KR20080033721A

KR20080033721A - 발광 소자의 제조 방법

Info

Publication number: KR20080033721A
Application number: KR20060099765A
Authority: KR
Inventors: 김종환; 윤여진
Original assignee: 서울옵토디바이스주식회사
Priority date: 2006-10-13
Filing date: 2006-10-13
Publication date: 2008-04-17
Also published as: KR100830643B1

Abstract

본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 기판 상부에 형성된 N형 반도체층; N형 반도체층 상부의 소정 영역에 형성된 P형 반도체층; 및 P형 반도체층 상부에 형성된 ICO막 및 ITO막이 적층된 투명 전극을 포함함으로써 ITO막만을 이용할 경우에 비해 P형 반도체층과 투명 전극 사이의 접촉 저항을 줄일 수 있어 전기적 특성을 향상시킬 수 있고, 이로 인해 소자의 효율성을 향상시킬 수 있는 발광 소자가 제시된다.

질화물 LED, ICO, ITO, 접촉 저항

Description

발광 소자{Light emitting device}

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자의 단면도.

도 2는 ITO막만을 이용하여 투명 전극을 형성한 종래의 발광 소자와 ICO막과 ITO막을 적층하여 투명 전극을 형성한 본 발명에 따른 발광 소자의 전류-전압 특성 그래프.

도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 발광 소자의 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 기판 20 : N형 반도체층

30 : 활성층 40 : P형 반도체층

50 : ICO막 60 : ITO막

70 : N형 전극 80 : P형 전극

100 : 투명 전극

본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 특히 P형 반도체층 상부에 ICO(indium copper oxide)와 ITO(indium tin oxide)를 적층하여 투명 전극을 형성함으로써 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 발광 소자에 관한 것이다.

대표적인 질화물계 반도체인 질화갈륨(GaN)은 에너지 밴드갭이 상온에서 3.4eV로 매우 크기 때문에 고온 고출력 소자에 사용될 수 있다는 장점을 가지고 있다. 또한, 질화갈륨(GaN)은 질화인듐(InN), 질화알루미늄(AlN) 같은 물질과 조합하여 1.9eV(InN)에서 3.4eV(GaN), 6.2eV(AlN)까지의 에너지 밴드갭을 조절할 수 있어 가시광에서부터 자외선 영역까지 넓은 파장 영역을 갖게 되고, 이로 인해 광소자의 응용 가능성이 매우 큰 물질이다.

질화갈륨(GaN)을 이용한 발광 소자는 일반적으로 기판 상부에 N-GaN층, 활성층, P-GaN층 및 투명 전극이 형성된 구조를 갖는다. 이러한 구조에서 투명 전극, P-GaN층 및 활성층의 소정 영역이 식각되어 N-GaN층의 일부가 노출된 후 N-GaN층 상부에 N형 전극이 형성되고, 투명 전극의 소정 영역이 식각된 후 노출된 P-GaN층에 P형 전극이 형성된다. 이때, 투명 전극으로는 ITO(indium tin oxide)가 주로 이용된다.

상기한 질화물 반도체 발광 소자는 그 효율이 외부 인가 전력 대비 발생되는 빛의 세기로 결정된다. 그런데, P-GaN층과 투명 전극과의 사이에 접촉 저항이 매우 크기 때문에 소자의 효율성이 좋지 않을 뿐만 아니라 방출 광의 세기를 높이기 위 해서 더 높은 전압을 인가해야만 된다.

P-GaN층과 투명 전극 사이의 접촉 저항을 줄이기 위해서는 고농도로 도핑된 P-GaN층을 형성해야 하지만, P-GaN층은 높은 밴드갭과 낮은 도핑효율(< 5×10¹⁷원자수/㎤)을 갖기 때문에 고농도로 도핑된 P-GaN층을 형성하는 것은 매우 어렵다.

P-GaN층과 투명 전극 사이의 접촉 저항을 줄이기 위해서 여러가지 방법들이 소개된 바 있다. 그 중 하나로서, 단일 P-GaN층을 형성하는 것이 아니라 P-GaN/P-InGaN 혹은 P-GaN/P-AlGaN 등의 초격자 구조로 만들어 초격자 구조 안에 압전 전계(piezoelectric field)에 의해서 단일 P-GaN층에서 얻을 수 있는 농도보다 훨씬 더 높은 정공 농도를 확보하는 방법이 있다. 그러나, 이 방법은 정공이 활성층으로 주입되기 위해서 초격자 구조내의 수직 방향으로의 전위 장벽을 통과해야 하므로 그 만큼 에너지를 더 필요로 하게 된다.

다른 하나의 방법은 열처리 공정을 실시하는 것이다. 그러나, 열처리 공정을 실시할 경우에도 수 ㏀의 저항이 발생되기 때문에 발광 소자의 전기적 특성이 획기적으로 개선되지는 않는다.

