JP2003017749A - ｎ型酸化亜鉛系半導体を用いた発光ダイオード用金属電極及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高温の融点を有する金属で高温で
も安定した高品位オーミックコンタクトを形成させた、
ｎ型酸化亜鉛系半導体を用いた発光ダイオードに使用さ
れる金属電極及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 本発明によるｎ型酸化亜鉛系半導
体を用いた発光ダイオード用金属電極は、１,５００℃
〜３,５００℃の融点を有する遷移金属または該遷移金
属から選ばれた少なくともいずれか１種を含む合金から
なるか、またはＩｎまたはＩｎ化合物からなることを特
徴とする。本発明のｎ型酸化亜鉛系半導体を用いた発光
ダイオード用金属電極によると、高温でも低い非接触抵
抗及び平坦な金属電極の表面を維持することで酸化亜鉛
系半導体の発光素子及びレーザーダイオードの開発に利
用することができ、高温で安定した酸化物層を伝導層及
び拡散障壁として利用することにより、発光ダイオード
の製作の際の付加的な工程を省くことができるため、酸
化亜鉛系半導体の商業化を加速させるものと期待され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ｎ型酸化亜鉛系半
導体を用いた発光ダイオード用金属電極及びその製造方
法に関し、特に高温の融点を有する金属を用いて高温で
も安定した高品位オーミックコンタクトを形成した、ｎ
型酸化亜鉛系半導体を用いた発光ダイオードに使用され
る金属電極及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、酸化亜鉛系半導体は、透明電極、
太陽電池のウィンドウ物質、及びバリスタ素子等の光素
子分野に使われてきた。そして、酸化亜鉛が持っている
広いバンドギャップにより発光ダイオードとレーザーダ
イオードのような光素子で使用される窒化ガリウム（Ｇ
ａＮ）半導体を代替する物質として脚光を浴びている。

【０００３】最近、日本のＯｈｏｔａ氏は、米国物理学
会誌（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ
ｓ ７７、４７５、２０００）にｐ−ＳｒＣｕ_２Ｏ_２と
ｎ−ＺｎＯを用いたｐ−ｎ型ヘテロ接合赤外線発光ダイ
オードの製造に関する論文を発表することにより、酸化
亜鉛を用いた光素子の研究を加速させている。かかる酸
化亜鉛系半導体を用いて青／緑色及び紫外線を発する短
波長発光ダイオードとレーザーダイオードのような光素
子を具現するためには何よりも半導体と金属との間に良
質のオーミックコンタクトを形成しなければならない。

【０００４】最近、ｎ型酸化亜鉛系半導体においてオー
ミックコンタクト特性の低下を克服するために反応層と
注入層との間に亜鉛（Ｚｎ）の外部拡散を抑制させる拡
散障壁として様々な金属電極を使用したが、３００℃以
上の高温では所望する効果は得られなかった。

【０００５】従って、高温で安定したオーミックコンタ
クト方法の開発が切実に求められているが、これに対す
る研究が未だに不充分な状態であるのが実情である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明が解決
しようとする技術的課題は、高温の融点を有する遷移金
属を用いて高温で熱的、電気的、構造的に優れたオーミ
ックコンタクトを形成するｎ型酸化亜鉛系半導体を用い
た発光ダイオード用金属電極及びその製造方法を提供す
ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記技術的課題を達成す
るための本発明の一例によるｎ型酸化亜鉛系半導体を用
いた発光ダイオード用金属電極は、１，５００℃〜３，
５００℃の融点を有する遷移金属または前記遷移金属か
ら選ばれた少なくともいずれか１種を含む合金からなる
ことを特徴とする。このとき、前記遷移金属は、Ｒｕ、
Ｈｆ、Ｉｒ、Ｍｏ、Ｒｅ、Ｗ、Ｖ、Ｐｔ、ＰｄまたはＴ
ａであることが好ましい。

