KR20020026737A - Optoelectrical device having transparent ohmic contact and method of fabricating the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 투명한 오믹접합(ohmic contact)을 갖는 광전소자 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 갈륨나이트라이드계(GaN -based) 물질의 발광성을 이용한 광전소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a photoelectric device having a transparent ohmic contact and a method for manufacturing the same, and more particularly, to an optoelectronic device using a light emitting property of a gallium nitride-based (GaN-based) material and a method for manufacturing the same.
알루미늄나이트라이드(AlN), 갈륨나이트라이드(GaN), 인듐나이트라이드(InN)와 같은 3족 나이트라이드계 물질들은 연속적인 합금을 형성할 수 있다는 점, 기계적 및 열적 안정성이 높다는 점 및 압전계수(piezoelectric constant)가 높다는 점등 때문에 1970년대 이래 반도체소자, 특히 청색 UV 광다이오드등에 유망한 물질로 연구되어져 왔다. 특히, 갈륨나이트라이드는 얇은 갈륨옥사이드가 표면에 보호막으로 생성될 수 있으며, 우짜이트(wurtzite) 물질에서 자발 및 압전 분극과 높은 전자 이동속도로 인하여 발광소자 등 광전소자에 널리 이용되고 있다.Group III nitride materials such as aluminum nitride (AlN), gallium nitride (GaN), and indium nitride (InN) can form continuous alloys, have high mechanical and thermal stability, and piezoelectric coefficients ( Since the piezoelectric constant is high, it has been studied as a promising material for semiconductor devices, especially blue UV photodiodes, since the 1970s. In particular, gallium nitride can be formed as a protective film on the surface of the thin gallium oxide, it is widely used in photovoltaic devices such as light emitting devices due to spontaneous and piezoelectric polarization and high electron transfer speed in the wurtzite material.
한편, 갈륨나이트라이드를 이용한 발광다이오드, 레이저 다이오드, GaN MESFET(Metal-Semiconductor Field Effect Transistor), MODFET(Modulation DopedField Effect Transitor)등은 기생 접합저항으로 인하여 그 품질이 제한을 받고 있기 때문에 저저항의 오믹접합을 위한 다양한 연구들이 진행되어 왔다. 주로 티타늄, 금, 팔라듐, 니켈, 백금등 금속물질들이 접합물질로써 연구 및 사용되어 왔다.On the other hand, light emitting diodes using gallium nitride, laser diodes, GaN Metal-Semiconductor Field Effect Transistors (MESFETs), Modulation DopedField Effect Transitors (MODFETs), etc., are limited in quality due to parasitic junction resistance, resulting in low ohmic Various studies for conjugation have been conducted. Mainly titanium, gold, palladium, nickel, platinum and other metal materials have been studied and used as a bonding material.
도 1은 종래의 발광다이오드의 한 예를 나타낸 단면도이며, 도 2는 외부와의 전기적 접속을 위한 본딩와이어를 형성한 도 1의 발광다이오드의 평면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 산화알루미늄 기판(10) 상에 GaN층(12), 실리콘이 도핑된 n형 GaN층(14), 실리콘이 도핑된 n형 AlGaN층(16), 실리콘이 도핑된 n형 InGaN층(18), InGaN층(20), 마그네슘이 도핑된 p형 AlGaN층(22), 마그네슘이 도핑된 p형 GaN층(24)이 연속하여 형성되어 전체적으로 pn 접합구조를 이루고 있다. 티타늄/알루미늄(Ti/Al)으로 이루어진 n형 접합(28)이 실리콘이 도핑된 n형 GaN층(14)의 측벽 부분에 형성되어 본딩와이어(30)와 연결되며, 니켈/금(Ni/Au)으로 이루어진 p형 접합(26)이 p형 GaN층(24)상에 패터닝되어 있으며, 역시 외부와의 전기적 접속을 위해 본딩와이어(30)와 연결되어 있다.1 is a cross-sectional view showing an example of a conventional light emitting diode, and FIG. 2 is a plan view of the light emitting diode of FIG. 1 in which a bonding wire is formed for electrical connection with the outside. 1 and 2, on the aluminum oxide substrate 10, a GaN layer 12, an n-type GaN layer 14 doped with silicon, an n-type AlGaN layer 16 doped with silicon, and silicon doped. The n-type InGaN layer 18, the InGaN layer 20, the p-type AlGaN layer 22 doped with magnesium, and the p-type GaN layer 24 doped with magnesium are successively formed to form a pn junction structure as a whole. . An n-type junction 28 made of titanium / aluminum (Ti / Al) is formed in the sidewall portion of the silicon-doped n-type GaN layer 14 to be connected to the bonding wire 30 and is formed of nickel / gold (Ni / Au). The p-type junction 26 is formed on the p-type GaN layer 24, and is also connected to the bonding wire 30 for electrical connection with the outside.
발광다이오드 소자는 기본적으로 pn 접합의 접합부에서 빛이 발광하는 소자이나, 실제 소자에 있어서 p형 GaN층(24) 부분에서 빛이 발광하는 구조로써, 도시된 바와 같이 p형 GaN층(24)은 소자의 구성에서 상대적으로 넓은 부분을 차지하고 있으며, 또한 p형 GaN층(24)은 전자 스프레딩(spreading)이 좋지 않아 p형 GaN층(24)의 거의 전면 부분에 p형 접합층(26)을 형성하여 전자의 스프레딩 효과를 높이는 구조를 갖는다.A light emitting diode device is basically a device in which light emits light at a junction of a pn junction, but in a real device, light emits light in a portion of the p-type GaN layer 24. As illustrated, the p-type GaN layer 24 is The p-type GaN layer 24 has a relatively large portion in the device configuration, and the p-type GaN layer 24 is poor in electron spreading, so that the p-type bonding layer 26 is formed on almost the entire surface of the p-type GaN layer 24. It has a structure to increase the spreading effect of the electrons.
