KR100891833B1 - 다층 전극 및 이를 구비한 화합물 반도체 발광소자 - Google Patents
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Abstract
다층 전극 및 이를 구비한 화합물 반도체 발광소자가 개시된다. 본 발명에 따른 다층 전극은, p형 반도체층 위에 적층되는 반사전극층, 상기 반사전극층의 집괴 현상을 방지하기 위하여 상기 반사전극층 위에 적층되는 집괴방지 전극층 및 상기 집괴방지 전극층의 확산을 방지하기 위하여 상기 반사전극층과 상기 집괴방지 전극층 사이에 삽입된 확산방지 전극층을 포함한다.
화합물 반도체, 발광소자, 전극, GaN
Description
도 1은 종래 화합물 반도체 발광소자의 구조를 보여주는 개략적 단면도이다.
도 2는 도 1의 화합물 반도체 발광소자에서 p형 전극의 열처리 후 표면 사진을 보여준다.
도 3은 열처리 후 p형 전극의 집괴 및 집괴 결과 p형 전극에 생기는 공극을 보여주는 SEM 단면 사진이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다층 전극의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 다층 전극의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 다층 전극을 구비한 화합물 반도체 발광소자의 개략적 단면도이다.< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10:기판 12:n형 질화물 반도체
14:활성층 16:p형 질화물 반도체
20:n형 전극 30:p형 전극
50:화합물 반도체 발광소자 100:p형 질화물 반도체
110:기판 112:n형 질화물 반도체
114:활성층 116:p형 질화물 반도체
120:n형 전극 122:반사전극층
124:확산방지 전극층 126:집괴방지 전극층
128:산화방지 전극층 130, 140:다층 전극(p형 전극)
150:화합물 반도체 발광소자
본 발명은 반도체 소자의 다층 전극에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열적 안정성 및 오믹접촉 특성이 향상된 다층 전극 및 이를 구비한 화합물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
도 1은 종래 화합물 반도체 발광소자(LED, 50)의 구조 및 및 p-형 질화물 반도체(16) 위에 형성된 종래의 p형 전극(30)을 도시하는 단면도이다. 그리고, 도 2는 도 1의 화합물 반도체 발광소자(50)에서 p형 전극(30)의 열처리 후 표면 사진이며, 도 3은 열처리 후 p형 전극(30)의 집괴 및 집괴 결과 p형 전극(30)에 생기는 공극(32)을 보여주는 SEM 단면 사진이다.
도 1을 참조하며, 종래 LED(50)는, 사파이어 기판(10) 위에 n-형 질화물 반도체(12), 활성층(14), p-형 질화물 반도체(16)와, 상기 n-형 질화물 반도체(12)의 일측에 형성된 n형 전극(20)과 상기 p-형 질화물 반도체(16) 위에 형성된 p형 전극(30)으로 구성되어 있다. 여기서, LED 전극, 즉 상기 n형 전극(20)과 p형 전극(30)에 순방향의 전압을 가하면, 활성층(14)의 전도대에 있는 전자가 가전자대에 있는 정공과 재결합을 위하여 천이되면서 그 에너지갭에 해당하는 에너지가 빛으로 발광하게 된다. 상기 활성층(14)에서 방출된 빛은 상기 p형 전극(30)에 의해 반사되어 사파이어 기판(10)을 통해 발광소자 LED(50) 외부로 방출된다. 이렇게, 반도체 발광소자(50)에서 발생된 빛이 기판(10)의 위로 직접 방출되지 않고, p형 전극(30)에 의해 반사되어 기판(10)을 통해 방출되는 방식의 LED(이를 Flip-chip LED)에서는 p형 전극(30)이 빛을 반사시켜야 하기 때문에, Ag와 같이 반사율이 높은 전도성 금속으로 p형 전극(30)을 형성한다.
한편, 청색 발광을 위해서는 직접 천이 에너지 밴드갭(direct bandgap energy)이 큰(약 2.8eV이상) 반도체가 필수적이다. 처음에는 주로 II-VI족 3원계 재료를 이용하여 청색이나 녹색 빛을 발광하는 반도체소자가 개발되었으나, 상대적으로 짧은 작동시간 때문에 응용에 문제가 되었다. 그러다가, 최근에는 III-V족 반도체에서 청색 발광을 위한 반도체가 소자가 연구되고 있다. 그 중에서도, Ⅲ족 질화물(주로 GaN와 관련된 화합물) 반도체는 광학적, 전기적, 열적 자극에 매우 안정함을 보이고 발광 효율이 높기 때문에 오늘날 특히 주목되고 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이 GaN와 같은 Ⅲ족 질화물 반도체를 반도체 발광소자로서 사용하는 LED에서, 광추출 효율을 높이기 위하여 p형 질화물 반도체(16) 위에 높은 반사율을 가지는 Ag와 같은 금속으로 p형 전극(30)을 형성하였다. p형 질화물 반도체(16) 위에 p형 전극(30)을 형성하는 일반적인 과정을 보면, p형 질화물 반도 체 위에 전극을 증착 시킨 후, 저항을 감소시키기 위하여 어닐링(annealing)을 하는 과정을 필요로 한다.
