KR20150138890A - Surface Plasmon Resonance-based Light Emitting Diode Using insulator film - Google Patents
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Abstract
본 발명은 LED 구조의 활성층(active layer)과 보호막으로 둘러싸인 금속영역 간의 표면 플라즈몬 공명에 의하여 개선된 발광효율을 구현할 수 있는 발광다이오드에 관한 것이다.
본 발명에 따른 발광 다이오드(LED) 소자는 활성층과 주기적으로 배열된 홀 패턴 내부에 위치한 금속 영역 사이에 표면 플라즈몬 공명 현상을 유발시킴으로써 개선된 양자효율을 나타낼 수 있다. 구체적으로, 주기적으로 배열된 홀 구조 내부에 금속이 위치하고 있어 광추출 효과를 높일 수 있고, 제 2 도전형 반도체 층 두께를 그대로 유지하면서도 금속을 활성층 가까이에 위치시킬 수 있으며, 또한, 금속과 활성층 사이에 제 2 도전형 반도체층이 있어 활성층의 광손실이나 누설없이 표면 플라즈몬 현상을 유도할 수 있다. 더 나아가, 금속에 절연막이 형성되어 공정 중에 공기, 열, 산화에 의해 변형되는 것을 방지할 수 있다. The present invention relates to a light emitting diode capable of realizing improved luminous efficiency by surface plasmon resonance between an active layer of an LED structure and a metal region surrounded by a protective film.
The light emitting diode (LED) device according to the present invention can exhibit improved quantum efficiency by inducing surface plasmon resonance phenomenon between the active layer and the metal region located inside the periodically arranged hole pattern. Specifically, the metal is located inside the hole structure periodically arranged, so that the light extracting effect can be enhanced, the metal can be positioned near the active layer while maintaining the thickness of the second conductivity type semiconductor layer, The second conductivity type semiconductor layer can induce surface plasmon phenomenon without optical loss or leakage of the active layer. Furthermore, it is possible to prevent the insulating film from being formed on the metal and being deformed by air, heat, and oxidation during the process.
Description
본 발명은 절연막을 이용한 표면 플라즈몬 공명 기반 발광 다이오드 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 LED 구조의 활성층(active layer)과 보호막으로 둘러싸인 금속영역 간의 표면 플라즈몬 공명에 의하여 개선된 발광효율을 구현할 수 있는 발광다이오드에 관한 것이다. The present invention relates to a surface plasmon resonance-based light emitting diode using an insulating film. More particularly, the present invention relates to a light emitting diode capable of realizing improved luminous efficiency by surface plasmon resonance between an active layer of an LED structure and a metal region surrounded by a protective film.
반도체 발광 소자로서 화합물 반도체의 특성을 이용하여 백라이트 광원, 표시 광원, 일반광원과 풀 칼라 디스플레이 등에 응용되는 LED가 널리 각광받고 있다. 이러한 LED의 재료로서 대표적으로 GaN(Gallium Nitride), AlN(Aluminum Nitride), InN(Indium Nitride) 등와 같은 Ⅲ-V족 질화물 반도체가 알려져 있는 바, 상기 재료는 직접 천이형의 큰 에너지 밴드 갭(band gap)을 가지고 있어 질화물의 조성에 따라 거의 전파장 영역의 빛을 얻을 수 있다. 또한, ZnO 역시 LED 재료로서 주목받고 있는 바, 60 meV의 높은 엑시톤(exciton) 결합 에너지를 갖고 있어 실온에서도 엑시톤의 재결합을 이용하여 고효율 발광소자를 제조할 수 있기 때문이다. BACKGROUND ART [0002] LEDs that are applied to a backlight light source, a display light source, a general light source, a full color display, and the like are widely spotlighted by using the characteristics of a compound semiconductor as a semiconductor light emitting device. III-V group nitride semiconductors such as GaN (Gallium Nitride), AlN (Aluminum Nitride), and InN (Indium Nitride) are known as materials for such LEDs. These materials have a large energy band gap gap), so that light of almost the propagation region can be obtained depending on the composition of the nitride. ZnO is also attracting attention as an LED material because it has a high exciton binding energy of 60 meV and can produce a highly efficient light emitting device by using recombination of excitons even at room temperature.
한편, GaN를 기반으로 하는 질화물 반도체는 (0001) 면 위에 소자 구조를 제작할 [0003] 경우 성장 방향 [0001]으로 자발 분극(spontaneous polarization)이 형성된다. 특히, 대표적인 InGaN/GaN의 양자우물 구조를 갖는 LED는 (0001)면에 구조를 성장할 경우 양자우물구조에 격자 부정합 등에 기인하는 내부 스트레인(strain)이 발생하고 이에 따른 압전기장(piezoelectric fields)에 의하여 양자 구속된 스타크 효과(quantum-confined Stark effect; QCSE)가 야기되므로 내부 양자 효율을 높이는데 한계가 존재한다. On the other hand, a nitride semiconductor based on GaN has a spontaneous polarization in a growth direction when a device structure is fabricated on a (0001) plane. In particular, LEDs with a quantum well structure of a typical InGaN / GaN have an internal strain due to lattice mismatch in the quantum well structure when the structure is grown on the (0001) plane, and by the piezoelectric fields A quantum-confined Stark effect (QCSE) is generated, so there is a limitation in increasing the internal quantum efficiency.
이에 대하여, 최근에는 빛과 금속 간의 상호 작용에 의한 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance)을 이용하여 내부양자효율을 개선하려는 시도가 이루어지고 있다. 표면 플라즈몬은 금속 박막의 표면에서 일어나는 전자들의 집단적 진동(collective charge density oscillation)으로서, 금속과 유전체(공기 또는 반도체 등)의 경계, 즉 두 물질의 경계면인 아주 작은 영역에 국한되어 그 경계면을 따라 진행하는 표면 전자기파로 알려져 있다. 이와 같이 발생된 표면 전자기파는 금속 종류에 따라 공명을 일으키는 에너지가 다르며, LED 내부에 존재하는 활성층과 충분히 가깝고 표면 전자기파의 에너지가 매칭(matching)될 때 에너지 커플링이 일어난다. 이때 활성층에서 일어나는 발광 재결합 에너지뿐만 아니라 비발광 재결합 에너지까지 에너지 커플링이 일어나 표면 플라즈몬에 의하여 발광하므로 내부양자효율이 증가하는 것이다. 일반적으로, UV 발광 영역에서는 Pd과 Al, 가시광 영역에서는 Ag, Pt, Cu, Au 등과 같은 금속들이 주로 사용되고 있다. 이처럼, 금속에 존재하는 자유전자의 집단진동에 따라 형성되는 표면 플라즈몬과 활성층 간의 상호결합을 통하여 LED 내부에 존재하는 운반자들의 재결합 속도를 향상시킨다. 현재, 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 LED 소자의 경우, 효과적인 활성층-표면 플라즈몬 결합을 위하여는 기판 상에 n-형 GaN층(또는 p-형 GaN층), 활성층(다중 양자 우물 구조) 및 특정 두께의 p-형 GaN 층(또는 n-형 GaN층)을 순차적층하고, 금속층이 상기 p-형 GaN층(또는 n-형 GaN층) 위에 부착되는 방식으로 제작되고 있다. In recent years, attempts have been made to improve internal quantum efficiency using surface plasmon resonance due to interaction between light and metal. A surface plasmon is a collective charge density oscillation of electrons that occurs on the surface of a metal thin film and is limited to a boundary between a metal and a dielectric (air or semiconductor, etc.), that is, Is known as surface electromagnetic wave. The surface electromagnetic waves generated in this way have different resonance energy depending on the kind of metal, and energy coupling occurs when the energy of the surface electromagnetic wave is matched with the active layer sufficiently close to the inside of the LED. At this time, energy coupling occurs not only to the emission recombination energy occurring in the active layer but also to the non-emission recombination energy, and the internal quantum efficiency is increased due to the emission by the surface plasmon. Generally, metals such as Pd and Al in the UV light emitting region and Ag, Pt, Cu, and Au in the visible light region are mainly used. In this way, the recombination speed of the carriers existing in the LED is improved by mutual coupling between the surface plasmon formed according to the group vibration of the free electrons present in the metal and the active layer. At present, in the case of an LED device using a surface plasmon resonance phenomenon, an effective active layer-surface plasmon bonding is carried out by using an n-type GaN layer (or a p-type GaN layer), an active layer (multi quantum well structure) a p-type GaN layer (or an n-type GaN layer) is sequentially layered and a metal layer is deposited on the p-type GaN layer (or the n-type GaN layer).
