KR101898859B1 - Photoelectrode material and manufacturing method of the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 기판과, 상기 기판 상에 구비된 GaN층과, 상기 GaN층의 상부 일부에 구비된 패턴화된 그래핀층(patterned graphene layer)과, 상기 패턴화된 그래핀층이 위치하지 않는 영역의 상기 GaN층 상부와 상기 패턴화된 그래핀층 상부에서 성장되어 형성된 (Ga,In)계 질화물을 포함하며, 상기 패턴화된 그래핀층 상부에 형성된 (Ga,In)계 질화물과 상기 GaN층 상부에 형성된 (Ga,In)계 질화물은 서로 다른 형태를 갖는 특징으로 하는 광전극 재료 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 습식공정 방법으로 전사된 그래핀층이 패턴화되어 있으며, 패턴화된 그래핀층에 의해 전자가 상대전극으로 이동하는 통로 역할을 하게 할 수 있고, 상기 패턴화된 그래핀층을 통해서 전류 과밀 문제를 해소할 수 있으며, 3차원 형태로 성장된 (Ga,In)계 질화물의 표면적 증가로 광전류를 향상시킬 수 있다.The present invention provides a GaN substrate comprising a substrate, a GaN layer provided on the substrate, a patterned graphene layer provided on a part of the upper portion of the GaN layer, and a patterned graphene layer (Ga, In) -based nitride formed on the GaN layer and the patterned graphene layer and formed on the patterned graphene layer, and a (Ga, In) -based nitride formed on the patterned graphene layer, (Ga, In) nitride are different from each other and a manufacturing method thereof. According to the present invention, the graphene layer transferred by the wet process method is patterned, and the patterned graphene layer can serve as a path for electrons to move to the counter electrode, and the current The overcorrection problem can be solved and the photocurrent can be improved by increasing the surface area of the (Ga, In) type nitride grown in the three-dimensional form.

Description

광전극 재료 및 그 제조방법{Photoelectrode material and manufacturing method of the same}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a photoelectrode material,

본 발명은 광전극 재료 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 패턴화된 그래핀층이 형성되어 있으므로 전자가 상대전극으로 이동하는 통로 역할을 하게 할 수 있고, 상기 패턴화된 그래핀층을 통해서 전류 과밀 문제를 해소할 수 있으며, 3차원 형태로 성장된 (Ga,In)계 질화물의 표면적 증가로 광전류를 향상시킬 수 있는 광전극 재료 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a photoelectrode material and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a method of manufacturing a photoelectrode material and a method of manufacturing the same, wherein the patterned graphene layer is formed, To a photoelectrode material capable of improving the photocurrent by increasing the surface area of a (Ga, In) type nitride grown in a three-dimensional shape, and a method of manufacturing the same.

광전기화학적 수소 생산법(photoelectrochemical hydrogen production)은 광자를 흡수하여 그 에너지를 화학적 에너지로 변환시켜 수소를 생산하는 방법으로서, 광전극과 상대전극 사이의 전해액에 태양광을 비춰 주어 물분해되게 하여 수행할 수 있다. 상기 광전극으로는 Si, GaAs 등 단결정 물질뿐만 아니라 TiO2 와 같은 금속산화물 등의 다양한 물질들이 연구되고 있다.Photoelectrochemical hydrogen production is a method of producing hydrogen by absorbing photons and converting the energy into chemical energy. The photoelectrochemical hydrogen production is carried out by irradiating sunlight to the electrolyte between the photoelectrode and the counter electrode to decompose the water . As the photoelectrode, various materials such as a single crystal material such as Si and GaAs, and a metal oxide such as TiO 2 have been studied.

이러한 광전기화학적 수소 생산을 위해서는 광전극의 에너지 변환 효율이 높아야 한다. 태양광을 이용한 광전기화학적 수소 생산에서 에너지 변환 효율은 광전극 물질의 에너지 밴드갭(energy band gap)과 관련이 있다. In order to produce such photoelectrochemical hydrogen, the energy conversion efficiency of the photoelectrode should be high. Energy conversion efficiency in photovoltaic chemical hydrogen production using solar light is related to the energy band gap of the photoelectrode material.

대부분의 금속산화물(TiO2, ZnO 등)은 에너지 밴드갭이 너무 커서 태양광 스펙트럼 중 자외선 영역 광자만 흡수하고 다른 영역의 빛은 흡수하지 못하며, 따라서 이러한 금속산화물로 이루어진 광전극은 상당히 작은 에너지 변환 효율을 나타낸다. Most of the metal oxides (TiO 2 , ZnO, etc.) have an excessively large energy band gap, so that only the ultraviolet region photons of the solar spectrum can be absorbed and the light of other regions can not be absorbed. Efficiency.

반면에, Si, GaAs 등의 반도체 물질은 1.0 ∼ 1.5 eV 사이의 밴드갭을 가지므로 적외선부터 자외선까지 대부분의 빛을 흡수할 수 있다. 그러나, 외부로부터 전압의 공급 없이도 물분해를 일으키기 위해서는 1.5 V 이상의 광전압(photovoltage)이 필요한데, Si, GaAs 등의 반도체 물질로 이루어진 광전극이 나타내는 광전압은 이에 비해 상당히 작다. On the other hand, since semiconductor materials such as Si and GaAs have a band gap of 1.0 to 1.5 eV, most of light can be absorbed from infrared rays to ultraviolet rays. However, a photovoltage of 1.5 V or more is required to cause water decomposition without supplying a voltage from the outside, and the optical voltage represented by a photo electrode made of a semiconductor material such as Si or GaAs is considerably smaller than that.

상술한 문제점들로 인하여 에너지 밴드갭과 광전압의 조건을 모두 만족시키는 광전극에 대한 연구가 계속되고 있다. Due to the above-described problems, research on a photoelectrode that satisfies both the energy bandgap and the photovoltage condition has been continued.

또한, 광전기화학적 수소 생산을 위해서는 광전극의 신뢰성(reliability)이 높아야 한다. 그러나, 일반적으로 반도체 전극은 부식되기 쉬운 물질이고, 강산이나 강염기성의 전해액 속에서 지속적으로 태양광을 조사받기 때문에, 수명이 길지 못하다는 단점이 있다. In addition, the reliability of the photoelectrode must be high for photoelectrochemical hydrogen production. However, in general, semiconductor electrodes are susceptible to corrosion and have a short life span because they are continuously irradiated with sunlight in a strong acid or strong basic electrolyte.

상술한 문제점들을 개선하기 위해 광전기화학적 수소 생산에 대한 다양한 광전극 물질들이 개발되고 있다. Various photoelectrode materials for photoelectrochemical hydrogen production have been developed to overcome the above problems.

최근에는 광전극 물질로 질화 갈륨(Gallium nitride; GaN)이 관심을 받고 있다. GaN은 화학적으로 안정하고 에너지 밴드갭 조절이 자유롭다는 장점으로 인하여 물분해를 위한 광전극 물질로 관심을 받고 있다. Recently, gallium nitride (GaN) has been attracting interest as a photoelectrode material. GaN is chemically stable and has the interest of being free to control the energy bandgap, which is attracting attention as a photoelectrode material for water decomposition.

GaN은 에너지 밴드갭이 3.4 eV 정도로 TiO2 수준이지만, 성장 과정에서 In 등을 첨가하여 줌으로써 밴드갭을 자유롭게 조절할 수 있다. 수소발생반응(hydrogen evolution reaction)과 산소발생반응(oxygen evolution reaction) 전위가 GaN의 전도대(conduction band) 및 가전자대(valence band) 내에 포함되므로(straddle), 에너지역학 면에서 외부 전위 없이 물분해를 수행할 수 있다. GaN has an energy band gap of about 3.4 eV, which is TiO 2 level. However, the band gap can be freely adjusted by adding In or the like during growth. Hydrogen evolution reaction and oxygen evolution reaction potentials are contained in the conduction band and valence band of GaN so that they can be decomposed without external potential in terms of energy dynamics. Can be performed.

또한, Si, GaAs 등 다른 반도체 물질에 비해 화학적 안정성이 매우 뛰어나서 강산, 강염기 환경의 전해액에서 광환원전극(photocathode)으로뿐 아니라 광산화전극(photoanode)으로도 사용될 수 있다. In addition, it has excellent chemical stability compared to other semiconductor materials such as Si and GaAs, and can be used not only as a photocathode but also as a photoanode in an electrolyte in a strong acid or strong base environment.

이러한 GaN은 그 특성상 부도체인 사파이어(sapphire) 기판 위에 성장시킨다. GaN 성장이 완표된 물질을 광전극으로 사용하는 경우에, 후면에는 사파이어 기판이 있으므로, 광전극을 제조할 때 오믹 접촉(ohmic contact)을 만들기 위해서 통상적인 방법과 같이 후면(back side) 전기 접촉이 불가하고, 전면(front side) 전기 접촉을 해야 하는데, 전면 전기 접촉을 하게 되면 높은 저항에 의한 전류 과밀 (current crowding)이 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 전류 과밀 문제 등을 해결할 수 있는 GaN 광전극에 대한 연구가 필요하다. Such GaN is grown on a sapphire substrate which is nonconductive in nature. When a material with GaN growth is used as the photoelectrode, since there is a sapphire substrate on the backside, back side electrical contact is made as in the usual way to make an ohmic contact when manufacturing the photoelectrode. It is impossible to make a front side electrical contact, and when the front side electrical contact is made, a current crowding due to a high resistance may occur. Therefore, it is necessary to study GaN optical electrodes which can overcome such current overcorrection problems.

