KR100579320B1 - 질화물계 발광소자의 제조방법 - Google Patents

질화물계 발광소자의 제조방법 Download PDF

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KR100579320B1 KR1020040092897A KR20040092897A KR100579320B1 KR 100579320 B1 KR100579320 B1 KR 100579320B1 KR 1020040092897 A KR1020040092897 A KR 1020040092897A KR 20040092897 A KR20040092897 A KR 20040092897A KR 100579320 B1 KR100579320 B1 KR 100579320B1
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성태연
임동석
손정인
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광주과학기술원
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Abstract

본 발명은 질화물계 발광소자의 제조방법에 관한 것으로서, 기판 위에 n형 클래드층, 활성층 및 p형 클래드층이 순차적으로 적층된 발광구조체의 p형 클래드층 위에 레이저 홀로그램을 이용한 리쏘그라피에 의해 전도성 소재로 1 마이크로 이하의 폭을 갖는 크기의 셀을 상호 이격되게 격자형태로 배열시킨 격자셀층을 형성하는 단계와, 격자셀층 위에 투명 전도성 소재로 투명 전도성 박막층을 형성하는 단계를 포함한다. 이러한 질화물계 발광소자의 제조방법에 의하면, 격자형 패턴형성 공정이 용이하면서도 소자의 전기적 및 광학적 특성을 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.

Description

질화물계 발광소자의 제조방법{Method of manufacturing light emitting device}
도 1은 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 제조방법에 따라 제조된 질화물계 발광소자를 나타내 보인 단면도이고,
도 2는 도 1의 격자셀층의 셀 배열 상태를 도식적으로 나타내 보인 부분 발췌 사시도이고,
도 3a 내지 도 3d는 도 1의 격자셀층의 형성과정의 일 예를 공정별로 나타내 보인 단면도이고,
도 4a 내지 도 4c는 도 3a 내지 도 3d를 통해 예시된 방법에 의한 격자셀층의 제작예를 일부 공정별로 주사전자현미경(SEM)으로 촬상한 결과를 나타내 보인 사진이고,
도 5a 내지 도 5e는 도 1의 격자셀층의 형성과정의 또 다른 예를 공정별로 나타내 보인 단면도이고,
도 6a 내지 도 6c는 도 5a 내지 도 5e를 통해 예시된 방법에 의한 격자셀층의 제작예를 일부 공정별로 주사전자현미경(SEM)으로 촬상한 결과를 나타내 보인 사진이고,
도 7은 본 발명의 제조방법에 따라 백금소재로 된 격자셀층을 갖는 InGaN/GaN MQW 구조의 청색 발광 다이오드와, 격자셀층이 없는 청색 발광 다이오드에 대한 전류-전압 특성을 측정한 결과를 비교하여 나타내 보인 그래프이고,
도 8은 본 발명의 제조방법에 따라 백금소재로 된 격자셀층을 갖는 InGaN/GaN MQW 구조의 청색 발광 다이오드와, 격자셀층이 없는 청색 발광 다이오드 및 종래의 니켈/금 전극 구조를 갖는 발광다이오드 상호간의 빛 투과도를 측정한 결과를 비교해 나타내 보인 그래프이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
110: 기판 130: n형 클래드층
140: 활성층 150: p형 클래드층
160: 격자셀층 170: 투명전도성 박막층
본 발명은 질화물계 발광소자의 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 오믹특성 및 발광효율을 개선시킬 수 있는 구조의 질화물계 발광소자의 제조방법에 관한 것이다.
질화갈륨을 대표로 하는 질화물계 반도체를 이용한 발광다이오드 또는 레이저 다이오드와 같은 발광소자는 반도체와 금속 전극간의 오믹접촉구조가 매우 중요하다. 특히, p형 클래드층과 전극간의 오믹접촉 구조는 질화물계 발광소자의 성능을 좌우할 정도로 중요한 기술 부분이다.
탑에미트형 발광소자의 종래의 오믹콘택트 구조로서 p형 클래드층 위에 니켈과 금을 순차적으로 적층한 구조가 있다. 니켈/금으로된 오믹컨택트 구조는 박막형성 후 산소 또는 공기분위기에서 열처리 하면, 10-3∼10-4Ω㎠ 정도의 우수한 비접촉저항을 갖는 반투명 오믹콘택트층을 형성하는 것으로 알려져 있다.
