KR20120059060A - 나노파티클을 구비한 적층구조 및 이를 포함하는 발광소자 - Google Patents
나노파티클을 구비한 적층구조 및 이를 포함하는 발광소자 Download PDFInfo
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Abstract
나노파티클을 구비한 적층구조 및 이를 포함하는 발광소자에 관해 개시되어 있다. 개시된 발광소자는 제1 도전형 반도체, 상기 제1 도전형 반도체 상에 구비된 활성층, 상기 활성층 상에 구비된 제2 도전형 반도체 및 상기 제2 도전형 반도체 상에 구비된 나노파티클층(nanoparticle layer)을 포함할 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체와 상기 나노파티클층 사이에 제1 그래핀층(graphene layer)이 구비될 수 있다. 상기 나노파티클층 상에 제2 그래핀층이 더 구비될 수 있다. 상기 나노파티클층과 상기 제1 및 제2 그래핀층은 투명할 수 있다.
Description
본 개시는 적층구조물 및 발광소자, 보다 상세하게는 나노파티클을 구비한 적층구조물 및 이를 포함하는 반도체 발광소자에 관한 것이다.
LED(light emitting diode) 또는 LD(laser diode)와 같은 반도체 발광소자는 전기발광(electroluminescence) 현상, 즉, 전류 또는 전압의 인가에 의해 물질(반도체)에서 빛이 방출되는 현상을 이용한다. 상기 반도체 발광소자의 활성층(즉, 발광층)에서 전자와 정공이 결합하면서 상기 활성층의 에너지 밴드갭(band gap)에 해당하는 만큼의 에너지가 빛의 형태로 방출될 수 있다. 따라서 상기 활성층의 에너지 밴드갭(band gap)의 크기에 따라 상기 발광소자에서 발생되는 빛의 파장이 달라질 수 있다.
반도체 발광소자의 성능을 평가하는 지표로는 발광효율, 광추출효율, 색균일도, 수명, 제조의 용이성 등이 있다. 이 중에서 발광효율은 전기적 입력 파워에 대한 발광되는 빛의 세기의 비를 의미한다. 광추출효율은 재료의 투명도 등과 관련된다. 최근, 반도체 발광소자가 차세대 광원으로 주목받으면서, 이에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있고, 성능 개선에 대한 요구가 증가하고 있다.
발광효율 및 광추출효율이 높은 발광소자를 제공한다.
플라즈몬(plasmon) 효과를 얻을 수 있는 발광소자를 제공한다.
상기 발광소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 한 측면(aspect)에 따르면, 제1 도전형 반도체; 상기 제1 도전형 반도체 상에 구비된 활성층; 상기 활성층 상에 구비된 제2 도전형 반도체; 및 상기 제2 도전형 반도체 상에 구비된 나노파티클층(nanoparticle layer);을 포함하는 발광소자가 제공된다.
상기 제2 도전형 반도체와 상기 나노파티클층 사이에 그래핀층(graphene layer)이 더 구비될 수 있다.
상기 나노파티클층 상에 그래핀층이 더 구비될 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체와 상기 나노파티클층 사이에 제1 그래핀층; 및 상기 나노파티클층 상에 제2 그래핀층;이 더 구비될 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체 내에 복수의 나노파티클이 더 구비될 수 있다.
상기 나노파티클층은 금속으로 형성될 수 있다.
상기 나노파티클층은 투명할 수 있다.
상기 나노파티클층은 20nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체, 상기 활성층 및 상기 제2 도전형 반도체는 수평막 구조를 가질 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체는 복수의 수직형 나노구조체를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 활성층은 상기 수직형 나노구조체를 감싸는 구조를 가질 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체에 전기적으로 연결된 전극이 더 구비될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 복수의 나노파티클을 포함하는 나노파티클층; 및 상기 나노파티클층의 하면 및 상면 중 적어도 하나에 구비된 그래핀층;을 포함하는 하이브리드 전극구조체가 제공된다.
상기 하이브리드 전극구조체는 투명할 수 있다.
상기 나노파티클은 금속으로 형성될 수 있다.
상기 나노파티클은 20nm 이하의 직경을 가질 수 있다.