【０００８】前記技術的課題を達成するための本発明の
他の例によるｎ型酸化亜鉛系半導体を用いた発光ダイオ
ード用金属電極は、ＩｎまたはＩｎ化合物からなること
を特徴とする。このとき、Ｉｎ化合物は、ＩｎＳｎ、Ｉ
ｎＺｎ、ＩｎＭｇまたはＩｎＧａであることが好まし
い。

【０００９】前記技術的課題を達成するための本発明の
それぞれの例において、前記金属電極の厚さは、１〜
１，０００ｎｍであることが好ましい。

【００１０】前記技術的課題を達成するための本発明の
一例によるｎ型酸化亜鉛系半導体を用いた発光ダイオー
ド用金属電極の製造方法は、１，５００℃〜３，５００
℃の融点を有する遷移金属または前記遷移金属から選ば
れた少なくともいずれか１種を含む合金を蒸発法または
スパッタリング法で蒸着して形成することを特徴とす
る。このとき、遷移金属は、Ｒｕ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｍｏ、
Ｒｅ、Ｗ、Ｖ、Ｐｔ、ＰｄまたはＴａであることが好ま
しい。

【００１１】前記技術的課題を達成するための本発明の
他の例によるｎ型酸化亜鉛系半導体を用いた発光ダイオ
ード用金属電極の製造方法は、前記ｎ型酸化亜鉛系半導
体上にＩｎまたはＩｎ化合物を蒸発法またはスパッタリ
ング法で蒸着して形成することを特徴とする。このと
き、前記Ｉｎ化合物は、ＩｎＳｎ、ＩｎＺｎ、ＩｎＭｇ
またはＩｎＧａであることが好ましい。

【００１２】前記技術的課題を達成するための本発明の
それぞれの例では、更に、前記金属電極を形成した後
に、酸素、窒素またはアルゴン雰囲気下において熱処理
する段階を含むことができ、前記熱処理は、１００℃〜
１，２００℃の温度で１秒〜３時間の間行われることが
好ましい。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施例
を、添付した図面を参照して詳細に説明する。

【００１４】図１は、本発明によるｎ型酸化亜鉛系半導
体を用いた発光ダイオードに使用される金属電極を説明
するための概略図である。

【００１５】図１を参照すると、発光ダイオード１００
は、酸化アルミニウム基板（Ａｌ_２Ｏ_３）１１０上に形
成されたｎ型酸化亜鉛系半導体１２０とｎ型酸化亜鉛系
半導体１２０上に形成された融点が１，５００〜３，５
００℃の遷移金属からなる金属電極１３０とからなる。

【００１６】このとき、金属電極１３０は、融点が１，
５００〜３，５００℃の遷移金属の中でＲｕ（ルテニウ
ム）、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｍｏ
（モリブデン）、Ｒｅ（レニウム）、Ｗ（タングステ
ン）、Ｖ（バナジウム）、Ｐｔ（プラチナ）、Ｐｄ（パ
ラジウム）またはＴａ（タンタル）等の金属及びそれら
から選ばれた少なくともいずれか１種が含まれた合金か
らなる場合には、酸化亜鉛系半導体に存在する酸素と金
属電極との反応が起こりやすいことから更に好ましい。
一方、金属電極は、ＩｎまたはＩｎ化合物からなること
が好ましい。

【００１７】以下、本発明によるｎ型酸化亜鉛系半導体
を用いた発光ダイオード用金属電極の製造方法を説明す
る。

【００１８】（実施例１）まず、基板上に形成されたｎ
型酸化亜鉛（ＺｎＯ）半導体を超音波洗浄器内で５０℃
温度のトリクロロエチレン、アセトン、メタノール及び
蒸留水でそれぞれ５分間表面洗浄する。そして、表面洗
浄したｎ型酸化亜鉛半導体を１００℃で１０分間ハード
ベーキングして残存する水分を除去した後、ｎ型酸化亜
鉛半導体上にフォトレジストを５，５００ｒｐｍでスピ
ンコーティングする。

