KR100849737B1 - Light emitting diode device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발광 다이오드(diode) 소자와 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 질화갈륨(GaN)계 발광 다이오드 소자에 있어서 제1 전극 및 제2 전극의 전극 구조 및 그 형성 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 발광 다이오드 소자는, 서로 다른 극성인 제1 화합물 반도체층과 제2 화합물 반도체층을 포함하는 복수의 화합물 반도체층을 포함하며, 기판 위에 적층된 질화갈륨(GaN) 계열의 화합물 반도체층; 상기 제1 화합물 반도체층 위에 위치하는 제1 전극 ; 및 상기 제2 화합물 반도체층 위에 위치하는 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 하나는 제1 금속과 알루미늄(Al)의 화합물을 포함하는 제1 금속층; 상기 제1 금속층 위에 위치하며, 알루미늄을 포함하는 제2 금속층; 및 상기 제2 금속층 위에 위치하며, 상기 제1 금속보다 알루미늄과의 화학적 반응성이 낮은 물질로 형성된 제3 금속층을 포함한다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a light emitting diode device and a manufacturing method thereof, and more particularly, to an electrode structure of a first electrode and a second electrode and a method of forming the same in a gallium nitride (GaN) -based light emitting diode device. . A light emitting diode device according to the present invention includes a plurality of compound semiconductor layers including a first compound semiconductor layer and a second compound semiconductor layer having different polarities, and a gallium nitride (GaN) -based compound semiconductor layer stacked on a substrate. ; A first electrode on the first compound semiconductor layer; And a second electrode disposed on the second compound semiconductor layer, wherein at least one of the first electrode and the second electrode includes a first metal layer and a compound of aluminum (Al); A second metal layer positioned on the first metal layer and including aluminum; And a third metal layer positioned on the second metal layer and formed of a material having a lower chemical reactivity with aluminum than the first metal.
Description
본 발명은 발광 다이오드(diode) 소자와 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 질화갈륨(GaN)계 발광 다이오드 소자에 있어서 상부 투명 전극의 구조 및 그 형성 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a light emitting diode device and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a structure of a top transparent electrode and a method of forming the same in a gallium nitride (GaN) -based light emitting diode device.
일반적으로 빛을 발하기 위한 소자로 사용되는 발광 다이오드는 백열 전구나 형광등을 대체하는 차세대 조명으로 각광받고 있다. 특히, 질화갈륨(GaN)을 이용하는 청색 발광 다이오드가 개발되면서 모든 색의 구현이 가능하게 되었으며, 이에 따라 다양한 방면에서 수요가 더욱 크게 증가하고 있다. 발광 다이오드는 반도체의 빠른 처리 속도와 낮은 전력 소모 등의 장점과 함께, 환경 친화적이면서도 에너지 절약 효과가 높아서 차세대 국가 전략 품목으로 꼽히고 있다.BACKGROUND ART In general, light emitting diodes used as devices for emitting light have been spotlighted as next-generation lighting replacing incandescent bulbs or fluorescent lamps. In particular, as a blue light emitting diode using gallium nitride (GaN) has been developed, it is possible to realize all colors, and accordingly, demand in various fields is increasing. Light-emitting diodes are considered as next-generation national strategic items because they have the advantages of fast processing speed and low power consumption of semiconductors and environmentally friendly and high energy saving effect.
이러한 질화갈륨 발광 다이오드를 생산하는 일반적인 방법은 다음과 같다.A general method for producing such a gallium nitride light emitting diode is as follows.
도 1은 일반적인 발광 다이오드의 구조를 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 준비된 기판(10) 위에 제1 반도체층(11)을 형성한다. 상기의 제1 반도체층(11) 위에 상기의 제1 반도체층(11)과 반대 극성을 가지는 제2 반도체층(12)을 형성하여 p-n 접합면(20)을 만들 수 있다. 즉, 제1 반도체층(11)이 p형으로 도핑되어 있다면 제1 반도체층(11) 위에 n형으로 도핑된 제2 반도체층(12)을 형성하고, 제1 반도체층(11)이 n형으로 도핑되어 있으면 제1 반도체층(11) 위에 p형으로 도핑된 제2 반도체층(12)을 형성할 수 있다. 이렇게 형성된 p-n 접합면(20)으로 전류를 흘리기 위해 제2 반도체층(12)과 접한 표면에 제1 금속 전극(14)을 형성한다. 이때 p-n 접합면(20)으로 전류가 균일하게 흐를 수 있도록 제2 반도체층(12)의 상부면과 제1 금속 전극(14) 사이에 전류 분포용 투명 전극(13)을 형성할 수 있다. 또한, 제2 금속 전극(15)을 형성시키기 위하여 건식 식각 방법을 사용하여 소자 구조 중 가장 위쪽에 있는 제2 반도체층(12)에서부터 제1 반도체층(11)의 일부분까지 식각한다. 식각이 끝난 후 포토 리소그래피 공정을 이용하여 패턴을 형성하고 전자빔 증착법 등을 사용하여 제2 금속 전극(15)을 형성한다. 이후 외부 전원과의 와이어 접촉을 위한 패드(도시하지 않음)를 형성한다. 이와 같이 제작된 발광 다이오드의 제1 금속 전극(14)과 제2 금속 전극(15)을 통해 전류를 흘리면 p-n 접합면에서 빛이 방출된다.1 is a perspective view schematically showing a structure of a general light emitting diode. As shown in FIG. 1, the
질화갈륨 발광다이오드의 전기적 성질을 결정하는 중요한 요소 중 하나는 질화갈륨 반도체층과 금속 전극의 오믹(ohmic) 특성이다. 오믹 접합(ohmic contact)이 나쁘면 디바이스의 동작을 위해 요구되는 전압이 매우 높게 되어 장기적으로 디바이스의 신뢰성을 떨어뜨린다. 여기서, 오믹 접합이라 함은 두 개의 물질이 접합되어 있으며, 그 접합부에 흐르는 전류가 접합부의 전위차에 비례하는 특성을 가지는 것을 말한다.One of the important factors that determine the electrical properties of gallium nitride light emitting diodes is the ohmic characteristics of the gallium nitride semiconductor layer and the metal electrode. Poor ohmic contact results in a very high voltage required for the operation of the device, reducing the reliability of the device in the long run. Here, the ohmic junction means that two materials are bonded to each other, and the current flowing in the junction has a property that is proportional to the potential difference of the junction.
