KR100601971B1

KR100601971B1 - 탑에미트형 질화물계 발광소자 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100601971B1
Application number: KR1020040088166A
Authority: KR
Inventors: 곽준섭; 성태연; 송준오; 홍웅기
Original assignee: 삼성전자주식회사; 광주과학기술원
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2004-11-02
Publication date: 2006-07-18
Anticipated expiration: 2024-11-02
Also published as: KR20050063668A

Abstract

본 발명은 탑에미트형 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서 탑에미트형 질화물계 발광소자는 기판, n형 클래드층, 활성층, p형 클래드층, 멀티 오믹컨택트층이 순차적으로 적층되어 있고, 멀티 오믹컨택트층은 개질 금속층/투명 전도성 박막층을 기본 단위로 하여 적어도 한 조이상 반복 적층되어 있고, 개질금속층은 은을 주성분으로 하여 형성되어 있다. 이러한 탑에미트형 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 의하면 p형 클래드층과의 오믹접촉 특성이 개선되어 우수한 전류-전압 특성을 나타낼 뿐만 아니라, 높은 빛 투과성을 제공하여 소자의 발광효율을 높일 수 있다.

Description

탑에미트형 질화물계 발광소자 및 그 제조방법{Top emitting light emitting device and method of manufacturing thereof}

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 멀티 오믹컨택트층이 적용된 탑에미트형 발광소자를 나타내 보인 단면도이다.

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광소자의 빛 투과도를 측정한 결과를 단일 투명전극층과 비교해 나타내 보인 그래프이다.

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광소자의 전류-전압 특성을 측정한 결과를 금을 적용한 경우와 비교해 나타내 보인 그래프이다.

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 멀티 오믹컨택트층이 적용된 탑에미트형 발광소자를 나타내 보인 단면도이다.

도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 멀티 오믹컨택층이 적용된 탑에미트형 발광소자를 나타내는 단면도이다.

도 6a는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 발광소자의 전류-전압 특성을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.

도 6b는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 발광소자의 빛 투과도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

110: 기판 150: P형 클래드층

160: 멀티 오믹컨택트층 160a, 160c: 개질 금속층

160b, 160d: 투명 전도성 박막층 160e: 금속 삽입층

본 발명은 탑에미트형 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 오믹특성 및 발광효율이 개선된 탑에미트형 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

현재 투명 전도성 박막은 광전자분야, 디스플레이 분야 및 에너지 산업 분야에서 다양하게 이용되고 있다.

발광소자 분야에서는 원활한 홀 주입(hole injection) 및 고효율의 빛 방출(light emission) 역할을 하는 투명 전도성 박막전극을 개발하기 위해 활발하게 연구 중에 있다.

현재 가장 활발하게 연구되고 있는 투명 전도성 박막 소재로서는 투명 전도성 산화물(transparent conducting oxide : TCO)과, 투명 전도성 질화물(transparent conducting nitride : TCN)이 있다.

투명전도성 산화물은 인듐 산화물(In₂O₃), 주석 산화물(SnO₂), 아연 산화물(ZnO), 주석 인듐 산화물(ITO) 등이 있고, 투명전도성 질화물로서는 타이타늄 질화 물(TiN)이 있다.

그런데 이들 물질은 상대적으로 큰 면저항(sheet resistance)값, 높은 빛 반사율(reflectivity), 그리고 상대적으로 작은 일함수(work function)값을 지니고 있어서 단독으로 탑에미트형 질화갈륨계 발광소자의 p형 투명전극으로 적용하기 어려운 문제점들을 안고 있다.

그 문제점을 기술해보면, 첫째, 위에 열거된 투명 전도성 박막들은 스퍼터링(sputtering), 이빔 증착기 또는 열 증착기(e-beam or heat evaporator) 등과 같은 PVD 방법에 의해서 박막 형성 시, 대체적으로 100 Ω/□ 값에 가까운 큰 면저항값을 지니고 있기 때문에, 발광소자의 수평 방향(층간 경계면과 나란한 방향) 으로의 전류 퍼짐(current spreading)을 어렵게 할 뿐만 아니라 수직 방향으로의 원활한 홀 주입(hole injection)도 어렵게 함으로써, 대면적 및 대용량의 고휘도 발광소자를 구현하는데 적용하기 어렵다.

둘째, 위에 열거된 투명 전도성 박막들은 질화갈륨계 발광 다이오드에서 출사되는 빛에 대해서 높은 빛 반사율(reflectivity)을 갖고 있어 발광효율을 떨어뜨린다.

