KR102653097B1 - 금속 나노입자가 적용된 나노홀을 포함하는 발광소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
나노홀을 포함하는 발광소자는 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성된 활성층, 상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형 반도체층, 및 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 나노입자가 코팅된 나노홀을 포함할 수 있다. 상기 나노홀은 상기 제2 도전형 반도체층 및 상기 활성층을 관통하는 깊이로 형성될 수 있다. 나노입자는 나노홀을 통해 활성층과 근접한 거리에 반영구적으로 코팅되므로, 발광소자에서 표면 플라즈몬 공명 효과가 극대화될 수 있다.
Description
본 발명은 나노입자가 적용된 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 나노입자가 적용된 나노홀을 포함하는 발광소자 및 금속 나노입자가 적용된 나노홀을 포함하는 발광소자의 제조 방법에 관한 것이다.
플라즈모닉(Plasnmonic) 효과는 외부의 빛에 의해 금속 내의 자유전자가 집단적으로 진동하는 현상으로 금속에서 나타나는 광-전자효과에 해당한다. 이러한 플라즈모닉 효과는 특정 파장의 입사광에서 대부분의 광 에너지가 자유전자로 전이되는 공명 현상에 의한다.
나노 사이즈의 금속 입자의 경우 가시광선 내지 근적외선 대역 빛의 전기장과 플라즈몬이 짝지어지면서 광흡수가 일어나 선명한 색을 띠게 된다. 이러한 현상을 표면 플라스몬 공명(surface plasmon resonance)이라고 하며, 표면 플라즈몬 공명은 국소적으로 매우 증가된 전기장을 발생시킬 수 있다.
이러한 전기장은 빛 에너지가 표면 플라즈몬에 의해 변환되어 금속의 나노 입자 표면에 축적됨으로써 발생할 수 있다. 또한, 전기장의 발생은 빛의 회절 한계보다 작은 영역에서 광 제어가 가능함을 의미할 수 있다.
금속 나노 입자는 표면 플라즈몬 공명 현상 등, 전자기파와의 강하고 특징적인 상호 작용을 하며, 이에 의해 광흡수 대역의 증폭과 제어가 가능하므로, 형광 분광학, 다양한 종류의 센서, 광전자소자 등, 다양한 분야로의 적용이 예상된다.
다만, 종래기술에 따른 발광소자는 금속 나노입자를 LED에 반영구적으로 코팅하는 공정 단계가 복잡하고, 금속 나노입자에 의한 표면 플라즈몬 효과를 증가시키는데 한계가 있는 문제가 있었다.
본 발명의 일 목적은 나노입자가 코팅되고, 활성층을 관통하는 깊이로 형성된 나노홀을 포함하는 발광소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 나노입자에 의한 표면 플라즈몬 공명의 효과를 극대화한 발광 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 나노홀을 포함하는 발광소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급된 과제에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 나노홀을 포함하는 발광소자는 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성된 활성층, 상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형 반도체층, 및 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 나노입자가 코팅된 나노홀을 포함할 수 있다. 상기 나노홀은 상기 제2 도전형 반도체층 및 상기 활성층을 관통하는 깊이로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나노홀은 상기 제2 도전형 반도체층 상에 오믹 메탈을 형성하는 공정, 상기 오믹 메탈, 상기 제2 도전형 반도체층, 및 상기 활성층을 수직으로 에칭함으로써 상기 활성층을 관통하는 깊이의 홀(hole)을 형성하는 공정, 및 상기 홀 내부에 상기 나노입자를 코팅하는 공정을 통해 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나노입자는 드롭 캐스팅(drop casting) 공정, 스핀 코팅(spin coating) 공정, 전기영동(electrophoresis) 공정, 및 디웨팅(dewetting) 공정 중 적어도 하나의 공정을 이용하여 상기 나노홀에 코팅될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 활성층은 620nm 내지 680nm 파장의 적색광을 방출할 수 있다. 상기 나노입자는 상기 적색광의 파장에 대한 표면 플라즈몬 공명을 일으키기 위한 제1 형상을 가지는 Au를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나노입자는 코어 구조를 가지는 코어(Core) 나노입자, 및 코어-쉘(Core-shell) 구조를 가지는 코어-쉘 나노입자 중 적어도 하나일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나노입자는 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu), 금(Au), 크롬(Cr), 로듐(Rh) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나노홀은 상기 나노입자 및 상기 활성층 사이에 배치되는 절연막을 포함할 수 있다. 