KR20030001566A - 질화갈륨 분말 제조장치와 그 제조방법 및 그를 이용한전기발광소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기발광(electro luminescence)소자를 제조함에 있어 미세 질화갈륨 분말을 효율적으로 제조하는 장치와 그 방법 및 전기적 절연층을 형성하는 방법과 전기적 절연층이 형성된 질화갈륨 분말을 이용한 전기발광소자에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 질화갈륨 분말을 합성함에 있어 입자의 균일성을 확보하기 위하여 갈륨과 염산(HCl) 가스를 반응시켜 염화갈륨(GaCl) 분말을 200-500℃의 온도에서 가열하여 기화시킨 후 질소가스와 함께 반응관으로 공급하여 암모니아 가스와 함께 800-1100℃의 온도에서 반응시켜 질화갈륨 분말을 합성하고, 표면에 전기적 절연층을 형성한 질화갈륨 분말을 하부 전극 위에 직접 도포하고 그 위에 직접 상부 전극을 형성하여 전기발광소자를 구성하므로써
종래에 비해 소자구조를 간단하게 할 수 있는 장점이 있으며, 또한 소자의 제조공정을 간단화 할 수 있도록 하는 것이다.
Description
본 발명은 전기발광(electro luminescence)소자를 제조함에 있어 미세 질화갈륨 분말을 효율적으로 제조하는 장치와 그 방법 및 전기적 절연층을 형성하는 방법과 전기적 절연층이 형성된 질화갈륨 분말을 이용한 전기발광소자에 관한 것이다.
종래의 전기발광 소자는 도 1 에 도시된 바와 같이 적색, 녹색 및 청색을 발광하는 ZnS, CaS 또는 SrS 등의 화합물에 Mn, Tb, Sm, Ce, Eu 등의 불순물을 첨가한 소재를 유리기판(1)위의 유전체(3)(5) 사이에 삽입하여 발광체(4)를 형성시킴으로써 하부전극(2)과 상부전극(6)의 전계 인가시 적색, 녹색 및 청색의 빛을 방출하게 하거나, 이들 소재를 유전체(3)(5) 사이에 다층으로 적층시켜 백색 발광소자를 제조하고 있다.
질화갈륨은 상온에서의 에너지 갭이 3.9eV로서 적당한 불순물을 첨가하면 불순물을 통한 가시영역의 빛을 방출하게 되고, 이로부터 가시광의 빛을 방출하는 전기발광소자를 제조할 수 있으나 지금까지 질화갈륨을 이용한 발광소자는 유기금속화학증착기술을 이용한 다층양자우물구조의 발광다이오드(light emitting diode: LED)에 대하여만 잘 알려져 있고, 질화갈륨 분말을 이용한 전기발광소자에 대해서는 잘 알려져 있지 않고 있다.
최근 보고된 결과에 의하면, 질화갈륨 분말을 이용하여 백색발광소자를 제조함에 있어서 도 2 와 같이 종래의 전기발광소자와 같이 산화규소 (SiO2)를유전체(3)(5)로 사용하여 산화규소 사이에 질화갈륨 분말을 발광체(4)로 도포하여 소자를 구성하는 기술이 제시되어 있다 (T. Honda et al, IWNS-2000 Proceedings, 331).
또한, 금속 갈륨 (Ga)과 암모니아 (NH3) 가스를 반응시켜 질화갈륨 분말을 합성하는 도중에 염화마그네슘 (MgCl2)을 첨가하는 방법에 의해 청색발광이 현저한 분말을 합성하는 방법이 있으나 (제8회 한국반도체학술대회논문집, 585) 이와 같이 합성된 질화갈륨 분말은 전기적으로는 n형의 전도성을 가지는 관계로 질화갈륨 분말을 전극 사이에 직접 도포하여 전기발광소자를 제조할 수 없기 때문에 도 1 또는 도 2 와 같이 하부전극 위에 산화규소와 같은 전기적 절연층 위에 도포한 후 다시 상부에 전기적 절연층을 형성하고 상부전극을 형성하는 복잡한 공정을 거치게 된다.
