KR20050081139A

KR20050081139A - 인듐갈륨나이트라이드 양자 웰을 가지는 나노막대 어레이구조의 고휘도 발광 다이오드 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20050081139A
Application number: KR1020040030014A
Authority: KR
Inventors: 김화목; 강태원; 정관수
Original assignee: 학교법인 동국학원; 김화목; 강태원; 정관수
Priority date: 2004-02-13
Filing date: 2004-04-29
Publication date: 2005-08-18
Also published as: JP2005228936A; KR100663745B1; JP4160000B2

Abstract

본 발명은 GaN 발광 다이오드에 관한 것으로, 본 발명에 따른 GaN LED는, p-n 접합 GaN 나노막대의 p-n 접합면에 InGaN 양자 웰(quantum well)을 삽입하여, n형 GaN 나노막대, InGaN 양자 웰, 및 p형 GaN 나노막대가 이 순서로 길이방향으로 연속하여 이루어진 GaN 나노막대를 이용한다. 또한, 이러한 GaN 나노막대를 다수 개 어레이 상으로 배치하여 종래의 적층 필름형의 GaN LED에 비해 훨씬 고휘도, 높은 발광효율의 LED를 제공한다.

Description

인듐갈륨나이트라이드 양자 웰을 가지는 나노막대 어레이 구조의 고휘도 발광 다이오드 및 그 제조방법{Super Bright Light Emitting Diode of Nanorod Array Structure Having InGaN Quantum Well and Method for Manufacturing the Same}

본 발명은 고휘도 발광 다이오드(light emitting diode; 이하 간단히 LED라 한다)에 관한 것으로, 상세하게는 나노막대(nanorod, nanowire) 구조의 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.

LED는 초기에는 계기판의 간단한 표시소자로 많이 이용되다가, 최근에는 대규모 전광판 등 고휘도, 고시인성, 긴 수명의 총천연색 디스플레이 소자로 주목받고 있다. 이는 최근 청색 및 녹색 고휘도 LED가 개발됨으로써 가능하게 되었다. 한편, 이러한 LED의 재료로서 최근 많이 연구되고 있는 것은 GaN와 같은 Ⅲ-질소 화합물 반도체이다. 이는 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체가 넓은 밴드갭(Bandgap)을 가지고 있어 질화물의 조성에 따라 가시광선에서 자외선의 거의 전파장 영역의 빛을 얻을 수 있기 때문이다. 그러나, GaN는 현재 GaN와 격자 정합하는 기판이 없기 때문에 주로 사파이어 기판을 사용하고 있지만 부정합이 여전히 많고 열팽창계수의 차이도 크다.

따라서, 통상적인 GaN LED, 즉 사파이어 기판 상에 n형 불순물이 첨가된 n-GaN층, InGaN 활성층, 및 p형 불순물이 첨가된 p-GaN층을 순차적으로 적층하여 이루어진 적층 필름형의 LED는, 상술한 GaN의 물성 또는 성장방법의 한계상, 격자 부정합에 의한 많은 실전위(threading dislocation)가 존재하여 소자의 성능(휘도)에 한계를 가지고 있다. 또한, 통상의 적층 필름형의 GaN LED는 설계와 제조가 비교적 간단하고 온도 의존성이 낮다는 등의 장점이 있지만, 상기의 실전위 이외에도 낮은 발광효율, 넓은 스펙트럼 폭, 큰 출력 편차 등의 단점을 가지고 있다.

한편, 이러한 적층 필름상 LED의 단점을 극복하기 위해, 일차원의 막대 또는 선 모양의 나노막대(nanorod, nanowire)로 p-n 접합을 이룸으로써 LED를 형성하는 나노 스케일의 LED, 또는 마이크로 링(micro-ring)이나 마이크로 디스크(micro-disc) 등 마이크로 스케일의 LED가 연구되고 있다. 그러나, 불행히도 이러한 나노 스케일 또는 마이크로 스케일의 LED에서도, 적층 필름형의 LED와 마찬가지로 많은 실전위가 생성되어 여전히 만족할 만한 수준의 고휘도 LED는 등장하지 못하고 있는 실정이다. 또한, 나노막대 구조의 LED는 단순 p-n 접합 다이오드로서 고휘도를 얻기가 힘들다. 그리고, 마이크로 링이나 마이크로 디스크 구조의 LED는 현재 포토리소그래피나 전자빔 리소그래피에 의해 제조되고 있으나 식각 과정에서 GaN의 격자구조에 손상이 생겨 휘도나 발광 효율에 있어 만족할 만한 수준의 제품이 등장하지 못하고 있다.

본 발명은 상기의 요구를 감안하여 고휘도, 높은 발광효율의 GaN LED 구조를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 고휘도, 높은 발광효율의 GaN LED를 재현성있게 제조하는 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 따른 GaN LED는, p-n 접합 GaN 나노막대의 p-n 접합면에 InGaN 양자 웰(quantum well)을 삽입하여, n형 GaN 나노막대, InGaN 양자 웰, 및 p형 GaN 나노막대가 이 순서로 길이방향으로 연속하여 이루어진 GaN 나노막대를 이용한다. 또한, 이러한 GaN 나노막대를 다수 개 어레이 상으로 배치하여 종래의 적층 필름형의 GaN LED에 비해 훨씬 고휘도, 높은 발광효율의 LED를 제공한다.

