KR20080008306A - The uv led with manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 자외선 발광소자와 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발광소자인 LED 중 청색 발광소자를 구성하는 질화갈륨(GaN)계 물질 대신 차세대 발광소자인 산화아연(ZnO)계 물질을 이용해 n형 박막층 및 p형 박막층을 구성함과 아울러, 상기 n형 박막층과 p형 박막층에 갈륨(Ga)과 비소(As)의 불순물를 첨가하고, 양자장벽과 양자우물 구조의 다양자우물층에 베릴륨(Be)과 마그네슘(Mg)이 포함된 산화아연(ZnO)계 물질을 주기적으로 겹쳐 적층시킨 구조로 구성함으로써, 종래 청색 발광소자에 사용되는 질화갈륨(GaN)계 물질에 의한 발광소자의 한계를 극복하여 우수한 청색 발광을 이룰 수 있도록 함과 아울러, 자외선 발광에까지 산화아연(ZnO)계 물질을 사용영역을 확대하여 다양한 응용으로 삶의 질을 향상시킬 수 있도록 한 청색 및 자외선 발광소자와 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an ultraviolet light emitting device and a method of manufacturing the same, and more particularly, using a zinc oxide (ZnO) material as a next generation light emitting device instead of a gallium nitride (GaN) based material constituting a blue light emitting device among LEDs. In addition to the n-type thin film layer and the p-type thin film layer, impurities of gallium (Ga) and arsenic (As) are added to the n-type thin film layer and the p-type thin film layer, and the beryllium (Variation Well layer) of the quantum barrier and the quantum well structure By overly stacking zinc oxide (ZnO) -based materials containing Be) and magnesium (Mg), it overcomes limitations of light-emitting devices by gallium nitride (GaN) -based materials used in conventional blue light-emitting devices. Blue and ultraviolet light emitting devices to improve the quality of life through various applications by expanding the use area of zinc oxide (ZnO) materials to ultraviolet light, And to a method of manufacturing the same.
일반적으로, LED(Light Emitting Diode)란 발광다이오드 또는 발광소자로 불려지며, 전기를 통해 주면 전자가 에너지 레벨이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하며 특정한 파장의 빛을 내는 반도체 소자를 말한다.In general, an LED (Light Emitting Diode) is called a light emitting diode or a light emitting device, and when given through electricity, electrons move from a high energy level to a low place and emit a light of a specific wavelength.
이와 같은 LED는 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화된 것을 시작으로 GaP-N 계열의 녹색 LED와 함께 지금까지 정보통신기기를 비롯한 전자장치의 표시용 광으로 이용되어 왔으며, 1990년대 중반 이후 GaN 청색 LED가 개발되면서 총 천연색 디스플레이가 가능하게 되었다.Such LEDs have been commercialized as red LEDs using GaAsP compound semiconductors in 1962, along with GaP-N series green LEDs, and have been used as display light for electronic devices including information and communication devices. The development of GaN blue LEDs enables full color displays.
상기 LED의 대표적인 이용분야로는 핸드폰의 액정표시소자와 키 패드용 백 라이트를 들 수 있으며, 이외에도 옥외용 대형 전광판, 교통 신호등, 자동차 계기판 및 후미등, 항만, 공항, 고층 빌딩의 경고 및 유도등과 같은 다양한 곳에 사용되고 있다.Representative applications of the LED include a back light for a liquid crystal display device and a keypad of a mobile phone, and in addition to a variety of outdoor large billboards, traffic signals, automobile dashboards and taillights, ports, airports, skyscrapers, warning and induction It is used in place.
또한, LED는 반도체의 빠른 처리 속도와 낮은 전력 소모 등의 장점과 함께 환경 친화적이면서도 에너지 절약 효과가 높아서 차세대 국가 전략 품목으로 꼽히고 있다.In addition, LED is regarded as a next-generation national strategic item because of its advantages such as high processing speed and low power consumption of semiconductors, and environmentally friendly and high energy saving effect.
이와 같은 LED의 경우 적색-녹색-청색 순으로 개발되었는데, 이 때 상기 적색의 파장은 700nm대, 녹색의 파장은 565nm대, 청색의 파장은 400∼450nm대의 짧은 파장일 때 보이게 되지만, 이러한 파장이 짧을수록 빛을 만들어 내는 화합물 반도체의 개발이 어려운 문제점이 있었으나 1990년 일본의 니치아화학공업의 나카무라 연구팀에서 질화갈륨(GaN)을 이용한 450nm 이하의 짧은 파장을 가진 고휘도 청색 LED 개발에 성공을 이루게 되었다.Such LEDs were developed in the order of red-green-blue, where the red wavelength is 700 nm, the green wavelength is 565 nm, and the blue wavelength is short when the wavelength is 400-450 nm. The shorter it was, the more difficult it was to develop compound semiconductors that produce light.However, in 1990, Nakamura's research team at Nichia, Japan, succeeded in developing a high-brightness blue LED with a short wavelength of less than 450nm using gallium nitride (GaN).