본 발명은 표면층이 전기적으로 절연체인 질화갈륨 분말을 제조하고 이를 이용하여 전기발광소자를 제조함에 있어 질화갈륨 분말을 전도성 기판 위에 직접 도포하고, 다시 그 위에 직접 금속 전극을 형성하여도 상부전극과 하부전극이 전기적으로 도통하는 문제가 없게 되어 종래에 비해 소자구조를 간단하게 할 수 있는 장점이 있으며, 또한 소자의 제조공정을 간단화 할 수 있도록 하는 것이다.
제 1 도는 종래의 II-V족 화합물 또는 산화물을 이용한 전기발광소자의 구조
제 2 도는 종래의 질화갈륨 분말을 이용한 전기발광소자의 구조
제 3 도는 질화갈륨 분말을 제조하기 위한 장치의 개략도
제 4 도는 질화갈륨 분말에 절연층을 형성하기 위한 장치의 개략도
제 5 도는 절연층이 형성된 질화갈륨 분말의 상태
제 6 도는 금속 판 위에 절연층이 형성된 질화갈륨 분말을 이용한 전기발광소자의 개략도
제 7 도는 투명전극이 형성된 유리기판 위에 절연층이 형성된 질화갈륨 분말을 이용한 전기발광소자의 개략도
[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]
10 : 반응관 11 : 석영판
12,13,14 : 공급관 20 : 석영관
31 : 하부전극 32 : 투명전극
33 : 질화갈륨분말 34 : 유리기판
본 발명의 질화갈륨(GaN) 분말의 합성 방법에 대하여 살펴본다.
질화갈륨 분말을 합성함에 있어 입자의 균일성을 확보하기 위하여 갈륨과 염산(HCl) 가스를 600-900 ℃의 온도에서 반응시켜 기체상태의 염화갈륨 (GaCl)을 형성한 후 이를 질소가스와 함께 반응관으로 공급하여 암모니아 가스와 함께 800-1100℃의 온도에서 반응시켜 질화갈륨 분말을 합성한다.
또한 염화갈륨(GaCl) 분말을 200-500℃의 온도에서 가열하여 기화시킨 후 질소가스와 함께 반응관으로 공급하여 암모니아 가스와 함께 800-1100℃의 온도에서 반응시켜 질화갈륨 분말을 합성한다.
본 발명의 질화갈륨(GaN)분말의 제조 장치는 도 3 에 도시된 바와같이 질화갈륨 분말이 합성되는 영역에는 질화갈륨 분말의 포집량을 극대화하기 위하여 반응관(10)내에 석영판(11)을 ㄹ자 형태로 가공하여 교번시켜 설치하고, 질화갈륨 분말 입자 크기의 균일화를 위해 염화갈륨의 공급관(12)과 암모니아 가스 공급관(13)을 이중으로 설치하며, 염화갈륨의 공급관(12)과 암모니아 가스 공급관(13)의 외곽에는 질소가스 공급관(14)을 형성하여 질소가스를 빠른 속도로 공급하게 구성한다.
상기된 방식 및 장치에 의해 합성된 질화갈륨 분말은 전기적으로 n-형의 전도성을 가지므로 종래에 비해 간단한 구조의 전기발광소자를 제조할 수 없으므로 본 발명에서는 상기에서 합성된 질화갈륨 분말의 표면에 p-형 불순물을 확산시켜 전기적 절연층을 형성하여 직접 유전체로 사용하는 방법을 적용한다.
상기에서 합성된 질화갈륨 분말의 표면에 전기적 절연층을 형성하기 위하여 도 4 와 같이 질화갈륨 분말과 p-형의 불순물로서 아연 (Zn), 카드늄 (Cd), 마그네슘 (Mg) 금속 분말을 함께 석영관(20)에 넣고 진공상태에서 봉입하여 가열하거나, 알곤 또는 질소와 같은 불활성가스를 흘릴 수 있도록 장치된 석영관(20)에 질화갈륨 분말과 p-형의 불순물로서 아연 (Zn), 카드늄 (Cd), 마그네슘 (Mg) 금속 분말을 함께 넣은 후 가열한다.
