KR100845037B1 - 오믹 전극 및 그 형성 방법, 이를 구비하는 반도체 발광소자 - Google Patents

오믹 전극 및 그 형성 방법, 이를 구비하는 반도체 발광소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발광층으로 기능하는 질화물계 반도체층 상에 형성되며 Al 합금으로 이루어진 접촉층과, 상기 접촉층 상에 형성되고 일부 입자가 상기 반도체층으로 내방 확산되며 Ag 금속으로 이루어진 반사층 및 상기 반사층 상에 형성되어 상기 Ag 반사층의 외방 확산을 억제하는 보호층을 포함하는 오믹 전극 및 그 형성 방법, 이를 구비하는 반도체 발광 소자를 제공한다.
이와 같은, 본 발명은 열처리시 계면 반응으로 인하여 반사층과 발광층이 직접 오믹 접촉을 이루므로 강한 접착력과 함께 낮은 접촉 저항을 가지며, 열처리시 접촉층과 보호층이 반사층의 외방 확산을 억제하므로, 높은 광 반사도와 함께 우수한 열적 안정성을 갖는다.
오믹 전극, LED, 발광 소자, p형 전극, 반사막, Ag, Al.

Description

오믹 전극 및 그 형성 방법, 이를 구비하는 반도체 발광 소자{OHMIC ELECTRODE AND METHOD THEREOF, SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING ELEMENT HAVING THIS}
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 발광 소자를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 제조 공정을 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 실험예와 비교예에 따른 오믹 전극의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 오믹 전극의 열처리 전후의 2차 이온-질량 분석을 통한 깊이 방향 분석 결과를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 실험예와 비교예에 따른 오믹 전극의 광 반사도를 측정하여 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 전기 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플립칩 구조의 반도체 발광 소자를 나타낸 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 기판 200: 발광층
210: n형층 220: 활성층
230: p형층 300, 530: p형 전극
310: 접촉층 320: 반사층
330: 보호층 400, 520: n형 전극
540: 서브 마운트 기판
본 발명은 오믹 전극 및 그 형성 방법, 이를 구비하는 반도체 발광 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광을 출력하는 발광층에 외부의 동작 전원을 제공할 수 있도록 상기 발광층의 일부 영역에 접하도록 형성된 오믹 전극 및 그 형성 방법, 이를 구비하는 반도체 발광 소자에 관한 것이다.
반도체 발광 소자는 소형화, 경량화에 유리하고, 저전력 소모 및 장 수명을 가지며, 예열 시간 및 구동 회로가 필요 없다. 또한, 충격 및 진동에 강하며, 다양한 형태로 패키징할 수 있어, 향후 수년 내에 대형 액정표시장치의 백라이트, 일반 조명, 자동차 헤드라이트용 광원을 대체할 것으로 기대되고 있다.
특히, 질화물 계열의 반도체 발광 소자는 전자 친화력, 전자 이동도, 전자포화 속도 및 전계파괴 전압 특성이 우수하여 고효율, 고출력을 실현할 수 있고, 비소(As), 수은(Hg) 같은 유해물질을 포함하지 않기 때문에 환경 친화적인 소자로서 많은 주목을 받고 있다.
현재까지 개발된 질화물 반도체 발광 소자는 고출력, 발광효율, 가격 측면에서 만족할 만한 수준이 아니며, 더욱 많은 성능 개선이 필요한 실정이다. 특히, 기존의 수은등이나 형광등을 대체하여 백색광원으로 사용하기 위해서는 고출력 및 이에 따른 열적 안정성의 문제점을 극복해야 한다.
일반적으로 질화물 반도체 발광 소자는 사파이어 기판 상에 질화물계 n형층, 질화물계 활성층, 질화물계 p형층을 형성하고, 상기 n형층과 p형층에 전원을 인가하기 위하여 수평으로 두 전극을 배치하여 제조된다.
