KR20110040527A - 질소의 확산을 이용하는 동종접합 광소자 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
동종접합을 이루는 광소자 및 이의 제조방법이 개시된다. 기판 상에 질소공급층을 형성하고, 질소공급층 상부에 나노로드를 형성한다. 나노로드는 n형의 전도형을 가지도록 형성된다. 제조과정에서 열처리가 수행되면, 질소공급층의 질소는 이탈하여 나노로드로 확산된다. 질소의 확산을 통해 n형의 나노로드의 일부는 p형의 전도형으로 개질된다. 또한, 질소공급층은 질소의 이탈에 의해 금속재질의 하부 전극으로 개질된다. 질소의 확산에 의해 나노로드는 동종의 p-n 접합으로 형성되고, 발광 다이오드 또는 태양전지의 기능을 수행할 수 있다.
광소자, 발광 다이오드, 태양전지, 동종접합
Description
본 발명은 광소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 동종접합 구조를 가지는 광소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
광소자는 입사되는 광을 전기적 신호로 변환하거나, 인가되는 전기적 신호에 상응하여 광을 발생시킨다.
통상적으로 입사되는 광을 전기적 신호로 변환하는 광소자는 포토 다이오드가 있다. 포토 다이오드의 개발 초기에는 센서로 활용되었으며, 최근에는 이러한 기술을 CCD나 CIS 등에 사용하여 입사광을 전기적 신호로 변환하고, 이를 이용하여 영상을 재현하고 있다. 이외에도, 태양전지도 광을 전기적 신호로 변환하는 대표적인 광소자라 할 것이다. 태양전지의 경우, 공핍 영역에서 발생된 전자-정공 쌍이 내부 전계에 의해 각각 음극과 양극으로 이동하여 전위차를 발생시키는 메커니즘을 취한다.
또한, 인가되는 전기적 신호를 이용하여 광을 발생시키는 대표적인 소자로는 발광 다이오드가 있다. 최근 발광 다이오드는 비약적으로 발전하여 일반 조명영역까지 확장되고 있는 상황이다. 조명영역으로의 확장은 패키징 공정에서 개입되는 백색 형광체의 개발에 의해 실현된다. 즉, 형광체는 청색 계열의 광을 백색광으로 변환하고, 백색광은 조명이나, 백라이트 등에 활용된다. 이러한 일반 조명으로의 활용을 위해서 발광 다이오드는 높은 휘도 특성을 가져야한다.
고휘도 특성을 가지기 위해 발광 다이오드는 현재 질화갈륨 계열로 구성된다. 최근에는 높은 밴드갭을 가지는 산화아연 계열에 대한 연구가 활발히 진행중이다. 또한, 발광 다이오드는 기판 상에 MOCVD를 주로 이용하는 에피 공정을 핵심적인 제조 프로세스로 가진다. 이러한 발광 다이오드의 구조는 주로 기판 상에 수직으로 순차적으로 막질들이 적층되는 구조이다. 즉, 기판 상에 버퍼층, n형 클래드층, 광활성층 및 p형 클래드층이 필수적으로 형성된다. 발광 다이오드에 전력을 공급하는 전극은 n형 클래드층 상부 및 p형 클래드층 상부에 형성된다. 이때, 전극을 형성이 클래드층의 일부 영역에서만 이루어지는 경우, 기존의 적층된 막질을 일부 제거하는 공정이 이용된다. 이러한 구조를 메사형의 발광 다이오드라 지칭한다. 최근에는 광활성층으로의 원활한 전력의 공급을 위해 클래드층의 전면에 전극을 형성할 수 있는 수직형 발광 다이오드에 대한 연구가 진행되고 있다.
특히, 발광 다이오드에서 발광동작이 수행되는 광활성층은 양자점, 양자우물 구조, 다중양자우물 구조로 기술이 진보한 상태이다. 다중양자우물 구조는 상대적으로 높은 밴드갭을 가지는 장벽층과 상대적으로 낮은 밴드갭을 가지는 우물층의 교대로 적층된 구조이다. 이를 통해 양자구속 효과를 얻을 수 있으며, 실질적으로 우물층에서의 전자-정공의 재결합에 의해 발광동작이 수행된다. 대표적인 다중양자우물 구조는 인듐질화갈륨과 질화갈륨이 교대로 적층된 구조이다. 이때, 인듐질화갈륨은 우물층으로 기능하고, 질화갈륨은 장벽층으로 기능한다. 통상적으로 인듐질화갈륨과 질화갈륨층의 형성은 MOCVD를 이용하며, 우물층과 장벽층은 각각 단결정을 이루는 것이 이상적이다. 질화갈륨 계열의 결정구조는 육방정계 구조이다. 이러한 단결정 구조를 얻기 위해서는 온도, 기압 및 전구체 등 다양한 공정조건이 치밀하게 설정되어야 한다.
