KR20120012554A - 무반사를 위한 나노구조의 제조방법 및 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 무반사를 위한 나노구조의 제조방법 및 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법에 관한 것으로, 기판 상에 금속이온이 유기물 또는 무기물 이온과 결합된 용액을 도포하는 단계와, 상기 도포된 용액을 열처리하여 나노크기의 금속입자로 성장되도록 소결시키는 단계와, 상기 기판의 표면에 광파장 이하의 주기를 갖는 나노구조가 형성되도록 상기 금속입자를 마스크 또는 촉진제로 이용하여 상기 기판을 화학적 방법으로 식각하는 단계를 포함함으로써, 진공을 요구하는 장비 없이도 간단한 제조방법과 짧은 공정시간으로 반도체 물질과 공기 사이의 경계에서 일어나는 빛의 반사를 최소화할 수 있는 무반사 나노구조를 제작하고, 이를 광소자에 적용하여 우수한 광효율과 성능을 갖는 광소자를 저비용으로 대량 생산 할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 무반사를 위한 나노구조의 제조방법 및 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속이온이 유기물 또는 무기물 이온과 결합된 형태로 포함된 용액을 기판에 도포하고, 도포된 용액을 열처리하여 나노크기의 금속입자로 소결하며, 소결된 나노크기의 금속입자를 이용하여 기판을 화학적으로 식각함으로써, 진공을 요구하는 장비 없이도 간단한 제조방법과 짧은 공정시간으로 반도체 기판 상에 광파장 이하의 주기를 갖는 무반사를 위한 나노구조를 형성하여 반도체 물질과 공기 사이의 경계에서 발생하는 빛의 반사를 최소화할 수 있는 무반사 나노구조를 제작하고, 이를 광소자에 집적하여 우수한 광효율과 성능을 갖는 광소자를 저비용으로 대량 생산할 수 있는 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 굴절률이 서로 다른 물질의 경계에서 발생하는 빛의 반사는 굴절률 차이가 클수록 커진다는 프레넬(Fresnel) 법칙에 따라, 높은 굴절률을 갖는 물질을 포함하는 광소자에서 공기와의 굴절율 차이로 인해 경계면에서 발생하는 빛의 반사는 광소자의 성능과 직접적인 관계가 있으며, 빛의 반사를 최소화하는 일은 우수한 성능을 갖는 광소자의 제작을 위해 반드시 해결해야 할 중요한 문제로, 간단한 제조방법과 짧은 공정시간 및 저비용으로 광소자와 공기사이에서 발생하는 빛의 반사를 최소화하기 위한 기술 개발이 진행되고 있다.
예를 들면, 태양전지, 광검출기, 발광다이오드, 투명글래스 등의 광소자에서 빛의 반사를 줄여 광효율을 향상시키고, 소자의 성능을 향상시키기 위해 대표적으로 사용하는 반사방지 방법에는 반사방지막 코팅과 표면 텍스처링(Surface Texturing) 방법이 있다.
상기 반사방지막 코팅은 반도체 상부에 반도체 물질보다 굴절률이 낮은 물질을 증착하여 반도체 물질과 공기 사이에 일어나는 급격한 굴절률 변화를 줄임으로써 빛의 반사를 줄이는 방식으로, 단일 층 또는 여러 층의 반사방지막을 증착하기도 한다.
이러한 반사방지막 코팅 방법은 코팅 물질의 굴절률 및 광학적 두께를 조절하여 특정 파장영역에서 최소 반사율을 얻을 수 있는 장점이 있으나, 반도체 물질에 따라 반사방지막으로 사용될 수 있는 코팅 물질의 선택에 제한이 있고, 코팅 물질의 전기 및 열적 특성으로 인해 반사율과 파장 영역이 경우에 따라 변할 수 있으며, 넓은 파장영역과 입사각에 걸쳐 낮은 반사율을 갖기 어렵다는 단점이 있다.
상기 표면 텍스처링은 반도체 표면에 물리적 식각 방법이나 화학적 식각 방법을 이용하여 규칙적이거나 불규칙적인 구조 또는 굴곡을 만들어 반도체 표면에서 일어나는 빛의 반사를 줄이는 방식이다.
이러한 표면 텍스처링을 위해 사용되는 물리적 식각 방법에는 예컨대, 플라즈마 식각(Plasma Etching), 포토리소그라피(Photolithography), 기계적 스크라이빙(Mechanical Scribing) 등이 있다. 이러한 방법들은 반도체 기판의 결정방향에 따른 식각 속도의 불균형이 없으며, 낮은 반사율을 얻을 수 있다는 장점이 있지만, 공정이 복잡하고 공정시간이 길며 대량 생산이 어려울 뿐만 아니라, 고가의 진공 장비와 추가 설비를 필요로 하는 등의 단점 때문에 상업적으로 이용하기에 적합하지 않다는 한계를 가지고 있다.
반면에, 상기 표면 텍스처링에 사용되는 화학적 식각 방법은 반도체 기판의 결정 방향, 구성 원소의 종류, 조성비 및 도핑에 따라 각기 다른 표면 형태와 식각 속도를 가질 수 있으며, 미세한 구조를 만들기 어렵다는 단점이 있지만, 화학적 식각 방법은 물리적 식각 방법보다 상대적으로 간단한 공정 단계와 짧은 공정시간이 요구되고, 저비용으로 대량 생산이 가능하며, 공정 관리가 수월하다는 장점 때문에 반도체 표면 텍스처링을 위한 목적으로 연구되고 있다.
최근에는 반사방지막 코팅 방법의 한계를 극복하고, 표면 텍스처링 방법보다 넓은 파장영역에서 매우 낮은 반사율을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 넓은 입사각 범위에서도 낮은 반사율을 보이는 광파장 이하의 주기를 갖는 나노구조(Subwavelength Structure, SWS)를 제작하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
광파장 이하의 주기를 갖는 나노구조를 제작하기 위한 기존의 방법으로는 전자빔 리소그라피 또는 홀로그램 리소그라피를 이용하여 기판에 광파장 이하의 주기적 또는 비주기적 패턴을 형성하고, 이를 이용하여 물리적 식각 또는 화학적 식각하거나, 나노임프린트 및 리프트오프(lift-off) 방법을 이용하여 광파장 이하의 주기를 갖는 나노구조를 제작할 수 있다. 그러나 이러한 기존의 방식들은 공정이 복잡하고 생산성이 낮으며 공정시간이 오래 걸리는 등의 비경제적 문제를 갖고 있다.
따라서 화학적 식각 방법을 이용하여 뛰어난 광효율의 광파장 이하의 주기를 갖는 무반사 나노구조를 광소자에 집적하여 우수한 광효율과 성능을 갖는 소자를 간단한 제조방법, 짧은 공정시간, 낮은 제조비용 및 수월한 공정 관리를 통해 대량으로 생산할 수 있는 기술 개발이 절실히 요구되고 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 금속이온이 유기물 또는 무기물 이온과 결합된 용액을 기판에 도포하고, 도포된 용액을 열처리하여 나노크기의 금속입자로 소결하며, 소결된 나노크기의 금속입자를 이용하여 화학적 식각함으로써, 반도체 기판 상에 광파장 이하의 주기를 갖는 나노구조를 형성하여 반도체 물질과 공기 사이에서 발생하는 빛의 반사를 최소화시키고, 이렇게 제작된 무반사 나노구조를 광소자에 집적하여 뛰어난 광효율을 갖는 광소자를 낮은 가격으로 제공하고, 대량 생산할 수 있는 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 반도체 기판 상에 광파장 이하의 주기를 갖는 나노구조를 제작하기 위해 언급된 기존의 방식에 비해 진공을 요구하는 장비 없이도 간단한 제조방법, 짧은 공정시간 및 저비용으로 기판 상에 단차가 있거나 전극과 같은 구조물이 있는 경우에도, 이를 제외한 부분 또는 특정 부분에 금속이온이 유기물 또는 무기물 이온과 결합되어 포함된 용액을 도포하여 광파장 이하의 주기를 갖는 나노크기의 금속입자를 형성하고, 화학적 식각 방법을 통해 무반사를 위한 나노구조를 웨이퍼 스케일로 제작할 수 있는 무반사를 위한 나노구조의 제조방법 및 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법을 제공하는데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 측면은, 기판 상에 금속이온이 유기물 또는 무기물 이온과 결합된 용액을 도포하는 단계; 상기 도포된 용액을 열처리하여 나노크기의 금속입자로 성장되도록 소결시키는 단계; 및 상기 기판의 표면에 광파장 이하의 주기를 갖는 나노구조가 형성되도록 상기 금속입자를 마스크 또는 촉진제로 이용하여 상기 기판을 화학적으로 식각하는 단계를 포함하는 무반사를 위한 나노구조의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제2 측면은, 기판 상에 투명전극 또는 버퍼층을 증착하고, 상기 투명전극 또는 버퍼층 상에 금속이온이 유기물 또는 무기물 이온과 결합된 용액을 순차적으로 도포하는 단계; 상기 도포된 용액을 열처리하여 나노크기의 금속입자로 성장되도록 소결시키는 단계; 상기 투명전극 또는 버퍼층이 나노구조 투명전극 또는 버퍼층이 되도록 상기 금속입자를 마스크 또는 촉진제로 이용하여 화학적 식각을 수행하는 단계; 및 상기 기판 상에 광파장 이하의 주기를 갖는 나노구조가 형성되도록 상기 나노구조 투명전극 또는 버퍼층 및 금속입자를 이용하여 상기 기판을 화학적으로 식각하는 단계를 포함하는 무반사를 위한 나노구조의 제조방법을 제공하는 것이다.
여기서, 상기 금속으로는 유기물 이온(organic ion)과 금속이온 상태로 중합체 체인(polymer chain)을 이루어 결합하거나, 단원자 이온(monoatomic ion) 또는 다원자 이온(polyatomic ion)의 무기물 이온과 금속이온 상태로 이온 결합(ionic bond)하여 존재할 수 있는 금속은 어떠한 것이든 이용할 수 있다.
바람직하게, 상기 금속이온이 유기물 이온과 결합된 용액은 메탄올, 에탄올, 이소프로필 알코올 등과 같은 알코올 계열의 용액과 희석하여 용액 속 금속의 농도를 조절할 수 있으며, 금속의 농도 조절을 통해 용액의 도포 두께 및 소결 후 금속의 크기를 조절할 수 있다.
바람직하게, 상기 금속이온이 단원자 또는 다원자 이온의 무기물 이온과 결합된 용액은 물 또는 다른 용액을 이용하여 용액 속 금속의 농도를 조절할 수 있으며, 금속의 농도 조절을 통해 용액의 도포 두께 및 소결 후 금속의 크기를 조절 할 수 있다.
바람직하게, 상기 용액은 회전 코팅법(Spin Coating), 담금 코팅(Dip Coating), 분사식 코팅(Spray Coating) 또는 플로우 코팅(Roll-to-Roll Coating) 중 어느 하나의 방법을 이용하여 간단하게 도포될 수 있다.
바람직하게, 상기 용액의 도포 두께는 상기에서 언급한 용액 속 금속의 농도 조절 방법 이외에도 도포에 사용되는 장비와 장비의 도포 조건에 따라 조절이 가능하며, 약 1nm 내지 500nm 정도의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
바람직하게, 상기 용액의 도포 두께, 용액 속 금속의 농도 및 열처리 온도와 시간은 소결 후 금속의 두께에 영향을 미치고, 도포 두께가 두꺼울수록, 금속의 농도가 진할수록, 열처리 온도가 높고 시간이 길수록, 소결 후 금속입자는 두꺼우며, 금속입자의 두께가 두꺼울수록 반도체 기판을 더 깊이 식각할 수 있다.
바람직하게, 상기 금속입자의 크기 및 모양은 용액의 도포 두께 조절에서 언급한 방법을 통해 조절가능하며, 광파장 이하의 주기를 갖는 크기가 바람직하다.
