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KR100601945B1 - 탑에미트형 질화물계 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

탑에미트형 질화물계 발광소자 및 그 제조방법 Download PDF

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KR100601945B1
KR100601945B1 KR1020040016271A KR20040016271A KR100601945B1 KR 100601945 B1 KR100601945 B1 KR 100601945B1 KR 1020040016271 A KR1020040016271 A KR 1020040016271A KR 20040016271 A KR20040016271 A KR 20040016271A KR 100601945 B1 KR100601945 B1 KR 100601945B1
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Abstract

본 발명은 탑에미트형 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서 탑에미트형 질화물계 발광소자는 기판, n형 클래드층, 활성층, p형 클래드층이 순차적으로 적층되어 있고, p형 클래드층 위에 전기적 및 광학적 특성을 향상시킬 수 있게 전도성을 갖는 소재로 30마이크로미터 이하의 폭을 갖는 크기의 셀을 상호 이격되게 격자형태로 형성된 격자셀층과, p형클래드층 표면을 보호할 수 있도록 적어도 셀 사이 영역을 커버할 수 있게 p형클래드층 위에 형성된 표면 보호층과, 표면 보호층과 격자셀층 위에 투명 전도성 소재로 형성된 투명 전도성 박막층을 구비한다. 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 발명에 따른 탑에미트형 발광소자를 나타내 보인 단면도이고,
도 2는 도 1의 격자셀층의 셀 배열 상태를 도식적으로 나타내 보인 부분 발췌 사시도이고,
도 3은 본 발명에 따른 발광 다이오드와 니켈(Ni) 및 금(Au)으로 형성된 오믹컨택트층을 갖는 종래의 발광소자와의 빛투과도를 측정한 결과를 비교해 나타내 보인 그래프이고,
도 4는 본 발명에 따른 발광 다이오드와 격자셀층을 생략한 구조와의 전류-전압 특성을 측정한 결과를 비교해 나타내 보인 그래프이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
110: 기판 150: P형 클래드층
160: 멀티 투명 오믹컨택트층 161: 격자셀층
163: 표면 보호층 165: 투명 전도성 박막층
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 홀주입(hole injection) 및 고효율의 빛방출(light emission) 역할을 하는 투명 전도성 오믹전극 구조를 개발하기 위해서 전 세계적으로 활발하게 연구 중에 있다.
현재 가장 활발하게 연구되고 있는 투명 전도성 박막소재로서는 투명 전도성 산화물(transparent conducting oxide : TCO)과 투명 전도성 질화물(transparent conducting nitride : TCN)등이 있다.
투명 전도성 산화물(TCO)은 인듐 산화물(In2O3), 주석 산화물(SnO2), 아연 산화물(ZnO), 주석 인듐 산화물(ITO) 등이 있고, 투명 전도성 질화물(TCN)으로는 타이타늄 질화물(TiN)이 있다.
그런데 이들 물질은 박막형성 공정 조건에 따라서 큰 면저항(sheet resistance)값, 높은 빛 반사율(reflectivity), 및 상대적으로 작은 일함수(work function)값을 지니고 있어서 단독으로 탑에미트형 질화갈륨계 발광소자의 p형 투명 오믹전극으로 적용하기에는 많은 문제점들을 안고 있다.
그 문제점을 기술해보면,
첫 번째, 위에 열거된 투명 전도성 박막들은 스퍼터링(sputtering), 이빔 증착기 또는 열 증착기(e-beam or heat evaporator), 및 레이저 광원을 이용한 증착기(PLD) 등과 같은 PVD(Physical Vapor Deposition) 방법에 의해서 박막 형성시, 대체적으로 100Ω/sq 값에 가까운 큰 면저항값을 지니고 있기 때문에, 발광소자의 수평방향(층간 경계면과 나란한 방향)으로의 전류 퍼짐(current spreading)을 어렵게 할 뿐만 아니라 수직방향으로의 원활한 홀주입(hole injection)도 어렵게 함으로써, 대면적 및 대용량의 고휘도 발광소자를 구현하는데 적용하기가 어렵다.
