WO2012015277A2 - 마이크로 나노 조합구조물, 마이크로 나노 조합구조의 제조방법 및 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법 - Google Patents

마이크로 나노 조합구조물, 마이크로 나노 조합구조의 제조방법 및 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a micro nano combination structure, a method for manufacturing a micro nano combination structure, and a method for manufacturing an optical device in which the micro nano combination structure is integrated. More particularly, after forming a micro structure on a substrate, metal thin film deposition, heat treatment, and front etching are performed. By using to form a non-reflective nanostructure of the wedge-shaped or parabola-shaped pointed point having a sub-wavelength period on the microstructure, to minimize the Fresnel reflection and total reflection caused by the refractive index difference between the air and the semiconductor material It relates to a micro nano combination structure, a method for manufacturing a micro nano combination structure and a method for manufacturing an optical device integrated with the micro nano combination structure.
  • an optical device such as a solar cell, a photodetector, a light emitting diode, and a transparent glass.
  • the reflection of light is a major cause of deterioration of the efficiency of the optical device, and minimizing it results in high efficiency.
  • microlenses are used to reduce the probability of total reflection by forming micro-sized structures.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating reflection and transmission of light incident on a micro patterned structure according to an embodiment of the prior art, and a structure 1 having a micro pattern 1a according to an embodiment of the prior art.
  • the effective refractive index between the two media is gradually changed through a lattice of shorter wavelength or aperiodic structure.
  • Moth eye It resembles the shape of a moth's eye and is called the "Moth eye” structure.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating reflection and transmission of light incident on the structure 2 having the nanopattern 2a according to another embodiment of the prior art, in which fresnel reflection is hardly observed at the interface between the medium and the air. Therefore, in the case of the vertical angle of incidence it is possible to obtain a reflectance close to 0%, but there is a disadvantage that the total reflection that occurs when the angle of incidence increases.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to use a metal thin film deposition, heat treatment, and front surface etching after forming a microstructure on a substrate.
  • an object of the present invention is to use a metal thin film deposition, heat treatment, and front surface etching after forming a microstructure on a substrate.
  • the microstructure is formed on the substrate, the wedge-shaped non-reflective nanostructure having a pointed end having a wavelength below the optical wavelength is formed on the substrate formed with the microstructure It is to provide a micro nano combination structure characterized in that.
  • the antireflective nanostructure may be formed by heat-treating a metal thin film deposited on the substrate on which the microstructure is formed to transform the metal thin film, and etching the entire surface of the substrate on which the microstructure is formed using the metal particles as a mask. Do.
  • the anti-reflective nanostructure, the heat treatment of the buffer layer and the metal thin film deposited sequentially on the substrate having the microstructure is transformed into metal particles, the front surface with the metal particles as a mask so that the buffer layer becomes a nanostructure buffer layer.
  • Etching may be performed by etching the entire surface of the substrate on which the microstructure is formed using the nanostructure buffer layer as a mask.
  • a second aspect of the invention includes forming a microstructure on a substrate; Depositing a metal thin film on the substrate on which the microstructure is formed; Heat-treating the metal thin film to transform it into metal particles; And etching the entire surface of the substrate on which the microstructures are formed by using the metal particles as a mask to form a wedge-shaped non-reflective nanostructure having a sharp point on the upper surface of the substrate on which the microstructures are formed. It is to provide a method for producing a nano combination structure.
  • a third aspect of the invention includes forming a microstructure on a substrate; Sequentially depositing a buffer layer and a metal thin film on the substrate on which the microstructure is formed; Heat-treating the metal thin film to transform it into metal particles; Performing an entire surface etching using the metal particles as a mask so that the buffer layer becomes a nanostructure buffer layer; And etching the entire surface of the substrate on which the microstructures are formed by using the nanostructure buffer layer as a mask to form a wedge-shaped antireflective nanostructure having a sharp point or less on a top surface of the substrate on which the microstructures are formed. It is to provide a method for producing a micro nano combination structure.
  • the microstructure preferably includes surface texturing, microlenses, microgrid patterns, and the like, and the surface texturing means forming a random roughness on a surface using a wet or dry etching method.
  • the microlens means to form a lens shape of several to several tens of micro size
  • the manufacturing method is generally a method of pattern-transferring onto a substrate after forming a lens shape by heat-treating the patterned photoresist, in addition to the selective oxidation method of aluminum And various ways.
  • the micro lattice pattern may be formed by etching a substrate using a photoresist pattern mask having a size of several to several tens of microns.
  • the buffer layer may be made of silicon oxide (SiO 2) or silicon nitride (SiN x).
  • the metal thin film is deposited using any one of silver (Ag), gold (Au), or nickel (Ni), or has a period of light wavelength or less after the heat treatment in consideration of the surface tension with the substrate.
  • a metal that can be transformed into metal particles can be selected and deposited.
  • the metal thin film may be deposited to have a thickness of about 5 nm to 100 nm, or may be deposited by selecting a thickness that may be transformed into metal particles having a period of light wavelength or less after the heat treatment.
  • the heat treatment may be carried out in the range of 200 to 900 degrees, or may be heat-treated by selecting a temperature that can be transformed into metal particles having a period of less than the optical wavelength after the heat treatment.
  • the antireflective nanostructure can be formed using a plasma dry etching method.
  • the dry etching may be performed to obtain a desired aspect ratio by controlling the height and the inclination of the anti-reflective nanostructure by adjusting at least one of the gas amount, pressure, and driving voltage.
  • a fourth aspect of the present invention in the method of manufacturing an optical device, after sequentially stacking an n-type doping layer, an active layer, and a p-type doping layer, the p-type doping layer on the upper surface of the light emitting unit except for the p-type upper electrode position Forming a microstructure; Stacking a p-type upper electrode on an upper surface of the p-type doping layer and stacking an n-type lower electrode on a lower surface of the n-type doping layer; Depositing a metal thin film on an upper surface of the light emitting part in which the microstructure of the p-type doped layer is formed; Heat-treating the metal thin film to transform it into metal particles; And forming a microstructure of the p-type doped layer by using the metal particles as a mask to form a wedge-shaped non-reflective nanostructure having a point having an optical wavelength or less on the upper surface of the light emitting portion in which the microstructure of the p-type doped layer
  • a method of manufacturing an optical device includes: sequentially stacking an n-type doping layer, an active layer, and a p-type doping layer, and forming a microstructure on an upper surface of a light emitting part of the p-type doping layer; Depositing a metal thin film on an upper surface of the light emitting part in which the microstructure of the p-type doped layer is formed; Heat-treating the metal thin film to transform it into metal particles; Light emission in which the microstructure of the p-type doped layer is formed using the metal particles as a mask so that a wedge-shaped antireflective nanostructure having a point having a wavelength less than or equal to a light wavelength is formed on the upper surface of the light emitting portion in which the microstructure of the p-type doped layer is formed.
  • a p-type upper electrode is laminated on one surface of the upper battery layer, and Stacking an n-type lower electrode on a lower surface of the lower battery layer; Forming a microstructure on an upper surface of the upper battery layer except for the p-type upper electrode region; Depositing a metal thin film on an upper surface of the upper battery layer in which the microstructure is formed; Heat-treating the metal thin film to transform it into metal particles; And the p-type upper electrode region using the metal particles as a mask to form a wedge-shaped non-reflective nanostructure having a sharp point or less on a top surface of the upper battery layer except for the p-type upper electrode region. Excluding the etching of the front surface of the upper battery layer is to provide a method for manufacturing an optical device integrated micro-nano structure, characterized in that it comprises a step.
  • the lower battery layer and the intermediate battery layer, and between the intermediate battery layer and the upper battery layer is preferably connected through the first and second tunnel junction layer, respectively.
  • a buffer layer may be further provided between the first tunnel junction layer and the intermediate battery layer.
  • the n-type doped layer, the light absorbing layer, and the p-type doped layer are sequentially stacked, and then the p-type upper electrode is disposed on the upper surface except for the light absorbing portion of the p-type doped layer.
  • an eighth aspect of the present invention in the method of manufacturing an optical device, after sequentially stacking an n-type doping layer, a distribution feedback reflecting layer, an active layer, and a p-type doping layer, except for the p-type upper electrode position of the p-type doping layer Forming a microstructure on an upper surface of the light emitting unit; Depositing a metal thin film on an upper surface of a light emitting part of the p-type doped layer in which the microstructure is formed; Heat-treating the metal thin film to transform it into metal particles; And a p-type doped layer in which the microstructure is formed using the metal particles as a mask to form a wedge-shaped non-reflective nanostructure having a sharp point on the upper surface of the light emitting part of the p-type doped layer in which the microstructure is formed. It provides a method for manufacturing an optical device integrated with a micro nano-combination structure comprising the step of etching the light emitting front surface.
  • n-type lower electrode on the lower surface of the n-type doping layer.
  • the manufacturing method of the micro nano-combination structure and the manufacturing method of the optical device integrated with the micro nano-combination structure as described above, after forming the micro structure on the substrate, metal thin film deposition, heat treatment, front etching By using to form a non-reflective nanostructure of the pointed wedge or parabola type having a sub-wavelength period on the microstructure, the manufacturing process is simple, minimizing the amount of light reflection caused by the difference in refractive index between air and semiconductor material
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating reflection and transmission of light incident on a structure in which a micropattern is formed according to an embodiment of the prior art.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating reflection and transmission of light incident on a structure in which a nanopattern is formed according to another embodiment of the prior art.
  • FIG 3 is a cross-sectional view for describing a method for manufacturing a micro nano combination structure according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a conceptual view illustrating reflection and transmission of light incident on a micro-nanocombined structure according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing an SEM image of a conventional micro and nano pattern structure and a micro nano combination structure produced by the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view for describing a method for manufacturing a micro nano combination structure according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view for describing a method of manufacturing an optical device incorporating a micro-nano combination structure according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view for describing a method of manufacturing an optical device incorporating a micro-nano combination structure according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view for describing an optical device in which a micro-nano combination structure according to a fifth embodiment of the present invention is integrated.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view for describing an optical device in which a micro-nano combination structure according to a sixth embodiment of the present invention is integrated.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view for describing an optical device having an integrated micro nanocomposite structure according to a seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view for describing a method of manufacturing an optical device having a micro-nano combination structure according to an eighth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a graph showing the light output according to the change of current of the optical device in which the micro-nano combination structure according to the eighth embodiment of the present invention is integrated.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view for describing a method of manufacturing an optical device incorporating a micro-nano combination structure according to a ninth embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view for describing a method for manufacturing a micro nano combination structure according to a first embodiment of the present invention.
