KR100621918B1 - 투명 전도성 나노막대를 전극으로 포함하는 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노막대 형태의 투명전극을 포함하는 전기 발광소자에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 발광소자는, 발광층에 대해 수직 성장된 투명 전도성 나노막대를 전극으로 사용하는 것을 특징으로 하며, 전극에서 빛이 흡수되지 않고, 나노막대의 나노접합에 의해 터널링이 쉽게 일어나 전류주입(carrier injection) 효율이 증가되고, 내부전반사(total internal reflection)가 감소되어, 금속전극 또는 박막 형태의 투명전극을 포함하는 기존의 발광소자에 비해 발광특성이 매우 우수하다.

Description

투명 전도성 나노막대를 전극으로 포함하는 발광소자{LIGHT EMITTING DEVICE COMPRISING CONDUCTIVE NANOROD AS TRANSPARENT ELECTRODE}

도 1은 본 발명에 따른, 전도성 나노막대 투명전극을 포함하는 발광소자의 기본 구조도이고,

도 2a 내지 2f는 본 발명에 따른, 전도성 나노막대 투명전극을 포함하는 다양한 발광소자의 예들의 개략도이고,

도 3은 본 발명의 실시예 2에서 제조된, 다중벽(쉘/코어) 구조의 GaN/ZnO 나노막대 투명전극을 포함하는 질화물 반도체 발광소자의 주사전자현미경 사진(scanning electron microscopy, SEM)이며,

도 4는 본 발명의 실시예 2에서 제조된, 다중벽 구조의 GaN/ZnO 나노막대 투명전극을 포함하는 질화물 반도체 발광소자의 발광 스펙트럼이다.

본 발명은 투명 전도성 나노막대를 전극으로 포함하는 발광소자에 관한 것으 로, 구체적으로는 발광특성 및 효율을 획기적으로 증대시킬 수 있는 새로운 형태의 전극을 포함하는 발광소자에 관한 것이다.

현재 널리 사용되는 질화물 반도체 발광소자의 p-타입 오믹(ohmic) 전극으로 Ni/Au, Pt/Ni/Au, Ni/Pt/Au, Ti/Pt/Au, Pd/Au 등의 다양한 금속 박막이 연구되어 왔고, 이중 GaN 등과 같은 질화물 반도체 발광소자의 p-타입 오믹 전극으로 Ni/Au 박막이 주로 사용되고 있다.

그러나, 이와 같은 금속 박막으로 오믹 컨택(contact)을 형성할 경우, 반투명 금속 전극이 빛을 흡수하기 때문에 발광 효율이 감소하고, 소자의 열적 안정성 및 신뢰성 등이 떨어지는 등의 많은 문제점이 있다. 특히, p-타입 GaN의 경우 저항이 크기 때문에 소자의 크기가 커지면 전류가 발광소자에 골고루 퍼지지 못하여 대형 고휘도 발광소자를 제작하기가 어렵다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 박막 형태의 투명전극을 포함하는 소자를 제작하는 것이 시도되었으나 접촉 저항이 커져 소자의 효율이 감소하는 단점이 있다(Applied Physics Letters. 74, 3930(1999), Indium tin oxide contacts to gallium nitride optoelectric devices)

또한, 상기 반도체 발광소자 뿐만 아니라 유기 전기발광(electroluminescent, EL) 소자의 경우도 전자 및 정공(hole)의 균형 있는 주입 및 이동속도 조절, 및 발광층과 전극계면의 안정성 확보 등이 필요하고, 기존 금속 전극의 빛의 흡수에 따른 발광효율의 감소 등의 문제점을 개선할 수 있는 새로운 형태의 전극을 개발할 필요성이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 빛이 투과될 수 있고 내부전반사를 획기적으로 줄일 수 있는 동시에 전류 주입을 증가시킬 수 있는 새로운 형태의 전극을 포함하는 발광소자를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 두 전극층 및 이들 사이의 발광층을 포함하는 전기 발광소자에 있어서, 상기 두 전극층 중 최소한 하나가 발광층에 대해 수직 성장된 투명 전도성 나노막대를 포함함을 특징으로 하는 전기 발광소자를 제공한다.

이하 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.

본 발명의 특징은 도 1에 나타낸 바와 같이, 발광층에 대해 수직 성장된 막대 형태의 투명한 전도성 나노구조체를 발광소자의 전극층으로 이용한다는데 있다.

