KR20120013076A - 나노로드 기반의 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 나노로드 기반의 반도체 발광 소자는, 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성되어 상기 제1 도전형 반도체층 위로 연장된 AlGaN 나노로드; 상기 AlGaN 나노로드의 측면과 상면을 덮어 나노로드 구조의 내측 쉘(shell)을 형성하는 n-GaN 쉘층; 및 상기 n-GaN 쉘층을 순차적으로 덮는 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함한다.

Description

나노로드 기반의 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법{Nanorod-based semiconductor light emitting device and method of manufacturing the same}
본 발명은 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 나노로드(nanorod) 기반의 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
발광 다이오드(LED)는 종래의 광원에 비해 긴 수명, 낮은 소비전력, 빠른 응답 속도, 환경 친화성 등의 장점을 갖는 차세대 광원으로 알려져 있으며, 조명 장치, 디스플레이 장치의 백라이트 등 다양한 제품에서 중요한 광원으로 주목 받고 있다. 특히, GaN, AlGaN, InGaN, InAlGaN 등의 3족 질화물 기반의 LED는 청색 또는 자외선광을 출력하는 반도체 발광 소자로서 중요한 역할을 하고 있다.
최근에 LED의 활용범위가 넓어짐에 따라 고전류/고출력 분야의 광원 분야로 확대되고 있다. 이와 같이 LED가 고전류/고출력 분야에서 요구됨에 따라 당 기술 분야에서는 발광 특성의 향상을 위한 연구가 계속되어 왔으며, 다중양자우물(MQW) 구조의 성장 조건이나 반도체층의 결정성 향상을 위한 노력이 진행되고 있다. 특히, 결정성 향상과 발광 영역의 증대를 통한 광효율 증가를 위해 질화물 반도체 나노로드 구조물을 구비하는 나노로드 기반의 발광 소자 및 그 제조 기술이 제안되었다. 이러한 질화물 반도체 나노로드 기반의 발광 소자는 활성층으로 InGaN/GaN 다중양자우물 구조를 이용하여 발광 구현이 가능하다. 나노로드 기반의 발광 소자가 갖는 양질의 특성은 고품위의 GaN계 LED 구조가 확보됨을 전제로 한다.
그러나, 지금까지 보고된 나노로드 기반의 발광 소자는 코어(core)가 n 타입의 질화갈륨(n-GaN)으로 구성되어 있으며, 이러한 n-GaN 나노로드를 성장시킨 후 쉘(shell) 형태의 MQW 및 p-GaN을 형성하여 LED 구조가 확보된다. n-GaN 나노로드 코어 기반의 LED 소자는 실제로 3차원 구조의 n-GaN 코어로 전류를 주입시킬 때 계면에서의 전류 누설 및 코어의 3차원 구조에 의해 나노 코어 전면의 효율적인 전류 주입이 불가능하다. 이 때문에 그 구동 전압이 높아지고 소자의 동작 특성이 저하되며 실질적인 내부 양자 효율이 감소하는 문제점이 발생한다. 이러한 문제점의 원인 중에는, 전류 인가시 n-GaN 나노로드와 전극 계면에서의 표면 누설 전류 발생과 3차원 구조의 나노로드 코어 전체의 전류 주입의 비효율성이 있다. 이러한 표면 누설 전류 발생과 나노로드 코어에서의 비효율적인 전류 주입은 MQW로의 전류 주입 효율의 감소로 이어지며, 이것은 전자와 홀(hole)의 재결합 효율을 감소시키는 결정적인 원인으로 작용하여 MQW에서의 발광 특성을 저하시키는 결정적인 원인으로 작용한다.
본 발명의 실시예는 발광 영역으로의 전류 주입 효율이 개선되고 낮은 전압에서 높은 발광 효율을 나타내는 나노로드 기반의 반도체 발광 소자를 제공한다. 또한 본 발명의 실시예는 발광 영역으로의 전류 주입 효율이 개선되고 낮은 전압에서 높은 발광 효율을 나타내는 나노로드 기반의 반도체 발광 소자의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 나노로드 기반의 반도체 발광 소자는, 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성되어 상기 제1 도전형 반도체층 위로 연장된 AlGaN 나노로드; 상기 AlGaN 나노로드의 측면과 상면을 덮어 나노로드 구조의 내측 쉘(shell)을 형성하는 n-GaN 쉘층; 및 상기 n-GaN 쉘층을 순차적으로 덮는 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 나노로드 기반의 반도체 발광 소자는 상기 제1 도전형 반도체층과 AlGaN 나노로드 사이에 형성되어 나노로드 구조의 저부(바닥부)를 이루고, AlGaN층과 GaN층이 교대로 적층되어 형성된 AlGaN/GaN 나노로드 삽입층을 더 포함할 수 있다.
