KR20060122405A - 나노 로드를 갖는 발광 소자 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 나노 로드(Nano-rod)를 갖는 발광 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 기판과; 상기 기판 상부에 형성된 N-버퍼층과; 상기 N-버퍼층 상부 일 영역에 상호 이격되어 형성되어 있고, 각각은 N-화합물 반도체층, 활성층과 P-화합물 반도체층이 순차적으로 적층되어 이루어진 복수개의 나노 로드들과; 상기 복수개의 나노 로드들 상부에 형성된 제 1 전극과; 상기 N-버퍼층 상부 일 영역을 제외한 나머지 영역에 형성된 제 2 전극을 포함하여 이루어진다.
따라서, 본 발명은 상호 이격되어 있는 복수개의 나노 로드에서 광이 방출되는 구조를 적용하여 소자의 발광 면적을 증가시켜 광 적출 효율(Light extraction efficiency)이 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
나노, 로드, 발광소자, 광적출, 발광, 면적

Description

나노 로드를 갖는 발광 소자 및 그의 제조 방법 { Light emitting device with nano-rod and method for fabricating the same }
도 1은 종래 기술에 따른 질화갈륨을 이용하여 제조된 발광 다이오드의 단면도
도 2a 내지 2e는 본 발명에 따른 나노 로드(Nano-rod)를 갖는 발광 소자를 제조하는 공정을 설명하기 위한 단면도
도 3은 본 발명에 따른 나노 로드를 갖는 발광 소자에서 광이 방출되는 경로를 설명하기 위한 개념도
도 4는 본 발명에 따른 발광 소자의 나노 로드를 촬영한 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 사진도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
200 : 기판 210 : N-버퍼층
220 : 나노 로드 230 : 활성층
240 : P-화합물 반도체층 250 : 발광 구조물
251 : 로드 260 : 투명 전극
270 : P-전극 280 : N-전극
본 발명은 나노 로드를 갖는 발광 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상호 이격되어 있는 복수개의 나노 로드에서 광이 방출되는 구조를 적용하여 소자의 발광 면적을 증가시켜 광 적출 효율(Light extraction efficiency)이 증가시킬 수 있는 나노 로드를 갖는 발광 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 발광 다이오드와 레이저 다이오드 등의 발광소자는 백라이트(Backlight), 신호, 광원과 풀 칼라 디스플레이(Full color display) 등과 같이 다양한 응용을 가지는 단일파장의 광원이다.
GaN과 ZnO 등과 같은 계열의 물질은 직접 천이형의 큰 에너지 밴드갭을 가지며, 최근 들어 자외선(UV), 청색, 녹색 파장 영역의 광원으로 많은 연구와 개발이 수행되고 있으며 상용화가 되고 있다.
질화갈륨(GaN)의 경우, 질화갈륨 기판에 대한 많은 연구가 진행되고 있지만 구현하는데 있어서 많은 어려움이 있으며, 가격이 고가이어서 발광 다이오드나 레이저 다이오드와 같은 발광소자의 구조를 성장하는데 있어서, 질화갈륨 기판이외에 실리콘, 사파이어와 실리콘 카바이드(SiC) 등의 다른 물질로 구성된 기판을 사용하 고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 질화갈륨을 이용하여 제조된 발광 다이오드의 단면도로서, 기판(100) 상부에 버퍼층(110), N-반도체층(120), 활성층(130)과 P-반도체층(140)이 순차적으로 형성되어 있고; 상기 P-반도체층(140)에서 N-반도체층(120)의 일부까지 메사(Mesa) 식각되어 있고; 상기 P-반도체층(140) 상부에 투명전극(150)과 P-전극(170)이 순차적으로 형성되어 있고; 상기 메사 식각되어 노출된 N-반도체층(120) 상부에 N-전극(160)이 형성되어 있다.
이러한, 발광 다이오드는 사파이어 기판과 같은 이종기판에 질화갈륨(GaN) 계열의 물질을 성장시켜 제조하는데, 사파이어 기판과 성장되는 질화갈륨의 열팽창계수와 결정계수의 부정합등으로 인하여 관통 전위(Threading dislocations, TD) (180)등과 같은 많은 결함이 성장되어지는 박막내에 포함되어지게 된다.
1990년대에 일본의 슈지 나까무라(Shuji Nakamura)에 의해 질화갈륨 물질을 이종 기판 상부에 성장시에, 이종기판과 질화갈륨 박막사이에 저온에서 성장하는 Al1-xGaxN(0<x≤1)층을 삽입하여 이전보다 결함밀도를 많이 감소시킬 수 있었다 (US005290393A).
이러한 획기적인 발명을 통해 질화갈륨(GaN) 계열의 발광 다이오드와 레이저 다이오드 등의 발광소자 특성에 있어 많은 개선이 이루어졌고, 이로부터 현재 상용화가 이루어지고 있다.
