KR20090111810A - 시준 리플렉터를 갖는 나노구조 ｌｅｄ 어레이 - Google Patents

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KR20090111810A
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라르스 사무엘슨
보 페데르센
요나스 올슨
요우릴리 마르티노브
스티븐 엘. 콘섹
피터 제스퍼 한버그
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Abstract

본 발명은 나노구조 발광 다이오드(LED)에 관한 것이다. 본 발명에 따른 나노구조 LED 디바이스는 복수의 개별적인 나노구조 LED의 어레이를 포함한다. 나노구조 LED 각각은 광이 생성되는 활성 영역을 갖는다. 상기 나노구조 디바이스는 하나의 개별적인 나노구조 LED(또는 나노구조 LED의 그룹)과 각각 관련된 복수의 리플렉터를 더 포함한다. 개별적인 리플렉터는 각각의 개별적인 나노구조 LED의 활성 영역 또는 나노구조 LED의 그룹의 활성 영역과 마주하는 오목한 표면을 갖는다.
나노구조 발광 다이오드, 나노와이어, 활성 영역, 리플렉터, 오목한 표면.

Description

시준 리플렉터를 갖는 나노구조 ＬＥＤ 어레이{NANOSTRUCTURED LED ARRAY WITH COLLIMATING REFLECTORS}
본 발명은 발광 다이오드(LED)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 나노구조의 어레이를 포함하는 나노구조 LED 디바이스에 관한 것이다.
오늘날의 지배적인 유형의 발광 다이오드(LED)는 평면 기술을 토대로 한다. PN-접합은 본질적으로 수평 방향을 갖는 디바이스를 제공하는 기판 상에 복수의 층으로서 구성된다. 광-생성 재결합은 이러한 층의 서브셋(subset)에서 발생한다. 반도체 층이 공기의 굴절률보다 실질적으로 더 높은 굴절률을 가지기 때문에, 생성된 광의 상당한 부분은 상기 층에서 반사될 것이며, 디바이스의 유효 루미네선스(effective luminescence)에 기여하지 않을 것이다. 실제로, 상기 층은 LED의 수평면에서 도파관의 역할을 할 것이다. 디바이스에서 트랩(trap)되는 LED의 광의 효과를 완화하고 반도체 층으로부터 광을 효율적으로 추출하는 조치가 제안되었다. 이와 같은 조치는 수평면에 대한 가변 각도를 갖는 부분을 제공하기 위하여 표면을 변경하는 것을 포함한다. 유사한 방법이 광을 산란시키거나 또는 대안적으로 광을 흡수하고 상이한 파장의 광을 생성하기 위하여 나노크기 입자가 LED 디바이스에 제공되는 EP1369935에 제안되어 있다. 게다가, 평면 기술은 소형화 및 적절한 재료의 선택 면에서 제약을 부과하는데, 이는 이하에 더 설명될 것이다.
나노스케일 기술 및 특히 나노와이어를 제조하는 능력의 발전은 평면 기술에서 가능하지 않은 방식으로 구조를 디자인하고 재료를 조합할 가능성을 열어놓았다. 이 발전에 대한 하나의 근거는 나노와이어의 1D 특성이 평면 기술로 제조된 디바이스에서의 상이한 재료 사이의 격자 정합(lattice matching)의 요건을 극복하는 것을 가능하게 한다는 것이다. 예를 들어, InP의 나노와이어가 결함 없이 InAs 또는 Si 상에 성장될 수 있다는 것이 제시 및 사용되었다. Samuelson 등에 의한 US20040075464에서, 나노와이어 구조를 기반으로 한 복수의 디바이스, 예를 들어, 나노와이어 LED가 개시되어 있다. 이러한 LED는 양자 구속 효과(quantum confinement effect)를 제공하는 내부 헤테로구조를 갖는다.
US20030168964는 나노와이어의 하단부에서의 도전성의 투명한 기판 및 상단부에서의 투명한 커버 기판 사이의 그룹으로 장착된 LED의 역할을 하는 복수의 나노와이어의 어셈블리를 설명하며, 각각의 개별적인 나노와이어는 P-형, N-형 및 발광 층의 구조를 갖는다. 나노와이어는 도전성의 투명한 기판을 통해 광을 방출하도록 배열된다고 한다.
다른 나노와이어 LED가 이전에 보고되었다. Hiruma 등은 수직의 GaAs 나노와이어 pn LED를 제조하였다. 나노와이어는 SOG 내에 임베딩(embedding)되었고, Haraguchi 등에 의한 "GaAs p-n junction formed in quantum crystals" Appl. Phys. Lett. 60(6) 1992에서 설명된 Au/Ge/Ni 최상부 콘택(contact)으로 커버된다. GaN 기반 나노와이어 LED는 또한 Quian 등에 의한 "Core/Multishell Nanowire Heterostructure as Multicolor, High-Efficency Light-Emitting Diodes" Nanoletters에서 설명된 바와 같이 제조되었다.
나노와이어가 LED 디바이스를 구성하는데 사용될 수 있다는 것이 업계에서 제시되었다. 효율에 대한 부가적인 개선을 나노기술에 의해 제공할 가능성을 충분히 이용하는 것이 필요하다.
본 발명의 목적은 종래 기술 디바이스 및 방법의 결점을 극복하는 나노구조 LED 디바이스 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 이것은 청구항 1에서 규정된 바와 같은 디바이스 및 청구항 23에서 규정된 바와 같은 방법에 의해 성취된다.
본 발명에 따른 나노구조 LED 디바이스는 복수의 개별적인 나노구조 LED의 어레이를 포함한다. 나노구조 LED 각각은 광이 생성되는 활성 영역을 갖는다. 상기 나노구조 디바이스는 하나의 개별적인 나노구조 LED 또는 나노구조 LED의 그룹과 각각 관련되는 복수의 리플렉터를 더 포함한다. 개별적인 리플렉터는 각각의 개별적인 나노구조 LED의 활성 영역 또는 나노구조 LED의 그룹의 활성 영역과 마주하는 오목한 표면을 갖는다.
본 발명에 따른 나노구조 LED 디바이스는 LED 어레이 층 및 리플렉터 층을 포함하는 것으로 인식될 수 있다. 복수의 나노구조 LED는 LED 어레이 층을 형성하고, 대응하는 복수의 활성 영역이 상기 층 내에 배열된다. 리플렉터 층은 LED 어레이 층에 평행한 평면에 배열되고, 하나의 활성 영역 또는 활성 영역의 그룹과 마주하는 오목한 표면을 각각 가지며 LED 어레이를 통해 광을 지향시키도록 배열되는 복수의 리플렉터를 포함한다. 리플렉터 층의 리플렉터의 주기성은 나노구조의 LED 또는 이의 관련 활성 영역의 주기성과 관련될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 각각의 리플렉터는 긴 나노구조 LED, 전형적으로 나노와이어로부터의 LED 형태의 상부면, 및 선택적으로 측면의 일부를 커버한다.
일 실시예에서, 나노구조 LED는 피라미드 형상으로 이루어지고, 리플렉터는 본질적으로 기판과 마주하는 측면을 제외하고는, 나노구조 LED의 모든 측면을 커버한다.
개별적인 리플렉터는 연속적인 반사 층을 형성하도록 결합될 수 있다. 일 실시예에서, 연속적인 반사 층은 나노구조 LED의 상부면 및 나노구조 중간에 공간을 채우기 위하여 제공되었던 필러 층(filler layer) 둘 모두를 커버한다.
리플렉터 또는 연속적인 반사 층은 나노구조 LED 상에 직접 제공될 수 있다. 대안적으로, 스페이서 재료(spacer material)가 리플렉터의 형상을 규정하기 위하여 이들 사이에 제공된다. 콘택 또는 콘택 층이 또한 리플렉터 및 나노구조 LED 사이에 제공될 수 있다. 하나의 대안은 또한 나노구조 LED로의 상부 콘택으로서 연속적인 반사 층을 사용하는 것이다.
본 발명의 하나의 장점은 나노구조 LED 디바이스의 효율이 충분히 증가될 수 있다는 것이다. 부가적인 장점은 나노구조 LED 디바이스가 설정된 방법으로 제조될 수 있다는 것이다.
본 발명에 따른 나노구조 LED의 더 부가적인 장점은 제조가 비용 효율적인 산업 생산에 적응될 수 있다는 것이다.
본 발명의 실시예는 종속 청구항에서 규정된다. 본 발명의 다른 목적, 장점, 및 신규한 특징은 첨부 도면 및 청구항과 함께 고려될 때 본 발명의 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예가 이제 첨부 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1a는 본 발명에 따른 나노구조 LED 디바이스를 개략적으로 도시하고, 도 1b 내지 1e는 본 발명에 따른 나노구조 LED 디바이스에서 사용된 직립한 개별적인 나노구조 LED를 도시한다.