셋째, 주석 인듐 산화물(ITO) 및 타이티늄 질화물(TiN) 등을 비롯한 투명 전도성 박막들은 상대적으로 작은 일함수 값을 갖고 있기 때문에 p형 질화갈륨과의 직접적인 접촉에 의한 오믹접촉을 형성하기 어렵다.

마지막으로, 투명 전도성 산화물(TCO)은 질화갈륨계 화합물 반도체와 직접적으로 오믹접촉되게 전극으로 적용할 경우 박막 형성 공정상에서 질화갈륨 표면에서 갈륨의 큰 산화능에 의해 절연성(insulating) 물질인 산화갈륨(Ga₂O₃) 생성을 유발하여 양질의 오믹접촉 전극을 형성하기가 어려운 문제점이 있다.

한편, 질화갈륨계 화합물 반도체를 이용한 발광다이오드(LED) 및 레이저 다이오드(LD) 등과 같은 발광소자를 구현하기 위해서는 반도체와 전극간의 오믹접촉을 형성하는 전극구조가 매우 중요하다.

이러한 질화갈륨계 발광소자는 탑에미트형 발광다이오드(top-emitting light emitting diodes; TLEDS)와 플립칩 발광다이오드(flip-chip light emitting diodes: FCLEDS)로 분류된다.

현재 일반적으로 널리 사용되고 있는 탑에미트형 발광다이오드는 p형 클래드층과 접촉하고 있는 오믹컨택트층을 통해 광이 출사되게 형성된다. 또한, 고휘도의 탑에미트형 발광다이오드를 구현하기 위해서는 낮은 홀농도를 지닌 p형 클래드층의 높은 면저항값을 보상하기 위한 양질의 오믹컨택트층인 커런트 스프레딩 박막(current spreading layer)이 절대적으로 필요하다. 따라서 낮은 면저항 값을 갖고 높은 빛 투과도를 지닌 커런트 스프레딩 박막층을 형성하여 원활한 홀 주입(hole injection), 전류 퍼짐(current spreading), 그리고 우수한 빛 방출(light emission) 역할을 제공할 수 있는 것이 요구된다.

현재까지 알려진 탑에미트형 발광다이오드는 p형 클래드층 위에 니켈(Ni)층과 금(Au)층을 순차적으로 적층한 구조가 이용되고 있다.

니켈/금층은 산소(O₂)분위기에서 열처리하여 10^-3 ~ 10^-4Ω㎠ 정도의 우수한 비접촉저항을 갖는 반투명 오믹 접촉층(semi-transparent ohmic contact layer)을 형성하는 것으로 알려져 있다.

이러한 반투명 오믹접촉층의 낮은 비접촉저항은 500℃ 내지 600℃ 정도의 온도 및 산소분위기에서 열처리할 때 p형 클래드층을 이루고 있는 질화갈륨과 오믹접촉층으로 적용된 니켈층의 계면에서 p형 반도체 산화물인 니켈산화물(NiO)이 섬(island) 모양으로 형성되어 있는 금(Au)층 사이 및 상층부에 형성되어 있어 쇼트키 장벽의 높이(Schottky barrier height:SBH)를 감소시키게 되어 p형 클래드층 표면 부근에 다수캐리어인 홀(hole)을 용이하게 공급한다.

또한, 니켈/금층을 p형 클래드층 위에 형성한 후, 열처리하면 Mg-H 금속간 화합물을 제거하여 질화갈륨 표면에서 마그네슘 도판트(dopant) 농도를 증가시키는 재활성화(reactivation) 과정을 통해서 p형 클래드층의 표면에서 이러한 실효캐리어 농도가 10¹⁸이상이 되게 하여 p형 클래드층과 산화니켈을 함유한 오믹컨택트층 사이에 터널링 전도를 일으켜 낮은 비접촉 저항값을 지닌 오믹전도 특성을 보이는 것으로 이해되고 있다.

그러나, 니켈/금으로 형성되는 반투명 박막전극을 이용한 탑에미트형 발광다이오드는 빛의 투과도를 저해하고 있는 금(Au)을 포함하고 있어 발광효율이 낮아 차세대 대용량 및 고휘도 발광소자를 구현하는데는 한계점을 드러내고 있다.

