KR100348280B1 - method for fabricating blue emitting device - Google Patents
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Abstract
청색 발광 소자 제조방법에 관한 것으로, 기판 위에 제 1 도전형 반도체층, 활성층, 제 2 도전형 반도체층을 순차적으로 형성하고, 제 2 도전형 반도체층 위에 전류확산용 투명전극을 형성하고 열처리 공정을 수행한 다음, 소정영역의 전류확산용 투명전극 및 그 하부에 있는 제 2 도전형 반도체층, 활성층, 제 1 도전형 반도체층의 일부분을 제거하여 제 1 도전형 반도체층을 노출시킨 후, 노출된 제 1 도전형 반도체층 위에 제 1 도전형 전극을 형성하고 전류확산용 투명전극 위에 제 2 도전형 전극을 형성하여 제작함으로써, 소자의 동작 전압을 강하, 소자의 휘도를 증대, 소자의 저항을 감소, 소자의 수명 및 신뢰도를 향상시킨다.A method of manufacturing a blue light emitting device, the method comprising sequentially forming a first conductive semiconductor layer, an active layer, and a second conductive semiconductor layer on a substrate, forming a current diffusion transparent electrode on the second conductive semiconductor layer, and performing a heat treatment process. After the removal, a portion of the second conductive semiconductor layer, the active layer, and the first conductive semiconductor layer under the current diffusion transparent electrode of the predetermined region and the lower portion thereof are removed to expose the first conductive semiconductor layer, and then exposed. The first conductive electrode is formed on the first conductive semiconductor layer and the second conductive electrode is formed on the transparent electrode for current diffusion to reduce the operating voltage of the device, increase the brightness of the device, and reduce the resistance of the device. Improves device lifetime and reliability.
Description
본 발명은 Ⅲ-Ⅴ족 청색 발광 소자 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a group III-V blue light emitting device manufacturing method.
일반적으로, 종래의 청색 발광 소자는 일반식 InxGayAlzN(x+y+z=1, 0＜x＜1, 0＜y＜1, 0＜z＜1)으로 표시되는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체를 사용하여 왔다.In general, the conventional blue light emitting device is III- represented by the general formula In x Ga y Al z N (x + y + z = 1, 0 <x <1, 0 <y <1, 0 <z <1). Group V compound semiconductors have been used.
이 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체는 직접천이형으로 되어 있어 발광 효율이 높고, In 농도 조절을 통해 적색부터 보라색, 자외선 영역까지 발광 파장으로 사용할 수 있으며, 특히 단파장 발광 소자에 유용하게 사용되어 왔다.Since the group III-V compound semiconductor is a direct transition type, the luminous efficiency is high, and it can be used as the emission wavelength from red to violet and ultraviolet region by adjusting the In concentration, and has been particularly useful for short wavelength light emitting devices.
이 화합물 반도체의 제조방법으로는 MBE, MOVPE, HVPE 등이 이용되었는데, 이 들중 MOVPE는 대기압과 저압 상태의 기판을 가열하여 Ⅲ족 원소를 포함한 유기금속화합물과 Ⅴ족 원소를 포함한 원료 가스를 기체 상태로 공급하여 기판상에서 열분해 반응을 시켜 반도체막을 성장시키는 방법이다.MBE, MOVPE, HVPE, etc. were used as the manufacturing method of the compound semiconductor. Among them, MOVPE heats the substrate under atmospheric pressure and low pressure, thereby producing a raw material gas containing an organometallic compound including a group III element and a group V element. It is a method of growing a semiconductor film by supplying in a state and performing a pyrolysis reaction on a substrate.
이 MOVPE는 대면적에 균일한 고품질의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 성장을 할 수 있다는 점이 중요하다.It is important to note that this MOVPE is capable of growing high-quality III-V compound semiconductors uniformly over a large area.
이러한 MOVPE 성장법을 이용한 종래의 청색 발광 소자의 제조 공정을 설명하면 다음과 같다.Referring to the manufacturing process of a conventional blue light emitting device using the MOVPE growth method as follows.
먼저, 도 1a에 도시된 바와 같이, MOVPE 성장법으로 사파이어 기판 위에 n형 질화갈륨계 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체층, InxGa1-xN(0＜x＜1) 활성층, p형 질화갈륨계 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체층을 순차적으로 에피 성장시킨다.First, as shown in FIG. 1A, an n-type gallium nitride-based III-V compound semiconductor layer, an In x Ga 1-x N (0 <x <1) active layer, and a p-type gallium nitride are formed on a sapphire substrate by a MOVPE growth method. The III-V compound semiconductor layers are epitaxially grown in sequence.
