KR100411573B1 - 콴텀홀을 이용한 반도체 발광소자의 제조방법 - Google Patents

Abstract

반도체 기판에 나노미터 크기의 직경을 가지는 복수의 콴텀홀을 형성하고, 그 복수의 콴텀홀을 이용하여 소정 색상의 광을 출력하는 반도체 발광소자의 제조방법을 제공한다.

이온빔 주사장치에서 이온빔을 가속시키는 가속전압과, 이온빔을 집속시키는 콘덴서 렌즈의 초점에 따른 이온빔의 크기와, 이온빔의 입사시간을 조절하여 원하는 직경과 깊이를 가지는 콴텀홀을 형성하고, 콴텀홀 내에는 진성 반도체보다 에너지 밴드 갭이 작은 재료인 인듐갈륨나이트라이드(InGaN) 등을 단결정 성장시켜 충진시키며, 그 밴드 갭이 작은 재료 내에 혼합되어 있는 인듐의 혼합 비율을 조절하여 적색, 녹색 및/또는 청색의 광을 방출하는 반도체 발광소자를 제조하는 것으로서 하나의 반도체 발광소자가 적색, 녹색 및 청색의 광을 모두 방출하게 형성하거나 또는 복수의 반도체 발광소자가 각기 적색, 녹색 및 청색의 광을 방출하게 제조한 후 이를 소정의 크기로 절단 및 결합하여 적색, 녹색 및 청색의 방출하는 표시 패널로 형성한다.

Description

콴텀홀을 이용한 반도체 발광소자의 제조방법{Method for forming semiconductor light emitting device by using quantum holes}

본 발명은 반도체 기판 등에 이온빔을 이용하여 나노미터 크기의 미세한 직경을 가지는 복수의 콴텀홀을 형성하고, 그 미세한 직경을 가지는 콴텀홀을 이용하여 소정 색상의 광을 방출하는 반도체 발광소자를 제조하는 콴텀홀을 이용한 반도체 발광소자의 제조방법에 관한 것이다.

전기적 에너지를 이용하여 광 에너지를 방출하는 것으로는 백열램프 및 할로겐램프 등을 비롯하여 각종 램프가 알려져 있다. 상기 램프들은 단색 광을 방출하는 것으로서 다양한 색상을 조명하기 위해서는 다양한 색상의 필터 및 젤 등을 사용해야 된다. 그러나 다양한 색상의 필터 및 젤 등을 사용하는 것은 색상을 변경할 경우에 그에 적당한 색상의 필터 및 젤 등을 교체 사용해야 되는 것으로서 다양한 색상을 표현하는 데에는 한계가 있었다.

그러므로 보다 다양한 조명이나 발광수단에 대응할 수 있는 새로운 기술의 개발이 요구되었다. 이러한 요구에 따라 반도체를 이용하여 소정 색상의 광을 방출하는 발광수단인 발광 다이오드(Light Emitting Diode)가 개발 및 널리 사용되고 있다.

가장 널리 사용되는 대표적인 발광 다이오드로는 벌크형 발광 다이오드가 있다. 상기 벌크형 발광 다이오드는 P형 반도체 및 N형 반도체의 사이에 PN 접합층을 형성하고, P형 반도체 및 N형 반도체에 각기 전극을 형성한 것이다. 이러한 벌크형 발광 다이오드는 P형 반도체 및 N형 반도체의 전극에 전원을 인가할 경우에 P형 반도체의 정공 및 N형 반도체의 전자가 PN 접합층으로 이동하여 상호간에 결합되면서 여기 및 천이되어 소정의 광을 방출하게 된다.

도 1은 종래의 벌크형 발광 다이오드의 구성을 보인 도면이다. 종래의 벌크형 반도체 발광소자는 P형 반도체층(12)과 N형 반도체층(14)의 사이에 PN 접합층(16)을 형성하고 있는 것으로서 GaN소재로 구성되는 P형 반도체층(12)의 상부에 InGaN을 벌크형태로 결정 성장시켜 결정 성장층인 PN 접합층(16)을 형성하며,PN 접합층(16)의 상부에 N형 반도체층(14)을 형성하고 있다. 상기 P형 반도체층(12)과 N형 반도체층(14)은 복수의 층으로 형성될 수 있다.

이러한 벌크형 발광 다이오드가 소정 색상의 광을 방출하도록 하기 위해서는 기본적으로 빛의 삼원색인 적색, 녹색 및 청색의 파장을 각기 발산하는 발광 다이오드(10, 10a, 10b)를 구성해야 한다.

적색, 녹색 및 청색의 파장을 발산하는 세 가지의 발광 다이오드(10, 10a, 10b)를 구성하기 위해서는 각각의 PN 접합층(16)을 형성하는 물질 즉, InGaN에서 인듐(In)의 구성비를 다르게 해야 되는 것으로서 세 가지 종류의 각기 다른 인듐 구성비를 가지는 반도체 적층물을 필요로 한다. 즉, 적색, 녹색 및 청색의 PN 접합층(16)은 모두 벌크형으로 InGaN를 단결정 성장하는 것으로 이들에 있어서 각각의 인듐(In)의 성분 구성비는 각기 다르게 형성하여 적색, 녹색 및 청색을 출력하게 한다. 여기서, 인듐(In)의 성분 구성비를 각기 다르게 형성하는 이유는 전자 및 정공의 캐리어간의 재결합 에너지를 조절하는 하나의 수단으로 사용되기 때문이다.

이와 같이 벌크형으로 형성된 각각의 색상에 대한 발광 다이오드(10, 10a, 10b)는 적당한 크기로 절단하여 적색의 발광 다이오드(18), 녹색의 발광소자(18a) 및 청색의 발광 다이오드(18b)의 단위 소자 형태로 사용하거나 또는 복수의 적색 발광 다이오드(18), 복수의 녹색 발광소자(18a) 및 복수의 청색 발광 다이오드(18b)의 단위 소자들을 결합하여 하나의 표시 패널로 사용하고 있다.

