KR20050051920A - 플립칩형 질화물계 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플립칩형 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 플립칩형 질화물계 발광소자는 기판, n형 클래드층, 활성층, p형 클래드층이 순차적으로 적층되어 있고, p형 클래드층 위에 안티몬, 불소, 인, 비소 중 적어도 하나의 첨가원소가 도핑된 주석산화물로 형성된 오믹콘택트층과, 오믹콘택트층 상부에 광을 반사하는 소재로 형성된 반사층을 구비한다. 이러한 플립칩형 질화물계 발광소자 및 제조방법에 의하면, 낮은 면저항과 높은 캐리어농도를 갖는 전도성 산화물 전극 구조체의 적용에 의해 전류-전압 특성이 개선되고 내구성을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 플립칩형 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 발광소자의 발광 효율을 높일 수 있는 플립칩형 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
현재 상용화되고 있는 질화갈륨계 발광소자는 탑 에미트형 발광소자와 플립칩형 발광소자로 분류된다. 탑 에미트형 발광소자는 p형 클래드층과 접촉하고 있는 오믹 컨택트층을 통해 광이 출사되게 형성되고, p형 클래드층의 낮은 전기 전도성은 투명하고 저 저항값을 지닌 오믹컨택트층을 통해 원활한 전류주입을 제공한다. 이러한 탑 에미트형 발광소자는 일반적으로 p형 클래드층 위에 니켈과 금을 순차적으로 적층한 전극구조가 이용되고 있다.
그러나, 니켈/금으로 형성되는 전극구조의 경우, 박막의 불투명성으로 인해 내부적으로 형성된 빛이 외부로 출사되는 과정에서 상당량의 빛이 내부에서 흡수됨으로써 발광소자의 발광 효율이 떨어지는 문제점이 있다. 즉, 탑 에미트 형 구조의 발광소자는 대용량 및 고휘도 발광소자로 이용하기 어려운 단점이 있다.
따라서, 대용량 고휘도 발광소자 구현을 위해 고 반사층소재로 각광 받고 있는 은(Ag), 알루미늄(Al) 등을 이용한 플립칩 방식의 발광소자 개발의 필요성이 대두되고 있다. 미국특허 제6,194,743호에는 p형 클래드층 위에 반사율이 높은 은을 두껍게 적층하여 플립칩 방식의 고효율 발광소자를 구현하였다는 내용이 개시되어 있다.
그러나, 이러한 구조의 플립칩형 발광소자는 p형 클래드층과 은층간의 접촉력이 극히 약하여 열처리 후, 대부분의 은이 산화되거나 다량의 기공이 발생되는 문제로 인해 접촉저항이 상승되고 반사율이 급격히 저하되는 문제점을 안고 있다.
한편, 반사층과 p형 클래드층 간에 발생하는 상기와 같은 문제점들을 해결하고자, 전도성 산화물의 일종인 ITO를 중간삽입층으로 형성하여 플립칩 형태의 발광소자를 구현하였다는 내용이 문헌[Light Emitting Diodes: Research, Manufacturing, and Applications VII, SPIE, Bellingham, WA 2003]에 보고 되고 있다. 특히, 이러한 플립칩 형태의 발광소자는 기존에 사용되고 있는 니켈/금 전극구조의 탑 에미트형 발광소자에 비해 우수한 출력 특성을 나타내고 있다. 그러나, ITO/Ag 전극구조의 플립칩 발광소자는 상대적으로 높은 출력특성에도 불구하고, ITO 자체의 저항이 니켈/금 구조에 비해 약 3배 이상 높아 동작전압이 급격히 상승하게 되는 문제점을 안고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 낮은 접촉 저항과 높은 반사율을 제공할 수 있는 전극 구조체를 갖는 플립칩형 질화물계 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 동작전압을 낮추고 출력 특성을 향상 시킬 수 있는 플립칩형 질화물계 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 플립칩형 질화물계 발광소자는 n형 클래드층과 p형 클래드층 사이에 활성층을 갖는 플립칩형 질화물계 발광소자에 있어서, 상기 p형 클래드층 위에 첨가원소가 도핑된 주석산화물로 형성된 오믹콘택트층과; 상기 오믹콘택트층 상부에 광을 반사하는 소재로 형성된 반사층;을 구비한다.
