KR20050031720A - 질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, p-질화물 반도체층에, 금속 산화물 생성용 금속과 전류 확산용 금속 각각이 적어도 1종 이상 혼합된 금속군(金屬郡)을 증착하여 투명전극을 형성함으로써, 투명전극 증착시, 금속 산화물을 좀 더 용이하게 형성하고, 또한 금속 산화물이 과도하게 발생되는 것을 억제하여 발광층으로의 전류 확산이 용이하게 이루어질 수 있도록 하여, 소자의 구동전압을 낮춰 해당 발광 소자의 수명을 증대시킬 수 있도록 한다.

Description

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

본 발명은, 투명전극 증착시 금속 산화물의 과도한 발생을 억제하여 발광층으로의 전류 확산이 용이하게 이루어질 수 있도록 하는, 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 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(16)이, 상기 p-GaN층(13) 상부에는 투명전극(14)과 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 하며, 이를 위해, 통상적으로 Ni, Pd, Pt 등의 금속 산화물 생성용 금속과, Au 등의 전류 확산용 금속을 이용해 2중층 이상으로 형성하는데, 주로 Ni와 Au를 많이 이용한다.

예컨대, p-GaN층에 금속 산화물 생성용 금속 Ni를 이용해 제 1 금속층을 증착한 다음, 이 제 1 금속층 상부에 전류 확산용 금속 Au를 이용해 제 2 금속층을 증착하여 투명전극을 형성한다.

이 때, Ni가 산화되면서, NiO와 같은 금속 산화물이 형성되는데, 이 금속 산화물이 p-GaN층으로 정공(hole)을 공급하는 역할을 한다.

하지만, 이러한 금속 산화물은 대부분 전기 전도성이 나쁘기 때문에, 외부에서 공급된 전류가 발광층으로 확산되는 것을 차단시키며, 따라서 소정양의 정공(hole)공급을 위한 것을 제외하고는, 과도하게 형성되는 것을 방지할 필요가 있다.

그런데, 전술한 통상적인 방법, 즉 p-GaN에 개별 증착 공정으로 이중층 이상의 금속층을 증착하여 투명전극을 형성하는 방법은, p-GaN층과, 투명전극의 최하위 금속층의 접촉면부터 산화되어 그 투명전극의 최상부 금속층까지 전체적으로 많은 금속 산화물이 생성되는 문제점이 있다.

따라서, 투명전극 형성시 금속 산화물이 과도하게 형성되는 것을 방지하여, 그 금속 산화물로 인해 발광층으로의 전류 확산이 억제되는 것을 최소한으로 줄일 필요성이 있다.

이에 본 발명은 상기한 필요성을 만족시키기 위하여 개발된 것으로, 투명전극 증착시 금속 산화물의 과도한 발생을 억제하여 발광층으로의 전류 확산이 용이하게 이루어질 수 있도록 하는, 질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적에 따라 본 발명은, 금속 산화물 생성용 금속과 전류 확산용 금속을 미리 혼합하여, 이렇게 혼합된 2종 이상의 금속을 p-질화물 반도체층 상부에 증착하도록 하며, 덧붙여, 증착시에 질소와 산소가 혼합된 분위기하에서 오믹 접촉(ohmic contact) 형성을 위해 소정 범위내의 열을 가하도록 하는 것이 바람직하다.

이를 위해, 제 1 실시예에 따른 본 발명은, 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, 금속 산화물 생성용 금속과 전류 확산용 금속 각각이 적어도 1종 이상 혼합된 금속군(金屬郡)을 증착하여, 투명전극을 형성하는 제 3 단계;

상기 제 2 단계에서 노출시킨 n도핑된 질화물 반도체층의 상부와, 상기 제 4 단계에서 형성한 투명 전극의 상부 각각에 패드용 전극을 형성하는 제 4 단계를 통해 질화물 반도체 발광 소자를 제조하도록 한다.

