KR20120012381A - 3족 질화물 발광다이오드 및 그 형성방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예는 3족 질화물 발광다이오드를 안출하였으며, 3족 질화물 발광다이오드는 제1 전극; 복수개의 n형 질화갈륨 나노기둥과 상기 제1 전극과 옴 접촉하는 n형 질화갈륨 나노기둥 어레이; 각각의 n형 질화갈륨 나노기둥 상에 배치된 하나 또는 복수개의 질화인듐갈륨 나노디스크; 복수개의 p형 질화갈륨 나노기둥을 구비하고, 그 중 각각의 p형 질화갈륨 나노기둥은 하나의 n형 질화갈륨 나노기둥에 대응되고, 각각 대응되는 n형 질화갈륨 나노기둥 상방의 상기 질화인듐갈륨 나노디스크의 상방에 배치된 p형 질화갈륨 나노기둥 어레이; 및 상기 p형 질화갈륨 나노기둥 어레이와 옴 접촉하는 제2 전극을 포함하고 있다.

Description

3족 질화물 발광다이오드 및 그 형성방법 {III-NITRIDE LIGHT-EMITTING DIODE AND METHOD OF PRODUCING THE SAME}
본 발명은 3족 질화물 발광다이오드 및 그 형성방법에 관한 것이다.
백색광 다이오드를 기초로 하는 고체 상태 광원은 에너지 절약과 관련되어 현존하는 조명기구를 대체할 수 있는 미래 조명으로서 매우 큰 잠재력이 있기 때문에 최근 많은 관심을 받고 있다. 백색광 다이오드는, 빨간색, 노란색, 녹색, 남색 등 각종 다색의 발광체(emitter)를 혼합하여 그 발광 효력과 색채 표현을 제어한다. 현재, 질화인듐갈륨(InGaN)화합물 반도체는 백색광 다이오드 중 가장 잠재력을 가진 사용 재료가 되었는데, 이는 질화인듐갈륨 InxGa1 - xN (0≤x≤1)의 직접 밴드갭(direct bandgap)이 적외선 영역(0.6eV, InN)에서 자외선 영역(3.4eV, GaN)까지 연속적으로 조절될 수 있어 모든 가시스펙트럼을 커버할 수 있기 때문이다. 그러나, 질화인듐갈륨(InGaN)은 파장이 더 긴 범위에서 발광 효율이 대폭적으로 저하되어, 그 응용은 제한을 받게 되며 따라서 지금까지, 고효율 질화인듐갈륨(InGaN) 발광다이오드의 실제적 파장 영역은 청색 스펙트럼 영역으로 제한되었다. 대부분의 백색광 다이오드는 일반적으로 세륨이 도핑된 이트륨 알루미늄 가넷(yttrium aluminum garnet)과 같은 황색 인광제(phosphor)를 이용하여, 장파장으로의 발광 변환(luminescence down-conversion) 기술을 통해 백색광을 방출한다. 그러나, 스토크스 이동 손실(stokes shift loss)과 제한된 색채 표현으로 인해, 인광제를 이용하여 전환된 광원의 효과와 발광 품질은 여전히 완벽하지 않다. 또한, 시장에서도 색채 표시를 만족시켜 최적화의 요구에 도달하는 전체 가시광 파장대를 포함하는 발광체를 필요로 하고 있어, 장 파장대에서의 질화인듐갈륨(InGaN)의 발광 효율을 개선하는 것에 대한 연구가 현재 세계적으로 활발히 이루어지고 있다. 특히, 반도체 재료는 파장이 550nm ~ 590nm 사이의 녹황색광 파장대, 즉 숙지하고 있는 '그린-옐로우 갭(green-yellow gap)'에서, 그 발광 효율이 명확하게 저하되는 추세이며, 현재 어떠한 반도체 재료로도 이러한 파장대에서 고효율의 발광다이오드를 제조하지 못하고 있다.
InGaN 발광체가 서로 다른 파장에서 서로 다른 발광 효율을 가지는 것은 격자 구조 자체의 극성 및 질화인듐(InN)과 질화갈륨(GaN) 사이의 격자 부정합(lattice mismatch)이 약 11%이기 때문이다. 종래의 고품질 InGaN 발광다이오드는 우르차이트형 단결정 구조 Ga의 극성 c축 방향을 따라 평면식의 질화인듐갈륨(InGaN)/질화갈륨(GaN) 다중양자우물구조로 성장된다. 특히 인듐 함량이 높은 질화인듐갈륨(InGaN)/질화갈륨(GaN) 다중양자우물구조는 높은 결함 밀도 및 내부 정전기(압전)장(>1 MV/cm)의 문제를 가지고 있다. 높은 내부 전기장은 전자와 양공의 파동함수(wave function)를 분리함으로 양자 속박 스타크 효과(quantum-confined stark effect, QCSE)를 초래하여 발광체가 긴 파장 범위에 있을 때, 발광 효율이 향상될 수 없도록 한다.
인듐 함량이 낮은 남색광 InGaN 발광다이오드는, 캐리어 국한 현상(carrier localization phenomenon)과 매우 얇은 양자우물구조, 예를 들면 폭이 약 2nm ~ 4nm인 상업제품의 InGaN 발광다이오드 또는 레이저 다이오드를 이용하여 결함 밀도와 QCSE의 영향을 줄일 수 있다. 하지만, 상기 방안은 강한 전하 제한 결핍과 큰 내부 전기장을 가진 인듐 함량이 높은 InGaN 양자우물구조에는 이용할 수 없다. 그 밖에, 극성 c-평면(c-plane) InGaN 발광다이오드에 있어서, QCSE 또는 양자우물구조와 서로 관련된 기타 불리한 특성이 있다. 예를 들면, 구동 전류가 증가하면, 내부 전기장으로 인해 캐리어 쉴드가 조성되기 때문에, 발광 효율이 떨어지며, 또한 그 중심 파장은 남색광의 파장 방향으로 이동한다. 그러므로 어떻게 QCSE의 문제를 해결할 것인지는 조명 광원 발전에 반드시 극복해야할 문제가 되었다.
과거 수년 동안 각종 기판상에 비극성(a-평면 또는 m-평면) 평면을 따라 3족 질화반도체를 성장하는 것과 같은 QCSE 효응을 극복하기 위한 수많은 연구를 하였다. 그러나, 비극성의 방법은 그 자체의 제한과 도전이 있으므로, '그린-옐로우갭'의 효율이 저하하는 문제에 대해, 여전히 가장 적합한 해결 방법은 없다. 그러므로, 녹황색광 파장대에서 효율이 좋지 않은 문제 및 발광다이오드의 발광 효율이 낮아지는 문제를 극복한 발광다이오드를 안출해 내는 것이 매우 필요하다.