이러한 질화갈륨(GaN)계의 청색 LED를 살펴보면, 사파이어 기판 위에 n-GaN 질화물 반도체층인 n형 박막층을 성장시킨 후, 전자(-)와 정공(+)이 결합하여 광을 방출할 수 있는 InGaN/GaN 질화물 다양자우물 구조의 활성층을 형성하고, 다시 p- GaN 질화물 반도체층인 p형 박막층을 성장시킨다.Looking at the gallium nitride (GaN) -based blue LED, an n-type thin film layer, which is an n-GaN nitride semiconductor layer, is grown on a sapphire substrate, and then InGaN capable of emitting light by combining electrons (-) and holes (+). An active layer of a / GaN nitride divergent well structure is formed, and then a p-type thin film layer, which is a p-GaN nitride semiconductor layer, is grown.
그 다음, n형 박막층의 일부를 노출시켜 전극을 형성하기 위하여 사진 석판술을 이용한 메사 식각을 행한 후, 메사 식각을 한 영역의 n-GaN 질화물 반도체층인 n형 박막층의 상부에 n-형 전극을 형성하고, p-GaN 질화물 반도체층인 p형 박막층 위에 빛이 투과할 수 있는 얇은 p-형 금속막을 입히고, 다시 그 p-형 금속 막(16)의 상부에 두꺼운 p-형 전극을 증착하여 구성된다.Then, a mesa etching is performed using photolithography to expose a portion of the n-type thin film layer, and then the n-type electrode on the n-type thin film layer, which is an n-GaN nitride semiconductor layer in the mesa-etched region. Form a thin p-type metal film through which light can pass through the p-type thin film layer, which is a p-GaN nitride semiconductor layer, and deposit a thick p-type electrode on top of the p-type metal film 16. It is composed.
하지만, 상기와 같이 구성된 질화갈륨(GaN)계 청색 LED의 경우 질화갈륨(GaN) 물질이 가지고 있는 에너지 띠가 약 3.39eV 이고, 형광체와 함께 이용하여 백색 조명을 위한 발광소자로 대두되었으나, 상기 질화갈륨(GaN) 물질은 계속적인 연구에도 p형 박막층의 향상이 어려울 뿐 아니라 물질과 제조방식에서 더 이상의 발전이 어려운 문제점이 있었다.However, in the case of the gallium nitride (GaN) -based blue LED configured as described above, the energy band of the gallium nitride (GaN) material is about 3.39 eV, and it has emerged as a light emitting device for white illumination using a phosphor, but the nitride The gallium (GaN) material is not only difficult to improve the p-type thin film layer, but also difficult to further development in the material and manufacturing method.
이에 상기 청색 LED의 p형 박막층을 이루는 질화갈륨(GaN)계 물질 대신에 산화아연(ZnO)계 물질이 대안적으로 떠오르게 되었는데, 상기한 산화아연(ZnO)계 물질의 에너지 띠 값이 상온에서 약 3.37eV 임에 따라 관련 물질과 화합하여 에너지 띠를 좁힐 경우 백색 발광에 필요한 파랑색 영역의 발광이 매우 유리하며, 또한 에너지 띠를 넓혀 가면 자외선 영역의 발광을 유도할 수 있어 그 쓰임이 매우 다양하다 할 수 있다.Therefore, instead of gallium nitride (GaN) based materials forming the p-type thin film layer of the blue LED, zinc oxide (ZnO) based materials have emerged alternatively, and the energy band value of the zinc oxide (ZnO) based materials is about room temperature. When the energy band is narrowed to 3.37 eV, it is very advantageous to emit light in the blue area necessary for white light emission, and the energy band can be induced to emit light in the ultraviolet area when the energy band is widened. can do.
특히, 산화아연(ZnO)계 물질은 엑시톤 바인딩 에너지가 60meV 로 현재 발광소자의 주역인 질화갈륨(GaN)(28meV)에 비해 이론적으로 더 좋은 특성을 가지고 있어 그 미래가 기대되는 물질이라 하겠다.In particular, the zinc oxide (ZnO) -based material has an exciton binding energy of 60 meV, which is theoretically better than that of gallium nitride (GaN) (28 meV), which is the main light emitting device.
그러나, 상기와 같은 이론적 특성을 가지고 있는 산화아연(ZnO)계 물질의 경우 연구가 지속되어 왔음에도 불구하고 발광소자로 사용되지 못하였던 것은 발광소자를 구성하기 위한 구조에서 불순물 첨가에 의한 p형 박막층의 제조가 어려웠기 때문이며, 이에 대한 연구가 계속되어지고 있는 실정이다.However, in the case of zinc oxide (ZnO) -based material having the above theoretical characteristics, although it has been continuously studied, it has not been used as a light emitting device is a p-type thin film layer by the addition of impurities in the structure for constituting the light emitting device This is because the manufacturing of the difficult, the situation is continuing to study.