예를 들면, 국내특허공개번호 제2008-74474호는 제1 및 제2 도전형 반도체층과, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체 층 사이에 형성된 활성층 및 상기 제2 도전형 반도체층의 노출면 상에 형성되고, 상기 활성층에서 방출된 광에 의해 상기 제2 도전형 반도체층과의 계면에 존재하는 표면 플라즈몬이 여기되도록 상기 활성층으로부터 소정 거리 이격되어 배치되며, 상기 여기된 표면 플라즈몬이 상기 활성층 방향으로 방출되도록 상기 계면에 형성된 주기적인 요철구조를 갖는 금속층을 포함하는 표면 플라즈몬 공명을 이용한 반도체 발광소자를 개시하고 있다. For example, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2008-74474 discloses a semiconductor light emitting device including first and second conductivity type semiconductor layers, an active layer formed between the first and second conductivity type semiconductor layers, And is disposed at a predetermined distance from the active layer to excite a surface plasmon existing at an interface with the second conductivity type semiconductor layer by light emitted from the active layer, And a metal layer having a periodic concavo-convex structure formed on the interface so as to be emitted through the surface plasmon resonance.
상술한 바와 같이, 표면 플라즈몬 공명을 이용한 종래의 LED 소자 대부분의 경우, 박막 형태의 금속층을 LED 소자 내 상부 도전형 반도체 층의 상면에만 형성시켜야 하는 제한이 있으며, 더 나아가 활성층과 금속층의 표면 플라즈몬이 공명을 일으키기 위해서는 상부 도전형 반도체 층의 두께를 작게 유지해야 한다. 따라서, LED 소자 구성의 유연성 및 전기적 성능 개선에 있어서 한계가 존재한다. As described above, in most of the conventional LED devices using surface plasmon resonance, there is a restriction that a metal layer in the form of a thin film should be formed only on the upper surface of the upper conductive semiconductor layer in the LED element. Further, the surface plasmon of the active layer and the metal layer In order to cause resonance, the thickness of the upper conductive type semiconductor layer must be kept small. Therefore, there is a limitation in improving the flexibility and electrical performance of the LED element structure.
이와 다른 구조로서, 단일 또는 다중 양자 우물 구조의 활성층의 상측면 또는 하측면 상에 박막 형태의 금속층을 구비함으로써, 상기 금속층의 표면 플라즈몬이 상기 활성층의 우물층과 공명을 일으키는 LED 소자의 구성도 알려져 있다. As another structure, the constitution of the LED element in which the surface plasmon of the metal layer resonates with the well layer of the active layer by providing a metal layer in the form of a thin film on the upper or lower side of the active layer of single or multiple quantum well structure is also known have.
그러나, 하부 도전형 반도체 층과 활성층 사이, 또는 상부 도전형 반도체 층과 활성층 사이에 금속 박막층을 형성할 경우에는 이후 활성층 및/또는 상부 도전형 반도체 층의 고온 성장 조건 하에서 금속이 손실되는 현상이 발생된다. 또한, 금속을 활성층 영역 내에 위치하거나 이와 직접 접촉하는 경우에는 금속 누설(leakage) 현상 역시 발생할 수 있다. However, when a metal thin film layer is formed between the lower conductive type semiconductor layer and the active layer, or between the upper conductive type semiconductor layer and the active layer, there is a phenomenon that the metal is later lost under the high temperature growth conditions of the active layer and / do. Also, when the metal is located in or directly in contact with the active layer region, leakage of metal may also occur.
한국 등록특허 10-1134191호에 제 1 도전형 반도체, 활성층, 제 2 도전형 반도체층에 걸쳐 형성된 로드 사이에 나노입자가 위치하는 구조가 개시되어 있으나, 상기 구조에서는 활성층이 로드 형상으로 존재하여(다수의 air/GaN 계면 존재) 광 누설(leakage)손실이 발생될 수 있는 문제가 있다. - 첨부된 10-1134191호 참고하여...본 특허의 한계, 문제점 기재 요망... Korean Patent No. 10-1134191 discloses a structure in which nanoparticles are positioned between rods formed over a first conductivity type semiconductor, an active layer, and a second conductivity type semiconductor layer. In this structure, the active layer exists in a rod shape A large number of air / GaN interfaces exist), there is a problem that light leakage loss may occur. - Refer to attached 10-1134191 ... Describe limitations and problems of this patent ...
본 발명은 상부 도전형 반도체층(제 2 도전형 반도체층) 두께의 감소없이 표면 플라즈몬 현상을 유도할 수 있는 발광소자를 제공하는 것이다. The present invention provides a light emitting device capable of inducing a surface plasmon phenomenon without reducing the thickness of the upper conductive semiconductor layer (second conductive semiconductor layer).
본 발명은 활성층이나 상부도전형 반도체층 성장에 따른 고온에 영향을 받지 않도록 활성층과 상부 도전형 반도체층(제 2 도전형 반도체층) 사이에 플라즈몬 공명을 유도할 수 있는 금속 영역을 형성시키는 방법 및 소자를 제공하는 것이다. A method of forming a metal region capable of inducing plasmon resonance between an active layer and a top conductive type semiconductor layer (second conductive type semiconductor layer) so as not to be affected by a high temperature due to growth of an active layer or an upper conductive type semiconductor layer, and Device.
본 발명은 활성층의 광손실이나 누설없이 표면 플라즈몬 현상을 유도할 수 있는 방법 및 소자를 제공하는 것이다. The present invention provides a method and device capable of inducing a surface plasmon phenomenon without optical loss or leakage of an active layer.
본 발명의 제 1 면(aspect)에 따르면, According to a first aspect of the present invention,
제 1 도전형 반도체층, 활성층 및 제 2 도전형 반도체층을 구비하는 반도체 소자를 제공하는 단계 ; Providing a semiconductor device including a first conductivity type semiconductor layer, an active layer, and a second conductivity type semiconductor layer;
상기 제 2 도전형 반도체층에 복수개의 홀 패턴을 형성하는 단계 ; Forming a plurality of hole patterns in the second conductive type semiconductor layer;
상기 제 2 도전형 반도체층과 홀 패턴에 절연막과 금속층을 순차로 증착하는 단계 ; Sequentially depositing an insulating film and a metal layer on the second conductive semiconductor layer and the hole pattern;
상기 절연막을 다시 금속층 상에 증착하는 단계 ; 및 Depositing the insulating film on the metal layer again; And
상기 제 2 도전형 반도체 층 상부의 절연막과 금속층을 제거하는 단계를 포함하는 방법으로서, Removing the insulating layer and the metal layer on the second conductive type semiconductor layer,
상기 방법은 홀 패턴 내부에 상기 절연막으로 둘러싸인 상기 금속층을 형성시켜, 상기 금속층과 상기 활성층 간에 표면 플라즈몬 공명을 발생시키는 것을 특징으로 하는 LED 소자 제조방법이 제공된다. The method includes forming the metal layer surrounded by the insulating film in a hole pattern to cause surface plasmon resonance between the metal layer and the active layer.
본 발명의 제2 면에 따르면, According to a second aspect of the present invention,
제 1 도전형 반도체층, 활성층 영역 및 제 2 도전형 반도체층을 구비하는 반도체 소자를 제공하는 단계 ; Providing a semiconductor device having a first conductivity type semiconductor layer, an active layer region, and a second conductivity type semiconductor layer;
상기 제 2 도전형 반도체층에 복수개의 홀 패턴을 형성하는 단계 ; Forming a plurality of hole patterns in the second conductive type semiconductor layer;
상기 제 2 도전형 반도체층에 금속 코어-보호막 쉘 구조의 나노입자를 코팅하는 단계 ; 및 Coating nanoparticles of a metal core-protective film shell structure on the second conductivity type semiconductor layer; And
상기 제 2 도전형 반도체 층 상부에 위치하는 상기 나노입자를 제거하는 단계를 포함하는 방법으로서, 상기 방법은 홀 패턴 내부에 보호막으로 둘러싸인 상기 코어-쉘 구조의 나노 입자를 위치시켜, 상기 금속입자와 상기 활성층 간에 표면 플라즈몬 공명을 발생시키는 것을 특징으로 하는 LED 소자 제조 방법이 제공된다. Removing the nanoparticles located above the second conductivity type semiconductor layer, the method comprising: The method includes placing the nanoparticles of the core-shell structure surrounded by a protective film in a hole pattern, and generating surface plasmon resonance between the metal particles and the active layer.
