KR20070068549A

KR20070068549A - 발광 소자 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20070068549A
Application number: KR20050130252A
Authority: KR
Inventors: 성태연
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-12-27
Filing date: 2005-12-27
Publication date: 2007-07-02
Also published as: CN101351898B; CN101351898A; KR100794306B1

Abstract

본 발명은 그룹 3족 질화물계 플립칩형 발광다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로서 질화물계 플립칩형 발광다이오드는 기판(substrate), 엔형 질화물계 클래드층(n-type nitride-based cladding layer), 질화물계 활성층(nitride-based active layer), 피형 질화물계 클래드층(n-type nitride-based cladding layer), 피형 다층반사오믹컨택트층(p-type multilayered reflective ohmic contact layer)으로서 오믹개질층(ohmic modification layer), 그리고 반사성 금속층(reflective metallic layer)이 순차적으로 적층되어 있고, 특히 상기한 오믹개질층은 (1) 투명전도성 질소산화물(transparent conducting oxynitride : TCON)의 박막 또는 (2) 열분해 질화물(thermally decomposed nitride)의 박막층으로 구성된다. 또한 상기한 오믹개질층 상부에 적층되는 반사성 금속층이 알루미늄(Al), 은(Ag), 로듐(Rh), 또는 이들 중 적어도 한 성분 이상을 모체로 하는 합금 또는 고용체가 바람직하다.

본 발명의 또 다른 질화물계 플립칩형 발광다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으로 질화물계 플립칩형 발광다이오드는 기판(substrate), 엔형 질화물계 클래드층(n-type nitride-based cladding layer), 질화물계 활성층(nitride-based active layer), 피형 질화물계 클래드층(n-type nitride-based cladding layer), 피형 다층반사오믹컨택트층(p-type multilayered reflective ohmic contact layer)으로서 오믹개질층(ohmic modification layer)과 반사성 금속층(reflective metallic layer)이 순차적으로 적층된 피형 다층반사오믹컨택트층의 전기 및 광학적 특성을 향상시키고자 오믹개질층과 반사성 금속층이 사이에 도입된 삽입층(inserting layer), 즉 일반금속(metal), 합금(alloy), 고용체(solid solution), 일반 전도성 산화물(conducting oxide), 투명전도성 산화물(TCO), 또는 투명전도성 질화물(TCN)등과 같은 물질층을 접목한 구조도 포함한다.

또한 상술한 투명전도성 질소산화물과 열분해 질화물로 형성된 오믹개질층과 삽입층에 발광소자의 외부양자 발광효율을 증가시키기 위해서 도입된 포토닉크리스탈 효과가 결합된 구조 즉, 전기화학, 물리, 또는 화학적 방법 등을 이용하여 10 마이크로미터 이하의 구멍(pore) 또는 닷(dot)이 일정한 배열로 형성되어 있는 광결정 구조가 결합된 반사성 오믹전극 구조체도 포함한다.

본 발명의 질화물계 플립칩형 발광다이오드 및 그 제조방법에 의하면 고품위 피형 질화물계 반사막이 개발되어 대면적 및 대용량의 고휘도 질화물계 플립칩형 발광다이오드를 용이하게 제작할 수 있을 뿐만이 아니라 이러한 발광다이오드의 패키징 시 와이어 본딩 수율을 높일 수 있고 우수한 전류-전압 특성에 의해 발광소자의 외부발광효율 및 소자수명을 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.

질화물계 플립칩형 발광다이오드, 다층반사오믹컨택트층, 오믹개질층, 삽입층, 투명전도성 질소산화물, 열분해 질화물

Description

투명전도성 질소산화물 또는 열분해 질화물로 구성된 오믹개질층을 도입한 질화물계 플립칩형 발광다이오드 및 그 제조방법{group 3 nitride-based flip-chip emitting light emitting diodes using ohmic modification layer composed of transparent conducting oxynitride and thermally decomposed nitride and method of manufacturing thereof}

도 1은 피형 질화물계 클래드층(p-type nitride-based cladding layer) 상부에 반사오믹컨택트층(reflective ohmic contact layer)이 적용된 기존의 그룹 3족 질화물계 플립칩형 발광다이오드(group 3-nitride based flip-chip light emitting diode)를 나타내 보인 단면도이고,

도 2는 피형 질화물계 클래드층(p-type nitride-based cladding layer) 상부에 계면특성을 향상시키고자 투명금속 또는 투명전도성 박막과 결합된 반사오믹컨택트층(reflective ohmic contact layer)이 적용된 기존의 그룹 3족 질화물계 플립칩형 발광다이오드(group 3-nitride based flip-chip light emitting diode)를 나타내 보인 단면도이고,

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 투명전도성 질소산화물(transparent conducting oxynitride : TCON)로 구성된 오믹개질층(ohmic modification layer)이 적용된 그룹 3족 질화물계 플립칩형 발광다이오드(group 3-nitride based flip- chip light emitting diode)를 나타내 보인 단면도이고,

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 열분해 질화물(thermally decomposed nitride)로 구성된 오믹개질층(ohmic modification layer)이 적용된 그룹 3족 질화물계 플립칩형 발광다이오드(group 3-nitride based flip-chip light emitting diode)를 나타내 보인 단면도이고,

도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 투명전도성 질소산화물(TCON)과 열분해 질화물(thermally decomposed nitride)로 구성된 순서와는 상관없이 두층으로 구성된 오믹개질층(ohmic modification layer)이 적용된 그룹 3족 질화물계 플립칩형 발광다이오드(group 3-nitride based flip-chip light emitting diode)를 나타내 보인 단면도이고,

도 6은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 단층 또는 이중층 이상의 다층의 오믹개질층(ohmic modification layer)과 반사성 금속층(reflective metallic layer) 사이에 도입된 삽입층(inserting layer)이 적용된 그룹 3족 질화물계 플립칩형 발광다이오드(group 3-nitride based flip-chip light emitting diode)를 나타내 보인 단면도이다.

본 발명은 그룹 3족 질화물계 플립칩형 발광다이오드 및 그 제조방법에 관한 것으 로서, 상세하게는 투명전도성 질소산화물(transparent conducting oxynitride : TCON) 또는 열분해 질화물(thermally decomposed nitride)로 구성된 오믹개질층(ohmic modification layer)을 이용한 피형 다층반사오믹컨택트층(p-type multilayered reflective ohmic contact layer)의 전기 및 광학적 특성 향상과 동시에 외부발광효율(external emitting efficiency)이 개선된 대용량 및 대면적의 질화물계 플립칩형 발광다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.

그룹 3족 질화물계 화합물 반도체, 예를 들면 질화갈륨(GaN) 반도체를 이용한 발광다이오드 또는 레이저 다이오드와 같은 발광소자를 구현하기 위해서는 반도체와 전극패드 사이의 오믹접촉 전극구조 및 특성이 매우 중요하다.

현재 상업적으로 이용할 수 있는 질화물계 발광소자는 절연성 사파이어(Al2O3) 기판 위에 형성된다. 절연성 사파이어 기판 상부에 제조된 그룹 3족 질화물계 발광다이오드는 탑에미트형 발광다이오드(top-emitting light emitting diode)와 플립칩형 발광다이오드(flip-chip light emitting diode)로 분류된다.

그룹 3족 질화물계 탑에미트형 발광다이오드는 피형 질화물계 클래드층(p-type nitride-based cladding layer)과 접촉하고 있는 투명한 오믹접촉 피형 전극층을 통해서 질화물계 활성층에서 생성된 광이 출사한다.

또한 탑에미트형 발광다이오드는 1018/cm3 이하의 낮은 홀 캐리어 농도 값을 지닌 피형 질화물계 클래드층의 박막 특성에서 비롯되어 좋은 못한 전류주입(current injection) 및 전류퍼짐(current spreading)과 같은 열악한 전기적 특성을 갖고 있는데, 이는 피형 질화물계 클래드층 상부에서 투명하고 양호한 전기전도 성을 지닌 오믹접촉 특성을 갖는 커런트스프레드층(current spreading layer) 개발을 통해서 질화물계 발광다이오드의 문제점들을 부분적으로 극복하고 있다.

