KR20050065360A - 갈륨-질화물계 발광 다이오드 구조 및 그 제조방법 - Google Patents

갈륨-질화물계 발광 다이오드 구조 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

GaN계 LED의 제조방법을 제공한다. 그 방법은 먼저 p형 오믹콘택층의 울퉁불퉁한 표면상에 제1 콘택 확장 금속층을 형성한다. 그 방법은 다음에 제1 콘택 확장층 상에 제2 및 제3 콘택 확장 금속층을 형성한다. 세 개의 콘택 확장 금속층으로 구성된 p형 투명 금속전도층은 산소 또는 질소분위기의 고온에서 합금공정을 수행한 후에는 우수한 전도성을 가질 수 있다. P형 투명 금속전도층은 제3 콘택 확장 금속층내의 제2 콘택 확장 금속층의 평탄하지 않은 분포에 기인한 편재된 빛의 방출을 피하기 위해, p형 금속전극과 p형 오믹콘택층 사이의 측방향 콘택 균일도를 향상시킬 수 있다. 또한, GaN계 LED의 작동 전압과 외부 양자 효율은 매우 개선된다.

Description

갈륨-질화물계 발광 다이오드 구조 및 그 제조방법{Gallium-nitride based light emitting diode structure and fabrication thereof}
본 발명은 일반적으로 갈륨-질화물계 발광 다이오드에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 갈륨-질화물계 발광 다이오드의 발광 균일도를 향상하기 위한 투명 금속전도층의 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.
도 1에 나타난 바와 같이 종래의 구조를 갖는 갈륨-질화물계 발광 다이오드는 통상적으로 사파이어 기판에 성장된다. 종래의 GaN계 LED는 사파이어 기판(101)의 일측 상에 다수의 GaN에 기한 에피택셜층들을 포함한다. 에피택셜층들은 사파이어 기판(101) 상에 저온 GaN 버퍼층(102), 고온 GaN 버퍼층(103), n형 GaN 오믹콘택층(104), 인듐-갈륨-질화물(InGaN) 활성층(105), p형 알루미늄-갈륨-질화물(AlGaN) 클래딩층(106), p형 GaN 오믹콘택층(107) 및 p형 투명 금속전도층(108)의 순서대로 바닥에서 상부로 적층된다. 다음에, p형 투명 금속전도층(108) 상에는 p형 금속전극(109)이 위치한다. 덧붙여, n형 GaN 오믹콘택층(104) 상에는 n형 금속전극(110)이 위치한다.
이러한 종래의 GaN계 LED는 GaN에 기한 에피택셜층들(즉, LED 자체), 사파이어 기판(101) 및 레진 패키징 물질(도시 안됨)은 각각 굴절율이 2.4, 1.77 및 1.5를 가진다. 이러한 굴절율의 다양한 변화에 의해, InGaN 활성층(105)에 의해 생성된 빛의 25%까지가 GaN계 LED로부터 직접적으로 상실된다. 나머지 75%의 빛은 사파이어 기판(101)과 레진 패키징 물질에 의해 형성된 도파로 구조에 의해 한정된다. 또한, 75%의 빛은 LED 내의 다중 회절의 수행 후에 다시 흡수될 가능성이 높으므로, 효과적으로 사용될 수 없다. 즉, 종래의 GaN계 LED의 발광 효율은 근본적으로 투명 금속전도층의 재흡수와 LED의 에피택셜 구조에 의해 제한된다.
덧붙여, p형 GaN 오믹콘택층(107)은 두께 0.1-0.5㎛를 위한 일반적으로 1-2Ω㎝의 비저항으로 좀 낮은 전기전도도를 갖기 때문에, 전류는 p형 금속전극(109) 아래 약 1㎛의 측방향거리를 가진 면적에 제한된다. 균일한 발광을 얻도록 전류를 평탄하기 하기 위해서는, p형 투명 금속전도층(108)은 p형 GaN 오믹콘택층(107) 상에 형성되고 전체 발광영역을 덮는다. 투과율을 향상시키기 위해, p형 투명 금속전도층(108)은 더욱 얇아야 한다. 그러므로, p형 투명 금속전도층(108)은 항상 두께 50-500Å인 Ni 및 Au로 만들어진다.
