KR20050123028A - 질화갈륨계 수직구조 발광다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화갈륨계 수직구조 발광다이오드 및 그 제조방법에 관한것으로, 더욱 상세하게는 p형 GaN을 활성층 하부에 형성하고 n형 GaN을 활성층 상부에 형성하여 광학적 손실을 최소화한 수직방향 전극구조를 형성하고, 상기 상부층 상부에 빛이 외부로 방출되는 효과를 극대화 하기 위해 러프니스(roughness)를 형성하며, 상기 러프니스 상부에 발광다이오드의 동작전압을 감소시키기 위한 도전성 투명전도막(TCO)을 형성한 질화갈륨계 수직구조 발광다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

질화갈륨계 수직구조 발광다이오드 및 그 제조방법{LIGHT EMITTING DIODE WITH VERTICAL STRUCTURE AND METHOD MANUFACTURING FOR THE SAME}

본 발명은 질화갈륨계 수직구조 발광다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.

종래에 특허출원(출원번호:2002-0053653)에서 개시된 질화물반도체 발광소자는 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(10) 상에 버퍼층(buffer layer, 11), n형 질화물반도체로 이루어지는 하부층(12), 질화물반도체로 이루어지는 활성층(13), p형 질화물반도체로 이루어지는 상부층(14)을 순차적으로 결정성장시키고, 하부층(12)을 노출시키는 메사식각을 한 다음에, 상부층(14)과 저항접촉을 이루는 p형 저항접촉투명금속층(15)을 형성한 후에, n형 접촉금속층(16) 및 외부로의 전기적 연결을 위한 본딩패드(17)를 형성함으로써 제조된다.

상기와 같은 발광다이오드 소자는 기본적으로 pn 접합의 접합부에서 빛이 발광하는 소자이나, 실제 횡방향 소자에 있어서는 p형 GaN층(14) 부분을 통하여 빛이 발광하는 구조로써, 도시된 바와 같이 p형 GaN층(14)은 소자의 구성에서 상대적으로 넓은 부분을 차지하고 있으며, 또한 p형 GaN층(14)은 전자 스프레딩(spreading)이 좋지 않아 p형 GaN층(14)의 거의 전면 부분에 p형 접합층(15)을 형성하여 전자의 스프레딩 효과를 높이는 구조를 갖는다. 그러나, 상기와 같은 횡방향 발광다이오드의 경우 저저항의 측면이나 전자 스프레딩 효과의 측면에서는 양호한 소자이나, p형 접합층(15)을 금속물질을 사용하며 횡방향의 전극배열로 인한 발광면적의 손실 때문에 재료의 활용도가 낮은, 또는 광학적 손실이 큰 문제점이 발생한다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 p형 GaN을 활성층 하부에 형성하고 n형 GaN을 활성층 상부에 형성하여 활성층내에서 생성된 빛이 불투명 금속전극에 의해 손실되는 문제점을 개선하고, 상기 상부층에 빛이 외부로 방출되는 효과를 극대화 하기 위해 러프니스(roughness)를 형성하며, 상기 러프니스 상부에 발광다이오드의 동작전압을 감소시키기 위한 도전성 투명전도막(TCO)을 형성한 질화갈륨계 수직구조 발광다이오드를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화갈륨계 수직구조 발광다이오드는, 기판의 상부에 형성되며 p형 GaN으로 이루어진 하부층과; 상기 하부층의 상부에 형성되며 GaN으로 이루어진 활성층과; 상기 활성층의 상부에 적어도 n형 GaN층을 포함하여 이루어진 상부층 및; 상기 상부층 상부에 형성되는 도전성 산화박막층; 을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 상부층을 구성하는 n형 GaN층은 상부 표면이 식각공정을 통해 평탄화 또는 러프니스(roughness)가 형성되어 이루어진 것이 바람직하다.

또한, 상기 상부층은 상기 n형 GaN층 상에 형성되고 GaN로 이루어진 버퍼층을 더 포함하여 구성되고, 상기 버퍼층은 상부 표면이 식각공정을 통해 평탄화 또는 러프니스가 형성되어 이루어진 것이 바람직하다.

또한, 상기 러프니스는 구형, 반구형, 육각뿔형, 마이크로 렌즈 배열 형태 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 도전성 산화박막은 인듐-주석계 산화물(ITO), 인듐 산화물(IO), 주석계 산화물(SnO₂), 아연계 산화물(ZnO) 또는 인듐-아연계 산화물(IZO)중 어느 하나로 이루어진 것이 바람직하다.

또한, 상기 도전성 산화박막은 (질화갈륨계 소자에서 생성되는 파장)×(2n-1)/4n_tco 의 두께로 이루어진 것이 바람직하다.

또한, 상기 도전성 산화박막은 상기 산화물중 서로 다른 산화물이 적층된 다층구조를 형성하여 이루어진 것이 바람직하다.

또한, 상기 도전성 산화박막은 상부 또는 하부에 금속산화물 또는 금속층이 적층되어 이루어진 것이 바람직하다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화갈륨계 수직구조 발광다이오드의 제조방법은, 활성층과, 이 활성층의 상부에 형성된 n형 GaN으로 된 상부층과, 상기 활성층의 하부에 형성된 p형 GaN으로 된 하부층과, 상기 하부층의 하부에 순차 적층형성된 금속접촉층과 전극층을 포함하는 자립형 웨이퍼를 얻는 제1단계와; 상기 n형 GaN으로 된 상부층 상에 도전성 박막층을 형성하는 제2단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제1단계는, 사파이어 기판상에 GaN로 이루어진 버퍼층을 형성하는 단계와; 상기 GaN 버퍼층 상에 n형 GaN로 된 상부층을 형성하는 단계;

상기 상부층 상에 상기 활성층, 상기 하부층, 상기 금속접촉층 및 전극층을 순차 형성하는 단계; 상기 사파이어기판을 분리 제거하고 상기 전극층을 지지대로 하는 자립형 웨이퍼를 얻는 단계를 포함하여 이루어진 것이 바람직하다.