일반적으로 이러한 질화물계 탑에미트형 발광다이오드에서는 피형 오믹접촉 특성을 갖는 커런트스프레드층으로 니켈(Ni)과 같은 일반금속과 금(Au) 등의 귀금속(noble metal)을 결합시킨 후 적정 온도 및 개스 분위기에서 열처리한 반투명 전도성 박막이 널리 사용되고 있다.

이러한 반투명 전도성 박막은 열처리하여 10-3～10-4Ωcm2정도의 낮은 비접촉 오믹저항값을 갖는 양호한 피형 오믹접촉 전극(p-type ohmic contact electrode)을 형성하지만 청색광 영역인 460 nm 에서는 80% 미만의 낮은 빛투과도를 지니고 있다. 낮은 빛투과도를 지닌 p형 커런트스프레드층은 질화물계 발광다이오드에서 생성된 대부분의 빛을 흡수하게 되어 대용량 및 대면적의 고휘도 질화물계 발광다이오드를 제작하는데 어려움을 주고 있다.

최근에는 도 1에서 보인 질화물계 플립칩형 발광다이오드 구조처럼, 대용량 및 대면적의 고휘도 질화물계 발광다이오드 제작을 위해서 높은 빛반사도를 갖는 은(Ag), 알루미늄(Al), 또는 로듐(Rh)을 피형 오믹접촉 전극으로 갖는 역구조의 플립칩형 질화물계 발광다이오드 개발의 필요성이 대두되고 있다.

그러나 상기한 전극 물질들은 높은 반사율을 갖고 있어 일시적으로 높은 발광효율을 제공할 수 있으나 작은 일함수(work function) 값과 열처리 시 계면에서의 새로운 상의 질화물 형성으로 인하여 피형 질화물계 클래드층과의 나쁜 오믹접촉 형성, 기계적 접착성 문제, 및 열적 불안정성 등으로 짧은 소자수명 및 낮은 생산 수율로 인해서 좋지 못한 소자 신뢰성 문제를 갖고 있다.

즉, 작은 일함수 값과 열처리 시 질화물을 형성하는 알루미늄(Al) 반사금속은 피형 질화물계 반도체 상부에 증착 시에 두 물질 사이의 계면에서 낮은 비접촉 오믹저항값의 오믹성 접촉이 아닌 높은 전압 강하(voltage drop)가 생기는 쇼트키성 접촉을 형성하여 거의 피형 반사오믹컨택트층으로 사용되지 못하고 있으며, 은(Ag) 금속은 알루미늄(Al)과는 달리 피형 질화물계 반도체와의 접촉에서 오믹성 거동은 보이나 열적 불안정성, 질화물계 반도체와의 나쁜 기계적 접착력(adhesion), 및 큰 누설전류 (leakage current) 발생 때문에 양질의 질화물계 플립칩형 발광다이오드 제작을 어렵게 하고 있다.

이러한 문제를 해결하고자 낮은 비접촉 저항값과 높은 반사율을 제공하는 p형 반사오믹컨택트층의 개발이 활발하게 연구되고 있다.

일예로 도 2에서 나타내는 바와 같이, Mensz et al. 그룹은 문헌(electronics letters 33 (24) pp. 2066)을 통해 2층 구조로서 니켈(Ni)/알루미늄(Al) 및 니켈(Ni)/은(Ag) 구조를 제안하였다. 전자의 전극구조는 피형 질화물계 클래드층과의 양호한 오믹접촉을 형성하지 못하는 문제점을 여전히 갖고 있으며, 후자의 전극구조는 전자와는 달리 양호한 오믹접촉을 형성하지만 삽입된 니켈 금속으로 인하여 낮은 반사율을 나타내어 낮은 외부발광효율을 갖는 문제점이 있다. 최근 Michael R. Krames et al. 그룹에서는 미국 공개 특허(US 2002/0171087 A1)를 통해 니켈(Ni)/은(Ag) 및 금(Au)/산화니켈(NiOx)/알루미늄(Al) 전극구조처럼 다층 피형 반사오믹컨택트층을 연구/개발하였다. 그러나 이들 2층 이상으로 형성된 다층 피형 다 층반사오믹컨택트층은 피형 질화물계 클래드층 상부의 계면에서 다량의 난반사 빛으로 인하여 외부발광효율이 저하되는 단점을 갖고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로 우수한 기계적 접착성, 낮은 비접촉 저항값, 그리고 동시에 높은 반사율을 갖는 피형 다층반사오믹컨택트층을 갖는 대용량 및 대면적의 고휘도 질화물계 플립칩형 발광다이오드 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 질화물계 탑에미트형 발광소자는 엔형 질화물계 클래드층(n-type nitride-based cladding layer)과 피형 질화물계 클래드층(p-type nitride-based cladding layer) 사이에 다중양자우물 질화물계 활성층(multi quantum well nitride-based active layer)을 갖는 질화물계 발광 구조체에 있어서, 상기 피형 질화물계 클래드층 상부에 적층되는 피형 다층반사오믹컨택트층은 오믹개질층(ohmic modification layer)/반사성 금속층, 또는 오믹개질층(ohmic modification layer)/삽입층(inserting layer)/반사성 금속층을 기본 단위로 하여 적어도 한조 이상 적층 되어 있고, 특히 오믹개질층(ohmic modification layer)은 투명전도성 질소산화물(transparent conducting oxynitride), 또는 열분 해 질화물(thermally decomposed nitride) 박막층으로 구성된다.

바람직하게는 오믹개질층과 반사성 금속층 사이에 전기 및 광학적 특성을 조절하고자 도입된 삽입층(inserting layer), 즉 일반금속(metal), 합금(alloy), 고용체(solid solution), 일반 전도성 산화물(conducting oxide), 투명전도성 산화물(transparent conducting oxide : TCO), 또는 투명전도성 질화물(transparent conducting nitride : TCN) 등과 같은 물질을 접목한 구조를 포함한다.

또한 바람직하게는 투명전도성 질소산화물과 열분해 질화물로 형성된 오믹개질층에 발광소자의 외부양자 발광효율을 증가시키기 위해서 도입된 포토닉크리스탈 효과가 결합된 구조 즉, 전기화학, 물리, 또는 화학적 방법 등을 이용하여 10 마이크로미터 이하의 구멍(pore) 또는 닷(dot)이 일정한 배열로 형성되어 있는 종래 공지된 광결정 구조(photonic crystal structure)를 접목하는 것이다.

상기한 투명전도성 질소산화물(TCON)은 인듐(In), 주석(Sn), 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 타이타늄(Ti), 몰리브덴늄(Mo), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 루세늄(Ru), 또는 팔라듐(Pd) 금속들 중에서 적어도 하나 이상의 성분을 주성분으로 하고 산소(O) 및 질소(N)가 반드시 동시에 결합하여 형성된 물질을 말한다.

바람직하게는 상기 투명전도성 질소산화물(TCON)은 전기적 특성을 조절하기 위해서 다른 금속 성분들이 도펀트(dopant)로서 더 포함될 수 있다. 여기서 도펀트로 적용되는 금속들은 원소 주기율표상에서 금속으로 분류된 원소가 적용된다. 또한 도펀트로 적용되는 금속 물질이외에도 불소(F) 및 황(S)을 포함하는 것이 바람직하 다. 또한 상기 투명전도성 질소산화물(TCON)에 대한 상기 도펀트의 첨가비는 0.001 내지 20 웨이트 퍼센트(wt. %)로 적용되는 것이 바람직하다.

상기한 열분해 질화물(thermally decomposed nitride)은 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 또는 주석(Sn) 등의 금속들 중에서 적어도 하나 이상의 성분과 질소(N)가 반드시 결합된 물질을 말한다.