본 발명에서 전극층으로 이용되는 나노막대는, 전극을 형성하기 위한 발광소자의 막 상에 통상의 유기금속 화학증착법(MOCVD)에 의해 투명 전도성 물질을 수직방향으로 성장시킴으로써 형성할 수 있다.

상기 나노막대는 직경이 2 내지 500 nm 범위, 길이가 2 nm 내지 50 ㎛ 범위일 수 있으며, 유기금속 화학증착법에 의해 형성시 도입되는 반응 기체들의 유입량이나 증착 온도, 압력 및 시간 등의 조건을 조절함으로써 원하는 형태로 형성될 수 있다.

본 발명에 있어서, 투명전극으로 이용되는 나노막대 재질로는 가시광선(파장 400 내지 800 nm 범위) 투과율이 70% 이상인 물질이 적합한데, 예를 들면 ZnO(zinc oxide), ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), CdO(cadmium oxide), MgO(magnesium oxide), GaN(gallium nitride), AlN(aluminum nitride), InN(indium nitride) 등을 바람직하게 사용할 수 있다.

또한, 전극의 전기적, 광학적 특성을 향상시키기 위해, 상기 나노막대 상에 다양한 유기 또는 무기 소재, 예를 들면 Mg, Cd, Ti, Li, Cu, Al, Ni, Y, Ag, Mn, V, Fe, La, Ta, Nb, Ga, In, S, Se, P, As, Co, Cr, B, N, Sb, Sn 및 H로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상을 도핑시키거나; 또는 AlN, InN, GaN, GaInN, AlGaN, AlInN 등과 같은 질화물; ZnO, ITO, IZO, CdO, MgO, GaN, ZnMgO, Al₂O₃ 등과 같은 산화물 등의 다양한 이종물질을 코팅시킬 수 있다.

또한, 유기금속 화학증착법에 의해 형성된 나노막대를, H₂, O₂, N₂, NH ₃, SiH₄ 등으로 도핑(doping), 플라즈마(plasma) 처리 또는 열처리(annealing) 등과 같은 후처리 공정을 수행하여 전도성을 증가시킴으로써, 가시광선, 적외선 등 다양한 파장의 발광소자의 전극층으로 이용할 수도 있다.

본 발명의 투명 전도성 나노막대 전극은, 도 2a 내지 2f에 나타낸 바와 같은 다양한 구조의 발광소자(예: 발광 다이오드(light emitting diode, LED), 레이저 다이오드(laser diode), 유기 EL 소자)에 이용될 수 있으며, 본 발명에 따른 발광소자의 전극층은, 도 2a 내지 2f에 나타낸 바와 같이, 투명 전도성 나노막대 이외 에 금속전극 및/또는 투명박막전극을 추가로 포함할 수도 있다.

본 발명의 투명 전도성 나노막대 전극은, 예를 들면 GaN, AlN, InN 등과 같은 질화물 반도체; GaAs, InP 등과 같은 III-V족 화합물 반도체; ZnO, CdO, MgO, SnO₂, TiO_2, PbO, In₂O₃, Ga₂O₃-In₂ O₃-SnO_2, SrCu₂O₂ 등과 같은 산화물 반도체 및 이들의 합금으로 이루어진, 가시광선, 적외선, 자외선 영역의 발광다이오드뿐만 아니라; Alq₃, Zn(PhPy)₂, LiPBO, Zn(Phq)₂, Zn(BOX)₂, Be(bq)₂ , Zn(BTZ)₂, Zn(ODZ)₂, BAlq, Zn(TDZ)₂, Be(5Fla)₂, Zn(DIZ)₂ 등을 포함하는 가시광선 영역의 유기 EL 소자 등, 전류가 주입되어 빛이 방출되는 모든 종류의 소자에 적용될 수 있다.

이와 같이 투명전극으로 박막이 아닌 막대 형태의 나노구조체를 이용하면, 내부 전반사를 감소시켜 내부의 빛이 쉽게 빠져나올 수 있어 발광효율을 증대시킬 수 있고, 나노막대의 높은 종횡비(aspect ratio) 및 나노 사이즈의 작은 접촉면적에 의해 터널링(tunneling)이 쉽게 일어나 전류 주입을 증가시켜 발광소자의 크기가 증가함에 따른 전류 퍼짐 감소를 막을 수 있어, 고휘도의 대형 발광소자를 제작하는 것이 가능해진다.

