KR20180052423A - 오프 공명 플라즈모닉에서 광전자 방출 특성의 향상을 위한 금속 나노 드롭렛을 가진 반도체 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일측면에 따르면, 반도체소자에 있어서, GaAs/AlGaAs 퀀텀웰층의 상부에 아일랜드 형태로 이격된 금속 나노 드롭렛들을 포함하는 활성층을 가지는 것을 특징으로 하는 오프 공명 플라즈모닉에서 광전자 방출 특성의 향상을 위한 금속 나노 드롭렛을 가진 반도체 소자가 제공된다.
Description
본 발명은 오프 공명 플라즈모닉에서 광전자 방출 특성의 향상을 위한 금속 나노 드롭렛을 가진 반도체 소자에 관한 것이다.
반도체 발광소자는 전기발광(electroluminescence) 현상, 즉, 전류 또는 전압의 인가에 의해 물질(반도체)에서 빛이 방출되는 현상을 이용한다.
반도체 발광소자의 활성층(발광층)에서 전자와 정공이 결합하면서 상기 활성층의 에너지 밴드갭(band gap)에 해당하는 만큼의 에너지가 빛의 형태로 방출될 수 있다.
반도체 발광소자의 성능을 평가하는 지표로는 발광효율, 광추출효율, 색균일도, 수명, 제조의 용이성 등을 들 수 있다.
반도체 발광소자가 차세대의 주요 광원으로 차지하게 되면서, 상기와 같은 성능을 향상시킬 수 있는 효율 개선에 필요성이 꾸준히 제기되고 있다.
이중에서, 나노 개념을 적용하여 내부양자효율을 증가시키기 위한 방안으로서, 표면 플라즈몬 응용기술, 광추출효율을 증가시키기 위한 광결정 응용기술, 표면 요철형성(roughening) 등이 연구되고 있다.
양자점은 나노 사이즈의 결정으로서, 사이즈에 따른 스펙트럼 변화(즉, 사이즈 변화에 따라 다른 파장의 빛을 방출하는 특성), 개선된 휘도, 광 표백(photo bleaching)에 대한 우수한 안정성, 동시 다중 형광 여기 등과 같은 특유의 광학 특성을 나타낸다.
이와 관련하여, 종래에는 LED 구조 중 양자우물(QW) 구조를 갖는 활성층 내에 양자점을 포함시킴으로써 전원 인가시 양자점의 크기에 따라 서로 다른 파장 영역의 광을 방출할 수 있도록 하거나, 양자 우물 내에 양자점 또는 양자점 유사 구조를 형성시키는 기술이 알려져 있다. 또한, 활성층 내 2개의 배리어 사이에 양자우물층을 형성하고, 상기 양자우물층 내에 2층 구조의 양자점층을 형성시켜 양자점에 의한 3차원적 캐리어 구속 효과에 의하여 보다 많은 캐리어를 재결합 과
정에 참여시킴으로써 발광 세기를 향상시킬 수 있는 기술도 알려져 있다.
또한, 광추출 효율을 높이기 위하여 나노 테크놀로지를 적용한 예에서는 주로 광결정 또는 표면 플라즈몬 공명 현상을 중심으로 연구가 이루어져 왔다.
반도체 소스에 의해 방출되는 빛의 강도(intensity)는 그들의 순간적 재결합 비율에 의해 그리고 전자-홀(e-h)의 이용가능성에 의해 일반적으로 결정된다. 그러나, 이 비율은 환경에 의해 변할 수 있다. 특히, 광자는 표면 플라즈몬 채널 내로 방출될 수 있기 때문에, 에미터 상에 증착된(deposited) 금속막은 방사하는 자발적 방출(radiative spontaneous emission)의 비율을 강화할 수 있다.
표면 플라즈몬들과 재결합 캐리어들의 커플링에 기인한 빛의 공명 강화는, 퀀텀웰, 퀀텀 도트, Si 퀀텀 와이어들, 분산 브래그 리플렉터들, 다이아몬드내의 이온화된 센터들, 다이 레이저들(dye lasers)을 포함하는, 다양한 에미터들에 대해서 보고되어 왔다.
방출(emission)에 공명 결합된 표면 플라즈몬 때문에 반도체들로부터의 빛의 강화는 금속 내에서의 소실(dissipation) 때문에 제한되고 또한 금속_반도체 인터페이스의 균질성 및 유전 특성에 의하여 제한될 수 있다.
이에 따라 국부화된 플라즈몬 주파수에 오프-공명하는 주파수들에서 광학 소스들로부터 보다 많은 광자들을 발생시키기 위한 연구가 필요하다.
이 분야의 종래기술로는 표면 플라즈몬 공명을 이용하여 발광특성이 향상된 발광소자에 대하여는 대한민국 등록공보 10-1283538호에 게시된 바 있으며, 나노입자들이 에미터의 활성영역 내에 내포되어 양자우물에 의하여 광 방출이 강화된 정전메커니즘에 대하여 Physical Review(Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2013, B87, 201304) 저널에 “Electrostatic mechanism of strong enhancement of light emitted by semiconductor quantum wells.”로 게시된 바 있다.
본 발명의 목적은 오프 공명 플라즈몬 상태에서 쿨롱의 정전력을 이용하여 광전자 방출 특성이 향상된 반도체 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 일측면에 따르면, 반도체소자에 있어서, GaAs/AlGaAs 퀀텀웰층의 상부에 아일랜드 형태로 이격된 금속 나노 드롭렛들을 포함하는 활성층을 가지는 것을 특징으로 하는 오프 공명 플라즈모닉에서 광전자 방출 특성의 향상을 위한 금속 나노 드롭렛을 가진 것을 특징으로 하는 반도체 소자가 제공된다.
또한, 상기 금속 나노 드롭렛은 Ga로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 GaAs/AlGaAs 퀀텀웰층은 상기 10(±5%)nm 두께의 Al0 . 33Ga0 .67A의 베리어 장벽에 의해 경계가 이루어지는, 10(±5%)nm의 두께를 가진 단일 GaAs 층이 성장되어 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 GaAs/AlGaAs 퀀텀웰층은 5nm(±5%)두께의 GaAs의 캡층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 GaAs/AlGaAs 퀀텀웰층은 Al0 . 33Ga0 .67 재질의 제1 도전성 반도체층 상부에 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 도전성 반도체층은 20(±5%)nm 두께로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 도전성 반도체층은 GaAs 재질로 형성된 버퍼층 상부에 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 금속 나노 드롭렛은 20 ~ 40nm 직경의 반구 형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 금속 나노 드롭렛은 30±5%nm 직경의 반구 형상으로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 금속 나노 액적들은 0.1 ~ 0.6um 간격으로 불균일하게 배포된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 GaAs/AlGaAs 퀀텀웰층 및 상기 금속 나노 드롭렛의 상부를 덮는 금속층을 더 포함한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 금속층은 백금(Pt), 은(Silver), 니켈(nickel) 및 금(gold) 중 어느 하나의 금속으로 이루어 진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 오프 공명 플라즈몬 상태에서 쿨롱의 정전력을 이용하여 광전자 방출 특성이 향상된 반도체 소자를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 나노 드롭렛을 포함하는 반도체 소자를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 나노입자를 포함하는 GaAs/AlGaAs 퀀텀웰(quantum well) 구조의 표면에 금속 나노 액적들(nanodroplets)의 분포를 나타내는 AFM 이미지를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 나노 드롭렛들에 의하여 강화된 광루미네선스 스펙트라 및 참조 광루미네선스 스펙트라를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 나노 드롭렛의 단면 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 GaAs 시스템에서 Ga 나노 드롭렛(nanodroplets)에서 인접된 거리로부터 산출된 전기장 및 캐리어 농도를 그래프로 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 1의 금속 나노입자를 포함하는 GaAs/AlGaAs 퀀텀웰(quantum well) 구조와 종래 플라즈몬 강화 기준 구조에서 파워 밀도에 대한 방출강도를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 1의 금속 나노 드롭렛을 포함하는 GaAs/AlGaAs 퀀텀웰(quantum well) 구조와 종래 기준 구조에서 시간에 따른 방출강도를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 ZnO 벌크 반도체 표면을 덮는 금속 클러스터/섬들 형상 구조를 도시한 것이다.
도 9는 불균일 섬 형상으로 금속 코팅된 ZnO 벌크 반도체 메커니즘의 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 10은 고품질의 균일한 형상으로 금속 코팅된 ZnO 벌크 반도체 메커니즘의 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 나노입자를 포함하는 GaAs/AlGaAs 퀀텀웰(quantum well) 구조의 표면에 금속 나노 액적들(nanodroplets)의 분포를 나타내는 AFM 이미지를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 나노 드롭렛들에 의하여 강화된 광루미네선스 스펙트라 및 참조 광루미네선스 스펙트라를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 나노 드롭렛의 단면 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 GaAs 시스템에서 Ga 나노 드롭렛(nanodroplets)에서 인접된 거리로부터 산출된 전기장 및 캐리어 농도를 그래프로 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 1의 금속 나노입자를 포함하는 GaAs/AlGaAs 퀀텀웰(quantum well) 구조와 종래 플라즈몬 강화 기준 구조에서 파워 밀도에 대한 방출강도를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 1의 금속 나노 드롭렛을 포함하는 GaAs/AlGaAs 퀀텀웰(quantum well) 구조와 종래 기준 구조에서 시간에 따른 방출강도를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 ZnO 벌크 반도체 표면을 덮는 금속 클러스터/섬들 형상 구조를 도시한 것이다.
