KR100589645B1 - Zno based light emitting device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산화아연계 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 산화 아연계 발광소자는 n형 클래드층의 노출된 부분에 아연으로 형성된 n형 제1오믹컨택트층과, n형 제1오믹컨택트층 위에 금, 백금, 은, 구리, 팔라듐 중 적어도 하나로 형성된 n형 제2 오믹컨택트층을 구비한다. 이러한 산화아연계 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, n형 클래드층과의 오믹접촉 특성이 개선됨으로써 낮은 비접촉 저항과 우수한 전류-전압 특성 및 열적안정성을 제공하여 소자의 발광효율 및 소자 수명을 향상시킨다.The present invention relates to a zinc oxide light emitting device and a manufacturing method thereof, wherein the zinc oxide light emitting device includes an n-type first ohmic contact layer formed of zinc on an exposed portion of an n-type cladding layer, and an n-type first ohmic contact layer. And an n-type second ohmic contact layer formed on at least one of gold, platinum, silver, copper, and palladium. According to the zinc oxide light emitting device and its manufacturing method, the ohmic contact property with the n-type cladding layer is improved, thereby providing low specific contact resistance, excellent current-voltage characteristics, and thermal stability, thereby improving luminous efficiency and device life of the device. .
Description
도 1은 본 발명에 따른 n형 전극구조체를 나타내 보인 단면도이고,1 is a cross-sectional view showing an n-type electrode structure according to the present invention,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 n형 전극구조체의 열처리 온도에 따른 전류-전압 특성을 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이고,2 is a graph showing the results of measuring the current-voltage characteristics according to the heat treatment temperature of the n-type electrode structure according to an embodiment of the present invention,
도 3a 및 도 3b는 도 2의 n형 전극구조체의 열처리 전과 열처리 후의 표면상태를 촬상한 결과를 나타내 보인 사진이고,3A and 3B are photographs showing the results of photographing the surface state of the n-type electrode structure of FIG. 2 before and after heat treatment.
도 4는 도 1의 n형 전극구조체가 적용된 발광소자를 나타내 보인 단면도이고,4 is a cross-sectional view illustrating a light emitting device to which the n-type electrode structure of FIG. 1 is applied;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광소자를 나타내 보인 단면도이다.5 is a cross-sectional view showing a light emitting device according to another embodiment of the present invention.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
10: 기판 20: n형 클래드층10: substrate 20: n-type cladding layer
30: 활성층 40: p형 클래드층30: active layer 40: p-type cladding layer
50: n형 제1오믹컨택트층 60: n형 제2오믹컨택트층50: n-type first ohmic contact layer 60: n-type second ohmic contact layer
70: p형 오믹컨택트층70: p-type ohmic contact layer
본 발명은 산화아연계 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 오믹특성이 개선된 n형 전극구조체를 갖는 산화아연계 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a zinc oxide light emitting device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a zinc oxide light emitting device having an n-type electrode structure having improved ohmic characteristics and a method of manufacturing the same.
아연산화물 반도체는 주로 투명전극(Transparent electrode), 태양전지의 윈도우 소재(Window materials), 바리스터 소자(varistors) 등의 광소자 분야에 널리 쓰여 왔다.Zinc oxide semiconductors have been widely used in the field of optical devices such as transparent electrodes, window materials of solar cells, varistors and the like.
최근에는 아연산화물 반도체가 넓은 밴드갭(3.4 eV)을 갖고 있는 특성을 활용하여 질화갈륨(GaN) 화합물 반도체를 대체할 발광소자용 물질로 주목 받고 있다.Recently, the zinc oxide semiconductor has been attracting attention as a material for a light emitting device to replace a gallium nitride (GaN) compound semiconductor by utilizing a characteristic of having a wide band gap (3.4 eV).
아연산화물 반도체는 기존의 질화갈륨 반도체와는 달리 화학적 처리에 의한 습식에칭(wet etcing)이 가능하다는 장점이 있다. 현재, 발광소자 물질로 널리 사용되고 있는 질화갈륨 화합물 반도체는 매우 안정한 물질로서, 화학약품에 의한 습식에칭(wet etching)이 극히 곤란하기 때문에, 발광소자 제작 시 필수적인 메사(mesa)형 형상 제작을 위해서는 유도결합 플라즈마(ICP), 이온반응 식각기(RIE) 등의 물리적 에칭을 실시하게 되는데, 에칭과정에서 플라즈마에 의해 박막의 손상이 발생되는 문제점이 있다.Unlike conventional gallium nitride semiconductors, zinc oxide semiconductors have an advantage of being capable of wet etching by chemical treatment. At present, gallium nitride compound semiconductor, which is widely used as a light emitting device material, is a very stable material, and wet etching by chemicals is extremely difficult. Physical etching of a coupled plasma (ICP), an ion reaction etcher (RIE), or the like is performed. There is a problem in that a thin film is damaged by the plasma during the etching process.
