KR100862366B1 - 발광 다이오드 소자의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화갈륨(GaN)계 발광 다이오드 소자에 있어서 상부 투명 전극의 구조 및 그 형성 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 발광 다이오드 소자는, 질화갈륨(GaN) 계열의 발광 다이오드 소자에 있어서, n형 질화갈륨 반도체층과 p형 질화갈륨 반도체층을 포함하며, 기판 위에 적층된 질화갈륨 반도체층; 상기 질화갈륨 반도체층 상부에 위치하는 질화마그네슘(MgNx)층; 및 상기 질화마그네슘층 상부에 위치하는 투명전극을 포함한다.

발광 다이오드, 질화갈륨, 질화마그네슘, 오믹 접합

Description

발광 다이오드 소자의 제조 방법 {MANUFACTURING METHOD FOR LIGHT EMITTING DIODE DEVICE}

도 1은 일반적인 발광 다이오드 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 발광 다이오드 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 질화마그네슘(MgNx) 증착 시편의 AES 분석 결과를 나타낸다.

도 4는 종래 기술에 의한 발광 다이오드 소자와 본 발명의 실시예에 따라 제조된 발광 다이오드 소자의 오믹 접합 특성을 비교한 결과를 나타낸다.

본 발명은 발광 다이오드(diode) 소자와 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 질화갈륨(GaN)계 발광 다이오드 소자에 있어서 상부 투명 전극의 구조 및 그 형성 방법에 관한 것이다.

일반적으로 빛을 발하기 위한 소자로 사용되는 발광 다이오드는 백열 전구나 형광등을 대체하는 차세대 조명으로 각광받고 있다. 특히, 질화갈륨(GaN)을 이용하 는 청색 발광 다이오드가 개발되면서 모든 색의 구현이 가능하게 되었으며, 이에 따라 다양한 방면에서 수요가 더욱 크게 증가하고 있다. 발광 다이오드는 반도체의 빠른 처리 속도와 낮은 전력 소모 등의 장점과 함께, 환경 친화적이면서도 에너지 절약 효과가 높아서 차세대 국가 전략 품목으로 꼽히고 있다.

이러한 질화갈륨 발광 다이오드를 생산하는 일반적인 방법은 다음과 같다.

도 1은 일반적인 발광 다이오드의 구조를 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 준비된 기판(10) 위에 제1 반도체층(11)을 형성한다. 상기의 제1 반도체층(11) 위에 상기의 제1 반도체층(11)과 반대 극성을 가지는 제2 반도체층(12)을 형성하여 p-n 접합면(20)을 만들 수 있다. 즉, 제1 반도체층(11)이 p형으로 도핑되어 있다면 제1 반도체층(11) 위에 n형으로 도핑된 제2 반도체층(12)을 형성하고, 제1 반도체층(11)이 n형으로 도핑되어 있으면 제1 반도체층(11) 위에 p형으로 도핑된 제2 반도체층(12)을 형성할 수 있다. 이렇게 형성된 p-n 접합면(20)으로 전류를 흘리기 위해 제2 반도체층(12)과 접한 표면에 제1 금속 전극(14)을 형성한다. 　이때 p-n 접합면(20)으로 전류가 균일하게 흐를 수 있도록 제2 반도체층(12)의 상부면과 제1 금속 전극(14) 사이에 전류 분포용 투명 전극(13)을 형성할 수 있다. 또한, 제2 금속 전극(15)을 형성시키기 위하여 건식 식각 방법을 사용하여 소자 구조 중 가장 위쪽에 있는 제2 반도체층(12)에서부터 제1 반도체층(11)의 일부분까지 식각한다. 　식각이 끝난 후 포토 리소그래피 공정을 이용하여 패턴을 형성하고 전자빔 증착법 등을 사용하여 제2 금속 전극(15)을 형성한다. 이후 외부 전원과의 와이어 접합을 위한 패드(도시하지 않음)를 형성한다. 이와 같이 제작된 발광 다이오드의 제1 금속 전극(14)과 제2 금속 전극(15)을 통해 전류를 흘리면 p-n 접합면에서 빛이 방출된다.

