KR100706796B1 - 질화물계 탑에미트형 발광소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
질화물계 탑에미트형 발광소자 및 그 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
탑에미트형 질화물계 발광소자 및 그 제조방법이 제공된다. 상기 탑에미트형 질화물계 발광소자는 기판, 질화물계 버퍼층(buffered layer: 완충층)을 포함하고 있는 n형 질화물계 클래드층, 질화물계 활성층, p형 질화물계 클래드층, 및 p형 다층오믹컨택트층(multi-layer ohmic contact)이 순차적으로 적층되어 있고, 상기의 p형 다층오믹컨택트층은 오믹개질층(ohmic modification layer)/투명전도성 박막층(transparent conducting thin film layer)을 기본 단위로 하여 적어도 한조 이상 적층 되어 있고, 특히 오믹개질층은 알루미늄(Al), 인듐(In), 및 갈륨(Ga) 중에서 적어도 하나 이상의 성분과 질소(N)로 결합되어 있는 다결정(poly-crystal) 또는 비정질(amorphous)의 질화물, 또는 질소(N) 성분이 완전히 배제된 알루미늄(Al), 인듐(In), 또는 갈륨(Ga) 중 적어도 하나 이상의 성분으로 형성된 드랍렛(droplet) 또는 박막형태로 형성되어 있다. 또 다른 한편으로, p형 다층오믹컨택트층을 형성하는 공정에서 투명전도성 박막층을 증착하기 전, 질화물계 에피텍셜 박막(nitride-based epitaxial thin film)이 아닌 비정질 또는 다결정의 질화물계층 상부에 마이크로미터규모 이하의 구멍(pore) 또는 닷(dots)을 형성시켜, 포토닉크리스탈 효과 (photonic crystal effect)가 첨가된 p형 다층오믹컨택트층을 갖고 있다. p형 질화물계 클래드층과 p형 다층오믹컨택트층 간의 전기적 특성인 비접촉 오믹접촉 전극특성이 개선되어 우수한 전류-전압 특성을 나타낼 뿐만 아니라 높은 빛 투과성을 제공하여 대면적 및 대용량을 갖는 고휘도 질화물계 발광다이오드를 제작할 수 있다.
탑에미트형 질화물계 발광소자, p형 다층오믹컨택트층, 드랍렛, 포토닉크리스탈 효과
Description
도 1은 반투명 전도성인 니켈-금(Ni-Au) 또는 두꺼운 투명전도성 박막층을 단독 또는 금속박막과의 결합하여 p형 오믹컨택트층으로 적용한 기존의 질화물계 탑에미트형 발광소자를 나타내 보인 단면도이고,
도 2는 슈퍼래티스(superlattice) 구조와 투명전도성 박막층을 결합하여 만든 다층을 p형 오믹컨택트층으로 적용한 기존의 질화물계 탑에미트형 발광소자를 나타내 보인 단면도이고,
도 3은 투명전도성 박막층을 p형 오믹컨택트층으로 적용한 또 다른 질화물계 탑에미트형 발광소자를 나타내 보인 단면도이고,
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 p형 다층오믹컨택트층이 적용된 탑에미트형 발광소자를 나타내 보인 단면도이고,
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 p형 다층오믹컨택트층이 적용된 탑에미트형 발광소자를 나타내 보인 단면도이고,
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 p형 다층오믹컨택트층이 적용된 탑에미트형 발광소자를 나타내 보인 단면도이고,
도 7은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 p형 다층오믹컨택트층이 적용된 탑에미트형 발광소자를 나타내 보인 단면도이고,
도 8은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 p형 다층오믹컨택트층이 적용된 탑에미트형 발광소자를 나타내 보인 단면도이고,
도 9은 본 발명의 제 6 실시예에 따른 p형 다층오믹컨택트층이 적용된 탑에미트형 발광소자를 나타내 보인 단면도이다.
본 발명은 질화물계 탑에미트형 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 p형 질화물계 클래드층(p-type nitride cladding layer)과 투명전도성 박막층(transparent conducting thin film layer) 사이에 오믹개질층(ohmic modifying layer)을 삽입하여 전기 및 광학적 특성인 외부발광효율(external quantum efficiency : EQE)이 개선된 대용량 및 대면적의 고휘도 질화물계 탑에미트형 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
그룹 3족 질화물계 반도체는 광반도체 산업에 이용되고 있는 가장 넓은 밴드갭을 갖는 직접형 반도체 물질이다. 현재 이러한 질화물계 반도체를 이용하여 노란색(yellow)에서 자외선(ultraviolet) 영역의 폭넓은 파장대역의 빛을 발광하는 고효율 발광소자를 제작하고 있다. 하지만 대용량 및 대면적의 고휘도 발광소자를 제작하여 광범위한 산업분야에서 상품화하기 위해서 수년간 많은 노력을 하고 있지만, 하기와 같은 몇몇 물질 및 기술적 한계로 인하여 여러 어려움을 겪고 있는 상황이다.
첫째, 양질의 질화물계 반도체를 성장하기에 적합한 기판의 부재.
둘째, 각각 높은 인듐(In) 또는 알루미늄(Al) 성분을 갖는 InGaN 및 AlGaN 박막 성장의 어려움.
셋째, 높은 홀(hole) 캐리어 농도를 갖는 p형 질화물계 반도체 성장의 어려움.
넷째, n형 및 p형 질화물계 반도체에 적합한 고품위 오믹접촉 전극(=오믹컨택트층) 형성의 어려움.
상기한 기본적인 물질 및 기술적 여러 문제점이 있음에도 불구하고, 1993년 말에 일본의 니치아 화학(Nichia chemicals) 사에서 질화물계 반도체를 이용하여 세계 최초로 청색 발광소자를 성공적으로 제작한 이후에, 고휘도 청/녹색 발광소자 및 형광체(phosphor)가 결합된 조명용 백색광 발광소자가 제작되어 일반조명 분야에서 점진적으로 실용화되고 있는 상황이다.
