KR100716784B1

KR100716784B1 - 산화아연계 발광소자 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100716784B1
Application number: KR1020050118328A
Authority: KR
Inventors: 김상호; 성태연; 정성욱; 김병천
Original assignee: 광주과학기술원
Priority date: 2005-12-06
Filing date: 2005-12-06
Publication date: 2007-05-14

Abstract

본 발명은 n형 클래드층과 p형 클래드층 사이에 주입된 전류에 의해 발광하는 산화아연계 발광소자에 관한 것으로서, 백금과 금을 포함하는 제1군 물질 중 선택된 어느 하나의 물질 또는 이들 간의 합금으로 p형 클래드층 위에 형성된 제1오믹 컨택트층과, 제1오믹컨택트층 위에 인듐산화물, 주석 산화물, 구리 산화물을 포함하는 제2군 물질 중 선택된 어느 하나의 물질 또는 제2군 물질에 첨가원소가 첨가된 화합물로 형성된 제2오믹컨택트층을 구비한다. 이러한 산화아연계 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, p형 클래드층과의 오믹접촉 특성이 개선되어 낮은 비접촉 저항과 우수한 전류-전압 특성에 의해 소자의 발광효율 및 소자 수명을 향샹시킬 수 있는 장점을 제공한다.

Description

산화아연계 발광소자 및 그 제조방법{light emitting device and method of manufacturing the same}

도 1은 본 발명에 따른 P형 전극구조체를 나타내 보인 단면도이고,

도 2는 백금(Pt)/인듐주석산화물(ITO)로 형성한 제1 및 제2 오믹컨택트층의 열처리 온도에 따른 전류-전압 특성을 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이고,

도 3은 도 2의 제1 및 제2오믹컨택트층에 대한 광투과도를 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이고,

도 4는 도 1의 P형 전극구조체가 적용된 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광소자를 나타내 보인 단면도이고,

도 5는 도 1의 p형 전극구조체가 적용된 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 발광소자를 나타내 보인 단면도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10: 기판 20: n형 클래드층

30: 활성층 40: p형 클래드층

50: 제1오믹컨택트층 60: 제2오믹컨택트층

본 발명은 산화아연계 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 오믹특성이 개선된 p형 전극구조체를 갖는 산화아연계 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

아연산화물 반도체는 주로 투명전극(Transparent electrode), 태양전지의 윈도우 소재(Window materials), 바리스터 소자(varistors) 등의 광소자 분야에 널리 쓰여 왔고, 최근 아연산화물 반도체가 넓은 밴드갭(3.4 eV)을 갖고 있는 특성을 활용하여 질화갈륨(GaN) 화합물 반도체를 대체할 발광소자용 물질로 주목 받고 있다.

또한, 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 형상제작을 위해서는 유도결합 플라즈마(ICP), 이온반응 식각기(RIE) 등의 물리적 에칭을 실시하게 되는데 이에 따른 플라즈마에 의한 박막의 손상이 발생되는 문제점이 있다. 따라서, 최근 전 세계적으로 아연산화물 반도체를 이용한 발광소자 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

이러한 산화아연계 화합물 반도체를 이용한 발광다이오드 또는 레이저 다이오드와 같은 발광소자를 구현하기 위해서는 발광칩과 전극간의 오믹접촉구조가 매우 중요하다.

n형 아연산화물(n-ZnO)의 경우 2000년 김한기 외 2명이 티타늄/금(Ti/Au)다 층 금속박막을 이용하여 2×10^-4 Ωcm² 정도의 낮은 비접촉 저항을 갖는 오믹접촉 형성을 보고 하였다[Applied Physics Letters 2000, vol.77, p1647]. 그러나, p형 아연산화물(p-ZnO)반도체는 그 제조 자체가 어려워 p형 아연산화물 반도체의 오믹접촉(ohmic contact)에 대한 연구는 거의 이루어지고 있지 않은 실정이다. 일반적으로, 아연산화물 반도체는 박막성장 시 자체의 산소 공공으로 인하여 도핑을 하지 않은 상태에서 자연적인 n형 반도체의 특성을 갖는다. 따라서 인(P), 비소(As), 질소(N) 등의 p형 불순물을 아연산화물에 첨가 시 자발보상(self-compensation)현상이 발생하게 되고 적절한 수준의 캐리어 농도를 유지하기 위해서는 많은 양의 불순물의 첨가가 필요하게 된다. 그러나 아연산화물의 불순물 고용도가 작기 때문에 불순물 첨가량에는 한계가 있어 p형 아연산화물 반도체의 경우 양호한 오믹접촉을 형성하기 위해서는 오믹컨택트층이 p형 아연산화물 표면의 산소와 반응하지 않아야 한다. 왜냐하면 오믹컨택트층이 산소와 반응하는 경우 오믹컨택트층과 인접한 p형 아연산화물 표면층에 추가적인 산소 공공이 발생하여 오믹컨택트층의 실효 캐리어 농도가 감소하여 오믹접촉 형성을 더 어렵게 하기 때문이다.

