KR100624411B1 - 질화물계 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

질화물계 발광소자 및 그 제조방법은 P형 클래드층과 반사층 사이에 아연, 인듐, 주석 중 적어도 하나의 금속 또는 합금으로 형성된 금속층이 개재되어 있고, 금속층 및 반사층 형성 이후에 열처리공정을 거쳐 제작된다. 이러한, 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, p형 클래드층과의 오믹접촉 특성이 개선되어 발광소자의 패키징 시 와이어 본딩 효율 및 수율을 높일 수 있고, 낮은 비접촉 저항과 우수한 전류-전압 특성에 의해 소자의 발광효율 및 소자 수명을 향샹시킬 수 있는 장점을 제공한다.

Description

질화물계 발광소자 및 그 제조방법{light emitting device and method of manufacturing the same}
도 1은 본 발명의 일 실시예예 따른 P형 전극구조체를 나타내 보인 단면도이고,
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 P형 전극구조체를 나타내 보인 단면도이고,
도 3 내지 도 5는 도 1의 P형 전극구조체에서 금속층 및 반사층의 막 두께를 달리하여 제작된 적층구조체에 대해 열처리 전과 후에 대해 측정한 전류-전압 특성을 나타내 보인 그래프이고,
도 6은 p형 클래드층 상부에 아연-니켈 합금/은을 증착시킨 후 공기 분위기 하에서 500℃로 , 1분간 열처리 한 후의 Auger depth profiles 특성을 나타내 보인 그래프이고,
도 7은 도 6의 P형 전극구조체를 열처리 한 후 변화된 층구조를 보여주는 단면도이고,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 P형 전극구조체가 적용된 발광소자의 일 예를 나타내 보인 단면도이고,
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 P형 전극구조체가 적용된 발광소자 의 또 다른 예를 나타내 보인 단면도이고,
도 10은 InGaN 구조를 갖는 청색 발광 다이오드에 아연-니켈 합금/은을 증착시킨 후 공기 분위기 하에서 열처리하여 제작된 소자와 은만을 증착한 소자와의 전류-전압 특성을 비교하여 나타내 보인 그래프이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10: 기판 20: P형 클래드층
30: 금속층 40: 반사층
본 발명은 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 양자효율을 증가시킬수 있는 오믹접촉구조를 갖는 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
질화물계 화합물 반도체 예를 들면 질화갈륨(GaN) 반도체를 이용한 발광다이오드 또는 레이저 다이오드와 같은 발광소자를 구현하기 위해서는 반도체와 전극간의 오믹접촉구조가 매우 중요하다. 현재 상업적으로 이용할 수 있는 질화갈륨계 발광소자는 절연성 사파이어(Al2O3) 기판 위에 형성된다.
이러한 질화갈륨계 발광소자는 탑-에미트형 발광다이오드(top-emitting light emitting diodes; TLEDS)와 플립칩 발광다이오드(flip-chip light emitting diodes: FCLEDS)로 분류된다.
탑에미트형 발광다이오드는 p형 클래드층과 접촉하고 있는 오믹 전극층을 통해 광이 출사되게 형성되고, p형 클래드층의 낮은 전기 전도성은 투명하고 저 저항값을 지닌 오믹전극층을 통해 원할한 전류주입(current injection)을 제공한다.
이러한 탑에미트형 발광다이오드는 일반적으로 p형 클래드층 위에 니켈(Ni)층과 금(Au)층을 순차적으로 적층한 구조가 이용되고 있다.
니켈층은 산소(O2)분위기에서 열처리하여 10-3 ~ 10-4 Ω㎠ 정도의 비접촉저항을 갖는 반투명 오믹접촉층(semi-transparent ohmic contact layer)을 형성하는 것으로 알려져 있다.
이러한 반투명 오믹접촉층의 낮은 비접촉저항은 500℃ 내지 600℃ 정도의 온도 및 산소분위기에서 열처리할 때 p형 클래드층을 이루고 있는 질화갈륨과 오믹접촉층으로 적용된 니켈층의 계면에서 p형 반도체 산화물인 니켈산화물(NiO)이 섬(island) 모양으로 형성되어 있는 금(Au) 사이 및 상층부에 형성되어 있어 쇼트키 장벽의 높이(Schottky barrier height:SBH)를 감소시키게 되어 p형 클래드층 표면부근에 다수캐리어인 홀(hole)을 용이하게 공급한다. 그 결과, p형 클래드층 표면 부근에서의 실효 캐리어농도(effective carrier concentratin)를 증가시킨다.
