KR100838215B1 - 반사성 정극 및 그것을 사용한 질화 갈륨계 화합물 반도체발광 소자 - Google Patents

반사성 정극 및 그것을 사용한 질화 갈륨계 화합물 반도체발광 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 상기 p형 질화 갈륨계 화합물 반도체층에 낮은 접촉 저항으로 우수한 신뢰성 및 높은 역방향 전압을 갖는 높은 반사성 정극을 보유하는 질화 갈륨계 화합물 반도체 발광 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
반도체 발광 소자용의 본 발명의 반사성 정극은 p형 반도체층을 접합하는 접촉 금속층 및 상기 접촉 금속층상의 반사층을 포함하고, 여기서, 상기 접촉 금속층은 백금족 금속 또는 백금족 금속을 함유하는 합금으로 이루어지고, 상기 반사층은 Ag, Al 및 Ag 및 Al 중 적어도 하나를 함유하는 합금으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속으로 형성된다.

Description

반사성 정극 및 그것을 사용한 질화 갈륨계 화합물 반도체 발광 소자{REFLECTIVE POSITIVE ELECTRODE AND GALLIUM NITRIDE-BASED COMPOUND SEMICONDUCTOR LIGHT-EMITTING DEVICE USING THE SAME}
본 발명은 발광 소자용 반사성 정극에 관한 것이고, 더욱 구체적으로는 우수한 특성 및 안정성을 갖는 반사성 정극 및 그것을 사용한 플립칩형(flip chip type) 질화 갈륨계 화합물 반도체에 관한 것이다.
최근, 일반식 AlxInyGa1 -x-yN(0≤x<1, 0≤y<1, x+y<1)으로 나타내어지는 질화 갈륨계 화합물 반도체가 청색광 또는 녹색광에 대한 자외선을 발하는 발광 다이오드(LED)용 재료로서 매우 주목되고 있다. 이들 재료로 이루어지는 반도체를 사용함으로써, 종래에는 곤란하였던 자외선, 청색 및 녹색 영역에서 고강도의 발광이 가능해졌다. 질화 갈륨계 화합물 반도체는 사파이어 기판상에 일반적으로 성장된다. 이것은 절연성 기판이므로, GaAs계 발광 소자와 달리, 기판의 후면에 전극이 형성될 수 없다. 따라서, 결정으로서 성장된 반도체상에 부극 및 정극 모두가 형성되어야 한다.
특히, 질화 갈륨계 화합물 반도체를 사용한 반도체 소자의 경우, 상기 사파 이어 기판이 발광의 파장에서 광투과성을 가지므로, 상기 소자가 하측으로서 전극면이 장착되고, 상기 사파이어 기판측으로부터 광이 추출되는 플립칩형 구조가 매우 주목되고 있다.
도 1은 이 형태의 발광 소자의 일반적인 구조의 예를 나타내는 개략도이다. 따라서, 발광 소자는 기판(1)상에 버퍼층(2), n형 반도체층(3), 발광층(4) 및 p형 반도체층(5)이 결정으로서 순차적으로 성장되어 있고, n형 반도체층(3)을 노출시키도록 발광층(4) 및 p형 반도체층(5)의 일부가 에칭으로 제거되고, 상기 p형 반도체층(5)상에 정극(10)이 형성되고, 상기 n형 반도체층(3)상에 부극(20)이 형성된다. 이와 같이, 발광 소자는 예컨대, 전극이 형성된 표면을 리드 프레임과 마주보게 하면서 장착시킨 후, 결합시킨다. 상기 발광층(4)으로부터 발한 광은 기판(1)측으로부터 추출된다. 발광 소자의 상기 형태 중에서 효율적으로 광을 추출하기 위해, 정극(10)으로서 반사성 재료를 사용하고, 상기 p형 반도체층(5)의 주요 부분을 피복하도록 형성하여 상기 발광층으로부터 정극을 향하여 광을 상기 정극(10)에 의해 반사시키고, 기판(1)측으로부터 추출시킨다.
따라서, 낮은 접촉 저항 및 높은 반사율이 정극의 재료에 요구되는 성능이다. Ag 및 Al은 일반적으로 높은 반사성 금속으로서 알려져 있고, 반사성 정극으로서 p형 반도체층에 직접 형성된 두께가 20nm 이상인 Ag층이 직접 형성되는 것이 제안되어 있다(일본특허공개 평 11-186599호). Ag를 사용하기 위한 수단으로서, 특허문헌 1은 p형 질화 반도체층에 은층이 형성되어 있고, 상기 은층에 안정화층이 부가되어 있는 것이 제안되어 있다. 상기 안정화층의 역할은 상기 은층의 기계적 및 전기적 성능을 개선시키는 것이라 기재되어 있다.
그러나, Ag 및 Al이 상기 p형 반도체층으로 과도하게 분산되는 경우, 저전류 누출이 발생하고, 역방향 전압의 저하가 야기된다. 이 결과, 장기간 에이징 시험(aging test)에 있어서, 특성값에 변화로 신뢰성이 저하가 야기된다. 상기 p형 반도체층의 결정성이 상기 p형 반도체층으로 Ag 및 Al의 분산으로 열화된다고 생각된다.
또한, 접촉 저항의 비균일성을 극복하기 위해, 상기 p형 반도체층에 금속 박막이 형성되는 것이 플립칩형 발광 소자가 제안되어 있다(일본특허공개 평 11-220168호 참조).
