KR20010102795A - 변형된 피형 전극구조를 이용한 질화갈륨계 발광 다이오드및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 변형된 p-형 전극구조를 이용한 질화갈륨계 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명은 내부 일면이 굴곡 처리된 p-형 질화갈륨층 및 투명 전극과, 상호 인접하는 모서리가 굴곡 처리 및 연장 처리된 P-형 전극과, 상호 인접하는 모서리가 굴곡 처리된 n-형 전극으로 이루어지는 질화갈륨계 발광 다이오드로서, 사파이어 기판상에 질화갈륨 핵생성층(nucleation layer)을 형성하는 과정과; 제 1 설정 시간 동안 제 1 설정 두께의 실리콘이 도핑된 n-형 질화갈륨 박막을 형성하는 과정과; 제 2 설정 시간 동안 제 2 설정 두께의 마그네슘이 도핑된 p-형 질화갈륨 박막을 형성하는 과정과; n-형 질화갈륨 박막상에 n-형 전극을 형성하는 과정과; p-형 질화갈륨 박막상에 투명 전극을 형성하는 과정과; 투명 전극상에 p-형 전극을 형성하는 과정과; p-형 질화갈륨 및 투명 전극의 내부 일면을 굴곡 형태로 변형시키고 n- 및 p-형 전극의 상호 인접하는 모서리를 굴곡 형태로 변형시키는 과정과; p-형 전극에서 투명 전극상에 연장되는, p-형 전극보다 적은 폭을 갖는 가지 형태의 전극을 덧붙이는 과정으로 이루어진다. 따라서, 본 발명은 전기적 특성 및 수명 특성이 우수한 질화갈륨계 발광 다이오드를 이용한 청색, 녹색 및 백색광원용 소자제작에 있어서 고효율의 소자제작을 가능하게 함으로써, 질화갈륨계 발광 다이오드의 상업화에 유리할 뿐만 아니라, 고효율의 특성을 위해서 기본적인 설계상의 개선만 필요하므로 경제적인 이점이 있다.

Description

변형된 피형 전극구조를 이용한 질화갈륨계 발광 다이오드 및 그 제조 방법{GaN-BASED LIGHT EMITTING DIODE WITH MODIFIED P-TYPE ELECTRODE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 질화갈륨계 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 변형된 p-형 전극구조를 이용한 질화갈륨계 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

고효율의 발광 다이오드를 구현하기 위해서는 무엇보다도 n-형(전자:electron) 및 p-형(정공:hole) 질화갈륨 박막내의 고농도의 캐리어(carrier) 및 낮은 비저항값이 요구된다. 그러나, 고 정공농도, 특히, 낮은 비저항값을 갖는 p-형 질화갈륨 박막 생산이 어렵기 때문에 발광소자의 구동시 p-형 질화갈륨 박막층에서 전류의 확산이 어려워져서 결국 발광소자의 전기적 및 발광특성이 크게 저하되는 문제점이 있다. 또한, 이러한 높은 비저항 성분에 의해서 발광 다이오드의 구동시 열이 발생하는 문제가 심각해지며, 따라서, 발광소자의 수명이 단축되는 결과를 야기시킨다.

이러한 높은 비저항값을 가지는 p-형 질화갈륨 박막층의 전류 확산을 용이하게 하기 위해서 종래에는 p-형 질화갈륨 박막위에 얇은 투명전극(transparent electrode)을 전류확산층(current spreading layer)으로 사용하여 발광 다이오드의 특성을 향상시켜 왔다. 예를 들면, 나카무라(S. Nakamura 및 G. Fasol, The Blue Laser Diode, Springer, Berlin, 1997) 등은 10㎚이하의 니겔/금(Ni/Au) 층을 p-형 질화갈륨 박막층 위에 투명전극으로 사용하여 발광 다이오드를 제작하였으며, Sheu( J. K. Sheu, Y. K. Su, G. C. Chi, P. L. Koh, M. J. Jou, C. M. Chang, C. C. Liu 및 W. C. Hung, Appl. Phys. Lett. 74, 2340, 1999) 등은 2nm/6nm의 니켈/금(Ni/Au) 구조가 오믹접촉 특성이 우수할 뿐만 아니라 빛의 투과특성도 우수하므로 투명전극으로서 발광소자에 적합한 구조임을 제시하였다.

