KR20080065219A - 오믹 전극 및 이의 형성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광 구조의 반도체층 상에 형성되며, 일부 입자가 상기 반도체층으로 내부 확산 되면서 금속화 반응을 일으켜 형성된 계면을 갖는 Ag 합금으로 이루어진 반사층과, 상기 반사층 상에 형성되어 상기 반사층의 외부 확산을 억제하는 보호층을 포함하는 오믹 전극 및 이의 형성 방법을 제공한다.

이와 같은, 본 발명은 열처리시 Ag 입자의 일부가 반도체층과의 계면에서 금속 반응을 일으키므로 강한 접착력 및 낮은 접촉 저항을 갖는다. 또한, 열처리시 보호층이 Ag 입자의 과다한 외부 확산을 억제하므로, Ag 금속의 높은 광 반사도 특성이 그대로 유지되고 동시에 우수한 열적 안정성을 갖는다.

오믹 전극, LED, 발광 소자, p형 전극, 반사막, Ag, Al.

Description

오믹 전극 및 이의 형성 방법{OHMIC ELECTRODE AND METHOD FOR FORMING THE SAME}

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 소자를 나타낸 단면도.

도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 소자의 제조 공정을 나타낸 단면도.

도 3은 본 발명의 비교예와 실험예에 따른 오믹 전극의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프.

도 4는 본 발명의 실험예에 따른 오믹 전극의 열처리 전후 SRPES 분석에 따른 Ag3d와 N1s의 core level 스펙트럼 결과를 나타낸 사진.

도 5는 본 발명의 실험예와 비교예에 따른 오믹 전극의 광 반사도를 나타낸 그래프.

도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플립칩 구조의 발광 소자를 나타낸 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 기판 200: 반도체층

210: n형층 220: 활성층

230: p형층 300, 530: p형 전극

310: 반사층 320: 보호층

400, 520: n형 전극 540: 서브 마운트 기판

본 발명은 오믹 전극 및 이의 형성 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 외부 구동 전원을 인가하기 위하여 발광 구조의 반도체층 상에 형성된 오믹 전극 및 이의 형성 방법에 관한 것이다.

반도체 발광 소자(Light Emitting Diode; LED)는 수명이 길고, 소형화 및 경량화가 가능하며, 빛의 지향성이 강하고 저전압 구동이 가능하다. 또한, 충격 및 진동에 강하고, 예열 시간과 복잡한 구동 회로가 필요 없으며, 다양한 형태로 패키징할 수 있어, 향후 수년 내에 백열등, 형광등, 수은등과 기존의 백색 광원을 대체할 것으로 기대되고 있다.

특히, 질화물 계열의 반도체 발광 소자는 에너지 밴드 갭(band gap)이 커서 적색에서부터 자외선까지 넓은 파장 대역의 광 출력이 가능하고, 물리적/화학적 안정성이 우수하여 고효율 및 고출력을 실현할 수 있을 것으로 많은 주목을 받고 있다. 그러나, 현재까지 개발된 질화물 반도체 발광 소자는 광 출력, 발광 효율, 가격 측면에서 만족할 만한 수준이 아니며, 더욱 많은 성능 개선이 필요한 실정이다. 특히, 기존의 백색 광원과 비교하여 여전히 낮은 광 출력을 더욱 높일 필요가 있으며, 이에 따른 열적 안정성의 문제점을 극복해야 한다.

한편, 일반적인 질화물 반도체 발광 소자는 사파이어 기판 상에 질화물계 n형층, 질화물계 활성층, 질화물계 p형층을 형성하고, 상기 n형층과 p형층에 전원을 인가하기 위하여 수평으로 두 전극을 배치하여 제조된다. 이러한 수평 구조의 발광 소자는 상대적으로 제조 공정이 단순하여 제조 비용이 저렴한 장점이 있으나, 부도체이고 열전도도가 나쁜 사파이어 기판을 사용하기 때문에 대면적의 전류 인가를 통한 고출력 실현 및 열 축적에 따른 열적 안정성이 저하되는 단점이 있었다.

이러한 단점을 극복하고자 수직 구조의 발광 소자 및 플립칩형 발광 소자가 제안되었다. 이 경우 p형 전극에 반사층을 형성하여 활성층에서 생성된 광이 n형 전극을 통해 외부로 방출되게 하고, 사파이어 기판 대신 열전도율이 좋은 금속 기판을 사용함으로써 대면적의 전류 인가 및 신속한 열 배출이 가능하여 고출력 실현 및 열적 안정성을 확보할 수 있다. 이러한 수직 구조의 발광 소자는 최대 인가 전류를 수평 구조의 발광 소자에 비해 몇 배 이상 증가시킬 수 있으므로 고출력이 가능하여 조명용 백색 광원을 대체할 수 있는 것으로 평가되고 있다.

