KR20130025856A - Nano rod light emitting device - Google Patents
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Abstract
Description
나노로드 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광출력을 보다 증가시킬 수 있도록 된 나노로드 발광소자에 관한 것이다.The present invention relates to a nanorod light emitting device, and more particularly, to a nanorod light emitting device capable of further increasing light output.
발광소자(Light Emitting Device; LED)는 화합물 반도체(compound semiconductor)의 PN접합을 통해 발광원을 구성함으로서, 다양한 색의 광을 발광할 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. A light emitting device (LED) refers to a semiconductor device capable of emitting light of various colors by constituting a light emitting source through a PN junction of a compound semiconductor. Recently, blue LEDs and ultraviolet LEDs implemented using nitrides having excellent physical and chemical properties have emerged, and white or other monochromatic light can be produced using blue or ultraviolet LEDs and fluorescent materials, thereby increasing the application range of light emitting devices. ought.
발광소자의 기본 동작 원리는, 활성층에 주입된 전자와 정공들이 결합하여 광을 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.The basic operating principle of the light emitting device is to combine the electrons and holes injected into the active layer to emit light. However, a large number of crystal defects generally exist in the nitride compound semiconductor crystal, and when electrons and holes combine through the crystal defects, they are emitted as heat energy instead of light energy. Reducing such non-emitting recombination is important for improving the luminous efficiency of the semiconductor light emitting device.
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 박막 형태의 경우보다 기판과의 격자상수 불일치나 열팽창 계수의 차이에 의한 영향을 덜 받기 때문에 이종의 기판 위에서도 쉽게 대면적 성장이 가능한 것으로 알려져 있다. Crystal defects that cause non-luminescence recombination are caused by lattice constant mismatch between the growth substrate and the compound semiconductor, or difference in thermal expansion coefficient. In order to improve this disadvantage, techniques for forming a nanoscale light emitting structure having the shape of nanorods have been studied. Such a structure is known to be able to easily grow large areas on heterogeneous substrates because it is less affected by the lattice constant mismatch with the substrate and the difference in thermal expansion coefficient than the thin film type.
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. Recently, a nanorod structure in the form of a core / cell has been proposed. The advantage of this structure is that it minimizes the first decision defect. A general planar thin film light emitting device has two types of crystal defects. One is a mismatch potential formed due to lattice mismatch between a quantum well layer composed of InGaN and a quantum barrier layer composed of GaN, in which case the potential exists in parallel in the growth plane. The other is a penetration potential which is formed at the interface between sapphire and gallium nitride to reach the light emitting layer while the light emitting device structure is lengthened in the growth direction during growth. In the nanorod structure, since the GaN layer is also deformable in the horizontal direction, the formation of the lattice mismatch potential can be reduced as compared with the general planar thin film light emitting device. In addition, since the area occupied on the substrate is small, only a part of the penetrating potential is propagated to the active layer, and even if a potential is formed, it is likely to move to and disappear from the near surface. Second, the active layer is formed along the surface of the core in the form of a shell layer, so that the light emitting surface area is increased and the actual current density is reduced to improve the light efficiency.
광출력을 증가시킬 수 있으며, 플립칩 구조 형태로 발열성이 좋은 나노로드 발광소자 및 그 제조 방법을 제공한다.The present invention provides a nanorod light emitting device capable of increasing light output and having good heat generation in a flip chip structure, and a method of manufacturing the same.
본 발명의 실시예에 따른 나노로드 발광소자는, 복수의 관통홀을 구비하는 마스크층; 상기 관통홀을 통해 수직 성장된 제1형으로 도핑된 반도체 나노코어, 상기 반도체 나노코어의 표면을 둘러싸도록 형성된 활성층, 및 상기 활성층의 표면을 둘러싸도록 형성된 제2형으로 도핑된 제1반도체층을 포함하는 발광 나노로드; 상기 발광 나노로드의 코너부를 덮으며 상단부는 노출시키도록 형성된 패시베이션층; 노출된 상기 발광 나노로드의 제1반도체층을 덮도록 형성되어 상기 제1반도체층에 전기적으로 연결되며 제1전극으로서 역할을 하는 반사금속층; 상기 반도체 나노코어에 전기적으로 연결되는 제2전극;을 포함한다.Nanorod light emitting device according to an embodiment of the present invention, the mask layer having a plurality of through holes; A semiconductor nanocore doped with a first type vertically grown through the through hole, an active layer formed to surround the surface of the semiconductor nanocore, and a first semiconductor layer doped with a second type formed to surround the surface of the active layer; Light emitting nanorods comprising; A passivation layer covering a corner of the light emitting nanorods and exposing an upper end thereof; A reflective metal layer formed to cover the exposed first semiconductor layer of the light emitting nanorods and electrically connected to the first semiconductor layer and serving as a first electrode; And a second electrode electrically connected to the semiconductor nanocore.