그런데, 통상적으로 질화물 반도체의 표면에너지와 p형 전극(30)의 형성물질로 사용하는 Ag와 같은 금속재료의 표면에너지는 서로 큰 차이가 난다. 이러한 표면에너지의 차이로 인해, 어닐링 과정에서 p형 전극(30)에는 도 2 및 3의 사진에서 보는 바와 같이 집괴 현상(Agglomeration)이 발생하게 된다는 것이 일반적으로 알려져 있다. 도 2는 열처리 후 표면 집괴(surface agglomation) 현상이 발생한 p형 전극(30)을 위에서 본 모습이며, 도 3은 열처리 후 집괴 현상이 발생한 p형 전극(30)의 SEM 단면 사진이다. p-형 질화물 반도체(16)와 p-형 전극(30)이 만나는 계면에서 여러 개의 공극(32)이 형성되어 있음을 볼 수 있다. 이렇게 p형 전극에 집괴 현상이 일어나게 되면, 다수의 공극(32)이 발생되기 때문에, 결과적으로 Ag 전극(30)의 반사도가 떨어지게 되어 전체적인 LED의 광출력이 감소할 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는, 상술한 종래기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 반도체 발광소자의 제조시 p형 전극에 발생하는 집괴 현상을 방지함으로써, 질화물 반도체를 이용한 발광소자(LED)의 광출력 저하를 억제시키고 고휘도 특성의 질화물계 발광소자를 제조하하기 위함이다.
본 발명의 한 유형에 따르면, n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 구비하는 화합물 반도체 발광소자의 p형 반도체층 위에 적층되는 p형 전극은, 상기 p형 반도체층 위에 적층되어 상기 활성층에서 방출되는 빛을 반사하는 반사전극층; 열처리 시 상기 반사전극층의 집괴 현상을 방지하기 위하여 상기 반사전극층 위에 적층되는 집괴방지 전극층; 및 상기 집괴방지 전극층의 물질이 반사전극층으로의 확산을 방지하기 위하여 집괴방지 전극층과 반사전극층 사이에 삽입된 확산방지 전극층; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 화합물 반도체 발광소자의 다층 전극은, p형 반도체층과 반사전극층 사이의 접촉저항을 감소시키기 위하여, 상기 p형 반도체층과 반사전극층 사이에 개재되는 콘택 전극층을 더 포함할 수 있다. 상기 콘택 전극층은 La-계 합금(La-alloy), Ni-계 합금(Ni-alloy), Zn-계 합금(Zn-alloy), Cu-계 합금(Cu-alloy), 열전산화물(Thermoelectric Oxide), 도핑된 In 산화물(doped In Oxide), ITO 및 ZnO으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반사전극층은 은(Ag), 은(Ag)계 합금 또는 Ag-O 형태의 은(Ag)계 산화물로 이루어지는 것을 특징으로 하며, 상기 은(Ag)계 합금은 알루미늄(Al), 로듐(Rh), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 루세늄(Ru), 이리듐(Ir) 및 백금(Pt)으로 이루어진 용질원소 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 확산방지 전극층은 투명전도성 물질로 형성되는 것을 특징으로 하며, 상기 투명전도성 물질은 타이타늄질화물(Ti-N), 몰리브데늄산화물(Mo-O), 루세늄산화물(Ru-O), 이리듐산화물(Ir-O) 및 인듐산화물(In-O)로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기에서, 상기 인듐산화물(In-O)은 주석(Sn), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 구리(Cu) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 도판트(dopant)를 더 포함할 수 있다. 상기 인듐산화물(In-O)에 첨가되는 도판트의 함량은 0.1 내지 49 원자퍼센트(at.%)으로 제어될 수 있다.
상기 확산방지 전극층은 Ag계 반사전극층의 열적 안정성과 반사전극층 이외의 다른층의 물질이 반사막으로 확산되어 오믹특성에 영향을 미치는 것을 억제하는 역할을 한다. 그 결과로서 질화물계 반도체층과 Ag계 반사전극층 계면에 공극(void) 생성 및 표면 집괴 현상을 억제하는 효과도 나타내게 된다.
