KR100622998B1 - 아연 산화물 반도체를 이용한 화합물 반도체용 오믹접촉의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열적 안정성이 우수하여 고온에서도 소자성능의 저하없이 오믹접촉이 가능하며, 또한 우수한 투광성을 가지는 아연산화물 반도체를 투명오믹전극으로 함으로써 발광다이오드 및 레이저 다이오드 등의 발광소자의 광특성 효율을 월등하게 향상시키는 화합물 반도체용 오믹접촉의 제조방법에 관한 것으로, 화합물 반도체를 기판에 적층하는 단계; 화합물 반도체 층의 상부에 아연산화물층을 적층하는 단계; 상기 아연 산화물층에 정공 또는 전자공여체를 불순물로 도핑하는 단계; 및 아연 산화물 층에 도핑된 불순물의 활성화가 가능하도록 열처리하는 단계를 포함하는 화합물 반도체용 오믹접촉의 제조방법을 제공한다.

Description

아연 산화물 반도체를 이용한 화합물 반도체용 오믹접촉의 제조방법{Preparation Method of Ohmic Contact to Compound Semiconductor Using ZnO}

도 1은 본 발명의 제1측면의 바람직한 실시예로서 제시되는 오믹접촉이 형성된 반도체소자의 구조도이다.

도 2는 본 발명의 제2측면의 바람직한 실시예로서 제시되는 오믹접촉이 형성된 반도체소자의 구조도이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예로서 제시되는 오믹접촉공정의 절차도이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 오믹접촉구조의 열처리에 따른 오믹접촉형성분포도이다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 아연 산화물 반도체의 투광성분포도이다.

본 발명은 화합물 반도체용 오믹접촉의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열적 안정성이 우수하여 고온에서도 소자성능의 저하없이 오믹접촉이 가능하며, 또한 우수한 투광성을 가지는 아연산화물 반도체를 투명오믹전극으로 함으로써 발광다이오드 및 레이저 다이오드 등의 발광소자의 광특성 효율을 월등하게 향상시키는 화합물 반도체용 오믹접촉의 제조방법에 관한 것이다.

종래부터 p형 질화갈륨의 경우 니켈(Ni)을 기본으로 하는 금속층구조, 즉 니켈(Ni)/금(Au)의 금속층이 오믹접촉을 위한 금속층구조로 널리 사용되고 있다 [관련특허: 일본의 TOYODA GOSEI 사에서 p형 질화갈륨에 니켈(Ni)/금(Au) 2층 구조의 금속층에 대한 미국 특허 (USP 6,121,127)]. 니켈을 기본으로 하는 금속층은 산소(O₂) 분위기에서 열처리하여 10^-3∼10^-4Ω㎠ 정도의 비접촉저항을 갖는 오믹접촉을 형성하는 것으로 보고되고 있다. 이러한 낮은 비접촉저항으로 인해 500℃∼600℃와, 산소(O₂) 분위기에서 열처리하는 경우 질화갈륨과 니켈의 계면에 p형 반도체 산화물인 니켈 산화물(NiO)이 형성되고 갈륨이 바깥쪽으로 확산하여 질화갈륨 표면 부위에 다수 캐리어인 홀(hole)을 공급함으로써 질화갈륨 표면부근에서의 실효 캐리어 농도(effective carrier concentration)를 증가시킨다.

그러나, 니켈(Ni)/금(Au) 투명전극층의 경우, 열적 불안정성으로 인하여 실제 발광소자에 응용시 소자 신뢰성에 있어 많은 문제가 발생한다. 또한 p형 질화갈륨 위에 적층되는 금속층은 낮은 실효 저항(effective resistance)과 높은 투광성 을 갖기 위해서는 소정의 임계 두께를 가져야 하는 한계를 가지고 있다. 따라서 니켈(Ni)/금(Au) 투명전극층은 접촉저항은 낮으나, 발광소자의 발광효율을 얻지 못하는 단점을 가진다.

한편, 인듐 주석 산화물(ITO) 및 아연 산화물(ZnO)과 같은 투명 전도성 산화물(Transparent Conducting Oxides: TCOs)을 이용한 p형 질화갈륨의 오믹접촉에 대해 지금까지 보고된 바는 극소수에 불과하다. 이 분야와 관련하여 현재까지 보고된 바로는 대만의 Wen-How Lan, etc 그룹에서 질화갈륨에 니켈(Ni)/인듐 주석 산화물(ITO)를 이용하여 투명전극층 구조의 오믹접촉을 형성하여 8.6 x 10^-4 Ω㎠의 낮은 비접촉저항을 얻은 것 (Jin Kuo Ho etc., US20020185732(2001))이 있다. 그러나 인듐은 자연계에 매장량이 적어 매우 고가이며, 더욱이 p형 질화갈륨 반도체의 홀농도를 충분하게 크게 할 수 없는 한계와 금속과의 접촉성이 나쁜 단점을 지니고 있다.