이어, 도 1b와 같이 식각 공정을 수행하여 n형 반도체층을 노출시킨다음, 도 1c에 도시된 바와 같이, p형 반도체층 전면에 금속성 물질로 이루어진 광투과성, 오믹(ohmic)전극인 전류확산용 투명전극을 형성하고, p형 반도체층과 전류확산용 투명전극간의 오믹 접촉과 동시에 p형 반도체층의 활성화를 위한 열처리 공정을 수행한다.Subsequently, an n-type semiconductor layer is exposed by performing an etching process as shown in FIG. 1B, and as shown in FIG. 1C, a light-transmitting, ohmic electrode made of a metallic material on the entire surface of the p-type semiconductor layer is used for current diffusion. A transparent electrode is formed, and a heat treatment process for activating the p-type semiconductor layer is performed simultaneously with the ohmic contact between the p-type semiconductor layer and the current diffusion transparent electrode.
그리고, 도 1d에 도시된 바와 같이, 노출된 n형 반도체층 위에 n형 전극을 먼저 형성하고, 도 1e에 도시된 바와 같이, 전류확산용 투명전극 위에 p형 전극을 형성한다.As shown in FIG. 1D, an n-type electrode is first formed on the exposed n-type semiconductor layer, and as shown in FIG. 1E, a p-type electrode is formed on the current diffusion transparent electrode.
이렇게 제작된 발광 소자는 일반적으로 값이 싼 절연성을 가진 사파이어 기판 위에 성장되므로 기존의 GaAs계 발광 소자 제작시에 이용되는 소위 톱-다운(top-down)형 전극을 가질 수 없고, 사파이어 기판 표면 한쪽에서 n형 전극과 p형 전극을 가져야 하는 구조상의 제약을 떠 안고 있다.The light emitting device manufactured in this way is grown on a sapphire substrate having a low-cost insulating property, and thus cannot have a so-called top-down electrode used in manufacturing a conventional GaAs-based light emitting device, and has one surface of the sapphire substrate. Has a structural constraint to have an n-type electrode and a p-type electrode.
그런데, MOVPE 성장법에 의해 성장된 p형 반도체층은 그 내부에 수소 원자와 도핑 원료 물질로 사용된 Mg 원자간의 복합체를 형성하여 전류 운반에 기여하는 정공을 충분히 제공하지 못한다.However, the p-type semiconductor layer grown by the MOVPE growth method does not sufficiently provide holes that contribute to current transport by forming a complex between hydrogen atoms and Mg atoms used as doping raw materials.
따라서, 일반적으로 에피 결정 성장이 끝난 반도체 기판이나 또는 n형 전극 형성을 위한 식각 공정이 끝난 웨이퍼를 700℃이상 ∼ 1000℃의 온도에서 적정 시간(10초∼30분)동안 열처리를 함으로써 p형 반도체층에 존재하는 수소 원자를 제거하여 Mg 불순물이 정공 전류 운반자를 제공하도록 활성화 시켜 준다.Therefore, p-type semiconductors are generally subjected to heat treatment for epitaxially grown semiconductor substrates or wafers for which n-type electrodes have been etched for an appropriate time (10 seconds to 30 minutes) at temperatures ranging from 700 ° C to 1000 ° C. By removing the hydrogen atoms present in the layer, the Mg impurity is activated to provide a hole current carrier.
그러나, 이런 방법은 열처리 중에 웨이퍼의 최상층부 표면에서 질소 원자가 열분해되어 빠져나가면서 웨이퍼 표면이 고농도의 n형으로 변화하게 되는 문제점을 발생시켜 p형 전극시 오믹 접촉 형성에 문제를 유발시켜 쇼트키(schottky) 접촉 형성이 되어 전류 전달에 장애를 일으키는 소위 장벽층이 된다.However, this method causes a problem that the wafer surface is changed to n-type of high concentration as the nitrogen atom is pyrolyzed and escaped from the top surface of the wafer during the heat treatment, causing problems in the formation of ohmic contact in the p-type electrode. Contact formation results in a so-called barrier layer that impedes current transfer.
그리하여 이 장벽층은 발광 소자의 동작 전압 결정시에 1∼3V 정도의 손실을 유발시키며 발광 소자의 저항도 높이면서 열을 많이 발생시켜 장시간 동작시 소자의 특성 저하 및 수명 단축의 여러 가지 문제를 야기시키고 있다.Therefore, this barrier layer causes loss of about 1 ~ 3V when determining the operating voltage of the light emitting device and generates a lot of heat while increasing the resistance of the light emitting device. have.
그리고, 상기의 제작 공정들은 공정이 상당히 복잡하고, 각 공정마다 최적화된 각각의 조건을 가지는 등 실제 소자를 양산함에 있어 양산성이 타 GaAs 계열의 발광소자에 비하면 많이 떨어지는 편이다.In addition, the manufacturing processes are quite complicated, and the mass production performance is inferior to that of other GaAs-based light emitting devices in terms of mass production of actual devices such as having respective conditions optimized for each process.