  • a microstructure 105 is formed on a substrate 100 prepared in advance.
  • the substrate 100 is preferably made of, for example, a semiconductor substrate (eg, a GaAs substrate or an InP substrate), but is not limited thereto.
  • the substrate 100 may be formed on the substrate 100 including the microstructure 105 even though the substrate 100 is not a semiconductor substrate.
  • the metal thin film 110 which will be described later can be deposited, any one can be used.
  • the microstructure 105 may include, for example, surface texturing, microlenses, microgrid patterns, and the like.
  • the surface texturing means forming a random roughness on the surface using, for example, a wet or dry etching method.
  • the microlens means to form a lens shape of several to several tens of micro size
  • the manufacturing method is generally a method of pattern-transferring onto a substrate after forming a lens shape by heat-treating the patterned photoresist, in addition to the selective oxidation method of aluminum And various ways.
  • the micro lattice pattern may be formed by etching a substrate using a photoresist pattern mask having a size of several to several tens of microns.
  • the metal thin film 110 is formed on the upper surface of the substrate 100 on which the microstructure 105 is formed using, for example, an E-beam evaporator or a thermal evaporator. Deposit.
  • the metal thin film 110 may be deposited, for example, various metals such as silver (Ag), gold (Au), nickel (Ni), and after the heat treatment process in consideration of the surface tension with the substrate 100
  • various metals such as silver (Ag), gold (Au), nickel (Ni), and after the heat treatment process in consideration of the surface tension with the substrate 100
  • a metal that can be transformed into metal particles (or metal grains) 120 (see FIG. 3C) having a period of optical wavelength or less may be selected and deposited.
  • the metal thin film 110 may be deposited to have a thickness of about 5 nm to 100 nm, and may be deposited by selecting a thickness that may be transformed into a metal particle 120 having a period of light wavelength or less after the heat treatment.
  • the deposition of the metal thin film 110 is not limited to, for example, an E-beam evaporator or a thermal evaporator, and, for example, a metal of about 5 nm to 100 nm by a sputtering machine or the like. Anything that can be deposited in thickness can be used.
  • the metal thin film 110 is transformed into metal particles 120 by heat treatment using, for example, a rapid thermal annealing (RTA) method.
  • RTA rapid thermal annealing
  • the heat treatment may be performed in a range of about 200 degrees to 900 degrees, and the heat treatment may be performed by selecting a temperature that may be transformed into metal particles 120 having a period of light wavelength or less after the heat treatment.
  • a dry etching process may be performed on the entire surface of the substrate 100 including the metal particles 120, thereby allowing the substrate 100 itself to include the microstructure 105.
  • An antireflective nanostructure 130 having a period of a constant period (preferably about 100 nm to 1000 nm) and a depth (preferably about 50 nm to 600 nm) on the upper surface, that is, a period of subwavelength or less Can be formed.
  • the antireflective nanostructure 130 is periodically and regularly arranged on the surface of the substrate 100 including the microstructure 105, and has a sharp tip so that the cross section becomes narrower from the surface of the substrate 100 toward the upper air layer. It is preferable to be formed in a wedge shape, for example, a cone shape, but is not limited thereto. For example, the shape may be formed in a parabola, triangular pyramid, square pyramidal, or polygonal pyramid shape.
  • the dry etching method for example, preferably using a plasma dry etching (Plasma Dry Etching), but not limited to this, dry etching method for improving the anisotropic etching characteristics and etching speed by using a reactive gas and plasma at the same time
  • a reactive ion etching (RIE) etching method or an inductively coupled plasma (ICP) etching method in which plasma is generated by RF power may be used.
  • RIE reactive ion etching
  • ICP inductively coupled plasma
  • the desired aspect ratio may be easily obtained by adjusting the height and the inclination of the non-reflective nanostructure 130 by adjusting at least one of a gas amount, a pressure, and a driving voltage.
  • FIG. 4 is a conceptual view illustrating reflection and transmission of light incident on a micro-nanocombined structure according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. Fresnel reflections and total reflection can be minimized.
  • FIG. 5 is a SEM image of a conventional micro pattern (a) and nano pattern (b) structure and a micro nano combination structure (c) produced by the first embodiment of the present invention, the substrate (100, 3) (A) of) used gallium arsenide (GaAs), it was confirmed that the microstructure (105, see Fig. 3 (a)) has a conical antireflective nanostructure of the pointed shape on the substrate 100 is formed. Can be.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view for describing a method for manufacturing a micro nano combination structure according to a second embodiment of the present invention.
  • a microstructure 105 is formed on a substrate 100 prepared in advance.
  • the substrate 100 is preferably made of, for example, a semiconductor substrate (for example, a GaAs substrate or an InP substrate), but is not limited thereto.
  • the upper surface of the substrate 100 including the microstructure 105 may be used. Any buffer layer 107 to be described later can be used as long as it can be deposited.
  • PECVD plasma chemical vapor deposition
  • Thermal-CVD thermal chemical vapor deposition
  • sputter or the like may be formed on the upper surface of the substrate 100 on which the microstructure 105 is formed.
  • a buffer layer 107 made of, for example, silicon oxide (SiO 2), silicon nitride (SiN x), or the like is deposited, and a metal thin film is sequentially formed using, for example, an E-beam evaporator or a thermal evaporator.
  • Deposit 110 deposit 110.
  • the buffer layer 107 is not limited to, for example, silicon oxide (SiO 2) or silicon nitride (SiNx), and the metal thin film 110 after the heat treatment by the surface tension between the buffer layer 107 and the metal thin film 110 is less than the optical wavelength. Any material can be used as long as it can be transformed into a metal particle (or metal grain) 120 (see FIG. 6C) having a period.
  • the buffer layer 107 may be deposited to have a thickness of about 5 nm to 500 nm.
  • the metal thin film 110 may be transformed into metal particles 120 having a period of light wavelength or less.
  • the nanostructure buffer layer 107 ′ see FIG. 6D) so that a portion of the upper surface of the substrate 100 including the microstructure 105 is exposed through the front surface etching using the metal particles 120. To satisfy the thickness that can be.
  • the metal thin film 110 is transformed into metal particles 120 by heat treatment, the period and size of the metal particles 120 are changed by the surface tension between the substrate 100 and the metal thin film 110. Therefore, when the material of the substrate 100 is changed according to the purpose, the thickness and heat treatment temperature of the metal must be changed accordingly, which is difficult to apply to the actual application.
  • the buffer layer 107 made of silicon oxide (SiO 2) or silicon nitride (SiN x), even if the material of the substrate 100 is changed, the surface tension between the buffer layer 107 and the metal thin film 110 does not change. It is possible to form the metal particles 120 reproducibly without changing the thickness and heat treatment temperature.
  • the metal thin film 110 may be deposited with various metals such as silver (Ag), gold (Au), nickel (Ni), and the like, after undergoing a heat treatment process in consideration of the surface tension with the substrate 100.
  • a metal that can be transformed into a metal particle 120 having a period of optical wavelength or less (Subwavelength) may be selected and deposited.
  • the metal thin film 110 may be deposited to have a thickness of about 5 nm to 100 nm, and may be deposited by selecting a thickness that may be transformed into metal particles 120 having a period of light wavelength or less after the heat treatment.
  • the deposition of the metal thin film 110 is not limited to, for example, an E-beam evaporator or a thermal evaporator, and, for example, a metal of about 5 nm to 100 nm by a sputtering machine or the like. Anything that can be deposited in thickness can be used.
  • the metal thin film 110 is transformed into metal particles 120 by heat treatment using, for example, rapid thermal annealing (RTA).
  • RTA rapid thermal annealing
  • the heat treatment may be performed in a range of about 200 degrees to 900 degrees, and the heat treatment may be performed by selecting a temperature that may be transformed into metal particles 120 having a period of light wavelength or less after the heat treatment.
  • the substrate including the microstructure 105 may be formed by, for example, performing a dry etching process on the entire surface of the substrate 100 including the buffer layer 107 and the metal particles 120.
  • the nanostructure buffer layer 107 ′ is not aligned but is formed at regular intervals.
  • the antireflective nanostructure having a period of light wavelength or less on the upper surface of the substrate 100 including the microstructure 105 through front etching using the nanostructure buffer layer 107 ′ as a mask ( 130). Afterwards, the remaining buffer layer and the metal particles 120 are removed by wet etching.
  • the anti-reflective nanostructure 130 is preferably formed in a wedge shape having a sharp end, such as a cone, so as to have a narrower cross section from the surface of the substrate 100 to the upper air layer, but is not limited thereto. It may be formed in the form of a parabola, a triangular pyramid, a square pyramid or a polygonal pyramid. In some cases, it may be formed in the form of truncated cones.
  • the dry etching method is preferably plasma dry etching (Plasma Dry Etching), but is not limited to this, dry etching method for improving the anisotropic etching characteristics and etching speed by using a reactive gas and plasma at the same time, for example, RF Reactive ion etching (RIE) etching or ICP (Inductively Coupled Plasma) etching, in which plasma is generated by power, may be used.
  • RIE RF Reactive ion etching
  • ICP Inductively Coupled Plasma
  • the height and the slope of the anti-reflective nanostructure may be adjusted by adjusting at least one of a gas amount, a pressure, and a driving voltage.
  • a desired aspect ratio may be adjusted by adjusting RF power. Can be easily obtained.
  • a transparent electrode (not shown) may be further interposed between the substrate 100 and the buffer layer 107, and the transparent electrode may be, for example, an E-beam evaporator or a thermal evaporator, sputter deposition. It is preferable to deposit using a sputtering evaporator or the like.
  • indium tin oxide ITO
  • tin oxide TO
  • IZO indium tin zinc oxide
  • Indium zinc oxide Indium zinc oxide
  • the transparent electrode is interposed between the substrate 100 and the buffer layer 107, the nanostructure buffer layer 107 ′ is formed on the upper surface of the transparent electrode in FIG.
  • the nanostructure buffer layer 107 ' is used as a mask to form a nanostructured transparent electrode through front etching, and a portion of the substrate 100 also forms an antireflective nanostructure having a period of light wavelength or less.
  • the transparent electrode may be re-deposited on the entire surface of the substrate 100 to allow the nanostructure transparent electrodes to be connected to each other so that current may flow.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view for describing a method of manufacturing an optical device incorporating a micro-nano combination structure according to a third embodiment of the present invention.
