KR100235994B1 - 발광 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로, 기판상에 형성되는 n형 GaN층과, n형 GaN층상의 일정영역에 형성되는 활성층과, 활성층상에 형성되는 p형 GaN층과, n형 GaN층상의 일정영역에 형성되고, In, Si, Ge 중 어느 하나로 이루어진 제 1 층, Ni, Pd, Pt 중 어느 하나로 이루어진 제 2 층, Ti로 이루어진 제 3 층, Au으로 이루어진 제 4 층이 적층되어 형성되는 n형 전극과, p형 GaN층상의 일정영역에 형성되고, Be, Mg, Zn 중 어느 하나로 이루어진 제 1 층, Ni, Pd, Pt 중 어느 하나로 이루어진 제 2 층, Cr로 이루어진 제 3 층, Au으로 이루어진 제 4 층이 적층되어 형성되는 p형 전극으로 구성됨으로써, 전극과 반도체층과의 콘택 저항을 크게 줄일 수 있으므로 소자의 전기적 특성이 매우 우수하고, 전극 표면의 모폴로지가 매우 좋으므로 본딩공정에 유리하다.
Description
본 발명은 디스플레이 소자에 관한 것으로, 특히 발광 다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 발광 다이오드는 주입된 전자와 정공이 재결합할 때 과잉 에너지를 빛으로 방출하는 다이오드로서, GaAsP 등을 이용한 적색 발광 다이오드, GaP 등을 이용한 녹색 발광 다이오드, InGaN/AlGaN 더블 헤테로(double hetero)구조를 이용한 청색 발광 다이오드 등이 있다.
이러한, 발광 다이오드는 저전압, 저전력이란 장점으로 인해 숫자 문자 표시소자, 신호등 센서, 광결합 소자용 광원 등 여러 분야에 광범위하게 사용되고 있다.
이와 같이 좋은 발광 다이오드를 제조하기 위해서는 다음 4가지 사항을 만족하여야 한다.
첫째는 휘도가 좋아야 하고, 둘째는 수명이 길어야 하며, 셋째는 열적 안정성이 있어야 하고, 넷째는 저전압에서 동작하여야 한다.
휘도는 발광 다이오드의 재료와 밀접한 관계를 가지고 있기 때문에, 현재 발광 다이오드의 휘도를 높이기 위하여 재료 개발에 박차를 가하고 있으며, 수명, 열적 안정성, 저전압 동작은 발광 다이오드의 전극과 화합물 반도체와의 콘택 저항에 매우 밀접한 관계를 가지고 있으므로 전극의 물질과 화합물 반도체와의 콘택 부위에서 전류가 잘 흐르도록 콘택 저항을 낮추기 위한 여러 가지 제조방법들이 현재 대두되고 있는 추세이다.
그러나, 좋은 발광 다이오드를 제조하기 위한 조건중에 콘택 저항을 낮추는 것은 그리 쉬운 것이 아니다.
도 1은 종래 기술에 따른 발광 다이오드의 구조를 보여주는 구조단면도로서, 특히 요즘 청색 발광다이오드의 재료로 각광을 받고 있는 GaN계 물질을 사용한 발광 다이오드이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 발광 다이오드는 GaN(도핑 레벨(doping level)이 약 1015이하)층상에 전극 물질을 증착한 후, 열처리 공정을 통해 전극 물질과 GaN 계면에 캐리어 도펀트(carrier dopant)가 축적되도록 하여 전위 장벽(potential barrier)를 낮추어 저항을 낮추는 방법을 사용하고 있다.
여기서, 발광 다이오드의 GaN은 저항이 매우 높기 때문에 GaN과 접촉되는 전극 물질을 잘 선택해야만 콘택 저항을 낮출 수 있다.
이와 같이 콘택 저항을 낮추기 위한 전극 물질로서 Ti(Titanium) 금속을 주로 사용하는데 그 이유는 Ti는 GaN과의 계면 부근에서 TiN을 형성하기 때문이다.
즉, GaN의 N이 전극인 Ti와 결합하면서 반도체인 GaN은 결핍(defect) 현상으로 고농도의 캐리어를 많이 확보하게 되어 결국 전류는 저항을 크게 느끼지 않으면서 잘 흐르게 된다.