이외에도 질화갈륨 계열의 발광 다이오드는 기본적으로 이종접합을 이용한다. 또한, p형의 클래드층 형성시에는 계면특성의 불안정 및 도판트의 미활성화가 발생하기 때문에 후열처리를 통해 특성을 향상시키는 기술을 이용하고 있다.
상술한 바대로, 현재의 발광 다이오드로 대표되는 광소자의 제조공정은 매우 복잡하고 까다로우며 물질의 선택, 공정의 최적화 등에서 기술적 곤란성을 가지며, 여러 변수들의 미세한 변화에 의해 광소자의 특성이 변경되는 단점을 가진다.
상술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 제1 목적은 질소의 확산을 이용하여 동종접합을 이루는 광소자를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 제2 목적은 상기 제1 목적을 달성하기 위한 광소자의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 제1 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판; 상기 기판 상에 형성된 하부전극; 상기 하부전극 상에 형성된 나노로드; 및 상기 나노로드 상에 형성된 상부전극을 포함하고, 상기 나노로드는 동종접합이며, 상기 나노로드는 상기 기판 상에 형성된 질소공급층으로부터 확산된 질소에 의해 일부가 p형의 나노로드로 개질되고, 상기 질소공급층은 상기 질소의 확산에 의해 상기 하부전극으로 개질되는 것을 특징으로 하는 광소자를 제공한다.
상기 제2 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판 상에 질소 공급층을 형성하는 단계; 상기 질소 공급층 상부에 씨드층을 형성하는 단계; 상기 씨드층 상에 나노로드를 형성하는 단계; 상기 질소 공급층을 열처리하여 상기 질소 공급층의 질소를 상기 나노로드로 확산시켜, n형의 나노로드를 p형의 나노로드로 개질하고, 상기 질소가 확산된 질소 공급층은 하부 전극으로 개질하는 단계; 및 상기 나노로드 상부에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 광소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, n형의 나노로드를 수계합성법에 의해 합성한 후, 열처리를 통해 질소공급층으로부터 질소의 확산을 유도한다. 확산된 질소는 n형의 나노로드를 p형의 나노로드로 개질한다. 따라서, 동종접합의 나노로드를 형성할 수 있다. 또한, 확산된 질소로 인해 질소화합물인 질소공급층은 금속성의 하부전극으로 개질된다. 이를 통해 비교적 간단한 방법으로 광소자를 구성할 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
실시예
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광소자를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 광소자는 기판(100), 질소공급층(110), 하부전극(120), 나노로드(140) 및 상부전극(150)을 가진다.
상기 기판(100)은 비전도성 재질로 열적, 화학적으로 안정한 재료라면 어느 것이나 가능할 것이다. 다만 본 실시예에서는 실리콘 웨이퍼 상에 부도체인 SiO2가 형성된 기판(100)을 사용한다. 또한, 상기 기판(100)은 이후에 형성되는 막질의 열적, 화학적 안정성을 보장하고, 막질의 성장이 가능한 재질이라면 어느 것이나 사용가능할 것이다.
기판(100) 상에는 질소공급층(110)이 구비된다. 상기 질소공급층(110)은 WN, AlN 또는 InN로 구성될 수 있다.
상기 질소공급층(110) 상부에는 하부전극(120)이 구비된다. 상기 하부전극(120)은 질소공급층(110)으로부터 질소가 이탈되고, 금속성의 전극으로 개질된 것이다. 따라서, 상기 하부전극(120)은 W, Al 또는 In으로 구성될 수 있다. 또한, 실시의 형태에 따라서 상기 질소공급층(110)은 생략될 수 있다. 이는 질소공급층(110)의 조성, 두께 및 공정에 따라 최초로 형성된 질소공급층(110)의 질소가 모두 이탈된 경우에 발생된다.