본 발명의 제3 면에 따르면, According to a third aspect of the present invention,
제 1 도전형 반도체층 ; A first conductive semiconductor layer;
제 2 도전형 반도체층 ; A second conductivity type semiconductor layer;
상기 제 1 도전형 반도체층과 제 2 도전형 반도체층 사이에 형성된 활성층 ; An active layer formed between the first conductive semiconductor layer and the second conductive semiconductor layer;
상기 제 2 도전형 반도체층에 소정 깊이로 주기적으로 반복 형성된 홀 패턴 ; A hole pattern periodically repeatedly formed in the second conductivity type semiconductor layer to a predetermined depth;
상기 홀 패턴의 하부 상부 및 내벽에 증착된 절연막 및 An insulating film deposited on the upper and lower walls of the hole pattern,
상기 절연막에 둘러싸여 있는 금속 영역을 포함하고, 상기 금속영역과 상기 활성층 간에 표면 플라즈몬 공명이 발생되는 것을 특징으로 하는 LED 소자가 제공된다. And a metal region surrounded by the insulating film, wherein surface plasmon resonance occurs between the metal region and the active layer.
본 발명의 제 4면에 따르면, According to a fourth aspect of the present invention,
제 1 도전형 반도체층 ; A first conductive semiconductor layer;
제 2 도전형 반도체층 ; A second conductivity type semiconductor layer;
상기 제 1 도전형 반도체층과 제 2 도전형 반도체층 사이에 형성된 활성층 ; An active layer formed between the first conductive semiconductor layer and the second conductive semiconductor layer;
상기 제 2 도전형 반도체층에 소정 깊이로 주기적으로 반복 형성된 홀 패턴 ; 및 A hole pattern periodically repeatedly formed in the second conductivity type semiconductor layer to a predetermined depth; And
상기 홀 패턴의 내부에 위치하는 금속 코어-절연막 쉘 구조의 나노입자를을 포함하고, 상기 금속 코어와 상기 활성층 간에 표면 플라즈몬 공명이 발생되는 것을 특징으로 하는 LED 소자가 제공된다. And nanoparticles of a metal core-insulating shell structure located inside the hole pattern, wherein surface plasmon resonance occurs between the metal core and the active layer.
본 발명에 따른 발광 다이오드(LED) 소자는 활성층과 주기적으로 배열된 홀 패턴 내부에 위치한 금속 영역 사이에 표면 플라즈몬 공명 현상을 유발시킴으로써 개선된 양자효율을 나타낼 수 있다. 구체적으로, 주기적으로 배열된 홀 구조 내부에 금속이 위치하고 있어 광추출 효과를 높일 수 있고, 제 2 도전형 반도체 층 두께를 그대로 유지하면서도 금속을 활성층 가까이에 위치시킬 수 있으며, 또한, 금속과 활성층 사이에 제 2 도전형 반도체층이 있어 활성층의 광손실이나 누설없이 표면 플라즈몬 현상을 유도할 수 있다. 더 나아가, 금속에 절연막이 형성되어 공정 중에 공기, 열, 산화에 의해 변형되는 것을 방지할 수 있다. The light emitting diode (LED) device according to the present invention can exhibit improved quantum efficiency by inducing surface plasmon resonance phenomenon between the active layer and the metal region located inside the periodically arranged hole pattern. Specifically, the metal is located inside the hole structure periodically arranged, so that the light extracting effect can be enhanced, the metal can be positioned near the active layer while maintaining the thickness of the second conductivity type semiconductor layer, The second conductivity type semiconductor layer can induce surface plasmon phenomenon without optical loss or leakage of the active layer. Furthermore, it is possible to prevent the insulating film from being formed on the metal and being deformed by air, heat, and oxidation during the process.
도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 표면 플라즈몬 공명-기반 LED 소자의 제작 과정을 도시하는 도면이다.
도 2는 도 1에 의해 제조된 표면 플라즈몬 공명-기반 LED 소자의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 다른 구체예에 따른 표면 플라즈몬 공명-기반 LED 소자의 제작 과정을 도시하는 도면이다.
도 4는 도 3에 의해 제조된 표면 플라즈몬 공명-기반 LED 소자의 개략도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a view showing a manufacturing process of a surface plasmon resonance-based LED device according to an embodiment of the present invention; FIG.
2 is a schematic diagram of a surface plasmon resonance-based LED element made by FIG.
3 is a view showing a manufacturing process of a surface plasmon resonance-based LED device according to another embodiment of the present invention.
Fig. 4 is a schematic view of the surface plasmon resonance-based LED element manufactured by Fig.
본 발명은 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. The present invention can be all accomplished by the following description. The following description should be understood to describe preferred embodiments of the present invention, but the present invention is not necessarily limited thereto.
또한, 첨부된 도면은 이해를 돕기 위하여 실제 층의 두께(또는 높이) 또는 다른 층과의 비율에 비하여 다소 과장되게 표현된 것일 수 있으며, 그 의미는 후술하는 관련 기재의 구체적 취지에 의하여 적절히 이해될 수 있다. The accompanying drawings may be exaggeratedly expressed relative to the actual layer thickness (or height) or the ratio with respect to other layers in order to facilitate understanding, and the meaning thereof may be appropriately understood according to the concrete purpose of the related description to be described later .
본 명세서에 있어서, "상에" 및 "위에"라는 표현은 상대적인 위치 개념을 언급하기 위하여 사용되는 것으로서, 언급된 층에 다른 구성 요소 또는 층이 직접적으로 존재하는 경우뿐만 아니라, 그 사이에 다른 층(중간층) 또는 구성 요소가 개재되거나 존재할 수 있고, 또한 언급된 층과의 관계에서 상부에 존재하기는 하나 언급된 층의 표면을 완전히 덮지 않은 경우(예를 들면, 임베디드(embedded) 구조)도 포함할 수 있다. 이와 유사하게, "하측에", "하부에" 및 "아래에"라는 표현 역시 위치에 대한 상대적 개념으로 이해될 수 있을 것이다. 또한, "사이에"라는 표현도 전술한 바와 같이 상대적으로 이해될 수 있고, 이때 종적 또는 횡적 위치 개념으로 파악될 수 있다. In this specification, the expressions "on" and "on" are used to refer to the relative position concept and include not only the case where other elements or layers are directly present in the mentioned layer, (Interlayers) or components may be interposed or present, and also in the context of the mentioned layers, but not completely covering the surface of the mentioned layer (e.g. embedded structure) can do. Similarly, the expressions "underneath", "underneath", and "underneath" may also be understood as relative concepts of position. Also, the expression "between" can be relatively understood as described above, and can be understood as a longitudinal or lateral positional concept.
본 명세서에 있어서, "제 1 도전형 반도체" 및 "제 2 도전형 반도체" 각각은 "n-형" 또는 "p-형"을 의미할 수 있으며, 전형적으로는 상호 반대되는 도전 특성을 갖는다. 이때, 제1 도전형 반도체로서 의도하지 않은 도핑이 된(unintentionally doped) GaN와 같은 반도체도 가능하다. 보다 바람직하게는, 상기 제1 도전형 반도체가 상대적으로 하측에 위치하는 경우에는 p-형 반도체일 수 있는 한편, 상기 제2 도전형 반도체는 n-형 반도체일 수 있다. In this specification, each of the "first conductivity type semiconductor" and the "second conductivity type semiconductor" may mean "n-type" or "p-type" and typically has opposite conductivity characteristics. At this time, semiconductors such as unintentionally doped GaN as the first conductivity type semiconductor are also possible. More preferably, the first conductivity type semiconductor may be a p-type semiconductor when the first conductivity type semiconductor is located on the lower side, and the second conductivity type semiconductor may be an n-type semiconductor.
또한, "영역"이라는 용어는 넓은 의미로 이해될 수 있는 바, 예를 들면 "연속적인 층" 구조뿐만 아니라, 다양한 입체 구조물(로드, 중공 실린더 또는 링 등) 또는 이의 구성 부위를 전체적으로 통칭하는 의미로 이해될 수 있으며, 더 나아가 특정 성분 또는 입자(예를 들면, 양자점)가 함유되어 있거나 특정 성분 또는 입자가 규칙적/불규칙적, 그리고 연속적/불연속적으로 분포 또는 형성되어 있는 경우도 포함할 수 있다. Also, the term "region" can be understood in a broad sense, for example, as meaning, in general, the term "continuous layer" structure as well as various steric structures (rod, hollow cylinder or ring, etc.) And may further include a case where a specific component or a particle (for example, a quantum dot) is contained, or a specific component or particle is regularly / irregularly distributed, or continuously / discontinuously distributed or formed.
