KR20160120572A - Photoconductive device based on a nanowire grown using graphene and Method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광전도 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 그래핀을 포함하는 나노와이어 구조체를 기반으로 하는 광전도 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a photoconductive element and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a photoconductive element based on a nanowire structure including graphene and a method of manufacturing the same.
발광 소자나 광전자 소자 등에서 요구되는 다색화나 데이터 밀도 향상과 관련하여 청색광 ~ 자외선광 영역의 파장을 갖는 발광 다이오드와 레이저 다이오드(Laser diode)의 개발이 요구되고 있다.Development of light emitting diodes and laser diodes having a wavelength range of blue light to ultraviolet light region has been demanded in connection with improvement of multi-coloring and data density required for light emitting devices and optoelectronic devices.
갈륨나이트라이드(GaN)는 직접 천이형 밴드갭(direct bandgap) 반도체이며, 밴드갭이 대략 3.45eV로 비교적 크기 때문에 청색과 자외선 발광 소자를 개발하는데 많이 사용하고 있다. 그러나, 기존의 박막(Thin film)을 기본으로 하는 GaN 발광 소자는 그 크기가 마이크로미터 이상이기 때문에 점점 미세화되어 가는 발광 소자에 적용하는데 한계가 있다.Gallium nitride (GaN) is a direct bandgap semiconductor, and its band gap is relatively large at about 3.45 eV, so it is widely used to develop blue and ultraviolet light emitting devices. However, since the conventional GaN light emitting device based on a thin film has a size of more than a micrometer, it is limited to be applied to a light emitting device which becomes finer and smaller.
특히, 박막형 소자의 경우 제조과정에서 기판과 GaN 박막 사이의 격자 상수 차이에 의해 응력이 발생하고, 이 응력을 완화하기 위해 전위(dislocation)와 같은 결함들이 발생하면서 광 특성이 열화되는 치명적인 단점을 갖고 있다.Particularly, in the case of a thin-film device, a stress is generated due to a difference in lattice constant between the substrate and the GaN film during fabrication, and defects such as dislocation occur to mitigate the stress, have.
나노와이어(nanowire)는 직경이 수백nm 이하이며, 길이가 수 마이크로미터 이상인 나노 구조를 총칭한다. 이러한 나노와이어는 기판과의 접촉면적이 적어 지지 없이 서있는 상태를 유지하며, 넓은 표면적을 갖고 있기 때문에 여러가지 소자를 구성하는데 유용한 기본 단위로 활용이 가능하다. 특히, GaN 나노와이어는 기존의 박막형 발광소자가 갖는 단점을 극복한 새로운 차세대 나노 발광소자의 재료로 이용될 수 있다.Nanowires are collectively referred to as nanostructures with a diameter of several hundreds of nanometers or less and a length of several micrometers or more. These nanowires remain standing without contact with the substrate and have a large surface area, so they can be used as a basic unit for constructing various devices. Particularly, the GaN nanowire can be used as a material of a new next-generation nano light emitting device which overcomes the disadvantages of the conventional thin film light emitting device.
다만, 이러한 GaN 나노와이어를 성장시킴에 있어서 Si 기판 상에 갈륨의 전구체 및 질소의 전구체를 직접 공급하면서 성장시키는 경우 나노와이어의 형성 밀도가 낮고 성장 길이 또한 짧게 형성되는 문제점이 있다.However, when the GaN nanowires are grown while directly supplying a precursor of gallium and a precursor of nitrogen on the Si substrate, the formation density of the nanowires is low and the growth length is short.
또한, 광전도 소자를 제작함에 있어서, 이러한 나노와이어만이 채널로 이용되도록 제작하는 경우 비교적 많은 양의 광전류를 흘려 줄 수 있어 소자의 반응성(responsivity)은 확보할 수 있으나, 상대적으로 떨어지는 광전도도(photoconductivity)로 인해 우수한 동작 속도(operation speed)를 기대하기 어려운 문제점이 있다.In manufacturing the photoconductive device, when only such nanowires are fabricated to be used as a channel, a relatively large amount of photocurrent can be flown to assure the responsivity of the device, but the relatively low photoconductivity there is a problem that it is difficult to expect an excellent operation speed due to photoconductivity.
본 발명은 상술한 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, Si 기판 상에 나노와이어를 형성시키는데 있어서 그래핀 층을 이용함으로써 더욱 높은 밀도와 긴 성장 길이를 갖는 나노와이어를 형성시키고, 이러한 나노와이어와 그래핀을 모두 채널로 이용함으로써 더욱 우수한 광전도도를 가질 뿐만 아니라 더 많은 양의 광전류를 흘려줄 수 있는 광전도 소자를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a nanowire having a higher density and a longer growth length by using a graphene layer in forming a nanowire on a Si substrate, It is an object of the present invention to provide a photovoltaic device capable of not only having more excellent photoconductivity but also allowing a larger amount of photocurrent to flow.
다만, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 발명의 구체적 설명을 위한 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.It is to be understood, however, that the technical scope of the present invention is not limited to the above-mentioned problems, and other matters not mentioned may be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 광전도 소자는, 기판; 상기 기판 상에 형성된 제1 그래핀 층; 상기 그래핀 층 상에 성장된 복수의 발광 구조체; 상기 발광 구조체 상에 형성된 제2 그래핀 층; 상기 제1 그래핀 층과 접하는 제1 금속 전극; 및 상기 제2 그래핀 층과 접하는 제2 금속 전극; 을 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a photovoltaic device including: a substrate; A first graphene layer formed on the substrate; A plurality of light emitting structures grown on the graphene layer; A second graphene layer formed on the light emitting structure; A first metal electrode in contact with the first graphene layer; And a second metal electrode in contact with the second graphene layer; .
상기 발광 구조체는, 상기 기판 상에 성장된 나노와이어; 및 상기 나노와이어의 원주 방향으로 성장된 다중 양자우물 구조층; 을 포함할 수 있다.The light emitting structure includes nanowires grown on the substrate; And a multi quantum well structure layer grown in the circumferential direction of the nanowire; . ≪ / RTI >
상기 발광 구조체는, 상기 다중 양자우물 구조층 내에 형성되는 양자점을 더 포함할 수 있다.The light emitting structure may further include quantum dots formed in the multi quantum well structure layer.
상기 발광 구조체는, 상기 다중 양자우물 구조층 상에 형성되는 쉘 층을 더 포함할 수 있다.The light emitting structure may further include a shell layer formed on the multiple quantum well structure layer.
상기 다중 양자우물 구조층은, 교호적으로 형성되는 베리어 층 및 웰 층을 포함할 수 있다.The multiple quantum well structure layer may include an alternately formed barrier layer and a well layer.
상기 베리어 층은, GaN으로 이루어질 수 있다.The barrier layer may be made of GaN.
상기 웰 층은, InGaN으로 이루어질 수 있다.The well layer may be made of InGaN.
상기 양자점은, InGaN으로 이루어질 수 있다.The quantum dot may be made of InGaN.
상기 나노와이어는 n-타입 반도체로 이루어지고, 상기 웰 층은 p-타입 반도체로 이루어질 수 있다.The nanowire may be made of an n-type semiconductor, and the well layer may be made of a p-type semiconductor.