상기 AlGaN/GaN 나노로드 삽입층에 포함되는 각각의 AlGaN층과 GaN층은 1 내지 20 nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 AlGaN/GaN 나노로드 삽입층은 AlGaN/GaN 양자우물을 형성할 수 있다. 상기 AlGaN/GaN 나노로드 삽입층은 2이상의 AlGaN 양자장벽층과 상기 AlGaN 양자장벽층들 사이에 형성된 1이상의 GaN 양자우물층을 포함하되, 상기 2 이상의 AlGaN 양자장벽층은 상층으로 갈수록 Al 함량이 점차 작아질 수 있다. 다른 실시예로서, 상기 2 이상의 AlGaN 양자장벽층들은 서로 동일한 Al 함량을 가질 수 있다. 상기 AlGaN 나노로드의 Al함량은 상기 AlGaN/GaN 나노로드 삽입층 내의 AlGaN층 중 상기 AlGaN 나노로드에서 가장 가까운 AlGaN층의 Al 함량보다 작거나 같을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 나노로드 기반의 반도체 발광 소자는, 상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성되어 상기 AlGaN 나노로드가 위치하는 영역을 오픈시키는 마스크층을 더 포함할 수 있다. 상기 마스크층은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 형성될 수 있다. 상기 마스크층의 오픈 영역은 5 내지 500nm의 직경을 가질 수 있다. 또한, 상기 마스크층의 오픈 영역은 복수로 배열되어 있되, 상기 복수로 배열된 오픈 영역들 간의 간격은 50 내지 2000nm일 수 있다. 상기 AlGaN/GaN 나노로드 삽입층의 상면은 상기 마스크층의 상면보다 낮게 위치할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 AlGaN 나노로드가 상기 제1 도전형 반도체층 상에 복수개 배열되어 있고, 상기 제1 도전형 반도체층과 각각의 AlGaN 나노로드 사이에는 상기 AlGaN/GaN 나노로드 상입층이 형성되어 각각의 나노로드 구조의 저부를 이루고, 각각의 AlGaN 나노로드의 측면과 상면에는 상기 n-GaN 쉘층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층이 순차적으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 나노로드 기반의 반도체 발광 소자의 제조 방법은, 기판 상에 제1 도전형 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 나노 사이즈의 복수개 오픈 영역을 갖는 마스크층을 형성하는 단계; 상기 오픈 영역에 상기 제1 도전형 반도체층 위로 연장된 AlGaN 나노로드를 형성하는 단계; 상기 AlGaN 나노로드의 측면과 상면을 덮도록 n-GaN 쉘층을 형성하는 단계; 및 상기 n-GaN 쉘층을 순차적으로 덮는 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 마스크층을 형성하는 단계와 상기 AlGaN 나노로드를 형성하는 단계 사이에, 상기 마스크층의 오픈 영역 내에 AlGaN층과 GaN층을 교대로 적층하여 AlGaN/GaN 나노로드 삽입층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 AlGaN/GaN 나노로드 삽입층의 각 AlGaN층 및 GaN층은 1 내지 20nm의 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 상기 AlGaN/GaN 나노로드 삽입층을 형성하는 단계는, 2이상의 AlGaN 양자장벽층과 1이상의 GaN 양자우물층을 서로 교대로 형성하되, 상기 2이상의 AlGaN 양자장벽층은 상층으로 갈수록 Al 함량이 점차 감소되도록 상기 AlGaN 양자장벽층과 GaN 양자우물층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 AlGaN/GaN 나노로드 삽입층은 그 상면이 상기 마스크층의 상면보다 낮게 위치하도록 형성될 수 있다. 상기 마스크층의 각 오픈 영역은 5 내지 500 nm의 직경을 갖도록 형성되고 상기 마스크층의 복수의 오픈 영역들 간의 간격은 50 내지 2000 nm일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, AlGaN 나노로드 코어와 GaN 쉘의 이종 접합 구조의 계면에서의 양자 제한에 의해 AlGaN 나노로드 외주면 전체에서 효율적인 전류 주입 또는 전류 전달 효과를 얻을 수 있다. 또한, AlGaN/GaN 나노로드 주입층에 의해 전자를 AlGaN 나노로드 측으로 더 제한시킴으로써 계면 또는 나노로드 표면 등에서의 전류 누설을 차단할 수 있다. 이에 따라, 나노로드 기반의 반도체 발광 소자의 전류 주입시 전류 누설로 인한 동작 특성의 저하를 감소시킬 수 있고, 낮은 전압에서 보다 높은 발광 효율을 얻을 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노로드 기반의 반도체 발광 소자의 단면도이다.
