KR20200143844A - 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
단일 기판 상에 서로 상이한 형태를 갖는 나노와이어 발광구조물의 형성으로, 단일 기판 상에서 서로 상이한 색상의 광을 발광시킴과 더불어 서로 상이한 색상의 광 조합으로 백색광을 발광시키는 것이 가능하도록 설계된 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조는 기판; 및 상기 기판 상의 동일 평면 상에서 상호 간이 서로 이격 배치된 복수의 나노와이어 발광구조물;을 포함하며, 상기 복수의 나노와이어 발광구조물은 상호 간이 서로 상이한 형태를 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조는 기판; 및 상기 기판 상의 동일 평면 상에서 상호 간이 서로 이격 배치된 복수의 나노와이어 발광구조물;을 포함하며, 상기 복수의 나노와이어 발광구조물은 상호 간이 서로 상이한 형태를 갖는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 단일 기판 위에 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단일 기판 상에 단 한번의 에피택셜 박막 증착 공정을 통해 서로 상이한 형태를 갖는 다중 파장 구현 나노와이어 발광구조물의 형성으로, 단일 기판 상에서 서로 상이한 색상의 광을 발광시킴과 더불어 서로 상이한 색상의 광 조합으로 백색광을 발광시키는 것이 가능하도록 설계된 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, LED(Light Emitting Device) 발광소자는 전자(electron)와 정공(hole)의 재결합(re-combination)시 발생하는 발광 현상을 이용한 소자이다. 대표적인 발광 소자로서, GaN과 같은 질화물 반도체가 이용되고 있다. 이러한 질화물 반도체를 이용한 LED 발광 소자는 밴드 갭(band gap)이 커서 다양한 색광을 구현할 수 있고, 또한 열적 안정성이 우수하여 많은 분야에 응용되고 있다.
그러나, 종래의 LED 발광소자는 하나의 기판 위에 다중 컬러를 구현할 시, 적색, 녹색 및 청색 LED 발광소자를 각각 따로 제작하고, 반도체 패키징 공정을 통하여 하나의 소자로 통합하여 다중컬러 발광소자를 제작하고 있다.
또 다른 방법으로, 종래의 LED 발광소자는 형광체를 이용하여 빛을 혼합하는 방법에 의해 다중 컬러를 구현하여 백생광을 만들고 있으나, 이는 매우 복잡한 공정을 포함하고 있으며, 비용적인 면에서도 매우 고가를 형성하게 된다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2005-0082183호(2005.08.23. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 질화물계 반도체 발광소자가 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 단일 기판 상에 서로 상이한 형태를 갖는 나노와이어 발광구조물의 형성으로, 단일 기판 상에서 서로 상이한 색상의 광을 발광시킴과 더불어 서로 상이한 색상의 광 조합으로 백색광을 발광시키는 것이 가능하도록 설계된 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조는 기판; 및 상기 기판 상의 동일 평면 상에서 상호 간이 서로 이격 배치된 복수의 나노와이어 발광구조물;을 포함하며, 상기 복수의 나노와이어 발광구조물은 상호 간이 서로 상이한 형태를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조 제조 방법은 (a) 기판 상에 마스크층을 형성하는 단계; (b) 상기 마스크층의 일부를 선택적으로 제거하여 서로 상이한 형태를 갖는 복수의 홀 패턴을 형성하는 단계; (c) 상기 복수의 홀 패턴 내에 복수의 제1 도전형 질화물층을 형성하는 단계; (d) 상기 복수의 제1 도전형 질화물층 상에 복수의 활성층을 형성하는 단계; 및 (e) 상기 복수의 활성층 상에 복수의 제2 도전형 질화물층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조 및 그 제조 방법은 단일 기판 상에서 삼각형, 사각형, 원형, 육각형의 형태를 갖는 복수의 나노와이어 발광구조물을 형성하는 것에 의해, 녹색, 적색, 노광색 및 파랑색의 광을 발산하는 발광소자를 제작할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조 및 그 제조 방법은 서로 다른 형태를 갖는 나노와이어 발광구조물을 하나의 단일 기판의 동일 평면 상에서 동시에 형성되므로, 서로 상이한 색상의 광을 방출할 수 있고, 상이한 색상의 광을 동시에 방출할 시, 색 조합에 의해 백색광을 생성할 수 있게 된다.