도 9는 불균일 섬 형상으로 금속 코팅된 ZnO 벌크 반도체 메커니즘의 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 10은 고품질의 균일한 형상으로 금속 코팅된 ZnO 벌크 반도체 메커니즘의 스펙트럼을 도시한 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것이 아니다.
이하 본 발명의 구현에 따른 감광성 수지 조성물의 제조방법에 대하여 상세하게 설명한다.
본 발명자들은 국부화된 플라즈몬 주파수에 오프-공명하는 주파수들에서 광학 소스들로부터 보다 많은 광자들을 발생시키기 위하여 금속들 내에서 그들의 영상 전하(image charges)와 캐리어들의 정전 상호작용(electrostatic interactions)에 기초한 새로운 메커니즘을 연구하였다.
본 발명의 일 실시 에에 따르면, 반도체의 표면상에 금속 나노 드롭렛들(nanodroplets)의 비균질성에 기인한 캐리어 축적의 쿨롱 촉매작용(Coulomb catalysis)은 비소멸하는(nondissipative) 빛을 강화할 수 있으며, 방출 파장에 플라즈몬을 공명 결합하는 것을 필요로 하지 않는다.
금속 나노입자들의 근처에서 비방사(nonradiative)에 대한 방사 재결합의 비율의 증가 때문에 강화(enhancement)가 일어난다. 이는, 넓게 조정할 수 있는 반도체 에미터들의 구현에 매우 중요한 특성으로, 어떤 금속에서도 동일하게 효과적이며 어떤 주파수에서도 방사(radiation)을 강화할 수 있다.
이러한 기본적인 메커니즘은 광 에미터들의 효율성을 개선하고 나노스케일 상에 캐리어 농도를 제어하는 것을 개선하기 위한 새로운 관점을 제공할 수 있다.
하이브리드 금속-반도체 에미터들의 구조적 특성은 전자 현미경관찰법(microscopy) 및 원자력 현미경관찰법을 사용하여 연구되었으며, 본 발명의 일 실시 예에서는 근접 적외선(near-IR) 및 UV 파장 체제에서 각각 발생되는, GaAs/AlGAs 퀀텀웰들과 같은 2-차원 반도체들 및 ZnO 박막들과 같은 벌크 반도체들로부터의, 정상 상태 및 천이 광루미네선스(photoluminescence)를 연구함으로써 정전 메커니즘을 규명할 수 있었다.
반도체 소스에 의해 방출되는 빛의 강도(intensity)는 그들의 순간적 재결합 비율에 의해 그리고 전자-홀(e-h)의 이용가능성에 의해 일반적으로 결정된다. 그러나 이 비율은 환경에 의해 변할 수 있다. 특히, 광자는 표면 플라즈몬 채널 내로 방출될 수 있기 때문에, 에미터 상에 증착된(deposited) 금속막은 방사하는 자발적 방출(radiative spontaneous emission)의 비율을 강화한다.
가장 강력한 강화는 플라즈모닉 공명 주파수 ωs에서 관찰된다.
유사한 플라즈모닉 메커니즘이, 플라즈모닉 나노캐비티 내의 에미터들 및 오가닉 광 에미터들에 대해 보다 높은 재결합률을 나타낼 수 있다.
최근, 하이퍼볼릭 금속-유전체 메타물질에 전자기적으로 결합된 쌍극자로부터의 방사의 비공명 강화가 또한 예견되고 검출되어 왔음이 보고(① Kim, J.; Drachev, V. P.; Jacob, Z.; Naik, G. V.; Boltasseva, A.; Narimanov, E. E.; Shalaev, V. M. Improving the radiative decay rate for dye molecules with hyperbolic metamaterials. Opt. Express 2012, 20, 81008106. ② Krishnamoorthy, H. N. S.; Jacob, Z.; Narimanov, E.; Kretzschmar, I.; Menon, V. M. Topological transitions in metamaterials. Science 2012, 336, 205209. ③ Shalaginov, M. Y.; Ishii, S.; Liu, J.; Liu, J.; Irudayaraj, J.; Lagutchev, A.; Kildishev, A. V.; Shalaev, V. M. Broadband enhancement of spontaneous emission from nitrogen- vacancy centers in nanodiamonds by hyperbolic metamaterials. Appl. Phys. Lett. 2013, 102, 173114173116. ④ Naik, G. V.; Saha, B.; Liu, J.; Saber, S. M.; Stach, E. A.; Irudayaraj, J. M. K.; Sands, T. D.; Shalaev, V. M.; Boltasseva, A. Epitaxial superlattices with titanium nitride as a plasmonic component for optical hyperbolic metamaterials. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2014, 111, 75477551. 참조)된바 있다.
이러한 연구(메타물질에 결합된 경우에 대해서)들에 의하여 토폴로지칼 위상 천이의 주파수 아래 또는 플라즈모닉 주파수 ωs근처의 주파수를 가진 방사(radiation)에 대한 광학 방출(emission)의 강화를 추정할 수 있다.
본 발명자들은 재결합 캐리어들과 금속 간의 정전 상호작용들이 광학 소스로부터 방출된 광의 강도를 증가시키는 현상에 대하여 연구하였다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 위 강화의 성질은, 금속 표면에 남기려고 시도하는 것처럼 이미지 전하들에 의해 뒤로 당겨지는 전자의 강한 쿨롱 인력과 유사하다. 따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속들 내의 작동 기능의 주요 요소는 전자와 그의 이미지 전하 간의 인력(attraction)에 기인한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 전하와 그의 이미지 전하 간의 정전력(electrostatic force)은 항상 인력(attractive)이 작용되므로, 반도체 내에서 고립된 금속 나노구조체(metallic nanostructure inclusion)는 캐리어의 보다 높은 농도를 가진 경계층을 생성하면서, 전자와 홀을 동일하게 끌어당기게 된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 금속으로부터 도출된 쿨롱 힘(Coulomb force)은 반도체 내의 캐리어 농도의 변조를 촉진시킬 수 있다.
또한, 전하 캐리어는 금속 나노입자 주위에 비균질 장의 범위 및 크기에 의존하는 상대적으로 좁은 공간 영역에 국부화될 수 있다.
대부분의 플라즈모닉-강화된 광 에미터들에서, 박막들 또는 나노입자들은 에미터의 표면상에 쌓여서 형성(deposited)된다.
본 발명의 일 실시 예에서는 플라즈몬에 기인한 전기력(electrodynamic) 강화된 광 방출을 사용하는 대신에, 오프-공명 플라즈몬 체제(off-resonant plasmon regime) 내의 쿨롱 상호작용에서 도출되는 정전 효과가 광 방출 프로세스를 위해 사용되었다.
나노입자들이 에미터의 활성 영역 내에 내포되었던(embedded) 종래의 연구(⑤ Llopis, A.; Lin, J.; Pereira, S. M. S.; Trindade, T.; Martins, M. A.; Watson, I. M.; Krokhin, A. A.; Neogi, A. Electrostatic mechanism of strong enhancement of light emitted by semiconductor quantum wells. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2013, B87, 201304. 참조)에 비하여, 본 발명의 일 실시 예에서는 금속 나노입자들이 표면상에 있고, 처음으로 표면 처리된 구조들 상에 이미지 전화 효과를 증명하기 위하여 2-차원 퀀텀웰 시스템 내의 유전체층에 의해 분리되었다.
이 작업은 또한 금속 박막들에 비하여 나노입자들 내의 정전기 이미지 전하로부터 도출된 효과의 증가를 직접적인 비교로 보여줄 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서 금속 ZnO 나노 시스템을 이용하여 나타낸 바와 같이 금속 나노 입자의 임의의 형상 및 크기에 기인한 불균일성은 화상 전하 형성이 더욱 균질한 금속 박막의 그것에 비하여 정전효과를 두드러지게 한다.
캐리어들이 금속의 근처 내의 영역을 액세스할 경우, 두께 d의 층 내에서 이미지를 갖는 캐리어의 상호작용의 정전 에너지는 
이다.
여기서 은 반도체의 유전체 상수이다.
이 정전 에너지는 열적 에너지(kT)를 넘어야만 한다. 그렇지 않으면, 정전 인력은 랜덤 열적 변동(fluctuations)에 의해 지배될 수 있다.
ε≒ 10 이라고 가정하면, T =300K에서 층 두께 d는 
에서 d = 20nm를 얻는데, 이는 종래의 다층 반도체 광 소스들 내에 단일 액티브층의 두께에 필적된다.
이러한 정전 에너지는 열적에너지(kT)를 넘어야만 하는 제한은 전자-홀(e-h) 플라즈마가 열적 평형일 때 유효하다.
