KR101710159B1 - Ⅲ족 질화물 나노로드 발광소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 III족 질화물 나노로드 발광소자는 기판, 상기 기판 위에 형성되고, 상기 기판의 일부분을 노출하고 서로 다른 직경을 가지는 복수의 개구를 포함하는 절연막 및 상기 복수의 개구 각각에 형성되는 서로 다른 직경을 가지는 제1 도전형 III족 질화물 나노로드를 포함하고, 상기 제1 도전형 III족 질화물 나노로드 각각의 표면에 활성층, 제2 도전형 반도체층이 순차적으로 형성되어 있다.

Description

Ⅲ족 질화물 나노로드 발광소자 및 그 제조 방법{Group III nitride nanorod light emitting device and Manufacturing method for the same}

본 발명은 III족 질화물 나노로드에 관한 것으로 특히, III족 질화물 나노로드 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Ⅲ 족-N 합금 (예를 들어, GaN) 으로 구성된 나노로드는 나노스케일 광전자 디바이스와 같은 새로운 반도체 디바이스 구성에 대한 잠재력을 제공한다. 예를 들어, GaN 나노로드는, 부식 또는 고온 환경하에서 동작하는 디바이스에 유용한 화학적 안정성, 큰 밴드갭 (bandgap) 및 높은 녹는점을 제공할 수 있다. 또한, GaN 및 관련 합금의 더 큰 밴드갭은 디스플레이 및 조명 용도에 유용한 가시 범위에서 광원의 제조를 허용한다. 또한, 각각의 나노로드의 고유한 기하학적 형상은 포토닉스 (photonics) 및 이송 디바이스에서 새로운 디바이스 패러다임을 경험할 잠재력을 제안한다.

본 발명은 동일한 기판 위에 서로 다른 직경을 가지는 III족 질화물 나노로드 발광소자를 성장시켜 다양한 파장의 빛을 낼 수 있는 III족 질화물 나노로드 발광소자 제조방법을 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따른 III족 질화물 나노로드 발광소자는 기판, 상기 기판 위에 형성되고, 상기 기판의 일부분을 노출하고 서로 다른 직경을 가지는 복수의 개구를 포함하는 절연막 및 상기 복수의 개구 각각에 형성되는 서로 다른 직경을 가지는 제1 도전형 III족 질화물 나노로드를 포함하고, 상기 제1 도전형 III족 질화물 나노로드 각각의 표면에 활성층, 제2 도전형 반도체층이 순차적으로 형성되어 있다.

상기 활성층은 적어도 한 쌍의 양자우물층 및 양자장벽층을 포함할 수 있다.

상기 양자장벽층은 Al_yGa_{1 - y}N(0≤y≤1)이고, 상기 양자우물층은 In_xGa_{1 - x}N(0≤x≤1)일 수 있다.

상기 III족 질화물 나노로드에 형성된 활성층은 보다 작은 직경을 가지는 상기 III족 질화물 나노로드에 형성된 활성층에 비해 인듐(In)의 함량이 적을 수 있다.

상기 서로 다른 직경을 가지는 제1 도전형 III족 질화물 나노로드를 포함하는 발광소자는 서로 다른 파장의 빛을 방출할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 III족 질화물 나노로드 발광소자의 제조방법은 기판 위에 상기 기판의 복수의 부분들을 노출하고 서로 다른 직경을 가지는 복수의 패턴화된 개구들을 포함하는 절연막을 형성하는 단계, 상기 패턴화된 개구들 각각에 의해 노출된 상기 기판의 영역에 직경이 서로 다른 제1 도전형 III족 질화물 나노로드를 성장하는 단계, 상기 제1 도전형 III족 질화물 나노로드 위에 적어도 한 쌍의 양자우물층 및 양자장벽층을 포함하는 활성층을 형성하는 단계 및 상기 활성층 위에 제2 도전형 반도체층을 형성하는 단계를 포함한다.

상기 제1 도전형 III족 질화물 나노로드의 직경은 상기 나노로드가 형성되는 개구의 직경에 비해 10% 내지 20% 더 크게 형성될 수 있다.

상기 활성층은 In_xGa_{1 - x}N(0≤x≤1)으로 된 양자우물층과 GaN으로 된 양자장벽층을 구비할 수 있다.

상기 나노로드 발광소자의 활성층은 보다 작은 직경을 가지는 상기 나노로드 발광소자의 활성층에 비해 인듐(In)의 함량이 적을 수 있다.