바람직하게, 상기 도포된 용액의 열처리에는 열판(Hotplate), 오븐(Oven), 고속가열처리(Rapid Thermal Annealing, RTA) 등과 같은 소결이 가능한 장비라면 무엇이든 이용 가능하다.
바람직하게, 상기 도포된 용액의 열처리는 금속입자의 산화를 방지하고, 소결 후 금속입자의 크기와 두께에 대한 높은 재연성과 신뢰성 확보를 위해 질소 분위기에서 실시되는 것이 바람직하다.
바람직하게, 상기 용액의 접착력을 향상시키고 소결 과정에서 금속간의 결합력을 높여, 반도체 기판과 무관한 안정된 소결 특성을 갖기 위해 반도체 기판 상에 버퍼층을 증착할 수 있다.
바람직하게, 상기 광파장 이하의 주기를 갖는 금속입자의 형성은 열처리 과정을 통해 금속이온이 유기물 이온과의 중합체 체인 결합을 끊거나, 금속이온이 무기물 이온과의 이온 결합을 끊고 금속끼리 서로 뭉치면서 형성될 수 있으며, 결합을 끊기에 충분한 온도와 시간을 선택하는 것이 바람직하다.
바람직하게, 상기 방법으로 소결된 금속입자는 광파장 이하의 주기를 갖는 무반사 나노구조는 만들기 위한 화학적 식각 과정에서 금속입자가 있는 부분의 반응을 막는 마스크로써의 역할 또는 금속입자가 있는 부분의 화학적 식각을 촉진하는 촉진제로써의 역할로 이용될 수 있다.
바람직하게, 상기 화학적 식각에 사용되는 화학 물질의 종류와 양은 각기 다른 화학적 활성화 에너지를 갖는 금속의 종류와 반도체 물질의 종류 및 금속입자의 마스크 또는 촉진제로써의 역할에 따라 다르게 선택할 수 있다.
바람직하게, 상기 금속입자가 화학적 식각에서 촉진제로써의 역할을 하는 경우에 화학 물질의 종류와 혼합은 금속입자가 없는 상태에서 반도체 물질을 전혀 식각하지 않거나, 매우 느린 식각 속도를 갖도록 조절하는 것이 바람직하다.
바람직하게, 상기 금속입자가 화학적 식각에서 촉진제로써의 역할을 하는 경우, 두 가지 또는 그 이상의 화학 물질이 이용될 수 있으며, 이들 중 일부는 반도체 물질을 산화시키고, 다른 물질은 산화된 반도체 물질을 제거함으로써, 각기 다른 역할을 통해 반도체 물질을 식각하는 물질의 조합이 바람직하다.
바람직하게, 상기 화학적 식각에서는 기판의 종류, 화학 물질의 종류와 농도 및 혼합 비율, 식각 온도와 시간, 그리고 금속의 종류 중 적어도 어느 하나의 조건을 조절하느냐에 따라서 모양, 식각 속도, 식각 방향성, 표면 거칠기 및 다공성이 달라진다.
바람직하게, 상기 화학적 식각은 각기 다른 조건을 갖는 용액을 이용하여 원하는 식각 후 모양, 깊이, 표면 거칠기 및 다공성을 만족시키기 위해 여러 번 실시될 수 있다.
바람직하게, 상기 금속입자의 종류와 두께를 달리하여 무반사 나노구조의 높이를 증가시킬 수 있고, 금속입자의 모양에 따라 무반사 나노구조의 크기, 종횡비(aspect ratio) 및 주기가 달라질 수 있으며, 화학 물질의 농도, 양, 혼합비 및 온도를 조절하여 나노구조의 높이, 경사도, 표면 거칠기 등을 조절가능하며, 이를 통해 반사율의 조절 역시 가능하다.
바람직하게, 상기 광파장 이하의 주기는 갖는 무반사 나노구조의 모양은 위로 갈수록 점점 가늘어지는 형태 또는 위로 갈수록 다공성이 증가하는 형태의 모양을 갖는 것이 바람직하다.
바람직하게, 상기 화학적 식각 방법으로 광소자를 이루는 실리콘 원자가 다이아몬드 구조를 갖는 결정 구조의 실리콘 또는 비결정 구조를 갖는 실리콘을 식각하는 경우, 물(H2O), 질산(HNO3), 플루오르화 수소(HF) 또는 아세트산(CH3COOH), 질산(HNO3), 플루오르화 수소(HF)의 혼합 비율을 조절하여 화학적 식각할 수 있으며, 물(H2O), 질산(HNO3), 플루오르화 수소(HF)를 이용하여 결정 구조의 실리콘 기판을 화학적 식각하는 경우, 금속입자는 화학적 식각을 촉진하는 촉진제로써의 역할을 한다.
바람직하게, 물(H2O), 질산(HNO3), 플루오르화 수소(HF)를 이용하여 실리콘을 식각하는 경우, 물의 양을 늘려 식각 속도를 늦출 수 있고, 높은 비열을 갖는 물의 특성을 이용하여 화학 반응 중 발생하는 열에 의해 용액의 온도가 증가하여 달라지는 식각의 변화를 줄일 수 있다.
바람직하게, 물(H2O), 질산(HNO3), 플루오르화 수소(HF)를 이용하여 실리콘을 식각하는 경우, 질산은 금속의 도움을 받아 실리콘 기판의 표면을 산화시키는 역할을 하며, 플루오르화 수소는 산화된 실리콘을 녹여서 제거하는 역할을 한다.
바람직하게, 물(H2O), 질산(HNO3), 플루오르화 수소(HF) 혼합 용액과 광파장 이하의 주기를 갖는 은 입자를 이용하여 실리콘을 식각하는 경우, 물, 질산, 플루오르화 수소의 혼합 비율은 20:1:4 또는 20:4:1의 비율을 갖는 것이 바람직하며, 두 용액을 모두 이용하여 두 차례 화학적 식각하여, 넓은 파장영역과 입사각에 대해서 낮은 반사율을 갖는 광파장 이하의 주기를 갖는 실리콘 무반사 나노구조를 제작할 수 있다.
바람직하게, 물(H2O), 질산(HNO3), 플루오르화 수소(HF)를 이용하여 실리콘을 식각하는 경우, 이때 물의 양의 적을수록 또는 질산의 농도가 진해질수록 식각 속도와 높이를 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 위로 갈수록 더 뾰족한 모양 또는 위로 갈수록 더 높은 다공성을 갖는 실리콘 무반사 나노구조를 제작하여 넓은 파장 영역과 입사각에 대해서 낮은 반사율을 얻을 수 있다.
바람직하게, 상기 화학적 식각 방법과 조건에 따라 광소자를 이루는 갈륨비소(GaAs)를 식각하는 경우, 과산화수소(H2O2)와 플루오르화 수소(HF)의 혼합 용액과 금속입자를 식각의 촉진제로 이용하여 식각할 수 있고, 황산(H2SO4)과 과산화수소(H2O2)의 혼합 용액, 수산화나트륨(NaHO)과 과산화수소(H2O2)의 혼합 용액, 구연산(C6H8O7)과 과산화수소(H2O2)의 혼합 용액, 질산(HNO3)과 물(H2O)을 20:1로 희석한 용액, 황산(H2SO4)과 브로민산칼륨(KBrO3)의 혼합 용액, 또는 염산(HCl)과 과산화수소(H2O2), 아세트산(CH3COOH)의 혼합 용액을 이용하여 갈륨비소를 화학적 식각할 수 있다.
바람직하게, 상기 화학적 식각 방법과 조건으로 광소자를 이루는 게르마늄(Ge)을 식각하는 경우, 아세트산(CH3COOH), 질산(HNO3), 플루오르화 수소(HF)의 혼합 용액, 질산(HNO3), 플루오르화 수소(HF), 과산화수소(H2O2)의 혼합 용액, 또는 질산(HNO3), 플루오르화 수소(HF), 질산구리(Cu(NO3)2)의 혼합 용액을 이용하여 화학적 식각할 수 있다.
바람직하게, 상기 화학적 식각 방법과 조건에 따라 광소자를 이루는 질화갈륨(GaN)을 식각하는 경우, 타타르산(C4H6O6)과 에틸렌글리콜(HO(LH2)2OH))의 혼합 용액을 이용하여 화학적 식각할 수 있다.
바람직하게, 상기 화학적 식각 방법과 조건으로 광소자를 이루는 갈륨인(GaP)을 식각하는 경우, 황산(H2SO4)과 브로민산칼륨(KBrO3) 혼합 용액을 이용하여 화학적 식각할 수 있다.
바람직하게, 상기 화학적 식각 방법과 조건으로 광소자를 이루는 투명전극(Indium Tin Oxide)을 식각하는 경우, 할로겐산 용액 또는 진한 질산(HNO3)과 진한 염산(HCl)을 혼합한 왕수(Aqua Regia)를 이용하여 화학적 식각할 수 있다.
바람직하게, 상기 화학적 식각 방법과 조건에 따라 광소자를 이루는 글래스를 식각하는 경우, 플루오르화 수소(HF) 용액 또는 플루오르화 수소(HF)와 염산(HCl)의 혼합 용액을 사용하거나 이들 용액을 물(H2O)과 혼합한 용액을 이용할 수 있고, 버퍼드 옥사이드 에치(Buffer Oxide Etch, BOE)만 이용하거나 플루오르화 수소(HF)와 혼합하여 화학적 식각할 수 있다.
바람직하게, 상기 화학적 식각 방법과 조건으로 광소자의 제작에서 버퍼층의 식각을 위해 암모늄화 플루오르(NH4F), 플루오르화 수소(HF)를 물(H2O)과 혼합하여 화학적 식각할 수 있다.
바람직하게, 상기 화학적 식각에서 마스크로 사용된 금속입자는 필요시 추가적인 화학적 식각을 통해 해당 금속입자만 선택적으로 제거될 수 있다.
바람직하게, 상기 화학적 식각 방법으로 은(Ag) 입자를 제거하는 경우, 가열한 질산(HNO3) 용액, 암모니아(NH3)와 과산화수소(H2O2) 혼합 용액, 요오드화 칼륨(KI)과 요오드(I2)의 혼합 용액 또는 질산철(Fe(NO3)3)과 물(H2O)의 혼합액을 이용하여 화학적 식각할 수 있다.
바람직하게, 상기 화학적 식각 방법으로 금(Au) 입자를 제거하는 경우, 요오드화 칼륨(KI)과 요오드(I2)의 혼합액을 이용하여 화학적 식각할 수 있다.
바람직하게, 상기 화학적 식각 방법으로 백금(Pt) 입자를 제거하는 경우, 진한 질산(HNO3)과 진한 염산(HCl)을 혼합한 왕수(Aqua Regia) 용액을 사용하거나, 질산(HNO3)과 염산(HCl) 혼합액을 가열하여 화학적 식각할 수 있다.
바람직하게, 상기 화학적 식각 방법으로 구리(Cu) 입자를 제거하는 경우, 염산(HCl)과 염화제이철(FeCl3)의 혼합액, 암모니아(NH3), 차아염소산나트륨(NaOCl), 탄산암모늄((NH4)2CO3)의 혼합액을 이용하여 화학적 식각할 수 있다.
바람직하게, 상기 화학적 식각 방법으로 알루미늄(Al) 입자를 제거하는 경우, 인산(H3PO4)과 질산(HNO3)의 혼합액 또는 인산(H3PO4), 질산(HNO3), 아세트산(CH3COOH)의 혼합액을 이용하여 화학적 식각할 수 있다.