질화갈륨 발광다이오드의 전기적 성질을 결정하는 가장 중요한 요소는 p형 질화갈륨 반도체층과 금속 전극의 오믹(ohmic) 특성이다. 오믹 접합(ohmic contact)이 나쁘면 디바이스의 동작을 위해 요구되는 전압이 매우 높게 되어 장기적으로 디바이스의 신뢰성을 떨어뜨린다. 여기서, 오믹 접합이라 함은 두 개의 물질이 접합되어 있으며, 그 접합부에 흐르는 전류가 접합부의 전위차에 비례하는 특성을 가지는 영역을 말한다.

종래에는, 전류의 균일한 분포를 달성하기 위해서 전류 확산용으로 금속 박막을 형성하였다. Ni/Au 전극이나 Pt 등의 금속박막을 산소 분위기에서 어닐링하여 투명하게 하는 것이다. 그러나 Ni/Au나 Pt는 비저항이 작은데 비해, 투명도는 충분하지 않고, 발광한 빛의 추출 효율도 악화된다. 발광한 빛의 투과율을 높이기 위해 금속 박막의 두께를 얇게 하면, 투명도는 증가하게 되나, 소자 전체에 골고루 퍼지게 되는 전류 확산 효과(current spreading effect)는 현저하게 감소하여 소자의 특성을 향상시키지는 못 한다. 또한, 전류확산용으로 ITO(indium tin oxide) 박막층을 사용하면, 투명도나 전류 확산 효과는 향상되지만, 접합을 이루는 최종 박막층이 p형 질화갈륨 반도체층인 경우에는 오믹 접합이 아닌 쇼트키(Schottky) 접합 특성을 보이게 되므로, 그 자체만으로 투명전극 층을 형성할 수 는 없다.

갈륨 질화물 반도체의 오믹 접합을 좋게 하기 위한 몇 가지 방법이 제안되는데, 그 중의 하나로 일함수가 높은 백금(Pt) 금속물질을 사용하여 실제 p형 질화갈 륨 반도체층과의 계면 간의 쇼트키 장벽(schottky barrier)을 낮추는 방법이 있으며, 다른 방법으로 p형 질화갈륨 반도체층과 금속물질 사이에 열처리 과정을 통해 화합물 반응층을 만드는 방법이 있다. 예를 들면, Ni/Au 층을 사용하여 계면에 NiO 또는 NiGa_x 등의 화합물을 만드는 방법, 또는 Pd 전극을 사용하여 PdGa_x 화합물들을 만드는 방법이다. 이러한 PdGa_x와 같은 갈륨계 화합물은 p형 질화갈륨 반도체층내부의 갈륨 빈자리를 만들고, 이러한 갈륨 빈자리는 정공의 역할을 하게 된다. 따라서 금속과 접촉하는 p형 질화갈륨 반도체층 표면에 높은 정공 농도를 만들어 줌으로써 장벽의 두께가 얇아지는 터널접합 효과가 일어나 오믹 접합특성이 개선된다. 실제로 디바이스를 제작하면 이러한 두 가지 효과들이 서로 섞여서 일어나게 된다.

하지만, 이러한 방법으로 원하는 충분한 오믹 특성을 얻는 데는 한계가 있다. 열처리하는 과정 중 p형 질화갈륨 반도체층 표면에서는 갈륨 빈자리만 생기는 것이 아니라, 질소 빈자리도 함께 생기기 때문이다. 질소 빈자리는 갈륨 빈자리와는 정반대로 정공의 농도를 감소시키게 된다. 따라서 최적의 오믹 특성을 얻기 위해서는 열처리하는 과정 중 p형 질화갈륨 반도체층 내부에 질소 빈자리를 만들지 않고 정공의 농도를 높일 수 있는 방법이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, p형 질화갈륨 반도체층과 전극 간에 전류 확산 효과 및 투명도를 극대화하면서도 오믹 접합을 이룰 수 있는 전계 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 따른 발광 다이오드 소자는, 질화갈륨(GaN) 계열의 발광 다이오드 소자에 있어서, n형 질화갈륨 반도체층과 p형 질화갈륨 반도체층을 포함하며, 기판 위에 적층된 질화갈륨 반도체층; 상기 질화갈륨 반도체층 상부에 위치하는 질화마그네슘(MgN_x)층; 및 상기 질화마그네슘층 상부에 위치하는 투명전극을 포함한다.

