KR20130008306A - 나노구조의 발광소자 - Google Patents

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Abstract

나노구조의 발광소자가 개시된다. 개시된 발광소자는 제1형반도체층; 상기 제1형반도체층 상에 3차원 형상으로 성장된 제1형 반도체나노코어와, 상기 제1형 반도체나노코어의 표면을 둘러싸는 형태로 형성된 활성층과, 상기 활성층의 표면을 둘러싸는 형태로 형성된 것으로, 인듐이 함유된 제 2형반도체층을 구비하는 복수의 나노구조체; 상기 제1형반도체층 상에 상기 제1형반도체층과 나란하게 순차 형성된 것으로, 플랫-활성층 및 플랫-제2형반도체층을 구비하는 하나 이상의 플랫 구조층;을 포함한다.

Description

나노구조의 발광소자 {Nano-structured light emitting device}
본 개시는 나노구조를 가지는 발광소자에 관한 것이다.
반도체 발광소자(Light Emitting Device; LED)는 고효율, 친환경적인 광원으로서 디스플레이, 광통신, 자동차, 일반 조명 등 여러 분야에 사용되고 있다. 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, 나노 스케일의 발광 구조를 형성하는 기술이 연구되고 있다. 이와 같은 나노구조는 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.
본 개시는 나노 구조체를 채용하는 발광 소자로서, p형 반도체층이 보다 균일하게 형성될 수 있는 구조를 제공하고자 한다.
일 유형에 따르는 발광소자는 제1형반도체층; 상기 제1형반도체층 상에 3차원 형상으로 성장된 제1형 반도체나노코어와, 상기 제1형 반도체나노코어의 표면을 둘러싸는 형태로 형성된 활성층과, 상기 활성층의 표면을 둘러싸는 형태로 형성된 것으로, 인듐이 함유된 제 2형반도체층을 구비하는 복수의 나노구조체; 상기 제1형반도체층 상에 상기 제1형반도체층과 나란하게 순차 형성된 것으로, 플랫-활성층 및 플랫-제2형반도체층을 구비하는 하나 이상의 플랫 구조층;을 포함한다.
상기 3차원 형상은 뿔 형상, 뿔대 형상 또는 기둥 형상을 가질 수 있다.
상기 제2형반도체층은 불순물 Mg가 도핑된 형태일 수 있다.
상기 제2형반도체층은 InxGa1 -xN(0<x<1)을 포함할 수 있으며, 예를 들어, InxGa1 -xN(0<x<0.1)을 포함할 수 있다.
상기 제2형반도체층은 AlxInyGa1 -x-yN(0<x<1, 0<y<1, 0<x+y<1)을 포함할 수 있으며, 예를 들어, AlxInyGa1 -x-yN(0<x<1, 0<y<0.1, 0<x+y<1)을 포함할 수 있다.
상기 활성층과 상기 제2형반도체층 사이에 AlxInyGa1 -x-yN(0<x<1, 0<y<1, 0<x+y<1)층이 더 형성될 수 있다.
상기 제1형반도체층 상에 복수의 나노홀을 구비하는 형태의 마스크층이 더 형성되고, 상기 복수의 나노구조체 각각의 제1형반도체나노코어는 상기 복수의 나노홀 각각을 통해 성장될 수 있다.
상기 복수의 나노구조체 각각과 플랫 구조층은 서로 교번 배치될 수 있으며, 상기 복수의 나노구조체의 활성층들과 상기 플랫구조층의 플랫-활성층은 서로 연결된 형태를 가질 수 있다.
또는, 상기 복수의 나노구조체는 이웃하는 2이상의 소정 개수의 나노구조체로 이루어진 복수의 그룹으로 분류되고, 상기 플랫 구조층과 상기 복수의 그룹 각각이 서로 교번 배치될 수 있다.
상기 플랫구조층의 플랫-활성층은 상기 플랫구조층을 사이에 두고 인접하게 배치된 복수의 나노구조체의 활성층들과 연결된 형태를 가질 수 있고, 또는, 상기 플랫구조층의 플랫-활성층은 상기 복수의 나노구조체의 활성층들과 모두 연결된 형태를 가질 수 있다.