상기 반사금속층 상에 형성된 후막 금속층;을 더 포함할 수 있다.It may further include a thick film metal layer formed on the reflective metal layer.
상기 후막 금속층은 도금에 의해 형성될 수 있다.The thick metal layer may be formed by plating.
상기 반사금속층은 Ag을 포함하는 물질로 형성될 수 있다.The reflective metal layer may be formed of a material containing Ag.
상기 반사금속층은 Ag, Ag/Ni, Ag/Pt 중 어느 하나로 형성될 수 있다.The reflective metal layer may be formed of any one of Ag, Ag / Ni, and Ag / Pt.
상기 패시베이션층은 상기 발광 나노로드의 코너부를 덮는 제1실리콘 산화물층; 그 위에 형성된 제2실리콘 산화물층;을 포함할 수 있다.The passivation layer may include a first silicon oxide layer covering a corner portion of the light emitting nanorods; It may include; a second silicon oxide layer formed thereon.
상기 제1실리콘 산화물층은 Al2O3를 포함하는 층이고, 상기 제2실리콘 산화물층은 SiO2를 포함할 수 있다.The first silicon oxide layer may be a layer including Al 2 O 3 , and the second silicon oxide layer may include SiO 2 .
상기 패시베이션층에 의해 둘러싸인 부분의 상기 발광 나노로드 사이를 충진하도록 상기 제2실리콘 산화물층 상에 형성된 충진층;을 더 포함할 수 있다.And a filling layer formed on the second silicon oxide layer to fill between the light emitting nanorods in a portion surrounded by the passivation layer.
상기 반사금속층은 요철 구조를 이룰 수 있다.The reflective metal layer may form an uneven structure.
본 발명의 실시예에 따른 나노로드 발광소자 제조 방법은, 복수의 관통홀을 구비하는 마스크층을 형성하는 단계; 상기 관통홀을 통해 제1형으로 도핑된 반도체 나노코어를 수직 성장하고, 상기 반도체 나노코어의 표면을 둘러싸도록 활성층을 형성한 다음, 상기 활성층의 표면을 둘러싸도록 제2형으로 도핑된 제1반도체층을 형성하여 발광 나노로드를 형성하는 단계; 상기 발광 나노로드의 코너부를 덮으며 상단부는 노출시키도록 패시베이션층을 형성하는 단계; 노출된 상기 발광 나노로드의 제1반도체층을 덮어 상기 제1반도체층에 전기적으로 연결되는 제1전극으로서 역할을 하는 반사금속층을 형성하는 단계; 상기 반도체 나노코어에 전기적으로 연결되는 제2전극을 형성하는 단계;를 포함한다.Nanorod light emitting device manufacturing method according to an embodiment of the present invention, forming a mask layer having a plurality of through holes; Vertically growing the semiconductor nanocores doped with the first type through the through-holes, forming an active layer to surround the surface of the semiconductor nanocores, and then doping the first semiconductors with the second type to surround the surface of the active layer. Forming a layer to form luminescent nanorods; Forming a passivation layer covering a corner of the light emitting nanorods and exposing an upper end thereof; Forming a reflective metal layer covering an exposed first semiconductor layer of the light emitting nanorods to serve as a first electrode electrically connected to the first semiconductor layer; And forming a second electrode electrically connected to the semiconductor nanocore.
상기 반사금속층 상에 전기 도금에 의해 후막 금속층을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.The method may further include forming a thick metal layer on the reflective metal layer by electroplating.
상기 패시베이션층을 형성하는 단계는, 상기 발광 나노로드 및 상기 마스크층을 덮도록 제1실리콘 산화물층을 형성하는 단계; 및 상기 제1실리콘 산화물층 상에 제2실리콘 산화물층을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 제2실리콘 산화물층 상에 충진층을 형성하는 단계; 상기 발광 나노로드의 상단부가 노출되도록 상기 충진층 및 상기 제1 및 제2실리콘 산화물층을 식각하여, 상기 패시베이션층이 상기 발광 나노로드의 코너부를 덮고, 상기 패시베이션층에 의해 둘러싸인 부분의 상기 발광 나노로드 사이에 충진층이 위치하는 구조를 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.The forming of the passivation layer may include forming a first silicon oxide layer to cover the light emitting nanorods and the mask layer; And forming a second silicon oxide layer on the first silicon oxide layer; forming a filling layer on the second silicon oxide layer; The filling layer and the first and second silicon oxide layers are etched to expose the upper end of the light emitting nanorods, so that the passivation layer covers a corner portion of the light emitting nanorods and is surrounded by the passivation layer. The method may further include forming a structure in which the filling layer is positioned between the rods.
