KR20160052511A - 양자광 소자 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양자광 소자 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 기판; 상기 기판 상에 형성된 n-형 질화갈륨 반도체층; 및 상기 n-형 질화갈륨 반도체층 상의 적어도 일부분에 형성된 나노 구조체층을 포함하고, 상기 나노 구조체층은, 나노 구조체; 및 상기 나노 구조체 및 상기 n-형 질화갈륨 반도체의 적어도 일부분을 덮는 금속층을 포함하고, 상기 나노 구조체는 원뿔 또는 다각형뿔 형상의 상단을 갖는 나노 구조체이며, 상기 상단의 적어도 일부분에 양자구조로 이루어진 활성층을 포함하는 양자광 소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 상기 양자광 소자는 양자구조의 광추출 효율이 높고, 양자구조와 나노공진기의 결합이 용이하여 양자광 소자의 생산 효율을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 양자광 소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
양자점(quantum dot)은 나노 크기의 결정 구조체이며, 상기 양자점의 밴드갭이 반도체 내의 두 운반자(carrier)인 전자와 정공 모두의 움직임을 삼차원적으로 제한하는 양자역학적인 구속(quantum confinement) 효과를 나타내는 물질이다. 이러한 양자점의 전기적, 화학적 특성을 조절하여 단일광자원(양자광원) 적외선 검출기, 레이저, 발광 다이오드, 트랜지스터 및 태양전지 등과 같은 반도체 양광소자, 광전변화 소자로의 적용이 가능하다.
특히, 인공원자라고 불리는 반도체 단일 양자점은 높은 구동 온도, 안정성, 빠른 광자 방출, 전류 구동 가능성 등을 나타낼 수 있으므로, 이를 기반으로 하여 단일 광자원으로 활용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 예를 들어, 단전자 메모리와 단광자 광원 등의 나노 전자소자 및 단광자 방출 소자(single photon emitter) 등의 나노 광소자로의 적용에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 상기 양자광 소자로서 반도체 자발 형성 양자점, 콜로이드 양자점, 나노선에 내재된 양자점 등이 연구되고 있으나, 물질적 및 구조적인 측면에서 한계점을 가지고 있다. 예를 들어, 상기 자발 형성 양자점은 평면 구조 안에 양자점들이 높은 밀도로 묻혀 있어 단일 양자점 하나의 특성으로 보기가 어렵고, 광자 방출 효율이 매우 제한되며, 양자점 들의 위치가 랜덤으로 성장되어 위치조절이 어려운 문제점이 있다. 또한, 구성하는 층 사이의 응력으로 인한 내부 전기장 효과 때문에 전자와 정공 사이의 재결합이 어려워져 내부 양자 효율이 낮은 문제점이 있다. 또한, 콜로이드 양자점, 나노선에 내재된 양자점은 단일 양자점의 확보가 어렵거나 또는 포지셔닝(Positioning) 및 광안정성의 확보가 어려워 소자화하는데 한계점이 있다. 또한, 양자광 소자의 종래 제조방법은 공진기 안에 양자점을 형성하는 것이 대부분이고, 이는 양자점과 공진기의 결합이 우연에 의존하기 때문에 공정수율이 낮거나 양산 비용이 높아지는 단점이 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 양자구조의 광추출 효율 및 발광 재결합 효율이 우수하면서 양자구조와 나노 공진기의 결합이 용이하여 소자의 대량생산이 가능한 고효율 양자광 소자 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 하나의 양상은,
기판; 상기 기판 상에 형성된 n-형 질화갈륨 반도체층; 및
상기 n-형 질화갈륨 반도체층 상의 적어도 일부분에 형성된 나노 구조체층을 포함하고,
상기 나노 구조체층은,
나노 구조체; 및
상기 나노 구조체 및 상기 n-형 질화갈륨 반도체의 적어도 일부분을 덮는 금속층을 포함하고, 상기 나노 구조체는 원뿔 또는 다각형뿔 형상의 상단을 갖는 나노 구조체이며, 상기 상단의 적어도 일부분에 양자구조로 이루어진 활성층을 포함하는 양자광 소자에 관한 것이다.
상기 금속층은 알루미늄, 금, 은, 및 백금 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 양자구조는, 양자우물(quantum well), 양자섬(quantum island), 양자점(quantum dot), 양자 디스크(quantum disk) 및 양자선(quantum wire) 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 양자구조는 상기 나노 구조체 상단의 꼭지점 부분에 양자점 및 상단의 전면에 양자우물로 형성될 수 있다.