이러한 낮은 비접촉저항은 400℃-600℃ 온도 범위, 산소(O2) 또는 공기분위기에서 열처리 시 p형 클래드층을 이루고 있는 질화갈륨과 오믹컨택트층으로 적용된 니켈층의 계면에서 p형 반도체 산화물인 니켈 산화물(NiO)이 섬(island) 모양으로 형성되어 있는 금(Au)사이와 상층부에 형성되어 있어 쇼트키 장벽의 높이(Schottky barrier height : SBH)를 감소시키게 되어, p형 질화갈륨 표면부근에 다수캐리어인 홀(hole)을 용이하게 공급함으로써 p형 질화갈륨 표면부근에서의 실효 캐리어 농도(effective carrier concentration)를 증가시킨다. 또한, 니켈(Ni)/금(Au)을 p형 질화갈륨에 접촉 후 열처리하면 Mg-H 금속간 화합물(complex)를 제거하여 p형 질화갈륨 표면에서 마그네슘(Mg) 도판트(dopant) 농도를 증가시키는 재활성화(reactivation) 과정을 통해 p형 클래드층의 표면에서 실효 캐리어 농도가 1019 이상이 되게 하고, p형 클래드층과 산화 니켈을 함유한 오믹컨택트층 사이에 터널링(tunneling) 전도를 일으켜 오믹전도 특성을 보이는 것으로 이해되어지고 있다.
그러나, 기존의 니켈/금으로 된 오믹콘택트층을 갖는 발광소자는 니켈/금 구조의 낮은 빛투과율(약 70% @450 nm)로 인해 소자의 광 추출 효율이 낮아 차세대 대용량 및 고휘도 발광소자를 구현하기 어려운 문제점을 안고 있다.
최근에는 이러한 탑에미트형 발광소자의 출력 한계를 극복하고자, 기존에 p형 오믹콘택트층으로 사용되고 있는 반투명의 니켈/금 구조보다 우수한 빛 투과성을 갖는 ITO와 같은 투명전도성 산화물을 이용하는 방법이 문헌[T. Margalith et al., Appl. Phys. Lett. Vol.74. p3930 (1999)]을 통해 보고된 바 있다. 또한, 더욱 최근에는 Ni/ITO 오믹콘택층을 이용하여 기존의 니켈/금 구조의 투과율(71.7%@450 nm)보다 향상된 86.6%의 높은 투과율과, 약 1.3배 향상된 광출력을 갖는 탑에미트형 발광소자를 구현하였다고 내용이 와이시링(Y. C. Lin)등에 의해 문헌[Solid-State Electronics vol.47. p849 (2003)]을 통해 보고된 바 있다.
그러나, 상기 문헌들을 통해 알려진 오믹콘택트층은 발광소자의 출력을 증가시켰지만, p형 질화갈륨과 ITO간의 높은 비접촉저항에 의해 상대적으로 높은 동작전압을 나타내는 문제점을 안고 있다.
이와 같이 종래의 오믹콘택트층은 낮은 빛 투과도 및 높은 접촉저항의 단점을 안고 있어, 차세대 대면적, 고휘도 발광소자에 적용하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 낮은 비접촉저항과 높은 빛 투과성을 제공할 수 있는 전극구조체를 갖는 질화물계 발광소자의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 제조방법은 질화물계 발광소자의 제조방법에 있어서, 가. 기판 위에 n형 클래드층, 활성 층 및 p형 클래드층이 순차적으로 적층된 발광구조체의 상기 p형 클래드층 위에 레이저 홀로그램을 이용한 리쏘그라피에 의해 전도성 소재로 1 마이크로 이하의 폭을 갖는 크기의 셀을 상호 이격되게 격자형태로 배열시킨 격자셀층을 형성하는 단계와; 나. 상기 격자셀층 위에 투명 전도성 소재로 투명 전도성 박막층을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 가 단계는 가-1. 상기 p형 클래드층 위에 포토 레지스터층을 형성하는 단계와; 가-2. 레이저 홀로그램에 의해 생성된 간섭무늬를 상기 포토레지스터층에 조사하는 단계와; 가-3. 상기 간섭무늬에 의해 선택적으로 노광된 상기 포토레지스터층을 현상하여 마스크패턴을 형성하는 단계와; 가-4. 상기 마스크패턴이 형성되지 않은 상기 p형클래드층의 노출된 부분에 상기 전도성 소재로 막을 형성하는 단계와; 가-5. 상기 마스크 패턴을 리프트오프에 의해 제거하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 가 단계는 가-1. 상기 p형 클래드층 위에 희생층을 형성하는 단계와; 가-2. 상기 희생층 위에 포토 레지스터층을 형성하는 단계와; 가-3. 레이저 홀로그램에 의해 생성된 간섭무늬를 상기 포토레지스터층에 조사하는 단계와; 가-4. 상기 간섭무늬에 의해 선택적으로 노광된 상기 포토레지스터층을 현상하여 마스크패턴을 형성하는 단계와; 가-5. 상기 마스크 패턴이 형성되지 않은 상기 희생층 부분을 상기 p형 클래드층까지 노출되게 건식 식각하는 단계와; 가-6. 상기 p형클래드층의 노출된 부분에 상기 전도성 소재로 막을 형성하는 단계와; 가-7. 상기 희생층을 리프트오프에 의해 제거하는 단계;를 포함 한다.
