KR100705995B1 - 발광소자용 은 도핑된 산화아연 반도체 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 발광소자용 은 도핑된 산화아연 반도체는 은이 도핑된 산화아연 박막으로 이루어지며, 이때 상기 은의 도핑은 아연산화물에 은을 1 내지 4wt%의 범위로 첨가하여 이루어진다. 또한, 은을 산화아연에 도핑하여 p형 산화아연 박막을 성장시키고, 이의 상부에 산화아연 박막을 형성하여 n형 산화아연 박막을 성장시켜 p-n 접합소자를 제조할 수도 있다. 또한, 이러한 제조공정을 반복함으로써 npn형, pnpn형, npnp형 등의 다층 발광소자를 제조할 수도 있다. 상기 박막은 교류 스퍼터링법, 펄스 레이저 증착법 등을 포함한 물리적 증착법이나 화학적 증착법으로 제조될 수 있다.

산화아연반도체, 발광소자, Ag, 다층발광소자, 펄스레이저증착

Description

발광소자용 은 도핑된 산화아연 반도체 및 이의 제조방법 {Ag DOPED ZINC OXIDE SEMICONDUCTOR FOR LIGHT EMITTING DIODES AND THE MANUFACTURING METHOD THEREOF}

도 1은 본 실시예 1에 의한 은 도핑된 산화아연 박막의 X-ray 회절도.

도 2는 본 실시예 1에 의한 은 도핑된 산화아연 박막의 전기적 특성

도 3a는 본 실시예 1에 의한 은 도핑된 산화아연 박막의 발광 특성.

도 3b는 비교예로서의 순수 산화아연 박막의 발광특성.

도 4는 본 실시예 2에 의한 p-n 접합소자의 개략 구조도.

도 5는 본 실시예 3에 의한 pnp 접합소자의 개략 구조도.

도 6은 본 실시예 4에 의한 pnpn 접합소자의 개략 구조도.

본 발명은 발광소자용 산화아연 반도체에 관한 것으로, 특히 상기 산화아연에 은(Ag)을 도핑함으로써 p형 물질로 변형되어 우수한 발광특성을 가지는 은이 도핑된 산화아연 반도체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 순방향 바이어스 조건에서 자발적으로 광을 방출하는 발광 다이 오드(LED: Light Emitting Diode)는 디스플레이 등 시각적 표시 장치의 소자, 광 데이터 링크용의 광원, 광섬유 통신 등 다양한 응용 분야를 갖는다.

LED는 발광 메커니즘으로서, LED의 활성 영역을 형성하는 물질내에서 전자의 직접 대역간 천이(Direct Electronic Band-to-Band Transition) 또는 불순물 유도 간접 대역간 천이(Impurity-induced Indirect Band-to-Band Transition)가 사용된다. 이들 경우에, LED의 활성 영역에 대해 선택된 물질의 에너지 갭(Energy Gap), 즉 LED 내에서 광을 발생하도록 하는 전자 천이가 일어나는 영역이 LED의 특정 색상을 결정하게 된다.

또한, 특정 물질의 주광 천이(Dominant Optical Transition)의 에너지와 이로 인해 발생된 광의 파장을 이용하려는 다른 공지개념으로서 에너지 갭 내에 불순물을 포함시켜 깊은 트랩(Deep Trap)을 만들어낸다. 이 경우, 주광 천이는 주물질(Host Material)의 대역-상태(Band-State)와 깊은 트랩의 에너지 레벨 사이에서 일어날 수 있게 되어, 불순물을 적당히 선택하면 주반도체의 에너지 갭 이하의 광자 에너지를 갖는 광 방출을 일으킬 수 있다.

오늘날에는 LED의 방출 파장을 조정하고 LED의 활성 영역에 대해 III-V족 또는 II-VI족 화합물 반도체 또는 이들의 합금을 사용하는 이들 2가지 개념을 이용함으로써 이산적인 방출선(Discrete Emission Line)을 갖는 근적외선과 청색 사이의 광학 스펙트럼을 포괄할 수 있게 되었다.

