WO2017014441A1 - 전도성 필라멘트가 형성된 투명 전극을 포함하는 반도체 장치 및 이의 제조 방법 - Google Patents

전도성 필라멘트가 형성된 투명 전극을 포함하는 반도체 장치 및 이의 제조 방법 Download PDF

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metal mesh
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forming
network
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김태근
이병룡
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    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B5/00—Non-insulated conductors or conductive bodies characterised by their form
    • H01B5/14—Non-insulated conductors or conductive bodies characterised by their form comprising conductive layers or films on insulating-supports
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D64/00—Electrodes of devices having potential barriers
    • H10D64/01—Manufacture or treatment
    • H10D64/011—Manufacture or treatment of electrodes ohmically coupled to a semiconductor

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor device including a transparent electrode formed with a conductive filament and a method of manufacturing the same.
  • the method is to increase the current injection efficiency to lower the driving voltage, and to increase the contact area of the electrode or to use a transparent conduction electrode (TCE) for uniform current distribution and injection, or to extract and absorb light. To make a nano pattern on the surface is widely used.
  • TCE transparent conduction electrode
  • Transparent electrodes are the core materials of the IT industry that require the transmission of light and the injection / extraction of current at the same time. Indium tin oxide (ITO) and indium zinc oxide (IZO) are mainly used. In the case of ITO electrodes, the mechanical properties of Flexibliliy are weak, and the use of rare earth metals is a problem. A transparent electrode based on polymer transparent electrode, CNT, Graphene, silver nanowire, etc. is proposed to replace this. However, due to the absorption of light in the TCE layer, there is a difficulty in light absorption of the light receiving element or light extraction of the light emitting element.
  • materials with high transmittance that can be used in the ultraviolet region have a wide band-gap, they are very low in conductivity to be used as electrodes and cannot be used as electrodes because they do not have ohmic contact with semiconductor materials. Do. With the current technology, it is not possible to implement a transparent electrode that exhibits high transmittance not only in the visible region but also in the ultraviolet region, and exhibits high electrical conductivity due to ohmic contact. Therefore, in order to implement a transparent electrode that can be applied from the visible region to the UV region, it is essential to develop a transparent electrode having high transmittance and capable of forming ohmic contact with the light emitting device.
  • the resistance change material may be used as a transparent electrode of a light receiving and light emitting device by using the characteristics of the resistance change material.
  • the conductivity of the device when the conductivity of the device is low, it is difficult to form a conductive filament because the electric field is not effectively transmitted.
  • it causes a large damage to the device causes a problem that the device is destroyed. Therefore, there is a need for a method of forming a conductive filament that can be applied to a device composed of a material having low conductivity.
  • a semiconductor device including a transparent electrode in which a conductive filament is uniformly formed inside a transparent electrode formed of a non-conductive resistance change material without causing damage to a device, thereby changing the resistance state to a low resistance state. It is to provide a method for producing the same.
  • a method of manufacturing a semiconductor device including a transparent electrode having a conductive filament including: (a) forming a semiconductor layer on a substrate; (b) forming a metal mesh on the semiconductor layer; (c) forming a transparent electrode on the metal mesh and the semiconductor layer by using a resistance change material, and forming a transparent electrode to expose a portion of the metal mesh to the outside; And (d) contacting each of the electrodes of the voltage applying device with the transparent electrode and the metal mesh exposed to the outside, and applying a voltage above a threshold voltage inherent to the resistance change material to form conductive filaments inside the transparent electrode. It includes.
  • the step (b) may include (b1) a nano-sized material having a length longer than the width on the semiconductor layer. Forming a network in which (nanomaterials) are interconnected; (b2) forming a patterned layer over the semiconductor layer so that a portion of the network is submerged; (b3) removing the network to form a pattern corresponding to the network on the pattern layer; (b4) depositing metal on the semiconductor layer to form a metal mesh corresponding to the pattern; And (b5) removing the pattern layer to leave only the metal mesh on the substrate.
  • the step (b1) may form a network by spraying or dipping. have.
  • the step (b3) may be performed by O 2 plasma.
  • the CNTs can be removed.
  • the semiconductor device for solving the above problems, the substrate; A semiconductor layer formed on the substrate; A metal mesh formed on the semiconductor layer; And a transparent electrode formed of a resistance change material on the semiconductor layer and the metal mesh so that some areas of the metal mesh are exposed to the outside, and a conductive filament is formed inside the transparent electrode.
  • the electrode of the voltage applying device is respectively in contact with the transparent electrode and the metal mesh exposed to the outside, by applying a voltage higher than the threshold voltage unique to the resistance change material
  • a conductive filament may be formed inside the transparent electrode.
  • a metal mesh formed of a nano unit metal is formed in a boundary region between a semiconductor layer having low conductivity and a transparent electrode formed of a resistance change material, so that an electric field applied to the transparent electrode as an insulator changes resistance more efficiently through the metal mesh.
  • the nano metal mesh formed under the transparent electrode performs a function of diffusing the current flowing through the transparent electrode to the entire semiconductor layer, thereby improving current injection efficiency of the semiconductor device.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a structure of a semiconductor device including a transparent electrode having conductive filaments formed in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view for explaining a method of manufacturing a semiconductor device including a transparent electrode having a conductive filament formed in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
  • 3A to 3D illustrate a method of forming a nanoscale metal mesh on a semiconductor layer in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing the structure of the CNT which is an example of the nanomaterial used to form the metal mesh in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of further forming a metal layer on a pattern layer.