상기 나노입자는 상기 절연막을 경계로 상기 활성층과 표면 플라즈몬 공명을 일으킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 절연막은 SiO2, TiO2, ZrO2, 및 Al2O3 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나노홀의 직경은 100nm 내지 5μm일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나노홀의 중심간 간격은 100nm 내지 10μm일 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 나노홀을 포함하는 발광소자의 제조 방법은 LED 및 오믹 메탈을 형성하는 단계, 포토리소그래피 공정을 수행하는 단계, 나노홀을 형성하는 단계, 제1 절연막을 증착하는 단계, PR을 제거하는 단계, 나노입자를 코팅하는 단계, 제2 절연막을 증착하는 단계, p-오믹 메탈을 노출하는 단계, n-GaN을 노출하는 단계, 및 메탈 패드를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 LED는 제1 도전형 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형 반도체층을 포함할 수 있다. 상기 나노홀은 상기 제2 도전형 반도체층 및 상기 활성층을 관통하는 깊이로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 나노홀을 포함하는 발광소자는 나노입자가 코팅되고, 활성층을 관통하는 깊이로 형성된 나노홀을 포함할 수 있다. 나노입자는 나노홀을 통해 활성층과 근접한 거리에 반영구적으로 코팅되므로, 나노홀을 포함하는 발광소자에서 표면 플라즈몬 공명의 효과가 증가할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 나노홀을 포함하는 발광소자 및 나노홀을 포함하는 발광소자의 제조 방법에 의하면, 발광소자의 발광효율이 극대화될 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상술한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 나노홀을 포함하는 발광소자의 적층 구조를 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 나노홀을 포함하는 발광소자의 적층 구조를 나타내는 사시도이다.
도 3은 나노홀을 포함하는 발광소자의 나노홀을 나타내는 확대도이다.
도 4는 나노홀에 코팅된 나노입자를 나타내는 확대도이다.
도 5는 나노입자의 일 예시를 나타내는 광학 이미지이다.
도 6은 도 1의 나노홀을 포함하는 발광소자를 제조하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 7은 도 1의 나노홀을 포함하는 발광소자가 제조되는 과정을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 나노홀을 포함하는 발광소자가 전면 발광하는 경우를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 나노홀을 포함하는 발광소자가 배면 발광하는 경우를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 나노홀을 포함하는 발광소자의 적층 구조를 나타내는 사시도이다.
도 3은 나노홀을 포함하는 발광소자의 나노홀을 나타내는 확대도이다.
도 4는 나노홀에 코팅된 나노입자를 나타내는 확대도이다.
도 5는 나노입자의 일 예시를 나타내는 광학 이미지이다.
도 6은 도 1의 나노홀을 포함하는 발광소자를 제조하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 7은 도 1의 나노홀을 포함하는 발광소자가 제조되는 과정을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 나노홀을 포함하는 발광소자가 전면 발광하는 경우를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 나노홀을 포함하는 발광소자가 배면 발광하는 경우를 나타내는 도면이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 나노홀을 포함하는 발광소자의 적층 구조를 나타내는 단면도이고, 도 2는 도 1의 나노홀을 포함하는 발광소자의 적층 구조를 나타내는 사시도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 나노홀을 포함하는 발광소자는 제1 도전형 반도체층(200), 활성층(300), 제2 도전형 반도체층(400), 및 나노홀(NH)을 포함할 수 있다.
또한, 나노홀을 포함하는 발광소자는 제1 도전형 반도체층(200) 하부의 기판(100), 제2 도전형 반도체층(400) 상부의 오믹 메탈(500), 및 메탈 패드(600)를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 나노홀을 포함하는 발광소자는 기판(100) 상에 형성된 제1 도전형 반도체층(200), 제1 도전형 반도체층(200) 상에 형성된 활성층(300), 활성층(300) 상에 형성된 제2 도전형 반도체층(400), 및 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 나노입자(NP)가 코팅된 나노홀(NH)을 포함할 수 있다.