  • the optical device has a structure of a general light emitting device.
  • the n-type doped layer 200, the active layer 210, and the p-type doped layer 220 are sequentially stacked, and then p-type.
  • the p-type upper electrode 230 may be stacked on the upper surface of the doping layer 220 except for the light emitting part, and the n-type lower electrode 240 may be stacked on the lower surface of the n-type doping layer 200, but is not limited thereto. Do not.
  • the detailed description of the method of forming the anti-reflective nanostructure 130 is the same as the first or second embodiment of the present invention described above, a detailed description thereof will be omitted.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view for describing a method of manufacturing an optical device incorporating a micro-nano combination structure according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the optical device has a structure of a general light emitting device.
  • the n-type doped layer 300, the active layer 310, and the p-type doped layer 320 are sequentially stacked, and then p-type.
  • the transparent electrode 330 and the contact pads 340 may be sequentially stacked on the doped layer 320, and the n-type lower electrode 350 may be stacked on the bottom surface of the n-type doped layer 300. It is not limited to this.
  • the manufacturing method of the optical device in which the micro-nano combination structure according to the fourth embodiment of the present invention is integrated can be completed.
  • the detailed description of the method of forming the anti-reflective nanostructure 130 is the same as the first or second embodiment of the present invention described above, a detailed description thereof will be omitted.
  • the transparent electrode 330 is stacked on the front surface of the p-type doped layer 320 including the antireflective nanostructure 130, and then the contact pads 340 are stacked on the upper surface of the transparent electrode 330 except for the light emitting part.
  • the transparent electrode 330 is deposited on the antireflective nanostructure 130, the shape is formed in the same manner as the antireflective nanostructure 130.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view for describing an optical device in which a micro-nano combination structure according to a fifth embodiment of the present invention is integrated.
  • an optical device is a general triple junction solar cell, and a germanium (Ge) having a band gap of about 0.65 eV is used as the bottom cell layer 400, and about 1.4 thereon.
  • the In0.08Ga0.92As near the eV is provided with a middle cell layer 430 and an In0.56Ga0.44P of about 1.9eV with a top cell 450 formed thereon.
  • each of the battery layers 410, 430, and 450 is connected through first and second tunnel junction layers 410 and 440, and the p-type upper electrode 460 is formed on one side of the upper battery layer 450.
  • a method of manufacturing a triple junction solar cell which is an optical device incorporating a micro-nano combination structure, may be completed.
  • the detailed description of the method of forming the anti-reflective nanostructure 130 is the same as the first or second embodiment of the present invention described above, a detailed description thereof will be omitted.
  • a buffer layer 420 made of InGaAs may be further provided between the first tunnel junction layer 410 and the intermediate battery layer 430.
  • the upper cell layer 450 absorbs up to about 650 nm wavelength band
  • the intermediate cell layer 430 absorbs up to about 900 nm
  • the lower cell layer 400 absorbs up to about 1900 nm.
  • the method of manufacturing the anti-reflective nanostructure 130 to the surface of the upper cell layer 450 can minimize the reflection of incident light, thereby increasing the efficiency of the solar cell.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view for describing an optical device in which a micro-nano combination structure according to a sixth embodiment of the present invention is integrated.
  • the optical device has a structure of a general photodetector, for example, an n-type doping layer 500, a light absorbing layer 510, and a p-type doping layer 520 are sequentially stacked, and then p-type.
  • the p-type upper electrode 530 may be stacked on the upper surface of the doping layer 520 except for the light absorbing portion, and the n-type lower electrode 540 may be stacked on the lower surface of the n-type doping layer 500. It doesn't.
  • the micro according to the sixth embodiment of the present invention It is possible to complete the manufacturing method of the optical device in which the nano-combined structure is integrated.
  • the detailed description of the method of forming the anti-reflective nanostructure 130 is the same as the first or second embodiment of the present invention described above, a detailed description thereof will be omitted.
  • the method of manufacturing the anti-reflective nanostructure 130 to the surface of the p-type doping layer 520 can minimize the reflection of the incident light, thereby increasing the efficiency of the photodetector.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view for describing an optical device having an integrated micro nanocomposite structure according to a seventh embodiment of the present invention.
  • the optical device which is a general transparent glass 600, has a refractive index of about 1.5 and transmits about 95% or more in a specific wavelength band. However, in some applications such as solar cells, a transmittance of about 99% or more in a wide band is required.
  • a method of manufacturing the antireflective nanostructure 130 formed according to the first or second embodiment of the present invention described above may be used. have.
  • the antireflective nanostructure 130 formed according to the first or second embodiment of the present invention on the upper portion of the transparent glass 600, it is possible to obtain a high transmittance in a wider band.
  • the anti-reflective nanostructure 130 in the upper portion as well as the lower portion of the transparent glass 600 it is possible to obtain a high transmittance in a wider band.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view for describing a method of manufacturing an optical device having a micro-nano combination structure according to an eighth embodiment of the present invention.
  • the optical device has a structure of a general light emitting device, that is, a light emitting diode (LED), for example, an n-type doped layer (n-GaAs) 700 and a distributed feedback reflecting layer (AlAs / AlGaAs) ( After sequentially stacking the Distributed Bragg Reflector (DBR) 710, the active layer 720, and the p-type doped layer 730, the p-type upper electrode 740 is formed on the upper surface of the p-type doped layer 730 except for the light emitting part.
  • the n-type lower electrode 750 may be stacked on the bottom surface of the n-type doped layer 700, but is not limited thereto.
  • the micro-nano according to the eighth embodiment of the present invention The manufacturing method of the optical element in which the combination structure is integrated can be completed.
  • the detailed description of the method of forming the anti-reflective nanostructure 130 is the same as the first or second embodiment of the present invention described above, a detailed description thereof will be omitted.
  • FIG. 13 is a graph showing light output according to a change in current of an optical device in which a micro-nanocomb structure is integrated according to an eighth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 (a) shows a conventional optical device without an antireflective nanostructure.
  • 13 (b) shows a conventional optical device having only an antireflective nanopattern, and
  • FIG. 13 (c) shows a conventional optical device having only an antireflective micropattern, and
  • FIG. 13 (d) shows the present invention.
  • the optical device having the micro-nano combination structure according to the eighth embodiment shows that the optical power is improved by about 35% to 72.4%, and the output wavelength is almost unchanged.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view for describing a method of manufacturing an optical device incorporating a micro-nano combination structure according to a ninth embodiment of the present invention.
  • the optical device has a structure of a flip chip bonded GaN-based light emitting diode (LED), which is formed of gallium nitride (GaN) on a sapphire substrate 800 formed of an Al 2 O 3 series component. A buffer layer and an N-type gallium nitride layer (n-GaN) 810 are formed.
  • LED gallium nitride
  • n-GaN N-type gallium nitride layer
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • the active layer 820 is grown on the N-type gallium nitride layer 810.
  • the active layer 820 is a semiconductor layer having a quantum well made of indium gallium nitride (InGaN) as a light emitting region, for example, a multi quantum well layer (MQW).
  • a P-type gallium nitride layer (p-GaN) 830 is continuously formed.
  • the p-type gallium nitride layer 830 is made of, for example, an AlGaN or InGaN component.
  • the P-type gallium nitride layer 830 is a layer contrasted with the N-type gallium nitride layer 810, and the N-type gallium nitride layer 810 supplies electrons to the active layer 820 by a voltage applied from the outside.
  • the P-type gallium nitride layer 830 supplies holes to the active layer 820 by a voltage applied to the outside, whereby holes and electrons are coupled to each other in the active layer 820 to provide light. To be generated.
  • a metal having a high reflectance is formed on the P-type gallium nitride layer 830 to form a P-type electrode 840 including a role of a reflecting plate.
  • an electrode pad may be further formed on the P-type electrode 840.
  • the N-type gallium nitride layer 810 is etched and opened, and then an N-type electrode 850 is formed on the N-type gallium nitride layer 810.
  • the light emitting diode (LED) configured as described above is mounted on the silicon (Si) submount 900 in the form of a flip chip, and the positions corresponding to the P-type and N-type electrodes 840 and 850 on the submount 900.
  • the metal layer 920 eg, Au Bump
  • the metal layer 920 is electrically bonded between the reflective layers 910 formed therein.
  • part of the light generated in the active layer 820 is emitted to the outside through the sapphire substrate 800, and part of the light is on the P-type gallium nitride layer 830, the P-type electrode 840, and the submount 900.
  • the light is reflected from the reflective layer 910 formed at and emitted to the outside.
  • LEDs light emitting diodes
  • the active layer 820 is emitted to the outside through the sapphire substrate 800 after being directly or reflected, so that the light emitting diodes generate light to the semiconductor top surface. Compared with the light efficiency is increased.
  • the anti-reflective nanostructure 130 formed in accordance with the second embodiment it is possible to complete the manufacturing method of the optical device in which the micro-nano combination structure according to the ninth embodiment of the present invention is integrated.
  • the detailed description of the method of forming the anti-reflective nanostructure 130 is the same as the first or second embodiment of the present invention described above, a detailed description thereof will be omitted.

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Abstract

본 발명은 마이크로 나노 조합구조물, 마이크로 나노 조합구조의 제조방법 및 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법에 관한 것으로, 기판 상에 마이크로 구조를 형성하는 단계와, 상기 마이크로 구조가 형성된 기판 상에 금속박막을 증착하는 단계와, 상기 금속박막을 열처리하여 금속입자로 변형시키는 단계와, 상기 마이크로 구조가 형성된 기판 상면에 광파장 이하의 주기를 갖는 끝이 뾰족한 쐐기형의 무반사 나노구조가 형성되도록 상기 금속입자를 마스크로 하여 상기 마이크로 구조가 형성된 기판의 전면을 식각하는 단계를 포함함으로써, 제조 공정이 간단하며, 공기와 반도체 물질간의 굴절률차로 인해 발생하는 빛의 반사량을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 광소자(optical device) 분야에 용이하게 적용할 수 있는 효과가 있다.

