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KR101201641B1 - 투명 박막, 이를 포함하는 발광 소자와 이들의 제조 방법 - Google Patents

투명 박막, 이를 포함하는 발광 소자와 이들의 제조 방법 Download PDF

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KR101201641B1
KR101201641B1 KR1020110113392A KR20110113392A KR101201641B1 KR 101201641 B1 KR101201641 B1 KR 101201641B1 KR 1020110113392 A KR1020110113392 A KR 1020110113392A KR 20110113392 A KR20110113392 A KR 20110113392A KR 101201641 B1 KR101201641 B1 KR 101201641B1
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thin film
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doped
light emitting
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이석헌
이해권
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주식회사 퀀텀디바이스
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Abstract

본 발명은 투명 박막, 이를 포함하는 발광 소자와 이들의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 AlxInyGa(1-x-y)N, (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 질화물 반도체 발광 소자는 기판, 상기 기판 위에 형성되는 버퍼층, 상기 버퍼층 위에 형성되는 제1 전극 접촉층, 상기 제1 전극 접촉층 위에 형성되는 제1 클래드층, 상기 제1 클래드층 위에 형성되는 활성층, 상기 활성층 위에 형성되는 제2 클래드층, 상기 제2 클래드층 위에 형성되는 제2 전극 접촉층, 상기 제2 전극 접촉층 위에 형성되며, 복수의 ZnO 박막이 적층된 다층 구조의 투명 전극-여기서 적어도 일부의 ZnO 박막은 B, Al, Ga, In의 Ⅲ족 원소와 F, Cl, H로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나인 n-형 불순물이 도핑되거나, N, P, As, Sb의 V족 원소와 Li, Na, C로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나인 p-형 불순물이 도핑되거나, 상기 n-형 불순물과 상기 p-형 불순물이 동시 도핑되어 형성됨-, 상기 제1 전극 접촉층의 상부 일측에 형성되는 제1 전극 패드 및 상기 투명 전극의 상부 일측에 형성되는 제2 전극 패드를 포함한다.

Description

투명 박막, 이를 포함하는 발광 소자와 이들의 제조 방법{TRANSPARENT THIN FILM, LIGHT EMITTING DEVICE COMPRISING THE SAME, AND METHODS FOR PREPARING THE SAME}
본 발명은 투명 박막, 이를 포함한 발광 소자와 이들의 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 복수의 ZnO 박막을 포함하는 투명 박막, 이를 포함한 발광 소자와 이들의 제조 방법에 관한 것으로서, 각 ZnO 박막은 Ga과 같은 n-형 불순물이 도핑되거나, As와 같은 p-형 불순물이 도핑되거나, Ga과 같은 n-형 불순물과 As와 같은 p-형 불순물이 동시 도핑된다.
발광 소자의 소재, 특히 질화물 반도체는 우수한 물리적, 화학적 특성으로 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD) 등과 같은 발광 소자의 핵심 소재로 각광을 받고 있다. 질화물 반도체는 통상 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 GaN계 물질로 이루어져 있다. 도 1은 통상적인 AlInGaN계 질화물 반도체를 이용한 발광 소자의 적층 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다. AlInGaN계 질화물 반도체를 이용한 발광 소자의 제조 과정에 있어서, 기판(101), 버퍼층(103), 제1 전극 접촉층으로 기능하는 n-형 질화물 반도체층(105), n-형 질화물 클래드층(107), 활성층(109), p-형 질화물 클래드층(111), p-형 질화물 반도체층(113), n/p-형 제2 전극 접촉층(115)이 적층 성장된다. 이 후 칩(chip) 제조 과정에서 투명 전극층, 특히 ITO 투명 전극층(117)이 n/p-형 제2 전극 접촉층(115) 위에 형성되며, 최종적으로 와이어 본딩(wire bonding)을 위한 p-형 전극 패드(121)와 n-형 전극 패드(119)가 도 1에 도시된 바와 같이 형성된다.
기판(101)은 육각형 결정 구조를 갖는 사파이어 기판이 주로 사용된다. 사파이어 기판(101)과 n-형 질화물 반도체층(105)의 격자 상수 및 열팽창 계수의 차이에 의하여 발생되는 결정 결함을 최소화시키기 위하여 버퍼층(103)이 기판(101) 위에 성장될 수 있다. 버퍼층(103)은 500℃～600℃의 저온에서 비정질 결정상을 갖는 50nm 이하의 두께를 갖는 GaN계 또는 AlN계 질화물로 형성될 수 있다. 또한 버퍼층(103) 위에 언도프 GaN층이 더 형성될 수 있다. 이어서 성장 온도를 1000℃～1100℃ 정도의 범위 내에서 전기 전도도(electrical conductivity)에 기여하는 캐리어인 전자를 형성하기 위하여 실리콘이 1～5×1018/cm3 정도의 도핑 농도로 도핑된 n-형 질화물 반도체층(105)이 성장된다. 상기 n-형 질화물 반도체층(105)은 n-형 전극 패드(119)와 전기적으로 접촉되는 제1 전극 접촉층으로 사용된다. n-형 질화물 반도체층(105) 위에 n-형 질화물 클래드층(107)이 형성된 후, 성장 온도를 700℃～800℃로 낮추어 InGaN/GaN, InGaN/InGaN의 단일 또는 다중 양자 우물 구조의 활성층(109)이 형성된다. 이 후, 활성층(109) 위에 p-형 질화물 클래드층(111), p-형 질화물 반도체층(113) 및 n/p-형 제2 전극 접촉층(115)이 형성된다.
n/p-형 제2 전극 접촉층(115)의 형성 과정에서, 불순물로서 n-형인 Si, p-형인 Cp2Mg 또는 DMZn이 도핑된다. p-형 불순물로서 DMZn이 사용될 경우 Zn 원자는 n/p-형 제2 전극 접촉층(115) 내에서 엑셉터로서 '깊은 에너지 준위(deep energy level)' 로 위치함으로써 캐리어인 홀을 형성하기 위한 활성화 에너지(activation energy)가 매우 높아서 바이어스를 인가할 때 캐리어인 홀 농도가 ～1017/cm3 정도로 제한된다. 따라서 n/p-형 제2 전극 접촉층(115)을 성장시키기 위한 p-형 불순물로서 상대적으로 활성화 에너지가 낮은 Cp2Mg가 도핑 소스로 사용된다. Cp2Mg를 도핑 소스로 하여 제2 전극 접촉층(115)을 성장시키는 경우, GaN층 내에 질소(N) 소스로 사용되는 NH3 소스 가스 및 도핑 소스에서 분리되는 수소(H) 가스와 결합되는 Mg-H 복합체(complex)가 형성되며, ～106ohm.cm 이상의 고저항 절연체 특성을 갖는다. 상기 활성층(109)에서 홀과 전자가 재결합 과정(recombination process)을 통하여 빛을 방출하기 위해서는, 고저항인 Mg이 도핑된 상태로 사용될 수 없으며, 반드시 Mg-H 복합체의 결합을 깨기 위한 활성화 공정(activation process)이 요구된다. 상기 활성화 공정은 600℃～800℃ 범위의 온도 조건 및 N2 또는 N2/O2 분위기에서 열처리 공정(annealing process)을 통하여 수행되지만, 제2 전극 접촉층(115) 내에 존재하는 Mg의 활성화 효율이 낮기 때문에 활성화 공정이 진행되더라도 제2 전극 접촉층(115)은 제1 전극 접촉층인 n-형 질화물 반도체층(105)에 비하여 매우 높은 저항 특성을 갖는다. 활성화 공정 이후 상기 제2 전극 접촉층(115) 내의 Mg 원자 농도(atomic concentration)는 1019/cm3～1021/cm3 정도이나, 전기 전도도에 기여하는 캐리어인 홀의 농도는 1017/cm3 정도에 불과하며, 홀의 이동도(hall mobility) 또한 10cm2/Vsec로 매우 낮다. 또한 상기 제2 전극 접촉층(115) 내에 활성화가 완전히 이루어지지 않고 잔류하는 Mg, Mg-H 복합체, 결정 결함 등이 상기 활성층(109)에서 표면 방향으로 방출하는 빛을 포획하거나(trap), 고전류가 인가될 경우 상대적으로 매우 높은 상기 제2 전극 접촉층(115)의 저항 특성에 의하여 열이 발생하기 때문에, 발광 소자의 수명을 단축시켜 신뢰성에 악영향이 발생한다. 특히 1mm×1mm 크기의 대면적/고출력 발광 소자의 경우, 기존의 20mA 보다 훨씬 높은 350mA의 고전류가 인가되기 때문에, p-/n- 접합면에서 100℃ 이상의 접합 온도(junction temperature)가 발생되어 발광 소자의 성능 및 신뢰성에 치명적인 악영향을 끼치며, 고출력을 요구하는 응용 제품에 사용되기에 한계를 갖는 결과를 초래한다. 이러한 발열의 원인은 제2 전극 접촉층(115) 내에 캐리어로 활성화되지 않고 잔류하는 과잉 Mg 원자, Mg-H 복합체 등에 의한 저항 성분의 증가와 그에 따른 거친 표면 특성에 기인하는 것으로서, 미해결 과제로 남아있다. 또한 종래의 p-/n- 접합 AlInGaN계 질화물 반도체 발광 소자는 제1 전극 접촉층으로 사용되는 상기 n-형 질화물 반도체층(105)의 경우, 도핑 소스인 SiH4 또는 Si2H6의 유량 증가에 따른 실리콘의 도핑 농도가 선형적으로 비례하여 증가하며 결정성이 보장되는 임계 두께(critical thickness) 내에서 1×1018/cm3～9×1018/cm3 범위로 쉽게 제어되지만, 제2 전극 접촉층(115)의 경우, 도핑 소스인 Cp2Mg의 유량을 증가시켜 최대 ～1021/cm3 이상의 Mg 원자가 도핑되더라도 전자 전도도에 순수하게 기여하는 캐리어로서 홀 농도가 1×1017/cm3～8×1017/cm3 범위로 제한되기 때문에, 비대칭적인 도핑 분포를 갖는 p-/n- 접합 발광 소자의 구조를 갖는다. 상술한 바와 같이, 제2 전극 접촉층(115)의 낮은 캐리어 농도 및 높은 저항 특성은 내부 양자 효율(internal quantum efficiency)을 저하시켜 고효율 AlInGaN계 질화물 반도체 발광 소자의 구현을 제한한다.