또한, 니켈층/금층을 p형 클래드층 위에 형성 후, 열처리하면 Mg-H 금속간 화합물을 제거하여 질화갈륨 표면에서 마그네슘 도펀트(dopant) 농도를 증가시키는 재활성화(reactivation) 과정을 통해서 p형 클래드층의 표면에서 이러한 실효캐리어 농도가 1019 이상이 되게 하여 p형 클래드층과 산화니켈을 함유한 오믹 전극층 사 이에 터널링 전도를 일으켜 오믹전도 특성을 보이는 것으로 이해되고 있다.
그런데, 니켈/금으로 형성되는 반투명 전극박막을 이용한 탑에미트형 발광다이오드는 광이용효율이 낮아 대용량 및 고휘도 발광소자를 구현하기는 어렵다.
최근에는 대용량 고휘도 발광소자 구현을 위해 고 반사층소재로 각광 받고 있는 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)을 이용한 플립칩 방식의 발광소자 개발의 필요성이 대두되고 있다.
하지만 이들 금속은 높은 반사효율을 지니고 있기 때문에 일시적으로 높은 발광효율을 제공할 수 있지만 작은 일함수(work function) 값을 갖는 특성 때문에 저 저항값을 지닌 오믹접촉 형성이 어려워 소자수명이 짧고 질화갈륨과의 접착성이 나빠 소자의 안정적인 신뢰성을 제공하지 못하는 문제점들이 있다.
이러한 문제를 해결하고자 낮은 비접촉 저항값을 갖으면서도 높은 반사율을 제공하는 오믹컨택트층의 개발이 활발하게 연구되고 있다.
미국공개특허 2002-0190260A1에는 p형 클래드층 위에 니켈/은을 순차적으로 적층한 구조가 개시되어 있으나, 열처리시 접촉저항이 높고, 접착성이 낮은 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 낮은 저항특성과 높은 반사율을 제공할 수 있는 전극구조체를 갖는 질화물계 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 질화물계 발광소자는 n형 클래드층과 p형 클래드층 사이에 발광층을 갖는 질화물계 발광소자에 있어서, 상기 발광층으로부터 출사된 광을 반사하는 반사층; 및 상기 반사층과 상기 p형 클래드층 사이에 인듐, 주석을 포함하는 제1군 금속중 어느 하나의 금속을 포함하여 형성된 적어도 하나의 금속층;을 구비한다.
삭제
본 발명의 또 다른 측면에 따르면 상기 금속층은 상기 제1군 금속중 선택된 어느 하나의 금속에, 니켈, 코발트, 구리, 팔라듐, 백금, 루데늄, 로듐, 이리듐, 탄탈늄, 레늄, 텅스텐, 란탄계열 금속을 포함하는 제2군 금속 중 선택된 어느 하나의 금속이 첨가되어 형성된다.
상기 제1군 금속에 대한 상기 제2군 금속의 첨가비는 0.1 내지 51 오토믹퍼센트인 것이 바람직하다.
또한, 상기 반사층은 은 또는 로듐으로 형성된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면 상기 금속층은 상기 p형 클래드층 위에 형성된 제1금속층과; 상기 제1금속층과 상기 반사층 사이에 형성된 제2금속층;을 포함하고, 상기 제1금속층은 니켈, 코발트, 구리, 팔라듐, 백금, 루데늄, 로듐, 이리듐, 탄탈늄, 레늄, 텅스텐, 란탄계열 금속을 포함하는 제2군 금속중 선택된 어느 하나의 금속으로 형성되고, 상기 제2금속층은 인듐, 주석을 포함하는 제1군 금속 중 선택된 어느 하나의 금속을 포함하여 형성된다.
상기 제2금속층은 상기 제1군 금속 중 선택된 어느 하나의 금속에, 상기 제2 군 금속 중 선택된 어느 하나의 금속이 더 포함되어 형성될 수 있다.
바람직하게는 상기 금속층 및 반사층의 두께는 0.1 나노미터 내지 10마이크로미터로 형성된다.
상기 n형 클래드층 하부에는 기판이 형성되어 있고, 상기 기판은 사파이어 또는 실리콘 카바이드와 같은 광을 투과하는 소재로 형성된다.