이러한 수평 구조의 발광 소자는 상대적으로 제조공정이 단순하여 비용이 저렴하지만, 고출력을 실현하는데 어려움이 있었다. 즉, 활성층에서 발광된 빛이 두 전극에서 흡수되어 외부로 방출되지 못하기 때문에 고출력을 실현할 수 없고, 사파이어 기판은 열전도율이 낮아 동작과정에서 발생된 열이 효과적으로 방출되지 못하기 때문에 열적 안정성이 낮은 문제가 있었다.
이러한 문제를 극복하고자 수직 구조의 발광 소자 및 플립칩형 발광 소자가 제안되었다. 이 경우 어느 하나의 전극에 반사층을 형성하여 활성층에서 발광된 빛이 외부로 용이하게 방출되게 함으로써 광 이용률을 높일 수 있고, 사파이어 기판 대신 열전도율이 좋은 금속 기판을 사용함으로써 열적 안정성을 높일 수 있다.
따라서, 보다 고출력을 얻기 위해서는 높은 광 반사도를 갖는 전극개발이 선행되어야 한다. 광 반사도 측면에서는 가시광선 영역에서 Al나 Ag 금속이 우수하므로, 이들 금속을 전극으로 사용하면 우수한 광출력 특성을 얻을 수 있다. 그러나, Al은 질화물계 반도체층과의 접촉저항이 커서 대전류를 인가하기 곤란한 문제점이 있고, Ag는 접촉저항은 작지만 층간 접착력이 나쁘고, 열적 안정성이 낮아 고온 열처리시 집괴(agglomeration)와 계면 공허(void) 등이 형성되는 문제점이 있었다.
이러한 문제점들로 인해 아직까지도 수평 구조의 발광 소자에 사용되고 있는 Ni/Au 계열 전극이 사용되고 있으며, 이로 인해 기존의 백색광원을 대체할 수 있는 수준의 광출력을 확보하는데 한계가 있었다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 광을 출력하는 발광층 상에 Al 합금으로 이루어진 접촉층과, Ag 금속으로 이루어진 반사층 및 상기 Ag 반사층의 외방 확산을 억제하는 보호층을 순차적으로 적층한 다음 이를 열처리하여 상기 반사층의 일부 입자가 발광층으로 확산되면서 오믹 접촉을 이루고, 상기 접촉층 및 보호층이 상기 반사층의 과다한 확산을 억제하여 강한 접착력과 함께 낮은 접촉 저항을 가지며, 높은 광 반사도와 함께 우수한 열적 안정성을 갖는 새로운 오믹 전극 및 그 형성 방법, 이를 구비하는 반도체 발광 소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 오믹 전극은, 발광층으로 기능하는 질화물계 반도체층 상에 형성되며 Al 합금으로 이루어진 접촉층과, 상기 접촉층 상에 형성되고 일부 입자가 상기 반도체층으로 내방 확산되며 Ag 금속으로 이루어진 반사층 및 상기 반사층 상에 형성되어 상기 반사층의 외방 확산을 억제하는 보호층을 포함한다.
상기 접촉층의 두께는 2nm ~ 5nm, 상기 반사층의 두께는 150nm ~ 5000nm, 상기 보호층의 두께는 40nm ~ 100nm 인 것이 바람직하다.
상기 접촉층으로는 Mg, Cu, In, Sn 중에서 선택되는 어느 하나의 금속 및 Al 금속을 포함하는 합금이 사용되는 것이 바람직하며, 상기 보호층으로는 Ru, Ir, Rh, Pt, W, Ta, Ti, Co 중에서 선택되는 어느 하나의 금속이 사용되는 것이 바람직하다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 오믹 전극의 형성 방법은, 발광층으로 기능하는 소정의 반도체층 상에 Al 합금으로 이루어진 접촉층, Ag 금속으로 이루어진 반사층 및 상기 반사층의 외방 확산을 억제하는 보호층을 순차적으로 적층하는 단계와, 상기 반사층에서 내방 확산된 일부 입자들에 의해 상기 반도체층과의 계면에 오믹 접촉이 형성되도록 상기 접촉층, 반사층 및 보호층을 포함하는 구조물에 대한 열처리 공정을 실시하는 단계를 포함한다.