기판(100)은 GaN와 같은 반도체를 적층(epitaxially) 성장시킬 수 있는 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 기판(100)은 사파이어, 실리콘 카바이드(SiC), 갈륨비소(GaAs), 질화갈륨(GaN), 실리콘(Si), 갈륨인(GaP), 인듐인(InP), 산화아연(ZnO), MgAl2O4 MgO, LiAlO2, LiGaO2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(200) 및 제2 도전형 반도체층(400)은 각각 n형 반도체층 및 p형 반도체층 중 적어도 하나가 될 수 있다.
예를 들어, 제1 도전형 반도체층(200) 및 제2 도전형 반도체층(400)은 질화물 반도체로 이루어질 수 있다.
제1 도전형 반도체층(200) 및 제2 도전형 반도체층(400)은 GaN, AlGaN, InGaN 등의 물질로 구성될 수 있다.
예를 들어, 제1 도전형 반도체층(200)의 n형 불순물에는 Si, Ge, Se, Te 등이 사용될 수 있다.
예를 들어, 제2 도전형 반도체층(400)의 p형 불순물에는 Mg, Zn, Be 등이 사용될 수 있다.
제1 도전형 반도체층(200) 및 제2 도전형 반도체층(400)은 MOCVD 공정, MBE 공정, HVPE 공정 중 적어도 하나의 공정으로 형성될 수 있다.
활성층(300)은 전자와 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출할 수 있다.
예를 들어, 활성층(300)은 InGaN 등의 단일 물질로 이루어진 층일 수 있다.
예를 들어, 활성층(300)은 양자장벽층과 양자우물층이 서로 교대로 배치된 다중 양자우물(MQW) 구조로 형성될 수 있다.
활성층(300)은 GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, InAlGaN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 활성층(300)이 다중 양자우물(MQW) 구조인 경우, GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, InAlGaN 중 에너지 밴드 갭이 작은 물질이 양자우물층으로 구성되고, GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, InAlGaN 중 에너지 밴드 갭이 큰 물질이 양자장벽층으로 구성될 수 있다.
제1 도전형 반도체층(200), 활성층(300), 제2 도전형 반도체층(400)은 하나의 단위 LED 구조를 형성할 수 있다.
오믹 메탈(500)은 제2 도전형 반도체층(400) 상에 형성될 수 있다. 오믹 메탈(500)은 제2 도전형 반도체층(400)에 전압을 인가하기 위한 전극일 수 있다. 예를 들어, 오믹 메탈(500)은 p-오믹 메탈일 수 있다.
나노홀(NH)은 제1 도전형 반도체층(200), 활성층(300), 및 제2 도전형 반도체층(400)이 적층된 면에 대해서 수직 방향으로 형성될 수 있다. 나노홀(NH)은 수직 방향으로 상기 단위 LED 구조에 일정한 배열로 반복하여 형성될 수 있다.
나노홀(NH)은 상기 제2 도전형 반도체층(400) 및 상기 활성층(300)을 관통하는 깊이로 형성될 수 있다. 예를 들어, 나노홀(NH)은 상기 활성층(300)을 관통하고, 상기 제1 도전형 반도체층(200)의 일부까지 형성될 수 있다.
나노홀(NH)은 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 나노입자(NP)가 코팅될 수 있다. 예를 들어, 나노홀(NH)은 상기 나노입자(NP) 및 상기 활성층(300) 사이에 배치되는 절연막을 포함할 수 있다. 나노입자(NP)는 상기 절연막을 경계로 상기 활성층(300)과 표면 플라즈몬 공명을 일으킬 수 있다.
구체적으로, 나노홀(NH)은 상기 제2 도전형 반도체층(400) 상에 오믹 메탈(500)을 형성하는 공정, 상기 오믹 메탈(500), 상기 제2 도전형 반도체층(400), 및 상기 활성층(300)을 수직으로 에칭함으로써 상기 활성층(300)을 관통하는 깊이의 홀(hole)을 형성하는 공정, 및 상기 홀 내부에 상기 나노입자(NP)를 코팅하는 공정을 통해 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 나노홀을 포함하는 발광소자의 구체적인 제조 공정에 대해서는, 도 6 및 7을 참조하여 상세히 후술한다.
도 2의 확대도에서 보듯이, 나노입자(NP)는 나노홀(NH)을 통해 활성층(300)과 근접한 거리에 반영구적으로 코팅될 수 있다. 따라서, 발광소자에서 나노입자(NP)에 의한 표면 플라즈몬 공명 효과가 극대화될 수 있다.