Description

마이크로 나노 조합구조물, 마이크로 나노 조합구조의 제조방법 및 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법
본 발명은 마이크로 나노 조합구조물, 마이크로 나노 조합구조의 제조방법 및 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판 상에 마이크로 구조 형성 후 금속박막 증착, 열처리, 전면 식각을 이용하여 마이크로 구조 상에 광파장 이하의 주기를 갖는 끝이 뾰족한 쐐기형 또는 파라볼라형의 무반사 나노구조를 형성함으로써, 공기와 반도체 물질간의 굴절률차로 인해 발생하는 프레넬(Fresnel) 반사 및 전반사를 최소화할 수 있도록 한 마이크로 나노 조합구조물, 마이크로 나노 조합구조의 제조방법 및 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 굴절률이 다른 두 매질간의 빛의 반사량를 줄이는 것은 예컨대, 태양 전지, 광검출기, 발광 다이오드, 투명 글래스(Glass) 등 광소자에서 해결해야할 매우 중요한 문제이다.
이러한 빛의 반사는 광소자의 효율을 떨어뜨리는 주요 원인이 되며 이를 최소화할수록 높은 효율을 얻을 수 있게 된다. 빛의 반사를 줄이기 위해 일반적으로 사용되는 방법은 크게 두 가지로 나눌 수 있다.
첫 번째로는 마이크로 크기의 구조물을 형성함으로써 전반사가 일어나는 확률을 줄이는 방법으로 표면 텍스처링(Texturing), 마이크로렌즈, 마이크로격자 패턴 등이 이에 해당한다.
도 1은 종래 기술의 일 실시예에 따른 마이크로 패턴이 형성된 구조물에 입사하는 빛의 반사와 투과를 설명하기 위한 개념도로서, 종래 기술의 일 실시예에 따른 마이크로 패턴(1a)이 형성된 구조물(1)을 통해 빛이 외부로 빠져나올 확률이 높아지는 장점이 있으나(실선), 매질과 공기간의 굴절률차로 인한 프레넬(Fresnel) 반사는 극복할 수 없는 단점이 있다(점선).
두 번째로는 굴절률의 차이로 인하여 생기는 손실을 근본적으로 줄이기 위해서 파장보다 짧은 크기의 격자나 비주기적 구조를 통해 두 매질간의 유효 굴절률을 서서히 변화시키는 방식이 있다.
이는 나방 눈의 모양과 닮았다고 하여 ‘모스 아이(Moth eye)’구조라 불린다.
도 2는 종래 기술의 다른 실시예에 따른 나노 패턴(2a)이 형성된 구조물(2)에 입사하는 빛의 반사와 투과를 설명하기 위한 개념도로서, 매질과 공기간의 계면에서 프레넬 반사가 거의 나타나지 않기 때문에 수직 입사각의 경우 거의 0％에 가까운 반사율을 얻어낼 수 있으나, 입사각이 커질 경우 발생하는 전반사는 없앨 수 없는 단점이 있다.
전술한 바와 같이, 종래의 마이크로 구조를 이용하는 경우에는 전반사를 줄일 수는 있으나 프레넬 반사를 줄이기는 어렵고, 광파장 이하의 나노 구조를 이용하는 경우에는 프레넬 반사는 줄일 수 있으나 전반사를 줄일 수는 없는 단점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 기판 상에 마이크로 구조 형성 후 금속박막 증착, 열처리, 전면 식각을 이용하여 마이크로 구조 상에 광파장 이하의 주기를 갖는 끝이 뾰족한 쐐기형 또는 파라볼라형의 무반사 나노구조를 형성함으로써, 공기와 반도체 물질간의 굴절률차로 인해 발생하는 프레넬 반사 및 전반사를 최소화할 수 있도록 한 마이크로 나노 조합구조물, 마이크로 나노 조합구조의 제조방법 및 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법을 제공하는데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 측면은, 기판 상에 마이크로 구조가 형성되되, 상기 마이크로 구조가 형성된 기판 상면에 광파장 이하의 주기를 갖는 끝이 뾰족한 쐐기형의 무반사 나노구조가 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 조합구조물을 제공하는 것이다.
여기서, 상기 무반사 나노구조는, 상기 마이크로 구조가 형성된 기판 상에 증착되는 금속박막을 열처리하여 금속입자로 변형시키고, 상기 금속입자를 마스크로 하여 상기 마이크로 구조가 형성된 기판의 전면을 식각하여 형성됨이 바람직하다.
바람직하게, 상기 무반사 나노구조는, 상기 마이크로 구조가 형성된 기판 상에 순차적으로 증착되는 버퍼층 및 금속박막을 열처리하여 금속입자로 변형시키고, 상기 버퍼층이 나노구조 버퍼층이 되도록 상기 금속입자를 마스크로 하여 전면 식각하며, 상기 나노구조 버퍼층을 마스크로 하여 상기 마이크로 구조가 형성된 기판의 전면을 식각하여 형성될 수 있다.
본 발명의 제2 측면은, 기판 상에 마이크로 구조를 형성하는 단계; 상기 마이크로 구조가 형성된 기판 상에 금속박막을 증착하는 단계; 상기 금속박막을 열처리하여 금속입자로 변형시키는 단계; 및 상기 마이크로 구조가 형성된 기판 상면에 광파장 이하의 주기를 갖는 끝이 뾰족한 쐐기형의 무반사 나노구조가 형성되도록 상기 금속입자를 마스크로 하여 상기 마이크로 구조가 형성된 기판의 전면을 식각하는 단계를 포함하는 마이크로 나노 조합구조의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제3 측면은, 기판 상에 마이크로 구조를 형성하는 단계; 상기 마이크로 구조가 형성된 기판 상에 버퍼층 및 금속박막을 순차적으로 증착하는 단계; 상기 금속박막을 열처리하여 금속입자로 변형시키는 단계; 상기 버퍼층이 나노구조 버퍼층이 되도록 상기 금속입자를 마스크로 하여 전면 식각을 수행하는 단계; 및 상기 마이크로 구조가 형성된 기판 상면에 광파장 이하의 주기를 갖는 끝이 뾰족한 쐐기형의 무반사 나노구조가 형성되도록 상기 나노구조 버퍼층을 마스크로 하여 상기 마이크로 구조가 형성된 기판의 전면을 식각하는 단계를 포함하는 마이크로 나노 조합구조의 제조방법을 제공하는 것이다.
여기서, 상기 마이크로 구조는 표면 텍스처링, 마이크로렌즈, 마이크로 격자 패턴 등이 포함됨이 바람직하며, 상기 표면 텍스처링은 습식이나 건식 식각 방법을 사용하여 랜덤(Random)한 거칠기를 표면에 형성하는 것을 의미한다.
상기 마이크로렌즈는 수 내지 수십 마이크로 크기의 렌즈 모양을 형성하는 것을 의미하며, 제작방식은 패터닝된 포토레지스트를 열처리하여 렌즈 모양을 만든 후 기판에 패턴전사 하는 방식이 일반적이며, 이밖에도 알루미늄의 선택적 산화 방식 등 다양한 방식이 포함될 수 있다.
상기 마이크로 격자패턴은 수 내지 수십 마이크로 크기의 포토레지스트 패턴 마스크로 하여 기판을 식각함으로써 형성할 수 있다.
바람직하게, 상기 버퍼층은 산화규소(SiO2) 또는 질화규소(SiNx)로 이루어질 수 있다.
바람직하게, 상기 금속박막은 은(Ag), 금(Au) 또는 니켈(Ni) 중 어느 하나의 금속을 이용하여 증착되거나, 상기 기판과의 표면 장력을 고려하여 상기 열처리후 광파장 이하의 주기를 갖는 금속입자로 변형될 수 있는 금속을 선택하여 증착할 수 있다.
바람직하게, 상기 금속박막은 5nm～100nm 정도의 두께를 갖도록 증착되거나, 상기 열처리후 광파장 이하의 주기를 갖는 금속입자로 변형될 수 있는 두께를 선택하여 증착할 수 있다.
바람직하게, 상기 열처리는 200도～900도 범위에서 시행되거나, 상기 열처리후 광파장 이하의 주기를 갖는 금속입자로 변형될 수 있는 온도를 선택하여 열처리할 수 있다.
바람직하게, 상기 무반사 나노구조는 플라즈마 건식 식각법을 이용하여 형성할 수 있다.
바람직하게, 상기 건식 식각 시 가스량, 압력, 구동 전압 중 적어도 어느 하나의 조건을 조절하여 무반사 나노구조의 높이 및 경사도를 조절함으로써 원하는 종횡비(aspect ratio)를 얻도록 할 수 있다.
본 발명의 제4 측면은, 광소자의 제조방법에 있어서, n형 도핑층, 활성층 및 p형 도핑층을 순차적으로 적층한 후, 상기 p형 도핑층의 p형 상부전극 위치를 제외한 발광부 상면에 마이크로 구조를 형성하는 단계; 상기 p형 도핑층의 상면에 p형 상부전극을 적층하고, 상기 n형 도핑층의 하면에 n형 하부전극을 적층하는 단계; 상기 p형 도핑층의 마이크로 구조가 형성된 발광부 상면에 금속박막을 증착하는 단계; 상기 금속박막을 열처리하여 금속입자로 변형시키는 단계; 및 상기 p형 도핑층의 마이크로 구조가 형성된 발광부 상면에 광파장 이하의 주기를 갖는 끝이 뾰족한 쐐기형의 무반사 나노구조가 형성되도록 상기 금속입자를 마스크로 하여 상기 p형 도핑층의 마이크로 구조가 형성된 발광부의 전면을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제5 측면은, 광소자의 제조방법에 있어서, n형 도핑층, 활성층 및 p형 도핑층을 순차적으로 적층한 후, 상기 p형 도핑층의 발광부 상면에 마이크로 구조를 형성하는 단계; 상기 p형 도핑층의 마이크로 구조가 형성된 발광부 상면에 금속박막을 증착하는 단계; 상기 금속박막을 열처리하여 금속입자로 변형시키는 단계; 상기 p형 도핑층의 마이크로 구조가 형성된 발광부 상면에 광파장 이하의 주기를 갖는 끝이 뾰족한 쐐기형의 무반사 나노구조가 형성되도록 상기 금속입자를 마스크로 하여 상기 p형 도핑층의 마이크로 구조가 형성된 발광부의 전면을 식각하는 단계; 및 상기 무반사 나노구조를 포함한 p형 도핑층의 전면에 투명전극을 적층한 후, 상기 투명전극의 발광부를 제외한 상면에 접촉패드를 적층하고, 상기 n형 도핑층의 하면에 n형 하부전극을 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제6 측면은, 광소자의 제조방법에 있어서, 하부 전지층, 중간 전지층 및 상부 전지층을 순차적으로 적층한 후, 상기 상부 전지층의 일측 상면에 p형 상부전극을 적층하고, 상기 하부 전지층의 하면에 n형 하부전극을 적층하는 단계; 상기 p형 상부전극 영역을 제외한 상부 전지층의 상면에 마이크로 구조를 형성하는 단계; 상기 마이크로 구조가 형성된 상부 전지층의 상면에 금속박막을 증착하는 단계; 상기 금속박막을 열처리하여 금속입자로 변형시키는 단계; 및 상기 p형 상부전극 영역을 제외한 마이크로 구조가 형성된 상부 전지층의 상면에 광파장 이하의 주기를 갖는 끝이 뾰족한 쐐기형의 무반사 나노구조가 형성되도록 상기 금속입자를 마스크로 하여 상기 p형 상부전극 영역을 제외한 상부 전지층의 전면을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법을 제공하는 것이다.
