KR20090096704A - 직립 나노와이어 구조를 갖는 ｌｅｄ 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

직립 나노와이어 구조를 갖는 ｌｅｄ 및 이를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발광 다이오드(LED)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 능동 구성요소로서 나노와이어를 포함하는 LED에 관한 것이다. 본 발명에 따른 나노구조 LED는 기판 및 상기 기판으로부터 돌출된 직립 나노와이어를 포함한다. 광을 생성하는 활성 영역(120)을 제공하는 pn-접합이 상기 구조 내에 존재한다. 나노와이어(110) 또는 상기 나노와이어로부터 형성된 구조는 상기 나노와이어(110)에 의해 제공된 방향으로 상기 활성 영역에서 생성된 광의 적어도 일부를 지향시키는 도파관(116)을 형성한다.
발광 다이오드, 나노와이어, 기판, 활성 영역, 도파관.

Description

직립 나노와이어 구조를 갖는 ＬＥＤ 및 이를 제조하는 방법{LED WITH UPSTANDING NANOWIRE STRUCTURE AND METHOD OF PRODUCING SUCH}
본 발명은 발광 다이오드(LED)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 나노와이어를 포함하는 LED에 관한 것이다.
오늘날의 지배적인 유형의 발광 다이오드(LED)는 평면 기술을 토대로 한다. PN-접합은 본질적으로 수평 방향을 갖는 디바이스를 제공하는 기판 상에 복수의 층으로서 구성된다. 광-생성 재결합은 이러한 층의 서브셋(subset)에서 발생한다. 반도체 층이 공기의 굴절률보다 실질적으로 더 높은 굴절률을 가지기 때문에, 생성된 광의 상당한 부분은 상기 층에서 반사될 것이며, 디바이스의 유효 루미네선스(effective luminescence)에 기여하지 않을 것이다. 실제로, 상기 층은 LED의 수평면에서 도파관의 역할을 할 것이다. 디바이스에서 트랩(trap)되는 LED의 광의 효과를 완화하고 반도체 층으로부터 광을 효율적으로 추출하는 조치가 제안되었다. 이와 같은 조치는 수평면에 대한 가변 각도를 갖는 부분을 제공하기 위하여 표면을 변경하는 것을 포함한다. 유사한 방법이 광을 산란시키거나 또는 대안적으로 광을 흡수하고 상이한 파장의 광을 생성하기 위하여 나노크기 입자가 LED 디바이스에 제공되는 EP1369935에 제안되어 있다. 게다가, 평면 기술은 소형화 및 적절한 재료의 선택 면에서 제약을 부과하는데, 이는 이하에 더 설명될 것이다.
나노스케일 기술 및 특히 나노와이어를 제조하는 능력의 발전은 평면 기술에서 가능하지 않은 방식으로 구조를 디자인하고 재료를 조합할 가능성을 열어놓았다. 이 발전에 대한 하나의 근거는 나노와이어의 1D 특성이 평면 기술로 제조된 디바이스에서의 상이한 재료 사이의 격자 정합(lattice matching)의 요건을 극복하는 것을 가능하게 한다는 것이다. 예를 들어, InP의 나노와이어가 결함 없이 InAs 또는 Si 상에 성장될 수 있다는 것이 제시 및 사용되었다. Samuelson 등에 의한 US20040075464에서, 나노와이어 구조를 기반으로 한 복수의 디바이스, 예를 들어, 나노와이어 LED가 개시되어 있다. 이러한 LED는 양자 구속 효과(quantum confinement effect)를 제공하는 내부 헤테로구조를 갖는다.
US20030168964는 나노와이어의 하단부에서의 도전성의 투명한 기판 및 상단부에서의 투명한 커버 기판 사이의 그룹으로 장착된 LED의 역할을 하는 복수의 나노와이어의 어셈블리를 설명하며, 각각의 개별적인 나노와이어는 P-형, N-형 및 발광 층의 구조를 갖는다. 나노와이어는 도전성의 투명한 기판을 통해 광을 방출하도록 배열된다고 한다.
다른 나노와이어 LED가 이전에 보고되었다. Hiruma 등은 수직의 GaAs 나노와이어 pn LED를 제조하였다. 나노와이어는 SOG 내에 임베딩(embedding)되었고, Haraguchi 등에 의한 "GaAs p-n junction formed in quantum crystals" Appl. Phys. Lett. 60(6) 1992에서 설명된 Au/Ge/Ni 최상부 콘택(contact)으로 커버된다. GaN 기반 나노와이어 LED는 또한 Quian 등에 의한 "Core/Multishell Nanowire Heterostructure as Multicolor, High-Efficency Light-Emitting Diodes" Nanoletters에서 설명된 바와 같이 제조되었다.
나노와이어가 LED 디바이스를 구성하는데 사용될 수 있다는 것이 업계에서 제시되었다. 산업 생산 방법에 적합한 효율적인 디바이스를 제공하기 위하여, 부가적인 개선이 필요하다.
본 발명의 목적은 종래 기술 디바이스 및 방법의 결점을 극복하는 나노구조 LED 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 이것은 청구항 1에서 규정된 바와 같은 디바이스 및 청구항 29에서 규정된 바와 같은 방법에 의해 성취된다.
본 발명에 따른 나노구조 LED는 기판 및 상기 기판으로부터 돌출된 직립 나노와이어를 포함한다. 광을 생성하는 활성 영역을 제공하는 pn-접합이 사용 중에 상기 구조 내에 존재한다. 나노와이어, 나노와이어의 일부, 또는 나노와이어와 관련된 구조가 상기 나노와이어에 의해 제공된 방향으로 상기 활성 영역에서 생성된 광의 적어도 일부를 지향시키는 도파관을 형성한다.
나노구조 LED는 나노와이어에 에피택셜로 접속된 볼륨 요소(volume element)을 더 포함할 수 있다. 상기 볼륨 요소는 나노와이어 자체가 도핑되는 것을 필요로 함이 없이, 전형적으로 나노와이어 내에서 또는 나노와이어에 가깝게, 활성 영역의 형성을 위해 고도의 도핑을 제공한다.
도파관의 도파 특성은 상이한 방식으로 개선될 수 있다. 도파관은 제 1 유효 굴절률(ηW)을 가지고, 도파관의 적어도 일부를 둘러싸는 재료는 제 2 굴절률(ηC)을 가지며, 상기 제 1 굴절률이 상기 제 2 굴절률보다 더 큰 것을 보장함으로써(ηW>ηC), 양호한 도파 특성이 도파관에 제공된다. 도파 특성은 도파관 상에 광학적으로 활성인 클래딩 층을 도입함으로써 더 개선될 수 있다.
본 발명으로 인하여, 생성된 광의 매우 큰 부분을 사용하는 것이 가능하므로, 효율적인 LED가 제공될 수 있다. 이것은 적어도 부분적으로 표면으로부터 생성된 광을 지향시키는, 도파관으로서 사용되는 나노와이어에 의해 성취된다. 본 발명에 따른 나노구조 LED는 대량 생산에 매우 적합하며, 상술된 방법은 산업적인 용도에 적용 가능하다.
도파관으로서의 나노와이어의 사용은 양호하게 규정된 방향으로 광을 지향시킬 가능성을 제공한다. 광섬유의 에어리어로부터의 개념을 사용함으로써, 광 빔이 의도된 용도에 따라 포커싱되거나 분산될 수 있다.
나노와이어 기술은 종래의 벌크 층 기술에서는 가능하지 않은 재료 조합 및 재료의 선택에서 가능성을 제공한다. 이것은 종래의 기술에 의해 수용될 수 없는 파장 영역, 예를 들어, 보라색 및 UV에서 광을 생성하는 LED를 제공하기 위하여 본 발명에 따른 나노구조 LED에서 사용된다.
본 발명에 따른 디자인은 나노와이어 내에서의 헤테로구조의 포함 뿐만 아니라, 상이한 도핑의 에어리어를 허용하여, 전기적 및/또는 광학적 특성의 최적화를 용이하게 한다.
본 발명의 실시예는 종속 청구항에서 규정된다. 본 발명의 다른 목적, 장점, 및 신규한 특징은 첨부 도면 및 청구항과 함께 고려될 때 본 발명의 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예가 이제 첨부 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1a 및 1b는 본 발명에 따른 나노구조 LED의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 나노구조 LED의 나노와이어의 도파 특성을 개략적으로 도시한다.