플라즈몬(plasmon) 효과를 통해 우수한 발광효율을 얻을 수 있는 발광소자를 구현할 수 있다. 광추출효율이 우수한 발광소자를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자를 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광소자를 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광소자를 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광소자를 보여주는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광소자를 보여주는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광소자를 보여주는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광소자를 보여주는 단면도이다.
도 8의 (A) 내지 (D)는 본 발명의 실시예에 따른 발광소자에 사용되는 그래핀층의 다양한 구조를 보여주는 평면도이다.
도 9a 내지 도 9e는 본 발명의 실시예에 따른 발광소자의 제조방법을 보여주는 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
100 : 기판 200a : 반도체층
200b : 제1 도전형 반도체 250 : 절연층
300 : 활성층 400 : 제2 도전형 반도체
500 : 전극 G1, G2 : 그래핀층
N1 : 나노파티클층 n1, n2 : 나노파티클
H1 : 홀(hole) h1 : 나노 홀(hole)
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광소자를 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광소자를 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광소자를 보여주는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광소자를 보여주는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광소자를 보여주는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광소자를 보여주는 단면도이다.
도 8의 (A) 내지 (D)는 본 발명의 실시예에 따른 발광소자에 사용되는 그래핀층의 다양한 구조를 보여주는 평면도이다.
도 9a 내지 도 9e는 본 발명의 실시예에 따른 발광소자의 제조방법을 보여주는 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
100 : 기판 200a : 반도체층
200b : 제1 도전형 반도체 250 : 절연층
300 : 활성층 400 : 제2 도전형 반도체
500 : 전극 G1, G2 : 그래핀층
N1 : 나노파티클층 n1, n2 : 나노파티클
H1 : 홀(hole) h1 : 나노 홀(hole)
이하, 본 발명의 실시예에 따른 나노파티클을 구비하는 적층구조, 이를 포함하는 발광소자 및 그 제조방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 다소 과장되게 도시된 것이다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광소자를 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기판(100) 상에 제1 도전형 반도체층(이하, 제1 반도체층)(200a)이 구비될 수 있다. 기판(100)은 일반적인 반도체소자 공정에서 사용되는 다양한 기판 중 어느 하나일 수 있다. 예컨대, 기판(100)은 사파이어(Al2O3) 기판, Si 기판, SiC 기판, 비정질 AlN 기판 및 Si-Al 기판 중 어느 하나일 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것이고, 이외에 다른 기판을 사용할 수도 있다. 제1 반도체층(200a)은, 예컨대, n형 반도체층일 수 있지만, 경우에 따라서는 p형 반도체층일 수도 있다. 제1 반도체층(200a)은 단층 또는 다층 구조를 가질 수 있다. 제1 반도체층(200a) 상에 절연층(250)이 구비될 수 있다. 절연층(250)에 제1 반도체층(200a)을 노출시키는 복수의 홀(hole)(H1)이 형성될 수 있다.
복수의 홀(H1)에 의해 노출된 제1 반도체층(200a) 상에 제1 도전형 반도체(200b)가 구비될 수 있다. 제1 도전형 반도체(200b)는 수직형 나노구조체, 예컨대, 나노와이어(nanowire) 구조를 가질 수 있다. 제1 도전형 반도체(200b)를 감싸는 활성층(300)이 구비될 수 있다. 제1 도전형 반도체(200b)는 코어부라 할 수 있고, 활성층(300)은 껍질부라 할 수 있다. 따라서, 제1 도전형 반도체(200b)와 활성층(300)은 코어-쉘(core-shell) 구조를 구성한다고 할 수 있다. 활성층(300)은 제1 도전형 반도체들(200b) 사이의 절연층(250) 상에도 구비될 수 있다. 즉, 활성층(300)은 절연층(250)의 상면을 전체적으로 덮도록 형성될 수 있다. 절연층(250) 상에 활성층(300)을 덮는 제2 도전형 반도체(400)가 구비될 수 있다. 제2 도전형 반도체(400)는 제1 도전형 반도체(200b)들 사이의 공간을 메우도록 구비될 수 있다.