즉, 본 발명에 따른 LED는, 기판; 상기 기판에 수직한 방향으로 형성된 제1도전형의 GaN 나노막대(nanorod), 이 제1도전형의 GaN 나노막대 위에 형성된 InGaN 양자 웰(quantum well), 및 이 InGaN 양자 웰 위에 형성된 제2도전형의 GaN 나노막대를 각각 구비하는 다수의 나노막대들로 이루어진 나노막대 어레이(nanorod array); 상기 나노막대 어레이의 제1도전형의 GaN 나노막대에 공통적으로 연결되어 전압을 인가하는 전극 패드; 및 상기 나노막대 어레이의 제2도전형의 GaN 나노막대 위에 공통적으로 연결되어 전압을 인가하는 투명전극을 구비한다. 여기서, 제1도전형 및 제2도전형은 각각 n형 및 p형, 또는 각각 p형 및 n형을 의미한다.

상기 다수의 나노막대들 사이에는, 예컨대 SOG(Spin-On-Glass), SiO₂ 또는 에폭시 수지 등 투명하고 갭 필 특성이 좋은 투명 절연물을 채울 수 있다.

또한, 상기 양자 웰은, 복수의 InGaN층과 복수의 GaN 배리어(barrier)층이 교대로 적층되어 형성된 다층 양자 웰(multi quantum well)로 할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 GaN LED의 제조방법은, 기판에 수직한 방향으로 다수의 제1도전형의 GaN 나노막대들을 어레이 상으로 형성하는 단계; 상기 다수의 제1도전형의 GaN 나노막대들 위에 각각 InGaN 양자 웰을 형성하는 단계; 상기 InGaN 양자 웰 위에 제2도전형의 GaN 나노막대를 각각 형성하는 단계; 상기 제1도전형의 GaN 나노막대들에 전압을 인가하기 위한 전극 패드를 형성하는 단계; 및 상기 제2도전형의 GaN 나노막대들 위에 공통적으로 연결되어 전압을 인가하기 위한 투명전극을 형성하는 단계를 포함한다. 여기서, 상기 제1도전형의 GaN 나노막대, InGaN 양자 웰 및 제2도전형의 GaN 나노막대는 MO-HVPE(metalorganic-hydride vapor phase epitaxy)법에 의해 인-시튜(in-situ)로 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 GaN LED 및 그 제조방법에 의하면, 고휘도, 높은 발광효율의 LED를 촉매(catalyst)나 템플릿(template) 없이도 고수율로 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LED의 단면 구조를 도시한 모식도이고, 도 1b는 도 1a에 도시한 LED의 평면 구조를 도시한 평면도이다.

도 1a 및 도 1b를 참조하여 본 실시예의 LED 구조를 설명하면, 본 실시예의 LED는 사파이어(sapphire) 기판(10) 상에, n형 GaN 버퍼층(20), 어레이 상으로 배열된 다수의 GaN 나노막대(31,33,35), GaN 나노막대들 사이를 채우고 있는 투명 절연물층(41), 투명전극(60), 전극 패드(50,70) 들이 형성되어 이루어진다.

기판(10) 상에 형성된 n형 GaN 버퍼층(20)은, 기판(10)과 n형 GaN 나노막대(31)의 격자상수 부정합을 완충하고, 또한 n형 GaN 나노막대(31)에 전극 패드(50)를 통해 공통적으로 전압을 인가할 수 있도록 하는 역할을 한다.

n형 GaN 버퍼층(20) 위에 어레이 상으로 배열된 다수의 GaN 나노막대(31,33,35)들은 각각 n형 GaN 나노막대(31), InGaN 양자 웰(33), 및 p형 GaN 나노막대(35)로 이루어진다. 이 GaN 나노막대들은 실질적으로 균일한 높이와 직경을 가지고 n형 GaN 버퍼층(20)에 수직하게 형성되어 있다.

여기서, InGaN 양자 웰(33)은, 이것이 없는 단순한 p-n 접합 다이오드에 비해 고휘도의 가시광을 얻을 수 있도록 하는 활성층으로서, 본 실시예에서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 InGaN층(33a)과 복수의 GaN 배리어층(33b)이 교대로 적층되어 형성된 다층 양자 웰(multi quantum well) 구조를 취하고 있다. 특히, 후술하겠지만, 본 실시예의 다층 양자 웰(33)의 InGaN층(33a)과 GaN 배리어층(33b) 간의 계면은 매우 깨끗하고 전위(dislocation)가 거의 없다.

다수의 GaN 나노막대(31,33,35)들의 사이는 투명 절연물층(41)에 의해 채워져 있어 각각의 나노막대들을 절연하고 나노막대들에 가해질 수 있는 충격으로부터 나노막대들을 보호한다. 또한, 투명 절연물층(41)은 각각의 나노막대에 투명전극(60)이 공통적으로 연결될 수 있도록 하는 하지층의 역할을 한다. 투명 절연물층(41)의 재료로는 특히 한정되지는 않지만, 나노막대들 사이의 갭을 잘 채울 수 있고, 후속 어닐링 공정 등의 열에 견딜 수 있으며, 나노막대들의 측벽 발광(도 1a의 좌우방향 화살표 참조)에 방해가 되지 않도록 투명한 SOG, SiO₂ 또는 에폭시 수지가 사용된다. 또한, 투명 절연물층(41)은 p형 GaN 나노막대(35)의 높이보다 약간 낮게 형성되어 p형 GaN 나노막대의 선단부가 투명전극(60)에 공통적으로 연결되도록 한다.

