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KR100631898B1 - Ｅｓｄ보호 능력을 갖는 질화갈륨계 발광 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Ｅｓｄ보호 능력을 갖는 질화갈륨계 발광 소자 및 그 제조방법 Download PDF

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KR100631898B1
KR100631898B1 KR1020050005138A KR20050005138A KR100631898B1 KR 100631898 B1 KR100631898 B1 KR 100631898B1 KR 1020050005138 A KR1020050005138 A KR 1020050005138A KR 20050005138 A KR20050005138 A KR 20050005138A KR 100631898 B1 KR100631898 B1 KR 100631898B1
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윤석길
채승완
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Abstract

역방향 ESD 전압에 대한 내성이 개선된 질화갈륨계 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 질화갈륨계 발광 소자는, 기판 상에 순차 형성된 n형 GaN계 클래드층, 활성층, p형 GaN계 클래드층 및 p측 전극을 구비하는 질화갈륨계 발광 소자로서, 상기 n형 GaN계 클래드층의 일측 영역 상에 형성된 n측 전극과; 상기 n측 전극로부터 이격되어 상기 n측 전극과 전기적으로 연결되고, 상기 n형 GaN계 클래드층의 타측 영역 상에 형성된 2 개 이상의 MIM 형 터널 접합 구조를 포함한다.
질화갈륨, 발광 소자, 정전기 방전

Description

ＥＳＤ보호 능력을 갖는 질화갈륨계 발광 소자 및 그 제조 방법{Galium Nitride-Based Light Emitting Device Having ESD Protection Capacity}
도 1a는 병렬연결된 쇼트키 다이오드를 구비하는 종래의 질화갈륨계 발광 소자를 나타내는 단면도이다.
도 1b는 도 1a의 등가 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화갈륨계 발광 소자를 나타내는 개략적인 평면도이다.
도 3은 도 2의 XX'라인과 YY'라인을 따라 자른 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화갈륨계 발광 소자의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또다른 실시형태에 따른 질화갈륨계 발광 소자의 단면도이다.
도 6 내지 도 11은 본 발명의 실시형태들에 따른 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
101: 기판 102: 버퍼층
103: n형 GaN층 104: n형 AlGaN층
105: 활성층 106: p형 AlGaN층
108: 절연막 110: 투명 전극층
112: p측 전극 112a: 상부 금속층
114a: 하부 금속층 114b: n측 전극
200, 201, 202: MIM 터널 접합 구조
본 발명은 질화갈륨계 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 역방향의 정전기 방전(Electrostatic Discharge; ESD)에 대한 높은 내성을 갖는 질화갈륨계 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 종래의 질화갈륨계 발광 소자는, 절연성 기판인 사파이어 기판 상에 버퍼층, n형 GaN계 클래드층, 활성층 및 p형 GaN계 클래드층이 적층된 메사 구조로 되어 있으며, p형 GaN계 클래드층 상에는 투명 전극과 p측 전극이 순차 적층되어 있고, 메사 식각에 의해 노출된 n형 클래드층 상에는 n측 전극이 형성되어 있다. 이러한 일반적인 질화갈륨계 발광 소자에서는, P측 전극으로부터 들어오는 정공과 n측 전극으로부터 들어오는 전자가 활성층에서 결합하여 활성층 물질 조성의 에너지 밴드갭(bandgap)에 해당하는 빛을 방출한다.
이러한 질화갈륨계 발광 소자는 에너지 밴드갭이 상당히 큰 물질임에도 불구하고 결정의 품질이 좋지 않아서 대체로 정전기 방전(Electrostatic Discharge; ESD)에 취약하다. 특히 결정 결함이 많은 수록 ESD에 취약하다. 구체적으로 설명하면, AlXGaYIn1-X-YN 를 기반으로 하는 질화갈륨계 발광 소자의 순방향 ESD에 대한 내성 전압은 약 1kV 내지 3kV 이고, 역방향 ESD에 대한 내성 전압은 약 100V 내지 1kV 정도된다. 이와 같이, 질화갈륨계 발광 소자는 순방향의 ESD 전압보다 역방향의 ESD 전압에 더 취약하다. 따라서, 매우 큰 역방향 ESD 전압이 펄스 형태로 질화갈륨계 발광 소자에 가해지면, 발광 소자가 손상되거나 열화된다. 예를 들어, 발광 소자가 인체에 접촉하거나 소켓에 삽입 또는 취출될 때, 10kV 이상의 역방향 ESD 전압이 질화갈륨계 발광 소자에 인가될 수 있는데, 이러한 역방향의 ESD 현상은 질화갈륨계 발광 소자의 신뢰성을 해치고 그 수명을 급격히 떨어뜨리는 요인이 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해, ESD 현상에 대한 질화갈륨계 발광 소자의 내성을 증가시키는 몇가지 방안이 제안되었다. 예를 들어, 발광 소자의 구조와 공정 기술을 최적화하여 발광 소자의 정전기 내성을 증가시키는 방법이다. 그러나, 이러 한 방법으로는, 도달할 수 있는 ESD 내성에 한계가 있다. 다른 방안으로서, 플립칩(flip chip) 구조의 LED를 Si 기반의 제너 다이오드(zener diode)에 병렬로 연결하여 정전기 방전으로부터 발광 소자를 보호하고자 하는 기술이 제시되었다. 그러나, 이러한 방법은 별도의 제너 다이오드를 구입하여 본딩 조립하여야 하기 때문에, 자재 비용 및 공정 비용이 크게 증가하게 되며, 소자의 소형화를 제한하게 된다. 또다른 종래의 방안으로, 미국특허 제6,593,597호는, 동일 기판에 LED 소자와 쇼트키 다이오드를 집적하여 LED와 쇼트키 다이오드를 병렬로 연결시켜 ESD로부터 발광 소자를 보호하는 기술을 개시하고 있다.