무엇보다도 양질의 질화물계 반도체를 이용한 발광다이오드(light emitting diode : LED) 및 레이저 다이오드(laser diode : LD) 등과 같은 발광소자를 구현하기 위해서는 반도체와 전극 사이에 형성되는 오믹접촉 전극 특성이 매우 중요하다.
특히 질화물계 발광다이오드는 질화물계 활성층에서 생성된 빛이 외부로 발광되는 형태에 따라서 탑에미트형 발광다이오드(top-emission light emitting diode)와 플립칩 발광다이오드(flip-chip light emitting diode)로 나뉘어 진다. 현재 일반적으로 널리 사용되고 있는 탑에미트형 발광다이오드는 p형 질화물계 클래드층과 접촉하고 있는 p형 오믹컨택트층을 통해서 질화물계 활성층에서 생성된 광이 외부로 출사된다. 따라서 양질의 질화물계 탑에미트형 발광다이오드를 구현하기 위해서는 고품위 p형 오믹컨택트층이 반드시 필요한데, 이러한 고품위 p형 오믹컨택트층은 90% 이상의 높은 빛투과도를 갖는 동시에 최대한 낮은 비접촉 오믹저항값을 지녀야 한다. 다시 말하자면, 낮은 홀(hole) 농도로 인하여 발생되는 p형 질화물계 클래드층의 높은 면저항값을 보상하기 위해서, p형 전극에서 측면방향(lateral direction)으로의 커런트스프레딩(current spreading)과 수직방향(vertical direction)으로의 컨런트인젝팅(current injecting)을 동시에 원활하게 수행하는 고품위 오믹접촉 특성 이외도, 질화물계 활성층에서 생성된 빛이 p형 오믹컨택트층을 통해서 외부로 출사 될 때 흡수되는 빛을 최소화하기 위해서 높은 빛투과도를 지닌 투명한 p형 오믹접촉 전극 개발이 차세대 대용량 및 대면적의 고휘도 질화물계 탑에미트형 발광다이오드를 제작하기 위해서는 필수적이다.
현재까지 알려진 질화물계 반도체를 이용한 탑에미트형 발광다이오드는, 도 1에서와 같이, p형 오믹컨택트층으로 p형 질화물계 클래드층 상부에 얇은 니켈(Ni)과 금(Au) 또는 인듐 주석 산화물(ITO) 등과 같은 두꺼운 투명전도성 박막층을 단독으로 적층하여 산소(O2) 또는 질소(N2) 분위기에서 열처리하여 p형 오믹컨택트층으로 사용하고 있다. 특히, 10-3 ~ 10-4 ㎠ 정도의 낮은 비접촉 오믹저항값을 갖는 반투명 니켈-금(Ni-Au)으로 구성된 오믹컨택트층의 낮은 비접촉 오믹저항값은 500℃ 정도의 온도에서 열처리할 때, p형 질화물계 클래드층과 니켈-금의 오믹컨택트층 사이에 형성된 계면에서 p형 반도체 산화물인 니켈산화물(NiO)이 섬(island) 모양으로 형성되며, 상기 섬모양의 NiO에 높은 전도성을 갖는 금(Au) 입자(particle)가 채워진 미세구조를 갖고 있다. 이러한 미세구조는 p형 질화물계 클래드층과 니켈-금 오믹컨택트층의 사이에 형성되는 쇼트키 장벽의 높이 및 폭(schottky barrier height and width : SBH and SBW)을 감소시키며 p형 질화물계 클래드층으로의 원활한 홀(hole) 캐리어 공급 및 전도성이 우수한 금(Au)의 분포로 양호한 커런트 스프레딩 역할을 한다. 그러나 니켈-금으로 형성되는 p형 오믹컨택트층을 이용한 질화물계 탑에미트형 발광다이오드는 빛투과도를 저해하고 있는 금(Au) 성분을 포함하고 있어 외부발광효율(EQE)이 낮아 차세대 대용량 및 대면적의 고휘도 발광다이오드를 구현하는데 기본적인 한계점을 갖고 있다.
또한 가장 이상적인 고투명 오믹접촉 전극물질로 알려진 두꺼운 투명전도성 박막층인 인듐(In), 주석(Sn), 또는 아연(Zn) 금속을 모체로 하여 형성된 투명전도성 산화물(transparent conducting oxide)과 타이타늄(Ti) 및 탄탈륨(Ta) 등의 천이금속의 투명전도성 질화물(transparent conducting nitride)을 직접 p형 질화물계 클래드층 상부에 적층하여 반투명 니켈-금 층 대신 p형 오믹컨택트층으로 이용하는 방법이 제안되었다. 하지만 이러한 오믹전극 구조는 빛투과도는 우수하나 p형 질화물계 클래드층과 좋지 못한 오믹접촉 계면특성 때문에 탑에미트형 질화물계 발광다이오드에 적용하기가 쉽지 않다.