바람직하게는 상기 첨가원소는 안티몬, 불소, 인, 비소 중 적어도 하나를 포함한다.
또한, 상기 첨가원소의 첨가비는 0.1 내지 40 오토믹 퍼센트가 적용된다.
상기 반사층은 은, 로듐 중 적어도 하나를 포함하여 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 반사층 위에 안티몬, 불소, 인, 비소 중 적어도 하나를 포함하는 첨가원소가 도핑된 주석산화물, 니켈, 금, 아연, 구리, 아연-니켈 합금, 구리-니켈 합금, 니켈-마그네슘 합금 중 어느 하나로 형성된 확산방지층;을 더 구비한다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 플립칩형 질화물계 발광소자의 제조방법은 n형 클래드층과 p형 클래드층 사이에 활성층을 갖는 플립칩형 질화물계 발광소자의 제조방법에 있어서, 가. 기판 위에 n형 클래드층, 활성층 및 p형 클래드층이 순차적으로 적층된 발광구조체의 상기 p형 클래드층 위에 첨가원소가 도핑된 주석산화물로 오믹콘택트층을 형성하는 단계와; 나. 상기 오믹콘택트층 상부에 광을 반사하는 소재로 반사층을 형성하는 단계; 및 다. 상기 나 단계를 거친 전극 구조체를 열처리하는 단계;를 포함한다.
바람직하게는 상기 오믹콘택트층에 적용되는 상기 첨가원소는 안티몬, 불소, 인, 비소 중 적어도 하나를 포함한다.
또한, 상기 반사층 위에 안티몬, 불소, 인, 비소 중 적어도 하나를 포함하는 첨가원소가 도핑된 주석산화물, 니켈, 금, 아연, 구리, 아연-니켈 합금, 구리-니켈 합금, 니켈-마그네슘 합금 중 어느 하나로 확산방지층을 형성하는 단계;를 더 포함한다.
더욱 바람직하게는 상기 오믹컨택트층 형성단계는 산소를 포함한 기체 분위기에서 증착에 의해 수행된다.
상기 오믹 콘택트층 형성단계에서 상기 반응기 내에 공급되는 산소의 공급압력은 1밀리토르 내지 300밀리토르로 공급한다.
또한, 상기 열처리단계는 200도 내지 800도에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 열처리단계는 상기 적층구조체가 내장된 반응기 내에 질소, 아르곤, 헬륨, 산소, 수소, 공기 중 적어도 하나를 포함하는 기체 분위기에서 10초 내지 2시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플립칩형 질화물계 발광소자 및 그 제조방법을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예예 따른 p형 전극구조체를 나타내 보인 단면도이다.
도면을 참조하면, p형 전극구조체는 오믹콘택트층(60)과 반사층(70)을 구비한다.
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(50)을 형성시키고, p형 클래드층(50) 위에 오믹콘택트층(60)과 반사층(70)을 순차적으로 적층시킨 구조가 도시되어 있다.
p형 클래드층(50)은 Ⅲ족 질화화합물에 p형 도펀트가 첨가된 것이 적용된다.
여기서, Ⅲ족 질화화합물은 일반식인 AlxInyGazN(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(60)은 첨가원소가 도핑된 주석산화물로 형성된다.
오믹콘택트층(60)에 적용되는 첨가원소는 안티몬(Sb), 불소(F), 인(P), 비소(As) 중 적어도 하나가 적용된다.
여기서 주석산화물에 대해 도핑되는 첨가원소의 첨가비율은 0.01 내지 40 오토믹 퍼센트(atomic percent)를 적용한다. 여기서 오토믹 퍼센트는 첨가되는 원소수 상호간의 비율을 말한다.
일반적으로 도핑하지 않은 주석산화물(SnO2)은 증착 후, 수십 내지 수백 옴 (Ω-cm)에 달하는 상당히 큰 저항값과 낮은 캐리어 농도를 갖게 되고, 이러한 사실은 문헌(Thin Solid Films vol 419, p230, 2002)을 통해 알려져 있다.
한편, 주석산화물(SnO2)과 같은 전도성 산화물의 저항값을 낮추기 위해 산화물을 상온에서 증착 한 다음 고온으로 열처리하거나, 증착 시에 적용하는 증착온도를 상온 보다 높은 온도를 적용하는 방법 등을 통해 산화물의 저항값을 다소 낮출 수는 있으나, 이러한 방법들에 의해서 생성된 전도성 산화물 역시 수 내지 수십 옴(Ω-cm)에 달하는 비교적 높은 저항값을 갖는다.