도 2는 도 1의 나노로드 기반의 반도체 발광 소자의 일부를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 나노로드 기반의 반도체 발광 소자에 있어서, AlGaN 나노로드와 GaN 쉘층에 의해 형성되는 에너지 밴드 구조를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 나노로드 기반의 반도체 발광 소자에 있어서, AlGaN/GaN 나노로드 삽입층에 의해 형성되는 에너지 밴드 구조를 보여주는 도면이다.
도 5 내지 10은 본 발명의 실시예에 따른 나노로드 기반의 반도체 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 11은 복수의 AlGaN 나노로드가 배열된 상태를 보여주는 평면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시예로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노로드 기반의 반도체 발광 소자를 나타낸 단면도이다. 나노로드 기반의 반도체 발광 소자(1000)는 사파이어 등의 기판(100)과 그 위에 형성된 n형 질화물 반도체층(110), 복수의 오픈 영역(관통홀)을 갖는 마스크층(120), 오픈 영역 내에 형성된 AlGaN(AlxGa1-xN, 0＜x＜1)/GaN 나노로드 삽입층(130), AlGa/GaN 나노로드 삽입층(130) 상에 형성되어 위로 연장된 AlGaN 나노로드(140)를 포함한다. 또한, AlGaN(AlyGa1-yN, 0＜y＜1) 나노로드(140)의 상면과 측면은 n-GaN 쉘층(150)으로 덮혀있다. 이 n-GaN 쉘층(150)은 나노로드 구조(180)의 내측 쉘을 이룬다. 활성층(160)은 n-GaN 쉘층(150)의 상면과 측면을 덮고, p형 질화물 반도체층(170)은 활성층(160)의 상면과 측면을 덮고 있다. n형 질화물 반도체층(110)은 예를 들어, n-GaN층일 수 있다. p형 질화물 반도체층(170)은 예를 들어, p-GaN층일 수 있다. 활성층(160)은 단일 양자우물 구조 또는 다중 양자우물구조를 갖도록 형성될 수 있다. 활성층(160)은 나노로드 구조(180)의 쉘 형태로 존재함으로써 발광 면적이 증가되는 효과를 얻을 수 있다.
후술하는 바와 같이, AlGaN/GaN 나노로드 삽입층(130)과 AlGaN 나노로드(140)는 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물 등의 유전체로 된 마스크층(120)을 성장 마스크로 사용하는 선택적 성장에 의해 형성될 수 있다. 이러한 선택적 성장을 통해 AlGaN 나노로드(140)가 형성됨으로써 전위와 같은 결함을 감소시킬 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, AlGaN/GaN 나노로드 삽입층(130)은 나노로드 구조의 밑동, 즉 저부(바닥부: bottom part)를 이룬다. AlGaN/GaN 나노로드 삽입층(130)은 AlGaN층과 GaN층이 적어도 1회 이상 교대로 적층되어 형성된다. 다수의 얇은 AlGaN층과 GaN층을 반복해서 적층함으로써, 초격자 구조의 AlGaN/GaN 나노로드 삽입층을 형성할 수도 있다. 이 AlGaN/GaN 나노로드 삽입층은 AlGaN의 밴드갭과 GaN의 밴드갭 차이에 의해 AlGaN/GaN 양자우물을 형성할 수 있다. 특히, AlGaN/GaN 나노로드 삽입층(130)은 2이상의 AlGaN 양자장벽층과 이 양자장벽층들 사이에 개재된 1이상의 GaN 양자우물층을 포함할 수 있다.
