KR20110009778A

KR20110009778A - 산화아연 발광소자 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20110009778A
Application number: KR1020090067150A
Authority: KR
Inventors: 박성주; 최용석; 강장원
Original assignee: 광주과학기술원
Priority date: 2009-07-23
Filing date: 2009-07-23
Publication date: 2011-01-31

Abstract

산화아연 발광소자 및 그 제조방법이 개시된다. 다중양자우물 구조내의 양자우물층과 양자장벽층의 두께를 적절하게 조절하여 양자구속효과를 극대화시킨 산화아연 발광소자를 구현할 수 있다. 또한, 양자장벽층의 두께를 조절하여 전하운반자의 터널링 현상을 감소시킨 산화아연 발광소자의 제조방법을 제공한다.

산화아연(ZnO), 다중양자우물, 양자우물층, 양자장벽층, 터널링

Description

산화아연 발광소자 및 그 제조방법{ZINC-OXIDE BASED LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다중양자우물 구조내의 양자우물층과 양자장벽층의 두께를 조절하여 양자구속효과를 극대화시킨 산화아연 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

현재, 질화갈륨(GaN) 기반의 발광소자를 대체할 차세대 발광소자로서 가장 주목받고 있는 것은 산화아연(ZnO)을 기반으로 한 발광소자이다.

산화아연은 상온에서 약 3.37eV의 밴드갭을 가지는 Wurzite(Hexagonal) 구조의 II-VI족 화합물 반도체로서, 엑시톤(exciton) 결합에너지가 60meV로 다른 물질들에 비해 큰 값을 가져 상온에서 전하 운반자들이 엑시톤 상태로 존재할 확률이 높아 발광 특성이 우수한 물질이다.

상기 산화아연 기반의 발광소자 구조에 있어서, 활성층은 발광효율을 증대시키기 위하여 다중양자우물(multiple quantum well: MQW) 구조를 가질 수 있다.

다중양자우물 구조는 양자우물층과 양자장벽층으로 구성되며, 전자 또는 정공등의 전하 운반자들을 구속하는 양자구속 효과를 발휘하여 발광효율 향상에 기여 하게 된다.

전자와 정공이 구속될 조건을 만족시키기 위하여 양자장벽층의 에너지 갭을 크게하는 방법과 양자장벽층의 두께를 조절하여 전하운반자의 터널링에 의한 효과를 감소시키는 방법이 고려되고 있다.

양자장벽층의 에너지 갭을 크게하는 방법으로는 마그네슘(Mg)과 같은 양자장벽층 형성물질을 산화아연 박막내에 그 함량을 증가시키는 것을 들 수 있다.

그러나, 이 경우 첨가되는 산화마그네슘(MgO)이 산화아연(ZnO)과 결정구조상 화학양론적인 조성을 잘 이루지 못하거나 열역학적으로 산화아연 원래의 결정구조를 유지할 수 있는 마그네슘의 양이 4% 이내로 제한적이어서 양자장벽층의 에너지 갭을 크게하는 방법에는 한계가 있다.

한편, 양자장벽층의 두께를 조절하여 전하운반자의 터널링에 의한 효과를 감소시키는 방법과 관련하여, 단일양자우물(single quantum well: SQW) 구조에서 양자우물내 구속효과에 의한 빛의 방출에너지의 변화에 대한 연구가 시도되기도 하였으나 다중양자우물 구조에서 양자장벽층과 양자우물층의 두께범위를 한정하여 양자구속효과를 극대화시킨 것은 아직 보고되지 않았다.

본 발명은 다중양자우물 구조내의 양자우물층 및 양자장벽층의 두께를 적절하게 조절하여 양자구속효과를 극대화시킨 산화아연 발광소자를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 양자장벽층의 두께를 적절하게 조절하여 전하운반자의 터널링 확률을 감소시킨 산화아연 발광소자의 제조방법을 제공하는 데 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 산화아연 발광소자는 양자우물층과 양자장벽층이 순차적으로 적층되어 발광동작을 수행하는 활성층을 가지는 산화아연 발광소자에 있어서, 상기 양자우물층의 두께는 1nm 내지 5nm이고, 상기 양자장벽층의 두께는 5nm 내지 15nm인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 산화아연 발광소자의 제조방법은 기판을 제공하는 단계, 기판 상에 n형 산화아연 박막층인 제1 클래드층을 형성하는 단계, 제1 클래드층 상에 두께가 1nm 내지 5nm인 양자우물층과 두께가 5nm 내지 15nm인 양자장벽층이 순차적으로 적층된 다중양자우물 구조를 갖는 산화아연 기반의 활성층을 형성하는 단계, 활성층 상에 p형 산화아연 박막층인 제2 클래드층을 형성하는 단계, 제1 클래드층에 제1 전극을 형성하고 제2 클래드층에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 산화아연 발광소자에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 양자장벽층의 두께를 조절하여 전하운반자들의 터널링 확률을 감소시킴으로써 양자구속효과를 극대화할 수 있다.