본 발명은 상기 종래기술이 지니는 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로 그 목적은 열적 안정성이 우수하여 고온에서도 소자성능의 저하없이 오믹접촉이 가능하며, 또한 우수한 투광성을 가지는 아연산화물 반도체를 투명오믹전극으로 함으로써 발광다이오드 및 레이저 다이오드 등의 발광소자의 광특성 효율을 월등하게 향상시키는 화합물 반도체용 오믹접촉의 제조방법을 제공한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 제 1측면에 의한 본 발명은 화합물 반도체를 기판에 적층하는 단계; 화합물 반도체 층의 상부에 아연 산화물층을 적층하는 단계; 상기 아연 산화물층에 정공 또는 전자공여체를 불순물로 도핑하는 단계; 및 아연 산화물 층에 도핑된 불순물의 활성화가 가능하도록 열처리하는 단계를 포함하는 화합물 반도체용 오믹접촉의 제조방법을 제공한다.

상기에서 화합물 반도체층은 바람직하게는 p형 Al_xGa_yIn_zN(단, 0≤x,y,z≤1, x+y+z=1)이다.

상기에서 화합물 반도체층에 바람직하게는 불순물로 Be, Mg, Ca, Zn, Cd의 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소가 도핑되는 단계가 더 포함되어도 좋다.

상기 아연 산화물층에 도핑되는 불순물은 바람직하게는 Li, Na, K, N, P, As, Sb, Bi, Al, Ga, In, Sn의 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소이다.

상기 과정에 의해 형성되는 아연산화물층의 두께는 바람직하게는 1∼5,000nm로 한다.

상기에서 아연산화물층의 열처리과정은 바람직하게는 100℃∼1200℃에서 수행되어진다.

상기한 목적을 달성하기 위한 제 2측면에 의한 본 발명은 화합물 반도체를 기판에 적층하는 단계; 화합물 반도체 층의 상부에 중간삽입층을 적층하는 단계; 상기 중간 삽입층의 상부에 아연 산화물층을 적층하는 단계; 상기 아연 산화물층에 정공 또는 전자공여체를 불순물로 도핑하는 단계; 및 아연 산화물층에 도핑된 불순물의 활성화가 가능하도록 열처리하는 단계를 포함하는 화합물 반도체용 오믹접촉의 제조방법을 제공한다.

상기에서 화합물 반도체층은 바람직하게는 p형 Al_xGa_yIn_zN(단, 0≤x,y,z≤1, x+y+z=1)이다.

상기에서 중간삽입층은 바람직하게는 Ni, Co, Cu, Pd, Pt, Ru, Rh, Ir, Ta, Cr, Mn, Mo, Tc, W, Re, Fe, Sc, Ti, Sn, Ge, Sb, Al, Ag, Zn, La 계열 원소의 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소 또는 이들의 산화물을 포함한다.

상기 화합물 반도체층에 불순물로 Be, Mg, Ca, Zn, Cd의 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소가 도핑되는 단계가 더 포함되어도 좋다.

상기 아연 산화물층에 도핑되는 불순물은 바람직하게는 Li, Na, K, N, P, As, Sb, Bi, Al, Ga, In, Sn의 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소이다.

상기 과정에 의해 형성되는 아연산화물층의 두께는 바람직하게는 1∼5,000nm로 한다.

상기에서 아연산화물층의 열처리과정은 바람직하게는 100℃∼1200℃에서 수행되어진다.

이하, 본 발명의 내용을 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1에는 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 p형 아연 산화물 반도체의 금속전극을 포함한 반도체 구조물이 개략적으로 도시되어 있으며, 부호 110은 기판 층, 부호 120은 화합물 반도체층, 부호 130은 아연 산화물 반도체층을 나타낸다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 아연 산화물 반도체의 금속전극에는 불순물인 정공 또는 전자공여체가 활성화가 된 상태로 존재한다. 정공 또는 전자공여체는 아연 산화물층(130)에 도핑되는 당시에는 불활성화 상태로 존재한다. 이러한 상태는 소정 조건의 열처리에 의해 변화되어지며, 정공 또는 전자공여체는 아연 산화물(ZnO)과 소정의 반응을 매개하여 활성화되어 정공 또는 전자를 아연 산화물 반도체층에 공급하게 되는 것으로 이해된다.