도 2a 내지 2f는 본 발명에 따른 리플렉터를 개략적으로 도시한다.
도 3a 및 3b는 본 발명에 따른 리플렉터를 포함하는 나노구조 LED 디바이스의 상이한 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 4a 및 4b는 본 발명에 따른 나노구조 LED 디바이스에 포함된 나노구조 LED의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 5a 내지 5c는 본 발명에 따른 나노구조 LED 디바이스의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 방법에서의 기본적인 제조 단계를 도시한다.
도 7은 LED 나노구조를 개략적으로 도시한다.
도 8a는 도 7에 따른 나노구조 LED의 SEM-이미지이고, 8b는 활성 LED 나노구조의 이미지이다.
도 9는 제 1 MOVPE 단계 이후의 본 발명의 나노와이어 구조의 SEM 이미지이다.
도 10a 내지 10c는 도 7 및 9에 따른 LED 나노구조 및 나노와이어의 광루미네선스 그래프이다.
도 11a는 GaP 및 Si 상에서 성장된 GaAs LED의 전기루미네선스의 전력 의존성을 도시하고, 11b는 GaP 및 Si 기반 LED 나노구조로부터 80 mA에서의 EL 스펙트럼을 도시한다.
도 12a 내지 12c는 상이한 형상으로 선택적으로 성장된 나노구조의 SEM 이미지를 도시한다.
도 13a 및 13b는 LED 구조의 2개의 대안적인 형상의 SEM 이미지를 도시한다.
본 발명에 따른 나노구조 발광 다이오드(LED) 디바이스는 직립 나노구조 LED를 포함한다. 개별적인 나노구조 LED는 예를 들어, 나노와이어의 사용에 의해 형성된다. 나노와이어는 LED에서의 능동 소자 또는 나노구조에 대한 빌딩 블록(building block) 중 하나로서 사용되며, 상기 나노와이어는 예를 들어, 기판의 재료와 정합하지 않는 재료로 나노구조를 제조하는 것을 가능하게 한다. 반도체 기판 상에 나노와이어를 성장시키는 적절한 방법이 US 2003010244에 설명되어 있다. 헤테로구조를 갖는 에피텍셜로 성장된 나노와이어를 제공하는 방법은 US20040075464에서 발견될 것이다. 나노구조 LED는 또한 예를 들어, Crystal Growth 189/190(1998) 83-86의 D. Kapolnek 등에 의한 "Spatial control of InGaN luminescence by MOCVD selective epitacy"에서 나타낸 바와 같은 GaN 기판 상의 InGaN/GaN 육각형 피라미드 구조와 같은 다른 수단에 의해 형성될 수 있다.
본 출원의 목적을 위하여, 직립 나노와이어는 어떤 각도로 기판으로부터 돌출된 나노와이어로서 해석되어야 하며, 예를 들어, 기판으로부터 에피택셜로 성장된다. 기판과의 각도는 전형적으로 기판과 나노와이어에서의 재료, 기판의 표면 및 성장 조건의 결과일 것이다. 이러한 파라미터를 제어함으로써, 단지 하나의 방향, 예를 들어, 수직으로, 또는 제한된 세트의 방향으로 향하는 나노와이어를 제조하는 것이 가능하다. 주기율표의 III, V 및 IV 족으로부터의 원소로 구성된 다이아몬드 반도체 및 섬아연광의 나노와이어 및 기판의 예를 들면, 이와 같은 나노와이어는 [111] 방향으로 성장되고 나서, 임의의 [111] 기판 표면에 수직인 방향으로 성장될 수 있다. 표면에 수직 및 나노와이어의 축방향 사이의 각도로서 제공되는 다른 방향은 70,53°{111}, 54,73°{100}, 및 35.27° 및 90°(둘 모두 {111})를 포함한다. 따라서, 나노와이어는 하나 또는 제한된 세트의 방향을 규정한다.
상부, 최상부, 하부, 하향, 등에 대한 모든 참조는 최하부에 있는 기판 및 기판으로 위로 신장되는 나노와이어를 고려하는 것으로 이루어진다. 수직은 나노와이어의 더 긴 신장부에 평행한 방향과 관련되고, 수평은 기판에 의해 형성된 평면에 평행한 방향과 관련된다. 이 술어는 이해의 용이함을 위해서만 도입되며, 특정 어셈블리 방향, 등으로 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다.
본 발명에 따른 나노와이어 LED 디바이스(101)는 도 1a에 개략적으로 도시되어 있고, 광이 생성되는 개별적인 활성 영역(120)을 각각 가지는 나노구조 LED(100)의 적어도 하나의 어레이를 포함한다. 나노구조 LED는 제조 동안 기판(105)으로부터 성장되었다. 본 발명에 따른 나노구조 LED 디바이스(101)는 "플립-칩(flip-chip)" 구성으로서 통칭되는 것으로서 디자인되고, 광이 기판(105)을 통해 추출된다. 대안적으로, 기판은 제조 동안 제거되었고, 광은 나노구조 LED(100)로부터 직접, 또는 나노구조 LED(100)의 하부면을 커버하는 버퍼 층 또는 보호 층(도시되지 않음)을 통하여 방출된다. 본 발명에 따르면, 생성된 광은 적어도 부분적으로 광이 디바이스를 떠나는 나노구조 LED의 단부에 비하여 나노구조 LED의 대향 단부에 근접하게, 즉, 최상단부에 가깝게 위치된 리플렉터(135)에 의하여 지향된다. 리플렉터(135)는 활성 영역으로부터 방출된 광을 기판을 향한 방향으로 시준 또는 포커싱한다. 나노구조 LED 어레이 및 기판 평면의 수직 방향을 향한 광의 시준은 이것이 내부 반사를 감소시키기 때문에 디바이스의 광 추출에 유용하다. 고도의 방향성 광 방출은 또한 여러 LED 애플리케이션에 유용하다. 광은 리플렉터(135)가 활성 영역(120)을 향한 본질적인 오목한 표면을 가지기 때문에 시준된다. 오목한 표면은 여기서 연속적인 곡선(a), 개방 직사각형(b), 완만한 코너를 갖는 개방 직사각형(c), 가변 각도로 결합된 복수의 직선 부분(d), 삼각형의 2개의 레그(leg)(e), 또는 복수의 연속적인 곡선(f)을 형성하는 단면을 포함하지만, 이에 제한되지 않는 도 2a 내지 2f에 도시된 바와 같은 매우 광범위한 해석을 제공받아야 한다. 시준은 또한 LED 디바이스를 떠나는 광이 반드시 엄밀하게 평행하지는 않지만, 일반적으로 바람직한 방향을 갖는 것을 나타내도록, 광범위하게 해석되어야 한다.
리플렉터는 성장 및/또는 후속 프로세싱 동안 형성된 구조의 최상부 상에 고도의 반사형 금속 층으로서 증착될 수 있다. 리플렉터에 대한 전형적인 재료는 Ag, Al(파장 λ<500nm를 갖는 녹색 및 청색 범위의 LED에 대하여), 및 적외선, 적색, 오랜지색 및 호박색 범위의 LED에 대하여 Au를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, AlGaAs/GaAs 또는 GaN/AlGaN의 반복된 층을 포함하는 다층 구조가 리플렉터로서 사용될 수 있다. 리플렉터에 대한 증착 방법은 증발, 스퍼터링, 전기화학적 또는 무전해 도금을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 리플렉터가 부식 및 산화되지 않도록 하기 위하여, 부가적인 보호 유전체 층이 예를 들어, SiO2, Si3N4 또는 유사한 재료로부터 형성될 수 있다. 이 층에서, 리플렉터에 전기적 콘택을 제공하기 위하여 개구가 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 나노구조 LED 디바이스에서의 개별적인 리플렉터의 치수는 적어도 개별적인 나노구조의 크기 및 형상에 따르는 것이 아니라, 거의 구현예에 따라서 가변될 것이다. 전형적인 직경 및 높이는 가장 넓은 부분에서 수십 나노미터로부터 몇 마이크로미터의 범위이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 각각의 개별적인 리플렉터(135)의 내부의 오목한 표면은 각각의 개별적인 나노구조 LED의 적어도 상부면의 컨투어(contour)에 의해 규정된다. 나노구조 LED의 측면 중 일부 또는 모두는 또한 리플렉터의 부분을 규정한다.