참고문헌 1: Schubert, E. F. & Kim, J. K. Sold-state light sources getting small. Science 308, 1274-1278 (2005)
참고문헌 2: Krames, M. R., Shchekin, O. B., Mueller-Mach, R., Mueller, G. O., Zhou, L., Harbers, G. & Craford, M. G. Status and future of high-power light-emitting diodes for solid-state lighting. J. Disp . Technol. 3, 160-175 (2007)
참고문헌 3: Mukai, T., Yamada, M. & Nakamura, S. Characteristics of InGaN-based uv/blue/green/amber/red light-emitting diodes. Jpn . J. Appl. Phys. 38, 3976-3981 (1999)
참고문헌 4: Xu, T., Nikiforov, A. Yu., France, R., Thomidis, C., Williams, A. & Moustakas, T. D. Blue-green-red LEDs based on InGaN quantum dots grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy. Phys. Stat. Sol. A 204, 2098-2102 (2007)
참고문헌 5: Humphreys, C. J. Solid-state lighting. MRS Bull . 33, 459-470(2008)
참고문헌 6: Fiorentini, V., Bernardini, F., Della Sala, F., Di Carlo, A. & Lugli, P. Effects of macroscopic polarization in III-V nitride multiple quantum wells. Phy . Rev . B 60, 8849-8858 (1999)
참고문헌 7: Waltereit, P., Brandt, O., Trampert, A., Grahn, H. T., Menniger, J., Ramsteiner, M., Reiche, M. & Ploog, K. H. Nitride semiconductors free of electrostatic fields for efficient white light-emitting diodes. Nature 406, 865-868 (2000)
참고문헌 8: Masui, H., Nakamura, S., DenBaars, S. P. & Mishra, U. K. Nonpolar and semipolar III-nitride light-emitting diodes: Achievements and challenges. IEEE Trans . Electron Devices 57, 88-100 (2010).
본 발명의 목적은 녹황색광 파장대에서의 낮은 효율 문제를 극복한 발광다이오드를 제공하는 것이다.
상기 또는 기타 목적에 따라 본 발명의 실시예는 제1 전극; 복수개의 n형 질화갈륨 나노기둥을 구비하며 상기 제1 전극과 옴 접촉하는 n형 질화갈륨 나노기둥 어레이; 각각의 n형 질화갈륨 나노기둥 상에 배치된 하나 또는 복수개의 질화인듐갈륨 나노디스크; 복수개의 p형 질화갈륨 나노기둥을 구비하고, 그 중 각각의 p형 질화갈륨 나노기둥은 하나의 n형 질화갈륨 나노기둥에 대응되고, 각각 대응되는 n형 질화갈륨 나노기둥 상방의 상기 질화인듐갈륨 나노디스크의 상방에 배치된 p형 질화갈륨 나노기둥 어레이; 및 상기 p형 질화갈륨 나노기둥 어레이와 옴 접촉하는 제2 전극을 포함하는 발광다이오드를 제공한다.
상기 또는 기타 목적에 따라, 본 발명의 실시예는 제1 전극; 상기 제1 전극과 옴 접촉하는 n형 질화갈륨 나노기둥; 상기 n형 질화갈륨 나노기둥 상에 배치된 하나 또는 복수개의 질화인듐갈륨 나노디스크; 상기 하나 또는 복수개의 질화인듐갈륨 나노디스크 상방에 배치된 p형 질화갈륨 나노기둥; 및 상기 p형 질화갈륨 나노기둥과 옴 접촉하는 제2 전극을 포함하는 발광다이오드를 제공한다.
상기 또는 기타목적에 따라, 본 발명의 실시예는 제1 전극을 형성하는 단계; 복수개의 n형 질화갈륨 나노기둥을 구비하고 상기 제1 전극과 옴 접촉하는 n형 질화갈륨 나노기둥 어레이를 형성하는 단계; 각각의 n형 질화갈륨 나노기둥 상에 하나 또는 복수개의 질화인듐갈륨 나노디스크를 형성하는 단계; 복수개의 p형 질화갈륨 나노기둥을 구비하고, 그중 각각의 p형 질화갈륨 나노기둥은 하나의 n형 질화갈륨 나노기둥에 대응되며, 각각에 대응되는 n형 질화갈륨 나노기둥 상방의 상기 질화인듐갈륨 나노디스크의 상방에 형성되는 p형 질화갈륨 나노기둥 어레이를 형성하는 단계; 및 상기 p형 질화갈륨 나노기둥 어레이와 옴 접촉하는 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 발광다이오드의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 녹황색광 파장대에서 효율이 좋지 않은 문제 및 발광다이오드의 발광 효율이 낮아지는 문제를 극복한 발광다이오드를 제공할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 백색광 발광다이오드의 사시도이다.
도 1b는 도 1a의 발광다이오드에 20mA의 구동 전류가 인가될 때 백색광을 방출하는 사진이며, 도면의 하방은 각종 구동 전류시의 전계 발광을 10배로 확대한 현미경 사진이다.
도 1c는 도 1a의 발광다이오드에 20mA의 구동 전류가 인가될 때의 전계 발광을 100배 확대한 현미경 사진이며, 상기 발광다이오드는 전체 파장대의 가시광을 방출할 수 있다.
도 1d는 도 1a의 발광다이오드의 국제조명위원회(CIE 1931)xy색도도를 나타내며, 그 중 구동 전류는 5mA ~ 25mA이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 질화인듐갈륨(InGaN)/질화갈륨(GaN) 나노기둥 어레이 백색광 발광다이오드의 구동 전류가 1mA ~ 25mA일 때의 전계 발광 도보를 나타내고 있다.
도 2b는 도 2a의 두 파봉(448nm, 569nm)과 전체의 구동 전류 및 전계 발광 강도의 관계도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화인듐갈륨(InGaN)/질화갈륨(GaN) 단일 나노기둥 발광다이오드의 전류-전압 곡선을 나타내고 있다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화인듐갈륨(InGaN)/질화갈륨(GaN) 단일 나노기둥 발광다이오드의 전계 발광 도보를 나타내고 있으며, 그 중 각 발광다이오드는 하나의 질화인듐갈륨(InGaN) 나노디스크를 구비하고 있다.