종전 기술에서는 n형 전극과 p형 전극의 형성에 있어서, 그 각각의 용도에 맞게 별개의 물질로 전극을 이루는 것이 일반적이다. In the prior art, in forming the n-type electrode and the p-type electrode, it is common to form the electrode with a separate material according to its respective use.
종래 발광소자의 n형 전극은 n형 GaN층 위에 전극층이 형성된 구조로 되어 있다. 대표적인 n형 전극층으로 Ti, Al을 기본으로 하는 다층의 전극이 사용되는데, 그 예로 Ti/Al, Ti/Al/Pt/Au, Ti/Al/Ni/Au, Ti/Al/Ti/Au 등의 구조가 있다. Ti 계열의 전극은 질화갈륨계 화합물 반도체에 적용하는 경우, 비접촉 저항이 10-5Ω-㎠ 정도로 오믹 특성을 나타내므로, 질화갈륨계 발광다이오드 소자에 적합하다. 하지만, 이러한 Ti 계열의 전극은 고온에서 다른 물질과 반응을 하거나 확산을 하는 등 불안정하고, 오믹 특성 확보를 위해 고온 열처리를 필요로 하므로, 발광소자의 제조 공정 및 안정적인 특성 확보에 있어 어려운 점들이 있다. 또한 발광소자의 패키지 제작에서 필수적인 와이어-본딩(wire bonding)이나 플립-칩(flip chip) 공정을 수행하기 위해 별도의 패드 공정이 들어가야 한다. The n-type electrode of the conventional light emitting device has a structure in which an electrode layer is formed on an n-type GaN layer. As a representative n-type electrode layer, multilayer electrodes based on Ti and Al are used. Examples thereof include Ti / Al, Ti / Al / Pt / Au, Ti / Al / Ni / Au, Ti / Al / Ti / Au, and the like. There is a structure. When the Ti-based electrode is applied to a gallium nitride compound semiconductor, the specific contact resistance exhibits ohmic characteristics of about 10 −5 Pa −cm 2, which is suitable for gallium nitride based light emitting diode devices. However, these Ti-based electrodes are unstable, such as reacting with or diffusing with other materials at high temperatures, and require high temperature heat treatment to secure ohmic properties, which makes them difficult in the manufacturing process and stable characteristics of the light emitting device. . In addition, a separate pad process is required to perform a wire bonding or flip chip process, which is essential in manufacturing a package of a light emitting device.
p형 GaN층 위에 전극층이 형성된 p형 전극의 경우, Ni/Au 혹은 ITO와 같은 물질들이 사용되어, Ni/Au 등의 금속박막을 산소 분위기에서 어닐링(annealing)하여 투명하게 하는 것이다. 이러한 투명전극층 위에 본딩패드가 형성되는 전극 구조의 경우에는, 산화물 형태의 투명전극과 금속 간의 결합으로 인하여 패키지 공정의 와이어 본딩시 전극 패드가 박리되는 문제를 발생시킬 수 있다.In the case of the p-type electrode having the electrode layer formed on the p-type GaN layer, materials such as Ni / Au or ITO are used to anneal the metal thin film such as Ni / Au in an oxygen atmosphere to make it transparent. In the case of the electrode structure in which the bonding pad is formed on the transparent electrode layer, the electrode pad may be peeled off during wire bonding in the package process due to the bonding between the oxide-type transparent electrode and the metal.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, n형 전극 및 p형 전극에 동시 적용이 가능한 전극으로서, 전기적, 열적, 구조적으로 안정적인 전극을 구비하는 전계 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is to solve the above problems, to provide an electrode that can be applied simultaneously to the n-type electrode and p-type electrode, to provide an electroluminescent device having an electrically, thermally, structurally stable electrode and a method of manufacturing the same The purpose.
