KR20120055390A - 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
발광 소자 및 그 제조방법이 개시된다. 개시된 발광 소자는 관통홀을 구비하는 마스크층; 상기 관통홀을 통해 상기 마스크층 위로 성장된 것으로, 수평 단면의 면적이 일정한 로드부와 수평 단면의 면적이 성장 방향에 따라 상기 로드부에 비해 급격히 감소하는 팁부를 구비하며, 제1형으로 도핑된 반도체 나노코어; 상기 반도체 나노코어의 표면을 둘러싸는 것으로, 상기 로드부의 표면에 대응하는 측면과 상기 팁부의 표면에 대응하는 팁면을 구비하는 활성층; 상기 활성층의 팁면으로부터 성장한 것으로, 제2형으로 도핑되거나 언도핑된 제3반도체층; 상기 활성층의 측면과 상기 제3반도체층의 표면을 덮는 것으로, 제2형으로 도핑된 제2반도체층; 상기 반도체 나노코어 및 제2반도체층에 각각 전기적으로 연결된 제1전극 및 제2전극;을 포함한다.
Description
본 개시는 발광소자 및 그 제조방법에 대한 것이다.
발광소자(Light Emitting Device; LED)는 화합물 반도체(compound semiconductor)의 PN접합을 통해 발광원을 구성함으로서, 다양한 색의 빛을 구현할 수 있는 반도체 소자를 말한다. 최근, 물리적, 화학적 특성이 우수한 질화물을 이용하여 구현된 청색 LED 및 자외선 LED가 등장하였고, 또한 청색 또는 자외선 LED와 형광물질을 이용하여 백색광 또는 다른 단색광을 만들 수 있게 됨으로써 발광소자의 응용범위가 넓어지고 있다.
발광소자의 기본 동작 원리는, 활성층에 주입된 전자와 정공들이 결합하여 빛을 방출하는 것이다. 그런데, 질화물계 화합물 반도체 결정 내에는 일반적으로 결정결함이 다수 존재하고 있어, 이 결정결함을 통해 전자와 정공이 결합하는 경우, 빛에너지가 아닌 열에너지로 방출하게 된다. 이러한 비발광 재결합을 감소시키는 것이 반도체 발광소자의 발광효율 향상을 위해 중요하다.
비발광 재결합의 원인이 되는 결정 결함은 성장 기판과 화합물 반도체 사이의 격자 상수 부정합이나 열팽창 계수의 차이 등에 의해 발생한다. 이러한 단점을 개선하기 위하여, 나노로드의 형태를 가지는 나노 스케일의 발광 구조를 형성하는 기술이 연구되고 있다. 이와 같은 구조는 1차원적 성장의 경우 박막 형태의 경우보다 기판과의 격자상수 불일치나 열팽창 계수의 차이에 의한 영향을 덜 받기 때문에 이종의 기판 위에서도 쉽게 대면적 성장이 가능한 것으로 알려져 있다.
최근, 코어/셀 (Core/Shell) 형태의 나노로드 구조가 제안되고 있다. 이러한구조의 장점으로는, 첫째 결정결함을 최소화한다는 것이다. 일반적인 평면박막구조 발광소자는 크게 2가지 종류의 결정결함을 가지고 있다. 하나는 InGaN으로 구성되는 양자우물층과 GaN으로 구성되는 양자장벽층 사이의 격자 부정합에 기인하여 형성되는 부정합 전위로, 이 경우 전위는 성장면내에 평행하게 존재하게 된다. 다른 하나는 사파이어와 질화갈륨의 계면에서 형성되어 발광소자 구조가 성장 동안 성장방향으로 길어지면서 발광층까지 도달하게 되는 관통 전위이다. 나노로드 구조에서는 GaN층이 수평방향으로의 변형 또한 가능하기에 일반적인 평면박막 발광소자에 비해 격자부정합 전위 형성을 줄일 수 있다. 또한 기판상에서 차지하는 면적이 적으므로, 관통전위의 일부만이 활성층으로 전파되고, 전위가 형성되어도, 가까운 표면으로 이동, 소멸될 가능성이 크다. 둘째, 활성층이 껍질(Shell) 층의 형태로 코어(Core) 표면을 따라 형성되어 발광표면적이 증가하게 되고 실질적인 전류밀도가 감소하여 광효율이 향상된다.
