KR100571818B1

KR100571818B1 - 질화물계 발광소자 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100571818B1
Application number: KR1020030069995A
Authority: KR
Inventors: 성태연; 김경국; 송준오; 임동석
Original assignee: 삼성전자주식회사; 광주과학기술원
Priority date: 2003-10-08
Filing date: 2003-10-08
Publication date: 2006-04-17
Anticipated expiration: 2023-10-08
Also published as: EP1523047A3; EP1523047B1; US20070111354A1; EP2262013A3; US7180094B2; EP2262013A2; EP2262013B1; EP1523047A2; CN1606177A; CN1606177B; JP2005117040A; KR20050034155A; US20050077537A1; US7485479B2; JP5253704B2

Abstract

본 발명은 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로 질화물계 발광소자는 기판, n형 클래드층, 활성층, p형 클래드층, 오믹콘택트층이 순차적으로 적층되어 있고, 오믹콘택트층은 아연산화물, 마그네슘 아연산화물, 베릴륨 아연산화물 중 어느 하나의 아연함유산화물에 p형 도판트가 첨가된 p형 아연함유산화물로 형성된다. 이러한 투명박막 전극을 이용한 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, p형 클래드층과의 오믹접촉 특성이 개선되어 우수한 전류-전압 특성을 나타낼 뿐만 아니라, 투명전극이 갖는 높은 빛 투과성으로 인해 소자의 발광효율을 월등히 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.

Description

질화물계 발광소자 및 그 제조방법{light emitting device and method of manufacturing the same}

도 1은 본 발명의 제1 실시예예 따른 P형 전극구조체를 나타내 보인 단면도이고,

도 2는 본 발명의 제2 실시예예 따른 P형 전극구조체를 나타내 보인 단면도이고,

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 P형 전극구조체에 대해 열처리 전과 후에 대해 측정한 전류-전압 특성을 나타내 보인 그래프이고,

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 P형 전극구조체에 대해 열처리 전과 후에 대해 측정한 전류-전압 특성을 나타내 보인 그래프이고,

도 5 내지 도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 P형 전극구조체가 적용된 발광소자의 예들을 나타내 보인 단면도이고,

도 9 내지 도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 P형 전극구조체가 적용된 발광소자들의 예를 나타내 보인 단면도이고,

도 12는 본 발명의 제1 실시예와 제2 실시예에 따른 P형 전극구조체가 적용된 InGaN/GaN MQW 구조의 청색 발광 다이오드에 대해 열처리 후, 동작전압을 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이고,

도 13는 본 발명의 제1 실시예와 제2 실시예에 따른 P형 전극구조체가 적용된 AlGaN/GaN MQW 구조의 자외선 발광 다이오드에 대해 열처리 후, 동작전압을 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이고,

도 14는 본 발명의 제1 실시예와 제2 실시예에 따른 P형 전극구조체가 적용된 InGaN/GaN MQW 구조의 청색 발광 다이오드에 대해 열처리 후, 동작전압과 출력을 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10: 기판 20: P형 클래드층

30: 오믹콘택트층(투명 박막전극층) 40: 반사층

본 발명은 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 투명 박막전극층을 이용한 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

질화갈륨을 대표로 하는 질화물계 반도체를 이용한 발광다이오드 또는 레이저 다이오드와 같은 발광소자를 구현하기 위해서는 반도체와 전극간의 오믹접촉 구조가 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 오믹 콘택트층을 통해 광이 출사되게 형성되고, p형 클래드층의 낮은 전기 전도성은 투명하고 저 저항값을 지닌 오믹콘택트층을 통해 원활한 전류주입(current injection)을 제공한다.

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

니켈층은 산소(O₂)분위기에서 열처리하여 10^-3 ~ 10^-4Ω㎠ 정도의 우수한 비접촉저항을 갖는 반투명 오믹접촉층(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. 그 결과, p형 클래드층 표면 부근에서의 실효 캐리어농도(effective carrier concentratin)를 증가시킨다.

또한, 니켈층/금층을 p형 클래드층 위에 형성 후, 열처리하면 Mg-H 금속간 화합물을 제거하여 질화갈륨 표면에서 마그네슘 도판트(dopant) 농도를 증가시키는 재활성화(reactivation) 과정을 통해서 p형 클래드층의 표면에서 실효캐리어 농도 가 10¹⁹이상이 되게 하여 p형 클래드층과 산화니켈을 함유한 오믹콘택트층 사이에 터널링 전도를 일으켜 오믹전도 특성을 보이는 것으로 이해되고 있다.