도 4a는 도 3a의 질화인듐갈륨(InGaN)/질화갈륨(GaN) 단일 나노기둥 발광다이오드의 구동 전류가 500nA일 때의 편광(polarized) 전계 발광 도보이다.
도 4b는 도 3a의 질화인듐갈륨(InGaN)/질화갈륨(GaN) 단일 나노기둥 발광다이오드를 나타내고 있으며, 극좌표를 이용하여 전계 발광 강도의 2차원 공간 분포와 나노기둥의 기하학적 상대관계를 나타내고 있다.
아래 도면을 결부하여 본 발명의 각 실시예를 상세하게 설명한다. 아래의 상세한 설명 외에 본 발명은 다른 실시예에서도 광범위하게 실시가능하며 아래 어느 하나의 실시예에 대한 단순교체, 수정, 균등한 변화는 모두 본 발명의 권리범위에 속하며 본 발명의 권리범위는 후술하는 특허청구범위를 기준으로 한다. 명세서를 설명함에 있어서, 본 발명을 완벽하게 이해하도록 돕기 위하여 많은 특정 세부사항을 개시하였으나, 본 발명은 이러한 특정 세부 사항의 일부 또는 전부가 생략되어도 여전히 실시 가능하다. 한편, 공지(公知) 단계 또는 소자에 대하여 설명하지 않았는데 이는 본 발명에 대한 불필요한 한정을 방지하기 위해서이다. 도면에서 서로 동일하거나 유사한 소자는 서로 동일한 또는 유사한 부호를 사용하여 표시했다. 특히 주의해야 할 점은, 특별히 설명하지 않는 한 도면은 단지 표시하기 위한 것일 뿐, 소자의 실제 사이즈나 수량을 나타낸 것이 아니다.
본 발명의 실시예의 방법에서, 규소기판 상에 조립된 질화갈륨(GaN) 나노기둥 어레이(nanorod array)를 이용하여 결정 성장 샘플로 하고, 질화인듐갈륨(InGaN)/질화갈륨(GaN) 나노기둥 이형접합구조를 나노기둥 어레이 상에 재성장시켜 본 발명의 주요 목적을 완성한다. 상기 방법의 가장 주요한 특색은 압전 편극 효과(piezoelectric polarization effects)를 제거하는 것이므로, 각각의 두께가 수십나노미터에 도달하는 질화인듐갈륨(InGaN) 나노디스크 구조를 형성할 수 있다. 상기 방법을 이용하여, 본 발명의 실시예는 전체적으로, 인광체가 없는 백색광(다색변화된) 나노기둥 어레이 발광다이오드 및 편광 풀 컬러(단색의) 단일 나노기둥 발광다이오드를 시범한다.
다음은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 인광체가 없는 백색광을 방출할 수 있는 다색 나노기둥 어레이 발광다이오드를 소개한다. 우선, 플라즈마 어시스티드 분자빔 에피택시(Plasma assisted molecular beam epitaxy, PAMBE) 방법에 따라, 3인치, n형 규소기판(111) 상에, 우르차이트(wurtzite) 구조의 c축을 따라 수직으로 스스로 배열된 질화갈륨(GaN) 나노기둥 어레이를 성장시킨다. 상기 플라즈마 어시스티드 분자빔 에피택시 방법의 상세한 내용은 Chen, H.-Y., Lin, H.-W., Shen, C.-H. & Gwo, S. Structure and photoluminescence properties of epitaxially oriented GaN nanorods grown on Si(111) by plasma-assisted molecular-beam epitaxy. Appl. Phys. Lett. 89, 243105 (2006)을 참고하고, 그 내용을 본문에 추가하여, 본 사건 설명서의 일부분으로 간주한다. 상기 방법에 따라 성장된 나노기둥 어레이는 무응력(strain-free), 무전위(dislocation-free) 결함의 단결정 구조이며, 유사한 격자 구조를 가지는 무응력 질화인듐갈륨(InGaN) 나노디스크를 성장시키는데 이용된다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 실시예에 따른 발광다이오드를 나타내고 있으며, 그 중 도 1a는 발광다이오드의 사시도이다. 도 1b는 발광다이오드에 20mA의 구동 전류가 인가될 때 백색광을 방출하는 사진이며, 도면의 하방은 각종 구동 전류시의 전계 발광을 10배로 확대한 현미경 사진을 나타내고 있다. 도 1c는 발광다이오드가 20mA의 구동 전류가 인가될 때의 전계 발광 현미경 사진이며, 그 확대배율은 100배이다. 도 1d는 발광다이오드의 국제조명위원회(CIE 1931)xy색도도를 나타내며, 그 중 구동 전류는 5mA로부터 25mA까지 증가하며, 색 온도는 자연 백색광의 6000K를 유지할 수 있다(m.planck 궤적에 의해 표시).
도 1a에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 발광다이오드는 n형 규소기판(1), 규소기판(1) 상에 배치된 티탄늄/금(Ti/Au 복합층) 전극(2), 수많은 n형 질화갈륨(GaN) 나노기둥으로 구성되고 티타늄/금 전극과 옴 접촉(ohmic contact)하는 n형 질화갈륨 나노기둥 어레이(3), 각각의 n형 질화갈륨 나노기둥 상에 배치된 하나 또는 복수개의 질화인듐갈륨 나노디스크(4), 수많은 p형 질화갈륨(GaN) 나노기둥으로 구성되고 질화인듐갈륨(InGaN) 나노디스크(4) 상방에 배치되고, 그중 하나의 p형 질화갈륨(GaN) 나노기둥은 하나의 n형 질화갈륨(GaN) 나노기둥에 대응되는 p형 질화갈륨(GaN) 나노기둥 어레이(5) 및 p형 질화갈륨(GaN) 나노기둥 어레이(5)와 옴 접촉하는 니켈/금(Ni/Au 복합층) 전극(6)을 포함한다. 티타늄/금 전극(2)은 n형 질화갈륨(GaN) 나노기둥 어레이(3)와 직접적으로 접촉하지 않고, 규소기판(1)을 통해 n형 질화갈륨(GaN) 나노기둥 어레이(3)와 옴 접촉한다는 것에 주의해야 한다. 그밖에, 니켈/금 전극(6)은 투명전극이다. 각 p형 질화갈륨(GaN) 나노기둥(5)은 양단(兩端)을 구비하고 있으며 투명전극에 근접한 일단은 타단에 비해 넓으며, 그 구조는 누전을 방지하는데 유리하다.