대한민국 공개특허공보 제10-2015-0021605호Korean Patent Publication No. 10-2015-0021605

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 패턴화된 그래핀층이 형성되어 있으므로 전자가 상대전극으로 이동하는 통로 역할을 하게 할 수 있고, 상기 패턴화된 그래핀층을 통해서 전류 과밀 문제를 해소할 수 있으며, 3차원 형태로 성장된 (Ga,In)계 질화물의 표면적 증가로 광전류를 향상시킬 수 있는 광전극 재료 및 그 제조방법을 제공함에 있다. A problem to be solved by the present invention is that a patterned graphene layer is formed so that electrons can act as a path through which the electrons move to the counter electrode and the current overcorrection problem can be solved through the patterned graphene layer, (Ga, In) -based nitride grown in the form of a single crystal, and to improve the photocurrent by increasing the surface area of the (Ga, In) -based nitride.

본 발명은, 기판과, 상기 기판 상에 구비된 GaN층과, 상기 GaN층의 상부 일부에 구비된 패턴화된 그래핀층(patterned graphene layer)과, 상기 패턴화된 그래핀층이 위치하지 않는 영역의 상기 GaN층 상부와 상기 패턴화된 그래핀층 상부에서 성장되어 형성된 (Ga,In)계 질화물을 포함하며, 상기 패턴화된 그래핀층 상부에 형성된 (Ga,In)계 질화물과 상기 GaN층 상부에 형성된 (Ga,In)계 질화물은 서로 다른 형태를 갖는 광전극 재료를 제공한다. The present invention provides a GaN substrate comprising a substrate, a GaN layer provided on the substrate, a patterned graphene layer provided on a part of the upper portion of the GaN layer, and a patterned graphene layer (Ga, In) -based nitride formed on the GaN layer and the patterned graphene layer and formed on the patterned graphene layer, and a (Ga, In) -based nitride formed on the patterned graphene layer, (Ga, In) type nitride provides a photo electrode material having a different form.

상기 (Ga,In)계 질화물은 GaN, InN 및 InxGa(1-x)N(0＜x＜1) 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다. The (Ga, In) based nitride may include at least one material selected from GaN, InN, and In x Ga (1-x) N (0 <x <1).

상기 GaN, InN 및 InxGa(1-x)N(0＜x＜1) 중에서 선택된 1종 이상의 물질은 Si가 도핑되어 있거나 Mg가 도핑되어 있을 수 있다.The at least one material selected from GaN, InN and In x Ga (1-x) N (0 <x <1) may be Si-doped or Mg-doped.

상기 패턴화된 그래핀층은 스트라이프(stripe) 형태를 갖는 것이 바람직하다. The patterned graphene layer preferably has a stripe shape.

상기 패턴화된 그래핀층이 차지하는 면적은 상기 GaN층의 전체 평면 면적에서 5∼30% 범위를 이루는 것이 바람직하다. The area occupied by the patterned graphene layer preferably ranges from 5 to 30% in the entire plane area of the GaN layer.

상기 기판은 사파이어 기판을 포함할 수 있다.The substrate may comprise a sapphire substrate.

또한, 본 발명은, GaN층이 구비된 기판을 준비하는 단계와, 상기 GaN층 상부에 그래핀층을 형성하는 단계와, 상기 그래핀층을 선택적으로 식각하여 패턴화된 그래핀층을 형성하는 단계와, 상기 패턴화된 그래핀층이 위치하지 않는 영역의 상기 GaN층 상부와 상기 패턴화된 그래핀층 상부에서 (Ga,In)계 질화물을 성장시키는 단계를 포함하며, 상기 패턴화된 그래핀층 상부에서 성장되는 (Ga,In)계 질화물과 상기 GaN층 상부에서 성장되는 (Ga,In)계 질화물은 서로 다른 형태로 성장되는 것을 특징으로 하는 광전극 재료의 제조방법을 제공한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, including: preparing a substrate provided with a GaN layer; forming a graphene layer on the GaN layer; selectively etching the graphene layer to form a patterned graphene layer; Growing a (Ga, In) based nitride on top of the GaN layer and on top of the patterned graphene layer in a region where the patterned graphene layer is not located, (Ga, In) based nitride and a (Ga, In) based nitride grown on the GaN layer are grown in different forms.

상기 패턴화된 그래핀층을 형성하는 단계는, 상기 (b) 단계의 그래핀층 상부에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와, 상기 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 사용하여 산소 플라즈마 처리하여 상기 그래핀층을 패턴화하는 단계 및 상기 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. The forming of the patterned graphene layer may include: forming a photoresist pattern on the graphene layer in the step (b); and performing oxygen plasma treatment using the photoresist pattern as an etching mask to form the graphene layer And removing the photoresist pattern.

상기 (Ga,In)계 질화물은 HVPE(hydride vapor phase epitaxy), MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition) 및 MBE(molecular beam epitaxy) 중에서 선택된 저온 성장법으로 성장시키는 것이 바람직하다. Preferably, the (Ga, In) nitride is grown by a low-temperature growth method selected from hydride vapor phase epitaxy (HVPE), metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) and molecular beam epitaxy (MBE).

상기 (Ga,In)계 질화물은 GaN, InN 및 InxGa(1-x)N(0＜x＜1) 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.The (Ga, In) based nitride may include at least one material selected from GaN, InN, and In x Ga (1-x) N (0 <x <1).

상기 GaN, InN 및 InxGa(1-x)N(0＜x＜1) 중에서 선택된 1종 이상의 물질의 성장 시에 Si가 도핑되게 하거나 Mg가 도핑되게 할 수 있다.The Si may be doped or Mg may be doped when the at least one material selected from GaN, InN and In x Ga (1-x) N (0 <x <1) is grown.

상기 패턴화된 그래핀층은 스트라이프(stripe) 형태를 갖게 하는 것이 바람직하다.The patterned graphene layer preferably has a stripe shape.

상기 패턴화된 그래핀층이 차지하는 면적은 상기 GaN층의 전체 평면 면적에서 5∼30% 범위를 이루게 하는 것이 바람직하다.The area occupied by the patterned graphene layer preferably ranges from 5 to 30% in the entire plane area of the GaN layer.

상기 기판은 사파이어 기판을 포함할 수 있다.The substrate may comprise a sapphire substrate.

본 발명의 광전극 재료는 광전기화학적 수소 생산을 위한 광전극으로 사용될 수 있다. 광전극에서 사용되는 경우에, GaN층과 (Ga,In)계 질화물 사이의 패턴화된 그래핀층은 전자가 상대전극으로 이동하는 통로 역할을 하게 된다. 패턴화된 그래핀층을 통해서 전류 과밀 문제를 해소할 수 있고, 3차원 형태로 성장된 (Ga,In)계 질화물은 표면적이 크므로 광전류를 향상시킬 수가 있다. The photoelectrode material of the present invention can be used as a photoelectrode for photoelectrochemical hydrogen production. When used in a photoelectrode, the patterned graphene layer between the GaN layer and the (Ga, In) -type nitride serves as a path through which electrons move to the counter electrode. The overcurrent problem can be solved through the patterned graphene layer, and the (Ga, In) type nitride grown in the three-dimensional form can improve the photocurrent because the surface area is large.

도 1 내지 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광전극 재료의 제조방법을 설명하기 위하여 도시한 도면이다.
도 7 내지 도 9는 실험예에 따라 성장된 (Ga,In)계 질화물(GaN)의 모습을 보여주는 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM) 사진이다.
도 10은 패턴화된 그래핀층 상부에 형성된 (Ga,In)계 질화물(GaN)과 GaN층(그래핀층이 식각에 의해 제거되어 그래핀이 존재하지 않는 영역의 GaN층) 상부에 형성된 (Ga,In)계 질화물(GaN) 사이의 경계 부분을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 11 및 도 12는 패턴화된 그래핀층 상부에 형성된 (Ga,In)계 질화물(GaN)을 보여주는 주사전자현미경 사진이다.
도 13 및 도 14는 GaN층(그래핀층이 식각에 의해 제거되어 그래핀이 존재하지 않는 영역의 GaN층) 상부에 형성된 (Ga,In)계 질화물(GaN)을 보여주는 주사전자현미경 사진이다. FIGS. 1 to 6 are diagrams for explaining a method of manufacturing a photo electrode material according to a preferred embodiment of the present invention.
7 to 9 are scanning electron microscope (SEM) photographs showing the state of (Ga, In) type nitride (GaN) grown according to the experimental example.
10 is a cross-sectional view of a GaN layer formed on a patterned graphene layer and a GaN layer formed on a GaN layer (a GaN layer in which graphene layer is removed by etching) In-type nitride (GaN) is a scanning electron microscope (SEM) photograph.
Figs. 11 and 12 are scanning electron micrographs showing (Ga, In) type nitride (GaN) formed on the patterned graphene layer.
13 and 14 are scanning electron micrographs showing (Ga, In) type nitride (GaN) formed on the GaN layer (the GaN layer in the region where the graphene layer is removed by etching and not in the graphene layer).

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, it should be understood that the following embodiments are provided so that those skilled in the art will be able to fully understand the present invention, and that various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. It is not. Wherein like reference numerals refer to like elements throughout.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광전극 재료는, 기판과, 상기 기판 상에 구비된 GaN층과, 상기 GaN층의 상부 일부에 구비된 패턴화된 그래핀층(patterned graphene layer)과, 상기 패턴화된 그래핀층이 위치하지 않는 영역의 상기 GaN층 상부와 상기 패턴화된 그래핀층 상부에서 성장되어 형성된 (Ga,In)계 질화물을 포함하며, 상기 패턴화된 그래핀층 상부에 형성된 (Ga,In)계 질화물과 상기 GaN층 상부에 형성된 (Ga,In)계 질화물은 서로 다른 형태를 갖는다. A photo electrode material according to a preferred embodiment of the present invention includes a substrate, a GaN layer provided on the substrate, a patterned graphene layer provided on a part of the upper portion of the GaN layer, (Ga, In) based nitride grown on the upper portion of the GaN layer and the upper portion of the patterned graphene layer in a region where the graphene layer is not located, The system nitride and the (Ga, In) nitride formed on the GaN layer have different shapes.

