KR20040057323A - 발광 다이오드 및 레이저 다이오드 구현을 위한 오믹접촉금속박막의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 질화갈륨(GaN) 화합물 반도체를 이용한 발광다이오드(LED)와 레이저다이오드(LD)의 구현에 있어서 선결 기술의 하나인 n형 질화갈륨(GaN) 반도체의 오믹접촉(Ohmic contact)형성에 관한 금속박막의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 전도성 질화물을 형성할 수 있는 바나듐(V)을 질화갈륨 위에 접촉금속으로 하고, 티타늄(Ti)을 중간층으로, 산화에 안정한 금(Au)을 캡핑(capping)층으로 하는 바나듐(V)/티타늄(Ti)/금(Au)으로 구성된 3층 금속박막, 또는 Ti/V/Au 박막을 증착하여 발광다이오드 및 레이저다이오드용 금속박막의 우수한 열적, 전기적, 구조적 특성을 갖는 오믹접촉 금속계(ohmic metallization scheme)을 구현하였다.
본 발명에 의한 오믹접촉 형성은 n형 질화갈륨(GaN) 반도체를 이용한 발광다이오드 및 레이저다이오드의 상업화를 위한 핵심 기술들 중의 하나인 오믹전극공정 기술을 제공함으로써 낮은 비접촉 저항과 우수한 전류-전압 특성과 같은 매우 우수한 전기적 특성으로 인한 전기적 손실의 감소로 광학적 효과도 매우 우수할 것으로 기대되기 때문에 발광다이오드 및 레이저다이오드의 개발에 이용될 수 있다.
Description
본 발명은 발광 다이오드 및 레이저 다이오드 구현을 위한 오믹접촉 금속박막의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 질화갈륨(GaN) 화합물 반도체를 이용한 청,녹색 및 자외선를 내는 단파장 발광다이오드와 레이저다이오드의 구현에필요한 기술의 하나인 n형 질화갈륨(GaN) 반도체의 오믹접촉(Ohmic contact) 형성에 관한 금속박막의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 질화갈륨(GaN) 반도체를 이용한 발광다이오드 및 레이저다이오드와 같은 광 디바이스를 구현하기 위해서는 반도체와 금속간에 양질의 오믹접촉을 형성하는 것이 매우 중요하다. n형 질화갈륨(GaN)의 경우 티타늄(Ti)을 기본으로 하는 금속박막 구조, 즉 티타늄/알루미늄(Ti/Al)의 금속박막이 오믹접촉 금속박막구조로 널리 쓰이고 있다.
상기와 같이 티타늄(Ti)을 기본으로 하는 금속박막 구조의 금속박막은 질소(N2) 분위기에서 열처리하여 10-3∼ 10-6Ωcm2정도의 비접촉저항을 갖는 오믹접촉을 형성하는 것으로 보고 되어지고 있다. 이러한 낮은 비접촉 저항은 고온(600℃ 이상) 열처리시 질화갈륨(GaN)과 티타늄(Ti)의 계면에 전도성 질화물인 질화티타늄(TiN)이 형성되어 질화갈륨(GaN) 표면 부근에 질소 공공(nitrogen vacancy)을 형성하게 된다.
상기의 질소 공공 형성은 질화갈륨(GaN) 표면부근에서의 실효 캐리어 농도(effective carrier concentration)를 증가시키고, 실효 캐리어 농도가 1019이상이 되면 질화갈륨(GaN)과 금속(티타늄) 사이에 터널링 전도를 일으켜 오믹 전도 특성을 보이는 것으로 이해 되어지고 있다.
그러나, 티타늄/알루미늄(Ti/Al)의 금속박막의 경우 660℃ 정도의 낮은 용융점을 갖는 알루미늄의 높은 확산성으로 인해 열적 안정성이 떨어지게 된다. 또한이러한 이유로 인하여 티타늄/알루미늄(Ti/Al)의 금속박막의 오믹접촉 형성을 위해 꼭 필요한 600℃ 정도의 열처리 시 접촉금속의 표면이 퇴화된다. 따라서 디바이스 구현에 있어서 와이어 접합의 접합성이 떨어지는 단점을 갖는 것으로 알려지고 있다.
바나듐 질화물(VN)은 티타늄 질화물(TiN)과 마찬가지로 전도성 질화물로 알려져 있으나, n형 질화 갈륨(GaN)에 대한 바나듐 접촉에 대해 보고된 결과는 몇 건에 불과하다.