상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위하여 안출된 본 발명은, 발광소자인 LED 중 청색 발광소자를 구성하는 질화갈륨(GaN)계 물질 대신 차세대 발광소자인 산화아연(ZnO)계 물질을 이용해 n형 박막층 및 p형 박막층을 구성함과 아울러, 상기 n형 박막층과 p형 박막층에 갈륨(Ga)과 비소(As)의 불순물를 첨가하고, 양자장벽과 양자우물 구조의 다양자우물층에 베릴륨(Be)과 마그네슘(Mg)이 포함된 산화아연(ZnO)계 물질을 주기적으로 겹쳐 적층시킨 구조로 구성함으로써, 종래 청색 발광소자에 사용되는 질화갈륨(GaN)계 물질에 의한 발광소자의 한계를 극복하여 우수한 청색 발광을 이룰 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.The present invention devised to solve the above problems, n-type using a zinc oxide (ZnO) -based material of the next-generation light-emitting device instead of gallium nitride (GaN) -based material constituting a blue light emitting device of the light emitting device LED In addition to forming a thin film layer and a p-type thin film layer, impurities of gallium (Ga) and arsenic (As) are added to the n-type thin film layer and the p-type thin film layer, and beryllium (Be) to the quantum well structure and the manifold well layer having a quantum well structure. And a zinc oxide (ZnO) -based material containing magnesium and magnesium (Mg), which is periodically stacked on top of each other, to overcome the limitations of the light-emitting device due to the gallium nitride (GaN) -based material used in conventional blue light emitting devices. The purpose is to enable blue light emission.
또한, 본 고안의 청색 발광소자에 적용된 산화아연(ZnO)계 물질을 자외선 발광에까지 사용영역을 확대함으로써, 다양한 응용으로 삶의 질을 향상시킬 수 있도록 하는데 또 다른 목적이 있다.In addition, by expanding the use area of the zinc oxide (ZnO) -based material applied to the blue light emitting device of the present invention to ultraviolet light emission, there is another object to improve the quality of life in a variety of applications.
본 발명의 자외선 발광소자는, 산화아연(ZnO)계 자외선 발광소자에 있어서;The ultraviolet light emitting device of the present invention is a zinc oxide (ZnO) ultraviolet light emitting device;
기판과; 전원 공급에 따라 전자(-)를 활성층에 공급하는 n형 박막층과; 전원 공급에 따라 정공(+)을 활성층에 공급하는 p형 박막층과; 상기 n형 박막층과 p형 박막층 사이에 양자장벽 및 양자우물 구조의 활성층을 이뤄 상기 전자(-)와 정공(+)의 결합을 통해 광이 방출되는 다양자우물층과; 상기 n형 박막층과 p형 박막층에 각기 형성되어 외부 전원이 상기 n형 박막층과 p형 박막층에 공급되도록 하는 n형 전극 및 p형 전극으로 구성되되;A substrate; An n-type thin film layer for supplying electrons (-) to the active layer in accordance with a power supply; A p-type thin film layer for supplying holes (+) to the active layer according to a power supply; A multi-well layer forming an active layer between the n-type thin film layer and the p-type thin film layer and an active layer having a quantum well structure and emitting light through a combination of electrons (+) and holes (+); A n-type electrode and a p-type electrode which are respectively formed in the n-type thin film layer and the p-type thin film layer to allow external power to be supplied to the n-type thin film layer and the p-type thin film layer;
상기 산화아연(ZnO)계 발광소자의 자외선을 이루기 위한 활성층 구조인 다양자우물층의 형성시 상기 양자장벽의 물질을 Zn1 - YBeYO 또는 Zn1 -X- YMgXBeYO의 화합물을 이용하고, 상기 양자우물의 물질을 ZnO의 화합물을 이용하여 양자장벽의 물질과 양자우물의 물질이 상호 주기적으로 겹쳐 적층되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.The material of the quantum barrier layer is formed of Zn 1 - Y Be Y O or Zn 1 -X- Y Mg X Be Y O during the formation of the multi-well layer, which is an active layer structure for forming ultraviolet rays of the zinc oxide (ZnO) -based light emitting device. By using a compound, the material of the quantum well is characterized by consisting of a structure in which the material of the quantum barrier and the material of the quantum well are periodically overlapped with each other using a compound of ZnO.
또한, 상기 산화아연(ZnO)계 발광소자의 자외선을 이루기 위한 활성층 구조인 다양자우물층의 형성시 상기 양자장벽의 물질을 Zn1 - YBeYO, Zn1 -X- YMgXBeYO, Zn1 -XMgXO 중 어느 하나의 화합물을 이용하고, 상기 양자우물의 물질을 양자장벽의 물질과 동일한 물질로 하여 양자장벽의 물질과 양자우물의 물질이 상호 주기적으로 겹쳐 적층되는 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다. 상기 x와 y값은 0보다 크거나 같고 1보다 작거나 같다.In addition, the material of the quantum barrier is formed when Zn 1 - Y Be Y O, Zn 1 -X- Y Mg X Be Y when forming a multi-well layer that is an active layer structure for forming ultraviolet rays of the zinc oxide (ZnO) -based light emitting device By using a compound of any one of O, Zn 1 -X Mg X O, the material of the quantum well is made of the same material as the material of the quantum barrier and the material of the quantum barrier and the material of the quantum well are periodically stacked Characterized in that consisting of. The x and y values are greater than or equal to 0 and less than or equal to 1.