한편, 수직 구조의 발광 소자에서 광 출력을 보다 향샹시키기 위해서는 광을 흡수하지 않고 모두 반사시키는 고효율의 반사막 전극을 p형 전극으로 사용하여야한다. 광 반사도 측면에서는 가시광선 영역에서 Al나 Ag 금속이 우수하므로, 이들 금속을 p형 전극으로 사용하면 우수한 광 출력 특성을 얻을 수 있다. 그러나, Al은 질화물계 반도체층과의 접촉 저항이 커서 대전류를 인가하기 곤란한 문제점이 있고, Ag는 접촉 저항은 작지만 층간 접착력이 나쁘고, 열적 안정성이 낮아 고온 열처리시 집괴(agglomeration) 현상 및 계면 공허(void) 등이 나타나는 문제점이 있 었다.

이러한 문제점들로 인해 아직까지도 수평 구조의 발광 소자에 사용되고 Au 계열(Ni/Au, Pd/Au, Pt/Au 등)의 p형 전극이 사용되고 있는데, Au는 광을 흡수하여 반사도 특성을 저하시키기 때문에 이러한 전극을 수직 구조의 발광 소자에 사용할 경우 기존의 백색 광원을 대체할 수 있는 수준의 고출력 및 신뢰성을 확보하는데 한계가 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 광 반사도가 우수한 Ag 합금을 반사층으로 사용하기 위해 반도체층 상에 Ag 합금의 반사층/보호층 전극 구조를 형성한 다음 이를 열 처리함으로써 낮은 접촉 저항, 높은 광 반사도 및 우수한 열적 안정성을 동시에 갖는 오믹 전극 및 이의 형성 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 오믹 전극은, 발광 구조의 반도체층 상에 형성되는 오믹 전극에 있어서, 일부 입자가 상기 반도체층으로 내부 확산 되면서 금속화 반응을 일으켜 형성된 계면을 갖는 Ag 합금으로 이루어진 반사층과, 상기 반사층 상에 형성되어 상기 반사층의 외부 확산을 억제하는 보호층을 포함한다.

상기 Ag 합금은 Ag와, Cu, Al, Ir, In, Ni, Mg, Pt 및 Pd 중 적어도 하나를 포함하는 합금 성분으로 형성되는 것이 바람직하고, 상기 Ag 합금은 합금 성분이 0.01 내지 80%가 함유되는 것이 바람직하다.

상기 보호층은 Ru, Ir, Rh, Pt, W, Ta, Ti 및 Co 중 적어도 하나의 물질로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 반사층의 두께는 50 내지 5000Å, 상기 보호층의 두께는 50 내지 1000Å로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 반사층 및 상기 보호층의 전체 두께는 100 내지 5000Å로 형성되는 것이 바람직하다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 오믹 전극의 형성 방밥은, 발광 구조의 반도체층 상에 형성되는 오믹 전극의 형성 방법에 있어서, 상기 반도체층 상에 Ag 합금으로 이루어진 반사층을 형성하는 단계와, 상기 반사층 상에 Ag 입자의 외부 확산을 억제하기 위한 보호층을 형성하는 단계와, 상기 보호층에 의해 Ag 입자의 외부 확산이 억제됨과 동시에 내부 확산된 Ag 입자의 일부가 상기 반도체층과 상기 반사층의 계면에서 금속 반응을 일으키도록 상기 반사층 및 상기 보호층을 열처리하는 단계를 포함한다.

상기 Ag 합금은 Ag와, Cu, Al, Ir, In, Ni, Mg, Pt 및 Pd 중 적어도 하나를 포함하는 합금 성분으로 형성하는 것이 바람직하고, 상기 Ag 합금은 합금 성분이 0.01 내지 80%가 함유되도록 형성하는 것이 바람직하다.

상기 보호층은 Ru, Ir, Rh, Pt, W, Ta, Ti 및 Co 중 적어도 하나의 물질로 형성하는 것이 바람직하다.

상기 열처리 공정은 150 내지 600도의 온도에서 실시하는 것이 바람직하다.

상기 열처리 공정은 산소를 포함하는 분위기에서 실시하는 것이 바람직하다.

