KR20030083136A - Nano device utilizing nano hole and method thereof - Google Patents

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KR20030083136A KR1020020021559A KR20020021559A KR20030083136A KR 20030083136 A KR20030083136 A KR 20030083136A KR 1020020021559 A KR1020020021559 A KR 1020020021559A KR 20020021559 A KR20020021559 A KR 20020021559A KR 20030083136 A KR20030083136 A KR 20030083136A
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    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/30Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals

Abstract

PURPOSE: A nano device using nano holes and a manufacturing method thereof are provided to improve the luminescence efficiency by uniformly distributing nano holes and adjusting the size and density of the nano holes. CONSTITUTION: A metal layer is deposited on an upper surface of a substrate(13). Nano holes(30), each of which has a nano size, are formed by oxidizing the metal layer through anodic oxidation method. A nano frame is formed with a metal oxide in which the nano holes(30) are distributed. An epi-structure of a nano device is formed by growing a material layer within an inner of each nano hole(30). A lower electrode(11) is formed on a lower of the substrate(13). An upper electrode(17) is formed on upper surfaces of the epi-structure and the nano frame.

Description

나노 호울을 이용한 나노소자 및 그 제조방법{Nano device utilizing nano hole and method thereof}Nano device utilizing nano hole and method for manufacturing the same

본 발명은 나노 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 나노 호울을 이용한 나노 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a nano device and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a nano device using a nano hole and a method for manufacturing the same.

최근 레이저 다이오드(LD; laser Diode), 포토다이오드(photo diode), 트랜지스터, 원적외선 검출기, 태양전지, 광변조기등에 나노 크기의 나노 소자를 개발하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 나노 크기의 나노 소자는 나노 크기에 따라 속박되는 전자의 개수가 달라지고 종래의 전자 소자에 비해 적은 수의 전자만으로도 구동이 가능하여 기존의 소자에 비해 우수한 특성을 나타낸다. 예를 들면, LD의 경우 나노크기를 이용할 경우 문턱전류가 낮아져 저전압 구동이 가능하며, 저전압으로도 고출력을 쉽게 유도할 수 있는 등의 우수한 효과를 나타낸다.Recently, researches are being actively conducted to develop nanoscale nano devices in laser diodes (LDs), photodiodes, transistors, far infrared detectors, solar cells, and optical modulators. The nano-sized nano-devices exhibit superior characteristics compared to the conventional devices because the number of bound electrons varies according to the nano-sizes, and only a few electrons can be driven compared to the conventional electronic devices. For example, in the case of LD, when the nano-size is used, the threshold current is lowered, so that the low voltage can be driven, and the low voltage can easily induce a high output.

이러한 나노크기가 가지는 우수한 효과를 이용하기 위해 1979년대양자우물(QW; Quantum Well) 구조를 LD의 활성층으로 사용하였다. 양자우물을 LD의 활성층으로 사용하면, 전하의 속박효과(confinement effect)와 양자 구조가 가지는 상태함수밀도(density of state)의 특성으로 인해 벌크 활성층에서 나타나는 문턱전류에 비해 현저히 낮은 문턱전류로 구동이 가능하며 양자우물구조의 두께를 적절히 조절하여 발광되는 광의 파장을 조절할 수 있는 장점이 있다.In order to take advantage of such an excellent effect of the nano-size quantum well (QW; 1979) structure was used as the active layer of the LD. When the quantum well is used as the active layer of the LD, it is driven by the threshold current significantly lower than the threshold current in the bulk active layer due to the charge confinement effect and the density of state of the quantum structure. It is possible to control the wavelength of the light emitted by appropriately adjusting the thickness of the quantum well structure.

이러한 양자우물구조의 LD의 장점은 양자점을 활성층에 형성하는 경우 극대화될 수 있다. 아라카와(Arakawa)와 사카키(Sakaki)는 양자점을 활성층으로 사용하면, LD의 임계전류, 온도의존성 및 고온동작특성이 크게 향상될 수 있음을 예견하였다. 이에 따라 양질의 균일한 양자점을 형성하기 위한 연구가 진행되어왔다.The advantage of the LD of the quantum well structure can be maximized when forming a quantum dot in the active layer. Arakawa and Sakaki predicted that the use of quantum dots as the active layer would greatly improve the critical current, temperature dependence and high temperature operating characteristics of LD. Accordingly, research has been conducted to form high quality uniform quantum dots.

초기의 양자점 형성은 전자선 사진전사(electron beam lithography)방식과 건식식각(dry etching)방식을 이용하였으나, 나노 크기의 입자가 가지는 큰 표면적으로 인한 표면 재결합 및 소자 제작 공정상 발생하는 표면 손상등의 문제로 인해 소자특성의 향상을 구현하는 것이 어려웠다. 이러한 문제를 해결하기 위해 자기조립(self-assembled) 현상을 이용한 양자점 형성기술과 표면재결합 문제를 해결할 수 있는 클래딩층의 형성기술을 개발하여 나노크기의 장점을 활용한 오늘날의 LD의 일반적인 구조를 개발하였다.In the early stages of quantum dot formation, electron beam lithography and dry etching were used, but problems such as surface recombination due to the large surface area of nano-sized particles and surface damage occurring in the device fabrication process Due to this, it is difficult to realize improvement of device characteristics. To solve this problem, we developed the quantum dot formation technology using self-assembled phenomenon and the cladding layer formation technology to solve the surface recombination problem. It was.

현재의 일반적인 양자점을 이용하는 나노 소자의 경우에는 이종의 격자상수를 가지는 격자부정합을 인공적으로 성장시키고 이 격자부정합에서 발생되는 응력에 의해 수 nm 크기의 양자점을 형성하는 방식을 주로 이용하고 있다.In the case of nano devices using current quantum dots, a method of artificially growing a lattice mismatch having heterogeneous lattice constants and forming a few nm size quantum dots by stress generated in the lattice mismatch is mainly used.

도 1a는 종래의 응력을 이용한 양자점이 형성된 LD를 나타낸 도면이다.FIG. 1A is a view illustrating LD in which a quantum dot using a conventional stress is formed.

도 1a를 참조하면, 종래의 LD에는 6H-SiC(0001)로 형성된 기판(1)과, 상기 기판(1)의 상면에 형성된 Al0.24GaN으로 형성된 버퍼층(3)과, 상기 버퍼층(3)의 상면에 Al0.12GaN으로 형성된 클래드층(5)과, 상기 클래드층(5)의 상면에 형성된 양자점을 가지며 InxGa1-xN으로 형성된 활성층(7)과, 상기 활성층(7)의 상면에 GaN으로 형성된 캡층(9)이 차례대로 적층되어 있다.Referring to FIG. 1A, a conventional LD includes a substrate 1 formed of 6H-SiC (0001), a buffer layer 3 formed of Al 0.24 GaN formed on an upper surface of the substrate 1, and the buffer layer 3. A cladding layer 5 formed of Al 0.12 GaN on the top surface, an active layer 7 formed of In x Ga 1-x N having a quantum dot formed on the cladding layer 5, and an upper surface of the active layer 7 The cap layer 9 formed of GaN is laminated one by one.

여기서, 양자점은 기판(1)과 기판의 상부에 적층될 클래드층(5)과의 격자 부정합에서 발생되는 응력에 의해 형성되지만, 응력은 다시 결정구조의 불안정성을 유발하므로 이를 보상하기 위해 종래기술에서는 기판(1)과 클래드층(5)의 사이에 버퍼층(3)을 개재시키고 있다. 하지만, 평탄한 박막 구조의 버퍼층(3)은 격자 부정합을 보상하는데 한계가 있으며 격자부정합에서 비롯된 응력은 격자 결함을 유발시키므로 반도체 소자의 성능을 떨어뜨린다.Here, the quantum dot is formed by the stress generated in the lattice mismatch between the substrate 1 and the cladding layer 5 to be stacked on top of the substrate, but the stress induces instability of the crystal structure again, so in the prior art The buffer layer 3 is interposed between the substrate 1 and the cladding layer 5. However, the buffer layer 3 of the flat thin film structure has a limitation in compensating the lattice mismatch, and the stress caused by the lattice mismatch causes lattice defects, thereby degrading the performance of the semiconductor device.

도 1b는 도 1a에 도시된 LD 구조에서 GaN 캡층(9)이 없는 상태의 In0.38Ga0.62N의 활성층(7)에 형성된 양자점을 보이는 SEM사진이다. 도시된 바와 같이, 응력을 이용한 종래의 LD의 구조에서는 양자점이 불균일하게 형성되어 있음을 볼 수 있다.FIG. 1B is a SEM photograph showing quantum dots formed on the active layer 7 of In 0.38 Ga 0.62 N without the GaN cap layer 9 in the LD structure shown in FIG. 1A. As shown, it can be seen that in the structure of the conventional LD using stress, the quantum dots are formed unevenly.

