KR100650992B1 - 니켈을 포함하는 금속층으로 ｎ-형 오믹 전극을 형성한질화물 발광 다이오드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광 다이오드의 오믹 전극 형성방법에 관한 것으로, 상세하게는 n-형 질화물 반도체층 위에 형성되는 n-형 오믹 전극을 형성할 때에 낮은 온도에서 열처리 할 수 있도록 하는 방법에 관한 것이다.

종래에 사용된 n-형 오믹 전극은 티타늄/금(Ti/Au)을 증착하고, 고온 열처리 과정을 포함하는 방법으로 오믹을 형성하여 공정이 어렵고, 상기 고온으로 열처리를 하는 중에 질화물 반도체층이 손상될 수 있는 위험이 있었다.

이에 본 발명은 니켈(Ni)을 포함하는 금속의 단일층 또는 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt) 중 어느 하나 이상을 추가적으로 포함하는 복수층으로 n-형 오믹 전극을 형성하여, 종래의 기술보다 저온에서 열처리를 할 수 있도록 하는 오믹 형성 방법을 제안한다.

질화물 반도체, 발광 다이오드, n-형 오믹 전극, 니켈(Ni)

Description

니켈을 포함하는 금속층으로 ｎ-형 오믹 전극을 형성한 질화물 발광 다이오드 {GaN-based Semiconductor Light Emitting Diode containing Nickel forming part of n-type ohmic metal}

도 1은 제1 실시예의 열처리 온도에 따른 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.

도 2는 제1 실시예의 열처리 온도에 따른 접촉저항의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 3은 제2 실시예의 열처리 온도에 따른 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.

도 4는 제2 실시예의 열처리 온도에 따른 접촉저항의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 5는 수평 구조형 질화물 반도체 발광 다이오드의 단면을 나타낸 도면이다.

도 6은 수평 구조형 질화물 반도체 발광 다이오드의 상부면을 나타낸 것이다.

도 7은 수직 전극형 질화물 반도체 발광 다이오드의 단면을 나타낸 것이다.

도 8은 수직 전극형 질화물 반도체 발광 다이오드의 상부면을 나타낸 것이다.

*도면의 주요 부호 설명*

11…버퍼층

12…n-형 질화물 반도체층

13…활성층

14…p-형 질화물 반도체층

15…p-형 오믹 전극

17…n-형 오믹 전극

31…유테틱메탈

본 발명은 질화물 발광 다이오드의 n-형 오믹 전극에 관한 것으로, 상세하게는 n-형 질화물 반도체층 위에 n-형 오믹 전극을 니켈을 포함한 금속층으로 형성하는 것에 관한 것이다.

발광 다이오드는 일정한 크기의 정 방향 전류가 흐르면 빛을 발생하는 광 다이오드의 일종이다. 발광 다이오드는 인듐인(InP), 갈륨비소(GaAs), 갈륨인(GaP) 등의 화합물 반도체를 p-i-n 접합한 구조를 이용하여 적색 또는, 녹색을 내는 발광 다이오드에 이어 청색 및 자외선 광을 발생하는 발광 다이오드가 개발되어 표시장 치, 광원용 장치, 환경 응용 장치에 널리 이용되고 있으며, 근래 들어서는 적, 녹, 청색의 3칩을 이용하거나 형광체를 이용하여 백색을 내는 색변환 발광 다이오드가 개발되어 조명장치로도 그 응용 범위가 넓어지고 있다.

반도체 발광 다이오드는 반도체에 전류를 인가해주기 위하여 반도체층위에 n-형과 p-형의 오믹 전극을 형성한다. 상기 발광 다이오드는 발광효율과 신뢰성을 향상하기 위하여, 반도체와 금속과의 접촉저항을 낮추는 오믹 전극을 형성하는 것이 매우 중요하다.

