KR101272110B1 - Fabrication method for gallium nitride nano rod and light emmiting device with gallium nitride nano rod - Google Patents

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Abstract

베이스 기판을 준비하고, 상기 베이스 기판의 일면에 금속층을 형성하고, 상기 베이스 기판 및 금속층을 산화 열처리하여 산화물층 및 이 산화물층에 국부적으로 존재하는 상기 금속층의 복수의 나노 도트를 포함하는 혼합층을 형성하고, 상기 혼합층 상면에 질화갈륨 박막을 형성하고, 상기 질화갈륨 박막을 선택적으로 식각하는 단계를 포함하는 질화갈륨 나노 로드 제조 방법을 제공한다. 상기 혼합층은 산화 열처리 조건을 제어하여 상기 금속층의 나노 도트의 직경을 적절히 제어할 수 있다. 본 발명에 따르면, 마스크나 포토리소그래피 공정없이 간단한 방법에 의하여 양질의 질화갈륨 나노 로드를 제조할 수 있으며, 형성된 질화 갈륨 나노 로드의 폭을 제어하기가 매우 용이하다.A base substrate is prepared, a metal layer is formed on one surface of the base substrate, and the base substrate and the metal layer are oxidized to form a mixed layer including an oxide layer and a plurality of nano dots of the metal layer locally present in the oxide layer. And forming a gallium nitride thin film on an upper surface of the mixed layer, and selectively etching the gallium nitride thin film. The mixed layer may control the oxidation heat treatment conditions to appropriately control the diameter of the nano dot of the metal layer. According to the present invention, high quality gallium nitride nanorods can be manufactured by a simple method without a mask or photolithography process, and it is very easy to control the width of the formed gallium nitride nanorods.

질화 갈륨, 나노 로드, 산화 열처리, 선택적 식각 Gallium Nitride, Nano Rod, Oxidation Heat Treatment, Selective Etching

Description

질화갈륨 나노 로드 제조 방법 및 질화갈륨 나노 로드 발광 소자{FABRICATION METHOD FOR GALLIUM NITRIDE NANO ROD AND LIGHT EMMITING DEVICE WITH GALLIUM NITRIDE NANO ROD}A manufacturing method of gallium nitride nanorods and a gallium nitride nanorod light emitting device TECHNICAL FIELD

본 발명은 질화갈륨 나노 로드 제조 방법 및 질화갈륨 나노 로드 발광 소자에 관한 것으로, 나노 로드의 직경 제어가 용이하고 후속적인 소자 형성 공정이 유리한 새로운 질화갈륨 나노 로드 제조 방법을 제안한다.The present invention relates to a gallium nitride nanorod manufacturing method and a gallium nitride nanorod light emitting device, and proposes a new gallium nitride nanorod manufacturing method which is easy to control the diameter of the nanorods and advantageous in the subsequent device formation process.

질화갈륨은 에너지 밴드갭(Bandgap Energy)이 3.39eV이고, 직접 천이형인 반도체 물질로 단파장 영역의 발광 소자 제작 등에 유용한 물질이다. 질화갈륨 단결정은 융점에서 높은 질소 증기압 때문에 액상 결정 성장은 1500℃ 이상의 고온과 20000 기압의 질소 분위기가 필요하므로 대량 생산이 어려울 뿐만 아니라 현재 사용 가능한 결정 크기도 약 100㎟ 정도의 박판형으로 이를 소자 제작에 사용하기 곤란하다.Gallium nitride is a semiconductor material with a bandgap energy of 3.39 eV and a direct transition type, which is useful for manufacturing light emitting devices in a short wavelength region. Because of the high nitrogen vapor pressure at the melting point, gallium nitride single crystal requires high temperature of 1500 ℃ or higher and 20000 atmosphere of nitrogen atmosphere, which makes it difficult to mass-produce it. Difficult to use

지금까지 질화갈륨막은 이종 기판상에 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법 또는 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)법 등의 기상 성장법으로 성장되고 있다. MOCVD법은 고품질의 막을 얻을 수 있음에도 불구하고 성장 속도가 너무 느리기 때문에 수십 또는 수백 ㎛의 GaN 기판을 얻는데 사용하기가 어려운 문제가 있다. 이러한 이유로 GaN 후막을 얻기 위해서는 HVPE를 이용한 성장 방법이 주로 사용된다.Until now, gallium nitride films have been grown on heterogeneous substrates by vapor phase growth methods such as metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or hydraulic vapor phase epitaxy (HVPE). The MOCVD method has a problem that it is difficult to use to obtain GaN substrates of tens or hundreds of micrometers because the growth rate is too slow even though a high quality film can be obtained. For this reason, a growth method using HVPE is mainly used to obtain a GaN thick film.