또한, 상기 사바이어기판의 분리 제거시에 상기 버퍼층을 제거하고,

상기 상부층의 상부면을 식각공정에 의해 일부 평탄화하거나 또는 러프니스를 형성하는 단계를 더 포함하여 구성된 것이 바람직하다.

또한, 상기 사바이어기판의 분리제거시에 상기 버퍼층을 잔존시키고,

상기 상부층의 상부면을 식각공정에 의해 일부 평탄화하거나 또는 러프니스를 형성하는 단계를 더 포함하여 구성된 것이 바람직하다.

또한, 상기 러프니스 형성은 UV 램프를 사용하여 자외선을 조사하면서 KOH용액을 이용한 습식식각공정을 이용하여 육각뿔 형태를 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 러프니스 형성은 포토레지스터를 이용한 건식식각공정을 이용하여 마이크로렌즈 배열 형태를 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 상부층의 상부에 상기 도전성 산화박막층을 형성하는 방법에는 전자빔 증착법, 스퍼터법 또는 산소 이온빔 보조된 전자빔 증착법 중 어느 하나를 이용한 것이 바람직하다.

또한, 상기 전자빔 증착법은 상기 도전성 산화박막 증착 후 250℃이상 700℃이하의 온도에서 열처리 하는 과정을 포함한 것이 바람직하다.

또한, 상기 스퍼터법은 상기 도전성 산화박막 증착 후 상온이상 450℃이하의 온도에서 열처리 하는 과정을 포함한 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 바림직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기술 혹은 제조과정의 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 질화갈륨계 수직구조 발광다이오드를 위한 단면도이다.

먼저, 미도시한 사파이어 기판상에 GaN을 예를 들면 에피텍셜 성장시켜 미도시한 GaN 버퍼층을 형성하고, 상기 GaN 버퍼층 상에 n형 GaN층(140)을 에피텍셜 성장 기법 등과 같은 통상의 방법에 의하여 형성한다. 그후, n형 GaN층(140)상에 통상의 기법에 의하여 활성층(130)과 p형 GaN층(120)을 순차 적층 형성한다. 이어, 상기 p형 GaN층(120)상에 Ni/Au나 Pt 또는 Pd 등을 소정 두께로 도포하여 금속막을 형성하고, 열처리과정을 통하여 p형 금속접촉층(110)을 형성한다. 그후, 상기 p형 금속접촉층(110)상에 Au층(100)을 형성하고, 이후의 공정에서 사파이어기판에서 분리될 GaN 발광다이오드 구조의 p형 전극 및 지지대로 사용될 두꺼운 금속층(미도시함)을 도금기법 등을 이용하여 형성한다. 이어, 레이저 리프트오프(Laser lift off)법을 이용하여 사파이어기판을 분리하여 GaN 발광다이오드 구조를 갖는 자립형 웨이퍼를 얻는다. 이후 공정에서는 상기 미도시한 두꺼운 금속층을 기저층 지지대로 사용한다.

그후, 건식 식각공정을 이용하여 상기 잔존하는 미도시한 버퍼 GaN층을 제거한 후, 상기 n형 GaN층(140)의 상부면을 텍스쳐링(texturing)하여 상기 n형 GaN층(140)의 상부에 일부를 평탄화한 후 러프니스(roughness)를 형성한다. 그후, 상기 러프니스가 형성된 상기 n형 GaN층(140) 상에 도전성 산화박막층(150)을 일정 두께로 균일하게 형성한 후, 상기 도전성 산화박막층(150)의 소정 영역 위에 본딩패드(160)를 형성한다. 여기서, 상기한 설명에서는 사파이어기판을 분리하여 GaN 발광다이오드 구조를 갖는 자립형 웨이퍼에서 잔존하는 GaN 버퍼층을 제거한 후에 상기 n형 GaN층(140)의 상부에 러프니스를 형성하였지만, 잔존하는 GaN 버퍼층을 제거하지 않고 미도시한 GaN 버퍼층의 상부면을 텍스쳐링하여 상기 GaN 버퍼층의 상부에 러프니스를 형성한 후, 상기 러프니스가 형성된 상기 GaN 버퍼층 상에 도전성 산화박막층(150)을 형성하고, 상기 도전성 산화박막층(150) 위에 본딩패드(160)를 형성한다. 또한, 상기 GaN 버퍼층 또는 n형 GaN층(140)의 일부를 식각공정을 통해 평탄화한 후, 러프니스를 형성하지 않고 도전성 산화박막층(150)을 형성할 수도 있다.

본 실시예에서는 기존의 다중 양자 우물구조 (Multiple Quantum Well Structure)형 활성층(130)내에서 생성된 빛이 불투명 금속 전극에 의해 손실되어지는 것을 줄이고자 기존의 p형 GaN층이 소자의 상부에 그리고 n형 GaN층이 소자의 하부에 존재하는 소자구조에서 n형 GaN층(140)이 소자의 상부에 p형 GaN층(120)이 소자의 하부에 존재하는 구조로 소자의 구조를 변경하였다.

기존에 고휘도 발광다이오드의 제작을 위해 소자구조의 최적화를 위한 가장 중요한 문제점 중 하나는 반도체 재료의 굴절율이 공기보다 훨씬 높기 때문에 반도체 내에서 생성된 빛의 내부 반사에 의해 반도체 외부로 빠져나가지 못하고 재료 내에 갇히게 되며 이러한 내부 반사되는 빛은 대부분 재료 및 기판물질 등에 흡수되어 소자 외부로 빠져 나오지 못하고 소멸되기 때문에 소자의 실제 외부 방출 효율은 약 10 % 이하이다. 따라서 본 발명의 발명자들은 이러한 문제점을 해결하기 위해 빛의 방출면 표면을 텍스쳐링하여 표면에 러프니스를 형성하여 임계각을 증가시킴으로써 소자 내부에서 생성된 빛을 외부로 방출시키는 효과를 극대화 하고자 하는 연구를 수행하였다. 상기 표면 러프니스는 구형, 반구형, 육각뿔 형태 또는 마이크로 렌즈 배열형태의 표면 구조를 의미하며 구체적인 러프니스 형성방법은 다음과 같다.