바람직하게는 상기 희생층은 실리콘 산화물과 질화물중 어느 하나로 형성된다.
또한, 상기 격자셀층을 형성하는 전도성 소재는 니켈(Ni), 코발트(Co), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 플라티늄(Pt), 루세늄(Ru), 이리듐(Ir), 금(Au), 은(Ag), 크롬(Cr), 로듐(Rh), 인듐(In), 주석(Sn), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 베릴륨(Be), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba) 및 이들로 형성된 합금 또는 고용체 중에서 선택된 적어도 하나의 소재가 적용된다.
더욱 바람직하게는 상기 투명 전도성 박막층은 투명 전도성 산화물과 투명 전도성 질화물 중 어느 하나로 형성되고, 상기 투명 전도성 산화물은 인듐(In), 주석(Sn), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 카드뮴(Cd), 마그네슘(Mg), 베릴륨(Be), 은(Ag), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 구리(Cu), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 루세늄(Ru), 텅스텐(W), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 알루미늄(Al), 란탄(La) 원소계열의 금속들 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 성분과 산소(O)가 결합되어 형성된 것을 포함하고, 상기 투명 전도성 질화물은 타이타늄(Ti), 탄탈륨(Ta) 중 적어도 하나 이상의 성분과 질소(N)가 결합되어 형성된 것을 포함한다.
또한, 상기 격자셀층은 0.5나노미터 내지 200나노미터의 두께로 형성하고, 상기 투명 전도성 박막층은 5나노미터 내지 1000나노미터의 두께로 형성한다.
상기 투명 전도성 박막층은 상기 투명 전도성 산화물 및 상기 투명 전도성 질화물에 대해 전기적 특성을 향상시키기 위한 도판트를 첨가할 수 있다. 여기서 도판트로 적용되는 물질은 원소 주기율표 상에서 금속 성분으로 분류된 원소들 중 적어도 하나 이상이 적용된다.
또한, 상기 나 단계를 거쳐 형성된 p형 오믹 콘택트 구조체는 상온 내지 900도 온도 범위 내에서 10초 내지 3시간 동안 열처리단계를 거치는 것이 바람직하다.
또한, 상기 열처리 단계는 질소, 아르곤, 헬륨, 산소, 수소, 공기, 진공 중 적어도 하나를 포함하는 기체 분위기에서 수행한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 질화물계 발광소자 및 그 제조방법을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 탑에미트형 질화물계 발광소자를 나타내 보인 단면도이다.
도면을 참조하면, 질화물계 발광소자는 기판(110), 버퍼층(120), n형 클래드층(130), 활성층(140), p형 클래드층(150), 격자셀층(160) 및 투명 전도성 박막층(170)이 순차적으로 적층된 구조로 되어 있다. 참조부호 180은 n형 전극패드이고, 190은 p형 전극패드이다.
여기서 기판(110)으로부터 p형클래드층(150)까지가 발광구조체에 해당하고, p형 오믹전극구조체는 p형 클래드층(150) 위에 형성된 격자셀층(160) 및 투명 전도성 박막층(170)을 포함한다.
기판(110)은 사파이어(Al2O3), 실리콘카바이드(SiC), 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs) 중 어느 하나로 형성된 것이 바람직하다.
버퍼층(120)은 생략될 수 있다.