그러나, 상기와 같은 종래의 발광소자의 경우 저저항의 측면이나 전자 스프레딩 효과의 측면에서는 양호한 소자이나, p형 접합층(26)을 금속물질을 사용하기 때문에 광학적 손실이 매우 커 50% 미만의 투과도만을 가진다는 문제점이 있다.However, in the conventional light emitting device as described above, since it is a good device in terms of low resistance or in terms of electron spreading effect, since the p-type bonding layer 26 uses a metal material, optical loss is very large and less than 50%. There is a problem of having only transmittance.
본 발명의 목적은, 투과도와 전기전도도가 우수하면서도 갈륨나이트라이드층과 오믹접합을 이루는 투명 오믹접합을 갖는 광전소자를 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an optoelectronic device having a transparent ohmic junction which is excellent in transmittance and electrical conductivity but also forms an ohmic junction with a gallium nitride layer.
본 발명의 다른 목적은, 투과도와 전기전도도가 우수하면서도 갈륨나이트라이드층과 오믹접합을 이루는 투명 오믹접합을 갖는 광전소자의 제조방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing an optoelectronic device having a transparent ohmic junction which is excellent in transmittance and electrical conductivity and ohmic junction with a gallium nitride layer.
도 1은 종래의 발광다이오드(LED)의 한 예를 나타내는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing an example of a conventional light emitting diode (LED).
도 2는 본딩와이어가 형성된 도 1의 발광다이오드의 평면도이다.FIG. 2 is a plan view of the light emitting diode of FIG. 1 in which a bonding wire is formed. FIG.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 오믹접합을 갖는 광전소자의 제조과정을 설명하기 위한 공정순서도이다.3 is a flowchart illustrating a manufacturing process of an optoelectronic device having a transparent ohmic junction according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 오믹접합을 갖는 광전소자를 나타내는 단면도이다.4 is a cross-sectional view illustrating an optoelectronic device having a transparent ohmic junction according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 투명 오믹접합을 갖는 광전소자를 나타내는 단면도이다.5 is a cross-sectional view of an optoelectronic device having a transparent ohmic junction according to another exemplary embodiment of the present invention.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 투명 오믹접합을 갖는 광전소자의 콘택저항을 나타낸 그래프들이다.6 to 9 are graphs showing contact resistance of a photoelectric device having a transparent ohmic junction manufactured according to embodiments of the present invention.
도 10 내지 도 17은 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 투명 오믹접합을 갖는 광전소자의 I-V 특성곡선을 나타낸 그래프들이다.10 to 17 are graphs showing I-V characteristic curves of an optoelectronic device having a transparent ohmic junction manufactured according to embodiments of the present invention.
도 18은 종래의 금속접합 광전소자의 I-V 특성곡선을 나타낸 그래프이다.18 is a graph showing I-V characteristic curves of a conventional metal junction optoelectronic device.
도 19는 종래의 금속접합 광전소자와 본 발명의 실시예들에 따른 투명 오믹접합을 갖는 광전소자의 투과도를 비교한 그래프이다.19 is a graph comparing the transmittance of a conventional metal junction photoelectric device and a photoelectric device having a transparent ohmic junction according to embodiments of the present invention.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※ Explanation of codes for main parts of drawing
24, 42 ; p형 GaN층 26 ; p형 접합층24, 42; p-type GaN layer 26; p-type junction layer
28 ; n형 접합층 30 ; 본딩와이어28; n-type bonding layer 30; Bonding Wire
40 ; 기판 44, 48 ; ITO막40; Substrates 44 and 48; ITO membrane
46 ; 코발트막46; Cobalt film
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 투명 오믹접합을 갖는 광전소자는, 특정 기판 상에 형성된 갈륨나이트라이드층, 상기 갈륨나이트라이드층에 외부적으로 전압을 인가할 수 있는 전압인가수단 및 상기 상기 갈륨나이트라이드층과 상기 전압인가수단 사이에서 오믹접합을 형성하는 투명 ITO(Indium Tin Oxide)막을 포함한다.In order to achieve the above object, a photovoltaic device having a transparent ohmic junction according to the present invention includes a gallium nitride layer formed on a specific substrate, voltage applying means capable of externally applying a voltage to the gallium nitride layer, and the And a transparent indium tin oxide (ITO) film forming an ohmic junction between the gallium nitride layer and the voltage application means.
상기 ITO막은 1000 내지 2000 Å의 두께로 형성될 수 있으며, 상기 투명 ITO막과 상기 갈륨나이트라이드층 사이에 코발트막이 더 형성될 수 있다. 또한, 상기 ITO막은 인듐(In)이 37 내지 38 at %, 주석(Sn)이 2 내지 3 at %, 산소(O)가 58 내지 60 at %인 것을 사용할 수 있다.The ITO film may be formed to a thickness of 1000 to 2000 GPa, and a cobalt film may be further formed between the transparent ITO film and the gallium nitride layer. In addition, the ITO film may have a 37 to 38 at% of indium (In), 2 to 3 at% of tin (Sn), and 58 to 60 at% of oxygen (O).
상기 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 투명 오믹접합을 갖는 광전소자의 제조방법은, 기판상에 갈륨나이트라이드층을 형성하는 단계, 상기갈륨나이트라이드층의 표면을 세정하기 위하여 전처리하는 단계, 상기 전처리된 갈륨나이트라이드층 상에 ITO막을 증착하는 단계 및 상기 갈륨나이트라이드층과 상기 ITO막이 오믹접합이 되도록 상기 ITO막이 형성된 기판을 열처리하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a photovoltaic device having a transparent ohmic junction, the method comprising: forming a gallium nitride layer on a substrate, and pretreatment to clean the surface of the gallium nitride layer. And depositing an ITO film on the pretreated gallium nitride layer and heat treating the substrate on which the ITO film is formed such that the gallium nitride layer and the ITO film are ohmic-bonded.