한편, 상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 광전도 소자의 제조 방법은, (a) 기판 상에 제1 그래핀 층을 형성하는 단계; (b) 상기 제1 그래핀 층 상에 복수의 발광 구조체를 성장시키는 단계; (C) 상기 발광 구조체 상에 제2 그래핀 층을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 제1 그래핀 층과 접하는 제1 금속 전극 및 상기 제2 그래핀 층과 접하는 제2 금속 전극을 형성하는 단계; 를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a photovoltaic device including: (a) forming a first graphene layer on a substrate; (b) growing a plurality of light emitting structures on the first graphene layer; (C) forming a second graphene layer on the light emitting structure; And (d) forming a first metal electrode in contact with the first graphene layer and a second metal electrode in contact with the second graphene layer; .
상기 (a)단계는, (a1) 촉매층을 이용하여 제1 그래핀 층을 합성하는 단계; (a2) 상기 제1 그래핀 층 상에 PMMA 층을 형성시키는 단계; (a3) 상기 촉매층을 제거하는 단계; 및 (a4) 상기 촉매층이 제거되고 남은 그래핀 층을 상기 기판 상에 전사시키는 단계; 를 포함할 수 있다. The step (a) may include: (a1) synthesizing a first graphene layer using a catalyst layer; (a2) forming a PMMA layer on the first graphene layer; (a3) removing the catalyst layer; And (a4) transferring the remaining graphene layer from the catalyst layer to the substrate; . ≪ / RTI >
상기 (b)단계는, (b1) 상기 기판 상에 나노 와이어를 성장시키는 단계; 및 (b2) 상기 나노와이어의 원주 방향으로 다중 양자우물 구조층을 성장시키는 단계; 를 포함할 수 있다.The step (b) includes the steps of: (b1) growing a nanowire on the substrate; And (b2) growing a multiple quantum well structure layer in the circumferential direction of the nanowire; . ≪ / RTI >
상기 (b)단계는, 상기 다중 양자우물 구조층을 성장시키는 과정에서 상기 다중 양자우물 구조층 내에 양자점을 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다.The step (b) may further include forming quantum dots in the multi quantum well structure layer in the course of growing the multiple quantum well structure layer.
상기 (b)단계는, 상기 다중 양자우물 구조층 상에 쉘 층을 형성시키는 단계를 더 포함할 수 있다.The step (b) may further include forming a shell layer on the multiple quantum well structure layer.
상기 (b2)단계는, 베리어 층 및 웰 층을 교호적으로 형성시키는 단계에 해당할 수 있다.The step (b2) may correspond to a step of alternately forming the barrier layer and the well layer.
상기 (c)단계는, (c1) 촉매층을 이용하여 제2 그래핀 층을 합성하는 단계; (c2) 상기 제2 그래핀 층 상에 PMMA 층을 형성시키는 단계; (c3) 상기 촉매층을 제거하는 단계; 및 (c4) 상기 촉매층이 제거되고 남은 제2 그래핀 층을 상기 발광 구조체의 상부에 전사시키는 단계; 를 포함할 수 있다.The step (c) includes the steps of: (c1) synthesizing a second graphene layer using a catalyst layer; (c2) forming a PMMA layer on the second graphene layer; (c3) removing the catalyst layer; And (c4) transferring the second graphene layer remaining after the catalyst layer is removed to the upper portion of the light emitting structure; . ≪ / RTI >
본 발명의 일 측면에 따르면, 더욱 높은 밀도 및 긴 길이를 갖는 나노와이어의 수득이 가능할 뿐만 아니라, 이러한 나노와이어와 함께 그래핀을 채널로 이용할 수 있게 되므로, 우수한 동작 속도(operation speed) 및 광전도도(photoconductivity)를 갖는 광전도 소자를 얻을 수 있다.According to an aspect of the present invention, it is possible not only to obtain nanowires with higher density and longer length, but also to use graphene as a channel with such nanowires, so that excellent operation speed and photoconductivity A photoconductive element having photoconductivity can be obtained.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 나노와이어 형태의 LED나 LD와 같은 발광소자의 발광면적이 증가되고, 내부 양자효율 및 외부 양자효율이 증가 됨으로써 발광 효율이 향상될 수 있다.According to another aspect of the present invention, the emission area of a light emitting device such as an LED or a LD in the form of a nanowire is increased, and the internal quantum efficiency and the external quantum efficiency are increased, thereby improving the luminous efficiency.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은, 제1 그래핀 층을 형성하는 공정을 나타내는 도면이다.
도 2는, 제1 그래핀 층 상에 PMMA 층을 형성하는 공정을 나타내는 도면이다.
도 3은, 제1 그래핀 층으로부터 촉매 층을 제거하는 공정을 나타내는 도면이다.
도 4는, 제1 그래핀 층을 기판 상에 전사하는 공정을 나타내는 도면이다.
도 5는, 전사된 그래핀 층으로부터 PMMA 층을 제거하는 공정을 나타내는 도면이다.
도 6은, 그래핀 층 상에서 나노와이어를 성장시키는 공정을 나타내는 도면이다.
도 7은, GaN 결정의 격자 구조를 통해 나노와이어의 성장 방향을 나타내는 도면이다.
도 8은, 그래핀 층과 나노와이어 사이에 형성되는 절연층을 형성시키는 공정을 나타내는 도면이다.
도 9는, 나노와이어의 성장과 함께 양자우물 구조층을 형성시킴으로써 발광 구조체를 형성하는 단계를 나타내는 도면이다.
도 10은, 양자우물 구조층이 나타나도록 도시된 단면도이다.
도 11은, GaN 결정의 격자 구조를 통해 도 10에 도시된 양자우물 구조층이 성장하는 방향을 나타내는 도면이다.
도 12는, 양자우물 구조층 상에 쉘 층을 성장시킴으로써 발광 구조체를 완성시키는 단계를 나타내는 도면이다.
도 13은, 발광 구조체들 사이에 충진 입자 집합체를 형성하는 단계를 나타내는 도면이다.
도 14는, 발광 구조체의 상부에 제2 그래핀 층을 형성하는 단계를 나타내는 도면이다.
도 15는, 제1 그래핀 층 및 제2 그래핀 층에 각각 접하는 제1 금속 전극 및 제2 금속 전극을 형성하는 단계를 통해 완성된 광전도 소자를 나타내는 도면이다.
도 16은, 그래핀 층을 이용하지 않고 기판 상에서 직접 나노와이어를 성장시킨 경우를 나타내는 현미경 사진이다.
도 17 및 도 18은, 본 발명에 따라 제1 그래핀 층을 이용하여 나노와이어를 성장시킨 경우를 나타내는 현미경 사진이다.
도 19는, 제1 그래핀 층 및 그 위에서 성장된 나노와이어에 대한 현미경 사진이다.
도 20 및 도 21은, 도 19에 도시된 B 지점과 C 지점에서 얻어진 라만 스펙트라(Ramman-spectra)이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate preferred embodiments of the invention and, together with the description of the invention given below, serve to further the understanding of the technical idea of the invention. And should not be construed as limiting.
1 is a view showing a step of forming a first graphene layer.
2 is a view showing a step of forming a PMMA layer on the first graphene layer.
3 is a view showing a step of removing the catalyst layer from the first graphene layer.
4 is a view showing a step of transferring the first graphene layer onto a substrate.
5 is a view showing a step of removing the PMMA layer from the transferred graphene layer.
6 is a view showing a step of growing nanowires on a graphene layer.