그리고, 제 2 실시예에 따른 본 발명은, 기판 상부에 n도핑된 질화물 반도체층, 발광층, p도핑된 질화물 반도체층을 순차적으로 형성하는 제 1 단계;

상기 제 1 단계에서 형성한 p도핑된 질화물 반도체층 상부에, 금속 산화물 생성용 금속과 전류 확산용 금속 각각이 적어도 1종 이상 혼합된 금속군(金屬郡)을 증착하여, 투명전극을 형성하는 제 2 단계;

상기 제 2 단계에서 형성한 투명전극의 상부와, 상기 제 1 단계의 기판 하부 각각에 패드용 전극을 형성하는 제 3 단계를 통해, 질화물 반도체 발광 소자를 제조하도록 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자 제조 방법의 제 1 실시예를 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 상부에 질화물 반도체를 증착하고, MOVPE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)성장법 등을 이용해 소정 두께로 성장시킨 다음, n형 도우스(dose)로 도핑시켜 n-질화물 반도체층(11)을 형성하고, 이 n-질화물 반도체층 상부에 발광 물질과 질화물 반도체를 순차적으로 증착한 다음, 질화물 반도체를 소정의 두께로 성장시키고, p형 도우스(dose)로 도핑시켜 p-질화물 반도체층을 형성한다.

상기 기판(10)은, 이종 기판으로, 사파이어 기판을 사용하고, 상기 n-질화물 반도체층(11)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 n-질화물 반도체층(11)의 일부를 노출시킨다(도 3b).

그런 후, 본 발명을 위해 미리 마련한 소정의 금속군(金屬郡), 즉 금속 산화물 생성용 금속과 전류 확산 증가용 금속 각각이 최소한 1종 이상 혼합된 소정의 금속군(金屬郡)을, 상기 식각되지 않고 남아 있는 p-질화물 반도체층(13)의 상부에 증착하여, 투명 전극(30)을 형성한다(도 3c).

즉, p-질화물 반도체층(13)의 상부에, 금속 산화물 생성용 금속, 예컨대, Ni, Pd, Pt, Pu, Ir, Zn, Mg 중에서 선택된 어느 하나의 금속과, Au와 같은 전류 확산 증가용 금속 각각이 최소한 1종 이상 혼합된 금속군(金屬郡)을 증착하여 투명전극(30)을 형성하는데, 가능한 Ni와 Au가 혼합된 금속군을 증착하여 투명 전극을 형성하는 것이 가장 바람직하다.

이와 같이, 상기 p-질화물 반도체층의 상부에 금속 산화물 생성용 금속과 전류 확산 증가용 금속 각각이 최소한 1종 이상 혼합된 소정의 금속군(金屬郡)을 증착하여, 투명 전극을 형성하게 되면, 그 금속군 증착시, p-질화물 반도체층과 투명전극의 접촉면이 산화되면서, p-질화물 반도체층 상부에, 예컨대, p-GaN층으로 정공(hole)을 공급하는 금속 산화물이 생성되는데, 이 때 금속군과 금속군 표면에서의 더 활발한 산화 반응으로 인하여 그 접촉면 부근에 종래보다 상대적으로 금속 산화물이 적게 형성된다.

즉, 본 발명에 따라, p-질화물 반도체층에 소정의 금속군(金屬郡)을 증착하여 투명전극을 형성하면, 금속군을 이루는 금속 산화물 생성용 금속, 예컨대 Ni가 p-질화물 반도체층 표면부터 투명전극의 최상부까지 골고루 분포하기 때문에, 종래보다 금속 산화물을 형성하기가 훨씬 용이해진다.

또한, p-질화물 반도체층과의 접촉면 부근에 종래보다 상대적으로 금속 산화물이 적게 형성됨으로 인해, 상대적으로 오믹 접촉(ohmic contact) 저항값이 종래에 비해 낮아져 오믹 접촉(ohmic contact)이 용이하게 이루어진다.

덧붙여서, 본 발명은, 투명전극 형성을 위해, 전술한 소정의 금속군(金屬郡)을 p-질화물 반도체층에 증착할 때, 이와 더불어, 질소(N₂)에 약간의 산소(O₂)가 혼합된 분위기하에서 대략 400℃ ~ 1000℃정도의 온도 범위내에서 열을 가하여 오믹 접촉(ohmic contact)형성을 훨씬 더 용이하게 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따라, p-질화물 반도체층(13)의 상부에 소정의 금속군이 증착되어 투명전극(30)이 형성되면, 마지막으로, 이렇게 형성된 투명 전극(30)의 상부와, 상기 n-질화물 반도체층(11)의 노출 부위에,Cr, Al, Ni, Au, Pt, Ti 등 중에서 선택된 어느 하나 또는 2종 이상이 혼합된 금속을 증착하고, 외부와 전기적으로 연결되는 패드용 전극(15, 16)을 형성해 본 발명의 제 1 실시예를 종료한다.

다음으로는, 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 본 발명의 제 2 실시예에 대해 설명하는데, 본 발명의 제 2 실시예는 Top-down 전극형의 반도체 발광 소자 제조 방법에 적용된 경우이다.

