150)에 전류를 인가하게 되면, 동시에 다양한 색상의 광을 발산하는 것이 가능해지고, 다양한 색상의 광 조합으로 백색광을 발광시킬 수 있게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 나노와이어 백색 발광소자 제조 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 5 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 나노와이어 백색 발광소자 제조 방법을 나타낸 공정 단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 기판(110) 상에 제1 도전형 질화물층(120)을 형성한다.
여기서, 기판(110)은 실리콘(Si), 사파이어(Al2O3), 유리, 탄화규소(SiC), 산화갈륨(Al2O3), GaN이 증착된 사파이어(GaN on Sapphire), InGaN이 증착된 사파이어(InGaN on sapphire, AlGaN이 증착된 사파이어(AlGaN on sapphire) 및 AlN이 증착된 사파이어(AlN on sapphire) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
이때, 제1 도전형 질화물층(120)은 Si 또는 Ge를 도핑한 AlGaN으로 이루어진 제1층(미도시)과, 언도우프의 GaN(undoped-GaN)으로 이루어진 제2층(미도시)이 교번적으로 형성된 적층 구조를 가질 수 있다. 물론, 제1 도전형 질화물층(120)은 단일의 질화물층으로 성장시키는 것도 무방하다.
이를 위해, 제1 도전형 질화물층(120)은 분자선 에피텍셜법(Molecular Beam Epitaxy) 또는 유기금속 화학증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 850 ~ 1,000℃의 제1 증착온도 조건에서 증착하여 형성할 수 있다. 이때, 제1 도전형 질화물층(120)은 20 ~ 200nm의 폭 및 20nm ~ 5㎛의 높이로 형성하는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 도전형 질화물층(120) 상에 복수의 활성층(130)을 형성한다. 이때, 복수의 활성층(130)은 제1 활성층(132), 제2 활성층(134) 및 제3 활성층(136)이 차례로 적층되는 3층 구조를 가질 수 있으며, 이하에서는 3층 구조를 일 예로 설명하도록 한다.
먼저, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 도전형 질화물층(120) 상에 제1 폭(w1) 및 제1 높이(h1)를 갖는 제1 활성층(132)을 형성한다.
이러한 제1 활성층(132)은 단일양자우물구조 또는 양자장벽층과 양자우물층이 교대로 다수 적층된 다중양자우물(multi-quantum well : MQW) 구조를 가질 수 있으며, 이 중 다중양자우물 구조를 갖는 것이 보다 바람직하다. 이때, 양자장벽층 및 양자우물층 각각은 1 ~ 20층의 적층 구조를 가질 수 있다.
일 예로, 제1 활성층(132)은 GaN으로 이루어진 양자장벽층과, InGaN으로 이루어진 양자우물층에 의해 다중양자우물 구조를 가질 수 있다.
이를 위해, 제1 활성층(132)은, 제1 도전형 질화물층(120)과 마찬가지로, 분자선 에피텍셜법(Molecular Beam Epitaxy) 또는 유기금속 화학증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.
이때, 제1 활성층(132)은, GaN으로 이루어진 양자장벽층을 750 ~ 950℃의 제2 증착온도 조건으로 증착하여 형성하는 것이 바람직하고, InGaN양자우물층은 높은 In 소스의 공급 조건에서 제2 증착온도와 같은 조건인 750 ~ 950℃에서 증착되는 것이 바람직하다. 제2 증착온도 조건에서 제1 활성층(132)은 제1 도전형 질화물층(120)과 같은 제1 폭(w1)을 가질 수 있다. 이와 같이, 제2 증착온도 조건으로 반도체 물질을 증착하는 것에 의해, 제1 활성층(132)은 제1 도전형 질화물층(120)과 실질적으로 동일한 제1 폭(w1)을 가질 수 있다. 이때, 제1 폭(w1)은 20 ~ 200nm이고, 제1 높이(h1)는 5 ~ 10nm일 수 있다.
이에 따라, 제1 활성층(132)은 제1 파장대의 광을 발산한다. 이때, 제1 파장대는 550 ~ 700nm일 수 있다.
다음으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 활성층(132) 상에 제1 폭(w1)보다 큰 제2 폭(w2) 및 제1 높이(h1)보다 낮은 제2 높이(h2)를 갖는 제2 활성층(134)을 형성한다.