그러므로, 종래에는 p형 전극으로 Au/Ni/Cr, n형 전극으로 Au/Ti/Al/Ti, Al/Ti, Au/Ti 등으로 금속을 적층하여 전극을 형성하였다.
이처럼, 금속들을 적층하여 전극을 형성하는 이유는 전극의 모폴로지(morphology) 문제 때문이다.
전극 물질 선택시, GaN과의 반응을 고려해야 하는 것도 중요하지만 더 중요한 것은 전극의 모폴로지(morphology) 문제를 고려하여야 한다.
전극의 표면이 깨끗하지 못하면 전극에 연결되는 와이어의 단선 등이 발생하여 소자의 특성을 저하시키는 원인이 되고 있다.
그러므로, 전극 형성시 여러층의 금속들을 적층하여 각 금속들이 서로 잘 반응되도록 하여 전극의 모폴로지를 줄이고 있다.
그러나, 여전히 모폴로지의 문제는 남아 있다.
다른 방법으로는 GaN층에 Mg과 같은 도펀트를 하이 도핑하여 캐리어 농도를 약 1018∼19/cc 이상으로 함으로써 전극과의 콘택 저항을 낮추는 방법이 있지만 이런 방법은 GaN층에 크랙 현상 등을 발생시켜 공정상 적용하기가 매우 어렵다.
그러므로, GaN층에 도펀트를 중간 레벨로 도핑하고 그 위에 전극을 형성하는 방법을 주로 사용하고 있다.
이와 같이 상기의 방법들은 모두 전극과의 콘택을 이루는 반도체 부위에서 고농도의 캐리어를 만들어서, 전극과 반도체와의 접촉 부위를 통해 전자가 터널링(tunneling)에 의해 전류가 흐르도록 하는 터널링 방법을 기초로 하고 있다.
종래 기술에 따른 발광 다이오드에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있었다.
첫째, 여러층의 금속들을 적층하여 전극을 형성한 후, 고온(700℃ 이상)의 열처리 공정으로 소자를 제조하므로 제조공정이 복잡하고 비효율적이다.
둘째, 전도성이 좋은 발광 다이오드를 제작하기 위해서는 GaN층에 도펀트(dopant)를 하이 도핑(high doping)을 시켜야 하지만 하이 도핑을 시킬 경우 GaN층에 크랙(crack) 등이 형성되어 발광 다이오드의 수율을 저하시킨다.
셋째, 전극 표면의 모폴로지 문제로 인하여 와이어 본딩과 같은 후속공정이 어렵다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 콘택 저항이 매우 낮은 발광 다이오드 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 전극 표면의 모폴로지를 향상시킬 수 있는 발광 다이오드 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
도 1 - 종래 기술에 따른 발광 다이오드의 구조를 보여주는 구조단면도
도 2a 내지 2d - 본 발명에 따른 발광 다이오드 제조공정을 보여주는 공정단면도
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 기판 2 : 버퍼층
3 : n형 GaN 에피택셜층 4 : 활성층
5 : p형 GaN 에피택셜층 6 : n형 전극
7 : p형 전극
본 발명에 따른 발광 다이오드의 특징은 기판상에 형성되는 n형 GaN층과, n형 GaN층상의 일정영역에 형성되는 활성층과, 활성층상에 형성되는 p형 GaN층과, n형 GaN층상의 일정영역에 형성되고, In, Si, Ge 중 어느 하나로 이루어진 제 1 층, Ni, Pd, Pt 중 어느 하나로 이루어진 제 2 층, Ti로 이루어진 제 3 층, Au으로 이루어진 제 4 층이 적층되어 형성되는 n형 전극과, p형 GaN층상의 일정영역에 형성되고, Be, Mg, Zn 중 어느 하나로 이루어진 제 1 층, Ni, Pd, Pt 중 어느 하나로 이루어진 제 2 층, Cr로 이루어진 제 3 층, Au으로 이루어진 제 4 층이 적층되어 형성되는 p형 전극으로 구성되는데 있다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법의 특징은 기판상에 n형 GaN층, 활성층 그리고 p형 GaN층을 순차적으로 형성하는 스텝과, 활성층 및 p형 GaN층을 패터닝하여 n형 GaN층의 일정영역을 노출시키는 스텝과, n형 GaN층상의 소정영역에 In, Si, Ge 중 어느 하나로 이루어진 제 1 층과, Ni, Pd, Pt 중 어느 하나로 이루어진 제 2 층과, Ti로 이루어진 제 3 층과, Au으로 이루어진 제 4 층이 적층된 n형 전극을 형성하는 스텝과, p형 GaN층상의 소정영역에 Be, Mg, Zn 중 어느 하나로 이루어진 제 1 층과, Ni, Pd, Pt 중 어느 하나로 이루어진 제 2 층과, Cr로 이루어진 제 3 층과, Au으로 이루어진 제 4 층이 적층된 p형 전극을 형성하는 스텝으로 이루어 지는데 있다.