상기 활성층의 상단에 p-형 질화갈륨 반도체층 또는 양자장벽층이 더 형성될 수 있다.
상기 n-형 질화갈륨 반도체층 상의 적어도 일부분에 형성된 n-형 금속 전극층 및 상기 나노 구조체층 상의 적어도 일부분에 형성된 p-형 금속 전극층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양상은,
기판 상에 n-형 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계; 및
상기 n-형 질화갈륨 반도체층 상의 적어도 일부분에 나노 구조체층을 형성하는 단계; 를 포함하고,
상기 나노 구조체층을 형성하는 단계는:
상기 n-형 질화갈륨 반도체층 상에 마스크층을 형성하는 단계;
상기 마스크층을 홀 패턴 형상으로 패터닝하는 단계;
상기 n-형 질화갈륨 반도체층이 노출된 상기 홀 패턴의 홀을 통하여 n-형 질화갈륨 반도체를 성장시켜 나노 구조체를 형성하는 단계;
상기 나노 구조체의 상단에 양자구조로 이루어진 활성층을 형성하는 단계;
상기 마스크층을 제거하는 단계; 및
상기 식각하는 단계 이후에, 상기 나노 구조체 및 상기 n-형 질화갈륨 반도체층의 적어도 일부분을 덮는 금속층을 형성하는 단계; 를 포함하는 양자광 소자의 제조방법에 관한 것이다.
상기 활성층을 형성하는 단계 이후에, 상기 활성층의 상단에 p-형 질화갈륨 반도체층 또는 양자장벽층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 마스크층은 Si3N4, SiO2 , TiO2, TiN, 및 Ti 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 나노 구조체층을 형성하는 단계 이후에, 상기 n-형 질화갈륨 반도체층 상의 적어도 일부분에 n-형 금속 전극층을 형성하는 단계; 및 상기 나노 구조체층 상의 적어도 일부분에 p-형 금속 전극층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 양자광 소자는 위치 조절이 가능하고, 광추출 효율 및 발광 재결합 효율이 우수한 양자구조를 제공하고, 특히, 양자구조와 나노 공진기와의 결합이 용이하여 생산 수율을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 양자광 소자는 고체 양자 방출기, 온-칩 양자 디바이스, 양자컴퓨팅 양자암호 등과 같은 양자정보기술에 효과적으로 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자광 소자를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 양자광 소자를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자광 소자의 제조방법을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 양자광 소자의 형성단계에서 각 단계에 따른 주사전자현미경 및 투과전자현미경 사진을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조체의 형태에 따라, 플라즈몬 시스템의 수치 모델화를 시뮬레이션하여 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자광 소자의 Micro-PL(Micro-photoluminescence)스펙트럼 및 광학 특성을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자광 소자의 광학 특성을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 양자광 소자를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자광 소자의 제조방법을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 양자광 소자의 형성단계에서 각 단계에 따른 주사전자현미경 및 투과전자현미경 사진을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조체의 형태에 따라, 플라즈몬 시스템의 수치 모델화를 시뮬레이션하여 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자광 소자의 Micro-PL(Micro-photoluminescence)스펙트럼 및 광학 특성을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자광 소자의 광학 특성을 나타낸 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명은 양자광 소자를 제공하는 것으로, 상기 양자광 소자는 광추출 효율의 개선, 내부 전기장 감소 효과 등이 뛰어난 양자구조를 제공하고, 나노공진기와의 결합이 용이하여 고효율 양자광 소자의 생산성을 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자광 소자를 나타낸 것으로, 도 1을 참조하여 본 발명에 의한 양자광 소자를 설명한다. 상기 양자광 소자는 기판(10), n-형 질화갈륨 반도체층(20), 및 나노 구조체층(30)을 포함할 수 있다. 기판(10)은 사파이어(Al2O3), Si, SiC, GaN 및 AlN 중 1종 이상일 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다. 바람직하게는 사파이어(Al2O3)이다.
n-형 질화갈륨 반도체층(20)은 기판(10) 상에 형성되고, 예를 들어, GaN, GaNP, GaNAs, GaNSb, AlGaN, InGaN, BAlGaN, GaAlNP, GaAlNAs, InAlGaN, GaAlNSb, GaInNP, GaInNAs, GaInNSb 등일 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다. 바람직하게는 n-형 GaN이다. 상기 n-형 질화갈륨 반도체는 n-형 불순물 원소가 더 포함될 수 있고, 상기 n-형 불순물은 N, P, As, Ge, Si, Cu, Ag, Au, Sb, Bi 등일 수 있다. n-형 질화갈륨 반도체층(20)은 1 μm 내지 3 μm 두께로 형성될 수 있고, 바람직하게는 3 μm일 수 있다.
