WO2011078467A2 - 산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드 및 그 제조 방법 - Google Patents

산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드 및 그 제조 방법 Download PDF

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WO2011078467A2
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zinc oxide
layer
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crystal semiconductor
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이상욱
강태원
파닌겐나디
조학동
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동국대학교 산학협력단
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    • H01S5/341—Structures having reduced dimensionality, e.g. quantum wires

Definitions

  • the present invention relates to a laser diode that emits ultraviolet light, and more particularly, to a laser diode using a zinc oxide nanorod and a method of manufacturing the same.
  • Carbon nanotubes CNT
  • CoSi cobalt silicides
  • Carbon nanotube powder is already commercialized as a transparent electrode, a cathode component for field emission.
  • the nanorods are not easy to use because they are too small in size and weak in strength to be used for a functional device other than a transparent electrode.
  • Efforts have been made to develop field effect transistors (FETs) by bonding metals to individual semiconductor nanorods and heat-treating them. (E.g. growth of GaN single crystal thin film on single crystalline sapphire substrate, CuInSe2 thin film growth on amorphous glass)
  • FETs field effect transistors
  • problems such as the length uniformity of the nanorods are lowered and the light emitting surface is restricted.
  • Devices containing nanorods need to be associated with a smooth subsequent process, such as electrode formation.
  • Zinc oxide (ZnO) is a hexagonal crystal structure of a urgite crystal structure, which is a direct transition semiconductor having high transmittance of visible light, relatively high refractive index and dielectric constant, and a wide band gap of 3.37 eV.
  • the free exciton binding energy of zinc oxide reaches 60 meV at room temperature, the light extraction rate due to photoexcitation is predicted to be higher than that of conventional gallium nitride, and many studies have been conducted.
  • the shape of the zinc oxide nanorods itself acts as a cavity for laser oscillation, room temperature laser oscillation may be predicted in the nanorods.
  • the first technical problem to be achieved by the present invention is to solve the problem of p-type doping of the zinc oxide nanorod layer, and to solve the defect problem between the interface generated during the heterogeneous growth of the semiconductor nanorod easily at room temperature UV laser To provide a laser diode using zinc oxide nanorods, which is easy to oscillate and the subsequent process is easy.
  • the second technical problem to be achieved by the present invention is to provide a method of manufacturing a laser diode using a zinc oxide nanorods for manufacturing a room temperature UV laser light emitting device by electrical pumping using a zinc oxide semiconductor nanorod layer.
  • Laser diode using a zinc oxide nanorod is a substrate; An electrode layer formed on the substrate; a nanorod layer comprising a plurality of zinc oxide nanorods doped with n-type and grown on the electrode layer; And a single crystal semiconductor layer doped in p-type and in physical contact with the ends of the zinc oxide nanorods.
  • the laser diode manufacturing method using a zinc oxide nanorod comprises the steps of forming an electrode layer on the substrate; Growing a plurality of n-type doped zinc oxide nanorods on the electrode layer to form a nanorod layer; Contacting the p-type doped single crystal semiconductor layer on the nanorod layer; And applying a predetermined pressure to an upper surface of the single crystal semiconductor layer to fix the single crystal semiconductor layer to the nanorod layer.
  • the manufacturing process of a laser diode can be made simpler.
  • FIG. 1 illustrates a structure of a laser diode using zinc oxide nanorods according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 shows the form of the zinc oxide nanorods for explaining the crystal orientation.
  • 3 to 5b illustrate a process of manufacturing the laser diode of FIG.
  • FIG. 6 illustrates an example in which the structure of FIG. 1 is fixed with epoxy.
  • FIG. 7 illustrates a structure in which a wiring electrode and a heat radiation layer are added to the structure of FIG. 1.
  • FIG. 8 illustrates an emission spectrum of an ultraviolet region of a laser diode manufactured according to the structure of FIG. 1.
  • FIG. 1 illustrates a structure of a laser diode using zinc oxide nanorods according to an embodiment of the present invention.
  • Laser diode uses a zinc oxide material, the first UV to be oscillated by electrical pumping (not optical pumping) to inject a charge (carrier injection) to any structure such as a thin film or nanorod ( Laser diodes, not visible light.
  • the substrate 10 is composed of any one of a metal substrate, a silicon substrate, a glass substrate, and graphite.
  • the electrode layer 20 is formed on the substrate 10.
  • the electrode layer 20 is made of metal or graphene and does not transmit light. When the substrate 10 is graphite, the electrode layer 20 may be omitted.
  • the base on which the zinc oxide nanorods grow is the electrode layer 20, not the semiconductor substrate.
  • the nanorod layer 30 includes a plurality of zinc oxide nanorods grown on the electrode layer 20.
  • the plurality of zinc oxide nanorods are doped n-type.
  • Zinc oxide nanorods have a doped impurity concentration of 1 ⁇ 10 16 to 9 ⁇ 10 20 / cm 3 .