반사전극을 가져 높은 광출력을 손쉽게 구현할 수 있으며, 나노 구조 자체에서 표면 텍스쳐링(texturing) 효과를 얻을 수 있어 광 추출에 효과적이다. 발광 나노로드가 전극으로서 역할을 하는 반사전극층에 접하는 영역이 넓어, 발광 면적이 넓으며, 대면적에 전류주입이 유리하고 낮은 저항을 유지할 수 있어, 동작 전압을 낮출 수 있다. 발광 나노로드상에 반사금속층을 형성하여 플립 칩 구조를 구현함으로써, 이 반사금속층을 통해 열 방출이 잘 이루어질 수 있다.It has a reflective electrode that can easily realize high light output, and the surface texturing effect can be obtained from the nanostructure itself, which is effective for light extraction. The area where the light emitting nanorods come into contact with the reflective electrode layer serving as an electrode is large, so that the light emitting area is large, current injection is advantageous for a large area, and low resistance can be maintained, thereby lowering the operating voltage. By forming a reflective chip layer on the light emitting nanorods to implement a flip chip structure, heat can be well discharged through the reflective metal layer.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노로드 발광 소자의 개략적인 구성을 보여준다.
도 2 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 나노로드 발광소자 제조 방법을 개략적으로 보여준다.1 shows a schematic configuration of a nanorod light emitting device according to an embodiment of the present invention.
2 to 10 schematically show a method for manufacturing a nanorod light emitting device according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 나노로드 발광소자 및 그 제조방법을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. Hereinafter, a nanorod light emitting device and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, like reference numerals refer to like elements, and the size and thickness of each element may be exaggerated for clarity of explanation.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노로드 발광 소자(100)의 개략적인 구성을 보여준다.1 shows a schematic configuration of a nanorod light emitting device 100 according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 나노로드 발광 소자(100)는 발광 나노로드(140)들을 포함하며, 발광 나노로드(140)는 제1반도체층(120)으로부터 성장될 수 있다. 발광 나노로드(140)는 제1형 예컨대, n형으로 도핑된 반도체 나노코어(141)와 반도체 나노코어(141)의 표면을 둘러싸는 활성층(143), 활성층(143)의 표면을 둘러싸며, 제2형 예컨대, p형으로 도핑된 제1반도체층(147)을 포함한다. 상기 발광 나노로드(140)의 코너부를 덮으며 상단부는 노출시키도록 패시베이션(passivation)층(150)이 형성될 수 있으며, 상기 패시베이션층(150)에 의해 노출된 발광 나노로드(140)의 제1반도체층(147)을 덮도록 반사금속층(160)이 형성될 수 있다. 그리고, 이 반사금속층(160) 상에 후막 금속층(170)이 형성될 수 있다.Referring to FIG. 1, the nanorod light emitting device 100 may include
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 제2반도체층(120)의 성장에 적합한 물질, 예를 들어, ZnO, GaAs, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2, GaN 등으로 이루어진 기판이 사용될 수 있다. The