나노 구조체층(30)은 나노 구조체(32); 활성층(33); 및 나노 구조체(32) 및 n-형 질화갈륨 반도체층(20)의 적어도 일부분을 덮는 금속층(35)을 포함한다.
나노 구조체(32)는 원뿔 또는 다각형뿔 형상을 갖는 상단 및 n-형 질화갈륨 반도체층(20)으로부터 성장된 수직형 기둥의 하단을 포함한다. 상기 상단의 적어도 일부분에 활성층(33)이 형성되고, 활성층(33)은 양자구조를 포함한다. 즉, 원뿔 또는 다각형뿔과 같이 꼭지점 부분이 뾰족한 구조체에 양자구조가 형성되므로, 양자구조의 분포가 균일해지고, 위치 조절이 용이해진다. 상기 양자구조는 단층 또는 복수층으로 형성될 수 있고, 상기 양자구조는 양자우물(quantum well), 양자섬(quantum island), 양자점(quantum dot), 양자 디스크(quantum disk) 및 양자선(quantum wire) 중 1종 이상일 수 있으며, 이에 제한하는 것은 아니다. 바람직하게는 상기 상단의 꼭지점에 양자점 및 상단의 전면에 양자우물이 형성될 수 있다.
상기 양자구조는 i-형 질화갈륨 반도체이며, 보다 구체적으로, GaN, GaNP, GaNAs, GaNSb, AlGaN, InGaN, BAlGaN, GaAlNP, GaAlNAs, InAlGaN, GaAlNSb, GaInNP, GaInNAs, GaInNSb, 등일 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다. 바람직하게는 InGaN 화합물이다.
활성층(33) 상에 양자장벽층(34) 또는 p-형 질화갈륨 반도체층(34)이 더 형성될 수 있다. 양자장벽층(34)은 i-형 질화갈륨 반도체를 포함하고, 상기 p-형 질화갈륨 반도체에는 p-형 불순물 원소가 더 포함될 수 있고, 상기 p-형 불순물은 Mg, B, In, Ga, Al, Tl 등일 수 있다.
금속층(35)은 양자구조가 형성된 나노 구조체(33)의 상단 및 n-형 질화갈륨 반도체층(20) 상의 적어도 일부분을 덮는다. 이러한 금속층(35)의 형성은, 양자구조의 효율 및 본 발명에 의한 양자광 소자의 생산성을 보다 향상시킬 수 있다. 즉, 나노 구조체(32)의 상단이, 예를 들어 피라미드 구조와 같이 뾰족한 구조이므로, 이러한 구조에 금속필름을 증착하여 금속층을 형성하면, 금속표면에 존재하는 표면 플라즈몬 공명 현상을 일으키는, 표면 플라즈몬 폴라리톤이 피라미드 꼭지점 부분에 강하게 응집하여 양자구조와 결합한다. 이러한 표면 플라즈몬은 종래의 공진기에 비해서 넓은 스펙트럼 분포를 가지고 있기 때문에, 예를 들어, 양자점과 같은 양자구조의 에너지와 표면플라즈몬의 에너지를 일치시키는 것이 비교적 쉬워 나노 공진기과 양자점이 결합된 시스템을 웨이퍼 전체에 높은 공정수율로 생산할 수 있다. 또한, 나노 구조체의 꼭지점에 위치한 양자구조 부분, 예를 들어 양자점 부분에 표면플라즈몬이 셀프-얼라인(self-align)되므로, 양자구조의 효율을 향상시킬 수 있다.