그러나, 니켈/금으로 형성되는 반투명 박막전극을 이용한 탑에미트형 발광다이오드는 광이용 효율이 낮아 차세대 대용량 및 고휘도 발광소자를 구현하는데는 한계점을 드러내고 있다.

따라서, 이러한 탑에미트형 발광다이오드의 출력한계를 다소나마 극복하고자, 기존에 p형 오믹콘택트층으로 사용되고 있는 반투명의 니켈/금 구조보다 우수한 빛 투과성을 갖는 투명전도성 산화물, 예를 들어 ITO를 이용하고자 하는 연구내용이 문헌[T. Margalith et al., Appl. Phys. Lett. Vol.74. p3930 (1999)]에 보고되고 있다. 최근, Y. C. Lin 등은 ITO 오믹콘택층을 이용하여 기존의 니켈/금 구조와 비교시 보다 향상된 출력(output power)을 나타내는 탑에미트형 발광다이오드를 구현하였다고 문헌[Solid-State Electronics vol.47. p849 (2003)]을 통해 보고하고 있다. 그러나, 이러한 구조의 오믹콘택트층은 발광소자의 출력을 증대시킬 수 있는 반면, 상대적으로 높은 동작전압을 나타내는 문제점을 안고 있는데, 그 근본적인 원인은 p형 질화갈륨과 ITO간의 높은 접촉저항, 즉 많은 열을 발생하는 오믹접촉에 있다. 또한, 일본공개특허 제 2002-164570호에는 고품위 p형 아연 산화물 개발 초기인 2000년도에 p형 질화갈륨을 투명 전극층으로 이용하여 높은 광출력의 값을 얻었다는 내용이 개시되어 있다. 그러나, 일본 공개특허에 개시된 내용은 p형 아연 산화물을 실현화하기 위해서 갈륨(Ga)과 질소(N)를 코도핑(co-doping)한 방법 을 이용하고 있어 실제로 p형 질화갈륨계 발광소자의 투명 전극층으로 사용하기에는 많은 문제점이 있다. 또한 현재까지 알려진 p형 아연 산화물의 특성은 현재 신뢰성 측면에서 많은 문제점들을 유발하여 이를 질화갈륨의 전극층으로 이용시 소자 신뢰성 문제를 야기 시킨다.

이와 같은 문제점을 해결하고자 낮은 비접촉 저항을 갖으면서도 투명한 박막 전극층을 형성할 수 있는 양질의 오믹콘택트층의 개발이 시급히 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 낮은 비접촉저항과 높은 빛 투과성을 제공할 수 있는 투명박막 전극구조체를 갖는 질화물계 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 질화물계 발광소자는 n형 클래드층과 p형 클래드층 사이에 활성층을 갖는 질화물계 발광소자에 있어서, 상기 p형 클래드층 위에 아연함유산화물에 p형 도판트가 첨가된 산화물로 형성된 오믹컨택트층;을 구비한다.

바람직하게는 상기 아연함유 산화물은 아연산화물, 마그네슘 아연산화물, 베릴륨 아연산화물 중 어느 하나가 적용된다.

또한, 상기 아연함유산화물에 도핑되는 상기 p형 도판트는 인과 질소 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 아연함유산화물에 대한 상기 p형 도판트의 첨가비는 0.01 내지 30 웨이트 퍼센트로 적용되는 것이 바람직하다.

상기 오믹콘택트층은 0.1 나노미터 내지 1000 나노미터의 두께로 형성된다.

또한, 상기 오믹콘택트층 위에 Ag, Al, Zn, Mg, Ru, Ti, Rh, Cr, Pt 원소를 포함하는 반사원소군에 속하는 적어도 하나의 원소로 형성된 반사층;을 더 구비한다.

상기 반사층은 10 나노미터 내지 2000나노미터의 두께로 형성된 것이 바람직하다.

또한, 상기 p형 클래드층과 상기 오믹컨택트층 사이에 Ni, Au, Pt, Pd, Mg, Cu, Zn, Ag, Sc, Co, Rh, Li, Be, Ca, Ru, Re, Ti, Ta, Na, La 계열 원소 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소로 형성된 금속삽입층: 더 포함한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 오믹컨택트층과 상기 반사층 사이에 Ni, Au, Pt, Pd, Mg, Cu, Zn, Ag, Sc, Co, Rh, Li, Be, Ca, Ru, Re, Ti, Ta, Na, La 계열 원소 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소로 형성된 금속삽입층;을 더 포함한다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 제조방법은 n형 클래드층과 p형 클래드층 사이에 활성층을 갖는 질화물계 발광소자의 제조방법에 있어서, 가. 기판 위에 n형 클래드층, 활성층 및 p형 클래드층이 순차적으로 적층된 발광구조체의 상기 p형 클래드층 위에 아연함유산화물에 p형 도판트가 첨가된 오믹콘택트층을 형성하는 단계와; 나. 상기 가 단계를 거쳐 형성된 전극 구조체를 열처리하는 단계;를 포함한다.