또한, 일 유형에 따른 발광 소자는 제1형반도체층; 상기 제1형반도체층 상에 3차원 형상으로 성장된 제1형 반도체나노코어와, 상기 제1형 반도체나노코어의 표면을 둘러싸는 형태로 형성된 활성층과, 상기 활성층의 표면을 둘러싸는 형태로 형성된 것으로, AlxInyGa1 -x-yN(0≤x<1, 0<y<0.1, 0<x+y<1)를 포함하는 제2형반도체층을 구비하는 복수의 나노구조체;를 포함한다.
상기 3차원 형상은 뿔 형상, 뿔대 형상, 또는, 기둥 형상을 가질 수 있다.
상기 제2형반도체층은 불순물 Mg가 도핑된 형태일 수 있다.
상기 활성층과 상기 제2형반도체층 사이에 AlxInyGa1 -x-yN(0<x<1, 0<y<1, 0<x+y<1)층이 더 형성될 수 있다.
상기 제1형반도체층 상에 복수의 나노홀을 구비하는 형태의 마스크층이 더 형성되고, 상기 복수의 나노구조체 각각의 제1형 반도체나노코어는 상기 복수의 나노홀 각각을 통해 성장될 수 있다.
상기 복수의 나노구조체의 활성층들은 서로 연결되지 않는 형태를 가질 수 있다.
상술한 발광 소자는 3차원 나노구조체를 채용하고 있으며, 나노구조체의 상단부에도 p형 반도체층이 균일하게 형성될 수 있는 구조를 제시하고 있다.
상술한 발광 소자는 누설 전류가 감소되고, 도핑 효율이 높아져 전기저항이 감소되는 등, 전기적 성능이 향상되고, 상대적으로 저온 성장이 가능해짐으로써 제조 과정중의 활성층 품질 열화가 감소되어 내부 양자 효율이 높아진다.
도 1은 실시예에 따른 발광 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 2는 도 1의 발광 소자의 나노구조체로 채용될 수 있는 형상을 예시적으로 보인 사시도이다.
도 3은 p-InGaN을 사용하여 나노구조체를 형성한 경우의 현미경 사진을 보인다.
도 4는 비교예로서, p-GaN을 사용하여 나노구조체를 형성한 경우의 현미경 사진을 보인다.
도 5는 도 3의 형태로 제조된 발광 소자의 I-V 곡선을 보이며, 도 5는 도 4의 형태로 제조된 발광 소자의 I-V 곡선을 보인다.
도 7은 다른 실시예에 따른 발광 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 발광 소자의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 10a 내지 도 10d는 실시예에 따른 발광 소자의 제조방법을 설명하는 도면들이다.
도 11a 내지 도 11d는 다른 실시예에 따른 발광 소자의 제조방법을 설명하는 도면들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100, 100', 200, 300, 400...발광 소자
110...기판 120...제1형반도체층
130...마스크층 150, 150', 250, 350, 450...나노구조체
152...제1형반도체나노코어 154...활성층
156...제2형반도체층 270, 370, 470...플랫구조층
274, 374, 474...플랫-활성층 276, 376, 476...플랫-제2형반도체층
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 발광 소자(100)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이고, 도 2는 도 1의 발광 소자의 나노구조체(150)로 채용될 수 있는 형상을 예시적으로 보인 사시도이다.
도면을 참조하면, 발광 소자(100)는 제1형반도체층(120)과, 제1형반도체층(120) 상에 형성된 복수의 나노구조체(150)를 포함한다. 나노구조체(150)는 3차원 형상으로 성장된 제1형 반도체나노코어(152)와, 제1형 반도체나노코어(152)의 표면을 둘러싸는 형태로 형성된 활성층(154)과, 활성층(154)의 표면을 둘러싸는 형태로 형성된 것으로, 인듐을 함유하는 제2형반도체층(156)을 포함한다.