GaAs 계열의 발광 소자는 전극 형성 방법이 톱-다운(top-down) 방식으로 상부에는 p형 전극을, 래핑(lapping) 후 하부에는 n형 전극을 증착한 다음, 소자 분리 후 조립을 하면 된다.In the GaAs-based light emitting device, an electrode forming method is a top-down method, and a p-type electrode is deposited on the upper part, an n-type electrode is deposited on the lower part after lapping, and then assembled after separation of the device.
이에 반해 질화갈륨계 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 발광 소자의 전극 형성 방법은 웨이퍼 열처리 후, p형과 n형 영역을 구별하기 위한 식각 공정 후, 투명전극 형성, n형 전극 형성, 마지막으로 본딩(bonding)을 위한 패드(pad) 전극 형성 등으로 이루어져 있다.On the other hand, the electrode formation method of the gallium nitride group III-V compound semiconductor light emitting device is a transparent electrode formation, n-type electrode formation, and finally bonding (bonding) after the wafer heat treatment, after the etching process to distinguish between the p-type and n-type region Pad electrode formation).
종래 기술에 따른 청색 발광 소자는 상기에 설명한 바와 같이 동작 전압 상승, 발광 소자의 저항 상승, 휘도의 저하, 높은 열의 발생, 소자 수명의 저하 등과 같은 문제점들이 나타난다.As described above, the blue light emitting device according to the prior art exhibits problems such as an increase in operating voltage, an increase in resistance of the light emitting device, a decrease in luminance, high heat generation, and a decrease in device life.
본 발명의 목적은 새로운 제조 공정으로 상기와 같은 문제들을 해결할 수 있는 청색 발광 소자 제조방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention to provide a method for manufacturing a blue light emitting device that can solve the above problems with a new manufacturing process.
도 1a 내지 1e는 종래 기술에 따른 청색 발광 소자의 제조 공정을 보여주는 도면1A to 1E illustrate a manufacturing process of a blue light emitting device according to the related art.
도 2a 내지 2e는 본 발명에 따른 청색 발광 소자의 제조 공정을 보여주는 도면2a to 2e is a view showing a manufacturing process of a blue light emitting device according to the present invention
도 3은 본 발명의 전류-전압 특성을 보여주는 그래프3 is a graph showing the current-voltage characteristics of the present invention.
본 발명에 따른 청색 발광 소자 제조방법은 기판 위에 제 1 도전형 반도체층, 활성층, 제 2 도전형 반도체층을 순차적으로 형성하는 제 1 단계와, 상기 제 2 도전형 반도체층 위에 전류확산용 투명전극을 형성하고 상기 전류확산용 투명전극이 형성된 기판을 열처리하는 제 2 단계와, 소정영역의 전류확산용 투명전극 및 그 하부에 있는 제 2 도전형 반도체층, 활성층, 제 1 도전형 반도체층의 일부분을 제거하여 제 1 도전형 반도체층을 노출시키는 제 3 단계와, 노출된 제 1 도전형 반도체층 위에 제 1 도전형 전극을 형성하고 전류확산용 투명전극 위에 제 2 도전형 전극을 형성하는 제 4 단계로 이루어진다.The method for manufacturing a blue light emitting device according to the present invention includes a first step of sequentially forming a first conductive semiconductor layer, an active layer, and a second conductive semiconductor layer on a substrate, and a transparent electrode for current diffusion on the second conductive semiconductor layer. And heat-treating the substrate on which the current diffusion transparent electrode is formed, and the current diffusion transparent electrode in a predetermined region, and a portion of the second conductive semiconductor layer, the active layer, and the first conductive semiconductor layer thereunder. A third step of exposing the first conductivity-type semiconductor layer by removing the first electrode; and a fourth conductivity-type electrode on the exposed first conductivity-type semiconductor layer and a fourth conductivity-type electrode on the current diffusion transparent electrode. Consists of steps.
여기서, 제 1 단계 후에 제 1 도전형 반도체층, 활성층, 제 2 도전형 반도체층이 순차적으로 적층된 기판 표면을 KOH in Ethylene Glycol(40%)와 같은 화학 용액으로 처리할 수 있다.Here, after the first step, the substrate surface on which the first conductive semiconductor layer, the active layer, and the second conductive semiconductor layer are sequentially stacked may be treated with a chemical solution such as KOH in Ethylene Glycol (40%).