Fig. 7 is a diagram showing the growth direction of nanowires through a lattice structure of GaN crystal.
8 is a view showing a step of forming an insulating layer formed between the graphene layer and the nanowire.
9 is a view showing a step of forming a light emitting structure by forming a quantum well structure layer with growth of a nanowire.
10 is a cross-sectional view showing the quantum well structure layer shown.
Fig. 11 is a diagram showing the growth direction of the quantum well structure layer shown in Fig. 10 through the lattice structure of the GaN crystal.
12 is a view showing a step of growing a shell layer on a quantum well structure layer to complete a light emitting structure.
13 is a view showing a step of forming a packed particle aggregate between the light emitting structures.
14 is a view showing a step of forming a second graphene layer on the upper portion of the light emitting structure.
15 is a view showing a photovoltaic device completed by forming a first metal electrode and a second metal electrode which are in contact with the first graphene layer and the second graphene layer, respectively.
16 is a photomicrograph showing a case where nanowires are directly grown on a substrate without using a graphene layer.
17 and 18 are photomicrographs showing the case where nanowires are grown using the first graphene layer according to the present invention.
19 is a photomicrograph of a first graphene layer and the nanowires grown thereon.
20 and 21 are Raman spectra obtained at points B and C shown in FIG.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일부 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms, and the inventor should appropriately interpret the concepts of the terms appropriately It should be construed in accordance with the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it can be defined. Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are only some of the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all the technical ideas of the present invention. Therefore, It is to be understood that equivalents and modifications are possible.
도 15를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 광전도 소자의 전체적인 구성을 설명하기로 한다.The overall configuration of the photoconductive device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
도 15는, 제1 그래핀 층 및 제2 그래핀 층에 각각 접하는 제1 금속 전극 및 제2 금속 전극을 형성하는 단계를 통해 완성된 광전도 소자를 나타내는 도면이다.15 is a view showing a photovoltaic device completed by forming a first metal electrode and a second metal electrode which are in contact with the first graphene layer and the second graphene layer, respectively.
도 15를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광전도 소자는, 기판(10), 제1 그래핀 층(20), 발광 구조체(30), 절연층(40), 충진 입자 집합체(50), 제2 그래핀 층(60), 제1 금속 전극(70) 및 제2 금속 전극(80)을 포함하는 형태로 구현될 수 있다.15, a photovoltaic device according to an embodiment of the present invention includes a
상기 기판(10)으로는, 예를 들어 (111)로 배향된 Si 기판이 적용될 수 있으며, 적어도 1회의 세척 과정을 거쳐 마련된 것이 이용될 수 있다.As the
상기 제1 그래핀 층(20)은, 발광 구조체(30)를 구성하는 나노와이어(31, 도 10 및 도 12 참조)의 성장 밀도를 높이고, 충분한 길이로 성장될 수 있도록 하며, 또한 광전도 소자가 더 우수한 광전도를 확보할 수 있도록 하기 위해 기판(10) 상에 형성되는 구성요소이다.The
물론, 이러한 제1 그래핀 층(20)이 기판(10) 상에 형성되는 과정에서 열처리가 행해지는 경우에는 자연적인 산화막(미도시)이 제1 그래핀 층(20)과 기판(10) 사이에 형성될 수도 있다.When a heat treatment is performed in the process of forming the
상기 발광 구조체(30)는, 후술할 바와 같이, 제1 그래핀 층(20) 상에 성장된 나노와이어(31) 및 나노와이어(31)의 원주 방향으로 성장/형성된 다중 양자우물 구조층(32)을 포함하는 형태로 구현될 수 있다. 이러한 발광 구조체(30)의 구체적인 구조에 대해서는 상세히 후술하기로 한다.The
상기 절연층(40)은, 기판(10)과 나노와이어(31, 도 10 및 도 12 참조) 사이에 형성되어 발광 구조체(30)를 구성하는 쉘 층(34, 도 12 참조)과 제1 그래핀(20) 사이의 절연체로서 기능할 수 있다.The
또한, 상기 절연층(40)은, 이러한 절연체로서의 기능 이외에, 발광 구조체(30)를 통해 방출되어 기판 쪽으로 향하는 빛을 반사시킴으로써 발광 효율을 향상시키는 기능 역시 수행할 수 있다.In addition to the function of the insulator, the insulating
한편, 상기 절연층(40)은 이러한 기능을 고려하여 Al2O3 나노 입자로 이루어질 수 있다.Meanwhile, the insulating
상기 충진 입자 집합체(50)는, 복수의 발광 구조체(30)들의 사이에 충진 되며, 이러한 충진 입자 집합체(50)를 이루는 입자들은 발광 구조체(30)의 외측에서 표면 플라즈몬 효과(surface plasmon effect)를 통해 발광의 효율성을 더욱 높여줄 수 있다. 상기 충진 입자 집합체(50)를 이루는 입자로는 예를 들어, Ag-SiO2가 적용될 수 있다.The packed
상기 제2 그래핀 층(60)은, 발광 구조체(30)의 성장 방향 상단에 형성되어, 앞서 설명한 제1 그래핀 층(20)과 마찬가지로, 광전도 소자가 더 우수한 광전도를 확보할 수 있도록 기능하는 구성요소이다.The
상기 금속 전극(70, 80)은 그래핀 층(20, 60)을 광전도 채널(photoconductive cgannel)로 활용하기 위해 그래핀 층(70, 80)과 접하도록 형성되는 것으로서, 금(Au), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 금과 니켈의 합금, 금과 알루미늄의 합금 등의 금속이 금속 전극(70, 80)의 재질로 이용될 수 있다.The
이하, 도 1 내지 도 14를 참조하여, 상술한 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 광전도 소자의 구체적인 제조 방법에 대해 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to FIGS. 1 to 14, a specific manufacturing method of the photoconductive device according to an embodiment of the present invention having the above-described structure will be described.
먼저, 도 1 내지 도 5를 참조하여, 기판(10) 상에 제1 그래핀 층(20)을 형성하는 공정에 대해 설명하기로 한다.First, the process of forming the
도 1은, 제1 그래핀 층을 형성하는 공정을 나타내는 도면이고, 도 2는, 제1 그래핀 층 상에 PMMA 층을 형성하는 공정을 나타내는 도면이다. 또한, 도 3은, 제1 그래핀 층으로부터 촉매 층을 제거하는 공정을 나타내는 도면이고, 도 4는, 제1 그래핀 층을 기판 상에 전사하는 공정을 나타내는 도면이며, 도 5는, 전사된 제1 그래핀 층으로부터 PMMA 층을 제거하는 공정을 나타내는 도면이다.FIG. 1 is a view showing a step of forming a first graphene layer, and FIG. 2 is a view showing a step of forming a PMMA layer on a first graphene layer. Fig. 3 is a view showing a step of removing the catalyst layer from the first graphene layer, Fig. 4 is a view showing a step of transferring the first graphene layer onto a substrate, Fig. 5 is a cross- And removing the PMMA layer from the first graphene layer.
