KR20040079506A - 화합물 반도체 발광 소자의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화합물 반도체 발광 소자의 제조 방법에 관한 것으로서, O₂농도가 높은 분위기일수록 p-GaN과 같이 p형으로 도핑된 반도체층의 활성화가 더 잘 이루어진다는 알려진 사실을 이용해, 산소 플라즈마 분위기 하에서 p-반도체층을 활성화시키도록 함으로써, 종래와 같이, 고온에서 활성화 공정을 수행하는 것보다 상대적으로 낮은 온도에서도 활성화 공정이 가능하기 때문에 불필요한 열적 에너지 낭비를 줄이고, 또한 p-반도체층의 활성화가 더 잘 이루어지기 때문에 소자의 수명이나 발광 효율 등을 증대시킬 수 있게 된다.

Description

화합물 반도체 발광 소자의 제조 방법{Method for manufacturing of light emitting device with composed chemical semiconductor}

본 발명은 O₂농도가 높은 분위기일수록 p-GaN과 같이 p형으로 도핑된 반도체층의 활성화가 더 잘 이루어진다는 알려진 사실을 이용해, 산소 플라즈마 분위기 하에서 p-반도체층을 활성화시키도록 함으로써, 종래와 비교해 상대적으로 낮은 온도에서 열처리를 하여 소자의 수명이나 발광 효율 등을 증대시키도록 하는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 발광 소자의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체는 직접 천이형으로 발광 효율이 높고, In농도 조절을 통해 적색부터 보라색, 자외선 영역까지의 발광 파장을 형성할 수 있어, 발광 다이오드 소자, 레이저 다이오드 소자 등의 발광 소자나 태양 전지, 광 센서 등의 수광 소자, 또는 트랜지스터, 파워 디바이스 등의 전자 디바이스 등에 널리 사용되고 있다.

이러한 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체의 제조 방법으로는 MBE(Molecular Beam Epitaxy)법, MOVPE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)법, HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)법 등이 이용되어 왔다.

특히, MOVPE는 대면적에 균일한 고품질의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 성장을 얻을 수 있어 화합물 반도체 제조 방법으로 널리 사용되고 있는데, 도 1은 이러한 MOVPE을 이용해 제조된 일반적인 화합물 반도체의 발광 소자가 도시된 도면이다.

이에 도시된 바와 같이, 통상의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체의 발광 소자는, 사파이어 기판(10) 상부에 n형으로 도핑된 질화갈륨층(이하 "n-GaN층으로 약칭함)(11), 활성층(12), p형으로 도핑된 질화갈륨층(이하 "p-GaN층"으로 약칭함)(13)이 순차적으로 형성되어 있으며, n-GaN층(11)의 일부가 노출되고 그 상부에 n-패드 전극(15)이 형성되어 있으며, p-GaN층(13) 상부에는 전류확산용 투명전극(14)과 p-패드 전극(16)이 순차적으로 형성되어 있다.

이렇게 형성되는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 발광 소자에서, 특히 p-GaN층을 높은 홀 농도(high hole concentration)를 가지도록 형성해야 하는데, 이를 위해 기존에는 주로 질소 또는 산소 분위기에서 고온의 열처리를 수행해 왔다.

즉, 마그네슘으로 p형 도핑된 p-GaN층을 예로 들면, MOCVD법을 이용해 p-GaN층을 형성할 경우, 마그네슘(Mg) 억셉터(accepter)가 활성화되지 못하고 수소와 결합하여 Mg-H의 중성 복합체를 형성하여 높은 저항을 가지게 되는데 이를 방지하기 위해 고온의 열처리를 통해서 Mg-H의 결합을 끊어 Mg와 결합되는 수소를 외부로 빠져 나오게 하여 왔다.