피형 질화물계 클래드층 상층부에 증착된 열분해 질화물(thermmally decomposed nitride)은 열처리 시에 금속(metal)과 질소(N) 성분으로 분해되고, 분해되어 나온 질소(N) 성분은 피형 질화물계 클래드층 상부에 다량으로 존재하면서 피형 오믹전극을 형성하는데 악영향을 미치는 질소공공(nitrogen vacancy)을 제거하는 역할을 하며, 동시에 분해로부터 나온 금속(metal) 성분은 클래드층 상층부에 있는 갈륨(Ga) 성분과 금속간화합물(intermetallic compound)을 생성하여 피형 오믹전극을 형성하는데 유리한 도움을 준다.

상기한 반사성 금속층은 알루미늄(Al), 은(Ag), 로듐(Rh), 파라듐(Pd), 니켈(Ni), 금(Au), 또는 백금(Pt) 등으로 구성된 적어도 한 성분 이상으로 구성된다.

상기한 삽입층으로 사용되는 금속(metal) 및 이들 금속을 모체로 하는 합금/고용체(alloy/solid solution)는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 금(Au), 로듐(Rh), 루세늄(Ru), 이리듐(Ir), 은(Ag), 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 베릴륨(Be), 구리(Cu), 코발트(Co), 주석(Sn), 희토류 금속들(rare earth metal), 또는 이들 금속을 모체로 하는 합금/고용체 등이다.

상기한 삽입층으로 사용되는 일반 전도성 산화물(conducting oxide)은 니켈산화 물(Ni-O), 로듐산화물(Rh-O), 루세늄산화물(Ru-O),이리듐산화물(Ir-O), 구리산화물(Cu-O), 코발트산화물(Co-O), 텅스텐산화물(W-O), 또는 타이타늄산화물(Ti-O) 등이다.

상기한 삽입층으로 사용되는 투명전도성 산화물(transparent conducting oxide : TCO)은 인듐산화물(In2O3), 주석산화물(SnO2), 인듐주석산화물(ITO), 아연산화물(ZnO), 마그네슘(MgO), 캐드뮴산화물(CdO), 마그네슘아연산화물(MgZnO), 인듐아연산화물(InZnO), 인듐주석산화물(InSnO), 구리알루미늄산화물(CuAlO2), 실버산화물(Ag2O), 갈륨산화물(Ga2O3), 아연주석산화물(ZnSnO), 아연인듐주석산화물(ZITO), 또는 이들 투명전도성 산화물이 결합된 또 다른 산화물 등이다.

상기한 삽입층으로 사용되는 투명전도성 질화물(transparent (conducting oxide : TCN)은 타이타늄질화물(TiN), 크롬질화물(CrN), 텅스텐(WN), 탄탈륨(TaN), 또는 니오븀(NbN) 등이다.

바람직하게는 상기 오믹개질층 및 삽입층은 0.1 나노미터 내지 100 나노미터의 두께로 형성된다.

또한 상기 반사성 금속층은 각층이 50 나노미터 이상의 두께로 형성된다.

또한 바람직하게는 피형 다층반사오믹컨택트층을 형성하는 과정에서 발광소자에서 발광되는 빛의 양을 최대한 외부로 방출시키기 위해서 포토닉크리스탈(photonic crystal) 효과를 오믹개질층 또는 삽입층에 도입한 전극구조를 사용한다. 이러한 포토닉크리스탈 효과를 도입하기 위한 전극구조로는 오믹개질층 또는 삽입층을 적층한 후에 전기화학, 물리, 또는 화학적 방법을 사용하여 10 마이크로 미터 이하의 일정한 크기의 구멍(pore), 닷(dot), 또는 라드(rod) 형태로 일정하게 형성 시킨 후 반사성 금속층을 증착한다.

또한 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 질화물계 플립칩형 발광다이오드의 제조방법은 엔형 질화물계 클래드층과 피형 질화물계 클래드층 사이에 다중양자우물 질화물계 활성층을 갖는 질화물계 플립칩형 발광소자의 제조방법에 있어서,

가. 기판 상부에 엔형 질화물계 클래드층, 다중양자우물 질화물계 활성층 및 피형 질화물계 클래드층이 순차적으로 적층된 발광 구조체의 상기 피형 질화물계 클래드층 상부에 오믹개질층(ohmic modification layer)/반사성 금속층 또는 단층 또는 이중층 이상으로 구성된 오믹개질층(ohmic modification layer)/삽입층(inserting layer)/반사성 금속층을 기본 단위로 한, 적어도 한조 이상 적층하여 피형 다층반사오믹컨택트층을 형성하는 단계와;

나. 상기 가 단계를 거친 피형 다층오믹컨택트층을 열처리하는 단계;를 포함하고, 상기한 오믹개질층(ohmic modification layer)은 투명전도성 질소산화물(transparent conducting oxynitride) 또는 열분해 질화물(thermally decomposed nitride)으로 구성된 다층 박막으로 구성된다.

상기한 투명전도성 질소산화물(TCON)은 인듐(In), 주석(Sn), 아연(Zn), 카드뮴 (Cd), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 타이타늄(Ti), 몰리브덴늄(Mo), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 루세늄(Ru), 또는 팔라듐(Pd) 금속들 중에서 적어도 하나 이상의 성분을 주성분으로 하고 산소(O) 및 질소(N)가 반드시 동시에 결합하여 형성된 물질을 말한다.

상기한 반사성 금속층으로는 알루미늄(Al), 은(Ag), 로듐(Rh), 파라듐(Pd), 니켈(Ni), 금(Au), 또는 백금(Pt) 등으로 구성된 적어도 한 성분 이상으로 구성된다.

상기한 삽입층으로 사용되는 금속(metal) 및 이들 금속을 모체로 하는 합금/고용체(alloy/solid solution)은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 금(Au), 로듐(Rh), 루세늄(Ru), 이리듐(Ir), 은(Ag), 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 베릴륨(Be), 구리(Cu), 코발트(Co), 주석(Sn), 희토류 금속들(rare earth metal), 또는 이들 금속을 모체로 하는 합금/고용체 등이다.

상기한 삽입층으로 사용되는 일반 전도성 산화물(conducting oxide)은 니켈산화물(Ni-O), 로듐산화물(Rh-O), 루세늄산화물(Ru-O),이리듐산화물(Ir-O), 구리산화물(Cu-O), 코발트산화물(Co-O), 텅스텐산화물(W-O), 또는 타이타늄산화물(Ti-O) 등이다.

상기한 삽입층으로 사용되는 투명전도성 산화물transparent (conducting oxide : TCO)은 인듐산화물(In2O3), 주석산화물(SnO2), 인듐주석산화물(ITO), 아연산화물 (ZnO), 마그네슘(MgO), 캐드뮴산화물(CdO), 마그네슘아연산화물(MgZnO), 인듐아연산화물(InZnO), 인듐주석산화물(InSnO), 구리알루미늄산화물(CuAlO2), 실버산화물(Ag2O), 갈륨산화물(Ga2O3), 아연주석산화물(ZnSnO), 아연인듐주석산화물(ZITO), 또는 이들 투명전도성 산화물이 결합된 또 다른 산화물 등이다.

또한 바람직하게는 피형 다층반사오믹컨택트층을 형성하는 과정에서 발광소자에서 발광되는 빛의 양을 최대한 외부로 방출시키기 위해서 포토닉크리스탈(photonic crystal) 효과를 오믹개질층 또는 삽입층에 도입한 전극구조를 사용한다. 이러한 포토닉크리스탈 효과를 도입하기 위한 전극구조로는 오믹개질층 또는 삽입층을 적층한 후에 전기화학, 물리, 또는 화학적 방법을 사용하여 10 마이크로미터 이하의 일정한 크기의 구멍(pore), 닷(dot), 또는 라드(rod) 형태로 일정하게 형성 시킨 후 반사성 금속층을 증착한다.

또한 상기 오믹개질층 또는 투명전도성 박막층을 적층하는 공정은 MOCVD, MOVPE, 이빔(열) 증착기, 스퍼터링, 또는 레이저 (PLD) 등의 다양한 원리의 물리 또는 화학적 증착방법을 사용한다.

