KR20100073757A - 마이크로 로드를 이용한 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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이문상
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Abstract

마이크로 로드를 이용한 발광 소자 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 발광 소자의 제조방법은, HVPE법에 의해 마이크로 로드 형상의 코어(core)를 성장시키는 단계; 이 코어 상에 MOCVD법에 의해 발광층을 증착하는 단계; 및 이 발광층 상에 HVPE법에 의해 셸(shell)을 성장시키는 단계;를 포함한다.

Description

마이크로 로드를 이용한 발광소자 및 그 제조방법{Light emitting device using micro-rod and method of manufacturing the light emitting device}
마이크로 로드를 이용한 발광소자 및 그 제조방법이 제공된다.
나노와이어(nanowire)는 우수한 전기적, 광학적 특성과 소자로서의 응용 가능성으로 인하여 최근에 많은 연구가 진행되고 있다. 특히, 광학 소자로 많이 응용되고 있는 GaN 나노와이어는 LED(light emitting diode), LD(laser diode) 등과 같은 일반적인 발광 소자에서 나타나는 결함, 즉 기판과 GaN 사이의 격자 불일치(lattice mismatch)에 의해 생성되는 결함이 매우 적어 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나, GaN 나노와이어를 사용하여 제작된 발광 소자는 나노와이어의 표면 결함 밀도가 소자의 스케일에 비하여 상대적으로 크기 때문에 누설 전류(leakage current)가 발생할 수 있으며, 이로 인하여 발광소자의 동작 특성이 저하될 수 있다. 그리고, 나노 사이즈의 소자이기 때문에 소자 제작이 어렵다는 단점이 있으며, 발광 소자 제작시 MOCVD(metal organic chemical vapor deposition) 공정을 이용하기 때문에 제조 공정 시간이 길게 소요된다는 단점이 있다.
본 발명의 일 실시예는 마이크로 로드를 이용한 코어-셸(core-shell) 구조의 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 발광 소자의 제조방법은,
기판 상에 소정의 물질층을 형성하는 단계;
상기 물질층을 패터닝하여 상기 기판의 표면을 노출시키는 홀을 형성하는 단계;
상기 홀을 통하여 노출된 기판의 표면 상에 마이크로 로드 형상의 코어(core)를 성장시키는 단계;
상기 코어 상에 발광층을 증착하는 단계; 및
상기 발광층 상에 셸(shell)을 성장시키는 단계;를 포함한다.
상기 코어 및 셸은 HVPE(hydirde vapor phase epitaxy)법에 의해 성장될 수 있다. 이 경우, 상기 코어 및 셸의 성장 속도는 대략 50 ~ 200㎛/h 정도가 될 수 있다.
상기 발광층은 MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)법에 의해 증착될 수 있다. 이 경우, 상기 발광층의 증착 속도는 대략 0.3 ~ 1㎛/h 정도가 될 수 있다.
상기 물질층에 형성된 홀은 대략 1 ~ 40㎛의 직경을 가질 수 있다.
상기 발광층은 상기 코어의 외측면 및 상면 상에 형성될 수 있으며, 상기 셸은 상기 발광층의 외측면 및 상면 상에 형성될 수 있다.
상기 셸(shell)을 성장시킨 다음, 상기 물질층을 제거하는 단계가 더 포함될 수 있다. 그리고, 상기 코어 및 셸에 각각 전기적으로 연결되도록 제1 및 제2 전극을 형성하는 단계가 더 포함될 수 있다.
상기 코어, 발광층 및 셸은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 상기 코어는 GaN으로 이루어질 수 있으며, 상기 발광층 및 셸은 AlyInxGa1-x-yN(0≤y,x≤1, 0≤x+y≤1)으로 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 코어를 성장시키기 전에, 상기 홀을 통하여 노출된 상기 기판의 표면 상에 AlN층을 형성하는 단계가 더 포함될 수 있다.
상기 기판은 실리콘 기판 또는 사파이어 기판이 될 수 있으며, 상기 물질층은 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 발광 소자의 제조방법에 의해 제조된 발광 소자가 개시된다.
상기 코어는 대략 1 ~ 40㎛의 직경을 가질 수 있다.