나노구조 LED 디바이스(101)는 LED 어레이 층(180) 내에 배열된 대응하는 복수의 활성 영역(120)을 갖는 복수의 나노구조 LED(100)를 포함하는 LED 어레이 층(180)을 가지는 수직적으로 계층화된 디바이스로서 간주될 수 있다. LED 어레이 층(180)에 평행한 평면에는, 하나의 활성 영역 또는 활성 영역의 그룹과 마주하고 LED 어레이(180)를 통해 광을 지향시키도록 배열되는 오목한 표면을 갖는 복수의 리플렉터(135)를 포함하는 리플렉터 층(181)이 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 리플렉터 층(181)의 개별적인 리플렉터(135)의 주기성은 개별적인 나노구조 LED의 주기성과 관련된다. 리플렉터 층(181)의 주기성은 일련의 n 또는 1/n(n=1,2,3...)으로서 LED 어레이 층(181)의 주기성과 관련될 수 있다. 대안으로서, 리플렉터 층(181)은 랜덤 구성 또는 LED 어레이 층(180)의 주기성과 상관되지 않은 주기성을 갖는다.
리플렉터의 불규칙적 형상 및 나노구조 어레이와 관련하여 가깝게 위치시키는 것은 부가적인 장점을 제공한다: 상기 층은 다수의 용도를 가질 수 있다. 이것은 활성 영역의 에어리어와 비교할 때 리플렉터 재료 및 결합 반도체의 더 높은 상대적인 접합 표면적 및 활성 에어리어로의 근접성으로 인하여 종래의 평면 LED보다 더 높은 효율을 갖는 열 전도체의 기능을 할 수 있다. 이것은 또한 높은 상대적인 접합 표면적 및 근접성으로 인하여, LED 어레이로의 전기적 콘택으로서 유용하다. 이 다목적 층은 이 방식으로LED 효율에 대한 디바이스 디자인을 용이하게 한다.
나노구조 LED를 기반으로 한 디바이스는 광이 하나의 연속적인 평면 대신에, 다수의 개별적인 광 소스로부터 방출되기 때문에 종래의 평면 LED와 근본적으로 상이하다. 임의의 어레이 디자인이 리소그래피 수단에 의해 구현될 수 있다. LED의 이와 같은 어레이의 피치(pitch) 및 패턴은 가변될 수 있다. 본 발명에서, 어레이 의 평면에 가까운 방향에서의 광 방출을 금지하기 위하여 피치가 방출된 광의 파장의 1/2에 가까운 삼각형 또는 육각형 어레이와 같은 광자 결정 특성으로 어레이를 구성하는 것이 유용하다. 광자 결정 특성의 제안된 용도가 반도체로부터 최종적인 광 추출 인터페이스 및 미러 둘 모두를 향해 광을 정렬시키는 것으로 목적으로 하기 때문에, 활성 어레이에서의 광자 결정 디자인의 이러한 용도는 광이 반도체로부터 추출되는 것을 목적으로 하는 인터페이스 부근에, 그리고 활성 영역 외부에 위치된 광자 결정 패턴의 용도와 본질적으로 상이하다. UV로부터 IR까지의 범위의 광에 대하여, 이와 같은 어레이의 피치는 대략 0,1 내지 4 μm라고 할 수 있다. 개별적인 LED의 특정 크기는 종종 어레이 피치의 선택에 의해 제한될 수 있다.
본 발명에 따른 나노구조 LED가 도 1b 내지 1e에 개략적으로 도시되어 있다. 도 1b는 나노와이어(110)로 형성된 나노구조 LED를 도시하고, 기판(105)을 포함하는데, 여기서 나노와이어(110)는 기판(105)으로부터 에피택셜로 성장되었다. 나노와이어(110)의 일부는 볼륨 요소(volume element)(115)에 의해 둘러싸인다. 볼륨 요소(115)는 바람직하게는 나노와이어(110)에 에피택셜로 접속된다. 다이오드 기능에 필요한 pn-접합이 볼륨 요소(115) 또는 대안적으로 나노와이어(110)에 형성된다. 최상부 콘택이 볼륨 요소(115) 상에, 예를 들어, 최상부 상에, 또는 외주면 상의 랩핑 구성(wrapping configuration)에 제공된다. 나노구조 LED(100)는 예를 들어, 공통 최하부 콘택을 형성하는 기판을 통하여, 기판에 가까운 전용 접촉 층을 통하여, 또는 나노와이어(110)의 하단부에서의 랩 콘택(wrap contact)에 의하여 다른 단부에서 접촉될 수 있다. 랩 콘택은 L-형상이거나 또는 나노와이어로의 콘택의 길이가 접촉 층의 두께에 의해 규정될 수 있다. 나노와이어(110)는 전형적으로 50 nm 내지 500 μm 정도의 직경을 가지며, 볼륨 요소는 500 nm 내지 10 μm의 직경을 갖는다. 볼륨 요소에 의해 커버되지 않는 나노와이어의 부분의 길이는 애플리케이션에 따라 10 nm로부터 몇 μm까지 가변될 수 있다. 볼륨 요소의 길이는 전형적으로 그리고 바람직하게는 1 내지 5 μm 정도이다. 볼륨 요소(115) 또는 벌브(bulb)는 상이한 형상을 가질 수 있고, 볼륨 요소 및 나노와이어는 광 생성에 필요한 재결합 조건을 제공하는 활성 영역의 상이한 위치 및 형상을 제공하도록 함께 디자인될 수 있다. 볼륨 요소(115)는 고도의 도핑을 더 제공할 수 있고, 전하 캐리어가 나노와이어 내로 주입된다. 본 발명에 따르면, 나노구조 LED는 기판(105)을 통하여, 또는 대안적으로 기판이 제거되는 경우에 지지 구조를 통하여 디바이스 외부로 광을 지향시키도록 디자인되는데, 즉, 도면을 참조하면, 광은 하향 방향으로 지향된다. 본 발명에 따르면, 생성된 광은 적어도 부분적으로 광이 디바이스를 떠나는 나노와이어의 단부에 비하여 나노와이어의 대향단부에 근접하게, 즉, 나노와이어(110)의 최상단부에 가깝게 위치된 리플렉터(135)에 의하여 지향된다. 도시된 리플렉터(135)는 공지된 방법에 의하여 형성될 수 있는 형상인, 볼륨 요소(115)의 절단된 피라미드 최상부 부분을 따르는 단면을 갖는다. 도면에 도시된 바와 같이, 리플렉터의 형상은 제조 관점에서 바람직한 실시예를 나타내는 볼륨 요소(115)의 형상을 따른다. 그러나, 상술된 바와 같이, 많은 상이한 형상이 구상 및 제작될 수 있고, 도시된 형상 및 상기 형상이 볼륨 요소에 의해 제공된다는 것은 비-제한적인 예로서 간주되어야 한다.
도 1c는 볼륨 요소(115)가 쉘-형 구조(shell-like structure)의 복수의 층(116, 117)을 포함하는 또 다른 디자인을 도시한다. 도핑 층(117)은 p 또는 n 영역을 제공하고, 웰 층(well layer)(116)은 동작 하의 활성 영역(120)을 포함한다. 대안적으로, 웰은 복수의 서브-층으로 이루어질 수 있다. 상기 구조는 도핑 특성을 강화시키고, 접촉을 개선시키는, 등의 다른 층(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 이 실시예에서, 활성 영역(120)은 주로 나노와이어(110)의 외부에 있을 것이다. 리플렉터(135)는 이 실시예에서, 쉘-형 구조를 둘러싼다. 볼륨 요소/쉘 구조는 여기서 하나의 가능하며 기술적인 성취 가능한 구현예를 나타내는 뾰족한 상단부를 갖는 것으로 도시되어 있다. 기존 증착 기술을 통해 리플렉터가 볼륨 요소에 부착되게 될 수 있기 때문에, 희망하는 본질적으로 오목한 형상이 성취된다. 상술된, 접촉, 치수의 예는 이 실시예에 대해서도 관련된다. 도 1a 내지 1c에 개략적으로 도시된 실시예의 나노구조 LED(100)는 뾰족한 상부를 갖는 긴 구조로서 설명될 수 있다. 뾰족한 것은 이 경우에 도시된 바와 같이 가장 바깥쪽 최상부의 절단부를 갖는 형상을 또한 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 나노구조 LED는 수직면을 가진 긴 원통형 부분을 더 갖는다. 용어 수직면은 긴 원뿔의 표면을 또한 포함하는 것이다.
나노와이어(110)가 볼륨 요소(115)를 형성하는 피라미드형 과도성장(pyramidal overgrowth)에 의해 둘러싸이는 부가적인 실시예가 도 1d에 도시되어 있다. 활성 영역(120)은 이 경우에, 나노와이어 내에 형성되거나, 또는 도시된 바와 같이 쉘-형 구조가 제공되는 경우에, 볼륨 요소 내에 형성될 수 있다. 리플렉터(135)는 피라미드 형상을 따르며, 대응하는 피라미드를 형성하는데, 즉, 도시된 단면이 삼각형일 것이다. 도시된 예에서, 콘택(137)이 볼륨 요소(115) 및 리플렉터(135) 사이에 제공된다.