제1 도전형 반도체(200b)는 n형이고, 제2 도전형 반도체(400)는 p형이거나, 그 반대일 수 있다. 활성층(300)은 전자와 정공이 결합하면서 빛을 방출하는 발광층일 수 있다. 제1 도전형 반도체(200b), 활성층(300) 및 제2 도전형 반도체(400)는 다양한 변형 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 제1 도전형 반도체(200b), 활성층(300) 및 제2 도전형 반도체(400) 중 적어도 하나는 다층 구조를 가질 수 있다. 활성층(300)은 양자우물층과 장벽층이 1회 이상 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다. 이때, 상기 양자우물층은 단일양자우물(single quantum well) 구조 또는 다중양자우물(multi-quantum well) 구조를 가질 수 있다. 또한 도시하지는 않았지만, 제1 반도체층(200a), 제1 도전형 반도체(200b), 활성층(300) 및 제2 도전형 반도체(400)로 구성된 적층구조는 초격자구조층(superlattice structure layer)을 더 포함할 수도 있다. 그 밖에도 다양한 변형 구조가 가능할 수 있다.
제2 도전형 반도체(400) 상에 그래핀층(graphene layer)(G1)이 구비될 수 있다. 그래핀층(G1) 상에 복수의 나노파티클(n1)을 포함하는 나노파티클층(N1)이 구비될 수 있다.
그래핀층(G1)은 하나 또는 복수의 그래핀(graphene)을 포함할 수 있다. 그래핀은 탄소 원자들로 이루어진 육방정계(hexagonal) 단층 구조물로서, 구조적/화학적으로 안정하고, 전기적/광학적으로 우수한 특성을 나타낼 수 있다. 특히, 그래핀은 이차원 탄도 이동(2-dimensional ballistic transport) 특성을 나타낼 수 있다. 전하가 물질 내에서 이차원 탄도 이동한다는 것은 산란(scattering)에 의한 저항이 거의 없는 상태로 이동한다는 것을 의미한다. 따라서 그래핀 내에서 전하의 이동도(mobility)는 매우 높고, 그래핀은 낮은 비저항을 가질 수 있다. 아울러, 그래핀은 우수한 투광성을 갖는다. 복수의 그래핀이 적층되는 경우, 적층 수가 늘어날수록 비저항이 다소 커질 수 있고, 광 투과율은 감소할 수 있지만, 약 10층 이내의 그래핀이 적층된 경우, 하나의 그래핀과 유사한 수준의 비저항 및 광 투과율을 가질 수 있다.
나노파티클층(N1)의 나노파티클(n1)은 금속으로 형성된 금속 나노닷(metal nanodot)일 수 있다. 예컨대, 나노파티클(n1)은 Au, Ag, Al, Fe, Mn 등으로 구성된 다양한 금속 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 나노파티클(n1)의 사이즈가 작은 경우, 나노파티클(n1)은 투명한 특성을 가질 수 있다. 예컨대, 나노파티클(n1)의 직경이 약 20nm 이하일 때, 나노파티클(n1)은 투명할 수 있다. 이 경우, 나노파티클(n1)로 구성된 나노파티클층(N1)도 투명할 수 있다.
이와 같이, 제2 도전형 반도체(400) 상에 그래핀층(G1)과 나노파티클층(N1)을 포함하는 적층구조를 적용하면, 이로 인해 플라즈몬(plasmon) 효과가 나타날 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 제2 도전형 반도체(400)와 그래핀층(G1) 사이, 그리고, 그래핀층(G1)과 나노파티클층(N1) 사이에서 플라즈몬 효과가 나타날 수 있다. 나노파티클(n1)은 사이즈가 작기 때문에, 나노파티클(n1) 전체에서 플라즈몬 효과가 나타날 수 있습니다. 플라즈몬은 금속(또는 반도체)의 표면/계면에서 전자와 빛의 진동이 연동되는 일종의 공명 현상으로, 이러한 현상에 의해 활성층(300)에서 생성된 포톤(photon)의 에너지가 증폭되어, 결과적으로, 발광효율이 향상될 수 있다.