여기서, 상기 하부 전지층과 중간 전지층 사이 및 상기 중간 전지층과 상부 전지층의 사이는 각각 제1 및 제2 터널 접합층을 통해 연결됨이 바람직하다.
바람직하게, 상기 제1 터널 접합층과 중간 전지층 사이에 버퍼층이 더 구비될 수 있다.
본 발명의 제7 측면은, 광소자의 제조방법에 있어서, n형 도핑층, 광 흡수층 및 p형 도핑층을 순차적으로 적층한 후, 상기 p형 도핑층의 광 흡수부를 제외한 상면에 p형 상부전극을 적층하고, 상기 n형 도핑층의 하면에 n형 하부전극을 적층하는 단계; 상기 p형 도핑층의 광 흡수부 상면에 마이크로 구조를 형성하는 단계; 상기 마이크로 구조가 형성된 p형 도핑층의 광 흡수부 상면에 금속박막을 증착하는 단계; 상기 금속박막을 열처리하여 금속입자로 변형시키는 단계; 및 상기 마이크로 구조가 형성된 p형 도핑층의 광 흡수부 상면에 광파장 이하의 주기를 갖는 끝이 뾰족한 쐐기형의 무반사 나노구조가 형성되도록 상기 금속입자를 마스크로 하여 상기 마이크로 구조가 형성된 p형 도핑층의 광 흡수부 전면을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제8 측면은, 광소자의 제조방법에 있어서, n형 도핑층, 분포궤환 반사층, 활성층 및 p형 도핑층을 순차적으로 적층한 후, 상기 p형 도핑층의 p형 상부전극 위치를 제외한 발광부 상면에 마이크로 구조를 형성하는 단계; 상기 마이크로 구조가 형성된 p형 도핑층의 발광부 상면에 금속박막을 증착하는 단계; 상기 금속박막을 열처리하여 금속입자로 변형시키는 단계; 및 상기 마이크로 구조가 형성된 p형 도핑층의 발광부 상면에 광파장 이하의 주기를 갖는 끝이 뾰족한 쐐기형의 무반사 나노구조가 형성되도록 상기 금속입자를 마스크로 하여 상기 마이크로 구조가 형성된 p형 도핑층의 발광부 전면을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법을 제공하는 것이다.
여기서, 상기 p형 도핑층의 일측 상부에 p형 상부전극을 형성한 후, 상기 n형 도핑층의 하면에 n형 하부전극을 형성하는 단계를 더 포함함이 바람직하다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 마이크로 나노 조합구조물, 마이크로 나노 조합구조의 제조방법 및 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법에 따르면, 기판 상에 마이크로 구조 형성 후 금속박막 증착, 열처리, 전면 식각을 이용하여 마이크로 구조 상에 광파장 이하의 주기를 갖는 끝이 뾰족한 쐐기형 또는 파라볼라형의 무반사 나노구조를 형성함으로써, 제조 공정이 간단하며, 공기와 반도체 물질간의 굴절률차로 인해 발생하는 빛의 반사량을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 저비용으로 광파장 이하의 주기를 갖는 무반사 격자구조의 제작이 가능하며, 태양전지, 광검출기, 발광소자, 투명 글래스 등의 광소자에 집적 시 효율을 극대화할 수 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 기판의 단차가 있는 경우에도 공정이 가능하며, 웨이퍼 스케일 공정이 가능하며, 금속 마스크를 이용함으로써 기판 물질에 상관없이 마스킹 역할을 충분히 할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래 기술의 일 실시예에 따른 마이크로 패턴이 형성된 구조물에 입사하는 빛의 반사와 투과를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 종래 기술의 다른 실시예에 따른 나노 패턴이 형성된 구조물에 입사하는 빛의 반사와 투과를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로 나노 조합구조의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로 나노 조합구조에 입사하는 빛의 반사와 투과를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 종래의 마이크로 및 나노 패턴 구조와 본 발명의 제1 실시예에 의해 제작된 마이크로 나노 조합구조의 SEM 이미지를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로 나노 조합구조의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제6 실시예에 따른 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제7 실시예에 따른 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 12는 본 발명의 제8 실시예에 따른 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 13은 본 발명의 제8 실시예에 따른 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 전류의 변화에 따른 광출력을 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 제9 실시예에 따른 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.
(제1 실시예)
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로 나노 조합구조의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3의 (a)를 참조하면, 미리 준비한 기판(100) 상에 마이크로 구조(105)를 형성한다. 여기서, 기판(100)은 예컨대, 반도체 기판(예컨대, GaAs 기판 또는 InP 기판 등)으로 이루어짐이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 반도체 기판이 아니더라고 마이크로 구조(105)를 포함한 기판(100) 상에 후술하는 금속박막(110)을 증착할 수 있다면 어느 것이든 이용 가능한 것으로 한다.
그리고, 마이크로 구조(105)는 예컨대, 표면 텍스처링(Texturing), 마이크로렌즈, 마이크로 격자패턴 등이 포함될 수 있다.
상기 표면 텍스처링은 예컨대, 습식이나 건식 식각 방법을 사용해 랜덤(Random)한 거칠기를 표면에 형성하는 것을 의미한다.
상기 마이크로렌즈는 수 내지 수십 마이크로 크기의 렌즈 모양을 형성하는 것을 의미하며, 제작방식은 패터닝된 포토레지스트를 열처리하여 렌즈 모양을 만든 후 기판에 패턴전사 하는 방식이 일반적이며, 이밖에도 알루미늄의 선택적 산화 방식 등 다양한 방식이 포함될 수 있다.
상기 마이크로 격자패턴은 수 내지 수십 마이크로 크기의 포토레지스트 패턴 마스크로 하여 기판을 식각함으로써 형성할 수 있다.
도 3의 (b)를 참조하면, 마이크로 구조(105)가 형성된 기판(100)의 상면에 예컨대, 전자빔 증착(E-beam evaporator) 또는 열 증착(thermal evaporator) 등을 이용하여 금속박막(110)을 증착한다.
여기서, 금속박막(110)은 예컨대, 은(Ag), 금(Au), 니켈(Ni) 등 다양한 금속이 증착될 수 있으며, 기판(100)과의 표면 장력을 고려하여 이후 열처리 과정을 거친 후 광파장 이하(Subwavelength)의 주기를 갖는 금속입자(Metal Particle)(또는 금속 알갱이)(120, 도 3의 (c) 참조)로 변형될 수 있는 금속을 선택하여 증착할 수 있다.
또한, 금속박막(110)은 약 5nm～100nm 정도의 두께를 갖도록 증착될 수 있으며, 상기 열처리후 광파장 이하의 주기를 갖는 금속입자(120)로 변형될 수 있는 두께를 선택하여 증착할 수 있다.
한편, 금속박막(110)의 증착은 예컨대, 전자빔 증착(E-beam evaporator) 또는 열 증착(Thermal evaporator)에 국한하지 않으며, 예컨대, 스퍼터링 머신(Sputtering Machine) 등에 의해 금속을 약 5nm～100nm 정도의 두께로 증착할 수 있는 어떤 것이든 이용될 수 있다.
도 3의 (c)를 참조하면, 금속박막(110)을 예컨대, 금속 열처리(Rapid Thermal Annealing, RTA) 방법 등을 이용하여 열처리함으로서 금속입자(120)로 변형시킨다.
이때, 상기 열처리는 약 200도～900도 범위에서 시행될 수 있으며, 상기 열처리후 광파장 이하의 주기를 갖는 금속입자(120)로 변형될 수 있는 온도를 선택하여 열처리할 수 있다.
도 3의 (d)를 참조하면, 금속입자(120)를 포함한 기판(100)의 전면에 예컨대, 건식 식각(Dry Etching) 공정을 수행함으로써, 마이크로 구조(105)를 포함한 기판(100) 자체의 상면에 일정한 주기(Period)(바람직하게, 약 100nm 내지 1000nm 정도)와 깊이(Depth)(바람직하게, 약 50nm 내지 600nm 정도) 즉, 광파장 이하(Subwavelength)의 주기를 갖는 무반사 나노구조(130)를 형성할 수 있다.
이러한 무반사 나노구조(130)는 마이크로 구조(105)를 포함한 기판(100)의 표면에 주기적으로 일정하게 배열되어 있으며, 기판(100)의 표면으로부터 상측의 공기층으로 갈수록 횡단면적이 좁아지도록 끝이 뾰족한 쐐기형 예컨대, 원뿔(Cone) 형태로 형성됨이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 예컨대, 파라볼라(Parabola), 삼각뿔, 사각뿔 또는 다각뿔 형태 등으로 형성될 수도 있다.
한편, 상기 건식 식각법은 예컨대, 플라즈마 건식 식각법(Plasma Dry Etching)을 이용함이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 반응성 기체와 플라즈마를 동시에 이용하여 이방성식각 특성 및 식각 속도를 향상시킨 건식식각 방법 예컨대, RF 전력(Power)에 의해 플라즈마가 생성되는 RIE(Reactive Ion Etching) 식각법 또는 ICP(Inductively Coupled Plasma) 식각법 등을 이용할 수도 있다.
한편, 상기 건식 식각 시 예컨대, 가스량, 압력, 구동 전압 중 적어도 어느 하나의 조건을 조절하여 무반사 나노구조(130)의 높이 및 경사도를 조절함으로써, 원하는 종횡비(aspect ratio)를 용이하게 얻을 수 있다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 마이크로 나노 조합구조에 입사하는 빛의 반사와 투과를 설명하기 위한 개념도로서, 본 발명의 마이크로 나노 조합구조에 의해 공기와 반도체 물질간의 굴절률차로 인해 발생하는 프레넬 반사 및 전반사를 최소화할 수 있다.
