KR20010070677A - 증착온도에 따른 단파장 산화아연 발광소자의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증착온도에 따른 단파장 ZnO 발광소자의 제조방법에 관한 것으로, 사파이어 기판(Al₂O₃)을 p-타입으로 형성하고, 그 사파이어 기판의 상면에 ZnO 박막을 증착할 때 그 증착온도를 조절함에 의해 안정된 결정결합을 이룸과 더불어 그 발광특성을 향상시킨 증착온도에 따른 단파장 ZnO 발광소자의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명은 ZnO를 주요 재료로 사용한 p-n 접합 발광다이오드의 제조방법에 있어서, p-타입 물질로 사파이어 기판(Al₂O₃)을 형성하는 단계와; 상기 사파이어 기판(Al₂O₃) 상에 n-타입 물질인 ZnO 층을 650℃ 내지 750℃ 온도로 증착시키는 단계와; 상기 사파이어 기판(Al₂O₃)과 ZnO층의 상면에 하부전극 및 상부전극을 형성하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명을 적용하면, GaN과 유사한 특성을 갖추어 청색발광 혹은 그 보다 더 짧은 파장의 발광을 위한 차세대 단파장 광소자에 있어서의 소재물질로서 매우 적합한 물질이라 판단되는 ZnO를 기반으로 한 LED를 제작하기 위한 전단계에서, ZnO 기반의 단파장 반도체 발광소자의 제조시 특정 증착온도(650℃∼750℃)를 유지시켜 제조된 단파장 ZnO 발광소자는 그 발광특성이 보다 우수해지고, 청색 광밀도가 보다 높아진다는 효과가 있다.

Description

증착온도에 따른 단파장 산화아연 발광소자의 제조방법{METHOD FOR PRODUCING SHORT WAVELENGTH ZnO LED ACCORDING TO THE TEMPERATURE OF DEPOSITION}

본 발명은 증착온도에 따른 단파장 ZnO 발광소자의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게 ZnO를 n-타입으로 적용하고 단파장을 발생시킬 수 있도록 그 ZnO와 접합되는 p-타입의 물질을 형성할 때 증착온도를 조절함에 의해 발광특성을 향상시킨 증착온도에 따른 단파장 ZnO 발광소자의 제조방법에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 전자 기기 및 장치에서의 디스플레이는 추상적인 정보를 시각화함으로써 사람들간의 인터페이스 역할을 수행하는 중요한 기능을 갖는다. 종래의 디스플레이에는 많은 응용기술이 실현되었으며, 그 각각은 각기의 특정 요건들을 가지고 있었다. 따라서, 여러 가지 디스플레이 기술들이 개발되었으며, 그들 각각은 특정 디스플레이 응용의 요건들에 대해서는 그들만의 강점과 약점을 가지고 있고, 특정 디스플레이 기술은 특정 종류의 응용에 가장 적합하게 되어 있다.

순방향 바이어스 조건하에서 자발적으로 광을 방출하는 발광 다이오드(LED)는 표시기 등, 시각적 표시 장치의 소자, 광데이타 링크용의 광원, 광섬유 통신등 다양한 응용 분야를 갖는다.

대부분의 응용에서, 광 발생을 위해서는 LED의 활성 영역을 형성하는 물질내에서 전자의 직접 대역간 천이(direct electronic band-to-band transitions) 또는 불순물-유도된 간접 대역간 천이(impurity-induced indirect band-to-band transitions)가 사용된다. 이들 경우에, LED의 활성 영역에 대해 선택된 물질의 에너지 갭(energy gap), 즉 LED내에서 광을 발생시키는 역할을 하는 전자 천이(electronic transition)가 일어나는 구역(zone)이 특정 LED의 색상을 결정한다.

특정 물질의 주광 천이(dominant optical transition)의 에너지와 그로 발생된 광의 파장을 이용하려는 또 다른공지 개념은 에너지 갭내에 깊은 트랩(deeptrap)을 생기게 하는 불순물을 포함시키는 것이다. 이 경우에, 주광 천이는 주물질(host material)의 대역-상태(band-state)와 깊은 트랩의 에너지 레벨 사이에서 일어날 수 있다.

