KR20120021785A - 유기물?무기물 반도체 이종접합 발광소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유기물-무기물 반도체 이종접합 발광소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 도너의 나노구조 제어를 통한 내부 전기장 크기 조절 등을 통해 도너인 질화물 반도체 양자우물구조층과 어셉터인 발광폴리머층 간의 공명에너지전이 현상을 최대화할 수 방법을 개시한다.
Description
본 발명은 유기물-무기물 반도체 이종접합 발광소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 도너의 나노구조 제어를 통한 내부 전기장 크기 조절 등을 통해 도너인 질화물 반도체 양자우물구조와 어셉터인 발광폴리머 간의 비접촉, 비발광 공명에너지 전이 현상을 최대화할 수 있는 유기물-무기물 반도체 이종접합 발광소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
현재까지 발광소자의 주소재로 GaN, GaAs, ZnSe 등의 II-VI, III-V족 화합물반도체가 사용되어 왔으며, 이들 화합물반도체를 활성층으로 하여 빛의 삼원색인 적색, 녹색, 청색 및 이들의 조합을 통한 다양한 색상의 발광소자를 제작해왔다. 하지만, 현재까지 자외선, 청색 및 녹색 광소자의 활성층의 주재료로 사용되어온 질화물 반도체, 특히 InGaN막의 경우 녹색에 해당하는 500-550 nm 영역의 발광파장 대역에서 발광효율이 급격히 떨어지는 단점이 있다. 이는 높은 In 조성을 갖는 InGaN막의 경우 박막의 물성이 떨어지고 내부결함이 많이 존재하는 것에 기인한 현상으로 현재까지 이를 극복할만한 특별한 기술적 대안이 없는 상태이다. 반면, 일부 발광폴리머의 경우 자외선 및 청색 영역에서 흡광영역을 갖고 녹색 영역에서 우수한 발광효율을 갖는다. 따라서, 이러한 발광폴리머 등을 반도체 이종접합 발광소자에 적용함으로써, 500nm 이상의 발광파장영역에서 우수한 발광효율을 갖는 녹색 및 적색 광전소자의 개발 연구가 요청되고 있다.
본 발명의 목적은 공명에너지전이 효율을 증가시키기 위한 유기물-무기물 반도체 이종접합 구조물 및 이의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 목적은 공명에너지전이 효율을 증가시키기 위한 유기물-무기물 반도체 이종접합 발광소자의 제조 방법을 제공한다.
500 nm 이상의 파장 영역에 해당하는 녹색 및 적색 고효율 발광소자를 제작하기 위하여 질화물반도체 나노구조에 발광폴리머층의 이종접합 구조를 제작하여 도너에 해당하는 질화물 반도체의 발광영역대와 어셉터에 해당하는 유기물 반도체의 흡수영역대의 겹침이 필요하므로, 질화물반도체의 경우 자외선(295 내지 400nm) 영역에서 발광파장을 갖는 구조체를 이용하고, 유기물 반도체의 경우 자외선(295 내지 400nm) 영역에서 흡수 영역대를 갖고 녹색 및 적색에서 발광파장을 갖는 물질을 이용하여 인듐 조성 변화, 질화물 반도체의 나노 구조 제어를 통한 내부 전기장 변화, 내부 쌍극자간의 방향 조절을 통해 높은 공명에너지전이 효율을 갖는 유기물-무기물 반도체 이종접합 구조물을 완성하였다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 유기물-무기물 반도체 이종접합 구조물은 기판; 상기 기판 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 버퍼층; 상기 질화갈륨(GaN) 버퍼층 상에 형성된 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층 및 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층을 포함하는 양자우물구조층; 및 상기 양기우물구조층 상에 형성된 발광폴리머층을 포함하며, 상기 양자우물구조층의 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1)의 인듐 조성, 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층의 두께, 질화갈륨(GaN) 장벽층의 두께를 조절하여 내부 전기장의 세기를 조절함으로써, 상기 양자우물구조층이 295 내지 400nm의 발광 피크 파장을 가지면서 상기 양자우물구조층과 발광폴리머층 사이의 공명에너지 전이 효율을 높이고, 상기 발광폴리머층은 상기 발광폴리머층의 흡수영역대와 상기 양자우물구조층의 발광영역대의 겹침이 있으면서, 500nm 내지 550nm 영역의 발광파장 대역에서 최대 축광(photoluminescent maximum)을 갖는 발광폴리머 물질로 이루어지며, 상기 양자우물구조층과 상기 발광폴리머층의 물리적 간격이 10nm 이하이다.
일 실시예에 따르면, 상기 양자우물구조층은 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층 및 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층이 한 번 이상 번갈아 적층되어 형성되는 다중 양자우물구조일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 질화갈륨(GaN) 버퍼층은 1 내지 10㎛의 두께를 가지며, 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1)) 양자우물층은 1 내지 10nm의 두께를 가지며 x값이 0 초과 0.7 이하이며, 상기 질화갈륨(GaN) 장벽층은 1 내지 10nm의 두께를 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 발광폴리머층이 하기 화학식 1의 구조를 갖는 말단이 디메틸페닐기(DMP)로 캡핑된 폴리[(9,9-디옥틱플루오레닐-2,7-디일)-코-(1,4-벤조-2,1′,3-티아디아졸)]로 이루어질 수 있다.
상기 x=0.90, y=0.10, n=40 내지 200
상기 화학식 1의 화합물의 중량평균분자량은 약 20,000 내지 100,000이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 유기물-무기물 반도체 이종접합 구조물의 제조 방법은 기판 상에 질화갈륨(GaN) 버퍼층을 형성하는 단계; 상기 질화갈륨(GaN) 버퍼층 상 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층과 질화갈륨(GaN) 장벽층을 포함하는 양자우물구조층을 포함하는 양자우물구조층을 형성하는 단계; 및 상기 양기우물구조층 상에 형성된 발광폴리머층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 양자우물구조층의 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1)의 인듐 조성, 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층의 두께, 질화갈륨(GaN) 장벽층의 두께를 조절하여 내부 전기장의 세기를 조절함으로써, 상기 양자우물구조층이 295 내지 400nm의 발광 피크 파장을 가지면서 상기 양자우물구조층과 발광폴리머층 사이의 공명에너지 전이 효율을 높이고, 상기 발광폴리머층은 상기 발광폴리머층의 흡수영역대와 상기 양자우물구조층의 발광영역대의 겹침이 있으면서, 500nm 내지 550nm 영역의 발광파장 대역에서 최대 축광(photoluminescent maximum)을 갖는 발광폴리머 물질로 이루어지며, 상기 양자우물구조층과 상기 발광폴리머층의 물리적 간격이 10nm 이하이다.