상기 하부전극(120) 상에는 다수의 나노로드(140)가 구비된다.
각각의 나노로드(140)는 n형 나노로드(141), 공핍 영역(143) 및 p형 나노로드(145)로 구분된다. 상기 나노로드(140)의 각 영역은 질소공급층(140)의 질소가 확산되어 n형에서 p형으로 개질된 것에 기인한다. 또한, n형 나노로드(141)와 개질된 p형 나노로드(145) 사이에는 공핍영역(143)이 형성되어, 동종접합이 이루어진다.
또한, 상기 나노로드(140) 상부에는 상부전극(150)이 형성된다. 상기 상부전극(150)은 투명재질의 TCO 또는 ITO 등으로 구성됨이 바람직하다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1에 도시된 광소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2를 참조하면, 기판(100) 상에 질소공급층(110)이 구비된다. 상기 질소공급층(110)은 WN, AlN 또는 InN로 구성될 수 있으며, 금속과 질소 원소가 결합된 양상이라면 어느 것이나 가능할 것이다. 상기 질소공급층(110)은 일반적인 증착법을 통해 형성된다. 예컨대, 화학적 기상증착 또는 물리적 기상증착법을 통해 형성될 수 있다.
계속해서 질소공급층(110) 상부에 씨드층(130)이 형성된다. 상기 씨드층(130)은 상기 질소공급층(110) 상부 전면에 걸쳐서 형성될 수도 있으며, 소정의 패턴을 가지고 형성될 수 있다. 또한, 이후에 형성되는 나노로드의 재질과 동일한 재질로 씨드층(130)이 형성된다. 예컨대, 이후에 형성되는 나노로드가 ZnO인 경우, 씨드층(130)은 ZnO을 포함하게 된다. 상기 씨드층(130)은 통상의 증착법을 통해 형성된다.
또한, 상기 씨드층(130)이 소정의 패턴을 가지는 경우, 질소공급층(110) 상부에 형성된 씨드층(130)에 대해 패터닝을 수행한다. 패터닝은 통상의 포토리소그래피 공정을 이용한 선택적 식각에 의해 달성된다. 즉, 씨드층(130) 상부에 포토레지스트를 형성하고, 포토리소그래피 공정에 의해 포토레지스트 패턴을 형성한다. 이어서 형성된 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 하여 증착된 씨드층(130)에 대해 식각을 수행한다. 이를 통해 소정의 규칙적 배열을 가지는 씨드층 패턴을 형성할 수 있다.
상기 씨드층(130)은 ZnO, CoO 또는 CuO 등으로 구성될 수 있다. 상기 씨드층(130)의 재질은 이후에 형성되는 나노로드와 동일 재질을 가져야 하므로, 형성하고자 하는 나노로드의 재질에 따라 결정된다.
도 3을 참조하면, 씨드층(130) 상부에 나노로드(140)를 형성한다. 상기 나노로드(140)는 씨드층(130)을 기초로 하여 형성되며, 수계합성법에 의해 형성된다. 수계합성법에 의해 형성된 나노로드(140)는 n형의 전도형을 가진다. 즉, 수계합성법에 의해 형성되는 나노로드(140)는 도판트의 자연스러운 개입 또는 결정구조의 결함에 기인한 n형으로의 형성이 이루어질수 있는 ZnO, CoO 또는 CuO의 재질을 가짐이 바람직하다.
계속해서, 도 4를 참조하면, n형의 전도형을 가지는 나노로드(140)에 대해 열처리를 수행한다. 열처리를 통해 질소공급층(110)의 질소는 나노로드(140)로 확산된다. 나노로드(140)로 확산된 질소에 의해 나노로드(140)는 p형의 전도형으로 일부 개질된다. 즉, 기판(100)으로부터 소정 영역까지는 p형의 나노로드(145)가 형 성되고, p형의 나노로드(145) 상부에는 n형의 나노로드(141)가 구비된다. 물론, p형의 나노로드(145)와 n형의 나노로드(141)의 접합면에는 공핍영역(143)이 존재하게 된다. 상기 열처리는 질소분위기에서 500℃ 내지 700℃의 온도로 진행됨이 바람직하다.