<제 2 실시예>

우선, 본 발명에 따른 제 2 실시예는, 도 4a에 도시된 바와 같이, 기판(20) 상부에 n-질화물 반도체층(21), 발광층(22) 및 p-질화물 반도체층(23)을 순차적으로 형성하는데, 이러한 형성 과정은 전술한 제 1 실시예에서와 동일함으로 여기서는 그에 대한 설명을 생략한다.

계속해서, 상기 p-질화물 반도체층(23)의 상부에, 금속 산화물 생성용 금속과 전류 확산 증가용 금속 각각이 최소한 1종 이상 혼합된 소정의 금속군(金屬郡)을, 증착하여 투명 전극(30)을 형성한다(도 4b).

즉, p-질화물 반도체층(23)의 상부에, 금속 산화물 생성용 금속, 예컨대, Ni, Pd, Pt, Pu, Ir, Zn, Mg 중에서 선택된 어느 하나의 금속과, Au와 같은 전류 확산 증가용 금속 각각이 최소한 1종 이상 혼합된 금속군(金屬郡)을 증착하여 투명전극(30)을 형성하는데, 가능한 Ni와 Au가 혼합된 금속군을 증착하여 투명 전극을 형성하며, 덧붙여 그 때, 질소(N₂)나 산소(O₂) 등의 분위기하에서 300℃ ~ 1000℃정도 범위의 온도로 열을 가하여, 투명 전극을 형성하는 것이 가장 바람직하다.

마지막으로, 이렇게 형성된 투명 전극(30)의 상부와, 상기 기판(20)의 하부 각각에, Ni, Au, Pt, Ti 등 중에서 선택된 어느 하나 또는 2종 이상이 혼합된 금속을 증착하고, 스트라이프(stripe) 형태로 패터닝하여, 외부와 전기적으로 연결되는 패드(pad)용 전극(25, 26)을 형성해 본 발명의 제 2 실시예를 종료한다(도 4c).

다음, 도 5a 내지 도 5b와 도 6a 내지 도 6b를 참조하여 본 발명에 따라 제조된 반도체 발광 소자의 특성 결과를 설명하면 하기와 같다.

상기 도 5a 내지 도 5b는 종래의 제조 방법에 따라 형성한 발광 소자의 산화물 토폴로지(topology)와 하기의 실험예 1을 통한 측정 그래프이다.

[실험예1]

1. 본 실험예는, 기판으로 사파이어 기판을, 질화물 반도체로는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물인 질화갈륨(GaN)을, 투명전극은 p도핑된 질화갈륨층 상부에 Ni와 Au를 순차적으로 증착하였으며, 투명전극의 두께는 대략 1nm ~ 100nm 정도로 하였다.

2. 투명전극 형성시 열처리 온도는 대략 600℃정도로 하였으며, 본 실험예의 측정 결과와 동일한 결과를 도출할 수 있는 열처리 온도의 허용 오차 범위는 600℃에서 ±100℃정도이다.

3. 열처리시 분위기는 질소에 약간의 산소가 혼합된 분위기로 하였으며, 열처리 장비로 RTA(Rapid Thermal Annealing)장비를 이용하였다.

한편, 상기 도 6a 내지 도 6b는 본 발명의 제조 방법에 따라 형성한 발광 소자의 산화물 토폴로지(topology)와 하기의 실험예 2를 통한 측정 그래프이다.

[실험예2]

본 실험예 2는 상기한 본 발명에 따라 투명전극을 Ni와 Au가 혼합된 소정의 금속군(金屬郡)을 증착하여 형성하였으며, 나머지 실험 조건들은 전술한 실험예 1과 동일하다.

상기 실험예1과 실험예 2를 통해 측정한 결과, 도5a와 도 6a에 도시된 바와 같이, 스퍼터링 시간(sputter time)이 경과됨에 따라 본 발명에 따라 제조된 반도체 발광 소자보다 종래의 방법에 따라 제조된 반도체 발광 소자가, 소정량 이상으로는 불필요한 금속산화물인, NiO가 상대적으로 더 많이 형성됨을 알 수 있는데, 이러한 금속산화물인 NiO가 많을 수록 발광층으로의 전류 확산을 억제하여 소자의 구동 전압을 높이며, 그 결과로 소자의 수명이 줄어들게 되는데, 본 발명에서는 상기 실험을 통해 알 수 있는 바와 같이, 종래보다 상대적으로, 금속 산화물인 NiO를 줄일 수 있어 소자의 구동 전압을 낮출 수 있으며, 그 결과로 소자의 수명도 증대시킬 수 있게 된다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법은, 투명전극 증착시, 금속 산화물을 용이하게 형성할 수 있으며, 또한 금속 산화물이 과도하게 발생되는 것을 억제하여 발광층으로의 전류 확산이 용이하게 이루어질 수 있도록 함으로써, 소자의 구동전압을 낮춰 해당 발광 소자의 수명을 증대시킬 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 3d는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 반도체 발광 소자 제조 방법을 도시한 도면,