이러한 제2 활성층(134)은, 제1 활성층(132)과 마찬가지로, 단일양자우물구조 또는 양자장벽층과 양자우물층이 교대로 다수 적층된 다중양자우물(multi-quantum well : MQW) 구조를 가질 수 있으며, 이 중 다중양자우물 구조를 갖는 것이 보다 바람직하다. 이때, 양자장벽층 및 양자우물층 각각은 1 ~ 20층의 적층 구조를 가질 수 있다.
일 예로, 제2 활성층(134)은 GaN으로 이루어진 양자장벽층과, InGaN으로 이루어진 양자우물층에 의해 다중양자우물 구조를 가질 수 있다.
본 단계에서, 제2 활성층(134)은 분자선 에피텍셜법(Molecular Beam Epitaxy) 또는 유기금속 화학증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 제1 활성층(132)의 제 2증착온도 조건보다 낮은 650 ~ 850℃의 제3 증착온도 조건으로 증착하여 형성할 수 있다.
이에 따라, 제2 활성층(134)인 InGaN양자우물층은 제1 활성층(132)의 In 소스보다 낮은 공급 조건과 함께, 650 ~ 850℃의 제3 증착온도 조건으로 형성하는 것이 바람직하다. 제2 증착온도보다 낮은 제3 증착온도 조건으로 증착하게 되면, 원자들이 낮은 온도에 따라 확산거리가 감소하게 되고, 이에 따라 폭은 증가하고, 높이는 감소하는 제2 활성층(134)이 형성된다. 즉, 증착온도가 감소할수록 폭은 증가하고, 높이는 감소하게 된다. 이에 따라, 제2 활성층(134)은 제1 폭(w1)보다 큰 100 ~ 400nm의 제2 폭(w2) 및 제1 높이(h1)보다 낮은 3 ~ 6nm의 제2 높이(h2)를 갖는다.
이에 따라, 제2 활성층(134)은 제1 파장대보다 단파장인 제2 파장대의 광을 발산한다. 이때, 제2 파장대는 500 ~ 580nm일 수 있다.
다음으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 제2 활성층(134) 상에 제2 폭(w2)보다 큰 제3 폭(w3) 및 제2 높이(h2)보다 낮은 제3 높이(h3)를 갖는 제3 활성층(136)을 형성한다.
이러한 제3 활성층(136)은, 제1 활성층(132)과 마찬가지로, 단일양자우물구조 또는 양자장벽층과 양자우물층이 교대로 다수 적층된 다중양자우물(multi-quantum well : MQW) 구조를 가질 수 있으며, 이 중 다중양자우물 구조를 갖는 것이 보다 바람직하다. 이때, 양자장벽층 및 양자우물층 각각은 1 ~ 20층의 적층 구조를 가질 수 있다.
일 예로, 제3 활성층(136)은 GaN으로 이루어진 양자장벽층과, InGaN으로 이루어진 양자우물층에 의해 다중양자우물 구조를 가질 수 있다.
본 단계에서, 제3 활성층(136)은 분자선 에피텍셜법(Molecular Beam Epitaxy) 또는 유기금속 화학증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 제3 증착온도보다 낮은 500 ~ 750℃의 제4 증착온도 조건으로 증착하여 형성한다.
이와 같이, 제3 증착온도보다 낮은 500 ~ 750℃의 제4 증착온도 조건으로 증착하게 되면, 원자들이 낮은 온도에 따라 확산거리가 더욱 감소하게 되고, 이에 따라 폭은 더 증가하고, 높이는 더 감소하는 제3 활성층(136)이 형성된다. 즉, 증착온도가 감소할수록 폭은 증가하고, 높이는 감소하게 된다. 이에 따라, 제3 활성층(136)은 제2 폭(w2)보다 큰 300 ~ 700nm의 제3 폭(w3) 및 제2 높이(h2)보다 낮은 1 ~ 4nm의 제3 높이(h3)를 갖는다.
이에 따라, 제3 활성층(136)은 제2 파장대보다 단파장인 제3 파장대의 광을 발산한다. 이때, 제3 파장대는 400 ~ 500nm일 수 있다.