본 발명의 제3 측면은, 광소자의 제조방법에 있어서, 상기 광소자가 발광소자일 경우, (a) n형 도핑층, 활성층 및 p형 도핑층을 순차적으로 적층한 후, 상기 p형 도핑층의 발광부 상면에 금속이온이 유기물 또는 무기물 이온과 결합된 용액을 도포하는 단계와; (b) 상기 도포된 용액을 열처리하여 나노크기의 금속입자로 소결시키는 단계와; (c) 상기 p형 도핑층의 발광부 상면에 광파장 이하의 주기를 갖는 위로 갈수록 가늘어지는 무반사 나노구조가 형성되도록 상기 금속입자를 마스크 또는 촉진제로 이용하여 상기 p형 도핑층의 발광부 상면을 화학적으로 식각하는 단계를 포함하며, 상기 광소자가 수광소자일 경우, (a') p형 도핑층, 활성층 및 n형 도핑층을 순차적으로 적층한 후, 상기 n형 도핑층의 수광부 상면에 금속이온이 유기물 또는 무기물 이온과 결합된 용액을 도포하는 단계와; (b') 상기 도포된 용액을 열처리하여 나노크기의 금속입자로 소결시키는 단계와; (c') 상기 n형 도핑층의 수광부 상면에 광파장 이하의 주기를 갖는 위로 갈수록 가늘어지는 무반사 나노구조가 형성되도록 상기 금속입자를 마스크 또는 촉진제로 이용하여 상기 n형 도핑층의 수광부 상면을 화학적으로 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법을 제공하는 것이다.
여기서, 상기 광소자가 발광소자일 경우, 상기 단계(a)에서 용액을 도포하기 전 또는 상기 단계(c) 이후에, 상기 p형 도핑층의 발광부를 제외한 상면에 p형 상부전극을 적층하고, 상기 n형 도핑층의 하면에 n형 하부전극을 적층하는 단계를 더 포함하며, 상기 광소자가 수광소자일 경우, 상기 단계(a')에서 용액을 도포하기 전 또는 상기 단계(c') 이후에, 상기 n형 도핑층의 수광부를 제외한 상면에 n형 상부전극을 적층하고, 상기 p형 도핑층의 하면에 p형 하부전극을 적층하는 단계를 더 포함함이 바람직하다.
바람직하게, 상기 광소자가 발광소자일 경우, 상기 단계(c) 이후에, 상기 무반사 나노구조를 포함한 p형 도핑층의 전면에 투명전극을 적층한 후, 상기 투명전극의 발광부를 제외한 상면에 접촉패드를 적층하고, 상기 n형 도핑층의 하면에 n형 하부전극을 적층하는 단계를 더 포함하며, 상기 광소자가 수광소자일 경우, 상기 단계(c') 이후에, 상기 무반사 나노구조를 포함한 n형 도핑층의 전면에 투명전극을 적층한 후, 상기 투명전극의 수광부를 제외한 상면에 접촉패드를 적층하고, 상기 p형 도핑층의 하면에 p형 하부전극을 적층하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 제4 측면은, 광소자의 제조방법에 있어서, 상기 광소자가 발광소자일 경우, n형 도핑층, 활성층 및 p형 도핑층을 순차적으로 적층한 후, 상기 p형 도핑층의 발광부 상면에 투명전극 또는 버퍼층을 적층하는 단계와; 상기 투명전극 또는 버퍼층의 상면에 금속이온이 유기물 또는 무기물 이온과 결합된 용액을 도포하는 단계와; 상기 도포된 용액을 열처리하여 나노크기의 금속입자로 소결시키는 단계와; 상기 투명전극 또는 버퍼층이 나노구조 투명전극 또는 버퍼층이 되도록 상기 금속입자를 마스크 또는 촉진제로 이용하여 화학적 식각을 수행하는 단계와; 상기 p형 도핑층의 발광부 상면에 광파장 이하의 주기를 갖는 위로 갈수록 가늘어지는 무반사 나노구조가 형성되도록 상기 나노구조 투명전극 또는 버퍼층 및 금속입자를 마스크 또는 촉진제로 이용하여 상기 p형 도핑층의 발광부의 상면을 화학적으로 식각하는 단계와; 상기 p형 도핑층의 발광부를 제외한 상면에 p형 상부전극을 적층하고, 상기 n형 도핑층의 하면에 n형 하부전극을 적층하는 단계를 포함하며, 상기 광소자가 수광소자일 경우, p형 도핑층, 활성층 및 n형 도핑층을 순차적으로 적층한 후, 상기 n형 도핑층의 수광부 상면에 투명전극 또는 버퍼층을 적층하는 단계와; 상기 투명전극 또는 버퍼층의 상면에 금속이온이 유기물 또는 무기물 이온과 결합된 용액을 도포하는 단계와; 상기 도포된 용액을 열처리하여 나노크기의 금속입자로 소결시키는 단계와; 상기 투명전극 또는 버퍼층이 나노구조 투명전극 또는 버퍼층이 되도록 상기 금속입자를 마스크 또는 촉진제로 이용하여 화학적 식각을 수행하는 단계와; 상기 n형 도핑층의 수광부 상면에 광파장 이하의 주기를 갖는 위로 갈수록 가늘어지는 무반사 나노구조가 형성되도록 상기 나노구조 투명전극 또는 버퍼층 및 금속입자를 마스크 또는 촉진제로 이용하여 상기 n형 도핑층의 수광부의 상면을 화학적으로 식각하는 단계와; 상기 n형 도핑층의 수광부를 제외한 상면에 n형 상부전극을 적층하고, 상기 p형 도핑층의 하면에 p형 하부전극을 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제5 측면은, 광소자의 제조방법에 있어서, (a") 하부 전지층, 중간 전지층 및 상부 전지층을 순차적으로 적층한 후, 상기 p형 상부전극 영역을 제외한 상부 전지층의 상면에 금속이온이 유기물 또는 무기물 이온과 결합된 용액을 도포하는 단계; (b") 상기 도포된 용액을 열처리하여 나노크기의 금속입자로 변형시키는 단계; 및 (c") 상기 p형 상부전극 영역을 제외한 상부 전지층의 상면에 광파장 이하의 주기를 갖는 위로 갈수록 가늘어지는 무반사 나노구조가 형성되도록 상기 금속입자를 마스크 또는 반응의 촉진제로 이용하여 상기 p형 상부전극 영역을 제외한 상부 전지층의 상면을 화학적으로 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법을 제공하는 것이다.
여기서, 상기 단계(a")에서 용액을 도포하기 전 또는 상기 단계(c") 이후에, 상기 상부 전지층의 일측 상면에 p형 상부전극을 적층하고, 상기 하부 전지층의 하면에 n형 하부전극을 적층하는 단계를 더 포함함이 바람직하다.
본 발명의 제6 측면은, 광소자의 제조방법에 있어서, 기판의 상면과 하면에 금속이온이 유기물 또는 무기물 이온과 결합된 용액을 도포하는 단계; 상기 도포된 용액을 열처리하여 나노크기의 금속입자로 변형시키는 단계; 및 상기 기판의 상면과 하면에 광파장 이하의 주기를 갖는 위로 갈수록 가늘어지는 무반사 나노구조가 형성되도록 상기 금속입자를 마스크 또는 반응의 촉진제로 이용하여 상기 기판의 상면과 하면을 화학적으로 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법을 제공하는 것이다.
여기서, 상기 기판은 투명 글래스이거나, 양면이 연마된 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs), 질화갈륨(GaN) 또는 사파이어(Sapphire) 중 어느 하나의 기판인 것이 바람직하다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에서 무반사를 위한 광파장 이하의 주기를 갖는 나노구조의 제조방법 및 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법에 따르면, 기판에 금속이온이 유기물 이온 또는 무기물 이온과 결합된 형태로 포함된 용액을 도포하고, 도포된 용액을 열처리하여 나노크기의 금속입자로 소결하여 금속 입자를 이용한 화학적 식각함으로써, 진공을 요구하는 장비 없이도 간단한 제조방법과 짧은 공정 시간으로 광파장 이하의 주기를 갖는 무반사 나노구조를 제조하여 반도체 물질과 공기 사이에서 발생하는 빛의 반사를 최소화하고, 상기 무반사 나노구조를 태양전지, 광검출기, 발광소자, 투명 글래스 등과 같은 광소자에 집적하여 우수한 광효율과 성능을 갖는 소자를 저비용으로 대량 생산 할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 기판에 단차가 있는 경우에도 웨이퍼 스케일 공정이 가능하며, 크기 조절이 가능한 금속입자를 이용한 화학적 식각을 통해, 기판에 광파장 이하의 주기를 갖는 나노구조를 제작함으로써, 넓은 파장영역과 입사각에서 낮은 반사율을 갖는 무반사 나노구조와 이것이 집적된 우수한 성능의 광소자를 제작할 수 있다는 이점이 있다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무반사 나노구조의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따라 소결 온도를 달리하여 제작된 광파장 이하 주기를 갖는 금속입자의 SEM 이미지와 반사율의 측정값을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따라 희석 비율을 달리하여 제작된 광파장 이하 주기를 갖는 금속입자의 SEM 이미지를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따라 기판의 종류를 달리하여 제작된 광파장 이하 주기를 갖는 금속입자의 SEM 이미지를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따라 화학적 식각 시간의 증가에 따라 형성되는 광파장 이하 주기를 갖는 실리콘 무반사 나노구조의 SEM 이미지를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따라 화학 용액의 농도에 따라 달라지는 광파장 이하 주기를 갖는 실리콘 무반사 나노구조의 SEM 이미지를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따라 제작된 광파장 이하 주기를 갖는 실리콘 무반사 나노구조의 SEM 이미지를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따라 제작된 광파장 이하 주기를 갖는 실리콘 무반사 나노구조의 SEM 이미지를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따라 제작된 광파장 이하 주기를 갖는 실리콘 무반사 나노구조의 SEM 이미지를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따라 두께가 다른 금속입자를 이용하여 제작된 광파장 이하 주기를 갖는 실리콘 무반사 나노구조의 SEM 이미지와 반사율의 측정값을 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 의해 제작된 광파장 이하 주기를 갖는 실리콘 무반사 나노구조의 반사율을 측정한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 제1 실시예에서 화학적 식각 반응에 대한 과정을 도식적으로 설명하여 전기 화학적 식각 메커니즘에 대한 이해를 돕기 위한 단면도이다.
도 13은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무반사 나노구조의 제조방법을 설명하기 위한 단면도(a)와 무반사 나노구조의 깊이에 따른 굴절률의 변화(b)를 보여주는 그래프이다.
도 14a 내지 도 14d는 본 발명의 제2 실시예에 따른 무반사 나노구조의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 15a 내지 도 15d는 본 발명의 제3 실시예에 따른 무반사 나노구조의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 16a 내지 도 16d는 본 발명의 제4 실시예에 따른 무반사 나노구조의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 17a 내지 도 17d는 본 발명의 제5 실시예에 따른 무반사 나노구조의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 18a 및 도 18b는 본 발명의 제6 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 19a 및 도 19b는 본 발명의 제7 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 20은 본 발명의 제8 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 21은 본 발명의 제9 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 22a 내지 도 22c는 본 발명의 제10 및 제11 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따라 소결 온도를 달리하여 제작된 광파장 이하 주기를 갖는 금속입자의 SEM 이미지와 반사율의 측정값을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따라 희석 비율을 달리하여 제작된 광파장 이하 주기를 갖는 금속입자의 SEM 이미지를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따라 기판의 종류를 달리하여 제작된 광파장 이하 주기를 갖는 금속입자의 SEM 이미지를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따라 화학적 식각 시간의 증가에 따라 형성되는 광파장 이하 주기를 갖는 실리콘 무반사 나노구조의 SEM 이미지를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따라 화학 용액의 농도에 따라 달라지는 광파장 이하 주기를 갖는 실리콘 무반사 나노구조의 SEM 이미지를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따라 제작된 광파장 이하 주기를 갖는 실리콘 무반사 나노구조의 SEM 이미지를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따라 제작된 광파장 이하 주기를 갖는 실리콘 무반사 나노구조의 SEM 이미지를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따라 제작된 광파장 이하 주기를 갖는 실리콘 무반사 나노구조의 SEM 이미지를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따라 두께가 다른 금속입자를 이용하여 제작된 광파장 이하 주기를 갖는 실리콘 무반사 나노구조의 SEM 이미지와 반사율의 측정값을 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 의해 제작된 광파장 이하 주기를 갖는 실리콘 무반사 나노구조의 반사율을 측정한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 제1 실시예에서 화학적 식각 반응에 대한 과정을 도식적으로 설명하여 전기 화학적 식각 메커니즘에 대한 이해를 돕기 위한 단면도이다.