또한 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 제조방법은 가. 기판 위에 n형 클래드층, 발광층 및 p형 클래드층을 순차적으로 적층된 발광구조체의 상기 p형 클래드층 위에 인듐, 주석을 포함하는 제1군 금속중 어느 하나의 금속으로 적어도 하나의 금속층을 형성하는 단계와; 나. 상기 금속층 위에 반사층을 형성하는 단계; 및 다. 상기 나 단계를 거친 적층 구조체를 열처리하는 단계;를 포함한다.
상기 열처리단계는 20℃ 내지 700℃에서 수행되는 것이 바람직하고, 상기 적층구조체가 내장된 반응기 내에 질소, 아르곤, 헬륨, 산소, 수소, 공기 중 적어도 하나를 포함하는 기체 분위기에서 수행되는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 질화물계 발광소자 및 그 제조방법을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예예 따른 P형 전극구조체를 나타내 보인 단면도이다.
도면을 참조하면, p형 전극구조체(30)(40)는 금속층(30) 및 반사층(40)을 구비한다.
도시된 예에서는 Ⅲ족 질화물계로 구현되는 발광소자의 발광층을 중심으로 상호 대향되게 형성되는 n형 클래드층과 p형 클래드층 중 오믹특성 개선이 요구되는 p형 클래드층과 p형 전극구조체간의 특성을 실험하기 위하여 기판(10) 위에 Ⅲ족 질화물계 p형 클래드층(20)을 형성시키고, p형 클래드층(20) 위에 금속층(30) 및 반사층(40)을 순차적으로 적층시킨 구조가 도시되어있다.
p형 클래드층(20)은 Ⅲ족 질화화합물에 p형 도펀트가 첨가된 것이 적용된다.
여기서, Ⅲ족 질화화합물은 일반식인 AlxInyGazN(0≤x≤1,0≤y≤1,0≤z≤1, 0≤x+y+z≤1)로 표현되는 화합물을 말한다.
또한, p형 도펀트는 Mg, Zn, Ca,Sr, Ba 등이 적용될 수 있다.
금속층(30)은 p형 클래드층(30)과 반응성이 좋은 금속 또는 합금이 적용된다.
금속층(30)에 적용되는 바람직한 소재로서는 p형 클래드층(20)의 실효 캐리어 농도를 높일 수 있고, p형 클래드층(20)을 이루고 있는 화합물 중 질소 이외의 성분과 우선적으로 반응성이 좋은 금속이 적용된다. 예를 들면 GaN계 화합물이 적용되는 경우 금속층(30)은 질소보다 갈륨(Ga)에 대해 우선적으로 반응이 되는 금속이 적용된다.
이 경우, 일 예로서 질화갈륨(GaN)을 주성분으로 하는 p형 클래드층(20)의 경우 앞서 설명된 특성을 갖는 금속층(30)에 의해 p형 클래드층(20)의 갈륨(Ga)과 금속층(30)의 반응에 의해 p형 클래드층(30)의 표면에 갈륨 공공(vacancy)을 형성하게 된다. p형 클래드층(20)에 형성되는 갈륨 공공은 p형 도펀트로 작용하므로 p 형 클래드층(20)과 금속층(30)과의 반응에 의해 p형 클래드층(20) 표면의 실효 p형 캐리어 농도를 증가시키게 된다.
이러한 조건을 만족시킬 수 있는 금속층(30)은 인듐(In), 주석(Sn)을 포함하는 제1군 금속중 선택된 어느 하나의 금속으로 형성한다.
또 다르게는 금속층(30)은 제1군 금속중 선택된 어느 하나의 금속을 주성분으로하고, 제2군 금속중 선택된 어느 하나의 금속을 첨가한 합금으로 형성할 수 있다.
제2군 금속으로서는 니켈(Ni), 코발트(Co), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 루데늄(Ru), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 탄탈늄(Ta), 레늄(Re), 텅스텐(W), 란탄(La)계열 금속을 포함한다.
바람직하게는 제1군 금속에 대한 제2군 금속의 첨가비는 0.1 내지 51 오토믹(atomic)퍼센트 범위내에서 적용된다.