본 발명은 동일한 기판 위에 서로 다른 직경을 가지는 III족 질화물 나노로드 발광소자를 성장시켜 다양한 파장의 빛을 낼 수 있는 III족 질화물 나노로드 발광소자 제조방법을 제공하는 데 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 서로 다른 직경을 가지는 복수의 III족 질화물 나노로드를 포함하는 III족 질화물 나노로드 발광소자의 단면도를 나타낸다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 위에 직경이 서로 다른 복수의 개구들을 포함하는 절연막을 형성하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 3은 직경이 서로 다른 복수의 개구들이 형성된 절연막을 나타내는 평면도이다.
도 4a 내지 도 4c는 직경이 서로 다른 복수의 개구들을 포함하는 절연막 위에 나노로드를 포함하는 III족 질화물 나노로드 발광소자를 제조하는 과정을 나타낸다.
도 5a 내지 도5c는 본 발명의 실시예에 따라 성장을 완료한 제1 도전형 III족 질화물 나노로드의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 서로 다른 직경을 가지는 III족 질화물 나노로드 발광소자의 PL 특성을 나타내는 그래프이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시 예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명의 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.

또한, 각 실시 예의 도면에 나타나는 동일 또는 유사한 사상의 범위 내의 기능이 동일 또는 유사한 구성요소는 동일 또는 유사한 참조부호를 사용하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 서로 다른 직경을 가지는 복수의 III족 질화물 나노로드를 포함하는 III족 질화물 나노로드 발광소자의 단면도를 나타낸다. 도 1을 참조하면, III족 질화물 나노로드 발광소자는 기판, 버퍼층, 절연막, III족 질화물 나노로드를 각각 포함하는 복수의 발광구조물을 포함한다.

기판(100)은 반도체 단결정, 특히, 질화물 단결정 성장을 위한 성장 기판이다. 기판(100)은 일예로 사파이어, Si, ZnO, GaAs, SiC, MgAl₂O₄, MgO, LiAlO₂, LiGaO₂, GaN 등의 물질로 이루어질 수 있다. 사파이어의 경우, 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 C(0001)면, A(1120)면, R(1102)면 등을 갖는다. 이 경우, 상기 C면은 비교적 질화물 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 특히, 질화물 반도체의 성장용 기판으로 주로 사용될 수 있다.

버퍼층(110)은 질화물 반도체층으로, 불순물이 도핑된 Al_xIn_yGa_(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 된 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 버퍼층(110)은 일예로 GaN, AlGaN, InGaN이 있다. 버퍼층(110)은 필요에 따라 n형 질화물 반도체층 또는 p형 질화물 반도체층으로 형성할 수 있다. n형 불순물로 Si, Ge, Se, Te 등이 사용될 수 있으며, 상기 p형 불순물로는 Mg, Zn, Be 등이 사용될 수 있다.

상기 절연막(120)은 나노로드 발광소자의 n형 질화물 반도체층과 p형 질화물 반도체층이 서로 접촉하는 것을 방지하는 기능을 하며, 이러한 기능을 고려하였을 때, 실리콘 산화물이나 실리콘 질화물을 이용하여 형성될 수 있으며, 예를 들어, SiO₂, TiO₂, Si₃N₄ 등일 수 있다. 일 예로 상기 절연막의 높이는 약 50 내지 약 100 nm일 수 있다. 상기 절연막(120)은 버퍼층(110)의 일부분들을 노출하는 복수의 개구들(미도시)을 포함한다. 상기 복수의 개구들은 서로 다른 직경을 가지고 상기 절연막(120)에 패턴화되어 형성될 수 있다. 상기 개구들은 일괄 공정에 의해 성장하고자 하는 나노로드의 직경, 길이, 위치를 지정하기 위한 수단이다. 상기 개구들은 원형뿐만 아니라 사각형, 육각형 등 다양한 형태를 가질 수 있다.

상기 개구에 서로 다른 직경을 가지는 제1 도전형 III족 질화물 나노로드를 각각 포함하는 복수의 발광구조물(165, 175, 185)이 형성된다. 상기 발광구조물(165, 175, 185)은 제1 도전형 III족 질화물 나노로드(160, 170, 180), 활성층(161, 171, 181) 및 제2 도전형 반도체층(162, 172, 182)을 포함한다.

제1 도전형 III족 질화물 나노로드(160, 170, 180)는 단결정으로 형성되어 n-GaN 또는 p-GaN으로 될 수 있다. 제1 도전형 III족 질화물 나노로드(160, 170, 180)의 직경은 개구의 직경에 대체적으로 비례하며, 제1 도전형 III족 질화물 나노로드(160, 170, 180)가 형성되는 개구의 직경보다 약 10% 내지 약 20% 정도 크게 형성될 수 있다. 제1 도전형 III족 질화물 나노로드(160, 170, 180)의 길이는 일괄 공정 온도에서 시간을 조절함에 따라서 길이를 조절할 수 있다.