도 3은 건식식각공정을 이용하여 가스 조합에 따른 표면상태를 SEM을 통하여 관찰한 결과이다. 본 실시예에서는 표면의 평탄화를 포함한 표면의 러프니스를 제어하기 위해 Cl₂/BCl₃의 가스조합을 사용하여 표면 평탄화 및 러프닝 공정을 수행하였다. 상기 Cl₂/BCl₃의 가스조합은 BCl₃가스를 주 가스로 하여 여기에 0 ~ 100 %의 Cl₂가스가 첨가되는 모든 가스조합을 의미하며 이러한 가스조합을 이용한 건식식각 러프닝 공정을 통하여 구형, 반구형, 또는 마이크로 렌즈 배열형태의 표면 러프니스(roughness) 구조를 구현할 수 있다.

도 4는 습식식각공정을 이용한 표면 러프니스 형성의 SEM 관찰 결과이다. 본 실시예에서는 표면 러프니스 형성을 위해 KOH 용액을 이용하여 버퍼 GaN 및 n형 GaN의 표면을 식각 하였다. 도 4에서 볼 수 있듯이 KOH에서의 습식식각 결과 GaN 육각뿔 형태로 식각되는 것을 확인할 수 있다. 본 습식식각공정을 통한 표면 러프니스 형성은 KOH 수용액을 이용하는 것을 기본으로 하며 본 실시예에서는 식각공정시 KOH 수용액을 80℃ 이상으로 가열하며 UV 램프를 사용하여 UV를 조사함으로써 식각반응을 촉진시켜 육각뿔 형태의 구조가 구현되는 것을 확인하였다.

도 5는 건식식각공정을 이용하여 n형 GaN 표면에 마이크로 렌즈를 형성하기 위한 렌즈형태의 포토레지스터 마스크 및 소자의 표면에 제작된 GaN 렌즈를 SEM으로 관찰한 것이다. 이러한 패턴을 건식식각 공정을 이용하여 소자의 표면에 제작하였을 때 곡률반경의 제어가 가능한 마이크로 렌즈 배열을 형성할 수 있었다.

또한, 본 실시예에서는 레이저 리프트오프(Laser lift off)기법으로 형성되는 GaN면에 ITO 또는 IO(In₂O₃)를 투명 접촉으로 형성하여 동작 전압의 감소 및 빛의 외부 방출 효율을 높이고자 하는 실험을 실시하였다. 상기 ITO 또는 IO(In₂O₃)를 증착하는 방법으로는 전자빔 증착법, 스퍼터법, 이온빔 보조 전자빔 증착법등을 이용하였으며 그 구체적인 방법은 하기에서 자세히 설명한다.

먼저, 전자빔 증착법을 이용하여 ITO 박막을 증착하는 경우에는 ITO박막의 증착을 위해 대표적으로 사용되는 10 wt% SnO₂ / 90 wt% In₂O₃ 조성의 전자빔 증착소스를 사용하였고 ITO 박막을 상온에서 증착하였다. 본 실시예에서는 ITO의 전기전도도 증가와 광학적 투과도의 증가, 또한 상부층에 대한 접촉저항의 감소를 위하여 상기 ITO박막의 증착후 질소(N₂) 분위기의 열처리로에서 열처리를 실시하였으며 열처리 온도는 500℃부터 700℃까지 변화시켰다. 또한 열처리 과정에서 분위기는 아르곤(Ar)과 같은 비활성 가스를 사용할 수도 있으며 분위기 가스로써 산소(O₂) 또는 산소를 포함하는 질소(N₂)+산소(O₂), 아르곤(Ar)+산소(O₂)등의 가스조합을 사용하는 경우 열처리 온도는 500℃이하 250℃정도까지의 낮은 온도에서도 박막의 특성 향상이 가능하였다. 따라서 열처리 과정에서 열처리 분위기를 조절함으로써 공정상의 열처리 온도는 250℃부터 700℃정도까지 변화될 수 있다.

열처리과정 이전의 ITO 박막은 짙은 갈색을 나타내었으며 수 kΩ/□ 대의 면저항을 나타내었다. 이렇게 증착된 ITO 박막은 500℃이하의 열처리 온도에서는 투과도가 증가하지 않았으며 높은 저항값을 나타내었다. 따라서, 전자빔 증착법으로 증착한 ITO 박막의 경우 500℃ 이상의 열처리 온도에서 열처리 과정을 통하여 투과도를 증가시킬 수 있으며 저항값 역시 감소시킬 수 있다. 도 6은 각각의 온도에서 열처리 후 ITO 박막은 500℃ 까지 비저항이 감소하는 경향을 보였으나 500℃ 보다 열처리 온도가 증가하였을 때 비저항의 값이 서서히 증가하는 경향을 보이며 700℃ 열처리 과정 후에는 비저항 값이 급격하게 증가하는 모습을 나타내었다. 일반적으로 ITO박막의 비저항은 산소 공핍에 의해 얻어지는 자유전자의 양과 주석원자에 의한 도핑효과에 영향을 받는데 상온에서 증착된 비정질의 ITO 경우 박막내 주석원자나 산소 공핍이 활성화되기 어려워 도핑효과를 기대하기 어렵다. 산소 공핍의 형성 또는 주석원자가 인듐의 자리에 치환되어져 들어가면서 자유전자의 양이 늘어나 도판트의 역할을 하여 비저항을 낮추게 되었으나 열처리 온도가 증가함에 따라 산소 원자가 ITO 박막내 산소 공핍을 영역에 들어가게 되어 산소 공핍이 감소하고 따라서 자유전자의 양이 줄어들면서 비저항 역시 높아지게 된 것으로 판단된다. 본 실시예서는 500℃ 에서 5분간 열처리하여 8×10^-4 Ωcm의 최저 비저항 값을 얻을 수 있었다. 또한 각각의 온도에서 열처리 과정 UV 분광광도법(spectrometry)을 사용하여 측정한 박막의 광학적 투과도 측정 결과, ITO 박막의 투과도는 열처리 온도가 증가함에 따라 증가하는 것을 볼 수 있는데 이러한 ITO 박막의 투과도 증가는 전적으로 박막내 산소공핍밀도에 의존하므 로ITO 박막의 투과도 증가는 산소공핍밀도의 감소를 의미하게 된다. 즉, 전기적으로는 앞서 설명한 바와 같이 자유전자의 감소를 의미하게 된다. 본 실시예에서 ITO 박막의 460nm의 파장대 영역에서의 투과도는 500℃ 에서 열처리한 박막을 제외하고는 85 %이상의 값을 얻을 수 있었다.

