KR100491968B1 - 갈륨나이트라이드계 광소자의 ｐ형 오믹 전극의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
갈륨 나이트라이드계 광소자의 p형 오믹 전극 제조방법을 제공한다. 본 발명은 기판 상에 p형 갈륨 나이트라이드층을 형성하는 것을 포함한다. 상기 p형 갈륨 나이트라이드층 상에 니켈막, 금막 및 ITO막이 순차적으로 적층된 금속막 패턴을 형성한다. 상기 니켈막, 금막 및 ITO막이 순차적으로 적층된 금속막 패턴을 열처리하여 삼중막(Ni/Au/ITO막)으로 p형 오믹 전극을 형성한다. 갈륨 나이트라이드계 광소자의 p형 오믹 전극으로 Ni/Au/ITO막의 삼중막으로 구성할 경우 Ni/Au막으로 인해 접촉 저항을 낮출 수 있고 투명 전도성 산화물인 ITO막으로 인해 투명성도 높일 수 있고 발광 효율도 높일 수 있다.
Description
본 발명은 광소자의 오믹 전극의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 갈륨나이트라이드계(GaN based) 광소자의 p형 오믹 전극의 제조방법에 관한 것이다.
갈륨나이트라이드계 화합물 반도체, 예컨대 GaN, InGaN 또는 AlGaN를 이용한 광소자, 예컨대 발광 소자는 청색빛 파장 영역의 빛을 효과적으로 발하고 기존의 광소자에 비해 매우 큰 광출력을 나타내는 이점을 지니고 있다. 특히 청색빛은 적색빛보다 파장이 짧기 때문에 보다 더 큰 파장의 빛으로 쉽게 전환될 수 있어 갈륨나이트라이드 발광소자는 백색 발광소자로서 큰 기대를 모으고 있다.
갈륨나이트라이드 발광소자의 제작시 n형 오믹 전극 및 p형 오믹 전극이 각각 n형 갈륨 나이트라이드층(n-GaN)과 p형 갈륨 나이트라이드층(p-GaN) 위에 형성된다. 상기 n형 및 p형 오믹(Ohmic) 전극은 낮은 접촉 저항(contact resistance)을 가지고 열적으로 안정하여야 한다. 특히. p형 오믹 전극은 발광되는 빛을 통과시킬 수 있는 투명 전극이어야 한다. 그런데, p형 칼륨나이트라이드층 상에 형성되는 p형 오믹 전극은 p형 갈륨 나이트라이드층에 도핑된 마그네슘(Mg) 도펀트의 활성화 효율이 낮아 1018 cm-3 이상 홀(hole) 농도를 얻을 수 없어 약 10-5Ωcm
2 의 낮은 접촉 저항을 얻기가 어렵다.
그럼에도 불구하고 일반적인 갈륨나이트라이드 발광소자에서 p형 오믹 전극은 니켈막(Ni) 상에 금막(Au)을 적층하여 형성한 니켈막(Ni)/금막(Au)을 사용하여 접촉저항을 낮춘다. 일반적으로 니켈막(Ni)/금막(Au)으로 p형 오믹 전극을 형성할 경우, 열처리 후 오믹 전극의 접촉 저항이 약 10-4Ω으로 낮으며, 니켈층이 투명한 니켈산화층(NiO)으로 바뀌게 되어 빛을 쉽게 통과시킬 수 있고 금층(Au)은 전극의 측면 전도도를 증가시킨다. 전제 두께가 10nm의 니켈막/금막 오믹 전극은 300∼500 nm 영역의 빛에 대한 투명도가 약 80%로 뛰어나다.
하지만, p형 오믹 전극으로 니켈막/금막을 사용한다 하더라도 p형 GaN층 자체가 높은 저항을 지니고 있어서 여전히 접촉저항은 높고 p형 오믹 전극에서 나오는 전류가 p형 GaN층에 효과적으로 퍼지지를 못한다. 이러한 전류 퍼짐 효과 (current-spreading effect)를 증대시키기 위해서 p형 오믹 전극 자체를 손가락 모양으로 제작하여 사용하기도 하지만 이런 경우 빛이 감소되는 결과를 낳는다.
더하여, 니켈막/금막 오믹 전극은 오믹 형성을 위한 고온 열처리시 금(Au)의 내부확산으로 인해 접촉 특성이 저하되어 열적 안정성이 좋지 못하고 금층의 측면 분포 또한 균일하지 못하다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 낮은 접촉 저항을 가지면서 빛의 투과도가 뛰어나 발광 효율이 증가된 갈륨 나이트라이드계(GaN based) 광소자의 p형 오믹 전극의 제조방법을 제공하는 데 있다.
