KR20040056441A - ｐｎ 접합 ＧａＮ 나노막대 ＬＥＤ 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 pn접합 GaN 나노막대 LED 제조방법은, n형(220a)은 GaClx 기체와 NH3 기체를 성장용 기판(10)이 장입된 반응기 안으로 공급하여 이들 기체를 400 내지 600℃의 온도범위에서 반응시켜 성장시키고, p형(220b)은 GaClx 기체, NH3 기체, 및 억셉터 함유 기체를 상기 반응기 안으로 공급하여 이들 기체를 400 내지 600℃의 온도범위에서 반응시켜 성장시킴으로써 성장용 기판(10) 상에 pn 접합 나노막대를 형성하는 단계; 성장용 기판(10) 상에 형성된 pn 접합 GaN 나노막대를 잘라내는 단계; 및 상기 잘라내어진 pn 접합 GaN 나노막대에 상기 p형 및 n형 영역에 각각 오믹접촉되는 금속전극(30a, 30b)을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

ｐｎ 접합 ＧａＮ 나노막대 ＬＥＤ 제조방법{Method for fabricating single-rod GaN pn junction LED}

본 발명은 발광다이오드(Light Emitting Diode, 이하 'LED') 제조방법에 관한 것으로서, 특히 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxial growth)법으로 형성한 pn접합 GaN 나노막대를 이용하여 LED를 제조하는 방법에 관한 것이다.

오늘날, 눈부신 정보 통신 문명의 발전은 실리콘 반도체를 그 저변으로 하고 있다. 그만큼 반도체는 과학 기술적 측면에서 뿐만 아니라, 전세계적으로 커다란 시장이 형성되어있어 산업 경제적으로도 매우 중요한 분야이다. 그러나, 실리콘 반도체의 개발에 있어 원리적 한계에 다다름에 따라 세계는 실리콘 반도체로부터의 종속성에서 벗어나 기술의 다각화를 꾀하면서 차세대 반도체에 관심을 돌리고 있으며, 이러한 상황에서 파생된 주 관심 대상이 바로 빛과 전자를 동시에 제어할 수 있는 화합물 반도체이다.

이러한 화합물 반도체의 예로서 대표적으로 들 수 있는 것이 GaN이다. GaN은 부르자이트(Wurzite) 구조를 가지는 질화물 반도체로서 상온에서 가시광선의 청색 파장대에 해당하는 3.4 eV의 직접천이형 밴드갭을 가질 뿐만 아니라 InN 및 AlN와 전율고용체를 이루어 금지대폭의 조정이 가능하며 전율고용체의 전 조성 범위 내에서 직접천이형 반도체의 특성을 나타내기 때문에 청색표시 및 발광소자재료로서 가장 각광 받고 있다.

GaN을 박막(thin film)으로 성장시키는 방법에 대해서는 연구가 어느 정도 진행되었으나, 나노막대(nanorod) 형태로 성장시키는 방법에 대해서는 많은 잠재적 유용성에도 불구하고 연구가 초기 단계이다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, HVPE법을 이용하여 GaN 나노막대들을 성장시키되 나노막대 각각에 pn접합이 형성되도록 하여 하나의 나노막대를 가지고 LED를 만드는 pn 접합 GaN 나노막대 LED 제조방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 pn접합 GaN 나노막대 형성방법을 설명하기 위한 단면도;

도 2는 종래의 GaN 박막 성장 메카니즘을 설명하기 위한 단면도;

도 3은 본 발명에 따른 GaN 나노막대 성장 메카니즘을 설명하기 위한 단면도;

도 4는 도 3의 성장 메카니즘을 실제로 보여주는 SEM 사진;.

도 5는 본 발명에 따른 LED를 완성하는 방법을 설명하기 위한 개략도;

도 6은 본 발명에 따라 제조된 pn접합 GaN 나노막대 LED의 전기적 및 광학적 특성을 보여주는 도면이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 참조번호의 설명 >

10: 성장용 기판 20: GaN 박막

30a, 30b: 금속전극 110: LED용 기판

120: GaN 나노막대 20a, 120a: GaN 씨앗

220a: n-GaN 나노막대 220b: p-GaN 나노막대

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 pn접합 GaN 나노막대 LED 제조방법은, n형은 GaClx 기체와 NH3 기체를 성장용 기판이 장입된 반응기 안으로 공급하여 이들 기체를 400 내지 600℃의 온도범위에서 반응시켜 성장시키고, p형은 GaClx 기체, NH3 기체, 및 억셉터 함유 기체를 상기 반응기 안으로 공급하여 이들 기체를 400 내지 600℃의 온도범위에서 반응시켜 성장시킴으로써 상기 성장용 기판 상에 pn 접합 나노막대를 형성하는 단계; 상기 성장용 기판 상에 형성된 pn 접합 GaN 나노막대를 잘라내는 단계; 및 상기 잘라내어진 pn 접합 GaN 나노막대에 상기 p형 및 n형 영역에 각각 오믹접촉되는 금속전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을특징으로 한다.

