KR20020031683A - 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는, 사파이어 기판, GaN buffer 층, n-GaN contact 층, n-AlGaN clad 층, InGaN 활성층, p-AlGaN clad 층 및 p-GaN contact 층이 적층 결정 성장된 질화물 반도체 발광소자용 웨이퍼에 있어서, n-GaN contact 층 위에 Ti/Al을 이용한 n-type ohmic contact 전극이 형성되어 있으며, p-GaN contact 층 위에는 [Ni(Cr)/AuZn(Mg)/Pt(Ag, Au)Ox/Au]의 4중 층 구조의 전극을 이용한 p-type ohmic contact 전극이 형성되어 있다.

또한, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법은, 사파이어 기판, GaN buffer 층, n-GaN contact 층, n-AlGaN clad 층, InGaN 활성층, p-AlGaN clad 층 및 p-GaN contact 층이 적층 결정 성장된 질화물 반도체 발광소자용 웨이퍼를 형성하는 단계와; p-GaN contact 층 결정 성장 표면에 스트라이프 형태의 마스크 패턴을 형성하고, p-GaN 양쪽 측면 부위를 n-GaN contact 층이 드러나는 위치까지 드라이 에칭시켜, n-GaN contact 층 위에 Ti/Al을 이용한 n-type ohmic contact 전극을 형성시키는 단계; 및 p-GaN contact 층 위에는 [Ni(Cr)/AuZn(Mg)/ Pt(Ag, Au)Ox/Au]의 4중 층(quadruple layer) 구조의 전극을 형성시키는 단계를 포함한다.

Description

질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법{Nitride semiconductor LED chip and manufacturing method thereof}

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 특히 P형 질화물 반도체 결정 성장 층 위에 P형 옴 접촉(Ohmic contact) 전류 전압 특성을 얻을 수 있는 전극재료를 형성함으로써, P형 결정 성장 층과 전극 사이에 발생되는 전압 소모( Voltage Drop)를 방지하여 반도체 소자의 구동전압을 낮추고, 반도체 소자의 발광효율을 높일 수 있는 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

질화물 반도체(GaN) 발광소자는 청색 발광 다이오드(LED), 청색 레이저 다이오드(LD) 또는 태양 전지 등의 재료로서 최근 크게 주목받고 있다. 그 중 기존의 800~830nm 파장 영역의 AlGaAs LED 및 LD에 대해 400nm 파장 대의 단파장 청색 발광 다이오드는 정보 기록밀도를 4배 이상 증가시키는 것이 가능해 짐으로써, CD 1장에 영화 1편을 기록할 수 있는 DVD(Digital Video Disc) 시대의 도래를 예고하고 있다. 특히, 빨강, 녹색 및 청색 LED에 의한 천연색(full-color) 디스플레이 영역의 시장은 실로 방대하다고 하겠다.

한편, 도 1은 일반적인 질화물 반도체 발광소자의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 일반적인 질화물 반도체 발광소자는 사파이어 기판(110) 위에 MOCVD(유기 액상 결정 성장법)를 사용하여 GaN-buffer 층(120)과, n-GaN contact 층(130)과, n-AlGaN clad 층(140)과, InGaN 활성층(150)과, p-AlGaN clad층(160) 및 p-GaN contact 층(170) 등이 순차적으로 결정 성장된 이중 접합 구조( Double-Hetero)를 가지고 있다.

여기서, 상기 n-GaN contact 층(130) 위에는 Ti/Al을 사용하여 n-type 전극( 180)이 형성되어 있으며, 상기 p-GaN contact 층(170) 위에는 Ni/Au를 이용하여 p-type 전극(190)이 형성되어 있다.

그리고, 최종적으로는 각각의 전극을 wire bonding하여 열 방출용 스템( stem)을 접촉시켜 질화물 반도체 발광소자를 제작하여, 전극 부분의 전류 유입에 의하여 소자를 구동시키게 된다.

그런데, 도 1과 같은 질화물 반도체 발광소자에 있어서, p-type GaN 결정 성장 층을 만들기 위하여 마그네슘(magnesium)을 도핑(doping)시킨 Mg:GaN 결정 성장 막와 메탈 전극사이에는 서로 다른 밴드 갭(band gap) 크기에서 발생되는 Band-gap offset이 존재하며, 이로 인하여 GaN 소자에 소자 동작을 위하여 전류를 유입시킬 경우, P형 GaN 결정 성장 막과 메탈 전극 사이에는 큰 전압 소모(Voltage-drop)가 일어난다.