두 번째, 투명 전도성 박막을 플라즈마를 이용하여 증착시 p형 질화갈륨 표면이 플라즈마 이온(ions)에 노출되기 때문에 p형 질화갈륨 표면이 손상(damage)되어 전기적 특성을 저해하는 것으로 널리 알려져 있다.
세 번째, 위에 열거된 투명 전도성 박막들은 질화갈륨계 발광 다이오드에서 출사되는 빛에 대해서 높은 빛 반사율(reflectivity)을 갖기 때문에 발광효율을 떨어뜨린다.
마지막으로, 투명 전도성 산화물(TCO)은 질화갈륨계 화합물 반도체와 직접적으로 오믹접촉을 하는 전극으로 적용할 경우 박막 형성 공정상에서 질화갈륨 표면에서 갈륨(Ga) 및 p형 도판트인 마그네슘(Mg)의 큰 산화능(oxidation)에 의해 절연특성을 갖는 산화갈륨(Ga2O3) 및 산화마그네슘(MgO)의 생성을 유발하여 양질의 오믹접촉 전극을 형성하기가 어렵다.
한편, 발광소자는 탑에미트형 발광다이오드(top-emitting light emitting diodes; TLEDs)와 플립칩 발광다이오드(flip-chip light emitting diodes: FCLEDs)로 분류된다.
현재, 널리 사용되고 있는 탑에미트형 발광다이오드는 p형 클래드층과 접촉하고 있는 오믹컨택트층을 통해 광(light)이 출사되게 구성되어 있다. 하지만, 고휘도 탑에미트형 발광다이오드를 구현하기 위해서는 낮은 홀농도를 지닌 p형 클래드층의 높은 면 저항값을 보상하기 위해서는 전류흐름을 원활하게 할 수 있는 우수한 커런트 스프레딩 박막(current spreading layer)이 절대적으로 필요하다. 따라서, 낮은 면저항 값을 갖고 높은 빛 투과도를 지닌 커런트 스프레딩 박막층을 오믹컨택트층으로 형성하여 원활한 홀주입(hole injection), 전류퍼짐(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)층이 순차적으로 형성된 오믹컨택트층이 널리 이용되고 있다.
니켈-금으로된 오믹컨택트층은 산소(O2)분위기에서 열처리하여 10-3 ~ 10-4 Ω㎠ 정도의 우수한 비접촉저항 및 반투명성을 갖는 것으로 알려져 있다.
이러한 종래의 오믹컨택트층은 500℃ 내지 600℃ 정도의 온도 및 산소분위기에서 열처리할 때 p형 클래드층을 이루고 있는 질화갈륨과 오믹컨택트층으로 적용된 니켈층의 계면에서 p형 반도체 산화물인 니켈산화물(NiO)이 섬(island) 모양으로 형성되어 있는 금(Au)층 사이 및 상층부에 형성되어 쇼트키 장벽의 높이(Schottky barrier height:SBH)를 감소시키게 되어 p형 클래드층 표면 부근에 다수캐리어인 홀(hole)을 용이하게 공급한다.
또한, 니켈-금 층 구조를 p형 클래드층 위에 형성한 후, 열처리하면 Mg-H 금속간 화합물을 제거하여 질화갈륨 표면에서 마그네슘 도판트(dopant) 농도를 증가시키는 재활성화(reactivation) 과정을 통해서 p형 클래드층의 표면에서의 실효 캐리어 농도가 1018 이상이 되게 하여 p형 클래드층과 산화니켈을 함유한 오믹컨택트층 사이에 터널링 전도를 일으켜 낮은 비접촉 저항값을 지닌 오믹전도 특성을 보이는 것으로 이해되고 있다.
그러나, 니켈-금 구조로 형성되는 반투명성 오믹컨택트층을 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 저항값을 갖는 등의 많은 문제점들이 있다.
