KR20050031602A - 질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 발광층에 증착된 p도핑 질화물 반도체층 상부에 투명한 재질의 도전성 금속을 증착하고, 일정 부분에는 홀(hole)이 형성되도록 패터닝한 제 1 투명전극을 형성하며, 그 상부에 TCO(Transparent Conducting Oxide)계열의 산화물로 이루어진 제 2 투명전극을 평탄(plate)하게 형성함으로써, 발광층으로 전류가 좀 더 용이하게 확산되도록 함과 더불어, 그 발광층에서 발생한 광이 최대한으로 외부에 방출될 수 있도록 하여 광 투과성을 향상시키도록 한다.

Description

질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법{Nitride semiconductor light emitting device and Method for manufacturing the same}

본 발명은, 발광층으로 전류가 좀 더 용이하게 확산될 수 있도록 함과 이와 더불어, 발광층에서 발생한 광이 외부로 최대한 방출될 수 있도록 하는, 질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 질화물 반도체는 직접 천이형이며, 발광 효율이 높아 적색부터 보라색, 자외선 영역까지의 발광 파장을 형성하기 위해 사용되어 왔는데, 특히 성장 방법과 구조에 대한 이해가 진전됨에 따라 발광 소자의 특성, 즉 휘도나 구동 전압, 또는 정전 특성 등에 대한 상당한 개선이 이루어졌다.

하지만, 이러한 노력에도 불구하고, 여전히 고 출력화 및 저 구동 전압에 대한 요구가 높고, 장파장(노란색광과 적색광) 및 단파장(자외선)을 출력하는 질화물 반도체 발광 소자에 대한 연구가 계속적으로 필요한 실정인데, 도 1은 이러한 종래의 질화물 반도체 발광 소자의 구조가 도시된 도면이다.

이에 도시된 바와 같이, 종래의 질화물 반도체 발광 소자는, 사파이어 기판(10) 상부에 n형 도우스(dose)로 도핑된 GaN층(11)(이하, "도핑"을 기호"-"로 약칭함), 발광층(12), p-GaN층(13)이 순차적으로 형성되어 있고, 상기 p-GaN층(13)에서 n-GaN층(11)의 일부까지 수직적으로 메사(mesa) 식각하여 노출된 n-GaN층(11) 상부에는 n패드용 전극(14)이, 상기 p-GaN층(13) 상부에는 투명전극과 p패드용 전극(15)이 순차적으로 형성되어 있다.

한편, 도 2는 종래의 또 다른 질화물 반도체 발광 소자, 즉 Top-down전극형의 반도체 발광 소자의 구조가 도시된 도면으로서, 이에 도시된 바와 같이, 실리콘 카바이드(SiC) 기판(20) 상부에 n-GaN층(21), 발광층(22), p-GaN층(23), 투명전극(24)이 순차적으로 형성되어 있고, 실리콘 카바이드 기판(20)의 하부에는 n패드용 전극(26)이, 투명전극(24) 상부에는 p패드용 전극(25)이 형성되어 있는 구조를 가지고 있다.

이러한 구조를 가진 종래의 질화물 반도체 발광 소자들에서, 특히, 투명전극은 전류 확산을 용이하게 하여 소자의 구동 전압을 낮추는 역할과, 발광층에서 발생된 광이 외부로 방출될 수 있도록 하여 양자효율을 높이는 역할을 하는데, 통상적으로, Ni와 Au등의 금속이나, ITO 또는 IZO 등의 TCO계열의 산화물을 사용해 형성한다.

하지만, 종래와 같이, 투명전극으로 Ni와 Au등의 금속을 이용할 경우에는 p-GaN층의 오믹 접촉 저항을 낮추어 p-GaN층으로의 전류 확산을 용이하게 할 수 있으나, 투명전극 증착시 발생하는 금속 산화물이, 발광층에서 발생한 광이 외부로 방출되는 것을, 차단시켜 광 투과율을 저하시키며, 또한, ITO 또는 IZO 등의 TCO계열의 산화물을 이용해 투명전극을 형성할 경우에는, 전극의 일함수가 대부분 5eV이하여서 p-GaN층에 직접 오믹 접촉을 형성함으로 낮은 구동 전압을 얻기가 어려운 문제점이 있었다.

따라서, p-GaN층으로의 전류 확산을 용이하게 하면서, 이와 더불어 발광층에서 발생된 광을 외부로 최대한 방출시킬 수 있도록 하는 개량된 구조의 반도체 발광 소자와 그에 따른 제조 방법이 필요하다.