또한, 발광다이오드 작동시 발생되는 열의 방출과 빛의 발광 효율을 증가시키고자 반사층을 적용하여 투명 기판인 사파이어를 통해서 빛을 방사하는 플립칩 발광다이오드 구조에서도 반사층의 산화 및 나쁜 접착성에 의해 높은 저항을 갖는 등의 많은 문제점들이 있다.

따라서, 이러한 탑에미트형 및 플립칩 발광다이오드의 소자의 한계를 극복하고자, 기존에 p형 오믹컨택트층으로 사용되고 있는 기존의 반투명 니켈/금 구조 보다 우수한 빛 투과도를 갖도록 금(Au)을 완전하게 배제한 투명 전도성 산화물, 예를 들면 ITO를 이용하고자 하는 연구내용이 여러 문헌[IEEE PTL, Y. C. Lin, etc. Vol. 14, 1668, IEEE PTL, Shyi-Ming Pan, etc. Vol. 15, 646]을 통해 보고되고 있다. 최근 ITO 오믹컨택층을 이용하여 기존의 니켈/금 구조와 비교시 보다 향상된 출력(output power)을 나타내는 탑에미트형 발광다이오드를 구현하였다는 내용이 문헌[Semicond. Sci. Technol., C S Chang, etc. 18(2003), L21]을 통해 보고되고 있다. 그러나, 이러한 구조의 오믹컨택트층은 발광소자의 출력을 증대시킬 수 있는 반면, 상대적으로 높은 동작전압을 나타내는 문제점을 갖고 있어 고면적 및 대용량의 고휘도 발광소자로의 응용에는 많은 한계점을 지니고 있다. 또 다른 한편으로는 미국의 루미엘이드(LumiLeds Lighting)사는 산화된 얇은 Ni/Au 또는 Ni/Ag 구조와 인듐 주석 산화물(ITO)의 접목을 통한 높은 빛 투과도와 우수한 전기적 특성을 갖는 발광 다이오드를 제작하였다고 보고한 바 있다[Michael J. Ludowise etc., US patent 6,287,947]. 하지만, 이들 공정은 복잡한 오믹접촉 전극 형성 공정과 니켈 금속(Ni)을 비롯한 천이 금속(transitional metal) 또는 원소 주기율표상에 그룹 2족 원소의 산화물들로 형성되는 오믹전극이 높은 면저항을 갖고 있어 고효율의 발광소자를 구현하기가 어렵다. 또한, 니켈(Ni)을 비롯한 산화된 금속들은 높은 빛 투과도를 갖기가 어려운 것으로 알려져 있다.

이와 같이, 양질의 오믹접촉을 형성하는 투명 전극을 개발하기가 어려운 점이 있는데, 그 근본적인 원인은 다음과 요약할 수 있다.

첫째, p형 질화갈륨의 낮은 홀 농도와 이로 인해 10⁴Ω/□ 이상의높은 면저항(sheet resistance) 값을 갖는 점과,

둘째, p형 질화갈륨의 일함수 값에 비해서 상대적으로 큰 일함수값을 지닌 투명 전극 물질의 부재로 인한 p형 질화갈륨과 전극사이의 계면에 높은 쇼트키 장벽(schottky barrier)이 형성되어 수직 방향으로의 원활한 홀 주입이 어려운 점과,

셋째, 대부분의 물질들이 전기적 특성과 광학적인 특성간이 상호 반비례 하고, 그에 따라 높은 빛투과도를 갖는 투명 전극들은 대체적으로 큰 면저항(sheet resistance)값을 지니고 있어 수평 방향으로의 전류 퍼짐(current spreading)이 급격하게 저하되는 점과,

넷째, 투명 전도성 산화물을 p형 질화갈륨 상부에 직접적으로 증착하는 공정에서 질화갈륨 표면에 절연성인 산화 갈륨(Ga₂O₃) 생성으로 인하여 발광소자의 전기적 특성이 열악해지는 점을 들 수 있다.

또한, 위에 지적된 문제점들로 인해 p형 질화갈륨과 투명 전극 사이에 열(heat) 발생이 증가하여 소자의 수명을 단축시킬 뿐만 아니라 작동에 신뢰성을 확보하기 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 높은 빛 투과도와 낮은 면저항을 갖는 전극구조를 갖는 탑에미트형 질화물계 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 탑에미트형 질화물계 발광소자는 n형 클래드층과 p형 클래드층 사이에 활성층을 갖는 탑에미트형 질화물계 발광소자에 있어서, 상기 p형 클래드층 위에 개질금속층/투명 전도성 박막층을 적층 반복 단위로 하여 적어도 한 조 이상이 반복 적층된 멀티 오믹컨택트층;을 구비하고, 상기 개질 금속층은 은(Ag)을 주성분으로 하여 형성된다.