따라서, 이러한 탑에미트형 및 플립칩 발광다이오드의 소자의 한계를 극복하고자, 기존에 p형 오믹컨택트층으로 사용되고 있는 종래의 반투명 니켈(산화물)-금 층 구조보다 우수한 빛 투과도를 갖도록 금(Au)을 완전히 배제한 투명 전도성 산화 물, 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 오믹컨택트층을 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 여전히 갖고 있어 대면적 및 대용량의 고휘도 발광소자로의 응용에는 많은 한계점을 지니고 있다. 또 다른 한편으로는 미국 특허 제6,287,947호에는 산화된 얇은 니켈-금 또는 니켈-은 구조를 인듐 주석 산화물(ITO)과의 접목을 통해 빛 투과도와 전기적 특성을 개선시킨 발광 다이오드의 제작 방법이 개시되어 있다. 하지만, 이들 제안된 공정 또한 여전히 높은 비접촉 저항과 니켈-금(또는, 은) 구조를 산화시키는 공정이 추가됨으로써 양산에 적용하기는 어려운 문제점을 안고있다.
상기한 바와 같이, 양질의 오믹접촉을 형성하는 고품위 오믹접촉 전극을 개발하는데 많은 어려운 점이 있는데, 그 근본적인 원인은 다음과 요약할 수 있다.
첫째, p형 질화갈륨의 낮은 홀농도와 이로 인해 104 Ω/sq 이상의 높은 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 장 벽(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 박막층을 p형 질화갈륨 상부에 직접적으로 증착하는 공정에서 질화갈륨 표면에 절연성인 산화갈륨 (Ga2O3) 및 산화마그네슘 (MgO)생성으로 인하여 발광소자의 전기적 특성이 저하되는 점과,
다섯 째, 낮은 면저항 값을 지닌 투명 전도성 박막층을 형성할 수 있는 스퍼터링 공정에서 플라즈마에 의해 p형 질화갈륨의 표면이 손상되는 점이 있다.
이러한 문제점들에 의해 종래의 오믹컨택트층은 p형 질화갈륨과 오믹컨택트층 사이에서의 열(heat)발생이 증가하여 소자의 수명을 단축시킬 뿐만이 아니라 소자의 작동에 대한 신뢰성을 확보하기 어렵다.
본 발명은 상기와 같은 전체적인 문제점들을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 높은 빛 투과도, 낮은 면저항, 및 낮은 비접촉 오믹저항값을 갖는 투명 오믹접촉 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 전도성을 갖는 소재로 1 나노미터 이상 30 마이크로미터 이하의 폭을 갖는 크기의 셀을 상호 이격되게 격자형태로 형성된 격자셀층과; 상기 p형클래드층 표면을 보호할 수 있도록 적어도 상기 셀 사이 영역을 커버할 수 있게 상기 p형클래드층 위에 형성된 표면 보호층과; 상기 표면 보호층과 상기 격자셀층 위에 투명 전도성 소재로 형성된 투명 전도성 박막층;을 구비한다.
바람직하게는 상기 격자셀층은 전도성 및 갈륨관련 화합물을 형성할 수 있는 소재로서 니켈(Ni), 코발트(Co), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 플라티늄(Pt), 루세늄(Ru), 이리듐(Ir), 금(Au), 은(Ag), 크롬(Cr), 로듐(Rh), 인듐(In), 주석(Sn), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 베릴륨(Be), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba) 및 이들로 형성된 합금 또는 고용체 중에서 선택된 적어도 하나의 소재를 적용하여 단층 또는 다층으로 형성된다.
더욱 바람직하게는 상기 격자셀층은 1 나노미터 내지 100나노미터의 두께로 형성된다.
또한, 상기 표면 보호층은 은(Ag), 니켈(Ni), 금(Au), 루세늄(Ru), 플라티늄(Pt), 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 또는 고용체, 및 천이금속으로 형성된 질화물들 중에서 선택된 적어도 하나의 소재를 적용하여 단층 또는 다층으로 형성된다.
