KR100630306B1 - 질화물 발광 다이오드 및 그의 제조 방법 - Google Patents

질화물 발광 다이오드 및 그의 제조 방법 Download PDF

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질화물 발광 다이오드 및 그의 제조 방법이 개시된다. 상기 질화물 발광 다이오드는, 티타늄 질화물계 물질로 이루어진 P형 전극, N형 전극 및 P형 투명 접촉 층을 가진다. 상기 티타늄 질화물계 물질은 우수한 오믹 접촉 특성 및 투명성을 가질 뿐만 아니라 뛰어난 열적 안정성을 가지므로, 발광 다이오드의 열적 안정성이 효과적으로 개선될 수 있다.
질화물, 발광 다이오드, 열적 안정성, 접촉층, 질소 분위기 어닐링

Description

질화물 발광 다이오드 및 그의 제조 방법{Nitride light-emitting diode and method for manufacturing the same}
도 1은 통상적인 발광 다이오드의 단면도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드의 단면도를 나타낸다.
본 발명은 질화물 발광 다이오드 및 그의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 우수한 열적 안정성을 가지는 질화물 발광 다이오드 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
발광 다이오드는 반도체 물질을 사용하여 형성되는 장치이다. 발광 다이오드는 전기적 에너지를 광에너지로 변환할 수 있는 미세한 고체 상태 광원의 일종이다. 발광 다이오드는 부피가 작고, 수명이 길며, 구동 전압이 낮고, 빠른 응답속도를 가지며, 내진성이 있는 점 등을 포함하는 많은 장점이 있고 또한 가볍고 얇으며 그리고 각종 장치의 소형화 필요성을 만족시킬 수 있어서 일상 생활에 있어서 매우 대중적인 전자 제품이 되었다.
최근에는, GaN, AlGaN, InGaN 및 AlInGaN 등과 같은 질화물 계열 반도체를 이용한 발광 다이오드에 많은 관심이 집중되고 있다. 보통, 전술한 타입의 발광 다이오드의 대부분은 전기적으로 절연체인 사파이어 기판 상에서 성장하는데, 이것은 도전성 기판을 이용하는 다른 발광 다이오드와 다른 점이다.
도 1을 참조하면, 도 1은 통상적인 발광 다이오드의 단면도를 나타낸다. 통상의 발광 다이오드 (100)에서는, 먼저 버퍼층(104)이 투명 기판(102) 상에 형성된다. N형 반도체층(106), N형 클래드층(108), 발광층(110), P형 클래드층(112) 및 P형 반도체층(114)은 버퍼층(104) 상에 순차적으로 에피텍셜법으로 성장된다. 다음, P형 반도체층(114)의 일 부분, P형 클래드층(112)의 일 부분, 발광층(110)의 일 부분 및 N형 클래드층(108)의 일 부분을 제거하기 위해서, 발광 다이오드(100)는 N형 반도체층(106)의 일 부분이 노출될 때까지 포토리소그래피 공정 및 식각 공정에 의해 패턴화된다. 공정 신뢰도를 향상시키기 위해서, N형 반도체층(106)의 일 부분이 패터닝 공정 도중에 제거된다. 다음, P형 투명 접촉층(116)이 P형 반도체층(114) 상에 형성된다. 연이어서, N형 전극(120) 및 P형 전극(118)이 각각 N형 반도체층(106)의 개방된 부분 및 P형 투명 접촉층(116)의 일 부분 상에 형성되어, 발광 다이오드를 형성한다.
종래의 발광 다이오드(100)에서, Ni층/Au층의 적층 구조체가 상기 P형 투명 접촉층(116)으로 채용되며, Ti층/Al층의 적층 구조체가 N형 전극(120)으로 통상 채용되고 그리고 전형적으로 Ni층/Au층의 적층 구조체가 상기 P형 전극(118)으로서 채용된다. Ni층/Au층의 적층 구조체의 P형 투명 접촉층(116) 및 P형 전극(118)의 경우에, P형 투명 접촉층(116) 및 P형 전극(118)은 통과성(penetrability)을 고려하여 매우 얇고, 따라서 P형 투명 접촉층(116)의 열적 안정성의 불량이 초래된다. 더욱이, Ti층/Al층의 적층 구조체인 N형 전극(120)에서, N형 전극(120)의 열적 안정성은 알루미늄의 열적 이동(thermal migration)에 의해 영향을 받아서 감소된다. 따라서, 매우 얇은 두께를 가지는 P형 투명 접촉층(116) 및 P형 전극(118)과 N형 전극(120)에서의 알루미늄의 열적 이동 성질 때문에, 발광 다이오드(100)의 열적 안정성은 감소된다. 그 결과로서, 발광 다이오드(100)의 동작 성능은 감소되고 발광 다이오드(100)의 수명은 장시간 동안 동작하는 동안 상당히 단축된다.