  • FIG. 1 is a view illustrating a structure of a semiconductor device including a transparent electrode having a conductive filament formed in accordance with a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 2 includes a transparent electrode having a conductive filament formed in accordance with a preferred embodiment of the present invention. It is a figure explaining the manufacturing method of a semiconductor device.
  • the manufacturing method of the present invention (a) to form a semiconductor layer 200 on the substrate 100, (b) on the semiconductor layer 200 The metal mesh 300 is formed.
  • the transparent electrode 400 is formed on the metal mesh 300 and the semiconductor layer 200 by using a resistance change material.
  • the transparent electrode 400 is formed so that a portion of the metal mesh 300 is exposed to the outside.
  • the transparent electrode 400 may be formed by depositing a resistance change material in the remaining region except for the region where the metal mesh 300 is to be exposed, or the transparent electrode in the entire area of the semiconductor layer 200 and the metal mesh 300. After the formation of the 400, the transparent electrode 400 in the region where the metal mesh 300 is to be exposed may be removed.
  • the electrode of the voltage applying device 1000 is brought into contact with the transparent electrode 400 and the metal mesh 300 exposed to the outside, and a voltage greater than or equal to a threshold voltage unique to the resistance change material is applied to the transparent electrode ( 400 to form a conductive filament 410 inside.
  • a voltage greater than or equal to a threshold voltage unique to the resistance change material is applied to the transparent electrode ( 400 to form a conductive filament 410 inside.
  • one electrode of the voltage applying device 1000 contacts the exposed metal mesh 300, and the other electrode contacts the surface of the transparent electrode 400, and then applies a voltage to the transparent electrode 400.
  • the electric field can be applied uniformly to the entire region.
  • the substrate 100 is a substrate 100 (for example, a sapphire substrate, which is generally used when forming a semiconductor light emitting device or a light receiving device). Silicon substrates, etc.) may be used.
  • a substrate 100 for example, a sapphire substrate, which is generally used when forming a semiconductor light emitting device or a light receiving device. Silicon substrates, etc. may be used.
  • the semiconductor layer 200 formed on the substrate 100 collectively refers to all of the semiconductor layers sequentially stacked to form a light emitting device or a light receiving device.
  • the semiconductor layer 200 may include an n-AlGaN layer, an active layer, and a p. -AlGaN layer may be a light emitting structure formed sequentially.
  • the characteristics of the present invention are not in the formation of the semiconductor layer 200, but in the configuration of forming the nano-metal mesh 300 thereon and forming the transparent electrode 400 thereon, which is limited to the semiconductor layer formation method. Therefore, a detailed description of the formation process of the semiconductor layer 200 is omitted.
  • the metal mesh 300 formed on the semiconductor layer 200 may be formed by applying a general metal mesh forming method. That is, the metal mesh 300 may be formed by placing and depositing a mask on the semiconductor layer 200, and in order to form the nanoscale metal mesh 300 having a smaller line width with reference to FIGS. 3A to 5.
  • the metal mesh 300 may be formed according to a method described later.
  • the transparent electrode 400 is formed by depositing a resistive change material thereon.
  • the resistance change material has a transparent material, and the conductive filament 410 is formed therein by an applied electric field, so that the resistance state can be changed from the high resistance state, which is the original resistance state, to the low resistance state. .
  • Such materials include transparent conductive oxide materials (SiO 2 , Ga 2 O 3 , Al 2 O 3 , ZnO, ITO, etc.), transparent conductive Nitride materials (Si 3 N 4 , AlN, GaN, InN, etc.), Transparent conductive polymer-based materials (polyaniline (PANI), poly (ethylenedioxythiophene) -polystyrene sulfonate (PEDOT: PSS), etc.), and transparent conductive nanomaterials (CNT, CNT-oxide, Graphene, Graphene-oxide, etc.) Can be.
  • transparent conductive oxide materials SiO 2 , Ga 2 O 3 , Al 2 O 3 , ZnO, ITO, etc.
  • transparent conductive Nitride materials Si 3 N 4 , AlN, GaN, InN, etc.
  • Transparent conductive polymer-based materials polyaniline (PANI), poly (ethylenedioxythiophene) -polystyrene sul
  • the transparent electrode 400 is formed of a resistance change material of a transparent material having a band gap larger than ITO among the resistance change materials, and thus exhibits high transmittance not only for light in the visible region but also for light in the ultraviolet region.
  • the transparent electrode 400 is applied with a voltage higher than a threshold voltage inherent to the material, an electric field is applied therein, and a conductive filament 410 is formed therein by the applied electric field so that the resistance state is a high resistance state. The state changed from low resistance to.
  • the transparent electrode 400 not only exhibits high light transmittance up to the ultraviolet region, but also high electrical conductivity through the conductive filament 410.
  • the transparent electrode 400 formed on the semiconductor layer 200 and the metal mesh 300 in step (c) of FIG. 2 is formed so that a part of the metal mesh 300 is exposed to the outside.
  • one electrode of the voltage applying device 1000 contacts the metal mesh 300 on the semiconductor layer 200 exposed to the outside, and the other electrode is a transparent electrode. After contacting the 400 surface, a voltage above a threshold voltage inherent to the resistive change material is applied. Then, since the entire area of the metal mesh 300 formed on the entire area of the semiconductor layer 200 is connected to one electrode of the voltage applying device 1000, an electric field is uniformly applied to the entire area of the transparent electrode 400. Therefore, the conductive filament 410 is uniformly formed on the entire transparent electrode 400.