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) 상에는 제1형반도체층(120)이 형성된다. 제1형반도체층(120)은 제1형으로 도핑된 반도체층으로, Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, n형 불순물이 도핑된 GaN으로 형성될 수 있다. n형 불순물로 Si, Ge, Se, Te 등이 사용될 수 있다. 제1형반도체층(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 제1형반도체층(120) 사이에는 도시되지는 않았으나, 필요에 따라, 에피텍시 성장에 필요한 버퍼층이 더 형성될 수 있으며, 제1형반도체층(120)이 복수층 구성을 가질 수도 있다.
제1형반도체층(110) 상에 다수의 나노홀을 구비하는 마스크층(130)이 마련될 수 있다. 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 제1형반도체층(120) 위에 형성한 후, 리소그래피 공정에 의해 원하는 나노홀 패턴으로 식각하여 형성될 수 있다. 나노홀은 원형, 타원형, 다각형 등의 단면 형상을 가질 수 있으며, 나노홀의 형상에 따라 나노구조체(150)의 형상이 정해진다. 나노구조체(150)는 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 육각뿔 형태로 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 다각뿔, 원뿔등과 같은 뿔 형상, 뿔대 형상, 기둥 형상을 가질 수 있다.
제1형 반도체나노코어(152)는 제1형반도체층(120)과 동일한 제1형으로 도핑된 반도체 물질로 이루어지며, 예를 들어, n-GaN으로 이루어질 수 있다. 제1형 반도체나노코어(152)는 마스크층(130)에 구비된 나노홀을 통해 제1형반도체층(120)으로부터 성장된 형태를 가지며, 나노홀의 단면 형상을 따라 원형, 타원형, 다각형 등의 단면 형상을 갖게 된다. 제1형 반도체나노코어(152)의 단면적은 일정하거나 또는 성장 방향에 따라 감소하는 형태가 될 수 있다.
활성층(154)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(154)은 제1형 반도체나노코어(152)로부터 방사형으로 성장되어 제1형 반도체나노코어(152)의 표면을 둘러싸는 형태가 된다.
도면에서, 복수의 나노구조체(150)들의 활성층(154)들은 서로 연결되지 않는 형태를 가지고 있으나, 이는 예시적인 것이고, 활성층(154)들이 서로 연결된 형태를 갖는 것도 가능하다.
제2형반도체층(156)은 활성층(154)의 표면을 덮는 형태로 마련되며, 제2형 불순물로 도핑된 반도체물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, p형 불순물이 도핑된 InxGa1 -xN(0<x<1)으로 이루어질 수 있으며, p형 불순물로는 Mg, Zn, Be 등이 사용될 수 있다. 인듐(In)은 제2형반도체층(156)의 형성시, Ⅲ족 반도체물질이 활성층(154)의 최상단부로도 원활하게 이동되게 하고, 또한, 제2형반도체층(156)의 밴드갭을 낮추어 p형 불순물의 도핑 효과를 높일 수 있도록 제시되는 것으로, 그 함량은 적절히 조절될 수 있다. 예를 들어, InxGa1 -xN(0<x<0.1)의 범위를 가질 수 있다.
제2형반도체층(156)은 보다 높은 밴드갭이 요구되는 경우, In과 함께, Al을 함유하는 반도체물질로 형성될 수 있다. 제2형반도체층(156)은 예를 들어, p- AlxInyGa1 -x-yN(0<x<1, 0<y<1, 0<x+y<1)으로 형성될 수 있다. 이 경우에도, 인듐 함량은 활성층(154)의 최상단부에도 제2형반도체층(156)이 잘 형성되고 p형 불순물이 잘 도핑되도록 인듐 함량이 적절히 조절될 수 있다. 예를 들어, 제2형반도체층(156)은 p-AlxInyGa1 -x-yN(0<x<1, 0<y<0.1, 0<x+y<1)으로 형성될 수 있다.