산화아연계 화합물 반도체를 이용한 발광다이오드 또는 레이저 다이오드와 같은 발광소자를 구현하기 위해서는 발광칩과 전극간의 오믹접촉구조가 매우 중요하다.In order to implement a light emitting device such as a light emitting diode or a laser diode using a zinc oxide compound semiconductor, an ohmic contact structure between the light emitting chip and the electrode is very important.
n형 아연산화물(n-ZnO)의 경우 2000년 김한기 외 2명이 타이타늄(Ti)/금(Au)을 적용한 다층 금속박막을 이용하여 2×10-4Ω㎠ 정도의 낮은 비접촉 저항을 갖는 오믹접촉을 형성하였다고 문헌[Applied Physics Letters 2000, vol.77, p1647]을 통해 보고 한 바 있다. In the case of n-type zinc oxide (n-ZnO), ohmic contact with low specific resistance of about 2 × 10 -4 Ω㎠ using a multilayer metal thin film of titanium (Ti) / gold (Au) applied by Kim Han-ki and two others in 2000 Has been reported in Applied Physics Letters 2000, vol. 77, p1647.
그런데 이러한 종래의 n형 전극구조체는 낮은 비 접촉저항을 갖고 있으나 열적 안정성은 떨어지는 문제점이 있다. 즉, 티타늄/금으로 형성된 n형 전극구조체의 경우 300℃ 이상의 온도에서 열처리시 접합금속이 산화아연에서 떨어져 나가는 현상이 발생하는 것으로 알려져 있다. 이러한 현상은 열처리 과정에서 타이타늄이 접합금속의 표면방향으로 외부 확산(out-diffusion) 되어가면서 산화되는 현상과 밀접한 관계를 갖는다. 이러한 과정을 통해 형성된 타이타늄 산화물은 큰 저항을 갖기때문에 전기적 특성도 열화시킨다. 이러한 열화현상에 의한 전극구조체의 표면퇴화는 패키징 공정에서의 와이어 본딩이 잘 되지 않게 되는 문제점을 야기시킨다.However, such a conventional n-type electrode structure has a low specific contact resistance, but there is a problem inferior in thermal stability. That is, in the case of the n-type electrode structure formed of titanium / gold, it is known that the bonding metal is separated from the zinc oxide during heat treatment at a temperature of 300 ° C. or higher. This phenomenon is closely related to the phenomenon in which the titanium is oxidized out-diffusion toward the surface of the bonding metal during the heat treatment process. Titanium oxide formed through this process has a large resistance and thus degrades electrical characteristics. Surface degradation of the electrode structure due to such deterioration causes a problem that the wire bonding in the packaging process is not good.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 낮은 접촉저항과 열적 안정성이 우수한 n형 전극구조체를 갖는 산화아연계 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a zinc oxide light emitting device having an n-type electrode structure having excellent low contact resistance and thermal stability and a method of manufacturing the same.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 산화아연계 발광소자는 In order to achieve the above object, a zinc oxide light emitting device according to the present invention
n형 클래드층과 p형 클래드층 사이에 주입된 전류에 의해 발광하는 산화아연계 발광소자에 있어서, 상기 n형 클래드층의 노출된 부분에 아연(Zn)으로 형성된 n형 제1오믹컨택트층과; 상기 n형 제1오믹컨택트층 위에 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 구리(Cu), 팔라듐(Pd) 중 적어도 하나로 형성된 n형 제2 오믹컨택트층;을 구비한다.A zinc oxide light emitting device that emits light by a current injected between an n-type cladding layer and a p-type cladding layer, the n-type first ohmic contact layer formed of zinc (Zn) on an exposed portion of the n-type cladding layer; ; And an n-type second ohmic contact layer formed on at least one of gold (Au), platinum (Pt), silver (Ag), copper (Cu), and palladium (Pd) on the n-type first ohmic contact layer.
바람직하게는 상기 n형 제1 오믹컨택트층은 0.1nm 내지 500nm의 두께로 형성된다.Preferably, the n-type first ohmic contact layer is formed to a thickness of 0.1nm to 500nm.