이하에서는, 본 발명의 다양한 구체예에 따른 표면 플라즈몬 공명-기반 LED 소자를 구체적으로 기술한다. Hereinafter, surface plasmon resonance-based LED devices according to various embodiments of the present invention will be described in detail.
도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 표면 플라즈몬 공명-기반 LED 소자의 제작 과정을 도시하는 도면이다. 도 2는 도 1에 의해 제조된 표면 플라즈몬 공명-기반 LED 소자의 개략도이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a view showing a manufacturing process of a surface plasmon resonance-based LED device according to an embodiment of the present invention; FIG. 2 is a schematic diagram of a surface plasmon resonance-based LED element made by FIG.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 LED 소자는 기본적으로 기판(101), 제1 도전형 반도체 영역(102), 제2 도전형 반도체(104) 및 상기 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 사이에 형성된 활성층(103)을 포함한다.
Referring to FIGS. 1 and 2, the LED device of the present invention basically includes a
상기 LED 소자는 상기 제 2 도전형 반도체층(104)에 소정 깊이로 주기적으로 반복 형성된 홀 패턴(107), 상기 홀 패턴의 하부 상부 및 내벽에 증착된 절연막(108) 및 상기 절연막에 둘러싸여 있는 금속 영역(109)을 포함한다.
The LED device includes a
상기 LED 소자는 상기 활성층에서 방출된 광에 의하여 금속 영역과 표면 플라즈몬 현상이 유도된다. 상기 금속영역은 금속이 위치하는 영역으로서, 상기 홀 패턴 내부에 소정 두께로 위치하는 금속부분을 나타낸다. The LED device induces a metal region and a surface plasmon phenomenon by the light emitted from the active layer. The metal region is a region where the metal is located, and represents a metal portion positioned within the hole pattern at a predetermined thickness.
본 발명에 따른 발광 다이오드(LED) 소자는 주기적으로 배열된 홀 구조 내부에 금속이 위치하고 있어 광추출 효과를 높일 수 있다. 제 2 도전형 반도체 층 두께를 그대로 유지하면서도 금속을 활성층 가까이에 위치시킬 수 있다. 또한, 금속과 활성층 사이에 제 2 도전형 반도체층과 절연막이 있어 활성층의 광손실이나 누설없이 표면 플라즈몬 현상을 유도할 수 있다. 더 나아가, 금속에 절연막이 형성되어 공정 중에 공기, 열, 산화에 의해 변형되는 것을 방지할 수 있다. The light emitting diode (LED) device according to the present invention can increase the light extracting effect because the metal is located inside the hole structure periodically arranged. The metal can be positioned near the active layer while maintaining the thickness of the second conductivity type semiconductor layer. Further, since the second conductive type semiconductor layer and the insulating film are interposed between the metal and the active layer, surface plasmon phenomenon can be induced without optical loss or leakage of the active layer. Furthermore, it is possible to prevent the insulating film from being formed on the metal and being deformed by air, heat, and oxidation during the process.
하기에 본 발명의 LED 소자를 제조하는 방법에 대해 상술한다. The method of manufacturing the LED element of the present invention will be described in detail below.
본 발명은 기판(101) 상에 제1 도전형 반도체 층(102)을 형성하는데, 이때 제1 도전형 반도체 층(102)은 바람직하게는 p-형 반도체 층일 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체 층의 두께는 전형적으로 약 50 nm 내지 10㎛, 보다 전형적으로 약 100 내지 500 nm 범위일 수 있는 바, 본 발명이 반드시 상기 특정 수치 범위로 한정되는 것은 아니다.
The first conductivity
상기 기판(101)은 당업계에서 LED 제조용으로 알려진 기판, 전형적으로는 반도체 단결정 성장용 기판으로서, 예를 들면, 사파이어, 실리콘 카바이드(SiC), 갈륨비소(GaAs), 질화갈륨(GaN), 실리콘(Si), 갈륨인(GaP), 인듐인(InP), 산화아연(ZnO), MgAl2O4 MgO, LiAlO2, LiGaO2 등과 같이 GaN와 같은 반도체를 적층(epitaxially) 성장시킬 수 있는 기판으로부터 선택할 수 있는 바, 보다 전형적으로는 사파이어 기판을 사용할 수 있다. 또한, 기판의 두께는 이하의 기재에서 별도로 언급하지 않는 한, 전형적으로는 약 100 내지 500 ㎛, 보다 전형적으로는 약 250 내지 450 ㎛ 범위일 수 있으나, 이는 예시적인 의미로 이해되어야 한다.The
또한. 제1 도전형 반도체 층(102)의 형성에 앞서 완충층(도시되지 않음)이 형성될 수 있다. 즉, 기판(101)과 제1 도전형 반도체층(102) 간의 격자 상수 부정합을 완화하고 2차원적 성장을 유도하기 위하여 선택적으로 완충층(buffer layer)이 그 사이에 형성될 수 있다. 이와 같이 완충층 상에 반도체층을 성장시킬 경우, 이종 기판 상에 직접 성장시킬 경우에 비하여 계면 에너지가 감소하기 때문에 높은 밀도의 핵 생성이 가능하게 되고, 또한 측면 성장(lateral growth)의 촉진으로 인하여 평면성장을 촉진하는 장점이 있어, 격자 부정합을 일정 정도 완화시킬 수 있다.
Also. A buffer layer (not shown) may be formed prior to the formation of the first conductivity
본 발명은 제1 도전형 반도체 층(102) 상에 활성층(103)을 형성하는데, 본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 상기 활성층은 GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, InAlGaN 등으로부터 선택되는 적어도 2가지 재질로 이루어질 수 있다. 이 중 에너지 밴드 갭이 작은 물질을 양자우물(quantum well)로 하고, 에너지 밴드 갭이 큰 물질을 양자 배리어(quantum barrier)로 구성할 수 있으며, 단일 또는 다중양자우물구조 모두 가능하다.
The
상기 활성층(103)은 단일양자우물 구조의 경우에는 약 1 내지 10 ㎚, 그리고 다중양자우물(예를 들면, 5쌍의 활성층)의 경우에는 약 40 내지 80 ㎚의 두께로 형성될 수 있다. 상기 수치 범위는 예시적 의미로서 본 발명이 반드시 이에 한정되지 않는다.
The
본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 활성층(103) 상에 제2 도전형 반도체층(104)을 형성함으로써 LED 구조에 p-n 접합(junction)을 제공한다.
According to a preferred embodiment of the present invention, a second conductivity
상기 제1 도전형 반도체, 그리고 활성층 및 제2 도전형 반도체는 특별한 제한 없이 당업계에서 LED 제조용으로 알려진 다양한 반도체 물질(III-V, II-VI 등), 예를 들면 GaN, InN, AlN, InP, InS, GaAs, CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, AlxGa1-xN, InxGa1-xN, InxGa1-xAs, ZnxCd1-xS, InZnO(IZO), InSnO2(ITO), ZTO(zinc tin oxide), AZO(Al-doped zinc oxide), In2O3, Ga2O3, InGaZnO(IGZO) 등을 사용할 수 있고, 이들을 단독 또는 조합하여 사용할 수 있다(상기에서, 0<x<1). The first conductive semiconductor, the active layer, and the second conductive semiconductor may be formed of various semiconductor materials (III-V, II-VI, etc.) known in the art for manufacturing LEDs such as GaN, InN, AlN, InP , InS, GaAs, CdS, CdSe , CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, ZnO, Al x Ga 1-x N, In x Ga 1-x N, In x Ga 1-x As, Zn x Cd 1-x S , InZnO (IZO), may be used InSnO 2 (ITO), ZTO ( zinc tin oxide), AZO (Al-doped zinc oxide), In 2 O 3, Ga 2 O 3, InGaZnO (IGZO) , etc., thereof alone (In the above, 0 < x < 1).
또한, 본 명세서에서 별도의 언급이 없는 한, 도전형 반도체 영역(및 완충층), 활성층 영역의 형성은 통상적인 LED 제조 과정에서 수반되는 층 형성 또는 성장 방식이 특별한 제한 없이 적용될 수 있는 바, 유기금속화학증착법(MOCVD), 분자빔성장법(MBE), 하이드라이드 기상성장법(HVPE) 등을 예시할 수 있으며, 일정 경우에는 스퍼터링법도 이용될 수 있다. Unless otherwise specified in the present specification, the formation of the conductive semiconductor region (and the buffer layer) and the active layer region can be applied without any particular limitation to the layer formation or growth method involved in a typical LED manufacturing process, (MOCVD), molecular beam growth (MBE), and hydride vapor phase growth (HVPE). In some cases, sputtering may also be used.