상기 집괴방지 전극층은 상기 반사전극층의 집괴 현상을 방지하기 위하여 알루미늄(Al) 또는 알루미늄(Al)계 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하며, 상기 알루미늄계 합금은 은(Ag), 로듐(Rh), 구리(Cu). 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 루세늄(Ru), 이리듐(Ir) 및 백금(Pt)으로 이루어지는 용질원소 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 다른 유형에 따르면, n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 구비하는 화합물 반도체 발광소자의 p형 반도체층 위에 적층되는 p형 전극은, 상기 p형 반도체층 위에 적층되어 상기 활성층에서 방출되는 빛을 반사하는 반사전극층; 열처리 시 상기 반사전극층의 집괴 현상을 방지하기 위하여 상기 반사전극층 위에 적층되는 집괴방지 전극층; 상기 집괴방지 전극층의 물질이 반사전극층으로의 확산을 방지하기 위하여 집괴방지 전극층과 반사전극층 사이에 삽입된 확산방지 전 극층; 및 상기 집괴방지 전극층의 산화를 방지하기 위하여 상기 집괴방지 전극층 위에 적층되는 산화방지 전극층;을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 확산방지 전극층과 p형 반도체층 사이의 표면에너지의 차이는 상기 반사전극층과 p형 반도체층 사이의 표면에너지의 차이보다 작은 것을 특징으로 한다.
상기 산화방지 전극층은 금(Au), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 니켈(Ni), 루세늄(Ru), 이리듐(Ir) 및 백금(Pt)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 형성된 것을 특징으로 한다. 상기 산화방지 전극층은 단층 또는 이중층 이상의 다층막으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 p형 전극을 구비한 화합물 반도체 발광소자가 제공될 수 있다. 구체적으로 본 발명에 따른 화합물 반도체 발광소자는, n형 전극, n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층 및 p형 전극을 구비하며, 상기 p형 전극이,
상기 p형 반도체층 위에 적층되는 반사전극층;
상기 반사전극층의 집괴 현상을 방지하기 위하여 상기 반사전극층 위에 적층되는 집괴방지 전극층; 및
상기 집괴방지 전극층의 확산을 방지하기 위하여 상기 반사전극층과 상기 집괴방지 전극층 사이에 삽입된 확산방지 전극층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 집괴방지 전극층 위에 집괴방지 전극층의 산화를 방지하는 산화방지 전극층이 더 구비될 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 화합물 반도체 발광소자의 다층 전극 및 이를 구비한 화합물 반도체 발광소자에 대해 상세하게 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다층 전극(p형 전극)의 구조를 도시하는 단면도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다층 전극(130)은 p형 질화물 반도체층(100) 위에 순차로 적층된 반사전극층(122, Reflection Layer), 확산방지 전극층(124, Diffusion Layer) 및 집괴방지 전극층(126, Agglomeration Preventing Layer; APL)을 포함한다.
상기 반사전극층(122)은 광반사 특성이 우수한 물질로 형성되며, 상기 반사전극층(122)에 입사되는 광을 반사시키는 역할을 한다. 상기 반사전극층(122)은 은(Ag), 은(Ag)계 합금 또는 Ag-O 형태의 은(Ag)계 산화물로 형성될 수 있다. 여기에서, 상기 은(Ag)계 합금은 알루미늄(Al), 로듐(Rh), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 루세늄(Ru), 이리듐(Ir) 및 백금(Pt)으로 이루어진 용질원소 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함할 수 있다. 바람직하게, p형 질화물 반도체층(100)과 반사전극층(122) 사이의 접촉저항을 낮게하기 위하여, 상기 반사전극층(122)은 광반사 특성과 오믹접촉 특성을 모두 구비한 반사성 오믹접촉층으로 형성될 수 있다.
상기 집괴방지 전극층(126)은 상기 반사전극층(122)의 집괴 현상을 방지하는 역할을 한다. 상기 집괴방지 전극층(126)은 알루미늄(Al) 또는 알루미늄(Al)계 합금으로 형성될 수 있다. 여기에서, 상기 알루미늄계 합금은 은(Ag), 로듐(Rh), 구리(Cu). 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 루세늄(Ru), 이리듐(Ir) 및 백금(Pt)으로 이루어지는 용질원소 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함할 수 있다.
상기 확산방지 전극층(124)은 상기 반사전극층(122)과 집괴방지 전극층(126) 사이에 개재되어, 상기 집괴방지 전극층의(126)의 형성물질이 반사전극층(122)으로 확산되는 것을 억제하는 역할을 한다. 상기 확산방지 전극층(124)은 투명전도성 물질로 형성될 수 있다. 여기에서, 상기 투명전도성 물질은 타이타늄질화물(Ti-N), 몰리브데늄산화물(Mo-O), 루세늄산화물(Ru-O), 이리듐산화물(Ir-O) 및 인듐산화물(In-O)로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 바람직하게, 상기 인듐산화물(In-O)은 주석(Sn), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 구리(Cu) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 도판트(dopant)를 더 포함할 수 있다. 상기 인듐산화물(In-O)에 첨가되는 도판트의 함량은 0.1 내지 49 원자퍼센트(at.%)로 제어되어, 상기 확산방지 전극층(124)의 오믹접촉 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에서, 상기 반사전극층(122), 확산방지 전극층(124) 및 집괴방지 전극층(126) 각각은 1 nm 내지 1000 nm의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 집괴방지 전극층(126)의 두께가 너무 두꺼우면, 전기저항이 높아지는 문제가 발생할 수 있고, 반면 너무 얇을 경우에는 집괴 방지 효과가 적어지므로, 집괴방지 전극층(126)의 두께를 적당히 조절할 필요가 있다. 바람직하게, 상기 집괴방지 전극층(126)의 두께는 전체 반도체 소자의 크기 및 반사전극층(122)의 두께를 고려하여 결정할 수 있다. 예를 들어, 반사전극층(122)의 두께는 50nm에서 1000nm 사이에 있는데, 200nm인 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 상기 반사전극층(122)의 두께가 200nm라 할 때, 상기 집괴방지 전극층(126)의 두께는 1nm 내지 200nm의 범 위 내에 있는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 상기 집괴방지 전극층(126)의 두께는 약 100nm 내지 200nm 정도인 것이 적당하다. 이 때, 상기 확산방지 전극층(124)의 두께는 50nm 내지 100nm 정도인 것이 적당하다.