상기 발광다이오드의 백색 발광은 질화갈륨(GaN) 나노기둥 p-n 이형접합구조에 적층된 질화인듐갈륨(InGaN) 나노디스크(4)를 통해 혼광 효과를 완성한다. 각각의 상기 하나 또는 복수개의 질화인듐갈륨(InGaN) 나노디스크(4)는 발광 파장이 다른 수많은 발광체로 구성되며, 그 평균 발광 파장은 결정 성장시의 온도 T와 In/Ga의 분자빔 플럭스(Flux)에 의해 제어할 수 있다는 점에 주의해야 한다.
나노디스크는 복수의 성장온도가 조합되어 이루어질 수 있으며, 본 실시예에서 발광다이오드는 3개의 서로 다른 성장온도(T1, T2, T3)로 조합된 질화인듐갈륨(InGaN) 나노디스크를 구비하고 있으며, 그 중 3개의 T1, 1개의 T2, 1개의 T3의 질화인듐갈륨(InGaN) 나노디스크가 있고, 그 결정 성장 온도는 T1>T2>T3이다. 본 발명의 기타 실시예에서, 발광수요에 따라, 수량 또는 조합이 다른 질화인듐갈륨(InGaN) 나노디스크가 있을 수 있다. 그밖에, 2개의 질화인듐갈륨(InGaN) 나노디스크 사이마다 질화갈륨(GaN) 장벽층(7)이 설치되어 있다.
종래의 평면식 질화인듐갈륨(InGaN)/질화갈륨(GaN) 다중양자우물구조에 있어서, 질화인듐갈륨(InGaN) 활성층의 두께는 2nm ~ 4nm로 제한된다. 본 발명의 실시예에서, 성장시킨 나노디스크는 응력이 없는 장점이 있으므로, 두께를 제어할 수 있는 나노디스크를 적층 성장시킨다. 예를 들면, 각 나노디스크의 두께는 10nm ~ 25nm 사이에 있다. 그 밖에, 나노디스크의 수량과 위치는 반드시 정확하게 제어해야만, 도 1b와 같은 백색광 효과를 얻을 수 있다. 본 실시예에서 제공하는 두꺼운 질화인듐갈륨(InGaN) 나노디스크는 비교적 크고 조절 가능한 활성층을 제공하며, 높은 구동 전류가 흐를 때, 전자 과잉을 낮출 수 있고, 캐리어 캡쳐 현상을 개선할 수 있다. 두꺼운 나노디스크가 발광다이오드의 효율이 저하되는 문제를 효율적으로 해결하는 것에 대하여 본문에서 잠시 후에 언급한다. 그 밖에, 도 1c는 본 실시예에 따른 각종 다양한 색광을 방출할 수 있는 능력을 가지고 있는 나노기둥 어레이 발광다이오드를 나타내고 있다. 종래의 인광체 발광다이오드는, 다색광을 방출하기 위해 반드시 새로운 풀 컬러인 광체 어레이를 이용해야 하지만 그 온도 안정성, 양자 효율, 화학적 견고성을 고려할 때 효율적이지 못하다.
도 2a는 본 발명의 상기 실시예에 따른 질화인듐갈륨(InGaN)/질화갈륨(GaN) 나노기둥 어레이 백색광 발광다이오드의 구동 전류가 1mA ~ 25mA일 때의 전계 발광 도면이다. 도 2a에 도시한 바와 같이, 구동 전류가 20mA일 때, 2개의 주요 발광파봉(crest)은 각각 남색광 파장대의 448nm 및 노란색광 파장대의 569nm에 위치해 있다. 도면에 도시한 바와 같이, 구동 전류가 증가하여 발광 파장이 남색광쪽으로 이동하는 양은 미세하다. 이것은 본 발명의 실시예의 발광다이오드의 발광체가 QCSE 효응을 효과적으로 제거할 수 있음을 나타낸다. 발광다이오드의 활성층 구조에서, 성장 온도 T1의 나노디스크는 남색광 발광 파장대를 제공하고, T2의 나노디스크는 노란색광 파장대를 제공하며, T3의 나노디스크는 비교적 적은 빨간색광과 노란색광 파장대를 혼합하여 제공한다. 구동 전류의 증가에 따라, 남색광, 노란색광 파장대에 상관없이 모두 생략할 수 있는 파장의 편이량을 나타낸다. 전계 발광의 도보에서 알 수 있듯이, 남색광 파장대와 노란색광 파장대의 혼합은 도 1b에 도시한 것과 같은 백색광 효과를 만든다. 상당히 작은 파장 편이는 질화인듐갈륨(InGaN) 나노디스크 발광체의 분극화 효응을 무시할 수 있어 나노기둥 어레이 발광다이오드의 색 온도가 구동 전류의 영향을 받지 않는다는 것을 나타내며, 도 1d에 도시한 바와 같다. 남색광 파장대의 1.3nm과 노란색광 파장대의 2.4nm의 작은 편이량은 질화인듐갈륨(InGaN)과 질화갈륨(GaN) 사이의 매우 작은 자연 발생 분극 불일치(spontaneous polarization mismatch)에 의한 것이다.
상술한 바와 같이, 구동 전류가 높을 때 효율이 낮아지는 것이 오늘날 발광다이오드를 발전시키는 주요 장애 요인이다. 효율을 저하시키는 원인에 대해 학술계에서 광범위하게 논의되고 있으며, 가능한 매커니즘도 제기되고 있다. 예를 들면 오제 비방사 재결합(Auger nonradiative recombination), 캐리어 오버플로우(carrier overflow), 분극 전계(polarization fields), 관통 전위(threading dislocation) 등등이다. 본 발명의 실시예가 안출한 두꺼운 무응력 질화인듐갈륨(InGaN)/질화갈륨(GaN) 나노기둥 이형접합구조는 효율이 낮아지는 문제를 성공적으로 극복할 수 있다.
도 2b는 도 2a의 2개의 파봉(448nm, 569nm)와 전체의 구동 전류 및 전계 발광 강도의 관계도를 나타내고 있다. 남색광 파장대(448nm) 및 노란색광 파장대(569nm)이든 상관없이, 구동 전류가 증가하면, 그 전계 발광의 강도도 선형적으로 증가하며, 경사율은 고정된다. 그러므로 전체 발광다이오드가 방출하는 백색광이 구동 전류의 증가에 따라 변화하지 않는다는 것을 증명할 수 있다. 그밖에, 전체 발광다이오드의 전계 발광 도보는 발광 강도가 약해지지 않았다는 것을 나타낸다.