상기 표면 보호층은 1나노미터 이상 20 나노미터 이하의 두께로 형성된 것이 바람직하다.
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 금속들 중에서 적어도 하나 이상의 성분과 산소(O)가 결합된 투명 전도성 산화물(TCO)로 형성된다.
또 다르게는 상기 투명 전도성 박막층은 타이타늄(Ti)과 질소(N)를 함유하여 형성된 투명전도성 질화물(TCN)이 적용된다.
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 금속 성분으로 분류된 원소들 중 적어도 하나 이상이 적용된다.
상기 투명 전도성 박막층은 10 나노미터 내지 1000 나노미터의 두께로 형성된 것이 바람직하다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 탑에미트형 질화물계 발광소자의 제조방법은 n형 클래드층과 p형 클래드층 사이에 활성층을 갖는 탑에미트형 질화물계 발광소자의 제조방법에 있어서, 가. 기판 위에 n형 클래드층, 활성층 및 p형 클래드층이 순차적으로 적층된 발광구조체의 상기 p형 클래드층 위에 전도성을 갖는 소재로 30마이크로미터 이하의 폭을 갖는 크기의 셀을 상호 이격되게 격자형태로 배열된 격자셀층을 형성하는 단계와; 나. 상기 p형클래드층의 표면을 보호할 수 있도록 적어도 상기 셀 사이 영역을 커버할 수 있게 상기 p형클래드층 위에 표면 보호층을 형성하는 단계와; 다. 상기 표면 보호층과 상기 격자셀층 위에 투명 전도성 소재로 투명 전도성 박막층을 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 가 단계에서 상기 격자셀층은 상기 전도성 물질을 상기 p형클래드층 위에 형성한 다음 열을 가해 이산되도록 처리하는 열분산법 또는 새도우 마스크를 이용하여 증착하는 방법 중 어느 하나의 방법에 의해 형성한다.
상기 다 단계를 거쳐 형성된 p형 전극구조체는 열처리단계를 거치는 것이 바람직하다.
상기 열처리단계는 상온 내지 800도 범위 내에서 10초 내지 3시간 동안 수행하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 열처리 단계는 상기 p형 전극 구조체가 형성된 발광소자가 내장된 반응기내에 질소, 아르곤, 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 제1실시예에 따른 탑에미트형 발광소자를 나타내 보인 단면도이다.
도면을 참조하면, 탑에미트형 발광소자는 기판(110), 버퍼층(120), n형 클래드층(130), 활성층(140), p형 클래드층(150), 멀티 투명 오믹컨택트층(160)이 순차적으로 적층된 구조로 되어 있다. 참조부호 180은 p형 전극패드이고, 190은 n형 전 극패드이다.
여기서 기판(110)으로부터 p형클래드층(150)까지가 발광구조체에 해당하고, p형 클래드층(150) 위에 적층된 멀티 투명 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 화합물의 일반식인 AlxInyGazN(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 순차적으 로 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(e-beam evaporator), PVD(physical vapor deposition), CVD(chemical vapor deposition), PLD(plasma laser deposition), 이중형의 열증착기(dual-type thermal evaporator), 스퍼터링(sputtering) 등 공지된 증착 방식에 의해 형성하면 된다.
멀티 투명 오믹컨택트층(160)은 p형 전극구조체로서 격자셀층(161), 표면 보호층(163) 및 투명 전도성 박막층(165)을 구비한다.
격자셀층(161)은 크기가 30마이크로 미터 이하 더욱 바람직하게는 수 나노미터 이하의 폭을 갖는 셀(161a)이 상호 이격되어 격자형태로 형성되어 있다.
