KR20010103237A - 오믹 접촉 형성을 이용한 산화아연 산화물 반도체의 발광다이오드 및 레이저 다이오드용 금속 박막 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 오믹 접촉(ohmic contact) 형성을 이용한 산화아연(ZnO) 산화물 반도체의 발광 다이오드(LED) 및 레이저 다이오드(LD)용 금속 박막 제조 방법에 관한 한 것이다.
본 발명은 오믹 접촉 형성을 이용한 산화아연 산화물 반도체의 발광 다이오드 및 레이저 다이오드용 금속 박막 제조 방법에 있어서, 산화 알루미늄 기판 상에 n형 산화아연 산화물 반도체층을 형성하는 제 1 단계와; n형 산화아연 산화물 반도체층상에 산소의 반응층인 제 1 금속 박막을 형성하는 제 2 단계와; 제 1 금속 박막 상에 캐리어 주입층인 제 2 금속 박막을 형성하는 제 3 단계를 포함한다. 따라서, 본 발명은 산화아연 산화물 반도체의 상업화를 가속화시킬 수 있으며, 디바이스의 수율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 고온 열처리에 의한 소자성능의 저하를 막을 수 있다. 또한, 낮은 비접촉 저항과 우수한 전류-전압 특성과 같은 매우 우수한 전기적 특성으로 인한 전기적 손실의 감소로 광학적 효과도 매우 우수할 것으로 기대되기 때문에, 최근 차세대 청색 발광 물질로 각광을 받고 있는 산화아연 산화물 반도체의 발광소자 및 레이저 다이오드 개발에 이용될 수 있는 효과가 있다.

Description

오믹 접촉 형성을 이용한 산화아연 산화물 반도체의 발광 다이오드 및 레이저 다이오드용 금속 박막 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING A METAL THIN FILM FOR LIGHT EMITTING DIODE AND LASER DIODE USING AN OHMIC CONTACT FORMATION}
본 발명은 산화아연 산화물 반도체의 금속 박막 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 오믹 접촉(ohmic contact) 형성을 이용한 산화아연(ZnO) 산화물 반도체의 발광 다이오드(LED : Light Emitting Diode) 및 레이저 다이오드(LD : Laser Diode)용 금속 박막 제조 방법에 관한 것이다.
산화아연 산화물 반도체는 투명전극(transparent electrode), 태양전지의 윈도우 물질(window materials), 바리스터 소자(varistors) 등의 광소자 분야에 일반적으로 쓰여져 왔으나, 산화아연의 고유 특성인 넓은 밴드 갭으로 인하여 최근에는 질화갈륨(GaN)을 대체할 수 있는 물질로 각광받고 있다. 이러한 산화아연에 대한 관심은 "스퍼터를 이용한 양질의 산화아연을 성장시켜 광소자로 활용하는 기술(김경국 등)"이 미국 응용물리 학회지[Journal of Applied Physics, 2000]에 게재됨으로써 한층 가속화되고 있는 추세다.
산화아연 산화물 반도체를 이용한 발광 다이오드 및 레이저와 같은 광 디바이스를 구현하기 위해서는 무엇보다도 반도체와 금속간에 양질의 오믹 접촉을 형성해야 한다. 1998년 엔리코 트레버사(Enrico Traversa)외 3명은 "La2CuO4와 다결정 ZnO를 이용한 가스 센서 소자에 관한 연구[Journal of the European Ceramic Society 18 (1998) 621]"에서, Au를 이용하여 전극으로 이용은 하였으나, 아직까지 금속접촉에 관한 연구는 자세히 이루어지고 있지 않은 상태이다. 또한, 단결정의 산화아연을 성장시키기 어려운 점으로 인해 오믹 접촉에 대한 연구 역시 미진한 상태이고 이에 관한 논문도 전무한 상태이다.