또한, n형 전극에서는 오믹 접촉을 형성하고, 반면에 p형 반도체에 대해서는 상대적으로 높은 접촉 저항을 가지도록 하여 투명전극에 전류를 균일하게 확산시키는 역할을 하는 전계 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an n-type electrode forms an ohmic contact, whereas a p-type semiconductor has a relatively high contact resistance, thereby providing an electroluminescent element and a method of manufacturing the same, which serve to uniformly diffuse current in the transparent electrode. For the purpose of
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 소자는, 서로 다른 도전형의 제1 화합물 반도체층과 제2 화합물 반도체층을 포함하는 복수의 화합물 반도체층을 포함하며, 기판 위에 적층된 질화갈륨(GaN) 계열의 화합물 반도체층; 상기 제2 화합물 반도체층 위에 위치하는 제1 전극 ; 및 상기 제2 화합물 반도체층 위에 위치하는 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 하나는 제1 금속과 알루미늄(Al)의 화합물을 포함하는 제1 금속층; 상기 제1 금속층 위에 위치하며, 알루미늄을 포함하는 제2 금속층; 및 상기 제2 금속층 위에 위치하며, 상기 제1 금속보다 알루미늄과의 반응성이 낮은 물질로 형성된 제3 금속층을 포함한다. 여기서, 상기 제1 금속은 크롬(Cr) 또는 텅스텐(W)일 수 있으며, 상기 제 3 금속층은 하프늄(Hf), 니켈(Ni), 백금(Pt), 또는 팔라듐(Pd)을 포함할 수 있다. In order to achieve the above technical problem, a light emitting diode device according to an embodiment of the present invention includes a plurality of compound semiconductor layers including a first compound semiconductor layer and a second compound semiconductor layer of different conductivity types, and are formed on a substrate. Stacked gallium nitride (GaN) -based compound semiconductor layers; A first electrode on the second compound semiconductor layer; And a second electrode disposed on the second compound semiconductor layer, wherein at least one of the first electrode and the second electrode includes a first metal layer and a compound of aluminum (Al); A second metal layer positioned on the first metal layer and including aluminum; And a third metal layer positioned on the second metal layer and formed of a material having a lower reactivity with aluminum than the first metal. The first metal may be chromium (Cr) or tungsten (W), and the third metal layer may include hafnium (Hf), nickel (Ni), platinum (Pt), or palladium (Pd). .
본 발명의 다른 실시예에 의한 질화갈륨(GaN) 계열의 발광 다이오드 소자의 제조 방법은 기판 위에 질화 갈륨 계열의 화합물 반도체층을 형성하는 단계; 및 상 기 화합물 반도체층 위에 금속 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 전극을 형성하는 단계는 제1 금속층을 형성하는 단계; 상기 제1 금속층 위에 알루미늄을 포함하는 제2 금속층을 형성하는 단계; 및 상기 제2 금속층 위에, 상기 제1 금속층보다 알루미늄과의 반응성이 낮은 물질로 형성된 제3 금속층을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 전극을 형성하는 단계 이후에, 400 내지 700℃의 온도에서 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.In another embodiment, a method of manufacturing a gallium nitride (GaN) based light emitting diode device may include forming a gallium nitride based compound semiconductor layer on a substrate; And forming a metal electrode on the compound semiconductor layer, wherein forming the electrode comprises: forming a first metal layer; Forming a second metal layer including aluminum on the first metal layer; And forming a third metal layer on the second metal layer, the third metal layer formed of a material having a lower reactivity with aluminum than the first metal layer. After forming the electrode, the method may further include a heat treatment at a temperature of 400 to 700 ℃.
본 발명의 또 다른 실시예에 의한 발광 다이오드 소자는, 제1 화합물 반도체층과 제2 화합물 반도체층을 포함하며, 기판 위에 적층된 질화갈륨(GaN) 계열의 화합물 반도체층; 상기 제1 화합물 반도체층 위에 위치하는 제1 전극 ; 및 상기 제2 화합물 반도체층 위에 위치하는 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 전극 및 제2 전극 중 적어도 하나는 제1 금속을 포함하는 제1 금속층; 상기 제1 금속층 위에 위치하며, 제2 금속과 알루미늄의 화합물을 포함하는 제2 금속층; 및 알루미늄을 포함하는 제3 금속층을 포함하며, 상기 제1 금속은 갈륨(Ga) 및 질소(N)와 높은 반응성을 가지는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 제1 금속은 Cr 또는 W일 수 있으며, 상기 제2 금속은 Hf 또는 Ni일 수 있다.A light emitting diode device according to still another embodiment of the present invention includes a first compound semiconductor layer and a second compound semiconductor layer, and a gallium nitride (GaN) -based compound semiconductor layer stacked on a substrate; A first electrode on the first compound semiconductor layer; And a second electrode positioned on the second compound semiconductor layer, wherein at least one of the first electrode and the second electrode comprises a first metal; A second metal layer on the first metal layer, the second metal layer including a compound of a second metal and aluminum; And a third metal layer including aluminum, wherein the first metal has high reactivity with gallium (Ga) and nitrogen (N). Here, the first metal may be Cr or W, and the second metal may be Hf or Ni.
본 발명의 또 다른 실시예에 의한 발광 다이오드 소자의 제조 방법은, 기판 위에 질화 갈륨 계열의 화합물 반도체층을 형성하는 단계; 및 상기 화합물 반도체층 위에 금속 전극을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 전극을 형성하는 단계는 갈륨(Ga) 및 질소(N)와 높은 반응성을 가지는 물질을 이용하여 제1 금속층을 형성하는 단계; 알루미늄과 높은 반응성을 가지는 물질을 이용하여, 상기 제1 금속층 위 에 제2 금속층을 형성하는 단계; 및 상기 제2 금속층 위에, 알루미늄을 포함하는 제3 금속층을 형성하는 단계를 포함한다. 상기 전극을 형성하는 단계 이후에, 400 내지 700℃의 온도에서 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.In another aspect, a method of manufacturing a light emitting diode device includes forming a gallium nitride-based compound semiconductor layer on a substrate; And forming a metal electrode on the compound semiconductor layer, wherein the forming of the electrode comprises: forming a first metal layer using a material having high reactivity with gallium (Ga) and nitrogen (N); Forming a second metal layer on the first metal layer by using a material having a high reactivity with aluminum; And forming a third metal layer including aluminum on the second metal layer. After forming the electrode, the method may further include a heat treatment at a temperature of 400 to 700 ℃.