격자셀층(161)의 각 셀(161a)은 전도성 및 갈륨관련 화합물을 형성할 수 있는 소재로서 니켈(Ni), 코발트(Co), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 플라티늄(Pt), 루세늄(Ru), 이리듐(Ir), 금(Au), 은(Ag), 크롬(Cr), 로듐(Rh), 인듐(In), 주석(Sn), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 베릴륨(Be), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba) 및 이들로 형성된 합금 또는 고용체 중에서 선택된 적어도 하나의 소재를 적용하여 형성된다.
격자셀층(161)은 단층 이외에도 상호 다른 물질로 2층 이상의 다층 박막으로 형성해도 된다.
이러한 격자셀층(161)은 불균일 쇼트키 장벽(inhomogeneous Schottky barrier) 효과를 유발하여 원활한 캐리어 주입, 전류 퍼짐, 및 p형 전극구조체의 전도성을 향상시킨다.
격자셀층(161)은 적용대상 전도성 물질을 p형클래드층(150) 위에 형성한 다음 열을 가해 섬모양으로 상호 이산되도록 처리하는 열분산법 또는 마스킹(shadow masking) 공정을 통해 증착하는 방법 등에 의해 형성시킬 수 있다.
바람직하게는 격자셀층(161)은 셀(161a) 사이 간격은 가능하면 멀리 이격시키면서 셀의 크기는 줄일 수 있게 형성한다.
또한 격자셀층(161)의 셀(161a)의 형상은 도 2에 도시된 바와 같은 원형 또는 타원형, 및 다각형 등의 어느 형태도 가능하다.
바람직하게는 상기 격자셀층(161)의 두께는 1 나노미터 내지 100 나노미터로 형성한다.
표면 보호층(163)은 스퍼터링(sputtering) 공정시 p형 클래드층(150)의 표면 손상을 억제하고, 절연성 산화물 예를 들면, 산화갈륨 또는 산화마그네슘의 형성을 억제시켜 p형 전극구조체의 전기적 특성을 향상시키기 위해 적용되었다.
표면 보호층(163)은 높은 전기 전도성을 갖으면서, 600℃ 이하의 온도 및 여러 분위기에서 열처리 시 쉽게 전도성 나노상 (nano phase) 입자로 분해하여 높은 빛 투과성을 갖는 물질을 적용하는 것이 바람직하다.
표면 보호층(163)은 은(Ag), 니켈(Ni), 금(Au), 루세늄(Ru), 플라티늄(Pt), 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 또는 고용체, 및 천이금속으로 형성된 질화물들 중에서 선택된 적어도 하나의 소재를 적용하여 형성된다.
또한 표면 보호층(163)은 상호 다른 소재로 다층으로 형성될 수 있다.
도시된 예에서는 표면 보호층(163)이 셀(161a) 사이영역 및 셀(161a) 상부를 커버하도록 형성된 경우가 적용되었고, 셀(161a) 사이영역에만 형성할 수 있음은 물론이다.
표면 보호층(163)은 적절한 두께로 형성되야 하고 바람직하게는 1 나노미터 이상 20 나노미터(nm) 이하의 두께로 형성한다.
투명 전도성 박막층(165)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 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 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(165)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(165)의 두께는 적절한 빛 투과도 및 전기 전도성을 갖도록 10 나노미터 내지 1000 나노미터의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
이러한 멀티 투명 오믹컨택트층(160)은 기판(110) 위에 n형 클래드층(130), 활성층(140) 및 p형 클래드층(150)이 순차적으로 적층된 발광구조체의 p형 클래드층(150) 위에 앞서 설명된 소재로 격자셀층(161), 표면 보호층(163) 및 투명 전도성 박막층(165)을 형성하면 된다.
멀티 투명 오믹컨택트층(160)은 전자빔 증착기, 열 증착기(thermal evaporator), 스퍼터링 증착기(sputtering deposition), 레이저 증착기(pulsed laser deposition) 중 어느 하나 이상으로 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 멀티 투명 오믹컨택트층(160)을 형성하기 위해 적용되는 증착온도는 20℃ 내지 1500℃ 범위내에서, 증착기 내의 압력은 대기압 내지 10-12 토르 정도에서 수행한다.