그리고, 전류확산용 투명전극은 Ni, Pd, Cr, Ti, V, Zr, Ce, Nd, Th로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 물질을 포함하고, 단일 금속, 합금, 다층 금속 중 어느 하나로 이루어진다.In addition, the current spreading transparent electrode includes one or more materials selected from Ni, Pd, Cr, Ti, V, Zr, Ce, Nd, and Th, and is made of any one metal, alloy, or multilayer metal.
또한, 제 2 단계에서 전류확산용 투명전극이 형성된 기판은 400∼1000℃ 온도에서 10초∼3시간 열처리하고, 열처리 분위기는 비산화성 또는 비활성으로 한다.In the second step, the substrate on which the current diffusion transparent electrode is formed is heat-treated at 400 to 1000 ° C. for 10 seconds to 3 hours, and the heat treatment atmosphere is non-oxidizing or inert.
이와 같이 제작되는 본 발명은 소자의 동작 전압을 강하시키고, p형 반도체층에 주입되는 전류의 면적이 커져 유효 발광 면적이 커지게 되므로 발광 소자의 휘도를 증대시킨다.The present invention manufactured as described above lowers the operating voltage of the device and increases the area of the current injected into the p-type semiconductor layer, thereby increasing the effective light emitting area, thereby increasing the brightness of the light emitting device.
또한, 소자의 저항을 감소시켜 열 발생량 및 소비 전력이 줄어 소자의 열화 속도가 줄어듦으로 수명 및 신뢰도를 향상시킨다.In addition, the resistance of the device is reduced to reduce heat generation and power consumption, thereby reducing the degradation rate of the device, thereby improving lifetime and reliability.
그리고, p형 반도체층 전면 발광 공정과 와이어 본딩용 금속의 동시 증착을 통한 소자 특성의 향상과 공정의 단순성으로부터 소자의 특성 및 생산성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.In addition, the device characteristics and productivity may be improved from the improvement of device characteristics and simplicity of the process through simultaneous deposition of the p-type semiconductor layer top emission process and the wire bonding metal.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Referring to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention having the features as described above are as follows.
본 발명을 설명하기에 앞서 본 발명에서 사용되는 용어를 다음과 같이 정의한다.Prior to describing the present invention, terms used in the present invention are defined as follows.
첫째, 본 발명에서 질화갈륨계 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체라는 용어는 GaN, GaAlN, InAlGaN과 같은 Ga을 포함하는 Ⅲ족 원소의 질화물 반도체를 의미한다.First, in the present invention, the term gallium nitride-based III-V compound semiconductor refers to a nitride semiconductor of group III elements including GaN, GaAlN, InAlGaN.
이런 화합물 반도체는 다음과 같은 식으로 표현된다.Such a compound semiconductor is represented by the following formula.
InxAlyGa1-x-y(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)In x Al y Ga 1-xy (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x + y≤1)
둘째, 본 발명에서 전극에 대해 광투과성이라는 용어는 질화갈륨계 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체 발광 소자에서 방출되는 빛이 적어도 10% 라도 될 때를 의미하며, 꼭 색깔이 없거나 투명성의 성질을 가져야 함을 의미하지는 않는다.Second, in the present invention, the term light transmissive with respect to the electrode means when the light emitted from the gallium nitride-based III-V compound semiconductor light emitting device is at least 10%, which means that it must have no color or have transparency. It doesn't.
셋째, 본 발명에서 금속성 물질이 두 가지 이상의 금속으로 이루어졌다는 의미는 이 금속들이 미리 합금화되어 있거나 혹은 금속층들이 순차적으로 적층된 다층 구조일 수도 있다는 의미이다.Third, in the present invention, the metallic material is composed of two or more metals, which means that the metals may be alloyed in advance or may have a multilayer structure in which metal layers are sequentially stacked.
또한, 두 가지 이상의 금속 물질을 포함하고 있을 때, 각 금속의 함량은 특별히 한도가 정해져 있지 않지만 각 금속들이 적어도 1 atomic % 포함되어 있으면 좋다.In addition, when two or more metal materials are included, the content of each metal is not particularly limited, but each metal should contain at least 1 atomic%.
넷째, 본 발명에서 오믹(ohmic)이란 용어는 반도체 분야에서 흔히 사용되는 의미로서 사용된다.Fourth, in the present invention, the term ohmic is used as a meaning commonly used in the semiconductor field.
도 2a 내지 2e는 본 발명에 따른 청색 발광 소자의 제조 공정을 보여주는 도면으로서, 도 2a에 도시된 바와 같이, 투명하고 전기적으로 절연성인 사파이어 기판 위에 n형 질화갈륨계 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체층, 활성층, p형 질화갈륨계 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체층을 순차적으로 에피 성장시킨다.2A to 2E are views illustrating a manufacturing process of a blue light emitting device according to the present invention, as shown in FIG. 2A, an n-type gallium nitride based group III-V compound semiconductor layer on a transparent and electrically insulating sapphire substrate; The active layer and the p-type gallium nitride based III-V compound semiconductor layer are sequentially grown epitaxially.