상기 갈륨나이트라이드층은 마그네슘이 도핑된 p형 갈륨나이트라이드층이며, 유기금속 화학기상증착법(MOCVD)법에 의해 형성할 수 있다.The gallium nitride layer is a p-type gallium nitride layer doped with magnesium, and may be formed by organometallic chemical vapor deposition (MOCVD).
또한, 상기 갈륨나이트라이드층을 전처리하는 단계는, 상기 갈륨나이트라이드층의 표면을 초음파 세정하는 단계, 상기 기판을 아세톤 및 알코올을 포함한 세정액에 디핑하는 단계, 상기 세정액에 디핑한 후 초순수로 린스하는 단계 및 상기 린스된 기판의 표면을 질소가스로 불로잉하는 단계를 구비할 수 있다.The pretreatment of the gallium nitride layer may include: ultrasonically cleaning the surface of the gallium nitride layer, dipping the substrate into a cleaning solution containing acetone and alcohol, and rinsing with ultrapure water after dipping into the cleaning solution. And blowing the surface of the rinsed substrate with nitrogen gas.
상기 세정액에는 HCl, 3HCl : HNO3, HF, H2SO4: H2O2(1:1), KOH, (NH4)2S 중 어느 하나 이상 포함된 것을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 아세톤 + 알코올 + HCl + 3HCl : HNO3로 구성된 세정액, 아세톤 + 알코올 + HCl + 3HCl : HNO3+ (NH4)2S로 구성된 세정액, 아세톤 + 알코올 + HCl + 3HCl : HNO3+ KOH + (NH4)2S로 구성된 세정액을 사용할 수 있다.The cleaning solution may be one containing at least one of HCl, 3HCl: HNO 3 , HF, H 2 SO 4 : H 2 O 2 (1: 1), KOH, (NH 4 ) 2 S, preferably acetone + Alcohol + HCl + 3HCl: cleaning solution consisting of HNO 3 , acetone + alcohol + HCl + 3HCl: cleaning solution consisting of HNO 3 + (NH 4 ) 2 S, acetone + alcohol + HCl + 3HCl: HNO 3 + KOH + (NH 4 ) it may be a cleaning liquid consisting of S 2.
상기 ITO막을 형성하는 단계는 전자빔 증착법에 의해 수행하며, 상기 열처리 단계는 300 내지 800 ℃의 범위에서 수십 내지 수백초 동안 급속열처리하여 수행할 수 있다.The forming of the ITO film may be performed by an electron beam deposition method, and the heat treatment may be performed by rapid heat treatment for several tens to hundreds of seconds in the range of 300 to 800 ° C.
본 발명에 의하면, 투명 도전막인 ITO막을 접합층으로 사용함으로써 광투과도가 매우 향상될 수 있으며, 동시에 ITO막을 I-V특성 곡선에서 오믹접합이 될 때까지 열처리를 수행하기 때문에 저저항의 오믹접합을 갖는 광전소자를 실현할 수 있다.According to the present invention, light transmittance can be greatly improved by using an ITO film, which is a transparent conductive film, as a bonding layer, and at the same time, the heat treatment is performed until the ITO film is ohmic-bonded on the IV characteristic curve. An optoelectronic device can be realized.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 보다 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described embodiments of the present invention in more detail. The present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but can be implemented in various different forms, only the embodiments are to make the disclosure of the present invention complete, the scope of the invention to those skilled in the art It is provided to inform you more completely.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 오믹접합을 갖는 광전소자의 제조과정을 간략히 나타낸 공정순서도로써, 구체적으로 발광다이오드에 적용한 예를 나타낸다.3 is a process flowchart briefly illustrating a manufacturing process of an optoelectronic device having an ohmic junction according to an exemplary embodiment of the present invention, and shows an example of applying the light emitting diode to the light emitting diode.
도 3을 참조하면, GaN층이 형성된 기판을 준비한다(S100). 발광다이오드는 기본적으로 pn접합부에서 발광하는 성질을 이용한 것이기 때문에 특정 기판상에 n형 GaN층 및 p형 GaN층을 구비하게 된다. 그러나, 본 실시예에서는 p형 GaN층과 그 위에 형성되는 p형 접합층간의 접합특성을 고찰하기 위해 이러한 기본구성을 단순히 하여 사파이어 기판상에 GaN층을 유기금속 화학기상증착(MOCVD)법에 의해 형성한다. GaN층과 접합층간의 여러 가지 특성을 파악하기 위해 불순물이 도핑되지 않은 GaN층 또는 마그네슘이 107/cm3이나 그이하가 포함된 p형 GaN층을 형성시킬 수도 있다.Referring to FIG. 3, a substrate on which a GaN layer is formed is prepared (S100). Since the light emitting diode basically uses the property of emitting light at the pn junction, an n-type GaN layer and a p-type GaN layer are provided on a specific substrate. However, in this embodiment, in order to consider the bonding characteristics between the p-type GaN layer and the p-type bonding layer formed thereon, the basic structure is simply used, and the GaN layer is deposited on the sapphire substrate by the organic metal chemical vapor deposition (MOCVD) method. Form. In order to understand various properties between the GaN layer and the bonding layer, a GaN layer without doping impurities or a p-type GaN layer containing 10 7 / cm 3 or less of magnesium may be formed.