도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 반도체 발광 소자 제조 방법을 도시한 도면,

도 5a 내지 도 5b는, 종래의 제조 방법에 따라 형성한 발광 소자의 산화물 토폴로지(topology)와 그 실험 결과 그래프이고,

도 6a 내지 도 6b는, 본 발명의 제조 방법에 따라 형성한 발광 소자의 산화물 토폴로지(topology)와 그 실험 결과 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10, 20 : 기판 11, 21 : n-질화물 반도체층

12, 22 : 발광층 13, 23 : p-질화물 반도체층

14, 24, 30 : 투명전극 15, 25 : p패드용 전극

16, 26 : n패드용 전극

Claims (9)

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

   상기 p도핑된 질화물 반도체층부터 n도핑된 질화물 반도체층의 일부까지 수직 방향으로 메사(mesa) 식각하여 상기 n도핑된 질화물 반도체층의 일부를 노출시키는 단계;

   상기 식각되지 않고 남아 있는 p도핑된 질화물 반도체층의 상부에, 금속 산화물 생성용 금속과 전류 확산용 금속 각각이 적어도 1종 이상 혼합된 금속군(金屬郡)을 증착하여, 투명전극을 형성하는 단계;

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

   상기 p도핑된 질화물 반도체층 상부에, 금속 산화물 생성용 금속과 전류 확산용 금속 각각이 적어도 1종 이상 혼합된 금속군(金屬郡)을 증착하여, 투명전극을 형성하는 단계;

   상기 투명전극의 상부와, 상기 제 1 단계의 기판 하부 각각에 패드용 전극을 형성하는 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 금속 산화물 생성용 금속은;

   Ni, Pd, Pt, Ir, Zn, Mg로 이루어진 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 전류 확산용 금속은;

   Au인 것을 특징으로 하는, 질화물 반도체 발광 소자 제조 방법.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 투명전극을 형성하는 단계는;

   상기 p도핑된 질화물 반도체층 상부에, 금속 산화물 생성용 금속과 전류 확산용 금속 각각이 적어도 1종 이상 혼합된 금속군(金屬郡)을 증착하면서, 이와 더불어, 질소(N₂)나 산소(O₂), 또는 질소(N₂)와 산소(O₂)가 혼합된 분위기 하에서 열처리하여, 투명 전극을 형성하는 것을 특징으로 하는, 질화물 반도체 발광 소자 제조 방법.
7. 기판 상부에 n도핑된 질화물 반도체층, 발광층, p도핑된 질화물 반도체층을 순차적으로 형성하고;

   상기 p도핑된 질화물 반도체층부터 n도핑된 질화물 반도체층의 일부까지 수직 방향으로 메사(mesa) 식각하여 노출되는 n도핑된 질화물 반도체층에 n패드용 전극을 형성하고;

   상기 식각되지 않고 남아 있는 p도핑된 질화물 반도체층의 상부에, 금속 산화물 생성용 금속과 전류 확산용 금속 각각이 적어도 1종 이상 혼합된 금속군(金屬郡)을 증착하여, 투명전극을 형성하고;

   상기 투명 전극의 상부에 p패드용 전극을 형성하여 제조한, 질화물 반도체 발광 소자.
8. 기판 상부에 n도핑된 질화물 반도체층, 발광층, p도핑된 질화물 반도체층을 순차적으로 형성하고;

   상기 p도핑된 질화물 반도체층 상부에 금속 산화물 생성용 금속과 전류 확산용 금속 각각이 적어도 1종 이상 혼합된 금속군(金屬郡)을 증착하여, 투명전극을 형성하고;

   상기 투명전극의 상부와, 상기 기판의 하부 각각에 패드용 전극을 형성하여 제조한, 질화물 반도체 발광 소자.
9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 투명전극은;

   그 형태가 스트라이프(stripe), 메쉬 스트라이프(mesh stripe), 에어리어 형상(area type)인 것을 특징으로 하는, 질화물 반도체 발광 소자.