상기 (Ga,In)계 질화물은 GaN, InN 및 InxGa(1-x)N(0＜x＜1) 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다. The (Ga, In) based nitride may include at least one material selected from GaN, InN, and In x Ga (1-x) N (0 <x <1).

상기 GaN, InN 및 InxGa(1-x)N(0＜x＜1) 중에서 선택된 1종 이상의 물질은 Si가 도핑되어 있거나 Mg가 도핑되어 있을 수 있다.The at least one material selected from GaN, InN and In x Ga (1-x) N (0 <x <1) may be Si-doped or Mg-doped.

상기 패턴화된 그래핀층은 스트라이프(stripe) 형태를 갖는 것이 바람직하다. The patterned graphene layer preferably has a stripe shape.

상기 패턴화된 그래핀층이 차지하는 면적은 상기 GaN층의 전체 평면 면적에서 5∼30% 범위를 이루는 것이 바람직하다. The area occupied by the patterned graphene layer preferably ranges from 5 to 30% in the entire plane area of the GaN layer.

상기 기판은 사파이어 기판을 포함할 수 있다.The substrate may comprise a sapphire substrate.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광전극 재료의 제조방법은, GaN층이 구비된 기판을 준비하는 단계와, 상기 GaN층 상부에 그래핀층을 형성하는 단계와, 상기 그래핀층을 선택적으로 식각하여 패턴화된 그래핀층을 형성하는 단계와, 상기 패턴화된 그래핀층이 위치하지 않는 영역의 상기 GaN층 상부와 상기 패턴화된 그래핀층 상부에서 (Ga,In)계 질화물을 성장시키는 단계를 포함하며, 상기 패턴화된 그래핀층 상부에서 성장되는 (Ga,In)계 질화물과 상기 GaN층 상부에서 성장되는 (Ga,In)계 질화물은 서로 다른 형태로 성장된다.A method of manufacturing a photo electrode material according to a preferred embodiment of the present invention includes the steps of preparing a substrate provided with a GaN layer, forming a graphene layer on the GaN layer, selectively etching the graphene layer, (Ga, In) based nitride on top of the GaN layer and on top of the patterned graphene layer in a region where the patterned graphene layer is not located, The (Ga, In) type nitride grown on the patterned graphene layer and the (Ga, In) type nitride grown on the GaN layer are grown in different forms.

상기 패턴화된 그래핀층을 형성하는 단계는, 상기 (b) 단계의 그래핀층 상부에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계와, 상기 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 사용하여 산소 플라즈마 처리하여 상기 그래핀층을 패턴화하는 단계 및 상기 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계를 포함할 수 있다. The forming of the patterned graphene layer may include: forming a photoresist pattern on the graphene layer in the step (b); and performing oxygen plasma treatment using the photoresist pattern as an etching mask to form the graphene layer And removing the photoresist pattern.

상기 (Ga,In)계 질화물은 HVPE(hydride vapor phase epitaxy), MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition) 및 MBE(molecular beam epitaxy) 중에서 선택된 저온 성장법으로 성장시키는 것이 바람직하다. Preferably, the (Ga, In) nitride is grown by a low-temperature growth method selected from hydride vapor phase epitaxy (HVPE), metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) and molecular beam epitaxy (MBE).

상기 (Ga,In)계 질화물은 GaN, InN 및 InxGa(1-x)N(0＜x＜1) 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.The (Ga, In) based nitride may include at least one material selected from GaN, InN, and In x Ga (1-x) N (0 <x <1).

상기 GaN, InN 및 InxGa(1-x)N(0＜x＜1) 중에서 선택된 1종 이상의 물질의 성장 시에 Si가 도핑되게 하거나 Mg가 도핑되게 할 수 있다.The Si may be doped or Mg may be doped when the at least one material selected from GaN, InN and In x Ga (1-x) N (0 <x <1) is grown.

상기 패턴화된 그래핀층은 스트라이프(stripe) 형태를 갖게 하는 것이 바람직하다.The patterned graphene layer preferably has a stripe shape.

상기 패턴화된 그래핀층이 차지하는 면적은 상기 GaN층의 전체 평면 면적에서 5∼30% 범위를 이루게 하는 것이 바람직하다.The area occupied by the patterned graphene layer preferably ranges from 5 to 30% in the entire plane area of the GaN layer.

상기 기판은 사파이어 기판을 포함할 수 있다.The substrate may comprise a sapphire substrate.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광전극 재료를 더욱 구체적으로 설명한다. 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광전극 재료를 개략적으로 도시한 도면이다. Hereinafter, the photo electrode material according to the preferred embodiment of the present invention will be described more specifically. 6 is a view schematically showing a photo electrode material according to a preferred embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광전극 재료는, 기판(100)과, 기판(100) 상에 구비된 GaN층(110)과, GaN층(110)의 상부 일부에 구비된 패턴화된 그래핀층(patterned graphene layer)(120a)과, 패턴화된 그래핀층(120a)이 위치하지 않는 영역의 GaN층(110) 상부와 패턴화된 그래핀층(120a) 상부에서 성장되어 형성된 (Ga,In)계 질화물(140a, 140b)을 포함한다. 6, a photo electrode material according to a preferred embodiment of the present invention includes a substrate 100, a GaN layer 110 provided on the substrate 100, A patterned graphene layer 120a grown on the patterned graphene layer 120a and an upper portion of the patterned graphene layer 120a in the region where the patterned graphene layer 120a is not located, (Ga, In) -based nitrides 140a and 140b.

기판(100)은 화학적으로 안정하고 고품질의 질화물을 성장시킬 수 있는 사파이어 기판을 포함할 수 있다.The substrate 100 may include a sapphire substrate that is chemically stable and capable of growing high quality nitride.

GaN층(110)은 기판(100) 위에서 HVPE(hydride vapor phase epitaxy), MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition), MBE(molecular beam epitaxy) 등의 방법으로 성장된 GaN 템플레이트(template)일 수 있다. The GaN layer 110 may be a GaN template grown on the substrate 100 by hydride vapor phase epitaxy (HVPE), metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD), or molecular beam epitaxy (MBE).

패턴화된 그래핀층(120a)은 스트라이프(stripe), 십자(+)형, 원형, 타원형, 다각형 등의 다양한 형태를 가질 수 있으며, 바람직하게는 스트라이프(stripe) 형태를 갖는다. 상기 스트라이프(stripe) 형태라 함은 가로, 세로 또는 사선 방향으로 직선이나 곡선을 평행하게(또는 평행에 가깝게) 나타낸 무늬를 포함하는 의미이다. The patterned graphene layer 120a may have various shapes such as a stripe, a cross, a circle, an ellipse, a polygon, and the like, and preferably has a stripe shape. The stripe shape means a pattern in which a straight line or a curve is parallel (or nearly parallel) in a horizontal, vertical or diagonal direction.

패턴화된 그래핀층(120a)이 차지하는 면적은 GaN층(110)의 전체 평면 면적에서 5∼30% 범위를 이루는 것이 바람직하다. 패턴화된 그래핀층(120a)이 위치하지 않는 영역이 차지하는 면적은 GaN층(110)의 전체 평면 면적에서 70∼95% 정도를 이루게 하는 것이 바람직하다. 패턴화된 그래핀층(120a)이 위치하는 영역의 수직 단면은 기판(100), GaN층(110), 패턴화된 그래핀층(120a) 및 (Ga,In)계 질화물(140b)의 적층 형태를 갖게 된다. GaN층(110)과 (Ga,In)계 질화물(140b) 사이에 패턴화된 그래핀층(120a)이 삽입된 형태(그래핀층 삽입 구조)를 이룬다. 광전극으로 사용되는 경우에, GaN층(110)과 (Ga,In)계 질화물(140b) 사이의 패턴화된 그래핀층(120a)은 전자가 상대전극으로 이동하는 통로 역할을 하게 된다. The area occupied by the patterned graphene layer 120a preferably ranges from 5 to 30% in the entire plane area of the GaN layer 110. The area occupied by the region where the patterned graphene layer 120a does not exist is preferably about 70% to 95% of the entire plane area of the GaN layer 110. The vertical section of the region where the patterned graphene layer 120a is located is a stacked form of the substrate 100, the GaN layer 110, the patterned graphene layer 120a and the (Ga, In) . (Graphene layer inserting structure) in which the patterned graphene layer 120a is inserted between the GaN layer 110 and the (Ga, In) -type nitride layer 140b. When used as a light electrode, the patterned graphene layer 120a between the GaN layer 110 and the (Ga, In) -type nitride layer 140b serves as a path through which electrons move to the counter electrode.

(Ga,In)계 질화물(140a, 140b)은 GaN, InN 및 InxGa(1-x)N(0＜x＜1) 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다. (Ga, In) -type nitride 140a and 140b may include at least one material selected from GaN, InN, and In x Ga (1-x) N (0 <x <1).

GaN, InN 및 InxGa(1-x)N(0＜x＜1) 중에서 선택된 1종 이상의 물질은 Si가 도핑되어 있거나 Mg가 도핑되어 있을 수 있다. 상기 Si의 도핑량은 1×1016 ∼ 9×1021/cm3정도인 것이 바람직하다. 상기 Mg의 도핑량은 1×1016 ∼ 9×1021/cm3 정도인 것이 바람직하다. At least one material selected from GaN, InN and In x Ga (1-x) N (0 <x <1) may be Si-doped or Mg-doped. The doping amount of Si is preferably about 1 x 10 16 to 9 x 10 21 / cm 3 . The doping amount of Mg is preferably about 1 × 10 16 to 9 × 10 21 / cm 3 .

