KR820002001B1 - 인화 칼륨 발광소자의 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

인화 칼륨 발광소자의 제조방법

제1도는 실험에 사용한 액상 성장장치를 모형적으로 표시한 구성도.

제2도는 PL 강도를 측정하는 방법을 설명하기 위한 개념도.

제3도 및 제4도는 본 발명의 기초가 된 실험을 설명하기 위한 특성곡선도.

제5도는 본 발명방법으로 Gap얻어진 발광소자를 모형적으로 표시한 구성도.

제6도는 본 발명 실시예의 효과를 설명하기 위한 특성곡선도.

본 발명은 높은 발광효율을 나타내는 인화칼륨(Gap)발광소자의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 Gap발광소자는 적색발광 및 녹색발광을 얻을 수 있으므로 상당한 주목을 끌게 되었다, 예를들면 적색발광은 P-n접합면 근방의 P형 Gap층에서 발생하고, 그 발광중심은 아연(Zn)과 산소(O)가 가장 근접된 부분이라고 알려져 있다. 그리고 아연(Zn)은 Gap층의 주구성 원소인 Ga보다 양성의 원자이고, 산소(O)는 Gap층의 주구성원소인 P보다도 음성 원자이기 때문에, Zn-O의 결합은 Zn-P 및 Ga-O의 결합에 비하여 강한 결합으로 된다. 이와 같이 아연과 산소를 대접할 수 있고 이것은 전기적 용성도가 강하기 때문에, 전자와 정공(正孔)에 대하여 소위 여기자(勵起子)를 만든다.

그 여기자는 해리(解離)소멸에 의하여 여분의 에너지가 P형 Gap층내에서 빛으로 변환되는 데 이 빛이 적색광이다.

또 녹색(綠色)발광은 p-n접합면의 근방의 n형 Gap층에서 발생하고, 그 발광중심은 질소(N)에 의한 것으로 알려지고 있다.

그리고 또 N는 인(P)과 같은 VB족이므르, Gap층내에서 P원자를 치환하고 더구나 전기의 음성도가 크기 때문에 전자를 잡을 수 있다.

전자를 잡으면 N원자는 마이너스로 대전하므로 정공을 잡아서 소위 여기자로 만든다. 이 여기자의 해리소멸에 의하여 여분의 에너지가 n형 층내에서 빛으로 변환되는데, 그 빛이 녹색광이다.

여기에서 Gap녹색발광소자를, 예로 들어서 종래의 Gap발광소자의 제조를 설명하면 다음과 같다. 설명에 있어서 제1도를 참조한다.

제1도는 실험에 사용한 액상 에피택셜 성장장치를 모형적으로 도시한 것으로, (11)은 에피택셜 용액을 수용하는 용액조(12)를 가진 본체이고(13)는 단일결정 기판 W를 수용하는 요입부(15)를 가진 접동판이다.

기판 W로서는 두께300μ의 Te를 도우핑한 n형 Gap의 단일결정(도너농도(5×10₁₇/㎤)을 사용하고, 이 단일결정(111)의 B면을 위로하여 상기한 액상성장 장치의 요입부(15)에 고정한다. 그리고 Gap다결정 및 Te을 함유하는 Ga용액을 용액조(13)에 넣고, 1000℃정도로 가열한다.

이때에 분위기 가스로서 미량의 암모니아를 함유하는 수소가스를 사용한다.

그 1000℃∼1100℃ 정도의 온도로 약 30분간 정도 방치하여, Ga 용액을 균일하게 한 후, Ga 용액을 이동시켜서 상기한 기판 W상에 대접하도록 한다. 다음에 소정의 냉각속도로 냉각하여 상기한 기판 W상에 n형 Gap층을 성장시킨다. 이 n형 Gap층을 성장시킨후, Gap다결정 및 아연(Zn)을 함유하는Ga 용액을 상기한 n형 Gap층을 성장시키는 것과 같이 용액조(溶液滄)에 넣고, n형 Gap층상에 P형 Gap층을 성장시켜, p-n접 합을 형성한다.

이와 같이 하여 Gap녹색 발광소자가 얻어지는데, 이것은 발광 효율면에서 아직 충분하지 못한 점이 있다.

그리하여 본 발명자등은 발광효율을 높이기 위하여 여러종류의 실험을 행한 결과, 지금까지 볼 수 없었던 높은 효율의 Gap발광소자를 얻었는 데, 먼저 이 실험은 아래와 같이 행하였다.

