KR102227999B1 - 금속 반사판 일체형 광소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
나노와이어 발광구조물의 내부에 금속 반사판을 삽입함으로써, 금속 반사판과 나노와이어 발광구조물이 결합된 일체형 구조를 갖도록 설계된 금속 반사판 일체형 광소자 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 금속 반사판 일체형 광소자 제조 방법은 (a) 기판의 일면 상에 복수의 나노와이어 발광구조물을 형성하는 단계; (b) 상기 복수의 나노와이어 발광구조물 및 기판의 노출면 전체를 덮도록 금속 물질을 증착하여 금속 반사 물질층을 형성하는 단계; (c) 상기 금속 반사 물질층이 형성된 복수의 나노와이어 발광구조물 및 기판을 덮도록 절연층을 형성하는 단계; (d) 상기 절연층의 일부 두께가 남겨지도록 제거하여, 상기 복수의 나노와이어 발광구조물을 덮는 금속 반사 물질층만을 노출시키는 단계; (e) 상기 노출된 복수의 나노와이어 발광구조물을 덮는 금속 반사 물질층만을 선택적으로 제거하여, 상기 복수의 나노와이어 발광구조물 및 절연층의 하부에 배치되는 금속 반사판을 형성하는 단계; 및 (f) 상기 복수의 나노와이어 발광구조물의 하부에 배치된 절연층을 제거하여, 상기 금속 반사판을 노출시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 금속 반사판 일체형 광소자 제조 방법은 (a) 기판의 일면 상에 복수의 나노와이어 발광구조물을 형성하는 단계; (b) 상기 복수의 나노와이어 발광구조물 및 기판의 노출면 전체를 덮도록 금속 물질을 증착하여 금속 반사 물질층을 형성하는 단계; (c) 상기 금속 반사 물질층이 형성된 복수의 나노와이어 발광구조물 및 기판을 덮도록 절연층을 형성하는 단계; (d) 상기 절연층의 일부 두께가 남겨지도록 제거하여, 상기 복수의 나노와이어 발광구조물을 덮는 금속 반사 물질층만을 노출시키는 단계; (e) 상기 노출된 복수의 나노와이어 발광구조물을 덮는 금속 반사 물질층만을 선택적으로 제거하여, 상기 복수의 나노와이어 발광구조물 및 절연층의 하부에 배치되는 금속 반사판을 형성하는 단계; 및 (f) 상기 복수의 나노와이어 발광구조물의 하부에 배치된 절연층을 제거하여, 상기 금속 반사판을 노출시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 금속 반사판 일체형 광소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 나노와이어 발광구조물의 내부에 금속 반사판을 삽입함으로써, 금속 반사판과 나노와이어 발광구조물이 결합된 일체형 구조를 갖도록 설계된 금속 반사판 일체형 광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
초소형, 고집적 광소자들의 개발은 마이크로 LED TV(micro-LED TV), 자동차 디스플레이, 스마트폰, 스마트 와치(smart watch), VR(virtual reality), AR(augmented reality) 등 차세대 디스플레이에 가장 중요한 부분 중 하나이다.
3족 질화물 기반 발광다이오드(LED)들은 지난 수년간 집중적으로 연구되어 왔다. LED의 효율을 향상시키기 위해서는 기본적으로 내부양자효율과 광추출 효율을 향상시키는 방법이 있다.
이 중, 광추출을 향상시키는 방법 중에는 LED에서 발산되는 빛을 금속 반사판을 사용하여 효율을 높이는 방법이 있다.
그러나, 이러한 반사판을 이용한 대부분의 방법은 반사판을 LED 소자의 외부에 부착하는 형태로 제조하여 왔으며, 이러한 부착 방식은 부피가 커지는 경향이 있어 초소형 광소자로의 응용이 어렵다는 문제가 있다.
또한, 외부에 부착되는 반사판의 경우에는 외부 공정을 통해 제작됨으로써, 다양한 오염 물질에 오염되어 반사효과를 감소시킬 뿐만 아니라, 제작 공정이 매우 복잡한 관계로 제조 비용이 상당히 많이 소요되는 단점이 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 나노와이어 발광구조물의 내부에 금속 반사판을 삽입함으로써, 금속 반사판과 나노와이어 발광구조물이 결합된 일체형 구조를 갖도록 설계된 금속 반사판 일체형 광소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 금속 반사판 일체형 광소자는 기판; 상기 기판의 일면 상에 배치된 복수의 나노와이어 발광구조물; 및 상기 기판의 일면 상에 배치되며, 상기 복수의 나노와이어 발광구조물이 노출되도록 상기 기판의 일면을 덮도록 형성된 금속 반사판;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
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 포함한다.
상기 복수의 나노와이어 발광구조물은 복수의 제1 도전형 질화물층; 상기 복수의 제1 도전형 질화물층 상에 각각 적층된 복수의 활성층; 및 상기 복수의 활성층 상에 각각 적층된 복수의 제2 도전형 질화물층;을 포함한다.