바람직하게는 상기 투명 전도성 박막층은 인듐(In), 주석(Sn), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 카드뮴(Cd), 마그네슘(Mg), 베릴륨(Be), 은(Ag), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 구리(Cu), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 루세늄(Ru), 텅스텐(W), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 알루미늄(Al), 란탄(La) 원소계열의 금속 중에서 적어도 하나 이상의 성분과 산소(O)가 결합된 투명 전도성 산화물로 형성된다.

또 다르게는 상기 투명 전도성 박막층은 타이타늄(Ti)과 질소(N)를 함유하여 형성된 투명전도성 질화물이 적용된다.

바람직하게는 상기 개질금속층은 1 나노미터 내지 20나노미터의 두께로 형성된다.

또한, 상기 투명 전도성 박막층의 두께는 10 나노미터 내지 1000 나노미터로 형성한다.

또한, 상기 개질금속층과 투명 전도성 박막층 사이에는 금속 삽입층이 추가적으로 개재될 수 있다. 상기 금속 삽입층은 플라티늄(Pt), 니켈(Ni), 금(Au), 루세늄(Ru), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 크롬(Cr), 구리(Cu), 코발트(Co), 인듐(In), 주석(Sn), 란탄 계열의 원소, 이들 금속들로 형성된 합금, 고용체 또는 천이금속으로 형성된 질화물들 중에서 선택된 적어도 하나의 재료를 이용하여 적어도 한 층 이상으로 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 탑에미트형 질화물계 발광소자의 제조방법은 n형 클래드층과 p형 클래드층 사이에 활성층을 갖는 탑에미트형 질화물계 발광소자의 제조방법에 있어서, 기판 위에 n형 클래드층, 활성층 및 p형 클래드층이 순차적으로 적층된 발광구조체의 상기 p형 클래드층 위에 개질금속층/투명 전도성 박막층을 적층 반복 단위로 하여 적어도 한 조 이상을 적층하여 멀티오믹컨택트층을 형성하는 단계와; 상기 단계를 거친 전극 구조체를 열처리하는 단계;를 포함하고, 상기 개질 금속층은 은(Ag)을 주성분으로 하여 형성된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면 상기 투명 전도성 박막은 상기 투명 전도성 산화물 및 투명 전도성 질화물에 대해 전기적 특성을 조절하기 위한 도판트(dopant)를 첨가할 수 있다. 여기서 도판트로 적용되는 물질은 원소 주기율표상에서 금속으로 분류된 원소들 중 적어도 하나가 적용된다.

상기 열처리단계는 상온 내지 800도에서 10초 내지 3시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 열처리 단계는 상기 전극구조체가 내장된 반응기내에 질소, 아르 곤, 헬륨, 산소, 수소, 공기, 진공 중 적어도 하나를 포함하는 기체 분위기에서 수행한다.

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

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 탑에미트형 발광소자를 나타내 보인 단면도이다.

도면을 참조하면, 탑에미트형 발광소자는 기판(110), 버퍼층(120), n형 클래드층(130), 활성층(140), p형 클래드층(150), 멀티 오믹컨택트층(160)이 순차적으로 적층된 구조로 되어 있다. 참조부호 180은 p형 전극패드이고, 190은 n형 전극패드이다.

멀티오믹컨택트층(160)은 개질 금속층(160a)과 투명 전도성 박막층(160b)이 순차적으로 적층되어 있다.

여기서 기판(110)으로부터 p형클래드층(150)까지가 발광구조체에 해당하고, p형 클래드층(150) 위에 적층된 멀티 오믹컨택트층(160)이 p형 전극구조체에 해당한다.

기판(110)은 사파이어(Al₂O₃), 실리콘카바이드(SiC), 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs) 중 어느 하나로 형성된 것이 바람직하다.

버퍼층(120)은 생략될 수 있다.

버퍼층(120)으로부터 p형 클래드층(150) 까지의 각 층은 Ⅲ족 질화물계 화합 물의 일반식인 Al_xIn_yGa_zN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, 0≤x+y+z≤1)로 표현되는 화합물 중 선택된 어느 화합물을 기본으로 하여 형성되고, n형 클래드층(130) 및 p형 클래드층(150)은 해당 도펀트가 첨가된다.