또한, 상기 n형 제2 오믹컨택트층은 10nm 내지 1000nm의 두께로 형성된다.In addition, the n-type second ohmic contact layer is formed to a thickness of 10nm to 1000nm.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 산화아연계 발광소자의 제조방법은 n형 클래드층과 p형 클래드층 사이에 주입된 전류에 의해 발광하는 산화아연계 발광소자의 제조방법에 있어서, 가. 상기 n형 클래드층과 상기 p형 클래드층이 상호 대향되게 적층된 발광칩의 상기 n형 클래드층의 노출된 부분에 아연(Zn)으로 n형 제1오믹컨택트층을 형성하는 단계와; 나. 상기 n형 제1오믹컨택트층 위에 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 구리(Cu), 팔라듐(Pd) 중 적어도 하나로 n형 제2 오믹컨택트층을 형성하는 단계;를 포함한다.In addition, the method for manufacturing a zinc oxide light emitting device according to the present invention in order to achieve the above object in the method for manufacturing a zinc oxide light emitting device that emits light by a current injected between the n-type cladding layer and the p-type cladding layer. , A. Forming an n-type first ohmic contact layer of zinc (Zn) on an exposed portion of the n-type cladding layer of the light emitting chip in which the n-type cladding layer and the p-type cladding layer are opposed to each other; I. Forming an n-type second ohmic contact layer on at least one of gold (Au), platinum (Pt), silver (Ag), copper (Cu), and palladium (Pd) on the n-type first ohmic contact layer. do.
바람직하게는 다. 상기 나 단계를 거쳐 상기 n형 클래드층 위에 형성된 n형 전극구조체를 200℃ 내지 800℃에서 열처리하는 단계;를 더 수행한다.Preferably. Heat treating the n-type electrode structure formed on the n-type cladding layer at 200 ° C. to 800 ° C. through step b.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 산화아연계 발광소자 및 그 제조방법을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, a zinc oxide light emitting device and a method of manufacturing the same according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예예 따른 n형 전극구조체를 나타내 보인 단면도이 다.1 is a cross-sectional view showing an n-type electrode structure according to an embodiment of the present invention.
도면을 참조하면, n형 전극구조체는 n형 클래드층(20)위에 순차적으로 형성된 n형 제1오믹콘택트층(50)과 n형 제2오믹컨택트층(60)을 구비한다.Referring to the drawings, the n-type electrode structure includes an n-type first
도시된 예에서는 아연산화물을 주성분으로 하여 구현되는 산화아연계 발광소자에서 오믹특성 개선이 요구되는 n형 클래드층(20)에 접촉되게 형성되는 n형 전극구조체로서 적용된 n형 제1 및 제2 오믹컨택트층(50)(60)의 특성을 실험하기 위하여 기판(10) 위에 산화아연계 n형 클래드층(20)을 형성시키고, n형 클래드층(20) 위에 n형 제1 및 제2 오믹컨택트층(50)(60)을 적층시킨 구조가 도시되어 있다.In the illustrated example, n-type first and second ohmics applied as n-type electrode structures formed in contact with the n-
기판(10)은 사파이어로 형성되어 있다.The
n형 클래드층(20)은 아연산화물에 도펀트가 첨가되지 않은 순수한 산화아연 또는 n형 도펀트가 첨가된 것이 적용된다.As the n-
여기서, n형 도펀트는 공지된 물질 예를 들면, 알루미늄(Al) 및 갈륨(Ga)이 적용될 수 있다.Here, the n-type dopant may be a known material, for example, aluminum (Al) and gallium (Ga).