본 개시는 누설 전류를 줄여 발광효율을 높일 수 있는 구조를 가지는 나노로드 발광소자 및 그 제조방법을 제시하고자 한다.
일 유형에 따르면, 관통홀을 구비하는 마스크층; 상기 관통홀을 통해 상기 마스크층 위로 성장된 것으로, 수평 단면의 면적이 일정한 로드부와 수평 단면의 면적이 성장 방향에 따라 상기 로드부에 비해 급격히 감소하는 팁부를 구비하며, 제1형으로 도핑된 반도체 나노코어; 상기 반도체 나노코어의 표면을 둘러싸는 것으로, 상기 로드부의 표면에 대응하는 측면과 상기 팁부의 표면에 대응하는 팁면을 구비하는 활성층; 상기 활성층의 팁면으로부터 성장한 것으로, 제2형으로 도핑되거나 언도핑된 제3반도체층; 상기 활성층의 측면과 상기 제3반도체층의 표면을 덮는 것으로, 제2형으로 도핑된 제2반도체층; 상기 제1반도체층 및 제2반도체층에 각각 전기적으로 연결된 제1전극 및 제2전극;을 포함하는 발광 소자가 제공된다.
상기 제3반도체층의 도핑농도는 상기 제2반도체층의 도핑 농도보다 낮게 형성될 수 있다.
상기 팁면은, 상기 측면에 수직이고 상기 활성층의 최상부에 위치한 탑면과, 상기 탑면과 측면을 연결하는 복수의 사면을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 마스크층은 SiO2, TiO2, Si3N4, Al2O3, TiN, AlN, ZrO2, TiAlN, TiSiN 중 어느 하나 이상을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 반도체 나노코어의 수평 단면 형상은 원형, 타원형 또는 다각형 형상이 될 수 있다.
상기 제3반도체층과 제2반도체층 사이 및 상기 활성층과 제2반도체층 사이에 전자차단층이 더 마련될 수 있다.
상기 제2반도체층을 덮는 투명전극층을 더 포함하며, 상기 투명전극층 상에 상기 제2전극이 마련될 수 있다.
상기 마스크층의 하면에 제1형으로 도핑된 제1반도체층이 더 마련되고, 상기 제1전극은 상기 제1반도체층의 상면 일영역에 마련될 수 있으며, 이 경우, 상기 제1반도체층의 하부에는 반사금속층이 마련될 수 있다.
또는, 상기 제1전극은 상기 마스크층의 하면에 마련될 수 있고, 이 경우, 상기 제1전극은 반사금속 물질로 이루어질 수 있다.
또는, 상기 제2전극은 반사금속 물질로 이루어지고, 상기 제2반도체층의 표면 전체를 덮는 형태로 마련되고, 상기 제1전극은 투명전극 물질로 이루어지고, 상기 마스크층의 하면에 마련될 수 있다.
또한, 일 유형에 따르면, 수평 단면의 면적이 일정한 로드부와 수평 단면의 면적이 성장 방향에 따라 상기 로드부에 비해 급격히 감소하는 팁부를 구비하며 제1형으로 도핑된 반도체 나노코어를 수직 성장시키는 단계; 상기 반도체 나노코어의 표면에, 상기 로드부의 표면에 대응하는 측면과 상기 팁부의 표면에 대응하는 팁면을 구비하는 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층의 팁면에, 제2형으로 도핑되거나 언도핑된 제3반도체층을 형성하는 단계; 상기 활성층의 측면과 상기 제3반도체층의 표면을 덮으며, 제2형으로 도핑된 제2반도체층을 형성하는 단계;를 포함하는 발광소자 제조방법이 제공된다.