또 다른 예로 도 1c는 InAs로 이루어진 활성층에 형성된 양자점을 보이는 SEM사진으로 형성된 양자점의 밀도, 크기 및 간격이 불균일하게 나타나고 있는 것을 볼 수 있다.As another example, FIG. 1C shows that the density, size, and spacing of quantum dots formed by SEM photographs showing quantum dots formed on an active layer made of InAs are non-uniform.

이러한 종래의 응력을 이용한 양자점의 형성방법은 양자점의 밀도, 크기, 간격의 제어가 용이하지 아니하여, 재현성이 좋지 않아 나노 소자의 대량생산이 어렵다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 종래의 나노 소자 제조방법에서는, 일정한 응력을 발생하도록 하는 물질을 선택하여야 하고 이는 물질 선택에 한계를 부가하여 다양한 물질로 나노 소자를 제조할 수 없는 또 다른 단점을 유발하게 된다.The conventional method of forming a quantum dot using stress is not easy to control the density, size, and spacing of the quantum dot, and it is difficult to mass-produce nano devices due to poor reproducibility. In order to solve this problem, in the conventional method of manufacturing a nano device, a material to generate a constant stress must be selected, which adds a limitation to the selection of materials, causing another disadvantage that the nano device cannot be manufactured from various materials. .

또한, 이렇게 형성된 종래의 나노 소자에서는, 나노 소자 내부에 잠재되어 있는 잔류응력이 나노 소자의 구동에 따라 발생하는 열로 인해 결정구조에 결함을 일으켜 나노 소자의 신뢰성을 떨어뜨리는 단점이 있다.In addition, in the conventional nano-device thus formed, there is a disadvantage in that the residual stress latent inside the nano-device causes defects in the crystal structure due to heat generated by driving the nano-device, thereby degrading the reliability of the nano-device.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 고안된 것으로, 응력을 이용하지 않고 양자점을 형성할 수 있으며, 그 크기, 밀도, 간격등을 용이하게 제어할 수 있고 저가로 대량생산할 수 있는 나노소자 제조방법과 이 제조방법을 이용한 신뢰성 있는 나노소자를 제공하는 것이다.The present invention is designed to solve the above-mentioned problems of the prior art, it is possible to form a quantum dot without using a stress, it is possible to easily control the size, density, spacing, etc. nano devices that can be mass-produced at low cost It is to provide a manufacturing method and a reliable nano device using the manufacturing method.

도 1a는 종래의 반도체 레이저 다이오드를 간략히 나타낸 사시도,Figure 1a is a perspective view briefly showing a conventional semiconductor laser diode,

도 1b 및 도 1c는 종래의 반도체 레이저 다이오드의 양자점을 나타낸 SEM사진,1B and 1C are SEM images showing quantum dots of a conventional semiconductor laser diode,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 나노소자로서 반도체 레이저 다이오드를 나타낸 사시도,2 is a perspective view showing a semiconductor laser diode as a nano device according to an embodiment of the present invention,

도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일실시예에 따른 나노소자로서 반도체 레이저 다이오드를 나타낸 단면도,3A to 3C are cross-sectional views illustrating a semiconductor laser diode as a nano device according to an embodiment of the present invention;

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 나노소자로서 LED를 나타낸 단면도,4 is a cross-sectional view showing an LED as a nano device according to an embodiment of the present invention,

도 5a 내지 도 5h는 본 발명의 실시예에 따른 나노소자 제조방법을 나타낸 공정도,5a to 5h is a process chart showing a method of manufacturing a nano device according to an embodiment of the present invention,

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 나노소자 제조방법에서 전해연마의 전후를 나타낸 SEM사진,6A and 6B are SEM photographs showing before and after electrolytic polishing in a method of manufacturing nanodevices according to an embodiment of the present invention;

도 7a 및 도 7b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 나노소자 제조방법에 따라 제조된 나노소자를 나타낸 평면도 및 단면도의 SEM 사진.7A and 7B are SEM photographs of a plan view and a cross-sectional view of a nanodevice manufactured according to a nanodevice manufacturing method according to an embodiment of the present invention, respectively.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명><Code Description of Main Parts of Drawing>

10 ; 하부 거울면 반사층 11, 21 ; 하부 전극10; Lower mirror reflecting layers 11, 21; Bottom electrode

12 ; 하부 클래드층 13 ; 기판12; Lower clad layer 13; Board

14 ; 활성층 15, 25 ; 금속 산화물층14; Active layers 15 and 25; Metal oxide layer

16 ; 상부 클래드층 17, 27 ; 상부 전극16; Upper clad layers 17, 27; Upper electrode

18 ; 상부 거울면 반사층 19 ; 에피구조18; Upper mirror reflecting layer 19; Epistructure

20 ; 버퍼층 22 ; p형(n형)층20; Buffer layer 22; p-type (n-type) layer

24 ; n형(p형)층 30 ; 나노 호울24; n-type (p-type) layer 30; Nano hole

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은, 기판의 상면에 소정 금속층을 증착한 다음, 양극산화법을 실행하여 상기 금속층을 산화시킴으로써 나노 크기의 나노 호울을 형성하고, 상기 나노 호울이 분포되는 금속 산화물로 나노틀을 형성하는 나노틀 형성단계;와 상기 나노 호울의 내부에 소정 물질층을 성장시켜 나노 소자의 에피구조를 형성하는 에피구조 형성단계; 및 상기 기판의 하부에 하부 전극과, 상기 에피구조 및 상기 나노틀의 상부에 상부 전극을 형성하는 전극 형성단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노소자 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention, by depositing a predetermined metal layer on the upper surface of the substrate, and then anodizing to oxidize the metal layer to form a nano-scale nano hole, the nano hole is a metal oxide is distributed Forming a nano-frame; and forming an epi-structure of the nano-device by growing a predetermined material layer inside the nano-hole; And an electrode forming step of forming an upper electrode on the lower electrode and the epi structure and the nano-frame on the lower portion of the substrate.

상기 나노틀 형성단계는,The nano-frame forming step,

상기 기판의 상면에 소정 금속층을 증착하는 금속층 증착단계;A metal layer deposition step of depositing a predetermined metal layer on an upper surface of the substrate;

상기 양극산화법을 실시하여 상기 금속층을 산화시켜 나노 크기의 상기 나노 호울을 형성하는 나노 호울 형성단계; 및A nano hole forming step of performing the anodization to oxidize the metal layer to form the nano hole of a nano size; And

상기 나노 호울이 분포되는 나노틀의 바닥면과 상기 기판의 표면 사이에 반응 부산물로 형성되는 장벽층을 산용액을 이용해 제거하는 장벽층 제거단계;를 포함한다.And a barrier layer removing step of removing, using an acid solution, a barrier layer formed of a reaction by-product between the bottom surface of the nano-frame in which the nano-holes are distributed and the surface of the substrate.

상기 금속층 증착단계에서, 상기 기판의 상면에 상기 금속층을 증착한 다음, 전해제에 처리하여 표면조도를 조절하는 것이 바람직하다.In the metal layer deposition step, the metal layer is deposited on the upper surface of the substrate, and then treated with an electrolyte to adjust the surface roughness.

상기 나노호울 형성단계는,The nanohole forming step,

상기 금속층을 산화시켜 소정 깊이로 나노 호울을 형성하는 제1양극산화법 실시단계;Performing a first anodization process to oxidize the metal layer to form nanoholes with a predetermined depth;

상기 나노 호울을 이루는 상기 금속층의 산화물을 식각하여 제거하는 산화물 식각단계;및An oxide etching step of etching and removing oxide of the metal layer forming the nano hole; and

상기 금속층을 다시 산화시켜 상기 나노 호울의 깊이를 상기 기판의 표면까지 연장시키는 제2양극산화법 실시단계;를 포함한다.And oxidizing the metal layer again to extend the depth of the nanohole to the surface of the substrate.

상기 전극 형성단계 다음에,After the electrode forming step,

상기 나노틀과 반응하는 소정의 산 용액 또는 알칼리 용액을 이용하여 상기 나노틀을 제거하는 나노틀 제거단계를 더 포함할 수 있다.The nano-frame removing step of removing the nano-frame using a predetermined acid solution or an alkali solution reacting with the nano-frame may further include.

상기 나노틀 제거단계 다음에,After the nanoframe removal step,

상기 나노틀의 빈공간을 소정 물질로 채우는 나노틀 대치단계를 더 포함할수 있다.The nano-frame replacement step of filling the empty space of the nano-frame with a predetermined material may be further included.