  • Zinc oxide nanorods may be vertically oriented with respect to the substrate 10 or may be grown at an angle other than vertical.
  • the zinc oxide nanorods have a height of 0.3 ⁇ m to 300 ⁇ m and a diameter of 10 nm to 1,000 nm or less.
  • the zinc oxide nanorods are spaced apart from each other to perform laser oscillation using the light confinement effect at the interface with air.
  • the single crystal semiconductor layer 40 is doped with p-type, and is in physical contact with the ends of the zinc oxide nanorods.
  • the single crystal semiconductor layer 40 may be, for example, one of p-type doped single crystal silicon (Si), gallium arsenide (GaAs), and gallium nitride (GaN) substrates.
  • the single crystal semiconductor layer 40 may be a p-type doped single crystal semiconductor thin film is grown on a heterogeneous substrate.
  • the single crystal semiconductor layer 40 has an impurity concentration of 1 ⁇ 10 17 to 9 ⁇ 10 20 / cm 3 .
  • the second polarly doped single crystal semiconductor layer 40 located on the zinc oxide nanorods has a structure in place of the p-n type junction.
  • a semiconductor device is composed of a junction of a p-type and an n-type semiconductor.
  • the p-n junction may be formed by a diffusion method by melting a semiconductor material or ion implantation of impurities, or by growing impurities by implanting impurities when forming a semiconductor thin film or bulk layer.
  • the single crystal semiconductor layer 40 is only in contact with the upper portion of the nanorod layer 30, and any one of the constituent elements of the two materials is melted and joined by heat treatment or any manipulation. (Junction) or characterized in that the constituent materials do not diffuse each other.
  • each nanorod acts as a cavity having a spacing of 0.3 ⁇ m to 300 ⁇ m in the major axis direction and a cavity having a diameter of 100 to 1000 nm in the minor axis direction, so that the light inside the fabric is Fabri-Faro ( Fabry-Ferot) interference occurs, and more metastable emission levels are formed inside the nanorods.
  • Fabri-Faro Fabry-Ferot
  • the wavelength of the emitted light depends on the length and diameter of the n-type zinc oxide nanorods, thereby forming a multi-mode of interference. Therefore, light of several wavelengths may be emitted.
  • FIG. 2 a zinc oxide nanorod having a hexagonal structure is illustrated.
  • the (0001) plane direction is a direction in which the nanorods grow long, and three pairs of parallel planes constituting the hexagonal pole surface of the nanorods form a cavity having a spacing of 100-1000 nm.
  • Figure 2 Face of direction and An example is shown in which the planes in the directions form parallel cavities.
  • the electrode layer 20 on the substrate 10 a plurality of zinc oxide nanorods doped n-type on the electrode layer 20 Forming a nanorod layer 30 by contacting them, contacting the p-type doped single crystal semiconductor layer 40 on the nanorod layer 30, and forming a nanorod layer 30 on an upper surface of the single crystal semiconductor layer 40. And applying the pressure to fix the single crystal semiconductor layer 40 to the nanorod layer 30.
  • a process of manufacturing the above-described laser diode with reference to FIGS. 3 to 5b will be described in detail.
  • FIG. 3 illustrates an electrode layer 20 formed on a substrate 10.
  • the base on which the zinc oxide nanorods grow is the electrode layer 20, not the semiconductor substrate.
  • the nanorod layer 30 may be formed by a vapor phase transport process, a metal-organic source chemical vapor deposition method, a sputter method, or a chemical electrolysis deposition method. Deposition), the screen printing method may be a step of growing the zinc oxide nanorods.
  • zinc oxide nanorods may be directly grown on the electrode layer 20.
  • a material having a higher refractive index than air and having a lower refractive index than zinc oxide may be filled in the void space between the zinc oxide nanorods.
  • FIG. 5A illustrates a process of fixing the single crystal semiconductor layer 40 to the nanorod layer 30.
  • a pressure of 0.05 to 8 N / cm 2 may be applied to the upper surface of the single crystal semiconductor layer 40.
  • FIG. 5B illustrates an example in which the single crystal semiconductor layer 40 is fixed by the method of FIG. 5A.
  • Figure 5b shows the shape of the end portion is gradually narrowed and the end of the end of the zinc oxide nanorod having a length of 35 ⁇ m bent.
  • the length of the zinc oxide nanorod is advantageously several ⁇ m, laser oscillation by internal scattering is possible even in a curved structure as shown in FIG. 5B.
  • FIG. 6 illustrates an example in which the structure of FIG. It is shown.
  • Epoxy 800 may be used to fix the single crystal semiconductor layer 40. More specifically, an epoxy that connects the side surface of the single crystal semiconductor layer 40, the metal electrode layer 20, and the side surface of the substrate 10 may be attached to the upper surface of the single crystal semiconductor layer 40. Since the epoxy can withstand at 300 ° C., the use of epoxy allows for the preparation of metal processing processes to be subsequently linked.
  • FIG. 7 illustrates a structure in which the wiring electrode 600 and the heat dissipation layer 700 are added to the structure of FIG. 1.