기판(110) 상에는 제2반도체층(120)이 마련될 수 있다. 제2반도체층(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. 제2반도체층(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.The
제2반도체층(120) 상에 복수의 관통홀을 구비하는 마스크층(130)이 마련된다. 마스크층(130)은 절연물질로서, 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물을 포함하여 이루어질 수 있으며, 예를 들어, SiO2, SiN, TiO2, Si3N4, Al2O3, TiN, AlN, ZrO2, TiAlN, TiSiN 등으로 이루어질 수 있다. 마스크층(130)은 이러한 절연물질로 된 막을 제2반도체층(120) 위에 형성한 후, 리소그래피 공정에 의해 원하는 관통홀 패턴으로 식각하여 형성될 수 있다. 관통홀은 예를 들어, 원형, 타원형, 다각형 등의 단면 형상을 가질 수 있다. A
여기서, 기판(110)과 제2반도체층(120) 사이에는 도시되지는 않았으나, 필요에 따라, 에피텍시 성장에 필요한 버퍼층이 더 형성될 수 있으며, 제2반도체층(120)이 복수층 구성을 가질 수도 있다. 제2반도체층(120)은 경우에 따라 생략될 수도 있다.Here, although not shown between the
반도체 나노코어(141)는 제2반도체층(120)과 동일한 제1형으로 도핑된 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 반도체 나노코어(141)는 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 제2반도체층(120)으로부터 수직 성장된 형태를 가지며, 관통홀의 단면 형상을 따라 원형, 타원형, 다각형 등의 단면 형상을 갖게 된다. 도 1에서는, 반도체 나노코어(141)의 폭이 관통홀의 폭과 동일하게 도시되어 있는데, 이는 예시적인 것으로, 관통홀의 폭보다 다소 넓게 형성될 수도 있다.The
활성층(143)은 반도체 나노코어(141)의 표면을 덮는 형태로 형성될 수 있다. 이 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. In의 몰분율이 약 1% 변화할 때 발광 파장은 약 5nm 정도 시프트된다. The
제1반도체층(147)은 활성층(143)의 표면을 덮는 형태로 마련될 수 있다. 제1반도체층(147)은 p-AlxGayInzN(x+y+z=1) (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.The
상기 패시베이션층(150)은 발광 나노로드(140)의 코너부에서의 리키지(leakage)를 줄이기 위한 것으로, 이중 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 패시베이션층(150)은, 발광 나노로드(140)의 코너부를 덮는 제1실리콘 산화물층(151) 및 그 위에 형성된 제2실리콘 산화물층(153)의 이중 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1실리콘 산화물층(151)은 원자층 증착법(ALD) 방식 등으로 증착된 상대적으로 증착 속도가 느린 Al2O3층으로 이루어질 수 있으며, 제2실리콘 산화물층(153)은 화학기상증착법(CVD) 방식 등으로 증착된 상대적으로 증착 속도가 빠른 SiO2층으로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 제1실리콘 산화물층(151)은 제2실리콘 산화물층(153)보다 얇은 두께로 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2실리콘 산화물층(151)(153)에 의해 둘러싸인 부분의 발광 나노로드(140) 사이를 충진하도록 제2실리콘 산화물층(153) 상에 충진층(155)을 더 형성할 수 있다.The
상기 패시베이션층(150)은 발광 나노로드(140)의 코너부와 발광 나노로드(140) 사이 부분의 마스크층(130) 상면을 덮도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 충진층(155)은 대략적으로 패시베이션층(150)의 높이 정도까지 형성될 수 있다. The
상기 패시베이션층(150) 및 충진층(155)을 다음과 같이 형성될 수 있다. 예를 들어, 발광 나노로드(140) 및 마스크층(130) 전체를 덮도록 2층 구조의 패시베이션층(150)을 증착하고, 이 패시베이션층(150) 상에 SOG(spin on glass) 스핀 코팅에 의해 충진층(155) 물질을 도포한다. 그런 다음, 패시베이션층(150) 및 충진층(155)을 발광 나노로드(140)의 상단부가 노출되도록 에칭할 수 있다. 상기 에칭은 예를 들어, BOE(buffered oxide etchant)를 이용할 수 있다.The