AlInGaN계 질화물 반도체 발광 소자에 있어서, 제2 전극 접촉층(115)의 높은 저항 특성으로 인하여 제2 전극 접촉층(115)과 전기적으로 접촉되는 p-형 전극 패드(121)의 하단 부분에 해당하는 활성층(109)의 InGaN/GaN 다중 양자 우물층에서 전자와 홀의 재결합 과정을 통하여 빛이 방출된다. 그러나 p-형 전극 패드(121)는 패키지 공정에서 Au 와이어(wire)와 와이어 본딩에 의하여 연결되기 때문에 전체 금속 두께가 1㎛ 이상 두껍게 증착되어 활성층(109)에서 방출되는 빛이 두꺼운 금속을 통과하지 못하는 결과가 초래될 수 있다. 특히 제2 전극 접촉층(115)의 높은 저항 특성으로 인하여 횡방향(lateral direction)으로 균일한 전류 퍼짐(current spreading)이 없이 p-형 전극 패드(121) 부분에 국부적으로 집중되는 전류 집중(current concentrating)이 발생함으로써, 막대한 발열로 고효율/고신뢰성 발광 소자의 제작이 어려운 문제점이 있다. 따라서 발광 소자의 전류 집중을 개선하고, 활성층(109)의 실제 발광 면적까지 균일한 전류 퍼짐을 달성할 수 있도록 광투과도가 우수하고 제2 전극 접촉층(115)과의 낮은 접촉 저항을 갖는 투명 전극이 필요하다. 이러한 기술적 필요성과 함께, 상술한 AlInGaN계 질화물 반도체의 에피-웨이퍼(Epi-Wafer) 성장 기술의 한계에 대하여 칩(chip) 공정 기술을 개발하여 적용함으로써, 종래의 AlInGaN계 질화물 반도체의 상술한 문제점을 해결하려는 방안이 제시되고 있다. 우선 상기 제2 전극 접촉층(115) 위에 얇은 Ni/Au 합금을 적용하여 접촉 저항을 낮추는 시도가 있었다. 즉 제2 전극 접촉층(115)의 전류 퍼짐을 향상시켜 발광 효율을 증가시키기 위하여 20nm 이하의 얇은 두께를 갖는 Ni/Au 합금이 전극 물질로 사용되었다. 전극 물질로 사용되는 Ni/Au 합금은 투과 저항성 금속으로서 제2 전극 접촉층(115)과의 접촉시 계면에서 매우 얇은 NiO 막이 형성되어 접촉 저항이 낮아지지만, 광투과도가 50％～60％ 정도로 상대적으로 낮아서 고효율 발광 소자의 구현이 어렵다. 이러한 문제점을 개선하기 위하여, Ni/Au 투과 저항성 금속 대신 광투과도가 높고 접촉 저항이 낮은 ITO(In2O3:Sn)가 투명 전극으로서 2002년 이후 본격 양산되는 이동 단말, 노트북, PC, 모니터, LCD TV용 백라이트 유닛, 조명 제품 등에 널리 적용되고 있다. ITO를 투명 전극으로 사용함으로써, 발광 소자의 광출력이 약 30％ 향상되는 획기적인 기술적 진보를 이루게 되었다.
ITO 투명 전극층(117)은 스퍼터링법(sputtering deposition) 및 전자빔 증착법(e-beam evaporation)에 관한 장비를 이용하여 증착될 수 있으며, 광투과도는 85％ 이상이며 접촉저항은 10-5ohm.cm 수준이며, n-형 전기 전도도룰 갖는 비정질 또는 다결정질의 결정성을 가지며, 증착 후 결정성 회복을 위하여 반드시 후속의 열처리 공정을 필요로 한다. 다결정의 결정 구조에 의하여 제2 전극 접촉층(115)의 하단부에서 활성층(109)의 수직방향(vertical direction)에 대한 전류 흐름은 용이하나, 횡방향(lateral direction)에 대한 전류 흐름은 수직 방향의 전류 흐름에 비하여 매우 작기 때문에, 이에 대한 개선이 요구 되는 상황이다. 또한 발광 소자의 투명 전극으로 사용되는 ITO 물질 자체의 성능 개선을 위한 연구 개발이 지속적으로 수행되고 있으나, 그 결과는 미진한 상태이다. 최근에는 ITO 물질 자체에 대한 연구 개발보다는 ITO 투명 전극에 대한 패터링(pattering)또는 텍스쳐링(texturing) 공정 기술의 개발을 통하여 발광 소자의 성능 개선을 추구하고 있으나, 동작 전압이 증가하여 실질적으로 양산 제품에 적용되지 않은 실정이다. 또한 ITO 물질을 구성하는 인듐(In)의 매장량이 극히 한정되어 있어 제조 원가가 매우 높아지는 문제점이 있으며, 특히 최근 희유 원소에 대한 자원 무기화의 경향이 노골화되어 그 정도가 심각해지고 있다.
따라서 AlInGaN계 질화물 반도체 발광 소자의 성능 개선 및 낮은 제조 원가를 위하여 기존의 ITO 물질을 대체할 수 있는 투명 전극의 개발이 절실히 요구되고 있다. 스마트폰(smart phone), 노트북, PC, 모니터, LCD용 백라이트 유닛, 또는 조명 제품의 요구를 충족하기 위해서, 50％ 이상의 광효율을 갖고 고효율의 발광 소자가 절실히 요구되고 있지만, 에피-웨이퍼 성장 기술 및 칩 공정에 대한 기술적 한계로 이를 충족시키지 못하는 실정이다. 즉 AlInGaN계 질화물 반도체 발광 소자의 에피-웨이퍼 성장 기술은 내부 양자 효율을 5％ 이상 개선하기 위한 연구 개발이 막대한 비용과 인력이 투입되어 진행되고 있지만 미진한 상태이다. 또한 에피-웨이퍼 성장 기술의 기술적 한계를 극복하기 위하여, 칩 공정 기술의 개발을 통하여 발광 소자의 성능 개선을 위한 노력이 진행되고 있지만, 괄목할 만한 성과가 발견되지 않는다. 이러한 기술적 난관을 극복하기 위하여, 최근에는 특히 AlInGaN계 질화물 반도체 발광 소자의 투명 전극으로 사용되는 ITO 물질을 대체할 물질로 ZnO 투명 전극에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다.
발광 소자의 투명 전극으로 사용될 수 있는 ZnO 박막은 85％ 이상의 우수한 광투과도를 가지며, AlInGaN계 질화물 반도체 발광 소자와 동일한 육각형의 결정 구조를 가지며, 열적 안정성(thermal stability)이 우수하여 대면적/고출력 발광 소자에 효과적으로 적용할 수 있으며, 높은 굴절률(refractive index)과 밴드갭(energy bandgap) 조절이 용이한 장점을 가진다. 또한 ZnO 박막의 경우, 쉽게 결정 성장 방향으로 주상 마이크로 구조(columnar microstructure) 형성이 가능한 장점이 있다. 더불어 ZnO 박막의 경우, 기존의 ITO 투명 전극의 인듐(In)에 비하여 훨씬 풍부한 아연(Zn)을 이용하므로, 저비용의 원활하면서 안정적인 원료 물질의 공급이 가능한 장점이 있다. 종래의 ITO 투명 전극을 대체할 수 있는 ZnO물질의 경우, 제2 전극 접촉층인 p-GaN층 위에 형성되는데, p-GaN층과 동일한 육각형의 결정 구조를 가지며, 증착에 사용되는 장비와 기술이 동일하게 적용될 수 있으므로 용이하게 양질의 결정성을 얻을 수 있는 장점을 지닌다. ZnO 물질은 높은 굴절률과 낮은 흡수 계수 등에 의하여 광투과도가 높게는 90％ 이상이 될 수 있으며, 형성 구조의 변화를 통하여 InGaN/InGaN 또는 InGaN/GaN 활성층에서 표면 방향으로 방출되는 빛의 탈출각(escape angle)을 변화시켜 발광 소자의 투과 효율을 향상시킬 수도 있다.
발광 소자의 경우, 발광이라는 측면에서 높은 광투과도와 더불어 활성층에서 전자와 홀의 재결합 효율을 증가시키기 위하여 p-/n- 전극과의 접촉 저항을 최소화하여, 낮은 전압이 인가되더라도 내부 양자 효율이 극대화될 수 있는 저항 설계(resistance design)기술이 만족되어야만 실질적으로 양산에 적용될 수 있다. ZnO 투명 전극을 형성하기 위하여, 스퍼터링법, 전자빔 증착법을 이용한 첨가물을 함유한 비정질 및 다결정질 구조를 성장하는 방향과, 분자선 에피탁시법(MBE), 유기 화학 기상 증착법(MOCVD), 또는 펄스 레이저 증착법(PLD)을 이용한 불순물을 도핑한 단결정 구조를 성장하는 방향으로 연구 개발이 진행되고 있다. 상술한 성장 방법들을 이용하여 ZnO 물질 자체나, 구조의 변경을 통하여 용이하게 높은 투과도 특성을 얻을 수 있지만, 낮은 접촉 저항에 의한 높은 전기 전도도를 갖는 결과는 현재까지 얻어지지 않고 있다. ZnO 투명 전극의 개발 방향은 크게 광투과도 개선을 위한 나노로드(nanorod)와 나노와이어(nanOwire) 형태에 대한 개발 및 광투과도와 전기 전도도 개선을 위한 5000Å 이하 두께의 박막 형태로 전기 전도도에 기여하는 불순물을 첨가하거나 도핑한 n-/p- 도핑 구조의 개발로 분류될 수 있다. 특히 후자의 개발 방향에 있어서 전기 전도도를 개선하기 위한 불순물 및 불순물이 도핑된 AZO(ZnO:Al), GZO(ZnO:Ga), IZO(ZnO:In) 박막에 대한 연구 결과가 보고되고 있다. 연구 개발 결과를 구체적으로 살펴보면, 먼저 전자의 개발 방향에 있어서, Sung Jin An, 'Near ultraviolet light emitting diode composed of n-GaN/ZnO coaxial nanoroad heterostructures on a p-GaN layer' , Applied Physics Letters 91, 123109(2007). Xiao-Mei Zhang 등 'Fabrication of a High-Brightness Blue-Light-Emitting Diode Using a ZnO-Nanowire Array Grown on p-GaN Thin Film' , Advanced Materials. Vol.21, pp.2767-2770(2009)' 논문 등에서 ZnO 나노로드, 나노와이어를 보고하였다. 그러나 ZnO 형태의 변경은 용이하게 가능하지만, 전기 전도도에 기여하는 저항값이 상대적으로 매우 높아 발광 소자의 동작 전압이 매우 높은 한계를 지니는 것으로 평가된다. 후자의 개발 방향에 있어서, K. Nakahara, 'Two different features of ZnO: transparent ZnO:Ga electrode for InGaN-LED and homoepitaxial ZnO films for UV-LEDs.' Zinc Oxide Materials and Devices, Proc. Of SPIE Vol.6122, pp61220N(2006), 논문에서 분자선 에피탁시법(MBE)을 이용하여 ZnO 박막 성장 과정에서 도핑 소스로서 갈륨(Ga)을 도핑하여 n-형 전기 전도도를 갖는 GZO(ZnO:Ga)/p-GaN층 투명 전극을 사용하여 80％ 이상의 광투과도를 갖는 발광 소자를 보고하였지만, 다양한 제품에서 요구하는 낮은 동작 전압에 대한 조건은 제시되지 못하였다. 또한 Gary S. Tompa, 'Large Area Multi-Wafer MOCVD of Transparent and Conducting ZnO Fils' , Mater. Res. Soc. Symp. Vol.957(2007), 논문에서 유기 금속 화학 기상 증착법(MOCVD)을 이용하여 ZnO 박막 성장 과정에서 도핑 소스로서 알루미늄(Al)을 도핑하여 n-형 전기 전도도를 갖는 AZO(ZnO:Al) 투명 전극을 사용하여 80％ 이상의 광투과도로 ITO 투명 전극에 비하여 10％ 이상 개선된 발광 소자를 보고하였지만, 동작 전압이 상대적으로 높은 것으로 평가된다.