상술한 바와 같이 종래의 질화물 반도체 발광 소자는 P-GaN층과 투명 전극 사이의 접촉 저항이 커서 소자의 효율성이 좋지 못하다는 단점이 있으며, 이를 극복할 수 있는 효과적인 수단이 아직 제시되지 못하고 있는 실정이다.

본 발명의 목적은 P형 반도체층과 ITO 투명 전극의 접촉 저항을 줄여 발광 소자의 전기적 특성을 개선할 수 있는 발광 소자를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 ITO보다 저항이 낮으면서 투명한 전극 물질인 ICO(indium copper oxide)를 P형 반도체층과 ITO 사이에 형성하여 P형 반도체층과 ITO 투명 전극의 접촉 저항을 줄여 발광 소자의 전기적 특성을 개선할 수 있는 발광 소자를 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 ITO보다 저항이 낮으면서 투명 전극 물질인 ICO(indium copper oxide)를 P형 반도체층과 ITO 사이에 형성하고, 구조물의 일 측면을 경사지게 형성하여 발광 소자의 전기적 특성 및 발광 효율을 향상시킬 수 있는 발광 소자를 제공하는데 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자는 기판 상부에 형성된 N형 반도체층; 상기 N형 반도체층 상부의 소정 영역에 형성된 P형 반도체층; 및 상기 P형 반도체층 상부에 순차적으로 형성된 제 1 및 제 2 투명 전극을 포함한다.

또한, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 발광 소자는 기판 상부에 N형 반도체층; 상기 N형 반도체층 상부에 형성된 P형 반도체층; 및 상기 P형 반도체층 상부에 순차적으로 형성된 제 1 및 제 2 투명 전극을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 투명 전극, P형 반도체층 및 일부 N형 반도체층의 적어도 일 측면이 소정의 기울기를 갖 도록 형성된다.

상기 제 1 투명 전극은 ICO막을 30 내지 50Å의 두께로 형성하고, 상기 제 2 투명 전극은 ITO막 또는 IZO막을 2500 내지 3000Å 두께로 형성한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자는 기판(10)과, 기판 상부에 순차적으로 형성된 N형 반도체층(20), 활성층(30) 및 P형 반도체층(40)을 포함한다. 그리고, P형 반도체층(40) 상부에 ICO막(50) 및 ITO막(60)이 적층된 투명 전극(100)을 더 포함한다. 또한, 투명 전극(100), P형 반도체층(40) 및 활성층(30)의 소정 영역이 식각되어 노출된 N형 반도체층(20) 상부에 형성된 N형 전극(70)을 더 포함하고, 투명 전극(100)의 소정 영역이 식각되어 노출된 P형 반도체층(40)과 연결되도록 형성된 P형 전극(80)을 더 포함할 수 있다. 또한, P형 전극(80)은 투명 전극(100) 상부에 형성될 수도 있으며, P형 전극(80)을 형성하지 않고 이후 플립칩 본딩할 수도 있다.

상기 기판(10)은 발광 소자를 제작하기 위한 통상의 웨이퍼를 지칭하는 것으로, Al₂O₃, SiC, ZnO, Si, GaAs, GaP, LiAl₂O₃, BN, AlN 및 GaN 중 적어도 어느 하나의 기판(10)을 사용한다. 한편, 기판(10) 상부에 결정 성장시 기판(10)과 이후 형 성되는 층, 즉 N형 반도체층(20)과의 격자 부정합을 줄이기 위한 버퍼층(미도시)이 더 형성될 수 있다. 여기서, 버퍼층은 반도체 재료인 GaN 또는 AlN을 포함한 물질을 선택적으로 이용하여 형성할 수 있다.

상기 N형 반도체층(20)은 전자가 생성되는 층으로서, N형 불순물이 주입된 질화갈륨(GaN)을 사용하는 것이 바람직하고, 이에 한정되지 않고 다양한 반도체 성질의 물질층이 가능하다. 즉, GaN, InN, AlN(Ⅲ-Ⅴ족) 등과 같은 질화물과 이러한 질화물을 일정한 비율로 혼합한 질화물 반도체가 사용될 수 있다.

상기 활성층(30)은 소정의 밴드 갭을 가지며 양자 우물이 만들어져 전자 및 정공이 재결합되는 영역으로서, InGaN을 포함한 물질로 형성할 수 있다. 이때, 활성층(30)을 이루는 물질의 종류에 따라 전자 및 전공이 결합하여 발생하는 발광 파장이 변화된다. 따라서, 목표로 하는 파장에 따라 활성층(30)에 포함되는 반도체 재료를 조절하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 P형 반도체층(40)은 정공이 생성되는 층으로서, P형 불순물이 주입된 질화갈륨(GaN)을 사용하는 것이 바람직하고, 이에 한정되지 않고 다양한 반도체 성질의 물질층이 가능하다. 뿐만 아니라 상기 반도체층으로 AlGaN 또는 InGaN을 사용할 수 있다. 또한, 상기 N형 반도체층(20) 및 P형 반도체층(40)은 다층막으로 형성할 수도 있다.