또 다른 한편으로, 현재 부분적으로 널리 이용되고 있는 전기 및 열적으로 안정하고 광학적으로 최대 외부발광효율을 지닌 질화물계 탑에미트형 발광다이오드를 제작하기 위해, 기존에 p형 오믹컨택트층으로 사용되고 있는 기존의 반투명 니켈-금 전극구조보다 더 높은 빛 투과도를 갖도록 금(Au) 및 백금(Pt) 등의 귀금속(noble metal) 성분을 완전히 배제시키고 니켈(Ni) 및 루세늄(Ru) 등과 같은 일반 금속과 ITO처럼 광학적으로 매우 투명하고 전기전도성이 매우 뛰어난 투명전도성산화물을 결합하여 p형 오믹컨택트층으로 이용하고자 하는 연구내용이 여러 문헌[IEEE PTL, Y. C. Lin, etc. Vol. 14, 1668 and IEEE PTL, Shyi-Ming Pan, etc. Vol. 15, 646]을 통해 보고되고 있다. 최근 p형 오믹컨택트층으로 ITO 투명박막을 이용함으로써, 기존의 니켈-금 오믹전극 구조보다 향상된 출력(output power)을 나타내는 질화물계 탑에미트형 발광다이오드를 구현하였다는 내용이 semicond. Sci. Technol. 저널을 통해 보고되었다. 그러나 상기한 바와 같이 ITO 전극물질만을 이용한 p형 오믹컨택트층은 발광다이오드의 외부발광효율을 최대화시킬 수 있는 반면, 상대적으로 높은 비접촉 오믹저항값으로 인하여 질화물계 발광다이오드 구동 시에 많은 열을 발생시켜 대면적 및 대용량의 고휘도 질화물계 발광다이오드로의 응용에는 어려움을 지니고 있다. 또 다른 한편으로 ITO 전극으로 인한 나쁜 전기적 특성을 개선하기 위해서 미국의 루미엘이드(LumiLeds Lighting)사는 산화된 얇은 Ni/Au 또는 Ni/Ag 구조와 인듐 주석 산화물(ITO)의 접목을 통한 높은 빛 투과도와 우수한 전기적 특성을 갖는 발광 다이오드를 제작하였다고 보고한 바 있다[Michael J. Ludowise etc., US patent 6,287,947]. 하지만 이들 발명은 복잡한 p형 오믹컨택트층 형성 공정과 여전히 금(Au) 또는 은(Ag)을 사용하기 때문에 대용량 및 대면적의 고휘도 질화물계 발광다이오드를 구현 하는데 여전히 많은 어려움이 있다.
최근 들어, p형 질화물계 클래드층과 ITO 등의 투명전도성산화물 전극 사이에 나쁜 전기적 특성을 개선하고자, 100 나노미터 크기 이하의 제 2의 새로운 투명전도성 나노 파티클을 계면에 도입하여 양질의 p형 오믹컨택트층을 개발하여 질화물계 탑에미트형 발광다이오드에 적용하여 제품화 하고 있다.
고투명 전도성 박막인 ITO 및 TiN 등을 직접적으로 p형 오믹컨택트층으로 이용하기 위해서 각광받고 있는 또 다른 발명기술로는 도 2와 같이, p형 질화물계 클래드층 상부에 n+-InGaN/n-GaN, n+-GaN/n-InGaN, 또는 n+-InGaN/n-InGaN 등의 슈퍼래티스(superlattice) 구조을 반복적으로 성장 시킨 후, ITO 등의 투명전도성 박막층을 증착시켜서 열처리하여 양질의 n형 오믹접촉을 형성하여 터널링 접합(tunneling junction)을 통해서 양질의 질화물계 발광다이오드 제작에 대한 발명기술이 여러 특허 및 문헌에서 기술하고 있다.
또한 현재 부분적으로 적용되고 있는 또 다른 발명기술로는 도 3과 같이, p형 질화물계 클래드층 상부에 1018/cm3 이상의 높은 홀(hole) 농도를 지닌 p+-AlInGaN, GaN, (Al)GaAs, GaP, 또는 AlGaP 좁은 밴드갭 반도체층을 성장 시킨 후 투명전도성 박막층을 증착 시킨 후에 열처리하여 터널링 효과(tunneling effect)를 통해서 p형 오믹컨택트층을 형성하는 것이다.
현재 적용되고 있는 상기한 p형 오믹컨택트층과 관련된 발명기술들은 대면적의 고휘도 질화물계 탑에미트형 발광다이오드를 제작하는데 몇몇 근본적인 물질 및 기술적 문제를 다음과 같이 여전히 지니고 있다.
첫째, 에피택셜(epitaxial) 질화물계 반도체로 구성된 슈퍼래티스 구조를 이용한 터널링접합은 대면적 및 대용량의 고휘도 발광다이오드를 제작하여 구동 시에 높은 전압 강화(voltage drop) 및 발생된 열로 인하여 소자수명이 짧아진다.
둘째, p형 질화물계 클래드층 상부에 p형 질화물계 클래드층을 구성하는 물질보다 작은 또 다른 단결정 p+ 클래드층을 삽입하여 p형 오믹컨택트층을 만들면 질화물계 활성층에서 생성된 단파장의 빛이 p형 오믹접촉 전극을 통해서 흡수되어 외부발광효율이 저하된다.