그러나, 현재의 LED는 여러 가지 결함을 갖고 있으며, 그 하나로서 LED에서의 발광은 자발적이고, 시간적으로 1 내지 10ns 정도의 크기에 제한된다. 이에 따 라, LED 의 변조속도 역시 LED의 자연 수명에 의해 제한되기도 한다.

따라서, 이러한 문제점들을 해결하기 위한 많은 연구가 행해져왔다. 그 중의 하나가 단파장 청색 반도체 발광장치의 개발이다.

이를 실현하기 위한 특성 재료로는 GaN, InGaN, GaAlN, InGaAlN등과 같은 질화 갈륨계 화합물 반도체가 사용되며, 예컨대 GaN계 재료를 이용하는 반도체 발광장치에 있어서 380 내지 417nm의 파장을 가지는 상온 펄스 발진이 확인된 바 있다.

그러나, GaN계 재료를 이용하는 반도체 레이저에 있어서는 충분한 특성이 얻어지지 않고, 10 내지 40V의 상온 펄스발진 영역을 위한 임계전압값의 변화가 커진다는 문제가 있다.

이러한 변화는 질화 갈륨계 화합물 반도체의 결정 성장의 어려움과 큰 소자저항에 기인한다. 특히, 매끄러운 표면과 높은 캐리어 밀도를 갖춘 p형 질화 갈륨계 화합물층을 형성할 수 없다. 더욱이, p측 전극의 접촉저항이 높기 때문에, 동작전압이 증가되고 큰 전압강하가 발생되어 펄스발진이 동작할 때에도 열 발생과 금속반응에 의해 반도체층이 열화되어진다. 치팅(Cheating) 값을 고려하여 상온 연속발진은 임계전압이 10V 이상으로 될 때까지 달성할 수 없게 된다.

또한, 레이저 발생에 필요한 전류가 인가될 때, 높은 전류가 국부적으로 흐름과 더불어 캐리어가 활성층에 균일하게 주입될 수 없기 때문에, 장치의 순간적인 브레이크다운이 발생된다.

또한, p측 전극금속으로서 기능하는 니켈과, p형 반도체층을 형성하는 갈륨이 서로 반응하여 용융됨으로써 전기적 도전성이 저하된다. 결과적으로, 발광을 연 속적으로 이루어내기란 매우 어려운 일이다.

이 외에도, 단파장 청색 반도체 발광장치를 실현하기 위한 물질로서 SiC, ZnS 등이 알려져 있으나, 이들의 화학적 단결정이 매우 불안정하거나 결정 성장 자체가 어렵다는 단점이 있다. SiC의 경우는 화학적으로 안정되어 있지만, 실용화하기엔 수명과 휘도가 낮다는 문제가 있다.

한편, 투명전극, 바리스터 소자 등의 광소자 분야에 널리 사용되어왔고, 또한 넓은 밴드 갭(3.4eV)을 가지는 산화아연이 발광소자용 물질로서 주목받고 있다.

즉, 산화아연은 밴드 갭과 결정의 구조에 있어서 GaN과 유사한 특성을 갖추어 청색 발광 혹은 그 보다 더 단파장의 발광을 위한 소재 물질로서 적합할 뿐 아니라, GaN의 3배(예컨대, 60meV) 정도되는 여기 결합 에너지(Exciton Binding Energy)를 갖고 있으므로, 차세대 단파장 광소자에 있어서의 소재 물질로서 매우 적합한 물질이다. 하지만, 그럼에도 불구하고 상기 산화아연은 그 발광 효율이 매우 낮아 실제 소자로서의 이용 가능성이 매우 작다는 문제가 있었다.

