KR20060067487A - 산화 아연계 투명 산화물 전극을 구비한 반도체 발광 소자 - Google Patents

산화 아연계 투명 산화물 전극을 구비한 반도체 발광 소자 Download PDF

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KR20060067487A
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박승현
김광철
김태훈
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유영문
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Abstract

본 발명은 투명전극을 구비한 GaN계 반도체 발광 소자에 있어서, 상기 투명전극이 산화 아연에 산화 알루미늄 및 산화 갈륨이 도핑되어 형성된 산화 아연계 산화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 GaN계 반도체 발광 소자에 관한 것이다. 본 발명의 GaN계 반도체 발광 소자는 투명 전극으로 산화 알루미늄 및 산화 갈륨이 함유된 산화 아연계 산화물을 사용함으로써, 발광한 빛의 투과율을 높일 수 있었으며, 발광 효율 및 출사 효율을 개선시킬 수 있어 성능이 개선된 LED 및 LD로서 작용할 수 있다.
발광 소자, 산화 아연, 투명 전극.

Description

산화 아연계 투명 산화물 전극을 구비한 반도체 발광 소자{LIGHT EMITTING DIODE HAVING ZINC OXIDE TRANSPARENT CONDUCTING OXIDE}
도 1은 본 발명에 따른 투명 산화물 전극을 구비한 발광 다이오드 구조를 나타낸 단면도이며.
도 2는 본 발명의 투명 산화물 전극과 GaN계 반도체와의 오믹 접합 특성을 나타낸 그래프이며,
도 3은 본 발명의 투명 산화물 전극을 구비한 발광 다이오드의 전압-전류 특성을 나타낸 그래프이며.
도 4는 본 발명의 투명 산화물 전극과 다른 투명 전극의 출력 파워를 상대 비교한 그래프이다.
본 발명은 투명전극을 구비한 GaN계 반도체 발광 소자에 관한 것으로서 더욱 상세히는 발광 효율 및 출사 효율을 개선시키기 위한 투명전극을 구비한 GaN계 반도체 발광 소자에 관한 것이다.
종래부터 p형 질화갈륨의 경우 투명전극으로서 Ni/Au 또는 ITO(Indium Tin Oxide)등이 사용되고 있고, Ni/Au은 금속이기 때문에 전극의 두께가 두꺼우면 전류 확산은 좋아지지만 빛의 투과율이 나빠지고, 전극의 두께가 얇은 것은 빛은 잘 투과를 하지만 막의 면방향 저항이 높아지기 때문에 전류 확산이 생기기 어렵다는 문제가 있다.
또한, Ni/Au 투명전극박막의 경우, 열처리시 열적 불안전성으로 인하여 실제 발광소자에 응용시 소자 신뢰성에 많은 문제가 제기된다. 이와 같은 이유로 투명전극박막은 소정의 임계 두께를 가져야 하는 한계가 있으며, 두꺼운 투명전극박막은 투명성의 저하를 유발하여 발광소자에서 가장 중요한 발광 효율을 감소시키는 단점을 가진다.
한편, 금속 보다는 높은 저항을 가지며, 빛의 투과성이 뛰어난 투명 전도성 산화물인 ITO는 에칭이 비교적 곤란하고, 에칭한 패턴의 형상이 무너지기 쉬워 전극으로서 가공하는 경우에 원하는 형상이 얻어지지 않는 문제가 있으며, 인듐은 자원 고갈의 문제와 함께 매우 고가이며, 더욱이 p형 질화갈륨 반도체의 홀 농도를 충분하게 크게 할 수 없는 한계와 금속과의 접촉성이 나쁜 단점을 지니고 있다.
본 발명의 목적은 종래 문제점을 지닌 투명전극을 대체할 수 있는 신규한 투명전극을 지닌 GaN계 반도체 발광 소자를 제공하는 것으로, 구체적으로 반도체 발광 소자의 발광 효율 및 출사 효율이 개선된 GaN계 반도체 발광 소자를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 투명전극을 구비한 GaN계 반도체 발광 소자에 있어서, 상기 투명전극이 산화 아연에 산화 알루미늄 및 산화 갈륨이 도핑되어 형성된 산화 아연계 산화물로 이루어진 것 GaN계 반도체 발광 소자를 제공한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 GaN계 반도체 발광 소자는 산화 아연계 산화물로 이루어진 투명전극으로 구비된다. 상기 산화 아연계 산화물은 산화 알루미늄만 도핑한 경우, 또는 다른 금속 산화물을 도핑한 경우 보다 높은 전도도를 얻을 수 있는 특징이 있다. 또한 최적의 높은 전도도를 얻기 위해 상기 산화 아연계 산화물은 산화 아연과 동일한 우르자이트 구조를 갖도록 도핑되는 산화 알루미늄과 산화 갈륨의 양을 조절하며, 이때, 산화 알루미늄의 양이 산화 갈륨의 양 보다 많도록 한다. 바람직하게는, 상기 산화 아연계 산화물은 하기 화학식 1로 표시된다.