광 에미터(light emitter)에서 전자-홀(e-h) 플라즈마는 평형이 아니다. 이 경우에, 재결합 캐리어들, 열적 여기에 의해 생성된 캐리어들, 금속 내에 그들의 이미지 전하들에 대한 인력에 기인한 금속의 게재물(inclusion)을 향하여 이동하는(drifting) 캐리어들 간에 동적 밸런스 때문에 강화된 층이 형성된다.
금속의 게재물(inclusion)을 향하여 이동하는(drifting) 캐리어들 때문에, 강화된 층의 폭은, 캐리어들의 확산 길이로 늘어나며, 20nm 보다 훨씬 커질 수도 있다.
강화된 층 내의 캐리어들의 고 농도(high concentration)는 방사 재결합률Γr ), 비방사 재결합율(Γnr )모두를 증가시킨다.
직접-갭 반도체들(direct-gap semiconductors) 내의 방사 재결합의 가장 효율적인 프로세스는, 방사 재결합률 Γr = Bn2 로서, 캐리어 농도에서 이차(quadratic) 함수인 2분자(bimolecular)로된 메커니즘을 통하여 형성된다.
그에 반해서, 비방사 재결합의 ShockleyReadHall 메커니즘은 
로서, 선형비율(linear rate) 로 특징될 수 있다.
Γr 은 Γnr 보다 n과 함께 더 빨리 증가하기 때문에, 보다 높은 농도는 시스템의 내부 퀀텀 효율성에서의 증가를 가져온다.
[수학식1]
여기서, 캐리어 농도들이 그 기여를 무시할 정도로 방사 및 비방사 기여들에 비하여 충분히 낮은 채로 남기 때문에 오제 재결합(Auger recombination)에 대한 
인자(term)는 무시하여 졌다.
비록 η 내의 증가가 금속 나노입자 근처의 좁은 층 내에서만 일어날지라도, 그것은 광루미네선스(photoluminescence)의 몇 배 강화를 위해서는 충분하다.
그 강화된 층은 일부는 광여기(photoexcitation)을 통해 원래의 위치(in situ)에서 생성된 캐리어들로 구성되고, 부분적으로는 떨어진 영역들로부터 유입되는 전자-홀(e-h) 쌍들로 구성된다.
유입되는 쌍들 중 다수는 달리 금속 나노입자의 부재시 비방사적으로 재결합될 수도 있다.
이들 캐리어들은 시스템 내에 강화된 광루미네선스의 상당 부분을 포함한다.
주파수 매칭 조건 ω = ωs에 매칭하는 주파수는 플라즈모닉 메커니즘에 대한 주요한 이슈를 나타낸다.
예를 들면, InGaN/GaN 퀀텀웰은 푸른빛(ω = 3.05 eV)을 방출한다. 따라서 주파수 매칭은 강한 플라즈모닉 강화를 이끌어내는 ωs≒3.0 eV를 가지는 은박층(silver film)에 대해 발생된다.
단일 개제물(inclusion)에 의해 야기된 이미지 전하 효과에 기인한 강화는 금속의 형태에 의해서가 아니라 크기 및 기하학적 구조에 의해 결정될 수 있다.
이 보편성(universality)은 정전기학에서 잘 알려져 있는 것으로써, 도체 근처의 장(field)은 도전성이 아니라 그 형태에 의해 결정된다.
금속의 형태에 대한 이러한 둔감성(insensitivity)은, 광-대역 에미터(a wide-band emitter)의 동작에서 요구되는, 주파수-의존적 강화를 보증할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 금(Au)은 다른 금속들에 비하여, 열화율(劣化率 degradation)이 낮은 점을 고려하여, 스펙트럼의 가시 및 UV 부분에서 방사하는 광 소스들에서 금(Au)을 사용하는 것이 바람직한 것으로 연구되었다.
비록 InGaN/GaN 멀티 퀀텀웰을 커버하는 ωs = 2.36 eV을 가지는 얇은 금막이 주파수 불일치 (ωs < ω) 때문에 플라즈모닉 강화를 이끌어내지 못하더라도, 동일 구조 내에 내장된 금 나노입자들은 광루미네선스를 강화하며, 그에 의해 반도체 광원들의 설계의 기술 혁신에 대한 가능성을 제공할 수 있다.
금속 구성요소의 기하학적 구조(geometry)는 정전 메커니즘에서 매우 중요한 이슈이다.
퀀텀웰 상에 증착된 평편하고 균일한 금속 막은 그들의 이미지 전하들을 통해 캐리어들을 끌어당긴다.
금속 면에 수직인 방향으로 표류가 발생하기 때문에, 전자-홀(e-h) 쌍은 이 방향으로 압축되나, 전자들과 홀들간의 평균 평면 거리는 변화하지 않는다.
단일 축(z 축)만을 따라 캐리어 농도가 증가하는 것은, 이 쌍극자(dipoles)들이 전자-홀(e-h) 파장함수들과 보다 강하게 오버랩되기 때문에 z축을 따라 방향 지워진 쌍극 모멘트를 가지는 전자-홀(e-h) 쌍들이 보다 빠른 재결합으로 이어질 수 있다.
이 쌍극자들에 의해 방출된 광자들은 퀀텀웰의 표면에 거의 평행하게 전파된다.
그들은 총 내부 반사(reflection)에 의해서 표면을 통해 구조를 거의 빠져나갈 수 없기 때문에 가장 빠른 전자-홀(e-h) 재결합 프로세스는 감지된 방출에 기여하지 않는 것으로 분석된다.
이로 인하여 얇은 금막에 의해 커버되는 GaN 퀀텀웰로부터의 방출에 약간의 감소를 가져올 수 있다. 균일한 평편한 막과 달리, 금속 나노입자들 또는 날카로운 엣지를 갖는 금속 오브젝트들은 포인트 당김체(point attractors)로서 작용하게 된다.
정전 이미지 전하 효과에 의해 유도되는 쿨롱 힘에 기인한 이동(drift)은, 포인트 당김체(point attractors) 근처에 캐리어들의 농축을 이끌어내며, 표면에 수직인 전자-홀(e-h)쌍들의 정렬에는 수반되지 않는다.
따라서, 캐리어 농도의 국부적 증가는 강한 정전력 강화라는 결과를 가져온다.
강화의 플라즈모닉 및 정전 메커니즘 모두가 얇은 금막으로 캡된(capped) InGaN/GaN QW(quantum well) 구조에 대해 효과적이지 못한 것으로 나타나나, 정전 인력(electrostatic attraction)에 대해서는 괄목할만한 효과를 가진다.
얇은 금막으로 캡된(capped) 광원 구조의 스펙트럼은, 종래의 기준 샘플에 비하여 블루-시프트되는 경향을 가진다.
블루 시프트 형상은 금속 필름에 대한 캐리어들의 정전 인력에 기인하는 퀀텀웰의 효과적인 폭의 감소로부터 유래한다고 할 수 있다.
또한, 캐리어들의 보다 강한 감금(confinement)은 스펙트럼에서 블루-시프트를 이끌어낸다.
이미지 전하들에 의해 생성된 슈타르크 효과(Stark effect)는 순시적인 극성화 및 격자 불일치에 의해 야기되는 필드들과 달리, 블루-시프트를 가져올 수 있다.
이들 응력 유기된(straininduced) 전기 필드들은 전자들과 홀들을 분리하여, 내부 장들 없는 퀀텀웰에 비하여 레드-시프트 방출을 이끌어낼 수 있다.
비공명에 의한 강화를 위하여, 강화의 플라즈모닉 메커니즘은, 광 방출 주파수 아래 웰에 있는 플라즈몬 주파수를 가지는(ωs < ω) 금속체(metallic inclusions)를 사용함으로써 공명 현상이 피해져야만 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 나노 드롭렛을 포함하는 반도체 소자를 도시한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 나노 드롭렛을 포함하는 반도체 소자(1)는 GaAs/AlGaAs 퀀텀웰의 상부에 아일랜드 형태로 이격된 금속 나노 드롭렛들을 포함하는 활성층을 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 나노 드롭렛을 포함하는 반도체 소자(1)는 하부 퀀텀웰의 방출 광에 오프-공명하는 플라즈몬 주파수를 갖는 금속 나노 드롭렛들을 가진 GaAs/AlGaAs 퀀텀웰층이 포함된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 나노 드롭렛을 포함하는 반도체 소자(1)는, 반-절연 GaAs[100] 기판 상에 분자 빔 에픽텍시에 의해 성장된다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 나노 드롭렛을 포함하는 반도체 소자(1)는 기판상에 버퍼층(11)이 형성되며, 버퍼층(11) 위에 제1도전형 반도체층(12)이 형성되며, 제1도전형 반도체층(12) 위에 상부에 캡층(14)이 형성된 퀀텀웰층(13)이 형성되고, 캡층(14) 상부에 아일랜드 형태로 이격된 금속 나노 드롭렛들(15)이 형성되는 구조를 포함한다.
상기 상부에 아일랜드 형태로 이격된 금속 나노 드롭렛들(15)이 형성된 캡층(14) 위에는 인터페이스를 부드럽게 촉진하고 외부를 보호하기 위한 금속층(16)이 형성된다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 나노 드롭렛을 포함하는 반도체 소자(1)의 기판은 반-절연 GaAs[100] 기판이 채택된다.