종래에는 질화물 반도체의 n-형 오믹 전극으로 티타늄/금(Ti/Au)를 증착한 후 열처리하여 형성하는 것이 일반적이었다. 그러나 질화물 반도체는 원소 결합이 강하여 티타늄/금(Ti/Au)으로 형성한 오믹 전극을 형성할 때 고온에서 열처리 할 수밖에 없기 때문에, 상기 고온에 의하여 반도체 층이 손상될 수 있고, 제조 공정에도 많은 어려움이 있었다.

또한 질화물 반도체 층과 제2의 기판을 부착하여 제조하는 리셉터(receptor)형 수직 전극형 발광 다이오드는 유테틱 금속을 사용한 웨이퍼 본딩 공정을 포함하며, 이러한 웨이퍼 본딩은 일반적으로 300℃ 내지 400℃근처에서 열처리 하게 된다. 그런데 수직 전극형 발광 다이오드는, 사파이어 기판을 제거한 후 n-형 오믹 전극을 형성하여야 하며, 뉴테틱 금속이 손상 받을 수 있기 때문에 n-형 오믹 전극을 형성할 때에는 뉴테틱 금속의 본딩 온도보다 낮은 온도에서 열처리하여야 한다. 그러나 티타늄/금(Ti/Au)은 고온의 열처리 과정이 반드시 필요하기 때문에, 유테틱 금속이 손상되어 발광 다이오드의 성능에 영향을 끼칠 수 있는 단점이 있어, 티타 늄/금(Ti/Au)은 수직 전극형 발광 다이오드에 적용되기 어려운 면이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 질화물 반도체 발광 다이오드의 n-형 오믹 전극을 종래 기술 보다는 저온의 열처리로 오믹 특성이 나타나는 니켈(Ni)을 포함하는 금속층으로 형성하여, 질화물 반도체층의 손상을 줄인 질화물 반도체 발광 다이오드를 제안하는 데에 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 상기 n-형 오믹 전극을 니켈(Ni)의 단일층 또는 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt)중 어느 하나 이상을 추가적으로 포함하는 복수층을 증착한 후 저온 열처리로 형성하여, 오믹 특성이 향상되도록 하는 데에 목적이 있다.

또한 본 발명은 수직 전극형 질화물 반도체 발광 다이오드의 n-형 오믹 전극을 니켈(Ni)을 포함하는 금속층으로 형성함으로써, 저온의 열처리로 n-형 오믹 전극을 형성할 수 있도록 하여, 유테틱 금속의 손상을 줄이도록 하는 데에 그 목적이 있다.

또한 상기 질화물 반도체 발광 다이오드를 제조함에 있어, n-형 오믹 전극을 낮은 온도로 열처리 하여도 오믹 특성이 나타나는 니켈을 포함한 금속층으로 형성함으로써, 질화물 반도체층의 손상을 줄이고 보다 용이하게 질화물 반도체 발광다이오드를 제조하도록 하는 데에 본 발명의 목적이 있다.

또한 본 발명은 수직 전극형 질화물 반도체 발광 다이오드를 제조함에 있어, 상기 n-형 오믹 전극을 니켈을 포함한 금속층으로 형성하여, 질화물 반도체층 및 유테틱 메탈의 손상을 줄이고 보다 용이하게 제조할 수 있도록 하는 데에 목적이 있다.

본 발명은 질화물 반도체 발광 다이오드의 중요한 기술 분야 중 하나인 n-형 오믹 전극에 관한 것으로서, 저온 열처리를 통해서도 오믹 특성이 나타나는 금속층으로 형성한 n-형 오믹 전극을 포함하는 질화물 반도체 발광 다이오드를 제안한다.