따라서, 도핑되지 않은 주석산화물 단독으로는 오믹콘택트층으로 적용하기 어렵다.
본 발명에서는 주석산화물에 안티몬, 불소, 인, 비소 등의 첨가원소를 도핑하여 산화물 자체의 저항값을 낮추어 이러한 문제점을 해결하였다.
또한, 도핑된 산화물을 증착 후, 추가적인 열처리 공정을 거치거나, 또는 상온 이상에서 증착하게 되면 10-2Ω-cm 이하의 낮은 저항을 얻을 수 있음을 확인하였다.
오믹콘택트층(60)은 0.1 나노미터 내지 500나노미터의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
반사층(70)은 가시광선 및 자외선 영역에서 85%이상의 높은 반사율을 나타낼 수 있는 소재 예를 들면 은(Ag) 또는 로듐(Rh) 중 어느 하나로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 반사층(70)은 10 나노미터 내지 2000나노미터의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 p형 전극구조체가 도 2에 도시되어 있다.
앞서 도시된 도면에서와 동일 기능을 하는 요소는 동일 참조부호로 표기한다.
도면을 참조하면 p형 전극구조체는 오믹콘택트층(60), 반사층(70), 및 확산방지층(80)을 포함한다.
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(50)을 형성시키고, p형 클래드층(50) 위에 오믹콘택트층(60), 반사층(70), 및 확산방지층(80) 을 순차적으로 적층시킨 구조가 도시되어 있다.
오믹콘택트층(60)은 앞서 설명된 바와 같이 주석산화물에 안티몬(Sb), 불소(F), 인(P), 비소(As) 중 적어도 하나가 도핑되어 형성된다.
반사층(70)은 앞서 설명된 바와 같은 은 또는 로듐으로 형성한다.
확산방지층(80)은 안티몬, 불소, 인, 비소 중 적어도 하나를 포함하는 첨가원소가 도핑된 주석산화물, 니켈, 금, 아연, 구리, 아연-니켈 합금, 구리-니켈 합금, 니켈-마그네슘 합금 중 어느 하나로 형성된 것이 바람직하다.
확산방지층(80)은 1 나노미터 내지 1000나노미터의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
도 1 및 도 2를 통해 설명된 p형 전극구조체 즉, 오믹콘택트층(60)/반사층(70)으로 된 p형 전극구조체 또는 오믹콘택트층(60)/반사층(70)/확산방지층(80)으로 된 p형 전극구조체는 증착 후 열처리공정을 거친다.
먼저 증착공정은 전자빔 또는 열 증착기(e-beam or thermal evaporator), 스퍼터링(sputtering deposition), 레이저 증착기(pulsed laser deposition) 중 어느 하나에 의해 형성되는 것이 바람직하다.
바람직하게는 오믹컨택트층(60)을 증착공정을 통해 형성시 증착기의 반응기 내에 산소를 1밀리토르 내지 300밀리토르 정도의 압력으로 공급하면서 증착한다.
열처리(annealing)는 200도 내지 800도에서 진공 또는 가스 분위기에서 10초 내지 2시간 동안 수행한다.
열처리시 반응기 내에 투입되는 가스는 질소, 아르곤, 헬륨, 산소, 수소, 공기 중 적어도 하나 이상의 기체가 적용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 안티몬이 5 오토믹 퍼센트로 도핑된 주석산화물(5at%Sb-SnO2)로 형성된 오믹컨택트층(60)에 대해 열처리 후 저항값 및 캐리어 농도의 변화를 나타내 보인 그래프이다. 도면에서 a로 표기된 그래프는 저항값을 나타내고, b로 표기된 그래프는 캐리어 농도를 나타낸다.
여기서, 오믹컨택트층(60)은 레이저 증착기를 이용하여 30밀리토르(mTorr) 산소 분압 하에서 300nm 두께로 상온에서 주석산화물에 안티몬이 도핑되게 증착하여 형성한 후, 400℃ 내지 600℃ 온도에서 열처리 공정을 실시하였으며, 홀측정기(Hall measure)를 이용하여 열처리 온도에 따른 저항값의 변화와 캐리어 농도 변화를 측정하였다.