이러한 정공 또는 전자공여체로서 현재까지 알려진 물질은 상당히 많다. 예를 들면, 정공공여체(또는 전자수용체)로서는 Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, N, P, As, Sb, Bi등이 있으며, 전자공여체로는 B, Al, Ga, In, Tl등이 있다. 이들 원소는 단독으로 도핑되거나, 2종 이상의 혼합원소로서 도핑되어도 무방하다.

상기 전공 또는 전자공여체를 아연 산화물층(130)에 도핑하는 경우 그 농도는 특별한 한정을 요하는 것은 아니나, 10¹⁴∼10²¹cm^-3정도로 하는 것이 좋다. 만일 10¹⁴cm^-3미만으로 도핑되는 경우에는 전공 또는 전자를 충분히 공급하지 않아 오믹 접합이 제대로 이루어지질 않을 우려가 있으며, 10²¹cm^-3를 초과하는 경우에는 불순물을 많이 도핑을 해야 하기 때문에 아연산화물 층의 막질을 저하시킬 우려가 있게 된다.

아연 산화물층(130)에 대한 열처리 조건은 도핑되는 공여체의 종류 및 농도에 따라 상이할 수 있지만, 바람직하게는 100℃∼1200℃에서 수행되며, 온도에 따 라 1초∼3시간 정도 수행하는 것으로 충분하다. 만일 100℃미만에서 수행하는 경우에는 불순물이 활성화가 되지 않아서 전공 또는 전자를 공급지 못할 우려가 있으며, 1200℃를 초과하는 경우에는 아연 산화물층에 산소 공공을 형성시켜 전기적 특성을 저하시킬 우려가 있다. 위와 같은 열처리과정은 이미 잘 알려진 급속가열로(RTA) 등을 이용하여 산화분위기에서 수행될 수 있다.

화합물 반도체층(120)은 특별한 한정을 요하지는 아니하나, 바람직하게는 단파장화에 유리하여 발광다이오드 또는 레이저다이오드에 통상적으로 많이 사용되는 p형 질화갈륨계 즉, p형 Al_xGa_yIn_zN(단, 0≤x,y,z≤1, x+y+z=1)이다.

상기 화합물반도체층(120)은 불순물로 Be, Mg, Ca, Zn, Cd의 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소가 도핑되어도 무방하다. 이러한 불순물들은 정공을 공급하게 되므로 전체적으로 소자의 화합물 반도체의 전기적 특성을 개선한다. 이러한 불순물의 도핑농도는 특별한 한정을 요하는 것은 아니나, 10¹⁵∼10²⁰cm^-3 정도로 하는 것이 좋다.

불순물이 도핑된 질화갈륨을 p형 반도체로 형성시키는데 있어서 바람직하게는 열처리를 수행하는 것이 좋다.

기판층(110)은 특별한 제한이 없으며, 본 발명에서는 산화알루미늄기판이 사용되었다.

도 2에는 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 p형 아연 산화물 반도체의 금속전극을 포함한 반도체 구조물이 개략적으로 도시되어 있으며, 부호 110은 기판 층, 부호 120은 화합물 반도체층, 부호 130은 아연산화물 반도체층, 부호 140은 중간삽입층을 나타낸다.

상기에서 기판(110), 화합물 반도체층(120) 및 아연산화물반도체층(130)은 상기 본 발명의 제 1측면에 따른 실시예에서와 동일하므로 이하에서는 중간삽입층(140)에 대해서만 설명하도록 한다.

중간삽입층(140)으로 사용되는 금속들은 p형 질화갈륨계에서 오믹접촉 형성에 유리한 큰 일함수 값을 갖고 열처리시 갈륨관련 화합물을 형성할 수 있는 금속들로부터 우선적으로 선택하는 것이 유리하다. 예를 들면, Ni, Co, Cu, Pd, Pt, Ru, Rh, Ir, Ta, Cr, Mn, Mo, Tc, W, Re, Fe, Sc, Ti, Sn, Ge, Sb, Al, Zn, La 계열 원소의 군에서 선택되는 적어도 1종이상의 금속 또는 이들의 산화물이 사용되어도 좋다.