도 3a 및 3b는 본 발명에 따른 나노구조 LED와 함께 반사 층의 사용을 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 나노구조 LED의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 나노구조 LED의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 나노구조 LED의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 나노구조 LED의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 나노구조 LED의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 9는 본 발명에 따른 나노구조 LED의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 10은 본 발명에 따른 복수의 나노구조 LED의 어셈블리를 개략적으로 도시한다.
도 11은 반사 평면과 함께 복수의 나노구조 LED의 어셈블리를 개략적으로 도 시한다.
도 12는 본 발명에 따른 평면의 발광 구조 상에서 나노와이어를 포함하는 나노구조 LED의 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 13은 본 발명에 따른 방법에서의 기본적인 제조 단계를 도시한다.
도 14는 LED 나노구조를 개략적으로 도시한다.
도 15a는 도 14에 따른 나노구조 LED의 SEM-이미지이고, 15b는 능동 LED 나노구조의 이미지이다.
도 16은 제 1 MOVPE 단계 이후의 본 발명의 나노와이어 구조의 SEM 이미지이다.
도 17a 내지 17c는 도 14 및 16에 따른 나노와이어 및 LED 나노구조의 광루미네선스 그래프이다.
도 18은 a) GaP 상에 성장된 GaAs LED의 전기루미네선스의 전력 의존성, b) GaP 및 Si 기반 LED 나노구조로부터의 80mA에서의 EL 스펙트럼을 도시한다.
도 19a 및 19b는 3.0sccm의 NH3 흐름 레이트로 성장된 샘플의 SEM 이미지를 도시한다.
도 20a 및 20b는 1.0sccm의 NH3 흐름 레이트로 성장된 샘플의 SEM 이미지를 도시한다.
도 21a 및 21b는 0.5sccm의 NH3 흐름 레이트로 성장된 샘플의 SEM 이미지를 도시한다.
도 22는 0.2sccm의 NH3 흐름 레이트로 성장된 샘플의 SEM 이미지를 도시한 다.
본 발명에 따른 나노구조 발광 다이오드(LED) 디바이스는 직립 나노와이어를 포함한다. 반도체 기판 상에 나노와이어를 성장시키는 적절한 방법이 US 2003010244에 설명되어 있다. 헤테로구조를 갖는 에피텍셜로 성장된 나노와이어를 제공하는 방법은 US20040075464에서 발견될 것이다.
본 출원의 목적을 위하여, 직립 나노와이어는 어떤 각도로 기판으로부터 돌출된 나노와이어로서 해석되어야 하며, 직립 나노와이어는 예를 들어, 기판으로부터 에피택셜로 성장된다. 기판과의 각도는 전형적으로 기판과 나노와이어에서의 재료, 기판의 표면 및 성장 조건의 결과일 것이다. 이러한 파라미터를 제어함으로써, 단지 하나의 방향, 예를 들어, 수직으로, 또는 제한된 세트의 방향으로 향하는 나노와이어를 제조하는 것이 가능하다. 주기율표의 III, V 및 IV 족으로부터의 원소로 구성된 다이아몬드 반도체 및 섬아연광의 나노와이어 및 기판의 예를 들면, 이와 같은 나노와이어는 [111] 방향으로 성장되고 나서, 임의의 [111] 기판 표면에 수직인 방향으로 성장될 수 있다. 표면에 수직 및 나노와이어의 축방향 사이의 각도로서 제공되는 다른 방향은 70,53°{111}, 54,73°{100}, 및 35.27° 및 90°(둘 모두 {111})를 포함한다. 따라서, 나노와이어는 하나 또는 제한된 세트의 방향을 규정한다.
본 발명에 따르면, 나노구조 LED의 나노와이어, 나노와이어의 부분 또는 나노와이어로부터 형성된 구조는 직립 나노와이어에 의해 제공된 방향에서 나노구조 LED에 의해 생성된 광의 적어도 일부를 지향시키는 도파관으로서 사용된다. 이상적인 도파 나노와이어 LED 구조는 코어의 굴절률보다 더 적은 굴절률을 갖는 하나 이상의 둘러싸는 클래딩(cladding)을 갖는 높은 굴절률 코어를 포함한다. 상기 구조는 원형 대칭이거나 원형 대칭에 가깝다. 원형 대칭 구조 내의 광 생성 도파는 광섬유 애플리케이션에 널리 공지되어 있고, 희토 도핑된 섬유 증폭기 및 레이저의 에어리어에 대해 많은 대등한 것이 만들어질 수 있다. 그러나, 하나의 차이는 섬유 증폭기가 광학적으로 펌핑(pumping)되는 반면, 설명된 나노와이어 LED 구조는 전기적으로 펌핑되는 것으로 간주될 수 있다는 것이다. 하나의 널리 공지된 장점의 형태는 소위 개구수(Numerical Aperture: NA):
Figure 112009037231223-PCT00001
이고, 여기서 n1 및 n2는 각각 코어 및 클래딩의 굴절률이다. NA는 도파관에 의해 캡처된 광의 각도를 결정한다. 도파관의 코어 내부에 생성된 광에 대하여, 캡처 각도(φ)는 n1ㆍcos(φ)=n2로서 결정될 수 있다. NA 및 캡처된 광의 각도는 새로운 LED 구조의 최적화에서 중요한 파라미터이다.
III-V 반도체 코어 재료에 대한 전형적인 값은 2.5로부터 3.5까지의 범위의 굴절률이다. 1.4로부터 2.9까지의 범위의 굴절률을 갖는 SiO2 또는 SiN과 같은 유리 형의 클래딩 재료와 결합될 때, 캡처 각도는 65도만큼 높아질 수 있다. 65도의 캡처 각도는 생성된 광의 75%까지가 상기 구조(양 방향)에 의해 캡처 및 가이드될 수 있도록 한다.
광 추출의 최적화에서의 하나의 고려사항은 나노와이어 구조로부터 광 추출을 최적화하기 위하여 NA가 나노와이어 구조를 따라 가변되도록 하는 것이다. 일반적으로, 광 생성이 출구 위치로부터 가장 멀리서 발생할 때 NA를 가장 높도록 하는 것이 이상적이다. 이것은 캡처되어 출구를 향해 가이드되는 광을 최대화시킬 것이다. 대조적으로, 상기 구조의 출구 단부에 가까울수록, NA는 생성된 광이 랜덤 방향으로 방사될 것이고 방사 광의 대부분이 출구 및 상기 구조의 최상부의 측면 및 최상부과 충돌할 것이기 때문에 더 작아질 것이다. 상기 구조의 최상부에서 더 낮은 NA를 가지는 것은 또한 리플렉터가 상기 구조의 최하부 내에 삽입되지 않는다면 이상적이지 않을 수 있는 구조를 통한 광 캡처 및 가이드 백 다운(guide back down)을 최소화한다. 낮은 NA는 다소 더 적은 굴절률을 갖는 상이한 조성의 또 다른 III-V 클래딩으로 III-V 나노와이어 코어를 둘러쌈으로써 획득될 수 있다.
본 발명에 따른 나노구조 LED(100)가 도 1a에 개략적으로 도시되어 있고, 기판(105) 및 규정된 각도(θ)로 상기 기판으로부터 에피택셜로 성장된 나노와이어(110)를 포함한다. 나노와이어의 일부는 볼륨 요소(115)에 의해 둘러싸인다. 볼륨 요소(115)는 바람직하게는 나노와이어(110)에 에피택셜로 접속된다. 나노와이어(110)의 일부는 나노와이어의 긴 방향에 의해 제공되는 일반적인 방향으로 생성된 광의 적어도 일부를 지향시키는 도파 부의 역할을 하도록 배열되고, 도파관(116)이라고 칭해질 것이다. 다이오드 기능에 필요한 pn-접합이 나노와이어(110) 및 볼륨 요소(115)의 결합에 의해 형성된다. 볼륨 요소는 고도의 도핑을 제공하므로, pn-접합은 나노와이어(110)의 직접적인 도핑 없이, 또는 적어도 나노와이 어(110)의 직접적인 도핑을 가변시킴이 없이 형성될 수 있다. 이것은 1D 구조의 도핑이 기술적으로 도전적일 수 있고 대규모 생산에서 구현하는데 비용이 많이 들 수 있기 때문에 유용하다. 볼륨 요소(115)의 기능 및 나노와이어(110)와 볼륨 요소(115) 사이의 상호작용이 이하에 더 설명될 것이다. 콘택(125)이 볼륨 요소(115) 상에, 예를 들어, 최상부 상에, 또는 외주면(도시됨) 상의 랩핑 구성(wrapping configuration)에 제공된다. 기판(105) 및 직립 구조의 부분이 예를 들어, 도시된 바와 같은 박막 또는 나노구조 LED를 둘러싸는 공간을 채우는 재료로서 커버 층(107)에 의해 커버될 수 있다.