Zn1-x-yAlxGayO
(상기 식에서, x는 0<x≤0.04 이며, y는 0<y≤0.01 이며, 단 x>y 이다.)
상기 조성비에 있어서, x 및 y의 범위가 상기 범위를 벗어난 경우, 상술한 바와 같이 우르자이트 구조의 산화 아연이 아닌 다른 구조의 산화 아연이 형성되며, 이로 인해 산화 아연계 화합물의 특징인 높은 전도도를 얻을 수 없다.
또한 본 발명의 산화 아연계 산화물은 추가로 +2, +3 또는 +4가의 금속 산화 물이 포함될 수 있다. +2가의 MgO를 산화 아연계 화합물에 첨가 하면 p형 반도체 전도도 특성을 가져, p형 반도체와 저항 접촉을 이룰 수 있다. +4가의 MnO2를 첨가할 경우 자성의 특성을 가지는 반도체 전도도 특성을 가진다. 이러한 금속 산화물의 첨가로 p형 반도체와의 저항 접촉 또는 자성의 특성을 가지는 산화 아연계 화합물을 얻을 수 있다.
이러한 본 발명의 산화 아연계 산화물은 당해 분야의 통상적인 방법으로 제조될 수 있다. 바람직하게는 먼저, 상기 각 금속 산화물의 분말을 혼합 분쇄기, 초음파 등에 의해 균일하게 혼합하고, 1차 분쇄한 후 소결을 일정 온도, 바람직하게는 약 800℃에서 수행하고, 2차 분쇄한다. 제조된 분쇄물을 일정한 모양 및 크기로 프레스 성형에 의해 소망하는 형상으로 성형하고, 이를 소성로에서 일정 온도, 바람직하게는 약 1,500℃에서 소성한다.
상기 화학식 1로 표시되는 산화 아연계 산화물로 이루어진 투명 산화물 전극은 1x10-3Ωㆍcm 이하의 비저항, 90% 이상의 광선 투과율 및 1x1019 cm-3 이상의 캐리어 농도를 지니며, 300 ~ 400 nm 영역에서의 광흡수를 지니는 특징을 나타낸다. 이러한 특성으로 인해 본 발명의 투명 산화물 전극을 GaN계 반도체에 적용하여 청녹색 및 자외선을 내는 단파장 발광 다이오드 및 레이져 다이오드 등의 구현에 필요한 높은 빛의 투과성 및 우수한 전도도를 얻을 수 있다.
본 발명의 구체적인 예로서, GaN계 반도체 발광 다이오드가 있다. 본 발명의 투명 산화물 전극을 구비한 GaN계 반도체 발광 다이오드의 구조는 첨부된 도 1 에서 보는 바와 같다. GaN계 반도체 발광 다이오드는 사파이어 기판(18); 상기 사파이어 기판 위에 언도핑된(undoped) GaN층이 형성된 버퍼층(17); 상기 버퍼층 위에 형성된 n형 GaN계 반도체층(15, 제 1 전극층); 상기 제 1 전극층 위에 형성된 단일 및 다중양자우물 구조의 발광층(14, 활성층); 상기 활성층 위에 형성된 p형 GaN계 반도체층(13, 제 2 전극층)을 가지는 p-n형 발광 다이오드, 및 상기 p형 GaN계 반도체층의 제 2 전극층 위에 형성된 고전자 농도 n형 GaN계 반도체층 또는 상기 물질로 이루어진 초격자구조층을 가지는 n+-p-n 형 발광다이오드; 상기 p-n형 발광 다이오드의 p형 GaN계 반도체층의 제 2 전극층 및 n+-p-n 형 발광다이오드의 고전자 농도 n-GaN 층 또는 그물질로 이루어진 초격자구조층 위에 활성층보다 밴드갭이 큰 산화 아연계 투명 산화물 전극층(11, Zn1-x-yAlxGayO 투명전극); 상기 투명 산화물 전극층의 일측 상부에 형성되어 있는 n형 금속전극(10); 및 상기 n형 GaN계 반도체층(15)의 타측상에 형성되어 있는 n형 금속전극(16)의 구조로 이루어진다.
상기 GaN계 반도체 발광 다이오드의 제조방법은 일예는 하기와 같다.