또한 Liu Zhen, 'A Ga-doped ZnO transparent Conduct Layer for GaN-based LEDs' , Journal of Semiconductor, Vol.31., No.9, 2010, 논문에서 LED위에 MOVPE 성장장비를 이용하여 Ga-doped ZnO 투명전극층 성장시켜 20mA에서 광출력이 23.6％ 향상효과를 발표하여 하였으나 Ga2O3 절연막이 형성되어 높은 동작전압이 갖는다고 보고하였다. Ken Nakahara, 'Improved External Efficiency InGaN-based Light Emitting Diodes with Transparent Conductive Ga-doped ZnO as p-Electrodes' , Japanese Journal of Applied Physics, Vol.43, No.2A, pp.L180-182, 2004., 논문에서, 20mA에서 Ni/Au 투명전극보다 2배 높은 약 20.8％, 동작전압은 3.5V로 발표하였으나 양산적용중인 ITO 투명전극보다 낮은 결과로 평가된다. H. Y. Liu, 'InGaN based Light Emitting Didoes Utilizing Ga-doped ZnO as a Highly Transparent Contact to p-GaN', Phys. Status Solidi., C8, No.5, pp.1548-1551, 2011. 논문에서, Ni/Au 투명전극보다 1.7～2배 정도의 외부양자효율을 얻었지만 그에 따른 구체적인 동작전압에 대해서 제시하지 못하였다. 그리고 B. J. Kim, 'Output Power Enhancement of GaN Light Emitting Diodes with p-type ZnO Hole Injection Layer', Applied Physics Letters, APL94, 103506(2009), 논문에서, Ni/Au 투명전극보다 약 40％ 정도의 광출력을 얻었다고 보고하였으나 그에 따른 동작전압을 제시하지 못하였다. Y. R. Ryu, 'Synthesis of p-type ZnO Films' Journal of Crystal Growth, 216, pp.330-334, 2000, 논문에서, PLD 장비를 이용하여 GaAs 기판위에 p-type ZnO(As) 성장시켰다고 보고하였다. S. D. Kirby, 'Improved Conductivity of ZnO through Co-doping with In and Al', Thin Solid Films, 517, pp.1958-1960, 2009., 논문에서, RF Sputtering 방식으로 Al-In co-doping ZnO 성장시켰다고 보고하였으나 소자에 대한 구체적인 언급을 하지 못하였다. Tae Hoon Kim, 'Inhanced Optical Output of Tunel Junction GaN-based Light Emitting Didoes with Transparent Conducting Al and Ga-doped ZnO Thin Films', Japanese Journal of Applied Physics 49, 091002, 2010, 논문에서, RF Magnetron Sputtering 방식을 이용하여 Al-Ga co-doped ZnO 박막을 이용하여 Ni/Au 투명전극보다 외부양자효율이 1.7배 높은 약 23％를 얻었다고 보고하였으나 동작전압이 매우 높다고 보고하였다.
Jammy Ben-Yaacov, 'Properties of In-doped ZnO Film Grown by MOCVD on GaN(0001) Templates', Journal of Electronics Materials, Vol.39, No.5, 2010., 논문에서, 1.82x1019/cm3, 185 ohm/sq. 정도의 전기적 특성을 얻었지만 구체적인 소자에 대한 결과는 보고하지 못하였다. Chun-Ju Tun, 'Enhanced Light Output of GaN-based Power LEDs with Transparent Al-doped ZnO Current Spreading Layer', IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.18, NO.1, PP.274-276, 2006, 논문에서, Ni/AZO와 NiOx/AZO에서 광출력은 Ni/Au 투명전극 보다 38.2％와 60.6％로 높은 값을 얻었고 그에 따른 350mA에서 각각 5.13V와 4.06V로 현재 양산적용중인 ITO 투명전극의 3.3V이하 값과 비교했을 때 매우 높은 값으로 실제 광출력은 매우 낮게 평가된다. Dea-Kue Hwang, 'ZnO Thin Film and Light-Emitting Diodes', Journal of Phys. D. Appl, Phys.40, R387-412, 2007, 리뷰논문에서, 박막성장, 도핑제어 및 소자의 저항성 접촉에 대해서 언급하였지만 구체적인 소자의 전기적 특성에 대한 언급을 하지 못한 실정이다. Yang Hua, 'Light Extraction Efficiency Enhancement of GaN-based Light Emitting Diodes by a ZnO Current Spreading Layer', Journal of Semiconductors Vol.39, No.9, 2009, 논문에서, Ni/Au 과 ITO 투명전극대비 20mA의 동작전류에서 외부양자효율이 각각 93％, 35％ 얻었다고 보고하였지만 그에 따른 동작전압은 높은 접촉저항으로 인해 7～8V 수준으로 매우 높은 값으로 정확한 외부양자효율의 평가가 어려운 결과이다.
일반적으로 n-형 전기 전도도를 갖는 ZnO 박막의 도핑 소스로서 B, Al, Ca, In 등의 Ⅲ족 원소와 F, Cl, H 등이 사용되어 용이하게 n-형 ZnO 박막을 형성할 수 있다. p-형 전기 전도도를 갖는 ZnO 박막의 도핑 소스로서 P, As, N, C, Li, F, Na 등이 사용되지만 ZnO 박막 형성시 산소 공극(vacancy), 본질 결함(native defect), 및 자동 보상(self compensation)효과에 의하여 전기 전도도에 기여하지 않는 비발광 결함 센터(nonradiative defect center)가 발생하여 n-형 ZnO 특성을 갖기 때문에, p-형 ZnO 박막을 형성하기는 매우 어렵다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 최근에 Ga-N, F-Ni, Ga-C, Ga-H 등의 n-형/p-형 불순물 도핑 소스에 대한 동시 도핑(co-doped) 기술이 제시되어 높은 홀 캐리어를 갖는 p-형 ZnO 박막에 대한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 현재까지 만족할만한 결과를 나타내는 보고는 없다. 구체적으로 살펴보면, US 6,291,085의 경우, 펄스 레이저 증착법(PLD)을 이용하여 n-GaAs 기판 위에 As-doped p-ZnO 박막을 형성시켜 홀의 도핑 농도, 이동도 및 비저항이 각각 1015/cm3, 1～50cm2/Vsec 및 1ohm.cm의 전기적 특성을 얻었으나, 투명 전극이 아닌 p-형 ZnO 단결정 박막을 이용한 n/p- 접합 ZnO 발광 소자에 관한 것이다. US 6,458,673의 경우, 펄스 레이더 증착법(PLD)을 이용하여 유리(glass) 기판 위에 H-Ga co-doped n-GaN 박막을 형성시켜 높은 광투과도 및 높은 전자농도를 제시하나, 발광 소자의 투명 전극의 개발은 제시하지 못하였다. US 6,527,858에서, 분자선 에피탁시법(MBE)을 이용하여 N-Ga(C-In) co-doped로 저저항을 갖는 p-형 ZnO 단결정 박막을 제시하나, 투명 전극의 적용이 아닌 p/n- 접합 ZnO 발광 소자에 관한 것으로서 투명 전극으로서 광투과도와 전기 전도도를 향상시키는 발광 소자에 대한 내용은 개시되어 있지 않다. US 6,896,731의 경우, 분자선 에피탁시법(MBE)을 이용하여 F-Ga co-doped 및 추가로 Mg, Be 원소를 2차 도핑하여 저저항을 갖는 p-형 ZnO 단결정 박막을 성장시켜 p/n- 접합 ZnO발광 소자에 적용하고자 하나, 투명 전극으로서 실제 광투과도 및 전기 전도도에 대한 내용이 개시되어 있지 않다. 또한 US 7,608,308의 경우, 펄스 레이저 증착법(PLD)을 이용하여 P-Li co-doped p-ZnO 단결정을 형성하여 p/n- 접합 ZnO 발광 소자의 p-ZnO 단결정 박막층에 관한 것이나, 투명 전극으로서 실제 광투과도 및 전기 전도도에 대한 내용이 개시되어 있지 않다.
상술한 문제점을 극복하기 위하여 본 발명의 목적은 높은 광투과도와 높은 전기 전도도를 동시에 갖는 복수의 ZnO 박막을 포함하는 투명 박막, 이를 포함하는 발광 소자와 이들의 제조 방법을 제공하는 것이며, 여기서 복수의 ZnO 박막에 포함되는 각각의 ZnO 박막은 Ga과 같은 n-형 불순물이 도핑되거나, As와 같은 p-형 불순물이 도핑되거나, Ga과 같은 n-형 불순물과 As와 같은 p-형 불순물이 동시 도핑된다.
본 발명의 다른 목적은 분자선 에피탁시법(MBE), 유기 화학 기상 증착법(MOCVD), 원자층 증착법(ALD), 원자층 에피탁시법(ALE) 중 적어도 하나를 이용하여 Ga과 같은 n-형 불순물이 도핑되거나, As와 같은 p-형 불순물이 도핑되거나, Ga과 같은 n-형 불순물과 As와 같은 p-형 불순물이 동시 도핑되는 ZnO 박막, 특히 ZnO 단결정 박막을 복수개 적층한 투명 박막을 형성함으로써, 대량 양산에 적용이 가능할 뿐만 아니라, 높은 광출력, 낮은 동작 전압 및 고신뢰성을 갖는 고효율의 발광 소자를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일측면에 따르면, AlxInyGa(1-x-y)N, (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 질화물 반도체 발광 소자에 있어서, 기판, 상기 기판 위에 형성되는 버퍼층, 상기 버퍼층 위에 형성되는 제1 전극 접촉층, 상기 제1 전극 접촉층 위에 형성되는 제1 클래드층, 상기 제1 클래드층 위에 형성되는 활성층, 상기 활성층 위에 형성되는 제2 클래드층, 상기 제2 클래드층 위에 형성되는 제2 전극 접촉층, 상기 제2 전극 접촉층 위에 형성되며, 복수의 ZnO 박막이 적층된 다층 구조의 투명 전극-여기서 적어도 일부의 ZnO 박막은 B, Al, Ga, In의 Ⅲ족 원소와 F, Cl, H로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나인 n-형 불순물이 도핑되거나, N, P, As, Sb의 V족 원소와 Li, Na, C로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나인 p-형 불순물이 도핑되거나, 상기 n-형 불순물과 상기 p-형 불순물이 동시 도핑되어 형성됨-, 상기 제1 전극 접촉층의 상부 일측에 형성되는 제1 전극 패드 및 상기 투명 전극의 상부 일측에 형성되는 제2 전극 패드를 포함하는 질화물 반도체 발광 소자를 제공할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 n-형 불순물은 Ga이며, 상기 p-형 불순물은 As인 것을 특징으로 한다. 또한 상기 복수의 ZnO 박막의 적어도 일부의 ZnO 박막은 다른 ZnO 박막과 두께가 다른 것을 특징으로 한다. 또한 상기 투명 전극은 상기 n-형 불순물이 도핑된 ZnO 박막과 상기 p-형 불순물이 도핑된 ZnO 박막이 복수회 교번적으로 적층된 다층 구조인 것을 특징으로 한다. 여기서 상기 각 ZnO 박막의 두께는 동일한 것을 특징으로 한다. 또한 상기 투명 전극은 상기 p-형 불순물이 도핑된 ZnO 박막과 상기 n-형 불순물이 도핑된 ZnO 박막이 복수회 교번적으로 적층된 다층 구조인 것을 특징으로 한다. 여기서 상기 각 ZnO 박막의 두께는 동일한 것을 특징으로 한다. 또한 상기 투명 전극은 상기 n-형 불순물이 도핑된 ZnO 박막과 상기 p-형 불순물이 도핑된 ZnO 박막이 적층된 다층 구조인 것을 특징으로 한다. 여기서 상기 각 ZnO 박막의 두께는 동일한 것을 특징으로 한다. 또한 상기 투명 전극은 상기 p-형 불순물이 도핑된 ZnO 박막과 상기 n-형 불순물이 도핑된 ZnO 박막이 적층된 다층 구조인 것을 특징으로 한다. 여기서 상기 각 ZnO 박막의 두께는 동일한 것을 특징으로 한다. 또한 상기 투명 전극은 상기 n-형 불순물과 상기 p-형 불순물이 동시 도핑된 ZnO 박막과 n-형 불순물이 도핑된 ZnO 박막이 적층된 다층 구조인 것을 특징으로 한다. 여기서 상기 n-형 불순물이 도핑된 ZnO 박막의 두께가 상기 n-형 불순물아 상기 p-형 불순물이 동시 도핑된 ZnO 박막의 두께에 비하여 얇은 것을 특징으로 한다. 또한 상기 투명 전극은 상기 n-형 불순물이 도핑된 하부의 ZnO 박막과 상기 p-형 불순물이 도핑된 ZnO 박막과 상기 n-형 불순물이 도핑된 상부의 ZnO 박막이 적층된 다층 구조인 것을 특징으로 한다. 여기서 상기 n-형 불순물이 도핑된 하부의 ZnO 박막의 두께가 상기 p-형 불순물이 도핑된 ZnO 박막의 두께 또는 상기 n-형 불순물이 도핑된 상부의 ZnO 박막의 두께에 비하여 얇은 것을 특징으로 한다. 또한 상기 투명 전극은 상기 n-형 불순물이 도핑된 하부의 ZnO 박막과 상기 n-형 불순물과 상기 p-형 불순물이 동시 도핑된 ZnO 박막과 상기 n-형 불순물이 도핑된 상부의 ZnO 박막이 적층된 다층 구조인 것을 특징으로 한다. 