나노와이어(110)는 전형적으로 50 nm 내지 500 μm 정도의 직경을 가지며, 볼륨 요소는 500 nm 내지 1000 nm의 직경, 즉, 나노와이어를 둘러싸는 볼륨 요소의 부분에 대하여 200 nm의 두께를 갖는다. 나노와이어의 도파 부(116)의 길이는 전형적으로 그리고 바람직하게는 1 내지 10 μm 정도이다. 볼륨 요소(115)의 길이는 전형적으로 그리고 바람직하게는 1 내지 5 μm 정도이다. 볼륨 요소의 치수는 예를 들어, 이들을 도핑하는 것에 대한 수용성에 관한 특성이 일반적으로 벌크 재료와 관련되거나 벌크 재료로부터 예상되도록 하여야 한다. 예를 들어, 150 nm 이상의 두께를 갖는 InGaP:Si의 볼륨 요소가 도핑에 대한 수용 가능한 수용성을 나타내는 것으로 제시되었다. 어떤 기준을 최적화하고 재료의 상이한 조합을 수용하기 위하여 서로에 대한 부분의 수 및 실제 수 둘 모두에서의 치수가 가변될 수 있다.
pn-접합은 광이 생성되는 활성 영역(120)이 나노와이어에, 또는 그 부근에 배열되도록 한다. 도 1a에서의 활성 영역(120)의 위치가 비-제한적인 예라는 점이 주의되어야 한다. 도파 부(116)의 도파관 특성이 도 2에 도시되어 있다. 나노와이어 LED의 상이한 부재의 재료는 나노와이어가 주변 재료와 비교하여 양호한 도파 특성을 가지도록 선택되는데, 즉, 나노와이어(110)에서의 재료의 굴절률은 주변 재료의 굴절률보다 더 커야 한다. 나노와이어(110)가 제 1 굴절률(ηW)을 가지고, 도파관 부분(116) 내의 나노와이어를 둘러싸는 재료, 전형적으로 커버 층(107)이 제 2 굴절률(ηC)을 가지고, 볼륨 요소가 제 3 굴절률(ηVE)를 가지는 경우에, ηW>ηC이고 ηW>ηVE이다. 나노구조 LED에 대한 전형적인 값은 ηW≒3, ηC≒1.5이고 ηVE≒3이다.
나노와이어(110)에는 하나 이상의 클래딩 층이 제공될 수 있다. 제 1 클래딩 층(112)은 나노와이어의 표면 특성을 개선시키기 위하여 도입될 수 있는데, 예를 들어, GaAs 나노와이어가 사용되는 경우에, 상기 특성이 GaInP의 클래딩 층을 추가함으로써 개선된다는 것이 제시되었다. 부가적인 클래딩 층, 예를 들어, 광학적 클래딩 층(113)이 광 섬유의 에어리어에서 양호하게 설정된 것과 유사한 방식으로, 특히 나노와이어(110)의 도파 특성을 개선시키기 위하여 도입될 수 있다. 광학적 클래딩 층(113)은 전형적으로 나노와이어 및 주변 재료의 굴절률 사이의 굴절률을 갖는다. 대안적으로, 클래딩 층(113)은 어떤 경우에 광 투과를 개선시키는 것으로 제시되었던 등급화된 굴절률을 갖는다. 광학적 클래딩 층(113)이 사용되는 경우에, 나노와이어의 굴절률(ηW)은 나노와이어 및 클래딩 층 둘 모두에 대한 유효 굴절률을 규정해야 한다.
상술된 참조문헌에 설명되고 아래에 예시된 바와 같은, 양호하게 규정된 파라미터로 나노와이어를 성장시키는 능력은 본 발명의 일 실시예에서, 나노구조 LED(100)에 의해 생성된 광의 파장에 대하여, 나노와이어(110) 또는 적어도 도파관(116)의 도파 특성을 최적화시키는데 사용된다. 널리 공지된 바와 같이, LED의 광 생성에 대한 기초인 재결합 프로세스는 재료 특성에 따라 좁은 파장 영역에서 광을 생성한다. 실시예에서, 나노와이어(110)의 직경은 생성된 광의 파장에 양호한 대응성을 가지도록 선택된다. 바람직하게는, 나노와이어(110)의 치수는 생성된 광의 특정 파장에 대해 최적화되는 균일한 광학적 캐비티(optical cavity)가 나노와이어를 따라 제공되도록 한다. 코어 나노와이어는 광을 캡처하도록 충분히 넓어야 한다. 경험 법칙(rule of thumb)은 직경이 λ/2ηW보다 커야 한다는 것이며, 여기서 λ는 생성된 광의 파장이고 ηW는 나노와이어(110)의 굴절률이다.
가시 영역에서 광을 생성하도록 배열되는 나노구조 LED에 대하여, 나노와이어의 도파부의 직경은 바람직하게는 나노와이어가 효율적인 도파관이 되도록 하기 위하여 80 nm보다 더 커야 한다. 적외선 및 근적외선에서, 110 nm 이상의 직경이 충분할 것이다. 나노와이어의 직경에 대한 적절한 바람직한 상한은 성장 제약에 의해 제공되며, 500 nm 정도이다. 나노와이어(110)의 길이는 전형적으로, 그리고 바람직하게는, 활성 영역(120)에 대한 충분한 볼륨을 제공하는 동시에 내부 흡수를 초래하지 않도록 불필요하게 길지 않은 1 내지 10 μm 정도이다.
도 1b는 볼륨 요소(115)가 쉘-형 구조인 복수의 층(117, 118)을 포함하는 본 발명의 실시예를 도시한다. 복수의 층은 p 또는 n 영역을 제공하는 도핑 층(117) 및 동작 하에서 활성 영역(120)을 포함할 웰 층(118)을 포함할 수 있다. 대안적으로, 웰은 복수의 서브-층으로 이루어질 수 있다. 그러므로, 이 실시예에서, 활성 영역(120)은 주로 나노와이어(110)의 반경방향 외부에 있을 것이다. 이 실시예에 따르면, 도파관(116)은 층(117 및 118) 및 상술된 도파를 강화시키는 특성을 갖는 선택적인 부가적 클래딩 층 또는 층들(119)의 쉘-형 구조에 의해 형성될 수 있다. 나노와이어(110)는 전형적으로 도파관(116)의 부분일 수 있다. 대안적으로, 도파는 가능한 한 쉘-형 구조에 한정된다.
다음에서, 본 발명의 상이한 실시예가 주로 도 1a를 참조하여 설명된 디자인으로 설명된다. 당업자에게는 명백해야 하는 바와 같이, 단지 약간의 조정을 갖는 상이한 실시예가 또한 도 1b를 참조하여 설명된 쉘-형 구조를 갖는 디자인에도 관련되어야 한다.
반사 층(108)은 일 실시예에서 기판(105) 상에(도 3a) 또는 대안적으로 커버 층이 사용되는 경우에 커버 층(107) 상에(도 3b) 제공되는 것으로 도 3a 및 3b에 도시되어 있다. 반사 층의 목적은 나노구조 LED로부터 방출되는 광을 하향 방향으로 반사시키는 것이다. 반사 층(108)은 바람직하게는 예를 들어, AlGaS/GaAs 또는 GaN/AlGaN의 반복된 층을 포함하는 다층 구조의 형태로, 또는 금속 막으로서 제공된다.
도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따르면, 반사 층(108)은 도파관(116)의 일부, 또는 나노와이어/도파관/클래딩 조합 하에서 지속되도록 배열되므로, 기 판에 인접한 스템(113)이 형성되고, 상기 스템(113)은 위의 나노와이어/클래딩보다 더 작은 직경을 갖는다. 이를 제조하는 방법이 후술될 것이다. 스템(113)의 직경이 광의 도파관보다 충분히 더 작은 경우에, 지향된 광 모드의 큰 프랙션이 도파관 외부로 확장되어, 도파관의 좁은 부분을 둘러싸는 반사 층(108)에 의한 효율적인 반사를 가능하게 할 것이다. 반사 층(108)은 나노구조 LED에 수직일 수 있거나, 또는 대안적으로 반사 층(108)에 충돌하는 많은 량의 광이 상향 방향으로 반사되도록 디자인된다. 90°와 또 다른 각도를 갖는 구성으로 상기 층 및 도파관을 제조함으로써, 광은 도파관과 상이한 방향으로 지향될 수 있다. 이와 같은 특수한 경우는 나노와이어가 90°로부터 떨어진 기판에 대한 각도로 성장되는 경우이다. 도파관(116) 또는 나노와이어+클래딩이 제 1 유효 굴절률(ηW)을 가지고, 반사 층이 제 2 유효 굴절률(ηS)을 가지며, ηW>ηC인 경우에, 나노와이어 및 반사 층 사이의 각도는 전체 내부 반사를 성취하도록 선택될 수 있다.
