WO2023157992A1 - 금속 나노입자가 적용된 나노홀을 포함하는 발광소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents

금속 나노입자가 적용된 나노홀을 포함하는 발광소자 및 이의 제조 방법 Download PDF

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WO2023157992A1
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nanoholes
nanoparticles
emitting device
light emitting
active layer
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PCT/KR2022/002406
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English (en)
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Inventor
이인환
김태환
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고려대학교 산학협력단
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/005—Processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals

Definitions

  • the present invention relates to a light emitting device to which nanoparticles are applied, and more particularly, to a method of manufacturing a light emitting device including nanoholes to which metal nanoparticles are applied and a light emitting device including nanoholes to which metal nanoparticles are applied.
  • the plasmonic effect is a phenomenon in which free electrons in a metal oscillate collectively by external light, and corresponds to the photo-electronic effect that appears in a metal.
  • This plasmonic effect is caused by a resonance phenomenon in which most of the light energy from incident light of a specific wavelength is transferred to free electrons.
  • Such an electric field can be generated when light energy is converted by surface plasmons and accumulated on the surface of metal nanoparticles.
  • the generation of an electric field may mean that light control is possible in a region smaller than the diffraction limit of light.
  • Metal nanoparticles have a strong and characteristic interaction with electromagnetic waves, such as surface plasmon resonance, and thereby amplify and control the light absorption band, so they can be used in various fields such as fluorescence spectroscopy, various types of sensors, and optoelectronic devices application is expected.
  • the light emitting device has a problem in that the process step of semi-permanently coating the LED with metal nanoparticles is complicated, and there is a limitation in increasing the surface plasmon effect by the metal nanoparticles.
  • One object of the present invention is to provide a light emitting device including nanoholes coated with nanoparticles and formed to a depth penetrating an active layer.
  • Another object of the present invention is to provide a light emitting device that maximizes the effect of surface plasmon resonance by nanoparticles.
  • Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a light emitting device including the nanoholes.
  • a light emitting device including nanoholes includes a first conductivity type semiconductor layer, an active layer formed on the first conductivity type semiconductor layer, and a light emitting device formed on the active layer. It may include a second conductivity-type semiconductor layer and nanoholes coated with nanoparticles causing surface plasmon resonance. The nanoholes may be formed to a depth penetrating the second conductivity-type semiconductor layer and the active layer.
  • the nano-holes are formed by forming an ohmic metal on the second conductivity-type semiconductor layer, vertically etching the ohmic metal, the second conductivity-type semiconductor layer, and the active layer to penetrate the active layer. It may be formed through a process of forming a hole of a depth and a process of coating the nanoparticle inside the hole.
  • the nanoparticles are formed by using at least one of a drop casting process, a spin coating process, an electrophoresis process, and a dewetting process to form the nanoholes. can be coated on.
  • the active layer may emit red light having a wavelength of 620 nm to 680 nm.
  • the nanoparticles may include Au having a first shape for generating surface plasmon resonance with respect to the wavelength of the red light.
  • the nanoparticle may be at least one of a core nanoparticle having a core structure and a core-shell nanoparticle having a core-shell structure.
  • the nanoparticle is at least one of palladium (Pd), aluminum (Al), silver (Ag), platinum (Pt), copper (Cu), gold (Au), chromium (Cr), and rhodium (Rh). may contain one.
  • the nanoholes may include an insulating film disposed between the nanoparticles and the active layer.
  • the nanoparticles may cause surface plasmon resonance with the active layer across the insulating film.
  • the insulating layer may include at least one of SiO 2 , TiO 2 , ZrO 2 , and Al 2 O 3 .
  • the nanoholes may have a diameter of 100 nm to 5 ⁇ m.
  • the center-to-center spacing of the nanoholes may be 100 nm to 10 ⁇ m.
  • a method of manufacturing a light emitting device including nanoholes includes forming LEDs and ohmic metals, performing a photolithography process, and forming nanoholes. step of depositing a first insulating film, removing PR, coating nanoparticles, depositing a second insulating film, exposing p-ohmic metal, exposing n-GaN, and A step of forming a metal pad may be included.
  • the LED may include a first conductivity type semiconductor layer, an active layer, and a second conductivity type semiconductor layer.
  • the nanoholes may be formed to a depth penetrating the second conductivity-type semiconductor layer and the active layer.
  • a light emitting device including nanoholes may include nanoholes coated with nanoparticles and formed to a depth penetrating the active layer. Since the nanoparticles are semi-permanently coated at a distance close to the active layer through the nanoholes, the effect of surface plasmon resonance can be increased in the light emitting device including the nanoholes.
  • the luminous efficiency of the light emitting device can be maximized.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a stacked structure of a light emitting device including nanoholes according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating a stacked structure of a light emitting device including nanoholes of FIG. 1 .
  • 3 is an enlarged view showing nanoholes of a light emitting device including nanoholes.
  • FIG. 4 is an enlarged view showing nanoparticles coated on nanoholes.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a light emitting device including the nanoholes of FIG. 1 .
  • FIG. 7 is a view illustrating a process of manufacturing a light emitting device including the nanoholes of FIG. 1 .
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a case where a light emitting device including nanoholes according to embodiments of the present invention emits front light.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a case where a light emitting device including nanoholes according to embodiments of the present invention emits light from the bottom.
  • first or second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another component, for example, without departing from the scope of rights according to the concept of the present invention, a first component may be named a second component, Similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a stacked structure of a light emitting device including nanoholes according to embodiments of the present invention
  • FIG. 2 is a perspective view showing a stacked structure of a light emitting device including nanoholes of FIG. 1 .
  • a light emitting device including nano holes may include a first conductivity type semiconductor layer 200, an active layer 300, a second conductivity type semiconductor layer 400, and nano holes (NH).
  • the light emitting device including the nanoholes includes the substrate 100 under the first conductivity type semiconductor layer 200, the ohmic metal 500 on the top of the second conductivity type semiconductor layer 400, and the metal pad 600. can include more.
  • the light emitting device including the nanoholes includes a first conductivity-type semiconductor layer 200 formed on a substrate 100, an active layer 300 formed on the first conductivity-type semiconductor layer 200, and an active layer 300. It may include a second conductivity-type semiconductor layer 400 formed thereon, and nanoholes (NH) coated with nanoparticles (NP) causing surface plasmon resonance.
  • the substrate 100 may be made of a material capable of epitaxially growing a semiconductor such as GaN.
  • the substrate 100 may be sapphire, silicon carbide (SiC), gallium arsenide (GaAs), gallium nitride (GaN), silicon (Si), gallium phosphide (GaP), indium phosphide (InP), zinc oxide (ZnO) ), MgAl 2 O 4 MgO, LiAlO 2 , LiGaO 2 It may include at least one.
  • the first conductivity-type semiconductor layer 200 and the second conductivity-type semiconductor layer 400 may be at least one of an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer, respectively.