여기서 상기 n-형 불순물이 도핑된 하부의 ZnO 박막의 두께 및 상기 n-형 불순물이 도핑된 상부의 ZnO 박막의 두께가 상기 n-형 불순물과 상기 p-형 불순물이 동시 도핑된 ZnO 박막의 두께에 비하여 얇은 것을 특징으로 한다. 또한 상기 각 ZnO 박막은 ZnO 단결정 박막인 것을 특징으로 한다. 또한 동시 도핑되는 상기 n-형 불순물과 상기 p-형 불순물 중 상기 n-형 불순물이 전기적 특성을 양호하게 하는 주요 원인이며, 상기 p-형 불순물이 광 특성을 양호하게 하는 주요 원인인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 투명 박막으로서 복수의 ZnO 박막이 적층된 다층 구조를 가지며, 적어도 일부의 ZnO 박막은 B, Al, Ga, In의 Ⅲ족 원소와 F, Cl, H로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나인 n-형 불순물이 도핑되거나, N, P, As, Sb의 V족 원소와 Li, Na, C로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나인 p-형 불순물이 도핑되거나, 상기 n-형 불순물과 상기 p-형 불순물이 동시 도핑되어 형성되는 것을 특징으로 하는 투명 박막을 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면 복수의 ZnO 박막이 적층된 다층 구조를 가지며, 적어도 일부의 ZnO 박막은 B, Al, Ga, In의 Ⅲ족 원소와 F, Cl, H로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나인 n-형 불순물이 도핑되거나, N, P, As, Sb의 V족 원소와 Li, Na, C로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나인 p-형 불순물이 도핑되거나, 상기 n-형 불순물과 상기 p-형 불순물이 동시 도핑되어 형성되는 것을 특징으로 하는 투명 박막을 포함하는 발광 소자를 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 투명 박막의 형성 방법으로서 복수의 ZnO 박막을 적층하는 과정을 포함하되, 적어도 일부의 ZnO 박막은 B, Al, Ga, In의 Ⅲ족 원소와 F, Cl, H로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나인 n-형 불순물이 도핑되거나, N, P, As, Sb의 V족 원소와 Li, Na, C로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나인 p-형 불순물이 도핑되거나, 상기 n-형 불순물과 상기 p-형 불순물이 동시 도핑되어 형성되는 것을 특징으로 하는 투명 박막의 형성 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 발광 소자의 제조 방법으로서 투명 박막을 형성하는 과정을 포함하되, 상기 투명 박막의 형성 과정은 복수의 ZnO 박막을 적층하는 과정을 포함하되, 적어도 일부의 ZnO 박막은 B, Al, Ga, In의 Ⅲ족 원소와 F, Cl, H로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나인 n-형 불순물이 도핑되거나, N, P, As, Sb의 V족 원소와 Li, Na, C로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나인 p-형 불순물이 도핑되거나, 상기 n-형 불순물과 상기 p-형 불순물이 동시 도핑되어 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
본 발명에 의하여, Ga과 같은 n-형 불순물이 도핑되거나, As와 같은 p-형 불순물이 도핑되거나, Ga과 같은 n-형 불순물과 As와 같은 p-형 불순물이 동시 도핑되는 ZnO 박막, 특히 ZnO 단결정 박막을 복수개 적층한 투명 박막, 이를 포함하는 발광 소자와 이들의 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 의하여, 분자선 에피탁시법(MBE), 유기 화학 기상 증착법(MOCVD), 원자층 증착법(ALD), 원자층 에피탁시법(ALE) 중 적어도 하나를 이용하여 Ga과 같은 n-형 불순물이 도핑되거나, As와 같은 p-형 불순물이 도핑되거나, Ga과 같은 n-형 불순물과 As와 같은 p-형 불순물이 동시 도핑되는 ZnO 박막, 특히 ZnO 단결정 박막을 복수개 적층한 투명 박막을 형성함으로써, 대량 양산에 적용이 가능할 뿐만 아니라, 높은 광출력, 낮은 동작 전압 및 고신뢰성을 갖는 고효율의 발광 소자를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 의하여, ITO 물질의 인듐(In)에 비하여 상대적으로 매장량이 풍부하여, 제조 원가를 개선할 수 있는 아연(Zn)을 바탕으로 Ga과 같은 n-형 불순물이 도핑되거나, As와 같은 p-형 불순물이 도핑되거나, Ga과 같은 n-형 불순물과 As와 같은 p-형 불순물이 동시 도핑되는 ZnO 박막, 특히 ZnO 단결정 박막을 복수개 적층한 투명 박막을 투명 전극으로 사용함으로써, 경제성을 극대화할 수 있는 투명 박막, 이를 포함하는 AlInGaN계 질화물 반도체 발광 소자와 이들의 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 의하여, AlInGaN계 질화물반도체 발광 소자에 한정하지 않고 종래의 ITO 물질을 대체할 수 있는 터치 패드, 유기 이엘(EL), 태양 전지(solar cell) 등의 다양한 응용 분야에 적용할 수 있는 투명 전극 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 통상적인 AlInGaN계 질화물 반도체를 이용한 발광 소자의 적층 구조를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 AlInGaN계 질화물 반도체 발광 소자의 투명 전극으로 사용되는 다층 구조의 ZnO 박막의 형성 과정을 개략적으로 나타낸 순서도.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 ZnO 박막의 다층 구조로 형성되는 투명 전극을 포함하는 AlInGaN계 질화물 반도체를 이용한 발광 소자의 적층 구조를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 ZnO 박막의 다층 구조로 형성되는 투명 전극을 포함하는 AlInGaN계 질화물 반도체를 이용한 발광 소자의 적층 구조를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 ZnO 박막의 다층 구조로 형성되는 투명 전극을 포함하는 AlInGaN계 질화물 반도체를 이용한 발광 소자를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 6은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 ZnO 박막의 다층 구조로 형성되는 투명 전극을 포함하는 AlInGaN계 질화물 반도체를 이용한 발광 소자를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 7은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 ZnO 박막의 다층 구조로 형성되는 투명 전극을 포함하는 AlInGaN계 질화물 반도체를 이용한 발광 소자를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 8은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 ZnO 박막의 다층 구조로 형성되는 투명 전극을 포함하는 AlInGaN계 질화물 반도체를 이용한 발광 소자를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 9는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 ZnO 박막의 다층 구조로 형성되는 투명 전극을 포함하는 AlInGaN계 질화물 반도체를 이용한 발광 소자를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 10은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라서 AlInGaN계 질화물 반도체를 이용한 발광 소자의 제2 전극 접촉층 위에 성장된 ZnO 박막에 도핑되는 n-형(Ga)과 p-형(As) 불순물에 따른 전류-전압 특성을 나타낸 그래프.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 Ga과 같은 n-형 불순물이 도핑되거나, As와 같은 p-형 불순물이 도핑되거나, Ga과 같은 n-형 불순물과 As와 같은 p-형 불순물이 동시 도핑되는 ZnO 박막, 특히 ZnO 단결정 박막을 복수개 적층한 투명 박막과 이를 포함하는 발광 소자 및 이들의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 Ga과 같은 n-형 불순물이 도핑되거나, As와 같은 p-형 불순물이 도핑되거나, Ga과 같은 n-형 불순물과 As와 같은 p-형 불순물이 동시 도핑되는 투명 박막이 설명의 편의상 ZnO 단결정 박막인 것으로 하나, 이에 한정되지 않는다. 또한 본 발명에 따른 발광 소자는 설명의 편의상 질화물 반도체 발광 소자, 특히 AlxInyGa(1-x-y)N, (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 질화물 반도체 발광 소자인 것으로 하나, 이에 한정되지 않는다. 또한 본 발명에 따른 투명 박막이 설명의 편의상 분자선 에피탁시법(MBE)을 이용하여 형성되는 것으로 하나, 이에 한정되지 않으며, 바람직하게는 유기 화학기상 증착법(MOCVD), 원자층 증착법(ALD), 원자층 에피탁시법(ALE) 중 적어도 하나를 이용하여 투명 박막을 형성하는 점도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다. 이하 본 발명에 대한 설명의 편의를 위하여, 투명 박막은 Ga과 같은 n-형 불순물이 도핑되거나, As와 같은 p-형 불순물이 도핑되거나, Ga과 같은 n-형 불순물과 As와 같은 p-형 불순물이 동시 도핑되는 ZnO 박막, 특히 ZnO 단결정 박막을 복수개 적층한 다층 구조의 투명 박막이며, 발광 소자는 AlxInyGa(1-x-y)N, (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 질화물 반도체 발광 소자(이하 AlInGaN계 질화물 반도체 발광 소자라 함)이며, 분자선 에피탁시법(MBE)을 이용하여 ZnO 박막이 형성되는 것으로 한다. 또한 본 발명에 대한 설명의 편의를 위하여, 개별 ZnO 박막에 동시 도핑되거나 개별적으로 도핑되는 n-형 불순물과 p-형 불순물이 주로 Ga과 As인 것으로 하나, 이에 한정되지 않으며, 바람직하게는 n-형 불순물이 B, Al, Ga, In의 Ⅲ족 원소와 F, Cl, H로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나이며, p-형 불순물이 N, P, As, Sb의 V족 원소와 Li, Na, C로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나인 점도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