이에 따라, P형 GaN 결정 성장 막과 메탈 전극 사이에 발생되는 전압 소모는 결국 발광소자의 구동 전압을 높여 GaN 발광소자의 발광 효율을 낮출 뿐만 아니라, 발광소자의 동작 수명(life time)이 줄어들게 되는 단점이 있다.

본 발명은 상기의 여건을 감안하여 창출된 것으로서, P형 질화물 반도체 결정 성장 층 위에 P형 옴 접촉 전류 전압 특성을 얻을 수 있는 전극재료를 형성함으로써, P형 결정 성장 층과 전극 사이에 발생되는 전압 소모를 방지하여 반도체 소자의 구동전압을 낮추고, 반도체 소자의 발광효율을 높일 수 있는 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 질화물 반도체 발광소자의 구성을 개략적으로 나타낸 도면.

도 2는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 구성을 개략적으로 나타낸 도면.

도 3은 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조과정을 나타낸 순서도.

도 4는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자에 대하여 열처리가 수행되지 않은 상태에서의 전류-전압 특성을 나타낸 특성도.

도 5는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자에 대하여 열처리가 수행된 상태에서의 전류-전압 특성을 나타낸 특성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110, 210... 기판120, 220... GaN buffer 층

130, 230... n-GaN contact 층140, 240... n-AlGaN clad 층

150, 250... InGaN 활성층160, 260... p-AlGaN clad 층

170, 270... p-GaN contact 층180, 280... n-type 전극

190... p-type 전극290... p-type 4중 전극

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는,

사파이어 기판, GaN buffer 층, n-GaN contact 층, n-AlGaN clad 층, InGaN 활성층, p-AlGaN clad 층 및 p-GaN contact 층이 적층 결정 성장된 질화물 반도체 발광소자용 웨이퍼에 있어서,

상기 n-GaN contact 층 위에 Ti/Al을 이용한 n-type ohmic contact 전극이 형성되어 있으며,

상기 p-GaN contact 층 위에는 [Ni(Cr)/AuZn(Mg)/Pt(Ag, Au)Ox/Au]의 4중 층(quadruple layer) 구조의 전극을 이용한 p-type ohmic contact 전극이 형성된 점에 그 특징이 있다.

여기서, 상기 p-GaN contact 층 위에 형성되는 4중 층 구조의 전극에 있어, 각 층의 두께는 Ni : 200Å, AuZn : 200~300Å, Pt(Ag, Au)Ox : 500Å 및 Au : 400~500Å의 두께로 형성되는 점에 그 특징이 있다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조방법은,

(a) 사파이어 기판, GaN buffer 층, n-GaN contact 층, n-AlGaN clad 층, InGaN 활성층, p-AlGaN clad 층 및 p-GaN contact 층이 적층 결정 성장된 질화물반도체 발광소자용 웨이퍼를 형성하는 단계와;

(b) 상기 p-GaN contact 층 결정 성장 표면에 스트라이프(stripe) 형태의 마스크 패턴(mask pattern)을 형성하고, 상기 p-GaN 양쪽 측면 부위를 상기 n-GaN contact 층이 드러나는 위치까지 드라이 에칭(dry-etching)시켜, 상기 n-GaN contact 층 위에 Ti/Al을 이용한 n-type ohmic contact 전극을 형성시키는 단계; 및

(c) 상기 p-GaN contact 층 위에는 [Ni(Cr)/AuZn(Mg)/Pt(Ag, Au)Ox/Au]의 4중 층(quadruple layer) 구조의 전극을 형성시키는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

여기서 상기 단계 (c) 이후에,

불활성 가스 분위기에서 열처리(annealing)를 수행하여, p-형 전극 간의 합금화를 통한 p-type ohmic contact 전극을 형성시키는 단계를 더 구비하는 점에 그 특징이 있다.

또한, 상기 불활성 가스 분위기에서의 열처리 조건은, 600℃에서 10분간 열처리가 수행되는 점에 그 특징이 있다.