AlGaN/GaN 나노로드 삽입층(130) 또는 AlGaN 나노로드(140)의 선택적 성장을 위한 마스크층(120)은 나노 사이즈의 오픈 영역, 즉 관통홀을 갖고 있어서, 이 오픈 영역을 통해 상술한 AlGaN/GaN 나노로드 삽입층(130)과 AlGaN 나노로드(140)를 성장시킨다. AlGaN/GaN 나노로드 삽입층(130)과 AlGaN 나노로드(140)은 일체로 되어 하나의 나노로드 구조를 형성한다. 도 1 및 2에 도시된 바와 같이, AlGaN/GaN 나노로드 삽입층(130)의 전체 두께는 마스크층(120)의 두께보다 작으므로, AlGaN/GaN 나노로드 삽입층(130)의 상면은 마스크층(120)의 상면보다 아래에 위치하게 된다. 이에 따라, AlGaN 나노로드(140) 형성시, 마스크층(140)의 오픈 영역 내부에서부터 AlGaN이 성장하게 되고, AlGaN/GaN 나노로드 삽입층(130)과 AlGaN 나노로드(140)가 일체로 연장된 나노로드 구조가 잘 형성될 수 있게 된다.
마스크층(120)에 형성된 복수의 오픈 영역은 5 내지 500 nm의 직경을 가질 수 있으며, 이 오픈 영역들 간의 간격은 50 내지 2000 nm일 수 있다. 이에 따라, 오픈 영역에 형성되는 AlGaN 나노로드 역시 대략 5 내지 500 nm의 직경을 갖고 이러한 나노로드들이 50 내지 2000 nm의 간격으로 분포될 수 있다.
도 2는 도 1의 나노로드 기반의 반도체 발광 소자의 일부, 특히 AlGaN/GaN 나노로드 삽입층(130), AlGaN 나노로드(140) 및 GaN 쉘층(150)을 확대하여 나타낸 단면도이다. 도 2를 참조하면, 마스크층(130)의 오픈 영역 내에 형성되는 나노로드 삽입층(130)은 n형 질화물 반도체층(110) 상에 순차적으로 적층된 AlGaN층(131), GaN층(132), AlGaN층(133) 및 GaN층(134)을 포함한다. 후술하는 바와 같이, 이러한 AlGaN/GaN 나노로드 삽입층(130)은 AlGaN층(131, 133)에서 양자장벽을 형성하고 GaN층(132, 134)에서 양자우물을 형성한다. AlGaN/GaN 나노로드 삽입층(130) 내의 각각의 AlGaN층(131, 133) 및 GaN층(132, 134)은 1 내지 20nm의 두께를 가질 수 있다.
도 3은 AlGaN 나노로드(140)와 GaN 쉘층(150)에 의해 형성되는 에너지 밴드갭 구조를 보여준다. 즉, 도 3의 (b)는 도 3의 (a)에 도시된 나노로드 구조에서 라인 AA'를 따라 형성되는 에너지 밴드 구조를 나타낸다. 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 나노로드 구조의 코어(core)에 해당하는 AlGaN 나노로드(140)의 에너지 밴드갭과 쉘(shell: 껍질)에 해당하는 GaN 쉘층(150)의 에너지 밴드갭의 차이로 인해, AlGaN코어/GaN쉘의 이종 접합 구조의 계면에서 좁은 양자우물이 형성되어, 이 계면 부근에서의 양자 제한(confinement) 효과에 의해 전자(점으로 표시됨)들이 모이게 된다. 이러한 전자는 AlGaN 나노로드(140)의 외주면 전체 내에 갇혀서 전자가스(electron gas)층을 형성할 수 있다. 이에 따라, AlGaN 나노로드(140)의 외주면 전체에 걸쳐 놓은 전자이동도를 확보할 수 있어 AlGaN 나노로드 외주면 전체에서 효율적인 전류 전달 효과를 얻을 수 있다. 이에 의해, 반도체 발광 소자(1000)는 낮은 전압에서 높은 발광 효율을 얻을 수 있게 된다. 또한, 이러한 AlGaN코어/GaN쉘(140, 150) 구조의 계면에 전자를 제한함(confine)으로써 내부 양자 효율이 높아지는 효과를 얻을 수 있다.
AlGaN 나노로드(140)는 Al 함량에 따라 그 에너지 밴드갭이 조절될 수 있다. 바람직하게는, AlGaN/GaN 나노로드 삽입층(130)으로부터 AlGaN 나노로드(140)로의 보다 효율적인 전류 주입을 위해 AlGaN 나노로드(140)의 Al 함량은, AlGaN/GaN 나노로드 삽입층(130) 내의 최종 성장 AlGaN층(133)(즉, AlGaN/GaN 나노로드 삽입층(130) 내의 AlGaN층(131, 133) 중 AlGaN 나노로드(140)에서 가장 가까운 AlGaN층(133))의 함량보다 작거나 같은 것이 바람직하다.
