WO2014104517A1 - 투명 전극 형성 방법 및 이를 이용하여 형성된 투명 전극 - Google Patents

투명 전극 형성 방법 및 이를 이용하여 형성된 투명 전극 Download PDF

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WO2014104517A1
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WO
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transparent electrode
sputtering
ito
forming
degrees
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PCT/KR2013/006802
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김태근
안호명
김경헌
박상영
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고려대학교 산학협력단
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/3464—Sputtering using more than one target
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/1884—Manufacture of transparent electrodes, e.g. TCO, ITO

Definitions

  • the present invention relates to a method for forming a transparent electrode, and more particularly, to a method for forming a transparent electrode of a semiconductor light emitting device and a transparent electrode formed using the same.
  • LEDs Light emitting diodes
  • LEDs are semiconductor light emitting devices that use a property in which a current applied by a pn junction is emitted as light.
  • Advantages of this light emitting device include high energy conversion efficiency of 43%, long lifespan of about 100,000 hours, fast response speed, low heat generation, and no harmful substances. It is a trend.
  • UV light sources use harmful gases such as mercury (Hg) and xenon (Xe), which are harmful to the human body, and have various problems such as high power consumption.
  • UV LEDs have recently been studied as a light source for various future industries such as sterilization, water-purification and DNA analyzer according to the application wavelength. In the case of UV LED, the above problems are solved, but less than 1%. Low light extraction efficiency is a problem.
  • TCO transparent conducting oxide
  • a transparent electrode Ga 2 O 3, etc.
  • the transmittance of light in the ultraviolet region is improved, but the semiconductor layer in which the transparent electrode is formed (
  • the high contact resistance between the p- type AlGaN layer and the transparent electrode thin film leads to a trade-off problem in which an ohmic contact cannot be formed between the transparent electrode and the semiconductor layer.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a transparent electrode forming method exhibiting high transmittance and high conductivity not only in the visible region but also in the short wavelength ultraviolet region and exhibiting good ohmic contact characteristics with the semiconductor layer, and a transparent electrode manufactured using the same. It is.
  • the method for forming a transparent electrode according to a preferred embodiment of the present invention for solving the above problems is a method of forming a transparent electrode on a substrate using a first material and a second material, wherein the first material is the second The bandgap energy is greater than that of the material, and the second material has a higher electrical conductivity than the first material.
  • the transparent electrode forming method may set the first material and the second material as target materials, respectively, and simultaneously form a transparent electrode on the substrate by sputtering.
  • the first material is any one of gallium oxide (Ga 2 O 3 ), SiO 2 , Al 2 O 3 , HfO, and the second material is indium tin oxide (ITO) or ZnO.
  • ITO indium tin oxide
  • SnO 2 , IZO may be any one.
  • the transparent electrode forming method may simultaneously perform RF magnetron sputtering on the first material and the second material, and the ratio of the sputtering power of the second material to the sputtering power of the first material may be 1.5 to 4.0. Can be.
  • the transparent electrode layer may be formed, and then heat treatment may be performed in a range of 350 degrees to 550 degrees.
  • the temperature of the substrate may be heated to 500 degrees to 700 degrees to perform sputtering.
  • a transparent electrode formed on a semiconductor substrate is a second material having a greater band gap energy than the first material, and the The first material having higher electrical conductivity than the second material may be sputtered at the same time to form a single layer.
  • the first material is any one of gallium oxide (Ga 2 O 3 ), SiO 2 , Al 2 O 3 , HfO
  • the second material is any one of indium tin oxide (ITO), ZnO, SnO 2 , and IZO. It can be one.
  • a single layer of transparent electrode is formed by sputtering a material having excellent transmittance in the ultraviolet region (eg, Ga 2 O 3 ) and a material having excellent electrical conductivity (eg, ITO) to form a transparent electrode as a single layer.
  • a material having excellent transmittance in the ultraviolet region eg, Ga 2 O 3
  • a material having excellent electrical conductivity eg, ITO
  • each material may be sequentially deposited to form a transparent electrode having excellent light transmittance and electrical conductivity in the ultraviolet region, as compared with forming the transparent electrode in two layers.
  • FIG. 1 is a view for explaining a method for manufacturing a transparent electrode according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a graph comparing the transmittance and electrical conductivity performance of the transparent electrode according to the energy applied to each sputtering gun.
  • FIG 3 is a view for explaining the light transmittance characteristics of a transparent electrode according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing a composition change of the transparent electrode which changes according to the sputtering energy change.