또한, 산화아연은 박막성장 시 자체의 산소 공공(Vacancy)으로 인하여 도핑을 하지 않은 상태에서 자연적인 n형 반도체의 특성을 가지게 되므로, p형 물질로의 제조가 대단히 어렵다는 문제가 있었다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 산화아연에 은을 도핑하여 아연 원자를 은 원자로 치환함으로써 p형 물질로 제조하여 우수한 발광특성을 가지는 발광소자용 산화아연 반도체를 제공하 는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 발광소자용 은 도핑된 산화아연 반도체는 소정의 기판과, 상기 기판 상부에 형성되는 p형 박막층 및 n형 박막층 중의 어느 한 박막층과, 상기 p형 박막층의 상부에는 상호 교대로 적층되는 적어도 하나 이상의 n형 박막층 및 적어도 하나 이상의 p형 박막층을 더 포함하고, 상기 n형 박막층의 상부에는 상호 교대로 적층되는 적어도 하나 이상의 p형 박막층 및 적어도 하나 이상의 n형 박막층을 더 포함하여 이루어지며, 상기 p형 박막층은 은 도핑된 산화아연으로 되고, 상기 n형 박막층은 순수산화아연으로 되는 것을 특징으로 한다.

또한, 발명의 다른 특징으로서, 은을 산화아연에 도핑하여 p형 산화아연 박막을 성장시키고, 이의 상부에 산화아연 박막을 형성하여 n형 산화아연 박막을 성장시켜 p-n 접합소자를 제조할 수도 있다. 또한, 바람직하기로는 이러한 제조공정을 반복함으로써 pnp형, npn형, pnpn형, npnp형 등의 다층 발광소자를 제조할 수도 있다.

이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 발광소자용 산화아연 반도체는 은(Ag)이 도핑된 산화아연(ZnO) 박막으로 이루어진다.

상기 은은 산화아연 박막에서 p형 도펀트로서 작용하여 산화아연 박막을 p형 물질로 변형시키며, 이를 위하여 본 발명에 있어서는 Ag₂O를 1 내지 4wt% 첨가함이 바람직하다.

이외에도, 산화아연 박막에 있어서 1족 원소인 Li, Na를 이용할 수 있으나, 이 경우 이들 이온이 산화아연에 도핑 시 아연을 치환하지 못하고 주로 침입형으로 존재하여 p형 구현을 어렵게 한다는 문제를 가진다. 또한, 산화아연 박막에 있어서 5족 원소인 P, As 등으로 치환하는 경우에는 이들 이온의 결합크기가 치환대상인 산소보다 1.5배 이상 크므로, 치환이 어렵고, 또한 치환된다하더라도 박막의 결정성을 크게 저해하게 된다. 이에 반해, 은의 경우에는 1족 원소로서 침입형으로 작용하지 않고 아연을 쉽게 치환하고 결정성의 저하를 상기 5족 원소보다 작게 가져옴으로써 안정적인 p형으로의 변형을 가능하게 한다.

또한, 본 발명에 있어서 은 도핑된 산화아연 박막은 스퍼터링법, 펄스 레이저 증착법(PLD법), 이온 플레이팅법 등의 물리적 증착법이나, CVD법 등의 화학적 증착법, 또는 졸겔법 등에 의하여 형성될 수 있다. 특히, 본 발명에 있어서는 펄스 레이저 증착법, 교류(RF) 스퍼터링법이 바람직하다. 이러한 증착법에 있어서 증착되는 기판온도가 상승하게 되고, 이 열 에너지에 의해 산화아연에 도핑된 은이 p형 도펀트로서 작용하게 된다.

또한, 본 발명에 있어서 은을 산화아연에 도핑하여 p형 산화아연 박막을 성장시키고, 이의 상부에 산화아연 박막을 형성하여 n형 산화아연 박막을 성장시켜 p-n 접합소자를 제조할 수도 있다. 또한, 바람직하기로는 이러한 제조공정을 반복함에 따라 pnp형, npn형, pnpn형, npnp형 등의 다층 발광소자를 제조할 수도 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 하술하는 실시예는 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위하여 제공되는 것이며, 본 발명은 상기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

먼저, 1/4 inch 두께를 가진 Ag 도핑된 ZnO 세라믹 타겟을 제작하였다. 그리 고, 이를 (001)사파이어 기판위에 100 내지 400℃ 범위의 온도를 가한 후, 산소 분압은 10 내지 400mTorr를 유지하면서 7 내지 10분 동안 증착을 하였다. 이때, 기판 타겟 간 거리는 5cm이며 레이저 에너지 밀도는 2 내지 3 J/cm²로 하였다.