상기 열처리단계는 상온 내지 700도 이하의 온도에서 10초 내지 3시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 열처리단계는 상기 전극구조체가 내장된 반응기내에 질소(N2), 아르곤(Ar), 헬륨(He), 산소(O2), 수소(H2), 공기(air), 또는 진공(vacuum) 중 적어도 한 조건을 포함하는 기체 분위기에서 수행한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 질화물계 플립칩형 발광소자 및 그 제조방법을 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 p형 질화물계 클래드층 상부에 단순한 반사성 금속층의 반사오믹컨택트층이 적용된 기존의 질화물계 플립칩형 발광다이오드를 나타내 보인 단면도이다.

도면을 참조하면, 질화물계 탑에미트형 발광다이오드는 기판(110), 질화물계 버퍼층(120), 엔형 질화물계 클래드층(130),다중양자우물 질화물계 활성층(140), 피형 질화물계 클래드층(150), 피형 반사오믹컨택트층(160)이 순차적으로 적층된 구조로 되어 있다. 참조부호 170은 피형 전극 패드이고, 180은 엔형 전극 패드이다.

엔형 반사오믹컨택트층(160)은 우수한 빛반사도 특성을 갖는 두꺼운 알루미늄(Al), 은(Ag), 또는 로듐(Rh) 등으로 형성된 고반사성 전극체을 사용하고 있다. 그러나 상기한 반사전극 물질들은 높은 반사율을 갖고 있어 일시적으로 높은 외부발광효율을 제공할 수 있으나 작은 일함수(work function) 값과 열처리 시 계면에서의 새로운 상의 질화물 형성으로 인하여 피형 질화물계 클래드층과의 나쁜 오믹접촉 형성, 기계적 접착성 문제, 및 열적 불안정성 등으로 짧은 소자수명 및 낮은 생산수율로 인해서 좋지 못한 소자 신뢰성 문제를 갖고 있다.

도 2는 피형 질화물계 클래드층 상부에서 클래드층과 반사성 금속층사이의 계면특성을 향상시키고자 반투명금속 또는 투명전도성 박막을 삽입시켜 반사오믹컨택트층을 개발된 기존의 질화물계 플립칩형 발광다이오드를 나타내 보인 단면도이다.

피형 반사오믹컨택트층(260)으로 상기한 반사성 금속층(260b)과 피형 질화물계 클래드층(250) 사이의 계면 특성을 향상시키고자 두꺼운 반사성 금속층을 증착하기 전에 피형 질화물계 클래드층(250) 상부에 얇은 반투명금속 또는 투명한 금속산화물층(260a)을 도입하였다. 상기한 바와 같이 얇은 반투명 금속 또는 투명한 금속산화물을 갖는 피형 반사오믹컨택트층은 전기적 특성인 오믹거동은 향상되지만, 플립칩형 발광다이오드의 광학적 성능을 좌우하는 반사오믹컨택트층의 빛반사율 저하로 인해서 낮은 외부발광효율을 갖게 된다.

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 투명전도성 질소산화물(transparent conducting oxynitride : TCON)로 구성된 오믹개질층이 적용된 질화물계 플립칩형 발광다이오드를 나타내 보인 단면도이다.

도 3은 본 발명의 제 1실시예로서 피형 다층반사오믹컨택트층은 오믹개질층(360a)/반사성 금속층(360b)으로 구성되며, 상기 오믹개질층(360a)은 투명전도성 질소산화물(TCNO)로 구성된다.

상기한 오믹개질층(360a)으로 사용되는 투명전도성 질소산화물(TCON)은 인듐(In), 주석(Sn), 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 타이타늄(Ti), 몰리브덴늄(Mo), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 루세늄(Ru), 또는 팔라듐(Pd) 금속들 중에서 적어도 하나 이상의 성분을 주성분으로 하고 산소(O) 및 질소(N)가 반드시 동시에 결합하여 형성된 물질을 말한다.

상기한 반사성 금속층(360b)으로 사용되는 물질은 알루미늄(Al), 은(Ag), 로듐(Rh), 파라듐(Pd), 니켈(Ni), 금(Au), 또는 백금(Pt) 등으로 적어도 이들 중 한 성분 이상으로 구성된다. 바람직하게는 상기 오믹개질층(360a)은 0.1 나노미터 내지 100 나노미터의 두께로 형성된다.

바람직하게는 상기 반사성 금속층(360b)은 50 나노미터(nm) 이상의 두께로 형성된다.

본 발명의 제 1 실시예를 설명하는 도 3을 참조하면, 질화물계 탑에미트형 발광다이오드는 기판(310), 질화물계 버퍼층(320), 엔형 질화물계 클래드층(330),다중양자우물 질화물계 활성층(340), 피형 질화물계 클래드층(350), 피형 다층오믹컨택트층(360)이 순차적으로 적층된 구조로 되어 있다. 참조부호 370은 피형 전극 패드이고, 380은 엔형 전극 패드이다.

여기서 사파이어 등과 같은 절연성 기판(310)으로부터 피형 질화물계 클래드층(350)까지가 발광 구조체에 해당하고, 피형 질화물계 클래드층(350) 상부에 오믹개질층(360a) 및 반사성 금속층(360b)이 순차적으로 적층된 피형 다층오믹컨택트층(360)으로서 피형 오믹전극 구조체에 해당한다.

기판(310)은 사파이어(Al2O3)를 포함한 절연성 물질로 하는 것이 바람직하다.

질화물계 버퍼층(320)은 생략될 수 있다.

상기 질화물계 버퍼층(320)으로부터 피형 질화물계 클래드층(350)까지의 각 층은 그룹 3족 질화물계 화합물의 일반식인 AlxInyGazN(x, y, z : 정수)로 표현되는 화합물 중 선택된 어느 화합물을 기본으로 하여 형성되고, 엔형 질화물계 클래드층(330) 및 피형 질화물계 클래드층(350)은 해당 도펀트가 첨가된다.

또한, 질화물계 활성층(340)은 단층(single layer) 또는 다중양자우물(MQW)층 등 공지된 다양한 방식으로 구성될 수 있다.

일 예로서 질화갈륨(GaN)계 화합물을 적용하는 경우, 질화물계 버퍼층(320)은 GaN으로 형성되고, 엔형 질화물계 클래드층(330)은 GaN에 엔형 도판트로서 Si, Ge, Se, Te등의 그룹 4족 원소들이 첨가되어 형성되고, 질화물계 활성층(340)은 InGaN/GaN MQW 또는 AlGaN/GaN MQW로 형성되며, 피형 질화물계 클래드층(350)은 GaN에 피형 도판트로서 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba, Be 등의 그룹 2족 원소들이 첨가되어 형성된다.

엔형 질화물계 클래드층(330)과 엔형 전극패드(380) 사이에는 엔형 오믹컨택트층(미도시)이 개제될 수 있고, 엔형 오믹컨택트층은 타이타늄(Ti)과 알루미늄(Al)이 순차적으로 적층된 층구조 등 공지된 다양한 구조가 적용될 수 있다.

피형 전극패드(370)는 니켈(Ni)/금(Au), 은(Ag)/금(Au), 크롬(Cr)/금(Au), 또는 타이타늄(Ti)/금(Au) 등이 순차적으로 적층된 층구조가 적용될 수 있다.

각층의 형성방법은 전자빔 또는 열 증착기 (electron beam or thermal evaporator), 레이저를 이용한 PVD(physical vapor deposition : pulsed laser deposition), MOCVD(metalorganic chemical vapor deposition), PLD(plasma laser deposition), 이중형의 열증착기(dual-type thermal evaporator), 스퍼터링(sputtering) 등 공지된 증착방식에 의해 형성하면 된다.

피형 다층오믹컨택트층(360)은 피형 오믹전극 구조체로서 피형 질화물계 클래드층(350) 상부에 형성된 오믹개질층(360a) 및 반사성 금속층(360b)으로 형성되어 있다.