그리고, 상기 산화아연(ZnO)계 발광소자의 자외선 계열의 경우 n형 박막층과 p형 박막층에는 산화아연(ZnO)에 각각 마그네슘(Mg), 베릴륨(Be) 중 어느 하나를 첨가하되 상기 활성층인 다양자우물층의 구조에 따라 마그네슘(Mg) 또는 베릴륨(Be)의 양이 조절되는 것을 특징으로 한다.In the ultraviolet-based series of the zinc oxide (ZnO) -based light emitting device, one of magnesium (Mg) and beryllium (Be) is added to the zinc oxide (ZnO) to the n-type thin film layer and the p-type thin film layer, respectively. The amount of magnesium (Mg) or beryllium (Be) is controlled according to the structure of the well layer.
이상과 같이 구성된 본 발명의 청색 및 자외선 발광소자에 있어, 상기 양자장벽의 물질과 양자우물의 물질이 주기적으로 겹쳐 적층되어 다양자우물층 구조는 5 내지 10 주기로 이루어진 것을 특징으로 한다.In the blue and ultraviolet light emitting devices of the present invention configured as described above, the material of the quantum barrier and the material of the quantum well are periodically stacked so that the multi-well layer structure has 5 to 10 cycles.
또한, 본 발명의 청색 및 자외선 발광소자에 있어, 상기 양자장벽 물질과 양자우물 물질의 화합물은 분자선 에피택셜 방식에 의해 성장 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, in the blue and ultraviolet light emitting devices of the present invention, the compound of the quantum barrier material and the quantum well material is characterized in that the growth by the molecular beam epitaxial method.
그리고, 본 발명의 청색 및 자외선 발광소자에 있어, 상기 기판은 산화아연(ZnO)계 발광소자와 동종의 산화아연(ZnO)으로 형성되되, 단결정 또는 다결정으로 이루어지거나 또는 산화아연(ZnO)과 격자상수가 유사한 GaN/Al2O3, SiC, GaN 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.In the blue and ultraviolet light emitting devices of the present invention, the substrate is formed of zinc oxide (ZnO) of the same kind as the zinc oxide (ZnO) light emitting device, and is made of single crystal or polycrystal, or zinc oxide (ZnO) and lattice. Characterized in that the constant is made of any one of the similar GaN / Al 2 O 3 , SiC, GaN.
또한, 상기 기판은 격자상수와 무관한 비정질의 물질로 이루어진 것을 특징으로 한다.In addition, the substrate is characterized in that consisting of an amorphous material irrelevant to the lattice constant.
이와 더불어, 본 발명의 청색 및 자외선 발광소자에 있어, 상기 n형 박막층에는 산화아연(ZnO)의 화합물에 n형을 이루기 위한 불순물로 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 인듐(In) 중 어느 하나가 첨가되고, 상기 p형 박막층에는 산화아연(ZnO)의 화합물에 p형을 이루기 위한 불순물로 비소(As), 안티몬(Sb), 질소(N), 인(P) 중 어느 하나가 첨가된 것을 특징으로 한다.In addition, in the blue and ultraviolet light emitting devices of the present invention, the n-type thin film layer includes any one of gallium (Ga), aluminum (Al), and indium (In) as impurities for forming n-type in the compound of zinc oxide (ZnO). One is added, and any one of arsenic (As), antimony (Sb), nitrogen (N), and phosphorus (P) is added to the p-type thin film layer as an impurity for forming p-type to the zinc oxide (ZnO) compound. It is characterized by.
그 다음으로, 본 발명에 따른 자외선 발광소자의 제조방법은, 자외선 발광을 위한 발광소자의 제조방법에 있어서;Next, the manufacturing method of the ultraviolet light emitting device according to the present invention, in the manufacturing method of the light emitting device for ultraviolet light emission;
산화아연(ZnO), SiC, GaN/Al2O3 중 어느 하나를 이용해 기판을 형성하는 단계와; 전원 공급에 따라 전자(-)를 활성층에 공급되도록 Zn1 -X- YMgXBeYO에 n형을 위한 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 인듐(In)의 불순물 중 어느 하나를 첨가하여 기판 위에 n 형 박막층을 500nm∼1000nm의 두께로 형성시키는 단계와; 상기 n형 박막층 위에 양자장벽 및 양자우물 구조의 활성층을 이뤄 n형 박막층과 p형 박막층으로부터 공급되는 전자(-)와 정공(+)의 결합을 통해 광이 방출되도록 Zn1 - XMgXO, Zn1 - YBeYO, Zn1 -X-YMgXBeYO 중 어느 하나의 양자장벽 물질과 Zn1 - ZCdZO, ZnSeO, ZnO 중 어느 하나의 양자우물 물질이 상호 주기적으로 겹쳐져 다양자우물층을 형성하는 단계와; 전원 공급에 따라 정공(+)을 활성층에 공급되도록 Zn1 -X- YMgXBeYO에 p형을 위한 비소(As), 안티몬(Sb), 질소(N), 인(P)의 불순물 중 어느 하나를 첨가하여 다양자우물층 위에 p형 박막층을 100nm∼300nm의 두께로 형성시키는 단계와; 상기 n형 박막층과 p형 박막층에 n형 전극과 p형 전극을 형성시키는 단계를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다. 상기 x,y,z의 각각의 값은 모두다 0보다 크거나 같고 1보다는 작거나 같다. Zinc Oxide (ZnO), SiC, GaN / Al 2 O 3 Forming a substrate using any one of; According to the power supply, any one of the impurities of gallium (Ga), aluminum (Al) and indium (In) for n-type is added to Zn 1 -X- Y Mg X Be Y O to supply electrons (-) to the active layer. Forming an n-type thin film layer on the substrate to a thickness of 500 nm to 1000 nm; Zn 1 - X Mg X O, forming an active layer of quantum barrier and quantum well structure on the n-type thin film layer to emit light through the combination of electron (-) and hole (+) supplied from the n-type thin film layer and p-type thin film layer, The quantum barrier material of any one of Zn 1 - Y Be Y O and Zn 1 -XY Mg X Be Y O and the quantum well material of any one of Zn 1 - Z Cd Z O, ZnSeO and ZnO periodically overlap each other Forming a well layer; Impurities of arsenic (As), antimony (Sb), nitrogen (N) and phosphorus (P) for p-type in Zn 1 -X- Y Mg X Be Y O to supply holes (+) to the active layer according to the power supply Adding any one to form a p-type thin film layer on a variety well layer with a thickness of 100 nm to 300 nm; And forming an n-type electrode and a p-type electrode in the n-type thin film layer and the p-type thin film layer. Each value of x, y, and z is all greater than or equal to 0 and less than or equal to 1.