n형 전극구조체는 n형 제1오믹콘택트층(50) 및 n형 제2오믹컨택트층(60)을 구비한다.The n-type electrode structure includes an n-type first
n형 제1오믹콘택트층(50)은 아연(Zn)으로 형성한다.The n-type first
아연으로 n형 제1오믹콘택트층(50)을 n형 클래드층(20) 위에 형성하게 되면, 열처리 후 모두 n형 클래드층(20)을 이루는 아연산화물(ZnO) 내의 산소와 n형 제1오믹컨택트층(50)의 아연과의 반응으로 인하여 아연산화물 표면에 산소공공이 발생하거나 아연 원자가 n형 클래드층(20)의 침입형 자리를 차지함으로써 n형 제1오믹 컨택트층(50) 아래에 n형 캐리어 농도가 큰 층이 형성되고, 이로 인해 n형 제1오믹컨택트층(50)과 n형 클래드층(20) 사이에 필드-에미션(Field-Emision:FE)현상에 의한 캐리어 전도 현상이 일어나 우수한 오믹접촉을 형성하게 된다.When the n-type first
바람직하게는 n형 제1오믹컨택트층(50)은 0.1nm 내지 500nm의 두께로 형성한다.Preferably, the n-type first
n형 제2오믹컨택트층(60)은 n형 제1오믹컨택트층(50)을 외부 대기로부터 보호하고, 와이어 본딩성이 좋은 소재로 형성한다.The n-type second
바람직하게는 n형 제2오믹컨택트층(60)은 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 구리(Cu), 팔라듐(Pd) 중 하나 또는 이들간의 합금으로 형성한다.Preferably, the n-type second
또한, n형 제2오믹컨택트층(60)은 10nm 내지 1000nm의 두께로 형성한다.In addition, the n-type second
이러한 n형 전극 구조체의 n형 제1오믹컨택트층(50) 및 n형 제2오믹컨택트층(60)은 공지된 다양한 증착 방식 예를 들면, 전자빔증착기, 스퍼터링(sputtering)방식, PVD(physical vapor deposition), CVD(chemical vapor deposition), PLD(plasma laser deposition), 열증착기(thermal evaporator), 이중형의 열증착기(dual-type thermal evaporator) 등에 의해 형성할 수 있다.The n-type first
증착온도는 20℃ 내지 1500℃ 범위내에서 수행되고, 반응기 내의 압력은 대기압 내지 10-12토르(torr)정도에서 수행된다.The deposition temperature is performed in the range of 20 ° C to 1500 ° C, and the pressure in the reactor is performed at atmospheric pressure to about 10 -12 torr.
또한, n형 전극 구조체의 n형 제1오믹컨택트층(50) 및 n형 제2오믹컨택트층(60)은 순차적으로 증착 후 열처리공정을 거친다.In addition, the n-type first
열처리(annealing)는 200℃ 내지 800℃ 에서 진공 또는 가스 분위기에서 10초 내지 10시간 정도 열처리한다.Annealing is performed at 200 ° C to 800 ° C for 10 seconds to 10 hours in a vacuum or gas atmosphere.
열처리를 가스분위기에서 수행할 경우 반응기 내에 투입되는 가스는 질소, 아르곤, 헬륨, 산소, 수소, 공기 중 적어도 하나 이상의 기체가 적용될 수 있다.When the heat treatment is performed in a gas atmosphere, at least one gas of nitrogen, argon, helium, oxygen, hydrogen, or air may be applied to the gas introduced into the reactor.
이러한 n형 전극 구조체에 대해 앞서 n형 제1오믹컨택트층(50)은 아연으로 형성하고, n형 제2오믹컨택트층(60)은 금(Au)으로 형성한 후 열처리 온도에 따른 전류-전압 특성을 측정한 결과가 도 2에 도시되어 있다.For the n-type electrode structure, the n-type first
도 2를 통해 알 수 있는 바와 같이 300℃ 이상의 온도로 열처리시 오믹특성이 향상됨을 알 수 있다.As can be seen from Figure 2 it can be seen that the ohmic characteristics are improved when the heat treatment at a temperature above 300 ℃.
한편, 도 2에 적용된 n형 전극구조체의 열처리 전과 후에 대한 표면을 촬상한 사진이 도 3a 및 도 3b에 도시되어 있다.On the other hand, photographs taken of the surface before and after the heat treatment of the n-type electrode structure applied to Figure 2 is shown in Figures 3a and 3b.
도 3a는 열처리 전의 표면사진이고, 도 3b는 열처리 후의 표면사진이다.3A is a surface photograph before heat treatment, and FIG. 3B is a surface photograph after heat treatment.
도 3a 및 도 3b의 사진의 비교를 통해 알 수 있는 바와 같이 열처리 후 표면 거칠기가 훨씬 감소됐음을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 기존의 n형 산화아연에 대한 금속 컨택트 구조에서 일반적으로 열처리 후 표면 거칠기가 증가되는 것과는 상반되는 것으로 와이어 본딩성도 향상시킬 수 있음은 알 수 있다.As can be seen from the comparison of the photographs of FIGS. 3A and 3B, it can be confirmed that the surface roughness after the heat treatment is much reduced. This result is in contrast to the increase in surface roughness after heat treatment in the metal contact structure of the conventional n-type zinc oxide, it can be seen that the wire bonding properties can be improved.
도 4는 이러한 n형 전극구조체가 적용된 발광소자의 일 예를 나타내 보인 도면이다. 앞서 도시된 도면에서와 동일 기능을 하는 요소는 동일 참조부호로 표기한다.4 is a view showing an example of a light emitting device to which the n-type electrode structure is applied. Elements having the same function as in the above-described drawings are denoted by the same reference numerals.