즉, 본 발명에 따른 단 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조 및 그 제조 방법은 마스크층의 선택적인 패터닝으로 다양한 모양의 복수의 홀 패턴이 형성된 기판 상에 단 한번의 박막 증착 공정을 통하여, 서로 다른 모양의 나노와이어 발광구조물을 동시에 형성할 수 있으므로, 전체의 가시광 영역을 발광하는 발광소자를 제조할 수 있게 된다.
이 결과, 본 발명에 따른 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조 및 그 제조 방법은 하나의 기판 위에서 단 한번의 박막 증착 공정을 통하여, 동시에 다중컬러를 구현하는 발광소자를 제작하는 것이 가능해질 수 있게 된다.
특히, 미래사회는 가장 작은 픽셀과 함께 고해상도의 디스플레이를 원하고 있다. 이러한 마이크로 디스플레이와 같은 초소형의 RGB 픽셀 제작 시, 본 발명의 실시예에 따른 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조 및 그 제조 방법을 이용한다면, 단 한번의 박막 증착 공정에 의해서 RGB가 통합된 발광소자를 제작할 수 있을 뿐만 아니라, 나노 크기와 함께 가장 작은 초소형의 픽셀을 제작할 수 있어 미래 디스플레이를 선점할 수 있게 된다.
또한, 백색광의 제작 시, 기존의 방법인 각각의 RGB소자를 이용한 제작공정이나 형광체를 이용한 패키징 등의 복잡하고 고가인 공정의 사용이 아니라, 본 발명의 실시예에 따른 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조 및 그 제조 방법을 이용하게 되면, 한번에 다중컬러를 구현할 수 있으므로 백색광을 이용한 조명 시장에서 기존의 형광등을 교체할 만한 핵심이슈인 단가절감을 구현할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조를 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조의 구동 원리를 설명하기 위한 모식도.
도 3은 도 2의 원통 형상의 활성층을 확대하여 나타낸 단면도.
도 4는 도 2의 복수의 활성층들을 확대하여 나타낸 단면도.
도 5 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조 제조 방법을 나타낸 공정 모식도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조의 구동 원리를 설명하기 위한 모식도.
도 3은 도 2의 원통 형상의 활성층을 확대하여 나타낸 단면도.
도 4는 도 2의 복수의 활성층들을 확대하여 나타낸 단면도.
도 5 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조 제조 방법을 나타낸 공정 모식도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조의 구동 원리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조(100)는 기판(110) 및 복수의 나노와이어 발광구조물(150)을 포함한다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조(100)는 나노와이어 박막 성장을 위해 기판(110)과 복수의 나노와이어 발광구조물(150) 사이에 배치된 마스크층(160)을 더 포함할 수 있다. 일 예로, 본 발명의 실시예에 따른 다중 파장 나노구조(100)는 다중컬러 발광소자일 수 있다.
기판(110)은 상면 및 상면에 반대되는 하면을 갖는 플레이트 형상을 가질 수 있으나, 이는 예시적인 것으로 그 형상은 다양하게 변경될 수 있다.
이때, 기판(110)은 실리콘(Si), 사파이어(Al2O3), 유리, 탄화규소(SiC), 산화갈륨(Al2O3), GaN이 증착된 사파이어(GaN on Sapphire), InGaN이 증착된 사파이어(InGaN on sapphire, AlGaN이 증착된 사파이어(AlGaN on sapphire) 및 AlN이 증착된 사파이어(AlN on sapphire) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
마스크층(160)은 기판(110)과 복수의 나노와이어 발광구조물(150) 사이에 배치된다. 이러한 마스크층(160)은 SiOx, SiNx, Al, Ni, Ti 및 Mo 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 여기서, 1 ≤ x ≤ 3 이다. 이때, 마스크층(160)은 0.01 ~ 800 nm의 두께를 가질 수 있다.
