KR20130075520A - 그래핀층 상에 ＧａＮ 층을 성장시키는 방법 및 상기 그래핀층 상의 ＧａＮ을 이용한 발광소자 - Google Patents

Abstract

그래핀층의 손상을 최소화하면서 그래핀층 상에 고품질의 GaN 결정층을 성장시키는 방법이 개시된다. 개시된 일 실시예에 따르면, 기판 상에 그래핀층을 형성하는 단계, 그래핀층 상에 Ga을 미리 흘려 Ga 시드를 형성하는 단계, 질화수소 화합물을 제공하여 Ga 시드 상에 GaN 버퍼층을 성장시키는 단계, 및 GaN 버퍼층 상에 GaN 결정층을 성장시키는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, Ga 시드를 형성하는 단계는 약 300도 내지 600도의 비교적 저온에서 수행되며, 질화수소 화합물을 제공하는 동시에 공정 온도를 약 1000도 내지 1100도로 상승시킬 수 있다. 약 300도 내지 600도의 저온 공정으로 Ga 시드가 먼저 형성되기 때문에, 이후의 GaN 버퍼층 형성 단계에서 그래핀층은 열에 의한 손상을 거의 입지 않는다.

Description

그래핀층 상에 ＧａＮ 층을 성장시키는 방법 및 상기 그래핀층 상의 ＧａＮ을 이용한 발광소자{Method of growing GaN layer on graphene layer and light emitting device using GaN layer on graphene layer}

개시된 실시예들은 그래핀층 상에 GaN 층을 성장시키는 방법 및 그래핀층 상의 GaN을 이용한 발광소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 그래핀층의 손상을 최소화하면서 그래핀층 상에 GaN 결정층을 성장시키는 방법 및 이렇게 형성된 GaN 결정층을 이용하여 제조된 발광소자에 관한 것이다.

그래핀은 탄소 원자 한 층으로 만들어진 벌집 구조의 2차원 박막을 말한다. 탄소 원자는 sp² 혼성 궤도에 의해 화학 결합시 이차원 구조를 가지는 탄소 육각망면을 형성한다. 이 평면 구조를 가지는 탄소 원자의 집합체가 그래핀인데, 그 두께가 단지 탄소 원자 한 개에 불과한 약 0.34 nm이다. 이러한 그래핀은 구조적, 화학적으로 매우 안정적이며, 우수한 전도체로서 실리콘보다 약 100배 정도 빠른 전하 이동도를 가지고, 구리보다 약 100배 정도 많은 전류를 흐르게 할 수 있다. 또한, 그래핀은 투명도가 우수한데, 종래에 투명 전극으로 사용되던 ITO(indium tin oxide)보다 높은 투명도를 가질 수 있다. 더욱이, 그래핀은 열전도성이 우수하여 뛰어난 방열 특성까지 가지고 있다. 위와 같은 그래핀의 특성들을 이용하여 전자 소자에 그래핀을 적용하고자 하는 다양한 연구들이 진행되고 있다.

그러나 그래핀의 표면에는 불포화 결합(dangling bond)이나 작용기가 거의 없어서 그래핀의 표면은 강한 소수성을 띤다. 이로 인해, 그래핀 위에 GaN 등과 같은 다른 무기물을 성장시키는 것이 매우 어렵다. 이에 따라, 그래핀 위에 무기물을 성장시키기 위한 다양한 방법들에 제안되고 있다. 예를 들어, 그래핀 위에 GaN을 성장시키는 방법으로는, 그래핀의 표면을 산화시킨 후, 산화된 그래핀의 표면 위에 ZnO로 이루어진 버퍼층을 먼저 형성하고, ZnO 버퍼층 위에 GaN을 성장시키는 방법이 있다. 그러나, 이 방법의 경우 그래핀과 GaN 사이에 이종물질인 ZnO가 존재하기 때문에 성장된 GaN의 품질이 낮다. 또한, 이렇게 성장된 GaN을 이용하여 제조된 발광소자(LED)의 광학적, 전기적 특성도 역시 저하될 수 있다. 그 외에도 그래핀 위에 GaN을 성장시키기 위한 다양한 방법에 제안되고 있으나, 그래핀의 손상이 크거나 성장된 GaN의 품질이 저하되는 등의 이유로 발광소자의 특성이 저하되기 쉽다.

그래핀층의 손상을 최소화하면서 그래핀층 상에 고품질의 GaN 결정층을 성장시키는 방법을 제공한다.