따라서, 불순물을 적당히 선택하면 주반도체(host semiconductor)의 에너지 갭 이하의 광자 에너지를 갖는 광 방출(optical radiation)을 일으킬 수 있다.

오늘날에는, LED의 방출 파장을 조정하고 LED의 활성 영역에 대해 III-V족 또는 II-VI족 화합물 반도체 또는 그들의 합금을 사용하는 이들 2가지 개념을 이용하여, 이산적인 방출선(discrete emission lines)을 갖는 근적외선과 청색 사이의 광학 스펙트럼을 포괄할 수 있다.

청색 발광 MIS 다이오드는 GaN 계열에서 실현되었다. 이들의 일례들은 이하에 발표되었다:

- 에이치. 피. 마루스카 등의 "Mg-도핑된 GaN의 자외 발광"(Violet luminescence of Mg-doped GaN) Applied PhysicsLetters, Vol. 22, No. 6, pp. 303-305, 1973.

- 제이. 아이, 팽코프(J. I. Pankove)의 "전기 발광 GaN을 사용하는 청색-녹색 숫자 디스플레이"(Blue-Green NumericDisplay Using Electroluminescent GaN) RCA Review, Vol. 34, pp. 336-343, 1973.

- 엠. 알. 에이치. 칸(M. R. H. Khan) 등의 "GaN의 전기적 특성: Zn MIS형 발광 다이오드"(Electric properties of GaN:Zn MIS-type light emitting diode) Physica B 185, pp. 480-484, 1993.

- 지. 야콥(G. Jacob) 등의 "GaN 전기 발광 소자: 제조 및 연구"(GaNelectroluminescent devices: preparation andstudies) Journal of Luminescence Vol. 17, pp. 263-282, 1978.

- EP-0-579 897 A1: "칼륨 질화물 화합물 반도체의 발광 소자"(Light-emitting device of gallium nitride compoundsemiconductor).

불행히도, 현재의 LED는 여러가지 결함을 갖고있다. LED에서의 발광은 자발적이고, 그리고, 시간적으로 1 내지 10 나노초 정도의 크기에 제한된다. 그러므로, LED 의 변조속도는 또한 LED의 자연 수명에 의해 제한되기도 한다.

따라서, LED 의 성능을 개선하기 위한 시도가 수차례 있었다. 그중 하나가 단파장 청색 반도체 발광장치의 개발이다. 이를 실현하기 위한 특성 재료로는 GaN, InGaN, GaAlN, InGaAlN등과 같은 질화 갈륨계 화합물 반도체가 최근 고려되고 있다.

예컨대, GaN계 재료를 이용하는 반도체 발광장치에 있어서 380 내지 417의 파장을 갖춘 상온 펄스 발진이 확인되었다.

그러나, GaN계 재료를 이용하는 반도체 레이저에 있어서 충분한 특성이 얻어지지 않고, 10 내지 40V의 상온 펄스발진 영역을 위한 임계전압과 값의 변화가 커진다.

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 높음으로써 큰 전압강하가 발생되어 펄스발진이 동작할 때에도 열발생과 금속반응에 의해 반도체층이 열화되게 된다. 치팅(cheating) 값을 고려하여 상온 연속발진은 임계전압이 10V 이하로 감소될 때까지 달성할 수 없다.

더욱이, 레이저 발생에 필요한 전류가 인가될 때, 높은 전류가 국부적으로 흐름과 더불어 캐리어가 활성층에 균일하게 주입될 수 없어, 장치의 순간적인 브레이크다운이 발생된다. 결과적으로, 연속적인 발광이 어렵게 된다.

이러한 GaN계의 발광장치는 p측 전극 접촉저항이 높아 동작전압이 증가된다. 더욱이, p측 전극금속으로서 기능하는 니켈과, p형 반도체층을 형성하는 갈륨이 서로 반응하여 용융되어 전기적 도전성이 저하된다. 결과적으로, 발광을 연속적으로 이루어내기란 매우 어려운 일이다.