그러나, 빛의 투과율을 증가시키기 위해서 투명전극은 보통 10㎚ 내외의 두께로 사용하게 되는데, 이때, 투명전극의 얇은 두께는 상대적으로 큰 면저항(sheet resistance)을 야기시키는 문제점이 발생한다. 따라서, 투명전극을 발광 다이오드의 p-형 전류 확산층으로 대체하여 사용하게 되면 p-형 질화갈륨층 내에서의 전류확산보다는 유리하나, 투명전극 자체의 면저항에 의해 고효율의 발광소자를 제작하기에는 어느 정도 한계가 있었다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해 안출한 것으로, p-형 전극, 질화갈륨층 및 투명전극을 굴곡 형태로 변형시키고, 변형된 p-형 전극구조를 연장 처리하여 투명전극에서의 전류 확산효율을 극대화시킴으로써, 전기적 특성 및 발광특성이 우수한 발광 다이오드를 제작하도록 한 변형된 p-형 전극구조를 이용한 질화갈륨계 발광 다이오드 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따르면, n-형 질화갈륨층과; n-형 질화갈륨층상에 형성되며, 내부 일면이 굴곡 처리된 p-형 질화갈륨층과; p-형 질화갈륨층상에 형성되며, 내부 일면이 굴곡 처리된 투명 전극과; 투명 전극상에 형성되며, 중심측의 일단의 모서리가 굴곡 처리된 p-형 전극과; n-형 질화갈륨층상에 형성되며, 굴곡 처리된 p-형 전극의 일단의 모서리와 인접하는 중심측의 모서리가 굴곡 처리된 n-형 전극으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 변형된 p-형 전극구조를 이용한 질화갈륨계 발광 다이오드를 제공한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 사파이어 기판상에 질화갈륨 핵생성층(nucleation layer)을 형성하는 단계와; 제 1 설정 시간 동안 제 1 설정 두께의 실리콘이 도핑된 n-형 질화갈륨 박막을 형성하는 단계와; 제 2 설정 시간 동안 제 2 설정 두께의 마그네슘이 도핑된 p-형 질화갈륨 박막을 형성하는 단계와; n-형 질화갈륨 박막상에 n-형 전극을 형성하는 단계와; p-형 질화갈륨 박막상에 투명 전극을 형성하는 단계와; 투명 전극상에 p-형 전극을 형성하는 단계와; p-형 질화갈륨 및 투명 전극의 내부 일면을 굴곡 형태로 변형시키고 n- 및 p-형 전극의 상호 인접하는 모서리를 굴곡 형태로 변형시키는 단계와; p-형 전극에서 투명 전극상에 연장되는, p-형 전극보다 적은 폭을 갖는 가지 형태의 전극을 덧붙이는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 변형된 p-형 전극구조를 이용한 질화갈륨계 발광 다이오드 제조 방법을 제공한다.

도 1은 통상적인 p-형 전극구조를 갖는 발광 다이오드의 평면도 및 측면도,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 굴곡 형태의 p-형 전극구조를 갖는 발광 다이오드의 평면도,

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연장 처리된 굴곡 형태의 p-형 전극구조를 갖는 발광 다이오드의 평면도,

도 4는 도 1, 도 2, 도 3의 각각의 발광 다이오드의 전류-전압 특성 분포도,

도 5는 도 1, 도 2, 도 3의 각각의 발광 다이오드의 발광강도-전류특성 분포도,

도 6은 도 1, 도 2, 도 3의 각각의 발광 다이오드의 수명 특성 분포도,

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 변형된 p-형 전극구조를 이용한 질화갈륨계 발광 다이오드 제조 과정의 흐름도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 사파이어 기판

12 : 질화갈륨 버퍼층

14 : n-형 질화갈륨층

16 : 발광층

18 : p-형 질화갈륨층

20 : 투명전극

22 : p-형 전극

24 : n-형 전극

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.

설명에 앞서, 본 발명에 사용되는 용어 "투명전극(transparent electrode)"은 당 분야의 질화갈륨계 발광 다이오드 제작시에 통상적으로 적용되는 기술로서, p-형 질화갈륨 박막위에 p-형 전극을 형성시키기 전에 p-형 질화갈륨층으로의 전류의 확산효율을 증가시키기 위해서 증착시키는 10nm 내외의 단일 또는 다중 금속박막을 지칭한다.

