KR100784382B1 - 광학 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 광학 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 구체적으로 투명전도성 산화물(transparent conducting oxide : TCO) 및 투명전도성 질화물(transparent conducting nitride : TCN) 보다 더 우수한 빛투과도 및 전기적 특성을 갖는 투명전도성 질소산화물(transparent conducting oxynitride : TCON)을 세계 최초로 그룹 3족 질화물계 반도체, 특히 엔형 질화물계 클래드층(N-type nitride-based cladding layer) 상층부에 적층하여 양질의 고투명 다중 엔형 질화물계 쇼키컨택트층 및 오믹컨택트층(highly transparent multi N-type Schottky and ohmic contact layers)을 형성함과 동시에, 본 발명에서 개발된 엔형 쇼키컨택트층 및 오믹컨택트층(N-type Schottky and ohmic contact layers)을 적용한 광학 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명은 수광 다이오드(light receiving diode)에 적용되며, 본 발명에서 고안된 투명전도성 질소산화물(TCON)을 단독, 또는 금속(metal), 합금(alloy), 고용체(solid solution), 일반 전도성 산화물(conducting oxide), 투명전도성 산화물(TCO), 또는 투명전도성 질화물(TCN)등과 같은 엔형 질화물계 클래드층 상층부에서 쇼키성 접촉을 형성하는데 유리한 상(phase)들과 접목한 적층 형태로 고투명 다중 엔형 쇼키컨택트 전극구조체를 구성한다. 또한 상기 수광 다이오드를 위한 고투명 다중 엔형 쇼키컨택트층 개발 이외에도, 양질의 고휘도 그룹 3족 질화물계 발광소자를 제작하는데 필수적인 고투명 다중 엔형 오믹컨택트층을 상기한 쇼키컨택트층과 유사한 방법으로 엔형 질화물계 클래드층 상층부에 형성함으로써 그룹 3족 질화물계 발광소자에도 적용된다. 본 발명에서 적용된 그룹 3족 질화물계 발광소자는 전도성 기판(substrate), 고반사 피형 오믹컨택트층(highly reflective P-type ohmic contact layer), 피형 질화물계 클래드층(P-type nitride-based cladding layer), 활성층(active layer), 엔형 질화물계 클래드층(N-type nitride-based cladding layer), 및 고투명 다중 엔형 오믹컨택트층이 순차적으로 적층되어 있고, 상기한 고투명 다중 엔형 오믹컨택트 전극구조체는 투명전도성 전극으로서 우수한 장점을 지닌 투명전도성 질소산화물(TCON) 박막을 적어도 한층 이상 지닌 단독 또는 전기 전도성을 향상시키고자 도펀트(dopant)가 첨가된 박막으로 형성된다. 더욱 바람직하게는 고투명 다중 엔형 오믹컨택트 전극구조체는 투명전도성 질소산화물 이외에도 금속(metal), 합금(alloy), 고용체(solid solution), 일반 전도성 산화물(conducting oxide), 투명전도성 산화물(TCO), 또는 투명전도성 질화물(TCN)등과 같은 엔형 질화물계 클래드층 상층부에서 오믹성 접촉 계면을 형성하는데 유리한 상(phase)들과 접목한 적층 형태이다.

투명전도성 질소산화물, 고투명 다중 엔형 쇼키컨택트층, 고투명 다중 엔형 오믹컨택트층, 질화물계 클래드층, 발광소자

Description

광학 소자 및 그 제조 방법{Optical device and Method of fabricating the same}

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따라서, 엔형 질화물계 클래드층(N-type nitride-based cladding layer) 상층부에 형성된 고투명 다중 엔형 쇼키컨택트층(highly transparent N-type multi Schottky contact layer) 구조를 나타내 보인 단면도이고,

도 2는 본 발명의 제2실시예에 따라서, 엔형 질화물계 클래드층(N-type nitride-based cladding layer) 상층부에 형성된 고투명 다중 엔형 오믹컨택트층(highly transparent N-type multi ohmic contact layer) 구조를 나타내 보인 단면도이고,

도 3은 본 발명의 제1, 2실시예에 따라서, 엔형 질화물계 클래드층 상층부에 형성되는 고투명 다중 엔형 쇼키컨택트층 및 오믹컨택트층들의 여러 적층 형태 모습을 보인 단면도이고,

도 4는 본 발명의 제1, 2실시예에 따라서, 엔형 질화물계 클래드층 상층부에 나노미터크기 규모 파티클(nanometer scale particle)을 도입시킨 후에 형성되는 고투명 다중 엔형 질화물계 쇼키컨택트층 및 오믹컨택트층의 여러 적층 형태 모습을 보인 단면도이고,

도 5는 본 발명의 제 2, 3, 4실시예에 따라서 개발된 고투명 다중 엔형 오믹컨택트층이 엔형 질화물계 클래드층 상층부에 적용된 그룹 3족 질화물계 발광소자를 보인 단면도이다.

본 발명은 광학 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 투명전도성 산화물 및 질화물(transparent conducting oxide or nitride : TCO or TCN) 보다 투명전도성 박막물질로서 더 뛰어난 성능(figure of merits : FOM), 즉 낮은 전기저항(low electrical resistance) 및 높은 빛투과도(high light transmittance)를 지닌 투명전도성 질소산화물(transparent conducting oxynitride : TCON)을 개발하여, 그룹 3족 엔형 질화물계 반도체(group Ⅲ N-type nitride-based semiconductors)의 고투명 다중 엔형 쇼키컨택트 및 오믹컨택트 전극구조체(highly transparent N-type multi Schottky and ohmic contact layers) 개발과 이들을 적용한 질화물계 수광 및 발광소자(group Ⅲ N-type nitride-based light receiving and emitting devices)와 같은 광학 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

현재 투명전도성 박막(transparent conducting thin film)은 유기물 및 무기물(organic and inorganic materials)을 사용한 광전자분야, 센서 및 디스플레이 분 야, 그리고 에너지 산업 분야에서 다양하게 이용되고 있다. 특히 센서 및 디스플레이 분야에서 광감지기(photo-detector), 발광 다이오드(light emitting diode : LED), 및 레이저 다이오드(laser diode : LD) 등의 반도체 수광 및 발광소자 분야에서는 원활한 캐리어 제어(carrier controlling), 주입(carrier injection), 및 전류퍼짐(current spreading) 이외에도, 외부에서 입사되어 들어오는 다양한 파장대역을 갖는 빛을 최대한 많이 수광(light receiving)하기 위함과 반도체 발광소자 활성층(active layer)에서 생성된 포톤(photon)을 최대한 외부로 많이 방출(light emission)시킬 수 있도록 전기 및 광학적 특성을 동시에 갖는 물질이어야 한다. 무엇보다도 차세대 조명용 광원으로 각광받고 있는 질화물계 발광 다이오드(group Ⅲ nitride light emitting diode : Ⅲ nitride LED)와 관련된 국내외 많은 연구 기관에서는 양질의 수광 및 발광소자용 투명전도성 박막을 개발하고자 활발하게 연구 중에 있다. 그 결과, 널리 알려진 인듐주석산화물(indium tin oxide :ITO)을 비롯한 여러 불순물이 첨가된 아연산화물(doped zinc oxide : ZnO) 등의 투명전도성 물질들은 최근 직간접적으로 질화물계 발광 다이오드(LED)의 전극으로 사용되고 있다.

여러 투명전도성 산화물(TCO)중에서 가장 활발하게 연구 개발되고 있는 물질은 인듐산화물(In2O3), 주석산화물(SnO2), 카드뮴산화물(CdO), 아연산화물(ZnO), 및 인듐주석산화물(ITO) 등인데, 이들은 상대적으로 작은 일함수 값과 가시광선 및 자외선 빛의 파장 영역에서 급격한 빛투과도 감소 특성을 지니고 있어 질화물계 발광 다이오드(LED)의 투명전극으로 이용 시 많은 문제점을 지니고 있다. 현제 질화물계 수광 및 발광 다이오드에서 부분적으로 이용되고 있는 이들 물질들이 겪는 문제들을 정리요약하면 하기와 같다.