  • 5 is a graph showing the change characteristics of the sheet resistance according to the annealing temperature.
  • FIG. 6 is a current in the case where the sputtering a case with Ga 2 O 3 and ITO contact is formed as a separate thin film of Ga 2 O 3 and ITO respectively, together forming a single layer, a diagram illustrating a voltage characteristic, respectively.
  • FIG. 7 is a diagram showing the transmittance characteristics when sputtered the case with Ga 2 O 3 and ITO contact is formed as a separate thin film of Ga 2 O 3 and ITO respectively, together forming a single layer, respectively.
  • FIG. 1 is a view for explaining a method for manufacturing a transparent electrode according to a preferred embodiment of the present invention. A method of forming a transparent electrode according to an exemplary embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1.
  • the method for forming a transparent electrode according to the preferred embodiment of the present invention includes a first material having a greater bandgap energy than a second material and having a better light transmittance in the ultraviolet region, and a second having better electrical conductivity than the first material.
  • a preferred embodiment of the present invention used Ga 2 O 3 as the first material, ITO (Indium Tin Oxide) as the second material.
  • ITO Indium Tin Oxide
  • materials such as SiO 2 , Al 2 O 3 , HfO, etc. may be used in addition to Ga 2 O 3.
  • materials such as IZO can also be used.
  • the preferred embodiment of the present invention used the RF magnetron sputtering method for forming a transparent electrode, by setting the first material and the second material as a sputtering target material, respectively, by performing a sputtering (Co-Sputtering) at the same time Formed.
  • Ga 2 O 3 110 and ITO 120 are installed as two target materials on two sputter guns 100 corresponding to the sputter cathode.
  • the substrate 200 on which the transparent electrode is to be formed is disposed on the substrate holder 210, and the impurity gas in the sputtering chamber 600 is removed, and then the vacuum pump 500, such as a diffusion pump or a rotary pump, is used.
  • the sputtering chamber 600 is made and maintained in a high vacuum state (for example, about 5 ⁇ 10 ⁇ 6 torr or less).
  • argon (Ar) gas is injected through a mass flow controller (MFC) 410 to generate a degree of vacuum in the sputtering chamber of about 5 ⁇ 10 ⁇ 3 torr, and the substrate is formed using a heater (not shown).
  • MFC mass flow controller
  • Preheated to target temperature for example, about 300 to 600 degreeC.
  • RF radio frequency
  • the composition of the material contained in the transparent electrode changes in proportion to the energy applied to the sputter gun. For example, if the energy of the sputter gun for which the ITO target is set is reduced, the component of the ITO material included in the transparent electrode (eg, indium, etc.) ) Decreases, and as the energy increases, the component of the ITO material included in the transparent electrode increases accordingly. Similarly, in the case of the Ga 2 O 3 target, the component of Ga contained in the transparent electrode changes in proportion to the energy applied to the sputter gun.
  • the component of the ITO material included in the transparent electrode eg, indium, etc.
  • the present invention forms transparent electrodes while varying the energy applied to the sputter gun in order to obtain an optimum transparent electrode in terms of transmittance and electrical conductivity in the ultraviolet region.
  • the transparent electrode was formed while increasing the energy of the sputter gun, in which the ITO target was set, by 20 W, starting from 40 W, and decreasing the energy of the sputter gun, which was set by Ga 2 O 3 , by 20 W, starting from 160 W.
  • the present invention changes the energy level applied to the (ITO target, Ga 2 O 3 target) in units of 20W, respectively, and accordingly (40W, 160W), (60W, 140W), (80W, 120W), ( Optimum by measuring the transmittance and electrical conductivity (or sheet resistance) for the transparent electrodes set to 100W, 100W), (120W, 80W), (140W, 60W), (160W, 40W), and (180W, 20W). The ratio of was investigated.
  • FIG. 2 is a graph comparing the transmittance and electrical conductivity performance of the transparent electrode according to the energy applied to each sputtering gun.
  • the applied energy of the sputtering gun in which Ga 2 O 3 is the target of good transmittance, is reduced and ITO, which is not good, is the target.
  • the transmittance decreases as expected, and then the transmittance increases in the (100W, 100W) to (140W, 60W) section, and then the transmittance decreases again in the (140W, 60W)-(180W, 20W) section. Appeared to be characteristic.
  • the sheet resistance decreases as the energy applied to the Ga 2 O 3 target decreases.
  • the sheet resistance decreases drastically in a section of 140 W to 100 W, and in an energy section of 100 W or less. It can be seen that the decrease gradually.