  • 3A to 3D illustrate a method of forming a nanoscale metal mesh on a semiconductor layer in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
  • FIGS. 3A to 3D an example of a method for forming a nanoscale metal mesh according to an exemplary embodiment of the present invention will be described.
  • a semiconductor layer 200 on which a metal mesh is to be formed is described.
  • the nanomaterial applied to the present invention is defined as a material having a length longer than the diameter as a nano-sized material
  • a representative example is a carbon nanotube (CNT)
  • Au, Ag, Cu, Si, GaN , Nanowires such as ZnO, SiO 2 , TiO 2 , and nanorods may be applied.
  • the line width of the metal mesh 300 formed on the semiconductor layer 200 is determined according to the width of the nano wire and the nano bar, the width and the material of the nano wire and the nano bar are not only the line width of the desired metal mesh 300, It selects in consideration of the process mentioned later. In a preferred embodiment of the present invention to be described later to form a metal mesh 300 using the CNT.
  • the nanomaterials are arranged on the semiconductor layer 200 in a state in which they are connected to each other, and the network 310 is defined.
  • the nanomaterials are mixed in such a manner as to form the network 310.
  • a dipping method of dipping and drying the substrate 100 having the semiconductor layer 200 formed therein into a solution or a spray method of spraying and drying a solution mixed with nanomaterials onto the semiconductor layer 200 may be used.
  • the network 310 made of nanomaterials can be formed on the semiconductor layer 200, there is no limitation.
  • the pattern layer 320 is formed on the semiconductor layer 200.
  • the pattern layer 320 is for transferring the shape of the network 310 formed of nanomaterials, and as illustrated in FIG. 3B, only a portion of the nanomaterials forming the network 310 is locked, rather than the width of the nanomaterial.
  • the pattern layer 320 is formed by depositing a pattern layer forming material on the semiconductor layer 200 at a low thickness.
  • a network 310 is formed of CNTs, and an oxide compound such as SiO 2 or Ga 2 O 3 is deposited thereon to form a pattern layer 320.
  • the thickness of the pattern layer 320 should be adjusted according to the width of the nanomaterial forming the network 310.
  • the diameters of the CNTs forming the network 310 may vary from 1 nm to 25 nm, as well as the CNTs of the single wall structure shown in A of FIG. 4, as well as the Multi- shown in B of FIG. 4. CNTs with a wall structure are also applicable.
  • the pattern layer 320 is formed to have a thickness of about 50% to 80% of the CNT width in consideration of the width of the CNT.
  • the material forming the pattern layer 320 is not limited to an oxide-based compound as long as it can selectively remove nanomaterials inside the pattern layer 320 in a process to be described later.
  • the pattern may be formed using a material other than the oxide compound in consideration of a process of removing the nanomaterial network 310 thereafter. It is desirable to form layer 320.
  • the network 310 formed in the pattern layer 320 is removed to form the same pattern 340 as the shape of the network 310 in the pattern layer 320.
  • various methods may be applied depending on the nanomaterial forming the network 310.
  • an O 2 plasma treatment or 400 degrees is performed.
  • the CNT was removed by sublimation with carbon dioxide by applying an oxygen heat treatment method at the above temperature.
  • the network 310 when the network 310 is formed of a nanomaterial other than the above-described CNT, the network 310 formed of the nanomaterial may be removed using an etching solution corresponding to each nanomaterial as shown in Table 1 below. .
  • Nano wire / nano rod Etching solution Ni H 3 PO 4 : HNO 3 : CH 3 COOH: H 2 O) (3: 3: 1: 1 ratio) Au AquaRegia ((HCl: HNO 3 ) (3: 1 ratio)) Ag (NH 4 OH: H 2 O 2 : CH 3 OH) (1: 1: 4 ratio) Cu (300g Sodiumpersulfate: 1000ml H 2 O) Si (HF: HNO 3 : H 2 O) (1: 3: 5 ratio) GaN (Acid / H 2 O 2 or KOH) ZnO (HCl or H 3 PO 4 or NH 4 Cl) SiO 2 (HF) TiO 2 (H 3 PO 4 -H 2 O 2 )
  • the metal to form the metal mesh 300 on the pattern layer 320 is formed.
  • the metal mesh 300 is formed on the semiconductor layer 200 by filling the voids (ie, the metal mesh pattern) of the network 310 from which the nanomaterials are removed, and the pattern layer is formed from the semiconductor layer 200. By removing the 320, the metal mesh 300 is finally formed on the semiconductor layer 200.
  • the pattern layer 320 is removed by performing wet etching with a solution corresponding to the type of material forming the pattern layer 320.
  • the pattern layer 320 is formed by using a BOE (Buffered Oxide Etch) method. Was removed.
  • CNT is applied by O 2 plasma treatment or oxygen heat treatment at a temperature of 400 degrees or more. Was removed by sublimation with carbon dioxide.
  • a metal having a higher reduction potential than CNT such as Au Pt Ag Cu, is deposited on the pattern layer, so that the CNT is more smoothly oxidized during the heat treatment.
  • a pattern layer is formed to a thickness of about 50% to 60% of the width of the CNT, and a reduction potential is higher than that of CNT, such as Au, Pt, Ag, and Cu, up to about 80% of the width of the CNT.
  • CNT such as Au, Pt, Ag, and Cu
  • the metals such as Au, Pt, Ag, and Cu deposited on the CNT fall into the pattern formed on the pattern layer, and when the metal is deposited on the pattern layer to form the metal mesh, the inside of the pattern Metals such as Au, Pt, Ag, and Cu in the metal mesh 300 is formed together with the deposited metal, so that a separate removal process is not required, and thus it is easy to apply to an existing process.