성기 발광 소자는 상기 코어 및 셸에 각각 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 코어의 일단부는 상기 발광층 및 셸로부터 외부로 노출되도록 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면 나노와이어 보다 직경이 큰 마이크로 로드를 이용하여 코어-셸(core-shell) 구조로 발광 소자를 제작함으로써 발광 면적을 증대시켜 발광 효율을 향상시킬 수 있고, 표면 결함 밀도를 줄일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자는 LED(light emitting diode), LD(laser diode) 등에 적용될 수 있다. 한편, 이하에서 설명되는 발광 소자의 적층 구조에서, 한 층이 다른 층 상에 형성된다고 설명될 때, 그 층은 다른 층에 직접 접하면서 형성될 수도 있고, 그 사이에 제3의 층이 형성될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자의 사시도이다. 그리고, 도 2는 도 1에 도시된 발광 소자의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 소자(100)는 코어-셸(core-shell) 구조를 가진다. 구체적으로, 본 실시예에 따른 발광 소자(100)는 마이크로 로드 형상을 가지는 코어(core,110)와, 상기 코어(110)를 둘러싸도록 형성되는 발광층(120)과, 상기 발광층(120)을 둘러싸도록 형성되는 셸(shell,130)을 포함한다. 여기서, 상기 코어(110), 발광층(120) 및 셸(130)은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로 이루어질 수 있다.
상기 코어(110)는 대략 1 ~ 40㎛ 정도의 직경을 가질 수 있다. 상기 코어(110)는 대략 1 ~ 800㎛ 정도의 길이를 가질 수 있으며, 이 코어(110)의 애스펙트 비(aspect ratio)는 대략 1 ~ 20 정도가 될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 상기 코어(110)는 그 일단부가 발광층(120)과 셸(130)로부터 외부로 노출되도록 형성될 수 있다. 상기 코어(110)는 예를 들면, GaN으로 이루어질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 다양한 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체가 코어 물질로 사용될 수 있다. 상기 코어(110)는 후술하는 바와 같이 HVPE(hydirde vapor phase epitaxy)법에 의해 마이크로 로드 형상으로 형성될 수 있다.
상기 발광층(120)은 상기 코어(110)를 둘러싸도록 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 발광층(120)은 상기 코어(110)의 외측면 및 상면 상에 형성될 수 있다. 여기서, 상기 발광층(120)은 다중 양자 우물(MQW; multiple quantum well) 구조를 가질 수 있다. 이러한 발광층(120)은 예를 들면, AlyInxGa1-x-yN(0≤y,x≤1, 0≤x+y≤1)으로 이루어질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 다양한 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체가 발광층 물질로 사용될 수도 있다. 상기 발광층(120)은 후술하는 바와 같이 MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)법에 의하여 상기 코어(110) 상에 형성될 수 있다.
상기 셸(130)은 상기 발광층(120)을 둘러싸도록 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 셸(130)은 상기 발광층(120)의 외측면 및 상면 상에 형성될 수 있다. 상 기 셸(130)은 예를 들면, AlyInxGa1-x-yN(0≤y,x≤1, 0≤x+y≤1)으로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 상기 코어(110)가 p형-GaN으로 이루어지는 경우에는 상기 셸(130)은 n형-AlyInxGa1-x-yN(0≤y,x≤1, 0≤x+y≤1)으로 이루어질 수 있으며, 상기 코어(110)가 n형-GaN으로 이루어지는 경우에는 상기 셸(130)은 p형-AlyInxGa1-x-yN(0≤y,x≤1, 0≤x+y≤1)으로 이루어질 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 다양한 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체가 셸 물질로 사용될 수 있다. 상기 셸(130)은 후술하는 바와 같이 HVPE법에 의해 발광층(120) 상에 형성될 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 발광 소자(100)가 복수개로 제작되고, 이러한 발광 소자들(100)에 제1 및 제2 전극(140,150)이 연결된 모습을 도시한 것이다. 도 3을 참조하면, 복수의 발광 소자(100)에 제1 및 제2 전극(140,150)이 연결되어 있다. 구체적으로, 상기 제1 전극(140)은 외부로 노출된 코어(110)의 일단부에 전기적으로 연결되어 있다. 여기서, 상기 코어(110)가 p형 반도체 물질로 이루어지는 경우에는 상기 제1 전극(140)은 p형 전극이 되며, 상기 코어(110)가 n형 반도체 물질로 이루어지는 경우에는 상기 제1 전극(140)은 n형 전극이 될 수 있다. 상기 제2 전극(150)은 셸(130)에 전기적으로 연결되어 있다. 여기서, 상기 셸(130)이 n형 반도체 물질로 이루어지는 경우에는 상기 제2 전극(150)은 n형 전극이 되며, 상기 셸(130)이 p형 반도체 물질로 이루어지는 경우에는 상기 제2 전극(150)은 p형 전극이 될 수 있다. 상기와 같은 구조에서, 제1 및 제2 전극(140,150)에 소정 전압이 인가됨에 따라, 발광층(120) 내에서 전자와 정공의 결합함으로써 소정 색상의 빛이 발생되고, 이렇게 발생된 빛은 발광 소자들(100) 외부로 방출되게 된다.