본 발명에 따른 투명 전극을 이룰 수 있는 개별 단결정 ZnO 박막, 예를 들어 Ga과 같은 n-형 불순물이 도핑되는 단결정 ZnO 박막(이후 ZGO(ZnO:Ga) 박막 또는 ZGO 박막 또는 ZGO 단결정 박막이라 함), As와 같은 p-형 불순물이 도핑되는 단결정 ZnO 박막(이후 ZAO(ZnO:As) 박막 또는 ZAO 박막 또는 ZAO 단결정 박막이라 함), 또는 Ga과 같은 n-형 불순물과 As와 같은 p-형 불순물이 동시 도핑되는(co-doped) 단결정 ZnO 박막(이후 ZGAO(ZnO:Ga-As) 박막 또는 ZGAO 단결정 박막이라 함)을 형성하기 위한 분자선 에피탁시 장비(이하, MBE장비라 함)는 크게 시료 장입실, 처리실 및 성장실로 구분된다. 특히 ZnO 박막, 바람직하게는 ZnO 단결정 박막의 성장실은 10-9 torr의 초고진공 및 오염 성분이 최대한 제거된 깨끗한 성장 환경을 유지하기 위하여 각각의 공간은 게이트 밸브(gate valve)로 분리된다. 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 AlInGaN계 질화물 반도체 발광 소자의 투명 전극으로 사용되는 다층 구조의 ZnO 박막의 형성 과정을 개략적으로 나타낸 순서도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 AlInGaN계 질화물 반도체 발광 소자의 투명 전극으로 사용되는 다층 구조의 ZnO 박막을 형성하기 위한 MBE 장비는 10-9 torr 이하의 초고진공 장비로서 매우 깨끗한 환경에서 원자 레벨로 매우 정교하게 막을 성장시키는 장점을 가진다. 본 발명에 따른 ZGAO 박막 및 이를 채용하는 AlInGaN계 질화물 반도체 발광 소자를 제조하는 MBE 장비는 고진공의 성장 환경에서 고순도, 바람직하게는 99.999％ 이상의 Al, In, Ga, Zn, As, Sb 금속 태블릿(tablet)을 사용하며, 각 금속 소스가 수납되는 도가니와 히터(heater)가 정착되며 유량을 제어하는 독립된 개별 셀(cell)로 구성되어 있다. 소스 가스로서 RF 플라즈마를 이용하여 고순도, 바람직하게는 99.9999％ 이상의 산소(O2) 가스를 해리시켜 사용한다. 본 발명에 따른 다층 구조의 투명 박막을 구성할 수 있는 ZGAO 박막, ZGO 박막, ZAO 박막, 바람직하게는 ZGAO 단결정 박막, ZGO 단결정 박막, ZAO 단결정 박막의 결정성을 향상시키기 위하여, 기판이 가열되는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, ZnO 박막에 동시 도핑, 또는 개별 도핑되는 n-형 불순물로서 Ga인 것이 바람직하나, B, Al, Ga, In의 Ⅲ족 원소와 F, Cl, H로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있으며, 동시 도핑 또는 개별 도핑되는 p-형 불순물로서 As인 것이 바람직하나, N, P, As, Sb의 V족 원소와 Li, Na, C로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다. 본 발명에 따른 다층 구조의 투명 박막을 구성할 수 있는 ZGAO 박막, ZGO 박막, ZAO 박막, 바람직하게는 ZGAO 단결정 박막, ZGO 단결정 박막, ZAO 단결정 박막이 형성되는 대상물인 기판을 포함하는 발광 구조물은 높은 저항 특성과 표면에 캐리어인 홀로 활성화되지 않고 잔류하는 Mg, Mg-H 복합체, 과잉(excess) Mg 등의 불안정한 육각형 구조를 갖는 Mg-doped p-GaN 박막인 것으로 하나, 이에 한정되지 않는다. 본 발명에 따른 다층 구조의 투명 박막을 구성할 수 있는 ZGAO 박막, ZGO 박막, ZAO 박막, 바람직하게는 ZGAO 단결정 박막, ZGO 단결정 박막, ZAO 단결정 박막이 성장 방법에 있어서, 먼저 AlInGaN계 질화물 반도체 발광 소자 구조를 갖는 기판을 포함하는 발광 구조물이 적정 열처리 온도까지 승온된 후, 본 발명에 따른 다층 구조의 투명 박막을 구성할 수 있는 ZGAO 박막, ZGO 박막, ZAO 박막, 바람직하게는 ZGAO 단결정 박막, ZGO 단결정 박막, ZAO 단결정 박막을 형성하기 위한 온도로 강온된다(단계 201). 모체 기판의 열처리 온도는 약 500℃～700℃ 범위인 것이 바람직하다. 기판을 포함하는 발광 구조물의 열처리 과정과 동시에, 최적의 유량 제어를 위하여 Al, In, Ga, Mg, Zn, As 소스가 정착된 각 셀의 온도를 최적의 성장 온도 조건으로 유지한다(단계 203). 각 셀에서 최적의 성장 온도는 다층 구조의 투명 박막을 구성할 수 있는 ZGAO 박막, ZGO 박막, ZAO 박막, 바람직하게는 ZGAO 단결정 박막, ZGO 단결정 박막, ZAO 단결정 박막의 성장 조건에 따라 달라질 수 있으며, 각 셀에 담긴 재료의 양과 구조에 따라서 달라질 수 있다. 예를 들어, Zn 소스에 상응하는 셀의 온도는 약 300℃～600℃의 범위가 적절하며, Ga 소스에 상응하는 셀의 온도는 약 500℃～800℃의 범위가 적절하며, As 소스에 상응하는 셀의 온도는 약 200℃～400℃의 범위가 적절하며, 이러한 범위 내에서 각 셀의 최적의 유량 조건이 설정될 수 있다. 상술한 각 셀의 적정 온도 범위는 일 실시예에 불과하며, 장비 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
단계 201 및 203을 통하여 최적의 성장 환경이 준비된 상태에서, 기판을 포함하는 발광 구조물에 대하여 최적 성장 온도가 확정하며, 최적 성장 온도가 확정된 후 기판이 회전된다(단계 205). 이 후, 회전하는 기판을 포함하는 발광 구조물에 대하여 각각의 재료가 마련된 셀의 셔터를 공정 과정에 상응하게 개방한다(단계 207). 단계 207에서, 공정 과정에 상응하도록 RF 플라즈마를 이용하여 산소(O2)가스를 해리함으로써 얻어지는 산소 소스가 더 공급될 수 있다. 공정 과정에 상응하도록 각 셀의 셔터가 개방되어 셀에 수납된 재료가 증발에 의하여 기판을 포함하는 발광 구조물에 도달하며, 공정 과정에 상응하도록 산소 소스가 더 공급되어, 본 발명에 따른 다층 구조의 투명 박막을 구성할 수 있는 ZGAO 박막, ZGO 박막, ZAO 박막, 바람직하게는 ZGAO 단결정 박막, ZGO 단결정 박막, ZAO 단결정 박막이 균일하게 성장됨으로써, n-형 도핑 소스인 Ga이 개별적으로 도핑되는 ZGO 박막, p-형 도핑 소스인 As가 개별적으로 도핑되는 ZAO 박막, 및 n-형 도핑 소스인 Ga과 p-형 도핑 소스인 As가 동시 도핑되는 ZGAO 박막 중 적어도 하나를 복수개 포함하는 적층 구조의 투명 박막을 형성하여, 높은 광투과도와 저저항 특성으로 인한 높은 전기 전도도를 갖는 투명 전극이 형성된다(단계 209). 상술한 공정 과정에서, 대부분의 Zn 소스는 산소와 결합하여 산화아연(ZnO)의 단결정 박막을 형성한다. 산소의 경우 일반적으로 분자 상태로 존재하나, 본 발명에 따른 공정을 진행하기 위하여, 해리되어 원자 상태로 공급되며, 바람직하게는 RF 플라즈마 방식이 이용될 수 있다. 이 후, 본 발명에 따라서 ZGAO 박막, ZGO 박막, ZAO 박막, 바람직하게는 ZGAO 단결정 박막, ZGO 단결정 박막, ZAO 단결정 박막 중 적어도 하나를 포함하여 다층 구조로 형성되는 투명 전극의 형성을 완료하면, 각 셀의 셔터를 폐쇄한다(단계 211).
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 ZnO 박막의 다층 구조로 형성되는 투명 전극을 포함하는 AlInGaN계 질화물 반도체를 이용한 발광 소자의 적층 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이며, 도 4는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 ZnO 박막의 다층 구조로 형성되는 투명 전극을 포함하는 AlInGaN계 질화물 반도체를 이용한 발광 소자의 적층 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 ZnO 박막(ZnO 단결정 박막을 포함함)이 발광 소자, 특히 AlInGaN계 질화물 반도체를 이용한 발광 소자에 채용되는 상태를 예시적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 기술적 범위가 이에 한정되어 해석되어서는 아니된다. 도 3 및 도 4에 도시된 AlInGaN계 질화물 반도체를 이용한 발광 소자는 "발광 다이오드(Emitting Light Diode, LED)" 및 "레이저 다이오드(Laser Diode, LD)"를 포함한다. 도 3 및 도 4에 도시된, 본 발명에 따른 AlInGaN계 질화물 반도체를 이용한 발광 소자에 있어서, 도 1에 도시된 종래의 통상적인 AlInGaN계 질화물 반도체를 이용한 발광 소자와 동일한 부분에 대하여 구체적인 설명을 생략하기로 한다. 도 3 및 도 4에 도시된 본 발명에 따른 AlInGaN계 질화물 반도체를 이용한 발광 소자에 있어서, 기판(301), 버퍼층(303), 제1 전극 접촉층으로 기능하는 n-형 질화물 반도체층(305), n-형 질화물 클래드층(307), 활성층(309), p-형 질화물 클래드층(311) 및 p-형 질화물 반도체층(313)이 순차로 적층된다. p-형 질화물 반도체층(313) 위에 n/p-형 제2 전극 접촉층(315, 415)이 평탄한 표면을 갖는 플랫 타입(flat type)(도 3의 315) 또는, 거친 표면을 갖는 러프 타입(rough type)으로 형성될 수 있다. 제2 전극 접촉층(315, 415) 위에 얇은 두께의 p-InGaN층 또는 n+-InGaN층, InGaN/InGaN 초격자층, n-InGaN/GaN 초격자층 등이 하부의 제2 전극 접촉층(315, 415)의 표면 상태에 상응하여 더 형성될 수 있다. 즉 제2 전극 접촉층(315)이 플랫 타입인 경우, 제2 전극 접촉층(315) 위에 플랫 타입의 얇은 두께의 p-InGaN층 또는 n+-InGaN층, InGaN/InGaN 초격자층, n-InGaN/GaN 초격자층 등이 형성될 수 있으며, 제2 전극 접촉층(415)이 러프 타입인 경우, 제2 전극 접촉층(316) 위에 러프 타입의 얇은 두께의 p-InGaN층 또는 n+-InGaN층, InGaN/InGaN 초격자층, n-InGaN/GaN 초격자층 등이 형성될 수 있다. 본 발명에 따른 러프 타입은 Mg 유량을 제어함으로써 수행될 수 있다. 본 발명에 따른 기판(301), 버퍼층(303), 제1 전극 접촉층으로 기능하는 n-형 질화물 반도체층(305), n-형 질화물 클래드층(307), 활성층(309), p-형 질화물 클래드층(311), p-형 질화물 반도체층(313), 제2 전극 접촉층(315, 316), 제2 전극 접촉층(315, 415) 위에 형성되는 얇은 두께의 p-InGaN층 또는 n+-InGaN층, InGaN/InGaN 초격자층, n-InGaN/GaN 초격자층 등은 유기 금속 화학 기상 증착법(MOCVD)에 의하여 성장되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지는 않는다. 도 3 및 도 4에 도시된 본 발명에 따른 발광 소자에 있어서, n-형 도펀트로 사용되는 불순물 소스는 실리콘(Si)이며, 도핑 농도는 각각 1017/cm3～1018/cm3 정도이며, 특히 n-형 전극 패드인 제1 전극 패드(319)와 전기적으로 접촉되어 제1 전극 접촉층으로 사용되는 n-형 질화물 반도체층(305)의 경우, 실리콘 도핑 농도는 1～5×1018/cm3 정도이며, 2～4㎛ 두께 범위에서 성장된다. p-형 도펀트로 사용되는 불순물 소스는 마그네슘(Mg)이며 활성화 공정(activation process)의 수행 후, 캐리어인 홀의 도핑 농도는 1～5×1017/cm3 정도의 범위를 갖는다. 특히 p-형 전극 패드인 제2 전극 패드(321)와 전기적으로 접촉되어 제2 전극 접촉층(315, 415)은 10nm～500nm 두께 범위 내에서 성장되며, 활성화 공정에 의하여 캐리어인 홀 농도를 극대화시킨다. 도 1을 참조하여 설명한 종래의 통상적인 AlInGaN계 질화물 반도체를 이용한 발광 소자와 마찬가지로, 도 3 및 도 4에 도시된 본 발명에 따른 AlInGaN계 질화물 반도체를 이용한 발광 소자에 포함되는 제2 전극 접촉층(315, 415)은 단결정 박막 내부와 표면에 과잉(excess) Mg, Mg-H 복합체등(102/cm3～104/cm3)이 포함된 고저항/Ga-rich의 거친 표면을 갖는다. 따라서 제2 전극 접촉층(315, 415) 위에 InGaN/InGaN 활성층(309)의 유효 발광 면적까지 인가 전류의 균일한 퍼짐과 주입에 의한 높은 광출력의 고효율 발광 소자를 얻기 위하여, 발광 구조물의 상태(결정 구조, 표면 거칠기, 전기적 특성)를 정확하게 파악함으로써 이후에 형성되는 투명 전극과의 효과적인 계면 제어 기술(interface control technology)이 요구된다. 다시 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 제2 전극 접촉층(315, 415) 위에 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 투명 전극, 특히 ZnO 박막의 다층 구조로 형성되는 투명 전극(317, 417)이 제2 전극 접촉층(315, 415)의 표면 상태에 상응하여 형성될 수 있다. 즉 제2 전극 접촉층(315)이 플랫 타입인 경우, 제2 전극 접촉층(315) 위에 플랫 타입의 ZnO 박막의 다층 구조로 형성되는 투명 전극(317, 도 3의 경우)이 형성되며, 제2 전극 접촉층(415)이 러프 타입인 경우, 제2 전극 접촉층(316) 위에 러프 타입의 ZnO 박막의 다층 구조로 형성되는 투명 전극(417, 도 4의 경우)이 형성되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 최종적으로 와이어 본딩(wire bonding)을 위한 제1 전극 패드(419,421)와 제2 전극 패드(321,421)가 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 형성된다. 제2 전극 패드(321,421)는 도 1에 도시된 바와 같이, 제2 전극 접촉층(315, 415)에 직접 연결되도록 형성될 수도 있다. 본 발명에서, 종래 발광 소자의 투명 전극으로 사용되는 ITO 물질을 대체하여 높은 광출력과 낮은 동작 전압 및 장기간의 수명을 갖는 고효율/고신뢰성을 갖는 발광 소자의 투명 전극을 형성하도록 요구되는 ZnO 박막은 첫째 대상물인 발광 구조물의 제2 전극 접촉층(315, 415)과 결정 구조가 동일한 단결정 박막에 의하여 광투과도를 극대화할 수 있으며, n-/p-형 불순물의 동시 도핑에 의하여 캐리어의 전기적 특성이 제어되어 접촉 저항을 최소화하여 전기 전도도를 크게 할 수 있는 장점을 지닌다. 본 발명에 따른 ZnO 박막은 성장되는 대상물인 발광 구조물, 특히 제2 전극 접촉층(315, 417)과의 계면 제어와 As와 같은 p-형 불순물의 도핑에 의하여 홀(hole)이 공급되는 점 등에서 특징이 있다.