이에 본 발명은 상기한 필요성을 만족시키기 위하여 개발된 것으로, 반도체 발광 소자의 발광층으로 전류가 좀 더 용이하게 확산될 수 있도록 함과 이와 더불어, 발광층에서 발생한 광이 외부로 최대한으로 외부에 방출될 수 있도록 하는, 질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적에 따라 본 발명은, 발광 소자내의 발광층에 증착되는 p-질화물 반도체층의 상부에, 투명한 재질의 도전성 금속으로 제 1 투명전극을 형성하여 전류가 발광층으로 용이하게 확산될 수 있도록 하고, 그 제 1 투명전극의 일정 영역마다 홀(hole)을 패터닝하여, 발광층에서 발생한 광이 외부로 용이하게 방출될 수 있게 하고자 한다.

그리고, 이와 더불어, 제 1 투명전극 상부에, TCO(Transparent Conducting Oxide)계열의 산화물을, 바람직하게는 ITO, IZO, ZnO, AZO 등으로 이루어진 군(郡) 중에서 선택된 어느 하나의 산화물을, 증착하고, 소정의 온도로 열처리하여 제 2 투명전극을 형성함으로써, 제 1 투명전극의 홀을 통해 전달된 광이, 외부에 최대한으로 방출되도록 하여 발광 소자의 광 투과성을 좀 더 향상시키고자 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자 제조 방법의 제 1 실시예에 대해 도 3a 내지 도 3e를 참조하여 설명하는데, 본 발명의 "투명"에 대한 정의는, 광이 10%이상 투과될 때를 나타내며, 색상이 없거나 투명성의 성질을 나타냄을 의미하지는 않는다.

<제 1 실시예>

우선, 본 발명에 따른 제 1 실시예는, 도 3a에 도시된 바와 같이, 기판(10) 상부에 n-질화물 반도체층(11), 발광층(12) 및 p-질화물 반도체층(13)을 순차적으로 형성한다.

즉, 기판(10) 상부에 질화물 반도체층을 증착하고 MOVPE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)성장법 등을 이용해 소정 두께로 성장시킨 다음, n형 도우스(dose)로 도핑시킨다. 그런 후, n형으로 도핑된 질화물 반도체층 상부에 발광층과 질화물 반도체층을 순차적으로 증착한 다음, 질화물 반도체층을 소정의 두께로 성장시키고 p형 도우스(dose)로 도핑시켜 p-질화물 반도체층을 형성한다.

상기 기판(10)은, 이종 기판으로, 사파이어 기판이나 실리콘 카바이드(SiC)기판을 사용하고, 상기 n-질화물 반도체층(31)은 대략 1㎛ ~ 500㎛ 정도의 두께로 성장시키며, 그 후 Si, Ge, Se, S, Te 등 중에서 선택된 어느 하나의 n형 도우스(dose)로 도핑시켜 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 p-질화물 반도체층(13)은 Be, Sr, Ba, Zn, Mg 등 중에서 선택된 어느 하나의 p형 도우스(dose)로 도핑된 질화물 반도체층 예컨대, p-GaN층, p-AlGaN층, p-InGaN층으로, 그 두께를 약 0.1㎛ ~ 100㎛정도로 하는 것이 바람직하다.

다음, 기판(10) 상부에 n-질화물 반도체층(11), 발광층(12) 및 p-질화물 반도체층(13)이 순차적으로 형성되면, p-질화물 반도체층(13)부터 n-질화물 반도체층(11)의 일부까지 수직 방향으로 메사(mesa) 식각하여 상기 n도핑된 질화물 반도체층(11)의 일부를 노출시킨다(도 3b).

그런 후, 본 발명은 상기 노출 과정에서, 식각되지 않고 남아 있는 p-질화물 반도체층(13)의 상부에, 투명한 재질의 도전성 금속을, 예컨대, Ni, Au, Pd, Pt, Pu, Ir 등 중에서 선택되어 어느 하나 또는 2종 이상의 금속을 이용해 단층 또는 다층으로 증착하고, 일정 영역마다 반복적으로 홀(hole)이 형성되도록 패터닝하여 제 1 투명전극(30)을 형성한다(도 3c).

이러한, 본 발명의 제 1 투명전극(30)은, 투명한 재질의 도전성 금속으로 형성되기 때문에, 외부의 동작 전원으로부터 공급되어 후속 공정에서 형성되는 패드용 전극을 통해 전달된 전류가 발광층(12)으로 용이하게 확산될 수 있도록 한다.

그 결과로, 본 발명은 발광 소자를 구동시키기 위해 필요한 구동 전압을 종래보다 상대적으로 낮출 수가 있다.