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Abstract

본 발명은 전도성 필라멘트가 형성된 투명 전극을 포함하는 반도체 장치 및 이의 제조 방법을 공개한다. 본 발명은 전도성이 낮은 반도체층과 저항 변화 물질로 형성된 투명 전극의 경계 영역에 나노 단위의 금속으로 형성된 메탈 메쉬를 형성함으로써, 절연체인 투명 전극에 인가된 전계가 메탈 메쉬를 통해서 보다 효율적으로 저항 변화 물질 전체 영역으로 퍼지도록 함으로써, 보다 낮은 전압으로 균일한 밀도의 전도성 필라멘트를 형성할 수 있다. 또한, 투명 전극 아래에 형성된 나노 메탈 메쉬는 투명 전극을 통해서 유입된 전류를 반도체층 전체로 확산시키는 기능을 수행함으로써, 반도체 장치의 전류 주입 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

전도성 필라멘트가 형성된 투명 전극을 포함하는 반도체 장치 및 이의 제조 방법
본 발명은 전도성 필라멘트가 형성된 투명 전극을 포함하는 반도체 장치 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
1907년 CaO물질이 투명전극으로 제안된 이후 Display 사업이 태동하기까지 투명전극에 대한 관심은 그리 크지 않았다. 그러나 LED, 태양전지, LCD, OLED, 투명 Display, 터치패널 등의 수광 및 발광소자 사업이 성장하면서 다양한 투명전극이 많은 관심을 받고 있다.
수광 및 발광소자의 구조설계, 소자 제작기술은 소자의 성능 향상에 있어서 매우 중요한 역할을 한다. 그 방법으로는 전류 주입효율을 높여 구동전압을 낮추는 방법이 있고, 균일한 전류 분산 및 주입을 위해서 전극의 접촉 면적을 넓히거나 투명전극(transparent conduction electrode; TCE)을 사용하거나, 광추출 및 흡수를 위해 표면에 나노패턴을 만드는 방법이 널리 사용되고 있다.
그 중에서 수광 및 발광소자의 효율을 향상시키기 위한 노력으로 TCE의 연구는 가장 중요한 부분을 차지하고 있다. 투명전극은 빛의 투과와 전류의 주입/추출을 동시에 필요로하는 IT산업의 핵심 재료로 주로 ITO(Indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide)가 사용되고 있다. ITO전극의 경우 Flexibliliy에 대한 기계적 특성이 약하고, 희토류금속의 사용으로 문제가 되고 있다. 이를 대체 할 수 있는 고분자 투명전극, CNT, Graphene, 은나노와이어 등 기반의 투명전극이 제안되고 있다. 그러나 TCE층의 빛의 흡수에 의해 수광소자의 광흡수나 발광소자의 광추출에 어려움이 있다. 또한 광학적 특성을 높이기 위해 열처리를 진행함에 따라 전기적 특성이 감소하며, 기판과 컨택된 전극의 bonding에 데미지를 주는 단점이 있다. 효율향상을 위해서는 오믹접촉을 통해 동작전압을 낮추어주거나 생성된 빛을 잘 투과시켜 효율을 높여줄 수 있다. 현재 일반적으로 적용되는 투명전극은 투과도와 전기 전도도 사이의 Trade-off 관계를 갖는다. 또한 자외선 영역으로 갈수록 투과도가 낮아지는 특성을 갖는다.
자외선 영역에서 이용될 수 있을 만큼 높은 투과도를 가지는 물질은 큰 밴드갭(wide band-gap)을 가지므로, 전극으로 이용되기에는 전도성이 매우 낮고 반도체 물질과 Ohmic contact 이 이루어지지 않아 전극으로 이용하는 것이 불가능하다. 현재의 기술로는 가시광 영역뿐만 아니라 자외선 영역에서도 높은 투과도를 나타내면서도, Ohmic contact 이 이루어져 높은 전기전도도를 나타내는 투명 전극을 구현할 수 없다. 따라서, 가시광 영역부터 UV 영역까지 적용될 수 있는 투명전극을 구현하기 위해서는, 높은 투과도를 지니는 동시에 발광소자와 오믹 접촉 형성이 가능한 투명전극 개발이 필수적이다.
현재 고저항 물질에 전계를 인가하여 내부에 전도성 필라멘트를 형성하여 고저항 상태에서 저저항 상태로 변화되는 특성을 가지는 큰 밴드갭 물질을 투명 전극으로 이용하고자 하는 연구가 진행되어지고 있다. 대표적인 예로는 본 출원인이 출원한 한국특허 제 10-1321353 호가 있다.