메탈 패드(600)는 상기 단위 LED 구조에 배선 등을 통해 전기를 인가하기 위해 형성될 수 있다. 메탈 패드(600)는 p형 메탈 패드(610) 및 n형 메탈 패드(620)를 포함할 수 있다.
예를 들어, p형 메탈 패드(610)는 오믹 메탈(500)과 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, n형 메탈 패드(620)는 제1 도전형 반도체층(200)과 전기적으로 연결될 수 있다.
도 3은 나노홀을 포함하는 발광소자의 나노홀(NH)을 나타내는 확대도이다.
도 3을 참조하면, 나노홀(NH)은 제1 도전형 반도체층(200), 활성층(300), 및 제2 도전형 반도체층(400)이 적층된 면에 대해서 수직 방향으로 형성될 수 있다.
나노홀(NH) 단면의 형상은 도 3과 같이 원형일 수 있다. 예를 들어, 나노홀(NH)의 직경은 100nm 내지 5μm일 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예들에 따른 나노홀(NH)의 형상 원형에 한정되지 않는다. 예를 들어, 나노홀(NH)의 형상은 삼각형, 사각형, 육각형 등 다양한 형태를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 나노홀(NH)은 일정한 배열을 가질 수 있다. 복수의 나노홀(NH)은 주기적으로 반복하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 복수의 나노홀(NH)의 중심간 간격은 100nm 내지 10μm일 수 있다.
나노홀(NH)은 나노입자(NP) 및 상기 활성층(300) 사이에 배치되는 절연막을 포함할 수 있다. 절연막을 경계로 나노입자(NP)는 활성층(300)과 표면 플라즈몬 공명을 일으킬 수 있다.
절연막은 활성층(300)과 나노입자(NP) 사이에 적절한 거리를 형성하는 기능을 할 수 있다. 예를 들어, 절연막은 1nm 내지 150nm 두께를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 절연막은 SiO2, TiO2, ZrO2, 및 Al2O3 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 4는 나노홀(NH)에 코팅된 나노입자(NP)를 나타내는 확대도이고, 도 5는 나노입자(NP)의 일 예시를 나타내는 광학 이미지이다.
도 4를 참조하면, 나노입자(NP)는 나노홀(NH) 내부에 반영구적으로 코팅될 수 있다. 나노입자(NP)가 나노홀(NH)에 코팅되는 경우, 나노입자(NP)는 표면 플라즈몬 공명을 일으킬 수 있다.
나노입자(NP)는 표면 플라스몬 현상을 이용하기에 적합한 물질로서, 외부 자극에 의해 전자의 방출이 쉽고 음의 유전상수를 갖는 금속들로 구성될 수 있다.
예를 들어, 나노입자(NP)는 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu), 금(Au), 크롬(Cr), 로듐(Rh), 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
나노입자(NP)는 활성층(300)을 관통하는 깊이로 형성된 나노홀(NH)을 통해 활성층(300)과 근접한 거리에 반영구적으로 코팅될 수 있다.
구체적으로, 나노입자(NP)는 활성층(300)과의 거리가 1nm 내지 150nm가 되도록 절연막을 경계로 활성층(300) 표면에 코팅될 수 있다. 즉, 나노입자(NP)는 상기 절연막을 경계로 상기 활성층(300)과 표면 플라즈몬 공명을 일으킬 수 있다.
예를 들어, 나노입자(NP)는 코어 구조를 가지는 코어(Core) 나노입자(NP)일 수 있다. 예를 들어, 나노입자(NP)는 코어-쉘(Core-shell) 구조를 가지는 코어-쉘 나노입자(NP)일 수 있다.
나노입자(NP)는 드롭 캐스팅(drop casting) 공정, 스핀 코팅(spin coating) 공정, 전기영동(electrophoresis) 공정, 및 디웨팅(dewetting) 공정 중 적어도 하나의 공정을 이용하여 나노홀(NH) 내부에 코팅될 수 있다.
일 실시예에서, 단위 LED 구조는 적색광을 방출하는 적색 LED일 수 있다. 예를 들어, 활성층(300)은 620nm 내지 680nm 파장의 적색광을 방출할 수 있다.
적색 LED에서 나노입자(NP)는 적색광의 파장에 대한 표면 플라즈몬 공명을 일으키기 위한 제1 형상을 가지는 Au를 포함할 수 있다.