패턴화된 그래핀층(120a) 상부에 형성된 (Ga,In)계 질화물(140b)과 GaN층(110) 상부에 형성된 (Ga,In)계 질화물(140a)은 서로 다른 형태를 갖는다. 패턴화된 그래핀층(120a) 상부에 형성된 (Ga,In)계 질화물(140b)은 각진 입자 형태를 가질 수 있고, GaN층(110) 상부에 형성된 (Ga,In)계 질화물(140a)은 불규칙하게 얽혀있는 산맥 형태를 가질 수 있다.The (Ga, In) type nitride 140b formed on the patterned graphene layer 120a and the (Ga, In) type nitride 140a formed on the GaN layer 110 have different shapes. The (Ga, In) type nitride 140b formed on the patterned graphene layer 120a may have an angular shape and the (Ga, In) type nitride 140a formed on the GaN layer 110 may have irregular And may have the form of a mountain range entwined with.

상기 광전극 재료는 광전기화학적 수소 생산을 위한 광전극으로 사용될 수 있다. 패턴화된 그래핀층(120a)을 통해서 전류 과밀 문제를 해소할 수 있고, 3차원 형태로 성장된 (Ga,In)계 질화물(140a, 140b)은 표면적이 크므로 광전류를 향상시킬 수가 있다. The photoelectrode material can be used as a photoelectrode for photoelectrochemical hydrogen production. The overcurrent problem can be solved through the patterned graphene layer 120a and the (Ga, In) type nitride 140a, 140b grown in the three-dimensional shape can increase the photocurrent because the surface area is large.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광전극 재료의 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다. 도 1 내지 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광전극 재료의 제조방법을 설명하기 위하여 도시한 도면이다. Hereinafter, a method of manufacturing a photo electrode material according to a preferred embodiment of the present invention will be described in more detail. FIGS. 1 to 6 are diagrams for explaining a method of manufacturing a photo electrode material according to a preferred embodiment of the present invention.

도 1 내지 도 6을 참조하면, GaN층(110)이 구비된 기판(100)을 준비한다. 기판(100)은 화학적으로 안정하고 고품질의 질화물을 성장시킬 수 있는 사파이어 기판을 포함할 수 있다. GaN층(110)은 상기 기판(100) 위에서 HVPE(hydride vapor phase epitaxy), MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition), MBE(molecular beam epitaxy) 등의 방법으로 성장된 GaN 템플레이트(template)일 수 있다. Referring to FIGS. 1 to 6, a substrate 100 provided with a GaN layer 110 is prepared. The substrate 100 may include a sapphire substrate that is chemically stable and capable of growing high quality nitride. The GaN layer 110 may be a GaN template grown on the substrate 100 by hydride vapor phase epitaxy (HVPE), metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD), or molecular beam epitaxy (MBE) .

GaN층(GaN 템플레이트)(110) 상부에 그래핀층(120)을 형성한다. GaN층(110) 상부에 그래핀(garphene)을 전사하거나 코팅하는 등의 다양한 방법을 이용하여 그래핀층(120)을 형성할 수 있다. A graphene layer 120 is formed on the GaN layer (GaN template) 110. The graphene layer 120 can be formed by various methods such as transferring or coating a garphene on the GaN layer 110. [

그래핀(graphene)이란 흑연을 의미하는 흑연(graphite)과 탄소의 이중결합을 가진 분자를 의미하는 접미사 -ene을 결합해서 만든 용어이다. 그래핀을 구성하고 있는 탄소의 최외각 전자 4개 중 3개는 sp2 혼성 오비탈을 형성하여 강한 공유결합인 σ 결합을 이루며 남은 1개의 전자는 주변의 다른 탄소와 π 결합을 형성하면서 육각형의 벌집 모양 2차원 구조체를 이룬다. 단층 그래핀은 0.34 nm 정도의 두께로 매우 얇으며, 기계적 강도, 열적 그리고 전기적 특성이 매우 우수하고, 유연성과 투명성을 가진다는 장점을 가진다.Graphene is a term made by combining graphite, which means graphite, and suffix -ene, which means a molecule having a double bond of carbon. Three out of four outermost electrons constituting graphene form a sp 2 hybrid orbital, forming a strong covalent σ bond, while the remaining one electron forms a π bond with other carbons around it, Shape 2-dimensional structure. The single-layer graphene has a thickness of about 0.34 nm and is very thin and has excellent mechanical strength, thermal and electrical properties, flexibility and transparency.

그래핀은 실온에서 열전도가 약 5,000 W/m·K로 탄소나노튜브 또는 다이아몬드보다 우수한 열전도 특성을 갖고 있다. 이는 탄소나노튜브보다 50 % 이상 높은 값이며, 구리, 알루미늄 같은 금속보다 10배 정도 큰 값이다. 이것은 그래핀이 원자진동을 쉽게 전달할 수 있기 때문이다. Graphene has a thermal conductivity of about 5,000 W / m · K at room temperature, which is superior to carbon nanotubes or diamond. It is more than 50% higher than carbon nanotubes and 10 times larger than metals such as copper and aluminum. This is because graphene can easily transmit atomic vibrations.

상온에서 그래핀의 최대 전자이동도는 200,000 cm2/Vs이다. 이것은 그래핀의 경우 전자가 움직일 때 방해를 주는 산란의 정도가 매우 작기 때문으로 알려지고 있으며, 이로 인하여 긴 평균자유 행로를 가지게 된다. 따라서, 저항이 매우 낮은 구리보다도 35 % 이상 저항이 낮은 값을 지닌다. 또한, 그래핀의 경우 10 % 이상 면적을 늘리거나 접어도 전기전도성을 잃지 않는다. The maximum electron mobility of graphene at room temperature is 200,000 cm 2 / Vs. This is known to be due to the very small degree of scattering of electrons in the case of graphene, which leads to a long average free path. Therefore, the resistance is 35% or less lower than that of copper having a very low resistance. Also, in the case of graphene, electrical conductivity is not lost even if the area is increased or decreased by more than 10%.

그래핀은 맨체스터 대학교의 노보셀로브(Novoselov) 박사와 게인(Geim) 교수가 세계 최초로 스카치테이프(Scotch tape)의 접착력을 이용하여 연필심의 흑연에서 그래핀을 분리하는 방법을 발표하면서 널리 알려지게 되었다. 이 방법이 가능한 이유는 그래핀의 원자구조를 살펴보면 알 수 있다. 그래핀은 2차원 평면상으로 3개의 탄소 원자들이 강한 공유결합을 형성하는 반면 수직인 방향으로는 상대적으로 약한 반데르발스 힘으로 연결되어 있어 층간의 마찰계수가 매우 낮아 스카치테이프의 약한 접착력으로도 분리가 가능하게 되는 것이다. Grapin became widely known as Novoselov and Professor Geim of the University of Manchester announced the world's first method of separating graphene from pencil lead graphite using the adhesion of Scotch tape. The reason why this method is possible is to look at the atomic structure of graphene. Graphene has three carbon atoms forming a strong covalent bond on a two-dimensional plane, while a relatively weak van der Waals force in the vertical direction, resulting in very low coefficient of friction between layers, resulting in weak adhesion of the scotch tape It becomes possible to separate it.

화학적 박리법은 용매를 기반으로 하여 산화, 환원 반응을 이용한 방법으로 그래핀의 대면적 성장과 대량생산이라는 두 가지 목표에 가장 근접해 있는 방법이다. 산화흑연(graphite oxide)의 제조를 통한 박리를 유도하며, 이후 환원(reduction)을 통하여 산화그래핀(graphene oxide)의 전기적 특성을 향상시키는 방법이다. 화학적 박리법으로 휴머스(Hummers)가 제안한 방법이 가장 많이 사용되고 있다. 이 방법은 그래핀의 대량생산에 용이하며, 다양한 응용이 가능한 그래핀 제조방법이다. The chemical stripping method is a method based on a solvent that uses an oxidation and reduction reaction and is the closest to the two goals of large area growth and mass production of graphene. To induce peeling through the production of graphite oxide and then to improve the electrical characteristics of the graphene oxide through reduction. The method proposed by Hummers as the chemical stripping method is the most widely used. This method is easy to mass-produce graphene and is a graphene manufacturing method which can be applied to various applications.

상술한 그래핀은 단일층, 이중층 또는 다층 형태로 이루어진 것일 수 있다. The graphenes described above may be of a single layer, a double layer or a multilayer type.

그래핀층(120)을 선택적으로 식각하여 패턴화된 그래핀층(120a)을 형성한다. 이하에서, 패턴화된 그래핀층(120a)을 형성하는 방법을 보다 구체적으로 설명한다. The graphene layer 120 is selectively etched to form a patterned graphene layer 120a. Hereinafter, a method of forming the patterned graphene layer 120a will be described in more detail.

그래핀층(120) 상부에 포토레지스트(photoresist)를 도포한다. 본 실시예에서는 포지티브(positive) 포토레지스트를 사용하는 경우를 예를 들어 설명하며, 포지티브 포토레지스트의 경우 노광되는 부분은 제거되고 마스크의 크롬(Cr)과 같은 차폐층에 의해 빛이 차단되어 노광되지 않는(비노광 처리) 부분은 남아있게 된다. 네거티브(negative) 포토레지스트를 사용할 수도 있음은 물론이다. 상기 비노광 처리라 함은 사진식각(photolithography) 공정에서 마스크의 크롬(Cr)으로 차폐하여 빛이 투과될 수 없도록 하여 현상(development) 후에는 포토레지스트 패턴(130)이 남도록 하는 것을 의미한다. Photoresist is applied over the graphene layer 120. In this embodiment, the case of using a positive photoresist is exemplified. In the case of the positive photoresist, the exposed portion is removed and the light is blocked by a shielding layer such as chromium (Cr) (Non-exposed portion) remains. It is of course also possible to use a negative photoresist. The non-exposure treatment means that the photoresist pattern 130 is left after the development by shielding the mask with chromium (Cr) in a photolithography process so that light can not be transmitted.