버퍼층(120)으로부터 p형 클래드층(150)까지의 각 층은 Ⅲ족 질화물계 화합물의 일반식인 AlxInyGazN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, 0≤x+y+z≤1)로 표현되는 화합물 중 선택된 어느 화합물을 기본으로 하여 형성되고, n형 클래드층(130) 및 p형 클래드층(150)은 해당 도펀트가 첨가된다.
또한, 활성층(140)은 단층 또는 MQW층 등 공지된 다양한 방식으로 구성될 수 있다.
일 예로서 질화갈륨(GaN)계 화합물을 적용하는 경우, 버퍼층(120)은 GaN으로 형성되고, n형 클래드층(130)은 GaN에 n형 도펀트로서 Si, Ge, Se, Te등이 첨가되어 형성되고, 활성층(140)은 InGaN/GaN MQW 또는 AlGaN/GaN MQW로 형성되며, p형 클래드층(150)은 GaN에 P형 도펀트로서 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등이 첨가되어 형성된다.
n형 클래드층(130)과 n형 전극패드(180) 사이에는 n형 오믹컨택트층(미도시)이 개제될 수 있고, n형 오믹컨택트층은 타이타늄(Ti)과 알루미늄(Al)이 순차적으로 적층된 층구조 등 공지된 다양한 구조가 적용될 수 있다.
p형 전극패드(190)는 니켈(Ni)/금(Au)이 순차적으로 적층된 층구조 또는 텅스텐(W)/금(Au), 백금(Pt)/금(Au), 팔라듐(Pd)/금(Au) 또는 은(Ag)/금(Au)이 적층된 층구조가 적용될 수 있다.
각 층의 형성방법은 전자빔 증착기(E-beam evaporator), PVD(physical vapor deposition), CVD(chemical vapor deposition), PLD(plasma laser deposition), 이 중형의 열증착기(dual-type thermal evaporator), 스퍼터링(sputtering) 등 공지된 증착방식에 의해 형성하면 된다.
격자셀층(160)은 도 2에 도시된 바와 같이 p형클래드층(150) 위에 크기가 1 마이크로미터 이하 더욱 바람직하게는 수십 내지 수백나노미터(nm) 이하의 폭을 갖는 셀(160a)들이 상호 이격되어 주기적인 격자형태로 배열된 구조로 형성되어 있다.
격자셀층(160)의 셀(160a)의 형상은 도 2에 도시된 바와 같은 원형 또는 타원형, 다각형 등의 어느 형태도 가능한다.
격자셀층(160)의 각 셀(160a)은 높은 전도성, 높은 일함수를 갖거나 갈륨관련 화합물을 잘 형성할 수 있는 전도성 소재로서 니켈(Ni), 코발트(Co), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 플라티늄(Pt), 루세늄(Ru), 이리듐(Ir), 금(Au), 은(Ag), 크롬(Cr), 로듐(Rh), 인듐(In), 주석(Sn), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 베릴륨(Be), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba) 및 이들로 형성된 합금 또는 고용체 중에서 선택된 적어도 하나의 소재로 형성된다.
이러한 격자셀층(160)은 높은 전도성을 갖고 있어 상부의 투명 전도성 박막층(170)과 결합 시 더욱 향상된 전류 퍼짐을 유도하여 p형 오믹전극 구조체의 비접촉 저항을 낮게 할 수 있다. 또한, 높은 일함수를 갖는 소재로 격자셀층(160)을 형성 시, 낮은 쇼트키장벽으로 인해 p형 오믹전극 구조체의 접촉저항을 감소시킬 수 있는 장점을 제공한다.
격자셀층(160)은 레이저 홀로그램을 이용한 리쏘그라피(Laser Holographic Lithography)에 의해 형성하는 것이 바람직하고 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.
바람직하게는 격자셀층(160)은 0.5나노미터 내지 200나노미터의 두께로 형성한다.
투명 전도성 박막층(170)은 투명 전도성 산화물 또는 투명 전도성 질화물로 형성한다.
투명 전도성 산화물은 인듐(In), 주석(Sn), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 카드뮴(Cd), 마그네슘(Mg), 베릴륨(Be), 은(Ag), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 구리(Cu), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 루세늄(Ru), 텅스텐(W), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 알루미늄(Al), 란탄(La) 원소계열의 금속들 중에서 적어도 하나 이상의 성분과 산소(O)가 결합된 것이 적용된다.
