WO2014014178A1 - 반도체 발광소자, 이를 위한 제조 방법, 박막 증착 장치 및 박막 증착 방법 - Google Patents

반도체 발광소자, 이를 위한 제조 방법, 박막 증착 장치 및 박막 증착 방법 Download PDF

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WO2014014178A1
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oxide electrode
transparent oxide
plasma
power
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곽준섭
박민주
손광정
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순천대학교 산학협력단
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L33/36—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the electrodes
    • H01L33/40—Materials therefor
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01L2933/0008—Processes
    • H01L2933/0016—Processes relating to electrodes

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor light emitting device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a semiconductor light emitting device and a method of manufacturing the same that can improve the electrical and optical characteristics of the semiconductor light emitting device.
  • the present invention also relates to a thin film deposition apparatus and a thin film deposition method using the same, and more particularly, to a thin film deposition apparatus for measuring plasma parameters using a probe in a thin film deposition apparatus using DC power and RF power at the same time, and using the same.
  • a thin film deposition method for measuring plasma parameters using a probe in a thin film deposition apparatus using DC power and RF power at the same time, and using the same.
  • a light emitting diode In general, a light emitting diode (LED) is called a light emitting device, and refers to a semiconductor device in which electrons move from a high energy level to a low one and emit light of a specific wavelength when applied through electricity.
  • LEDs have been commercialized as red LEDs using GaAsP compound semiconductors in 1962, along with GaP-N series green LEDs, and have been used as display light for electronic devices including information and communication devices.
  • GaN blue LEDs enables full color displays.
  • a transparent oxide layer electrode which is an electrode for ohmic contact of p-type GaN, is very important. Low contact resistivity, high transmittance, and ohmic contact formation with p-GaN are essential for good transparent oxide electrode.
  • Most GaN-based light emitting diodes use ITO thin film as a transparent oxide electrode, and most of these ITO thin films use sputtering or e-beam evaporator using RF magnetron or DC magnetron. To be deposited on p-GaN.
  • the ion particles impinging on the source target are produced by plasma excitation in the chamber.
  • the process is as follows. First, the chamber is made high vacuum and then a low pressure sputtering gas, usually argon (Ar) or other reactive gas, is flowed into the chamber. In addition, direct current (DC) or radio frequency (RF) power is applied between the source target and the two electrodes connected to the substrate, and the accelerated free electrons emitted from the cathode collide with the arcon atom to ionize the argon atom.
  • argon argon
  • RF radio frequency
  • Argon ions are produced and emitted and the electrons supplied by the electrode continue to collide with each other to produce more ions, while electrons re-combine and collide with the electrode and chamber interior walls. It may be destroyed. When the free electrons are produced and destroyed at the same rate, a stable equilibrium plasma is formed.
  • the cathode plate covered with the target material is held at a negative potential relative to the substrate, so that the positively charged argon ions are accelerated toward the source target and collide with the source target.
  • each argon ion having an energy of hv transfers energy toward the target during collision, and when the binding force of the elements constituting the target and the work function of the electrons can be overcome, the target material is released in the form of vapor and is formed on the substrate. Will be deposited.
  • a transparent oxide layer electrode layer which is an electrode for ohmic contact with a p-type nitride semiconductor layer, is also mostly using the above-described DC or RF sputtering deposition method. Doing.
  • a technique for forming an ITO thin film by the DC or RF sputtering method as described above is disclosed in Korean Patent Publication No. 10-2012-0017318, Korean Patent Publication No. 10-2011-0082320 and Korean Patent Publication No. 10-2010-0038520 It is already known in several patents, and when depositing the ITO thin film by such a sputtering method, among those deposited by the RF sputtering method is applicable to a variety of materials, has the advantage of providing a uniform thin film properties, On the other hand, when the deposition by the DC sputtering method has the advantage that the deposition rate is fast.
  • the plasma potential in the plasma generated during the RF sputtering process may be removed from the plasma potential. Electrons touch the surface of the p-type semiconductor layer and act as a trap at the surface. The phenomenon of causing plasma damage to the p-type semiconductor layer prevents ohmic contact formation between the transparent oxide electrode layer and the p-type nitride semiconductor layer, which leads to a problem of a breakdown voltage of the device.
  • the DC sputtering deposition method has a high deposition rate, which is advantageous for productivity.
  • the ITO crystal structure forms a polycrystalline domain structure, surface roughness is not good, so that the surface roughness is improved by performing a separate polishing process after ITO deposition.
  • An object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device including a transparent oxide electrode layer formed of a laminated structure of a first transparent oxide electrode layer and a second transparent oxide electrode layer, and a method of manufacturing the same.
  • Another object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device including a first transparent oxide electrode layer formed by a DC + RF sputtering method and a second transparent oxide electrode layer formed by an RF sputtering method and a method of manufacturing the same.
  • the present invention provides a semiconductor light emitting device comprising a transparent oxide electrode layer formed of a laminated structure of a transparent oxide electrode layer providing an ohmic contact with an underlying layer and a transparent oxide electrode layer providing high transmittance characteristics, and another method of manufacturing the same.
  • a semiconductor light emitting device comprising a transparent oxide electrode layer formed of a laminated structure of a transparent oxide electrode layer providing an ohmic contact with an underlying layer and a transparent oxide electrode layer providing high transmittance characteristics, and another method of manufacturing the same.
  • the present invention provides a thin film deposition apparatus for measuring plasma parameters using a probe in a thin film deposition apparatus using both DC power and RF power, and controlling the DC power and RF power, and a thin film deposition method using the same.
  • a thin film deposition apparatus for measuring plasma parameters using a probe in a thin film deposition apparatus using both DC power and RF power, and controlling the DC power and RF power, and a thin film deposition method using the same.
  • the present invention provides a thin film deposition apparatus and a thin film deposition method using the same that can achieve uniform sputter deposition without plasma damage on the p-type nitride semiconductor layer by real-time control of DC power and RF power. have.
  • the present invention provides a gallium nitride based semiconductor stacked structure in which an n-type semiconductor layer, an active layer, and a p-type semiconductor layer are stacked; And a transparent oxide electrode layer formed on the p-type semiconductor layer of the gallium nitride-based semiconductor stacked structure by a sputtering method and having a laminated structure of a first transparent oxide electrode layer having a first thickness and a second transparent oxide electrode layer having a second thickness. It characterized by including.
  • the transparent oxide electrode layer has a specific contact resistance of 1 ⁇ 10 ⁇ 4 Pa ⁇ cm 2 or less, the first transparent oxide electrode layer forms an ohmic contact with the p-type semiconductor layer,
  • the first transparent oxide electrode layer is formed to a thickness of 10nm to 20nm,
  • the first transparent oxide electrode layer is formed by a DC + RF sputtering method for simultaneously applying DC power and RF power,
  • the second transparent oxide electrode layer is formed by an RF sputtering method
  • Electron-beam irradiation is performed on at least one of the first transparent oxide electrode layer and the second transparent oxide electrode layer,
  • the first transparent oxide electrode layer and the second transparent oxide electrode layer is formed of a material containing the same component
  • the first transparent oxide electrode layer and the second transparent oxide electrode layer is made of ITO material containing 0.1 to 50wt% SnO 2 content,
  • the first transparent oxide electrode layer and the second transparent oxide electrode layer is ITO, IZO, CIO, ZnO, SnO 2 , ATO, FTO, GZO, IGZO, CdO, In doped-SnO 2 , RuO, aluminum doped (Al doped) -ZnO, SiO 2 , TiO 2 , MgO is formed of a material consisting of any one or a combination thereof,
  • the transparent oxide electrode layer composed of the first transparent oxide electrode layer and the second transparent oxide electrode layer is subjected to a subsequent heat treatment process
  • the subsequent heat treatment process is carried out at a temperature of 100 to 800 °C in N 2 atmosphere.
  • the present invention comprises the steps of forming a gallium nitride-based semiconductor laminated structure consisting of a laminate of the n-type semiconductor layer, the active layer and the p-type semiconductor layer on the substrate; Forming a first transparent oxide electrode layer having a first thickness on the p-type semiconductor layer of the gallium nitride-based semiconductor stacked structure by a primary sputtering method; And forming a second transparent oxide electrode layer having a second thickness on the first transparent oxide electrode by a second sputtering method different from the first sputtering method.
  • the transparent oxide electrode layer has a specific contact resistance of 1 ⁇ 10 ⁇ 4 Pa ⁇ cm 2 or less, the first transparent oxide electrode layer forms an ohmic contact with the p-type semiconductor layer,
  • the first transparent oxide electrode layer is formed to a thickness of 10nm to 20nm,
  • the forming of the first transparent oxide electrode layer by the primary sputtering method may include forming the first transparent oxide electrode layer by performing a DC + RF sputtering method for simultaneously applying DC power and RF power.
  • the forming of the second transparent oxide electrode layer by the secondary sputtering method may include forming the second transparent oxide electrode layer by performing an RF sputtering method,
  • the heat treatment process is performed at a temperature of 100 to 800 °C in N 2 atmosphere,
  • the first transparent oxide electrode layer and the second transparent oxide electrode layer is formed of a material containing the same component
  • the first transparent oxide electrode layer and the second transparent oxide electrode layer is formed of an ITO material containing 0.1 to 50wt% of SnO 2 ,
  • the first transparent oxide electrode layer and the second transparent oxide electrode layer is ITO, IZO, CIO, ZnO, SnO 2 , ATO, FTO, GZO, IGZO, CdO, In doped-SnO 2 , RuO, aluminum doped (Al doped) -ZnO, SiO 2 , TiO 2 , MgO, or any one or a combination thereof.
  • the present invention comprises a chamber for supporting a substrate and a target portion for providing a deposition material to the substrate, the chamber having a plasma space; A probe positioned in the plasma space and in contact with the plasma; A power supply source including a DC power supply unit and an RF power supply unit generating a plasma in the chamber by simultaneously applying DC power and RF power to the target unit; And a control unit connected to the power supply source and extracting the plasma variable generated in the chamber in real time with the probe, and controlling the power supply source according to the extracted plasma variable.
  • the DC power applied simultaneously is positive polarity (+),
  • the control unit includes a plasma measuring unit for measuring a plasma variable in real time from the signal input from the probe and a power supply control unit for controlling the power supply source according to the plasma variable measured by the plasma measuring unit,
  • the control unit measures the density or number of negative charges
  • the controller measures a plasma variable of any one of a self-bias voltage, an RF peak-to-peak voltage, a plasma potential, and a negative carrier flux.
  • the control unit may include a self-bias voltage of 0 V or more, an RF peak-to-peak voltage of 200 V or less, a plasma potential of 50 V or more, or a negative charge flux.
  • the power supply is controlled such that a negative carrier flux is equal to or less than 10 5 / cm 2,
  • the substrate is a semiconductor laminate structure comprising a p-type nitride semiconductor layer, the deposition material is a transparent oxide electrode material,
  • the present invention also provides a method comprising: positioning a probe in contact with a plasma in a chamber having a support portion for supporting a substrate and a target portion for providing a deposition material to the substrate, the plasma space being subjected to plasma processing; Setting a reference plasma variable; Generating a plasma in the chamber by simultaneously applying DC power and RF power from a power supply including a DC power supply and an RF power supply to the target unit; Measuring a plasma variable in real time from a signal input from the probe in a control unit connected to the power supply when generating the plasma; Comparing the measured plasma variable with the reference plasma variable; And controlling the power supply source in the control unit so that the difference between the measured plasma variable and the reference plasma variable is within an allowable range.
  • the power supply further includes a power control unit and a matching control unit for adjusting the DC power and the RF power,
  • the control unit may compare the plasma variable measured by the plasma measuring unit and the reference plasma variable measured by the plasma measuring unit to measure the plasma variable in real time from the signal input from the probe.
  • a power supply controller for controlling the power supply so that the difference is within an acceptable range
  • the substrate is a semiconductor laminate structure comprising a p-type nitride semiconductor layer, the deposition material is a transparent oxide electrode material,
  • the support further includes a power supply for providing DC power or RF power.
  • the present invention comprises the steps of forming a gallium nitride-based semiconductor laminated structure for the LED consisting of a laminate of the n-type nitride semiconductor layer, the active layer and the p-type nitride semiconductor layer; And forming a transparent oxide electrode layer by a DC + RF sputtering method for simultaneously applying DC power and RF power on the p-type nitride semiconductor layer of the gallium nitride-based semiconductor laminate structure, wherein the DC power and RF power are simultaneously applied.
  • the DC + RF sputtering method includes: positioning a probe in a chamber including a support for supporting the semiconductor stacked structure and a target portion for providing a deposition material for a transparent oxide electrode layer formed on the p-type nitride semiconductor layer; Setting a reference plasma variable; Generating a plasma in the chamber by simultaneously applying DC power and RF power from a power supply including a DC power supply and an RF power supply to the target unit; Measuring a plasma variable in real time from a signal input from the probe in a control unit connected to the power supply when generating the plasma; Comparing the measured plasma variable with the reference plasma variable; And controlling the power supply source in the control unit so that the difference between the measured plasma variable and the reference plasma variable falls within an allowable range when the difference between the measured plasma variable and the reference plasma variable does not fall within an allowable range. It is characterized by including.
  • the plasma variable is the density or number of negative charges
  • the plasma variable is any one of a self-bias voltage, an RF peak-to-peak voltage, a plasma potential, and a negative carrier flux.
  • the plasma variable may include a self-bias voltage of 0 V or more, an RF peak-to-peak voltage of 200 V or less, a plasma potential of 50 V or more, or a negative charge.
  • Negative carrier flux is selected within the range of 10 5 / cm 2 or less,
  • the DC power applied simultaneously is positive polarity (+),
  • a reference plasma parameter while further performing a pre-sputtering process before forming a transparent oxide electrode layer by a DC + RF sputtering method for simultaneously applying the DC power and the RF power, the plasma for the pre-sputtering Generating a variable; measuring a plasma variable of the plasma for pre-sputtering; comparing the measured plasma with a variable and the reference plasma variable; allowing the difference between the measured plasma variable and the reference plasma variable And controlling the power supply source to fall within the range.
  • the present invention provides a first transparent oxide electrode layer formed by a DC (+) + RF sputtering method for simultaneously applying a positive DC power (DC (+) power) and RF power, thereby providing a transparent oxide electrode layer due to the first transparent oxide electrode layer. It is possible to minimize the plasma effect of the p-type semiconductor layer during the sputtering process to form a structure to enable ohmic contact between the p-type semiconductor layer and the transparent oxide electrode layer, thereby improving the electrical properties of the device is expected to be expected It becomes possible.
  • the present invention can form a transparent oxide electrode layer having a high transmittance characteristics by forming the second transparent oxide electrode layer by the RF sputtering method for applying RF power over the first transparent oxide electrode layer, thereby, The effect of improving the optical properties can be expected.
  • the present invention can be expected to provide an effect of improving the conductivity and transmittance of the transparent oxide electrode layer by providing a transparent oxide electrode layer having a laminated structure of the first transparent oxide electrode layer and the second transparent oxide electrode layer subjected to the electron-beam irradiation process. Will be.
  • the present invention provides a deposition method for forming a transparent oxide electrode layer by the sputtering method of applying the DC power and RF power at the same time, the probe is mounted in the chamber to perform the sputtering before the thin film is mounted and in between the thin film is mounted It is to provide a deposition method for real-time measurement of plasma parameters such as density or number of negative charges in the plasma, and real-time control of DC power and RF power applied to the target unit during sputtering according to the measured plasma parameters. Since the plasma effect of the p-type semiconductor layer can be minimized during the process, it is possible to enable ohmic contact between the p-type semiconductor layer and the transparent oxide electrode layer, thereby improving the electrical characteristics of the device.
  • FIG. 1 is a view showing a transparent oxide electrode layer according to the present invention.
  • Figure 4 is a graph showing the electrical properties ( ⁇ , Rs) after the subsequent heat treatment process for the transparent oxide electrode layer prepared according to the conditions of Table 1.
  • FIG. 5 is a view showing a semiconductor light emitting device including a transparent oxide electrode layer composed of a laminated structure of a first transparent oxide electrode layer and a second transparent oxide electrode layer according to the present invention.
  • FIG. 6 is a graph illustrating driving voltage characteristics of a semiconductor light emitting device in which a transparent oxide electrode layer is manufactured according to the conditions of Table 1.
  • FIG. 6 is a graph illustrating driving voltage characteristics of a semiconductor light emitting device in which a transparent oxide electrode layer is manufactured according to the conditions of Table 1.
  • FIG. 7 is a graph illustrating driving voltage characteristics of a semiconductor light emitting device having a transparent oxide electrode layer according to the present invention.
  • FIG. 8 is a graph showing the light emission intensity of a semiconductor light emitting device having a transparent oxide electrode layer according to the present invention.
  • 9 and 10 are graphs showing the range of plasma parameters in sputtering according to the present invention.
  • FIGS. 11A to 11E are views for explaining a method of manufacturing a semiconductor light emitting device including a transparent oxide electrode layer having a stacked structure of a first transparent oxide electrode layer and a second transparent oxide electrode layer according to the present invention.
  • FIG. 12 illustrates a thin film deposition apparatus according to the present invention.
  • FIGS. 13A to 13C are flowcharts illustrating a DC + RF sputtering method for performing pre-sputtering according to the present invention.
  • the present invention relates to a semiconductor light emitting device including a transparent conductive oxide (TCO), comprising: a first transparent oxide electrode layer for making ohmic contact with a p-GaN layer by a sputtering method and a second having a high transmittance characteristic
  • TCO transparent conductive oxide
  • the transparent oxide electrode layer which is a laminated structure of the transparent oxide electrode layer, was formed to form an ohmic contact between the base layer and the transparent oxide electrode layer.
  • FIG. 1 is a view showing a transparent oxide electrode layer according to the present invention.
  • the transparent oxide electrode layer 140 is formed by a sputtering method, and has a first transparent oxide electrode layer 141 having a first thickness and a second transparent oxide electrode layer 142 having a second thickness. ) Is formed in a laminated structure.
  • the first transparent oxide electrode layer 141 is a transparent oxide electrode layer that forms an ohmic contact with the p-GaN layer 130, which is an underlying layer, and is a DC + RF sputtering method for applying DC power and RF power simultaneously, preferably DC having positive polarity. It is formed by a DC (+) + RF sputtering method that simultaneously applies power (DC (+) power) and RF power.
  • the first transparent oxide electrode layer 141 is formed by a DC (+) + RF sputtering method that simultaneously applies DC (+) power and RF power, thereby reducing the number of electrons directed to the upper p-GaN layer.
  • the transparent oxide electrode layer including the first transparent oxide electrode layer 141 forms an ohmic contact with the p-GaN layer. A low breakdown voltage can be obtained.
  • the first transparent oxide electrode layer 141 serves to block electrons that deviate from the plasma potential, so that the second transparent oxide electrode layer is deposited on the p-GaN layer even though the second transparent oxide electrode layer is deposited by an RF sputtering method that subsequently applies RF power. It will not affect the plasma.
  • the first transparent oxide electrode layer 141 may be formed by simultaneously performing an electron-beam irradiation process when the DC (+) + RF sputtering is performed.
  • the first transparent oxide electrode layer is formed by simultaneously performing an electron beam process during the DC (+) + RF sputtering process, the first transparent oxide electrode layer is formed in a crystalline state due to the energy of the electron beam. Subsequently, the heat treatment process may be omitted.
  • the first transparent oxide electrode layer 141 is formed of ITO, IZO, CIO, ZnO, SnO 2 , ATO, FTO, GZO, IGZO, CdO, In doped-SnO 2 , RuO, Al doped- ZnO, SiO 2 , TiO 2 , MgO It is formed of a material consisting of any one or a combination thereof, and preferably, may be formed of an ITO material containing 0.1 to 50wt% of SnO 2 content.
  • the first transparent oxide electrode layer 141 may be formed to a thickness of 5 to 30nm, preferably 10 to 20nm thick. If the first transparent oxide electrode layer 141 is formed to a thickness outside the above range, the specific contact resistance of the first transparent oxide electrode layer may increase.
  • the first transparent oxide electrode layer 141 when the first transparent oxide electrode layer 141 is formed to a thickness of 5 nm or less, the thin film by simultaneous deposition of DC (+) + RF sputtering is not sufficiently formed, and the first transparent oxide electrode layer 141 is formed. ) Having a thickness of 30 nm or more decreases the specific gravity of the second transparent oxide electrode layer having excellent electrical and optical properties in the overall laminated structure, thereby degrading the characteristics of the transparent oxide in the overall laminated structure.