이상과 같이, 본 실시예에 따른 발광 소자는 마이크로 로드를 이용한 코어-셸 구조를 가짐으로써 나노 와이어를 이용한 발광 소자에 비하여 표면 결함이 적고, 발광 효율이 향상될 수 있다.
이하에서는 전술한 발광 소자를 제조하는 방법에 대하여 설명한다. 도 4 내지 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4를 참조하면, 먼저 기판(200)을 준비한다. 상기 기판(200)으로는 실리콘 기판 또는 사파이어(sapphire) 기판이 사용될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이어서, 상기 기판(200) 상에 소정의 물질층(210)을 형성한다. 여기서, 상기 물질층(210)은 실리콘 산화물로 이루어질 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 물질층(210)은 예를 들어 실리콘 산화물을 CVD(chemical vapor deposition), 스퍼터링(sputtering) 또는 증발법(evaporation)에 의해 기판(200) 상에 증착함으로써 형성될 수 있다. 여기서, 상기 물질층(210)은 예를 들면, 대략 10nm ~ 100㎛ 정도의 두께로 형성될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 도 5를 참조하면, 상기 물질층(210)을 포토리소그라피(photolithography) 공정에 의하여 패터닝함으로써 상기 기판(210)의 상면을 노출시키는 홀(210a)을 형성한다. 여기서, 상기 홀(210a)의 직경은 대략 1 ~ 40㎛ 정도가 될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
도 6을 참조하면, 상기 홀(210a)을 통하여 노출된 기판(200)의 상면으로부터 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체(예를 들면, GaN)을 성장시켜 마이크로 로드 형상의 코어(110)를 형성한다. 상기 코어(110)는 HVPE(hydirde vapor phase epitaxy)법에 의해 성장될 수 있다. 여기서, 상기 코어(110)의 성장 속도는 대략 50 ~ 200㎛/h가 될 수 있다. 그리고, 이러한 코어(110)의 성장 공정에서, 공정 온도는 대략 900 ~ 1100℃ 정도가 될 수 있으며, Ⅲ/Ⅴ족 비율은 대략 10 ~ 2000 정도가 될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 HVPE법에 의해 성장된 코어(110)는 상기 홀(210a)의 직경에 대응하여 대략 1 ~ 40㎛의 직경을 가질 수 있다. 그리고, 성장된 상기 코어(110)의 길이는 대략 1 ~ 800㎛ 정도가 될 수 있으며, 이 코어(110)의 애스펙트 비(aspect ratio)는 대략 1 ~ 20 정도가 될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 상기 코어(110)의 성장 공정전에 상기 홀(210a)의 노출된 기판(200)의 상면에 GaN의 성장을 위한 AlN층이 더 형성될 수 도 있다.
도 7을 참조하면, 상기 코어(110) 상에 발광층(120)을 증착한다. 여기서, 상기 발광층(120)은 MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)법에 의하여 상기 코어(110)의 외측면 및 상면 상에 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체(예를 들면, AlyInxGa1-x-yN(0≤y,x≤1, 0≤x+y≤1))을 증착함으로써 형성된다. 이와 같이, 상기 발광층(120)은 코어(110) 상에서 수직 및 수평 방향으로 3차원적으로 증착될 수 있다. 여기서, 상기 발광층(120)의 증착 속도는 대략 0.3 ~ 1㎛/h가 될 수 있다. 그리고, 이러한 발광층(120)의 증착 공정에서, 공정 온도는 대략 900 ~ 1100℃ 정도가 될 수 있으며, Ⅲ/Ⅴ족 비율은 대략 10 ~ 2000 정도가 될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것 은 아니다.