본 발명의 목적은 Ag 및 Al과 관련된 상술의 문제를 해결하는, 즉, p형 질화 갈륨계 화합물 반도체층에 대하여 낮은 접촉 저항으로 우수한 신뢰성 및 높은 역방향 전압을 갖는 높은 반사성 정극을 보유하는 질화 갈륨계 화합물 반도체 발광 소자를 제공하는 것에 있다.
본 발명은 이하를 제공한다.
(1)p형 반도체층을 접합하는 접촉 금속층 및 상기 접촉 금속층상의 반사층을 포함하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극에 있어서, 상기 접촉 금속층은 백금족 금속 또는 백금족 금속을 함유하는 합금으로 이루어지고, 상기 반사층은 Ag, Al 및 Ag 및 Al 중 적어도 하나를 함유하는 합금으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
(2)상기 (1)에 있어서, 상기 접촉 금속층은 Pt 또는 그것의 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
(3)상기 (1) 또는 (2)에 있어서, 상기 접촉 금속층의 두께는 0.1~30nm의 범위내인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
(4)상기 (3)에 있어서, 상기 접촉 금속층의 두께는 1~30nm의 범위내인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
(5)상기 (3)에 있어서, 상기 접촉 금속층의 두께는 0.1~4.9nm의 범위내인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
(6)상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 있어서, III족 금속을 함유하는 반도체 금속 함유층은 상기 p형 반도체층측상의 접촉 금속층의 표면상에 존재하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
(7)상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 있어서, 상기 접촉 금속층은 RF방전 스퍼터링법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
(8)상기 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 있어서, 상기 반사층은 Ag 또는 그것의 합금인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
(9)상기 (1) 내지 (8) 중 어느 하나에 있어서, 상기 반사층의 두께는 30~500nm인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
(10)상기 (1) 내지 (9) 중 어느 하나에 있어서, 상기 반사층은 DC방전 스퍼터링법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
(11)상기 (1) 내지 (10) 중 어느 하나에 있어서, 상기 소자는 접촉 금속층 및 반사층을 피복하도록 오버코트층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
(12)상기 (11)에 있어서, 상기 오버코트층의 두께는 적어도 10nm인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
(13)상기 (11) 또는 (12)에 있어서, 상기 반사층의 상부면을 접합하는 오버코트층의 적어도 일부분이 금속인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
(14)상기 (13)에 있어서, 상기 오버코트층은 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au 및 이들 금속 중 어느 하나를 함유하는 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
(15)상기 (14)에 있어서, 상기 오버코트층은 Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au 및 이들 금속 중 어느 하나를 함유하는 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
(16)상기 (11) 내지 (15) 중 어느 하나에 있어서, 상기 오버코트층은 p형 반도체층과 오믹 접촉(ohmic contact)하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
(17)상기 (16)에 있어서, 상기 오버코트층은 접촉 저항 1×10-3Ωcm2이하로 p형 반도체층과 오믹 접촉하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
(18)상기 (1)~(17) 중 어느 하나에 있어서, 상기 접촉 금속층을 형성한 후, 350℃ 초과의 온도에서 열처리가 행해지지 않는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
(19)III족 질화물 반도체로 이루어진, n형 반도체층, 발광층 및 p형 반도체층이 기판상에 이 순서대로 형성되어 있고; 상기 n형 반도체층상에 형성된 부극; 및 상기 p형 반도체층상에 형성된 정극을 포함하는 질화 갈륨계 화합물 반도체 발광 소자에 있어서, 상기 정극은 상기 (1)~(18) 중 어느 하나에 기재된 정극인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 화합물 반도체 발광 소자.
(20)상기 (19)에 있어서, 상기 정극측의 p형 반도체층의 표면상에 정극 금속 함유층이 존재하는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 화합물 반도체 발광 소자.
(21)상기 (19) 또는 (20)에 기재된 질화 갈륨계 화합물 반도체 발광 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 램프.
본 발명에 따른 반도체 발광 소자용 반사성 정극은 p형 반도체층 및 Ag 또는 Al의 정극 반사층사이에 위치된 백금족 금속의 정극 접촉 금속층을 가져 상기 p형 반도체층에 반사층을 구성하는 금속, Ag 또는 Al의 확산을 억제하고, 따라서, 발광 소자는 양호한 전기 특성 및 높은 신뢰성을 갖는다.
접촉 저항이 상기 반도체측의 정극 접속 금속층의 표면상에 상기 반도체를 구성하는 III족 금속을 함유하는 반도체 금속 함유층을 제공함으로써 더욱 감소될 수 있다.
본 발명에 따른 질화 갈륨계 화합물 반도체 발광 소자는 상기 정극측의 p형 반도체층의 표면상에 접촉 금속층을 구성하는 금속을 함유하는 정극 금속 함유층을 형성함으로써 더욱 감소된 정극 및 p형 반도체간의 접촉 저항을 갖는다.
RF방전을 사용한 스퍼터링법(sputtering method)에 의해 정극의 접촉 금속층을 형성함으로써, 어닐링(annealing) 공정 없이, 정극 금속 함유층 및 반도체 금속 함유층이 형성될 수 있어 생산성이 개선될 수 있다.
또한, 반사층의 측면 및 상부면을 피복하도록 오버코트층을 형성함으로써, 상기 발광 소자의 안정성이 더욱 개선될 수 있다.