  • the first transparent oxide electrode layer according to the present invention determines the interfacial properties, the second transparent oxide electrode layer is to influence the electrical and optical properties of the entire laminated structure.
  • the second transparent oxide electrode layer 142 is a transparent oxide electrode layer that provides a transmittance and is formed by an RF sputtering method for applying RF power.
  • the present invention provides a transparent oxide electrode layer having a laminated structure of a first transparent oxide electrode layer 141 formed by the DC (+) + RF sputtering method and a second transparent oxide electrode layer 142 formed by an RF sputtering method having uniform properties of a deposition material.
  • the second transparent oxide electrode layer 142 may satisfy the condition of the transparent oxide electrode layer to provide a high transmittance.
  • the second transparent oxide electrode layer 142 may be formed by simultaneously performing an electron-beam irradiation process during the RF sputtering process.
  • the second transparent oxide electrode layer is formed in the crystalline state due to the energy of the electron-beam, and subsequently the heat treatment process is performed. It has the advantage that it can be omitted. In addition, there may be a useful advantage in manufacturing other devices when the heat treatment process is removed.
  • the second transparent oxide electrode layer 142 may be formed of a material including the same component as the material of forming the first transparent oxide electrode layer 141.
  • the second transparent oxide electrode layer 142 is formed of a material containing the same components as the first transparent oxide electrode layer 141, compared to the case of forming a transparent oxide electrode layer of a different material to form a different material In addition to eliminating the possibility of contamination by, it is also possible to obtain the effect of simplifying the process and shortening the process time.
  • a subsequent heat treatment process may be performed on the first transparent oxide electrode layer and the second transparent oxide electrode layer.
  • the transparent oxide electrode layer is changed to a perfect crystalline, thereby increasing the electron mobility of the transparent oxide electrode layer, and thus, the conductivity and transmittance of the transparent oxide electrode layer are improved.
  • the subsequent heat treatment process is preferably performed for about 1 minute at a temperature of about 100 to 800 °C, preferably 500 to 700 °C in N 2 atmosphere.
  • the transparent oxide electrode layer has a large surface resistance, which increases power consumption.
  • the transmittance is decreased.
  • the present invention provides a first method formed by the DC (+) + RF sputtering method.
  • the second transparent oxide electrode layer is formed only by the RF sputtering method which provides uniform thin film characteristics on the transparent oxide electrode layer, low specific contact resistance (1 ⁇ 10 ⁇ 4 ⁇ ⁇ cm 2 or less) and low surface resistance (1.5 ⁇ 10 5 ⁇ / ⁇ or less), it is possible to ensure a transparent oxide electrode layer having a high transmittance.
  • Table 1 is a manufacturing conditions table for the deposition of the first transparent oxide electrode layer and the second transparent oxide electrode layer as the conditions table for Examples 1 to 4 of the present invention.
  • 80 kW of RF power and 40 kW of DC power are used simultaneously, and a gas of Ar: O 2 (20: 0.1) is injected, and the forming thickness thereof is varied at 5 nm, 10 nm, 20 nm, and 30 nm.
  • a transparent oxide electrode layer was fabricated, using 120 GHz RF power and injecting a gas of Ar: O 2 (20: 0.1), and varying the thickness of the formed oxide at 30 nm, 40 nm, 50 nm, and 55 nm.
  • a transparent oxide electrode layer was prepared.
  • the comparative example uses an RF power of 120 kW, injects a gas of Ar: O 2 (20: 0.1), and understands it as a transparent oxide electrode layer made of a 60 nm single layer.
  • Figure 2 shows the IV curve (by using C-TLM) characteristics of each of the first transparent oxide electrode layer and the second transparent oxide electrode layer, the thickness of the first transparent oxide electrode layer and the second at all formed thickness according to the manufacturing conditions table
  • the transparent oxide electrode layer composed of a stack of transparent oxide electrode layers has a linear IV curve with a large slope, from which the first transparent oxide electrode layer is 10 to 20 nm thick and the second transparent oxide electrode layer is 40 In the case of forming a thickness of 50 nm to 50 nm, ohmic contact is well formed between the p-GaN layer and the transparent oxide electrode layer.
  • FIG. 3 shows the specific contact resistance ( ⁇ ) and the sheet resistance (Rs) of each first thickness of the first transparent oxide electrode layer formed on the p-GaN layer as a base layer.
  • the first transparent oxide When the electrode layer is formed with a thickness of 10 to 20 nm (the second transparent oxide electrode layer is formed with a thickness of 40 to 50 nm), a specific contact resistance ( ⁇ ) of 1 ⁇ 10 -4 kPa ⁇ cm 2 or less and a low 1.4 ⁇ 10 It can be seen that the surface resistance Rs of 5 kW / square or less appears.
  • the first transparent oxide electrode layer is formed to a thickness of 10 to 20nm it can be seen that the effect of the plasma generated during the sputtering to the p-GaN layer of the underlying layer is sufficiently minimized.
  • FIG. 4 shows the specific contact resistance ( ⁇ ) and the surface resistance (Rs) for each thickness of the first transparent oxide electrode layer formed on the p-GaN layer as a base layer, and all the formed thicknesses of the first transparent oxide electrode layer after the heat treatment process. It can be seen that the non-contact resistance and sheet resistance properties are lowered, and in particular, the non-contact resistance is better than the sheet resistance after the subsequent heat treatment process.
  • the transmittance (Tceransemittance, T%) characteristics at a wavelength of 450 nm for each thickness of the first transparent oxide electrode layer formed on the glass substrate as a base layer by looking at the transmittance (Tceransemittance, T%) characteristics at a wavelength of 450 nm for each thickness of the first transparent oxide electrode layer formed on the glass substrate as a base layer by applying an embodiment of the present invention, the first transparent oxide At all formed thicknesses of the electrode layer, a high transmittance of 85% or more is shown. This can be seen that the transparent oxide electrode layer was an embodiment that satisfies this in that it must have a transmittance of 85% or more.
  • FIG. 5 is a view showing a semiconductor light emitting device including a transparent oxide electrode layer having a stacked structure of a first transparent oxide electrode layer and a second transparent oxide electrode layer according to the present invention.
  • a semiconductor light emitting device includes a gallium nitride based n-type semiconductor layer 110, a gallium nitride based active layer 120, and a gallium nitride based p-type semiconductor on a substrate 100 formed of a sapphire crystal substrate.
  • the layer 130 and the transparent oxide electrode layer 140 which is a laminated structure of the first transparent oxide electrode layer 141 and the second transparent oxide electrode layer 142, are formed, and the second transparent oxide electrode layer 142 and the n are formed.
  • a p-type electrode 150 and an n-type electrode 160 respectively connected to the type semiconductor layer 110.
  • the substrate 100 is formed of a substrate suitable for growing a nitride semiconductor single crystal, and preferably, may be formed of any one of sapphire, silicon, and PET.
  • a buffer layer consisting of an AlN / GaN layer or GaN layer can be formed, in the embodiment of the present invention Will be omitted.
  • the n-type semiconductor layer 110, the active layer 120, and the p-type semiconductor layer 130 may have an In x Al y Ga 1-xy N composition formula doped with each conductive dopant (where 0 ⁇ x ⁇ 1 and 0 ⁇ y ⁇ 1, 0 ⁇ x + y ⁇ 1).
  • the n-type semiconductor layer 110 may be formed of a GaN layer or a GaN / AlGaN layer doped with n-type conductive impurities.
  • Si, Ge, Sn, or the like may be used as the n-type conductive impurities. And preferably Si is mainly used.
  • the active layer 120 may be formed of one quantum well layer, a double heterostructure, or a multi-quantum well layer composed of an InGaN / GaN layer.
  • the p-type semiconductor layer 130 may be formed of a GaN layer or a GaN / AlGaN layer doped with a p-type conductive impurity, and the p-type conductive impurity doping may include, for example, Mg, Zn, Be, or the like. It is used, Preferably Mg is mainly used. A portion of the p-type semiconductor layer 130 and the active layer 120 is removed by an etching process, and a portion of the n-type semiconductor layer 110 is exposed on a bottom surface thereof.
  • the first transparent oxide electrode layer 141 is a transparent oxide electrode layer for ohmic contact with the p-type semiconductor layer 130, and a DC + RF sputtering method for applying DC power and RF power at the same time, preferably, DC power being an electrode. It is formed on the p-type semiconductor layer 130 by a DC (+) + RF sputtering method for simultaneously applying (DC (+) power) and RF power, the formation thickness may be 5 to 30nm, preferably Is 10 to 20 nm thick.
  • the second transparent oxide electrode layer 142 is a transparent oxide electrode layer having high transmittance characteristics, and is formed on the first transparent oxide electrode layer 141 by an RF sputtering method for applying RF power, and the formation thickness thereof is high. It is preferable that it is 30-55 nm provided a transmittance
  • the transparent oxide electrode layer 140 applies the first transparent oxide electrode layer 141 formed by the DC (+) + RF sputtering method to simultaneously apply DC (+) power and RF power and RF sputtering to apply RF power.
  • the sputtering process for forming the transparent oxide electrode layer on the p-type semiconductor layer 130 due to the first transparent oxide electrode layer 141 formed by the laminated structure of the second transparent oxide electrode layer 142 formed by the method Since the plasma effect can be minimized, the ohmic contact between the p-type semiconductor layer 130 and the transparent oxide electrode layer can be enabled.
  • the second transparent oxide electrode layer is formed to a thickness of 40 to 50nm ohmic contact between the p-type semiconductor layer and the transparent oxide electrode layer. Formation is possible.
  • a transparent oxide electrode layer having low resistivity, high transmittance, and ohmic contact formation between a p-type semiconductor layer is mostly formed of an ITO thin film, and the ITO thin film is RF It is formed on the p-type semiconductor layer (high concentration p-type semiconductor layer) through the sputtering or DC sputtering method.
  • the RF sputtering method is applicable to various materials and has an advantage of providing uniform thin film characteristics, whereas the DC sputtering method has an advantage of fast deposition rate.
  • the ITO thin film is formed on the p-type semiconductor layer by using the conventional single RF sputtering or single DC sputtering method, electrons that escape the plasma potential in the plasma generated during sputtering proceed to the p. It touches the surface of the type semiconductor layer and acts as a trap on the surface. This phenomenon of causing plasma damage to the p-type semiconductor layer prevents ohmic contact formation between the transparent oxide electrode layer and the p-type semiconductor layer, which leads to a problem of a breakdown voltage of the device.
  • the present invention is to form the transparent oxide electrode layer by the sputtering method, it is possible to eliminate the adverse effect of the plasma generated during the sputtering process on the p-type semiconductor layer, the first transparent on the p-type semiconductor layer 130
  • the transparent oxide electrode layer 140 having a stacked structure of the oxide electrode layer 141 and the second transparent oxide electrode layer 142 is formed.
  • a first DC + RF sputtering method in which the first transparent oxide electrode layer 141 in contact with the p-type semiconductor layer 130 simultaneously applies DC power and RF power among the transparent oxide electrode layers of the stack. Therefore, by forming the DC (+) + RF sputtering method to simultaneously apply DC (+) power and RF power, a certain amount of electrons are generated by the application of the DC (+) power during the DC (+) + RF sputtering process. The electrons do not touch the surface of the p-type semiconductor layer 130 while being directed toward the target layer rather than the semiconductor layer.
  • This phenomenon may have an effect such that the probability of electrons exiting the plasma potential is reduced, thereby minimizing the damage of the plasma to the p-type semiconductor layer when the transparent oxide electrode layer is formed by a conventional sputtering method.
  • the transparent oxide electrode layer can make ohmic contact with the p-type semiconductor layer, and can secure a transparent oxide electrode layer having excellent transmittance due to the second transparent oxide electrode layer.
  • the present invention provides a transparent oxide electrode layer having a relatively low specific contact resistance and a high transmittance due to the transparent oxide electrode layer composed of the first transparent oxide electrode layer and the second transparent oxide electrode layer. Voltage and high luminance can be expected.
  • FIG. 6 is a graph illustrating driving voltage characteristics of a semiconductor light emitting device on which a transparent oxide electrode layer manufactured according to the conditions of Table 1 is formed.
  • a first transparent oxide electrode layer is formed by a DC (+) + RF sputtering method for simultaneously applying DC (+) power and RF power
  • a second transparent oxide electrode layer is formed by an RF sputtering method.
  • the driving voltage of the semiconductor light emitting device is relatively low. That is, it can be seen that the plasma damage described above is significantly reduced.
  • the optical characteristics (Light-Current, LI) characteristics of the semiconductor light emitting device on which the first transparent oxide electrode layer and the second transparent oxide electrode layer are formed by applying the embodiment of the present invention are determined according to the manufacturing conditions table of Table 1. It was found that the LI characteristics were relatively excellent at all the formed thicknesses, which can be understood as securing a transparent oxide electrode layer having high transmittance characteristics.
  • FIG. 7 is a graph illustrating current-voltage characteristics of a semiconductor light emitting device including a first transparent oxide electrode layer formed by a DC + RF sputtering method for simultaneously applying the DC power and RF power.
  • DC which simultaneously applies power (DC (-) power) and RF power
  • RF RF sputtering which only applies RF power
  • DC which simultaneously applies positive DC power and RF power
  • the breakdown voltage of the semiconductor light emitting device is significantly lowered when +) + RF sputtering is used.
  • the magnitude of the DC (+) power does not depend much as the size increases to 40W, 50W, 60W.
  • FIG. 8 is a graph illustrating emission intensity characteristics of the semiconductor light emitting devices described with reference to FIG. 7, wherein DC (+) + RF sputtering is performed as compared with the case of forming the first transparent oxide electrode layer by DC ( ⁇ ) + RF sputtering or RF sputtering. It can be seen that the light emission intensity of the semiconductor light emitting devices forming the first transparent oxide electrode layer is large.
  • FIGS. 9 and 10 are graphs showing the plasma potential and the negative charge flux according to the power applied in the sputtering apparatus used to form the first transparent oxide electrode layer according to the present invention.
  • DC (-) + RF power shows plasma potential of 20V or less and negative charge flux of 10 12 / cm 2 s or more, while applying DC (+) + RF power.
  • the negative charge flux value is very low.
  • the transparent oxide electrode layer is formed on the p-type semiconductor layer, by controlling the negative charge density of the plasma space very low, an ohmic contact is formed between the p-type nitride semiconductor layer and the transparent oxide electrode layer and excellent optical characteristics can be obtained.
  • the plasma potential of the plasma space is maintained at 50 V or more (more preferably 100 V or more), and the negative charge flux is 10 5 / cm 2 s or less (more preferably 10 2 / cm 2 s or less). It is necessary to maintain.
  • the first transparent oxide electrode layer 141 and / or the second transparent oxide electrode layer 142 may be formed by simultaneously performing an electron-beam irradiation process during DC + RF sputtering and / or RF sputtering. have.
  • the first transparent oxide electrode layer and / or the second transparent oxide electrode layer are formed by simultaneously performing an electron-beam process during the DC + RF sputtering process and / or during the RF sputtering process
  • the first transparent oxide electrode layer may be formed by the energy of the electron beam.
  • the transparent oxide electrode layer and / or the second transparent oxide electrode layer are formed in a crystalline state, and thus have an advantage of eliminating a heat treatment process later. In addition, there may be a useful advantage in manufacturing other devices when the heat treatment process is removed.
  • a subsequent heat treatment process may be performed on the first transparent oxide electrode layer 141 and the second transparent oxide electrode layer 142 in order to increase the specific contact resistance and the surface resistance of the transparent oxide electrode layer.
  • a subsequent heat treatment process is performed to change the transparent oxide electrode layer to perfect crystalline, thereby increasing the electron mobility of the transparent oxide electrode layer, thus improving the conductivity and transmittance of the transparent oxide electrode layer.
  • the subsequent heat treatment process is preferably carried out for about 1 minute at a temperature of 100 to 800 °C, preferably 500 to 700 °C in N 2 atmosphere.
  • FIGS. 11A to 11E are views for explaining a method of manufacturing a semiconductor light emitting device including a transparent oxide electrode layer having a stacked structure of a first transparent oxide electrode layer and a second transparent oxide electrode layer according to the present invention.
  • a gallium nitride based semiconductor layer including a n-type semiconductor layer 110, an active layer 120, and a p-type semiconductor layer 130 is laminated on a substrate 100 formed of any one of sapphire, silicon, and PET. To form a structure.
  • a buffer layer generally made of an AlN / GaN layer or a GaN layer may be further formed.
  • the n-type semiconductor layer 110, the active layer 120, and the p-type semiconductor layer 130 may have an In x Al y Ga 1-xy N composition formula doped with each conductive dopant (where 0 ⁇ x ⁇ 1 and 0 ⁇ y? 1, 0? x + y? 1).
  • the n-type semiconductor layer 110 may be formed of a GaN layer or a GaN / AlGaN layer doped with n-type conductive impurities, for example, Si, Ge, Sn Etc. can be used, Preferably Si is mainly used.
  • the active layer 120 may be formed of one quantum well layer, a double heterostructure, or a multi-quantum well layer composed of an InGaN / GaN layer.
  • the p-type semiconductor layer 130 may be formed of a GaN layer or a GaN / AlGaN layer doped with a p-type conductive impurity, and the p-type conductive impurity doping may include, for example, Mg, Zn, Be, or the like. It is used, Preferably Mg is mainly used.
  • a first transparent oxide electrode layer 141 having a first thickness is formed on the p-type semiconductor layer 130 of the gallium nitride based semiconductor stacked structure by a primary sputtering method.
  • the first transparent oxide electrode layer 141 is formed of ITO, IZO, CIO, ZnO, SnO 2 , ATO, FTO, GZO, IGZO, CdO, In doped-SnO 2 , RuO, Al doped- ZnO, SiO 2 , TiO 2 , MgO any one or a combination of these materials to be formed.
  • the content of SnO 2 is to be formed of an ITO material containing 0.1 to 50wt%.
  • the primary sputtering method may be a DC + RF sputtering method for simultaneously applying DC power and RF power, and preferably, a DC (+) + RF sputtering method for simultaneously applying DC (+) power and RF power.
  • the DC + RF sputtering method in which the first transparent oxide electrode layer 141 in contact with the p-type semiconductor layer 130 simultaneously applies DC power and RF power, preferably DC (+) power and RF power simultaneously.
  • DC power and RF power preferably DC (+) power and RF power simultaneously.
  • a predetermined amount of electrons are directed toward the target layer rather than the p-type semiconductor layer due to the application of the DC (+) power during the DC (+) + RF sputtering process, the electrons are the p Since it does not touch the surface of the type semiconductor layer 130, it is possible to minimize the generation of plasma damage of the p-type semiconductor layer.
  • the transparent oxide electrode layer is formed by a conventional single sputtering method (single DC sputtering method or single RF sputtering method), the plasma is p-type. Since damage to the semiconductor layer may be minimized, the transparent oxide electrode layer including the first transparent oxide electrode layer may make an ohmic contact with the p-type semiconductor layer due to this advantage.
  • the first transparent oxide electrode layer 141 is preferably formed to have a thickness of 10 to 20 nm, because such a thickness can ensure a transparent oxide electrode layer having a specific contact resistance of 1 ⁇ 10 ⁇ 4 Pa ⁇ cm 2 or less.
  • the first transparent oxide electrode layer 141 may be formed by simultaneously performing an electron-beam irradiation process when the DC + RF sputtering is performed.
  • the first transparent oxide electrode layer is formed by simultaneously performing an electron-beam process during the DC + RF sputtering process, the first transparent oxide electrode layer is formed in a crystalline state due to the energy of the electron-beam. It has the advantage that it can be omitted. In addition, there may be a useful advantage in manufacturing other devices when the heat treatment process is removed.
  • a second transparent oxide electrode layer 142 having a second thickness is formed on the first transparent oxide electrode layer 141 by a second sputtering method different from the first sputtering method.
  • the transparent oxide electrode layer 140 having the laminated structure of the first transparent oxide electrode layer 141 and the second transparent oxide electrode layer 142 is completed.
  • the transparent oxide electrode layer formed of a laminated structure of the first transparent oxide electrode layer and the second transparent oxide electrode layer is formed by a lift-off process. That is, in the process of manufacturing the transparent oxide electrode layer 140, a first step of forming a mask exposing the transparent oxide electrode layer forming region on the p-type semiconductor layer may be performed by primary and secondary sputtering methods using the mask. The second transparent oxide electrode layer 141 and the second transparent oxide electrode layer 141 may be formed in a second step, and the third step of lifting off the mask may be performed.
  • the transparent oxide electrode layer 140 is not limited to being formed by the lift-off process, but may be formed by a deposition and etching process.