질화갈륨막 제조용 이종 기판으로는 사파이어(Sapphire) 기판이 가장 많이 사용되고 있는데, 이는 사파이어가 질화갈륨과 같은 육방정계 구조이며, 값이 싸고, 고온에서 안정하기 때문이다. 그러나 사파이어는 질화갈륨과 격자 상수 차(약 16%) 및 열팽창 계수 차(약 35%)에 의해 계면에서 스트레인(Strain)이 유발되고, 이 스트레인이 결정 내에 격자 결함 및 크랙(Crack)을 발생시켜 고품질의 질화갈륨막 성장을 어렵게 하고, 질화갈륨막 상에 제조된 소자의 수명을 단축시킨다.A sapphire substrate is most commonly used as a dissimilar substrate for manufacturing a gallium nitride film because sapphire has a hexagonal structure such as gallium nitride, which is inexpensive and stable at high temperatures. However, sapphire causes strain at the interface due to gallium nitride and lattice constant difference (about 16%) and thermal expansion coefficient difference (about 35%), and this strain causes lattice defects and cracks in the crystal. It is difficult to grow a high quality gallium nitride film and shorten the life of the device fabricated on the gallium nitride film.

사파이어 기판 등의 베이스 기판 상에 질화갈륨막을 성장할 경우 열팽창 계수나 격자 결함 차이에 의해 발생되는 응력 및 응력 분포의 이방성은 성장되는 질화갈륨막의 두께가 클수록, 질화갈륨막의 면적이 클수록 심해지기 때문에 결함이 적은 고품질의 질화갈륨 후막을 성장시키는 것이 매우 어렵다. When a gallium nitride film is grown on a base substrate such as a sapphire substrate, the stress and anisotropy of stress distribution caused by the difference in thermal expansion coefficient or lattice defect are increased as the thickness of the grown gallium nitride film is larger and the area of the gallium nitride film is larger. It is very difficult to grow low quality gallium nitride thick film.

베이스 기판과 그 위에 성장되는 질화갈륨막의 계면에서 발생되는 응력의 감소를 위해 다양한 계면상태 조절 방법이 사용되고 있지만, 이러한 계면상태 조절 방법은 수~수십 ㎛ 두께의 질화갈륨 막 성장의 경우에만 적용 가능할 뿐, 수백 ㎛ 두께의 후막 성장 시에는 충분한 응력완화가 되지 않아 질화갈륨 막에 크랙이 발생되는 것을 피할 수 없다.Various interface state control methods are used to reduce the stress generated at the interface between the base substrate and the gallium nitride film grown thereon, but this interface state control method is only applicable to the growth of gallium nitride film having a thickness of several tens to several tens of micrometers. In the thick film growth of several hundreds of micrometers in thickness, sufficient stress relaxation does not occur, and cracks in the gallium nitride film cannot be avoided.

특히, 베이스 기판 위에 성장하는 질화갈륨 막의 두께 분포가 불균일하게 되면 이러한 응력 발생 및 응력 분포의 이방성이 심해지게 되어 고품질의 대면적 GaN 후막을 얻는 것이 불가능하게 된다. In particular, when the thickness distribution of the gallium nitride film growing on the base substrate becomes nonuniform, such stress generation and anisotropy of the stress distribution become severe, making it impossible to obtain a high quality large area GaN thick film.

발광 소자로서 질화갈륨을 이용함에 있어서 박막 형태와 더불어 소자의 효율 향상을 위해서 나노 로드 형태의 질화갈륨을 제조하는 방법이 연구되고 있다.In using gallium nitride as a light emitting device, a method of manufacturing a gallium nitride in the form of a nano rod in order to improve the efficiency of the device as well as a thin film has been studied.

예를 들어, 도 1에 도시한 바와 같이 베이스 기판(100) 위에 이온건(110)으로부터 이온빔(120)을 조사하여 기판 위에 핵(130)을 형성하고 지속적으로 나노 로드(132)을 형성할 수 있다. 그런데 이온빔을 이용한 나노 로드를 형성하는 경우 질화갈륨의 핵생성 및 크기 조절에 유리한 반면, 한번에 많은 양의 핵을 생성시키는데 시간이 많이 소요되고 전체적인 공정 비용이 과다하여 산업적으로는 적용하기에 어려운 단점이 있다.For example, as shown in FIG. 1, the ion beam 120 may be irradiated from the ion gun 110 on the base substrate 100 to form the nucleus 130 on the substrate and continuously form the nanorod 132. have. However, the formation of nanorods using ion beams is advantageous for nucleation and size control of gallium nitride, while it takes a long time to generate a large amount of nucleus at one time and the overall process cost is excessive, making it difficult to apply industrially. have.