금속층(36)은 표면 플라즈몬을 가질 수 있는 금속이며, 예를 들어, 알루미늄, 금, 은, 및 백금 중 1종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한하는 것은 아니다. 금속층(36)의 두께는 5 nm 내지 100 nm이고, 바람직하게는 30 nm 내지 50 nm 이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 양자광 소자를 나타낸 것으로, 도 2를 참조하면, 상기 양자광 소자는 기판(10), n-형 질화갈륨 반도체층(20), 및 나노 구조체층(30)을 포함하고, n-형 질화갈륨 반도체층(20) 상의 적어도 일부분에 n-형 금속 전극층(40); 및 나노 구조체층(30) 상의 적어도 일부분에 p-형 금속 전극층(50)이 더 형성될 수 있다. 나노 구조체층(30)은 나노 구조체(32); 활성층(33); 및 나노 구조체(32) 및 n-형 질화갈륨 반도체층(20)의 적어도 일부분을 덮는 금속층(35)을 포함할 수 있고, 바람직하게는 상기 활성층(33) 상에 p-형 질화갈륨 반도체층이 더 형성된다. n-형 금속 전극층(40) 및 p-형 금속 전극층(50)은 오믹 전자로 작용하여 양자광 소자(10)에 전류를 공급하여 전기구동이 가능하게 한다.
n-형 금속 전극층(40)은 Co, Ir, Ta, Cr, Mn, Mo, Tc, W, Re, Fe, Sc, Ti, Sn, Ge, Sb, Al, Pt, Ni, Au, ITO 및 ZnO 중 1종 또는 2종 이상의 혼합물로 이루어진, 단일층 또는 복수층으로 구성될 수 있다. p-형 금속 전극층(50)은 Co, Ir, Ta, Cr, Mn, Mo, Tc, W, Re, Fe, Sc, Ti, Sn, Ge, Sb, Al, Pt, Ni, Au, ITO 및 ZnO 중 1종 또는 2종 이상의 혼합물로 이루어진, 단일층 또는 복수층으로 구성될 수 있다.
n-형 금속 전극층(40) 및 p-형 금속 전극층(50)은 30 nm 내지 200 nm 두께로 형성될 수 있고, 바람직하게는 150 nm 내지 180 nm 두께이다.
본 발명은 본 발명에 의한 양자광 소자의 제조방법을 제공한다. 상기 제조방법은 n-형 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계 및 나노 구조체층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자광 소자의 제조방법을 나타낸 것으로, 상기 도 3을 참조하여 본 발명에 의한 양자광 소자의 제조방법을 설명한다. 도 3(a)는 n-형 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계 및 도 3(b) 내지 도 3(h)는 나노 구조체층을 형성하는 단계를 나타내며, 보다 구체적으로, 도 3(b)는 마스크층을 형성하는 단계, 도 3(c)는 패터닝하는 단계, 도 3(d)는 나노 구조체를 형성하는 단계, 도 3(e)는 활성층을 형성하는 단계, 도 3(g)는 마스크층을 제거하는 단계 및 도 3(h)는 금속층을 형성하는 단계이다. 상기 활성층을 형성하는 단계 이후에, p-형 질화갈륨 반도체층 또는 양자장벽층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 도 3(f)에 나타내었다.
도 3(a)에서, 상기 n-형 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계는 상기 언급한 기판(11) 상의 적어도 일부분에 MOCVD(metal-organic chemical vapour deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy) 또는 HVPE(Hydride Vapour Phase Epitaxy 등을 이용하여 n-형 질화갈륨 반도체층(20)을 형성하는 단계이며, 공정 조건은 본 발명에서 특별히 제한하지 않는다. 상기 n-형 질화갈륨 반도체는 상기 언급한 바와 같다.
도 3(b)에서, 상기 마스크층을 형성하는 단계는 n-형 질화갈륨 반도체층(20) 상의 적어도 일부분에 마스크층(31)을 증착하는 단계이다. 마스크층(31)은 본 발명에 의한 나노 구조체 성장을 위한 마스크 기능을 갖는다. 마스크층(31)은 다음 단계에서 형성되는 패턴 크기보다 얇은 두께로 형성되며, 바람직하게는 100 nm 내지 200 nm 이다. 마스크층(31)은 Si3N4, SiO2 , TiO2, TiN 및 Ti 중 1종 이상이며, 이에 제한하지 않는다.
도 3(c)에서, 상기 패터닝하는 단계는 마스크층(31)을 포토 리소그래피, 전자빔 리소그래피, 임프린트 리소그래피 방법(Imprint Lithography Method) 등을 이용하여 홀 패턴을 형성하는 단계이다. 도 3(c)에서 제시한 바와 같이, 상기 홀 패턴의 홀 부분에서 상기 n-형 질화갈륨 반도체층이 노출된다.