즉, 종래와 동일한 구동 전압 하에서, 본 발명은, 발광층으로 전류 확산을 용이하게 할 수 있기 때문에 그 종래의 구동 전압보다 낮은 구동 전압으로도 동일한 양의 전류를 발광층으로 확산시킬 수가 있게 된다.

또한, 본 발명은, 발광층으로 소정량의 전류가 공급된 경우, 전술한 바와 같이, 발광층에서 발광한 광이 외부로 용이하게 방출될 수 있도록, 일정 영역마다 홀(hole)을 형성해, 외부로의 광 투과성이 좀 더 향상될 수 있도록 한다.

즉, 제 1 투명전극을 구성하는 금속으로 인해 광 투과율이 낮아져 상부로 방출되는 광이 줄어들게 되는 것을 방지하기 위해, 제 1 투명전극에서 금속이 차지하는 면적을, 오믹(ohmic)접촉을 유지하는 범위 내에서 최소한으로 하도록 하며, 그 이외의 부분은 광 투과를 위해 홀(hole)을 형성하여, 광이 상부로 용이하게 방출될 수 있도록 한다.

이와 같이, 본 발명은, 발광층에 증착된 p-질화물 반도체층 상부에 투명한 재질의 도전성 금속을 증착하고, 일정 부분에는 홀(hole)이 형성되도록 패터닝한 제 1 투명전극을 형성하여, 후속 공정에서 형성되는 패드용 전극을 통해 외부로부터 공급되는 전류가 발광층으로 좀 더 용이하게 확산됨과 더불어, 일정 영역마다 형성된 홀(hole)을 통해 발광층에서 발광한 광이 외부로 용이하게 방출된다.

한편, 본 발명은, p-질화물 반도체층(13)의 상부에, 투명한 재질의 도전성 금속플레이트(plate)에 일정 영역마다 반복적으로 홀(hole)이 패터닝된, 제 1 투명전극(30)을 형성하고, 발광층(12)에서 발광되어 제 1 투명전극(30)의 홀을 통해 방출된 광이 외부로 최대한 외부로 방출될 수 있도록 하기 위해, TCO(Transparent Conducting Oxide)계열 제 2 투명전극(31)을 증착한다(도 3d).

즉, p-질화물 반도체층(13)의 상부에, 전술한 제 1 투명전극(30)이 형성되면, 제 1 투명 전극(30)에 TCO(Transparent Conducting Oxide)계열의 산화물을, 예컨대 ITO, IZO, ZnO, AZO 등으로 이루어진 군(郡) 중에서 선택된 어느 하나의 산화물을, 증착하고, 소정의 온도로 열처리하여 제 2 투명전극(31)을 형성한다.

이러한, 본 발명의 제 2 투명전극(31)은, 외부로부터 공급된 전류에 따라 발광층(12)에서 발생한 광이, 제 1 투명전극(30)의 홀을 통해 전달되면, 그 전달된 광이 도파될 수 있는 면적을 최대한으로 확충시켜, 그 광이 외부로 최대한 용이하게 방출될 수 있도록 하며, 이를 통해 본 발명은 해당 발광 소자의 광 투과성을 향상시킬 수가 있게 된다.

마지막으로, 상기 제 1 투명 전극(30) 상부에 제 2 투명전극(31)이 형성되면, 이 제 2 투명 전극(31)의 상부와, 상기 노출된 n-질화물 반도체층(11)의 상부 각각에, Ni, Cr, Al, Au, Pt, Ti 등 중에서 선택된 어느 하나 또는 2종 이상이 혼합된 금속을 증착하고, 스트라이프(stripe) 형태로 패터닝하여, 외부와 전기적으로 연결되는, 패드용 전극(15, 16)을 형성해 본 발명의 제 1 실시예를 종료한다(도 3e).

이러한, 본 발명의 제 1 실시예에 따라 제조된 질화물 반도체 발광 소자가, 도 4에 도시되어 있는데, 상기 도 4는 도 3e를 A-A'으로 자른 단면도이다.

이에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자는, 기판(10)과, 그 기판(10) 상부에 형성된 n-질화물 반도체층(11)과, 상기 n-질화물 반도체층(11)의 상면 일단부에 형성된 발광층(12)과, 상기 발광층(12) 상면에 형성된 p-질화물 반도체층(13)과, 상기 p-질화물 반도체층(13) 상면에, 투명전극 형성용 금속을 증착하고, 일정 영역마다 반복적으로 홀(hole)이 형성되도록 패터닝하여, 형성한 제 1 투명전극(30)과, 상기 제 1 투명전극(30) 상부에 증착된 플레이트(plate)형의 제 2 투명전극(31)과, 상기 n-질화물 반도체층(11)의 상면 타단부와, 상기 제 2 투명 전극(31)의 상부 각각에 형성된 패드용 전극(15, 16)으로 이루어지는 개량된 구조를 가지게 된다.