【００１９】次に、フォトレジストがコーティングされ
た酸化亜鉛半導体を８５℃で１５分間ソフトベーキング
し、パターンを現像するためのマスクを酸化亜鉛半導体
上に位置させる。そして、マスク上に２２．８ｍＷ強度
の紫外線を１５秒間照射した後、現像液と蒸留水との比
を１：４に混合した溶液中に酸化亜鉛半導体を２５秒間
浸漬させて現像する。

【００２０】その後、パターンが現像された酸化亜鉛半
導体を、ＨＣｌ：Ｈ_２Ｏの割合が１：１の溶液に１分間
浸漬させることにより、酸化亜鉛半導体上の汚染層を除
去する。

【００２１】次に、酸化亜鉛半導体上に電子ビーム蒸着
器を用いた蒸発法でＲｕ成分の金属電極を５００Åの厚
さで形成する。

【００２２】続いて、アセトンを用いてリフトオフ工程
を施し、オーミックコンタクトが形成された金属電極を
備えた発光ダイオードを製造する。

【００２３】一般に、熱電子放出は、ドーピング濃度１
０^１７ｃｍ^−３以下で起こり、熱電子電界放出は、ドー
ピング濃度１０^１７ｃｍ^−３〜１０^１８ｃｍ^−３で起こ
り、電界放出は、ドーピング濃度１０^１８ｃｍ^−３で起
こる。ゆえに、１０^１７ｃｍ ^−３より低いドーピング濃
度では、金属と半導体との間の接触障壁を越えてキャリ
アが流れるようになるが、ドーピング濃度が増加して１
０^１７ｃｍ^−３以上になると、金属と半導体との間の接
触障壁に関係なくトンネリングによりキャリアが流れる
ようになる。従って、実施例１のように、Ｒｕ金属で高
温でも安定したオーミックコンタクトを形成する場合
に、ｎ型酸化亜鉛半導体のドーピング濃度は１０^１７ｃ
ｍ^−３以上でなければならない。

【００２４】（実施例２）実施例１により形成された金
属電極のオーミックコンタクトを更に向上するために、
急速加熱炉内に実施例１による発光ダイオードを装入
し、窒素雰囲気下において５００℃で６０秒間熱処理す
る。

【００２５】（実施例３）実施例１により形成された金
属電極のオーミックコンタクトを更に向上するために、
急速加熱炉内に実施例１による発光ダイオードを装入
し、窒素雰囲気下において７００℃で６０秒間熱処理す
る。

【００２６】以下、本発明による前記実施例のオーミッ
クコンタクトの特性を、添付した図面を参照して比較説
明する。

【００２７】図２は、本発明による金属電極の非接触抵
抗を示すグラフであって、図２の（１）は、実施例１に
よる場合であり、図２の（２）は、実施例２による場合
であり、図２の（３）は、実施例３による場合である。

【００２８】図３は、原子力顕微鏡で本発明による金属
電極の表面状態を観察した図であって、図３の（１）
は、実施例１による場合であり、図３の（２）は、実施
例２による場合であり、図３の（３）は、実施例３によ
る場合である。

【００２９】（比較例１）図２及び図３を参照して、本
発明のそれぞれの実施例によるオーミックコンタクトの
特性、特に非接触抵抗及び表面状態を比較説明する。

【００３０】図２の（１）及び図３の（１）を参照する
と、上述した実施例１の場合には、図２の（１）のグラ
フに示すように、非接触抵抗値が２．１×１０^−３ｏｈ
ｍ−ｃｍ^２で低く示され、Ｒｕ金属電極の表面状態は、
図３の（１）のように非常に平坦であり、ＲＭＳ粗度も
９Åの低い値を示す。

【００３１】図２の（２）及び図３の（２）を参照する
と、上述した実施例２の場合には、熱処理により図２の
（１）の場合、即ち実施例１の場合より低い２．５×１
０^{− ４}ｏｈｍ−ｃｍ^２の非接触抵抗が示され、表面状態
は、図３の（２）のように均一であり、ＲＭＳ粗度も１
１Åで、図３の（１）の場合、つまり実施例１の場合と
それほど大きな差を示していなかった。