여기서, 마스크층(160)은 스퍼터링법(Sputtering), E-빔 진공증착법, 분자선 에피텍셜법(Molecular Beam Epitaxy) 및 유기금속 화학증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 중 어느 하나를 이용하는 것에 의해 형성될 수 있다.
이러한 마스크층(160)은 기판(110)의 상면 전체에 형성되어, 기판(110)과 실질적으로 동일한 면적을 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
복수의 나노와이어 발광구조물(150)은 기판(110) 상의 동일 평면 상에서 상호 간이 서로 이격 배치된다. 이때, 복수의 나노와이어 발광구조물(150)은 상호 간이 서로 상이한 형태를 갖는다.
즉, 복수의 나노와이어 발광구조물(150)은, 평면 상으로 볼 때, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 및 팔각형을 포함하는 다각형, 원형 및 타원형 중 어느 하나 이상의 형태를 갖는다. 여기서, 복수의 나노와이어 발광구조물(150)은 상호 간이 서로 상이한 형태를 갖는 것이 바람직하다.
이러한 복수의 나노와이어 발광구조물(150)은 기판(110)의 동일 평면상에서 서로 상이한 형태로 형성되어, 서로 상이한 색상의 광을 발산한다. 이때, 복수의 나노와이어 발광구조물(150) 각각은 20nm ~ 10㎛의 폭을 가질 수 있다.
복수의 나노와이어 발광구조물(150)은 복수의 제1 도전형 질화물층(120), 복수의 활성층(130) 및 복수의 제2 도전형 질화물층(140)을 포함한다.
복수의 제1 도전형 질화물층(120)은 마스크층(160)의 일부가 제거된 복수의 홀 패턴(도 7의 H) 내에 배치되어, 기판(110)과 접촉된다. 이때, 복수의 제1 도전형 질화물층(120)은 실리콘(Si)을 도핑한 GaN으로 이루어진 제1층(미도시)과, 언도우프의 GaN(undoped-GaN)으로 이루어진 제2층(미도시)이 교번적으로 형성된 적층 구조를 가질 수 있다. 물론, 복수의 제1 도전형 질화물층(120)은 단일의 질화물층으로 성장시키는 것도 무방하다. 이때, 복수의 제1 도전형 질화물층(120)은 20nm ~ 10㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
복수의 활성층(130)은 복수의 제1 도전형 질화물층(120) 상에 각각 적층된다. 이때, 복수의 활성층(130)은 제1 도전형 질화물층(120)과 제2 도전형 질화물층(140) 사이에서 단일양자우물구조 또는 양자장벽층(132)과 양자우물층(134)이 교대로 다수 적층된 다중양자우물(multi-quantum well : MQW) 구조를 가질 수 있으며, 이 중 다중양자우물 구조를 갖는 것이 보다 바람직하다. 이때, 양자장벽층(132) 및 양자우물층(134) 각각은 1 ~ 50층의 적층 구조를 가질 수 있으며, 각각은 1 ~ 100nm의 두께를 가질 수 있다.
일 예로, 복수의 활성층(130)은 GaN으로 이루어진 양자장벽층(132)과, InGaN으로 이루어진 양자우물층(134)에 의해 다중양자우물 구조를 가질 수 있다. 이러한 다중양자우물 구조의 활성층(130)은 발생하는 응력과 변형에 의한 자발적인 분극을 억제할 수 있다.