둘째, 전하운반자들이 양자우물구조내에 효과적으로 구속됨으로써 양자효율이 우수한 산화아연 발광소자를 제공할 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 산화아연 발광소자 및 그 제조방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 산화아연 발광소자의 단면을 도시한 도 면이다.

산화아연 발광소자는 기판, 상기 기판 상에 형성되며 n형 반도체로 이루어진 제1 클래드층, 상기 제1 클래드층 상에 형성되며 발광동작을 수행하는 활성층, 상기 활성층 상에 형성되며 p형 반도체로 이루어진 제2 클래드층, 상기 제1 및 제2 클래드층 상에 형성되는 제1 및 제2 전극으로 이루어진다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 산화아연 발광소자는 양자우물층과 양자장벽층이 순차적으로 적층되어 발광동작을 수행하는 활성층을 가지며, 상기 양자우물층의 두께는 1nm 내지 5nm이고, 상기 양자장벽층의 두께는 5nm 내지 15nm인 것을 특징으로 한다.

기판(10)은 산화아연 박막의 에피성장(epitaxial growth)의 기초가 되는 것으로, 사파이어(Al₂O₃), 실리콘(Si), 실리콘 카바이드(SiC), 쿼츠(SiO₂), 글래스(SiO₂), 비소화갈륨(GaAs), SCAM(ScAlMgO₄) 및 산화아연(ZnO) 중 선택된 어느 하나가 될 수 있다.

기판(10) 상에 하기의 제1 클래드층(20)을 형성하기 전에, 버퍼층이 형성될 수 있으며, 상기 버퍼층은 도핑하지 않은 산화아연으로 구성될 수 있다.

버퍼층은 기판(10)과 제1 클래드층(20)간 격자상수 차이에 의한 결함을 줄이고 결정성을 향상시키기 위한 것으로 10nm~10㎛ 두께의 ZnO, MgO, CdO, Cd_xMg_yZn₁ _-x- _yO (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1), MgO/ZnO 초격자 및 MgZnO/ZnO 초격자 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.

제1 클래드층(20)은 ⅢA족 원소, 특히, Al, Ga 및 In 중 적어도 하나가 도핑된 ZnO와 Al, Ga 및 In 중 적어도 하나가 도핑된 Mg_xZn₁ _- _xO (0≤x≤1)중 적어도 하나를 포함하는 층으로 형성될 수 있으며 공급된 전원에 의해 전자를 활성층(30)에 공급하게 된다.

활성층(30)은 제1 클래드층(20) 및 제2 클래드층(40)으로부터 도입된 전자와 정공이 결합하여 광이 방출되는 층이다.

본 발명의 활성층(30)은 산화아연에 기반한 것으로, 양자우물층(35)과 양자장벽층(33)이 순차적으로 적층된 다층구조의 다중양자우물(Multiple Quantum Well: MQW) 구조를 가진다.

발광소자의 활성층(30)구조에 있어서, 밴드갭 조절(band gap engineering)에 의한 다중양자우물 구조는 양자구속효과를 이용하여 발광효율을 극대화할 수 있는 방법이다.

보다 상세하게, 다중양자우물 구조내의 양자우물층(35)과 양자장벽층(33)의 두께를 조절하여 양자구속효과를 극대화할 수 있다. 특히, 산화아연은 엑시톤의 결합에너지가 60meV로 다른 물질들에 비해 큰 값을 가지며, 상온에서도 양자우물층(35)내에 전하운반자들이 엑시톤 상태로 존재할 수 있는 확률이 높다.

산화아연의 경우, 산화아연의 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band)내의 전자와 정공의 유효질량은 약 0.3m₀(m₀는 전자질량)와 0.7m₀으로 보고되고 있다. 이를 이용하여 아래 식(1), (2)에 의한 적정한 양자우물층(35)의 두께범 위를 구할 수 있다.