도 2는 종래의 벌크형 발광 다이오드를 이용하여 소정의 화상을 재현할 수 있도록 한 표시 패널의 구성을 보인 도면이다. 이에 도시된 바와 같이 적색, 녹색 및 청색의 광을 방출하는 벌크형 발광 다이오드(10, 10a, 10b)를 사용하여 다양한 색상을 표현할 수 있는 화상을 구현할 수 있도록 하기 위해서는 각기 적색, 녹색 및 청색의 광을 방출하는 복수의 벌크형 발광 다이오드(10, 10a, 10b)들을 결합하여 하나의 표시패널(20)로 형성한다. 예를 들면, 13개의 적색 발광다이오드(10), 8개의 녹색 발광 다이오드(10a) 및 4개의 청색 발광 다이오드(10b)의 단위 소자들을 결합하여 하나의 표시패널(20)을 형성한다.

도 3은 도 2의 표시 패널에 대한 광의 파장 및 세기를 보인 그래프이다. 도 3의 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 종래의 벌크형 발광 다이오드(10, 10a, 10b)들로 이루어지는 표시 패널(20)은 광의 세기가 약할 경우에 상당히 넓은 범위의 파장 분포를 가지게 된다. 그리고 상부의 꼭지점 즉, 광의 세기가 강할 경우에는 완만한 곡선을 그리는 파장의 분포를 가지게 된다.

그러므로 복수의 벌크형 발광 다이오드(10, 10a, 10b)들로 이루어지는 표시 패널(20)이 특정 색상을 표현할 경우에, 정확하게 특정된 색상의 파장을 선명한 파장의 폭으로 나타내지 못한다. 이것은 복수의 광의 파장이 합성될 경우에 가시적인 범위 내에서 사람들의 시신경에 의하여 특정 색상에 대한 시신경의 느낌에 상당하는 색상을 느끼게 하는 것으로 해석된다. 즉, 특정 색상이 가지는 고유의 파장을 정확한 파장의 범위 내에서 출력하는 것이 아닌 것임을 의미하는 것으로서 특정 색상을 선명하게 고유의 파장으로 묘사하는 것이 불가능하다.

또한 상기 벌크형 발광 다이오드는 크기가 크므로 다양한 색상 및 섬세한 영상을 표현할 수 있는 소형의 표시소자로 제조하기 어렵다.

본 발명의 목적은 반도체 기판 등에 나노미터 크기의 미세한 직경을 가지는 콴텀홀을 형성하고, 그 콴텀홀을 이용하여 소정 색상의 광을 방출하는 콴텀홀을 이용한 반도체 발광소자 및 그의 제조방법을 제공하는데 있다.

콴텀홀을 형성하기 위하여 본 발명은 이온빔 주사장치를 이용한다. 즉, 이온빔 주사장치의 이온총에서 출력되는 이온들을 집속하여 이온빔을 형성하고, 집속한 이온빔의 초점을 조절하고, 가속 및 편향시키면서 반도체 기판에 입사되도록 하여 반도체 기판 상에 나노미터 크기의 직경을 가지는 복수의 콴텀홀들을 형성한다. 이 때, 이온빔을 가속시키는 가속전압과, 이온빔을 집속시키는 콘덴서 렌즈의 초점 조절상태에 따른 이온빔의 크기와, 콴텀홀을 형성하는 위치에 입사되는 이온빔의 입사시간을 조절하여 원하는 깊이 및 크기를 가지는 복수의 콴텀홀들을 형성한다.

본 발명의 반도체 발광소자는 P형 반도체층의 상부에 진성 반도체층을 성장시키고, 성장시킨 진성 반도체층에 복수의 콴텀홀을 형성하여 콴텀홀 층을 만들며, 그 콴텀홀 층의 콴텀홀 내에는 진성 반도체보다 에너지 밴드 갭이 작은 재료를 단결정 성장으로 충진시켜 소정 색상의 광을 방출하게 하며, 콴텀홀 층의 상부에는 N형 반도체층을 형성한다.

그러므로 본 발명의 단위 반도체 발광소자는 미크론 단위의 크기로 매우 작게 제조할 수 있고, 콴텀홀에 단결정 성장시키는 재료에 따라 적색, 녹색 및 청색의 빛의 삼원색을 선택적으로 방출하게 제조할 수 있는 것으로서 이를 집약 사용할 경우에 여러 가지의 다양한 조명장치나 전광판, 광고판, 다양한 종류의 영상 표시장치 등의 개발이 가능하다. 또한 본 발명은 디지털 조명이 가능하고, 다양한 종류의 조명시설을 용이하며, 다채롭게 색상 및 크기 등을 조절할 수 있다.

예를 들면, 적색, 녹색 및 청색을 각기 방출하는 복수의 단위 반도체 발광소자들을 매트릭스 등으로 집약하고, 이 집약한 복수의 단위 반도체 발광소자들을 디지털로 제어하여 선택적으로 소정 색상이 광을 방출하도록 하는 디지털 조명이 가능하다. 따라서 조명이 단순히 어둠을 밝히는 낮은 차원에서 음악의 박자 및 음색 등에 따라 색상이 화려하게 변하는 고차원적 수준으로의 기술적 향상이 기대된다.

또한 디지털 기술을 적용할 경우에 인간으로서 느낄 수 없는 정도로 섬세하고, 정교하며, 미세하게 색감을 조절하여 소정의 영상을 선명하게 표시할 수 있고, 열이나 자외선 등을 전혀 발생하지 않으며, 사용수명도 거의 영구적이라 할 수 있다. 그리고 3개의 단위 반도체 발광소자만으로도 선명한 빛의 삼원색을 방출할 수 있으므로 전광판이나 표시장치의 크기를 작게 축소하여 소정의 영상을 구현하여도 선명하게 영상을 표시할 수 있다. 또한 색상을 표현하는 빛의 파장 범위가 그 대역이 좁고, 선명하므로 색상을 뚜렷하게 표현할 수 있어 완전한 이미지를 재현할 수 있다.