도 5에서 보듯이, 적색 LED에서 나노입자(NP)는 코어-쉘(Core-shell) 구조를 가지는 코어-쉘 나노입자(NP)일 수 있다. 예를 들어, 나노입자(NP)는 Au 코어와 SiO2 쉘로 구성될 수 있다.
적색광의 파장에 대한 표면 플라즈몬 공명을 일으키기 위하여, 나노입자(NP)는 적색 LED에 최적화된 제1 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 형상은 뾰족한 모양(pointed shape), 별 모양(star shape), 각진 모양(angled shape) 등일 수 있다.
한편, 본 발명의 나노입자(NP)의 형상은 제1 형상에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 본 발명의 단위 LED 구조는 적색광 이외에 녹색광, 청색광, 및 적외선 등을 방출할 수 있다.
따라서, 본 발명의 나노입자(NP)는 제1 형사에 한정되지 않고, 타겟 광원의 파장에 대한 표면 플라즈몬 공명을 일으키기 위한 최적의 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 나노입자(NP)는 구형, 직육면체, 정팔면체 등 다양한 형태를 가질 수 있다.
도 6은 도 1의 나노홀을 포함하는 발광소자를 제조하는 방법을 나타내는 순서도이고, 도 7은 도 1의 나노홀을 포함하는 발광소자가 제조되는 과정을 나타내는 도면이다.
도 6 및 7을 참조하면, 본 발명에 따른 나노홀을 포함하는 발광소자는 LED 및 오믹 메탈(500)을 형성하는 단계(S100), 포토리소그래피 공정을 수행하는 단계(S200), 나노홀(NH)을 형성하는 단계(S300), 제1 절연막을 증착하는 단계(S400), PR을 제거하는 단계(S500), 나노입자(NP)를 코팅하는 단계(S600), 제2 절연막을 증착하는 단계(S700), p-오믹 메탈을 노출하는 단계(S800), n-GaN을 노출하는 단계(S900), 및 메탈 패드(600)를 형성하는 단계(S1000)를 통해 제조될 수 있다.
일 실시예에서, 나노홀을 포함하는 발광소자의 제조 방법은 LED 및 오믹 메탈(500)을 형성하는 단계(S100)를 포함할 수 있다. LED는 제1 도전형 반도체층(200), 활성층(300), 및 제2 도전형 반도체층(400)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 발광소자의 제조 방법은 기판(100) 상에 제1 도전형 반도체층(200)을 형성하고, 제1 도전형 반도체층(200) 상에 활성층(300)을 형성하고, 활성층(300) 상에 제2 도전형 반도체층(400)을 형성할 수 있다.
기판(100)은 GaN와 같은 반도체를 적층(epitaxially) 성장시킬 수 있는 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 기판(100)은 사파이어, 실리콘 카바이드(SiC), 갈륨비소(GaAs), 질화갈륨(GaN), 실리콘(Si), 갈륨인(GaP), 인듐인(InP), 산화아연(ZnO), MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(200) 및 제2 도전형 반도체층(400)은 질화물 반도체로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 도전형 반도체층(200) 및 제2 도전형 반도체층(400)은 GaN, AlGaN, InGaN 등의 물질로 구성될 수 있다.
활성층(300)은 전자와 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출할 수 있다. 예를 들어, 활성층(300)은 양자장벽층과 양자우물층이 서로 교대로 배치된 다중 양자우물(MQW) 구조로 형성될 수 있다.
예를 들어, GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, InAlGaN 중 에너지 밴드 갭이 작은 물질이 양자우물층으로 구성되고, GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, InAlGaN 중 에너지 밴드 갭이 큰 물질이 양자장벽층으로 구성될 수 있다.
발광소자의 제조 방법은 제2 도전형 반도체층(400) 상에 오믹 메탈(500)을 더 형성할 수 있다. 오믹 메탈(500)은 제2 도전형 반도체층(400)에 전압을 인가하기 위한 전극일 수 있다. 예를 들어, 오믹 메탈(500)은 p-오믹 메탈일 수 있다.
일 실시예에서, 나노홀을 포함하는 발광소자의 제조 방법은 포토리소그래피 공정을 수행하는 단계(S200)를 포함할 수 있다.
포토리소그래피 공정에서는, 마스크 금속을 LED 구조 상부의 오믹 메탈(500) 상에 증착하고, 상기 마스크 금속을 선택적으로 패터닝할 수 있다.