도 13은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무반사 나노구조의 제조방법을 설명하기 위한 단면도(a)와 무반사 나노구조의 깊이에 따른 굴절률의 변화(b)를 보여주는 그래프이다.
도 14a 내지 도 14d는 본 발명의 제2 실시예에 따른 무반사 나노구조의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 15a 내지 도 15d는 본 발명의 제3 실시예에 따른 무반사 나노구조의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 16a 내지 도 16d는 본 발명의 제4 실시예에 따른 무반사 나노구조의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 17a 내지 도 17d는 본 발명의 제5 실시예에 따른 무반사 나노구조의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 18a 및 도 18b는 본 발명의 제6 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 19a 및 도 19b는 본 발명의 제7 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 20은 본 발명의 제8 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 21은 본 발명의 제9 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 22a 내지 도 22c는 본 발명의 제10 및 제11 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.
(제1 실시 예)
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무반사를 위한 나노구조의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 1a를 참조하면, 미리 준비한 반도체 기판(100)의 상면에 금속이온(120)이 유기물 또는 무기물 이온(130)과 결합된 형태의 용액(110)을 균일하게 도포한다.
여기서, 기판(100)은 예컨대, 반도체 기판은 실리콘에 국한하지 않으며, 반도체 기판이 아니더라도 화학적 식각 반응 시 금속입자(125, 도 1b 참조)가 화학 반응을 촉진시켜 금속입자(125)가 있는 부분에서만 반응이 일어나거나, 다른 부분보다 반응이 빠른 기판 종류라면 어떠한 것이든 이용 가능하다.
그리고, 금속이온(120)은 유기물 또는 무기물 이온(130)과 결합되어 용액(110)에 포함될 수 있고, 소결 과정을 통해 광파장 이하(Subwavelength)의 주기를 갖는 금속입자(Metal Particle)(또는 금속 알갱이)(125)로 변형될 수 있는 금속은 어떤 것이든 가능하다.
여기서, 도포된 용액(110)의 두께는 용액 속 금속이온(120)의 농도 조절 방법과 도포에 사용되는 장비, 장비의 도포 조건 및 열처리 온도와 시간에 따라 조절이 가능하며, 약 1nm 내지 500nm 정도의 두께를 갖도록 도포되어, 소결 이후 광파장 이하의 주기를 갖는 크기로 금속입자(125)를 변형할 수 있으면 된다.
도 1b를 참조하면, 금속이온(120)이 유기물 또는 무기물 이온(130)과 결합된 용액(110)을 열처리하여 금속입자(125)를 형성할 수 있는 장비라면 무엇이든 이용 가능하다.
상기 열처리 과정은 금속입자(120)의 산화를 방지하고, 금속입자(125)의 크기와 두께에 대한 높은 재연성과 신뢰성 확보를 위해 질소 분위기에서 실시됨이 바람직하다.
이때, 열처리 온도와 시간은 금속이온(120)과 유기물 이온(130)간의 중합체 체인(polymer chain)을 끊거나 금속이온(120)과 무기물 이온(130)의 이온 결합을 끊고, 광파장 이하의 주기를 갖는 금속입자(125)를 형성할 수 있는 온도와 시간을 선택하여 소결할 수 있다.
도 1c를 참조하면, 금속입자(125)를 포함한 기판(100)에 예컨대, 금속입자(125)가 화학 반응의 촉진제로써 금속입자(125)가 있는 부분에서만 식각이 일어나거나, 다른 부분보다 빠른 식각 속도를 갖도록 하는 역할의 식각 공정을 수행함으로써, 기판(100) 자체의 상면에 불규칙적인 주기(Period)(바람직하게, 약 10nm 내지 1000nm 정도)와 깊이(Depth)(바람직하게, 약 50nm 내지 1,000nm 정도) 즉, 광파장 이하(Subwavelength)의 주기를 갖는 무반사 나노구조(140)를 형성할 수 있다.
도 1c에서 볼 수 있듯이, 경우에 따라 잔여 금속입자(125')가 화학적 식각 후 기판(100) 상면에 남아 있을 수 있으며, 필요 시 추가적 화학적 식각 방법을 통하여 잔여 금속입자(125')를 도 1d와 같이 제거할 수 있다.
이렇게 만들어진 무반사 나노구조(140)는 금속입자(125)의 형태 및 배열에 따라 기판(100)의 표면에 비주기적으로 배열되어 있으며, 기판(100)의 표면으로부터 상측의 공기층으로 갈수록 점점 가늘어지는 원뿔(cone) 형태가 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 예컨대, 삼각뿔, 사각뿔, 다각뿔, 끝이 잘린 원뿔대(truncated cone)형태 또는 불규칙한 형태의 기둥(Pillar) 등으로 형성될 수도 있으며, 다공성(porosity)을 가질 수 있다.
한편, 상기 화학적 식각 시 예컨대, 기판(100)과 금속입자(125)의 종류에 따라 화학적 식각에 사용되는 용액의 종류가 달라질 수 있으며, 화학 물질의 종류, 농도, 양, 혼합 비율, 온도 및 식각 시간 중 적어도 어느 하나의 조건을 조절하여 무반사 나노구조(140)의 높이, 경사도, 표면 상태 및 다공성 정도를 조절함으로써, 원하는 깊이 및 종횡비(aspect ratio) 뿐만 아니라 무반사를 갖는 영역의 구간과 반사율을 조절할 수 있다.
필요한 경우 투명전극을 무반사 나노구조(140)가 집적된 기판(100) 상면에 적층하여 광소자의 제작에 적용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 의해 실리콘 기판 위에 제작된 광파장 이하 주기를 갖는 금속입자(125, 도 1b 참조)의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope) 이미지를 나타낸 도면으로서, 회전 코팅(Spin Coating)을 이용하여 은(Ag) 이온이 유기물 이온과 결합되어 용액 속에 10wt.％ 들어있는 것을 이소프로필 알코올과 1:2의 비율로 희석하여 5,000rpm의 회전 속도로 20초 동안 도포하여 얻은 것(도 2의 (a))과, 이것을 질소 분위기에서 열판(Hotplate)의 온도, 각각 150℃(도 2의 (b)), 200℃(도 2의 (c)), 350℃(도 2의 (d))에서 3분 동안 열처리하여 얻은 결과이다.
도 2의 (a)에서 도 2의 (d) 결과로부터, 소결을 통해 기판(100) 상에 비주기적인 배열을 갖는 금속입자(125)를 형성할 수 있고, 소결 온도가 증가할수록 금속입자(125)의 크기, 두께, 입자간 간격이 커지는 것을 확인할 수 있으며, 소결 조건에 따라 금속입자(125)의 조절이 가능하다는 것을 알 수 있다.
또한, 도 2의 (e)는 도 2의 (b)와 도 2의 (c)의 결과를 이용하여 물(H2O) 200ml, 질산(HNO3) 10ml, 플루오르화 수소(HF) 40ml의 혼합액에 동일한 시간동안 식각하여 얻은 광파장 이하의 주기를 갖는 실리콘 무반사 구조의 반사율 측정 결과로, 소결 조건에 따라 달라지는 금속입자(125)의 크기, 두께, 입자간 간격 및 주기가 반사율에 영향을 준다는 사실을 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따라 희석 비율을 달리하여 제작된 광파장 이하 주기를 갖는 금속입자의 SEM 이미지를 나타낸 도면으로서, 실리콘 기판 상에 은(Ag) 이온이 유기물 이온과 결합되어 용액 속에 10wt.％ 들어있는 것을 이소프로필 알코올과 각각 1:1의 비율로 희석(도 3의 (a)), 1:2의 비율로 희석(도 3의 (b))된 용액을 약 5,000rpm의 회전 속도로 약 20초 동안 도포하고, 질소분위기에서 약 250℃로 3분 동안 열처리하여 얻은 금속입자의 SEM 이미지를 나타낸 도면이며, 희석 비율이 금속입자(125, 도 1b 참조)의 크기, 두께, 입자간 간격에 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따라 기판의 종류를 달리하여 제작된 광파장 이하 주기를 갖는 금속입자의 SEM 이미지를 나타낸 도면으로서, 각각 실리콘(도 4의 (a)), 갈륨비소(도 4의 (b)), 투명 글래스(도 4의 (c)) 기판 상에 은(Ag) 이온이 유기물 이온과 결합되어 용액 속에 10wt.℃ 들어있는 것을 이소프로필 알코올과 각각 1:2의 비율로 희석하여 약 5,000rpm의 회전 속도로 약 20초 동안 도포하고, 질소분위기에서 약 200℃로 3분 동안 열처리하여 얻은 결과로, 기판의 종류에 따라 각기 다른 열전도도와 표면 에너지 및 표면 장력으로 인해 금속입자(125, 도 1b 참조)의 크기, 두께, 입자간 간격이 기판의 종류에 따라 달라진다는 것을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따라 화학적 식각 시간의 증가에 따라 형성되는 광파장 이하 주기를 갖는 실리콘 무반사 나노구조의 SEM 이미지를 나타낸 도면으로서, 은(Ag) 입자와 물(H2O) 200ml, 질산(HNO3) 10ml, 플루오르화 수소(HF) 40ml의 혼합액을 이용하여 식각 시간에 따라 실리콘 무반사 나노구조가 형성되어 가는 과정의 SEM 이미지를 보여주는 도면이다.
도 5를 참조하면, 실리콘 기판(100, 도 1c 참조)의 은(Ag) 입자가 있는 부분이 은 입자의 촉진제로써의 역할에 의해 식각되어 점점 깊어지고, 끝이 잘린 원뿔대(truncated cone)형태의 불규칙한 실리콘 무반사 나노구조를 제작할 수 있는 것을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따라 화학 용액의 농도에 따라 달라지는 광파장 이하 주기를 갖는 실리콘 무반사 나노구조의 SEM 이미지를 나타낸 도면으로서, 물(H2O), 질산(HNO3), 플루오르화 수소(HF)의 혼합에서 질산과 플루오르화 수소의 비율에 따른 실리콘의 식각 결과와 물의 양에 따라 달라지는 식각 결과를 보여주는 SEM 이미지이다.
도 6을 참조하면, 각각 혼합 비율을 제외한 동일한 식각 조건하에서 물(H2O) 200ml, 질산(HNO3) 10ml, 플루오르화 수소(HF) 40ml의 혼합액을 이용한 경우(도 6의 (a))와 물(H2O) 200ml, 질산(HNO3) 40ml, 플루오르화 수소(HF) 10ml의 혼합액을 이용한 경우(도 6의 (b))의 결과 비교를 통해, 질산의 농도를 증가시킬수록(또는 질산의 비율이 많아질수록) 무반사 나노구조의 높이, 표면 거칠기, 식각 속도 및 다공성을 증가시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
이는 실리콘을 산화시키는 역할을 하는 질산(HNO3)의 농도(또는 질산의 비율)가 증가하여 실리콘의 산화 속도와 양이 증가하고, 산화력이 도달하는 범위 또한 증가하기 때문에 식각된 실리콘 무반사 나노구조의 형태가 더 깊고 거칠며, 다공성 역시 증가하게 된다는 것을 알 수 있다.