포토레지스트가 도포된 기판(100)을 소정 온도(예컨대, 100∼180℃)의 오븐(oven)에서 건조하여 포토레지스트가 경화되게 된다. The substrate 100 coated with the photoresist is dried in an oven at a predetermined temperature (for example, 100 to 180 DEG C) to cure the photoresist.

경화된 포토레지스트에 대하여 포토레지스트 패턴(130)에 의해 보호될 영역과 그래핀층(120)이 제거될 영역을 정의하는 마스크(mask)를 이용하여 노광한다. 그래핀층(120)이 제거될 영역이 노광되게 하고 나머지 부분은 마스크의 크롬(Cr)과 같은 차폐층에 의해 빛이 차단되어 노광되지 않게 한다. 포토레지스트 패턴(130)에 의해 보호될 영역은 차폐층에 의해 노광되지 않게 하고 그래핀층(120)이 제거될 영역은 노광되게 제작된 마스크를 사용할 수 있다. 상기 그래핀층(120)이 제거될 영역 이외의 영역(포토레지스트 패턴(130)에 의해 보호되어 그래핀층(120)이 식각되지 않고 남는 영역)은 스트라이프(stripe), 십자(+)형, 원형, 타원형, 다각형 등의 다양한 형태를 가질 수 있으며, 바람직하게는 스트라이프(stripe) 형태를 갖게 한다. 상기 스트라이프(stripe) 형태라 함은 가로, 세로 또는 사선 방향으로 직선이나 곡선을 평행하게(또는 평행에 가깝게) 나타낸 무늬를 포함하는 의미이다. The exposed area of the cured photoresist is exposed using a mask that defines an area to be protected by the photoresist pattern 130 and an area where the graphene layer 120 is to be removed. The region where the graphene layer 120 is to be removed is exposed and the remaining portion is shielded from light by the shielding layer such as chromium (Cr) of the mask. A mask to be protected by the photoresist pattern 130 is not exposed by the shielding layer and a mask that is made to be exposed to the area where the graphene layer 120 is to be removed may be used. A region other than the region where the graphene layer 120 is to be removed (a region protected by the photoresist pattern 130 and remaining without being etched) is a stripe, a + Elliptical, polygonal, and the like, and preferably has a stripe shape. The stripe shape means a pattern in which a straight line or a curve is parallel (or nearly parallel) in a horizontal, vertical or diagonal direction.

노광이 이루어진 포토레지스트에 대하여 현상액에 담가 현상한다. 상기 현상(development)에 의해 그래핀층(120)이 제거될 영역에 형성된 포토레지스트가 제거된 포토레지스트 패턴(photoresist pattern)(130)이 형성된다. 포토레지스트 패턴(130)은 스트라이프(stripe), 십자(+)형, 원형, 타원형, 다각형 등의 다양한 형태를 가질 수 있으며, 바람직하게는 스트라이프(stripe) 형태를 갖는다. 현상액으로는 상업적으로 판매되고 있고 반도체 제조 공정 등에 널리 사용되는 현상액을 사용할 수 있다. The exposed photoresist is immersed in a developer and developed. A photoresist pattern 130 is formed in which the photoresist formed in the region where the graphene layer 120 is to be removed is removed by the development. The photoresist pattern 130 may have various shapes such as a stripe shape, a plus shape, a circular shape, an elliptical shape, a polygonal shape, and the like, and preferably has a stripe shape. As the developer, a developer that is commercially available and widely used in a semiconductor manufacturing process can be used.

포토레지스트 패턴(130)을 식각 마스크로 사용하여 산소 플라즈마(oxygen plasma) 처리하여 그래핀층(120)을 선택적으로 제거하고 그패핀층(120)이 제거될 영역에 위치된 GaN층(110)이 노출되게 한다. 산소 플라즈마 처리에서 그패핀층(120)이 제거될 영역 이외의 영역에 있는 그래핀층(120)은 포토레지스트 패턴(130)에 의해 보호되므로 식각되지 않게 된다. 상기 산소 플라즈마 처리는 ICP-RIE(Reactive Ion Etch-Inductively Coupled Plasma) 장비 등을 이용할 수 있다. 예컨대, ICP-RIE(Reactive Ion Etch-Inductively Coupled Plasma) 장비를 이용하여 RF 파워(Radiofrequency Power)는 50∼300W, O2 플로우레이트(flow rate)는 1∼20 sccm, CF4 플로우레이트(flow rate)는 10∼50 sccm, 압력은 5∼30 mTorr, ICP(Reactive Ion Etch) 파워(power) 50∼200W 영역에서 약 1∼10분간 그래핀의 형태(monolayer, multilayer, bulk type)에 따라서 그래핀층이 충분히 제거될 수 있는 조건으로 산소 플라즈마 처리를 한다. 상기 산소 플라즈마 처리에 의해 그래핀층(120)은 선택적으로 제거되게 되고, 포토레지스트 패턴(130)에 의해 보호되는 영역에 위치한 그래핀층(120)은 식각되지 않음으로써, 패턴화된 그래핀층(그래핀층 패턴)(120a)을 이루게 된다. The graphene layer 120 is selectively removed by oxygen plasma treatment using the photoresist pattern 130 as an etch mask to expose the GaN layer 110 located in the area where the sacrificial layer 120 is to be removed do. The graphene layer 120 in the region other than the region where the sacrificial layer 120 is to be removed in the oxygen plasma treatment is protected by the photoresist pattern 130 and thus is not etched. The oxygen plasma treatment may be ICP-RIE (Reactive Ion Etch-Inductively Coupled Plasma) equipment. For example, using an ICP-RIE (Reactive Ion Etch-Inductively Coupled Plasma) apparatus, RF power (Radio Frequency Power) is 50 to 300 W, O 2 flow rate is 1 to 20 sccm, CF 4 flow rate (Monolayer, multilayer, bulk type) in the range of 10 to 50 sccm, pressure of 5 to 30 mTorr and ICP (Reactive Ion Etch) power of 50 to 200 W for about 1 to 10 minutes, Oxygen plasma treatment is performed under conditions that can sufficiently be removed. The graphene layer 120 is selectively removed by the oxygen plasma treatment and the graphene layer 120 located in a region protected by the photoresist pattern 130 is not etched to form a patterned graphene layer Pattern) 120a.

상기 식각에 의해 그패핀층(120)이 선택적으로 제거되어 GaN층(110)이 노출되게 되면, 포토레지스트 패턴(130)을 제거한다. 포토레지스트 패턴(130)의 제거 공정은 반도체 제조 공정 등에서 널리 알려져 있는 공정이므로 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다. 상기 포토레지스트 패턴(130)에 보호되어 식각되지 않고 남은 그래핀층(패턴화된 그래핀층(120a))은 스트라이프(stripe), 십자(+)형, 원형, 타원형, 다각형 등의 다양한 형태를 가질 수 있으며, 바람직하게는 스트라이프(stripe) 형태를 갖는다. 패턴화된 그래핀층(120a)과 GaN층(그래핀층이 식각에 의해 제거되어 그래핀층이 존재하지 않는 영역의 GaN층)(110)에서 (Ga,In)계 질화물(140a, 140b)의 성장 형태가 다르게 나타난다. 이를 고려하여 패턴화된 그래핀층(포토레지스트 패턴(130)에 보호되어 식각되지 않고 남은 그래핀층)(120a)은 그 패턴 사이즈를 조절하여 최적의 그래핀 삽입 구조를 만드는 것이 바람직하다. 패턴화된 그래핀층(120a)은 GaN층(110)의 전체 평면 면적에서 차지하는 면적이 5∼30% 정도를 이루게 하고, GaN층(110)이 노출된 영역(그래핀층이 식각에 의해 제거되어 그래핀이 존재하지 않는 영역)은 GaN층(110)의 전체 평면 면적에서 차지하는 면적이 70∼95% 정도를 이루게 하는 것이 바람직하다. When the sacrificial layer 120 is selectively removed by the etching to expose the GaN layer 110, the photoresist pattern 130 is removed. Since the process of removing the photoresist pattern 130 is a well-known process in a semiconductor manufacturing process or the like, a detailed description thereof will be omitted here. The graphene layer (patterned graphene layer 120a) that remains on the photoresist pattern 130 without being etched can have various shapes such as stripe, cross, circle, ellipse, And preferably has a stripe shape. (Ga, In) -type nitride films 140a and 140b in the patterned graphene layer 120a and the GaN layer (the GaN layer in the region where the graphene layer is removed by etching) . In consideration of this, it is desirable that the patterned graphene layer (the graphene layer that is protected by the photoresist pattern 130 and left unetched) 120a has an optimal graphene insertion structure by adjusting the pattern size thereof. The patterned graphene layer 120a has an area occupied by the GaN layer 110 in the entire plane area of about 5 to 30%, and the area where the GaN layer 110 is exposed (the graphene layer is removed by etching, The area occupied by the entire plane area of the GaN layer 110 is about 70 to 95%.

상기 패턴화된 그래핀층(120a)이 위치하지 않는 영역의 GaN층(110) 상부와 패턴화된 그래핀층(120a) 상부에서 (Ga,In)계 질화물(140a, 140b)을 성장시킨다. (Ga, In) based nitrides 140a and 140b are grown on the upper portion of the GaN layer 110 in the region where the patterned graphene layer 120a is not located and the upper portion of the patterned graphene layer 120a.

HVPE(hydride vapor phase epitaxy), MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition), MBE(molecular beam epitaxy) 등의 저온 성장법을 이용하여 (Ga,In)계 질화물(140a, 140b)을 성장시키는 것이 바람직하다. It is preferable to grow the (Ga, In) type nitride 140a or 140b using a low temperature growth method such as hydride vapor phase epitaxy (HVPE), metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE) .