  • the energy applied to the ITO target and the Ga 2 O 3 target is (140 W, 60 W)
  • the sheet resistance is close to the minimum value and the sheet resistance is close to the minimum value ((100 W, 100 W) to (180 W, 20 W)). It has the highest light transmittance (88.7% transmittance).
  • the preferred embodiment of the present invention sets this point to the optimal energy combination applied to the ITO target and the Ga 2 O 3 target, respectively, to form a transparent electrode.
  • the ratio of the sputtering power of the second material (eg ITO) to the sputtering power of the first material (eg Ga 2 O 3 target) is preferably 1.5 to 4.0.
  • FIG. 4 is a diagram showing a composition change of the transparent electrode which changes according to the sputtering energy change. Referring to FIG. 4, it can be seen that as the energy applied to the ITO target increases, the component ratio of indium and tin increases, and as the energy applied to Ga 2 O 3 decreases, the Ga component ratio decreases.
  • the transparent electrode is formed on the substrate through the above-described process, the transparent electrode is completed by performing annealing in the range of 350 to 550 degrees.
  • FIG. 5 is a graph showing the change characteristics of the sheet resistance according to the annealing temperature.
  • FIG. 5 illustrates a change in sheet resistance according to annealing temperature when different temperatures are applied to a substrate in the process of forming a transparent electrode.
  • the sheet resistance decreases.
  • the sputtering temperature exceeds 600 degrees to 700 degrees, deformation occurs in the semiconductor substrate, and at 700 degrees or more, it is substantially difficult to form a transparent electrode by sputtering on the semiconductor substrate, so that the sputtering process is generally performed.
  • sputtering is performed at a temperature of less than 500 degrees to less than 700 degrees, and most preferably, sputtering is performed at a temperature of 600 degrees.
  • the annealing is carried out at a temperature of 350 to 550 degrees, preferably annealing at a temperature of 450 degrees.
  • Table 1 describes the results of measuring sheet resistance when annealing was performed at respective temperatures in an N 2 atmosphere.
  • the sheet resistance is smaller, and when the annealing is performed at 350 degrees and 450 degrees than when the annealing is not performed, the sheet resistance is smaller, and 450 degrees. It can be seen that the sheet resistance is minimal when annealing is performed at.
  • FIG. 6 is a current in the case where the sputtering a case with Ga 2 O 3 and ITO contact is formed as a separate thin film of Ga 2 O 3 and ITO respectively, together forming a single layer, a diagram illustrating a voltage characteristic, respectively.
  • FIG. 7 shows the transmittance characteristics when the Ga 2 O 3 and ITO are formed as separate thin films and are in contact with each other (bi-layer) and when the Ga 2 O 3 and ITO are sputtered together (Co-sputtering) to form a single layer. Are respectively shown.
  • the first material Ga 2 O 3 having good light transmittance in the ultraviolet region and the second material ITO having low electrical transmittance in the ultraviolet region but good electrical conductivity compared to the first material.
  • the transparent electrode When sputtered together to form a single layer, it is possible to form a transparent electrode exhibiting both good electrical conductivity and high light transmittance characteristics.

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Abstract

본 발명은 반도체 발광 소자에 적용될 수 있는 투명 전극 형성 방법 및 이를 이용하여 형성된 투명 전극을 공개한다. 본 발명은 자외선 영역에서 투과도가 뛰어나 물질(예컨대, Ga2O3)과 전기전도도가 뛰어난 물질(예컨대, ITO)을 함께 스퍼터링하여 단일층의 투명 전극을 형성함으로써, 각각의 물질 단독으로 투명 전극을 형성하거나, 각각의 물질은 순차적으로 증착하여 2개의 층으로 투명 전극을 형성하는 경우보다, 자외선 영역에서의 광투과도 및 전기전도도가 모두 뛰어난 투명전극을 형성할 수 있다.

Description

투명 전극 형성 방법 및 이를 이용하여 형성된 투명 전극
본 발명은 투명 전극 형성 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 반도체 발광 소자의 투명 전극 형성 방법 및 이를 이용하여 형성된 투명전극에 관한 것이다.
LED(Light Emitting Diode)는 p-n 접합에 의해 인가된 전류가 빛으로 방출되는 성질을 이용하는 반도체 발광 소자이다. 이 발광 소자의 장점으로는, 43%의 높은 에너지 변환 효율, 100,000시간 정도의 장수명, 빠른 응답속도, 낮은 발열, 유해물질이 없는 특징을 가지며, 최근에는 각종 조명의 광원으로서 그 관심이 계속 증가하는 추세이다.