일 실시예에 따르면, 상기 양자우물구조층은 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층 및 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층이 한 번 이상 번갈아 적층되어 형성되는 다중 양자우물구조로 형성할 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 유기물-무기물 반도체 이종접합 발광소자는 기판; 상기 기판 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 버퍼층; 상기 질화갈륨(GaN) 버퍼층 상에 형성된 n형 질화갈륨(GaN)층; 상기 n형 질화갈륨(GaN)층 상에 형성된 각각 형성된 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층과 n형 전극층; 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층; 상기 질화갈륨(GaN) 장벽층 상에 형성된 발광폴리머층; 상기 발광폴리머층 상에 형성된 p형 전도성 폴리머층; 및 상기 p형 전도성 폴리머층 상에 각각 형성된 p형 전극층과 투명전도성 산화물 콘택층을 포함하며, 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층 및 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층이 양자우물구조층을 형성하며, 상기 양자우물구조층의 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1)의 인듐 조성, 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층의 두께, 질화갈륨(GaN) 장벽층의 두께를 조절하여 내부 전기장의 세기를 조절함으로써, 상기 양자우물구조층이 295 내지 400nm의 발광 피크 파장을 가지면서 상기 양자우물구조층과 발광폴리머층 사이의 공명에너지 전이 효율을 높이고, 상기 발광폴리머층은 상기 발광폴리머층의 흡수영역대와 상기 양자우물구조층의 발광영역대의 겹침이 있으면서, 500nm 내지 550nm 영역의 발광파장 대역에서 최대 축광을 갖는 발광폴리머 물질로 이루어지며, 상기 양자우물구조층과 상기 발광폴리머층의 물리적 간격이 10nm 이하이다.
일 실시예에 따르면, 상기 양자우물구조층은 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층 및 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층이 한 번 이상 번갈아 적층되어 형성되는 다중 양자우물구조일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 질화갈륨(GaN) 버퍼층은 1 내지 10㎛의 두께를 가지며, 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1)) 양자우물층은 1 내지 10nm의 두께를 가지며 x값이 0 초과 0.7 이하이며, 상기 질화갈륨(GaN) 장벽층은 1 내지 10nm의 두께를 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 발광폴리머층이 하기 화학식 1의 구조를 갖는 말단이 디메틸페닐기(DMP)로 캡핑된 폴리[(9,9-디옥틱플루오레닐-2,7-디일)-코-(1,4-벤조-2,1′,3-티아디아졸)]로 이루어질 수 있다.
[화학식 1]
상기 x=0.90, y=0.10, n=40 내지 200
상기 화학식 1의 화합물의 중량평균분자량은 약 20,000 내지 100,000이다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 유기물-무기물 반도체 이종접합 발광소자의 제조 방법은 기판 상에 질화갈륨(GaN) 버퍼층, n형 질화갈륨(GaN)층, 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층, 질화갈륨 장벽층, 발광폴리머층, p형 전도성 폴리머층(260)을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 p형 전도성 폴리머층, 발광폴리머층, 질화갈륨(GaN) 장벽층, 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층 및 n형 질화갈륨(GaN)층의 일부를 메사 식각 하여, 상기 n형 질화갈륨(GaN)층의 일부 영역을 노출시키는 단계; 상기 p형 전도성 폴리머층 상에 p형 전극 및 투명전도성 산화물 콘택층을 각각 형성하는 단계; 및 상기 n형 질화갈륨(GaN)층 상에 n형 전극을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층 및 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층이 양자우물구조층을 형성하며, 상기 양자우물구조층의 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1)의 인듐 조성, 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층의 두께, 질화갈륨(GaN) 장벽층의 두께를 조절하여 내부 전기장의 세기를 조절함으로써, 상기 양자우물구조층이 295 내지 400nm의 발광 피크 파장을 가지면서 상기 양자우물구조층과 발광폴리머층 사이의 공명에너지 전이 효율을 높이고, 상기 발광폴리머층은 상기 발광폴리머층의 흡수영역대와 상기 양자우물구조층의 발광영역대의 겹침이 있으면서, 500nm 내지 550nm 영역의 발광파장 대역에서 최대 축광을 갖는 발광폴리머 물질로 이루어지며, 상기 양자우물구조층과 상기 발광폴리머층의 물리적 간격이 10nm 이하이다.
일 실시예에 따르면, 상기 양자우물층은 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층 및 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층이 한 번 이상 번갈아 적층되어 형성되는 다중 양자우물구조로 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 p형 전도성 폴리머층 상에 p형 전극 및 투명전도성 산화물 콘택층을 각각 형성하는 단계는, 상기 p형 전도성 폴리머층 상에 투명전도성 산화물 콘택층을 형성하는 단계; 상기 투명전도성 산화물 콘택층의 일부분을 선택적으로 제거하는 단계; 및 상기 투명전도성 산화물 콘택층이 제거된 부분에 p형 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 p형 전도성 폴리머층 상에 p형 전극 및 투명전도성 산화물 콘택층을 각각 형성하는 단계는, 상기 p형 전도성 폴리머층 상에 p형 전극을 형성하는 단계; 상기 p형 전극의 일부를 선택적으로 제거하는 단계; 및 상기 p형 전극이 제거된 부분에 투명전도성 산화물 콘택층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 유기물-무기물 반도체 이종접합 발광소자 및 이의 제조방법에 의하면, 무기물 반도체인 질화물 반도체 양자우물구조층의 내부 전기장의 세기를 높게 유지시키면서도 무기물 반도체인 질화물 반도체 양자우물구조층과 유기물 반도체인 발광폴리머층의 공명에너지전이 효율을 향상시킬 수 있으며, 500nm 내지 550nm 발광파장영역에서 우수한 발광효율을 갖는 녹색 발광 소자를 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실험예 1에 따른 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0≤x≤1) 양자우물층, 상기 양자우물층 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층의 단일 양자우물구조에서 인듐 조성에 따른 내부 전기장의 세기의 변화량을 나타내는 그래프이다.
도 2a 내지 도 2j는 본 발명의 실험예 2에 따른 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0≤x≤1) 양자우물층, 상기 양자우물층 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층의 양자우물구조가 순차적으로 적층되어 형성되는 다중우물구조에서, 특정 양자우물 두께 및 특정 장벽층 두께에 따른 내부 전기장의 세기를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1-1에 따른 유기물-무기물 반도체 이종접합 구조의 단면도로서, 단일 양자우물구조를 갖는 실시예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1-1에 따른 유기물-무기물 반도체 이종접합 구조의 단면도로서, 다중 양자우물구조를 갖는 실시예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0≤x≤1) 양자우물층(120), 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(120)상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층(130)의 단일 양자우물구조 밴드에너지의 구조를 나타낸다.