활성층(161, 171, 181)은 제1 도전형 III족 질화물 나노로드(160, 170, 180)와 마찬가지로 단결정으로 성장될 수 있다. 상기 활성층(161, 171, 181)은 전자와 정공의 발광 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출하기 위한 목적으로 성장된다. 상기 활성층(161, 171, 181)은 적어도 한 쌍의 양자장벽층과 양자우물층을 구비한다. 바람직하게는 상기 활성층(161, 171, 181)은 다중양자우물구조를 포함하고 있다. 일 예로 양자장벽층은 Al_yGa_{1 - y}N(0≤y≤1)으로 되어 있고, 양자우물층은 In_xGa_1-xN(0≤x≤1)로 되어 인듐 함량에 따라 밴드갭 에너지 및 발광파장이 조절되도록 할 수 있다.

제2 도전형 반도체층(162, 172, 182)의 두께는 약 20nm 이상일 수 있다. 상기 도전형 반도체(162, 172, 182)층은, 상기 제1 도전형 III족 질화물 나노로드(160, 170, 180)가 n형 반도체이면 p형 반도체층이 되고, 상기 제1 도전형 III족 질화물 나노로드(160, 170, 180)가 p형 반도체이면, 상기 도전형 반도체(162, 172, 182)층은 n형 반도체층이 된다.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판 위에 직경이 서로 다른 복수의 개구를 포함하는 절연막을 형성하는 과정을 나타내는 도면이다.

도 2a를 참조하면, 기판(100) 위에 버퍼층(110)을 형성한다. 버퍼층(110)은 MOCVD, MBE, HVPE 공정 등으로 성장될 수 있다. 일 예로 C(0001)면 사파이어 기판(100)을 MOCVD 장치 내의 반응로에 준비하고, 가열하여 버퍼층(110)인 n-GaN 반도체층을 약 1080℃에서 증착할 수 있다.

도 2b내지 도 2c를 참조하면, 상기 버퍼층(110) 위에 절연막(120)을 형성한다. 상기 절연막(120) 위에 버퍼층(110)의 일부분들을 노출하는 복수의 패턴화된 개구들(130, 140, 150)을 형성한다. 일 예로 리소그래피 공정에 의해 상기 절연막(120)을 식각하여 상기 절연막(120)에 패턴화 개구들(130, 140, 150)를 형성할 수 있다. 일 예로 서로 다른 직경을 가지는 개구들(130, 140, 150)은 일정한 직경(W1, W2, W3)과 간격을 가지도록 절연막(120)에 형성될 수 있다. 도 1c에 개시된 각 개구들(130, 140, 150)의 직경(W1, W2, W3)은 W1< W2< W3의 크기 순이다.

도 3는 직경이 서로 다른 복수의 개구들이 형성된 절연막을 나타내는 평면도이다. 도 3을 참조하면 상기 절연막(120)은 동일한 직경을 가지는 복수의 개구를 포함하는 복수의 군(群)을 구비하고, 상기 복수의 군은 서로 다른 직경을 가질 수 있다. 상기 개구들(130, 140, 150)은 일괄 공정에 의해 성장하고자 하는 나노로드의 직경, 길이, 위치를 지정하기 위한 수단이다. 상기 개구들(130, 140, 150)은 원형뿐만 아니라 사각형, 육각형 등 다양한 형태를 가질 수 있다.

도 4a 내지 도 4c는 직경이 서로 다른 복수의 개구들을 포함하는 절연막 위에 나노로드를 포함하는 III족 질화물 나노로드 발광소자를 제조하는 과정을 나타낸다.

도 4a를 참조하면, 절연막(120)의 복수의 개구들에 의해 노출된 버퍼층(110) 상에 각각 제1 도전형 III족 질화물 나노로드를 상기 절연막(120)의 높이까지 성장한다. 일 예로 상기 공정은 기판(100)이 구비된 반응로 내의 온도를 약 900℃ 내지 약 1100℃ 로 유지하면서 갈륨 공급원인 TMGa를 약 10 내지 약 200 sccm, 암모니아(NH3) 가스를 약 15000 내지 약 20000 sccm로 흘려주면서 약 1000℃ 내지 약 1100 ℃의 온도에서 절연막(120)의 높이, 즉 약 50 ~ 약 100nm까지 약 1분에서 약 5 분 정도 증착할 수 있다.