버퍼층(11)은 500(±5%)nm 두께의 GaAs 재질로 형성되며, 그 위에 형성되는 제1 도전형 반도체층(12)은 20(±5%)nm 두께의 Al0.33Ga0.67 재질로 형성된다.
GaAs/AlGaAs 퀀텀웰층(13)은 상기 제1 도전형 반도체층 위에 10(±5%)nm 두께의 Al0 . 33Ga0 . 67As의 베리어 장벽에 의해 경계가 이루어지는, 10(±5%)nm의 두께를 가진 단일 GaAs 층이 성장되어 형성된다.
단일 GaAs/AlGaAs 퀀텀웰층(13)은 5nm(±5%)GaAs 층의 캡층(14)이 포함된다.
상기 캡층(14) 상부에 금속 나노 드롭렛(15) 들이 형성된다.
이어서 완전히 봉합된 비소(arsenic) 소스를 가지고 기판 온도 550℃에서 Ga의 증착으로 금속 드롭렛(15)들의 형성이 이루어진다.
단일 GaAs/AlGaAs 퀀텀웰층은 5nm(±5%)GaAs 층으로 캡되며, 이어서 완전히 봉합된 비소(arsenic) 소스를 가지고 기판 온도 550(±5%)°C에서 Ga의 증착 및 Ga 드롭렛(15)들의 형성이 이루어진다.
금속 Ga 드롭렛(15)들의 증착된 Ga의 총량은 GaAs 성장의 5.0 ~ 7.0 모노층의 양으로 형성된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 나노 드롭렛은 20 ~ 40nm의 직경을 가진 반구 형상을 가진다.
본 발명의 일 실시 예에서 방출 효율에 따른 바람직한 크기는 R = 30±5% nm 직경을 가진 반구 형상이 적용된다.
다음은 더 좋은 해상도(resolution)를 달성하고, GaAs 캡 층과 Ga 드롭렛 사이에 인터페이스를 부드럽게 촉진하기 위하여 금속층(16)이 형성된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 금속층(14)은 백금(Pt)으로 이루어지며, 상기 금속층(14)은 은(Silver), 니켈(nickel) 및 금(gold) 중 어느 하나를 선택적으로 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 백금 금속층 및 Ga 나노 드롭렛을 포함하는 반도체 소자는 UV 플라즈모닉 발광시스템들에 적용될 수 잇다.
또한, GaAs 상의 Ga 드롭렛들에 대한 에너지에서의 추가적인 시프트 다운될 수 있는 벌크 Ga 금속을 포함한 반도체 소자는 장파(long-wavelength) IR 플라즈몬 발광시스템 등에 적용될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, Ga는 저융점의 특징을 가지며, 천이 온도는 나노 드롭렛의 경우 더 감소된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 Ga 나노 드롭렛 및 퀀텀웰을 포함하는 반도체 소자는 에피텍셜 드롭렛 성장에 기인한 반구(hemispherical) 드롭렛에 유사한 오일 드롭렛을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 Ga 나노 드롭렛 및 퀀텀웰을 포함하는 반도체 소자는, Ga1xAlxAs에서 33%의 알루미늄(Al)으로 구성되었으며 전체 헤테로구조 퀀텀웰이 그 위에 성장되는 GaAs 기판에 정확하게 격자 매칭되는 구조를 가진다..
본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 나노 드롭렛들을 포함하는 반도체 소자(1)는, 광루미네선스 선폭이 퀀텀 도트들에 비하여 매우 좁으며, 불균일한(inhomogeneous) 도트 크기 분포를 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 나노 드롭렛들을 포함하는 반도체 소자 제조방법에 있어서, Ga 금속 드롭렛의 핵화(nucleation)는, GaAs 캡층이 열적 평형을 달성한 후 분자 빔 에피텍시(MBE) 시스템 내에 형성되는, 톱다운 공정이기 때문에, 퀀텀웰 내에 또는 표면 상에 무리한(strain) 변형이 발생되지 않는다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 나노 드롭렛들을 포함하는 반도체 소자에서 정전 강화는 Ga 나노 드롭렛들의 민감한 특징이다.
표면상의 드롭렛들의 밀집도가 높으면, 이미지 전하 효과가 포화되며, 이에 반해 표면상에 드롭렛들의 밀집도가 너무 낮으면, 쿨롱 힘이 강화 광방출을 위한 캐리어 밀도를 변화시키기에 충분히 강하지 않게 된다.
도 1에서 습윤 각도(wetting angle)는 36°로 형성된다.
본 발명의 일 실시 예에서는 1.53 eV에서 광을 방출하는, GaAs/AlGaAs 퀀텀웰이 사용된다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 나노입자를 포함하는 GaAs/AlGaAs 퀀텀웰(quantum well) 구조의 표면에 금속 나노 액적들(nanodroplets)의 분포를 나타내는 AFM 이미지를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 나노 액적들(nanodroplets)은 0.1 ~ 0.6um 간격으로 불균일한 아일랜드 형태로 분포된 배치 구조를 가진다.
도 1, 2를 참조하면, Ga의 금속 나노 드롭렛들(nanodroplets)은 에픽텍셀로 성장된 GaAs 헤테로구조(도 1A,B) 상에 증착된다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 Ga의 금속 나노 드롭렛들에 의하여 강화된 광루미네선스 스펙트라 및 참조 광루미네선스 스펙트라(Ga의 금속 나노 드롭렛들이 형성되지 않은 것)를 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 참조 광루미네선스 스펙트라는 본 발명의 일 실시 예와 동일한 구조에서 금속 나노 드롭렛들이 형성되지 않은 반도체 소자로 실험한 것이다.
도 3을 참조하면, T = 11K에서 Ga의 금속 나노 드롭렛들(nanodroplets)과 함께 GaAs/AlGaAs 퀀텀웰로부터의 강화된 광루미네선스 스펙트라(R)는 적색(red)으로 도시된 것이고, 참조 광루미네선스 스펙트라(B)는 흑색(black)으로 도시된다.
여기서, 강화(enhancement )는 근적외선 영역(near-IR region)에서 관찰되고, 청색 시프트는 약 25 meV 의 에너지 대역에서 이루어진다.
도 3을 참조하면, 가장 왼쪽 피크는, 벌크 갈륨비소 방출을 나타낸다. 이는 퀀텀웰(quantum well) 피크의 상대 강도를 정규화하기 위해 참조로 사용되어온 것이다.
도 3의 y 축은 로그 스케일을 가진다.
도 3을 참조하면, 스펙트럼은 1.53 및 1.51 eV에서 두 개의 피크를 나타낸다. T = 11K에서, 이러한 피크들은 각각 도 1에 도시된 GaAs 버퍼 영역의 벌크 GaAs 및 GaAs 퀀텀웰에서의 여기들에 기인한 것으로 분석된다.
벌크 GaAs 방출은, 버퍼층이 Ga 드롭렛들로부터 멀리 제거되었기 때문에, 이미지 전하들에 의해 주요하게 영향을 받지는 않는다.
그러나 퀀텀웰에서의 방출은, 20배 이상 강화된 것으로 나타난다.
이러한 강화는 플라즈모닉 커플링에서는 기인될 수 없는 것이다.
GaAs 상에 증착된 Ga의 균질한 막에 대해서, 플라즈몬 주파수ωs = 1.446 eV 는 도 3의 방출 스펙트럼 아래에 위치한다.
더욱이, 나노입자에 대해서, 국부화 플라즈몬 주파수는, 사이즈 및 형상에 따라 더욱 낮다.
도 1에 도시된 금속 나노 드롭렛(nanodroplet)에 대해서, 날카로운 코너들은, 공명 주파수의 추가적인 감소를 가져오면서, 전하 분포(distribution)의 강력한 가둠(confinement) 현상을 만들게 된다.
코너 α의 근처에서 공명 주파수가 
만큼 떨어진다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 도 1에 도시된 습윤각(wetting angle) α = 36(±5%)°를 갖춘 Ga 나노입자에 대해서, 이것은 균질막에 비하여 적어도 공명 주파수가 2.23-배 감소하게 된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 강화된 스펙트럼은 25 meV 블루 시프트 현상의 추가적인 특징을 가진다.
이 특징은, 아래에 주어진 시간분해 광루미네선스(timeresolved photoluminescence)의 결과와 함께, 관찰된 강화에 대한 이유들로서 Ga 나노드롭들에서 산란 및 반사를 확실히 배제시킨다.
동시에, 정전 메커니즘은 이러한 스펙트럼의 변조(modificatons)에 대해서 자연스런 설명을 제공한다.
금속 나노입자들의 존재하에서, 캐리어 농도들은 본질적으로 비균질한 특징을 가진다.
그들은 정전 필드E(r)에 의해 야기된 이동 항목들 (drift terms)과 결합된 비선형 확산 식으로부터 계산될 수 있다.
[수학식 2]
또한, 홀에 대한 식은 e를 h로 대체함으로써 얻어진다.
여기서, De Dh는 전자들과 홀들에 대한 확산 계수들이고 g는 1s에서 펌프 광원에 의해 생성된 e-h 쌍들의 농도이다.
수힉식 2의 이동 항목(drift term)에 대한 정전 필드 E(r)은 Poisson 식으로부터 얻어진다.