도 8을 참조하면, 상기 발광층(120) 상에 셸(130)을 성장한다. 상기 셸(130)은 상기 발광층(120)의 외측면 및 상면으로부터 HVPE법에 의해 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체(예를 들면, AlyInxGa1-x-yN(0≤y,x≤1, 0≤x+y≤1))을 성장시킴으로써 형성될 수 있다. 상기 셸(130)의 성장 속도는 대략 50 ~ 200㎛/h가 될 수 있다. 그리고, 이러한 셸(130)의 성장 공정에서, 공정 온도는 대략 900 ~ 1100℃ 정도가 될 수 있으며, Ⅲ/Ⅴ족 비율은 대략 10 ~ 2000 정도가 될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 예를 들면 HF 용액을 사용하여 물질층(210)을 제거하게 되면, 상기 코어(110)의 하단부는 외부로 노출된다. 그리고, 제1 전극(도 3의 140)을 상기 코어(110)의 하단부와 연결되도록 형성하고, 제2 전극(도 3의 150)을 상기 셸(130)과 연결되도록 형성하면 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자가 완성된다. 한편, 코어(110)의 노출 부분이 적은 경우에는 셸(130) 및 발광층(120)을 예를 들어 FIB(focused ion beam)을 이용하여 순차적으로 건식 식각함으로써 코어(110)를 노출시킨 다음, 이 코어(110)의 노출부분과 연결되도록 상기 제1 전극(140)을 형성할 수도 있다.
이상에서 본 발명의 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 발광 소자의 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 발광 소자에 제1 및 제2 전극이 연결된 모습을 도시한 것이다.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자의 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100... 발광 소자 110... 코어
120... 발광층 130... 셸
140... 제1 전극 150... 제2 전극
200... 기판 210... 물질층
210a... 홀

Claims (20)

  1. 기판 상에 소정의 물질층을 형성하는 단계;
    상기 물질층을 패터닝하여 상기 기판의 표면을 노출시키는 홀을 형성하는 단계;
    상기 홀을 통하여 노출된 기판의 표면 상에 마이크로 로드 형상의 코어(core)를 성장시키는 단계;
    상기 코어 상에 발광층을 증착하는 단계; 및
    상기 발광층 상에 셸(shell)을 성장시키는 단계;를 포함하는 발광 소자의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어 및 셸은 HVPE(hydirde vapor phase epitaxy)법에 의해 성장되는 발광 소자의 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 코어 및 셸의 성장 속도는 50 ~ 200㎛/h인 발광 소자의 제조방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 발광층은 MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)법에 의해 증착되는 발광 소자의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 발광층의 증착 속도는 0.3 ~ 1㎛/h인 발광 소자의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 물질층에 형성된 홀은 1 ~ 40㎛의 직경을 가지는 발광 소자의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광층은 상기 코어의 외측면 및 상면 상에 형성되는 발광 소자의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 셸은 상기 발광층의 외측면 및 상면 상에 형성되는 발광 소자의 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 셸(shell)을 성장시킨 다음, 상기 물질층을 제거하는 단계를 더 포함하는 발광 소자의 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어 및 셸에 각각 전기적으로 연결되도록 제1 및 제2 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 발광 소자의 제조방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어, 발광층 및 셸은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로 이루어진 발광 소자의 제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 코어는 GaN으로 이루어진 발광 소자의 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 발광층 및 셸은 AlyInxGa1-x-yN(0≤y,x≤1, 0≤x+y≤1)으로 이루어진 발광 소자의 제조 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 코어를 성장시키기 전에, 상기 홀을 통하여 노출된 상기 기판의 표면 상에 AlN층을 형성하는 단계를 더 포함하는 발광 소자의 제조방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘 기판 또는 사파이어 기판인 발광 소자의 제조방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 물질층은 실리콘 산화물로 이루어진 발광 소자의 제조방법.
  17. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 기재된 제조방법에 의해 제조된 발광 소자.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 코어는 1 ~ 40㎛의 직경을 가지는 발광 소자.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 코어 및 셸에 각각 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 전극을 더 포함하는 발광 소자.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 코어의 일단부는 상기 발광층 및 셸로부터 외부로 노출되도록 형성되는 발광 소자.
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