KR20020029040A - 후 열처리온도 조절을 통한 산화아연 박막의 자외선 및가시광 발광 제어방법과 그 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 후 열처리온도 조절을 통한 ZnO 박막의 자외선 및 가시광 발광 제어방법 및 그 발광소자에 관한 것으로, p-n 접합 LED를 형성하기 전의 발광박막 형성단계에서 ZnO 박막에 대한 후열처리온도의 조절을 통해 가시광 파장영역의 발광 세기를 증가시킬 수 있도록 한 후 열처리온도 조절을 통한 ZnO 박막의 가시광 발광 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명은 ZnO를 주요 재료로 사용한 광소자의 발광특성 조절방법에 있어서, 상기 ZnO 박막을 베이스 기판인 사파이어 기판(Al₂O₃)의 상면에 증착하고 1 atm 산소압 하에서 일정 온도 범위내로 열처리를 행하여 가시광의 발광파장 특성을 조절하도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명을 적용하면, ZnO 박막이 소재가 되어 구성된 LED의 개발 및 그 LED의 가시광 발광제어를 효과적으로 수행할 수 있다는 잇점이 있다. 또한, 이러한 ZnO의 결함 조절기술은 차세대 DVD의 핵심 기술이 되는 청자색 광원의 핵심기술로서 부각되는 청자색 LD 제작의 기본 기술을 확보할 수 있다는 잇점이 있다.

Description

후 열처리온도 조절을 통한 산화아연 박막의 자외선 및 가시광 발광 제어방법과 그 발광소자{METHOD FOR CONTROLLING VISIBLE LUMINESCENCE WAVELENGTH OF ZnO ACCORDING TO A HEAT PROCESSING AND LED OF THE SAME}

본 발명은 후 열처리온도 조절을 통한 ZnO 박막의 가시광 발광 제어방법 및 그 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게 직접천이 특징을 갖는 ZnO 박막을 발광 소자의 후열처리 온도조절을 통해 특정 가시광영역의 발광세기를 증가시키기 위한후 열처리온도 조절을 통한 ZnO 박막의 가시광 발광 제어방법 및 그 발광소자에 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"(GaN electroluminescent devices: preparation andstudies) Journal of Luminescence Vol. 17, pp. 263-282, 1978.

- EP-0-579 897 A1: "갈륨 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 여기자 결합 에너지(Exciton 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.

최근의 연구에 의하면 ZnO는 UV발광에만 그 초점이 맞춰져 연구된 바가 있으나 가시광 영역에서의 발광을 광소자로서 응용하기 위한 연구는 매우 미흡한 실정이고, 소자의 제작에 있어서도 ZnO를 기반으로한 p-n 접합의 사례는 있으나 이 또한 발광 효율이 매우 낮기 때문에 실제 소자의 제작으로는 적합하지 못하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 사정을 감안하여 이루어진 것으로, p-n 접합 LED를 형성하기 전의 발광박막 형성단계에서 ZnO 박막에 대한 후열처리온도의 조절을 통해 가시광 파장영역의 발광 세기를 증가시킬 수 있도록 한 후 열처리온도 조절을 통한 ZnO 박막의 가시광 발광 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 후 열처리온도 조절을 통한 ZnO 박막의 가시광 발광 제어를 위해 사파이어 기판에 펄스 레이저 증착된 ZnO 박막을 도시한 도면,

도 2a∼2e는 본 발명의 일실시예에 따른 ZnO 박막에 대한 후 열처리온도별 가시광 발광특성의 변화치를 각각 도시한 그래프이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10:사파이어 기판(Al₂O₃), 20:ZnO박막.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 ZnO를 주요 재료로 사용한 광소자의 발광특성 조절방법에 있어서, 상기 ZnO 박막을 베이스 기판인 사파이어 기판(Al₂O₃)의 상면에 증착하고 1 atm 산소압 하에서 일정 온도 범위내로 열처리를 행하여 가시광의 발광파장 특성을 조절하도록 하는 것을 특징으로 하는 후열처리온도 조절을 통한 ZnO 박막의 가시광 발광 제어방법이 제공된다.

바람직하게, 상기 사파이어 기판상에 ZnO 박막을 증착시킨 다음, 490nm∼540nm에서의 가시광 발광세기를 증대시키기 위해 800℃의 후열처리를 행하는 것을 특징으로 하는 후열처리온도 조절을 통한 ZnO 박막의 가시광 발광 제어방법이 제공된다.

보다 바람직하게, 상기 후열처리로 인한 가시광은 ZnO 박막의 표면상에서 발광되는 것을 특징으로 하는 후열처리온도 조절을 통한 ZnO 박막의 가시광 발광 제어방법이 제공된다.

이하, 본 발명에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 후 열처리온도 조절을 통한 ZnO 박막의 가시광 발광 제어를 위해 사파이어 기판에 펄스 레이저 증착된 ZnO 박막을 도시한 도면이다.

이를 참조하면, 사파이어 기판(Al₂O₃; 10)의 상면에 공지의 펄스 레이저 증착법(PLD: Pulsed laser deposition)을 이용하여 ZnO 박막(20)을 증착시킨다.

