KR100855340B1 - 발광 다이오드 소자의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

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. 본 발명에 따른 발광 다이오드 소자는, 질화갈륨(GaN) 계열의 발광 다이오드 소자에 있어서, n형 질화갈륨 반도체층과 p형 질화갈륨 반도체층을 포함하며, 기판 위에 적층된 질화갈륨 반도체층; 상기 질화갈륨 반도체층 상부에 위치하는 정공 주입층; 및 상기 정공 주입층 상부에 위치하는 투명전극을 포함한다.

발광 다이오드, 질화갈륨, 투명 전극, 정공 주입층, 오믹 접합

Description

발광 다이오드 소자의 제조 방법 {MANUFACTURING METHOD FOR LIGHT EMITTING DIODE DEVICE}

도 1은 일반적인 발광 다이오드 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 발광 다이오드 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 3은 종래 기술에 의한 발광 다이오드 소자와 본 발명의 실시예에 따라 제조된 발광 다이오드 소자의 오믹 접합 특성을 비교한 결과를 나타낸다.

본 발명은 발광 다이오드(diode) 소자의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 질화갈륨(GaN)계 발광 다이오드 소자에 있어서 상부 투명 전극의 구조 및 그 형성 방법에 관한 것이다.

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.

이러한 질화갈륨 발광 다이오드를 생산하는 일반적인 방법은 다음과 같다.

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.

질화갈륨 발광다이오드의 전기적 성질을 결정하는 가장 중요한 요소는 p형 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 영역을 말한다.

종래에는, 전류의 균일한 분포를 달성하기 위해서 전류 확산용으로 금속 박막을 형성하였다. Ni/Au 전극이나 Pt 등의 금속박막을 산소 분위기에서 어닐링하여 투명하게 하는 것이다. 그러나 Ni/Au나 Pt는 비저항이 작은데 비해, 투명도는 충분하지 않고, 발광한 빛의 추출 효율도 악화된다. 즉, 발광 다이오드에서 발생한 빛이 투명 전극을 지나서 방출되는데, Ni/Au 전극은 광투과율이 80% 이상을 유지하기 힘들어서, 20% 이상의 빛이 방출 과정에서 손실되는 것이다.

또한, 발광한 빛의 투과율을 높이기 위해 금속 박막의 두께를 얇게 하면, 투명도는 증가하게 되나, 소자 전체에 골고루 퍼지게 되는 전류 확산 효과(current spreading effect)는 현저하게 감소하여 소자의 특성을 향상시키지는 못 한다.

또한, 전류확산용으로 ITO(indium tin oxide) 박막층을 사용하면, 투명도나 전류 확산 효과는 향상되지만, ITO 물질은 n형 전도성 물질에 속하므로, 접합을 이루는 최종 박막층이 p형 질화갈륨 반도체층인 경우에는 오믹 접합이 아닌 쇼트키(Schottky) 접합 특성을 보이게 되므로, 그 자체만으로 투명전극 층을 형성할 수 는 없다.

상기와 같이 종래의 방법으로는 원하는 충분한 오믹 특성을 얻는 데는 한계가 있다. 또한, 오믹 접합 형성을 위해 고온에서 열처리를 하는 경우에는 p형 질화갈륨 반도체층 표면에서는 갈륨 빈자리만 생기는 것이 아니라, 질소 빈자리도 함께 생기는 문제가 발생한다. 질소 빈자리는 갈륨 빈자리와는 정반대로 정공의 농도를 감소시키게 된다. 따라서 최적의 오믹 특성을 얻기 위해서는 열처리하는 과정 중 p형 질화갈륨 반도체층 내부에 질소 빈자리를 만들지 않고 정공의 농도를 높일 수 있는 방법이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, p형 질화갈륨 반도체층과 전극 간에 전류 확산 효과 및 투명도를 극대화하면서도 오믹 접합을 이룰 수 있는 전계 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 따른 발광 다이오드 소자는, 질화갈륨(GaN) 계열의 발광 다이오드 소자에 있어서, n형 질화갈륨 반도체층과 p형 질화갈륨 반도체층을 포함하며, 기판 위에 적층된 질화갈륨 반도체층; 상기 질화갈륨 반도체층 상부에 위치하는 정공 주입층(hole injection layer); 및 상기 정공 주입층 상부에 위치하는 투명전극을 포함한다.