  • a metal layer may be formed on the bottom surface of the substrate 10 and the top surface of the single crystal semiconductor layer 40, and then heat treated on the metal layer to form an ohmic junction.
  • a heat dissipation layer (eg, metal) may be attached to at least one of the top surface of the single crystal semiconductor layer 40 or the bottom surface of the substrate 10, which may help to cool this heat. have.
  • FIG. 8 illustrates an emission spectrum of an ultraviolet region at room temperature of a laser diode manufactured according to the structure of FIG. 1.
  • the actual contact area of the zinc oxide nanorod layer 30 and the p-type single crystal semiconductor layer 40 is smaller than the area of the p-type single crystal semiconductor layer 40.
  • the mode has a wavelength of 383, 384, 385, 386, 393 nm at a current density of 1 A / cm 2 , and the half width is 1 to 2 nm. It can be seen that the UV laser is oscillated.
  • One embodiment of the present invention focuses on the fact that p-type doping of zinc oxide is difficult, and has a structure in which the other end of the p-type material and the zinc oxide nanorods are in physical contact. Therefore, in addition to the p-type doped single crystal semiconductor layer 40 used in the embodiment of the present invention, a wider variety of types and types of p-type materials may be used.
  • the n-type zinc oxide nano In another embodiment of a laser diode using zinc oxide nanorods, after growing the substrate 10, the electrode layer 20 on the substrate, and the n-type zinc oxide nanorod 30 on the electrode layer, the n-type zinc oxide nano
  • the p-type doped gallium nitride single crystal semiconductor can be contacted at the rod end. Since the gallium nitride single crystal semiconductor has an energy band gap of 3.4 eV and is wider than that of silicon, ultraviolet light or blue light emission is more advantageous in p-n contact with the zinc oxide nanorods.
  • fabricating a p-type doped single crystal gallium nitride substrate may be difficult with current technology, and according to another embodiment of the present invention, a p-type doped single crystal gallium nitride semiconductor layer is formed on the n-type zinc oxide nano
  • the laser diode can be constructed in contact with the end of the rod 30.
  • the electrode layer 20 on the substrate, the n-type zinc oxide nanorod 30 on the electrode layer, the n-type zinc oxide It may be in contact with an indium tin oxide (ITO) layer doped with p-type at the nanorod end.
  • ITO indium tin oxide
  • ITO is a wide energy gap material that can be adjusted to n-type or p-type, but is not a single crystal material but is widely used as a transparent electrode.
  • the higher the concentration of the holes the more advantageous. Therefore, when the p-type doped ITO thin film layer grown on the glass substrate is in pn contact with the zinc oxide nanorods, the luminous efficiency of the zinc oxide nanorods is increased. You can expect
  • a laser diode using zinc oxide nanorods is characterized by growing the substrate 10, the electrode layer 20 on the substrate, and the n-type zinc oxide nanorod 30 on the electrode layer, followed by the n-type oxidation.
  • a laser diode may be constructed by contacting a p-type doped polyfluorene (PFO) layer at a zinc nanorod end.
  • PFO polyfluorene
  • the material that is in contact with the n-type zinc oxide nanorods (30) end is doped with p-type to inject holes, to form a p-type doped polymer layer for easy processing on the glass substrate end of the zinc oxide nanorods Available for pn contact.
  • polymers are advantageous in large area processes and inexpensive.
  • PFO materials have an energy band gap of about 3 eV, which is advantageous for ultraviolet and blue light emission.
  • the embodiments of the present invention overcome the problem of doping zinc-type p-type semiconductors while making the most of the advantages of nanostructures, and easily perform room temperature UV laser oscillation even in an electrical pumping method and simplify the manufacturing process. It can be applied to optical communication or other fields requiring ultraviolet laser.

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Abstract

산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드 및 그 제조 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드는 기판; 상기 기판 위에 형성된 전극층; n형으로 도핑되어 상기 전극층 위에 성장된 복수의 산화아연 나노로드들을 포함하는 나노로드층; 및 p형으로 도핑되고, 상기 산화아연 나노로드들의 말단에 물리적으로 접촉하는 형태의 단결정 반도체층을 포함한다.

Description

산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드 및 그 제조 방법
본 발명은 자외선을 방출하는 레이저 다이오드에 관한 것으로, 특히, 산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
나노구조체 중, 종횡비가 큰 1차원 구조체를 나노선(nanowire) 또는 나노로드(Nanorod)라 칭하며 각종 물질을 이용한 합성 방법에 많은 발전이 있어왔다. 탄소나노튜브(CNT), 코발트실리사이드(CoSi) 등이 그 예이며, 특히 박막형태 보다 나노로드 형태로 성장했을때 결정성이 높고, 전위밀도가 낮다는 장점도 알려져있다. 탄소나노튜브 분말은 이미 투명 전극, 전계 방출용 음극 부품으로 상용화가 이루어져 있다.