지금까지 발표된 논문으로는 미국 펜실베니아 대학의 S. E. Mohney 그룹에서 질화 알루미늄 갈륨(AlGaN)에 바나듐(V)/알루미늄(Al)/백금(Pt)/금(Au)의 금속 적층막 구조의 오믹접촉을 형성하여 5 x 10-6의 낮은 비접촉저항을 얻었다고 게재하였을 뿐 n형 질화갈륨(GaN)에 대한 바나듐(V) 접촉에 대한 발표 논문은 아직 없는 상황이다.(K. O. Schweitz, Applied Physics Letters 80, 1954 (2002) )
그리고, 그와 관련된 특허로는 일본의 TOYODA GOSEI 사에서 n형 질화갈륨(GaN)에 바나듐(V)/알루미늄(Al) 2층막 구조의 금속박막에 대한 유럽특허가 제시되어 있다.(EP 0 834 929 A2)
이에 본 발명에서는 n형 질화갈륨(GaN) 반도체 발광다이오드와 레이저 다이오드의 연속파장(continuous wave) 모드에서 발생하는 근본적인 문제들 중의 하나가 오믹접촉의 성능에 있고, 이러한 오믹접촉의 열적 안정성이 매우 중요함에 착안하였다.
즉, 지금까지 보고된 n형 오믹접촉 모델에서 제시된 바 없는 바나듐(V)/티타늄(Ti)/금(Au) 그리고 티타늄(Ti)/바나듐(V)/금(Au)의 금속박막구조를 사용하여 기존에 발표된 것 비교할 때 전기적 특성이 비등하고 기존의 금속박막구조(티타늄(Ti)/알루미늄(Al), 바나듐(V)/알루미늄(Al) 등)에서 알루미늄을 배제함으로써 우수한 열적 안정성을 갖도록 제시하였다.
따라서 본 발명의 목적은 질화갈륨(GaN) 반도체를 광소자에 응용하기 위해 기초 단계인 n형 질화갈륨(GaN) 반도체의 금속전극 제작에 필수 요소인 우수한 열적, 전기적, 구조적 특성을 갖는 오믹접촉 금속계(Ohmic contact metal system)를 제공하는 데 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로써 본 발명은
발광 다이오드 및 레이저 다이오드의 광 디바이스 구현을 위한 오믹접촉 금속박막의 제조방법에 있어서,
산화알루미늄기판 위에 n형 오믹접촉 형성을 위한 n형 질화갈륨(GaN) 반도체를 형성한 후, 상기 n형 질화갈륨(GaN) 반도체 위에 접촉금속층/중간층/캡핑층으로 바나듐(V)/티타늄(Ti)/금(Au)이 순차적으로 적층되어 3층 금속박막의 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 오믹접촉 금속박막의 제조방법을 제시한다.
바람직하게, 상기 n형 질화갈륨(GaN) 반도체 위에 3층 금속박막의 구조를 형성하기 위한 접촉금속층/중간층/캡핑층으로 티타늄(Ti)/바나듐(V)/금(Au)이 순차적으로 적층된 것을 특징으로 한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 오믹접촉 금속박막의 공정 단면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따라 제조된 오믹접촉 금속박막의 전류-전압 특성을 나타낸 그래프이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 산화알루미늄 기판 20 : n형 질화갈륨 반도체
30 : 바나듐(V) 40 : 티타늄(Ti)
50 : 금(Ag)
본 발명에 의한 오믹접촉을 형성하기 위해서는 n형 질화갈륨(GaN)의 케리어 농도가 1×1017 cm-3이상이 되어야 한다.
또한, n형 질화갈륨(GaN) 반도체의 오믹접촉을 형성시키기 위해서는 질화갈륨(GaN) 반도체 내의 질소와 반응성이 좋은 금속을 사용해야 한다. 질화갈륨(GaN) 반도체 내의 질소와 접촉 금속의 반응은 질화갈륨(GaN) 반도체 표면에 질소의 공공(vacancy)을 형성한다.
질화갈륨(GaN) 반도체에서 이러한 질소의 공공(vacancy)은 n형 분순물로 작용하므로 질화갈륨(GaN)과 접촉금속과의 반응은 질화갈륨(GaN) 표면의 실효 n형 캐리어 농도(effective n-type carrier concentration)를 증가시키게 된다. 이 경우 질화갈륨(GaN) 반도체와 접촉금속의 계면에서는 터널링 전도현상이 발생할 수 있게된다. 또한 이때 형성된 접촉금속의 질화물이 전도성을 갖는 경우 접촉저항을 감소시키게 된다.
본 발명에서 사용된 바나듐(V)과 티타늄(Ti)은 질소와의 반응성이 좋고, 비교적 낮은 일함수(work function)를 갖는 금속으로 n형 질화갈륨(GaN)과 접촉시 질화갈륨(GaN) 반도체 내 질소와 반응하여 질화갈륨(GaN) 반도체와 접촉 금속간의 계면에 질화물을 형성한다. 그리고 이때 형성된 질화물인 질화바나듐(VN)과 질화티타늄(TiN)은 모두 전도성이므로 접촉저항의 향상시키게 된다.