복수의 제2 도전형 질화물층(140)은 복수의 활성층(130) 상에 각각 적층된다. 복수의 제2 도전형 질화물층(140)은, 일 예로, Mg를 p형 도펀트로 도핑한 p형 AlGaN의 제1층(미도시)과, Mg을 도핑한 p형 GaN로 이루어진 제2층(미도시)이 교번적으로 형성된 적층 구조를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이때, 복수의 제2 도전형 질화물층(140)은, 복수의 제1 도전형 질화물(120)과 마찬가지로, 20nm ~ 10㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
이때, 본 발명의 실시예에 따른 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조(100)는 기판(110) 상의 동일 평면 상에서 상호 간이 서로 이격 배치된 복수의 나노와이어 발광구조물(150)이 서로 상이한 형태를 갖는다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 단일 기판을 이용한 다중컬러 발광소자(100)는 단일 기판(110) 상에서 삼각형, 사각형, 원형, 육각형의 형태를 갖는 복수의 나노와이어 발광구조물(150)을 형성하는 것에 의해, 녹색, 적색, 노광색 및 파랑색의 광을 발산하는 발광소자(100)를 제작할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조(100)는 서로 다른 형태를 갖는 나노와이어 발광구조물(150)을 단일 기판(110)의 동일 평면 상에서 단 한번의 에피택시 성장에 의해 동시에 형성되므로, 서로 상이한 색상의 광을 방출할 수 있고, 상이한 색상의 광을 동시에 방출할 시, 색 조합에 의해 백색광을 생성하여 방출할 수 있게 된다.
이에 대해서는 이하 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 3은 도 2의 원통 형상의 활성층을 확대하여 나타낸 단면도이고, 도 4는 도 2의 복수의 활성층들을 확대하여 나타낸 단면도로, 도 1과 연계하여 설명하도록 한다.
도 1, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 복수의 나노와이어 발광구조물(150)의 재질로 사용되는 3족 질화물계 반도체 재료는 (AlxGa1-x)yIn1-yN의 합성비를 조절하는 것을 통하여, GaN, InGaN, AlGaN, AlN, InN 등의 화합물을 만들 수 있다. 이때, 복수의 나노와이어 발광구조물(150)은 분자선 에피텍셜법(Molecular Beam Epitaxy)이나 유기금속 화학증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)의 증착 장비들을 사용하여 증착하는 방식으로 형성하게 된다.
이러한 재료들을 기반으로, 복수의 제1 도전형 질화물층(120), 복수의 활성층(130) 및 복수의 제2 도전형 질화물층(140)이 차례로 적층되는 복수의 나노와이어 발광구조물(150)을 형성하는 것에 의해, 발광다이오드, 레이저다이오드 등의 발광소자(100)를 구현할 수 있게 된다.
그리고, 복수의 활성층(130)의 양자우물구조는 일반적으로 InGaN을 사용하여 만들 수가 있는데, InGaN에서 In(인듐)의 조성비에 따라서 반도체의 밴드갭을 조절할 수 있다. 즉, 밴드갭의 조절을 통하여 파장을 조절함으로써, 방출되는 빛의 색깔을 변경시킬 수 있는 것이다.
이때, InGaN은 원자적으로 육각형구조로써, 각각의 면은 서로 다른 표면 에너지를 가지고 있다. 서로 다른 표면 에너지는 InGaN 구조의 박막 형성 시, 각각의 원자들의 확산거리에 영향을 미치게 된다. 즉, 표면에너지에 따라 각각 원자들의 거동이 달라진다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 단일 기판을 이용한 다중컬러 발광소자(100)와 같이, 복수의 나노와이어 발광구조물(150) 상호 간을 서로 상이한 형태를 갖도록 형성하게 되면, 각각의 면은 형성되는 표면에너지가 달라지게 되고. 이에 따라 최종 형성되는 InGaN의 박막 두께 및 조성비가 달라지게 된다.
이러한 원리를 기반으로, 복수의 나노와이어 발광구조물(150)을 서로 다른 형태의 구조를 만들게 되면, InGaN 양자우물층(134)의 두께가 달라지게 되고, 이어 따라 InGaN 양자우물층(134)에서의 조성비도 바꿈과 동시에 밴드갭 및 파장을 변화시킬 수가 있어 서로 다른 빛을 방출하는 복수의 나노와이어 발광구조물(150)을 형성할 수 있게 된다.