나노구조체(150)의 형태의 발광 구조는 종래 박막 기반 기술에 근거한 발광 구조에 비해 내부 양자 효율을 높일 수 있는 구조로 제시되는 것이다. 구체적으로 살펴보면, (0001) 방향으로 성장된 제1형반도체층(120) 위에 나노홀을 구비하는 패턴의 마스크층(130)을 이용하여 제1형반도체나노코어(152)를 성장시키는 경우, 성장된 제1형반도체나노코어(152)의 측면은 (11-11)면 또는 (11-22)면으로 반극성(semipolar) 면이 된다. 이러한 반극성면에 양자 우물 구조의 활성층(154)을 성장시키는 경우 자발 분극(spontaneous polarization)이 감소된다. 또한, 형성된 구조의 크기가 스트레인이 완화되는 나노 스케일이기 때문에 압전 효과(piezoelectric field effect)에 의한 분극이 억제되어 무극성(non-polar)면에 준하게 양자속박효과(QCSE, quantum confimement stark effect)가 억제되는 현상을 나타낸다. 따라서, In 함량이 증가할 때 결정 결함이 유발되는 현상이 줄어들고, 또한 In 함량을 균일하게 유지하는 것이 용이해지며, 결과적으로 광 추출효과가 상승될 것으로 기대된다.
한편, 실시예에서는 제2형반도체층(156)에 인듐을 함유한 반도체물질로서 p- InxGa1-xN(0<x<1)을 사용하고 있는데, 이것은 활성층(154)의 표면에 제2형반도체층(156)을 보다 균일하게 형성하기 위한 것이다.
실제 제작에 있어 활성층(154) 이후 성장되는 p형 반도체층은 3차원 구조의 최상단부인 꼭지점부에 성장되지 않거나, 또는 균일하지 않게 성장되는 현상이 있으며, 이에 의해 누설 전류(leakage current)가 증가할 수 있으며, p형 불순물의 도핑 효율(doping efficiency)이 낮아져 소자의 저항이 높아질 수 있다.
이러한 현상은 p형 불순물로 Mg를 사용하여 GaN을 성장시키는(p-GaN:Mg) 통상적인 성장 조건에서 측부 성장(lateral growth)이 촉진되는 특성에 기인한다. 즉, p형 불순물인 Mg이 Ga 원자의 이동(migration)을 방해하여 3차원 구조에서 최상단부로의 Ga 원자의 공급을 막는데 이유가 있다. 또한, 통상 p형 반도체층의 성장 온도는 활성층의 성장온도보다 높아, p-GaN 성장중에 활성층에 포함된 InGaN층에서 국부적인 In 분리(segregation) 현상이나 In 함량이 높은(In-rich) InGaN의 상 분리(phase separation) 현상이 나타나 내부 양자효율이 저하된다.
　　따라서, 실시예에서는 나노구조체(150)의 3차원 형상 형성시 누설 전류(leakage current)의 원인이 되는 p형 반도체층의 비균일한 성장을 방지하기 위해 p-GaN 대신 In이 함유된 p-InGaN을 사용하고 있다. 이는 3차원 구조에서 In 원자가 Ga 원자보다 상대적으로 원자 이동(atomic migration)이 더 촉진되는 현상을 이용한 것이다. 즉, 기존의 Mg를 불순물로 하는 p-GaN (p-GaN:Mg) 형성시 최상단부에서 성장이 이루어지지 않는 원인이 Mg가 Ga 원자의 최상단부(top) 방향으로의 이동을 방해하는데 있음을 고려하여, Ga 원자보다 활동적인 원자인 In을 p형 반도체층에 첨가하여 최상단부 방향으로도 III족 원자의 이동이 촉진되도록 하는 것이다. 　또한, p-InGaN:Mg 성장은 통상의 In 혼합율(incorporate rate)을 높이기 위해 p-GaN:Mg 보다 상대적으로 낮은 온도에서 이루어지므로, InGaN/GaN의 양자우물구조로 된 활성층이 p형 반도체층 성장중에 열에 의해 막 품질이 열화되는 것(thermal degraeation)을 방지할 수 있다. 또한, 3차원 구조를 이루는 작은 면(facet)위에서의 p형 불순물 도핑 효율은 통상의 c면(c-plane)보다 낮아 높은 전기 저항을 갖게 되는 것이 알려져 있는데, In이 함유된 p-InGaN:Mg 은 p-GaN:Mg 보다 밴드갭이 낮아 Mg 원자의 활성화 에너지(activation energy)를 낮추어 p형 불순물의 도핑 효율 향상을 기대할 수 있다.