그러나 상기 나노로드를 투명 전극이 아닌 기능성 소자에 이용하기에는 크기가 너무 작고 강도가 약해서 이용하기에 쉽지 않다는 문제가 있다. 개별 반도체 나노로드에 금속을 접합하고 열처리 해서 전계효과트랜지스터(FET) 등을 개발하려는 노력이 있어왔으며, 또한 이종 기판(성장하고자 하는 반도체 물질에 대해 기판이 구조적 형태 또는 화학적 조성이 동일하지 않은 기판)(예, 단결정 사파이어 기판 위에 GaN 단결정 박막 성장, 비정질 유리 위에 CuInSe2 박막 성장) 위에 반도체 나노로드를 성장한 후 반도체 나노로드 사이를 산화규소나 폴리이미드 같은 비정질 매트릭스 물질로 채워준 후 상부를 평탄하게 만들어 금속 접합하는 공정도 개발되었지만, 나노로드의 길이 균일도가 떨어지고, 발광면의 제약을 받는 등의 문제 역시 남아있다. 나노로드를 포함하는 소자는 전극형성과 같은 원활한 후속 공정이 연계되어야할 필요가 있다.
산화아연(ZnO)은 육방정계를 갖는 우르자이트 결정구조의 물질로서 가시광의 투과성이 높고, 굴절률과 유전상수가 비교적 높으며, 3.37 eV의 넓은 밴드갭을 갖는 직접 천이형 반도체이다. 특히 상온에서 산화아연의 자유 엑시톤 결합 에너지가 60 meV에 이르기 때문에 광 여기에 의한 광 추출율이 기존의 질화갈륨 보다 높은 것으로 예측되어 많은 연구가 진행되고 있다. 더욱이 산화아연 나노로드 자체의 형태가 레이저 발진용 공동(cavity)으로 작용하면 나노로드에서 상온 레이저 발진이 예측되기도 한다.
그러나 산화아연을 합성하는 방법은 다양하지만, p형 도핑이 어렵다는 점 때문에 산화아연의 이용에 제약을 받고 있다. 몇몇 실험실에서 p형 도핑 결과가 보고되지만, 효율과 신뢰성 면에서 아직 개선할 점이 많다.
산화아연 나노로드의 p-n 접합에 의한 레이저 발진 또한 아직 보고된 바는 없다. 다만 전기적 펌핑에 의한 여기 대신, 광학적 펌핑에 의한 레이저 발진 사례만이 알려져 있다.
본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 산화아연 나노로드층의 p형 도핑의 문제를 해결하고, 반도체 나노로드의 이종 성장시 발생하는 계면 간의 결함 문제를 해결하여 전기적 펌핑 방식에서도 용이하게 상온 UV 레이저 발진을 하며, 후속 공정이 손쉬운, 산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 산화아연 반도체 나노로드층을 이용하여 전기적 펌핑에 의한 상온 UV 레이저 발광 소자를 제작하기 위한 산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드는 기판; 상기 기판 위에 형성된 전극층; n형으로 도핑되어 상기 전극층 위에 성장된 복수의 산화아연 나노로드들을 포함하는 나노로드층; 및 p형으로 도핑되고, 상기 산화아연 나노로드들의 말단에 물리적으로 접촉하는 형태의 단결정 반도체층을 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드 제조 방법은 기판 위에 전극층을 형성하는 단계; 상기 전극층 위에 n형으로 도핑된 복수의 산화아연 나노로드들을 성장하여 나노로드층을 형성하는 단계; 상기 나노로드층 위에 p형으로 도핑된 단결정 반도체층을 접촉하는 단계; 및 상기 단결정 반도체층의 상면에 소정의 압력을 가하여 상기 단결정 반도체층을 상기 나노로드층에 고정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예들에 의하면, 결함이 적고 결정성이 높은 나노구조체의 장점을 살리면서 산화아연의 p형 반도체 도핑이 어렵다는 문제를 극복하고, 전기적 펌핑 방식에서도 용이하게 상온에서 UV 레이저 발진을 하며, 레이저 다이오드의 제작 공정을 보다 간단하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드의 구조를 도시한 것이다.
도 2는 결정면 방위를 설명하기 위한 산화아연 나노로드의 형태를 도시한 것이다.
도 3 내지 5b는 도 1의 레이저 다이오드를 제조하는 과정을 도시한 것이다.
도 6은는 도 1의 구조를 에폭시로 고정한 예를 도시한 것이다.
도 7은 도 1의 구조에 배선용 전극과 방열층을 부가한 구조를 도시한 것이다.
도 8은 도 1의 구조에 따라 제작된 레이저 다이오드의 자외선 영역의 발광 스펙트럼을 도시한 것이다.