  • the first conductivity type semiconductor layer 200 and the second conductivity type semiconductor layer 400 may be formed of a nitride semiconductor.
  • the first conductivity-type semiconductor layer 200 and the second conductivity-type semiconductor layer 400 may be made of materials such as GaN, AlGaN, and InGaN.
  • Si, Ge, Se, Te, or the like may be used as the n-type impurity of the first conductivity-type semiconductor layer 200 .
  • Mg, Zn, Be, or the like may be used as the p-type impurity of the second conductivity-type semiconductor layer 400 .
  • the first conductivity-type semiconductor layer 200 and the second conductivity-type semiconductor layer 400 may be formed by at least one of a MOCVD process, an MBE process, and an HVPE process.
  • the active layer 300 may emit light having a predetermined energy by recombination of electrons and holes.
  • the active layer 300 may be a layer made of a single material such as InGaN.
  • the active layer 300 may be formed of a multiple quantum well (MQW) structure in which quantum barrier layers and quantum well layers are alternately disposed.
  • MQW multiple quantum well
  • the active layer 300 may include at least one of GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, and InAlGaN.
  • the active layer 300 has a multi-quantum well (MQW) structure
  • a material having a small energy band gap among GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, and InAlGaN is composed of a quantum well layer
  • GaN, AlN, and InN , InGaN, AlGaN, and InAlGaN a material with a large energy band gap may be configured as a quantum barrier layer.
  • the first conductivity type semiconductor layer 200 , the active layer 300 , and the second conductivity type semiconductor layer 400 may form one unit LED structure.
  • the ohmic metal 500 may be formed on the second conductivity type semiconductor layer 400 .
  • the ohmic metal 500 may be an electrode for applying a voltage to the second conductivity type semiconductor layer 400 .
  • the ohmic metal 500 may be a p-ohmic metal.
  • the nanoholes NH may be formed in a direction perpendicular to the plane on which the first conductivity type semiconductor layer 200 , the active layer 300 , and the second conductivity type semiconductor layer 400 are stacked.
  • the nanoholes NH may be repeatedly formed in a constant arrangement in the unit LED structure in a vertical direction.
  • the nano hole NH may be formed to a depth penetrating the second conductivity type semiconductor layer 400 and the active layer 300 .
  • nanoholes (NH) may pass through the active layer 300 and may be formed even on a part of the first conductivity type semiconductor layer 200 .
  • the nanoholes (NH) may be coated with nanoparticles (NP) that cause surface plasmon resonance.
  • the nanoholes NH may include an insulating layer disposed between the nanoparticles NP and the active layer 300 .
  • Nanoparticles (NP) may cause surface plasmon resonance with the active layer 300 across the insulating film.
  • the nanohole (NH) is formed by forming the ohmic metal 500 on the second conductivity type semiconductor layer 400, the ohmic metal 500, the second conductivity type semiconductor layer 400, and It may be formed through a process of forming a hole having a depth penetrating the active layer 300 by etching the active layer 300 vertically, and a process of coating the inside of the hole with the nanoparticles NP. .
  • the nanoparticles (NP) may be semi-permanently coated at a distance close to the active layer 300 through the nanoholes (NH). Therefore, the surface plasmon resonance effect of the nanoparticles (NP) in the light emitting device can be maximized.
  • the metal pad 600 may be formed to apply electricity to the unit LED structure through wiring or the like.
  • the metal pad 600 may include a p-type metal pad 610 and an n-type metal pad 620 .
  • the p-type metal pad 610 may be electrically connected to the ohmic metal 500 .
  • the n-type metal pad 620 may be electrically connected to the first conductive semiconductor layer 200 .
  • NH 3 is an enlarged view showing nanoholes (NH) of a light emitting device including nanoholes.
  • the nanoholes NH may be formed in a direction perpendicular to the plane on which the first conductivity type semiconductor layer 200, the active layer 300, and the second conductivity type semiconductor layer 400 are stacked. .
  • a cross section of the nanohole (NH) may have a circular shape as shown in FIG. 3 .
  • the diameter of the nanohole (NH) may be 100 nm to 5 ⁇ m.
  • the shape of the nanoholes NH is not limited to the circular shape.
  • the shape of the nanohole NH may have various shapes such as a triangle, a quadrangle, and a hexagon.
  • the nanoholes (NH) may have a regular arrangement.
  • the plurality of nanoholes NH may be periodically and repeatedly formed.
  • the center-to-center spacing of the plurality of nanoholes NH may be 100 nm to 10 ⁇ m.
  • the nanoholes NH may include an insulating layer disposed between the nanoparticles NP and the active layer 300 .
  • the nanoparticles (NP) may cause surface plasmon resonance with the active layer 300 across the insulating film.
  • the insulating layer may function to form an appropriate distance between the active layer 300 and the nanoparticles NP.
  • the insulating layer may have a thickness of 1 nm to 150 nm.
  • the insulating layer may include at least one of SiO 2 , TiO 2 , ZrO 2 , and Al 2 O 3 .
  • FIG. 4 is an enlarged view showing nanoparticles (NP) coated on nanoholes (NH), and
  • FIG. 5 is an optical image showing an example of nanoparticles (NP).
  • the nanoparticles NP may be semi-permanently coated inside the nanoholes NH.
  • the nanoparticles (NP) may cause surface plasmon resonance.
  • Nanoparticles are materials suitable for using the surface plasmon phenomenon, and may be composed of metals that easily emit electrons by external stimulation and have a negative dielectric constant.
  • the nanoparticles (NP) include palladium (Pd), aluminum (Al), silver (Ag), platinum (Pt), copper (Cu), gold (Au), chromium (Cr), rhodium (Rh), It may include at least one of nickel (Ni) and titanium (Ti).
  • the nanoparticles NP may be semi-permanently coated at a distance close to the active layer 300 through the nanoholes NH formed to a depth penetrating the active layer 300 .
  • the nanoparticles (NP) may be coated on the surface of the active layer 300 with an insulating film as a boundary so that the distance from the active layer 300 is 1 nm to 150 nm. That is, the nanoparticles NP may cause surface plasmon resonance with the active layer 300 across the insulating film.
  • the nanoparticles (NP) may be core nanoparticles (NP) having a core structure.
  • the nanoparticles (NP) may be core-shell nanoparticles (NP) having a core-shell structure.
  • the nanoparticles (NP) are formed inside the nanoholes (NH) by using at least one of a drop casting process, a spin coating process, an electrophoresis process, and a dewetting process. can be coated on.
  • the unit LED structure may be a red LED emitting red light.
  • the active layer 300 may emit red light having a wavelength of 620 nm to 680 nm.
  • the nanoparticles NP may include Au having a first shape for generating surface plasmon resonance with respect to the wavelength of red light.