다음으로, 도 9에 도시된 바와 같이, 복수의 활성층(130) 상에 제2 도전형 질화물층(140)을 형성하여, 제1 도전형 질화물층(120), 복수의 활성층(130) 및 제2 도전형 질화물층(140)을 포함하는 나노와이어 발광구조물(150)을 형성한다.
이때, 제2 도전형 질화물층(140)은, 일 예로, Mg를 p형 도펀트로 도핑한 p형 AlGaN의 제1층(미도시)이나, Mg을 도핑한 p형 GaN로 이루어진 제2층(미도시)이 형성된 단일이나 적층 구조를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 단계에서, 제2 도전형 질화물층(140)은 분자선 에피텍셜법(Molecular Beam Epitaxy) 또는 유기금속 화학증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 제1증착온도보다 낮은 750 ~ 950℃의 온도 조건으로 증착하여 형성한다.
이에 따라, 제2 도전형 질화물층(140)은 제3 활성층(136)의 폭과 동일한 300 ~ 700nm을 가질 수 있다. 이때, 제2 도전형 질화물층(140)은 제1 도전형 질화물층(120)의 높이와 동일한 20nm ~ 5㎛의 높이를 갖는 것이 바람직하다.
도 10에 도시된 바와 같이, 기판(110)의 하면에 제1 전극(170)을 형성한다. 이때, 제1 전극(170)은 Ni, Au, Al, Ti 및 Ag 중 선택된 1종 이상의 재질로 이루어진 단일층 또는 다중층 구조를 가질 수 있다.
다음으로, 기판(110)의 상면과 나노와이어 발광구조물(150)의 측면을 덮는 패시베이션층(180)을 형성한다. 이러한 패시베이션층(180)은 제1 및 제2 전극(170, 190)에서 누설전류가 발생하는 것을 방지하기 위해 형성되며, 이를 위해 투명한 절연 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 구체적으로, 패시베이션층(180)은 폴리이미드(polyimide) 및 폴리실라잔(polysilazane) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 투명한 절연 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 패시베이션층(180)은 스핀 코팅 증착법으로 코팅하고 경화하는 것에 의해 형성될 수 있다.
다음으로, 패시베이션층(180) 및 제2 도전형 질화물층(140) 상에 제2 도전형 질화물층(140)에 연결되는 제2 전극(190)을 형성한다. 이때, 제2 전극(190)은, 제1 전극(170)과 마찬가지로, Ni, Au, Al, Ti 및 Ag 중 선택된 1종 이상의 재질로 이루어진 단일층 또는 다중층 구조를 가질 수 있다.
상기의 과정에 의해, 본 발명의 실시예에 따른 나노와이어 백색 발광소자가 제조될 수 있다.
지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 나노와이어 백색 발광소자 및 그 제조 방법은 동일 기판 상에 서로 다른 폭 및 높이를 갖는 복수의 양자우물구조 활성층을 형성하는 것에 의해, 각 폭 및 높이에 따라 각 활성층에서 서로 다른 빛을 방출할 수 있게 된다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 나노와이어 백색 발광소자 및 그 제조 방법은 나노와이어 발광구조물의 폭 사이즈에 따라 InGaN 양자우물층에서 In의 조성비가 결정되므로, 이에 따라 다양한 폭 조절을 통하여 원하는 파장대(400 ~ 700nm영역)의 다색광을 구현할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 나노와이어 백색 발광소자 및 그 제조 방법은 단일의 나노와이어 발광구조물에서 다양한 색의 빛을 동시에 구현하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 다양한 색의 빛 조합에 의해 백색 광을 발광시킬 수 있게 된다.
특히, 미래사회는 형광을 대체할 새로운 조명 재료를 찾고 있으며, 이의 대체 조명으로써 발광다이오드(LED)가 가장 유망한 대체품으로써 떠오르고 있다. 그러나, 기존의 방법인 청색 발광다이오드를 기반으로 한 형광체 물질을 통한 백색 발광소자의 제작은 제조 공정이 복잡하고 단가가 높아 실생활의 조명을 대체하기에는 아직 역부족이다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 나노와이어 백색 발광소자 및 그 제조 방법은 복수의 활성층의 폭 및 높이를 서로 다르게 형성하는 단순한 제조 방법을 통하여 백색광을 제작하는 것이 가능하므로, 제조공정이 단순하여 비용절감이 가능해질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 나노와이어 백색 발광소자 및 그 제조 방법은 다양한 폭 조절에 의해 원하는 파장대의 색만을 제작할 수 있으므로, 적색, 녹색 및 청색의 빛을 혼합한 다양한 색의 광원을 제작하는 것이 가능해질 수 있다.