제1 도전형 III족 질화물 나노로드를 상기 절연막(120)의 높이까지 성장한 후, 갈륨 공급원인 TMGa를 약 50 내지 약 150 sccm, 암모니아(NH3) 가스를 약 500 내지 약 5000 sccm로 유량을 줄여서 약 900 ~ 약 1100℃ 온도에서 제1 도전형 III족 질화물 나노로드(160, 170, 180)를 성장시킬 수 있다. 이때의 반응로의 내부 압력은 약 70 mbar 내지 약 200 mbar를 유지시킨다.

기판(100) 위에 성장을 완료한 제1 도전형 III족 질화물 나노로드(160, 170, 180) 각각의 직경은 W4< W5< W6의 순이지만, 높이는 H1 > H2 >H3로 직경과 높이는 반비례 관계에 있을 수 있다.

도 5a 내지 도5c는 본 발명의 실시예에 따라 성장을 완료한 제1 도전형 III족 질화물 나노로드의 주사전자현미경(SEM) 사진이다. 도 5a 내지 도5c를 참조하면, 나노로드의 직경의 크기는 도 5c, 도 5b, 도 5a의 순이지만, 나노로드의 높이는 도 5a, 도 5b, 도 5c의 순으로 나타났다. 제1 도전형 III족 질화물 나노로드의 길이는 일괄 공정 온도에서 시간을 조절함에 따라서 길이를 조절할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 절연막의 패턴화된 개구의 직경이 약 100 ~ 약 180 nm 인 경우에는 성장된 제1 도전형 III족 질화물 나노로드의 직경은 약 120 ~ 약 200 nm이며, 개구의 직경이 약 180 ~ 약 250 nm인 경우에는 성장된 제1 도전형 III족 질화물 나노로드의 직경이 약 200 ~ 약 280 nm, 개구의 직경이 약 250 ~ 약 400 nm인 경우에는 성장된 제1 도전형 III족 질화물 나노로드의 직경이 약 280 ~ 약 450 nm로 나타났다. 이로써 제1 도전형 III족 질화물 나노로드 직경은 패턴화된 개구의 직경에 대체적으로 비례함을 알 수 있으며, 일반적으로 나노로드의 직경은 패턴화된 개구의 직경보다 약 10% 내지 약 20% 정도 크게 형성됨을 알 수 있다.

도 4b를 참조하면, 버퍼층(52), 절연막(53)이 순차적으로 적층된 기판(100) 위에 형성된 제1 도전형 III족 질화물 나노로드(160, 170, 180) 표면에 활성층(161, 171, 181)을 형성한다. 일 실시예로, 활성층(161, 171, 181)의 형성은 제1 도전형 III족 질화물 나노로드(160, 170, 180)가 형성되는 온도보다 약 100℃ ~ 약 300℃ 낮은 온도에서 형성될 수 있다.

도 4c를 참조하면, 상기 활성층(161, 171, 181) 위에 상기 활성층(161, 171, 181)의 전면을 덮도록 제2 도전형 반도체층(162, 172, 182)을 형성한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따라 서로 다른 직경을 가지는 III족 질화물 나노로드 발광소자의 PL 특성을 나타내는 그래프이다. 서로 다른 직경을 가지는 n-GaN 나노로드를 형성하고, 그 위에 5쌍의 InGaN/GaN 층을 구비하는 활성층을 형성한 후, 그 위에 p-GaN 층을 형성하였다. 서로 다른 직경을 가지고 동일한 성장 조건 하에서 성장된 나노로드 발광 구조체의 PL 특성을 보여준다. 도 6을 참조하면, 직경이 큰 나노로드 발광 구조체의 경우(51), 직경이 작은 나노로드 발광 구조체(52) 보다 발광파장이 짧은 것으로 나타났다. 따라서 직경이 큰 나노로드 발광 구조체의 활성층에 포함된 In의 함량이 직경이 작은 나노로드 발광 구조체의 그것보다 적게 들어감을 알 수가 있었다. 이는 나노로드의 직경이 작아짐에 따라 동일 조건하에서 성장된 나노로드 발광 구조체의 In의 함량이 증가함을 알 수 있다. 패턴의 직경을 200 ~ 400 nm의 크기로 변화시킴에 따라 PL 파장의 변화범위는 420 ~ 480nm 로 변화됨을 알 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

100: 기판 110: 버퍼층
120: 절연막 130, 140, 150: 개구
160, 170, 180: 제1 도전형 III족 질화물 나노로드
161, 171, 181: 활성층
162, 172, 182: 제2 도전형 반도체층

Claims (12)