투명전극(60)은 p형 GaN 나노막대(35)에 공통적으로 오믹 접촉되어 전압을 인가하는 것이 가능하고, 나노막대들의 길이방향(도면에서 위쪽 방향) 발광에 방해가 되지 않도록 투명한 도전물질로 이루어진다. 투명전극(60)으로는 특히 한정되지는 않지만 박막의 Ni/Au 박막이 이용된다.

투명전극(60) 위의 소정 영역에는 투명전극(결국 p형 GaN 나노막대들)에 전압을 인가하기 위한 단자로서 전극 패드(70)가 형성된다. 이 전극 패드(70)는 특히 한정되지는 않지만, Ni/Au층으로 이루어지고, 여기에는 와이어(미도시)가 본딩된다. 또한, n형 GaN 버퍼층(20)을 통하여 n형 GaN 나노막대들에 전압을 인가하기 위한 전극 패드(50)가 n형 GaN 버퍼층(20) 위에 형성되어 n형 GaN 버퍼층과 오믹 접촉한다. 이 전극 패드(50)는 특히 한정되지는 않지만 Ti/Al층으로 이루어지고, 여기에는 역시 와이어(미도시)가 본딩된다.

이와 같이 구성된 본 실시예의 LED의 두 전극 패드(50,70)에 직류전압을 인가하면(전극 패드(70)에 + 전압을, 전극 패드(50)에 - 전압 또는 접지전위를 인가), 도 1a에 도시된 바와 같이 각각이 나노 LED라 할 수 있는 나노막대들의 측벽방향 및 길이방향으로 고휘도의 빛이 방출된다.

특히 본 실시예에서는 InGaN 양자 웰을 각 나노막대에 형성하였기 때문에, 단순한 p-n 접합 다이오드에 비해 고휘도의 가시광이 방출된다. 또한, 다수의 나노 LED에 의해 발광(측벽 발광) 면적이 비약적으로 증가하여 발광 효율이 종래의 적층 필름형 LED에 비해 훨씬 높은 발광 효율이 얻어진다.

한편, 본 실시예의 LED의 방출광의 파장은 InGaN 양자 웰에서 In량을 조절하거나, 양자 웰(33)의 두께를 조절함으로써 다양하게 조절할 수 있고, 백색광을 얻을 수도 있다. 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, InGaN 중 In 함량을 증가시킴에 따라 밴드갭이 작아져 발광파장이 길어지는 현상을 이용하여, 자외선 영역에서부터 청색, 녹색, 적색 등 모든 가시광 영역까지의 방출광을 얻을 수 있다. 또한, 발광파장은 양자 웰 즉, InGaN층(33a)의 두께를 조절함으로써도 변화시킬 수 있다. 즉, InGaN층의 두께를 증가시키면 밴드갭이 작아져 적색쪽의 방출광을 얻을 수 있다.

나아가, 본 실시예의 LED는 전술한 바와 같이, 다층 양자 웰 구조를 취하므로 이를 이용하면 백색광을 얻을 수도 있다. 즉, 다층 양자 웰의 복수의 InGaN층(33a)을 몇 개의 그룹으로 나누고 각 그룹마다 InGaN층의 In 함량을 다르게 조절하여, 예컨대, 청색발광 그룹, 녹색발광 그룹 및 적색발광 그룹을 구성하면 전체로서 백색광을 얻을 수 있다. 또한, 백색광은 형광물질을 이용함으로써도 얻을 수 있는데, 특히 본 실시예에서는 투명 절연물층(41)에 백색광을 얻기 위한 형광물질을 첨가함으로써 간단하게 백색발광 LED를 제조할 수 있다. 예컨대 나노막대(30)들이 청색발광 되도록 양자 웰을 구성하고 투명 절연물층(41)에 황색 형광물질을 첨가하면 전체로서 백색광이 발광되도록 할 수 있다.

이상, 본 실시예의 LED 구조에 대해 설명하였지만, 구체적인 구조와 재료는 다양하게 변형할 수 있다. 예컨대, 위에서는 n형 GaN층을 형성하고 상부에 p형 GaN 나노막대가 형성되는 것으로 설명했지만 n형과 p형의 순서는 반대로 할 수도 있다. 또한, 전극 패드(50,70)의 위치나 형상도 도 1a 및 도 1b에 도시된 위치나 형상에 한정되지 않고 각각 n형 GaN 나노막대(31)와 p형 GaN 나노막대(35)에 공통적으로 전압을 인가할 수 있다면 다른 위치나 형상을 취할 수도 있다.

또한, 위에서는 기판(10)으로서 사파이어를 사용했지만 실리콘 기판을 이용할 수도 있다. 이 경우, 절연물인 사파이어와는 달리 실리콘은 적절한 불순물(위의 실시예에 적용한다면 n형 불순물)을 첨가하여 도전체로 만들 수 있다. 따라서, n형 GaN 버퍼층(20)이 불필요하게 되고, 전극 패드(50)도 n형 GaN 버퍼층(20) 위의 일부 영역에 형성할 필요가 없이 실리콘 기판의 하면(나노막대(30)들이 형성되는 면과 반대쪽 면)에 형성하면 된다.