[수학식 3]
여기서, ne,h(r) 은 전자들과 홀들의 이미지 전하 농도들이고 n′e,h(r′) 는 그들의 정전 이미지들(electrostatic images)의 농도들이다.
이 이미지 전하들은 금속 나노구조체(inclusions) 내부에서 변위된다.
수학식 2 및 3은 전기장 분포 및 캐리어 농도들을 규정하는 일관성 있는(self-consistent) 비선형 셋을 형성한다.
솔루션의 강력한 비균질적 특징은 이동 항목(term)에 의해 제공된다.
금속체의 근처에서, 필드 E는 금속체의 모양에 의존하는 무한성(infinity) 경향을 나타내므로, 이동 항목은 특이성(singularity)을 갖는다.
평면 금속막 및 금속구에 대해서, 캐리어 이미지 및 상응하는 인력 힘(attractive force)은 쉽게 계산될 수 있다.
도 1을 참조하면, 잘려진 구의 모양으로 형성된 구 세그먼트에 대해서, 정전 포텐셜에 대한 솔루션은, 정전기학에서 알려진, 금속 지에서 프로브 전하에 의해 생성된 포텐셜에 의해 근사치로 계산될 수 있다.
세그먼트의 엣지 근처에서, 지의 솔루션은 사실상 정확하게 주어진다.
구 세그먼트 아래의 엣지로부터 떨어진 포인트들에 대해서는, 균질한 면에 대한 솔루션으로부터 실질적으로 구별될 수 없는 솔루션이 주어진다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 나노 드롭렛의 단면 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 나노 드롭렛의 단면 구조에 있어서 절단된 구와 접선 지의 단면 구조를 나타낸다.
도 4에서 도전 커트된 구(conducting cut sphere) 근처에 놓여진 포인트 프로브 전하 e 에 의해 생성된 정전 필드는 커트된 구에 접하는 도전 지의 필드에 의해 근사화될 수 있다. .
이러한 근사화는, 도전 플랫 표면 아래의 필드는 도전 커트된 구(conducting cut sphere)의 엣지로부터 떨어진 균일한 금속 면의 필드와 일치하기 때문에, 유효한 것으로 분석된다.
엣지에 근접하는, 2개의 오브젝트들인, 커트된 구 및 지는, 각도 α의 날카로움에 의해 결정되는, 정전 필드와 동일한 분포를 유도한다.
전기 필드의 해를 구하기 위한 도전 지의 Greem function에 대해서는 이미 연구된 이론 결과(Kuroda, T.; Tackeuchi, A. Influence of free carrier screening on the luminescence energy shift and carrier lifetime of InGaN quantum wells. J. Appl. Phys. 2002, 92, 30713074. 참조)를 사용하여 산출될 수 있다.
도 4를 참조하면, 포인트 프로브 전하 e의 위치는 극좌표(a, γ)에 의해 주어진다.
그런 다음, 좌표 (R, θ)를 갖는 관찰 포인트에서의 정전 포텐셜은 다음 적분에 의해 산출된다.
[수학식 4]
여기서, α는 커트된 구가 평면과 이루는 지의 접선각인 습윤각이다.
[수학식 5]
이 포텐셜은 θ = 0 및 θ =α 인 도전 표면에서 사라지게 된다.
전하 자체의 위치에서 포텐셜에 특징을 산출하기 위하여 θ = γ 및 R = a + δ 로 대입하여 산출한다.
그리고 지에 대한 전하 e의 당김힘 eE(a, γ)을 산출하기 위해서, 수학식 4로부터 전하 자체의 포텐셜을 제외하여 다음 식 6과 같이 산출한다.
[수학식 6].
수학식 6에서의 limit 함수를 산출에는 관계식 δ = Rη을 사용하며, 이는 수학식 5로부터 이어진다.
전기 필드 E의 수치 계산에서, 도 1에서 이미지를 사용하여 측정된 웨팅각, 즉 α = 36°를 대입하여 산출될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서 Ga 나노 드롭렛의 커트된 구의 베이스의 반지름은 30 nm이다.
도 5는 GaAs 시스템에서 Ga 나노 드롭렛(nanodroplets)에서 인접된 거리로부터 산출된 전기장 및 캐리어 농도를 그래프로 도시한 것이다.
전기 필드의 방사상의 (면내 Er) 및 수직의 (면외 방향 Ez) 요소들의 분포에 대한 결과는, z = 0인 표면 아래 15nm 치환된(displaced) 전자에 대해 도 5A에 나타낸다.
도 5A는 면내(in-plane) 전기장 분포: Er, 면외(out-of-plane) 전기장 분포: Ez을 도시한 것이다.
전기장의 성분은 30±(5%)nm의 반경을 갖는 금속 절삭구 아래 15nm의 변위 전자에 작용한다.
방출 강화의 소스인, 성분 Er은 넓은 범위, 15nm < r < 100nm 내에서 작용한다.
Er은 r = 0에서 실질적으로 제로가 된다.
Ez의 수직 성분은, 균일한 도전성 면에 대한 값에 다가가면서, r < 30nm에 대해 포화된다.
도 5A를 참조하면, Debye screening에 기인한, 감소된 필드는 점선으로 표시된다.
도 5B는 중심, r = 0을 향해 캐리어 농도가 어떻게 증가하는지를 보여준다.
이 증가는 온도에 강하게 의존한다.
도 1 및 4, 5A를 참조하면, 절단 구의 중심은 R = 0이고, 에지가 R = 30±5% nm에서 점선 수직 라인과 일치한다.
본 발명의 일 실시 예에서는 금속 지에 대한 정전 문제의 해석적인 해를 사용하였다.
점선은 도 5B의 농도를 계산하는데 사용되는 정전 스크리닝하는 감속 전계에 대한 일관성있는 계산을 나타낸다
도 5A를 참조하면, 도 1에서 습윤각 α = 36(±5%)°를 가진 Ga 나노 드롭렛(nanodroplets)에서 드롭렛의 엣지를 향한 당김 힘은 순 힘(net force)에 의해 제공되는데, 이는 2개의 성분: 기본 원의 반지름 방향을 따르는 면내(in-plane 
및 면외 수직인 
을 갖는다.
도 5B는 패널 A에서 도시된 이미지 전하 필드와 수학식 2로부터 얻은 다양한 온도에서의 캐리어 농도의 방사상 분포를 나타낸다.
도 5A를 참조하면, 반지름 r = 30nm인 나노 드롭렛에 대해서, 당김의 면내 영역은 나노 드룹렛의 엣지를 넘어 50 nm 걸쳐 확장한다.
당김의 영역 (r < 80nm) 내에서 쫓겨난 캐리어의 일반적인 정전 에너지 (
)는, 고농도의 캐리어를 가진 넓은 강화 층(wide enriched layer)의 형성을 허여하면서, 11 K에서 열 에너지 kT를 크게 넘는다.
당김 면외 성분 Ez 은 캐리어들의 움직임을 제한하며, 그에 의해 효과적으로 퀀텀웰의 넓이를 줄인다.
엑시톤 방출 에너지(exciton emission energy)가 보다 좁은 퀀텀웰에서 증가하기 때문에, 도 2에서의 강화된 스펙트럼에서의 블루 시프트는 필드 Ez, 즉, 이미지 전하들에 의해 유도된 슈타르크 효과 (Stark effect)에 기인한다고 분석된다.
또한, 1.51 eV에서의 피크는 그것이 벌크 엑시톤들에 기인하기 때문에 블루-시프트로 변환되지 않는 것으로 분석된다.
재결합에서 발산되는(released) 에너지는, 퀀텀웰에서의 엑시톤들의 에너지와 달리, 퀀텀 가둠(confinement)에 독립적으로 작용된다.
한편, GaAs 퀀텀웰의 루미네선스 및 벌크 ZnO 구조들은 엑시톤들(excitons)의 재결합에 대부분 기인하는 것으로 분석된다.
전기적으로 중립 입자들인, 엑시톤들은 쌍극자-쌍극자 상호작용들에 기인하여 금속들 내에서의 그들의 정전 이미지들로 당겨지게 된다.
이 경우에 당김 힘은 
이다.
여기서, p는 엑시톤들의 쌍극자 모멘트(p=ed)를 나타낸다.
GaAs/AlGaAs 퀀텀웰에서, 엑시톤 Bohr 반지름 λB는 >10nm, 즉, 이것은 퀀텀웰 너비 D, Ga 나노 드롭렛들의 크기 R과 대등한 크기를 가진다(
).
엑시톤 원동력은 쌍극자-쌍극자 상호작용 
의 힘이, Ga 나노 드롭렛에 대해 자유 전자(또는 홀)의 쿨롱 당김 
과 같은, 크기의 차원이므로, 자유 전자-홀(e-h) 쌍들의 원동력과 매우 다르지 않다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 전자-홀 쌍들의 플라즈마의 근사치가 정성적으로 유효하며, 정전 메커니즘은, 플라즈모닉 메커니즘에서 관찰되지 않는 특정 파워 의존성을 나타내는 것으로 분석된다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 1의 금속 나노입자를 포함하는 GaAs/AlGaAs 퀀텀웰(quantum well) 구조와 종래 플라즈몬 강화 기준 구조에서 파워 밀도에 대한 방출강도를 도시한 것이다.