상기 열처리 공정은 200℃ ~ 600 ℃ 의 온도에서 실시하는 것이 효과적이며, 상기 열처리 공정은 산소를 포함하는 분위기에서 실시하는 것이 효과적이다. 즉, 상기 열처리 공정은 산소 분위기, 대기 분위기, 산소와 질소의 혼합 분위기 및 산소와 아르곤의 혼합 분위기 중 어느 하나의 분위기에서 실시하는 것이 바람직하다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 발광 소자는, 발광층으로 기능하는 질화물계 반도체층과, 상기 반도체층 상에 형성되는 오믹 전극을 포함하며, 상기 오믹 전극은 발광층으로 기능하는 질화물계 반도체층 상에 형성되며 Al 합금으로 이루어진 접촉층과, 상기 접촉층 상에 형성되고 일부 입자가 상기 반도체층으로 내방 확산되며 Ag 금속으로 이루어진 반사층 및 상기 반사층 상에 형성되어 상기 반사층의 외방 확산을 억제하는 보호층을 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 발광 소자를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 반도체 발광 소자는 발광층(200), 발광층(200)의 일측에 형성되는 n형 전극(400) 및 발광층(200)의 타측에 형성되는 p형 전극(300)을 포함하며, 상기 p형 전극(300)은 접촉층(310), 반사층(320), 보호층(330)을 포함하는 다층 구조로 형성된다.
발광층(200)은 n형층(210), 활성층(220), p형층(230)을 포함하며, 상기 n형층(210), 활성층(220) 및 p형층(230)은 Si 막, GaN 막, AlN 막, InGaN 막, AlGaN 막, AlInGaN 막 및 이들을 포함하는 반도체 박막 중 적어도 어느 하나로 형성된다. 예를 들어, 본 실시예에서는 n형층(210) 및 p형층(230)은 GaN 막으로 형성되고, 활 성층(220)은 InGaN 막으로 형성된다.
상기 n형층(210)은 전자를 제공하는 층으로서, n형 반도체층과 n형 클래드층으로 구성될 수 있다. 이러한 n형 반도체층과 n형 클래드층은 전술한 반도체 박막에 n형 불순물 예를 들어, Si, Ge, Se, Te, C 등을 주입하여 형성할 수 있다.
상기 p형층(230)은 정공을 제공하는 층으로서, p형 반도체층과 p형 클래드층으로 구성될 수 있다. 이러한 p형 반도체층과 p형 클래드층은 전술한 반도체 박막에 p형 불순물 예를 들어, Mg, Zn, Be, Ca, Sr, Ba 등을 주입하여 형성할 수 있다.
상기 활성층(220)은 n형층(210)에서 제공된 전자와 p형층(230)에서 제공된 정공이 재결합되면서 소정 파장의 광을 출력하는 층으로서, 우물층(well layer)과 장벽층(barrier layer)이 교대로 적층된 다중 양자 우물(multiple quantum well) 구조 또는 벌크 구조를 갖는 다층의 반도체 박막으로 형성할 수 있다. 이러한 활성층(220)을 이루는 반도체 재료에 따라 출력되는 광의 파장이 변화되므로, 목표로 하는 파장에 따라 적절한 반도체 재료를 선택하는 것이 바람직하다.
본 실시예에서는 GaN 박막을 증착한 후 n형 불순물을 주입하여 n형층(210)을 형성하고, 그 위에 장벽층인 GaN 박막과 우물층인 InGaN 박막을 교대로 증착하여 다중 우물 구조의 활성층(220)을 형성하고, 그 위에 다시 GaN 박막을 증착한 후 p형 불순물을 주입하여 p형층(130)을 형성함으로써, 전술한 발광층(200)을 형성하였다.
n형 전극(400)으로는 Pb, Sn, Au, Ge, Cu, Bi, Cd, Zn, Ag, Ni, Ti 및 이들을 포함하는 합금 중 적어도 어느 하나의 금속을 사용하는 것이 바람직하다. 물론 상기 n형 전극(400)으로는 다층 구조의 금속막이 사용될 수도 있다.