여기서, 상기 금속전극을 형성하는 단계는, 상기 잘라내어진 pn접합 GaN 나노막대를 LED용 기판 상에 눕혀놓는 단계; 및 상기 pn접합 GaN 나노막대의 양쪽 끝 부분을 각각 덮도록 상기 LED용 기판 상에 상기 금속전극을 증착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 pn접합 GaN 나노막대가 눕혀 놓여지는 상기 LED용 기판의 표면은 절연체로 이루어지는 것이 좋다.

상기 p형에 오믹 접촉되는 금속전극으로는 Ni/Au 전극을 사용할 수 있으며, 상기 n형에 오믹 접촉되는 금속전극으로는 Ti/Al 전극을 사용할 수 있다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

[pn접합 GaN 나노막대 형성]

에피층(epilayer)을 성장시키는 방법으로는 크게 VPE(Vapor Phase Epitaxial growth), LPE(Liquid Phase Epitaxial growth), 및 SPE(Solid Phase Epitaxial growth)를 들 수 있다. 여기서, VPE는 반응가스를 기판위로 흘리면서 열에 의한 분해와 반응을 통해 기판 위에 결정을 성장시키는 것으로서 반응가스의 원료형태에 따라 수소화물 VPE(hydride VPE, HVPE), 할로겐화물 VPE(halide VPE), 유기금속 VPE(metal organic VPE, MOVPE) 등으로 분류할 수 있다.

본 발명은 이 중에서 HVPE(hydride VPE)방법을 사용한다. 이를 구체적으로 도 1을 참조하여 설명하면, 먼저, GaClx 기체와 NH3 기체를 성장용 기판(10)이 장입되어 있는 HVPE 반응기(미도시) 안으로 흘려보내고 성장용 기판(10)의 온도를 400 내지 600℃ 로 하면 GaClx 기체와 NH3기체가 서로 반응하여 n-GaN 나노막대(220a)가 성장용 기판(10) 상에 저절로 형성된다.

인위적인 도핑없이 성장된 GaN은 질소 공공(nitrogen vacancies) 이나 산소 불순물(oxygen impurities) 등에 의해 기본적으로 n형 특성을 가진다고 이미 알려져 있다. 물론, Si과 같은 도너(donor)를 도핑하여 n형을 형성시킬 수도 있음은 당연하다.

적당한 성장시간, 예컨대 30분 내지 5시간이 경과하여 n-GaN 나노막대(220a)가 어느 정도 성장되면, 억셉터, 예컨데 Mg를 함유한 기체를 상기 GaClx 기체 및 NH3 기체와 함께 상기 HVPE 반응기로 더 공급하여 상기 반응을 계속 진행시킨다. 그러면, 억셉터가 상기 GaN 나노막대에 인-시튜(in-situ)로 도핑되어 p-GaN 나노막대(220b)가 형성되어서 하나의 나노막대에 pn접합이 형성되게 된다. p형-GaN 나노막대(220b)도 30분 내지 5시간 동안 성장시키는 것이 좋다.

p-GaN 나노막대(220b)의 성장온도를 n-GaN 나노막대(220a) 성장 시의 경우와 굳이 다르게 할 필요는 없다. p-GaN 나노막대(220b)의 성장에 따라 억셉터가 인-시튜(in-situ)로 도핑되기 때문에 특별한 후속처리를 하지 않더라도 GaN 나노막대의 길이방향으로 억셉터가 균일하게 분포하게 된다.

도 1에서는 n형을 먼저 성장시키고 다음에 p형을 성장시키는 것을 예로 들었지만, 그 반대의 경우도 상술한 순서를 바꾸면 당연히 구현될 수 있다. 즉, n형을 먼저 성장시키다가 n형의 성장시에 공급되는 GaClx 기체와 NH3 기체 외에 억셉터함유 기체를 더 공급하여 n형 위에 p형을 성장시킬 수도 있고, 그 반대로 p형을 먼저 성장시키다가 p형의 성장시에 공급되는 기체 중 억셉터 함유 기체만을 차단하고 GaClx 기체와 NH3 기체는 그대로 계속 공급하여 p형 위에 n형을 성장시킬 수도 있다.