  • the nanoparticles (NP) in the red LED may be core-shell nanoparticles (NP) having a core-shell structure.
  • nanoparticles (NP) may be composed of an Au core and a SiO 2 shell.
  • the nanoparticles NP may have a first shape optimized for a red LED.
  • the first shape may be a pointed shape, a star shape, or an angled shape.
  • the shape of the nanoparticles (NP) of the present invention is not limited to the first shape.
  • the unit LED structure of the present invention may emit green light, blue light, and infrared light in addition to red light.
  • the nanoparticles (NP) of the present invention are not limited to the first shape, and may have an optimal shape for generating surface plasmon resonance with respect to the wavelength of the target light source.
  • the nanoparticles (NP) may have various shapes such as a sphere, a rectangular parallelepiped, and a regular octahedron.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a light emitting device including the nanoholes of FIG. 1
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a process of manufacturing the light emitting device including the nanoholes of FIG. 1 .
  • the light emitting device including the nanoholes includes forming an LED and an ohmic metal 500 (S100), performing a photolithography process (S200), and a nanohole (NH ) Forming (S300), depositing a first insulating film (S400), removing PR (S500), coating nanoparticles (NP) (S600), depositing a second insulating film ( S700), exposing the p-ohmic metal (S800), exposing n-GaN (S900), and forming the metal pad 600 (S1000).
  • a method of manufacturing a light emitting device including nanoholes may include forming an LED and an ohmic metal 500 ( S100 ).
  • the LED may include a first conductivity type semiconductor layer 200 , an active layer 300 , and a second conductivity type semiconductor layer 400 .
  • a method of manufacturing a light emitting device includes forming a first conductivity type semiconductor layer 200 on a substrate 100, forming an active layer 300 on the first conductivity type semiconductor layer 200, and an active layer ( 300), a second conductivity type semiconductor layer 400 may be formed.
  • the substrate 100 may be made of a material capable of epitaxially growing a semiconductor such as GaN.
  • the substrate 100 may be sapphire, silicon carbide (SiC), gallium arsenide (GaAs), gallium nitride (GaN), silicon (Si), gallium phosphide (GaP), indium phosphide (InP), zinc oxide (ZnO) ), MgAl 2 O 4, MgO, LiAlO 2 , LiGaO 2 It may include at least one.
  • the first conductivity type semiconductor layer 200 and the second conductivity type semiconductor layer 400 may be formed of a nitride semiconductor.
  • the first conductivity-type semiconductor layer 200 and the second conductivity-type semiconductor layer 400 may be made of materials such as GaN, AlGaN, and InGaN.
  • the active layer 300 may emit light having a predetermined energy by recombination of electrons and holes.
  • the active layer 300 may be formed of a multiple quantum well (MQW) structure in which quantum barrier layers and quantum well layers are alternately disposed.
  • MQW multiple quantum well
  • a material with a small energy band gap among GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, and InAlGaN is composed of a quantum well layer
  • a material with a large energy band gap among GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, and InAlGaN is a quantum well layer. It may consist of a barrier layer.
  • the ohmic metal 500 may be further formed on the second conductivity type semiconductor layer 400 .
  • the ohmic metal 500 may be an electrode for applying a voltage to the second conductivity type semiconductor layer 400 .
  • the ohmic metal 500 may be a p-ohmic metal.
  • a method of manufacturing a light emitting device including nanoholes may include performing a photolithography process (S200).
  • a mask metal may be deposited on the ohmic metal 500 over the LED structure, and the mask metal may be selectively patterned.
  • FIB focused ion beam
  • SiO2 nanoparticles SiO2 nanoparticles
  • self-assembled metal mask The mask metal may be patterned using a mask or the like.
  • a method of manufacturing a light emitting device including nanoholes may include forming nanoholes (NH) (S300).
  • the nanoholes NH may be formed in a direction perpendicular to the plane on which the first conductivity type semiconductor layer 200 , the active layer 300 , and the second conductivity type semiconductor layer 400 are stacked.
  • the nanoholes NH may be repeatedly formed in a constant arrangement in the unit LED structure in a vertical direction.
  • a selective etching process using nano-patterning technology may be used to selectively remove the unit LED structure and the ohmic metal 500 .
  • selective etching may be performed using a dry etching method.
  • the step of forming the nanoholes includes reactive ion etching (RIE), inductively coupled plasma reactive ion etching (ICP-RIE), and chemically coupled plasma reactive ion etching (ICP-RIE).
  • RIE reactive ion etching
  • ICP-RIE inductively coupled plasma reactive ion etching
  • ICP-RIE chemically coupled plasma reactive ion etching
  • Selective etching may be performed using assisted ion beam etching (CAIBE) or the like.
  • the unit LED structure and the ohmic metal 500 may be etched by appropriately adjusting process parameters such as selectivity and etch rate.
  • the nano hole NH may be formed to a depth penetrating the second conductivity type semiconductor layer 400 and the active layer 300 .
  • nanoholes (NH) may pass through the active layer 300 and may be formed even on a part of the first conductivity type semiconductor layer 200 .
  • a method of manufacturing a light emitting device including nanoholes may include depositing a first insulating film (S400) and removing PR (S500).
  • the nanohole NH may include a first insulating layer disposed between the nanoparticle NP and the active layer 300 .
  • the first insulating layer may serve to form an appropriate distance between the active layer 300 and the nanoparticles NP.
  • the first insulating layer may have a thickness of 1 nm to 150 nm.
  • the first insulating layer may include at least one of SiO 2 , TiO 2 , ZrO 2 , and Al 2 O 3 .
  • a PR removal process may be performed.
  • PR can be removed using acetone and isopropyl alcohol (IPA).
  • IPA isopropyl alcohol
  • PR may be removed by an etching process.
  • a method of manufacturing a light emitting device including nanoholes may include coating nanoparticles (NP) (S600).
  • Nanoparticles (NP) causing surface plasmon resonance may be coated on the nanoholes (NH). Nanoparticles (NP) may cause surface plasmon resonance with the active layer 300 with the first insulating layer as a boundary.
  • Nanoparticles are materials suitable for using the surface plasmon phenomenon, and may be composed of metals that easily emit electrons by external stimulation and have a negative dielectric constant.
  • the nanoparticles (NP) include palladium (Pd), aluminum (Al), silver (Ag), platinum (Pt), copper (Cu), gold (Au), chromium (Cr), rhodium (Rh), It may include at least one of nickel (Ni) and titanium (Ti).
  • the nanoparticles (NP) may be core nanoparticles (NP) having a core structure.
  • the nanoparticles (NP) may be core-shell nanoparticles (NP) having a core-shell structure.
  • the nanoparticles (NP) are formed inside the nanoholes (NH) by using at least one of a drop casting process, a spin coating process, an electrophoresis process, and a dewetting process. can be coated on.
  • the surface plasmon resonance effect in the light emitting device can be maximized.