결국, 하나의 기판(110) 위에 마스크 패터닝을 실시하여, 복수의 홀 패턴을 형성한 후, 복수의 홀 패턴 내에 박막 증착으로 복수의 나노와이어 발광구조물(150)을 형성하게 되면, 단일 기판(110)에서 서로 다른 모양의 복수의 나노와이어 발광구조물(150)을 동시에 제작할 수 있게 된다. 이 결과, 다중컬러를 방출하는 발광소자(100)를 만들 수 있게 된다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조는 단일 기판 상에서 삼각형, 사각형, 원형, 육각형의 형태를 갖는 복수의 나노와이어 발광구조물을 형성하는 것에 의해, 녹색, 적색, 노광색 및 파랑색의 광을 발산하는 발광소자를 제작할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조는 서로 다른 형태를 갖는 나노와이어 발광구조물을 하나의 단일 기판의 동일 평면 상에서 에피택시 성장법에 의해 동시에 형성되므로, 서로 상이한 색상의 광을 방출할 수 있고, 상이한 색상의 광을 동시에 방출할 시, 색 조합에 의해 백색광을 생성할 수 있게 된다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조는 마스크층의 선택적인 패터닝으로 다양한 모양의 복수의 홀 패턴이 형성된 기판 상에 단 한번의 박막 증착 공정을 통하여, 서로 다른 모양의 나노와이어 발광구조물을 동시에 형성할 수 있으므로, 전체의 가시광 영역을 발광하는 발광소자를 제조할 수 있게 된다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조는 하나의 기판 위에서 단 한번의 박막 증착 공정을 통하여, 동시에 다중컬러를 구현하는 발광소자를 제작하는 것이 가능해질 수 있게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조 제조 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 5 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조 제조 방법을 나타낸 공정 모식도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 기판(110) 상에 마스크층(160)을 형성한다.
여기서, 기판(110)은 실리콘(Si), 사파이어(Al2O3), 유리, 탄화규소(SiC), 산화갈륨(Al2O3), GaN이 증착된 사파이어(GaN on Sapphire), InGaN이 증착된 사파이어(InGaN on sapphire, AlGaN이 증착된 사파이어(AlGaN on sapphire) 및 AlN이 증착된 사파이어(AlN on sapphire) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
이때, 마스크층(160)은 SiOx, SiNx, Al, Ni, Ti 및 Mo 중 1종 이상을 스퍼터링법(Sputtering), E-빔 진공증착법, 분자선 에피텍셜법(Molecular Beam Epitaxy) 및 유기금속 화학증착법 (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 중 어느 하나로 증착하여 형성하게 된다. 여기서, 1 ≤ x ≤ 3 이다. 이때, 마스크층(160)은 0.01 ~ 800 nm의 두께로 형성될 수 있다.
이러한 마스크층(160)은 기판(110)의 상면 전체에 형성되어, 기판(110)과 실질적으로 동일한 면적을 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 6에 도시된 바와 같이, 마스크층(160) 상에 포토레지스트층(200)을 형성한다. 다음으로, 포토레지스트층(200)을 선택적으로 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴(미도시)을 형성한다.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 패턴의 외측으로 노출된 마스크층(160)의 일부를 선택적으로 제거하여 서로 상이한 형태를 갖는 복수의 홀 패턴(H)을 형성한다.
다음으로, 복수의 홀 패턴(H)이 형성된 마스크층(160)으로부터 포토레지스트 패턴을 제거한다.
전술한 공정에 의해, 마스크층(160)의 일부가 선택적으로 제거되어 서로 상이한 형태를 갖는 복수의 홀 패턴(H)이 형성된다.
이때, 복수의 홀 패턴(H)은, 평면 상으로 볼 때, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 및 팔각형을 포함하는 다각형, 원형 및 타원형 중 어느 하나 이상의 형태를 갖는다. 여기서, 복수의 홀 패턴(H)은 상호 간이 서로 상이한 형태를 갖는 것이 바람직하다.
도 9에 도시된 바와 같이, 복수의 홀 패턴(도 8의 H) 내에 복수의 제1 도전형 질화물층(120)을 형성한다. 이에 따라, 복수의 제1 도전형 질화물층(120)은 마스크층(160)의 일부가 제거된 복수의 홀 패턴 내에 배치되어, 기판(110)과 접촉된다.