상기 제3반도체층을 형성하는 단계에서, 상기 제3반도체층의 도핑 농도는 상기 제2반도체층의 도핑 농도보다 낮게 형성할 수 있다.
상기 제3반도체층을 형성하는 단계에서, 상기 제3반도체층이 상기 팁면상에 수직 성장되도록 펄스 성장 공정을 사용할 수 있다.
상기 펄스 성장 공정은 Ga 유량 및 Mg 유량을 펄스 형태로 하여 주입하는 것을 특징으로 하며, 이 경우, Ga 펄스에 대응하는 타이밍에 상기 Ga 펄스 폭보다 짧은, 하나 이상의 Mg 펄스를 형성할 수 있다.
상술한 발광 소자 및 그 제조방법에 따르면, 발광 나노로드의 최상부에서일어나는 순방향 누설전류가 감소되어, 광효율이 높고 신뢰성이 개선된 발광 소자가 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자의 개략적인 구성을 보인다.
도 2는 도 1의 발광 나노로드의 상세한 구성을 보인 부분확대도이다.
도 3은 도 2의 구성과 비교예로서의 발광 나노로드의 구성을 보인다.
도 4는 도 1의 발광 나노로드에 적용된 제3반도체층의 형성을 위해 사용될수 있는 펄스 성장 공정에서, Ga 및 Mg 유량의 펄스 패턴을 예시적으로 보인다.
도 5는 다른 실시예에 따른 발광 소자의 개략적인 구성을 보인다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 개략적인 구성을 보인다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>
100, 200, 300... 발광소자 110...기판
120...제1반도체층 130...마스크층
140...발광 나노로드 141...반도체 나노코어
143...활성층 145...제3반도체층
147...제2반도체층 150...절연층
160...투명전극층 170, 174...제2전극
180, 184...제1전극 190...반사전극층
도 2는 도 1의 발광 나노로드의 상세한 구성을 보인 부분확대도이다.
도 3은 도 2의 구성과 비교예로서의 발광 나노로드의 구성을 보인다.
도 4는 도 1의 발광 나노로드에 적용된 제3반도체층의 형성을 위해 사용될수 있는 펄스 성장 공정에서, Ga 및 Mg 유량의 펄스 패턴을 예시적으로 보인다.
도 5는 다른 실시예에 따른 발광 소자의 개략적인 구성을 보인다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 개략적인 구성을 보인다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>
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147...제2반도체층 150...절연층
160...투명전극층 170, 174...제2전극
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이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자(100)의 개략적인 구성을 보이며, 도 2는 도 1의 발광 나노로드(140)의 상세한 구성을 보인 부분확대도이다.
도면들을 참조하면, 발광 소자(100)는 발광 나노로드(140)를 포함하며, 발광 나노로드(140)는 제1반도체층(120)으로부터 성장된 것으로 제1형으로 도핑된 반도체 나노코어(141)와 반도체 나노코어(141)를 껍질 형태로 둘러싸는 활성층(143), 제2형으로 도핑된 제2반도체층(147)을 포함하며, 또한, 발광 나노로드(140)의 팁 부분의, 활성층(143)과 제2반도체층(147) 사이에 마련된 제3반도체층(145)을 더 포함하는 구조이다.
보다 구체적인 구성을 전체적으로 살펴보면 다음과 같다.
기판(110)은 반도체 단결정 성장을 위한 성장 기판으로서, 실리콘(Si) 기판, 실리콘 카바이드(SiC) 기판, 사파이어(Sapphire) 기판 등이 사용될 수 있고, 이 외에도, 기판(110) 상에 형성될 제1반도체층(120)의 성장에 적합한 물질, 예를 들어, ZnO, GaAs, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2, GaN 으로 이루어진 기판이 사용될 수 있다.