상기 (Ga,In)계 질화물(140a, 140b)은 Ⅲ족 질화물이며, Ⅲ족 질화물은 주기율표 상의 Ⅲ족 원소와 질소에 의하여 형성된 질소화합물을 의미한다. Ⅲ족 원소의 예로서, 갈륨(Ga), 인듐(In) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 (Ga,In)계 질화물(140a, 140b)은 GaN, InN, InxGa(1-x)N(0＜x＜1)를 그 예로 들 수 있으며, 이를 일반화하여 InxGa(1-x)N(0≤x≤1)으로 나타낼 수 있다. The (Ga, In) based nitrides 140a and 140b are group III nitride, and the group III nitride means a nitrogen compound formed by Group III element and nitrogen in the periodic table. Examples of Group III elements may include gallium (Ga), indium (In), or combinations thereof. The (Ga, In) nitride-based (140a, 140b) is GaN, InN, In x Ga ( 1-x) N (0 <x <1) and a number of Examples, to generalize In x Ga (1- x) N (0? x? 1).

상기 (Ga,In)계 질화의 성장 시에 4가 원소인 Si가 도핑되게 하거나 2가 원소인 Mg가 도핑되게 할 수도 있다. 4가 원소인 Si가 도핑되는 경우에 n형(n-type) 질화물이 성장되게 되고, 3가 원소인 Mg가 도핑되는 경우에는 p형(p-type) 질화물이 성장되게 된다. 상기 Si의 도핑량은 1×1016 ∼ 9×1021/cm3정도인 것이 바람직하다. 상기 Mg의 도핑량은 1×1016 ∼ 9×1021/cm3 정도인 것이 바람직하다. During the growth of the (Ga, In) -type nitridation, Si, which is a tetravalent element, may be doped or Mg, which is a divalent element, may be doped. When the tetravalent element Si is doped, an n-type nitride is grown. When a trivalent element Mg is doped, a p-type nitride is grown. The doping amount of Si is preferably about 1 x 10 16 to 9 x 10 21 / cm 3 . The doping amount of Mg is preferably 1 x 10 16 to 9 x 10 21 / cm 3 .

HVPE(hydride vapor phase epitaxy), MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition), MBE(molecular beam epitaxy) 등의 방법을 이용하여 Ⅲ족 원소 소스와 질소(N) 소스를 흘려주어 3차원 성장(3D growth)시킨다. MOCVD 또는 MBE는 고품질의 에피택시 층을 성장시키는데 유리하지만 상대적으로 고비용이 소요될 뿐만 아니라 성장 속도가 낮다는 단점이 있다. 반면에, HVPE는 성장 비용이 상대적으로 저렴하고, 특히 성장 속도가 높다는 장점이 있다. 성장 온도는 성장시키려는 질화물에 따라 달라질 수 있는데, 예컨대 GaN을 성장시키려는 경우에는 700∼1,100℃, 더욱 구체적으로는 800∼1,000℃ 정도인 것이 바람직하며, InN을 성장시키려는 경우에는 500∼1,000℃, 더욱 구체적으로는 600∼900℃ 정도인 것이 바람직하고, InxGa(1-x)N(0＜x＜1)을 성장시키려는 경우는 600∼1,000℃, 더욱 구체적으로는 700∼900℃ 정도인 것이 바람직하다. MOCVD에 의한 성장 시의 압력은 10∼700 Torr, 더욱 구체적으로는 100∼200 Torr 정도인 것이 바람직하다. 상기 Ⅲ족 원소 소스는 사용하는 성장 방법과 성장시키려는 질화물에 따라 달라질 수 있는데, HVPE 방법을 이용하여 GaN을 성장시켜려는 경우에는 갈륨(Ga)과 HCl 가스를 반응시켜 합성된 GaCl을 사용할 수 있고, MOCVD 방법을 이용하는 경우에는 트리메틸갈륨, 트리에틸갈륨 또는 이들의 혼합물 등을 사용할 수 있으며, 이러한 Ⅲ족 원소 소스는 1∼200sccm, 더욱 바람직하게는 50∼100sccm 범위의 유량으로 공급하는 것이 바람직하다. 상기 질소(N) 소스는 NH3 등일 수 있으며, 상기 질소(N) 소스는 500∼3000sccm, 더욱 바람직하게는 1500∼2000sccm 범위의 유량으로 공급하는 것이 바람직하다. 예컨대, HVPE 방법을 이용하여 GaN을 3차원 성장시키는 경우에는 아래의 반응식 1과 같은 반응이 일어나서 GaN이 성장되게 된다. 3D growth is performed by flowing a Group III element source and a nitrogen (N) source using methods such as hydride vapor phase epitaxy (HVPE), metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD), and molecular beam epitaxy (MBE) . MOCVD or MBE is advantageous for growing a high quality epitaxial layer, but it is disadvantageous in that it is relatively expensive and has a low growth rate. On the other hand, HVPE has the advantages of relatively low growth cost and high growth rate. The growth temperature may vary depending on the nitride to be grown. For example, when GaN is to be grown, the growth temperature is preferably 700 to 1,100 ° C, more specifically 800 to 1,000 ° C. In the case of growing InN, the growth temperature is preferably 500 to 1,000 ° C Concretely, it is preferably about 600 to 900 DEG C. When the In x Ga.sub. (1-x) N (0 <x <1) is to be grown, the temperature is about 600 to 1,000.degree. C., more specifically about 700 to 900.degree. desirable. The pressure during growth by MOCVD is preferably 10 to 700 Torr, more specifically about 100 to 200 Torr. The Group III element source may be varied depending on the growth method to be used and the nitride to be grown. In the case of growing GaN using the HVPE method, GaCl synthesized by reacting gallium (Ga) with HCl gas may be used. When the MOCVD method is used, trimethylgallium, triethylgallium, a mixture thereof, or the like can be used. It is preferable that the source of the Group III element is supplied at a flow rate ranging from 1 to 200 sccm, more preferably from 50 to 100 sccm. The nitrogen (N) source may be NH 3 or the like, and the nitrogen (N) source is preferably supplied at a flow rate of 500 to 3000 sccm, more preferably 1500 to 2000 sccm. For example, when GaN is three-dimensionally grown using the HVPE method, a reaction as shown in the following reaction formula 1 occurs to grow GaN.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

GaCl + NH3 → GaN + HCl + H2 GaCl + NH 3 → GaN + HCl + H 2

MOCVD 방법을 이용하여 GaN을 성장시키는 조건을 예를 들어 더욱 구체적으로 살펴보면, 성장 온도는 700∼1,100℃ 정도이고, 압력은 100∼200 torr 정도이며, 공급하는 질소/3족 원소의 비는 500∼1500 정도이고, 성장 속도(growth rate)는 0.1∼3㎛/hr, 더욱 구체적으로는 1㎛/hr 정도이다. For example, the growth temperature is about 700 to 1,100 ° C., the pressure is about 100 to 200 torr, and the ratio of the nitrogen / Group 3 element to be supplied is about 500 to 200 Torr. 1500, and the growth rate is 0.1 to 3 占 퐉 / hr, more specifically about 1 占 퐉 / hr.

HVPE(hydride vapor phase epitaxy), MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition), MBE(molecular beam epitaxy) 등의 저온 성장법에 의해 (Ga,In)계 질화물(140a, 140b)은 3차원으로 성장하게 된다. (Ga, In) -type nitrides 140a and 140b grow in three dimensions by a low-temperature growth method such as hydride vapor phase epitaxy (HVPE), metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE) .

이렇게 성장된 (Ga,In)계 질화물(140a, 140b)은 GaN, InN, InxGa(1-x)N(0＜x＜1) 일 수 있으며, 이를 일반화하게 되면 InxGa(1-x)N(0≤x≤1)으로 나타낼 수 있다.Thus growing (Ga, In) nitride-based (140a, 140b) when the may be a GaN, InN, In x Ga ( 1-x) N (0 <x <1), to generalize In x Ga (1- x) N (0? x? 1).

패턴화된 그래핀층(120a)에서도 (Ga,In)계 질화물(140b)이 3차원적으로 성장하게 되고, GaN층(그래핀층이 식각에 의해 제거되어 그래핀이 존재하지 않는 영역의 GaN층)(110)에서도 (Ga,In)계 질화물(140a)이 3차원적으로 성장하게 된다. 패턴화된 그래핀층(포토레지스트 패턴(130)에 보호되어 식각되지 않고 남은 그래핀층)(120a)과 GaN층(그래핀층이 식각에 의해 제거되어 그래핀이 존재하지 않는 영역의 GaN층)(110)에서 (Ga,In)계 질화물(140a, 140b)의 성장 형태가 다르게 나타난다. 이에 따라 패턴화된 그래핀층(120a)에서 성장된 (Ga,In)계 질화물(140b)과 GaN층(110)에서 성장된 (Ga,In)계 질화물(140a)은 서로 다른 형태(구조)를 가지며, 성장된 (Ga,In)계 질화물(140a, 140b)은 전체적으로 이종 형태를 갖게 된다. 상기 패턴화된 그래핀층(120a) 상부에 형성된 (Ga,In)계 질화물(140b)은 각진 입자 형태를 가질 수 있고, 상기 GaN층(110) 상부에 형성된 (Ga,In)계 질화물(140a)은 불규칙하게 얽혀있는 산맥 형태를 가질 수 있다.(Ga, In) -type nitride 140b grows three-dimensionally also in the patterned graphene layer 120a, and the GaN layer (the GaN layer in the region where the graphene layer is removed by etching and the graphene is not present) (Ga, In) -type nitride 140a grows three-dimensionally in the GaN-based semiconductor layer 110 as well. The patterned graphene layer 120a (which is protected by the photoresist pattern 130 and remains unetched) 120a and the GaN layer (the GaN layer in the region where the graphene layer is removed by etching and the graphene is not present) 110 ), The (Ga, In) -type nitride 140a, 140b grows differently. Thus, the (Ga, In) -based nitride 140b grown in the patterned graphene layer 120a and the (Ga, In) -based nitride 140a grown in the GaN layer 110 have different structures And the grown (Ga, In) based nitrides 140a and 140b have a heterogeneous form as a whole. The (Ga, In) type nitride 140b formed on the patterned graphene layer 120a may have an angular shape and the (Ga, In) type nitride 140a formed on the GaN layer 110, May have irregularly intertwined mountain range shapes.