상기 위와 같은 방법으로 형성된 GaN 결정층을 이용한 발광소자를 제공한다.

본 발명의 일 유형에 따르면, 기판 상에 그래핀층을 형성하는 단계; 제 1 온도 범위에서 상기 그래핀층 상에 GaN 버퍼층을 형성하는 단계; 및 상기 제 1 온도 범위보다 높은 제 2 온도 범위에서 상기 GaN 버퍼층 상에 GaN 결정층을 성장시키는 단계;를 포함하는 GaN 결정층 성장 방법이 제공될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 그래핀층 상에 GaN 버퍼층을 형성하는 단계는, 상기 그래핀층 상에 Ga 시드를 형성하는 단계; 및 상기 Ga 시드 상에 GaN 결정을 성장시켜 GaN 버퍼층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 그래핀층 상에 Ga 시드를 형성하는 단계는 MOCVD 방식으로 300도 내지 600도의 제 1 온도 범위에서 수행될 수 있다.

또한, 상기 Ga 시드 상에 GaN 결정을 성장시키는 단계는, 예를 들어, 상기 Ga 시드 상에 질화수소 화합물을 제공하면서 온도를 1000도 내지 1100도로 상승시켜 수행될 수 있다.

상기 질화수소 화합물은, 예를 들어 암모니아(NH₃)일 수 있다.

또한, 상기 그래핀층 상에 GaN 버퍼층을 형성하는 단계는, GaN 결정의 성장 후에 온도를 300도 내지 600도로 내리는 풀림 공정을 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 GaN 버퍼층 상에 GaN 결정층을 성장시키는 단계는 MOCVD 방식으로 1000도 내지 1100도의 제 2 온도 범위에서 수행될 수 있다.

또한, 상기 그래핀층은 그래핀이 다층 구조로 적층되어 있는 그래핀 다중층일 수 있다.

상기 GaN 결정층 성장 방법은, 상기 GaN 결정층의 성장 후에, 상기 기판을 상기 그래핀층으로부터 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 또 다른 유형에 따르면, 기판; 상기 기판 상에 배치된 그래핀층; 상기 그래핀층 상에 배치된 GaN 버퍼층; 상기 GaN 버퍼층 상에 배치된 GaN 결정층; 상기 GaN 버퍼층과 GaN 결정층을 메사 에칭하여 노출된 상기 그래핀층의 일부 표면 상에 배치된 제 1 전극 패드; 및 상기 GaN 결정층의 상부 표면에 배치된 제 2 전극 패드;를 포함하는 발광소자가 제공될 수 있으며, 여기서 상기 GaN 버퍼층 및 상기 GaN 결정층은 상술한 방법으로 성장된 것일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 GaN 결정층은, n-도핑된 n-GaN 결정층, 다중 양자우물 구조의 활성층, 및 p-도핑된 p-GaN 결정층을 포함할 수 있다.

개시된 방법에 따르면, 그래핀층 상에 저온 공정으로 GaN 버퍼층을 먼저 형성하기 때문에, 고온에 의한 그래핀층의 손상이 거의 없다. 따라서, 손상되지 않은 그래핀층은 본래의 특성을 유지하고 있기 때문에 발광소자의 투명 전극 등으로 사용될 수 있으며, 또는 그래핀층의 우수한 열전도성을 활용하여 방열 수단으로 사용될 수도 있다. 또한, 개시된 방법에 따르면, GaN 버퍼층 위에 GaN 결정층을 성장시키기 때문에, 최종적으로 성장된 GaN 결정층의 품질이 향상될 수 있다. 더욱이, 그래핀층과 그 하부의 기판을 쉽게 분리할 수 있어서, 성장된 GaN 결정층을 필요에 따라 다른 기판 등에 용이하게 옮길 수 있다.

또한, 개시된 방법으로 성장된 GaN 결정층을 이용한 발광소자는 우수한 발광효율을 가질 수 있다.

도 1 내지 도 3은 일 실시예에 따라 그래핀층 상에 GaN 결정층을 성장시키는 과정을 보이는 단면도이다.
도 4는 도 2 및 도 3에 도시된 GaN 버퍼층과 GaN 결정층의 성장 과정에 대한 시간에 따른 공정 온도의 변화를 보이는 그래프이다.
도 5는 GaN 결정층의 성장 후에도 그래핀층이 손상 없이 보존되고 있음을 보이는 그래프이다.
도 6은 도 3에 도시된 GaN 결정층을 이용하여 제조된 발광소자를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 7은 사파이어 기판 상에 직접 GaN 결정층을 성장시켜 제조된 발광소자와 그래핀층 위에 GaN 결정층을 성장시켜 제조된 발광소자의 발광효율의 차이를 보이는 그래프이다.
도 8a 및 도 8b는 그래핀층 하부의 기판을 분리한 후, 도 3에 도시된 성장된 GaN 결정층을 다른 기판으로 옮기는 과정을 예시적으로 보이는 단면도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 그래핀층 상에 GaN 결정층을 성장시키는 방법 및 그래핀층 상의 GaN을 이용한 발광소자에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.

