WO2017014385A1 - 전자 방출체 및 이를 포함하는 발광 장치 - Google Patents

전자 방출체 및 이를 포함하는 발광 장치 Download PDF

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WO2017014385A1
WO2017014385A1 PCT/KR2016/000630 KR2016000630W WO2017014385A1 WO 2017014385 A1 WO2017014385 A1 WO 2017014385A1 KR 2016000630 W KR2016000630 W KR 2016000630W WO 2017014385 A1 WO2017014385 A1 WO 2017014385A1
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electron
nanostructure
semiconductor wafer
electron emitter
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PCT/KR2016/000630
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조용훈
조종회
김제형
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한국과학기술원
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    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures

Definitions

  • the present invention relates to an electron emitter, a method of manufacturing the same, and a light emitting device including the same.
  • ultraviolet LEDs have been proposed as devices capable of adjusting material stability and emission wavelength ranges, the following problems arise with conventional commercially available ultraviolet LEDs. For example, it is essential to form an Mg-doped AlGaN layer in the LED structure for electric drive, but the high ionization energy of Mg results in a low carrier concentration of holes at room temperature, thereby lowering the electron-hole recombination rate. As a result, luminous efficiency is lowered.
  • the present invention is to solve the problems described above, and to provide an electron emitter and a method for manufacturing the same, which exhibit high performance electron emission characteristics and can form a large-area nanostructure.
  • the present invention provides a light emitting device including the electron emitter of the present invention, which is capable of emitting ultraviolet rays by an electron driving method and has improved luminous efficiency.
  • An electron emitter comprising a semiconductor wafer having nanostructures formed on at least a portion thereof.
  • the nanostructure may be the same component and structure continuous with the semiconductor wafer.
  • the nanostructure is formed by chemical etching on the semiconductor wafer, the nanostructure and the semiconductor wafer may have a continuous structure.
  • the nanostructures may include one or more shapes of needles, cones, and polygonal pyramids.
  • the nanostructures may have an aspect ratio of 2 to 500.
  • the nanostructures may be spaced apart at intervals of 0.01 to 1 times the height of the nanostructures.
  • the nanostructures may have a height of 10 nm to 50 ⁇ m.
  • the semiconductor wafer and the nanostructure may include a group III nitride semiconductor including a group III element and nitrogen (N).
  • the group III nitride semiconductor may include GaN.
  • Forming nanostructures on at least a portion of the semiconductor wafer It relates to a method of manufacturing an electron emitter comprising a.
  • the forming of the nanostructures may include forming a nanostructure by chemical etching, and the chemical etching may be performed using HCl, NH 3 or both.
  • a first substrate and a second substrate disposed to face each other;
  • An electron emission unit disposed on one surface of the first substrate and including a semiconductor wafer layer having a nanostructure formed on at least a portion thereof;
  • a light emitting part disposed on one surface of the second substrate and including a light emitting material layer disposed toward the nanostructure; It relates to a light emitting device comprising a.
  • the light emitting material layer may include a light emitting material emitting light by electrons emitted from the electron emission unit, and the light emitting material layer may have a thickness of 1 nm to 20 ⁇ m.
  • the electron emission portion and the light emitting portion are arranged such that a gap is formed therebetween, and the length of the gap may be adjustable.
  • the first substrate and the second substrate the same or different from each other, sapphire, diamond, LiAlO 2 , Al, SiO 2 , Si, SiC, GaN, Cu, Fe, Pt, And one or more of Pb, and may have a thickness of 10 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • At least a portion of one surface of the light emitting material layer toward the nanostructures, a reflective layer, an electron collecting layer, or both may be sequentially disposed.
  • the reflective layer, the reflective layer and the electron collecting layer Ni, Al, Cu, Fe, Ag, Zn, Sn, Pb, Sb, Ti, In, V, Cr, Co, At least one of C, Ca, Mo, Au, P, W, Rh, Mn, B, Si, Ge, Se, Ln, Ga, Ir and their alloys,
  • the reflective layer and the electron collecting layer may have a thickness of 10 nm to 200 nm.
  • a metal plate connected to an external electrode may be disposed on at least a portion of one surface of the first substrate and the light emitting material layer.
  • the present invention can provide a high performance electron emitter capable of driving a light emitting device by an electron emission injection method.
  • the present invention can produce a uniform nanostructure on a large surface of a semiconductor wafer.
  • the present invention is driven through the electron emission injection method using an electron emitter, it is possible to provide a light emitting device that emits light with the energy of electrons emitted without using a type (Al) GaN layer and improves luminous efficiency. .
  • the present invention can manufacture a light emitting device by a simple method without a complicated growth process such as a conventional formation process of the (Al) GaN layer.
  • FIG 1A illustrates an electron emitter by way of example, in accordance with an embodiment of the invention.
  • FIG. 1B and 1C illustrate a semiconductor wafer by way of example, in accordance with one embodiment of the present invention.
  • 1D-1G illustrate the form and arrangement of nanostructures, in accordance with one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A illustrates a flowchart of a method of manufacturing an electron emitter, in accordance with an embodiment of the present invention.
  • 2B is an exemplary cross-sectional view of a method of manufacturing an electron emitter, in accordance with an embodiment of the present invention.
  • 3A to 3C illustrate a light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • 3D to 3H exemplarily illustrate a light emitting material layer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4A to 4B illustrate a light emitting device to which a vacuum line according to the present invention is connected according to an embodiment of the present invention.
  • 5a to 5c exemplarily show an image of an electron emitter manufactured according to an embodiment of the present invention.
  • 8A to 8B show an ultraviolet light emitting device manufactured according to Preparation Example 1 of the present invention and its light emission characteristics as an image.
  • the present invention relates to an electron emitter comprising a semiconductor wafer having a nanostructure formed thereon.
  • FIG. 1A illustrates an electron emitter 1 by way of example in accordance with one embodiment of the present invention.
  • the electron emitter 1 includes a substrate 10 and a semiconductor wafer 20. It may include.
  • the substrate 10 is an amorphous or crystalline substrate including at least one of an inorganic, organic, and metal according to one embodiment of the present invention.
  • sapphire, diamond, LiAlO 2 , Al, SiO 2 , Si It may include one or more of SiC, GaN, Cu, Fe, Pt, Pb substrate.
  • the substrate 10 may have a thickness of 10 ⁇ m to 500 ⁇ m, preferably 50 ⁇ m to 200 ⁇ m.
  • the semiconductor wafer 20 may include one or more nanostructures 30 on at least a portion of one surface of the semiconductor wafer 20.
  • nanostructure 30 may be formed in a semiconductor wafer 20 with a small area of less than 1 inch, or may be formed with a large area of at least 1 inch, preferably at least 12 inches. Can be.
  • the semiconductor wafer 20 and the nanostructure 30 have a continuous structure.
  • the semiconductor wafer 20 may be chemically etched to form nanostructures having a continuous structure with the semiconductor wafer 20.
  • the structure 30 can be formed, and the etching process is described in detail below.
  • semiconductor wafer 20 and nanostructure 30 may comprise a semiconductor material of the same or different components, for example, FIGS. 1B and 1C illustrate According to an exemplary embodiment, the semiconductor wafer 20 is exemplarily illustrated.