이렇게 얻어진 은 도핑된 산화아연 박막의 X-ray 회절특성은 도 1에 나타내고, 전기적 특성은 도 2에 나타낸다. 도 1은 각각 증착 시 기판에 가해진 온도에 따른 은 도핑된 산화아연 박막의 구조적 특성을 나타내며, 상기 온도가 각각 (a)는 100℃, (b)는 200℃, (c)는 300℃, (d)는 400℃일 때를 나타낸다. 특히, 기판에 가해지는 온도를 200 내지 300℃로 유지하는 경우 은의 p형 도펀트로서의 작용이 두드러지게 나타났다.

또한, 도 3a는 상기 은 도핑된 산화아연 박막의 발광특성을 나타내며, 도 3b는 순수한 산화아연 박막의 발광특성을 본 실시예에 대한 비교에로서 나타낸다. 본 실시예에서 제조된 박막은 대략 370 내지 430nm 범위의 파장에서 우수한 발광강도를 나타내었다.

실시예 2

본 실시예에서는 실시예 1에서 제조된 은 도핑된 산화아연 박막(20) 상면에 연속하여 순수한 산화아연을 증착하여 n형 산화아연 박막(30)을 형성함으로써 p-n 접합소자를 제조하였다. 이때, 상기 순수한 산화아연의 증착조건은 산소 분압은 10 내지 400mTorr, 기판 타겟 간 거리는 5cm, 레이저 에너지 밀도는 2 내지 3 J/cm²로 하여 증착하였다. 각 박막층(20, 30)의 상면 일부에는 전극(71, 72)을 형성하였으 며, 이때 p형 박막(20)의 상면 일부에 형성되는 전극(71)은 In을 증착하거나, 또는 Ni를 증착하고 이 상면에 Au를 증착하여(Ni/Au) 형성하였으며, n형 박막(30)의 상면 일부에 형성되는 전극(72)은 In을 증착하거나, 또는 Ti를 증착하고 이 상면에 Au를 증착하여 형성하였다. 이렇게 형성된 p-n 접합소자의 개략도를 도 4에 나타낸다.

실시예 3, 4

본 실시예들에 있어서는 상기 실시예 2의 공정을 반복 실시하여 각각 pnp형 소자 및 pnpn형 소자를 제조하였다. 이때, 형성되는 전극(71~74)은 실시예 2와 동일하게 형성된다. 즉, p형 박막(20, 40)의 상면 일부에 형성되는 전극(71, 73)은 In을 증착하거나, 또는 Ni를 증착하고 이 상면에 Au를 증착하여 형성하였으며, n형 박막(30, 50)의 상면 일부에 형성되는 전극(72, 74)은 In을 증착하거나, 또는 Ti를 증착하고 이 상면에 Au를 증착하여(Ni/Au) 형성하였다. 이렇게 형성된 pnp형 소자는 도 5에, pnpn형 소자는 도 6에 각각 나타낸다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 산화아연 반도체는 은이 도핑 된 산화아연 박막을 형성하여 p형 박막으로 치환 변형시킴으로써 우수한 발광특성을 가지는 발광소자를 효과적으로 제조할 수 있으며, 또한 순수한 산화아연박막 및 상기 p형 박막을 교대로 증착하는 다층 접합에 의해 pnp형, npn형, pnpn형, npnp형 등의 확장된 개념의 발광소자의 제조가 가능하다.