한편, 상술한 물질층들은 금속 유기 화학 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD), 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition; CVD), 플라즈마 화학 기상 증착법(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD), 분자선 성장법(Molecular Beam Epitaxy; MBE), 수소화물 기상 성장법(Hydride Vapor Phase Epitaxy; HVPE) 등을 포함한 다양한 증착 또는 성장 방법을 이용하여 형성된다.

ICO막(50)은 스퍼터링(Sputtering), 전자 빔 증착(E-Beam Evaporation), 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition; CVD), 이온 플레이팅(ion-plating) 방법 등을 이용하여 30∼50Å의 두께로 형성한다. 예를들어 스퍼터링을 이용하여 ICO막(50)을 형성하기 위해서는 In-Cu 합금 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링 방법을 이용하거나, In₂O₃-CuO 산화물 타겟을 이용한 스퍼터링 방법 등을 이용한다.

또한, ITO막(60)은 ICO막(50)과 마찬가지로 스퍼터링(Sputtering), 전자 빔 증착(E-Beam Evaporation), 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition; CVD), 이온 플레이팅(ion-plating) 방법 등을 이용하여 2500∼3000Å의 두께로 형성한다. 예를들어 스퍼터링을 이용한 ITO막(60) 형성 방법 또한 ICO막(50) 형성 방법과 마찬가지로 In-Sn 합금 타겟을 이용한 반응성 스퍼터링, In₂O₃-Sn₂O₂ 산화물 타겟을 이용한 스퍼터링등이 있다. 한편, ITO막(60) 대신에 IZO(indium zinc oxide)막을 사용할 수도 있다.

상기한 바와 같이 ICO막(50) 및 ITO막(60)을 적층하여 이중막의 투명 전극(100)을 형성하게 되면, P형 반도체층(40)과 ICO막(50)의 접촉 저항이 기존의 P형 반도체층(40)과 ITO막(60)의 접촉 저항보다 낮기 때문에 전기적 특성을 획기적 으로 개선할 수 있다. 이는 도 2에 도시된 발광 소자의 전류-전압 특성 그래프를 통해 알 수 있다. 즉, ITO막만을 이용하여 투명 전극을 형성한 경우(A) 예를들어 3V의 전압에서 3∼4㎃ 이하의 전류가 흐르고, ICO막 및 ITO막을 적층하여 투명 전극을 형성한 경우(B) 3V의 전압에서 20㎃ 정도의 전류가 흐르는 것을 알 수 있다. 이로부터 ICO막과 ITO막을 적층하여 투명 전극을 형성한 경우 ITO막만을 이용하여 투명 전극을 형성한 경우에 비해 전기적 특성이 향상됨을 알 수 있고, 이는 ICO막을 P형 반도체층과 ITO막 사이에 형성함으로써 P형 반도체층과 투명 전극 사이의 접촉 저항이 낮아지게 되어 발생되는 결과이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 발광 소자의 단면도로서, N형 반도체층(20), 활성층(30), P형 반도체층(40), 그리고 ICO막(50) 및 ITO막(60)으로 이루어진 투명 전극(100)의 적어도 일면이 상부로부터 하부로 직각이 아닌 소정의 기울기, 예컨데 20°∼80°의 기울기를 갖도록 경사지게 형성되어 있다. 이렇게 하면 평탄한 표면에서 반사되었던 광자가 다양한 각의 표면에 의해 반사되지 않고 외부로 빠져나가기 때문에 발광 효율을 향상시킬 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하면 다음과 같다.

기판(10) 상부에 N형 반도체층(20), 활성층(30), P형 반도체층(40) 및 ICO막(50)과 ITO막(60)으로 구성된 투명 전극(100)을 형성한다. 이러한 구성 물질들의 형성 방법은 본 발명의 일 실시 예에서 설명된 바와 동일하다.

투명 전극(100) 상부에 감광막(미도시)을 소정 두께, 바람직하게는 3∼50㎛ 정도로 두껍게 도포한 후 소정의 온도, 예컨데 80∼90℃의 온도에서 소프트 베이킹(soft baking)한다. 그리고 난 후 소정의 포토 마스크(photo mask)를 통해 자외선(UV) 영역의 빛을 조사하여 마스크 상에 형성된 패턴을 감광막에 전사하는 노광(exposure) 공정을 진행한다. 이후, 하드 베이킹(hard baking)을 하지 않고 바로 노광 공정을 통해 상대적으로 결합이 약해져 있는 부분의 감광막을 용제를 사용하여 녹여내는 현상(developing) 공정을 진행한다. 이러한 과정을 통해 상기 투명 전극(100) 상부에 소정의 식각 마스크 패턴이 형성되는데, 식각 마스크 패턴은 수평면으로부터 소정의 기울기, 예컨데 20°∼80°의 기울기를 갖는 경사진 면을 형성하게 된다.