본 발명은 기초 기판, n-형 질화물 반도체층, 활성층, p-형 질화물 반도체층을 포함하는 질화물 반도체 발광 다이오드에 있어서, 상기 질화물 반도체층은 In_xGa_yAl_1-x-yN (1≥x≥0, 1≥y≥0, x+y>0)로 구성되고, 상기 n-형 질화물 반도체는 Si로 도핑하며, 상기 Si로 도핑된 n-형 질화물 반도체층 위에 형성되는 n-형 오믹 전극은 열처리 온도를 낮추기 위하여 니켈(Ni)을 포함하는 금속층으로 형성되며, 상기 n-형 오믹 전극은 낮은 접촉 저항을 위하여 상기 니켈을 포함하는 금속층을 증착한 뒤, N₂, Ar, H₂ 중 어느 하나 이상을 포함하는 분위기에서 열처리하여 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드를 제안한다.

상기 Si로 도핑된 n-형 질화물 반도체층 위에 형성하는 n-형 오믹 전극은 니켈(Ni) 및 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt)중 어느 하나 이상의 금속을 추가적으로 포함하는 복수층인 것이 바람직하다. 상기 n-형 오믹 전극은 니켈/알루미늄/금(Ni/Al/Au)로 구성하는 것이 바람직하며, 상기 니켈(Ni)과 알루미늄(Al)의 두께는 0.002㎛내지 1㎛인 것이 바람직하다.

또한 상기 n-형 오믹 전극은 티타늄/니켈/금(Ti/Ni/Au)인 것일 수 있다. 상기 티타늄(Ti), 니켈(Ni)의 두께는 0.002㎛ 내지 1㎛인 것이 바람직하다.

삭제

이하 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면에 따라서 보다 상세히 설명한다.

도 5는 질화물 반도체 발광 다이오드의 단면을 요약적으로 도시한 것이며, 도 6은 상기 도 5에 도시한 질화물 반도체 발광 다이오드의 상부면을 도시한 것이다.

기초기판(20) 위에 질화물 반도체층(11,12,13,14)을 성장시킨다. 상기 질화물 반도체층(11,12,13,14)은 430㎛ 정도의 두께의 사파이어 기초기판 (Sapphire, Al₂O₃)(20)위에 금속유기화학증착법(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD)을 이용하여 성장할 수 있으며, 상기 질화물 반도체는 In_x(Ga_yAl_1-y)N이다. 상기 질화물계 반도체층의 조성비는 1≥x≥0, 1≥y≥0, x+y>0 이다. 여기서 질화물계 반도체층은 금속유기화학증착법(metal organic chemical vapor deposition), 액상에피텍셜법(liquid phase epitaxy), 수소액상성장법(hidride vapor phase epitaxy), 분자빔에피텍셜법(Molecular beam epitaxy), MOVPE(metal organic vapor phase epitaxy)로 성장하는 것도 가능하다. 성장하는 질화물 반도체 층은 제작하고자 하는 소자의 종류에 따라 단일층 또는 복수층으로 성장 할 수 있고 도전성질을 갖도록 Si, Mg, Zn군 중 어느 하나 또는 복수의 원소를 불순물을 첨가 할 수 있다. 바람직하게는 n-형 질화물계 반도체층(12)을 만들기 위해 Si 첨가할 수 있다. 도핑농도는 제작하고자 하는 소자의 종류에 따라 다르며 1x10¹⁵/㎤내지 1x10²¹/㎤ 정도 도핑 할 수 있다. 도핑농도에 따라 질화물 반도체를 고저항체 또는 도전성으로 구분하며, 고저항체인 경우 비저항은 100Ωcm 이상, 도전성인 경우는 1x10^-1Ωcm이하가 되는 것이 바람직하다.

상기 사파이어 기판(20)위에 성장한 질화물 반도체층은 버퍼층(Buffer layer)(11), n형 질화물 반도체층(12), 활성층(13), p형 질화물 반도체층(14)의 In_x(Ga_yAl_1-y)N 질화물계 반도체층을 포함한다. 각 층 마다 조성비 x, y를 조절하여 AlGaN, INGaN, AlGaInN 등으로 형성할 수 있다. 특히 활성층(13)의 경우 In_x(Ga_yAl_1-y)N의 장벽층과 In_x(Ga_yAl_1-y)N의 우물층으로 이루어진 단일 양자 우물 구조 또는 다중 양자 우물 구조를 가질 수 있고, 우물층 또는 장벽층에 Si을 도핑할 수도 있고, In, Ga, Al의 조성비를 조절함으로써 InN(~1.8eV) 밴드갭을 갖는 장파장에서부터 AlN(~6.4eV) 밴드갭을 갖는 단파장의 발광다이오드까지 자유롭게 제작할 수 있다.