여기서, 상기 복수의 제1 도전형 질화물층과 복수의 제2 도전형 질화물층 각각은 20nm ~ 10㎛의 두께를 갖는다.
상기 복수의 활성층 각각은 적어도 하나의 양자장벽층과, 상기 양자장벽층과 교번적으로 적층되는 적어도 하나의 양자우물층을 포함하는 다중양자우물 구조를 갖는다.
아울러, 상기 금속 반사판은 Al, Au, Ag, In, Fe 및 Mo 중 선택된 1종 이상의 재질로 형성된다.
상기 금속 반사판은 1 ~ 500nm의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
상기 금속 반사판은 상기 복수의 나노와어어 발광구조물이 형성된 부분을 제외한 기판의 일면 전체를 덮으며, 상기 복수의 나노와이어 발광구조물의 하단 일부를 덮도록 형성된다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 금속 반사판 일체형 광소자 제조 방법은 (a) 기판의 일면 상에 복수의 나노와이어 발광구조물을 형성하는 단계; (b) 상기 복수의 나노와이어 발광구조물 및 기판의 노출면 전체를 덮도록 금속 물질을 증착하여 금속 반사 물질층을 형성하는 단계; (c) 상기 금속 반사 물질층이 형성된 복수의 나노와이어 발광구조물 및 기판을 덮도록 절연층을 형성하는 단계; (d) 상기 절연층의 일부 두께가 남겨지도록 제거하여, 상기 복수의 나노와이어 발광구조물을 덮는 금속 반사 물질층만을 노출시키는 단계; (e) 상기 노출된 복수의 나노와이어 발광구조물을 덮는 금속 반사 물질층만을 선택적으로 제거하여, 상기 복수의 나노와이어 발광구조물 및 절연층의 하부에 배치되는 금속 반사판을 형성하는 단계; 및 (f) 상기 복수의 나노와이어 발광구조물의 하부에 배치된 절연층을 제거하여, 상기 금속 반사판을 노출시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (a) 단계는, (a-1) 상기 기판 상에 상호 이격 배치되도록 복수의 제1 도전형 질화물층을 형성하는 단계; (a-2) 상기 복수의 제1 도전형 질화물층 상에 복수의 활성층을 형성하는 단계; 및 (a-3) 상기 복수의 활성층 상에 복수의 제2 도전형 질화물층을 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 (b) 단계에서, 상기 금속 반사 물질층은 Al, Au, Ag, In, Fe 및 Mo 중 선택된 1종 이상을 포함하는 금속 물질을 분자선 에피턱셜법(Molecular Beam Epitaxy), 유기 금속 화학 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 수소기상증착법(Hydride vapour phase epitaxy), 열증착장비(Thermal evaporator), 전자빔증착장비(E-beam evaporator), 스퍼터링(Sputtering) 장비 중 어느 하나를 이용하여 형성한다.
상기 금속 반사 물질층은 1 ~ 500nm의 두께로 형성한다.
상기 (c) 단계는, (c-1) 상기 금속 반사 물질층이 형성된 복수의 나노와이어 발광구조물 및 기판을 덮도록 절연 물질을 코팅 또는 증착하여 절연층을 형성하는 단계; 및 (c-2) 상기 절연층이 형성된 기판을 50 ~ 250℃에서 15초 ~ 1시간 동안 소프트 베이킹하는 단계;를 포함한다.
상기 (c-1) 단계에서, 상기 절연 물질은 폴리이미드 수지인 것이 바람직하다.
상기 (c-1) 단계에서, 상기 절연층은 10 ~ 500rpm의 속도로 스핀 코팅하여 50nm ~ 5㎛의 두께로 형성한다.
상기 (d) 단계는, (d-1) 상기 절연층의 일부 두께가 남겨지도록 건식 에칭 또는 습식 에칭으로 제거하여, 상기 복수의 나노와이어 발광구조물을 덮는 금속 반사 물질층만을 노출시키는 단계; 및 (d-2) 상기 남겨진 절연층 및 기판을 100 ~ 400℃에서 5분 ~ 3시간 동안 하드 베이킹하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따른 금속 반사판 일체형 광소자 및 그 제조 방법은 기판의 일면 상에 복수의 나노와이어 발광구조물을 성장하고, 복수의 나노와이어 발광구조물을 형성함과 동시에 금속 물질을 코팅 또는 증착하여 금속 반사판을 형성하게 된다.
이에 따라, 본 발명에 따른 금속 반사판 일체형 광소자 및 그 제조 방법은 복수의 나노와이어 발광구조물을 형성하는 과정시, 금속 반사판을 코팅 또는 증착에 의해 함께 형성되는 것에 의해, 수 마이크로 단위의 초소형으로 광소자를 제작하는 것이 가능해질 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 금속 반사판 일체형 광소자 및 그 제조 방법은 복수의 나노와이어 발광구조물을 형성하는 과정에서 바로 금속 물질을 코팅 또는 증착하는 방식에 의해 금속 반사판이 일체형 구조로 형성되므로 제조 공정이 감소하여 제조 단가를 낮출 수 있게 된다.