또한, P-N 접합 발광 다이오드의 경우, p-타입 질화물 반도체(예: p-GaN 등)는 큰 저항을 갖기 때문에 전류 주입이 어려워 일반적으로, 도 2a 및 2c에 나타낸 바와 같이 p-타입 반도체층 및 활성층 등의 건식 식각(dry etching) 공정을 수행한 후 n-타입 전극을 형성하여야 한다.

그러나, 본 발명에서 처럼 나노막대 형태의 투명전극을 이용하면 전류 주입 이 용이해지므로 질화물 반도체 소자를 제조하는 경우에도, 도 2b 및 2d에 나타낸 바와 같이, 식각 공정 없이, p-타입 질화물 박막 및 p-타입 질화물 박막의 일부상에 수직 성장된 투명 전도성 나노막대상에 바로 금속 전극을 증착시킴으로써 발광소자를 제작할 수 있다는 장점이 있다. 유기 발광소자의 경우, 본 발명에 따른 나노막대 전극은 도 2e 및 도 2f에 나타낸 바와 같이 전자 주입층 또는 정공 주입층으로 사용될 수 있다.

이하, 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 좀더 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들만으로 제한되는 것은 아니다.

실시예 1: 산화아연(ZnO) 나노막대 투명전극을 포함하는 발광소자의 제조

통상의 방법에 따라 유기금속 화학증착 장치를 이용하여 GaN 박막 (두께 1 ㎛)을 Al₂O₃ 기재 위에 성장시킨 후, Si가 도핑된 n-타입 GaN 박막 (두께 2 ㎛)을 성장시키고, 그 위에 5층의 InGaN 양자우물(Quantum well) 구조를 성장시켰다. 그런 다음, 그 위에 Mg이 도핑된 p-타입 GaN 박막(두께 약 0.3 ㎛)을 성장시켜 질화물 반도체 발광소자 박막을 제조하였다. 이때 사용된 유기금속 함유 반응 전구체로는 TMGa(트리메틸갈륨), TMIn(트리메틸인듐) 및 (C₅H₅)₂Mg(비스사이클로펜타디에닐 마그네슘)을 사용하였으며, 질소 함유 전구체로는 NH₃를 사용하였고, 실리콘 함유 전구체로는 SiH₄를 사용하였다.

이렇게 성장된 질화물 반도체 박막 상에 금속촉매를 이용하지 않는 유기금속화학증착법을 이용해서, 산화아연(ZnO) 나노막대를 수직 성장시켰다. 이때 반응물질로 디에틸아연 및 O₂를 사용하고 운반기체로 아르곤을 사용하였으며, 반응기 내에서 상기 반응물질의 전구체를 화학 반응시켜 질화물 반도체 박막 상에 산화아연 나노막대를 증착, 성장시켰다. 약 1시간에 걸쳐 나노막대의 성장이 진행되는 동안 반응기 내의 압력은 0.1 내지 5 torr로, 온도는 400 내지 800 ℃ 범위로 일정하게 유지하였다.

이어서, 상기 성장된 나노막대 상에 투명한 절연체(insulator)인 포토레지스트(photoresist)를 코팅함으로써 나노막대들 사이를 절연물질로 채운 후, 이를 플라즈마 처리에 의해 식각함으로써 나노막대의 팁 부분을 약 30 nm 정도 노출시켰다. 이렇게 노출된 나노막대 팁에 열 혹은 전자빔 증발법을 이용해 티타늄(10 nm)/금(50 nm)을 순차적으로 증착해서 상부 오믹 전극을 형성하였다. 하부 전극은 p-GaN 박막 위에 Pt(10 nm)/Au(50 nm)를 증착하여 형성시켰다. 이때, 금속 증발을 위한 전자빔의 가속전압과 발산 전류(emission current)는 각각 4-20 kV와 40-400 mA 였으며, 금속 증착시 반응기의 압력은 10^-5 mmHg 전후로, 기재의 온도는 상온으로 유지하였다.

실시예 2: 다중벽(쉘/코어) 구조의 질화갈륨/산화아연(GaN/ZnO) 나노막대 투명전극을 포함하는 발광소자의 제조

실시예 1에서 산화아연 나노막대를 성장시킨 후 질화갈륨을 그 표면에 성장시키는 것을 제외하고는, 실시예 1과 유사한 공정을 수행하여 다중벽 구조의 질화갈륨(GaN)/산화아연(ZnO) 나노막대를 투명전극으로 포함하는 발광소자를 제작하였다. 상기 질화갈륨 코팅공정을 구체적으로 설명하면, TMGa 및 NH₃ 기체를, 질화물 박막 상에 성장된 ZnO 나노막대가 위치한 반응기내로 주입하고, 압력은 100 torr로, 온도는 500 ℃로 유지하면서 반응기 내에서 상기 반응전구체들을 5분 동안 화학 반응시켜, 산화아연 나노막대 상에 질화갈륨(GaN)이 코팅된 다중벽(쉘/코어) 구조의 질화갈륨/산화아연 나노막대를 형성하였다.