발명자는 In을 함유한 p형 반도체층의 경우 3차원 구조의 최상단부에서도 비교적 균일한 성장이 가능함을 확인하고 있다. 도 3은 p-InGaN을 사용하여 나노구조체를 형성한 경우의 현미경 사진을 보이며, 도 4는 비교예로서, p-GaN을 사용하여 나노구조체를 형성한 경우의 현미경 사진을 보인다.
도 3을 참조하면, 제2형반도체층(156)을 p-InGaN으로 형성한 경우 최상단부에도 p-InGaN이 비교적 균일한 두께로 형성되고 있다. 반면, 도 4를 참조하면, 제2형반도체층(156)을 p-GaN으로 형성한 경우 최상단부에서는 p-GaN의 두께가 현저히 얇게 형성되는 것으로 나타난다.
　도 5는 도 3의 형태로 제조된 발광 소자의 I-V 곡선을 보이며, 도 6은 도 4의 형태로 제조된 발광 소자의 I-V 곡선을 보인다. 도면들을 비교하면, p-InGaN이 비교적 균일한 두께로 형성된 경우, p-GaN의 두께가 최상단부에서 얇게 형성된 경우에 비해 누설전류가 현저히 감소된 것을 볼 수 있다.
도 7은 다른 실시예에 따른 발광 소자(100')의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
본 실시예의 발광 소자(100')는 활성층(154)과 제2형반도체층(156) 사이에 AlxInyGa1 -x-yN(0<x<1, 0<y<1, 0<x+y<1)층(155)이 더 구비된 나노구조체(150')를 포함하는 형상이라는 점에서 도 1의 발광 소자(100)와 차이가 있다. AlxInyGa1 -x-yN(0<x<1, 0<y<1, 0<x+y<1)층(155)은 p형 불순물로 도핑된 형태일 수 있으며, 전자차단층(electron blocking layer:EBL) 또는 전류스프레딩층(current spreading layer:CSL)의 역할을 위해 마련된다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 발광 소자(200)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
본 실시예의 발광 소자(200)는 백색광 등 다중 파장의 광을 발광할 수 있는 구조를 갖는 점에서 도 1의 발광 소자(100)와 차이가 있다. 발광 소자(200)는 제1형 반도체나노코어(252), 활성층(254), 제2형반도체층(256)을 구비하는 복수의 나노구조체(250)와, 제1형반도체층(120) 상에 제1형반도체층(120)과 나란하게 순차 형성된 것으로, 플랫-활성층(274) 및 플랫-제2형반도체층(276)을 구비하는 하나 이상의 플랫 구조층(270)을 포함한다.
복수의 나노구조체(250) 각각과 플랫구조층(270)은 서로 교번 배치되어 있다. 즉, 플랫구조층(270)은 인접하는 나노구조체(250) 사이에 마련되며, 또한, 나노구조체(250)의 활성층(254)들과 플랫-활성층(274)은 서로 연결되어 있다.
이러한 구조에서, 플랫-활성층(274)은 극성을 갖는 c-면(c-plane)인 평탄면(120a) 상에 형성되고, 활성층(254)은 반극성(semipolar)면인 사면(252a)에 형성되게 된다. 따라서, 동일한 조건에서 InGaN을 성장시켜도 In의 함량이 서로 달라져, 나노구조체(250)에서는 상대적으로 장파장의 광(L1)이 발광되고, 플랫구조층(270)에서는 상대적으로 단파장의 광(L2)이 발광된다. 또한, 플랫 구조층(250)의 길이(d)를 조절하여 단파장 광(L2)의 양을 조절할 수 있어, 발광소자(200)에서 백색광 또는 기타 다중 파장의 광이 발광되도록 할 수 있다.