도 3(d)에서, 상기 나노 구조체를 형성하는 단계는 상기 홀 패턴의 홀 부분을 통하여 성장되고 돌출된 상단을 갖는 나노 구조체(32)를 형성하는 단계이다. 상기 단계는 MOCVD(metal-organic chemical vapour deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy) 또는 HVPE(Hydride Vapour Phase Epitaxy 등을 이용하고, 공정 조건은 본 발명에서 특별히 제한하지 않는다. 나노 구조체(32)는 n-형 질화갈륨 반도체로 이루어진다. 또한, 나노구조체(32)는 상기 언급한 바와 같이, 원뿔 또는 다각형뿔의 상단을 갖는다.
도 3(e)에서, 상기 활성층을 형성하는 단계는 나노 구조체(32) 상단의 적어도 일부분에 활성층(33)을 형성하는 단계이다. 상기 단계는 600 내지 850 ℃, 바람직하게는 650 내지 750 ℃에서 MOCVD(metal-organic chemical vapour deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy) 또는 HVPE(Hydride Vapour Phase Epitaxy) 등을 이용하여 양자구조를 형성한다. 상기 양자구조(34)의 형태는 상기 언급한 바와 같다.
도 3(f)에서, p-형 질화갈륨 반도체층 또는 양자장벽층을 형성하는 단계는, 상기 양자구조를 형성하는 단계 이후에, 활성층(33) 상에 p-형 질화갈륨반도체(34) 또는 양자장벽층(34)을 형성하는 단계이며, 상기 나노 구조체를 형성하는 단계와 동일한 공정으로 진행된다.
도 3(g)에서, 마스크층을 제거하는 단계는, 마스크층(32)을 용해시켜 제거하는 단계이며, 마스크층 이외의 구조체에 손상을 주지 않는 용액을 적용할 수 있다. 바람직하게는, HF 용액일 수 있다.
도 3(h)에서, 금속층을 형성하는 단계는, 전자빔 진공증착기(e-beam evaporator)를 이용하여 나노 구조체(32) 및 마스크 제거 단계에서 노출되거나 또는 나노 구조체가 형성되지 않은 n-형 질화갈륨 반도체층 상(20)의 적어도 일부분에 금속필름으로 증착하여 금속층(35)을 형성하는 단계이며, 공정조건은 본 발명에서 특별히 제한하지 않는다.
상기 제조방법은, 상기 n-형 질화갈륨 반도체층 상의 적어도 일부분에 n-형 금속 전극층을 형성하는 단계; 및 상기 나노 구조체층 상의 적어도 일부분에 p-형 금속 전극층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 바람직하게는 나노 구조체층을 형성하는 단계 이후에 실시될 수 있으며, 공정 조건은 특별히 제한하지 않는다(미도시).
본 발명에서 제시한 증착 방법 및 화합물의 성장방법은 통상적인 공정 조건을 이용하고 있을 뿐, 특별히 제한하지 않으며, 본 발명의 기술 분야에서 당업자는 본 발명의 기재 사항으로 용이하게 이해할 수 있다.
실시예
1
MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition)을 이용하여, 1080 ℃에서 c-plane 사파이어 기판 상에 n-형 GaN 템플릿층(3 μm )형성하였다. 이어서, PECVD을 이용하여, 350 ℃에서 Si3N4 100 nm (두께)를 증착하였다. 다음으로, 임프린트 리소그래피 방법(Imprint Lithography Method)을 이용하여 Si3N4를 홀 패턴으로 패터닝하였다. 상기 홀 내에서 MOCVD를 이용하여 1080 ℃에서 GaN를 성장시켜, 상기 홀 패턴에서 돌출한 상단을 갖는 육각형뿔의 GaN 피라미드 나노구조체를 제조하였다. InGaN 단일 양자 우물층 및 GaN 양자장벽 층(barrier layer)을 상기 육각형뿔의 GaN 피라미드 나노구조 상에 성장시켜 상기 구조체의 꼭지점 부분에 단일 양자점을 획득하였다. 다음으로, Si3N4 패턴을 HF 용액 (50 %)을 가하여 15분 동안 제거하고, e-beam evaporator을 이용하여 40 nm 두께의 은 필름을 증착하였다. 상기 제조된 양자광 소자의 표면에 대한 TEM 이미지를 도 4에 나타내었다.