여기서, 상기 질화갈륨 반도체층은 사파이어 기판 위에 n형 질화갈륨 반도체층, 활성층, p형 질화갈륨 반도체층이 차례로 적층되어 형성되고, 상기 정공 주입층은 상기 p형 질화갈륨 반도체층의 바로 위에 위치하는 것으로 할 수 있다.

상기 정공 주입층은 p형으로 도핑된 투명한 전도성 산화물로 형성할 수 있으며, 인듐-주석 산화물(ITO), CuAlO₂, CuGaO₂, SrCu₂O₂, ZnO:P, ZnO:N, 및In₂O₃+Ag₂O을 포함하는 군에서 선택된 물질을 포함할 수 있으며, 그 두께는 5Å 내지 100Å의 범위 이내인 것으로 할 수 있다.

상기 투명전극은 인듐-주석 산화물(ITO), 또는 산화 아연과 알루미늄의 혼합물(ZnO:Al)로 형성 할 수 있으며, 상기 투명전극의 두께는 500Å 내지 3000Å의 범위 이내로 할 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 따른 질화갈륨(GaN) 계열의 발광 다이오드 소자의 제조 방법은 기판 위에 n형 질화갈륨 반도체층 및 p형 질화갈륨 반도체층을 포함하는 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계; 상기 질화갈륨 반도체층의 위에 정공 주입층을 형성하는 단계; 및 상기 정공 주입층의 위에 투명전극을 형성하는 단계를 포함한다.

상기 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계는 상기 기판 위에 n형 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계; 상기 n형 질화갈륨 반도체층 위에 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 위에 p형 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 정공 주입층은 상기 p형 질화갈륨 반도체층의 바로 위에 형성하는 것으로 할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드의 제조 방법에 대해 상세히 설명한다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 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.

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 발광 다이오드 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

본 발명이 적용되는 질화갈륨 화합물 반도체 발광 소자는, 도 1의 경우와 유사하게, 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. 이어서, 본 발명의 실시예에 따르는 발광 다이오드 소자에서는 상기 p형 질화갈륨층(120)의 위에 투명 전극을 형성하였던 종래 방식과는 달리, 정공 주입층(125)을 먼저 형성하고, 상기 정공 주입층(125)의 바로 위에 투명 전극(130)을 형성한다.

여기서, 정공 주입층(125)의 역할은 그 하부에 위치한 p형 질화갈륨층(120)과 투명 전극(130)의 오믹 접합의 형성을 돕는다. 즉, 오믹 접합 형성을 위해 고온에서 열처리를 하는 경우에, p형 질화갈륨 반도체층, 특히 표면 부근에 발생하는 질소 빈자리로 인한 정공의 농도 감소를 방지 혹은 상쇄하게 된다. 따라서 열처리하는 과정 중 p형 질화갈륨 반도체층 내부에 정공의 농도를 유지 내지 증가시키게 된다.

이러한 목적을 가진 상기 정공 주입층(125)은, p형으로 도핑된 물질로 형성할 수 있다. 즉, 하부 p형 질화갈륨층(120)에 정공을 공급할 수 있도록, p형으로 도핑된 물질로 이루어지며, 바람직하게는 상기 p형 질화갈륨층(120)과 동일한 도핑 원소를 포함하여, 후속 열처리 공정에서의 상기 도핑 원소의 손실을 방지하도록 한다.

또한, 정공 주입층이 삽입되더라도 발광 다이오드의 광 투과성을 유지하도록 하는 것이 중요하다. 이를 위해서 투명한 전도성 전극을 사용한다. 즉, p형으로 도핑이 가능하고, 투명하면서도 전도성이 우수한 물질이 필요하다. 이를 위해 대표적인 것은 전도성 산화물 물질, 바람직하게는, 인듐-주석 산화물(ITO), CuAlO₂, CuGaO₂, SrCu₂O₂, ZnO:P, ZnO:N, 및 In₂O₃+Ag₂O을 포함하는 군에서 선택된 물질을 포함할 수 있다.

또한, 정공 주입층(125)의 두께는 5Å 내지 100Å의 범위가 되도록 한다. 정공 주입층(125)은 상부의 투명 전극(130)과 하부의 p형 질화갈륨층(120)의 사이에서 오믹 접합의 형성을 돕는 역할을 하는 것이므로, 광 투과의 손실 방지 및 패터닝 공정과 같은 후속 공정의 진행을 고려할 때, 오믹 접합 형성의 역할을 수행할 수 있는 범위 내에서 최대한 얇은 두께로 형성하는 것이 유리하다.