상기 반사전극층(122), 확산방지 전극층(124) 및 집괴방지 전극층(126)이 순차적으로 증착된 후, 상기 적층 결과물이 300℃ 내지 600℃ 의 온도 범위 내에서 열처리될 수 있다. 각각의 물질층들은 반도체 제조공정에서 일반적으로 이용되는 기상증착법, 예를 들어 CVD(chemical vapor deposition), MOCVD(metal- organic chemical vapor deposition) 또는 PVD(physical vapor deposition)와 같은 방법으로 형성될 수 있으며, 또는 전자빔 증착기(E-beam Evaporator)를 이용하여 형성될 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 다층 전극(p형 전극)의 특징을 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 은(Ag), 은(Ag)계 합금 또는 Ag-O 형태의 은(Ag)계 산화물과 같은 반사전극층(122) 재료는 그 하층에 있는 p형 질화물 반도체(100) 재료와의 표면에너지 차이가 매우 크기 때문에, 상기 반사전극층(122)의 적층 후 열처리 과정에서 집괴 현상이 발생하는 문제가 있다. 본 발명의 제 1 실시예에 따르면, 이러한 집괴 현상을 방지하기 위하여, 상기 반사전극층(122) 위에 p형 질화물 반도체(100)와의 표면에너지 차이가 작은 전도성 물질, 즉 알루미늄(Al) 또는 알루미늄(Al)계 합금으로 형성된 집괴방지 전극층(126)을 적층한다. 상기 알루미늄(Al)계 합금은 은(Ag), 로듐(Rh), 구리(Cu). 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 루세늄(Ru), 이리듐(Ir), 백금(Pt)으로 이루어진 그룹의 용질금속들로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하게 되는데, 이들 선택된 물질들은 p형 질화물 반도체(100)와의 표면에너지 차이가 적으면서, 전기 전도성 역시 양호하기 때문에 상기 반사전극층(122) 위에 적층되어 집괴 방지 (Agglomeration Preventing) 기능과 전극으로의 기능을 함께 수행할 수 있다. 상기 집괴방지 전극층(126)의 적층 방식은, 일반적인 전자빔 증착기(E-beam Evaporator)를 이용하여 전자빔에 의해 발생된 반사전극 재료의 금속증기와 집괴방지 전극층 재료의 금속증기를 기판에 순차적으로 노출시켜 다층박막 구조로 적층한다. 이렇게 적층한 다음에는, 300℃ 내지 600℃ 의 온도 범위 내에서 약 5분간 열처리(Annealing)를 수행한다. 그리고, 열처리 중의 분위기는 적어도 산소를 포함하는 분위기에서 실시하는 것이 바람직하다. 이때, 열처리 시간과 분위기는 본 발명에서 크게 중요한 것은 아니며, 30분이나 그 이상 동안 열처리를 하더라도 무방하다.상기 반사전극층(122) 위에 집괴방지 전극층(126)이 적층될 경우, 상기 집괴방지 전극층(126)의 형성 재료와 p형 질화물 반도체(100)와의 표면에너지 차이가 적기 때문에, 후속의 열처리 과정에서 발생할 수 있는 변형이 집괴방지 전극층(126)과 p형 질화물 반도체(100)에서 서로 비슷하게 나타날 수 있다. 따라서, 집괴방지 전극층(126)은 반사전극층(122)이 열처리 과정에서 집괴되는 것을 억제하게 되어, 상기 반사전극층(122)의 표면이 평탄한 상태를 유지되도록 할 수 있다.그러나, 다른 한편으로는 상기 반사전극층(122) 위에 상기 집괴방지 전극층(126)을 적층한 후 열처리하게 되면, 상기 집괴방지 전극층(126)의 형성물질 중 일부가 상기 반사전극층(122)으로 확산되어, 상기 Ag계 반사전극층(122)의 열적안정성과 오믹접촉 특성에 나쁜 영향을 미칠 수 있다. 따라서 상기 집괴방지 전극층(126)의 기능을 방해하지 않으면서, 상기 집괴방지 전극층(126)과 반사전극층(122) 사이의 상호 확산을 방지할 수 있는 층이 요구되었다. 따라서, 이것을 해결하기 위하여 도 4에 나타낸 바와 같이 상기 반사전극층(122)과 집괴방지 전극층(126) 사이에 확산방지 전극층(124)을 추가로 삽입하였다. 그 결과, 상기 반사전극층(122)의 열적안정성과 오믹 접촉특성을 종래 보다 향상시킬 수 있었다. 또한, 상기 확산방지 전극층(124)은 p형 질화물 반도체층(100)과 Ag계 반사전극층(122) 계면에서 공극(void) 생성 및 표면 집괴 현상을 억제하는 역할도 할 수 있다.
