KR19990052640A - 오믹접촉 형성을 이용한 다이오드용 금속박막및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 오믹접촉 형성을 이용한 발광다이오드용 금속박막 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 더 상세하게는 질화갈륨(GaN)화합물 반도체를 이용하여 청색빛을 내는 단파장 발광다이오드(LED: blue light emitting diode)의 제작에 있어서 핵심기술중의 하나인 오믹접촉(ohmic contact)형성에 관한 금속박막구조 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 기존에 발표된 니겔/금 또는 백금/금 모델과는 다르게 p-형 질화칼륨위에 중간확산장벽(inter-diffusion barrier)의 역할을 하는 니겔과 백금을 사용하였다. 금속박막층은 중간분산 장벽제로 니겔과 금 사이에 백금을 사용하여 니켈/백금/금 (Ni/ Pt/ Au) 또는 백금과 금 사이에 니켈을 사용하여 백금/니켈/금(Pt/ Ni/ Au)으로 구성된 금속박막을 증착하여 발광다이오드용 금속박막의 우수한 열적, 전기적, 구조적 특성을 갖는 오믹접촉 금속시스템(ohmic contact metal system)을 구현하였다.
Description
본 발명은 오믹접촉 형성을 이용한 발광다이오드용 금속박막 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 질화갈륨(GaN)화합물 반도체를 이용하여 청색빛을 내는 단파장 발광다이오드(LED: blue light emitting diode)의 제작에 있어서 핵심기술중의 하나인 오믹접촉(ohmic contact)형성에 관한 금속박막구조 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
발광다이오드 및 레이저와 같은 광 디바이스를 구현하기 위해서는 무엇보다도 반도체와 금속간에 양질의 오믹접촉의 조건으로 평평한 표면상태(smooth surtace morphology), 열적안정성(thermal stability), 쉬운 가공성(simple processing), 저접촉저항(low contact resistance), 고수율(high yield), 양호한 부식저항성(good corrosion resistance), 3-5족 반도체화합물에 대한 양호한 접착성(good adhesion to Ⅲ-Ⅴcompounds)등이 있다.
이러한 조건들을 만족시키기 위해서 가장 중요한 요인들 중의 하나인 확산장벽(diffusion barrier)은 금속의 덥게층(capping layer)과 반도체간의 상호작용을 줄여서좋은 표면상태를 제공하고 열적안정성을 향상시켜 주므로서 오믹접촉의 분해를 줄이는 매우 중요한 역할을 한다. 또한 양호한 표면상태는 디바이스 수율에 중요하며 낮은 접촉저항을 갖는 오믹접촉은 디바이스의 실제적인 효율에 큰 영향을 준다.
본 발명과 관련된 선행기술로는 미합중국 특허 제5,563,422호가 있으나, 이 기술은 사파이어 기판의 부도체적 특성 때문에, n-형 오믹접촉에 많은 문제점이 있으므로이를 개선하기 위해서 투명전극 대신에 금속박막을 입혀 만든 전극이 광을 투과하는데어려움이 있다. 또한, l997년 김택외 5명이 재료공학회 심포지움 프로시딩(Material Research Society Symposium Proceeding 449, 1061, 1997)에 발표한 바에 의하면500℃, 30초에서 오믹접촉이 가장 우수한 결과는 니켈/크롬/금 모델에서 비접촉저항 Rc가 8.3×10-2Ω㎝-2이었다고 보고하였고, 1997년 J.T.Trexler외 5명이 동 프로시딩(449, 1093, 1997)에 발표한 바에 의하면, 크롬/금을 900℃, 15초동안 열처리했을 때 Rc가 4.3×10-1Ω㎝-2이었다고 보고하였다.
이 밖에도 니켈과 백금을 대상으로 한 특허나 논믄은 많았으나, 본 발명과 같이 p-형 질화갈륨 오믹접촉(p-type GaN ohmic contact)에 관한 논문은 거의 없는 실정이다.
이에 본 발명자들은 질화갈륨 발광다이오드(GaN LED)와 레이저 다이오드(LD)의 연속파장(continuous wave) 모드에서 발생되는 근본적인 문제들 중의 하나는 오믹접촉의 품질에 있음에 착안하여 지금까지 발표된 피형오믹접촉에 관한 연구에서 주로니켈소재오믹접촉(Ni/Au, N/Cr/Au등) 모델에서 사용된 바 없는 니켈과 금 사이에 백금(Ni/Pt/Au)을 넣어 만든 모델로 오믹접촉울 이용한 연구를 수행하여 기존에 발표된 것 보다도 월등히 좋은 결과를 얻어내고 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 기존에 발표된 니겔/금, 백금/금 모델과는 다르게 p-형 질화칼륨위에 니켈과 백금이라는 중간확산장벽(inter-diffusion barrier)의 역할을하는 금속을 사용하여 우수한 열적, 전기적, 구조적 특성을 갖는 오믹접촉 금속시스템(ohmic contact metal system)을 제공하는것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 p-형 질화갈륨판 위에 금속박막을 증착함에 있어서,새로운 방법을 이용한 발광다이오드용 금속박막의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 공지의 니켈/금 또는 백금/금 모델과는 다르게 p-형 질화갈륨(p-typeGaN)위에 니켈과 금 사이에 백금 또는 백금과 금 사이에 니켈이라는 중간확산장벽(inter diffusion barrier)을 사용하여 양호한 열적, 전기적 특성을 갖는 오믹접촉을 구현하였다.