  • the second transparent oxide electrode layer 142 is formed of a material including the same component as the material of the first transparent oxide electrode layer 141, preferably, ITO, IZO, CIO, ZnO, SnO 2 , ATO , FTO, GZO, IGZO, CdO, In doped-SnO 2 , RuO, Al doped-ZnO, SiO 2 , TiO 2 , MgO, or any combination thereof do. More preferably, the content of SnO 2 to form an ITO material containing 0.1 to 50wt%.
  • the second transparent oxide electrode layer 142 is formed of a material containing the same components as the first transparent oxide electrode layer 141, compared to the case of forming a transparent oxide electrode layer of different materials to form a process The effect is to simplify and shorten the process time.
  • the second transparent oxide electrode layer 142 is formed by a secondary sputtering method.
  • the secondary sputtering method may be an RF sputtering method having a uniform thin film characteristic.
  • the second transparent oxide electrode layer 142 formed by the RF sputtering method may serve as a transparent oxide electrode layer providing high transmittance.
  • the second transparent oxide electrode layer 142 is formed to a thickness of 30 to 55nm.
  • the first transparent oxide electrode layer 141 serves to block electrons that deviate from the plasma potential. Still, it is possible to minimize the damage of the plasma to the p-type semiconductor layer. Due to these advantages, the transparent oxide electrode layer according to the present invention can make ohmic contact with the p-type semiconductor layer.
  • the present invention satisfies the condition of the transparent oxide electrode layer to provide a high transmittance by forming a transparent oxide electrode layer 140 having a laminated structure of the first transparent oxide electrode layer 141 and the second transparent oxide electrode layer 142. You can do it.
  • the first transparent oxide electrode layer 141 and / or the second transparent oxide electrode layer 142 may be formed by simultaneously performing an electron-beam irradiation process during the DC + RF sputtering process and / or during the RF sputtering process. It may be.
  • the first transparent oxide electrode layer and / or the second transparent oxide electrode layer are formed by simultaneously performing an electron-beam process during the DC + RF sputtering process and / or during the RF sputtering process
  • the first transparent oxide electrode layer may be formed by the energy of the electron beam.
  • the transparent oxide electrode layer and / or the second transparent oxide electrode layer are formed in a crystalline state, and thus have an advantage of eliminating a heat treatment process later. In addition, there may be a useful advantage in manufacturing other devices when the heat treatment process is removed.
  • a subsequent heat treatment process 140T is performed to increase the electrical and optical characteristics of the transparent oxide electrode layer 140 formed of a laminated structure of the first transparent oxide electrode layer 141 and the second transparent oxide electrode layer 142. Do this. As such, when the subsequent heat treatment process 140T is performed after the transparent oxide electrode layer is formed, the transparent oxide electrode layer is changed to a perfect crystalline, thereby increasing the electron mobility of the transparent oxide electrode layer, and thus the conductivity and transmittance of the transparent oxide electrode layer. This has the advantage of being improved.
  • the subsequent heat treatment step (140T) is preferably carried out for about 1 minute at a temperature of 100 to 800 °C, preferably 500 to 700 °C in N 2 atmosphere.
  • an etching process is performed on the entire resultant of the subsequent heat treatment process to expose a portion of the n-type semiconductor layer 110, and then, the upper part and the second n-type semiconductor layer 110 are exposed.
  • a mask (not shown) is formed on the transparent oxide electrode layer 142 to expose the n-type electrode and the p-type electrode formation region.
  • an electrode material is deposited on the exposed n-type semiconductor layer 110 and the second transparent oxide electrode layer 142 including the mask by an electron-beam deposition method, and then the mask is lifted off.
  • An n-type electrode 160 and a p-type electrode 150 are formed on the n-type electrode 110 and the second transparent oxide electrode layer 142, respectively.
  • the transparent oxide electrode layer is a RF sputtering method for applying a first transparent oxide electrode layer and RF power formed by a DC (+) + RF sputtering method for simultaneously applying DC (+) power and RF power.
  • the present invention can provide a semiconductor light emitting device including a transparent oxide electrode layer formed of a laminated structure of a first transparent oxide electrode layer and a second transparent oxide electrode layer, whereby a low breakdown voltage and high luminance can be expected as compared with a conventional semiconductor light emitting device. Will be.
  • the present invention also provides a DC + RF sputtering method in which the transparent oxide electrode layer in contact with the p-type nitride semiconductor layer simultaneously applies DC power and RF power, preferably DC (+) + RF simultaneously applying DC (+) power and RF power.
  • Another embodiment of the present invention relates to a thin film deposition apparatus in which a plasma treatment is performed, and a method of manufacturing the same, wherein a probe is provided in a chamber in which a plasma is generated, and a plasma variable in the chamber is measured from a signal input from the probe.
  • a thin film deposition apparatus including a control unit for controlling a power supply for generating a plasma in the chamber in accordance with the measured plasma parameters, so that the plasma parameters in the plasma (e.g., before and after the thin film is deposited by the plasma) Density or number of negative charges) and controlling the power supply to obtain a plasma variable desirable.
  • FIG. 12 is a view showing a thin film deposition apparatus according to the present invention, with reference to FIG. 12 to describe a seventh embodiment of the present invention.
  • the thin film deposition apparatus includes a support portion 510 for supporting a substrate 510a and a target portion 520 for providing a deposition material to the substrate 510a.
  • a chamber 500 having a plasma space 530 to be performed, a probe 540 formed in the plasma space 530 and contacting the plasma, and a DC power and an RF power simultaneously applied to the target portion 520.
  • a power supply 550 including a DC power supply 551 and an RF power supply 552 that is applied to generate plasma in the chamber 100, and is connected to the power supply 550, and the chamber is connected to the probe 540.
  • a control unit 560 for extracting a plasma variable generated in real time and controlling a power supply source according to the extracted plasma variable.
  • the chamber 500 may be manufactured in a cylindrical shape having an internal space, and may further include a power supply source (not shown) for supplying DC power and RF power to the support part 510 on which the substrate 510a is mounted.
  • a power supply source (not shown) for supplying DC power and RF power to the support part 510 on which the substrate 510a is mounted.
  • the substrate 510a may be a semiconductor stacked structure including a p-type nitride semiconductor layer, and the deposition material provided by the target unit 520 may be a transparent oxide electrode material.
  • the probe 540 formed in the plasma space 530 and in contact with the plasma may be formed anywhere in the space where the plasma is generated.
  • the plasma space close to the direction of the support 510 supporting the substrate 510a in the plasma space 530 may be close to the direction of the target 520 providing the deposition material to the substrate 510a. It does not matter where the plasma space is formed.
  • the thin film deposition apparatus in which the probe 540 is formed as in the present invention is a device capable of analyzing characteristics of plasma and ion and electron distribution by measuring each variable in the plasma.
  • the probe 540 may be a plasma
  • the Langmuir probe method can be used.
  • a plasma probe may be extracted by inserting a metal probe into a space where a plasma is generated and measuring a current flowing through the probe by applying a voltage to the probe.
  • the probe need not be limited to the Langmuir probe here, as long as it is an element capable of applying power in the plasma space and thus receiving electrical parameters.
  • the measurement principle of extracting the plasma variable by inserting a plasma probe in the chamber to vary the external DC power supply is measured by changing the voltage from the negative potential to the positive potential.
  • the electron current and the ion current become saturated according to a certain voltage change, and at this time, the density of ions using the ion current, the density of the electrons using the electron current, the electron temperature and the plasma potential can be calculated.
  • the present invention is to install a probe 540 to measure the plasma parameters in the plasma in real time in the thin film deposition apparatus using the DC power and RF power at the same time it is possible to measure and control the plasma parameters in the plasma generation in real time .
  • the power supply source 550 is a power supply unit for supplying power to the target unit 520 of the chamber, and supplies the DC power and the RF power according to the plasma parameters extracted from the control unit 560 to supply plasma into the chamber 100.
  • the DC power may be DC power having positive polarity (+).
  • the power supply 550 may further include a power controller 553 and a matching controller 554 for adjusting the DC power and the RF power.
  • the power adjusting unit 553 and the matching adjusting unit 554 receive a signal controlled according to the plasma variable from the control unit, and the DC power of the DC power supply unit 551 and the RF power supply unit 552 based on the received signal. Adjust the RF power.
  • the controller 560 controls the power supply 550 to obtain a desirable plasma variable by measuring the plasma parameter range in the plasma in real time before and during the thin film deposition by the plasma deposition apparatus.
  • 560 is connected to the power supply 550, the plasma measuring unit 161 and the plasma measuring unit 161 to measure the plasma variable in real time from the signal input from the probe 540 to Therefore, the power supply controller 562 controls the power supply source 550.
  • the plasma measuring unit 561 may be any one of a self-bias voltage, an RF peak-to-peak voltage, a plasma potential, and a negative carrier flux.
  • the plasma variable is measured in real time, and the power source controller 562 controls the power source according to the measured plasma variable.
  • the negative charge flux may be understood as being the density or number of negative charges (eg, electrons).
  • the self-bias voltage which is a plasma variable
  • the self-bias voltage is 0V (more preferably, 50V) or more, or an RF peak-to-peak voltage is 200V. (More preferably 100 V) or less, plasma potential of 50 V (more preferably 100 V) or greater, or negative charge flux (Negative carrier flux) of 10 5 / cm 2 or less, and measuring the power source control unit ( In 562, the DC power and the RF power of the power supply 550 are adjusted to satisfy the plasma variable having the above range.
  • the plasma parameters of the plasma space within the above range
  • the chamber 500 includes a support part 510 for supporting a substrate 510a and a target part 520 for providing a deposition material to the substrate, wherein the substrate includes a p-type nitride semiconductor layer. It may be a structure, the deposition material provided by the target portion may be a transparent oxide electrode material.
  • the probe 540 may be formed anywhere in the space where the plasma is generated. For example, the position where the plasma space is close to the direction of the support for supporting the substrate or the plasma space near the target for providing the deposition material to the substrate may be formed.
  • the plasma may be generated by simultaneously applying DC power and RF power from the power supply 550 including the DC power supply 551 and the RF power supply 552, and do not cause damage by the plasma while sufficiently generating the plasma.
  • DC power and RF power can be applied.
  • the RF power contributes to the deposition and electrical properties of the overall transparent oxide electrode material with stable deposition characteristics
  • the DC power adjusts the plasma variables in the plasma space to control the negative charge density or number of transparent oxide electrode layers and p-type nitride. Contributes to ohmic contact characteristics between semiconductor layers. That is, the power of the RF power supply unit is mainly used in the application of the RF power and the DC power, and the power of the DC power supply unit is auxiliaryly applied to control the negative charge density or number.
  • the power supply 150 may include a power controller 153 and a matching controller 154 for adjusting DC power and RF power.
  • the reference plasma variable may be any one of a self-bias voltage, an RF peak-to-peak voltage, a plasma potential, and a negative carrier flux. It can be understood that the negative charge flux is the density or number of negative charges (eg, electrons).
  • the reference plasma variable has a self-bias voltage of 0 V (preferably 50 V) or more, or an RF peak-to-peak voltage of 200 V or less (preferably 100 V), or
  • the plasma potential is set to 50 V (preferably 100 V) or higher, or the negative carrier flux is 10 5 / cm 2 or less.
  • control unit 560 connected to the power supply 550 measures the plasma variable generated when the plasma is generated from the signal input from the probe 540, and compares the measured plasma variable with the reference plasma variable. Do it.
  • the controller 560 controls the power supply source to measure plasma variables in a plasma in real time to obtain desirable plasma parameters.
  • the controller 560 measures a plasma variable in real time from a signal input from the probe.
  • a power supply control unit 562 controlling the power supply source according to the plasma variable measured by the plasma measuring unit.
  • the controller In the power supply unit control unit 562 of the control unit so that the difference between the measured plasma variable and the reference plasma variable is within an acceptable range, or the measured plasma variable and the reference plasma variable coincide with each other. And adjust RF power accordingly.
  • the DC power and RF power of the power supply may be increased to fit the reference plasma variable, and the measured plasma variable may be If it decreases than the reference plasma variable, the DC power and the RF power are reduced to be programmed to match the reference plasma variable.
  • DC power is mainly controlled, and RF power is controlled accordingly.
  • RF power is controlled accordingly.
  • the control of the matching condition by the matching control unit is required for overall plasma stability.
  • the plasma parameter is measured in real time during the plasma generation through a probe installed to measure the plasma parameter in real time in the chamber, and the DC With the advantage of controlling power and RF power, it has the advantage of producing high quality thin films.
  • the thin film deposition method using the thin film deposition apparatus according to the seventh embodiment of the present invention may be used in a deposition method such as sputtering, and in the ninth embodiment of the present invention, a method of manufacturing a semiconductor light emitting device using the sputter deposition method. To explain.
  • a gallium nitride system comprising a stack of an n-type nitride semiconductor layer 110, an active layer 120, and a p-type nitride semiconductor layer 130 on a substrate 100 formed of any one of sapphire, silicon, and PET.
  • a substrate 100 formed of any one of sapphire, silicon, and PET.
  • the n-type semiconductor layer 110, the active layer 120, and the p-type semiconductor layer 130 may have an In x Al y Ga 1-xy N composition formula doped with each conductive dopant (where 0 ⁇ x ⁇ 1, It can be formed from a semiconductor material having 0 ⁇ y ⁇ 1 and 0 ⁇ x + y ⁇ 1).
  • the n-type semiconductor layer 110 may be formed of a GaN layer or a GaN / AlGaN layer doped with n-type conductive impurities, for example, Si, Ge, Sn Etc. can be used, Preferably Si is mainly used.
  • the active layer 120 may be formed of one quantum well layer, a double heterostructure, or a multi-quantum well layer composed of an InGaN / GaN layer.
  • the p-type nitride semiconductor layer 130 may be formed of a GaN layer or a GaN / AlGaN layer doped with a p-type conductive impurity, and the p-type conductive impurity doping may include, for example, Mg, Zn, Be, or the like. Is used, and preferably Mg is mainly used.
  • a transparent oxide electrode layer 141 is formed on the p-type nitride semiconductor layer 130 of the gallium nitride based semiconductor stacked structure.
  • the transparent oxide electrode layer 141 is formed by a DC + RF sputtering method for simultaneously applying DC power and RF power.
  • the semiconductor laminate structure is inserted into a chamber including a support part and a target part to stack the semiconductor. Allow the structure to rest on top of the support of the chamber.
  • a probe is formed in the chamber to measure plasma parameters generated during the DC + RF sputtering process.
  • the reference plasma variable in the chamber is set.
  • the reference plasma variable may be any one of a self-bias voltage, an RF peak voltage, a plasma potential, and a negative charge flux
  • the negative charge flux may be understood as being the density or number of negative charges (eg, electrons).
  • the reference plasma variable has a self-bias voltage of at least 0 V (preferably 50 V), an RF peak voltage of at least 200 V (preferably 100 V), a plasma potential of at least 50 V (preferably 100 V), or a negative charge flux. It is set to 10 5 / cm 2s or less.
  • the chamber is formed by simultaneously applying DC power and RF power from a power supply including a DC power supply and an RF power supply to the target portion such that a thin film of the transparent oxide electrode layer 141 is formed on the p-type nitride semiconductor layer 130.
  • the plasma is generated within the plasma generator, and the control unit connected to the power supply source generates the plasma variable in real time from the signal input from the probe.
  • the measured plasma variable is compared with the reference plasma variable, and if the difference between the measured plasma variable and the reference plasma variable does not fall within an allowable range, or the measured plasma variable and the reference plasma variable coincide. If not, the control unit adjusts the DC power and the RF power of the power supply so that the difference between the measured plasma variable and the reference plasma variable is within an acceptable range, or the measured plasma variable and the reference plasma variable coincide. Do it.
  • the pre-sputtering process is further performed to measure the plasma parameters and control the power supply accordingly.
  • a reference plasma parameter is set while further performing a pre-sputtering process, the plasma for the pre-sputtering is generated, and then the plasma for the pre-sputtering is performed.
  • the control unit may control the power supply source so that the difference between the measured plasma variable and the reference plasma variable is within an acceptable range.
  • 13A to 13C are flowcharts illustrating a DC + RF sputtering method for performing the pre-sputtering.
  • deposition may be performed after sample loading while setting plasma variables (eg, density or number of electrons) in the plasma through pre-sputtering. That is, after forming the plasma for the pre-sputtering after setting the reference plasma parameter for pre-sputtering before forming the transparent oxide electrode layer by the sputtering method of applying the DC power and RF power at the same time, the pre-sputtering Sputtering method for measuring the plasma parameters of the plasma for, and comparing the measured plasma and the variable and the reference plasma variable, and then loading the sample while the plasma variable is adjusted, and simultaneously applying DC power and RF power for thin film deposition Can be performed.
  • plasma variables eg, density or number of electrons
  • a sputtering method of simultaneously applying DC power and RF power for thin film deposition after adjusting the density or number of electrons in the plasma through pre-sputtering may be performed.
  • the sample is loaded when the number of electrons in the plasma is set through the first pre-sputtering before the sample loading in the same manner as in the above two methods, and then the electrons set during the deposition through the second pre-sputtering.
  • a sputtering method for simultaneously applying DC power and RF power for thin film deposition may be performed.
  • the present invention provides a deposition method for forming a transparent oxide electrode layer by a sputtering method for simultaneously applying DC power and RF power, and before the thin film is mounted by mounting a probe in a chamber for performing sputtering.
  • the deposition method for real-time measurement of plasma parameters such as density or number of negative charges in the plasma in the middle of the mounting, and real-time control of DC power and RF power applied to the target unit during sputtering according to the measured plasma parameters. to provide.
  • the desired plasma parameters can be obtained by controlling DC power and RF power applied during sputtering in real time, plasma damage is formed on the p-type nitride semiconductor layer generated during the process of forming the transparent oxide electrode layer by DC + RF sputtering. It is possible to form a transparent oxide electrode layer without addition.
  • the transparent oxide electrode layer is formed on the p-type nitride semiconductor layer by using a single RF sputtering method or a single DC sputtering method
  • electrons deviating from the plasma potential in the plasma during sputtering proceed to the p-type nitride semiconductor layer. It touches the surface of and acts as a trap at the surface.
  • This phenomenon of causing plasma damage to the p-type semiconductor layer prevents ohmic contact formation between the transparent oxide electrode layer and the p-type nitride semiconductor layer, which leads to a problem of a breakdown voltage of the device.
  • the p-type nitride semiconductor layer forms an ohmic contact with the transparent oxide electrode layer due to a defect due to impurity doping. Since the defect state of the p-type nitride semiconductor layer is unstable during the sputtering, the ohmic contact with the transparent oxide electrode layer is prevented. It becomes difficult.
  • the present invention provides a DC + RF sputtering method in which the transparent oxide electrode layer in contact with the p-type nitride semiconductor layer simultaneously applies DC power and RF power, preferably DC (+) + RF simultaneously applying DC (+) power and RF power.
  • ion bombardment caused by plasma on the surface of the p-type semiconductor layer Defects due to doping of the p-type nitride semiconductor layer by supplying electrons to the p-type nitride semiconductor layer, which minimizes the formation of surface traps and electrons with little ions or masses in the plasma may be generated by surface collisions. Is unstable, so that the transparent oxide electrode layer is in ohmic contact with the p-type nitride semiconductor layer. Can be achieved.

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Abstract

본 발명은 DC 파워(DC(＋) 파워)와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC(＋)＋RF 스퍼터링 방법으로 형성된 제1투명산화물 전극층 및 RF 파워를 인가하는 RF 스퍼터링으로 형성된 제2투명산화물 전극층의 적층 구조인 투명산화물 전극층을 제공함으로써 p형 반도체층과 오믹 컨택이 가능한 투명산화물 전극층을 확보하게 되어 소자의 전기적 특성 및 광학적 특성을 높일 수 있으며, 더불어 스퍼터링을 수행하는 챔버 내에 탐침이 장착되어 박막이 장착되기 전과 박막이 장착되는 중간에 플라즈마 내 음전하의 밀도 또는 개수와 같은 플라즈마 변수를 실시간 측정하도록 함으로써, 또한 소자의 전기적 특성이 향상되는 효과를 얻을 수있는 박막 증착 장치 및 이를 이용한 박막 증착 방법을 제공하는 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

Description

반도체 발광소자, 이를 위한 제조 방법, 박막 증착 장치 및 박막 증착 방법
본 발명은 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 반도체 발광 소자의 전기적 특성 및 광학적 특성을 향상시킬 수 있는 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 박막 증착 장치 및 이를 이용한 박막 증착 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, DC 파워와 RF 파워를 동시에 사용하는 박막 증착 장치에서 탐침을 이용하여 플라즈마 변수를 측정하는 박막 증착 장치 및 이를 이용한 박막 증착 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)는 발광 소자로 불려지며, 전기를 통해 주면 전자가 에너지 레벨이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하며 특정한 파장의 빛을 내는 반도체 소자를 말한다. 이와 같은 LED는 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화된 것을 시작으로 GaP-N 계열의 녹색 LED와 함께 지금까지 정보통신기기를 비롯한 전자장치의 표시용 광으로 이용되어 왔으며, 1990년대 중반 이후 GaN 청색 LED가 개발되면서 총 천연색 디스플레이가 가능하게 되었다.