도 1은 통상적인 발광 다이오드의 평면도 및 측면도로서, 사파이어(sapphire, α-Al₂O₃) 기판(10), 질화갈륨 버퍼층(buffer layer)(12), n-형 질화갈륨층(14), 발광층(active layer)(16), p-형 질화갈륨층(18), 투명전극(20), p-형 전극(22) 및 n-형 전극(24)으로 구성된다. 도시한 바와 같이, 통상의 p-형 전극구조를 갖는 발광 다이오드의 p- 및 n-형 전극(22),(24)은 정사각형의 형태이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 굴곡 형태의 p-형 전극구조를 갖는 발광 다이오드의 평면도로서, 인접하는 p- 및 n-형 전극(22),(24)을 굴곡 형태로 변형시키고, 발광영역의 확장을 위해 p-형 메사(mesa) 질화갈륨층(18) 및 투명전극(20)을 둥글게 처리하여 면적을 증가시켰다. 그 외의 구조는 도 1과 동일하다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연장 처리된 굴곡 형태의 p-형 전극구조를 갖는 발광 다이오드의 평면도로서, 도 2의 구조에 가지 형태의 전극을 덧붙임으로써 p-형 전극(22)을 연장 처리하였다. 이러한 구조에서는, 후술하는 바와 같은 전류-전압 특성 향상, 발광강도 증가, 소자 수명 증가 등과 같은 여러 가지 장점들이 발생할 수 있을 것이다.

도 4는 도 1, 도 2 및 도 3의 각각의 발광 다이오드의 상온에서의 전류-전압 특성 분포도이다. 도시한 바와 같이, 도 1에 비해 도 2의 경우 전류-전압 특성은 큰 향상을 보이지 않는데 반하여, 도 3의 경우는 소자 구동에 대한 저항이 감소됨으로써 상대적으로 전류-전압 특성이 우수함을 알 수 있다.

도 5는 도 1, 도 2 및 도 3의 각각의 발광 다이오드의 상온에서의 발광강도-전류특성 분포도이다. 도 5에서 전류가 증가함에 따라 발광강도는 증가하다가 포화되며 어느 전류 이상에서는 감소하는 경향을 보이는데, 이것은 고전류하에서 발생되기 시작한 주울열(Joule-heating)이 발광효율을 저하(thermal degradation)시키기 때문이다. 도시한 바와 같이, 도 3에서의 발광강도는 도 1 및 도 2에 비해 매우 우수함을 알 수 있으며, 또한, 고전류하에서도 열적저하(thermal degradation)가 더욱 감소됨을 알 수 있다.

도 6은 도 1, 도 2 및 도 3의 각각의 발광 다이오드의 상온에서의 수명 특성 분포도로서, 일정 전류, 예컨대, 250㎃를 인가했을 경우에 나타나는 소자의 수명특성 분포도이다. 도시한 바와 같이, 도 1에서의 소자 수명에 비해 도 2에서의 소자 수명이 증가하였음을 알 수 있으며, 도 3의 경우는 수명이 매우 크게 증가하였음을 알 수 있다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 변형된 p-형 전극구조를 이용한 질화갈륨 계열의 발광 다이오드를 제작하는데 있어서 몇 가지 고려해야 할 사항들을 기술하기로 한다.

첫째, 변형된 p-형 전극구조의 기본적인 목적은 투명전극을 통한 전류의 확산효율을 증가시키는 것인 바, 일반적인 사각형이나 원형의 p-형 전극에 도 3과 같은 보조 전극을 덧붙여서 투명전극층 위에 전류확산경로(current spreading path)를 설계해야 할 필요가 있다.

둘째, 변형된 p-형 전극구조를 채용할 경우 덧붙인 전극에 의해 p-형 전극면적이 증가하게 되는데, 이것은 발광 면적을 감소시켜 발광 효율을 떨어뜨리는 문제를 야기할 수 있다. 이러한 문제를 방지하기 위해서는 덧붙인 구조를 적절한 크기의 폭, 예컨대, 30 ㎛내로 조절해야만 한다.