이 결과, 본 발명에 따른 금속 반사판 일체형 광소자 및 그 제조 방법은 기판 상의 복수의 나노와이어 발광구조물이 배치되는 영역을 제외한 부분에 배치되는 금속 반사판을 통하여 복수의 나노와이어 발광구조물로부터 출사되는 빛 중 기판 방향으로 출사되어 산란되던 빛을 재 반사시킴으로써 광 추출 효율을 극대화할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 금속 반사판 일체형 광소자를 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 금속 반사판 일체형 광소자의 광 반사 원리를 설명하기 위한 모식도.
도 3 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 금속 반사판 일체형 광소자 제조 방법을 나타낸 공정 모식도.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 금속 반사판 일체형 광소자을 촬영하여 나타낸 SEM 사진.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 금속 반사판 일체형 광소자의 절단면을 촬영하여 나타낸 TEM 사진.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 금속 반사판 일체형 광소자의 광발광 분광법(Photoluminescence Spectroscopy)에 의해 측정된 광학적 특성 데이터.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 금속 반사판 일체형 광소자의 광 반사 원리를 설명하기 위한 모식도.
도 3 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 금속 반사판 일체형 광소자 제조 방법을 나타낸 공정 모식도.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 금속 반사판 일체형 광소자을 촬영하여 나타낸 SEM 사진.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 금속 반사판 일체형 광소자의 절단면을 촬영하여 나타낸 TEM 사진.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 금속 반사판 일체형 광소자의 광발광 분광법(Photoluminescence Spectroscopy)에 의해 측정된 광학적 특성 데이터.
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 금속 반사판 일체형 광소자 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 금속 반사판 일체형 광소자를 나타낸 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 금속 반사판 일체형 광소자(100)는 기판(120), 나노와이어 발광구조물(140) 및 금속 반사판(160)을 포함한다.
기판(120)은 일면(120a) 및 일면(120a)에 반대되는 타면(120b)을 갖는 플레이트 형상을 가질 수 있으나, 이는 예시적인 것으로 그 형상은 다양하게 변경될 수 있다.
이때, 기판(120)은 기판(120)의 표면 방향이 (100), (110), (111), (001), (011) 등이 될 수 있다. 이러한 기판(120)으로는 실리콘(Si), 사파이어(sapphire), 유리, 탄화규소(SiC), 산화갈륨(Ga2O3), 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 하나가 이용될 수 있다.
나노와이어 발광구조물(140)은 기판(120)의 일면(120a) 상에 배치된다. 이러한 나노와이어 발광구조물(140)은 복수개가 기판(120)의 일면(120a) 상에서 상호 간이 서로 이격되도록 배치될 수 있다.
복수의 나노와이어 발광구조물(140)은 복수의 제1 도전형 질화물층(142), 복수의 활성층(144) 및 복수의 제2 도전형 질화물층(146)을 포함한다.
복수의 제1 도전형 질화물층(142)은 실리콘(Si)을 도핑한 GaN으로 이루어진 제1층(미도시)과, 언도우프의 GaN(undoped-GaN)으로 이루어진 제2층(미도시)이 교번적으로 형성된 적층 구조를 가질 수 있다. 물론, 복수의 제1 도전형 질화물층(142)은 단일의 질화물층으로 성장시키는 것도 무방하다. 이때, 복수의 제1 도전형 질화물층(142)은 20nm ~ 10㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
복수의 활성층(144)은 복수의 제1 도전형 질화물층(142) 상에 각각 적층된다. 이때, 복수의 활성층(144)은 제1 도전형 질화물층(142)과 제2 도전형 질화물층(146) 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. 이때, 양자장벽층 및 양자우물층 각각은 1 ~ 50층의 적층 구조를 가질 수 있으며, 각각은 1 ~ 100nm의 두께를 가질 수 있다.
일 예로, 복수의 활성층(144)은 GaN으로 이루어진 양자장벽층과, InGaN으로 이루어진 양자우물층에 의해 다중양자우물 구조를 가질 수 있다. 이러한 다중양자우물 구조의 활성층(144)은 발생하는 응력과 변형에 의한 자발적인 분극을 억제할 수 있다.
복수의 제2 도전형 질화물층(146)은 복수의 활성층(144) 상에 각각 적층된다. 복수의 제2 도전형 질화물층(146)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, 복수의 제2 도전형 질화물층(146)은, 복수의 제1 도전형 질화물(142)과 마찬가지로, 20nm ~ 10㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
금속 반사판(160)은 기판(120)의 일면(120a) 상에 배치되며, 복수의 나노와이어 발광구조물(140)이 노출되도록 기판(120)의 일면(120a)을 덮도록 형성된다.