따라서, 본 발명의 하나의 목적은 티타늄 질화물계(titanium nitride-related) 물질이 P형 투명 접촉층 및 P형 전극의 물질로 채용되는 질화물 발광 다이오드를 제공하는 것이다. 티타늄 질화물계 물질은 투명한 성질을 가지고 양호한 오믹 접촉 능력을 제공할 뿐만 아니라 우수한 열정 안정성을 제공하므로, 발광 다이오드의 열적 안정성이 향상될 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 N형 전극 및 P형 전극이 티타늄 질화물계 물질로 이루어지는 질화물 발광 다이오드를 제공하는 것이다. 따라서 N형 전극 및 P형 전극은 양호한 오믹 접촉을 획득할 수 있고 그리고 나아가 우수한 열적 안정성을 가져서 발광 다이오드의 열정 안정성은 효과적으로 개선될 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 질화물 발광 다이오드의 제조 방법을 제공하는 것이다. 티타늄이 함유된 물질필름이 형성된 후, 티타늄 함유 물질필름은 질소 분위기 하에서의 어닐링 방법에 의해 티타늄 질화물계 물질층으로 변환되어서, P형 투명 접촉층, P형 전극 및 N형 전극의 물질이 된다. 티타늄 질화물계 물질의 열적 안정성은 우수하여서 발광 다이오드의 열적 안정성은 개선될 수 있고, 발광 다이오드의 동작 성능도 향상될 수 있으며, 그리고 발광 다이오드의 수명이 효과적으로 연장될 수 있다.
전술한 목적에 따라서, 본 발명은 질화물 발광 다이오드를 제공하며, 상기 질화물 발광 다이오드는 투명 기판; 상기 투명 기판 상에 위치하는 N형 반도체층; 상기 N형 반도체층의 일 부분에 위치하는 발광 에피텍셜 구조체, 여기서 상기 N형 반도체층의 다른 부분은 노출되어 있으며; 상기 발광 에피텍셜 구조체 상에 위치하는 P형 반도체층; 상기 P형 반도체층 상에 위치하는 P형 질화물 투명 접촉층; 상기 N형 반도체층의 상기 노출된 부분 상에 위치하는 N형 전극; 및 상기 P형 질화물 투명 접촉층의 일 부분 상에 위치하는 P형 전극을 포함하며, 여기서 상기 N형 전극 및 P형 전극은 티타늄 질화물계 물질을 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라서, 상기 N형 전극은 TiN층/Al-Si-Cu화합물층/TiN층의 적층 구조체이며, 상기 P형 전극은 TiN층/Au층의 적층 구조체일 수 있다.
전술한 목적에 따라서, 본 발명은 또한 질화물 발광 다이오드의 제조 방법을 제공한다. 상기 질화물 발광 다이오드 제조 방법은, 투명 기판 상에 N형 반도체층 을 형성하는 단계; 상기 N형 반도체층의 일 부분에 발광 에피텍셜 구조체를 형성하는 단계로서, 여기서 상기 N형 반도체층의 다른 부분은 노출되어 있으며; 상기 발광 에피텍셜 구조체 상에 P형 반도체층을 형성하는 단계; 상기 P형 반도체층 상에 P형 질화물 투명 접촉층을 형성하는 단계; 상기 N형 반도체층의 상기 노출된 부분 상에 N형 전극을 형성하는 단계; 및 상기 P형 질화물 투명 접촉층의 일 부분 상에 P형 전극을 형성하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 N형 전극 및 상기 P형 전극 물질은 티타늄 질화물계 물질을 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라서, 티타늄 질화물계 물질로 이루어진 N형 전극 및 P형 전극을 형성하는 단계에서, 티타늄 함유필름을 먼저 형성하고 그리고 질소분위기에서 어닐링 단계를 수행함으로써 상기 티타늄 함유필름을 티타늄 질화물계 화합물층으로 변환한다. 티타늄 함유필름의 어닐링 단계에서, 온도는 약 50℃ 내지 1000℃로 제어되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 약 300℃ 내지 700℃이다.
티타늄 질화물계 물질을 사용하여 P형 투명 접촉층, P형 전극 및 N형 전극을 제조함으로써, 티타늄 질화물계 물질은 투명성을 가지며 양호한 오믹 접촉력을 제공할 수 있으며 나아가 우수한 열적 안정성을 가진다. 따라서 발광 다이오드의 열적 안정성이 매우 개선되어서 동작 성능을 향상시키고 장치의 수명을 연장시키는 목적이 달성된다.