본 발명에 따른 투명 전극인 ZnO 박막의 다층 구조로 형성되는 투명 전극(317, 318)은 c-axis 성장 방향으로 육각형의 결정 구조를 갖는 기판을 포함하는 발광 구조물, 특히 제2 전극 접촉층(315, 415) 위에 동일한 육각형 결정 구조를 갖는 단결정 박막으로 성장될 수 있으며, 최적의 도핑 제어를 통하여 저항 조절이 가능하기 때문에, 종래의 비정질과 다결정질의 ZnO 박막에 비하여 탁월한 광투과도와 전기 전도도를 갖는다. AlInGaN계 질화물 반도체를 이용한 발광 소자의 제2 전극 접촉층(315, 415)은 호스트(host) 물질인 Ga-rich, 질소 공극(vacancy) 및 활성화 공정 이후의 102/cm3 이상의 과잉 Mg, Mg-H 복합체 등이 혼합되어 높은 저항과 거친 표면을 가지는 상대적으로 불안정한 상태에 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서, 상기 제2 전극 접촉층(315, 415) 위에 ZnO 박막의 다층 구조로 형성되는 투명 전극(317, 417)이 성장될 때, 고진공 상태에서 성장 초기에 ZnO 박막의 다층 구조로 형성되는 투명 전극의 하부층이 ZGAO 단결정 박막 또는 ZGO 단결정 박막인 경우 호스트 물질인 Zn가 상기 제2 전극 접촉층(315, 415)의 Ga-rich 표면에서 Ga의 자리로 치환되어(ZnGa) ZnO 박막의 다층 구조로 형성되는 투명 전극의 하부층인 ZGAO 단결정 박막 또는 ZGO 단결정 박막과 상기 제2 전극 접촉층(315, 415)의 계면에서 국부적인(localized) Zn-doped GaN층이 형성된다. 또한 활성화 공정후, 상기 제2 전극 접촉층(315, 316) 표면에 국부적으로 잔류하는 Mg-H 복합체는 ZnO 단결정 박막의 호스트인 산소(O)에 의하여 OH 결합이 진행됨으로써 수소(H)가 이탈되며, 결국 ZnO 박막의 다층 구조로 형성되는 투명 전극의 하부층인 ZGAO 단결정 박막 또는 ZGO 단결정 박막과 상기 제2 전극 접촉층(315, 415)의 계면에서 댕글링 결합(dangling bond)으로 잔류하는 호스트인 Ga 자리로 Mg이 치환되면서(MgGa), 국부적으로 캐리어인 홀 도핑 농도가 매우 높은 p-doped 층이 형성되면서 ZnO 박막의 다층 구조로 형성되는 투명 전극의 하부층인 ZGAO 단결정 박막 또는 ZGO 단결정 박막과 상기 제2 전극 접촉층(315, 415)의 계면에서 접촉 저항이 크게 낮아질 수 있다. 이 후, ZnO 박막의 다층 구조로 형성되는 투명 전극의 하부층인 ZGAO 단결정 박막 또는 ZGO 단결정 박막은 성장이 진행되면서 c-axis 방향으로 성장되지만, 산소 공극, 결정 성장중에 형성되는 네이티브 결함(native defect)을 갖는 비대칭의 화학량론적 조성비에 의한 높은 저항이 나타난다. 이러한 비발광 센터(nonradiative center)에 의한 낮은 전기 전도도를 향상시키기 위하여 최적의 도핑 기술이 적용되어야 한다.
본 발명에 따른 ZnO 박막의 다층 구조로 형성되는 투명 전극은 ZAO 단결정 박막과 ZGO 단결정 박막을 교번적으로 복수회 적층한 다층 구조이거나(도 5 및 그 설명 참조), ZnO 박막의 두께를 조절하여 교번적으로 적층한 다층 구조이거나(도 7 내지 8 및 그 설명 참조), ZGO 단결정 박막, ZGAO 단결정 박막 및 ZAO 단결정 박막의 세 종류의 ZnO 단결정 박막을 적층한 다층 구조(도 9 및 그 설명 참조)일 수 있다. 도 5 내지 9와 이에 대한 설명에 본 발명의 기술적 범위가 한정되지 않으며, Ga과 같은 n-형 불순물이 도핑되거나, As와 같은 p-형 불순물이 도핑되거나, Ga과 같은 n-형 불순물과 As와 같은 p-형 불순물이 동시 도핑되는 ZnO 박막, 특히 ZnO 단결정 박막을 복수개 적층한 다층 구조의 투명 박막, 이를 포함하는 발광 소자 및 이들의 제조 방법이라면 본 발명의 기술적 범위에 포함될 것이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 ZnO 박막의 다층 구조로 형성되는 투명 전극을 포함하는 AlInGaN계 질화물 반도체를 이용한 발광 소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 다층 구조로 형성되는 투명 전극은 ZAO 단결정 박막과 ZGO 단결정 박막의 쌍, 또는 ZGO 단결정 박막과 ZAO 단결정 박막의 쌍을 복수회 적층하여, ZAO 단결정 박막과 ZGO 단결정 박막이 교번적으로 적층되거나, ZGO 단결정 박막과 ZAO 단결정 박막이 교번적으로 적층되는 다층 구조를 갖는다. 본 실시예에서 각 ZnO 단결정 박막의 성장 시간은 30초이며, ZGO 단결정 박막과 ZAO 단결정 박막의 쌍 또는 ZAO 단결정 박막과 ZGO 단결정 박막의 쌍을 50회 적층하여 최종 320nm의 두께를 갖도록 하였다. 이 후, AlInGaN계 발광 소자에 대한 LED 칩 공정을 수행하여 500×250㎛2의 크기를 갖는 칩을 제조하여 20mA의 인가 전류에서 동작 전압(VF) 및 광출력(Po) 등의 특성을 확인하였다. 본 실시예에서, 446nm의 LED 파장 대역에서 동작 전압(VF) 3.56V에서 광출력은 18.1mW로 나타났다. 동일 파장 대역에서 같은 두께를 가지며 동시 도핑된 ZGAO 단결정의 단일 박막으로 이루어지는 투명 전극이 적용된 LED 발광 소자의 경우 동작 전압(VF)과 광출력은 각각 3.34V 및 15.65mW로 나타났다. 따라서 본 발명의 도 5에 도시된 바와 같은 다층 구조의 투명 전극을 적용한 LED 발광 소자는 Ga과 As가 동시 도핑된 ZGAO 단결정의 단일 박막으로 이루어지는 투명 전극이 적용된 LED 발광 소자에 비하여 광출력이 향상된 효과를 가지는 것으로 평가된다.
도 6은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 ZnO 박막의 다층 구조로 형성되는 투명 전극을 포함하는 AlInGaN계 질화물 반도체를 이용한 발광 소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 다층 구조로 형성되는 투명 전극은 ZAO 단결정 박막과 ZGO 단결정 박막의 쌍, 또는 ZGO 단결정 박막과 ZAO 단결정 박막의 쌍으로 이루어지는 다층 구조를 갖는다. 도 5에 도시된 바와 같은 투명 전극을 이루는 각 ZnO 단결정 박막에 비하여 본 실시예에서의 투명 전극을 이루는 각 ZnO 단결정 박막의 두께가 두껍다. 본 실시예에서 특히 하부에 ZAO 단결정 박막과 상부에 ZGO 단결정 박막을 적층하여 다층 구조를 이루는 경우에, 각 ZnO 단결정 박막의 성장 시간은 25분이며, 하부의 ZAO 단결정 박막과 상부의 ZGO 단결정 박막의 적층 구조가 최종 320nm의 두께를 갖도록 하였다. 이 후, AlInGaN계 발광 소자에 대한 LED 칩 공정을 수행하여 500×250㎛2의 크기를 갖는 칩을 제조하여 20mA의 인가 전류에서 동작 전압(VF) 및 광출력(Po) 등의 특성을 확인하였다. 본 실시예에서, 446nm의 LED 파장 대역에서 동작 전압(VF) 3.52V에서 광출력은 19.7mW로 나타났다. 동일 파장 대역에서 같은 두께를 가지며 동시 도핑된 ZGAO 단결정의 단일 박막으로 이루어지는 투명 전극이 적용된 LED 발광 소자의 경우 동작 전압(VF)과 광출력은 각각 3.34V 및 15.65mW로 나타났다. 따라서 본 발명의 도 6에 도시된 바와 같은 다층 구조의 투명 전극을 적용한 LED 발광 소자는 Ga과 As가 동시 도핑된 ZGAO 단결정의 단일 박막으로 이루어지는 투명 전극이 적용된 LED 발광 소자에 비하여 광출력이 더욱 향상된 효과를 가지는 것으로 평가된다.