이어서, GaN층이 형성된 기판을 표면세정을 위해 전처리한다(S110). 이러한 전처리를 수행하는 것은 GaN층이 형성된 후 GaN층 표면에 갈륨옥사이드가 형성되기때문에 터널링을 위해 이를 제거하여야 한다. 보다 구체적으로는, 상기 갈륨나이트라이드층을 전처리하는 단계는, 먼저 갈륨나이트라이드층의 표면을 아세톤 및 알코올 등의 유기용매하에서 초음파로 세정한다. 다음에 갈륨옥사이드층이 형성된 기판을 아세톤 및 알코올을 포함한 세정액에 디핑하여 갈륨옥사이드층을 습식 제거한다. 상기 세정액에는 HCl, 3HCl : HNO3, HF, H2SO4: H2O2(1:1), KOH, (NH4)2S 중 어느 하나 이상 포함된 것을 사용할 수 있다.Subsequently, the substrate on which the GaN layer is formed is pretreated for surface cleaning (S110). Performing this pretreatment requires removal of the GaN layer for tunneling since gallium oxide is formed on the surface of the GaN layer. More specifically, in the pretreatment of the gallium nitride layer, first, the surface of the gallium nitride layer is ultrasonically cleaned under an organic solvent such as acetone and alcohol. Next, the substrate on which the gallium oxide layer is formed is dipped in a cleaning solution containing acetone and alcohol to wet remove the gallium oxide layer. The cleaning solution may be one containing at least one of HCl, 3HCl: HNO 3 , HF, H 2 SO 4 : H 2 O 2 (1: 1), KOH, (NH 4 ) 2 S.
본 실시예에서는 세정액에 따른 전처리 효과를 파악하기 위해 다양한 세정액, 즉 아세톤 + 알코올 + HCl + 3HCl : HNO3로 구성된 세정액에서 전처리한 것(샘플#A), 아세톤 + 알코올 + HCl + 3HCl : HNO3+ (NH4)2S로 구성된 세정액에서 전처리한 것(샘플#B), 아세톤 + 알코올 + HCl + 3HCl : HNO3+ KOH + (NH4)2S로 구성된 세정액에서 전처리한 것(샘플#C)을 사용하였다.In this embodiment, in order to determine the effect of the pretreatment according to the cleaning solution, pre-treatment in various cleaning solutions, that is, acetone + alcohol + HCl + 3HCl: HNO 3 (sample #A), acetone + alcohol + HCl + 3HCl: HNO 3 + Pretreated in a wash solution consisting of (NH 4 ) 2 S (sample #B), acetone + alcohol + HCl + 3HCl: pretreated in a wash solution consisting of HNO 3 + KOH + (NH 4 ) 2 S (sample #C ) Was used.
이어서, 각 샘플들을 초순수로 린스한 후, 린스된 기판의 표면을 질소가스로 불로잉(blowing)하여 건조시켰다.Subsequently, after rinsing each sample with ultrapure water, the surface of the rinsed substrate was blown with nitrogen gas and dried.
이어서, 갈륨옥사이드가 제거된 갈륨나이트라이드층상에 접합층으로서 ITO막을 증착시킨다(S120). ITO막의 증착방법은 상온 또는 300 내지 700℃의 기판온도에서 전자빔증착(Electron beam evaporation)법에 의해 수행하였으며, 초기진공도가 5 x 10-5Torr이하에서 0.3 내지 3 Å/초의 증착속도로 증착두께가 1000 내지 2000 Å가 되도록 수행하였다.Subsequently, an ITO film is deposited as a bonding layer on the gallium nitride layer from which gallium oxide is removed (S120). The deposition method of the ITO film was carried out by an electron beam evaporation method at room temperature or a substrate temperature of 300 to 700 ℃, the deposition thickness at a deposition rate of 0.3 to 3 Å / second at an initial vacuum of less than 5 x 10 -5 Torr Was performed to be 1000 to 2000 kPa.
본 발명의 다른 실시예로서, 상기 갈륨나이트라이드층을 예를 들어 1000 Å의 두께로 형성시킨 후, 코발트막을 예를 들어 50 Å의 두께로 형성할 수도 있다. 한편, 본 발명의 실시예들과 접합 특성을 비교하기 위하여 Ni/Au 층을 갈륨나이트라이드막상에 형성시킨 비교샘플도 준비하였다.In another embodiment of the present invention, the gallium nitride layer may be formed to a thickness of, for example, 1000 GPa, and then the cobalt film may be formed to a thickness of 50 GPa, for example. Meanwhile, in order to compare the bonding properties with the embodiments of the present invention, a comparative sample in which a Ni / Au layer was formed on a gallium nitride film was also prepared.
일반적으로 투명전도막은 폭 넓은 산업적 응용 가능성 때문에 많은 연구자들에 의해 연구되어 왔으며, 이러한 투명 전도막은 가시광선 영역에서 높은 광학적 투과도와 높은 전기전도도를 가지지만, 전자기 이론에 의하면 광자는 높은 밀도의 전하 운반자에 의해 강하게 흡수되기 때문에 높은 전기전도도와 광학적 투과도는 상호 배타적인 성질은 보여주기 때문에 일반적인 물질은 전기전도도와 광학적 투과도가 동시에 우수한 물질은 드물다.In general, transparent conductive films have been studied by many researchers because of their wide industrial applicability. Such transparent conductive films have high optical transmittance and high electrical conductivity in the visible region, but according to electromagnetic theory, photons have high density of charge carriers. Because of its strong absorption, high electrical conductivity and optical transmittance show mutually exclusive properties, and therefore, a general material rarely has excellent electrical conductivity and optical transmittance at the same time.