  • the semiconductor wafer 20 may be formed of only one semiconductor material in FIG. At least a portion of the wafer 20 may be etched to form nanostructures 30 of the same composition as the semiconductor wafer 20, or two different semiconductor materials, eg, u-type semiconductors, from each other in FIG. 1C.
  • the material layer 21 and the n-type semiconductor material layer 22 may be sequentially formed, and the n-type semiconductor material layer 22 may be etched to form the nanostructure 30 made of the n-type semiconductor material. Can be.
  • the semiconductor wafer 20 and the nanostructure 30 may include a group III nitride semiconductor material including a group III element and nitrogen (N), for example, AlN, At least one of GaN, InN, BN, AlBN, AlInN, AlGaN, InGaN, GaBN, AlGaBN, AlInBN, AlGaInBN AlBInGaN and AlGaInN, preferably GaN.
  • the nitride semiconductor may be undoped or doped to N-type.
  • the nanostructure 30 may be a height of 10 nm to 50 ⁇ m, preferably 100 nm to 50 ⁇ m, more preferably 1 ⁇ m to 50 ⁇ m.
  • the height of the nanostructure 30 is included in the above range, the electric field is well formed at the end of the nanostructure, it is possible to increase the electron emission efficiency.
  • the nanostructure 30, which emits electrons by an applied voltage is a three-dimensional structure having a pointed shape in order to provide high-performance electron emission characteristics, nanostructures 30 may be arranged randomly or regularly.
  • the nanostructure 30 may be in the form of one or more of a needle, a cone, and a polygonal pyramid, preferably a needle shape.
  • 1D to 1G illustrate the shape and arrangement of the nanostructures according to an embodiment of the present invention. Referring to FIGS. 1D to 1F, an example of the nanostructure 30 is illustrated in FIG. 1D. Nanostructures of the needle, the hexagonal pyramid of FIG. 1E, the square pyramid of FIG. 1F, and the like.
  • the nanostructure 30 may have an aspect ratio of 2 to 500, preferably 5 to 500, and referring to FIG. 1G, the aspect ratio is the length of the bottom major axis in the cross section of the nanostructure. Ratio of length (a) to longitudinal length (b). When the aspect ratio is within the above range, the electric field is well formed at the end of the nanostructure, it is possible to increase the electron emission efficiency.
  • the nanostructures 30 may be arranged at intervals of 0.01 to 1 times, preferably 0.05 to 1 times, the height of the nanostructures 30.
  • the intervals c and c ′ are intervals between the bottom surfaces of the nanostructures 30, and the arrangement of the nanostructures 30 may be adjusted according to the same or various intervals. (c) and the interval c 'may be the same and may be different.
  • the present invention relates to a method for producing an electron emitter according to the present invention.
  • FIG. 2A is a flowchart illustrating a method of manufacturing an electron emitter according to an embodiment of the present invention.
  • the manufacturing method includes preparing a semiconductor wafer (S1) and nanoparticles. Forming a structure (S2) may be included.
  • FIG. 2B is an exemplary cross-sectional view of a method of manufacturing an electron emitter, according to an exemplary embodiment.
  • preparing a semiconductor wafer (S1) may include forming a semiconductor on a substrate.
  • the semiconductor wafer layer 20, as described above may include a group III nitride semiconductor material including a group III element and nitrogen (N).
  • the forming of the nanostructure (S2) is a step of forming the nanostructure 30 on at least a portion of one surface of the semiconductor wafer 20 by etching the semiconductor wafer 20.
  • the etching may use chemical etching to prepare the nanostructures with the morphological stability and large area of the nanostructures.
  • the chemical etching may be wet etching, dry etching or electric etching using a liquid phase, a gas phase, or both, and preferably, a gas phase dry etching.
  • the chemical etching may be selected according to the type of etching, preferably at an etching temperature of 600 °C to 1200 °C
  • the chemical etching material 40 can be appropriately selected depending on the type of etching, preferably it can be used for an etching gas consisting of HCl, NH 3, or the two.
  • the etching gas may be used together with a carrier gas such as N 2 .
  • the etching gas may be supplied to more than 0 sccm and less than 4000 sccm, preferably, the supply rate may be appropriately selected according to the type of etching gas.
  • HCl in the etching gas is supplied at 100 sccm to 4000 sccm, preferably 500 sccm to 2000 sccm, and NH 3 is greater than 0 sccm and less than 2000 sccm, preferably greater than 0 sccm and 1000 It can be supplied up to sccm.
  • the present invention relates to a light emitting device comprising the electron emitter according to the present invention.
  • FIG. 3A illustrates the light emitting device 200 according to an embodiment of the present invention.
  • the light emitting window 200 includes the first substrate 110 and the electron emitting unit 120. ), A second substrate 130, a light emitting unit 140, a metal plate M, and a ground metal plate M ′.
  • the first substrate 110 and the second substrate 130 may be disposed to face each other, and may be formed of the same or different components.
  • the first substrate 110 and the second substrate 130 is an amorphous or crystalline substrate containing at least one of inorganic, organic, and metal, for example, sapphire, diamond, It may include at least one of LiAlO 2 , Al, SiO 2 , Si, SiC, GaN, Cu, Fe, Pt, Pb.
  • the first substrate 110 and the second substrate 130 may have a thickness of 10 ⁇ m to 500 ⁇ m, preferably 50 ⁇ m to 200 ⁇ m.
  • the electron emission unit 120 may include a semiconductor wafer 121 disposed on one surface of the first substrate and one or more nanostructures 122 on at least a portion of one surface of the semiconductor wafer 121. It may include.
  • the semiconductor wafer 121 and the nanostructure 122 are as described above, and the electrons e emitted from the nanostructure 122 may be transferred to the light emitter 140 to emit light by electron injection.
  • the light emitting unit 140 may include a light emitting material layer 141 disposed on one surface of the second substrate 130 and disposed toward the nanostructure 122.
  • the material layer 141 may be formed of a single layer or a plurality of layers.
  • the light emitting material layer 141 may include a light emitting material emitting light to the electrons (e) emitted from the electron emission unit 120, and may include a group III element and nitrogen (N). It may include a group III nitride semiconductor containing, for example, at least one of AlN, GaN, InN, BN, AlBN, AlInN, AlGaN, InGaN, GaBN, AlGaBN, AlInBN, AlGaInBN AlBInGaN and AlGaInN, preferably May be GaN. The nitride semiconductor may be doped or undoped.
  • the light emitting material layer 141 may have a thickness of 1 nm to 20 ⁇ m, preferably 10 nm to 3 ⁇ m.
  • the light emitting material layer 141 includes one or more structures at least in part, and may be, for example, a two-dimensional or three-dimensional structure.
  • the structure the same shape as the nanostructure 122 of the electron emitting portion 120, or a film form; You guys; cone; Polygonal pyramid; Cylinder; Polygonal columns; And cones cut to have a flat top, and polygonal pyramid shapes; It may include one or more of the structures.
  • the emission wavelength may be adjusted according to the shape and arrangement of the structure. For example, referring to FIGS. 3D to 3H, FIGS. 3D to 3H illustrate a light emitting material layer according to an embodiment of the present invention. In FIGS.
  • the light emitting material layer ( The 141 may include a structure 141b formed on the lower end 141a and the lower end 141a of the light emitting material layer formed on the substrate 130 and facing the electron emission part 120.