  • a method of manufacturing a light emitting device including nanoholes may include depositing a second insulating film ( S700 ).
  • the second insulating film may serve to protect the nanoparticles NP so that the nanoparticles NP can be semi-permanently coated inside the nanoholes NH.
  • the second insulating layer may include at least one of SiO 2 , TiO 2 , ZrO 2 , and Al 2 O 3 .
  • a method of manufacturing a light emitting device including nanoholes includes exposing p-ohmic metal (S800), exposing n-GaN (S900), and forming a metal pad 600 (S800). S1000) may be included.
  • the step of exposing the p-ohmic metal exposes the p-ohmic metal by ashing and etching the second insulating film formed on the upper layer of the ohmic metal 500 on the second conductivity type semiconductor layer 400 can do.
  • the n-GaN may be exposed by removing the second insulating film formed on the upper portion of the first conductive semiconductor layer 200 using a photolithography process and a dry etching process.
  • the p-type metal pad 610 and the n-type metal pad 620 may be formed to apply electricity to the unit LED structure through wiring or the like.
  • the p-type metal pad 610 may be electrically connected to a p-ohmic metal.
  • the n-type metal pad 620 may be electrically connected to the first conductive semiconductor layer 200 .
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a case where a light emitting device including nanoholes according to embodiments of the present invention emits front light.
  • light output from the active layer 300 may pass through the ohmic metal 500 .
  • the ohmic metal 500 may be made of a transparent metal. Accordingly, the light emitting device including the nanoholes may emit light from the entire surface.
  • the internal quantum efficiency may increase.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a case where a light emitting device including nanoholes according to embodiments of the present invention emits light from the bottom.
  • the ohmic metal 500 may be formed of a metal capable of reflecting light. Accordingly, the light emitting device including the nanoholes may emit light from the bottom.
  • the internal quantum efficiency may increase.
  • the nanoparticles (NP) are semi-permanently coated at a distance close to the active layer 300 through the nanoholes (NH), the effect of surface plasmon resonance may be increased in the light emitting device including the nanoholes.
  • the luminous efficiency of the light emitting device can be maximized.

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Abstract

나노홀을 포함하는 발광소자는 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성된 활성층, 상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형 반도체층, 및 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 나노입자가 코팅된 나노홀을 포함할 수 있다. 상기 나노홀은 상기 제2 도전형 반도체층 및 상기 활성층을 관통하는 깊이로 형성될 수 있다. 나노입자는 나노홀을 통해 활성층과 근접한 거리에 반영구적으로 코팅되므로, 발광소자에서 표면 플라즈몬 공명 효과가 극대화될 수 있다.

Description

금속 나노입자가 적용된 나노홀을 포함하는 발광소자 및 이의 제조 방법
본 발명은 나노입자가 적용된 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 나노입자가 적용된 나노홀을 포함하는 발광소자 및 금속 나노입자가 적용된 나노홀을 포함하는 발광소자의 제조 방법에 관한 것이다.
플라즈모닉(Plasnmonic) 효과는 외부의 빛에 의해 금속 내의 자유전자가 집단적으로 진동하는 현상으로 금속에서 나타나는 광-전자효과에 해당한다. 이러한 플라즈모닉 효과는 특정 파장의 입사광에서 대부분의 광 에너지가 자유전자로 전이되는 공명 현상에 의한다.
나노 사이즈의 금속 입자의 경우 가시광선 내지 근적외선 대역 빛의 전기장과 플라즈몬이 짝지어지면서 광흡수가 일어나 선명한 색을 띠게 된다. 이러한 현상을 표면 플라스몬 공명(surface plasmon resonance)이라고 하며, 표면 플라즈몬 공명은 국소적으로 매우 증가된 전기장을 발생시킬 수 있다.
이러한 전기장은 빛 에너지가 표면 플라즈몬에 의해 변환되어 금속의 나노 입자 표면에 축적됨으로써 발생할 수 있다. 또한, 전기장의 발생은 빛의 회절 한계보다 작은 영역에서 광 제어가 가능함을 의미할 수 있다.
금속 나노 입자는 표면 플라즈몬 공명 현상 등, 전자기파와의 강하고 특징적인 상호 작용을 하며, 이에 의해 광흡수 대역의 증폭과 제어가 가능하므로, 형광 분광학, 다양한 종류의 센서, 광전자소자 등, 다양한 분야로의 적용이 예상된다.
다만, 종래기술에 따른 발광소자는 금속 나노입자를 LED에 반영구적으로 코팅하는 공정 단계가 복잡하고, 금속 나노입자에 의한 표면 플라즈몬 효과를 증가시키는데 한계가 있는 문제가 있었다.
본 발명의 일 목적은 나노입자가 코팅되고, 활성층을 관통하는 깊이로 형성된 나노홀을 포함하는 발광소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 나노입자에 의한 표면 플라즈몬 공명의 효과를 극대화한 발광 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 나노홀을 포함하는 발광소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급된 과제에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 나노홀을 포함하는 발광소자는 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성된 활성층, 상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형 반도체층, 및 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 나노입자가 코팅된 나노홀을 포함할 수 있다. 상기 나노홀은 상기 제2 도전형 반도체층 및 상기 활성층을 관통하는 깊이로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나노홀은 상기 제2 도전형 반도체층 상에 오믹 메탈을 형성하는 공정, 상기 오믹 메탈, 상기 제2 도전형 반도체층, 및 상기 활성층을 수직으로 에칭함으로써 상기 활성층을 관통하는 깊이의 홀(hole)을 형성하는 공정, 및 상기 홀 내부에 상기 나노입자를 코팅하는 공정을 통해 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나노입자는 드롭 캐스팅(drop casting) 공정, 스핀 코팅(spin coating) 공정, 전기영동(electrophoresis) 공정, 및 디웨팅(dewetting) 공정 중 적어도 하나의 공정을 이용하여 상기 나노홀에 코팅될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 활성층은 620nm 내지 680nm 파장의 적색광을 방출할 수 있다. 상기 나노입자는 상기 적색광의 파장에 대한 표면 플라즈몬 공명을 일으키기 위한 제1 형상을 가지는 Au를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나노입자는 코어 구조를 가지는 코어(Core) 나노입자, 및 코어-쉘(Core-shell) 구조를 가지는 코어-쉘 나노입자 중 적어도 하나일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나노입자는 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu), 금(Au), 크롬(Cr), 로듐(Rh) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나노홀은 상기 나노입자 및 상기 활성층 사이에 배치되는 절연막을 포함할 수 있다. 상기 나노입자는 상기 절연막을 경계로 상기 활성층과 표면 플라즈몬 공명을 일으킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 절연막은 SiO2, TiO2, ZrO2, 및 Al2O3 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나노홀의 직경은 100nm 내지 5μm일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 나노홀의 중심간 간격은 100nm 내지 10μm일 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예들에 따른 나노홀을 포함하는 발광소자의 제조 방법은 LED 및 오믹 메탈을 형성하는 단계, 포토리소그래피 공정을 수행하는 단계, 나노홀을 형성하는 단계, 제1 절연막을 증착하는 단계, PR을 제거하는 단계, 나노입자를 코팅하는 단계, 제2 절연막을 증착하는 단계, p-오믹 메탈을 노출하는 단계, n-GaN을 노출하는 단계, 및 메탈 패드를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 LED는 제1 도전형 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형 반도체층을 포함할 수 있다. 상기 나노홀은 상기 제2 도전형 반도체층 및 상기 활성층을 관통하는 깊이로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 나노홀을 포함하는 발광소자는 나노입자가 코팅되고, 활성층을 관통하는 깊이로 형성된 나노홀을 포함할 수 있다. 나노입자는 나노홀을 통해 활성층과 근접한 거리에 반영구적으로 코팅되므로, 나노홀을 포함하는 발광소자에서 표면 플라즈몬 공명의 효과가 증가할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 나노홀을 포함하는 발광소자 및 나노홀을 포함하는 발광소자의 제조 방법에 의하면, 발광소자의 발광효율이 극대화될 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상술한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 나노홀을 포함하는 발광소자의 적층 구조를 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 나노홀을 포함하는 발광소자의 적층 구조를 나타내는 사시도이다.