실시예
2
은 필름을 형성하지 않은 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 양자광 소자를 제조하였다.
특성 분석
수치 모델화(
Numerical
modeling
)
3차원 모델링은 통상적인 시간영역 유한 차분법(commercial finite-difference time-domain method program, Lumerical Solutions)을 이용하여 분석하였다. 은 및 GaN의 굴절율은 실험데이타의 피팅(silver: Johnson and Christy, GaN: ref (32))하여 모델화하였다. 구조체의 차수는 SEM 에 측정된 평균 크기 파라미터에 매칭하였다. 단일 쌍극자(single dipole)는 구조체의 꼭지점 아래의 11 nm에 위치되고, 이는 TEM 데이타에서 양자점의 위치이다. 상기 쌍극자는<
>면 방향에 따라 선형적으로 극성화되고, 이는 상기 나노구조체 상의 양자점의 실험적 특징이 된다. 비교 구조체로서, 평면형 GaN 구조체 내에 임베이드된 쌍극자도 동일한 방법으로 시뮬레이션되었다. 또한, 여기서 쌍극자는 GaN 구조체 및 공기와의 계면 아래 11 nm 에서 위치된다. 상기 시뮬레이션된 수지 모델화는 본 발명의 도 5에 제시하였다.
광학적 특성
양자점의 광학적 특성은, 7 K ~ 300 K의 온도 범위에서 저진동 크라이오스탯(low-vibration cryostat) 내에 마운팅하였다. 양자점의 스펙트럼은 7 K에서 저온 마이크로-PL시스템(low temperature micro-photoluminescence system, 렌즈: Mitutoyo, 100x, N.A.=0.5)으로 측정하였다. 여기 레이저는 405 nm의 파장을 갖는다. 발광 스펙트럼은 단색화장치(monochromator, Acton, SP2500, CCD(charge-coupled device) 장착)을 이용하여 측정하였다. 또한, 소멸 시간은 TCSPC(time-correlated single-photon counting, Picoharp 300, Picoquant) 시스템에 결합된 rapid APD (temporal resolution = 40 ps, ID Quantique)를 이용하여 측정하였다. 발광스펙트럼, Micro-PL 의 소멸 히스토그램(decay histograms) 및 측정된 소멸 시간 대 양자점 발광의 파장의 산점도를 도 6에 나타내었다.
도 4를 살펴보면, 도4(a) 내지 4(e)는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 육각뿔의 나노구조체의 각 단계에서 측정된 것이다. 보다 구체적으로, 도 4a는 InGaN의 양자구조를 갖는 GaN로 이루어진 나노구조체를 나타낸 것이다. 또한, 도4b는 상기 도4a에 나타낸 구조체의 꼭지점 부분을 확대한 것으로, 꼭지점에 양자점 및 구조체 상단 전면에 양자우물이 형성된 것을 확인할 수 있다. 도 4(c)는 Si3N4가 선택적으로 식각된 구조체이며, 4(d)는 Ag 필름이 증착된 구조체이다. 도 4(e)는 상기 도 4(d)에 나타낸 구조체를 보다 구체적으로 도식화하였다. 즉, 도 4(e)에서 꼭지점에 양자점 및 구조체 상단의 표면에 양자우물이 형성되고, Ag필름 증착에 의한 표면플라즈몬 폴라리톤과 양자구조의 결합을 나타내었다.
도 5는 나노구조체 및 필름이 증착된 나노구조체의 형태에 따라 플라즈몬 시스템을 수치 모델화를 시뮬레이션하여 나타낸 것이다. 도 5(a)는 본 발명에 의한 나노구조체에 관련해서, 450 및 481 nm의 전기장의 표면도(surface plot)이고, 로그 좌표에서 전기장의 크로스-섹션 명암측면도(Cross-sectional intensity profiles)이다. 점선은 나노구조체 상의 은 필름의 위치를 나타낸 것이다. 도 5b는 종래의 평면 구조체와 본 발명에 의한 나노구조체 및 이들의 은 필름의 형성에 (실시예 1 및 실시예 2)따라 쌍극자의 방사증강을 나타낸 것으로, 뽀족한 나노구조체 위에 은 필름을 형성할 시 기존구조의 쌍극자보다 훨씬 큰 자발방출 확률을 가질 수 있다. 자발방출확률을 늘려주게 되면 빠른 반복 구동의 가능성은 물론이고 높은 온도에서 높은 양자효율을 가지는 양자광원을 제작할 수 있다는데에 의의가 있다.