또한, 활성층(140)은 단층 또는 MQW층 등 공지된 다양한 방식으로 구성될 수 있다.

일 예로서 질화갈륨(GaN)계 화합물을 적용하는 경우, 버퍼층(120)은 GaN으로 형성되고, n형 클래드층(130)은 GaN에 n형 도펀트로서 Si, Ge, Se, Te등이 첨가되어 형성되고, 활성층은 InGaN/GaN MQW 또는 AlGaN/GaN MQW로 형성되며, p형 클래드층(150)은 GaN에 P형 도펀트로서 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등이 첨가되어 형성된다.

n형 클래드층(130)과 n형 전극패드(190) 사이에는 n형 오믹컨택트층(미도시)이 개제될 수 있고, n형 오믹컨택트층은 타이타늄(Ti)과 알루미늄(Al)이 순차적으로 적층된 층구조 등 공지된 다양한 구조가 적용될 수 있다.

p형 전극패드(180)는 니켈(Ni)/금(Au) 또는 은(Ag)/금(Au)이 순차적으로 적층된 층구조가 적용될 수 있다.

각 층의 형성방법은 전자빔 증착기, PVD(physical vapor deposition), CVD(chemical vapor deposition), PLD(plasma laser deposition), 이중형의 열증착기(dual-type thermal evaporator), 스퍼터링(sputtering) 등 공지된 증착방식에 의해 형성하면 된다.

멀티 오믹컨택트층(160)은 p형 전극구조체로서 p형 클래드층(150) 위에 형성 된 개질 금속층(160a) 및 개질금속층(160a) 위에 형성된 투명 전도성 박막층(160b)로 형성되어 있다.

개질금속층(160a)은 높은 전기 전도성을 갖으면서, 600 ℃ 이하의 온도와 산소 분위기에서 열처리시 쉽게 전도성 나노상 (nano phase) 입자로 분해하고, 산화가 쉽게 되지 않는 물질이 적용된다.

이러한 조건을 갖춘 개질금속층(160a)용 소재로는 은(Ag)이 적용된다.

바람직하게는 개질 금속층(160a)은 은 단독으로 형성된다. 또 다르게는 개질 금속층(160a)은 은(Ag)을 주성분으로 한 합금 또는 고용체로 형성될 수 있다.

또한, 멀티 오믹컨택트층(160)을 형성하고 있는 개질 금속층(160a)의 두께는 열처리시 쉽게 전도성 나노상 (nano phase) 입자로 분해할 수 있는 두께인 1 나노미터 내지 20 나노미터 이내로 형성하는 것이 바람직하다.

투명 전도성 박막층(160b)은 투명 전도성 산화물(TCO) 또는 투명 전도성 질화물(TCN)들 중 어느 하나가 적용된다.

투명 전도성 산화물(TCO)은 인듐(In), 주석(Sn), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 카드뮴(Cd), 마그네슘(Mg), 베릴륨(Be), 은(Ag), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 구리(Cu), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 루세늄(Ru), 텅스텐(W), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 알루미늄(Al), 란탄(La) 원소계열 등의 금속 중에서 적어도 하나 이상의 성분과 산소(O)로 형성되는 투명 전도성 산화물이 적용된다.

투명 전도성 산화물용 소재로는 일함수(work function) 값과 면 저항값(sheet resistance)을 우선적으로 고려하여 선택하면 된다.

투명 전도성 질화물(TN)은 낮은 면저항(sheet resistance)값과 높은 빛 투과도를 지닌 타이티늄(Ti)과 질소(N)로 형성된 투명 전도성 질화물이 적용되는 것이 바람직하다.

또한, 투명 전도성 박막층(160b)으로 적용되는 투명 전도성 산화물(TCO) 및 투명 전도성 질화물(TCN)은 상기 주성분에 대해 전기적 특성을 향상시키기 위해서 원소 주기율표상의 금속 성분 중 적어도 하나 이상의 원소를 도판트로 첨가할 수 있다.

여기서 투명 전도성 산화물(TCO) 및 투명 전도성 질화물(TCN)에 적절한 전기적 특성을 갖게 하기 위해서 첨가되는 도판트의 첨가비율은 0.001 내지 20 웨이트 퍼센트(weight %) 범위 내에서 적용되는 것이 바람직하다. 여기서 웨이트 퍼센트는 첨가되는 원소 상호간의 중량비율을 말한다.