  • the structure 141b is a combination of the hexagonal pyramid of FIG. 3D alone, the hexagonal pyramid cut to have the flat top with the hexagonal pyramid of FIG. 3E, the combination of the square pillars cut to have the flat top with the hexagonal pyramid of FIG. It may be formed of a needle alone or a hexagonal column of Figure 3h alone.
  • the structures 141b are composed of structures of the same or different size from each other, for example, the structures may have a 10 nm to 30 ⁇ m bottom diameter and / or 10 nm to 50 ⁇ m height.
  • the lower end 141a and the structure 141b may be made of the above-mentioned light emitting material and may be made of the same or different components.
  • the structure 141b may be formed on the lower portion 141a by being bonded to the lower portion 141a or by etching the base material layer after forming the base material layer on the substrate 130.
  • the light emitting unit 140 may be disposed to form a gap d with the electron emitting unit 120, and the gap d may include the nanostructure 122 and the light emitting material layer.
  • Distance 141, the length of the gap d is adjustable.
  • the length of the gap d may be 0.1 mm to 5 mm, preferably 0.1 mm to 2 mm.
  • the nanostructure 130 of the electron emission part 120 may be in contact with the light emitting part 140 during the process, and may be difficult to emit electrons. May reach a place other than the light emitting unit 140, which is not preferable.
  • the first substrate 110 may be disposed on at least a portion of the metal plate (M) connected to the external electrode, the external electrode may be a cathode.
  • a metal plate M ′ connected to an external electrode may be disposed on at least a portion of one surface of the second substrate 130, the light emitting material layer 141, or both, preferably, the light emitting material layer 141.
  • the external electrode may be ground, and the metal plate M 'may be a ground metal plate M'.
  • the metal plates M, M ' are Ni, Al, Cu, Fe, Ag, Zn, Sn, Pb, Sb, Ti, In, V, Cr, Co, C, Ca, Mo, Au, P, W, Rh At least one of Mn, B, Si, Ge, Se, Ln, Ga, Ir, and alloys thereof, and preferably Cu.
  • the metal plates M and M ' may be 0.1 mm to 5 mm thick.
  • the metal plates M and M ' may be arranged in various shapes and may be, for example, a donut shape or a plate shape.
  • At least a portion of one surface of the light emitting material layer 141 toward the nanostructure 122, the reflective layer, the electron collecting layer, or both may be further sequentially arranged.
  • a reflective layer 142 may be formed on the light emitting material layer 141 toward the nanostructure 122, and an electron collecting layer 143 may be formed on the reflective layer 142.
  • the reflective layer 142 may prevent the light emitted from the light emitting material layer 141 from being lost, thereby improving light extraction efficiency.
  • the reflective layer 142 may include a material capable of reflecting light emitted from the light emitting material layer 141.
  • a material capable of reflecting light emitted from the light emitting material layer 141 For example, Ni, Al, Cu, Fe, Ag, Zn, Sn, Pb, Sb, Ti, In, V, Cr, Co, C, Ca, Mo, Au, P, W, Rh, Mn, B, Si, Ge, Se, Ln, Ga, Ir and one or more of these alloys, and preferably Preferably Al, Ag, Au, and Cu, more preferably Al.
  • the reflective layer 142 may have a thickness of 10 nm to 200 nm.
  • the electron collecting layer 143 collects secondary electrons (e) emitted from the electron emission unit 120 and transfers them to the light emitting material layer, thereby preventing the loss of electrons.
  • the electron collecting layer 143 includes a material capable of collecting electrons and transferring the electrons to the light emitting material layer 141.
  • Ni, Al, Cu, Fe, Ag, Zn, Sn, Pb, Sb, Ti In, V, Cr, Co, C, Ca, Mo, Au, P, W, Rh, Mn, B, Si, Ge, Se, Ln, Ga, Ir and one or more of these alloys Preferably it is Al, Ag, Au, and Cu, More preferably, it is Al.
  • the electron collecting layer 143 may have a thickness of 10 nm to 200 nm.
  • the light emitting device 200 may further include a length adjusting unit 150.
  • the length adjusting unit 150 adjusts the length of the gap d between the light emitting unit 140 and the electron emitting unit 120, and the length adjusting unit 150 may adjust the length.
  • Any device may be used without limitation, and may preferably be a length adjustable Teflon screw.
  • the present invention may provide a light emitting device connected to a vacuum device.
  • 4A and 4B illustrate cross-sectional views of a light emitting device 300 connected with a vacuum line according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 4A and 4B illustrate a first substrate 310.
  • a window W and may further include a reflective layer and an electron collecting layer (not shown).
  • the first substrate 310, the second substrate 330, the electron emitting unit 320, the light emitting unit 340, the length adjusting unit 360, the metal plate M, and the ground metal plate M ′ are mentioned above. As shown.
  • the vacuum line 350 is connected to the external vacuum device, it is possible to apply a vacuum or withdraw the vacuum to the light emitting device 300, it is easy to replace parts inside the light emitting device 300 Can be.
  • the case 370 may be used without limitation as long as it is applicable to the light emitting device, and according to an embodiment of the present invention, the case 370 may be a metal case that can be packaged into a vacuum chamber.
  • the size, for example, the length and diameter of the metal case can be appropriately selected according to the size of the electron-emitting body, the field of application of the light emitting device, and the like. It can be selected according to the application.
  • the window (W) is formed on the upper portion of the case 370, the ultraviolet light emitted from the light emitting unit 340, the light emitted from the light emitting material layer 340 to the outside It is made of a transparent material to be delivered and may be, for example, a transparent sheet, plate, film, or the like made of quartz, transparent polymer, lead glass, or the like.
  • the light emitting device may further include a configuration known in the technical field of the present invention without departing from the scope of the present invention, and the present application is not specifically mentioned.
  • An electron emitter was prepared by forming a GaN film (diameter: 2 inches) on a sapphire substrate and then placing it in a furnace and etching with HCl and NH 3 chemical gases according to the conditions shown in Table 1. Images of the electron emitters produced are shown in FIGS. 5A and 5C.
  • a uniform nanostructure may be formed on a 2 inch large area GaN film, and the nanostructure may be formed according to the flow of etching gas and the etching temperature. You can see that the shape can be adjusted. In addition, it can be seen that when the HCl flow rate and the NH 3 flow rate are 1000 sccm and 100 sccm, respectively, a nano-needle-shaped structure having a high aspect ratio and a sharp chisel can be formed vertically.
  • the electrons emitted from the GaN nano-needle electron emitters were measured by applying a cathode to the GaN nano-needle structure of the example in a high vacuum chamber of about 10 ⁇ 6 Torr and grounding a copper plate on the opposite substrate. The results are shown in Table 2 and FIG.
  • the GaN film positioned opposite to the GaN nano-needle electron emitter of Example (c) was positioned, and the emission spectrum was measured by exciting the GaN film with electrons emitted by the change of the voltage on the GaN nano-needle. The results are shown in FIG.
  • the GaN band-end emission wavelength ( ⁇ 368 nm) and the wavelength associated with the GaN defect ( ⁇ 550 nm) can be identified, and the intensity of the emitted spectrum according to the voltage applied to the GaN nano-needle electron emitter. It was confirmed that the change.
  • An All-GaN based ultraviolet light emitting device was fabricated using the GaN nano-needle electron emitter of Example (c) and a GaN film.