따라서, 본 발명은 상술한 점에 착안하여 안출한 것으로, 오믹 접촉(ohmic contact)을 이용하여 산화아연(ZnO) 산화물 반도체 상에 타이타늄/금 금속 박막층을 형성시켜 열적/전기적으로 안정된 단파장 발광 다이오드(LED)와 레이저 다이오드(LD)를 제작하도록 한 오믹 접촉 형성을 이용한 산화아연 산화물 반도체의 발광 다이오드 및 레이저 다이오드용 금속 박막 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 오믹 접촉 형성을 이용한 산화아연 산화물 반도체의 발광 다이오드 및 레이저 다이오드용 금속 박막 제조 방법에 있어서, 산화 알루미늄 기판 상에 n형 산화아연 산화물 반도체층을 형성하는 제 1 단계와; n형 산화아연 산화물 반도체층상에 산소의 반응층인 제 1 금속 박막을 형성하는 제 2 단계와; 제 1 금속 박막 상에 캐리어 주입층인 제 2 금속 박막을 형성하는 제 3 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 오믹 접촉 형성을 이용한 산화아연 산화물 반도체의 발광 다이오드 및 레이저 다이오드용 금속 박막 제조 방법을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 방법에 의해 형성된 금속 박막 구조의 단면도,
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연 산화물 반도체의 광학적/구조적 특성 분포도,
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속 박막 구조의 열처리 온도 변화에 따른 오믹 접촉 형성 분포도,
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 금속 박막 구조의 열처리 온도 변화에 따른 표면 상태를 나타낸 도면,
도 5는 도 1의 금속 박막 구조 형성에 선행되는 공정 흐름도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.
설명에 앞서, 본 발명에 따른 오믹 접촉(Ohmic contact) 형성을 이용한 산화아연 산화물 반도체의 발광 다이오드 및 레이저 다이오드용 금속 박막 제조 방법은, GaN를 대체할 수 있는 차세대 광발광 반도체인 산화아연 반도체를 광소자에 응용하기 위한 기초 단계인 금속 전극 제작에 필수 요소인 우수한 열적, 전기적, 구조적 특성을 갖는 오믹 접촉 금속 시스템(Ohmic contact metal system)을 제공하는것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명에 따른 방법은, 전극으로 사용되는 타이타늄/금 금속 박막 구조에 있어서 중간 확산 장벽(inter-diffusion barrier) 역할을 타이타늄층을 이용하여 금의 확산을 막아 열적, 전기적으로 안정한 특성을 갖는 오믹 접촉을 구현하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 방법에 의해 형성된 금속 박막 구조의 단면도로서, 산화 알루미늄 기판 상에 n형 산화아연 산화물 반도체층이 형성되어 있으며, 이 n형 산화아연 산화물 반도체층상에 본 실시예에 따른 제 1 및 제 2 금속 박막이 형성되어 있다.
이때, 제 1 금속 박막은 1 내지 5,000 nm의 두께를 지니며, 바람직하게는, 타이타늄(Ti), 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 크롬(Cr), 바나듐(V), 마그네슘(Mg), 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al), 하프늄(Hf), 베릴륨(Be), 망간(Mn) 중 어느 하나로 이루어질 수 있으며, 보다 바람직하게는 타이타늄(Ti)으로 이루어질 수 있을 것이다.
또한, 제 2 금속 박막은 1 내지 5,000 nm의 두께를 지니며, 바람직하게는, 금(Au)으로 이루어질 수 있을 것이다.
이러한 구조, 즉, 본 발명의 n-형 산화아연 오믹 접촉을 형성하기 위해서는 다음과 같은 조건들을 만족하여야 한다.
첫째, n-형 산화아연(n-ZnO)의 도핑 농도(캐리어 농도)가 1017cm-3이상이 되어야 한다. 오믹 접촉은 주로 반도체의 도핑 농도에 따라 좌우되며, 전기 전달 메커니즘은 열전자 방출(Thermionic emission : 도핑농도 :〈 1017cm-3), 열전자 필드방출(Thermionic field emission : 도핑농도 : 1017cm-3내지 1018cm-3), 필드 방출(Field emission : 도핑농도 : 〉1018cm-3)로 나눌 수 있다. 즉, 낮은 농도에서 금속 반도체 접촉 장벽(Schottky barrier)을 넘어 캐리어가 흐르게 되다가 도핑 농도가 증가하게 되면, 금속 반도체 접촉 장벽에 관계없이 터널링(tunnelling)에 의하여 캐리어가 흐르므로 자연스럽게 오믹 접촉이 형성된다.