Ni 및 Au로 만들어진 투명 금속전도층에 대한 연구에 의하면, GaN계 LED의 작동 전압을 낮추기 위해서는 p형 투명 금속전도층과 p형 오믹콘택층 사이의 콘택 저항이 효과적으로 감소되어야 한다. 반대로, GaN계 LED의 외부 양자 효율을 향상시키기 위해서는 p형 투명 금속전도층은 파장이 400-700 ㎚인 가시광선의 투과율이 적어도 80%를 구비해야 한다. Applied Physics Letters(vol 74, 1999, p1275)에 게재된 문헌에 의하면, 산소 분위기에서 어닐링하여 형성된 NiO 반도체 중간층은 효과적으로 콘택 저항을 줄이고 투과율을 향상시킬 수 있다. Solid-state Electronics(VOL. 47, 2003, p1741)에 게재된 다른 문헌은 투과율을 효과적으로 향상시키기 위해서는 Ni과 Au의 두께는 가능한 한 얇게 하는 데 반해, 콘택 저항을 줄이기 위해서는 Ni과 Au의 두께는 가능한 한 두껍게 해야 한다고 강조하고 있다.
LED'의 발광효율을 향상시키도록 상기 도파로를 효과적으로 붕괴시키기 위해서는 p형 오믹콘택층(107)의 표면은 직물표면과 같은 울퉁불퉁한 표면(texturing surface)을 갖도록 정렬될 수 있다. 도 2는 도 1에 기술된 p형 투명 금속전도층(108)과 p형 오믹콘택층(107) 사이의 계면을 확대하여 보여준 개략도이다. 도 2에 나타난 바와 같이, 울퉁불퉁한 표면상에 p형 투명 금속전도층(108)을 형성하기 위하여 Ni과 Au가 사용되었다. 산소 분위기에서 합금화할 때, Au 층(108a)은 NiO층(108b) 내에 평탄하지 않은 분포를 매우 쉽게 갖는다. 이것은 전류의 평탄하지 않는 측방향 분포, 편재된 빛의 방출 및 작동전압의 증가의 원인이 된다.
그러므로, GaN계 LED의 p형 오믹콘택층의 울퉁불퉁한 표면상에 p형 투명 금속전도층을 형성하기 위한 Ni과 Au 두 층을 사용하는 것은 상기의 문제에 따라 아직도 개선할 여지가 있다.
따라서, p형 투명 금속전도층을 형성하도록 울퉁불퉁한 표면의 발광 균일도뿐만 아니라, GaN계 LED의 작동전압 및 외부 양자 효율을 향상시킬 수 있도록 보다 나은 구조가 요구되고 있다.
본 발명은 p형 투명 금속전도층의 새로운 구조를 제공한다. 본 발명은 먼저 p형 오믹콘택층의 울퉁불퉁한 표면상에 제1 콘택 확장 금속층을 형성한다. 본 발명은 다음에 제1 콘택 확장층 상에 제2 및 제3 콘택 확장 금속층을 형성한다. 세 개의 층의 p형 투명 금속전도층은 산소 또는 질소분위기의 고온에서 합금화되고, 우수한 전도성을 가진다.
본 발명에 따른 GaN계 LED의 제조방법을 위해서, 제1 콘택 확장 금속층은 활성층의 밖으로 방출되는 빛이 흡수 또는 반사되지 않도록 매우 얇게 한다. 제1 콘택 확장 금속층은 제3 콘택 확장 금속층내의 제2 콘택 확장 금속층의 평탄하지 않은 분포에 기인한 편재된 빛의 방출을 피하기 위해, p형 금속전극과 p형 GaN오믹콘택층 사이의 측방향 콘택 균일도를 향상시킬 수 있다. 또한, GaN계 LED의 작동 전압과 외부 양자 효율은 매우 개선된다.
본 발명에 따른 제조방법은 고온 하에서 평탄하지 않은 측방향 분포를 가진 제1 콘택 확장층에 기인한 과정을 갖지 않는다. GaN에 기인한 LED의 특성과 안정성은 이로써 보존된다.
본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징, 관점 및 장점은 아래 첨부되는 도면들을 적절하게 참조하여 여기에 제공된 상세한 설명을 주의 깊게 읽음으로써 보다 잘 이해할 수 있을 것이다.