도 3은 나노홀을 포함하는 발광소자의 나노홀을 나타내는 확대도이다.
도 4는 나노홀에 코팅된 나노입자를 나타내는 확대도이다.
도 5는 나노입자의 일 예시를 나타내는 광학 이미지이다.
도 6은 도 1의 나노홀을 포함하는 발광소자를 제조하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 7은 도 1의 나노홀을 포함하는 발광소자가 제조되는 과정을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 나노홀을 포함하는 발광소자가 전면 발광하는 경우를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 나노홀을 포함하는 발광소자가 배면 발광하는 경우를 나타내는 도면이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 나노홀을 포함하는 발광소자의 적층 구조를 나타내는 단면도이고, 도 2는 도 1의 나노홀을 포함하는 발광소자의 적층 구조를 나타내는 사시도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 나노홀을 포함하는 발광소자는 제1 도전형 반도체층(200), 활성층(300), 제2 도전형 반도체층(400), 및 나노홀(NH)을 포함할 수 있다.
또한, 나노홀을 포함하는 발광소자는 제1 도전형 반도체층(200) 하부의 기판(100), 제2 도전형 반도체층(400) 상부의 오믹 메탈(500), 및 메탈 패드(600)를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 나노홀을 포함하는 발광소자는 기판(100) 상에 형성된 제1 도전형 반도체층(200), 제1 도전형 반도체층(200) 상에 형성된 활성층(300), 활성층(300) 상에 형성된 제2 도전형 반도체층(400), 및 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 나노입자(NP)가 코팅된 나노홀(NH)을 포함할 수 있다.
기판(100)은 GaN와 같은 반도체를 적층(epitaxially) 성장시킬 수 있는 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 기판(100)은 사파이어, 실리콘 카바이드(SiC), 갈륨비소(GaAs), 질화갈륨(GaN), 실리콘(Si), 갈륨인(GaP), 인듐인(InP), 산화아연(ZnO), MgAl2O4 MgO, LiAlO2, LiGaO2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(200) 및 제2 도전형 반도체층(400)은 각각 n형 반도체층 및 p형 반도체층 중 적어도 하나가 될 수 있다.
예를 들어, 제1 도전형 반도체층(200) 및 제2 도전형 반도체층(400)은 질화물 반도체로 이루어질 수 있다.
제1 도전형 반도체층(200) 및 제2 도전형 반도체층(400)은 GaN, AlGaN, InGaN 등의 물질로 구성될 수 있다.
예를 들어, 제1 도전형 반도체층(200)의 n형 불순물에는 Si, Ge, Se, Te 등이 사용될 수 있다.
예를 들어, 제2 도전형 반도체층(400)의 p형 불순물에는 Mg, Zn, Be 등이 사용될 수 있다.
제1 도전형 반도체층(200) 및 제2 도전형 반도체층(400)은 MOCVD 공정, MBE 공정, HVPE 공정 중 적어도 하나의 공정으로 형성될 수 있다.
활성층(300)은 전자와 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출할 수 있다.
예를 들어, 활성층(300)은 InGaN 등의 단일 물질로 이루어진 층일 수 있다.
예를 들어, 활성층(300)은 양자장벽층과 양자우물층이 서로 교대로 배치된 다중 양자우물(MQW) 구조로 형성될 수 있다.
활성층(300)은 GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, InAlGaN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 활성층(300)이 다중 양자우물(MQW) 구조인 경우, GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, InAlGaN 중 에너지 밴드 갭이 작은 물질이 양자우물층으로 구성되고, GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, InAlGaN 중 에너지 밴드 갭이 큰 물질이 양자장벽층으로 구성될 수 있다.
제1 도전형 반도체층(200), 활성층(300), 제2 도전형 반도체층(400)은 하나의 단위 LED 구조를 형성할 수 있다.
오믹 메탈(500)은 제2 도전형 반도체층(400) 상에 형성될 수 있다. 오믹 메탈(500)은 제2 도전형 반도체층(400)에 전압을 인가하기 위한 전극일 수 있다. 예를 들어, 오믹 메탈(500)은 p-오믹 메탈일 수 있다.
나노홀(NH)은 제1 도전형 반도체층(200), 활성층(300), 및 제2 도전형 반도체층(400)이 적층된 면에 대해서 수직 방향으로 형성될 수 있다. 나노홀(NH)은 수직 방향으로 상기 단위 LED 구조에 일정한 배열로 반복하여 형성될 수 있다.
나노홀(NH)은 상기 제2 도전형 반도체층(400) 및 상기 활성층(300)을 관통하는 깊이로 형성될 수 있다. 예를 들어, 나노홀(NH)은 상기 활성층(300)을 관통하고, 상기 제1 도전형 반도체층(200)의 일부까지 형성될 수 있다.
나노홀(NH)은 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 나노입자(NP)가 코팅될 수 있다. 예를 들어, 나노홀(NH)은 상기 나노입자(NP) 및 상기 활성층(300) 사이에 배치되는 절연막을 포함할 수 있다. 나노입자(NP)는 상기 절연막을 경계로 상기 활성층(300)과 표면 플라즈몬 공명을 일으킬 수 있다.
구체적으로, 나노홀(NH)은 상기 제2 도전형 반도체층(400) 상에 오믹 메탈(500)을 형성하는 공정, 상기 오믹 메탈(500), 상기 제2 도전형 반도체층(400), 및 상기 활성층(300)을 수직으로 에칭함으로써 상기 활성층(300)을 관통하는 깊이의 홀(hole)을 형성하는 공정, 및 상기 홀 내부에 상기 나노입자(NP)를 코팅하는 공정을 통해 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 나노홀을 포함하는 발광소자의 구체적인 제조 공정에 대해서는, 도 6 및 7을 참조하여 상세히 후술한다.