그리고 본 발명의 반도체 발광소자의 크기는 미크론 단위의 크기로 제조되지만 색상은 선명하게 표현할 수 있고, 방출하는 광 에너지의 세기를 높게 할 수 있으므로 밝은 화상을 재현할 수 있는 특색이 있다. 본 발명은 광 에너지의 세기에있어서나 색상을 표현하는 광의 파장의 집중도에 있어서 현재 상용화되어 있는 벌크형의 발광 다이오드보다도 레이저에 의한 발광소자에 가깝다고 표현할 수 있다. 또한 집중도가 극히 높은 정확한 파장의 광 에너지를 방출시킬 수 있는 발광소자를 구현할 수도 있다.

도 1은 종래의 벌크형 발광 다이오드의 구성을 보인 도면이고,

도 2는 종래의 벌크형 발광 다이오드를 이용하여 형성한 표시 패널의 구성을 보인 도면이며,

도 3은 도 2의 표시 패널에 대한 광의 파장 및 세기를 보인 그래프이며,

도 4는 본 발명에서 요구되는 미세한 크기의 콴텀홀을 반도체 기판에 형성하는 이온빔 주사장치를 개략적으로 보인 도면이며,

도 5a 내지 도 5c는 본 발명에서 반도체 기판의 콴텀홀을 형성하는 위치에 입사시키는 이온빔의 입사시간을 가변시킬 경우에 콴텀홀의 직경이 조절되는 것을 보인 도면이며,

도 6은 본 발명에서 콴텀홀을 형성할 경우에 이온빔이 이동하는 기판 궤적의 실시 예를 보인 도면이며,

도 7은 본 발명의 반도체 발광소자의 적층 형태를 설명하기 위한 도면이며,

도 8은 본 발명의 반도체 발광소자에서 콴텀 도트층을 설명하기 위한 도면이며,

도 9는 본 발명의 반도체 발광소자의 구성을 보인 도면이며,

도 10은 본 발명의 반도체 발광소자의 실시 예의 구성을 보인 도면이며,

도 11은 도 10의 반도체 발광소자를 사용하여 화상을 재현할 수 있도록 한 표시 패널의 구성을 보인 도면이며,

도 12는 도 11의 표시 패널에 의하여 표현되는 광의 파장 및 세기를 나타내는 그래프이며,

도 13은 색상별 에너지의 크기를 밴드 다이어그램(BAND DIAGRAM)으로 보인 도면이며,

도 14는 하나의 반도체 발광소자가 세 가지 색상의 광을 방출할 수 있도록 콴텀홀을 형성한 다른 실시 예의 구성을 보인 도면이며,

도 15는 도 14의 반도체 발광소자를 절단한 단위 발광 유닛을 보인 도면이며,

도 16은 도 15의 단위 발광 유닛에 의하여 표현되는 광의 파장과 세기를 보인 그래프이며,

도 17은 본 발명의 다른 실시 예에서 콴텀홀의 크기를 상이하게 하여 반도체 발광소자를 만들 경우에 에너지의 크기 변화와 색상을 밴드 다이어그램으로 보인 도면이며,

도 18은 본 발명의 반도체 발광소자에 있어서 각각의 색상에 따른 광의 세기인 휘도를 조절하는 실시 예를 설명하는 도면이며,

도 19는 도 18에서 절단한 단위 발광소자로 단위 발광 유닛을 형성한 것을보인 도면이며,

도 20은 도 19의 단위 발광 유닛에 의하여 표현되는 광의 파장과 세기를 보인 그래프이며,

도 21 및 도 22는 본 발명의 반도체 발광소자에 있어서 각각의 색상에 따른 빛의 강도인 휘도를 조절하기 위한 다른 실시 예를 설명하는 도면이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

40 : 이온총 42, 42a : 콘덴서 렌즈

44 : 기판 46, 48 : 주사용 편향수단

90 : P형 반도체층 92 : 콴텀홀 층

94 : N형 반도체층 100 : 콴텀 도트

120a, 122a, 124a : 단위 적색, 녹색 및 청색 발광소자

130 : 표시 패널 170 : 단위 발광 유닛

172, 174, 176 : 콴텀홀

이하, 첨부된 도 4 내지 도 22의 도면을 참조하여 본 발명의 콴텀홀을 이용한 반도체 발광소자의 제조방법을 상세히 설명한다.

본 발명에서는 요구되는 극히 미세한 크기를 가지는 복수의 콴텀홀을 형성하기 위하여 집속된 이온빔(Focused Ion Beam)을 사용한다. 도 4는 집속된 이온빔을 출력하여 본 발명에서 요구되는 미세한 직경 및 깊이를 가지는 복수의 콴텀홀들을 미세한 간격으로 형성하는 이온빔 주사장치를 개략적으로 보인 도면이다. 여기서, 부호 40은 이온을 고속으로 방출하는 이온총이다.

상기 이온총(40)의 전방에는 콘덴서 렌즈(42)(42a)가 배치된다. 상기 콘덴서 렌즈(42)(42a)는 소정 크기의 슬리트와, 인가 전압에 따라 발생되는 전계 및 자계 등으로 이루어지는 것으로서 상기 이온총(40)에서 방출된 이온들은 콘덴서 렌즈(42)(42a)를 통과하면서 집속되어 이온빔으로 형성되고, 형성된 이온빔은 전방의 기판(44)에 입사된다. 그리고 상기 콘덴서 렌즈(42a)와 상기 기판(44)의 사이의 이온빔이 통과하는 경로에는 주사용 편향수단(46, 48)이 배치되어 이온빔을 상하 및 좌우로 편향시킨다. 그리고 상기 이온빔의 진행속도는 가속수단(도면에 도시되지 않았음)에 인가하는 가속전압의 레벨로 조절한다.

이러한 이온빔 주사장치를 이용하는 본 발명은 기판의 콴텀홀을 형성할 위치에 이온빔을 입사시켜 충격을 줄 경우에 기판의 콴텀홀을 형성할 위치는 그 충격으로 기판의 표면 조직이 파손되어 분리되고, 콴텀홀이 형성된다.

기판에 요구되는 직경 및 깊이를 가지는 콴텀홀을 형성하기 위해서는 이온빔의 정량적인 분석이 요구된다. 특히 적당한 전압 환경과 시간적인 제약, 적절한 이온빔의 입사시간 및 적절한 이온빔의 크기 등의 환경이 모두 정확히 조절되었을 경우에 원하는 직경 및 깊이를 가지는 콴텀홀이 형성된다.