상기 반사전극층(122)의 집괴 및 다른 전극층으로부터 반사전극층(122)으로의 불순물질 확산을 억제하면, 상기 반사전극층의 반사도가 저하되지 않기 때문에 고반사 상태를 유지할 수 있다. 따라서, 본 발명의 제1 실시예에 따라 제조된 다층 전극(130)을 채용한 반도체 발광소자는 반사도 저하가 종래에 비해 매우 적어질 수 있기 때문에, 이에 따른 광출력 특성의 향상이 기대될 수 있다.
상기 반사전극층(122) 위에 확산방지 전극층(124)과 집괴방지 전극층(126)만을 형성할 경우, 다층 전극(130)의 전체적인 접촉저항이 높아지는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 상기 p형 질화물 반도체층(100)과 반사전극층(122) 사이에 접촉저항을 낮출 수 있는 추가의 전극이 더 개재될 수 있다. 바람직하게, 상기 p형 질화물 반도체층(100)과 반사전극층(122) 사이에, 상기 p형 반도체층(100)과 반사전극층(122) 사이의 접촉저항을 감소시키는 콘택전극층(미도시)이 더 개재될 수 있다.
상기 콘택전극층(미도시)은 질화물 반도체 발광소자로부터 발생된 빛을 통과 시켜 반사전극층(122)에 도달시킬 수 있어야 하고, 또한 상기 반사전극층(122)에서 반사된 빛을 다시 통과시킬 수 있어야 하기 때문에, 높은 투명도를 가질 것을 요구한다. 따라서, 이러한 요구를 만족시켜, 상기 콘택전극층(미도시)은 La-계 합금(La-alloy), Ni-계 합금(Ni-alloy), Zn-계 합금(Zn-alloy), Cu-계 합금(Cu-alloy), 열전산화물(Thermoelectric Oxide), 도핑된 In 산화물(doped In Oxide), ITO 및 ZnO으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나로 형성될 수 있다. 특히, 이들 재료들 중에서 보다 양호한 재료를 들자면, Zn-Ni 합금, Ni-Mg 합금, Zn-Mg 합금 등을 들 수가 있다. 여기에서, 상기 도핑된 In 산화물(doped In Oxide)에서 도핑 원소는 Mg, Ag, Zn, Sc, Hf, Zr, Te, Se, Ta, W, Nb, Cu, Si, Ni, Co, Mo, Cr, Mn, Hg, Pr 및 La 으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 콘택전극층(미도시)은 0.1nm 내지 200nm의 두께로 형성될 수 있다. 상기 콘택전극층의 두께가 너무 두꺼우면 전체적인 반사도가 떨어지는 문제가 있고, 너무 얇으면 적층의 효과가 떨어지는 문제가 있기 때문에, 콘택 전극층의 두께를 적당히 조절할 필요가 있다. 바람직하게, 상기 콘택전극층(미도시)의 두께는 전체 반도체 소자의 크기 및 반사전극층(122)의 두께를 고려하여 결정할 수 있다. 예를 들어, 상기 반사전극층(122)의 두께가 200nm라 할 때, 상기 콘택전극층은 1nm 내지 200nm의 범위 내에 있는 것이 적당하다. 보다 바람직하게는, 상기 콘택전극층의 두께는 약 3nm 정도인 것이 적당하다. 바람직하게, 상기 콘택전극층(미도시), 반사전극층(122), 확산방지 전극층(124) 및 집괴방지 전극층(126)이 순차적으로 증착된 후, 상기 적층 결과물이 300℃ 내지 600℃ 의 온도 범위 내에서 열처리될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 다층 전극의 구조를 도시하는 단면도이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 다층 전극(140)은 p형 질화물 반도체층(100) 위에 순차로 적층된 반사전극층(122, Reflection Layer), 확산방지 전극층(124, Diffusion Layer), 집괴방지 전극층(126, Agglomeration Preventing Layer; APL) 및 산화방지 전극층(128, Oxidation Preventing Layer)을 포함한다. 여기에서, 상기 반사전극층(122), 확산방지 전극층(124) 및 집괴방지 전극층(126)의 기능, 형성물질 및 형성방법에 대하여는 이미 전술한 바 있으므로, 이들에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
상기 집괴방지 전극층(126)의 형성물질로서, Cu와 같은 금속 재료를 사용할 경우, 그 표면의 산화로 인해 전극의 전류-전압 특성이 열화되는 문제가 발생할 수 있다. 즉, 반사전극층(122)에서 발생되는 집괴현상을 방지하기 위해, 반사전극층(122) 위에 확산방지 전극층(124)과 집괴방지 전극층(126)을 형성하면, 표면의 집괴 현상의 거의 사라지지만, 부분적으로 집괴방지 전극층(126)의 산화가 발생한다. 이렇게, 집괴방지 전극층(126)의 표면이 산화되면, 전극의 전류-전압 특성이 나빠져서 화합물 반도체 발광소자의 동작 전압이 매우 높아질 수 있으며, 이러한 산화 문제는 제품의 양산 과정에서 큰 문제를 야기할 수 있다.