그외에도, 단파장의 발광물질로는 SiC, ZnO가 알려져 있다.

그러나, 상기한 SiC, ZnO도 청색발광에 요구되는 화합물 반도체로 사용되기에는 그 화학적 단결정이 매우 불안정하거나, 결정 성정 자체가 어렵다는 단점이 있다. SiC의 경우에는 화학적으로 안정되어 있지만, 실용화하기엔 수명과 휘도가 낮다는 문제가 있다.

한편, ZnO의 경우에는 밴드갭과 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 들뜸 결합 에너지(Excition binding energy)를 갖고 있으므로 차세대 단파장 광소자에 있어서의 소재 물질로서 매우 적합한 물질이라 판단된다.

하지만, 그럼에도 불구하고 상기 ZnO는 p-n 접합으로 제작된 사례가 있긴 하나, 그 발광 효율이 매우 낮아 실제 소자로서의 이용 가능성이 매우 적고, ZnO는 p-타입 물질의 형성이 대단히 어렵다는 문제가 있다.

또한, 적절한 단파장 광소자 물질을 선택한 경우에도 그 제조공정에 있어서의 미차가 단파장 광소자에는 막대한 영향을 미치게 되므로 발광 특성을 향상시키기 위해서는 적합한 제조방법을 택해야만 한다. 하지만, 현재 단파장 광소자에 대한 연구도 매우 미진한 상태이고 그 광소자의 발광특성을 향상시키는 제조방법에 대한 연구도 거의 전무한 실정이므로 광소자 기술의 발전에 큰 문제점이 되고 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 사파이어 기판(Al₂O₃)을 p-타입으로 형성하고, 그 사파이어 기판의 상면에 ZnO 박막을 증착할 때 그 증착온도를 조절함에 의해 안정된 결정결합을 이룸과 더불어 그 발광특성을 향상시킨 증착온도에 따른 단파장 ZnO 발광소자의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 단파장 ZnO 발광소자의 제조방법에서 p-n 접합층을 형성하는 과정을 나타내는 단면도,

도 2a, 2b, 2c, 2d는 본 발명의 일실시예에 따른 단파장 ZnO 발광소자의 증착온도에 따른 가시광 발광특성의 변화치를 도시한 도면이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

2:Al₂O₃기판 4:ZnO층

6:하부전극 8:상부전극

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 ZnO를 주요 재료로 사용한 p-n 접합 발광다이오드의 제조방법에 있어서, p-타입 물질로 사파이어 기판(Al₂O₃)을 형성하는 단계와; 상기 사파이어 기판(Al₂O₃) 상에 n-타입 물질인 ZnO 층을 특정 온도로 증착시키는 단계와; 상기 사파이어 기판(Al₂O₃)과 ZnO층의 상면에 하부전극 및 상부전극을 형성하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 증착온도에 따른 단파장 ZnO 발광소자의 제조방법이 제공된다.

바람직하게, 상기 사파이어 기판(Al₂O₃)의 상면에 ZnO를 증착하는 온도는 650℃ 내지 750℃인 것을 특징으로 하는 증착온도에 따른 단파장 ZnO 발광소자의 제조방법이 제공된다.

보다 바람직하게, 상기 사파이어 기판(Al₂O₃)의 상면에 증착된 ZnO의 사이에서는 청/황색의 가시광선이 발광되는 것을 특징으로 하는 증착온도에 따른 단파장 ZnO 발광소자의 제조방법이 제공된다.

한편, 상기 사파이어 기판(Al₂O₃)의 상면에 ZnO를 증착하는 온도가 400℃일 경우에 상기 사파이어 기판(Al₂O₃)의 상면에 증착된 ZnO의 사이에서는 UV광이 발광되는 것을 특징으로 하는 증착온도에 따른 단파장 ZnO 발광소자의 제조방법이 제공된다.

이하, 본 발명에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 단파장 ZnO 발광소자의 제조방법에서 p-n 접합층을 형성하는 과정을 나타내는 단면도이다.