도 6은 상기 화학식 1의 화합물을 ITO(Indium Tin Oxide) 글래스 상에 박막으로 형성할 경우의 흡수 방출 스펙트럼을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예 2-1에 따른 유기물-무기물 반도체 이종접합 발광소자의 단면도로서, 단일 양자우물구조를 갖는 실시예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예 2-1에 따른 유기물-무기물 반도체 이종접합 발광소자의 단면도로서, 다중 양자우물구조를 갖는 실시예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 9 내지 12는 본 발명의 실시예 2-1에 따른 유기물-무기물 반도체 이종접합 발광소자 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2a 내지 도 2j는 본 발명의 실험예 2에 따른 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0≤x≤1) 양자우물층, 상기 양자우물층 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층의 양자우물구조가 순차적으로 적층되어 형성되는 다중우물구조에서, 특정 양자우물 두께 및 특정 장벽층 두께에 따른 내부 전기장의 세기를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1-1에 따른 유기물-무기물 반도체 이종접합 구조의 단면도로서, 단일 양자우물구조를 갖는 실시예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1-1에 따른 유기물-무기물 반도체 이종접합 구조의 단면도로서, 다중 양자우물구조를 갖는 실시예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0≤x≤1) 양자우물층(120), 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(120)상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층(130)의 단일 양자우물구조 밴드에너지의 구조를 나타낸다.
도 6은 상기 화학식 1의 화합물을 ITO(Indium Tin Oxide) 글래스 상에 박막으로 형성할 경우의 흡수 방출 스펙트럼을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예 2-1에 따른 유기물-무기물 반도체 이종접합 발광소자의 단면도로서, 단일 양자우물구조를 갖는 실시예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예 2-1에 따른 유기물-무기물 반도체 이종접합 발광소자의 단면도로서, 다중 양자우물구조를 갖는 실시예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 9 내지 12는 본 발명의 실시예 2-1에 따른 유기물-무기물 반도체 이종접합 발광소자 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들에 따른 유기물-무기물 반도체 이종접합 발광소자 및 이의 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하지만, 본 발명이 하기의 실시예들에 제한되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. 첨부된 도면에 있어서, 기판, 층(막), 개구, 패턴들 또는 구조물들 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 본 발명에 있어서, 각 층(막), 개구, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 개구 또는 패턴들의 "상에", "상부에" 또는 "하부"에 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 각 층(막), 개구, 패턴 또는 구조물들이 직접 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들 위에 형성되거나 아래에 위치하는 것을 의미하거나, 다른 층(막), 다른 개구, 다른 패턴 또는 다른 구조물들이 기판 상에 추가적으로 형성될 수 있다.
실험예
1
질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0≤x≤1) 양자우물층, 상기 양자우물층 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층의 단일 양자우물구조을 형성하고, 인듐 조성에 따른 내부 전기장의 세기를 측정하였다.
도 1은 본 발명의 실험예 1에 따른 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0≤x≤1) 양자우물층, 상기 양자우물층 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층의 단일 양자우물구조에서 인듐 조성에 따른 내부 전기장의 세기의 변화량을 나타내는 그래프이다.
상기 실험예 1에 따르면, 단일 양자우물구조에서 내부 전기장의 세기는 양자우물의 두께에 무관하게 인듐의 조성이 많아질수록 내부 전기장의 세기가 커짐을 확인할 수 있었다.
실험예
2
질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0≤x≤1) 양자우물층, 상기 양자우물층 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층의 양자우물구조가 순차적으로 적층되어 형성되는 다중우물구조를 형성(이때, 상기 양자우물층은 모두 동일한 폭으로 형성하고, 상기 장벽층은 모두 동일한 두께로 형성)하고, 특정 양자우물 두께(well width) 및 특정 장벽층 두께(barrier thickness)에 따른 내부 전기장의 세기를 측정하였다.
도 2a 내지 도 2j는 본 발명의 실험예 2에 따른 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0≤x≤1) 양자우물층, 상기 양자우물층 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층의 양자우물구조가 순차적으로 적층되어 형성되는 다중우물구조에서, 특정 양자우물 두께 및 특정 장벽층 두께에 따른 내부 전기장의 세기를 나타내는 그래프이다.
도 2a 내지 도 2j를 참조하면, InxGa1 - XN/GaN 양자우물구조에서 인듐(In)의 조성이 커질수록(즉, x값이 커질수록), 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0≤x≤1) 양자우물층의 두께가 얇아질수록, 질화갈륨(GaN) 장벽층의 두께가 두꺼워질수록 내부 전기장의 세기가 커짐을 확인할 수 있었다. 또한, InxGa1 - xN 양자우물층의 두께 및 In 조성과 GaN 장벽층의 두께에 따라 내부전기장의 세기가 크게 변화함을 확인할 수 있었다.
실시예
1-1
도 3은 본 발명의 실시예 1-1에 따른 유기물-무기물 반도체 이종접합 구조의 단면도로서, 단일 양자우물구조를 갖는 실시예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 상기 유기물-무기물 반도체 이종접합 구조는 기판(100); 상기 기판(100) 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 버퍼층(110), 상기 질화갈륨(GaN) 버퍼층(110) 상에 형성된 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(120), 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(120) 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층(130), 질화갈륨(GaN) 장벽층(130) 상에 형성된 발광폴리머층(140)을 포함한다. 일 실시예로 상기 도너로서 양자우물 구조(150)의 질화물 반도체를 가지며, 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(120)과 질화갈륨(GaN) 장벽층(130)로 이루어진 구조 단일 양자우물구조를 가진다.
상기 기판(100)에는 사파이어(Al2O3), 실리콘(Si), 스피넬(MgAl2O4), 실리콘카바이드(SiC) 기판 등이 포함될 수 있다. 본 실시예에서는 상기 기판(100)은 사파이어(Al2O3)를 이용하였다.
상기 기판(100) 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 버퍼층(110)은 상부에 형성될 층과 상기 기판 사이의 격자 불일치를 완화가기 위해 사용되는 층이다. 상기 질화갈륨(GaN) 버퍼층(110)은 1 내지 10㎛의 두께를 가질 수 있다. 상기 질화갈륨(GaN) 버퍼층(110) 버퍼의 역할을 하기 위해서는 최소 1㎛의 두께를 가져야 양질의 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층을 성장시킬 수 있으며, 10㎛의 두께를 초과하게되면 소자 제작 시 가격이 많이 올라가므로 불리할 수 있다. 바람직하게는 상기 질화갈륨(GaN) 버퍼층(110)의 두께는 2㎛일 수 있다.
상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1)) 양자우물층은 1 내지 10nm의 두께를 가지며 x값이 0 초과 0.7 이하이며, 상기 질화갈륨(GaN) 장벽층은 1 내지 10nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1)) 양자우물층과 상기 질화갈륨(GaN) 장벽층은 1nm 미만으로 두께 조절성을 갖기에는 기술적으로 한계가 있을 수 있으며, 10nm가 초과될 경우, 양자 가둠 효과가 미약하게 되고 활성층 두께 증가에 따른 변형 효과로 바람직하지 않을 수 있다. 인듐(In)의 조성이 커질수록(즉, x값이 커질수록) 내부 전기장의 세기가 커지는 유리한 효과가 있지만, 이와 함께, 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1)) 양자우물층의 결함 밀도가 증가하여 공명에너지전이 효율에 불리한 효과를 가진다. 바람직하게는 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1)) 양자우물층의 x값이 0 초과 0.7 이하일 수 있다.