p형 전극(300)으로는 접촉층(310), 반사층(320), 보호층(330)을 포함하는 다층 구조의 오믹 전극을 사용하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 접촉층(310)으로는 Mg, Cu, In, Sn 중에서 선택되는 어느 하나의 금속 및 Al 금속을 포함하는 합금층을 사용하는 것이 바람직하고, 상기 반사층(320)으로는 Ag 금속을 포함하는 금속층을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 보호층(330)으로는 Ru, Ir, Rh, Pt, W, Ta, Ti, Co 중에서 선택되는 어느 하나의 금속을 포함하는 금속층을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 본 실시예에서는 접촉층(310)으로 MgAl 합금, 반사층(320)으로 Al 금속, 보호층(330)으로 Ru 금속을 사용하였다.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 제조 공정을 간략히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 제조 공정을 나타낸 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 기판(100)상에 n형층(210), 활성층(220) 및 p형층(230)을 순차적으로 적층하여 다층 구조의 발광층(200)을 형성하고, 소정의 마스크를 이용한 패터닝 공정을 실시하여 개개의 셀(cell)을 형성한다.
상기 기판(100)으로는 사파이어 기판, 실리콘 카바이드(SiC) 기판, 실리콘(Si) 기판, 아연 산화물(ZnO) 기판, 갈륨 비소화물(GaAs) 기판 또는 갈륨 인화물(gallium phophide;GaP) 기판 등을 사용할 수 있으며, 특히 사파이어 기판을 사용하는 것이 보다 바람직하다.
상기 발광층(200)으로는 Si 막, GaN 막, AlN 막, InGaN 막, AlGaN 막, AlInGaN 막 및 이들을 포함하는 막 중 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 GaN 막을 증착한 후 n형 불순물을 주입하여 n형층(210)을 형성하고, 그 위에 장벽층인 GaN 막과 우물층인 InGaN 막을 교대로 증착하여 다중 우물 구조의 활성층(220)을 형성하고, 그 위에 다시 GaN 막을 증착한 후 p형 불순물을 주입하여 p형층(230)을 형성하였다. 이때, 기판(100)과 n형층(210) 사이에는 버퍼층(미도시)이 추가로 형성될 수 있고, 이 버퍼층은 기판(100)과 n형층(210) 간의 격자 부정합에 따른 스트레스를 완화시켜 주고, n형층(210)의 원활한 성장을 돕는다.
상기 발광층(200) 특히, p형층(230)에는 고품위 박막 형성 및 계면의 접착력 향상을 도모하기 위하여 표면 처리를 실시할 수 있다. 바람직하게는, 왕수 수용액(HCl : H2O = 3 : 1)에 상기 발광층(200)을 10분간 담근 다음 탈 이온수로 세척하고, 질소로 건조하는 방식으로 1 차 표면 처리를 실시하고, 후속층 즉, p형 전극을 증착하기 전에 염산(HCL)과 탈 이온수가 1:1로 혼합된 용액에 1분간 담근 다음 건조하는 방식으로 2 차 표면 처리를 실시한다.
도 2b를 참조하면, 상기 발광층(200) 상에 접촉층(310), 반사층(320) 및 보호층(330)을 연속하여 적층한다. 여기서, 접촉층(310)으로는 Mg, Cu, In, Sn 중에서 선택되는 어느 하나의 금속 및 Al 금속을 포함하는 합금층을 사용하는 것이 바람직하고, 반사층(320)으로는 Ag 금속을 포함하는 금속층을 사용하는 것이 바람직하며, 보호층(330)으로는 Ru, Ir, Rh, Pt, W, Ta, Ti, Co 중에서 선택되는 어느 하 나의 금속을 포함하는 금속층을 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 접촉층(310)은 2nm ~ 5nm의 두께로 형성하고, 반사층(320)은 150nm ~ 5000nm의 두께로 형성하며, 상기 보호층(330)은 40nm ~ 100nm의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 MgAl 막을 5nm 두께로 증착하여 접촉층(310)을 형성하였고, Ag 막을 300nm의 두께로 증착하여 반사층(320)을 형성하였으며, Ru 막을 50nm의 두께로 증착하여 보호층(330)을 형성하였다.