도 1은, 종래 기술에 따른 플립칩형 화합물 반도체 발광 소자의 일반적인 구조를 나타내는 개략도이다.
도 2는, 본 발명에 따른 플립칩형 질화 갈륨계 화합물 반도체 발광 소자의 예를 나타내는 개략도이다.
본 발명에서의 기판에 적층된 질화 갈륨계 화합물 반도체로서, 기판(1)에 성장된 버퍼층(2), n형 반도체층(3), 발광층(4) 및 p형 반도체층(5)을 갖는 것이 제한없이 사용될 수 있다. 상기 기판으로서, 사파이어, SIC 등을 제한없이 사용할 수 있다. 질화 갈륨계 반도체로서, 일반식 AlxInyGa1 -x-yN(0≤x<1, 0≤y<1, x+y<1)으로 나타내어지는 각종 반도체가 알려져 있다. 본 발명에 있어서, 일반식 AlxInyGa1 -x- yN(0≤x<1, 0≤y<1, x+y<1)으로 나타내어지는 질화 갈륨계 화합물 반도체가 제한없이 사용할 수 있다.
예로서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 사파이어 기판(1) 상에 AlN층으로 이루어지는 버퍼층(2), n형 GaN층으로 이루어지는 n접촉층(3a), n형 GaN층으로 이루어지는 n클래드층(3b), InGaN층으로 이루어지는 발광층(4), p형 AlGaN층으로 이루어지는 p클래드층(5b) 및 p형 GaN층으로 이루어지는 p접촉층(5a)이 이 순서대로 연속적으로 적층된 질화 갈륨계 반도체 적층체가 사용될 수 있다.
질화 갈륨계 화합물 반도체의 p접촉층(5a), p클래드층(5b), 발광층(4) 및 n클래드층(3b)의 일부가 에칭으로 제거되고, 상기 n접촉층(3a) 상에 예컨대, Ti/Au의 부극(20)이 형성되며, p접촉층(5a) 상에 정극(10)이 형성된다.
본 발명에 있어서, 상기 정극(10)은 상기 p형 반도체층을 접합하는 접촉 금속층을 갖는다. 상기 접촉 금속층상에 반사층이 형성된다. 또한, 상기 접촉 금속층은 상기 반사층에 대한 확상 억제층으로서 역할한다. 따라서, 상기 접촉 금속층은 낮은 접촉 저항 및 높은 광투과율을 갖는 것이 요구된다. 일반적으로, 접합 패드층은 회로 기판 또는 리드 프레임에 전기적 연결을 위한 최상층으로서 형성된다.
상기 접촉 금속층용 재료로서, 상기 p형 반도체층에 대하여 낮은 접촉 저항을 달성하기 위해, 높은 일함수를 갖는 금속, 구체적으로는 Pt, Ir, Rh, Pd, Ru 및 Os 등의 백금족 금속 및 백금족 금속을 함유하는 합금을 사용하는 것이 바람직하다. Pt, Ir, Rh 및 Ru가 더욱 바람직하고, Pt가 특히 바람직하다.
상기 반사층을 구성하는 Ag 및 Al의 분산을 억제하기 위해, 분산 억제층으로서 상기 접촉 금속층이 역할을 함으로써, 조밀한 구조 및 고융점의 금속의 사용이 바람직하다. 구체적으로는, Ag 및 Al 보다 높은 융점을 지닌 금속 또는 합금이 바람직하다. 또한, 상기 관점으로부터, 상기 접촉 금속층용 재료로서 백금족 금속이 바람직하다.
낮은 접촉 저항을 안정하게 달성하기 위해, 상기 접촉 금속층의 두께가 0.1nm이상인 것이 바람직하고, 1nm이상이 더욱 바람직하고, 2nm이상이 특히 바람직하며, 3nm이상이 가장 바람직하다. 균일한 접촉 저항을 달성하기 위해, 상기 접촉 금속층의 두께는 1nm이상이 바람직하다. 충분한 광투과율을 얻기 위해, 상기 접촉 금속층의 두께는 30nm이하가 바람직하고, 20nm이하가 더욱 바람직하고, 10nm이하가 특히 바람직하며, 4.9nm이하가 가장 바람직하다. 또한, 접촉 금속층이 Ag 및 Al에 대한 확산 억제층으로서 역할을 함으로써, 이 관점으로부터 두께는 0.5nm이상이 바람직하고, 1nm이상이 더욱 바람직하다. 바람직하게는 상기 접촉 금속층이 연속층이다.
바람직하게는, 상기 반도체를 구성하는 금속을 함유하는 반도체 금속 함유층은 반도체측 상의 정극 접촉 금속층의 표면에 존재하여 접촉 저항을 더욱 감소시킨다. 따라서, 본 발명에 있어서, "반도체 금속 함유층"은 접촉 금속층의 반도체 구성 금속 함유층으로서 정의된다.
바람직하게는, 상기 반도체 금속 함유층의 두께가 0.1~3nm이다. 두께가 0.1nm미만이면, 접촉 저항의 감속에 대한 효과가 확인되지 않고, 두께가 3nm를 초 과하면, 광투과율이 낮게 되어 바람직하지 않다. 더욱 바람직하게는 상기 두께는 1~3nm이다.
바람직하게는, 상기 층에 함유된 반도체 구성 금속의 비율은 금속의 총량에 대하여 0.1~50원자%이다. 상기 비율이 0.1%미만이면, 접촉 저항의 감소에 대한 효과가 나타나지 않는다. 상기 비율이 50원자%를 초과하면, 광투과율이 감소된다. 더욱 바람직하게는 상기 비율은 1~20원자%이다.