또한, 질화갈륨 나노 로드를 포함하는 발광 소자 등은 전극 형성 등과 같은 후속 공정과 적절히 연계되어야 제품 생산성이 향상되고 제품 경쟁력을 가질 수 있다. In addition, the light emitting device including the gallium nitride nano rod, etc. may be properly associated with subsequent processes such as electrode formation to improve product productivity and have product competitiveness.

본 발명은 이와 같은 기술적 배경하에서 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 공정성이 우수한 질화갈륨 나노 로드 제조 방법을 제공하는 것이다.The present invention has been made under such a technical background, and an object of the present invention is to provide a method for producing gallium nitride nanorods having excellent processability.

또한, 본 발명의 다른 목적은 질화 갈륨 나노 로드의 직경, 높이 등의 제어가 용이하며, 성장 속도가 우수한 질화 갈륨 나노 로드 제조 방법을 제공하는 것이다.In addition, another object of the present invention is to provide a method for producing gallium nitride nanorods, which is easy to control the diameter, height, and the like of the gallium nitride nanorods, and has an excellent growth rate.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 베이스 기판을 준비하고, 상기 베이스 기판의 일면에 금속층을 형성하고, 상기 베이스 기판 및 금속층을 산화 열처리하여 산화물층 및 이 산화물층에 국부적으로 존재하는 상기 금속층의 복수의 나노 도트(dot)를 포함하는 혼합층을 형성하고, 상기 혼합층 상면에 질화갈륨 박막을 형성하고, 상기 질화갈륨 박막을 선택적으로 식각하는 단계를 포함하는 질화갈륨 나노 로드 제조 방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a base substrate, a metal layer is formed on one surface of the base substrate, and the base substrate and the metal layer are oxidized and thermally treated to form an oxide layer and a plurality of the metal layers locally present in the oxide layer. It provides a method for producing a gallium nitride nanorod comprising forming a mixed layer comprising a nano dot of, forming a gallium nitride thin film on the upper surface of the mixed layer, and selectively etching the gallium nitride thin film.

상기 베이스 기판은 Si로 이루어질 수 있으며, 베이스 기판은 도핑 물질을 포함시켜 전기적 특성을 변화시킬 수 있다. 상기 금속층은 백금으로 이루어질 수 있으며, 금속층의 두께는 최종적으로 형성하는 나노 로드의 사이즈에 따라 달라질 수 있다.The base substrate may be made of Si, and the base substrate may include a doping material to change electrical properties. The metal layer may be made of platinum, and the thickness of the metal layer may vary depending on the size of the nanorods to be finally formed.

상기 혼합층은 산화 열처리 조건을 제어하여 상기 금속층의 나노 도트의 직경을 적절히 조절하며, 바람직한 나노 도트의 직경은 수 나노미터 이상 ~ 1 ㎛ 미만의 범위가 적절하다. The mixed layer controls the oxidation heat treatment conditions to appropriately adjust the diameter of the nano dot of the metal layer, the diameter of the preferred nano dot is more than a few nanometers to less than 1 ㎛ is appropriate.

상기 질화갈륨 박막은 예를 들어, 하이드라이드 기상에피탁시법에 의하여 성장시킬 수 있으나, 반드시 이에 한정될 필요는 없다. 상기 질화갈륨 박막은 상기 산화물층 위에 형성되는 저결정성 영역과 상기 나노 도트 위에 형성되는 고결정성 영역을 포함하며, 상기 질화갈륨 박막의 선택적 식각은 저결정성 영역만을 제거하는 고결정성 질화갈륨 나노 로드를 형성한다.The gallium nitride thin film may be grown by, for example, a hydride vapor phase epitaxy method, but is not necessarily limited thereto. The gallium nitride thin film includes a low crystalline region formed on the oxide layer and a high crystalline region formed on the nano dot, and the selective etching of the gallium nitride thin film removes only the low crystalline region. To form.

형성된 상기 질화갈륨 박막의 높이는 0.5 ㎛ ~ 100 ㎛ 의 범위로 제어할 수 있다. The height of the formed gallium nitride thin film can be controlled in the range of 0.5 ㎛ ~ 100 ㎛.

또한, 본 발명은 베이스 기판과, 상기 베이스 기판 위에 형성된 산화물층과 이 산화물층에 국부적으로 존재하는 복수의 나노 도트를 포함하는 혼합층과, 상기 복수의 나노 도트 위에 성장한 질화갈륨 나노 로드와, 상기 베이스 기판의 하면 및 상기 질화갈륨 나노 로드 상부에 형성되는 전극부를 포함하는 질화갈륨 나노 로드 발광 소자를 제공한다.The present invention also provides a base substrate, a mixed layer comprising an oxide layer formed on the base substrate, and a plurality of nano dots locally present on the oxide layer, gallium nitride nanorods grown on the plurality of nano dots, and the base. It provides a gallium nitride nano rod light emitting device comprising a lower surface of the substrate and an electrode portion formed on the gallium nitride nano rod.