기판(110) 상에 다수의 관통홀을 구비하는 마스크층(130)이 마련된다. 마스크층(130)은 절연물질로서, 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물을 포함하여 이루어질 수 있으며, 예를 들어, SiO2, TiO2, Si3N4, Al2O3, TiN, AlN, ZrO2, TiAlN, TiSiN 등으로 이루어질 수 있다. 마스크층(130)은 이러한 절연물질로 된 막을 제1반도체층(120) 위에 형성한 후, 리소그래피 공정에 의해 원하는 관통홀 패턴으로 식각하여 형성될 수 있다. 관통홀은 원형, 타원형, 다각형 등의 단면 형상을 가질 수 있다.
기판(110)과 마스크층(130) 사이에는 제1형으로 도핑된 제1반도체층(120)이 더 형성될 수 있다. 제1반도체층(120)은 제1형으로 도핑된 반도체층으로, Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, n형 불순물이 도핑된 AlxGayInzN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1)으로 된 반도체 물질로 형성될 수 있다. n형 불순물로 Si, Ge, Se, Te 등이 사용될 수 있다. 제1반도체층(120)은 혼성 기상 결정 성장(hydride vapor phase epitaxy;HVPE), 분자선 결정 성장(molecular beam epitaxy;MBE), 유기 금속 기상 결정 성장(metal organic vapor phase epitaxy;MOVPE), 금속 유기 화학 증착법(metal organic chemical vapor deposition;MOCVD)등의 방법으로 형성될 수 있다.
기판(110)과 제1반도체층(120) 사이에는 도시되지는 않았으나, 필요에 따라, 에피텍시 성장에 필요한 버퍼층이 더 형성될 수 있으며, 제1반도체층(120)이 복수층 구성을 가질 수도 있다. 제1반도체층(120)은 경우에 따라 생략될 수도 있다.
반도체 나노코어(141)는 제1반도체층(120)과 동일한 제1형으로 도핑된 반도체 물질로 이루어지며, 예를 들어, n-AlxGayInzN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1)으로 이루어질 수 있다. 반도체 나노코어(141)는 마스크층(130)에 형성된 관통홀을 통해 제1반도체층(120)으로부터 수직 성장된 형태를 가지며, 관통홀의 단면 형상을 따라 원형, 타원형, 다각형 등의 단면 형상을 갖게 된다. 반도체 나노코어(141)의 단면적은 일반적으로 관통홀의 단면적보다 다소 크게 형성될 수 있다. 또한, 반도체 나노코어(141)는 도시된 바와 같이, 상단부의 형상이, 성장 방향에 수직인 단면적이 성장 방향에 따라 작아지는 형상으로 될 수 있다. 즉, 로드부(R)와 수평 단면의 면적이 성장 방향에 따라 점차 감소하는 팁부(T)를 구비하는 형태가 될 수 있다. 로드부(R)의 수평 단면은 대체로 일정, 즉, 성장 방향에 따라 거의 변하지 않는 형상이며, 팁부(T)는 수평 단면의 면적이 성장 방향에 따라 로드부(R)에 비해 급격히 감소하는 형태이다. 다만, 팁부(T)의 구체적인 형상은 도시된 형상에 한정되지 않는다.
활성층(143)은 전자-정공 재결합에 의해 빛을 발광하는 층으로, AlxGayInzN에서 x, y, z 값을 주기적으로 변화시켜 띠 간격을 조절하여 만든 단일양자우물 (single quantum well) 또는 다중양자우물(multi quantum well) 구조로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 양자우물층과 장벽층이 InGaN/GaN, InGaN/InGaN, InGaN/AlGaN 또는 InGaN/InAlGaN의 형태로 쌍을 이루어 양자우물구조를 형성할 수 있으며, InGaN층에서의 In 몰분율에 따라 밴드갭 에너지가 제어되어 발광파장대역이 조절될 수 있다. 통상적으로, In의 몰분율이 1% 변화할 때 발광 파장은 약 5nm 정도 시프트된다. 활성층(143)은 반도체 나노코어(141)로부터 방사형으로 성장되어 반도체 나노코어(141)의 표면을 둘러싸는 형태가 되며, 반도체 나노코어(141)의 수평 단면의 크기가 일정한 로드부(R)의 표면에 대응하는 측면(143c)과 수평 단면이 성장 방향에 따라 작아지는 팁부(T)의 표면에 대응하는 팁면(143a, 143b)들을 구비하게 된다. 팁면(143a, 143b)은, 활성층(143)의 최상부에 위치하며 측면(143c)과 수직인 탑면(143a)과, 탑면(143a)과 측면(143c)을 연결하는 복수의 사면(143b)을 포함하여 이루어지게 된다.