상기 모든 실시예에서, 상기 제3 금속층 위에 위치하는 전도성 산화방지층을 더 포함할 수 있으며, 상기 전도성 산화방지층은 금(Au), 은(Ag), 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 물질을 포함할 수 있다.In all the above embodiments, the conductive oxide layer may further include a conductive antioxidant layer positioned on the third metal layer, wherein the conductive antioxidant layer is one selected from the group consisting of gold (Au), silver (Ag), and aluminum (Al). It may include a substance of.
본 발명의 실시예에 따르면, 알루미늄-금속 화합물을 금속 전극 적층 구조에 적용하여, 전기적, 열적, 구조적으로 안정적인 전극을 구비하는 전계 발광 소자를 제조할 수 있고, 따라서 소자의 신뢰성을 향상시키고 소자 수명을 증대시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, by applying an aluminum-metal compound to a metal electrode laminated structure, an electroluminescent device having an electrically, thermally and structurally stable electrode can be manufactured, thus improving device reliability and device life. Can be increased.
또한, n형 전극에서는 오믹 접촉을 형성하여 소자의 응답 속도를 높이고, 반면에 p형 반도체에 대해서는 상대적으로 높은 접촉저항을 가지도록 하여 투명전극에 전류를 균일하게 확산시키는 효과가 있게 된다.In addition, in the n-type electrode, an ohmic contact is formed to increase the response speed of the device, whereas the n-type electrode has a relatively high contact resistance for the p-type semiconductor, thereby uniformly distributing current to the transparent electrode.
또한, n형 전극 및 p형 전극에 각각 혹은 동시 적용이 가능한 전극의 구조를 도입하여, 공정 시간의 단축, 공정 비용의 절감으로 인한 소자의 수율 향상을 가져올 수 있다.In addition, by introducing the structure of the electrode that can be applied to the n-type electrode and the p-type electrode, or at the same time, it is possible to improve the yield of the device due to the reduction of the process time, the process cost.
이하, 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드의 제조 방법에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a light emitting diode according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 또한, 본 도면은 설명을 하기 위한 것이지만, 발명을 한정하기 위한 것은 아니며, 따라서 도면의 축척은 설명의 편의를 위해 실제와는 다르게 표현될 수 있다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 위에 있다고 할 때, 이는 다른 부분 바로 위에 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 바로 위에 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.In the drawings, the thickness of layers, films, panels, regions, etc., are exaggerated for clarity. In addition, the drawings are for illustrative purposes, but are not intended to limit the invention, and therefore, the scale of the drawings may be represented differently from the actual ones for the convenience of description. When a part of a layer, film, area, plate, etc. is over another part, this includes not only the part directly above the other part but also another part in the middle. On the contrary, when a part is just above another part, it means that there is no other part in the middle.
도 2(a) 내지 도 2(d)는 본 발명의 실시예에 따르는 발광 다이오드 소자의 대표적인 공정 단계를 개략적으로 나타낸 단면도이다.2 (a) to 2 (d) are cross-sectional views schematically showing exemplary process steps of a light emitting diode device according to an embodiment of the present invention.
본 발명이 적용되는 질화갈륨 계열의 화합물 반도체 발광 소자는, 도 2(a)에 도시한 것과 같이, 사파이어 등의 재료로 이루어진 기판(100) 위에 질화갈륨층의 성장을 돕기 위한 완충층(미도시함)을 형성하고 n형 질화갈륨층(110), 활성층(미도시함), 및 p형 질화갈륨층(120)을 순차적으로 성장시킨다. 종전 기술에서 설명한 바와 같이, 상기 n형 질화갈륨층(110)과 상기 p형 질화갈륨층(120)의 위치는 서로 맞바뀔 수도 있으며, 도핑되지 않는 질화갈륨층이 추가로 포함될 수도 있다. 이러한 치환이나 변경은 당업자의 기술 수준에서 자명할 것이다. The gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device to which the present invention is applied, as shown in FIG. 2 (a), a buffer layer (not shown) to assist the growth of a gallium nitride layer on a
한편, p형 질화갈륨층(120)과 접촉하는 전극의 경우, 금속 전극 형성에 앞서서 투명 전극(130)을 먼저 형성한다. 투명 전극(130)은 상기 p형 질화갈륨층(120)의 상부 전면(全面) 상에 형성되어 외부에서 공급되는 전류가 상기 p형 질화갈륨층(120)으로 고르게 분포하도록 하는 역할을 한다.Meanwhile, in the case of an electrode contacting the p-type
여기서 질화갈륨층으로 표현하였지만, 이는 GaN 계열의 화합물 반도체를 가리키는 것으로, GaN 만으로 이루어진 화합물 반도체는 물론, AlGaN, InGaN, 또는 (In, Al)GaN과 같은 GaN 계열의 화합물 반도체가 포함됨은 당업자에게 있어서 자명할 것이다.Although expressed as a gallium nitride layer here, it refers to a GaN-based compound semiconductor, and those skilled in the art include a GaN-based compound semiconductor such as AlGaN, InGaN, or (In, Al) GaN, as well as a compound semiconductor composed only of GaN. Will be self explanatory.