한편, 고효율의 질화갈륨(GaN)계 발광 다이오드를 개발하는 데, p형 GaN의 오믹 컨택(ohmic contact)을 위한 전극인 투명산화층 전극은 매우 중요하다. 우수한 투명산화층 전극에 있어서 낮은 비저항(contact resistivity), 높은 투과율, p-GaN 과의 ohmic contact 형성은 필수조건이다. GaN계 발광다이오드에서는 대부분 ITO 박막을 투명산화층 전극으로 이용하고 있는데, 대부분 이러한 ITO 박막은 RF 마그네트론(RF magnetron) 또는 DC 마그네트론(magnetron)을 이용하는 스퍼터링 혹은 전자-빔 증착(e-beam evaporator)을 이용하여 p-GaN 위에 증착하게 된다.
스퍼터링 장치에서는 소스 타겟에 충돌하는 이온 입자는 챔버 내의 플라즈마 여기에 의해 만들어지는데, 그 과정을 살펴보면 다음과 같다. 먼저, 챔버를 고진공으로 만든 다음, 낮은 압력의 스퍼터링 기체, 보통 아르곤(Ar) 또는 기타 반응성 가스를 챔버 내부로 흘려준다. 그리고 소스 타겟과 기판에 연결된 두 전극 사이에 직류(Direct Current: DC) 또는 고주파(Radio Frequency; RF) 전원을 인가하여 음극에서 방출되어 가속된 자유전자가 아르콘 원자와 충돌하여 아르곤 원자를 이온화시킨다. 아르곤 이온이 만들어지며 방출되는 전자와 전극에서 공급되는 전자가 계속적으로 가속 충돌하여 더욱 많은 이온을 만들어 내게 되며, 한편으로는 전자-이온의 재결합, 전극 및 챔버 내부 벽과의 충돌 등으로 인해 전자가 소멸 되기도 한다. 이렇게 자유 전자의 생성 및 소멸 비율이 같을 때 안정된 평형 상태의 플라즈마가 형성된다. 타겟 물질로 덮여있는 음극판(cathod plate)은 기판에 비해 (-)전위로 유지되므로 양전하인 아르곤 이온은 소스 타겟 쪽으로 가속되어 소스 타겟과 충돌한다. 이때 hv 만큼의 에너지를 가지는 각 아르곤 이온은 충돌 시 에너지가 타겟 쪽으로 전이되고, 타겟을 구성하는 원소의 결합력과 전자의 일함수를 극복할 수 있을 때 타겟 물질이 증기의 형태로 방출되어 기판 상에 증착하게 된다.
한편, 고효율의 질화갈륨(GaN)계 발광 다이오드를 개발하는 데, p형 질화물 반도체층과의 오믹 컨택(ohmic contact)을 위한 전극인 투명산화층 전극층 또한 대부분 상기와 같은 DC 또는 RF 스퍼터링 증착 방법을 사용하고 있다.
상기와 같은 DC 또는 RF 스퍼터링 방법으로 ITO 박막을 형성하는 기술은 한국공개특허 제10-2012-0017318호, 한국공개특허 제10-2011-0082320호 및 한국공개특허 제10-2010-0038520호 등과 같은 여러 특허에 이미 공지되어 있으며, 이러한 스퍼터링 방법으로 ITO 박막을 증착하는 경우, 그 중 상기 RF 스퍼터링 방법으로 증착하는 경우에는 다양한 물질에 적용이 가능하고, 균일한 박막 특성을 제공하는 장점을 가지고 되고, 반면, 상기 DC 스퍼터링 방법으로 증착하는 경우 증착 속도가 빠른 장점을 가지게 된다.
그런데 이러한 종래 방식의 단일 RF 스퍼터링 또는 단일 DC 스퍼터링 방법을 사용하여 p형 질화물 반도체층 상에 ITO 박막을 형성시킬 경우에는 특히, RF 스퍼터링 진행시에 발생하는 플라즈마 내에서 플라즈마 포텐셜(plasma potential)을 벗어나는 전자들이 상기 p형 반도체층의 표면에 닿아 표면에서 트랩(trap)으로 작용하게 된다. 이러한 상기 p형 반도체층에 플라즈마 데미지를 발생시키는 현상은 상기 투명산화물 전극층과 p형 질화물 반도체층 간의 오믹 컨택 형성을 방해하고, 이는 소자의 항복 전압이 상승하는 문제로 이어지게 된다.
또한, 상기 DC 스퍼터링 증착 방법은 증착율이 높아 생산성에는 유리한 면도 있으나, ITO 결정구조가 다 결정질인 도메인구조를 형성하게 되어 표면 거칠기가 좋지 않아서 ITO 증착 후 별도의 연마공정을 실시하여 표면거칠기 상태를 개선해야 하는 등의 문제점이 있고, RF 스퍼터링 증착 방식에 의해 증착된 박막에 비해 상대적으로 높은 비저항을 갖는 문제점이 있다.
본 발명은 제1투명산화물 전극층과 제2투명산화물 전극층의 적층 구조로 형성된 투명산화물 전극층을 포함하는 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 DC+RF 스퍼터링 방법으로 형성된 제1투명산화물 전극층 및 RF 스퍼터링 방법으로 형성된 제2투명산화물 전극층을 포함하는 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 다른 목적이 있다.
게다가, 본 발명은 하지층과의 오믹 컨택을 이루는 투명산화물 전극층 및 높은 투과율 특성을 제공하는 투명산화물 전극층의 적층 구조로 형성된 투명산화물 전극층을 포함하는 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 또 다른 목적이 있다.
그리고, 본 발명은 DC 파워와 RF 파워를 동시에 사용하는 박막 증착 장치에서 탐침을 이용하여 플라즈마 변수를 측정하고, DC 파워와 RF 파워를 제어하는 박막 증착 장치 및 이를 이용한 박막 증착 방법을 제공하는데 그 다른 목적이 있다.
한편, 본 발명은 DC 파워와 RF 파워를 실시간 조절하여 p형 질화물 반도체층 상부에 플라즈마 데미지를 가하지 않고 균일한 스퍼터 증착을 이룰 수 있는 박막 증착 장치 및 이를 이용한 박막 증착 방법을 제공하는데 그 다른 목적이 있다.
본 발명은 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층이 적층된 질화갈륨계 반도체 적층 구조; 및 스퍼터링 방법으로 상기 질화갈륨계 반도체 적층 구조의 p형 반도체층 상부에 형성되고, 제1두께를 갖는 제1투명산화물 전극층 및 제2두께를 갖는 제2투명산화물 전극층의 적층 구조로 구성된 투명산화물 전극층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 투명산화물 전극층은 1×10-4Ω·㎠ 이하의 비접촉 저항을 가지고, 상기 제1투명산화물 전극층은 상기 p형 반도체층과 오믹 컨택을 형성하고,
상기 제1투명산화물 전극층은 10㎚ 내지 20㎚ 두께로 형성되고,
상기 제1투명산화물 전극층은 DC 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC＋RF 스퍼터링 방법으로 형성되고,
동시에 인가되는 상기 DC 파워는 정극성(＋)이고,
상기 제2투명산화물 전극층은 RF 스퍼터링 방법으로 형성되고,
상기 제1투명산화물 전극층 및 제2투명산화물 전극층 중 적어도 어느 하나에 대해서 전자-빔 조사가 이루어지고,
상기 제1투명산화물 전극층과 제2투명산화물 전극층은 동일한 성분을 포함하는 물질로 형성되고,
상기 제1투명산화물 전극층 및 제2투명산화물 전극층은 SnO2의 함량이 0.1 내지 50wt％가 포함된 ITO 물질로 이루어지고,
상기 제1투명산화물 전극층 및 제2투명산화물 전극층은 ITO, IZO, CIO, ZnO, SnO2, ATO, FTO, GZO, IGZO, CdO, 인 도핑(In doped)-SnO2, RuO, 알루미늄 도핑(Al doped)-ZnO, SiO2, TiO2, MgO중 어느 하나이거나 이들의 조합으로 이루어진 물질로 형성되고,
상기 제1투명산화물 전극층 및 제2투명산화물 전극층으로 구성된 투명산화물 전극층은 후속 열처리 공정이 진행되고,
상기 후속 열처리 공정은 N2 분위기에서 100 내지 800℃ 온도로 진행된다.
또한, 본 발명은, 기판 상에 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층이 적층으로 이루어진 질화갈륨계 반도체 적층 구조를 형성하는 단계; 1차 스퍼터링 방법으로 상기 질화갈륨계 반도체 적층 구조의 p형 반도체층 상부에 제1두께를 갖는 제1투명산화물 전극층을 형성하는 단계; 및 상기 1차 스퍼터링 방법과 상이한 2차 스퍼터링 방법으로 상기 제1투명산화물 전극 상부에 제2두께를 갖는 제2투명산화물 전극층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 투명산화물 전극층은 1×10-4Ω·㎠ 이하의 비접촉 저항을 가지고, 상기 제1투명산화물 전극층은 상기 p형 반도체층과 오믹 컨택을 형성하고,
상기 제1투명산화물 전극층은 10㎚ 내지 20㎚ 두께로 형성하고,
상기 1차 스퍼터링 방법으로 제1투명산화물 전극층을 형성하는 단계는, DC 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC＋RF 스퍼터링 방법을 수행하여 상기 제1투명산화물 전극층을 형성하고,
동시에 인가되는 DC 파워는 정극성(＋)이고,
상기 2차 스퍼터링 방법으로 제2투명산화물 전극층을 형성하는 단계는, RF 스퍼터링 방법을 수행하여 상기 제2투명산화물 전극층을 형성하고,
상기 1차 스퍼터링 방법으로 제1투명산화물 전극층을 형성하는 단계 및 상기 2차 스퍼터링 방법으로 제2투명산화물 전극층을 형성하는 단계 중 적어도 어느 하나의 단계에서는 전자-빔 조사가 동시에 이루어지고,
상기 제2투명산화물 전극층을 형성하는 단계 후, 상기 제1투명산화물 전극층 및 제2투명산화물 전극층에 대해 후속 열처리 공정을 수행하는 단계를 더 포함하고,
상기 열처리 공정은 N2 분위기에서 100 내지 800℃ 온도로 진행하고,
상기 제1투명산화물 전극층과 제2투명산화물 전극층은 동일한 성분을 포함하는 재료로 형성하고,
상기 제1투명산화물 전극층 및 제2투명산화물 전극층은 SnO2의 함량이 0.1 내지 50wt％가 포함된 ITO 물질로 형성하고,
상기 제1투명산화물 전극층 및 제2투명산화물 전극층은 ITO, IZO, CIO, ZnO, SnO2, ATO, FTO, GZO, IGZO, CdO, 인 도핑(In doped)-SnO2, RuO, 알루미늄 도핑(Al doped)-ZnO, SiO2, TiO2, MgO 중 어느 하나이거나 이들의 조합으로 이루어진 물질로 형성한다.
한편, 본 발명은 기판을 지지하는 지지부 및 상기 기판에 증착 물질을 제공하는 타겟부를 포함하고, 플라즈마 공간을 가지는 챔버; 상기 플라즈마 공간 내에 위치하여 플라즈마와 접촉하는 탐침(probe); 상기 타켓부에 DC 파워와 RF 파워를 동시에 인가하여 상기 챔버 내에 플라즈마를 발생시키는 DC 전원부와 RF 전원부를 포함하는 전원 공급원; 및 상기 전원 공급원과 연결되며, 상기 탐침으로 상기 챔버 내에 발생하는 플라즈마 변수를 실시간으로 추출하고, 추출된 플라즈마 변수에 따라서 전원 공급원을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 동시에 인가되는 DC 파워는 정극성(＋)이고,
상기 DC 파워 및 RF 파워를 조절하는 파워 조절부 및 매칭 조절부를 더 포함하고,
상기 제어부는, 상기 탐침으로부터 입력되는 신호로부터 플라즈마 변수를 실시간으로 측정하는 플라즈마 측정부와 상기 플라즈마 측정부에서 측정된 플라즈마 변수에 따라서 상기 전원 공급원을 제어하는 전원 공급원 제어부를 포함하고,
상기 제어부는, 음전하의 밀도 또는 개수를 측정하고,
상기 제어부는, 셀프-바이어스 전압(Self-bias Voltage), RF 최고 전압(RF peak-to-peak Voltage), 플라즈마 포텐셜(Plasma potential) 및 음전하 플럭스(Negative carrier flux) 중 어느 하나의 플라즈마 변수를 측정하고,
상기 제어부는, 상기 셀프-바이어스 전압(Self-bias Voltage)이 0Ⅴ 이상이거나, RF 최고 전압(RF peak-to-peak Voltage)이 200Ⅴ 이하이거나, 플라즈마 포텐셜(Plasma potential)이 50Ⅴ 이상이거나, 음전하 플럭스(Negative carrier flux)가 가 105／㎠s 이하가 되도록 상기 전원 공급원을 제어하고,
상기 기판은 p형 질화물 반도체층을 포함하는 반도체 적층 구조물이고, 상기 증착 물질은 투명산화물 전극 물질이고,
상기 지지부에 DC 파워 또는 RF 파워를 제공하는 전원 공급원 더 포함한다.
또한, 본 발명은 기판을 지지하는 지지부 및 상기 기판에 증착 물질을 제공하는 타겟부를 포함하고, 플라즈마 처리가 행해지는 플라즈마 공간을 가지는 챔버 내에 플라즈마와 접촉하는 탐침을 위치시키는 단계; 기준 플라즈마 변수를 설정하는 단계; 상기 타켓부에 DC 전원부와 RF 전원부를 포함하는 전원 공급원으로부터 DC 파워와 RF 파워를 동시에 인가하여 상기 챔버 내에 플라즈마를 생성시키는 단계; 상기 플라즈마 생성시 상기 전원 공급원과 연결되는 제어부에서 상기 탐침으로부터 입력되는 신호로부터 플라즈마 변수를 실시간으로 측정하는 단계; 상기 측정된 플라즈마 변수와 상기 기준 플라즈마 변수를 비교하는 단계; 및 상기 측정된 플라즈마 변수와 상기 기준 플라즈마 변수의 차이가 허용 범위 내로 들어오도록 상기 제어부에서 상기 전원 공급원을 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전원 공급원은, 상기 DC 파워 및 RF 파워를 조절하는 파워 조절부 및 매칭 조절부를 더 포함하고,
상기 제어부는, 상기 탐침으로부터 입력되는 신호로부터 플라즈마 변수를 실시간으로 측정하는 플라즈마 측정부와 상기 플라즈마 측정부에서 측정된 플라즈마 변수와 상기 기준 플라즈마 변수를 비교하여 상기 측정된 플라즈마 변수와 상기 기준 플라즈마 변수의 차이가 허용 범위 내에 들어오도록 상기 전원 공급원을 제어하는 전원 공급원 제어부를 포함하고,
상기 기판은 p형 질화물 반도체층을 포함하는 반도체 적층 구조물이고, 상기 증착 물질은 투명산화물 전극 물질이고,
상기 지지부에 DC 파워 또는 RF 파워를 제공하는 전원 공급원을 더 포함한다.
게다가, 본 발명은 n형 질화물 반도체층, 활성층 및 p형 질화물 반도체층이 적층으로 이루어진 LED용 질화갈륨계 반도체 적층 구조물을 형성하는 단계; 및 상기 질화갈륨계 반도체 적층 구조물의 p형 질화물 반도체층 상부에 DC 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC＋RF 스퍼터링 방법으로 투명산화물 전극층을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 DC 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC＋RF 스퍼터링 방법은, 상기 반도체 적층 구조물을 지지하는 지지부 및 상기 p형 질화물 반도체층 상부에 형성되는 투명산화물 전극층용 증착 물질을 제공하는 타겟부를 포함하는 챔버 내에 탐침을 위치시키는 단계; 기준 플라즈마 변수를 설정하는 단계; 상기 타켓부에 DC 전원부와 RF 전원부를 포함하는 전원 공급원으로부터 DC 파워와 RF 파워를 동시에 인가하여 상기 챔버 내에 플라즈마를 생성시키는 단계; 상기 플라즈마 생성시 상기 전원 공급원과 연결되는 제어부에서 상기 탐침으로부터 입력된 신호로부터 플라즈마 변수를 실시간으로 측정하는 단계; 상기 측정된 플라즈마 변수와 상기 기준 플라즈마 변수를 비교하는 단계; 및 상기 측정된 플라즈마 변수와 상기 기준 플라즈마 변수의 차이가 허용 범위 내에 들어오지 않는 경우 상기 측정된 플라즈마 변수와 상기 기준 플라즈마 변수의 차이가 허용 범위 내에 들어오도록 상기 제어부에서 상기 전원 공급원을 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 플라즈마 변수는, 음전하의 밀도 또는 개수이고,
상기 플라즈마 변수는, 셀프-바이어스 전압(Self-bias Voltage), RF 최고 전압(RF peak-to-peak Voltage), 플라즈마 포텐셜(Plasma potential) 및 음전하 플럭스(Negative carrier flux) 중 어느 하나이고,
상기 플라즈마 변수는, 상기 셀프-바이어스 전압(Self-bias Voltage)이 0Ⅴ 이상이거나, RF 최고 전압(RF peak-to-peak Voltage)이 200Ⅴ 이하이거나, 플라즈마 포텐셜(Plasma potential)이 50Ⅴ 이상이거나, 음전하 플럭스(Negative carrier flux)가 105／㎠s 이하인 범위 내에서 선택되고,
상기 동시에 인가되는 DC 파워는 정극성(＋)이고,
상기 DC 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC＋RF 스퍼터링 방법으로 투명산화물 전극층을 형성하는 단계 전에 프리-스퍼터링(pre-sputtering) 공정을 더 수행하면서 기준 플라즈마 변수를 설정하는 단계, 상기 프리-스퍼터링을 위한 플라즈마를 생성시키는 단계, 상기 프리-스퍼터링을 위한 플라즈마의 플라즈마 변수를 측정하는 단계, 상기 측정된 플라즈마와 변수와 상기 기준 플라즈마 변수를 비교하는 단계, 상기 측정된 플라즈마 변수와 상기 기준 플라즈마 변수가 차이가 허용 범위 내에 들어오도록 상기 제어부에서 상기 전원 공급원을 제어하는 단계를 수행한다.
본 발명은 정극성인 DC 파워(DC(＋) 파워)와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC(＋)＋RF 스퍼터링 방법으로 형성된 제1투명산화물 전극층을 제공함으로써, 상기 제1투명산화물 전극층으로 인하여 투명산화물 전극층을 형성하기 위한 스퍼터링 공정시 p형 반도체층의 플라즈마 영향을 최소화할 수 있게 되어 상기 p형 반도체층과 투명산화물 전극층 간의 오믹 컨택을 가능케 할 수 있어, 이로 인해 소자의 전기적 특성이 향상되는 효과를 기대할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 상기 제1투명산화물 전극층 상부에 RF 파워를 인가하는 RF 스퍼터링 방법으로 상기 제2투명산화물 전극층을 형성함으로써, 높은 투과율 특성을 갖는 투명산화물 전극층을 얻을 수 있어, 이로 인해, 소자의 광학적 특성이 향상되는 효과를 기대할 수 있게 된다.
게다가, 본 발명은 전자-빔 조사 공정이 수행된 제1투명산화물 전극층 및 제2투명산화물 전극층의 적층 구조로 이루어진 투명산화물 전극층을 제공함으로써, 투명산화물 전극층의 전도성 및 투과율이 향상되는 효과를 기대할 수 있게 된다.
아울러, 본 발명은 DC 파워 및 RF 파워를 동시에 인가하는 스퍼터링 방법으로 투명산화물 전극층을 형성하는 증착 방법을 제공하되, 스퍼터링을 수행하는 챔버 내에 탐침이 장착되어 박막이 장착되기 전과 박막이 장착되는 중간에 플라즈마 내 음전하의 밀도 또는 개수와 같은 플라즈마 변수를 실시간 측정하도록 하고, 상기 측정된 플라즈마 변수에 따라서 스퍼터링시 타겟부에 인가하는 DC 파워 및 RF 파워를 실시간 제어할 수 있는 증착 방법을 제공하는 것으로, 스퍼터링 공정시 p형 반도체층의 플라즈마 영향을 최소화할 수 있게 되어 상기 p형 반도체층과 투명산화물 전극층 간의 오믹 컨택을 가능케 할 수 있어, 이로 인해 소자의 전기적 특성이 향상되는 효과를 기대할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 투명산화물 전극층을 나타낸 도면.