상기 제 2 도전형 반도체층(104)의 두께는 약 100 내지 300 nm, 보다 전형적으로는 약 100 내지 130 nm 범위로 구성할 수 있는 바, 이는 예시적인 의미로 해석되어야 한다.
The thickness of the second conductivity
도 1 을 참고하면, 본 발명은 상기 제 2 도전형 반도체층(104)에 복수개의 홀 패턴을 형성하는 단계를 포함한다.
Referring to FIG. 1, the present invention includes a step of forming a plurality of hole patterns in the second
상기 홀 패턴 형성 방법은 상기 제 2 도전형 반도체층 상에 폴리스티렌 입자를 도포하는 단계, 상기 폴리스티렌 입자를 에칭하여 입자 사이즈를 축소시키는 단계, 마스크 금속을 증착하는 단계, 상기 폴리스티렌 입자를 제거하는 단계 및 상기 폴리스티렌이 제거된 영역 하부의 상기 제 2 도전형 반도체층을 수직으로 에칭하는 단계를 포함한다. The method for forming a hole pattern includes the steps of applying polystyrene particles on the second conductive type semiconductor layer, reducing the particle size by etching the polystyrene particles, depositing a mask metal, Removing the polystyrene particles, and vertically etching the second conductive type semiconductor layer under the region where the polystyrene is removed.
먼저, self-assembled 특성을 갖는 폴리스티렌 콜로이드(Polystyrene Colloid)를 스핀코팅(Spin Coating) 방식이나 드롭(drop) 방식을 이용하여 제 2 도전형 반도체(104)의 표면에 증착시켜 정렬된 폴리스티렌 입자(bead)(105)를 단층으로 형성한다.
First, a polystyrene colloid having a self-assembled property is deposited on the surface of the second
상기 폴리스티렌 입자를 에칭하여 입자 사이즈를 500~600nm로 축소시킨다. 이어서, 마스크 금속을 상기 제 2 도전형 반도체와 폴리스티렌 입자상에 증착시킨다. 상기 마스크 금속으로는 니켈, 구리, 알루미늄 등을 사용할 수 있다. The polystyrene particles are etched to reduce the particle size to 500 to 600 nm. Then, a mask metal is deposited on the second conductivity type semiconductor and polystyrene particles. The mask metal may be nickel, copper, aluminum, or the like.
이어서, 상기 폴리스티렌 입자를 아세톤과 IPA(이소프로필알콜)로 제거한 다음, 상기 폴리스티렌이 제거된 영역 하부의 상기 제 2 도전형 반도체층을 수직으로 에칭한다. Subsequently, the polystyrene particles are removed with acetone and IPA (isopropyl alcohol), and then the second conductive type semiconductor layer under the region where the polystyrene is removed is vertically etched.
상기 마스크 금속은 상기 폴리스티렌 입자가 위치한 하부 영역에 증착되지 않으므로 상기 에칭은 상기 마스크 금속이 증착되지 않은 영역에서 수직으로 이루어진다. Since the mask metal is not deposited in the lower region where the polystyrene particles are located, the etching is performed vertically in the region where the mask metal is not deposited.
본 발명에서는 상기 폴리스티렌 입자를 단층으로 코팅, 에칭 및 마스크 금속의 증착 공정을 통해 홀 패턴을 소정 간격, 소정 크기로 상기 제 2 도전형 반도체층에 주기적으로 반복 형성시킬 수 있다. In the present invention, a hole pattern may be periodically and repeatedly formed in the second conductivity type semiconductor layer at predetermined intervals and a predetermined size through a process of coating the polystyrene particles with a single layer, etching, and depositing a mask metal.
즉, 폴리스티렌 입자의 크기나 에칭시간 등을 제어하여 상기 홀 패턴의 크기나 간격 등을 제어할 수 있다. That is, the size, interval and the like of the hole pattern can be controlled by controlling the size of the polystyrene particles, the etching time, and the like.
본 발명에서는 상기 폴리스티렌 입자나 LED 구조물의 선택적 제거를 위하여 나노 패터닝 기술을 이용한 선택적 에칭 공정이 적용될 수 있다. 이러한 선택적 에칭 공정을 위하여, 전자빔 (electron-beam) 리소그래피(lithography), 집속이온빔(focused ion beam, FIB) 리소그래피, 나노 임프린트법(nano-imprint), SiO2 나노 파티클을 이용한 마스크 형성법, 자기 응집성 금속 마스크법(self-assembled metal mask) 등의 마스크 패턴화 방법이 적용 가능하다. 또한, 마스크 형성 후 에칭 방법으로는 건식 에칭법, 예를 들면 반응성 이온 에칭법(reactive ion etching; RIE), 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 에칭(inductively coupled plasma reactive ion etching; ICP-RIE), 화학적 이온 빔 에칭(chemically assisted ion beam etching; CAIBE) 등을 이용할 수 있다. In the present invention, a selective etching process using a nano patterning technique may be applied to selectively remove the polystyrene particles or LED structures. For such a selective etching process, electron-beam lithography, focused ion beam (FIB) lithography, nano-imprint, mask formation using SiO2 nanoparticles, A mask patterning method such as a self-assembled metal mask can be applied. As the etching method after the formation of the mask, a dry etching method such as reactive ion etching (RIE), inductively coupled plasma reactive ion etching (ICP-RIE) Chemically assisted ion beam etching (CAIBE) or the like may be used.
상기 에칭은, 예를 들면, ICP-RIE를 이용하는 경우에는 선택비(selectivity), 식각률(etch rate) 등의 공정 파라미터를 적절히 조절하여 제 2 도전형 반도체층을 에칭할 수 있다. When the ICP-RIE is used, the etching can be performed by appropriately adjusting process parameters such as selectivity and etch rate, for example, to etch the second conductivity type semiconductor layer.
상기 방법은 제 2 반도체층을 80~120nm, 바람직하게는 100~120nm 깊이로 에칭하여 홀 패턴을 형성할 수 있다. In this method, a hole pattern can be formed by etching the second semiconductor layer to a depth of 80 to 120 nm, preferably a depth of 100 to 120 nm.
상기 방법은 상기 홀 패턴의 하단과 상기 활성층과의 간격이 5~120nm, 바람지하게는 10~40nm, 더욱 바람직하게는 10~20nm 범위가 되도록 에칭할 수 있다. 예를 들면, 금속이 Ag의 경우에는 상기 홀패턴의 하단과 상기 활성층과의 간격이 가까우면 가까울수록 좋다. In this method, the distance between the lower end of the hole pattern and the active layer is 5 to 120 nm, preferably 10 to 40 nm, more preferably 10 to 20 nm. For example, when the metal is Ag, the closer the interval between the lower end of the hole pattern and the active layer, the better.
상기 방법은 상기 홀 패턴의 크기가 400~600nm, 바람직하게는 400~500nm 가 되도록 형성할 수 있다. The method may be such that the size of the hole pattern is 400 to 600 nm, preferably 400 to 500 nm.
본 발명은 상기 홀 패턴 형성 이후에 절연막을 증착할 수 있다. 상기 절연막(insulator 또는 non-conductive material)은 전형적으로 금속보다 높은 에너지 밴드갭, 예를 들면 적어도 약 3 eV의 에너지 밴드갭을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 절연막은 금속보다 높은 융점을 갖는 것이 바람직하다. 상기 절연막은 실리카(SiO2), 티타니아(TiO2), 지르코니아(ZrO2), 알루미나(Al2O3) 또는 이의 조합일 수 있다. The present invention can deposit an insulating film after forming the hole pattern. The insulator or non-conductive material typically has a higher energy band gap than the metal, for example, at least about 3 eV. It is also preferable that the insulating film has a melting point higher than that of the metal. The insulating film may be silica (SiO2), titania (TiO2), zirconia (ZrO2), alumina (Al2O3) or a combination thereof.
상기 절연막은 상기 마스크층 상부, 홀 하단뿐만 아니라 측벽에도 증착될 수 있다. 상기 절연막 증착은 바람직하게는 플라즈마 화학기상증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition; PECVD), 스퍼터링(Sputtering)에 의하여 형성할 수 있다. The insulating layer may be deposited not only on the upper portion of the mask layer, the lower portion of the hole, but also on the side wall. The insulating film deposition can be preferably performed by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) or sputtering.