다음으로는, 도 5a 내지 도 5d를 참조하여 본 발명의 제 2 실시예에 대해 설명하는데, 본 발명의 제 2 실시예는 실리콘 카바이드(SiC) 기판이 사용된 Top-down 전극형의 반도체 발광 소자에 적용된 경우이며, 이러한 구조는 GaAs, InP계 반도체 발광 소자의 제조시 사용되며, 이는 종래 기술에 속하는 것으로 그에 대한 상세한 설명은 여기서 생략한다.

<제 2 실시예>

우선, 본 발명에 따른 제 2 실시예는, 도 3a에 도시된 바와 같이, 실리콘 카바이드(SiC) 등의 기판(20) 상부에 n-질화물 반도체층(21), 발광층(22) 및 p-질화물 반도체층(23)을 순차적으로 형성하는데, 이러한 형성 과정은 전술한 제 1 실시예에서와 동일하기에 여기서는 그에 대한 상세한 설명을 생략한다.

계속해서, 상기 p-질화물 반도체층(23)의 상부에, 투명한 재질의 도전성 금속을, 예컨대, Ni, Au, Pd, Pt, Pu, Ir 등 중에서 선택된 어느 하나 또는 2종 이상의 금속을, 단층 또는 다층으로 증착하고, 소정의 영역마다 홀(hole)이 형성되도록 패터닝하여 제 1 투명전극(30)을 형성한다(도 5b).

그런 다음, 제 1 투명전극(30) 상부에 TCO(Transparent Conducting Oxide)계열의 제 2 투명전극(31)을 형성한다(도 5c).

즉, p-질화물 반도체층(23)의 상부에, 전술한 제 1 투명전극(30)이 형성되면, 제 1 투명 전극(30) 상부에, TCO(Transparent Conducting Oxide)계열의 산화물을, 예컨대 ITO, IZO, ZnO, AZO 등으로 이루어진 군(郡) 중에서 선택된 어느 하나의 산화물을, 증착하고, 소정의 온도, 예컨대, 400℃ ~ 1000℃ 정도로 열처리하여 제 2 투명전극(31)을 형성한다.

마지막으로, 상기 제 1 투명 전극(30) 상부에 제 2 투명전극(31)이 형성되면, 이 제 2 투명 전극(31)의 상부와, 상기 기판(20)의 하부 각각에, Ni, Cr, Al, Au, Pt, Ti 등 중에서 선택된 어느 하나 또는 2종 이상이 혼합된 금속을 증착하고, 패터닝하여 패드용 전극(25, 26)을 형성해 본 발명의 제 2 실시예를 종료한다.

이러한, 본 발명의 제 1 실시예에 따라 제조된 반도체 발광 소자가, 도 6에 도시되어 있는데, 상기 도 6은 도 5d를 B-B'으로 자른 단면도이다.

이에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반도체 발광 소자는, 실리콘 카바이드(SiC) 등으로 이루어진 기판(20)과, 이 기판(20) 상부에 순차적으로 형성된 n-질화물 반도체층(21), 발광층(22) 및 p-질화물 반도체층(23)과, 상기 p-질화물 반도체층(23) 상부에, 투명전극 형성용 금속을 증착하고, 일정 영역마다 반복적으로 홀(hole)이 형성되도록 패터닝하여, 형성한 제 1 투명전극(30)과, 상기 제 1 투명전극(30) 상부에 형성된 플레이트(plate)형의 제 2 투명전극(31)과, 상기 기판(20)의 하부와, 상기 제 2 투명 전극(31)의 상부 각각에 형성된 패드용 전극(26, 25)으로 이루어지는 개량된 구조를 가지게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법은, 질화물 반도체 발광 소자내의 발광층으로 전류가 좀 더 용이하게 확산되어 발광 소자의 구동 전압을 종래보다 상대적으로 낮출 수 있으며, 더불어 그 발광층에서 발생한 광이 최대한으로 외부에 방출될 수 있어 해당 반도체 발광 소자의 광 투과성 및 그 발광 효율을 향상시킬 수 있는 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.