다시 말하자면, 상기한 기존의 발명기술들은 p형 질화물계 클래드층과 투명한 p형 오믹컨택트층 사이에 매우 얇은 두께의 단결정 슈퍼래티스 구조 또는 좁은 밴드갭을 갖는 제 2의 p+ 클래드층을 삽입하여 터널링 효과를 유발하여 p형 오믹컨택트층을 형성하고 고품위 질화물계 탑에미트형 발광다이오드를 제작하고자 했는데, 이들 발명기술들은 상기한 바와 같은 문제점으로 인해서 낮은 외부발광효율 및 높은 작동전압으로 인하여 차세대 대용량 및 대면적의 고휘도 질화물계 탑에 미트형 발광다이오드를 제작하는데 적합하지 않다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 높은 빛투과도 이외도 낮은 면저항 및 비접촉 저항값을 지닌 p형 다층오믹컨택트층을 제공하고, 이를 통해서 양질의 대용량 및 대면적의 고휘도 질화물계 탑에미트형 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 질화물계 탑에미트형 발광소자는 n형 질화물계 클래드층; p형 질화물계 클래드층; 상기 n형 질화물계 클래드층 및 p형 질화물계 클래드층 사이에 형성되는 다중양자우물 질화물계 활성층(multi quantum well nitride-based active layer); 및 상기 p형 질화물계 클래드층 상부에 적층되는 p형 다층오믹컨택트층을 포함하고, 상기 p형 질화물계 클래드층은 오믹개질층(ohmic modification layer)/투명전도성 박막층(transparent conducting thin film layer)을 기본 단위로 하여 적어도 한조 이상 적층 되어 있고, 상기 오믹개질층(ohmic modification layer)은 알루미늄(Al), 인듐(In), 및 갈륨(Ga) 중에서 적어도 하나 이상의 성분과 질소(N)로 결합되어 있는 다결정(poly-crystal) 또는 비정질(amorphous)의 질화물, 또는 질소(N) 성분이 완전히 배제된 알루미늄(Al), 인듐(In), 및 갈륨(Ga) 중 적어도 하나 이상의 성분으로 형성된 드랍렛(droplet), 나노닷(nano-dot), 또는 박막(thin film) 형태로 형성되어 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, p형 다층오믹컨택트층을 형성하는 공정에서 투명전도성 박막층을 증착하기 전, 질화물계 에피텍셜 박막(nitride-based epitaxial thin film)이 아닌 비정질 또는 다결정의 질화물계층 상부에 마이크로규모 이하의 구멍(pore) 또는 닷(dots)을 형성시켜, 상기 p형 다층오믹컨택트층이 포토닉크리스탈 효과 (photonic crystal effect)를 가질 수 있도록 한다.
바람직하게는 상기한 오믹개질층(ohmic modification layer)은 700도 이하의 온도에서 형성된 다결정 또는 비정질 그룹 3족 질화물계 물질층이나 질소(N) 성분이 완전히 배제된 알루미늄(Al), 인듐(In), 및 갈륨(Ga) 중 적어도 하나 이상의 성분으로 형성된 드랍렛(droplet), 나노닷(nano-dot), 또는 박막(thin film) 형태가 좋다. 이는 p형 다층오믹컨택트층을 형성하기 위해서 반드시 500℃ 이상의 온도에서 열처리를 행하는데, 이때 오믹개질층 상부에 적층되는 투명전도성 박막층과 계면에서 비교적 용이한 화학적 반응을 통해서 오믹접촉 특성을 향상시켜 고품위 p형 오믹컨택트층을 형성하는데 유리한 새로운 투명전도성 박막층을 형성시킨다.
바람직하게는 상기 커런트스프레드층으로 사용되는 투명전도성 박막층은 산화물(oxide) 또는 천이금속계 질화물(transitional metal nitride)로 형성되며, 특히 투명전도성 산화물(transparent conducting oxide)는 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), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 및 란탄(La)족 중에서 적어도 하나 이상의 성분과 산소(O)가 결합된 투명전도성 산화물로 형성된다.
상기한 천이금속계 질화물(transitional metal nitride)은 티타늄(Ti), 텅스텐 (W), 탄탈륨(Ta), 바나듐(V), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 하프늄(Hf), 레늄(Re), 또는 몰리브덴늄(Mo) 금속과 질소(N)가 결합된 투명전도성 화합물이다.
바람직하게는 상기 오믹개질층은 0.1 나노미터 내지 100 나노미터의 두께로 형성된다.
또한, 상기 커런트스프레드층인 투명전도성 박막층 두께는 1 나노미터 내지 1000 나노미터로 형성한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, p형 다층오믹컨택트층을 형성하는 과정에서 p형 오믹컨택트층을 통해서 발광되는 빛의 양을 최대화하기 위해서 포토닉크리스탈(photonic crystal) 효과를 갖는 전극구조를 사용한다. 이러한 포토닉크리스탈 효과를 도입하기 위한 전극구조로는 다결정 또는 비정질의 질화물로 형성된 오믹개질층을 적층한 후에 전기화학, 물리, 또는 화학적 방법을 사용하여 10 마이크로미터 이하의 일정한 크기의 구멍(pore), 닷(dot), 또는 라드(rod) 형태로 일정하게 배열 시킨 후 커런트스프레드층인 투명전도성 박막층을 증착함으로써 얻어진다.
또한 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 질화물계 탑에미트형 발광소자의 제조방법은,
기판 위에 n형 질화물계 클래드층, 다중양자우물 질화물계 활성층 및 p형 질화물계 클래드층이 순차적으로 적층된 발광 구조체의 상기 p형 질화물계 클래드층 상부에 오믹개질층/투명전도성 박막층을 기본 단위로 한, 적어도 한조 이상 적층하여 p형 다층오믹컨택트층을 형성하는 단계와;
상기 단계를 거친 p형 다층오믹컨택트층을 열처리하는 단계;를 포함한다. 상기 오믹개질층(ohmic modification layer)은 700도 이하의 온도에서 형성된 다결정 또는 비정질 그룹 3족 질화물계 물질층 또는 질소(N) 성분이 완전히 배제된 알루미늄(Al), 인듐(In), 및 갈륨(Ga) 중 적어도 하나 이상의 성분으로 형성된 드랍렛(droplet), 나노닷(nano-dot), 및 박막(thin film) 중 어느 하나의 형태가 좋다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면 상기 오믹개질층에는 전기 및 화학적 특성을 개선시키고자 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 베릴륨(Be), 스트론튬(Sr), 및 실리콘(Si) 등의 성분이 첨가된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면 상기 커런트스프레드층으로 사용되는 투명전도성 박막층에는 전기적 특성을 조절하기 위해서 도판트(dopant)가 첨가될 수 있다. 여기서, 도판트로 적용되는 물질은 원소 주기율표상에서 금속으로 분류된 원소들 중 적어도 하나가 적용된다.
또한, 상기 오믹개질층 또는 투명전도성 박막층을 적층하는 공정은 MOCVD, MOVPE, 이빔(열) 증착기, 스퍼터, 또는 레이저 (PLD) 등의 다양한 원리의 물리 또는 화학적 증착방법을 사용한다.