삭제
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 갈륨 나이트라이드계 광소자의 p형 오믹 전극의 제조방법은 기판 상에 p형 갈륨 나이트라이드층을 형성하는 것을 포함한다. 상기 p형 갈륨 나이트라이드층 상에 니켈막, 금막 및 ITO막이 순차적으로 적층된 금속막 패턴을 형성한다. 상기 니켈막, 금막 및 ITO막이 순차적으로 적층된 금속막 패턴을 열처리하여 삼중막(Ni/Au/ITO막)으로 p형 오믹 전극을 형성한다. 상기 금속막 패턴의 열처리는 산소 또는 질소 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 금속막 패턴의 열처리는 400∼600℃에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 금속막 패턴중 ITO막은 RF 마그네트론 스퍼터 장치를 이용하여 기판 온도를 상온 내지 400℃에서 형성할 수 있다.
삭제
이상과 같이 본 발명의 갈륨 나이트라이드계 광소자의 p형 오믹 전극으로 Ni/Au/ITO막의 삼중막으로 구성할 경우 Ni/Au막으로 인해 접촉 저항을 낮출 수 있고 투명 전도성 산화물인 ITO막으로 인해 투명성도 높일 수 있고 발광 효율도 높일 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 도면에서 막 또는 영역들의 크기 또는 두께는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어진 것이다. 또한, 어떤 막이 다른 막 또는 기판의 "위(상)"에 있다라고 기재된 경우, 상기 어떤 막이 상기 다른 막의 위에 직접 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 다른 막이 개재될 수도 있다.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명에 따라 갈륨나이트라이드계(GaN based) 광소자의 p형 오믹 전극 및 그 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 특히, 도 1a 내지 도 1e는 갈륨나이트라이드계 광소자에 직접 p형 오믹 전극을 형성한 것은 아니고, 오믹 접촉 저항을 측정할 수 있도록 p형 오믹 전극을 형성하는 방법을 도시한 것이다.
구체적으로, 도 1a에 도시한 바와 같이 사파이어 기판(11) 상에 갈륨나이트라이드 버퍼층(13)을 형성한다. 이어서, 상기 갈륨나이트라이드 버퍼층(13) 상에 p형 갈륨나이트라이드층(15)을 형성한다.
다음에, 도 1b에 도시한 바와 같이 상기 p형 갈륨나이트라이드층(15) 및 갈륨나이트라이드 버퍼층(13)을 메사식각하여 소자와 소자 사이를 분리한다. 상기 메사 식각은 유도결합플라즈마를 이용하여 수행한다.
다음에, 상기 메사식각된 p형 칼륨나이트라이드층(15)을 표면처리한다. 상기 p형 갈륨나이트라이드층(15)의 표면처리는 끊는 왕수 수용액[염산(HCl)과 탈이온수(H2O)가 3:1로 혼합된 수용액]에 p형 갈륨나이트라이드층(15)이 형성된 기판을 10분 동안 담근 후 탈이온수로 세척하고 질소로 건조하여 수행한다. 이어서, p형 갈륨나이트라이드층(15)이 형성된 기판을 염산과 탈이온수를 1:1로 섞은 용액에 1분 동안 담아 전처리한다.
다음에, 도 1c에 도시한 바와 같이 상기 p형 갈륨나이트라이드층(15) 상에 포토레지스트 패턴(17)을 형성한다. 상기 포토레지스트 패턴(17)은 통상의 사진식각공정을 이용하여 수행한다.
다음에, 도 1d에 도시한 바와 같이 상기 포토레지스트 패턴(17) 및 p형 갈륨나이트라이드층(15)이 형성된 기판(11)의 전면에 금속막(19)을 형성한다. 상기 금속막(19)은 니켈막(Ni), 금막(Au) 및 ITO(indium tin oxide)막이 순차적으로 형성된 삼중막(Ni/Au/ITO막)으로 형성한다.