……(1)

……(2)

여기서,

는 양자구속 에너지,

는 양자우물층(35)의 두께,

와

는 플랑크 상수와 볼츠만 상수이고,

는 전자 또는 홀의 유효 질량값을 나타내고,

는 온도를 나타낸다.

위의 두 식을 통해 1차원의 구속효과를 가진 양자우물 구조의 적정 두께범위를 계산할 수 있으며, 산화아연을 이용한 다중양자우물 구조에서 양자구속효과의 극대화를 위한 우물층의 두께는 1nm~5nm 범위이어야 함을 알 수 있다. 만일 우물층의 두께가 1nm 미만인 경우, 우물층 내에서 양자는 충분히 구속되지 않고, 발광효율이 감소하게 된다. 또한, 우물층의 두께가 5nm를 상회하는 경우, 양자우물층과 양자장벽층의 반복에 의해 형성되는 활성층의 두께가 상대적으로 커지며, 원하는 휘도의 발광동작을 얻기 위해서는 고전압을 인가하여야 하는 문제가 발생한다. 또한, 두꺼운 우물층은 전자와 정공의 재결합 확률을 감소시켜 발광효율을 떨어뜨리기도 한다.

상기의 양자우물층(35)은 산화아연(ZnO)에 카드뮴(Cd)이 도입된 3 원(ternary)의 Cd_xZn₁ _- _xO(0≤x≤1)로 이루어질 수 있다. 이는, 산화아연의 밴드갭 조절을 위해 카드뮴을 산화아연에 도입한 경우, 카드뮴이 산화아연과 화학양론적으로 결합하여 밴드갭을 감소시키기 때문이다.

양자우물층(35)을 구성하는 물질은 상기에 한정되는 것은 아니며 산화아연과 화학양론적으로 결합하여 밴드갭을 감소시킬 수 있는 물질이면 어느 것이나 사용될 수 있다.

도 1에서 양자우물층(35)을 2개로 구성한 것으로 도시되었으나 이는 예시적인 것이며 본 발명의 실시형태에 따라 양자우물층의 갯수는 변경될 수 있다. 또한, 양자장벽층(33)의 갯수도 상기 양자우물층(35)의 경우와 같이 본 발명의 실시형태에 따라 변경될 수 있다.

도 2는 양자구속효과를 설명하기 위한 예시로서, 산화아연 활성층(30)의 다중양자우물 구조를 나타내고 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 다중양자우물구조의 활성층(30)은 양자구속효과에 의한 양자장벽층(33)과 양자우물층(35)의 밴드갭 사이의 중간범위의 에너지(예를들어, 도 2에서는 3.35eV)에 해당하는 값으로 발광하게 된다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 양자우물층(35)내의 전자가 양자장벽층(33)을 투과하는 터널링(tunneling) 현상이 발생할 수 있는데, 터널링이 발생할 수 있는 확률은 아래 식 (3), (4)에 의해 설명될 수 있다.

……(3)

……(4)

여기서,

는 전자의 유효질량,

는 전도대에서의 장벽층의 에너지 준위,

는 양자우물내에 양자구속효과에 의해 형성되는 전자의 구속된 에너지 준위, 그리고

는 양자장벽층(33)의 두께를 나타낸다.

상기 식들을 통해 식(3)의 산화아연 다중양자우물 구조의 값은 k≒108~109을 가지게 된다. 이에 의하여, 두께에 따른 터널링 확률을 계산할 수 있다.

예를 들어, 장벽층의 두께가 1nm씩 증가하는 경우, 10⁴배씩 터널링이 발생할 수 있는 확률이 감소하게 되어, 다중양자우물내에서 양자구속효과가 증가하는 것을 알 수 있다.

상기 식(1) 내지 식(4)에 따르면 양자장벽층의 두께는 5nm 내지 15nm임이 바람직하다. 즉, 양자장벽층의 두께가 5nm 미만인 경우, 과도한 터널링으로 인해 광효율이 저하된다. 또한, 양자장벽층의 두께가 15nm을 상회하는 경우, 전자와 정공이 충분히 양자우물층으로 공급되지 못하는 문제가 발생한다.

도 4는 장벽층 두께를 다르게 한 경우의 광여기 발광(Photoluminescence, PL)특성을 나타내고 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 양자우물층(35)이 4nm로 동일한 경우 양자장벽 층(33)의 8nm인 경우가 4nm인 경우에 비하여 전하운반자의 터널링 확률이 감소됨으로써 발광특성이 향상된 것으로 판단된다.