이하에서, 첨부되는 도면에 따른 상세한 설명은 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 잘 설명하기 위해 주어지는 것이다. 첨부된 도면에서, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 원리를 보다 잘 이해하기 위하여 어떤 부분은 정확한 크기로 도시되지 않고 어느 정도는 과장되었다는 것을 주목하라.
도 3a 내지 도 3d는 각각 본 발명의 공정단계 후의 GaN계 LED의 에피택셜 구조를 나타낸 개략도들이다.
도 3a에 나타난 바와 같이, 사파이어 기판(201)이 제공된다. 다음에, 사파이어 기판(201) 상에 다수의 GaN에 기한 에피택셜층이 형성된다. 에피택셜층을 형성하기 위해 사용되는 물질은 다음의 분자식에 의해 표현될 수 있다.
BxAlyInzGa1-x-y-zNpAsq; 및
BxAlyInzGa1-x-y-zNpPq
여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, 0≤p≤1, 0≤q≤1 및 x+y+z=1, p+q=1이다.
에피택셜층은 다음과 같이 형성된다. 저온 버퍼층(202)은 저온 하에서 기판(201)의 상부에 처음 성장된다. 저온 버퍼층(202)은 200-300Å의 두께를 가진다. 다음에, 고온 버퍼층(203)은 저온 버퍼층(202) 상에 고온 하에서 형성된다. 고온 버퍼층(203)은 약 0.7㎛ 근처의 두께를 가진다. 저온과 고온 버퍼층(202, 203) 모두는 GaN계 복합물 AlxGa1-xN(0≤x≤1)으로 이루어진다. 다음에, n형 오믹콘택층(204)은 고온 버퍼층(203) 상에 형성된다. 3e+18에서 5e+18㎝-3 근처의 도핑농도를 가진 n형 오믹콘택층(204)은 2 내지 5㎛의 두께를 가진다. 이어서, 도핑되지 않은 InGaN으로 이루어진 활성층(205)이 형성된다. 활성층(205) 상에는, 3e+17과 5e+17㎝-3 사이의 도핑농도를 가진 p형 AlGaN으로 이루어진 클래딩층(206)과 3e+17과 1e+18㎝-3 사이의 도핑농도를 가진 p형 GaN으로 이루어진 p형 오믹콘택층(207)이 형성된다. P형 오믹콘택층(207)은 울퉁불퉁한 표면을 가진다.
도 3b에 나타난 바와 같이, 상기 에피택셜층들을 형성한 후, 건식식각을 수행하여 n형 오믹콘택층(204)의 일부 영역(204a)이 노출되도록 p형 오믹콘택층(207), 클래딩층(206), 활성층(205) 및 n형 오믹콘택층(204)의 일부를 제거한다.
다음에, 도 3c에 도시된 바와 같이, 증착공정을 수행하여 p형 오믹콘택층(207) 상에 p형 투명 금속전도층(208)을 형성한다. 증착공정은 다음과 같은 단계를 포함한다.
처음에, 버퍼된 산화물 식각액과 (NH4)2Sx 용액을 p형 오믹콘택층(207)과 n형 오믹콘택층(204)의 일부영역(204a)을 각각 약 10분 정도 세정하기 위해 사용한다.
두 번째로, E-빔 증착을 사용하여 p형 오믹콘택층(207)의 바닥에서 상부로 5-50Å의 두께를 가진 제1 콘택 확장 금속층(208a), 10-100Å의 두께를 가진 제2 콘택 확장 금속층(208b) 및 20-100Å의 두께를 가진 제3 콘택 확장 금속층(208c)을 순차적으로 형성한다. 제1 콘택 확장 금속층(208a)은 Au, Pt, Pd, Rh, Mg, Nb, Zr 및 W 중의 어느 하나로 만들어질 수 있다. 제2 및 제3 콘택 확장 금속층(208b, 208c)은 각각 전이금속 또는 그의 산화물, 희유(noble) 금속 또는 그의 산화물 또는 ITO, ZnO, In2O3, SnO2, (LaO)CuS, (La1-xSrx O)CuS 중의 어느 하나로 만들어질 수 있다. 바람직한 실시예에서는, 세 개의 콘택 확장 금속층(208a, 208b, 208c)을 형성하기 위해 사용되는 물질은 각각 다음의 조합(대응되는 순서) 예를 들어, Au, Ni, Au; Pt, Ru, Au; Pt, Au, In:SnO2; Au, NiO, Au; Pt, RuO2, Au의 어느 하나일 수 있다.