p형의 나노로드(145)로 개질되는 영역은 열처리시 질소의 확산거리에 의해 결정된다. 또한, 질소공급층(110)의 재질 등에 의해서도 결정된다. 즉, 공급되는 질소는 n형의 나노로드(141)에 포함된 산소를 대체하고, 열처리를 통해 산소는 배출된다. 또한, 질소의 확산에 의해 질소공급층(110)의 질소는 나노로드(140)로 확산되므로, 질소공급층(110)은 질소가 결여되고, 금속만이 나타나게 된다. 즉, 질소공급층(110)은 하부전극(120)으로 개질된다. 만일, 질소공급층(110)의 두께가 소정 두께 이상이 되는 경우, 질소공급층(110)은 상부 표면으로부터 일부 영역에서만 하부전극(120)으로 개질되고, 질소공급층(110)의 하부는 금속재질로 개질되는 질소의 확산현상이 발생되지 않을 수도 있다. 따라서, 질소공급층(110)은 완전히 금속재질의 하부 전극(120)으로 개질되지 아니하고, 질소공급층(110)의 상부영역의 일부만 개질되고, 그 하부는 질소공급층(110)으로 잔류할 수도 있다.
이어서, 도 5를 참조하면, 나노로드(140) 상부에 상부전극(150)을 형성한다. 만일, 나노로드(140) 사이의 이격거리가 넓은 경우, 상부전극(150)은 나노로드(140) 상부에 충분히 형성되지 못하는 문제가 발생한다. 따라서, 나노로드(140)는 나노 스케일의 이격거리를 가짐이 바람직하다. 상기 상부전극(150)은 n형 나노로드(141)와 오믹 컨택이 이루어지는 전도성 재질이면 어느 것이나 바람직할 것이 다. 예컨대, 실버 페이스트가 프린팅된 형식으로 구비될 수 있다. 또한, 투명재질의 TCO 등이 상부전극으로 구비될 수도 있다. 이외에도 Ti 등의 금속성 재질이 상부전극으로 사용될 수도 있다.
제조예
ZnO로 구성된 나노로드의 형성은 다음의 방법을 통해 달성된다.
먼저, SiO2 재질의 기판상에 WN 재질의 질소공급층을 형성한다. 질소공급층은 통상의 증착 공정을 통해 형성되고, 50nm의 두께를 가지도록 형성된다. 질소공급층 상부에는 ZnO를 포함하는 50nm 두께의 씨드층이 형성된다. 상기 씨드층은 패터닝을 통해 소정의 규칙적인 배열을 가진다.
이어서, 상기 씨드층이 형성된 기판을 용액에 침지시켜서 수계합성법을 수행한다. 기판이 침지되는 용액은 Zn(NO3)26H2O와 (CH2)6N4가 혼합된 상태이며, Zn(NO3)26H2O는 0.025mol의 농도를 가진다. 상기 (CH2)6N4 대신에 0.025mol 농도의 NH4OH가 사용될 수도 있다. 기판이 침지된 용액은 convection oven에서 약 110℃에서 360분 동안 투입된다, 이를 통해 나노로드의 씨드인 ZnO의 핵이 석출되며, 석출된 ZnO를 통해 육방정계 형상의 ZnO 결정립들이 생성된다. 이를 통해 나노로드가 합성된다. 이후에는 침지된 기판을 convection water로부터 꺼내고, DI water를 이용하여, 세정공정을 수행한다. 수계합성법을 통해 기판 상에는 n형의 전도형을 가진 나노로드가 합성된다.
세정공정이 수행된 후, 기판은 어닐링 챔버에 투입되고, 질소 분위기에서 열처리가 수행된다. 열처리는 약 600℃에서 20분간 수행됨이 바람직하다. 열처리를 통해 질소공급층을 구성하는 WN은 W 재질의 금속으로 개질된다. 즉, 하부전극으로 개질된다. 또한, 하부전극으로의 개질과 함께 ZnO 재질의 나노로드는 하부로부터 p형으로 개질된다. 이는 질소공급층의 질소가 나노로드로 확산됨에 따른 결과이다. 다만, 질소의 확산거리에 의해 나노로드의 상부는 n형의 전도형을 유지한다.
이어서, n형의 나노로드 상부에 상부전극을 형성한다. 상기 상부 전극은 Ti으로 구성하며, 그 두께는 30nm로 형성된다.