그러나, 아직도 이러한 방법을 사용하여 질화갈륨 박막을 성장하는 경우 108cm-2 이상의 결함밀도를 소자구조내의 박막에 포함되어 있어 이에 대한 개선이 더 필요한 상황이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 상호 이격되어 있는 복수개의 나노 로드에서 광이 방출되는 구조를 적용하여 소자의 발광 면적을 증가시켜 광 적출 효율(Light extraction efficiency)이 증가시킬 수 있는 나노 로드를 갖는 발광 소자 및 그의 제조 방법을 제공하는 데 목적이 있다.
상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 기판과;
상기 기판 상부에 형성된 N-버퍼층과;
상기 N-버퍼층 상부 일 영역에 상호 이격되어 형성되어 있고, 각각은 N-화합물 반도체층, 활성층과 P-화합물 반도체층이 순차적으로 적층되어 이루어진 복수개의 나노 로드들과;
상기 복수개의 나노 로드들 상부에 형성된 제 1 전극과;
상기 N-버퍼층 상부 일 영역을 제외한 나머지 영역에 형성된 제 2 전극을 포함하여 이루어진 나노 로드를 갖는 발광 소자가 제공된다.
상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 다른 양태(樣態)는, 기판 상부에 N-버퍼층을 형성하는 단계와;
상기 N-버퍼층 상부에 N-화합물 반도체로 이루어진 복수개의 나노 로드들을 형성하는 단계와;
상기 복수개의 나노 로드들 각각의 상부에 활성층과 P-화합물 반도체를 순차적으로 형성하여 상호 이격된 로드들로 이루어진 발광 구조물을 형성하는 단계와;
상기 발광 구조물의 로드들 상부에 제 1 전극을 형성하는 단계와;
상기 N-버퍼층에 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하여 구성된 나노 로드를 갖는 발광 소자의 제조 방법이 제공된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 2a 내지 2e는 본 발명에 따른 나노 로드(Nano-rod)를 갖는 발광 소자를 제조하는 공정을 설명하기 위한 단면도로서, 먼저, 기판(200) 상부에 N-버퍼층(210)을 형성하고, 이 N-버퍼층(210) 상부에 N-버퍼층 성장온도보다 낮은 온도로 N-화합물 반도체를 성장시켜 그 N-화합물 반도체로 이루어진 복수개의 나노 로드들(220)을 형성한다.(도 2a)
여기서, 나노 로드들(220)은 폭(W)이 10 ~ 1000㎚인 것을 지칭한다.
그리고, 상기 기판(200)은 절연기판을 사용하며, 즉, 사파이어 기판, Ga2O3 기판과 MgO기판 중 어느 하나의 기판을 사용한다.
또한, 상기 N-버퍼층(210)은 GaN 계열 또는 ZnO 계열의 물질을 성장시켜 형 성하는 것으로, 이런 N-버퍼층(210)은 700 ~ 1200℃에서 성장시킨다.
그러므로, 상기 N-버퍼층(210)의 성장온도보다 낮은 온도로 200 ~ 900℃에서 N-화합물 반도체를 성장시키면, N-버퍼층(210) 표면에 대해 수직 방향의 성분을 갖는 기둥들인 복수개의 나노 로드들(220)을 형성할 수 있다.
그 후, 상기 복수개의 나노 로드들(220) 각각의 상부에 활성층(230)과 P-화합물 반도층체(240)을 순차적으로 형성하여 상호 이격된 로드(251)들로 이루어진 발광 구조물(250)을 형성한다.(도 2b)
여기서, 상기 활성층(230)과 P-화합물 반도체층(240)은 나노 로드들(220)을 따라 순차적으로 상호 이격된 로드(251) 형상으로 형성된다.
즉, 하나의 N-화합물 반도체로 이루어진 로드(251) 상에 형성된 활성층(230)과 P-화합물 반도체(240)는 이웃하는 N-화합물 반도체로 이루어진 로드(251) 상에 형성된 활성층(230)과 P-화합물 반도체층(240)과 상호 간섭되지 않고, 독립적으로 성장된다.
그러므로, N-화합물 반도체, 활성층, P-화합물 반도체층으로 이루어진 복수개의 나노 로드들로 이루어진 발광 구조물(250)이 형성되는 것이다.
도 4의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 사진과 같이, 버퍼층(210) 상부에는 복수개의 로드(251)들이 형성된다.
그리고, 상기 활성층(230)은 다중 양자 우물로 형성한다.
예를 들어, N-화합물 반도체층이 N-GaN이고, P-화합물 반도체층이 P-GaN인 경우, 상기 활성층은 InGaN과 GaN을 교대로 적층하여 헤테로정션(Heterojunction) 을 갖는 다중 양자 우물을 형성할 수 있다.