세 개의 콘택 확장 금속층들은 산소 또는 질소 분위기의 어닐링 노에서 1 내지 10분 동안 400 내지 600℃의 온도에서 합금화한다. 세 개의 콘택 확장 금속층의 상기 바람직한 실시예에 따라, Au/NiO/Au, Pt/RuO2/Au 또는 Pt/Au/In:SnO2 구조를 어닐링 공정 후에 산소 분위기에서 형성할 수 있다. 반면에, 세 개의 콘택 확장 금속층의 상기 바람직한 실시예에 따라, Au/Ni/Au, Pt/Ru/Au 또는 Pt/Au/In:SnO2 구조를 어닐링 공정 후에 질소 분위기에서 형성할 수 있다. 세 개의 구조들 모두는 p형 오믹콘택층(207)과의 콘택저항을 감소시키고 전류의 측방향 분포를 향상시킨다.
마지막으로, 도 3d에 나타난 바와 같이, p형 투명 금속전도층(208)의 형성 후에 p형 투명 금속전도층(208) 상에 p형 금속전극(209)을 형성하고, n형 오믹콘택층(204)의 일부 영역(204a) 상에 n형 전극(210)을 형성한다.
도 4는 도 3c에 기술된 p형 오믹콘택층(207)과 p형 투명 금속전도층(208) 사이의 계면(220)을 확대한 것을 나타낸 개략도이다. 도 4에 보여진 바와 같이, 제1 콘택 확장 금속층(208a)은 p형 오믹콘택층(207)과 평탄하게 접촉하여 GaN계 LED는 균일한 발광을 한다.
본 발명은 바람직한 실시예를 참고하여 설명되어짐에도 불구하고, 본 발명은 상기에 상세하게 기재된 것에 제한되지 않는다. 다양한 치환과 변형이 상기 상세한 설명에 제안되어지고, 다른 예들은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 것이다. 그러므로, 모든 이러한 치환과 변형은 부가된 청구항들에서 정의된 바와 같은 발명의 범주 내에 포함될 것이다.
상술한 본 발명에 따른 GaN계 LED 및 그 제조방법에 의하면, 세 개의 콘택 확장 금속층으로 구성된 p형 투명 금속전도층은 우수한 전도성을 가지며, 작동전압과 외부 양자 효율을 개선시킬 수 있다.
첨부되는 도면들은 본 발명의 주요 목적의 보다 나은 이해를 얻기 위하여 상세한 설명에 기술된 것처럼 본 발명의 다양한 실시예를 설명하기 위하여 제공되는 것이다.
도 1은 종래의 GaN계 LED의 에피택셜 구조를 나타낸 개략도이다.
도 2는 도 1에 기술된 p형 오믹콘택층과 p형 투명 금속전도층 사이의 계면을 확대한 것을 나타낸 개략도이다.
도 3a 내지 도 3d는 각각 본 발명의 공정단계 후의 GaN계 LED의 에피택셜 구조를 나타낸 개략도들이다.
도 4는 도 3c에 기술된 p형 오믹콘택층과 p형 투명 금속전도층 사이의 계면을 확대한 것을 나타낸 개략도이다.

Claims (18)

  1. 기판;
    상기 기판 상의 복수개의 GaN에 기한 에피택셜층에 있어서, 저온 버퍼층, 고온 버퍼층, n형 오믹콘택층, 활성층, 클래딩층, 울퉁불퉁한 표면을 가진 p형 오믹콘택층을 포함하는 상기 복수개의 에피택셜층들; 및
    상기 울퉁불퉁한 표면을 가진 상기 p형 오믹콘택층 상에 p형 투명 금속전도층을 포함하는 GaN계 LED 구조.
  2. 제1항에 있어서, 상기 p형 오믹콘택층, 상기 클래딩층, 상기 활성층 및 상기 n형 오믹콘택층의 일부는 상기 n형 오믹콘택층을 노출시키기 위하여 제거되는 것을 특징으로 하는 GaN계 LED 구조.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 에피택셜층은 BxAlyInzGa1-x-y-z NpAsq(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, 0≤p≤1, 0≤q≤1 및 x+y+z=1, p+q=1)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 물질로 만들어지는 것을 특징으로 하는 GaN계 LED 구조.