이러한 문제를 해결하고자 p형 아연산화물층과 낮은 비접촉 저항값을 갖으면서도 구조적으로 안정된 오믹컨택트층의 개발이 활발하게 연구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 낮은 접촉저항과 구조적으로 안정된 전극구조체를 갖는 산화아연계 발광소자 및 그 제조방 법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 산화아연계 발광소자는 n형 클래드층과 p형 클래드층 사이에 주입된 전류에 의해 발광하는 산화아연계 발광소자에 있어서, 백금과 금을 포함하는 제1군 물질 중 선택된 어느 하나의 물질 또는 이들 간의 합금으로 상기 p형 클래드층 위에 형성된 제1오믹 컨택트층과; 상기 제1오믹컨택트층 위에 인듐산화물, 주석 산화물, 구리 산화물을 포함하는 제2군 물질 중 선택된 어느 하나의 물질 또는 상기 제2군 물질에 첨가원소가 첨가된 화합물로 형성된 제2오믹컨택트층;을 구비한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제2오믹컨택트층은 Sn, Fe, Cr, Co, Rh, La, Ag, Ni, Zn, Pd, Mg, Li, Nd, Eu, V 원소 또는 이 원소의 산화물을 포함하는 제3군 첨가원소 중 적어도 하나와 상기 인듐 산화물을 포함한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 제2오믹컨택트층은 Fe, Cr, Co, Rh, La, Al, Ga, In, Sc, Ni, Zn, Pd, Mg, Li, V 원소 또는 이 원소의 산화물을 포함하는 제4군 첨가원소 중 적어도 하나와 상기 주석 산화물을 포함한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 제2오믹컨택트층은 In, Sn, Mg, Ag, Zn, Sc, Hf, Zr, Ta, Co, Rh, La, Al, Ga, Ni, Pd, Li, V 원소 또는 이 원소의 산화물을 포함하는 제5군 첨가원소 중 적어도 하나와 상기 구리 산화물을 포함한다.

상기 제1오믹컨택트층 및 제2오믹컨택트층은 각각 1 nm 내지 1,000nm의 두께로 형성된 것이 바람직하다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 산화아연계 발광소자의 제조방법은 n형 클래드층과 p형 클래드층 사이에 주입된 전류에 의해 발광하는 산화아연계 발광소자의 제조방법에 있어서, 상기 n형 클래드층과 상기 p형 클래드층이 상호 대향되게 적층된 발광칩의 상기 p형 클래드층 위에 백금과 금을 포함하는 제1군 물질 중 선택된 어느 하나의 물질 또는 이들 간의 합금으로 제1오믹컨택트층을 형성하는 단계와; 상기 제1오믹컨택트층 위에 인듐산화물, 주석 산화물, 구리 산화물을 포함하는 제2군 물질 중 선택된 어느 하나의 물질 또는 상기 제2군 물질에 첨가원소가 첨가된 화합물로 제2오믹컨택트층을 형성하는 단계; 및 상기 제2오믹컨택트층 형성단계 이후에 설정된 온도로 열처리하는 단계;를 포함한다.

상기 열처리단계는 200℃ 내지 800℃에서 수행하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 산화아연계 발광소자 및 그 제조방법을 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 P형 전극구조체를 나타내 보인 단면도이다.

도면을 참조하면, p형 전극구조체는 p형 클래드층(40) 위에 순차적으로 형성된 제1오믹콘택트층(50) 및 제2오믹컨택트층(60)을 구비한다.