도 7은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 ZnO 박막의 다층 구조로 형성되는 투명 전극을 포함하는 AlInGaN계 질화물 반도체를 이용한 발광 소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 7에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 다층 구조로 형성되는 투명 전극은 하부에 n-형 불순물인 Ga과 p-형 불순물인 As가 동시 도핑된 ZGAO 단결정 박막과 그 위에 ZGAO 단결정 박막에 비하여 두께가 얇은 n-형 불순물인 Ga이 도핑된 ZGO 단결정 박막을 포함하는 다층 구조를 갖는다. ZGAO 단결정 박막의 성장 시간은 45분이며 ZGO 단결정 박막의 성장 시간은 5분이며, ZGAO 단결정 박막과 ZGO 단결정 박막의 적층 구조인 투명 전극이 최종 320nm의 두께를 갖도록 하였다. 이 후, AlInGaN계 발광 소자에 대한 LED 칩 공정을 수행하여 500×250㎛2의 크기를 갖는 칩을 제조하여 20mA의 인가 전류에서 동작 전압(VF) 및 광출력(Po) 등의 특성을 확인하였다. 본 실시예에서, n-형 불순물인 Ga이 도핑된 ZGO 단결정 박막은 면저항을 감소시켜 전기 전도도를 향상시키기 위하여 채택되는 구성이며, 두께가 증가될수록 면저항값은 낮아지지만 광출력은 감소된다. 본 실시예에서 446nm의 LED 파장 대역에서 동작 전압(VF) 3.37V에서 광출력은 17.2mW로 나타났다. 동일 파장 대역에서 같은 두께를 가지며 동시 도핑된 ZGAO 단결정의 단일 박막으로 이루어지는 투명 전극이 적용된 LED 발광 소자의 경우 동작 전압(VF)과 광출력은 각각 3.34V 및 15.65mW로 나타났다. 따라서 본 발명의 도 7에 도시된 바와 같은 다층 구조의 투명 전극을 적용한 LED 발광 소자는 Ga과 As가 동시 도핑된 ZGAO 단결정의 단일 박막으로 이루어지는 투명 전극이 적용된 LED 발광 소자에 비하여 광출력이 향상된 효과를 가지는 것으로 평가된다. ZGAO 단결정 박막의 두께를 동일하게 하고, n-형 불순물인 Ga이 도핑된 ZGO 단결정 박막의 성장 시간을 5분에서 10분으로 증가시킬 경우, LED 발광 소자의 동작 전압은 3.32V로 감소되지만, 광출력은 16.24mW로 감소된다. 이는 ZGO 단결정 박막의 면저항이 감소되면서 금속 패드와의 전기적 특성이 향상되는 결과에 의하여 동작 전압이 낮아지지만, n-형 불순물인 Ga과 p-형 불순물인 As가 동시 도핑된 접합면에서 보상 효과(compensation effect)가 발생하여 광출력이 낮아지는 것으로 추정된다.
도 8은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 ZnO 박막의 다층 구조로 형성되는 투명 전극을 포함하는 AlInGaN계 질화물 반도체를 이용한 발광 소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 8에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 다층 구조로 형성되는 투명 전극은 하부에 n-형 불순물인 Ga이 도핑된 ZGO 단결정 박막과 그 위에 p-형 불순물인 As가 도핑된 ZAO 단결정 박막과 그 위에 다시 n-형 불순물인 Ga이 도핑된 ZGO 단결정 박막이 적층되며, 하부의 ZGO 단결정 박막이 상부의 ZAO 단결정 박막과 ZGO 단결정 박막에 비하여 두께가 얇은 다층 구조를 갖는다. 하부 ZGO 단결정 박막의 성장 시간은 5분이며 상부 ZAO 단결정 박막과 ZGO 단결정 박막의 성장 시간은 각각 25분이며, 하부 ZGO 단결정 박막과 상부의 ZAO 단결정 박막 및 ZGO 단결정 박막의 적층 구조인 투명 전극이 최종 320nm의 두께를 갖도록 하였다. 이 후, AlInGaN계 발광 소자에 대한 LED 칩 공정을 수행하여 500×250㎛2의 크기를 갖는 칩을 제조하여 20mA의 인가 전류에서 동작 전압(VF) 및 광출력(Po) 등의 특성을 확인하였다. 본 실시예에서 446nm의 LED 파장 대역에서 동작 전압(VF) 3.90V에서 광출력은 14.2mW로 나타났다. 동일 파장 대역에서 같은 두께를 가지며 동시 도핑된 ZGAO 단결정의 단일 박막으로 이루어지는 투명 전극이 적용된 LED 발광 소자의 경우 동작 전압(VF)과 광출력은 각각 3.34V 및 15.65mW로 나타났다. 따라서 본 발명의 도 8에 도시된 바와 같은 다층 구조의 투명 전극을 적용한 LED 발광 소자는 Ga과 As가 동시 도핑된 ZGAO 단결정의 단일 박막으로 이루어지는 투명 전극이 적용된 LED 발광 소자에 비하여 전기적 특성 및 광출력 특성이 저하된 것으로 평가된다. 이는 AlInGaN계 발광 소자의 제2 전극층과의 접합에서 p/n 접합이 형성되어 공핍 영역이 증가되기 때문에 동작 전압이 높은 것을 원인으로 하며, 그에 따른 전류 주입 효율이 낮아져서 결과적으로 광출력 또한 감소하는 것으로 추측된다. 따라서 도 8에 도시된 LED 발광 소자에 대하여 AlInGaN계 발광 소자의 제2 전극층과의 접합을 이루는 n-형 불순물이 도핑된 ZGO 단결정 박막의 두께를 얇게 하고, ～1020/cm3 정도로 도핑 농도를 증가시켜 터널 접합(tunnel junction)을 형성하면 동작 전압과 광출력을 효과적으로 개선할 수 있을 것으로 판단된다.
도 9는 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 ZnO 박막의 다층 구조로 형성되는 투명 전극을 포함하는 AlInGaN계 질화물 반도체를 이용한 발광 소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 도 9에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 다층 구조로 형성되는 투명 전극은 하부에 n-형 불순물인 Ga이 도핑된 ZGO 단결정 박막과 그 위에 n-형 불순물인 Ga과 p-형 불순물인 As가 동시 도핑된 ZGAO 단결정 박막과 그 위에 다시 n-형 불순물인 Ga이 도핑된 ZGO 단결정 박막이 적층되며, 하부 및 상부의 ZGO 단결정 박막이 중간의 ZGAO 단결정 박막에 비하여 두께가 얇은 다층 구조를 갖는다. 하부 및 상부 ZGO 단결정 박막의 성장 시간은 각각 5분이며 중간의 ZGAO 단결정 박막의 성장 시간은 45분이며, 하부 ZGO 단결정 박막, 중간의 ZGAO 단결정 박막과 상부의 ZGO 단결정 박막의 적층 구조인 투명 전극이 최종 320nm의 두께를 갖도록 하였다. 이 후, AlInGaN계 발광 소자에 대한 LED 칩 공정을 수행하여 500×250㎛2의 크기를 갖는 칩을 제조하여 20mA의 인가 전류에서 동작 전압(VF) 및 광출력(Po) 등의 특성을 확인하였다. 본 실시예에서 446nm의 LED 파장 대역에서 동작 전압(VF) 3.42V에서 광출력은 14.1mW로 나타났다. 동일 파장 대역에서 같은 두께를 가지며 동시 도핑된 ZGAO 단결정의 단일 박막으로 이루어지는 투명 전극이 적용된 LED 발광 소자의 경우 동작 전압(VF)과 광출력은 각각 3.34V 및 15.65mW로 나타났다. 따라서 본 발명의 도 9에 도시된 바와 같은 다층 구조의 투명 전극을 적용한 LED 발광 소자는 Ga과 As가 동시 도핑된 ZGAO 단결정의 단일 박막으로 이루어지는 투명 전극이 적용된 LED 발광 소자에 비하여 전기적 특성 및 광출력 특성이 저하된 것으로 평가된다. 도 8을 참조하여 설명한 바와 같이, 금속 패드와 접촉하는 상부의 n-형 불순물인 Ga을 도핑한 ZGO 단결정 박막은 면저항이 낮아서 전기 전도도가 향상되어 금속 패드와의 원활한 접촉을 통하여 동작 전압이 감소되지만, AlInGaN계 발광 소자의 제2 전극층과의 접합에서 p/n 접합이 형성되어 공핍 영역이 증가되기 때문에 동작 전압이 높은 것을 원인으로 하며, 그에 따른 전류 주입 효율이 낮아져서 결과적으로 광출력 또한 감소한다. 따라서 상술한 바와 마찬가지로 LED 발광 소자에 대하여 AlInGaN계 발광 소자의 제2 전극층과의 접합을 이루는 n-형 불순물이 도핑된 ZGO 단결정 박막의 두께를 얇게 하고, ～1020/cm3 정도로 도핑 농도를 증가시켜 터널 접합(tunnel junction)을 형성하면 동작 전압과 광출력을 효과적으로 개선할 수 있을 것으로 판단된다.
도 10은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라서 AlInGaN계 질화물 반도체를 이용한 발광 소자의 제2 전극 접촉층 위에 성장된 ZnO 박막에 도핑되는 n-형(Ga)과 p-형(As) 불순물에 따른 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다. 발명자는 ZnO 박막에 도핑되는 불순물에 따른 AlInGaN계 질화물 반도체를 이용한 발광 소자의 전기적 특성을 살펴보기 위하여, 러프 타입의 AlInGaN계 질화물 반도체를 이용한 발광 소자의 제2 전극 접촉층 위에 MBE 장비를 이용하여 발광 구조물과 동일한 육각형 결정 구조를 갖는 약 2500Å 두께의 ZnO 단결정 박막을 성장시켰다. 일반적으로 반도체 물질의 저항은 도핑되는 n-형과 p-형의 불순물의 농도에 의존하기 때문에 n-형(Ga)과 p-형(As) 불순물의 도핑 및 이들의 동시 도핑에 따른 전기적 특성을 확인하기 위하여, 발명자는 ZnO 박막의 두께를 2500Å으로 고정한 후, 도핑을 하지 않은 ZnO 박막(undoped ZnO), Ga 도핑 ZnO 박막(Ga doped ZnO), As 도핑 ZnO 박막(As doped ZnO) 및 Ga-As 동시 도핑 ZnO 박막(Ga-As co-doped ZnO)을 성장시켜 동일 거리를 갖도록 인듐 전극을 형성한 후, 전류-전압 특성을 확인하였다. 또한 발명자는 2 인치 사파이어 기판을 포함하는 AlInGaN계 질화물 반도체 발광 소자의 발광 구조물을 1/4 조각으로 나누어 전기적 특성을 확인함으로써, 각각의 도핑 영향 및 효과에 대한 정확도를 확보하였다. 도 10을 참조하면, 0.2V의 인가 전압에서 도핑을 하지 않은 ZnO 박막의 경우 5305ohm의 매우 높은 저항값이 나타남을 알 수 있다. 이러한 결과는 도핑을 하지 않은 ZnO 단결정 박막의 성장 도중에 발생하는 본질 결정 결함(native defect), 산소(O2) 공극(vacancy)과 같은 원인에 기인된 것으로 평가되며, 캐리어의 포획 등과 같이 전기 전도도에 악영향을 끼쳐, 결국 높은 저항값을 갖는 것으로 나타남을 알 수 있다. 그러나 Ga 도핑 ZnO 박막인 경우, 동일한 인가 전압에서 저항값이 6.7ohm으로 도핑을 하지 않은 ZnO 박막의 저항값인 5305ohm에 비하여 무시될 정도로 낮아진 것으로 나타난다. 이러한 결과는 산소(O2) 공극의 자리로 Ga이 치환되어 다수의 Ga-O와 Zn-Ga 결합이 형성되기 때문인 것으로 판단된다. 또한 As 도핑 ZnO 박막의 경우, 동일한 인가 전압에서 저항값이 397ohm으로 다시 증가하는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 As가 Zn 자리로 치환될 뿐만 아니라 산소(O2) 공극의 자리로 치환되면서 Zn-As와 As-O 결합에 의해서 결국 저항값이 Ga 도핑 ZnO 박막의 저항값에 비하여 다시 증가하는 것으로 유추된다. Ga-As 동시 도핑 ZnO 박막의 경우, 동일한 인가 전압에서 저항값이 17.6ohm임을 알 수 있으며, 이는 Ga 도핑 ZnO 박막의 저항값에 비하여 약간 높으나 As 도핑 ZnO 박막의 저항값에 비하여 매우 낮은 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 Ga과 As가 동시 도핑이 됨으로써, 본질 결정 결함과 산소(O2) 공극을 갖는 호스트 ZnO 박막의 성장 중에 Ga에 의한 다수의 Ga-O 결합과 Ga-Zn 결합에 의한 저항 감소와 As에 의한 다수의 As-Zn 결합과 As-O 결합과 동시에 Ga-As 결합까지 진행되어, 도핑을 하지 않은 ZnO 박막이나 As 도핑 ZnO 박막에 비하여 매우 낮은 저항값을 갖는 것으로 유추된다. 도 5에 도시된 바와 같은 전기적 특성을 바탕으로, AlInGaN계 질화물 반도체 발광 소자의 투명 전극으로 사용될 수 있는 저저항에 따른 높은 전기 전도도를 갖는 ZGAO 박막을 형성이 가능하다. 도 10에 도시된 바와 같이, 발명자는 4 포인트 프로브(4 point probe) 측정을 통한 도핑을 하지 않은 ZnO 박막(undoped ZnO), Ga 도핑 ZnO 박막(Ga doped ZnO), As 도핑 ZnO 박막(As doped ZnO) 및 Ga-As 동시 도핑 ZnO 박막(Ga-As co-doped ZnO)의 시트 저항(sheet resistance, Rs) 값이 각각 6.5Kohm/sq, 7.2ohm/sq, 536ohm/sq, 및 45ohm/sq인 것을 확인할 수 있었으며, 도핑 영향에 따른 저항값 변화의 전류-전압 특성 곡선과 일치하는 신뢰성 있는 결과인 것으로 평가한다.