스퍼터법을 이용하여 ITO 박막을 증착하는 경우에는, 대표적인 ITO 타겟 조성인 10wt% SnO₂ / 90wt% In₂O₃ 스퍼터 타겟을 사용하였다. 스퍼터 가스로는 Ar/O₂ 혼합가스를 사용하였다.

도 9는 Ar의 유입량을 고정한 상태로 O₂유입량을 1.25sccm과 1.5sccm으로 하여 박막을 증착한 후 열처리시간 변화에 따른 ITO 박막의 비저항을 측정한 결과이다. 두 조건에서 ITO 박막의 비저항 값 차이는 화학량론적 ITO 박막에 포함되어 질 수 있는 O₂의 양 조절에 의한 것으로 ITO 박막은 박막내 산소 공핍의 양이 부족한 경우 박막은 투과도와 전기전도도 모든 면에서 특성이 저하된다. 열처리는 질소 분위기의 열처리로(furnace)에서 실시하였으며 열처리 온도는 450℃이하로 하였다. 도 9에서 볼 수 있듯이 O₂ 유입량을 1.25sccm 조건에서 증착된 ITO 박막은 열처리 이전 1.45×10^-3Ωcm의 비저항 값을 나타내었으나 열처리 시간이 증가함에 따라 박막의 비저항이 감소하였으며 7분 30초의 열처리 후 최저값인 3.78×10^-3 Ωcm의 비저항 값을 나타내었다. O₂ 유입량을 1.5sccm 조건에서 열처리 시간 경과 5분까지는 열처리 시간이 증가할수록 비저항은 낮아졌으며 이후 비저항 값이 증가하는 경향을 나타내었다. 이러한 열처리 또는 O₂ 유입량에 따른 비저항 값의 변화는 열처리시간 증가에 따라 박막내 산소 공핍으로 인한 결함 밀도의 감소와 O₂의 확산 및 활성화로 적절한 산소 공핍을 형성, 자유전자의 양이 늘어나 도판트의 역할을 하거나 주석원자가 인듐의 자리에 치환되어져 도판트의 역할을 하여 비저항을 낮추게 되었으나 열처리 온도가 증가함에 따라 산소 원자가 ITO 박막내 산소 공핍을 채우게 되어 산소 공핍이 감소하고, 따라서 자유전자의 양이 줄어들면서 비저항 역시 높아지게 된 것으로 판단할 수 있다. 또한, 본 연구의 결과에서 ITO의 n형 GaN에 대한 접촉저항값은 1×10^-5Ωcm²의 값을 나타내었다.

또한, UV 분광광도법(spectrometry)을 사용하여 측정한 박막의 광학적 투과도의 측정 결과로 파장 460 nm에서 측정한 ITO 박막의 광학적 투과도는 앞선 실험의 결과와 같이 열처리 시간이 증가함에 따라 증가하는 것을 볼 수 있었는데 본 실험에서 얻게된 ITO 박막의 460nm 파장대 영역에서의 투과도는 O₂ 유입량 1.25 sccm로 증착된 박막의 경우 열처리 후 약 97%까지 증가하였으며 O₂ 유입량 1.5sccm로 증착된 박막의 경우 열처리 후 약 98.5%까지 증가하게 되었다. 이러한 스퍼터를 이용하여 증착한 ITO 박막의 전기적, 광학적 특성은 박막의 증착시 타겟과 기판과의 거리변화, 기판의 가열 및 O₂ 유입량의 변화 등의 공정변수의 변화를 통하여 박막의 특성을 변화시킬 수 있다. 따라서 스퍼터를 이용하여 증착한 ITO 박막은 소자에 적용시 박막 증착후 열처리 과정을 생략할 수 있는 장점을 지닌다.

이온빔 보조 전자빔 증착법을 이용하여 IO(In₂O₃) 박막을 증착하는 경우, 이온빔 보조 전자빔 증착법을 이용하여 투명전도 산화박막을 증착한 이유는 앞선 실험에서 전자빔 증착법을 이용하여 ITO 박막을 증착한 경우 박막내 산소공핍의 부족으로 인하여 열처리 온도를 600℃이상까지 증가시켜야 투과도를 얻을 수 있었기 때문인데 이러한 고온에서의 열처리는 소자의 제작에 있어 박막의 스트레스등에 의한 결함까지 고려를 해야함으로 특히 박막형태의 레이저 리프트오프(Laser lift off)기법으로 형성되는 GaN을 다루는 소자제작 공정에서는 사용하기에 어려운 점이 많다고 판단했기 때문이다. 따라서 증착기 내부에서 박막의 증착시 이온건을 사용하여 산소 라디칼을 생성 기판에 조사해 줌으로써 박막 증착시 적절한 산소 결합을 형성하고 박막내 산소 공핍을 제어할 수 있어 산소 이온빔 보조된 전자빔 증착법은 상온에서 낮은 전기저항과 높은 투과도를 갖는 박막의 증착이 가능한 산소 이온빔 보조된 전자빔 증착법을 사용하여 In₂O₃ 박막을 증착하였으며 박막의 전기적, 광학적 특성을 살펴보았다.