이러한 양자의 특성을 동시에 만족시켜줄 수 있는 물질로는 Zn, Cd, Sn 및 In의 산화물과 불순물이 혼입된 산화물등이 있다. 이들은 가시광선 및 근적외선 영역에서 높은 광투과도와 적외선 영역에서의 높은 반사도를 보여주며 비교적 높은 전기 전도도를 나타내는 물질들이며, 이들 가운데 가장 많이 사용되어지는 물질이 주석산화물과 주석이 혼입된 인듐산화물(ITO)이다. 따라서, 본 발명의 실시예는 비록 ITO막을 접합층으로서 사용하였지만, 본 발명의 사상이 미치는 범위내에서 높은 전기전도도와 광투과도를 갖는 다른 투명한 금속산화물에도 적용할 수 있을 것이다.Materials that can satisfy both of these characteristics include oxides of Zn, Cd, Sn, and In and oxides containing impurities. These materials exhibit high light transmittance in the visible and near infrared region and high reflectance in the infrared region and exhibit relatively high electrical conductivity. Among them, tin oxide and tin-containing indium oxide (ITO) are most commonly used. to be. Therefore, although the embodiment of the present invention uses the ITO film as the bonding layer, it can be applied to other transparent metal oxides having high electrical conductivity and light transmittance within the scope of the present invention.
이어서, 도 3에서 보여지듯이, ITO 접합층을 증착시킨 후 접합층을 소정의 온도 및 시간조건하에서 열처리를 수행한다(S130). 열처리 시간은급속열처리(RTA)장비에서는 15 내지 300초의 범위내에서 수행하며, 로(Furnace)에서는 1 내지 600 분의 범위내에서 수행할 수 있다. 열처리 분위기는 급속열처리장치에서는 진공하에서 질소가스 분위기하에서 수행하며, 로를 사용하는 경우 질소 및 산소 분위기하에서 수행한다. 열처리온도는 300 내지 800 ℃ 범위내에서 수행한다.Subsequently, as shown in FIG. 3, after the ITO bonding layer is deposited, the bonding layer is heat-treated under a predetermined temperature and time condition (S130). The heat treatment time is carried out in the range of 15 to 300 seconds in the rapid thermal treatment (RTA) equipment, and may be performed in the range of 1 to 600 minutes in the furnace (Furnace). The heat treatment atmosphere is performed under a nitrogen gas atmosphere under vacuum in a rapid heat treatment apparatus, and under nitrogen and oxygen atmosphere when a furnace is used. The heat treatment temperature is carried out in the range of 300 to 800 ℃.
본 실시예의 각 샘플에 대하여는 급속열처리장치에서 질소 분위기 하에서 각기 500℃, 600℃ 및 700℃의 온도조건하에서 각기 증착된 상태(as-deposited), 30초, 60초, 90초, 및 120초 동안 열처리를 수행하였다.For each sample of the present embodiment, in the rapid heat treatment apparatus under nitrogen atmosphere, respectively, as-deposited under temperature conditions of 500 ° C., 600 ° C. and 700 ° C., respectively, for 30 seconds, 60 seconds, 90 seconds, and 120 seconds. Heat treatment was performed.
이어서, ITO 접합층에 대하여 소정의 식각공정을 통하여 갈륨나이트라이드층상에서 원하는 패턴을 갖도록 패터닝한다(S140). 한편, 본 실시예의 실험에서는 콘택저항 및 IV-특성등의 접합특성을 조사하기 위하여 내부 점(inner dot)로부터 외부 원(outer circle) 사이의 공간이 5 내지 30 ㎛ 가 되는 c-TML 패턴을 형성하였다. 이때 패턴형성을 위해 습식식각 방법 또는 리프트-오프 방법을 사용할 수 있다. 즉, ITO막을 전면 증착한 후 포토레지스트 패턴에 의해 습식식각을 통하여 패턴을 형성할 수도 있으며, 반면에 포토레지스트 패턴을 형성한 후 ITO막을 증착한 후 리프트-오프방식으로 제거하여 패턴을 형성할 수도 있다.Subsequently, the ITO bonding layer is patterned to have a desired pattern on the gallium nitride layer through a predetermined etching process (S140). On the other hand, in the experiment of the present embodiment, in order to examine the contact characteristics such as contact resistance and IV-characteristics, a c-TML pattern is formed in which the space between the inner dot and the outer circle becomes 5 to 30 µm. It was. In this case, a wet etching method or a lift-off method may be used for pattern formation. That is, a pattern may be formed by wet etching with a photoresist pattern after depositing the entire surface of the ITO film, whereas the pattern may be formed by forming a photoresist pattern and then depositing the ITO film and then removing it by a lift-off method. have.
ITO막을 급속열처리장치에서 질소분위기하에 600℃로 열처리한 후 ITO 패턴을 습식식각공정과 리프트-오프방식으로 각기 형성한 경우의 콘택저항을 비교한 결과, 리프트-오프 방식에 의한 경우 열처리시간이 30초인 경우 최하의 콘택저항값, 2.26 X 10-1Ω㎝2를 나타내었으며, 습식식각공정에 의한 경우에는 90초의 열처리시간에서 1.74 X 10-1Ω㎝2를 나타내어, 리프트-오프 방식에 의해 패턴을 형성하는 경우에 콘택저항값이 습식식각공정에 의한 경우보다 작기 때문에 보다 바람직한 공정이라 할 수 있다.After heat treatment of ITO membrane at 600 ℃ under nitrogen atmosphere in rapid heat treatment apparatus, the contact resistance of ITO pattern formed by wet etching process and lift-off method was compared. In the case of the second, the lowest contact resistance value, 2.26 X 10 -1 2cm 2, and in the case of the wet etching process, 1.74 X 10 -1 90cm 2 at the heat treatment time of 90 seconds, the pattern by the lift-off method In the case of forming a, the contact resistance value is smaller than that by the wet etching process, which is more preferable.