상기 GaClx 기체는 예컨대 Ga 금속과 HCl 기체를 600 내지 900℃의 온도범위, 예컨대 750℃에서 서로 반응시킴으로서 얻을 수 있다. 그리고, 상기 억셉터 함유 기체로는 Cp2Mg(CycloPenta-Dienyl Magnesium) 기체 또는 MgCl 기체 등을 사용할 수가 있는데, MgCl 기체는 예컨대 Mg 금속과 HCl 기체를 600 내지 900℃에서 서로 반응시킴으로서 얻을 수 있다.

만약, 성장용 기판(10)의 온도를 약 1050℃ 까지 올리면 도 2에 도시된 바와 같이 GaN 씨앗층(20a)이 형성된 다음에 이들이 참조번호 20b와 20c로 표시한 바와 같이 곧바로 위와 옆방향으로 성장하여 성장용 기판(10) 상에 GaN박막(20)이 형성되어 버린다.

그러나, 본 발명과 같이 400 내지 600℃ 정도로 기판온도를 낮추면, 도 3에 도시된 바와 같이 GaN 씨앗층(120a)이 형성된 다음에 참조번호 120b와 120c로 표시한 바와 같이 이들이 위로 성장하는 것에 비해 옆으로는 많이 성장하지 못하여 GaN 나노막대(120)가 형성된다.

도 2와 같이 고온에서 GaN을 증착하면 GaN 막대(20b, 20c)가 어느 정도 위로 자라기 전에 순식간에 옆으로도 성장하여 GaN 박막(20)이 형성되어 버린다. 이러한 과정은 매우 순식간에 이루어지기 때문에 GaN이 나노막대 형태가 되도록 시간으로제어하는 것은 사실상 불가능하다. 그러나, 본 발명과 같이 저온에서 GaN을 증착하면 GaN의 성장을 시간으로 제어할 수 있게 된다.

본 발명은 성장용 기판(10)이 사파이어(sapphire)이거나 실리콘이거나 그 종류에 상관없으며, 촉매(catalyst)나 템플릿(template) 층의 존재여부에도 상관없다.

도 4는 도 3의 성장메카니즘을 실제로 보여주는 SEM 사진으로서, GaN 나노막대가 촉매나 템플릿 층의 도움없이 480℃에서 시간의 경과에 따라 사파이어 기판 상에 형성되는 과정을 보여준다. 도면에 있어서, 10분인 경우의 스케일 바(scale bar) 크기는 100nm이고, 20분의 경우는 200nm이며, 1시간의 경우는 500nm이다.

도 4를 참조하면, 1시간 성장 시켰을 때, 나노막대는 직경이 80~120 nm 정도되며 매우 균일하게 분포하고 있음을 알 수 있다. 성장시간이 같을 경우 나노막대의 직경은 성장온도에 따라 다를 것이다.

[LED 제조]

도 5는 본 발명에 따른 LED를 완성하는 방법을 설명하기 위한 개략도이다.

먼저, 도 1에서와 같은 방법에 의하면 복수개의 pn접합 GaN 나노막대가 고밀도로 균일하게 성장용 기판(10) 상에 성장하게 되는데, 이들 나노막대들 중의 어느 하나를 잘라 내어 LED용 기판(110) 상에 눕혀 놓는다. 여기서, 상기 GaN 나노막대가 놓여지는 LED용 기판(110)의 표면은 절연체로 이루어지는 것이 바람직하다. 도 5에서는 실리콘 산화물이 표면에 형성되어 있는 실리콘 기판을 예로 들었다.

그리고, LED용 기판(110)에 임의의 증착법을 사용하여 금속전극(30a, 30b)을 형성하는데, 이 때 금속전극(30a, 30b)은 pn접합 GaN 나노막대의 양쪽 끝 부분을 각각 덮도록 증착되어야 한다.