예를 들면, 이온빔을 가속하기 위한 가속전압이 일정 값 이하일 경우에 이온빔의 직진성이 약해지고, 기판(44)에 도달하지 못하거나 기판(44)의 최상위 레벨 원자를 분리시키지 못하여 콴텀홀을 형성할 수 없게 된다. 가속전압이 일정 값 이상일 경우에는 이온빔이 너무 가속되어 기판(44)내에 이온빔의 이온들이 주입되는 현상이 발생하게 된다. 따라서 원하는 직경 및 깊이의 콴텀홀을 형성하기 위해서는 적당한 세기의 가속전압으로 이온빔을 가속시키는 것이 요구된다.

그리고 이온빔의 입사시간 즉, 콴텀홀을 형성하는 위치에 이온빔을 입사시키는 시간이 일정시간 이상을 초과할 경우에 그 콴텀홀이 너무 커지게 된다.

그러므로 본 발명에서 적당한 직경의 콴텀홀을 얻기 위해서는 이온빔을 가속시키는 가속전압과, 이온빔을 집속시키는 콘덴서 렌즈(42)(42a)의 초점을 정확하게 조절해야 되고, 또한 이온빔이 콴텀홀의 형성위치에 입사되는 시간을 적절하게 선정해야만 한다.

이와 같이 이온빔 주사장치를 이용하여 원하는 직경 및 깊이의 콴텀홀을 형성하기 위해서는 다양한 조건들이 충족되어야 한다.

본 발명에서 콴텀홀을 형성하기 위한 실시 예로서 콴텀홀의 형성면적 1㎜×1㎜에 대하여 이온빔을 입사시키는 전체 시간은 5sec 이내로 설정하고, 입사되는 이온빔의 전체 양 1 X 10¹⁶CM^-2, 가속전압 25∼35㎸ 및 이온빔의 직경을 100㎚의 조건으로 할 경우에 기판(44)에 미세한 크기를 가지는 복수의 콴텀홀들을 형성할 수 있다.

여기서, 이온빔의 크기는 콘덴서 렌즈(42, 42a)의 초점을 조절하는 것으로서 이온빔의 크기를 다양하게 조절하는 것이 가능하다.

그리고 상기에서 제시한 수치들은 하나의 실시 예에 불과하고, 각 조건마다 구체적인 수치의 변화는 필연적인 것으로서 본 발명은 이러한 수치가 한정되는 것은 아니다.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명에서 반도체 기판의 콴텀홀을 형성하는 위치에 입사시키는 이온빔의 입사시간을 가변시킬 경우에 콴텀홀의 직경이 조절되는 것을 보인 도면이다. 콴텀홀을 형성할 기판의 전체 크기를 동일하게 하고, 이온빔을 동일한 간격(a11 = a12 = a13)으로 이동 즉, 콴텀홀을 형성할 위치로 이동시키며, 그 콴텀홀을 형성할 위치에 입사되는 이온빔의 입사시간을 조절할 경우에 이온빔의 입사시간에 따라 콴텀홀(50)의 직경은 이온빔의 입사시간에 상이하게 형성된다.

예를 들면, 이온빔의 입사시간을 짧게 할 경우에 도 5a와 같이 콴텀홀(50)의 직경(d11)은 약 100㎚로 되나, 이온빔의 입사시간을 중간 및 길게 설정할 경우에는 도 5b 및 도 5c와 같이 콴텀홀(50)의 직경(d12)(d13)은 약 500㎚ 및 1㎛로 증가된다. 즉, 이온빔의 입사시간을 길게 설정할수록 콴텀홀(50)의 직경은 커지게 됨을 알 수 있다.

도 6은 본 발명에서 콴텀홀을 형성하기 위하여 이온빔이 이동하는 기판 궤적의 실시 예를 보인 도면이다. 본 발명에서는 이온빔이 콴텀홀을 형성할 기판의 최초 위치(60)에서 최종 위치(62) 예를 들면, 좌측 최상단의 위치(60)에서 우측 최하단의 위치(62)까지 지그재그로 이동한다.

여기서, 이온빔의 이동은, 콴텀홀을 형성할 위치로 이온빔이 이동되었을 경우에 이온빔의 이동을 설정된 약 1∼5㎳의 시간동안 정지시켜 그 콴텀홀을 형성할 위치에 이온빔이 계속 주사되게 한다. 설정된 약 1∼5㎳의 시간이 경과될 경우에 이온빔을 콴텀홀을 형성할 다음 위치로 이동시킨 후 이온빔의 이동을 정지 및 설정된 약 1∼5㎳의 시간동안 이온빔이 입사되게 하는 동작을 반복한다.

콴텀홀을 형성할 최종 위치(62)까지 이온빔의 입사가 완료될 경우에 다시 최초 위치(60)로 복귀한 후 최종 위치(62)까지 지그재그로 이동하면서 동일한 위치 즉, 콴텀홀의 형성 위치에 이온빔이 반복 입사되게 한다.

이 때, 이온빔의 직경을 수 ㎚에서 수백 ㎚의 크기 정도로 초점을 조절하여 박막의 기판 상에 콴텀홀을 형성한다. 즉, 집속된 이온빔을 이용하여 콴텀홀을 형성함에 있어서 초점이 조절되고, 가속전압에 의하여 운동력을 가지게 된 이온빔을 자계에 의하여 극미세 박막을 스캐닝하듯이 이동시키면서 이온빔의 입사에 따른 충격을 인가하게 되면, 이온빔의 크기와 동일한 스포트 형상의 콴텀홀이 규칙적으로 기판상에 형성된다.

이러한 이온빔의 입사동작을 고진공 상태에서 수행하게 되면, 짧은 시간 이내에 기판에 수백만 개 정도의 콴텀홀을 형성할 수 있다. 예를 들면, 극미세 박판인 반도체 기판의 1㎜×1㎜의 영역에 불과 수 십분 이내에 100㎚ 정도의 깊이를 가지는 약 400만개 정도의 콴텀홀들을 형성할 수 있다.