오믹개질층(360a)은 400도 이상의 온도에서 열처리 시, 그 하층부의 피형 질화물계 클래드층(350)과 피형 오믹접촉을 형성하는데 유리한 투명전도성 입자상으로 분해하거나 화학반응으로 새로운 투명전도성 상(phase)이 형성된다.

이러한 피형 다층오믹컨택트층(360)은 전자빔 또는 열 증착기 (electron beam or thermal evaporator), 레이저를 이용한 PVD(physical vapor deposition : pulsed laser deposition), MOCVD(metalorganic chemical vapor deposition), PLD(plasma laser deposition), 이중형의 열증착기(dual-type thermal evaporator), 스퍼터링(sputtering) 등 공지된 증착방식에 의해 형성하는 것이 바람직하다.

또한 피형 다층오믹컨택트층(360)을 형성하기 위해 적용되는 증착온도는 20도 내지 1500도 범위 내에서, 증착기 내의 압력은 대기압 내지 10-12 토르(torr) 정도에서 수행한다.

또한 피형 다층오믹컨택트층(360)을 형성한 후에는 반드시 열처리(annealing)과정을 거치는 것이 바람직하다.

열처리(annealing)는 반응기내의 온도는 700도 이내에서 진공(vacuum) 또는 다양한 개스(gas) 분위기에서 10초 내지 3시간 이내로 수행한다.

열처리시 반응기 내에 투입되는 개스는 질소(N2), 아르곤(Ar), 헬륨(He), 산소(O2), 수소(H2), 또는 공기(air) 중 적어도 한 개스 분위기에서 적용될 수 있다.

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 열분해 질화물(thermally decomposed nitride)로 구성된 오믹개질층이 적용된 질화물계 플립칩형 발광다이오드를 나타내 보인 단면도이다.

도 4는 본 발명의 제 2실시예로서 피형 다층반사오믹컨택트층은 오믹개질층(460a)/반사성 금속층(460b)으로 구성되며, 상기 오믹개질층(460a)은 열분해 질화물(thermally decomposed nitride)로 구성된다.

상기한 오믹개질층(460a)으로 사용되는 열분해 질화물은 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 또는 주석(Sn) 등의 금속들 중에서 적어도 하나 이상의 성분과 질소(N)가 반드시 결합된 물질을 말한다.

피형 질화물계 클래드층 상층부에 증착된 열분해 질화물(460a)은 열처리 시에 금속(metal)과 질소(N) 성분으로 분해되고, 분해되어 나온 질소(N) 성분은 피형 질화물계 클래드층 상부에 다량으로 존재하면서 피형 오믹전극을 형성하는데 악영향을 미치는 질소공공(nitrogen vacancy)을 제거하는 역할을 하며, 동시에 분해로부터 나온 금속(metal) 성분은 클래드층 상층부에 있는 갈륨(Ga) 성분과 금속간화합물(intermetallic compound)을 생성하여 피형 오믹전극을 형성하는데 유리한 도움 을 준다.

상기한 반사성 금속층(460b)으로 사용되는 물질은 알루미늄(Al), 은(Ag), 로듐(Rh), 파라듐(Pd), 니켈(Ni), 금(Au), 또는 백금(Pt) 등으로 적어도 이들 중 한 성분 이상으로 구성된다. 바람직하게는 상기 오믹개질층(460a)은 0.1 나노미터 내지 100 나노미터의 두께로 형성된다.

바람직하게는 상기 반사성 금속층(460b)은 50 나노미터(nm) 이상의 두께로 형성된다.

본 발명의 제 2 실시예를 설명하는 도 4을 참조하면, 질화물계 탑에미트형 발광다이오드는 기판(410), 질화물계 버퍼층(420), 엔형 질화물계 클래드층(430),다중양자우물 질화물계 활성층(440), 피형 질화물계 클래드층(450), 피형 다층오믹컨택트층(460)이 순차적으로 적층된 구조로 되어 있다. 참조부호 470은 피형 전극 패드이고, 480은 엔형 전극 패드이다.

여기서 사파이어 등과 같은 절연성 기판(410)으로부터 피형 질화물계 클래드층(450)까지가 발광 구조체에 해당하고, 피형 질화물계 클래드층(450) 상부에 오믹개질층(460a) 및 반사성 금속층(460b)이 순차적으로 적층된 피형 다층오믹컨택트층(460)으로서 피형 오믹전극 구조체에 해당한다.

기판(410)은 사파이어(Al2O3)를 포함한 절연성 물질로 하는 것이 바람직하다.

질화물계 버퍼층(420)은 생략될 수 있다.

상기 질화물계 버퍼층(420)으로부터 피형 질화물계 클래드층(450)까지의 각 층은 그룹 3족 질화물계 화합물의 일반식인 AlxInyGazN(x, y, z : 정수)로 표현되는 화합물 중 선택된 어느 화합물을 기본으로 하여 형성되고, 엔형 질화물계 클래드층(430) 및 피형 질화물계 클래드층(450)은 해당 도펀트가 첨가된다.

또한, 질화물계 활성층(440)은 단층(single layer) 또는 다중양자우물(MQW)층 등 공지된 다양한 방식으로 구성될 수 있다.

일 예로서 질화갈륨(GaN)계 화합물을 적용하는 경우, 질화물계 버퍼층(420)은 GaN으로 형성되고, 엔형 질화물계 클래드층(430)은 GaN에 엔형 도판트로서 Si, Ge, Se, Te등의 그룹 4족 원소들이 첨가되어 형성되고, 질화물계 활성층(440)은 InGaN/GaN MQW 또는 AlGaN/GaN MQW로 형성되며, 피형 질화물계 클래드층(450)은 GaN에 피형 도판트로서 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba, Be 등의 그룹 2족 원소들이 첨가되어 형성된다.

엔형 질화물계 클래드층(430)과 엔형 전극패드(480) 사이에는 엔형 오믹컨택트층(미도시)이 개제될 수 있고, 엔형 오믹컨택트층은 타이타늄(Ti)과 알루미늄(Al)이 순차적으로 적층된 층구조 등 공지된 다양한 구조가 적용될 수 있다.

피형 전극패드(470)는 니켈(Ni)/금(Au), 은(Ag)/금(Au), 크롬(Cr)/금(Au), 또는 타이타늄(Ti)/금(Au) 등이 순차적으로 적층된 층구조가 적용될 수 있다.

피형 다층오믹컨택트층(460)은 피형 오믹전극 구조체로서 피형 질화물계 클래드층(450) 상부에 형성된 오믹개질층(460a) 및 반사성 금속층(460b)으로 형성되어 있다.

오믹개질층(460a)은 400도 이상의 온도에서 열처리 시, 그 하층부의 피형 질화물계 클래드층(450)과 피형 오믹접촉을 형성하는데 유리한 투명전도성 입자상으로 분해하거나 화학반응으로 새로운 투명전도성 상(phase)이 형성된다.

이러한 피형 다층오믹컨택트층(460)은 전자빔 또는 열 증착기 (electron beam or thermal evaporator), 레이저를 이용한 PVD(physical vapor deposition : pulsed laser deposition), MOCVD(metalorganic chemical vapor deposition), PLD(plasma laser deposition), 이중형의 열증착기(dual-type thermal evaporator), 스퍼터링(sputtering) 등 공지된 증착방식에 의해 형성하는 것이 바람직하다.

또한 피형 다층오믹컨택트층(460)을 형성하기 위해 적용되는 증착온도는 20도 내지 1500도 범위 내에서, 증착기 내의 압력은 대기압 내지 10-12 토르(torr) 정도에서 수행한다.

또한 피형 다층오믹컨택트층(460)을 형성한 후에는 반드시 열처리(annealing)과정을 거치는 것이 바람직하다.

열처리시 반응기 내에 투입되는 개스는 질소(N2), 아르곤(Ar), 헬륨(He), 산소 (O2), 수소(H2), 또는 공기(air) 중 적어도 한 개스 분위기에서 적용될 수 있다.