상기 열처리단계는 상온 내지 800도에서 10초 내지 3시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 열처리단계는 상기 전극구조체가 내장된 반응기내에 질소(N2), 아르곤(Ar), 헬륨(He), 산소(O2), 수소(H2), 공기(air), 또는 진공(vacuum) 중 적어도 하나의 조건하에서 수행한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 탑에미트형 질화물계 발광소자 및 그 제조방법을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 일본의 니치아 화학(Nichia Chemicals) 사에서 개발하여 특허화시킨 질화물계 탑에미트형 발광다이오드를 나타내 보인 단면도이다.
도면을 참조하면, 질화물계 탑에미트형 발광다이오드는 기판(110), 질화물계 버퍼층(120), n형 질화물계 클래드층(130), 다중양자우물 질화물계 활성층(140), p형 질화물계 클래드층(150), p형 오믹컨택트층(160)이 순차적으로 적층된 구조로 되어 있다. 참조부호 170은 p형 전극 패드이고, 180은 n형 전극 패드이다.
p형 오믹컨택트층(160)은 우수한 오믹접촉 특성을 갖는 얇은 반투명 니켈-금(Ni/Au)으로 형성된 전극체 또는 좋지 못한 오믹접촉 특성을 갖는 투명전도성 산화물인 ITO막을 p형 오믹접촉 전극으로 사용하고 있다. 하지만 얇은 반투명 니켈-금으로 형성된 p형 전극은 매우 양호한 전기적 오믹접촉 특성을 갖지만 낮은 빛투과도로 인하여 활성층(140)에서 생성된 빛이 외부로 방출될 때 많은 양이 흡수되어 낮은 외부양자효율을 나타낸다. 한편, 매우 우수한 빛투과도로 인하여 질화물계 발광다이오드의 외부양자효율이 뛰어난 ITO 전극은 p형 질화물계 클래드층 상부에서 오믹성 접촉이 아닌 큰 전압강하를 유발시키는 쇼트키성 접촉을 형성하게 되어 원활한 전류주입을 할 수가 없어, 이를 p형 오믹접촉 전극으로 사용할 경우 대용량 및 대면적의 고휘도 질화물계 발광다이오드를 구현할 수 없다.
도 2는 p형 오믹컨택트층으로 ITO 등의 투명전도성 산화물만을 사용하기 위해 서 대만, 일본, 및 미국 등의 여러 회사 및 연구기관에서 제각기 약간씩 차이는 있지만 Al-Inl-Ga-N으로 구성된 슈퍼래티스 구조(superlattice structure)를 도입하여 특허화한 질화물계 탑에미트형 발광다이오드를 나타내 보인 단면도이다.
p형 오믹컨택트층(260)으로 컨런트스프레드층인 투명전도성 산화물인 ITO 박막층(260b)을 증착하기 전에 p형 질화물계 클래드층(250) 상부에 얇은 단결정인 2중층으로 구성된 In(Al)GaN/Al(In)GaN가 여러번 반복적으로 적층된 구조를 갖는 도입된 슈퍼래티스층 구조(260a)를 형성하였다.
도 3은 대만의 에피스타(Epistar) 회사 등에서 성공적으로 개발하여 특허화한 질화물계 탑에미트형 발광다이오드를 나타내 보인 단면도이다.
p형 오믹컨택트층(360)으로 반투명 니켈-금으로 형성된 오믹접촉 전극대신 컨런트스프레드층인 ITO 등의 투명전도성 산화물(360b)만을 사용하기 위해서, 투명전도성 산화물(360b)을 증착하기 전에, 높은 홀 농도를 갖는 제 2의 p+ 클래드층(360a)을 삽입한 형태로 p형 오믹컨택트층을 형성시키고자 하였다. 이러한 발광다이오드에서 도입한 5 x 10 18/cm3 이상의 높은 홀 농도를 지닌 p+ 클래드층(360a)으로는 Al-In-Ga-N, Al-In-Ga-As, 또는 Al-In-Ga-P 등으로 형성된 단결정 박막(epitaxial thin film)이 사용된다.
도 4는 본 발명의 제 1실시예로서 p형 다층오믹컨택트층은 오믹개질층(460a)/투명전도성 박막층(460b)으로 구성되며, 상기 오믹개질층(460a)으로 n형(Si, Ge, 또는 4족 원소) 및 p형(Mg, Zn, Be 등) 질화물 반도체 특성을 갖게하는 도판트(dopant)을 전혀 포함하지 않고, 알루미늄(Al), 인듐(In), 및 갈륨(Ga) 중 적어도 한 성분과 질소(N)로 결합되어 있는 다결정 또는 비정질 질화물이거나 n형 도판트(Si, Ge, 4족 원소)가 첨가된 알루미늄(Al), 인듐(In), 또는 갈륨(Ga) 중 적어도 한 성분과 질소(N)로 결합되어 있는 다결정 또는 비정질 질화물로 형성된다. 또한 오믹개질층(460a)으로 p형 도판트(Mg, Zn, Be, 또는 2족 원소)들을 포함하고 있는 높은 홀 농도를 갖는 에피택셜 박막층(epitaxial thin film layer)이 아니라 p 질화물계 클래드층(450)의 홀농도 보다 낮은 값을 지닌 다결정(poly-crystalline) 또는 비정질(amorphous)의 p형 질화물들도 포함한다. 또한, 질소(N) 성분이 완전히 배제된 알루미늄(Al), 인듐(In), 및 갈륨(Ga) 중 적어도 하나 이상의 성분으로 형성된 드랍렛(droplet) 또는 박막형태로 형성되어 있다.