도 3은 본 발명의 실시예 2에서 제조된 발광소자의 SEM 사진으로서, 구체적으로는, 도 3a는, 질화물 박막 상에 수직 성장된 다중벽 구조의 GaN/ZnO 나노막대의 단면을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이고; 도 3b는, 상기 성장된 나노막대 사이를 절연물질로 채운 후 나노막대의 팁 부분을 노출시킨 후의 단면을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이며; 도 3c는, 나노막대 팁 부분에 금속 박막을 증착시킨 후 그 단면을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이다.

또한, 본 발명의 실시예 2에서 제조된, 투명 전도성 나노막대를 전극으로 포함하는 질화물 발광소자에서 관측된 상온 발광스펙트럼을 도 4에 나타내었다. 발광스펙트럼 측정 결과 파란색 파장의 발광소자가 제작된 것을 알 수 있으며, 발광은 눈으로 확인할 수 있을 정도로 아주 강했다.

이상 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 실시예들의 변경 또한 본 발명의 범위에 속한다.

본 발명에 따라, 전극으로 투명 전도성 나노막대를 포함하는 발광소자를 제작하면, 전극에서 빛이 흡수되지 않고, 내부 전반사가 감소되며, 나노막대의 나노접합에 의해 전류주입이 증가되어 소자의 크기가 커져도 소자의 효율이 감소하지 않아 고휘도 및 고효율의 대형 발광소자를 제조할 수 있다. 특히, 상기 투명 전도성 나노막대를 P/N 접합 질화물 반도체 발광소자에 이용할 경우, n-타입 전극을 제조하기 위한 건식 식각(dry etching) 공정을 수행하지 않아도 되므로 소자 제조공정을 단순화할 수 있다.

Claims (8)

1. 두 전극층 및 이들 사이의 발광층을 포함하는 전기 발광소자에 있어서, 상기 두 전극층 중 최소한 하나가 발광층에 대해 수직 성장된 투명 전도성 나노막대를 포함함을 특징으로 하는 전기 발광소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   나노막대의 직경이 2 내지 500 nm 범위이고, 길이가 2 nm 내지 50 ㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 발광소자.
3. 제 1 항에 있어서,

   나노막대가 400 내지 800 nm의 가시광선 파장에서의 투과율이 70% 이상인 물질로 이루어진 것임을 특징으로 하는 발광소자.
4. 제 3 항에 있어서,

   나노막대가 ZnO(zinc oxide), ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), CdO(cadmium oxide), MgO(magnesium oxide), GaN(gallium nitride), AlN(aluminum nitride), InN(indium nitride) 또는 이들의 혼합물로 이루어진 것임을 특징으로 하는 발광소자.
5. 제 3 항에 있어서,

   나노막대가 Mg, Cd, Ti, Li, Cu, Al, Ni, Y, Ag, Mn, V, Fe, La, Ta, Nb, Ga, In, S, Se, P, As, Co, Cr, B, N, Sb, Sn 및 H로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상의 이종물질로 추가로 도핑된 물질로 이루어진 것임을 특징으로 하는 발광소자.
6. 제 3 항에 있어서,

   나노막대가 AlN, InN, GaN, GaInN, AlGaN, AlInN, ZnO, ITO, IZO, CdO, MgO, GaN, ZnMgO 및 Al₂O₃로 이루어진 군 중에서 선택된 1종 이상의 이종물질로 추가로 코팅된 형태인 것을 특징으로 하는 발광소자.
7. 제 1 항에 있어서,

   나노막대가 H₂, O₂, N₂, NH₃ 및 SiH₄ 중에서 선택된 가스로 추가의 플라즈마(plasma) 처리 또는 열처리(annealing)된 것임을 특징으로 하는 발광소자.
8. 제 1 항에 있어서,

   가시광선, 적외선 또는 자외선 영역 발광 다이오드 또는 유기 발광소자임을 특징으로 하는 발광소자.

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