이어서, 상술한 바와 같은 본 실시예의 GaN LED를 제조하는 방법을 설명한다.

먼저, GaN를 에피택셜 성장법으로 성장시키는 방법을 설명한다. 에피택셜층을 성장시키는 방법에는 크게 VPE(Vapor Phase Epitaxial; 기상 에피택셜) 성장법, LPE(Liquid Phase Epitaxial; 액상 에피택셜) 성장법, SPE(Solid Phase Epitaxial; 고상 에피택셜) 성장법이 있다. 여기서, VPE는 반응가스를 기판 위로 흘리면서 열에 의한 분해와 반응을 통해 기판 위에 결정을 성장시키는 것으로서, 반응가스의 원료 형태에 따라 수소화물 VPE(hydride VPE; HVPE), 할로겐화물 VPE(halide VPE), 유기금속 VPE(metal organic VPE; MOVPE) 등으로 분류할 수 있다.

본 실시예에서는 유기금속 수소화물 기상 에피택셜(MO-HVPE; metal organic hydride VPE) 성장법으로 GaN층과 InGaN/GaN 양자 웰을 형성하는 것으로 설명하지만, 본 발명이 반드시 이 방법에 한정되는 것은 아니고, 적절한 다른 성장법으로 GaN층과 InGaN/GaN 양자 웰을 형성할 수도 있다.

Ga, In 및 N의 전구체(precursor)로는 각각 GaCl, 트리메틸인듐(trimethylindium) 및 NH₃를 사용한다. GaCl은 금속 갈륨과 HCl을 600~950℃의 온도에서 반응시킴으로써 얻을 수 있다. 또한, n형 GaN 및 p형 GaN를 성장시키기 위해서 도핑되는 불순물 원소는 각각 Si 및 Mg으로서, 이들은 각각 SiH₄ 및 Cp₂Mg(Bis(cyclopentadienyl)magnesium)의 형태로 공급된다.

그러면, 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 본 실시예의 GaN LED를 제조하는 방법을 상세히 설명한다.

먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 사파이어 웨이퍼로 이루어진 기판(10)을 반응기(미도시)에 넣고, 기판(10) 상에 n형 GaN 버퍼층(20)을 형성한다. 이때, n형 GaN 버퍼층(20)은 상술한 바와 같이 Si을 도핑함으로써 형성할 수도 있지만, 인위적인 도핑 없이도 성장된 GaN는 질소 공공(nitrogen vacancy)이나 산소 불순물 등에 의해 기본적으로 n형의 특성을 가지는 성질을 이용하여, 인위적인 도핑 없이 400~500℃의 온도와 대기압 또는 약간의 양압에서 50~60분 동안 Ga 및 N의 전구체를 각각 30~70sccm 및 1000~2000sccm의 유량으로 공급함으로써 대략 1.5㎛ 정도 두께의 n형 GaN 버퍼층(20)을 성장시킬 수 있다.

이어서, 도 3b에 도시된 바와 같이, 다수의 나노막대(30)로 이루어진 나노막대 어레이를 형성하는데, 이 과정은 위의 n형 GaN 버퍼층(20)을 성장시킨 그 반응기 안에서 연속적으로 인-시튜(in-situ)로 이루어지는 것이 바람직하다. 구체적으로 먼저, n형 GaN 나노막대(31)를 성장시키는데, 400~600℃의 온도와 대기압 또는 약간의 양압에서 20~40분 동안 Ga 및 N의 전구체를 각각 30~70sccm 및 1000~2000sccm의 유량으로 반응기 안으로 공급하고 동시에 SiH₄를 각각 5~20sccm의 유량으로 공급함으로써 대략 0.5㎛ 높이의 n형 GaN 나노막대(31)를 n형 GaN 버퍼층(20)에 수직한 방향으로 성장시킬 수 있다.

한편, 통상적으로 고온(예컨대 1000℃ 또는 그 이상)에서 GaN를 성장시키면, 초기에 형성되는 GaN의 시드(seed)가 위쪽 방향뿐만 아니라 측방향으로도 급속히 성장하여 나노막대가 아닌 박막 상으로 성장된다. 이때 시드와 시드가 측방향으로 성장하여 만난 경계에서 필연적으로 전위(dislocation)가 발생하고 이 전위는 박막의 두께 방향 성장과 더불어 두께 방향으로 전파되어 실전위가 발생한다. 하지만, 위의 본 실시예와 같이 공정조건을 유지하면 별도의 촉매나 템플릿 없이도 시드가 주로 위쪽 방향으로 성장하여, 실질적으로 균일한 높이와 직경을 가지는 다수의 n형 GaN 나노막대(31)를 성장시킬 수 있다.