도 1 내지 도 3은 일 실시예에 따라 그래핀층 상에 GaN 결정층을 성장시키는 과정을 보이는 단면도이다.

먼저, 도 1을 참조하면, 기판(11) 위에 그래핀층(12)을 형성한다. 기판(11)은 예를 들어 사파이어를 사용할 수 있다. 사파이어 이외에도 그래핀과의 결합력이 우수한 실리콘, 글래스, 실리카 등을 기판(11)의 재료로 사용할 수 있다. 그래핀층(12)은 그래핀이 다층 구조로 적층되어 있는 그래핀 다중층일 수 있다. 현재, 기판(11) 상에 그래핀 다중층을 형성하기 위한 다양한 방법들이 개시되어 있다. 예를 들어, 기판(11) 위에 산화 그래핀을 도포한 후 환원시키는 방법으로 그래핀 다중층을 형성할 수 있으며, 또는 금속 촉매를 이용하여 화학적 기상 증착(CVD) 방식으로 그래핀 다중층을 형성할 수도 있다.

이렇게 형성된 그래핀층(12)은 일반적으로 전기 전도도 및 열전도성이 우수하고 매우 투명하기 때문에 발광소자나 디스플레이 등의 투명 전극 재료로 사용하기에 적합할 수 있다. 그러나, 전술한 바와 같이, 그래핀층(12)의 손상 없이 그래핀층(12) 위에 예를 들어 GaN과 같은 다른 무기물층을 성장시키기는 매우 어렵다. 또한, 그래핀층(12) 위에서 성장된 무기물층의 품질도 저하되기 쉽다.

이러한 점을 개선하기 위하여, 본 실시예에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이, 그래핀층(12) 위에 저온으로 GaN 버퍼층(13)을 먼저 성장시킬 수 있다. 저온으로 GaN 버퍼층(13)을 먼저 성장시키기 때문에, GaN 버퍼층(13)을 성장시키는 동안 그 하부의 그래핀층(12)은 거의 손상되지 않을 수 있다. 그런 후에는, 도 3에 도시된 바와 같이, GaN 버퍼층(13) 위에 최종적으로 GaN 결정층(14)을 성장시킨다. 상기 GaN 결정층(14)을 성장시키는 동안에는 GaN 버퍼층(13)이 그 하부의 그래핀층(12)을 보호하기 때문에, 그래핀층(12)이 거의 손상되지 않을 수 있다. 더욱이, 이렇게 형성된 GaN 결정층(14)은 GaN 버퍼층(13) 위에서 성장되기 때문에 우수한 결정 품질을 가질 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 그래핀층(12)의 손상 없이 우수한 품질의 GaN 결정층(14)을 형성하는 것이 가능하다.

도 4는 도 2 및 도 3에 도시된 GaN 버퍼층(13)과 GaN 결정층(14)의 성장 과정에 대한 시간에 따른 공정 온도의 변화를 보이는 그래프이다. 도 4를 참조하여 GaN 버퍼층(13)과 GaN 결정층(14)의 성장 공정을 보다 구체적으로 설명한다.

먼저, GaN 버퍼층(13)의 저온 성장은 다음과 같이 수행될 수 있다. 우선, 그래핀층(12)이 형성된 기판(11)을 챔버 내에 위치시킨 후, 예컨대 약 300 내지 600℃의 온도에서 그래핀층(12) 위로 Ga를 흘려주면서 MOCVD(metal organic chemical vapor deposition) 방식으로 그래핀층(12) 위에 Ga 시드(seed)(도시되지 않음)를 형성한다. Ga 시드의 형성은 약 5분 내지 10분 정도 수행될 수 있다.