도 1을 참조하면, 상기 제1 그래핀 층(20)은, 니켈이나 구리 또는 백금 등의 금속으로 이루어진 촉매 층(F)을 이용하여 화학증기 증착법(CVD)에 의해 합성될 수 있다.Referring to FIG. 1, the
즉, 상기 제1 그래핀 층(20)은, 수 nm 내지 수십 nm 두께의 금속 포일(metal foil)을 고온에서 메탄과 수소의 혼합 가스와 반응시켜 적절한 양의 탄소가 촉매 층(F)에 녹아 들어가거나, 흡착되도록 한 다음, 상온까지 냉각시킴으로써 얻어질 수 있다.That is, the
이처럼, 금속 포일로 이루어진 촉매 층(F)을 고온에서 메탄과 수소를 함유하는 혼합 가스와 반응시킨 후에 상온까지 냉각시키는 경우, 촉매 층(F) 내에 포함되어 있던 탄소원자들이 표면에서 결정화 되면서 그래핀 결정구조를 형성하게 된다.When the catalyst layer F made of the metal foil is reacted with the mixed gas containing methane and hydrogen at a high temperature and cooled to room temperature, the carbon atoms contained in the catalyst layer F crystallize on the surface, Thereby forming a crystal structure.
다음은, 도 2 내지 도 5를 참조하여 촉매 층(F) 및 제1 그래핀 층(20)으로 이루어진 적층체로부터 촉매 층(F)을 제거하고, 촉매 층(F)이 제거된 제1 그래핀 층(20)을 기판 상에 전사하는 공정에 대해 설명하기로 한다.Next, referring to Figs. 2 to 5, the catalyst layer F is removed from the laminate composed of the catalyst layer F and the
도 2 및 도 3을 참조하면, PMMA 법에 의해 촉매 층(F)을 제거할 수 있다.Referring to FIGS. 2 and 3, the catalyst layer F can be removed by the PMMA method.
즉, 상기 촉매 층(F) 상에 제1 그래핀 층(20)이 성장되어 수득된 적층체로부터 촉매 층(F)을 제거하기 위해 우선 제1 그래핀 층(20) 상에 PMMA 층(polymethyl methacrylate layer)(P)를 형성한 후 에칭에 의해 촉매 층(F)을 제거함으로써 기판(10) 상에 전사시킬 적층체를 수득할 수 있다. That is, in order to remove the catalyst layer F from the laminate obtained by growing the
다음으로, 도 4 및 도 5를 참조하면, 촉매 층(F)을 제거하여 얻어진 적층체, 즉 제1 그래핀 층(20) 및 그 표면에 형성된 PMMA 층(P)으로 이루어진 적층체를 기판(10) 상에 전사시킨 후, 용해 등의 방법으로 PMMA 층(P)을 제거함으로서 기판(10) 상에 제1 그래핀 층(20)이 적층된 형태를 갖는 적층체를 수득할 수 있다.Next, referring to FIGS. 4 and 5, a laminate composed of a laminate obtained by removing the catalyst layer F, that is, a
한편, 이처럼 기판(10) 상에 제1 그래핀 층(20)을 전사하는 과정에서 열처리에 의해 기판(10)의 표면에는 산화막(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 기판(10)으로 예를 들어 Si 기판이 사용된 경우라면, 상기 산화막은 SiO2로 이루어질 수 있다.Meanwhile, in the process of transferring the
본 발명에 있어서, 촉매 층(F) 상에 제1 그래핀 층(20)을 형성하기 위해 적용된 공정조건은 구체적으로 다음과 같다.In the present invention, the processing conditions applied to form the
먼저, 수 nm 내지 수십 nm의 두께를 갖는 구리(니켈, 백금 등의 다양한 금속이 적용 가능함)로 이루어진 포일을 CVD 시스템의 수평 전기로 중앙에 삽입하여 대략 800~1000℃의 고온에서 메탄, 수소 혼합가스와 반응시켜 적절한 양의 탄소가 촉매층에 녹아들어가거나 흡착되도록 하였다. 실험에서 사용된 분위기 가스는 수소(99.999%), 메탄(99.995%)을 사용하며, 수소 가스의 양은 약 2~5sccm 이었고, 메탄 가스의 양은 약 30~50sccm 이었으며, 이 때 성장 압력은 약 300~600mTorr 였다. 이 후 약 100~250℃/min 의 속도로 상온까지 냉각하여 촉매 층에 포함되어 있던 탄소원자들이 표면에서 결정화 되면서 그래핀 구조를 형성하였다.First, a foil made of copper (applicable to various metals such as nickel and platinum) having a thickness of several nanometers to several tens of nanometers is inserted in the center of a horizontal electric furnace of a CVD system and mixed with methane and hydrogen at a high temperature of about 800 to 1000 ° C Gas so that an appropriate amount of carbon is either dissolved or adsorbed in the catalyst bed. The amount of hydrogen gas was about 2 ~ 5 sccm, the amount of methane gas was about 30 ~ 50 sccm, and the growth pressure was about 300 ~ 600 mTorr. After cooling to room temperature at a rate of about 100 to 250 ° C / min, the carbon atoms contained in the catalyst layer crystallized on the surface to form a graphene structure.
아울러, 본 발명의 일 실시예에서는 이처럼 금속 포일 상에 그래핀을 성장시키고, PMMA 법을 이용하여 촉매 층을 제거한 후 제1 그래핀 층(20)을 기판(10)에 전사시키는 방식에 의해 기판(10)과 제1 그래핀 층(20)으로 이루어진 적층체를 수득하는 방식을 채택하였으나, 본 발명의 기술사상이 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, in an embodiment of the present invention, graphene is grown on the metal foil, the catalyst layer is removed using the PMMA method, and then the
즉, 상기 기판(10) 및 제1 그래핀 층(20)으로 이루어진 적층체는, 수 nm 내지 수십 nm의 두께로 촉매 층(F)을 증착시킨 기판(10)을 CVD 시스템에 도입하고 이로써 제1 그래핀 층(20)을 성장시키는 방식을 통해 수득될 수도 있는 것이다.That is, the laminate composed of the
다음은, 도 6 및 도 7을 참조하여 제1 그래핀 층(20) 상에서 나노와이어(31)를 성장시키는 공정에 대해 설명하기로 한다.Next, the process of growing the
도 6은, 그래핀 층 상에서 나노와이어를 성장시키는 공정을 나타내는 도면이고, 도 7은, GaN 결정의 격자 구조를 통해 나노와이어의 성장 방향을 나타내는 도면이다.Fig. 6 is a view showing a process of growing nanowires on a graphene layer, and Fig. 7 is a diagram showing a growth direction of nanowires through a lattice structure of a GaN crystal.