이에 더불어, 본 발명의 실시예에 따른 나노와이어 백색 발광소자 및 그 제조 방법은 초소형 크기의 발광소자로써 미래의 의료 및 바이오 분야에서의 활용도 가능할 뿐만 아니라, 나노 크기의 반도체 소자 구현을 통하여 초미세, 초집적 전자소자에서도 응용이 가능해질 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100 : 나노와이어 백색 발광소자 110 : 기판
120 : 제1 도전형 질화물층 130 : 활성층
132 : 제1 활성층 134 : 제2 활성층
136 : 제3 활성층 140 : 제2 도전형 질화물층
150 : 나노와이어 발광구조물 170 : 제1 전극
180 : 패시베이션층 190 : 제2 전극
120 : 제1 도전형 질화물층 130 : 활성층
132 : 제1 활성층 134 : 제2 활성층
136 : 제3 활성층 140 : 제2 도전형 질화물층
150 : 나노와이어 발광구조물 170 : 제1 전극
180 : 패시베이션층 190 : 제2 전극
Claims (19)
- 기판; 및
상기 기판 상에 배치된 적어도 하나 이상의 나노와이어 발광구조물;을 포함하며,
상기 나노와이어 발광구조물은,
상기 기판 상에 배치된 제1 도전형 질화물층;
상기 제1 도전형 질화물층 상에 적층된 복수의 활성층; 및
상기 복수의 활성층 상에 적층된 제2 도전형 질화물층;을 포함하며,
상기 복수의 활성층은 상호 간이 서로 상이한 폭을 갖고,
상기 복수의 활성층은 상기 제1 도전형 질화물층 상에 적층되며, 제1 폭 및 제1 높이를 갖는 제1 활성층; 상기 제1 활성층 상에 적층되며, 상기 제1 폭보다 큰 제2 폭 및 상기 제1 높이보다 낮은 제2 높이를 갖는 제2 활성층; 및 상기 제2 활성층 상에 적층되며, 상기 제2 폭보다 큰 제3 폭 및 상기 제2 높이보다 낮은 제3 높이를 갖는 제3 활성층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노와이어 백색 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 기판은
실리콘(Si), 사파이어(Al2O3), 유리, 탄화규소(SiC), 산화갈륨(Al2O3), GaN이 증착된 사파이어(GaN on Sapphire), InGaN이 증착된 사파이어(InGaN on sapphire, AlGaN이 증착된 사파이어(AlGaN on sapphire) 및 AlN이 증착된 사파이어(AlN on sapphire) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노와이어 백색 발광소자.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1 폭은 20 ~ 200nm이고,
상기 제2 폭은 100 ~ 400nm이며,
상기 제3 폭은 300 ~ 700nm인 것을 특징으로 하는 나노와이어 백색 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 높이는 5 ~ 10nm이고,
상기 제2 높이는 3 ~ 6nm이며,
상기 제3 높이는 1 ~ 4nm인 것을 특징으로 하는 나노와이어 백색 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 활성층은 제1 파장대의 광을 발산하고,
상기 제2 활성층은 상기 제1 파장대보다 단파장인 제2 파장대의 광을 발산하며,
상기 제3 활성층은 상기 제2 파장대보다 단파장인 제3 파장대의 광을 발산하는 것을 특징으로 하는 나노와이어 백색 발광소자.
- 제6항에 있어서,
상기 제1 파장대는 550 ~ 700nm이고,
상기 제2 파장대는 500 ~ 580nm이며,
상기 제3 파장대는 400 ~ 500nm인 것을 특징으로 하는 나노와이어 백색 발광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 기판의 하면에 배치된 제1 전극;
상기 기판의 상면과 나노와이어 발광구조물의 측면을 덮는 패시베이션층; 및
상기 패시베이션층 및 제2 도전형 질화물층 상에 배치되어, 상기 제2 도전형 질화물층에 연결된 제2 전극;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노와이어 백색 발광소자.