이러한 금속 반사판(160)은 복수의 나노와어어 발광구조물(140)이 형성된 부분을 제외한 기판(120)의 일면(120a) 전체를 덮으며, 복수의 나노와이어 발광구조물(140)의 하단 일부를 덮도록 형성되는 것이 보다 바람직하다.
이에 따라, 복수의 나노와이어 발광구조물(140)의 하단 밑면은 기판(120)의 일면(120a)과 접촉되고, 금속 반사판(160)은 복수의 나노와이어 발광구조물(140)의 하단 부분과 측면 접촉이 이루어질 수 있다.
이때, 금속 반사판(160)은 반사율이 우수한 금속 재질로 형성될 수 있다. 이를 위해, 금속 반사판(160)은 Al, Au, Ag, In, Fe 및 Mo 중 선택된 1종 이상을 포함하는 금속 물질을 분자선 에피턱셜법(Molecular Beam Epitaxy), 유기 금속 화학 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 수소기상증착법(Hydride vapour phase epitaxy), 열증착장비(Thermal evaporator), 전자빔증착장비(E-beam evaporator), 스퍼터링(Sputtering) 장비 중 어느 하나를 이용하여 증착하고, 선택적으로 제거하는 것에 의해 형성된다.
이러한 금속 반사판(160)은 1 ~ 500nm의 두께를 갖는 것이 바람직하며, 보다 바람직한 범위로는 30 ~ 100nm를 제시할 수 있다. 금속 반사판(160)의 두께가 1nm 미만일 경우에는 그 두께가 너무 얇아 반사판의 역할을 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 금속 반사판(160)의 두께가 500nm를 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 두께만을 증가시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 바람직하지 못하다.
이에 대해서는 이하 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 금속 반사판 일체형 광소자의 광 반사 원리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 금속 반사판 일체형 광소자(100)는 기판(120)의 일면(120a) 상에 복수의 나노와이어 발광구조물(140)이 배치되고, 복수의 나노와이어 발광구조물(140)이 노출되도록 기판(120)의 일면(120a)을 덮도록 금속 반사판(160)이 배치된다.
즉, 본 발명에서는 복수의 나노와이어 발광구조물(140)을 형성하는 과정에서 기판(120) 상에 바로 금속 물질을 코팅 또는 증착하는 방식에 의해 금속 반사판(160)이 일체형 구조로 형성된다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 금속 반사판 일체형 광소자(100)는 기판(120) 상의 복수의 나노와이어 발광구조물(140)이 위치하는 영역을 제외한 부분에 배치되는 금속 반사판(160)을 통하여 복수의 나노와이어 발광구조물(140)로부터 출사되는 빛 중 일부를 재 반사시킬 수 있게 된다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 금속 반사판 일체형 광소자(100)는 복수의 나노와이어 발광구조물(140)로부터 출사 방향으로 대부분의 빛이 출사되고, 일부가 출사 방향과 반대되는 기판 방향으로 출사되더라도, 기판(120)의 일면(120a)에는 금속 반사판(160)이 일체형 구조로 배치되어 있으므로, 기판 방향으로 출사된 빛을 출사 방향으로 재 반사시키는 것이 가능해질 수 있다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 금속 반사판 일체형 광소자(100)는 기판(120) 상의 복수의 나노와이어 발광구조물(140)이 배치되는 영역을 제외한 부분에 배치되는 금속 반사판(160)을 통하여 복수의 나노와이어 발광구조물(140)로부터 출사되는 빛 중 기판 방향으로 출사되어 산란되던 빛을 재 반사시킴으로써 광 추출 효율을 극대화할 수 있게 된다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 금속 반사판 일체형 광소자는 기판의 일면 상에 복수의 나노와이어 발광구조물을 성장하고, 복수의 나노와이어 발광구조물을 형성함과 동시에 금속 물질을 코팅 또는 증착하여 금속 반사판을 형성하게 된다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 금속 반사판 일체형 광소자는 복수의 나노와이어 발광구조물을 형성하는 과정시, 금속 반사판을 코팅 또는 증착에 의해 함께 형성되는 것에 의해, 수 마이크로 단위의 초소형으로 광소자를 제작하는 것이 가능해질 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 금속 반사판 일체형 광소자는 복수의 나노와이어 발광구조물을 형성하는 과정에서 바로 금속 물질을 코팅 또는 증착하는 방식에 의해 금속 반사판이 일체형 구조로 형성되므로 제조 공정이 감소하여 제조 단가를 낮출 수 있게 된다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 금속 반사판 일체형 광소자는 기판 상의 복수의 나노와이어 발광구조물이 배치되는 영역을 제외한 부분에 배치되는 금속 반사판을 통하여 복수의 나노와이어 발광구조물로부터 출사되는 빛 중 기판 방향으로 출사되어 산란되던 빛을 재 반사시킴으로써 광 추출 효율을 극대화할 수 있게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 금속 반사판 일체형 광소자 제조 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 3 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 금속 반사판 일체형 광소자 제조 방법을 나타낸 공정 모식도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 기판(120)을 준비한다. 이때, 기판(120)은 일면(120a) 및 일면(120a)에 반대되는 타면(120b)을 갖는 플레이트 형상을 가질 수 있으나, 이는 예시적인 것으로 그 형상은 다양하게 변경될 수 있다.