도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 투명전도성 질소산화물과 열분해 질화물로 구성된 순서와는 상관없이 두층으로 구성된 오믹개질층이 적용된 질화물계 플립칩형 발광다이오드를 나타내 보인 단면도이다.

도 5는 본 발명의 제 3실시예로서 피형 다층반사오믹컨택트층은 제 1오믹개질층(560a)/제 2오믹개질층(560b)/반사성 금속층(560c)으로 구성되며, 상기 제 1 및 2오믹개질층(560a, 560b)은 투명전도성 질소산화물(TCNO)와 열분해 질화물(thermally decomposed nitride)로 순서와는 무관하게 형성된다.

상기한 제 1 및 2오믹개질층(560a, 560b)으로 사용되는 투명전도성 질소산화물(TCON)과 열분해 질화물은 상기한 제 1 및 2실시예에서 사용한 물질과 동일하다.

피형 질화물계 클래드층(550) 상층부에 증착된 오믹개질층(560)은 열처리 시에 클래드층과의 계면특성이 향상되어 전기적 특성을 향상시킬 뿐만이 아니라 빛 투과도인 광학적인 특성도 조절할 수 있다.

상기한 반사성 금속층(560c)으로 사용되는 물질은 알루미늄(Al), 은(Ag), 로듐(Rh), 파라듐(Pd), 니켈(Ni), 금(Au), 또는 백금(Pt) 등으로 적어도 이들 중 한 성분 이상으로 구성된다. 바람직하게는 상기 제 1 및 2 오믹개질층(560a, 560b)은 0.1 나노미터 내지 100 나노미터의 두께로 형성된다.

바람직하게는 상기 반사성 금속층(560c)은 50 나노미터(nm) 이상의 두께로 형성된다.

본 발명의 제 3 실시예를 설명하는 도 5를 참조하면, 질화물계 탑에미트형 발광다이오드는 기판(510), 질화물계 버퍼층(520), 엔형 질화물계 클래드층(530),다중양자우물 질화물계 활성층(540), 피형 질화물계 클래드층(550), 피형 다층오믹컨택트층(560)이 순차적으로 적층된 구조로 되어 있다. 참조부호 570은 피형 전극 패드이고, 580은 엔형 전극 패드이다.

여기서 사파이어 등과 같은 절연성 기판(510)으로부터 피형 질화물계 클래드층(550)까지가 발광 구조체에 해당하고, 피형 질화물계 클래드층(550) 상부에 제 1 및 2오믹개질층(560a, 560b) 및 반사성 금속층(560c)이 순차적으로 적층된 피형 다층오믹컨택트층(560)으로서 피형 오믹전극 구조체에 해당한다.

기판(510)은 사파이어(Al2O3)를 포함한 절연성 물질로 하는 것이 바람직하다.

질화물계 버퍼층(520)은 생략될 수 있다.

상기 질화물계 버퍼층(520)으로부터 피형 질화물계 클래드층(550)까지의 각 층은 그룹 3족 질화물계 화합물의 일반식인 AlxInyGazN(x, y, z : 정수)로 표현되는 화합물 중 선택된 어느 화합물을 기본으로 하여 형성되고, 엔형 질화물계 클래드층(530) 및 피형 질화물계 클래드층(550)은 해당 도펀트가 첨가된다.

또한, 질화물계 활성층(540)은 단층(single layer) 또는 다중양자우물(MQW)층 등 공지된 다양한 방식으로 구성될 수 있다.

일 예로서 질화갈륨(GaN)계 화합물을 적용하는 경우, 질화물계 버퍼층(520)은 GaN으로 형성되고, 엔형 질화물계 클래드층(530)은 GaN에 엔형 도판트로서 Si, Ge, Se, Te등의 그룹 4족 원소들이 첨가되어 형성되고, 질화물계 활성층(540)은 InGaN/GaN MQW 또는 AlGaN/GaN MQW로 형성되며, 피형 질화물계 클래드층(550)은 GaN에 피형 도판트로서 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba, Be 등의 그룹 2족 원소들이 첨가되어 형성된다.

엔형 질화물계 클래드층(530)과 엔형 전극패드(580) 사이에는 엔형 오믹컨택트층(미도시)이 개제될 수 있고, 엔형 오믹컨택트층은 타이타늄(Ti)과 알루미늄(Al)이 순차적으로 적층된 층구조 등 공지된 다양한 구조가 적용될 수 있다.

피형 전극패드(570)는 니켈(Ni)/금(Au), 은(Ag)/금(Au), 크롬(Cr)/금(Au), 또는 타이타늄(Ti)/금(Au) 등이 순차적으로 적층된 층구조가 적용될 수 있다.

피형 다층오믹컨택트층(560)은 피형 오믹전극 구조체로서 피형 질화물계 클래드층(550) 상부에 형성된 제 1 및 2오믹개질층(560a, 560b) 및 반사성 금속층(560a)으로 형성되어 있다.

제 1 및 2오믹개질층(560a, 560b)은 400도 이상의 온도에서 열처리 시, 그 하층부의 피형 질화물계 클래드층(550)과 피형 오믹접촉을 형성하는데 유리한 투명전도성 입자상으로 분해하거나 화학반응으로 새로운 투명전도성 상(phase)이 형성된다.

이러한 피형 다층오믹컨택트층(560)은 전자빔 또는 열 증착기 (electron beam or thermal evaporator), 레이저를 이용한 PVD(physical vapor deposition : pulsed laser deposition), MOCVD(metalorganic chemical vapor deposition), PLD(plasma laser deposition), 이중형의 열증착기(dual-type thermal evaporator), 스퍼터링(sputtering) 등 공지된 증착방식에 의해 형성하는 것이 바람직하다.

또한 피형 다층오믹컨택트층(560)을 형성하기 위해 적용되는 증착온도는 20도 내지 1500도 범위 내에서, 증착기 내의 압력은 대기압 내지 10-12 토르(torr) 정도에서 수행한다.

또한 피형 다층오믹컨택트층(560)을 형성한 후에는 반드시 열처리(annealing)과정을 거치는 것이 바람직하다.

도 6은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 단층 또는 이중층 이상의 다층의 오믹개질층과 반사성 금속층 사이에 도입된 삽입층이 적용된 질화물계 플립칩형 발광다이오드를 나타내 보인 단면도이다.

도 6은 본 발명의 제 4 실시예로서 피형 다층반사오믹컨택트층은 단층 또는 이 중층 이상의 오믹개질층(660a)/삽입층(660b)/반사성 금속층(660c)으로 구성되며, 상기 오믹개질층(660a)은 투명전도성 질소산화물(TCON)과 열분해 질화물(thermally decomposed nitride)로 순서와는 무관하게 단층 또는 이중층 이상으로 형성된다.

상기한 오믹개질층(660a)과 반사성 금속층(660c)사이에 도입된 삽입층(660b)은 수직방향으로 계면특성을 향상시키는 동시에 무엇보다도 피형 다층반사오믹컨택트층의 수평방향으로의 원활한 전류퍼짐(current spreading)성을 향상시키는 것이 중요하다.

상기한 삽입층(660b)로 사용되는 물질로는 피형 질화물계 클래드층 상부에서 수직방향으로 오믹특성을 저하시키지 않는 특성을 지닌 일반금속(metal), 합금(alloy), 고용체(solid solution), 일반 전도성 산화물(conducting oxide), 투명전도성 산화물(transparent conducting oxide : TCO), 또는 투명전도성 질화물(transparent conducting nitride : TCN) 등과 같은 물질층을 접목한 구조를 포함한다.

상기한 삽입층(660b)으로 사용되는 금속(metal) 및 이들 금속을 모체로 하는 합금/고용체(alloy/solid solution)은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 금(Au), 로듐(Rh), 루세늄(Ru), 이리듐(Ir), 은(Ag), 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 베릴륨(Be), 구리(Cu), 코발트(Co), 주석(Sn), 희토류 금속들(rare earth metal), 또는 이들 금속을 모체로 하는 합금/고용체 등이다.