도 2c를 참조하면, p형 전극(300)은 MgAl/Ag/Ru 구조의 다층 전극을 공기중에서 급속 열처리(rapid thermal annealing)하여 형성한 오믹 전극이다.
상기 열처리 공정은 산소를 포함하는 분위기에서 실시하는 것이 바람직하다. 즉, 산소 분위기, 대기 분위기, 산소와 질소의 혼합 분위기 및 산소와 아르곤의 혼합 분위기 중 어느 하나의 분위기인 것이 바람직하다. 이때, 상기 산소를 포함하는 분위기의 압력은 대기압 이하인 것이 바람직하며, 200℃ ~ 600 ℃ 온도에서 약 1분간 열처리하는 것이 바람직하다.
상기 MgAl/Ag/Ru 구조의 다층 전극을 공기중에서 열처리하면 Ag 반사층(320)에서 Ag 입자의 확산(diffusion)이 발생한다. 이때, 상기 Ag 입자의 내방 확산(in diffusion)으로 인해 MgAl 접촉층(310)으로 침투된 Ag 입자들은 MgAl 접촉층(310)과 p형층(230)의 계면 전체에서 금속화 반응을 일으키므로, 상기 오믹 전극(300)은 강한 접착력과 함께 낮은 접촉 저항을 갖는다. 또한, 상기 MgAl 접촉층(310)은 Ag 반사층(320)의 과다한 내방 확산(in diffusion)을 막아주어 Ag 반사층(320)의 계면 공허를 억제하고, 상기 Ru 보호층(330)은 Ag 반사층(320)의 외방 확산(out diffusion)을 막아주어 Ag 반사층(320)의 집괴 현상을 억제하므로, 상기 오믹 전극은 높은 광 반사도와 함께 우수한 열적 안정성을 갖는다.
도 2d를 참조하면, 기판(100)의 하부에 엑시머 레이저를 조사하여 n형층(210)에 부착된 기판을 분리시키는 리프트 오프(lift off) 공정을 진행하고, 기판이 제거된 n형층(210) 상에 n형 전극(400)을 형성하여, 전술한 구조의 반도체 발광 소자가 제작된다.
본 실시예에 따른 반도체 발광 소자에 적용되는 p형 전극(300) 즉, 오믹 전극의 특성을 알아보기 위하여 실험예와 비교예를 들어 설명하면 다음과 같다. 상기 실험예는 발광층(200) 상에 MgAl(310), Ag(320), Ru 박막(330)을 적층한 다음 공기중에서 온도를 450℃로 유지하면서 약 1분간 열처리하여 형성한 MgAl/Ag/Ru 구조의 오믹 전극(300)을 사용하였다.
도 3은 본 발명의 실험예와 비교예에 따른 오믹 전극의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다. 도 3의 그래프에서 A 선은 실험예에 따른 MgAl/Ag/Ru 구조의 오믹 전극의 전류-전압 특성을 나타낸 것이고, B 선은 비교예에 따른 Ni/Au 구조의 오믹 전극의 전류-전압 특성을 나타낸 것이다.
도 3을 참조하여 상기 그래프의 A 선과 B 선을 비교하면 실험예에 따른 오믹 전극의 전류-전압 특성이 더 우수함을 알 수 있다. 이때, 본 실험예에 따른 MgAl/Ag/Ru 구조의 오믹 전극의 접촉 저항을 계산해보면 2 x 10-4 Ωcm2 로 매우 낮은 값이다.
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 오믹 전극의 열처리 전후의 2차 이온-질량 분석(secondary ion-mass spectroscopy;SIMS)을 통한 깊이 방향 분석 결과를 나타낸 그래프이다. 여기서, 도 4의 (a)는 열처리 전의 상태를 나타낸 것이고, 도 4의 (b)는 열처리 후의 상태를 나타낸 것이다.