여기서, 상기 에피구조를 하부 거울면 반사층, 하부 클래드층, 활성층, 상부 클래드층 및 상부 거울면 반사층으로 이루어지는 LD의 에피구조로 형성할 수 있다.Here, the epi structure may be formed of an LD epi structure composed of a lower mirror surface reflective layer, a lower clad layer, an active layer, an upper clad layer, and an upper mirror surface reflective layer.

상기 에피구조를 하부 클래드층, 활성층 및, 상부 클래드층으로 이루어지는 LD의 에피구조로 형성하는 경우, 상기 에피구조 형성단계와 상기 전극 형성단계 사이에,When the epi structure is formed of an epi structure of LD consisting of a lower clad layer, an active layer, and an upper clad layer, between the epi structure forming step and the electrode forming step,

상기 기판과 상기 하부 클래드층 사이에 하부 거울면 반사층을 형성하고, 상기 상부 클래드층과 상기 상부 전극 사이에 상부 거울면 반사층을 형성하는 거울면 반사층 형성단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.The method may further include forming a lower mirror reflecting layer between the substrate and the lower cladding layer, and forming an upper mirror reflecting layer between the upper cladding layer and the upper electrode.

상기 에피구조를 활성층으로 형성하는 경우, 상기 에피구조 형성단계와 상기 전극 형성단계 사이에,When the epi structure is formed of an active layer, between the epi structure forming step and the electrode forming step,

상기 기판과 상기 활성층 사이에 순서대로 하부 거울면 반사층과 하부 클래드층을 형성하고, 상기 활성층과 상기 상부 전극 사이에 순서대로 상부 클래드층과 상부 거울면 반사층을 형성하는 거울면 반사층 형성단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.And forming a lower mirror surface reflecting layer and a lower cladding layer in order between the substrate and the active layer, and forming an upper cladding layer and an upper mirror reflecting layer in order between the active layer and the upper electrode. It is desirable to.

상기 기판이 n형 반도체 기판인 경우, 상기 에피구조를 n형 반도체층 및 p형 반도체층이 순서대로 적층된 LED 에피구조로 형성하거나,When the substrate is an n-type semiconductor substrate, the epi structure is formed of an LED epi structure in which the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer are stacked in order,

상기 기판이 p형 반도체 기판인 경우, 상기 에피구조를 p형 반도체층 및 n형 반도체층이 순서대로 적층된 LED 에피구조로 형성할 수 있다.When the substrate is a p-type semiconductor substrate, the epi structure may be formed as an LED epi structure in which a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer are sequentially stacked.

바람직하게는, 상기 금속층은 알루미늄, 탄탈륨, 지르코늄 및 하프늄 중 어느 하나일 수 있다.Preferably, the metal layer may be any one of aluminum, tantalum, zirconium, and hafnium.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 또한, 기판;과 상기 기판의 상면에 위치하며, 나노 크기의 나노 호울이 분포되는 금속 산화물로 이루어지는 나노틀;과 상기 나노 호울의 내부에 소정 물질층이 배열되는 소정 에피구조;과 상기 기판의 저면에 위치하는 하부 전극; 및 상기 에피구조와 상기 나노틀의 상부에 위치하는 상부 전극;을 구비하는 것을 특징으로 하는 나노소자를 제공한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention also provides a substrate; and a nano-frame made of a metal oxide in which a nano-scale nano hole is disposed on the upper surface of the substrate; and a predetermined material layer is arranged inside the nano hole. A predetermined epitaxial structure; and a lower electrode disposed on a bottom surface of the substrate; And an upper electrode positioned on the epi structure and the nano-frame.

여기서, 상기 금속 산화물은 알루미늄 옥사이드, 탄탈륨 옥사이드, 지르코늄 옥사이드 및 하프늄의 옥사이드 중 어느 하나일 수 있다.Here, the metal oxide may be any one of an oxide of aluminum oxide, tantalum oxide, zirconium oxide, and hafnium.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 또한, 기판;과 상기 기판의 상면에 분포되는 나노 호울의 내부에 형성되는 소정 물질층이 적층된 에피구조;와 상기 기판의 저면에 위치하는 하부 전극; 및 상기 에피구조의 상부에 위치하는 상부 전극;을 구비하는 것을 특징으로 하는 나노소자를 제공한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention also provides an epitaxial structure in which a predetermined layer of material is formed in a substrate and a nanohole distributed on an upper surface of the substrate; and a lower electrode disposed on a bottom surface of the substrate; And an upper electrode positioned on an upper portion of the epi structure.

여기서, 상기 에피구조는 하부 거울면 반사층, 하부 클래드층, 활성층, 상부 클래드층 및, 상부 거울면 반사층으로 이루어지는 LED의 에피구조일 수 있다.Here, the epi structure may be an epi structure of the LED consisting of a lower mirror surface reflective layer, a lower clad layer, an active layer, an upper clad layer, and an upper mirror surface reflective layer.

상기 에피구조가 하부 클래드층, 활성층 및 상부 클래드층으로 이루어지는 LD의 에피구조인 경우, 상기 기판과 상기 에피구조의 사이에 하부 거울면 반사층이 배열되고, 상기 에피구조와 상기 상부 전극 사이에 상부 거울면 반사층이 배열되는 것이 바람직하다.When the epi structure is an epi structure of LD composed of a lower clad layer, an active layer and an upper clad layer, a lower mirror surface reflecting layer is arranged between the substrate and the epi structure, and an upper mirror between the epi structure and the upper electrode. It is preferable that the surface reflecting layer is arranged.

상기 에피구조가 LD의 활성층인 경우, 상기 기판과 상기 에피구조의 사이에 순서대로 하부 거울면 반사층과 하부 클래드층이 순서대로 배열되고, 상기 에피구조와 상기 상부 전극 사이에는 상부 클래드층과 상부 거울면 반사층이 순서대로 배열되는 것이 바람직하다.When the epi structure is an active layer of LD, a lower mirror surface reflecting layer and a lower clad layer are sequentially arranged between the substrate and the epi structure, and an upper clad layer and an upper mirror are disposed between the epi structure and the upper electrode. It is preferable that the surface reflecting layers are arranged in order.

상기 기판이 n형 반도체 기판인 경우, 상기 에피구조는 n형 반도체층 및 p형 반도체층이 순서대로 적층되는 LED의 에피구조이거나,When the substrate is an n-type semiconductor substrate, the epi structure is an epi structure of an LED in which the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer are laminated in order,

상기 기판이 p형 반도체 기판인 경우, 상기 에피구조는 p형 반도체층 및 n형 반도체층이 순서대로 적층되는 LED의 에피구조일 수 있다.When the substrate is a p-type semiconductor substrate, the epi structure may be an epi structure of an LED in which a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer are sequentially stacked.

상기 기판과 상기 에피구조 사이에는 버퍼층이 더 구비되는 것이 바람직하다.Preferably, a buffer layer is further provided between the substrate and the epi structure.

본 발명은 다양한 전자 소자 혹은 광전 소자를 제작하기 위해 필요한 기판(Si, GaAs, InP)위에 양극 알루미늄 옥사이드(AAO; Anodic Aluminum Oxide)와 같은 나노미터 크기의 호울이 있는 나노틀을 형성하고 소자의 에피구조를 선택적 성장법을 이용하여 나노 호울 내부에서 성장시킨 다음, 금속접합을 하여 나노크기의 소자를 제작하는 방법과 나노크기의 소자 구조에 관한 것이다. 본 발명은 나노 호울의 크기, 밀도, 간격등의 제어가 용이하며 재현성이 양호하여 나노소자를 저가로 대량생산할 수 있는 잇점이 있다.The present invention forms nanometer-scale hollow nano-frames such as Anodic Aluminum Oxide (AAO) on substrates (Si, GaAs, InP) required to fabricate various electronic devices or photovoltaic devices. The present invention relates to a method for fabricating a nanoscale device by growing a structure inside a nanohole by using a selective growth method, followed by metal bonding, and a nanoscale device structure. The present invention has the advantage that it is easy to control the size, density, spacing, etc. of nano-holes and has good reproducibility to mass-produce nanodevices at low cost.

이하 본 발명의 실시예에 따른 나노소자 및 그 제조방법을 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 여기서, 각 도면에 도시된 에피구조를 이루는 각 물질층의 두께와 폭은 설명을 위해 과장되게 도시되어 있으며, 본 발명을 설명하는 모든 도면에서 나노호울과 나노틀의 참조부호는 도 5f에 도시된 참조부호와 동일하게 사용하고 있음에 유의해야 한다.Hereinafter, a nano device and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Here, the thickness and width of each material layer constituting the epi structure shown in each drawing is exaggerated for the purpose of explanation, in all drawings illustrating the present invention reference numerals of the nanohole and the nano-frame is shown in Figure 5f Note that it is used the same as the reference numeral.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 소자를 나타낸 사시도이다.2 is a perspective view showing a nano device according to an embodiment of the present invention.