도 1은 본 발명에 의한 금속박막 구조를 나타낸 것으로,
(a)는 니켈/백금/금으로 증착된 금속박막 구조이고
(b)는 백금/니켈/금으로 증착된 금속박막 구조를 나타낸 것이다.
도 2는 니켈/백금/금으로 증착된 금속박막의 오믹접촉 형성을 나타낸 것으로,
(a)는 30 초간 열처리한 것이고,
(b)는 60 초간 열처리한 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 니켈/백금/금으로 증착된 금속박막의 열처리 시간에 따른 표면상태를나타낸 것으로,
(a)는 500℃, 30 초간 열처리한 것이고,
(b)는 500℃, 60 초간 열처리한 것이며,
(c)는 500℃, 30 분간 열처리한 결과를 나타낸 것이다.
본 발명의 p-형 오믹접촉을 형성시키기 위한 기본적인 조건들 중, 첫째는 p-형질화갈륨(p-type GaN)의 도핑농도가 1018㎝-3이상이 되어야 한다. 오믹접촉은 주로 반도체의 도핑농도에 따라서 좌우되며, 열전자 방출(thermionic emission; 도핑농도: <1017㎝-3), 열전자 필드방출(thermionic field emission; 1017-1018㎝-3), 필드방출(field emission; 도핑농도 >1018㎝-3)으로 나눌 수 있다. 즉, 도핑농도가 증가하게 되면 금속반도체 접촉장벽(metal semiconductor contact barrier)에 관계없이 터널링(turnneling)에 의하여 캐리어(carriers)가 흐르므로 자연스럽게 오믹접촉이 형성된다.
둘째는 열적 특성이 우수한 분산장벽(diffusion barrier)을 사용하는 것이다. 분산장벽은 오믹접촉의 형성에 중요한 작용을 하고, 주로 많이 사용되는 금속장벽은 니켈, 백금, 크롬, 파듐 등이 있다. 현재까지 p-형 오믹접촉에 관한 선행기술로는 p-형 도핑제로 사용되는 마그네슘이 질화갈륨 성장시 Mg-H 복합체가 형성되어 높은 도핑농도를 갖는 필름을 형성시키는데 큰 어려움이 있으며 도핑속도는 1017㎝-3정도로 매우 낮다.따라서, 높은 도핑농도에 의한 자연 오믹접촉 형성은 곤란하다.
니켈을 소재로한 오믹접촉은 낮은 도핑영역에서 니켈/금, 니켈/크롬/금, 니켈/니켈/금 등의 여러 모델들이 있지만, 비접촉저항(specific content resistance)가 1∼8×10-2ohm-㎠ 정도로 매우 높은 값을 가지며, 열적 특성 또한 니켈의 확산으로 인하여 오믹저항이 형성되었을 때 열악한 표면상태(poor surface morphology)로 인하여 디바이스의 수율에 많은 영항을 미치는 등 여러가지 문제점이 있다.
본 발명에 의한 발광 다이오드용 금속박막은 니켈을 분산장벽으로 백금을 니겔과 금 사이의 중간 분산장벽으로 사용하므로서, 좋은 열적 특성을 가지며, 매우 양호한표면균일도를 갖는 오믹접촉을 형성시킬 수 있다. 또한 비접촉저항도 10-2∼ 10-3ohm-㎠로 낮은 도핑농도 영역에서 접촉저항 값을 얻을 수 있다. 즉, 도핑농도가 9.4×1016㎝-3으로 낮은 영역, 그리고 높은 면저항(>1M Ω/sq)에도 불구하고 낮은 접촉저항을 갖는 금속박막이다.
본 발명에 의한 니켈/백금/금으로 증착된 발광 다이오드용 금속박막의 열적 특성 및 오믹접촉 형성을 도면에 의해 설명하면 다음과 같다,
도 2의 (a)는 500℃에서 30 초간 열처리한 발광 다이오드용 금속박막의 오믹형성을 나타낸 것으로, 비접촉저항은 9.8×10-3ohm-㎠으로 시료의 낮은 도핑농도 및 높은 면저항에도 불구하고 매우 낮은 비접촉저항을 얻을 수 있는데, 전자선 주사 현미경(SEM)으로 관찰한 표면상태는 도 3의 (a)와 같이 매우 균일하다.
또한, 도 2의 (b)는 500℃에서 60 초간 열처리한 발광 다이오드용 금속박막의 오믹형성을 나타낸 것으로, 비접촉저항은 9.6×10-2ohm-㎠ 이며, 전자선 주사현미경(SEM)으로 관찰한 표면상태는 도 3의 (b)와 같이 매우 균일하다.