  • the substrate of the GaN nano-needle electron emitter was attached to the copper plate to hang the cathode, and on the opposite side, a donut-shaped copper plate was attached to the GaN film to ground.
  • the copper plate used was about 1 cm in diameter, and the gap between the GaN nano-needle electron emitter and the GaN film was made with a screw-shaped Teflon (1 mm).
  • Stainless steel metal, packaged entirely in a vacuum chamber about 4.5 cm in diameter and about 15 cm in length. The chamber is equipped with a vacuum valve for extracting and maintaining a vacuum, and the electrode was pulled out of the chamber so that the cathode and the ground can be hooked from the outside.
  • FIGS. 8A and 8B A quartz glass plate with a diameter of about 3 cm was installed on the upper part of the device, and the ultraviolet light generated from the device was emitted through the place. The luminescence was observed by applying a voltage (3 to 10 kV) to the fabricated device, and the results are shown in FIGS. 8A and 8B. Referring to FIGS. 8A and 8B, it can be seen that the ultraviolet light emitting device emits light ((FIG. 8B) without a corrugated (Al) GaN layer by an electron injection method (FIG. 8A) using a GaN nano-needle electron emitter. have.
  • GaN nanostructures having excellent electron emission characteristics and excellent structural stability using chemical gas etching can be manufactured in a large area.
  • the GaN nanostructure may be applied as an electron emitter to provide an All-GaN based ultraviolet light emitting device using a GaN film by electron injection.

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Abstract

본 발명은, 본 발명은 전자 방출체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 발광 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 적어도 일부분에 나노 구조체가 형성된 반도체 웨이퍼를 포함하는 전자 방출체에 관한 것이다. 본 발명은, 대면적의 전자 방출체를 제공할 수 있고, 전자 주입 방식으로 구동가능할 뿐 아니라 발광 효율이 개선된 발광 장치를 제공할 수 있다.

Description

전자 방출체 및 이를 포함하는 발광 장치
본 발명은 전자 방출체, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 발광 장치에 관한 것이다.
자외선 발광원으로 수은 램프나 엑시머 레이저 등이 있지만, 유해한 물질 사용하는 등 안전성과 효율 측면에서 문제점들이 거론되고 있고, 또한, 자외선 발광 파장영역대가 고정되어 있다는 측면에서 활용도가 많이 떨어진다.
물질적 안정성과 발광 파장영역 대를 조정할 수 있는 소자로 자외선 LED가 제시되었지만, 기존의 상용화된 자외선 LED의 경우는 아래와 같은 문제점들이 야기된다. 예를 들어, 전기 구동을 위해 LED 구조에 Mg로 도핑한 피형 AlGaN 층을 형성하는 것이 필수적이지만, Mg의 이온화 에너지가 높아 상온에서 양공의 운반자 농도가 낮고, 이로 인하여, 전자-양공 재 결합률이 낮아지게 되고, 결과적으로 발광효율이 낮아진다.
충분한 양공 운반자 농도를 확보하기 위해, 피형 GaN 층을 사용되기도 하지만, 반도체의 활성에서 발광되는 자외선 대다수가 피형 GaN 층에 흡수되어서 광 추출효율의 저하를 야기하고, 시료 성장 및 공정 시, 전자블럭층(electron block layer), 반사성 p형 컨택트(reflective p-type contact), UV 투과 p형 컨택트(UV transparent p-type contact) 등과 같은 구성이 사용되어야 하고, 이러한 구성의 적용 시 제작 공정이 복합해지고, 발광 효율의 개선에 뚜렷한 효과를 제공하지 못한다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고성능의 전자 방출 특성을 나타내고, 대면적의 나노 구조체를 형성할 수 있는 전자 방출체 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 전자 구동 방식으로 자외선 발광이 가능하고, 발광 효율이 개선된 본 발명의 전자 방출체를 포함하는 발광 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있다.
본 발명의 하나의 양상은,
적어도 일부분에 나노 구조체가 형성된 반도체 웨이퍼를 포함하는 전자 방출체에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 나노 구조체는 상기 반도체 웨이퍼와 연속된 동일 성분 및 구조일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 나노 구조체는, 상기 반도체 웨이퍼 상에 화학적 식각으로 형성되어, 상기 나노 구조체와 상기 반도체 웨이퍼는 연속된 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 나노 구조체는, 니들, 원뿔, 및 다각뿔 중 1종 이상의 형상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 나노 구조체는, 2 내지 500의 종횡비를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 나노 구조체는, 상기 나노 구조체의 높이의 0.01 내지 1 배의 간격으로 떨어져 배열될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 나노 구조체는, 10 nm 내지 50 ㎛의 높이를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 반도체 웨이퍼 및 상기 나노 구조체는, III족 원소와 질소(N)를 포함하는 III족 질화물 반도체를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 III족 질화물 반도체는, GaN를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양상은,
반도체 웨이퍼를 준비하는 단계; 및
상기 반도체 웨이퍼의 적어도 일부분에 나노 구조체를 형성하는 단계; 를 포함하는 전자 방출체의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 나노 구조체를 형성하는 단계는, 화학적 식각으로 나노 구조체를 형성하고, 상기 화학적 식각은, HCl, NH3 또는 이 둘을 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상은,
서로 대향되게 배치된 제1 기판 및 제2 기판;
상기 제1 기판의 일면에 배치되고, 적어도 일부분에 나노 구조체가 형성된 반도체 웨이퍼층을 포함하는 전자 방출부; 및
상기 제2 기판의 일면에 배치되고, 상기 나노 구조체를 향해서 배치된 발광물질층을 포함하는 발광부; 를 포함하는 발광 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 발광물질층은, 상기 전자 방출부에서 방출된 전자에 의해 발광하는 발광물질을 포함하고, 상기 발광물질층은, 1 nm 내지 20 ㎛를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 전자 방출부 및 상기 발광부는, 이들 사이에 갭이 형성되도록 배치되고, 상기 갭의 길이는 조절 가능할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 제1 기판 및 제2 기판은, 서로 동일하거나 또는 상이하고, 사파이어, 다이아몬드, LiAlO2, Al, SiO2, Si, SiC, GaN, Cu, Fe, Pt, 및 Pb 중 1종 이상을 포함하고, 10 ㎛ 내지 500 ㎛ 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 발광물질층의 일면의 적어도 일부분에 상기 나노 구조체를 향해서, 반사층, 전자포집층, 또는 이 둘이 순차적으로, 더 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 반사층은, 상기 반사층 및 상기 전자포집층은, Ni, Al, Cu, Fe, Ag, Zn, Sn, Pb, Sb, Ti, In, V, Cr, Co, C, Ca, Mo, Au, P, W, Rh, Mn, B, Si, Ge, Se, Ln, Ga, Ir 및 이들의 합금 중 1종 이상을 포함하고,
상기 반사층 및 상기 전자포집층은, 10 nm 내지 200 nm 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 제1 기판 및 상기 발광물질층의 일면의 적어도 일부분에 외부 전극과 연결되는 금속판이 배치될 수 있다.