또한, 투명 전도성 박막층(160b)의 두께는 적절한 빛투과도와 전기 전도성을 갖는 10 나노미터 내지 1000 나노미터의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

이러한 멀티 오믹컨택트층(160)은 전자빔 증착기(e-beam evaporator), 열 증착기(thermal evaporator), 스퍼터링 증착기(sputtering deposition), 레이저 증착기(pulsed laser deposition) 중 어느 하나로 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 멀티 오믹컨택트층(160)을 형성하기 위해 적용되는 증착온도는 20℃ 내지 1500℃ 범위내에서, 증착기 내의 압력은 대기압 내지 10^-12 토르 정도에서 수행한다.

또한, 멀티 오믹컨택트층(160)을 형성한 후에는 열처리(annealing)과정을 거치는 것이 바람직하다.

열처리(annealing)는 반응기내의 온도를 100℃ 내지 800℃에서 진공 또는 가스 분위기에서 10초 내지 3시간 정도 수행한다.

열처리시 반응기 내에 투입되는 가스는 질소, 아르곤, 헬륨, 산소, 수소, 공기 중 적어도 하나 이상의 기체가 적용될 수 있다.

도 2에는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 p형 전극구조체로서 p형 클래드층(150) 위에 개질금속층(160a)으로 은(Ag)을 3나노미터(nm) 적층하고, 그 위에 투명전도성 박막층(160b)으로 ITO를 200나노미터 적층한 후 530℃에서 열처리한 결과물과, p형 클래드층(150) 위에 ITO 단독으로 200나노미터 적층한 후 동일 온도(530℃)에서 열처리한 결과물에 대해 각각 빛 투과도를 측정한 결과가 도시되어 있다.

도 2를 통해 알 수 있는 바와 같이 전극을 ITO 단독으로 적용한 경우 보다 본 실시예에서와 같이 멀티 오믹컨택층(160)으로 형성한 경우가 빛투과도가 높음을 알 수 있다.

또한, 도 3은 본 발명의 실시예에 따라 p형 클래드층(150) 위에 개질금속층(160a)으로 은(Ag)을 3나노미터 적층하고, 그 위에 투명전도성 박막층(160b)으로 SnO₂를 200나노미터 적층한 후 530℃에서 열처리한 결과물과, p형 클래드층(150) 위에 금(Au)을 3나노미터 적층하고, 그 위에 투명전도성 박막층으로 SnO₂를 200나노미터 적층한 후 동일 온도(530℃)에서 열처리한 결과물에 대해 각각 전압-전류 특성 을 측정한 결과가 도시되어 있다.

도 3을 통해 알 수 있는 바와 같이 개질 금속층(150a)을 은(Ag)으로 사용한 경우가 금(Au)으로 대체한 경우 보다 전기적 특성이 월등히 우수함을 확인 할 수 있다.

도 2및 도 3의 결과로부터 은을 주성분으로한 개질금속층(160a)과 투명 전도성 박막층(160b)을 순차적으로 적층한 후 열처리를 수행하여 형성된 멀티 오믹컨택트층(160)은 다음과 같은 장점을 제공한다. 즉, p형 클래드층(150)과 개질금속층(160a) 사이에 갈륨관련 화합물(gallide)이 형성되어 유효 표면 홀농도가 증가되고, 갈륨 산화물(Ga₂O₃)의 생성은 억제되어 쇼트키 장벽 폭이 감소되고, 오믹접촉 형성에 유리한 터널링(tunneling) 현상을 유발하며, 600 ℃ 이하의 낮은 온도에서 열처리시 높은 빛 투과도를 유지하며, 10 Ω/□ 이하의 낮은 면저항(sheet resistance)값을 갖는 특성을 제공한다.

한편, 멀티 오믹컨택트층(160)은 이러한 개질금속층(160a)/투명 전도성 박막층(160b)을 단위로 하여 반복 적층되어 형성될 수 있음은 물론이다.

이러한 반복 적층구조의 예가 도 4에 도시되어 있다. 앞서 도 1에 도시된 도면에서와 동일 기능을 하는 요소는 동일 참조부호로 표기한다.

도면을 참조하면, 멀티 오믹컨택트층(160)은 제 1 개질 금속층(160a)/제 1 투명 전도성 박막층(160b)/제 2 개질 금속층(160c)/제 2 투명 전도성 박막층(160d)으로 형성되어 있다.

제 1 및 제 2 개질 금속층(160a, 160c)는 앞서 설명된 소재인 은 또는 은을 주성분으로 한 합금 또는 고용체로 1 내지 20 나노미터 이내의 두께로 각각 형성되며, 제 1 및 제 2 투명 전도성 박막층(160b,160d)도 앞서 설명된 소재로 10 내지 1000 나노미터의 두께로 각각 형성한다.