이렇게 형성된 p-n 접합면(200)으로 전류를 흘리기 위해 상기 n형 질화갈륨층(110)과 상기 p형 질화갈륨층(120)의 표면에 금속 전극을 형성한다. 도 2(b)에 도시한 것과 같이, 활성층 및 p형 질화갈륨층(120)의 하부에 위치한 n형 질화갈륨층(110) 위에 n형 금속 전극(150)을 형성시키기 위하여 건식 식각 방법을 사용하여 소자 구조 중 가장 위쪽에 있는 p형 질화갈륨층(120)에서부터 n형 질화갈륨층(110)의 표면이나 표면 아래까지 식각한다. A metal electrode is formed on the surfaces of the n-type
또한, 상기 투명 전극(130)의 경우, p형 전극(140)이 형성될 지역의 일부를 패터닝하여 식각하여 p형 질화갈륨층(120)의 일부 표면이 노출되도록 한다. 이는 종전 기술에서 투명 전극 위에 금속 전극 패드가 형성되는 것과 구별되는 것으로, 주로 산화물 전극(예컨대 ITO)인 투명 전극과 금속 패드 간의 계면 특성으로 인해 후속 공정에서 금속 패드가 박리(peeling)되는 현상을 방지하는 효과가 있다. 즉, 이어서 형성될 금속 전극(140)이 투명 전극(130) 뿐 아니라, 상대적으로 계면 접착 특성이 우수한 p형 질화갈륨층(120)과도 직접 접하게 되므로, 후속 공정(예컨대 와이어 본딩 공정)에서 금속 전극(140)이 안정적으로 접착 상태를 유지할 수 있다.In addition, in the case of the
이후, 도 2(c)에 도시한 바와 같이, 상기 노출된 n형 질화갈륨층(110)의 일부 영역과, p형 질화갈륨층(120) 표면의 노출된 영역과 투명 전극(130)의 일부 영 역 위에 금속 전극(150, 140)을 형성하게 된다.Thereafter, as shown in FIG. 2 (c), a portion of the exposed n-type
아래에서 자세히 설명될 다층 적층 구조의 금속 전극을 형성한후, 열처리를 통해 금속 전극 내의 확산 반응 및 금속 전극과 하부 화합물 반도체층 간의 확산 반응을 일으킨다. 도 2(d)에서 각각의 금속 전극(140, 150)으로부터 금속 성분이 확산된 화합물 반도체층(120, 110)의 계면을 각각 도면번호 125와 115로 도시하였으며, 이에 대한 자세한 설명은 이하에 기재하기로 한다.After forming a metal electrode having a multilayered laminated structure to be described in detail below, heat treatment causes a diffusion reaction in the metal electrode and a diffusion reaction between the metal electrode and the lower compound semiconductor layer. In FIG. 2 (d), the interfaces of the compound semiconductor layers 120 and 110, in which the metal components are diffused from the
본 발명의 금속 전극의 구조는 상기 n형 및/또는 p형 질화갈륨층(120)의 바로 위에 형성되는 다층 적층 구조이다. The structure of the metal electrode of the present invention is a multilayer stacked structure formed directly on the n-type and / or p-type
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 금속 전극 적층 구조의 단면도이다. 3 is a cross-sectional view of a metal electrode stack structure according to an embodiment of the present invention.
도면 (a)는 상기 n형 질화갈륨층(110)의 위에 형성된 금속 전극 적층 구조를 도시하며, 도면 (b)는 상기 p형 질화갈륨층(120)의 위에 형성된 금속 전극 적층 구조를 도시한다. Figure (a) shows a metal electrode stacked structure formed on the n-type
먼저, 도 3의 (a)에 도시한 n형 전극(150), 즉 n형 질화갈륨층(110)과 접촉하는 전극의 경우, 먼저 제1 금속층(151)을 상기 n형 질화갈륨층(110) 위에 형성한다. 제1 금속층(151)은 갈륨 원소나 질소 원소와 높은 반응성을 가지고 그 상부 금속층을 이루게 되는 알루미늄 원소와도 반응성이 높은 금속 또는 화합물로 구성된다. 이러한 특성을 가지는 금속으로는 크롬(Cr) 또는 텅스텐(W)이 대표적이다.First, in the case of the n-
제1 금속층(151) 위에, 알루미늄 금속이나 그 화합물(예컨대 Cr-Al)로 구성된 제2 금속층(152)을 형성한다. 알루미늄 금속은 전류 유입(current injection)의 실질적인 기능을 하게 되며, 그 기능을 극대화하기 위해 금속 전극 적층 구조에 있어서 가장 두꺼운 층으로 형성될 수 있다. 즉, 도면에서는 금속 전극 적층 구조의 각 층의 두께에 대해 거의 동일하게 도시하였지만, 실제 발명을 구현함에 있어서는, 본 명세서에 기재한 각 층의 기능을 극대화하는 범위에서 조절될 수 있으며, 이는 당업자에게 있어서 자명한 범위의 것이다. 제2 금속층(152)과 접하게 되는 제1 금속층(151)의 구성 원소, 즉 크롬, 텅스텐 등은 알루미늄 원소와 반응성이 높으므로 후속 열처리 공정 등에서 상호 반응을 통해 알루미늄 화합물, 예컨대 크롬-알루미늄 화합물이나 텅스텐-알루미늄 화합물을 형성하게 된다.On the