본 발명은, 발광 장치를 전자방출 주입 방식으로 구동시킬 수 있는 고성능 전자 방출체를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 반도체 웨이퍼의 전면에 균일한 나노구조체를 대면적으로 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은, 전자 방출체를 이용한 전자방출 주입방식을 통해 구동하므로, 피형(Al)GaN층의 사용 없이 방출된 전자의 에너지로 발광하고, 발광 효율이 개선된 발광 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 기존의 피형(Al)GaN층의 형성 공정 등과 같은 복잡한 성장 공정 없이 간단한 방법으로 발광 장치를 제조할 수 있다.
도 1a는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 전자 방출체를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 1b 및 1c는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 반도체 웨이퍼를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 1d 내지 도 1g는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 나노 구조체의 형태 및 배열을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 2a는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 전자 방출체의 제조방법의 흐름도를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 2b는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 전자 방출체의 제조방법의 공정 단면도를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 3a 내지 도 3c는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 발광 장치를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 3d 내지 도 3h는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 발광물질층을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 4a 내지 도 4b는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명에 의한 진공 라인이 연결된 발광 장치를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 5a 내지 도 5c는, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 전자 방출체의 이미지를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 6은, 본 발명의 실험예 1에 따라 측정된 전자 방출 특성의 결과를 나타낸 것이다.
도 7은, 본 발명의 실험예 2에 따라 측정된 자외선 발광 특성의 결과를 나타낸 것이다.
도 8a 내지 도 8b는, 본 발명의 제조예 1에 따라 제조된 자외선 발광 장치 및 이의 발광 특성을 이미지로 나타낸 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명은, 나노 구조체가 형성된 반도체 웨이퍼를 포함하는 전자 방출체에 관한 것이다.
도 1a 내지 도 1g를 참조하여 본 발명에 따른 전자 방출체를 설명한다. 도 1a는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 전자 방출체(1)를 예시적으로 나타낸 것으로, 도 1a를 참조하면, 전자 방출체(1)는, 기판(10) 및 반도체 웨이퍼(20)를 포함할 수 있다.
기판(10)은, 본 발명의 일 실시예에 따라, 무기계, 유기계, 금속 중 1종 이상을 포함하는 비정질 또는 결정질 기판이며, 예를 들어, 사파이어, 다이아몬드, LiAlO2, Al, SiO2, Si, SiC, GaN, Cu, Fe, Pt, Pb 기판 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 기판(10)은, 10 ㎛ 내지 500 ㎛ 두께를 가질 수 있고, 바람직하게는 50 ㎛ 내지 200 ㎛ 두께일 수 있다.
반도체 웨이퍼(20)는, 반도체 웨이퍼(20)의 일면의 적어도 일부분에 하나 이상의 나노구조체(30)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 나노구조체(30)는, 반도체 웨이퍼(20)에서 1 인치 미만의 소면적으로 형성될 수 있고, 또는, 1 인치 이상, 바람직하게는 12 인치 이상의 대면적으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 반도체 웨이퍼(20)와 나노구조체(30)는 연속된 구조이며, 예를 들어, 반도체 웨이퍼(20)를 화학적 식각하여 반도체 웨이퍼(20)와 연속된 구조의 나노구조체(30)를 형성할 수 있고, 식각 공정은 하기에 구체적으로 기술하였다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 반도체 웨이퍼(20) 및 나노구조체(30)는, 동일하거나 또는 상이한 성분의 반도체 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어, 도 1b 및 도 1c는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 반도체 웨이퍼(20)를 예시적으로 나타낸 것으로, 도 1b 및 도 1c를 참조하면, 반도체 웨이퍼(20)는, 도 1b에서 1종의 반도체 물질 단독으로 형성될 수 있으며, 반도체 웨이퍼(20)의 적어도 일부분을 식각하여 반도체 웨이퍼(20)와 동일한 성분의 나노구조체(30)를 형성할 수 있고, 또는 도 1c에서 서로 상이한 2종의 반도체 물질, 예를 들어, u-형 반도체 물질층(21) 및 n-형 반도체 물질층(22)이 순차적으로 형성될 수 있으며, n-형 반도체 물질층(22)을 식각하여 n-형 반도체 물질로 이루어진 나노구조체(30)를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 반도체 웨이퍼(20) 및 나노구조체(30)는, III족 원소와 질소(N)를 포함하는 III족 질화물 반도체 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어, AlN, GaN, InN, BN, AlBN, AlInN, AlGaN, InGaN, GaBN, AlGaBN, AlInBN, AlGaInBN AlBInGaN 및 AlGaInN 중 1종 이상을 포함하고, 바람직하게는 GaN일 수 있다. 상기 질화물 반도체는, 도핑되지 않거나 또는 N형으로 도핑될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 나노구조체(30)는 10 nm 내지 50 ㎛의 높이, 바람직하게는 100 nm 내지 50 ㎛, 더 바람직하게는, 1 ㎛ 내지 50 ㎛의 높이일 수 있다. 나노구조체(30)의 높이가 상기 범위 내에 포함되면, 나노구조체 끝에 전기장 형성이 잘 이루어지고, 전자방출 효율을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 나노구조체(30)는, 인가된 전압에 의해 전자를 방출하는 것으로, 고성능의 전자 방출특성을 제공하기 위해서 끝부분이 뾰족한 형상을 가진 3차원 구조체이며, 나노구조체(30)는, 랜덤 또는 규칙적으로 배열될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 나노구조체(30)는, 니들, 원뿔, 및 다각뿔 중 1종 이상의 형상일 수 있고, 바람직하게는 니들 형상일 수 있다. 도 1d 내지 도 1g는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 나노 구조체의 형태 및 배열을 예시적으로 나타낸 것으로, 도 1d 내지 도 1f를 참조하면, 나노구조체(30)의 예로는, 도 1d의 니들, 도 1e의 육각뿔, 및 도 1f의 사각뿔의 나노구조체 등일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 나노구조체(30)는, 2 내지 500의 종횡비, 바람직하게는 5 내지 500일 수 있고, 도 1g를 참조하면, 상기 종횡비는, 나노구조체의 단면에서 밑면 장축의 길이 (a) 대 종방향 길이 (b)의 비율이다. 상기 종횡비가 상기 범위 내에 포함되면, 나노구조체 끝에 전기장 형성이 잘 이루어지고, 전자방출 효율을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 나노구조체(30)는, 나노구조체(30)의 높이의 0.01 내지 1 배, 바람직하게는 0.05 내지 1 배의 간격으로 떨어져 배열될 수 있다. 도 1g를 참조하면, 상기 간격(c, c')은, 나노구조체(30)의 밑면 간의 간격이며, 동일하거나 다양한 간격에 따라 나노구조체(30)의 배열을 조절할 수 있고, 예를 들어, 간격(c) 및 간격(c')는 동일할 수 있고, 상이할 수 있다.
본 발명은, 본 발명에 의한 전자 방출체의 제조방법에 관한 것이다.
도 2를 참조하여 본 발명에 의한 전자 방출체의 제조방법을 설명한다. 도 2a는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 전자 방출체의 제조방법의 흐름도를 예시적으로 나타낸 것으로, 도 2a를 참조하면, 상기 제조방법은, 반도체 웨이퍼를 준비하는 단계(S1) 및 나노구조체를 형성하는 단계(S2)를 포함할 수 있다.