특히, 최근에는 가시광선 영역의 광원뿐만이 아니라 자외선(Ultra Violet : UV) 영역의 광원으로서 그 연구가 활발히 진행되고 있다. 기존 자외선 광원은 인체에 유해한 수은(Hg), 제논(Xe) 등의 유해 가스를 사용하고, 높은 소비전력과 같은 다양한 문제점을 가지고 있다. 이를 해결하기 위해, 응용 파장에 따라 sterilization, water-purification과 DNA analyzer 같은 다양한 미래형 산업을 위한 광원으로 UV LED가 최근 많이 연구되고 있는데, UV LED의 경우에는 상기와 같은 문제점들은 해결하는 반면 1% 미만의 낮은 광추출 효율이 문제가 되고 있다.
이러한 낮은 광추출 효율의 원인은 다양하지만, 특히, 투명전극에서 빛이 흡수되는 문제를 해결할 방법을 찾는데 많은 어려움이 있다. 이는, UV LED 소자에서 가시광 LED 소자에서 주로 사용되는 TCO (Transparent conducting oxide) 물질(즉, ITO, ZnO 등)은 전도성이 좋은 반면 상대적으로 작은 밴드갭(~3.3 eV ; cutoff wavelength 320 nm)을 가지므로 UV 파장의 빛이 가지는 큰 에너지가 밴드갭 내로 대부분 흡수되어 자외선 영역의 빛이 거의 투과되지 못하기 때문이다.
만약, 자외선 영역에서의 높은 투과 특성을 확보하기 위해 큰 밴드갭 에너지를 가지는 투명전극(Ga2O3 등)을 이용할 경우, 자외선 영역 빛의 투과도는 향상되는 반면, 투명 전극이 형성되는 반도체층(예컨대, p형 AlGaN층)과 투명 전극 박막간의 높은 접촉 저항으로 인하여 투명 전극과 반도체층 사이에 오믹접촉을 형성 할 수 없는 trade-off 문제에 봉착하게 된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 가시광 영역뿐만 아니라, 단파장의 자외선 영역에서도 고투과도와 고전도성을 나타내며, 반도체층과 양호한 Ohmic Contact 특성을 나타내는 투명 전극 형성 방법 및 이를 이용하여 제조된 투명 전극을 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 투명 전극 형성 방법은, 제 1 물질 및 제 2 물질을 함께 이용하여 기판위에 투명 전극을 형성하는 방법으로서, 상기 제 1 물질은 상기 제 2 물질보다 밴드갭 에너지가 더 크고, 상기 제 2 물질은 상기 제 1 물질보다 전기전도도가 더 높은 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 투명 전극 형성 방법은 상기 제 1 물질 및 상기 제 2 물질을 각각 타겟 물질로 설정하여, 동시에 스퍼터링을 수행함으로써 상기 기판위에 투명 전극을 형성할 수 있다.
또한, 상기 투명 전극 형성 방법에서, 상기 제 1 물질은 산화갈륨(Ga2O3), SiO2, Al2O3, HfO 중 어느 하나이고, 상기 제 2 물질은 ITO(Indium Tin Oxide), ZnO, SnO2, IZO 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 투명 전극 형성 방법은 상기 제 1 물질 및 상기 제 2 물질에 대해서 각각 RF 마그네트론 스퍼터링을 동시에 수행하고, 상기 제 1 물질의 스퍼터링 파워에 대한 상기 제 2 물질의 스퍼터링 파워의 비율은 1.5 내지 4.0 일 수 있다.
또한, 상기 투명 전극 형성 방법은 상기 제 1 물질 및 상기 제 2 물질을 타겟으로 설정하여 스퍼터링을 수행하여 투명 전극층이 형성된 후, 350도 내지 550도의 범위에서 열처리를 수행할 수 있다.
또한, 상기 투명 전극 형성 방법에서, 상기 기판의 온도는 500도 내지 700도로 가열되어 스퍼터링이 수행될 수 있다.