도 5는 종래의 마이크로 패턴(a) 및 나노 패턴(b) 구조와 본 발명의 제1 실시예에 의해 제작된 마이크로 나노 조합구조(c)의 SEM 이미지를 나타낸 도면으로서, 기판(100, 도 3의 (a) 참조)은 갈륨비소(GaAs)를 이용하였으며, 마이크로 구조(105, 도 3의 (a) 참조)가 형성된 기판(100) 상에 끝이 뾰족한 형태의 원뿔형 무반사 나노구조를 가지는 것을 확인할 수 있다.
(제2 실시예)
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 마이크로 나노 조합구조의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 6의 (a)를 참조하면, 미리 준비한 기판(100) 상에 마이크로 구조(105)를 형성한다. 여기서, 기판(100)은 예컨대, 반도체 기판(예컨대, GaAs 기판 또는 InP 기판 등)으로 이루어짐이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 반도체 기판이 아니더라고 마이크로 구조(105)를 포함한 기판(100)의 상면에 후술하는 버퍼층(107)을 증착할 수 있다면 어느 것이든 이용 가능한 것으로 한다.
도 6의 (b)를 참조하면, 마이크로 구조(105)가 형성된 기판(100)의 상면에 예컨대, 플라스마 화학기상 증착(PECVD), 열 화학기상 증착(Thermal-CVD), 스퍼터(sputter) 등을 이용하여 예컨대, 산화규소(SiO2) 또는 질화규소(SiNx) 등으로 이루어진 버퍼층(107)을 증착하고, 순차적으로 예컨대, 전자빔 증착(E-beam evaporator) 또는 열 증착(thermal evaporator) 등을 이용하여 금속박막(110)을 증착한다.
여기서, 버퍼층(107)은 예컨대, 산화규소(SiO2) 또는 질화규소(SiNx)에 국한하지 않으며, 버퍼층(107)과 금속박막(110) 간의 표면 장력에 의해 열처리 후 금속박막(110)이 광파장 이하의 주기를 갖는 금속입자(또는 금속 알갱이)(120, 도 6의 (c) 참조)로 변형될 수 있으면 어느 것이든 이용 가능한 것으로 한다.
또한, 버퍼층(107)은 약 5nm～500nm 정도의 두께를 갖도록 증착할 수 있으며, 첫째, 열처리후 금속박막(110)이 광파장 이하의 주기를 갖는 금속입자(120)로 변형될 수 있으며, 둘째, 금속입자(120)를 이용하여 전면 식각을 통해 버퍼층(107)이 마이크로 구조(105)를 포함한 기판(100) 상면의 일정부분이 노출되도록 나노구조 버퍼층(107', 도 6의 (d) 참조)으로 될 수 있는 두께를 만족하도록 한다.
일반적으로, 금속박막(110)을 열처리하여 금속입자(120)로 변형시킬 경우, 기판(100)과 금속박막(110) 간의 표면 장력에 의해 금속입자(120)의 주기 및 크기가 변하게 된다. 따라서, 기판(100)의 물질이 목적에 따라 바뀌게 될 경우, 그에 따라 금속의 두께 및 열처리 온도가 변경되어야 하며 이는 실제 응용에 적용하기에 어려운 점이 따른다.
한편, 산화규소(SiO2) 또는 질화규소(SiNx)로 이루어진 버퍼층(107)을 이용할 경우, 기판(100)의 물질이 변경되더라도 버퍼층(107)과 금속박막(110) 간의 표면 장력에는 변화가 없으므로 금속의 두께 및 열처리 온도의 변경 없이 재현성 있게 금속입자(120)의 형성이 가능하다.
그리고, 금속박막(110)은 예컨대, 은(Ag), 금(Au), 니켈(Ni) 등 다양한 금속이 증착될 수 있으며, 기판(100)과의 표면 장력을 고려하여 이후 열처리 과정을 거친 후 광파장 이하(Subwavelength)의 주기를 갖는 금속입자(120)로 변형될 수 있는 금속을 선택하여 증착할 수 있다.
또한, 금속박막(110)은 약 5nm～100nm 정도의 두께를 갖도록 증착될 수 있으며, 상기 열처리 후 광파장 이하의 주기를 갖는 금속입자(120)로 변형될 수 있는 두께를 선택하여 증착할 수 있다.
한편, 금속박막(110)의 증착은 예컨대, 전자빔 증착(E-beam evaporator) 또는 열 증착(Thermal evaporator)에 국한하지 않으며, 예컨대, 스퍼터링 머신(Sputtering Machine) 등에 의해 금속을 약 5nm～100nm 정도의 두께로 증착할 수 있는 어떤 것이든 이용될 수 있다.
도 6의 (c)를 참조하면, 금속박막(110)을 예컨대, 급속 열처리(Rapid Thermal Annealing, RTA) 등을 이용하여 열처리함으로서 금속입자(120)로 변형시킨다. 이때, 상기 열처리는 약 200도～900도 범위에서 시행될 수 있으며, 상기 열처리후 광파장 이하의 주기를 갖는 금속입자(120)로 변형될 수 있는 온도를 선택하여 열처리할 수 있다.
도 6의 (d)를 참조하면, 버퍼층(107) 및 금속입자(120)를 포함한 기판(100)의 전면에 예컨대, 건식 식각(Dry Etching) 공정을 수행함으로써, 마이크로 구조(105)를 포함한 기판(100)의 상면에 일정한 주기(Period)(바람직하게, 약 100nm 내지 1000nm 정도)와 깊이(Depth)(바람직하게, 약 50nm 내지 600nm 정도) 즉, 광파장 이하(Subwavelength)의 주기를 갖는 나노구조 버퍼층(107')을 형성할 수 있다.
이러한 나노구조 버퍼층(107')은 정렬되어있지는 않으나 일정 간격을 두고 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
도 6의 (e)를 참조하면, 나노구조 버퍼층(107')을 마스크로 이용하여 전면 식각을 통해 마이크로 구조(105)를 포함한 기판(100)의 상면에 광파장 이하의 주기를 갖는 무반사 나노구조(130)를 형성한다. 이후 잔여 버퍼층 및 금속입자(120)는 습식 식각을 통해 제거된다.
이러한 무반사 나노구조(130)는 기판(100)의 표면으로부터 상측의 공기층으로 갈수록 횡단면적이 좁아지도록 끝이 뾰족한 쐐기형 예컨대, 원뿔(Cone) 형태로 형성됨이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 예컨대, 파라볼라(Parabola), 삼각뿔, 사각뿔 또는 다각뿔 형태 등으로 형성될 수도 있다. 경우에 따라 끝이 잘린 원뿔대(truncated cone)형태로 형성될 수도 있다.
한편, 상기 건식 식각법은 플라즈마 건식 식각법(Plasma Dry Etching)을 이용함이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 반응성 기체와 플라즈마를 동시에 이용하여 이방성식각 특성 및 식각 속도를 향상시킨 건식식각 방법 예컨대, RF 전력(Power)에 의해 플라즈마가 생성되는 RIE(Reactive Ion Etching) 식각법 또는 ICP(Inductively Coupled Plasma) 식각법 등을 이용할 수도 있다.
한편, 상기 건식 식각 시 예컨대, 가스량, 압력, 구동 전압 중 적어도 어느 하나의 조건을 조절하여 무반사 나노구조의 높이 및 경사도를 조절할 수 있으며, 특히 RF 전력(Power)을 조절하여 원하는 종횡비(aspect ratio)를 용이하게 얻을 수 있다.
추가적으로, 기판(100)과 버퍼층(107) 간에 투명전극(미도시)이 추가로 개재될 수 있으며, 상기 투명전극은 예컨대, 전자빔 증착(E-beam evaporator) 또는 열 증착(thermal evaporator), 스퍼터링 증착(Sputtering evaporator) 등을 이용하여 증착함이 바람직하다.
이러한 투명전극의 재료로는 예컨대, 인듐 틴 옥사이드(Indium Tin Oxide, ITO), 틴 옥사이드(Tin Oxide, TO), 인듐 틴 징크 옥사이드(Indium Tin Zinc Oxide, IZO) 및 인듐 징크 옥사이드(Indium Zinc Oxide, IZO) 중 어느 하나가 선택될 수 있다.
한편, 상기 투명전극의 개재 공정 이외의 모든 제조 공정은 전술한 제2 실시예와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 전술한 제2 실시예를 참조하기로 한다. 다만, 상기 투명전극을 기판(100)과 버퍼층(107) 사이에 개재할 경우, 전술한 도 6의 (d)에서는 상기 투명전극의 상면에 나노구조 버퍼층(107‘)을 형성하게 되며, 도 6의 (e)에서는 나노구조 버퍼층(107‘)을 마스크로 하여 전면 식각을 통해 나노구조 투명전극을 형성하고, 기판(100)의 일정부분도 광파장 이하의 주기를 갖는 무반사 나노구조를 형성한다. 이후에, 기판(100)의 전면에 투명전극을 재증착하여, 상기 나노구조 투명전극끼리 연결될 수 있게 함으로써, 전류가 흐를 수 있도록 할 수도 있다.
(제3 실시예)
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7의 (a)를 참조하면, 광소자는 일반적인 발광소자의 구조로써, 예컨대, n형 도핑층(200), 활성층(210) 및 p형 도핑층(220)을 순차적으로 적층한 후, p형 도핑층(220)의 발광부를 제외한 상면에 p형 상부전극(230)을 적층하고, n형 도핑층(200)의 하면에 n형 하부전극(240)을 적층함으로써 형성할 수 있으며, 이에 국한하지는 않는다.
도 7의 (b)를 참조하면, p형 도핑층(220)의 발광부 상면에 전술한 본 발명의 제1 또는 제2 실시예에 따라 형성된 무반사 나노구조(130)를 집적함으로써, 본 발명의 제3 실시예에 따른 무반사 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법을 완성할 수 있다.
이때, 무반사 나노구조(130)의 형성 방법에 대한 상세한 설명은 전술한 본 발명의 제1 또는 제2 실시예와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
(제4 실시예)
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 8의 (a)를 참조하면, 광소자는 일반적인 발광소자의 구조로써, 예컨대, n형 도핑층(300), 활성층(310) 및 p형 도핑층(320)을 순차적으로 적층한 후, p형 도핑층(320)의 상부에 투명전극(330) 및 접촉패드(340)를 순차적으로 적층하고, n형 도핑층(300)의 하면에 n형 하부전극(350)을 적층함으로써 형성할 수 있으며, 이에 국한하지는 않는다.