본 발명에 따르면, 마스크나 포토리소그래피 공정없이 간단한 방법에 의하여 양질의 질화갈륨 나노 로드를 제조할 수 있다. 또한, 형성된 질화 갈륨 나노 로드의 폭이나 높이를 제어하기가 매우 용이하다. 특히, 질화갈륨 나노 로드를 포함하는 발광 소자를 제조하는 경우에 연속적인 공정이 가능하며, 전체적인 공정 시간 및 공정 비용을 크게 절감할 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, high quality gallium nitride nanorods can be manufactured by a simple method without a mask or a photolithography process. In addition, it is very easy to control the width or height of the formed gallium nitride nanorods. In particular, when manufacturing a light emitting device including a gallium nitride nano rod can be a continuous process, there is an advantage that can greatly reduce the overall process time and process cost.

본 발명은 베이스 기판 상에 직경과 간격 등이 적절히 제어된 질화갈륨 나노 로드 제조 방법을 제안한다. 베이스 기판 위에 산화 열처리로 형성된 나노 도트는 질화갈륨 나노 로드의 성장을 위한 시드 역할을 한다. 베이스 기판 위의 산화층과 나노 도트 위에서 성장되는 각각의 질화갈륨 영역은 결정성 차이로 인하여 선택적 식각이 가능하게 된다. The present invention proposes a method for manufacturing gallium nitride nanorods whose diameters and spacings are appropriately controlled on a base substrate. Nano dots formed by oxidation heat treatment on the base substrate serves as a seed for the growth of gallium nitride nanorods. Each gallium nitride region grown on the oxide layer on the base substrate and on the nano dot enables selective etching due to the difference in crystallinity.

특히, 산화 분위기 하에서의 열처리 조건을 변화시킴으로써 나노 도트의 크기를 조절할 수 있고, 이러한 방법으로 복수의 나노 로드 크기를 한번에 제어할 수 있다. 결정성의 차이가 있는 질화갈륨 영역을 선택적으로 에칭하는 과정에서 최종적으로 형성된 질화갈륨 나노 로드의 폭이나 높이를 부가적으로 제어할 수도 있다.In particular, the size of the nano dots can be adjusted by changing the heat treatment conditions in an oxidizing atmosphere, and in this way, the size of the plurality of nanorods can be controlled at once. In the process of selectively etching the gallium nitride region having a difference in crystallinity, the width or height of the gallium nitride nanorod finally formed may be additionally controlled.

본 발명에 따른 질화갈륨 나노 로드 제조 방법을 도 2의 순서도 및 도 3 내지 7의 공정도를 참조하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The gallium nitride nanorod manufacturing method according to the present invention will be described in more detail with reference to the flowchart of FIG. 2 and the process diagrams of FIGS. 3 to 7 as follows.

먼저, 베이스 기판(200)을 준비한다(단계 S1, 도 3). 질화갈륨 나노 로드 성장용 베이스 기판은 일반적으로 표면이 산화될 수 있는 동종 또는 이종의 기판이 모두 사용될 수 있다. (예를 들면 Si, SiO2, SiC, 산화가 용이한 Fe등의 단원소 금속 또는 금속 합금) 다만, 후속적인 공정에 의하여 질화갈륨 나노 로드를 포함하는 발광 소자 등의 전자 소자를 형성하는데 공정상의 용이성을 위하여 본 실시예에서는 Si 기판을 사용한다.First, the base substrate 200 is prepared (step S1, FIG. 3). As the base substrate for gallium nitride nanorod growth, in general, both homogeneous or heterogeneous substrates whose surface may be oxidized may be used. (For example, mono-element metals or metal alloys such as Si, SiO 2 , SiC, and easy-to-oxidize Fe) However, in the process of forming an electronic device such as a light-emitting device containing a gallium nitride nanorod by a subsequent process For ease of use, a Si substrate is used in this embodiment.

Si 기판은 다른 이종 물질을 도핑시킴으로써 전기적인 특성을 변화시킬 수 있기 때문에 기판 이면에 전극을 직접 형성하기에 용이한 장점이 있다. 본 발명에 따른 질화갈륨 나노 로드 베이스 기판으로 사용되는 다른 기판들도 도판트를 포함시켜 전기적 특성을 향상시키는 것이 바람직하다. Since Si substrates can change their electrical properties by doping different dissimilar materials, there is an advantage that it is easy to form electrodes directly on the back surface of the substrate. Other substrates used as the gallium nitride nanorod base substrate according to the present invention also preferably include a dopant to improve electrical properties.