상기 금속막(19)중 니켈막(Ni), 금막(Au)은 전자선 증착장치(e-beam evaporator)를 이용하여 형성하고, 상기 ITO막은 RF 마그네트론 스퍼터 장치를 이용하여 기판 온도를 상온 내지 400℃에서 형성한다. 상기 금속막(19)중 니켈막 및 금막은 상기 ITO막보다 얇은 두께로 형성한다. 더하여, 상기 ITO막은 300 + 600 x N(N은 정수)의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는, 상기 금속막(19)중 니켈막 및 금막은 각각 20Å 및 30Å의 얇은 두께로 형성하고, 상기 ITO막은 900Å의 두께로 두껍게 형성한다.
다음에, 도 1e에 도시한 바와 같이 리프트오프(Lift-off) 공정을 통해 상기 포토레지스트 패턴(17) 및 포토레지스트 패턴(17) 상의 금속막(19)을 제거하여 금속막 패턴(19a)을 형성한다. 계속하여, 금속막 패턴(19a)을 급속 열처리(rapid thermal annealing) 장비로 산소 또는 질소 분위기에서 400∼600℃의 온도에서 열처리하여 p형 오믹 전극을 완성한다. 이렇게 만들어진 p형 오믹 전극은 4 포인트 프로브 방식(4-point probe)을 이용하여 접촉저항을 계산한다.
도 2는 본 발명의 갈륨 나이트라이드계 광소자의 p형 오믹 전극에 채용된 ITO막을 증착할 때 스퍼터 타겟과 기판간의 거리에 따른 ITO막의 비저항을 도시한 그래프이다.
구체적으로, 도 2는 본 발명의 갈륨 나이트라이드계 광소자의 p형 오믹 전극에 채용된 ITO막을 증착할 때 ITO막의 비저항이 가장 낮은가를 찾고자하는 그래프이다. 도 2에서, ITO막을 증착할 때 타겟(target)은 In2O3과 SnO2가 9:1의 비율로 섞인 2-inch ITO 타겟을 사용했고, 증착시 가스는 Ar, 파워는 200W, 기본압력 10-6Torr, 공정 압력 10mTorr, 기판 온도는 350℃에서 RF 마그네트론 스퍼터(magnetron sputter)를 이용하여 수행한다. RF 마그네트론 스퍼터 사용시 플라즈마에 기판이 손상될 것을 우려하여 ITO 스퍼터 타겟과 기판사이의 거리에 따라서 실험을 행하였다. 타겟과 기판 사이의 거리가 9.4cm 일 때 7.1x10-5 Ωcm의 비저항을 갖는 ITO막을 얻었다. 비저항은 4 포인트 프로브 방식을 통하여 구하였다.
도 3은 도 1의 p형 오믹 전극과 종래의 p형 오믹 전극을 산소 분위기에 열처리하였을 때 열처리 온도에 따른 접촉 저항을 도시한 그래프이다.
구체적으로, 본 발명의 p형 오믹 전극은 도 1에 도시한 바와 같이 Ni/Au/ITO막의 삼중막으로 형성하고, 종래의 p형 오믹 전극은 Ni/Au막으로 형성하고, 이때 Ni막 및 Au막은 각각 50Å으로 형성한다. 그리고, 열처리는 급속 열처리(rapid thermal annealing) 장비를 이용하고 산소 분위기에서 2분간 열처리한 후 4 포인트 프로브(4-point probe) 방식을 통하여 접촉 저항을 구한다. 도 3에 보듯이, 본 발명을 통해 가장 낮은 p형 오믹 전극의 접촉 저항은 500℃에서 열처리하였을 때 2.3 x 10-3 Ω이었다. 도 3에서, As-dep은 열처리전 상태를 나타낸다.
도 4는 도 1의 p형 오믹 전극과 종래의 p형 오믹 전극을 산소 분위기에서 열처리하였을 때 열처리 온도에 따른 전압 및 전류 특성을 도시한 그래프이다.
구체적으로, 본 발명의 p형 오믹 전극은 도 1에 도시한 바와 같이 Ni/Au/ITO막의 삼중막으로 형성하고, 종래의 p형 오믹 전극은 Ni/Au막으로 형성하고, 이때 Ni막 및 Au막은 각각 50Å으로 형성한다. 그리고, 열처리는 급속 열처리(rapid thermal annealing) 장비를 이용하고 500℃ 및 600℃의 산소 분위기에서 수행한다. 도 4에 보듯이, p형 오믹 전극으로 Ni/Au막으로 형성한 것보다 Ni/Au/ITO막으로 형성한 것이 더 접촉 저항이 낮은 것을 알 수 있다.