셋째, 덧붙인 전극구조를 설계할 때에는 n-형 전극과 p-형 전극간의 간격이 모든 지점에서 비슷하도록 하는 것이 유리하다. 왜냐하면 전류가 어느 한 곳에 집중적(current crowding)으로 흐르는 것을 방지할 수 있기 때문이다. 즉, 본 발명에서는 p-형 전극뿐만 아니라 n-형 전극에서도 원형을 선택적으로 채택하여 전류의 집중현상을 방지하였다.

이하, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 변형된 p-형 전극구조를 이용한 질화갈륨계 발광 다이오드 제조 과정을 첨부한 도 7의 흐름도를 참조하여 상세하게 설명한다.

설명에 앞서, 본 과정은 수직형 고속 회전 원판 MOCVD법을 이용한 질화갈륨박막 성장시 트리메틸갈륨(trimethylgallium : TMGa)과 순도 95%의 암모니아(NH₃)를 각각 갈륨(Ga) 및 질소(N)원으로 사용하고, n-형 도펀트인 실리콘(Si)원으로는 실란가스(SiH₄)를 사용하였으며, p-형 도펀트인 마그네슘(Mg)원으로는 비스시클로펜타다이닐마그네슘(Biscyclopentadienyl-Magnesium, Cp₂Mg)을 사용하고, 운반가스로는 순도 90%의 수소가스를 사용하였음을 전제로 한다.

먼저, 단계(S100)에서는 사파이어 기판(10) 위에 박막 성장을 위해 560℃에서 300Å의 질화갈륨 핵생성층(nucleation layer)(12)을 형성시킨 후, 단계(S102)로 진행하여 박막층을 온도 1020℃, 압력 200 토르(torr)로 일정하게 유지시켜 45분 동안 1.5㎛ 두께의 실리콘이 도핑된 n-형 질화갈륨 박막(14)을 형성한다.

단계(S104)에서는 온도를 760℃로 내린 후 각각 1분 동안 질화갈륨 박막과 인듐질화갈륨 박막을 연속적으로 성장시켜 모두 5층의 인듐질화갈륨/질화갈륨의 양자우물구조를 얻은 후 다시 온도를 1020℃로 유지시켜 7.5분 동안 0.25 ㎛ 두께의 마그네슘이 도핑된 p-형 질화갈륨 박막(18)을 형성한다. 그 후, 1분 동안 950℃에서 질소 분위기 하에서 급속 열처리를 수행한다.

단계(S106)에서는 ICP 에칭(Inductively-coupled plasma etching system) 장비를 이용하여 실리콘다이옥사이드(SiO₂)를 마스크(mask)로 하여 사파이어 기판(10)까지 건식 식각(dry etching)을 하여 고립화(isolation) 작업을 수행하고, 고립화된 질화갈륨층에서 n-형 질화갈륨층(14)까지 다시 건식 식각 과정을 수행한 후, 포토리지스트(Photoresist)를 마스크로 하여 30㎚/80 ㎚ 두께의타이타늄/알루미늄(Ti/Al)을 전자빔 증착기(electron-beam evaporator)를 이용하여 n-형 전극(24)으로서 증착시킨다.

한편, 단계(S108)에서는 p-형 질화갈륨(18)상에 2㎚/6㎚ 두께의 니켈/금(Ni/Au)을 증착시켜 투명 전극(20)을 형성한다.

단계(S110)에서는 30㎚/80㎚의 니켈/금(Ni/Au)을 증착시켜 p-형 전극(22)을 형성한 후, 450℃에서 40초 동안 급속열처리(RTA : rapid thermal annealing)를 하여 소자를 완성한다.

단계(S112),(S114)에서는 단계(S110)의 과정을 거쳐 성장된 양자우물구조의 발광 다이오드 질화갈륨 시료에 정사각형의 p- 및 n-형 전극구조(22),(24)를 선택적으로 굴곡 형태로 변형시키고, p-형 질화갈륨(18) 및 투명전극(20)도 선택적으로 굴곡 형태로 변형시킨다. 이러한 구조는 상술한 도 2에 도시되어 있다.

한편, 단계(S112),(S114)에서는 상술한 과정들을 거쳐 성장된 양자우물구조의 발광 다이오드 질화갈륨 시료에 정사각형의 p- 및 n-형 전극구조(22),(24)를 선택적으로 굴곡 형태로 변형시키고, p-형 질화갈륨(18) 및 투명전극(20)도 선택적으로 굴곡 형태를 변형시키며, 굴곡 형태로 변형된 p-형 전극(22)에 덧붙인 구조를 가지는 발광 다이오드를 제작할 수 있다. 이러한 구조는 상술한 도 3에 도시되어 있다.