이를 참조하면, p-타입으로 사용하게 되는 사파이어 기판(Al₂O_3:2)의 상면에 ZnO 소자(4)를 증착시킴으로써 그 ZnO 소자(4)를 사파이어 기판(Al₂O_3:2)에 대한 n-타입영역으로 사용하도록 한다.

이때, 단파장 ZnO 발광소자는 육방정계의 WURTZITE 결합 구조의 형태로서 밴드갭이 3.37eV로 넓고 직접 천이의 특징을 갖는 Ⅱ-Ⅵ족의 반도체인 ZnO를 이용한 p-n 접합 단파장 발광소자이다.

상기 과정에서 형성된 p-타입 기판(예컨대, 사파이어 기판: 2)의 상면에 n-타입으로 ZnO층(4)을 적용하여 메사(Mesa)구조로 증착한다. 이로써, p-n 접합층이 형성되게 되는 데, 이때 상기한 p-타입 기판(사파이어 기판: 2)와 n-타입 층(ZnO :4)층의 접합에 의하여 가시광선이 단지 상기 p-타입 기판(사파이어 기판: 2)과 n-타입 층(ZnO: 4)의 접합으로는 발광되지 않는다.

따라서, 본 발명에서는 상기 p-타입 기판(사파이어 기판: 2)과 n-타입 층(ZnO: 4)의 접합시 그 증착온도의 조절로 인한 발광특성을 고찰하여 소망하는 광색의 가시광선을 발광하는 소자를 제작코자 하는 것이다.

이하, 상기한 단파장 ZnO 발광소자의 증착온도에 따른 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 기술한다.

도 2a, 2b, 2c, 2d는 본 발명의 일실시예에 따른 단파장 ZnO 발광소자의 증착온도에 따른 가시광 발광특성의 변화치를 도시한 도면이다.

이를 참조하면, 본 발명은 단파장 ZnO 발광소자의 증착온도시 그 변화치에 따라 가시광 발광특성을 확인하고, 그에 대한 단파장 ZnO 발광소자의 발광특성을 향상시키도록 한 제조공정이다.

즉, 본 발명은 ZnO를 이용한 가시광 영역의 p-n 접합 발광소자를 형성하기 위한 전단계로서 발광박막의 형성과정에서 증착온도를 변화시켜 그 파장영역을 조절하여 단파장 ZnO 발광소자를 제조하는 방법으로, 일반적인 ZnO는 다양한 자연적 결함을 함유하고 있다.

예컨대, 침입형 Zn의 경우 Conduction band edge에서 -0.05 eV 또는 -0.2 eV가 보고되며, O 공공의 경우 -0.05 eV 혹은 -0.2 eV로 보고되는 경우도 있다. Gopel과 Egelhaaf 등에 의하면 O 공공의 경우 도너로 작용하게 되며 Conduction band edge에서 -0.04 eV 또는 -0.19 eV에 위치하고, Zn 공공의 경우 -2.5 eV 떨어져 있다고 보고된다.

본 발명에서는 상기한 자연적인 결함요소에 대해 증착온도를 조절함으로써 도핑과정 없이도 가시광 발광특성의 조절이 가능하게 된다.

이에 따라, 본 발명에서는 다른 조건을 동일하게 구성하고 300℃∼1000℃ 범위내의 증착온도를 적용시켜 그 발광특성을 고찰한 결과, 400℃ 및 500℃의 증착온도를 적용할 경우에는 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 약 400nm이하에서는 파장에 대한 광밀도 그래프가 선형적이지 못하며 그 이상에서는 거의 발광이 이루어지지 못하게 된다.

도 2c는 박막의 증착온도를 550℃∼650℃로 변화시키면서 발광특성 그래프를 고찰한 것으로, 광밀도가 매우 높은 청색 및 황색의 발광이 이루어진다.

한편, 박막의 증착온도를 650℃∼750℃로 변화시킨 경우에는 550℃∼650℃의 증착온도를 유지할 때와 유사하게 청색 및 황색의 발광이 이루어졌으나, 그 광밀도가 다소 감소된 특성을 보인다.