상기한 삽입층(660b)으로 사용되는 일반 전도성 산화물(conducting oxide)은 니켈산화물(Ni-O), 로듐산화물(Rh-O), 루세늄산화물(Ru-O),이리듐산화물(Ir-O), 구 리산화물(Cu-O), 코발트산화물(Co-O), 텅스텐산화물(W-O), 또는 타이타늄산화물(Ti-O) 등이다.

상기한 삽입층(660b)으로 사용되는 투명전도성 산화물transparent (conducting oxide : TCO)은 인듐산화물(In2O3), 주석산화물(SnO2), 인듐주석산화물(ITO), 아연산화물(ZnO), 마그네슘(MgO), 캐드뮴산화물(CdO), 마그네슘아연산화물(MgZnO), 인듐아연산화물(InZnO), 인듐주석산화물(InSnO), 구리알루미늄산화물(CuAlO2), 실버산화물(Ag2O), 갈륨산화물(Ga2O3), 아연주석산화물(ZnSnO), 아연인듐주석산화물(ZITO), 또는 이들 투명전도성 산화물이 결합된 또 다른 산화물 등이다.

상기한 삽입층(660b)으로 사용되는 투명전도성 질화물(transparent (conducting oxide : TCN)은 타이타늄질화물(TiN), 크롬질화물(CrN), 텅스텐(WN), 탄탈륨(TaN), 또는 니오븀(NbN) 등이다.

피형 질화물계 클래드층(650) 상층부에 증착된 오믹개질층(660a) 및 삽입층(660b)은 열처리 시에 클래드층과의 계면특성이 향상되어 전기적 특성을 향상시킬 뿐만이 아니라 빛 투과도인 광학적인 특성도 조절할 수 있다.

상기한 반사성 금속층(660c)으로 사용되는 물질은 알루미늄(Al), 은(Ag), 로듐(Rh), 파라듐(Pd), 니켈(Ni), 금(Au), 또는 백금(Pt) 등으로 적어도 이들 중 한 성분 이상으로 구성된다. 바람직하게는 상기 오믹개질층(660a) 및 삽입층(660b)은 0.1 나노미터 내지 100 나노미터의 두께로 형성된다.

바람직하게는 상기 반사성 금속층(660c)은 50 나노미터(nm) 이상의 두께로 형성된다.

본 발명의 제 4 실시예를 설명하는 도 6을 참조하면, 질화물계 탑에미트형 발광다이오드는 기판(610), 질화물계 버퍼층(620), 엔형 질화물계 클래드층(630),다중양자우물 질화물계 활성층(640), 피형 질화물계 클래드층(650), 피형 다층오믹컨택트층(660)이 순차적으로 적층된 구조로 되어 있다. 참조부호 670은 피형 전극 패드이고, 680은 엔형 전극 패드이다.

여기서 사파이어 등과 같은 절연성 기판(610)으로부터 피형 질화물계 클래드층(650)까지가 발광 구조체에 해당하고, 피형 질화물계 클래드층(650) 상부에 오믹개질층(660a), 삽입층(660b), 및 반사성 금속층(660c)이 순차적으로 적층된 피형 다층오믹컨택트층(660)으로서 피형 오믹전극 구조체에 해당한다.

기판(610)은 사파이어(Al2O3)를 포함한 절연성 물질로 하는 것이 바람직하다.

질화물계 버퍼층(620)은 생략될 수 있다.

상기 질화물계 버퍼층(620)으로부터 피형 질화물계 클래드층(650)까지의 각 층은 그룹 3족 질화물계 화합물의 일반식인 AlxInyGazN(x, y, z : 정수)로 표현되는 화합물 중 선택된 어느 화합물을 기본으로 하여 형성되고, 엔형 질화물계 클래드층(630) 및 피형 질화물계 클래드층(650)은 해당 도펀트가 첨가된다.

또한, 질화물계 활성층(640)은 단층(single layer) 또는 다중양자우물(MQW)층 등 공지된 다양한 방식으로 구성될 수 있다.

일 예로서 질화갈륨(GaN)계 화합물을 적용하는 경우, 질화물계 버퍼층(620)은 GaN으로 형성되고, 엔형 질화물계 클래드층(630)은 GaN에 엔형 도판트로서 Si, Ge, Se, Te등의 그룹 4족 원소들이 첨가되어 형성되고, 질화물계 활성층(640)은 InGaN/GaN MQW 또는 AlGaN/GaN MQW로 형성되며, 피형 질화물계 클래드층(650)은 GaN에 피형 도판트로서 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba, Be 등의 그룹 2족 원소들이 첨가되어 형성된다.

엔형 질화물계 클래드층(630)과 엔형 전극패드(680) 사이에는 엔형 오믹컨택트층(미도시)이 개제될 수 있고, 엔형 오믹컨택트층은 타이타늄(Ti)과 알루미늄(Al)이 순차적으로 적층된 층구조 등 공지된 다양한 구조가 적용될 수 있다.

피형 전극패드(670)는 니켈(Ni)/금(Au), 은(Ag)/금(Au), 크롬(Cr)/금(Au), 또는 타이타늄(Ti)/금(Au) 등이 순차적으로 적층된 층구조가 적용될 수 있다.

피형 다층오믹컨택트층(660)은 피형 오믹전극 구조체로서 피형 질화물계 클래드층(650) 상부에 형성된 오믹개질층(660a), 삽입층(660b), 및 반사성 금속층(660a)으로 형성되어 있다.

오믹개질층(660a) 및 삽입층(660b)은 400도 이상의 온도에서 열처리 시, 그 하층부의 피형 질화물계 클래드층(650)과 피형 오믹접촉을 형성하는데 유리한 투명전도성 입자상으로 분해하거나 화학반응으로 새로운 투명전도성 상(phase)이 형성된다.

이러한 피형 다층오믹컨택트층(660)은 전자빔 또는 열 증착기 (electron beam or thermal evaporator), 레이저를 이용한 PVD(physical vapor deposition : pulsed laser deposition), MOCVD(metalorganic chemical vapor deposition), PLD(plasma laser deposition), 이중형의 열증착기(dual-type thermal evaporator), 스퍼터링(sputtering) 등 공지된 증착방식에 의해 형성하는 것이 바람직하다.

또한 피형 다층오믹컨택트층(660)을 형성하기 위해 적용되는 증착온도는 20도 내지 1500도 범위 내에서, 증착기 내의 압력은 대기압 내지 10-12 토르(torr) 정도에서 수행한다.

또한 피형 다층오믹컨택트층(660)을 형성한 후에는 반드시 열처리(annealing)과정을 거치는 것이 바람직하다.

본 발명에서 고안 제시된 고반사 피형 다중오믹컨택트층으로 구성된 전극 구조체는 절연성 물질인 사파이어 기판 상층부에 형성 제조된 그룹 3족 질화물계 플립칩 발광 다이오드에만 국한하는 것이 아니라, 전기적으로 절연성 기판물질이 아닌 전도성 기판들, 즉 Si, SiC, GaAs, ZnO, 또는 MgZnO 등과 같은 기판 상부에 형성 제조된 그룹 3족 질화물계 플립칩형 발광 다이오드에도 적용할 수 있다.

지금까지 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 그룹 3족 질화물계 플립칩형 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, 피형 클래드층과의 오믹접촉 계면특성이 개선되어 발광소자인 플립칩형 발광 다이오드의 패키징 시 와이어 본딩 효율 및 양산 수율을 높일 수 있고, 동시에 낮은 비접촉 저항값을 지닐 수 있어 우수한 전류-전압(I-V) 특성 및 높은 외부발광효율을 갖는 그룹 3족 질화물계 발광소자를 제조할 수 있는 공정을 제공한다.

