KR100239485B1 - 발광 다이오드 제조방법 - Google Patents

Abstract

낮은 콘택 저항을 갖는 발광 다이오드 제조방법에 관한 것으로, 기판상에 n형 GaN 에피택셜층, 활성층, p형 GaN 에피택셜층을 순차적으로 형성하고, 활성층 및 p형 GaN 에피택셜층을 패터닝하여 n형 GaN 에피택셜층의 소정영역을 노출시킨 후, 노출된 n형 GaN 에피택셜층내에 Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺중 어느 하나의 이온을 주입한다. 그리고, n형 GaN 에피택셜층 및 p형 GaN 에피택셜층상에 전극을 형성함으로써, 낮은 콘택 저항값을 얻을 수 있고 공정이 간단하며 매우 경제적이다.

Description

발광 다이오드 제조방법

본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 특히 낮은 콘택 저항을 갖는 발광 다이오드 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.

좋은 특성을 갖는 발광 다이오드를 제조하기 위해서는 전극의 물질과 화합물 반도체와의 콘택 부위에서 전류가 잘 흐르도록 콘택 저항을 낮추어야 한다.

최근 이러한 콘택 저항을 낮추기 위해 여러 가지 제조방법들이 대두되고 있는 추세이다.

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.

종래 기술에 따른 발광 다이오드에 있어서는 다음과 같은 문제점이 있었다.

여러층의 금속들을 적층하여 전극을 형성한 후, 고온(700℃ 이상)의 열처리 공정으로 소자를 제조하므로 제조공정이 복잡하고 비효율적이다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 콘택 저항이 매우 낮고 공정이 간단한 발광 다이오드 제조방법을 제공하는데 그 목적이 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 : 포토레지스트

7 : n형 전극 8 : p형 전극

본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법의 특징은 기판상에 제 1 에피택셜층을 형성하고, 제 1 에피택셜층상의 소정영역에 활성층 및 제 2 에피택셜층을 순차적으로 형성하는 스텝과, 제 1 에피택셜층에 ⅠA 그룹으로부터 선택된 원소 중 어느 하나를 주입시키는 스텝과, 제 1, 제 2 에피택셜층상에 전극을 형성하는 스텝으로 이루어지는데 있다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 발광 다이오드 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.

이어, n형 GaN 에피택셜층(3)상에 연속적으로 활성층(4) 및 p형 불순물을 도핑시킨 p형 GaN 에피택셜층(5)을 일정 두께로 성장시킨다.

그리고, 도 2b에 도시된 바와 같이, 사진석판술(photolithograpy) 및 식각공정으로 활성층(4) 및 p형 GaN 에피택셜층(5)을 선택적으로 제거하여 n형 GaN 에피택셜층(3)의 소정영역을 노출시킨다.

여기서, 사진석판술 및 식각공정시 사용되었던 포토레지스트(6)는 제거하지 말고 그대로 남긴다.

이어, 도 2c에 도시된 바와 같이, 포토레지스트(6)를 마스크로 노출된 n형 GaN 에피택셜층(3)내에 Cs 플라즈마 건(plasma gun) 또는 Cs 이온 건(ion gun)을 사용하여 Cs⁺이온을 주입한다.

이때, 건(gun)의 각도는 90도를 유지하여 Cs⁺이온을 n형 GaN 에피택셜층(3)의 표면에 대해 수직으로 입사시킨다.

그리고 이온 주입 에너지는 에너지를 n형 GaN 에피택셜층(3) 표면의 수백 Å 정도만 활성화시키기 위하여 약 1kV 이하로 한다.

여기서, Cs⁺이온을 주입하는 이유는 다음과 같다.

전극 형성시 GaN층과의 접촉 저항을 줄이기 위하여 GaN층의 표면에 아주 낮은 에너지를 가진 Cs⁺이온을 주입하면 GaN층의 표면이 세시에이티드(Cesiated)되어 GaN층의 일함수(work function)를 Cs의 일함수(약 2.14eV)에 가깝게 만듦으로써 자연스럽게 전극과의 접촉시 접촉 저항을 크게 낮출 수 있기 때문이다.

이와 같이 접촉 저항을 낮추기 위해 주입되는 이온은 Cs⁺이온 이외에도 일함수가 낮은 ⅠA 족에 속하는 원소면 가능하다.

ⅠA 족의 원소로는 Li(일함수 2.9eV), Na(일함수 2.75eV), K(일함수 2.3eV), Rb(일함수 2.16eV) 등이 있다.

즉, 본 발명에서 사용될 수 있는 이온은 Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺중 어느 하나로 한다.

그리고, 도 2d에 도시된 바와 같이, 남아 있는 포토레지스트(6)를 제거하고, 진공상태에서 n형 GaN 에피택셜층(3)상에는 n형 전극(7)을, p형 GaN 에피택셜층(5)상에는 p형 전극(8)을 형성하여 발광 다이오드를 제작한다.

여기서, 진공상태에서 n형 전극(7) 및 p형 전극(8)을 형성하는 이유는 Cs 이온 주입 후 전극을 형성하기 위해 금속 증착공정 단계로 옮기는 도중에 기판이 공기중에 노출되어 Cs 원소가 산화되므로 가능하면 진공을 유지하면서 기판을 이동시켜 진공중에서 전극을 형성해야 하기 때문이다.

본 발명에 따른 발광 다이오드 제조방법에 있어서는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 특성이 좋은 발광 다이오드의 필수조건인 낮은 저항값을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 전극 형성시 필요했던 열처리 공정이 필요 없으므로 공정이 간단하고 경제적인 면에서 매우 유리하다.

둘째, 본 발명의 제조방법은 발광 다이오드 뿐만 아니라 낮은 일함수를 요구하는 재료 및 소자(전구의 필라멘트 등) 등에 적용 가능하므로 응용 분야가 매우 넓다.

Claims (8)

1. 기판상에 제 1 에피택셜층을 형성하고, 상기 제 1 에피택셜층상의 소정영역에 활성층 및 제 2 에피택셜층을 순차적으로 형성하는 스텝;

   상기 제 1 에피택셜층에 ⅠA 그룹으로부터 선택된 원소 중 어느 하나를 주입시키는 스텝;

   상기 제 1, 제 2 에피택셜층상에 전극을 형성하는 스텝으로 이루어짐을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 에피택셜층은 n형 GaN으로 형성하고, 상기 제 2 에피택셜층은 p형 GaN으로 형성함을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 에피택셜층에 주입되는 원소는 Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺중 어느 하나임을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
4. 기판상에 n형 GaN층, 활성층, p형 GaN층을 순차적으로 형성하는 스텝;

   상기 활성층 및 p형 GaN층을 패터닝하여 상기 n형 GaN층의 소정영역을 노출시키는 스텝;

   상기 노출된 n형 GaN층내에 Li⁺, Na⁺, K⁺, Rb⁺, Cs⁺중 어느 하나의 이온을 주입하는 스텝;

   상기 n형 GaN층 및 p형 GaN층상에 전극을 형성하는 스텝으로 이루어짐을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 n형 GaN층에 주입되는 이온은 플라즈마 건(plasma gun) 또는 이온 건(ion gun)으로 주입함을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 n형 GaN층에 이온 주입시 주입 에너지는 1kV이하임을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
7. 제 4 항에 있어서, 상기 n형 GaN층에 이온 주입시 n형 GaN층의 표면에 대해 수직으로 주입시킴을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.
8. 제 4 항에 있어서, 상기 n형 GaN층 및 p형 GaN층상에 전극 형성시 진공상태에서 형성함을 특징으로 하는 발광 다이오드 제조방법.

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