<도면의 주요부호에 대한 설명>
10: 기판
20: 전극층
30: n형 산화아연 나노로드층
40: p형 단결정 반도체층
50: 산화아연 나노로드층과 단결정 반도체층 사이의 접촉면
600: 배선용 전극층
700: 방열층
800: 에폭시
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명하기로 한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시 예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드의 구조를 도시한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 다이오드는 산화아연 물질을 이용하는 것으로서, 박막이나 나노로드등의 어떠한 구조에 전하를 주입(carrier injection)하는 전기적 펌핑(광학적 펌핑이 아닌)으로 발진하는 최초의 UV(가시광선이 아닌) 레이저 다이오드이다.
기판(10)은 금속 기판, 실리콘 기판, 유리 기판 또는 그래파이트 (Graphite) 중 어느 하나로 구성된다.
전극층(20)은 기판(10) 위에 형성된다. 전극층(20)은 금속 또는 그래핀(Graphene)이 되며 광을 투과시키지 않는다. 기판(10)이 그래파이트일 경우 전극층(20)은 생략 가능하다.
본 발명의 실시 예들에서 산화아연 나노로드가 성장하는 기반은 반도체 기판이 아니라, 전극층(20)이다. 나노로드층(30)은 전극층(20) 위에 성장된 복수의 산화아연 나노로드들을 포함한다. 복수의 산화아연 나노로드들은 n형으로 도핑된다. 산화아연 나노로드들은 도핑된 불순물 농도가 1×1016 내지 9×1020 /cm3 이다. 산화아연 나노로드들은 상기 기판(10)에 대해 수직 배향될 수도 있고, 수직이 아닌 각도로 성장된 형태일 수도 있다. 상기 산화아연 나노로드들은 높이가 0.3 μm 내지 300 μm 이고, 직경이 10 nm 내지 1,000 nm 이하이다. 산화아연 나노로드들은 서로 이격되어 공기와 접한 계면에서 광가둠 효과를 이용한 레이저 발진을 하게 된다.
단결정 반도체층(40)은 p형으로 도핑되는데, 산화아연 나노로드들의 말단에 물리적으로 접촉한다. 단결정 반도체층(40)은 예를 들어, p형으로 도핑된 단결정 실리콘(Si), 비소갈륨(GaAs), 질화갈륨 (GaN) 기판 중 하나일 수 있다. 특히, 단결정 반도체층(40)은 이종 기판 위에 p형으로 도핑된 단결정 반도체 박막이 성장된 것일 수 있다. 단결정 반도체층(40)은 불순물 농도가 1×1017 내지 9×1020 /cm3 이다.
산화아연 나노로드 위에 위치한 제2극성으로 도핑된 단결정 반도체층(40)은 p-n형 접합을 대신한 구조이다. 일반적으로 반도체 소자는 p형과 n형 반도체의 접합(Junction)으로 구성된다. 그런데 p-n 접합은 반도체 물질의 용융 또는 불순물의 이온 주입에 의한 확산법이나, 반도체 박막 또는 벌크층을 형성할 때 불순물을 주입하여 동시에 성장시키는 방법으로 이루어질 수 있다. 그러나 도 1의 계면(50)에서 단결정 반도체층(40)은 나노로드층(30)의 상부와 접촉(Contact)만 되어있을 뿐 열처리나 어떠한 조작에 의해 두 물질의 구성 원소 중 하나라도 용융되어 접합(Junction)되거나 구성 물질들이 상호 확산하지 않는 것을 특징으로 한다.
도 1의 구조에서, 순방향 전압을 인가하여 p형 단결정 반도체층(40)과 n형 산화아연 나노로드층(30)의 접촉 계면을 통해 n형 산화아연 나노로드층(30)에 정공이 주입되면, 전자-정공 재결합 과정에서 임의의 방향으로 빛이 방출된다. 이 방출된 빛은 각각의 n형 산화아연 나노로드에 존재하는 엑시톤을 여기 시켜 광 밀도가 증가하게 된다. 이때 각각의 나노로드는 장축 방향으로 간격이 0.3 μm 내지 300 μm 인 공동(Cavity)으로 작용하며, 단축 방향으로 직경이 100-1000 nm 인 공동(Cavity)으로 작용해 내부의 빛이 패브리-패로(Fabry-Ferot) 간섭을 일으키게 되며 점차 나노로드 내부에 많은 준안정적(Metastable)인 발광 준위가 형성된다. 광밀도가 증가한 어느 시점에서 일시에 빛이 외부로 연속적으로 방출되는데 방출된 빛의 파장은 n형 산화아연 나노로드의 길이와 직경에 의존하여 여러 개의 간섭 모드(multi-mode)가 형성되며, 이에 따라 여러 개의 파장의 빛이 방출될 수 있다.