Claims

가 단계 -성장 기판(growth substrate) 상부에 엔형 질화물계 클래드층(n-type nitride-based cladding layer), 다중양자우물 질화물계 활성층(nitride-based active layer) 및 피형 질화물계 클래드층(p-type nitride-based cladding layer)이 순차적으로 적층된 발광 구조체의 상기 피형 질화물계 클래드층 상부에 오믹개질층(ohmic modification layer)/반사성 금속층(reflective metallic layer) 또는 단층 또는 이중층 이상으로 구성된 오믹개질층(ohmic modification layer)/삽입층(inserting layer)/반사성 금속층(reflective metallic layer)을 기본 단위로 한, 적어도 한조 이상 적층하여 피형 다층반사오믹컨택트층을 형성하는 단계와;

나 단계 -상기 가 단계를 거친 피형 다층오믹컨택트층을 열처리하는 단계를 포함하 다.

상기한 오믹개질층(ohmic modification layer)은 투명전도성 질소산화물(transparent conducting oxynitride : TCON) 또는 열분해 질화물(thermally decomposed nitride)로 구성된 다층 박막으로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 플립칩형 발광소자.
제1항에 있어서,

상기한 투명전도성 질소산화물(TCON)은 인듐(In), 주석(Sn), 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 타이타늄(Ti), 몰리브덴늄(Mo), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 루세늄(Ru), 또는 팔라듐(Pd) 금속들 중에서 적어도 하나 이상의 성분을 주성분으로 하고 산소(O) 및 질소(N)가 반드시 동시에 결합하여 형성된 물질 지칭하며,

바람직하게는 상기 투명전도성 질소산화물(TCON)은 전기적 특성을 조절하기 위해서 다른 금속 성분들이 도펀트(dopant)로서 더 포함될 수 있다. 여기서 도펀트로 적용되는 금속들은 원소 주기율표상에서 금속으로 분류된 원소가 적용된다. 또한 도펀트로 적용되는 금속 물질이외에도 불소(F) 및 황(S)을 포함하는 것이 바람직하며,

또한 상기 투명전도성 질소산화물(TCON)에 대한 상기 도펀트의 첨가비는 0.001 내지 20 웨이트 퍼센트(wt. %)로 적용되는 그룹 3족 질화물계 플립칩형 발광소자.
제1항에 있어서,

상기한 열분해 질화물(thermally decomposed nitride)은 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 또는 주석(Sn) 등의 금속들 중에서 적어도 하나 이상의 성분과 질소(N)가 반드시 결합된 물질을 피형 고반사 오믹전극물질로 갖는 그룹 3족 질화물계 플립칩형 발광소자.
제1항에 있어서,

반사성 금속층은 알루미늄(Al), 은(Ag), 로듐(Rh), 파라듐(Pd), 니켈(Ni), 금(Au), 또는 백금(Pt) 등으로 구성된 적어도 한 성분 이상으로 구성된다.
제1항에 있어서,

오믹개질층과 반사성 금속층 사이에 전기 및 광학적 특성을 조절하고자 도입된 삽입층(inserting layer), 즉 일반금속(metal), 합금(alloy), 고용체(solid solution), 일반 전도성 산화물(conducting oxide), 투명전도성 산화물(transparent conducting oxide : TCO), 또는 투명전도성 질화물(transparent conducting nitride : TCN) 등과 같은 물질을 접목한 구조를 포함하고 있는 그룹 3족 질화물계 플립칩형 발광소자.
제1, 6 항에 있어서,

상기한 삽입층으로 사용되는 금속(metal) 및 이들 금속을 모체로 하는 합금/고용체(alloy/solid solution)는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 금(Au), 로듐(Rh), 루 세늄(Ru), 이리듐(Ir), 은(Ag), 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 베릴륨(Be), 구리(Cu), 코발트(Co), 주석(Sn), 희토류 금속들(rare earth metal), 또는 이들 금속을 모체로 하는 합금/고용체 등이다.

상기한 삽입층으로 사용되는 일반 전도성 산화물(conducting oxide)은 니켈산화물(Ni-O), 로듐산화물(Rh-O), 루세늄산화물(Ru-O),이리듐산화물(Ir-O), 구리산화물(Cu-O), 코발트산화물(Co-O), 텅스텐산화물(W-O), 또는 타이타늄산화물(Ti-O) 등이다.

상기한 삽입층으로 사용되는 투명전도성 산화물(transparent conducting oxide : TCO)은 인듐산화물(In2O3), 주석산화물(SnO2), 인듐주석산화물(ITO), 아연산화물(ZnO), 마그네슘(MgO), 캐드뮴산화물(CdO), 마그네슘아연산화물(MgZnO), 인듐아연산화물(InZnO), 인듐주석산화물(InSnO), 구리알루미늄산화물(CuAlO2), 실버산화물(Ag2O), 갈륨산화물(Ga2O3), 아연주석산화물(ZnSnO), 아연인듐주석산화물(ZITO), 또는 이들 투명전도성 산화물이 결합된 또 다른 산화물 등이다.

상기한 삽입층으로 사용되는 투명전도성 질화물(transparent (conducting oxide : TCN)은 타이타늄질화물(TiN), 크롬질화물(CrN), 텅스텐(WN), 탄탈륨(TaN), 또는 니오븀(NbN) 등이다.
제1 항에 있어서,

상기 오믹개질층 및 삽입층은 0.1 나노미터 내지 100 나노미터의 두께로 형성된다.

상기 반사성 금속층은 각층이 50 나노미터 이상의 두께로 형성된다.
제1 항에 있어서,

바람직하게는 피형 다층반사오믹컨택트층을 형성하는 과정에서 발광소자에서 발광되는 빛의 양을 최대한 외부로 방출시키기 위해서 포토닉크리스탈(photonic crystal) 효과를 오믹개질층 또는 삽입층에 도입한 전극구조를 사용한다. 이러한 포토닉크리스탈 효과를 도입하기 위한 전극구조로는 오믹개질층 또는 삽입층을 적층한 후에 전기화학, 물리, 또는 화학적 방법을 사용하여 10 마이크로미터 이하의 일정한 크기의 구멍(pore), 닷(dot), 또는 라드(rod) 형태로 일정하게 형성 시킨 후 반사성 금속층을 증착한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 질화물계 플립칩형 발광다이오드의 제조방법은 엔형 질화물계 클래드층과 피형 질화물계 클래드층 사이에 다중양자우물 질화물계 활성층을 갖는 질화물계 플립칩형 발광소자의 제조방법에 있어서,

가. 기판 상부에 엔형 질화물계 클래드층, 다중양자우물 질화물계 활성층 및 피형 질화물계 클래드층이 순차적으로 적층된 발광 구조체의 상기 피형 질화물계 클래드층 상부에 오믹개질층(ohmic modification layer)/반사성 금속층 또는 단층 또는 이중층 이상으로 구성된 오믹개질층(ohmic modification layer)/삽입층(inserting layer)/반사성 금속층을 기본 단위로 한, 적어도 한조 이상 적층하여 피형 다층반사오믹컨택트층을 형성하는 단계와;

나. 상기 가 단계를 거친 피형 다층오믹컨택트층을 열처리하는 단계;를 포함하고, 상기한 오믹개질층(ohmic modification layer)은 투명전도성 질소산화물(transparent conducting oxynitride) 또는 열분해 질화물(thermally decomposed nitride)으로 구성된 다층 박막으로 구성된다.
제1, 9항에 있어서,

상기 오믹개질층 또는 투명전도성 박막층을 적층하는 공정은 MOCVD, MOVPE, 이빔(열) 증착기, 스퍼터링, 또는 레이저 (PLD) 등의 다양한 원리의 물리 또는 화학적 증착방법을 사용한다.

상기 열처리단계는 상온 내지 700도 이하의 온도에서 10초 내지 3시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.

또한 상기 열처리단계는 상기 전극구조체가 내장된 반응기내에 질소(N2), 아르곤(Ar), 헬륨(He), 산소(O2), 수소(H2), 공기(air), 또는 진공(vacuum) 중 적어도 한 조건을 포함하는 기체 분위기에서 수행한다.