이와 같이, 상기 집괴방지 전극층(126)의 표면산화를 억제하기 위해, 상기 집괴방지 전극층(126) 위에 산화방지 전극층(128)을 추가로 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 산화방지 전극층(128)은 상기 집괴방지 전극층(126) 위에 적층되어 집괴방지 전극층(126)의 산화를 억제하는 기능을 할 수 있다. 따라서, 이와 같이, 상기 집괴방지 전극층(126) 위에 산화방지 전극층(128)을 더 형성함으로써, 상기 반사전극층(122)의 집괴 현상도 억제하면서(이는 집괴방지 전극층의 역할), 또한 상기 집괴방지 전극층(126)의 산화도 억제(이는 산화방지 전극층의 역할)할 수 있다.
상기 산화방지 전극층(128)은 금(Au), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 니켈(Ni), 루세늄(Ru), 이리듐(Ir) 및 백금(Pt)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 형성될 수 있으며, 상기 산화방지 전극층(128)은 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다. 상기 산화방지 전극층(128)은 1 nm 내지 1000 nm 의 두께로 형성될 수 있으며, 보다 바람직하게는 20nm 내지 500nm 의 두께로 형성될 수 있다.
상기 반사전극층(122), 확산방지 전극층(124), 집괴방지 전극층(126) 및 산화방지 전극층(128)이 순차적으로 증착된 후, 상기 적층 결과물이 300℃ 내지 600℃ 의 온도 범위 내에서 열처리될 수 있다. 바람직하게, 상기 p형 질화물 반도체층(100)과 반사전극층(122) 사이에, 상기 p형 반도체층(100)과 반사전극층(122) 사이의 접촉저항을 감소시키는 콘택전극층(미도시)이 더 개재될 수 있으며, 상기 콘택전극층(미도시)은 0.1nm 내지 200nm의 두께로 형성될 수 있다. 상기 콘택전극층(미도시)의 형성물질에 대하여는 전술한 바 있으므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 바람직하게, 상기 콘택전극층(미도시), 반사전극층(122), 확산방지 전극층(124), 집괴방지 전극층(126) 및 산화방지 전극층(128)이 순차적으로 증착된 후, 상기 적층 결과물이 300℃ 내지 600℃ 의 온도 범위 내에서 열처리될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 다층 전극을 구비한 화합물 반도체 발광소자의 개략적 단면도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 다층 전극(140)을 구비한 화합물 반도체 발광소자(150)가 도시되었다. 구체적으로, 본 발명에 따른 화합물 반도체 발광소자(150)는 기판(110) 위에 순차로 적층된 n형 반도체층(112), 활성층(114) 및 p형 반도체층(116)을 구비하며, 또한 상기 n형 반도체층(112)의 식각면 위에 형성된 n형 전극(120)과 상기 p-형 반도체층(116) 위에 형성된 p형 전극(140)을 구비한다. 여기에서, 상기 p형 전극(140)으로 본 발명의 제2 실시예에 따른 다층 전극(140)이 그대로 채용되었다. 즉, 상기 p형 전극(140)은 p형 반도체층(116) 위에 순차로 적층된 반사전극층(122), 확산방지 전극층(124), 집괴방지 전극층(126) 및 산화방지 전극층(128)을 포함한다. 상기 제2 실시예에 따른 다층 전극(140)의 상세구조 및 설명은 이미 전술한 바 있으므로, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
상기 기판(110)은 Si, GaAs, SiC, GaN, 사파이어 기판 중의 어느 하나인 것이 바람직하다. 그리고, 상기 n형 반도체층(112)은 n-GaN 계열의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체층으로 형성하되, 특히 n-GaN층 또는 n-GaN/AlGaN층으로 형성하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 p형 반도체층(116)은 p-GaN 계열의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체층으로 형성하되, 특히 p-GaN층 또는 p-GaN/AlGaN층으로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 활성층(114)은 InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1 그리고 0≤x+y≤1)인 GaN계열의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체층으로 형성하되, 특히 InGaN층 또는 AlGaN층으로 형성하는 것이 바람직하다. 여기에서, 상기 활성층(114)은 다중양자우물(multi-quantum well, 이하 'MQW'라 함) 또는 단일양자우물 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있으며, 이러한 활성층의 구조는 본 발명의 기술적 범위를 제한하지 않는다. 예를 들어, 상기 활성층(114)은 GaN/InGaN/GaN MQW 또는 GaN/AlGaN/GaN MQW 구조로 형성되는 것이 가장 바람직할 수 있다.