상기와 같은 특징을 갖는 발광 다이오드 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2a 내지 2d는 본 발명에 따른 발광 다이오드 제조공정을 보여주는 공정단면도로서, 도 2a에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판(1)상에 GaN 버퍼층(2)을 저온(약 500℃)에서 성장시킨 다음, 버퍼층(2)상에 고온(약 1000℃)에서 n형 불순물을 도핑(doping)시킨 n형 GaN 에피택셜층(3)을 일정 두께로 성장시킨다.
이때, n형 GaN 에피택셜층(3)의 도핑원소로는 Si 등을 사용한다.
이어, 도 2b에 도시된 바와 같이, n형 GaN 에피택셜층(3)상에 연속적으로 활성층(4) 및 p형 불순물을 도핑시킨 p형 GaN 에피택셜층(5)을 일정 두께로 성장시킨다.
이때, p형 GaN 에피택셜층(5)의 도핑원소로는 Mg을 사용한다.
그리고, 도 2c에 도시된 바와 같이, 사진석판술(photolithograpy) 및 식각공정으로 활성층(4) 및 p형 GaN 에피택셜층(5)을 선택적으로 제거하여 n형 GaN 에피택셜층(3)의 일정영역을 노출시킨다.
이어, 도 2d에 도시된 바와 같이, n형 GaN 에피택셜층(3)상의 소정영역에는 Au/Pd/Ti/Si이 적층된 n형 전극(6)을 형성하고 p형 GaN 에피택셜층(5)상의 소정영역에는 Au/Cr/Pt/Mg이 적층된 p형 전극(7)을 형성하여 발광 다이오드를 제작한다.
여기서, 중요한 점은 n형 전극(6)과 p형 전극(7)을 이루는 물질인데 그 금속 물질을 살펴보면 다음과 같다.
n형 전극(6)의 경우, 먼저 부족하기 쉬운 캐리어들을 GaN층내에 더 많이 존재하게 하기 위하여 캐리어(carrier) 원소 역할을 하는 In(indium), Si(silicon), Ge(germanium) 등인 캐리어 금속중 어느 한 금속을 선택하여 제 1 금속층(6a)을 형성한다.
그리고, 제 1 금속층(6a)상에 전극 표면의 모폴로지(morphology)를 깨끗하게 하기 위해 웨터블 메탈(wettable metal)(wetting agent metal 이라고도 함)인 ⅧB족 금속 Ni, Pd, Pt 중 어느 한 금속을 선택하여 제 2 금속층(6b)을 형성한 후, 제 2 금속층(6b)상에 최상층에 형성되는 Au의 확산 방지를 위해 Ti로 이루어진 제 3 금속층(6c)을 형성한다. 이어, 제 3 금속층(6c)상에 와이어 본딩(wire bonding)을 위해 Au으로 이루어진 제 4 금속층(6d)을 형성한다.
여기서, 제 2 금속층(6b)과 제 3 금속층(6c)은 적층 순서가 서로 바뀌어도 무방하다.