이 때, 형성되는 콴텀홀들의 깊이는 기판의 소재 및 이온빔을 가속시키는 가속전압의 크기에 따라 상이하게 된다. 그리고 콴텀홀의 크기는 콘덴서 렌즈의 초점 조절에 따른 이온빔의 직경과, 이온빔의 입사시간으로 조절한다.

이와 같이 본 발명은 가속전압 및 이온빔의 입사시간과 이온빔의 초점을 조절하여 기판에 원하는 크기와 깊이 및 간격을 가지는 콴텀홀을 형성할 수 있고, 또한 집속된 이온빔을 이용하여 짧은 시간 이내에 무수하게 많은 콴텀홀을 기판에 형성할 수 있다.

도 7은 본 발명의 콴텀홀을 이용한 반도체 발광소자의 적층 형태를 설명하기 위한 도면이다. 이에 도시된 바와 같이 하부에 반도체 기판에 불순물로 도핑하여 P형 반도체층(70)을 형성하고, 그 P형 반도체층(70)상에 도핑 처리를 하지 않은 진성 반도체를 일정 높이로 성장시켜 진성 반도체층을 형성한다.

상기 진성 반도체층의 상부에는 상기한 이온빔 주사장치를 이용하여 극히 작고 무수한 구멍(콴텀홀)들로 이루어지는 콴텀홀 층(72)을 형성한다. 상기 콴텀홀 층(72)의 복수의 콴텀홀들에 대하여 열처리는 800 ∼ 1000℃의 온도에서 약 10sec 동안 급속 열처리(RAPID THERMAL ANNEALING)를 하는 것으로서 이 급속 열처리를 통하여 콴텀홀을 깨끗하게 한다.

다음에는 상기 콴텀홀들의 내부에 밴드 갭이 진성 반도체보다 작은 물질을 재결정 성장시켜 충진한다. 상기 콴텀홀의 내부에는 콴텀홀 층(72)의 진성 반도체보다 밴드 갭이 작은 재료가 충진되어 복수의 콴텀 도트로 되는 콴텀도트층이 형성된다. 콴텀 도트를 형성할 경우에 콴텀홀 이외의 면에 올라간 재료들은 모두 열확산에 의하여 콴텀홀의 내부로 이동된다.

콴텀 도트층(72)이 형성한 후에는 그 콴텀 도트층(72)에 다시 진성 반도체를 일정 두께만큼 성장시켜 진성 반도체층을 형성하고, 진성 반도체층의 상부에 불순물로 도핑한 N형 반도체층(74)을 성장시킨다.

그 후에는 상기 P형 반도체층(70) 및 N형 반도체층(74)에 전극을 형성한다. 상기 P형 반도체층(70) 및 N형 반도체층(74)에 형성한 전극에 전원을 인가할 경우에 P형 반도체층(70)의 정공과 N형 반도체층(74)의 전자들이 콴텀홀 층(72)으로 이동하게 된다. 상기 이동한 정공 및 전자들의 캐리어는 콴텀홀 층(72) 즉, 콴텀 도트층의 무수한 콴텀도트에서 집중적으로 재결합되어 높은 에너지를 가지는 광이 방출된다. 상기 방출되는 광은 고유의 파장을 가지고 있는 것으로서 반도체 발광소자를 제조할 경우에 미리 지정된 고유한 색상의 광을 출력하게 된다.

그러므로 본 발명에서는 반도체 발광소자를 제조할 경우에 적색, 녹색 및 청색의 파장을 출력할 수 있는 환경으로 만들어 빛의 삼원색인 적색, 녹색 및 청색의 발광소자로 제작할 수가 있다.

여기서 본 발명은 P형 반도체층(70)을 복수의 정공 공급층(70a, 70b)들로 형성할 수도 있고, 또한 N형 반도체층(74)도 역시 복수의 전자 공급층(74a, 74b)들로형성할 수 있다.

본 발명의 반도체 발광소자는 상기한 P형 반도체층(70), 복수의 콴텀홀 내에 밴드 갭이 기반 재료보다 작은 재료가 재결정 성장으로 충진된 콴텀홀 층(72) 및 N형 반도체층(74)으로 이루어지는 반도체 적층물을 적당한 크기로 절단하여 단위 반도체 발광소자를 만들 수 있다. 상기 반도체 적층물을 절단할 경우에도 절단한 각각이 소정의 광을 방출하는 반도체 발광소자가 되므로 이하에서는 반도체 적층물 및 반도체 발광소자를 크게 구분하지 않고 설명을 진행한다.

도 8은 본 발명의 반도체 발광소자에서 콴텀 도트층을 설명하기 위한 도면이다. P형 반도체층(70)의 상부에 진성 반도체로 일정 높이의 층을 형성하고, 그 일정 높이의 층의 상부에 상기한 이온빔 주사장치로 무수히 많은 콴텀홀들을 형성하여 콴텀홀 층(72)을 형성한다. 콴텀홀 층(72)에는 진성 반도체와 에너지 밴드 갭이 다른 재료를 재결정 성장시켜 충진시킨다. 이와 같이 에너지 밴드 갭이 다른 재료가 콴텀홀에 모두 충진된 것이 콴텀 도트(80)들이다.

도 9는 본 발명의 반도체 발광소자의 실시 예를 보인 도면이다. 이에 도시된 바와 같이 갈륨나이트라이드(GaN)를 도핑한 P형 반도체층(70)위에 진성 반도체층을 성장하고, 그 진성 반도체층에 복수의 콴텀홀을 형성한 후 콴텀홀 내에 인듐갈륨나이트라이드(InGaN)를 단결정 성장시켜 콴텀홀 층(72) 즉, 콴텀 도트층을 형성한다. 이 콴텀홀 층(72)의 상부에는 갈륨나이트라이드(GaN)를 도핑한 N형 반도체층(74)을 형성한다.