일반적으로 p형 질화갈륨 층은 많은 양의 수소를 포함하고 있는데, 이 수소들은 유기금속화학증착(MOCVD) 방법으로 성장하는 과정 중에 포함되며, 도핑 원소(예컨대 마그네슘 원소)와 Mg-H와 같은 형태로 결합되어 있다. 따라서 이 수소를 제거해야만 비로소 도핑 원소가 활성화되어 정공을 생성하는 억셉터(accepter)의 역할을 한다. 이 수소를 제거하기 위해, 별도의 급속열처리 또는 전기로에서의 열처리 과정이 필요하다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 p형 질화갈륨계 디바이스 제조방법은, 열처리 확산과정에 의해 상기 정공 주입층(125)으로부터 p형 질화갈륨층(120) 내부로 정공 및/또는 도핑 원소가 확산되어, p형 질화갈륨의 정공 농도를 높이고, 도핑된 원소를 활성화시킬 수 있다.

즉, p형 질화갈륨층(120) 위에 정공 주입층(125)을 형성한 이후, 질소 분위기의 증착 장치 내에서 열처리하여 정공 주입층(125)의 정공 및/또는 도핑 원소를 상기 p형 질화갈륨층(120)의 내부로 확산시킬 수 있다. 이때, 질소 분위기에서 400℃ 내지 800℃의 온도에서 급속열처리(RTA)(Rapid Thermal Annealing)하여, 불필요한 열 부담(thermal budget)을 최소화 하는 가운데에서 정공 주입 효과를 극대화하는 것이 바람직하다. 물론, 정공 및/또는 도핑 원소를 상기와 같이 p형 질화갈륨층(120)의 내부로 확산시키는 방법은 상기의 방법에 한정된 것이 아니며, 전기로에서 열처리하거나, 정공 주입층 형성과 동시에 열처리를 실시하여 구현될 수도 있다.

또한, 정공 주입층(125)이 p형 질화갈륨층(120)을 덮고 있기 때문에, 확산 공정 중에 p형 질화갈륨층(120) 내부의 질소 원자가 외부로 빠져나가는 것을 효과적으로 막을 수 있게 된다.

이러한 열처리 공정은 상기 정공 주입층(125)의 위에 투명전극(130)을 형성하는 공정이 완료된 이후에 진행할 수도 있다.

상기 투명전극(130)으로는, n형 투명 전극 물질인 인듐-주석 산화물(ITO), 또는 산화 아연과 알루미늄의 혼합물(ZnO:Al)이 적용 가능하다. 이외에도, 산화 아연과 알루미늄의 혼합물(ZnO:Al), IrO₂, RhO₂, RuO₂, Co₃O₄, Fe₃O₄, Mo₂O₃ 등의 산화물 계열의 전도성 물질을 사용할 수 있다. 투명전극(130)은 전류의 고른 분포 및 안정적인 오믹 접합 형성을 요하므로, 그 두께는 500Å 내지 3000Å의 두께 범위로 하여 상기 정공 주입층(125)보다는 두껍게 형성하는 것이 바람직하다.

이후의 공정은 일반적인 질화물 발광 다이오드의 제작공정에 따라, n-전극(150)이 형성될 지역에 건식 식각 방법 등으로 상기 p형 질화 갈륨층(120) 및 n형 질화 갈륨층(110)의 일부를 제거한 후 n-전극(150)을 형성한다. 상기 투명전극(130) 위에는 p-전극(140)을 위한 금속물질을 증착한다. 이후, 오믹 접합 형성을 돕기 위해 400℃ 내지 1000℃으로 열처리하는 단계를 추가할 수 있다.

n형과 p형 질화갈륨층(110, 120) 위에 각각 전극(130, 150)을 형성하는데 있어서의 오믹접합은 운반자의 이동 메카니즘으로부터 이해할 수 있다. 일반적으로 낮은 저항의 반도체와 금속(전도성 산화물 포함) 계면간의 오믹접합을 형성시키기 위해서는 포텐셜(potential) 장벽을 터널링(tunneling)하기 위해 높은 일함수를 갖는 전도성 물질을 채택하게 된다. 전술한 정공 주입층(125)에 사용되는 물질 들이 이러한 특성을 만족하는 물질들이다. 예컨대, ITO 물질의 일함수는 4.5eV 인 것과 비교하여, CuAlO₂의 일함수는 5.3eV로 상당히 높기 때문에 오믹 특성 형성에 유리하다. 또한 광학적 밴드갭도 약 4eV로 가시광선 투과율도 우수하다.

