KR20210085666A - N형 산화아연층과 p형 반도체 층을 가지는 발광 다이오드 및 레이저 다이오드 - Google Patents

Abstract

SrCu2O2막 위에 n형 ZnO를 성막하여 다이오드특성이 발현된다는 것은 확인되어 있으나, 다이오드로부터의 발광은 확인되어 있지 않았다. 본 발명은 투명기판 위에 적층한 발광특성을 나타내는 n형 ZnO층 위에 SrCu2O2, CuAlO2, 또는 CuGaO2로 이루어지는 P형 반도체 중의 하나를 적층하여 형성한 p-n접합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 자외 발광소자이다. 투명기판은 단결정 기판, 특히 원자형상으로 평탄화한 산화이트륨 부분안정화 지르코니아(YSZ)(111)기판이 좋다. 투명기판 위에 기판 온도 200∼1200℃에서 n형 ZnO를 성막하고, 다시 그 위에 SrCu2O, CuAlO2 또는 CuGaO2로 이루어지는 p형 반도체층을 성막한다. 기판을 가열하지 않고, n형 ZnO를 성막하고, 이 ZnO막 표면에 자외광을 조사하여 결정화를 진행시킬 수도 있다. 발광 다이오드, 레이저 다이오드, 백 라이트, 디스플레이, 박막

Description

N형 산화아연층과 P형 반도체 층을 가지는 발광 다이오드 및 레이저 다이오드{Light emitting diode and laser diode having n-type ZnO layer and p-type semiconductor laser}

본 발명은 전류 주입에 의해 자외선 발광되는 자외발광 다이오드 및 레이저 다이오드에 관한 것이다

고도 정보화사회의 발달에 수반하여 기록미디어의 고밀도화(高密度化)가 진행되고 있다. 예를 들면 광디스크의 기록#183#재생은 콤팩트 디스크(compact disk)에서 더욱 고밀도 기록이 가능한 디지털 비디오 디스크에로 변화하였다. 광디스크에서는 기록#183#재생은 광을 사용하여 행하므로 파장이 짧은 광을 사용할 수 있으면 기록밀도를 증가시킬 수 있다. 이러므로, 반도체 레이저(이하 LD)로서는, 종래, 콤팩트 디스크용으로는 적외광의 GaAlAs계가, DVD용으로는 적외의 GaInAlP계가 실용화되고 있다. 또한 보다 더욱 단파장의 청색을 내는 GaN계 등의 실용화가 진행되고 있다. 또 발광다이오드(이하 LED)는 주로 디스플레이용으로서 사용되고 있으며, GaAs계, GaP계, GaN계의 실용화에 의해 3색의 디스플레이가 가능해졌다. 또한 액정 백 라이트용, 살균용, 자외선 경화수지용 광원 등으로서 자외광 LED의 개발이 진행되고 있다. GaN보다 단파장의 발광재료로서는 산화아연을 들 수 있다. 산화아연(이하 ZnO)은 높은 전기전도성, 가시영역에서의 광 투과성을 이용하여 태양전지용 투명 도전막으로서 검토되고 있는 외에, 녹색의 형광재료로서도 널리 응용되어, 예를 들면 저속 전자선 충격형 EL디바이스로서 실용화되고 있다. ZnO는 실온에서의 밴드 갭이 약 3.38eV의 직접천이형 반도체이고, 자외광 여기(勵起)에 의해 자외영역(실온에서는 파장 약 380nm)의 형광을 나타낸다는 것이 알려져 있으므로, ZnO를 사용한 발광다이오드나, 레이저다이오드를 제작할 수 있으면 형광체의 여기광원(勵起光源)이나 초고밀도 기록미디어에 응용할 수 있다고 생각되고 있다.