도시된 예에서는 아연산화물을 주성분으로 하여 구현되는 산화아연계 발광소자에서 상호 대향되게 형성되는 n형 클래드층과 p형 클래드층 중 오믹특성 개선이 요구되는 p형 클래드층(40)에 접촉되게 형성되는 p형 전극구조체로 적용된 제1오믹컨택트층(50) 및 제2오믹컨택트층(60)의 특성을 실험하기 위하여 기판(10) 위에 산화아연계 p형 클래드층(40)을 형성시키고, p형 클래드층(40) 위에 제1오믹콘택트층 (50) 및 제2오믹컨택트층(60)을 적층시킨 구조가 도시되어있다.

p형 클래드층(40)은 아연산화물(ZnO)에 p형 도펀트가 첨가된 것이 적용된다.

여기서, p형 도펀트는 공지된 물질 예를 들면 N, P, As 등이 적용될 수 있다.

제1오믹콘택트층(50)은 p형 클래드층(40)에 함유된 산소와의 반응이 억제되어 p형 클래드층(40)내의 산소의 외부확산을 방지함으로써 실효 캐리어 농도의 저하를 막을 수 있는 물질로 형성된다.

즉, 제1오믹컨택트층(50)은 p형 클래드층(40) 내의 산소와 반응이 억제될 수 있도록 아연-산소 결합보다도 더 큰 음의 산화물 생성에너지(formation energy, ΔH_f) 및 더 큰 결합에너지를 갖는 안정한 산화물로 형성된다.

이러한 특성을 갖는 제1오믹컨택트층(50)에 대해 본 발명의 일측면에 따르면 제1오믹컨택트층(50)은 이하에서 기술되는 제1군에 속한 금속 및 이들간의 합금이나 화합물로 형성된다.

제1군 물질로는 백금(Pt), 금(Au)을 포함한다.

더욱 바람직하게는 제1오믹 컨택트층(50)은 백금으로 형성한다.

제1오믹콘택트층(50)의 두께는 1 내지 1000nm의 두께로 형성한다.

더욱 바람직하게는 제1오믹콘택트층(50)의 두께는 1nm 내지 50nm의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.

제2오믹컨택트층(60)은 광투과성과 전류의 전도성이 좋은 투명전도체(TCO: Transparent Conducting Oxides)를 주성분으로 하여 형성한다.

제2오믹컨택트층(60)은 투명전도체로서 이하에 기술되는 제2군 물질 중 어느 하나를 선택하여 형성한다.

제2군 물질은 인듐산화물, 주석산화물 및 구리산화물을 포함한다.

제2오믹컨택트층(60)은 제2군 물질에 첨가물질을 도핑하여 형성할 수 있음은 물론이다.

제2군 물질로서 인듐산화물로 적용되는 경우 제2오믹컨택트층(60)은 Sn, Fe, Cr, Co, Rh, La, Ag, Ni, Zn, Pd, Mg, Li, Nd, Eu, V 원소 또는 이 원소의 산화물을 포함하는 제3군 첨가원소 중 적어도 하나가 인듐 산화물에 함유되게 형성된다.

또 다르게, 제2군 물질로서 주석산화물이 적용되는 경우 제2오믹컨택트층(60)은 Fe, Cr, Co, Rh, La, Al, Ga, In, Sc, Ni, Zn, Pd, Mg, Li, V 원소 또는 이 원소의 산화물을 포함하는 제4군 첨가원소 중 적어도 하나가 주석 산화물에 함유되게 형성된다.

또한, 제2군 물질로서 구리산화물이 적용되는 경우 제2오믹컨택트층(60)은 In, Sn, Mg, Ag, Zn, Sc, Hf, Zr, Ta, Co, Rh, La, Al, Ga, Ni, Pd, Li, V 원소 또는 이 원소의 산화물을 포함하는 제5군 첨가원소 중 적어도 하나가 구리 산화물에 함유되게 형성한다.

바람직하게는 제2오믹컨택트층(60)은 인듐주석산화물(ITO)로 형성한다.

제2오믹콘택트층(60)은 분말상의 제2군 산화물과 첨가원소를 상호 혼합한 후 소결하여 형성한 반응대상체를 전자빔 증착기 챔버내의 반응대상체 장착스테이 지에 장착하여 증착하는 방식등 다양한 방법에 의해 형성할 수 있다.

바람직하게는 제2오믹콘택트층(60)은 제2군에 속한 산화물을 기준으로 첨가원소가 1 내지 30 중량 퍼센트(wt%)로 적용한다.

또한, 제2오믹컨택트층(60)는 1nm 내지 1000nm의 두께로 형성한다.