이러한 저항 변화 물질의 특성을 이용하여 저항변화 물질을 수광 및 발광소자의 투명전극으로 사용할 수 있다. 그러나 소자에 적용 시 소자의 전도도가 낮을 경우 효과적으로 전계가 전달되지 않아 전도성 필라멘트를 형성하기 어렵다. 또한 형성하더라도 소자에 큰 데미지를 주어 소자가 파괴되는 문제가 발생한다. 따라서 전도도가 낮은 물질로 구성된 소자에도 적용이 가능한 전도성 필라멘트 형성하는 방법이 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 소자에 데미지를 주지 않으면서도 비도전성 저항 변화 물질로 형성된 투명 전극 내부에 균일하게 전도성 필라멘트를 형성하여 저항 상태를 저저항 상태로 변화시킨 투명 전극을 포함하는 반도체 장치 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전도성 필라멘트가 형성된 투명 전극을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법은, (a) 기판위에 반도체층을 형성하는 단계; (b) 상기 반도체층 위에 메탈 메쉬를 형성하는 단계; (c) 상기 메탈 메쉬 및 상기 반도체층 위에 저항 변화 물질을 이용하여 투명 전극을 형성하되, 상기 메탈 메쉬의 일부 영역이 외부에 노출되도록 투명 전극을 형성하는 단계; 및 (d) 상기 투명 전극과 외부로 노출된 상기 메탈 메쉬 위에 전압 인가 장치의 전극을 각각 접촉시키고, 저항 변화 물질에 고유한 임계 전압 이상의 전압을 인가하여 상기 투명 전극 내부에 전도성 필라멘트를 형성하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 전도성 필라멘트가 형성된 투명 전극을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법에서 상기 (b) 단계는, (b1) 상기 반도체층 위에 폭보다 길이가 더 긴 나노 사이즈의 물질(나노 물질)이 상호 연결된 네트워크를 형성하는 단계; (b2) 상기 네트워크의 일부가 잠기도록 상기 반도체층 위에 패턴층을 형성하는 단계; (b3) 상기 네트워크를 제거하여 상기 패턴층위에 네트워크에 대응되는 패턴을 형성하는 단계; (b4) 상기 반도체층 위에 메탈을 증착하여 상기 패턴에 대응되는 메탈 메쉬를 형성하는 단계; 및 (b5) 상기 패턴층을 제거하여 상기 기판위에 상기 메탈 메쉬만을 잔존시키는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 전도성 필라멘트가 형성된 투명 전극을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법에서, 상기 (b1) 단계는 스프레이(spray) 방식 또는 디핑(dipping) 방식으로 네트워크를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 전도성 필라멘트가 형성된 투명 전극을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법에서, 상기 나노 물질이 CNT(Carbon Nano Tube)인 경우에, 상기 (b3) 단계는 O2 플라즈마 처리방식 또는 산소 열처리 방식을 적용하여, CNT를 제거할 수 있다.
한편, 상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 장치는, 기판; 상기 기판위에 형성된 반도체층; 상기 반도체층 위에 형성된 메탈 메쉬; 및 상기 메탈 메쉬의 일부 영영이 외부에 노출되도록 상기 반도체층 및 상기 메탈 메쉬 위에 저항 변화 물질로 형성된 투명 전극을 포함하고, 상기 투명 전극 내부에는 전도성 필라멘트가 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 반도체 장치는, 상기 투명 전극과 외부로 노출된 상기 메탈 메쉬 위에 전압 인가 장치의 전극을 각각 접촉시키고, 저항 변화 물질에 고유한 임계 전압 이상의 전압을 인가하여 상기 투명 전극 내부에 전도성 필라멘트를 형성할 수 있다.
본 발명은 전도성이 낮은 반도체층과 저항 변화 물질로 형성된 투명 전극의 경계 영역에 나노 단위의 금속으로 형성된 메탈 메쉬를 형성함으로써, 절연체인 투명 전극에 인가된 전계가 메탈 메쉬를 통해서 보다 효율적으로 저항 변화 물질 전체 영역으로 퍼지도록 함으로써, 보다 낮은 전압으로 균일한 밀도의 전도성 필라멘트를 형성할 수 있다.
또한, 투명 전극 아래에 형성된 나노 메탈 메쉬는 투명 전극을 통해서 유입된 전류를 반도체층 전체로 확산시키는 기능을 수행함으로써, 반도체 장치의 전류 주입 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 전도성 필라멘트가 형성된 투명 전극을 포함하는 반도체 장치의 구조를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전도성 필라멘트가 형성된 투명 전극을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법을 설명하는 도면이다.
도 3a 내지 도 3d 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 나노 스케일의 메탈 메쉬를 반도체층 위에 형성하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 메탈 메쉬 형성에 이용되는 나노 물질의 일 예인 CNT의 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 패턴층 위에 추가로 금속층을 형성하는 일 예를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 전도성 필라멘트가 형성된 투명 전극을 포함하는 반도체 장치의 구조를 도시하는 도면이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전도성 필라멘트가 형성된 투명 전극을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법을 설명하는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 장치의 구조 및 이의 제조 방법에 대해서 설명한다.
먼저, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 장치를 제조하기 위해서, 본 발명의 제조 방법은, (a) 기판(100)위에 반도체층(200)을 형성하고, (b) 반도체층(200) 위에 메탈 메쉬(300)를 형성한다.
그 후, (c) 메탈 메쉬(300) 및 반도체층(200) 위에 저항 변화 물질을 이용하여 투명 전극(400)을 형성한다. 이 때, 투명 전극(400)은 메탈 메쉬(300)의 일부 영역이 외부에 노출되도록 형성된다. 이 경우, 메탈 메쉬(300)가 노출될 영역을 제외한 나머지 영역에 저항 변화 물질을 증착하여 투명 전극(400)을 형성할 수도 있고, 반도체층(200) 및 메탈 메쉬(300) 전체 면적에 투명 전극(400)을 형성한 후, 메탈 메쉬(300)를 노출시킬 영역의 투명 전극(400)을 제거할 수도 있다.
그 후, (d) 투명 전극(400)과 외부로 노출된 메탈 메쉬(300) 위에 전압 인가 장치(1000)의 전극을 접촉시키고, 저항 변화 물질에 고유한 임계 전압 이상의 전압을 인가하여 투명 전극(400) 내부에 전도성 필라멘트(410)를 형성한다. 이 때, 전압 인가 장치(1000)의 하나의 전극은 노출된 메탈 메쉬(300)에 접촉하고, 다른 하나의 전극은 투명 전극(400) 표면에 접촉한 후, 전압을 인가함으로써 투명 전극(400) 전체 영역에 균일하게 전계를 인가할 수 있게 된다.