도 11은 이온건의 그리드에 걸어주는 전압의 변화에 따른 In₂O₃ 박막의 비저항 값의 변화를 나타낸 것이다. 이때, 이온건 내 산소 플라즈마의 생성을 위해 RF power를 사용하였다. 도 11에서 볼 수 있듯이 그리드에 걸어준 가속전압의 증가에 따라 300V의 가속전압을 걸어준 상태에서 가장 낮은 비저항 값을 얻을 수 있었으며, 이때 비저항의 값은 5×10^-4Ωcm이었으며 박막의 투과도를 측정한 결과 파장 460nm의 영역에서 약 92%의 투과도를 나타내었다. 또한 300V 이상의 가속전압이 가해졌을 때는 박막의 투과도는 증가하였으나 오히려 비저항 값이 다시 증가하는 경향을 보였는데 이는 가속전압의 증가로 산소 이온빔에 의한 박막표면의 에너지 증가로 박막표면에서 산소의 결합이 활성화 되어 박막내 적절한 산소공핍을 채우기 시작함으로써 박막의 투과도는 증가하였으나 박막의 비저항이 증가하는 경향을 나타낸 것으로 판단할 수 있다.

상기와 같이, 본 발명에서는 발광다이오드의 동작 전압을 감소시키기 위하여 레이저 리프트오프(Laser lift off)기법으로 형성되는 GaN면에 투명전도산화박막(TCO) 접합을 적용하였으며 이러한 접합의 형성으로 인해 성공적으로 소자의 동작전압을 감소시킬 수 있었다.

도 12는 레이저 리프트오프(Laser lift off)기법으로 형성되는 GaN면에 ITO를 투명 접촉으로 사용한 경우와 기존에 개발되어진 Ti/Al을 접촉으로 사용한 경우의 LED 소자의 I-V 특성을 나타내는 그래프이다. 도 12에서 볼 수 있듯이 Ti/Al을 접촉으로 사용한 경우 20mA에서의 동작전압은 약 10.24V 이었으며 열처리 이후에도 동작전압에는 거의 변화가 없었다. 그러나 ITO접합의 경우는 열처리 이전 4.28V, 열처리 이후 3.8V로 동작접압이 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 Ti/Al의 접촉시 접촉저항이 증가하는 현상은 상대적으로 높은 n-GaN층의 저항에 의해 면방향으로의 전류퍼짐 현상이 좋지 않기 때문이라고 판단되어지며, ITO 접촉 형성시 동작전압이 낮아지는 현상은 상대적으로 저항이 작은 ITO 접촉의 전면적인 증착으로 인하여 소자의 면방향으로의 전류퍼짐 현상을 개선했기 때문으로 판단된다.

도 13은 본 발명 수직구조 발광다이오드의 전류의 흐름과 전압 강하를 이해하기 위한 모식도이다. 도 13에서 화살표 "A"와 "B"는 임의의 전류 경로를 의미하며 이러한 경로를 거치는 동안에 ITO 접합을 포함한 소자와 ITO 접합을 포함하지 않는 소자 내에서 일어날 수 있는 전압강하 요소에 대해서 생각해 보기로 하였다. 편의상 도 13a에는 n형 GaN 상부층만을 도식화하였으며 표면을 평탄화층을 형성한 경우와 도 13b에는 러프니스층을 형성한 경우로 나누어 도식화하였으며 평탄화층을 가진 경우에 대한 전압 강하요소만을 수식화 하여 표현하기로 한다. 먼저 도 13에서 소자 전체에서 일어날 수 있는 총 전압강하는 경로 "A"와 "B"를 거치는 동안에 각각 다음과 같은 식으로 표현될 수 있다.

(1)

(2)

여기에서 J 와 Va는 각각 전류밀도와 활성층을 통한 전압강하를 나타내며ρ _p 와 ρ _n 는 각각 p-GaN와 n-GaN의 비저항 그리고 t _p 와 t _n 은 p형 GaN층과 n형 GaN층의 두께를 나타낸다. 그리고 전극패드의 가장자리로부터 소자의 면방향으로 흐르는 전류의 경로를 거리 l로 표시하였다. 식 (1)과 (2)의 관계로부터 소자의 활성층 전체를 균일한 전류가 통과하기 위한 조건은 식 (3)과 같이 얻을 수 있다.

(3)

이러한 관계조건에서 n형 GaN층(140)의 두께(t _n )는 면방향으로 흐르는 전류의 경로(l)만큼 두꺼워야 하는데, 만약 n형 GaN층(140)의 두께가 l 만큼 커진다면 소자의 전압강하는 n형 GaN층을 통과하면서 n형 GaN층(140)의 비저항(ρ _n )으로 인해 소자의 저항성은 더욱 증가하게 된다. 따라서, n형 GaN층(140)의 층의 두께가 두꺼워지는 것은 바람직하지 못하며 결국 접합패드의 가장자리로부터 소자 끝까지의 거리가 n형 GaN층(140)의 두께만큼 짧아져야 한다는 결론을 얻게 된다. 즉, n형 GaN층(140)의 크기가 소자 전체를 덮을만큼 커져야 한다는 것을 의미하게 된다. 따라서, 본 실시예에서는 이러한 조건은 만족하기 위하여 도 13(b)와 같이 투명 전도성 재료인 ITO를 n형 GaN 접합층으로 사용하여 이러한 ITO 접합 적용시 소자에서 일어나는 전압강하 요소를 고려한 관계식을 다음의 식 (4)와 같이 구할 수 있었다. 이러한 ITO 접합이 적용된 소자에 있어 전압강하 경로는 ITO의 비저항이 n형 GaN층에 비해 충분히 낮으므로 소자의 면방향 경로(B)를 통한 전압강하만을 고려하여 비교할 수 있다.

(4)

위의 식에서 ρ _ITO 는 ITO 박막의 비저항을 나타내며 이러한 관계식을 식 (2)와 비교해보면 두 관계식으로부터 ITO 접합 유무에 따른 소자의 전압강하 차이를 식 (5)와 같이 계산해 낼 수 있다.