또한, 본 발명에서 도입한 정공 주입층의 효과를 알아보기 위해, 도 1에서 도시한 것과 같은 종래의 기술에 따라 제작한 p-형 질화갈륨층과 본 발명에서 제작한 p-형 질화갈륨층에 대해서, 각각 투명 전극과의 계면에서의 전기적 특성을 비교해 보았으며, 이를 도 3의 전압-전류 관계 그래프로 도시하였다.

도 3에서 (a)로 표시한 그래프, 즉 네모 형태로 데이터값을 표시한 그래프가 본 발명의 실시예에 따라 정공 주입층을 도입한 p-형 질화갈륨층에 대한 것이고, (b)로 표시한 그래프, 즉 동그라미 형태로 데이터값을 표시한 그래프는 정공 주입층이 없는 p-형 질화갈륨층에 대한 것이다. p-형 질화갈륨층과 투명 전극층(ITO) 사이에 정공 주입층을 도입한 경우와 그렇지 않은 경우에 대하여 -0.5 내지 0.5V의 전압을 인가하여 이들 사이에 흐르는 전류의 값을 0.05V 단위로 측정하여 그래프로 나타내었다. 그래프 (a), 즉 p-형 질화갈륨층과 투명 전극층 사이에 정공 주입층을 도입한 경우에는 저항값이 약 3.3Ω으로 나타나는 반면에, 그렇지 않은 경우에는 저항값이 약 6.7Ω으로 약 2배 정도의 차이를 나타냄을 확인할 수 있었다. 즉, 다른 조건의 변화 없이, 정공 주입층을 p-형 질화갈륨층과 투명 전극층 사이에 도입하여 오믹 특성을 현저히 개선할 수 있음을 확인하였다.

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.

본 발명의 실시예에 따르면, p형 질화갈륨 반도체 소자에 있어서 전류 확산 효과 및 투명도를 극대화를 이룰 수 있는 투명 전극을 사용하면서도, p형 질화갈륨층과 투명 전극 간에 우수한 오믹 접합 특성을 나타내는 전계 발광 소자를 제조할 수 있다.

비교적 간단한 공정 단계의 추가만으로 상기의 특성 향상을 이룰 수 있으므로, 전계 발광 소자의 대량 생산에 적합하다.

Claims (18)

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9. 질화갈륨(GaN) 계열의 발광 다이오드 소자의 제조 방법에 있어서,

   상기 기판 위에 n형 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계;

   상기 n형 질화갈륨 반도체층 위에 활성층을 형성하는 단계;

   상기 활성층 위에 p형 질화갈륨 반도체층을 형성하는 단계;

   상기 p형 질화갈륨 반도체층의 위에, p형으로 도핑된 투명한 전도성 산화물로 이루어진 정공 주입층을 형성하는 단계;

   상기 정공 주입층과 상기 질화갈륨 반도체층의 접합(contact) 저항을 줄이기 위해서 400 내지 800℃의 온도에서 급속 열처리(RTA) 방법으로 열처리하는 단계; 및

   상기 정공 주입층의 위에 투명전극을 형성하는 단계

   를 포함하고,

   상기 정공 주입층에 대한 도핑 원소는 상기 p형 질화갈륨 반도체층에 대한 도핑 원소와 동일하고,

   상기 투명한 전도성 산화물은 CuGaO₂, ZnO:P, ZnO:N, 및In₂O₃+Ag₂O을 포함하는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
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14. 삭제
15. 제9항에 있어서,

    상기 투명전극은 인듐-주석 산화물(ITO), 또는 산화 아연과 알루미늄의 혼합물(ZnO:Al)로 형성된 것을 특징으로 하는 제조 방법.
16. 제9항 또는 제15항에 있어서,

    상기 정공 주입층은 5Å 내지 100Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
17. 제9항 또는 제 15항에 있어서,

    상기 투명전극의 두께는 500Å 내지 3000Å의 범위 이내인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
18. 삭제

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