둘째, 산화아연 화합물 반도체의 산소와 반응이 잘 일어나는 금속을 사용하여야 한다. 산화아연 화합물 반도체에서 산소의 공공(vacancy)은 산화아연내 도핑 농도를 증가시키게 됨으로, 낮은 농도의 산화아연이라 할지라도 산소 공공의 형성에 의해 높은 농도의 산화아연을 형성시켜 필드 방출에 의한 오믹 형성을 유도할 수 있다. 따라서, 아연-산소(Zn-O) 결합보다도 더 큰 생성 에너지(Formation Energy)를 갖는 금속을 반응층으로 사용함으로써 산소의 외부 확산으로 인한 금속과 산소간의 반응을 유도하고 이로 인해 산화아연의 도핑 농도를 증가시켜 필드 방출에 의한 오믹을 유도하는 것이다.
셋째, 반응층과 산소의 반응을 좀 더 용이하게 하기 위하여 급속 열처리(Rapid thermal annealing) 공정을 이용하여야 한다. 상온보다는 더 높은 온도에서 반응층과 금속과 산소의 결합에 의한 새로운 상(phase)의 형성이 용이하기 때문에 급속 열처리 공정을 통해 이를 구현하였다.
본 발명에 이용되는 타이타늄은 낮은 일함수(work function)를 갖는 금속으로 산화아연과 접촉시 낮은 금속 반도체 접촉 장벽을 형성하고 이로 인해 캐리어의흐름을 용이하게 한다. 또한, 금속 열처리 공정을 통해 산화아연 반도체의 산소와 반응층인 타이타늄이 반응을 일으켜 산화 타이타늄(TiO2)층을 형성시키므로써 표면 캐리어 농도를 증가시켜 비접촉 저항(specific contact resistance)이 10-2내지 10-4ohm-cm2정도인 낮은 저항의 오믹 접촉을 얻을 수 있다. 즉, 2×1017cm-3의 낮은 도핑 농도에도 불구하고 산화 타이타늄(TiO2) 형성으로 낮은 접촉 저항을 얻을 수 있게 한다. 또한, 반응층으로 쓰인 타이타늄 금속 박막은 캐리어 주입층(Injection layer)으로 쓰이는 금에 대한 확산 장벽으로 쓰여 금이 산화아연 반도체로 확산되는 것을 막아주는 역할을 한다.
이하, 본 발명에 의한 산화아연 화합물 반도체의 특성과 타이타늄/금으로 증착된 산화아연 발광다이오드용 금속 박막의 오믹 특성 및 열적 특성을 첨부한 도 2a 내지 도 4c를 참조하여 상세히 설명한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연 산화물 반도체의 광학적/구조적 특성 분포도이다.
먼저, 도 2a는 상온에서의 산화아연 반도체의 광발광(Photoluminescence) 스펙트럼을 나타낸 것으로, 기존의 청색 발광다이오드로 쓰이는 질화 갈륨(GaN) 반도체와 유사한 380nm 파장의 광을 나타내고 있다.
도 2b는 엑스선 스펙트럼의 결과를 나타낸 것이다. 도시한 바와 같이, (002)면 방향의 산화아연 기판으로 쓰인 (0006)면 산화 알루미늄(Al2O3) 기판위에 에피택시(epitaxy) 박막으로 성장한 것을 알 수 있다. 이는 광소자로의 이용을 가능케 하며, 이러한 사실은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있을 것이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속 박막 구조의 열처리 온도 변화에 따른 오믹 접촉 형성 분포도이며, 도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 금속 박막 구조의 열처리 온도 변화에 따른 표면 상태를 나타낸 도면이다.
먼저, 도 3a는 산화아연에 타이타늄/금 금속 박막을 증착한 후, 급속 열처리를 하지 않은 경우의 오믹 접촉 형성을 나타낸 것으로, 비접촉 저항은 2×102ohm-cm2으로 시료의 낮은 도핑 농도에도 불구하고 낮은 비접촉 저항을 얻을 수 있었으며, 전자선 주사 현미경(SEM)으로 관찰한 표면 상태는 도 4a와 같이 비교적 균일하다는 사실을 알 수 있을 것이다.
도 3b는 300℃에서 60초간 급속 열처리한 발광 다이오드용 금속 박막의 오믹 접촉 형성을 나타낸 것으로, 비접촉 저항은 2×10-4ohm-cm2으로 열처리에 의해 매우 낮은 비접촉 저항을 얻을 수 있었으며, 전자선 주사 현미경으로 관찰한 표면 상태는 도 4b와 같이 균일하다는 사실을 알 수 있을 것이다.