한편, 다중양자우물 구조내의 양자장벽층(33)을 이루는 물질은 양자우물층(35)의 밴드갭보다 큰 물질로서, 양자우물층(35)에 전자 또는 정공이 구속될 수 있는 조건을 만족하여야 한다.

양자장벽층(33)은 산화아연(ZnO)에 마그네슘(Mg)이 도입된 3원(ternary)의 Mg_yZn_1-yO(0≤y≤1) 또는 산화아연(ZnO)으로 이루어질 수 있다. 이는, 산화아연의 밴드갭 조절을 위해 마그네슘을 산화아연에 도입한 경우, 마그네슘이 산화아연과 화학양론적으로 결합하여 밴드갭을 증가시키기 때문이다.

양자장벽층(33)을 구성하는 물질은 상기에 한정되는 것은 아니며 산화아연과 화학양론적으로 결합하여 밴드갭을 증가시킬 수 있는 물질이면 어느 것이나 사용될 수 있다.

제2 클래드층(40)은 p-형 산화아연 반도체로 구성된다.

이 경우, 제2 클래드층(40)은 ⅤA족 원소, 특히, N, P, Sb 및 As 중 적어도 하나가 도핑된 ZnO와 N, P, Sb 및 As 중 적어도 하나가 도핑된 Mg_xZn₁ _- _xO (0≤x≤1)중 적어도 하나 이상을 포함하는 층이 될 수 있으며 공급된 전원에 의해 정공(hole)을 활성층(30)에 공급하게 된다.

제1 전극(53)은 제1 클래드층(20)과 오믹접촉(ohmic contact)을 형성하며 Ni, Cr, Au, Ti, Pt, Al 및 Ag 중 적어도 하나를 포함하는 금속으로 형성된다. 이 경우 제1 전극(53)은 열 증착(thermal evaporation), 전자빔 증착(E-beam evaporation) 및 스퍼터링(sputtering)중 적어도 하나를 이용하여 형성할 수 있다.

제2 전극(55)은 제2 클래드층(40)과 오믹접촉을 형성하며 Ti, Au, Al, Pt, Ni, NiO, Cr 및 Ag 중 선택된 적어도 하나로 이루어진다. 이 경우 제2 전극(55)은 열 증착(thermal evaporation), 전자빔 증착(E-beam evaporation) 및 스퍼터링(sputtering)중 적어도 하나를 이용하여 형성할 수 있다.

도 5는 적정 두께의 양자우물층(35)(1~5nm)과 양자장벽층(33)(5~15nm)으로 이루어진 활성층(30)을 갖는 산화아연 발광소자의 단면도로서, 산화아연 발광소자는 전류 확산층(current spreading layer)을 더 포함함을 알 수 있다.

전류 확산층은 제2 클래드층(40)과 제2 전극(55)사이에 개재되는 층으로 제2 전극(55) 하부로 전류들이 잘 퍼지도록 하여 발광효율을 증대시키는 역할을 한다.

전류확산층(60)으로는 ITO(Indium Tin Oxide), ZnO, FTO(Florine-doped Tin Oxide)와 같은 n형 TCO(Transparent Conducting Oxide) 물질 또는 NiO와 같은 p형 TCO 물질을 적층할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의한 산하아연 발광소자의 제조방법은 기판(10)을 제공하는 단계, 기판(10) 상에 n형 산화아연 박막층인 제1 클래드층(20)을 형성하는 단계, 제1 클래드층(20) 상에 두께가 1nm 내지 5nm인 양자우물층(35)과 두께가 5nm 내지 15nm인 양자장벽층(33)이 순차적으로 적층된 다중양자우물 구조의 산화아연 기반의 활성층(30)을 형성하는 단계, 활성층(30) 상에 p형 산화아연 박막층인 제2 클래드층(40)을 형성하는 단계, 제1 클래드층(20)에 제1 전극(53)을 형성하고 제2 클래드층(40)에 제2 전극(55)을 형성하는 단계를 포함한다.

기판(10)은 사파이어(Al₂O₃), 실리콘(Si), 실리콘 카바이드(SiC), 쿼츠(SiO₂), 글래스(SiO₂), 비소화갈륨(GaAs), SCAM(ScAlMgO₄) 및 산화아연(ZnO) 중 선택된 어느 하나가 될 수 있다.

하기의 제1 클래드층(20)을 형성하는 단계 이전에 도핑하지 않은 산화아연 버퍼층(buffer layer)을 형성하는 단계가 추가될 수 있다.