하지만, 이렇게 고온으로 열처리를 하게 되면, 많은 열적 에너지가 필요할 뿐만 아니라, 고온으로 인한 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체의 변질이나 결함 등을 발생시켜 해당 발광 소자의 수명을 줄어들게 하거나 발광 효율을 저하시키는 등의 여러 문제점들이 초래된다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해소시키기 위하여 개발된 것으로, O₂농도가 높은 분위기일수록 p-GaN과 같이 p형으로 도핑된 반도체층의 활성화가 더 잘 이루어진다는 사실을 이용해, 종래와 비교해 상대적으로 낮은 온도에서 열처리를 할 수 있는 산소 플라즈마 분위기 하에서 p-반도체층을 활성화시키도록 함으로써, 소자의 수명이나 발광 효율 등을 증대시킬 수 있도록 한 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 발광 소자의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이를 위해 본 발명은, 이종 기판 상부에 n-반도체층, 활성층, p-반도체층을순차적으로 형성하는 단계;

상기 p-반도체층부터 n-반도체층의 일부까지 수직 방향으로 메사(mesa) 식각하여 n-반도체층의 일부를 노출시키는 단계;

상기 p-반도체층 상면에 전류확산용 투명전극을 형성하고, 산소 플라즈마 분위기에서 p-반도체층을 활성화(activation)시키는 단계;

상기 노출된 n-반도체층과 전류확산용 투명 전극 상부에 각기 n-패드 전극과 p-패드 전극을 형성하는 단계를 통해 화합물 반도체 발광 소자를 제조하도록 한다.

그리고, 상기 이종 기판은 사파이어 기판으로 하는 것을 특징으로 하고, 상기 p-반도체층 또는 n-반도체층은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체층으로 하되, 특히, GaN층으로 하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 일반적인 화합물 반도체 발광 소자를 도시한 도면,

도 2a 내지 도 2e는 본 발명에 따른 화합물 반도체 발광 소자의 제조 방법의 바람직한 실시예를 도시한 공정 순서도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

20 : 사파이어 기판 21 : n-GaN층

22 : 활성층 23 : p-GaN층

24 : 투명전극 25 : n-패드 전극

26 : p-패드 전극

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에 따른 화합물 반도체 발광 소자의 제조 방법은, MOVPE 성장법을 이용해 이종 기판 상부에 n형 화합물 반도체층(이하 "n-반도체층"으로 약칭함), 활성층, p형 화합물 반도체층(이하 "p-반도체층"으로 약칭함)을 순차적으로 에피(epi) 성장시킨다.

다음, p-반도체층으로부터 n-반도체층의 일부까지 수직 방향으로 메사(mesa) 식각하여 n-반도체층의 일부를 노출시킨다.

그리고 나서, 상기 p-반도체층 상면에 금속성 물질로 이루어진 전류확산용 투명전극을 형성하고, p-반도체층과 전류 확산용 투명 전극간의 오믹 접촉과 동시에 p-반도체층의 활성화(activation)를 위한 열처리 공정을 수행한다.

이 때, 본 발명에서는 O₂농도가 높은 분위기일수록 p-반도체층의 활성화가 더 잘 이루어진다는 알려진 사실을 이용해, 종래와 같이 p-반도체층을 질소 분자 상태의 분위기, 또는 산소 분자 상태의 분위기에서 활성화시키는 것 대신에 이온 상태의 산소 플라즈마 분위기 하에서 p-반도체층을 활성화시키도록 한다.

즉, 종래와 같이, 질소 분자 상태의 분위기, 또는 산소 분자 상태의 분위기 하에서 p-반도체층을 활성화시키게 되면, 질소 분자 상태의 분위기하에서는 p-반도체층을 성장시킬 때 사용된 물질로부터 이탈되어 잔존하게 되는 H₂가 그 분자 상태로 빠져나가게 된다.

그리고, 산소 분자 상태의 분위기하에서는 산소 분자가 산소 이온으로 분리되고 수소 이온과 결합하여 H2O의 형태로 쉽게 빠져나가는 대신 약 600℃ 정도의 고온으로 열처리를 해야 하기 때문에 많은 에너지가 필요하다.

따라서, 저온에서도 산소 이온으로 그 상태를 유지할 수 있으면 H₂O의 형태로 쉽게 외부로 빠져나갈수 있을 뿐만 아니라, 불필요한 에너지 낭비도 방지할 수 있다.

그래서, 본 발명에서와 같이, O₂플라즈마 분위기 하에서 p-반도체층을 활성화시키게 되면, 종래와 같이, 고온에서 활성화 공정을 수행하는 것보다 상대적으로 p-반도체층의 활성화가 더 잘 이루어질 뿐만 아니라, 낮은 온도에서도 활성화 공정이 가능하기 때문에 불필요한 열적 에너지 낭비를 줄일 수 있게 된다.

한편, 열처리 공정을 통해 p-반도체층의 활성화가 이루어지고 나면, 와이어 본딩을 위해 노출된 n-반도체층 상부에 n-패드 전극을 형성하고, 전류확산용 투명 전극 상부에 p-패드 전극을 형성하여 본 발명을 종료한다.