본 발명에 따른 화합물 반도체 발광소자의 구조에서, 상기 n형 전극(120)과 p형 전극(140) 사이에 순방향의 전압이 인가되면, 상기 활성층(114)의 전도대에 있는 전자가 가전자대에 있는 정공과 재결합을 위하여 천이되면서 그 에너지갭에 해당하는 에너지가 빛으로 발광하게 된다. 이 때, 상기 활성층(114)에서 방출된 빛은 상기 p형 전극(140)에 의해 반사되어 기판(110)을 통해 반도체 발광소자(150)의 외부로 방출될 수 있다.
본 발명에 따른 화합물 반도체 발광소자에서, 상기 n형 전극(120)은 Al, Ag, Au, Pd 등과 같은 금속물질로 형성될 수 있다. 또한, 바람직하게는 상기 n형 전극(120)으로 본 발명에 따른 다층 전극이 채용될 수 있다. 즉, 상기 n형 전극(120)은 상기 n형 반도체층(112) 위에 순차로 적층된 반사전극층(122), 확산방지 전극층(124), 집괴방지 전극층(126) 및 산화방지 전극층(128)을 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 다층 전극(140)을 채용한 반도체 발광소자는 반사도 저하가 종래에 비해 매우 적어질 수 있기 때문에, 이에 따른 광출력 특성의 향상이 기대될 수 있다.
본 발명에 따르면, 열적 안정성 및 오믹접촉 특성이 향상된 다층 전극 및 이를 구비한 화합물 반도체 발광소자를 얻을 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따르면, 확산방지 전극층과 집괴방지 전극층을 사용함으로써 열처리 과정에서 반사전극의 표면에 집괴 현상이 일어나는 것을 방지할 수 있다. 특히 확산방지 전극층은 반사전극층 이외의 물질이 반사전극층으로의 확산을 방지하여 반사전극층의 열적안전성과 오믹접촉 특성을 향상 시킨다. 또한, 산화방지 전극층을 상기 집괴방지 전극층 위에 적층함으로써 집괴방지 전극층의 산화를 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면 전기적 저항이 매우 낮은 반도체 발광소자용 전극을 얻을 수 있으며, 전력의 소모가 적은 반도체 발광소자를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 반도체 발광소자의 안정적인 양산이 가능하다.
Claims (33)
- n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 구비하는 화합물 반도체 발광소자의 상기 p형 반도체층 상에 형성되는 다층 전극에 있어서,상기 p형 반도체층 위에 적층되는 반사전극층;상기 반사전극층의 집괴 현상을 방지하기 위하여 상기 반사전극층 위에 적층되는 집괴방지 전극층; 및상기 집괴방지 전극층의 확산을 방지하기 위하여 상기 반사전극층과 상기 집괴방지 전극층 사이에 삽입된 확산방지 전극층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자의 다층 전극.
- 제 1 항에 있어서,상기 집괴방지 전극층 위에 집괴방지 전극층의 산화를 방지하는 산화방지 전극층이 더 구비된 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자의 다층 전극.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 반사전극층은 반사성 오믹접촉층인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자의 다층 전극.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 반사전극층은 은(Ag), 은(Ag)계 합금 및 은(Ag)계 산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자의 다층 전극.
- 제 4 항에 있어서,상기 은(Ag)계 합금은 알루미늄(Al), 로듐(Rh), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 루세늄(Ru), 이리듐(Ir) 및 백금(Pt)으로 이루어진 용질원소 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자의 다층 전극.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 확산방지 전극층은 투명전도성 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자의 다층 전극.
- 제 6 항에 있어서,상기 투명전도성 물질은 타이타늄질화물(Ti-N), 몰리브데늄산화물(Mo-O), 루세늄산화물(Ru-O), 이리듐산화물(Ir-O) 및 인듐산화물(In-O)로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자의 다층 전극.
- 제 7항에 있어서,상기 인듐산화물(In-O)은 주석(Sn), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 구리(Cu) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 도판트(dopant)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자의 다층 전극.
- 제 8항에 있어서,상기 인듐산화물(In-O)에 첨가된 도판트의 함량은 0.1 내지 49 원자퍼센트(at.%)인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자의 다층 전극.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 집괴방지 전극층은 알루미늄(Al) 또는 알루미늄(Al)계 합금으로 형성된 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자의 다층 전극.
- 제 10 항에 있어서,상기 알루미늄계 합금은 은(Ag), 로듐(Rh), 구리(Cu). 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 루세늄(Ru), 이리듐(Ir) 및 백금(Pt)으로 이루어지는 용질원소 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자의 다층 전극.