첫째, 기존의 투명전도성 산화물(TCO) 또는 질화물(TCN)들은 엔형 질화물 클래드층(N-type nitride-based cladding layer) 표면에서의 전기적 특성과 비교적 잘 호환되질 않아서 엔형 질화물계 쇼키 및 오믹컨택트 전극구조체로 사용 시, 계면에서의 캐리어 흐름에 대한 원활한 제어 및 주입(controlling and injecting)이 어렵게 되고, 이로 인하여 효과적인 외부 빛의 수광 및 높은 외부발광효율을 지닌 수광 및 발광 다이오드를 구현하는데 많은 어려움이 있다.

둘째, 기존의 투명전도성 산화물(TCO) 또는 질화물(TCN)들은 질화물계 수광 및 발광 다이오드에서 생성 및 출사되는 빛들 중에서 청색 빛을 갖는 파장 영역이하에서는 낮은 빛투과도를 갖기 때문에 단파장 영역의 빛을 수광 및 발광시키는 소자에는 적용하기가 어렵다. 셋째, 기존의 투명전도성 산화물(TCO) 또는 질화물(TCN)들은 빛에 대한 굴절 지수(refractive index)가 약 2 에 가까운 큰 값을 지니고 있기 때문에 이들 투명전도성 박막 전극을 통해서 빛을 공기중으로 자유롭게 출입/출사시키는데도 어려움이 있다.

현재 그룹 3족 질화물계 반도체를 이용하여 트랜지스터(transistor) 및 광감지기(photo-detector) 등의 센서들을 비롯해서 발광 다이오드 (LED) 및 레이저 다이오드(laser diode : LD)와 같은 발광소자를 폭넓게 산업적으로 상품화하고 있는데, 현재 보다 더욱 더 우수한 성능을 갖는 광전자소자(optoelectronic device)를 구현하기 위해서는 그룹 3족 질화물계 반도체와 전극간의 계면특성인 컨택 제어 기술 (contact control technology)이 매우 중요하다.

특히 질화인듐(InN), 질화갈륨(GaN), 및 질화알루미늄(AlN)으로 구성된 질화물계 반도체를 이용한 발광 다이오드(LED)는 최종 소자에 적용되는 기판(substrate)에 따라서 메사구조 발광 다이오드(MESA-structured light emitting diode)와 수직구조 발광 다이오드(vertical structure light emitting diode)로 분류된다. 현재 일반적으로 널리 사용되고 있는 메사구조 발광 다이오드는 사파이어와 같은 절연성 기판을 사용하는 경우에 제작되는 발광소자 구조로서, 상대적으로 더 하층부에 묻혀 있는 한 질화물계 클래드층을 에칭공정(etching process)을 통해서 공기중으로 노출시켜서 평행한 두 오믹컨택트 전극구조체를 형성시켜서 만드는 소자형태이다. 그룹 3족 질화물계 메사구조 발광 다이오드는 일반적으로 최초 성장기판인 절연성 사파이어 상층부에 엔형 질화물계 클래드층(N-type nitride-based cladding layer)이 피형 질화물계 클래드층(P-type nitride-based cladding layer)보다 먼저 성장되는 구조가 기술 및 소자성능 면에서 바람직하며 널리 이용되고 있다. 이러한 메사구조 발광 다이오드 구조에서는 활성층에서 생성된 빛(=포톤)이 피형 질화물계 클래드층 바로 상층부에 접촉되어 있는 피형 질화물계 클래드층을 통해서 출사한다.

반면에 수직구조 발광 다이오드는 실리콘(Si), 실리콘 카바이드(SiC), 또는 일반 금속후막을 최종 기판으로 이용하고 있는데, 이러한 수직구조 발광 다이오드는 메사구조 발광 다이오드에 비해서 구동시에 발생되는 열 발산이 비교적 용이하며 대면적 발광영역을 갖는 특성을 갖고 있기 때문에 고휘도 대용량 발광소자로 제작 하고 있다. 특히 고휘도 대용량 발광소자로 이용되는 수직구조 발광 다이오드는 메사구조 발광 다이오드와는 반대로 활성층에서 생성된 빛을 고 반사성 피형 오믹컨택트층(highly reflective P-type ohmic contact layer)을 이용하여 피형 질화물계 클래드층보다 상층부에 존재하는 엔형 질화물계 클래드층을 통해서 발광시키는 구조가 일반적으로 제작된다.

상기한 바와같이, 활성층에서 생성된 빛이 피형 질화물계 클래드층(P-type cladding layer)을 통해서 빛을 발광시키는 메사구조 발광 다이오드는 피형 질화물계 클래드층의 낮은 홀 농도로 인해서 피형 질화물계 클래드층 상층부에서 사방으로 용이하게 피형 캐리어인 정공(hole)의 전도(transporting)가 어려워서 이러한 피형 질화물계 클래드층을 이용한 양질의 광전자소자를 만들기 위해서는 우수한 전류퍼짐성(current spreading)을 갖고 있는 양질의 피형 오믹컨택트층이 절대적으로 필요하다. 다시 말하자면, 피형 질화물계 클래드층이 상층부에 놓인 고휘도 메사구조 발광 다이오드를 실현화하기 위해서는 측면방향으로의 전류퍼짐성(current spreading)과 수직방향으로의 홀 주입(hole injecting)이 뛰어나고, 동시에 가시광선 및 단파장 영역의 빛에 대한 광학적 특성(빛투과도 또는 빛반사도)이 우수한 피형 오믹컨택트 전극구조체가 개발/형성되어야 한다. 더군다나 생성된 빛을 투명한 사파이어 기판을 통해서 출사시키기 보다는 피형 질화물계 클래드층 상부로 출사시키기 위해서는 양질의 고투명 피형 오믹컨택트층이 절대적으로 필요하다. 현재 가장 널리 이용되고 있는 피형 질화물계 클래드층을 통해서 빛을 발광시키는 메사구조 발광 다이오드용 피형 오믹컨택트층은 피형 질화물계 클래드층 상층부에서 산화 시킨 니켈-금(Ni-Au) 전극구조체이다. 전자빔 증착기(e-beam evaporator) 등을 이용하여 피형 질화물계 클래드층 상층부에 Ni-Au 얇은 박막층을 순차적으로 증착시키고 산소(O2)분위기에서 열처리하여 10-3 ~ 10-4 Ω㎠ 정도의 비접촉저항(specific ohmic contact resistance)을 갖는 반투명 오믹컨택트층(semi-transparent ohmic contact layer)을 형성하는 것으로 알려져 있다. 산화시킨 니켈-금 오믹컨택트층은 청색 빛의 파장 영역인 460 나노미터(nm) 이하에서는 75% 이하의 낮은 빛투과도를 갖고 있어 차세대 질화물계 발광 다이오드용 피형 오믹컨택트층으로는 적합하지 않다. 상기한 산화시킨 반투명 Ni-Au 오믹컨택층의 낮은 비접촉저항은 500℃ 내지 600℃ 정도의 온도 및 산소(O2) 개스 분위기에서 열처리할 때 피형 질화물계 클래드층을 이루고 있는 질화갈륨(GaN)과 오믹컨택트층으로 적용된 니켈(Ni) 금속과의 접촉계면에서 피형 반도체 산화물인 니켈산화물(NiO)이 섬모양으로 형성되며, 동시에 금(Au) 금속이 섬모양으로 분포되어 있는 니켈산화물(NiO) 사이와 상층부를 덮고 있는 구조를 갖는 것으로 밝혀졌다. 특히, 피형 질화물계 클래드층 상층부에 얇게 증착시킨 Ni-Au을 산소 분위기에서 열처리 했을 때 니켈산화물(NiO)이 형성되는데, 이는 질화갈륨(GaN)과 전극간에 형성된 쇼트키 장벽의 높이 및 폭(Schottky barrier height & width : SBH & SBW)을 감소시키게 되고 이러한 전극을 통해서 외부전압 인가 시 캐리어를 소자에 용이하게 공급하게 된다. 상기한 바와같이 산화시킨 얇은 Ni-Au으로 이루어진 박막층이 우수한 전기적 특성인 오믹성 거동을 보인 이유는 SBH & SBW 감소를 이끄는 니켈산화물의 역할 이외에도 측면방향으로의 전류 퍼짐성을 주도적으로 향상시키는 금(Au) 금속 성분이다. 상기한 바와같이 산화시킨 Ni-Au 박막층의 오믹성 거동에 대한 메카니즘(mechanism) 이외에도 피형 질화물계 클래드층 상층부에 얇은 Ni-Au으로 이루어진 박막층을 형성시킨 후에 열처리하면 피형 질화물계 클래드층 내부에 실효 홀 농도(net effective hole concentration)를 제한하고 있는 Mg-H 금속간 화합물을 제거하여 피형 질화물계 클래드층 표면에서 마그네슘 도펀트(dopant) 농도를 증가시키는 재활성화(reactivation) 과정을 통해서 피형 질화물계 클래드층 표면에서 이러한 실효 홀 농도가 1018 이상이 되게 하여 피형 질화물계 클래드층과 니켈산화물을 함유한 오믹컨택트층 사이에 터널링 전도(tunneling transport)를 일으켜 낮은 비접촉저항 값을 지닌 오믹성 거동을 보이는 것으로 이해되고 있다. 그러나 산화시킨 Ni-Au으로 형성되는 반투명 피형 오믹컨택트층을 이용한 수직구조 발광 다이오드는 빛투과도를 저해하고 있는 금(Au) 금속 성분을 포함하고 있어 외부발광효율이 낮아 향후 대면적 및 대용량 고휘도 조명용 응용에 한계점을 갖고 있다.