베이스 기판 위에서는 금속층(210)을 형성한다(단계 S2, 도 4). 상기 금속층(210)은 후술하는 바와 같이 질화갈륨 나노 로드 성장용 나노 도트로서 역할을 하며, 최초에는 박막 또는 후막 형태로 존재하지만 산화 열처리에 의하여 그 형태가 변형된다. 상온에서의 금속층이 기판과 계면을 형성하는 박막형태가 에너지적으로 안정하다. 그러나 700 ℃ 이상의 높은 온도에서는 금속층과 기판과의 계면을 박 막형태를 유지하는 것보다는 금속 자신끼리 결합하고 동시에 기판 표면은 산소화 반응하여 산화되는 것이 에너지적으로 더 안정하게 되어서, 금속끼리 응집하여 미세한 나노 도트가 형성되게 된다. 금속층으로 사용되는 물질로는 Ag, Pt, Zn 기타 고결정성 질화갈륨 나노 로드의 성장에 유리한 모든 금속 또는 합금 물질이 사용될 수 있으며, 본 실시예에서는 Pt를 사용하였다.The metal layer 210 is formed on the base substrate (step S2, FIG. 4). The metal layer 210 serves as a nano dot for growing gallium nitride nano-rods as will be described later, and initially exists in the form of a thin film or a thick film, but its shape is modified by an oxidative heat treatment. The thin film form in which the metal layer forms an interface with the substrate at room temperature is energy stable. However, at a high temperature of 700 ° C. or above, the interface between the metal layer and the substrate is maintained in a thin film rather than the metal itself, and at the same time, the surface of the substrate is oxygenated and oxidized to make it more energy stable. Nano dots will be formed. As the material used for the metal layer, any metal or alloy material that is advantageous for the growth of Ag, Pt, Zn or other highly crystalline gallium nitride nanorods may be used. In this embodiment, Pt was used.

다음으로, 본 발명에 있어서 가장 중요한 소정 폭으로 제어된 복수의 나노 도트 형성 과정을 설명한다. 일반적으로 나노 도트 형성을 위해서는 나노 수준의 마스크가 필요하고 또한 국부적인 식각을 위하여 포토리소그래피 공정이 수반될 수 있다. 그런데 광식각 기술의 한계 및 공정 비용 등으로 인하여 이와 같은 나노 도트 형성 방법은 산업적으로 바람직하지 못하다.Next, a process of forming a plurality of nano dots controlled to a predetermined width most important in the present invention will be described. Generally, nano-level masks are required for nano dot formation, and photolithography may be involved for local etching. However, due to the limitations of the photolithography technology and the process cost, such a nano dot forming method is not industrially preferable.

본 발명에서는 베이스 기판 위에 형성된 금속층을 산화 분위기에서 열처리 함으로써 복수의 나노 도트가 소정 폭 내지 크기로 산화물층 내에 배치된 혼합층을 형성한다(단계 S3, 도 5).In the present invention, the metal layer formed on the base substrate is heat-treated in an oxidizing atmosphere to form a mixed layer in which a plurality of nano dots are disposed in the oxide layer with a predetermined width or size (step S3, FIG. 5).

이와 같은 산화 열처리 과정은 상면에 금속층이 형성되어 있는 베이스 기판을 적절한 온도와 가스 분위기, 승온 속도로 열처리함으로써 상기 베이스 기판(200) 위에 산화물층(220)을 형성함과 동시에 금속층을 나노 사이즈의 도트(212) 형태로 변화시킬 수 있다. 이러한 나노 도트의 크기를 적절하게 제어하기 위해서는 열처리 조건 뿐만 아니라 최초 베이스 기판에 형성된 금속층의 두께도 적절히 제어될 필요가 있다. 금속층의 두께는 대략 10 nm ~ 300 nm 이며 열처리 온도는 Pt의 경우 700 ℃ ~ 900 ℃ 의 범위에서 하여 Pt박막을 응집시키면서 동시에 Si기판 표면을 산화시켜 SiO2화한다. 단 휘발성이 강한 Zn의 경우 200 ℃ ~ 300 ℃ 정도에서 예비 산화열처리를 하여 육각 도트 형태의 ZnO를 형성시킨 후, 700 ℃ - 1000 ℃ 의 범위로 Si기판을 산화시키는 후 열처리를 해준다. 열처리 조건 중 가열온도, 가열 시간, 산소공급유량이 가장 중요한 조건이며, 금속층 두께, 가열온도, 시간이 길수록 나노 도트의 크기는 커진다. 특히 열처리 온도가 낮고 시간이 낮으면 박막 형성된 금속층을 응집시키는 도트 형성 과정이 잘 이루어지지 않고, 반면 지나치게 온도 및 가열시간이 길면 도트의 과대성장 및 표면이 불균일 해진다. 그러므로 도트의 지나친 성장을 억제하고 나노 사이즈 크기의 조절을 위해서 위에 열거된 파라미터를 유기적으로 변화시킨다. (예를 들어 가열 온도는 700 ℃ ~ 1000 ℃, 가열시간은 10분 ~ 60 분, 금속층의 두께는 300 nm 이하) 상기 나노 도트의 직경은 예를 들어 수 나노미터 이상 ~ 1 ㎛ 미만의 범위로 형성할 수 있다. In the oxidizing heat treatment process, an oxide layer 220 is formed on the base substrate 200 by heating the base substrate having the metal layer formed thereon at an appropriate temperature, a gas atmosphere, and a heating rate. (212) can be changed. In order to appropriately control the size of such nano dots, not only the heat treatment conditions but also the thickness of the metal layer formed on the first base substrate needs to be appropriately controlled. The thickness of the metal layer is approximately 10 nm to 300 nm, and the heat treatment temperature is in the range of 700 ° C. to 900 ° C. in the case of Pt to aggregate the Pt thin film and simultaneously oxidize the surface of the Si substrate to SiO 2 . However, in the case of highly volatile Zn, preliminary oxidation heat treatment is performed at about 200 ° C. to 300 ° C. to form ZnO in the form of a hexagonal dot, and then heat treatment after oxidizing the Si substrate in the range of 700 ° C. to 1000 ° C. Among the heat treatment conditions, the heating temperature, heating time, and oxygen supply flow rate are the most important conditions. As the metal layer thickness, heating temperature, and time increase, the size of the nano dot increases. In particular, when the heat treatment temperature is low and the time is low, the dot formation process of agglomerating the metal layer formed on the thin film is not well performed. On the other hand, when the temperature and the heating time are too long, the overgrowth of the dot and the surface become uneven. Therefore, the above-listed parameters are organically changed to suppress excessive growth of dots and to control nano-size. (For example, the heating temperature is 700 ℃ to 1000 ℃, the heating time is 10 minutes to 60 minutes, the thickness of the metal layer is 300 nm or less) The diameter of the nano dot is in the range of several nanometers to less than 1 ㎛, for example Can be formed.