상기 층에 함유된 반도체 구성 금속의 비율 및 상기 반도체 금속 함유층의 두께는 당업자에게 잘 알려져 있는 단면 TEM의 EDS분석으로 측정될 수 있다. 따라서, 단면 TEM의 EDS분석은 상기 접촉 금속층의 하면(p형 반도체층 표면)으로부터 두께 방향에 있어서, 여러 지점, 예컨대, 5지점에서 행해질 수 있고, 각각의 지점에 함유된 금속의 형태 및 함량은 이들 지점에서의 각각의 차트로부터 산출될 수 있다. 5개 측정 지점이 두께를 측정하는데 불충분하다면, 여러 추가 지점에서 측정이 행해질 수 있다.
또한, 상기 금속 구성 접촉 금속층을 함유하는 정극 금속 함유층은 상기 정극측의 p형 반도체층의 표면상에 존재하는 것이 바람직하다. 이러한 구성이면, 상기 정극 및 p형 반도체층간의 접촉 저항이 더욱 감소될 수 있다.
간단히 말하면, 여기서 사용되는 "정극 금속 함유층"은 p형 반도체층에 있어서, 접촉 금속층을 구성하는 금속을 함유하는 층으로서 정의된다.
바람직하게는, 상기 정극 금속 함유층의 두께가 0.1~10nm의 범위내이다. 상기 두께가 0.1nm미만 또는 10nm를 초과하면, 낮은 접촉 저항을 달성하기 곤란하다. 보다 양호한 접촉 저항을 달성 하기 위해서, 상기 두께가 1~8nm의 범위가 더욱 바람직하다.
상기 층에서의 접촉 금속층 구성 금속의 비율은 금속의 총량에 대하여 0.01~30원자%가 바람직하다. 상기 비율이 0.01원자% 미만이면, 낮은 접촉 저항을 달성하는 것이 곤란하고, 상기 비율이 30원자%를 초과하면, 상기 반도체의 결정성이 감소될 수 있다. 더욱 바람직하게는 상기 비율은 1~20원자%이다. 상기 층이 반사층 구성 금속을 함유해도 좋다. 이러한 경우, 상기 반사층 구성 금속, Ag 또는 Al의 비율은 금속의 총량에 대하여 5원자% 이하가 바람직하다. 상기 비율이 5원자%를 초과하면, 저전류 누출 성분이 증가되어, 역방향 전압값이 저감될 수 있다.
상기 층에 있어서, 정극 구성 금속의 함량 및 정극 금속 함유층의 두께는 반도체 금속 함유층의 경우에서와 같이 단면 TEM의 EDS분석을 사용하여 측정할 수 있다.
상기 반사층은 고반사성을 갖는 금속, 구체적으로는 Ag 또는 Al, 또는 이들 금속 중 적어도 하나를 함유하는 합금을 사용하여 형성할 수 있다. 상기 반사층의 두께는 30nm이상이 바람직하다. 상기 반사층의 두께가 30nm미만이면, 전극 전체에 걸쳐 균일한 고반사율을 달성하는 것이 곤란하다. 더욱 구체적으로는 상기 두께는 50nm이상이다. 제조비용의 관점에서, 두께는 500nm이하가 바람직하다.
상기 접촉 금속층 및 반사층은 스퍼터링법 또는 진공 증착법 등의 당업자에게 잘 알려진 임의의 방법을 사용하여 형성해도 좋다. 상기 스퍼터링법은 우수한 반사성을 갖는 반사층 또는 낮은 접촉 저항을 갖는 접촉 금속층을 형성하므로, 특 히 바람직하다.
바람직하게는, RF방전을 사용한 스퍼터링 막형성법은 상기 p형 반도체층상의 접촉 금속층을 형성하는데 사용된다. RF방전을 사용한 스퍼터링 막형성법을 사용함으로써, DC방전을 사용한 스퍼터링 막형성법 또는 기상 증착법에 비하여 저접촉 저항으로 전극이 얻어질 수 있다. 따라서, 상기 접촉 금속층이 RF방전을 사용한 스퍼터링 막형성법에 의해 형성되는 경우, 반도체 금속 함유층 및 정극 금속 함유층이 연속적으로 형성될 수 있다.
RF방전을 사용한 스퍼터링 막형성법에 있어서, 이온 도움 효과에 의해 상기 p형 반도체층에 부착된 스퍼터 원자(sputtered atom)에 에너지가 부여될 수 있고, p형 반도체층의 표면 부분에 스퍼터된 원자, 예컨대, Mg 도프 p-GaN의 확산이 촉진될 수 있다고 추측된다. 또한, 상기 막형성에 있어서, 상기 p형 반도체층의 최상부 원자에 에너지가 부여될 수 있고, 상기 접촉 금속층에 상기 반도체용 재료, 예컨대 Ga의 확산이 촉진될 수 있다고 추측된다. 단면 TEM의 EDS분석에 있어서, p형 GaN에 대한 RF 스퍼터링에 의해 형성된 막인 상기 접촉 금속층에서, 상기 접촉 금속층의 재료로서 Pt 및 상기 반도체로부터 유래된 Ga가 모두 검출될 수 있는 영역, 즉, 반도체 금속 함유층이 확인되었다. 상기 분석에 있어서, 상기 영역에서의 N의 존재는 확인될 수 없었다.