도 8의 (b)를 참조하면, 투명전극(330)을 적층하기 전에, p형 도핑층(320)의 발광부 상면에 전술한 본 발명의 제1 또는 제2 실시예에 따라 형성된 무반사 나노구조(130)를 집적함으로써, 본 발명의 제4 실시예에 따른 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법을 완성할 수 있다.
이때, 무반사 나노구조(130)의 형성 방법에 대한 상세한 설명은 전술한 본 발명의 제1 또는 제2 실시예와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 투명전극(330)은 무반사 나노구조(130)를 포함한 p형 도핑층(320)의 전면에 적층한 후, 투명전극(330)의 발광부를 제외한 상면에 접촉패드(340)를 적층한다. 이때, 투명전극(330)은 무반사 나노구조(130)의 상부에 증착되기 때문에, 그 형태는 무반사 나노구조(130)의 형태와 동일하게 형성된다.
(제5 실시예)
도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 9를 참조하면, 광소자는 일반적인 삼중 접합(triple junction) 태양전지로서, 밴드갭이 약 0.65eV인 게르마늄(Ge)을 하부 전지층(Bottom Cell)(400)으로 사용하고, 그 상부에 약 1.4eV근처의 In0.08Ga0.92As를 중간 전지층(Middle Cell)(430)과 그 상부에 약 1.9eV의 In0.56Ga0.44P를 상부 전지층(Top Cell)(450)이 구비된 구조이다.
그리고, 각 전지층(410,430,450)의 전기적 연결은 제1 및 제2 터널 접합층(Tunnel Junction)(410 및 440)을 통해 연결하고, 상부 전지층(450)의 일측 상면에 p형 상부전극(460)이 형성되며, 하부 전지층(400)의 하면에 n형 하부전극(470)이 형성되어 있다.
특히, p형 상부전극(460) 영역을 제외한 상부 전지층(450)의 상면에 전술한 본 발명의 제1 또는 제2 실시예에 따라 형성된 무반사 나노구조(130)를 집적함으로써, 본 발명의 제5 실시예에 따른 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자인 삼중 접합 태양 전지의 제조방법을 완성할 수 있다.
이때, 무반사 나노구조(130)의 형성 방법에 대한 상세한 설명은 전술한 본 발명의 제1 또는 제2 실시예와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
바람직하게는, 제1 터널 접합층(410)과 중간 전지층(430) 사이에 InGaAs로 이루어진 버퍼층(420)이 더 구비할 수 있다.
즉, 태양광 스펙트럼을 흡수하는 측면에서 보면 상부 전지층(450)에서 약 650nm 파장 대역까지 흡수하고, 중간 전지층(430)에서 약 900nm까지 흡수하며, 하부 전지층(400)에서 약 1900nm까지 흡수함으로서 넓은 대역폭에 걸쳐 광을 흡수할 수 있는 구조를 갖는다.
여기서, 상부 전지층(450)의 표면에 무반사 나노구조(130)의 제조방법을 적용함으로써 입사광의 반사를 최소화할 수 있으며 이로 인해 태양 전지의 효율을 높일 수 있다.
(제6 실시예)
도 10은 본 발명의 제6 실시예에 따른 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 10을 참조하면, 광소자는 일반적인 광검출기(photodetector)의 구조로써, 예컨대, n형 도핑층(500), 광 흡수층(510) 및 p형 도핑층(520)을 순차적으로 적층한 후, p형 도핑층(520)의 광 흡수부를 제외한 상면에 p형 상부전극(530)을 적층하고, n형 도핑층(500)의 하면에 n형 하부전극(540)을 적층함으로써 형성할 수 있으며, 이에 국한하지는 않는다.
특히, p형 도핑층(520)의 광 흡수부 상면에 전술한 본 발명의 제1 또는 제2 실시예에 따라 형성된 무반사 나노구조(130)를 집적함으로써, 본 발명의 제6 실시예에 따른 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법을 완성할 수 있다.
이때, 무반사 나노구조(130)의 형성 방법에 대한 상세한 설명은 전술한 본 발명의 제1 또는 제2 실시예와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
여기서, p형 도핑층(520)의 표면에 무반사 나노구조(130)의 제조방법을 적용함으로써 입사광의 반사를 최소화할 수 있으며 이로 인해 광검출기의 효율을 높일 수 있다.
(제7 실시예)
도 11은 본 발명의 제7 실시예에 따른 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 11을 참조하면, 광소자는 일반적인 투명 글래스(Transparent Glass)(600)로서, 약 1.5 정도의 굴절률을 가지며 특정 파장 대역에서 약 95% 이상의 투과율을 보인다. 그러나, 태양 전지 등 몇몇 응용분야에서는 넓은 대역에서 약 99% 이상의 투과율을 요하며 이를 위해서 전술한 본 발명의 제1 또는 제2 실시예에 따라 형성된 무반사 나노구조(130)의 제조방법이 이용될 수 있다.
즉, 투명 글래스(600)의 상부에 전술한 본 발명의 제1 또는 제2 실시예에 따라 형성된 무반사 나노구조(130)를 집적함으로써 보다 넓은 대역에서 높은 투과율을 얻을 수 있다. 또한, 투명 글래스(600)의 상부뿐만 아니라 하부에도 무반사 나노구조(130)를 집적함으로써 보다 넓은 대역에서 높은 투과율을 얻을 수 있다.
(제8 실시예)
도 12는 본 발명의 제8 실시예에 따른 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 12를 참조하면, 광소자는 일반적인 발광소자 즉, 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)의 구조로써, 예컨대, n형 도핑층(n-GaAs)(700), 분포궤환 반사층(AlAs/AlGaAs)(Distributed Bragg Reflector, DBR)(710), 활성층(720) 및 p형 도핑층(730)을 순차적으로 적층한 후, p형 도핑층(730)의 발광부를 제외한 상면에 p형 상부전극(740)을 적층하고, n형 도핑층(700)의 하면에 n형 하부전극(750)을 적층함으로써 형성할 수 있으며, 이에 국한하지는 않는다.
특히, p형 도핑층(730)의 발광부 상면에 전술한 본 발명의 제1 또는 제2 실시예에 따라 형성된 무반사 나노구조(130)를 집적함으로써, 본 발명의 제8 실시예에 따른 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법을 완성할 수 있다.
이때, 무반사 나노구조(130)의 형성 방법에 대한 상세한 설명은 전술한 본 발명의 제1 또는 제2 실시예와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 13은 본 발명의 제8 실시예에 따른 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 전류의 변화에 따른 광출력을 나타낸 그래프로서, 도 13의 (a)는 무반사 나노구조가 없는 종래의 광소자를 나타낸 것이며, 도 13의 (b)는 무반사 나노패턴만 있는 종래의 광소자를 나타낸 것이며, 도 13의 (c)는 무반사 마이크로 패턴만 있는 종래의 광소자를 나타낸 것이며, 도 13의 (d)는 본 발명의 제8 실시예에 따른 마이크로 나노 조합구조가 있는 광소자를 나타낸 것으로 종래에 비해 광출력(Power)이 약 35％ 내지 72.4％ 향상되었음을 확인할 수 있으며, 출력 파장은 거의 변화가 없다.
(제9 실시예)
도 14는 본 발명의 제9 실시예에 따른 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 14를 참조하면, 광소자는 플립칩 본딩형 GaN계 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)의 구조로써, Al2O3 계열의 성분으로 되어있는 사파이어(Sapphire) 기판(800) 상에 질화갈륨(GaN)으로 이루어진 버퍼층(buffer layer), N형 질화갈륨층(n-GaN)(810)을 형성한다.
상기와 같이, 사파이어 기판(800) 상에 3족 계열의 원소를 박막 성장하기 위해서는 일반적으로 금속 유기화학 기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD)을 사용하고, 성장 압력은 약 200 토르(torr)～650 토르(torr)를 유지하면서 레이어(layer)를 형성한다.
이후에, N형 질화갈륨층(810)이 성장되면, N형 질화갈륨층(810) 상에 활성층(820)을 성장시킨다. 활성층(820)은 발광 영역으로서 질화인듐갈륨(InGaN)으로 이루어진 양자우물을 갖는 반도체 층 예컨대, 다중 양자 우물층(MQW)이다. 활성층(820)이 성장되면 계속해서 P형 질화갈륨층(p-GaN)(830)을 형성한다. P형 질화갈륨층(830)은 예컨대, AlGaN 또는 InGaN 성분으로 이루어진다.
P형 질화갈륨층(830)은 N형 질화갈륨층(810)과 대조되는 층으로써, N형 질화갈륨층(810)은 외부로부터 인가되는 전압에 의하여 전자들을 활성층(820)에 공급한다. 그리고, 상대적으로 P형 질화갈륨층(830)은 외부에 인가되는 전압에 의하여 정공(hole)들을 활성층(820)에 공급함으로써, 활성층(820)에서 정공(hole)과 전자가 서로 결합하여 광을 발생시키도록 한다.
그리고, P형 질화갈륨층(830) 상에 반사율이 높은 금속을 형성하여 반사판 역할을 포함하는 P형 전극(840)을 형성한다. 여기서, P형 전극(840) 상에는 전극 패드(pad)를 더 형성할 수 있다.
이후에, N형 질화갈륨층(810)까지 식각하여 오픈(open)시킨 다음, N형 질화갈륨층(810) 상에 N형 전극(850)을 형성한다.
상기와 같이 구성된 발광다이오드(LED)는 플립칩 형태로 실리콘(Si) 서브마운트(900) 상에 실장되는데, 서브마운트(900) 상에 P형 및 N형 전극(840 및 850)과 대응되는 위치에 형성된 반사층(910) 사이에 금속범프(920)(예컨대, Au Bump)를 사용하여 전기적으로 본딩한다.
상기와 같은 구조로 플립칩 본딩된 발광다이오드(LED)는 서브마운트(900)를 통하여 전원이 발광다이오드(LED)에 인가되면, 활성층(820)에서 전자와 정공이 결합하여 광을 발생한다.
이와 같이 활성층(820)에서 발생된 광의 일부는 사파이어 기판(800)을 통하여 외부로 방출되고, 일부의 광은 P형 질화갈륨층(830)과 P형 전극(840) 및 서브마운트(900) 상에 형성되어 있는 반사층(910)에서 반사된 후 외부로 방출된다.