Ga 시드가 그래핀층(12)의 표면을 전체적으로 덮게 되면, 챔버 내의 온도를 약 1000 내지 1100℃의 온도로 상승시키면서, 예를 들어 암모니아(NH₃)와 같은 질화수소 화합물을 챔버 내에서 제공한다. 그러면, 그래핀층(12) 상의 Ga 시드가 질소와 결합하면서 GaN 결정이 성장될 수 있다. GaN 결정의 성장은 약 1분 내지 30분 정도 수행될 수 있다. 본 실시예에 따르면, GaN 결정의 성장 과정에서 챔버 내의 온도를 약 1000 내지 1100℃ 정도로 올리더라도, 그래핀층(12)의 표면 위에 이미 형성된 Ga 시드가 그래핀층(12)을 보호할 수 있기 때문에, 그래핀층(12)은 거의 손상되지 않을 수 있다. 이렇게 형성된 GaN 결정은 GaN 버퍼층(13)이 될 수 있다. 도 4에서 점선으로 된 박스는 Ga 시드의 성장 과정과 GaN 결정의 성장 과정을 포함하는 GaN 버퍼층(13)의 저온 성장 공정을 표시한다.

상술한 방식으로 그래핀층(12) 위에 GaN 버퍼층(13)이 형성되었으면, 챔버 내의 온도를 다시 약 300 내지 600℃ 정도로 내려서 GaN 버퍼층(13)을 냉각시키고 내부 응력을 완화시키는 풀림 공정을 수행한다. 그런 후, 도 4에 도시된 바와 같이, 챔버 내의 온도를 다시 약 1000 내지 1100℃의 온도로 상승시키면서, 예를 들어, MOCVD 방식으로 GaN 버퍼층(13) 위에 GaN 결정층(14)을 성장시킬 수 있다. 이러한 GaN 버퍼층(13)의 성장과 GaN 결정층(14)의 성장은 하나의 챔버 내에서 연속적으로 수행될 수 있다. 본 실시예에 따르면, GaN 결정층(14)의 형성 과정에서 챔버 내의 온도가 약 1000 내지 1100℃ 정도로 오르더라도, 그래핀층(12) 상에 형성된 GaN 버퍼층(13)이 그래핀층(12)을 보호할 수 있다.

도 5는 GaN 결정층(14)의 성장 후에도 그래핀층(12)이 손상 없이 보존되고 있음을 보이는 그래프로서, GaN 결정층(14)의 성장 후에 얻은 라만 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 도 5의 그래프를 보면, G 밴드(1598/cm)와 2D 밴드(2712/cm)에서 나타나는 피크를 통해, GaN 결정층(14)의 성장 후에도 그래핀층(12)이 손상 없이 다중층 구조를 유지하고 있음을 확인할 수 있다.

상술한 본 실시예에 따른 방식으로 그래핀층(12) 위에 성장된 GaN 결정층(14)의 품질은 사파이어 기판 상에 직접 형성된 일반적인 GaN 결정층의 품질과 거의 차이가 없다. 따라서, GaN 결정층(14)은 발광 소자 등의 제조에 충분히 사용할 수 있다.

예를 들어, 도 6은 도 3에 도시된 GaN 결정층(14)을 이용하여 제조된 발광소자를 보이는 개략적으로 단면도이다. 도 6을 참조하면, GaN 결정층(14)은 예를 들어 n-도핑된 n-GaN 결정층(14a), 다중 양자우물 구조의 활성층(14b), 및 p-도핑된 p-GaN 결정층(14c)을 포함할 수 있다. 그리고, GaN 버퍼층(13)과 GaN 결정층(13)의 일부가 메사 에칭되어 그래핀층(12)이 부분적으로 노출되어 있다. 노출된 그래핀층(12)의 표면과 p-GaN 결정층(14c)의 표면에는 각각 전극 패드(15, 16)가 배치될 수 있다.

여기서, 그래핀층(12)은 n-GaN 결정층(14a)에 전류를 제공하는 전극으로서 역할을 할 수 있다. 알려진 바와 같이, 그래핀은 우수한 도전성을 갖기 때문에 발광소자의 전류 주입 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 그래핀은 우수한 열전도성도 갖기 때문에, 그래핀층(12)은 활성층(14b)에서 발생하는 열을 방출하는 방열 기능도 수행할 수 있다. 따라서, 그래핀층(12)은 열로 인한 발광소자의 열화 및 성능 저하를 방지할 수 있다. 도 7은 사파이어 기판 상에 직접 GaN 결정층을 성장시켜 제조된 발광소자와 그래핀층(12) 위에 GaN 결정층(14)을 성장시켜 제조된 발광소자의 발광효율의 차이를 보이는 그래프이다. 도 7을 참조하면, 본 실시예에 따라 그래핀층(12) 위에 GaN 결정층(14)을 성장시켜 제조된 발광소자가 더욱 우수한 발광효율을 갖는다는 것을 알 수 있다.