본 발명의 실시예에서 컨런트스프레드층(460b)으로 적용되는 투명전도성 박막층은 투명전도성 산화물 또는 천이금속의 질화물로 형성되며, 특히 투명전도성 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), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 및 란탄(La)족 금속 중에서 적어도 하나 이상의 성분과 산소(O)가 결합된 투명전도성산화물로 형성된다.
상기한 천이금속계 질화물(transitional metal nitride)은 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta), 바나듐(V), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 하프늄(Hf), 레늄(Re), 또는 몰리브덴늄(Mo) 금속과 질소(N)가 결합된 투명전도성 화합물이다.
바람직하게는 상기 오믹개질층(460a)은 0.1 나노미터 내지 100 나노미터의 두 께로 형성된다.
또한 상기 커런트스프레드층인 투명전도성 박막층(460b) 두께는 1 나노미터 내지 1000 나노미터로 형성한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면 p형 다층오믹컨택트층을 형성하는 과정에서 p형 다층오믹컨택트층을 통해서 발광되는 빛의 양을 최대화하기 위해 포토닉크리스탈(photonic crystal) 효과를 갖는 전극구조를 사용한다. 이러한 포토닉크리스탈 효과를 갖는 전극구조는 다결정 또는 비정질의 질화물로 형성된 오믹개질층(460a)을 적층한 후에 전기화학, 물리, 또는 화학적 방법을 사용하여 10 마이크로미터 이하의 일정한 크기의 구멍(pore), 닷(dot), 또는 라드(rod) 형태로 일정하게 형성/배열 시킨 후 커런트스프레드층인 투명전도성 박막층(460b)을 증착하여 얻어진다.
현재 적용되고 있는 포토닉크리스탈 효과를 도입한 발명기술들은 홀(pore) 또는 닷(dot)을 형성시키는 과정에서 p형 질화물계 클래드층 또는 오믹컨택트층에 영향을 미쳐서 결국에는 전체적인 질화물계 발광다이오드의 전기 및 광학적 특성에 악영향을 주는 경우가 상당하다.
오믹개질층(460a) 상부에 포토닉크리스탈 효과를 도입하기 위한 전기화학, 물리, 또는 화학적 방법으로는 현재 광결정을 형성하는데 사용하고 있는 이빔리소공정, 양극산화 알루미늄막을 이용하는 공정, 레이저를 이용한 그레이팅(grating), 다양한 방법에 의해서 만들어진 몰드를 이용한 스탬핑(stamping) 공정, 다양한 스텐슬(stencil)막 기술을 이용한 셰도우 마스크를 사용한 공정, 또는 특정 유기물과 레이저를 결합해서 만드는 표면완화그레이팅(surface relief grating) 방법 등을 우선적으로 이용한다.
본 발명의 제 1 실시예를 설명하는 도 4를 참조하면, 질화물계 탑에미트형 발광다이오드는 기판(410), 질화물계 버퍼층(420), n형 질화물계 클래드층(430),다중양자우물 질화물계 활성층(440), p형 질화물계 클래드층(450) 및 p형 다층오믹컨택트층(460)이 순차적으로 적층된 구조로 되어 있다. 참조부호 470은 p형 전극 패드이고, 480은 n형 전극 패드이다.
여기서 사파이어 등과 같은 절연성 기판(410)으로부터 p형 질화물계 클래드층(450)까지가 발광 구조체에 해당하고, p형 질화물계 클래드층(450) 상부에 오믹개질층(460a) 및 컨런트스프레드층(460b)가 순차적으로 적층된 p형 다층오믹컨택트층(460)으로서 p형 오믹전극 구조체에 해당한다.
기판(410)은 사파이어(Al2O3)를 포함한 절연성 물질로 하는 것이 바람직하다.
질화물계 버퍼층(420)은 생략될 수 있다.
상기 질화물계 버퍼층(420)으로부터 p형 질화물계 클래드층(450)까지의 각 층은 3족 질화물계 화합물의 일반식인 AlxInyGazN(x, y, z : 정수)로 표현되는 화합물 중 선택된 어느 화합물을 기본으로 하여 형성되고, n형 질화물계 클래드층(430) 및 p형 질화물계 클래드층(450)에는 해당 도펀트가 첨가된다.
또한, 질화물계 활성층(440)은 단층(single layer) 또는 다중양자우물(MQW)층 등 공지된 다양한 방식으로 구성될 수 있다.
일 예로서 질화갈륨(GaN)계 화합물을 적용하는 경우, 질화물계 버퍼층(420)은 GaN으로 형성되고, n형 질화물계 클래드층(430)은 GaN에 n형 도판트로서 Si, Ge, Se, Te등이 첨가되어 형성되고, 질화물계 활성층(440)은 InGaN/GaN MQW 또는 AlGaN/GaN MQW로 형성되며, p형 질화물계 클래드층(450)은 GaN에 P형 도판트로서 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba, Be 등이 첨가되어 형성된다.
n형 질화물계 클래드층(430)과 n형 전극패드(180) 사이에는 n형 오믹컨택트층(미도시)이 개재될 수 있고, n형 오믹컨택트층은 타이타늄(Ti)과 알루미늄(Al)이 순차적으로 적층된 층구조 등 공지된 다양한 구조가 적용될 수 있다.
p형 전극패드(170)는 니켈(Ni)/금(Au) 또는 은(Ag)/금(Au)이 순차적으로 적층된 층구조가 적용될 수 있다.
각층의 형성방법은 전자빔 또는 열 증착기 (electron beam or thermal evaporator), 레이저를 이용한 PVD(physical vapor deposition : pulsed laser deposition), MOCVD(metalorganic chemical vapor deposition), PLD(plasma laser deposition), 이중형의 열증착기(dual-type thermal evaporator), 스퍼터링(sputtering) 등 공지된 증착방식에 의해 형성하면 된다.
p형 다층오믹컨택트층(460)은 p형 오믹전극 구조체로서 p형 질화물계 클래드층(450) 상부에 형성된 오믹개질층(460a) 및 컨런트스프레딩층(460b)으로 형성되어 있다.