그래핀층이 남는 영역(포토레지스트 패턴(130)에 의해 보호되어 그래핀층이 식각되지 않고 남는 영역)은 수직 단명이 기판(100), GaN층(110), 패턴화된 그래핀층(120a) 및 (Ga,In)계 질화물(140a, 140b)의 적층 형태를 갖게 된다. GaN층(110)과 (Ga,In)계 질화물(140b) 사이에 패턴화된 그래핀층(120a)이 삽입된 형태(그래핀층 삽입 구조)를 이룬다. 패턴화된 그래핀층(120a)은 GaN층(110)의 전체 평면 면적(기판(100) 위에 형성된 전체 GaN층(110)의 면적)에서 차지하는 면적이 5∼30% 정도를 이루게 하는 것이 바람직하다. The region where the graphene layer remains (the area protected by the photoresist pattern 130 and remains without etching the graphene layer) is a vertical short name formed by the substrate 100, the GaN layer 110, the patterned graphene layer 120a, Ga, In) based nitrides 140a and 140b. (Graphene layer inserting structure) in which the patterned graphene layer 120a is inserted between the GaN layer 110 and the (Ga, In) -type nitride layer 140b. The patterned graphene layer 120a preferably has an area occupied by the entire plane area of the GaN layer 110 (an area of the entire GaN layer 110 formed on the substrate 100) of about 5 to 30%.

상기와 같이 제조된 광전극 재료는 광전기화학적 수소 생산을 위한 광전극으로 사용될 수 있다. 광전극으로 사용되는 경우에, GaN층(110)과 (Ga,In)계 질화물(140b) 사이의 패턴화된 그래핀층(120a)은 전자가 상대전극으로 이동하는 통로 역할을 하게 된다. 패턴화된 그래핀층(120a)을 통해서 전류 과밀 문제를 해소할 수 있고, 3차원 형태로 성장된 (Ga,In)계 질화물(140a, 140b)은 표면적이 크므로 광전류를 향상시킬 수가 있다. The photoelectrode material prepared as described above can be used as a photoelectrode for photoelectrochemical hydrogen production. When used as a light electrode, the patterned graphene layer 120a between the GaN layer 110 and the (Ga, In) -type nitride layer 140b serves as a path through which electrons move to the counter electrode. The overcurrent problem can be solved through the patterned graphene layer 120a and the (Ga, In) type nitride 140a, 140b grown in the three-dimensional shape can increase the photocurrent because the surface area is large.

이하에서, 본 발명에 따른 실험예를 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, experimental examples according to the present invention will be specifically shown, and the present invention is not limited to the following experimental examples.

GaN층이 구비된 기판을 준비하였다. 상기 기판은 사파이어 기판이다. 상기 GaN층은 템플레이트 형태로 이루어져 있다. A substrate provided with a GaN layer was prepared. The substrate is a sapphire substrate. The GaN layer is in the form of a template.

상기 GaN층 상부에 그래핀을 전사하여 그래핀층을 형성하였다. Graphene was transferred onto the GaN layer to form a graphene layer.

그래핀층을 선택적으로 식각하여 패턴화된 그래핀층을 형성한다. 이하에서, 패턴화된 그래핀층을 형성하는 방법을 보다 구체적으로 설명한다. The graphene layer is selectively etched to form a patterned graphene layer. Hereinafter, a method of forming a patterned graphene layer will be described in more detail.

상기 그래핀층 상부에 포토레지스트(photoresist) 패턴을 형성하고, 상기 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 사용하여 산소 플라즈마(oxygen plasma) 처리하여 그래핀층을 선택적으로 제거하고 그패핀층이 제거될 영역에 위치된 GaN층이 노출되게 하였다. 상기 포토레지스트 패턴에 보호되어 식각되지 않고 남은 그래핀층(패턴화된 그래핀층)은 스트라이프(stripe) 형태를 갖게 하였다. 패턴화된 그래핀층과 패턴화된 그래핀층 사이에 GaN층이 노출되게 하였다. 상기 산소 플라즈마 처리는 ICP-RIE(Reactive Ion Etch-Inductively Coupled Plasma) 장비를 이용하여 RF 파워(Radiofrequency Power)는 50∼300W, O2 플로우레이트(flow rate)는 1∼20 sccm, CF4 플로우레이트(flow rate)는 10∼50 sccm, 압력은 5∼30 mTorr, ICP(Reactive Ion Etch) 파워(power) 50∼200W 영역에서 약 1∼10분간 수행하였다. A photoresist pattern is formed on the graphene layer, an oxygen plasma treatment is performed using the photoresist pattern as an etching mask to selectively remove the graphene layer, and the GaN Layer was exposed. The graphene layer (patterned graphene layer) that remains protected without being etched in the photoresist pattern has a stripe shape. Thereby exposing the GaN layer between the patterned graphene layer and the patterned graphene layer. The oxygen plasma treatment is performed using an ICP-RIE (Reactive Ion Etch-Inductively Coupled Plasma) apparatus. The RF power is 50 to 300 W, the O 2 flow rate is 1 to 20 sccm, the CF 4 flow rate the flow rate was 10 to 50 sccm, the pressure was 5 to 30 mTorr, and the ICP (Reactive Ion Etch) power was 50 to 200 W for about 1 to 10 minutes.

상기 식각에 의해 그패핀층이 선택적으로 제거되어 GaN층이 노출되게 되면, 상기 포토레지스트 패턴을 제거하였다. When the sacrificial layer was selectively removed by the etching to expose the GaN layer, the photoresist pattern was removed.

상기 패턴화된 그래핀층이 위치하지 않는 영역의 GaN층 상부와 패턴화된 그래핀층 상부에서 (Ga,In)계 질화물(GaN)을 성장시켰다. (Ga, In) based nitride (GaN) was grown on the upper portion of the GaN layer and the upper portion of the patterned graphene layer in the region where the patterned graphene layer is not located.

(Ga,In)계 질화물(GaN)의 성장은 MOCVD 방법을 이용하였다. 성장 온도는 900℃ 정도이고, 성장 시의 압력은 150 torr 정도이며, 공급하는 질소/3족 원소의 비는 800 정도이고, 성장 속도(growth rate)는 1㎛/hr 정도였다. 상기 Ⅲ족 원소 소스로 트리메틸갈륨을 사용하였으며, 70sccm 정도의 유량으로 공급하였다. 상기 질소(N) 소스는 NH3를 사용하였으며, 1500sccm 정도의 유량으로 공급하였다.(Ga, In) type nitride (GaN) was grown by MOCVD. The growth temperature was about 900 ° C., the pressure during growth was about 150 torr, the ratio of the nitrogen / Group 3 element supplied was about 800, and the growth rate was about 1 μm / hr. Trimethylgallium was used as the Group III element source and supplied at a flow rate of about 70 sccm. The nitrogen (N) source was NH 3 and was supplied at a flow rate of about 1500 sccm.

도 7 내지 도 9는 실험예에 따라 성장된 (Ga,In)계 질화물(GaN)의 모습을 보여주는 주사전자현미경(scanning electron microscope; SEM) 사진이다. 도 10은 패턴화된 그래핀층 상부에 형성된 (Ga,In)계 질화물(GaN)과 GaN층(그래핀층이 식각에 의해 제거되어 그래핀이 존재하지 않는 영역의 GaN층) 상부에 형성된 (Ga,In)계 질화물(GaN) 사이의 경계 부분을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진으로서, 좌측은 패턴화된 그래핀층 상부에 형성된 (Ga,In)계 질화물(GaN)을 보여주고, 우측은 상기 GaN층(그래핀층이 식각에 의해 제거되어 그래핀이 존재하지 않는 영역의 GaN층) 상부에 형성된 (Ga,In)계 질화물(GaN)을 보여준다. 도 11 및 도 12는 패턴화된 그래핀층 상부에 형성된 (Ga,In)계 질화물(GaN)을 보여주는 주사전자현미경 사진이다. 도 13 및 도 14는 GaN층(그래핀층이 식각에 의해 제거되어 그래핀이 존재하지 않는 영역의 GaN층) 상부에 형성된 (Ga,In)계 질화물(GaN)을 보여주는 주사전자현미경 사진이다. 7 to 9 are scanning electron microscope (SEM) photographs showing the state of (Ga, In) type nitride (GaN) grown according to the experimental example. 10 is a cross-sectional view of a GaN layer formed on a patterned graphene layer and a GaN layer formed on a GaN layer (a GaN layer in which graphene layer is removed by etching) (Ga, In) -based nitride (GaN) formed on the patterned graphene layer, and the right side shows the GaN (In) -based nitride (GaN) (Ga, In) -based nitride (GaN) formed on the GaN layer (the GaN layer in the region where the graphene layer is removed by etching so that no graphene exists). Figs. 11 and 12 are scanning electron micrographs showing (Ga, In) type nitride (GaN) formed on the patterned graphene layer. 13 and 14 are scanning electron micrographs showing (Ga, In) type nitride (GaN) formed on the GaN layer (the GaN layer in the region where the graphene layer is removed by etching and not in the graphene layer).