본 발명의 발광소자 및 그 제조방법은, 발광소자인 LED 중 청색 발광소자를 구성하는 질화갈륨(GaN)계 물질 대신 차세대 발광소자인 산화아연(ZnO)계 물질을 이용해 n형 박막층 및 p형 박막층을 구성함과 아울러, 상기 n형 박막층과 p형 박막층에 갈륨(Ga)과 비소(As)의 불순물를 첨가하고, 양자장벽과 양자우물 구조의 다양자우물층에 베릴륨(Be)과 마그네슘(Mg)이 포함된 산화아연(ZnO)계 물질을 주기적으로 겹쳐 적층시킨 구조로 구성함으로써, 종래 청색 발광소자에 사용되는 질화갈륨(GaN)계 물질에 의한 발광소자의 한계를 극복하여 우수한 청색 발광을 이룰 수 있는 등의 탁월한 효과가 있다.The light emitting device of the present invention and a method of manufacturing the same using an n-type thin film layer and a p-type thin film layer using a zinc oxide (ZnO) -based material as a next-generation light emitting device instead of a gallium nitride (GaN) -based material constituting a blue light emitting device among LEDs In addition, impurities of gallium (Ga) and arsenic (As) are added to the n-type thin film layer and the p-type thin film layer, and beryllium (Be) and magnesium (Mg) are added to the various well layers having a quantum barrier structure and a quantum well structure. By constructing a structure in which the zinc oxide (ZnO) -based material is periodically overlapped and laminated, the blue light emitting device can overcome the limitations of the light-emitting device due to the gallium nitride (GaN) -based material used in the conventional blue light emitting device, thereby achieving excellent blue light emission. There is such an excellent effect.
또한, 본 고안의 청색 발광소자에 적용된 산화아연(ZnO)계 물질을 자외선 발광에까지 사용영역을 확대함으로써, 다양한 응용으로 삶의 질을 향상시킬 수 있는 등의 효과 역시 있다.In addition, by expanding the use area of the zinc oxide (ZnO) -based material applied to the blue light emitting device of the present invention to ultraviolet light emission, there is also an effect such as to improve the quality of life in a variety of applications.
이하, 본 발명의 자외선 발광소자와 그 제조방법을 도면과 대비하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the ultraviolet light emitting device of the present invention and a method of manufacturing the same will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 산화아연(ZnO)계 발광소자를 개략적으로 나타낸 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 발광소자 중 자외선계열의 활성층인 다양자우물층의 확대도를 나타낸 것이다. 또한, 도 3은 도 2에 도시된 자외선계열 다양자우물층의 또 다른 실시예도를 나타낸 것이며, 도 4은 자외선계열 다양자우물층의 에너지 띠 비교를 나타낸 상태도이다.1 is a schematic view showing a zinc oxide (ZnO) -based light emitting device of the present invention, Figure 2 is an enlarged view of a multi-well well layer of the ultraviolet light active layer of the light emitting device shown in FIG. In addition, Figure 3 shows another embodiment of the UV-based diversified well layer shown in Figure 2, Figure 4 is a state diagram showing the energy band comparison of the UV-based diversified well layer.
우선, 본 발명의 발광소자와 그 제조방법에 대하여 상세히 설명하기에 앞서, 먼저 본 발명의 발광소자에 대하여 상세히 설명한다.First, before describing the light emitting device of the present invention and the manufacturing method thereof in detail, first, the light emitting device of the present invention will be described in detail.