한편, p형 전극(7)의 경우, 제 1 금속층(7a)은 캐리어 금속인 Be, Mg, Zn 중 어느 한 금속을 선택하여 형성하고, 제 2 금속층(7b)은 Ni, Pd, Pt 중 어느 한 금속을 선택하여 형성하며, 제 3 금속층(7c)은 Cr으로 형성하고, 제 4 금속층(7d)은 Au으로 형성한다.
물론, p형 전극(7)의 제 2 금속층(7b)과 제 3 금속층(7c)도 적층 순서가 서로 바뀌어도 무방하다.
이와 같이, 본 발명에 따른 발광 다이오드의 전극에서 제 1 금속층은 열처리시 GaN층내로 캐리어 원소가 침투하여 더 많은 캐리어들을 존재하게 함으로써 전류를 원할하게 하고, 제 2 금속층은 GaN 반도체 계면을 아주 플랫(flat)하게 만들어 줌으로써 전극 표면의 특성을 좋게 한다. 그리고, 제 3 금속층은 최상층의 Au 원소의 확산을 방지하고 제 4 금속층은 와이어 본딩을 수월하게 한다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 및 그 제조방법에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 전극과 반도체층과의 콘택 저항을 크게 줄일 수 있으므로 소자의 전기적 특성이 매우 우수하다.
둘째, 전극 표면의 모폴로지가 매우 좋으므로 본딩공정에 유리하다.
Claims (5)
- 기판;상기 기판상에 형성되는 n형 GaN층;상기 n형 GaN층상의 일정영역에 형성되는 활성층;상기 활성층상에 형성되는 p형 GaN층;상기 n형 GaN층상의 일정영역에 형성되고, In, Si, Ge 중 어느 하나로 이루어진 제 1 층과, Ni, Pd, Pt 중 어느 하나로 이루어진 제 2 층과, Ti로 이루어진 제 3 층과, Au으로 이루어진 제 4 층이 적층되어 형성되는 n형 전극;상기 p형 GaN층상의 일정영역에 형성되고, Be, Mg, Zn 중 어느 하나로 이루어진 제 1 층과, Ni, Pd, Pt 중 어느 하나로 이루어진 제 2 층과, Cr로 이루어진 제 3 층과, Au으로 이루어진 제 4 층이 적층되어 형성되는 p형 전극을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 발광 다이오드.
- 제 1 항에 있어서, 상기 n형 전극은 In, Si, Ge 중 어느 하나로 이루어진 제 1 층과, Ti로 이루어진 제 2 층과, Ni, Pd, Pt 중 어느 하나로 이루어진 제 3 층과, Au으로 이루어진 제 4 층이 적층되어 형성됨을 특징으로 하는 발광 다이오드.
- 제 1 항에 있어서, 상기 p형 전극은 Be, Mg, Zn 중 어느 하나로 이루어진 제 1 층과, Cr로 이루어진 제 2 층과, Ni, Pd, Pt 중 어느 하나로 이루어진 제 3 층과, Au으로 이루어진 제 4 층이 적층되어 형성됨을 특징으로 하는 발광 다이오드.
- 기판상에 n형 GaN층, 활성층 그리고 p형 GaN층을 순차적으로 형성하는 스텝;상기 활성층 및 p형 GaN층을 패터닝하여 상기 n형 GaN층의 일정영역을 노출시키는 스텝;상기 n형 GaN층상의 소정영역에 In, Si, Ge 중 어느 하나로 이루어진 제 1 층과, Ni, Pd, Pt 중 어느 하나로 이루어진 제 2 층과, Ti로 이루어진 제 3 층과, Au으로 이루어진 제 4 층이 적층된 n형 전극을 형성하는 스텝;상기 p형 GaN층상의 소정영역에 Be, Mg, Zn 중 어느 하나로 이루어진 제 1 층과, Ni, Pd, Pt 중 어느 하나로 이루어진 제 2 층과, Cr로 이루어진 제 3 층과, Au으로 이루어진 제 4 층이 적층된 p형 전극을 형성하는 스텝을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
- 제 4 항에 있어서, 상기 n형 전극과 p형 전극 형성시 각 전극의 제 2 층 및 제 3 층은 적층 순서를 서로 바꾸어 형성함을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
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