도 2 및 도 3은 표 1의 조건에 따라 제조된 투명산화물 전극층의 전기적 특성(I-V, ρ, Rs)을 도시한 그래프.
도 4는 표 1의 조건에 따라 제조된 투명산화물 전극층에 대해 후속 열처리 공정을 진행한 후의 전기적 특성(ρ, Rs)을 도시한 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 제1투명산화물 전극층 및 제2투명산화물 전극층의 적층 구조로 구성된 투명산화물 전극층을 포함하는 반도체 발광 소자를 나타낸 도면.
도 6은 표 1의 조건에 따라 제조된 투명산화물 전극층이 형성된 반도체 발광 소자의 구동 전압 특성을 도시한 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 투명산화물 전극층이 형성된 반도체 발광 소자의 구동 전압 특성을 도시한 그래프.
도 8은 본 발명에 따른 투명산화물 전극층이 형성된 반도체 발광 소자의 발광 세기를 도시한 그래프.
도 9 및 도 10는 본 발명에 따른 스프터링에서 플라즈마 변수의 범위를 도시한 그래프.
도 11a 내지 11e는 본 발명에 따른 제1투명산화물 전극층 및 제2투명산화물 전극층의 적층 구조로 구성된 투명산화물 전극층을 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면.
도 12는 본 발명에 따른 박막 증착 장치를 도시한 도면.
도 13a 내지 도 13c는 본 발명에 따른 프리-스퍼터링을 수행하는 DC＋RF 스퍼터링 방법을 나타낸 순서도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.
본 발명은 투명산화물 전극층(Transparent conductive oxide, TCO)을 포함하는 반도체 발광 소자에 관한 것으로, 스퍼터링 방법을 이용해 p-GaN층과 오믹 컨택을 이루기 위한 제1투명산화물 전극층 및 높을 투과율 특성을 가지는 제2투명산화물 전극층의 적층 구조인 투명산화물 전극층을 형성하여 하지층과 투명산화물 전극층의 오믹 컨택을 형성하였다.
도 1은 본 발명에 따른 투명산화물 전극층을 나타낸 도면이다.
도 1에서와 같이, 본 발명에 따른 상기 투명산화물 전극층(140)은 스퍼터링 방법으로 형성되며, 제1두께를 가지는 제1투명산화물 전극층(141) 및 제2두께를 가지는 제2투명산화물 전극층(142)의 적층 구조로 형성된다.
상기 제1투명산화물 전극층(141)은 하지층인 p-GaN층(130)과 오믹 컨택을 형성하는 투명산화물 전극층으로서, DC 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC＋RF 스퍼터링 방법, 바람직하게, 정극성인 DC 파워(DC(＋) 파워)와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC(＋)＋RF 스퍼터링 방법로 형성된다.
이처럼, 상기 제1투명산화물 전극층(141)은 DC(＋) 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC(＋)＋RF 스퍼터링 방법으로 형성됨에 따라 하지층인 p-GaN층 상부에 향하게 되는 전자의 수가 줄어들게 되어 상기 p-GaN층 표면이 비교적 플라즈마에 의한 데미지를 덜 받게 되면서 상기 제1투명산화물 전극층(141)을 포함하는 투명산화물 전극층은 상기 p-GaN층과 오믹 컨택을 형성하게 되고, 이로 인해 종래 대비 낮은 항복전압을 얻을 수 있게 된다. 또한, 상기 제1투명산화물 전극층(141)은 플라즈마 포텐셜을 벗어나는 전자들을 막아주는 역할을 함으로써, 후속에 RF 파워를 인가하는 RF 스퍼터링 방법으로 상기 제2투명산화물 전극층을 증착하게 되더라도 p-GaN층에는 플라즈마 영향을 주지 않게 된다.
한편, 상기 제1투명산화물 전극층(141)은 상기 DC(＋)＋RF 스퍼터링 진행시 전자-빔 조사 공정이 동시에 수행되는 것으로 형성될 수 있다. 이처럼, 상기 DC(＋)＋RF 스퍼터링 진행시 동시에 전자-빔 공정을 수행하여 제1투명산화물 전극층을 형성하는 경우, 상기 전자-빔의 에너지로 인해 상기 제1투명산화물 전극층이 결정질 상태로 형성하게 되면서 후속에 열처리 공정을 생략할 수 있는 장점을 가지게 된다. 또한 열처리 공정이 제거될 경우 다른 소자를 제작함에 있어서 유용한 장점이 있을 수 있다.
상기 제1투명산화물 전극층(141)은 ITO, IZO, CIO, ZnO, SnO2, ATO, FTO, GZO, IGZO, CdO, 인 도핑(In doped)-SnO2, RuO, 알루미늄 도핑(Al doped)-ZnO, SiO2, TiO2, MgO중 어느 하나이거나 이들의 조합으로 이루어진 물질로 형성되고, 바람직하게는, SnO2의 함량이 0.1 내지 50wt％가 포함된 ITO 물질로 형성될 수 있다.
상기 제1투명산화물 전극층(141)은 5 내지 30㎚ 두께로 형성될 수 있고, 바람직하게는 10 내지 20㎚ 두께로 형성될 수 있다. 만약에, 상기 제1투명산화물 전극층(141)이 상기의 범위를 벗어난 두께로 형성하게 되면 상기 제1투명산화물 전극층의 비접촉 저항이 증가하는 문제점이 생길 수 있게 된다.
자세하게는, 상기 제1투명산화물 전극층(141)이 5㎚ 이하의 두께로 형성되는 경우, DC(＋)＋RF 스퍼터링의 동시 증착에 의한 박막이 충분히 형성되지 않게 되고, 상기 제1투명산화물 전극층(141)이 30㎚ 이상의 두께로 형성하게 되면 우수한 전기적, 광학적 특성을 갖는 제2투명산화물 전극층이 전체 적층 구조에서 차지하는 비중이 감소하여 전체적인 적층 구조의 투명산화물의 특성이 저하된다. 본 발명에 따른 상기 제1투명산화물 전극층은 계면특성을 좌우하고, 상기 제2투명산화물 전극층은 전체 적층 구조의 전기적, 광학적 특성을 좌우하게 된다.
상기 제2투명산화물 전극층(142)은 투과율을 제공하는 투명산화물 전극층으로서, RF 파워를 인가하는 RF 스퍼터링 방법으로 형성된다.
본 발명은 상기 DC(＋)＋RF 스퍼터링 방법으로 형성된 제1투명산화물 전극층(141)과 증착 물질의 특성이 균일한 RF 스퍼터링 방법으로 형성된 제2투명산화물 전극층(142)의 적층 구조인 투명산화물 전극층(140)을 제공하는 것으로, 상기 제2투명산화물 전극층(142)으로 인하여 높은 투과율을 제공해야하는 투명산화물 전극층의 조건을 만족시킬 수 있게 된다.
한편, 상기 제2투명산화물 전극층(142)은 상기 RF 스퍼터링 진행시 전자-빔 조사 공정을 동시에 수행하는 것으로 형성될 수 있다. 이처럼, 상기 RF 스퍼터링 진행시 전자-빔 공정을 동시에 수행하여 제2투명산화물 전극층을 형성하는 경우, 전자-빔의 에너지로 인해 상기 제2투명산화물 전극층이 결정질 상태로 형성하게 되면서 후속에 열처리 공정을 생략할 수 있는 장점을 가지게 된다. 또한 열처리 공정이 제거될 경우 다른 소자를 제작함에 있어서 유용한 장점이 있을 수 있다.
상기 제2투명산화물 전극층(142)은 상기 제1투명산화물 전극층(141)의 형성 물질과 동일한 성분을 포함하는 물질로 형성되도록 한다. 여기서, 상기 제2투명산화물 전극층(142)은 상기 제1투명산화물 전극층(141)과 동일한 성분을 포함하는 물질로 형성됨에 따라, 서로 다른 물질로 적층의 투명산화물 전극층을 형성하는 경우에 비해 이종 물질에 의한 오염 가능성을 배제할 뿐만 아니라, 공정의 단순화 및 공정 시간을 단축시킬 수 있는 효과를 얻을 수도 있게 된다.
또한, 본 발명에서는 투명산화물 전극층의 전기적 특성(I-V, ρ, Rs) 및 광학적 특성(Transmittance, L-I)을 높이기 위하여 상기 제1투명산화물 전극층 및 제2투명산화물 전극층에 대해 후속 열처리 공정이 진행될 수 있다. 상기 후속 열처리 공정을 수행하게 되면 상기 투명산화물 전극층이 완벽한 결정질로 변하게 되어 투명산화물 전극층의 전자 이동도가 증가하게 되고, 따라서 투명산화물 전극층의 전도성 및 투과율이 향상되는 장점을 가지게 된다. 상기 후속 열처리 공정은 N2 분위기에서 약 100 내지 800℃ 온도, 바람직하게 500 내지 700℃ 온도로 대략 1분 동안 진행하는 것이 바람직하다.
통상, 투명산화물 전극층은 면 저항이 크면 전력 소비량이 커지게 되고, 반면 면 저항을 낮추기 위해 두께를 증가시키면 투과도가 저하되는 특성이 있는데, 이에 본 발명은 DC(＋)＋RF 스퍼터링 방법으로 형성된 제1투명산화물 전극층 상에 균일한 박막 특성을 제공하는 RF 스퍼터링 방법만으로 제2투명산화물 전극층이 형성됨에 따라서 낮은 비접촉 저항(1×10-4Ω·㎠ 이하) 및 낮은 면 저항(1.5×105Ω/□ 이하)을 얻으면서 높은 투과도를 가지는 투명산화물 전극층을 확보할 수 있게 된다.
이와 같은 본 발명의 구체적인 실시예는 아래에 기술하는 바와 같다.
(실시예 1 내지 4: 본 발명에 따른 투명산화물 전극층 형성)
표 1은 본 발명의 실시예1 내지 4에 대한 조건표로서 제1투명산화물 전극층 및 제2투명산화물 전극층의 증착에 관한 제작 조건표이다. 여기에서 80Ｗ의 RF 파워와 40Ｗ의 DC 파워를 동시에 사용하고, Ar：O2(20：0.1)의 가스를 주입하며, 그 형성 두께를 5㎚, 10㎚, 20㎚, 30㎚로 달리하면서 제1투명산화물 전극층을 제작하였고, 120Ｗ의 RF 파워를 사용하고 Ar：O2(20：0.1)의 가스를 주입하며, 그 형성 두께를 30㎚, 40㎚, 50㎚, 55㎚로 달리하면서 제2투명산화물 전극층을 제작하였다. 그리고, 비교예는 120Ｗ의 RF 파워를 사용하고 Ar：O2(20：0.1)의 가스를 주입하며, 60㎚의 단일층으로 제작된 투명산화물 전극층으로 이해한다.
표 1
Deposited condition Gas(sccm) Thickness(㎚)
비교예 RF 120Ｗ Ar：O2(20：0.1) 0/60
실시예 1 RF 80Ｗ＋DC 40Ｗ/RF 120Ｗ Ar：O2(20：0.1) 5/55
실시예 2 RF 80Ｗ＋DC 40Ｗ/RF 120Ｗ Ar：O2(20：0.1) 10/50
실시예 3 RF 80Ｗ＋DC 40Ｗ/RF 120Ｗ Ar：O2(20：0.1) 20/40
실시예 4 RF 80Ｗ＋DC 40Ｗ/RF 120Ｗ Ar：O2(20：0.1) 30/30
도 2 및 3은 표 1의 조건에 따라 제조된 투명산화물 전극층의 전기적 특성(I-V, ρ)을 도시한 그래프이다.
도 2는 제1투명산화물 전극층과 제2투명산화물 전극층의 두께별 I-V curve(by using C-TLM) 특성을 나타낸 것으로, 표 1의 제작 조건표에 따른 모든 형성 두께에서 제1투명산화물 전극층과 제2투명산화물 전극층의 적층으로 구성된 투명산화물 전극층은 큰 기울기를 갖는 선형(linear)의 I-V curve를 가지며, 이로부터 특히, 상기 제1투명산화물 전극층이 10 내지 20㎚ 두께, 상기 제2투명산화물 전극층이 40 내지 50㎚ 두께로 형성된 경우에서 p-GaN층과 투명산화물 전극층 사이에 오믹 컨택 형성이 잘 되었다고 할 수 있다.
도 3은 하지층으로 p-GaN층 상부에 형성된 제1투명산화물 전극층의 두께별 비접촉 저항(Specific Contact Resistance, ρ)과 면 저항(Sheet Resistance, Rs)을 나타낸 것으로, 특히, 상기 제1투명산화물 전극층이 10 내지 20㎚의 두께로 형성되는 경우(상기 제2투명산화물 전극층은 40 내지 50㎚ 두께로 형성됨)에서 낮은 1×10-4Ω·㎠ 이하의 비접촉 저항(ρ)과 낮은 1.4×105 Ω／□ 이하의 면 저항(Rs)이 나타나는 것을 알 수 있다. 이는, 상기 제1투명산화물 전극층이 10 내지 20㎚의 두께로 형성될 때 스퍼터링 진행시 발생하는 플라즈마가 하지층인 p-GaN층에 주는 악영향을 충분히 최소화 해주는 것을 알 수 있다.
도 4는 표 1의 조건에 따라 제조된 투명산화물 전극층에 대해 후속 열처리 공정을 진행한 후의 전기적 특성(ρ, Rs)을 도시한 그래프이다.
도 4는 하지층으로 p-GaN층 상부에 형성된 제1투명산화물 전극층의 두께별 비접촉 저항(ρ)과 면 저항(Rs)을 나타낸 것으로, 상기 열처리 공정 후에 상기 제1투명산화물 전극층의 모든 형성 두께에서 비접촉 저항 및 면 저항 특성이 낮아지는 것을 볼 수 있으며, 특히, 후속 열처리 공정 후에 비접촉 저항이 면 저항 보다 더 우수한 특성이 나타나는 것을 알 수 있다.
한편, 도시하지는 않았으나, 본 발명의 실시예를 적용하여 하지층으로 유리 기판 상부에 형성된 제1투명산화물 전극층의 두께별 450㎚ 파장에서 투과율(Tceransemittance, T％) 특성을 살펴보면, 상기 제1투명산화물 전극층의 모든 형성 두께에서 85％ 이상의 높은 투과율이 나타나게 된다. 이는, 투명산화물 전극층이 85％ 이상의 투과율을 가져야 한다는 점에서 이를 만족하는 실시예였음을 알 수 있다.
( 실시예 5. 본 발명에 따른 반도체 발광 소자)
도 5는 본 발명에 따른 제1투명산화물 전극층 및 제2투명산화물 전극층의 적층 구조로 구성된 투명산화물 전극층을 포함하는 반도체 발광 소자를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 반도체 발광 소자는 사파이어 결정기판으로 구성된 기판(100) 상에 질화갈륨계 n형 반도체층(110), 질화갈륨계 활성층(120), 질화갈륨계 p형 반도체층(130), 그리고, 제1투명산화물 전극층(141) 및 제2투명산화물 전극층(142)의 적층 구조인 투명산화물 전극층(140)이 형성되고, 상기 제2투명산화물 전극층(142) 및 상기 n형 반도체층(110)에 각각 접속하는 p형 전극(150) 및 n형 전극(160)이 형성된 것을 포함한다.
상기 기판(100)은 질화물 반도체 단결정을 성장시키기에 적합한 기판으로 형성되며, 바람직하게, 사파이어, 실리콘 및 PET 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 한편, 상기 기판 상에 사파이어와 같은 물질로 형성된 기판과의 격자정합을 향상시키기 위한 층으로, 일반적으로 AlN/GaN층 또는 GaN층으로 이루어진 버퍼층이 형성될 수 있으나, 본 발명의 실시예에서는 상기 버퍼층을 생략하기로 한다.
상기 n형 반도체층(110)과 활성층(120) 및 p형 반도체층(130)은 각 도전형 불순물이 도핑된 InxAlyGa1-x-yN 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x＋y≤1임)을 갖는 반도체 물질로 형성될 수 있다. 상기 n형 반도체층(110)은 n형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 형성될 수 있으며, 상기 n형 도전형 불순물로는 예를 들어, Si, Ge, Sn 등을 사용할 수 있고, 바람직하게는 Si를 주로 사용한다.
상기 활성층(120)은 하나의 양자우물층 또는 더블헤테로(double heterostructure) 구조 또는 InGaN/GaN층으로 구성된 다중양자우물층(Multi-Quantum-Well)으로 형성될 수 있다.
상기 p형 반도체층(130)은 p형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 형성될 수 있으며, 상기 p형 도전형 불순물 도핑으로는 예를 들어, Mg, Zn, Be 등을 사용하고, 바람직하게는 Mg를 주로 사용한다. 상기 p형 반도체층(130)과 상기 활성층(120)의 일부는 식각 공정에 의해 제거되며, 저면에 상기 n형 반도체층(110)의 일부를 노출시키게 된다.
상기 제1투명산화물 전극층(141)은 상기 p형 반도체층(130)과의 오믹 컨택을 위한 투명산화물 전극층으로서, DC 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC＋RF 스퍼터링 방법, 바람직하게는, 전극성인 DC 파워(DC(＋) 파워)와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC(＋)＋RF 스퍼터링 방법으로 상기 p형 반도체층(130) 상부에 형성되고, 그 형성 두께는 5 내지 30㎚ 이 될 수 있으며, 바람직하게는 10 내지 20㎚ 두께가 되도록 한다. 그리고, 상기 제2투명산화물 전극층(142)은 높은 투과율 특성을 갖는 투명산화물 전극층으로서, RF 파워를 인가하는 RF 스퍼터링 방법으로 상기 제1투명산화물 전극층(141) 상에 형성되고, 그 형성 두께는 높은 투과율이 제공되는 30 내지 55㎚이 되는 것이 바람직하다.
이처럼, 본 발명에서는 상기 투명산화물 전극층(140)이 DC(＋) 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC(＋)＋RF 스퍼터링 방법으로 형성된 제1투명산화물 전극층(141) 및 RF 파워를 인가하는 RF 스퍼터링 방법으로 형성된 제2투명산화물 전극층(142)의 적층 구조로 형성됨으로써, 상기 제1투명산화물 전극층(141)으로 인하여 상기 p형 반도체층(130) 상에 상기 투명산화물 전극층을 형성하기 위한 스퍼터링 공정시 플라즈마 영향을 최소화할 수 있게 되어 상기 p형 반도체층(130)과 투명산화물 전극층 간의 오믹 컨택을 가능케 할 수 있게 된다. 바람직하게는, 상기 제1투명산화물 전극층이 10 내지 20㎚ 두께로 형성되고, 상기 제2투명산화물 전극층이 40 내지 50㎚ 두께로 형성되는 경우 상기 p형 반도체층과 상기 투명산화물 전극층 사이에 오믹 컨택 형성이 가능하게 된다.
통상, 고효율의 질화갈륨(GaN)계 발광 소자를 개발하는데 있어서 낮은 비저항, 높은 투과율 및 p형 반도체층 간의 오믹 컨택 형성이 필수인 투명산화물 전극층은 대부분 ITO 박막으로 형성되고 있으며, 상기 ITO 박막은 RF 스퍼터링 또는 DC 스퍼터링 방법을 통해 상기 p형 반도체층(고농도 p형 반도체층) 상에 형성하게 된다. 상기 RF 스퍼터링 방법은 다양한 물질에 적용이 가능하고, 균일한 박막 특성을 제공하는 장점이 있으며, 반면, 상기 DC 스퍼터링 방법은 증착 속도가 빠른 장점이 있다. 그런데 이러한 종래 방식의 단일 RF 스퍼터링 또는 단일 DC 스퍼터링 방법을 사용하여 p형 반도체층 상에 ITO 박막을 형성시킬 경우에는 스퍼터링 진행시에 발생하는 플라즈마 내에서 플라즈마 포텐셜(plasma potential)을 벗어나는 전자들이 상기 p형 반도체층의 표면에 닿아 표면에서 트랩(trap)으로 작용하게 된다. 상기 p형 반도체층에 플라즈마 데미지를 발생시키는 이러한 현상은 상기 투명산화물 전극층과 p형 반도체층 간의 오믹 컨택 형성을 방해하고, 이는 소자의 항복 전압이 상승하는 문제로 이어지게 된다.