이어서, n형 GaN 나노막대(31) 위에 InGaN 양자 웰(33)을 성장시키는데, 이 과정 역시 n형 GaN 나노막대(31)를 성장시킨 그 반응기 안에서 연속적으로 인-시튜로 이루어지는 것이 바람직하다. 구체적으로 400~500℃의 온도와 대기압 또는 약간의 양압에서 Ga, In 및 N의 전구체를 각각 30~70sccm, 10~40sccm 및 1000~2000sccm의 유량으로 반응기에 공급한다. 그러면 n형 GaN 나노막대(31)들 위로 각각 InGaN 양자 웰(33)이 형성된다. 이때 InGaN 양자 웰(33)을 성장시키는 시간은 원하는 두께로 성장될 때까지 적절히 선택하는데, 이 양자 웰(33)의 두께는, 전술한 바와 같이, 완성된 LED의 발광 파장을 결정하는 요소가 되므로 원하는 파장의 빛에 알맞은 두께를 설정하고 그에 따라 성장 시간을 결정하면 된다. 또한, 발광 파장은 In의 양에 따라서도 달라지므로, 원하는 파장에 따라 각 전구체의 공급하는 비율을 조절한다.

나아가, InGaN 양자 웰(33)은 도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 InGaN층(33a)과 복수의 GaN 배리어층(33b)이 교대로 적층되어 형성된 다층 양자 웰 구조를 취할 수도 있는데, 이는 In의 전구체의 공급과 차단을 각각 소정 시간 동안 주기적으로 반복함으로써 얻을 수 있다.

이어서, InGaN 양자 웰(33) 위에 p형 GaN 나노막대(35)를 성장시킨다. 이 과정 역시 InGaN 양자 웰(33)을 성장시킨 그 반응기 안에서 연속적으로 인-시튜로 이루어지는 것이 바람직하다. 구체적으로, 400~600℃의 온도와 대기압 또는 약간의 양압에서 20~40분 동안 Ga 및 N의 전구체를 각각 30~70sccm 및 1000~2000sccm의 유량으로 반응기 안으로 공급하고 동시에 Cp₂Mg를 5~20sccm 공급함으로써 대략 0.4㎛ 높이의 p형 GaN 나노막대(35)를 기판(10)에 수직한 방향으로 성장시킬 수 있다.

도 4는, 이렇게 성장시킨 나노막대(30) 어레이의 주사전자현미경 사진이다. 도 4로부터 알 수 있듯이, 본 실시예의 방법에 의해 성장된 InGaN 양자 웰을 포함하는 나노막대(30)들은 거의 균일한 높이와 직경을 가지고 상당히 고밀도로 성장되어 있다. 한편, 전술한 공정조건에 의해 성장되는 나노막대(30)들의 평균 직경은 양자 웰(33)이 형성된 부위에서 약 70~90㎚로 되고 나노막대(30)들 간의 평균 갭은 100㎚ 정도 된다.

이렇게 나노막대(30) 어레이를 형성한 후, 도 3c에 도시된 바와 같이, 나노막대(30)들 사이의 갭을 투명 절연물층(40)으로 채운다. 이때 사용되는 투명 절연물로는 전술한 바와 같이 SOG, SiO₂ 또는 에폭시 수지 등이 적절하고, SOG나 에폭시 수지를 사용하여 채우는 경우 스핀 코팅 및 경화 과정을 거침으로써 도 3c에 도시된 바와 같은 구조를 얻는다. 이때, 투명 절연물을 사용하여 갭을 채울 때에는 갭이 완전히 채워지도록 나노막대(30)들 사이의 갭이 80㎚ 이상이 되는 것이 좋다. 한편, 투명 절연물층(40)의 두께는 나노막대(30)의 높이보다 약간 낮게 한다.

이어서, 도 3d에 도시된 바와 같이, 전압을 인가하기 위한 전극 패드(50,70)와 투명전극(60)을 형성함으로써 InGaN 양자 웰을 구비한 나노막대 어레이 구조의 GaN LED를 완성한다. 구체적으로는, 도 3c의 상태에서 n형 GaN 나노막대(31)들에 전압을 인가하는 전극 패드(50)를 형성하기 위하여, n형 GaN 버퍼층(20)이 일부 노출되도록 투명 절연물층(40) 및 나노막대(30)들의 일부를 제거한다. 이어서, n형 GaN 버퍼층(20)이 일부 노출된 영역에 리프트-오프법(lift-off process)을 이용하여 전극 패드(50)를 형성한다. 이 전극 패드(50)는 예컨대 Ti/Al층을 전자빔 증발법(electron-beam evaporation)을 이용하여 형성할 수 있다. 이어서, 비슷한 방법으로 예컨대 Ni/Au층으로 이루어진 투명전극(60)과 전극 패드(70)를 형성한다.

한편, 투명전극(60)은 투명 절연물층(41)보다 약간 돌출된 나노막대(30)들과 자연스럽게 접촉되고 결과적으로 n형 GaN 나노막대(35)와 전기적으로 연결된다. 또한, 투명전극(60)은 그 밑의 개별 나노 LED에서 방출된 빛을 가로막지 않도록 충분히 얇게 하는 것이 좋고, 한편 두 전극 패드(50,70)에는 와이어 등의 외부 접속 단자가 본딩 등의 방법으로 연결될 수 있도록 충분한 두께를 가지는 것이 좋다.

이와 같이 본 실시예에 따른 GaN LED의 제조방법에 의하면 특별한 촉매나 템플릿 없이, 연속적으로 n형 GaN 나노막대(31), InGaN 양자 웰(33) 및 p형 GaN 나노막대(35)로 이루어진 나노막대들을 어레이 상으로 균일하게 성장시킬 수 있다.