연이어, 상기 발광 구조물(250)의 일부 로드들을 제거하여 N-버퍼층(210) 상부 일부를 노출시킨다.(도 2c)
그 다음, 상기 발광 구조물(250)의 로드들 상부에 투명전극(260)을 형성한다.(도 2d)
마지막으로, 상기 투명전극(260) 상부에 P-전극(270)을 형성하고, 상기 노출된 N-버퍼층(210) 상부에 N-전극(280)을 형성한다.(도 2e)
여기서, 상기 투명전극(260)을 형성하지 않아도 되고, 상기 발광 구조물(250)의 로드들 상부에 P전극의 역할을 수행하는 등가의 전극을 형성하여도 된다.
즉, 상기 발광 구조물(250)의 로드들 상부에는 복수개의 전극구조로 형성할 수도 있다.
따라서, 전술된 공정을 수행하면, 본 발명의 발광 소자가 제조된다.
즉, 본 발명의 발광 소자는 도 2e에 도시된 바와 같이, 기판(200)과; 상기 기판(200) 상부에 형성된 N-버퍼층(210)과; 상기 N-버퍼층(210) 상부 일 영역에 상호 이격되어 형성되어 있고, 각각은 N-화합물 반도체층, 활성층과 P-화합물 반도체층이 순차적으로 적층되어 이루어진 복수개의 나노 로드들과; 상기 복수개의 나노 로드들 상부에 형성된 제 1 전극과; 상기 N-버퍼층(210) 상부 일 영역을 제외한 나머지 영역에 형성된 제 2 전극으로 구성된다.
도 3은 본 발명에 따른 나노 로드를 갖는 발광 소자에서 광이 방출되는 경로를 설명하기 위한 개념도로서, N-화합물 반도체층(220), 활성층(230)과 P-화합물 반도체층(240)으로 이루어진 로드들(251)은 발광 구조물이므로, 각각의 로드들(251)의 활성층(230)에서 광이 방출된다.
그러므로, 본 발명은 상호 이격되어 있는 복수개의 로드에서 광이 방출됨으로, 종래기술과 같이 소자의 면에서 발광되는 면적에 비하여, 발광 면적이 증가하는 장점이 있다.
그러므로, 광 적출 효율(Light extraction efficiency)이 증가된다.
또한, 이종 기판 상부에 질화갈륨 박막을 성장시킬 때, 격자 부정합에 의하여 108 ~ 1010 ㎠의 밀도를 가지는 관통전위(Threading dislocation)이라는 결함이 발생하게 되는데, 기존의 발광 다이오드에서는 박막으로 성장되어지기 때문에, 소자내의 결함이 잔존하는데 반면에, 본 발명의 나노 로드를 갖는 발광 소자는 낮은 온도에서 나노 로드 크기로 성장됨으로, 기판과 버퍼층 사이의 격자 부정합에 인한 스트레스 및 스트레인을 완화시키고, 극미세한 나노 로드로 관통전위가 전파됨이 줄어들어 발광 구조물의 결정성을 우수하게 성장시켜 소자의 특성을 향상시킬 수 있는 것이다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 상호 이격되어 있는 복수개의 나노 로드에서 광이 방출되는 구조를 적용하여 소자의 발광 면적을 증가시켜 광 적출 효율(Light extraction efficiency)이 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (7)

  1. 기판과;
    상기 기판 상부에 형성된 N-버퍼층과;
    상기 N-버퍼층 상부 일 영역에 상호 이격되어 형성되어 있고, 각각은 N-화합물 반도체층, 활성층과 P-화합물 반도체층이 순차적으로 적층되어 이루어진 복수개의 나노 로드들과;
    상기 복수개의 나노 로드들 상부에 형성된 제 1 전극과;
    상기 N-버퍼층 상부 일 영역을 제외한 나머지 영역에 형성된 제 2 전극을 포함하여 이루어진 나노 로드를 갖는 발광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노 로드들은,
    10 ~ 1000㎚의 폭(W)을 갖는 것을 특징으로 하는 나노 로드를 갖는 발광 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은,
    사파이어 기판, Ga2O3 기판과 MgO기판 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 나노 로드를 갖는 발광 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 N-버퍼층은,
    GaN 계열 또는 ZnO 계열의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 나노 로드를 갖는 발광 소자.
  5. 기판 상부에 N-버퍼층을 형성하는 단계와;
    상기 N-버퍼층 상부에 N-화합물 반도체로 이루어진 복수개의 나노 로드들을 형성하는 단계와;
    상기 복수개의 나노 로드들 각각의 상부에 활성층과 P-화합물 반도체를 순차적으로 형성하여 상호 이격된 로드들로 이루어진 발광 구조물을 형성하는 단계와;
    상기 발광 구조물의 로드들 상부에 제 1 전극을 형성하는 단계와;
    상기 N-버퍼층에 제 2 전극을 형성하는 단계를 포함하여 구성된 나노 로드를 갖는 발광 소자의 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 나노 로드들은,
    상기 N-버퍼층 성장온도와 동일하지 않은 온도로 N-화합물 반도체를 성장시키는 것을 특징으로 하는 나노 로드를 갖는 발광 소자의 제조 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 N-버퍼층은,
    GaN 계열 또는 ZnO 계열의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 나노 로드를 갖는 발광 소자의 제조 방법.
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