상술한 과정을 보다 구체적으로 설명하면, 먼저, 도 2의 (a) 단계에서, 기판(100)은 반도체 발광 소자 또는 수광 소자를 형성할 때 일반적으로 이용되는 기판(100)(예컨대, 사파이어 기판, 실리콘 기판 등)이 이용될 수 있다.
기판(100) 위에 형성되는 반도체층(200)은 발광 소자 또는 수광 소자를 형성하기 위해서 순차적으로 적층된 반도체층들을 모두 통칭하는 것으로서, 예컨대, 반도체층(200)은 n-AlGaN 층, 활성층, p-AlGaN 층이 순차적으로 형성된 발광 구조물일 수 있다. 본 발명의 특징은 반도체층(200)의 형성에 있는 것이 아니라, 그 위에 나노 메탈 메쉬(300)를 형성하고, 그 위에 투명 전극(400)을 형성하는 구성에 있는 것으로서, 반도체층 형성 방식에 제한이 없으므로, 반도체층(200)의 형성 과정에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
한편, 도 2의 (b) 단계에서, 반도체층(200) 위에 형성되는 메탈 메쉬(300)는 일반적인 메탈 메쉬 형성 방법을 적용하여 형성될 수 있다. 즉, 반도체층(200)위에 마스크를 배치하고 증착하여 메탈 메쉬(300)를 형성할 수 있고, 이 보다 선폭이 작은 나노 스케일의 메탈 메쉬(300)를 형성하기 위해서는 도 3a 내지 도 5를 참조하여 후술하는 방식에 따라서 메탈 메쉬(300)를 형성할 수도 있다.
한편, 도 2의 (c) 단계에서, 반도체층(200) 위에 메탈 메쉬(300)가 형성된 후, 그 위에 저항 변화 물질을 증착하여 투명 전극(400)을 형성한다. 이 때, 저항 변화 물질은 투명한 재질을 갖으며, 인가되는 전계에 의해서 내부에 전도성 필라멘트(410)가 형성됨으로써 원래의 저항 상태인 고저항 상태에서 저저항 상태로 저항 상태가 변화될 수 있는 물질이다. 이러한 물질로는 투명한 전도성 Oxide 계열의 물질(SiO2, Ga2O3, Al2O3, ZnO, ITO 등), 투명한 전도성 Nitride 계열의 물질(Si3N4, AlN, GaN, InN 등), 투명한 전도성 폴리머 계열의 물질(polyaniline (PANI), poly(ethylenedioxythiophene)-polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) 등), 및 투명한 전도성 나노 물질(CNT, CNT-oxide, Graphene, Graphene-oxide 등) 등을 이용될 수 있다.
이러한 투명 전극(400)은 저항 변화 물질 중에서, 밴드 갭이 ITO보다 큰 투명한 재질의 저항 변화 물질로 형성됨으로써, 가시광 영역의 빛 뿐만 아니라, 자외선 영역의 빛에 대해서도 높은 투과도를 나타낸다. 또한, 투명 전극(400)은 물질에 고유한 임계 전압 이상의 전압이 인가되어, 그 내부에 전계가 인가되고, 인가된 전계에 의해서 그 내부에 전도성 필라멘트(410)가 형성되어 저항 상태가 고저항 상태에서 저저항 상태로 변화된 상태이다. 따라서, 투명 전극(400)은 자외선 영역까지 높는 광 투과도를 나타낼 뿐만 아니라, 전도성 필라멘트(410)를 통한 높은 전기 전도도를 나타낸다.
또한, 도 2의 (c) 단계에서 반도체층(200) 및 메탈 메쉬(300) 위에 형성되는 투명 전극(400)은, 메탈 메쉬(300)의 일부가 외부로 노출되도록 형성된다. 이를 위해서는 상술한 바와 같이, 메탈 메쉬(300)가 노출될 영역을 제외한 나머지 영역에 저항 변화 물질을 증착하여 투명 전극(400)을 형성하는 것이 바람직하지만, 반도체층(200) 및 메탈 메쉬(300) 전체 면적에 투명 전극(400)을 형성한 후, 메탈 메쉬(300)를 노출시킬 영역의 투명 전극(400)을 제거하는 방식으로 투명 전극(400)을 형성할 수도 있다.
그 후, 도 2의 (d) 단계에서, 전압 인가 장치(1000)의 하나의 전극은 외부로 노출된 반도체층(200) 위의 메탈 메쉬(300)에 접촉하고, 다른 하나의 전극은 투명 전극(400) 표면에 접촉한 후, 저항 변화 물질에 고유한 임계 전압 이상의 전압을 인가한다. 그러면, 반도체층(200) 전체 면적에 형성된 메탈 메쉬(300)의 전체 영역이 전압 인가 장치(1000)의 하나의 전극과 연결되어 있으므로, 투명 전극(400) 전체 영역에 균일하게 전계가 인가되고, 따라서, 투명 전극(400) 전체에 균일하게 전도성 필라멘트(410)가 형성된다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 나노 스케일의 메탈 메쉬를 반도체층 위에 형성하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 3a 내지 도 3d를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노 스케일의 메탈 메쉬 형성 방법의 일 예를 설명하면, 먼저, 도 3a에 도시된 바와 같이, 메탈 메쉬가 형성될 반도체층(200)이 형성된 기판(100) 위에 나노 물질들(310-1~310-n)이 상호 연결되는 네트워크(310)를 형성한다.