상기 유기물-무기물 반도체 이종접합 구조에서 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(120) 및 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(120) 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층(130)으로 이루어진 질화물 반도체의 양자우물구조(150)는 공명에너지 전이의 도너(donor)로 작용하고, 상기 양자우물구조(150) 상에 형성된 발광폴리머층(140)은 어셉터(acceptor)로 작용한다. 하기 수학식 1 내지 수학식 3은 본 발명에 따른 유기물-무기물 반도체 이종접합 구조에서 발광효율을 최대화하는 방법을 설명하기 위한 식이다.
본 발명에 따른 유기물-무기물 반도체 이종접합 구조의 어셉터인 유기물인 발광폴리머층(140)의 발광효율을 최대화하기 위해서는 유기물-무기물 반도체 이종구조의 각 층에서의 쌍극자(dipole)들간의 상호작용에 의한 공명에너지전이(FRET) 현상을 이용하여야 한다. 공명에너지 전이를 최대화하기 위해서는 1) 도너에 해당하는 무기물 반도체(양자우물구조(150))의 발광영역대와 억셉터에 해당하는 유기물 반도체(발광폴리머층(140))의 흡수영역대의 겹침이 있어야 하고, 2) 도너와 억셉터간의 물리적 간격이 수 나노 미터 정도 이하의 매우 작은 값(예를 들어, 10nm 이하)이어야 하며, 3) κ2라고 불리는 도너 발광 쌍극자 모멘트(donor emission dipole moment)와 억셉터 흡광 쌍극자 모멘트(acceptor absorption dipole moment)간의 방향 벡터값이 어느 정도 일치해야 한다. 수학식 2를 참조하면, κ2의 경우, 두 물질에서의 dipole간의 상호정렬방향에 따라 0에서 4까지의 값을 갖게 되는데 두 dipole이 평형일 경우 4의 값을, 두 dipole이 수직일 때 0의 값을 갖게 된다. 본 발명에서는 1), 2)의 조건을 만족하는 유기물-무기물 반도체 이종접합 구조에서 3)을 최대화할 수 있는 즉 두 쌍극자간의 방향을 조절할 수 있도록 한다.
본 실시예에 따르면, 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(120), 상기 양자우물층 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층(130)으로 이루어진 단일 양자우물구조(150)로 형성될 수 있다. 질화물반도체의 경우 결정성장방향으로의 (In, Ga, Al)-N 결합은 매우 큰 극성을 지니며 일반적인 III-V족 화합물반도체(GaAs, GaP 등)에 비해 10배 이상의 높은 자발분극(spontaneous polarization) 값을 갖는다. 또한 InxGa1 - xN/GaN 이종접합구조를 형성할 경우 두께가 상대적으로 훨씬 얇은 InGaN 구조 내에 하부 GaN층과의 격자상수 불일치에 의한 내부응력 형성으로 인해 압전분극(piezoelectric polarization)이 형성된다. 결국 InxGa1 - xN/GaN 양자우물 구조를 형성할 경우 InGaN 양자우물층 내에는 이러한 자발분극 및 압전분극이 동시에 작용하게 되어 내부에 수 MV/cm 단위의 매우 강한 자발적인 전기장(built-in electric field)이 형성된다. 따라서, 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(120) 내에 광학적인 방법(레이저 조사) 혹은 전기적인 방법으로 엑시톤(exciton)을 형성할 경우 도너 구조 내의 이들 쌍극자는 결정성장방향으로 우선 배향하게 되어 도너/억셉터 이종구조 형성 시 공명에너지전이 효율의 뚜렷한 향상이 가능하다. 또한 외부에서 도너/억셉터 이종구조에의 도너의 결정성장 방향을 따라 외부 전기장을 인가할 경우 억셉터 내의 엑시톤들 또한 동일 방향으로 우선 배향되므로 100%에 가까운 공명에너지전이가 가능하다.
상기 실험예 2의 전산모사 결과에 의하면, InxGa1 - xN/GaN 양자우물구조 형성 시 동일 조건의 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(120)(동일 두께, 동일 In 조성) 및 질화갈륨(GaN) 장벽층(130)(동일 두께)을 이용한 다중 양자우물구조(150)를 형성(도 4 참조)할 경우 양자우물층의 개수가 증가할수록 양자우물층 내의 내부 전기장의 세기가 감소할 수 있으므로, 공명에너지전이 효율을 향상시키는 데에는 단일 양자우물층을 형성하는 것이 유리할 수 있다.
실험예 2의 전산모사 결과에 의하면, InxGa1 - xN/GaN 양자우물 구조에서 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(120)의 두께가 얇아질수록 내부 전기장의 세기를 증가시킬 수 있으나, 현재의 질화물반도체 증착장비(MOCVD 및 MBE 등)에서 1nm 미만의 두께 조절성을 갖기에는 기술적 한계가 있어 실질적인 측면에서 최적 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(120)의 두께는 1nm일 수 있다. 다만, 질화물반도체 증착 기술이 발전되어 1nm 미만의 두께의 조절될 경우, 1nm의 미만의 두께로 형성될 경우 내부 전기장의 세기를 더 증가시킬 수 있을 수 있을 수 있는 가능성을 가진다.
도 5는 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0≤x≤1) 양자우물층(120), 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(120)상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층(130)의 단일 양자우물구조 밴드에너지의 구조를 나타낸다. InN(x=1) 양자우물층의 Eg=0.7eV, m'e=0.11mo, m'hh=1.6mo이며, 질화갈륨(GaN) 장벽층의 Eg=0.34eV, m'e=0.20mo, m'hh=1.9mo이며, InN(x=1) 양자우물층/질화갈륨(GaN) 장벽층 계면의 전도대 오프셋(conductive band offset, CBO)은 1.85eV이며, 가전자대 오프셋(valence band offset, VBO)은 0.85eV의 값을 이용하였다.
하기 표 1은 슈레딩거 방정식을 이용하여, 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0≤x≤1) 양자우물층(120), 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(120) 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층(130)의 단일 양자우물구조(150)의 발광에너지 레벨과 발광파장을 계산한 값을 나타낸다.
| 단일 양자우물구조의 양자우물 두께(lm) | x값 | 5nm | 3nm | 1nm |
| 발광에너지 레벨(emission energy level) | x=1 | 0.814eV | 0.977eV | 1.88eV |
| x=0.7 | - | - | 3.16eV | |
| 발광파장(emission wavelength) | x=1 | 1523nm | 1269nm | 660nm |
| x=0.7 | - | - | 393nm |
슈뢰딩거 방정식을 이용한 계산에 따르면, InN 박막에서의 발광파장은 1770nm 정도이나 1nm의 두께를 갖는 InN(x=1) 양자우물층을 사용하는 경우 양자우물 형성에 따른 캐리어 가둠 효과로 인하여 발광파장이 660nm 정도로 짧아지나 원하는 도너의 파장대역인 자외선(혹은 청색) 영역(원하는 도너의 파장대역인 자외선 영역은 295 내지 400nm임)에서 크게 벗어난다. 따라서 도너의 파장대역을 고려한 최적 In 조성은 70% 정도로, 계산에 따르면 1nm의 두께를 갖는 질화인듐갈륨(In0.7Ga0.3N)을 양자우물층(120)으로 사용할 경우 약 400nm 정도(393nm)의 발광파장을 갖게 되어 강한 내부 전기장을 형성하면서도 원하는 도너의 파장대역을 가질 수 있다. 질화갈륨(GaN) 장벽층(130)과 관련하여 장벽층의 두께가 증가할수록 모든 In 조성의 InxGa1-xN 양자우물층에서의 내부 전기장의 세기가 증가하나 양자우물층에서의 엑시톤과 발광폴리머에서의 엑시톤간의 에너지전이 효율은 크게 감소하게 되어 (효율 ∝ 1/d6, d: 장벽층 두께), 두 효과를 모두 고려한 최적 장벽층의 두께는 2nm 정도일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(120)과 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(120) 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층이 한 번 이상 번갈아 적층되어 형성되는 다중 양자우물 구조(150)로 형성(도 4 참조)될 수 있다.