제2군 산화물에 첨가원소가 함유되게 형성된 제2오믹콘택트층(60)은 투명 전도성을 갖는 산화물층이 된다.

이러한 제1오믹콘택트층(50) 및 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.

증착온도는 20℃ 내지 1500℃ 범위 내에서 수행되고, 반응기 내의 압력은 대기압 내지 10^- ¹²토르(torr) 정도에서 수행된다.

또한, 제1오믹콘택트층(50) 및 제2오믹컨택트층(60)은 증착 후 열처리공정을 거친다.

열처리(annealing)는 200℃ 내지 800℃ 에서 진공 또는 가스 분위기에서 10초 내지 10시간 정도 열처리한다.

열처리를 가스분위기에서 수행할 경우 반응기 내에 투입되는 가스는 질소, 아르곤, 헬륨, 산소, 수소, 공기 중 적어도 하나 이상의 기체가 적용될 수 있다.

이러한 본 발명에 따른 p형 전극구조체에서 p형 클래드층(40) 위에 제1오믹컨택트층(50)을 백금(Pt)으로 2nm두께로 형성하고, 제2오믹컨택트층(60)을 인듐주석산화물(ITO)로 200nm의 두께로 형성한 후 공기 분위기에서 상호 다른 온도에서 열처리 한 후 열처리 온도에 따른 전류-전압 특성을 측정한 결과가 도 2에 도시되어 있다. 도 2를 통해 알 수 있는 바와 같이 300℃ 이상으로 열처리한 경우 우수한 전류-전압 특성을 갖는다.

또한, 백금(Pt)/인듐주석산화물(ITO)로 형성된 제1 및 제2오믹컨택트층(50)(60)의 광투과성을 측정한 결과가 도 3에 도시되어 있다. 도 3을 통해 알 수 있는 바와 같이 넓은 파장 범위인 450 나노미터 내지 800 나노미터의 파장대에서 거의 일정하게 80% 이상의 우수한 광투과성을 갖고 있다.

도 4은 도 1의 p형 전극구조체가 적용된 발광소자의 일 예를 나타내 보인 도면이다. 앞서 도시된 도면에서와 동일기능을 하는 요소는 동일 참조부호로 표기한다.

도면을 참조하면, 발광소자는 기판(10), n형 클래드층(20), p형 클래드층(40), 제1오믹컨택트층(50)이 순차적으로 적층된 구조로 되어 있다. 참조부호 80은 n형 전극패드이고, 90은 p형 전극 패드이다.

여기서 광을 생성하는 발광칩은 n형클래드층(20)과 p형클래드층(40)으로 이루어져 있다.

n형 클래드층(20)이 기판(10)으로 적용될 경우 기판(110)은 생략될 수 있다.

n형 클래드층(20)은 아연산화물에 n형 도펀트가 첨가되어 형성된다.

n형 도펀트는 Al, Ga 등이 적용될 수 있다.

n형 클래드층(20)과 n형 전극패드(80) 사이에는 n형 오믹컨택트층(미도시)이 개제될 수 있고, n형 오믹컨택트층은 타이타늄(Ti)과 금(Au)이 순차적으로 적층된 층구조 등 공지된 다양한 구조가 적용될 수 있다.

p형 클래드층(40)은 아연산화물에 p형 도펀트가 첨가되어 형성된다.

p형 도펀트는 N, P, As 등이 적용될 수 있다.

제1오믹컨택트층(50) 및 제2오믹컨택트층(60)은 앞서 도 1을 통해 설명된 물질로 형성되어 있다.

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.

활성층(30)은 아연산화물에 첨가원소로 Cd, Mg 중 어느 하나 또는 이들 모두를 적절한 비율로 포함하여 형성된다.

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.

활성층(30)은 단층 또는 MQW층 등 공지된 다양한 방식으로 구성될 수 있다.

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.

제1오믹컨택트층(50) 및 제2오믹컨택트층(60)은 앞서 도 1 및 도 2를 통해 설명된 바와 같은 물질로 형성한 후 열처리과정을 거치면 된다.

즉, 기판(10), n형 클래드층(20), 활성층(30), p형 클래드층(40)이 순차적으로 적층된 구조체의 p형 클래드층 위에 제1오믹컨택트층(50) 및 제2오믹컨택트층(60)을 증착하여 형성하고, 열처리를 수행하면 된다.