한편, 본 실시예에서 본질적이지 않은 특징들은 얼마든지 변형 가능하다. 예컨대, 전극 패드(50,70)와 투명전극(60)의 형성 순서나 방법은 공지된 여러 가지 방법(증착, 사진식각 등)으로 다양하게 변형될 수 있다. 특히 상술한 실시예에서 각 구성 물질들은 공지된 균등한 다른 재료로 치환가능하고, 각 공정 조건들은 반응기나 사용하는 재료에 따라 위에서 예시된 범위를 벗어날 수도 있다.

또한, 위에서는 기판(10)으로서 사파이어 웨이퍼를 사용했지만, 실리콘 웨이퍼(바람직하게는 인(P) 등의 n형 불순물이 도핑된 실리콘 웨이퍼)를 사용할 수도 있다. 이 경우 전술한 바와 같이, n형 GaN 버퍼층(20)은 불필요하고 전극 패드(50)도 GaN 버퍼층(20) 위의 일부 영역이 아닌 실리콘 기판의 하면에 형성할 수 있다. 즉, 실리콘 웨이퍼의 일면에 먼저 전극 패드를 형성하고, 그 반대면에 직접 나노막대(30)들을 형성하면 된다.

이어서, 상술한 본 실시예의 GaN LED를 다음과 같이 제조하여 발광 특성을 조사하였는 바 이를 간단히 설명한다. 다만, 이하의 설명에서 제시된 구체적인 수치와 방법들은 어디까지나 하나의 예에 불과하고 본 발명이 이하의 설명에 한정되는 것은 아니다.

먼저 기판(10)으로서 사파이어 (0001) 웨이퍼를 준비하고, 상술한 MO-HVPE법을 이용하고 상술한 전구체들을 사용하여 인-시튜로 n형 GaN 버퍼층(20), GaN 나노막대(30)를 성장시켰다. 여기서, 나노막대(30) 중의 InGaN 양자 웰(33)은, 완성된 LED의 발광 파장이 470㎚ 이하가 되도록 In_xGa_1-xN의 조성비는 In_0.25Ga _0.75N가 되게 하였다. 또한, InGaN/GaN를 6 주기 반복한 다층 양자 웰로 하였으며, 각각의 구체적인 공정조건과 그 결과는 다음 표와 같다.

	n형 GaN버퍼층(20)	n형 GaN나노막대(31)	InGaN층(33a)	GaN 배리어(33b)	p형 GaN나노막대(35)
기판 온도	550℃	460℃	460℃	460℃	460℃
압력	약 1 atm	약 1 atm	약 1 atm	약 1 atm	약 1 atm
성장시간	50분	20분	10초	25초	20분
전구체 또는도펀트 가스 유량(sccm)	Ga : 50 N : 2000	Ga : 50 N : 2000 Si : 5	Ga : 50 N : 2000 In : 10	Ga : 50 N : 2000	Ga : 50 N : 2000 Mg : 10
두께(높이)	1.5㎛	0.5㎛	4.8㎚	12㎚	0.5㎛

이렇게 하여 33㎟ 면적의 다층 양자 웰 나노막대 어레이를 얻었다. 이 나노막대 어레이의 밀도는 1㎟의 면적 안에 나노막대(30)가 약 8×10⁷개 정도 존재하고, 나노막대(30)의 평균 직경은 양자 웰층 부위에서 70㎚ 정도, 높이는 약 1㎛였다. n형 및 p형 GaN 나노막대(31 및 35)에서 캐리어 농도는 각각 1×10¹⁸㎝^-3 및 5×10¹⁷㎝^-3 정도였으며, InGaN 양자 웰의 조성비는 In_0.25Ga_0.75N였다.

이어서, 높은 종횡비의 나노막대(30)들 사이의 갭을 보이드(void) 없이 균일하게 채울 수 있도록 SOG(Honeywell Electronic Materials사의 상품명 ACCUGLASS T-12B)를 3000rpm의 회전속도로 30초간 스핀 코팅하고 공기중에서 260℃, 90초간 어닐링하여 경화시켰다. 한편, 본 실시예에서는 SOG가 갭을 충분히 채울 수 있도록 스핀 코팅 및 경화 과정을 두 번에 나누어 실시했다. 이후, 질소 분위기의 퍼니스(furnace)에서 440℃, 20분간 어닐링함으로써 두께 약 0.8~0.9㎛ 정도의 투명 절연물층(40)을 형성하였다.

이어서, 포토리소그래피와 건식 식각을 이용하는 리프트-오프법과 전자빔 증발법으로 20/200㎚ 두께의 Ti/Al 전극 패드(50)를 일부 영역이 노출된 n형 GaN 버퍼층(20) 위에 형성하고, 20/40㎚ 두께의 Ni/Au 투명전극(60)을 각각의 나노-스케일 LED(30)와 오믹접촉하도록 증착했다. 그리고, 마지막으로 전극 패드(50)와 유사한 방법으로 20/200㎚ 두께의 Ni/Au 전극 패드(70)를 형성했다.

한편, 비교예로서, 동일한 크기의 적층 필름형의 GaN LED를 제조하였다. 비교예의 LED에서 각 층의 두께와 구성은 본 발명의 실시예와 동일하게 하였고, 다만 나노막대가 아니라는 점만 다르다.