또한, 도 6의 (c)는 물(H2O) 150ml, 질산(HNO3) 40ml, 플루오르화 수소(HF) 10ml의 혼합액에서 화학적 식각의 결과로, 물 양의 감소로 화학 용액의 농도가 증가함에 따라 식각 속도가 빨라지고, 무반사 나노구조의 모양에도 영향을 준다는 것을 보여준다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따라 제작된 광파장 이하 주기를 갖는 실리콘 무반사 나노구조의 SEM 이미지를 나타낸 도면으로서, 물(H2O), 질산(HNO3), 플루오르화 수소(HF)의 혼합 비율과 식각 순서가 모두 각기 다른 조건을 이용하여 화학적 식각한 결과를 보여주는 SEM 이미지이다.
도 7을 참조하면, 각각 불규칙하게 끊어진 피라미드 형태(도 7의 (a)), 서로 연결된 다각뿔 형태(도 7의 (b)), 위로 갈수록 좁아지는 원뿔 형태(도 7의 (c))의 실리콘 무반사 나노구조 제작이 가능함을 보여준다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따라 제작된 광파장 이하 주기를 갖는 실리콘 무반사 나노구조의 SEM 이미지를 나타낸 도면으로서, 은(Ag) 이온이 유기물 이온과 결합되어 용액 속에 10wt.％ 들어있는 것을 이소프로필 알코올의 희석 비율에 따라 달라진 은 입자의 크기가 화학적 식각의 결과에 어떠한 영향을 주는지에 대해서 보여주는 SEM 이미지이다.
도 8을 참조하면, 각각 1:3 희석(도 8의 (a)), 1:2 희석(도 8의 (b))된 용액을 약 5,000rpm으로 약 20초 동안 회전 도포하고, 질소분위기에서 약 150℃로 약 3분간 열처리하여 물(H2O) 200ml, 질산(HNO3) 10ml, 플루오르화 수소(HF) 40ml의 혼합액에서 화학적 식각한 결과이며, 상대적으로 더 조밀하고 작은 크기의 은 입자가 형성되었던 1:3 희석의 경우가 더 미세하고 짧은 주기의 실리콘 무반사 나노구조를 형성한다는 것을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따라 제작된 광파장 이하 주기를 갖는 실리콘 무반사 나노구조의 SEM 이미지를 나타낸 도면으로서, 물(H2O) 150ml, 질산(HNO3) 40ml, 플루오르화 수소(HF) 10ml의 혼합용액을 이용하여 약 10분 동안 실리콘 기판의 상면을 위로하여 식각하는 경우(도 9의 (a))와 상면을 아래로 향하게 하여 식각하는 경우(도 9의 (b))에 따른 식각의 결과를 보여주는 SEM 이미지이다.
도 9를 참조하면, 식각 시간이 길어질수록 식각 깊이가 증가하고, 기판의 상면이 위로 향할수록 비중이 높은 화학 물질들이 실리콘의 표면에 오랫동안 많은 양이 머무르기 때문에 식각 속도가 더 빠르다는 것을 보여주며, 은(Ag) 입자가 아래쪽에 위치(도 9의 (b))하더라도 실리콘의 전기 화학적(electrochemical)인 식각 메커니즘에 의해 은(Ag) 입자가 위치한 상면에서 은(Ag) 입자와 실리콘의 접촉 면적이 가장 넓은 하면 방향으로 일어난다는 것을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따라 두께가 다른 금속입자를 이용하여 제작된 광파장 이하 주기를 갖는 실리콘 무반사 나노구조의 SEM 이미지와 반사율의 측정값을 보여주는 도면으로서, 은(Ag) 입자가 두꺼운 경우(도 10의 (a))의 식각 깊이가, 은(Ag) 입자가 상대적으로 얇은 경우(도 10의 (b))보다 깊다는 것을 알 수 있으며, 식각 깊이가 깊어질수록 무반사 나노구조의 반사율을 넓은 파장 범위에 걸쳐 크게 줄일 수 있다는 것을 도 10의 (c)를 통해 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 의해 제작된 광파장 이하 주기를 갖는 실리콘 무반사 나노구조의 반사율을 측정한 그래프로서, 수직으로 입사하는 빛에 대한 실리콘 무반사 나노구조의 반사율(도 11의 (a))과 635nm 파장의 빛이 다른 각도로 입사할 때의 실리콘 무반사 나노구조의 반사율(도 11의 (b))을 측정한 그래프이다.
도 11을 참조하면, 상기 진공 장비가 필요 없는 간단한 공정 방법을 이용해 제작된 실리콘 무반사 나노구조(140, 도 1d 참조)의 반사율(Reflectance)이 일반 실리콘 기판의 경우 적어도 약 30％ 이상인 반면, 불과 약 150nm 이하의 높이를 갖는 실리콘 무반사 나노구조(Si SWS)의 반사율이 넓은 파장 영역에서 약 15％ 이내이며, 가시광대역에서는 약 5％ 이내인 것을 도 11의 (a)를 통해 확인할 수 있고, 635nm 파장의 광원을 이용하여 측정한 입사각에 따른 반사율의 변화를 보여주는 도 11의 (b)의 결과를 통해 넓은 입사각에서도 낮은 반사율을 갖는 다는 것을 확인할 수 있다.
여기서 중요한 사실은, 약 150nm 높이에도 불구하고 낮은 반사율을 보이는 무반사 나노구조는 무반사 나노구조를 제작하고자 하는 층에 두께 제한이 있는 박막형 태양전지, 화합물 태양전지, 광검출기 및 발광다이오드의 한계를 해결할 수 있는 장점을 가졌다는 것이다.
도 12는 본 발명의 제1 실시예에서 화학적 식각 반응에 대한 과정을 도식적으로 설명하여 전기 화학적 식각 메커니즘에 대한 이해를 돕기 위한 단면도이다.
도 12를 참조하면, 도 12의 (a)는 실리콘 기판(100) 상에 은(Ag) 입자(120)가 소결되어 있는 것을 나타내며, 이것을 물(H2O), 질산(HNO3), 플루오르화 수소(HF)가 혼합된 용액에 넣는 경우, 도 12의 (b)에서와 같이 은 입자(120)와 질산의 반응으로 Ag+ 이온이 은 입자(120)의 표면과 주변에 생기고 은 입자(120)는 변형된 형태의 은 입자(150)가 된다.
Ag+ 이온의 전기 화학적(electrochemical) 에너지가 실리콘의 에너지보다 크기 때문에 도 12의 (c)와 같이 Ag+ 이온이 실리콘의 원자가 전자대(valence band)로부터 전자(electron)를 강하게 끌어당기고, Ag+ 이온의 전기 화학적 에너지가 실리콘의 원자가 전자대로부터 전자를 끌어당길 수 있는 유효 범위 내에 있는 실리콘들은 전자를 빼앗기고 실리콘 옥사이드(SiO2)(170)로 변형된다.
그 결과, 도 12의 (d)에서와 같이 은 입자는 전자를 받아 표면에 Ag- 음 이온 이 존재하는 상태(160)로 바뀌며, 실리콘 옥사이드(SiO2)(170)층은 플루오르화 수소(HF)에 의해 식각되어 사라지는 일련의 연속적이고 복잡한 과정을 통해 은 입자가 있는 부근이 화학적으로 식각되면서 실리콘 기판(100)이 상면에서 하면으로 식각되면서 점점 깊어지고, 광파장 이하의 주기를 갖는 실리콘 무반사 나노구조가 형성된다는 것을 알 수 있다.
이러한 메커니즘에 의해 도 9에서 볼 수 있듯이, 실리콘의 상면이 아래로 향하더라도 수직 방향으로 실리콘이 식각되는 이유를 알 수 있는데, 이는 전기화학적 작용이 대부분 실리콘 기판과 접하고 있는 부분에서 활발하게 일어나기 때문으로, 은 입자(120)와 실리콘 기판(100)이 가장 많이 접해있는 표면과 수직한 방향으로 상면에서 하면으로 식각되는 것이며, 비중이 높은 화학 물질이 은 입자(120)와 실리콘 기판(100) 사이에 오랫동안 많이 머무르게 하는 것이 식각 속도와 깊이를 높일 수 있다.
도 13은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무반사 나노구조의 제조방법을 설명하기 위한 단면도(a)와 무반사 나노구조의 깊이에 따른 굴절률의 변화(b)를 보여주는 그래프로서, 화학적 식각 반응에 의한 실리콘의 식각 결과를 자세히 도식적으로 설명하고 있다.
도 13을 참조하면, 전술한 도 11에서 볼 수 있는 듯 폭이 약간 줄어드는 끝이 잘린 기둥모양의 광파장 이하의 주기를 갖는 실리콘 나노구조의 높이가 약 150nm 임에도 불구하고 넓은 파장영역과 넓은 입사각의 범위에서 낮은 반사율을 보이는 이유를 설명하기 위한 것으로, 일반적으로 광파장 이하의 주기를 갖는 실리콘 나노구조가 넓은 파장영역과 넓은 입사각의 범위에서 낮은 반사율을 갖기 위해서는 파라볼릭(parabolic) 형태 또는 끝이 뾰족한 원뿔 형태로 위로 갈수록 굴절률이 점점 줄어드는 형태를 갖고, 높이가 최소 약 200nm 이상이어야 한다.
그럼에도 불구하고, 도 11에서 볼 수 있는 실리콘 나노구조가 우수한 무반사 특성을 갖는 이유는, 도 13의 (a)에서 볼 수 있듯이 실리콘의 식각이 진행될수록 경사진 나노구조가 생기며, Ag+ 이온의 높은 전기 화학적 에너지로 인해 유효 범위 내에 있는 실리콘들이 전자를 빼앗기고 일부는 완전히 실리콘 옥사이드(SiO2)로 변형되어 플루오르와 수소에 의해 식각되거나, 일부분만 실리콘 옥사이드(SiO2)로 변형되고 식각되어 실리콘보다 낮은 굴절률을 갖는 미소공성(microporous)(또는 다공성) 실리콘(180)으로 변형되기 때문이다.
다공성 실리콘(180)은 식각 속도를 빠르게 하거나 용액 속에서 오래 노출할 수록 높은 다공성을 갖고, 실리콘의 다공성 정도에 따라 실리콘의 굴절률 약 3.58에서 공기의 굴절률인 1에 가깝게 변화되므로, 도 13의 (b)에서 볼 수 있듯이 낮은 높이와 약간 기울어진 수직 기둥 모양을 갖는 실리콘 나노구조가 위로 갈수록 점점 낮아지는 굴절률을 갖게 되고, 그 결과 넓은 파장 영역과 넓은 입사각에서 낮은 반사율을 갖게 되는 것이다.
실제로 전술한 도 6의 (b)를 보면 실리콘 나노구조에서 위로 갈수록 미세한 구멍들과 거친 표면이 보이는데, 이것은 위로 갈수록 실리콘의 다공성이 커진다는 것을 뜻하며, 눈으로 볼 수 없을 정도로 작은 미소공성(microporous) 실리콘들도 존재한다는 것을 알 수 있다.
또한, 실리콘 기판의 경우 실리콘(Si) 원자들로만 이루어져 있기 때문에, 갈륨(Ga)과 비소(As) 원자로 이루어진 갈륨비소와 달리 원자들의 반응 정도의 차이가 없이 화학적 식각되므로 도 13의 (a)와 같은 결과를 보인다는 것을 알 수 있다.
하기의 화학식 1과 화학식 2는 각각 은 입자(120)에서와 실리콘 기판(100)에서 일어나는 화학 반응을 자세히 설명하고, 상기 도 12와 도 13의 도면에 대한 이해를 돕기 위한 화학식이다.