도 4는 AlGaN/GaN 나노로드 삽입층(130)에 의해 형성되는 에너지 밴드갭 구조를 보여주는 도면이다. 즉, 도 4의 (b)와 (c)는 도 4의 (a)에 도시된 AlGaN/GaN 나노로드 삽입층(130)에서 라인 BB'를 따라 형성되는 에너지 밴드 구조들을 나타낸다. 도 4의 (b) 또는 (c)에 도시된 바와 같이, 나노로드 삽입층(130)은 AlGaN/GaN 양자우물 구조를 형성하는데, AlGaN 양자장벽층(131, 133)과 GaN 양자우물층(132, 134)이 교대로 적층된 구조를 갖는다. 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 나노로드 삽입층(130) 내의 AlGaN 양자장벽층(131, 133)은 동일한 Al 함량을 갖고 같은 크기의 밴드갭을 가질 수 있다. 이와 달리, 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이, AlGaN 양자장벽층(131, 133)은 상층으로 갈수록 밴드갭이 감소하도록 Al 함량이 작아질 수 있다. 이와 같이 상층으로 갈수록 AGaN 양자장벽층(131, 133)의 Al 함량을 작게 함으로써, AlGaN 나노로드(140)로의 전류 주입 효율을 높일 수 있다.
상술한 바와 같이 AlGaN 나노로드(140) 아래에 AlGaN/GaN의 양자우물 구조를 갖는 AlGaN/GaN 나노로드 삽입층(130)을 배치함으로써, 전자를 AlGaN 나노로드(140) 측으로 더 제한(confine)시킬 수 있다. 이로써 계면 또는 나노로드 표면 등에서의 전류 누설을 차단하는 효과를 얻을 수 있다. 이는 전극과 나노로드 사이의 전류 주입시 전류 누설로 인한 동작 특성의 저하를 감소시켜주고 동작 전압이 높아지는 것을 억제하여 발광 효율을 높이는 데에 기여한다.
상술한 실시예에서는, 반도체 발광 소자(1000가 나노로드 구조(180)의 밑동(base part)을 이루는 AlGaN/GaN 나노로드 삽입층(130)을 구비하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, AlGaN/GaN 나노로드 삽입층(130)을 생략하고, AlGaN 나노로드(130)이 마스크층(120)의 오픈 영역을 통해 n-GaN층(110) 상에 직접 형성될 수도 있다.
이하, 도 5 내지 11을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 나노로드 기반의 반도체 발광 소자의 제조 방법을 설명한다.
먼저, 도 5에 도시된 바와 같이, 사파이어 등의 기판(100) 상에 n형 질화물 반도체층(예를 들어 n-GaN층)(110)을 형성한다. n-GaN층 등의 n형 질화물 반도체층(110)은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 또는 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 기술에 의해 성장될 수 있다.
다음으로, 도 6에 도시된 바와 같이, n형 질화물 반도체층(110) 상에 마스크층(120)을 증착하고 이를 패터닝하여 복수의 관통홀, 즉 오픈 영역(50)을 형성한다. 마스크층(120)은 예를 들어 SiO2 등의 산화물 또는 Si3N4 등의 질화물을 증착하여 형성할 수 있다. 오픈 영역(50)은 통상의 리소그래피 공정을 이용한 식각을 통해 얻을 수 있다. 마스크층(120)의 각 오픈 영역(50)은 5 내지 500 nm의 직경을 갖도록 형성될 수 있고, 복수의 오픈 영역들(50) 간의 간격은 50 내지 2000 nm가 될 수 있다.