예를 들어 도면에 도시된 나노소자가 LD인 경우, 참조부호 11은 하부 전극, 13은 기판, 20은 버퍼층, 10은 하부 거울면 반사층, 12는 하부 클래드층, 14는 활성층, 15는 금속산화물층, 16은 상부 클래드층, 18은 상부 거울면 반사층, 17은 상부 전극, 30은 나노 호울을 나타낸다.For example, when the nanodevice shown in the drawing is LD, reference numeral 11 is a lower electrode, 13 is a substrate, 20 is a buffer layer, 10 is a lower mirror reflecting layer, 12 is a bottom clad layer, 14 is an active layer, and 15 is a metal oxide. Layer, 16 is an upper clad layer, 18 is an upper mirror reflecting layer, 17 is an upper electrode, and 30 is a nanohole.

도면을 참조하면, 하부전극(11), 기판(13), 버퍼층(20)이 순서대로 적층되어 있으며, 버퍼층(20)의 상면에 나노 호울(30)이 규칙적으로 분포되어 있는 금속 산화물층(15)이 기둥 모양으로 배열되어 나노틀을 이루고 있고, 나노 호울(30)의 내부에는 레이저 다이오드의 에피구조가 순서대로 적층되어 있다.Referring to the drawings, the lower electrode 11, the substrate 13, and the buffer layer 20 are stacked in this order, and the metal oxide layer 15 in which the nano holes 30 are regularly distributed on the upper surface of the buffer layer 20. ) Is arranged in a columnar shape to form a nanoframe, and the epi structure of the laser diode is stacked in order in the nanohole 30.

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 LD의 구조를 나타내는 나노 소자의 단면도이다.3A is a cross-sectional view of a nano device showing a structure of an LD according to an embodiment of the present invention.

도 3a를 참조하면, 도 2에 도시된 LD와 달리, 하부 거울면 반사층(10)과 상부 거울면 반사층(18)이 나노 호울(30)의 외부에 형성되어 있다.Referring to FIG. 3A, unlike the LD shown in FIG. 2, the lower mirror surface reflecting layer 10 and the upper mirror surface reflecting layer 18 are formed outside the nanohole 30.

즉, LD의 가장 기본적인 구조로서 활성층(14)을 둘러싸는 상부 및 하부 클래드층(12, 16)의 에피구조가 나노 호울(30)의 내부에 형성되어 있으며, 상부 클래드층(16)과 상부 전극(17)의 사이에 상부 거울면 반사층(18)과, 하부 클래드층(12)과 기판(13)의 사이에 하부 거울면 반사층(10)이 배열되어 있다. 기판(13)의 저면에는 하부전극(11)이, 상부 거울면 반사층(18)의 상면에는 상부 전극(17)이 각각 위치하고 있다.That is, as the most basic structure of LD, epi structures of the upper and lower clad layers 12 and 16 surrounding the active layer 14 are formed in the nanohole 30, and the upper clad layer 16 and the upper electrode are formed. The lower mirror surface reflecting layer 18 is arranged between the upper mirror surface reflecting layer 18 and the lower cladding layer 12 and the substrate 13. The lower electrode 11 is positioned on the bottom surface of the substrate 13, and the upper electrode 17 is positioned on the upper surface of the upper mirror surface reflection layer 18, respectively.

도 2와 달리, 도 3a에서는 나노 호울(30)이 정렬되어 있는 금속산화물층(15)으로 이루어진 나노틀이 제거되어 있다. 도 3a에서 금속산화물층(15)이 있던 공간(15c)은 나노 소자의 기능에 따라 다른 물질(예를 들어, PMMA 또는 polymide)로 채워질 수 있다.Unlike FIG. 2, in FIG. 3A, the nano-frame consisting of the metal oxide layer 15 in which the nano-holes 30 are aligned is removed. In FIG. 3A, the space 15c in which the metal oxide layer 15 was located may be filled with another material (eg, PMMA or polymide) according to the function of the nano device.

도 3a에 도시된 구조는, 도 2의 구조에서, 10은 하부 거울면 반사층이 아닌 제2하부 클래드층으로, 18은 상부 거울면 반사층이 아닌 제2상부 클래드층이 될 수도 있다. 즉, 활성층(12)과, 상부 및 하부 클래드층(12, 16)을 제외한 층(10, 12, 18)은 원하는 LD의 에피구조에 따라 그 기능이 달라질 수 있다.In the structure shown in FIG. 3A, in the structure of FIG. 2, 10 may be a second lower clad layer, not a lower mirror reflecting layer, and 18 may be a second upper clad layer, not an upper mirror reflecting layer. That is, the functions of the active layer 12 and the layers 10, 12 and 18 except for the upper and lower clad layers 12 and 16 may vary depending on the epitaxial structure of the desired LD.

도 3b는 도 3a에 도시된 LD와 달리, 상부 클래드층(16)을 나노 호울(30)의 내부가 아닌 에피 구조의 상면에 성장시킨 본 발명의 일 실시예에 따른 LD를 나타낸 단면도이다.3B is a cross-sectional view illustrating an LD according to an embodiment of the present invention in which the upper clad layer 16 is grown on the upper surface of the epi structure instead of the inside of the nano hole 30, unlike the LD shown in FIG. 3A.

도 3b를 참조하면, 하부전극(11)의 상면에 위치하는 기판(13), 기판(13)의 상면에 나노 호울(30)이 규칙적으로 분포하는 금속 산화물층(15)이 위치하고 있으며, 나노 호울(30)의 내부에는 하부 클래드층(12)과 활성층(14)이 순서대로 증착되어 있으며, 금속 산화물층(15)과 활성층(14)의 상면에 상부 클래드층(16)이 적층되어 있다.Referring to FIG. 3B, the substrate 13 positioned on the upper surface of the lower electrode 11 and the metal oxide layer 15 in which the nano holes 30 are regularly distributed are disposed on the upper surface of the substrate 13, and the nano holes The lower clad layer 12 and the active layer 14 are deposited in order in the inside of the 30, and the upper clad layer 16 is stacked on the upper surfaces of the metal oxide layer 15 and the active layer 14.

하부 클래드층(12)과 기판(13)의 사이, 상부 클래드층(16)과 상부 전극(17) 사이에는 하부 거울면 반사층(10)과 상부 거울면 반사층(18)이 각각 배열되어 있다. 상부 거울면 반사층(18)의 상면에는 상부 전극(17)이 위치한다.The lower mirror surface reflecting layer 10 and the upper mirror surface reflecting layer 18 are arranged between the lower cladding layer 12 and the substrate 13 and between the upper cladding layer 16 and the upper electrode 17. The upper electrode 17 is positioned on the upper surface of the upper mirror surface reflecting layer 18.

도 3c는 도 3a 및 도 3b에 도시된 LD와 달리, 나노 소자의 활성층(14)만이 나노 호울(30)의 내부에 위치하는 LD의 단면도이다.3C is a cross-sectional view of an LD in which only the active layer 14 of the nano device is positioned inside the nano hole 30, unlike the LD shown in FIGS. 3A and 3B.

도면을 참조하면, 하부전극(11)의 상면에 위치하는 기판(13), 기판(13)의 상면에는 하부 거울면 반사층(10) 및, 클래드층(12)이 순서대로 적층되어 있으며, 그 상부에 나노 호울(30)이 주기적인 간격으로 정렬되어 있는 금속 산화물층(15)이 위치하고 있고, 나노 호울(30)의 내부에 증착되는 활성층(14)이 금속 산화물층(15)과 교번하여 차례로 정렬되어 있으며, 활성층(14)과 금속 산화물층(15)의 상면에 형성되어진 상부 클래드층(16) 및 그 상면의 상부 거울면 반사층(18), 그 상면의 상부 전극(17)이 순서대로 배열되어 있다.Referring to the drawings, the substrate 13 positioned on the upper surface of the lower electrode 11, the lower mirror surface reflecting layer 10 and the cladding layer 12 are sequentially stacked on the upper surface of the substrate 13. The metal oxide layer 15 in which the nano-holes 30 are arranged at periodic intervals is positioned, and the active layer 14 deposited inside the nano-hole 30 is alternately aligned with the metal oxide layer 15 in order. The upper cladding layer 16 formed on the upper surface of the active layer 14 and the metal oxide layer 15, the upper mirror surface reflecting layer 18 on the upper surface thereof, and the upper electrode 17 on the upper surface thereof are arranged in this order. have.