아울러 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 해 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이고, 이러한 수정, 변경, 부가 등은 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims (14)

1. 삭제
2. 소정의 기판과;

   상기 기판 상부에 형성되는 p형 박막층 및 n형 박막층 중의 어느 한 박막층과;

   상기 p형 박막층의 상부에는 상호 교대로 적층되는 적어도 하나 이상의 n형 박막층 및 적어도 하나 이상의 p형 박막층을 더 포함하고;

   상기 n형 박막층의 상부에는 상호 교대로 적층되는 적어도 하나 이상의 p형 박막층 및 적어도 하나 이상의 n형 박막층을 더 포함하여 이루어지며;

   상기 p형 박막층은 은 도핑된 산화아연으로 되고, 상기 n형 박막층은 순수 산화아연으로 되는 것을 특징으로 하는 발광소자용 은 도핑된 산화아연 반도체.
3. 제2항에 있어서,

   상기 은의 도핑은 아연산화물에 은을 1 내지 4wt%의 범위로 첨가하여 되는 것을 특징으로 하는 발광소자용 은 도핑된 산화아연 반도체.
4. 제2항에 있어서,

   상기 각 박막층의 상부 일부에는 구동전압을 가하기 위한 전극층이 형성되며;

   상기 전극층은 p형 박막층인 경우에는 In 박막층 또는 Ni/Au 박막층으로 되고, n형 박막층인 경우에는 In 박막층 또는 Ti/Au 박막층으로 되는 것을 특징으로 하는 발광소자용 은 도핑된 산화아연 반도체.
5. 제2항에 있어서,

   상기 산화아연 박막은 370 내지 430nm 범위의 파장에서 발광소자로서 사용되는 것을 특징으로 하는 발광소자용 은 도핑된 산화아연 반도체.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 소정의 기판 상부에 소정의 각 타겟을 사용하여 물리적 증착법 및 화학적 증착법 중의 적어도 어느 하나에 의하여 증착함으로써 p형 박막층 및 n형 박막층 중의 어느 한 박막층을 형성하고;

    상기 p형 박막층의 상부에는 소정의 타겟을 사용하여 물리적 증착법 및 화학적 증착법 중의 적어도 어느 하나에 의하여 적어도 하나 이상의 n형 박막층 및 적어도 하나 이상의 p형 박막층을 상호 교대로 더 적층하고;

    상기 n형 박막층의 상부에는 소정의 타겟을 사용하여 물리적 증착법 및 화학적 증착법 중의 적어도 어느 하나에 의하여 적어도 하나 이상의 p형 박막층 및 적어도 하나 이상의 n형 박막층을 상호 교대로 더 적층하며;

    상기 소정의 타겟은 상기 p형 박막층인 경우에는 은이 첨가된 산화아연으로 되고, 상기 n형 박막층인 경우에는 순수 산화아연으로 되는 것을 특징으로 하는 발광소자용 은 도핑된 산화아연 반도체.
11. 제10항에 있어서,

    상기 은은 1 내지 4wt%의 범위로 첨가되는 것을 특징으로 하는 발광소자용 은 도핑된 산화아연 반도체의 제조방법.
12. 제10항 또는 제11항에 있어서,

    상기 물리적 증착법은 교류 스퍼터링법 및 펄스 레이저 증착법 중의 적어도 어느 하나로 되는 것을 특징으로 하는 발광소자용 은 도핑된 산화아연 반도체의 제조방법.
13. 제12항에 있어서,

    상기 펄스 레이저 증착법은 산소분압이 10 내지 400mTorr 범위로 되는 것을 특징으로 하는 투명전극용 은 도핑된 산화아연 박막의 제조방법.
14. 제10항 또는 제11항에 있어서,

    상기 각 박막층의 상부 일부에는 구동전압을 가하기 위한 전극층이 형성되며;

    상기 전극층은 p형 박막층인 경우에는 In 또는 Ni/Au 박막층으로 되고, n형 박막층인 경우에는 In 박막층 또는 Ti/Au 박막층으로 되는 것을 특징으로 하는 투명전극용 은 도핑된 산화아연 박막의 제조방법.

Images