도파관(116)의 하단부에서 반사를 성취하는 대안적인 방법은 도 5에 도시된 바와 같이, 나노와이어 아래의 기판에 반사 층(109)을 배열하는 것이다. 반사 층은 예를 들어, 고도의 반사 표면을 생성하기 위하여 당업계에 공지되어 있는 상술된 바와 같은 다층 구조일 수 있다. 또 다른 대안은 도 6에 도시된 바와 같이, 도파관(116) 내에 반사 수단(111)을 도입하는 것이다. 이와 같은 반사 수단은 나노와이어의 성장 프로세스 동안 제공되며 예를 들어, SiNx/SiOx(유전체) 또는 GaAs/AlGaAs(반도체)의 반복된 층을 포함하는 다층 구조일 수 있다. 반사 수단은 바람직하게는 나노구조 LED가 주로 나노와이어의 최상부로부터 광을 방출하는 경우에, 도시된 바와 같이, 예를 들어, 기판에 가까운 활성 영역 아래에 위치된다. 대안적으로, 플립-칩 구성이 사용되고 광이 주로 도파관(116)의 하단부로부터 나오는 경우에, 반사 수단(111)은 바람직하게는 활성 영역 위에 위치되어야 한다.
도 7에 도시된 부가적인 실시예에서, 생성된 광의 주요 부분은 기판(105)을 통한 하향 방향으로 도파관(116) 또는 나노와이어(110)의 도파관(116)에 의해 지향된다. 상기 광은 기판의 전체 두께를 통해 지향될 수 있거나, 또는 대안적으로 기판이 자신의 두께를 감소시킴으로써 자신 내의 광의 산란 또는 흡수를 감소시키기 위하여 나노와이어(110)의 베이스 아래에 컷 아웃(130)을 구비한다. 기판은 바람직하게는 투명한 재료로 이루어진다. 대안적으로, 나노구조 LED는 기판으로부터 제거될 수 있다. 이 경우에, 나노와이어는 자신의 하단부에서 랩 콘택에 의해 접촉될 수 있다. 볼륨 요소(115)의 외부면 중 일부 또는 바람직하게는 모두는 도파관(116)을 통해 생성된 광의 방사를 증가시키는 반사 층(135)에 의해 커버될 수 있다. 예를 들어, 금속으로 형성된 반사 층은 부가적으로 콘택의 역할을 할 수 있다. 기판 및 나노와이어(110)의 부분은 SiO2의 보호 층에 의해 선택적으로 커버된다.
도 8에 도시된 실시예에서, 볼륨 요소(815)는 넓은 각도에 걸쳐 본질적으로 균일하게 분배되는 광 방사를 제공하는 분산적 요소이도록 배열된다. 이와 같은 디바이스는 균일한 조명이 필요한 조명 용도에 매우 적합하다. 활성 영역(120)은 나노와이어 내에 배열될 수 있지만, 대안적으로 볼륨 요소 내에, 그리고 도시된 바와 같이, 나노와이어(110)의 상단부 위에, 또는 나노와이어의 반경방향 외부 및 아마도 그 위에 배열될 수 있다. 나노와이어(110)는 바람직하게는 광을 상향으로 재지향시키기 위하여 자신의 하단부에서 상술된 반사 수단 중 일부를 가지고 있어야 하는데, 예를 들어, 나노와이어 내에 반사 수단(111)이 있어야 한다. 볼륨 요소의 기하구조는 광을 더 분산시키도록 디자인될 수 있다. 분산은 나노와이어(110) 도파관 및 볼륨 사이의 접합부에서, 그리고 부가적으로 볼륨 요소(115)의 상부 경계에 의해 형성된 에지에서 제공된다. 볼륨 요소의 높이 및 폭은 에지가 분산된 광의 각도를 더 분배하도록 선택된다.
나노와이어 LED의 도파 특성은 또한 희망하는 방사 특성을 제공하도록 형성되고 방향성으로 스티어링(steering)될 수 있는 수집되고 방향성으로 지향된 빔을 제공한다. 이것은 렌즈-형 방식으로 출구 인터페이스를 형성하고 상술된 가변 NA 방법을 사용하는 조합에 의하여 행해질 수 있다. 일반적으로, 더 넓은 방사 패턴이 희망되는 경우에, 출구에 가까운 NA는 출구 표면으로부터 약간 떨어져서 점진적으로 또는 갑자기 더 작은 값으로 변경되어야 한다. 좁은 방사 패턴을 갖는 것이 바람직한 경우에, 이것은 포커싱 오목 렌즈 형 출구 표면을 가지고/가지거나 출구에 가까운 나노와이어 LED의 최상부에서 NA를 가능한 한 높게 유지함으로써 성취될 수 있다. 코어 나노와이어의 직경이 또한 방사 패턴을 형성하는데 있어서 중요한 역할을 한다. 일반적으로, 직경이 더 작을수록, 방사 패턴이 더 넓어지는 반면, 큰 직경의 나노와이어는 더 한정되고 방향성의 방사 패턴을 필요로 할 것이다. 이러한 - 아마도 비직관적인 - 효과는 원거리-필드(far-field) 방사 패턴이 실제로 근거리- 필드의 퓨리에 변환이기 때문에 광학 엔지니어링에 널리 공지되어 있다. 널리 공지된 바와 같이, 짧은 또는 좁은 이벤트의 퓨리에 변환은 퓨리에 도메인에서 길거나 넓은 이벤트를 발생시킨다. 하나의 극단적인 예는 밀도에서 무한히 넓고 일정한 퓨리에 변환을 가지는 델타 함수이다. 광학적 방사에 필적하는 것은 포인트 광 소스(근거리-필드에서의 델타-함수)가 모든 방향에서 일정한 밀도로 방사(원거리-필드에서의 "무한히" 넓은 방사)하는 것이다. 도 9에 개략적으로 도시된 본 발명의 일 실시예는 수집되고 방향성으로 지향된 빔을 제공하는데 최적화된다. 상대적으로 큰 직경, 바람직하게는 150 nm 이상의 나노와이어(110)는 볼륨 요소(115)의 상부면까지 신장된다. 나노와이어(110)에는 상단부에 오목 렌즈형 출구 표면(112)이 제공된다.
나노와이어를 성장시키는 상술된 방법으로 획득 가능한 상술된 원통형 볼륨 요소(115)는 예시적인 형상으로 인식되어야 한다. 타당한 다른 기하구조는 돔-형 최상부, 구형/타원형, 및 피라미드형을 갖는 원통형 벌브를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
전형적인 구현예에서, 많은 수의 나노구조 LED가 하나의 디바이스 내에 제공된다. 이와 같은 디바이스의 일부가 도 10에 도시되어 있다. 복수의 나노구조 LED(100)는 Zn-도핑된 GaP 기판(105) 상에 에피택셜로 성장되었다. LED의 나노와이어(110)는 진성 GaAs로 이루어지고, 도핑되지 않은 InGaP의 동심 층을 가지고 있다. 볼륨 요소(115)는 Si-도핑된 InGaP로 이루어진다. 나노와이어의 하부 및 기판 은 SiO2-층(150)에 의해 커버된다. 복수의 LED를 접속시키는 뒷면 콘택(back plane contact)(155)이 기판 상에 제공되고, 각각의 개별적인 LED에는 볼륨 요소(115) 상에 랩 어라운드 콘택(wrap around contact)(125)이 제공된다. 랩 어라운드 콘택(125)은 LED의 그룹-방식의 어드레싱을 위해 접속된다.