도 3의 (c)는 500℃에서 30 분간 열처리한 발광 다이오드용 금속박막의 오믹형성을 전자선 주사 현미경(SEM)으로 관찰한 표면상태로서 매우 균일하다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명이 이들실시예에 국한되는 것은 아니다.
[실시예 1]
p-형 질화갈륨(GaN)을 트리클로로에틸렌, 아세톤, 메탄올, 증류수로 초음파 세척기(ultrasonic bath) 안에서 50℃ 온도로 각각 5분씩 표면세척한 후, 시료에 남아 있는 수분을 제거하기 위하여 100℃에서 10분 동안 하드 베이깅(hard baking)을 한 다음, 포토 리지스트(photo resist)를 5,500rpm에서 스핀 코팅(spin coating) 하였다. 그 후85℃에서 15분 동안 소프트 베이킹(soft baking)하고 마스크 패턴을 현상하기 위하여마스크와 시료 간에 일치(align)를 시킨 다음, UV에 60초 동안 노출시켰다. 노출시킨 시료를 115℃에서 리버스 베이킹(reverse baking)한 후,다시 UV로 30 초에서 100초 정도 샘플에 노출시킨 다음, 현상액과 증류수의 비를 1 : 4로 혼합한 용액 속에 시료를침지시켜 40초 정도에서 현상하였다.
그 후, 산화에천트 용액(BOE)으로 현상된 시료의 표면에 있는 산화층을 제거하기 위하여 30초 동안 침지시킨 후, 전자빔 증착기(electron-beam evaporator)를 이용하여 니켈(Ni), 백금(Pt), 금(Au)을 차례로 200Å, 300Å, 800Å으로 증착한 다음 아세톤으로 리프트오프(lift-off) 공정을 거친 다음, 급속가열로(rapid thermal annealing; RTA) 안에 시료를 넣어 아르곤(Ar) 분위기 하에서 500℃, 30초 동안 열처리하여 오믹접촉 형성을 이용한 금속박막을 제조하였다.
[실시예 2]
금속박막층을 백금, 니켈, 금의 순서로 증착하는 것을 제외하고는 실시예1과 동일하게 하여 오믹접촉 형성을 이용한 금속박막을 제조하였다.
[실시예 3]
열처리 조건을 500℃에서 60초간으로 하는 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
[실시예 4]
열적 특성을 평가하기 위하여 열처리 조건을 500℃에서 30분간으로 하는 것이외에는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
본 발명에 의한 오믹접촉 형성을 이용한 발광 다이오드용 금속박막은 오믹형성시의 표면상태가 매우 양호하게 나타나므로 디바이스 패키징시 외부선 연결(wire bonding)를 좋게하여 디바이스의 수율을 높이는데 매우 큰 기여를 할 것으로 기대된다.
또한, 장시간 열처리하여도 표면의 균일성이 유지되며, 오믹특성이 크게 영향을받지 않는 등의 높은 열적 특성과 함께, 낮은 비접촉 저항과 우수한 전류-전압 특성과 같은 매우 우수한 전기적 특성으로 인한 전기적 손실의 감소로 광학적 효과도 매우 우수할 것으로 기대되기 때문에, 현재 질화갈륨 발광다이오드에서 문제가 되고 있는 연속파장 모드에서의 광 디바이스의 전기적, 광학적 효율이 증가하여 양질의 발광다이오드 또는 레이저 다이오드의 개발에 이용될 수 있다.
Claims (4)
- p-형 질화갈륨(GaN) 판상에 니겔(Ni), 백금(Pt), 금(Au)으로 구성된 금속박막층에 있어서, 중간분산 장벽제로 백금 또는 니켈을 사용하여 증착된 금속박막층인 것을 특징으로 하는 오믹접촉 형성을 이용한 발광 다이오드용 금속박막.
- 제1항에 있어서, 금속박막층은 중간분산 장벽제로 니켈과 금 사이에 백금을 사용하여 니켈/백금/금(Ni/ Pt/ Au) 또는 백금과 금 사이에 니켈을 사용하여 백금/니켈/금(Pt/ Ni/ Au)으로 구성된 금속박막인 것을 특징으로 하는 오믹접촉 형성을 이용한 발광다이오드용 금속박막.
- 제1항에 있어서, 금속박막층의 두께는 다음과 같이 표시됨을 특징으로 하는 오믹접촉 형성을 이용한 발광 다이오드용 금속박막.Ni/Pt/Au : 1-5,000㎚/ 1-5,000㎚/ 1-5,000㎚Pt/Ni/Au : 1-5,000㎚/ 10-1,000㎚/ 10-4,000㎚
- 반도체인 p-형 질화갈륨판 위에 금속박막을 증착함에 있어서, 금속을 증착하기전에 반도체위의 탄소와 산소층을 세척하여 불순물을 제거하고, 5×10-5- 2×10-7토르 (torr)진공하에서 증착시켜 250-1,000℃의 온도로 질소 또는 아르곤 분위기 하에서10초-3시간 열처리하는 것을 특징으로 하는 오믹접촉 형성을 이용한 발광 다이오드용금속박막의 제조방법.
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