최근 들어, 피형 질화물계 클래드층이 상층부에 놓인 고휘도 메사구조 발광 다이오드 소자의 낮은 발광효율의 한계를 다소나마 극복하고자 기존에 피형 오믹컨택트층으로 사용되고 있는 반투명의 Ni-Au 구조보다 우수한 빛투과도를 갖는 투명전도성 산화물, 예를 들면 ITO를 이용하고자 하는 연구내용이 문헌[T. Margalith et al., Appl. Phys. Lett. Vol.74. p3930 (1999)]를 통해 보고되고 있다. 최근 ITO 오믹컨택트층을 이용하여 기존의 산화시킨 Ni-Au 구조와 비교 시 보다 향상된 출력(output power)을 나타내는 수직구조 발광 다이오드를 구현하였다는 내용이 여러 문헌[Solid-State Electronics vol.47. p849 (2003)]을 통해 보고되고 있다. 그러 나 이러한 구조의 오믹컨택트층은 발광 다이오드의 출력을 증대시킬 수 있지만 상대적으로 높은 동작전압을 나타내는 문제점을 갖고 있는데 그 근본적인 원인은 앞서 설명된 바와같이 피형 질화물계 반도체의 일함수 값에 비해 상대적으로 작은 값을 지니고 있어, 피형 질화물계 클래드층과 ITO 오믹컨택트층 사이의 계면에 높은 쇼트키 장벽을 형성하여 원활한 캐리어 주입이 어려워 다량의 열 발생과 이로 인하여 짧은 소자 수명 등을 야기한다. 앞서 설명한 바와같이 피형 질화물계 클래드층 상층부에 ITO 및 ZnO와 같은 TCO들을 직접적으로 증착/접촉시키면 높고 두꺼운 SBH 및 SBW가 각각 생성되어 오믹컨택트층을 형성하지 못하는데, 이를 해결하고자 더 최근 들어 국내 광주과학기술원(GIST)의 연구그룹에서는 피형 질화물계 클래드층과 TCO들 사이에 얇은 제 2의 TCO 층을 삽입하여 열처리하여 100 나노미터(nm) 이하의 입자들(particles)을 만들어 양질의 오믹컨택트층을 형성한 결과들이 발표되었다. 이러한 계면에 생성된 나노 입자들은 계면에서 전기장(electric field)을 유발하고, 이처럼 유발된 전기장이 쇼키장벽의 높이 및 폭을 낮추어 주고 쇼키성 거동을 보인 TCO 전극을 오믹성 거동으로 전환시켜주는 역할을 한 것으로 분석되었다. 하지만, 상기한 기술들을 이용한 양질의 고투명 피형 오믹컨택트층 개발 및 이를 적용한 수직구조 발광 다이오드는 발광영역 한계 및 소자 구동시 생성되는 열 발산(heat dissipation) 문제로 인해서 차세대 조명용 광원으로 활용하기에는 너무나도 많은 어려움이 놓여 있다.

차세대 조명용 광원으로 그룹 3족 질화물계 발광소자를 폭넓게 활용하기 위해서는 대면적 대용량의 고휘도 발광소자가 제작되어야 하는데, 이를 위해서는 전기 및 열적으로 우수한 전도성을 갖는 실리콘 카바이드(SiC) 성장기판 상층부에 발광소자를 제작하거나 강한 에너지 빔인 레이저를 사용한 사파이어 성장 기판 제거 기술인 레이저 리프트 오프(laser lift-off : LLO) 기술을 도입하여 전도성 후막기판을 접목한 수직구조 발광 다이오드가 바람직하다. 특히 LLO 및 전도성 후막기판 접목을 이용하는 수직구조 발광 다이오드는 엔형 질화물계 클래드층이 피형 클래드층보다 상층부에 존재하는 동시에 활성층에서 생성된 빛을 아래층에 위치하는 고반사 피형 오믹컨택트층과 고투명 엔형 오믹컨택트층을 이용하는 형태가 주로 이용되고 있다. 이러한 수직구조 발광 다이오드의 고투명 엔형 오믹컨택트층은 앞서 설명한 바와같이 투명전극으로서 여러 한계점을 지닌 투명전도성 산화물(TCO) 및 투명전도성 질화물(TCN)들이 주로 이용되고 있다.

본 발명은 투명전도성 산화물(TCO) 및 질화물(TCN) 보다 투명전도성 박막물질로서 더 뛰어난 성능(figure of merits : FOM), 즉 낮은 전기저항(low electrical resistance) 및 높은 빛투과도(high light transmittance)를 지닌 투명전도성 질소산화물(transparent conducting oxynitride : TCON)을 개발하여, 그룹 3족 엔형 질화물계 반도체(group Ⅲ N-type nitride-based semiconductors)의 고투명 다중 엔형 쇼키컨택트 및 오믹컨택트 전극구조체(highly transparent multi N-type Schottky and ohmic contact layers) 개발과 이들을 적용한 질화물계 수광 및 발광소자(group Ⅲ N-type nitride-based light receiving and emitting devices)와 같은 광학 소자 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 질화물계 발광소자는 피형 질화물계 클래드층(P-type nitride cladding layer)과 엔형 질화물계 클래드층(N-type nitride cladding layer) 사이에 질화물계 활성층(nitride active layer)을 갖는 질화물계 발광소자(특히, 발광 다이오드 및 레이저 다이오드)에 있어서, 상기 엔형 질화물계 클래드층 상층부에 적어도 한층 이상의 투명전도성 질소산화물(transparent conducting oxynitride : TCON)을 포함하고 있는 고투명 다중 엔형 오믹컨택트층(highly transparent multi N-type ohmic contact layer)을 구비하고, 상기 투명전도성 질소산화물(TCON)은 인듐(In), 주석(Sn), 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 타이타늄(Ti), 몰리브덴늄(Mo), 탄탈륨(Ta), 바나듐(V), 크롬(Cr), 니오븀(Nb), 지르코늄(Zr), 은(Ag), 니켈(Ni), 구리(Cu), 코발트(Co), 금(Au), 백금(Pt), 레늄(Re), 이리듐(Ir), 텅스텐(W), 루세늄(Ru), 또는 팔라듐(Pd) 금속들 중에서 적어도 하나 이상의 성분을 주성분으로 하고 산소(O) 및 질소(N)가 반드시 동시에 결합하여 형성된 물질을 말한다. 바람직하게는 상기 투명전도성 질소산화물(TCON)은 전기적 특성을 조절하기 위해서 다른 금속 성분들이 도펀트(dopant)로서 더 포함될 수 있다. 여기서 도펀트로 적용되는 금속들은 원소 주기율표상에서 금속으로 분류된 원소가 적용된다. 또한 도펀트로 적용되는 금속 물질이외에도 불소(F) 및 황(S)을 포함하는 것이 바람직하다. 또한 상기 투명전도성 질소산화물(TCON)에 대한 상기 도펀트의 첨가비는 0.001 내지 20 웨이트 퍼센트(wt. %)로 적용되는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면 상기한 고투명 다중 엔형 오믹컨택트층은 투명전도성 질소산화물(TCON) 이외에도 다음과 같이, 엔형 질화물계 클래드층 상층부에서 오믹접촉 전극을 형성하는데 유리한 금속(metal) 및 이들 금속을 모체로 하는 합금/고용체(alloy/solid solution), 일반 전도성 산화물(conducting oxide), 투명전도성 산화물(TCO), 및 투명전도성 질화물(TCN) 등과 함께 적층 순서와는 무관하게 접목하여 형성시킬 수 있다.