도 6은 본 발명의 제조예에 따른 광소자의 전류-전압 특성을 도시한 그래프이다. 열처리는 600℃ 및 700℃에서 각각 수행된다. 또한, 막질의 재질, 두께 및 제조공정은 상기 제조예에 언급된 바와 동일하다.
도 6을 참조하면, 하부전극과 상부전극 사이에 소정의 전압을 인가한 경우, 특정의 전압레벨 이상에서 전류가 급격히 증가함을 알 수 있다. 특히, 약 2V 근방에서 광소자의 전류는 급격히 증가한다. 또한, 역바이어스 상태 또는 낮은 정바이어스 상태에서는 전류는 흐르지 않는 오프 상태를 가진다. 이는 광소자가 다이오드로 모델링될 수 있음을 나타낸다. 다이오드로 모델링됨은 p-n 접합이 이루어지고, 접합을 통해 전류의 정류 동작이 일어남을 나타낸다.
p-n 접합에 따른 다이오드의 동작은 발광소자 또는 수광소자의 전형적인 특성이다. 특히, 접합에 이용되는 물질이 반도체이고, 직접 천이형인 경우, 발광소자 또는 수광소자에 이용될 수 있다. 본 발명에서는 직접 천이형에 가까운 반도체 재 료를 이용하여 나노로드를 형성하고, 질소의 확산을 통해 전도형을 변경시키는 개질 작업을 수행한다. 이를 통해 동종접합을 용이하게 구현할 수 있으며, 제조공정 상의 복잡함을 회피할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광소자를 도시한 단면도이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1에 도시된 광소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 6은 본 발명의 제조예에 따른 광소자의 전류-전압 특성을 도시한 그래프이다.
Claims (8)
- 기판;상기 기판 상에 형성된 하부전극;상기 하부전극 상에 형성된 나노로드; 및상기 나노로드 상에 형성된 상부전극을 포함하고,상기 나노로드는 동종접합이며,상기 나노로드는 상기 기판 상에 형성된 질소공급층으로부터 확산된 질소에 의해 일부가 p형의 나노로드로 개질되고, 상기 질소공급층은 상기 질소의 확산에 의해 상기 하부전극으로 개질되는 것을 특징으로 하는 광소자.
- 제1항에 있어서, 상기 질소공급층은 상기 질소의 확산거리에 의해 상기 하부전극과 상기 기판 사이에 잔류하는 것을 특징으로 하는 광소자.
- 제1항에 있어서, 상기 질소공급층은 WN, AlN 또는 InN를 포함하는 것을 특징으로 하는 광소자.
- 제1항에 있어서, 상기 하부전극 상부에는 씨드층이 형성되고, 상기 씨드층은 ZnO, CoO 또는 CuO를 포함하는 것을 특징으로 하는 광소자.
- 제1항에 있어서, 상기 나노로드는,상기 질소공급층으로부터 확산된 상기 질소에 의해 개질된 p형 나노로드;질소의 확산의 영향이 배제되고, 상기 상부전극 하부에 접촉되는 n형 나노로드; 및상기 p형 나노로드와 상기 n형 나노로드 사이에 형성된 공핍영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 광소자.
- 기판 상에 질소 공급층을 형성하는 단계;상기 질소 공급층 상부에 씨드층을 형성하는 단계;상기 씨드층 상에 나노로드를 형성하는 단계;상기 질소 공급층을 열처리하여 상기 질소 공급층의 질소를 상기 나노로드로 확산시켜, n형의 나노로드를 p형의 나노로드로 개질하고, 상기 질소가 확산된 질소 공급층은 하부 전극으로 개질하는 단계; 및상기 나노로드 상부에 상부전극을 형성하는 단계를 포함하는 광소자의 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 열처리는 500℃ 내지 700℃의 온도로 질소분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 광소자의 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 나노로드의 형성은 수계합성법에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 광소자의 제조방법.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20220083092A (ko) * | 2020-12-11 | 2022-06-20 | 한국과학기술원 | 모놀리식 집적에 따른 이종 접합 구조의 이미지 센서 및 그의 제조 방법 |
-
2009
- 2009-10-14 KR KR1020090097834A patent/KR101625226B1/ko active IP Right Grant
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