도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 나노와이어(31)는 제1 도전형 반도체로 이루어지는 것으로서, 제1 그래핀 층(20) 상에 복수개가 구비될 수 있다. 또한, 상기 나노와이어(31)는, 제1 그래핀 층(20)의 표면에 대해 대략 수직한 방향, 즉 c-plane 방향(도 7 참조)을 따라 성장될 수 있다.Referring to FIGS. 6 and 7, the
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 상기 제1 도전형 반도체는 n-타입 도전형 반도체의 성질을 가지며, 후술할 제2 도전형 반도체의 경우에는 이와는 반대로 p-타입 도전형 반도체의 성질을 갖는 경우를 예로 들어 설명하기로 한다. 또한, 본 발명에 있어서, 상기 나노와이어(31)는 n-타입 GaN으로 이루어진 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.Meanwhile, in describing the present invention, the first conductivity type semiconductor has properties of an n-type conductivity type semiconductor, and in the case of a second conductivity type semiconductor which will be described later, As an example. Also, in the present invention, the
상기 나노와이어(31)는, 예를 들어, 유기금속화학증착법(MOCVD)에 의해 성장될 수 있는데, 이 경우 상기 나노와이어(31)는 기판(10) 및 제1 그래핀 층(20)으로 이루어진 적층체를 MOCVD 반응기 내부에 장입하여 수소 가스의 공급과 함께 열처리를 수행한 후 갈륨의 전구체 가스 및 질소의 전구체 가스를 공급하는 공정을 통해 성장시킬 수 있다.The
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 나노와이어(31)의 성장을 위해 적용된 공정조건은 구체적으로 다음과 같다:In one embodiment of the present invention, the process conditions applied to grow the
제1 그래핀 층(20)이 형성된 기판(10)을 MOCVD 반응기 내부에 장입하고, 기판(10)을 고온에서 일정시간 동안 안정화 시킨 후, 수소 가스를 흘려주며 대략 900~1050℃의 온도에서 약 30초~5분 동안 열화처리 시켰다. 반응기 내부에 공급되는 연료가스로 갈륨(Ga)의 전구체에 해당하는 트리메틸갈륨(TMG: Trimethylgallium)과 질소의 전구체에 해당하는 암모니아 가스를 사용하며, 기판 온도와 압력 그리고 성장시간을 각각 850~1000℃, 400~600Torr, 60~90분의 조건으로 하여 수직 배양된 나노와이어를 성장시켰다. 이 때, TMG의 양은 약 0.2~1.0sccm, 암모니아 가스는 1~3slpm의 유량을 가졌다.The
한편, 상술한 공정에 의해 성장된 나노와이어(31)는 필요에 따라 n-타입 및/또는 p-타입으로 도핑될 수 있으며, 이러한 도핑을 위해 나노와이어(31)가 성장하는 동안 SiH4 가스(n-타입의 경우) 및/또는 Cp2Mg 가스(p-타입의 경우)를 주입할 수 있다.On the other hand, the
이와 같은 공정들에 따라 그래핀 층 상에서 성장된 나노와이어는 그래핀 층 없이 기판 상에서 직접 성장된 나노와이어와 비교할 때 성장 밀도, 길이 등의 측면에서 더욱 향상된 결과를 나타낸다. 이러한 결과는 도 16 내지 도 18에 잘 나타나 있다.According to such processes, the nanowires grown on the graphene layer show improved results in terms of growth density, length, etc. as compared to the nanowires grown directly on the substrate without the graphene layer. These results are well illustrated in Figs. 16-18.
도 16은 그래핀 층을 이용하지 않고 기판 상에서 직접 나노와이어를 성장시킨 경우를 나타내는 현미경 사진이고, 도 17 및 도 18은 본 발명에 따라 제1 그래핀 층을 이용하여 나노와이어를 성장시킨 경우를 나타내는 현미경 사진이다.FIG. 16 is a photomicrograph showing a case where nanowires are directly grown on a substrate without using a graphene layer. FIGS. 17 and 18 show the case where nanowires are grown using a first graphene layer according to the present invention Is a photomicrograph showing.
도 16 내지 도 18을 참조하면, 그래핀 층을 이용하여 성장된 나노와이어(31)(도 17 및 도 18)는 그래핀 층 없이 성장된 나노와이어(도 16)와 비교하여 그 형성 밀도가 확연히 높고 그 성장 길이 또한 충분히 길다는 것을 알 수 있다.Referring to FIGS. 16-18, the nanowires 31 (FIGS. 17 and 18) grown using the graphene layer have a significantly higher density than the nanowires grown without the graphene layer (FIG. 16) And its growth length is also long enough.
또한, 이처럼 제1 그래핀 층(20)을 이용하여 나노와이어(31)를 성장시킨 이 후에도 그래핀 층(20)이 기판(10) 상에 여전히 존재함이 도 19 내지 도 21에 잘 나타나 있다.19 to 21 that the
도 19는 제1 그래핀 층 및 그 위에서 성장된 나노와이어에 대한 현미경 사진이고, 도 20 및 도 21은 도 19에 도시된 B 지점과 C 지점에서 얻어진 라만 스펙트라(Ramman-spectra)이다.19 is a micrograph of the first graphene layer and the nanowires grown thereon, and FIGS. 20 and 21 are Raman spectra obtained at points B and C shown in FIG. 19. FIG.
도 20 및 도 21에 나타나 있는 라만 스펙트라(Raman spectra)를 살펴보면 나노와이어(31)가 형성된 위치 이외의 지점에서는 그래핀(G로 표기됨)에 대한 피크(peak)가 명확하게 나타나는 것을 볼 수 있으며, 이로써 제1 그래핀 층(20) 상에 나노와이어(31)가 직접 성장되어 있는 것임을 확인할 수 있다.As can be seen from the Raman spectra shown in FIGS. 20 and 21, peaks for graphene (denoted by G) clearly appear at points other than the positions where the
한편, 이처럼 그래핀 상에서 나노와이어를 성장시키는 경우, 특히 금속 촉매를 이용하여 나노와이어를 성장시키는 경우와 비교할 때 금속 불순물에 의한 결함 및 전자의 산란을 줄일 수 있다는 장점 또한 있으며, 후술할 바와 같이 그래핀에 의한 캐리어 모빌리티(Carrier mobility)를 향상시킴으로써 광전도 소자로 적용 시에 우수한 성능을 발휘할 수 있게 된다.On the other hand, when the nanowires are grown on the graphene, there is an advantage that defects due to metal impurities and scattering of electrons can be reduced as compared with the case of growing nanowires using metal catalysts. By improving the carrier mobility due to the pin, it is possible to exhibit excellent performance in application as a photoconductive element.
다음은, 도 8을 참조하여, 절연층(40)의 형성 공정에 대해서 설명하기로 한다.Next, the process of forming the insulating
도 8은, 그래핀 층과 나노와이어 사이에 형성되는 절연층을 형성시키는 공정을 나타내는 도면이다.8 is a view showing a step of forming an insulating layer formed between the graphene layer and the nanowire.
도 8을 참조하면, 절연층(40)은 나노입자들이 분산되어 이루어지는 것으로서, 예를 들어 Al2O3의 나노입자를 스핀 코팅을 통해 분산시킴으로써 수득될 수 있다.Referring to FIG. 8, the insulating
즉, 상기 절연층(40)은, 제1 그래핀 층(20) 상에서 나노와이어(31)들 사이의 빈 공간 내에 스핀 코팅을 통해 뿌려짐으로써 형성될 수 있으며, 이러한 절연층(40)은 추 후 형성될 쉘 층(34)과 제1 그래핀 층(20) 사이의 전기 절연체로서 기능하게 된다. That is, the insulating
또한, 상기 절연층(40)은, 앞서 설명한 바와 같이, 나노와이어(31)를 포함하는 발광 구조체(30, 도 9)로부터 방출되어 기판(10) 쪽을 향하는 빛을 반사시킴으로써 본 발명에 따른 광전도 소자의 발광 효율을 향상시키는 기능 역시 할 수 있다.The insulating
다음은, 도 9 내지 도 12를 참조하여, 나노와이어(31)를 포함하는 발광 구조체(30)의 형성 공정에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.Next, with reference to Figs. 9 to 12, a process of forming the
도 9는, 나노와이어의 성장과 함께 양자우물 구조층을 형성시킴으로써 발광 구조체를 형성하는 단계를 나타내는 도면이고, 도 10은, 양자우물 구조층이 나타나도록 도시된 단면도이다. 또한, 도 11은, GaN 결정의 격자 구조를 통해 도 10에 도시된 양자우물 구조층이 성장하는 방향을 나타내는 도면이고, 도 12는, 양자우물 구조층 상에 쉘 층을 성장시킴으로써 발광 구조체를 완성시키는 단계를 나타내는 도면이다.FIG. 9 is a view showing a step of forming a quantum well structure layer with the growth of nanowires to form a light emitting structure, and FIG. 10 is a sectional view showing a quantum well structure layer. 11 is a view showing the growth direction of the quantum well structure layer shown in FIG. 10 through the lattice structure of the GaN crystal, and FIG. 12 is a view showing a state in which the light emitting structure is completed by growing a shell layer on the quantum well structure layer Fig.