이어서, 제2 금속층(152) 위에, 알루미늄과의 반응성이 상대적으로 낮은 물질로 형성되는 제3 금속층(153)을 형성한다. 여기서 상대적으로 낮다는 의미는 제1 금속층의 금속과 비교하여 낮다는 것으로, 알루미늄과의 반응이 잘 일어나지 않는다는 의미는 아니다. 즉, 열처리 공정에 있어서 제2 금속층(152)의 알루미늄 원소가 제1 금속층(151)의 금속과 상대적으로 더 활발하게 반응을 일으키게 되고, 알루미늄과 제3 금속층(153)의 금속은 계면 근처에서만 국부적으로 반응하게 된다. 제2 금속층(152)과 제3 금속층(153) 계면에 형성되는 알루미늄 계열의 화합물층은 후술하는 전도성 산화 방지층(154)으로부터의 금속 확산을 억제하는 역할을 하며, 또한 열적으로 안정하므로 후속 공정에서 전극 구조의 변형이나 원치 않는 반응을 방지하는 역할을 하게 된다. 이러한 기능에 적합한 금속 원소로는 하프늄(Hf), 니켈(Ni), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 등이 있다.Next, a third metal layer 153 formed of a material having a relatively low reactivity with aluminum is formed on the
또한, 제3 금속층(153) 위에 추가로 전도성 산화 방지층(154)을 형성할 수 있다. 전도성 산화 방지층은 전도성이 큰 금속으로 형성되며, 열처리 및 기타 후 속 공정에서 발생하기 쉬운 오염 물질들이 전극 내로 침투하는 것을 방지하게 된다. 또한, 바람직하게는 외부 회로에서 전달되는 전류가 전극 내부로 용이하게 주입될 수 있도록 전도성이 우수한 물질로 구성된다. 이러한 기능에 적합한 물질로는 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al) 및 이들의 합금 등이 있다.In addition, the
상기 다층 구조의 금속 전극을 형성한 후에는, 열처리 공정을 통해 제2 금속층(152)의 알루미늄과 제1 금속층(151)의 금속 원소의 반응을 유도한다. 열처리 공정은 목적하는 반응을 유도하기 위해 약 400 내지 700℃의 온도에서 진행된다. 열처리 분위기는 질소, 질소+산소, 아르곤, 진공 분위기 등 비활성 분위기에서 진행될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 열처리 단계에 있어서, 제3 금속층(153)은 알루미늄과의 반응성이 상대적으로 약하므로, 제2 금속층(152)은 제1 금속층의 금속 원소와 반응하여 알루미늄 화합물층, 예컨대 크롬-알루미늄 화합물층이나 텅스텐-알루미늄 화합물층을 형성하게 된다. 결과적으로, 제1 금속층(151)의 금속은 대부분 알루미늄과의 반응을 하여, 실질적으로 제1금속-알루미늄의 합금층을 이루게 된다.After the metal electrode having the multilayer structure is formed, a reaction between the aluminum of the
또한, n형 질화갈륨층(110)과 제1 금속층(151)의 계면에서는 n형 질화갈륨의 질소 공공(vacancy)에 제1 금속층의 금속 원소 및 알루미늄이 확산되어 질화갈륨-금속 원소(Cr, W 등)-알루미늄의 화합물을 형성하여, 계면에서의 캐리어 농도가 증가하게 된다. 이렇게 n형 캐리어가 증가된 계면층, 즉 n형 질화갈륨층(110)보다 상대적으로 n형 캐리어가 증가된 "n+ 질화갈륨층"을 도면번호 115로 도시하였다. 이러한 n+ 질화갈륨층(115)의 형성은 금속 전극(150)과 질화갈륨층(110) 간의 전류 이동을 원활하게 하여 우수한 오믹 특성을 나타내게 된다.In addition, at the interface between the n-type
다음으로, 도 3의 (b)에 도시한 p형 전극(140)의 금속 전극 적층 구조의 형성 단계는 전술한 n형 전극(150)의 경우와 동일하다. 즉, 갈륨 원소나 질소 원소와 높은 반응성을 가지고 그 상부 금속층을 이루게 되는 알루미늄 원소와도 반응성이 높은 금속 또는 화합물로 구성된 제1 금속층(141)을 상기 p형 질화갈륨층(120) 위에 형성하고, 그 위에 알루미늄 금속이나 그 화합물로 구성된 제2 금속층(142)을 형성하고, 그 위에 알루미늄 반응성이 상대적으로 떨어지는 제3 금속층(143)을 형성하고, 추가로 전도성 산화 방지층(144)을 형성한다. 이후, 약 400 내지 700℃의 온도에서 열처리하여 제2 금속층(142)의 알루미늄과 제1 금속층(141)의 금속 원소의 반응을 유도한다.Next, the step of forming the metal electrode stacked structure of the p-
이러한 p형 전극(140)의 금속 적층 구조는 전술한 n형 전극(150)의 경우와 거의 동일하지만, 그 하부의 질화갈륨층의 도전형 타입의 차이로 인한 효과 차이가 있다. 즉, n형 전극(150)의 경우, n형 질화갈륨층(110)과 제1 금속층(151)의 계면에 n+ 질화갈륨층(115)이 형성되지만, 이와 반대로 p형 전극(140)의 경우에는 p형 질화갈륨층(120)과 제1 금속층(141)의 계면에서의 확산 작용이 오히려 p형 캐리어를 상쇄하여 감소시키는 효과가 있으므로, p- 질화갈륨층(125)을 형성하게 된다. 그 결과, p형 질화갈륨층(120)과 제1 금속층(141)의 계면에 높은 에너지 장벽이 생성되므로, 외부에서 전달되는 전류가 전극에서 p- 질화갈륨층(125)으로 직접 주입되기 보다는 투명전극으로 고르게 전류를 확산시키는 효과가 있게 된다.The metal stacked structure of the p-
상기의 금속 전극 적층 구조 프로세스는 n형 전극(150) 및 p형 전극(140) 중 의 하나에 대해서만 적용할 수도 있으며, 바람직하게는 n형 전극(150) 및 p형 전극(140)에 동시에 적용할 수 있으며, 이러한 동시 적용의 경우에는 n형 전극(150) 및 p형 전극(140)을 동일한 공정 단계를 통해서 동시에 형성할 수 있기 때문에, 공정 비용 절감 및 공정 시간 감축의 효과가 있을 수 있다.The metal electrode stacked structure process may be applied to only one of the n-
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 금속 전극 적층 구조의 단면도이다. 4 is a cross-sectional view of a metal electrode stack structure according to another embodiment of the present invention.