활성층(143)의 탑면(143a), 사면(143b)들 상에는 제3반도체층(145)이 더 형성되어 있다. 제3반도체층(147)은 AlxGayInzN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1)으로 이루어질 수 있으며, 제2반도체층(147)과 동일하게 제2형, 예를 들어, p형으로 도핑될 수 있다. p형 불순물로는 Mg, Zn, Be 등이 사용될 수 있다. 도핑 농도는 제2반도체층(147)보다 낮은 도핑 농도를 갖는다. 제3반도체층(145)은, 또는, 언도프된 형태일 수 있다. 이러한 형태의 제3반도체층(145)은 활성층(143)에서의 전자, 정공 결합에 기여하지 않고 누설되는 전류를 줄이기 위해 마련되는 것이다. 제3반도체층(145)의 역할에 대해서는 도 2와 비교하기 위한 비교예의 도 3을 참조하여, 후술하기로 한다.
제2반도체층(147)은 활성층(143)의 측면(143c)과 제3반도체층(145)의 표면을 덮는 형태로 마련된다. 제2반도체층(147)은 p-AlxGayInzN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1)으로 이루어질 수 있으며, p형 불순물로는 Mg, Zn, Be 등이 사용될 수 있다.
제2반도체층(147)과 활성층(143) 사이에는 도시되지는 않았으나, 필요에 따라, 전자차단층(electron blocking layer)이 더 마련될 수 있다.
제1전극(180) 및 제2전극(170)은 각각 제1반도체층(120) 및 제2반도체층(147)과 전기적으로 연결되어, 활성층(143)에 전자, 정공 주입을 위한 전압이 인가되도록 마련된다. 제1전극(180)은 제1반도체층(120) 상에 형성될 수 있다. 또한, 제2전극(170)은, 다수의 발광 나노로드(140)를 덮는 형태로 마련된 투명전극층(160) 상에 마련될 수 있다. 투명전극층(160)은 발광 나노로드(140)에 전류를 공급하는 경로가 되고, 또한, 발광 나노로드(140)에서 발광된 광을 투과시킬 수 있도록 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide;TCO)로 형성될 수 있다. 예를 들어 ITO(Indium tin Oxide), AZO(Aluminium Zinc Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 등으로 형성될 수 있다.
마스크층(130)과 투명전극층(160) 사이에는 절연층(150)이 마련될 수 있다. 삽입되는 절연층(150)의 두께는 효율적인 전류 경로를 위해 적절히 정해질 수 있으며, 경우에 따라 절연층(150)이 생략될 수도 있다.
기판(110)의 하면에는 반사전극층(190)이 더 마련될 수 있다. 반사전극층(190)은 발광 나노로드(140)에서 발광된 광을 위쪽으로 반사시키기 위한 것이다. 발광 나노로드(140)의 활성층(143)에서 생성되는 광은 자발 방출(spontaneous emission)이기 때문에 특별한 방향성이 없어서 모든 방향을 향하는데, 이 중, 아래쪽을 향하는 광을 위쪽으로 반사시켜 발광 방향을 앞쪽(front)으로 형성하기 위한 것이다. 반사전극층(190)은 반사성이 좋은 반사 금속, 예를 들어, 은(Ag), 알루미늄(Al), 또는 은이나 알루미늄을 포함하는 합금 등을 포함하여 이루어질 수 있다.