여기서, 발광 나노로드(140)의 코너부는 발광 나노로드(140)의 마스크층(130)의 상면과 만나는 부분 및 그에 인접한 영역을 의미할 수 있다.Here, the corner portion of the
상기 반사금속층(160)은 패시베이션층(150)에 의해 노출된 발광 나노로드(140)의 제1반도체층(147)을 덮도록 형성되어 제1반도체층(147)에 전기적으로 연결될 수 있다. 이 반사금속층(160)은 발광 나노로드(140), 패시베이션층(150) 상단 및 충진층(155)을 덮도록 전면에 걸쳐 형성될 수 있으며, 충진층(155)에 대한 발광 나노로드(140)의 돌출 구조에 의해 요철 구조를 이루도록 적정 두께로 형성될 수 있다. 이 반사금속층(160)은 제1전극 예컨대, p 전극으로서 역할을 하게 된다. 상기 반사금속층(160)은 Ag(은)을 포함하는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 반사금속층(160)은 Ag, Ag/Ni, Ag/Pt 중 어느 하나를 포함하는 물질을 스퍼터링 방법 등에 의해 전면적에 코팅하여 형성될 수 있다. The
상기 반사금속층(160) 상에는 후막 금속층(170)을 더 형성할 수 있다. 후막 금속층(170)은 도금(electroplating)에 의해 형성될 수 있다. 이 후막 금속층(170)은 반사금속층(160)에 비해 상대적으로 두텁게 형성한 다음 표면 연마 공정을 통해 평탄한 표면을 갖도록 형성될 수 있다. 여기서, 상기 후막 금속층(170) 즉, 전기 도금층에 의해 나노로드 발광소자의 상면 전체를 전극으로 사용할 수 있다. 이와 같이 반사전극인 반사금속층(160) 형성 후 도금 등의 공정을 통해 쉽게 두꺼운 후막 금속층을 형성할 수 있으므로, 이 두꺼운 후막 금속층을 지지층으로 사용할 수 있으므로, 발광 나노로드(140)의 파괴 또는 크랙 발생 등을 방지할 수 있다.The
한편, 상기 활성층(143)에 전자, 정공 주입을 위한 전압이 인가되도록, 제2반도체층(120) 상에는 제2전극(180)이 형성될 수 있다. 상기 제2전극(180)은 후막 금속층(170)까지 형성한 상태에서, 이 후막 금속층(170)의 연마된 표면에 포토 레지스트 등을 이용하여 패턴을 형성하고, 습식 및 건식 식각 방법을 통해 상부의 금속을 제거하여, 제2반도체층(120)을 노출시킨 다음, 이 제2반도체층(120) 표면에 제2전극(180) 예컨대, n 전극을 형성함에 의해 얻어질 수 있다.Meanwhile, a
상기한 바와 같은 나노로드 발광소자에 따르면, 발광 나노로드(140)의 활성층(143)에서 생성되는 광은 자발 방출(spontaneous emission)이기 때문에 특별한 방향성이 없이 모든 방향으로 향하는데, 상방으로 향하는 광은 발광 나노로드(140)와 반사금속층(160)의 계면에서 반사가 이루어져 하방으로 향하게 되고, 발광 나노로드(140)와 반사금속층(160)의 결합 구조가 광 도파로로서 역할을 하게 되어, 하면으로부터 지향성이 우수한 빛이 나올 수 있다. 또한, 상면에 반사율이 좋은 금속 예컨대, Ag를 포함하는 전극 즉, 반사 금속층을 구비함에 의해, 하면으로 나오는 빛의 양을 증대시킬 수 있으며, 더욱이 반사 금속층이 요철 구조를 이루므로, 광 추출 효율이 증대될 수 있다. 아울러, 발광 나노로드(140)와 제1전극으로서 역할을 하는 반사 금속층이 접하는 면적이 넓으므로, 발광 면적이 넓어져 광효율이 좋으며, 반사 금속층 즉, 상면 금속 전극 면적이 넓어 열 방출 효과가 좋게 된다.According to the nanorod light emitting device as described above, since the light generated in the
한편, 본 발명의 실시예에 따른 나노로드 발광소자에서, 실질적으로 빛은 기판(110) 쪽으로 방출되므로, 이 기판(110)은 필요에 따라 패터닝 공정을 통해, 렌즈 등의 다양한 형태로 가공되거나 광추출 효율을 향상시키도록, 텍스쳐링 효과를 얻도록 가공될 수 있다. 상기 기판(110)은 소자 제작후 필요에 따라 제거될 수도 있다. On the other hand, in the nanorod light emitting device according to the embodiment of the present invention, since light is substantially emitted toward the
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 나노로드 발광소자는 예를 들어, 다음 과정을 통해 제조될 수 있다.Nanorod light emitting device according to an embodiment of the present invention as described above, for example, can be manufactured through the following process.