이러한 기판(120)으로는 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 하나가 이용될 수 있다.
다음으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 기판(120)의 일면(120a) 상에 복수의 나노와이어 발광구조물(140)을 형성한다.
이러한 복수의 나노와이어 발광구조물 형성 단계는, 기판(120) 상에 상호 이격 배치되도록 복수의 제1 도전형 질화물층(142)을 형성하는 과정과, 복수의 제1 도전형 질화물층(142) 상에 복수의 활성층(144)을 형성하는 과정과, 복수의 활성층(144) 상에 복수의 제2 도전형 질화물층(146)을 형성하는 과정을 포함할 수 있다.
여기서, 복수의 제1 도전형 질화물층(142)은 실리콘(Si)을 도핑한 GaN으로 이루어진 제1층(미도시)과, 언도우프의 GaN(undoped-GaN)으로 이루어진 제2층(미도시)이 교번적으로 형성된 적층 구조를 가질 수 있다. 물론, 복수의 제1 도전형 질화물층(142)은 단일의 질화물층으로 성장시키는 것도 무방하다.
이를 위해, 제1 도전형 질화물층(142)은 분자선 에피텍셜법(Molecular Beam Epitaxy) 또는 유기금속 화학증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다. 이때, 복수의 제1 도전형 질화물층(142)은 20nm ~ 10㎛의 두께로 형성한다.
아울러, 복수의 활성층(144)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 ~ 50층의 적층 구조를 가질 수 있으며, 각각은 1 ~ 100nm의 두께를 가질 수 있다.
일 예로, 복수의 활성층(144)은 GaN으로 이루어진 양자장벽층과, InGaN으로 이루어진 양자우물층에 의해 다중양자우물 구조를 가질 수 있다. 이러한 다중양자우물 구조의 활성층(144)은 발생하는 응력과 변형에 의한 자발적인 분극을 억제할 수 있다.
이를 위해, 복수의 활성층(144)은, 제1 도전형 질화물층(142)과 마찬가지로, 분자선 에피텍셜법(Molecular Beam Epitaxy) 또는 유기금속 화학증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 복수의 제2 도전형 질화물층(146)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, 복수의 제2 도전형 질화물층(146)은, 복수의 제1 도전형 질화물층(142)과 마찬가지로, 20nm ~ 10 ㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
이를 위해, 복수의 제2 도전형 질화물층(146)은, 제1 도전형 질화물층(142)과 마찬가지로, 분자선 에피텍셜법(Molecular Beam Epitaxy) 또는 유기금속 화학증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 복수의 나노와이어 발광구조물(140) 및 기판(120)의 노출면 전체를 덮도록 금속 물질을 증착하여 금속 반사 물질층(165)을 형성한다.
이에 따라, 금속 반사 물질층(165)은 복수의 나노와이어 발광구조물(140)의 노출면 전체와 기판(120)의 노출된 일면(120a) 전체를 덮도록 형성된다.
이러한 금속 반사 물질층(165)은 Al, Au, Ag, In, Fe 및 Mo 중 선택된 1종 이상을 포함하는 금속 물질을 분자선 에피턱셜법(Molecular Beam Epitaxy), 유기 금속 화학 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 수소기상증착법(Hydride vapour phase epitaxy), 열증착장비(Thermal evaporator), 전자빔증착장비(E-beam evaporator), 스퍼터링(Sputtering) 장비 중 어느 하나를 이용하여 증착하는 것에 의해 형성된다.
즉, 본 발명에서는 박막 증착 장비를 사용하여, 금속 반사 물질층(165)을 복수의 나노와이어 발광구조물(140)이 배치되는 영역을 제외한 모든 부분에 증착하는 것에 의해 형성된다. 이 방법의 장점은, 복수의 나노와이어 발광구조물(140)의 제작 후 외부 공정을 통해 Al 반사판을 제작하는 것이 아니라, 복수의 나노와이어 발광구조물(140)을 제작하면서 동일한 박막 증착 장비를 사용하여 바로 금속 반사판을 제작할 수 있는 장점을 갖는다.
다시 말해, 외부 공정을 통하여 부착되는 Al 반사판의 경우에는 외부 공정을 통해 제작됨으로써, 다양한 오염 물질에 오염되어 반사효과를 감소시킬 뿐만 아니라, 제작 공정이 매우 복잡한 관계로 제조 비용이 상당히 많이 소요되는 단점이 있다.