도 4의 (a)와 (b)를 비교하면, 열처리 후 Ga의 외방 확산이 매우 크다는 것을 알 수 있는데, 이것은 열처리 후 GaN 발광층(200)과 오믹 전극(300)의 계면에 Ga 공공이 더 많이 생성될 수 있다는 것을 의미한다. GaN 발광층(200)에 형성된 Ga 공공은 홀(hole)을 생성하는 억셉터(acceptor) 역할을 하므로 열처리 후 계면 접착력이 향상되고, 접촉 저항이 낮아진다.
도 5는 본 발명의 실험예와 비교예에 따른 오믹 전극의 광 반사도를 측정하여 나타낸 그래프로서, 460nm 파장 대역에서의 광 반사도를 측정하였다. 도 5의 그래프에서 A 선은 실험예에 따른 열처리 후 MgAl/Ag/Ru 구조의 오믹 전극의 광 반사도를 나타낸 것이고, B 선은 비교예에 따른 열처리 후 Ag/Ru 구조의 오믹 전극의 광 반사도를 나타낸 것이다.
도 5를 참조하면, Ru 보호층이 생략된 본 비교예에 따른 오믹 전극은 약 72%의 낮은 광 반사도를 보여주는데 비하여, Ru 보호층이 형성된 본 실험예에 따른 오믹 전극은 약 85%의 높은 광 반사도를 보여준다. 이는 본 발명의 MgAl/Ag/Ru 구조의 오믹 전극은 MgAl 접촉층과 Ru 보호층이 각각 발광층과의 계면 및 표면에서 Ag 반사층의 집괴를 방지하여, Ag의 높은 광 반사도 특성을 그대로 유지하기 때문이다.
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 전기 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 도 6의 그래프에서 A 선은 실험예에 따른 MgAl/Ag/Ru 구조의 오믹 전극이 p형 전극으로 사용된 경우를 나타낸 것이고, B 선은 비교예에 따른 Ni/Ag 구조의 오믹 전극이 p형 전극으로 사용된 경우를 나타낸 것이다.
도 6의 A선과 B선을 비교하면, p형 전극으로 MgAl/Ag/Ru 구조의 오믹 전극을 사용하는 경우는 Ni/Ag 구조의 오믹 전극을 사용하는 경우에 비하여 방출되는 광의 세기가 훨씬 증대됨을 알 수 있다. 이러한 결과는 전술한 다른 금속들로 대체 형성한 오믹 전극을 사용하여도 상기 실험에 따른 그래프와 유사한 결과를 얻을 수 있다.
이처럼, 본 실시예에 따른 반도체 발광 소자에 적용된 오믹 전극(300)은 강한 접착력과 함께 낮은 접촉 저항을 가지며, 높은 광 반사도와 함께 우수한 열적 안정성을 갖는다. 따라서, 대전류 인가를 통한 고출력 발광 소자 예를 들어, 상기의 수직 구조의 반도체 발광 소자 및 하기의 플립칩 구조의 반도체 발광 소자에 적합하게 사용할 수 있으며, 이 경우 매우 우수한 발광 특성을 기대할 수 있다.
아래에서는 상기 플립칩 구조의 반도체 발광 소자에 대하여 설명한다. 이때, 전술한 실시예와 중복되는 설명은 생략하거나 간략히 설명한다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플립칩 구조의 반도체 발광 소자를 나타낸 단면도이다.
도 7을 참조하면, 반도체 발광 소자는 n형층(210), 활성층(220), p형층(230)으로 구성된 다층 구조의 발광층(510)을 포함하고, 상기 n형층(210)의 소정 영역에 형성된 n형 전극(520)과, 상기 p형층(130)의 상부에 형성된 p형 전극(530)과, 범프(541, 542)를 이용하여 상기 두 전극(520, 530)에 접속된 서브 마운트 기판(540)을 포함하고, 또한 상기 반도체 발광 소자는 상기 n형층(210) 하부에 형성된 확산층(550)을 더 포함할 수 있다.