  4. 제1항에 있어서, 상기 p형 투명 금속전도층은,
    상기 p형 오믹콘택층의 상기 울퉁불퉁한 표면상의 제1 콘택 확장 금속층;
    상기 제1 콘택 확장 금속층 상의 제2 콘택 확장 금속층; 및
    상기 제2 콘택 확장 금속층 상의 제3 콘택 확장 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN계 LED 구조.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 콘택 확장 금속층은 Au, Pt, Pd, Rh, Mg, Nb, Zr 및 W로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 물질로 만들어지는 것을 특징으로 하는 GaN계 LED 구조.
  6. 제4항에 있어서, 상기 제2 및 상기 제3 콘택 확장 금속층은 각각 전이금속 또는 그의 산화물, 희유(noble) 금속 또는 그의 산화물 또는 ITO, ZnO, In2O3, SnO2, (LaO)CuS, (La1-xSrxO)CuS로 이루어진 그룹으로부터 선택된 어느 하나의 물질로 만들어지는 것을 특징으로 하는 GaN계 LED 구조.
  7. 제4항에 있어서, 상기 제1, 상기 제2 및 상기 제3 콘택 확장 금속전도층은 각각 대응된 Au, Ni, Au; Pt, Ru, Au; Pt, Au, In:SnO2; Au, NiO, Au; Pt, RuO2, Au 조합의 하나로부터 선택된 물질들로 만들어지는 것을 특징으로 하는 GaN계 LED 구조.
  8. 제4항에 있어서, 상기 제1 콘택 확장 금속층의 두께는 5-50Å인 것을 특징으로 하는 GaN계 LED 구조.
  9. 제4항에 있어서, 상기 제2 콘택 확장 금속층의 두께는 10-100Å인 것을 특징으로 하는 GaN계 LED 구조.
  10. 제4항에 있어서, 상기 제3 콘택 확장 금속층의 두께는 20-100Å인 것을 특징으로 하는 GaN계 LED 구조.
  11. 제1항에 있어서, 상기 p형 투명 금속전도층 상에 p형 금속전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN계 LED 구조.
  12. 제1항에 있어서, 상기 n형 오믹콘택층의 상기 일부영역 상에 n형 금속전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN계 LED 구조.
  13. 기판을 제공하는 단계;
    상기 기판 상에 형성되는 복수개의 GaN에 기한 에피택셜층에 있어서, 저온 버퍼층, 고온 버퍼층, n형 오믹콘택층, 활성층 및 클래딩층이 바닥에서 상부로 순차적으로 형성된 복수개의 에피택셜층을 형성하는 단계;
    상기 클래딩층 상에 울퉁불퉁한 표면을 가진 p형 오믹콘택층을 형성하는 단계;
    건식식각공정으로 상기 n형 오믹콘택층의 일부영역이 노출되도록 상기 p형 오믹콘택층, 상기 클래딩층, 상기 활성층 및 상기 n형 오믹콘택층의 일부를 제거하는 단계; 및
    증착공정으로 상기 p형 오믹콘택층의 울퉁불퉁한 표면상에 p형 투명 금속전도층을 형성하는 단계를 포함하는 GaN계 LED의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 p형 투명 금속전도층 상에 p형 금속전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN계 LED의 제조방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 n형 오믹콘택층의 상기 일부영역 상에 n형 금속전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN계 LED의 제조방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 증착공정은,
    상기 n형 오믹콘택층의 상기 일부영역과 상기 p형 오믹콘택층의 표면을 관찰하는 단계;
    제1, 제2 및 제3 콘택 확장 금속층을 상기 p형 오믹콘택층 상에 바닥으로부터 상부로 순차적으로 형성하는 단계; 및
    합금공정으로 상기 제1, 제2 및 제3 콘택 확장 금속층을 가진 상기 p형 투명 전극 전도층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 GaN계 LED의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 합금 공정은 산소 분위기에서 400 내지 600℃의 온도에서 진행되는 것을 특징으로 하는 GaN계 LED의 제조방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 합금 공정은 질소 분위기에서 400 내지 600℃의 온도에서 진행되는 것을 특징으로 하는 GaN계 LED의 제조방법.
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