도 1 내지 도 2는 종래의 질화물 반도체 발광 소자를 예로 들어 도시한 도면,

도 3a 내지 도 3e는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자 제조 방법의 제 1 실시예를 공정 순서대로 도시한 도면,

도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따라 제조된 질화물 반도체 발광 소자를 도시한 단면도이고,

도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자 제조 방법의 제 2 실시예를 공정 순서대로 도시한 도면이고,

도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따라 제조된 질화물 반도체 발광 소자를 도시한 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10, 20 : 기판 11, 21 : n-질화물 반도체층

12, 22 : 발광층 13, 23 : p-질화물 반도체층

30 : 제 1 투명전극 31 : 제 2 투명전극

15, 25 : n패드용 전극 16, 26 : p패드용 전극

Claims (7)

1. 기판 상부에 n도핑된 질화물 반도체층, 발광층, p도핑된 질화물 반도체층을 순차적으로 형성하는 제 1 단계;

   상기 제 1 단계에서 형성한 p도핑된 질화물 반도체층부터 n도핑된 질화물 반도체층의 일부까지 수직 방향으로 메사(mesa) 식각하여 상기 n도핑된 질화물 반도체층의 일부를 노출시키는 제 2 단계;

   상기 제 2 단계에서 식각되지 않고 남아 있는 p도핑된 질화물 반도체층의 상부에, 제 1 투명전극용 금속을 증착하고 패터닝하여 일정 영역마다 홀(hole)이 형성된, 제 1 투명전극을 형성하는 제 3 단계;

   상기 제 3 단계에서 형성한 제 1 투명 전극 상부에 제 2 투명전극용 물질을 증착하여 제 2 투명전극을 형성하는 제 4 단계;

   상기 제 2 단계에서 노출시킨 n도핑된 질화물 반도체층의 상부와, 상기 제 4 단계에서 형성한 제 2 투명 전극의 상부 각각에 패드용 전극을 형성하는 제 5 단계로 이루어지는, 질화물 반도체 발광 소자 제조 방법.
2. 기판 상부에 n도핑된 질화물 반도체층, 발광층, p도핑된 질화물 반도체층을 순차적으로 형성하는 제 1 단계;

   상기 제 1 단계에서 형성한 p도핑된 질화물 반도체층 상부에, 제 1 투명전극 용 금속을 증착하고 패터닝하여, 일정 영역마다 홀(hole)이 형성된 제 1 투명전극을 형성하는 제 2 단계;

   상기 제 2 단계에서 형성한 제 1 투명전극 상부에 제 2 투명전극용 물질을 증착하여 제 2 투명전극을 형성하는 제 3 단계;

   상기 제 3 단계에서 형성한 제 2 투명전극의 상부와, 상기 제 1 단계의 기판 하부 각각에 패드용 전극을 형성하는 제 4 단계로 이루어지는, 질화물 반도체 발광 소자 제조 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 기판은;

   사파이어 기판 또는 실리콘 카바이드 기판인 것을 특징으로 하는, 질화물 반도체 발광 소자 제조 방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 투명전극용 금속은;

   Ni, Au, Pd, Pt, Ir, Zn, Mg로 이루어진 금속 군(郡) 중에서 선택된 어느 하나, 또는 2종 이상이 혼합된 것을 특징으로 하는, 질화물 반도체 발광 소자 제조 방법.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 투명전극용 물질은;

   ITO, IZO, ZnO, AZO, CdO, MgO로 이루어진 군(郡) 중에서 선택된 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 질화물 반도체 발광 소자 제조 방법.
6. 기판;

   상기 기판 상부에 형성한 n도핑 질화물 반도체층;

   상기 n도핑 질화물 반도체층의 상면 일단부에 형성한 발광층;

   상기 발광층 상면에 형성한 p도핑 질화물 반도체층;

   상기 p도핑 질화물 반도체층 상면에, 투명전극용 금속을 증착하고 일정 영역마다 홀(hole)을 패터닝하여 형성한 제 1 투명전극;

   상기 제 1 투명전극 상부에 형성한 플레이트(plate)형의 제 2 투명전극;

   상기 n도핑 질화물 반도체층의 상면 타단부와, 상기 제 2 투명 전극의 상부 각각에 형성한 패드용 전극으로 이루어지는, 질화물 반도체 발광 소자.
7. 기판;

   상기 기판 상부에 순차적으로 형성한 n도핑 질화물 반도체층, 발광층 및 p도핑 질화물 반도체층;

   상기 p도핑 질화물 반도체층 상부에, 투명전극용 금속을 증착하고 일정 영역마다 홀(hole)을 패터닝하여 형성한 제 1 투명전극;

   상기 제 1 투명전극 상부에 형성한 플레이트(plate)형의 제 2 투명전극;

   상기 기판의 하부와, 상기 제 2 투명 전극의 상부 각각에 형성된 패드용 전극으로 이루어지는, 질화물 반도체 발광 소자.