상기 절연막의 두께는 5~50nm, 바람직하게는 10~50nm, 더욱 바람직하게는 10~20nm일 수 있다. The thickness of the insulating film may be 5 to 50 nm, preferably 10 to 50 nm, and more preferably 10 to 20 nm.
상기 방법은 상기 절연막 상부에 금속을 증착한다. 상기 표면 플라즈몬 공명을 발생하는데 적합한 금속은 예를 들면 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu), 금(Au), 크롬(Cr) 등을 단독으로 또는 조합하여 사용할 수 있다. 바람직하게는, 은(Ag) 또는 금(Au), 가장 바람직하게는 은(Ag)을 사용할 수 있다. 상기 나열된 금속은 예시적 목적을 위한 것으로, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아님은 명백하다. The method deposits a metal on the insulating film. Examples of the metal suitable for generating the surface plasmon resonance include palladium (Pd), aluminum (Al), silver (Ag), platinum (Pt), copper (Cu), gold (Au), chromium Or in combination. Preferably, silver (Ag) or gold (Au), and most preferably silver (Ag) can be used. The metals listed above are for illustrative purposes only, and the invention is not necessarily so limited.
금속층의 형성을 위하여 전자-빔 증발 시스템(electron-beam evaporation system), 예를 들면 전자-빔 코터(e-beam coater)을 이용할 수 있다. An electron-beam evaporation system, such as an e-beam coater, may be used for the formation of the metal layer.
상기 방법은 금속 증착 이후에 다시 상기 절연막을 증착한다. 상기 절연막 증착은 앞에서 상술한 내용을 참고할 수 있다. The method further deposits the insulating film after the metal deposition. The above-mentioned contents can be referred to for the above insulation film deposition.
홀 패턴 내부에 있는 상기 금속과 활성층 간의 표면 플라즈몬 공명 효과를 얻기 위하여는 다양한 인자(예를 들면, 입사광의 파장, 금속과 접촉하는 물질의 굴절률 등)가 고려될 수 있으나, 활성층과 금속 간의 거리를 일정 거리 이내로 유지 하는 것이 중요하다. In order to obtain a surface plasmon resonance effect between the metal and the active layer in the hole pattern, various factors (for example, the wavelength of incident light, the refractive index of a substance in contact with the metal, and the like) It is important to keep within a certain distance.
일반적으로, 플라즈몬 공명을 위한 금속과 활성층 간의 거리는 전형적으로 약 5 내지 300 nm, 보다 전형적으로는 약 30 내지 80 nm 범위일 수 있으므로, 홀 패턴 내에 위치하는 금속과 활성층 간의 간격이 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다. 즉, 예를 들면 금속이 Ag의 경우에는 약 42 내지 50 nm, Al의 경우에는 약 70 내지 80 nm, 그리고 Au의 경우에는 약 30 내지 35 nm 범위에서 바람직한 표면 플라즈몬 효과를 얻을 수 있다. In general, the distance between the metal and the active layer for plasmon resonance can typically range from about 5 to 300 nm, more typically from about 30 to 80 nm, so that the distance between the metal and the active layer, which is located in the hole pattern, . That is, for example, a desirable surface plasmon effect can be obtained in the range of about 42 to 50 nm in the case of Ag, about 70 to 80 nm in case of Al, and about 30 to 35 nm in case of Au.
상기 방법은 상기 제 2 도전형 반도체 층 상부에 형성된 마스크 금속층, 금속층 및 절연막을 제거하는 단계를 포함한다. The method includes removing a mask metal layer, a metal layer, and an insulating layer formed on the second conductive type semiconductor layer.
상기 제거 단계에 의해 주기적 배열을 가지고 제 2 반도체층 내부에 형성된 홀 패턴을 제조할 수 있다. 상기 홀 패턴에는 상기 활성층과 표면 플라즈몬 공명을 발생시키는 금속이 위치한다. 상기 금속은 절연막으로 보호되어 공기나 열에 대해 안정적이다. The hole pattern formed in the second semiconductor layer with a periodic arrangement can be manufactured by the removing step. In the hole pattern, the active layer and a metal that generates surface plasmon resonance are located. The metal is protected by an insulating film and is stable against air or heat.
도 3은 본 발명의 다른 구체예에 따른 표면 플라즈몬 공명-기반 LED 소자의 제작 과정을 도시하는 도면이다. 도 4는 도 3에 의해 제조된 표면 플라즈몬 공명-기반 LED 소자의 개략도이다. 3 is a view showing a manufacturing process of a surface plasmon resonance-based LED device according to another embodiment of the present invention. Fig. 4 is a schematic view of the surface plasmon resonance-based LED element manufactured by Fig.
도 3및 도 4를 참고하면, 본 발명의 LED 소자는 기본적으로 기판(201), 제1 도전형 반도체 영역(202), 제 2 도전형 반도체(204) 및 상기 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 사이에 형성된 활성층(203)을 포함한다.
3 and 4, the LED device of the present invention basically includes a
상기 LED 소자는 상기 제 2 도전형 반도체층(204)에 소정 깊이로 주기적으로 반복 형성된 홀 패턴(207), 상기 홀 패턴의 내부에 위치하는 금속 코어-절연막 쉘 구조의 나노입자(210)을 포함한다.
The LED device includes a
상기 LED 소자는 상기 금속 코어와 상기 활성층 간에 표면 플라즈몬 공명을 유도하여 광추출 개선효과를 보인다. The LED element induces surface plasmon resonance between the metal core and the active layer to exhibit light extraction improvement effect.
본 발명에 따른 발광 다이오드(LED) 소자는 주기적으로 배열된 홀 구조 내부에 금속 코어-절연막 쉘 구조의 나노입자(210)금속이 위치하고 있어 광추출 효과를 높일 수 있다. 또한, 제 2 도전형 반도체 층 두께를 그대로 유지하면서도 금속코어를 활성층 가까이에 위치시킬 수 있다. 또한, 금속코어와 활성층 사이에 제 2 도전형 반도체층과 절연막-쉘이 있어 활성층의 광손실이나 누설없이 표면 플라즈몬 현상을 유도할 수 있다. 더 나아가, 금속코어에 절연막이 형성되어 공정 중에 공기, 열, 산화에 의해 변형되는 것을 방지할 수 있다.
The light emitting diode (LED) device according to the present invention may enhance the light extraction effect because the
도 3 및 도 4를 참고하면, 표면 플라즈몬 공명-기반 LED 소자의 제조방법은 제 1 도전형 반도체층, 활성층 영역 및 제 2 도전형 반도체층을 구비하는 반도체 소자를 제공하는 단계, 상기 제 2 도전형 반도체층에 복수개의 홀 패턴을 형성하는 단계, 상기 제 2 도전형 반도체층에 금속 코어-절연막 쉘 구조의 나노입자를 코팅하는 단계, 및 상기 제 2 도전형 반도체 층 상부에 위치하는 상기 나노입자를 제거하는 단계를 포함한다. 3 and 4, a method of fabricating a surface plasmon resonance-based LED device includes providing a semiconductor device having a first conductivity type semiconductor layer, an active layer region, and a second conductivity type semiconductor layer, A step of forming a plurality of hole patterns on the first conductivity type semiconductor layer, a step of coating nanoparticles of a metal core-insulating film shell structure on the second conductivity type semiconductor layer, .
상기 방법은 기판(201)상에 제 1 도전형 반도체층(202), 활성층(203) 및 제 2 도전형 반도체층(204)을 먼저 형성하고, 이어서, 상기 제 2 도전형 반도체층(203)에 복수개의 홀 패턴(207)을 형성한다.
The first conductivity
상기 홀 패턴을 형성하는 방법은 앞에서 상술한 내용을 참고할 수 있다. 즉, 상기 방법은 상기 제 2 도전형 반도체층상(204)에 폴리스티렌 입자(205)를 도포하고, 상기 폴리스티렌 입자를 에칭하여 입자 사이즈를 축소시키는 단계를 포함하고, 이어서, 상기 방법은 제 2도전형 반도체층(204)과 상기 폴리스티렌 입자(205) 상에 마스크 금속(206)을 증착하고, 상기 폴리스티렌 입자를 제거하고, 상기 폴리스티렌이 제거된 영역 하부의 상기 제 2 도전형 반도체층을 수직으로 에칭하여 홀패턴(207)을 형성할 수 있다.