상기 p형 전극(530)은 접촉층(310), 반사층(320), 보호층(330)을 포함한다. 즉, 전술한 MgAl/Ag/Ru 구조의 오믹 전극을 사용하는 것이 바람직하다. 이를 통해 p형층(130)과 접촉층(310) 간의 접착력이 향상되고, 그 사이의 계면을 평탄화시켜 Ag 반사층(320)의 광반사 효율을 극대화할 수 있다. 또한, Ag 반사층(320)이 보호층(330)에 덮혀 보호됨으로 인해 후속 열처리 공정 및 동작 과정에서 발생된 열에 의한 Ag 반사층(330)의 집괴 및 열화를 방지할 수 있게 된다.
상기 확산층(550)은 n형 전극(520)으로 인가되는 전류를 n형층(510)에 균일하게 확산시켜 주며, n형층(510)을 통하여 전달되는 열을 효과적으로 방출하여 주기 때문에 반도체 발광 소자의 고출력 및 신뢰성을 확보해 준다.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 제조 공정을 간략히 설명하면 다음과 같다.
모체 기판(미도시) 상에 n형층(210), 활성층(220) 및 p형층(230)을 순차적으로 적층한 다음 소정의 마스크를 이용한 패터닝 공정을 실시하여 개개의 셀을 형성한다. 이어, 상기 p형층(230) 상에 MgAl 접촉층(310), Ag 반사층(320), Ru 보호층(330)을 추가적으로 적층하고, 공기중에서 온도를 450℃로 유지하면서 약 1분간 열처리하여 낮은 접촉 저항 및 우수한 광 반사도를 갖는 오믹 전극 즉, p형 전 극(530)을 형성한다. 이어, 상기 두 전극(520, 530)과 서브 마운트 기판(540)을 범프(541, 542)를 이용하여 실장한다. 이후, 엑시머 레이저를 이용한 리프트 오프(lift off) 공정을 실시하여 모체 기판을 제거하고, 모체 기판 하부에 확산층(550)을 부착한다. 확산층(550)은 n형 전극(520)에 인가되는 전원을 확산시켜 주고, 활성층(220)에서 발광된 빛은 상기 확산층(550)을 통하여 외부로 방출되므로, 도전성 및 투광성이 우수한 물질 예를 들어, ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide)를 사용하여 형성하는 것이 바람직하다.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 반도체 발광 소자의 동작 과정을 간략히 설명하면 다음과 같다.
두 전극(520, 530)에 전원이 인가되면 활성층(220)에는 n형층(210)으로부터 전자가 제공되고, p형층(230)으로부터 정공이 제공된다. 활성층(220)에 제공된 전자와 정공은 결합 또는 재결합하면서 여기 에너지를 광으로 출력하고, 출사면인 확산층(550)을 통하여 외부로 방출된다. 이때, 활성층(220)의 상부 즉, p형층(230)으로 방출된 광은 반사층(320)을 갖는 p형 전극(530)에 의하여 반사되어 출사면(550)을 통해 외부로 방출되므로 광의 이용률이 높아진다.
이상, 본 발명에 대하여 전술한 실시예 및 첨부된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명이 다양하게 변형 및 수정될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 오믹 전극은 Al 합금으로 이루어진 접촉층과, Ag 금속으로 이루어진 반사층 및 상기 Ag 반사층의 외방 확산을 억제하는 보호층을 포함한다. 따라서, 열처리시 반사층에서 내방 확산된 Ag 입자들로 인하여 접촉층과 발광층의 계면 전체에서 금속화 반응이 진행되고, 접촉층과 보호층에 의하여 Ag 입자들의 외방 확산이 억제되므로, 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
먼저, 본 발명은 열처리시 계면 반응으로 인하여 반사층과 발광층이 직접 오믹 접촉을 이루므로, 강한 접착력과 함께 낮은 접촉 저항을 갖는다.
또한, 본 발명은 열처리시 접촉층과 보호층이 반사층의 외방 확산을 억제하므로, 높은 광 반사도와 함께 우수한 열적 안정성을 갖는다.