도 3을 통해 알 수 있는 바와 같이, 열처리 온도가 증가할수록 저항은 낮아지고, 캐리어 농도는 증가함을 알 수 있다. 즉, 본 실험에 사용된 안티몬이 도핑된 주석산화물이 산소분위기에서 상온에서 레이저 증착기로 증착 후 400℃ 내지 600℃ 온도로 열처리한 경우, 7.06 x 10-3- 2.62 x 10-3의 극히 낮은 저항값을 나타내고 있다.
아래 표 1은 도핑하지 않은 주석산화물(SnO2)에 대한 문헌상의 결과(Thin Solid Films vol 419, p230, 2002)와 안티몬이 도핑된 주석산화물(Sb-SnO2)을 다양한 조건에서 레이저 증착기로 증착한 후 얻은 실험 결과를 나타내고 있다.
| SnO2 | Sb doped SnO2 | |||
| 600℃ growth(O2) | 600℃ growth(O2) | 상온growth(O2)600℃ 열처리 | 상온growth(Vacuum)600℃ 열처리 | |
| R(Ω-cm) | 2-6.5 | 3.01 ×10-3 | 2.62×10-3 | 1.74×10-1 |
| N(cm-3) | - | 3.96×10-20 | 4.33×10-20 | 6.40×10-18 |
표 1에서 R은 저항을, N은 캐리어농도를 나타낸다.
표 1을 통해 알 수 있는 바와 같이 문헌상에 보고된 도핑하지 않은 주석산화물은 상온 보다 높은 온도인 600℃에서 증착하였음에도 불구하고, 수 옴(Ω) 정도의 높은 저항값을 나타내고 있다.
한편, 본 실험에 의한 안티몬이 도핑된 주석산화물은 동일한 조건에서 증착시 3.01 x 10-3Ω-cm의 낮은 저항값을 나타낸다. 또한, 상온에서 증착 후, 열처리를 행한 경우에는 2.62 x 10-3Ω-cm의 더욱더 낮은 저항값을 보여주고 있다.
한편, 증착시 산소를 불어 넣지 않은 진공조건에서 증착한 경우에는 1.74 x 10-1Ω-cm 의 비교적 높은 저항값을 보였다. 이러한 결과는 오믹콘택트층(60) 증착시 산소분위기에서 수행되는 것이 바람직함을 보여준다.
즉, 오믹컨택트층(60) 증착시 산소가 주입되지 않는 경우, 다량의 산소결핍이 일어나 증착된 박막의 저항이 급격히 증가되고 결국, 증착된 박막이 극히 낮은 캐리어 농도를 나타낸다.
도 4는 안티몬이 도핑된 주석산화물을 산소분위기에서 약 300nm 두께로 상온에서 증착한 후, 600℃에서 열처리한 시편에 대한 X선 회절시험 결과를 나타낸다. 도면을 통해 알 수 있는 바와 같이 주석산화물(SnO2)에 대한 피크가 명확히 관찰되었다.
도 5는 안티몬이 도핑된 주석산화물을 산소분위기에서 약 300nm두께로 상온에서 증착한 후, 400℃-600℃에서 열처리한 시편에 대한 광투과도를 측정한 결과를 나타낸다. 도 5를 통해 알 수 있는 바와 같이 모든 시편에 대해 400-800nm의 넓은 영역에서 85%이상의 높은 투과도를 갖는다.
도 6은 5×1017cm-3의 캐리어 농도를 갖는 질화갈륨을 주성분으로 한 p형 클래드층(50)위에 산소분위기하에서 상온에서 증착시킨 안티몬이 도핑된 주석산화물(Sb-SnO2)로 오믹콘택트층(60)을 5nm 및 10nm 두께로 각각 증착 후, 그 상부에 은(Ag)으로 형성된 반사층(70)을 175nm 두께로 증착하고, 공기 분위기에서 530℃에서 열처리 한 후에 대한 전기적 특성들을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도시되지는 않았지만, 상온에서 증착된 안티몬이 도핑된 주석산화물은 열처리하기전에는 비교적 높은 저항값을 갖으며 정류성 거동을 나타내지만 열처리한 후에는 도 6을 통해 알 수 있는 바와 같이 오믹접촉 거동을 의미하는 선형적인 전류-전압 특성을 나타내고, 10-4Ωcm2정도의 낮은 비접촉저항을 갖는 것을 알 수 있다.