그래핀층(G1)과 나노파티클층(N1)을 포함하는 적층구조는 전술한 플라즈몬 효과를 유발하여 발광효율을 높이는 역할을 하면서, 동시에 일종의 전극(투명전극)의 역할을 할 수 있다. 따라서 그래핀층(G1)과 나노파티클층(N1)을 포함하는 적층구조를 하이브리드(hybrid) 타입의 투명전극이라 할 수 있다. 그래핀층(G1)과 나노파티클층(N1)은 높은 광 투과율을 가질 수 있기 때문에, 그래핀층(G1)과 나노파티클층(N1)을 포함하는 적층구조를 전극으로 사용하는 경우, 다른 투명전극을 사용하는 경우보다 광추출효율을 높일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 발광효율 및 광추출효율이 높은 발광소자를 구현할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광소자를 보여주는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 제2 도전형 반도체(400) 상에 나노파티클층(N1)이 구비되고, 그 위에 그래핀층(G1)이 구비될 수 있다. 이러한 도 2의 구조는 도 1에서 그래핀층(G1)과 나노파티클층(N1)의 위치를 뒤바꾼 구조라 할 수 있다. 이 경우에도, 제2 도전형 반도체(400)과 나노파티클층(N1) 사이 및 나노파티클층(N1)과 그래핀층(G1) 사이에서 플라즈몬 효과가 나타날 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광소자를 보여주는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 제2 도전형 반도체(400) 상에 제1 그래핀층(G1), 나노파티클층(N1) 및 제2 그래핀층(G2)이 순차로 적층될 수 있다. 이러한 도 3의 구조는 도 1의 나노파티클층(N1) 상에 제2 그래핀층(G2)이 부가된 구조라 할 수 있다. 이 경우, 나노파티클층(N1)과 제2 그래핀층(G2) 사이에서 플라즈몬 효과가 추가적으로 나타날 수 있으므로, 발광효율이 더욱 향상될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 1 내지 도 3의 구조에서 제2 도전형 반도체(400) 내에 복수의 나노파티클을 구비시킬 수 있다. 그 일례가 도 4에 도시되어 있다.
도 4는 도 1의 구조에서 제2 도전형 반도체(400) 내에 복수의 나노파티클(n2)을 구비시킨 구조이다. 도 4에 대한 설명에서는, 나노파티클층(N1)의 나노파티클(n1)을 제1 나노파티클(n1)이라 하고, 제2 도전형 반도체(400) 내에 구비된 나노파티클(n2)을 제2 나노파티클(n2)이라 한다. 제2 나노파티클(n2)에 의해서도 플라즈몬 효과가 나타날 수 있다. 즉, 제2 나노파티클(n2)과 제2 도전형 반도체(400)의 계면에서 플라즈몬 효과가 나타나 발광효율이 더욱 향상될 수 있다. 또한, 제2 나노파티클(n2)을 포함하는 제2 도전형 반도체(400)를 형성할 때, 제2 나노파티클(n2)은 제2 도전형 반도체(400)의 결함 사이트(defect site)에 위치할 가능성이 높기 때문에, 제2 나노파티클(n2)은 제2 도전형 반도체(400)의 결함 발생을 억제하는 역할을 할 수 있다. 이러한 점에서도 제2 나노파티클(n2)은 발광소자의 특성 향상에 기여할 수 있다. 제2 나노파티클(n2)은 제1 나노파티클(n1)과 유사하게 금속으로 형성될 수 있지만, 반도체로 형성될 수도 있다. 제2 나노파티클(n2)이 반도체로 형성된 경우, 제2 나노파티클(n2)은 일종의 양자점(quantum dot)이라 할 수 있다.
도 4는 도 1의 제2 도전형 반도체(400)에 복수의 제2 나노파티클(n2)을 적용한 경우를 보여주는 것이지만, 도 2 및 도 3의 제2 도전형 반도체(400)에도 제2 나노파티클(n2)을 적용할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 발광소자는 제1 도전형 반도체(200b)에 전기적으로 연결된 전극을 더 포함할 수 있다. 그 예들이 도 5 및 도 6에 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 기판(100) 상에 구비된 제1 반도체층(200a)의 일부가 노출될 수 있고, 제1 반도체층(200a)의 노출된 부분에 전극(500)이 구비될 수 있다. 전극(500)은 제1 반도체층(200a)를 통해 제1 도전형 반도체(200b)에 연결된 것으로 볼 수 있다.