우선, 상술한 액상 에피택셜 장치를 사용하여, 제2도에 도시한 것과 같이 n형 Gap기판(111)와

면 즉, p면상에, 1000℃를 성장개시 온도로 하여 테룰리움(Te)을 도너로 하는 n형 Gap층 (22)을 성장시킨다.

이때의 분위기 가스로서 미량의 암모니아를 포함하는 수소 가스를 사용함에 의하여 전기한 n형 Gap층내에 질소(N)를 도우핑한다. 이와같이하여 얻어진 n/n(n on n)구조의 결정의 하나를 둘로 분할하고, 그 한편을 도시하지 않은 반응로에 넣어서 예를들면 수소가스 분위기에서 온도 1000℃로 10분간 가열하였다.

그리고다른 한편은 그 가열처리를 행하지 않았다.

이들 2개의 결정을 제2도에 표시한 바와같이 각도 연마하고, 화살표(23)으로 표시한 것과같이 아르곤(Ar)이온 레이저저광(파장4880Å)을 연마면에 조사하고, 그 레이저광에 의한 여기를 이용하여 포트·루미네센스(PL)강도의 측정을 행하였다.

이 측정결과를 제3도에 표시하면 제3도에 있어서, 횡축은 전기한 n형 Gap층(22)의 표면을 원점으로 하여 기판(21)방향의 깊이를 취한 것이다. 종축은 PL강도를 깊이에 대하여 구성한 것이다. 또 도면중 (A)는 전기한 가열을 하지 않은 n/n구조에 대응하고 B는 전기한 가열처리를 행한 n/n에 대응하고 있다.

제3도에서 명백한 바와같이 가열에 의하여 n형 Gap층(22)의 표면의 PL강도는 가열처리를 행하지 않는것에 대하여 10분의 1로 감소되고 있다.

그리고 이 감소는 전기한 n형 Gap층(22)의 표면뿐 아니라 내부까지 미치고 있다.

그리고 또 가열온도를 변수로 취하고 가열시간을 일정(10분간)하게한 경우의 데이타는 제4도에 표시하면

도면중, PL(O)은 가열전의 n형 Gap층의 표면에서의 PL강도이고, PL(1)은 가열처리 후 같은 표면에서의 PL강도를 나타낸다.

제4도에서 분명한 바와같이 일단 850℃ 이하의 온도로 처리하면, PL강도의 감소는 가열처리전의 값의 10%이하인 것이 실험적으로 판명되었다.

본 발명은 상기한 실험사실에 기초를 두고 이루어진 것인데, 예를들면 n형 Gap층상에 p형 Gap층을 액상 에피랙셜 성장에 의하여 형성하는 경우에, n형 Gap층의 표면 및 내부의 PL강도가 거의 감소되지 않도록 850℃이하에서 행하도록 한 것이다.

이하에 본 발명에 관한 제조 방법의 1실시예를 도면에 의하여 설명하면 다음과 같다.

도너농도5×10¹⁷/㎤의 n형 Gap기판 │││의 p면상에, 상술한 액상 성장장치(제1도)를 사용하여, Te를 도너로 하고, 질소(N)를 도우핑한 n형 Gap층을 성장시킨다. 이 경우 Gap다결정 5g과 Te 0.8mg을 포함하는 Ga용액 40g을 미량의 암모니아를 함유하는 수소가스 분위기의 용액조에 넣고, 1000℃정도까지 가열하여, 이 1000℃에서 약 30분간 방지하여 N를 포함하는 Ga용액으로 서균일하게 한다.

그리고 Ga용액을 이동시켜 상기한 n형 Gap기판과 대접하도록 하고 5℃/min정도의 속도로 냉각하여 60-70μ 정도 성장시킨다.

다음에 성장시킨 n형 Gap층면상을 10μ 정도 래핑한 후, 이에 직경 500μ 정도의 금박막을 증착하여 쇼트키 다이오드를 만들고, 그 적기 용량을 측정한다. 이 전기용량을 측정한 결과 n형 Gap층의 표면도너농도 NO는 3×10¹⁷/㎤이었다.

또 η형 Gap층의 저온의 PL스팩틀을 측정하여, 여기서 질소농도를 추정(推定)한 결과, 5×10¹⁸/㎤이었다.