(화학식 1)
은 입자(120)에서의 반응
Ag + HNO3 -> Ag+NO3 - + H+
HNO3 + 2H+ -> HNO2 + H2O + 2h+
3HNO2 -> HNO3 + 2NO + H2O
NO + H+ -> e- -> HNO
2HNO -> H2N2O2 -> N2O + H2O
(NO)2 + H+ -> NO+ + HNO
(화학식 2)
실리콘 기판(100)에서의 반응
Si + 2H2O + nh+ -> SiO2 + 4H+ + (4-n)e-
SiO2 + 6HF -> H2SiF6 + 2H2O
(제2 실시예)
도 14a 내지 도 14d는 본 발명의 제2 실시예에 따른 무반사를 위한 나노구조의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 14a를 참조하면, 미리 준비한 기판(100)의 상면에 예컨대, 플라스마 화학기상 증착(PECVD), 열 화학기상 증착(Thermal-CVD), 스퍼터(sputter) 등을 이용하여 버퍼층(200)을 증착하고, 순차적으로 금속이온(120)이 유기물 또는 무기물 이온(130)과 결합된 형태의 용액(110)을 균일하게 도포한다.
여기서, 기판(100)은 예컨대, 반도체 기판은 실리콘에 국한하지 않으며, 반도체 기판이 아니더라도 기판(100)의 상면에 화학적 식각 시 마스크로써의 역할을 할 수 있고, 금속이온(120)이 유기물 또는 무기물 이온(130)과 결합된 형태의 용액(110)의 접착력과 소결의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 버퍼층(200)을 증착할 수 있고, 화학적 반응 시 금속입자(125, 도 14b 참조)가 반응을 촉진시켜 금속입자(125)가 있는 부분의 반응이 다른 부분보다 빨라지는 기판 종류라면 어떠한 것이든 이용 가능하다.
일반적으로, 용액(110)을 소결하여 금속입자(125)로 변형시킬 경우, 기판(100)의 종류와 용액(110) 간의 다른 표면 장력에 의해 금속입자(125)의 주기, 크기 및 두께가 변하게 된다. 따라서, 기판(100)의 물질이 목적에 따라 바뀌게 될 경우, 그에 따라 금속의 두께 및 열처리 장비의 종류, 온도, 시간 등이 변경되어야 하며 이는 실제 응용에 적용하기에 어려운 점이 따른다.
반면에, 버퍼층(200)을 이용할 경우, 기판(100)의 물질이 변경되더라도 버퍼층(200)과 용액(110) 간의 표면 장력에는 변화가 없으므로 금속의 두께 및 소결 온도의 변경 없이 재현성 있게 금속입자(125)의 형성이 가능하다.
이러한 열학의 버퍼층(200)은 약 5nm 내지 500nm 정도의 두께를 갖도록 증착할 수 있으며, 첫째, 표면 장력에 의해 소결 후 금속 용액(110)이 광파장 이하의 주기를 갖는 금속입자(125)로 변형할 수 있으며, 둘째, 금속입자(125, 도 14b 참조)를 촉진제로 이용한 화학적 식각을 통해 버퍼층(200)이 기판(100) 상면의 일정부분이 노출되도록 나노구조 버퍼층(200', 도 14c 참조)으로 될 수 있는 종류와 두께를 만족하도록 한다.
그리고, 금속이온(120)은 유기물 또는 무기물 이온(130)과 결합되어 용액(110)에 포함될 수 있고, 버퍼층(200)과의 표면 장력을 고려하여 소결 과정을 통해 광파장 이하(Subwavelength)의 주기를 갖는 금속입자(125)로 변형될 수 있는 금속은 모두 가능하다.
여기서, 도포된 용액(110)의 두께는 도포에 사용되는 장비와 장비의 도포 조건 및 희석 비율 조절 등과 같은 여러 조건에 의해 약 1nm 내지 500nm 정도의 두께를 갖도록 도포될 수 있다.
도 14b는 전술한 제1 실시예와 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 14c를 참조하면, 금속입자(125, 도 14b 참조)를 포함한 버퍼층(200)에 예컨대, 금속입자(125)가 화학 반응의 촉진제로써 금속입자(125)가 있는 부분에서만 식각이 일어나거나, 다른 부분보다 빠른 식각 속도를 갖도록 하는 역할의 식각 공정을 수행함으로써, 기판(100)의 상면에 광파장 이하(Subwavelength)의 주기를 갖는 나노구조 버퍼층(200')을 형성할 수 있으며, 경우에 따라 잔여 금속입자(125')가 화학적 식각 후 기판(100) 상면에 남아 있을 수 있으며, 필요 시 추가적 화학적 식각 공정을 통하여 도 14d와 같이 제거할 수 있다.
도 14d를 참조하면, 잔여 금속입자(125')를 포함한 나노구조 버퍼층(200')에 예컨대, 잔여 금속입자(125')가 화학 반응의 촉진제로써 잔여 금속입자(125')가 있는 부분에서만 식각이 일어나거나, 다른 부분보다 빠른 식각 속도를 갖도록 하는 역할의 식각 공정을 수행함으로써, 기판(100) 자체의 상면에 주기(Period)(바람직하게, 약 10nm 내지 1000nm 정도)와 깊이(Depth)(바람직하게, 약 50nm 내지 600nm 정도) 즉, 광파장 이하(Subwavelength)의 주기를 갖는 무반사 나노구조(140)를 형성할 수 있다.
한편, 상기 화학적 식각 시 예컨대, 기판(100), 금속입자(125) 및 버퍼층(200)의 종류에 따라 화학적 식각에 사용되는 용액의 종류가 달라질 수 있으며, 화학 성분의 농도, 양, 혼합 비율, 온도 및 식각 시간 중 적어도 어느 하나의 조건을 조절하여 무반사 나노구조(140)의 높이, 경사도 및 표형 상태를 조절할 수 있다.
다른 한편, 한편, 도 14c 및 도 14d에서의 화학적 식각 공정은 한 번의 공정으로 수행함이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 각각 별도의 화학적 식각 공정으로 수행할 수도 있다. 필요한 경우 투명전극을 무반사 나노구조(140)가 집적된 기판(100) 상면에 적층하여 광소자의 제작에 적용할 수 있다.
(제3 실시예)
도 15a 내지 도 15d는 본 발명의 제3 실시예에 따른 무반사를 위한 나노구조의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 15a를 참조하면, 미리 준비한 반도체 기판(100)의 상면에 금속이온(120)이 유기물 또는 무기물 이온(130)과 결합된 형태의 용액(110)을 균일하게 도포한다. 여기서, 기판(100)은 예컨대, 반도체 기판에 국한하지 않으며, 반도체 기판이 아니더라도 화학적 반응 시 금속입자(Metal Particle)(또는 금속 알갱이)(125, 도 15b 참조)가 마스크로 작용하여 금속입자 부분에서 반응이 일어나지 않는 기판 종류라면 어떠한 것이든 이용 가능하다.
도 15b는 전술한 제1 및 제2 실시예와 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 15c를 참조하면, 금속입자(125, 도 15b 참조)를 포함한 기판(100)의 상면에 예컨대, 금속입자(125)를 화학 반응 시 마스크로써 이용한 화학적 식각 공정을 수행함으로써, 기판(100) 자체의 상면에 주기(Period)(바람직하게, 약 10nm 내지 1000nm 정도)와 깊이(Depth)(바람직하게, 약 50nm 내지 600nm 정도) 즉, 광파장 이하(Subwavelength)의 주기를 갖는 무반사 나노구조(140)를 형성할 수 있다.
도 15c에서 볼 수 있듯이, 경우에 따라 잔여 금속입자(125')가 화학적 식각 후 기판(100) 상면에 남아 있을 수 있으며, 필요 시 추가적 화학적 식각 공정을 통해 도 15d와 같이 제거할 수 있다.
(제4 실시예)
도 16a 내지 도 16d는 본 발명의 제4 실시예에 따른 무반사를 위한 나노구조의 제조방법을 설명하기 위한 단면도로서, 도 16a 및 도 16b는 전술한 제2 실시예와 동일한 과정이므로, 이에 대한 설명은 전술한 제2 실시예의 도 14a 및 도 14b의 상세한 설명을 참조하기로 한다.
도 16c를 참조하면, 금속입자(125, 도 16b 참조)와 버퍼층(200)을 포함한 기판(100)의 상면에 예컨대, 금속입자(125)를 마스크로 이용한 화학적 식각 공정을 수행함으로써, 버퍼층(200)의 주기(바람직하게, 약 10nm 내지 1000nm 정도) 즉, 광파장 이하(Subwavelength)의 주기를 갖는 나노구조 버퍼층(200')을 형성할 수 있다.
도 16d를 참조하면, 잔여 금속입자(125')와 나노구조 버퍼층(200')을 마스크로 이용하여 기판(100)의 화학적 식각을 진행함으로써, 기판(100) 자체의 상면에 주기(Period)(바람직하게, 약 10nm 내지 1000nm 정도)와 깊이(Depth)(바람직하게, 약 50nm 내지 600nm 정도) 즉, 광파장 이하(Subwavelength)의 주기를 갖는 무반사 나노구조(140)를 형성할 수 있다.
한편, 도 16c 및 도 16d에서의 화학적 식각 공정은 한 번의 공정으로 수행함이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 각각 별도의 화학적 식각 공정으로 수행할 수도 있다.
(제5 실시예)
도 17a 내지 도 17d는 본 발명의 제5 실시예에 따른 무반사를 위한 나노구조의 제조방법을 설명하기 위한 단면도로써, 기판(100)에 투명전극(300)이 추가로 개재되어 있는 것이 특징이다.
도 17a를 참조하면, 미리 준비한 기판(100)의 상면에 투명전극(300) 및 금속 이온(120)이 유기물 또는 무기물 이온(130)과 결합된 형태의 용액(110)을 균일하게 도포한다.
여기서, 기판(100)은 예컨대, 반도체 기판에 국한하지 않으며, 반도체 기판이 아니더라고 기판(100)의 상면에 투명전극(300)을 증착할 수 있고, 화학 반응시 투명전극(300)이 마스크로 작용하여 기판을 식각할 수 있는 기판은 어느 것이든 이용 가능한 것으로 한다.
투명전극(300)은 예컨대, 전자빔 증착(E-beam evaporator) 또는 열 증착(thermal evaporator), 스퍼터링 증착(Sputtering evaporator) 등을 이용하여 증착함이 바람직하다.
이러한 투명전극(300)의 재료로는 예컨대, 인듐 틴 옥사이드(Indium Tin Oxide, ITO), 틴 옥사이드(Tin Oxide, TO), 인듐 틴 징크 옥사이드(Indium Tin Zinc Oxide, IZO), 인듐 징크 옥사이드(Indium Zinc Oxide, IZO), 징크옥사이드(Zinc Oxide, ZnO), 알루미늄이 도핑된 징크옥사이드(Aluminum dopped Zinc Oxide, AZO) 중 어느 하나가 선택될 수 있다.
도 17b는 전술한 제1 내지 제4 실시예와 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 17c를 참조하면, 금속입자(120)와 투명전극(300)을 포함한 기판(100)의 상면에 예컨대, 금속입자(125)를 마스크로 이용한 화학적 식각 공정을 수행함으로써, 투명전극(300)의 주기(바람직하게, 약 10nm 내지 1000nm 정도) 즉, 광파장 이하(Subwavelength)의 주기를 갖는 나노구조 투명전극(300')을 형성할 수 있다.
도 17d를 참조하면, 잔여 금속입자(125')와 나노구조 투명전극(300')을 마스크로 이용하여 기판(100)의 화학적 식각을 진행함으로써, 기판(100) 자체의 상면에 주기(바람직하게, 약 10nm 내지 1000nm 정도)와 깊이(바람직하게, 약 50nm 내지 600nm 정도) 즉, 광파장 이하(Subwavelength)의 주기를 갖는 무반사 나노구조(140)를 형성할 수 있다.
경우에 따라 잔여 나노구조 투명전극(310)이 화학적 식각 후 무반사 나노구조(140)의 상면에 남아 있을 수 있으며, 필요 시 추가적 화학적 식각 공정을 통하여 제거할 수 있다. 필요한 경우 투명전극(300)을 무반사 나노구조(140)와 잔여 나노구조 투명전극(310)이 집적된 기판(100) 상면에 재적층하여 광소자의 제작에 적용할 수 있다.