도 9는 또 다른 실시예에 따른 발광 소자(300)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
발광 소자(300)는 제1형 반도체나노코어(352), 활성층(354), 제2형반도체층(356)을 구비하는 복수의 나노구조체(350)와, 제1형반도체층(120) 상에 제1형반도체층(120)과 나란하게 순차 형성된 것으로, 플랫-활성층(374) 및 플랫-제2형반도체층(376)을 구비하는 하나 이상의 플랫구조층(370)을 포함한다.
본 실시예에서, 복수의 나노구조체(350)는 이웃하는 2이상의 소정 개수의 나노구조체(350)로 이루어진 복수의 그룹(380)으로 분류되고, 플랫구조층(370)과 복수의 그룹(380) 각각이 서로 교번 배치된 구조를 포함한다. 마찬가지로, 활성층(354)은 반극성(semipolar)면인 사면(352a)에 형성되고, 플랫-활성층(374)은 극성을 갖는 c-면(c-plane)인 평탄면(120a) 상에 형성되어 서로 다른 파장의 광(L1, L2)이 발광된다. 나노구조체(350)에서 발광되는 상대적으로 장파장의 광(L1), 플랫 구조층(370')에서 발광되는 상대적으로 단파장의 광(L2)의 조합으로 백색광이나 기타 다중 파장의 광이 구현된다. 그룹(380)을 구성하는 나노구조체(350)의 개수나 플랫구조층(370)의 길이는 각각에서 발광되는 광(L1, L2)의 구체적인 파장 수치를 고려하여, 전체적으로 원하는 다중 파장의 광이 구현되도록 조절될 수 있다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 발광 소자(400)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
발광 소자(400)는 제1형 반도체나노코어(452), 활성층(454), 제2형반도체층(456)을 구비하는 복수의 나노구조체(450)와, 플랫-활성층(474) 및 플랫-제2형반도체층(476)을 구비하는 하나 이상의 플랫 구조층(470)을 포함한다.
복수의 나노구조체(450)는 이웃하는 2이상의 소정 개수의 나노구조체(450)로 이루어진 복수의 그룹(480)으로 분류되고, 플랫 구조층(470)과 복수의 그룹(480) 각각이 서로 교번 배치된 구조를 포함한다.
상기 플랫구조층(470)의 플랫-활성층(474)은 상기 플랫구조층(470)을 사이에 두고 인접하게 배치된 복수의 나노구조체(450)의 활성층들(454)과 연결된 형태를 가지며, 각 그룹(480)을 구성하는 나노구조체(450)의 활성층(454)들은 마스크층(430)에 의해 분리되어 서로 연결되어 있지 않다.
반극성(semipolar)면인 사면(452a)에 형성된 활성층(454) 과 극성을 갖는 c-면(c-plane)인 평탄면(120a) 상에 형성된 플랫-활성층(474)에서 서로 다른 파장의 광(L1, L2)이 발광된다. 그룹(480)을 구성하는 나노구조체(450)의 개수나 플랫구조층(470)의 길이를 조절하여, 전체적으로 원하는 다중 파장의 광이 발광되도록 할 수 있다.