또한, 멀티 투명 오믹컨택트층(160)을 형성한 후에는 열처리(annealing)과정을 거치는 것이 바람직하다.
열처리(annealing)는 반응기내의 온도를 100℃ 내지 800℃에서 진공 또는 여러 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 3은 본 발명에 따른 발광 다이오드와 니켈(Ni) 및 금(Au)으로 형성된 오믹컨택트층을 갖는 종래의 발광소자와의 빛투과도를 측정한 결과를 비교해 나타내 보인 그래프이다. 여기서, 본 발명에 따른 p형 전극구조체의 제1실시예로서 사각마크(흑색으로 표기됨)로 표기된 그래프는 p형 클래드층(150) 위에 20 마이크로(㎛)미터의 크기의 금(Au) 입자를 균일하게 배열한 격자셀층(161)과, 은(Ag)-니켈(Ni)을 5나노미터씩 순차적으로 적층하여 형성한 표면 보호층(163) 및 ITO를 100 나노미터 적층하여 형성한 투명 전도성 박막층(165)으로 된 형성된 구조를 갖는 발광소자를 530℃에서 열처리한 후 얻은 광 투과도이다.
또한, 본 발명에 따른 p형 전극구조체의 제2실시예로서 삼각마크(청색으로 표기됨)로 표기된 그래프는 p형 클래드층(150) 위에 20 마이크로(㎛)미터의 크기의 금(Au) 입자를 균일하게 배열한 격자셀층(161)과, 니켈(Ni)-금(Au)을 5나노미터씩 순차적으로 적층하여 형성한 표면 보호층(163) 및 ITO를 100 나노미터 적층하여 형성한 투명 전도성 박막층(165)으로 된 형성된 구조를 갖는 발광소자를 530℃에서 열처리한 후 얻은 빛 투과도이다.
마직막으로 원형마크(적색으로 표기됨)로 표기된 그래프는 p형 클래드층(150) 위에 금(Au)과 니켈(Ni)을 5나노미터씩 순차적으로 적층하여 형성한종래의 p형 전극구조체를 갖는 발광소자를 530℃에서 열처리한 후 얻은 빛 투과도이다. 도 3에 나타낸 그래프를 참조하면, 약 500m의 파장 범위에서 광 투과도 순서는 Ag > Ni > Au 순이다.
도면을 통해 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 발광소자의 빛투과도가 종래의 발광소자 보다 향상됨을 알 수 있다.
또한 본 발명에 따른 발광소자의 경우 표면 보호층(163)에 적용되는 물질이 빛 투과도에 영향을 미치고 있음을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 p형 클래드층(150) 위에 20 마이크로미터 크기의 금(Au)을 10 나노미터 두께로 일정하게 정렬하여 격자셀층(161)을 형성한 경우와, 격자셀층(161)을 생략한 경우에 대해 표면 보호층(163)으로 니켈(Ni)-은(Ag)을 각각 3 나노미터 적층하고, 투명 전도성 박막층(165)으로 ITO를 적층한 구조를 각각 갖는 청색 InGaN/GaN 발광 다이오드의 전류-전압 특성을 나타내 보인 그래프이다. 여기서 각 발광소자는 530℃에서 열처리한 후 측정하였다.
도 4를 통해 알 수 있는 바와 같이, 일정하게 금(Au) 입자가 배열된 격자셀층(161)을 갖는 발광소자가 격자셀층(161)이 생략된 발광소자 보다 전기적 특성이 월등히 우수함을 확인 할 수 있다.
도 3및 도 4의 결과를 통해 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 p형 전극구조체를 갖는 발광소자는 p형 클래드층(150)과 표면 보호층(163) 사이에 갈륨관련 화합물(gallide)이 형성되어 유효 표면 홀농도를 증가 시키고, 높은 빛 투과도를 유지하며, 20 Ω/sq 이하의 낮은 면저항(sheet resistance)값을 갖는다.