도 6에 도시한 바와 같이, 기초 기판(20)위에 상기 질화물 반도체층(11, 12, 13, 14)을 성장한 후에 p-형 오믹 금속(15)을 구성되며, p-형 질화물 반도체층(14) 및 활성층(13)의 일부를 부분적으로 식각하여, 상기 노출된 n-형 질화물 반도체층(12)위에 n-형 오믹 전극(17)을 구성한다. 또한 상기 p-형 오믹 금속(15)위에는 p-형 전극 패드(16)을 구성한다.

상기 n-형 질화물 반도체층(12)위에 구성하는 n-형 오믹 전극(17)은 니켈(Ni)을 포함하는 금속층을 증착하여 형성한다. 바람직하게는 n-형 오믹 전극(17)은 니켈(Ni)의 단일 금속층이거나 또는 니켈(Ni) 및 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt)중의 어느 하나이상을 추가적으로 포함하는 복수 금속층을 증착하여 열처리함으로써 형성할 수 있다. 상기 열처리는 불활성 기체 분위기에서 수행하는 것이 바람직하므로, N₂, Ar, H₂ 중 어느 하나 이상을 포함하는 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다.

종래에는 질화물 반도체 발광 다이오드의 n-형 오믹 전극(17)으로 티타늄/금(Ti/Au) 또는 알루미늄(Al)을 사용하는 것이 일반적이었다. 상기와 같이 티타늄/금(Ti/Au) 또는 알루미늄을 사용하는 경우에는 질소 분위기에서 열처리하여 1x10^-3~1x10^-6Ω㎠정도의 비접촉저항을 갖는 오믹접촉을 형성하는 것으로 알려져 있다. 상기의 낮은 비접촉저항은 600℃이상의 고온 열처리시 질화갈륨(GaN)과 티타늄(Ti)의 계면에 전도성 질화물인 질화티타늄(TiN)이 형성되어 질화갈륨(GaN)표면부근에 질소공공(nitrogen vacancy)을 형성하게 된다. 상기의 질소 공공 형성 은 질화갈륨(GaN)과 금속(티타늄)사이에 터널링 전도를 일으켜 오믹 특성을 보이는 것으로 알려져 있다. 따라서 티타늄/금(Ti/Au)을 사용한 n-형 오믹 전극을 형성할 때에는 고온의 열처리 과정이 반드시 필요하게 된다. 그러나 상기 고온의 열처리 과정 동안에 기초 기판(20)위에 성장한 질화물 반도체층(11, 12, 13, 14)이 손상될 위험이 있으며, 유테틱 메탈을 이용한 웨이퍼 본딩 과정을 포함하는 수직 전극형 질화물 반도체 발광 다이오드의 경우에는 상기 유테틱 메탈이 고온의 열처리 과정동안에 손상될 위험이 있어, 저온의 열처리로서 형성 가능한 오믹 형성 방법이 필요하였다.

이에 본 발명은 n-형 오믹 전극(17)으로 n-형 질화물 반도체층(12)위에 니켈(Ni)을 포함하는 금속층을 증착하여 종래의 열처리 온도보다 낮은 온도에서 열처리를 하여도 양호한 오믹특성이 나타날 수 있도록 하였다.

제1 실시예

본 발명의 제1 실시예는 티타늄/니켈/금(Ti/Ni/Au)을 n-형 오믹 금속으로 형성한 질화물 반도체 발광 다이오드이다.