도 2b는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 전자 방출체의 제조방법의 공정 단면도를 예시적으로 나타낸 것으로, 도 2b를 참조하면, 반도체 웨이퍼를 준비하는 단계(S1)는, 기판 상에 반도체 웨이퍼층(20)을 형성하는 단계이며, 반도체 웨이퍼층(20)은, 상기 언급한 바와 같고, III족 원소와 질소(N)를 포함하는 III족 질화물 반도체 물질을 포함할 수 있다.
나노구조체를 형성하는 단계(S2)는, 반도체 웨이퍼(20)를 식각하여 반도체 웨이퍼(20)의 일면의 적어도 일부분에 나노구조체(30)를 형성하는 단계이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 식각은, 나노 구조체의 형태적 안정성과 대면적으로 나노 구조체를 제조하기 위해서 화학적 식각을 이용할 수 있다. 상기 화학적 식각은, 액상, 기상 또는 이 둘을 이용하고, 습식 식각, 건식 식각 또는 전기 식각일 수 있고, 바람직하게는 기상 건식 식각일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 화학적 식각은, 식각의 종류에 따라 식각 온도를 선택할 수 있고, 바람직하게는 600 ℃ 내지 1200 ℃의 식각 온도에서 이루어질 수 있고, 화학적 식각 물질(40)은, 식각의 종류에 따라 적절하게 선택할 수 있고, 바람직하게는 HCl, NH3 또는 이 둘로 이루어진 식각용 가스를 이용할 수 있다. 상기 식각용 가스는, N2 등과 같은 캐리어 가스와 함께 이용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 식각용 가스는, 0 sccm 초과 및 4000 sccm 이하로 공급될 수 있고, 바람직하게는 식각용 가스의 종류에 따라 공급 속도를 적절하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 식각용 가스 중 HCl은, 100 sccm 내지 4000 sccm, 바람직하게는 500 sccm 내지 2000 sccm로 공급되고, NH3는, 0 sccm 초과 및 2000 sccm 이하, 바람직하게는 0 sccm 초과 및 1000 sccm 이하로 공급될 수 있다.
본 발명은, 본 발명에 의한 전자 방출체를 포함하는 발광 장치에 관한 것이다.
도 3을 참조하여 본 발명에 따른 발광 장치를 설명한다. 도 3a는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 발광 장치(200)를 예시적으로 나타낸 것으로, 도 3a를 참조하면, 발광 창지(200)는, 제1 기판(110), 전자방출부(120), 제2 기판(130), 발광부(140), 금속판(M) 및 접지 금속판(M')을 포함할 수 있다.
제1 기판(110) 및 제2 기판(130)은, 서로 대향되게 배치되고, 서로 동일하거나 또는 상이한 성분으로 이루어질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 제1 기판(110) 및 제2 기판(130)은, 무기계, 유기계, 금속 중 1종 이상을 포함하는 비정질 또는 결정질 기판이며, 예를 들어, 사파이어, 다이아몬드, LiAlO2, Al, SiO2, Si, SiC, GaN, Cu, Fe, Pt, Pb 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 제1 기판(110) 및 제2 기판(130)은, 10 ㎛ 내지 500 ㎛ 두께를 가질 수 있고, 바람직하게는 50 ㎛ 내지 200 ㎛ 두께일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 전자방출부(120)는, 제1 기판의 일면에 배치되는 반도체 웨이퍼(121) 및 반도체 웨이퍼(121)의 일면의 적어도 일부분에 하나 이상의 나노구조체(122)를 포함할 수 있다. 반도체 웨이퍼(121) 및 나노구조체(122)는, 상기 언급한 바와 같고, 나노구조체(122)에서 방출된 전자(e)는, 발광부(140)로 전달되어 전자 주입 방식으로 발광시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 발광부(140)는, 제2 기판(130)의 일면에 배치되고, 나노구조체(122)를 향해서 배치된 발광물질층(141)을 포함할 수 있고, 발광물질층(141)은, 단층 또는 복수층으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 발광물질층(141)은, 전자 방출부(120)에서 방출된 전자(e)에 발광하는 발광물질을 포함할 수 있고, III족 원소와 질소(N)를 포함하는 III족 질화물 반도체를 포함할 수 있고, 예를 들어, AlN, GaN, InN, BN, AlBN, AlInN, AlGaN, InGaN, GaBN, AlGaBN, AlInBN, AlGaInBN AlBInGaN 및 AlGaInN 중 1종 이상이며, 바람직하게는 GaN일 수 있다. 상기 질화물 반도체는, 도핑되거나 또는 도핑되지 않을 수 있다. 발광물질층(141)은, 1 nm 내지 20 ㎛의 두께, 바람직하게는 10 nm 내지 3 ㎛의 두께일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 발광물질층(141)은, 적어도 일부분에 하나 이상의 구조체를 포함하고, 예를 들어, 2차원 또는 3차원 구조체일 수 있다. 상기 구조체는, 전자방출부(120)의 나노구조체(122)와 동일한 형태, 또는, 필름 형태; 니들; 원뿔; 다각형뿔; 원기둥; 다각형 기둥; 및 플랫한 상부를 갖도록 잘려진 원뿔, 및 다각형뿔 형태; 중 1종 이상의 구조체를 포함할 수 있다. 상기 구조체의 형태 및 배열 등에 따라서 발광 파장을 조절할 수 있다. 예를 들어, 도 3d 내지 도 3h를 참조하면, 도 3d 내지 도 3h는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 발광물질층을 예시적으로 나타낸 것으로, 도 3d 내지 도 3h에서, 발광물질층(141)은, 기판(130) 상에 형성된 발광물질층의 하단부(141a) 및 하단부(141a) 상에 형성되고, 전자방출부(120)를 향하는 구조체(141b)를 포함할 수 있다. 구조체(141b)는, 도 3d의 육각뿔 단독, 도 3e의 육각뿔과 플랫한 상부를 갖도록 잘려진 육각뿔의 조합, 도 3f의 육각뿔과 플랫한 상부를 갖도록 잘려진 사각기둥의 조합, 도 3g의 니들 단독 또는 도 3h의 육각기둥 단독으로 형성될 수 있다. 구조체(141b)는, 서로 동일하거나 또는 상이한 크기의 구조체로 구성되며, 예를 들어, 구조체는 10 nm 내지 30 ㎛ 밑면 직경 및/또는 10 nm 내지 50 ㎛ 높이를 가질 수 있다. 하단부(141a) 및 구조체(141b)는, 상기 언급한 발광물질로 이루어지고, 동일하거나 또는 상이한 성분으로 이루어질 수 있다. 구조체(141b)는, 하단부(141a)와 접합되거나 또는 기판(130) 상에 모재층을 형성한 이후 이를 식각하여 하단부(141a) 상에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 발광부(140)는, 전자방출부(120)와 갭(d)이 형성되도록 배치될 수 있고, 갭(d)은, 나노구조체(122)와 발광물질층(141) 간의 거리이며, 갭(d)의 길이는 조절 가능하다. 예를 들어, 갭(d)의 길이는, 0.1 mm 내지 5 mm, 바람직하게는 0.1 mm 내지 2 mm일 수 있다. 