(5)

위의 관계식에서 n형 GaN층(140)의 비저항(ρ _n )과 관련된 항에서 두께(t _n )는 면방향으로 흐르는 전류의 경로(l)보다 아주 작으므로 무시할 수 있다( t _n << l ). 따라서 관계식으로부터 얻어지는 ITO 접합 유무에 따른 소자의 전압강하 차이는 ITO의 비저항 ρ _ITO 와 n형 GaN의 비저항 ρ _n 에 대한 함수로 구할 수 있다.

(6)

따라서, 도 12에서 제작된 소자로부터 얻은 전류-전압 곡선에서 ITO를 접합으로 사용한 소자에서의 동작전압 감소는 ITO의 비저항과 n형 GaN의 비저항의 차에 의해 감소하게 된 것임을 확인할 수 있다.

도 14는 이러한 ITO 박막의 두께에 따른 전압강하의 특성을 알아보기 위하여 동작 전압을 ITO의 두께에 따라 나타내었으며 같은 종류의 수평형 소자를 제작하여 소자의 동작 전압값과 ITO 접합을 가지는 수직형 소자의 동작 전압값을 비교할 수 있도록 하였다. 도 14에서 볼 수 있듯이 ITO 접합 박막의 두께에 따라 소자의 동작 전압은 감소하였으며 100nm이상의 ITO 접합의 두께에서는 수평형 소자의 동작 전압과 거의 유사한 값을 가지게 되는 것을 확인하였다. 약 50 nm 두께의 ITO 박막에서는 투과도는 좋으나 박막내 결정 결함등에 의한 높은 비저항으로 인하여 동작 전압이 증가한 것으로 판단되며 두께가 150 nm 이상의 박막에서는 박막의 두께가 증가함에 따라 전기 전도도가 개선되어 소자의 동작 전압을 낮출 수 있었다.

따라서 ITO 박막은 460nm의 파장을 고려한 100nm 이상의질화갈륨에서 생성되는 파장×(2n-1)/4n_tco ( n=자연수, n_tco = TCO박막의 굴절계수)의 두께로 증착되는 것이 적절할 것이다.

한편, 본 발명의 ITO 및 IO(In₂O₃)를 투명접촉으로 형성한 발광다이오드에 대한 빛의 외부방출 효율을 OES를 사용하여 측정하였다.

도 15는 기존의 수평방향으로 제작된 소자와 수직형으로 제작된 소자 및 건식식각을 통해 표면을 텍스쳐링한 수직 소자의 방출 강도를 비교한 것이다. 도 15에서 볼 수 있듯이, 기존의 수평형 소자와 수직형 소자를 비교할 경우 약 20 %의 외부방출효과가 증가하는 것을 볼 수 있었으며 표면 텍스쳐링 공정을 실시하여 제작한 소자와 수평형 소자의 광방출 특성을 비교하였을 경우 약 100%배의 광방출 효율이 증가한 것으로 나타났다. 이러한 광방출 효율의 증가는 건식식각 공정을 이용한 표면 러프닝(roughening)에 의해 소자의 내부반사에 의한 손실을 줄일 수 있었던 것으로 판단된다.

도 16은 표면 텍스쳐링으로 인하여 높은 동작전압을 갖는 소자의 빛의 외부 방출 효율과 ITO 접촉층을 적용하여 낮은 동작전압을 갖는 소자의 빛의 외부 방출 효과를 비교한 것이다. 실험은 Ti/Al 접합을 갖는 표면 텍스쳐링 소자를 기준으로 하여 표면 텍스쳐링 후 ITO 접촉층을 형성한 소자와 ITO 접촉층 형성 후 열처리 과정을 거친 상태의 소자 그리고 ITO 접촉층 형성과 열처리 공정 후 반사 방지막으로 적용 가능성을 검토한 SiO₂를 그 위에 적층한 소자의 20 mA에서의 발광효율을 측정함으로써 소자의 빛의 외부 방출 효율을 측정하고자 하였다. 도 16에서 볼 수 있듯이 ITO를 접촉층으로 사용한 소자에서 열처리 공정 이전 다소 낮은 방출강도를 나타내었으며 열처리 공정을 거친 후에는 방출강도가 증가하는 것을 확인할 수 있었는데 이는 열처리 후 ITO의 투과도가 열처리 과정을 거치면서 증가하는 것에 기인한 것으로 판단되어진다. 또한, 표면 텍스쳐링 후 ITO 접촉층 형성과 열처리 공정을 거친 상태의 소자는 Ti/Al 접합을 갖는 표면 texturing 소자와 거의 유사한 방출강도를 나타낸다. 또한 ITO 접촉층 형성과 열처리 공정 후 SiO₂ 반사 방지막을 증착한 소자의 경우 같은 방식으로 계산하였을 때 Ti/Al 접합을 갖는 표면 텍스쳐링 소자를 기준으로 하여 약 11%의 효율 증가 및 표면 texturing 후 ITO 접촉층을 형성한 후 열처리 과정을 거친 상태의 소자를 기준으로 해서 약 5 %의 효율 증가를 기대할 수 있었으나 각각 5%와 4%정도가 증가한 방출강도를 나타냄으로써 역시 ITO 두께를 최적화 하지 못한 원인으로 인한 다소 투과도의 손실을 가져왔으나 표면 텍스쳐링 후 ITO 접촉층을 형성한 후 열처리 과정을 거친 상태의 소자를 기준으로 해서는 거의 유사한 값의 방출증가 효율을 가지는 소자의 제작이 가능하였다.