한편, 비교를 위해 은으로 형성된 단일 오믹전극층을 형성시킨 경우에 대해 비접촉 저항을 계산해 본 결과, 3 x 10-3Ωcm2의 높은 저항값을 갖는 것을 확인하였다.
도 7은 안티몬이 도핑된 주석산화물과 은이 순착적으로 형성된 본 실시예에 따른 p형 전극구조체에 대한 오제이 전자분광 분석결과(AES)를 나타낸다. 은, 주석, 안티몬뿐만 아니라, 갈륨과 질소에 대한 명확한 성분과 각각의 경계를 확인할 수 있다.
도 8a는 은 단독으로 형성된 종래의 전극구조체에 대해 530℃에서 열처리한 샘플에 대한 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진이고, 도 8b는 p형 GaN으로 형성된 p형 클래드층(50) 위에 안티몬이 도핑된 주석산화물을5nm 두께로 하여 오믹콘택트층(60)을 형성하고, 그 위에 은(Ag)을 175nm두께로 하여 반사층(70)을 형성한 전극구조체에 대해 530℃에서 열처리한 후 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진이고, 도 8c는 p형 GaN으로 형성된 p형 클래드층(50) 위에 안티몬이 도핑된 주석산화물을10nm 두께로 하여 오믹콘택트층(60)을 형성하고, 그 위에 은(Ag)을 175nm두께로 하여 반사층(70)을 형성한 전극구조체에 대해 530℃에서 열처리한 후 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 사진이다.
도 8a의 사진을 통해 알 수 있는 바와 같이 은으로만 구성된 종래의 전극구조체는 질화갈륨과의 열위한 접촉특성으로 인해 그 경계부위가 심하게 부풀어 올라있을 뿐만 아니라, 기공(void)이 심하게 발생하였음을 알 수 있다. 이러한 결과는 앞서 열처리한 은 단일 전극구조체는 비교적 높은 비접촉저항을 나타내었던 결과와 직접적인 연관성을 갖고 있다.
한편, 도 8b 및 도 8c를 통해 알 수 있는 바와 같이 본 실시예에 따라 안티몬이 도핑된 주석산화물로 오믹컨택트층(60)을 형성하고, 그 위에 은으로 반사층(70)을 형성한 후 530℃에서 열처리한 경우에는 p형 클래드층(50)과 전극구조체 사이에 우수한 접촉특성으로 인해 기공이 발생하지 않았으며 심한 부풀림 현상도 일어나지 않았다.
도 9는 도 1의 p형 전극구조체가 역으로 적용된 플립칩형 발광소자의 일 예를 나타내 보인 단면도이다.
도면을 참조하면, 발광소자는 투명한 기판(110), 버퍼층(120), n형 클래드층(130), 활성층(140), p형 클래드층(150), 오믹콘택트층(160), 반사층(170)이 위에서 아래로 적층된 구조로 되어 있다. 참조부호 210은 n형 전극패드이고, 220은 p형 전극패드이며 230은 플립칩형 발광소자에 필요한 솔더이며 240은 서브마운트(submount)이다.
기판(110)은 투명소재 예를 들면 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 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 p형클래드층(150)은 해당 도펀트가 첨가된다.
또한, 활성층(140)은 단층 또는 MQW층 등 공지된 다양한 방식으로 구성될 수 있다.
일 예로서 질화갈륨(GaN) 반도체를 적용하는 경우, 버퍼층(120)은 GaN으로 형성되고, n형 클래드층(130)은 GaN에 n형 도펀트로서 Si, Ge, Se, Te등이 첨가되어 형성되고, 활성층은 InGaN/GaN 혹은 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(210) 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 전극패드(220)는 니켈(Ni)/금(Au)이 순차적으로 적층된 층구조 등 공지된 다양한 구조가 적용될 수 있다.
오믹콘택트층(160)은 앞서 도 1을 통해 설명한 바와 같이 첨가원소가 도핑된 주석산화물로 형성된다.
상기 첨가원소는 안티몬, 불소, 인, 비소 중 적어도 하나를 포함하여 형성된다.
또한 반사층(170)도 앞서 도 1을 통해 설명한 바와 같이 반사도가 높은 은(Ag), 로듐(Rh) 중 적어도 하나로 형성된다.