일반적으로 발광다이오드나 레이저다이오드를 제작하기 위해서는 p형 반도체와 n형 반도체를 접합할 필요가 있다. n형 ZnO박막은 용이하게 제작할 수 있지만, p형 ZnO박막에 관한 기술은 1999년에 오사카대학 가와아이(川合)에 의해 비로서 보고되었다. 이것은 ZnO의 Zn 일부를 Ga로 치환한 소결체 타깃(target)을 사용하여, PLD법에 의해 N2O가스 내에서 성막(成膜)함으로써, co-dope효과에 의해 홀 농도가 증가하므로 p형화할 수 있다고 설명되어 있다. 그러나, 본 발명의 출원 시에 있어서, ZnO박막의 p형 특성을 다른 연구기관이 확인하였다는 보고가 없다. 또 애초부터 ZnO는 산소결함(격자간 아연)에 의해 n형으로 되기 쉽고, p형 반도체를 안정적으로 제작하는 것이 곤란한 재료이므로, p-n접합에의 전류주입에 의한 LED의 제작이 곤란하다는 문제가 있다. n형 ZnO와 p형 ZnO의 접합에 의한 다이오드는 이제까지 보고되어 있지 않다. n형 ZnO와의 접합에 적합한 p형 반도체로서 SrCu2O2가 있다. SrCu2O2는 실온에서의 밴드 갭이 약 3.2eV이고 간접천이형 반도체라고 보고되어 있으나, 에너지 밴드 계산결과에서는 직접천이형이 시사(示唆)되고 있다. 또 K+이온 등의 첨가에 의해 p형 전도를 나타낸다(Kudo, Yanagi, Hosono, Kawazoe. APL. 73, 220 (1998)) kudo 들의 보고에 따르면, 펄스 레이저 퇴적법에 의해 제작한 SrCu2O2박막의 캐리어농도, 이동도(移動度)는 각각 1 #215#1017cm-3, 0.5cm2/Vs이다. 결정계(結晶系)는 정방정계(공간군 : I41/a), 격자상수는 a = b = 0.5480nm, c = 0.9825nm이며, ZnO의 (0001)과 SrCu2O2의 (112)의 격자 정합성(整合性)은 19%이지만, SrCu2O2의 격자상수의 5배와 ZnO의 격자상수의 6배가 거의 일치하므로, ZnO 위에 헤테로 에피택셜(hetero epitaxial)성장시킬 수 있다. 또 퇴적 시의 기판온도가 200℃ 이상이면 단일상(單一相)으로서 형성할 수 있다. Kudo 들은 SrCu2O2막 위에 n형 ZnO를 성막하여 다이오드 특성이 발현하는 것을 확인하였다(Kudo, Yanagi, Hosono, Kawazoe, Yano. APL. 75, 2851). 그러나 Kudo 들의 제작 프로세스에서는 기판 위에 SrCu2O2막을 제작한 후에 ZnO막을 제작하므로, 결정성이 양호한 ZnO막을 제작할 수 없었다. 결정성이 양호한 ZnO막을 제작하기 위해서는 기판 온도를 예를 들면 500℃ 이상으로 하는 것이 필요하며, SrCu2O2막이 분해하거나 ZnO막과 반응하거나 하여, 다이오드 특성이 상실되,기 때문이다. 그래서 Kudo 들은 다이오드로부터의 발광이 확인되어 있지 않았다. 또 n형 ZnO와의 접합에 적합한 p형 CuAlO2 및 CuGaO2가 있다. CuAlO2는 데라퍼 사이트형이라고 하는 구조를 갖는 결정이고 p형 전도를 나타내는 반도체이며, H. Kawazoe 들에 의해 발견되어 보고되었다(Nature, vol. 389, p.939 (1997)). 밴드 갭은 3.1eV 이상이며, 1Ωcm 정도의 저항률을 가진 박막이 얻어지고 있다. 또, CuGaO2는 데라퍼 사이트형이라고 하는 구조를 갖는 결정이고 p형 전도를 나타내는 반도체이다. 이들 p형 투명반도체는 다이오드 등의 제작에 유망하다는 것은 쉽게 생각할 수 있으나, 현실적으로 다이오드가 제작된 예는 현재로서는 존재하고 있지 않으며, 발광다이오드의 제작 예도 존재하지 않는다.