이와 달리, 본 발명에서는 나노와이어 발광구조물(140)을 제작하면서 동일한 박막 증착 장비를 사용하여 바로 금속 반사판을 제작하기 때문에 다양한 오염 물질에 의해 오염될 염려가 없으며, 복수의 나노와이어 발광구조물(140)의 제조시 이용하는 박막 증착 장비와 동일한 것이 사용될 수 있으므로 제조 공정이 간소화되어 제조 비용을 크게 절감할 수 있게 된다.
이러한 금속 반사 물질층(165)은 1 ~ 500nm의 두께를 갖는 것이 바람직하며, 보다 바람직한 범위로는 30 ~ 100nm를 제시할 수 있다. 금속 반사 물질층(165)의 두께가 1nm 미만일 경우에는 그 두께가 너무 얇아 반사판의 역할을 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 금속 반사 물질층(165)의 두께가 500nm를 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 두께만을 증가시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 바람직하지 못하다.
도 6에 도시된 바와 같이, 금속 반사 물질층(165)이 형성된 복수의 나노와이어 발광구조물(140) 및 기판(120)을 덮도록 절연 물질을 코팅 또는 증착하여 절연층(170)을 형성한다.
여기서, 절연 물질은 절연 특성이 좋은 산화물, 질화물, 유기물 등이 이용될 수 있다. 구체적으로, 절연 물질로는 폴리이미드 수지를 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 폴리이미드 수지는 내열성 이 뛰어나고 고강도를 갖는 고분자로서, 500℃ 이상의 고온에서도 분해되지 않은 화학구조를 지닌데다 유연성까지 뛰어난 특성을 갖는다.
이러한 절연층(170)은 절연 물질인 폴리이미드 수지를 스핀 코터(spin-coater)를 사용하여 코팅 방식으로 코팅하는 것에 의해 형성될 수 있다. 이때, 코팅되는 두께는 복수의 나노와이어 발광구조물(140)과 금속 반사 물질층(165)을 완전히 덮어 밀봉하는 형태로 형성하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 절연층(170)은 10 ~ 500rpm의 속도로 스핀 코팅하여 50nm ~ 5㎛의 두께로 형성한다.
다음으로, 절연층(170)이 형성된 기판(120)을 50 ~ 250℃에서 15초 ~ 1시간 동안 소프트 베이킹한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 절연층(170)의 일부 두께가 남겨지도록 제거하여, 복수의 나노와이어 발광구조물(140)을 덮는 금속 반사 물질층(165)만을 노출시킨다.
이러한 절연층 제거 단계는, 절연층(170)의 일부 두께가 남겨지도록 건식 에칭 또는 습식 에칭으로 제거하여, 복수의 나노와이어 발광구조물(140)을 덮는 금속 반사 물질층(165)만을 노출시키는 과정과, 남겨진 절연층(170) 및 기판(120)을 100 ~ 400℃에서 5분 ~ 3시간 동안 하드 베이킹하는 과정을 포함할 수 있다.
이러한 절연층 제거 단계에서, 건식 에칭으로 절연층(170)의 일부 두께가 남겨지도록 제거하는 것이 바람직한데, 이는 건식 에칭시, 금속 반사 물질층(165)에 의해 복수의 나노와이어 발광구조물(140)이 보호될 수 있으므로, 금속 반사 물질층(165) 및 복수의 나노와이어 발광구조물(140)에는 손상을 입히지 않게 된다.
이때, 절연층(170)은 기판(120)의 바닥까지 완전히 제거되지 않고, 기판(120)의 일면(120a) 상에 일부 두께, 즉 수 나노미터가 존재하도록 남기는 것이 바람직하다. 이는 기판(120)의 일면(120a) 상에 남겨진 절연층(170)이 추후에 반사 금속 물질층(165)을 습식 에칭에 의해 제거할 때, 기판(120)의 일면(120a) 상에 남겨진 절연층(170)의 하부에 위치하는 반사 금속 물질층(165)을 보호하기 위함이다.
다음으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 노출된 복수의 나노와이어 발광구조물(140)을 덮는 금속 반사 물질층(도 7의 165)만을 선택적으로 제거하여, 복수의 나노와이어 발광구조물(140) 및 절연층(170)의 하부에 배치되는 금속 반사판(160)을 형성한다.
즉, 본 단계에서는 상부에 노출된 나노와이어 발광구물(140)을 덮고 있는 금속 반사 물질층만을 에천트를 사용하는 습식 식각을 이용하여 선택적으로 제거하게 된다. 여기서, 금속 반사 물질층을 에칭하기 위해 사용되는 에천트는 Al 전용 에칭액, 일반 금속 에칭액, 불산(HF) 등에서 선택된 1종 이상이 사용될 수 있다.