【００３２】図２の（３）及び図３の（３）を参照する
と、上述した実施例３の場合には、図２の（３）のグラ
フに示すように、非接触抵抗は５×１０^−５ｏｈｍ−ｃ
ｍ^２で更に低い値を示し、表面状態も図３の（３）のよ
うに平坦な表面を示し、ＲＭＳ粗度も１４Åで低い値を
示している。

【００３３】従って、本発明の一例によるＲｕを用いた
金属電極は、発光ダイオードの製作時に必要となる低い
非接触抵抗と平坦な表面を実施例１のみならず、実施例
２及び実施例３のように急速熱処理した場合にも形成さ
れることが分かる。

【００３４】図４は、本発明による酸化亜鉛半導体を用
いた金属電極の安定性についてのオージェ深さ方向分析
表であって、図４の（１）は、実施例１による場合であ
り、図４の（２）は、実施例２による場合であり、図４
の（３）は実施例３による場合である。かかるオージェ
深さ方向分析表は、ｎ型酸化亜鉛系半導体に存在する亜
鉛イオンの外部拡散、ｎ型酸化亜鉛系半導体に存在する
酸素の外部拡散及びＲｕイオンの内部拡散を示す。

【００３５】（比較例２）図４を参照して、本発明のそ
れぞれの実施例による金属電極の安定性を比較説明す
る。

【００３６】図４の（１）を参照すると、実施例１の場
合に酸化亜鉛半導体に存在する亜鉛イオンの外部拡散及
びＲｕイオンの内部拡散のような拡散反応がなく安定し
た状態の金属電極を維持している。かかる安定した状態
の金属電極は、図３の（１）に示すように、平坦な金属
電極の表面を維持する。

【００３７】図４の（２）を参照すると、実施例２の場
合に酸化亜鉛半導体に存在する亜鉛イオンの外部拡散や
Ｒｕイオンの内部拡散の傾向が同様に示されていない。
これは、５００℃の高温でもＲｕオーミックコンタクト
が安定した状態で維持され得ることを示す。

【００３８】図４の（３）を参照すると、実施例３の場
合に酸化亜鉛半導体から酸素の外部拡散が起こっている
ことが分かる。かかる酸素の外部拡散は、Ｒｕ金属電極
との反応を通じてＲｕＯ_２伝導性界面を形成させ、これ
は、亜鉛の外部拡散に対する拡散障壁として作用するよ
うになる。また、酸化亜鉛半導体からの酸素の外部拡散
は、酸素空孔を酸化亜鉛半導体の表面に残すが、これ
は、ドーパントとして作用し、キャリア濃度を増加させ
る役割をする。

【００３９】図５は、本発明による金属電極の特性が見
られる視射角ｘ−ｒａｙ分析結果を示すグラフであっ
て、図５の（１）は、実施例１による場合であり、図５
の（２）は、実施例３による場合である。

【００４０】（比較例３）図５を参照して、本発明のそ
れぞれの実施例による金属電極の特性のうち、成分を比
較説明する。

【００４１】図５の（１）を参照すると、実施例１によ
る場合にＲｕ金属のみのピーク強度を示しているが、こ
れは、常温では金属電極と酸化亜鉛半導体との反応が起
こっていないことを示す。

【００４２】図５の（２）を参照すると、実施例３によ
る場合に酸素の外部拡散により形成されたＲｕＯ_２結晶
のピーク強度を示す。このように急速熱処理を行うこと
により形成されたＲｕＯ_２結晶は、拡散障壁及び伝導層
の役割を果たす。

【００４３】上述した比較例１及び比較例３で説明した
通り、本発明による急速熱処理を施してオーミックコン
タクトを形成する場合には、次のような長所がある。

【００４４】第一に、ｎ型酸化亜鉛系半導体を用いた発
光ダイオードを熱処理する場合には、熱処理していない
場合より低い非接触抵抗を有し、金属電極の表面も平坦
に維持することにより、安定した高品質のオーミックコ
ンタクトを形成する。