본 발명에 대한 전술한 관점 및 많은 부수적인 이점들은 첨부된 도면을 참조한 하기의 설명으로부터 보다 잘 이해될 것이다.
본 발명은 질화물 발광 다이오드 및 그의 제조 방법을 개시하며, 여기서 티타늄 질화물계 물질은 P형 투명 접촉층, P형 전극 및 N형 전극을 만드는데 사용된다. 티타늄 질화물계 물질은 투명하고, 우수한 오믹 접촉 및 우수한 열적 안정성을 가진다. 따라서 발광 다이오드의 열적 안정성이 향상되어서 동작 성능을 향상시키고 장치의 수명을 연장시키는 목적이 달성된다. 본 발명을 보다 명시적이고 완전하게 설명하기 위해서, 도 2를 참조로 아래의 설명이 서술된다.
도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 단면도이다. 발광 다이오드(200)는 예를 들면 질화물 발광 다이오드일 수 있다. 발광 다이오드(200)의 제조에 있어서, 처음에 투명 기판(202)이 준비된다. 전형적으로, 질화물 발광 다이오드에서, 투명 기판(20)의 물질은 예들 들면 사파이어가 사용될 수 있다. 다음, 후속 에피텍셜층을 성장시키기 위해서 버퍼층(204)이 투명 기판(202) 상에서 예를 들면 에피텍셜법에 의해 성장된다. 버퍼층의 물질은 예를 들면 GaN 일 수 있다. 버퍼층(204)이 형성된 후에, N형 반도체층(206)이 버퍼층(204) 상에서 예를 들면 에피텍셜법에 의해 성장되며, 여기서 N형 반도체층(206)의 물질은 바람직하게는 N형 GaN이다.
다음, N형 반도체층(206) 상에 N형 클래드층(208), 발광층(210) 및 P형 클래드층(122)를 순차적으로 형성하기 위해서 예를 들어 에피텍셜법에 의해서 발광 에피텍셜 구조체가 성장된다. 발광층(210)은 다중 양자 우물(Multiple quantum well:MQW)임이 바람직하다. 발광 에피텍셜 구조체가 형성된 후에, 발광 에피텍셜 구조체의 P형 클래드층(212) 상에서, P형 반도체층(214)이 예를 들면 에피텍셜법에 의해서 성장된다. P형 반도체층(214)의 물질은 바람직하게는 P형 GaN일 수 있다. P형 반도체층(214)이 형성된 후, 후속하여 형성되는 N형 전극(220)이 N형 반도체층(206)과 접촉하도록 N형 반도체층(206)의 일 부분이 노출될 때 까지 예를 들어서 포토리소그래피 공정 및 식각 공정을 이용하여 발광 다이오드(200)가 패터닝되어서, P형 반도체층(214)의 일 부분, P형 클래드층(212)의 일 부분, 발광층(210)의 일 부분 및 N형 클래드층(208)의 일 부분을 제거한다. 발광 다이오드(200)의 패터닝 단계에서, 패터닝 단계 후에 N형 반도체층(206)이 노출되는 것을 확실하게 하기 위해, 과도 식각(over-etching) 공정이 수행된다. 따라서 패터닝 단계에서는, 도 2에 도시된 것과 같이 N형 반도체층(206)의 일 부분이 제거된다.
이어서, 예를 들면 전기 도금법, 무전해 도금법(electroless plating method) 또는 증착법을 이용하여 P형 반도체층(214)을 덮도록 티타늄 함유 물질필름(미도시)을 형성한다. 다음, 질소분위기에서의 어닐링 단계가 수행되어서, 티타늄 함유 물질필름이 티타튬 질화물계 화합물층, 즉 P형 투명 접촉층(216)으로 변환된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 티타늄 함유 물질필름을 구성하는 물질은 예들 들어 티타늄, 티타늄-아연 합금 또는 티타늄-베릴륨 합금일 수 있다. 질소 분위기하에서의 어닐링 단계 이후에, TiN, TiNZn 또는 TiNBe와 같은 티타늄 질화물계 물질로 이루어진 P형 투명 접촉층(216)이 형성된다. 어닐링 단계에서, 반응 온도는 바람직하게는 50℃ 내지 1000℃, 더욱 바람직하게는 300℃ 내지 700℃이다.