이에 따라, 복수의 나노와이어 발광구조물(140) 및 절연층(170)은 에칭되지 않는다. 이러한 습식 식각시, 에천트에 침지시키는 시간은 1초 ~ 5분으로 다양하게 적용될 수 있다.
도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 복수의 나노와이어 발광구조물(140)의 하부에 배치된 절연층(170)을 제거하여, 금속 반사판(160)을 노출시킨다.
본 단계에서, 복수의 나노와이어 발광구조물(140)의 하부에 남아 있던 절연층(170)이 식각에 의해 제거된다.
여기서, 식각은 플라즈마를 사용하는 건식 식각, 에천트를 사용하는 습식 식각이 이용될 수 있으며, 이 중 건식 식각을 이용하는 것이 보다 바람직하다. 아울러, 건식 식각시, 에칭 속도는 10nm/sec ~ 1㎛/sec으로 다양하게 적용될 수 있다.
이에 따라, 복수의 나노와이어 발광구조물(140)의 하부로는 금속 반사판(160)만이 외부로 노출되고, 절연층(170)은 모두 제거되게 된다.
이상으로, 본 발명의 실시예에 따른 금속 반사판 일체형 광소자 제조 방법이 종료될 수 있다.
한편, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 금속 반사판 일체형 광소자을 촬영하여 나타낸 SEM 사진이고, 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 금속 반사판 일체형 광소자의 절단면을 촬영하여 나타낸 TEM 사진이다.
도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 기판(120) 상에 복수의 나노와이어 발광구조물(140)이 배치되어 있는 것을 확인할 수 있다. 아울러, 기판(120) 상에는 복수의 나노와이어 발광구조물(140)이 외부로 노출되도록 기판(120)의 일면을 금속 반사판(160)이 완벽하게 덮고 있는 것을 확인할 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 금속 반사판 일체형 광소자의 광발광 분광법(Photoluminescence Spectroscopy)에 의해 측정된 광학적 특성 데이터로써, 반치폭(FWHM)이 상당히 향상된 결과를 나타낸다.
이와 같이, 본 발명에서는 박막 증착 장비를 사용하여, 금속 반사 물질층을 복수의 나노와이어 발광구조물(140)이 배치되는 영역을 제외한 모든 부분에 증착하여 형성하게 된다.
이에 따라, 본 발명에서는 복수의 나노와이어 발광구조물(140)을 제작하면서 동일한 박막 증착 장비를 사용하여 바로 금속 반사판(160)이 제작되므로, 다양한 오염 물질에 의해 오염될 염려가 없으며, 복수의 나노와이어 발광구조물(140)의 제조시 이용하는 박막 증착 장비와 동일한 박막 증착 장비가 이용될 수 있으므로 제조 공정이 간소화되어 제조 비용을 크게 절감할 수 있게 된다.
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 : 금속 반사판 일체형 광소자 120 : 기판
120a : 기판의 일면 120b : 기판의 타면
140 : 나노와이어 발광구조물 142 : 제1 도전형 질화물층
144 : 활성층 146 : 제2 도전형 질화물층
160 : 금속 반사판
120a : 기판의 일면 120b : 기판의 타면
140 : 나노와이어 발광구조물 142 : 제1 도전형 질화물층
144 : 활성층 146 : 제2 도전형 질화물층
160 : 금속 반사판
Claims (16)
- 기판;
상기 기판의 일면 상에 배치된 복수의 나노와이어 발광구조물; 및
상기 기판의 일면 상에 배치되며, 상기 복수의 나노와이어 발광구조물이 노출되도록 상기 기판의 일면을 덮도록 형성된 금속 반사판;을 포함하며,
상기 금속 반사판은 상기 복수의 나노와어어 발광구조물이 형성된 부분을 제외한 기판의 일면 전체를 덮으며, 상기 복수의 나노와이어 발광구조물의 하단 일부를 덮도록 형성된 것을 특징으로 하는 금속 반사판 일체형 광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 기판은
실리콘(Si), 사파이어(sapphire), 유리, 탄화규소(SiC), 산화갈륨(Ga2O3), 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 금속 반사판 일체형 광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 복수의 나노와이어 발광구조물은
복수의 제1 도전형 질화물층;
상기 복수의 제1 도전형 질화물층 상에 각각 적층된 복수의 활성층; 및
상기 복수의 활성층 상에 각각 적층된 복수의 제2 도전형 질화물층;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 반사판 일체형 광소자.
- 제3항에 있어서,
상기 복수의 제1 도전형 질화물층과 복수의 제2 도전형 질화물층 각각은
20nm ~ 10㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 금속 반사판 일체형 광소자.
- 제3항에 있어서,
상기 복수의 활성층 각각은
적어도 하나의 양자장벽층과, 상기 양자장벽층과 교번적으로 적층되는 적어도 하나의 양자우물층을 포함하는 다중양자우물 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 금속 반사판 일체형 광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 금속 반사판은
Al, Au, Ag, In, Fe 및 Mo 중 선택된 1종 이상의 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 금속 반사판 일체형 광소자.