도 2의 확대도에서 보듯이, 나노입자(NP)는 나노홀(NH)을 통해 활성층(300)과 근접한 거리에 반영구적으로 코팅될 수 있다. 따라서, 발광소자에서 나노입자(NP)에 의한 표면 플라즈몬 공명 효과가 극대화될 수 있다.
메탈 패드(600)는 상기 단위 LED 구조에 배선 등을 통해 전기를 인가하기 위해 형성될 수 있다. 메탈 패드(600)는 p형 메탈 패드(610) 및 n형 메탈 패드(620)를 포함할 수 있다.
예를 들어, p형 메탈 패드(610)는 오믹 메탈(500)과 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, n형 메탈 패드(620)는 제1 도전형 반도체층(200)과 전기적으로 연결될 수 있다.
도 3은 나노홀을 포함하는 발광소자의 나노홀(NH)을 나타내는 확대도이다.
도 3을 참조하면, 나노홀(NH)은 제1 도전형 반도체층(200), 활성층(300), 및 제2 도전형 반도체층(400)이 적층된 면에 대해서 수직 방향으로 형성될 수 있다.
나노홀(NH) 단면의 형상은 도 3과 같이 원형일 수 있다. 예를 들어, 나노홀(NH)의 직경은 100nm 내지 5μm일 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예들에 따른 나노홀(NH)의 형상 원형에 한정되지 않는다. 예를 들어, 나노홀(NH)의 형상은 삼각형, 사각형, 육각형 등 다양한 형태를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 나노홀(NH)은 일정한 배열을 가질 수 있다. 복수의 나노홀(NH)은 주기적으로 반복하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 복수의 나노홀(NH)의 중심간 간격은 100nm 내지 10μm일 수 있다.
나노홀(NH)은 나노입자(NP) 및 상기 활성층(300) 사이에 배치되는 절연막을 포함할 수 있다. 절연막을 경계로 나노입자(NP)는 활성층(300)과 표면 플라즈몬 공명을 일으킬 수 있다.
절연막은 활성층(300)과 나노입자(NP) 사이에 적절한 거리를 형성하는 기능을 할 수 있다. 예를 들어, 절연막은 1nm 내지 150nm 두께를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 절연막은 SiO2, TiO2, ZrO2, 및 Al2O3 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 4는 나노홀(NH)에 코팅된 나노입자(NP)를 나타내는 확대도이고, 도 5는 나노입자(NP)의 일 예시를 나타내는 광학 이미지이다.
도 4를 참조하면, 나노입자(NP)는 나노홀(NH) 내부에 반영구적으로 코팅될 수 있다. 나노입자(NP)가 나노홀(NH)에 코팅되는 경우, 나노입자(NP)는 표면 플라즈몬 공명을 일으킬 수 있다.
나노입자(NP)는 표면 플라스몬 현상을 이용하기에 적합한 물질로서, 외부 자극에 의해 전자의 방출이 쉽고 음의 유전상수를 갖는 금속들로 구성될 수 있다.
예를 들어, 나노입자(NP)는 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu), 금(Au), 크롬(Cr), 로듐(Rh), 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
나노입자(NP)는 활성층(300)을 관통하는 깊이로 형성된 나노홀(NH)을 통해 활성층(300)과 근접한 거리에 반영구적으로 코팅될 수 있다.
구체적으로, 나노입자(NP)는 활성층(300)과의 거리가 1nm 내지 150nm가 되도록 절연막을 경계로 활성층(300) 표면에 코팅될 수 있다. 즉, 나노입자(NP)는 상기 절연막을 경계로 상기 활성층(300)과 표면 플라즈몬 공명을 일으킬 수 있다.
예를 들어, 나노입자(NP)는 코어 구조를 가지는 코어(Core) 나노입자(NP)일 수 있다. 예를 들어, 나노입자(NP)는 코어-쉘(Core-shell) 구조를 가지는 코어-쉘 나노입자(NP)일 수 있다.
나노입자(NP)는 드롭 캐스팅(drop casting) 공정, 스핀 코팅(spin coating) 공정, 전기영동(electrophoresis) 공정, 및 디웨팅(dewetting) 공정 중 적어도 하나의 공정을 이용하여 나노홀(NH) 내부에 코팅될 수 있다.
일 실시예에서, 단위 LED 구조는 적색광을 방출하는 적색 LED일 수 있다. 예를 들어, 활성층(300)은 620nm 내지 680nm 파장의 적색광을 방출할 수 있다.
적색 LED에서 나노입자(NP)는 적색광의 파장에 대한 표면 플라즈몬 공명을 일으키기 위한 제1 형상을 가지는 Au를 포함할 수 있다.
도 5에서 보듯이, 적색 LED에서 나노입자(NP)는 코어-쉘(Core-shell) 구조를 가지는 코어-쉘 나노입자(NP)일 수 있다. 예를 들어, 나노입자(NP)는 Au 코어와 SiO2 쉘로 구성될 수 있다.
적색광의 파장에 대한 표면 플라즈몬 공명을 일으키기 위하여, 나노입자(NP)는 적색 LED에 최적화된 제1 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 형상은 뾰족한 모양(pointed shape), 별 모양(star shape), 각진 모양(angled shape) 등일 수 있다.
한편, 본 발명의 나노입자(NP)의 형상은 제1 형상에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 본 발명의 단위 LED 구조는 적색광 이외에 녹색광, 청색광, 및 적외선 등을 방출할 수 있다.
따라서, 본 발명의 나노입자(NP)는 제1 형사에 한정되지 않고, 타겟 광원의 파장에 대한 표면 플라즈몬 공명을 일으키기 위한 최적의 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 나노입자(NP)는 구형, 직육면체, 정팔면체 등 다양한 형태를 가질 수 있다.
도 6은 도 1의 나노홀을 포함하는 발광소자를 제조하는 방법을 나타내는 순서도이고, 도 7은 도 1의 나노홀을 포함하는 발광소자가 제조되는 과정을 나타내는 도면이다.
도 6 및 7을 참조하면, 본 발명에 따른 나노홀을 포함하는 발광소자는 LED 및 오믹 메탈(500)을 형성하는 단계(S100), 포토리소그래피 공정을 수행하는 단계(S200), 나노홀(NH)을 형성하는 단계(S300), 제1 절연막을 증착하는 단계(S400), PR을 제거하는 단계(S500), 나노입자(NP)를 코팅하는 단계(S600), 제2 절연막을 증착하는 단계(S700), p-오믹 메탈을 노출하는 단계(S800), n-GaN을 노출하는 단계(S900), 및 메탈 패드(600)를 형성하는 단계(S1000)를 통해 제조될 수 있다.