여기서, 상기 질화갈륨 반도체층은 사파이어 기판 위에 n형 질화갈륨 반도체층, 활성층, p형 질화갈륨 반도체층이 차례로 적층되어 형성되고, 상기 질화마그네슘층은 상기 p형 질화갈륨 반도체층의 바로 위에 위치하는 것으로 할 수 있으며, 상기 p형 질화갈륨 반도체층은 도핑 원소로 마그네슘(Mg)을 이용할 수 있다.

상기 투명전극은 상기 질화마그네슘층과 오믹(Ohmic) 접합 특성을 나타내는 물질로 형성할 수 있으며, 인듐-주석 산화물(ITO), 산화 아연과 알루미늄의 혼합물(ZnO:Al), IrO₂, RhO₂, RuO₂, Co₃O₄, Fe₃O₄, Mo₂O₃로 이루어지는 군에서 선택되는 재료를 포함할 수 있다.

상기 질화마그네슘층의 두께는 10Å 내지 1000Å의 범위 이내로 할 수 있으며, 상기 투명전극의 두께는 500Å 내지 5000Å의 범위 이내로 할 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 따른 질화갈륨(GaN) 계열의 발광 다이오드 소자의 제조 방법은 기판 위에 n형 질화갈륨 반도체층 및 p형 질화갈륨 반도체층을 포함하는 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계; 상기 질화갈륨 반 도체층의 위에 질화마그네슘(MgN_x)층을 형성하는 단계; 및 상기 질화마그네슘층의 위에 투명전극을 형성하는 단계를 포함한다.

상기 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계는 상기 기판 위에 n형 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계; 상기 n형 질화갈륨 반도체층 위에 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 위에 p형 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 질화마그네슘층은 상기 p형 질화갈륨 반도체층의 바로 위에 형성하는 것으로 할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드의 제조 방법에 대해 상세히 설명한다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 “위에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 “바로 위에” 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 “바로 위에” 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 발광 다이오드 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

본 발명이 적용되는 질화갈륨 화합물 반도체 발광 소자는, 도 1의 경우와 유사하게, 사파이어 등의 재료로 이루어진 기판(100) 위에 질화갈륨층의 성장을 돕기 위한 완충층(미도시함)을 형성하고 n형 질화갈륨층(110), 활성층(미도시함), 및 p 형 질화갈륨층(120)을 순차적으로 성장시킨다. 이때, p형 질화갈륨 반도체층은 도핑 원소로 마그네슘(Mg)을 이용하여 형성하는 것으로 할 수 있다. 이어서, 본 발명의 실시예에 따르는 발광 다이오드 소자에서는 상기 p형 질화갈륨층(120)의 위에 투명 전극을 형성하였던 종래 방식과는 달리, 질화마그네슘층(125)을 먼저 형성하고, 상기 질화마그네슘층(125)의 바로 위에 투명 전극(130)을 형성한다.

여기서, 질화마그네슘(MgN_x)층(125)의 역할은 마그네슘(Mg) 원소의 확산 소스의 역할과, 후속 열처리 공정에 있어서 캡(cap)층 역할을 동시에 수행한다. 이때, 질화마그네슘층(125)은 Cp₂Mg와 암모니아(NH₃)를 반응가스로 사용하고, 캐리어 가스는 질소를 사용하여 유기금속화학증착(MOCVD) 방법 등으로 형성할 수 있다. 또한, 질화마그네슘층(125)의 증착온도는 600℃ 내지 700℃ 정도가 적당하고, 두께는 10Å 내지 1000Å의 범위가 되도록 한다. 질화마그네슘층(125)은 상부의 투명 전극(130)과 하부의 p형 질화갈륨층(120)의 사이에서 오믹 접합의 형성을 돕는 역할을 하는 것이므로, 패터닝 공정과 같은 후속 공정의 진행을 고려할 때, 오믹 접합 형성의 역할을 수행할 수 있는 범위 내에서 최대한 얇은 두께로 형성하는 것이 유리하다.

본 발명의 실시예에 따른 p형 질화갈륨계 디바이스 제조방법은, 열처리 확산과정에 의해 p형 질화갈륨층(120) 내부로 마그네슘 원소가 확산되어 p형 질화갈륨의 도핑농도를 높이고, 도핑된 마그네슘 원소를 활성화시킬 수 있다.