도 3에서와 마찬가지로, 도면 (a)는 상기 n형 질화갈륨층(110)의 위에 형성된 금속 전극 적층 구조를 도시하며, 도면 (b)는 상기 p형 질화갈륨층(120)의 위에 형성된 금속 전극 적층 구조를 도시한다. 3, the figure (a) shows a metal electrode stacked structure formed on the n-type
도 4에 도시된 실시예에 의한 금속 전극의 적층 구조는 도 3에 도시된 실시예에 의한 금속 전극의 적층 구조와 유사하며, 알루미늄층의 형성 순서의 차이가 있다. 이하에서 그 구조 및 형성 방법에 대해 상세히 설명한다.The stack structure of the metal electrode according to the embodiment shown in FIG. 4 is similar to the stack structure of the metal electrode according to the embodiment shown in FIG. 3, and there is a difference in the order in which the aluminum layers are formed. Hereinafter, the structure and the formation method will be described in detail.
도 4의 (a)에 도시한 바와 같이, n형 전극(150), 즉 n형 질화갈륨층(110)과 접촉하는 전극의 경우, 먼저 제1 금속층(156)을 상기 n형 질화갈륨층(110) 위에 형성한다. 제1 금속층(156)은 갈륨 원소나 질소 원소와 높은 반응성을 가지는 금속 또는 화합물로 구성된다. 이러한 특성을 가지는 금속으로는 크롬(Cr) 또는 텅스텐(W)이 대표적이다.As shown in FIG. 4A, in the case of an n-
제1 금속층(156) 위에, 제2 금속층(157)을 형성한다. 제2 금속층(157)은 알루미늄과 높은 반응성을 가지는 물질로 형성되며, 하프늄(Hf) 또는 니켈(Ni)이 대표적이다. 이어서, 제2 금속층(157) 위에, 알루미늄 원소를 포함하는 제3 금속층(158)을 형성한다. The
또한, 도 3의 실시예와 마찬가지로, 제3 금속층(158) 위에 추가로 전도성 산화 방지층(159)을 형성할 수 있으며, 전도성 산화 방지층은 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al) 및 이들의 합금 등으로 형성될 수 있다.In addition, as in the embodiment of FIG. 3, the
이후, 약 400 내지 700℃의 온도에서 열처리하여 제2 금속층(157)의 금속 원소와 제3 금속층(158)의 알루미늄 원소의 반응을 유도한다. 이러한 반응에 의해, 알루미늄 화합물층, 예컨대 하프늄-알루미늄 화합물층이나 니켈-알루미늄 화합물층을 형성하게 된다. 도 3의 실시예에서는, 알루미늄과의 반응에 있어서, 하프늄 등의 반응성이 크롬 등에 비해 낮아서 알루미늄과 제한적인 반응을 나타내지만, 도 4의 실시예에서는, 금에 비해 하프늄 등의 반응성이 높으므로, 알루미늄과 활발한 반응을 일으키게 된다. 이러한 알루미늄 계열의 화합물층은 전도성 산화 방지층(159)의 금속이 제1 금속층(156)이나 하부 질화갈륨층과 반응을 일으키지 않도록 억제하는 역할을 하며, 또한 열적으로 안정하므로 후속 공정에서 전극 구조의 변형이나 원치 않는 반응을 방지하는 역할을 하게 된다. Thereafter, heat treatment is performed at a temperature of about 400 to 700 ° C. to induce a reaction between the metal element of the
또한, 도 3의 실시예와 마찬가지로, n형 질화갈륨층(110)과 제1 금속층(156)의 계면에서는 n형 질화갈륨의 질소 공공에 제1 금속층의 금속 원소가 확산되어 n+ 질화갈륨층(115)을 형성하게 된다.3, at the interface between the n-type
한편, 도 4의 (b)에 도시한 바와 같이, p형 전극(140), 즉 p형 질화갈륨층(120)과 접촉하는 전극의 경우, 금속 전극 형성에 앞서서 투명 전극(130)을 먼저 형성한다. 투명 전극(130)은 상기 p형 질화갈륨층(120)의 상부 전면(全面) 상에 형성되어 외부에서 공급되는 전류가 상기 p형 질화갈륨층(120)으로 고르게 분포하 도록 하는 역할을 한다.Meanwhile, as shown in FIG. 4B, in the case of an electrode contacting the p-
본 실시예의 p형 전극(140)의 금속 전극 적층 구조의 형성 단계도 전술한 n형 전극(150)의 경우와 동일하며, 도 3의 실시예에서와 마찬가지로 투명 전극의 일부를 식각하고 그 위에 형성된다. 즉, 갈륨 원소나 질소 원소와 높은 반응성을 가지고 그 상부 금속층을 이루게 되는 알루미늄 원소와도 반응성이 높은 금속 또는 화합물로 구성된 제1 금속층(146)을 상기 p형 질화갈륨층(120) 위에 형성하고, 그 위에 알루미늄 금속과 높은 반응성을 가지는 제2 금속층(147)을 형성하고, 그 위에 알루미늄 금속을 포함하는 제3 금속층(148)을 형성하고, 추가로 전도성 산화 방지층(149)을 형성한다. 이후, 약 400 내지 700℃의 온도에서 열처리하여 제3 금속층(147)의 알루미늄과 제2 금속층(148)의 금속 원소의 반응을 유도한다.The step of forming the metal electrode stack structure of the p-
본 실시예의 p형 전극 구조의 효과는 도 3의 경우와 같으므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.Since the effect of the p-type electrode structure of this embodiment is the same as in the case of Figure 3, the description thereof will be omitted.