금속(metal) 및 이들 금속을 모체로 하는 합금/고용체(alloy/solid solution) : 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 타이타늄(Ti), 몰리브덴늄(Mo), 탄탈륨(Ta), 바나듐(V), 크롬(Cr), 니오븀(Nb), 지르코늄(Zr), 레늄(Re), 금(Au), 로듐(Rh), 루세늄(Ru), 텅스텐(W), 이리듐(Ir), 은(Ag), 아연(Zn), 구리(Cu), 코발트(Co), 주석(Sn), 희토류 금속들(rare earth metal), 또는 이들 금속을 모체로 하는 합금/고용체.

일반 전도성 산화물(conducting oxide) : 니켈산화물(Ni-O), 로듐산화물(Rh-O), 루세늄산화물(Ru-O),이리듐산화물(Ir-O), 구리산화물(Cu-O), 코발트산화물(Co-O), 텅스텐산화물(W-O), 크롬산화물(Cr-O), 바나늄산화물(V-O), 또는 타이타늄산화물(Ti-O).

투명전도성 산화물(TCO) : 인듐산화물(In2O3), 주석산화물(SnO2), 인듐주석산화물(ITO), 아연산화물(ZnO), 마그네슘(MgO), 캐드뮴산화물(CdO), 마그네슘아연산화물(MgZnO), 인듐아연산화물(InZnO), 인듐주석산화물(InSnO), 구리알루미늄산화물(CuAlO2), 실버산화물(Ag2O), 갈륨산화물(Ga2O3), 아연주석산화물(ZnSnO), 아연인 듐주석산화물(ZITO), 또는 이들 투명전도성 산화물이 결합된 또 다른 산화물들.

투명전도성 질화물(TCN) : 타이타늄질화물(TiN), 크롬질화물(CrN), 텅스텐(WN), 탄탈륨(TaN), 니오븀(NbN).

또한 더 바람직하게는 상기한 산화물 및 질화물에 이들 물질들의 전기적 특성을 향상시키기 위해서 제 3의 물질, 즉 도판트(dopant)를 첨가시킬 수 있다.

또한 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 실시예에 따른 그룹 3족 질화물계 발광소자의 제조방법은 피형 질화물계 클래드층(P-type nitride cladding layer)과 엔형 질화물계 클래드층(N-type nitride cladding layer) 사이에 질화물계 활성층(nitride active layer)을 갖는 질화물계 발광소자의 제조방법에 있어서,

가. 전도성 기판 상층부에 피형 질화물계 클래드층, 활성층, 및 엔형 질화물계 클래드층이 순차적으로 적층된 발광구조체로서 상기 엔형 질화물계 클래드층 상층부에 적어도 한층 이상 투명전도성 질소산화물(transparent conducting oxynitride : TCON)을 포함하는 고투명 다중 엔형 오믹컨택트층을 적층하는 단계와;

나. 상기 가 단계를 거쳐서 적층된 다중 전극층을 양질의 오믹성 접촉 계면을 형성하도록 만들기 위해서 열처리하는 단계;를 포함하고, 상기 가 단계에서 상기 투명전도성 질소산화물(TCON)은 인듐(In), 주석(Sn), 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 타이타늄(Ti), 몰리브덴늄(Mo), 탄탈륨(Ta), 바나듐(V), 크롬(Cr), 니오븀(Nb), 지르코늄(Zr), 은(Ag), 니켈(Ni), 구리(Cu), 코발트(Co), 금(Au), 백금(Pt), 레늄(Re), 이리듐(Ir), 텅스텐(W), 루세늄(Ru), 또는 팔라듐(Pd) 금속들 중에서 적어도 하나 이상의 성분을 주성분으로 하고 산소(O) 및 질소(N)가 반드시 동시에 결합하여 형성된 물질을 말한다.

상기 열처리단계는 100도 내지 800도에서 10초 내지 3시간 동안 수행하는 것이 바람직하다. 또한 상기 열처리 단계는 상기 오믹컨택트 전극체가 내장된 반응기내에 질소(N2), 산소(O2), 수소(H2), 공기, 아르곤(Ar), 또는 헬륨(He) 개스 중 적어도 하나를 포함하는 기체 분위기에서 수행한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 고투명 다중 엔형 쇼키컨택트층 및 오믹컨택트층(highly transparent multi N-type Schottky and ohmic contact layers) 고안과 이들을 적용한 그룹 3족 질화물계 수광 및 발광소자 및 그 제조방법을 보다 상세하게 설명한다.

이하의 설명에서 참조되는 도면들에서 동일기능을 하는 요소는 동일 참조부호로 표기한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따라서, 엔형 질화물계 클래드층(N-type nitride-based cladding layer) 상층부에 형성된 고투명 다중 엔형 쇼키컨택트층(highly transparent N-type multi Schottky contact layer) 구조를 나타내 보인 단면도이다.

도면을 참조하면, 도 1(a)은 엔형 질화물계 클래드층(10) 상층부에 직접적으로 고투명 다중 엔형 쇼키컨택트층(20)이 적층된 단면도이고, 반면에 도 1(b)은 도 1(a)와 달리 엔형 질화물계 클래드층 상층부에 고투명 다중 엔형 쇼키컨택트층(20)을 형성시키기 전에 터널 정션층(tunnel junction layer : 30)을 삽입하여 더욱 뛰어난 쇼키컨택트 전극구조체를 형성하는 단면도이다.

상세하게는 엔형 질화물계 클래드층(10)은 3족 질화물계 화합물의 일반식인 AlxInyGazN(x, y, z는 0 이상의 정수이고, 또한 x,y,z는 동시에 0이 아니다) 중 선택된 어느 화합물을 기본으로 하여 형성되고, 엔형 질화물계 클래드층(10)에 해당 도펀트인 그룹 4족 원소들인 실리콘(Si), 저매니움(Ge), 셀레늄(Se), 또는 테레늄(Te) 등이 우선적으로 단독 또는 동시에 첨가된다.

상기한 바와같이, 본 발명 특허의 핵심기술인 고투명 다중 엔형 쇼키컨택트 전극구조체(20)는 엔형 질화물계 클래드층(10) 상층부에 적어도 한층 이상의 투명전도성 질소산화물(transparent conducting oxynitride : TCON)을 포함하고 있는 고투명 다중 엔형 쇼키컨택트층(20)을 구비하고, 상기 투명전도성 질소산화물(TCON)은 인듐(In), 주석(Sn), 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 타이타늄(Ti), 몰리브덴늄(Mo), 탄탈륨(Ta), 바나듐(V), 크롬(Cr), 니오븀(Nb), 지르코늄(Zr), 은(Ag), 니켈(Ni), 구리(Cu), 코발트(Co), 금(Au), 백금(Pt), 레늄(Re), 이리듐(Ir), 텅스텐(W), 루세늄(Ru), 또는 팔라듐(Pd) 금속들 중에서 적어도 하나 이상의 성분을 주성분으로 하고 산소(O) 및 질소(N)가 반드시 동시에 결합하여 형성된 물질을 말한다. 바람직하게는 상기 투명전도성 질소산화물(TCON)은 전기적 특성을 조절하기 위해서 다른 금속 성분들이 도펀트(dopant)로서 더 포함될 수 있다. 여기서 도펀트로 적용되는 금속들은 원소 주기율표상에서 금속으로 분류된 원소가 적용된다. 또한 도펀트로 적용되는 금속 물질이외에도 불소(F) 및 황(S)을 포함하는 것이 바람직하다. 또한 상기 투명전도성 질소산화물(TCON)에 대한 상기 도펀트의 첨가비는 0.001 내지 20 웨이트 퍼센트(wt. %)로 적용되는 것이 바람 직하다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면 상기한 고투명 다중 엔형 쇼키컨택트 전극구조체(20)는 투명전도성 질소산화물(TCON) 이외에도 하기와 같이, 엔형 질화물계 클래드층(10) 상층부에서 쇼키 접촉 계면을 형성하는데 유리한 금속(metal) 및 이들 금속을 모체로 하는 합금/고용체(alloy/solid solution), 일반 전도성 산화물(conducting oxide), 투명전도성 산화물(TCO), 및 투명전도성 질화물(TCN)등과 함께 적층 순서와는 무관하게 접목하여 형성시킬 수 있다.