예를 들어, 상기 다중 양자우물구조는 동일한 조성 및 두께를 갖는 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(120)과 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(120) 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층(130)이 한 번 이상 번갈아 적층되어 형성되는 다중 양자우물구조(150)일 수 있다.
상기 발광폴리머층(140)은 공명에너지 전이를 최대화하기 위해서 상기 양자우물구조의 발광영역대와 상기 발광폴리머층의 흡수영역대의 겹침이 있으면서, 500nm 내지 550nm 영역의 발광파장 대역에서 최대 축광(photoluminescent maximum)을 갖는 발광폴리머 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(120)으로 질화인듐갈륨(In0.7Ga0.3N)을 양자우물층으로 사용할 경우 약 393nm의 발광파장을 갖게 되므로, 상기 발광폴리머층(140) 물질은 약 393nm 이하의 최대흡광 파장을 가지면서 500nm 내지 550nm 영역의 발광파장 대역에서 최대 축광(photoluminescent maximum)을 갖는 발광폴리머 물질을 선택할 수 있다.
상기 발광폴리머층(140)은 ADS233YE(American Dye Source, Inc.), 트리스(2-페닐피리딘)이리디움(III)(상품명: ADS060GE(American Dye Source, Inc.)), 트리스(8-하이드록시퀴롤라토)알루미늄(III)(상품명: ADS061GE(American Dye Source, Inc.)), 트리스(8-하이드록시퀴놀라토)갈리움(III)(상품명: ADS063GEE(American Dye Source, Inc.))등을 포함할 수 있다.
본 실시예에서는 상기 발광폴리머층(140)은 ADS233YE(American Dye Source, Inc.)으로 형성될 수 있다. 상기 ADS233YE는 말단이 디메틸페닐기(DMP)로 캡핑된 폴리[(9,9-디옥틱플루오레닐-2,7-디일)-코-(1,4-벤조-2,1′,3-티아디아졸)](Poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-(1,4-benzo-2,1′,3-thiadiazole)] end capped DMP)로, 하기의 화학식을 가진다.
[화학식 1]
상기 x=0.90, y=0.10, n=40 내지 200
상기 화학식 1의 화합물의 중량평균분자량(weight average molecular weight, Mw)은 약 20,000 내지 100,000이다.
도 6은 상기 화학식 1의 화합물을 ITO(Indium Tin Oxide) 글래스 상에 박막으로 형성할 경우의 흡수 방출 스펙트럼을 나타낸다.
도 6을 참조하면, 상기 화학식 1의 화합물의 최대 흡광(absorption maximum)은 약 385nm이고, 최대 축광(photoluminescent maximum)은 약 528nm이다.
실시예
1-2
이하, 본 발명의 실시예 1-1에 따른 유기물-무기물 반도체 이종접합 구조의 제조 방법을 설명한다.
도 3을 참조하면, 기판(100) 상에 질화갈륨(GaN) 버퍼층(110)을 형성한다. 본 실시예에서는 사파이어 기판(Al2O3)을 이용하였다. 예를 들어, 상기 질화갈륨(GaN) 버퍼층(110)은 유기금속화학기상증착법(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)을 이용하여 상기 사파이어 기판(100) 상에 약 1000℃에서 약 2㎛ 두께 정도로 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 질화갈륨(GaN) 버퍼층(110) 상에 유기금속화학기상증착법 또는 분자빔 에피택시법(molecular beam epitaxy, MBE)을 이용하여 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(120), 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 -xN, 0<x<1) 양자우물층(120) 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층(130)의 단일 양자우물구조(150)를 형성할 수 있다. 일 예로, 약 1nm 두께의 질화인듐갈륨(In0 .7Ga0 .3N) 양자우물층(120) 및 약 2nm 두께의 질화갈륨(GaN) 장벽층(130)을 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(120)과 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(120) 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층(130)이 한 번 이상 번갈아 적층되어 형성되는 다중 양자우물구조(150)(도 4 참조)로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 다중 양자우물구조(150)는 동일한 조성 및 두께를 갖는 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(120)과 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(120) 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층(130)이 한 번 이상 번갈아 적층되어 형성되는 구조일 수 있다. 일 예로, 상기 질화갈륨(GaN) 버퍼층(110) 상에 유기금속화학기상증착법 또는 분자빔 에피택시법(molecular beam epitaxy, MBE)을 이용하여 약 1nm 두께의 질화인듐갈륨(In0 .7Ga0 .3N) 양자우물층(120) 및 약 2nm 두께의 질화갈륨(GaN) 장벽층(130)이 한 번 이상 번갈아 적층되어 있는 구조로 형성할 수 있다.
상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(120)과 상기 양자우물층 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층(130)을 포함하는 양자우물구조(150)를 형성한 후, 질화갈륨(GaN) 장벽층(130)을 건식 또는 습식 청정법를 통해 세정할 수 있다.
상기 질화갈륨(GaN) 장벽층(130) 상에 발광폴리머층(140)을 형성한다. 상기 발광포리머층(140)을 형성하기 위해 스핀 코팅법, 딥 코팅법, 스프레이 프린팅법, 잉크젯 프린팅법(ink-jet printing), 노즐 프린팅법(nozzle printing) 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 본 실시예에서는 상기 발광폴리머층(140)은 말단이 디메틸페닐기(DMP)로 캡핑된 폴리[(9,9-디옥틱플루오레닐-2,7-디일)-코-(1,4-벤조-2,1′,3-티아디아졸)](Poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-(1,4-benzo-2,1′,3-thiadiazole)] end capped DMP) 즉, ADS233YE(American Dye Source, Inc.)을 이용하여 스핀 코팅법을 이용하여 형성한다.