도 1은 티타늄/니켈/금(Ti/Ni/Au)를 이용하여 오믹 금속을 형성하였을 때, 상기 Ti/Ni/Au 오믹금속의 열처리 온도 변화에 대한 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이며, 도 2는 상기 Ti/Ni/Au 오믹 금속의 열처리 온도 변화에 대한 접촉 저항 의존성을 나타낸 그래프이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 600℃이상의 열처리가 필요 한 종래의 기술과는 달리 600℃의 열처리로도 전류-전압 특성이 나타나는 것을 확인하였다. 또한 도 2에 도시한 바와 같이, 열처리 온도에 따른 접촉 저항을 살펴보면 Ti/Al/Au 오믹금속은 600℃의 열처리에서 약 3.5x10^-2Ω㎠을 나타내어 종래에 n-형 오믹 전극으로 사용된 티타늄/금(Ti/Au)이 600℃이상 열처리하여 얻어지는 접촉저항과 비슷하다는 것을 확인하였다.

제2 실시예

본 발명의 제2 실시예는 n-형 오믹 전극으로 니켈/알루미늄/금(Ni/Al/Au)을 사용한 질화물 반도체 발광 다이오드를 제안한다.

도 3은 니켈/알루미늄/금(Ni/Al/Au)를 이용하여 오믹 금속을 형성하였을 때, 상기 Ni/Al/Au 오믹금속의 열처리 온도 변화에 대한 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이며, 도 4는 상기 Ni/Al/Au 오믹 금속의 열처리 온도 변화에 대한 접촉 저항 의존성을 나타낸 그래프이다.

도 3에 나타나는 바와 같이, Ni/Al/Au 오믹 금속을 300℃로 열처리 한 경우의 전류-전압특성그래프는 400℃로 열처리 한 후의 전류-전압특성 그래프와 실질적으로 같은 기울기를 가지고 있어, 300℃로 열처리를 하여도 오믹특성이 나타났다. 이는 600℃이상 열처리 과정이 필요했던 티타늄/금(Ti/Au) 금속층과 비교했을 때, 1/2의 낮은 온도의 열처리 과정으로도 오믹을 형성할 수 있는 장점을 보여준다.

또한 열처리 온도에 따른 접촉 저항의 의존성을 살펴보면, Ni/Al/Au 오믹 금 속의 접촉저항은 300℃의 열처리 온도에서 약1.4x10^-3Ω㎠였으며, 600℃의 열처리에서는 약1.3x10^-3Ω㎠인 것을 알 수 있었고, 고온에서 열처리한 알루미늄(Al)의 오믹특성과 비슷하다는 것을 알 수 있었다.

낮은 열처리 온도를 통해서도 같은 성능의 오믹 특성을 얻을 수 있다면, 발광 다이오드를 제조하는 공정이 간편해질 뿐만 아니라, 고가의 장비가 필요 없게 되어 제조원가에서 유리한 효과를 예상할 수 있다.

도 7은 수직 전극형 질화물 반도체 발광 다이오드의 단면을 나타낸 도면이며, 도 8은 수직 전극형 질화물 반도체 발광 다이오드의 상부면을 나타낸 것이다. 도 7에 도시한 바와 같이 수직 전극형 발광 다이오드는 n-형 질화물 반도체층(12), 활성층(13) 및 p-형 질화물 반도체층(14)을 성장한 후, 유테틱 메탈(31)을 이용한 웨이퍼 본딩 기술을 이용하여 상기 p-형 질화물 반도체층과 리셉터 기판(32)을 본딩하고 사파이어기판을 분리한 후 n형 오믹전극을 형성하는 공정을 포함하여 제조된다. 상기 유테틱 메탈(31)은 주로 금(Au)등을 이용하여 350℃부근에서 본딩되기 되기 때문에 n-형 오믹 전극(17)을 형성하기 위하여 350℃ 이상의 고온 열처리를 하게 되면 유테틱 메탈(31)이 용융되어 본딩된 웨이퍼가 떨어지게 된다. 따라서 리셉터(receptor)형 수직 전극형 발광 다이오드에서는 오믹전극을 형성하는데 있어, 웨이퍼 본딩 온도보다 낮은 오믹 전극 형성을 위한 열처리 온도가 필요하다. 상기의 조건을 만족하도록 n-형 오믹 금속(17)을 형성하기 위해서는 상 세하게 전술한 니켈(Ni)을 포함하는 오믹 금속을 형성하는 것이 바람직하다.