이와 같이, 종래와 비교해 상대적으로 낮은 온도에서 열처리를 할 수 있는 산소 플라즈마 분위기 하에서 p-반도체층을 활성화시킴으로써, 발광 소자의 수명이나 그 발광 효율 등을 증대시킬 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도 2a 내지 도 2e를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

< 실시예>

상기 도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 실시예를 공정 순서에 따라 도시한 도면이다.

그리고, 실시예에서는 반도체층을 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체층으로 하여 설명하는데 특히, n-반도체층을 "n-GaN", p-반도체층을 "p-GaN"으로 하며, 이종 기판은 사파이어 기판으로 하여 설명한다.

먼저, 본 발명의 실시예는, 도 2a에 도시된 바와 같이, MOVPE 성장법으로 사파이어 기판(20) 상부에 n-GaN층(21), 활성층(22), p-GaN층(23)을 순차적으로 에피 성장시킨다(도 2a).

이어 p-GaN층(21)으로부터 n-GaN층(23)의 일부까지 메사(mesa) 식각 공정을 수행하여 n-GaN층(21)의 일부를 노출시킨 다음(도 2b), p-GaN층(23) 상면에 금속성 물질로 이루어진 광투과성, 오믹 전극인 전류확산용 투명전극(24)을 형성한다(도2c).

그리고, p-GaN층(23)과 전류 확산용 투명 전극(24)간의 오믹 접촉과 동시에 p-GaN층(23)의 활성화를 위한 열처리 공정을 수행한다.

이 때, p-GaN층에 포함된 p형 도우즈의 억셉터(accepter) 예컨대, 마그네슘(Mg) 억셉터가 수소와 결합하여 높은 저항을 나타내게 되는데, 이러한 결합을 끊을 수 있게 하기 위하여 본 발명에서는 산소 플라즈마 분위기 하에서 열처리 공정을 수행한다.

그 결과, 통상적인 열처리 온도인 600℃ 보다 상대적으로 낮은 온도에서 열처리 공정의 수행이 가능하고, 억셉터와의 결합으로부터 이탈된 수소는 산소와 결합되어 H₂0형태로 외부로 쉽게 빠져 나갈 수 있게 된다.

전술한 열처리 공정이 완료되면, 마지막으로, 와이어 본딩을 위해 상기 노출된 n-GaN층(21) 상부에 n-패드 전극(25)을 형성하고(도 2d), 전류확산용 투명 전극(24) 상부에 p-패드 전극(26)을 형성하여 본 발명을 종료한다(도 2e).

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 화합물 반도체 발광 소자의 제조 방법은, O₂농도가 높은 분위기일수록 p-GaN과 같이 p형으로 도핑된 반도체층의 활성화가 더 잘 이루어진다는 알려진 사실을 이용해, 산소 플라즈마 분위기 하에서 p-반도체층을 활성화시키도록 함으로써, 종래와 같이, 고온에서 활성화 공정을 수행하는 것보다 상대적으로 낮은 온도에서도 활성화 공정이 가능하기 때문에불필요한 열적 에너지 낭비를 줄일 수 있고, 또한 p-반도체층의 활성화가 더 잘 이루어지기 때문에 소자의 수명이나 발광 효율 등을 증대시킬 수 있는 등의 효과가 있다.

본 발명은 기재된 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (3)

1. 이종 기판 상부에 n-반도체층, 활성층, p-반도체층을 순차적으로 형성하는 단계;

   상기 p-반도체층부터 n-반도체층의 일부까지 수직 방향으로 메사(mesa) 식각하여 n-반도체층의 일부를 노출시키는 단계;

   상기 p-반도체층 상면에 전류확산용 투명전극을 형성하고, 산소 플라즈마 분위기에서 p-반도체층을 활성화(activation)시키는 단계;

   상기 노출된 n-반도체층과 전류확산용 투명 전극 상부에 각기 n-패드 전극과 p-패드 전극을 형성하는 단계로 이루어지는, 화합물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 이종 기판은;

   사파이어 기판인 것을 특징으로 하는, 화합물 반도체 발광 소자의 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 p-반도체층 또는 n-반도체층은;

   Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체층인 것을 특징으로 하는, 화합물 반도체 발광 소자의 제조 방법.