예를 들어, 전자빔(electron-beam) 리소그래피, 집속이온빔(focused ion beam, FIB) 리소그래피, 나노 임프린트법(nano-imprint), SiO2 나노 파티클을 이용한 마스크 형성법, 자기 응집성 금속 마스크법(self-assembled metal mask) 등을 이용하여 상기 마스크 금속을 패터닝할 수 있다.
일 실시예에서, 나노홀을 포함하는 발광소자의 제조 방법은 나노홀(NH)을 형성하는 단계(S300)를 포함할 수 있다.
나노홀(NH)은 제1 도전형 반도체층(200), 활성층(300), 및 제2 도전형 반도체층(400)이 적층된 면에 대해서 수직 방향으로 형성될 수 있다. 나노홀(NH)은 수직 방향으로 상기 단위 LED 구조에 일정한 배열로 반복하여 형성될 수 있다.
나노홀(NH)을 형성하는 단계는 단위 LED 구조 및 오믹 메탈(500)의 선택적 제거를 위하여 나노 패터닝 기술을 이용한 선택적 에칭 공정을 사용할 수 있다. 예를 들어, 나노홀(NH) 형성 단계는 건식 에칭법(dry etching)을 이용하여 선택적 에칭을 수행할 수 있다.
구체적으로, 나노홀(NH)을 형성하는 단계는 반응성 이온 에칭법(reactive ion etching; RIE), 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 에칭(inductively coupled plasma reactive ion etching; ICP-RIE), 화학적 이온 빔 에칭(chemically assisted ion beam etching; CAIBE) 등을 이용하여 선택적 에칭을 수행할 수 있다.
예를 들어, 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 에칭(ICP-RIE)을 이용하는 경우에는 선택비(selectivity), 식각률(etch rate) 등의 공정 파라미터를 적절히 조절하여 단위 LED 구조 및 오믹 메탈(500)을 에칭할 수 있다.
나노홀(NH)은 상기 제2 도전형 반도체층(400) 및 상기 활성층(300)을 관통하는 깊이로 형성될 수 있다. 예를 들어, 나노홀(NH)은 상기 활성층(300)을 관통하고, 상기 제1 도전형 반도체층(200)의 일부까지 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 나노홀을 포함하는 발광소자의 제조 방법은 제1 절연막을 증착하는 단계(S400), 및 PR을 제거하는 단계(S500)를 포함할 수 있다.
나노홀(NH)은 상기 나노입자(NP) 및 상기 활성층(300) 사이에 배치되는 제1 절연막을 포함할 수 있다.
제1 절연막은 활성층(300)과 나노입자(NP) 사이에 적절한 거리를 형성하는 기능을 할 수 있다. 예를 들어, 제1 절연막은 1nm 내지 150nm 두께를 가질 수 있다.
제1 절연막은 SiO2, TiO2, ZrO2, 및 Al2O3 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1 절연막이 증착된 후, PR이 제거 공정이 수행될 수 있다. 예를 들어, PR은 아세톤과 이소프로필알콜(IPA)을 사용하여 제거될 수 있다. 다른 예를 들어, PR은 에칭 공정으로 제거될 수 있다.
일 실시예에서, 나노홀을 포함하는 발광소자의 제조 방법은 나노입자(NP)를 코팅하는 단계(S600)를 포함할 수 있다.
나노홀(NH)에는 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 나노입자(NP)가 코팅될 수 있다. 나노입자(NP)는 상기 제1 절연막을 경계로 상기 활성층(300)과 표면 플라즈몬 공명을 일으킬 수 있다.
나노입자(NP)는 표면 플라스몬 현상을 이용하기에 적합한 물질로서, 외부 자극에 의해 전자의 방출이 쉽고 음의 유전상수를 갖는 금속들로 구성될 수 있다.
예를 들어, 나노입자(NP)는 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu), 금(Au), 크롬(Cr), 로듐(Rh), 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 나노입자(NP)는 코어 구조를 가지는 코어(Core) 나노입자(NP)일 수 있다. 예를 들어, 나노입자(NP)는 코어-쉘(Core-shell) 구조를 가지는 코어-쉘 나노입자(NP)일 수 있다.