도 5는 TLM(Transmission line method) 방법을 이용하여 본 발명의 p형 오믹 전극의 접촉저항값을 측정할 때, p형 오믹 전극 패턴들 사이의 간격(거리)에 대한 저항값을 나타낸 그래프이다.
구체적으로, 본 발명의 p형 오믹 전극은 도 1에 도시한 바와 같이 Ni/Au/ITO막의 삼중막으로 형성하고, 열처리는 급속 열처리(rapid thermal annealing) 장비를 이용하고 400℃, 500℃ 및 600℃에서 수행한다. p형 오믹 전극 패턴들은 5, 10, 20, 30, 40 mm 의 간격을 가지고 구분되어 있으며 각각의 패턴에서 측정된 저항값은 직선 형태로 일관된 값을 나타내고 있다.
도 6은 도 1의 p형 오믹 전극과 종래의 p형 오믹 전극을 질소 분위기에서 열처리하였을 때 열처리 온도에 따른 접촉 저항을 도시한 그래프이다.
구체적으로, 본 발명의 p형 오믹 전극은 도 1에 도시한 바와 같이 Ni/Au/ITO막의 삼중막으로 형성하고, 종래의 p형 오믹 전극은 Ni/Au막으로 형성하고, 이때 Ni막 및 Au막은 각각 50Å으로 형성한다. 그리고, 열처리는 급속 열처리(rapid thermal annealing) 장비를 이용하고 질소 분위기에 2분간 수행한다. 도 6에 보듯이, 본 발명의 p형 오믹 전극의 접촉 저항은 400℃C 에서 열처리하였을 때 8.8 x 10-3Ω이었다. 산소 분위기에서 열처리 하였을 때 보다는 높은 저항값을 나타내었으나 Ni/Au막보다는 낮은 저항 값을 나타내었다.
도 7은 도 1의 p형 오믹 전극과 종래의 p형 오믹 전극을 질소 분위기에서 열처리하였을 때 열처리 온도에 따른 전압 및 전류 특성을 도시한 그래프이다.
구체적으로, 본 발명의 p형 오믹 전극은 도 1에 도시한 바와 같이 Ni/Au/ITO막의 삼중막으로 형성하고, 종래의 p형 오믹 전극은 Ni/Au막으로 형성하고, 이때 Ni막 및 Au막은 각각 50Å으로 형성한다. 그리고, 열처리는 급속 열처리(rapid thermal annealing) 장비를 이용하고 증착후(As dep), 400℃ 및 500℃의 질소 분위기에서 2분 수행한다. 도 7에 보듯이, 그래프는 완전한 오믹 형태의 직선형 그래프도 아니고 차이가 거의 안나기는 하지만 Ni/Au막 보다 Ni/Au/ITO막으로 p형 오믹 전극을 형성할 경우가 더 접촉 저항이 낮은 것을 알 수 있다.
도 8은 도 1의 p형 오믹 전극과 종래의 p형 오믹 전극의 시간에 따른 접촉 저항의 변화를 도시한 그래프이다.
구체적으로, 본 발명의 p형 오믹 전극은 도 1에 도시한 바와 같이 Ni/Au/ITO막의 삼중막으로 형성하고, 종래의 p형 오믹 전극은 Ni/Au막으로 형성하고, 이때 Ni막 및 Au막은 각각 50Å으로 형성한다. 그리고, Ni/Au막과 Ni/Au/ITO막으로 이루어진 p형 오믹 전극의 열적 안정성 실험을 행하여 500℃ 에서 1분간 열처리하여 얻은 접촉저항을 기준으로 시간의 흐름에 따른 접촉저항의 변화를 측정하였다.
Ni/Au막으로 이루어진 p형 오믹 전극의 경우는 열처리 시간이 길어질수록 2~3 order의 접촉 저항 증가가 보이지만 Ni/Au/ITO막으로 이루어진 p형 오믹 전극의 경우는 1~2 order의 접촉 저항 증가만 보였다. 이것은 Ni/Au막 위에 증착시킨 ITO막에서 열처리 시간이 길어질수록 산소가 금속층으로 확산이 Ni/Au막 보다 잘 일어나서 Ni막을 투명 전도성 산화물인 NiO로 바꾸어 주었고 ITO막 자체도 도너(donor)로 작용하는 산소 공공 때문에 접촉 저항이 낮아졌기 때문이다.
도 9는 도 1의 p형 오믹 전극과 종래의 p형 오믹 전극을 500℃에서 열처리하였을 때 열처리 시간에 따른 전압 및 전류 특성을 도시한 그래프이다.