도 2 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 나노로드 발광소자 제조 방법을 개략적으로 보여준다.2 to 10 schematically show a method for manufacturing a nanorod light emitting device according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 먼저, 기판(110) 상에 복수의 관통홀을 구비하는 마스크층(130)을 형성하고, 이 관통홀을 통해 제1형 예컨대, n형으로 도핑된 반도체 나노코어(141)를 수직 성장시킨다. 기판(110) 상에 제2반도체층(120)을 마련하고, 그 위에 마스크층(130)을 형성할 수도 있다. 이하에서는, 기판(110)에 제2반도체층(120)을 구비하는 경우를 예를 든다.Referring to FIG. 2, first, a
상기 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 제2반도체층(120)의 성장에 적합한 물질, 예를 들어, ZnO, GaAs, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2, GaN 등으로 이루어진 기판이 사용될 수 있다. 제2반도체층(120)은 제2형 예컨대, n형으로 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. 제2반도체층(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. 상기 마스크층(130)은 절연물질로서, 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물을 포함하여 이루어질 수 있으며, 예를 들어, SiO2, SiN, TiO2, Si3N4, Al2O3, TiN, AlN, ZrO2, TiAlN, TiSiN 등으로 이루어질 수 있다. 마스크층(130)은 이러한 절연물질로 된 막을 제2반도체층(120) 위에 형성한 후, 리소그래피 공정에 의해 원하는 관통홀 패턴으로 식각하여 형성될 수 있다. 관통홀은 예를 들어, 원형, 타원형, 다각형 등의 단면 형상을 가질 수 있다. The
여기서, 기판(110)과 제2반도체층(120) 사이에는 도시되지는 않았으나, 필요에 따라, 에피텍시 성장에 필요한 버퍼층이 더 형성될 수 있으며, 제2반도체층(120)이 복수층 구성을 가질 수도 있다. 제2반도체층(120)은 경우에 따라 생략될 수도 있다.Here, although not shown between the
반도체 나노코어(141)는 제2반도체층(120)과 동일한 제1형으로 도핑된 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 반도체 나노코어(141)는 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 제2반도체층(120)으로부터 수직 성장된 형태를 가질 수 있으며, 관통홀의 단면 형상을 따라 원형, 타원형, 다각형 등의 단면 형상을 갖게 된다. 도 2 내지 도 10에서는, 반도체 나노코어(141)의 폭이 관통홀의 폭과 동일하게 도시되어 있는데, 이는 예시적인 것으로, 관통홀의 폭보다 다소 넓게 형성될 수도 있다.The
상기와 같이 반도체 나노코어(141)를 수직 성장한 다음, 도 3에서와 같이, 반도체 나노코어(141) 표면을 둘러싸도록 활성층(143)을 형성하고, 이 활성층(143) 표면을 둘러싸도록 제2형으로 도핑된 제1반도체층(147)을 형성하여 발광 나노로드(140)를 어레이로 형성한다. 활성층(143)은 반도체 나노코어(141)의 표면을 덮는 형태로 형성되고, 제1반도체층(147)은 활성층(143)의 표면을 덮는 형태로 형성될 수 있다. 이에 따라 발광 나노로드(140) 사이의 마스크층(130) 표면에는 활성층(143) 및 제1반도체층(147)이 존재하지 않게 되어, 발광 나노로드(140) 형성한 상태에서의 발광 나노로드(140) 사이의 마스크층(130) 표면은 노출된 상태로 있게 된다.After the
상기 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. In의 몰분율이 약 1% 변화할 때 발광 파장은 약 5nm 정도 시프트된다. 상기 제1반도체층(147)은 p-AlxGayInzN(x+y+z=1) (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.The
다음으로, 도 4 내지 도 6에서와 같이, 발광 나노로드(140)의 코너부를 덮으며 상단부는 노출시키도록 패시베이션층(150)을 형성할 수 있다. 이를 위하여, 먼저, 발광 나노로드(140) 및 그 발광 나노로드(140)들 사이의 마스크층(130) 표면을 덮도록 전면에 걸쳐 패시베이션층(150)을 형성할 수 있다. Next, as illustrated in FIGS. 4 to 6, the
이 패시베이션층(150)은 예를 들어, 도 4에서와 같이, 발광 나노로드(140) 및 마스크층(130)을 덮도록 제1실리콘 산화물층(151)을 형성하고, 이 제1실리콘 산화물층(151) 상에 제2실리콘 산화물층(153)을 형성하여 2중 구조로 형성될 수 있다. 즉, 패시베이션층(150)은 발광 나노로드(140) 및 마스크층(130) 전체를 덮도록 2층 구조로 증착할 수 있다.For example, as shown in FIG. 4, the