- 제 2 항에 있어서,상기 산화방지 전극층은 금(Au), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 니켈(Ni), 루세늄(Ru), 이리듐(Ir) 및 백금(Pt)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자의 다층 전극.
- 제 12 항에 있어서,상기 산화방지 전극층은 단층 또는 다층 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자의 다층 전극.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 p형 반도체층과 반사전극층 사이에 개재되어 상기 p형 반도체층과 반사전극층 사이의 접촉저항을 감소시키는 콘택전극층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자의 다층 전극.
- 제 14 항에 있어서,상기 콘택전극층은 La-계 합금(La-alloy), Ni-계 합금(Ni-alloy), Zn-계 합금(Zn-alloy), Cu-계 합금(Cu-alloy), 열전산화물(Thermoelectric Oxide), 도핑된 In 산화물(doped In Oxide), ITO 및 ZnO으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자의 다층 전극.
- 제 15 항에 있어서,상기 도핑된 In 산화물(doped In Oxide)에서 도핑 원소는 Mg, Ag, Zn, Sc, Hf, Zr, Te, Se, Ta, W, Nb, Cu, Si, Ni, Co, Mo, Cr, Mn, Hg, Pr 및 La 으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자의 다층 전극.
- 제 15 항에 있어서,상기 콘택전극층의 두께는 0.1nm 내지 200nm의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자의 다층 전극.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 반사전극층, 확산방지 전극층 및 집괴방지 전극층 각각의 두께는 1 nm 내지 1000 nm 범위인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자의 다층 전극.
- 제 2 항에 있어서,상기 산화방지 전극층의 두께는 1 nm 내지 1000 nm 범위인 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자의 다층 전극.
- 제 1 항에 있어서,상기 반사전극층, 확산방지 전극층 및 집괴방지 전극층이 순차적으로 증착된 후, 상기 적층 결과물이 300℃ 내지 600℃ 의 온도 범위 내에서 열처리된 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자의 다층 전극.
- 제 2 항에 있어서,상기 반사전극층, 확산방지 전극층, 집괴방지 전극층 및 산화방지 전극층이 순차적으로 증착된 후, 상기 적층 결과물이 300℃ 내지 600℃ 의 온도 범위 내에서 열처리된 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자의 다층 전극.
- 삭제
- n형 전극, n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층 및 p형 전극을 구비하는 화합물 반도체 발광소자에 있어서,상기 p형 전극은,상기 p형 반도체층 위에 적층되는 반사전극층;상기 반사전극층의 집괴 현상을 방지하기 위하여 상기 반사전극층 위에 적층되는 집괴방지 전극층; 및상기 집괴방지 전극층의 확산을 방지하기 위하여 상기 반사전극층과 상기 집괴방지 전극층 사이에 삽입된 확산방지 전극층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자.
- 제 23 항에 있어서,상기 집괴방지 전극층 위에 집괴방지 전극층의 산화를 방지하는 산화방지 전극층이 더 구비된 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자.
- 제 23 항에 있어서,상기 반사전극층은 은(Ag), 은(Ag)계 합금 및 은(Ag)계 산화물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자.
- 제 25 항에 있어서,상기 은(Ag)계 합금은 알루미늄(Al), 로듐(Rh), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 루세늄(Ru), 이리듐(Ir) 및 백금(Pt)으로 이루어진 용질원소 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소 자.
- 제 23 항에 있어서,상기 확산방지 전극층은 투명전도성 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자.
- 제 27 항에 있어서,상기 투명전도성 물질은 타이타늄질화물(Ti-N), 몰리브데늄산화물(Mo-O), 루세늄산화물(Ru-O), 이리듐산화물(Ir-O) 및 인듐산화물(In-O)로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자.
- 제 23 항에 있어서,상기 집괴방지 전극층은 알루미늄(Al) 또는 알루미늄(Al)계 합금으로 형성된 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자.
- 제 29 항에 있어서,상기 알루미늄계 합금은 은(Ag), 로듐(Rh), 구리(Cu). 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 루세늄(Ru), 이리듐(Ir) 및 백금(Pt)으로 이루어지는 용질원소 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광 소자.
- 제 24 항에 있어서,상기 산화방지 전극층은 금(Au), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 니켈(Ni), 루세늄(Ru), 이리듐(Ir) 및 백금(Pt)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자.
- 제 24 항에 있어서,상기 p형 반도체층과 반사전극층 사이에 개재되어 상기 p형 반도체층과 반사전극층 사이의 접촉저항을 감소시키는 콘택전극층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자.
- 제 32 항에 있어서,상기 콘택전극층은 La-계 합금(La-alloy), Ni-계 합금(Ni-alloy), Zn-계 합금(Zn-alloy), Cu-계 합금(Cu-alloy), 열전산화물(Thermoelectric Oxide), 도핑된 In 산화물(doped In Oxide), ITO 및 ZnO으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광소자.
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