반사층(40)은 p형 전극구조체에서 최상층에 해당하고, 플립칩 발광소자 제작공정에서 일반적으로 적용되는 온도 범위인 300℃ 내지 600℃에서 표면퇴화(surface degradation) 발생이 억제되고, 산화에 안정하며, 특성이 변화지 않으면서도 높은 반사능을 그대로 지닐 수 있는 물질을 적용한다.
바람직하게는 반사층(40)은 이러한 조건을 만족시키는 은(Ag) 또는 로듐(Rh)으로 형성한다.
더욱 바람직하게는 금속층(30) 및 반사층(40)의 두께는 0.1 나노미터 내지 10마이크로미터 정도로 형성된다.
금속층(30) 및 반사층(40)은 공지된 다양한 증착방법 예를 들면 PVD(physical vapor deposition), CVD(chemical vapor deposition), PLD(plasma laser deposition), 이중형의 열증착기(dual-type thermal evaporator), 스퍼터링(sputtering) 등에 의해 형성하면 된다.
증착온도는 통상 20℃ 내지 1500℃ 범위내에서 수행되고, 반응기 내의 압력은 대기압 내지 10-12토르(torr)정도에서 수행된다.
또한, 금속층(30) 및 반사층(40)은 증착 후 열처리공정을 거친다.
열처리(annealing)는 20 ℃ 내지 700℃에서 진공 또는 가스 분위기에서 1초 내지 10시간 정도 열처리한다.
열처리시 반응기 내에 투입되는 가스는 질소, 아르곤, 헬륨, 산소, 수소, 공기 중 적어도 하나 이상의 기체가 적용될 수 있다.
이하에서는 이러한 p형 전극구조체를 제조하는 공정의 실시 예를 설명한다. 다만, 본 발명은 이들 실시 예를 통해 예시된 공정에 국한되는 것은 아니다.
먼저, 기판(10)위에 질화갈륨(GaN)을 주성분으로 한 p-형 클래드층(20)이 형성된 구조체를 트리클로로에틸렌, 아세톤, 메탄올, 증류수로 초음파 세척기(ultrasonic bath) 안에서 60℃에서 각각 5 분씩 표면 세척한 후, 시료에 남아 있는 수분을 제거하기 위하여 100℃ 에서 10분 동안 하드 베이킹(hard baking)을 하였다.
이후, 포토레지스트(photo-resist)를 p형 클래드층(20) 위에 4,500 rpm에서 스핀코팅(spin coating)하였다. 그 후 85℃ 에서 15분 동안 소프트 베이킹 (soft baking)하고 마스크 패턴을 현상하기 위하여 마스크와 시료를 일치(align) 시킨 다음에 22.8 mW의 강도의 자외선(UV)에 15초 동안 노출시키고, 현상액과 증류수의 비를 1:4로 혼합한 용액 속에 시료를 침지시켜 25초 정도 경과시켜 현상하였다.
그 후, BOE 용액을 이용해 현상된 시료에 있는 오염층을 제거하기 위하여 5분간 침지 시켰으며, 전자빔 증착기(electron-beam evaporator)를 이용하여 아연-니켈 합금을 10nm두께로 금속층(30)을 증착하고, 은을 10nm두께로 하여 반사층(40)을 증착한 다음, 아세톤으로 리프트 오프(lift-off) 공정을 거친 후, 급속 가열로 (rapid thermal annealing : RTA)안에 시료를 넣어 공기 분위기 하에서 500℃ 에서 1분 동안 열처리하여 오믹접촉 형성을 이용한 p형 전극구조체를 제조하였다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 p형 전극구조체가 도 2에 도시되어 있다.
앞서도시된 도면에서와 동일기능을 하는 요소는 동일 참조부호로 표기한다.
도면을 참조하면, 기판(10)위에 형성된 p형 클래드층(20) 위에 제1금속층(50), 제2금속층(30) 및 반사층(40)이 순차적으로 적층된 구조가 적용된다.
도 2에서도 앞서 설명된 바와 같이 Ⅲ족 질화물계 p형 클래드층(20)과 p형 전극구조체간의 특성을 실험하기 위하여 사파이어 기판(10) 위에 Ⅲ족 질화물계 p형 클래드층(20)을 형성시키고, p형 클래드층(20) 위에 제1금속층(50) 및 제2금속층(30) 및 반사층을 순차적으로 적층시킨 구조가 도시되어있다.