도 6을 살펴보면, 도 6(a)는 실시예 1 및 실시예 2에 따라, 은 필름의 증착에 따른 Micro-PL(Micro-photoluminescence) 스펙트럼를 7K에서 측정하여 나타내었다. QD 방출에 관련된 샤프한 피크 및 InGaN 양자우물에서 발생한 넓은 띠 모양의 백그라운드 발광 피크 및 QD 발광에 관련된 샤프한 발광 피크를 확인할 수 있으며, 은 필름이 증착된 실시예 1의 QD 발광 피크가 은 필름이 없는 실시예 2에 비하여 피크세기가 증가한 것을 확인할 수 있다.
도 6(b)는 QD 안에서 전도대로 올라간 전자가 빛을 내며 원자가대로 하강하는 시간을 나타내는 Micro-PL 하강 시간 히스토그램이며, IRF는 장치 반응 기능(instrument response function)이고, 도 6c는 측정된 하강 시간(decay times) 대 양자점 발광의 파장의 산점도(scatter plot)을 나타낸 것이다. 상기 도 6(b) 및 도 6(c)를 살펴보면, 실시예 1은 실시예 2에 비하여, 하강 시간이 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있고, 실시예 1의 평균 하강 시간은 234 ± 64 ps이고, 실시예 2의 평균 하강 시간은 4378 ± 2113 ps이다. 이러한 Micro-PL 하강 히스토그램을 통하여 광범위한 스펙트라 범위에 걸쳐 QD 상에 강한 "Purcell effect "를 확인할 수 있고, 이러한 "Purcell effect "로 인하여 QD의 방출 피크의 세기를 증가시키는 것으로 예상된다.
도 7을 살펴보면, 도 7(a)는 피크 강도의 "Log-Log plot "을 나타낸 것이고, 여기서 여기파워 40 μW의 양자점의 Micro-PL스펙트럼이며, 선은 피팅 커버 및 2차 행동(quadratic behaviors)을 의미한다. 실시예 1의 QD에서 멀티-엑시톤 복합체가 측정되었고, 여기 피크의 세기는 선형적으로 증가하였고, 반면이, 바이엑시톤 피크의 강도는 여기 파워과 함께 2차적으로 증가하였다.
도 7(b)는 발광의 분극방향의 기능으로서 단일 양자점의 스펙트럼의 강도에 대한 극좌표 기점법을 나타낸 것이다. QD에 따른 발광은 선형분극화되고, 하기의 식에 제시한 높은 분극비율(P)는 ~0.93이다. 하기의 식에서 I는 발광세기이다.
도 7(c)는 연속파자극(continuous-wave excitation) 하에서 광자상관 측정을 나타낸 것이며, 여기서 2차 간섭성 기능을 사용하여 피팅된 선을 나타내었다. 참조논문 "A gallium nitride single-photon source operating at 200 K. Nature Mater. 5, 887-892 (2006)"을 참조하고, 하기의 식을 적용하여 값을 구하였다. g(2)의 피팅 결과 0.19 ± 0.17이고 본 발명에 의한 QD가 종래에 규정되지 않은 광자 비다발성을 제공하는 것을 알 수 있다.