한편, 상기 반도체측에 대하여 Ga, N 및 Pt가 모두 검출될 수 있는 영역, 즉, 정극 금속 함유층이 확인되었다.
RF방전을 사용한 막형성에 있어서, 접촉 저항이 초기에 낮아지지만, 막두께 가 증가할수록 막이 조밀하지 않고, 형성된 막의 반사율이 DC방전에 의해 형성된 막보다 열악하게 된다. 따라서, 바람직하게는 낮게 유지되는 접촉 저항 및 증가된 광투과율을 허용하는 범위에 있어서, 박막으로서 RF 방전에 의해 접촉 금속층이 형성되고, 그 상에 DC방전에 의해 반사층이 형성된다.
상술한 바와 같이, RF스퍼터링에 의해 상기 접촉 금속층을 형성함으로써, 본 발명에 따른 정극 금속 함유층 및 반도체 금속 함유층이 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 접촉 금속층의 형성 후에 어닐링이 요구되지 않는다. 오히려, 어닐링은 Pt 및 Ga 모두의 확산을 촉진시켜, 반도체의 결정성을 감소시킬 수 있고, 전기 특성을 열화시킬 수 있다. 상기 접촉 금속층의 형성 후, 350℃ 초과의 온도에서의 열처리를 행하지 않는 것이 바람직하다.
상기 반도체 금속 함유층 및 정극 금속 함유층에서의 반도체로부터 유래된 Ga 등의 금속과 N, 및 정극의 재료로부터 유래된 금속이 화합물 또는 합금으로서 존재하여도 좋고, 또는 단순한 혼합물로서 존재하여도 좋다. 어떠한 경우에 있어서, 상기 접촉 금속층 및 p형 반도체층간의 경계면을 제거함으로써 낮은 저항이 얻어질 수 있다.
통상의 적절하게 선택된 임의의 조건 하에 통상의 임의의 스퍼터링 장치를 사용하여 스퍼터링이 행해질 수 있다. 질화 갈륨계 화합물 반도체층이 적층된 기판이 챔버에 위치되고, 상기 기판의 온도는 실온에서 500℃의 범위로 설정된다. 상기 기판의 가열은 특별히 요구되지 않지만, 상기 접촉 금속층을 구성하는 금속 및 상기 반도체층을 구성하는 금속의 확산을 촉진시키기 위해, 기판이 적당하게 가열되 어도 좋다. 상기 챔버는 10-4~10-7Pa의 범위로 진공의 정도로 배기된다. 상기 스퍼터링 가스로서, He, Ne, Ar, Kr, Xe 등이 사용될 수 있다. 입수 용이성의 관점에서, Ar이 바람직하다. 이들 가스 중 하나는 0.1~10Pa의 압력까지 챔버로 도입된 후, 방전이 행해진다. 바람직하게는 상기 압력은 0.2~5Pa의 범위내이다. 공급 전력은 0.2~2.0kW의 범위가 바람직하다. 방전 시간 및 공급 전력을 적당하게 조절함으로써, 형성된 층의 두께가 조절될 수 있다. 형성된 층의 산소 함량을 감소시키기 위해, 스퍼터링을 위해 사용되는 요구 목표의 산소의 함량은 10000ppm이하가 바람직하고, 6000ppm이하가 더욱 바람직하다.
상기 접합 패드층으로서, Au, Al, Ni 및 Cu 등의 재료를 사용한 각종 구조체가 공지되어 있고, 이들 공지 재료 및 구조체는 제한없이 사용할 수 있다. 바람직하게는, 상기 두께는 100~1000nm의 범위에 있다. 상기 두께는 접합 패드의 특성으로 인한 두꺼운 접합 패드로 고접합성이 얻어지므로 상기 두께는 300nm이상이 더욱 바람직하다. 그러나, 제조 비용의 관점에서, 상기 두께는 500nm이하가 바람직하다.
Ag 및 Al 등에는, 물의 존재하에서 이들 금속이 이온화되고, 확산되는 일렉트로마이그레이션(electromigration)이라 불리는 현상이 일반적으로 알려져 있다. Ag 또는 Al을 사용한 전극에서는, 주변에 물이 존재하는 분위기하에서 전류 인가에 의해, 주성분으로서 Ag 또는 Al을 갖는 석출물이 생성된다. 상기 정극에 생성된 석출물이 부극에 도달되면, 상기 소자에 가해진 전류가 상기 발광층을 통하여 흐르는 것이 중지되고, 광이 소자에 의해 더 이상 발광되지 않게 된다. 또한, 상기 p형 반 도체 및 n형 반도체가 상기 침전물에 의해 연결되면, 광이 상기 소자에 의해 발광되지 않게 된다.
이것을 회피하기 위해, 오버코트층은 상기 반사층의 측면 및 상부면을 피복하도록 형성되는 것이 바람직하다. 상기 오버코트층은 공기 중의 수분과 반사층 중의 Ag 또는 Al이 접촉하는 것을 방지하는 역할을 갖는다.
상기 오버코트층용 재료는 상기 접촉 금속층 및 반사층의 측면 및 상부면이 피복되도록 박막이 형성될 수 있는 한, 금속, 무기성 산화물, 무기성 질화물, 수지 등의 임의의 재료이어도 좋다. 그러나, 접합 패드층이 형성된 반사층의 상부면의 적어도 일부가 도전성 금속이어야 한다.