사파이어 기판(Al₂O₃; 10)의 상면에 ZnO박막(20)이 증착 완료된 상태에서, 그ZnO 박막(20)에 레이저를 방사하면, 레이저 파장이 상기 ZnO 박막(20)에 흡수되어 그 ZnO 박막(20)의 표면에서 발광이 이루어진다.

도 2a∼2e는 본 발명의 일실시예에 따른 ZnO 박막에 대한 후 열처리온도별 가시광 발광특성의 변화치를 각각 도시한 그래프이다.

이를 참조하면, 도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 400℃의 후열처리를 가한 ZnO 박막의 발광특성을 나타내는 그래프인 것으로, ZnO 박막(20)의 증착후, 열처리 온도 400℃로 ZnO 박막(20)에 열처리를 행하면 고유의 발광영역인 380nm 근처의 자외선 발광 특성을 나타내었고, 가시광의 발광 세기는 자외선 영역의 발광 세기보다 더 적음을 확인할 수 있었다.

도 2b와 도 2c는 본 발명의 일실시예에 따른 500℃ 및 600℃의 후열처리를 가한 ZnO 박막의 발광특성을 나타내는 그래프인 것으로, ZnO 박막(20)의 증착후, 열처리 온도 500℃와 600℃로 각각 ZnO 박막(20)에 열처리를 행하면 자외선 고유의 발광영역인 380nm 근처의 발광 특성은 감소되었고, 가시광 영역의 범위가 450nm에서 680nm까지 광범위하게 걸쳐 확인되었다. 하지만, 후열처리 온도 500℃와 600℃에서는 광밀도가 상대적으로 작음을 확인할 수 있었다.

또한, 도 2d는 본 발명의 일실시예에 따른 700℃의 후열처리를 가한 ZnO 박막의 발광특성을 나타내는 그래프인 것으로, ZnO 박막(20)의 증착후, 열처리 온도 700℃로 각각 ZnO 박막(20)에 열처리를 행하면 자외선 고유의 발광영역인 380nm 근처의 발광 특성은 매우 미소하며, 가시광 영역의 범위가 490nm에서 540nm까지 광범위하게 걸쳐 높은 발광세기를 나타냄이 확인되었다.

또, 도 2e는 본 발명의 일실시예에 따른 800℃의 후열처리를 가한 ZnO 박막의 발광특성을 나타내는 그래프인 것으로, ZnO 박막(20)의 증착후, 열처리 온도 800℃로 각각 ZnO 박막(20)에 열처리를 행하면 자외선 고유의 발광영역인 380nm 근처의 발광 특성은 거의 확인되지 않았으며, 가시광 영역의 범위가 490nm에서 540nm(녹색 발광영역)까지 광범위하게 걸쳐 우세한 발광으로의 전이를 확인할 수 있었다.

또한 후열처리 온도가 400℃에서 800℃까지 증가함에 따라 자외선 영역의 발광의 세기는 계속해서 줄어듬을 알 수 있었다.

따라서, 상기한 후열처리를 통한 발광제어방법은 상기 ZnO 박막(20)을 기반으로 한 LED를 제작하기 위한 전단계로서, ZnO 기반의 LED는 디스플레이에 있어서 청색 및 고출력 가시광 발광소자의 소재를 위해 ZnO 박막(20)의 증착후, 열처리를 통한 자외선 및 가시광 발광 제어방법을 제시할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 후 열처리온도 조절을 통한 ZnO 박막의 가시광 발광 제어방법 및 그 발광소자은 단지 상기한 실시예에 한정되는 것이 아니라 그 기술적 요지를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변경이 가능하다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 후 열처리온도 조절을 통한 ZnO 박막의 가시광 발광 제어방법 및 그 발광소자은 ZnO 박막이 소재가 되어 구성된 LED의 개발 및 그 LED의 가시광 발광제어를 효과적으로 수행할 수 있다는 잇점이 있다. 또한, 이러한 ZnO의 결함 조절기술은 차세대 DVD의 핵심 기술이 되는 청자색 광원의핵심기술로서 부각되는 청자색 LD 제작의 기본 기술을 확보할 수 있다는 잇점이 있다.

Claims (3)

1. ZnO를 주요 재료로 사용한 광소자의 발광특성 조절방법에 있어서,

   상기 ZnO 박막을 베이스 기판인 사파이어 기판(Al₂O₃)의 상면에 증착하고 일정 온도 범위내로 열처리를 행하여 가시광의 발광파장 특성을 조절하도록 하는 것을 특징으로 하는 후열처리온도 조절을 통한 ZnO 박막의 자외선 및 가시광 발광 제어방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 사파이어 기판상에 ZnO 박막을 증착시킨 다음, 490nm∼540nm에서의 가시광 발광세기를 증대시키기 위해 800℃의 후열처리를 행하는 것을 특징으로 하는 후열처리온도 조절을 통한 ZnO 박막의 가시광 발광 제어방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 후열처리로 인한 자외선 및 가시광 발광이 가능한 ZnO 박막과 이를 이용한 발광소자.