상기 산소를 포함하는 분위기는 산소 분위기, 대기 분위기, 산소와 질소의 혼합 분위기 및 산소와 아르곤의 혼합 분위기 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

도면에서 여러 층 및 각 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 표현하였으며 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭하도록 하였다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상부에" 또는 "위에" 있다고 표현되는 경우는 각 부분이 다른 부분의 "바로 상부" 또는 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 각 부분과 다른 부분의 사이에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 소자를 나타낸 단면도이다.

도 1을 참조하면, 상기 발광 소자는 반도체층(200), 반도체층(200)의 일면에 형성된 n형 전극(400) 및 반도체층(200)의 타면에 형성된 p형 전극(300)을 포함한다. 여기서, p형 전극(300)은 반사층(310) 및 보호층(320)을 포함하는 다층 구조로 형성되며, 상기 반도체층(200)과 오믹 접촉을 이루는 오믹 전극이다.

반도체층(200)은 n형층(210), 활성층(220) 및 p형층(230)을 포함하며, 상기 n형층(210), 활성층(220) 및 p형층(230)은 Si 막, GaN 막, AlN 막, InGaN 막, AlGaN 막, AlInGaN 막 및 이들을 포함하는 막 중에서 적어도 하나로 형성될 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에서는 n형층(210) 및 p형층(230)은 GaN 막으로 형성되고, 활성층(220)은 InGaN 막으로 형성된다. 여기서, n형층(210)은 전자를 제공하는 층으로서, n형 반도체층과 n형 클래드층으로 구성될 수 있다. 이러한 n형 반도체층과 n형 클래드층은 전술한 반도체 박막에 n형 도펀트 예를 들어, Si, Ge, Se, Te, C 등을 주입하여 형성할 수 있다. 그리고, p형층(230)은 정공을 제공하는 층으로서, p형 반도체층과 p형 클래드층으로 구성될 수 있다. 이러한 p형 반도체층과 p형 클래드층은 전술한 반도체 박막에 p형 도펀트 예를 들어, Mg, Zn, Be, Ca, Sr, Ba 등을 주입하여 형성할 수 있다. 그리고, 활성층(220)은 n형층(210)에서 제공된 전자와 p형층(230)에서 제공된 정공이 재결합되면서 소정 파장의 광을 출력하는 층으로서, 우물층(well layer)과 장벽층(barrier layer)을 교대로 적층하여 단일 또는 다중 양자 우물 구조(multiple quantum well) 구조를 갖는 다층의 반도체 박막으로 형성할 수 있다. 이러한 활성층(220)을 이루는 반도체 재료에 따라 출력되는 광의 파장이 변화되므로, 목표로 하는 출력 파장에 따라 적절한 반도체 재료를 선택하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 본 실시예에서는 GaN 박막을 증착한 후 n형 불순물을 주입하여 n형층(210)을 형성하고, 그 위에 장벽층인 GaN 박막과 우물층인 InGaN 박막을 교대로 증착하여 다중 우물 구조의 활성층(220)을 형성하고, 그 위에 다시 GaN 박막을 증착한 후 p형 불순물을 주입하여 p형층(130)을 형성함으로써, 전술한 발광층(200)을 형성하였다.

n형 전극(400)은 Pb, Sn, Au, Ge, Cu, Bi, Cd, Zn, Ag, Ni, Ti 및 이들을 포함하는 합금 중 적어도 하나로 형성한 단일막 또는 다층막을 사용할 수 있는데, 이러한 n형 전극은 반도체층(200)에 음 전위를 인가하는 역할을 하며, 반도체층(200)에서 생성된 광이 외부로 출사되는 출광면을 이룬다.

p형 전극(300)은 반사층(310) 및 보호층(320)을 포함하는 다층 구조의 오믹 전극을 사용하는 것이 바람직하다. 여기서, 반사층(310)은 Ag 합금으로 형성되는 것이 바람직하다. 이때, Ag 합금은 Ag와, Cu, Al, Ir, In, Ni, Mg, Pt 및 Pd 중 적어도 하나를 포함하는 합금 성분으로 형성되는 것이 바람직하고, 합금 성분이 대략 0.01 내지 80%가 함유되는 것이 바람직하다. 만일, 합금 성분이 0.01% 미만이면 Ag의 확산을 억제하는 효과가 미비하고, 합금 성분이 80%를 초과하면 Ag의 반사율이 급격하게 떨어져서 반사층으로 사용하기에 부적합하다. 그리고, 보호층(320)은 Ru, Ir, Rh, Pt, W, Ta, Ti 및 Co 중 적어도 하나의 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 본 실시예에의 반사층(310)은 Cu 금속이 약 0.01 내지 80% 함유된 Cu-Ag 합금, 보호층(320)은 Ru 금속으로 형성된다. 이러한 p형 전극(300)은 반도체층(200)에 양 전위를 인가하는 역할을 하며, 반도체층(200)에서 생성된 광을 반사시켜 대부분의 광이 출광면(400)을 통해 출사되게하는 반사면을 이룬다.