상기 제1실리콘 산화물층(151)은 원자층 증착법(ALD) 방식 등으로 증착된 상대적으로 증착 속도가 느린 Al2O3층으로 형성될 수 있으며, 제2실리콘 산화물층(153)은 화학기상증착법(CVD) 방식 등으로 증착된 상대적으로 증착 속도가 빠른 SiO2층으로 형성될 수 있다. 이때, 상기 제1실리콘 산화물층(151)은 제2실리콘 산화물층(153)보다 얇은 두께로 형성될 수 있다. The first
다음으로, 도 5에서와 같이, 상기 제1 및 제2실리콘 산화물층(151)(153)에 의해 둘러싸인 부분의 발광 나노로드(140) 사이를 충진하도록 제2실리콘 산화물층(153) 상에 충진층(155)을 더 형성할 수 있다. 상기 충진층(155)은 패시베이션층(150) 상에 SOG(spin on glass) 스핀 코팅에 의해 충진층 물질을 도포하여 형성된다.Next, as shown in FIG. 5, the second
다음으로, 충진층(155) 및 패시베이션층(150)을 발광 나노로드(140)의 상단부가 노출되도록 에칭하면 도 6에서와 같이, 발광 나노로드(140)의 상단부가 노출되며, 충진층(155)은 대략적으로 패시베이션층(150) 상단 정도까지 위치하는 구조를 얻을 수 있다. 상기 에칭은 예를 들어, BOE(buffered oxide etchant)를 이용할 수 있다. 여기서, 충진층(155)은 패시베이션층(150) 상단보다 낮은 부분까지만 존재하도록 형성할 수도 있다. Next, when the
이와 같이, 발광 나노로드(140) 상단부가 노출되도록 충진층(155) 및 제1 및 제2실리콘 산화물층(151)(153)을 에칭하여, 제1 및 제2실리콘 산화물층(151)(153)이 발광 나노로드(140)의 코너부를 덮고, 이 제1 및 제2실리콘 산화물층(151)(153)에 의해 둘러싸인 부분의 발광 나노로드(140) 사이를 충진하도록 제2실리콘 산화물층(153) 상에 충진층(155)이 위치하는 구조를 형성할 수 있다.As such, the
다음으로, 도 7에서와 같이, 패시베이션층(150)으로 둘러싸이지 않은 노출된 발광 나노로드(140)의 제1반도체층(147)을 덮어 제1반도체층(147)에 전기적으로 연결되어 제1전극으로서 역할을 하는 반사금속층(160)을 형성할 수 있다. 이 반사금속층(160)은 발광 나노로드(140), 패시베이션층(150) 상단 및 충진층(155)을 덮도록 전면에 걸쳐 형성될 수 있으며, 충진층(155)에 대한 발광 나노로드(140)의 돌출 구조에 따라 반사금속층(160)이 요철 구조를 이루도록 적정 두께로 형성될 수 있다. 상기 반사금속층(160)은 Ag(은)을 포함하는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 반사금속층(160)은 Ag, Ag/Ni, Ag/Pt 중 어느 하나를 포함하는 물질을 스퍼터링 방법 등에 의해 전면적에 코팅하여 형성될 수 있다. Next, as shown in FIG. 7, the
다음으로, 도 8에서와 같이, 상기 반사금속층(160) 상에 후막 금속층(170)을 더 형성할 수 있다. 후막 금속층(170)은 도금(electroplating)에 의해 형성될 수 있다. 이 후막 금속층(170)은 반사금속층(160)에 비해 상대적으로 두텁게 형성한 다음 표면 연마 공정을 통해 평탄한 표면을 갖도록 형성될 수 있다. 여기서, 상기 후막 금속층(170) 즉, 전기 도금층은 나노로드 발광소자의 상면 전체를 전극으로 사용할 수 있도록 한다.Next, as shown in FIG. 8, a thick
다음으로, 도 9에서와 같이, 습식 및 건식 식각 방법을 통해 상부의 금속을 제거하여, 제2전극(180)을 형성할 위치에 해당하는 제2반도체층(120) 부분을 노출시킨다.Next, as shown in FIG. 9, the upper metal is removed through wet and dry etching methods to expose a portion of the
그런 다음, 도 10에서와 같이 노출된 제2반도체층(120) 표면에 제2전극(180) 예컨대, n 전극을 형성하면, 발광 나노코어(141)에 전기적으로 연결된 제2전극(180)을 얻을 수 있다. Next, as shown in FIG. 10, when the
이후, 열처리 과정 등을 거쳐 최종 나노로드 발광소자를 구현할 수 있다. 또한 후팹 공정 즉, 웨이퍼 씨닝(thinning) 공정, 다이싱(dicing) 공정 등을 거쳐 최종적인 나노로드 발광소자 칩을 제작할 수 있다.Thereafter, the final nanorod light emitting device may be implemented through a heat treatment process. In addition, a final nanorod light emitting device chip may be manufactured through a postfab process, that is, a wafer thinning process and a dicing process.