이때 석영관(20)의 가열 온도는 600-1100℃로 하며, 석영관(20)을 50-200 rpm의 속도로 회전시켜 질화갈륨 분말의 표면에 아연 (Zn), 카드늄 (Cd), 또는 마그네슘 (Mg)이 균일하게 확산되도록 한다.
이러한 일련의 과정을 거치게 되면 도 5 와 같이 원래에는 n-형의 전도성을 가지는 질화갈륨 분말의 표면은 p-형의 불순물이 확산된 절연층으로 변환되며, 질화갈륨 분말 입자의 내부는 n-형의 전도성을 가지게 된다.
그 이유는 질화갈륨 결정이 형성되는데 있어 질소 원자의 부족으로 인하여 강한 n-형의 전도성을 가지므로 p-형의 불순물이 첨가되더라도 전기적으로 완전한 보상을 일으켜 p-형으로 변환될 수 없는 관계로 전기적으로는 절연성을 가지게 된다.
첨가된 p-형의 불순물은 질화갈륨 결정의 에너지 밴드 갭 내에 불순물 준위를 형성하게 되므로 질화갈륨 고유의 자외영역 발광과 함께 p-형 불순물의 량에 의해 청색, 녹색, 황색 및 적색의 발광이 나타나게 되므로 불순물이 확산된 질화갈륨 분말을 이용하여 백색 빛을 방출하는 전기발광소자를 제작할 수 있다.
이상의 과정에 의하여 제조된 질화갈륨 분말을 이용한 전기발광소자에 대하여 도 6 에 의거 살펴본다.
도 6 에 의하면 종래의 전기발광소자의 구조와는 달리 하부전극(31)으로 사용하게 될 금속판 위에 직접 상기과정을 거쳐 제조된 질화갈륨 분말(33)을 유기용매에 분포시켜 도포하거나, 유기물질에 균일하게 분포시켜 도포한 후 그 위에 ITO (indium tin oxide)와 같은 투명전극(32)을 형성하여 투명전극(32) 방향으로 빛이 방출되는 전기발광소자를 제조할 수 있다.
또한, 도 7 과 같이 ITO와 같은 투명 하부전극(31)이 미리 형성된 유리기판(34) 위에 상기과정을 거쳐 제조된 질화갈륨 분말(33)을 유기용매에 분포시켜 도포하거나, 유기물질에 균일하게 분포시켜 도포한 후 금속으로 상부전극(32)을 직접 형성하여 유리 기판(34) 방향으로 빛이 방출되는 전기발광소자를 제조할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 의해 제조되는 질화갈륨 분말은 표면층이 전기적으로 절연체인 관계로 전도성 기판 위에 직접 도포하고, 다시 그 위에 직접 금속 전극을 형성하여도 상부전극과 하부전극이 전기적으로 도통하는 문제가 없게 되어 종래에 비해 소자구조를 간단하게 할 수 있는 장점이 있으며, 또한 소자의 제조공정을 간단화 할 수 있다.
또한 종래의 전기발광소자는 질화갈륨 분말을 수천 Å 두께의 산화규소 막 사이에 질화갈륨 분말을 도포하는 관계로 높은 전압에 의하여 구동할 수밖에 없었으나, 상기의 과정을 거쳐 제조한 질화갈륨 분말의 표면에 형성되는 절연층의 두께는 수십 Å 이내의 두께로 제어할 수 있기 때문에 전기발광소자의 동작 전압을 낮출 수 있는 장점이 있으며, 상대적으로 두꺼운 산화규소 절연층을 사용하지 않는 관계로 발광효율이 높아지는 장점이 있다.