이와 같은 구성을 갖는 발광 소자의 제조 공정에 대하여 도 2a 내지 도 2e를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서, 도 2a 내지 도 2e는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발광 소자의 제조 공정을 나타낸 단면도이다.

도 2a를 참조하면, 준비된 기판(100) 상에 n형층(210), 활성층(220) 및 p형층(230)을 순차적으로 적층하여 다층 구조의 반도체층(200)을 형성하고, 소정의 마스크를 이용한 패터닝 공정을 실시하여 개개의 셀(cell)로 분리한다. 이렇게 분리된 셀은 낱개 단위 또는 묶음 단위로 사용되어 하나의 발광 소자 내에서 발광부를 이루게 된다.

상기 기판(100)으로는 사파이어 기판, 실리콘 카바이드(SiC) 기판, 실리콘(Si) 기판, 아연 산화물(ZnO) 기판, 갈륨 비소화물(GaAs) 기판 또는 갈륨 인화물(gallium phophide;GaP) 기판 등을 사용할 수 있으며, 특히 사파이어 기판을 사용하는 것이 보다 바람직하다.

상기 반도체층(200)으로는 Si 막, GaN 막, AlN 막, InGaN 막, AlGaN 막, AlInGaN 막 및 이들을 포함하는 막 중 하나를 사용하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 GaN 막을 증착한 후 n형 불순물을 주입하여 n형층(210)을 형성하고, 그 위에 장벽층인 GaN 막과 우물층인 InGaN 막을 교대로 증착하여 다중 우물 구조의 활성층(220)을 형성하고, 그 위에 다시 GaN 막을 증착한 후 p형 불순물을 주입하여 p형층(230)을 형성하였다. 도시하지는 않았지만, 상기 기판(100)과 n형층(210) 사이에는 버퍼층이 추가로 형성될 수 있는데, 상기 버퍼층은 기판(100)과 n형층(210) 간의 격자 부정합에 따른 스트레스를 완화시켜 주어 후속하여 형성될 n형층(210)의 원활한 성장을 도와준다.

한편, 고품위의 후속층 형성 및 계면의 접착력 향상을 도모하기 위하여 반도체층(200)을 형성한 후에는 표면 처리를 실시하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 본 실시예의 경우는 p형층(230)의 형성 후에 왕수 수용액(HCl : H₂O = 3 : 1)에 상기 반도체 표면 즉, p형층(230)을 대략 10분간 담근 다음 탈 이온수로 세척하고, 질소로 건조하는 방식으로 1 차 표면 처리를 실시하고, 후속층 즉, p형 전극을 증착하기 전에 염산(HCl)과 탈 이온수가 1:1로 혼합된 용액에 대략 1분간 담근 다음 건조하는 방식으로 2 차 표면 처리를 실시한다. 물론, 이러한 1차, 2차 표면 처리는 원하는 목적에 따라 선택적으로 실시할 수 있으며, 또는 생략할 수도 있다.

도 2b를 참조하면, 상기 반도체층(200) 상에 반사층(310) 및 보호층(320)을 연속하여 적층한다. 이때, 반사층(310)은 Cu-Ag를 포함하는 합금을 사용하여 50 내지 5000Å의 두께로 형성하고, 보호층(320)은 Ru를 포함하는 금속을 사용하여 50 내지 1000Å의 두께로 형성하여, 전체 두께가 100 내지 5000Å가 되도록 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 본 실시예에서는 Cu와 Ag를 도가니(crucible)에 넣어 형성한 Cu-Ag 합금을 전자선 증착 장치(e-beam evaporator)에 장입하여 반도체층(200) 상에 Cu-Ag 합금막(310)을 1500Å의 두께로 형성하고, 이어 Ru 금속을 전자선 증착 장치에 장입하여 Cu 금속막(320)을 500Å의 두께로 형성한다.