오믹개질층(460a)은 500℃ 이상의 온도에서 열처리시, 그 상층부의 커런트스프레딩층(460b)을 구성하고 있는 성분들과 함께 용이하게 p형 오믹접촉을 형성하는데 유리한 투명전도성 입자상으로 분해하거나 새로운 투명전도성 상(phase)이 형성된다.
이러한 p형 다층오믹컨택트층(460)은 전자빔 또는 열 증착기 (electron beam or thermal evaporator), 레이저를 이용한 PVD(physical vapor deposition : pulsed laser deposition), MOCVD(metalorganic chemical vapor deposition), PLD(plasma laser deposition), 이중형의 열증착기(dual-type thermal evaporator), 스퍼터링(sputtering) 등 공지된 증착방식에 의해 형성하는 것이 바람직하다.
또한, p형 다층오믹컨택트층(460)을 형성하기 위해 적용되는 증착온도는 20℃ 내지 1500℃ 범위 내에서, 증착기 내의 압력은 대기압 내지 10-12 토르(torr) 정도에서 수행한다.
또한, p형 다층오믹컨택트층(460)을 형성한 후에는 반드시 열처리(annealing)과정을 거치는 것이 바람직하다.
열처리(annealing)는 반응기내의 온도를 100℃ 내지 800℃ 에서 진공(vacuum) 또는 다양한 개스(gas) 분위기에서 10초 내지 3시간 이내로 수행한다.
열처리시 반응기 내에 투입되는 개스는 질소(N2), 아르곤(Ar), 헬륨(He), 산소(O2), 수소(H2), 또는 공기(air) 중 적어도 한 개스 분위기에서 적용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제 2실시예로서, 기판(510)을 제외한 나머지 부분은 모두가 제 1 실시예와 동일하다.
사파이어와 같은 절연성물질이 아닌, 전도성물질로서 Si, SiC, GaAs, ZnO, 또는 MgZnO 등과 같은 전도성물질을 기판(510)으로 사용하여 만든 질화물계 탑에미트형 발광다이오드을 제작할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시예로서 오믹개질층(660a)으로 p형 질화물계 반도체의 도판트로 사용되는 그룹 2족 원소들인 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 또는 베릴륨(Be) 등이 도판트 수준의 소량이 아닌, 합금 또는 고용체을 형성할 수 있는 양을 첨가하여 알루미늄(Al), 인듐(In), 또는 갈륨(Ga) 중 적어도 한 성분과 질소(N)로 결합되어 있는 다결정 또는 비정질 질화물이 사용된다.
바람직하게는 상기한 오믹개질층(660a)을 제외한 나머지 구조들의 형성은 본 발명의 제 1 실시예와 모두 동일하다.
도 7은 본 발명의 제 4 실시예로서 기판(710)을 제외한 나머지 부분은 모두가 제 3 실시예와 동일하다.
사파이어와 같은 절연성물질이 아닌 전도성물질로서 Si, SiC, GaAs, ZnO, 또는 MgZnO 등과 같은 전도성물질을 기판(710)으로 사용하여 만든 질화물계 탑에미트형 발광다이오드을 제작할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제 5 실시예로서 오믹개질층(860a)으로 p형 질화물 반도체의 도판트로 사용되는 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 또는 베릴륨(Be)과 질소(N) 성분이 완전히 배제된 알루미늄(Al), 인듐(In), 및 갈륨(Ga) 중 적어도 한 성분이상으로 형성된 드랍렛(droplet), 나노 닷(nano-dot), 박막(thin film) 형태로 형성되어 있다.
바람직하게는 상기한 오믹개질층(860a)을 제외한 나머지 구조들의 형성은 본 발명의 제 1 실시예와 모두 동일하다.
도 9는 본 발명의 제 6 실시예로서 기판(910)을 제외한 나머지 부분은 모두가 제 5 실시예와 동일하다.
사파이어와 같은 절연성물질이 아닌 전도성물질로서 Si, SiC, GaAs, ZnO, 또는 MgZnO 등과 같은 전도성물질을 기판(910)으로 사용하여 만든 질화물계 탑에미트형 발광다이오드을 제작할 수 있다.
지금까지 설명된 바와 같이, 본 발명에서는 p형 다층오믹컨택트층으로 오믹개질층(ohmic modification layer)/투명전도성 박막층(transparent conducting thin film layer)을 기본 단위로 하여 적어도 한조 이상 p형 질화물계 클래드층 상부에 적층시킴과 동시에 포토닉크리스탈 효과(photonic crystal effect)를 갖는 p형 다층오믹컨택트층을 갖고 있다. 본 말명에 의해 개발된 p형 다층오믹컨택트층이 적용된 질화물계 탑에미트형 발광소자 및 그 제조방법에 의하면 p형 질화물계 클래드층과 p형 다층오믹컨택트층 간의 전기적 특성인 비접촉 오믹접촉 전극특성이 개선되어 우수한 전류-전압 특성을 나타낼 뿐만 아니라 높은 빛투과도을 제공하여 대면적 및 대용량을 갖는 고휘도 질화물계 발광다이오드를 제작할 수 있다.
Claims (13)
- n형 질화물계 클래드층;p형 질화물계 클래드층;상기 n형 질화물계 클래드층과 p형 질화물계 클래드층 사이에 형성되는 질화물계 활성층; 및상기 p형 질화물계 클래드층 상부에 오믹개질층/커런트스프레드층으로 구성된 박막층을 적어도 한번 이상 반복/적층하여 형성시킨 p형 다층오믹컨택트층을 포함하고,상기 오믹개질층은 알루미늄(Al), 인듐(In), 및 갈륨(Ga) 중 적어도 하나 이상의 성분과 질소(N)를 결합해서 만든 다결정(polycrystalline) 또는 비정질(amorphous)의 질화물계 박막층이며, 열처리에 의한 상기 커런트스프레드층과의 화학적 반응을 통해서 p형 오믹접촉 형성에 용이한 물성을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물계 탑에미트형 발광소자.