따라서, 오버코트층용 재료는 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 금속 또는 이들 금속 중 적어도 하나를 함유하는 합금인 것이 바람직하다. 부식성 금속(알칼리 금속, 알칼리 토류 금속) 및 저융점(400℃ 이하) 금속은 바람직하지 않다. 상기 접합 패드층용 재료로서 적합한 Au가 상기 오버코트층이 상기 접합 패드층으로서도 역할을 할 수 있도록 오버코트층에 사용되어도 좋다.
상기 오버코트층이 그것의 측부에 p형 반도체와 오믹 접촉하고 있는 것이 바람직하다. 상기 오믹 접촉으로 인하여, 상기 오버코트층측 바로 아래의 부분에 상응하는 영역에 있어서, 발광층이 발광한다. 소자 전체에 있어서, 순방향 전압이 저하될 수 있다. Ru, Rh, Pd, Os, Ir 및 Pt 등의 백금족 금속 또는 적어도 하나의 백금족 금속을 함유하는 합금은 오믹 접촉이 용이하게 얻어질 수 있으므로 바람직하 다. 접촉 저항값이 1×10-3Ωcm2 이하인 것이 바람직하다. 접촉 저항값은 TLM법을 사용하여 측정된다.
상기 오버코트층의 두께는 상기 층이 외부 공기 중의 수분으로부터 반사층을 분리할 필요가 있으므로 10nm이상이 바람직하다. 상한은 특별히 없지만, 제조비용의 관점에서, 두께는 200nm이하가 바람직하다. 상기 오버코트층이 접합 패드층으로서역할을 하는 상기의 경우에 있어서도, 물론 접합 패드층으로서 요구되는 두께이어야 한다. 상기 측부의 두께는 상술한 바와 같이, 발광층의 발광 영역이 증가되고, 순방향 전압이 감소되기 때문에, 바람직하게는 1~50㎛, 더욱 바람직하게는 5~40㎛만큼 두껍다.
상기 오버코트층은 물을 용이하게 투과하도록 하는 관형상 미세공 등의 구조를 갖지 않아야 한다.
상기 오버코트층을 형성하기 위해, 스퍼터링, 진공 증착, 용해 도포법 등의 박막을 형성하는 공지의 방법을 특별히 제한없이 사용할 수 있다. 상기 금속의 경우에 있어서, 특히, 상기 오버코트층을 형성하는데 스퍼터링 또는 진공 증착법이 바람직하게 사용된다.
(실시예)
본 발명은 이하의 실시예 및 비교예를 참조로 더욱 자세히 설명된다. 본 발명은 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
실시예 및 비교예에서 사용되는 접촉 금속층, 반사층, 오버코트층 및 접합 패드층용 재료 및 얻어진 소자의 특성이 표 1에 나타내어진다. 각각의 특성은 전류 20mA에서 측정된 값이다.
(실시예 1)
도 2는 본 실시예에서 제작된 질화 갈륨계 화합물 반도체 발광 소자를 나타내는 개략도이다.
상기 질화 갈륨계 화합물 반도체는 사파이어 기판(1)상에 ALN층의 버퍼층(2)을 적층하고, 그 상에 n형 GaN층의 n접촉층(3a), n형 GaN층의 n클래드층(3b), InGaN층의 발광층(4), p형 AlGaN층의 p클래드층(5b), p형 GaN층의 p접촉층(5a)을 순차적으로 적층시킴으로써 형성되었다. 상기 n접촉층(3a)은 7×1018/cm3으로 Si로 도프된 n형 GaN층이고, n클래드층(3b)은 5×1018/cm3으로 Si로 도프된 n형 GaN층이다. 상기 발광층(4)은 단일 양자 우물 구조를 갖고, InGaN의 조성은 In0 .95Ga0 .05N이다. 상기 p클래드층(5b)은 1×1018/cm3으로 Mg로 도프된 p형 AlGaN이고 상기 조성은 Al0.25Ga0.75N이다. 상기 p접촉층(5a)은 5×1019/cm3로 Mg로 도프된 p형 GaN층이다. 이들 층의 적층은 당업자에게 잘 알려진 일반적인 조건하에 MOCVD법으로 행해졌다.
플립칩형 질화 갈륨계 화합물 반도체 발광 소자는 후술의 공정에 따라서 질화 갈륨계 화합물 반도체 적층체에 정극(10) 및 부극(20)을 형성함으로써 제작되었다.
(1)우선, 상기 질화 갈륨계 화합물 반도체 적층체에 있어서, 상기 부극 형성 영역의 n접촉층(3a)을 노출시켰다. 그 공정은 이하와 같다. 공지의 리소그래피 기술 및 리프트 오프(lift-off) 기술을 사용하여, 상기 p접촉층(5a)상에 부극 형성 영역 이외의 영역에 에칭 마스크를 형성하였다.
그런 후, 상기 n접촉층(3a)이 노출될 때까지 반응성 이온 드라이 에칭법으로 에칭을 행한 후, 상기 적층체가 에칭 장치로부터 꺼내지고, 에칭 마스크가 아세톤으로 세정되었다.
(2)이어서, 하기와 같이 정극(10)이 형성되었다. 상기 p접촉층(5a)의 표면상의 산화막을 제거하기 위해, 상기 소자가 10분 동안 비점 농도 HCl로 처리된 후, 상기 p접촉층(5a)상에 정극이 형성되었다. 우선, 접촉 금속층 및 반사층이 형성되었다. 이들 층을 형성하기 위한 절차는 이하와 같다.