이하 도 2 내지 도 3c에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 나노소자의 일예로서 제시된 LD의 각 층을 형성하는 물질에 대해 설명한다.Hereinafter, a material for forming each layer of LD shown as an example of a nanodevice according to an embodiment of the present invention shown in FIGS. 2 to 3C will be described.

나노 호울(30)이 형성되어 있는 금속 산화물(15)로 이루어지는 나노틀(32)은 알루미늄과 같은 금속이 양극산화법에 의해 산화되어 형성되는 알루미나(Al2O3)와 같은 금속 산화물로 이루어진다. 금속으로는 알루미늄 이외에 탄탈리윰(Ta), 하프니움(Hf) 또는 지르코늄(Zr)등이 이용될 수 있다.The nano frame 32 made of the metal oxide 15 having the nano hole 30 formed of a metal oxide such as alumina (Al 2 O 3 ) formed by oxidizing a metal such as aluminum by anodization. In addition to aluminum, tantalum (Ta), hafnium (Hf), or zirconium (Zr) may be used as the metal.

기판(13)으로는 GaAs, InP 등의 n형 화합물 반도체 기판이 사용될 수 있으며, 그 상면의 하부 거울면 반사층(10)으로는 AlGaAs, InGaAsP 및 InGaAlAs 계열의 n형 다층 박막이 이용될 수 있으며, 상부 거울면 반사층(18)으로는 AlGaAs, InGaAsP 및 InGaAlAs 계열의 p형 다층 박막이 이용될 수 있다. 하부 클래드층(12)으로는 AlGaAs 등의 n형 화합물이 사용되거나, 상부 클래드층(16)으로는 AlGaAs 등의 P형 화합물이 이용될 수 있다.An n-type compound semiconductor substrate such as GaAs or InP may be used as the substrate 13, and an n-type multilayer thin film of AlGaAs, InGaAsP and InGaAlAs series may be used as the lower mirror reflecting layer 10 on the upper surface thereof. As the upper mirror reflecting layer 18, AlGaAs, InGaAsP, and InGaAlAs series p-type multilayer thin films may be used. An n-type compound such as AlGaAs may be used as the lower clad layer 12, or a P-type compound such as AlGaAs may be used as the upper clad layer 16.

활성층(14)으로는 AlGaAs, InGaAsP 및 InGaAlAs 계열의 다중양자우물(MQW;Multi Quantum Well) 활성층이 이용될 수 있다. MQW활성층은 양자효과로 인한 결정의 밴드구조의 변화에 의해 반도체 레이저의 한계치 특성의 개선을 꾀하는 목적으로 사용되는 것으로, 반도체 레이저에 주입된 전류가 특정한 에너지의 광으로 효율적으로 변환되는 점을 이용한 것이다. MQW 활성층은 벌크 활성층에 비해 발진 한계치를 낮게 할 수 있으므로 최근에 반도체 레이저 다이오드에서 많이 이용되고 있다.As the active layer 14, an AlGaAs, InGaAsP, or InGaAlAs-based multi quantum well (MQW) active layer may be used. The MQW active layer is used for the purpose of improving the threshold characteristics of semiconductor lasers by the change of the band structure of the crystal due to quantum effects, and utilizes the fact that the current injected into the semiconductor laser is efficiently converted into light of specific energy. . The MQW active layer has been recently used in semiconductor laser diodes because it can lower the oscillation limit compared to the bulk active layer.

예를 들어, 도 2에서, 도시된 나노소자가 메사리지형 반도체 레이저 다이오드인 경우, 하부전극(11)의 상면에 기판(13)이 적층된 다음, 버퍼층(20)이 적층되거나 적층되지 않을 수 있으며, 그 상면에 하부 클래드층(10, 12)이 형성되고, 하부 클래드층(10, 12)의 상면에 활성층(14), 상부 클래드층(16)이 적층되고, 그 상면에 레이저광이 집중하도록 레이저광의 가로방향 차폐를 하는 광차폐구조(18)가 형성된 다음 그 상부에 콘택트층이 증착된 후 마지막으로 상부 전극(17)이 형성되는 구조를 이룰 수 있다.For example, in FIG. 2, when the illustrated nanodevice is a mass-type semiconductor laser diode, the substrate 13 may be stacked on the upper surface of the lower electrode 11, and the buffer layer 20 may or may not be stacked. Lower cladding layers 10 and 12 are formed on an upper surface thereof, an active layer 14 and an upper cladding layer 16 are stacked on an upper surface of lower cladding layers 10 and 12, and laser light is concentrated on the upper surface thereof. The light shielding structure 18 may be formed so as to horizontally shield the laser light, and then, after the contact layer is deposited thereon, the upper electrode 17 may be finally formed.

LD의 구조에서는 하부 전극(11)과 상부 전극(17)으로부터 주입된 전자와 정공이 캐리어로서 활성층(14)으로 주입되고 레이저광을 방출시키게 된다.In the structure of LD, electrons and holes injected from the lower electrode 11 and the upper electrode 17 are injected into the active layer 14 as a carrier and emit laser light.

본 발명의 실시예에 따른 LD에서는, 나노 호울(30)의 내부에 위치하는 활성층(14)의 에너지 장벽에 비해 금속 산화물층(15)의 에너지 장벽이 월등이 높으므로 캐리어들의 횡방향 확산이 저지되어 캐리어들은 활성층(14)에 집중되게 되어 매우 높은 광자효율과 발광효율을 나타내게 되고 문턱전류를 현저히 낮출 수 있다.In the LD according to the embodiment of the present invention, since the energy barrier of the metal oxide layer 15 is higher than that of the active layer 14 positioned inside the nanohole 30, the lateral diffusion of carriers is prevented. As a result, the carriers are concentrated in the active layer 14, which results in very high photon efficiency and luminous efficiency and significantly lowers the threshold current.

특히 본 발명의 실시예에 따른 나노틀을 이용하는 LD는, 나노 호울(30)을 규칙적으로 분포시킬 수 있으며 크기와 밀도를 제어하기가 용이하여 대량생산이 용이하고 소자의 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.In particular, the LD using the nano-frame according to the embodiment of the present invention, the nano-hole 30 can be distributed regularly and easy to control the size and density, mass production is easy and the advantage of improving the performance of the device There is this.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 나노 소자가 LED(Light Emitting Diode)인 경우를 나타낸 도면이다.4 is a diagram illustrating a case in which a nano device according to an embodiment of the present invention is a light emitting diode (LED).

도 4를 참조하면, 참조부호 25는 나노호울(26)이 형성된 금속 산화물층이며, 21은 하부 전극, 23은 n형(p형) 반도체 기판, 22는 n형(p형) 반도체층, 24는 p형(n형) 반도체층을 나타내며, 나노 호울(26) 내부에 순서대로 적층되어 LED의 에피구조를 형성한다.Referring to FIG. 4, reference numeral 25 is a metal oxide layer having a nanohole 26 formed therein, 21 is a lower electrode, 23 is an n-type (p-type) semiconductor substrate, 22 is an n-type (p-type) semiconductor layer, 24 Represents a p-type (n-type) semiconductor layer, and is stacked in order inside the nano-hole 26 to form an epi structure of the LED.

본 발명의 실시예에 따른 LED도 상술한 LD와 유사하게, 나노 호울(30)의 나노크기에서 비롯되는 특성으로 인해 문턱전류가 낮아지며 광자효율과 발광효율이 높아지는 장점이 있다. 또한 나노 호울(30)의 간격 및 밀도를 균일하게 조절할 수 있으며 다양한 반도체를 이용할 수 있어 양산에 유리하다.Similar to the LD described above, the LED according to the embodiment of the present invention has the advantage of lowering the threshold current and increasing photon efficiency and luminous efficiency due to the characteristics derived from the nano-size of the nanohole 30. In addition, the spacing and density of the nano hole 30 can be adjusted uniformly, and various semiconductors can be used, which is advantageous for mass production.

이하 본 발명의 실시예에 따른 나노 소자 제조방법에 대해 도 5a 내지 도 5h를 참조하여 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a nano device according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5A to 5H.

먼저, 도 5a에 도시된 바와 같이 기판(13)의 상면에 알루미늄(15')과 같은 금속을 5~10μm 증착시킨다. 그런 다음 도 5b에 도시된 바와 같이, 전해연마(Electropolishing) 공정을 통하여 표면 조도(roughness)를 3~5nm 이하로 조절한다.First, as shown in FIG. 5A, a metal such as aluminum 15 ′ is deposited on the upper surface of the substrate 13 by 5 to 10 μm. Then, as shown in Figure 5b, the surface roughness (roughness) is adjusted to 3 ~ 5nm or less through the electropolishing process.