금속(metal) 및 이들 금속을 모체로 하는 합금/고용체(alloy/solid solution) : 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 금(Au), 로듐(Rh), 루세늄(Ru), 이리듐(Ir), 은(Ag), 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 베릴륨(Be), 구리(Cu), 코발트(Co), 주석(Sn), 희토류 금속들(rare earth metal), 또는 이들 금속을 모체로 하는 합금/고용체.

일반 전도성 산화물(conducting oxide) : 니켈산화물(Ni-O), 로듐산화물(Rh-O), 루세늄산화물(Ru-O),이리듐산화물(Ir-O), 구리산화물(Cu-O), 코발트산화물(Co-O), 텅스텐산화물(W-O), 또는 타이타늄산화물(Ti-O).

투명전도성 산화물(TCO) : 인듐산화물(In2O3), 주석산화물(SnO2), 인듐주석산화물(ITO), 아연산화물(ZnO), 마그네슘(MgO), 캐드뮴산화물(CdO), 마그네슘아연산화물(MgZnO), 인듐아연산화물(InZnO), 인듐주석산화물(InSnO), 구리알루미늄산화물(CuAlO2), 실버산화물(Ag2O), 갈륨산화물(Ga2O3), 아연주석산화물(ZnSnO), 아연인듐주석산화물(ZITO), 또는 이들 투명전도성 산화물이 결합된 또 다른 산화물들.

투명전도성 질화물(TCN) : 타이타늄질화물(TiN), 크롬질화물(CrN), 텅스텐(WN), 탄탈륨(TaN), 또는 니오븀(NbN).

또한 더 바람직하게는 상기한 산화물 및 질화물에 이들 물질들의 전기적 특성을 향상시키기 위해서 제 3의 물질, 즉 도판트(dopant)를 첨가시킬 수 있다.

또한 고투명 다중 엔형 쇼키컨택트층(20)은 1 나노미터 내지 1000 나노미터의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

또한 고투명 다중 엔형 쇼키컨택트층(20)을 형성하기 위해 적용되는 증착온도는 20도 내지 1500도 범위 내에서, 증착기 내의 압력은 대기압 내지 10-12 토르(torr) 정도에서 수행한다.

또한 고투명 다중 엔형 쇼키컨택트층(20)을 형성한 후에는 열처리(annealing)과정을 거치는 것이 바람직하다. 열처리(annealing)는 반응기내의 온도를 100도 내지 800도에서 진공 또는 가스 분위기에서 10초 내지 3시간 정도 수행한다. 열처리시 반응기 내에 투입되는 가스는 질소, 아르곤, 헬륨, 산소, 수소, 공기 중 적어도 하나 이상의 기체가 적용될 수 있다.

도 1(b)에서 도입된 터널 정션층(30)은 그룹 3-5족 원소로 구성되는 알루미늄(Al), 인듐(In), 갈륨(Ga), 질소(N), 인(P) 및 비소(As) 중 적어도 갈륨을 포함하는 화합물을 기본으로 하여 50 나노미터(nm) 이하의 두께로 형성된 단층(single layer), 바람직하게는 이중층(bi-layer), 삼중층(tri-layer), 또는 그 이상의 적층구조로 형성될 수 있다.

바람직하게는 이미 여러 문헌에서 공지된 슈퍼래티스 구조(superlattice structure)를 터널 정션층(30)로 한다. 일예로 InGaN/GaN, AlGaN/GaN, AlInN/GaN, AlGaN/InGaN, AlInN/InGaN, AlN/GaN, 또는 AlGaAs/InGaAs 등처럼 그룹 3-5족 원소들로 형성된 얇은 적층구조로서 반복적으로 최대 30쌍(30 pairs)까지를 적층할 수 있다.

더욱 바람직하게는 그룹 2족 원소(Mg, Be, Zn) 또는 그룹 4족 원소(Si, Ge)가 첨가된 단결정(epitaxy), 다결정(poly-crystal), 또는 비정질(amorphous) 물질층을 말한다.

각 층의 형성방법은 전자빔 또는 열 증착기(e-beam or thermal evaporator), 레이저 에너지원을 이용한 PLD(pulsed laser deposition), 이중형의 열증착기(dual-type thermal evaporator) 스퍼터링(sputtering) 등의 물리적인 증착 방법(physical vapor deposition : PVD)와 일렉트로플레이팅(electroplating), 금속 유기 화학 증기 증착법(metaloganic chemical vapor deposition)등의 화학반응을 이용하는 화학적인 증착 방법(chemical vapor deposition : CVD)에 의해 형성 된다.

도 2는 본 발명의 제2실시예에 따라서, 엔형 질화물계 클래드층(N-type nitride-based cladding layer) 상층부에 형성된 고투명 다중 엔형 오믹컨택트층(highly transparent N-type multi ohmic contact layer) 구조를 나타내 보인 단면도이다.

상세하게는 엔형 질화물계 클래드층(160)은 3족 질화물계 화합물의 일반식인 AlxInyGazN(x, y, z는 0 이상의 정수이고, 또한 x,y,z는 동시에 0이 아니다) 중 선택된 어느 화합물을 기본으로 하여 형성되고, 엔형 질화물계 클래드층(160)에 해당 도펀트인 그룹 4족 원소들인 실리콘(Si), 저매니움(Ge), 셀레늄(Se), 또는 테레늄(Te) 등이 단독 또는 동시에 첨가된다.

상기한 바와같이, 본 발명 특허의 핵심기술인 고투명 다중 엔형 오믹컨택트 전극구조체(40)는 엔형 질화물계 클래드층(160) 상층부에 적어도 한층 이상의 투명전도성 질소산화물(transparent conducting oxynitride : TCON)을 포함하고 있는 고투명 다중 엔형 오믹컨택트층(40)을 구비하고, 상기 투명전도성 질소산화물(TCON)은 인듐(In), 주석(Sn), 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 타이타늄(Ti), 몰리브덴늄(Mo), 탄탈륨(Ta), 바나듐(V), 크롬(Cr), 니오븀(Nb), 지르코늄(Zr), 은(Ag), 니켈(Ni), 구리(Cu), 코발트(Co), 금(Au), 백금(Pt), 레늄(Re), 이리듐(Ir), 텅스텐(W), 루세늄(Ru), 또는 팔라듐(Pd) 금속들 중에서 적어도 하나 이상의 성분을 주성분으로 하고 산소(O) 및 질소(N)가 반드시 결합하여 형성된 물질을 말한다. 바람직하게는 상기 투명전도성 질소산화물(TCON)은 전기적 특성을 조절하기 위해서 다른 금속 성분들이 도펀트(dopant)로서 더 포함될 수 있다. 여기서 도펀트로 적용되는 금속들은 원소 주기율표상에서 금속으로 분류된 원소가 적용된다. 또한 도펀트로 적용되는 금속 물질이외에도 불소(F) 및 황(S)을 포함하는 것이 바람직하다. 또한 상기 투명전도성 질소산화물(TCON)에 대한 상기 도펀트의 첨가비는 0.001 내지 20 웨이트 퍼센트(wt. %)로 적용되는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면 상기한 고투명 다중 엔형 오믹컨택트층(40)은 투명전도성 질소산화물(TCON) 이외에도 하기와 같이, 엔형 질화물계 클래드층(160) 상층부에서 오믹성 접촉 전극을 형성하는데 유리한 금속(metal) 및 이들 금속을 모체로 하는 합금/고용체(alloy/solid solution), 일반 전도성 산화물(conducting oxide), 투명전도성 산화물(TCO), 및 투명전도성 질화물(TCN)등과 함께 적층 순서와는 무관하게 접목하여 형성시킬 수 있다. 금속(metal) 및 이들 금속을 모체로 하는 합금/고용체(alloy/solid solution) : 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 타이타늄(Ti), 몰리브덴늄(Mo), 탄탈륨(Ta), 바나듐(V), 크롬(Cr), 니오븀(Nb), 지르코늄(Zr), 레늄(Re), 금(Au), 로듐(Rh), 루세늄(Ru), 텅스텐(W), 이리듐(Ir), 은(Ag), 아연(Zn), 구리(Cu), 코발트(Co), 주석(Sn), 희토류 금속들(rare earth metal), 또는 이들 금속을 모체로 하는 합금/고용체.