도 1a는, 이와 같이 병렬연결된 쇼트키 다이오드를 구비하는 종래의 질화갈륨계 발광 소자를 나타내는 단면도이며, 도 1b는 도 1a의 등가 회로도를 나타낸다. 도 1a를 참조하면, LED 구조는, 투명 기판(100) 상에 제1 핵생성층(102a), 제1 도전성 버퍼층(104a), 하부 제한층(lower confinement layer; 106), 활성층(108), 상부 제한층(upper confinement layer; 110), 콘택층(112), 투명 전극(114) 및 n측 전극(116)을 포함하고 있다. 이러한 LED 구조와 분리되어 상기 투명 기판(100) 상에 제2 핵생성층(102b) 및 제2 도전성 버퍼층(104a)이 적층되어 있고, 그 위에 쇼트키 콘택 전극(118)과 오믹 콘택 전극(120)이 형성되어 있다.
또한, 상기 LED 구조의 투명 전극(114)은 오믹 콘택 전극(120)과 연결되고, LED 구조의 n측 전극(116)은 쇼트키 전극(118)과 연결되어 있다. 이에 따라, 도 1b에 도시된 바와 같이, LED 다이오드와 쇼트키 다이오드가 서로 병렬로 연결된 구조를 이룬다. 상기와 같은 구성된 발광 소자에서는, 순간적으로 역방향의 고전압, 예 를 들어 역방향 ESD 전압이 인가되면, 상기 고전압은 쇼트키 다이오드를 통해서 방전될 수 있다. 이에 따라, 대부분의 전류는 LED 다이오드 대신에 쇼트키 다이오드를 통해서 흐르게 되고, LED 소자에 대한 손상이 감소된다.
그러나, 이와 같은 쇼트키 다이오드를 이용한 ESD 보호 방안은, 제조 공정이 복잡하다는 단점을 가지고 있다. 즉, LED 소자 영역과 쇼트키 다이오드 영역을 분리하여야 할 뿐만 아니라, n형 GaN계 물질 이루어진 제2 도전성 버퍼층(104b) 상에 쇼트키 콘택을 이루는 전극 물질과 오믹 콘택을 이루는 전극 물질을 별도로 증착하여야 한다. 특히, n형 GaN계 물질 사이에서 쇼트키 콘택을 형성하는 금속 재료는 종류가 한정되어 있고, 열처리 등의 후속 공정에 의해 반도체-금속의 콘택 특성이 변화할 수 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 n측 전극 영역으로부터 이격된 영역의 n형 클래드층 상에 금속-절연체-금속(Metal-Insulator-Metal; MIM) 형의 터널 접합 구조를 2개 이상 형성함으로써 역방향 ESD 전압에 대한 내성을 크게 향상시킨 질화갈륨계 발광 소자, 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 질화갈륨계 발광 소자는, 기판 상에 순차 형성된 n형 GaN계 클래드층, 활성층, p형 GaN계 클래드층 및 p측 전극을 구비하는 질화갈륨계 발광 소자로서, 상기 n형 GaN계 클래드층의 일측 영역 상에 형성된 n측 전극과; 상기 n측 전극로부터 이격되어 상기 n측 전극과 전기적으로 연결되고, 상기 n형 GaN계 클래드층의 타측 영역 상에 형성된 2 개 이상의 MIM 형 터널 접합 구조를 포함한다. 상기 MIM 형 터널 접합 구조는, 상기 n형 GaN계 클래드층과 접촉되도록 상기 GaN계 클래드층 상에 형성된 하부 금속층과, 상기 하부 금속층 상에 형성된 절연막과, 상기 절연막 상에 형성된 상부 금속층을 포함한다. 상기 상부 금속층은 2 개 이상의 금속층으로 이루어진 다층일 수 있다. 바람직하게는, 상기 하부 금속층은 상기 n측 전극과 동일한 물질로 형성된다.