도 6a는 순수한 알루미늄 기판(13)의 전해연마전의 SEM 사진을 나타내고 잇으며, 도 6b는 1분 동안 전해연마가 진행되어 표면조도가 조절된 알루미늄기판(13)을 보이는 SEM 사진이다.6A shows an SEM photograph of electrolytic polishing before the pure aluminum substrate 13, and FIG. 6B is an SEM photograph showing the aluminum substrate 13 whose surface roughness is controlled by performing electropolishing for 1 minute.

여기서, 전해연마는 펄크로릭 산(Perchloric Acid)과 에탄올로 이루어진 전해제를 사용하고, 상온 내지 90도 정도의 온도에서 5~30V 정도의 전압과, 10~100A/dm2의 전류밀도로 30초 내지 10분 동안 공정을 수행한다. 도시된 바와 같이, 도 6a에 비해 도 6b의 표면조도가 양호해진 것을 볼 수 있다. 균일한 나노 호울(30)을 형성하기 위해, 나노 호울(30)을 형성하는 양극산화공정을 실시하기 전 전해연마공정을 수행한다.Here, electrolytic polishing is using an electrolytic agent composed of perchloric acid and ethanol, and the voltage of about 5 to 30V and a current density of 10 to 100 A / dm 2 at room temperature to about 90 degrees. The process is run for seconds to 10 minutes. As shown, it can be seen that the surface roughness of FIG. 6B is improved compared to FIG. 6A. In order to form a uniform nano hole 30, the electropolishing process is performed before performing the anodization process to form the nano hole (30).

다음으로 도 5c에 도시된 바와 같은 1차 양극산화단계와 도 5d에 도시된 바와 같은 식각단계 및 도 5e에 도시된 바와 같은 2차 양극산화단계를 실행하여 일정한 크기의 반지름을 가지는 나노 호울(30)이 규칙적으로 분포하는 금속 산화물로 이루어지는 나노틀(32)을 제조한다. 2차에 걸친 양극산화법을 실행하여 균일한 나노호울(30)을 얻을 수 있으며, 특별한 경우에 한하여 양극산화법을 한 번만 실행할 수도 있다.Next, a nano hole 30 having a radius of a predetermined size is performed by performing a first anodization step as shown in FIG. 5C, an etching step as shown in FIG. 5D, and a second anodization step as shown in FIG. 5E. ) Fabricates a nano-frame 32 made of metal oxides regularly distributed. Uniform nanoholes 30 may be obtained by performing anodization over a second time, and in particular cases, anodization may be performed only once.

먼저 도 5c에 도시된 바와 같은 1차 양극산화를 진행하면, 알루미늄층(15')의 일부가 전해제와 접촉하여 알루미나(Al2O3;15")로 변화하고 소정 깊이를 가지는 나노 크기의 호울(30')이 형성된다.First, as shown in FIG. 5C, when the first anodization is performed, a part of the aluminum layer 15 ′ is changed into alumina (Al 2 O 3 ; 15 ″) in contact with the electrolyte and has a predetermined depth. A hole 30 'is formed.

다음으로, 도 5d에 도시된 바와 같은 식각공정을 수행하여 1차 양극산화에 의해 생성된 알루미나(15")를 제거하면 도시된 바와 같이 기판(13)의 상면에는 알루미늄(15')만이 잔류한다.Next, when the alumina 15 ″ generated by primary anodization is removed by performing an etching process as shown in FIG. 5D, only aluminum 15 ′ remains on the top surface of the substrate 13 as shown. .

다음으로, 도 5e에 도시된 바와 같이, 다시 2차 양극산화단계를 실행하면 알루미늄(15')이 알루미나(15)로 변화한다. 이 과정에서, 나노 호울(30)을 기판(13)의 표면에 근접하는 깊이를 가지도록 하고 그 폭을 넓힌다. 나노 호울(30)의 깊이는 기판(13)에 근접하며, 이 과정에서 나노 호울(30)과 기판(13) 사이에는 양극산화 과정에서 형성되는 부산물로 이루어진 장벽층(33)이 형성된다.Next, as shown in FIG. 5E, when the second anodization step is performed again, the aluminum 15 ′ is changed into the alumina 15. In this process, the nanoholes 30 have a depth close to the surface of the substrate 13 and widen. The depth of the nano hole 30 is close to the substrate 13, and in this process, a barrier layer 33 made of by-products formed during anodization is formed between the nano hole 30 and the substrate 13.

이 장벽층(33)을 산용액을 이용하여 제거하면 도 5f에 도시된 바와 같은 나노 호울(30)이 형성된 나노틀(32)이 완성된다.When the barrier layer 33 is removed using an acid solution, the nano-frame 32 on which the nano-hole 30 is formed as shown in FIG. 5F is completed.

이 나노틀(32)은 원하는 나노 소자의 구조에 따라 금속 산화물을 제거할 수 있는 적절한 산용액 또는 알칼리 용액을 이용하여 제거될 수 있다. CrO3(고체)를 H3PO4용액에 질량비 1.8 : 6으로 혼합한 용액으로 60℃에서 반응시킬 경우 나노틀을 제거할 수 있다.The nano frame 32 may be removed using a suitable acid or alkaline solution capable of removing metal oxides depending on the structure of the desired nano device. When the CrO 3 (solid) is reacted at 60 ° C. with a solution of H 3 PO 4 mixed in a mass ratio of 1.8: 6, nanoframes can be removed.

양극산화공정의 실행시, -30℃ 내지 상온까지 온도 범위를 갖도록 하고, 25~50V 정도의 전압과, 10~100A/dm2의 전류밀도를 가한다. 전해제(Electrolyte)로는 옥사일릭 산(Oxalic acid)을 사용하며 전해제의 농도는 0.3~0.5M로 조정하며 시간은 1분 내지 48시간 정도가 되도록 한다.When performing the anodization process, the temperature ranges from -30 ° C to room temperature, and a voltage of about 25 to 50V and a current density of 10 to 100 A / dm 2 are added. Oxylic acid is used as an electrolytic agent, and the concentration of the electrolyte is adjusted to 0.3-0.5M, and the time is about 1 minute to 48 hours.

도 7a 및 도 7b에 양극산화가 진행된 알루미나의 나노도트에 대한 ESEM 이미지가 평면도로 제시되고 있다.7A and 7B show an ESEM image of a nanodot of alumina subjected to anodization in plan view.

도 7a는 3℃ 정도의 온도, 40V 정도의 전압, 0.5M 농도의 옥사일릭 액시드를 전해제로 사용하여 1차 양극산화공정을 5시간, 식각공정을 3시간, 2차 양극산화공정를 1시간 진행한 경우 금속층(15')이 산화되면서 형성되는 나노 호울(30)을 나타낸 평면도이며, 도 7b는 그 단면도를 나타낸 사진이다. 상술한 실험에서는 단위셀의 크기(d1)은 90±3nm 정도로, 나노 호울(30)의 반지름(d2)은 25±5nm 정도로 형성된다.FIG. 7A shows that the primary anodization process is 5 hours, the etching process is 3 hours, and the secondary anodization process is performed for 1 hour using the temperature of about 3 ° C., the voltage of about 40V, and the oxyl acid of 0.5M as an electrolyte. In one case, a plan view showing the nano-hole 30 is formed while the metal layer 15 'is oxidized, Figure 7b is a photograph showing the cross-sectional view. In the above-described experiment, the unit cell size d1 is about 90 ± 3 nm, and the radius d2 of the nanohole 30 is about 25 ± 5 nm.

나노 호울(30)이 규칙적으로 정렬된 나노틀(32)을 제조한 다음, 도 5g에 도시된 바와 같이, 나노 호울(30)의 내부에 화학기상증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition), LPE(Liquid Phase Epitaxy), VPE(Vapor Phase Epitaxy), MBE(Molecular Beam Epitaxy)등을 이용하여 원하는 나노소자의 에피구조를 성장시킨다. 나노틀(32)은 알루미나등의 금속산화물로 이루어져 반도체의 증착이 이루어지지 않으므로, 성장변수를 최적화하여 나노 호울(30)의 벽면에 증착없이 기판(13)으로부터 순차적으로 반도체의 에피성장을 이루어지게 할 수 있다.After the nano-holes 30 are regularly aligned, the nano-frames 32 are prepared, and then, as shown in FIG. 5G, chemical vapor deposition (CVD) and LPE (Liquid) are formed inside the nano-holes 30. Phase epitaxy), VPE (Vapor Phase Epitaxy), and MBE (Molecular Beam Epitaxy) are used to grow epitaxial structures of desired nanodevices. Since the nano frame 32 is made of a metal oxide such as alumina, and thus the semiconductor is not deposited, the growth parameters are optimized so that the epitaxial growth of the semiconductor is sequentially performed from the substrate 13 without deposition on the wall of the nano hole 30. can do.