바람직하게는 상기 p형 도판트는 인(P)과 질소(N) 중 적어도 하나를 포함하고, Zn₃P₂, ZnP₂, Mg₃P₂, Zn₃N₂, Mg₃N₂ 중 적어도 하나의 고체화합물을 이용하여 도핑처리한다.

또한, 상기 활성층은 InGaN/GaN MQW, AlGaN/GaN MQW 구조 중 어느 하나로 형성한다.

또한, 상기 오믹컨택트층 형성 단계 이전에 상기 p형 클래드층 위에 n형 전류제한층을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 n형 전류제한층은 0.1 나노미터 내지 500나노미터의 두께로 형성하고, 투명 전도성 산화물과 n형 질화갈륨계 화합물들 중 어느 하나로 형성하는 것이 바람직하다.

상기 투명전도성 산화물은 In₂O₃, SnO₂, ITO를 포함한다.

또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 열처리 단계 이전에 상기 오믹콘택트층 위에 Ni, Au, Pt, Pd, Mg, Cu, Zn, Ag, Sc, Co, Rh, Li, Be, Ca, Ru, Re, Ti, Ta, Na, La 계열 원소 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소로 금속삽입층을 형성하는 단계;를 더 포함한다.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 오믹콘택트층 형성단계 이전에 상기 p형 클래드층 위에 Ni, Au, Pt, Pd, Mg, Cu, Zn, Ag, Sc, Co, Rh, Li, Be, Ca, Ru, Re, Ti, Ta, Na, La 계열 원소 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소로 금속삽입층을 형성하는 단계;를 더 포함한다.

또한, 상기 열처리단계 이전에 상기 오믹콘택트층 위에 Ag, Al, Zn, Mg, Ru, Ti, Rh, Cr, Pt를 포함하는 반사원소군에 속하는 적어도 하나의 원소로 반사층을 형성하는 단계;를 더 포함한다.

상기 반사층은 10 나노미터 내지 2000나노미터의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 반사층과 상기 오믹컨택트층 사이에 Ni, Au, Pt, Pd, Mg, Cu, Zn, Ag, Sc, Co, Rh, Li, Be, Ca, Ru, Re, Ti, Ta, Na, La 계열 원소 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소로 금속삽입층을 형성하는 단계;를 더 포함한다.

상기 금속삽입층은 0.1 나노미터 내지 1000나노미터의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 열처리 단계는 100℃ 내지 800℃에서, 10초 내지 3시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.

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

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

도 1은 본 발명의 제1 실시예예 따른 P형 전극구조체를 나타내 보인 단면도이다.

도면을 참조하면, p형 전극구조체는 투명박막 전극의 오믹콘택트층(30)을 구 비한다.

도시된 예에서는 Ⅲ족 질화물계로 구현되는 발광소자의 활성층을 중심으로 상호 대향되게 형성되는 n형 클래드층과 p형 클래드층 중 오믹특성 개선이 요구되는 p형 클래드층과 p형 전극구조체간의 특성을 실험하기 위하여 기판(10) 위에 Ⅲ족 질화물계 p형 클래드층(20)을 형성시키고, p형 클래드층(20) 위에 오믹콘택트층(30)을 순차적으로 적층시킨 구조가 도시되어있다.

p형 클래드층(20)은 Ⅲ족 질화화합물에 p형 도펀트가 첨가된 것이 적용된다.

여기서, Ⅲ족 질화화합물은 일반식인 Al_xIn_yGa_zN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, 0≤x+y+z≤1)로 표현되는 화합물을 말한다.

또한, p형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등이 적용될 수 있다.

오믹콘택트층(30)은 아연함유산화물(ZnO)에 p형 도판트로서 인(P)과 질소(N)중 적어도 하나가 함유되게 첨가시켜 형성된다.

아연함유산화물은 아연산화물(ZnO), 마그네슘 아연산화물(Mg_xZn_1-xO), 베릴륨 아연산화물(Be_xZn_1-xO)중 어느 하나가 적용되는 것이 바람직하다.

즉, 오믹콘택트층(30)은 아연산화물(ZnO), 마그네슘 아연산화물(Mg_xZn_1-xO), 베릴륨 아연산화물(Be_xZn_1-xO)중 어느 하나에 p형 도판트로서 인(P)과 질소(N) 중 적어도 하나를 첨가시켜 p형 아연함유산화물인 p형 아연산화물(p-ZnO), p형 마그네슘 아연산화물(p-Mg_xZn_1-xO), p형 베릴륨 아연산화물(p-Be_xZn_1-xO)중 어느 하나로 형성된 다.