이에 따른 본 발명의 발광소자에 있어 자외선 발광소자는, 도 1에 도시된 청색 발광소자의 구성과 마찬가지로 기판(10)과; 전원 공급에 따라 전자(-)를 활성층에 공급하는 n형 박막층(20)과; 전원 공급에 따라 정공(+)을 활성층에 공급하는 p형 박막층(40)과; 상기 n형 박막층(20)과 p형 박막층(40) 사이에 양자장벽(32a) 및 양자우물(34a) 구조의 활성층을 이뤄 상기 전자(-)와 정공(+)의 결합을 통해 광이 방출되는 다양자우물층(30a)과; 상기 n형 박막층(20)과 p형 박막층(40)에 각기 형성되어 외부 전원이 상기 n형 박막층(20)과 p형 박막층(40)에 공급되도록 하는 n형 전극(22) 및 p형 전극(42)으로 구성되어 있으며, 특히 상기 산화아연(ZnO)계 발광소자의 자외선을 이루기 위한 활성층 구조인 다양자우물층(30a)의 형성시 도 2에 도시한 바와 같이 상기 양자장벽(32a)의 물질을 Zn1 - YBeYO 또는 Zn1 -X- YMgXBeYO의 화합물을 이용하고, 상기 양자우물(34a)의 물질을 ZnO의 화합물을 이용하여 양자장벽(32a)의 물질과 양자우물(34a)의 물질이 상호 주기적으로 겹쳐 적층되는 구조로 이루어져 있다.Accordingly, in the light emitting device of the present invention, the ultraviolet light emitting device includes: a
여기서, 상기 산화아연(ZnO)계 발광소자에 적용되는 기판(10)의 경우 산화아연(ZnO) 및 산화아연(ZnO)과 격자상수가 유사한 GaN/Al2O3, SiC, GaN, 비정질 물질 중 어느 하나를 사용할 수 있으며, 단결정 및 다결정의 구조로 이루어져 있다.Here, in the case of the
또한, 상기 기판(10)의 경우 상기한 격자상수와는 무관한 비정질의 물질을 사용할 수 있으며, 이 역시 단결정 및 다결정의 구조를 갖는다.In addition, in the case of the
그리고, 본 발명의 산화아연(ZnO)계 자외선 발광소자 중 상기 n형 박막층(20) 및 p형 박막층(40)의 경우 전원 공급에 따라 활성층인 다양자우물층(30)에 전자(-)를 공급하기 위한 전자공급층으로서, 에피택셜 방식에 의해 기판(10) 상단에 박막 성장이 이루어지게 된다. 이 때, 상기 n형 박막층(20) 및 p형 박막층(40)을 형성하는 화합물로 산화아연(ZnO)이 주로 사용되게 된다. 상기 자외선 발광소자의 n형 박막층(20)과 p형 박막층(40)으로부터 전자(-)와 정공(+)을 원활하게 형성시키기 위한 불순물 즉, 마그네슘(Mg) 또는 베릴륨(Be)이 상기 활성층인 다양자우물층(30a)의 구조에 따라 그 첨가량이 조절된다.In the case of the n-type
아울러, 상기 n형 박막층(20)의 경우 전술한 베릴륨(Be) 또는 마그네슘(Mg) 이외에 상기 n형 박막층(20)에는 n형을 이루기 위한 산화아연(ZnO)의 화합물에 불순물로 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 인듐(In) 중 어느 하나를 첨가하여 사용하고, 상기 p형 박막층(40)에는 p형을 이루기 위한 산화아연(ZnO)의 화합물에 불순물로 비소(As), 안티몬(Sb), 질소(N), 인(P) 중 어느 하나를 첨가하여 사용할 수도 있다.In addition, in the case of the n-type
그리고, 본 발명의 산화아연(ZnO)계 자외선 발광소자 중 다양자우물층(30a)의 경우 n형 박막층(20)과 p형 박막층(40) 사이에 양자장벽(32a) 및 양자우물(34a) 구조를 이뤄 상기 전자(-)와 정공(+)의 결합을 통해 광 방출이 이루어지는 활성층으로서, 이 때 상기 다양자우물층(30a)을 형성하는 화합물로 상기 양자장벽(32a) 물질은 Zn1 - YBeYO 또는 Zn1 -X- YMgXBeYO의 화합물을 이용하고, 상기 양자우물(34a)의 물질은 ZnO의 화합물을 이용하여 양자장벽(32a)의 물질과 양자우물(34a)의 물질이 상호 주기적으로 겹쳐 적층되는 구조를 이루게 된다.In the zinc oxide (ZnO) -based UV light emitting device of the present invention, the
또한, 상기 산화아연(ZnO)계 발광소자의 자외선을 이루기 위한 활성층 구조인 다양자우물층(30a)의 또 다른 실시예로서, 도 3에 도시한 바와 같이 상기 양자장벽(32a) 물질은 Zn1 - YBeYO, Zn1 -X- YMgXBeYO, Zn1 - XMgXO 중 어느 하나의 화합물을 이용하고, 상기 양자우물(34a) 물질은 양자장벽(32a) 물질과 동일한 물질로 하여 양자장벽(32a)의 물질과 양자우물(34a)의 물질이 상호 주기적으로 겹쳐 적층되는 구조를 형성할 수도 있다.In addition, as another embodiment of the
이 때, 상기와 같이 활성층 구조에서 도 4의 (a)에 도시된 Zn1 - YBeYO 또는 Zn1-X-YMgXBeYO의 화합물로 이루어진 양자장벽(32a) 물질과 ZnO의 화합물로 이루어진 양자우물(34a) 물질을 상호 주기적으로 겹쳐 적층시킨 다양자우물층(30a) 즉, ZnO/ZnBeO 또는 ZnO/ZnMgO에 비해 도 4의 (b)에 도시된 Zn1 - YBeYO, Zn1 -X- YMgXBeYO, Zn1-XMgXO 중 어느 하나의 화합물로 이루어진 양자장벽(32a) 물질과 Zn1 - YBeYO, Zn1 -X-YMgXBeYO, Zn1 - XMgXO 중 어느 하나의 화합물로 이루어진 양자우물(34a) 물질을 상호 주기적으로 겹쳐 적층시킨 다양자우물층(30a) 즉, Zn(Mg)BeO/Zn(Mg)BeO의 에너지 띠인 양자우물(34a)의 양자장벽(32a)이 높아져 전자(-)나 정공(+)의 양자효과를 높일 수 있어 이로 인한 발광효율 역시 향상됨과 아울러, 양자우물(34a)의 X값과 Y값은 양자장벽(32a)의 X값과 Y값에 비해 매우 낮은 값을 갖는 등 이에 대한 에너지 띠 비교는 도 4와 같다.At this time, in the active layer structure as described above, Zn 1 - Y Be Y O or Zn 1-XY Mg X Be Y O compound shown in (a) of the compound of the quantum barrier (32a) and ZnO compound Zn 1 - Y Be Y O, Zn shown in (b) of FIG.