나노와이어의 도움 없이 형성된 나노구조 LED가 도 1e에 도시되어 있다. 제 1 반도체 재료의 피라미드(160)가 기판(105) 상에 형성되고, 후속 반도체 층(161, 162)을 성장시킴으로써, 활성 영역(120)을 제공하는 pn 접합이 형성될 수 있다. 또한, 이 유형의 구조에는 본 발명에 따른 리플렉터(135)가 제공될 수 있다.
도 1a 내지 1e의 얇은 화살표는 활성 영역으로부터 방출된 광의 가능한 반사 경로를 나타내고, 기판(105)을 향한 시준 효과를 도시한다.
모든 실시예에서, 최상부 콘택을 형성하는 볼륨 요소 상에 접촉 수단이 필요하다. 최상부 콘택은 볼륨 요소 및 리플렉터 사이에 위치될 수 있고, 그러한 경우에, 상기 최상부 콘택은 바람직하게는 투명 또는 반투명 재료로 이루어진다. 도 1d에 도시되어 있지만 다른 디자인에서도 구현 가능한 하나의 대안은 볼륨 요소를 커버하는 투명한 접촉 층(125) 및 상기 접촉 층(125)의 최상부 상의 층의 형태의 리플렉터(135)이다. 부가적인 대안은 예를 들어, 층 형태의 리플렉터(135)가 콘택 및 리플렉터 둘 모두의 역할을 하는 것이다.
기판(105) 및 직립 구조의 부분은 도 1b에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 나노구조 LED를 둘러싸는 공간을 채워는 재료 또는 박막으로서 커버 층(107)에 의해 커버될 수 있다.
도 1a 내지 1e에 도시된 실시예에 따르면, 리플렉터(135)는 복수의 나노와이어가 도시되어 있는 도 3a에 도시된 바와 같이, 각각의 나노구조 LED(100)에 관련 될 수 있다. 리플렉터는 하나의 나노구조 LED만을 커버하지만, 광 경로를 나타내는 얇은 화살표로 나타낸 바와 같이, 다른 활성 영역(120)으로부터 방출된 광을 시준하는데 기여할 수 있다.
대안적으로, 도 3b에 도시된 바와 같이, 리플렉터(135)는 복수의 나노구조 LED와 관련된다. 나노와이어의 방향에서 그리고 기판 쪽에서 보면, 리플렉터(135)는 복수의 나노와이어 LED의 활성 영역(120)을 커버한다. 바람직하게는, 적절한 광학적 특성을 갖는 이격 재료(136)가 나노구조 LED 및 리플렉터(135) 사이에 제공된다. 이격 재료(136)는 오목한 리플렉터의 형성을 용이하게 할 수 있다. 이격 재료는 방출된 파장의 광에 대해 투명해야 한다. 이격 재료는 스퍼터링, 증발 또는 CVD를 사용하여 증착된 유전체, 예를 들어, SiO2, Si3N4일 수 있다. 대안적으로, 이격 재료는 개별적인 나노구조 LED 성장과 상이한 조건 하에서 에피택셜 성장 동안 증착된 반도체 재료일 수 있다. 이격 재료는 리플렉터를 통한 접촉을 용이하게 하기 위하여 전기적으로 도전적으로 이루어질 수 있다.
리플렉터(135)의 단면이 나노구조 LED의 직경보다 실질적으로 더 작고 복수의 리플렉터가 각각의 나노구조(100)와 관련될 수 있는 부가적인 대안이 도 3c에 개략적으로 도시되어 있다. 이 형상을 성취하기 위하여, 개별적인 나노구조 LED의 상부면은 에칭 또는 레이저 텍스처링 방법(laser texturing method)을 사용하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 나노구조 LED의 나노와이어는 직립 나노와이 어에 의해 제공된 방향에서 나노구조 LED에 의해 생성된 광의 적어도 일부를 지향시키는 도파관으로서 사용된다. 이상적인 도파 나노와이어 LED 구조는 코어의 굴절률보다 더 적은 굴절률을 갖는 하나 이상의 둘러싸는 클래딩(cladding)을 갖는 높은 굴절률 코어를 포함한다. 상기 구조는 원형 대칭이거나 원형 대칭에 가깝다. 원형 대칭 구조 내의 광 생성 도파는 광섬유 애플리케이션에 널리 공지되어 있고, 희토 도핑된 섬유 증폭기 및 레이저의 에어리어에 대해 많은 대등한 것이 만들어질 수 있다. 그러나, 하나의 차이는 섬유 증폭기가 광학적으로 펌핑(pumping)되는 반면, 설명된 나노와이어 LED 구조는 전기적으로 펌핑되는 것으로 간주될 수 있다는 것이다. 하나의 널리 공지된 장점의 형태는 소위 개구수(Numerical Aperture: NA):
Figure 112009037235621-PCT00001
이고, 여기서 n1 및 n2는 각각 코어 및 클래딩의 굴절률이다. NA는 도파관에 의해 캡처된 광의 각도를 결정한다. 도파관의 코어 내부에 생성된 광에 대하여, 캡처 각도(φ)는 n1ㆍcos(φ)=n2로서 결정될 수 있다. NA 및 캡처된 광의 각도는 새로운 LED 구조의 최적화에서 중요한 파라미터이다.
III-V 반도체 코어 재료에 대한 전형적인 값은 2.5로부터 3.5까지의 범위의 굴절률이다. 1.4로부터 2.9까지의 범위의 굴절률을 갖는 SiO2 또는 SiN과 같은 유리형의 클래딩 재료와 결합될 때, 캡처 각도는 65도만큼 높아질 수 있다. 65도의 캡처 각도는 생성된 광의 75%까지가 상기 구조(양 방향)에 의해 캡처 및 가이드될 수 있도록 한다.
광 추출의 최적화에서의 하나의 고려사항은 나노와이어 구조로부터 광 추출 을 최적화하기 위하여 NA가 나노와이어 구조를 따라 가변되도록 하는 것이다. 일반적으로, 광 생성이 출구 위치로부터 가장 멀리서 발생할 때 NA를 가장 높도록 하는 것이 이상적이다. 이것은 캡처되어 출구를 향해 가이드되는 광을 최대화시킬 것이다. 대조적으로, 상기 구조의 출구 단부에 가까울수록, NA는 생성된 광이 랜덤 방향으로 방사될 것이고 방사 광의 대부분이 출구 및 상기 구조의 최상부의 측면 및 최상부과 충돌할 것이기 때문에 더 작아질 것이다. 상기 구조의 최상부에서 더 낮은 NA를 가지는 것은 또한 리플렉터가 상기 구조의 최하부 내에 삽입되지 않는다면 이상적이지 않을 수 있는 구조를 통한 광 캡처 및 가이드 백 다운(guide back down)을 최소화한다. 낮은 NA는 다소 더 적은 굴절률을 갖는 상이한 조성의 또 다른 III-V 클래딩으로 III-V 나노와이어 코어를 둘러쌈으로써 획득될 수 있다.
도 4a에 개략적으로 도시된 실시예에 따르면, 나노와이어(110), 또는 나노와이어(110)의 일부는 나노와이어의 긴 방향에 의해 제공되는 일반적으로 방향으로 생성된 광의 적어도 일부를 지향시키는 도파관(116)을 형성하도록 배열된다. 나노와이어의 이 기능은 얇은 화살표로 도면에 도시되어 있다. pn-접합은 나노와이어 내에 또는 나노와이어 부근에 배열되고 광이 생성되는 활성 영역(120)을 발생시킨다. 도 4의 활성 영역(120)의 위치가 비-제한적인 예라는 점이 주의되어야 한다. 나노와이어 LED의 상이한 부재의 재료는 나노와이어가 주변 재료와 비교하여 양호한 도파 특성을 가지도록 선택되는데, 즉, 도파관(116)에서의 재료의 굴절률은 주변 재료의 굴절률보다 더 커야 한다. 나노와이어(110) 및 도파관(116)이 제 1 굴절 률(ηW)을 가지고 도파관 부분(116) 내의 나노와이어를 둘러싸는 재료, 전형적으로 커버 층(107)이 제 2 굴절률(ηC)을 가지며, 볼륨 요소가 제 3 굴절률(ηVE)를 가지는 경우에, ηW>ηC이고 ηW>ηVE이다. 나노구조 LED에 대한 전형적인 값은 ηW≒3, ηC≒1.5이고 ηVE≒3이다.