두 번째 층으로 사용되는 금속은 발광다이오드와 레이저다이오드 제작공정에서 보통 적용되는 고온(300 ∼ 600℃) 공정에서 발생되는 표면퇴화(surface degradation)현상을 방지할 수 있는 금속을 사용한다. 고온 공정에서의 표면퇴화 현상은 주로 와이어 접착층(wire-bonding layer)으로 사용되어지는 금(Au)의 볼링업(balling-up)현상으로 인하여 표면 거칠기(surface roughness)가 증가하게 되어 일어나는 것으로 이해되어지고 있다. 티타늄(Ti)과 바나듐(V)을 각각 확산장벽으로 사용시 좋은 열적 특성과 양호한 표면 균일도를 갖는 오믹접촉을 형성시킬 수 있다.
세 번째 층으로는 산화에 안정하며 와이어 접착성이 좋은 금(Au)을 사용하였다. 본 발명에 의한 바나듐(V)(30)/티타늄(Ti)(40)/금(Au)(50)(제 1실시예) 또는 티타늄(Ti)(40)/바나듐(V)(30)/금(Au)(50)(제 2실시예)의 구조를 갖는 다층금속 박막으로 증착된 n형 질화갈륨(GaN) 반도체 발광다이오드 및 레이저다이오드용 금속박막의 오믹 특성에 대하여 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2a에서는 2.0 x 1018의 캐리어 농도를 갖는 n형 질화갈륨(GaN) 반도체 기판에 바나듐(V)/티타늄(Ti)/금(Au)으로 증착된 금속박막의 오믹접촉 형성을 나타낸 것이다. 그래프에서의 (a)는 증착 상태로의 전류-전압 특성(I-V characteristics)을 나타낸 것이며, (b)(c)는 증착 후 각각 650 ℃와 850℃에서 60초간 질소 분위기 하에서 열처리 따른 전류-전압 특성(I-V characteristics)을 나타낸 것으로 각각 2.23 x 10-5 과 4.02 x 10-6의 비접촉저항을 얻었다.
도 2b에서는 6.5 x 1018의 캐리어 농도를 갖는 n형 질화갈륨(GaN) 반도체 기판에 바나듐(V)/티타늄(Ti)/금(Au)으로 증착된 금속박막의 오믹접촉 형성을 나타낸것이다. 그래프에서의 (a)(b)는 증착 후 각각 650 ℃와 850℃에서 60초간 질소 분위기 하에서 열처리 따른 전류-전압 특성( I-V characteristics)을 나타낸 것으로 각각 2.54 x 10-6과 8.92 x 10-7의 비접촉저항을 얻었다.
도 2c에서는 6.5 x 1018의 캐리어 농도를 갖는 n형 질화갈륨(GaN) 기판에 티타늄(Ti)/바나듐(V)/금(Au)으로 증착된 금속박막의 오믹접촉 형성을 나타낸 것이다. 그래프에서의 (a)는 증착 상태로의 전류-전압 특성( I-V characteristics)을 나타낸 것으로 2.27 x 10-6의 비접촉저항을 보였고, (b)(c)는 증착 후 각각 450 ℃와 850℃에서 60초간 질소 분위기 하에서 열처리 따른 전류-전압 특성( I-V characteristics)을 나타낸 것으로 각각 1.23 x 10-6과 9.8 x 10-7의 비접촉저항을 보였다.
이하 실시 예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명이 이들 실시 예에 국한되는 것은 아니다.
< 제 1실시예 >
도 1a에 도시된 바와 같이 n형 질화갈륨(GaN) 반도체(20)를 트리클로로에틸렌, 아세톤, 메탄올, 증류수로 초음파 세척기(ultrasonic bath) 안에서 50℃ 온도로 각각 5 분씩 표면 세척한 후, 시료에 남아 있는 수분을 제거하기 위하여 100℃에서 10분 동안 하드 베이킹 (hard baking)을 한 다음, 포토 리지스트 (photo-resist)를 5,500 rpm에서 스핀코팅(spin coating)하였다.
그 후 85℃에서 15분 동안 소프트 베이킹(soft baking)하고 마스크 패턴을 현상하기 위하여 마스크와 시료를 일치(align)시킨 다음에 22.8 mW의 강도의 UV에15초 동안 노출시키고, 현상액과 증류수의 비를 1:4로 혼합한 용액 속에 시료를 침지시켜 25초 정도에서 현상하였다.
그 후, NaOH4:H2O=1:1 용액을 이용해 현상된 시료에 있는 오염층을 제거하기 위하여 30초간 침지시켰으며, 전자빔 증착기(electron-beam evaporator)를 이용하여 바나듐(V)(30)/티타늄(Ti)(40)/금(Au)(50)을 순차적으로 각각 60nm, 60nm, 60nm로 증착한 다음, 아세톤으로 리프트 오프(lift-off) 공정을 거친 후, 급속 가열로(rapid thermal annealing : RTA)안에 시료를 넣어 질소분위기 하에서 300 ~ 900℃에서 60초 동안 열처리하여 오믹접촉을 형성을 이용한 금속박막을 제조하였다.