그리고, 상기 기판(10) 상단에 n형 박막층(20), 다양자우물층(30a), p형 박막층(40)이 에피택셜 방식에 의해 박막 성장된 상태에서 외부 전원이 상기 n형 박막층(20)과 p형 박막층(40)에 공급될 수 있도록 n형 전극(22)과 p형 전극(42)을 형성시키기 위한 식각작업 즉, n형 박막층(20)을 외부로 노출시키기 위한 식각작업이 이루어지게 되며, 상기와 같이 식각작업에 의해 외부로 노출된 n형 박막층(20)과 p형 박막층(40)에 각기 n형 전극(22)과 p형 전극(42)을 형성시킴으로써, 본 발명의 자외선 발광소자가 완성되게 된다.The n-type
이 때, 상기 식각된 n형 박막층(20)과 p형 박막층(40)에 형성되는 n형 전극(22)과 p형 전극(42)의 경우 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니 켈(Ni), 티타늄(Ti) 등이 사용된다.In this case, in the case of the n-
이와 더불어, 상기와 같이 구성된 본 발명의 청색 및 자외선 발광소자에 있어, 상기 양자장벽(32,32a)의 물질과 양자우물(34,34a)의 물질이 주기적으로 겹쳐 적층되어 다양자우물층(30,30a) 구조는 5 내지 10 주기로 이루어져 있다.In addition, in the blue and ultraviolet light emitting devices of the present invention configured as described above, the material of the quantum barrier (32, 32a) and the material of the quantum well (34, 34a) is periodically stacked and stacked, the
이상과 같이 구성된 본 발명의 산화아연(ZnO)계 발광소자에 있어, 실제 산화아연(ZnO)계 물질에 의한 구성에서 얻어진 전자(-)와 정공(+)이 재결합할 때 도 5에 도시된 PL 곡선 그래프를 얻게 되었다.In the zinc oxide (ZnO) -based light emitting device of the present invention configured as described above, the PL shown in FIG. 5 is recombined when electrons (-) and holes (+) obtained in the configuration of the zinc oxide (ZnO) -based material are actually combined. You get a curve graph.
이 때, 상기 PL 곡선 그래프를 살펴볼 때 380nm 영역에서 전자(-)와 정공(+)의 재결합에 의한 발광으로 본 발명의 발광소자 구성이 형성되었음을 알 수 있으며, 이는 400∼450nm 영역의 청색 파장 보다 더 짧은 파장을 갖게 됨에 따라 1990년 일본의 니치아화학공업의 나카무라 연구팀에서 질화갈륨(GaN)을 이용한 450nm 이하의 짧은 파장을 가진 청색 LED 보다 고휘도의 발광을 이룰 수 있는 특징적 효과를 갖는다.At this time, when looking at the PL curve graph, it can be seen that the light emitting device configuration of the present invention is formed by light emission by recombination of electrons (-) and holes (+) in the 380 nm region, which is higher than the blue wavelength in the 400 to 450 nm region. With shorter wavelengths, Nakamura's research team at Nichia, Japan, in 1990, has the characteristic effect of achieving higher luminance than blue LEDs with shorter wavelengths of less than 450 nm using gallium nitride (GaN).
또한, 산화아연(ZnO)계 물질을 이용해 제작된 발광소자에서 얻은 전류와 전압에 의한 소자 특성을 살펴볼 때, 본 발명의 산화아연(ZnO)계 발광소자의 구동 전압이 2.5V∼3V인 적은 전압이 소요됨을 도 6를 통해 알 수 있다.In addition, when the device characteristics of the zinc oxide (ZnO) -based light emitting device of the present invention is characterized by the current and voltage obtained in the light emitting device manufactured using the zinc oxide (ZnO) -based material, a small voltage of 2.5V to 3V This can be seen through FIG.