여기서 종래 기준 구조는 동일한 구조에서 금속 나노 드롭렛이 형성되지 않은 구조이다.
도 6에서 붉은 점은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 1의 금속 나노입자를 포함하는 GaAs/AlGaAs 퀀텀웰(quantum well) 구조에서의 방출강도를 도시한 것이고, 검은색 사각형 점은 종래 기준 구조의 방출강도를 도시한 것이다.
도 6A를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 나노입자를 포함하는 GaAs/AlGaAs 퀀텀웰(quantum well) 구조에서는 포화 후 전력밀도에 따라 비선형으로 증가하는데 비하여, 종래 기준 샘플의 경우는 전력밀도에 따라 선형으로 증가하는 특징을 가진다.
도 6B는 수치 시뮬레이션 결과를 도시한 것이다.
도 6A는 여기력이 증가됨에 따라 강화(enhancement)가 어떻게 포화되는지를 나타낸다.
도 6A를 참조하면, 전자-홀(e-h) 플라즈마에서, 정전 상호작용의 범위가 디바이 스크리닝(Debye screening)에 기인하여 캐리어 농도를 증가시킴에 따라 감소하기 때문에, 포화되는 것으로 분석된다.
수학식 2 및 3에 기초하여, 도 6B에서 수치 시뮬레이션은, 실험에서 관찰된 것과 같이 거의 동일한 레벨에서, 강화의 포화를 보여준다.
검은 점들에의 도 6A, B에 나타낸 기준 샘플이 선형적인 파워 의존성을 보여주기 때문에 금속 나노 드롭렛들의 존재에 기인하여 포화가 된다. 그리하여 기준 샘플에서 Debye 스크리닝이 여전히 무시할 만하다는 것을 나타내는 것이 명확하다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 1의 금속 나노 드롭렛을 포함하는 GaAs/AlGaAs 퀀텀웰(quantum well) 구조와 종래 기준 구조에서 시간에 따른 방출강도를 도시한 것이다.
여기서 종래 기준 구조는 동일한 구조에서 금속 나노 드롭렛이 형성되지 않은 구조이다.
도 7에서 붉은 궤적은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 1의 금속 나노입자를 포함하는 GaAs/AlGaAs 퀀텀웰(quantum well) 구조에서의 시간에 따른 방출강도를 도시한 것이고, 검은색 궤적은 기준 구조의 방출강도를 도시한 것이다
플라즈몬 또는 스캐터링 유도된 강화에 비교하여, 이미지 전하 유도된 광 강화의 두드러진 특징들의 하나는, 시간 분해된 광루미네선스의 특성에서 명백해진다.
표면 플라즈몬들에 대한 퀀텀웰에서 캐리어들의 커플링은, 그 규모(orders of magnitude)에 의해 전자-홀(e-h) 쌍들의 수명(lifetime)을 감소시키며, 재결합 프로세서를 강하게 가속시킨다.
균일한 분포의 캐리어들을 갖춘 샘플에서, 모든 eh 쌍들이 동일한 비율로 재결합하므로, eh 수명은 시간-분해된 실험으로부터 직접 추출될 수 있다.
정전장(electrostatic)의 경우에, 강화 층 내의 쿨롱 촉매에 의해 유도된 재결합 비율은 또한 매우 증가되는데 반하여, 수명의 감소는 나노입자를 향하는 캐리어들의 지속적인 이동(drift)에 의해 덮어진다.
캐리어들의 이동(drift)은, 그들이 방사적으로 재결합하는 대신에, 강화된 영역 내로 비방사적으로 달리 재결합될 수 있도록 캐리어들을 끌어당긴다.
이러한 본 발명의 일 실시 예에 따른 프로세스는, 재결합된 쌍들이 정전 이동에 의해 전달되는 것들에 의해 대체될 수 있기 때문에 강화된 층에서의 수명보다 훨씬 길게 지속될 수 있다.
그 결과, 도 7에 도시된 바와 같이, 시간-분해된 광루미네선스는, 금속 나노 드롭렛이 없는 종래 플라즈몬 강화 기준 구조의 샘플에 비하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 나노 드롭렛들을 갖춘 퀀텀웰에 대해서 보다 느린 쇠퇴를 나타낸다.
이렇게 더 길고 느린 쇠퇴는, 강화층 내에서 증가하게 된다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 나노 드롭렛을 포함하는 GaAs/AlGaAs 퀀텀웰(quantum well) 구조에서의 정전 인력은 단지 루미네선스의 강도를 강화할 뿐만 아니라, 증가된 광자 리사이클링에 기인한 루미네선스의 시간을 또한 연장하게 된다.
이러한 결과는, 한편으로는 방사 재결합의 비율을 국부적으로 증가시키고 다른 한편으로는 표류와 확산 간의 상호작용(interplay) 때문에 보다 많은 이용 가능한 캐리어들을 제공하는, 강하게 비균질한 분포의 캐리어들로부터 유래하는 것으로 분석된다.
도 7을 참조하면, 금속 나노 드롭렛이 없는 기준 샘플에 의해 방사되는 에너지에 비교되는 Ga 나노 드롭렛들 때문에, 느리게 쇠퇴하는 강도의 빨간 곡선 아래의 영역으로 주어지며, 총 방사된 에너지는 적어도 지수함수적(예를 들면, 100, 101, 102, 103)으로 증가한다는 것을 알 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 실험에서, 이 실험은 금속 나노 드롭렛 구조체들이 에미터의 효율을 본질적으로 증가시킬 수 있으며, 그리하여 에너지 자원을 보존할 수 있는, 즉 동일 입력 파워를 가지고 보다 많은 빛을 생성하는 기술을 개발하기 위한 가능한 방식을 보여준다는 것이 입증된다.
또한, 종래의 연구(⑤ Llopis, A.; Lin, J.; Pereira, S. M. S.; Trindade, T.; Martins, M. A.; Watson, I. M.; Krokhin, A. A.; Neogi, A. Electrostatic mechanism of strong enhancement of light emitted by semiconductor quantum wells. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2013, B87, 201304. 참조)에서도 금속 나노입자들을 가진 GaN 퀀텀웰에서 시간 분해된 루미네선스의 체제(regime)에서 제공된 식에 기초한 수치 시뮬레이션들은, 쇠퇴 시간에서의 증가 현상이 입증될 수 있다.
한편, 도 6A에서 기준 샘플의 검정 사각점들로 나타낸 바와 같이 입력 펌프 강도에 광 방출이 직접적으로 비례하는, 단순 분자 또는 퀀텀웰 에미터 또는 플라즈모닉 에미터로부터의 광 방출 프로세스에서의 강화에 비교하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 나노 드롭렛들을 포함하는 GaAs/AlGaAs 퀀텀웰(quantum well) 구조 샘플에서는 이미지 전하 효과에 기인한 총 방출은 포화되는 것으로 나타난다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 나노 드롭렛들을 포함하는 GaAs/AlGaAs 퀀텀웰(quantum well) 구조에서 금속 나노 드롭렛의 존재는 캐리어들의 공간적으로 비균일한 집단(population)을 실제로 이끌어내며, 이는 광 강화로 제안된 메커니즘의 주요 기술적 특성이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 나노 드롭렛을 포함하는 GaAs/AlGaAs 퀀텀웰(quantum well) 구조에 따르면, 캐리어들의 비균질한 집중은, 좌표-의존적 쇠퇴 비율을 가져온다, 즉 집중이 높아질수록 자발적인 방출의 비율이 높아진다.
그러한 비균일한 쇠퇴 비율들은, 도 7에 나타낸 바와 같이, 광루미네선스의 매우 특이한 쇠퇴를, 먼 필드에서, 이끌어낸다.
이 곡선은 본 발명의 일 실시 예에 따른 샘플의 다른 부분들로부터 다른 비율들로 방출되는 일관성이 없는 광자들의 결과로 분석된다.
또한, 정전 인력에 의한 강화는 Ga 나노 드롭렛의 집중에 예민한 것으로 나타난다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 너무 큰 집중에 대해서는 이미지 전하 효과는 포화되어지며, 이에 반해 표면상에 매우 적은 드롭렛에 대해서는, 쿨롱 힘은 광방출을 강화하기 위하여 캐리어 밀도를 변조하는 것에 충분하지 않게 되는 특징을 가진다.
이미지 전하 효과에 기인한 광 방출 강화에 영향을 줄 수 있는 또 다른 요인들이 있는데, 반도체 퀀텀웰 에미터의 엑시톤 Bohr 반지름에 대하여 에미터로부터 금속 나노 드롭렛의 거리의 스케일은, 광 강화 프로세스의 범주에 영향을 줄 것으로 분석된다.
또한, 정전 인력에 작용하는 쿨롱 힘의 효과에 의해, 퀀텀웰로부터의 금속 나노 드롭렛들의 거리는 또한 금속 나노 드롭렛들의 비균일성에 기인한 면내 힘(in-plane force)에 영향을 줄 수 있다.