먼저, 도 9 및 도 10을 참조하면, 상기 발광 구조체(30)는, 나노와이어(31) 상에 형성된 다중 양자우물 구조층(32, multi quantum well layer)을 구비한다.Referring to FIGS. 9 and 10, the
이러한 다중 양자우물 구조층(32)의 형성 공정은, 발광 구조체(30)의 활성층을 형성하는 공정으로서, 나노와이어(31) 상에서 베리어 층(32a, barrier layer) 및 웰 층(32b, well layer)을 교대로 성장시키는 방식으로 이루어진다.The process of forming the multiple quantum
상기 베리어 층(32a)은, 예를 들어 GaN으로 이루어질 수 있다. 상기 베리어 층(32a)은, Ga의 소스에 해당하는 TMGa(Trimethylgallium)과 N의 소스에 해당하는 NH3를 펄스(pulse) 방법에 따라 번갈아 공급하되, 대략 650℃ 내지 780℃의 온도 및 100torr 내지 300torr의 압력 하에서 공급하는 저온 성장법에 의해 형성될 수 있다. The
또한, 상기 웰 층(32b)은, 예를 들어 InGaN로 이루어질 수 있다. 상기 웰 층(32b)은, In의 소스에 해당하는 TMIn(Trimethylindium), Ga의 소스에 해당하는 TMGa 및 N의 소스인 NH3를 번갈아 공급하되, 대략 600℃ 내지 750℃의 온도 및 100torr 내지 300torr의 압력 하에서 공급하는 저온 성장법에 의해 형성될 수 있다.The
상기 다중 양자우물 구조 층(32)은, 높은 속도의 케리어 가스와 낮은 압력 조건 하에서 성장됨으로써 나노 와이어(31)의 원주방향에 해당하는 m-plane 방향으로 성장(도 11 참조)하며, 나노와이어(31) 표면의 모든 부분에서 대략 균일한 두께로 성장될 수 있다.The multi-quantum
다음으로, 도 12를 참조하면, 양자점(33) 및 쉘 층(34)을 형성시키는 공정이 나타나 있다.Next, referring to Fig. 12, a process of forming the
상기 양자점(33)은, 본 공정은 다중 양자우물 구조 층(32)을 성장시키는 공정의 중간에, 예를 들어 InGaN으로 이루어지는 도트를 다중 양자우물 구조층(22) 내에 형성시키는 공정을 포함한다.The
상기 양자점(33)은, In의 소스에 해당하는 TMIn, Ga의 소스에 해당하는 TMGa, 그리고 N의 소스에 해당하는 NH3를 펄스 방법에 따라 교대로 공급함으로써 형성될 수 있는데, 소스의 공급은 TMIn과 TMGa를 동시에 공급하는 동안에는 NH3의 공급을 중단하고, 반대로 NH3를 공급하는 동안에는 TMIn과 TMGa의 공급을 중단하는 방식으로 이루어질 수 있다. 이처럼, 소스를 번갈아 공급함으로써 박막 형태가 아닌 작은 드롭렛 형태의 양자점 형성을 유도할 수 있다.The
상기 양자점(33)의 형성을 위해 소스를 번갈아 주입할 때, 각 소스의 주입 시간은 대략 30초 내지 120초 이며, 온도 조건은 대략 500℃ 내지 700℃이고, 압력 조건은 대략 100torr 내지 300torr 범위일 수 있다. 소스의 주입 시간은 양자점(33)의 크기에 영향을 미친다.When the sources are alternately injected for forming the
이처럼, 상기 다중 양자우물 구조 층(32)과 양자점(33)의 형성 공정을 교대로 반복하는 경우 양자점(Q)이 나노 와이어의 원주 방향으로 성장된 다중 양자우물 구조 층(32) 내에 형성되고, 그 크기와 분포는 온도와 성장 시간에 비례하여 증가하게 된다. 또한, 상기 양자점(33)의 사이즈는 10nm 내지 200nm로 다양하게 형성될 수 있다.In this way, when the process of forming the multiple quantum
이처럼, 상기 다중 양자우물 구조 층(32) 내에 형성된 양자점(Q)은 전자와 홀의 결합률을 더욱 높여줌으로써 빛의 발광 효율을 더욱 높여줄 수 있다.As described above, the quantum point Q formed in the multi-quantum
한편, 상기 발광 구조체(30)는, 나노와이어(31) 상에 성장된 다중 양자우물 구조층(32) 및 양자점(33)의 형성 이 후에, 다중 양자우물 구조층(32) 상에 형성되는 쉘 층(34)을 더 포함할 수 있다.On the other hand, the
상기 쉘 층(34)은, 나노와이어(31)와는 반대로 제2 도전형 반도체의 성질을 갖는 것으로서, 예를 들어 P-타입 GaN으로 이루어질 수 있다.The
이 경우, 상기 쉘 층(34)은, Ga의 소스에 해당하는 TMGa 및 N의 소스에 해당하는 NH3를 동시에 주입함으로써 다중 양자우물 구조 층(32)의 표면 상에 전체적으로 고르게 분포되어 레이어(layer)를 이루는 방향으로 성장되며, 이 경우 온도는 대략 600℃ 내지 800℃이고 압력은 대략 100torr 내지 300torr 범위로 설정될 수 있다.In this case, the
다음은, 도 13을 참조하여, 충진 입자 집합체(50)의 형성 공정에 대해서 설명하기로 한다.Next, with reference to Fig. 13, a process of forming the filled-
도 13은, 발광 구조체들 사이에 충진 입자 집합체를 형성하는 단계를 나타내는 도면이다.13 is a view showing a step of forming a packed particle aggregate between the light emitting structures.
본 공정은, 복수의 발광 구조체(30)들 사이에, 예를 들어 Ag-SiO2 나노입자를 스핀코팅에 의해 충진시키는 방식으로 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 충진 입자 집합체(50)를 이루는 나노입자의 크기는 대략 20~30nm 범위에 해당할 수 있다.The present step may be performed by filling Ag-SiO 2 nanoparticles between the plurality of light emitting
이와 같이, 상기 복수의 발광 구조체(30)들 사이의 공간을 충진시키는 충진 입자 집합체(50)는, 발광 구조체(30)의 외측에서 표면 플라즈몬 효과(surface plasmon effect)를 통해 발광의 효율성을 더욱 높여줄 수 있다.The packed
코어-쉘(Core-shell) 구조의 Ag-SiO2 나노복합체는, 졸-겔(sol-gel)법으로 만들어지는 것으로서, 금속 입자의 크기와 화학적 조성의 조절이 매우 용이하다는 장점이 있으며, 또한 대기 중에 매우 안정한 열역학적 특성을 지닌다.The Ag-SiO 2 nanocomposite having a core-shell structure is prepared by a sol-gel method and has an advantage that the size and chemical composition of the metal particle can be easily controlled. It has very stable thermodynamic properties in the atmosphere.