도파관(116)에는 하나 이상의 클래딩 층이 제공될 수 있다. 제 1 클래딩 층(112)은 나노와이어의 표면 특성을 개선시키기 위하여 도입될 수 있는데, 예를 들어, GaAs 나노와이어가 사용되는 경우에, 상기 특성이 GaInP의 클래딩 층을 추가함으로써 개선된다는 것이 제시되었다. 부가적인 클래딩 층, 예를 들어, 광학적 클래딩 층(113)이 광 섬유의 에어리어에서 양호하게 설정된 것과 유사한 방식으로, 특히 도파관(116)의 도파 특성을 개선시키기 위하여 도입될 수 있다. 광학적 클래딩 층(113)은 전형적으로 나노와이어 및 주변 재료의 굴절률 사이의 굴절률을 갖는다. 대안적으로, 클래딩 층(113)은 어떤 경우에 광 투과를 개선시키는 것으로 제시되었던 등급화된 굴절률을 갖는다. 광학적 클래딩 층(113)이 사용되는 경우에, 나노와이어의 굴절률(ηW)은 나노와이어 및 클래딩 층 둘 모두에 대한 유효 굴절률을 규정해야 한다.
상술된 참조문헌에 설명되고 아래에 예시된 바와 같은, 양호하게 규정된 파라미터로 나노와이어를 성장시키는 능력은 본 발명의 일 실시예에서, 나노구조 LED(100)에 의해 생성된 광의 파장에 대하여, 나노와이어(110) 또는 적어도 도파 관(116)의 도파 특성을 최적화시키는데 사용된다. 널리 공지된 바와 같이, LED의 광 생성에 대한 기초인 재결합 프로세스는 재료 특성에 따라 좁은 파장 영역에서 광을 생성한다. 실시예에서, 나노와이어(110)의 직경은 생성된 광의 파장에 양호한 대응성을 가지도록 선택된다. 바람직하게는, 나노와이어(111)의 치수는 생성된 광의 특정 파장에 대해 최적화되는 균일한 광학적 캐비티(optical cavity)가 나노와이어를 따라 제공되도록 한다. 코어 나노와이어는 광을 캡처하도록 충분히 넓어야 한다. 경험 법칙(rule of thumb)은 직경이 λ/2ηW보다 커야 한다는 것이며, 여기서 λ는 생성된 광의 파장이고 ηW는 나노와이어(110)의 굴절률이다.
가시 영역에서 광을 생성하도록 배열되는 나노구조 LED에 대하여, 나노와이어의 도파부의 직경은 바람직하게는 나노와이어가 효율적인 도파관이 되도록 하기 위하여 80 nm보다 더 커야 한다. 적외선 및 근적외선에서, 110 nm 이상의 직경이 충분할 것이다. 나노와이어의 직경에 대한 적절한 바람직한 상한은 성장 제약에 의해 제공되며, 500 nm 정도이다. 나노와이어(110)의 길이는 전형적으로 그리고 바람직하게는 활성 영역(120)에 대한 충분한 볼륨을 제공하는 동시에 내부 흡수를 초래하지 않도록 불필요하게 길지 않은 1 내지 10 μm 정도이다.
도 4a에 도시된 실시예에 따르면, 나노와이어(110)의 도파 특성은 기판(105)을 통한 광의 추출을 더 강화시키기 위하여 리플렉터(135)의 시준 효과와 결합된다. 활성 영역(120)에서 생성된 광의 상당한 부분은 나노와이어에 의하여 하향 방향으로 인도될 것이다. 그러나, 광의 일부는 도파관(116)에 의해 "캡처"되지 않는 방향으로 방출될 것이다. 광의 이 부분이 도파관(116) 또는 나노구조의 다른 부분 중 하나를 통하여 기판을 향한 방향으로 리플렉터(135)에 의해 반사될 수 있다.
도 4b에 개략적으로 도시된 실시예에서, 광은 본질적으로 나노와이어(110)의 반경방향 외부에 위치된 활성 영역(120)에서 생성되는데, 즉 이는 도 1b를 참조하여 설명된 쉘-형 구조의 실시예에 대응한다. 이 실시예에서, 볼륨 요소에는 상기 볼륨 요소에 도파 특성을 제공하기 위하여 클래딩 층(440)이 제공된다. 볼륨 요소(115)의 최상부 상의 리플렉터(135)는 상향 방향으로 방출된 광의 적어도 일부의 하향 반사를 제공한다.
상기 실시예에서, 이해를 모호하지 않게 하기 위하여, 광이 기판(105)을 통해 방출된다고 설명되었다. 그러나, 나노구조 LED를 포함하는 LED 디바이스에서, 광의 방출을 용이하게 하기 위하여, 기판은 제거될 수 있거나, 또는 도 4a에 도시된 바와 같은 컷 아웃(cut out)(130)을 구비할 수 있다. 나노와이어의 핵형성(nucleation)을 강화하기 위한, 예를 들어, GaN의 버퍼 층 또는 예를 들어, SiO2의 보호 층과 같은 다른 층이 나노와이어에 인접하게 제공될 수 있다. 기판은 기판 재료가 머시닝(machining) 또는 에칭 제거되는 래핑(lapping) 및 에칭 방법들을 사용하여 제거될 수 있다. 대안적으로, 기판으로부터 에피택셜로 성장된 구조를 분리하기 위하여 리프트-오프 프로세스(lift-off process)가 사용될 수 있다.
복수의 나노구조 LED(100)를 포함하는 나노구조 LED 디바이스(101)에서의 개별적인 리플렉터(135)는 도 5a에 개략적으로 도시된 바와 같이, 복수의 나노구조 LED(100)를 커버하는 연속적인 반사 층(535)으로서 편리하게 형성될 수 있다. 연속적인 반사 층(535)은 복수의 개별적인 리플렉터로서 간주되어야 한다. 도면에 도시된 바와 같이, 연속적인 반사 층(535)은 이 실시예에서 각각의 개별적인 나노구조 LED의 표면의 주요 부분을 커버한다. 연속적인 반사 층(535)은 도시된 바와 같이, 개별적인 나노구조 LED(100) 사이의 공간을 채울 수 있다. 대안적으로, 도 5b에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 나노구조 LED의 높이의 일부를 커버하는 SiO2의 충전 층(507)이 나노구조 LED 디바이스에 제공된다. 연속적인 반사 층(535)은 이 실시예에서, 충전 층(507)을 커버하는 본질적으로 평활한 표면(536)과 결합하여 나노구조 LED를 커버하는 본질적으로 오목한 표면의 복수의 개별적인 리플렉터(135)로서 설명될 수 있다. 이 해결책은 광이 가이드 아웃(guide out)되기 전에, 즉, 결합한 평활 표면 및 기판 또는 버퍼 층의 플랜(plan) 사이에서 더 많은 반사를 도입할 것이다. 이것은 나노구조의 높이, 더 많은 광을 발생시키는 것, 반복된 반사로부터의 더 높은 흡수 손실 사이에서 트레이드-오프(trade-off)를 제공한다. 그러나, 나노구조의 도파 특성은 나노구조 상의 긴 방향에 대한 낮은 각도를 갖는 광의 방출이 광의 높은 프랙션(fraction)의 제 1 반사가 리플렉터의 오목한 부분 상에 있도록 가이드될 것이기 때문에 이 효과를 제한할 것이다.
본 발명의 또 다른 구현예가 도 5c에 도시되어 있다. 개별적인 나노구조 LED에는 나노구조 LED의 전체 원통형 표면을 커버하는 전기적 도전성 투명 층(540)이 제공된다. 스퍼터링 증착에 의해 증착된 투명한 도전성 산화물(예를 들어, ITO)이 이와 같은 층을 형성하는데 사용될 수 있다. 그 후에, 나노구조 LED 사이의 공간은 LED의 팁(tip)이 노출되도록 하는 투명한 전도체 재료(507), 예를 들어, SiO2, Si3N4, Al2O3로 채워진다. 최종적으로, 실제로 복수의 개별적인 리플렉터(135)를 포함하는 리플렉터(535)가 형성된다. 리플렉터 층은 각각의 나노구조 LED의 투명한 콘택 층(540)과 전기적 콘택을 형성한다. 이 구조는 리플렉터의 광학적 특성을 사용하면서 전체 접합 에어리어 내로의 양호한 전류 주입을 허용한다.