본 발명은 질화갈륨을 이용하여 백색 전기발광소자를 제작하는데 있어 균일한 입도분포를 가지는 미세 질화갈륨 분말의 제조와 불순물의 확산에 의해 질화갈륨 분말의 표면에 일정한 두께를 가지는 전기적 절연층의 형성이 가능해짐으로써, 하부전극 위에 직접 전기적 절연층이 형성된 질화갈륨 분말을 도포한 후 그 위에 직접 상부전극을 형성하는 것이 가능해져 종래에 비해 간단한 구조의 전기발광소자를 제작하는 것이 가능하며 동작전압을 낮추어 소비전력이 낮아지고 발광효율이 높아지는 효과가 있다.
Claims (9)
- 질화갈륨 분말을 합성함에 있어서, 입자의 균일성을 확보하기 위하여 갈륨과 염산(HCl) 가스를 600-900 ℃의 온도에서 반응시켜 기체상태의 염화갈륨 (GaCl)을 형성한 후 이를 질소가스와 함께 반응관으로 공급하여 암모니아 가스와 함께 800-1100℃의 온도에서 반응시켜 질화갈륨 분말을 합성하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 분말 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 염화갈륨(GaCl) 분말을 200-500℃의 온도에서 가열하여 기화시킨 후 질소가스와 함께 반응관으로 공급하여 암모니아 가스와 함께 800-1100℃의 온도에서 반응시켜 질화갈륨 분말을 합성하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 분말 제조방법.
- 질화갈륨 분말 입자 크기의 균일화를 위해 염화갈륨의 공급관(12)과 암모니아 가스 공급관(13)을 이중으로 설치하며, 염화갈륨의 공급관(12)과 암모니아 가스 공급관(13)의 외곽에는 질소가스를 빠른속도로 공급하는 질소가스 공급관(14)을 형성하고, 질화갈륨 분말이 합성되는 영역에는 질화갈륨 분말의 포집량을 극대화하기 위하여 반응관(10)내에 석영판(11)을 ㄹ자 형태로 가공하여 교번시켜 설치한 것을 특징으로 하는 질화갈륨 분말 제조 장치.
- 제 1 항에서, 합성된 질화갈륨 분말의 표면에 전기적 절연층을 형성하기 위하여 질화갈륨 분말과 아연 (Zn), 카드늄 (Cd), 마그네슘 (Mg) 금속 분말을 석영관에 넣어 함께 회전시키며 가열 반응시켜 질화갈륨 분말의 표면에 p-형의 불순물이 균일하게 확산되도록 하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 분말 제조 방법.
- 제 1 항에서, 질화갈륨 분말의 발광효율 향상을 목적으로 p-형과 n-형의 불순물을 동시에 확산시키기 위하여 질화갈륨 분말과 황화 아연 (ZnS), 황화카드늄 (CdS), 산화아연 (ZnO) 등을 석영관에 넣어 함께 회전시키며 가열하여 질화갈륨 표면에 불순물이 균일하게 확산되도록 하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 분말 제조방법.
- 제 4 항 또는 제 5 항에서, 석영관은 600-1100℃로 가열하며, 50-200 rpm의 속도로 회전시키는 것을 특징으로 하는 질화갈륨 분말 제조 방법.
- 표면에 전기적 절연층이 형성된 질화갈륨 분말을 하부 전극 위에 직접 도포하고 그 위에 직접 상부 전극을 형성한 구조의 전기발광소자.
- 제 7 항에서, 구리 (Cu), 알루미늄 (Al) 판을 하부전극으로 하고 그 위에 직접 질화갈륨 분말을 도포한 후 상부에 직접 반투명성 금속 전극을 형성하는 것과 도포된 질화갈륨 분말 위에 직접 도전성 투명 산화물 전극을 형성하여 상부전극 방향으로 빛이 방출되게 구성한 것을 특징으로 하는 전기발광소자.
- 제 7 항에서, 반투명성 금속 전극 또는 도전성 투명 산화물 전극이 형성된 유리 기판 위에 직접 질화갈륨 분말을 도포한 후 상부에 직접 금속 전극을 형성하여 유리기판 방향으로 빛이 방출되게 구성한 것을 특징으로 하는 전기발광소자.
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