이러한 측면이 기울기를 갖는 식각 마스크 패턴을 이용하여 투명 전극(100), P형 반도체층(40), 활성층(30), 및 일부의 N형 반도체층(20)을 식각한다. 이에 의해 투명 전극(100), P형 반도체층(40), 활성층(30) 및 일부의 N형 반도체층(20)의 측면은 수평면으로부터 20°∼80°의 기울기를 갖도록 경사지게 형성된다.

이렇게 구조물 측면이 경사지게 형성됨으로써 발광층(30)의 내부에서 생성된 광은 다양한 기울기를 갖도록 식각된 측면에 전반사되지 않고 발광 소자의 외부로 빠져나가게 된다.

이후 투명 전극(100), P형 반도체층(40) 및 활성층(30)의 소정 영역을 수직으로 식각하여 N형 반도체층(20)을 노출시킨다. 그리고, 노출된 N형 반도체층(20) 상부에 N형 전극(70)을 형성하고, 투명 전극(100)의 소정 영역을 식각하여 P형 반 도체층(40)을 노출시킨 후 P형 전극(80)을 형성한다. 한편, 투명 전극(100), P형 반도체층(40) 및 활성층(30)의 소정 영역을 수직으로 식각하지 않을 수도 있다. 이 경우 일부 식각된 N형 반도체층(20) 상부에 N형 전극(70)을 형성한다.

한편, 측면이 소정의 기울기를 갖도록 경사지게 형성하는 또다른 방법으로 투명 전극(100) 상부에 3∼50㎛ 두께로 감광막을 두껍게 도포하고 노광한 후 하드 베이킹을 실시하는 경우 하드 베이킹 온도를 100∼140℃로 하여 진행하고 현상하게 되면, 현상된 감광막의 측면이 수평면으로부터 20°∼80°의 기울기를 갖도록 경사지게 형성할 수 있다. 예를 들어, 100℃의 온도에서 하드 베이킹을 하는 경우에 수평면으로부터 80°정도의 기울기를 갖는 식각 마스크 패턴을 형성할 수 있으며, 이를 이용한 식각 공정으로 P형 반도체층(40), 활성층(30) 및 일부 N형 반도체층(20)의 측면이 수평면으로부터 80°정도의 기울기를 갖도록 할 수 있다. 또한, 140℃의 온도에서 하드 베이킹을 하는 경우에 수평면으로부터 20°정도의 기울기를 갖는 식각 마스크 패턴을 형성할 수 있으며, 이를 이용한 식각 공정으로 P형 반도체층(40), 활성층(30), 일부 N형 반도체층(20)의 측면이 수평면으로부터 20°정도의 기울기를 갖도록 할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 P형 반도체층 상부에 ICO막 및 ITO막을 적층하여 투명 전극을 형성함으로써 ITO막만을 이용할 경우에 비해 P형 반도체층과 투명 전극 사이의 접촉 저항을 줄일 수 있어 전기적 특성을 향상시킬 수 있고, 이로 인해 소자의 효율성을 향상시킬 수 있다.

또한, 기판 상부에 적층된 구조물의 적어도 일 측면이 소정의 기울기를 갖도록 형성함으로써 평탄한 표면에서 반사되었던 광자가 다양한 각의 표면에 의해 반사되지 않고 외부로 빠져나가게 하여 소자의 발광 효율을 향상시킬 수 있다.

Claims

기판 상부에 형성된 N형 반도체층;

상기 N형 반도체층 상부의 소정 영역에 형성된 P형 반도체층; 및

상기 P형 반도체층 상부에 순차적으로 형성된 제 1 및 제 2 투명 전극을 포함하는 발광 소자.
기판 상부에 N형 반도체층;

상기 N형 반도체층 상부에 형성된 P형 반도체층; 및

상기 P형 반도체층 상부에 순차적으로 형성된 제 1 및 제 2 투명 전극을 포함하며,

상기 제 1 및 제 2 투명 전극, P형 반도체층 및 일부 N형 반도체층의 적어도 일 측면이 소정의 기울기를 갖도록 형성된 발광 소자.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 투명 전극은 ICO막으로 형성된 발광 소자.
제 3 항에 있어서, 상기 ICO막은 30 내지 50Å의 두께로 형성된 발광 소자.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 투명 전극은 ITO막 또는 IZO막으로 형성된 발광 소자.
제 5 항에 있어서, 상기 ITO막 또는 IZO막은 2500 내지 3000Å 두께로 형성된 발광 소자.