도 2에는 육방정계(Hexagonal) 구조인 산화아연 나노로드가 도식화 되었다. (0001)면 방향이 나노로드가 길게 성장되는 방향이며, 나노로드의 육각 기둥 면을 이루는 3쌍의 평행한 면들이 각각 간격 100-1000 nm인 공동을 이루게 된다. 도 2에서
Figure PCTKR2010006172-appb-I000001
방향의 면과
Figure PCTKR2010006172-appb-I000002
방향의 면이 평행한 공동을 이루는 예를 도시하였다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드 제조 방법은 기판(10) 위에 전극층(20)을 형성하는 단계, 상기 전극층(20) 위에 n형으로 도핑된 복수의 산화아연 나노로드들을 성장하여 나노로드층(30)을 형성하는 단계, 상기 나노로드층(30) 위에 p형으로 도핑된 단결정 반도체층(40)을 접촉하는 단계, 및 상기 단결정 반도체층(40)의 상면에 소정의 압력을 가하여 상기 단결정 반도체층(40)을 상기 나노로드층(30)에 고정하는 단계를 포함한다. 이하에서는 도 3 내지 5b를 참고하여 상술한 레이저 다이오드를 제조하는 과정을 상세히 설명한다.
도 3은 기판(10) 위에 형성된 전극층(20)을 도시한 것이다.
도 4는 전극층(20) 위에 산화아연 나노로드들을 성장하는 과정을 도시한 것이다.
본 발명의 실시 예들에서 산화아연 나노로드가 성장하는 기반은 반도체 기판이 아니라, 전극층(20)이다. 상기 나노로드층(30)을 형성하는 단계는 기상 수송 증착법(Vapor Phase Transport process), 유기금속 화학 기상 증착법(Metal-Organic source Chemical Vapor Deposition), 스퍼터법(Sputter), 화학 전기분해 증착법 (Chemical Electrolysis Deposition), 스크린 프린팅법 중 어느 하나의 방법으로 산화아연 나노로드들을 성장하는 단계일 수 있다. 여기서, 전극층(20) 위에 산화아연 나노로드들을 직접 성장할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에서, 나노로드층(30)을 형성한 후, 산화아연 나노로드들 사이의 빈 공간에 공기보다 굴절률이 높으면서 산화아연보다 굴절률이 낮은 물질을 채울 수도 있다.
도 5a는 단결정 반도체층(40)을 나노로드층(30)에 고정하는 과정을 도시한 것이다. 반도체층(40)을 나노로드층(30)에 고정할 때, 단결정 반도체층(40)의 상면에 0.05 내지 8 N/cm2 의 압력을 가할 수 있다.
도 5b는 도 5a의 방법으로 단결정 반도체층(40)을 고정한 일 예이다. 특히, 도 5b는 말단 부분이 점차 좁아지는 형태이며 길이가 35 μm 인 산화아연 나노로드의 말단이 휘어진 모습을 도시한 것이다. 산화아연 나노로드의 길이는 수 μm 인 경우가 유리하지만, 도 5b 처럼 휘어진 구조에서도 내부 분산(scattering)에 의한 레이저 발진이 가능하다.도 6은 도 1의 구조를 에폭시(800)로 고정한 예를 도시한 것이다.
단결정 반도체층(40)의 고정은 에폭시(800)를 이용할 수 있다. 보다 구체적으로, 단결정 반도체층(40)의 상면에 압력을 가한 상태에서 단결정 반도체층(40)의 측면, 금속 전극층(20) 및 기판(10)의 측면을 이어주는 에폭시를 부착할 수 있다. 에폭시는 300℃에서 견딜 수 있으므로, 에폭시를 이용하면, 이후 연계될 금속 처리 공정을 대비할 수 있다.
도 7은 도 1의 구조에 배선용 전극(600)과 방열층(700)을 부가한 구조를 도시한 것이다.
배선용 전극(600)을 형성하기 위해 기판(10)의 하면과 단결정 반도체층(40)의 상면에 각각 금속층을 형성한 후, 금속층에 열처리하여 오믹접합을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 다이오드를 동작하였을 때 많은 열이 발생할 수 있다. 이는 접촉식이라는 구조적 특성, 단결정 실리콘 기판상에 존재하는 실리콘 산화물 때문이다. 단결정 반도체층(40)의 상면 또는 기판(10)의 하면 중 적어도 하나에 방열층(예를 들어, 금속)을 부착할 수 있는데, 방열층(700)은 이러한 열을 식히는 데에 도움이 될 수 있다.
도 8은 도 1의 구조에 따라 제작된 레이저 다이오드의 상온에서의 자외선 영역의 발광 스펙트럼을 도시한 것이다.
산화아연 나노로드층(30)과 p형 단결정 반도체층(40)의 실제 접촉면적은 p형 단결정 반도체층(40)의 면적보다 작다. 전류가 흐르는 소자의 단면을 p형 단결정 반도체층(40)과 같다고 가정하면, 전류밀도 1 A/cm2에서 파장이 383, 384, 385, 386, 393 nm인 모드로 반폭치는 1 ~ 2 nm 인 UV 레이저가 발진됨을 알 수 있다.
본 발명의 일 실시 예는 산화아연의 p형 도핑이 어렵다는 현실에 착안하여, 다른 종류의 p형 물질과 산화아연 나노로드의 말단이 물리적 접촉을 하는 구조를 갖는다. 따라서 본 발명의 일 실시 예에서 사용된 p형 도핑된 단결정 반도체층(40) 이외에 보다 더 다양한 종류와 형태의 p형 물질이 이용될 수 있다.