즉, 질화마그네슘층(125)의 성장이 완료되면, 질소 분위기의 증착 장치 내에 서 열처리하여 질화마그네슘층(125)의 마그네슘 원소를 p형 질화갈륨층(120)의 내부로 확산시킬 수 있다. 이때, 온도는 650℃ 내지 750℃ 정도로 하고, 시간은 10분 내지 1시간 정도 유지시키는 것이 바람직하다. 마그네슘 원소를 p형 질화갈륨층(120)의 내부로 확산시키는 방법은 상기의 방법에 한정된 것이 아니며, 질소 분위기에서 650℃ 내지 1100℃의 온도로 10초 내지 60초 정도로 급속열처리(RTA)(Rapid Thermal Annealing)하거나 전기로에서 열처리하여 구현될 수도 있다.

일반적으로 p형 질화갈륨 층은 많은 양의 수소를 포함하고 있는데, 이 수소들은 유기금속화학증착(MOCVD) 방법으로 성장하는 과정 중에 포함되며, Mg-H 형태로 결합되어 있다. 따라서 이 수소를 제거해야만 비로소 마그네슘이 활성화되어 정공을 생성하는 억셉터(accepter)의 역할을 한다. 이 수소를 제거하기 위해, 종래의 기술에서는 별도의 급속열처리 또는 전기로에서의 열처리 과정이 필요하였다. 그러나 본 발명에 따른 p형 질화갈륨계 디바이스 제조방법은, 질화마그네슘층의 마그네슘 소스를 p형 질화갈륨 층의 내부로 확산시키는 과정에서 p형 질화갈륨층(120) 내부의 도핑된 마그네슘을 동시에 활성화시켜 주기 때문에 추가적인 열처리 공정을 필요로 하지 않는다는 장점을 가진다.

또한, 질화마그네슘층(125)이 p형 질화갈륨층(120)을 덮고 있기 때문에, 확산 공정 중에 p형 질화갈륨층(120) 내부의 질소 원자가 외부로 빠져나가는 것을 효과적으로 막을 수 있게 된다.

상기 질화마그네슘층(125)의 위에 투명전극(130)을 형성하는 공정이 완료된 이후에 이러한 열처리 공정을 하는 것도 가능하다.

상기 투명전극(130)으로는 인듐-주석 산화물(ITO), 산화 아연과 알루미늄의 혼합물(ZnO:Al), IrO₂, RhO₂, RuO₂, Co₃O₄, Fe₃O₄, Mo₂O₃ 등의 산화물 계열의 전도성 물질을 사용할 수 있다. 투명전극(130)은 전류의 고른 분포 및 안정적인 오믹 접합 형성을 요하므로, 그 두께는 500Å 내지 5000Å의 두께 범위로 하여 상기 질화마그네슘층(125)보다는 두껍게 형성하는 것이 바람직하다.

이후의 공정은 일반적인 질화물 발광 다이오드의 제작공정에 따라 n-전극(150) 및 p-전극(140)을 위한 금속물질을 증착한다. 이후, 오믹 접합 형성을 돕기 위해 400℃ 내지 1000℃으로 열처리하는 단계를 추가할 수 있다.

n형과 p형 질화갈륨층 위에 금속 전극패드를 붙이기 위한 오믹접합은 운반자의 이동 메카니즘으로부터 이해할 수 있다. 일반적으로 낮은 저항의 반도체와 금속계면간의 오믹접합을 형성시키기 위해서는 포텐셜(potential) 장벽을 터널링(tunneling)하기 위해 높은 일함수를 갖는 금속을 채택하게 된다. 특히, 질화마그네슘층의 3.4eV 정도의 넓은 밴드 갭과 전자친화도로 인해 매우 높은 일함수가 요구되지만, 일함수에 한계가 있기 때문에 반도체/금속계면 상의 운반자 농도를 증가시킴으로써 경계면의 공핍층(depletion)의 폭을 줄여 전하 운반자(carrier)의 터널링 능력을 향상시킬 수 있다.

도 3은 증착 장비 내에서 열확산 과정을 끝낸 후에 꺼낸 시편을 AES(Auger Electron Spectroscopy) 분석 방법을 이용하여 깊이에 따른 프로파일을 분석한 결 과이다. 도시한 그래프에서 가로축은 스퍼터(sputter) 시간, 즉 시간에 따라 시각된 시편의 깊이에 해당되며, 세로축은 스퍼터 시간이 지남에 따라 그 해당 깊이에서 검출되는 원소의 상대적인 양을 나타낸다. 따라서, 세로축의 숫자는 상대적인 양을 비교하기 위한 임의적인 숫자이다. 도면으로부터 시편 표면에 질화마그네슘층이 존재하고 있으며, 마그네슘 원소가 그 아래의 질화 갈륨층으로 확산된 것을 확인할 수 있다.