일 실시예에서, 상술된 바와 같이, 나노와이어가 제한된 세트의 바람직한 방향으로 성장하는 고유 특성이 사용된다. 복수의 나노구조 LED(1100)가 도 11에 도시된 바와 같이, 기판(1105) 상에 제공된다. 모든 LED는 동일한 방향 또는 제한된 세트의 방향 중 하나를 갖는다. 바람직하게는, LED는 적절한 지향된 광 빔을 생성하도록 배열된다. LED의 그룹에 인접한 LED 반사 수단(1250)에는 LED의 방향에 대응하는 기판에 대한 각도가 제공되어, LED로부터 방출된 광이 희망하는 방향으로 반사 수단(1160)에 의해 반사된다. 광 경로는 점선으로 개략적으로 표시된다. LED가 예를 들어, 4개의 [111] 방향에 대응하는 복수의 방향을 가지는 경우에, 바람직하게는, 예를 들어 기판에 수직인 동일한 방향으로 모든 광을 지향시키는 대응하는 복수의 반사 수단이 제공될 수 있다.
도파관으로서 동작하는 나노와이어는 종래의 평면 LED의 성능을 개선시키는데 사용될 수 있다. 도 12에 도시된 실시예에서, 복수의 나노와이어(1210)는 평면 LED의 표면 상에 배열된다. 광이 예를 들어, GaAsP의 평면 LED의 활성 층(1260)에서 생성된다. 나노와이어(1210)는 상이한 부분의 양호한 정합을 성취하기 위하여 평면 LED 층의 최상부 상에 에피택셜로 접속된다. 나노와이어(1210)는 나노와이어 를 보호하고/하거나 특성을 개선시키는 클래딩 층(1212), 예를 들어, SiN4에 의해 코팅될 수 있다. 나노와이어(1210) 사이의 표면은 바람직하게는 예를 들어, Au의 반사 층(1208)으로 코팅된다. 활성 영역(1220)에서 생성된 광의 적어도 일부는 광이 기판 평면으로부터 떨어지도록 하는 도파관의 역할을 하는 나노와이어(1210)에 진입할 것이다. 상술된 것과 동일한 메커니즘에 의하여, 나노와이어는 양호하게 규정된 방향 또는 방향들로 광을 포커싱하도록 배열될 수 있다.
광 생성에 필요한 pn-접합을 형성하기 위하여, 나노구조의 적어도 일부는 도핑될 필요가 있다. 상술된 바와 같이, 볼륨 요소는 나노요소의 도핑과 관련된 일반적인 어려움을 해결하고 양호한 전기 접촉 특성을 촉진하기 위하여 부분적으로 제공된다. 디바이스 효율을 증가시키기 위하여 액세스 저항을 감소시키는 것이 중요하다. 나노와이어 단면의 긴 특성 및 낮은 에어리어가 디바이스 저항을 구성할 것이기 때문에 나노와이어는 본질적으로 이 관점에서 최적이 아니다.
저 저항 콘택을 제조하는 주요 도구, 나노와이어 기하구조에 의해 제공된 본질적으로 낮은 콘택-표면에 의해 복잡해진 태스크는 콘택의 반도체 측 상에서의 높은 도핑 및 낮은 밴드 갭 조정(band gap adjustment)이지만, 상술된 바와 같이, 나노요소의 도핑이 여러 팩터에 의해 도전받는다. 그러나, 나노와이어 디바이스의 어떤 다른 부분은 높은 도핑을 필요로 하지 않거나, 이들의 도핑-레벨은 덜 우선적이며, 다른 디자인 파라미터에 대해 평형화될 수 있다. 중요 부분의 도핑이 디바이스 성능을 감소시키는 디바이스가 또한 존재한다. 비-생산적인 도핑 효과의 이와 같은 예는 필드 효과 채널에서, 광학적 영역에서의 비-방사 불순물 레벨 또는 불순물 산란, 이동도 감소이다.
본 발명에 따른 볼륨 요소(115)는 3차원으로 신장되고, 더 큰 볼륨 및 더 큰 표면을 가짐으로써, 나노요소에 대한 도전적인 도핑 절차가 피해질 수 있고, 프로세싱이 간소해지고 더 신뢰 가능해지며, 도핑 및 감소된 콘택 표면으로 인하여, 액세스 저항이 감소될 수 있고, LED에서 능동 구성요소로서 나노와이어를 사용하는 장점이 충분히 이용될 수 있다.
볼륨 요소/나노와이어 아키텍처는 LED의 전기적 및 광학적 성능 둘 모두를 강화시킨다. 볼륨 요소(115)는 저 저항 콘택이 콘택 에어리어를 증가시키고 나노와이어 및 콘택 사이의 거리를 최소화시키기 위하여 바람직하게는 랩 어라운드 구성 내에 용이하게 제조될 수 있는 양호하게 규정된 도핑을 갖는 영역으로부터 나노와이어 내로의 높은 캐리어 주입을 가능하게 하는 캐리어 저장소로서 동작한다. 낮은 내부 저항 및 증가된 량의 캐리어는 이미 낮은 순방향 전압에서 나노와이어 내로의 대부분의 캐리어의 높은 주입을 보장한다. 나노와이어(110) 내로의 캐리어의 높은 주입은 발광 재결합을 증가시키는 나노와이어 내로의 고 농도의 전자 정공 쌍을 도입한다. 광을 지향시키는 도파관 내로 확장되는 활성 영역과 함께, 고 농도의 전자-정공 쌍은 디바이스의 출력을 더 증가시키는 시뮬레이팅된 방출을 가능하게 할 수 있다.
나노와이어(110) 및 볼륨 요소(115) 내에 상이한 재료 조성을 사용함으로써, 나노와이어 재료 조성은 나노와이어와의 접속에 의한 광학적 디스터번스(optical disturbance)를 감소시키기 위하여 볼륨 요소(115) 내로 전파되도록 선택될 수 있다. 방출된 광의 방향으로 나노와이어의 길이를 확장시키는 것은 재-흡수를 증가시킬 것이다. 재-흡수를 감소시키기 위하여, 나노와이어의 조성은 방출된 광의 에너지에 비하여 밴드 갭을 증가시키기 위해 방출된 광의 방향으로 조정된다.
나노구조 LED를 제조하는 방법은 우선 상술된 프로세스에 따라 나노와이어를 성장시킨다. 그 후, 나노와이어의 부분이 마스킹되고, 볼륨 요소가 선택적으로 재성장된다. 상기 방법이 도 13에 도시되어 있다. 볼륨 요소는 축방향 및 반경방향 둘 모두로 성장되므로, 나노와이어가 부분적으로 마스킹될 때, 상기 나노와이어는 볼륨 요소 내에 둘러싸이게 된다. 적절한 마스킹 재료는 예를 들어, 질화 실리콘, 산화 실리콘, 등이다.
나노와이어 성장이 기판에 의해 국소적으로 강화되는 시스템을 고려하면, VLS가 나노와이어를 성장시킬 때, 성장 조건을 변경시킴으로써 반경방향 및 축방향 성장 사이를 변경시키는 능력은 나노와이어/3D- 더 높은 차수의 시퀀스를 형성하기 위하여 절차(나노와이어 성장, 마스크 형성, 및 그 후의 선택적 성장)가 반복될 수 있도록 한다. 나노와이어 성장 및 선택적 성장이 별도의 성장 조건에 의해 구별되지 않는 시스템에 대하여, 우선 길이를 따라 나노와이어를 성장시키고 상이한 선택적 성장 단계에 의해 상이한 유형의 3D 영역 또는 볼륨 요소를 성장시키는 것이 양호할 수 있다.
도 13에 도시된 GaAs 및 InGaP로 형성된 활성 나노와이어 영역(들)을 갖는 발광 pn-다이오드/어레이를 제조하기 위한 본 발명에 따른 제조 방법은 다음 단계 를 포함한다:
1. 리소그래피에 의해 p+ GaP 기판(1305) 상에 국소 촉매/촉매들을 규정하는 단계.
2. 국소 촉매(1331)로부터 GaAs 나노와이어(1310)를 성장시키는 단계. 성장 파라미터는 촉매 와이어 성장을 위해 조정된다.
3. 나노와이어 주위에 얇은 InGaP 동심 층(1312)(클래딩 층)을 반경방향으로 성장시키는 단계.
4. 마스크 재료(1332)로서 SiO2를 증착시키는 단계.
5. 나노와이어의 상부를 개방하기 위하여 마스크(1332)를 백 에칭(back etching)하는 단계.
6. n+ InGaP 볼륨 요소(1315)를 선택적으로 성장시키는 단계. 성장 파라미터는 반경방향 성장을 제공하기 위해 조정된다.
7. (도시되지 않음) 볼륨 요소 상에, 그리고 기판으로의 콘택(1325)을 형성하는 단계.