도 8 내지 도 10에서 설명한 발광 소자(200, 300, 400)의 나노구조체(250, 350, 450)는 도 1의 발광 소자(100)에서 설명한 것과 마찬가지로, 제2형반도체층(256, 356, 456)에 인듐을 함유한 반도체물질을 사용할 수 있다. 즉, 제2형반도체층(256, 356, 456)은 p형 불순물 Mg로 도핑될 수 있으며, 이러한 p형반도체층을 균일하게 형성하기 위해, 제2형반도체층(256, 356, 456)은 InxGa1 -xN(0<x<1)을 포함할 수 있고, 구체적으로, InxGa1 -xN(0<x<0.1)을 포함할 수 있다. 또는, 보다 높은 밴드갭이 요구되는 경우, 제2형반도체층(256, 356, 456)은 AlxInyGa1 -x-yN(0<x<1, 0<y<1, 0<x+y<1)을 포함할 수 있고, 구체적으로, AlxInyGa1-x-yN(0<x<1, 0<y<0.1, 0<x+y<1)을 포함할 수 있다. 또한, 활성층(254, 354, 454)과 상기 제2형반도체층(256, 356, 456) 사이에 전자차단층(electron blocking layer:EBL) 또는 전류스프레딩층(current spreading layer:CSL)의 역할을 하도록, AlxInyGa1 -x-yN(0<x<1, 0<y<1, 0<x+y<1)층을 더 형성하는 것도 가능하다.
도 11a 내지 도 11d는 실시예에 따른 발광 소자(100)의 제조방법을 설명하는 도면들이다.
도 11a에 도시된 바와 같이 기판(110) 위에 제1형반도체층(120)을 형성하고, 제1형반도체층(120) 위에 다수의 나노홀(H)이 구비된 마스크층(130)을 형성한다. 마스크층(130)은 절연물질로 된 막을 제1형반도체층(120) 위에 형성한 후, 리소그래피 공정에 의해 원하는 나노홀(H) 패턴으로 식각하여 형성될 수 있다. 도 11b에 도시된 바와 같이 다수의 나노홀(H)을 통해 제1형 반도체나노코어(152)를 3차원 형상으로 성장시킨다. 도 11c와 도 11d에 도시된 바와 같이 제1형 반도체나노코어(152)의 표면에 순차적으로 활성층(154), 제2형반도체층(156)을 성장시켜, 나노구조체(150)를 형성한다. 다수의 나노구조체(150)의 활성층(156)들은 서로 연결되지 않은 형태로 도시되고 있으나 이는 예시적인 것이고, 다수의 나노구조체(150)의 활성층(156)들이 서로 연결되는 구조로 제조되는 것도 가능하다.
도 12a 내지 도 12d는 다른 실시예에 따른 발광 소자(200)의 제조방법을 설명하는 도면들이다. 도 12a에 도시된 바와 같이 기판(110) 위에 제1형반도체층(120)을 형성하고, 제1형반도체층(120) 위에 다수의 나노홀(H)이 구비된 마스크층(130)을 형성한다. 마스크층(130)은 절연물질로 된 막을 제1형반도체층(120) 위에 형성한 후, 리소그래피 공정에 의해 원하는 나노홀(H) 패턴으로 식각하여 형성될 수 있다. 도 12b에 도시된 바와 같이 다수의 나노홀(H)을 통해 제1형 반도체나노코어(252)를 3차원 형상으로 성장시킨다. 다음, 마스크층(130)을 식각하여 도 12c와 같이 제2형반도체층(120)의 평탄면(120a)이 드러나도록 한다. 다음, 도 12c의 구조 상에 발광구조를 이루는 층들을 형성한다. 즉, 도 12d에 도시된 바와 같이 제1형반도체나노코어(252)의 표면에 순차적으로 활성층(254), 제2형반도체층(256)을 형성하고, 평탄면(120a) 상에 순차적으로 플랫-활성층(274), 플랫-제2형반도체층(276)을 형성한다. 반극성면인 사면(252a)에 형성된 활성층(254)과 극성면인 평탄면(120a)에 형성되는 플랫-활성층(274)에서는 각기 서로 다른 파장의 광(L1, L2)이 발광된다.
상술한 제조방법에서, 제2형반도체층(156, 256)은 전술한 바와 같이, 인듐을 함유하는 반도체 물질로 형성되며, 이에 따라 나노구조체(150, 250)를 이루는 3차원 형상의 상단부에도 균일하게 제2형반도체층(156, 256)이 형성되게 된다. 이에 따라 누설 전류가 적고, 발광 효율이 높아지는 발광 소자(100, 200)가 제조된다.