이에, 본 발명은 상기 투명산화물 전극층을 스퍼터링 방법으로 형성하되, 스퍼터링 진행시 발생하는 플라즈마가 p형 반도체층에 미치는 악영향을 해소할 수 있는 것으로, 상기 p형 반도체층(130) 상에 제1투명산화물 전극층(141) 및 제2투명산화물 전극층(142)의 적층 구조로 이루어진 투명산화물 전극층(140)을 형성하는 것이다.
자세하게 설명하면, 본 발명에서는 상기 적층의 투명산화물 전극층 중에서 먼저, 상기 p형 반도체층(130)과 접하는 상기 제1투명산화물 전극층(141)이 DC 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC＋RF 스퍼터링 방법, 바람직하게 DC(+) 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC(＋)＋RF 스퍼터링 방법으로 형성됨으로써, 상기 DC(＋)＋RF 스퍼터링 진행시 상기 DC(+) 파워의 인가로 인하여 일정량의 전자들이 상기 p형 반도체층 방향이 아닌 타겟층 방향으로 향하게 되면서 전자들은 상기 p형 반도체층(130) 표면에 닿지 않게 된다.
이러한 현상에 의해 전자들이 플라즈마 포텐셜을 빠져나갈 확률이 줄어들게 되는 것과 같은 효과를 가질 수 있게 되어, 종래의 스퍼터링 방법으로 투명산화물 전극층 형성시 플라즈마가 p형 반도체층에 미치는 데미지를 최소화할 수 있게 되어 상기 투명산화물 전극층은 상기 p형 반도체층과 오믹 컨택을 이룰 수 있게 되고, 상기 제2투명산화물 전극층으로 인하여 투과율이 우수한 투명산화물 전극층을 확보할 수 있게 된다.
이처럼, 본 발명은 상기 제1투명산화물 전극층과 제2투명산화물 전극층으로 구성된 투명산화물 전극층으로 인하여 비교적 낮은 비접촉 저항 및 높은 투과율을 갖는 투명산화물 전극층을 얻을 수 있게 되어 종래의 반도체 발광 소자에 비해 낮은 항복전압 및 높은 휘도를 기대할 수 있게 된다.
도 6은 표 1의 조건에 따라 제조된 투명산화물 전극층이 형성된 반도체 발광 소자의 구동 전압 특성을 도시한 그래프이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에서와 같이 DC(＋) 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC(＋)＋RF 스퍼터링 방법으로 제1투명산화물 전극층을 형성하고, RF 스퍼터링 방법으로 제2투명산화물 전극층을 형성하는 경우, 반도체 발광 소자의 구동전압이 비교적 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 이는, 즉, 상기에서 설명한 플라즈마 데미지가 상당히 감소됨을 알 수 있다.
그리고, 도시하지는 않았으나, 본 발명의 실시예를 적용하여 상기 제1투명산화물 전극층과 제2투명산화물 전극층이 형성된 반도체 발광 소자의 광학적 특성(Light-Current, L-I) 특성에서도 표 1의 제작 조건표에 따른 모든 형성 두께에서 L-I 특성이 비교적 우수한 것을 알 수 있었으며, 이는 높은 투과율 특성을 가지는 투명산화물 전극층을 확보한 것으로 이해할 수 있다.
도 7은 상기 DC 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC＋RF 스퍼터링 방법으로 형성된 제1 투명산화물 전극층을 포함하는 반도체 발광 소자의 전류-전압 특성을 도시한 그래프로서, 도 7에서와 같이, 부극성의 DC 파워(DC(-) 파워)와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC(-)+RF 스퍼터링에 의한 경우와 RF 파워만을 인가하는 RF 스퍼터링의 경우에 비교하여 정극성의 DC 파워와 RF 파워를 동시에 가하는 DC(+)+RF 스프터링을 이용하는 경우에 반도체 발광 소자의 항복 전압이 현저히 낮아지는 것을 알 수 있다. 또한, DC(+) 파워의 크기가 40W, 50W, 60W로 커짐에 따라서는 크게 의존하지 않는 것을 알 수 있다. 이러한 항복전압이 낮은 반도체 발광 소자의 경우는 구동 전압을 낮게 할 수 있는 장점이 있다. 도 8은 도 7에서 살펴본 반도체 발광 소자들의 발광 세기 특성을 나타내는 그래프로서, DC(-)+RF 스퍼터링이나 RF 스퍼터링으로 제1 투명 산화물 전극층을 형성하는 경우에 비하여 DC(+)+RF 스터퍼링으로 제1 투명 산화물 전극층을 형성하는 반도체 발광 소자들의 발광 세기가 큰 것을 알 수 있다.
한편, 도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 제1 투명 산화물 전극층을 형성하기 위하여 사용되는 스퍼터링 장치에서 인가되는 파워에 따른 플라즈마 포텐셜과 음전하 플럭스를 나타내는 그래프이다. DC(-)+RF 파워를 인가하는 경우와 RF 파워만을 인가하는 경우에는 20V 이하의 플라즈마 포텐셜과 1012/cm2s 이상의 음전하 플럭스를 나타내는 반면에, DC(+)+RF 파워를 인가하는 경우에는 100V 이상의 플라즈마 포텐셜과 102/cm2s 이하의 낮은 음전하 플럭스를 나타낸다. 특히, 음전하 플럭스의 경우에는 DC(+)+RF 파워에서 인가되는 DC(+)가 상대적으로 낮은 40W가 인가되는 경우에도 매우 낮은 음전하 플럭스 값을 나타낸다.
도 7 내지 도 10의 결과로부터, p형 질화물 반도체층 상부에 제1 투명 산화물 전극층을 형성하기 위하여 상기 DC(＋) 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC(＋)＋RF 스퍼터링을 이용하는 경우에는 플라즈마 공간 내에 높은 플라즈마 포텐셜이 유도되어 DC(-)+RF 파워 혹은 RF 파워를 인가하는 경우에 비교하여 매우 낮은 음전하 플럭스가 존재하고, 매우 작은 양의 음전하로 인해서 p형 질화물 반도체층 상부에 스퍼터링 방법으로 투명산화물 전극층을 형성하는 공정시 p형 질화물 반도체층 상부에 플라즈마 데미지를 가하지 않고 투명산화물 전극층을 형성할 수 있게 된다는 것을 알 수 있다.
스퍼터링 중에 플라즈마 내에서 플라즈마 포텐셜(plasma potential)을 벗어나는 전자 등의 음전하들이 p형 반도체층의 표면에 닿아 표면에서 트랩(trap)으로 작용하게 되고, 이러한 상기 p형 반도체층에 플라즈마 데미지를 발생시키는 현상은 상기 투명산화물 전극층과 p형 질화물 반도체층 간의 오믹 컨택 형성을 방해하고, 이는 소자의 항복 전압이 상승하는 문제로 이어지게 된다. 따라서, DC(＋)＋RF 스퍼터링을 이용하여 제1 투명 산화물 전극층을 형성하면 높아진 플라즈마 포텐셜에 의하여 p형 질화물 반도체층의 표면에 닿아 트랩으로 작용할 수 있는 음전하 들의 밀도가 현저히 줄어들게 되어 낮은 항복 전압과 우수한 광 특성을 나타내게 된다.
한편, p형 반도체층 상부에 투명 산화물 전극층을 형성할 때 플라즈마 공간의 음전하 밀도를 매우 낮게 제어하는 것에 의해서 p형 질화물 반도체층과 투명 산화물 전극층 사이에 오믹 컨택이 형성되고, 우수한 광 특성을 얻을 수 있게 되므로, 바람직하게는 플라즈마 공간의 플라즈마 포텐셜은 50V 이상(더욱 바람직하게는 100V 이상)으로 유지하고, 음전하 플럭스는 105/cm2s 이하(더욱 바람직하게는 102/cm2s 이하)로 유지하는 것이 필요하다.
한편, 상기 방법에서 제1투명산화물 전극층(141) 및/또는 상기 제2투명산화물 전극층(142)은 DC＋RF 스퍼터링 진행시 및/또는 RF 스퍼터링 진행시 전자-빔 조사 공정을 동시에 수행하는 것으로 형성될 수 있다. 이처럼, DC＋RF 스퍼터링 진행시 및/또는 RF 스퍼터링 진행시 전자-빔 공정을 동시에 수행하여 제1투명산화물 전극층 및/또는 상기 제2투명산화물 전극층을 형성하는 경우, 전자-빔의 에너지로 인해 상기 제1투명산화물 전극층 및/또는 상기 제2투명산화물 전극층이 결정질 상태로 형성하게 되어 후속에 열처리 공정을 생략할 수 있는 장점을 가지게 된다. 또한 열처리 공정이 제거될 경우 다른 소자를 제작함에 있어서 유용한 장점이 있을 수 있다.
또한, 본 발명에서는 투명산화물 전극층의 비접촉 저항 및 면 저항 특성을 높이기 위하여 상기 제1투명산화물 전극층(141) 및 제2투명산화물 전극층(142)에 대해 후속 열처리 공정이 진행될 수 있다. 상기 투명산화물 전극층을 형성한 후에 후속 열처리 공정을 수행하게 되면 상기 투명산화물 전극층이 완벽한 결정질로 변하게 되어 투명산화물 전극층의 전자 이동도가 증가하게 되고, 따라서 투명산화물 전극층의 전도성 및 투과율이 향상되는 장점을 가지게 된다. 상기 후속 열처리 공정은 N2 분위기에서 100 내지 800℃ 온도, 바람직하게는 500 내지 700℃ 온도로 대략 1분 동안 진행하는 것이 바람직하다.
( 실시예 6. 발명에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법)
도 11a 내지 11e는 본 발명에 따른 제1투명산화물 전극층 및 제2투명산화물 전극층의 적층 구조로 구성된 투명산화물 전극층을 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11a를 참조하면, 사파이어, 실리콘 및 PET 중 어느 하나로 이루어진 기판(100) 상에 n형 반도체층(110), 활성층(120) 및 p형 반도체층(130)의 적층으로 이루어진 질화갈륨계 반도체 적층 구조를 형성한다.
여기서, 상기 기판(100) 상에 사파이어와 같은 물질로 형성된 기판과의 격자정합을 향상시키기 위한 층으로, 일반적으로 AlN/GaN층 또는 GaN층으로 이루어진 버퍼층을 더 형성할 수 있다.
상기 n형 반도체층(110)과 활성층(120) 및 p형 반도체층(130)은 각 도전형 불순물이 도핑된 InxAlyGa1-x-yN 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x＋y≤1)을 갖는 반도체 물질로 형성할 수 있다. 바람직하게, 상기 n형 반도체층(110)은 n형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 형성할 수 있으며, 상기 n형 도전형 불순물로는 예를 들어, Si, Ge, Sn 등을 사용할 수 있고, 바람직하게는 Si를 주로 사용한다.
상기 활성층(120)은 하나의 양자우물층 또는 더블헤테로(double heterostructure) 구조 또는 InGaN/GaN층으로 구성된 다중양자우물층(Multi-Quantum-Well)으로 형성할 수 있다.
상기 p형 반도체층(130)은 p형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 형성할 수 있으며, 상기 p형 도전형 불순물 도핑으로는 예를 들어, Mg, Zn, Be 등을 사용하고, 바람직하게는 Mg를 주로 사용한다.
도 11b를 참조하면, 1차 스퍼터링 방법으로 상기 질화갈륨계 반도체 적층 구조의 p형 반도체층(130) 상부에 제1두께를 갖는 제1투명산화물 전극층(141)을 형성한다.
상기 제1투명산화물 전극층(141)은 ITO, IZO, CIO, ZnO, SnO2, ATO, FTO, GZO, IGZO, CdO, 인 도핑(In doped)-SnO2, RuO, 알루미늄 도핑(Al doped)-ZnO, SiO2, TiO2, MgO 중 어느 하나이거나 이들의 조합으로 이루어진 물질로 형성하도록 한다. 바람직하게는, SnO2의 함량이 0.1 내지 50wt％가 포함된 ITO 물질로 형성하도록 한다.
상기 1차 스퍼터링 방법은 DC 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC＋RF 스퍼터링 방법이 될 수 있으며, 바람직하게 DC(+) 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC(＋)＋RF 스퍼터링 방법으로 이루어지도록 한다.
이처럼, 상기 p형 반도체층(130)과 접하는 상기 제1투명산화물 전극층(141)이 DC 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC＋RF 스퍼터링 방법, 바람직하게 DC(+) 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC(＋)＋RF 스퍼터링 방법으로 형성됨으로써, 상기 DC(＋)＋RF 스퍼터링 진행시 상기 DC(+) 파워의 인가로 인하여 일정량의 전자들이 상기 p형 반도체층 방향이 아닌 타겟층 방향으로 향하게 되면서 전자들은 상기 p형 반도체층(130) 표면에 닿지 않게 되어 p형 반도체층의 플라즈마 데미지 발생을 최소화할 수 있다.
이러한 현상에 의해 전자들이 플라즈마 포텐셜을 빠져나갈 확률이 줄어들게 되는 것과 같은 효과를 가질 수 있게 되어, 종래의 단일 스퍼터링 방법(단일 DC 스퍼터링 방법 또는 단일 RF 스퍼터링 방법)으로 투명산화물 전극층 형성시 플라즈마가 p형 반도체층에 미치는 데미지를 최소화할 수 있게 되므로, 이러한 장점으로 인하여 상기 제1투명산화물 전극층을 포함하는 투명산화물 전극층은 상기 p형 반도체층과 오믹 컨택을 이룰 수 있게 된다.
상기 제1투명산화물 전극층(141)은 10 내지 20㎚ 두께로 형성하는 것이 바람직한데, 이러한 두께는 1×10-4Ω·㎠ 이하의 비접촉 저항을 가지는 투명산화물 전극층을 확보할 수 있기 때문이다.
한편, 상기 방법에서 제1투명산화물 전극층(141)은 상기 DC＋RF 스퍼터링 진행시 전자-빔 조사 공정을 동시에 수행하는 것으로 형성할 수 있다. 이처럼, 상기 DC＋RF 스퍼터링 진행시 전자-빔 공정을 동시에 수행하여 제1투명산화물 전극층을 형성하는 경우, 전자-빔의 에너지로 인해 상기 제1투명산화물 전극층이 결정질 상태로 형성하게 되어 후속에 열처리 공정을 생략할 수 있는 장점을 가지게 된다. 또한 열처리 공정이 제거될 경우 다른 소자를 제작함에 있어서 유용한 장점이 있을 수 있다.
도 11c를 참조하면, 상기 1차 스퍼터링 방법과 상이한 2차 스퍼터링 방법으로 상기 제1투명산화물 전극층(141) 상에 제2두께를 갖는 제2투명산화물 전극층(142)을 형성한다. 이로써, 상기 제1투명산화물 전극층(141)과 제2투명산화물전극층(142)의 적층 구조로 이루어진 투명산화물 전극층(140)을 완성한다.
여기서, 상기 제1투명산화물 전극층과 제2투명산화물 전극층의 적층 구조로 이루어진 투명산화물 전극층은 리프트-오프(lift-off) 공정으로 형성하게 된다. 즉, 상기 투명산화물 전극층(140)의 제조 공정은 상기 p형 반도체층 상에 투명산화물 전극층 형성 영역을 노출시키는 마스크를 형성하는 제1단계, 상기 마스크를 이용하여 1차 및 2차 스퍼터링 방법으로 제1투명산화물 전극층(141) 및 제2투명산화물 전극층(141)을 형성하는 제2단계, 상기 마스크를 리프트-오프하는 제3단계 공정으로 제조될 수 있다. 그러나, 상기 투명산화물 전극층(140)은 상기의 리프트-오프 공정에 의해 형성되는 것에 한정되지 않으며, 증착 및 식각 공정에 의해 형성될 수도 있다.
상기 제2투명산화물 전극층(142)은 상기 제1투명산화물 전극층(141)의 형성 물질과 동일한 성분을 포함하는 물질로 형성하도록 하며, 바람직하게는, ITO, IZO, CIO, ZnO, SnO2, ATO, FTO, GZO, IGZO, CdO, 인 도핑(In doped)-SnO2, RuO, 알루미늄 도핑(Al doped)-ZnO, SiO2, TiO2, MgO중 어느 하나이거나 이들의 조합으로 이루어진 물질로 형성하도록 한다. 더욱 바람직하게는, SnO2의 함량이 0.1 내지 50wt％가 포함된 ITO 물질로 형성하도록 한다.
여기서, 상기 제2투명산화물 전극층(142)은 상기 제1투명산화물 전극층(141)과 동일한 성분을 포함하는 물질로 형성함에 따라, 서로 다른 물질로 적층의 투명산화물 전극층을 형성하는 경우에 비해 공정의 단순화 및 공정 시간을 단축시킬 수 있는 효과를 얻을 수도 있게 된다.
상기 제2투명산화물 전극층(142)은 2차 스퍼터링 방법으로 형성하게 되는데, 상기 2차 스퍼터링 방법은 박막 특성이 균일한 장점을 가지는 RF 스퍼터링 방법이 될 수 있다. 이러한, 상기 RF 스퍼터링 방법으로 형성된 상기 제2투명산화물 전극층(142)은 높은 투과율을 제공하는 투명산화물 전극층으로 그 역할을 수행할 수 있게 된다. 상기 제2투명산화물 전극층(142)은 30 내지 55㎚ 두께로 형성하도록 한다.
이처럼, 상기 제1투명산화물 전극층(141) 상부에 RF 스퍼터링 방법으로 제2투명산화물 전극층(142)을 형성하더라도 상기 제1투명산화물 전극층(141)이 플라즈마 포텐셜을 벗어나는 전자들을 막아주는 역할을 하게 되어 여전히 플라즈마가 p형 반도체층에 미치는 데미지를 최소화할 수 있게 된다. 이러한 장점으로 인하여 본 발명에 따른 상기 투명산화물 전극층은 상기 p형 반도체층과 오믹 컨택을 이룰 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 상기 제1투명산화물 전극층(141)과 제2투명산화물 전극층(142)의 적층 구조로 이루어진 투명산화물 전극층(140)을 형성함으로써, 높은 투과율을 제공해야하는 투명산화물 전극층의 조건을 만족시킬 수 있게 된다.
한편, 상기 방법에서 제1투명산화물 전극층(141) 및/또는 상기 제2투명산화물 전극층(142)은 상기 DC＋RF 스퍼터링 진행시 및/또는 RF 스퍼터링 진행시 전자-빔 조사 공정을 동시에 수행하는 것으로 형성할 수도 있다. 이처럼, DC＋RF 스퍼터링 진행시 및/또는 RF 스퍼터링 진행시 전자-빔 공정을 동시에 수행하여 제1투명산화물 전극층 및/또는 상기 제2투명산화물 전극층을 형성하는 경우, 전자-빔의 에너지로 인해 상기 제1투명산화물 전극층 및/또는 상기 제2투명산화물 전극층이 결정질 상태로 형성하게 되어 후속에 열처리 공정을 생략할 수 있는 장점을 가지게 된다. 또한 열처리 공정이 제거될 경우 다른 소자를 제작함에 있어서 유용한 장점이 있을 수 있다.
도 11d를 참조하면, 상기 제1투명산화물 전극층(141)과 제2투명산화물 전극층(142)의 적층 구조로 형성된 투명산화물 전극층(140)의 전기적 특성 및 광학적 특성을 높이기 위하여 후속 열처리 공정(140T)을 수행한다. 이처럼, 상기 투명산화물 전극층을 형성한 후에 후속 열처리 공정(140T)을 수행하게 되면 상기 투명산화물 전극층이 완벽한 결정질로 변하게 되어 투명산화물 전극층의 전자 이동도가 증가하게 되고, 따라서 투명산화물 전극층의 전도성 및 투과율이 향상되는 장점을 가지게 된다. 상기 후속 열처리 공정(140T)은 N2 분위기에서 100 내지 800℃ 온도, 바람직하게는 500 내지 700℃ 온도로 대략 1분 동안 진행하는 것이 바람직하다.
도 11e를 참조하면, 상기 후속 열처리 공정이 진행된 전체 결과물에 대해 식각 공정을 수행하여 상기 n형 반도체층(110)의 일부를 노출시킨 후, 상기 노출된 n형 반도체층(110) 상부와 제2투명산화물 전극층(142)의 상부에 n형 전극 및 p형 전극 형성 영역을 노출시키는 마스크(미도시)를 형성한다.