상기 나노 도트(212)는 편의상 일차원적으로 도시되었으나, 실제로는 베이스 기판 상면에 이차원적으로 배열되며, 각각의 나노 도트는 질화갈륨 핵형성 및 나노 로드 성장을 위한 섬(island) 역할을 한다. 한편, 상기 산화물층(220)은 나노 도트(212)와는 다른 결정성 내지 미세 구조를 갖는 질화갈륨 층을 성장시키게 된다. The nanodots 212 are shown one-dimensionally for convenience, but are actually two-dimensionally arranged on the upper surface of the base substrate, and each nanodot serves as an island for gallium nitride nucleation and nanorod growth. Meanwhile, the oxide layer 220 grows a gallium nitride layer having a crystalline to fine structure different from that of the nano dot 212.

다음으로, 나노 도트와 산화물층을 포함하는 혼합층 위에 질화갈륨 박막을 성장시킨다(단계 S4, 도 6). Next, a gallium nitride thin film is grown on the mixed layer containing nano dots and an oxide layer (step S4, FIG. 6).

성장되는 질화갈륨 박막은 상기 나노 도트(212) 위에서는 최초에 질화갈륨 핵이 형성되고 지속적으로 나노 로드 형태의 구조물(230)이 성장된다. 이 구조물(230)은 결정성이 우수한 반면, 산화물층(220) 위에서 성장되는 질화갈륨 박막은 상기 나노 로드 형태의 구조물과는 화학적 안정성에 있어서 차이가 있는 저결정성 질화갈륨층(240)이 성장된다. 이와 같이 결정성에 있어서 차이가 있는 질화갈륨 박막을 원하는 높이까지 형성시킨다. 질화갈륨 박막의 형성은 예를 들어 하이드라이드 기상 에피택시법에 의하여 수행하는 것이 박막 성장 속도 측면에서 유리하다. 그러나, 본 발명에 있어서 다른 박막 성장법을 제한하는 것은 아니다.In the grown gallium nitride thin film, a gallium nitride nucleus is first formed on the nano dot 212, and the nanorod-shaped structure 230 is continuously grown. The structure 230 has excellent crystallinity, whereas the gallium nitride thin film grown on the oxide layer 220 has a low crystalline gallium nitride layer 240 having a difference in chemical stability from that of the nanorod structure. do. Thus, a gallium nitride thin film having a difference in crystallinity is formed to a desired height. The formation of the gallium nitride thin film is advantageously performed by, for example, the hydride vapor phase epitaxy in terms of the film growth rate. However, the present invention does not limit other thin film growth methods.

형성된 상기 질화갈륨 박막의 높이는 예를 들어 0.5 ㎛ ~ 100 ㎛ 의 범위를 가질 수 있다. The height of the formed gallium nitride thin film may have a range of, for example, 0.5 ㎛ ~ 100 ㎛.