도 3c는 500℃에서 60초간 급속 열처리한 발광 다이오드용 금속 박막의 오믹 접촉 형성을 나타낸 것으로, 비접촉 저항은 1×10-3ohm-cm2증가하였으며, 전자선 주사 현미경으로 관찰한 표면 상태는 도 4c에 나타난 바와 같이 악화되었다는 사실을 알 수 있을 것이다.
도 5는 도 1의 금속 박막 구조 형성에 선행되는 공정 흐름도이다.
먼저, 단계(S100)에서 산화아연 산화물 반도체를 다수의 세정액으로 표면 세척한 후, 하드 베이킹(hard baking) 공정을 수행한다. 즉, n-형 산화아연(ZnO)을 트리클로로에틸렌, 아세톤, 메탄올, 증류수 등을 이용하여 50℃ 온도로 각각 5분씩 표면 세척한다. 이때, 이러한 과정은 초음파 세척기(ultrasonic bath) 내에서 수행될 수 있다. 이후, 소정 온도, 예컨대, 100℃에서 소정 시간, 예컨대, 10분 동안 하드 베이킹하여 표면 세척 공정에서 발생되는 수분을 제거한다.
단계(S102)에서는 포토레지스트(photoresist)로 스핀 코팅(spin coating) 및 소프트 베이킹(soft baking) 공정을 수행한다. 즉, 포토레지스트를 5,500rpm에서 스핀 코팅하고, 85℃에서 15분 동안 소프트 베이킹한다.
단계(S104)에서는 정렬 및 노출 공정을 수행하고, 소정 용액 내에 25초 동안 침지시켜 마스크 패턴을 현상하는 공정을 수행한다. 즉, 22.8mW 강도의 UV에 15초 동안 노출시킨 다음, 현상액과 증류수의 비를 1:4로 혼합한 용액 속에 시료를 침지시켜 25초 정도에서 현상한다.
단계(S106)에서는 HCL:H2O=1:1 용액을 이용하여 30초간 시료를 침지시켜 현상된 시료에 잔존하는 산화층을 제거하는 공정을 수행한다.
그러고, 단계(S108)에서는 타이타늄(Ti) 및 금(Au) 금속 박막을 각각 250Å,1000Å의 두께로 증착하는 공정을 수행한다. 이때, 이러한 증착 공정은 전자빔 증착기(electron-beam evaporator)를 이용하여 5×10-5내지 2×10-7토르(Torr) 진공 분위기 내에서 수행될 수 있을 것이다.
끝으로 단계(S110)에서는, 아세톤을 이용하여 리프트 오프(lift-off)하는 공정을 수행한다.
한편, 상술한 공정들을 거친 후, 소정 온도 하에서 소정 시간동안 열처리하는 공정을 더 수행한다. 이러한 열처리 공정은 질소 또는 아르곤 분위기 하의 급속 가열로(Rapid Thermal Annealing : RTA) 내에서 수행된다. 이때, 소정 온도는, 바람직하게는 150℃ 내지 1000℃이며, 보다 바람직하게는 300℃이다. 또한, 소정 시간은, 바람직하게는 10초 내지 3시간이며, 보다 바람직하게는 60초이다.
이상과 같이, 본 발명은 오믹 접촉을 이용하여 산화아연 산화물 반도체 상에 타이타늄/금 금속 박막층을 형성시켜 열적/전기적으로 안정된 단파장 발광 다이오드와 레이저 다이오드를 제작할 수 있도록 구현한 것이다.