본 발명에서는 결정성이 양호한 n형 ZnO막을 사용하여, 이것에 SrCu2O2, CuAlO2 또는 CuGaO2막을 적층(積層)하여 p-n접합을 제작하고, ZnO층에서 자외광을 발하는 것을 특징으로 한 발광다이오드에 관한 것이다. 또한 이 발광다이오드의 제작방법으로서, 투명기판 상에 ZnO를 결정성 양호하게 적층하고, 다시 SrCu2O2, CuAlO2 또는 CuGaO2막을 적층하여, 본 발명의 발광다이오드를 제작하는 제조방법을 제공한다. 즉, 본 발명은 투명기판 상에 적층한 밴드 갭 부근의 고유 발광만을 나타내는 n형 ZnO층 위에 SrCu2O2, CuAlO2 또는 CuGaO2로 이루어지는 p형 반도체 중의 하나를 적층하여 형성한 p-n접합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자외발광 다이오드이다. 또, 본 발명은 투명기판이 단결정(單結晶) 기판인 것을 특징으로 하는 상기 발광다이오드이다 또, 본 발명은, 단결정 기판은 원자형상으로 평탄화한 산화이트륨 부분안정화 지르코니아(YSZ)(111)기판인 것을 특징으로 하는 상기 발광다이오드이다. 또, 본 발명은 ZnO층측 전극으로서, 투명기판과 ZnO층과의 사이에 투명전극을 삽입한 것을 특징으로 하는 상기 발광다이오드이다.또, 본 발명은 p형 반도체층측 전극으로서, p형 반도체층 상에 Ni을 적층한 것을 특징으로 하는 상기 발광다이오드이다. 또, 본 발명은 투명기판 상에 헤테로 에피택셜 성장한 인듐 주석 산화물(ITO)층을 투명 부(負)전극층으로서 가지며, ITO층 상에 헤테로 에피택셜 성장한 ZnO층을 발광층으로서 가지며, ZnO층 상에 p형 반도체층을 정공주입층(正孔注入層)으로서 가지며, p형 반도체층 상에 Ni층을 정(正)전극층으로서 갖는 것을 특징으로 하는 상기 발광다이오드이다. 또, 본 발명은 1가 금속원소를 Sr위치에 20원자% 이하 치환한 SrCu2O2박막을 사용하는 것을 특징으로 하는 상기 발광다이오드이다.

본 발명의 발광다이오드는 미세 가공에 의해 매우 소형화할 수 있으므로 광기록 미디어로서 적합하며, 종래의 발광다이오드보다 파장이 짧으므로 보다 더 기록밀도가 높은 광기록 미디어가 실현 가능하게 되었다

본 발명의 발광다이오드는 공진(共振)구조를 형성함으로써 레이저 다이오드로 할 수 있다. 구체적으로는 반응성 에칭에 의해 스트라이프형 구조로 한 소자의 장축(長軸) 단면(端面)에 각각 전반사(全反射) 및 부분반사 미러(mirror)를 제작하여 파브리-펠로(Fabry-Perot)공진기를 형성한다. SrCu2O2 및 ITO는 ZnO보다 금제대폭(禁制帶幅)이 넓고 굴절률이 작으므로, 양 층은 ZnO층에 대하여 세로방향의 전류 및 광 은폐층(隱蔽層)으로서 기능한다. 또, 스트라이프구조에 의해 가로방향의 전류 및 광 은폐가 실현되고 있다. 따라서 이렇게 하여 제작한 스트라이프구조 다이오드에 순방향(順方向)으로 전류를 주입하면, 고효율의 발광이 얻어지고, 임계값 이상에서는 레이저 발진광(發振光)을 얻을 수 있다

Claims (1)

1. 투명기판 상에 적층한 밴드 갭 부근의 고유 발광만을 나타내는 n형 ZnO층 상에 SrCu2O2, CuAlO2 또는 CuGaO2로 이루어지는 p형 반도체 중의 하나를 적층하여 형성한 p-n접합으로 이루어진 자외 발광 다이오드에 있어서,상기 투명기판은 원자형상 평탄화 구조로 한 산화이트륨 부분안정화 지르코니아(YSZ)(111) 단결정 기판이고, 상기 투명기판 상에 헤테로 에피택셜 성장한 인듐 주석산화물(ITO)층을 투명 부전극층(負電極層)으로서 가지며, ITO층 상에 헤테로 에피택셜 성장한 ZnO층을 발광층으로서 가지며, ZnO층 상에 p형 반도체층을 정공주입층(正孔注入層)으로서 가지고 있는 것을 특징으로 하는 자외 발광 다이오드