이 경우, 오믹콘택트층(30)으로 공급되는 p형 캐리어(홀 농도: 10¹⁵~ 10¹⁹/ cm³, 홀 이동도: 0.01 ~ 10)에 의해, p형 클래드층(20) 표면의 실효 p형 캐리어 농도가 증가되어 터널링 전도현상을 유발하여 우수한 특성의 오믹접촉을 형성하게 된다.

바람직하게는 아연함유산화물에 대한 p형 도판트의 첨가비율은 0.01 내지 30 웨이트 퍼센트 (weight %) 범위 내에서 적용된다. 여기서, 웨이트 퍼센트는 첨가되는 원소수 중량비율을 말한다.

또한, 오믹컨택트층(30)을 형성하기 위한 p형 도판트로는 기존에 많이 사용되던 P₂O₅형태의 고체산화물 보다는 Zn₃P₂, ZnP₂, Mg₃P₂, Zn₃N₂, Mg₃N₂와 같은 고체화합물을 이용하는 것이 바람직하다. 이 경우 p형 도펀트로 적용할 고체화합물과 대응되는 아연함유산화물을 이용하여 오믹컨택트층(30)을 증착하면 된다.

이와같이 p형 도판트로 적용된 고체화합물은 고체산화물 보다 p형 클래드층(20)과 오믹콘택트층(30)의 캐리어 또는 홀 농도의 조절이 용이하여 우수한 오믹접촉특성을 갖는 오믹콘택트층(30)을 용이하게 형성할 수 있다.

또한, p형 클래드층(30)에서 p형 도판트로 사용되고 있는 마그네슘과 베릴륨이 첨가된 삼원계 p형 아연함유산화물들은 p형 클래드층(20)의 유효 홀 농도를 증가시켜 더욱 우수한 오믹컨택트층(30)을 형성할 수 있을 뿐만아니라 밴드갭이 이원계인 p형 아연산화물 보다 증가하여 AlGaN/GaN 구조를 갖는 발광소자의 오믹컨택트 층(30)으로 이용시 더욱 우수한 발광효율을 얻을 수 있다.

더욱 바람직하게는 오믹콘택트층(30)의 두께는 0.1 나노미터 내지 1000나노미터 정도로 형성된다.

오믹콘택트층(30)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, 오믹콘택트층(30)의 형성하기 위해 적용되는 증착온도는 20℃ 내지 1500℃ 범위내에서 수행하고, 증착기 내의 압력은 대기압 내지 10^-12 토르 정도에서 수행한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 p형 전극구조체가 도 2에 도시되어 있다. 앞서 도시된 도면에서와 동일기능을 하는 요소는 동일 참조부호로 표기한다.

도면을 참조하면, p형 전극구조체는 오믹콘택트층(30) 및 반사층(40)을 구비한다.

도시된 예에서는 Ⅲ족 질화물계로 구현되는 발광소자의 활성층을 중심으로 상호 대향되게 형성되는 n형 클래드층과 p형 클래드층 중 오믹특성 개선이 요구되는 p형 클래드층(20)과 p형 전극구조체간의 특성을 실험하기 위하여 기판(10) 위에 Ⅲ족 질화물계 p형 클래드층(20)을 형성시키고, p형 클래드층(20) 위에 오믹콘택트층(30) 및 반사층(40)을 순차적으로 적층시킨 구조가 도시되어 있다.

오믹콘택트층(30)은 앞서 설명된 바와 같으며, 반사층(40)은 p형 전극구조체 에서 최상층에 해당하고, 플립칩 발광소자 제작공정을 위해 적용되는데, 일반적으로 200도 내지 600도 온도범위에서 표면퇴화(surface degradation) 발생이 억제되고, 산화에 안정하며, 특성이 변화지 않으면서도 높은 반사능을 그대로 지닐 수 있는 물질을 적용한다.

바람직하게는 반사층(40)은 이러한 조건을 만족시키는 반사원소군에 속하는 Ag, Al, Zn, Mg, Ru, Ti, Rh, Cr, Pt 중 어느 하나로 형성한다.

더욱 바람직하게는 반사층(40)의 두께는 10 나노미터 내지 2000나노미터 정도로 형성한다.

반사층(40)은 전자빔증착기에 의해 형성된다.

또한, 오믹콘택트층(30) 및 반사층(40)은 증착 후 열처리공정을 거친다.

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

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

이하에서는 이러한 p형 전극구조체를 제조하는 공정의 실시 예를 설명한다. 다만, 본 발명은 이들 실시 예를 통해 예시된 공정에 국한되는 것은 아니다.