도 3은 도 2의 구성과 비교예로서의 발광 나노로드(140)의 구성을 보인다. 도 3을 도 2와 함께 참조하여, 제3반도체층(145)의 역할을 설명하기로 한다.
도 3의 예시한 비교예의 발광 나노로드(100')를 살펴보면, 반도체 나노코어(141), 활성층(143), 제2반도체층(147)을 포함하며, 본 발명의 실시예와 달리, 활성층(143)의 팁면(143a, 143b)과 제2반도체층(147) 사이에 제3반도체층이 형성되어 있지 않다. 그런데, 활성층(143)의 탑면(143a) 상에는 제2반도체층(147)이 매우 얇게 형성되어 있다. 이와 같은 현상은 n형 GaN이나 n형 InGaN, 또는 언도프된 GaN이나 InGaN과 p형 GaN의 성장 거동이 다름에 기인한다. n형 GaN이나 InGaN 또는 언도프된 GaN이나 InGaN은 탑면(143a)인 (0001) 면에서의 성장율이 측면(143c)인 (1 1 0 0)면이나 (1 -1 0 1)면 또는 (1 1 -2 2) 면인 사면(143c)에서의 성장율 보다 크게 나타나는 반면에, p형 GaN은 이와 반대로 (0 0 0 1)면에서의 성장율이 다른 면에서의 성장율 보다 낮게 나타난다. 따라서, (0 0 0 1)면인 탑면(143a)에는 도 3에서 예시한 비교예와 같은 구조로 성장되게 되고, 발광 나노로드(140)의 최상단에서 제2반도체층(147)의 두께는 PN 접합(junction)을 형성하기 어려울 정도로 얇게 될 가능성이 높아진다. 더욱이, p형 GaN은 제n형 GaN에 비해 저항이 큰 편이므로, p형 GaN의 두께가 얇은 쪽으로 전류가 집중되게 된다. 즉, 전류 경로는 많은 부분이 A방향을 향하게 되고 이에 따라 순방향누설전류가 증가하고 광출력이 감소하게 되는 원인으로 작용하게 된다.
한편, 본 발명의 실시예와 같이, 활성층(143)의 팁면(143a, 143b)과 제2반도체층(147) 사이에 제2반도체층(147)과 같은 타입을 가지며 낮은 도핑농도를 가지거나 또는 언도프된 제3반도체층(145)을 형성하는 경우, 저항이 큰 제3반도체층(145)으로 인해 전류 경로를 A 방향보다 B 방향으로 유도할 수 있어 누설전류가 감소된다.
도 4는 도 1의 발광 나노로드(100)에 적용된 제3반도체층(145)의 형성을 위해 사용될수 있는 펄스 성장 공정에서, Ga 및 Mg 유량의 펄스 패턴을 예시적으로 보인다. 실시예의 제3반도체층(145)을 형성하는 공정은 활성층(143)의 표면 중 사면(143b)과 탑면(143a)에서만 제3반도체층(145)이 성장되게 하는 것으로, 일반적인 p-GaN 성장공정과는 차이가 있다. 기본적으로 수직 성장을 해야 하므로, 반도체 나노코어(141)의 성장시와 같은 펄스 성장 공정 기술을 사용하지만, p형 불순물인 Mg 유량은 연속적인 형태가 아니라, 펄스 또는 모듈레이션(modulation)을 적용하여 조절된다. 발명자는 Ga 펄스 사이클에서 연속적으로 Mg 유량을 적용하는 경우 수평 성장이 강하게 나타나는 것을 관찰하고 있으며, 수직 성장을 위해 펄스 또는 모듈레이션(modulation)을 적용하여 Mg 유량 조건을 정하고 있다. 도시된 바와 같이, N이 연속 유량으로 주입되는 동안, Ga 유량이 폭 W1과 주기 T1의 펄스로 주입된다. N 공급원은 NH3가 될 수 있고, Ga 공급원은 TMGa가 될 수 있다. Mg는 Ga 유량의 펄스폭에 대응하는 타이밍에서 이보다 짧은 폭 W2과 주기 T2를 가지는 2이상의 펄스를 갖는 형태로 주입된다. 이러한 펄스 조건은, Mg 원자로 인해 Ga 원자가 (0 0 0 1)면인 탑면(143a)에 흡착되지 못하고 (1 1 0 0)면인 측면(143c)으로 이동하는 메커니즘이 일어나지 않게 하는 목적으로 적용된 것으로, 한번에 유입되는 Mg 원자의 양을 적정한 선에서 제한하여 Ga 원자가 탑면(143c)면에 흡착되도록 유도한다. Mg 유량의 펄스폭 W2와 주기 T2는 이러한 효과를 고려하여 적절히 조절될 수 있다.