도 5g에 도시된 에피 성장구조는 반도체 LD에 관한 것으로 기판(13)의 상면에 위치하는 나노 호울(30)의 내부에 하부 거울면 반사층(10), 하부 클래드층(12), 활성층(14), 상부 클래드층(16) 및 상부 거울면 반사층(18)을 순서대로 성장시키는 공정을 나타내고 있다.The epitaxial growth structure illustrated in FIG. 5G relates to a semiconductor LD, and includes a lower mirror reflecting layer 10, a lower clad layer 12, and an active layer 14 in a nanohole 30 positioned on an upper surface of a substrate 13. The process of growing the upper cladding layer 16 and the upper mirror surface reflecting layer 18 in order is shown.

도 5g에 도시된 에피 구조와 나노틀(32)의 상부 및 하부에 상부 전극(17)과 하부 전극(11)을 각각 형성하면, 도 5h에 도시된 바와 같이 LD가 완성된다. 도 5g 및 도 5h에 도시된 에피 성장은 일 실시예에 불과하며 원하는 구조의 나노 소자는 나노 호울(30)의 내부에 자유롭게 성장될 수 있다.When the upper electrode 17 and the lower electrode 11 are respectively formed on the upper and lower portions of the epi structure and the nano-frame 32 shown in Figure 5g, LD is completed as shown in Figure 5h. The epitaxial growth shown in FIGS. 5G and 5H is only an embodiment and a nano device having a desired structure may be freely grown inside the nanohole 30.

본 발명의 실시예에 따른 나노틀을 이용한 나노 소자 및 그 제조방법은, 반도체 물질에 대한 제약없이 나노 크기의 다양한 전자 소자 또는 광전소자를 저가로 대량생산할 수 있으며, 그 구조를 다양하게 형성시킬 수 있는 장점이 있다.Nano device using the nano-frame according to an embodiment of the present invention and a method for manufacturing the same, can be mass-produced in a low-cost mass production of various electronic devices or optoelectronic devices of nano-sized without constraints on the semiconductor material, it is possible to form a variety of structures There is an advantage.

또한, 규칙적으로 분포된 균일한 크기의 양자점을 이용하는 소자를 제조할 수 있으므로 반도체 레이저의 경우 저차원 속박구조로 인한 상태함수밀도(density of state)의 변화에 의해 낮은 임계전류와 높은 발광효율을 가지는 소자를 제조하기가 용이하며 특히 표면방출형 반도체 레이저를 제조하기에 적합하다.In addition, since a device using a uniformly distributed quantum dot can be manufactured, a semiconductor laser has a low threshold current and a high luminous efficiency due to a change in the density of state due to the low dimensional bond structure. The device is easy to manufacture and is particularly suitable for manufacturing surface emitting semiconductor lasers.

더하여 본 발명은 나노 호울의 크기 제어가 가능하므로 다양한 밴드갭을 가지는 소자를 제조하여 발진파장을 용이하게 변화시킬 수 있다. LED 제작시 양자효율의 증대로 인해 발광효율이 매우 높은 소자를 제조할 수 있다.In addition, the present invention can control the size of the nano hole, so that the device having a variety of band gaps can be easily changed the oscillation wavelength. Due to the increase in quantum efficiency in LED manufacturing, it is possible to manufacture a device having very high luminous efficiency.

상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.While many details are set forth in the foregoing description, they should be construed as illustrative of preferred embodiments, rather than to limit the scope of the invention. Therefore, the scope of the present invention should not be defined by the described embodiments, but should be determined by the technical spirit described in the claims.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 나노틀을 이용한 나노소자의 장점은 저차원 속박구조로 인한 상태함수밀도의 변화에 의해 발광소자의 경우에는 낮은 임계전류로 구동이 가능하며 높은 발광효율을 나타낼 수 있다는 것이다.As described above, an advantage of the nano-device using the nano-frame according to the present invention is that the light emitting device can be driven with a low threshold current due to the change in the state function density due to the low dimensional bond structure and can exhibit high luminous efficiency. Is there.

또한, 본 발명에 따른 나노틀을 이용한 나노소자의 제조방법의 장점은 균일한 크기의 양자점을 가지도록 나노 호울의 형성이 가능하며 나노 호울의 크기의 제어가 가능하여 다양한 밴드갭을 가지는 소자를 제조할 수 있으며 파장을 용이하게변화시킬 수 있다는 것이다.In addition, an advantage of the method of manufacturing a nano device using a nano-frame according to the present invention is that the formation of nano holes to have a quantum dot of uniform size and the control of the size of the nano hole is possible to manufacture a device having a variety of band gaps It is possible to change the wavelength easily.

Claims (25)