또한, 본 발명은 기존의 Au나 Pt같은 값비싼 금속을 이용하지 않으므로 제조원가를 절감시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 광 반사도 특성이 우수한 Al 금속 및 Ag 금속을 사용하여 접촉층 및 반사층을 형성하므로, 높은 광 반사도를 갖는다.

Claims (14)

  1. 발광층으로 기능하는 질화물계 반도체층 상에 형성되며 Al 합금으로 이루어진 접촉층과,
    상기 접촉층 상에 형성되고 일부 입자가 상기 반도체층으로 내방 확산되며 Ag 금속으로 이루어진 반사층과,
    상기 반사층 상에 형성되어 상기 반사층의 외방 확산을 억제하는 보호층을 포함하고,
    상기 접촉층으로는 Mg, Cu, In, Sn 중에서 선택되는 어느 하나의 금속 및 Al 금속을 포함하는 합금이 사용되는 것을 특징으로 하는 오믹 전극.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 접촉층의 두께는 2nm ~ 5nm, 상기 반사층의 두께는 150nm ~ 5000nm, 상기 보호층의 두께는 40nm ~ 100nm 인 것을 특징으로 하는 오믹 전극.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 보호층으로는 Ru, Ir, Rh, Pt, W, Ta, Co 중에서 선택되는 어느 하나의 금속이 사용되는 것을 특징으로 하는 오믹 전극..
  5. 발광층으로 기능하는 질화물계 반도체층 상에 형성되는 오믹 전극의 형성 방법에 있어서,
    상기 반도체층 상에 Al 합금으로 이루어진 접촉층, Ag 금속으로 이루어진 반사층 및 상기 반사층의 외방 확산을 억제하는 보호층을 순차적으로 적층하는 단계와,
    상기 반사층에서 내방 확산된 일부 입자들에 의해 상기 반도체층과의 계면에 오믹 접촉이 형성되도록 상기 접촉층, 반사층 및 보호층을 포함하는 구조물에 대한 열처리 공정을 실시하는 단계를 포함하고,
    상기 Al 합금은 Al 금속과, Mg, Cu, In, Sn 중 어느 하나의 금속으로 형성하는 오믹 전극의 형성 방법.
  6. 삭제
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 보호층으로는 Ru, Ir, Rh, Pt, W, Ta, Co 중에서 선택되는 어느 하나의 금속을 사용하는 것을 특징으로 하는 오믹 전극의 형성 방법.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 열처리 공정은 200℃ ~ 600 ℃ 의 온도에서 실시하는 것을 특징으로 하 는 오믹 전극의 형성 방법.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 열처리 공정은 산소를 포함하는 분위기에서 실시하는 것을 특징으로 하는 오믹 전극의 형성 방법.
  10. 청구항 5에 있어서,
    상기 산소를 포함하는 분위기는 산소 분위기, 대기 분위기, 산소와 질소의 혼합 분위기 및 산소와 아르곤의 혼합 분위기 중 어느 하나의 분위기인 것을 특징으로 하는 오믹 전극의 형성 방법.
  11. 발광층으로 기능하는 질화물계 반도체층과,
    상기 반도체층 상에 형성되는 오믹 전극을 포함하고,
    상기 오믹 전극은,
    발광층으로 기능하는 질화물계 반도체층 상에 형성되며 Al 합금으로 이루어진 접촉층과, 상기 접촉층 상에 형성되고 일부 입자가 상기 반도체층으로 내방 확산되며 Ag 금속으로 이루어진 반사층 및 상기 반사층 상에 형성되어 상기 반사층의 외방 확산을 억제하는 보호층을 포함하며,
    상기 Al 합금은 Al 금속과, Mg, Cu, In, Sn 중 어느 하나의 금속으로 이루어진 반도체 발광 소자.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 반도체층은 순차로 적층된 n형층, 활성층, p형층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  13. 삭제
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 보호층으로는 Ru, Ir, Rh, Pt, W, Ta, Co 중에서 선택되는 어느 하나의 금속이 사용되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
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