이러한 발광소자의 구조의 구조는 도시된 방식 이외에도 공지된 다양한 구조가 적용될 수 있음은 물론이다.

지금까지 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 산화아연계 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, p형 클래드층과의 오믹접촉 특성이 개선되어 낮은 비접촉 저항과 우수한 전류-전압 특성에 의해 소자의 발광효율 및 소자 수명을 향샹시킬 수 있는 장점을 제공한다.

Claims

n형 클래드층과 p형 클래드층 사이에 주입된 전류에 의해 발광하는 산화아연계 발광소자에 있어서,

백금과 금 중 선택된 어느 하나의 물질 또는 이들 간의 합금으로 상기 p형 클래드층 위에 형성된 제1오믹 컨택트층과;

상기 제1오믹컨택트층 위에 인듐산화물, 주석 산화물, 구리 산화물 중 선택된 어느 하나의 물질 또는 상기 인듐산화물, 주석 산화물, 구리 산화물 중 선택된 어느 하나의 물질에 첨가원소가 첨가된 화합물로 형성된 제2오믹컨택트층;을 구비하는 것을 특징으로 하는 산화아연계 발광소자.
제1항에 있어서, 상기 제2오믹컨택트층은

Sn, Fe, Cr, Co, Rh, La, Ag, Ni, Zn, Pd, Mg, Li, Nd, Eu, V 원소 또는 이 원소의 산화물 중 적어도 하나와 상기 인듐 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 산화아연계 발광소자.
제1항에 있어서, 상기 제2오믹컨택트층은

Fe, Cr, Co, Rh, La, Al, Ga, In, Sc, Ni, Zn, Pd, Mg, Li, V 원소 또는 이 원소의 산화물 중 적어도 하나와 상기 주석 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 산화아연계 발광소자.
제1항에 있어서, 상기 제2오믹컨택트층은

In, Sn, Mg, Ag, Zn, Sc, Hf, Zr, Ta, Co, Rh, La, Al, Ga, Ni, Pd, Li, V 원소 또는 이 원소의 산화물 중 적어도 하나와 상기 구리 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 산화아연계 발광소자.
n형 클래드층과 p형 클래드층 사이에 주입된 전류에 의해 발광하는 산화아연계 발광소자의 제조방법에 있어서,

상기 n형 클래드층과 상기 p형 클래드층이 상호 대향되게 적층된 발광칩의 상기 p형 클래드층 위에 백금과 금 중 선택된 어느 하나의 물질 또는 이들 간의 합금으로 제1오믹컨택트층을 형성하는 단계와;

상기 제1오믹컨택트층 위에 인듐산화물, 주석 산화물, 구리 산화물 중 선택된 어느 하나의 물질 또는 상기 인듐산화물, 주석 산화물, 구리 산화물 중 선택된 어느 하나의 물질에 첨가원소가 첨가된 화합물로 제2오믹컨택트층을 형성하는 단계; 및

상기 제2오믹컨택트층 형성단계 이후에 설정된 온도로 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화아연계 발광소자의 제조방법.
제5항에 있어서, 상기 제2오믹컨택트층은

Sn, Fe, Cr, Co, Rh, La, Ag, Ni, Zn, Pd, Mg, Li, Nd, Eu, V 원소 또는 이 원소의 산화물 중 적어도 하나가 상기 인듐 산화물에 함유되게 형성된 것을 특징으로 하는 산화아연계 발광소자의 제조방법.
제5항에 있어서, 상기 제2오믹컨택트층은

Fe, Cr, Co, Rh, La, Al, Ga, In, Sc, Ni, Zn, Pd, Mg, Li, V 원소 또는 이 원소의 산화물 중 적어도 하나가 상기 주석산화물에 함유되게 형성된 것을 특징으로 하는 산화아연계 발광소자의 제조방법.
제5항에 있어서, 상기 제2믹컨택트층은

In, Sn, Mg, Ag, Zn, Sc, Hf, Zr, Ta, Co, Rh, La, Al, Ga, Ni, Pd, Li, V 원소 또는 이 원소의 산화물 중 적어도 하나가 상기 구리산화물에 함유되게 형성된 것을 특징으로 하는 산화아연계 발광소자의 제조방법.
제5항에 있어서, 상기 열처리단계는

200℃ 내지 800℃에서 수행하는 것을 특징으로 하는 산화아연계 발광소자의 제조방법.