도 2c를 참조하면, 상기 Cu-Ag 합금으로 이루어진 반사층(310)과, Ru 금속으로 이루어진 보호층(320)을 급속 열처리(rapid thermal annealing)하여 p형 전극(300)을 형성한다. 상기 열처리 공정은 산소를 포함하는 분위기 예를 들어, 산소 분위기, 대기 분위기, 산소와 질소의 혼합 분위기 및 산소와 아르곤의 혼합 분위기 중 하나의 분위기에서 실시하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 산소를 포함하는 분 위기의 압력은 대기압 이하인 것이 바람직하며, 150 내지 600도의 온도에서 열처리하는 것이 바람직하다.

이처럼, 산소 분위기에서 Cu-Ag/Ru 다층 구조의 오믹 전극(300)(즉, p형 전극)을 급속 열처리하면 Cu-Ag 반사층(310)에서 Ag 입자의 확산이 일어나면서 Cu-Ag 반사층(310)과 p형층(230)의 계면으로 침투된 Ag 입자가 계면 전체에서 금속화 반응을 일으키므로, 상기 오믹 전극(300)은 강한 접착력과 함께 낮은 접촉 저항을 갖는다. 이때, Ag 입자의 과도한 내부 확산(in diffusion)은 Cu-Ag 반사층(310)에 함유된 Cu 층에 의해 억제된다. 한편, Ag 입자의 과도한 외부 확산(out diffusion)은 Cu-Ag 반사층(310)을 덮고 있는 Ru 보호층(330)에 의해 억제되어 Ag 층에는 계면 공허 및 집괴 현상이 발생하지 않으므로, 상기 오믹 전극(300)은 Ag 금속 특유의 높은 광 반사도 특성이 그대로 유지되면서 우수한 열적 안정성을 갖는다.

이와 같은 과정을 통해 제작된 발광 소자는 반도체층(200)의 형성을 위한 모재 기판(100)을 그대로 남겨두고, 반도체층(200)의 일부 영역을 메사 식각하여 노출시킨 n형층(210)의 상부면에 n형 전극(미도시)을 형성함으로써 두 전극이 수평 구조로 배치되는 것이 보통이지만, 모재 기판(100)의 전체 또는 일부를 제거한 후 n형층(210)의 하부면에 n형 전극을 형성함으로써 두 전극이 수직 구조로 배치될 수도 있다. 따라서, 하기에서는 수직 구조의 발광 소자의 제조 공정을 한 가지 예로 들어 설명하기로 한다.

도 2d를 참조하면, 반도체층(200)이 형성된 기판(100)의 하부에 레이저를 조사하여 n형층(210)에 부착된 기판을 분리시키는 리프트 오프(lift off) 공정을 실 시한다. 이후, 도 2e와 같이, 상기 기판이 제거된 n형층(210) 상에 n형 전극(400)을 형성한다. 이때, n형 전극(400)으로는 Pb, Sn, Au, Ge, Cu, Bi, Cd, Zn, Ag, Ni, Ti 및 이들을 포함하는 합금 중 적어도 하나의 금속으로 이루어진 단일막 또는 다층막을 사용할 수 있다. 특히, 상기 n형 전극(400)은 반도체층(200)에서 생성된 광이 외부로 출사되는 출광면을 이루도록 투광성 금속막으로 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 상기의 제 1 실시예에 따른 발광 소자에서 반도체층(200)과 오믹 접촉을 이루는 오믹 전극(300)의 특성을 알아보기 위하여 실험예와 비교예를 들어 설명하면 다음과 같다. 상기 실험예는 반도체층(200) 상에 Cu-Ag 합금막(310), Ru 금속막(320)을 적층한 다음 공기중에서 온도를 400도로 유지하면서 약 1분간 급속 열처리하여 형성한 Cu-Ag/Ru 다층 구조의 오믹 전극(300)을 사용하였다.

도 3은 본 발명의 비교예와 실험예에 따른 오믹 전극의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프로서, A 선은 본 비교예에 따른 Ni/Au 다층 구조의 오믹 전극의 전류-전압 그래프이고, B 선은 본 실험예에 따른 Cu-Ag/Ru 다층 구조의 오믹 전극의 전류-전압 그래프이다.