【００４５】第二に、ｎ型酸化亜鉛系半導体と金属電極
との界面では、熱処理によりｎ型酸化亜鉛系半導体の酸
素と金属電極での金属とが反応して酸化物層が形成され
る。このように形成された酸化物層は、キャリアの注入
を容易にし、金属性伝導層の役割を果たす。それのみな
らず、高温では酸化亜鉛系半導体の亜鉛が拡散して亜鉛
空孔を形成するようになるが、この際、酸化物層は、亜
鉛空孔が半導体の表面でアクせプターとして作用するこ
とを防止する拡散障壁の役割を果たすようになる。

【００４６】上述の如く、Ｒｕは、低い仕事関数（Ｗｏ
ｒｋ ｆｕｎｃｔｉｏｎ：４．７１ｅＶ）と高い融点
（２，３３４℃）を有することにより、高温で安定した
オーミックコンタクトを形成するのみならず、伝導層と
拡散障壁の特性を同時に示す。

【００４７】上述した本発明の実施例及び比較例は、Ｒ
ｕを例に挙げて説明したが、必ずしもこれに限るもので
はない。例えば、Ｉｎ化合物等または１，５００℃〜
３，５００℃の融点を有する遷移金属の中でＶ、Ｉｎ、
ＩｎＳｎ、ＩｎＺｎ、ＩｎＭｇ、ＩｎＧａ等を使用する
場合には、酸化亜鉛半導体と金属電極との界面における
伝導層の形成が容易であり、Ｔａ、Ｗ及びＴａ−Ｒｕ
は、拡散障壁の形成が容易である。

【００４８】

【発明の効果】本発明によるｎ型酸化亜鉛系半導体を用
いた発光ダイオード用金属電極は、高温でも低い非接触
抵抗及び平坦な金属電極の表面を維持し、高温素子の商
業化のための基礎的段階を提供することで、最近の次世
代の青色発光物質として脚光を浴びている酸化亜鉛系半
導体の発光素子及びレーザーダイオードの開発に利用す
ることができる。

【００４９】特に、高温熱処理時に伴う界面の反応によ
り形成された高温で安定した酸化物層を伝導層及び拡散
障壁として利用することにより、発光ダイオードの製作
の際に付加的に伝導層や拡散障壁を蒸着させる工程を省
くことができるため、酸化亜鉛系半導体の商業化を加速
させるものと期待される。

【００５０】本発明は、前記実施例にのみ限定されず、
本発明の技術的思想内で当分野における通常の知識を有
する者により様々な変更が可能であることは言うまでも
ない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるｎ型酸化亜鉛系半導体を用いた発
光ダイオードに使用される金属電極を説明するための概
略図である。

【図２】図２（１）、（２）及び（３）は、本発明によ
る金属電極の特性を示すグラフである。

【図３】図３（１）、（２）及び（３）は、本発明によ
る金属電極の特性を示す写真である。

【図４】図４（１）、（２）及び（３）は、本発明によ
る金属電極の特性を示すグラフである。

【図５】図２（１）及び（２）は、本発明による金属電
極の特性を示すグラフである。

【符号の説明】

１００ 発光ダイオード １１０ 酸化アルミニウム基板 １２０ ｎ型酸化亜鉛系半導体 １３０ 金属電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 タエ−イェオン，セオン 大韓民国，500−712 クワンジュ，ブーク −ク，オリョン−ドン １，クワンジュ インスティチュート オブ サイエンス アンド テクノロジー内 (72)発明者 キョウン−クーク，キム 大韓民国，500−712 クワンジュ，ブーク −ク，オリョン−ドン １，クワンジュ インスティチュート オブ サイエンス アンド テクノロジー内 (72)発明者 セオン−ジュ，パーク 大韓民国，500−712 クワンジュ，ブーク −ク，オリョン−ドン １，クワンジュ インスティチュート オブ サイエンス アンド テクノロジー内 Ｆターム(参考） 4M104 AA03 BB04 BB06 BB07 BB13 BB16 BB17 BB18 CC01 DD34 DD37 DD68 DD79 DD80 GG04 HH05 5F041 AA21 AA42 CA41 CA83 CA84 CA98 CA99 FF01