이러한 중간삽입층(140)은 아연산화물과 화합물 반도체의 밴드갭 오프셋 (offset)을 줄이는 역할을 수행할 수 있어 소자의 전기적 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따른 각 박막의 증착공정은 E-beam evaporator, PVD (physical vapor deposition), CVD (chemical vapor deposition), PLD (plasma laser deposition), 이중형의 열증착기(dual-type thermal evaporator), 스퍼터링(sputtering) 방법 및 분자빔 에피텍시(MBE) 등으로 증착가능한 어떠한 증착기로도 수행이 가능하다. 이때의 증착조건으로는 특별한 한정을 요하는 것은 아니나, 바람직하게는 증착온도는 -20℃∼-1,500℃, 증착시의 진공환경은 대기압 ∼ 10^-12 Torr 정도로 하는 것이 좋다.

위와 같은 과정을 통해 마그네슘이 도핑된 질화갈륨 반도체를 열처리한 후 얻어진 p형 질화갈륨반도체는 하기 표 1과 같은 특성을 가진다. 하기 표 1의 데이터는 상온에서의 (220)면 방향을 가지는 산화알루미늄 기판 위에 성장한 마그네슘이 도핑된 질화갈륨 반도체를 열처리하여 p형 질화갈륨 반도체를 형성한 후, 적층된 산화아연 반도체를 열처리한 후에 전기적 특성을 측정한 결과이다.

<표 1>

홀 이동도	5㎤/V-S
홀 농도	3±017/㎤

상기 결과로부터 알수 있듯이, 아연산화물 반도체는 p형 질화갈륨의 오믹접촉으로서 그 유용성이 매우 큼을 알 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 바람직한 실시예로서 제시되는 오믹접촉공정의 절차도이다. 이를 참조하면, 본 발명에 따른 오믹접촉은 표면세척과 오믹측정용 패턴 형성을 통하여 얻어진 질화갈륨 반도체 위에 오믹전극인 아연산화물 반도체를 증착하고, 이를 열처리하는 과정을 통해 얻어질 수 있다. 이러한 단계는 후술하는 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 보다 상세하게 설명될 것이다. 다만 이들 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시되는 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 이들 실시예에 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 아니된다.

<실시예 1>

p형 질화갈륨반도체는 1000℃에서 MOCVD (Metalorganic chemical vapor deposition)방법으로 사파이어 기판에 증착을 하였다. 이때 p형 질화갈륨반도체의 두께는 1㎛로 하였다. 급속열처리장치를 이용하여 800℃에서 5분간 열처리를 수행한 후의 p형 질화갈륨 반도체를 트리클로로에칠렌(TCE), 아세톤, 에탄올, 메탄올, 증류수 순으로 초음파세척기 안에서 5분씩, 마지막으로 buffered oxide etchant(BOE)를 이용하여 초음파세척기 안에서 3분 세척한 후, 사진공정을 통하여 c-TLM 패턴을 형성하였다. 이렇게 준비된 반도체 기판을 진공챔버 속에 장입하여 PVD(physical vapor deposision)를 통하여 아연산화물 반도체를 연속적으로 증착하였다. 아연산화물 반도체의 증착과정은 먼저, 화합물 반도체가 증착된 기판위에 아연산화물 타겟을 이용하여 상온에서 스퍼터링을 통해 수행되었다. 이때, 얻어진 아연산화물 반도체는 200 nm의 두께를 지니며, 여기에 코도핑 공정(codoping)을 이용하여 불순물인 인(P)을 아연산화물 반도체에 3％정도가 되도록 도핑하였다.

상기와 같이 금속층을 형성한 후 아세톤으로 리프트오프(lift-off) 공정을 수행하여 오믹 다이오드를 제작하였으며, 최적의 오믹 조건을 찾기 위하여 급속가열로(Rapid Thermal Annealing; RTA)에서 산화 분위기 하에서 약 900℃ 온도로 약 30초간 열처리하여 6.49×10^-4 Ω㎠의 접촉저항을 갖는 저(低) 저항 오믹접촉을 얻었다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 아연 산화물 반도체의 오믹접촉 형성에 의한 전류-전압 특성을 나타낸 것으로, (310)의 직선은 열처리하기 전의 전류-전압 그래프이며, (320)의 직선은 열처리 후의 전류-전압 그래프이다. 도 4를 참조하면, 오믹접합이 형성되었음을 확인할 수 있다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 인이 도핑된 아연 산화물 반도체의 투광성을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 아연 산화물 반도체의 투광성은 440 ~ 500nm에서 약 95％이상을 나타내는 반면, 기존의 기술에서 사용되어지는 Ni/Au 금속층의 투광성은 같은 파장영역에서 60 ∼ 75％이었다. 따라서 질화갈륨을 이용한 발광소자에서 발광효율을 더 높일 수 있었다. 또한, 아연 산화물 반도체의 녹는점은 2000℃이상이므로 열적 안정성이 나쁜 Ni/Au 금속층보다 열적 안정성이 매우 높다.