제1금속층(50)은 앞서 설명된 제2군 금속 즉, 니켈, 코발트, 구리, 팔라듐, 백금, 루데늄, 로듐, 이리듐, 탄탈늄, 레늄, 텅스텐, 란탄계열 금속 중 선택된 어느 하나의 금속으로 형성하는 것이 바람직하다.
제2금속층(30)은 앞서 도 1을 통해 설명된 금속층(30)과 동일한 요소로 형성하면 된다.
즉, 제2금속층(30)은 아연, 인듐, 주석을 포함하는 제1군 금속 중 선택된 어느 하나의 금속으로 형성된다.
또 다르게는 제2금속층은 제1군 금속 중 선택된 어느 하나의 금속을 주성분으로 하고, 앞서 열거된 제2군 금속 중 선택된 어느 하나의 금속이 첨가되어 형성될 수 있다.
바람직하게는 제1금속층(50), 제2 금속층(30) 및 반사층(40)의 전체 두께는 0.1 나노미터 내지 10마이크로미터 정도로 형성된다.
이러한 p형 전극구조체도 앞서 설명된 증착방법으로 증착 후 열처리과정을 거치면 된다.
이하에서는 질화갈륨(GaN)을 주성분으로 한 p형 클래드층(20) 위에 앞서 설명된 p형 전극구조체를 형성한 후에 대한 실험결과를 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명한다.
도 3 내지 도 5는 4-5×1017cm-3의 캐리어 농도를 갖는 질화갈륨(GaN)을 주성분으로 한 p형 클래드층(20)위에 아연-니켈합금으로 형성된 금속층(30) 및 은으로 형성된 반사층(40)을 두께를 달리 적용하여 각각 순차적으로 증착에 의해 형성시킨 후, 공기 분위기에서 열처리하기 전과 후에 대한 전기적 특성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 금속층(30) 두께가 10nm, 반사층(40)의 두께가 10nm로 적용된 경우이고, 도 4는 금속층(30) 두께가 2.5nm, 반사층(40)의 두께가 100nm로 적용된 경우이고, 도 5는 금속층(30)두께가 2.5nm, 반사층(40)의 두께가 200nm로 적용된 경우에 대한 전류-전압 특성을 측정한 결과이다.
도면들을 통해 알 수 있는 바와 같이 열처리(annealing) 전에 비해 열처리 후의 전류-전압 특성이 향상됨을 알 수 있고, 10-4~10-5Ωcm2정도의 낮은 비접촉저항을 갖는 것을 알 수 있다.
이와 같이 열처리 후의 비접촉저항 특성 향상원인을 살펴보기 위해 p형 클래드층(20) 위에 아연-니켈합금으로 10nm두께로 형성한 금속층(30) 및 은으로 10nm두께로 형성된 반사층(40)을 증착시킨 후, 공기 분위기에서 500℃로 1분간 열처리한 후, 오제분광기를 이용한 깊이에 따른 성분 분포(Auger depth profiles) 특성을 측정한 결과가 도 6에 도시되어 있다.
도 6에 도시된 성분분포도에 대응한 열처리 후의 변화된 층구조를 도식화한 도면이 도 7에 도시되어 있다.
도 6 및 도 7을 통해 알 수 있는 바와 같이 열처리를 하면 외부의 산소가 공급되어 아연과 니켈이 각각 아연 산화물 및 니켈 산호물로 생성되는 상변이를 발생한다. 또한 니켈 산화물과 은은 p형 클래드층(20)쪽으로 확산되어 p형 클래드층(20) 표면과 직접적인 접촉을 하는 제1금속산화물층(51)을 형성한다.
또한, 아연 산화물은 최상층으로 확산되어 제2금속 산화물층(31)을 형성하고, 제2금속산화물층(31)과 은을 포함한 제1금속산화물층(51)층 사이에 은을 주성분으로 하는 반사층(41)이 위치된다.
산화능을 나타내는 금속의 산화물 형성 엔탈피 값에서 은의 경우는 상온에서 -20 ~30KJ/Kmole 값이고, 니켈 금속의 경우는 -239kJ/kmole, 그리고 아연금속의 경우는 -350.9kJ/kmole 값을 갖는다. 따라서, 은 보다 수십 내지 수백 배나 큰 아연 및 니켈 금속들이 우선적으로 열처리 시에 산화물이 형성됨을 알 수 있다.