다음으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 마스크층(120)의 오픈 영역을 통해 n-GaN 등의 n형 질화물 반도체층(110) 상에 AlGaN/GaN 나노로드 삽입층(130)을 선택적으로 성장시킨다. AlGaN/GaN 나노로드 삽입층(130)은 마스크층(120)의 오픈 영역(도 6의 도면부호 50 참조) 내에 AlGaN층과 GaN층을 교대로 적층하여 형성할 수 있다. 예를 들어, AlGaN을 성장시키기 위해, 마스크층(120)이 형성된 기판(100)을 반응기 내에 장착하고, TMA(Al 소스), TMGa(Ga 소스) 및 암모니아(질소 소스)를 기판(100)에 흘려주고 반응기 내의 온도를 900 내지 1100℃로 유지하면서 1분 내지 120분까지 반응시킬 수 있다. Al 소스의 유무에 따라 AlGaN 혹은 GaN이 성장될 수 있다. AlGaN/GaN 나노로드 삽입층(130) 내의 각 AlGaN층 또는 각 GaN층은 1 내지 20nm의 두께를 갖도록 성장될 수 있으며, 다수의 AlGaN층을 GaN층을 교대로 반복하여 성장시킴으로써 초격자 구조를 형성할 수도 있다. 후속의 AlGaN 나노로드의 선택적인 성장시 양호한 형상의 AlGaN 나노로드를 얻기 위해, AlGaN/GaN 나노로드 삽입층(130)은 그 상면이 마스크층(120)의 상면보다 낮게 되도록 형성될 수 있다.
나노로드 삽입층(130) 형성시, AlGaN층의 Al 함량을 조절함으로써 나노로드 삽입층(130) 내의 AlGaN/GaN 양자우물 구조의 장벽 높이를 다양하게 변화시킬 수 있다(도 4 참조). 예를 들어, 나노로드 삽입층(130) 형성시, 상층으로 갈수록 AlGaN 양자장벽층의 Al 함량이 점차 감소되도록 복수의 AlGaN 양자장벽층을 성장시킬 수 있다(도 4의 (c) 참조). 이와 달리, 나노로드 삽입층(130) 형성시, 각 AlGaN 양자장벽층의 Al 함량을 일정하게 유지시켜 AlGaN 양자장벽층을 형성할 수도 있다(도 4의 (b) 참조). AlGaN 내의 Al 함량은 Al 소스(예컨대, TMA)의 유량, 온도, 압력 및 유지시간 등에 따라서 조절이 가능하다.
다음으로, 도 8에 도시된 바와 같이, AlGaN/GaN 나노로드 삽입층(130) 상에 AlGaN 나노로드(140)를 성장시킨다. 도 11은 마스크층(120)의 오픈 영역을 통해 선택적 성장에 의해 얻어진 AlGaN 나노로드(140)를 나타내는 평면도이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 다수의 AlGaN 나노로드(140)가 마스크층(120)의 오픈 영역들에 배열되어 있다. AlGaN 나노로드(140)는 예를 들어 TMA, TMGa 및 암모니아를 소스 가스로 사용하는 MOCVD를 이용하여 성장될 수 있다.
다음으로, 도 9를 참조하면, AlGaN 나노로드의 측면과 상면을 덮도록 n-GaN 쉘층(150)을 형성한다. 이 후, 도 10에 도시된 바와 같이, n-GaN 쉘층(150)의 상면과 하면을 덮도록 활성층(160)을 형성하고, 이 활성층(160)을 덮도록 p형 질화물 반도체층(170)(예컨대, p-GaN층)을 형성한다. 활성층(160)은 단일 양자우물 구조 또는 다중 양자우물 구조로 형성될 수 있다. 그 후에는 필요한 전극을 형성할 수 있다(도시 안함).