먼저, 기판(10)위에 질화갈륨(GaN)을 주성분으로 한 p형 클래드층(20)이 형성된 구조체를 트리클로로에틸렌, 아세톤, 메탄올, 증류수로 초음파 세척기(ultrasonic bath) 안에서 60℃에서 각각 5 분씩 표면 세척한 후, 시료에 남아 있는 수분을 제거하기 위하여 100℃ 에서 10분 동안 하드 베이킹(hard baking) 을 하였다.

이후, 포토레지스트(photo-resist)를 p형 클래드층(20) 위에 4,500 rpm에서 스핀코팅(spin coating)하였다. 그 후 85℃ 에서 15분 동안 소프트 베이킹 (soft baking)하고, 마스크 패턴을 현상하기 위하여 마스크와 시료를 일치(align) 시킨 다음에 22.8 mW의 강도의 자외선(UV)에 15초 동안 노출시키고, 현상액과 증류수의 비를 1:4로 혼합한 용액 속에 시료를 침지시켜 25초 정도 경과시켜 현상하였다.

그 후, BOE 용액을 이용해 현상된 시료에 있는 오염층을 제거하기 위하여 5분간 침지 시켰으며, 전자빔 증착기(electron-beam evaporator)를 이용하여 오믹콘택트층(30)을 증착하였다.

오믹콘택트층(30)은 분말상의 아연산화물(ZnO)과 Zn₃P₂를 9.5:0.5정도의 비율로 혼합한 후 소결하여 형성한 반응대상체를 전자빔 증착기 챔버내의 반응대상체 장착스테이지에 장착하여 증착하였다.

아세톤으로 리프트 오프(lift-off) 공정을 거친 후, 급속 가열로 (rapid thermal annealing : RTA)안에 시료를 넣어 공기 및 질소 분위기 하에서 530℃ 에서 1분 동안 열처리하여 전극구조체를 제조하였다.

도 3은 4-5×10¹⁷cm^-3의 캐리어 농도를 갖는 질화갈륨을 주성분으로 한 p형 클래드층(20)위에 인(P)이 도핑된 p형 아연산화물(p-ZnO)을 오믹콘택트층(30)으로 적용하여 약 300nm두께로 증착한 후, 공기 및 질소 분위기에서 열처리(annealing)하기 전과 530℃에서 열처리한 후에 대한 전기적 특성을 측정한 결과를 나타낸 그 래프이다.

도 3을 통해 알 수 있는 바와 같이 열처리 전에는 정류성(rectifying) 거동을 의미하는 비선형 전류-전압 특성을 보여주지만, 열처리 후에는 오믹접촉 거동을 의미하는 선형적인 전류-전압 특성을 나타내고, 10^-4-10^-5Ωcm²정도의 낮은 비접촉저항을 갖는 것을 알 수 있다.

도 4는 4-5×10¹⁷cm^-3의 캐리어 농도를 갖는 질화갈륨을 주성분으로 한 p형 클래드층(20)위에 인(P)이 도핑된 p형 아연산화물(p-ZnO)로 구성된 오믹콘택트층(30)과 은(Ag)으로 구성된 반사층(40)을 순차적으로 약 100nm, 200nm 두께로 증착한 후, 공기 및 질소 분위기에서 열처리하기 전과 530℃에서 열처리한 후에 대한 전기적 특성을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 4를 통해 알 수 있는 바와 같이 열처리 전에는 정류성 거동을 의미하는 비선형 전류-전압 특성을 보여주지만, 열처리 후에는 오믹접촉 거동을 의미하는 선형적인 전류-전압 특성을 나타내고, 10^-4~10^-5Ωcm²정도의 낮은 비접촉저항을 갖는 것을 알 수 있다. 특히, 반사층(40)을 적용함으로써, 도 3에 도시된 단일 오믹콘택트층(30)의 전극구조체에 대한 전류-전압특성 보다 더욱 우수한 전기적 특성을 나타냄을 알 수 있다.

도 5는 도 1의 p형 전극구조체가 적용된 발광소자의 일 예를 나타내 보인 도면이다.

도면을 참조하면, 발광소자는 기판(110), 버퍼층(120), n형 클래드층(130), 활성층(140), p형 클래드층(150), 오믹콘택트층(230)이 순차적으로 적층된 구조로 되어 있다. 참조부호 180은 p형 전극패드이고, 190은 n형 전극패드이다.

기판(110)은 사파이어 또는 실리콘카바이드(SiC)로 형성된다.

버퍼층(120)은 생략될 수 있다.