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 (9)

  1. n형 클래드층과 p형 클래드층 사이에 활성층을 갖는 탑에미트형 질화물계 발광소자에 있어서,
    상기 p형 클래드층 위에 전도성을 갖는 소재로 1 나노미터 이상 30 마이크로미터 이하의 폭을 갖는 크기의 셀을 상호 이격되게 격자형태로 형성된 격자셀층과;
    상기 p형클래드층 표면을 보호할 수 있도록 적어도 상기 셀 사이 영역을 커버할 수 있게 상기 p형클래드층 위에 형성된 표면 보호층과;
    상기 표면 보호층과 상기 격자셀층 위에 투명 전도성 소재로 형성된 투명 전도성 박막층;을 구비하는 것을 특징으로 하는 탑에미트형 질화물계 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 격자셀층은 전도성 및 갈륨관련 화합물을 형성할 수 있는 소재로서 니켈(Ni), 코발트(Co), 구리(Cu), 팔라듐(Pd), 플라티늄(Pt), 루세늄(Ru), 이리듐(Ir), 금(Au), 은(Ag), 크롬(Cr), 로듐(Rh), 인듐(In), 주석(Sn), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 베릴륨(Be), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba) 및 이들로 형성된 합금 또는 고용체 중에서 선택된 적어도 하나의 소재를 적용하여 단층 또는 다층으로 형성된 것을 특징으로 하는 탑에미트형 질화물계 발광소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 표면 보호층은 은(Ag), 니켈(Ni), 금(Au), 루세늄(Ru), 플라티늄(Pt), 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 또는 고용체, 및 천이금속으로 형성된 질화물들 중에서 선택된 적어도 하나의 소재를 적용하여 단층 또는 다층으로 형성된 것을 특징으로 하는 탑에미트형 질화물계 발광소자.
  4. 제1항에 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), 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 금속들 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 성분과 산소(O)가 결합되어 형성된 것을 포함하고,
    상기 투명 전도성 질화물은 타이타늄(Ti)과 질소(N)를 함유하여 형성된 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 탑에미트형 질화물계 발광소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 격자셀층은 1 나노미터 내지 100나노미터의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 탑에미트형 질화물계 발광소자.
  6. 제1항에 있어서, 표면 보호층은 1 나노미터 이상 20 나노미터 이하의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 탑에미트형 질화물계 발광소자.
  7. 제1항에 있어서, 상기 투명 전도성 박막층은 10 나노미터 내지 1000 나노미터의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 탑에미트형 질화물계 발광소자.
  8. n형 클래드층과 p형 클래드층 사이에 활성층을 갖는 탑에미트형 질화물계 발광소자의 제조방법에 있어서,
    가. 기판 위에 n형 클래드층, 활성층 및 p형 클래드층이 순차적으로 적층된 발광구조체의 상기 p형 클래드층 위에 전도성을 갖는 소재로 1 나노미터 이상 30 마이크로미터 이하의 폭을 갖는 크기의 셀을 상호 이격되게 격자형태로 배열된 격자셀층을 형성하는 단계와;
    나. 상기 p형클래드층의 표면을 보호할 수 있도록 적어도 상기 셀 사이 영역을 커버할 수 있게 상기 p형클래드층 위에 표면 보호층을 형성하는 단계와;
    다. 상기 표면 보호층과 상기 격자셀층 위에 투명 전도성 소재로 투명 전도성 박막층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탑에미트형 질화물계 발광소자의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 가 단계는 상기 전도성 물질을 상기 p형클래드층 위에 형성한 다음 열 을 가해 이산되도록 처리하는 열분산법 또는 새도우 마스크를 이용하여 증착하는 방법 중 어느 하나의 방법에 의해 형성하는 것을 특징으로 하는 탑에미트형 질화물계 발광소자의 제조방법.
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