- 제8항에 있어서,
상기 제1 및 제2 전극 각각은
Ni, Au, Al, Ti 및 Ag 중 선택된 1종 이상의 재질로 이루어진 단일층 또는 다중층 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 나노와이어 백색 발광소자.
- 제8항에 있어서,
상기 패시베이션층은
폴리이미드(polyimide) 및 폴리실라잔(polysilazane) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노와이어 백색 발광소자.
- (a) 기판 상에 제1 도전형 질화물층을 형성하는 단계;
(b) 상기 제1 도전형 질화물층 상에 복수의 활성층을 형성하는 단계; 및
(c) 상기 복수의 활성층 상에 제2 도전형 질화물층을 형성하여, 상기 제1 도전형 질화물층, 활성층 및 제2 도전형 질화물층을 포함하는 나노와이어 구조물을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 복수의 활성층은 상호 간이 서로 상이한 폭을 갖고,
상기 (b) 단계는, (b-1) 상기 제1 도전형 질화물층 상에 제1 폭 및 제1 높이를 갖는 제1 활성층을 형성하는 단계; (b-2) 상기 제1 활성층 상에 상기 제1 폭보다 큰 제2 폭 및 상기 제1 높이보다 낮은 제2 높이를 갖는 제2 활성층을 형성하는 단계; 및 (b-3) 상기 제2 활성층 상에 상기 제2 폭보다 큰 제3 폭 및 상기 제2 높이보다 낮은 제3 높이를 갖는 제3 활성층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노와이어 백색 발광소자 제조 방법.
- 제11항에 있어서,
상기 제1 도전형 질화물층, 활성층 및 제2 도전형 질화물층 각각은
분자선 에피텍셜법(Molecular Beam Epitaxy) 또는 유기금속 화학증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 나노와이어 백색 발광소자 제조 방법.
- 삭제
- 제11항에 있어서,
상기 제1 폭은 20 ~ 200nm이고,
상기 제2 폭은 100 ~ 400nm이며,
상기 제3 폭은 300 ~ 700nm인 것을 특징으로 하는 나노와이어 백색 발광소자 제조 방법.
- 제11항에 있어서,
상기 제1 높이는 5 ~ 10nm이고,
상기 제2 높이는 3 ~ 6nm이며,
상기 제3 높이는 1 ~ 4nm인 것을 특징으로 하는 나노와이어 백색 발광소자 제조 방법.
- 제11항에 있어서,
상기 (b-1) 단계에서, 상기 제1 활성층은 750 ~ 950℃의 제2 증착온도 조건으로 증착하여 형성하고,
상기 (b-2) 단계에서, 상기 제2 활성층은 상기 제2 증착온도보다 낮은 650 ~ 850℃의 제3 증착온도 조건으로 증착하여 형성하며,
상기 (b-3) 단계에서, 상기 제3 활성층은 상기 제3 증착온도보다 낮은 500 ~ 750℃의 제4 증착온도 조건으로 증착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 나노와이어 백색 발광소자 제조 방법.
- 삭제
- 삭제
- 제11항에 있어서,
상기 (c) 단계 이후,
(d) 상기 기판의 하면에 제1 전극을 형성하는 단계;
(e) 상기 기판의 상면과 나노와이어 구조물의 측면을 덮는 패시베이션층을 형성하는 단계; 및
(f) 상기 패시베이션층 및 제2 도전형 질화물층 상에 상기 제2 도전형 질화물층에 연결되는 제2 전극을 형성하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노와이어 백색 발광소자 제조 방법.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022119354A1 (ko) * | 2020-12-04 | 2022-06-09 | 서울바이오시스주식회사 | 혼색 발광 장치 |
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| KR20120028104A (ko) * | 2010-09-14 | 2012-03-22 | 삼성엘이디 주식회사 | Ⅲ족 질화물 나노로드 발광소자 및 그 제조 방법 |
| KR20150007640A (ko) * | 2013-07-12 | 2015-01-21 | 엘지이노텍 주식회사 | 발광 소자 및 발광 소자 패키지 |
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-
2019
- 2019-02-20 KR KR1020190019699A patent/KR102110446B1/ko active IP Right Grant
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