버퍼층(120)으로부터 p형 클래드층(150) 까지의 각 층은 Ⅲ족 질화물계 화합물의 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 p형클래드층(150)은 해당 도펀트가 첨가된다.

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

일 예로서 GaN화합물을 적용하는 경우, 버퍼층(120)은 GaN으로 형성되고, n형 클래드층(130)은 GaN에 n형 도펀트로서 Si, Ge, Se, Te등이 첨가되어 형성되고, 활성층은 InGaN/GaN MQW혹은 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 전극패드는 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) 등에 의해 형성하면 된다.

오믹콘택트층(230)은 앞서 도 1을 통해 설명한바와 같이 인(P)과 질소 중 적어도 하나가 도판트로 첨가된 p형 아연함유산화물로 형성되어 있다.

도 6은 도 5의 오믹컨택층(230)을 적층하기에 앞서 p형 클래드층(150)위에 n형 전류제한층(current blocking layer)(160)을 적용한 발광소자의 일 예를 나타내 보인 도면이다.

n형 전류제한층(160)은 상부 전극층에서 직접적으로 활성층(140)으로 주입되는 전류를 억제하여 좁은 영역의 활성영역이 아닌 보다 넓은 활성영역을 만들어 발광효율을 증가 시킬수 있는 역할을 한다.

n형 전류제한층(160)은 전자가 다수 캐리어인 n형 특성을 나타내는 투명 전도성 박막으로 형성된다.

즉, n형 전류제한층(160)은 In₂O₃, SnO₂, ITO 등의 투명 전도성 산화물 또는 n형 질화갈륨계 화합물들 중 투명전도성을 갖는 물질 예를 들면 n형 GaN, n형 InGaN, n형 AlGaN 등으로 형성하면 된다.

바람직하게는 n형 전류제한층(160)은 0.1 나노미터 내지 500나노미터의 두께로 형성한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 도 7에 도시된 바와 같이, 발광소자는 오믹콘택트층(230)과 p형 클래드층(150) 사이에 금속삽입층(220)을 삽입하여 형성시킨 구조로 구현될 수 있음은 물론이다.

금속삽입층(220)은 Ni, Au, Pt, Pd, Mg, Cu, Zn, Ag, Sc, Co, Rh, Li, Be, Ca, Ru, Re, Ti Ta, Na, La 계열 원소 중에서 선택되는 1종 또는 2종의 합금 혹은 고용체로 형성된다. 금속삽입층(220)에 적용되는 원소들은 p형 아연 함유산화물의 농도를 조절 할 수 있어, 더욱 더 p형 질화갈륨의 오믹접촉을 형성하는데 유리하게 작용할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 도 8에 도시된 바와 같이, 발광소자는 오믹콘택트층(230) 위에 금속삽입층(220)을 형성시킨 구조로도 구현될 수 있음은 물론이다.

금속삽입층(220)은 도 7을 통해 설명된 소재로 형성하면 된다.

도 9는 앞서 도 2를 통해 설명된 바와 같이 반사층(240)이 추가로 오믹콘택트층(230) 위에 적층된 구조의 예를 보여주고 있다.

이러한 조건을 만족시키는 반사층(240)은 Ag, Al, Zn, Mg, Ru, Ti, Rh, Cr, Pt 중 어느 하나로 형성된다.

또한, 도 10에 도시된 바와 같이, 발광소자는 p형 클래드층(150) 위에 금속삽입층(220), 오믹콘택트층(230), 반사층(240)이 순차적으로 적층되는 구조로 구현될 수 있음은 물론이다.

금속삽입층(220)은 Ni, Au, Pt, Pd, Mg, Cu, Zn, Ag, Sc, Co, Rh, Li, Be, Ca, Ru, Re, Ti, Ta, Na, La 계열 원소 중에서 선택되는 1종 또는 2종의 합금 혹은 고용체로 구성된다. 이들 첨가된 원소들은 p형 아연 함유산화물의 농도를 조절 할 수 있어, 더욱 더 p형 질화갈륨의 오믹접촉을 형성하는데 유리하게 작용할 수 있다.

반사층(240)은 Ag, Al, Zn, Mg, Ru, Ti, Rh, Cr, Pt 중 어느 하나로 형성된다.

또한, 도 11에 도시된 바와 같이, 발광소자는 p형 클래드층(150) 위에 오믹콘택트층(230), 금속삽입층(220), 반사층(240)이 순차적으로 적층되는 구조로 구현될 수 있음은 물론이다.

금속삽입층(220)과 반사층(240)은 도 10에서 설명된 소재로 형성하면 된다.