따라서, 본 발명에 따른 단파장 ZnO 발광소자의 제조에는 박막의 증착온도를550℃∼650℃로 유지하여 증착하는 것이 소망하는 청색발광의 특성이 우수하게 나타난다. 이는 자연적인 결함을 갖는 ZnO 소자를 650℃∼750℃의 증착온도로 증착할 때 그 결함레벨이 밴드갭의 내부에 형성되어 나타난 것이다.

또한, 상기 사파이어 기판(Al₂O₃)의 상면에 ZnO층(4)을 650℃∼750℃의 증착온도로 증착시킨 다음 상기 사파이어 기판(Al₂O₃) 상에는 하부 전극(6)을 형성하고, ZnO(4) 상에 상부 전극(8)을 형성하여 순바이어스 전압을 인가하면 소망하는 청색광이 우수한 발광특성으로 발광된다.

한편, 기판의 온도를 400℃이상으로 증가시키면 UV 영역의 발광은 점차 그 강도가 낮아지게 된다. 이는 약 400℃에서 성장한 박막이 400℃이상에서 성장한 박막보다 더 화학양론적인 박막이라는 것을 알 수 있다.

또한, 아연의 녹는점은 420℃이므로 온도가 증가되면서 아연의 녹는점을 초과함에 따라 아연과 산소가 1:1로 결합하여 증착되기가 난이해진다. 이와 같은 점에 기인하여 산소압을 350 mTorr로 고정시킨 상태에서는 약 400℃의 증착온도에서 가장 양호한 UV 발광특성을 나타낸다.

즉, 단파장 ZnO 발광소자는 그 구조적 특성은 온도를 증가시킴에 따라 점차 증가되었지만 박막의 결정성이 증가된 만큼 UV 특성은 나아지지 못한 것을 볼 때, ZnO 박막의 UV 특성은 박막의 조성에 따라 상이함을 알 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 증착온도에 따른 단파장 ZnO 발광소자의 제조방법은 단지 상기한 실시예에 한정되는 것이 아니라 그 기술적 요지를 이탈하지않는 범위내에서 다양한 변경이 가능하다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 증착온도에 따른 단파장 ZnO 발광소자의 제조방법은 GaN과 유사한 특성을 갖추어 청색발광 혹은 그 보다 더 짧은 파장의 발광을 위한 차세대 단파장 광소자에 있어서의 소재물질로서 매우 적합한 물질이라 판단되는 ZnO를 기반으로 한 LED를 제작하기 위한 전단계에서, ZnO 기반의 단파장 반도체 발광소자의 제조시 특정 증착온도(650℃∼750℃)를 유지시켜 제조된 단파장 ZnO 발광소자는 그 발광특성이 보다 우수해지고, 청색 광밀도가 보다 높아진다는 효과가 있다.

Claims (4)

1. ZnO를 주요 재료로 사용한 p-n 접합 발광다이오드의 제조방법에 있어서,

   p-타입 물질로 사파이어 기판(Al₂O₃)을 형성하는 단계와;

   상기 사파이어 기판(Al₂O₃) 상에 n-타입 물질인 ZnO 층을 특정 온도로 증착시키는 단계와;

   상기 사파이어 기판(Al₂O₃)과 ZnO층의 상면에 하부전극 및 상부전극을 형성하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 증착온도에 따른 단파장 ZnO 발광소자의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 사파이어 기판(Al₂O₃)의 상면에 ZnO를 증착하는 온도는 650℃ 내지 750℃인 것을 특징으로 하는 증착온도에 따른 단파장 ZnO 발광소자의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 사파이어 기판(Al₂O₃)의 상면에 증착된 ZnO의 사이에서는 청/황색의 가시광선이 발광되는 것을 특징으로 하는 증착온도에 따른 단파장 ZnO 발광소자의 제조방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 사파이어 기판(Al₂O₃)의 상면에 ZnO를 증착하는 온도가 400℃일 경우에 상기 사파이어 기판(Al₂O₃)의 상면에 증착된 ZnO의 사이에서는 UV광이 발광되는 것을 특징으로 하는 증착온도에 따른 단파장 ZnO 발광소자의 제조방법.