도 5의 경우, 전극(500)은 기판(100)의 위쪽에 구비되지만, 전극(500)을 기판(100) 하면에 구비시킬 수도 있다. 그 예가 도 6에 도시되어 있다. 도 6에서 기판(100)은 반도체 기판일 수 있다. 이 경우, 전극(500)은 기판(100)과 제1 반도체층(200a)을 통해 제1 도전형 반도체(200b)에 연결된 것으로 볼 수 있다.
도 6에 도시하지는 않았지만, 기판(100) 내에 도전형 플러그를 형성하고, 상기 도전성 플러그를 이용해서 전극(500)과 제1 반도체층(200a)을 연결할 수도 있다. 이때, 기판(100)은 절연성 기판일 수 있다.
도 5 및 도 6에서 전극(500)은 그래핀으로 형성될 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 그래핀은 우수한 전하 이동도 및 광 투과성을 갖기 때문에, 전극(500)의 물질로 그래핀을 적용하면, 다른 투명전극을 사용하는 경우보다, 캐리어 주입효율 및 광추출효율 등을 개선할 수 있다. 그러나 전극(500)의 물질을 그래핀으로 한정하는 것은 아니다. 즉, 그래핀을 제외한 다른 도전 물질을 전극(500) 물질로 적용할 수도 있다.
전술한 발광소자에서 제1 반도체층(200a)과 절연층(250)을 형성하지 않고, 기판(100) 상에 제1 도전형 반도체(200b)를 직접 구비시킬 수도 있다. 예컨대, VLS(vapor-liquid-solid) 방법으로 제1 도전형 반도체(200b)를 기판(100) 상에 직접 성장시킬 수 있다. 또한, 제1 도전형 반도체(200b)의 구조는 나노와이어에 한정되지 않고 변형될 수 있다. 예컨대, 제1 도전형 반도체(200b) 형성시, 공정 조건을 조절하면, 제1 도전형 반도체(200b)의 측면이 경사지도록 만들 수 있다. 이 경우, 제1 도전형 반도체(200b)는 나노와이어(나노기둥) 형상이 아닌 나노피라미드(nanopyramid) 형상을 가질 수 있다. 그 밖에도 다양한 변형예가 가능하다.
이상에서는, 제1 도전형 반도체(200b)가 수직형 나노구조체인 경우에 대해서만 도시하고 설명하였지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1 도전형 반도체(200b)는 수평막 구조를 가질 수 있다. 그 일례가 도 7에 도시되어 있다.
도 7을 참조하면, 기판(100') 상에 제1 도전형 반도체(200'), 활성층(300') 및 제2 도전형 반도체(400')가 순차로 구비될 수 있다. 이때, 제1 도전형 반도체(200'), 활성층(300') 및 제2 도전형 반도체(400')는 수평 구조를 가질 수 있다. 제2 도전형 반도체(400') 상에 그래핀층(G1)과 나노파티클층(N1)이 순차로 구비될 수 있다. 그래핀층(G1)과 나노파티클층(N1)을 포함하는 적층구조(하이브리드 투명전극)는 도 2 및 도 3과 같이 다양하게 변형될 수 있다. 또한, 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한 전극(500)을 도 7의 구조에도 유사하게 적용할 수 있다.
이하에서는, 도 8을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 발광소자에 사용될 수 있는 다양한 그래핀층(G11, G12, G13, G14)의 구조를 설명하도록 한다. 도 8의 (A) 내지 (D)는 평면도이다. 즉, 도 8의 (A) 내지 (D)는 도 1 내지 도 7의 그래핀층(G1, G2)이 가질 수 있는 다양한 평면 구조를 보여준다.
도 8의 (A)를 참조하면, 그래핀층(G11)은 시트(sheet) 타입일 수 있다. 그래핀층(G11)은 하나 또는 복수의 그래핀을 포함할 수 있다.
도 8의 (B)를 참조하면, 그래핀층(G12)은 줄무늬 패턴(stripe pattern)을 갖도록 패터닝된 구조를 가질 수 있다. 그래핀층(G12)의 패턴은 나노 사이즈를 가질 수 있고, 이들 사이의 간격도 나노 스케일일 수 있다. 이러한 그래핀층(G12)은 이른바 그래핀 나노리본(nanoribbon)이라 할 수 있다.
도 8의 (C)를 참조하면, 그래핀층(G13)은 그물망(mesh) 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 그래핀층(G13)에 복수의 나노 홀(h1)이 규칙적으로 형성될 수 있다.