마지막으로, 성장된 질화갈륨 박막에 적절한 식각 용액을 사용하여 상기 저결정성 질화갈륨층만을 선택적으로 제거한다(단계 S5, 도 7). Finally, only the low crystalline gallium nitride layer is selectively removed using an etching solution suitable for the grown gallium nitride thin film (step S5, FIG. 7).

선택적 식각에 의하여 베이스 기판 위에는 고결정성 질화갈륨 나노 로드(232)만이 남게 되고, 나노 로드 사이의 공간(240')은 빈 채로 존재하게 된다. 이와 같이 형성된 나노 로드간의 간격은 최초 산화 열처리시 금속층을 나노 도트로 변화시키는 과정에서 적절하게 제어할 수 있다.By selective etching, only the highly crystalline gallium nitride nanorods 232 remain on the base substrate, and the space 240 ′ between the nanorods remains empty. The gap between the nanorods formed as described above may be appropriately controlled in the process of changing the metal layer into nanodots during the initial oxidation heat treatment.

도 8은 본 발명의 제조 방법에 따라 형성된 질화갈륨 나노 로드를 포함하는 발광 소자의 일례를 도시하고 있다.8 illustrates an example of a light emitting device including a gallium nitride nanorod formed according to the manufacturing method of the present invention.

이 발광 소자는 베이스 기판(200) 위에 성장된 복수의 질화갈륨 나노 로드(232)와, 상기 베이스 기판의 하면 및 상기 질화갈륨 나노 로드 상부에 형성되는 전극부(250a, 250b)를 포함하고 있다. 편의상 도시되지 않았지만, 상기 질화 갈륨 나노 로드는 앞서 설명한 바와 같이 베이스 기판 위에 형성된 산화물층과 이 산화물층에 국부적으로 존재하는 복수의 나노 도트를 포함하는 혼합층 위에서 성장된 것으로, 상기 기판 상면에 이 혼합층이 존재할 수 있다. The light emitting device includes a plurality of gallium nitride nanorods 232 grown on the base substrate 200, and electrode portions 250a and 250b formed on a lower surface of the base substrate and an upper portion of the gallium nitride nanorods. Although not shown for convenience, the gallium nitride nanorods are grown on a mixed layer including an oxide layer formed on a base substrate and a plurality of nanodots present locally on the oxide layer, as described above. May exist.

상기 기판은 도판트를 포함하는 반도체 기판일 수 있다. 결정성이 우수한 복수의 질화갈륨 나노 로드 및 도판트를 함유하는 반도체 기판에는 전극부를 형성하기가 용이하다. The substrate may be a semiconductor substrate including a dopant. It is easy to form an electrode portion in a semiconductor substrate containing a plurality of gallium nitride nanorods and a dopant having excellent crystallinity.

본 발명에 따른 복수의 질화갈륨 나노 로드를 포함하는 발광 소자는 구동 전압이 낮으면서도 밝기가 상대적으로 우수하여 발광 소자을 필요로 하는 각종 전자기기에 효과적으로 이용될 수 있을 것이다. The light emitting device including the plurality of gallium nitride nanorods according to the present invention may be effectively used in various electronic devices requiring a light emitting device because of its low brightness and relatively high brightness.

이상에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명에서 제시한 기술적 사상, 구체적으로는 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있을 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, Modified, modified, or improved.

도 1은 이온빔을 이용한 나노 로드 성장 방법을 보인 모식도.1 is a schematic diagram showing a nanorod growth method using an ion beam.

도 2는 본 발명에 따른 나노 로드 제조 방법을 보인 순서도.Figure 2 is a flow chart showing a nanorod manufacturing method according to the present invention.

도 3은 나노 로드 성장을 위한 베이스 기판을 보인 단면도.3 is a cross-sectional view showing a base substrate for nanorod growth.

도 4는 금속층이 형성된 베이스 기판을 보인 단면도.4 is a cross-sectional view showing a base substrate on which a metal layer is formed.

도 5는 나노 도트를 포함하는 산화물층을 보인 단면도.5 is a cross-sectional view showing an oxide layer including nano dots.

도 6은 베이스 기판 위에 결정성이 다르게 성장된 박막을 보인 단면도.6 is a cross-sectional view showing a thin film with different crystallinity grown on a base substrate.

도 7은 선택적 식각에 의하여 형성된 나노 로드를 보인 단면도.7 is a cross-sectional view showing a nanorod formed by selective etching.