도면 중의 구동 전류는 단지 25mA(전류 밀도가 약 53A/cm2)까지만 측정하였으나 본 실시예의 발광다이오드의 실제적 구동 전류와 전류 밀도는 이보다 더 클 수 있다. 효율이 저하되기 전의 최대 전류 밀도를 측정하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 단일 나노기둥 발광다이오드를 제공하여 그 발광 특성을 측정했다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화인듐갈륨(InGaN)/질화갈륨(GaN) 단일 나노기둥 발광다이오드의 실온 하에서의 전류-전압 곡선을 나타내고 있다. 예를 들면, -10V일 때는 누전이 발생하지 않았다. 도면에서의 삽화는 단일 나노기둥 발광다이오드의 전계 방출 주사전자현미경(FE-SEM) 도면 및 구조 사시도를 나타내고 있다. 도시한 바와 같이, 스케일 바(scale bar)는 500nm, 단일 나노기둥 발광다이오드의 길이는 약 2㎛이며, 직경이 90nm, 두께가 40nm인 질화인듐갈륨(InGaN) 나노디스크(4)를 포함한다. I-V곡선은 양호한 다이오드 특성을 나타내고 있다. 또한 제조된 단일 나노기둥 발광다이오드는 누전되지 않아 그 자체를 통과하는 실제 전류 밀도값을 측정하는데 적용된다.
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 단일 질화인듐갈륨(InGaN)/질화갈륨(GaN) 나노기둥 발광다이오드의 전류 발광 도보를 나타내고 있으며, 그 중 각 발광다이오드는 질화인듐갈륨(InGaN) 나노디스크 하나만을 구비하고 있다. 도보에 도시한 바와 같이, 단일 질화인듐갈륨(InGaN) 나노디스크로부터 방출된 빛은 모두 단색광이며, 좁은 스펙트럼 대역폭을 가지며, 대략 25nm이다. 현미경 사진(미도시)은 500nA의 구동 전류 하에서 이러한 단일 나노기둥 발광다이오드가 나타내는 회절 한계(diffraction-limited)를 가지는 점광원은 각각 자색광, 남색광, 청록색광, 녹색광, 노란색광임을 나타낸다. 도 3c는 도 3a의 질화인듐갈륨(InGaN)/질화갈륨(GaN) 다일 나노기둥 발광다이오드의 구동 전류가 100nA에서 500nA까지 증가할 때, 발광 파봉은 475nm을 유지함을 나타낸다. 그 밖에, 삽화는 전계 발광 강도 및 상대적 외부양자효율(external quantum efficiency, EQE)과 구동 전류 밀도의 관계를 나타낸다. 상대적 EQE의 값은 고정된 집광장치를 통해, 직류전기의 모드에서 전계 발광 강도로 구동 전류를 나누어 얻는다. 삽화에 도시한 바와 같이 구동 전류의 밀도가 증가하면, 상대적 EQE도 증가한다. 종래의 발광다이오드에 있어서 동일한 EQE의 증가추세는 전류 밀도가 10A/cm2보다 작을 때만이 유지된다. 본 실시예에서, 나노기둥의 직경은 90nm이며, 이를 통해 전류 밀도값을 환산할 수 있다. 삽화에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예의 발광다이오드는 구동 전류 밀도가 8000 A/cm2에 도달할 때 EQE 효율은 여전히 감소하는 현상이 없다. 종래의 질화인듐갈륨(InGaN) 발광다이오드와 비교하자면, 그 구동 전류 밀도가 약 10 A/cm2일 때, 비교적 두꺼운 질화인듐갈륨(InGaN) 활성층을 가진 일부 발광다이오드의 구동 전류 밀도도 200 A/cm2밖에 안 된다. 본 실시예의 발광다이오드의 높은 구동 전류 밀도는 두께가 40nm에 도달하고 이는 응력이 없는 나노디스크 구조 때문이다.
백라이트 시스템과 같은 디스플레이 응용에서, 시스템 효율을 개선하기 위해 반드시 발광다이오드가 방출한 빛을 편광화해야 된다. 비극성의 m-평면 질화인듐갈륨(InGaN) 발광다이오드는 인 플레인(in-plane) 방향에서 비등방성(anisotropy)의 빛을 방출할 수 있다고 문헌에서 제시하고 있으므로, 액정디스플레이의 백라이트 시스템에 응용될 기회가 있다. 또한, 종래의 극성 c-평면 질화인듐갈륨(InGaN) 발광다이오드는 오히려 그 특성이 부족하다. 그러나, 본 발명의 실시예의 발광다이오드는 극성 나노기둥이 방출하는 빛을 고도로 편광화할 수 있다. 도 4a는 도 3a의 질화인듐갈륨(InGaN)/질화갈륨(GaN) 나노기둥 발광다이오드의 구동 전류가 500nA일 때의 편광(polarized) 전계 발광 도보이다. 도면에서 곡선 A는 편광 방향이 GaN 나노기둥 축 방향과 평행되는 전계 발광 강도(전기장 EEL//c)를 나타내고, 곡선 B는 편광 방향이 질화갈륨(GaN) 나노기둥 축 방향과 수직되는 전계 발광 강도(전기장 EEL⊥c)를 나타내고 있으며, 그 중 나노기둥 축 방향은 우르차이트(wurtzite)의 극성 c축 방향이다. 그밖에, 편광비(polarization ratio) p는 p= (I // - I ⊥)/( I // + I ⊥)이며, 그중 I // 과 I ⊥ 는 각각 c축과 평행 또는 수직되는 방향의 전계 발광 강도이다. 계산 후 얻은 편광비 p는 -0.85이다. 그밖에, 도 4a의 삽화는 100배 확대한 현미경 사진을 나타내고 있다.
도 4b는 도 3a의 단일 질화인듐갈륨(InGaN)/질화갈륨(GaN) 나노기둥 발광다이오드를 나타내고 있으며, 극좌표를 이용하여 전계 발광 강도의 2차원 공간분포와 나노기둥의 기하학적 상대관계를 나타내고 있다. 위에서 측정된 -0.85의 편광비 p는 단일 나노기둥 발광다이오드가 방출한 빛이 고도로 편광화되었음을 나타내며, 도 4b에서 실증할 수 있다. 종래의 극성 나노기둥 또는 나노와이어(nanowire)와 달리 본 발명의 실시예의 발광다이오드는 고도의 비등방성의 빛을 방출할 수 있고, 부편광비 -0.85는 편광 방향이 나노기둥 장축 방향에 수직임을 나타낸다. 이전 연구에서 폭이 100nm이하인 단일 질화갈륨(GaN) 나노기둥 내의 광 구속 효과(optical confinement effect)는 광 편광화의 원인이라고 지적하였다. 만약 이러한 원리에 따르면, 편광비는 발광 파장과 나노기둥 직경의 함수일 수 있다. 그러나 반대로, 본 발명의 실험결과는 편광은 질화갈륨(GaN) 나노기둥 사이에 배치된 질화인듐갈륨(InGaN) 나노디스크구조에 의한 것임을 나타내고 있다. 그밖에, 부의 편광비는 편광과 발광 파장 및 질화인듐갈륨(InGaN) 나노디스크 직경의 의존 관계가 밀접하지 않음을 나타낸다. 이러한 특성은 임의의 편광을 필요로 하는 응용에 도움을 줄 수 있다.