실시예
2-1
도 7은 본 발명의 실시예 2-1에 따른 유기물-무기물 반도체 이종접합 발광소자의 단면도로서, 단일 양자우물구조를 갖는 실시예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 7을 참조하면, 상기 유기물-무기물 반도체 이종접합 발광소자은 기판(200), 기판(200) 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 버퍼층(210), 상기 질화갈륨(GaN) 버퍼층(210) 상에 형성된 n형 질화갈륨(GaN)층(220), 상기 n형 질화갈륨(GaN)층(220) 상에 형성된 각각 형성된 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(230)과 n형 전극층(290), 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(230) 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층(240), 상기 질화갈륨(GaN) 장벽층(240) 상에 형성된 발광폴리머층(250); 상기 발광폴리머층(250) 상에 형성된 p형 전도성 폴리머층(260); 상기 p형 전도성 폴리머층(260) 상에 각각 형성된 p형 전극층(270)과 투명전도성 산화물 콘택층(280)을 포함한다.
상기 기판(200)에는 사파이어(Al2O3), 실리콘(Si), 스피넬(MgAl2O4), 실리콘카바이드(SiC) 기판 등이 포함될 수 있다. 본 실시예에서는 상기 기판(200)은 사파이어(Al2O3)를 이용하였다.
상기 기판(200) 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 버퍼층(210)은 상부에 형성될 층과 상기 기판 사이의 격자 불일치를 완화가기 위해 사용되는 층이다. 상기 질화갈륨(GaN) 버퍼층(210)의 두께는 예를 들어 약 2㎛일 수 있다.
상기 n형 질화갈륨(GaN)층(220)은 도펀트로 Si, Ge, Se, Te 또는 C 등을 이용하여 도핑하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 n형 질화갈륨(GaN)층(220)은 Si로 n형 도펀트의 도핑 농도는 1015/㎤ 내지 1020/㎤ 농도로 도핑된 GaN층일 수 있다. 상기 n형 질화갈륨(GaN)층(220)의 두께는 예를 들어 약 2㎛일 수 있다.
상기 n형 전극층(290)은 Ti, Cr, Al, Cu, Au, Al-Ti 합금, Al-Si 합금, Al-Si-Cu 합금으로 구성된 군으로부터 선택된 물질로 이루어진 단일층 또는 복수층으로 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 n형 전극층(290)은 Al-Ti 합금 단일층으로 형성하였다.
상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(230)과 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(230) 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층(240)을 포함하는 양자우물구조(300) 및 발광폴리머층(250)에 관한 설명은 실시예 1-1에 설명된 바와 실질적으로 동일하므로 생략한다. 도 8을 참조하면, 다른 실시예로서, 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(230)과 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(230) 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층(240)이 한 번 이상 번갈아 적층되어 형성되는 다중 양자우물구조(300)(도 참조)로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 다중 양자우물구조(300)는 동일한 조성 및 두께를 갖는 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(230)과 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(230) 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층(240)이 한 번 이상 번갈아 적층되어 형성되는 구조일 수 있다.
상기 p형 전도성 폴리머층(260)으로 PEDOT:PSS (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate) ), CuPc (copper phthalocyanine), TFB (poly[9,9-dioctyl-fluorene-co-N-(4-butylphenyl)-diphenylamine), PFB (poly(9,9-dioctylfluorene-co-bis-N,N′-(4-butylphenyl)-bis-N,N′-phenyl-1,4-phenylene-diamine) 등의 물질을 사용할 수 있다.
상기 p형 전극층(270)은 Au 또는 Au계 합금으로 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 Ti-Au 합금 단일 층으로 형성하였다.
상기 투명전도성 산화물 콘택층(280)은 인듐(In), 주석(Sn), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 세륨(Ce), 카드뮴(Cd), 마그네슘(Mg), 베릴륨(Be), 은(Ag), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 구리(Cu), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 텅스텐(W), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 알루미늄(Al) 및 란탄(La) 계열의 금속으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 산화시킨 형태의 투명전도성 산화물을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 인듐틴옥사이드(ITO), 진크옥사이드(ZnO) 및 이리듐옥사이드(IrO2)로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다. 투명전도성 산화물은 일함수(work function) 값과 면 저항값(sheet resistance)을 우선적으로 고려하여 선택할 수 있다. 본 실시예에서는 상기 투명전도성 산화물 콘택층(280)이 인듐틴옥사이드(ITO)를 포함할 수 있다. 상기 투명전도성 산화물 콘택층(280)에서 전기적 특성을 향상시키기 위해서 원소 주기율표상의 금속 성분 중 적어도 하나 이상의 원소를 도판트로 첨가할 수 있다.
실시예
2-2
도 9 내지 12는 본 발명의 실시예 2-1에 따른 유기물-무기물 반도체 이종접합 발광소자 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 9를 참조하면, 기판(200) 상에 질화갈륨(GaN) 버퍼층(210), n형 질화갈륨(GaN)층(220), 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(230), 질화갈륨(GaN) 장벽층(240), 발광폴리머층(250), p형 전도성 폴리머층(260)을 순차적으로 형성한다.
본 실시예에서는 상기 기판(200)은 사파이어(Al2O3)를 이용하였다.
상기 기판(200) 상에 상기 질화갈륨(GaN) 버퍼층(210)은 유기금속화학증착(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD)을 이용하여 상기 사파이어 기판(200) 상에 약 1000℃에서 약 2㎛두께 정도로 형성할 수 있다.
상기 질화갈륨(GaN) 버퍼층(210) 상에 유기금속기상증착법, 분자빔 성장법 또는 하이브리드 기상증착법과 같은 증착공정을 이용하여 n형 질화갈륨(GaN)층(220)을 형성할 수 있다. 상기 n형 질화갈륨(GaN)층(220)은 도펀트로 Si, Ge, Se, Te 또는 C 등을 이용하여 도핑하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 n형 질화갈륨(GaN)층(220)은 Si로 n형 도펀트의 도핑 농도는 1015/㎤ 내지 1020/㎤ 농도로 도핑될 수 있다. 상기 n형 질화갈륨(GaN)층(220)의 두께는 예를 들어 약 2㎛일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 n형 질화갈륨(GaN)층(220) 상에 유기금속화학기상증착법 또는 분자빔 에피택시법(molecular beam epitaxy, MBE)을 이용하여 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(230), 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(230) 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층(240)의 단일 양자우물구조(300)를 형성할 수 있다. 일 예로서, 약 1nm 두께의 질화인듐갈륨(In0 .7Ga0 .3N) 양자우물층(230) 및 약 2nm 두께의 질화갈륨(GaN) 장벽층(240)을 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(230)과 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(230) 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층(240)이 한 번 이상 번갈아 적층되어 형성되는 다중 양자우물구조(300)(도시하지 않음)로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 다중 양자우물구조(300)는 동일한 조성 및 두께를 갖는 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(230)과 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(230) 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층(240)이 한 번 이상 번갈아 적층되어 형성되는 구조일 수 있다. 일 예로, 상기 n형 질화갈륨(GaN)층(220) 상에 유기금속화학기상증착법 또는 분자빔 에피택시법을 이용하여 약 1nm 두께의 질화인듐갈륨(In0 .7Ga0 .3N) 양자우물층(230) 및 약 2nm 두께의 질화갈륨(GaN) 장벽층(240)이 한 번 이상 번갈아 적층되어 있는 구조로 형성할 수 있다.