As a method of forming the hole pattern, the above description can be referred to. That is, the method may include applying
상기 방법은 제 2 도전형 반도체층에 금속 코어-절연막 쉘 구조의 나노입자를 코팅하는 단계를 포함한다. 상기 코팅, 예를 들면 드롭 코팅(drop coating)에 의해 상기 홀 패턴 내부에 코어-쉘 구조의 나노입자를 충진할 수 있다. The method includes coating nanoparticles of a metal core-insulating shell structure on the second conductivity type semiconductor layer. The core-shell structure nanoparticles may be filled into the hole pattern by the coating, for example, drop coating.
상기 홀패턴에 충진되는 나노입자층의 두께는 5~100nm가 될 수 있다. The thickness of the nanoparticle layer filled in the hole pattern may be 5 to 100 nm.
금속 코어-절연막 쉘 구조의 나노입자는 앞에서 상술한 금속과 절연막을 이용하여 제조할 수 있다. The nanoparticles of the metal core-insulating shell structure can be manufactured using the above-described metal and insulating film.
예를 들면, 금속 코어의 경우, 환원제를 이용하여 금속 전구체를 액상에서 환원시켜 제조하는 방법을 예시할 수 있고, 이와 같이 얻어진 금속 나노입자(통상적으로 콜로이드) 상에 절연체 쉘을 형성할 수 있는 바, 상기 절연체 쉘 형성 과정에서 졸-겔 공정(실리카 쉘의 경우, 예를 들면 TEOS와 같은 실리카 전구체의 가수분해-축합 반응)이나 분무 열분해법 등이 이용될 수 있다. 본 발명에서 사용되는 코어-쉘 구조의 나노입자가 상술한 특정 방식으로 제한되는 것은 아니지만, 바람직하게는 금속 코어는 액상환원법, 그리고 절연체 쉘은 졸-겔 공정에 의하여 제조될 수 있다. 예를 들면, Ag 코어-실리카 쉘 구조의 나노입자의 제조의 경우, 은 전구체로서는 질산은, 실버 포스파이트(silver phosphite) 등을 사용할 수 있으며, 실리카 전구체로서 테트라에틸오르소실리케이트(TEOS), 아미노프로플리트리메틸옥시실레인(APS), 소듐실리케이트 등을 사용할 수 있다. For example, in the case of a metal core, a method of producing a metal precursor by reducing the metal precursor in a liquid phase using a reducing agent can be exemplified, and an insulator shell can be formed on the metal nanoparticles (typically, colloid) , A sol-gel process (hydrolysis-condensation reaction of a silica precursor such as TEOS, for example, in the case of silica shell) or spray pyrolysis in the process of forming the insulator shell. Although the nanoparticles of the core-shell structure used in the present invention are not limited to the specific manner described above, preferably the metal core can be prepared by a liquid phase reduction process and the insulator shell can be prepared by a sol-gel process. For example, in the case of preparing nanoparticles of Ag core-silica shell structure, silver nitrate, silver phosphite and the like can be used as the silver precursor, and tetraethyl orthosilicate (TEOS) (APS), sodium silicate, and the like can be used.
이때, 환원제로는 전형적으로 아스코르브산, 포름알데히드 등, 그리고 보호제(protective agent)로서 세틸트리메틸암모늄 브로마이드(CTAB), 양성자성 비이온성 고분자인 폴리비닐피롤리돈 등을 사용할 수 있다. As the reducing agent, typically, ascorbic acid, formaldehyde, etc., and cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) as a protective agent and polyvinylpyrrolidone as a protonic nonionic polymer can be used.
또한, 코어-쉘 나노입자의 형상은 특별히 제한되는 것은 아니며, 구(sphere), 로드(rod), 와이어(wire), 피라미드(pyramid) 등 다양한 형상을 가질 수 있다. 다만, 구 형상을 갖는 것이 바람직하다. The shape of the core-shell nanoparticles is not particularly limited, and may have various shapes such as a sphere, a rod, a wire, and a pyramid. However, it is preferable to have a spherical shape.
상기 코어-쉘 구조의 경우, 상기 금속 코어의 사이즈(직경)는 특별히 한정되는 것은 아니나, 나노입자의 흡수율(absorbance)을 고려하면, 전형적으로 약 10 내지 300 nm, 보다 전형적으로는 약 30 내지 100 nm 범위일 수 있다. In the case of the core-shell structure, the size (diameter) of the metal core is not particularly limited. However, considering the absorption of nanoparticles, it is typically about 10 to 300 nm, more typically about 30 to 100 nm lt; / RTI > nm.
상기 쉘을 구성하는 절연막은 금속 영역이나 금속코어가 활성층과 표면 플라즈몬 공명을 발생시키는데 적합한 치수(dimension)를 갖는 것이 바람직하다. 상기의 점을 고려할 때, 절연막의 두께는 약 5 내지 100 nm, 바람직하게는 약 10 내지 60 nm, 가장 바람직하게는 10~30nm 범위일 수 있는 바, 상기 수치는 예시적인 의미로 이해된다. The insulating film constituting the shell preferably has a metal region or a metal core having a dimension suitable for generating the surface plasmon resonance with the active layer. In view of the above, the thickness of the insulating film may be in the range of about 5 to 100 nm, preferably about 10 to 60 nm, and most preferably in the range of 10 to 30 nm.
상기 방법은 상기 제 2 도전형 반도체 층 상부에 일부 형성된 상기 나노입자를 스탬핑 방법으로 제거할 수 있다. The method can remove the nanoparticles partially formed on the second conductive type semiconductor layer by a stamping method.
상기 방법은 상기 제 1도전형 반도체층의 일부까지 LED 구조물을 부분적으로 에칭한 다음 제 1 전극을, 상기 제 2 도전층 상부에 제 2 전극을 형성할 수 있다. The method may partially etch the LED structure to a portion of the first conductive semiconductor layer and then form a first electrode and a second electrode over the second conductive layer.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실시예를 제시하지만, 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in order to facilitate understanding of the present invention. However, the present invention is not limited thereto.
실시예 1Example 1
Trimethylgallium(TMGa), trimethylindium(TMIn), 암모니아 가스를 Ga, In, N의 전구체로 사용하고, 1100℃에서 10분 동안 열처리한 c면 사파이어 기판 위에 저온 GaN 버퍼층을 성장시켰다. 이어서, 1060℃에서 1㎛ 두께의 undoped GaN과 2㎛ Si 도핑된 n-type GaN을 성장시켰다. GaN 장벽과 InGaN 우물은 850℃와 750℃로 5쌍의 InGaN/GaN 양자우물을 성장시켰다. 마지막으로 130nm 두께의 Mg 도핑된 p-type GaN 층을 성장하였다. A low-temperature GaN buffer layer was grown on a c-plane sapphire substrate heated at 1100 ° C for 10 minutes using trimethylindium (TMGa), trimethylindium (TMIn) and ammonia gas as precursors of Ga, In and N. next, Undoped GaN and 2 탆 Si-doped n-type GaN were grown at 1060 캜. GaN barrier and InGaN wells were grown at 850 ℃ and 750 ℃ with five pairs of InGaN / GaN quantum wells. Finally, a Mg doped p-type GaN layer with a thickness of 130 nm was grown.
다음으로, 하기와 같은 방법으로 p-type GaN층에 패턴홀을 제조하였다. 먼저 1㎛m polystyrene(PS)을 p-GaN 위에 spin coating(400rpm 6초, 1200rpm 7초) 방법으로 monolayer 코팅하였다. 이어서, ICP-RIE 장비로 O2 50sccm 5min 조건으로 PS 사이즈를 600nm로 에칭한 후 E-beam deposition 장비로 Ni을 70nm 두께로 증착하였다. p-GaN 층상의 PS를 아세톤 및 IPA로 제거 후, ICP-RIE 장비로 p-GaN을 100nm 깊이로 에칭하여 홀을 형성하였다.Next, a pattern hole was formed in the p-type GaN layer by the following method. First, 1μmm polystyrene (PS) was coated on p-GaN by spin coating (400rpm for 6 seconds, 1200rpm for 7 seconds). Then, the PS size was etched to 600 nm with an ICP-RIE apparatus under conditions of O 2 50 sccm and 5 min, and Ni was deposited to a thickness of 70 nm by an E-beam deposition apparatus. The PS on the p-GaN layer was removed with acetone and IPA, and p-GaN was etched to a depth of 100 nm with ICP-RIE equipment to form holes.