도면을 참조하면, 발광소자는 기판(10), n형 클래드층(20), p형 클래드층 (40), p형 전극패드(70)가 순차적으로 적층된 구조로 되어 있다. n형 클래드층(20)의 노출된 부분에는 n형 전극구조체인 n형 제1오믹컨택트층(50) 및 n형 제2오믹컨택트층(60)이 형성되어 있다.Referring to the drawings, the light emitting device has a structure in which a
여기서 광을 생성하는 발광칩은 n형클래드층(20)과 p형클래드층(40)으로 이루어져 있다.The light emitting chip for generating light includes an n-
n형 클래드층(20)이 기판(10)으로 적용될 경우 기판(10)은 생략될 수 있다.When the n-
n형 클래드층(20)은 순수한 아연산화물 또는 아연산화물에 n형 도펀트가 첨가되어 형성된다.The n-
n형 도펀트는 Al, Ga 등이 적용될 수 있다.Al, Ga, or the like may be applied to the n-type dopant.
n형 전극구조체는 n형 클래드층(20)의 노출된 부분에 형성된 n형 제1오믹콘택트층(50) n형 제2 오믹컨택트층(60)을 구비한다.The n-type electrode structure includes an n-type first
n형 전극구조체(50)(60) 앞서 설명된 소재로 형성 한 후 열처리를 수행하면 된다.The n-
p형 클래드층(40)은 아연산화물(ZnO)에 p형 도펀트가 첨가된 것이 적용된다.As the p-
여기서, p형 도펀트는 N, P, As 등이 단일 또는 2개 이상 적용될 수 있다.Here, the p-type dopant may be applied to a single or two or more N, P, As and the like.
p형 전극패드(70)는 공지된 다양한 소재로 단층 또는 이종 소재로 다층으로 형성하면된다.The p-
또한, 도 5에 도시된 바와 같이 n형 클래드층(20)과 p형 클래드층(40) 사이에 활성층(30)이 더 구비된 발광칩을 갖는 발광소자로 구현될 수 있음은 물론이다.In addition, as shown in FIG. 5, the n-
활성층(30)은 아연산화물에 첨가원소로 Cd, Mg 중 어느 하나 또는 이들 모 두를 적절한 비율로 포함하여 형성된다.The
활성층(30)의 주성분인 아연산화물에 Cd, Mg 중 어느 하나를 단독으로 첨가하거나 Cd 및 Mg를 함께 첨가하는 경우, Cd의 첨가량이 높아질수로 밴드갭이 감소되고, Mg의 첨가량이 높아질수로 밴드갭이 커지는 특성을 고려하여 원하는 밴드갭에 대응하는 첨가량을 적용하면 된다.When either one of Cd and Mg is added to the zinc oxide which is the main component of the
활성층(30)은 단층 또는 MQW층 등 공지된 다양한 방식으로 구성될 수 있다.The
각 층의 형성방법은 앞서 설명된 증착방법 예를 들면 전자빔 증착기, PVD(physical vapor deposition), CVD(chemical vapor deposition), PLD(plasma laser deposition), 열증착기(thermal evaporator), 이중형의 열증착기(dual-type thermal evaporator) 등에 의해 형성하면 된다.The method of forming each layer may be a deposition method described above, for example, an electron beam evaporator, a physical vapor deposition (PVD), a chemical vapor deposition (CVD), a plasma laser deposition, a thermal evaporator, or a dual type thermal evaporator ( It can be formed by a dual-type thermal evaporator.
즉, 기판(10), n형 클래드층(20), 활성층(30), p형 클래드층(4)이 순차적으로 적층된 발광칩을 메사구조로 형성한 후, n형 클래드층(20)위에 n형 제1 및 제2 오믹 컨택트층(50)(60)를 형성하고, p형 클래드층(40) 위에 p형 전극패드(70)를 증착하여 형성한 후 열처리를 수행하면 된다.That is, the light emitting chip in which the
이러한 발광소자는 예시된 구조 이외에도 공지된 다양한 구조가 적용될 수 있음은 물론이다.This light emitting device may be applied to a variety of known structures in addition to the illustrated structure.
지금까지 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 산화아연계 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, n형 클래드층과의 오믹접촉 특성이 개선됨으로써 낮은 비접촉 저항과 우수한 전류-전압 특성 및 열적안정성을 제공하여 소자의 발광효율 및 소자 수 명을 향상시킨다.As described above, according to the zinc oxide light emitting device and the method of manufacturing the same, the ohmic contact property with the n-type cladding layer is improved, thereby providing a low specific contact resistance, excellent current-voltage characteristics, and thermal stability. Improves luminous efficiency and device life.
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