종합하자면, 본 발명의 실시예가 제공하는 나노기둥 어레이 발광다이오드와 단일 나노기둥 발광다이오드는 종래 기술과 다른 두껍고 응력이 없는 질화인듐갈륨(InGaN) 나노디스크 발광체를 통해서 현재의 발광다이오드, 특히 백색광 발광다이오드의 발전제한을 극복하였다. 예를 들면 '그린-옐로우 갭' 및 구동 전류가 높을 때 효율이 저하하는 문제를 극복하였다. 그밖에, 본 발명의 실시예의 발광다이오드의 제작은 특수한 나노제조기술을 필요하지 않으며 또한 반도체 기판 상에 대량 제조되는 능력을 구비한다. 그밖에, 본 발명의 실시예의 질화인듐갈륨(InGaN) 나노디스크의 수량, 두께와 구조는 필요에 따라 설계할 수 있으며, 응용되는 발광장치 또는 디스플레이장치의 최적화에 유리하다.
백색광 질화인듐갈륨( InGaN) / 질화갈륨 ( GaN ) 나노기둥 어레이 발광다이오드의 제작예
본 실시예는 전술한 플라즈마 어시스티드 분자빔 에피택시 방법(PAMBE)을 이용하여, 3인치, n형, 전기저항률 0.001Ω㎝ ~ 0.005Ω㎝의 규소기판(111) 상에, 우르차이트(wurtzite) 구조의 c축 방향을 따라 수직으로 배열된 n형 질화갈륨(GaN) 나노기둥 어레이, 질화인듐갈륨(InGaN) 나노디스크, P형 질화갈륨(GaN) 나노기둥 어레이를 성장시킨다. 그 중, 3족 질화물 박막을 성장시킬 때 사용되는 3족 분자빔과 질소 플럭스비와 비교하면, 본 실시예에는 더욱 높은 질소 리치(nitrogen-rich, 고질소 함량)를 사용한다. 본 실시예에서는 DCA측정기공사에서 구매한, 큰 Rf 질소플라즈마소스가 장착되어 있는 모델 DCA-60의 PAMBE시스템을 이용한다. RF출력은 500W로 설정하며, 질소 플럭스는 분당 3입방센티미터(3sccm)이다. 즉시적인 고에너지 반사 전자 회절(reflection high energy electron diffraction, RHEED)에 의해 성장한 나노기둥이 우르차이트 구조이며, 나노기둥이 c축 방향을 따라 성장됨을 관찰했다. 그 밖에, 나노기둥의 인 플레인(in-plane)(수직면) 결정축은 아래의 에피택시 관계에 부합한다:
Figure pat00001
. 질화인듐갈륨(InGaN) 나노디스크가 성장하기 전에, 우선 전술한 규소기판 상에 온도가 770℃이고, 갈륨분자빔 평행압이 (BEPGa)9Χ10-8torr인 조건하에서, 규소가 혼합되고, 두께가 약 1㎛인 n형 질화갈륨(GaN) 나노기둥 어레이를 규소기판 상에 성장시킨다. 그 후, 다시 n형 질화갈륨(GaN) 나노기둥 상에 질화인듐갈륨(InGaN) 나노디스크를 성장시킨다. 각 나노디스크의 발광 파장은 성장온도(T) 및 3족의 분자빔 플럭스에 의해 결정된다. 도 1a의 발광다이오드와 같이, 두께가 다른 3종의 나노디스크의 결정성장온도는 각각 T1의 750℃, T2의 700℃, T3의 690℃이다. 그 밖에, T1의 나노디스크를 성장시키는 갈륨분자빔 평행압은 7.5Χ10-8torr이고, 인듐분자빔 평행압은 2.6 Χ10-8torr이며, 질화인듐갈륨(InGaN)/질화갈륨(GaN)의 두께 비는 대략 25nm/25nm이다. T2의 나노디스크를 성장시키는 갈륨분자빔 평행압은 6.2Χ10-8torr이고, 인듐분자빔 평행압은 3.3x10-8torr이며, 질화인듐갈륨(InGaN)/질화갈륨(GaN)의 두께 비는 대략 10nm/25nm이다. T3의 나노디스크를 성장시키는 갈륨분자빔 평행압은 5.7Χ10-8torr이고, 인듐분자빔 평행압은 3.7Χ10-8torr이며, 질화인듐갈륨(InGaN)/질화갈륨(GaN)의 두께 비는 대략 15nm/25nm이다. 도 1a에 도시한 바와 같이, 그 중 나노디스크 T1, T2, T3의 두께는 10nm 내지 25nm 사이에 있고，질화갈륨(GaN) 장벽층(7)의 두께는 25nm로 고정된다. 그 후, 690℃의 조건하에서, 마그네슘이 혼합되고, 두께가 약 1㎛인 p형 질화갈륨(GaN) 나노기둥 어레이를 나노디스크 상에 성장시키고, 그 중 에피택시될 때 Ga/N의 플럭스비를 점점 향상시켜, 측방향 에피택시에 의해 p형 질화갈륨(GaN) 나노기둥을 형성하고, 이를 통해 '준 연속적(quasi-continuous)'인 p형 GaN박막을 형성한다.
발광다이오드를 형성하기 위하여, 본 실시예는 유도 결합 플라즈마(inductively coupled plasma, ICP) 방법으로 260x280㎛2의 플랫폼을 형성하고, 유효한 전류 통과 구역은 약 47,100㎛2이다. 그리고 상기 플랫폼 상에 이산화규소를 식각마스크로 하여, 질화갈륨(GaN) 나노기둥과 나노디스크를 성장시키기 위한 영역을 식각하여 형성한다. 이어서, 10-7torr의 진공 하에서, 증착 방법으로 각각 규소기판 및 p형 질화갈륨(GaN) 나노기둥 어레이와 옴 접촉하는 티타늄/금 전극과 니켈/금 전극을 형성하며, 두께는 각각 60nm/40nm 및 15nm/35nm이다. 니켈/금 전극의 두께는 광선이 통과할 만큼 얇다.