이 정전력은 금속-유전체 인터페이스로부터 떨어질수록 지수적으로 감소하는 표면 플라즈모닉 필드의 그것에 비하여 보다 긴 거리 범위까지 작용하는 효과를 가진다.
본 발명의 일 실시 에에 따른 도 1, 2에 도시된 GaAs/AlGaAs 퀀텀웰은, 구조적 결함이 낮은 결합밀도와 함께, 높은 캐리어 모빌리티, 그리고 잘-정의된 형상의 금속체를 갖춘 이상적인 반도체 헤테로구조를 나타낸다.
그것의 엑시톤 Bohr 반지름은 2D 퀀텀웰 광 에미터 치수의 폭에 상당하는 크기이다. 엑시톤 바인딩 에너지는 상온에서 열 에너지에 상당(∼20 meV)하며, 이는 비방사성 재결합이 지배적이지 않은 낮은 온도에서만 강화를 제한하게 된다.
한편, 상술한 퀀텀의 제한된 광 방출 현상이 없이 상온에서 이 방출 효과의 보편적 성질을 증명하기 위하여, ZnO(∼60 meV)와 같은, 보다 강한 바인딩 에너지를 갖춘 광 방출 물질 시스템의 벌크 폼이 고려될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 예인 제2 실시 예에 따른 ZnO 벌크 반도체에도 방출 강화의 정전 메커니즘에 의해 작용된다.
본 발명의 제2 실시 예에 따른 금속 나노 드롭렛을 포함하는 반도체 소자는 ZnO층 상부에 아일랜드 형태로 이격된 금속 나노 드롭렛들을 포함하는 활성층을 가지는 것을 특징으로 한다.
제2 실시 예에 따른 ZnO 벌크 반도체는 상온에서, 상술한 GaAs 구조들에 비하야 보다 낮은 캐리어 모빌리티와 보다 높은 결합 밀도를 갖춘 상대적으로 “비이상적인” 반도체 특성을 가진다.
여기서, 방출은 벌크 엑시톤들의 재결합에 기인한다.
제2 실시 예에 따른 ZnO 벌크 반도체 메커니즘은 금속의 형태에 독립적으로 기대되는 강화를 이끌어내기 때문에, 제2 실시 예의 샘플들은 ZnO 상부에 은, 니켈, 금 중 어느 하나로 형성되는 금속 나노 드롭렛들을 포함한다..
본 발명의 제2 실시 예에 따른 오프 공명 플라즈모닉에서 광전자 방출 특성이 향상된 반도체 소자는 사파이어 기판상에 반도체층으로 ZnO를 사용한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 실시 예에 따른 오프 공명 플라즈모닉에서 광전자 방출 특성이 향상된 반도체 소자는 먼저, 사파이어 기판상에 ZnO 박막들이 MBE에 의해 성장된다.
ZnO 성장은 550 °C 에서 수행되며, 200 °C에서의 증착이 이루어진다.
그리고 산소-풍부 조건(oxygen-rich conditions) 하에 650 °C까지의 ZnO 버퍼층의 어닐링이 수행된다.
다음은 Au, Ag, Al의 균일한 박막층들이 원자층 평탄성(atomic layer flatness)을 갖춘 MBE 성장된 ZnO 박막층 상에 열 증착(thermal vapor deposition)을 사용하여 증착된다.
Au 및 Ag 금속 나노입자들은 열적 증착(thermal evaporation) 및 급속 열적 어닐링 테크닉의 조합함으로써 ZnO 표면 상에 형성될 수 있다.
금속 나노 드롭렛들을 형성하기 위한 준비 단계로, 상기 ZnO 상에 박막들은 400 °C에서 30분간 진공에서 히팅공정을 거친다.
본 발명의 일 실시 예에서, 금속 나노 드롭렛들을 형성하는 Ni 원자들은 비방사적 캐리어 재결합 센터를 형성하기 위하여 고온에서 ZnO 격자와 상호작용하기 때문에, 종래의 고온의 어닐링 테크닉들은 Ni 나노 드롭렛들의 형성을 위해 사용되기가 곤란하게 된다.
또한, 급속 어닐링 테크닉을 사용하여 형성된 Ni 나노 드롭렛들은 광루미네선스 방출의 소멸(quenching)을 이끌 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서는 상기 ZnO 표면 상에 Ni 나노 드롭렛들을 형성하고, 보다 나은 확산(dispersion)을 달성하기 위해서 약 130 °C에서 히팅되는 공정을 포함한다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 ZnO 벌크 반도체 표면을 덮는 금속 클러스터/섬들 형상 구조를 도시한 것이다.
도 8을 참조하면, ZnO 벌크 반도체 표면을 덮는 (C)는 silver, (D)는 nickel, 그리고 (E)는 gold 금속의 AFM이미지를 각각 도시한 것이다.
도 9는 불균일 섬 형상으로 금속 코팅된 ZnO 벌크 반도체 메커니즘의 스펙트럼을 도시한 것이다.
금속 코팅된 ZnO 벌크 반도체 메커니즘 예의 샘플 필름들은 이미지 쌍극자들의 정렬(alignment)의 피하기 위하여 비균일하게 의도적으로 만들어졌으며, 이는 정전력 강화의 안정상태(quenching)를 이끈다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 가장 강한 강화는, 약 10배의 강화로, 은 및 금 코팅에서 나타났으며, 2배의 강화는 니켈 코팅에서 관찰되었다.
따라서 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 코팅된 ZnO 벌크 반도체에서의 플라즈모닉 메커니즘은, Au 나노입자들에 기인한 ZnO의 UV 방출의 강화를 가져오는 결과를 나타난다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 강화의 레벨이 다르게 나타나는 특징은 금속 자체에 기인한 것이 아니라 대신에 막들의 다른 형상들에 기인하는 것으로 분석된다.
즉, Ni 나노입자들의 크기는 금, 은에 비하여 더 크기 때문에, 이는 Au 또는 Ag 나노입자들이 작은 크기에서 날카로운 엣지를 갖춘 것에 비하여 비균일 전기 장 분포를 감소시키는 것으로 분석된다.
도 10은 고품질의 균일한 형상으로 금속 코팅된 ZnO 벌크 반도체 메커니즘의 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 10을 참조하면, ZnO 벌크 반도체 메커니즘에서 고품질의 균일한 형상으로 금속이 코팅된 경우에는 강화는 나타나지 않으며, 스펙트라는 실질적으로 동일한 것으로 관찰된다.
도 10에서 내부 작은 도면은 ZnO의 상기 금속 중 하나의 계면을 따라 전파하는 표면 플라즈몬에 대한 분산 곡선을 나타낸다.
도 10을 참조하면, 3개 모든 공명 주파수들이 ZnO 크리스탈의 방출 주파수 아래 이기 때문에(도 10의 inset 도면 참조) 사용된 금속들은 어느 것도 플라즈모닉 강화를 유도하지 않는 것으로 분석된다.
도 9를 참조하면, ZnO에서의 방출이 벌크 엑시톤들로부터 유래되는데, 본 발명의 일 실시 예에 따른 금속 코팅된 ZnO 벌크 반도체 메커니즘 예의 샘플 필름들은 이미지 전하 필드들이 벌크 엑시톤들의 바인딩 에너지를 변경하지 않게 되므로 도 8에서 금속 코팅을 갖춘 스펙트라는 블루 시프트를 나타내지 않는 것으로 분석된다.
또 다른 응용에서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈모닉 메커니즘은, Au 나노입자들에 기인한 ZnO의 UV 방출뿐만 아니라 Ag 나노입자들을 사용하는 Si에서의 IR 방출에서의 강화에도 적용되어 설명될 수 있다.
Au 나노입자들에 대한 공명 주파수는 ZnO의 방출 주파수보다 아주 낮으며, 마찬가지로 Ag 나노입자들의 그것도 Si 광 에미터들의 그것보다 매우 높기 때문에, 표면 플라즈몬의 커플링은 강화의 소스로서 제외되어야 한다.
도 10을 참조하면, 3개의 다른 금속들에 의한 부드럽고 균일한 코팅이 방출 스펙트럼을 변조하지 않는 것으로 나타난다.
만일 Ag 막에서의 플라즈몬들이 ZnO 층에서의 캐리어들의 강하게 결합되었다면, 도 10에서의 파란 곡선은 다른 것들에 비하여 주목할 만큼 높았을 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 낮은 온도에서, 비방사적 재결합은 감소하고 방사 재결합 프로세스에 기인한 순간적인 방출에서의 강화는 비방사적 프로세스에 기인한 손실을 초과하게 된다.
더욱이, 광루미네선스 측정의 후방 산란된 기하학적 구조(backscattered geometry)에서, Ag 막에 기인한 펌프 레이저 광의 반사는 벌크 ZnO로부터의 광루미네선스 방출의 강화하는 것으로 분석된다.
무질서하게 배치된 아일랜드 형상에서, 이상적인 면 상에서의 어떤 결함이 회복력(restoring force)을 감소시키는 유한 만곡(finite curvature)을 가지기 때문에, 주파수 부정합이 더욱 강하게 되며, 이는 금속 표면에서의 플라즈마 진동을 일으킨다.