오믹 전극의 전기적 특성을 알아보기 위하여 쇼트키(shottky) 교수가 제안한 TLM 방법을 통하여 접촉 저항을 계산한다. 상기 TLM 방법은 거리가 d₁, d₂, d₃, 그리고 d₄로 각각 구분되어 있는 두 금속 전극 간의 전류(I)-전압(V) 곡선을 측정하여 0V에서의 저항 R_T를 구한다. 이렇게 측정된 R_T를 거리에 따라서 그래프를 그린 후, 외삽을 행하면 다음의 식들을 통해 접촉 저항을 계산할 수 있다.

여기서, R_T는 각각의 금속 전극 간의 저항 [Ω], R_S는 반도체층의 면 저항 [Ω], d는 금속 전극 간의 거리, Z는 금속 전극의 폭, 그리고 ρ_C 는 접촉 저항을 의미한다.

도 3의 전류-전압 그래프 및 상기의 TLM 방법을 통하여 오믹 전극의 접촉 저항을 계산해 보면, 본 비교예에 따른 오믹 전극의 접촉 저항은 5 x 10^-3 Ωcm² 이고, 본 실험예에 따른 오믹 전극의 접촉 저항은 2 x 10^-4 Ωcm² 이다. 이처럼, 본 실험예에 따른 오믹 전극의 접촉 저항이 낮은 것은 열처리시 확산된 Ag 입자가 계면에서 금속화 반응을 일으켜 강한 접착력을 갖게 해주기 때문이다.

도 4는 본 발명의 실험예에 따른 오믹 전극의 열처리 전후 SRPES (Synchrotron Radiation Photoelectron Spectroscopy) 분석에 의한 Ag3d와 N1s의 core level 스펙트럼 결과를 나타낸 사진으로서, 열처리 전과, 300도 및 400도의 열처리 후에 분석한 스펙트럼 사진이다.

도 4의 (a)를 참조하면, 증착 직후의 시편에 비하여 열처리된 시편에서 Ag3d의 피크 강도(peak intensity)가 낮아짐을 확인할 수 있는데, 이를 통해 열처리시 Ag 입자들이 내부 확산 되었음을 확인할 수 있다. 또한, 증착 직후의 시편에는 Ag-Ag 결합이 주로 관찰되었으나 열처리된 시편에는 Ag-O 및 Ag-Ga 결합이 주로 관찰되었는데, 이를 통해 열처리시 Ag 산화물 및 Ag-Ga 고용체(solid solution)가 형성되었음을 확인할 수 있다. 한편, 도 4의 (a) 및 (b)를 참조하면, 열처리 온도가 증가함에 따라 Ag3d 및 N1s의 피크가 낮은 결합 에너지(binding energy) 방향으로 이동됨이 관찰되었는데, 이는 페르미 준위가 가전자대 방향으로 이동되었음을 의미한다. 이로 인해 p형층(230)과 Cu-Ag 반사층(310) 사이의 쇼트키 장벽이 감소하여 오믹 접합에 유리하게 작용한다.

도 5는 본 발명의 실험예와 비교예에 따른 오믹 전극의 광 반사도를 나타낸 그래프로서, 460nm 파장 대역에서의 광 반사도를 측정하였다. 도 5의 그래프에서 A 선은 본 실험예에 따른 열처리 후 Cu-Ag/Ru 구조의 오믹 전극의 광 반사도를 나타낸 것이고, B 선은 본 비교예에 따른 열처리 후 Ag/Ru 구조의 오믹 전극의 광 반사도를 나타낸 것이다. 이때, I 선은 기준선으로서 Ag 금속의 광 반사도를 나타낸 것이다.

도 5를 참조하면, 본 비교예에 따른 오믹 전극은 대략 71%의 낮은 광 반사도를 보여주는데 비하여(A 선), 본 실험예에 따른 오믹 전극은 대략 88%의 높은 광 반사도를 보여준다(B 선). 이는 본 실험예에 따른 Cu-Ag/Ru 구조의 오믹 전극은 열처리시 Ag 입자의 과다한 확산이 Cu층과 Ru층에 의해 억제되어 Ag층의 계면 공허 및 집괴 현상이 방지됨으로 인해 열처리 후에도 Ag 금속 특유의 우수한 광 반사도 특성이 거의 그대로 유지되기 때문이다. 이러한 결과는 오믹 전극의 Cu-Ag 반사층(310) 및 Ru 보호층(320)을 전술한 다른 금속들로 대체 형성하더라도 상기 실험에 따른 그래프와 유사한 결과를 얻을 수 있다.