도 17은 습식 식각법 및 건식식각법을 이용한 표면 텍스쳐링 또는 마이크로 렌즈를 형성한 수직형 소자의 특성을 비교한 결과를 나타낸 것이며 또한 상온증착 IO(In₂O₃) 접촉 소자를 건식식각법으로 표면을 텍스쳐링한 소자에 적용하여 그 발광 특성을 관찰하고자 하였다. 건식식각법을 통하여 마이크로 렌즈를 적용한 소자와 습식 식각법을 통하여 육각뿔의 구조를 형성한 수직형 소자의 표면에는 ITO 접촉막을 적용하였으며 이들 소자의 실제 동작전압은 3.6~3.8 V@20 mA였다. 도 17에서 볼 수 있듯이, 건식식각법으로 표면 텍스쳐링한 소자의 방출 특성이 가장 높았으며 이에 비교하여 표면 텍스쳐링한 후 IO 접촉막을 형성한 소자의 경우 약 5 %정도 방출 특성이 감소하였으며 표면에 마이크로 렌즈를 형성한 소자의 경우 약 18.7%정도 감소하였다. 또한 습식식각을 통해 표면에 육각뿔 구조를 형성한 수직형 소자의 경우 약 30%의 방출 특성 감소를 가져왔다. 이러한 결과로부터 IO 접촉막을 형성한 소자의 경우에는 IO 박막의 투과율이 460nm 영역에서 약 92 %정도이므로 투과율 감소에 의한 것으로 판단되며 표면에 마이크로 렌즈를 형성한 소자의 경우 상대적으로 낮은 마이크로 렌즈의 밀도로 인해 방출 효율이 감소한 것으로 판단된다. 습식식각을 통한 육각뿔 구조를 형성한 수직형 소자의 경우 방출효율이 크게 감소한 것에 대해서는 빛의 방출 효율이 렌즈형태보다 떨어지기 때문인 것으로 판단된다.

도 18은 본 발명의 마지막으로 텍스쳐링한 표면에 ITO 접촉을 형성한 수직 발광다이오드 소자의 SEM 형상과 광학현미경을 통하여 촬영한 완성된 고휘도 수직 발광다이오드의 동작하는 모습이다.

상기와 같이 본 발명에서는 발광 표면 texturing 고휘도 발광다이오드의 동작 전압을 감소시키기 위하여 레이저 리프트오프(Laser lift off)기법으로 형성되는 GaN면에 TCO 접촉을 적용하였으며 이러한 접촉면의 형성으로 인해 성공적으로 소자의 동작전압을 감소시킬 수 있었으 며 향상된 고휘도, 고효율의 GaN계 수직구조 발광다이오드를 제작, 소자의 전기적 특성 및 빛의 방출특성을 관찰할 수 있었으며 개발된 공정으로 제작된 청색 수직형 발광다이오드의 광학적 효율은 기존의 수평형 발광다이오드의 효율을 2배이상 향상 시킬 수 있었다.

상기 TCO는 인듐-주석계 산화물(ITO), 인듐 산화물(IO)을 예시로 들었으나 이외 주석계 산화물(SnO₂), 아연계 산화물(ZnO), 인듐-아연계 산화물(IZO) 등의 투명 전도 산화물을 사용할 수 있으며 또한 이들을 포함한 금속-TCO, TCO-TCO, TCO-금속등의 다층구조의 접촉을 형성하여 사용하는 것도 가능하다.

상기에서 설명한 것은 본 발명에 의한 투명 접합을 갖는 수직 방향 광전소자 및 그 제조방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.

상기의 설명에서와 같이, 본 발명은 p형 GaN을 활성층 하부에 형성하고 n형 GaN을 활성층 상부에 형성하여 활성층내에서 생성된 빛이 불투명 금속전극에 의해 손실되는 문제점을 개선하고, 상기 n형 GaN으로 이루어진 상부층에 빛이 외부로 방출되는 효과를 극대화 하기 위해 러프니스(roughness)를 형성하며, 또한 러프니스 상에 도전성 투명전도막(TCO)을 형성하여 발광다이오드의 동작전압을 감소시키는 장점이 있다.

도 1은 종래 질화물반도체 발광소자를 설명하기 위한 단면도,

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 질화갈륨계 수직구조 발광다이오드를 설명하기 위한 단면도,

도 3는 건식식각공정을 이용하여 버퍼(buffer) GaN 또는 n형 GaN 표면에 평탄화 및 러프니스 형성 후 표면상태를 SEM을 통하여 관찰한 결과를 나타내는 도면,

도 4는 습식식각공정을 이용한 버퍼 GaN 또는 n형 GaN 표면 러프니스(roughness) 형성의 SEM 관찰 결과를 나타내는 도면,

도 5는 건식식각공정을 이용하여 버퍼 GaN 또는 n형 GaN 표면에 GaN 렌즈를 형성 후 SEM으로 관찰한 결과를 나타내는 도면,

도 6은 전자빔 증착법에 의한 ITO 박막의 열처리 과정후 4-점 프로브를 사용하여 측정한 비저항값을 나타내는 도면,

도 7은 전자빔 증착법에 의한 열처리 과정동안 UV 분광광도법(spectrometry)을 사용하여 측정한 박막의 광학적 투과도 측정 결과를 나타내는 도면,

도 8은 전자빔 증착법에 의한 열처리 온도 변화에 따른 ITO의 n형 GaN에 대한 접촉저항값 측정결과를 나타내는 도면,

도 9는 스퍼터법에 의한 열처리시간 변화에 따른 ITO 박막의 비저항을 측정한 결과를 나타내는 도면,

도 10은 스퍼터법에 의한 UV 분광광도법을 사용하여 측정한 박막의 광학적 투과도의 측정결과로 파장 460nm에서 측정한 값을 나타내는 도면,

도 11은 이온건의 그리드에 걸어주는 전압의 변화에 따른 In₂O₃ 박막의 비저항값의 변화를 나타내는 도면,

도 12는 ITO를 투명접촉으로 사용한 경우와 기존의 Ti/Al을 접촉으로 사용한 LED 소자의 I-V 특성을 나타내는 그래프,

도 13a는 본 발명의 질화갈륨계 수직구조 발광다이오드에서 n형 GaN 표면이 평탄화된 경우 전류의 흐름과 전압 강하를 이해하기 위한 모식도,

도 13b는 본 발명의 질화갈륨계 수직구조 발광다이오드에서 러프니스가 형성된 경우 전류의 흐름과 전압 강하를 이해하기 위한 모식도,

도 14는 ITO 박막의 두께에 따른 전압강하의 특성도,

도 15는 수직소자의 방출 강도를 비교한 그래프,

도 16은 ITO접촉층을 적용하여 빛의 외부 방출효과를 비교한 그래프,

도 17은 습식 식각법 및 건식식각법을 이용한 표면 텍스쳐링(texturing) 또는 마이크로 렌즈를 형성한 수직형 소자의 특성을 비교한 결과를 나타낸 그래프,