어떤 애플리케이션에 대한 나노구조 LED 디바이스의 디자인의 선택은 많은 파라미터에 따를 수 있다. 광 시준의 상황에서, 그리고 또한 이 추출 및 디바이스 효율에 의하여, 도 1d를 참조하여 설명된 바와 같은 피라미드형 구조가 방출된 광의 높은 퍼센티지가 이미 제 1 반사에서 하향으로 지향될 것이기 때문에 최적에 가까운 것으로 예상될 수 있다. 그러나, 디자인은 표면적으로 높은 이용을 필요로 하므로, 제조 비용이 도 1b 내지 1d에 도시된 것들과 같은 더 긴 구조보다 더 높을 수 있다. 도 13a에 도시된 바와 같은 긴 피라미드형 구조는 이러한 파라미터 사이의 기능적인 절충을 나타낸다.
나노구조 LED를 제조하는 방법은 우선 상술된 프로세스에 따라 나노와이어를 성장시킨다. 그 후, 나노와이어의 부분이 마스킹되고, 볼륨 요소가 선택적으로 재성장된다. 상기 방법이 도 6에 도시되어 있다. 볼륨 요소는 축방향 및 반경방향 둘 모두로 성장되므로, 나노와이어가 부분적으로 마스킹될 때, 상기 나노와이어는 볼륨 요소 내에 둘러싸이게 된다. 적절한 마스킹 재료는 예를 들어, 질화 실리콘, 산 화 실리콘, 등이다.
나노와이어 성장이 기판에 의해 국소적으로 강화되는 시스템을 고려하면, VLS가 나노와이어를 성장시킬 때, 성장 조건을 변경시킴으로써 반경방향 및 축방향 성장 사이를 변경시키는 능력은 나노와이어/3D- 더 높은 차수의 시퀀스를 형성하기 위하여 절차(나노와이어 성장, 마스크 형성, 및 그 후의 선택적 성장)가 반복될 수 있도록 한다. 나노와이어 성장 및 선택적 성장이 별도의 성장 조건에 의해 구별되지 않는 시스템에 대하여, 우선 길이를 따라 나노와이어를 성장시키고 상이한 선택적 성장 단계에 의해 상이한 유형의 3D 영역 또는 볼륨 요소를 성장시키는 것이 양호할 수 있다.
본 발명에 따라 나노구조 LED 디바이스를 제조하는 방법은 다음의 기본 단계:
a) 리소그래피에 의해 기판 상에 성장 위치를 규정하는 단계;
b) 규정된 성장 위치 상에서 기판으로부터 나노구조 LED를 성장시키는 단계;
c) 적어도 나노구조 LED의 최상부 상에 리플렉터 재료를 증착함으로써, 각각의 나노구조 LED에 대해 개별적인 리플렉터를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 방법의 세부사항은 나노구조 LED 디바이스의 재료와 희망하는 형상 및 기능에 따를 것이다. 제조 예가 아래에 제공될 것이다.
상기 방법은 나노구조 LED를 성장시키는 단계 이후 및 리플렉터 재료를 증착하는 단계 이전에 취해질, 나노구조 LED를 커버하는 리플렉터의 내부면의 형상을 규정하기 위하여 나노구조 LED의 상부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 다양한 에칭 및 어블레이션 방법(ablation method)이 사용될 수 있다. 대안적으로, 리플렉터에 대한 형상을 규정하기 위하여 나노구조의 최상부 상에 재료가 추가될 수 있다.
나노구조 LED 디바이스의 의도된 용도, 적절한 제조 프로세스의 이용 가능성, 재료에 대한 비용, 등에 따라, 구조의 상이한 부분에 광범위한 재료가 사용될 수 있다. 게다가, 나노와이어 기반 기술이 달리는 조합하기가 불가능한 재료의 결함 없는 조합을 허용한다. III-V 반도체가 고속 및 저전력 전자장치를 용이하게 하는 이들의 특성으로 인하여 특히 관심이 있다. 기판에 적합한 재료는 Si, GaAs, GaP, GaP:Zn, GaAs, InAs, InP, GaN, Al2O3, SiC, Ge, GaSb, ZnO, InSb, SOI(실리콘-온-인슐레이터), CdS, ZnSe, CdTe를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 나노와이어(110) 및 볼륨 요소(115)에 적합한 재료는 GaAs(p), InAs, Ge, ZnO, InN, GaInN, GaN, AlGaInN, BN, InP, InAsP, GaInP, InGaP:Si, InGaP:Zn, GaInAs, AlInP, GaAlInP, GaAlInAsP, GaInSb, InSb, Si를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, GaP에 대한 가능한 도너 도펀트(donor dopant)는 Si, Sn, Te, Se, S, 등이며, 동일한 재료에 대한 억셉터 도펀트(acceptor depant)는 Zn, Fe, Mg, Be, Cd, 등이다. 나노와이어 기술이 종래의 기술에 의해 용이하게 수용될 수 없는 파장 영역에서 광을 방출하는 LED의 제조를 용이하게 하는 GaN, InN 및 AlN과 같은 질화물을 사용하는 것을 가능하게 한다는 점이 주의되어야 한다. 특정한 상업적인 관심의 다른 조합은 GaAs, GaInP, GaAlInP, GaP 시스템을 포함하지만, 이에 제한되지 않는 다. 전형적인 도핑 레벨은 1018로부터 1020까지의 범위이다. 당업자는 그래도 이러한 재료 및 다른 재료에 익숙하며, 다른 재료 및 다른 조합이 가능하다는 것을 이해한다.
낮은 저항률 콘택 재료의 적합성은 금속, 금속 합금이 아니라, 증착될 재료에 따를 뿐만 아니라, Al, Al-Si, TiSi2, TiN, W, MoSi2, PtSi, CoSi2, WSi2, In, AuGa, AuSb, AuGe, PdGe, Ti/Pt/Au, Ti/Al/Ti/Au, Pd/Au, ITO(InSnO), 등과 같은 비-금속 화합물 및 예를 들어, 금속과 ITO의 조합이 사용될 수 있다.
도 6에 도시된, GaAs 및 InGaP로 형성된 활성 나노와이어 영역(들)을 갖는 발광 pn-다이오드/어레이를 제조하기 위한 본 발명에 따른 제조 방법은 다음 단계를 포함한다:
1. 리소그래피에 의해 p+ GaP 기판(605) 상에 국소 촉매/촉매들을 규정하는 단계.
2. 국소 촉매(631)로부터 GaAs 나노와이어(1310)를 성장시키는 단계. 성장 파라미터는 촉매 와이어 성장을 위해 조정된다.
3. 나노와이어 주위에 얇은 InGaP 동심 층(612)(클래딩 층)을 반경방향으로 성장시키는 단계.
4. 마스크 재료(632)로서 SiO2를 증착시키는 단계.
5. 나노와이어의 상부를 개방하기 위하여 마스크(632)를 백 에칭(back etching)하는 단계.
6. n+ InGaP 볼륨 요소(615)를 선택적으로 성장시키는 단계. 성장 파라미터는 반경방향 성장을 제공하기 위해 조정된다.
7. 적어도 볼륨 요소(615)의 일부 상에 반사형 재료를 증착함으로써 볼륨 요소 상에 리플렉터를 형성하는 단계.
성장 프로세스는 예를 들어, 나노와이어에 헤테로구조를 포함하고, 반사형 층을 제공하도록 공지된 방식으로 가변될 수 있다. 일부 실시예에서 사용된 스템(stem)(113)은 우선 얇은 나노와이어를 성장시키고(단계 2), 하부를 커버하는 선택적 성장 마스크 또는 반사형 층을 증착하고, 나노와이어 두께를 증가시키기 위하여 나노와이어 또는 클래딩 층을 반경방향으로 성장시킴으로써 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 나노구조 LED 디바이스에서 사용된 나노구조 LED의 부가적인 구현예가 GaP 및 Si 기판 상에 에피택셜로 성장된 GaAs 나노와이어로서 제공될 것이다. LED 기능은 2 종류의 기판 모두 상에 설정되었다. 온도에 따른 광루미네선스, 전기루미네선스, 및 방사 패턴 면에서 구조가 평가된다.
구현예에 따른 LED 디바이스는 Si 상에 성장 및 집적된 III-V 발광 나노와이어 다이오드의 어레이를 포함한다. 각각의 디바이스는 GaP 또는 Si 중 하나 상에 직접적으로 성장된 GaAs 나노와이어 코어 주위에 형성된다. 각각의 다이오드의 일부는 이러한 개별적인 나노크기의 p-i-n 발광 구조에서 활성 영역의 역할을 한다.