따라서, 본 발명은 산화아연 산화물 반도체의 상업화를 가속화시킬 수 있으며, 오믹 접촉 형성 시 표면 상태가 매우 양호하게 나타나므로 디바이스 패키징 시 외부선 연결(Wire bonding)를 좋게 하여 디바이스의 수율을 높일 수 있다. 또한, 300℃의 비교적 낮은 온도에서 오믹접촉 형성이 가능하기 때문에 기존의 화합물 반도체에서 쓰이는 고온 열처리에 의한 소자성능의 저하를 막을 수 있다. 또한, 낮은비접촉 저항과 우수한 전류-전압 특성과 같은 매우 우수한 전기적 특성으로 인한 전기적 손실의 감소로 광학적 효과도 매우 우수할 것으로 기대되기 때문에, 최근 차세대 청색 발광 물질로 각광을 받고 있는 산화아연 산화물 반도체의 발광소자 및 레이저 다이오드 개발에 이용될 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 오믹 접촉(ohmic contact) 형성을 이용한 산화아연(ZnO) 산화물 반도체의 발광 다이오드(LED : Light Emitting Diode) 및 레이저 다이오드(LD : Laser Diode)용 금속 박막 제조 방법에 있어서,
    산화 알루미늄 기판 상에 n형 산화아연 산화물 반도체층을 형성하는 제 1 단계와;
    상기 n형 산화아연 산화물 반도체층상에 산소의 반응층인 제 1 금속 박막을 형성하는 제 2 단계와;
    상기 제 1 금속 박막 상에 캐리어 주입층인 제 2 금속 박막을 형성하는 제 3 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 오믹 접촉 형성을 이용한 산화아연 산화물 반도체의 발광 다이오드 및 레이저 다이오드용 금속 박막 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 금속 박막은 니오븀(Nb), 탄탈륨(Ta), 크롬(Cr), 바나듐(V), 마그네슘(Mg), 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al), 하프늄(Hf), 타이타늄(Ti), 베릴륨(Be), 망간(Mn) 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 오믹 접촉 형성을 이용한 산화아연 산화물 반도체의 발광 다이오드 및 레이저 다이오드용 금속 박막 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 금속 박막은 상기 n형 산화아연 산화물 반도체의 오믹 접촉 형성시 Zn-O의 결합력보다 결합 에너지가 큰 것을 특징으로 하는 오믹 접촉 형성을 이용한 산화아연 산화물 반도체의 발광 다이오드 및 레이저 다이오드용 금속 박막 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 금속 박막은 금(Au)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 오믹 접촉 형성을 이용한 산화아연 산화물 반도체의 발광 다이오드 및 레이저 다이오드용 금속 박막 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 금속 박막의 두께는 각각 1 내지 5,000 nm인 것을 특징으로 하는 오믹 접촉 형성을 이용한 산화아연 산화물 반도체의 발광 다이오드 및 레이저 다이오드용 금속 박막 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 단계는,
    상기 산화아연 산화물 반도체를 다수의 세정액으로 표면 세척하는 과정과;
    상기 반도체를 제 1 설정 온도에서 제 1 설정 시간동안 하드 베이킹(hardbaking)하여 상기 표면 세척 공정에서 발생되는 상기 반도체 상에 존재하는 수분을 제거하는 과정과;
    상기 반도체를 포토레지스트(photoresist)로 스핀 코팅(spin coating)하는 과정과;
    상기 반도체를 제 2 설정 온도에서 제 2 설정 시간동안 소프트 베이킹(soft baking)하는 과정과;
    상기 반도체를 정렬 및 노출시키고, 제 1 용액 내에 제 3 설정 시간동안 침지시켜 마스크 패턴을 현상하는 과정과;
    상기 반도체를 제 2 용액 내에 제 4 설정 시간동안 침지시켜 산화층을 제거하는 과정과;
    상기 제 1 및 제 2 금속 박막을 각각 제 1 설정 두께, 제 2 설정 두께로 증착하는 과정과;
    아세톤을 이용하여 리프트 오프(lift-off)하는 과정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 오믹 접촉 형성을 이용한 산화아연 산화물 반도체의 발광 다이오드 및 레이저 다이오드용 금속 박막 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 표면 세척 과정은 트리클로로에틸렌, 아세톤, 메탄올, 증류수를 이용하여 초음파 세척기 내에서 50℃ 온도로 각각 5분씩 수행되는 것을 특징으로 하는 오믹 접촉 형성을 이용한 산화아연 산화물 반도체의 발광 다이오드 및 레이저 다이오드용 금속 박막 제조 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 증착 과정은 전자빔 증착기(Electron-beam evaporator)를 이용하여 5×10-5내지 2×10-7토르(Torr) 진공 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 오믹 접촉 형성을 이용한 산화아연 산화물 반도체의 발광 다이오드 및 레이저 다이오드용 금속 박막 제조 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 단계 수행 후, 제 3 설정 온도 하에서 제 5 설정 시간동안 열처리하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오믹 접촉 형성을 이용한 산화아연 산화물 반도체의 발광 다이오드 및 레이저 다이오드용 금속 박막 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 열처리 공정은 질소 또는 아르곤 분위기 하의 급속 가열로(Rapid Thermal Annealing : RTA) 내에서 수행되는 것을 특징으로 하는 오믹 접촉 형성을 이용한 산화아연 산화물 반도체의 발광 다이오드 및 레이저 다이오드용 금속 박막 제조 방법.
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