이어서, 상기 마스크를 포함하여 상기 노출된 n형 반도체층(110) 상부와 제2투명산화물 전극층(142) 상부에 전자-빔 증착 방법으로 전극 물질을 증착한 후, 상기 마스크를 리프트-오프하여 상기 n형 전극(110) 및 상기 제2투명산화물 전극층(142) 상부에 각각 n형 전극(160) 및 p형 전극(150)을 형성한다.
상기에 전술한 바와 같이, 본 발명에서는 상기 투명산화물 전극층이 DC(+) 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC(＋)＋RF 스퍼터링 방법으로 형성된 제1투명산화물 전극층 및 RF 파워를 인가하는 RF 스퍼터링 방법으로 형성된 제2투명산화물 전극층의 적층 구조로 형성함으로써, 상기 제1투명산화물 전극층으로 인하여 상기 p형 반도체층 상에 투명산화물 전극층을 형성하기 위한 스퍼터링 공정시 p형 반도체층의 플라즈마 영향을 최소화할 수 있게 되어 상기 p형 반도체층과 투명산화물 전극층 간의 오믹 컨택을 가능케 할 수 있고, 또한 상기 제2투명산화물 전극층으로 인하여 높은 투과율을 갖는 투명산화물 전극층을 얻을 수 있게 된다.
따라서, 본 발명은 제1투명산화물 전극층 및 제2투명산화물 전극층의 적층 구조로 형성된 투명산화물 전극층을 포함하는 반도체 발광 소자를 제공함으로써, 종래의 반도체 발광 소자에 비해 낮은 항복전압 및 높은 휘도를 기대할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 상기 p형 질화물 반도체층과 접하는 상기 투명산화물 전극층이 DC 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC＋RF 스퍼터링 방법, 바람직하게 DC(+) 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC(＋)＋RF 스퍼터링 방법으로 형성하되, 탐침으로부터 입력되는 플라즈마 변수에 따라 DC 파워와 RF 파워를 제어하는 DC(＋)＋RF 스퍼터링 방법으로 형성하게 됨으로써, 상기 p형 반도체층 표면에 플라즈마로 인한 이온 충격(ion bombardment)으로 표면 트랩을 형성하는 것을 최소화하며, 플라즈마 내의 이온 또는 질량이 거의 없는 전자가 표면 충돌에 의해 발생할 수 있는 p형 질화물 반도체층에 전자의 공급으로 p형 질화물 반도체층의 불순물 도핑에 의한 결함 상태가 불안정해지는 것을 최소화할 수 있어 투명산화물 전극층은 상기 p형 질화물 반도체층과 오믹 컨택을 이룰 수 있게 된다.
( 실시예 7. 발명에 따른 박막 증착 장치)
본 발명의 다른 실시예는 플라즈마 처리가 행해지는 박막 증착 장치 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 플라즈마가 생성되는 챔버 내에 탐침이 구비되고, 이러한 탐침으로부터 입력되는 신호로부터 챔버 내의 플라즈마 변수를 측정하고, 상기 측정된 플라즈마 변수에 따라서 상기 챔버 내에 플라즈마를 생성시키는 전원 공급부를 제어하는 제어부를 포함하는 박막 증착 장치를 제공하여, 상기 플라즈마에 의해 박막이 증착되기 전과 증착 중간에 플라즈마 내의 플라즈마 변수(예를 들어, 음전하의 밀도 또는 개수)를 측정하고, 상기 전원 공급원을 제어하는 것으로 바람직한 플라즈마 변수를 얻는 것을 특징으로 한다.
도 12는 본 발명에 따른 박막 증착 장치를 도시한 도면으로서, 도 12를 참조하여 본 발명의 제7실시예를 설명하도록 한다.
도 12를 참조하면, 상기 본 발명에 따른 박막 증착 장치는 기판(510a)을 지지하는 지지부(510) 및 상기 기판(510a)에 증착 물질을 제공하는 타겟부(520)를 포함하고, 플라즈마 처리가 행해지는 플라즈마 공간(530)을 가지는 챔버(500)와, 상기 플라즈마 공간(530) 내에 형성되어 플라즈마와 접촉하는 탐침(probe,540)과, 상기 타켓부(520)에 DC 파워와 RF 파워를 동시에 인가하여 상기 챔버(100) 내에 플라즈마를 발생시키는 DC 전원부(551)와 RF 전원부(552)를 포함하는 전원 공급원(550) 및 상기 전원 공급원(550)과 연결되며, 상기 탐침(540)으로 상기 챔버 내에 발생하는 플라즈마 변수를 실시간으로 추출하고, 추출된 플라즈마 변수에 따라서 전원 공급원을 제어하는 제어부(560)를 포함한다.
상기 챔버(500)는 내부 공간을 갖는 통 형상으로 제작될 수 있으며, 상기 기판(510a)이 장착되는 지지부(510)에 DC 파워와 RF 파워를 공급하는 전원 공급원(미도시)을 더 포함할 수 있다. 상기 기판(510a)은 p형 질화물 반도체층을 포함하는 반도체 적층 구조물일 수 있으며, 상기 타켓부(520)에서 제공하는 증착 물질은 투명산화물 전극 물질일 수 있다.
그리고, 상기 플라즈마 공간(530) 내에 형성되어 플라즈마와 접촉하는 탐침(540)은 상기 플라즈마가 생성되는 공간이면 어느 곳이든 그 형성이 가능하다. 예를 들어, 상기 플라즈마 공간(530) 내에서 상기 기판(510a)을 지지하는 지지부(510) 방향과 가까운 플라즈마 공간이든, 상기 기판(510a)에 증착 물질을 제공하는 타켓부(520) 방향과 가까운 플라즈마 공간이든 그 형성되는 위치는 상관없다.
본 발명에서와 같이 상기 탐침(540)이 형성된 박막 증착 장치는 플라즈마 내의 각 변수들을 측정하여 플라즈마의 특성과 이온 및 전자 분포를 분석할 수 있는 장치이며, 일반적으로, 상기 탐침(540)은 플라즈마가 행해지는 증착 장치 내의 각 변수를 측정하여 플라즈마의 특성과 이온 및 전자 분포를 분석하는 것으로, 랑뮤어 탐침(Langmuir probe) 방식을 사용할 수 있다. 이러한 랑뮤어 탐침 방식은 금속으로 이루어진 탐침을 플라즈마가 생성되는 공간에 삽입하고 탐침에 전압을 인가하여 탐침을 흐르는 전류를 측정하여 플라즈마 변수를 추출할 수 있게 된다.
그러나, 본원에서 탐침이 랑뮤어 탐침으로 제한될 필요는 없고, 플라즈마 공간에서 전원을 인가하고, 이에 따라 전기적 변수를 입력받을 수 있는 요소이면 족하다.
간략하게 플라즈마 변수를 추출하는 측정 원리를 설명하면, 챔버 내의 플라즈마 탐침을 삽입하여 외부의 직류전원을 가변하여 음전위에서 양전위로 전압을 변경시켜 측정한다. 이때, 전자전류 및 이온전류는 어느 정도의 전압 변화에 따라 포화상태가 되며, 이때 이온전류를 이용한 이온의 밀도, 전자전류를 이용한 전자의 밀도, 전자온도 및 플라즈마 전위 등을 계산할 수 있게 된다.
이처럼, 본 발명은 DC 파워와 RF 파워를 동시에 사용하는 박막 증착 장치에서 플라즈마 내에 실시간으로 플라즈마 변수를 측정하는 탐침(540)을 설치하여 상기 플라즈마 생성시 플라즈마 변수를 실시간으로 측정 및 제어할 수 있는 것이다.
상기 전원 공급원(550)은 상기 챔버의 타켓부(520)에 전원을 공급하는 전원부로서, 상기 제어부(560)로터 추출된 플라즈마 변수에 따라 DC 파워와 RF 파워를 공급하여 챔버(100) 내에 플라즈마를 생성시킨다. 여기서, 상기 DC 파워는 정극성(＋)인 DC 파워일 수 있다. 그리고, 상기 전원 공급원(550)은 상기 DC 파워 및 RF 파워를 조절하는 파워 조절부(Power controller, 553) 및 매칭 조절부(Matching controller, 554)를 더 포함할 수 있다. 상기 파워 조절부(553)와 매칭 조절부(554)는 상기 제어부로부터 플라즈마 변수에 따라 제어된 신호를 입력받고, 입력받은 신호를 토대로 상기 DC 전원부(551)와 RF 전원부(552)의 DC 파워와 RF 파워를 조절한다.
상기 제어부(560)는 박막 증착 장치에서 플라즈마에 의해 박막이 증착되기 전과 증착 중간에 플라즈마 내의 플라즈마 변수 범위를 실시간 측정하여 바람직한 플라즈마 변수를 얻도록 상기 전원 공급원(550)을 제어하는 것으로, 이러한 제어부(560)는 상기 전원 공급원(550)과 연결되며, 상기 탐침(540)으로부터 입력되는 신호로부터 플라즈마 변수를 실시간으로 측정하는 플라즈마 측정부(161)와 상기 플라즈마 측정부(161)에서 측정된 플라즈마 변수에 따라서 상기 전원 공급원(550)을 제어하는 전원 공급원 제어부(562)로 구성하게 된다.
상기 플라즈마 측정부(561)는 셀프-바이어스 전압(Self-bias Voltage), RF 최고 전압(RF peak-to-peak Voltage), 플라즈마 포텐셜(Plasma potential) 및 음전하 플럭스(Negative carrier flux) 중 어느 하나인 플라즈마 변수를 실시간 측정하고, 상기 전원 공급원 제어부(562)는 상기 측정된 플라즈마 변수에 따라서 전원 공급원을 제어한다. 여기서, 상기 음전하 플럭스는 음전하(예를 들어, 전자)의 밀도 또는 개수인 것으로 이해할 수 있다.
바람직하게, 상기 플라즈마 측정부(561)에서는 플라즈마 변수인 상기 셀프-바이어스 전압(Self-bias Voltage)이 0Ⅴ(더욱 바람직하게 50Ⅴ) 이상이거나, RF 최고 전압(RF peak-to-peak Voltage)이 200Ⅴ(더욱 바람직하게 100Ⅴ) 이하이거나, 플라즈마 포텐셜(Plasma potential)이 50Ⅴ(더욱 바람직하게 100Ⅴ) 이상이거나, 음전하 플럭스(Negative carrier flux)가 105／㎠s 이하가 되는지 측정하고, 상기 전원 공급원 제어부(562)에서는 상기와 같은 범위를 갖는 플라즈마 변수를 만족하도록 상기 전원 공급원(550)의 DC 파워와 RF 파워를 조절한다.
한편, 본 발명에 따라서 DC(＋) 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC(＋)＋RF 스퍼터링 방법으로 p형 질화물 반도체층 상에 투명산화물 전극층을 형성하는 경우에 플라즈마 공간의 플라즈마 변수들을 상기 범위 내로 유지하는 경우에는 스퍼터링에 의해서 투명산화물 전극층을 형성하는 과정에서 발생하는 p형 질화물 반도체층 상부에 플라즈마 데미지를 현저하게 줄이면서 우수한 특성의 투명산화물 전극층을 형성할 수 있게 된다.
( 실시예 8. 발명에 따른 박막 증착 장치를 이용한 박막 증착 방법)
자세하게, 본 발명에 따른 박막 증착 장치를 이용한 박막 증착 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 12에 도시된 바와 같이 플라즈마 처리가 행해지는 플라즈마 공간(530)을 가지는 챔버(500) 내에 플라즈마와 접촉하는 탐침(540)을 형성한 후, 상기 챔버 내의 기준 플라즈마 변수를 설정하고 나서, 상기 챔버 내에 플라즈마를 생성시킨다.
여기서, 상기 챔버(500)는 기판(510a)을 지지하는 지지부(510) 및 상기 기판에 증착 물질을 제공하는 타겟부(520)를 포함하고, 상기 기판은 p형 질화물 반도체층을 포함하는 반도체 적층 구조물일 수 있으며, 상기 타켓부에서 제공하는 증착 물질은 투명산화물 전극 물질일 수 있다.
상기 탐침(540)은 플라즈마가 생성되는 공간이면 어느 곳이든 그 형성이 가능하다. 예를 들어, 상기 플라즈마 공간 내에서 상기 기판을 지지하는 지지부 방향과 가까운 플라즈마 공간이든, 상기 기판에 증착 물질을 제공하는 타켓부 방향과 가까운 플라즈마 공간이든 그 형성되는 위치는 상관없다.
상기 플라즈마는 DC 전원부(551)와 RF 전원부(552)를 포함하는 전원 공급원(550)으로부터 DC 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 것으로 생성될 수 있으며, 플라즈마를 충분히 발생시키면서 플라즈마에 의한 데미지가 발생하지 않는 조건의 DC 파워와 RF 파워를 인가할 수 있다.
이때, 상기 RF 파워는 안정적인 증착 특성으로 전체적인 투명산화물 전극 물질의 증착과 전기적 특성에 기여하고, DC 파워는 음전하 밀도 또는 개수를 제어하기 위하여 플라즈마 공간 내의 플라즈마 변수를 조절함으로써 투명산화물 전극층과 p형 질화물 반도체층 간의 오믹 컨택 특성에 기여한다. 즉, RF 파워와 DC 파워의 인가에 있어서 RF 전원부의 파워가 주가 되고, 음전하 밀도 또는 개수 제어를 위하여 DC 전원부의 파워는 보조적으로 인가된다. 그리고, 상기 전원 공급원(150)은 DC 파워와 RF 파워를 조절하는 파워 조절부(153) 및 매칭 조절부(154)를 포함할 수 있다.
상기 기준 플라즈마 변수는 셀프-바이어스 전압(Self-bias Voltage), RF 최고 전압(RF peak-to-peak Voltage), 플라즈마 포텐셜(Plasma potential) 및 음전하 플럭스(Negative carrier flux) 중 어느 하나일 수 있으며, 상기 음전하 플럭스는 음전하(예를 들어, 전자)의 밀도 또는 개수인 것으로 이해할 수 있다.
바람직하게, 상기 기준 플라즈마 변수는 셀프-바이어스 전압(Self-bias Voltage)이 0Ⅴ(바람직하게 50Ⅴ) 이상이거나, RF 최고 전압(RF peak-to-peak Voltage)이 200Ⅴ(바람직하게 100Ⅴ) 이하이거나, 플라즈마 포텐셜(Plasma potential)이 50Ⅴ(바람직하게 100Ⅴ) 이상이거나, 음전하 플럭스(Negative carrier flux)가 105／㎠s 이하인 것으로 설정하도록 한다.
이어서, 상기 전원 공급원(550)과 연결되는 제어부(560)에서 상기 플라즈마 생성시 발생하는 플라즈마 변수를 상기 탐침(540)으로부터 입력되는 신호로부터 실시간 측정하고, 상기 측정된 플라즈마 변수와 기준 플라즈마 변수를 비교하도록 한다.
상기 제어부(560)는 플라즈마 내의 플라즈마 변수를 실시간 측정하여 바람직한 플라즈마 변수를 얻도록 상기 전원 공급원을 제어하는 것으로, 이러한 제어부는 상기 탐침으로부터 입력되는 신호로부터 플라즈마 변수를 실시간으로 측정하는 플라즈마 측정부(561)와 상기 플라즈마 측정부에서 측정된 플라즈마 변수에 따라서 상기 전원 공급원을 제어하는 전원 공급원 제어부(562)로 구성하게 된다.
그리고, 상기 제어부의 플라즈마 측정부(561)에서 측정된 플라즈마 변수와 기준 플라즈마 변수의 차이가 허용 범위 내에 들어오지 않는 경우에, 또는, 측정된 플라즈마 변수와 기준 플라즈마 변수가 일치하지 않는 경우에, 상기 제어부에서는 상기 측정된 플라즈마 변수와 상기 기준 플라즈마 변수의 차이가 허용 범위 내에 들어오도록, 또는 상기 측정된 플라즈마 변수와 상기 기준 플라즈마 변수가 일치하도록 상기 제어부의 전원 공급부 제어부(562)에서 상기 전원 공급원의 DC 파워와 RF 파워를 알맞게 조절하도록 한다.
예를 들어, 상기 측정된 플라즈마 변수가 상기 기준 플라즈마 변수 보다 설정치 이상으로 측정될 때에는, 상기 전원 공급원의 DC 파워와 RF 파워를 증가하여 기준 플라즈마 변수에 맞출 수 있도록 프로그래밍하고, 반대로 측정된 플라즈마 변수가 상기 기준 플라즈마 변수보다 감소할 경우 DC 파워와 RF 파워를 감소하여 기준 플라즈마 변수에 맞출 수 있도록 프로그래밍한다.
이러한 플라즈마 변수 조절을 위해서는 DC 파워의 제어를 주로 하고, 이에 맞추어 RF 파워를 제어하도록 한다. 이때, 전체적인 플라즈마 안정성을 위하여 파워 조절부에 의한 DC 파워와 RF 파워의 제어뿐만 아니라 매칭 조절부에 의해서 매칭 조건의 제어도 요구된다.
본 발명에서와 같이 DC 파워와 RF 파워를 동시에 사용하여 플라즈마를 생성시키는 박막 증착 공정시, 상기 챔버 내에 실시간으로 플라즈마 변수를 측정하도록 설치된 탐침을 통하여 상기 플라즈마 생성시 플라즈마 변수를 실시간으로 측정하고, DC 파워 및 RF 파워를 제어할 수 있는 장점을 가지게 되어 양질의 박막을 생산할 수 있는 장점을 가지게 된다.
( 실시예 9. 발명에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법)
한편, 본 발명의 제7실시예에 따른 박막 증착 장치를 이용한 박막 증착 방법은 스퍼터링 등과 같은 증착 방법에 사용될 수 있으며, 본 발명의 제9실시예에서는 스퍼터링 증착 방법을 이용한 반도체 발광 소자의 제조 방법에 대해 설명하도록 한다.
도 11a에서와 같이, 사파이어, 실리콘 및 PET 중 어느 하나로 이루어진 기판(100) 상에 n형 질화물 반도체층(110), 활성층(120) 및 p형 질화물 반도체층(130)의 적층으로 이루어진 질화갈륨계 반도체 적층 구조물을 형성한다.
여기서, 상기 n형 반도체층(110)과 활성층(120) 및 p형 반도체층(130)은 각 도전형 불순물이 도핑된 InxAlyGa1-x-yN 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x＋y≤1)을 갖는 반도체 물질로 형성할 수 있다. 바람직하게, 상기 n형 반도체층(110)은 n형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 형성할 수 있으며, 상기 n형 도전형 불순물로는 예를 들어, Si, Ge, Sn 등을 사용할 수 있고, 바람직하게는 Si를 주로 사용한다.
상기 활성층(120)은 하나의 양자우물층 또는 더블헤테로(double heterostructure) 구조 또는 InGaN/GaN층으로 구성된 다중양자우물층(Multi-Quantum-Well)으로 형성할 수 있다. 상기 p형 질화물 반도체층(130)은 p형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 형성할 수 있으며, 상기 p형 도전형 불순물 도핑으로는 예를 들어, Mg, Zn, Be 등을 사용하고, 바람직하게는 Mg를 주로 사용한다.
도 11b를 참조하면, 상기 질화갈륨계 반도체 적층 구조물의 p형 질화물 반도체층(130) 상부에 투명산화물 전극층(141)을 형성한다. 상기 투명산화물 전극층(141)은 DC 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC＋RF 스퍼터링 방법으로 형성한다.
자세하게, 상기 DC 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC＋RF 스퍼터링 방법으로 투명산화물 전극층(141)을 형성하는 방법을 설명하면, 먼저, 지지부와 타켓부를 포함하는 챔버 내에 상기 반도체 적층 구조물을 삽입하여 상기 반도체 적층 구조물을 상기 챔버의 지지부 상부에 안착시키도록 한다. 여기서, 상기 챔버 내에는 상기 DC＋RF 스퍼터링 진행시 생성되는 플라즈마 변수를 측정하는 탐침이 형성되어 있도록 한다.
그런 다음, 상기 챔버 내의 기준 플라즈마 변수를 설정한다. 여기서, 상기 기준 플라즈마 변수는 셀프-바이어스 전압, RF 최고 전압, 플라즈마 포텐셜 및 음전하 플럭스 중 어느 하나인 것으로 하고, 상기 음전하 플럭스는 음전하(예를 들어, 전자)의 밀도 또는 개수인 것으로 이해할 수 있다.
바람직하게, 상기 기준 플라즈마 변수는 셀프-바이어스 전압이 0Ⅴ(바람직하게 50Ⅴ) 이상이거나, RF 최고 전압이 200Ⅴ(바람직하게 100Ⅴ) 이하이거나, 플라즈마 포텐셜이 50Ⅴ(바람직하게 100Ⅴ) 이상이거나, 음전하 플럭스가 105／㎠s 이하로 설정하도록 한다.