이러한 Ag-SiO2 의 경우, SiO2 쉘의 두께가 약 2~10nm, Ag-SiO2 의 직경은 약 20~30nm 수준으로 균일하게 형성되며, 스핀 코팅에 의해 균일한 분산이 이루어지므로 다중 양자우물 구조와 Ag-SiO2 나노복합체가 함께 적용된 하이브리드 구조를 제작하는데 용이한 특성을 갖는다.In the case of such Ag-SiO 2 , since the SiO 2 shell has a thickness of about 2 to 10 nm and the Ag-SiO 2 has a diameter of about 20 to 30 nm uniformly and is uniformly dispersed by spin coating, And the Ag-SiO 2 nanocomposite are used together to form a hybrid structure.
상기 충진 입자 집합체(50)를 이루는 Ag-SiO2 에 따른 표면 플라즈몬 효과는 대략 80% 이상으로, 단순히 나노메탈을 이용한 경우와 비교할 때 그 효과가 더욱 뛰어나다.The effect of the surface plasmon according to the Ag-SiO 2 constituting the packed
다음은, 도 14를 참조하여, 제2 그래핀 층(60)의 형성 공정에 대해서 설명하기로 한다.Next, the process of forming the
도 14는, 발광 구조체의 상부에 제2 그래핀 층을 형성하는 단계를 나타내는 도면이다.14 is a view showing a step of forming a second graphene layer on the upper portion of the light emitting structure.
도 14를 참조하면, 본 공정은, 상기 발광 구조체(30) 및 충진 입자 집합체(50)의 상부에 제2 그래핀 층(60)을 형성시키는 공정이다.Referring to FIG. 14, the present process is a process of forming a
상기 제2 그래핀 층(60)은, 앞서 설명한 제1 그래핀 층(20)과 마찬가지 방식으로 형성될 수 있다.The
즉, 상기 제2 그래핀 층(60)은, 다음과 같이 형성될 수 있다. 먼저, 금속 포일로 이루어진 촉매층(F)을 이용하여 그래핀 결정구조를 형성하고, PMMA 법에 의해 촉매층(F)을 제거함으로써 PMMA 층(P)과 제2 그래핀 층(60)으로 이루어진 적층체를 수득한다. 다음으로, 수득된 적층체를 발광 구조체(30) 및 충진 입자 집합체(50)의 상부에 전사시키고, PMMA 층(P)을 제거함으로써 발광 구조체(30) 및 충진 입자 적층체(50)의 상부에 형성된 제2 그래핀 층(60)을 수득할 수 있다.That is, the
물론, 상기 그래핀 층(60)의 수득 공정은 이에 제한되지 않으며, 그 밖에 제1 그래핀 층(20)을 수득하기 위해 적용되는 다른 방식의 공정을 적용하여 제2 그래핀 층(60)을 얻을 수도 있는 것이다. Of course, the process of obtaining the
다음은, 도 15를 참조하여, 금속 전극(70, 80)을 형성하는 공정에 대해 설명하기로 한다.Next, the process of forming the
도 15는, 제1 그래핀 층 및 제2 그래핀 층에 각각 접하는 제1 금속 전극 및 제2 금속 전극을 형성하는 단계를 통해 완성된 광전도 소자를 나타내는 도면이다.15 is a view showing a photovoltaic device completed by forming a first metal electrode and a second metal electrode which are in contact with the first graphene layer and the second graphene layer, respectively.
도 15를 참조하면, 상기 금속 전극(70, 80)은, 스퍼터링 시스템(sputtering system)을 통해 형성될 수 있다.Referring to FIG. 15, the
즉, 상기 금속 전극 중 제1 금속 전극(70)은, 스퍼터링 시스템 장비를 이용하여 금속 물질을 기판(10) 상에 증착시키되 금속 물질이 제1 그래핀 층(20)의 측면 모서리 부분과 접촉하도록 한 다음, 열처리 과정을 거침으로써 형성될 수 있다.That is, the
또한, 제2 금속 전극(80)은, 마찬가지로 스퍼터링 시스템 장비를 이용하여 금속 물질을 제2 그래핀 층(60) 상에 증착시킨 후, 열처리 과정을 거침으로써 형성될 수 있다.In addition, the
이러한, 금속 전극(70, 80)은, 앞서 설명한 바와 같이, 금(Au), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 금과 니켈의 합금, 금과 알루미늄의 합금 등의 금속으로 이루어질 수 있다. The
이와 같이 금속 전극(70, 80)이 그래핀 층(20, 60)과 접촉함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 광전도 소자는, 그래핀 층을 광전도 채널로 이용할 수 있게 되고, 이로써 우수한 캐리어 모빌리티를 확보할 수 있게 되는 것이다.
By thus contacting the
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광전도 소자는, 그래핀 층 상에서 나노와이어를 성장시킴으로써 증가된 나노와이어 밀도 및 성장 길이를 확보할 수 있으며, 이로써 많은 양의 광전류를 흘려줄 수 있게 된다.As described above, the photoconductive device according to an embodiment of the present invention can secure increased nanowire density and growth length by growing nanowires on the graphene layer, thereby allowing a large amount of photocurrent to flow .
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 광정도 소자는, 그래핀 층을 광전도 채널로 이용할 수 있는 구조를 가짐으로써 그래핀 층으로 인한 우수한 캐리어 모빌리티를 확보할 수 있으며, 이로써 우수한 광전도도 역시 가질 수 있게 된다.In addition, the photorefractive element according to an embodiment of the present invention has a structure that can use the graphene layer as a photoconductive channel, thereby ensuring excellent carrier mobility due to the graphene layer, .
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 광전도 소자의 구성에 따르면, 그래핀과 나노와이어가 갖는 장점이 복합적으로 작용하여 빠른 반응성(responsivity) 및 우수한 동작 속도(operation speed)를 동시에 실현할 수 있게 되는 것이다.That is, according to the structure of the photoconductive device according to an embodiment of the present invention, the merits of the graphene and the nanowire work together to realize quick responsivity and excellent operation speed at the same time will be.
결국, 본 발명에 따르면, 좀 더 빠른 센서 스피드(sensor speed)와 더 넓은 대역폭을 갖는 광전도 소자의 설계가 가능하게 되며, 이를 이용하여 매우 높은 효율을 갖는 광전자 소자(optoelectronic dvice)를 만들 수 있고, 다양한 어플리케이션이 가능하게 된다.As a result, according to the present invention, it becomes possible to design a photoconductive element having a faster sensor speed and a wider bandwidth, thereby making it possible to produce an optoelectronic device having a very high efficiency , And various applications are possible.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 광전도 소자는, 그래핀 층으로 인한 상술한 장점들 이 외에도, 다중 양자우물 구조층 내에 형성된 양자점 및 발광 구조체의 외측에 형성된 충진 입자 집합체를 구비함으로써 발광의 효율을 극대화 할 수 있는 장점 또한 갖는 것이다.In addition, the photoconductive device according to an embodiment of the present invention includes quantum dots formed in the multiple quantum well structure layer and a packed particle aggregate formed outside the light emitting structure, in addition to the advantages described above due to the graphene layer, It also has the advantage of maximizing efficiency.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not to be limited to the details thereof and that various changes and modifications will be apparent to those skilled in the art. And various modifications and variations are possible within the scope of the appended claims.