제작된 백색광 발광다이오드의 전류전압곡선은 실온에서 keithley 2400소스미터로 측정하여 얻는다. 전계 발광 스펙트럼과 광발광 스펙트럼(photoluminescence, PL)의 측량은 광학 분광 시스템과 프로빙 스테이션 시스템(probing station)을 결합하여 측량 설비로 한다. 실온에서 10배 대물렌즈(Mitutoyo, 반사율 NA=0.28)로 확대하고 액체 질소로 냉각된 전하결합소자(CCD) 측정웨이퍼가 장착되어 있는 스펙트로미터(HR460, Jobin-Yvon)를 결합하여 전계 발광스펙트럼을 측정한다. 상기 스펙트로미터는 미국국가표준기술국의 텅스턴할로겐광원(Ocean Optics, HL-2000-CAL)으로 교정할 수 있다.
단일 질화인듐갈륨( InGaN) / 질화갈륨 ( GaN ) 나노기둥 발광다이오드의 제작예
본 실시예는 전술한 PAMBE 방법을 통해 단일 나노기둥 발광다이오드를 제작한다. 우선, 3인치, n형 규소기판(111) 상에, 770℃의 조건으로 규소가 혼합되고, 두께가 약 1.2㎛인 n형 질화갈륨(GaN) 나노기둥을 규소기판 상에 성장시킨다. 그 후, 온도가 705℃이고 갈륨분자빔 평행압은 3.5x10-8torr이며, 인듐분자빔 평행압이 2.6x10-8torr인 조건에서, n형 질화갈륨(GaN) 나노기둥 상에 40nm 두께의 질화인듐갈륨(InGaN) 나노디스크를 성장시킨다. 마지막으로, 685℃에서, 질화인듐갈륨(InGaN) 나노디스크 상방에 두께가 약 800nm인 p형 질화갈륨(GaN) 나노기둥을 성장시킨다.
PAMBE 에피택시 과정이 종료된 후, 제조된 단일 나노기둥 발광다이오드를 1wt%의 불산 수용액에 30초 동안 담궈, 나노기둥 표면 상의 자생 산화층을 제거한다. 그리고, 초음파 세정모드에 의해 단일 나노기둥 발광다이오드를 이소프로필알콜용액 중에 띄우고 그 다음, 단일 나노기둥 발광다이오드를 약 500nm 산화층으로 덮혀진 규소기판 상에 설치한다. 두 접촉 전극의 패턴은 표준적인 포토리소그래피 공정과 리프트 오프(photolithography and lift off) 방법으로 제작한다. 두 접촉 전극은 모두 티타늄/금이며, 두께는 모두 20nm/35nm이다. 그 제작 방법은 챔버 내의 압력이 약 10-7torr인 범위하에서 전자빔으로 증착하여 제조한다. 증착 공정 후, 제조된 단일 나노기둥 발광다이오드를 진공 챔버 압력이 10-9torr인 조건하에서, 600℃로 20초 동안 어닐링(annealing) 처리를 한다.
단일 나노기둥 발광다이오드의 전류 전압 곡선은 Keithley 2400소스미터 및 주사전자현미경(Zeiss, Ultra55)와 Zyvex S100 기계암 나노탐측시스템과 결합하여 실온 하에서 측정한다. 전계 발광 주파수의 측정은 실온 하에서 100배 대물렌즈(Mitutoyo, 절사율 NA=0.5)로 수집 후 측정한다.
본 발명의 실시예가 제공하는 단일 나노기둥은 어떠한 특정 응용을 가지고 있다. 일 실시예에서, 본 발명의 단일 나노기둥 발광다이오드는 서브 파장 광학 이미징 기술의 광원으로서, 접촉(contact) 또는 근접 프린팅(proximity printing) 모드로 방출 파장 범위 내에서 포토레지스트를 감광시키며, 그 중 상기 포토레지스트는 상기 단일 나노기둥 발광다이오드의 근접장(near-field) 범위 내에 놓여진다. 서브 파장 광학 이미징 기술은 상기 단일 나노기둥 발광다이오드와 상기 포토레지스트를 래스터 스캐닝(raster scanning)하여 완성할 수 있다. 다른 실시예에서, 본 발명의 단일 나노기둥 발광다이오드는 서브 파장 광학 이미징 기술의 광원으로서 상기 단일 나노기둥 발광다이오드의 근접장 범위 내에 물건이 놓여지면, 상기 단일 나노기둥 발광다이오드와 상기 물건을 래스터 스캐닝하는 것을 통해 상기 광학 이미징을 완성한다.
이상은 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명했으나, 본 발명의 권리범위는 여기에 한정되지 않는다. 본 발명에 개시된 정신에 따라 진행한 균등한 변경 또는 수정은 모두 본 발명의 권리범위에 속한다.