다음에 상기와 같이 형성한 금박막을 제거한 후, Gap다 결정 25g과 아연(Zn)10mg을 함유하는 Ga용액을 상기한 n형 Gap층을 성장시키는 것과 같이 용액조에 넣고 n형 Gap층상에 P형 Gap층을 성장시켜 P-n 접합을 형성한다. 이 P형 Gap층을 성장시킬 때가, 본 발명에 가장 중요한 점이다.

즉 P형 Gap층을 성장시킬 경우, n형 Gap층의 PL강도가 감소되지 않도록 850℃이하에서 행하는 것이다. 이때의 냉각속도를 예를 들면 0.5℃/min의 느린속도로 한다. 이와같이 하여 D/n/n의 구조의 다이오드를 만들고, 이것을 0.5mm 각(角)의 칩으로 짤라내고, n형 Gap기판이 인듐(I_n)을, P형 GaP층에 I_n-Z_n을 붙이고, 500℃정도의 온도에서 소결하며, 오믹전극을 형성하여 제5도에 표시한 것과 같은 녹색의 Gap발광소자를 구성하였다. 그 제5도에 있어서, (51)은 n형 Gap기판이고 (52)는 n형 Gap층이며, (53)은 P형 Gap층, (54)는 P형 Gap층의 오믹전극, (55)는 오믹전극(54)에서 인출한 리이드, (56)은 리이드(55)에 의하여 접속된 P형 Gap층의 오믹전극의 전극의 단자, (57)은 n형 Gap기판의 전극단자, (58)은 상기한 P/n/n소자를 지지하는 지지판이다.

상기와 같이 얻어진 Gap녹색발광소자의 발광효율(n)을 측정한 결과 제6도에 표시한 바와같이 850℃이하의 온도로 P형 Gap층의 성장을 행하면 종래에 볼 수 없었던 높은 발광효율(n)이 얻어졌다.

특히 650℃ 내지 850C의 범위의 소정의된 냉각속도로 P형 Gap층을 형성한 경우, 종래의 2배 이상의 발광소자를 얻을;수가 있었다.

상기한 실시예에 있어서는, p형 Gap층의 p-n접합 근방에서도 캐리어농도는(N_A-N_O)= 1×10¹⁸/㎤로 하였다.

그리고 상기한 실시예에 있어서, 650℃ 이하의 온도로 P형 Gap층을 성장시키더라도 발광효율은 종래의 발광소자보다 높은 효율의 것이 얻어졌다. 단 550℃ 이하의 온도로 성장시키는 것은 제어가 어렵고, Gap발광소자등의 양산적(量産的)인 것에는 적합한 것이 못된다.

이와같이 발광효율이 높은 Gap발광소자가 얻어지는 이유는 다음과 같다. 즉 발광에 기여하는 p-n접합의 P형 Gap층을 850℃ 이하의 성장 개시온도에서 성장시켰으므로, 상술한 바와 같이 n형 Gap층의 표면 및 내부에 있어서, PL의 감소가 거의 없기 때문이다. 따라서, 지금까지 저온에서 에피텍셜 성장을 행하면 결정성이 흩어져서 발광효율이 저하되는 것으로 알았는데, 본 발명자들의 실험에 의하여 발광효율이 향상되는 것을 알았다. 또 Gap의 경우 소수 캐리어의 수명을 결정하는 비발광중심도 1000℃ 이상의 온도에 의하여 매우 간단하게 형성되는 반면, 850℃ 이하의 온도이면 비발광중심을 형성하는 양이 극히 적고, 발광효율을 저하시키게 되는 것은 아니라고 생각된다. 그리고 비발광중심의 형성과, 발광효율 이강한 것에 있어서도 Gap녹색발광소자의 경우 확인되었다.

본 발명을 Gap적색발광소자등의 간접 천이형(遷移型)발광소자에 적응하면 효과가 있었으나, 갈륨 알세나이트(GaAs)등의 직접 천이형 결정에서는 현저한 효과는 보이지 않았다.

상기한 실시예에 있어서는 p/n/n형의 녹색 Gap발광소자와 2중 액상(液相)에 피택셜 성장법에 의하여 제조한 예에 관하여 설명하였는데 n형 Gap단밀 결정기판에 1회만으로 액상 에피택셜 성장에서 p/n/n의 녹색발광소를 만들어도 된다.

그 경우도, 성장도중에서 P형 Gap층이 되는 것을 850℃ 이하의 온도로 성장을 개시합에 의하여 높은 발광효율을 나타내게 된다.