이처럼, 본 실시예에 따른 발광 소자에 적용된 오믹 전극(300)은 강한 접착력과 함께 낮은 접촉 저항을 가지며, 높은 광 반사도와 함께 우수한 열적 안정성을 갖는다. 따라서, 대전류 인가를 통한 고출력 발광 소자 예를 들어, 상기의 수직 구조의 발광 소자 및 하기의 플립칩 구조의 반도체 발광 소자에 적합하게 사용할 수 있으며, 이 경우 매우 우수한 발광 특성을 기대할 수 있다.

하기에서는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플립칩 구조의 발광 소자에 대하여 설명한다. 이때, 전술한 제 1 실시예와 중복되는 설명은 생략하거나 간략히 설명한다.

도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플립칩 구조의 발광 소자를 나타낸 단면도이다.

도 6을 참조하면, 상기 발광 소자는 n형층(210), 활성층(220), p형층(230)으로 구성된 다층 구조의 반도체층(510)을 포함하고, 상기 n형층(210)의 소정 영역에 형성된 n형 전극(520)과, 상기 p형층(230)의 상부에 형성된 p형 전극(530)과, 금속 범프(541,542)를 이용하여 상기 두 전극(520,530)에 접속된 서브 마운트 기판(540)을 포함한다. 또한, 상기 발광 소자는 n형층(210) 하부에 형성된 확산층(550)을 더 포함할 수 있다.

상기 p형 전극(300)은 Ag 합금의 반사층(310) 및 보호층(320)을 포함한다. 즉, 전술한 실시예에 따른 오믹 전극을 사용하는 것이 바람직하다. 이때, Ag 합금의 반사층(310)은 Ag와, Cu, Al, Ir, In, Ni, Mg, Pt 및 Pd 중 적어도 하나를 포함하는 합금 성분으로 형성되는 것이 바람직하고, 보호층(320)은 Ru, Ir, Rh, Pt, W, Ta, Ti 및 Co 중 적어도 하나의 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 본 실시예에서 반사층(310)은 Cu 금속이 약 0.01 내지 80% 함유된 Cu-Ag 합금, 보호층(320)은 Ru 금속으로 형성된다. 이러한 p형 전극(300)은 열처리시 반도체층(510)으로 확산된 Ag 입자에 의하여 강한 접착력 및 낮은 접촉 저항을 가지며, 열처리시 Cu층 및 Ru층이 Ag 입자의 과도한 확산을 억제하여 Ag 층의 집괴 및 계면 공허가 억제됨으로써 높은 광 반사도 및 우수한 열적 안정성을 갖는다.

상기 확산층(550)은 n형 전극(520)으로 인가되는 전류를 n형층(510)에 균일하게 확산시켜 주며, n형층(510)을 통하여 전달되는 열을 효과적으로 방출하여 주기 때문에 발광 소자의 고출력 및 신뢰성을 확보해 준다.

이와 같은 구성을 갖는 발광 소자의 제조 공정을 설명하면 다음과 같다.

우선, 준비된 모체 기판(미도시) 상에 n형층(210), 활성층(220) 및 p형층(230)을 순차적으로 적층하여 반도체층(510)을 형성한 다음 소정의 마스크를 이용한 패터닝 공정을 실시하여 개개의 셀을 형성한다. 이어, 상기 p형층(230) 상에 Cu-Ag 반사층(310), Ru 보호층(330)을 순차적으로 적층하고, 공기중에서 온도를 400도로 유지하면서 약 1분간 열처리하여 낮은 접촉 저항 및 우수한 광 반사도를 갖는 오믹 전극 즉, p형 전극(530)을 형성한다. 이어, n형층의 일부 영역에 n형 전극을 형성하고, 상기 두 전극(520, 530)과 서브 마운트 기판(540)을 금속 범프(541, 542)를 이용하여 접속시킨다. 이후, 레이저를 이용한 리프트 오프(lift off) 공정을 실시하여 모체 기판을 제거하고, 모체 기판 하부에 확산층(550)을 부착한다. 확산층(550)은 n형 전극(520)에 인가되는 전원을 확산시켜 주고, 활성층(220)에서 발광된 빛은 상기 확산층(550)을 통하여 외부로 방출되므로, 도전성 및 투광성이 우수한 물질 예를 들어, ITO(Indium Tin Oxide) 또는 IZO(Indium Zinc Oxide)를 사용하여 형성하는 것이 바람직하다.