레지스트는 균일하게 도포되고, 공지의 리소그래피 기술이 사용되어 정극 형성 영역으로부터 레지스트를 제거하였다. 1분 동안 실온에서 버퍼드(buffered) 불산(BHF)에 상기 소자를 침지시킨 후, 진공 스퍼터링 장치로 접촉 금속층 및 반사층이 형성되었다. 스퍼터링법으로 이들 층을 형성하기 위한 조작 조건은 이하와 같다.
진공의 정도가 10-4Pa 이하가 될 때까지 챔버가 배기되었고, 상기 질화 갈륨계 화합물 반도체가 챔버에 위치되었고, Ar가스가 스퍼터링 가스로서 챔버에 도입되었으며, 3Pa에서 RF방전이 행해져 접촉 금속층이 형성되었다. 상기 공급 전력은 0.5kW이었고, 막두께 4.0nm로 접촉 금속층으로서 Pt막이 형성되었다.
그런 후, 상기 압력 및 공급 전력하에, DC방전에 의한 스퍼터링으로 두께 200nm로 Ag반사층이 형성되었다. 상기 적층체가 스퍼터링 장치로부터 꺼내진 후, 리프트 오프 기술을 사용하여 상기 정극 형성 영역 이외의 금속막이 레지스트와 함께 제거되었다.
다음에, 오버코트층(30)이 형성되었다. 레지스트가 균일하게 도포된 후, 공지의 리소그래피 기술이 사용되어 상기 정극 영역 보다 다소 큰 윈도우(window)로서 오버코트 영역을 오픈하였다. 상기 원도우의 크기는 상기 오버코트층의 측부(31)의 두께가 10㎛가 되도록 하였다. DC방전에 의한 스퍼터링이 사용되어 두께가 400nm인 Au막이 형성되었다. 상기 스퍼터링 장치로부터 소자를 꺼낸 후, 리프트 오프 기술이 사용되어 상기 오버코트층 영역상 이외의 금속막이 레지스트와 함께 제거되었다. 상기 오버코트층(30)은 접합 패드층으로서도 역할을 하였다.
(3)부극(20)이 상기 n접촉층(3a)상에 형성되었다. 상기 부극(20)을 형성하기 위한 절차는 이하와 같다. 레지스트가 표면 전체에 균일하게 도포된 후, n접촉층(3a)까지 노출된 영역상에, 공지의 리소그래피 기술이 사용되어 부극 영역용 윈도우를 오픈하였고, 기상 증착법이 사용되어 두께가 각각 100nm 및 300nm인 Ti 및 Au막이 증착되었다. 상기 부극 영역상 이외의 금속막이 레지스트와 함께 제거되었다.
(4)이어서, 보호막이 형성되었다. 그 절차는 이하와 같다. 레지스트가 표면 전체에 균일하게 도포된 후, 공지의 리소그래피 기술이 사용되어 상기 정극 및 부 극간의 부분상의 윈도우를 오픈하였고, SiO2막이 RF방전을 사용한 스퍼터링법에 의해 두께가 200nm로 형성되었다. 상기 보호막 영역 이외의 SiO2막이 상기 레지스트와 함께 제거되었다.
(5)상기 웨이퍼가 조각으로 절단되어 본 발명의 질화 갈륨계 화합물 반도체 발광 소자를 제작하였다.
얻어진 상기 질화 갈륨계 화합물 반도체 발광 소자가 TO-18상에 장착되었고, 인가 전류 20mA에서 소자 특성이 측정되었다. 그 결과는 표 1에 나타낸다. 에이징 실험이 100시간 동안 인가 전류 30mA에서 TO-18에 대하여 약 50%의 상대 습도 및 실온에서 행해졌다.
단면 TEM의 EDS분석의 결과로서, 반도체 금속 함유층의 두께가 2.5nm이었고, 상기 층 중에 총금속(Pt+Ag+Ga)에 대한 Ga의 비율이 1~20원자%로 견적된다는 것이 확인되었다. 상기 p접촉층의 정극 금속 함유층의 두께는 6.0nm이었다. 존재하는 정극 재료는 접촉 금속층을 구성하는 Pt이었고, 상기 층 중에 총금속(Pt+Ga)에 대한 비율이 1~10원자%라고 견적되었다.
(실시예 2~5)
질화 갈륨계 화합물 반도체 발광 소자는 반사층 및 오버코트층용 재료가 변경되는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 제작되었고, 상기 소자의 특성이 실시예 1과 같이 평가되었다. 그 결과는 실시예 1에 함께 나타내어진다. Au 이외의 Pt 및 W 등의 금속이 오버코트층으로서 사용되는 실시예 3 및 4에 있어서, 상기 오버코트층(30) 상의 접합 패드층으로서 두께가 400nm인 Au막이 형성되었다. 상기 Pt오버코트층의 측면부(31)는 p접촉층(5a)과 오믹 접촉되어 있고, TLM법으로 측정되는 접촉 저항은 5×10-4Ωcm2이었다. 실시예 5는 상기 오버코트층의 측부(31)의 두께가 1㎛인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하였다.
이들 발광 소자의 정극 금속 함유층의 두께는 1~8nm이었고, 상기 정극 금속의 비율은 0.5~18원자%의 범위내이었다. 상기 반도체 금속 함유층의 두께는 0.5~3nm이었고, Ga의 비율은 1~20원자%의 범위내이었다.