이러한 결과는 p형 클래드층(20) 박막형성 이후 열처리 공정시 야기되는 것으로, p형 클래드층(20) 표면 위에 잔류하면서 p형 클래드층(20)과 증착대상 금속층(30)간의 계면에서 캐리어 흐름에 장애물 역할을 하는 자연산화층인 갈륨산화물(Ga2O3)을 환원시킨다. 또한, 금속층(30)으로 적용된 금속은 산화되어 투명한 전도성 또는 반 전도성 산화물로 상변이(Phase transformation) 하여 투명 전도성 또는 반 전도성 금속산화물층(31)(51)을 형성시킴으로써, 쇼트키 장벽의 높이와 폭을 감소시킨다.
그 밖에도, 앞서 언급한 바와 같이 p형 클래드층(20) 표면위에 갈륨 공공의 형성, 자연산화층의 환원반응력 및 투명한 전도성 금속산화물층(31)(51) 형성에 의해 p형 클래드층(20)과 p형 전극구조체와의 계면에서 터널링 전도현상을 발생시킬 수 있다.
그 결과 p형 클래드층(20)에서 도판트 역할을 함으로써, p형 클래드층(20) 표면부근의 실효 홀 농도를 증가시킬 수 있게 된다.
또한, 공기 및 산소 분위기에서 열처리시 형성되는 아연산화물(ZnO)과 아연계 또는 마그네슘계 합금 또는 제2군 금속중에서 선택되어 투입된 금속의 산화물의 일함수값이 질화갈륨과 거의 같아서 p형 클래드층(20)과 접촉시 쇼트키 장벽의 높이를 낮추어 오믹접촉 특성향상 뿐만이 아니라 100%에 가까운 투과도를 제공한다.
또한, 최상층의 표면에는 아연산화물인 제2금속산화물층(31)이 형성되어 있고, p형 클래드층(20)과 직접적으로 접촉되는 제1금속산화물층(51)은 은 금속을 포함하고 있는 제2금속군 산화물(예를 들어, Ni-O, Co-O 등)로 형성되어 있어 쇼트키 장벽의 높이를 낮게 형성한다. 이렇게 감소된 쇼트키 장벽의 높이는 고품위 오믹 접촉을 이루게 하고, 이때 두꺼운 층인 은(Ag) 금속층(41)이 표면의 아연 산화물층인 제2금속산화물층(31)과 내부로 확산되어 있는 제2군금속 산화물인 제1금속산화물층(51)과의 중간에 삽입되어 있어 니켈의 전도성 향상의 기여 및 플칩칩 발광소자(FCLEDs) 구조에서 우수한 반사층(reflective layer)으로 작용할 수 있다.
도 8은 도 1의 p형 전극구조체가 적용된 발광소자의 일 예를 나타내 보인 도면이다.
도면을 참조하면, 발광소자는 기판(110), 버퍼층(120), n형 클래드층(130), 발광층(140), p형 클래드층(150), 금속층(230) 및 반사층(240)이 순차적으로 적층된 구조로 되어 있다.
참조부호 180은 p형 전극패드이고, 190은 n형 전극 패드이다.
기판(110)은 앞서 설명된 사파이어 또는 실리콘카바이드(SiC)로 형성된다.
버퍼층(120)은 생략될 수 있다.
버퍼층(120)부터 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 및 p형클래드층은 해당 도펀트가 첨가된다.
또한, 발광층(140)은 단층 또는 MQW층 등 공지된 다양한 방식으로 구성될 수 있다.
일 예로서 GaN화합물을 적용하는 경우, 버퍼층(120)은 GaN으로 형성되고, n형 클래드층(130)은 GaN에 n형 도펀트로서는 Si, Ge, Se, Te등이 첨가되어 형성되고, p형 클래드층(150)은 GaN에 P형 도펀트로서는 Mg, Zn, Ca,Sr, Ba 등이 첨가되어 형성된다.
각 층의 형성방법은 공지된 다양한 증착방법 예를 들면 PVD(physical vapor deposition), CVD(chemical vapor deposition), PLD(plasma laser deposition), 이중형의 열증착기(dual-type thermal evaporator), 스퍼터링(sputtering) 등에 의해 형성하면 된다.
전극층(230)은 앞서 도 1을 통해 설명된 제1군 금속 또는 제1군 금속에 제2군 금속을 첨가한 합금으로 형성되고, 반사층(240)은 은 또는 로듐으로 형성한 후 열처리과정을 거치면 된다.