도 8의 (D)를 참조하면, 그래핀층(G14)은 복수의 그래핀 플레이크(graphene flake) 또는 복수의 그래핀 양자점(graphene quantum dot)으로 구성될 수 있다.
도 8의 (A) 내지 (D)의 구조는 개별적으로 사용될 수 있지만, 이들 중 적어도 두 개의 구조를 조합하여 하나의 그래핀층을 구성할 수도 있다.
이하에서는, 도 9a 내지 도 9e를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자의 제조방법을 설명하도록 한다.
도 9a를 참조하면, 기판(100) 상에 제1 도전형 반도체층(이하, 제1 반도체층)(200)과 절연층(250)을 순차로 형성할 수 있다. 기판(100)은 일반적인 반도체소자 공정에서 사용되는 다양한 기판 중 어느 하나일 수 있다. 예컨대, 기판(100)은 사파이어(Al2O3) 기판, Si 기판, SiC 기판, 비정질 AlN 기판 및 Si-Al 기판 중 어느 하나일 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것이고, 이외에 다른 기판을 사용할 수도 있다. 제1 반도체층(200)은, 예컨대, n형 반도체층일 수 있지만, 경우에 따라서는 p형 반도체층일 수도 있다. 제1 반도체층(200)은 단층 또는 다층 구조로 형성할 수 있다. 절연층(250)은, 예컨대, 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 형성할 수 있다. 절연층(250)이 물질은 다양하게 변화될 수 있다.
도 9b를 참조하면, 절연층(250)을 패터닝하여 제1 반도체층(200)을 노출시키는 복수의 홀(H1)을 형성할 수 있다.
도 9c를 참조하면, 홀(H1)에 의해 노출된 제1 반도체층(200) 상에 나노와이어(나노기둥) 형상의 제1 도전형 반도체(200b)를 형성할 수 있다. 제1 도전형 반도체(200b)는, 예컨대, 에피택셜 성장 법으로 형성할 수 있다. 제1 도전형 반도체(200b)를 감싸는 활성층(300)을 형성할 수 있다. 활성층(300)은 절연층(250)의 상면 전체를 덮도록 기판(100) 전체적으로 형성할 수도 있다. 다음, 절연층(250) 상에 활성층(300)을 덮는 제2 도전형 반도체(400)를 형성할 수 있다. 제2 도전형 반도체(400)는 제1 도전형 반도체들(200b) 사이의 공간을 메우도록 형성할 수 있다. 제1 도전형 반도체(200b)는 n형이고, 제2 도전형 반도체(400)는 p형이거나, 그 반대일 수 있다.
도 9d를 참조하면, 제2 도전형 반도체(400) 상에 그래핀층(G1)을 형성할 수 있다. 그래핀층(G1)은, 예컨대, 성장(growth) 법으로 형성할 수 있다. 이 경우, 그래핀층(G1)의 성장을 위해 열 화학기상증착(thermal chemical vapor deposition) 법을 사용할 수 있으나, 그 밖에 다른 방법을 사용할 수도 있다. 또한 그래핀층(G1)은 성장(growth) 법 이외에 다른 방법, 예컨대, 박리(exfoliation) 법 등으로 형성할 수도 있다.
도 9e를 참조하면, 그래핀층(G1) 상에 복수의 나노파티클(n1)을 포함하는 나노파티클층(N1)을 형성할 수 있다. 나노파티클층(N1)은 자기조립(self-assembly) 방법으로 형성하거나, 나노파티클(n1)을 포함하는 콜로이달(colloidal) 용액을 사용해서 형성할 수 있다. 상기 자기조립 방법을 사용하는 경우, 그래핀층(G1) 상에 소정 두께의 금속층을 일반적인 증착법으로 형성한 후, 열처리를 통해 상기 금속층을 복수의 나노파티클(n1) 형태로 변형시킬 수 있다. 나노파티클층(N1)의 물질은, 예컨대, Au, Ag, Al, Fe, Mn 등과 같은 금속일 수 있다. 나노파티클층(N1)의 두께는, 예컨대, 약 20nm 이하일 수 있다. 즉, 복수의 나노파티클(n1)의 지름은 약 20nm 이하일 수 있다. 이 경우, 나노파티클층(N1)은 높은 광 투과성을 가질 수 있다.