금속 지에서 플라즈모닉 주파수(plasmonic frequency)의 감소현상은 최근의 논문(Sturman, B.; Podivilov, E.; Gorkunov, M. Universal plasmonic properties of two- dimensional nanoparticles possessing sharp corners. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2013, 87, 115406.)에서 기술된 바 있다.
금속 지에서 플라즈모닉 웨이브가이드들의 날카로운 코너들에서의 전기장의 강도의 강력한 강화는 공명 주파수를 증가시키지 않는 것으로 분석되며, 이에 따라, Ag 코팅을 갖춘 ZnO 샘플들에서의 강화는 플라즈몬과의 공명 상호작용과는 별개로 작용하는 것으로 분석된다.
본 발명의 제2 실시 예에 따르면, 표면 플라즈몬과의 ZnO의 엑시톤들의 결합은 금속 나노 입자 또는 은(silver)보다 높은 공진 주파수와 함께 서로 떨어져 있는 아일랜드 형태를 필요로 한다.
오프-공명 모드들로부터의 순간적인 방출이 표면 플라즈몬 채널을 통한 공명 모드들만큼 효과적으로 방사적으로 재결합을 하지 않기 때문에, Ag 박막의 존재하에 표면 플라즈몬 모드들에 광자들이 공명적으로 결합할 때, ZnO로부터의 방출의 스펙트럼의 폭이 감소한다는 것을 도 8로부터 관찰될 수 있다.
비균일한 확대(broadening)로 이어질 수 있는 인터페이스 포논 모드들(interface phonon modes)phonon)에 기인한 소멸(dissipation)로부터의 기여에 의해 Ag 및 Ni 박막들을 갖춘 ZnO의 스펙트럼 폭이 영향을 받는 것으로 분석된다.
도 9를 참조하면, 금속으로 커버된 ZnO 표면의 면 밀도가 감소함에 따라, 비균일 확대가 감소하고 광루미네선스 스펙트럼 폭이 노출된(bare) ZnO로부터의 방출의 그것에 비교될 수 있다.
도 8D에 나타낸 바와 같이, ZnO의 표면상의 Ni 나노입자들의 상대적으로 높은 농도 때문에, 스펙트럼 라인 폭에서의 증가가 관찰된다.
유출(outgoing) 에너지 및 기기 공정 프로세스(device fabrication process)의 관점에서 볼 때, 본 발명의 일 실시 예에서 제안된 정전력 메커니즘은 종래의 공명에 의한 플라즈모닉 메커니즘 보다 광 방출 효율이 높은 효과를 가진다.
본 발명의 일 실시 예에서 제안된 정전력 메커니즘은, 광 방출의 강도를 강화할 뿐만 아니라 강화된 루미네선스의 시간을 또한 확대하는 효과를 가진다.
강화된 루미네선스의 시간을 또한 확대하는 특성은 정전 상호작용의 비방사적 성질에 기인하는 것으로 분석된다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에서 제안된 정전력 메커니즘은 금속체 자체에 의존하지 않기 때문에 백색-광원에서의 응용 면에서 정전 인력을 발생시키는 넓은 범위의 주파수에 대해서 방출의 비방사적 강화를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 그 강화(The enhancement) 특징은 전기장에서의 면 내 비균일성의 형성을 나타내는 시스템들에서 관찰되는데, 전기장의 면내 당김 성분은 나노입자 근처에 캐리어 농도를 증가시키게 되며, 이는 관찰된 강화를 일으키는 것으로 분석된다.
그러므로 도 10에 도시된 결과와 같이 ZnO 상에서 균일한 금속 막은 면-내 성분을 가지지 않으며 그에 따라 균일한 캐리어 농도를 생성하기 때문에 어떠한 강화를 나타내지 않는 것으로 나타난다.
이에 반해 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 1 및 도 8을 참조하면, ZnO 또는 GaAs/AlGaAs 퀀텀웰 상의 금속 나노 드롭렛들은 비균일한 전하 분포 및 강화된 광 루미네선스라는 효과를 가지게 된다.
1: 금속 나노 드롭렛을 포함하는 반도체 소자
11: 버퍼층
12: 제1 도전형 반도체층
13: 퀀텀웰층
15: 금속 나노 드롭렛
16: 금속층
11: 버퍼층
12: 제1 도전형 반도체층
13: 퀀텀웰층
15: 금속 나노 드롭렛
16: 금속층
Claims (12)
- 반도체소자에 있어서,
GaAs/AlGaAs 퀀텀웰층의 상부에 아일랜드 형태로 이격된 금속 나노 드롭렛들을 포함하는 활성층을 가지는 것을 특징으로 하는 오프 공명 플라즈모닉에서 광전자 방출 특성의 향상을 위한 금속 나노 드롭렛을 가진 것을 특징으로 하는 반도체 소자. - 제1항에 있어서,
상기 금속 나노 드롭렛은 Ga로 형성된 것을 특징으로 하는 오프 공명 플라즈모닉에서 광전자 방출 특성의 향상을 위한 금속 나노 드롭렛을 가진 것을 특징으로 하는 반도체 소자. - 제1항에 있어서,
상기 GaAs/AlGaAs 퀀텀웰층은 상기 10(±5%)nm 두께의 Al0 . 33Ga0 .67A의 베리어 장벽에 의해 경계가 이루어지는, 10(±5%)nm의 두께를 가진 단일 GaAs 층이 성장되어 형성된 것을 특징으로 하는 오프 공명 플라즈모닉에서 광전자 방출 특성의 향상을 위한 금속 나노 드롭렛을 가진 것을 특징으로 하는 반도체 소자. - 제3항에 있어서,
상기 GaAs/AlGaAs 퀀텀웰층은 5nm(±5%) 두께의 GaAs의 캡층을 포함하는 것을 특징으로 하는 오프 공명 플라즈모닉에서 광전자 방출 특성의 향상을 위한 금속 나노 드롭렛을 가진 것을 특징으로 하는 반도체 소자. - 제1항에 있어서,
상기 GaAs/AlGaAs 퀀텀웰층은
Al0 . 33Ga0 .67 재질의 제1 도전성 반도체층 상부에 형성된 것을 특징으로 하는 오프 공명 플라즈모닉에서 광전자 방출 특성의 향상을 위한 금속 나노 드롭렛을 가진 것을 특징으로 하는 반도체 소자. - 제5항에 있어서,
상기 제1 도전성 반도체층은 20(±5%)nm 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 오프 공명 플라즈모닉에서 광전자 방출 특성의 향상을 위한 금속 나노 드롭렛을 가진 것을 특징으로 하는 반도체 소자. - 제6항에 있어서,
상기 제1 도전성 반도체층은 GaAs 재질로 형성된 버퍼층 상부에 형성된 것을 특징으로 하는 오프 공명 플라즈모닉에서 광전자 방출 특성의 향상을 위한 금속 나노 드롭렛을 가진 것을 특징으로 하는 반도체 소자. - 제1항에 있어서,
상기 금속 나노 드롭렛은 20 ~ 40nm 직경의 반구 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 오프 공명 플라즈모닉에서 광전자 방출 특성의 향상을 위한 금속 나노 드롭렛을 가진 것을 특징으로 하는 반도체 소자. - 제8항에 있어서,
상기 금속 나노 드롭렛은 30±5% nm 직경의 반구 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 오프 공명 플라즈모닉에서 광전자 방출 특성의 향상을 위한 금속 나노 드롭렛을 가진 것을 특징으로 하는 반도체 소자. - 제1항에 있어서,
상기 금속 나노 액적들은 0.1 ~ 0.6um 간격으로 불균일하게 배포된 것을 특징으로 하는 오프 공명 플라즈모닉에서 광전자 방출 특성의 향상을 위한 금속 나노 드롭렛을 가진 것을 특징으로 하는 반도체 소자. - 제1항에 있어서,
상기 GaAs/AlGaAs 퀀텀웰층 및 상기 금속 나노 드롭렛의 상부를 덮는 금속층을 더 포함한 것을 특징으로 하는 오프 공명 플라즈모닉에서 광전자 방출 특성의 향상을 위한 금속 나노 드롭렛을 가진 것을 특징으로 하는 반도체 소자. - 제11항에 있어서,
상기 금속층은 백금(Pt), 은(Silver), 니켈(nickel) 및 금(gold) 중 어느 하나의 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 오프 공명 플라즈모닉에서 광전자 방출 특성의 향상을 위한 금속 나노 드롭렛을 가진 것을 특징으로 하는 반도체 소자.
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| KR20180052423A true KR20180052423A (ko) | 2018-05-18 |
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|---|---|---|---|---|
| CN109346577A (zh) * | 2018-09-30 | 2019-02-15 | 华灿光电（浙江）有限公司 | 一种氮化镓基发光二极管外延片及其制备方法 |
-
2016
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| VK Komarala 외 7명, ‘Off-resonance surface plasmon enhanced spontaneous emission from CdTe quantum dots’, Appl. Phys. Lett. 89, 253118 (2006) * |
Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN109346577A (zh) * | 2018-09-30 | 2019-02-15 | 华灿光电（浙江）有限公司 | 一种氮化镓基发光二极管外延片及其制备方法 |
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| KR101873535B1 (ko) | 2018-07-02 |
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