이어서, 상기 p형 질화물 반도체층 상부(130)에 투명산화물 전극층(141)의 박막이 형성되도록 상기 타켓부에 DC 전원부와 RF 전원부를 포함하는 전원 공급원으로부터 DC 파워와 RF 파워를 동시에 인가하여 상기 챔버 내에 플라즈마를 생성시키고, 상기 플라즈마 생성시 상기 전원 공급원과 연결되는 제어부에서 상기 탐침으로부터 입력된 신호로부터 플라즈마 변수를 실시간 측정하도록 한다.
다음으로, 상기 측정된 플라즈마 변수와 상기 기준 플라즈마 변수를 비교하고, 상기 측정된 플라즈마 변수와 상기 기준 플라즈마 변수의 차이가 허용 범위 내에 들어오지 않는 경우, 또는 상기 측정된 플라즈마 변수와 상기 기준 플라즈마 변수가 일치하지 않는 경우, 상기 측정된 플라즈마 변수와 상기 기준 플라즈마 변수의 차이가 허용 범위 내에 들어오도록, 또는 상기 측정된 플라즈마 변수와 기준 플라즈마 변수가 일치하도록 상기 제어부에서 상기 전원 공급원의 DC 파워와 RF 파워를 조절하도록 한다.
한편, 상기 DC 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC＋RF 스퍼터링 방법으로 투명산화물 전극층을 형성하기 전에 프리-스퍼터링(pre-sputtering) 공정을 더 수행하면서 플라즈마 변수의 측정과 이에 따른 전원 공급원의 제어를 실시할 수 있다. 즉, 상기 투명산화물 전극층을 형성하기 전에 프리-스퍼터링(pre-sputtering) 공정을 더 수행하면서 기준 플라즈마 변수를 설정하고, 상기 프리-스퍼터링을 위한 플라즈마를 생성시킨 후, 상기 프리-스퍼터링을 위한 플라즈마의 플라즈마 변수를 측정하고, 상기 측정된 플라즈마와 변수와 상기 기준 플라즈마 변수를 비교한 후, 상기 측정된 플라즈마 변수와 상기 기준 플라즈마 변수가 차이가 허용 범위 내에 들어오도록 상기 제어부에서 상기 전원 공급원을 제어할 수 있다.
도 13a 내지 도 13c는 상기 프리-스퍼터링을 수행하는 DC＋RF 스퍼터링 방법을 나타낸 순서도이다.
도 13a에서와 같이, 샘플을 실장하기 전에 프리-스퍼터링을 통하여 플라즈마 내 플라즈마 변수(예를 들어, 전자의 밀도 또는 개수)를 맞춘 상태에서 샘플 로딩 후 증착 진행을 할 수 있다. 즉, DC 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 스퍼터링 방법으로 투명산화물 전극층을 형성하기 전에 프리-스퍼터링을 위한 기준 플라즈마 변수를 설정한 후에 상기 프리-스퍼터링을 위한 플라즈마를 생성시킨 후, 상기 프리-스퍼터링을 위한 플라즈마의 플라즈마 변수를 측정하고, 상기 측정된 플라즈마와 변수와 상기 기준 플라즈마 변수를 비교한 후, 플라즈마 변수를 맞춘 상태에서 샘플 로딩 후, 박막 증착을 위한 DC 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 스퍼터링 방법을 수행할 수 있다. 또한, 도 13b에서와 같이, 샘플을 실장한 후 프리-스퍼터링을 통하여 플라즈마 내 전자의 밀도 또는 개수를 맞춘 후에 박막 증착을 위한 DC 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 스퍼터링 방법을 수행할 수 있고, 도 13c에서와 같이 상기 2가지 방법을 병행하는 방식으로 샘플 로딩 전 1차 프리-스퍼터링을 통하여 설정된 플라즈마 내 전자의 개수를 만족하였을 때 샘플 로딩하고, 이후 2차 프리-스퍼터링을 통하여 증착시 설정된 전자의 개수를 만족하였을 때 박막 증착을 위한 DC 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 스퍼터링 방법을 수행할 수 있다.
상기에 전술한 바와 같이, 본 발명은 DC 파워 및 RF 파워를 동시에 인가하는 스퍼터링 방법으로 투명산화물 전극층을 형성하는 증착 방법을 제공하되, 스퍼터링을 수행하는 챔버 내에 탐침이 장착되어 박막이 장착되기 전과 박막이 장착되는 중간에 플라즈마 내 음전하의 밀도 또는 개수와 같은 플라즈마 변수를 실시간 측정하도록 하고, 상기 측정된 플라즈마 변수에 따라서 스퍼터링시 타겟부에 인가하는 DC 파워 및 RF 파워를 실시간 제어할 수 있는 증착 방법을 제공한다.
따라서, 본 발명은 스퍼터링시 인가하는 DC 파워 및 RF 파워를 실시간 제어하는 것으로 원하는 플라즈마 변수를 얻을 수 있기 때문에 DC＋RF 스퍼터링으로 투명산화물 전극층을 형성하는 공정시 발생하는 p형 질화물 반도체층 상부에 플라즈마 데미지를 가하지 않고 투명산화물 전극층을 형성할 수 있게 된다.
통상, 단일 RF 스퍼터링 또는 단일 DC 스퍼터링 방법을 사용하여 p형 질화물 반도체층 상에 투명산화물 전극층을 형성시킬 경우에는 스퍼터링 진행시 플라즈마 내에서 플라즈마 포텐셜(plasma potential)을 벗어나는 전자들이 상기 p형 질화물 반도체층의 표면에 닿아 표면에서 트랩(trap)으로 작용하게 된다.
상기 p형 반도체층에 플라즈마 데미지를 발생시키는 이러한 현상은 상기 투명산화물 전극층과 p형 질화물 반도체층 간의 오믹 컨택 형성을 방해하고, 이는 소자의 항복 전압이 상승하는 문제로 이어지게 된다. 상기 p형 질화물 반도체층은 불순물 도핑에 의한 결함에 의해 투명산화물 전극층과 오믹 컨택을 형성하게 되는데, 상기 스퍼터링 진행시 p형 질화물 반도체층의 결함 상태를 불안정하게 만들기 때문에 투명산화물 전극층과의 오믹 컨택이 어려워지게 된다.
이에, 본 발명은 상기 p형 질화물 반도체층과 접하는 상기 투명산화물 전극층이 DC 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC＋RF 스퍼터링 방법, 바람직하게 DC(+) 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC(＋)＋RF 스퍼터링 방법으로 형성하되, 상기 탐침으로부터 입력되는 플라즈마 변수에 따라 DC 파워와 RF 파워를 제어하는 DC(＋)＋RF 스퍼터링 방법으로 형성하게 됨으로써, 상기 p형 반도체층 표면에 플라즈마로 인한 이온 충격(ion bombardment)으로 표면 트랩을 형성하는 것을 최소화하며, 플라즈마 내의 이온 또는 질량이 거의 없는 전자가 표면 충돌에 의해 발생할 수 있는 p형 질화물 반도체층에 전자의 공급으로 p형 질화물 반도체층의 불순물 도핑에 의한 결함 상태가 불안정해지는 것을 최소화할 수 있어 투명산화물 전극층은 상기 p형 질화물 반도체층과 오믹 컨택을 이룰 수 있게 된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실싱계가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

Claims (46)

  1. n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층이 적층된 질화갈륨계 반도체 적층 구조; 및
    스퍼터링 방법으로 상기 질화갈륨계 반도체 적층 구조의 p형 반도체층 상부에 형성되고, 제1두께를 갖는 제1투명산화물 전극층 및 제2두께를 갖는 제2투명산화물 전극층의 적층 구조로 구성된 투명산화물 전극층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명산화물 전극층은 1×10-4Ω·㎠ 이하의 비접촉 저항을 가지는 반도체 발광 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1투명산화물 전극층은 상기 p형 반도체층과 오믹 컨택을 형성하는 반도체 발광 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1투명산화물 전극층은 10㎚ 내지 20㎚ 두께로 형성된 반도체 발광 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1투명산화물 전극층은 DC 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC＋RF 스퍼터링 방법으로 형성된 반도체 발광 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    동시에 인가되는 상기 DC 파워는 정극성(＋)인 반도체 발광 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2투명산화물 전극층은 RF 스퍼터링 방법으로 형성된 반도체 발광 소자.
  8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1투명산화물 전극층 및 제2투명산화물 전극층 중 적어도 어느 하나에 대해서 전자-빔 조사가 이루어진 반도체 발광 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1투명산화물 전극층과 제2투명산화물 전극층은 동일한 성분을 포함하는 물질로 형성된 반도체 발광 소자.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1투명산화물 전극층 및 제2투명산화물 전극층은 SnO2의 함량이 0.1 내지 50wt％가 포함된 ITO 물질로 이루어진 반도체 발광 소자.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1투명산화물 전극층 및 제2투명산화물 전극층은 ITO, IZO, CIO, ZnO, SnO2, ATO, FTO, GZO, IGZO, CdO, 인 도핑(In doped)-SnO2, RuO, 알루미늄 도핑(Al doped)-ZnO, SiO2, TiO2, MgO 중 어느 하나이거나 이들의 조합으로 이루어진 물질로 형성된 반도체 발광 소자.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1투명산화물 전극층 및 제2투명산화물 전극층으로 구성된 투명산화물 전극층은 후속 열처리 공정이 진행된 반도체 발광 소자.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 후속 열처리 공정은 N2 분위기에서 100 내지 800℃ 온도로 진행된 반도체 발광 소자.
  14. 기판 상에 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층이 적층으로 이루어진 질화갈륨계 반도체 적층 구조를 형성하는 단계;
    1차 스퍼터링 방법으로 상기 질화갈륨계 반도체 적층 구조의 p형 반도체층 상부에 제1두께를 갖는 제1투명산화물 전극층을 형성하는 단계; 및
    상기 1차 스퍼터링 방법과 상이한 2차 스퍼터링 방법으로 상기 제1투명산화물 전극 상부에 제2두께를 갖는 제2투명산화물 전극층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 투명산화물 전극층은 1×10-4Ω·㎠ 이하의 비접촉 저항을 가지는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1투명산화물 전극층은 상기 p형 반도체층과 오믹 컨택을 형성하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1투명산화물 전극층은 10㎚ 내지 20㎚ 두께로 형성하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 1차 스퍼터링 방법으로 제1투명산화물 전극층을 형성하는 단계는,
    DC 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC＋RF 스퍼터링 방법을 수행하여 상기 제1투명산화물 전극층을 형성하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    동시에 인가되는 DC 파워는 정극성(＋)인 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 2차 스퍼터링 방법으로 제2투명산화물 전극층을 형성하는 단계는,
    RF 스퍼터링 방법을 수행하여 상기 제2투명산화물 전극층을 형성하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  21. 제 18 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1차 스퍼터링 방법으로 제1투명산화물 전극층을 형성하는 단계 및 상기 2차 스퍼터링 방법으로 제2투명산화물 전극층을 형성하는 단계 중 적어도 어느 하나의 단계에서는 전자-빔 조사가 동시에 이루어지는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  22. 제 14 항에 있어서,
    상기 제2투명산화물 전극층을 형성하는 단계 후, 상기 제1투명산화물 전극층 및 제2투명산화물 전극층에 대해 후속 열처리 공정을 수행하는 단계를 더 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  23. 제 23 항에 있어서,
    상기 열처리 공정은 N2 분위기에서 100 내지 800℃ 온도로 진행하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  24. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1투명산화물 전극층과 제2투명산화물 전극층은 동일한 성분을 포함하는 재료로 형성하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 제1투명산화물 전극층 및 제2투명산화물 전극층은 SnO2의 함량이 0.1 내지 50wt％가 포함된 ITO 물질로 형성하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 제1투명산화물 전극층 및 제2투명산화물 전극층은 ITO, IZO, CIO, ZnO, SnO2, ATO, FTO, GZO, IGZO, CdO, 인 도핑(In doped)-SnO2, RuO, 알루미늄 도핑(Al doped)-ZnO, SiO2, TiO2, MgO 중 어느 하나이거나 이들의 조합으로 이루어진 물질로 형성하는 반도체 발광의 소자 방법.
  27. 기판을 지지하는 지지부 및 상기 기판에 증착 물질을 제공하는 타겟부를 포함하고, 플라즈마 공간을 가지는 챔버;
    상기 플라즈마 공간 내에 위치하여 플라즈마와 접촉하는 탐침(probe);
    상기 타켓부에 DC 파워와 RF 파워를 동시에 인가하여 상기 챔버 내에 플라즈마를 발생시키는 DC 전원부와 RF 전원부를 포함하는 전원 공급원; 및
    상기 전원 공급원과 연결되며, 상기 탐침으로 상기 챔버 내에 발생하는 플라즈마 변수를 실시간으로 추출하고, 추출된 플라즈마 변수에 따라서 전원 공급원을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 증착 장치.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 동시에 인가되는 DC 파워는 정극성(＋)인 박막 증착 장치.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 전원 공급원은,
    상기 DC 파워 및 RF 파워를 조절하는 파워 조절부 및 매칭 조절부를 더 포함하는 박막 증착 장치.
  30. 제 27 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 탐침으로부터 입력되는 신호로부터 플라즈마 변수를 실시간으로 측정하는 플라즈마 측정부와 상기 플라즈마 측정부에서 측정된 플라즈마 변수에 따라서 상기 전원 공급원을 제어하는 전원 공급원 제어부를 포함하는 박막 증착 장치.
  31. 제 27 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    음전하의 밀도 또는 개수를 측정하는 박막 증착 장치.
  32. 제 27 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    셀프-바이어스 전압(Self-bias Voltage), RF 최고 전압(RF peak-to-peak Voltage), 플라즈마 포텐셜(Plasma potential) 및 음전하 플럭스(Negative carrier flux) 중 어느 하나의 플라즈마 변수를 측정하는 박막 증착 장치.
  33. 제 27 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 셀프-바이어스 전압(Self-bias Voltage)이 0Ⅴ 이상이거나, RF 최고 전압(RF peak-to-peak Voltage)이 200Ⅴ 이하이거나, 플라즈마 포텐셜(Plasma potential)이 50Ⅴ 이상이거나, 음전하 플럭스(Negative carrier flux)가 가 105／㎠s 이하가 되도록 상기 전원 공급원을 제어하는 박막 증착 장치.
  34. 제 27 항에 있어서,
    상기 기판은 p형 질화물 반도체층을 포함하는 반도체 적층 구조물이고, 상기 증착 물질은 투명산화물 전극 물질인 박막 증착 장치.
  35. 제 27 항에 있어서,
    상기 지지부에 DC 파워 또는 RF 파워를 제공하는 전원 공급원 더 포함하는 박막 증착 장치.
  36. 기판을 지지하는 지지부 및 상기 기판에 증착 물질을 제공하는 타겟부를 포함하고, 플라즈마 처리가 행해지는 플라즈마 공간을 가지는 챔버 내에 플라즈마와 접촉하는 탐침을 위치시키는 단계;
    기준 플라즈마 변수를 설정하는 단계;
    상기 타켓부에 DC 전원부와 RF 전원부를 포함하는 전원 공급원으로부터 DC 파워와 RF 파워를 동시에 인가하여 상기 챔버 내에 플라즈마를 생성시키는 단계;
    상기 플라즈마 생성시 상기 전원 공급원과 연결되는 제어부에서 상기 탐침으로부터 입력되는 신호로부터 플라즈마 변수를 실시간으로 측정하는 단계;
    상기 측정된 플라즈마 변수와 상기 기준 플라즈마 변수를 비교하는 단계; 및
    상기 측정된 플라즈마 변수와 상기 기준 플라즈마 변수의 차이가 허용 범위 내로 들어오도록 상기 제어부에서 상기 전원 공급원을 제어하는 단계;를 포함하는 박막 증착 방법.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 전원 공급원은,
    상기 DC 파워 및 RF 파워를 조절하는 파워 조절부 및 매칭 조절부를 더 포함하는 박막 증착 방법.
  38. 제 36 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 탐침으로부터 입력되는 신호로부터 플라즈마 변수를 실시간으로 측정하는 플라즈마 측정부와 상기 플라즈마 측정부에서 측정된 플라즈마 변수와 상기 기준 플라즈마 변수를 비교하여 상기 측정된 플라즈마 변수와 상기 기준 플라즈마 변수의 차이가 허용 범위 내에 들어오도록 상기 전원 공급원을 제어하는 전원 공급원 제어부를 포함하는 박막 증착 방법.
  39. 제 36 항에 있어서,
    상기 기판은 p형 질화물 반도체층을 포함하는 반도체 적층 구조물이고, 상기 증착 물질은 투명산화물 전극 물질인 박막 증착 방법.
  40. 제 36 항에 있어서,
    상기 지지부에 DC 파워 또는 RF 파워를 제공하는 전원 공급원을 더 포함하는 박막 증착 방법.
  41. n형 질화물 반도체층, 활성층 및 p형 질화물 반도체층이 적층으로 이루어진 LED용 질화갈륨계 반도체 적층 구조물을 형성하는 단계; 및
    상기 질화갈륨계 반도체 적층 구조물의 p형 질화물 반도체층 상부에 DC 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC＋RF 스퍼터링 방법으로 투명산화물 전극층을 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 DC 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC＋RF 스퍼터링 방법은, 상기 반도체 적층 구조물을 지지하는 지지부 및 상기 p형 질화물 반도체층 상부에 형성되는 투명산화물 전극층용 증착 물질을 제공하는 타겟부를 포함하는 챔버 내에 탐침을 위치시키는 단계;
    기준 플라즈마 변수를 설정하는 단계;
    상기 타켓부에 DC 전원부와 RF 전원부를 포함하는 전원 공급원으로부터 DC 파워와 RF 파워를 동시에 인가하여 상기 챔버 내에 플라즈마를 생성시키는 단계;
    상기 플라즈마 생성시 상기 전원 공급원과 연결되는 제어부에서 상기 탐침으로부터 입력된 신호로부터 플라즈마 변수를 실시간으로 측정하는 단계;
    상기 측정된 플라즈마 변수와 상기 기준 플라즈마 변수를 비교하는 단계; 및
    상기 측정된 플라즈마 변수와 상기 기준 플라즈마 변수의 차이가 허용 범위 내에 들어오지 않는 경우 상기 측정된 플라즈마 변수와 상기 기준 플라즈마 변수의 차이가 허용 범위 내에 들어오도록 상기 제어부에서 상기 전원 공급원을 제어하는 단계;를 포함하는 박막 증착 방법.
  42. 제 36 항 또는 제 41 항에 있어서,
    상기 플라즈마 변수는,
    음전하의 밀도 또는 개수인 박막 증착 방법.
  43. 제 36 항 또는 제 41 항에 있어서,
    상기 플라즈마 변수는,
    셀프-바이어스 전압(Self-bias Voltage), RF 최고 전압(RF peak-to-peak Voltage), 플라즈마 포텐셜(Plasma potential) 및 음전하 플럭스(Negative carrier flux) 중 어느 하나인 박막 증착 방법.
  44. 제 36 항 또는 제 41 항에 있어서,
    상기 플라즈마 변수는,
    상기 셀프-바이어스 전압(Self-bias Voltage)이 0Ⅴ 이상이거나, RF 최고 전압(RF peak-to-peak Voltage)이 200Ⅴ 이하이거나, 플라즈마 포텐셜(Plasma potential)이 50Ⅴ 이상이거나, 음전하 플럭스(Negative carrier flux)가 105／㎠s 이하인 범위 내에서 선택되는 박막 증착 방법.
  45. 제 36 항 또는 제 41 항에 있어서,
    상기 동시에 인가되는 DC 파워는 정극성(＋)인 박막 증착 방법.
  46. 제 41 항에 있어서,
    상기 DC 파워와 RF 파워를 동시에 인가하는 DC＋RF 스퍼터링 방법으로 투명산화물 전극층을 형성하는 단계 전에 프리-스퍼터링(pre-sputtering) 공정을 더 수행하면서 기준 플라즈마 변수를 설정하는 단계, 상기 프리-스퍼터링을 위한 플라즈마를 생성시키는 단계, 상기 프리-스퍼터링을 위한 플라즈마의 플라즈마 변수를 측정하는 단계, 상기 측정된 플라즈마와 변수와 상기 기준 플라즈마 변수를 비교하는 단계, 및 상기 측정된 플라즈마 변수와 상기 기준 플라즈마 변수가 차이가 허용 범위 내에 들어오도록 상기 제어부에서 상기 전원 공급원을 제어하는 단계를 수행하는 박막 증착 방법.
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