여기서, 갈륨나이트라이드(GaN)대신에 갈륨비소(GaAs)를 사용할 수 있고, 인듐갈륨나이트라이드(InGaN) 대신에 인듐비소(InAs)를 사용할 수가 있으며, 또한 이들 이외에도 적당한 소재로 대체 사용할 수 있음은 물론이다. 상기 실시 예에서 P형 반도체층(70) 및 N형 반도체층(74)에 전극을 연결하고, 전류를 주입시킬 경우에 상술한 바와 같이 콴텀홀 층(72)의 콴텀 도트들이 소정의 색상으로 발광하게 된다.

도 10 내지 도 12는 본 발명의 반도체 발광소자의 실시 예의 구성과 특성을 설명하기 위한 도면들이다.

도 10은 본 발명의 반도체 발광소자의 실시 예의 구성을 보인 도면이다. 본 발명은 GaN소재로 이루어지는 P형 반도체층(70)의 상부에 콴텀홀 층(72) 및 N형 반도체층(74)이 순차적으로 형성된다. 상기 콴텀홀 층(72)은 진성 반도체층에 복수의 콴텀홀을 형성하고 그 복수의 콴텀홀에 InGaN을 단결정 성장시켜 충진한다. 여기서 콴텀홀의 크기를 편의상 크게 그렸으나 실제로는 나노미터 정도의 크기로 극히 미세한 구멍이다.

본 발명의 반도체 발광소자도 빛의 삼원색을 구성하는 3가지 요소인 적색, 녹색 및 청색의 광을 방출할 수 있도록 해야 되는 것으로 도 10에서는 각기 적색, 녹색 및 청색의 광을 방출할 수 있도록 한 세 가지 형태의 반도체 발광소자(100, 102, 104)를 도시하였다. 적색, 녹색 및 청색의 세 가지의 기본 색상들은 각각의 반도체 적층물에 있어서 콴텀홀 층(72)의 인듐(In)의 구성비에 따라서 결정된다.

즉, 콴텀홀 층(72)내의 인듐비에 의하여 본 발명의 반도체 발광소자의 독특한 색상이 결정되는 것으로서 적색, 녹색 및 청색의 콴텀홀 층(72)은 모두 콴텀홀의 내부에 InGaN을 단결정 성장으로 충진시킴에 있어서, 각기 필요로 하는 In의 성분비율로 충진한다.

이와 같이 콴텀홀 층(72)을 이용하여 제조되는 본 발명의 반도체 발광소자는 다시 적당한 크기로 절단되어 단위 적색 발광소자(100a), 단위 녹색 발광소자(102a) 및 단위 청색 발광소자(104a)로 사용된다.

도 11은 본 발명의 반도체 발광소자를 사용하여 화상을 재현할 수 있도록 하기 위한 표시 패널의 구성을 보인 도면이다. 본 발명은 하나의 단위 적색 발광소자(100a), 단위 녹색 발광소자(102a) 및 청색 발광소자(104a)를 결합하여 하나의 표시 패널(110)로 형성하고, 소정 화상의 색상을 표현할 수 있게 한다.

도 12는 도 11의 표시 패널에 의하여 표현되는 광의 파장 및 세기를 측정하여 보인 그래프이다. 도 12에서와 같이 본 발명의 반도체 발광소자는 파장의 꼭지점이 선명하고, 하부의 파장 대역폭이 좁다. 이것은 본 발명의 반도체 발광소자의 표시패널(110)은 유닛은 좁은 범위의 파장 대역으로 소정의 색상을 표현할 수 있음을 나타내는 것으로서 소정의 색상을 선명하게 표시할 수 있다.

도 13은 색상별로 에너지의 크기를 밴드 다이어그램(BAND DIAGRAM)으로 보인 도면이다.

도 13a는 In의 조성비를 0.1% 정도로 하여 청색을 나타내도록 할 경우의 에너지의 크기를 보인 것이다. 직선으로 표시된 페르미에너지 Ef(FERMI ENERGY)(130)를 중심으로 상부의 선은 전자에 의한 전도대 Ec(CONDUCTION BAND)(132)를 나타내고, 하부의 선은 정공에 의한 가전자대 Ev(VALENCE ELECTRON BAND)(134)를 나타낸다. In의 조성비를 0.1% 정도로 했을 때 에너지의 크기가 E1(136)의 크기로 발산되며, 이 때 가시광선으로 청색 파장의 광으로 발산된다.

도 13b는 In의 조성비를 0.5% 정도로 하여 녹색을 나타내도록 할 경우의 에너지의 크기를 보인 것이다. In의 조성비를 0.5% 정도로 했을 경우에 에너지의 크기가 E2(136a)의 크기로 발산되고, 이때 가시광선으로 녹색 파장의 광으로 발산된다.

도 13c는 In의 조성비를 0.8% 정도로 하여 적색을 나타내도록 할 경우의 에너지의 크기를 보인 것이다. In의 조성비를 0.8% 정도로 했을 경우에 에너지의 크기가 E3(136b)의 크기로 발산되며, 이때 가시광선으로 적색 파장의 광으로 발산된다.

즉, 청색, 녹색 및 적색의 에너지는 청색이 가장 높고, 녹색은 중간 정도이며, 적색은 에너지가 가장 낮음을 알 수 있다.

도 14 내지 도 16은 본 발명의 콴텀홀을 이용하는 형태의 반도체 발광소자를 보인 도면이다.

도 14는 하나의 콴텀홀 층에서 동시에 세 가지 색상의 광을 방출할 수 있도록 하는 본 발명의 반도체 발광소자의 다른 실시 예의 구성을 보인 도면이다. P형 반도체층(70)과 N형 반도체층(74)의 사이에 진성 반도체로 이루어지고 3가지의 크기를 가지는 콴텀홀(140)이 규칙적으로 배열 형성되는 콴텀홀 층(72)이 구비된다. 상기 콴텀홀 층(72)의 콴텀홀(140)에는 그 크기에 따라 에너지 밴드 갭이 다른 재료를 재결정 성장시켜 충진시킨다. 이 충진 과정을 통해 상기 콴텀홀 층(72)의 모든 콴텀홀(140)들은 그 크기에 따라 에너지 밴드 갭이 다른 재료가 충진된 콴텀도트로 된다. 그리고 세 가지로 다른 크기의 콴텀홀(140)을 가지는 콴텀도트를 하나의 단위 발광 유닛으로 절단하여 발광소자로 사용한다.