성장 프로세스는 예를 들어, 나노와이어에 헤테로구조를 포함하고, 반사형 층을 제공하도록 공지된 방식으로 가변될 수 있다. 일부 실시예에서 사용된 스템(stem)(113)은 우선 얇은 나노와이어를 성장시키고(단계 2), 하부를 커버하는 선택적 성장 마스크 또는 반사형 층을 증착하고, 나노와이어 두께를 증가시키기 위하여 나노와이어 또는 클래딩 층을 반경방향으로 성장시킴으로써 제공될 수 있다.
나노구조 LED 디바이스의 의도된 용도, 적절한 제조 프로세스의 이용 가능 성, 재료에 대한 비용, 등에 따라, 구조의 상이한 부분에 광범위한 재료가 사용될 수 있다. 게다가, 나노와이어 기반 기술이 달리는 조합하기가 불가능한 재료의 결함 없는 조합을 허용한다. III-V 반도체가 고속 및 저전력 전자장치를 용이하게 하는 이들의 특성으로 인하여 특히 관심이 있다. 기판에 적합한 재료는 Si, GaAs, GaP, GaP:Zn, GaAs, InAs, InP, GaN, Al2O3, SiC, Ge, GaSb, ZnO, InSb, SOI(실리콘-온-인슐레이터), CdS, ZnSe, CdTe를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 나노와이어(110) 및 볼륨 요소(115)에 적합한 재료는 GaAs(p), InAs, Ge, ZnO, InN, GaInN, GaN, AlGaInN, BN, InP, InAsP, GaInP, InGaP:Si, InGaP:Zn, GaInAs, AlInP, GaAlInP, GaAlInAsP, GaInSb, InSb, Si를 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, GaP에 대한 가능한 도너 도펀트(donor dopant)는 Si, Sn, Te, Se, S, 등이며, 동일한 재료에 대한 억셉터 도펀트(acceptor depant)는 Zn, Fe, Mg, Be, Cd, 등이다. 나노와이어 기술이 종래의 기술에 의해 용이하게 수용될 수 없는 파장 영역에서 광을 방출하는 LED의 제조를 용이하게 하는 GaN, InN 및 AlN과 같은 질화물을 사용하는 것을 가능하게 한다는 점이 주의되어야 한다. 특정한 상업적인 관심의 다른 조합은 GaAs, GaInP, GaAlInP, GaP 시스템을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 전형적인 도핑 레벨은 1018로부터 1020까지의 범위이다. 당업자는 그래도 이러한 재료 및 다른 재료에 익숙하며, 다른 재료 및 다른 조합이 가능하다는 것을 이해한다.
낮은 저항률 콘택 재료의 적합성은 금속, 금속 합금이 아니라, 증착될 재료 에 따를 뿐만 아니라, Al, Al-Si, TiSi2, TiN, W, MoSi2, PtSi, CoSi2, WSi2, In, AuGa, AuSb, AuGe, PdGe, Ti/Pt/Au, Ti/Al/Ti/Au, Pd/Au, ITO(InSnO), 등과 같은 비-금속 화합물 및 예를 들어, 금속과 ITO의 조합이 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 나노구조 LED의 구현예가 GaP 및 Si 기판 상에 에피택셜로 성장된 GaAs 나노와이어로서 제공될 것이다. LED 기능은 2 종류의 기판 모두 상에 설정되었다. 온도에 따른 광루미네선스, 전기루미네선스, 및 방사 패턴 면에서 구조가 평가된다.
구현예에 따른 LED 디바이스는 Si 상에 성장 및 집적된 III-V 발광 나노와이어 다이오드의 어레이를 포함한다. 각각의 디바이스는 GaP 또는 Si 중 하나 상에 직접적으로 성장된 GaAs 나노와이어 코어 주위에 형성된다. 각각의 다이오드의 일부는 이러한 개별적인 나노크기의 p-i-n 발광 구조에서 활성 영역의 역할을 한다.
도 14에 도시된 LED 디바이스(1401)는 p-i-n 다이오드 구조(1400)를 포함한다. 기판(1405)은 공통 p-층의 기능을 하기 때문에, 디바이스의 일체부이다. 각각의 나노구조 LED(1400) 구조는 나노와이어(1410), 나노와이어의 적어도 일부를 둘러싸는 클래딩(1430), 캡 또는 벌브(1415) 및 최상부 콘택을 포함한다. p-도핑, n-도핑 및 진성 반도체 재료의 시퀀스는 기판 재료에 따를 것이다. GaP 상에서, 구조는: p-GaP(기판)(1405), i-GaP(1411)/i-GaAs(나노와이어)(1410), i-InGaP(클래딩)(1430), n-InGaP(벌브)(1415)이다. Si 상에서, 구조는: p-Si(기판)(1405), i-GaP/iGaAs(나노와이어)(1410), i-InGaP(클래딩)(1430)/n-InGaP(벌브)(1415)이다. 나노와이어 베이스에서의 i-GaP(1411)(나노와이어) 층은 디바이스 둘 모두에서 대략 60 nm 두께이며, 개선된 성장 품질 및 전자 배리어에 대한 핵형성 세그먼트의 이중 용도를 충족시킨다.
제조 프로세스가 다음에 약술된다. 전구체 가스로서의 AsH3, PH3, 및 Si2H6와 함께 TMIn 및 THMa 금속 유기 소스가 사용되었다. 2개의 성장 단계들이 사용되었다. 처음으로, 2μm 길이의 GaAs/GaP 나노와이어가 1/μm2의 입자 밀도를 갖는 랜덤으로 증착된 60nm 직경의 nm 크기의 Au 에어로졸을 사용한 입자 원조 성장에 의하여 p-형 GaP (111)B(p=~1018cm-3) 및 Si (111)(p≒1015cm-3) 기판 상에 성장되었다. 나노와이어는 40nm 두께의 반경방향 InGaP 클래딩 층, 통상적으로 GaAs에 정합하는 격자로 둘러싸였다. 이 단계 이후에, 샘플이 나노 LED의 후속 제조 또는 광루미네선스 특성을 위해 언로딩되었다. 80nm 두께의 SiO2가 LED 제조를 위해 정렬된 샘플 상으로 증착되었다. SiO2는 단지 기판 표면 및 나노와이어의 측벽의 대략 1μm까지를 커버하도록 백 에칭되었다. 그 후, 샘플은 MOVPE 리액터 내로 리로딩되었고, 반경방향의 Si-도핑된 InGaP 층이 GaAs/InGaP 코어 구조의 상부 상에 선택적으로 성장되었다. LED는 대략 40000개의 개별적인 나노구조 LED를 각각 커버하는 150 내지 300 nm 두께의 200×200μm2 이차 Ni/Ge/Au 콘택으로 완전히 커버되었다. p-콘택이 도전성 Ag 페이스트로 기판의 후측 상에 제조되었다. 예를 들어, 투명한 콘택을 사용한 다른 접속 수단이 당업계에 공지되어 있고 본 방법 및 디바이스에 용이하게 적응된다. 상기 구조의 스캐닝 전자 현미경(SME) 이미지가 도 15a에 도시되어 있다.
Si 및 GaP 디바이스 사이의 하나의 중요한 차이는 GaP 기판 상에서는 p-GaP(기판)/i-GaP(나노와이어)/i-GaAs(나노와이어)인 반면, Si 기판 상에서는 p-Si(기판)/i-GaP(나노와이어)/i-GaAs(나노와이어)인 나노와이어의 베이스에서의 헤테로구조 시퀀스이며, 홀 주입 조건 및 내부 저항 둘 모두는 2개의 구조 사이에서 감지 가능하게 상이한 것으로 예측되어야 한다.
도 16은 제 1 MOVPE 단계 이후의 나노와이어 구조를 도시한다. 얇은 InGaP 클래딩 층, 나노와이어의 베이스 내의 GaP 핵형성 세그먼트를 가지며 최상부에 여전히 부착된 Au계 시드 입자(seed particle)를 가지는 GaAs 나노와이어가 도시되어 있다. 이와 같은 구조는 또한 PL 특성화를 위하여 중성 기판으로 전달되었다. 도 16에 도시된 바와 같이, 수율은 본질적으로 GaP 및 Si 기판 둘 모두 상에서 100 퍼센트이다. Si 상에서의 나노구조 LED의 제조는 나노와이어가 기판에 수직인 (111) 방향으로 균일하게 정렬되고 기판으로부터 외부로 또한 신장되는 3개의 경사진 (111) 방향으로 나노와이어가 본질적으로 성장되지 않는 정도로 개량된다. 이것은 Si(111) 상에서 III-V 나노와이어를 성장시키는 종래 기술 방법과 대조적이다. 도 16에 도시된 바와 같이, Si 기판 상의 미리규정된 어레이 구조에서의 III-V 나노와이어의 양호하게 정렬된 성장은 광학적 디바이스 뿐만 아니라, 대부분의 다른 애플리케이션의 성공적인 대규모 제조에 필요조건이다.