이러한 본원 발명인 나노구조의 발광소자는 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 (20)

  1. 제1형반도체층;
    상기 제1형반도체층 상에 3차원 형상으로 성장된 제1형 반도체나노코어와, 상기 제1형 반도체나노코어의 표면을 둘러싸는 형태로 형성된 활성층과, 상기 활성층의 표면을 둘러싸는 형태로 형성된 것으로, 인듐이 함유된 제 2형반도체층을 구비하는 복수의 나노구조체;
    상기 제1형반도체층 상에 상기 제1형반도체층과 나란하게 순차 형성된 것으로, 플랫-활성층 및 플랫-제2형반도체층을 구비하는 하나 이상의 플랫 구조층;을 포함하는 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 형상은 뿔 형상, 뿔대 형상, 기둥 형상을 갖는 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2형반도체층은 불순물 Mg가 도핑된 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2형반도체층은 InxGa1 -xN(0<x<1)을 포함하는 발광 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2형반도체층은 InxGa1 -xN(0<x<0.1)을 포함하는 발광 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2형반도체층은 AlxInyGa1 -x-yN(0<x<1, 0<y<1, 0<x+y<1)을 포함하는 발광 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2형반도체층은 AlxInyGa1 -x-yN(0<x<1, 0<y<0.1, 0<x+y<1)을 포함하는 발광 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 활성층과 상기 제2형반도체층 사이에 AlxInyGa1 -x-yN(0<x<1, 0<y<1, 0<x+y<1)층이 더 형성된 발광 소자.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1형반도체층 상에 복수의 나노홀을 구비하는 형태의 마스크층이 더 형성되고,
    상기 복수의 나노구조체 각각의 제1형반도체나노코어는 상기 복수의 나노홀 각각을 통해 성장된 발광 소자.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 나노구조체 각각과 플랫 구조층은 서로 교번 배치된 발광 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 나노구조체의 활성층들과 상기 플랫구조층의 플랫-활성층은 서로 연결된 형태를 갖는 발광 소자.
  12. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 나노구조체는 이웃하는 2이상의 소정 개수의 나노구조체로 이루어진 복수의 그룹으로 분류되고,
    상기 플랫 구조층과 상기 복수의 그룹 각각이 서로 교번 배치된 발광 소자.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 플랫구조층의 플랫-활성층은 상기 플랫구조층을 사이에 두고 인접하게 배치된 복수의 나노구조체의 활성층들과 연결된 형태를 갖는 발광 소자.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 플랫구조층의 플랫-활성층은 상기 복수의 나노구조체의 활성층들과 모두 연결된 형태를 갖는 발광 소자.
  15. 제1형반도체층;
    상기 제1형반도체층 상에 3차원 형상으로 성장된 제1형 반도체나노코어와, 상기 제1형 반도체나노코어의 표면을 둘러싸는 형태로 형성된 활성층과, 상기 활성층의 표면을 둘러싸는 형태로 형성된 것으로, AlxInyGa1 -x-yN(0≤x<1, 0<y<0.1, 0<x+y<1)를 포함하는 제2형반도체층을 구비하는 복수의 나노구조체;를 포함하는 발광 소자.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 3차원 형상은 뿔 형상, 뿔대 형상, 기둥 형상을 갖는 발광 소자.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 제2형반도체층은 불순물 Mg가 도핑된 발광 소자.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 활성층과 상기 제2형반도체층 사이에 AlxInyGa1 -x-yN(0<x<1, 0<y<1, 0<x+y<1)층이 더 형성된 발광 소자.
  19. 제15항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1형반도체층 상에 복수의 나노홀을 구비하는 형태의 마스크층이 더 형성되고,
    상기 복수의 나노구조체 각각의 제1형반도체나노코어는 상기 복수의 나노홀 각각을 통해 성장된 발광 소자.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 복수의 나노구조체의 활성층들은 서로 연결되지 않는 형태를 갖는 발광 소자.
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