또한, 도 2를 통해 설명된 전극 구조체가 적용된 발광소자가 도 9에 도시되어 있다.
앞서 도시된 도면에서와 동일기능을 하는 요소는 동일 참조부호로 표기한다.
도면을 참조하면, 발광소자는 기판(110), 버퍼층(120), n형 클래드층(130), 발광층(140), p형 클래드층(150), 제1금속층(350), 제2금속층(330), 반사층(340)을 구비한다.
제1금속층(350)은 앞서 도 2를 통해 설명된 제2군 금속중 어느 하나의 금속으로 형성된다.
제2금속층(330)은 앞서 도 1을 통해 설명된 제1군 금속 또는 제1군금속에 제2군 금속을 첨가하여 형성된다.
반사층(340)은 은 또는 로듐으로 형성된다.
이와 같은 p형 전극구조체가 InGaN을 주성분으로 하는 청색 발광다이오드에 적용한 경우와 p형 클래드층위에 단순히 은으로 반사층을 형성한 경우에 대한 전류-전압 특성 측정 비교 결과가 도 10에 도시되어 있다.
도면을 통해 알수 있는 바와 같이 본 발명의 p형 전극구조체가 적용된 발광소자의 전기적 특성이 월등히 향상됨을 보여준다.
즉, InGaN 구조를 갖고 있는 청색발광다이오드에 p형전극구조체로서 아연-니켈 합금을 2.5nm 두께로 형성한 금속층(230) 및 은을 100nm두께로 형성한 반사층(240)을 갖는 구조는 20 mA에서 작동전압이 3.25 V 값을 나타내고 있지만, 단지 은 금속만을 100nm정도 증착시킨 경우에는 이보다 훨씬 큰 작동전압을 갖는 다.
특히 단지 은 금속만을 100nm정도 증착시킨 후 공기 분위기 하에서 열처리한 경우에는 열처리 전 보다 훨씬 큰 작동전압을 갖고, 상당한 전기적인 퇴화현상(degradation)을 나타낸다.
이하 실시 예를 통하여 발광소자의 제조예를 설명한다. 다만, 본 발명이 이들 실시 예에 국한되는 것은 아니다.
먼저, p형 전극구조체를 증착하기 전까지의 GaN을 주성분으로 한 기판, 버퍼층, n형 클래드층 발광층 및 p형 클래드층까지 적층된 발광구조체의 p형 클래드층(150)의 표면처리와 전자빔 리쏘그라피 공정은 앞서 실시예에 기술된 방식과 동일하게 적용하였다.
그리고, 표면처리 및 전자빔 리쏘그라피 공정 이후 아연-니켈 합금을 2.5 nm두께로 하여 금속층(230)을 형성 하고, 그 위에 은을 100 nm두께로 증착한 후, 아세톤으로 리프트 오프(lift-off) 공정을 거친 후, 급속 가열로 (rapid thermal annealing : RTA)안에 시료를 넣어 공기 분위기 하에서 500 에서 1분 동안 열처리하여 오믹접촉 형성을 이용한 발광 다이오드를 제조하였다.
지금까지 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, p형 클래드층과의 오믹접촉 특성이 개선되어 발광소자의 패키징 시 와이어 본딩 효율을 및 수율을 높일 수 있고, 낮은 비접촉 저항과 우수한 전류-전압 특성에 의해 소자의 발광효율 및 소자 수명이 향샹시킬 수 있는 장점을 제공한 다.