한편, 상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 반도체 기판위에 투명 전극이 형성된 반도체 소자로서, 상기 투명 전극은 제 1 물질보다 밴드갭 에너지가 더 큰 제 2 물질, 및 상기 제 2 물질보다 전기전도도가 더 높은 상기 제 1 물질이 동시에 스퍼터링되어 단일층으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 1 물질은 산화갈륨(Ga2O3), SiO2, Al2O3, HfO 중 어느 하나이고, 상기 제 2 물질은 ITO(Indium Tin Oxide), ZnO, SnO2, IZO 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명은 자외선 영역에서 투과도가 뛰어나 물질(예컨대, Ga2O3)과 전기전도도가 뛰어난 물질(예컨대, ITO)을 함께 스퍼터링하여 단일층의 투명 전극을 형성함으로써, 각각의 물질 단독으로 투명 전극을 형성하거나, 각각의 물질은 순차적으로 증착하여 2개의 층으로 투명 전극을 형성하는 경우보다, 자외선 영역에서의 광투과도 및 전기전도도가 모두 뛰어난 투명전극을 형성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 투명 전극을 제조하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 2는 각 스퍼터링건에 인가된 에너지에 따른 투명 전극의 투과도 및 전기전도도 성능을 비교하는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 투명 전극의 광투과도 특성을 설명하는 도면이다.
도 4는 스퍼터링 에너지 변화에 따라서 변화되는 투명 전극의 조성 변화를 도시하는 도면이다.
도 5는 어닐링 온도에 따른 면저항의 변화 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 Ga2O3와 ITO를 각각 별개의 박막으로 형성하여 접촉한 경우와 Ga2O3와 ITO를 함께 스퍼터링하여 단일층으로 형성한 경우의 전류-전압 특성을 각각 도시한 도면이다.
도 7은 Ga2O3와 ITO를 각각 별개의 박막으로 형성하여 접촉한 경우와 Ga2O3와 ITO를 함께 스퍼터링하여 단일층으로 형성한 경우의 투과도 특성을 각각 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 투명 전극을 제조하는 방법을 설명하는 도면이다. 도 1을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 투명전극 형성방법을 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 투명 전극 형성 방법은, 제 2 물질에 비하여 밴드갭 에너지가 더 커서 자외선 영역에서 광투과도가 더 양호한 제 1 물질과, 제 1 물질에 비하여 전기 전도도가 더 양호한 제 2 물질을 모두 포함하도록 투명 전극을 형성함으로써 자외선 영역에서의 양호한 광투과도 특성을 나타내면서도, 양호한 전기전도도 특성을 나타냄으로써 반도체 층과의 오믹 접촉이 가능한 투명 전극을 형성한다.
이를 위해서, 본 발명의 바람직한 실시예는 제 1 물질로서 Ga2O3를 이용하였고, 제 2 물질로는 ITO(Indium Tin Oxide)를 이용하였다. 다만, 자외선 영역에서 광투과도가 양호한 물질이라면, Ga2O3이외에 SiO2, Al2O3, HfO 등의 물질들도 이용될 수 있고, 전기전도도가 양호한 물질이라면 ITO 이외에, ZnO, SnO2, IZO 등의 물질들도 이용될 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예는 투명 전극 형성을 위해서 RF 마그네트론 스퍼터링 방식을 이용하였고, 제 1 물질 및 제 2 물질을 각각 스퍼터링 타겟 물질로 설정하여, 동시에 스퍼터링(Co-Sputtering)을 수행함으로써 투명 전극을 형성하였다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예는 스퍼터 음극에 해당하는 2개의 스퍼터건(100)에 각각 Ga2O3(110)과 ITO(120)를 타겟 물질로서 설치하였다.
그 후, 투명 전극을 형성하고자 하는 기판(200)을 기판 홀더(210)에 배치하고, 스퍼터링 챔버(600)내의 불순물 가스등을 제거한 후, 확산펌프 또는 로터리 펌프 등의 진공 펌프(500)를 이용하여 스퍼터링 챔버(600)를 고진공상태(예컨대, 5ㅧ10-6torr 정도 이하)로 만들어 유지한다.
이어서, 아르곤(Ar) 가스를 질량유량계(mass flow controller; MFC)(410)를 통하여 주입하여 5ㅧ10-3torr 정도의 스퍼터링 챔버내 진공도를 만들고, 히터(미도시됨)를 이용하여 기판을 목표하는 온도(예컨대, 300℃∼600℃ 정도)로 예열한다.
그 후, 음극(스퍼터건)(110,120)에 RF 전원을 이용하여 고주파(radio frequency; RF) 영역의 전기적 에너지(60W∼140W)를 인가하여 아르곤(Ar) 가스를 이온화시켜 플라즈마 상태로 만든다. 이렇게 이온화된 이온들은 스퍼터건(100)에 각각 설치된 ITO 타겟 물질(120) 및 Ga2O3 타겟 물질(110)에 충돌하고, 충돌에 의해서 스퍼터링된 ITO 및 Ga2O3 타겟 물질들은 기판 위에 연속적으로 증착된다. 이렇게, 2개의 타겟 물질을 이용하여 동시에 RF 마그네트론 스퍼터링을 수행함으로써 80nm 두께의 투명 전극을 형성하였다.