다른 한편, 상술한 과정들을 거쳐 완성된 발광 다이오드의 전류-전압 특성 및 소자의 수명은, 예컨대, 파라미터-분석기(parameter-analyzer, HP4155)를 이용하여 측정할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 발광 다이오드의 발광강도-전류특성은 광발광강도 측정기(optical power meter)를 이용하여 측정할 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명에 의한 질화갈륨계 발광 다이오드의 전기적 특성 및 발광특성의 향상과 더불어 크게 향상된 수명특성의 구현은 질화갈륨계 발광 다이오드를 이용한 청색, 녹색 및 백색광원용 소자제작에 있어서 고효율의 소자제작을 가능하게 함으로써 질화갈륨계 발광 다이오드의 상업화를 가속화시키는 효과가 있다. 또한 본 발명은 부가적인 공정이나 고비용의 추가적인 설비가 필요하지 않는 기본적인 설계상의 개선을 통한 것이므로 경제적인 부담이 없는 장점이 있다.

Claims (7)

1. n-형 질화갈륨층과;

   상기 n-형 질화갈륨층상에 형성되며, 내부 일면이 굴곡 처리된 p-형 질화갈륨층과;

   상기 p-형 질화갈륨층상에 형성되며, 내부 일면이 굴곡 처리된 투명 전극과;

   상기 투명 전극상에 형성되며, 중심측의 일단의 모서리가 굴곡 처리된 p-형 전극과;

   상기 n-형 질화갈륨층상에 형성되며, 상기 굴곡 처리된 p-형 전극의 일단의 모서리와 인접하는 중심측의 모서리가 굴곡 처리된 n-형 전극으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 변형된 p-형 전극구조를 이용한 질화갈륨계 발광 다이오드.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 n- 및 p-형 질화갈륨층은 질화갈륨(GaN), 알루미늄 질화갈륨(AlGaN), 인듐 질화갈륨(InGaN)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 변형된 p-형 전극구조를 이용한 질화갈륨계 발광 다이오드.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 p-형 전극은 상기 p-형 전극보다 적은 폭을 갖는 상기 p-형 전극에 연장 처리된 구조인 것을 특징으로 하는 변형된 p-형 전극구조를 이용한 질화갈륨계발광 다이오드.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 p-형 질화갈륨층 및 투명 전극의 내부 일면은 상기 n-형 전극과 인접하는 면인 것을 특징으로 하는 변형된 p-형 전극구조를 이용한 질화갈륨계 발광 다이오드.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 p-형 질화갈륨층, 투명 전극, p-형 전극 및 n-형 전극은 내부 일면이 굴곡 처리됨으로써 발광 영역의 확장 및 모서리 부분에서의 전류 집중 현상을 방지하는 것을 특징으로 하는 변형된 p-형 전극구조를 이용한 질화갈륨계 발광 다이오드.
6. 사파이어 기판상에 질화갈륨 핵생성층(nucleation layer)을 형성하는 단계와;

   제 1 설정 시간 동안 제 1 설정 두께의 실리콘이 도핑된 n-형 질화갈륨 박막을 형성하는 단계와;

   제 2 설정 시간 동안 제 2 설정 두께의 마그네슘이 도핑된 p-형 질화갈륨 박막을 형성하는 단계와;

   상기 n-형 질화갈륨 박막상에 n-형 전극을 형성하는 단계와;

   상기 p-형 질화갈륨 박막상에 투명 전극을 형성하는 단계와;

   상기 투명 전극상에 p-형 전극을 형성하는 단계와;

   상기 p-형 질화갈륨 및 투명 전극의 내부 일면을 굴곡 형태로 변형시키고 상기 n- 및 p-형 전극의 상호 인접하는 모서리를 굴곡 형태로 변형시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 변형된 p-형 전극구조를 이용한 질화갈륨계 발광 다이오드 제조 방법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 방법은,

   상기 p-형 전극에서 상기 투명 전극상에 연장되는, 상기 p-형 전극보다 적은 폭을 갖는 가지 형태의 전극을 덧붙이는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변형된 p-형 전극구조를 이용한 질화갈륨계 발광 다이오드 제조 방법.