여기서, 본 발명에 적용되는 나노 물질은 나노 사이즈의 물질로서, 직경보다 길이가 더 긴 물질로서 정의되고, 대표적인 예로 CNT(Carbon Nano Tube)가 있으며, 그 밖에, Au, Ag, Cu, Si, GaN, ZnO, SiO2, TiO2 등의 나노 와이어 및 나노 막대 등이 적용될 수 있다. 나노 와이어 및 나노 막대의 폭에 따라서 반도체층(200) 위에 형성되는 메탈 메쉬(300)의 선폭이 결정되므로, 나노 와이어 및 나노 막대의 폭 및 재질은 소망하는 메탈 메쉬(300)의 선폭뿐만 아니라, 후술하는 공정을 고려하여 선택된다. 후술하는 본 발명의 바람직한 실시예에서는 CNT를 이용하여 메탈 메쉬(300)를 형성하였다.
본 발명에서는, 반도체층(200) 위에 나노 물질들이 서로 연결된 상태로 배열된 것을 네트워크(310)로 정의하고, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 네트워크(310)를 형성하는 방식으로, 나노 물질들이 혼합된 용액에 반도체층(200)이 형성된 기판(100)을 담갔다가 꺼내어 건조시키는 디핑(dipping) 방식 또는 나노 물질이 혼합된 용액을 반도체층(200)위에 분사하여 건조시키는 스프레이(spray) 방식을 이용하였으나, 나노 물질로 구성된 네트워크(310)를 반도체층(200)위에 형성할 수 있는 방식이라면 제한이 없다.
나노 물질로 네트워크(310)가 반도체층(200)위에 형성되면, 도 3b에 도시된 바와 같이, 반도체층(200) 위에 패턴층(320)을 형성한다. 패턴층(320)은 나노 물질로 형성된 네트워크(310)의 형상을 전사하기 위한 것으로서, 도 3b에 도시된 바와 같이, 네트워크(310)를 형성하는 나노 물질들의 일부만이 잠기도록, 나노 물질의 폭보다 낮은 두께로 반도체층(200)위에 패턴층 형성 물질을 증착함으로써 패턴층(320)을 형성한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 CNT로 네트워크(310)를 형성하였고, 그 위에 SiO2 또는 Ga2O3 와 같은 산화물계 화합물을 증착하여 패턴층(320)을 형성하였다.
이 때, 도 4에 도시된 바와 같이, 나노 물질의 폭이 다양하므로, 네트워크(310)를 형성하는 나노 물질의 폭에 따라서 패턴층(320)의 두께가 조절되어야 한다. 도 4에 도시된 예에서, 네트워크(310)를 형성하는 CNT의 직경은 1nm부터 25nm 까지 다양하고, 도 4의 A에 도시된 single wall 구조의 CNT 뿐만 아니라, 도 4의 B에 도시된 Multi-wall 구조의 CNT도 적용이 가능하다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 CNT의 폭을 고려하여 CNT 폭의 약 50%~80%의 두께로 패턴층(320)을 형성하였다. 또한, 패턴층(320)을 형성하는 물질의 경우에도, 후술하는 공정에서 선택적으로 패턴층(320) 내부의 나노 물질을 제거할 수 있는 것이라면 산화물계 화합물에 한정되지 않는다.
또한, 나노 물질 네트워크(310)가 ZnO, SiO2 TiO2 등과 같은 산화물계 화합물로 형성된 경우에는, 이 후에 나노 물질 네트워크(310)를 제거하는 공정을 고려하여 산화물계 화합물 이외의 물질을 이용하여 패턴층(320)을 형성하는 것이 바람직하다.
그 후, 도 3c에 도시된 바와 같이, 패턴층(320) 내부에 형성된 네트워크(310)를 제거하여, 패턴층(320) 내부에 네트워크(310)의 형상과 동일한 패턴(340)을 형성한다. 패턴층(320) 내부의 네트워크(310)를 제거하는 방식으로는 네트워크(310)를 형성하는 나노 물질에 따라서 다양한 방식이 적용될 수 있다. 도 3c에 도시된 예에서, 본 발명의 바람직한 실시예는 CNT를 이용하여 네트워크(310)를 형성하였으므로, 패턴층(320)을 손상시키지 않고, CNT 만을 제거하기 위해서, O2 플라즈마 처리나 400도 이상의 온도에서 산소 열처리 방식을 적용하여 CNT를 이산화탄소로 승화시켜 제거하였다.
한편, 상술한 CNT 이외의 나노 물질로 네트워크(310)를 형성한 경우에는, 아래의 표 1과 같이 각 나노 물질에 대응되는 에칭 용액을 이용하여 나노 물질로 형성된 네트워크(310)를 제거할 수 있다.
나노 와이어/나노 막대 에칭 용액
Ni (H3PO4:HNO3:CH3COOH:H2O)(3:3:1:1 비율)
Au AquaRegia((HCl:HNO3)(3:1 비율))
Ag (NH4OH:H2O2:CH3OH)(1:1:4 비율)
Cu (300g Sodiumpersulfate : 1000ml H2O)
Si (HF:HNO3:H2O)(1:3:5 비율)
GaN (Acid/H2O2 or KOH)
ZnO (HCl or H3PO4 or NH4Cl)
SiO2 (HF)
TiO2 (H3PO4-H2O2)
패턴층(320)에서 나노 물질 네트워크(310)가 제거되어 네트워크(310) 패턴(340)이 형성되면, 도 3d에 도시된 바와 같이, 패턴층(320) 위에 메탈 메쉬(300)를 형성할 금속을 증착하여 나노 물질이 제거된 네트워크(310)의 빈자리(즉, 메탈 메쉬 패턴)를 메탈로 채움으로써, 반도체층(200) 위에 메탈 메쉬(300)를 형성하고, 반도체층(200)으로부터 패턴층(320)을 제거함으로써 반도체층(200)위에 메탈 메쉬(300)를 최종적으로 형성한다.