(비교예)
소자는 접촉 금속층이 형성되지 않는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제작되었다. 이들 소자의 특성은 실시예 1과 같이 평가되었고, 그 결과는 표 1에 함께 나타내어졌다. 순방향 전압은 높았고, 역방향 전압은 낮았다.
(실시예 6~8)
질화 갈륨계 화합물 반도체 발광 소자는 실시예 1로 제작되었고, 상기 접촉 금속층의 두께만을 변경하여 소자의 특성을 실시예 1과 같이 평가하였다. 결과는 표 1에 함께 나타내어졌다.
상기 정극 금속 함유층의 두께는 1~8nm의 범위내이었고, 상기 정극 금속의 비율은 0.5~18원자%의 범위내이었다. 상기 반도체 금속 함유층의 두께는 0.5~3nm의 범위내이었고, Ga의 비율은 1~20원자%의 범위내이었다.
접촉금속층 반사층 오버코트층 접합패드층 소자 특성(100시간의 에이징 후)
재료 막두께 (nm) 순방향전압(V) 역방향전압(V) 출력(mW)
실시예1 Pt 2 Ag Au - 3.3 >20 6.5
실시예2 Pt 2 Al Au - 3.3 >20 6.3
실시예3 Pt 2 Al Pt Au 3.3 >20 6.5
실시예4 Pt 2 Ag W Au 3.3 >20 6.5
실시예5 Pt 2 Ag Au - 3.4 >20 6.5
실시예6 Pt 1 Ag Au - 3.6 >20 6.7
실시예7 Pt 0.5 Ag Au - 4 >20 6.9
실시예8 Pt 5 Ag Au - 3.3 >20 6
비교예 접촉금속 없음 0 Ag Au - 3.6 5 6.6
(실시예 9~11)
질화 갈륨계 화합물 반도체 발광 소자는 Ag반사층을 형성한 후 열처리가 행해지는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 제작되었고, 상기 소자의 특성은 실시예 1과 같이 평가되었다. 10분 동안으로 열처리를 변경함으로써, 공기하에서 RTA 로 중에서 열처리가 행해졌다. 표 2는 열처리의 온도 및 순방향 전압을 나타낸다. 400℃로 열처리가 실시된 발광 소자에 있어서, 순반향 전압은 다소 높았다.
가열 온도(℃) 순방향 전압(V)
실시예 1 - 3.3
실시예 9 200 3.3
실시예 10 300 3.3
실시예 11 400 3.8
본 발명에 의해 형성된 질화 갈륨계 화합물 반도체 발광 소자는 우수한 특성 및 안정성을 가지고, 발광 다이오드, 램프 등용 재료로서 유용하다.

Claims (21)

  1. p형 반도체층을 접합하는 접촉 금속층 및 상기 접촉 금속층상의 반사층을 포함하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극에 있어서,
    상기 접촉 금속층은 백금족 금속 또는 백금족 금속을 함유하는 합금으로 이루어지고,
    상기 반사층은 Ag, Al 및 Ag 및 Al 중 하나 이상을 함유하는 합금으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상의 금속으로 이루어지고,
    p형 반도체층측상의 접촉 금속층의 표면상에 III족 금속을 함유하는 반도체 금속 함유층이 존재하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 접촉 금속층은 Pt 또는 그것의 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 접촉 금속층의 두께는 0.1~30nm의 범위내인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 접촉 금속층의 두께는 1~30nm의 범위내인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 접촉 금속층의 두께는 0.1~4.9nm의 범위내인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서, 상기 접촉 금속층은 RF방전 스퍼터링법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 반사층은 Ag 또는 그것의 합금인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 반사층의 두께는 30~500nm인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 반사층은 DC방전 스퍼터링법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
  11. 제 1항에 있어서, 접촉 금속층 및 반사층을 피복하는 오버코트층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 오버코트층의 두께는 10nm 이상인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 반사층의 상부면을 접합하는 오버코트층의 적어도 일부분이 금속인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 오버코트층은 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au 및 이들 금속 중 어느 하나를 함유하는 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 오버코트층은 Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au 및 이들 금속 중 어느 하나를 함유하는 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
  16. 제 11항에 있어서, 상기 오버코트층은 p형 반도체층과 오믹 접촉하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 오버코트층은 접촉 저항 1×10-3Ωcm2이하로 p형 반도체층과 오믹 접촉하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
  18. 제 1항에 있어서, 상기 접촉 금속층을 형성한 후, 350℃ 초과의 온도에서 열처리가 행해지지 않는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자용 반사성 정극.
  19. III족 질화물 반도체로 이루어진, n형 반도체층, 발광층 및 p형 반도체층이 기판상에 이 순서대로 형성되어 있고; 상기 n형 반도체층상에 형성된 부극; 및 상기 p형 반도체층상에 형성된 정극을 포함하는 질화 갈륨계 화합물 반도체 발광 소자에 있어서,
    상기 정극은 제 1항에 기재된 정극인 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 화합물 반도체 발광 소자.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 정극측의 p형 반도체층의 표면상에 정극 금속 함유층이 존재하는 것을 특징으로 하는 질화 갈륨계 화합물 반도체 발광 소자.
  21. 제 19항에 기재된 질화 갈륨계 화합물 반도체 발광 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 램프.
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