도 12는 도 5의 단일 오믹콘택트층(30)을 갖는 전극구조체(p-ZnO)와 도 9의 오믹콘택트층(30) 및 반사층(40)을 갖는 전극구조체(p-ZnO/Ag)를 InGaN/GaN MQW을 갖는 청색 발광다이오드에 적용한 경우에 대한 동작전압 특성의 측정결과를 나타낸다. 이때 적용된 열처리는 530℃에서 공기분위기하에서 수행되었다. 단일 오믹콘택트층(30)을 갖는 전극구조체(p-ZnO)의 두께는 300nm이고, 오믹콘택트층(30) 및 반사층(40)을 갖는 전극구조체(p-ZnO/Ag)의 두께는 각각 100nm, 200nm로 적용되었다.

도면을 통해 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 p-ZnO 전극구조체와 p-ZnO/Ag 전극구조체가 적용된 발광소자의 동작전압은 20mA에서 각각 3.33V 와 3.23V로서 기존에 사용되고 있는 Ni/Au 전극구조체(3.45V)보다 그 특성이 더욱 향상됨을 보여준다.

도 13은 도 12와 동일한 전극구조체의 예들을 AlGaN/GaN MQW을 갖는 자외선 발광다이오드에 적용한 경우에 대한 동작전압 특성의 측정결과를 나타낸다. 본 발명의 p-ZnO 전극구조체와 p-ZnO/Ag 전극구조체가 적용된 발광소자의 동작전압은 20mA에서 각각 3.67V 와 3.54V로서 비교적 높은 값을 보이고 있으나, 현재, 자외선 발광다이오드의 개발이 초기단계임을 감안하면 비교적 양호한 특성의 발광소자 구현이 가능함을 예측하게 한다.

도 14는 패키징된 InGaN/GaN MQW 구조의 활성층이 적용된 청색 발광소자에 있어서, p형 클래드층(150) 위에 도 1의 p-ZnO 전극구조체, 도 2의 p-ZnO/Ag 전극구조체, 그리고 기존의 Ni/Au 전극구조체를 적용한 후, 공기분위기에서 열처리를 수행한 다음 동작전압(operating voltage)과 출력(output power)과의 관계를 측정한 결과를 비교해 나타내 보인 그래프이다.

도면을 통해 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 p-ZnO 전극구조체와 p-ZnO/Ag 전극구조체를 적용함으로서 기존의 Ni/Au 전극구조체를 적용한 소자에 비해 극히 낮은 동작전압과 4배 이상의 월등히 우수한 출력을 나타내는 고품위 발광소자를 구현하였음을 알 수 있다.

지금까지 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 투명 박막전극을 이용한 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, p형 클래드층과의 오믹접촉 특성이 개선되어 우수한 전류-전압 특성을 나타낼 뿐만 아니라, 투명전극이 갖는 높은 빛 투과성으로 인해 소자의 발광효율을 월등히 향상시킬 수 있는 장점을 제공한다.

Claims

n형 클래드층과 p형 클래드층 사이에 활성층을 갖는 질화물계 발광소자에 있어서,

상기 p형 클래드층 위에 Mg₃P₂, Zn₃N₂, Mg₃N₂ 중 적어도 하나의 고체화합물이 p형 도판트로서 첨가된 아연함유산화물로 형성된 오믹컨택트층;을 구비하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
제1항에 있어서, 상기 아연함유 산화물은 아연산화물, 마그네슘 아연산화물, 베릴륨 아연산화물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 아연함유산화물에 도핑되는 상기 p형 도판트는 인과 질소 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 아연함유산화물에 대한 상기 p형 도판트의 첨가비는 0.01 내지 30 웨이트 퍼센트인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 오믹콘택트층은 0.1 나노미터 내지 1000 나노미터의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
제1항에 있어서, 상기 n형 클래드층 하부에 기판이 형성되어 있고,

상기 기판은 사파이어와 SiC 중 어느 하나의 소재로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
제1항에 있어서, 상기 오믹콘택트층 위에 Ag, Al, Zn, Mg, Ru, Ti, Rh, Cr, Pt 원소를 포함하는 반사원소군에 속하는 적어도 하나의 원소로 형성된 반사층;을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
제7항에 있어서, 상기 반사층은 10 나노미터 내지 2000나노미터의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
제1항 또는 제7항에 있어서, 상기 p형 클래드층과 상기 오믹컨택트층 사이에 Ni, Au, Pt, Pd, Mg, Cu, Zn, Ag, Sc, Co, Rh, Li, Be, Ca, Ru, Re, Ti, Ta, Na, La 계열 원소 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소로 형성된 금속삽입층: 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
제7항에 있어서, 상기 오믹컨택트층과 상기 반사층 사이에 Ni, Au, Pt, Pd, Mg, Cu, Zn, Ag, Sc, Co, Rh, Li, Be, Ca, Ru, Re, Ti, Ta, Na, La 계열 원소 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소로 형성된 금속삽입층;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자.
n형 클래드층과 p형 클래드층 사이에 활성층을 갖는 질화물계 발광소자의 제조방법에 있어서,