이어서, 도 3에는 도시하지 않았지만, ITO 접합층을 패터닝하여 형성한 후, 후속하여 외부적으로 전압을 인가할 수 있는 본딩와이어들을 연결시킬 수 있으며, 보호막으로 플라스틱 캡슐등을 형성하여 광전소자를 완성시킨다. 상기 ITO 접합층을 패터닝하기 위하여 역시 전술한 바와 같이 습식식각공정 또는 리프트-오프방식을 모두 사용할 수 있다.Subsequently, although not shown in FIG. 3, the ITO bonding layer is formed by patterning, and then bonding wires that can be externally applied with voltage can be connected, and a plastic capsule or the like is formed as a protective film to complete an optoelectronic device. Let's do it. In order to pattern the ITO bonding layer, a wet etching process or a lift-off method may be used as described above.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 오믹접합을 갖는 광전소자를 나타내는 단면도이며, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 투명 오믹접합을 갖는 광전소자를 나타내는 단면도이다.4 is a cross-sectional view illustrating an optoelectronic device having a transparent ohmic junction, and FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating an optoelectronic device having a transparent ohmic junction, according to another exemplary embodiment.
도 4를 참조하면, 기판(40)상에 n형 GaN층(41)과 p형 GaN층(42)이 형성되어 있으며, P형 GaN층(40) 상에는 접합층으로서 ITO 접합층(44)이 형성되며, 도 5를 참조하면, P형 GaN층(42) 상에 ITO 접합층(46) 및 코발트막(48)이 형성되어 있다. 도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예들을 매우 간략히 표현한 도면으로써, P형 GaN층(42)과 N형 GaN층(41) 사이는 도 1에 도시된 바와 같이 여러 가지 불순물들이 혼입되거나 합금층이 다양하게 형성될 수 있음은 물론이다.Referring to FIG. 4, an n-type GaN layer 41 and a p-type GaN layer 42 are formed on a substrate 40, and an ITO bonding layer 44 is formed on the P-type GaN layer 40 as a bonding layer. 5, the ITO junction layer 46 and the cobalt film 48 are formed on the P-type GaN layer 42. 4 and 5 are very simplified diagrams of embodiments of the present invention, and the various types of impurities are mixed or alloy layers between the P-type GaN layer 42 and the N-type GaN layer 41 as shown in FIG. 1. Of course, this may be variously formed.
이하에서는 발광다이오드의 P형 접합층으로서 ITO막을 사용하거나 ITO막 및 코발트막의 복합막을 사용한 본 발명의 각 실시예들에 의하여 제조된 각 샘플과 P형 접합층으로서 니켈/금의 금속층을 사용하여 제조한 종래기술의 샘플에 대한 광학적 및 전기적 성질을 조사하였다.Hereinafter, each sample prepared by each embodiment of the present invention using an ITO film as a P-type bonding layer of a light emitting diode or a composite film of an ITO film and a cobalt film and a metal layer of nickel / gold as a P-type bonding layer are prepared. The optical and electrical properties of one prior art sample were investigated.
전기적 특성을 알아보기 위해 각 샘플에 대한 면저항(Sheet Resistance; Rs) 및 콘택저항(Contact Resistance; Rc)과 I-V 특성에 대하여 4-포인트 프로브 및 HP 4145B 반도체 파라미터 분석기를 사용하였으며, ITO막과 P형 갈륨나이트라이드막의 접촉면에서의 마이크로 구조 특성을 조사하기 위해 AES(Auger Electron Spectroscopy)를 사용하였으며, 청색광 파장(420nm)영역에서의 투과도를 측정하기 위해 UV 스펙트로미트리를 사용하였다.To investigate the electrical characteristics, 4-point probe and HP 4145B semiconductor parameter analyzer were used for Sheet Resistance (Rs), Contact Resistance (Rc) and IV characteristics for each sample. AES (Auger Electron Spectroscopy) was used to investigate the microstructural characteristics at the contact surface of the gallium nitride film, and UV spectrometry was used to measure the transmittance in the blue light wavelength (420 nm) region.
먼저, 상온에서 전자빔 증착법에 의해 2000Å의 두께로 증착된 ITO막의 면저항을 측정한 결과 수 ㏀/□이었지만, 본 발명의 열처리를 수행한 결과 40 내지 60 ㏀/□ 정도의 면저항값이 측정되었다.First, the sheet resistance of the ITO film deposited at a thickness of 2000 kV by electron beam evaporation at room temperature was several kW / square. However, as a result of performing the heat treatment of the present invention, a sheet resistance of 40 to 60 kW / square was measured.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 투명 오믹접합을 갖는 광전소자의 콘택저항을 나타낸 그래프들이다.6 to 9 are graphs showing contact resistance of a photoelectric device having a transparent ohmic junction manufactured according to embodiments of the present invention.
도 6은 전술한 바와 같이 전처리한 샘플 #A, #B 및 #C에 대하여 각기 500℃의 온도로 열처리한 후의 열처리시간과 콘택저항을 나타낸 것으로써, 샘플 #A가 가장 큰 콘택저항값을 갖는 것으로 나타났으며, 전반적으로 열처리시간의 증가에 따라 콘택저항이 줄어듬을 알 수 있다.6 shows the heat treatment time and contact resistance after heat treatment at temperatures of 500 ° C. for samples #A, #B, and #C pretreated as described above, where sample #A has the largest contact resistance. In general, it can be seen that as the overall heat treatment time increases, the contact resistance decreases.