일 실시예에서, 나노홀을 포함하는 발광소자의 제조 방법은 LED 및 오믹 메탈(500)을 형성하는 단계(S100)를 포함할 수 있다. LED는 제1 도전형 반도체층(200), 활성층(300), 및 제2 도전형 반도체층(400)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 발광소자의 제조 방법은 기판(100) 상에 제1 도전형 반도체층(200)을 형성하고, 제1 도전형 반도체층(200) 상에 활성층(300)을 형성하고, 활성층(300) 상에 제2 도전형 반도체층(400)을 형성할 수 있다.
기판(100)은 GaN와 같은 반도체를 적층(epitaxially) 성장시킬 수 있는 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 기판(100)은 사파이어, 실리콘 카바이드(SiC), 갈륨비소(GaAs), 질화갈륨(GaN), 실리콘(Si), 갈륨인(GaP), 인듐인(InP), 산화아연(ZnO), MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(200) 및 제2 도전형 반도체층(400)은 질화물 반도체로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 도전형 반도체층(200) 및 제2 도전형 반도체층(400)은 GaN, AlGaN, InGaN 등의 물질로 구성될 수 있다.
활성층(300)은 전자와 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출할 수 있다. 예를 들어, 활성층(300)은 양자장벽층과 양자우물층이 서로 교대로 배치된 다중 양자우물(MQW) 구조로 형성될 수 있다.
예를 들어, GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, InAlGaN 중 에너지 밴드 갭이 작은 물질이 양자우물층으로 구성되고, GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, InAlGaN 중 에너지 밴드 갭이 큰 물질이 양자장벽층으로 구성될 수 있다.
발광소자의 제조 방법은 제2 도전형 반도체층(400) 상에 오믹 메탈(500)을 더 형성할 수 있다. 오믹 메탈(500)은 제2 도전형 반도체층(400)에 전압을 인가하기 위한 전극일 수 있다. 예를 들어, 오믹 메탈(500)은 p-오믹 메탈일 수 있다.
일 실시예에서, 나노홀을 포함하는 발광소자의 제조 방법은 포토리소그래피 공정을 수행하는 단계(S200)를 포함할 수 있다.
포토리소그래피 공정에서는, 마스크 금속을 LED 구조 상부의 오믹 메탈(500) 상에 증착하고, 상기 마스크 금속을 선택적으로 패터닝할 수 있다.
예를 들어, 전자빔(electron-beam) 리소그래피, 집속이온빔(focused ion beam, FIB) 리소그래피, 나노 임프린트법(nano-imprint), SiO2 나노 파티클을 이용한 마스크 형성법, 자기 응집성 금속 마스크법(self-assembled metal mask) 등을 이용하여 상기 마스크 금속을 패터닝할 수 있다.
일 실시예에서, 나노홀을 포함하는 발광소자의 제조 방법은 나노홀(NH)을 형성하는 단계(S300)를 포함할 수 있다.
나노홀(NH)은 제1 도전형 반도체층(200), 활성층(300), 및 제2 도전형 반도체층(400)이 적층된 면에 대해서 수직 방향으로 형성될 수 있다. 나노홀(NH)은 수직 방향으로 상기 단위 LED 구조에 일정한 배열로 반복하여 형성될 수 있다.
나노홀(NH)을 형성하는 단계는 단위 LED 구조 및 오믹 메탈(500)의 선택적 제거를 위하여 나노 패터닝 기술을 이용한 선택적 에칭 공정을 사용할 수 있다. 예를 들어, 나노홀(NH) 형성 단계는 건식 에칭법(dry etching)을 이용하여 선택적 에칭을 수행할 수 있다.
구체적으로, 나노홀(NH)을 형성하는 단계는 반응성 이온 에칭법(reactive ion etching; RIE), 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 에칭(inductively coupled plasma reactive ion etching; ICP-RIE), 화학적 이온 빔 에칭(chemically assisted ion beam etching; CAIBE) 등을 이용하여 선택적 에칭을 수행할 수 있다.
예를 들어, 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 에칭(ICP-RIE)을 이용하는 경우에는 선택비(selectivity), 식각률(etch rate) 등의 공정 파라미터를 적절히 조절하여 단위 LED 구조 및 오믹 메탈(500)을 에칭할 수 있다.
나노홀(NH)은 상기 제2 도전형 반도체층(400) 및 상기 활성층(300)을 관통하는 깊이로 형성될 수 있다. 예를 들어, 나노홀(NH)은 상기 활성층(300)을 관통하고, 상기 제1 도전형 반도체층(200)의 일부까지 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 나노홀을 포함하는 발광소자의 제조 방법은 제1 절연막을 증착하는 단계(S400), 및 PR을 제거하는 단계(S500)를 포함할 수 있다.
나노홀(NH)은 상기 나노입자(NP) 및 상기 활성층(300) 사이에 배치되는 제1 절연막을 포함할 수 있다.
제1 절연막은 활성층(300)과 나노입자(NP) 사이에 적절한 거리를 형성하는 기능을 할 수 있다. 예를 들어, 제1 절연막은 1nm 내지 150nm 두께를 가질 수 있다.
제1 절연막은 SiO2, TiO2, ZrO2, 및 Al2O3 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1 절연막이 증착된 후, PR이 제거 공정이 수행될 수 있다. 예를 들어, PR은 아세톤과 이소프로필알콜(IPA)을 사용하여 제거될 수 있다. 다른 예를 들어, PR은 에칭 공정으로 제거될 수 있다.
일 실시예에서, 나노홀을 포함하는 발광소자의 제조 방법은 나노입자(NP)를 코팅하는 단계(S600)를 포함할 수 있다.
나노홀(NH)에는 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 나노입자(NP)가 코팅될 수 있다. 나노입자(NP)는 상기 제1 절연막을 경계로 상기 활성층(300)과 표면 플라즈몬 공명을 일으킬 수 있다.
나노입자(NP)는 표면 플라스몬 현상을 이용하기에 적합한 물질로서, 외부 자극에 의해 전자의 방출이 쉽고 음의 유전상수를 갖는 금속들로 구성될 수 있다.
예를 들어, 나노입자(NP)는 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu), 금(Au), 크롬(Cr), 로듐(Rh), 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 나노입자(NP)는 코어 구조를 가지는 코어(Core) 나노입자(NP)일 수 있다. 예를 들어, 나노입자(NP)는 코어-쉘(Core-shell) 구조를 가지는 코어-쉘 나노입자(NP)일 수 있다.
나노입자(NP)는 드롭 캐스팅(drop casting) 공정, 스핀 코팅(spin coating) 공정, 전기영동(electrophoresis) 공정, 및 디웨팅(dewetting) 공정 중 적어도 하나의 공정을 이용하여 나노홀(NH) 내부에 코팅될 수 있다.