LED 기능은 광루미네선스(PL) 측정에 의해 표시될 수 있다. 여기서 제공된 측정은 실온 및 10 K의 온도에서 수행되었다. 그 결과가 도 17a 내지 17c 및 도 15b에 도시되어 있다. 473nm에서 방출되는 레이저가 여기 소스로서 사용되었다. PL은 광학 현미경에 의해 수집되었고, 분광계를 통해 분산되었고, 액체 N2 냉각 CCD 카메라에 의해 검출되었다.
기판의 영향 없이 나노와이어로부터 PL을 연구하기 위하여, 나노와이어는 분쇄되었고 자신들이 성장되었던 기판으로부터 이동되고 나서, 패터닝된 Au 표면 상에 증착되었다. 이 방식으로, 나노와이어는 또한 개별적으로 연구될 수 있다. 성장된 바와 같은 나노와이어로부터 10K에서 획득된 도 17a에 도시된 바와 같은 PL 스펙트럼은 Si 기판으로부터 성장된 나노와이어와 Si 기판(Si)으로부터 성장된 나노와이어 및 GaP 기판(GaP)으로부터 성장된 나노와이어에 대해 유사하였다. 점선은 기판 상에 여전히 서있는 (많은 수의) 나노와이어로부터의 스펙트럼이다. 개별적인 나노와이어로부터의 스펙트럼은 더 큰 차이를 나타내었고, GaP 기판으로부터 성장된 나노와이어가 더 많이 구성되었다. Si로부터 성장된 나노와이어에 대한 평균 PL 강도는 GaP로부터 성장된 대응하는 나노와이어에 대한 것보다 약 20 팩터 더 낮았다. 이것은 GaP-LED에 비해서 Si-LED에 대해 나타난 10 내지 30 배 더 낮은 전기-루미네선스와 상당히 일치한다. 실온에서, 스펙트럼은 넓고 특색이 없으며, 2개의 샘플로부터의 나노와이어 사이에 매우 적은 스펙트럼 차이가 존재한다.
GaP 상 및 Si 상의 LED 둘 모두가 도 Ta-b에 도시된 바와 같이, 순방향 바이어스를 인가할 때 전기-루미네선스(EL)를 입증하였다. 광의 스펙트럼 피크는 GaAs 밴드갭 에너지와 상당히 일치한다.
도 18a 및 18b에 도시된 바와 같이, 광 전력/전류 의존성이 Si 기반(Si) 및 GaP 기반(GaP) LED에 대해 도시되어 있다. GaP 상의 LED는 Si(40mA)의 전류 부하의 절반(20mA)에서 밝아지고, 60mA에서, 전력 출력은 GaP 기판 상에서 대략 30배 더 높다. 그러나, 100mA에서, 전력 비는 Si 기반 LED보다 10배 감소하였다. EL 스펙트럼 피크가 디바이스 둘 모두에 대하여 80mA 부하에 대해 도시되어 있다. Si LED 피크는 GaP 기판 디바이스에 비하여 1.35eV 주의의 가능한 여분 피크를 갖는 약간의 적색 시프트 및 테일(tail)을 나타낸다. 피크에서의 시프트는 상이한 InGaP 조성에 이르게 하는 GaP 및 Si 상에서의 상이한 In 및 Ga 확산에 의해 설명될 수 있다. 디바이스를 푸시하여 더 높은 전류로 진행시킴으로써, 피크 전력은 GaP 디바이스에 대하여 대략 140mA에서 나타날 수 있다. 이것은 Si 디바이스의 경우에는 나타나지 않고, 비-방사형 재결합 또는 경쟁하는 누출 메커니즘이 이러한 전류 레벨에서 EL를 여전히 지배한다는 표시일 수 있다.
GaN 나노와이어 상에 구성된 LED 디바이스는 다른 재료 조합과 액세스할 수 없는 파장의 광을 생성하는 자신의 능력으로 인하여 높은 상업적인 관심이 있다. 부가적인 구현예로서, GaN 에피택셜 막, 사파이어, SiC 또는 Si 및 심지어 자기-지지 GaN 상에서의 선택적 에어리어 성장에 의해 GaN 나노구조를 성장시키는 방법이 설명된다. 시작 기판 상에서, SiNx의 층(30nm의 두께)이 PECVD에 의해 증착되었다. 다음 단계에서, 도트-패터닝된 GaN 개구의 어레이들(약 100nm의 직경)이 에피택셜 빔 리소그래피(EBL) 및 반응성 이온 에칭(RIE)에 의해 만들어졌다. 개구 사이의 피치는 1.0 내지 3.2μm 범위였다. 그 후, 프로세싱된 바와 같은 샘플이 GaN 나노와이어를 성장시키기 위하여 수평의 MOCVD 챔버 내로 삽입되었다. 성장 프로세스는 어닐링(annealing)을 제공하는 대략 60초 동안 75 sccm의 높은 NH3 흐름 레이트로 5분 내에서 1000 내지 1500℃의 성장 존으로 올라가는 초기 단계를 포함한다. 그 후의 나노와이어 성장 단계에서, NH3 흐름 레이트는 챔버 내로 TMG(트리메틸갈륨)을 도입하는 것으로 성장을 시작하기 위하여 3.0 내지 0.2 sccm으로 감소되었다. 0.12 및 1.2 μmol/min 사이의 낮은 TMG 흐름 레이트가 이 동작을 통해 사용되었다. NH3 흐름 레이트는 개구로부터 성장 형태를 제어하는 중대한 팩터이다. 도 19는 3.0 sccm의 NH3 흐름 레이트로 성장된 샘플의 SEM 이미지를 도시한다. 최상부 뷰 이미지(도 19(a))로부터, 개구로부터의 선택적 성장이 보고되었던 것과 같다는 것이 인식될 수 있다. 여기서 지정되는데 필요한 포인트는 성장 이후의 측방향 크기가 약 100 nm의 개구 크기보다 훨씬 더 큰 1.0μm보다 더 크다는 것이다. 따라서, GaN이 개구로부터 성장된 이후의 측방향 성장은 상당하다. 도 19(b)는 35°만큼 샘플을 틸팅(tilting)함으로써 찍힌 SEM 이미지를 도시하는데, 이는 획득되었던 것이 와이어가 아니라, 피라미드라는 것을 명확하게 나타낸다. 피라미드는 6개의 동등한 (1101) 평면에 의해 범위가 정해진다. (1101) 평면의 댕글링 본드 밀도(dangling bond density)는 (1100) 평면의 밀도(12.1/nm2) 및 (0001) 평면의 밀 도(11.4/nm2)[3]보다 더 높은 16.0/nm2이다. 이 관점으로부터, (1100) 및 (0001)의 평면은 GaN이 개구로부터 성장된 이후에 나타난다고 예상된다. 그러나, 도 19는 정반대를 도시한다. 그래서, 가능한 설명은 (1101) 평면이 NH3 흐름 레이트가 높을 때 자신을 더 안전하도록 하는 N-편광(polarization)을 갖는다는 것이다. 이에 기초하여, NH3에 대한 3 sccm의 흐름 레이트는 (1100) 평면에 의해 패시트(facet)된 GaN 와이어를 성장시키는데 실제로 여전히 높다. 도 20은 1.0 sccm의 NH3 흐름 레이트 하에서 성장된 샘플의SEM 특성을 도시한다. 최상부-뷰 이미지(도 20(a))는 도 19(a)와 유사하다. 그러나, 35°-틸팅된 이미지(도 20(b))는 상이한데, 즉, (1100) 평면의 수직 패시트가 피라미드 캡 아래에서 나타나기 시작한다.
도 21은 NH3 흐름 레이트를 0.5 sccm으로 더 감소시키는 것에 의한 성장 결과를 도시한다. 최상부-뷰 및 35°-틸팅된 이미지 둘 모두는 이들이 약 100 nm의 개구 크기보다 여전히 더 클지라도, 측방향에서의 크기 감소를 나타낸다. 그리고, 틸팅된 이미지(도 21(b))가 또한 수직 패시트를 나타낸다. NH3 흐름 레이트가 0.2 sccm으로 저하되었을 때, 실제 GaN 나노와이어가 도 12에 도시된 바와 같이 합성되기 시작하였다. GaN 나노와이어를 제조하기 위하여, NH3 흐름 레이트는 낮은 과포화가 성취되거나, 또는 대안적으로 설명하면, 이동 강화된 성장을 성취하도록 조정되어야 한다. 다른 형상, 예를 들어, 피라미드가 필요한 경우에, NH3 흐름 레이트는 1 sccm 또는 그 이상일 수 있다. 클래딩 층 및 벌브를 제공하는 부가적인 제조 단계가 상술된 방식으로 수행될 수 있다.