도 5는 다른 실시예에 따른 발광 소자(200)의 개략적인 구성을 보인다. 본 실시예는 제2전극(182)의 위치에서 도 1의 발광 소자(100)와 차이가 있다. 반도체 성장기판으로 사용된 기판(도 1의 110)을 떼어내고, 제1반도체층(120)의 하면에 제2전극(182)을 형성하고 있다. 기판(도 1의 110)이 전도성이 있는 기판인 경우, 기판(도 1의 110)의 하면에 제2전극(182)을 형성하는 것도 가능하다. 제2전극(182)은 또한, 발광 나노로드(140)에서 생성되어 하부를 향한 광을 다시 전면으로 반사시킬 수 있도록 반사금속 물질로 형성될 수 있다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 발광 소자(300)의 개략적인 구성을 보인다. 본 실시예는 발광 방향이 배면이 되도록 구성한 점에서 도 1의 발광 소자(100), 도 5의 발광 소자(200)와 차이가 있다. 제1전극(174)은 반사금속 물질로 형성되어 발광 나노로드(140)의 표면을 둘러싸는 형태로 마련된다. 제2전극(184)은 투명전극 물질로 이루어지고, 제1반도체층(120)의 하면에 마련된다. 이에 따라, 발광 나노로드(140)에서 생성된 광은 발광 나노로드(140)의 표면에서 반사되고 모두 배면쪽을 향하게 된다.
이상 설명에서, 활성층(143)의 팁면(143a, 143b)에 도핑농도가 낮거나 도핑되지 않은 제3반도체층(145)가 구비된 발광 나노로드(140)를 이용한 다양한 구조의 발광소자가 설명되었다. 설명에서의 구체적인 사항은 모두 예시적인 것이며, 예를 들어, 전극 구조, 절연층 구조, 팁부의 구체적인 형상등은 다양하게 변형될 수 있다. 또한, 제1형은 n형, 제2형은 p형을 예시하여 설명하였으나 이는 서로 바뀔 수 있다. 또한, 제3반도체층(145)을 이루는 구체적인 반도체 물질에 따라, 제조방법에서 설명한 공급원 가스는 변경, 추가될 수 있으며, n형, p형 여부에 따라 불순물의 종류도 알맞게 변형될 수 있다.