도 18은 본 발명의 고휘도 수직구조 발광다이오드의 SEM형상과 광학현미경을 통해 촬영한 동작 모습을 나타낸 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

120 : 하부층 130 : 활성층

140 : 상부층 150 : 도전성 산화박막층

160 : 본딩패드

Claims (17)

1. 기판의 상부에 형성되며 p형 GaN으로 이루어진 하부층과;

   상기 하부층의 상부에 형성되며 GaN으로 이루어진 활성층과;

   상기 활성층의 상부에 적어도 n형 GaN층을 포함하여 이루어진 상부층 및;

   상기 상부층 상부에 형성되는 도전성 산화박막층;

   을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 수직구조 발광다이오드.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 상부층을 구성하는 n형 GaN층은 상부 표면이 식각공정을 통해 평탄화 또는 러프니스(roughness)가 형성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 수직구조 발광다이오드.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 상부층은 상기 n형 GaN층 상에 형성되고 GaN로 이루어진 버퍼층을 더 포함하여 구성되고,

   상기 버퍼층은 상부 표면이 식각공정을 통해 평탄화 또는 러프니스가 형성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 수직구조 발광다이오드.
4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,

   상기 러프니스는 구형, 반구형, 육각뿔형, 마이크로 렌즈 배열 형태 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 수직구조 발광다이오드.
5. 제 1항 내지 제 3항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 도전성 산화박막은 인듐-주석계 산화물(ITO), 인듐 산화물(IO), 주석계 산화물(SnO₂), 아연계 산화물(ZnO) 또는 인듐-아연계 산화물(IZO)중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 수직구조 발광다이오드.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 도전성 산화박막은 (질화갈륨계 소자에서 생성되는 파장)×(2n-1)/4n_tco 의 두께로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 수직구조 발광다이오드.

   상기 n은 자연수이고, 상기 n_tco 는 도전성 산화박막의 굴절계수이다.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 도전성 산화박막은 상기 산화물중 서로 다른 산화물이 적층된 다층구조를 형성하여 이루어진 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 수직구조 발광다이오드.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 도전성 산화박막은 상부 또는 하부에 금속산화물 또는 금속층이 적층되어 이루어진 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 수직구조 발광다이오드.
9. 활성층과, 이 활성층의 상부에 형성된 n형 GaN으로 된 상부층과, 상기 활성층의 하부에 형성된 p형 GaN으로 된 하부층과, 상기 하부층의 하부에 순차 적층형성된 금속접촉층과 전극층을 포함하는 자립형 웨이퍼를 얻는 제1단계와;

   상기 n형 GaN으로 된 상부층 상에 도전성 산화박막층을 형성하는 제2단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 수직구조 발광다이오드의 제조방법.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 제1단계는, 사파이어 기판상에 GaN로 이루어진 버퍼층을 형성하는 단계와;

    상기 GaN 버퍼층 상에 n형 GaN로 된 상부층을 형성하는 단계;

    상기 상부층 상에 상기 활성층, 상기 하부층, 상기 금속접촉층 및 전극층을 순차 형성하는 단계;

    상기 사파이어기판을 분리 제거하고 상기 전극층을 지지대로 하는 자립형 웨이퍼를 얻는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 수직구조 발광다이오드의 제조방법.
11. 제 10항에 있어서,

    상기 사바이어기판의 분리제거시에 상기 버퍼층을 제거하고,

    상기 상부층의 상부면을 식각공정에 의해 일부 평탄화하거나 또는 러프니스를 형성하는 단계를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 수직구조 발광다이오드의 제조방법.
12. 제 11항에 있어서,

    상기 사바이어기판의 분리제거시에 상기 버퍼층을 잔존시키고,

    상기 버퍼층의 상부면을 식각공정에 의해 일부 평탄화하거나 또는 러프니스를 형성하는 단계를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 수직구조 발광다이오드의 제조방법.
13. 제 11항 또는 제 12항에 있어서,

    상기 러프니스 형성은 UV 램프를 사용하여 자외선을 조사하면서 KOH용액을 이용한 습식식각공정을 이용하여 육각뿔 형태를 형성하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 수직구조 발광다이오드의 제조방법.
14. 제 11항 또는 제 12항에 있어서,

    상기 러프니스 형성은 포토레지스터를 이용한 건식식각공정을 이용하여 마이크로렌즈 배열 형태를 형성하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 수직구조 발광다이오드의 제조방법.
15. 제 9항 내지 제 14항중 어느 한 항에 있어서,

    상기 상부층의 상부에 상기 도전성 산화박막층을 형성하는 방법에는 전자빔 증착법, 스퍼터법 또는 산소 이온빔 보조된 전자빔 증착법 중 어느 하나를 이용한 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 수직구조 발광다이오드의 제조방법.
16. 제 15항에 있어서,

    상기 전자빔 증착법은 상기 도전성 산화박막 증착 후 250℃이상 700℃이하의 온도에서 열처리 하는 과정을 포함한 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 수직구조 발광다이오드의 제조방법.
17. 제 15항에 있어서,

    상기 스퍼터법은 상기 도전성 산화박막 증착 후 상온이상 450℃이하의 온도에서 열처리 하는 과정을 포함한 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 수직구조 발광다이오드의 제조방법.