버퍼층은 10nm~10㎛ 두께의 ZnO, MgO, CdO, Cd_xMg_yZn₁ _-x- _yO (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1), MgO/ZnO 초격자 및 MgZnO/ZnO 초격자 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.

제1 클래드층(20)을 형성하는 단계는 Al, Ga 및 In 중 적어도 하나 도핑된 산화아연 박막층 또는 도펀트가 추가되지 않은 산화아연 박막층을 상기 기판(10) 또는 버퍼층 상에 형성하는 공정이다.

활성층(30)을 형성하는 단계는 상기 제1 클래드층(20) 상에 일정한 두께를 갖는 Cd_xZn₁ _-xO(0<x<1)로 이루어진 양자우물층(35)과 Mg_yZn₁ _-yO(0<y<1) 또는 ZnO로 이루어진 양자장벽층(33)을 순차적으로 적층하여 다중양자우물 구조의 활성층(30)을 형성하는 공정이다.

상기 양자우물층(35)의 두께는 1~5nm, 양자장벽층(33)의 두께는 5~15nm이다.

제2 클래드층(40)을 형성하는 단계는 상기 활성층(30) 상에 N, P, Sb 및 As 중 적어도 하나 도핑된 ZnO층 또는 N, P, Sb 및 As 중 적어도 하나 도핑된 Mg_xZn₁ _-xO(0≤x≤1)층을 적어도 하나 형성하는 공정이다.

상기 제1 클래드층(20), 활성층(30) 및 제2 클래드층(40)은 금속유기화학기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition: MOCVD), 액상에피텍셜법(liquid phase epitaxy), 수소액상성장(hydride vapor phase epitaxy), 분자빔 에피텍셜법(Molecuar Beam Epitaxy: MBE) 및 MOVPE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy) 중 선택된 어느 하나에 의해 성장될 수 있으며 바람직하게는 금속유기화학기상증착법(MOCVD)에 의해 형성될 수 있다.

제1 클래드층(20) 상에 제1 전극(53)을 형성하고 제2 클래드층(40) 상에 제2 전극(55)을 형성하는 단계는 n형 산화아연 박막층 및 p형 산화아연 박막층에 전자 및 홀의 주입을 위한 전극들을 형성하는 공정이다.

또한, 제2 클래드층(40)을 형성하는 단계와 제1 및 제2 전극(53, 55)을 형성하는 단계 사이에 전류 확산층(60)을 형성하는 단계가 더 포함될 수 있다.

상기의 전류 확산층(60)은 제2 클래드층(40)과 제2 전극(55) 사이에 개재되어 제2 전극(55) 하부로 전류들이 잘 퍼지도록 하여 발광효율을 증대시키게 된다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 양자구속효과를 극대화시킨 산화아연 발 광소자 제조예를 제시한다. 다만, 하기의 제조예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 제조예에 의해 한정되는 것은 아니다.

<제조예 : 산화아연 발광소자 제조방법>

약 430㎛ 두께의 사파이어 기판 상에 약 420~480℃의 온도에서 산화아연 버퍼층(buffer layer)을 성장시켰다.

상기 성장된 버퍼층 상에 갈륨이 도핑된 n형 산화아연 박막층을 성장시켰다.

상기, n형 산화아연 박막층 상에 다중양자우물 구조의 활성층을 성장시켰다. 다중양자우물 구조의 양자우물층은 Cd₀ _.4Zn₀ _.6O을 1~5nm 두께로 적층하고, 양자장벽층은 ZnO을 5~15nm 두께로 하여 적층시켰다.

상기 양자우물층과 양자장벽층을 각각 3층씩 주기적으로 성장시킨 후 p형 산화아연 박막층을 성장시켰다.

이 경우, p형 산화아연 박막층은 인(P)이 도핑된 산화아연 박막층이었다.

또한, 활성층으로 주입되는 정공을 보다 넓은 면적으로 주입시키기 위하여 전류확산층을 p형 산화아연층 상에 형성하였다. 전류확산층(60)은 ITO(Indium Tin Oxide)를 전자빔 증착(E-beam evaporation)법을 이용하여 적어도 10nm 이상으로 형성하였다.

전자와 정공을 n형 산화아연층과 p형 산화아연층에 주입시키기 위한 전극을 형성하기 위해 발광다이오드 모양으로 패터닝을 한 후, RIE, ICP/RIE 또는 화학적 식각으로 n형 산화아연 박막층이 노출될 때까지 제거하였다.

n형 및 p형 산화아연 박막층에 Ti/Au 와 NiO/Au 전극들을 각각 형성하였다.