- 제1항에 있어서,상기 오믹개질층의 물성은 열처리에 의한 상기 커런트스프레드층과의 화학적 반응을 통해서 상기 오믹개질층이 상 전이되거나 또는 투명전도성 입자상으로 분해되어 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 탑에미트형 발광소자.
- 제1항에 있어서,상기 커런트스프레드층은 투명전도성 산화물 또는 투명전도성 질화물의 박막층을 포함하며, 상기 투명전도성 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), 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 및 란탄(La)족 금속 중에서 적어도 하나 이상의 성분과 산소(O)가 결합된 형태이고, 상기 투명전도성 질화물은 천이금속계 질화물(transitional metal nitride)로서 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 탄탈륨(Ta), 바나듐(V), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb), 하프늄(Hf), 레늄(Re), 및 몰리브덴늄(Mo) 금속 중에서 적어도 하나 이상의 성분과 질소(N)가 결합된 형태을 갖는 것을 특징으로 한 질화물계 탑에미트형 발광소자.
- 제1항에 있어서,상기 오믹개질층은 0.1 내지 100 나노미터의 두께를 갖고, 상기 커런트 스프레딩층은 1 내지 1000 나노미터의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물계 탑에미트형 발광소자.
- 제1항에 있어서,상기 오믹개질층은 상기 p형 질화물계 클래드층과 상기 커런트스프레드층 사이에 삽입되며, 상기 p형 질화물계 클래드층 및 커런트스프레드층 간의 계면의 전기적 특성이 향상되도록 Si 또는 Ge을 포함하는 4족 원소나 Mg, Zn, 및 Be 중 적어도 하나를 포함하는 2족 원소를 갖는 다결정(polycrystalline) 또는 비정질(amorphous) 질화물 박막을 갖는 것을 특징으로 하는 질화물계 탑에미트형 발광소자.
- 제1항에 있어서,상기 오믹개질층은 상기 p형 질화물계 클래드층과 상기 커런트스프레드층 사이에 삽입되며, 계면의 전기적 특성이 향상되도록 질소(N) 성분이 배제된 알루미늄(Al), 인듐(In), 및 갈륨(Ga) 성분 중 적어도 하나 이상으로 형성된 드랍렛(droplet), 나노닷(nano-dot), 및 박막(film) 중 어느 하나로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물계 탑에미트형 발광소자.
- 제6항에 있어서,상기 오믹개질층은 Si 또는 Ge을 포함하는 4족 원소나 Mg, Zn, 및 Be 중 적어도 하나를 포함하는 2족 원소를 갖는 드랍렛(droplet), 나노닷(nano-dot), 및 박막(film) 중 어느 하나로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물계 탑에미트형 발광소자.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,상기 p형 다층오믹컨택트층을 형성하는 공정에서 상기 오믹개질층을 형성한 후 상기 커런트스프레드층을 형성하기 전에, 포토닉크리스탈 효과(photonic crystal effect)가 제공되도록 상기 오믹개질층은 전기화학, 물리, 및 화학적 방법 중 적어도 어느 하나를 이용하여 원형, 3각형, 및 4각형 중 적어도 어느 하나의 형태를 갖도록 처리된 것을 특징으로 하는 질화물계 탑에미트형 발광소자.
- 기판 위에 n형 질화물계 클래드층, 질화물계 활성층 및 p형 질화물계 클래드층이 순차적으로 적층된 발광 구조체의 상기 p형 질화물계 클래드층 상부에 오믹개질층/커런트 스프레드층을 적어도 한 조 이상을 반복/적층하여 p형 다층오믹컨택트층을 형성하는 단계; 및상기한 단계를 거친 전극 구조체를 열처리하는 단계;를 포함하고,상기 오믹개질층은 알루미늄(Al), 인듐(In), 및 갈륨(Ga) 중 적어도 하나 이상 성분과 질소(N)를 결합하여 형성한 다결정 또는 비정질의 질화물 박막층/나노닷 이거나 질소(N) 성분이 없는 드랍렛(droplet), 나노닷(nano-dot), 및 박막(film) 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 탑에미트형 발광소자의 제조 방법.
- 제 9항에 있어서,상기 오믹개질층은 상기 p형 질화물계 클래드층과 상기 커런트스프레드층 사이에 삽입되며, 계면의 전기적 특성이 향상되도록 Si 또는 Ge을 포함하는 4족 원소나 Mg, Zn, 및 Be 중 적어도 하나를 포함하는 2족 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 탑에미트형 발광소자의 제조 방법.
- 제9항에 있어서,상기 오믹개질층을 증착한 후, 외부발광효율이 향상되도록 상기 오믹개질층에 포토닉크리스탈 효과(photonic crystal effect)를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 탑에미트형 발광소자의 제조방법.
- 제11항에 있어서,상기 포토닉크리스탈 효과를 제공하는 단계는 상기 오믹개질층이 전기화학, 물리, 및 화학적 방법 중 적어도 어느 하나를 이용하여 원형, 3각형, 및 4각형 중 적어도 어느 하나의 형태를 갖도록 처리하는 것을 특징으로 하는 질화물계 탑에미트형 발광소자의 제조 방법.
- 제9항에 있어서,상기 열처리단계는 상기 p형 다층오믹접촉 전극구조체가 내장된 반응기내에서 질소(N2), 아르곤(Ar), 헬륨(He), 산소(O2), 수소(H2), 공기(air), 및 진공(vacuum) 중 적어도 한 조건에서 상온 내지 800℃에서 10초 내지 3시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 질화물계 탑에미트형 발광소자의 제조 방법.
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