또 상기한 실시예에서는 질소를 도우핑하여n형 Gap기판상에 P형 Gap결정을 액상 성장시킨 경우를 표시하였다. 서냉법에 의하여 단결정으로 만든 P형 Gap기판상에 질소를 도우핑하여 n형 Gap층을 형성한 결과 역시 n형 Gap층을 형성하는 경우에도 온도를 850℃ 이하로 하면 높은 발광효율을 가진 Gap녹색 발광소자가 없어진다. 그리고 또 상기한 실시예 및 설명에 있어서 n형 Gap층에만 질소를 도우핑하였는데, P형 Gap층에도 질소를 도우핑해도 좋다. 이 경우 P형 Gap층의 p-n접합 근방에 질소를 도우핑하고 p-n접합근방의 질소로서의 발광재결합을 많게 하도록 한다. 이와같이 하면 n형 Gap층만이 질소를 도우핑하는 것보다도 발광효율이 향상된다. 단 P형 Gap층의 전체영역에 질소를 도우핑하면 p-n접합 근방에서 발생한 빛이 재흡수되기 때문에 P형 Gap층에 질소를 도우핑하는 데는 충분히 제어가 필요하게 된다.

그리고, 또 상기한 실시예에서는 녹색발광소자에 대하여 설명하였으나, 적색발광소자를 제조할때에 있어서도 그와 같은 효과가 얻어졌다. 특히 적색발광소자의 경우, P형 Gap기판 혹은 P형 Gap층상에 n형 Gap층을 성장시킬 경우에 850℃ 이하의 성장개시온도에서 결정성장을 행하면 효과가 현저하다. 또 적색발광소자의 경우에는 P형 Gap기판 혹은 P형 Gap층이 측이발광영역으로 되기 때문에, P형 Gap기판 혹은 P형 Gap층의 표면의 PL강도가 발광효율에 영향을 미친다. 따라서 n형 Gap층을 액상성장할 경우, 온도를 1000℃ 이상으로 높이면, P형 Gap기판 혹은 P형 Gap층의 표면의 PL강도가 저하되고, 발광효율도 저하한다. 따라서 Gap적색발광소자의 경우는 n형 Gap층의 액상성장하는 경우850℃ 이하의 온도로 행하면 좋다.

그리고 또 상기한 실시예에서는 n형 Gap기판에 n형 Gap층을 액상 성장시켜, 이 위에 P형 Gap층을 액상 성장시키거나 혹은 P형 Gap기판에 직접 P형 Gap층을 액상 성장시키는 어느 한쪽인데, 예를들면 P형 Gap기판상에 기상(氣相)성장에 의하여 n형 Gap층을 형성하여, 그위에 850℃ 이하의 성장개시 온도에서 P형 Gap층을 액상성장시켜도 좋고, 또 n형 Gap기판의 주면(主面)전체에 확산하여 새로운 n형 Gap층을 형성한 후 P형 Gap층을 형성해도 좋다. 그리고 절연체상에 P/n/n층을 각각 형성해도 좋다.

그리고 또 상기한 실시예에 있어서는 캐리어 농도에 대하여서는 아무런 설명을 하지 않았으나, 녹색발광소자의 경우에는 발광에 기여하는 P-n접합의 n형 Gap층의 도너농도보다도 P형 Gap층의 액셉터 농도가 높은 편이 높은 발광효율을 나타낸다. 특히 P형 Gap층에서의 액셉터 농도가 5×10¹⁷/㎤ 내지 1.2×10¹⁸/㎤인데, n형 Gap층의 도너 농도는 2×10¹⁷/㎤ 내지 7×10¹⁷/㎤가 양호하다. 한편, Gap적색발광소자의 경우는 P형 Gap층의 액셉터농도보다도 n형 Gap층의 도너농도가 높은 편이 높은 발광효율을 나타낸다. 특히 n형 Gap층에서의 도너농도가 2×10¹⁷/㎤ 내지 7×1¹⁷/㎤인데 P형 Gap층에서의 액셉터농도는 1×10¹⁷17㎤ 내지 5×10¹⁷1㎤이 양호하다.

즉, 본 발명에서 중요한 것은 발광에 기여하는 P-n접합의 상층을 액상 정상시킬때에, 850℃의 성장개시온도로 행하는 데 있다.

Claims (1)

1도전형 인화 갈륨층상에 그 층과 반대의 도전형의 인화갈륨층을 액상 성장에 의하여 형성할때, 850℃이하의 성장 개시온도로 행하는 것을 특징으로 하는 인화 갈륨 광소자의 제조방법.

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