10: 양자광 소자
11: 기판
20: n-형 질화갈륨 반도체층
30: 나노 구조체층
31: 마스크층
32: 나노 구조체
33: 활성층
34: 양자장벽층/p-형 질화갈륨 반도체층
35: 금속층
40: p-형 금속 전극층
50: n-형 금속 전극층
11: 기판
20: n-형 질화갈륨 반도체층
30: 나노 구조체층
31: 마스크층
32: 나노 구조체
33: 활성층
34: 양자장벽층/p-형 질화갈륨 반도체층
35: 금속층
40: p-형 금속 전극층
50: n-형 금속 전극층
Claims (14)
- 기판;
상기 기판 상에 형성된 n-형 질화갈륨 반도체층; 및
상기 n-형 질화갈륨 반도체층 상의 적어도 일부분에 형성된 나노 구조체층을 포함하고,
상기 나노 구조체층은,
나노 구조체; 및
상기 나노 구조체 및 상기 n-형 질화갈륨 반도체의 적어도 일부분을 덮는 금속층을 포함하고,
상기 나노 구조체는 원뿔 또는 다각형뿔 형상의 상단을 갖는 나노 구조체이며, 상기 상단의 적어도 일부분에 양자구조로 이루어진 활성층을 포함하는 것인, 양자광 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 금속층은 알루미늄, 금, 은, 및 백금 중 1종 이상을 포함하는 것인, 양자광 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 양자구조는, 양자우물(quantum well), 양자섬(quantum island), 양자점(quantum dot), 양자 디스크(quantum disk) 및 양자선(quantum wire) 중 1종 이상을 포함하는 것인, 양자광 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 양자구조는 상기 나노 구조체상단의 꼭지점 부분에 양자점 및 상단의 전면에 양자우물이 형성된 것인, 양자광 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 나노 구조체의 하단은 상기 n-형 질화갈륨 반도체층과 연결된 것인, 양자광 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 활성층의 상단에 p-형 질화갈륨 반도체층 또는 양자장벽층이 더 형성된 것인, 양자광 소자.
- 제6항에 있어서,
상기 양자장벽층은 i-형 질화갈륨 반도체인 것인, 양자광 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 n-형 질화갈륨 반도체층 상의 적어도 일부분에 형성된 n-형 금속 전극층 및 상기 나노 구조체층 상의 적어도 일부분에 형성된 p-형 금속 전극층을 더 포함하는 것인, 양자광 소자.
- 제8항에 있어서,
상기 n-형 금속 전극은 Co, Ir, Ta, Cr, Mn, Mo, Tc, W, Re, Fe, Sc, Ti, Sn, Ge, Sb, Al, Pt, Ni, Au, ITO 및 ZnO 중 1종 이상을 포함하는 것인, 양자광 소자.
- 제8항에 있어서,
상기 p-형 금속 전극은 Co, Ir, Ta, Cr, Mn, Mo, Tc, W, Re, Fe, Sc, Ti, Sn, Ge, Sb, Al, Pt, Ni, Au, ITO 및 ZnO 중 1종 이상을 포함하는 것인, 양자광 소자.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 양자광 소자의 제조방법에 있어서,
상기 제조방법은:
기판 상에 n-형 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계; 및
상기 n-형 질화갈륨 반도체층 상의 적어도 일부분에 나노 구조체층을 형성하는 단계; 를 포함하고,
상기 나노 구조체층을 형성하는 단계는:
상기 n-형 질화갈륨 반도체층 상에 마스크층을 형성하는 단계;
상기 마스크층을 홀 패턴 형상으로 패터닝하는 단계;
상기 n-형 질화갈륨 반도체층이 노출된 상기 홀 패턴의 홀을 통하여 n-형 질화갈륨 반도체를 성장시켜 나노 구조체를 형성하는 단계;
상기 나노 구조체의 상단에 양자구조로 이루어진 활성층을 형성하는 단계;
상기 마스크층을 제거하는 단계; 및
상기 식각하는 단계 이후에, 상기 나노 구조체 및 상기 n-형 질화갈륨 반도체층의 적어도 일부분을 덮는 금속층을 형성하는 단계;
를 포함하는 것인,
양자광 소자의 제조방법.
- 제11항에 있어서,
상기 활성층을 형성하는 단계 이후에, 상기 활성층의 상단에 p-형 질화갈륨 반도체층 또는 양자장벽층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것인, 양자광 소자의 제조방법.
- 제11항에 있어서,
상기 마스크층은 Si3N4, SiO2 , TiO2, TiN, 및 Ti 중 1종 이상을 포함하는 것인, 양자광 소자의 제조방법.
- 제11항에 있어서,
상기 나노 구조체층을 형성하는 단계 이후에, 상기 n-형 질화갈륨 반도체층 상의 적어도 일부분에 n-형 금속 전극층을 형성하는 단계; 및 상기 나노 구조체층 상의 적어도 일부분에 p-형 금속 전극층을 형성하는 단계를 더 포함하는, 양자광 소자의 제조방법.
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| KR1020160050952A KR101733350B1 (ko) | 2016-04-26 | 2016-04-26 | 양자광 소자 및 이의 제조방법 |
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|---|---|---|---|---|
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-
2016
- 2016-04-26 KR KR1020160050952A patent/KR101733350B1/ko active IP Right Grant
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