패턴층(320)을 제거하는 방식으로는, 패턴층(320)을 형성하는 물질의 종류에 대응되는 용액으로 습식 식각을 수행하여 패턴층(320)을 제거한다. 상술한 본 발명의 바람직한 실시예에서는 산화물계 화합물을 증착하여 패턴층(320)을 형성하였으므로, 이를 반도체층(200)으로부터 분리하기 위해서, BOE(Buffered Oxide Etch) 방식을 이용하여 패턴층(320)을 제거하였다.
한편, 상술한 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 나노 물질로 CNT를 이용하여 네트워크를 형성하고, 그 위에 패턴층을 형성한 후, O2 플라즈마 처리나 400도 이상의 온도에서 산소 열처리 방식을 적용하여 CNT를 이산화탄소로 승화시켜 제거하였다. 이 때, CNT 제거를 보다 원활하게 수행하기 위해서, Au Pt Ag Cu와 같이 CNT보다 환원 전위가 높은 금속을 패턴층 위에 증착시킴으로써, 열처리시에 CNT가 보다 원활하게 산화되도록 한다.
도 5을 참조하면, CNT 폭의 약 50%~60% 두께까지 패턴층을 형성하고, 그 위에 CNT 폭의 약 80%에 이르기까지 Au, Pt, Ag, 및 Cu와 같이 CNT보다 환원 전위가 높은 금속을 증착하여 금속층(370)을 형성한 후 열처리를 수행하면, CNT 단독으로 열처리를 수행할 때보다 원활한 산화 반응이 일어나서, 보다 효과적으로 CNT 를 제거할 수 있다.
아울러, CNT 가 제거되면, CNT 위에 증착되어 있던 Au, Pt, Ag, 및 Cu 와 같은 금속들은 패턴층에 형성된 패턴 내부로 떨어지게 되고, 메탈 메쉬를 형성하기 위해서 패턴층 위에 메탈을 증착하면, 패턴 내부에 있는 Au, Pt, Ag, 및 Cu 와 같은 메탈들은 증착되는 메탈과 함께 메탈 메쉬(300)를 형성하게 되므로, 별도의 제거 과정이 필요하지 않아 기존 공정에 적용이 용이하다.
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 (6)

  1. (a) 기판위에 반도체층을 형성하는 단계;
    (b) 상기 반도체층 위에 메탈 메쉬를 형성하는 단계;
    (c) 상기 메탈 메쉬 및 상기 반도체층 위에 저항 변화 물질을 이용하여 투명 전극을 형성하되, 상기 메탈 메쉬의 일부 영역이 외부에 노출되도록 투명 전극을 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 투명 전극과 외부로 노출된 상기 메탈 메쉬 위에 전압 인가 장치의 전극을 각각 접촉시키고, 저항 변화 물질에 고유한 임계 전압 이상의 전압을 인가하여 상기 투명 전극 내부에 전도성 필라멘트를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 필라멘트가 형성된 투명 전극을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 (b) 단계는
    (b1) 상기 반도체층 위에 폭보다 길이가 더 긴 나노 사이즈의 물질(나노 물질)이 상호 연결된 네트워크를 형성하는 단계;
    (b2) 상기 네트워크의 일부가 잠기도록 상기 반도체층 위에 패턴층을 형성하는 단계;
    (b3) 상기 네트워크를 제거하여 상기 패턴층위에 네트워크에 대응되는 패턴을 형성하는 단계;
    (b4) 상기 반도체층 위에 메탈을 증착하여 상기 패턴에 대응되는 메탈 메쉬를 형성하는 단계; 및
    (b5) 상기 패턴층을 제거하여 상기 기판위에 상기 메탈 메쉬만을 잔존시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 필라멘트가 형성된 투명 전극을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 (b1) 단계는
    스프레이(spray) 방식 또는 디핑(dipping) 방식으로 네트워크를 형성하는 것을 특징으로 하는 전도성 필라멘트가 형성된 투명 전극을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 나노 물질이 CNT(Carbon Nano Tube)인 경우에,
    상기 (b3) 단계는 O2 플라즈마 처리방식 또는 산소 열처리 방식을 적용하여, CNT를 제거하는 것을 특징으로 하는 전도성 필라멘트가 형성된 투명 전극을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
  5. 기판;
    상기 기판위에 형성된 반도체층;
    상기 반도체층 위에 형성된 메탈 메쉬; 및
    상기 메탈 메쉬의 일부 영영이 외부에 노출되도록 상기 반도체층 및 상기 메탈 메쉬 위에 저항 변화 물질로 형성된 투명 전극을 포함하고,
    상기 투명 전극 내부에는 전도성 필라멘트가 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 투명 전극과 외부로 노출된 상기 메탈 메쉬 위에 전압 인가 장치의 전극을 각각 접촉시키고, 저항 변화 물질에 고유한 임계 전압 이상의 전압을 인가하여 상기 투명 전극 내부에 전도성 필라멘트를 형성한 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
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