나노입자(NP)는 드롭 캐스팅(drop casting) 공정, 스핀 코팅(spin coating) 공정, 전기영동(electrophoresis) 공정, 및 디웨팅(dewetting) 공정 중 적어도 하나의 공정을 이용하여 나노홀(NH) 내부에 코팅될 수 있다.
이와 같이, 나노입자(NP)가 나노홀(NH)을 통해 활성층(300)과 근접한 거리에 코팅되는 경우, 발광소자에서 표면 플라즈몬 공명 효과가 극대화될 수 있다.
일 실시예에서, 나노홀을 포함하는 발광소자의 제조 방법은 제2 절연막을 증착하는 단계(S700)를 포함할 수 있다.
제2 절연막은 나노입자(NP)가 나노홀(NH) 내부에 반영구적으로 코팅될 수 있도록 나노입자(NP)를 보호하는 기능을 할 수 있다.
제2 절연막은 제1 절연막과 마찬가지로 SiO2, TiO2, ZrO2, 및 Al2O3 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 나노홀을 포함하는 발광소자의 제조 방법은 p-오믹 메탈을 노출하는 단계(S800), n-GaN을 노출하는 단계(S900), 및 메탈 패드(600)를 형성하는 단계(S1000)를 포함할 수 있다.
p-오믹 메탈을 노출하는 단계는 제2 도전형 반도체층(400) 상의 오믹 메탈(500)의 상층부에 형성된 상기 제2 절연막을 에싱(ashing) 및 에칭(etching)함으로써, p-오믹 메탈을 노출할 수 있다.
n-GaN을 노출하는 단계는 포토리소그래피 공정 및 건식 에칭 공정을 이용하여 제1 도전형 반도체층(200) 상층부에 형성된 상기 제2 절연막을 제거함으로써 n-GaN을 노출할 수 있다.
메탈 패드(600)를 형성하는 단계는 단위 LED 구조에 배선 등을 통해 전기를 인가할 수 있도록 p형 메탈 패드(610) 및 n형 메탈 패드(620)를 형성할 수 있다.
예를 들어, p형 메탈 패드(610)는 p-오믹 메탈과 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, n형 메탈 패드(620)는 제1 도전형 반도체층(200)과 전기적으로 연결될 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 나노홀을 포함하는 발광소자가 전면 발광하는 경우를 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 활성층(300)에서 출력된 광이 오믹 메탈(500)을 통과할 수 있다. 예를 들어, 오믹 메탈(500)은 투명 금속으로 구성될 수 있다. 따라서, 나노홀을 포함하는 발광소자는 전면 발광할 수 있다.
특히, 나노홀을 포함하는 발광소자는 전면 발광하는 경우에, 나노홀(NH)을 통해 나노입자(NP)가 활성층(300) 근처에 지속적으로 고정되어 있으므로, 내부 양자효율이 증가할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 나노홀을 포함하는 발광소자가 배면 발광하는 경우를 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 활성층(300)에서 출력된 광이 오믹 메탈(500)에서 반사될 수 있다. 예를 들어, 오믹 메탈(500)은 광을 반사시킬 수 있는 금속으로 구성될 수 있다. 따라서, 나노홀을 포함하는 발광소자는 배면 발광할 수 있다.
마찬가지로, 나노홀을 포함하는 발광소자는 배면 발광하는 경우에, 나노홀(NH)을 통해 나노입자(NP)가 활성층(300) 근처에 지속적으로 고정되어 있으므로, 내부 양자효율이 증가할 수 있다.