도 7 내지 도 14를 참조하면, 패턴화된 그래핀층은 스트라이프(stripe) 형태를 갖게 하고, 패턴화된 그래핀층과 패턴화된 그래핀층 사이에 GaN층이 노출되게 하였는데, 패턴화된 그래핀층에서도 (Ga,In)계 질화물(GaN)이 3차원적으로 성장되었고, GaN층(그래핀층이 식각에 의해 제거되어 그래핀이 존재하지 않는 영역의 GaN층)에서도 (Ga,In)계 질화물(GaN)이 3차원적으로 성장되었다. Referring to Figures 7 to 14, the patterned graphene layer has a stripe shape, and the GaN layer is exposed between the patterned graphene layer and the patterned graphene layer. In the patterned graphene layer (Ga, In) -based nitride (GaN) layer was grown three-dimensionally on the GaN layer (the GaN layer in the region where the graphene layer was not removed by etching) ) Were grown in three dimensions.

패턴화된 그래핀층과 GaN층(그래핀층이 식각에 의해 제거되어 그래핀이 존재하지 않는 영역의 GaN층)에서 (Ga,In)계 질화물(GaN)의 성장 형태가 다르게 나타났다. 패턴화된 그래핀층에서 성장된 (Ga,In)계 질화물과 GaN층에서 성장된 (Ga,In)계 질화물은 서로 다른 형태(구조)를 가지며, 성장된 (Ga,In)계 질화물(GaN)은 전체적으로 이종 형태를 가졌다. 상기 패턴화된 그래핀층 상부에 형성된 (Ga,In)계 질화물(GaN)은 각진 입자 형태를 가지는 것을 볼 수 있었고, 상기 GaN층 상부에 형성된 (Ga,In)계 질화물(GaN)은 불규칙하게 얽혀있는 산맥 형태를 가지는 것을 볼 수 있었다.(Ga, In) type nitride (GaN) grown on the patterned graphene layer and the GaN layer (the GaN layer in the region where the graphene layer was removed by etching due to the removal of the graphene layer). (Ga, In) -type nitride grown in the patterned graphene layer and the (Ga, In) -type nitride grown in the GaN layer have different shapes (structures) Have a heterogeneous form as a whole. (Ga, In) -based nitride (GaN) formed on the patterned graphene layer has an angular grain shape, and the (Ga, In) -based nitride (GaN) formed on the GaN layer is irregularly entangled It is possible to see that it has a mountainous form.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.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, This is possible.

100: 기판
110: GaN층
120: 그래핀층
120a: 패턴화된 그래핀층
130: 포토레지스트 패턴
140a, 140b: (Ga,In)계 질화물100: substrate
110: GaN layer
120: graphene layer
120a: patterned graphene layer
130: photoresist pattern
140a, 140b: (Ga, In) nitride

Claims (14)

기판;
상기 기판 상에 구비된 GaN층;
상기 GaN층의 상부 일부에 구비된 패턴화된 그래핀층(patterned graphene layer);
상기 패턴화된 그래핀층이 위치하지 않는 영역의 상기 GaN층 상부와 상기 패턴화된 그래핀층 상부에서 성장되어 형성된 (Ga,In)계 질화물을 포함하며,
상기 패턴화된 그래핀층이 위치하는 영역의 수직 단면은 상기 기판, 상기 GaN층, 상기 패턴화된 그래핀층 및 상기 (Ga,In)계 질화물의 적층 형태를 갖고,
상기 패턴화된 그래핀층이 위치하지 않는 영역의 수직 단면은 상기 기판, 상기 GaN층 및 상기 (Ga,In)계 질화물의 적층 형태를 가지며,
상기 패턴화된 그래핀층 상부에 형성된 (Ga,In)계 질화물과 상기 GaN층 상부에 형성된 (Ga,In)계 질화물은 서로 다른 형태를 갖고,
상기 (Ga,In)계 질화물은 InN 및 InxGa(1-x)N(0＜x＜1) 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함하며,
상기 InN 및 InxGa(1-x)N(0＜x＜1) 중에서 선택된 1종 이상의 물질은 Mg가 도핑되어 있고,
상기 패턴화된 그래핀층은 스트라이프(stripe) 형태를 갖고,
상기 패턴화된 그래핀층이 차지하는 면적은 상기 GaN층의 전체 평면 면적에서 5∼30% 범위를 이루는 것을 특징으로 하는 광전극 재료.
Board;
A GaN layer provided on the substrate;
A patterned graphene layer provided on an upper portion of the GaN layer;
(Ga, In) based nitride grown on the GaN layer and on the patterned graphene layer in a region where the patterned graphene layer is not located,
Wherein the vertical cross section of the region where the patterned graphene layer is located has a stacked form of the substrate, the GaN layer, the patterned graphene layer and the (Ga, In) nitride,
Wherein the vertical cross section of the region where the patterned graphene layer is not located has a stacked form of the substrate, the GaN layer and the (Ga, In) nitride,
The (Ga, In) type nitride formed on the patterned graphene layer and the (Ga, In) type nitride formed on the GaN layer have different shapes,
Wherein the (Ga, In) -type nitride includes at least one material selected from InN and In x Ga (1-x) N (0 &lt;
The at least one material selected from the group consisting of InN and In x Ga (1-x) N (0 &lt; x &lt; 1)
The patterned graphene layer has a stripe shape,
Wherein an area occupied by the patterned graphene layer is in a range of 5 to 30% in a total plane area of the GaN layer.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 기판은 사파이어 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전극 재료.
The photo electrode material according to claim 1, wherein the substrate comprises a sapphire substrate.
GaN층이 구비된 기판을 준비하는 단계;
상기 GaN층 상부에 그래핀층을 형성하는 단계;
상기 그래핀층을 선택적으로 식각하여 패턴화된 그래핀층을 형성하는 단계;
상기 패턴화된 그래핀층이 위치하지 않는 영역의 상기 GaN층 상부와 상기 패턴화된 그래핀층 상부에서 (Ga,In)계 질화물을 성장시키는 단계를 포함하며,
상기 패턴화된 그래핀층이 위치하는 영역의 수직 단면은 상기 기판, 상기 GaN층, 상기 패턴화된 그래핀층 및 상기 (Ga,In)계 질화물의 적층 형태를 갖고,
상기 패턴화된 그래핀층이 위치하지 않는 영역의 수직 단면은 상기 기판, 상기 GaN층 및 상기 (Ga,In)계 질화물의 적층 형태를 가지며,
상기 패턴화된 그래핀층 상부에서 성장되는 (Ga,In)계 질화물과 상기 GaN층 상부에서 성장되는 (Ga,In)계 질화물은 서로 다른 형태로 성장되고,
상기 (Ga,In)계 질화물은 InN 및 InxGa(1-x)N(0＜x＜1) 중에서 선택된 1종 이상의 물질을 포함하며,
상기 InN 및 InxGa(1-x)N(0＜x＜1) 중에서 선택된 1종 이상의 물질의 성장 시에 Mg가 도핑되게 하고,
상기 패턴화된 그래핀층은 스트라이프(stripe) 형태를 갖게 하고,
상기 패턴화된 그래핀층이 차지하는 면적은 상기 GaN층의 전체 평면 면적에서 5∼30% 범위를 이루게 하는 것을 특징으로 하는 광전극 재료의 제조방법.
Preparing a substrate provided with a GaN layer;
Forming a graphene layer on the GaN layer;
Selectively etching the graphene layer to form a patterned graphene layer;
Growing a (Ga, In) based nitride over the GaN layer and over the patterned graphene layer in a region where the patterned graphene layer is not located,
Wherein the vertical cross section of the region where the patterned graphene layer is located has a stacked form of the substrate, the GaN layer, the patterned graphene layer and the (Ga, In) nitride,
Wherein the vertical cross section of the region where the patterned graphene layer is not located has a stacked form of the substrate, the GaN layer and the (Ga, In) nitride,
(Ga, In) based nitride grown on the patterned graphene layer and (Ga, In) based nitride grown on the GaN layer are grown in different forms,
Wherein the (Ga, In) -type nitride includes at least one material selected from InN and In x Ga (1-x) N (0 &lt;
Mg is doped when growing at least one material selected from the group consisting of InN and In x Ga (1-x) N (0 &lt; x &lt; 1)
The patterned graphene layer has a stripe shape,
Wherein the area occupied by the patterned graphene layer is in a range of 5 to 30% in the entire plane area of the GaN layer.
제7항에 있어서, 상기 패턴화된 그래핀층을 형성하는 단계는,
상기 그래핀층 상부에 포토레지스트 패턴을 형성하는 단계;
상기 포토레지스트 패턴을 식각 마스크로 사용하여 산소 플라즈마 처리하여 상기 그래핀층을 패턴화하는 단계; 및
상기 포토레지스트 패턴을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전극 재료의 제조방법.
8. The method of claim 7, wherein forming the patterned graphene layer comprises:
Forming a photoresist pattern on the graphene layer;
Patterning the graphene layer by oxygen plasma treatment using the photoresist pattern as an etch mask; And
And removing the photoresist pattern. The method of manufacturing a photo-electrode material according to claim 1,
제7항에 있어서, 상기 (Ga,In)계 질화물은 HVPE(hydride vapor phase epitaxy), MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition) 및 MBE(molecular beam epitaxy) 중에서 선택된 저온 성장법으로 성장시키는 것을 특징으로 하는 광전극 재료의 제조방법.
8. The method of claim 7, wherein the (Ga, In) nitride is grown by a low-temperature growth method selected from hydride vapor phase epitaxy (HVPE), metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD), and molecular beam epitaxy (MBE) Wherein the photoelectrode material is a photoelectric conversion material.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제7항에 있어서, 상기 기판은 사파이어 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전극 재료의 제조방법.8. The method of claim 7, wherein the substrate comprises a sapphire substrate.
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