본 발명에서 도입한 다층 금속 전극 구조의 효과를 알아보기 위해, 도 1과 같은 종래의 기술에 따라 제작한 전극과 본 발명의 실시예에 따른 금속 적층 구조를 사용한 전극에 대해서, 각각 질화 갈륨층과의 계면에서의 전기적 특성을 비교해 보았으며, 이를 도 5의 전압-전류 관계 그래프로 도시하였다. In order to examine the effect of the multi-layered metal electrode structure introduced in the present invention, the gallium nitride layer and the electrode produced according to the prior art as shown in Figure 1 and the electrode using the metal laminated structure according to the embodiment of the present invention, respectively We compared the electrical properties at the interface of, which is shown in the voltage-current relationship graph of FIG.
도 5에서 (a)로 표시한 그래프, 즉 네모 형태로 데이터값을 표시한 그래프가 종래 기술의 Ti/Al 전극과 n형 질화갈륨층의 계면에서의 전류-전압 관계를 나타낸 것이고, (b)로 표시한 그래프, 즉 동그라미 형태로 데이터값을 표시한 그래프는 도 4의 실시예에 따라 Cr/Hf/Al/Au 전극과 n형 질화갈륨층의 계면에서의 전류-전압 관 계를 나타낸 것이며, (c)로 표시한 그래프, 즉 세모 형태로 데이터값을 표시한 그래프는 도 3의 실시예에 따라 Cr/Al/Hf/Au 전극과 n형 질화갈륨층의 계면에서의 전류-전압 관계를 나타낸 것이다. 각 경우에 대하여 -0.5 내지 0.5V의 전압을 인가하여 이들 사이에 흐르는 전류의 값을 0.05V 단위로 측정하여 그래프로 나타내었다. 그래프 (a), 즉 Ti/Al 전극을 사용하는 계면의 경우에는 저항값이 약 16Ω으로 나타나는 반면에, 본 발명의 실시예들에 의해 제작한 전극의 경우 모두 저항값이 약 3Ω으로, 기존 전극 구조에 비해 5배 이상의 차이를 나타냄을 확인할 수 있었다. 즉, 본 발명의 실시예에 의한 금속 전극 적층 구조를 n형 질화갈륨층에 도입하는 경우, 오믹 특성을 현저히 개선할 수 있음을 확인하였다.In FIG. 5, a graph represented by (a), that is, a graph showing data values in a square form shows a current-voltage relationship at an interface between a Ti / Al electrode and an n-type gallium nitride layer of the prior art, and (b) The graph, which is a graph showing data values in the form of a circle, shows a current-voltage relationship at the interface between the Cr / Hf / Al / Au electrode and the n-type gallium nitride layer according to the embodiment of FIG. The graph represented by (c), that is, the graph displaying the data value in the form of a triangle, shows the current-voltage relationship at the interface between the Cr / Al / Hf / Au electrode and the n-type gallium nitride layer according to the embodiment of FIG. will be. In each case, a voltage of -0.5 to 0.5V was applied and the value of the current flowing therebetween was measured and expressed in a graph of 0.05V. In the graph (a), i.e., the interface using the Ti / Al electrode, the resistance value is about 16 ohms, whereas in the case of the electrodes fabricated by the embodiments of the present invention, the resistance value is about 3 ohms. It can be seen that the difference is more than five times compared to the structure. That is, it was confirmed that the ohmic characteristics can be remarkably improved when the metal electrode laminated structure according to the embodiment of the present invention was introduced into the n-type gallium nitride layer.
또한, p형 전극에 대해서는 오히려 계면에서의 저항이 늘어나지만, 이는 p형 전극으로부터 질화갈륨층으로 직접 전류가 흐르지 않고, 투명전극을 통하는 전류 경로를 통해서 전류의 분포가 고르게 되는 효과를 가져올 수 있다.In addition, for the p-type electrode, the resistance at the interface is increased, but this may have the effect that the current distribution does not flow directly from the p-type electrode to the gallium nitride layer, and the current distribution is even through the current path through the transparent electrode. .
이상에서는 현재로서 실질적이라 고려되는 실시예를 참고로 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것으로 이해되어서는 안 된다. 오히려, 전술한 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.In the above, the present invention has been described with reference to the presently considered embodiments, but the present invention should not be understood as being limited to the above embodiments. Rather, it should be construed as including all modifications of the range which are easily changed by those skilled in the art from the above-described embodiment of the present invention and considered equivalent.
도 1은 일반적인 발광 다이오드 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 2(a) 내지 도 2(d)는 본 발명의 실시예에 따르는 발광 다이오드 소자의 대표적인 공정 단계를 개략적으로 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a general light emitting diode device, and FIGS. 2 (a) to 2 (d) are cross-sectional views schematically showing typical process steps of a light emitting diode device according to an embodiment of the present invention.
도 3, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 금속 전극 적층 구조의 단면도이다. 3 and 4 are cross-sectional views of a metal electrode stacked structure according to another embodiment of the present invention.
도 5는 종래 기술에 의한 발광 다이오드 소자와 본 발명의 실시예에 따라 제조된 발광 다이오드 소자의 오믹 접합 특성을 비교한 결과를 나타낸다.Figure 5 shows the result of comparing the ohmic junction characteristics of the LED device according to the prior art and the LED device manufactured according to the embodiment of the present invention.
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