일반 전도성 산화물(conducting oxide) : 니켈산화물(Ni-O), 로듐산화물(Rh-O), 루세늄산화물(Ru-O),이리듐산화물(Ir-O), 구리산화물(Cu-O), 코발트산화물(Co-O), 텅스텐산화물(W-O), 크롬산화물(Cr-O), 바나늄산화물(V-O), 또는 타이타늄산화물(Ti-O).

투명전도성 산화물(TCO) : 인듐산화물(In2O3), 주석산화물(SnO2), 인듐주석산화물(ITO), 아연산화물(ZnO), 마그네슘(MgO), 캐드뮴산화물(CdO), 마그네슘아연산화물(MgZnO), 인듐아연산화물(InZnO), 인듐주석산화물(InSnO), 구리알루미늄산화물(CuAlO2), 실버산화물(Ag2O), 갈륨산화물(Ga2O3), 아연주석산화물(ZnSnO), 아연인듐주석산화물(ZITO), 또는 이들 투명전도성 산화물이 결합된 또 다른 산화물들.

투명전도성 질화물(TCN) : 타이타늄질화물(TiN), 크롬질화물(CrN), 텅스텐(WN), 탄탈륨(TaN), 니오븀(NbN).

또한 더 바람직하게는 상기한 산화물 및 질화물에 이들 물질들의 전기적 특성을 향상시키기 위해서 제 3의 물질, 즉 도판트(dopant)를 첨가시킬 수 있다.

또한 고투명 다중 엔형 오믹컨택트층(40)은 1 나노미터 내지 1000 나노미터의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

또한 고투명 다중 엔형 오믹컨택트층(40)을 형성하기 위해 적용되는 증착온도는 20도 내지 1500도 범위 내에서, 증착기 내의 압력은 대기압 내지 10-12 토르(torr) 정도에서 수행한다.

또한 고투명 다중 엔형 오믹컨택트층(40)을 형성한 후에는 열처리(annealing)과정을 거치는 것이 바람직하다. 열처리(annealing)는 반응기내의 온도를 100도 내지 800도에서 진공 또는 가스 분위기에서 10초 내지 3시간 정도 수행한다. 열처리시 반응기 내에 투입되는 가스는 질소, 아르곤, 헬륨, 산소, 수소, 공기 중 적어도 하나 이상의 기체가 적용될 수 있다.

도 2(b)에서 도입된 터널 정션층(180)은 그룹 3-5족 원소로 구성되는 알루미늄(Al), 인듐(In), 갈륨(Ga), 질소(N), 인(P) 및 비소(As) 중 적어도 갈륨을 포함하는 화합물을 기본으로 하여 50 나노미터(nm) 이하의 두께로 형성된 단층(single layer), 바람직하게는 이중층(bi-layer), 삼중층(tri-layer), 또는 그 이상의 적층구조로 형성될 수 있다.

바람직하게는 이미 여러 문헌에서 공지된 슈퍼래티스 구조(superlattice structure)를 터널 정션층(180)로 한다. 일예로 InGaN/GaN, AlGaN/GaN, AlInN/GaN, AlGaN/InGaN, AlInN/InGaN, AlN/GaN, 또는 AlGaAs/InGaAs 등처럼 그룹 3-5족 원소들로 형성된 얇은 적층구조로서 반복적으로 최대 30쌍(30 pairs)까지를 적층할 수 있다.

더욱 바람직하게는 그룹 2족 원소(Mg, Be, Zn) 또는 그룹 4족 원소(Si, Ge)가 첨가된 단결정(epitaxy), 다결정(poly-crystal), 또는 비정질(amorphous) 물질층을 말한다.

각 층의 형성방법은 전자빔 또는 열 증착기(e-beam or thermal evaporator), 레이저 에너지원을 이용한 PLD(pulsed laser deposition), 이중형의 열증착기(dual-type thermal evaporator) 스퍼터링(sputtering) 등의 물리적인 증착 방법(physical vapor deposition : PVD)와 일렉트로플레이팅(electroplating), 금속 유기 화학 증기 증착법(metaloganic chemical vapor deposition)등의 화학반응을 이용하는 화학적인 증착 방법(chemical vapor deposition : CVD)에 의해 형성 된다.

도 3은 본 발명의 제1, 2실시예에 따라서, 엔형 질화물계 클래드층 상층부에 형성되는 고투명 다중 엔형 쇼키컨택트 및 오믹컨택트 전극구조체들의 여러 적층 형태 모습을 보인 단면도이다.

상세하게는, 엔형 질화물계 클래드층(10, 또는 160) 상층부에 적층되어 형성되는 고투명 다중 엔형 쇼키컨택트층(20) 및 오믹컨택트층(40)은 적어도 상기한 투명전도성 질소산화물(TCON)을 한층 이상 포함하는 단층 또는 이중층 이상인 다층 형태의 구조가 바람직하다.

도 4는 본 발명의 제1, 2실시예에 따라서, 엔형 질화물계 클래드층 상층부에 나노미터크기 규모 파티클(nanometer scale particle)을 도입시킨 후에 형성되는 고투명 다중 엔형 질화물계 쇼키컨택트 및 오믹컨택트 전극구조체의 여러 적층 형태 모습을 보인 단면도이다.

상세하게는, 엔형 질화물계 클래드층(10, 또는 160) 상층부에 고투명 다중 엔형 질화물계 쇼키컨택트(20) 및 오믹컨택트(40) 전극구조체를 형성하기 전에 캐리어 흐름에 대한 지배적인 영향을 미치는 계면 특성인 쇼키장벽의 높이 및 폭을 조절 할 수 있는 나노미터크기 규모 파티클(nanometer scale particle : 50)들이 도입된 구조이다. 이러한 나노미터크기 규모 파클로 도입되는 물질로는 엔형 반도체 클래드층(10 또는 160)과 전극구조체들(20 또는 40) 사이의 계면에서 캐리어들의 전하 흐름(charge transport)을 조절하는 쇼키장벽의 높이 및 폭(Schottky barrier height and width)을 조절할 수 있는 금속(metal), 합금(alloy), 고용체(solid solution), 일반 전도성 산화물(conducting oxide), 투명전도성 산화물(TCO), 투명전도성 질화물(TCN), 또는 투명전도성 질소산화물(TCON)들로 구성된 나노미터크기 규모 파티클들을 형성시킨 다음, 상기한 바와같이 산소(O2)와 질소(N2)가 동시에 결합되어 생성된 투명전도성 질소산화물(TCON)을 적어도 한층 이상 포함하고 단층 또는 두층 이상의 다중으로 형성하는 것이 바람직하다.

도 5는 본 발명의 제 2, 3, 4실시예에 따라서 개발된 고투명 다중 엔형 오믹컨택트층이 엔형 질화물계 클래드층 상층부에 적용된 그룹 3족 질화물계 발광소자, 즉 발광 다이오드(LED)를 보인 단면도이다.

상세하게는, 전기적으로 전도성을 갖는 기판, 즉 실리콘카바이드(SiC), 아연산화물(ZnO), 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs), 또는 이미 많은 문헌 등에서 공지된 일렉트로프레이팅(electroplating)/본딩 트랜스퍼(bonding transfer) 방법에 의해서 형성되는 금속(Cu, Ni, Al, 등) 또는 합금(alloy)등과 같은 전도성 물질층 상층부에 형성시킨 수직구조 발광 다이오드 구조를 나타낸 단면도이이다.

도면을 참조하면, 발광소자는 전도성 기판(110), 본딩 물질층(120), 고반사 다중 피형 오믹컨택 v(130), 피형 질화물계 클래드층(140), 질화물계 활성층(150), 엔형 질화물계 클래드층(160), 고투명 다중 엔형 오믹컨택트층(40)이 순차적으로 적층된 구조로 되어 있다. 참조부호 180은 오믹컨택트층의 특성을 향상시키고자 도입된 터널 정션층이고, 170은 엔형 전극패드이다.

기판(110)은 실리콘(Si), 실리콘카바이드(SiC), 아연산화물(ZnO), 갈륨비소(GaAs), 또는 이미 많은 문허등에서 공지된 일렉트로프레이팅(electroplating)/본딩 트랜스퍼(bonding transfer) 방법에 의해서 형성되는 금속(Cu, Ni, Al, 등) 또는 합금(alloy)등과 같은 물질들 중 어느 하나로 형성된 것이 바람직하다.