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 형성 된다. 특히, 오믹콘택트층(160)을 형성하기 위해 첨가원소가 도핑된 주석산화물의 증착시 반응기 내에 산소를 1밀리토르 내지 300밀리토르(mTorr)로 주입하는 것이 바람직하다.
이러한 발광소자는 앞서 설명된 바와 같이 기판(110)으로부터 p형클래드층(150)까지 발광구조체를 형성한 다음 p형 클래드층(150)위에 첨가원소가 도핑된 주석산화물로 오믹컨택트층(160)을 형성하고, 은 또는 로듐으로 반사층(170)을 순차적으로 증착에 의해 형성한 다음 열처리하면 된다.
도 10은 도 9의 반사층(170)과 p형 전극패드(220) 사이에 확산방지층(180)을 적용한 발광소자의 일 예를 나타내 보인 도면이다. 앞서 도시된 도면에서와 동일 기능을 하는 요소는 동일 참조부호로 표기한다.
확산방지층(180)은 은 또는 로듐으로 형성된 반사층(170)과 p형 전극패드(220)간에 양호한 접촉특성을 유도하고, 특히 p형 전극패드(220)로 사용되는 물질이 반사층(170)으로 확산하는 것을 방지함으로써 오믹접촉 저항을 증가시키거나 반사도를 떨어뜨리는 악영향을 방지하기 위해 적용된 것이다.
도 10에 도시된 발광소자도 앞서와 같은 방식으로 기판(110)으로부터 p형클래드층(150)까지 발광구조체를 형성한 다음 p형 클래드층(150) 위에 첨가원소가 도핑된 주석산화물로 오믹컨택트층(160)을 형성하고, 은 또는 로듐으로 반사층(170)을 증착한 다음, 첨가원소가 도핑된 주석산화물, 니켈, 금, 아연(Zn), 구리(Cu), 아연-니켈 합금(Zn-Ni alloy), 구리-니켈 합금(Cu-Ni alloy), 니켈-마그네슘 합금(Ni-Mg alloy) 중 하나로 형성된 확산방지층(180)을 형성한 다음 열처리하면 된다.
상기 확산방지층(180)에 적용되는 주석산화물에 첨가되는 원소로서는 안티몬, 불소, 인, 비소 중 적어도 하나가 적용된다.
도 11은 도 9를 통해 설명된 전극 구조가 적용된 InGaN/GaN MQW 구조의 청색 발광다이오드에 대한 동작전압을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 이때 적용된 열처리 조건은 530℃에서 공기분위기하에서 수행되었다. 또한, 도 11에는 본 발명에 따른 전극구조체를 갖는 발광다이오드의 특성을 종래 구조와 비교하기 위해 기존에 사용되고 있는 은(Ag) 단독으로 전극이 형성된 발광소자에 대해서도 동작전압을 측정한 결과를 함께 나타내었다.
도 11을 통해 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 안티몬 도핑된 주석산화물을 5nm 및 10nm두께로 각각 형성한 오믹컨택트층 위에 은을 175 nm로 형성한 전극구조체가 적용된 발광소자의 동작전압은 20mA에서 각각 3.16, 3.18 볼트(V)로서 은을 175nm의 두께로 단독으로 형성한 종래의 전극구조체가 적용된 종래의 발광다이오드의 동작전압 (3.36 V)보다 현저히 낮아졌다.
도 12는 도 11의 실험에 적용된 InGaN/GaN MQW 구조의 청색 발광다이오드에 대한 출력 특성을 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이다.
도면을 통해 알 수 있는 바와 같이, 안티몬이 도핑된 주석산화물로 된 전극구조체가 적용된 본 발명의 발광소자의 출력특성이 100mA이내의 전 영역에 걸쳐서 기존에 사용되고 있는 은 단독의 전극 구조체를 갖는 발광소자 보다 향상되었다.