이와 같은 구성을 갖는 발광 소자의 두 전극(520,530)에 전원을 인가하면 활성층(220)에는 n형층(210)으로부터 전자가 주입되고, p형층(230)으로부터 정공이 주입된다. 활성층(220)에 주입된 전자와 정공은 결합 또는 재결합하면서 여기 에너지를 광으로 출력하고, 출사면인 확산층(550)을 통하여 외부로 광이 방출된다. 이때, 활성층(220)의 상부 즉, p형층(230)으로 방출되는 광은 p형 전극(530)의 반사층(320)에서 반사되어 출사면(550)을 통해 외부로 방출되므로 광의 이용률이 높아진다.

이상, 본 발명에 대하여 전술한 실시예 및 첨부된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명이 다양하게 변형 및 수정될 수 있 음을 알 수 있을 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 반도체층 상에 Ag 합금의 반사층/보호층 전극 구조를 형성한 다음 이를 열처리하여 오믹 전극을 형성한다. 이러한 오믹 전극은 열처리시 Ag 입자의 일부가 반도체층과의 계면에서 금속 반응을 일으키므로 강한 접착력 및 낮은 접촉 저항을 갖는다. 또한, 본 발명은 열처리시 보호층이 Ag 입자의 과다한 외부 확산을 억제하여 Ag 입자의 집괴 현상 및 계면 공허 발생을 줄일 수 있다. 따라서, Ag 금속의 높은 광 반사도 특성이 그대로 유지되고 동시에 우수한 열적 안정성을 갖는다.

Claims (13)

1. 발광 구조의 반도체층 상에 형성되는 오믹 전극에 있어서,

   일부 입자가 상기 반도체층으로 내부 확산 되면서 금속화 반응을 일으켜 형성된 계면을 갖는 Ag 합금으로 이루어진 반사층과,

   상기 반사층 상에 형성되어 상기 반사층의 외부 확산을 억제하는 보호층을 포함하는 오믹 전극.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 Ag 합금은 Ag와, Cu, Al, Ir, In, Ni, Mg, Pt 및 Pd 중 적어도 하나를 포함하는 합금 성분으로 형성되는 오믹 전극.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 Ag 합금은 합금 성분이 0.01 내지 80%가 함유되는 오믹 전극.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 보호층은 Ru, Ir, Rh, Pt, W, Ta, Ti 및 Co 중 적어도 하나의 물질로 형성되는 오믹 전극.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 반사층의 두께는 50 내지 5000Å, 상기 보호층의 두께는 50 내지 1000Å로 형성되는 오믹 전극.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 반사층 및 상기 보호층의 전체 두께는 100 내지 5000Å로 형성되는 오믹 전극.
7. 발광 구조의 반도체층 상에 형성되는 오믹 전극의 형성 방법에 있어서,

   상기 반도체층 상에 Ag 합금으로 이루어진 반사층을 형성하는 단계;

   상기 반사층 상에 Ag 입자의 외부 확산을 억제하기 위한 보호층을 형성하는 단계;

   상기 보호층에 의해 Ag 입자의 외부 확산이 억제됨과 동시에 내부 확산된 Ag 입자의 일부가 상기 반도체층과 상기 반사층의 계면에서 금속 반응을 일으키도록 상기 반사층 및 상기 보호층을 열처리하는 단계; 를 포함하는 오믹 전극의 형성 방법.
8. 청구항 7에 있어서,

   상기 Ag 합금은 Ag와, Cu, Al, Ir, In, Ni, Mg, Pt 및 Pd 중 적어도 하나를 포함하는 합금 성분으로 형성되는 오믹 전극의 형성 방법.
9. 청구항 8에 있어서,

   상기 Ag 합금은 합금 성분이 0.01 내지 80%를 함유하는 오믹 전극의 형성 방법.
10. 청구항 7에 있어서,

    상기 보호층은 Ru, Ir, Rh, Pt, W, Ta, Ti 및 Co 중 적어도 하나의 금속으로 형성하는 오믹 전극의 형성 방법.
11. 청구항 7에 있어서,

    상기 열처리 공정은 150 내지 600도의 온도에서 실시하는 오믹 전극의 형성 방법.
12. 청구항 11에 있어서,

    상기 열처리 공정은 산소를 포함하는 분위기에서 실시하는 오믹 전극의 형성 방법.
13. 청구항 12에 있어서,

    상기 산소를 포함하는 분위기는 산소 분위기, 대기 분위기, 산소와 질소의 혼합 분위기 및 산소와 아르곤의 혼합 분위기 중 적어도 하나를 포함하는 오믹 전극의 형성 방법.

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