Claims (26)

  1. n형 클래드층과 p형 클래드층 사이에 발광층을 갖는 질화물계 발광소자에 있어서,
    상기 발광층으로부터 출사된 광을 반사하는 반사층; 및
    상기 반사층과 상기 p형 클래드층 사이에 인듐, 주석을 포함하는 제1군 금속중 어느 하나의 금속을 포함하여 형성된 적어도 하나의 금속층;을 구비하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  2. 삭제
  3. 제2항에 있어서, 상기 금속층은 상기 제1군 금속중 선택된 어느 하나의 금속에, 니켈, 코발트, 구리, 팔라듐, 백금, 루데늄, 로듐, 이리듐, 탄탈늄, 레늄, 텅스텐, 란탄계열 금속을 포함하는 제2군 금속 중 선택된 어느 하나의 금속이 첨가된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1군 금속에 대한 상기 제2군 금속의 첨가비는 0.1 내지 51 오토믹퍼센트인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 반사층은 은으로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  6. 제1항에 있어서, 상기 반사층은 로듐으로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  7. 제1항에 있어서, 상기 금속층은
    상기 p형 클래드층 위에 형성된 제1금속층과;
    상기 제1금속층과 상기 반사층 사이에 형성된 제2금속층;을 포함하고,
    상기 제1금속층은 니켈, 코발트, 구리, 팔라듐, 백금, 루데늄, 로듐, 이리듐, 탄탈늄, 레늄, 텅스텐, 란탄계열 금속을 포함하는 제2군 금속중 선택된 어느 하나의 금속으로 형성되고,
    상기 제2금속층은 인듐, 주석을 포함하는 제1군 금속 중 선택된 어느 하나의 금속을 포함하여 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제2금속층은 상기 제1군 금속 중 선택된 어느 하나의 금속에, 상기 제2군 금속 중 선택된 어느 하나의 금속이 더 포함되어 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  9. 제1항에 있어서, 상기 금속층 및 반사층의 두께는 0.1 나노미터 내지 10마이크로미터 인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  10. 제1항에 있어서, 상기 n형 클래드층 하부에 기판이 형성되어 있고,
    상기 기판은 광을 투과하는 소재로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  11. 제1항에 있어서, 상기 기판은 사파이어인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
  12. n형 클래드층과 p형 클래드층 사이에 발광층을 갖는 질화물계 발광소자의 제조방법에 있어서,
    가. 기판 위에 n형 클래드층, 발광층 및 p형 클래드층이 순차적으로 적층된 발광구조체의 상기 p형 클래드층 위에 인듐, 주석을 포함하는 제1군 금속 중 선택된 어느 하나의 금속으로 적어도 하나의 금속층을 형성하는 단계와;
    나. 상기 금속층 위에 반사층을 형성하는 단계; 및
    다. 상기 나 단계를 거친 적층 구조체를 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
  13. 삭제
  14. 제13항에 있어서, 상기 금속층은 상기 제1군 금속 중 선택된 어느 하나의 금속에 니켈, 코발트, 구리, 팔라듐, 백금, 루데늄, 로듐, 이리듐, 탄탈늄, 레늄, 텅스텐, 란탄계열 금속을 포함하는 제2군 금속 중 선택된 어느 하나의 금속을 더 포함하여 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제1군 금속에 대한 상기 제2군 금속의 첨가비는 0.1 내지 51 오토믹퍼센트인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
  16. 제12항에 있어서, 상기 반사층은 은으로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
  17. 제12항에 있어서, 상기 반사층은 로듐으로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
  18. 제12항에 있어서, 상기 금속층 형성단계는
    상기 p형 클래드층 위에 제1금속층을 형성하는 단계와;
    상기 제1금속층 위에 제2금속층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 제1금속층은 니켈, 코발트, 구리, 팔라듐, 백금, 루데늄, 로듐, 이리듐, 탄탈늄, 레늄, 텅스텐, 란탄계열 금속을 포함하는 제2군 금속중 선택된 어느 하나의 금속으로 형성되고,
    상기 제2금속층은 인듐, 주석을 포함하는 제1군 금속 중 선택된 어느 하나의 금속으로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제2금속층은 상기 제1군 금속 중 선택된 어느 하나의 금속에, 상기 제2군 금속 중 선택된 어느 하나의 금속을 더 포함하여 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
  20. 제12항에 있어서, 상기 금속층 및 반사층의 두께는 0.1 나노미터 내지 10마이크로미터로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
  21. 제12항에 있어서, 상기 n형 클래드층 하부에 기판이 형성되어 있고,
    상기 기판은 광을 투과시킬 수 있는 소재로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 기판은 사파이어인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
  23. 제12항에 있어서, 상기 열처리단계는
    20℃ 내지 700℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
  24. 제23항에 있어서, 상기 열처리단계는 상기 적층구조체가 내장된 반응기 내에 질소, 아르곤, 헬륨, 산소, 수소, 공기 중 적어도 하나를 포함하는 기체 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
  25. 제24항에 있어서, 상기 열처리단계는 상기 적층구조체가 내장된 반응기 내를 진공상태로 유지한 상태에서 수행되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
  26. 제23항에 있어서, 상기 열처리단계는 1초 내지 10시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
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