1: n형 규소기판
2: 티타늄/금 전극
3: n형 질화갈륨(GaN) 나노기둥 어레이/n형 질화갈륨(GaN) 나노기둥
4: 질화인듐갈륨(InGaN) 나노디스크
5: p형 질화갈륨(GaN) 나노기둥 어레이/p형 질화갈륨(GaN) 나노기둥
6: 니켈/금 전극
7: 질화갈륨(GaN) 장벽층
T1~T3: 질화인듐갈륨 나노디스크

Claims (30)

  1. 제1 전극;
    복수개의 n형 질화갈륨 나노기둥을 구비하고 상기 제1 전극과 옴 접촉(ohmic contact)하는 n형 질화갈륨 나노기둥 어레이;
    각각의 상기 n형 질화갈륨 나노기둥 상에 배치된 하나 또는 복수개의 질화인듐갈륨 나노디스크;
    복수개의 p형 질화갈륨 나노기둥을 구비하고, 그 중 각각의 상기 p형 질화갈륨 나노기둥은 하나의 n형 질화갈륨 나노기둥에 대응되고, 각각 대응되는 n형 질화갈륨 나노기둥 상방의 상기 질화인듐갈륨 나노디스크의 상방에 배치된 p형 질화갈륨 나노기둥 어레이; 및
    상기 p형 질화갈륨 나노기둥 어레이와 옴 접촉하는 제2 전극;
    을 포함하는 발광다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하나 또는 복수개의 질화인듐갈륨 나노디스크의 수량은 2개 이상이며, 또한 질화갈륨 장벽층은 2개의 질화갈륨 나노디스크 사이마다 설치된 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하나 또는 복수개의 질화인듐갈륨 나노디스크의 전계 발광(micro-electro luminescence, EL)은 단색광 또는 다색광인 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 발광다이오드의 전계 발광은 편광인 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  5. 제1항에 있어서,
    각각의 상기 질화인듐갈륨 나노디스크의 두께는 10nm이상인 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  6. 제5항에 있어서,
    각각의 상기 질화인듐갈륨 나노디스크의 두께는 10nm ~ 40nm 사이인 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  7. 제1항에 있어서,
    구동 전류가 증가하면 상기 발광다이오드의 전계 발광의 파장은 변하지 않고 유지되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 발광다이오드의 색 온도는 상기 발광다이오드의 구동 전류와 무관한 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  9. 제8항에 있어서,
    구동 전류가 5mA를 초과하면 상기 발광다이오드의 색 온도는 6000K를 유지하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 발광다이오드의 구동 전류 밀도가 50A/cm2까지 증가하면 상기 발광다이오드의 상대적인 외부 양자 효율은 따라서 변화되나, 다만 포화되거나 또는 저하되지 않는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극은 투명전극이며, 각각의 상기 p형 질화갈륨 나노기둥 또는 각각의 상기 n형 질화갈륨 나노기둥은 양단(兩端)을 구비하고 있으며, 그 중 상기 투명전극에 가까운 일단은 타단에 비해 넓은 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  12. 제1 전극;
    상기 제1 전극과 옴 접촉하는 n형 질화갈륨 나노기둥;
    상기 n형 질화갈륨 나노기둥 상에 배치된 하나 또는 복수개의 질화인듐갈륨 나노디스크;
    상기 하나 또는 복수개의 질화인듐갈륨 나노디스크 상방에 배치된 p형 질화갈륨 나노기둥; 및
    상기 p형 질화갈륨 나노기둥과 옴 접촉하는 제2 전극;
    을 포함하는 발광다이오드.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 하나 또는 복수개의 질화인듐갈륨 나노디스크의 수량은 2개 이상이며, 또한 질화갈륨 장벽층은 2개의 질화인듐갈륨 나노디스크 사이마다 설치된 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 하나 또는 복수개의 질화인듐갈륨 나노디스크의 전계 발광(micro-electro luminescence, EL)은 단색광 또는 다색광인 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 발광다이오드의 전계 발광은 편광인 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 발광다이오드의 전계 발광은 편광비를 가지고 있으며, 상기 편광비는 상기 발광다이오드의 전계 발광 파장 및 상기 잘화인듐갈륨 나노디스크의 직경과 무관한 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 발광다이오드의 구동 전류 밀도는 8000A/cm2 이상에 도달하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  18. 제12항에 있어서,
    각각의 상기 질화인듐갈륨 나노디스크의 두께는 10nm 이상인 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 발광다이오드는 서브 파장 광학 이미징 기술의 광원으로서, 접촉 또는 근접 프린팅(proximity printing) 모드로 상기 발광다이오드의 방사 파장 범위 내에서 포토레지스트를 감광시키며, 그 중 상기 포토레지스트는 상기 발광다이오드의 근접장(near-field) 범위 내에 놓이는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  20. 제19항에 있어서,
    단일 나노기둥 발광다이오드와 상기 포토레지스트를 래스터 스캐닝하는 것을 통해 서브 파장 광학 이미징을 완성하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  21. 제12항에 있어서,
    상기 발광다이오드는 서브 파장 광학 이미징 기술의 광원이며 상기 발광다이오드의 근접장 범위 내에 물건이 놓여지는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 발광다이오드와 상기 물건을 래스터 스캐닝하는 것을 통해 상기 광학 이미징을 완성하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
  23. 제1 전극을 형성하는 단계;
    복수개의 n형 질화갈륨 나노기둥을 구비하고 상기 제1 전극과 옴 접촉하는 n형 질화갈륨 나노기둥 어레이를 형성하는 단계;
    각각의 n형 질화갈륨 나노기둥 상에 하나 또는 복수개의 질화인듐갈륨 나노디스크를 형성하는 단계;
    복수개의 p형 질화갈륨 나노기둥을 구비하고, 그중 각각의 p형 질화갈륨 나노기둥은 하나의 n형 질화갈륨 나노기둥에 대응되며, 각각에 대응되는 n형 질화갈륨 나노기둥 상방의 상기 질화인듐갈륨 나노디스크의 상방에 형성되는 p형 질화갈륨 나노기둥 어레이를 형성하는 단계; 및
    상기 p형 질화갈륨 나노기둥 어레이와 옴 접촉하는 제2 전극을 형성하는 단계;
    를 포함하는 발광다이오드의 제조방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 복수개의 n형과 p형 질화갈륨 나노기둥의 결정 격자 구조는 우르차이트(wurtzite) 구조이며, 그중 상기 복수개의 나노기둥은 상기 우르차이트(wurtzite) 구조의 c축 방향을 따라 에피택시 성장(epitaxial growth)하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.
  25. 제23항에 있어서,
    플라즈마 어시스티드 분자빔 에피택시 방법(PAMBE)을 이용하여 상기 n형 질화갈륨 나노기둥, p형 질화갈륨 나노기둥, 질화인듐갈륨 나노디스크를 제작하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 플라즈마 어시스티드 분자빔 에피택시 방법은 3족 질화물 박막을 성장시킬 때 사용하는 3족 분자빔 및 질소 플럭스비와 비교하면 더욱 높은 질소 리치(nitrogen-rich) 조건을 사용하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.
  27. 제26항에 있어서,
    각각의 질화인듐갈륨 나노디스크의 발광 파장은 에피택시 과정의 온도 및 3족반도체의 분자빔 플럭스에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 하나 또는 복수개의 질화인듐갈륨 나노디스크는 하나 또는 복수개의 T1의 질화인듐갈륨 나노디스크, 하나 또는 복수개의 T2의 질화인듐갈륨 나노디스크, 하나 또는 복수개의 T3의 질화인듐갈륨 나노디스크를 포함하며, 그 에피택시 온도는 T1>T2>T3인 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 복수개의 서로 다른 에피택시 온도 T1, T2, T3의 결합으로 성장된 나노디스크의 전계 발광은 백색광을 얻는 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.
  30. 제23항에 있어서,
    2개 이상의 상기 질화인듐갈륨 나노디스크를 형성하면 2개의 질화인듐갈륨 나노디스크 사이마다 형성되는 질화갈륨 장벽층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드의 제조방법.
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