구체적으로, 본 발명의 p형 오믹 전극은 도 1에 도시한 바와 같이 Ni/Au/ITO막의 삼중막으로 형성하고, 종래의 p형 오믹 전극은 Ni/Au막으로 형성하고, 이때 Ni막 및 Au막은 각각 50Å으로 형성한다. 그리고, 열처리는 급속 열처리(rapid thermal annealing) 장비를 이용하고 500℃에서 5분 및 300분 수행한다. 도 9에 보듯이, Ni/Au/ITO막으로 p형 오믹 전극을 형성한 경우가 Ni/Au막으로 p형 오믹 전극을 형성한 경우보다 접촉 저항이 더 낮은 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 갈륨 나이트라이드계 광소자의 p형 오믹 전극으로 Ni/Au/ITO막의 삼중막으로 구성할 경우 Ni/Au막으로 인해 접촉 저항을 낮출 수 있고 투명 전도성 산화물인 ITO막으로 인해 투명성도 높일 수 있고 발광 효율도 높일 수 있다.
더하여, 본 발명의 갈륨 나이트라이드계 광소자의 p형 오믹 전극으로 Ni/Au/ITO막의 삼중막으로 구성할 경우 지속적인 열처리 실험을 해 본 결과 열에도 안정하다.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명에 따라 갈륨나이트라이드계(GaN based) 광소자의 p형 오믹 전극 및 그 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2는 본 발명의 갈륨 나이트라이드계 광소자의 p형 오믹 전극에 채용된 ITO막을 증착할 때 스퍼터 타겟과 기판간의 거리에 따른 ITO막의 비저항을 도시한 그래프이다.
도 3은 도 1의 p형 오믹 전극과 종래의 p형 오믹 전극을 산소 분위기에 열처리하였을 때 열처리 온도에 따른 접촉 저항을 도시한 그래프이다.
도 4는 도 1의 p형 오믹 전극과 종래의 p형 오믹 전극을 산소 분위기에서 열처리하였을 때 열처리 온도에 따른 전압 및 전류 특성을 도시한 그래프이다.
도 5는 TLM(Transmission line method) 방법을 이용하여 본 발명의 p형 오믹 전극의 접촉저항값을 측정할 때, p형 오믹 전극 패턴들 사이의 간격(거리)에 대한 저항값을 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 1의 p형 오믹 전극과 종래의 p형 오믹 전극을 질소 분위기에서 열처리하였을 때 열처리 온도에 따른 접촉 저항을 도시한 그래프이다.
도 7은 도 1의 p형 오믹 전극과 종래의 p형 오믹 전극을 질소 분위기에서 열처리하였을 때 열처리 온도에 따른 전압 및 전류 특성을 도시한 그래프이다.
도 8은 도 1의 p형 오믹 전극과 종래의 p형 오믹 전극의 시간에 따른 접촉 저항의 변화를 도시한 그래프이다.
도 9는 도 1의 p형 오믹 전극과 종래의 p형 오믹 전극을 500℃에서 열처리하였을 때 열처리 시간에 따른 전압 및 전류 특성을 도시한 그래프이다.
Claims (6)
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- 기판 상에 p형 갈륨 나이트라이드층을 형성하는 단계;상기 p형 갈륨 나이트라이드층 상에 니켈막, 금막 및 ITO막이 순차적으로 적층된 금속막 패턴을 형성하는 단계; 및상기 니켈막, 금막 및 ITO막이 순차적으로 적층된 금속막 패턴을 열처리하여 삼중막(Ni/Au/ITO막)으로 p형 오믹 전극을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 갈륨 나이트라이드계 광소자의 p형 오믹 전극의 제조방법.
- 제3항에 있어서, 상기 금속막 패턴의 열처리는 산소 또는 질소 분위기에서 수행하는 것을 특징으로 하는 갈륨 나이트라이드계 광소자의 p형 오믹 전극의 제조방법.
- 제3항에 있어서, 상기 금속막 패턴의 열처리는 400∼600℃에서 수행하는 것을 특징으로 하는 갈륨 나이트라이드계 광소자의 p형 오믹 전극의 제조방법.
- 제3항에 있어서, 상기 금속막 패턴중 ITO막은 RF 마그네트론 스퍼터 장치를 이용하여 기판 온도를 상온 내지 400℃에서 형성하는 것을 특징으로 하는 갈륨 나이트라이드계 광소자의 p형 오믹 전극의 제조방법.
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