Claims (14)
상기 관통홀을 통해 수직 성장된 제1형으로 도핑된 반도체 나노코어, 상기 반도체 나노코어의 표면을 둘러싸도록 형성된 활성층, 및 상기 활성층의 표면을 둘러싸도록 형성된 제2형으로 도핑된 제1반도체층을 포함하는 발광 나노로드;
상기 발광 나노로드의 코너부를 덮으며 상단부는 노출시키도록 형성된 패시베이션층;
노출된 상기 발광 나노로드의 제1반도체층을 덮도록 형성되어 상기 제1반도체층에 전기적으로 연결되며 제1전극으로서 역할을 하는 반사금속층;
상기 반도체 나노코어에 전기적으로 연결되는 제2전극;을 포함하는 발광 소자.A mask layer having a plurality of through holes;
A semiconductor nanocore doped with a first type vertically grown through the through hole, an active layer formed to surround the surface of the semiconductor nanocore, and a first semiconductor layer doped with a second type formed to surround the surface of the active layer; Light emitting nanorods comprising;
A passivation layer covering a corner of the light emitting nanorods and exposing an upper end thereof;
A reflective metal layer formed to cover the exposed first semiconductor layer of the light emitting nanorods and electrically connected to the first semiconductor layer and serving as a first electrode;
And a second electrode electrically connected to the semiconductor nanocore.
그 위에 형성된 제2실리콘 산화물층;을 포함하는 발광 소자.The semiconductor device of claim 1, wherein the passivation layer comprises: a first silicon oxide layer covering a corner portion of the light emitting nanorods;
And a second silicon oxide layer formed thereon.
상기 관통홀을 통해 제1형으로 도핑된 반도체 나노코어를 수직 성장하고, 상기 반도체 나노코어의 표면을 둘러싸도록 활성층을 형성한 다음, 상기 활성층의 표면을 둘러싸도록 제2형으로 도핑된 제1반도체층을 형성하여 발광 나노로드를 형성하는 단계;
상기 발광 나노로드의 코너부를 덮으며 상단부는 노출시키도록 패시베이션층을 형성하는 단계;
노출된 상기 발광 나노로드의 제1반도체층을 덮어 상기 제1반도체층에 전기적으로 연결되는 제1전극으로서 역할을 하는 반사금속층을 형성하는 단계;
상기 반도체 나노코어에 전기적으로 연결되는 제2전극을 형성하는 단계;를 포함하는 발광 소자 제조 방법.Forming a mask layer having a plurality of through holes;
Vertically growing the semiconductor nanocores doped with the first type through the through-holes, forming an active layer to surround the surface of the semiconductor nanocores, and then doping the first semiconductors with the second type to surround the surface of the active layer. Forming a layer to form luminescent nanorods;
Forming a passivation layer covering a corner of the light emitting nanorods and exposing an upper end thereof;
Forming a reflective metal layer covering an exposed first semiconductor layer of the light emitting nanorods to serve as a first electrode electrically connected to the first semiconductor layer;
Forming a second electrode electrically connected to the semiconductor nanocore;
상기 발광 나노로드 및 상기 마스크층을 덮도록 제1실리콘 산화물층을 형성하는 단계; 및
상기 제1실리콘 산화물층 상에 제2실리콘 산화물층을 형성하는 단계;를 포함하는 발광 소자 제조 방법.The method of claim 10, wherein forming the passivation layer,
Forming a first silicon oxide layer to cover the light emitting nanorods and the mask layer; And
Forming a second silicon oxide layer on the first silicon oxide layer; a light emitting device manufacturing method comprising a.
상기 발광 나노로드의 상단부가 노출되도록 상기 충진층 및 상기 제1 및 제2실리콘 산화물층을 식각하여, 상기 패시베이션층이 상기 발광 나노로드의 코너부를 덮고, 상기 패시베이션층에 의해 둘러싸인 부분의 상기 발광 나노로드 사이에 충진층이 위치하는 구조를 형성하는 단계;를 더 포함하는 발광 소자 제조 방법.The method of claim 13, further comprising: forming a filling layer on the second silicon oxide layer;
The filling layer and the first and second silicon oxide layers are etched to expose the upper end of the light emitting nanorods, so that the passivation layer covers a corner portion of the light emitting nanorods and is surrounded by the passivation layer. Forming a structure in which the filling layer is located between the rod; Light emitting device manufacturing method further comprising.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A107 | Divisional application of patent | ||
WITN | Withdrawal due to no request for examination |