이러한 본원 발명인 발광 소자 및 그 제조방법은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
Claims (18)
- 관통홀을 구비하는 마스크층;
상기 관통홀을 통해 상기 마스크층 위로 성장된 것으로, 로드부와, 수평 단면의 면적이 성장 방향에 따라 상기 로드부에 비해 급격히 감소하는 팁부를 구비하며, 제1형으로 도핑된 반도체 나노코어;
상기 반도체 나노코어의 표면을 둘러싸는 것으로, 상기 로드부의 표면에 대응하는 측면과 상기 팁부의 표면에 대응하는 팁면을 구비하는 활성층;
상기 활성층의 팁면으로부터 성장한 것으로, 제2형으로 도핑되거나 언도핑된 제3반도체층;
상기 활성층의 측면과 상기 제3반도체층의 표면을 덮는 것으로, 제2형으로 도핑된 제2반도체층;
상기 반도체 나노코어 및 제2반도체층에 각각 전기적으로 연결된 제1전극 및 제2전극;을 포함하는 발광 소자. - 제1항에 있어서,
상기 제3반도체층의 도핑농도는 상기 제2반도체층의 도핑 농도보다 낮은 것을 특징으로 하는 발광 소자. - 제1항에 있어서,
상기 팁면은,
상기 측면에 수직이고 상기 활성층의 최상부에 위치한 탑면과, 상기 탑면과 측면을 연결하는 하나 이상의 사면을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 소자. - 제1항에 있어서,
상기 마스크층은 SiO2, TiO2, Si3N4, Al2O3, TiN, AlN, ZrO2, TiAlN, TiSiN 중 어느 하나 이상을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 발광 소자. - 제1항에 있어서,
상기 반도체 나노코어의 수평 단면 형상은 원형, 타원형 또는 다각형 형상인 것을 특징으로 하는 발광 소자. - 제1항에 있어서,
상기 활성층과 제2반도체층 사이에 전자차단층이 더 마련된 것을 특징으로 하는 발광 소자. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2반도체층을 덮는 투명전극층을 더 포함하며,
상기 투명전극층 상에 상기 제2전극이 마련된 것을 특징으로 하는 발광 소자. - 제7항에 있어서,
상기 투명전극층과 상기 마스크층 사이에 절연층이 더 구비된 것을 특징으로 하는 발광 소자. - 제7항에 있어서,
상기 마스크층의 하면에 제1형으로 도핑된 제1반도체층이 더 마련되고,
상기 제1전극은 상기 제1반도체층의 상면 일영역에 마련된 것을 특징으로 하는 발광 소자. - 제9항에 있어서,
상기 제1반도체층의 하부에는 반사금속층이 마련된 것을 특징으로 하는 발광 소자. - 제7항에 있어서,
상기 제1전극은 상기 마스크층의 하면에 마련된 것을 특징으로 하는 발광 소자. - 제11항에 있어서,
상기 제1전극은 반사금속 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광 소자. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2전극은 반사금속 물질로 이루어지고, 상기 제2반도체층의 표면 전체를 덮는 형태로 마련되고,
상기 제1전극은 투명전극 물질로 이루어지고, 상기 마스크층의 하면에 마련되는 것을 특징으로 하는 발광소자. - 수평 단면의 면적이 일정한 로드부와 수평 단면의 면적이 점차 감소하는 팁부를 구비하며 제1형으로 도핑된 반도체 나노코어를 성장시키는 단계;
상기 반도체 나노코어의 표면에, 상기 로드부의 표면에 대응하는 측면과 상기 팁부의 표면에 대응하는 팁면을 구비하는 활성층을 형성하는 단계;
상기 활성층의 팁면에, 제2형으로 도핑되거나 언도핑된 제3반도체층을 형성하는 단계;
상기 활성층의 측면과 상기 제3반도체층의 표면을 덮으며, 제2형으로 도핑된 제2반도체층을 형성하는 단계;를 포함하는 발광소자 제조방법. - 제14항에 있어서,
상기 제3반도체층을 형성하는 단계에서,
상기 제3반도체층의 도핑 농도는 상기 제2반도체층의 도핑 농도보다 낮게 형성하는 것을 특징으로 하는 발광소자 제조방법. - 제14항에 있어서,
상기 제3반도체층을 형성하는 단계에서,
상기 제3반도체층이 상기 팁면상에 수직 성장되도록 펄스 성장 공정을 사용하는 것을 특징으로 하는 발광소자 제조방법. - 제16항에 있어서,
상기 펄스 성장 공정은
Ga 유량 및 Mg 유량을 펄스 형태로 하여 주입하는 것을 특징으로 하는 발광소자 제조방법. - 제17항에 있어서,
Ga 펄스에 대응하는 타이밍에 상기 Ga 펄스 폭보다 짧은, 하나 이상의 Mg 펄스를 형성하는 것을 특징으로 하는 발광소자 제조방법.
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