도 15는 도 14에서 콴텀홀의 크기가 상이한 세 개의 발광소자를 하나의 단위 발광 유닛으로 절단하여 보인 도면이다. 본 발명의 다른 실시 예에서 하나의 단위 발광 유닛(150)의 내부에는, 제일 큰 크기의 콴텀홀(152)을 이용하여 형성되는 적색의 발광소자와, 제일 작은 사이즈의 콴텀홀(154)을 이용하여 청색의 발광소자와, 상기 콴텀홀(152)(154)의 중간 크기의 콴텀홀(156)을 이용하여 형성되는 녹색의 발광소자가 구비된다. 즉, 청색은 에너지가 가장 높으므로 가장 작은 크기의 콴텀홀(154)에 형성하고, 적색은 에너지가 가장 낮으므로 가장 큰 크기의 콴텀홀(152)에 형성하며, 녹색은 에너지가 청색 에너지와 적색 에너지의 중간 정도이므로 증간 크기를 가지는 콴텀홀에 형성한다.

도 16은 도 15의 단위 발광 유닛에 의하여 표현되는 광의 파장과 세기를 보인 그래프이다. 이 그래프는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 발광소자의 단위 발광 유닛도 좁은 범위의 파장으로 색을 표현할 수 있는 것으로서 소정의 색상을 선명하게 묘사할 수 있음을 알 수 있다.

도 17은 상기 본 발명의 다른 실시 예에서 콴텀홀의 크기를 상이하게 하여 반도체 발광소자를 만들 경우에 에너지의 크기변화와 색상을 밴드 다이어그램으로 보인 도면으로서 페르미 에너지 Ef(170)를 중심으로 상부의 선은 전자에 의한 전도대 Ec(172)를 나타내고, 하부의 선은 정공에 의한 가전자대 Ev(174)를 나타낸다.

도 17a는 콴텀홀의 크기를 가장 크게 형성할 경우의 에너지 크기이다. 콴텀홀의 크기가 클 경우에 에너지는 E1(176)의 크기로 발산되고, 이때 가시광선으로 적색 파장의 광이 발산된다.

도 17b는 콴텀홀의 크기를 중간 정도의 크기로 형성할 경우의 에너지 크기이다. 콴텀홀의 크기가 중간일 경우에 에너지가 E2(176a)의 크기로 발산되고, 이때 가시광선으로 녹색 파장의 광이 발산된다.

도 17c는 콴텀홀의 크기를 가장 작게 형성할 경우의 에너지 크기이다. 콴텀홀의 크기가 가장 작을 경우에는 에너지가 E3(176b)의 크기로 발산되고, 이때 가시광선으로 청색 파장의 광이 발산이 된다.

그러므로 본 발명의 다른 실시 예에서와 같이 콴텀홀의 크기를 적절히 조절하여 발산되는 에너지의 크기를 변화시킬 경우에 적색, 녹색 및 청색의 광을 방출하는 반도체 발광소자를 형성할 수 있음을 알 수 있다.

도 18은 본 발명의 반도체 발광소자에 있어서 각각의 색상에 따른 광의 세기인 휘도를 조절하는 실시 예를 설명하는 도면이다. 적색, 녹색 및 청색의 세 가지 색상의 광을 방출하는 반도체 발광소자(180, 182, 184)를 제조하기 위하여 각각의 콴텀홀 층(180a, 182a, 184a)의 콴텀홀들 내에 에너지 밴드 갭이 다른 재료로 재결정 성장시킴에 있어서 그 구성비를 달리하여 콴텀홀 층(180a, 182a, 184a)의 콴텀홀들을 충진한다. 이때 각각의 콴텀홀 층(180a, 182a, 184a)에 형성되는 각각의 콴텀홀들의 크기는 동일한 크기로 한다.

이러한 각각의 반도체 발광소자(180, 182, 184)를 적당한 크기로 절단할 경우에 각기 상이한 크기로 절단하여 휘도를 조절한다. 예를 들면, 적색의 반도체 발광소자(180)는 가장 큰 크기로 절단하여 단위 발광소자(180b)로 형성하고, 녹색의 반도체 발광소자(182)는 중간 정도의 크기로 절단하여 단위 발광소자(182b)로 형성하며, 청색의 반도체 발광소자(184)는 가장 작은 크기로 절단하여 단위 발광소자(184b)로 형성한다. 이와 같이 단위 발광소자(180b, 182b, 184b)의 크기를 각기 상이하게 절단함으로써 각각의 단위 발광소자(180b, 182b, 184b)가 출력하는 광의 세기인 휘도를 조절한다.

도 19는 상기 도 18에서 절단한 단위 발광소자로 단위 발광 유닛을 형성한 것을 보인 도면이다. 단위 발광 유닛(190)을 이루는 세 개의 단위 발광소자(180b, 182b, 184b)의 크기가 각기 상이하나 이들 각각의 콴텀홀들의 크기는 동일하다. 그리고 각각의 콴텀홀 층의 콴텀홀들 내에 에너지 밴드 갭이 다른 재료를 재결정 성장시킴에 있어서 그 구성비를 달리하여 콴텀홀들을 충진한다.

도 20은 도 19의 단위 발광 유닛에 의하여 표현되는 광의 파장과 세기를 보인 그래프이다. 이 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 단위 발광 유닛은 좁은 범위의 파장으로 색을 표현할 수 있는 것으로서 소정의 색상을 선명하게 표시할 수 있다.

도 21 및 도 22는 본 발명의 반도체 발광소자에 있어서 각각의 색상에 따른 빛의 강도인 휘도를 조절하기 위한 다른 실시 예를 설명하는 도면이다. 도 21은 적색, 녹색 및 청색의 세 가지의 색상의 반도체 발광소자(210, 212, 214)를 형성하기 위하여 각각의 콴텀홀 층(210a, 212a, 214a)의 콴텀홀들 내에 에너지 밴드 갭이 다른 재료로 재결정 성장시킴에 있어서 그 구성비는 동일하게 하면서 콴텀홀층(210a, 212a, 214a)의 콴텀홀들을 충진한다. 이때 각각의 콴텀홀 층(210a, 212a, 214a)에 형성되어 있는 콴텀홀들의 크기는 각기 상이하게 한다.