n형 GaN계 반도체층의 상부에 산화 아연에 산화 알루미늄 및 산화 갈륨을 함유하는 Zn1-x-yAlxGayO의 화합물의 조성에 있어서, x는 0<x≤0.04, y는 0<y≤0.01 사이의 조성을 가지는 소결체를 사용하여 스퍼터링법으로 일정한 두께를 가지는 산화 아연계 투명 산화물 전극층을 형성한다. 여기서 스퍼터링 증착 조건으로서는, 스퍼터링 가스는 아르곤 가스를 사용하고, 스퍼트 압력 5mTorr, 투입 전력 90W ~ 150W, 증착 온도는 상온에서 수행할 수 있다. 다음으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 산화 아연계 투명 전극을 스퍼터링으로 증착한 후, 급속 가열로 안에 시료를 넣어 질소 분위기 하에서 650℃에서 2분 동안 열처리 하여 전류 확산 특성을 향상시킨 후, 산화 아연계 투명 전극을 식각하고, 순차적으로 n형 GaN 제 1 전극층 중간까지 에칭하고, 노출된 n형 GaN 제 1 전극층 및 산화 아연계 투명 전극층 상부면에는 금속 전극을 전자빔 증착기로 증착하고, 리프트 오프 공정을 거친 후, 급속 가열로 안에 시료를 넣어 진공에서 600℃에서 30초 동안 열처리 하여 금속 전극을 형성 할 수 있다.
본 발명의 산화 아연계 투명 산화물 전극은 GaN계 반도체 발광 소자 중 n형 GaN 초격자층 상부에 구비되는데, 이때, 산화 아연계 산화물로 이루어진 투명 산화물 전극은 스퍼터링 법 등에 의해 1 nm 내지 1000 nm 두께로 형성되는 바, 종래 투명 전극의 단점인 임계 두께 문제를 해결할 수 있다.
또한, 이렇게 형성된 GaN계 반도체와 산화 아연계 산화물로 이루어진 투명 산화물 전극은 오믹 접촉을 이루게 된다. 이때, 상기 투명 산화물 전극은 진공 또는 분위기 열처리 과정을 통하여 GaN계 반도체층과의 접촉 저항의 특성을 향상시킬 수 있다. 도 2는 산화 아연계 투명 전극과 n형 GaN계 반도체 층과의 접합 상태를 나타내는 전류-전압 특성으로서, 가로축은 인가 전압으로, 세로축은 전류를 나타낸다. 도 2에서 전류가 인가 전압에 대하여 비례하고 있으므로, 산화 아연계 투명 전극과 n형 GaN계 반도체와의 접합은 오믹 접촉을 형성함을 알 수 있다. 여기서, 산 화 아연계 투명 전극은 비저항이 1x10-3 Ωㆍcm 이하 이며, 광선 투과율이 90% 이상이며, 캐리어 농도는 1x1019 cm-3 이상의 특성을 가진다. 이와 같은 조건으로 형성된 산화 아연계 투명전극은 금속 전극으로부터 전류의 주입이 용이하고, 면 방향으로 전류의 확산 특성이 뛰어나, 효율적인 발광이 가능해진다(면저항 2 ~ 100Ω/sq).
또한, 본 발명의 GaN계 반도체 발광 소자는 반도체 발광소자의 발광 효율, 출사 효율이 뛰어난 발광소자를 구현 할 수 있다. 구체적으로, 도 3은 본 발명의 발광소자의 전류-전압 특성으로 나타낸 것으로, 발광 소자의 발광 파장은 460nm이며, 20mA에서 Vf 값은 3.8eV 이었다. 또한 도 4는 본 발명의 발광소자의 전류-출력 파워 특성을 나타낸 것으로, 기존의 투명전극재료(Ni/Au 또는 ITO)에 비교하여 상대적으로 산화 아연계 투명 전극은 출력 파워가 우수하여 효율적으로 빛을 외부로 꺼낼 수 있음을 나타내고 있다.
상기 GaN계 반도체 발광 다이오드의 제조방법의 일예는 하기와 같다.
n형 GaN계 반도체층의 상부에 산화 아연에 산화 알루미늄 및 산화 갈륨을 함유하는 Zn1-x-yAlxGayO의 화합물의 조성에 있어서, x는 0<x≤0.04, y는 0<y≤0.01 사이의 조성을 가지는 소결체를 사용하여 스퍼터링법으로 일정한 두께를 가지는 산화 아연계 투명 산화물 전극층을 형성한다. 여기서 스퍼터링 증착 조건으로서는, 스퍼터링 가스는 아르곤 가스를 사용하고, 스퍼트 압력 5mTorr, 투입 전력 90W~ 150W, 증착 온도는 상온에서 수행할 수 있다. 다음으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 산화 아연계 투명 전극을 스퍼터링으로 증착한 후, 급속 가열로 안에 시료를 넣어 질소 분위기 하에서 650℃에서 2분 동안 열처리 하여 전류 확산 특성을 향상시킨 후, 산화 아연계 투명 전극을 식각하고, 순차적으로 n형 GaN 제 1 전극층 중간까지 에칭하고, 노출된 n형 GaN 제 1 전극층 및 산화 아연계 투명 전극층 상부면에는 금속 전극을 전자빔 증착기로 증착하고, 리프트 오프 공정을 거친 후, 급속 가열로 안에 시료를 넣어 진공에서 600℃에서 30초 동안 열처리 하여 금속 전극을 형성 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 GaN계 반도체 발광 소자는 투명 전극으로 산화 알루미늄 및 산화 갈륨이 함유된 산화 아연계 산화물을 사용함으로써, 발광한 빛의 투과율을 높일 수 있었으며, 발광 효율 및 출사 효율을 개선시킬 수 있어 성능이 개선된 LED 및 LD로서 작용할 수 있다.