본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
100: 기판 110: n형 질화물 반도체층
120: 마스크층 130: AlGaN/GaN 나노로드 삽입층
140: AlGaN 나노로드 150: GaN 쉘층
160: 활성층 170: p형 질화물 반도체층
180: 나노로드 구조 1000: 반도체 발광 소자

Claims (19)

  1. 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성되어 상기 제1 도전형 반도체층 위로 연장된 AlGaN 나노로드;
    상기 AlGaN 나노로드의 측면과 상면을 덮어 나노로드 구조의 내측 쉘(shell)을 형성하는 n-GaN 쉘층; 및
    상기 n-GaN 쉘층을 순차적으로 덮는 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 나노로드 기반의 반도체 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층과 AlGaN 나노로드 사이에 형성되어 나노로드 구조의 저부를 이루고 AlGaN층과 GaN층이 교대로 적층되어 형성된 AlGaN/GaN 나노로드 삽입층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노로드 기반의 반도체 발광 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 AlGaN/GaN 나노로드 삽입층에 포함되는 각각의 AlGaN층과 GaN층은 1 내지 20 nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 나노로드 기반의 반도체 발광 소자.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 AlGaN/GaN 나노로드 삽입층은 AlGaN/GaN 양자우물을 형성하는 것을 특징으로 하는 나노로드 기반의 반도체 발광 소자.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 AlGaN/GaN 나노로드 삽입층은 2이상의 AlGaN 양자장벽층과 상기 AlGaN 양자장벽층들 사이에 형성된 1이상의 GaN 양자우물층을 포함하되, 상기 2 이상의 AlGaN 양자장벽층은 상층으로 갈수록 Al 함량이 점차 작아지는 것을 특징으로 하는 나노로드 기반의 반도체 발광 소자.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 AlGaN/GaN 나노로드 삽입층은 2이상의 AlGaN 양자장벽층과 상기 AlGaN 양자장벽층들 사이에 형성된 1이상의 GaN 양자우물층을 포함하되, 상기 2 이상의 AlGaN 양자장벽층들은 서로 동일한 Al 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 나노로드 기반의 반도체 발광 소자.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 AlGaN 나노로드의 Al함량은 상기 AlGaN/GaN 나노로드 삽입층 내의 AlGaN층 중 상기 AlGaN 나노로드에서 가장 가까운 AlGaN층의 Al 함량보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성되어 상기 AlGaN 나노로드가 위치하는 영역을 오픈시키는 마스크층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노로드 기반의 반도체 발광 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 마스크층은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 형성된 것을 특징으로 하는 나노로드 기반의 반도체 발광 소자.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 마스크층의 오픈 영역은 5 내지 500nm의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 나노로드 기반의 반도체 발광 소자.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 마스크층의 오픈 영역은 복수로 배열되어 있되, 상기 복수로 배열된 오픈 영역들 간의 간격은 50 내지 2000nm인 것을 특징으로 하는 나노로드 기반의 반도체 발광 소자.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 AlGaN/GaN 나노로드 삽입층의 상면은 상기 마스크층의 상면보다 낮게 위치하는 것을 특징으로 하는 나노로드 기반의 반도체 발광 소자.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 AlGaN 나노로드가 상기 제1 도전형 반도체층 상에 복수개 배열되어 있고, 상기 제1 도전형 반도체층과 각각의 AlGaN 나노로드 사이에는 상기 AlGaN/GaN 나노로드 상입층이 형성되어 각각의 나노로드 구조의 저부를 이루고, 각각의 AlGaN 나노로드의 측면과 상면에는 상기 n-GaN 쉘층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층이 순차적으로 형성된 것을 특징으로 하는 나노로드 기반의 반도체 발광 소자.
  14. 기판 상에 제1 도전형 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 나노 사이즈의 복수개 오픈 영역을 갖는 마스크층을 형성하는 단계;
    상기 오픈 영역에 상기 제1 도전형 반도체층 위로 연장된 AlGaN 나노로드를 형성하는 단계;
    상기 AlGaN 나노로드의 측면과 상면을 덮도록 n-GaN 쉘층을 형성하는 단계; 및
    상기 n-GaN 쉘층을 순차적으로 덮는 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하는 나노로드 기반의 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 마스크층을 형성하는 단계와 상기 AlGaN 나노로드를 형성하는 단계 사이에, 상기 마스크층의 오픈 영역 내에 AlGaN층과 GaN층을 교대로 적층하여 AlGaN/GaN 나노로드 삽입층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노로드 기반의 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 AlGaN/GaN 나노로드 삽입층의 각 AlGaN층 및 GaN층은 1 내지 20nm의 두께를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 나노로드 기반의 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 AlGaN/GaN 나노로드 삽입층을 형성하는 단계는, 2이상의 AlGaN 양자장벽층과 1이상의 GaN 양자우물층을 서로 교대로 형성하되, 상기 2이상의 AlGaN 양자장벽층은 상층으로 갈수록 Al 함량이 점차 감소되도록 상기 AlGaN 양자장벽층과 GaN 양자우물층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노로드 기반의 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 AlGaN/GaN 나노로드 삽입층은 그 상면이 상기 마스크층의 상면보다 낮게 위치하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 나노로드 기반의 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 마스크층의 각 오픈 영역은 5 내지 500 nm의 직경을 갖고 상기 복수의 오픈 영역들 간의 간격은 50 내지 2000 nm인 것을 특징으로 하는 나노로드 기반의 반도체 발광 소자의 제조 방법.
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