이때, 복수의 제1 도전형 질화물층(120)은 실리콘(Si)을 도핑한 GaN으로 이루어진 제1층(미도시)과, 언도우프의 GaN(undoped-GaN)으로 이루어진 제2층(미도시)이 교번적으로 형성된 적층 구조를 가질 수 있다. 물론, 복수의 제1 도전형 질화물층(120)은 단일의 질화물층으로 성장시키는 것도 무방하다.
이를 위해, 제1 도전형 질화물층(120)은 분자선 에피텍셜법(Molecular Beam Epitaxy) 또는 유기금속 화학증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다. 이때, 복수의 제1 도전형 질화물층(120)은 20nm ~ 10㎛의 두께로 형성한다.
다음으로, 도 10에 도시된 바와 같이, 복수의 제1 도전형 질화물층(120) 상에 복수의 활성층(130)을 형성한다.
이때, 복수의 활성층(130)은 단일양자우물구조 또는 양자장벽층과 양자우물층이 교대로 다수 적층된 다중양자우물(multi-quantum well : MQW) 구조를 가질 수 있으며, 이 중 다중양자우물 구조를 갖는 것이 보다 바람직하다. 이때, 양자장벽층 및 양자우물층 각각은 1 ~ 50층의 적층 구조를 가질 수 있으며, 각각은 1 ~ 100nm의 두께를 가질 수 있다.
일 예로, 복수의 활성층(130)은 GaN으로 이루어진 양자장벽층과, InGaN으로 이루어진 양자우물층에 의해 다중양자우물 구조를 가질 수 있다. 이러한 다중양자우물 구조의 활성층(130)은 발생하는 응력과 변형에 의한 자발적인 분극을 억제할 수 있다.
이를 위해, 복수의 활성층(130)은, 제1 도전형 질화물층(120)과 마찬가지로, 분자선 에피텍셜법(Molecular Beam Epitaxy) 또는 유기금속 화학증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 복수의 활성층(130) 상에 복수의 제2 도전형 질화물층(140)을 형성한다.
복수의 제2 도전형 질화물층(140)은, 일 예로, Mg를 p형 도펀트로 도핑한 p형 AlGaN의 제1층(미도시)과, Mg을 도핑한 p형 GaN로 이루어진 제2층(미도시)이 교번적으로 형성된 적층 구조를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이때, 복수의 제2 도전형 질화물층(140)은, 복수의 제1 도전형 질화물층(120)과 마찬가지로, 20nm ~ 10 ㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
이를 위해, 복수의 제2 도전형 질화물층(140)은, 제1 도전형 질화물층(120)과 마찬가지로, 분자선 에피텍셜법(Molecular Beam Epitaxy) 또는 유기금속 화학증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 형성하는 것이 바람직하다.
이에 따라, 복수의 제1 도전형 질화물층(120), 복수의 활성층(130) 및 복수의 제2 도전형 질화물층(140)을 포함하는 복수의 나노와이어 발광구조물(150)이 형성된다. 이때, 복수의 나노와이어 발광구조물(150)은 상호 간이 서로 상이한 형태를 갖는다.
도면으로 도시하지는 않았지만, 본 발명의 실시예에 따른 단일 기판을 이용한 다중컬러 발광소자 제조 방법은 복수의 제2 도전형 질화물층 형성 단계 이후, 기판의 하면에 제1 전극을 형성하는 단계와, 기판의 상면과 복수의 나노와이어 구조물의 측면을 덮는 패시베이션층을 형성하는 단계와, 패시베이션층 및 복수의 제2 도전형 질화물층 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
상기의 과정에 의해, 본 발명의 실시예에 따른 단일 기판을 이용한 다중컬러 발광소자가 제조될 수 있다.