도 7은 전술한 바와 같이 전처리한 샘플 #A, #B 및 #C에 대하여 각기 600℃의 온도로 열처리한 후의 열처리시간과 콘택저항을 나타낸 것으로써, 열처리시간 90초(s)에서 샘플 #B가 가장 낮은 0.138 Ω㎝2를 나타낸다. 각 샘플에서 콘택저항값은 90초 까지 감소하다가 다시 증가함을 알 수 있다.FIG. 7 shows the heat treatment time and contact resistance after heat treatment at temperatures of 600 ° C. for samples #A, #B, and #C pretreated as described above, and shows sample #B at heat treatment time of 90 seconds (s). Represents the lowest 0.138 cm 2 . In each sample, it can be seen that the contact resistance decreases until 90 seconds and then increases again.
도 8은 샘플 #A 및 #C에 대하여 각기 700℃의 온도로 열처리한 후의 열처리시간과 콘택저항을 나타낸 것으로써, 샘플 #A가 60초의 열처리에 의해 1.36 Ω㎝2를 나타내며, 샘플 #C가 0.346 Ω㎝2를 나타낸다.8 shows the heat treatment time and contact resistance after heat treatment at temperatures of 700 ° C. for samples #A and #C, respectively. Sample #A shows 1.36 Ωcm 2 after 60 seconds of heat treatment. 0.346 cm 2 .
도 9는 전술한 Co/ITO막의 샘플과 Ni/Au막의 샘플에 대하여 열처리온도 및 열처리시간에 따른 콘택저항값을 측정한 그래프를 나타낸다.FIG. 9 is a graph illustrating contact resistance values according to a heat treatment temperature and a heat treatment time of the sample of the Co / ITO film and the sample of the Ni / Au film.
일반적으로 p형 접합층의 콘택저항이 10-1내지 10-3범위의 값을 갖는 것으로 알려져 있으며, 본 발명의 각 샘플들은 열처리온도와 열처리시간을 조절하여 이러한 범위의 콘택저항값을 가질 수 있음을 알 수 있다.In general, the contact resistance of the p-type junction layer is known to have a value in the range of 10 -1 to 10 -3 , each sample of the present invention may have a contact resistance value of this range by adjusting the heat treatment temperature and heat treatment time. It can be seen.
바와 같이 전처리한 샘플 #A, #B 및 #C에 대하여 각기 500℃의 온도로 열처리한 후의 열처리시간과 콘택저항을 나타낸 것으로써, 샘플 #A가 가장 큰 콘택저항값을 갖는 것으로 나타났으며, 전반적으로 열처리시간의 증가에 따라 콘택저항이 줄어듬을 알 수 있다.As shown in the heat treatment time and contact resistance after heat-treatment at a temperature of 500 ° C. for samples #A, #B, and #C, the sample #A had the largest contact resistance. In general, it can be seen that as the heat treatment time increases, the contact resistance decreases.
도 10 내지 도 17은 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 샘플들에 대한 I-V 특성곡선을 나타낸 그래프들이다.10 to 17 are graphs showing I-V characteristic curves of samples prepared according to embodiments of the present invention.
도 10 및 도 11은 샘플 #A에 대하여 각기 500℃ 및 700℃의 열처리온도하에서 열처리시간을 각기 애스-데포지트상태(as-deposited), 30초, 60초, 90초 및 120초 동안 수행한 후의 전류-전압 특성을 나타낸 것이다. 도 10 및 도 11로부터 일정한 온도조건하에서 열처리시간이 증가함에 따라 쇼트키 콘택(schottky contact)의 문턱전압값이 감소함을 알 수 있다.10 and 11 are subjected to an as-deposited, 30 seconds, 60 seconds, 90 seconds and 120 seconds heat treatment time under the heat treatment temperature of 500 ° C and 700 ° C for Sample #A, respectively. It shows the current-voltage characteristics after one. It can be seen from FIG. 10 and FIG. 11 that the threshold voltage value of the schottky contact decreases as the heat treatment time increases under a constant temperature condition.
도 12 및 도 13은 샘플 #B에 대하여 각기 500℃ 및 600℃의 열처리온도하에서 열처리시간을 각기 애스-데포지트상태(as-deposited), 30초, 60초, 90초 및 120초 동안 수행한 후의 전류-전압 특성을 나타낸 것이다. 도 12로부터 일정한 온도조건하에서 열처리시간이 증가함에 따라 쇼트키 콘택(schottky contact)의 문턱전압값이 감소함을 알 수 있으며, 도 13에서는 600℃의 열처리온도에서 90초간 열처리를 수행할 경우에 가장 문턱전압값이 낮음을 알 수 있다. 또한 이때의 콘택저항은 0.138 Ω㎝2의 최저값을 나타내었다.12 and 13 are subjected to an as-deposited, 30 seconds, 60 seconds, 90 seconds, and 120 seconds heat treatment time under a heat treatment temperature of 500 ° C and 600 ° C for Sample #B, respectively. It shows the current-voltage characteristics after one. It can be seen from FIG. 12 that the threshold voltage value of the Schottky contact decreases as the heat treatment time increases under a constant temperature condition. In FIG. 13, when the heat treatment is performed for 90 seconds at a heat treatment temperature of 600 ° C., FIG. It can be seen that the threshold voltage value is low. In addition, the contact resistance at this time showed the lowest value of 0.138 Ωcm 2 .
도 14 내지 도 16은 샘플 #C에 대하여 각기 500℃, 600℃ 및 700℃의 열처리온도하에서 열처리시간을 각기 애스-데포지트상태(as-deposited), 30초, 60초, 90초 및 120초 동안 수행한 후의 전류-전압 특성을 나타낸 것이다. 도 14로부터 일정한 온도조건하에서 열처리시간이 증가함에 따라 문턱전압값이 감소함을 알 수 있으나, 600 ℃ 및 700℃의 열처리온도에서 90초간 열처리를 수행할 경우에는 문턱전압값이 거의 최하값을 나타냄을 알 수 있다. 이러한 최하의 문턱전압조건은 또한 최하의 콘택저항값의 조건과 관련있음을 알 수 있다.14 to 16 show the heat treatment time under the heat treatment temperatures of 500 ° C., 600 ° C. and 700 ° C., respectively, for samples #C, as-deposited, 30 seconds, 60 seconds, 90 seconds, and 120, respectively. Current-voltage characteristics after performing for a second are shown. It can be seen from FIG. 14 that the threshold voltage value decreases as the heat treatment time increases under a constant temperature condition. However, when the heat treatment is performed for 90 seconds at the heat treatment temperatures of 600 ° C. and 700 ° C., the threshold voltage value is almost the lowest value. It can be seen. It can be seen that this lowest threshold voltage condition is also related to the condition of the lowest contact resistance value.