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 １，５００℃〜３，５００℃の融点を有
   する遷移金属または該遷移金属から選ばれた少なくとも
   いずれか１種を含む合金からなることを特徴とするｎ型
   酸化亜鉛系半導体を用いた発光ダイオード用金属電極。
2. 【請求項２】 前記遷移金属が、Ｒｕ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｍ
   ｏ、Ｒｅ、Ｗ、Ｖ、Ｐｔ、ＰｄまたはＴａであることを
   特徴とする請求項１に記載のｎ型酸化亜鉛系半導体を用
   いた発光ダイオード用金属電極。
3. 【請求項３】 ＩｎまたはＩｎ化合物からなることを特
   徴とするｎ型酸化亜鉛系半導体を用いた発光ダイオード
   用金属電極。
4. 【請求項４】 前記Ｉｎ化合物が、ＩｎＳｎ、ＩｎＺ
   ｎ、ＩｎＭｇまたはＩｎＧａであることを特徴とする請
   求項３に記載のｎ型酸化亜鉛系半導体を用いた発光ダイ
   オード用金属電極。
5. 【請求項５】 厚さが、１〜１，０００ｎｍであること
   を特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のｎ
   型酸化亜鉛系半導体を用いた発光ダイオード用金属電
   極。
6. 【請求項６】 ｎ型酸化亜鉛系半導体を用いた発光ダイ
   オード用金属電極の製造方法において、前記金属電極
   は、前記ｎ型酸化亜鉛系半導体上に１，５００℃〜３，
   ５００℃の融点を有する遷移金属または前記遷移金属か
   ら選ばれた少なくともいずれか１種を含む合金を蒸発法
   またはスパッタリング法で蒸着して形成することを特徴
   とするｎ型酸化亜鉛系半導体を用いた発光ダイオード用
   金属電極の製造方法。
7. 【請求項７】 前記遷移金属が、Ｒｕ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｍ
   ｏ、Ｒｅ、Ｗ、Ｖ、Ｐｔ、ＰｄまたはＴａであることを
   特徴とする請求項６に記載のｎ型酸化亜鉛系半導体を用
   いた発光ダイオード用金属電極の製造方法。
8. 【請求項８】 ｎ型酸化亜鉛系半導体を用いた発光ダイ
   オード用金属電極の製造方法において、前記金属電極
   は、前記ｎ型酸化亜鉛系半導体上にＩｎまたはＩｎ化合
   物を蒸発法またはスパッタリング法で蒸着して形成する
   ことを特徴とするｎ型酸化亜鉛系半導体を用いた発光ダ
   イオード用金属電極の製造方法。
9. 【請求項９】 前記Ｉｎ化合物が、ＩｎＳｎ、ＩｎＺ
   ｎ、ＩｎＭｇまたはＩｎＧａであることを特徴とする請
   求項８に記載のｎ型酸化亜鉛系半導体を用いた発光ダイ
   オード用金属電極の製造方法。
10. 【請求項１０】 更に、前記金属電極を形成した後に、
    酸素、窒素またはアルゴン雰囲気下において熱処理する
    段階を含むことを特徴とする請求項６または８に記載の
    ｎ型酸化亜鉛系半導体を用いた発光ダイオード用金属電
    極の製造方法。
11. 【請求項１１】 前記熱処理が、１００℃〜１，２００
    ℃の温度で１秒〜３時間の間行われることを特徴とする
    請求項１０に記載のｎ型酸化亜鉛系半導体を用いた発光
    ダイオード用金属電極の製造方法。