지금까지 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 플립칩형 질화물계 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, 낮은 면저항과 높은 캐리어농도를 갖는 전도성 산화물 전극 구조체의 적용에 의해 전류-전압 특성이 개선되고 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 p형 전극구조체를 나타내 보인 단면도이고,
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 p형 전극구조체를 나타내 보인 단면도이고,
도 3은 본 발명에 따른 p형 전극구조체에 적용된 안티몬이 도핑된 주석산화물에 대한 열처리 후의 저항값 및 캐리어 농도의 변화를 나타내 보인 그래프이고,
도 4는 본 발명에 따른 p형 전극구조체에 적용된 안티몬이 도핑된 주석산화물에 대한 X선 회절시험(XRD)에 대한 결과를 나타내 보인 그래프이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 p형 전극구조체를 형성하는 안티몬이 도핑된 주석산화물에 대해 투과도를 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이고,
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 p형 전극구조체에 대해 열처리 전과 후에 대해 측정한 전류-전압 특성을 나타내 보인 그래프이고,
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 p형 전극구조체에 대한 오제이 전자분광분석 (AES) 결과를 나타내 보인 그래프이고,
도 8a 내지 도 8c는 종래의 은 단일층으로 형성한 전극구조체와 본 발명의 제1 실시예에 따른 p형 전극구조체에 대해 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 결과를 비교해 나타내 보인 사진이고,
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 p형 전극구조체가 적용된 발광소자의 일 예를 나타내 보인 단면도이고,
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 p형 전극구조체가 적용된 발광소자의 일 예를 나타내 보인 단면도이고,
도 11은 본 발명에 따른 p형 전극구조체가 적용된 InGaN/GaN MQW 구조의 청색 발광 다이오드에 대해 열처리 후, 동작전압을 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이고,
도 12는 본 발명에 따른 p형 전극구조체가 적용된 InGaN/GaN MQW 구조의 청색 발광 다이오드에 대해 열처리 후, 출력특성을 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10: 기판 50: P형 클래드층
60: 오믹콘택트층 70: 반사층
80: 확산방지층
Claims (11)
- n형 클래드층과 p형 클래드층 사이에 활성층을 갖는 플립칩형 질화물계 발광소자에 있어서,상기 p형 클래드층 위에 첨가원소가 도핑된 주석산화물로 형성된 오믹콘택트층과;상기 오믹콘택트층 상부에 광을 반사하는 소재로 형성된 반사층;을 구비하는 것을 특징으로 하는 플립칩형 질화물계 발광소자.
- 제1항에 있어서, 상기 첨가원소는 안티몬, 불소, 인, 비소 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 플립칩형 질화물계 발광소자.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 첨가원소의 첨가비는 0.1 내지 40 오토믹 퍼센트인 것을 특징으로 하는 플립칩형 질화물계 발광소자.
- 제1항에 있어서, 상기 반사층은 은, 로듐 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 플립칩형 질화물계 발광소자.
- 제1항에 있어서, 상기 반사층 위에 안티몬, 불소, 인, 비소 중 적어도 하나를 포함하는 첨가원소가 도핑된 주석산화물, 니켈, 금, 아연, 구리, 아연-니켈 합금, 구리-니켈 합금, 니켈-마그네슘 합금 중 어느 하나로 형성된 확산방지층;을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플립칩형 질화물계 발광소자.
- n형 클래드층과 p형 클래드층 사이에 활성층을 갖는 플립칩형 질화물계 발광소자의 제조방법에 있어서,가. 기판 위에 n형 클래드층, 활성층 및 p형 클래드층이 순차적으로 적층된 발광구조체의 상기 p형 클래드층 위에 첨가원소가 도핑된 주석산화물로 오믹콘택트층을 형성하는 단계와;나. 상기 오믹콘택트층 상부에 광을 반사하는 소재로 반사층을 형성하는 단계; 및다. 상기 나 단계를 거친 전극 구조체를 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 플립칩형 질화물계 발광소자의 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 오믹콘택트층에 적용되는 상기 첨가원소는 안티몬, 불소, 인, 비소 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 플립칩형 질화물계 발광소자의 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 반사층은 은, 로듐 중 적어도 하나를 포함하여 형성하는 것을 특징으로 하는 플립칩형 질화물계 발광소자의 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 반사층 위에 안티몬, 불소, 인, 비소 중 적어도 하나를 포함하는 첨가원소가 도핑된 주석산화물, 니켈, 금, 아연, 구리, 아연-니켈 합금, 구리-니켈 합금, 니켈-마그네슘 합금 중 어느 하나로 확산방지층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플립칩형 질화물계 발광소자의 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 열처리단계는 200도 내지 800도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 플립칩형 질화물계 발광소자의 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 오믹컨택트층 형성단계는 산소를 포함한 기체 분위기에서 증착에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 플립칩형 질화물계 발광소자의 제조방법.
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