도 17은 Co/ITO막의 I-V특성곡선을 나타낸 그래프이며, 거의 열처리시간에 따라 I-V 특성곡선이 변하지 않음을 알 수 있다. 특히 600℃에서의 콘택저항값은 0.226 Ω㎝2정도로 낮은 것으로 측정되었다.17 is a graph showing the IV characteristic curve of the Co / ITO film, and it can be seen that the IV characteristic curve does not change with the heat treatment time. In particular, the contact resistance value at 600 ° C was measured to be as low as 0.226 Ωcm 2 .
도 18은 종래의 Ni/Au 접합층에 대한 I-V 특성곡선을 나타낸 그래프이다. 이 경우 700℃에서는 콘택특성이 열화되어 문턱전압이 증가함을 보였으며, 500℃에서60초간 열처리를 수행한 경우 오믹접합의 특성을 나타냄을 알 수 있었다.18 is a graph showing I-V characteristic curves of a conventional Ni / Au bonding layer. In this case, it was shown that the contact characteristics deteriorated at 700 ° C., thereby increasing the threshold voltage. When the heat treatment was performed at 500 ° C. for 60 seconds, the ohmic junction was exhibited.
이상의 전류-전압특성곡선 그래프로부터 ITO막 또는 Co/ITO막을 접합층을 사용한 경우 열처리온도와 열처리시간을 적절히 제어함으로써 낮은 콘택저항을 가지면서도 오믹콘택이 실현될 수 있음을 알 수 있다.From the above current-voltage characteristic curve graph, it can be seen that when the ITO film or the Co / ITO film is used as the bonding layer, ohmic contact can be realized while having a low contact resistance by appropriately controlling the heat treatment temperature and the heat treatment time.
도 19는 종래의 Ni/Au 금속접합층을 갖는 광전소자의 샘플과 본 발명의 실시예들에 따른 투명 오믹접합을 갖는 광전소자의 투과도를 비교한 그래프이다. 각 샘플은 1000Å의 두께를 갖는 ITO막 샘플, 50Å의 Co막/1000Å의 ITO막 샘플 및 50 Å의 Ni막/50Å의 Au막 샘플이며, 각기 열처리온도는 600℃이다. 청색광을 내는 420nm의 파장영역에서 Ni/Au 샘플의 경우 투과도가 40% 이하인데 비하여 ITO막 단독의 샘플은 거의 90%에 육박하였으며, Co/ITO 이중막의 샘플의 경우에도 거의 75%의 투과도를 나타냄을 알 수 있다. 한편, ITO막의 샘플의 경우에도 120초의 열처리시간의 경우에는 투과도에 크게 영향을 끼치지 않음을 알 수 있다.19 is a graph comparing the transmittance of a sample of a photoelectric device having a conventional Ni / Au metal junction layer and a photoelectric device having a transparent ohmic junction according to embodiments of the present invention. Each sample is an ITO film sample having a thickness of 1000 kPa, a 50 kPa Co film / 1000 kPa ITO film sample, and a 50 kPa Ni film / 50 kPa Au film sample, and the heat treatment temperature is 600 deg. In the wavelength range of 420nm that emits blue light, the transmittance of Ni / Au samples was 40% or less, while the samples of ITO film alone reached almost 90%, and the samples of Co / ITO bilayer showed almost 75% of transmittance. It can be seen. On the other hand, even in the case of the sample of the ITO film, it can be seen that the heat treatment time of 120 seconds does not significantly affect the permeability.
이상 본 발명을 상세히 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고 당업자에 의해 열처리 온도 및 시간조건, ITO막의 두께등 많은 변형 및 개량이 가능함은 물론이다.Although the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and many modifications and improvements such as heat treatment temperature and time conditions, thickness of the ITO film, and the like can be made by those skilled in the art.
상술한 본 발명에 따르면, 콘택저항값이 매우 낮으면서도 투과도가 거의 75 % 이상 향상된 오믹접합을 갖는 광전소자를 실현할 수 있다.According to the present invention described above, it is possible to realize an optoelectronic device having an ohmic junction with a very low contact resistance and an improved transmittance of about 75% or more.
또한, 본 발명에 따르면, 어닐링시간의 증가에 따라 콘택저항이 초기에는 감소하였으나 특정 열처리시간에서 최소의 콘택저항값을 가짐을 알 수 있으며, ITO접합층의 경우 증착 초기에는 쇼트키 콘택을 특성을 나타내었으나 열처리조건을 최적화함으로써 거의 오믹콘택을 나타내었다.In addition, according to the present invention, as the annealing time increases, the contact resistance initially decreases, but it can be seen that it has the minimum contact resistance value at a specific heat treatment time. However, it showed almost ohmic contact by optimizing heat treatment condition.
또한, Co/ITO 접합층의 경우에도 거의 오믹 콘택을 나타냄을 알 수 있으며, 최소의 콘택저항값이 2.26 X 10-1Ω㎝2를 나타내었다.In addition, in the case of the Co / ITO junction layer, it can be seen that almost ohmic contact was shown, and the minimum contact resistance value was 2.26 × 10 −1 μm 2 .
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