본 발명의 일 특징은 티타늄 질화물계 물질이 P형 투명 접촉층(216)의 물질로서 사용되는 것이다. 우수한 오믹 접촉 및 투명성의 특징에 부가하여, 티타늄 질화물계 물질은 우수한 열적 안정성을 더욱 가지고 있다. 따라서, 티타늄 질화물계 물질을 적용함에 의해서, P형 투명 접촉층(216)의 열적 안정성은 매우 개선될 수 있다.
P형 투명 접촉층(216)이 형성된 후, N형 전극(220) 및 P형 전극(218)이 각각 N형 반도체층(206)의 노출된 부분 및 P형 투명 접촉층(216)의 일 부분에 형성되어서, 도 2에 도시된 것과 같이 질화물 발광 다이오드(200)의 제조가 완료된다. P형 전극(218) 및 N형 전극(220)의 구성 물질은 모두 티타늄 질화물계 물질로 이루어지며 그리고 티타늄 질화물계 물질은 바람직하게는 TiN, TiNZn 또는 TiNBe일 수 있다. 예를 들면, P형 전극(218)은 바람직하게 TiN층/Au층과 같은 티타늄 질화물계 물질층/Au층의 적층 구조체일 수 있으며, N형 전극(220)은 바람직하게 TiN층/Al-Si-Cu층/TiN층과 같은 티타늄 질화물계 물질층/Al-Si-Cu층/티타늄 질화물계 물질층의 적층 구조체일 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, P형 전극(218) 또는 N형 전극(220)의 티타늄 질화물계 물질이 제조될 때, 처음에 티타늄함유필름(미도시)이 예를 들어서 전기도금 증착법에 의해서 P형 투명 접촉층(216)의 일 부분 또는 N형 반도체층(206)의 노출된 부분 상에 형성된다. 그리고 질소분위기하에서 티타늄 함유필름에 대한 어닐링 단계가 수행되어서, 티타늄 함유필름을 티타늄 질화물 화합물층으로 변환시킨다. 본 발명에서, 티타늄 함유필름의 물질은 바람직하게는 예를 들어서 Ti, TiZn 또는 TiBe일 수 있다. 티타 늄 함유필름의 어닐링 단계에서, 반응온도는 50℃ 내지 1000℃ 에서 제어되는 것이 바람직하며 더욱 바람직하게는 300℃ 내지 700℃ 이다.
본 발명의 다른 특징은 티타늄 질화물계 물질이 P형 전극(218) 및 N형 전극(220)의 주 물질로 채용된다는 것이다. 우수한 오믹 접촉 및 투명성의 특징에 부가하여, 티타늄 질화물계 물질은 우수한 열적 안정성을 더욱 가지고 있다. 따라서, 발광 다이오드(200)의 열적 안정성은 효과적으로 향상될 수 있다.
전술한 설명에 따르면, 본 발명의 일 이점은 티타늄 질화물계 물질이 본 발명의 질화물 발광 다이오드의 P형 투명 접촉층 및 P형 전극의 물질로서 채용되는 점이다. 우수한 오믹 접촉 및 투명 특성 외에도 티타늄 질화물계 물질은 우수한 열적 안정성을 가진다. 따라서 발광 다이오드의 열적 안정성을 향상시키고자 하는 목적이 달성될 수 있다.
전술한 설명에 따르면, 본 발명의 다른 이점은 본 발명의 질화물 발광 다이오드의 N형 전극 및 P형 전극의 물질이 티타늄 질화물계 물질로 이루어진 점이다. 티타늄 질화물계 물질을 적용함으로써, N형 전극 및 P형 전극은 양호한 오믹 접촉 및 우수한 열적 안정성을 획득할 수 있다. 따라서 발광 다이오드 장치의 열적 안정성은 개선될 수 있고, 발광 다이오드 장치의 동작 성능은 향상되고 또한 발광 다이오드의 수명 연장의 목적이 달성될 수 있다.
당업자가 이해할 수 있 듯이, 전술한 본 발명의 바람직한 실시예는 본 발명 을 한정하지 않는 예시에 불과하며, 각종 변형 및 유사한 장치도 본 발명의 범위 및 첨부된 청구항의 범위 내의 것이며, 청구항의 범위는 모든 변형 및 유사한 구조를 모두 포함하도록 광의로 해석되어야 한다.