또한, 그래핀층(12)은 일반적으로 그 하부의 기판(11)과 분리되기도 쉬우며 다른 기판으로 전사되기도 쉽다. 따라서, 그래핀층(12) 위에 GaN 결정층(14)을 성장시킨 후에는, 도 8a에 도시된 바와 같이, 필요에서 따라서 기판(11)과 그래핀층(12)을 분리하는 것도 가능하다. 그러면, 그래핀층(12) 위에 형성된 GaN 버퍼층(13)과 GaN 결정층(14)만이 남게 되며, 용도에 따라 GaN 결정층(14)을 적절히 이용할 수 있다. 그리고, 도 8b에 도시된 바와 같이, 분리된 GaN 버퍼층(13)과 GaN 결정층(14)은 그래핀층(12)과 함께 이종의 다른 기판(20)에 전사될 수 있다. 예를 들어, 그래핀층(12), GaN 버퍼층(13) 및 GaN 결정층(14)을 포함하는 구조물은 사파이어와 같은 단단한 고체 기판으로부터 에폭시 수지와 같은 가요성(flexible) 기판으로 옮겨질 수 있다.

지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 그래핀층 상에 GaN 결정층을 성장시키는 방법 및 그래핀층 상의 GaN을 이용한 발광소자에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.

11, 20.....기판 12.....그래핀층
13.....GaN 버퍼층 14.....GaN 결정층
15, 16.....전극 패드

Claims (11)

1. 기판 상에 그래핀층을 형성하는 단계;
   제 1 온도 범위에서 상기 그래핀층 상에 GaN 버퍼층을 형성하는 단계; 및
   상기 제 1 온도 범위보다 높은 제 2 온도 범위에서 상기 GaN 버퍼층 상에 GaN 결정층을 성장시키는 단계;를 포함하는 GaN 결정층 성장 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 그래핀층 상에 GaN 버퍼층을 형성하는 단계는:
   상기 그래핀층 상에 Ga 시드를 형성하는 단계; 및
   상기 Ga 시드 상에 GaN 결정을 성장시켜 GaN 버퍼층을 형성하는 단계;를 포함하는 GaN 결정층 성장 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 그래핀층 상에 Ga 시드를 형성하는 단계는 MOCVD 방식으로 300도 내지 600도의 제 1 온도 범위에서 수행되는 GaN 결정층 성장 방법.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 Ga 시드 상에 GaN 결정을 성장시키는 단계는 상기 Ga 시드 상에 질화수소 화합물을 제공하면서 온도를 1000도 내지 1100도로 상승시켜 수행되는 GaN 결정층 성장 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 질화수소 화합물은 암모니아(NH₃)인 GaN 결정층 성장 방법.
6. 제 2 항에 있어서,
   상기 그래핀층 상에 GaN 버퍼층을 형성하는 단계는, GaN 결정의 성장 후에 온도를 300도 내지 600도로 내리는 풀림 공정을 더 포함하는 GaN 결정층 성장 방법.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 GaN 버퍼층 상에 GaN 결정층을 성장시키는 단계는 MOCVD 방식으로 1000도 내지 1100도의 제 2 온도 범위에서 수행되는 GaN 결정층 성장 방법.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 그래핀층은 그래핀이 다층 구조로 적층되어 있는 그래핀 다중층인 GaN 결정층 성장 방법.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 GaN 결정층의 성장 후에, 상기 기판을 상기 그래핀층으로부터 분리하는 단계를 더 포함하는 GaN 결정층 성장 방법.
10. 기판;
    상기 기판 상에 배치된 그래핀층;
    상기 그래핀층 상에 배치된 GaN 버퍼층;
    상기 GaN 버퍼층 상에 배치된 GaN 결정층;
    상기 GaN 버퍼층과 GaN 결정층을 메사 에칭하여 노출된 상기 그래핀층의 일부 표면 상에 배치된 제 1 전극 패드; 및
    상기 GaN 결정층의 상부 표면에 배치된 제 2 전극 패드;를 포함하며,
    상기 GaN 버퍼층 및 상기 GaN 결정층은 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 성장된 발광소자.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 GaN 결정층은, n-도핑된 n-GaN 결정층, 다중 양자우물 구조의 활성층, 및 p-도핑된 p-GaN 결정층을 포함하는 발광소자.

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