본 발명이 현재 가장 실용적이고 바람직한 실시예인 것으로 간주되는 것과 관련하여 설명되었지만, 본 발명이 개시된 실시예로 제한되지 않고, 그 반대로 첨부된 청구항 내의 다양한 변경 및 등가의 배열을 커버하게 된다는 점이 이해되어야 한다.

Claims (31)

  1. 기판 및 상기 기판으로부터 돌출된 적어도 하나의 직립 나노와이어를 포함하는 나노구조 LED로서, pn-접합이 광을 생성하는 활성 영역(120)의 형성에 기여하는, 나노구조 LED에 있어서,
    도파관(116)이 상기 나노와이어(110)에 의해 제공된 방향으로 상기 활성 영역에서 생성된 광의 적어도 일부를 지향시키는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노와이어(110)의 일부가 상기 도파관(116)을 형성하는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 LED는 상기 나노와이어(110)에 에피택셜로 접속되는 볼륨 요소(115)를 포함하며, 상기 볼륨 요소는 상기 활성 영역(120)의 형성을 위해 고도의 도핑을 제공하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노와이어(110)의 일부를 둘러싸는 쉘-형 구조가 상기 도파관(116)을 형성하는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 나노와이어(110)의 일부를 둘러싸는 쉘-형 구조 및 상기 나노와이어의 일부가 상기 도파관(116)을 형성하는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  6. 제 1 항 내지 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도파관(116)은 제 1 유효 굴절률(ηW)을 가지고, 상기 나노와이어의 적어도 일부를 둘러싸는 재료는 제 2 유효 굴절률(ηC)을 가지며, 상기 제 1 굴절률이 상기 제 2 굴절률보다 더 커서(ηW>ηC), 상기 도파관(116)에 도파 특성을 제공하는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 도파관(116)은 상기 기판과 규정된 각도를 형성하고, 상기 나노와이어 및 기판 사이의 각도는 상기 제 1 및 제 2 굴절률이 제공되는 경우에, 전체 내부 반사를 성취하는데 충분한 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 도파관(116)에는 적어도 하나의 클래딩 층(112/113)이 제공되는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  9. 제 8 항에 있어서,
    하나의 클래딩 층(112/113)은 상기 도파관(116)의 도파 특성을 강화시키는 광학적 클래딩 층(113)인 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  10. 제 8 항에 있어서,
    하나 또는 복수의 클래딩 층(113)이 상기 도파관(116)의 도파 특성을 강화시키는 나노와이어-클래딩 어셈블리의 경계를 향해 등급화된 굴절률을 제공하는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  11. 제 2 항 내지 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 LED는 어떤 파장 영역에서 광을 생성하도록 디자인되고, 상기 도파관(116)의 직경은 상기 나노와이어에서의 광 전파가 상기 어떤 파장 영역에서의 광에 대한 크기 효과에 의해 방해되지 않게 되는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 도파관(116)의 직경은 λ/2ηW보다 더 크고, 여기서 λ는 생성된 광의 파장이며 ηW는 상기 도파관(116)의 굴절률인 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 나노구조 LED는 가시 영역에서 광을 생성하도록 배열되고, 상기 도파관(116)의 직경은 80 nm보다 더 큰 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 나노구조 LED는 적외선 또는 근적외선 영역에서 광을 생성하도록 배열되고, 상기 도파관(116)의 직경은 110 nm보다 더 큰 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  15. 제 12 항 내지 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도파관(116)의 직경은 λ/2ηW보다 더 크고 500 nm보다 더 작은 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  16. 제 1 항 내지 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성 영역(120)은 상기 나노와이어(110) 내에 배열되는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 활성 영역(120)과 관련된 pn-접합이 상기 볼륨 요소(115)로부터 상기 나노와이어(110)로의 캐리어의 주입에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  18. 제 1 항 내지 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도파관(116) 또는 상기 도파관(116)/클래딩 어셈블리가 생성된 광의 파장의 광학적 모드와 정합하는 광학적 캐비티를 형성하는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  19. 제 1 항 내지 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판에는 반사 층(108)이 제공되고, 상기 반사 층에는 상기 나노와이어가 신장되는 쓰루 홀(through hole)이 제공되는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  20. 제 1 항 내지 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    반사 수단은 상기 도파관(116)을 가지고 있고, 상기 기판을 향한 방향으로 트래버싱하는 광을 반사시키도록 배열되는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 반사 수단은 다층 구조(111)인 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  22. 제 20 항에 있어서,
    반사 수단은 상기 도파관(116)의 일부 하에서 신장되고 상기 도파관(116)의 단면의 외부를 커버하는 반사 층(108)에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 도파관(116), 또는 도파관(116) 및 클래딩 어셈블리는 제 1 유효 굴절률(ηW)을 가지고, 상기 반사 층은 제 2 유효 굴절률(ηC)을 가지며, ηW>ηC이고, 나노와이어 및 반사 층 사이의 각도는 전체 내부 반사를 성취하는데 충분한 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  24. 제 2 항에 있어서,
    상기 나노와이어(110) 및 볼륨 요소(115)는 상기 볼륨 요소(115)에서 볼 때 상기 기판을 통한 하향 방향으로 광을 지향시키도록 배열되는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  25. 제 2 항에 있어서,
    LED 층(1205) 및 평면 LED 표면 상에 직립 구성으로 그리고 LED 층과 에피택셜로 접속되어 배열되는 복수의 나노와이어(1210)를 갖는 평면 LED를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  26. 제 2 항에 있어서,
    상기 볼륨 요소(115)는 상기 나노와이어(110) 및 자신(115) 사이의 접합부에서 분산에 의해 방출된 광을 확산시키도록 배열되는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  27. 제 2 항에 있어서,
    상기 볼륨 요소(115)는 상기 나노와이어(110) 및 자신(115) 사이의 접합부에서 분산에 의해 방출된 광을 확산시키도록 배열되며, 상기 볼륨 요소의 높이 및 폭은 상기 광을 더 확산시키도록 배열되는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED.
  28. 제 1 항 내지 27 항 중 어느 한 항에 따른 복수의 나노구조 LED를 포함하는 디바이스에 있어서,
    나노구조 LED(1100)의 그룹은 하나 또는 제한된 세트의 양호하게 규정된 방향으로 광을 방출하도록 배열되고, 적어도 하나의 반사 수단(1160)이 나노구조 LED(1100)의 그룹과 관련된 방향 중 하나로부터 광을 반사시키도록 배열되는, 디바이스.
  29. 나노구조 LED를 제조하는 방법에 있어서,
    와이어 성장을 촉진하는 제 1 성장 모드에서의 나노와이어의 제 1의 성장 및 반경방향 성장을 촉진하는 제 2 성장 모드에서의 볼륨 요소의 제 2의 선택적 성장을 포함하는 나노구조 LED 제조 방법.
  30. 제 29 항에 있어서,
    - 리소그래피에 의해 기판(1305) 상에 국소 촉매/촉매들을 규정하는 단계(1);
    - 국소 촉매(1331)로부터 나노와이어(1310)를 성장시키는 단계로서, 성장 파라미터가 촉매 와이어 성장을 위해 조정되는, 성장 단계(2);
    - 나노와이어 주위에 얇은 동심 층(1312)을 반경방향으로 성장시키는 단계(3);
    - 마스크 재료(1332)를 증착시키는 단계(4);
    - 나노와이어의 상부를 개방하기 위하여 마스크(1332)를 백 에칭하는 단계(5);
    - 볼륨 요소(1315)를 선택적으로 성장시키는 단계로서, 성장 파라미터가 반경방향 성장을 제공하기 위해 조정되는, 성장 단계(6)를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED 제조 방법.
  31. 제 30 항에 있어서,
    우선 얇은 나노와이어를 성장시키고(단계 2), 나노와이어의 하부를 커버하는 선택적 성장 마스크 또는 반사 층을 증착하고, 나노와이어 두께를 증가시키기 위하 여 클래딩 층 또는 나노와이어를 반경방향으로 성장시킴으로써 나노와이어 상에 스템(113)을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조 LED 제조 방법.
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