F: 촉매층
P: PMMA 층
10: 기판
20: 제1 그래핀 층
30: 발광 구조체
31: 나노와이어(제1 도전형 반도체)
32: 양자 우물 구조층(32)
32a: 베리어 층
32b: 웰 층
33: 양자점(quantum dot)
34: 쉘 층(제2 도전형 반도체)
40: 절연층
50: 충진 입자 집합체
60: 제2 그래핀 층
70: 제1 금속 전극
80: 제2 금속 전극F: catalyst layer
P: PMMA layer
10: substrate
20: First graphene layer
30: light emitting structure
31: nanowire (first conductivity type semiconductor) 32: quantum
32a:
33: Quantum dot
34: Shell layer (second conductivity type semiconductor)
40: Insulating layer
50: Filled particle aggregate
60: Second graphene layer
70: first metal electrode
80: second metal electrode
Claims (16)
상기 기판 상에 형성된 제1 그래핀 층;
상기 그래핀 층 상에 성장된 복수의 발광 구조체;
상기 발광 구조체 상에 형성된 제2 그래핀 층;
상기 제1 그래핀 층과 접하는 제1 금속 전극; 및
상기 제2 그래핀 층과 접하는 제2 금속 전극;
을 포함하는 광전도 소자.Board;
A first graphene layer formed on the substrate;
A plurality of light emitting structures grown on the graphene layer;
A second graphene layer formed on the light emitting structure;
A first metal electrode in contact with the first graphene layer; And
A second metal electrode in contact with the second graphene layer;
≪ / RTI >
상기 발광 구조체는,
상기 기판 상에 성장된 나노와이어; 및
상기 나노와이어의 원주 방향으로 성장된 다중 양자우물 구조층;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전도 소자.The method according to claim 1,
The light-
Nanowires grown on the substrate; And
A multi quantum well structure layer grown in the circumferential direction of the nanowire;
Wherein the photoconductive device comprises a photoconductive element.
상기 발광 구조체는,
상기 다중 양자우물 구조층 내에 형성되는 양자점을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광전도 소자.3. The method of claim 2,
The light-
And quantum dots formed in the multi quantum well structure layer.
상기 발광 구조체는,
상기 다중 양자우물 구조층 상에 형성되는 쉘 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광전도 소자.The method of claim 3,
The light-
And a shell layer formed on the multi-quantum well structure layer.
상기 다중 양자우물 구조층은,
교호적으로 형성되는 베리어 층 및 웰 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전도 소자.3. The method of claim 2,
Wherein the multi-quantum well structure layer comprises:
Wherein the barrier layer and the well layer are alternately formed.
상기 베리어 층은,
GaN으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광전도 소자.6. The method of claim 5,
Wherein the barrier layer comprises:
GaN. ≪ / RTI >
상기 웰 층은,
InGaN으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광전도 소자.6. The method of claim 5,
Wherein:
Gt; InGaN. ≪ / RTI >
상기 양자점은,
InGaN으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광전도 소자.6. The method of claim 5,
The quantum dots include,
Gt; InGaN. ≪ / RTI >
상기 나노와이어는 n-타입 반도체로 이루어지고,
상기 웰 층은 p-타입 반도체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발광 광전도 소자.6. The method of claim 5,
Wherein the nanowire is made of an n-type semiconductor,
Wherein the well layer is made of a p-type semiconductor.
(b) 상기 제1 그래핀 층 상에 복수의 발광 구조체를 성장시키는 단계;
(C) 상기 발광 구조체 상에 제2 그래핀 층을 형성하는 단계; 및
(d) 상기 제1 그래핀 층과 접하는 제1 금속 전극 및 상기 제2 그래핀 층과 접하는 제2 금속 전극을 형성하는 단계;
를 포함하는 광전도 소자의 제조 방법.(a) forming a first graphene layer on a substrate;
(b) growing a plurality of light emitting structures on the first graphene layer;
(C) forming a second graphene layer on the light emitting structure; And
(d) forming a first metal electrode in contact with the first graphene layer and a second metal electrode in contact with the second graphene layer;
Gt; a < / RTI > photoconductive element.
상기 (a)단계는,
(a1) 촉매층을 이용하여 제1 그래핀 층을 합성하는 단계;
(a2) 상기 제1 그래핀 층 상에 PMMA 층을 형성시키는 단계;
(a3) 상기 촉매층을 제거하는 단계; 및
(a4) 상기 촉매층이 제거되고 남은 그래핀 층을 상기 기판 상에 전사시키는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전도 소자의 제조 방법. 11. The method of claim 10,
The step (a)
(a1) synthesizing a first graphene layer using a catalyst layer;
(a2) forming a PMMA layer on the first graphene layer;
(a3) removing the catalyst layer; And
(a4) removing the catalyst layer and transferring the remaining graphene layer onto the substrate;
≪ / RTI >
상기 (b)단계는,
(b1) 상기 기판 상에 나노 와이어를 성장시키는 단계; 및
(b2) 상기 나노와이어의 원주 방향으로 다중 양자우물 구조층을 성장시키는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전도 소자의 제조 방법.11. The method of claim 10,
The step (b)
(b1) growing nanowires on the substrate; And
(b2) growing a multiple quantum well structure layer in the circumferential direction of the nanowire;
≪ / RTI >
상기 (b)단계는,
상기 다중 양자우물 구조층을 성장시키는 과정에서 상기 다중 양자우물 구조층 내에 양자점을 형성시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광전도 소자의 제조 방법.13. The method of claim 12,
The step (b)
And forming quantum dots in the multi quantum well structure layer in the course of growing the multi quantum well structure layer.
상기 (b)단계는,
상기 다중 양자우물 구조층 상에 쉘 층을 형성시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광전도 소자의 제조 방법.13. The method of claim 12,
The step (b)
And forming a shell layer on the multi-quantum well structure layer.
상기 (b2)단계는,
베리어 층 및 웰 층을 교호적으로 형성시키는 단계인 것을 특징으로 하는 광전도 소자의 제조 방법.13. The method of claim 12,
The step (b2)
Wherein the barrier layer and the well layer are alternately formed.
상기 (c)단계는,
(c1) 촉매층을 이용하여 제2 그래핀 층을 합성하는 단계;
(c2) 상기 제2 그래핀 층 상에 PMMA 층을 형성시키는 단계;
(c3) 상기 촉매층을 제거하는 단계; 및
(c4) 상기 촉매층이 제거되고 남은 제2 그래핀 층을 상기 발광 구조체의 상부에 전사시키는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전도 소자의 제조 방법.11. The method of claim 10,
The step (c)
(c1) synthesizing a second graphene layer using a catalyst layer;
(c2) forming a PMMA layer on the second graphene layer;
(c3) removing the catalyst layer; And
(c4) transferring the second graphene layer remaining after the catalyst layer is removed to the upper portion of the light emitting structure;
≪ / RTI >
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