도 5a는 위와 같이 제조한 본 실시예의 LED에 대하여 20~100㎃의 직류 전류를 공급한 경우 EL(electroluminescence) 스펙트럼을 도시한 그래프이다. 도 5a로부터 알 수 있듯이, 본 실시예의 LED는 약 465㎚ 파장의 청색발광 LED임을 알 수 있다. 또한, 도 5b로부터 알 수 있듯이 본 실시예의 LED는 공급전류가 증가할수록 피크 파장이 적어지는 청색-쉬프트 현상을 보인다. 이는 주입된 캐리어에 의한 양자 웰 안의 내부 분극 필드(built-in internal polarization field)의 스크린 효과에 기인한 것으로 생각된다.

도 6은 본 실시예의 LED와 비교예의 LED에 대하여 상온에서의 I-V 특성을 도시한 그래프이다. 도 6으로부터 알 수 있듯이, 턴-온 전압은 본 실시예의 LED가 비교예에 비해 약간 높은 것으로 나타난다. 이는 유효 접촉 면적이 본 실시예가 비교예보다 훨씬 작고(본 실시예의 LED는 다수의 나노 LED의 집합으로 볼 수 있고 각 나노 LED의 전극(60)과의 접촉면적이 비교예에 비해 훨씬 작다), 따라서 저항이 그만큼 크기 때문인 것으로 보인다.

도 7은 순방향 전류에 대한 광 출력을 도시한 그래프로서, 본 실시예의 LED가 비교예의 LED에 비해 광 출력이 비약적으로 큼을 알 수 있다(20㎃의 전류에서 4.3배로, 그나마 이는 광검출기의 검출면적이 1㎟인 경우의 차이로서, 실제 느끼는 광 출력은 이보다 더 큰 차이가 날 것이다). 이는 전술한 바와 같이 나노막대 어레이를 형성함으로써 동일한 면적의 적층 박막형 LED에 비해 측벽 발광을 유효하게 이용할 수 있기 때문이다. 또한, 온도 의존적인 PL(Photoluminescence) 실험으로부터 본 실시예의 LED가 훨씬 더 양자 효율성이 있음을 확인할 수 있었다.

한편, 도 8은 InGaN 양자 웰 나노막대 하나에 전극을 형성한 경우를 도시한 것이고, 도 9는 이 경우의 I-V 특성을 도시한 그래프이다. 도 8에 도시된 구조의 나노 LED는 위와 같이 제조된 나노막대 어레이를 메탄올에 분산시킨 다음 이를 산화된 실리콘 기판과 같은 기판에 부착하고, n형 GaN 나노막대(131) 쪽에는 Ti/Al 전극 패드(150)를, p형 GaN 나노막대(135) 쪽에는 Ni/Au 전극 패드(170)를 형성함으로써 얻을 수 있다. 이와 같이 얻어진 나노막대 하나로 이루어진 나노 LED에 대하여 I-V 특성을 조사한 도 9로부터 알 수 있듯이, 이 나노 LED는 매우 깨끗하고 정확한 정류특성을 보인다. 이는 p, n형 나노막대와 양자 웰을 단일 에피텍셜 성장으로 형성하였기 때문인 것으로 보인다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 발명에 따르면, 단일의 에피텍셜 성장에 의해 InGaN 양자 웰을 가지는 GaN 나노막대를 형성하므로, 종래의 성장방법을 그대로 이용하면서 고휘도, 고품질의 다이오드를 얻을 수 있다.

특히, 본 발명에 따르면 InGaN 양자 웰을 가지는 나노막대들을 다수 개 어레이 상으로 형성하여 LED를 제조함으로써, 측벽 발광에 의한 발광을 그대로 살릴 수 있어 발광효율을 대폭적으로 증가시켜 동일한 면적의 종래의 발광 다이오드에 비해 훨씬 휘도가 높은 LED를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 InGaN 양자 웰의 두께, In의 함량, 형광물질의 사용으로 다양한 파장의 가시광 또는 백색광을 출력하는 LED를 손쉽게 얻을 수 있다.

도 1a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드의 단면 구조를 도시한 모식도이다.

도 1b는 도 1a에 도시한 발광 다이오드의 평면 구조를 도시한 평면도이다.

도 2는 도 1a에 도시한 발광 다이오드의 다층 양자 웰 구조를 도시한 단면도이다.

도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따라 발광 다이오드를 제조하는 과정을 도시한 단면도들이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 나노막대 어레이의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.

도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 발광 다이오드에서 각 전류에 대한 발광 파장의 EL강도를 도시한 그래프이고, 도 5b는 도 5a의 그래프에서 각 전류에 따른 피크 파장을 도시한 그래프이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 발광 다이오드와 종래의 발광 다이오드의 I-V 특성을 도시한 그래프이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 발광 다이오드와 종래의 발광 다이오드의 광출력-순방향 전류 특성을 도시한 그래프이다.

도 8은 본 발명에 따른 GaN 나노막대 하나로 이루어진 발광 다이오드를 도시한 모식도이다.

도 9는 도 8에 도시된 발광 다이오드의 I-V 특성을 도시한 그래프이다.