니켈(Ni)을 포함하는 오믹 전극은 형성할 때는 저온의 열처리 온도에서 오믹 특성을 얻을 수 있기 때문에 뉴테틱 본딩 메탈의 손상 없이 수직 전극형 발광다이오드를 제작 할 수 있다는 장점이 있다.

본 발명의 상기의 실시예에 국한되지 않으며, 당업자가 본 발명의 목적에 부합하는 것으로 판단되는 범위내에서는 본 발명에 적용될 수 있는 것은 자명하다.

상기와 같이 본 발명에서는 n-형 오믹 전극으로 니켈(Ni)을 포함하는 금속층을 사용하면 저온의 열처리 온도에서 양호한 오믹 특성을 얻을 수 있기 때문에 공정이 쉽고 간편한 장점이 있다.

니켈(Ni)을 포함하는 n-형 오믹전극은 종래에 n-형 오믹 전극으로 사용되었던 티타늄/금(Ti/Au) 또는 알루미늄(Al)에 비하여, 낮은 열처리 온도에서 양호한 오믹 특성을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 또한 니켈(Ni)을 포함하는 n-형 오믹 전극은 낮은 온도에서 열처리하기 때문에 전극 표면의 모폴로지가 좋아 와이어 본딩공정에 유리한 장점이 있다.

또한 n-형 오믹 전극을 형성하기 위하여 높은 온도의 열처리 과정이 요구되지 않아, 높은 열처리 온도로 인해 발생가능한 질화물 반도체의 손상을 방지할 수 할 수 있다. 이뿐만 아니라 유테틱 메탈을 이용한 웨이퍼 본딩 과정을 통해 제작되는 수직 전극형 질화물 반도체 발광 다이오드에 사용될 때에는 낮은 온도의 열처리 온도로서도 오믹특성을 얻을 수 있기 때문에, 고온의 열처리로 인한 유테틱 메탈의 손상을 방지할 수 있는 장점이 있다.

Claims (7)

1. 기초 기판, n-형 질화물 반도체층, 활성층, p-형 질화물 반도체층을 포함하는 질화물 반도체 발광 다이오드에 있어서,

   상기 질화물 반도체층은 In_xGa_yAl_1-x-yN (1≥x≥0, 1≥y≥0, x+y>0)로 구성되고, 상기 n-형 질화물 반도체는 Si로 도핑하고, 상기 p-형 질화물 반도체는 Mg으로 도핑하며,

   상기 Si로 도핑된 n-형 질화물 반도체층 위에 형성되는 n-형 오믹 전극은 열처리 온도를 낮추기 위하여 니켈(Ni)을 포함하는 금속층으로 형성되며, 상기 n-형 오믹 전극은 낮은 접촉 저항을 위하여 상기 니켈을 포함하는 금속층을 증착한 뒤, N₂, Ar, H₂ 중 어느 하나 이상을 포함하는 분위기에서 열처리하여 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 니켈(Ni)을 포함하는 금속층으로 형성되는 n-형 오믹 전극은 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt)중 어느 하나 이상의 금속을 추가적으로 포함하는 복수층인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 n-형 오믹 전극은 니켈/알루미늄/금(Ni/Al/Au)인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 니켈(Ni)과 알루미늄(Al)의 두께는 0.002㎛내지 1㎛인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드.
5. 제 2항에 있어서,

   상기 n-형 오믹 전극은 티타늄/니켈/금(Ti/Ni/Au)인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 티타늄(Ti), 니켈(Ni)의 두께는 0.002㎛ 내지 1㎛인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드.
7. 삭제

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