한편, 전술한 제2 실시예와 동일한 특성과 조건을 갖는 버퍼층(200)을, 전술한 제2 실시예와 동일한 방법으로 적층하여 미리 준비한 기판(100)의 상면에 투명전극(300)과 버퍼층(200) 및 금속이온(120)이 유기물 또는 무기물 이온(130)과 결합된 용액(110)을 순차적으로 형성하여, 전술한 제5 실시예에서 버퍼층(200)을 식각하기 위한 화학적 식각 단계와 나노구조 버퍼층(200')을 식각하기 위한 화학적 식각 단계를 전술한 제2 실시예와 동일한 방법으로 실시할 수 있다.
(제6 실시예)
도 18a 및 도 18b는 본 발명의 제6 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
먼저, 제조하고자 하는 광소자가 발광소자인 경우, 도 18a를 참조하면, 예컨대, n형 도핑층(400), 활성층(410) 및 p형 도핑층(420)을 순차적으로 적층한 후, p형 도핑층(420)의 발광부를 제외한 상면에 p형 상부전극(430)을 적층하고, n형 도핑층(400)의 하면에 n형 하부전극(440)을 적층함으로써 형성할 수 있으며, 이에 국한하지는 않는다.
도 18b를 참조하면, p형 도핑층(420)의 발광부 상면에 전술한 본 발명의 제1 또는 제3 실시예에 따라 형성된 무반사 나노구조(140)를 집적함으로써, 본 발명의 제1 및 제3 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법을 완성할 수 있다.
한편, 제조하고자 하는 광소자가 수광소자인 경우, 전술한 발광소자의 경우와 비교하여 n형 및 p형 도핑층(400 및 420)과 p형 상부전극(430) 및 n형 하부전극(440)의 위치가 변경되었을 뿐 동일한 구조를 갖으며, 설명의 편의상 부호는 동일하게 사용하며 구성요소의 명칭만 변경하여 설명하기로 한다.
즉, 도 18a를 참조하면, 예컨대, p형 도핑층(400), 활성층(410) 및 n형 도핑층(420)을 순차적으로 적층한 후, n형 도핑층(420)의 수광부를 제외한 상면에 n형 상부전극(430)을 적층하고, p형 도핑층(400)의 하면에 p형 하부전극(440)을 적층함으로써 형성할 수 있으며, 이에 국한하지는 않는다.
도 18b를 참조하면, n형 도핑층(420)의 수광부 상면에 전술한 본 발명의 제1 실시예 또는 제3 실시예에 따라 형성된 무반사 나노구조(140)를 집적함으로써, 본 발명의 제1 실시예와 제3 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법을 완성할 수 있다.
본 발명의 제6 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법에서, 무반사 나노구조(140)의 형성 방법에 대한 상세한 설명은 전술한 본 발명의 제1 또는 제3 실시예와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
또한, 전술한 본 발명의 제2 및 제4 실시예에 따라 버퍼층을 형성하여 무반사 나노구조(140)를 형성할 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 전술한 본 발명의 제2 및 제4 실시예와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
(제7 실시예)
도 19a 및 도 19b는 본 발명의 제7 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
먼저, 제조하고자 하는 광소자가 발광소자인 경우, 도 19a를 참조하면, 예컨대, n형 도핑층(500), 활성층(510) 및 p형 도핑층(520)을 순차적으로 적층한 후, p형 도핑층(520)의 상부에 투명전극(530) 및 접촉패드(540)를 순차적으로 적층하고, n형 도핑층(500)의 하면에 n형 하부전극(550)을 적층함으로써 형성할 수 있으며, 이에 국한하지는 않는다.
도 19b를 참조하면, 투명전극(530)을 적층하기 전에, p형 도핑층(520)의 발광부 상면에 전술한 본 발명의 제1 또는 제3 실시예에 따라 형성된 무반사 나노구조(140)를 집적함으로써, 본 발명의 제7 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법을 완성할 수 있다.
이때, 무반사 나노구조(140)의 형성 방법에 대한 상세한 설명은 전술한 본 발명의 제1 또는 제3 실시예와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 투명전극(530)은 무반사 나노구조(140)를 포함한 p형 도핑층(520)의 상면에 적층한 후, 투명전극(530)의 발광부를 제외한 상면에 접촉패드(540)를 적층한다. 이때, 투명전극(530)은 무반사 나노구조(140)의 상부에 증착되기 때문에, 그 형태는 무반사 나노구조(140)의 형태와 동일하게 형성된다.
또한, 투명전극(530)을 먼저 적층하고, p형 도핑층(520)의 발광부 상면에 전술한 본 발명의 제5 실시예에 따라 형성된 무반사 나노구조(140)와 나노구조 투명전극(310)을 집적하고, 투명전극(530)의 발광부를 제외한 상면에 접촉패드(540)를 적층함으로써, 본 발명의 제7 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법을 완성할 수도 있다.
한편, 제조하고자 하는 광소자가 수광소자인 경우, 전술한 발광소자의 경우와 비교하여 n형 및 p형 도핑층(500 및 520)의 위치가 변경되고, n형 하부전극(550)이 p형 하부전극으로 변경되었을 뿐 동일한 구조를 갖으며, 설명의 편의상 부호는 동일하게 사용하며 구성요소의 명칭만 변경하여 설명하기로 한다.
즉, 도 19a를 참조하면, 예컨대, p형 도핑층(500), 활성층(510) 및 n형 도핑층(520)을 순차적으로 적층한 후, n형 도핑층(520)의 상부에 투명전극(530) 및 접촉패드(540)를 순차적으로 적층하고, p형 도핑층(500)의 하면에 p형 하부전극(550)을 적층함으로써 형성할 수 있으며, 이에 국한하지는 않는다.
도 19b를 참조하면, 투명전극(530)을 적층하기 전에, n형 도핑층(520)의 수광부 상면에 전술한 본 발명의 제1 또는 제3 실시예에 따라 형성된 무반사 나노구조(140)를 집적함으로써, 본 발명의 제7 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법을 완성할 수 있다.
이때, 무반사 나노구조(140)의 형성 방법에 대한 상세한 설명은 전술한 본 발명의 제1 또는 제3 실시예와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 투명전극(530)은 무반사 나노구조(140)를 포함한 n형 도핑층(520)의 전면에 적층한 후, 투명전극(530)의 수광부를 제외한 상면에 접촉패드(540)를 적층한다. 이때, 투명전극(530)은 무반사 나노구조(140)의 상부에 증착되기 때문에, 그 형태는 무반사 나노구조(140)의 형태와 동일하게 형성된다.
또한, 투명전극(530)을 먼저 적층하고, n형 도핑층(520)의 수광부 상면에 전술한 본 발명의 제5 실시예에 따라 형성된 무반사 나노구조(140)와 나노구조 투명전극(310)을 집적하고, 투명전극(530)의 수광부를 제외한 상면에 접촉패드(540)를 적층함으로써, 본 발명의 제7 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법을 완성할 수도 있다.
(제8 실시예)
도 20은 본 발명의 제8 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 광소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 20을 참조하면, 광소자는 일반적인 삼중 접합(triple junction) 태양전지로서, 밴드갭이 약 0.65eV인 게르마늄(Ge)을 하부 전지층(Bottom Cell)(600)으로 사용하고, 그 상부에 약 1.4eV근처의 In0.08Ga0.92As를 중간 전지층(Middle Cell)(630)과 그 상부에 약 1.9eV의 In0.56Ga0.44P를 상부 전지층(Top Cell)(650)이 구비된 구조이다.
그리고, 각 전지층(610,630,650)의 전기적 연결은 제1 및 제2 터널 접합층(Tunnel Junction)(610 및 640)을 통해 연결하고, 상부 전지층(650)의 일측 상면에 p형 상부전극(660)이 형성되며, 하부 전지층(600)의 하면에 n형 하부전극(670)이 형성되어 있다.
특히, p형 상부전극(660) 영역을 제외한 상부 전지층(650)의 상면에 전술한 본 발명의 제1 또는 제3 실시예에 따라 형성된 무반사 나노구조(140)를 집적함으로써, 본 발명의 제8 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 광소자인 삼중 접합 태양 전지의 제조방법을 완성할 수 있다.
이때, 무반사 나노구조(140)의 형성 방법에 대한 상세한 설명은 전술한 본 발명의 제1 또는 제3 실시예와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
바람직하게는, 제1 터널 접합층(610)과 중간 전지층(630) 사이에 InGaAs로 이루어진 버퍼층(620)이 더 구비할 수 있다.
즉, 태양광 스펙트럼을 흡수하는 측면에서 보면 상부 전지층(650)에서 약 650nm 파장 대역까지 흡수하고, 중간 전지층(630)에서 약 900nm까지 흡수하며, 하부 전지층(600)에서 약 1900nm까지 흡수함으로서 넓은 대역폭에 걸쳐 광을 흡수할 수 있는 구조를 갖는다.
여기서, 상부 전지층(650)의 표면에 무반사 나노구조(140)의 제조방법을 적용함으로써 입사광의 반사를 최소화할 수 있으며 이로 인해 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.
(제9 실시예)
도 21은 본 발명의 제9 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 광소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 21을 참조하면, 광소자는 일반적인 광검출기(photodetector)의 구조로써, 예컨대, n형 도핑층(700), 광 흡수층(710) 및 p형 도핑층(720)을 순차적으로 적층한 후, p형 도핑층(720)의 광 흡수부를 제외한 상면에 p형 상부전극(730)을 적층하고, n형 도핑층(700)의 하면에 n형 하부전극(540)을 적층함으로써 형성할 수 있으며, 이에 국한하지는 않는다.
특히, p형 도핑층(720)의 광 흡수부 상면에 전술한 본 발명의 제1 또는 제3 실시예에 따라 형성된 무반사 나노구조(140)를 집적함으로써, 본 발명의 제9 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법을 완성할 수 있다.
이때, 무반사 나노구조(140)의 형성 방법에 대한 상세한 설명은 전술한 본 발명의 제1 또는 제3 실시예와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
여기서, p형 도핑층(720)의 표면에 무반사 나노구조(140)의 제조방법을 적용함으로써 입사광의 반사를 최소화할 수 있으며 이로 인해 광검출기의 효율을 높일 수 있다.
(제10 실시예)
도 22a 내지 도 22c는 본 발명의 제10 실시예에 따른 무반사 나노구조가 집적된 광소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 22a를 참조하면, 광소자는 일반적인 투명 글래스(Transparent Glass)(800)로서, 약 1.5 정도의 굴절률을 가지며 특정 파장 대역에서 약 95％ 이상의 투과율을 보인다. 그러나, 태양 전지 등 몇몇 응용분야에서는 넓은 대역에서 약 99％ 이상의 투과율을 요한다.
약 99％ 이상의 투과율을 갖는 투명 글래스(800)를 제작하기 위해 투명 글래스(800)의 상면과 하면에 금속이온(120)이 유기물 또는 무기물 이온(130)과 결합된 형태의 용액(110)을 균일하게 도포한다.
도 22b를 참조하면, 열처리를 통해 나노크기를 갖는 금속입자(125)가 투명 글래스(800)의 상면과 하면에 소결되도록 한다.
도 22c를 참조하면, 한 번의 화학적 식각 공정을 통해 광파장 이하의 주기를 갖는 무반사 나노구조(140)를 투명 글래스(800)의 상면과 하면에 형성함으로써, 상면부와 하면부에 무반사 나노구조(140)가 집적된 투명 글래스(800)를 제작하고, 이를 통해 단일면에 무반사 나노구조(140)를 갖는 투명 글래스보다 넓은 파장 대역에서 높은 투과율을 얻을 수 있다.