또한, 투명 전도성 질화물은 타이타늄(Ti), 탄탈륨(Ta) 중 적어도 하나 이상의 성분과 질소(N)가 결합된 것이 적용된다.
투명 전도성 박막층(170)은 투명 전도성 산화물 또는 투명 전도성 질화물에 대해 전기적 특성을 향상시키기 위해 도판트를 첨가할 수 있다. 여기서 도판트로 적용되는 물질은 원소 주기율표 상에서 금속 성분으로 분류된 원소들 중 적어도 하나 이상이 적용된다.
여기서 투명 전도성 산화물 및 투명 전도성 질화물에 적절한 전기적 특성을 갖게 하기 위해서 첨가되는 도판트의 첨가비율은 0.001 내지 20웨이트 퍼센트(weight %) 범위 내에서 적용되는 것이 바람직하다.
상기 투명 전도성 박막층(170)은 적절한 빛 투과도 및 전기 전도성을 갖도록 5나노미터 내지 1000나노미터의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
투명 전도성 박막층(170)은 전자빔 증착기(E-beam evaporator), PVD(physical vapor deposition), CVD(chemical vapor deposition), PLD(plasma laser deposition), 이중형의 열증착기(dual-type thermal evaporator), 스퍼터링(sputtering) 중 어느 하나 이상으로 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 투명 전도성 박막층(170)은 20도 내지 1000도 온도범위 내, 진공 혹은 가스 분위기에서 증착하는 것이 바람직하다.
격자셀층(160)과 투명 전도성 박막층(170)으로 구성된 p형 오믹 콘택트 구조체는 상온 내지 900도 온도 범위 내에서 10초 내지 3시간 동안 열처리단계를 거치는 것이 바람직하다.
열처리 단계는 질소, 아르곤, 헬륨, 산소, 수소, 공기, 진공 중 적어도 하나를 포함하는 기체 분위기에서 수행한다.
이하에서는 이러한 오믹구조를 갖는 발광소자의 제조방법의 일 예를 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 설명한다.
먼저, 기판(110) 위에 앞서 설명된 소재로 n형 클래드층(130), 활성층(140) 및 p형 클래드층(150)이 순차적으로 적층된 발광구조체의 p형 클래드층(150) 위에 도 3a에 도시된 바와 같이 스핀코팅기(Spin coater)를 이용하여 10 나노미터 내지 2 마이크로미터의 두께로 포토 레지스터층(210)을 형성한다.
다음은 포토레지스터층(210)에 레이저 홀로그래피 장비를 이용하여 형성하고 자 하는 격자셀층(160)의 셀 패턴구조에 대응되는 간섭무뉘를 갖는 레이저광을 수초 내지 수분 조사하여 포토 레지스터층(210)을 1차 감광(exposure) 시킨 후, 구조체를 0도 내지 90도 범위 내에서 적절히 회전시켜 2차 감광을 실시한다.
다음은 구조체를 식각용 현상액(developer)으로 현상하여 도 3b에 도시된 바와 같이 일정한 크기와 주기를 갖는 2차원 마스크 패턴(210)을 형성한다. 이러한 마스크 패턴(210a) 형성과정을 거치게 되면 p형 클래드층(150)의 상면은 마스크패턴(210a)으로 덮힌 부분과 덮히지 않은 부분으로 각각 구분된다.
한편, 마스크 패턴(210a)은 사용되는 레이저의 파장을 변화시키거나 레이저 조사시 입사각도를 변화시킴으로써 패턴간의 주기와 크기를 조절할 수 있다.
다음은 구조체의 상부에 전자빔 증착기, 스퍼터링, PLD등 공시된 다양한 증착기를 이용하여 격자셀층(160) 형성용 전도성 소재로 증착 시킨다. 이 경우 도 3c에 도시된 바와 같이 p형 클래드층(150) 상부의 노출된 부분과 마스크 패턴(210a) 상부에 전도성 소재로 증착된 격자셀층(160)이 형성된다.
이후, 마스크패턴(210a)을 리프트 오프(lift-off) 공정에 의해 제거하면 마스크패턴(210a)과 그 상부의 격자셀층(160)이 동시에 제거되고, 도 3d에 도시된 바와 같이 p형 클래드층(150) 상부에 증착된 격자셀층(160)만 남게된다. 여기서 마스크패턴(210a)의 제거용으로 사용되는 식각액으로서는 적용되는 포토레지스터 소재에 따라 적절하게 적용하면 되고, 일 예로서 아세톤이 적용될 수 있다.