산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드의 다른 실시 예에서는 기판(10), 상기 기판 상에 전극층(20), 상기 전극층 상에 n형 산화아연 나노로드(30)를 성장한 후, 상기 n형 산화아연 나노로드 말단에 p형으로 도핑된 질화 갈륨 단결정 반도체를 접촉할 수 있다. 질화 갈륨 단결정 반도체는 에너지 밴드갭이 3.4 eV로서 실리콘 보다 넓기 때문에 산화아연 나노로드와 p-n 접촉을 할 경우 자외선 또는 청색 발광이 더욱 유리하다.
그러나 p형 도핑된 단결정 질화 갈륨 기판을 제조하는 것이 현재의 기술로는 어려울 수 있으므로, 본 발명의 또 다른 실시 예에서는 사파이어 기판 상에 p형 도핑된 단결정 질화 갈륨 반도체 층을 상기 n형 산화아연 나노로드(30)의 말단에 접촉하는 방식으로 레이저 다이오드를 구성할 수 있다.
산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드의 또 다른 실시 예에서는 기판(10), 상기 기판 상에 전극층(20), 상기 전극층 상에 n형 산화아연 나노로드(30)를 성장한 후, 상기 n형 산화아연 나노로드 말단에 p형으로 도핑된 ITO(Indium Tin Oxide) 층과 접촉할 수 있다. ITO는 n형 또는 p형으로 조절할 수 있는 넓은 에너지 갭 물질로서 단결정 물질은 아니지만 투명전극으로 널리 이용된다. 본 실시 예에서는 정공의 농도가 높을수록 유리하므로, 유리 기판에 상에 성장된 p형 도핑된 ITO 박막층을 산화아연 나노로드와 p-n 접촉을 할 경우 산화아연 나노로드에서의 발광 효율이 증가하는 효과를 기대할 수 있다.
산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드의 또 다른 실시 예서는 기판(10), 상기 기판 상에 전극층(20), 상기 전극층 상에 n형 산화아연 나노로드(30)를 성장 한 후, 상기 n형 산화아연 나노로드 말단에 p형으로 도핑된 PFO(Polyfluorene)층을 접촉하여 레이저 다이오드를 구성할 수 있다. n형 산화아연 나노로드(30) 말단과 접촉되는 물질은 p형으로 도핑되어 정공을 주입하는 기능을 하는데, 유리 기판 상에 공정이 용이한 p형 도핑된 폴리머층을 형성하여 산화아연 나노로드 말단과 p-n 접촉에 이용가능하다. 일반적으로 폴리머는 대면적 공정이 유리하고 원가가 저렴한 특징이 있으며, 특히 PFO 물질은 에너지 밴드갭이 약 3 eV 이므로 자외선과 청색 계열의 발광에 유리한 특징이 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 실시 예들과 같은 변형 및 다른 실시 예로의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그리고, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
본 발명의 실시 예들은 나노구조체의 장점을 살리면서 산화아연의 p형 반도체 도핑이 어렵다는 문제를 극복하고, 전기적 펌핑 방식에서도 용이하게 상온 UV 레이저 발진을 하며, 제작 공정을 보다 간단하게 할 수 있는 것으로, 광통신이나 기타 자외선 레이저가 필요한 분야에 응용될 수 있다.

Claims (24)

  1. 기판;
    상기 기판 위에 형성된 전극층;
    n형으로 도핑되어 상기 전극층 위에 성장된 복수의 산화아연 나노로드들을 포함하는 나노로드층; 및
    p형으로 도핑되고, 상기 산화아연 나노로드들의 말단에 물리적으로 접촉하는 형태의 단결정 반도체층을 포함하는, 산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화아연 나노로드들은 상기 기판에 대해 수직 배향되는 것을 특징으로 하는, 산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화아연 나노로드들은 상기 기판에 대해 수직이 아닌 각도로 성장된 것을 특징으로 하는, 산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화아연 나노로드들은 육각기둥 형태로 서로 이격되어 있으며, 상기 육각기둥 형태의 나노로드 내에서 장축 방향으로 간격이 0.3 μm 내지 300 μm 인 공동(Cavity)을 이루고, 단축 방향으로 기둥면을 이루는 평행한 면들 사이의 간격이 100 내지 1000 nm인 공동(Cavity)이 형성되어 상기 나노로드 내에서 빛의 패브리-패로(Febry-Perot) 간섭을 이용한 레이저 발진을 하는 것을 특징으로 하는, 산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화아연 나노로드들 사이의 공간에 채워지고 공기보다 굴절률이 높으면서 산화아연 보다 굴절률이 낮은 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화아연 나노로드들은 도핑된 불순물 농도가 1×1016 내지 9×1020 /cm3 이고,
    상기 단결정 반도체층은 불순물 농도가 1×1017 내지 9×1020 /cm3 인 것을 특징으로 하는, 산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은
    금속 기판, 실리콘 기판, 유리 기판, 또는 그래파이트(Graphite) 기판 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극층은
    금속층 또는 그래핀(Graphene)층 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 산화아연 나노로드들은 높이가 0.3 μm 내지 300 μm 이고, 직경이 10 nm 내지 1,000 nm 이하인 것을 특징으로 하는, 산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 단결정 반도체층은
    p형으로 도핑된 단결정 실리콘(Si), 비소갈륨(GaAs), 또는 질화갈륨 (GaN) 기판 중 하나인 것을 특징으로 하는, 산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 단결정 반도체층은
    이종 기판 위에 p형으로 도핑된 단결정 반도체 박막이 성장된 것을 특징으로 하는, 산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드.