(제11 실시예)
본 발명의 제11 실시예는 전술한 본 발명의 제10 실시예와 동일한 방법으로 진행되며, 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs), 질화갈륨(GaN), 사파이어(Sapphire) 등의 기판(800, 도 10 참조)을 이용하여 광파장 이하의 주기를 갖는 무반사 나노구조(140)를 상면과 하면에 형성하여 넓은 파장 대역에서 실리콘의 반사율을 낮추고, 투과율을 높일 수 있다.
전술한 본 발명에 따른 무반사를 위한 나노구조의 제조방법 및 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.
100 : 기판,
110 : 용액,
120 : 금속이온,
125 : 금속입자,
130 : 유기물 또는 무기물 이온,
140 : 무반사 나노구조
110 : 용액,
120 : 금속이온,
125 : 금속입자,
130 : 유기물 또는 무기물 이온,
140 : 무반사 나노구조
Claims (16)
- 기판 상에 금속이온이 유기물 또는 무기물 이온과 결합된 용액을 도포하는 단계;
상기 도포된 용액을 열처리하여 나노크기의 금속입자로 성장되도록 소결시키는 단계; 및
상기 기판의 표면에 광파장 이하의 주기를 갖는 나노구조가 형성되도록 상기 금속입자를 마스크 또는 촉진제로 이용하여 상기 기판을 화학적으로 식각하는 단계를 포함하는 무반사를 위한 나노구조의 제조방법. - 기판 상에 투명전극 또는 버퍼층을 증착하는 단계;
상기 투명전극 또는 버퍼층 상에 금속이온이 유기물 또는 무기물 이온과 결합된 용액을 도포하는 단계;
상기 도포된 용액을 열처리하여 나노크기의 금속입자로 성장되도록 소결시키는 단계;
상기 투명전극 또는 버퍼층이 나노구조 투명전극 또는 버퍼층이 되도록 상기 금속입자를 마스크 또는 촉진제로 이용하여 화학적 식각을 수행하는 단계; 및
상기 기판 상에 광파장 이하의 주기를 갖는 나노구조가 형성되도록 상기 나노구조 투명전극 또는 버퍼층 및 금속입자를 이용하여 상기 기판을 화학적으로 식각하는 단계를 포함하는 무반사를 위한 나노구조의 제조방법. - 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 금속으로는 유기물 또는 무기물 이온과 결합되어 용액 상태로 존재하고, 열처리를 통해 결합을 끊고 금속끼리 결합하여 광파장 이하의 주기를 갖는 금속입자로 성장하도록 소결 가능한 것인 특징으로 하는 무반사를 위한 나노구조의 제조방법. - 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 도포된 용액의 열처리는 상기 금속입자의 산화를 방지하고, 상기 금속입자의 크기 및 두께에 대한 재연성과 높은 신뢰성을 위해 질소 분위기에서 실시되는 것을 특징으로 하는 무반사를 위한 나노구조의 제조방법. - 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 도포된 용액은 1nm 내지 500nm 정도의 두께를 갖도록 상기 금속이온이 유기물 이온과 결합된 경우, 메탄올, 에탄올 또는 이소프로필 알코올 중 어느 하나의 알코올 계열 용액과 희석을 통해 금속의 농도를 조절하고, 상기 금속이온이 무기물 이온과 결합된 경우, 물로 희석하여 금속의 농도를 조절함으로써 도포 두께를 제어하는 것을 특징으로 하는 무반사를 위한 나노구조의 제조방법. - 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 열처리의 시간과 온도를 조절하여 상기 금속입자의 크기를 제어하는 것을 특징으로 하는 무반사를 위한 나노구조의 제조방법. - 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 기판이 실리콘 기판이며, 상기 화학적 식각 공정을 통해 실리콘 기판을 식각하는 경우, 물(H2O), 질산(HNO3), 플루오르화 수소(HF)의 혼합 비율을 달리하여 기판의 결정 방향과 무관하게 식각하는 것을 특징으로 하는 무반사를 위한 나노구조의 제조방법. - 제7 항에 있어서,
상기 화학적 식각 공정에서 사용되는 용액의 혼합 비율 및 식각 방법은, 물(H2O), 질산(HNO3), 플루오르화 수소(HF)의 혼합 비율을 20:1:4 또는 20:4:1로 조절하여 이용하거나, 20:1:4 혼합비의 용액을 이용하여 1차 식각을 진행하고, 20:4:1 혼합비의 용액을 이용하여 2차 식각하는 것을 특징으로 하는 무반사를 위한 나노구조의 제조방법. - 광소자의 제조방법에 있어서,
상기 광소자가 발광소자일 경우, (a) n형 도핑층, 활성층 및 p형 도핑층을 순차적으로 적층한 후, 상기 p형 도핑층의 발광부 상면에 금속이온이 유기물 또는 무기물 이온과 결합된 용액을 도포하는 단계와; (b) 상기 도포된 용액을 열처리하여 나노크기의 금속입자로 소결시키는 단계와; (c) 상기 p형 도핑층의 발광부 상면에 광파장 이하의 주기를 갖는 위로 갈수록 가늘어지는 무반사 나노구조가 형성되도록 상기 금속입자를 마스크 또는 촉진제로 이용하여 상기 p형 도핑층의 발광부 상면을 화학적으로 식각하는 단계를 포함하며,
상기 광소자가 수광소자일 경우, (a') p형 도핑층, 활성층 및 n형 도핑층을 순차적으로 적층한 후, 상기 n형 도핑층의 수광부 상면에 금속이온이 유기물 또는 무기물 이온과 결합된 용액을 도포하는 단계와; (b') 상기 도포된 용액을 열처리하여 나노크기의 금속입자로 소결시키는 단계와; (c') 상기 n형 도핑층의 수광부 상면에 광파장 이하의 주기를 갖는 위로 갈수록 가늘어지는 무반사 나노구조가 형성되도록 상기 금속입자를 마스크 또는 촉진제로 이용하여 상기 n형 도핑층의 수광부 상면을 화학적으로 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법. - 제9 항에 있어서,
상기 광소자가 발광소자일 경우, 상기 단계(a)에서 용액을 도포하기 전 또는 상기 단계(c) 이후에, 상기 p형 도핑층의 발광부를 제외한 상면에 p형 상부전극을 적층하고, 상기 n형 도핑층의 하면에 n형 하부전극을 적층하는 단계를 더 포함하며,
상기 광소자가 수광소자일 경우, 상기 단계(a')에서 용액을 도포하기 전 또는 상기 단계(c') 이후에, 상기 n형 도핑층의 수광부를 제외한 상면에 n형 상부전극을 적층하고, 상기 p형 도핑층의 하면에 p형 하부전극을 적층하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법. - 제9 항에 있어서,
상기 광소자가 발광소자일 경우, 상기 단계(c) 이후에, 상기 무반사 나노구조를 포함한 p형 도핑층의 전면에 투명전극을 적층한 후, 상기 투명전극의 발광부를 제외한 상면에 접촉패드를 적층하고, 상기 n형 도핑층의 하면에 n형 하부전극을 적층하는 단계를 더 포함하며,
상기 광소자가 수광소자일 경우, 상기 단계(c') 이후에, 상기 무반사 나노구조를 포함한 n형 도핑층의 전면에 투명전극을 적층한 후, 상기 투명전극의 수광부를 제외한 상면에 접촉패드를 적층하고, 상기 p형 도핑층의 하면에 p형 하부전극을 적층하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법. - 광소자의 제조방법에 있어서,
상기 광소자가 발광소자일 경우, n형 도핑층, 활성층 및 p형 도핑층을 순차적으로 적층한 후, 상기 p형 도핑층의 발광부 상면에 투명전극 또는 버퍼층을 적층하는 단계와; 상기 투명전극 또는 버퍼층의 상면에 금속이온이 유기물 또는 무기물 이온과 결합된 용액을 도포하는 단계와; 상기 도포된 용액을 열처리하여 나노크기의 금속입자로 소결시키는 단계와; 상기 투명전극 또는 버퍼층이 나노구조 투명전극 또는 버퍼층이 되도록 상기 금속입자를 마스크 또는 촉진제로 이용하여 화학적 식각을 수행하는 단계와; 상기 p형 도핑층의 발광부 상면에 광파장 이하의 주기를 갖는 위로 갈수록 가늘어지는 무반사 나노구조가 형성되도록 상기 나노구조 투명전극 또는 버퍼층 및 금속입자를 마스크 또는 촉진제로 이용하여 상기 p형 도핑층의 발광부의 상면을 화학적으로 식각하는 단계와; 상기 p형 도핑층의 발광부를 제외한 상면에 p형 상부전극을 적층하고, 상기 n형 도핑층의 하면에 n형 하부전극을 적층하는 단계를 포함하며,
상기 광소자가 수광소자일 경우, p형 도핑층, 활성층 및 n형 도핑층을 순차적으로 적층한 후, 상기 n형 도핑층의 수광부 상면에 투명전극 또는 버퍼층을 적층하는 단계와; 상기 투명전극 또는 버퍼층의 상면에 금속이온이 유기물 또는 무기물 이온과 결합된 용액을 도포하는 단계와; 상기 도포된 용액을 열처리하여 나노크기의 금속입자로 소결시키는 단계와; 상기 투명전극 또는 버퍼층이 나노구조 투명전극 또는 버퍼층이 되도록 상기 금속입자를 마스크 또는 촉진제로 이용하여 화학적 식각을 수행하는 단계와; 상기 n형 도핑층의 수광부 상면에 광파장 이하의 주기를 갖는 위로 갈수록 가늘어지는 무반사 나노구조가 형성되도록 상기 나노구조 투명전극 또는 버퍼층 및 금속입자를 마스크 또는 촉진제로 이용하여 상기 n형 도핑층의 수광부의 상면을 화학적으로 식각하는 단계와; 상기 n형 도핑층의 수광부를 제외한 상면에 n형 상부전극을 적층하고, 상기 p형 도핑층의 하면에 p형 하부전극을 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법. - 광소자의 제조방법에 있어서,
(a") 하부 전지층, 중간 전지층 및 상부 전지층을 순차적으로 적층한 후, 상기 p형 상부전극 영역을 제외한 상부 전지층의 상면에 금속이온이 유기물 또는 무기물 이온과 결합된 용액을 도포하는 단계;
(b") 상기 도포된 용액을 열처리하여 나노크기의 금속입자로 변형시키는 단계; 및
(c") 상기 p형 상부전극 영역을 제외한 상부 전지층의 상면에 광파장 이하의 주기를 갖는 위로 갈수록 가늘어지는 무반사 나노구조가 형성되도록 상기 금속입자를 마스크 또는 반응의 촉진제로 이용하여 상기 p형 상부전극 영역을 제외한 상부 전지층의 상면을 화학적으로 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법. - 제13 항에 있어서,
상기 단계(a")에서 용액을 도포하기 전 또는 상기 단계(c") 이후에, 상기 상부 전지층의 일측 상면에 p형 상부전극을 적층하고, 상기 하부 전지층의 하면에 n형 하부전극을 적층하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법. - 광소자의 제조방법에 있어서,
기판의 상면과 하면에 금속이온이 유기물 또는 무기물 이온과 결합된 용액을 도포하는 단계;
상기 도포된 용액을 열처리하여 나노크기의 금속입자로 변형시키는 단계; 및
상기 기판의 상면과 하면에 광파장 이하의 주기를 갖는 위로 갈수록 가늘어지는 무반사 나노구조가 형성되도록 상기 금속입자를 마스크 또는 반응의 촉진제로 이용하여 상기 기판의 상면과 하면을 화학적으로 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법. - 제15 항에 있어서,
상기 기판은 투명 글래스이거나, 양면이 연마된 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs), 질화갈륨(GaN) 또는 사파이어(Sapphire) 중 어느 하나의 기판인 것을 특징으로 하는 무반사 나노구조가 집적된 광소자의 제조방법.
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