한편, 마스크 패턴(210a)의 리트프 오프시 마스크패턴(210a)의 완벽한 제거를 위해 초음파 분무기로 열을 가하는 공정이 추가될 수 있음은 물론이다.
마지막으로 격자셀층(160)이 형성된 이후에 앞서 설명된 투명전도성 소재로 투명전도성 박막층을 형성하고, 이후 열처리를 수행하면 된다.
이러한 발광소자의 제조방법에 따라 격자셀층의 제작과정을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 결과가 도 4a 내지 도 4c에 도시되어 있다.
도 4a는 p형 클래드층(150) 상부에 포토레지스터층(210)을 레이저 홀로그램에 의해 감광시키고 현상과정을 거친 다음 촬상한 사진으로 430나노미터 크기의 홀이 780 나노미터 주기로 형성된 마스크패턴(210a)을 보여준다. 도 4b는 도 4a에 도시된 공정 이후 전도성 소재로서 플라티늄(Pt)을 증착한 후에 촬상한 사진이고, 도 4c는 도 4b에 도시된 공정 이후 마스크패턴(210a)을 리프트 오프(lift-off) 공정 에 의해 제거한 이후 촬상한 사진으로 p형 클래드층(150) 상부에 등간격으로 이격되게 플라티늄 소재의 셀이 다수 형성되어 격자셀층이 형성됨을 보여준다.
이와는 다르게 포토레지스터층을 p형 클래드층에 직접 증착하기 어려운 경우 p형클래드층(150)에 증착이 용이하면서도 제거가 용이한 희생층을 p형 클래드층에 형성한 후 앞서 설명된 방법을 이용하여 격자셀층(160)을 형성할 수 있고 그 예를 도 5a 내지 도 5e를 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저, 기판(110) 위에 앞서 설명된 소재로 n형 클래드층(130), 활성층(140) 및 p형 클래드층(150)이 순차적으로 적층된 발광구조체의 p형 클래드층(150) 위에 도 5a에 도시된 바와 같이 증착기 예를 들면 PE-CVD를 이용하여 두께 10나노미터 내지 2마이크로미터의 실리콘 산화물 또는 질화물(SixOyNz :0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z ≤1, 0≤x+y+z≤1)로 희생층(220)을 형성한 후, 희생층(220) 위에 스핀코팅기 (Spin coater)를 이용하여 두께 10 나노미터 내지 2마이크로미터의 포토 레지스터층(230)을 형성한다.
다음은 포토레지스터층(210)에 레이저 홀로그래피 장비를 이용하여 형성하고자 하는 격자셀층(160)의 셀 패턴구조에 대응되는 간섭무뉘를 갖는 레이저광을 수초 내지 수분 조사하여 포토 리지스트층(210)을 1차 감광(exposure) 시킨 후, 구조체를 0도 내지 90도 범위 내에서 적절히 회전시켜 2차 감광을 실시한다.
그리고 나서, 구조체를 식각용 현상액(developer)으로 현상하여 도 5b에 도시된 바와 같이 일정한 크기와 주기를 갖는 2차원 마스크 패턴(230a)을 형성한다. 이러한 미스크 패턴(230a) 형성과정을 거치게 되면 희생층(220)의 상면은 마스크패턴(210a)으로 덮힌 부분과 덮히지 않은 부분으로 각각 구분된다.
다음은 건식 식각장비 예를 들면 RIE 또는 ICP를 이용하여 도 5c에 도시된 바와 같이 마스크패턴(230a)에 대응되게 희생층(220)을 p형클래드층(150)상면까지 식각한다.
다음은 구조체의 상부에 전자빔 증착기, 스퍼터링, PLD등 공시된 다양한 증착기를 이용하여 격자셀층(160) 형성용 전도성 소재로 증착 시킨다. 이 경우 도 5d에 도시된 바와 같이 p형 클래드층(150) 상부의 노출된 부분과 마스크 패턴(230a) 상부에 전도성 소재로 증착된 격자셀층(160)이 형성된다.