그리고 각각의 색상의 반도체 발광소자(210, 212, 214)를 절단함에 있어서는 도 21에서와 같이 동일한 크기로 절단하여 단위 발광소자(210b, 212b, 214b)를 형성하거나 또는도 22와 같이 서로 상이한 다른 크기로 절단하여 단위 발광소자(220b, 222b, 224b)를 형성한다. 즉, 적색, 녹색 및 청색의 단위 발광소자의 크기를 모두 동일하게 절단하거나 또는 서로 상이하게 절단함으로써 그 단위 발광소자들로 이루어지는 단위 발광 유닛에서 방출되는 광의 휘도를 조절할 수 있다. 이때, 단위 발광소자의 크기를 각각 다르게 절단하여 또 다른 특징을 부여할 수도 있음은 물론이다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않고, 이하의 특허청구의 범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 다양하게 개조 및 변화될 수 있음을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명은 반도체를 이용하여 소정 색상의 광을 출력하는 발광소자에 있어서 빛의 3원색인 적색, 녹색 및 청색 파장의 세기가 극히 집중되어 출력되므로 정확한 색상을 표현할 수 있다. 그리고 극히 작은 크기의 단위 발광소자를 제작할 수 있는 기술을 제공할 수 있으므로 작은 크기의 화상용 모니터의 제작이 가능할 수 있게 하고, 작은 크기로 제조하더라도 화상의 선명도나 색상의 명확성은 저하되지 않도록 제조할 수 있다.

Claims (17)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. .반도체 기판에 불순물을 도핑하여 P형 반도체층을 형성하는 과정;

   상기 P형 반도체층의 상면에 도핑처리를 하지 않은 진성 반도체를 일정 두께로 성장시켜 진성 반도체층을 형성하는 과정;

   상기 진성 반도체층의 상면에 이온빔을 충돌시켜 복수의 콴텀홀을 형성하는 과정;

   상기 형성한 복수의 콴텀홀을 열처리하는 과정;

   상기 열처리를 수행한 복수의 콴텀홀의 내부에 밴드 갭이 상기 진성 반도체보다 작은 재료를 재결정 성장시켜 콴텀홀들이 재결정 성장 물질로 충진된 콴텀 도트층을 형성하는 과정; 및

   상기 콴텀 도트층의 상부에 진성 반도체를 일정 두께만큼 성장시키고 불순물을 도핑하여 N형 반도체층을 형성하는 과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 콴텀홀을 이용한 반도체 발광소자의 제조방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 콴텀홀 내의 재결정 성장은;

   진공 상태에서 열확산에 의하여 재결정 성장 물질이 콴텀홀의 내부로 충진되게 하는 것을 특징으로 하는 콴텀홀을 이용한 반도체 발광소자의 제조방법.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 P형 반도체층 및 N형 반도체층은, GaN을 도핑하여 형성되고,

   상기 콴텀홀에는 InGaN을 단결정 성장시켜 충진하는 것을 특징으로 하는 콴텀홀을 이용한 반도체 발광소자의 제조방법.
8. 제 5 항에 있어서,

   상기 P형 반도체층 및 N형 반도체층은 GaAs를 도핑하여 형성되고,

   상기 콴텀홀에는 InAs를 단결정 성장시켜 충진하는 것을 특징으로 하는 콴텀홀을 이용한 반도체 발광소자의 제조방법.
9. 제 5 항에 있어서, 상기 재결정 성장 물질은;

   인듐을 포함하는 물질로 이루어지고, 발광시킬 적색, 녹색 및 청색에 따라 상기 인듐의 혼합 비율을 조절하는 것을 특징으로 하는 콴텀홀을 이용한 반도체 발광소자의 제조방법.
10. 제 5 항에 있어서, 상기 콴텀홀은;

    하나의 반도체 발광소자 내에서 발광시킬 적색, 녹색 및 청색에 따라 상이한 크기로 형성하고 그 상이한 크기의 콴텀홀 내에 각기 적색, 녹색 및 청색의 해당 재결정 성장 물질을 충진시켜 하나의 반도체 발광소자가 빛의 삼원색을 방출하게 하는 특징으로 하는 콴텀홀을 이용한 반도체 발광소자의 제조방법.
11. 제 5 항에 있어서, 상기 콴텀홀은;

    적색, 녹색 및 청색을 발광시킬 각각의 반도체 발광소자에 따라 상이한 크기로 형성하고, 그 상이한 크기의 콴텀홀 내에 각기 적색, 녹색 및 청색의 해당 재결정 성장 물질을 충진시키며, 적색, 녹색 및 청색의 반도체 발광소자를 동일한 크기의 단위 반도체 발광소자로 절단한 후 절단한 적색, 녹색 및 청색의 단위 반도체 발광소자를 결합하여 빛의 삼원색을 방출하게 하는 것을 특징으로 하는 콴텀홀을 이용한 반도체 발광소자의 제조방법.
12. 제 5 항에 있어서, 상기 콴텀홀은;

    적색, 녹색 및 청색을 발광시킬 각각의 반도체 발광소자에 동일한 크기로 텀홀을 형성하여 그 콴텀홀 내에 각기 적색, 녹색 및 청색의 해당 재결정 성장 물질을 충진시키고, 적색, 녹색 및 청색의 반도체 발광소자를 서로 상이한 크기의 단위 반도체 발광소자로 절단한 후 그 상이한 크기를 가지는 적색, 녹색 및 청색의 단위 반도체 발광소자를 결합하여 빛의 삼원색을 방출하게 하는 것을 특징으로 하는 콴텀홀을 이용한 반도체 발광소자의 제조방법.
13. 제 5 항에 있어서, 상기 콴텀홀은;

    집속된 이온빔을 입사시켜 형성하는 것을 특징으로 하는 콴텀홀을 이용한 반도체 발광소자의 제조방법.
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