도 7은 에피택셜 방법에 의해 제조된 본 발명의 자외선 발광소자를 개략적으로 나타낸 구성도로서, 먼저 산화아연(ZnO), SiC, GaN/Al2O3 중 어느 하나를 이용해 기판(10)을 형성한 후, 본 발명에 적용되는 에피택셜 방법을 이용해 상기 기판(10) 상단에 n형 박막층(20)을 형성시키는데, 이는 전원 공급에 따라 전자(-)를 활성층에 공급하도록 Zn1 -X- YMgXBeYO에 n형을 위한 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 인듐(In)의 불순물 중 어느 하나를 첨가하여 기판(10) 위에 n형 박막층(20)을 500nm∼1000nm의 두께로 형성시킨다.7 is a schematic view showing the ultraviolet light emitting device of the present invention manufactured by the epitaxial method, firstly zinc oxide (ZnO), SiC, GaN / Al 2 O 3 After forming the
그리고, 상기 두께로 형성된 n형 박막층(20) 위에 양자장벽(32a) 및 양자우물(34a) 구조의 활성층을 이뤄 n형 박막층(20)과 p형 박막층(40)으로부터 공급되는 전자(-)와 정공(+)의 결합을 통해 광이 방출될 수 있도록 Zn1 - XMgXO, Zn1 - YBeYO, Zn1 -X-YMgXBeYO의 화합물 중 어느 하나로 이루어진 양자장벽(32a) 물질과 Zn1 - ZCdZO, ZnSeO, ZnO의 화합물 중 어느 하나로 이루어진 양자우물(34a) 물질이 상호 5 내지 10주기로 겹쳐 적층되는 다양자우물층(30a)을 형성하게 된다.In addition, electrons (-) supplied from the n-type
또한, 상기와 같이 양자장벽(32a)과 양자우물(34a)이 주기적으로 겹쳐져 형성된 다양자우물층(30a) 위에 전원 공급에 따라 정공(+)을 활성층에 공급되도록 Zn1-X-YMgXBeYO에 p형을 위한 비소(As), 안티몬(Sb), 질소(N), 인(P)의 불순물 중 어느 하나를 첨가하여 다양자우물층(30a) 위에 p형 박막층(40)을 100nm∼300nm의 두께로 형성시킨 후 n형 전극(22)과 p형 전극(42)을 형성시키기 위한 식각작업 즉, n형 박막층(20)을 외부로 노출시키기 위한 식각작업을 이룬 다음 상기와 같이 식각작업에 의해 외부로 노출된 n형 박막층(20)과 p형 박막층(40)에 각기 n형 전극(22)과 p형 전극(42)을 형성시킴으로써, 본 발명의 자외선 발광소자의 제조가 완료되며, 도 6와 같은 구성을 갖는다.In addition, Zn 1-XY Mg X Be Y so as to supply holes (+) to the active layer in accordance with the power supply on the
이상에서와 같이 상술한 실시예는 본 발명의 가장 바람직한 예에 대하여 설명한 것이지만 상기 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것은 당업자에게 있어서 명백한 것이다.As described above, the above-described embodiments are described with reference to the most preferred examples of the present invention, but are not limited to the above embodiments, and it will be apparent to those skilled in the art that various modifications can be made without departing from the technical spirit of the present invention. .
도 1은 본 발명의 산화아연(ZnO)계 발광소자를 개략적으로 나타낸 구성도.1 is a schematic view showing a zinc oxide (ZnO) -based light emitting device of the present invention.
도 2는 도 1에 도시된 발광소자 중 자외선계열의 활성층인 다양자우물층의 확대도.FIG. 2 is an enlarged view of a diversified well layer which is an active layer of an ultraviolet ray-based light emitting device shown in FIG. 1.
도 3은 도 2에 도시된 자외선계열 다양자우물층의 또 다른 실시예도.3 is another embodiment of the UV-based diversified well layer shown in FIG.
도 4은 자외선계열 다양자우물층의 에너지 띠 비교를 나타낸 상태도.Figure 4 is a state diagram showing a comparison of the energy band of the ultraviolet-based diversified well layer.
도 5은 본 발명의 산화아연(ZnO)계 발광소자의 발광파장영역을 나타낸 PL 곡선 그래프.5 is a PL curve graph showing a light emission wavelength region of a zinc oxide (ZnO) -based light emitting device of the present invention.
도 6는 본 발명의 산화아연(ZnO)계 발광소자의 구동 전압을 표시한 그래프.6 is a graph showing the driving voltage of the zinc oxide (ZnO) -based light emitting device of the present invention.
도 7은 에피택셜 방법에 의해 제조된 본 발명의 자외선 발광소자를 개략적으로 나타낸 구성도.7 is a schematic view showing an ultraviolet light emitting device of the present invention manufactured by the epitaxial method.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
1O, 기판1O, Board
20. n형 박막층20. n-type thin film layer
22. n형 전극22.n-type electrode
30, 30a. 다양자우물층30, 30a. Diverse well layer
32, 32a. 양자장벽32, 32a. Quantum barrier
34, 34a. 양자우물34, 34a. Quantum well
40. p형 박막층40. p-type thin film layer
42. p형 전극42.p-type electrode
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