이와 같은 본 발명에 의하면, P형 질화물 반도체 결정 성장 층 위에 P형 옴 접촉 전류 전압 특성을 얻을 수 있는 전극재료를 형성함으로써, P형 결정 성장 층과 전극 사이에 발생되는 전압 소모를 방지하여 반도체 소자의 구동전압을 낮추고, 반도체 소자의 발광효율을 높일 수 있는 장점이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는 사파이어 기판(210), 200Å 두께의 GaN buffer 층(220), Si 도핑된 4㎛ 두께의 n-GaN contact 층(230), Si 도핑된 0.1㎛ 두께의 n-AlGaN clad 층(240), Zn 및 Si가 함께 도핑된 500Å 두께의 InGaN 활성층(250), p-AlGaN clad 층(260) 및 Mg 도핑된 0.5㎛ 두께의 p-GaN contact 층(270)이 적층 결정 성장된 질화물 반도체 발광소자용 웨이퍼에 있어서, 상기 n-GaN contact 층(230) 위에 Ti/Al을 이용한 n-type ohmic contact 전극(280)이 형성되어 있으며, 상기 p-GaN contact 층(270) 위에는 [Ni(Cr )/AuZn(Mg)/Pt(Ag, Au)Ox/Au]의 4중 층(quadruple layer) 구조의 전극을 이용한 p-type ohmic contact 전극(290)이 형성된다.

여기서, 상기 p-GaN contact 층(270) 위에 형성되는 4중 층 구조의 전극( 290)에 있어, 각 층의 두께는 Ni : 200Å, AuZn : 200~300Å, Pt(Ag, Au)Ox : 500Å 및 Au : 400~500Å의 두께로 형성된다.

그러면, 이와 같은 구성을 갖는 질화물 반도체 발광소자의 제조과정을 도 3을 참조하여 설명해 보기로 한다. 도 3은 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조과정을 나타낸 순서도이다.

먼저, 일반적인 질화물 반도체 발광소자용 웨이퍼의 제조방법을 이용하여 사파이어 기판(도 2의 210 참조), GaN buffer 층(220), n-GaN contact 층(230), n-AlGaN clad 층(240), InGaN 활성층(250), p-AlGaN clad 층(260) 및 p-GaN contact층(270)이 적층 결정 성장된 질화물 반도체 발광소자용 웨이퍼를 형성한다(단계 301).

그리고, 상기 p-GaN contact 층(270) 결정 성장 표면에 스트라이프 형태의 마스크 패턴을 형성하고, 상기 p-GaN contact 층(170)의 양쪽 측면 부위를 상기 n-GaN contact 층(230)이 드러나는 위치까지 드라이 에칭시켜, 상기 n-GaN contact 층(230) 위에 Ti/Al을 이용한 n-type ohmic contact 전극(280)을 형성한다(단계 302).

또한, 상기 p-GaN contact 층(270) 위에는 [Ni(Cr)/AuZn(Mg)/Pt(Ag, Au)Ox/ Au]의 4중 층 구조의 전극(290)을 형성한다(단계 303).

그리고, 상기 단계 303에서 4중 층 구조의 전극을 형성한 후에, 불활성 가스 분위기에서 열처리를 수행하여, p-형 전극 간의 합금화를 통한 p-type ohmic contact 전극(290)을 형성한다(단계 304). 이때, 상기 불활성 가스 분위기에서의 열처리 조건은, 그 한 실시 예로서 600℃에서 10분간 열처리가 수행된다.

이와 같은 열처리 과정을 통하여 변화되는 질화물 반도체 발광 소자의 전류-전압 특성은 도 4 및 도 5와 같다. 도 4는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자에 대하여 열처리가 수행되지 않은 상태에서의 전류-전압 특성을 나타낸 특성도이고, 도 5는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자에 대하여 열처리가 수행된 상태에서의 전류-전압 특성을 나타낸 특성도이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 열처리 수행 전의 전류-전압 특성 곡선인 도 4에서는 쇼츠키(schottky) 특성을 보이고 있으나, 600℃에서 10분간 열처리된 후에는도 5에서 보는 바와 같이 리니어한 전류-전압 특성 곡선을 보이는 ohmic 특성을 나타낸다.

본 발명의 실시 예에서는 p-GaN contact 층(270)과의 contact metal로서 Ni 및 Cr을 사용하여, 메탈 증착 후 열처리 과정 시 메탈과 p-GaN 결정 성장 층 사이의 경계면 반응(interface reaction)을 이용하여 포텐셜 배리어(potential barrier )를 낮추었다.