본 발명에서 도입한 질화마그네슘 확산층의 홀(Hall) 특성을 알아보기 위하여, 도 1에서 도시한 것과 같은 종래의 기술에 의해 제작된 p-형 질화갈륨과 본 발명에 의해 제작된 p형 질화갈륨의 홀(Hall) 측정을 통하여 전기적 특성을 비교하였다.p-형 질화갈륨층의 두께는 각각 1㎛로 하여 시료 제작 후에 홀 특성을 측정한 결과, 종전의 방법으로 제작한 p-형 질화갈륨과 본 발명에서 제작한 p-형 질화갈륨의 홀 특성차이는 존재하지 않았으며, 홀 이동도(mobility)와 정공의 농도는 각각 2 ㎠/Vs와 1x10¹⁸ cm^-3 이었다.

또한, 본 발명에서 도입한 질화마그네슘 확산층의 오믹 특성의 변화를 알아보기 위해, 도 1에서 도시한 것과 같은 종래의 기술에 따라 제작한 p-형 질화갈륨층과 본 발명에서 제작한 p-형 질화갈륨층에 대해서, 각각 금속 전극과의 계면에서의 전기적 특성을 비교해 보았다. 각각의 전기적 특성은, 각각의 p-형 질화갈륨층 위에 약 100nm 정도의 백금(Pt)을 증착한 후 전류-전압(I-V) 특성을 비교하였으며, 이때 전극간의 간격은 5㎛로 하였다. 그 결과는 도 4에 도시한 바와 같으며, 도면 으로부터 본 발명에 따라 제작된 p-형 질화갈륨층과 금속 전극 간의 오믹 특성이 더 우수함을 알 수 있다.

이상에서는 현재로서 실질적이라 고려되는 실시예를 참고로 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것으로 이해되어서는 안 된다. 오히려, 전술한 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, p형 질화갈륨 반도체 소자에 있어서 전류 확산 효과 및 투명도를 극대화를 이룰 수 있는 투명 전극을 사용하면서도, p형 질화갈륨층과 투명 전극 간에 우수한 오믹 접합 특성을 나타내는 전계 발광 소자를 제조할 수 있다.

비교적 간단한 공정 단계의 추가만으로 상기의 특성 향상을 이룰 수 있으므로, 전계 발광 소자의 대량 생산에 적합하다.

Claims (14)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 질화갈륨(GaN) 계열의 발광 다이오드 소자의 제조 방법에 있어서,

   기판 위에 n형 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계;

   상기 n형 질화갈륨 반도체층 위에 활성층을 형성하는 단계;

   상기 활성층 위에 p형 질화갈륨 반도체층을 형성하되, 마그네슘(Mg)으로 도핑하여 형성하는 단계;

   상기 p형 질화갈륨 반도체층의 위에 질화마그네슘(MgN_x)층을 형성하는 단계;

   상기 질화마그네슘층을 질소 분위기에서 열처리하여 질화마그네슘층의 마그네슘 원소를 상기 p형 질화갈륨 반도체층의 내부로 확산시키고 상기 p형 질화갈륨 반도체층 내부의 도핑된 마그네슘을 동시에 활성화시키는 단계; 및

   인듐-주석 산화물(ITO), 산화 아연과 알루미늄의 혼합물(ZnO:Al), IrO₂, RhO₂, RuO₂, Co₃O₄, Fe₃O₄, Mo₂O₃로 이루어지는 군에서 선택되는 재료를 사용하여, 상기 질화마그네슘층의 위에 투명전극을 형성하는 단계

   를 포함하고,

   상기 투명전극은 상기 질화마그네슘층과 오믹(Ohmic) 접합되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 제8항에 있어서,

    상기 질화마그네슘층은 유기금속화학증착(MOCVD) 방법에 의해, 10Å 내지 1000Å의 두께 범위로 형성하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
13. 제8항에 있어서,

    상기 투명전극은 500Å 내지 5000Å의 두께 범위로 형성하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
14. 삭제

Images