특히, 발광다이오드(LED)가 플립칩 본딩된 경우에는 활성층(820)에서 발생된 광이 직접 또는 반사된 후 사파이어 기판(800)을 통하여 외부로 방출되므로, 반도체 탑면으로 광을 발생시키는 발광다이오드에 비해서 광효율이 증가하는 장점이 있다.
더욱이, 사파이어 기판(800)을 통하여 외부로 빛의 방출 시 공기와 반도체 물질간의 굴절률차로 인해 발생하는 빛의 반사량을 최소화할 수 있도록 사파이어 기판(800)의 외부 노출면에 전술한 본 발명의 제1 또는 제2 실시예에 따라 형성된 무반사 나노구조(130)를 집적함으로써, 본 발명의 제9 실시예에 따른 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법을 완성할 수 있다.
이때, 무반사 나노구조(130)의 형성 방법에 대한 상세한 설명은 전술한 본 발명의 제1 또는 제2 실시예와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
전술한 본 발명에 따른 마이크로 나노 조합구조의 제조방법 및 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.

Claims (19)

  1. 기판 상에 마이크로 구조가 형성되되,
    상기 마이크로 구조가 형성된 기판 상면에 광파장 이하의 주기를 갖는 끝이 뾰족한 쐐기형의 무반사 나노구조가 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 조합구조물.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 무반사 나노구조는, 상기 마이크로 구조가 형성된 기판 상에 증착되는 금속박막을 열처리하여 금속입자로 변형시키고, 상기 금속입자를 마스크로 하여 상기 마이크로 구조가 형성된 기판의 전면을 식각하여 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 조합구조물.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 무반사 나노구조는, 상기 마이크로 구조가 형성된 기판 상에 순차적으로 증착되는 버퍼층 및 금속박막을 열처리하여 금속입자로 변형시키고, 상기 버퍼층이 나노구조 버퍼층이 되도록 상기 금속입자를 마스크로 하여 전면 식각하며, 상기 나노구조 버퍼층을 마스크로 하여 상기 마이크로 구조가 형성된 기판의 전면을 식각하여 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 조합구조물.
  4. 기판 상에 마이크로 구조를 형성하는 단계;
    상기 마이크로 구조가 형성된 기판 상에 금속박막을 증착하는 단계;
    상기 금속박막을 열처리하여 금속입자로 변형시키는 단계; 및
    상기 마이크로 구조가 형성된 기판 상면에 광파장 이하의 주기를 갖는 끝이 뾰족한 쐐기형의 무반사 나노구조가 형성되도록 상기 금속입자를 마스크로 하여 상기 마이크로 구조가 형성된 기판의 전면을 식각하는 단계를 포함하는 마이크로 나노 조합구조의 제조방법.
  5. 기판 상에 마이크로 구조를 형성하는 단계;
    상기 마이크로 구조가 형성된 기판 상에 버퍼층 및 금속박막을 순차적으로 증착하는 단계;
    상기 금속박막을 열처리하여 금속입자로 변형시키는 단계;
    상기 버퍼층이 나노구조 버퍼층이 되도록 상기 금속입자를 마스크로 하여 전면 식각을 수행하는 단계; 및
    상기 마이크로 구조가 형성된 기판 상면에 광파장 이하의 주기를 갖는 끝이 뾰족한 쐐기형의 무반사 나노구조가 형성되도록 상기 나노구조 버퍼층을 마스크로 하여 상기 마이크로 구조가 형성된 기판의 전면을 식각하는 단계를 포함하는 마이크로 나노 조합구조의 제조방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 버퍼층은 산화규소(SiO2) 또는 질화규소(SiNx)로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 조합구조의 제조방법.
  7. 제4 항 또는 제5 항에 있어서,
    상기 금속박막은 은(Ag), 금(Au) 또는 니켈(Ni) 중 어느 하나의 금속을 이용하여 증착되거나, 상기 기판과의 표면 장력을 고려하여 상기 열처리후 광파장 이하의 주기를 갖는 금속입자로 변형될 수 있는 금속을 선택하여 증착하는 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 조합구조의 제조방법.
  8. 제4 항 또는 제5 항에 있어서,
    상기 금속박막은 5nm～100nm 정도의 두께를 갖도록 증착되거나, 상기 열처리후 광파장 이하의 주기를 갖는 금속입자로 변형될 수 있는 두께를 선택하여 증착하는 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 조합구조의 제조방법.
  9. 제4 항 또는 제5 항에 있어서,
    상기 열처리는 200도～900도 범위에서 시행되거나, 상기 열처리후 광파장 이하의 주기를 갖는 금속입자로 변형될 수 있는 온도를 선택하여 열처리하는 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 조합구조의 제조방법.
  10. 제4 항 또는 제5 항에 있어서,
    상기 무반사 나노구조는 플라즈마 건식 식각법을 이용하여 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 조합구조의 제조방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 건식 식각 시 가스량, 압력, 구동 전압 중 적어도 어느 하나의 조건을 조절하여 무반사 나노구조의 높이 및 경사도를 조절함으로써 원하는 종횡비(aspect ratio)를 얻도록 하는 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 조합구조의 제조방법.
  12. 광소자의 제조방법에 있어서,
    n형 도핑층, 활성층 및 p형 도핑층을 순차적으로 적층한 후, 상기 p형 도핑층의 p형 상부전극 위치를 제외한 발광부 상면에 마이크로 구조를 형성하는 단계;
    상기 p형 도핑층의 상면에 p형 상부전극을 적층하고, 상기 n형 도핑층의 하면에 n형 하부전극을 적층하는 단계;
    상기 p형 도핑층의 마이크로 구조가 형성된 발광부 상면에 금속박막을 증착하는 단계;
    상기 금속박막을 열처리하여 금속입자로 변형시키는 단계; 및
    상기 p형 도핑층의 마이크로 구조가 형성된 발광부 상면에 광파장 이하의 주기를 갖는 끝이 뾰족한 쐐기형의 무반사 나노구조가 형성되도록 상기 금속입자를 마스크로 하여 상기 p형 도핑층의 마이크로 구조가 형성된 발광부의 전면을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법.
  13. 광소자의 제조방법에 있어서,
    n형 도핑층, 활성층 및 p형 도핑층을 순차적으로 적층한 후, 상기 p형 도핑층의 발광부 상면에 마이크로 구조를 형성하는 단계;
    상기 p형 도핑층의 마이크로 구조가 형성된 발광부 상면에 금속박막을 증착하는 단계;
    상기 금속박막을 열처리하여 금속입자로 변형시키는 단계;
    상기 p형 도핑층의 마이크로 구조가 형성된 발광부 상면에 광파장 이하의 주기를 갖는 끝이 뾰족한 쐐기형의 무반사 나노구조가 형성되도록 상기 금속입자를 마스크로 하여 상기 p형 도핑층의 마이크로 구조가 형성된 발광부의 전면을 식각하는 단계; 및
    상기 무반사 나노구조를 포함한 p형 도핑층의 전면에 투명전극을 적층한 후, 상기 투명전극의 발광부를 제외한 상면에 접촉패드를 적층하고, 상기 n형 도핑층의 하면에 n형 하부전극을 적층하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법.
  14. 광소자의 제조방법에 있어서,
    하부 전지층, 중간 전지층 및 상부 전지층을 순차적으로 적층한 후, 상기 상부 전지층의 일측 상면에 p형 상부전극을 적층하고, 상기 하부 전지층의 하면에 n형 하부전극을 적층하는 단계;
    상기 p형 상부전극 영역을 제외한 상부 전지층의 상면에 마이크로 구조를 형성하는 단계;
    상기 마이크로 구조가 형성된 상부 전지층의 상면에 금속박막을 증착하는 단계;
    상기 금속박막을 열처리하여 금속입자로 변형시키는 단계; 및
    상기 p형 상부전극 영역을 제외한 마이크로 구조가 형성된 상부 전지층의 상면에 광파장 이하의 주기를 갖는 끝이 뾰족한 쐐기형의 무반사 나노구조가 형성되도록 상기 금속입자를 마스크로 하여 상기 p형 상부전극 영역을 제외한 상부 전지층의 전면을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 하부 전지층과 중간 전지층 사이 및 상기 중간 전지층과 상부 전지층의 사이는 각각 제1 및 제2 터널 접합층을 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 제1 터널 접합층과 중간 전지층 사이에 버퍼층이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법.
  17. 광소자의 제조방법에 있어서,
    n형 도핑층, 광 흡수층 및 p형 도핑층을 순차적으로 적층한 후, 상기 p형 도핑층의 광 흡수부를 제외한 상면에 p형 상부전극을 적층하고, 상기 n형 도핑층의 하면에 n형 하부전극을 적층하는 단계;
    상기 p형 도핑층의 광 흡수부 상면에 마이크로 구조를 형성하는 단계;
    상기 마이크로 구조가 형성된 p형 도핑층의 광 흡수부 상면에 금속박막을 증착하는 단계;
    상기 금속박막을 열처리하여 금속입자로 변형시키는 단계; 및
    상기 마이크로 구조가 형성된 p형 도핑층의 광 흡수부 상면에 광파장 이하의 주기를 갖는 끝이 뾰족한 쐐기형의 무반사 나노구조가 형성되도록 상기 금속입자를 마스크로 하여 상기 마이크로 구조가 형성된 p형 도핑층의 광 흡수부 전면을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법.
  18. 광소자의 제조방법에 있어서,
    n형 도핑층, 분포궤환 반사층, 활성층 및 p형 도핑층을 순차적으로 적층한 후, 상기 p형 도핑층의 p형 상부전극 위치를 제외한 발광부 상면에 마이크로 구조를 형성하는 단계;
    상기 마이크로 구조가 형성된 p형 도핑층의 발광부 상면에 금속박막을 증착하는 단계;
    상기 금속박막을 열처리하여 금속입자로 변형시키는 단계; 및
    상기 마이크로 구조가 형성된 p형 도핑층의 발광부 상면에 광파장 이하의 주기를 갖는 끝이 뾰족한 쐐기형의 무반사 나노구조가 형성되도록 상기 금속입자를 마스크로 하여 상기 마이크로 구조가 형성된 p형 도핑층의 발광부 전면을 식각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 p형 도핑층의 일측 상부에 p형 상부전극을 형성한 후, 상기 n형 도핑층의 하면에 n형 하부전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 나노 조합구조가 집적된 광소자의 제조방법.
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