  12. 그래파이트 기판;
    n형으로 도핑되어 상기 그래파이트 기판 위에 성장된 복수의 산화아연 나노로드들을 포함하는 나노로드층; 및
    p형으로 도핑되고, 상기 산화아연 나노로드들의 말단에 물리적으로 접촉하는 형태의 단결정 반도체층을 포함하는, 산화아연 나노로드를 이용한 레이져 다이오드.
  13. 기판 위에 전극층을 형성하는 단계;
    상기 전극층 위에 n형으로 도핑된 복수의 산화아연 나노로드들을 성장하여 나노로드층을 형성하는 단계;
    상기 나노로드층 위에 p형으로 도핑된 단결정 반도체층을 접촉하는 단계; 및
    상기 단결정 반도체층의 상면에 소정의 압력을 가하여 상기 단결정 반도체층을 상기 나노로드층에 고정하는 단계를 포함하는, 산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 단결정 반도체층을 상기 나노로드층에 고정한 후에, 상기 기판의 하면과 상기 단결정 반도체층의 상면에 각각 금속층을 형성하는 단계; 및
    상기 금속층에 열처리하여 오믹접합을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드 제조 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 나노로드층을 형성하는 단계는
    상기 금속 전극층 위에 상기 산화아연 나노로드들을 직접 성장하는 단계인 것을 특징으로 하는, 산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드 제조 방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 나노로드층을 형성하는 단계는
    버퍼층을 형성한 후 상기 산화아연 나노로드들을 성장하는 단계인 것을 특징으로 하는, 산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드 제조 방법.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 나노로드층을 형성하는 단계는
    기상 수송 증착법(Vapor Phase Transport process), 유기금속 화학 기상 증착법(Metal-Organic source Chemical Vapor Deposition), 스퍼터법(Sputter), 화학 전기분해 증착법 (Chemical Electrolysis Deposition), 또는 스크린 프린팅법 중 어느 하나의 방법으로 상기 산화아연 나노로드들을 성장하는 단계인 것을 특징으로 하는, 산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드 제조 방법.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 나노로드층을 형성하는 단계는
    상기 산화아연 나노로드들 사이의 빈 공간에 공기 보다 굴절률이 높으면서 산화아연 보다 굴절률이 낮은 물질을 채우는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드 제조 방법.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 단결정 반도체층은
    단결정 실리콘 기판, 단결정 비소갈륨(GaAs) 기판, 또는 단결정 질화갈륨(GaN)기판 중 하나인 것을 특징으로 하는, 산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드 제조 방법.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 단결정 반도체층은
    p형으로 도핑되며 이종기판 상에 단결정 실리콘, 비소갈륨, 질화갈륨, ITO(Indium Tin Oxide) 또는 폴리머층 중 어느 하나가 성장된 형태인 것을 특징으로 하는, 산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드 제조 방법
  21. 제 13 항에 있어서,
    상기 단결정 반도체층을 상기 나노로드층에 고정하는 단계는
    상기 단결정 반도체층의 상면에 0.05 내지 8 N/cm2 의 압력을 가하는 단계인 것을 특징으로 하는, 산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드 제조 방법.
  22. 제 13 항에 있어서,
    상기 단결정 반도체층을 상기 나노로드층에 고정하는 단계는
    상기 단결정 반도체층의 상면에 압력을 가한 상태에서 상기 단결정 반도체층의 측면, 상기 금속 전극층 및 상기 기판의 측면을 이어주는 에폭시를 부착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드 제조 방법.
  23. 제 13 항에 있어서,
    상기 단결정 반도체층의 상면 또는 상기 기판의 하면 중 적어도 하나에 방열층을 부착하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드 제조 방법.
  24. 그래파이트 기판 위에 n형으로 도핑된 복수의 산화아연 나노로드들을 성장하여 나노로드층을 형성하는 단계;
    상기 나노로드층 위에 p형으로 도핑된 단결정 반도체층을 접촉하는 단계; 및
    상기 단결정 반도체층의 상면에 소정의 압력을 가하여 상기 단결정 반도체층을 상기 나노로드층에 고정하는 단계를 포함하는, 산화아연 나노로드를 이용한 레이저 다이오드 제조 방법.
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