- 제1항에 있어서,
상기 금속 반사판은
1 ~ 500nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 금속 반사판 일체형 광소자.
- 삭제
- (a) 기판의 일면 상에 복수의 나노와이어 발광구조물을 형성하는 단계;
(b) 상기 복수의 나노와이어 발광구조물 및 기판의 노출면 전체를 덮도록 금속 물질을 증착하여 금속 반사 물질층을 형성하는 단계;
(c) 상기 금속 반사 물질층이 형성된 복수의 나노와이어 발광구조물 및 기판을 덮도록 절연층을 형성하는 단계;
(d) 상기 절연층의 일부 두께가 남겨지도록 제거하여, 상기 복수의 나노와이어 발광구조물을 덮는 금속 반사 물질층만을 노출시키는 단계;
(e) 상기 노출된 복수의 나노와이어 발광구조물을 덮는 금속 반사 물질층만을 선택적으로 제거하여, 상기 복수의 나노와이어 발광구조물 및 절연층의 하부에 배치되는 금속 반사판을 형성하는 단계; 및
(f) 상기 복수의 나노와이어 발광구조물의 하부에 배치된 절연층을 제거하여, 상기 금속 반사판을 노출시키는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 반사판 일체형 광소자 제조 방법.
- 제9항에 있어서,
상기 (a) 단계는,
(a-1) 상기 기판 상에 상호 이격 배치되도록 복수의 제1 도전형 질화물층을 형성하는 단계;
(a-2) 상기 복수의 제1 도전형 질화물층 상에 복수의 활성층을 형성하는 단계; 및
(a-3) 상기 복수의 활성층 상에 복수의 제2 도전형 질화물층을 형성하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 반사판 일체형 광소자 제조 방법.
- 제9항에 있어서,
상기 (b) 단계에서,
상기 금속 반사 물질층은
Al, Au, Ag, In, Fe 및 Mo 중 선택된 1종 이상을 포함하는 금속 물질을 분자선 에피턱셜법(Molecular Beam Epitaxy), 유기 금속 화학 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 수소기상증착법(Hydride vapour phase epitaxy), 열증착장비(Thermal evaporator), 전자빔증착장비(E-beam evaporator), 스퍼터링(Sputtering) 장비 중 어느 하나를 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 금속 반사판 일체형 광소자 제조 방법.
- 제9항에 있어서,
상기 금속 반사 물질층은
1 ~ 500nm의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 금속 반사판 일체형 광소자 제조 방법.
- 제9항에 있어서,
상기 (c) 단계는,
(c-1) 상기 금속 반사 물질층이 형성된 복수의 나노와이어 발광구조물 및 기판을 덮도록 절연 물질을 코팅 또는 증착하여 절연층을 형성하는 단계; 및
(c-2) 상기 절연층이 형성된 기판을 50 ~ 250℃에서 15초 ~ 1시간 동안 소프트 베이킹하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 반사판 일체형 광소자 제조 방법.
- 제13항에 있어서,
상기 (c-1) 단계에서,
상기 절연 물질은
폴리이미드 수지인 것을 특징으로 하는 금속 반사판 일체형 광소자 제조 방법.
- 제13항에 있어서,
상기 (c-1) 단계에서,
상기 절연층은
10 ~ 500rpm의 속도로 스핀 코팅하여 50nm ~ 5㎛의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 금속 반사판 일체형 광소자 제조 방법.
- 제9항에 있어서,
상기 (d) 단계는,
(d-1) 상기 절연층의 일부 두께가 남겨지도록 건식 에칭 또는 습식 에칭으로 제거하여, 상기 복수의 나노와이어 발광구조물을 덮는 금속 반사 물질층만을 노출시키는 단계; 및
(d-2) 상기 남겨진 절연층 및 기판을 100 ~ 400℃에서 5분 ~ 3시간 동안 하드 베이킹하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 반사판 일체형 광소자 제조 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200146633A KR102227999B1 (ko) | 2020-11-05 | 2020-11-05 | 금속 반사판 일체형 광소자 및 그 제조 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
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| KR102227999B1 true KR102227999B1 (ko) | 2021-03-12 |
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ID=75177356
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| KR (1) | KR102227999B1 (ko) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20120067249A (ko) * | 2010-12-15 | 2012-06-25 | 전자부품연구원 | 금속 마스킹을 이용한 산화아연 나노와이어의 제조 방법 및 그 방법으로 제조된 산화아연 나노와이어 부재 |
| KR20130071142A (ko) * | 2011-12-20 | 2013-06-28 | 삼성전자주식회사 | 발광 소자 및 그 제조 방법 |
| KR20170074296A (ko) * | 2015-12-21 | 2017-06-30 | (재)한국나노기술원 | 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법 |
-
2020
- 2020-11-05 KR KR1020200146633A patent/KR102227999B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (3)
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