상기 질화갈륨(GaN) 장벽층(240) 상에 발광폴리머층(250)을 형성한다. 상기 발광포리머층(250)을 형성하기 위해 스핀 코팅법, 딥 코팅법, 스프레이 프린팅법, 잉크젯 프린팅법(ink-jet printing), 노즐 프린팅법(nozzle printing) 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 본 실시예에서는 상기 발광폴리머층(250)은 말단이 디메틸페닐기(DMP)로 캡핑된 폴리[(9,9-디옥틱플루오레닐-2,7-디일)-코-(1,4-벤조-2,1′,3-티아디아졸)](Poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-(1,4-benzo-2,1′,3-thiadiazole)] end capped DMP) 즉, ADS233YE(American Dye Source, Inc.)을 이용하여 스핀 코팅법을 이용하여 형성한다.
상기 p형 전도성 폴리머층(260)으로 PEDOT:PSS (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate) ), CuPc (copper phthalocyanine), TFB (poly[9,9-dioctyl-fluorene-co-N-(4-butylphenyl)-diphenylamine), PFB (poly(9,9-dioctylfluorene-co-bis-N,N′-(4-butylphenyl)-bis-N,N′-phenyl-1,4-phenylene-diamine) 등의 물질을 사용할 수 있다. p형 전도성 폴리머층(260)을 형성하기 위해 스핀 코팅법, 딥 코팅법, 스프레이 코팅법, 잉크젯 프린팅법, 노즐 프린팅법 등을 사용할 수 있으나 이에 한정된 것은 아니다. 본 실시예에서는 PEDOT:PSS를 이용하여 스핀 코팅법을 이용하여 형성하며 두께는 예를 들어 약 100 nm일 수 있다.
도 10 참조하면, 상기 p형 전도성 폴리머층(260), 발광폴리머층(250), 질화갈륨(GaN) 장벽층(240), 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층(230) 및 n형 질화갈륨(GaN)층(220)의 일부를 메사 식각 하여, 상기 n형 질화갈륨(GaN)층(220)의 일부 영역을 노출시킨다.
도 11을 참조하면, 상기 p형 전도성 폴리머층(260) 상에 p형 전극(270) 및 투명전도성 산화물 콘택층(280)을 각각 형성한다. 상기 투명도전층(280)을 적층하는 방법으로는 당업계에서 통상 사용하는 방법인 한 특별하게 한정할 필요는 없으며, 예를 들면, 전자빔 증착(electron beam deposition), 스퍼터링(sputtering), 플라즈마 증착(plasma laser deposition), 이중 열증착(dual-type thermal deposition), 화학기상증착(chemical vapor deposition), 물리기상증착(physical vapor deposition) 등이 있다. 상기 투명전도성 산화물 콘택층(280)에서 전기적 특성을 향상시키기 위해서 원소 주기율표상의 금속 성분 중 적어도 하나 이상의 원소를 도판트로 첨가할 수 있다. 본 실시예에서는 p형 전극(270)으로 Ti-Au 합금 단일 층으로 형성하였고, 투명전도성 산화물 콘택층(280)은 인듐틴옥사이드(ITO) 층으로 형성하였다.
일 예로서, 도시하지는 않았으나, 상기 p형 전도성 폴리머층(260) 상에 투명전도성 산화물 콘택층(280)을 형성한 다음, 상기 투명전도성 산화물 콘택층(280)의 일부분을 선택적으로 제거하고, 상기 투명전도성 산화물 콘택층이 제거된 부분에 p형 전극(270)을 형성할 수 있다.
다른 실시예로서, 도시하지는 않았으나, 상기 p형 전도성 폴리머층(260) 상에 p형 전극(270)을 형성한 다음, 상기 p형 전극(270)의 일부분를 선택적으로 제거하고, 상기 p형 전극(270)이 제거된 부분에 투명전도성 산화물 콘택층(280)을 형성할 수 있다.
도 12를 참조하면, 상기 n형 질화갈륨(GaN)층(220) 상에 n형 전극(290)을 형성한다. 본 실시예에서는 Al-Ti 합금 단일층으로 형성하였다.
Claims (14)
- 기판;
상기 기판 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 버퍼층;
상기 질화갈륨(GaN) 버퍼층 상에 형성된 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층 및 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층을 포함하는 양자우물구조층; 및
상기 양기우물구조층 상에 형성된 발광폴리머층을 포함하며,
상기 양자우물구조층의 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1)의 인듐 조성, 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층의 두께, 질화갈륨(GaN) 장벽층의 두께를 조절하여 내부 전기장의 세기를 조절함으로써, 상기 양자우물구조층이 295 내지 400nm의 발광 피크 파장을 가지면서 상기 양자우물구조층과 발광폴리머층 사이의 공명에너지 전이 효율을 높이고,
상기 발광폴리머층은 상기 발광폴리머층의 흡수영역대와 상기 양자우물구조층의 발광영역대의 겹침이 있으면서, 500nm 내지 550nm 영역의 발광파장 대역에서 최대 축광(photoluminescent maximum)을 갖는 발광폴리머 물질로 이루어지며,
상기 양자우물구조층과 상기 발광폴리머층의 물리적 간격이 10nm 이하인 것을 특징으로 하는 유기물-무기물 반도체 이종접합 구조물. - 제 1항에 있어서, 상기 양자우물구조층은 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층 및 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층이 한 번 이상 번갈아 적층되어 형성되는 다중 양자우물구조인 것을 특징으로 하는 유기물-무기물 반도체 이종접합 구조물.
- 제 1항에 있어서, 상기 질화갈륨(GaN) 버퍼층은 1 내지 10㎛의 두께를 가지며, 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1)) 양자우물층은 1 내지 10nm의 두께를 가지며 x값이 0 초과 0.7 이하이며, 상기 질화갈륨(GaN) 장벽층은 1 내지 10nm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 유기물-무기물 반도체 이종접합 구조물.
- 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발광폴리머층이 하기 화학식 1의 구조를 갖는 말단이 디메틸페닐기(DMP)로 캡핑된 폴리[(9,9-디옥틱플루오레닐-2,7-디일)-코-(1,4-벤조-2,1′,3-티아디아졸)](Poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-(1,4-benzo-2,1′,3-thiadiazole)] end capped DMP)로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기물-무기물 반도체 이종접합 구조물.