도 4를 통해 설명된 발광소자는 기판(110)위에 p형 클래드층(150)까지 적층된 발광 구조체에 앞서 도 1을 통해 설명된 증착 방법으로 해당 p형 전극구조체를 증착하여 형성한 후 열처리과정을 거쳐 제조하면 된다.

열처리과정을 거치게 되면 열처리과정 이전 보다 광학적 특성인 빛 투과도 및 전기적 특성인 전류-전압특성이 향상된다.

한편, 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 탑에미트형 발광소자의 p형 전극 구조체를 도시하는 단면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 p형 전극 구조체는, 개질 금속층(160a)과 투명 전도성 박막층(160b) 사이에 금속 삽입층(160e)를 추가적으로 개재하고 있다. 상기 금속 삽입층(160e)은 하부에 있는 개질 금속층(160a)과 실질적으로 거의 동일한 역할을 하는 제 2 개질 금속층으로서 형성된다.

이러한 상기 금속 삽입층(160e)으로서 사용할 수 있는 금속 재료로는 플라티늄(Pt), 니켈(Ni), 금(Au), 루세늄(Ru), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 크롬(Cr), 구리(Cu), 코발트(Co), 인듐(In), 주석(Sn), 란탄 계열의 원소, 이들 금속들로 형성된 합금, 고용체 또는 천이금속으로 형성된 질화물들 중에서 적어도 하나를 선택하여 사용할 수 있다.

도 6a는 금속 삽입층(160e)을 추가한 경우에 대한 발광소자의 전류-전압 특성을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 개질 금속층(160a)으로는 은(Ag)을 1nm 두께로 적층하고, 금속 삽입층(160e)으로는 플라티늄(Pt)을 역시 1nm 두께로 적층하였으며, 투명 전도성 박막층(160b)으로는 ITO를 200nm 두께로 적층하였다. 도 6a는, 이렇게 형성한 p형 전극 구조체를 열처리 전(■) 및, 공기 분위기에서 각각 500℃(●), 600℃(▲), 700℃(▼)로 열처리한 경우에 대한 전류-전압 특성을 보여주고 있다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 특히 600℃ 이상으로 열처리한 경우에 매우 우수한 전기적 특성을 보여주고 있다.

도 6b는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 p형 전극 구조체의 빛 투과도를 종래의 전극과 비교하여 나태나는 그래프이다. 여기서, 도 6a의 경우에서와 같이, p형 전극 구조체는, 개질 금속층(160a)으로 은(Ag)을 1nm 두께로 적층하고, 금속 삽입층(160e)으로 플라티늄(Pt)을 역시 1nm 두께로 적층하고, 투명 전도성 박막층(160b)으로 ITO를 200nm 두께로 적층한 후, 공기 분위기에서 약 600℃로 1분간 열처리하여 형성하였다. 비교 대상이 되는 종래의 전극은, 니켈(Ni)과 금(Au) 층을 각각 5nm 로 적층한 후, 공기 분위기에서 530℃로 1분간 열처리하여 형성하였다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 450 내지 500nm 의 파장 범위에서 종래의 전극을 사용한 경우, 빛 투과도가 약 73% 내지 81% 정도였다. 그러나, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 경우, 동일한 파장 범위 내에서 거의 90%를 넘은 높은 빛 투과도를 나타내고 있다.

지금까지 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 탑에미트형 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, p형 클래드층과의 오믹접촉 특성이 개선되어 우수한 전류-전압 특성을 나타낼 뿐만 아니라, 높은 빛 투과성을 제공하여 소자의 발광효율을 높일 수 있다.

Claims

n형 클래드층과 p형 클래드층 사이에 활성층을 갖는 탑에미트형 질화물계 발광소자에 있어서,

상기 p형 클래드층 위에 개질금속층/투명 전도성 박막층을 적층 반복 단위로 하여 적어도 한 조 이상이 반복 적층된 멀티 오믹컨택트층;을 구비하는 것을 특징으로 하는 탑에미트형 질화물계 발광소자.
제 1 항에 있어서,