상기 갭(d)이 0.1 mm 미만이면 공정 시 전자방출부(120)의 나노구조체(130)가 발광부(140)와 접촉하여 전자방출이 어려울 수 있고, 2 mm 초과하면 방출된 전자(e)가 발광부(140)가 아닌 다른 곳에 도달할 수 있어 바람직하지 않다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 제1 기판(110)은 일면의 적어도 일부분에 외부 전극과 연결되는 금속판(M)이 배치될 수 있고, 상기 외부 전극은, 음극일 수 있다. 또한, 제2 기판(130), 발광물질층(141) 또는 이 둘, 바람직하게는 발광물질층(141)의 일면의 적어도 일부분에 외부 전극과 연결되는 금속판(M')이 배치될 수 있고, 상기 외부 전극은, 그라운드이며, 금속판(M')은 접지 금속판(M')일 수 있다. 금속판(M, M')은, Ni, Al, Cu, Fe, Ag, Zn, Sn, Pb, Sb, Ti, In, V, Cr, Co, C, Ca, Mo, Au, P, W, Rh, Mn, B, Si, Ge, Se, Ln, Ga, Ir 및 이들의 합금 중 1종 이상을 포함하고, 바람직하게는 Cu이다. 금속판(M, M')은, 0.1 mm 내지 5 mm 두께일 수 있다. 금속판(M, M')은, 다양한 형상으로 배치될 수 있고, 예를 들어, 도넛 형태, 판형 등일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 발광물질층(141)의 일면의 적어도 일부분에 나노 구조체(122)를 향해서, 반사층, 전자포집층, 또는 이 둘이 순차적으로 더 배치될 수 있다. 도 3b를 참조하면, 나노 구조체(122)를 향해서 발광물질층(141) 상에 반사층(142)이 형성되고, 반사층(142) 상에 전자포집층(143)이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 반사층(142)은, 발광물질층(141)에서 발광된 빛이 손실되는 것을 방지하여 광 추출효율을 개선시킬 수 있다. 반사층(142)은, 발광물질층(141)에서 발광된 빛을 반사할 수 있는 물질을 포함하고, 예를 들어, Ni, Al, Cu, Fe, Ag, Zn, Sn, Pb, Sb, Ti, In, V, Cr, Co, C, Ca, Mo, Au, P, W, Rh, Mn, B, Si, Ge, Se, Ln, Ga, Ir 및 이들의 합금 중 1종 이상을 포함하고, 바람직하게는 Al, Ag, Au, 및 Cu이고, 더 바람직하게는 Al이다. 반사층(142)은, 10 nm 내지 200 nm 두께를 갖는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 전자포집층(143)은, 전자방출부(120)에서 방출된 2차 전자(e)를 수집하여 발광물질층에 전달하는 것으로, 전자의 손실을 방지할 수 있다. 전자포집층(143)은, 전자를 수집하여 발광물질층(141)에 전달할 수 있는 물질을 포함하며, 예를 들어, Ni, Al, Cu, Fe, Ag, Zn, Sn, Pb, Sb, Ti, In, V, Cr, Co, C, Ca, Mo, Au, P, W, Rh, Mn, B, Si, Ge, Se, Ln, Ga, Ir 및 이들의 합금 중 1종 이상을 포함하고, 바람직하게는 Al, Ag, Au 및 Cu 이고, 더 바람직하게는 Al이다. 전자포집층(143)은, 10 nm 내지 200 nm 두께를 갖는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따라, 발광장치(200)는, 길이 조절부(150)를 더 포함할 수 있다. 도 3c를 참조하면, 길이 조절부(150)는, 발광부(140)와 전자방출부(120) 간의 갭(d)의 길이를 조절하는 것으로, 길이 조절부(150)는, 길이를 조절할 수 있는 장치라면 제한 없이 사용될 수 있고, 바람직하게는 길이 조절 가능한 테프론 나사일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명은 진공 장치에 연결된 발광 장치를 제공할 수 있다. 도 4a 및 도 4b는, 본 발명의 일 실시예에 따라 본 발명에 의한 진공 라인이 연결된 발광 장치(300)의 단면도를 예시적으로 나타낸 것으로, 도 4a 및 도 4b는, 제1 기판(310), 제2 기판(330), 전자방출부(320), 발광부(340), 진공 라인(350), 길이 조절부(360), 케이스(370), 금속판(M), 접지 금속판(M') 및 윈도우(W)를 포함할 수 있고, 반사층 및 전자포집층(미도시)을 더 포함할 수 있다.
제1 기판(310), 제2 기판(330), 전자방출부(320), 발광부(340), 길이 조절부(360), 금속판(M), 및 접지 금속판(M')은 상기 언급한 바와 같다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 진공 라인(350)은 외부 진공 장치에 연결되고, 발광 장치(300)에 진공을 가하거나 진공을 뺄 수 있으므로, 발광 장치(300) 내부에 부품 교체가 용이할 수 있다.
케이스(370)는, 발광 장치에 적용 가능한 것이라면 제한 없이 사용될 수 있고, 본 발명의 일 실시예에 따라, 진공 챔버로 패키징할 수 있는 금속 케이스일 수 있다. 금속 케이스의 크기, 예를 들어, 길이 및 직경은, 전자방출체의 크기, 발광 장치의 적용 분야 등에 따라 적절하게 선택할 수 있고, 예를 들어, 소형 전구, 마이크로 전구, 대형전구 등과 같은 발광 장치의 적용 분야에 따라 선택될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 윈도우(W)는, 발광부(340)에서 발생된 자외선이 방출되는 케이스(370)의 윗부분에 형성되고, 발광물질층(340)에서 발광된 빛이 외부로 전달되도록 투명한 물질로 이루어지고, 예를 들어, 쿼츠, 투명폴리머, 납유리 등으로 이루어진 투명시트, 플레이트, 필름 등일 수 있다.
상기 발광 장치는, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면, 본 발명의 기술 분야에서 알려진 구성이 더 추가될 수 있으며, 본 출원서는 구체적으로 언급하지 않는다.
본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하지만, 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있다.
실시예
GaN 나노 구조체의 전자 방출체의 제조
사파이어 기판 상에 GaN 필름(직경: 2 인치)을 형성한 이후 퍼니스 내에 넣어, 표 1에 제시한 조건에 따라 HCl 및 NH3 화학 가스로 식각하여 전자 방출체를 제조하였다. 제조된 전자 방출체의 이미지는 도 5a 및 도 5c에 나타내었다.
실시예 에칭 시간(min) 에칭 온도(℃) HCl 흐름속도(sccm) NH3 흐름속도(sccm) 높이(㎛)
a 10 800 1000 200 0.2
b 10 900 1000 100 1.1
c 10 900 2000 0 1.9
도 5a 및 도 5c를 살펴보면, 본 발명에 의한 화학적 기상 식각 방법을 적용하여 2인치의 대면적 GaN 필름 상에 균일한 나노구조체를 형성할 수 있고, 식각 가스의 흐름 및 에칭 온도에 따라 나노 구조체의 형태를 조절할 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, HCl 흐름속도 및 NH3 흐름속도가 각각 1000 sccm 및 100 sccm인 경우에 수직으로 종횡비가 크고 끌이 날카로운 나노-니들(nano-needle) 모양의 구조체를 형성할 수 있음을 확인할 수 있다.
실험예 1
GaN 나노 구조체의 전자 방출체의 전자 방출 특성
10-6 Torr 정도의 고진공 챔버 내에서 실시예의 GaN 나노-니들 구조체에는 음극을 걸어주고, 반대편의 기판에 구리판을 접지하여 GaN 나노-니들 전자 방출체로부터 방출된 전자를 측정하였다. 그 결과는, 표 2 및 도 6에 나타내었다.