기판의 상면에 소정 금속층을 증착한 다음, 양극산화법을 실행하여 상기 금속층을 산화시킴으로써 나노 크기의 나노 호울을 형성하고, 상기 나노 호울이 분포되는 금속 산화물로 나노틀을 형성하는 나노틀 형성단계;Depositing a predetermined metal layer on an upper surface of the substrate, and performing anodization to oxidize the metal layer to form nanoscale nanoholes, and forming nanoscales of metal oxides in which the nanoholes are distributed; 상기 나노 호울의 내부에 소정 물질층을 성장시켜 나노 소자의 에피구조를 형성하는 에피구조 형성단계; 및Forming an epi structure of the nano device by growing a predetermined material layer inside the nano hole; And 상기 기판의 하부에 하부 전극과, 상기 에피구조 및 상기 나노틀의 상부에 상부 전극을 형성하는 전극 형성단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노소자 제조방법.And an electrode forming step of forming an upper electrode on the lower electrode and the epi structure and the nano-frame on the lower portion of the substrate. 제 1 항에 있어서, 상기 나노틀 형성단계는,The method of claim 1, wherein the nano-frame forming step, 상기 기판의 상면에 소정 금속층을 증착하는 금속층 증착단계;A metal layer deposition step of depositing a predetermined metal layer on an upper surface of the substrate; 상기 양극산화법을 실시하여 상기 금속층을 산화시켜 나노 크기의 상기 나노 호울을 형성하는 나노 호울 형성단계; 및A nano hole forming step of performing the anodization to oxidize the metal layer to form the nano hole of a nano size; And 상기 나노 호울의 분포되는 나노틀의 바닥면과 상기 기판의 표면 사이에 반응 부산물로 형성되는 장벽층을 산용액을 이용해 제거하는 장벽층 제거단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노소자 제조방법.And a barrier layer removing step of removing, using an acid solution, a barrier layer formed of reaction by-products between the bottom surface of the nano-holes in which the nano-holes are distributed and the surface of the substrate. 제 2 항에 있어서, 상기 금속층 증착단계에서,According to claim 2, In the metal layer deposition step, 상기 기판의 상면에 상기 금속층을 증착한 다음, 상기 금속층을 전해제에 처리하여 표면조도를 조절하는 것을 특징으로 하는 나노소자 제조방법.And depositing the metal layer on the upper surface of the substrate, and then treating the metal layer with an electrolyte to adjust surface roughness. 제 2 항에 있어서, 상기 나노호울 형성단계는,The method of claim 2, wherein the nanohole forming step, 상기 금속층을 산화시켜 소정 깊이로 나노 호울을 형성하는 제1양극산화법 실시단계;Performing a first anodization process to oxidize the metal layer to form nanoholes with a predetermined depth; 상기 나노 호울을 이루는 상기 금속층의 산화물을 식각하여 제거하는 산화물 식각단계; 및An oxide etching step of etching and removing oxide of the metal layer forming the nano hole; And 상기 금속층을 다시 산화시켜 상기 나노 호울의 깊이를 상기 기판의 표면까지 연장시키는 제2양극산화법 실시단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노소자 제조방법.And oxidizing the metal layer again to extend the depth of the nanoholes to the surface of the substrate. 제 1 항에 있어서, 상기 전극 형성단계 다음에,According to claim 1, After the electrode forming step, 상기 나노틀과 반응하는 소정의 산 용액 또는 알칼리 용액을 이용하여 상기 나노틀을 제거하는 나노틀 제거단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노소자 제조방법.And a nano-frame removing step of removing the nano-frame using a predetermined acid solution or alkaline solution reacting with the nano-frame. 제 5 항에 있어서, 상기 나노틀 제거단계 다음에,According to claim 5, After the nano-frame removal step, 상기 나노틀의 빈공간을 소정 물질로 채우는 나노틀 대치단계를 더 포함하는것을 특징으로 하는 나노소자 제조방법.The nano-device manufacturing method comprising the step of replacing the nano-frame filling the empty space of the nano-frame with a predetermined material. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 에피구조를 하부 거울면 반사층, 하부 클래드층, 활성층, 상부 클래드층 및 상부 거울면 반사층으로 이루어지는 LD의 에피구조로 형성하는 것을 특징으로 하는 나노소자 제조방법.The epi-structure is a nano-device manufacturing method characterized in that formed in the epi structure of the LD consisting of a lower mirror surface reflective layer, a lower clad layer, an active layer, an upper clad layer and an upper mirror surface reflective layer. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 에피구조를 하부 클래드층, 활성층 및, 상부 클래드층으로 이루어지는 LD의 에피구조로 형성하는 것을 특징으로 하는 나노소자 제조방법.The epi-structure is a nano device manufacturing method, characterized in that formed by the epi structure of the LD consisting of a lower clad layer, an active layer, and an upper clad layer. 제 8 항에 있어서, 상기 에피구조 형성단계와 상기 전극 형성단계 사이에,The method of claim 8, wherein between the epi structure forming step and the electrode forming step, 상기 기판과 상기 하부 클래드층 사이에 하부 거울면 반사층을 형성하고, 상기 상부 클래드층과 상기 상부 전극 사이에 상부 거울면 반사층을 형성하는 거울면 반사층 형성단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노소자 제조방법.Forming a lower mirror surface reflecting layer between the substrate and the lower cladding layer, and forming a mirror surface reflecting layer between the upper cladding layer and the upper electrode further comprises a nano-device manufacturing step Way. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 에피구조를 활성층으로 형성하는 것을 특징으로 하는 나노소자 제조방법.The nano-device manufacturing method characterized in that to form the epi structure as an active layer. 제 10 항에 있어서, 상기 에피구조 형성단계와 상기 전극 형성단계 사이에,The method of claim 10, wherein between the epi structure forming step and the electrode forming step, 상기 기판과 상기 활성층 사이에 순서대로 하부 거울면 반사층과 하부 클래드층을 형성하고, 상기 활성층과 상기 상부 전극 사이에 순서대로 상부 클래드층과 상부 거울면 반사층을 형성하는 거울면 반사층 형성단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노소자 제조방법.And forming a lower mirror surface reflecting layer and a lower cladding layer in order between the substrate and the active layer, and forming an upper cladding layer and an upper mirror reflecting layer in order between the active layer and the upper electrode. Nano device manufacturing method characterized in that. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 기판이 n형 반도체 기판인 경우, 상기 에피구조를 n형 반도체층 및 p형 반도체층이 순서대로 적층된 LED 에피구조로 형성하는 것을 특징으로 하는 나노소자 제조방법.If the substrate is an n-type semiconductor substrate, the epi-structure is a nano-device manufacturing method, characterized in that to form an LED epi structure in which the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer are laminated in order. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 기판이 p형 반도체 기판인 경우, 상기 에피구조를 p형 반도체층 및 n형 반도체층이 순서대로 적층된 LED 에피구조로 형성하는 것을 특징으로 하는 나노소자 제조방법.If the substrate is a p-type semiconductor substrate, the epi-structure is a nano device manufacturing method, characterized in that to form a p-type semiconductor layer and the LED epi-structure stacked n-type semiconductor layer in order. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 소정 금속층은 알루미늄, 탄탈륨, 지르코늄 및 하프늄 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 나노소자 제조방법.The predetermined metal layer is a nano device manufacturing method, characterized in that any one of aluminum, tantalum, zirconium and hafnium. 기판;Board; 상기 기판의 상면에 위치하며, 나노 크기의 나노 호울이 분포되는 금속 산화물로 이루어지는 나노틀;Located in the upper surface of the substrate, the nano-frame made of a metal oxide in which nano-scale nano hole is distributed; 상기 나노 호울의 내부에 소정 물질층이 배열되는 소정 에피구조;A predetermined epi structure in which a predetermined material layer is arranged in the nano hole; 상기 기판의 저면에 위치하는 하부 전극; 및A lower electrode on a bottom surface of the substrate; And 상기 에피구조와 상기 나노틀의 상부에 위치하는 상부 전극;을 구비하는 것을 특징으로 하는 나노소자.And an upper electrode disposed above the epitaxial structure and the nano-frame. 제 15항에 있어서,The method of claim 15, 상기 금속 산화물은 알루미늄 옥사이드, 탄탈륨 옥사이드, 지르코늄 옥사이드 및 하프늄 옥사이드 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 나노소자.The metal oxide is any one of aluminum oxide, tantalum oxide, zirconium oxide and hafnium oxide nano device. 기판;Board; 상기 기판의 상면에 분포되는 나노 호울의 내부에 형성되는 소정 물질층이 배열되는 에피구조;An epi structure in which a predetermined material layer is formed, which is formed in the nano hole distributed on the upper surface of the substrate; 상기 기판의 저면에 위치하는 하부 전극; 및A lower electrode on a bottom surface of the substrate; And 상기 에피구조의 상부에 위치하는 상부 전극;을 구비하는 것을 특징으로 하는 나노소자.And an upper electrode disposed above the epitaxial structure. 제 15 항 또는 제 17 항에 있어서,The method according to claim 15 or 17, 상기 에피구조는 하부 거울면 반사층, 하부 클래드층, 활성층, 상부 클래드층 및, 상부 거울면 반사층으로 이루어지는 LED의 에피구조인 것을 특징으로 하는 나노소자.The epi structure is a nano device, characterized in that the epi structure of the LED consisting of a lower mirror surface reflective layer, a lower clad layer, an active layer, an upper clad layer, and an upper mirror surface reflective layer. 제 15 항 또는 제 17 항에 있어서,The method according to claim 15 or 17, 상기 에피구조는 하부 클래드층, 활성층 및 상부 클래드층으로 이루어지는 LD의 에피구조인 것을 특징으로 하는 나노소자.The epi structure is a nano device, characterized in that the epi structure of the LD consisting of a lower clad layer, an active layer and an upper clad layer. 제 19 항에 있어서,The method of claim 19, 상기 기판과 상기 에피구조의 사이에 하부 거울면 반사층이 배열되고, 상기 에피구조와 상기 상부 전극 사이에 상부 거울면 반사층이 배열되는 것을 특징으로 하는 나노소자.And a lower mirror surface reflecting layer is arranged between the substrate and the epi structure, and an upper mirror surface reflecting layer is arranged between the epi structure and the upper electrode. 제 15 항 또는 제 17 항에 있어서,The method according to claim 15 or 17, 상기 에피구조는 LD의 활성층인 것을 특징으로 하는 나노소자.The epi structure is nano device, characterized in that the active layer of LD. 제 21 항에 있어서,The method of claim 21, 상기 기판과 상기 에피구조의 사이에 순서대로 하부 거울면 반사층과 하부 클래드층이 순서대로 배열되고, 상기 에피구조와 상기 상부 전극 사이에는 상부 클래드층과 상부 거울면 반사층이 순서대로 배열되는 것을 특징으로 하는 나노소자.A lower mirror surface reflective layer and a lower cladding layer are sequentially arranged between the substrate and the epi structure, and an upper clad layer and an upper mirror surface reflective layer are arranged in sequence between the epi structure and the upper electrode. Nano device. 제 15 항 또는 제 17 항에 있어서,The method according to claim 15 or 17, 상기 기판이 n형 반도체 기판인 경우, 상기 에피구조는 n형 반도체층 및 p형 반도체층이 순서대로 적층되는 LED의 에피구조인 것을 특징으로 하는 나노소자.When the substrate is an n-type semiconductor substrate, the epi structure is an nano device, characterized in that the epi structure of the LED in which the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer is laminated in order. 제 15 항 또는 제 17 항에 있어서,The method according to claim 15 or 17, 상기 기판이 p형 반도체 기판인 경우, 상기 에피구조는 p형 반도체층 및 n형 반도체층이 순서대로 적층되는 LED의 에피구조인 것을 특징으로 하는 나노소자.If the substrate is a p-type semiconductor substrate, the epi structure is a nano-device, characterized in that the epi structure of the LED in which the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer is sequentially stacked. 제 15 항 또는 제 17 항에 있어서,The method according to claim 15 or 17, 상기 기판과 상기 에피구조 사이에는 버퍼층이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 나노소자.Nanodevice, characterized in that the buffer layer is further provided between the substrate and the epi structure.
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