여기서, n형 반도체층은 약 1∼500㎛의 두께로 형성되며, Si, Ge, Se, S, Te과 같은 n형 불순물로 도핑될 수 있는데 가장 값싸며 널리 구할 수 있는 Si이 특히 좋다.Here, the n-type semiconductor layer is formed to a thickness of about 1 to 500㎛, can be doped with n-type impurities such as Si, Ge, Se, S, Te, the most inexpensive and widely available Si is particularly good.
p형 반도체층은 약 0.2∼100㎛의 두께로 형성되며, Be, Sr, Ba, Zn, Mg과 같은 p형 불순물로 도핑될 수 있는데 쉽게 널리 구할 수 있고 깊이에 따른 도핑 균일도가 우수한 Mg이 특히 좋다.The p-type semiconductor layer is formed to a thickness of about 0.2 to 100㎛, and can be doped with p-type impurities such as Be, Sr, Ba, Zn, and Mg. good.
그리고, 도 2b에 도시된 바와 같이, p형 반도체층 전면에 금속성 물질로 이루어진 광투과성, 오믹(ohmic)전극인 전류확산용 투명전극을 형성하고, p형 반도체층과 전류확산용 투명전극간의 오믹 접촉과 동시에 p형 반도체층의 활성화를 위한 열처리 공정을 수행한다.As shown in FIG. 2B, a current diffusion transparent electrode which is a light transmissive and ohmic electrode made of a metallic material is formed on the entire surface of the p-type semiconductor layer, and an ohmic between the p-type semiconductor layer and the transparent electrode for current diffusion is formed. At the same time as the contact, a heat treatment process for activating the p-type semiconductor layer is performed.
여기서, 투명전극은 임의의 적절한 금속성 물질로 형성될 수 있는데, 이 금속성 물질은 어닐링을 통한 열처리 공정시 금속성 수소화물을 형성하여 p형 반도체층으로부터 수소를 흡인하는 성질을 가진 Ni, Pd, Cr, Ti, V, Zr, Ce, Nd, Th에서 선택된 하나 또는 그 이상의 금속으로 구성될 수 있다.Herein, the transparent electrode may be formed of any suitable metallic material, which is formed of Ni, Pd, Cr, which has a property of forming metallic hydride in the heat treatment process through annealing to suck hydrogen from the p-type semiconductor layer. It may be composed of one or more metals selected from Ti, V, Zr, Ce, Nd, Th.
이렇게 p형 반도체층의 최상층 표면 부위에서 수소를 흡인하게 되면 p형 반도체층과 금속간의 오믹 접촉성이 아주 우수해짐으로써 p형 반도체층과 전류확산용 투명전극간의 전압 강하가 작아지게 되어 발광 소자의 전체적인 동작 전압 감소에 크게 기여를 하게 된다.In this case, when hydrogen is sucked from the uppermost surface of the p-type semiconductor layer, the ohmic contact between the p-type semiconductor layer and the metal is excellent, and thus the voltage drop between the p-type semiconductor layer and the transparent electrode for current diffusion is reduced. This greatly contributes to the reduction of the overall operating voltage.
전술한 바와 같이, 전류확산용 투명전극을 위한 금속성 물질이 둘 혹은 그이상의 금속을 포함할 때는 이들 금속을 미리 서로 합금화하거나 다층 구조로 만들 수 있다.As described above, when the metallic material for the current spreading transparent electrode includes two or more metals, these metals may be alloyed with each other or made into a multilayer structure.
이런 다층 구조를 가진 금속성 물질에 포함된 금속은 열처리 처리 단계에서 합금화 될 수 있다.The metal contained in the metallic material having this multilayer structure may be alloyed in the heat treatment step.
즉, 투명전극은 기상 증착 혹은 스퍼터링 기법과 같은 기존의 성막법을 이용하여 p형 반도체층 위에 금속성 물질층을 형성하고, 금속성 물질층을 열처리하여 만들어질 수 있는데, 열처리는 약 500℃ 이상의 온도에서 행해진다.That is, the transparent electrode may be formed by forming a metal material layer on the p-type semiconductor layer using a conventional film forming method such as vapor deposition or sputtering, and heat-treating the metal material layer. Is done.
투명전극을 이루는 금속성 물질은 500℃ 이하의 온도에서 열처리하면 양호한 오믹 접촉을 이루지 못하는 경향이 있으며, P형 반도체층이 활성화 되지 못하여 발광을 위한 전류 주입이 원활하지 못하게 된다.The metallic material constituting the transparent electrode tends not to have good ohmic contact when heat treated at a temperature of 500 ° C. or lower, and the P-type semiconductor layer is not activated and current injection for light emission is not smooth.