Claims (8)

  1. 투명전극을 구비한 GaN계 반도체 발광 소자에 있어서, 상기 투명전극이 산화 아연에 산화 알루미늄 및 산화 갈륨이 도핑되어 형성된 산화 아연계 산화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 GaN계 반도체 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    산화 아연계 산화물이 하기 화학식 1로 표시되는 산화물로 형성된 것을 특징으로 하는 GaN계 반도체 발광 소자.
    화학식 1
    Zn1-x-yAlxGayO
    상기식에서, x는 0<x≤0.04 이며, y는 0<y≤0.01 이며, 단 x>y 이다.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    산화 아연계 산화물에 추가로 +2, +3 또는 +4가 금속 산화물이 포함됨을 특징으로 하는 GaN계 반도체 발광 소자.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    산화 아연계 산화물로 이루어진 투명 산화물 전극이 1x10-3Ωㆍcm 이하의 비 저항, 90% 이상의 광선 투과율 및 1x1019 cm-3 이상의 캐리어 농도를 지님을 특징으로 하는 GaN계 반도체 발광 소자.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    산화 아연계 산화물로 이루어진 투명 산화물 전극의 광흡수가 300~400 nm 영역에 있는 것을 특징으로 하는 GaN계 반도체 발광 소자.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    산화 아연계 산화물로 이루어진 투명 산화물 전극이 1 nm 내지 1000 nm 두께임을 특징으로 하는 GaN계 반도체 발광 소자.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    GaN계 반도체와 산화 아연계 산화물로 이루어진 투명 산화물 전극이 오믹 접촉을 이루는 것을 특징으로 하는 GaN계 반도체 발광 소자.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    GaN계 반도체 발광 소자가 아래서부터 차례로 기판, 버퍼층, n형 GaN계 반도체층, 발광층, p형 GaN계 반도체층, n+형 GaN계 반도체층, 산화 아연계 산화물로 이루어진 투명 산화물 전극, 및 투명 산화물 전극 일측 상부와 n형 GaN계 반도체층 의 타측상에 각각 형성된 n형 금속 전극으로 구성됨을 특징으로 하는 GaN계 반도체 발광 소자.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100682741B1 (ko) * 2005-06-17 2007-02-15 한국과학기술연구원 산화 아연 계 투명 전도성 산화물 박막의 제조 방법
CN101847677A (zh) * 2010-04-07 2010-09-29 中国科学院半导体研究所 采用mvpe两步法制备氧化锌透明电极的方法
KR101030823B1 (ko) * 2011-01-19 2011-04-22 주식회사 퀀텀디바이스 투명 박막, 이를 포함하는 발광 소자와 이들의 제조 방법
KR101129421B1 (ko) * 2010-07-12 2012-03-26 고려대학교 산학협력단 Ｇａ 이온 임플란테이션된 질소 극성 표면을 포함하는 수직형 구조의 그룹 Ⅲ족 ｎ형 질화물계 반도체 소자 및 이를 포함하는 발광다이오드 소자

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