실시예 턴-온 필드＠10 ㎂/cm2 쓰레홀드 필드＠1 mA/cm2
a 3.9 -
b 3.3 5.6
c 2.7 4.5
표 2 및 도 6을 살펴보면, 수직으로 종횡비가 크고 끝이 날카로운 형태를 가질수록 전자 방출특성이 우수한 것으로 확인할 수 있다.
실험예 2
실시예 (c)의 GaN 나노 구조체의 전자 방출체와 GaN 필름을 이용한 자외선 발광 특성
실시예 (c)의 GaN 나노-니들 전자 방출체 반대편에 위치한 GaN 필름을 위치시키고, GaN 나노-니들에 전압의 변화에 따라 방출된 전자로 GaN 필름을 여기시켜 발광스펙트럼을 측정하였다. 그 결과는 도 7에 나타내었다.
도 7을 살펴보면, GaN 띠끝 방출 파장 (~368 nm)과 GaN 결함과 관련된 파장 (~550 nm)을 확인할 수 있고, GaN 나노-니들 전자 방출체에 걸어준 전압에 따라, 방출된 스펙트럼의 세기도 달라지는 것을 확인하였다.
제조예 1
GaN 나노- 니들 전자 방출체와 GaN 발광물질을 활용한 All- GaN based 자외선 발광 장치 제작
실시예 (c)의 GaN 나노-니들 전자 방출체와 GaN 필름을 이용하여 All-GaN based 자외선 발광소자를 제작하였다.
GaN 나노-니들 전자 방출체의 기판을 구리판 위에 붙여 음극을 걸어주고, 반대편에는 GaN 필름 상에 도넛 형태의 구리판을 붙여 접지하였다. 이때 사용한 구리판의 직경은 약 1 cm이고, GaN 나노-니들 전자 방출체와 GaN 필름 사이는 나사형태의 테플론으로 간격(1 mm)을 두었다. 스테인리스 금속으로 직경은 약 4.5 cm이며 길이는 약 15 cm로 만들어진 진공 챔버로 전체적으로 패키징하였다. 상기 챔버에는 진공을 뽑고 유지시킬 수 있는 진공 밸브가 달려있으며, 외부에서 음극과 접지를 걸어줄 수 있도록 챔버 밖으로 전극을 뽑아내었다. 소자 윗부분에는 직경이 약 3 cm 정도인 쿼츠 유리판을 설치하여, 이 곳을 통해 소자로부터 발생된 자외선이 방출될 수 있도록 제작하였다. 제작된 소자에 전압(3 ~ 10 kV)을 걸어 발광현상을 관찰하였으며, 그 결과는 도 8a 및 도 8b에 나타내었다. 도 8a 및 도 8b을 살펴보면, 자외선 발광 소자가 GaN 나노-니들 전자 방출체를 이용하여 전자 주입 방식(도 8a)으로, 피형 (Al)GaN 층이 없이 발광((도 8b))하는 것을 확인할 수 있다.
본 발명은, 화학적 가스 식각을 이용하여 전자 방출특성이 우수하고, 구조적 안정성이 우수한 GaN 나노구조체를 대면적으로 제조할 수 있다. 또한, 상기 GaN 나노구조체를 전자 방출체로 적용하여 전자 주입방식으로 GaN 필름을 사용한 All-GaN based 자외선 발광 소자를 제공할 수 있다.

Claims (18)

  1. 적어도 일부분에 나노 구조체가 형성된 반도체 웨이퍼를 포함하는, 전자 방출체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나노 구조체는 상기 반도체 웨이퍼와 연속된 동일 성분 및 구조인 것인, 전자 방출체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 나노 구조체는, 상기 반도체 웨이퍼 상에 화학적 식각으로 형성되어, 상기 나노 구조체와 상기 반도체 웨이퍼는 연속된 구조를 가지는 것인, 전자 방출체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 나노 구조체는, 니들, 원뿔, 및 다각뿔 중 1종 이상의 형상을 포함하는 것인, 전자 방출체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 나노 구조체는, 2 내지 500의 종횡비를 갖는 것인, 전자 방출체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 나노 구조체는, 상기 나노 구조체의 높이의 0.01 내지 1 배의 간격으로 떨어져 배열되는 것인, 전자 방출체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 나노 구조체는, 10 nm 내지 50 ㎛의 높이를 갖는 것인, 전자 방출체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 웨이퍼 및 상기 나노 구조체는, III족 원소와 질소(N)를 포함하는 III족 질화물 반도체를 포함하는 것인, 전자 방출체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 III족 질화물 반도체는, GaN를 포함하는 것인, 전자 방출체.
  10. 반도체 웨이퍼를 준비하는 단계; 및
    상기 반도체 웨이퍼의 적어도 일부분에 나노 구조체를 형성하는 단계;
    를 포함하는,
    제1항의 전자 방출체의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 나노 구조체를 형성하는 단계는, 화학적 식각으로 나노 구조체를 형성하고,
    상기 화학적 식각은, HCl, NH3 또는 이 둘을 이용하여 수행되는 것인, 전자 방출체의 제조방법.
  12. 서로 대향되게 배치된 제1 기판 및 제2 기판;
    상기 제1 기판의 일면에 배치되고, 적어도 일부분에 나노 구조체가 형성된 반도체 웨이퍼층을 포함하는 전자 방출부; 및
    상기 제2 기판의 일면에 배치되고, 상기 나노 구조체를 향해서 배치된 발광물질층을 포함하는 발광부;
    를 포함하는,
    발광 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 발광물질층은, 상기 전자 방출부에서 방출된 전자에 의해 발광하는 발광물질을 포함하고,
    상기 발광물질층은, 1 nm 내지 20 ㎛의 두께를 갖는 것인, 발광 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 전자 방출부 및 상기 발광부는, 이들 사이에 갭이 형성되도록 배치되고, 상기 갭의 길이는 조절 가능한 것인, 발광 장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제1 기판 및 제2 기판은, 서로 동일하거나 또는 상이하고, 사파이어, 다이아몬드 사파이어, 다이아몬드, LiAlO2, Al, SiO2, Si, SiC, GaN, Cu, Fe, Pt, 및 Pb 중 1종 이상을 포함하고, 10 ㎛ 내지 500 ㎛ 두께를 갖는 것인, 발광 장치.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 발광물질층의 일면의 적어도 일부분에 상기 나노 구조체를 향해서, 반사층, 전자포집층, 또는 이 둘이 순차적으로, 더 배치되는,
    발광 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 반사층 및 상기 전자포집층은, Ni, Al, Cu, Fe, Ag, Zn, Sn, Pb, Sb, Ti, In, V, Cr, Co, C, Ca, Mo, Au, P, W, Rh, Mn, B, Si, Ge, Se, Ln, Ga, Ir 및 이들의 합금 중 1종 이상을 포함하고,
    상기 반사층 및 상기 전자포집층은, 10 nm 내지 200 nm 두께를 갖는 것인, 발광 장치.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 제1 기판 및 상기 발광물질층의 일면의 적어도 일부분에 외부 전극과 연결되는 금속판이 배치되는 것인, 발광 장치.
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