상기 개질 금속층은 은(Ag)을 주성분으로 하여 형성된 것을 특징으로 하는 탑에미트형 질화물계 발광소자.
제 1 항에 있어서,

상기 투명 전도성 박막층은 투명 전도성 산화물(TCO)과 투명 전도성 질화물(TCN) 중 어느 하나로 형성되고,

상기 투명 전도성 산화물은 인듐(In), 주석(Sn), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 카드 뮴(Cd), 마그네슘(Mg), 베릴륨(Be), 은(Ag), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 구리(Cu), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 루세늄(Ru), 텅스텐(W), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 알루미늄(Al), 란탄(La) 원소계열의 금속 중에서 적어도 하나 이상의 성분과 산소(O)가 결합되어 형성된 것을 포함하고,

상기 투명 전도성 박막층은 타이타늄(Ti)과 질소(N)를 함유하여 형성된 것을 특징으로 하는 탑에미트형 질화물계 발광소자.
제 1 항에 있어서,

상기 개질금속층은 1 나노미터 내지 20나노미터의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 탑에미트형 질화물계 발광소자.
제 1 항에 있어서,

상기 투명 전도성 박막층은 10 나노미터 내지 1000나노미터의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 탑에미트형 질화물계 발광소자.
제 1 항에 있어서,

상기 개질금속층과 투명 전도성 박막층 사이에 금속 삽입층이 추가적으로 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 탑에미트형 질화물계 발광소자.
제 6 항에 있어서,

상기 금속 삽입층은 플라티늄(Pt), 니켈(Ni), 금(Au), 루세늄(Ru), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 크롬(Cr), 구리(Cu), 코발트(Co), 인듐(In), 주석(Sn), 란탄 계열의 원소, 이들 금속들로 형성된 합금, 고용체 또는 천이금속으로 형성된 질화물들 중에서 선택된 적어도 하나의 재료를 이용하여 적어도 한 층 이상으로 형성된 것을 특징으로 하는 탑에미트형 질화물계 발광소자.
n형 클래드층과 p형 클래드층 사이에 활성층을 갖는 탑에미트형 질화물계 발광소자의 제조방법에 있어서,

기판 위에 n형 클래드층, 활성층 및 p형 클래드층이 순차적으로 적층된 발광구조체의 상기 p형 클래드층 위에 개질금속층/투명 전도성 박막층을 적층 반복 단위로 하여 적어도 한 조 이상을 적층하여 멀티 오믹컨택트층을 형성하는 단계와;

상기 단계에서 형성된 멀티 오미컨택트층을 열처리하는 단계;를 포함하고,

상기 개질 금속층은 은(Ag)을 주성분으로 하여 형성된 것을 특징으로 하는 탑에미트형 질화물계 발광소자의 제조방법.
제 8 항에 있어서,

상기 투명 전도성 박막층은 투명 전도성 산화물(TCO)과 투명 전도성 질화물(TCN) 중 어느 하나로 형성되고,

상기 투명 전도성 산화물은 인듐(In), 주석(Sn), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 카드 뮴(Cd), 마그네슘(Mg), 베릴륨(Be), 은(Ag), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 구리(Cu), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 루세늄(Ru), 텅스텐(W), 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 알루미늄(Al), 란탄(La) 원소계열의 금속 중에서 적어도 하나 이상의 성분과 산소(O)가 결합되어 형성된 것을 포함하고,

상기 투명 전도성 박막층은 타이타늄(Ti)과 질소(N)를 함유하여 형성된 것을 특징으로 하는 탑에미트형 질화물계 발광소자의 제조방법.
제 8 항에 있어서,

상기 개질금속층은 1 나노미터 내지 20나노미터의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 탑에미트형 질화물계 발광소자의 제조방법.
제 8 항에 있어서,

상기 투명 전도성 박막층은 10 나노미터 내지 1000나노미터의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 탑에미트형 질화물계 발광소자의 제조방법.
제 8 항에 있어서,

상기 개질금속층과 투명 전도성 박막층 사이에 금속 삽입층이 추가적으로 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 탑에미트형 질화물계 발광소자의 제조방법.
제 8 항에 있어서,

상기 금속 삽입층은 플라티늄(Pt), 니켈(Ni), 금(Au), 루세늄(Ru), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 크롬(Cr), 구리(Cu), 코발트(Co), 인듐(In), 주석(Sn), 란탄 계열의 원소, 이들 금속들로 형성된 합금, 고용체 또는 천이금속으로 형성된 질화물들 중에서 선택된 적어도 하나의 재료를 이용하여 적어도 한 층 이상으로 형성된 것을 특징으로 하는 탑에미트형 질화물계 발광소자의 제조방법.