이와 같이, 나노입자(NP)가 나노홀(NH)을 통해 활성층(300)과 근접한 거리에 코팅되는 경우, 발광소자에서 표면 플라즈몬 공명 효과가 극대화될 수 있다.
일 실시예에서, 나노홀을 포함하는 발광소자의 제조 방법은 제2 절연막을 증착하는 단계(S700)를 포함할 수 있다.
제2 절연막은 나노입자(NP)가 나노홀(NH) 내부에 반영구적으로 코팅될 수 있도록 나노입자(NP)를 보호하는 기능을 할 수 있다.
제2 절연막은 제1 절연막과 마찬가지로 SiO2, TiO2, ZrO2, 및 Al2O3 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 나노홀을 포함하는 발광소자의 제조 방법은 p-오믹 메탈을 노출하는 단계(S800), n-GaN을 노출하는 단계(S900), 및 메탈 패드(600)를 형성하는 단계(S1000)를 포함할 수 있다.
p-오믹 메탈을 노출하는 단계는 제2 도전형 반도체층(400) 상의 오믹 메탈(500)의 상층부에 형성된 상기 제2 절연막을 에싱(ashing) 및 에칭(etching)함으로써, p-오믹 메탈을 노출할 수 있다.
n-GaN을 노출하는 단계는 포토리소그래피 공정 및 건식 에칭 공정을 이용하여 제1 도전형 반도체층(200) 상층부에 형성된 상기 제2 절연막을 제거함으로써 n-GaN을 노출할 수 있다.
메탈 패드(600)를 형성하는 단계는 단위 LED 구조에 배선 등을 통해 전기를 인가할 수 있도록 p형 메탈 패드(610) 및 n형 메탈 패드(620)를 형성할 수 있다.
예를 들어, p형 메탈 패드(610)는 p-오믹 메탈과 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, n형 메탈 패드(620)는 제1 도전형 반도체층(200)과 전기적으로 연결될 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 나노홀을 포함하는 발광소자가 전면 발광하는 경우를 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 활성층(300)에서 출력된 광이 오믹 메탈(500)을 통과할 수 있다. 예를 들어, 오믹 메탈(500)은 투명 금속으로 구성될 수 있다. 따라서, 나노홀을 포함하는 발광소자는 전면 발광할 수 있다.
특히, 나노홀을 포함하는 발광소자는 전면 발광하는 경우에, 나노홀(NH)을 통해 나노입자(NP)가 활성층(300) 근처에 지속적으로 고정되어 있으므로, 내부 양자효율이 증가할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 나노홀을 포함하는 발광소자가 배면 발광하는 경우를 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 활성층(300)에서 출력된 광이 오믹 메탈(500)에서 반사될 수 있다. 예를 들어, 오믹 메탈(500)은 광을 반사시킬 수 있는 금속으로 구성될 수 있다. 따라서, 나노홀을 포함하는 발광소자는 배면 발광할 수 있다.
마찬가지로, 나노홀을 포함하는 발광소자는 배면 발광하는 경우에, 나노홀(NH)을 통해 나노입자(NP)가 활성층(300) 근처에 지속적으로 고정되어 있으므로, 내부 양자효율이 증가할 수 있다.
즉, 나노입자(NP)는 나노홀(NH)을 통해 활성층(300)과 근접한 거리에 반영구적으로 코팅되므로, 나노홀을 포함하는 발광소자에서 표면 플라즈몬 공명의 효과가 증가할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 나노홀을 포함하는 발광소자 및 나노홀을 포함하는 발광소자의 제조 방법에 의하면, 발광소자의 발광효율이 극대화될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (11)

  1. 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성된 활성층;
    상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형 반도체층; 및
    표면 플라즈몬 공명을 일으키는 나노입자가 코팅된 나노홀을 포함하고,
    상기 나노홀은 상기 제2 도전형 반도체층 및 상기 활성층을 관통하는 깊이로 형성되는 것을 특징으로 하는,
    나노홀을 포함하는 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나노홀은,
    상기 제2 도전형 반도체층 상에 오믹 메탈을 형성하는 공정, 상기 오믹 메탈, 상기 제2 도전형 반도체층, 및 상기 활성층을 수직으로 에칭함으로써 상기 활성층을 관통하는 깊이의 홀(hole)을 형성하는 공정, 및 상기 홀 내부에 상기 나노입자를 코팅하는 공정을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는,
    나노홀을 포함하는 발광소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 나노입자는,
    드롭 캐스팅(drop casting) 공정, 스핀 코팅(spin coating) 공정, 전기영동(electrophoresis) 공정, 및 디웨팅(dewetting) 공정 중 적어도 하나의 공정을 이용하여 상기 나노홀에 코팅되는 것을 특징으로 하는,
    나노홀을 포함하는 발광소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 활성층은 620nm 내지 680nm 파장의 적색광을 방출하고,
    상기 나노입자는 상기 적색광의 파장에 대한 표면 플라즈몬 공명을 일으키기 위한 제1 형상을 가지는 Au를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    나노홀을 포함하는 발광소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 나노입자는,
    코어 구조를 가지는 코어(Core) 나노입자, 및 코어-쉘(Core-shell) 구조를 가지는 코어-쉘 나노입자 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는,
    나노홀을 포함하는 발광소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 나노입자는,
    팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu), 금(Au), 크롬(Cr), 로듐(Rh) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    나노홀을 포함하는 발광소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 나노홀은 상기 나노입자 및 상기 활성층 사이에 배치되는 절연막을 포함하고,
    상기 나노입자는 상기 절연막을 경계로 상기 활성층과 표면 플라즈몬 공명을 일으키는 것을 특징으로 하는,
    나노홀을 포함하는 발광소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 절연막은 SiO2, TiO2, ZrO2, 및 Al2O3 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    나노홀을 포함하는 발광소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 나노홀의 직경은 100nm 내지 5μm인 것을 특징으로 하는,
    나노홀을 포함하는 발광소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 나노홀의 중심간 간격은 100nm 내지 10μm인 것을 특징으로 하는,
    나노홀을 포함하는 발광소자.
  11. LED 및 오믹 메탈을 형성하는 단계;
    포토리소그래피 공정을 수행하는 단계;
    나노홀을 형성하는 단계;
    제1 절연막을 증착하는 단계;
    PR을 제거하는 단계;
    나노입자를 코팅하는 단계;
    제2 절연막을 증착하는 단계;
    p-오믹 메탈을 노출하는 단계;
    n-GaN을 노출하는 단계; 및
    메탈 패드를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 LED는 제1 도전형 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형 반도체층을 포함하고,
    상기 나노홀은 상기 제2 도전형 반도체층 및 상기 활성층을 관통하는 깊이로 형성되는 것을 특징으로 하는,
    나노홀을 포함하는 발광소자의 제조 방법.
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