엔형 질화물계 클래드층(160)으로부터 질화물계 활성층(150) 및 피형 질화물계 클래드층(140) 까지의 각 층은 3족 질화물계 화합물의 일반식인 AlxInyGazN(x, y, z는 0 이상의 정수이고, 또한 x,y,z는 동시에 0이 아니다) 중 선택된 어느 화합물을 기본으로 하여 형성되고, 엔형 질화물계 클래드층(160) 및 피형 질화물계 클래드층(140)은 해당 도펀트가 첨가된다.

또한 질화물계 활성층(150)은 단층, 다중 양자 우물(multi quantum well : MQW), 다중 양자 점/선(multi quantum dot/wire), 또는 양자 점/선 및 우물이 섞여 있는 층 등 공지된 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 일예로서 엔형 질화물계 클래드층(160)은 GaN에 엔형 도펀트로서 Si, Ge, Se, Te등이 첨가되어 형성되고, 활성층은 InGaN/GaN MQW 또는 AlGaN/GaN MQW로 형성되며, 피형 질화물계 클래드층(140)은 GaN에 피형 도펀트로서 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등이 첨가되어 형성된다.

상기한 바와 같이, 본 발명 특허의 핵심기술인 고투명 다중 엔형 오믹컨택트층(40)은 엔형 질화물계 클래드층(160) 상층부에 적어도 한층 이상의 투명전도성 질소산화물(transparent conducting oxynitride : TCON)을 포함하고 있는 고투명 다중 엔형 오믹컨택트층(40)을 구비하고, 상기 투명전도성 질소산화물(TCON)은 인듐(In), 주석(Sn), 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 타이타늄(Ti), 몰리브덴늄(Mo), 탄탈륨(Ta), 바나듐(V), 크롬(Cr), 니오븀(Nb), 지르코늄(Zr), 은(Ag), 니켈(Ni), 구리(Cu), 코발트(Co), 금(Au), 백금(Pt), 레늄(Re), 이리듐(Ir), 텅스텐(W), 루세늄(Ru), 또는 팔라듐(Pd) 금속들 중에서 적어도 하나 이상의 성분을 주성분으로 하고 산소(O) 및 질소(N)가 반드시 결합하여 형성된 물질을 말한다. 바람직하게는 상기 투명전도성 질소산화물(TCON)은 전기적 특성을 조절하기 위해서 다른 금속 성분들이 도펀트(dopant)로서 더 포함될 수 있다. 여기서 도펀트로 적용되는 금속들은 원소 주기율표상에서 금속으로 분류된 원소가 적용된다. 또한 도펀트로 적용되는 금속 물질이외에도 불소(F) 및 황(S)을 포함하는 것이 바람직하다. 또한 상기 투명전도성 질소산화물(TCON)에 대한 상기 도펀트의 첨가비는 0.001 내지 20 웨이트 퍼센트(wt. %)로 적용되는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면 상기한 고투명 다중 엔형 오믹컨택트층(40)은 투명전도성 질소산화물(TCON) 이외에도 하기와 같이, 엔형 질화물계 클래드층(160) 상층부에서 쇼키성 접촉 전극을 형성하는데 유리한 금속(metal) 및 이들 금속을 모체로 하는 합금/고용체(alloy/solid solution), 일반 전도성 산화물(conducting oxide), 투명전도성 산화물(TCO), 및 투명전도성 질화물(TCN)등과 함께 적층 순서 와는 무관하게 접목하여 형성시킬 수 있다. 금속(metal) 및 이들 금속을 모체로 하는 합금/고용체(alloy/solid solution) : 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 타이타늄(Ti), 몰리브덴늄(Mo), 탄탈륨(Ta), 바나듐(V), 크롬(Cr), 니오븀(Nb), 지르코늄(Zr), 레늄(Re), 금(Au), 로듐(Rh), 루세늄(Ru), 텅스텐(W), 이리듐(Ir), 은(Ag), 아연(Zn), 구리(Cu), 코발트(Co), 주석(Sn), 희토류 금속들(rare earth metal), 또는 이들 금속을 모체로 하는 합금/고용체.

일반 전도성 산화물(conducting oxide) : 니켈산화물(Ni-O), 로듐산화물(Rh-O), 루세늄산화물(Ru-O),이리듐산화물(Ir-O), 구리산화물(Cu-O), 코발트산화물(Co-O), 텅스텐산화물(W-O), 크롬산화물(Cr-O), 바나늄산화물(V-O), 또는 타이타늄산화물(Ti-O).

투명전도성 산화물(TCO) : 인듐산화물(In2O3), 주석산화물(SnO2), 인듐주석산화물(ITO), 아연산화물(ZnO), 마그네슘(MgO), 캐드뮴산화물(CdO), 마그네슘아연산화물(MgZnO), 인듐아연산화물(InZnO), 인듐주석산화물(InSnO), 구리알루미늄산화물(CuAlO2), 실버산화물(Ag2O), 갈륨산화물(Ga2O3), 아연주석산화물(ZnSnO), 아연인듐주석산화물(ZITO), 또는 이들 투명전도성 산화물이 결합된 또 다른 산화물들.

투명전도성 질화물(TCN) : 타이타늄질화물(TiN), 크롬질화물(CrN), 텅스텐(WN), 탄탈륨(TaN), 니오븀(NbN).

또한 더 바람직하게는 상기한 산화물 및 질화물에 이들 물질들의 전기적 특성을 향상시키기 위해서 제 3의 물질, 즉 도판트(dopant)를 첨가시킬 수 있다.

또한 고투명 다중 엔형 오믹컨택트층(40)은 1 나노미터 내지 1000 나노미터의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

또한 고투명 다중 엔형 오믹컨택트층(40)을 형성하기 위해 적용되는 증착온도는 20도 내지 1500도 범위 내에서, 증착기 내의 압력은 대기압 내지 10-12 토르(torr) 정도에서 수행한다.

또한 고투명 다중 엔형 오믹컨택트층(40)을 형성한 후에는 열처리(annealing)과정을 거치는 것이 바람직하다. 열처리(annealing)는 반응기내의 온도를 100도 내지 800도에서 진공 또는 가스 분위기에서 10초 내지 3시간 정도 수행한다. 열처리시 반응기 내에 투입되는 가스는 질소, 아르곤, 헬륨, 산소, 수소, 공기 중 적어도 하나 이상의 기체가 적용될 수 있다.

엔형 전극패드(170)는 니켈(Ni)/금(Au), 은(Ag)/금(Au), 타이타늄(Ti)/금(Au), 니켈(Ni)/금(Au), 팔라듐(Pd)/금(Au), 또는 크롬(Cr)/금(Au) 등이 순차적으로 적층된 층구조가 적용될 수 있다.

각 층의 형성방법은 전자빔 또는 열 증착기(e-beam or thermal evaporator), 레이저 에너지원을 이용한 PLD(pulsed laser deposition), 이중형의 열증착기(dual-type thermal evaporator) 스퍼터링(sputtering) 등의 물리적인 증착 방법(physical vapor deposition : PVD)와 일렉트로플레이팅(electroplating), 금속 유기 화학 증기 증착법(metaloganic chemical vapor deposition)등의 화학반응을 이용하는 화학적인 증착 방법(chemical vapor deposition : CVD)에 의해 형성 된다.

지금까지 설명된 바와같이, 본 발명의 실시예에 따른 그룹 3족 질화물계 수광 및 발광소자를 위한 고투명 다중 엔형 쇼키컨택트 및 오믹컨택트 전극구조체 개발과 이들을 이용한 수광 및 발광소자에 대한 제조방법에 의하면, 상대적으로 전기 및 광학적 특성이 기존의 투명전도성 박막전극으로 이용되고 있는 투명전도성 산화물(TCO) 및 투명전도성 질화물(TCN) 보다 훨씬 더 뛰어난 투명전도성 질소산화물(TCON)을 적용함으로써 엔형 질화물계 클래드층과의 쇼키성 및 오믹성 접촉 계면특성을 개선시켜 우수한 전류-전압 특성을 나타낼 뿐만 아니라 투명전극이 갖는 높은 빛투과도로 인해 고효율 수광 및 발광 다이오드를 제작할 수 있다.