도시하지는 않았지만, 제1 반도체층(200a)를 통해 제1 도전형 반도체(200b)에 전기적으로 연결된 전극을 더 형성할 수 있다. 상기 전극은 기판(100)의 상면 또는 하면에 형성할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 비교적 용이한 공정 및 저비용으로 발광효율 및 광추출효율이 우수한 발광소자를 제조할 수 있다.
전술한 도 9a 내지 도 9e는 도 1의 발광소자를 제조하는 방법에 대한 것이지만, 이를 변형하면, 도 2 내지 도 7의 발광소자를 제조할 수 있다. 이는 당업자가 잘 알 수 있는 수준의 기술적 변형이므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
또한, 제1 반도체층(200a)과 절연층(250)을 형성하지 않고, 기판(100) 상에 제1 도전형 반도체(200b)를 직접 형성한 후, 후속 공정을 수행할 수 있다. 예컨대, 제1 도전형 반도체(200b)는 VLS(vapor-liquid-solid) 방법으로 기판(100) 상에 직접 성장될 수 있다. 후속 공정은 앞서 설명한 바와 유사할 수 있다.
또한, 제1 도전형 반도체(200b) 형성시, 공정 조건을 조절하면, 제1 도전형 반도체(200b)의 측면이 경사지도록 하여, 나노와이어(나노기둥) 형상이 아닌 나노피라미드(nanopyramid) 형상을 갖는 제1 도전형 반도체를 형성할 수도 있다. 그 밖에도 다양한 변형예가 가능하다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면 나노파티클층 및 그래핀층을 포함하는 적층구조를 발광소자에 적용함으로써, 플라즈몬(plasmon) 효과에 의한 발광효율의 증가 및 우수한 투광성에 기인한 광추출효율 증가 등 다양한 효과를 얻을 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 전술한 본 발명의 실시예에 따른 발광소자 및 그 제조방법은 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한 본 발명의 실시예에 따른 적층구조, 즉, 나노파티클층과 그래핀층을 포함하는 적층구조는 발광소자가 아닌 다른 소자에도 적용될 수 있고, 투명전극이 아닌 그 밖에 다른 목적으로도 다양하게 사용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
Claims (16)
- 제1 도전형 반도체;
상기 제1 도전형 반도체 상에 구비된 활성층;
상기 활성층 상에 구비된 제2 도전형 반도체; 및
상기 제2 도전형 반도체 상에 구비된 나노파티클층(nanoparticle layer);을 포함하는 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제2 도전형 반도체와 상기 나노파티클층 사이에 구비된 그래핀층(graphene layer)을 더 포함하는 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 나노파티클층 상에 구비된 그래핀층을 더 포함하는 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제2 도전형 반도체와 상기 나노파티클층 사이에 구비된 제1 그래핀층; 및
상기 나노파티클층 상에 구비된 제2 그래핀층;을 더 포함하는 발광소자. - 제 1 내지 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 도전형 반도체 내에 복수의 나노파티클이 구비된 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 나노파티클층은 금속으로 형성된 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 나노파티클층은 투명한 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 나노파티클층은 20nm 이하의 두께를 갖는 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 도전형 반도체, 상기 활성층 및 상기 제2 도전형 반도체는 수평막 구조를 갖는 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 도전형 반도체는 복수의 수직형 나노구조체를 포함하는 발광소자. - 제 10 항에 있어서,
상기 활성층은 상기 수직형 나노구조체를 감싸는 구조를 갖는 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 도전형 반도체에 전기적으로 연결된 전극을 더 포함하는 발광소자. - 복수의 나노파티클을 포함하는 나노파티클층; 및
상기 나노파티클층의 하면 및 상면 중 적어도 하나에 구비된 그래핀층;을 포함하는 하이브리드 전극구조체. - 제 13 항에 있어서,
상기 하이브리드 전극구조체는 투명한 하이브리드 전극구조체. - 제 13 항에 있어서,
상기 나노파티클은 금속으로 형성된 하이브리드 전극구조체. - 제 13 항에 있어서,
상기 나노파티클은 20nm 이하의 직경을 갖는 하이브리드 전극구조체.
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