도 7에 도시된 LED 디바이스(701)는 p-i-n 다이오드 구조(700)를 포함한다. 기판(705)은 공통 p-층의 기능을 하기 때문에, 디바이스의 일체부이다. 각각의 나노구조 LED(700) 구조는 나노와이어(710), 나노와이어의 적어도 일부를 둘러싸는 클래딩(730), 캡 또는 벌브(715) 및 최상부 콘택을 포함한다. p-도핑, n-도핑 및 진성 반도체 재료의 시퀀스는 기판 재료에 따를 것이다. GaP 상에서, 구조는: p-GaP(기판)(705), i-GaP(711)/i-GaAs(나노와이어)(710), i-InGaP(클래딩)(730), n-InGaP(벌브)(715)이다. Si 상에서, 구조는: p-Si(기판)(705), i-GaP/iGaAs(나노와이어)(710), i-InGaP(클래딩)(730)/n-InGaP(벌브)(715)이다. 나노와이어 베이스에서의 i-GaP(711)(나노와이어) 층은 디바이스 둘 모두에서 대략 60 nm 두께이며, 개선된 성장 품질 및 전자 배리어에 대한 핵형성 세그먼트의 이중 용도를 충족시킨다.
제조 프로세스가 다음에 약술된다. 전구체 가스로서의 AsH3, PH3, 및 Si2H6와 함께 TMIn 및 THMa 금속 유기 소스가 사용되었다. 2개의 성장 단계들이 사용되었다. 처음으로, 2μm 길이의 GaAs/GaP 나노와이어가 1/μm2의 입자 밀도를 갖는 랜덤으로 증착된 60nm 직경의 nm 크기의 Au 에어로졸을 사용한 입자 원조 성장에 의하여 p-형 GaP (111)B(p=~1018cm-3) 및 Si (111)(p≒1015cm-3) 기판 상에 성장되었다. 나노와이어는 40nm 두께의 반경방향 InGaP 클래딩 층, 통상적으로 GaAs에 정합하는 격자로 둘러싸였다. 이 단계 이후에, 샘플이 나노 LED의 후속 제조 또는 광루미네선스 특성을 위해 언로딩되었다. 80nm 두께의 SiO2가 LED 제조를 위해 정렬된 샘플 상으로 증착되었다. SiO2는 단지 기판 표면 및 나노와이어의 측벽의 대략 1μm까지를 커버하도록 백 에칭되었다. 그 후, 샘플은 MOVPE 리액터 내로 리로딩되었고, 반 경방향의 Si-도핑된 InGaP 층이 GaAs/InGaP 코어 구조의 상부 상에 선택적으로 성장되었다. LED는 대략 40000개의 개별적인 나노구조 LED를 각각 커버하는 150 내지 300 nm 두께의 200×200μm2 이차 Ni/Ge/Au 콘택으로 완전히 커버되었다. p-콘택이 도전성 Ag 페이스트로 기판의 후측 상에 제조되었다. 예를 들어, 투명한 콘택을 사용한 다른 접속 수단이 당업계에 공지되어 있고 본 방법 및 디바이스에 용이하게 적응된다. 상기 구조의 스캐닝 전자 현미경(SME) 이미지가 도 8a에 도시되어 있다.
Si 및 GaP 디바이스 사이의 하나의 중요한 차이는 GaP 기판 상에서는 p-GaP(기판)/i-GaP(나노와이어)/i-GaAs(나노와이어)인 반면, Si 기판 상에서는 p-Si(기판)/i-GaP(나노와이어)/i-GaAs(나노와이어)인 나노와이어의 베이스에서의 헤테로구조 시퀀스이며, 홀 주입 조건 및 내부 저항 둘 모두는 2개의 구조 사이에서 감지 가능하게 상이한 것으로 예측되어야 한다.
도 9는 제 1 MOVPE 단계 이후의 나노와이어 구조를 도시한다. 얇은 InGaP 클래딩 층, 나노와이어의 베이스 내의 GaP 핵형성 세그먼트를 가지며 최상부에 여전히 부착된 Au계 시드 입자(seed particle)를 가지는 GaAs 나노와이어가 도시되어 있다. 이와 같은 구조는 또한 PL 특성화를 위하여 중성 기판으로 전달되었다. 도 9에 도시된 바와 같이, 수율은 본질적으로 GaP 및 Si 기판 둘 모두 상에서 100 퍼센트이다. Si 상에서의 나노구조 LED의 제조는 나노와이어가 기판에 수직인 (111) 방향으로 균일하게 정렬되고 기판으로부터 외부로 또한 신장되는 3개의 경사진 (111) 방향으로 나노와이어가 본질적으로 성장되지 않는 정도로 개량된다. 이것은 Si(111) 상에서 III-V 나노와이어를 성장시키는 종래 기술 방법과 대조적이다. 도 9에 도시된 바와 같이, Si 기판 상의 미리규정된 어레이 구조에서의 III-V 나노와이어의 양호하게 정렬된 성장은 광학적 디바이스 뿐만 아니라, 대부분의 다른 애플리케이션의 성공적인 대규모 제조에 필요조건이다.
LED 기능은 광루미네선스(PL) 측정에 의해 표시될 수 있다. 여기서 제공된 측정은 실온 및 10 K의 온도에서 수행되었다. 그 결과가 도 10a 내지 10c 및 도 8b에 도시되어 있다. 473nm에서 방출되는 레이저가 여기 소스로서 사용되었다. PL은 광학 현미경에 의해 수집되었고, 분광계를 통해 분산되었고, 액체 N2 냉각 CCD 카메라에 의해 검출되었다.
기판의 영향 없이 나노와이어로부터 PL을 연구하기 위하여, 나노와이어는 분쇄되었고 자신들이 성장되었던 기판으로부터 이동되고 나서, 패터닝된 Au 표면 상에 증착되었다. 이 방식으로, 나노와이어는 또한 개별적으로 연구될 수 있다. 성장된 바와 같은 나노와이어로부터 10K에서 획득된 도 10a에 도시된 바와 같은 PL 스펙트럼은 Si 기판으로부터 성장된 나노와이어와 Si 기판(Si)으로부터 성장된 나노와이어 및 GaP 기판(GaP)으로부터 성장된 나노와이어에 대해 유사하였다. 점선은 기판 상에 여전히 서있는 (많은 수의) 나노와이어로부터의 스펙트럼이다. 개별적인 나노와이어로부터의 스펙트럼은 더 큰 차이를 나타내었고, GaP 기판으로부터 성장된 나노와이어가 더 많이 구성되었다. Si로부터 성장된 나노와이어에 대한 평균 PL 강도는 GaP로부터 성장된 대응하는 나노와이어에 대한 것보다 약 20 팩터 더 낮았 다. 이것은 GaP-LED에 비해서 Si-LED에 대해 나타난 10 내지 30 배 더 낮은 전기-루미네선스와 상당히 일치한다. 실온에서, 스펙트럼은 넓고 특색이 없으며, 2개의 샘플로부터의 나노와이어 사이에 매우 적은 스펙트럼 차이가 존재한다.
GaP 상 및 Si 상의 LED 둘 모두가 도 Ta-b에 도시된 바와 같이, 순방향 바이어스를 인가할 때 전기-루미네선스(EL)를 입증하였다. 광의 스펙트럼 피크는 GaAs 밴드갭 에너지와 상당히 일치한다.
도 11a 및 11b에 도시된 바와 같이, 광 전력/전류 의존성이 Si 기반(Si) 및 GaP 기반(GaP) LED에 대해 도시되어 있다. GaP 상의 LED는 Si(40mA)의 전류 부하의 절반(20mA)에서 밝아지고, 60mA에서, 전력 출력은 GaP 기판 상에서 대략 30배 더 높다. 그러나, 100mA에서, 전력 비는 Si 기반 LED보다 10배 감소하였다. EL 스펙트럼 피크가 디바이스 둘 모두에 대하여 80mA 부하에 대해 도시되어 있다. Si LED 피크는 GaP 기판 디바이스에 비하여 1.35eV 주의의 가능한 여분 피크를 갖는 약간의 적색 시프트 및 테일(tail)을 나타낸다. 피크에서의 시프트는 상이한 InGaP 조성에 이르게 하는 GaP 및 Si 상에서의 상이한 In 및 Ga 확산에 의해 설명될 수 있다. 디바이스를 푸시하여 더 높은 전류로 진행시킴으로써, 피크 전력은 GaP 디바이스에 대하여 대략 140mA에서 나타날 수 있다. 이것은 Si 디바이스의 경우에는 나타나지 않고, 비-방사형 재결합 또는 경쟁하는 누출 메커니즘이 이러한 전류 레벨에서 EL를 여전히 지배한다는 표시일 수 있다.