Claims (18)

1. 엔형 질화물계 클래드층(N-type nitride cladding layer)을 포함하는 광 구조체; 및

   상기 엔형 질화물계 클래드층 상부에 형성되며, 적어도 한층 이상의 투명전도성 질소산화물(transparent conducting oxynitride : TCON)이 적층된 엔형 컨택트층을 포함하며,

   상기 투명전도성 질소산화물(TCON)은 인듐(In), 주석(Sn), 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 타이타늄(Ti), 몰리브덴늄(Mo), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 루세늄(Ru), 및 팔라듐(Pd) 금속들 중에서 적어도 하나 이상을 주성분으로 하고 상기 주성분에 산소(O) 및 질소(N)가 동시에 결합하여 형성된 것을 특징으로 하는 광학 소자.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 투명전도성 질소산화물(TCON)은 전기적 특성을 조절하기 위한 도펀트(dopant)를 더 포함하며, 상기 도펀트는 금속, 불소(F) 및 황(S) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 투명 전도성 질소산화물(TCON)에 대한 상기 도펀트의 첨가비는 0.001 내지 20 웨이트 퍼센트(wt.%)인 것을 특징으로 하는 광학 소자.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 엔형 컨택트층은 상기 투명 전도성 질소산화물(TCON)에 접목되는, 금속(metal), 상기 금속을 모체로 하는 합금/고용체(alloy/solid solution), 전도성 산화물(conducting oxide), 투명전도성 산화물(TCO), 및 투명전도성 질화물(TCN) 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 금속은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 금(Au), 로듐(Rh), 루세늄(Ru), 이리듐(Ir), 은(Ag), 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 베릴륨(Be), 구리(Cu), 코발트(Co), 주석(Sn), 및 희토류 금속들(rare earth metal) 중 적어도 하나를 포함하고,

   상기 전도성 산화물(conducting oxide)은 니켈산화물(Ni-O), 로듐산화물(Rh-O), 루세늄산화물(Ru-O), 이리듐산화물(Ir-O), 구리산화물(Cu-O), 코발트산화물(Co-O), 텅스텐산화물(W-O), 및 타이타늄산화물(Ti-O) 중 적어도 하나를 포함하고,

   상기 투명전도성 산화물(TCO)은 인듐산화물(In2O3), 주석산화물(SnO2), 아연산화물(ZnO), 마그네슘산화물(MgO), 캐드뮴산화물(CdO), 마그네슘아연산화물(MgZnO), 인듐아연산화물(InZnO), 인듐주석산화물(InSnO), 구리알루미늄산화물(CuAlO2), 실버산화물(Ag2O), 갈륨산화물(Ga2O3), 아연주석산화물(ZnSnO), 및 아연인듐주석산화물(ZITO) 중 적어도 하나를 포함하고,

   상기 투명전도성 질화물(TCN)은 타이타늄질화물(TiN), 크롬질화물(CrN), 텅스텐(WN), 탄탈륨(TaN), 및 니오븀(NbN) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 엔형 질화물계 클래드층상에 도입되어 상기 엔형 컨택트층에 접목되며, 상기 금속(metal), 상기 금속을 모체로 하는 합금/고용체(alloy/solid solution), 상기 전도성 산화물(conducting oxide), 상기 투명전도성 산화물(TCO), 및 상기 투명전도성 질화물(TCN) 중 적어도 어느 하나로 형성되는 나노미터 크기의 파티클을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 엔형 질화물계 클래드층과 상기 엔형 컨택트층 사이에 형성되며, 그룹 3-5족 원소로 구성되는 알루미늄(Al), 인듐(In), 갈륨(Ga), 질소(N), 인(P) 및 비소(As) 중 적어도 갈륨을 포함하는 화합물을 갖는 터널 정션층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 광 구조체는,

   상기 엔형 질화물계 클래드층과 마주보는 피형 질화물계 클래드층(P-type nitride cladding layer); 및

   상기 엔형 질화물계 클래드층 및 피형 질화물계 클래드층 사이에 형성되는 활성층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 광 구조체 및 상기 엔형 컨택트층의 적층 구조는 수광 소자, 발광 소자, 발광 다이오드, 유기전계발광다이오드(OLED), 및 솔라셀 중 어느 하나에 사용되는 것을 특징으로 하는 광학 소자.
10. 엔형 질화물계 클래드층(N-type nitride cladding layer)을 포함하는 광 구조체를 형성하는 단계;

    상기 엔형 질화물계 클래드층의 상부에, 적어도 한층 이상의 투명전도성 질소산화물(transparent conducting oxynitride : TCON)을 적층하여 엔형 컨택트층을 형성하는 단계를 포함하며,

    상기 투명전도성 질소산화물(TCON)은 인듐(In), 주석(Sn), 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 타이타늄(Ti), 몰리브덴늄(Mo), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 루세늄(Ru), 및 팔라듐(Pd) 금속들 중에서 적어도 하나 이상을 주성분으로 하고 상기 주성분에 산소(O) 및 질소(N)가 동시에 결합하여 형성된 것을 특징으로 하는 광학 소자의 제조 방법.
11. 제 10항에 있어서,

    상기 투명전도성 질소산화물(TCON)은 전기적 특성을 조절하기 위한 도펀트(dopant)를 더 포함하며, 상기 도펀트는 금속, 불소(F) 및 황(S) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자의 제조 방법.
12. 제 11항에 있어서,

    상기 투명 전도성 질소산화물(TCON)에 대한 상기 도펀트의 첨가비는 0.001 내지 20 웨이트 퍼센트(wt.%)인 것을 특징으로 하는 광학 소자의 제조 방법.
13. 제 10항에 있어서,

    상기 엔형 컨택트층은 상기 투명 전도성 질소산화물(TCON)에 접목되는, 금속(metal), 상기 금속을 모체로 하는 합금/고용체(alloy/solid solution), 전도성 산화물(conducting oxide), 투명전도성 산화물(TCO), 및 투명전도성 질화물(TCN) 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자의 제조 방법.
14. 제 13항에 있어서,

    상기 금속은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 금(Au), 로듐(Rh), 루세늄(Ru), 이리듐(Ir), 은(Ag), 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 베릴륨(Be), 구리(Cu), 코발트(Co), 주석(Sn), 및 희토류 금속들(rare earth metal) 중 적어도 하나를 포함하고,

    상기 전도성 산화물(conducting oxide)은 니켈산화물(Ni-O), 로듐산화물(Rh-O), 루세늄산화물(Ru-O), 이리듐산화물(Ir-O), 구리산화물(Cu-O), 코발트산화물(Co-O), 텅스텐산화물(W-O), 및 타이타늄산화물(Ti-O) 중 적어도 하나를 포함하고,

    상기 투명전도성 산화물(TCO)은 인듐산화물(In2O3), 주석산화물(SnO2), 아연산화물(ZnO), 마그네슘산화물(MgO), 캐드뮴산화물(CdO), 마그네슘아연산화물(MgZnO), 인듐아연산화물(InZnO), 인듐주석산화물(InSnO), 구리알루미늄산화물(CuAlO2), 실버산화물(Ag2O), 갈륨산화물(Ga2O3), 아연주석산화물(ZnSnO), 및 아연인듐주석산화물(ZITO) 중 적어도 하나를 포함하고,

    상기 투명전도성 질화물(TCN)은 타이타늄질화물(TiN), 크롬질화물(CrN), 텅스텐(WN), 탄탈륨(TaN), 및 니오븀(NbN) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자의 제조 방법.
15. 제 14항에 있어서,

    상기 엔형 질화물계 클래드층상에 도입되어 상기 엔형 컨택트층에 접목되며, 상기 금속(metal), 상기 금속을 모체로 하는 합금/고용체(alloy/solid solution), 상기 전도성 산화물(conducting oxide), 상기 투명전도성 산화물(TCO), 및 상기 투명전도성 질화물(TCN) 중 적어도 어느 하나로 형성되는 나노미터 크기의 파티클을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자의 제조 방법.
16. 제 10항에 있어서,

    상기 광 구조체는,

    상기 엔형 질화물계 클래드층과 마주보는 피형 질화물계 클래드층(P-type nitride cladding layer); 및

    상기 엔형 질화물계 클래드층 및 피형 질화물계 클래드층 사이에 형성되는 활성층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자의 제조 방법.
17. 제 10항에 있어서,

    상기 엔형 컨택트층을 형성한 후 열처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 소자의 제조 방법.
18. 제 17항에 있어서,

    상기 열처리 단계는 질소(N2), 산소(O2), 수소(H2), 공기, 아르곤(Ar), 및 헬륨(He) 개스 중 적어도 하나를 포함하는 분위기에서 100도 내지 800도에서 10초 내지 3시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 광학 소자의 제조 방법.

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