[화학식 1]
상기 x=0.90, y=0.10, n=40 내지 200
상기 화학식 1의 화합물의 중량평균분자량(weight average molecular weight, Mw)은 약 20,000 내지 100,000임. - 기판 상에 질화갈륨(GaN) 버퍼층을 형성하는 단계;
상기 질화갈륨(GaN) 버퍼층 상 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층과 질화갈륨(GaN) 장벽층을 포함하는 양자우물구조층을 포함하는 양자우물구조층을 형성하는 단계; 및
상기 양기우물구조층 상에 형성된 발광폴리머층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 양자우물구조층의 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1)의 인듐 조성, 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층의 두께, 질화갈륨(GaN) 장벽층의 두께를 조절하여 내부 전기장의 세기를 조절함으로써, 상기 양자우물구조층이 295 내지 400nm의 발광 피크 파장을 가지면서 상기 양자우물구조층과 발광폴리머층 사이의 공명에너지 전이 효율을 높이고,
상기 발광폴리머층은 상기 발광폴리머층의 흡수영역대와 상기 양자우물구조층의 발광영역대의 겹침이 있으면서, 500nm 내지 550nm 영역의 발광파장 대역에서 최대 축광(photoluminescent maximum)을 갖는 발광폴리머 물질로 이루어지며,
상기 양자우물구조층과 상기 발광폴리머층의 물리적 간격이 10nm 이하인 것을 특징으로 하는 유기물-무기물 반도체 이종접합 구조물의 제조 방법. - 제 5항에 있어서, 상기 양자우물구조층을 형성하는 단계는 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층 및 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층이 한 번 이상 번갈아 적층되어 형성되는 다중 양자우물구조로 형성하는 것을 특징으로 하는 유기물-무기물 반도체 이종접합 구조물.
- 기판;
상기 기판 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 버퍼층;
상기 질화갈륨(GaN) 버퍼층 상에 형성된 n형 질화갈륨(GaN)층;
상기 n형 질화갈륨(GaN)층 상에 형성된 각각 형성된 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층과 n형 전극층;
상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층;
상기 질화갈륨(GaN) 장벽층 상에 형성된 발광폴리머층;
상기 발광폴리머층 상에 형성된 p형 전도성 폴리머층; 및
상기 p형 전도성 폴리머층 상에 각각 형성된 p형 전극층과 투명전도성 산화물 콘택층을 포함하며,
상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층 및 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층이 양자우물구조층을 형성하며,
상기 양자우물구조층의 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1)의 인듐 조성, 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층의 두께, 질화갈륨(GaN) 장벽층의 두께를 조절하여 내부 전기장의 세기를 조절함으로써, 상기 양자우물구조층이 295 내지 400nm의 발광 피크 파장을 가지면서 상기 양자우물구조층과 발광폴리머층 사이의 공명에너지 전이 효율을 높이고,
상기 발광폴리머층은 상기 발광폴리머층의 흡수영역대와 상기 양자우물구조층의 발광영역대의 겹침이 있으면서, 500nm 내지 550nm 영역의 발광파장 대역에서 최대 축광을 갖는 발광폴리머 물질로 이루어지며,
상기 양자우물구조층과 상기 발광폴리머층의 물리적 간격이 10nm 이하인 것을 특징으로 하는 유기물-무기물 반도체 이종접합 발광소자. - 제 7항에 있어서, 상기 양자우물구조층은 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층 및 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층이 한 번 이상 번갈아 적층되어 형성되는 다중 양자우물구조인 것을 특징으로 하는 유기물-무기물 반도체 이종접합 발광소자.
- 제 7항에 있어서, 상기 질화갈륨(GaN) 버퍼층은 1 내지 10㎛의 두께를 가지며, 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1)) 양자우물층은 1 내지 10nm의 두께를 가지며 x값이 0 초과 0.7 이하이며, 상기 질화갈륨(GaN) 장벽층은 1 내지 10nm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 유기물-무기물 반도체 이종접합 구조물. 유기물-무기물 반도체 이종접합 발광소자.
- 제 7항 내지 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발광폴리머층이 하기 화학식 1의 구조를 갖는 말단이 디메틸페닐기(DMP)로 캡핑된 폴리[(9,9-디옥틱플루오레닐-2,7-디일)-코-(1,4-벤조-2,1′,3-티아디아졸)]로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기물-무기물 반도체 이종접합 발광소자.
[화학식 1]
상기 x=0.90, y=0.10, n=40 내지 200
상기 화학식 1의 화합물의 중량평균분자량은 약 20,000 내지 100,000임. - 기판 상에 질화갈륨(GaN) 버퍼층, n형 질화갈륨(GaN)층, 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층, 질화갈륨 장벽층, 발광폴리머층, p형 전도성 폴리머층을 순차적으로 형성하는 단계;
상기 p형 전도성 폴리머층, 발광폴리머층, 질화갈륨(GaN) 장벽층, 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층 및 n형 질화갈륨(GaN)층의 일부를 메사 식각 하여, 상기 n형 질화갈륨(GaN)층의 일부 영역을 노출시키는 단계;
상기 상기 p형 전도성 폴리머층 상에 p형 전극 및 투명전도성 산화물 콘택층을 각각 형성하는 단계; 및
상기 n형 질화갈륨(GaN)층 상에 n형 전극을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층 및 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층이 양자우물구조층을 형성하며,
상기 양자우물구조층의 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1)의 인듐 조성, 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층의 두께, 질화갈륨(GaN) 장벽층의 두께를 조절하여 내부 전기장의 세기를 조절함으로써, 상기 양자우물구조층이 295 내지 400nm의 발광 피크 파장을 가지면서 상기 양자우물구조층과 발광폴리머층 사이의 공명에너지 전이 효율을 높이고,
상기 발광폴리머층은 상기 발광폴리머층의 흡수영역대와 상기 양자우물구조층의 발광영역대의 겹침이 있으면서, 500nm 내지 550nm 영역의 발광파장 대역에서 최대 축광을 갖는 발광폴리머 물질로 이루어지며,
상기 양자우물구조층과 상기 발광폴리머층의 물리적 간격이 10nm 이하인 것을 특징으로 하는 유기물-무기물 반도체 이종접합 발광소자의 제조방법. - 제 11항에 있어서, 상기 양자우물층은 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층 및 상기 질화인듐갈륨(InxGa1 - xN, 0<x<1) 양자우물층 상에 형성된 질화갈륨(GaN) 장벽층이 한 번 이상 번갈아 적층되어 형성되는 다중 양자우물구조로 형성하는 것을 특징으로 하는 유기물-무기물 반도체 이종접합 발광소자의 제조방법.
- 제 11항에 있어서, 상기 p형 전도성 폴리머층 상에 p형 전극 및 투명전도성 산화물 콘택층을 각각 형성하는 단계는,
상기 p형 전도성 폴리머층 상에 투명전도성 산화물 콘택층을 형성하는 단계;
상기 투명전도성 산화물 콘택층의 일부분을 선택적으로 제거하는 단계; 및
상기 투명전도성 산화물 콘택층이 제거된 부분에 p형 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기물-무기물 반도체 이종접합 발광소자의 제조방법. - 제 11항에 있어서, 상기 p형 전도성 폴리머층 상에 p형 전극 및 투명전도성 산화물 콘택층을 각각 형성하는 단계는,
상기 p형 전도성 폴리머층 상에 p형 전극을 형성하는 단계;
상기 p형 전극의 일부를 선택적으로 제거하는 단계; 및
상기 p형 전극이 제거된 부분에 투명전도성 산화물 콘택층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기물-무기물 반도체 이종접합 발광소자의 제조방법.
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