가. 기판 위에 n형 클래드층, 활성층 및 p형 클래드층이 순차적으로 적층된 발광구조체의 상기 p형 클래드층 위에 아연함유산화물에 Mg₃P₂, Zn₃N₂, Mg₃N₂ 중 적어도 하나의 고체화합물이 p형 도판트로서 첨가된 오믹콘택트층을 형성하는 단계와;

나. 상기 가 단계를 거쳐 형성된 전극 구조체를 열처리하는 단계;를 포함하고,

상기 오믹콘택트층은 전자빔 증착기, 스퍼터링 증착기, 레이저 증착기 중 어느 하나를 이용하여 증착에 의해 형성하며,

상기 오믹콘택트층의 증착온도는 20℃ 내지 1500℃ 범위내에서 수행되고, 상기 증착기 내의 압력은 대기압 내지 10^-12 토르 정도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
제11항에 있어서, 상기 아연함유산화물은 아연산화물, 마그네슘 아연산화물, 베릴륨 아연산화물 중 어느 하나가 적용되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 아연함유산화물에 도핑되는 상기 p형 도판트는 인과 질소 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
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제11항에 있어서, 상기 활성층은 InGaN/GaN MQW, AlGaN/GaN MQW 구조 중 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 아연산화물에 대한 상기 p형 도판트의 첨가비는 0.01내지 30 웨이트 퍼센트인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 오믹콘택트층은 0.1 나노미터 내지 1000나노미터의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
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삭제
제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 오믹컨택트층 형성 단계 이전에 상기 p형 클래드층 위에 n형 전류제한층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
제20항에 있어서, 상기 n형 전류제한층은 0.1 나노미터 내지 500나노미터의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
제20항에 있어서, 상기 n형 전류제한층은 투명 전도성 산화물과 n형 질화갈륨계 화합물들 중 어느 하나로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
제22항에 있어서, 상기 투명전도성 산화물은 In₂O₃, SnO₂, ITO를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
제11항에 있어서, 상기 열처리 단계 이전에 상기 오믹콘택트층 위에 Ni, Au, Pt, Pd, Mg, Cu, Zn, Ag, Sc, Co, Rh, Li, Be, Ca, Ru, Re, Ti, Ta, Na, La 계열 원소 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소로 금속삽입층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
제11항에 있어서, 상기 오믹콘택트층 형성단계 이전에 상기 p형 클래드층 위에 Ni, Au, Pt, Pd, Mg, Cu, Zn, Ag, Sc, Co, Rh, Li, Be, Ca, Ru, Re, Ti, Ta, Na, La 계열 원소 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소로 금속삽입층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
제11항에 있어서, 상기 열처리단계 이전에 상기 오믹콘택트층 위에 Ag, Al, Zn, Mg, Ru, Ti, Rh, Cr, Pt를 포함하는 반사원소군에 속하는 적어도 하나의 원소로 반사층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
제26항에 있어서, 상기 반사층은 10 나노미터 내지 2000나노미터의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
제26항에 있어서, 상기 오믹컨택트층 형성단계 이전에 상기 p형 클래드층 위에 Ni, Au, Pt, Pd, Mg, Cu, Zn, Ag, Sc, Co, Rh, Li, Be, Ca, Ru, Re, Ti, Ta, Na, La 계열 원소 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소로 금속삽입층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
제26항에 있어서, 상기 반사층 형성단계 이전에 상기 오믹컨택트층 위에 Ni, Au, Pt, Pd, Mg, Cu, Zn, Ag, Sc, Co, Rh, Li, Be, Ca, Ru, Re, Ti, Ta, Na, La 계열 원소 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소로 금속삽입층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
제24항, 제25항, 제28항, 제29항 중 어느 한항에 있어서, 상기 금속삽입층은 0.1 나노미터 내지 1000나노미터의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
제11항, 제24항, 제25항, 제26항, 제28항, 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열처리 단계는 100℃ 내지 800℃에서 수행하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
제11항, 제24항, 제25항, 제26항, 제28항, 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열처리 단계는 10초 내지 3시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.
제11항, 제24항, 제25항, 제26항, 제28항, 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열처리 단계는 상기 전극구조체가 내장된 반응기내에 질소, 아르곤, 헬륨, 산소, 수소, 공기 중 적어도 하나를 포함하는 기체 분위기에서 수행하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광소자의 제조방법.