GaN 나노와이어 및 나노구조로서의 III-질화물 상에 구성된 LED 디바이스는 다른 재료 조합과 액세스할 수 없는 파장의 광을 생성하는 자신의 능력으로 인하여 높은 상업적인 관심이 있다. 부가적인 구현예로서, GaN 에피택셜 막, 사파이어, SiC 또는 Si 및 심지어 자기-지지 GaN 상에서의 선택적 에어리어 성장에 의해 GaN 나노구조를 제조하는 것이 설명된다. 시작 기판 상에서, SiNx의 층(30nm의 두께)이 PECVD에 의해 증착되었다. 다음 단계에서, 도트-패터닝된 GaN 개구의 어레이들(약 100nm의 직경)이 에피택셜 빔 리소그래피(EBL) 및 반응성 이온 에칭(RIE)에 의해 만들어졌다. 개구 사이의 피치는 1.0 내지 3.2μm 범위였다. 그 후, 프로세싱된 바와 같은 샘플이 GaN 나노와이어 및 GaN/InGaN 나노구조 LED를 성장시키기 위하여 수평의 MOCVD 챔버 내로 삽입되었다. 도 12a 내지 12c 및 도 13a 및 13b의 SEM 이미지에서 도시된 바와 같이 다양한 형상이 형성될 수 있다. 도 12a 및 12b에 도시된 바와 같이 피라미드형 구조가 형성될 수 있다. 도 12c 및 13b에서, 본 발명에 따른 효율적인 리플렉터를 형성하는데 유용한 피라미드형 단부를 갖는 나노와이어가 형성될 수 있다는 것이 도시되어 있다. 수직 측벽은 통상적으로 6개의 (1101) 평면이다. 피라미드는 통상적으로 6개의 동등한 (1101) 평면에 의해 범위가 정해지지만, 도 13a에 도시된 바와 같이, 더 높은 인덱스 평면이 형성될 수 있고, 별도의 인덱스 평면이 하나의 나노구조 LED에서 수용될 수 있다.
본 발명이 현재 가장 실용적이고 바람직한 실시예인 것으로 간주되는 것과 관련하여 설명되었지만, 본 발명이 개시된 실시예로 제한되지 않고, 그 반대로 첨부된 청구항 내의 다양한 변경 및 등가의 배열을 커버하게 된다는 점이 이해되어야 한다.

Claims (26)

  1. 복수의 개별적인 나노구조 LED(100)의 어레이를 포함하는 나노구조 LED 디바이스(101)로서, 각각의 나노구조 LED(100)는 광 방출을 위한 활성 영역(120)을 포함하는, 나노구조 LED 디바이스에 있어서,
    하나의 개별적인 나노구조 LED(100) 또는 나노구조 LED의 그룹과 각각 관련되는 복수의 리플렉터를 포함하고, 각각의 리플렉터(135)는 각각의 개별적인 나노구조 LED의 활성 영역 또는 나노구조 LED의 그룹의 활성 영역과 마주하는 오목한 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 리플렉터(135)는 상기 나노구조 LED의 최상부에서 볼 때 각각의 나노구조 LED(100)의 중앙 위에 위치되는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    각각의 리플렉터(135)는 나노구조 LED의 그룹의 결합된 상부면을 커버하는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED 디바이스.
  4. 제 2 항에 있어서,
    각각의 리플렉터(135)는 각각의 나노구조 LED(100)의 상부면을 커버하는 것 을 특징으로 하는 나노구조 LED 디바이스.
  5. 제 4 항에 있어서,
    각각의 리플렉터(135)의 상기 오목한 표면은 각각의 나노구조 LED(100)의 상부면의 형상에 의해 규정되는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED 디바이스.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 나노구조 LED(100)는 뾰족한 상부 및 수직 측면을 갖는 긴 구조이며, 상기 각각의 리플렉터(135)는 적어도 상기 뾰족한 상부를 커버하는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED 디바이스.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 각각의 리플렉터(135)는 상기 수직 측면의 일부를 커버하는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED 디바이스.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 나노구조 LED(100)는 피라미드형 구조인 것을 특징으로 하는 나노구조 LED 디바이스.
  9. 제 1 항 내지 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 리플렉터(135)는 또한 상기 나노구조 LED로의 상부 콘택인 것을 특징으로 하는 나노구조 LED 디바이스.
  10. 제 1 항 내지 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    나노구조 LED의 어레이는 상기 어레이의 동일 평면 방향에 가까운 각도의 방향에서 방출된 파장의 광을 금지하도록 배열되는 광자 결정을 형성하는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED 디바이스.
  11. 제 1 항 내지 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 리플렉터(135)는 결합되어 복수의 나노구조 LED(100)를 커버하는 연속적인 반사 층(535)을 형성하는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED 디바이스.
  12. 제 11 항에 있어서,
    충전 층(507)이 나노구조 LED의 일부를 커버하고, 상기 연속적인 반사 층(535)이 적어도 상기 나노구조 LED 사이의 충전 층 및 나노구조 LED의 상부면을 커버하는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED 디바이스.
  13. 제 1 항 내지 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노구조 LED(100)는 각각의 리플렉터(135) 쪽으로 방출된 광의 적어도 일부를 지향시키도록 적응되는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED 디바이스.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 나노구조 LED는 LED 어레이 층을 형성하고, 대응하는 복수의 활성 영역(120)이 상기 LED 어레이 층에 배열되며, 리플렉터 층(180)이 상기 LED 어레이 층(180)에 평행한 평면에 배열되고, 상기 리플렉터 층은 각각 하나 활성 영역 또는 활성 영역 그룹(120)과 마주하는 오목한 표면을 가지며 LED 어레이(180)를 통해 광을 지향시키도록 배열되는 복수의 리플렉터(135)를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED 디바이스.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 나노구조 LED 및 상기 리플렉터는 주기적으로 반복되고, 상기 리플렉터 층(181)의 리플렉터(135)의 주기성은 LED 어레이 층(180) 내의 개별적인 나노구조 LED의 주기성과 관련되는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED 디바이스.
  16. 제 14 항에 있어서,
    각각의 리플렉터(135)는 상기 나노구조 LED의 최상부에서 볼 때 각각의 나노구조 LED(100)의 중앙 위에 위치되는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED 디바이스.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 리플렉터 층(181)의 리플렉터(135)의 주기성은 일련의 n 또는 1/n(n=1,2,3....)으로서 LED 어레이 층(180)에서의 개별적인 나노구조 LED의 주기성과 관련되는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED 디바이스.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 나노구조 LED 및 상기 리플렉터는 주기적으로 반복되고, 상기 리플렉터 층(181)의 리플렉터(135)의 주기성은 LED 어레이 층(180) 내의 개별적인 나노구조 LED의 주기성과 상관되지 않는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED 디바이스.
  19. 제 14 항 내지 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 리플렉터(135)는 각각의 나노구조 LED(100)의 상부면을 커버하는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED 디바이스.
  20. 제 14 항 내지 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 리플렉터(135)는 결합되어 복수의 나노구조 LED(100)를 커버하는 연속적인 반사 층(535)을 형성하는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED 디바이스.
  21. 제 20 항에 있어서,
    충전 층(507)이 나노구조 LED의 일부를 커버하고, 상기 연속적인 반사 층(535)이 적어도 상기 나노구조 LED 사이의 충전 층 및 나노구조 LED의 상부면을 커버하는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED 디바이스.
  22. 제 14 항 내지 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    나노구조 LED의 어레이는 상기 어레이의 동일 평면 방향에 가까운 각도의 방향에서 방출된 파장의 광을 금지하도록 배열되는 광자 결정을 상기 LED 어레이 층(180) 내에 형성하는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED 디바이스.
  23. 복수의 나노구조 LED를 포함하는 나노구조 LED 디바이스를 제조하는 방법에 있어서:
    (a) 리소그래피에 의해 기판 상에 성장 위치를 규정하는 단계;
    (b) 규정된 성장 위치 상에서 기판으로부터 나노구조 LED를 성장시키는 단계;
    (c) 적어도 나노구조 LED의 최상부 상에 리플렉터 재료를 증착함으로써, 각각의 나노구조 LED에 대해 개별적인 리플렉터를 형성하는 단계를 포함하는 나노구조 LED 디바이스 제조 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    나노구조 LED를 성장시키는 단계 이후 및 리플렉터 재료를 증착하는 단계 이전에 취해질, 나노구조 LED를 커버하는 리플렉터의 내부면의 형상을 규정하기 위하여 나노구조 LED의 상부를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED 디바이스 제조 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 나노구조 LED의 상부를 형성하는 단계는 상기 나노구조 LED의 상부에 소정의 형상을 제공하기 위하여 상기 나노구조 LED의 상부로부터 재료를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED 디바이스 제조 방법.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 나노구조 LED의 상부를 형성하는 단계는 상기 리플렉터의 내부면을 규정하기 위한 소정의 형상을 형성하기 위하여 적어도 상기 나노구조 LED의 최상부 상에서 투명한 재료를 추가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED 디바이스 제조 방법.
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