금속전극(30a, 30b)의 재질로는 p-GaN(220b) 및 n-GaN(220a)과 각각 오믹접촉(ohmic contact)되는 것을 채택하는 것이 바람직하다. p-GaN(220b)과 오믹접촉되는 금속전극(30b)으로는 Ni을 p-GaN(220b) 상에 먼저 증착하고 그 위에 다시 Au를 증착한 Ni/Au 전극을 사용할 수 있으며, n-GaN(220a)과 오믹접촉되는 금속전극(30a)으로는 Ti을 n-GaN(220a) 상에 먼저 증착하고 그 위에 다시 Al을 증착한 Ti/Al 전극을 사용할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따라 제조된 pn접합 GaN 나노막대 LED의 전기적 및 광학적 특성을 보여주는 도면이다.

도 6a는 SEM 사진이고 도 6b의 그래프 Z는 도 6a의 LED에 대한 I-V 특성 그래프이다. 도 6a의 스케일 바(scale bar) 크기는 10㎛이며, 나노막대의 직경은 50nm이다. 그래프 Z를 보면. LED가 제대로 정류거동(rectifying behavior)을 하고 있음을 알 수 있으며, 0.25V의 순방향전압에서 턴온되는 것을 볼 수 있다.

그래프 X는 Ni/Au 전극이 정말로 p-GaN(220b)과 오믹접촉되는가를 알아보기 위해 pn접합이 아닌 p형으로만 된 GaN 나노막대를 형성한 다음에 이를 도 5에서 설명한 바와 같이 LED용 기판에 눕혀놓고 그 위에 Ni/Au 전극을 형성하여 p형으로만 된 GaN 나노막대와 Ni/Au 전극 사이의 I-V특성을 측정한 것이다.

그리고, 그래프 Y는 Ti/Al 전극이 정말로 n-GaN(220a)과 오믹접촉되는가를알아보기 위해 n형으로만 된 GaN 나노막대를 형성한 다음에 LED용 기판에 눕혀놓고 그 위에 Ti/Al 전극을 형성하여 n형으로만 된 GaN 나노막대와 Ti/Al 전극 사이의 I-V 특성을 측정한 것이다. 그래프 X, Y가 직선거동(linear behavior)을 나타내는 것으로 보아 오믹접촉이 제대로 이루어짐을 알 수 있다.

도 6c는 도 6a의 LED에 3V 순방향 전압(forward bias)을 인가했을 때의 발광 사진(luminescence image)이며, 이 때의 발광 스펙트럼을 측정한 결과가 도 6d이다. 도 6d에서는 전류주입량(current injection)에 관계없이 3.179eV에서 청색영역의 발광피크(emission peak)가 관찰됨을 볼 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, HVPE법을 이용하여 400 내지 600℃의 저온에서 pn접합 GaN 나노막대를 형성함으로써 하나의 GaN 나노막대로 LED 소자를 만들 수 있게 된다.

본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims (6)

1. n형은 GaClx 기체와 NH3 기체를 성장용 기판이 장입된 반응기 안으로 공급하여 이들 기체를 400 내지 600℃의 온도범위에서 반응시켜 성장시키고, p형은 GaClx 기체, NH3 기체, 및 억셉터 함유 기체를 상기 반응기 안으로 공급하여 이들 기체를 400 내지 600℃의 온도범위에서 반응시켜 성장시킴으로써 상기 성장용 기판 상에 pn 접합 나노막대를 형성하는 단계;

   상기 성장용 기판 상에 형성된 pn 접합 GaN 나노막대를 잘라내는 단계; 및

   상기 잘라내어진 pn 접합 GaN 나노막대에 상기 p형 및 n형 영역에 각각 오믹접촉되는 금속전극을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 pn접합 GaN 나노막대 LED 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 금속전극을 형성하는 단계는,

   상기 잘라내어진 pn접합 GaN 나노막대를 LED용 기판 상에 눕혀놓는 단계; 및

   상기 pn접합 GaN 나노막대의 양쪽 끝 부분을 각각 덮도록 상기 LED용 기판 상에 상기 금속전극을 증착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 pn접합 GaN 나노막대 LED 제조방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 pn접합 GaN 나노막대가 눕혀 놓여지는 상기 LED용 기판의 표면이 절연체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 pn접합 GaN 나노막대 LED 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 억셉터 함유 기체가 Cp2Mg 기체 또는 MgCl 기체인 것을 특징으로 하는 pn접합 GaN 나노막대 LED 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 p형에 오믹 접촉되는 금속전극이 Ni/Au 전극인 것을 특징으로 하는 pn 접합 GaN 나노막대 LED 제조방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 n형에 오믹 접촉되는 금속전극이 Ti/Al 전극인 것을 특징으로 하는 pn 접합 GaN 나노막대 LED 제조방법.