이후, 희생층(220)을 리프트 오프(lift-off) 공정에 의해 제거하면 마스크패턴(230a)과 그 상부의 격자셀층(160)이 동시에 제거되고, 도 5e에 도시된 바와 같 이 p형 클래드층(150) 상부에 증착된 격자셀층(160)만 남게된다. 여기서 희생층(220) 제거용으로 사용되는 식각액으로서는 적용되는 희생층(220)의 소재에 따라 적절하게 적용하면 되고, 일 예로서 아세톤 및 BOE가 적용될 수 있다.
마지막으로 격자셀층(160)이 형성된 이후에 앞서 설명된 투명전도성 소재로 투명전도성 박막층(170)을 형성하고, 이후 열처리를 수행하면 된다.
이러한 발광소자의 제조방법에 따라 격자셀층(160)의 제작과정을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 결과의 일부가 도 6a 및 도 6c에 도시되어 있다.
도 6a는 실리콘 산화물로 형성한 희생층(220) 상부에 형성시킨 포토레지스터층(230)을 레이저 홀로그램에 의해 감광시키고 현상과정을 거친 다음 촬상한 사진으로 430나노미터 크기의 크기를 갖으며 780 나노미터 주기로 배열된 홀을 갖는 마스크패턴(230a)이 형성됨을 보여준다. 도 6b는 도 6a에 도시된 공정 이후 마스크패턴(230a)을 통해 RIE 건식 식각 장비를 이용하여 희생층(220)을 식각한 결과를 촬상한 사진으로 좌측부분에 나타난 바와 같이 430나노미터 크기의 홀이 희생층(220)까지 연장되어 형성됨을 보여준다. 도 6c는 도 6b의 공정 이후에 도전성 소재로서 은(Ag)을 증착한 후 BOE로 희생층(220)을 리프트오프 공정에 의해 제거한 후 촬상한 사진으로 p형 클래드층(150) 상부에 은(Ag)으로 형성된 셀이 배열된 격자셀층(160)이 형성됨을 보여준다.
도 7은 본 발명의 제조방법에 따라 p형 클래드층(150)위에 플라티늄(Pt)으로 격자셀층(60)을 형성하고, ITO로 투명전도성 박막층(170)을 형성한 구조의 청색 InGaN/GaN MQW 발광소자와 격자셀층이 생략된 발광소자의 전류-전압 특성을 비교해 나타내 보인 그래프이다. 여기서, 각 발광소자는 500도 온도에서 2분간 공기 분위기하에서 열처리 하였다. 도 7을 통해 명확히 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 제조방법에 따라 플라티늄소재로 형성된 격자셀층(160)과 투명 전도성 박막층(170)이 적층된 구조의 발광소자는 20mA 주입전류에서 3.20 V의 매우 낮은 구동전압을 나타낸 반면, 플라티늄 격자셀층이 없이 p형클래드층 위에 투명 전도성 박막층만 갖는 소자의 경우, 20mA 주입전류에서 3.70 V의 높은 구동전압과 높은 시리즈 저항을 나타내었다. 이와 같이 발명에 따른 제조방법에 따라 격자셀층을 갖는 발광소자의 전기적 특성이 격자셀층이 생략된 구조 보다 월등히 향상되었음을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 제조방법에 따라 오믹전극구조로서 플라티늄 격자셀층과 ITO 박막층을 갖는 발광소자(적색 원형마크)와 ITO박막만을 갖는 발광소자(검정 사각 마크)와 종래의 니켈/금 전극구조를 갖는 발광소자(청색 삼각마크)에 대해 투과도를 비교 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이다. 도면을 통해 알 수 있는 바와 같이 청색발광 영역인 450나노미터 파장대에서 기존의 니켈/금 구조가 68%의 낮은 빛 투과도를 보인 반면, 본 발명에 의한 플라티늄 격자셀층과 ITO박막층을 갖는 구조의 경우 89%의 높은 빛 투과도를 나타낸다. 특히, 본 발명에 의한 전극 구조체의 경우, 플라티늄 격자셀층을 갖고 있음에도 단일 ITO 전극의 투과도 대비, 420-500나노미터 파장대에서는 빛 투과도의 감소가 발생하지 않음을 알 수 있다. 이러한 실험결과는 격자셀층이 미세한 나노스케일 구조로서 오믹 전극 구조체의 광학적 특성의 손실없이 우수한 전기전도성을 제공함을 의미한다. 이와 같이 본 발명의 제조방법에 따라 격자셀층과 투명 전도성 박막층을 갖는 오믹 전극구조체의 경우, 기 존의 니켈/금 구조보다는 월등히 개선된 전기적, 광학적 특성을 나타냄을 알 수 있고, 또한 단일 투명 전도성 박막층을 갖는 전극구조체와 비교 시, 동일한 광학적 특성과 현격히 개선된 전기적 특성을 갖는 것을 알 수 있다.