본 발명에 의한 산화아연 발광소자는 다중양자우물 구조내의 양자우물층과 양자장벽층의 두께를 적절하게 조절하여 전하운반자의 양자구속효과를 극대화시킬 수 있다.

상기와 같이, 본 발명에 의한 산화아연 발광소자는 양자구속효과에 의해 발광소자의 발광효율을 극대화시킬 수가 있어 높은 휘도와 광출력을 얻을 수가 있다. 이러한 소자특성은 조명 및 액정표시장치의 백라이트 유닛에 응용하기 위한 필수 요건인 고휘도/고출력 특성을 만족시키기 때문에 산업상 응용가능성이 매우 높은 것으로 판단된다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 산화아연 발광소자의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 2는 다중양자우물 구조내의 양자우물층과 양자장벽층의 구조를 나타낸 도면이다.

도 3은 전하운반자가 양자장벽층을 통해 터널링이 발생하는 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 4는 양자장벽층의 두께를 다르게 한 경우의 발광소자의 광여기 발광특성의 실험결과를 나타낸 그래프이다.

도 5는 도 1에 도시된 소자에 전류 확산층이 도입된 발광소자의 구조를 나타낸 단면도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10: 기판 20 : 제1 클래드층

30: 활성층 33 : 양자장벽층

35 : 양자우물층 40 : 제2 클래드층

53 : 제1 전극 55 : 제2 전극

60 : 전류확산층 100 : 산화아연 발광소자

Claims

양자우물층과 양자장벽층이 순차적으로 적층되어 발광동작을 수행하는 활성층을 가지는 산화아연 발광소자에 있어서,

상기 양자우물층의 두께는 1nm 내지 5nm이고, 상기 양자장벽층의 두께는 5nm 내지 15nm인 것을 특징으로 하는 산화아연 발광소자.
제 1 항에 있어서,

상기 양자우물층은 Cd_xZn₁ _- _xO(0≤x≤1)으로 이루어지며, 상기 양자장벽층은 Mg_yZn_1-yO(0≤y≤1) 또는 ZnO로 이루어진 것을 특징으로 하는 산화아연 발광소자.
기판을 제공하는 단계;

상기 기판 상에 n형 산화아연 박막층인 제1 클래드층을 형성하는 단계;

상기 제1 클래드층 상에 두께가 1nm 내지 5nm인 양자우물층과 두께가 5nm 내지 15nm인 양자장벽층이 순차적으로 적층된 다중양자우물 구조를 갖는 산화아연 기반의 활성층을 형성하는 단계;

상기 활성층 상에 p형 산화아연 박막층인 제2 클래드층을 형성하는 단계; 및

상기 제1 클래드층에 제1 전극을 형성하고 제2 클래드층에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함하는 산화아연 발광소자의 제조방법.
제 3 항에 있어서,

상기 제2 클래드층을 형성하는 단계와 상기 제1 및 제2 전극을 형성하는 단계 사이에 전류 확산층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산화아연 발광소자의 제조방법.
제 3 항에 있어서, 상기 제1 클래드층을 형성하는 단계는,

Al, Ga 및 In 중 적어도 하나가 도핑된 ZnO층 또는 Al, Ga 및 In 중 적어도 하나가 도핑된 Mg_xZn₁ _- _xO(0≤x≤1)층을 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하는 산화아연 발광소자의 제조방법.
제 3 항에 있어서,

상기 양자우물층은 Cd_xZn₁ _- _xO(0≤x≤1)으로 이루어지며, 상기 양자장벽층은 Mg_yZn_1-yO(0≤y≤1) 또는 ZnO로 이루어진 것을 특징으로 하는 산화아연 발광소자의 제조방법.
제 3 항에 있어서, 상기 제2 클래드층을 형성하는 단계는,

N, P, Sb 및 As 중 적어도 하나가 도핑된 ZnO층 또는 N, P, Sb 및 As 중 적어도 하나가 도핑된 Mg_xZn₁ _- _xO(0≤x≤1)층을 적어도 하나 포함하는 것을 특징으로 하 는 산화아연 발광소자의 제조방법.
제 4항에 있어서, 상기 전류 확산층은,

ITO(Indium Tin Oxide), ZnO, FTO(Florine-doped Tin Oxide)와 같은 n형 TCO(Transparent Conducting Oxide) 물질 또는 NiO와 같은 p형 TCO 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 산화아연 발광소자의 제조방법.