본 발명은 복수회의 실험을 거쳐서, Ga2O3가 타겟으로 설정된 스퍼터건에 60W의 전기적 에너지를 인가하고, ITO가 타겟으로 설정된 스퍼터건에 140W의 전기적 에너지를 인가하여 스퍼터링을 수행할 때, 자외선 영역의 광투과도와 전기전도도의 모든 측면에서 가장 양호한 투명 전극을 형성할 수 있음을 확인하였다.
스퍼터건에 인가되는 에너지에 비례하여 투명 전극에 포함되는 물질의 조성이 변화되는데, 예컨대, ITO 타겟을 설정한 스퍼터건의 에너지를 감소시키면 그 만큼 투명 전극에 포함되는 ITO 물질의 성분(예컨대, 인듐 등)이 감소하고, 에너지를 증가시키면 그 만큼 투명 전극에 포함되는 ITO 물질의 성분이 증가한다. Ga2O3 타겟의 경우에도 마찬가지로 스퍼터건에 인가되는 에너지에 비례하여 투명 전극에 포함되는 Ga 의 성분이 변화된다.
따라서, 본 발명은 자외선 영역의 투과도 및 전기전도도 측면에서 최적의 투명 전극을 얻기 위해서 스퍼터건에 인가되는 에너지를 각각 변화시키면서 투명 전극을 형성하였다. 특히, ITO 타켓이 설정된 스퍼터건의 에너지를 40W에서부터 시작하여 20W씩 증가시키고, Ga2O3가 설정된 스퍼터건의 에너지를 160W부터 시작하여 20W씩 감소시키면서 투명전극을 형성하였다. 따라서, 본 발명은 (ITO 타겟, Ga2O3타겟)에 인가되는 에너지 크기를 각각 20W 단위로 변화시켰고, 이에 따라서 각각 (40W, 160W), (60W,140W), (80W, 120W), (100W, 100W), (120W, 80W), (140W, 60W), (160W, 40W), 및 (180W, 20W)으로 설정한 투명 전극들에 대해서 투과도 및 전기전도도(또는 면저항)를 측정함으로써, 최적의 비율을 조사하였다.
도 2는 각 스퍼터링건에 인가된 에너지에 따른 투명 전극의 투과도 및 전기전도도 성능을 비교하는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 전기전도도가 양호한 ITO가 타겟으로 설정된 스퍼터건에 인가되는 에너지가 더 커지면 커질수록, 그리고, 전기전도도가 양호하지 않은 Ga2O3가 타겟으로 설정된 스퍼터건에 인가되는 에너지가 더 작아지면 작아질수록 면저항(즉, 전기전도도)이 감소(증가)함을 알 수 있다.
또한, 도 2를 참조하면, 투과도는 (60W,140W) ~ (100W,100W) 구간에서는 투과도가 양호한 Ga2O3가 타겟으로 설정된 스퍼터링건의 인가 에너지가 감소하고 투과도가 양호하지 않은 ITO가 타겟으로 설정된 스퍼터링건의 인가 에너지가 증가하므로 예상대로 투과도가 감소하다가, (100W,100W)~(140W, 60W) 구간에서 투과도가 증가한 후, (140W, 60W)~(180W, 20W) 구간에서 다시 투과도가 감소하는 특성이 나타났다.
이렇게 일시적으로 (100W,100W)~(140W, 60W) 구간에서 투과도가 증가하는 것은 Burstein-Moss 효과에 의한 것으로 판단된다. 즉, 전기 전도도가 증가함에 따라 Free electron 같은 carrier가 증가하고, 이에 따라서 conduction band에 전자들이 채워지게 되고, 이로 인해 더 높은 위치에서 전자가 valence band로 내려가게 되어 기존 밴드갭보다 더 넓은 밴드갭을 가지게 된다(도 3의 (b) 참조). 따라서, 밴드갭이 일시적으로 더 넓어지는 효과가 나타난다.