물론, 열처리는 질화갈륨계 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체의 분해 온도(∼1200℃)보다 낮은 온도이어야 하며, 또한 전류확산용 투명전극으로 사용되는 금속 물질의 열화점보다 낮은 온도인 약 400∼1000℃의 온도를 사용하는데, 특히 500∼700℃의 온도가 선호된다.Of course, the heat treatment should be lower than the decomposition temperature (˜1200 ° C.) of the gallium nitride III-V compound semiconductor and about 400 to 1000 ° C., which is lower than the deterioration point of the metal material used as the current diffusion transparent electrode. The temperature of is used, especially the temperature of 500-700 degreeC is preferable.
열처리 시간은 10초∼3시간 정도의 시간을 사용하는데, 특히 20분에서 1시간 정도의 구간이 적당하고, 열처리 분위기는 질소(N2)와 같은 비산화성 또는 비활성 분위기에서 행하면 좋다.The heat treatment time is about 10 seconds to about 3 hours. Especially, a section of about 20 minutes to 1 hour is suitable, and the heat treatment atmosphere may be performed in a non-oxidizing or inert atmosphere such as nitrogen (N 2 ).
이 투명전극의 금속물질에 해주는 열처리 효과는 미국 특허 Ser No. 07/970145에서 기술된 것과 비슷하다.The heat treatment effect on the metal material of this transparent electrode is US Patent Ser. Similar to that described in 07/970145.
즉, 기상 성장법에 의해 성장되어 p형 불순물로 도핑된 질화갈륨계 Ⅲ-Ⅴ족화합물 반도체가 400℃ 혹은 그 이상의 온도에서 열처리되면 그 비저항이 감소된다.That is, the resistivity decreases when the gallium nitride group III-V compound semiconductor grown by the vapor phase growth method and doped with p-type impurities is heat-treated at a temperature of 400 ° C or higher.
이는 성장된 p형 화합물 반도체내에서 어셉터 불순물에 결합된 수소원자가 400℃ 혹은 그 이상의 온도에서 떨어져 나가 어셉터 불순물을 활성화시키기 때문이다.This is because hydrogen atoms bonded to acceptor impurities in the grown p-type compound semiconductor are separated at 400 ° C or higher to activate the acceptor impurities.
그리하여, 투명전극을 400℃ 이상의 온도에서 열처리하면 화합물 반도체 내의 캐리어 농도가 증가하여 만족스러운 오믹 접합을 이루게 된다.Thus, when the transparent electrode is heat-treated at a temperature of 400 ° C. or more, the carrier concentration in the compound semiconductor is increased to achieve a satisfactory ohmic junction.
종래 기술에서는 p형 질화갈륨 반도체층의 비저항을 낮추기 위해 그 위에 아무 물질도 증착하지 않거나 p형 질화갈륨 반도체층 위에 미국 특허 5290393에서 발표된 절연막이나 또는 GaN, AlN, InN 등을 형성하여 p형 질화갈륨 반도체층 표면에서 질소 원자가 분해되어 날아가는 것을 막아주는 역할에 국한된다.In the prior art, no material is deposited thereon to reduce the resistivity of the p-type gallium nitride semiconductor layer, or an insulating film disclosed in US Pat. No. 5290393 or GaN, AlN, InN, or the like is formed on the p-type gallium nitride semiconductor layer to form p-type nitride. It is limited to the role of preventing nitrogen atoms from decomposing and flying away from the gallium semiconductor layer surface.
그러나, 본 발명에서는 전류확산용 투명전극을 증착한 상태로서 열처리하므로, 투명전극이 증착된 부위에 국부적으로 열전도도가 높아 어셉터 불순물의 활성화가 잘 일어나며 또한 투명전극의 금속물질로서 금속수소화물이 형성되기 쉬운 Ni, Pd, Cr, Ti, V, Zr, Ce, Nd, Th로부터 선택된 물질을 사용하므로 p형 반도체층에 존재하는 수소원자들을 흡입함으로써 어셉터 불순물을 활성화시켜 주는 일종의 촉매층으로 작용하여 아주 낮은 저항을 갖는 반도체층을 이룰 수 있고, 투명전극과의 경계면에서 오믹 접촉이 우수해짐으로써 투명전극과 p형 반도체층의 계면에서 전압 강하가 최소화되는 잇점을 가지고 있다.However, in the present invention, since the heat diffusion as the current diffusion transparent electrode is deposited, the thermal conductivity is locally high at the site where the transparent electrode is deposited, so that the activation of acceptor impurities occurs well, and the metal hydride is a metal material of the transparent electrode. Since it uses materials selected from Ni, Pd, Cr, Ti, V, Zr, Ce, Nd and Th, which are easy to form, it acts as a kind of catalyst layer that activates acceptor impurities by sucking hydrogen atoms present in the p-type semiconductor layer. The semiconductor layer having a very low resistance can be formed, and the ohmic contact is excellent at the interface with the transparent electrode, thereby minimizing the voltage drop at the interface between the transparent electrode and the p-type semiconductor layer.