< 제 2실시예 >
도 1b에 도시된 바와 같이, 산화알루미늄 기판(10)과 n형 질화갈륨 반도체(20) 위에 금속 박막층으로 티타늄(Ti)(40)/바나듐(V)(30)/금(Au)(50)을 순차적으로 증착하는 것을 제외하고는 실시 예1과 동일하게 하여 오믹접촉을 형성을 이용한 금속박막을 제조하였다.
바람직하게, 상기에서와 같이 제시된 실시예 1,2에 따르면 3층 금속박막의 증착조건은 물리적기상증착법(PVD; physical vapor deposition), 화학적기상증착법(CVD; chemical vapor deposition) 및 플라즈마 레이저증착법(PLD; plasma laser deposition)으로 형성된다.
이 때, 상기 3층 금속박막의 증착 온도는 -20 ℃ - 1,500 ℃ 이고, 증착시진공환경은 대기압 ∼ 10-12Torr 범위에서 실시된다. 그리고, 열처리시 사용되는 분위기 가스로는 질소, 아르곤, 헬륨, 산소, 수소 등이 사용되며, 열처리 시간은 1초 ~ 10시간 범위내에서 실시된다.
또한, 상기 3층 금속박막에 해당하는 각층의 두께는 0.1 nm ~ 5,000 nm 범위에서 증착한다.
이상에서와 같이 본 발명에 의한 오믹접촉 형성은 n형 질화갈륨(GaN) 반도체를 이용한 발광다이오드 및 레이저다이오드의 상업화를 위한 핵심 기술들 중의 하나인 오믹전극공정 기술을 제공함으로써 질화갈륨(GaN) 반도체의 상업화를 가속화시킬 것으로 기대되며, 오믹접촉 형성시 표면 상태가 매우 양호하게 나타나므로 디바이스 패키징 시 외부선 연결(wire bonding)을 좋게 하여 디바이스의 수율을 증대시킬 수 있다.
또한, 낮은 비접촉 저항과 우수한 전류-전압 특성과 같은 매우 우수한 전기적 특성으로 인한 전기적 손실의 감소로 광학적 효과도 매우 우수할 것으로 기대되기 때문에 발광다이오드 및 레이저다이오드의 개발에 이용될 수 있다.
Claims (6)
- 발광 다이오드 및 레이저 다이오드의 광 디바이스 구현을 위한 오믹접촉 금속박막의 제조방법에 있어서,산화알루미늄기판 위에 n형 오믹접촉 형성을 위한 n형 질화갈륨(GaN) 반도체를 형성한 후, 상기 n형 질화갈륨(GaN) 반도체 위에 접촉금속층/중간층/캡핑층으로 바나듐(V)/티타늄(Ti)/금(Au)이 순차적으로 적층되어 3층 금속박막의 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 오믹접촉 금속박막의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 n형 질화갈륨(GaN) 반도체 위에 3층 금속박막의 구조를 형성하기 위한 접촉금속층/중간층/캡핑층으로 티타늄(Ti)/바나듐(V)/금(Au)이 순차적으로 적층된 것을 특징으로 하는 오믹접촉 금속박막의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 3층 금속박막 구조의 중간층으로 티타늄(Ti) 대신에 텅스텐(W)이나 니켈(Ni)을 사용하는 것을 특징으로 하는 오믹접촉 금속박막의 제조방법.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 3층 금속박막의 증착조건은 PVD (physical vapor deposition), CVD(chemical vapor deposition) 및 PLD(plasma laser deposition) 방법으로 증착되며, 증착 온도는 -20 ℃ - 1,500 ℃ 이고, 증착시 진공환경은 대기압 ∼ 10-12Torr 인 것을 특징으로 하는 오믹접촉 금속박막의 제조방법.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 3층 금속박막 증착시 열처리에 사용되는 분위기 가스로는 질소, 아르곤, 헬륨, 산소, 수소 등이 사용되며, 상기 열처리 시간은 1초 ~ 10시간 범위내에서 실시하는 것을 특징으로 하는 오믹접촉 금속박막의 제조방법.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 3층 금속박막에 해당하는 각층의 두께는 0.1 nm ~ 5,000 nm 인 것을 특징으로 하는 오믹접촉 금속박막의 제조방법.
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| KR (1) | KR20040057323A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024234298A1 (en) * | 2023-05-16 | 2024-11-21 | Jade Bird Display (shanghai) Limited | Transparent electrode structure for micro led display panel |
-
2002
- 2002-12-26 KR KR1020020084012A patent/KR20040057323A/ko not_active Application Discontinuation
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