도 8은 본 발명의 질화 갈륨 나노 로드를 포함하는 발광 소자의 일례를 보인 단면도.8 is a cross-sectional view showing an example of a light emitting device including a gallium nitride nanorod of the present invention.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***DESCRIPTION OF THE REFERENCE SYMBOLS

200:베이스 기판 210:금속층200: base substrate 210: metal layer

220:산화물층 230:고결정성 박막 영역220: oxide layer 230: high crystalline thin film region

232:나노 로드 240:저결정성 박막 영역232: nanorod 240: low crystalline thin film region

Claims (13)

베이스 기판을 준비하고,Prepare the base substrate, 상기 베이스 기판의 일면에 금속층을 형성하고,Forming a metal layer on one surface of the base substrate, 상기 베이스 기판 및 금속층을 산화 열처리하여 산화물층 및 이 산화물층에 국부적으로 존재하는 상기 금속층의 복수의 나노 도트를 포함하는 혼합층을 형성하고, Oxidizing and heat treating the base substrate and the metal layer to form a mixed layer including an oxide layer and a plurality of nano dots of the metal layer locally present in the oxide layer, 상기 혼합층 상면에 질화갈륨 박막을 형성하고,Forming a gallium nitride thin film on the mixed layer; 상기 질화갈륨 박막을 선택적으로 식각하는 단계를 포함하는 Selectively etching the gallium nitride thin film 질화갈륨 나노 로드 제조 방법.Method for producing gallium nitride nanorods. 제1항에 있어서, 상기 베이스 기판은 Si로 이루어지는 질화갈륨 나노 로드 제조 방법.The method of claim 1, wherein the base substrate is made of Si. 제2항에 있어서, 상기 베이스 기판은 도핑 물질이 포함되어 있는 질화갈륨 나노 로드 제조 방법.The method of claim 2, wherein the base substrate comprises a doping material. 제1항에 있어서, 상기 금속층은 Ag, Pt 또는 Zn 으로 이루어지는 질화갈륨 나노 로드 제조 방법.The method of claim 1, wherein the metal layer is made of Ag, Pt, or Zn. 제1항에 있어서, 상기 혼합층은 산화 열처리 조건을 제어하여 상기 금속층의 나노 도트의 직경을 조절하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 나노 로드 제조 방법.The method of claim 1, wherein the mixed layer controls the oxidative heat treatment conditions to adjust the diameter of the nano dots of the metal layer. 제5항에 있어서, 상기 나노 도트의 직경은 수 나노미터 이상 ~ 1 ㎛ 미만의 범위인 질화갈륨 나노 로드 제조 방법.The method of claim 5, wherein the diameter of the nano dots is in the range of several nanometers to less than 1 μm. 제1항에 있어서, 상기 질화갈륨 박막은 하이드라이드 기상에피탁시법에 의하여 성장하는 질화갈륨 나노 로드 제조 방법.The method of claim 1, wherein the gallium nitride thin film is grown by hydride vapor phase epitaxy. 제1항에 있어서, 상기 질화갈륨 박막은 상기 산화물층 위에 형성되는 저결정성 영역과 상기 나노 도트 위에 형성되는 고결정성 영역을 포함하는 질화갈륨 나노 로드 제조 방법.The method of claim 1, wherein the gallium nitride thin film comprises a low crystalline region formed on the oxide layer and a high crystalline region formed on the nano dot. 제8항에 있어서, 상기 질화갈륨 박막의 선택적 식각은 저결정성 영역만을 제거하는 질화갈륨 나노 로드 제조 방법.The method of claim 8, wherein the selective etching of the gallium nitride thin film removes only low crystalline regions. 제1항에 있어서, 형성된 상기 질화갈륨 박막의 높이는 0.5 ㎛ ~ 100 ㎛ 의 범위인 질화갈륨 나노 로드 제조 방법.The method of claim 1, wherein the formed gallium nitride thin film has a height in a range of 0.5 μm to 100 μm. 제1항에 있어서, 상기 산화 열처리시 온도는 700 ℃ ~ 1000 ℃의 범위인 질 화갈륨 나노 로드 제조 방법.The method of claim 1, wherein the temperature during the oxidative heat treatment is in the range of 700 ° C to 1000 ° C. 제1항에 있어서, 상기 금속층의 두께는 10~300nm인 질화갈륨 나노 로드 제조 방법.The method of claim 1, wherein the metal layer has a thickness of 10 nm to 300 nm. 베이스 기판과,Base substrate, 상기 베이스 기판 위에 형성된 산화물층과 이 산화물층에 국부적으로 존재하는 복수의 나노 도트를 포함하는 혼합층과,A mixed layer comprising an oxide layer formed on the base substrate and a plurality of nano dots locally present in the oxide layer; 상기 복수의 나노 도트 위에 성장한 질화갈륨 나노 로드와,Gallium nitride nanorods grown on the plurality of nanodots, 상기 베이스 기판의 하면 및 상기 질화갈륨 나노 로드 상부에 형성되는 전극부를 포함하는 An electrode part formed on a lower surface of the base substrate and an upper portion of the gallium nitride nanorod; 질화갈륨 나노 로드 발광 소자.Gallium nitride nano rod light emitting device.
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