지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조 제조 방법은 단일 기판 상에서 삼각형, 사각형, 원형, 육각형의 형태를 갖는 복수의 나노와이어 발광구조물을 형성하는 것에 의해, 녹색, 적색, 노광색 및 파랑색의 광을 발산하는 발광소자를 제작할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조 제조 방법은 서로 다른 형태를 갖는 나노와이어 발광구조물을 하나의 단일 기판의 동일 평면 상에서 동시에 형성되므로, 서로 상이한 색상의 광을 방출할 수 있고, 상이한 색상의 광을 동시에 방출할 시, 색 조합에 의해 백색광을 생성할 수 있게 된다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조 제조 방법은 마스크층의 선택적인 패터닝으로 다양한 모양의 복수의 홀 패턴이 형성된 기판 상에 단 한번의 박막 증착 공정을 통하여, 서로 다른 모양의 나노와이어 발광구조물을 동시에 형성할 수 있으므로, 전체의 가시광 영역을 발광하는 발광소자를 제조할 수 있게 된다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조 제조 방법은 하나의 기판 위에서 단 한번의 박막 증착 공정을 통하여, 동시에 다중컬러를 구현하는 발광소자를 제작하는 것이 가능해질 수 있게 된다.
특히, 미래사회는 가장 작은 픽셀과 함께 고해상도의 디스플레이를 원하고 있다. 이러한 마이크로 디스플레이와 같은 초소형의 RGB 픽셀 제작 시, 본 발명의 실시예에 따른 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조 및 그 제조 방법을 이용한다면, 단 한번의 박막 증착 공정에 의해서 RGB가 통합된 발광소자를 제작할 수 있을 뿐만 아니라, 나노 크기와 함께 가장 작은 초소형의 픽셀을 제작할 수 있어 미래 디스플레이를 선점할 수 있게 된다.
또한, 백색광의 제작 시, 기존의 방법인 각각의 RGB소자를 이용한 제작공정이나 형광체를 이용한 패키징 등의 복잡하고 고가인 공정의 사용이 아니라, 본 발명의 실시예에 따른 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조 및 그 제조 방법을 이용하게 되면, 한번에 다중컬러를 구현할 수 있으므로 백색광을 이용한 조명 시장에서 기존의 형광등을 교체할 만한 핵심이슈인 단가절감을 구현할 수 있게 된다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100 : 다중 파장 나노구조
110 : 기판
120 : 제1 도전형 질화물층 130 : 활성층
140 : 제2 도전형 질화물층 150 : 나노와이어 구조물
160 : 마스크층
120 : 제1 도전형 질화물층 130 : 활성층
140 : 제2 도전형 질화물층 150 : 나노와이어 구조물
160 : 마스크층
Claims (21)
- 기판; 및
상기 기판 상의 동일 평면 상에서 상호 간이 서로 이격 배치된 복수의 나노와이어 발광구조물;을 포함하며,
상기 복수의 나노와이어 발광구조물은 상호 간이 서로 상이한 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조.
- 제1항에 있어서,
상기 기판은
실리콘(Si), 사파이어(Al2O3), 유리, 탄화규소(SiC), 산화갈륨(Al2O3), GaN이 증착된 사파이어(GaN on Sapphire), InGaN이 증착된 사파이어(InGaN on sapphire, AlGaN이 증착된 사파이어(AlGaN on sapphire) 및 AlN이 증착된 사파이어(AlN on sapphire) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조.
- 제1항에 있어서,
상기 복수의 나노와이어 발광구조물은
평면 상으로 볼 때, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 및 팔각형을 포함하는 다각형, 원형 및 타원형 중 어느 하나 이상의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조.
- 제3항에 있어서,
상기 복수의 나노와이어 발광구조물은
상기 기판의 동일 평면상에서 서로 상이한 형태로 형성되어, 서로 상이한 색상의 광을 발산하는 것을 특징으로 하는 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조.
- 제1항에 있어서,
상기 복수의 나노와이어 발광구조물 각각은
20nm ~ 10㎛의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조.
- 제1항에 있어서,
상기 복수의 나노와이어 발광구조물은
복수의 제1 도전형 질화물층;
상기 복수의 제1 도전형 질화물층 상에 각각 적층된 복수의 활성층; 및
상기 복수의 활성층 상에 각각 적층된 복수의 제2 도전형 질화물층;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조.
- 제6항에 있어서,
상기 복수의 제1 도전형 질화물층과 복수의 제2 도전형 질화물층 각각은
20nm ~ 10㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조.
- 제6항에 있어서,
상기 복수의 활성층 각각은
적어도 하나의 양자장벽층과, 상기 양자장벽층과 교번적으로 적층되는 적어도 하나의 양자우물층을 포함하는 다중양자우물 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조.