즉, 나노입자(NP)는 나노홀(NH)을 통해 활성층(300)과 근접한 거리에 반영구적으로 코팅되므로, 나노홀을 포함하는 발광소자에서 표면 플라즈몬 공명의 효과가 증가할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 나노홀을 포함하는 발광소자 및 나노홀을 포함하는 발광소자의 제조 방법에 의하면, 발광소자의 발광효율이 극대화될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
10: 발광소자 100: 기판
200: 제1 도전형 반도체층 300: 활성층
400: 제2 도전형 반도체층 500: 오믹 메탈
600: 메탈 패드 610: p형 메탈 패드
620: n형 메탈 패드 NH: 나노홀
NP: 나노입자
200: 제1 도전형 반도체층 300: 활성층
400: 제2 도전형 반도체층 500: 오믹 메탈
600: 메탈 패드 610: p형 메탈 패드
620: n형 메탈 패드 NH: 나노홀
NP: 나노입자
Claims (11)
- 제1 도전형 반도체층;
상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성된 활성층;
상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형 반도체층; 및
표면 플라즈몬 공명을 일으키는 나노입자가 코팅된 나노홀을 포함하고,
상기 나노홀은 상기 제2 도전형 반도체층 및 상기 활성층을 순차적으로 수직 관통하여 상기 제1 도전형 반도체층에 접하는 형태로 형성되며, 상기 나노입자 및 상기 활성층 사이에 나노홀(NH) 내부에서 1nm 내지 150nm의 두께로 형성되는 제1 절연막, 나노홀(NH) 내부에서 나노입자(NP)를 반영구적으로 코팅하는 제2 절연막을 더 포함하고,
상기 나노입자는 상기 제1 절연막을 경계로 상기 활성층과 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 것을 특징으로 하는,
나노홀을 포함하는 발광소자. - 제1항에 있어서,
상기 나노홀은,
상기 제2 도전형 반도체층 상에 오믹 메탈을 형성하는 공정, 상기 오믹 메탈, 상기 제2 도전형 반도체층, 및 상기 활성층을 수직으로 에칭함으로써 상기 활성층을 관통하는 깊이의 홀(hole)을 형성하는 공정, 및 상기 홀 내부에 상기 나노입자를 코팅하는 공정을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는,
나노홀을 포함하는 발광소자. - 제1항에 있어서,
상기 나노입자는,
드롭 캐스팅(drop casting) 공정, 스핀 코팅(spin coating) 공정, 전기영동(electrophoresis) 공정, 및 디웨팅(dewetting) 공정 중 적어도 하나의 공정을 이용하여 상기 나노홀에 코팅되는 것을 특징으로 하는,
나노홀을 포함하는 발광소자. - 제1항에 있어서,
상기 활성층은 620nm 내지 680nm 파장의 적색광을 방출하고,
상기 나노입자는 상기 적색광의 파장에 대한 표면 플라즈몬 공명을 일으키기 위한 제1 형상을 가지는 Au를 포함하는 것을 특징으로 하는,
나노홀을 포함하는 발광소자. - 제1항에 있어서,
상기 나노입자는,
코어 구조를 가지는 코어(Core) 나노입자, 및 코어-쉘(Core-shell) 구조를 가지는 코어-쉘 나노입자 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는,
나노홀을 포함하는 발광소자. - 제1항에 있어서,
상기 나노입자는,
팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu), 금(Au), 크롬(Cr), 로듐(Rh) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는,
나노홀을 포함하는 발광소자. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1 절연막 또는 상기 제2 절연막 중에서 적어도 하나의 절연막은 SiO2, TiO2, ZrO2, 및 Al2O3 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는,
나노홀을 포함하는 발광소자. - 제1항에 있어서,
상기 나노홀의 직경은 100nm 내지 5μm인 것을 특징으로 하는,
나노홀을 포함하는 발광소자. - 제1항에 있어서,
상기 나노홀의 중심간 간격은 100nm 내지 10μm인 것을 특징으로 하는,
나노홀을 포함하는 발광소자. - LED 및 오믹 메탈을 형성하는 단계;
포토리소그래피 공정을 수행하는 단계;
나노홀을 형성하는 단계;
SiO2, TiO2, ZrO2, 및 Al2O3 중 적어도 하나를 이용하여 제1 절연막을 증착하는 단계;
PR을 제거하는 단계;
나노입자를 코팅하는 단계;
SiO2, TiO2, ZrO2, 및 Al2O3 중 적어도 하나를 이용하여 제2 절연막을 증착하는 단계;
p-오믹 메탈을 노출하는 단계;
n-GaN을 노출하는 단계; 및
메탈 패드를 형성하는 단계를 포함하고,
상기 LED는 제1 도전형 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형 반도체층을 포함하고,
상기 나노홀은 상기 제2 도전형 반도체층 및 상기 활성층을 순차적으로 수직 관통하여 상기 제1 도전형 반도체층에 접하는 형태로 형성되며,
상기 나노입자 및 상기 활성층 사이에 나노홀(NH) 내부에서 상기 제1 절연막은 1nm 내지 150nm의 두께로 형성되고,
상기 나노입자는 상기 제1 절연막을 경계로 상기 활성층과 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 것을 특징으로 하는,
나노홀을 포함하는 발광소자의 제조 방법.
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