1. 제1 도전형 질화물 반도체층;
   상기 제1 도전형 질화물 반도체층 상에 형성되고, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층의 일부분을 노출하고 서로 다른 직경을 가지는 복수의 개구를 포함하는 절연막;
   상기 복수의 개구 각각에 형성되는 서로 다른 직경을 가지는 복수의 제1 도전형 III족 질화물 나노로드; 및
   상기 복수의 제1 도전형 III족 질화물 나노로드 각각의 표면에 순차적으로 형성된 활성층과 제2 도전형 질화물 반도체층을 포함하며,
   상기 활성층이 형성된 상기 나노로드의 표면은 상기 나노로드의 측면을 포함하며,
   상기 복수의 개구는 복수의 군(群)으로 구분되며, 일 군의 개구는 다른 군의 개구와 서로 다른 직경을 가지며
   서로 다른 직경을 가지는 상기 제1 도전형 III족 질화물 나노로드를 포함하는 발광소자는 서로 다른 파장의 빛을 방출하고 상기 III족 질화물 나노로드에 형성된 활성층은 보다 작은 직경을 가지는 상기 III족 질화물 나노로드에 형성된 활성층에 비해 인듐(In)의 함량이 적은 것을 특징으로 하는 III족 질화물 나노로드 발광소자.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 활성층은 적어도 한 쌍의 양자우물층 및 양자장벽층을 포함하는 것을 특징으로 하는 III족 질화물 나노로드 발광소자.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 양자장벽층은 Al_yGa_1-yN(0≤y≤1)이고, 상기 양자우물층은 In_xGa_1-xN(0≤x≤1)인 것을 특징으로 하는 III족 질화물 나노로드 발광소자.
   
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1 도전형 질화물 반도체층;
   상기 제1 도전형 질화물 반도체층 상에 배치되며, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층의 일부분을 노출시키는 복수의 개구를 갖는 절연막;
   상기 복수의 개구에 각각 배치되며, 각각 제1 도전형 III족 질화물 나노로드와, 상기 나노로드의 표면에 순차적으로 배치된 활성층 및 제2 도전형 질화물 반도체층을 갖는 복수의 발광구조물을 포함하며,
   상기 활성층이 형성된 상기 나노로드의 표면은 상기 나노로드의 측면을 포함하고,
   상기 복수의 발광구조물은 적어도 제1 및 제2 그룹을 갖는 복수의 그룹으로 구분되고, 상기 제1 그룹의 발광구조물의 직경은 상기 제2 그룹의 발광구조물의 직경보다 작으며,
   상기 제2 그룹의 활성층은 상기 제1 그룹의 활성층에서 방출되는 제1 광보다 짧은 파장의 제2 광을 방출하고, 상기 제2 그룹의 활성층은 상기 제1 그룹의 활성층보다 작은 인듐함량을 갖는 III족 질화물 나노로드 발광소자.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 복수의 그룹은 제3 그룹을 더 포함하며, 상기 제3 그룹의 발광구조물은 상기 제2 그룹의 발광구조물의 직경보다 큰 것을 특징으로 하는 III족 질화물 나노로드 발광소자.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 제3 그룹의 활성층은 상기 제2 그룹의 활성층에서 방출되는 제2 광보다 짧은 파장의 제3 광을 방출하고,
   상기 제3 그룹의 활성층은 상기 제2 그룹의 활성층보다 작은 인듐함량을 갖는 III족 질화물 나노로드 발광소자.
   
9. 삭제
10. 기판 상에 제1 도전형 질화물 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제1 도전형 질화물 반도체층 상에 상기 제1 도전형 질화물 반도체층의 일부분을 노출시키는 복수의 개구를 갖는 절연막을 형성하는 단계;
    상기 복수의 개구에 각각 위치하도록 제1 도전형 III족 질화물 나노로드를 성장시키는 단계;
    상기 나노로드 각각의 표면에 활성층 및 제2 도전형 질화물 반도체층을 순차적으로 성장시킴으로써 복수의 발광구조물을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 활성층이 형성된 상기 나노로드의 표면은 상기 나노로드의 측면을 포함하고,
    상기 복수의 발광구조물은 적어도 제1 및 제2 그룹을 갖는 복수의 그룹으로 구분되고, 상기 제1 그룹의 발광구조물의 직경은 상기 제2 그룹의 발광구조물의 직경보다 작으며,
    상기 제2 그룹의 활성층은 상기 제1 그룹의 활성층에서 방출되는 제1광보다 짧은 파장의 제2 광을 방출하고, 상기 제2 그룹의 활성층은 상기 제1 그룹의 활성층보다 작은 인듐함량을 갖는 III족 질화물 나노로드 발광소자 제조방법.
11. 삭제
12. 삭제

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