한편, 투명전극으로 사용되는 금속성 물질은 10∼10000Å의 두께를 사용할수 있는데, 특히 100∼1000Å의 두께가 선호된다.On the other hand, the metallic material used as the transparent electrode can be used in a thickness of 10 to 10000 Å, in particular a thickness of 100 to 1000 Å is preferred.
전류확산용 투명전극으로 사용되는 금속은 Pd을 첫 번째 층으로 증착하고, 그 위로는 Ni, Cr, Ti, V, Zr, Ce, Nd, Pt, Ta, Au에서 선택된 1개 혹은 그 이상의 금속의 조합으로 이루어진다.The metal used as the current diffusion transparent electrode deposits Pd as the first layer, and thereon one or more metals selected from Ni, Cr, Ti, V, Zr, Ce, Nd, Pt, Ta, Au. In combination.
본 발명에서는 전류확산용 투명전극을 형성하기 이전에 표면을 화학 용액으로 처리하는 것을 최우선으로 하였는데, 이는 MOVPE 성장법에 의하여 결정 성장된 반도체층 최상부는 p형 반도체층으로 이루어지는데, 결정 성장 후, 공정 과정 중에 자연 산화막이 생겨 p형 반도체층과 투명전극층과의 전위 장벽을 높이는 결과를 보이기 때문에 이를 제거 또는 낮추고자 함이다.In the present invention, prior to forming the transparent electrode for current diffusion, the top priority was to treat the surface with a chemical solution. The top of the semiconductor layer crystal-grown by the MOVPE growth method is composed of a p-type semiconductor layer, Since a natural oxide film is formed during the process to increase the potential barrier between the p-type semiconductor layer and the transparent electrode layer, it is intended to remove or lower it.
결과적으로, Au를 증착하고 그 위에 Pd을 최상부층으로 증착한(예를 들면, Pd/Au = 50Å/50Å) 투명전극을 약 600℃에서 약 20분간 열처리하면, 다음과 같은 접촉 저항 값의 차이를 알 수 있다.As a result, when Au was deposited and Pd was deposited as a top layer (for example, Pd / Au = 50 μs / 50 μs) on a transparent electrode at about 600 ° C. for about 20 minutes, the difference in contact resistance was as follows. It can be seen.
1) 화학 용액 비 처리시 ; 약 3.6 ×10-3ohm-cm1) at the time of chemical solution ratio treatment; 3.6 x 10 -3 ohm-cm
2) KOH in Ethylene Glycol(40%) ; 약 1.3 ×10-3ohm-cm2) KOH in Ethylene Glycol (40%); 1.3 x 10 -3 ohm-cm
3) H3PO4; 약 3.4 ×10-3ohm-cm3) H 3 PO 4 ; 3.4 x 10 -3 ohm-cm
4) HNO3: 3HCl ; 약 7.4 ×10-3ohm-cm4) HNO 3 : 3HCl; 7.4 x 10 -3 ohm-cm
따라서, Pd층을 최상부층으로 사용할 때, KOH in Ethylene Glycol(40%) 용액을 사용하여 p형 반도체층을 처리하면, 다른 경우에 비해 우수한 오믹 특성을 얻게됨을 확인할 수 있었다.Therefore, when the Pd layer was used as the top layer, it was confirmed that when the p-type semiconductor layer was treated using KOH in Ethylene Glycol (40%) solution, excellent ohmic characteristics were obtained compared to other cases.
이와 같이, p형 반도체층 표면을 KOH in Ethylene Glycol(40%) 용액을 이용하여 처리한 후, 전류확산용 투명전극을 증착한다.As described above, the surface of the p-type semiconductor layer is treated with a KOH in Ethylene Glycol (40%) solution, and then a transparent electrode for current diffusion is deposited.
이어, 도 2c 및 도 2d에 도시된 바와 같이 마스크 작업을 통한 식각 공정으로 소정영역의 전류확산용 투명전극과 그 하부에 있는 p형 반도체층, 활성층, n형 반도체층의 일부분을 제거하여 n형 반도체층을 노출시킨다.Subsequently, as shown in FIGS. 2C and 2D, an etching process through a mask operation removes a current spreading transparent electrode in a predetermined region and a portion of a p-type semiconductor layer, an active layer, and an n-type semiconductor layer below the n-type. The semiconductor layer is exposed.