즉, 메탈과 GaN의 중간 값의 bandgap을 가지게 될 메탈과 GaN의 합성물( compound)의 생성에 의하여 포텐셜 배리어를 낮추는 효과를 이용하였다. 이와 같이, Ni 및 Cr-based metal을 첫번째 층 메탈(first layer metal)로서 사용하였다.

한편, 두번째 층 메탈(second layer metal)로서는 p-type dopants인 Zn 및 Mg 등과 Au의 합금(AuZn, AuMg)을 이용하여 GaN과 메탈 사이의 경계면(interface)의 정공 농도(hole concentration)을 높임으로서 전류 유입 시, 경계면에서의 current tunnelling 확률을 높임으로서 ohmic contact을 얻는 효과를 유도하였다.

그리고, 세번째 층 메탈(third layer metal)로서는 Pt[Au, Ag]Ox를 사용하였는데, 이는 메탈 증착 후 GaN 표면과 메탈 층간의 접촉도(adhesion)을 향상시키기 위한 열처리 공정 시, 상당히 낮은 융점을 가지고 있는 p-type 불순물인 Zn가 증발되는 것을 방지함은 물론 wire-bonding용 메탈인 Au와의 접촉 특성도 개선하는 이중 효과를 기대할 수 있다.

마지막으로 최 외각 상층부는 메탈 증착 후, wire bonding 시의 공정효율을 증대시키고자 Au를 wire bonding 용 메탈로서 사용한 4중 메탈 시스템인 [Ni(Cr)/AuZn(Mg)/Pt(Ag, Au)Ox/Au] 전극 구조를 사용하였다.

한편, 이와 같이 열처리가 수행된 웨이퍼는 발광소자로서 각각의 전극 부분에 금선으로 100㎛ 지름의 wire-bonding용 ball을 만들어 wire-bonding함으로써, 최종적인 질화물 반도체 발광소자를 제작한다(단계 305).

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, P형 질화물 반도체 결정 성장 층 위에 P형 옴 접촉 전류 전압 특성을 얻을 수 있는 전극재료를 형성함으로써, P형 결정 성장 층과 전극 사이에 발생되는 전압 소모를 방지하여 반도체 소자의 구동전압을 낮추고, 반도체 소자의 발광효율을 높일 수 있는 장점이 있다.

Claims (5)

1. 사파이어 기판, GaN buffer 층, n-GaN contact 층, n-AlGaN clad 층, InGaN 활성층, p-AlGaN clad 층 및 p-GaN contact 층이 적층 결정 성장된 질화물 반도체 발광소자용 웨이퍼에 있어서,

   상기 n-GaN contact 층 위에 Ti/Al을 이용한 n-type ohmic contact 전극이 형성되어 있으며,

   상기 p-GaN contact 층 위에는 [Ni(Cr)/AuZn(Mg)/Pt(Ag, Au)Ox/Au]의 4중 층(quadruple layer) 구조의 전극을 이용한 p-type ohmic contact 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 p-GaN contact 층 위에 형성되는 4중 층 구조의 전극에 있어, 각 층의 두께는 Ni : 200Å, AuZn : 200~300Å, Pt(Ag, Au)Ox : 500Å 및 Au : 400~500Å의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
3. (a) 사파이어 기판, GaN buffer 층, n-GaN contact 층, n-AlGaN clad 층, InGaN 활성층, p-AlGaN clad 층 및 p-GaN contact 층이 적층 결정 성장된 질화물 반도체 발광소자용 웨이퍼를 형성하는 단계와;

   (b) 상기 p-GaN contact 층 결정 성장 표면에 스트라이프(stripe) 형태의 마스크 패턴(mask pattern)을 형성하고, 상기 p-GaN 양쪽 측면 부위를 상기 n-GaN contact 층이 드러나는 위치까지 드라이 에칭(dry-etching)시켜, 상기 n-GaN contact 층 위에 Ti/Al을 이용한 n-type ohmic contact 전극을 형성시키는 단계; 및

   (c) 상기 p-GaN contact 층 위에는 [Ni(Cr)/AuZn(Mg)/Pt(Ag, Au)Ox/Au]의 4중 층(quadruple layer) 구조의 전극을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 단계 (c) 이후에,

   불활성 가스 분위기에서 열처리(annealing)를 수행하여, p-형 전극 간의 합금화를 통한 p-type ohmic contact 전극을 형성시키는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 불활성 가스 분위기에서의 열처리 조건은, 600℃에서 10분간 열처리가 수행되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.