지금까지 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 제조방법에 의하면, 격자형 패턴형성 공정이 용이하면서도 소자의 전기적 및 광학적 특성을 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.

Claims (10)

  1. 질화물계 발광소자의 제조방법에 있어서,
    가. 기판 위에 n형 클래드층, 활성층 및 p형 클래드층이 순차적으로 적층된 발광구조체의 상기 p형 클래드층 위에 레이저 홀로그램을 이용한 리쏘그라피에 의해 전도성 소재로 1 마이크로 이하의 폭을 갖는 크기의 셀을 상호 이격되게 격자형태로 배열시킨 격자셀층을 형성하는 단계와;
    나. 상기 격자셀층 위에 투명 전도성 소재로 투명 전도성 박막층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가 단계는
    가-1. 상기 p형 클래드층 위에 포토 레지스터층을 형성하는 단계와;
    가-2. 레이저 홀로그램에 의해 생성된 간섭무늬를 상기 포토레지스터층에 조 사하는 단계와;
    가-3. 상기 간섭무늬에 의해 선택적으로 노광된 상기 포토레지스터층을 현상하여 마스크패턴을 형성하는 단계와;
    가-4. 상기 마스크패턴이 형성되지 않은 상기 p형클래드층의 노출된 부분에 상기 전도성 소재로 막을 형성하는 단계와;
    가-5. 상기 마스크 패턴을 리프트오프에 의해 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 가 단계는
    가-1. 상기 p형 클래드층 위에 희생층을 형성하는 단계와;
    가-2. 상기 희생층 위에 포토 레지스터층을 형성하는 단계와;
    가-3. 레이저 홀로그램에 의해 생성된 간섭무늬를 상기 포토레지스터층에 조사하는 단계와;
    가-4. 상기 간섭무늬에 의해 선택적으로 노광된 상기 포토레지스터층을 현상하여 마스크패턴을 형성하는 단계와;
    가-5. 상기 마스크 패턴이 형성되지 않은 상기 희생층 부분을 상기 p형 클래드층까지 노출되게 건식 식각하는 단계와;
    가-6. 상기 p형클래드층의 노출된 부분에 상기 전도성 소재로 막을 형성하는 단계와;
    가-7. 상기 희생층을 리프트오프에 의해 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특 징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 희생층은 실리콘 산화물과 질화물중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 격자셀층을 형성하는 전도성 소재는 니켈(Ni), 코발트(Co), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 플라티늄(Pt), 루세늄(Ru), 이리듐(Ir), 금(Au), 은(Ag), 크롬(Cr), 로듐(Rh), 인듐(In), 주석(Sn), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 베릴륨(Be), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba) 및 이들로 형성된 합금 또는 고용체 중에서 선택된 적어도 하나의 소재인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 투명 전도성 박막층은 투명 전도성 산화물과 투명 전도성 질화물 중 어느 하나로 형성되고,
    상기 투명 전도성 산화물은 인듐(In), 주석(Sn), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 카드뮴(Cd), 마그네슘(Mg), 베릴륨(Be), 은(Ag), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 구리(Cu), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 루세늄(Ru), 텅스텐(W), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 알루미늄(Al), 란탄(La) 원소계열의 금속들 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 성분과 산소(O)가 결합되어 형성된 것을 포함하고,
    상기 투명 전도성 질화물은 타이타늄(Ti), 탄탈륨(Ta) 중 적어도 하나 이상의 성분과 질소(N)가 결합되어 형성된 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 격자셀층은 0.5나노미터 내지 200나노미터의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 투명 전도성 박막층은 5나노미터 내지 1000나노미터의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 나 단계를 거쳐 형성된 구조체는 상온 내지 900도 온도 범위 내에서 10초 내지 3시간 동안 열처리하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 열처리 단계는 질소, 아르곤, 헬륨, 산소, 수소, 공기, 진공 중 적어도 하나를 포함하는 기체 분위기에서 수행하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자 의 제조방법.
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