전술한 실시예에서는 p형 질화갈륨 반도체 위에 증착된 인이 도핑된 아연 산화물 반도체위의 오믹 특성 및 인(P)이 도핑된 아연산화물 반도체의 투광성을 나타냈으나, 인(P)을 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 질소(N), 비소(As), 안티모니(Sb), 비스무스(Bi), 알루미늄(Al), 갈륨(Ga), 인듐(In), 주석(Sn) 중에서 선택되는 1종 이상의 금속 및 여타의 다른 금속으로 도핑하여도 동일한 결과를 얻을 수 있다.

본 발명에 의하면 불순물이 도핑된 아연산화물 반도체를 이용하여 반도체 발광소자 및 전자소자를 구현할 수 있고, 열적 안정성이 우수하여 고온에서도 소자성 능의 저하없이 오믹접촉의 형성이 가능하다. 또한, 우수한 투광성을 가지는 아연산화물 반도체를 투명오믹전극으로 함으로써 발광다이오드 및 레이저 다이오드 등의 발광소자의 광특성 효율을 월등하게 향상시킬 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (13)

1. 화합물 반도체를 기판에 적층하는 단계; 화합물 반도체 층의 상부에 아연산화물층을 적층하는 단계; 상기 아연 산화물층을 정공 또는 전자공여체의 불순물로 p형으로 도핑하는 단계; 및 아연 산화물 층에 도핑된 불순물의 활성화가 가능하도록 열처리하는 단계를 포함하고, 상기 화합물 반도체층은 p형 Al_xGa_yIn_zN(단, 0≤x,y,z≤1, x+y+z=1)인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체용 오믹접촉의 제조방법
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 화합물 반도체층은 불순물로 Be, Mg, Ca, Zn, Cd의 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소가 도핑되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제조방법
4. 제 1항에 있어서, 아연 산화물층에 도핑되는 불순물은 N, P, As, Sb, Bi의 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이거나 또는 Li, Na, K의 군에서 선택되는 1종 이상의 원소와 Al, Ga, In, Sn의 군에서 선택되는 1종 이상의 원소가 혼합된 것인 것을 특징으로 하는 제조방법
5. 제 1항 내지 제 4항에서 선택되는 어느 한 항에 있어서, 아연산화물층의 두 께는 1∼5,000nm로 함을 특징으로 하는 제조방법
6. 제 1항 내지 제 4항에서 선택되는 어느 한 항에 있어서, 아연산화물층의 열처리과정은 100℃∼1200℃에서 수행되어짐을 특징으로 하는 제조방법
7. 화합물 반도체를 기판에 적층하는 단계; 화합물 반도체 층의 상부에 중간삽입층을 적층하는 단계; 상기 중간 삽입층의 상부에 아연산화물층을 적층하는 단계; 상기 아연 산화물층을 정공 또는 전자공여체의 불순물로 p형으로 도핑하는 단계; 및 아연 산화물층에 도핑된 불순물의 활성화가 가능하도록 열처리하는 단계를 포함하고, 상기 화합물 반도체층은 p형 Al_xGa_yIn_zN(단, 0≤x,y,z≤1, x+y+z=1)인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체용 오믹접촉의 제조방법
8. 삭제
9. 제 7항에 있어서, 중간삽입층은 Ni, Co, Cu, Pd, Pt, Ru, Rh, Ir, Ta, Cr, Mn, Mo, Tc, W, Re, Fe, Sc, Ti, Sn, Ge, Sb, Al, Ag, Zn, La 계열 원소의 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소 또는 이들의 산화물을 포함함을 특징으로 하는 제조방법
10. 제 7항에 있어서, 화합물 반도체층은 불순물로 Be, Mg, Ca, Zn, Cd의 군에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소가 도핑되는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 제조방법
11. 제 7항에 있어서, 아연 산화물층에 도핑되는 불순물은 N, P, As, Sb, Bi의 군에서 선택되는 1종 이상의 원소이거나 또는 Li, Na, K의 군에서 선택되는 1종 이상의 원소와 Al, Ga, In, Sn의 군에서 선택되는 1종 이상의 원소가 혼합된 것인 것을 특징으로 하는 제조방법
12. 제 7항 내지 제 11항에서 선택되는 어느 한 항에 있어서, 아연산화물층의 두께는 1∼5,000nm로 함을 특징으로 하는 제조방법
13. 제 7항 내지 제 11항에서 선택되는 어느 한 항에 있어서, 아연산화물층의 열처리과정은 100℃∼1200℃에서 수행되어짐을 특징으로 하는 제조방법

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