Claims

기판;

상기 기판에 수직한 방향으로 형성된 제1도전형의 GaN 나노막대(nanorod), 이 제1도전형의 GaN 나노막대 위에 형성된 InGaN 양자 웰(quantum well), 및 이 InGaN 양자 웰 위에 형성된 제2도전형의 GaN 나노막대를 각각 구비하는 다수의 나노막대들로 이루어진 나노막대 어레이(nanorod array);

상기 나노막대 어레이의 제1도전형의 GaN 나노막대에 공통적으로 연결되어 전압을 인가하는 전극 패드; 및

상기 나노막대 어레이의 제2도전형의 GaN 나노막대 위에 공통적으로 연결되어 전압을 인가하는 투명전극을 구비하는 발광 다이오드.
제1항에 있어서, 상기 다수의 나노막대들 사이에 투명 절연물이 채워져 있는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
제2항에 있어서, 상기 투명 절연물은 SOG(Spin-On-Glass), SiO₂ 또는 에폭시 수지인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
제2항에 있어서, 상기 투명 절연물에는 상기 발광 다이오드의 방출광이 전체로서 백색광이 되도록 형광물질이 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
제2항에 있어서, 상기 투명 절연물은 상기 나노막대들의 선단부가 약간 돌출되도록 나노막대들의 높이보다 낮은 높이로 나노막대들 사이에 채워져 있는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
제1항에 있어서, 상기 양자 웰은, 복수의 InGaN층과 복수의 GaN 배리어(barrier)층이 교대로 적층되어 형성된 다층 양자 웰(multi quantum well)인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
제6항에 있어서, 상기 발광 다이오드의 방출광이 전체로서 백색광이 되도록 상기 다층 양자 웰의 복수의 InGaN층의 각 In 함량이 다르게 조절되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
제1항에 있어서, 상기 기판은 사파이어(sapphire) 기판이고, 이 사파이어 기판과 상기 나노막대들 사이에는 제1도전형의 GaN 버퍼층(buffer layer)이 개재되어 있으며, 상기 전극 패드는 상기 GaN 버퍼층 상의 일부 영역에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
제1항에 있어서, 상기 기판은 실리콘 기판이고, 상기 전극 패드는 상기 실리콘 기판의 상기 나노막대들이 형성되는 면과 대향하는 면에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
기판에 수직한 방향으로 다수의 제1도전형의 GaN 나노막대들을 어레이 상으로 형성하는 단계;

상기 다수의 제1도전형의 GaN 나노막대들 위에 각각 InGaN 양자 웰을 형성하는 단계;

상기 InGaN 양자 웰 위에 제2도전형의 GaN 나노막대를 각각 형성하는 단계;

상기 제1도전형의 GaN 나노막대들에 전압을 인가하기 위한 전극 패드를 형성하는 단계; 및

상기 제2도전형의 GaN 나노막대들 위에 공통적으로 연결되어 전압을 인가하기 위한 투명전극을 형성하는 단계를 포함하는 발광 다이오드의 제조방법.
제10항에 있어서, 상기 제2도전형의 GaN 나노막대를 형성하는 단계에 이어, 제1도전형의 GaN 나노막대, InGaN 양자 웰 및 제2도전형의 GaN 나노막대로 이루어지는 나노막대들 사이에 투명 절연물을 채우는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법.
제11항에 있어서, 상기 투명 절연물은 SOG(Spin-On-Glass), SiO₂ 또는 에폭시 수지인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법.
제11항에 있어서, 상기 투명 절연물에는 상기 발광 다이오드의 방출광이 전체로서 백색광이 되도록 형광물질이 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법.
제10항에 있어서, 상기 양자 웰을 형성하는 단계는, InGaN층을 형성하는 단계와, GaN 배리어(barrier)층을 형성하는 단계를 교대로 반복함으로써 다층 양자 웰을 형성하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법.
제10항에 있어서, 상기 제1도전형의 GaN 나노막대, InGaN 양자 웰 및 제2도전형의 GaN 나노막대는 MO-HVPE(metalorganic-hydride vapor phase epitaxy)법에 의해 인-시튜(in-situ)로 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법.
제10항에 있어서, 상기 기판은 사파이어 기판이고, 상기 제1도전형의 GaN 나노막대들을 형성하는 단계 이전에, 상기 사파이어 기판 위에 제1도전형의 GaN 버퍼층을 형성하는 단계를 더 포함하며, 상기 전극 패드는 상기 GaN 버퍼층 위의 일부 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법.
제10항에 있어서, 상기 기판은 실리콘 기판이고, 상기 전극 패드는 상기 실리콘 기판의 상기 나노막대들이 형성되는 면과 대향하는 면에 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법.
제1도전형의 GaN 나노막대, InGaN 양자 웰 및 제2도전형의 GaN 나노막대가 이 순서대로 길이방향으로 연속하여 이루어진 GaN 나노막대.
제18항에 있어서, 상기 양자 웰은, 복수의 InGaN층과 복수의 GaN 배리어(barrier)층이 교대로 형성된 다층 양자 웰(multi quantum well)인 것을 특징으로 하는 GaN 나노막대.
제18항 또는 제19항에 기재된 GaN 나노막대와, 이 GaN 나노막대의 양단에 전압을 인가하기 위한 전극을 구비하는 GaN 발광 다이오드.