이 공정을 통해 노출된 n형 반도체층을 제외한 p형 반도체층은 전면에 전류확산용 투명전극으로 덮여 있게 되므로, p형 반도체층 전면을 통한 발광을 통해 발광 효율을 높이는 구조가 된다.The p-type semiconductor layer except for the n-type semiconductor layer exposed through this process is covered with a transparent electrode for current diffusion on the entire surface, thereby increasing the luminous efficiency through light emission through the entire p-type semiconductor layer.
이 발광 소자를 조립하기 위해서는 와이어 본딩(wire bonding)을 할 수 있어야 하는데, 1차 전류확산용 투명전극으로 이루어진 금속층은 두께가 매우 얇기 때문에 와이어 본딩을 할 수 없게 된다.In order to assemble this light emitting device, wire bonding should be possible. Since the metal layer made of the transparent electrode for primary current spreading is very thin, wire bonding cannot be performed.
또한, n형 반도체 영역에도 와이어 본딩을 위한 금속층 증착 공정이 필요하게 된다.In addition, a metal layer deposition process for wire bonding is also required in the n-type semiconductor region.
일반적으로 이상의 과정은 각각 독립적으로 이루어져 금속층 선택, 열처리 온도에 따른 소자 특성의 변화 등의 공정의 복잡성이 대두되게 된다.In general, the above processes are performed independently of each other, thereby increasing the complexity of the process such as selection of a metal layer and change of device characteristics according to heat treatment temperature.
이를 해결하고자 본 발명에서는 두 개의 서로 다른 금속층을 하나로 통합하여 동시에 증착함으로써, 전극 형성 공정을 단순화하였고, 이 때 사용되는 금속은 낮은 온도에서 최적화된 오믹 특성을 나타내는 것으로 높은 오믹 열처리에 따른 소자 특성의 저하를 방지하였다.In order to solve this problem, the present invention simplifies the electrode formation process by integrating two different metal layers into one and simultaneously depositing them, and the metal used at this time exhibits optimized ohmic characteristics at low temperatures. The fall was prevented.
그러므로, 도 2e에 도시된 바와 같이, 노출된 n형 반도체층 상부와 전류확산용 투명전극의 일부 영역 위에 Cr, Ni, Au을 동시에 순차적으로 증착하고 열처리함으로써, n형 및 p형 전극을 동시에 형성한다.Therefore, as shown in FIG. 2E, by simultaneously depositing and heat treating Cr, Ni, Au on the exposed n-type semiconductor layer and a part of the current diffusion transparent electrode, the n-type and p-type electrodes are simultaneously formed. do.
이러한 와이어 본딩용 전극은 약 100 ∼ 10000Å의 두께로 형성하고, 열처리 온도 범위는 약 400 ∼ 700℃, 시간은 약 10초 ∼ 10분 사이가 적절하다.Such a wire bonding electrode is formed in the thickness of about 100-10000 Pa, The heat processing temperature range is about 400-700 degreeC, and time is suitable for about 10 second-10 minutes.
도 3은 이상의 과정을 거쳐 제작된 소자의 전기적 특성을 보여주고 있다.Figure 3 shows the electrical characteristics of the device manufactured through the above process.
본 발명에 따른 청색 발광 소자 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.The blue light emitting device manufacturing method according to the present invention has the following effects.
본 발명은 소자의 동작 전압을 강하시키고, p형 반도체층에 주입되는 전류의 면적이 커져 유효 발광 면적이 커지게 되므로 발광 소자의 휘도를 증대시킨다.According to the present invention, the operating voltage of the device is lowered, and the area of the current injected into the p-type semiconductor layer is increased to increase the effective light emitting area, thereby increasing the brightness of the light emitting device.
또한, 소자의 저항을 감소시켜 열 발생량 및 소비 전력이 줄어 소자의 열화 속도가 줄어듦으로 수명 및 신뢰도를 향상시킨다.In addition, the resistance of the device is reduced to reduce heat generation and power consumption, thereby reducing the degradation rate of the device, thereby improving lifetime and reliability.
그리고, p형 반도체층 전면 발광 공정과 와이어 본딩용 금속의 동시 증착을 통한 소자 특성의 향상과 공정의 단순성으로부터 소자의 특성 및 생산성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.In addition, the device characteristics and productivity may be improved from the improvement of device characteristics and simplicity of the process through simultaneous deposition of the p-type semiconductor layer top emission process and the wire bonding metal.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.Those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications can be made without departing from the technical spirit of the present invention.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the embodiments, but should be defined by the claims.
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