그 후, Carrier가 지속적으로 증가하게 되면, 전자의 Scattering 확률이 증가하여 오히려 band gap을 감소된다(도 3의 (c) 참조). 이는 100W/100W일 때 Ga/In의 함량의 합이 크기 때문에 전자의 scattering이 증가한 때문으로 판단된다. 한편, (140W,60W) 이후로는 Ga의 함량이 극소량이기 때문에 일반적인 ITO와 같이 광투과도가 감소하는 특성이 나타남을 알 수 있다.
상기 도 2에 도시된 바와 같이, Ga2O3 타겟에 인가되는 에너지가 감소할수록 면저항이 감소하는 경향을 나타내고, 특히, 140W~ 100W인 구간에서 면저항이 급격하게 감소하고, 100W 이하의 에너지 구간에서는 서서히 감소함을 알 수 있다. 또한, ITO 타겟 및 Ga2O3 타겟에 인가되는 에너지가 (140W,60W)일 때, 면저항이 최소값에 가까우면서도, 면저항이 최소값에 가까운 구간((100W,100W)~(180W,20W))에서 광투과도가 가장 높은 특성(투과도 88.7%)을 나타낸다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예는 이 지점을 ITO 타겟 및 Ga2O3 타겟에 각각 인가되는 최적 에너지 조합으로 설정하여 투명 전극을 형성하였다. 비록, 실험결과 ITO 타겟 및 Ga2O3 타겟에 인가되는 에너지가 (140W,60W)일 때, 광투과도 및 전기전도도 측면에서 가장 양호한 특성이 나타나지만, (120W,80W)~(160W,40W) 구간에서도 종래기술에 비해서 아주 양호한 효과가 나타남을 알 수 있을 것이다. 따라서, 제 1 물질(예컨대, Ga2O3 타겟)의 스퍼터링 파워에 대한 상기 제 2 물질(예컨대, ITO)의 스퍼터링 파워의 비율은 1.5 내지 4.0 인 것이 바람직함을 알 수 있다.
도 4는 스퍼터링 에너지 변화에 따라서 변화되는 투명 전극의 조성 변화를 도시하는 도면이다. 도 4를 참조하면, ITO 타겟에 인가되는 에너지가 높아질수록 인듐 및 주석의 성분 비율이 높아지고, Ga2O3에 인가되는 에너지가 감소할수록 Ga의 성분비가 낮아짐을 알 수 있다.
한편, 상술한 과정을 통해서 기판에 투명 전극이 형성되면, 350도 내지 550도의 범위에서 어닐링을 수행함으로써 투명 전극을 완성한다.
도 5는 어닐링 온도에 따른 면저항의 변화 특성을 나타내는 그래프이다. 도 5에는, 투명 전극 형성 과정에서 기판에 인가되는 온도를 서로 다르게 설정하였을 때, 어닐링 온도에 따른 면저항 변화를 도시하였다.
도 5를 참조하면, 먼저, 스퍼터링 과정에서 기판에 인가되는 온도가 높을수록 면저항이 감소하는 것을 알 수 있다. 다만, 스퍼터링 온도가 600도를 넘어서 700도에 이르게 되면 반도체 기판에 변형이 발생하여 700도 이상에서는, 반도체 기판에 스퍼터링을 수행하여 투명 전극을 형성하는 것이 실질적으로 어려우므로, 일반적으로 스퍼터링 공정이 수행되는 500도 내지 700도 미만의 온도에서 스퍼터링이 수행되는 것이 바람직하고, 가장 바람직하게는 600도의 온도에서 스퍼터링이 수행되는 것이 바람직하다.
또한, 각 온도에서 형성된 투명 전극에 대해서 서로 다른 온도에서 어닐링을 수행한 결과, 어닐링을 수행하지 않았을 때와 350도 미만의 온도에서 어닐링을 수행한 경우에는 거의 면저항에 변화가 발견되지 않았으며, 도 5에 도시된 바와 같이, 어닐링 온도를 증가시키면 350도에서 450도 구간에서 면저항이 감소하기 시작하여 450도일 때 면저항이 최소가 되고, 어닐링 온도를 더 증가시킬수록 면저항이 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 350도 내지 550도의 온도에서 어닐링을 수행하며, 바람직하게는 450도의 온도에서 어닐링을 수행하였다.
아래의 표 1은 N2 분위기에서, 각각의 온도에서 어닐링을 수행하였을 때의 면저항을 측정한 결과를 기재하였다.
표 1
Figure PCTKR2013006802-appb-T000001
상기 표에서도 알 수 있는 바와 같이, 높은 온도에서 스퍼터링이 수행된 경우에 면저항이 더 작고, 어닐링을 수행하지 않았을 때보다 350도 및 450도에서 어닐링을 수행하였을 때, 면저항이 더 작아지며, 450도에서 어닐링을 수행하였을 때 면저항이 최소임을 알 수 있다.