앞서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 Ga-As 동시 도핑 ZnO(즉 ZGAO 단결정 박막) 또는 n-형 불순물인 Ga 도핑 ZnO(즉, ZGO 단결정 박막) 또는 p-형 불순물인 As 도핑 ZnO(즉, ZAO 단결정 박막)에서, Ga과 같은 n-형 불순물과 As와 같은 p-형 불순물 중에서, Ga과 같은 n-형 불순물이 전기적 특성을 양호하게 하는 주요 원인이며, 도 5, 6을 참조하여 살펴본 바와 같이, Ga과 같은 n-형 불순물과 As와 같은 p-형 불순물 중에서, As와 같은 p-형 불순물이 광출력과 같은 특성을 양호하게 하는 주요 원인임을 알 수 있다. 본 발명에 따라서, 분자선 에피탁시법(MBE), 유기 화학 기상 증착법(MOCVD), 원자층 증착법(ALD), 원자층 에피탁시법(ALE) 등을 이용하여 육각형 단결정 구조를 갖는 AlInGaN계 질화물 반도체 발광 소자의 발광 구조물 자체를 기판으로 하여 격자 불일치가 거의 없는 육각형 결정 구조를 가지며, 전기적 특성을 양호하게 하는 Ga과 같은 n-형 불순물과 광 특성을 양호하게 하는 As와 같은 p-형 불순물을 동시 도핑 및 n-형 불순물과 p-형 불순물을 개별층하여 2개 이상의 적층 구조를 갖는 ZnO 박막(즉, ZGAO, ZGO, ZAO 단결정 박막)을 단결정으로 성장시킴으로써, 대량 양산에 적용이 가능할 뿐만 아니라, 높은 광출력, 저저항과 높은 전류 전도도의 전기적 특성을 갖는 고효율의 발광 소자를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
101, 301 : 기판 103, 303 : 버퍼층
105, 305 : n-형 질화물 반도체층 107, 307 : n-형 질화물 클래드층
109, 309 : 활성층 111, 311 : p-형 질화물 클래드층
113, 313 : p-형 질화물 반도체층
115, 315, 316 : 제2 전극 접촉층
117 : ITO 투명 전극층,
317, 318 : ZnO 박막의 다층 구조로 형성되는 투명 전극
119, 319 : n-형 전극 패드, 121, 321 : p-형 전극 패드

Claims (23)

  1. AlxInyGa(1-x-y)N, (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 질화물 반도체 발광 소자에 있어서,
    기판;
    상기 기판 위에 형성되는 버퍼층;
    상기 버퍼층 위에 형성되는 제1 전극 접촉층;
    상기 제1 전극 접촉층 위에 형성되는 제1 클래드층;
    상기 제1 클래드층 위에 형성되는 활성층;
    상기 활성층 위에 형성되는 제2 클래드층;
    상기 제2 클래드층 위에 형성되는 제2 전극 접촉층;
    상기 제2 전극 접촉층 위에 형성되며, 복수의 ZnO 박막이 적층된 다층 구조의 투명 전극-여기서 적어도 일부의 ZnO 박막은 B, Al, Ga, In의 Ⅲ족 원소와 F, Cl, H로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나인 n-형 불순물이 도핑되거나, N, P, As, Sb의 V족 원소와 Li, Na, C로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나인 p-형 불순물이 도핑되거나, 상기 n-형 불순물과 상기 p-형 불순물이 동시 도핑되어 형성됨-;
    상기 제1 전극 접촉층의 상부 일측에 형성되는 제1 전극 패드; 및
    상기 투명 전극의 상부 일측에 형성되는 제2 전극 패드를 포함하는 질화물 반도체 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 n-형 불순물은 Ga이며, 상기 p-형 불순물은 As인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 ZnO 박막의 적어도 일부의 ZnO 박막은 다른 ZnO 박막과 두께가 다른 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 투명 전극은
    상기 n-형 불순물이 도핑된 ZnO 박막과 상기 p-형 불순물이 도핑된 ZnO 박막이 복수회 교번적으로 적층된 다층 구조인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 각 ZnO 박막의 두께는 동일한 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 투명 전극은
    상기 p-형 불순물이 도핑된 ZnO 박막과 상기 n-형 불순물이 도핑된 ZnO 박막이 복수회 교번적으로 적층된 다층 구조인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 각 ZnO 박막의 두께는 동일한 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 투명 전극은
    상기 n-형 불순물이 도핑된 ZnO 박막과 상기 p-형 불순물이 도핑된 ZnO 박막이 적층된 다층 구조인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 각 ZnO 박막의 두께는 동일한 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 투명 전극은
    상기 p-형 불순물이 도핑된 ZnO 박막과 상기 n-형 불순물이 도핑된 ZnO 박막이 적층된 다층 구조인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 각 ZnO 박막의 두께는 동일한 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 투명 전극은
    상기 n-형 불순물과 상기 p-형 불순물이 동시 도핑된 ZnO 박막과 n-형 불순물이 도핑된 ZnO 박막이 적층된 다층 구조인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 n-형 불순물이 도핑된 ZnO 박막의 두께가 상기 n-형 불순물아 상기 p-형 불순물이 동시 도핑된 ZnO 박막의 두께에 비하여 얇은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 투명 전극은
    상기 n-형 불순물이 도핑된 하부의 ZnO 박막과 상기 p-형 불순물이 도핑된 ZnO 박막과 상기 n-형 불순물이 도핑된 상부의 ZnO 박막이 적층된 다층 구조인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 n-형 불순물이 도핑된 하부의 ZnO 박막의 두께가 상기 p-형 불순물이 도핑된 ZnO 박막의 두께 또는 상기 n-형 불순물이 도핑된 상부의 ZnO 박막의 두께에 비하여 얇은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 투명 전극은
    상기 n-형 불순물이 도핑된 하부의 ZnO 박막과 상기 n-형 불순물과 상기 p-형 불순물이 동시 도핑된 ZnO 박막과 상기 n-형 불순물이 도핑된 상부의 ZnO 박막이 적층된 다층 구조인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 n-형 불순물이 도핑된 하부의 ZnO 박막의 두께 및 상기 n-형 불순물이 도핑된 상부의 ZnO 박막의 두께가 상기 n-형 불순물과 상기 p-형 불순물이 동시 도핑된 ZnO 박막의 두께에 비하여 얇은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 각 ZnO 박막은 ZnO 단결정 박막인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  19. 제1항에 있어서,
    동시 도핑되는 상기 n-형 불순물과 상기 p-형 불순물 중 상기 n-형 불순물이 전기적 특성을 양호하게 하는 주요 원인이며, 상기 p-형 불순물이 광 특성을 양호하게 하는 주요 원인인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 소자.
  20. 투명 박막으로서,
    복수의 ZnO 박막이 적층된 다층 구조를 가지며,
    적어도 일부의 ZnO 박막은 B, Al, Ga, In의 Ⅲ족 원소와 F, Cl, H로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나인 n-형 불순물이 도핑되거나, N, P, As, Sb의 V족 원소와 Li, Na, C로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나인 p-형 불순물이 도핑되거나, 상기 n-형 불순물과 상기 p-형 불순물이 동시 도핑되어 형성되는 것을 특징으로 하는 투명 박막.
  21. 청구항 20의 투명 박막을 포함하는 발광 소자.
  22. 투명 박막의 형성 방법으로서,
    복수의 ZnO 박막을 적층하는 과정을 포함하되,
    적어도 일부의 ZnO 박막은 B, Al, Ga, In의 Ⅲ족 원소와 F, Cl, H로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나인 n-형 불순물이 도핑되거나, N, P, As, Sb의 V족 원소와 Li, Na, C로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나인 p-형 불순물이 도핑되거나, 상기 n-형 불순물과 상기 p-형 불순물이 동시 도핑되어 형성되는 것을 특징으로 하는 투명 박막의 형성 방법.
  23. 발광 소자의 제조 방법으로서,
    투명 박막을 형성하는 과정을 포함하되,
    상기 투명 박막은 청구항 22의 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자의 제조 방법.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10263145B2 (en) 2015-05-29 2019-04-16 Lg Innotek Co., Ltd. Ultraviolet light emitting device
US20200220325A1 (en) * 2017-08-30 2020-07-09 Osram Oled Gmbh Optoelectronic semiconductor component

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11411137B2 (en) * 2016-02-05 2022-08-09 The Regents Of The University Of California III-nitride light emitting diodes with tunnel junctions wafer bonded to a conductive oxide and having optically pumped layers
CN116190519B (zh) * 2023-04-27 2023-06-27 江西兆驰半导体有限公司 发光二极管外延片及其制备方法、led

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007053372A (ja) 2005-08-14 2007-03-01 Samsung Electronics Co Ltd 窒化物系白色光発光素子及びその製造方法
JP2007128936A (ja) 2005-11-01 2007-05-24 Stanley Electric Co Ltd ＺｎＯ結晶またはＺｎＯ系半導体化合物結晶の製造方法、及びＺｎＯ系発光素子の製造方法
JP4670877B2 (ja) 2008-02-25 2011-04-13 住友金属鉱山株式会社 酸化亜鉛系透明導電膜積層体と透明導電性基板およびデバイス
KR101030823B1 (ko) 2011-01-19 2011-04-22 주식회사 퀀텀디바이스 투명 박막, 이를 포함하는 발광 소자와 이들의 제조 방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007053372A (ja) 2005-08-14 2007-03-01 Samsung Electronics Co Ltd 窒化物系白色光発光素子及びその製造方法
JP2007128936A (ja) 2005-11-01 2007-05-24 Stanley Electric Co Ltd ＺｎＯ結晶またはＺｎＯ系半導体化合物結晶の製造方法、及びＺｎＯ系発光素子の製造方法
JP4670877B2 (ja) 2008-02-25 2011-04-13 住友金属鉱山株式会社 酸化亜鉛系透明導電膜積層体と透明導電性基板およびデバイス
KR101030823B1 (ko) 2011-01-19 2011-04-22 주식회사 퀀텀디바이스 투명 박막, 이를 포함하는 발광 소자와 이들의 제조 방법

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10263145B2 (en) 2015-05-29 2019-04-16 Lg Innotek Co., Ltd. Ultraviolet light emitting device
US20200220325A1 (en) * 2017-08-30 2020-07-09 Osram Oled Gmbh Optoelectronic semiconductor component
US11527865B2 (en) * 2017-08-30 2022-12-13 Osram Oled Gmbh Optoelectronic semiconductor component

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