Claims (14)

  1. 투명 기판;
    상기 투명 기판 상에 위치하는 N형 반도체층;
    상기 N형 반도체층의 일 부분에 위치하는 발광 에피텍셜 구조체, 여기서 상기 N형 반도체층의 다른 부분은 노출되어 있으며;
    상기 발광 에피텍셜 구조체 상에 위치하는 P형 반도체층;
    상기 P형 반도체층 상에 위치하는 P형 투명 접촉층;
    상기 N형 반도체층의 상기 노출된 부분 상에 위치하는 N형 전극; 및
    상기 P형 투명 접촉층의 일 부분 상에 위치하는 P형 전극을 포함하고,
    여기서, 상기 N형 전극 및 상기 P형 전극 각각은 티타늄 질화물계 물질을 포함하고, 상기 N형 전극은 티타늄 질화물계 물질층/Al-Si-Cu층/티타늄 질화물계 물질층의 구조체인 것인 질화물 발광 다이오드.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 P형 투명 접촉층은 티타늄 질화물계 물질층인 것인 질화물 발광 다이오드.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 P형 투명 접촉층의 물질, 상기 N형 전극 및 P형 전극 각각의 티타늄 질화물계 물질은 TiN, TiNZn 및 TiNBe로 이루어진 군에서 선택된 것인 질화물 발광 다이오드.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 P형 전극은 티타늄 질화물계 물질층/Au층의 구조체인 것인 질화물 발광 다이오드.
  5. 삭제
  6. 투명 기판;
    상기 투명 기판 상에 위치하는 N형 반도체층;
    상기 N형 반도체층의 일 부분에 위치하는 발광 에피텍셜 구조체, 여기서 상기 N형 반도체층의 다른 부분은 노출되어 있으며;
    상기 발광 에피텍셜 구조체 상에 위치하는 P형 반도체층;
    상기 P형 반도체층상에 위치하는 P형 투명 접촉층;
    상기 N형 반도체층의 상기 노출된 부분 상에 위치하며, 순차적으로 적층된 제 1 티타늄 질화물계 물질층, Al-Si-Cu 물질층 및 제 2 티타늄 질화물계 물질층을 포함하는 N형 전극; 및
    상기 P형 투명 접촉층의 일 부분 상에 위치하며, 순차적으로 적층된 제 3 티타늄 질화물계 물질층 및 Au층을 포함하는 P형 전극을 포함하는 것인 질화물 발광 다이오드.
  7. 투명 기판 상에 N형 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 N형 반도체층의 일 부분에 발광 에피텍셜 구조체를 형성하는 단계, 여기서 상기 N형 반도체층의 다른 부분은 노출되어 있으며;
    상기 발광 에피텍셜 구조체 상에 P형 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 P형 반도체층 상에 P형 투명 접촉층을 형성하는 단계;
    상기 N형 반도체층의 상기 노출된 부분 상에 N형 전극을 형성하는 단계; 및
    상기 P형 투명 접촉층의 일 부분 상에 P형 전극을 형성하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 N형 전극 및 상기 P형 전극 각각은 티타늄 질화물계 물질을 포함하고, 상기 N형 전극을 형성하는 단계는, 순차적으로 적층된 제 1 티타늄 질화물계 물질층, Al-Si-Cu층 및 제 2 티타늄 질화물계 물질층을 형성하는 단계를 포함하는 질화물 발광 다이오드의 제조 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 P형 투명 접촉층의 형성 단계 및 상기 N형 전극과 상기 P형 전극 각각을 티타늄 질화물계 물질로 형성하는 단계 모두는, 티타늄 함유필름을 형성하는 단계; 및 질소분위기에서 어닐링 단계를 수행하여 상기 티타늄 함유필름을 티타늄 질화물 화합물층으로 변환하는 단계를 포함하는 질화물 발광 다이오 드의 제조 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 어닐링 단계의 온도는 50℃ 내지 1000℃인 질화물 발광 다이오드의 제조 방법.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 어닐링 단계의 온도는 300℃ 내지 700℃인 질화물 발광 다이오드의 제조 방법.
  11. 제 8항에 있어서, 상기 티타늄 함유필름의 물질은 Ti, TiZn 및 TiBe로 이루어진 군에서 선택되는 것인 질화물 발광 다이오드의 제조 방법.
  12. 제 8항에 있어서, 상기 P형 투명 접촉층의 물질, 상기 N형 전극과 P형 전극 각각의 티타늄 질화물계 물질은, TiN, TiNZn 및 TiNBe로 이루어진 군에서 선택되는 것인 질화물 발광 다이오드의 제조 방법.
  13. 제 7항에 있어서, 상기 P형 전극을 형성하는 단계는, 순차적으로 적층된 Au층 및 티타늄 질화물계 물질층을 형성하는 단계를 포함하는 질화물 발광 다이오드의 제조 방법.
  14. 삭제
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