도 6은 Ga2O3와 ITO를 각각 별개의 박막으로 형성하여 접촉한 경우와 Ga2O3와 ITO를 함께 스퍼터링하여 단일층으로 형성한 경우의 전류-전압 특성을 각각 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, Ga2O3와 ITO를 차례로 스퍼터링하여 2개의 박막을 접촉시킨 경우(bi-layer)에는 전압 변화에 따른 전류 변화가 거의 발생하지 않아 오믹 접촉 특성이 나타나지 않음을 알 수 있다. 그러나, Ga2O3와 ITO를 함께 스퍼터링하여(Co-sputtering) 단일층으로 bi-layer와 동일한 두께로 형성한 경우에는 양호한 오믹 접촉 특성이 나타남을 알 수 있다.
또한, 동일한 1V 의 전압을 인가하였을 때, Bi-layer구조에서는 4×0-9mA의 매우 적은 전류만이 흐르는 반면에, 본 발명에 따라서 ITO와 Ga2O3가 함께 스퍼터링된 경우에는 1×10-3mA의 상대적으로 매우 큰 전류가 흐르는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 Ga2O3와 ITO를 각각 별개의 박막으로 형성하여 접촉한 경우(bi-layer)와 Ga2O3와 ITO를 함께 스퍼터링하여(Co-sputtering) 단일층으로 형성한 경우의 투과도 특성을 각각 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, Near UV (365 nm) 영역에서는 Bi-layer구조의 경우에는 80.3%의 투과도를 나타내고, 본 발명에 따라서 ITO와 Ga2O3가 함께 스퍼터링된 경우에는 88.7%로 더 높은 투과도를 나타내는 것을 알 수 있다.
도 6 및 도 7에 나타난 바와 같이, 자외선 영역에서 광투과도가 양호한 제 1 물질(Ga2O3)과 제 1 물질에 비해서 자외선 영역에서의 광투과도는 낮으나 전기전도도가 양호한 제 2 물질(ITO)을 함께 스퍼터링하여 단일층으로 형성한 경우, 양호한 전기전도도와 높은 광투과도 특성을 모두 나타내는 투명 전극을 형성할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 제 1 물질 및 제 2 물질을 함께 이용하여 기판위에 투명 전극을 형성하는 방법으로서, 상기 제 1 물질은 상기 제 2 물질보다 밴드갭 에너지가 더 크고, 상기 제 2 물질은 상기 제 1 물질보다 전기전도도가 더 높은 것을 특징으로 하는 투명 전극 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 물질 및 상기 제 2 물질을 각각 타겟 물질로 설정하여, 동시에 스퍼터링을 수행함으로써 상기 기판위에 투명 전극을 형성하는 것을 특징으로 하는 투명 전극 형성 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 물질은 산화갈륨(Ga2O3), SiO2, Al2O3, HfO 중 어느 하나이고, 상기 제 2 물질은 ITO(Indium Tin Oxide), ZnO, SnO2, IZO 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 투명 전극 형성 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 물질 및 상기 제 2 물질에 대해서 각각 RF 마그네트론 스퍼터링을 동시에 수행하고,
    상기 제 1 물질의 스퍼터링 파워에 대한 상기 제 2 물질의 스퍼터링 파워의 비율은 1.5 내지 4.0 인 것을 특징으로 하는 투명 전극 형성 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 물질 및 상기 제 2 물질을 타겟으로 설정하여 스퍼터링을 수행하여 투명 전극층이 형성된 후, 350도 내지 550도의 범위에서 열처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 투명 전극 형성 방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 기판의 온도는 500도 내지 700도로 가열되어 스퍼터링이 수행되는 것을 특징으로 하는 투명 전극 형성 방법.
  7. 반도체 기판위에 투명 전극이 형성된 반도체 소자로서,
    상기 투명 전극은
    제 1 물질보다 밴드갭 에너지가 더 큰 제 2 물질, 및 상기 제 2 물질보다 전기전도도가 더 높은 상기 제 1 물질이 동시에 스퍼터링되어 단일층으로 형성된 것을 특징으로 하는 투명 전극.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 물질은 산화갈륨(Ga2O3), SiO2, Al2O3, HfO 중 어느 하나이고, 상기 제 2 물질은 ITO(Indium Tin Oxide), ZnO, SnO2, IZO 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 투명 전극.
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