다음으로, 상기 홀에 절연막으로 보호되는 금속 영역을 하기와 같이 제조하였다. 먼저, 홀이 형성된 p-GaN 층상에 PECVD 장비를 사용하여 SiO2 를 10~20nm로 증착하였다. 이어서, E-beam deposition 장비로 Ag 40~60nm 증착 후 다시 PECVD 장비로 SiO2를 10~20nm 증착하여 홀 상부를 capping하였다. 마지막으로 염산과 질산으로 Ni 층과 그 윗부분 금속층과 절연막을 제거하였다. Next, a metal region protected by an insulating film in the hole was prepared as follows. First, SiO 2 was deposited to a thickness of 10 to 20 nm on a p-GaN layer having a hole by using a PECVD apparatus. Subsequently, Ag was deposited to a thickness of 40 to 60 nm using an E-beam deposition apparatus, and then SiO 2 was deposited to a thickness of 10 to 20 nm using a PECVD apparatus. Finally, the Ni layer, the upper metal layer and the insulating film were removed with hydrochloric acid and nitric acid.
실시예 2Example 2
상기 p-GaN을 100nm 깊이로 에칭하여 홀을 형성하는 단계까지는 실시예 1과 동일하게 수행하였다. 이어서, Ni mask층을 염산으로 제거하고, Sol-gel 법으로 제작된 Ag@SiO2 나노입자를 drop coating하였다. Stamping 법으로 p-GaN 표면에 있는 나노입자들을 제거하여 소자를 제조하였다.The steps of forming the holes by etching the p-GaN to a depth of 100 nm were carried out in the same manner as in Example 1. Next, the Ni mask layer was removed with hydrochloric acid, and the Ag @ SiO 2 nanoparticles prepared by the sol-gel method were drop-coated. The device was fabricated by removing the nanoparticles on the p-GaN surface by the stamping method.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.
101, 201 : 기판
102. 202 : 제1 도전형 반도체 층
103, 203 : 활성층
104, 204 : 제2 도전형 반도체 층
105, 205 : 폴리스티렌 입자
106, 206 : 마스크층
107, 207 : 패턴 홀
108 : 절연막
109 : 금속영역
210 : 코어-쉘 나노입자 101, 201: substrate
102. 202: first conductivity type semiconductor layer
103, 203: active layer
104, 204: a second conductivity type semiconductor layer
105, and 205: polystyrene particles
106, 206: mask layer
107, 207: pattern hole
108: insulating film
109: metal area
210: core-shell nanoparticles
Claims (13)
제 2 도전형 반도체층 ;
상기 제 1 도전형 반도체층과 제 2 도전형 반도체층 사이에 형성된 활성층 ;
상기 제 2 도전형 반도체층에 소정 깊이로 주기적으로 반복 형성된 홀 패턴 ;
상기 홀 패턴 내부에 위치하는 금속 영역 ; 및
상기 홀 패턴과 상기 금속영역 사이에 형성된 절연막을 포함하고, 상기 금속영역과 상기 활성층 간에 표면 플라즈몬 공명이 발생되는 것을 특징으로 하는 LED 소자.A first conductive semiconductor layer;
A second conductivity type semiconductor layer;
An active layer formed between the first conductive semiconductor layer and the second conductive semiconductor layer;
A hole pattern periodically repeatedly formed in the second conductivity type semiconductor layer to a predetermined depth;
A metal region located within the hole pattern; And
And an insulating film formed between the hole pattern and the metal region, wherein surface plasmon resonance occurs between the metal region and the active layer.
제 2 도전형 반도체층 ;
상기 제 1 도전형 반도체층과 제 2 도전형 반도체층 사이에 형성된 활성층 ;
상기 제 2 도전형 반도체층에 소정 깊이로 주기적으로 반복 형성된 홀 패턴 ; 및
상기 홀 패턴의 내부에 위치하는 금속 코어-절연막 쉘 구조의 나노입자를 포함하고, 상기 금속 코어와 상기 활성층 간에 표면 플라즈몬 공명이 발생되는 것을 특징으로 하는 LED 소자.A first conductive semiconductor layer;
A second conductivity type semiconductor layer;
An active layer formed between the first conductive semiconductor layer and the second conductive semiconductor layer;
A hole pattern periodically repeatedly formed in the second conductivity type semiconductor layer to a predetermined depth; And
And a nanoparticle of a metal core-insulator shell structure located inside the hole pattern, wherein surface plasmon resonance occurs between the metal core and the active layer.
상기 제 2 도전형 반도체층에 복수개의 홀 패턴을 형성하되, 상기 홀 패턴은 2 도전형 반도체층 내부에 주기적으로 반복 형성되고 ;
상기 제 2 도전형 반도체층과 홀 패턴에 절연막과 금속층을 순차로 증착하는 단계 ;
상기 절연막을 다시 금속층 상에 증착하는 단계 ; 및
상기 제 2 도전형 반도체 층 상부의 절연막과 금속층을 제거하는 단계를 포함하는 방법으로서,
상기 방법은 홀 패턴 내부에 상기 절연막으로 둘러싸인 상기 금속층을 형성시켜, 상기 금속층과 상기 활성층 간에 표면 플라즈몬 공명을 발생시키는 것을 특징으로 하는 LED 소자 제조방법.Providing a semiconductor device including a first conductivity type semiconductor layer, an active layer, and a second conductivity type semiconductor layer;
Forming a plurality of hole patterns in the second conductivity type semiconductor layer, the hole patterns being periodically repeatedly formed in the two-conductivity type semiconductor layer;
Sequentially depositing an insulating film and a metal layer on the second conductive semiconductor layer and the hole pattern;
Depositing the insulating film on the metal layer again; And
Removing the insulating layer and the metal layer on the second conductive type semiconductor layer,
Wherein the metal layer surrounded by the insulating film is formed in the hole pattern to cause surface plasmon resonance between the metal layer and the active layer.
상기 제 2 도전형 반도체층에 복수개의 홀 패턴을 형성하되, 상기 홀 패턴은 2 도전형 반도체층 내부에 주기적으로 반복 형성되고 ;
상기 제 2 도전형 반도체층에 금속 코어-절연막 쉘 구조의 나노입자를 코팅하는 단계 ;
상기 제 2 도전형 반도체 층 상부에 위치하는 상기 나노입자를 제거하는 단계를 포함하는 방법으로서,
상기 방법은 홀 패턴 내부에 절연막으로 둘러싸인 상기 코어-쉘 구조의 나노 입자를 위치시켜, 상기 금속입자와 상기 활성층 간에 표면 플라즈몬 공명을 발생시키는 것을 특징으로 하는 LED 소자 제조방법.Providing a semiconductor device including a first conductivity type semiconductor layer, an active layer, and a second conductivity type semiconductor layer;
Forming a plurality of hole patterns in the second conductivity type semiconductor layer, the hole patterns being periodically repeatedly formed in the two-conductivity type semiconductor layer;
Coating nanoparticles of a metal core-insulating shell structure on the second conductivity type semiconductor layer;
Removing the nanoparticles located above the second conductivity type semiconductor layer, the method comprising:
Wherein the nanoparticles of the core-shell structure surrounded by the insulating film are disposed in the hole pattern to cause surface plasmon resonance between the metal particles and the active layer.
상기 제 2 도전형 반도체층상에 폴리스티렌 입자를 도포하는 단계 ;
상기 폴리스티렌 입자를 에칭하여 입자 사이즈를 축소시키는 단계 ;
마스크 금속을 증착하는 단계 ;
상기 폴리스티렌 입자를 제거하는 단계 ; 및
상기 폴리스티렌이 제거된 영역 하부의 상기 제 2 도전형 반도체층을 수직으로 에칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 소자 제조방법.11. The method according to claim 9 or 10, wherein a hole pattern is formed in the second conductivity type semiconductor layer
Applying polystyrene particles on the second conductivity type semiconductor layer;
Etching the polystyrene particles to reduce the particle size;
Depositing a mask metal;
Removing the polystyrene particles; And
And vertically etching the second conductive type semiconductor layer under the region where the polystyrene is removed.
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US9583650B1 (en) | 2016-01-15 | 2017-02-28 | Korea Advanced Institute Of Science And Technology | Integrated plasmonic circuit and method of manufacturing the same |
KR20220118931A (en) * | 2021-02-19 | 2022-08-26 | 고려대학교 산학협력단 | Light emitting device including nanoholes to which metal nanoparticles are applied, and method of manufacturing the same |
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2014
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