- 제8항에 있어서,
상기 양자장벽층 및 양자우물층 각각은
1 ~ 100nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조.
- 제6항에 있어서,
상기 복수의 활성층 각각은
서로 상이한 두께 및 조성비를 갖는 것을 특징으로 하는 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조.
- 제1항에 있어서,
상기 기판과 복수의 나노와이어 발광구조물 사이에 배치된 마스크층;
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조.
- 제11항에 있어서,
상기 마스크층은
SiOx, SiNx, Al, Ni, Ti 및 Mo 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조.
(여기서, 1 ≤ x ≤ 3 이다.)
- 제11항에 있어서,
상기 마스크층은
0.01 ~ 800 nm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조.
- (a) 기판 상에 마스크층을 형성하는 단계;
(b) 상기 마스크층의 일부를 선택적으로 제거하여 서로 상이한 형태를 갖는 복수의 홀 패턴을 형성하는 단계;
(c) 상기 복수의 홀 패턴 내에 복수의 제1 도전형 질화물층을 형성하는 단계;
(d) 상기 복수의 제1 도전형 질화물층 상에 복수의 활성층을 형성하는 단계; 및
(e) 상기 복수의 활성층 상에 복수의 제2 도전형 질화물층을 형성하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조 제조 방법.
- 제14항에 있어서,
상기 (a) 단계에서,
상기 마스크층은
SiOx, SiNx, Al, Ni, Ti 및 Mo 중 1종 이상을 스퍼터링법(Sputtering), E-빔 진공증착법, 분자선 에피텍셜법(Molecular Beam Epitaxy) 및 유기금속 화학증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 중 어느 하나로 증착하여 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조 제조 방법.
(여기서, 1 ≤ x ≤ 3 이다.)
- 제14항에 있어서,
상기 (a) 단계에서,
상기 마스크층은
0.01 ~ 800 nm의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조 제조 방법.
- 제14항에 있어서,
상기 제1 도전형 질화물층, 활성층 및 제2 도전형 질화물층 각각은
분자선 에피텍셜법(Molecular Beam Epitaxy) 또는 유기금속 화학증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조 제조 방법.
- 제14항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
(b-1) 상기 마스크층 상에 포토레지스트층을 형성하는 단계;
(b-2) 상기 포토레지스트층을 선택적으로 노광 및 현상하여 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;
(b-3) 상기 포토레지스트 패턴의 외측으로 노출된 상기 마스크층의 일부를 선택적으로 제거하여 서로 상이한 형태를 갖는 복수의 홀 패턴을 형성하는 단계; 및
(b-4) 상기 복수의 홀 패턴이 형성된 마스크층으로부터 상기 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조 제조 방법.
- 제14항에 있어서,
상기 (e) 단계에서,
상기 복수의 제1 도전형 질화물층, 복수의 활성층 및 복수의 제2 도전형 질화물층을 포함하여 복수의 나노와이어 발광구조물을 이루게 되며,
상기 복수의 나노와이어 발광구조물은 상호 간이 서로 상이한 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조 제조 방법.
- 제14항에 있어서,
상기 복수의 제1 도전형 질화물층과 복수의 제2 도전형 질화물층 각각은
20nm ~ 10㎛의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조 제조 방법.
- 제14항에 있어서,
상기 복수의 활성층 각각은
적어도 하나의 양자장벽층과, 상기 양자장벽층과 교번적으로 적층되는 적어도 하나의 양자우물층을 포함하는 다중양자우물 구조를 가지며,
상기 양자장벽층 및 양자우물층 각각은 1 ~ 100nm의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조 제조 방법.
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| KR1020190071420A KR102200782B1 (ko) | 2019-06-17 | 2019-06-17 | 단일 박막 증착에 의해 제조된 다중 파장 나노구조 및 그 제조 방법 |
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ID=74087019
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|---|---|---|---|---|
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| KR20150073588A (ko) * | 2013-12-23 | 2015-07-01 | 주식회사 포스코 | 반도체 발광소자 어레이 |
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2019
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