상기 발광 소자에 역방향 ESD 전압이 인가될 경우, 상기 MIM 형 터널 접합 구조는, 전자가 상기 MIM 형 터널 접합 구조를 통해 터널링할 수 있도록 허용한다. 따라서, 역방향 ESD 전압으로 인한 발광 소자의 손상을 방지할 수 있게 된다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 발광 소자는, 상기 p형 GaN계 클래드층과 상기 p측 전극 사이에 투명 전극층을 더 포함한다. 이 경우, 상기 투명 전극층은 상기 절연막 상으로 연장되어, 상기 상부 금속층의 적어도 일부를 형성할 수 있다. 또한, 상기 상부 금속층은, 상기 투명 전극층 상에 형성되고 상기 p측 전극과 동일한 물질로 이루어진 금속층을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 MIM 형 터널 접합 구조의 상부 금속층은 투명 전극층/금속층의 다층 구조를 형성하게 된다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 MIM 형 터널 접합 구조의 상부 전극층은 상기 p측 전극과 동일한 물질로 형성된다. 이 경우에도, 하부 금속층은 n측 전극과 동일한 물질로 형성되며, 상기 p형 GaN계 클래드층과 상기 p측 전극 사이에 투명 전극층이 형성될 수 있다. 따라서, 상기 MIM 형 터널 접합 구조는, n측 전극과 동일한 물질로 이루어진 하부 금속층과, 상기 하부 금속층 상에 형성된 절연막과, 상기 절연막 상에 형성되어 p측 전극과 동일한 물질로 이루어진 상부 금속층을 포함하게 된다.
바람직하게는, 상기 2 개 이상의 MIM 형 터널 접합 구조는 상기 p측 전극으로부터 동일한 거리로 이격되어 위치한다. 이와 같이, 복수의 MIM 형 터널 접합 구조가 상기 p측 전극로부터 동일한 거리를 유지함으로써, ESD 전압 인가시 N측 전극에 인가되는 전압을 더욱 낮출 수 있게 된다.
바람직하게는, 상기 p측 전극은, Ti, Au, Ni, Au와 Al의 합금, Au와 Ti의 합금, Au와 Cu의 합금, Mn 계열 합금, La 계열 합금, Ni 계열 합금 및 Mg 계열 합금으로 이루어진 군으로부터 적어도 하나 선택될 수 있다. 예를 들어, MnNi, LaNi5, MgNi, ZnNi 또는 ZnMg를 사용하여 p측 전극을 형성할 수도 있다. 또한, 상기 n측 전극은, Cr, Ti, Ni, Au, Al, Ta, Hf, AuGe 합금, ZnO 및 ITO로 이루어진 군으로부터 적어도 하나 선택될 수 있다. 또한, 상기 투명 전극층은, ITO, SnO2, Ni/Au 이중층, Ni와 Au의 합금, 및 ZnO로 이루어진 군으로부터 적어도 하나 선택될 수 있다.
또한, 바람직하게는, MIM 형 터널 접합 구조의 절연막은 산화규소, 산화알루미늄, 산화티탄, 질화규소 또는 폴리이미드로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 상기 절연막의 두께는, 10 내지 3000 Å 일 수 있다. 바람직하게는, 상기 절연막의 두께는, 100 내지 1000 Å 이다.
본 발명에 따른 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법은, 기판 상에 n형 GaN계 클래드층, 활성층 및 p형 GaN계 클래드층을 순차 형성하는 단계와; 상기 P형 GaN계 클래드층, 활성층 및 GaN계 클래드층의 일부를 메사 식각하여 상기 n형 GaN계 클래드층의 일부를 노출시키는 단계와; 상기 노출된 n형 GaN계 클래드층 상의 일측 영역에 n측 전극을 형성하는 단계와; 상기 n측 전극으로부터 이격되어 상기 n측 전극과 전기적으로 연결되도록, 상기 노출된 n형 GaN계 클래드층 상의 타측 영역에 2 개 이상의 하부 금속층을 형성하는 단계와; 상기 하부 금속층 상에 절연막을 형성하는 단계와; 상기 절연막 상에 상부 금속층을 형성하는 단계와; 상기 p형 GaN계 클래드층 상에 p측 전극을 형성하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 상기 하부 금속층은 상기 n측 전극과 동일한 물질로 형성된다. 이 경우, 상기 하부 금속층을 형성하는 단계는 상기 n측 전극을 형성하는 단계와 동시에 실시될 수 있다.
상기 제조 방법에 의해 형성된 상기 하부 금속층, 절연막 및 상부 금속층의 적층물은 본 발명에 따른 MIM 형 터널 접합 구조를 이룬다. 상기 제조 방법에 따르면, 2 개 이상의 MIM 형 터널 접합 구조가 형성된다. 이러한 MIM 형 터널 접합 구조는, 질화갈륨계 발광 소자에 역방향 ESD 전압이 인가될 때, 역방향 전류를 통과시키는 통로를 제공해준다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 절연막 상에 상기 상부 금속층을 형성하는 단계는, 상기 절연막과 상기 p형 GaN계 클래드층 상에 투명 전극층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 절연막 상에 형성된 상기 투명 전극층은 상기 상부 금속층 또는 상부 금속층의 일부가 된다.
또한, 상기 절연막 상에 상기 상부 금속층을 형성하는 단계는, 상기 절연막과 상기 p형 GaN계 클래드층 상에 투명 전극층을 형성하는 단계와, 상기 절연막이 형성된 영역에서 상기 투명 전극층 상에 상기 p측 전극과 동일한 물질로 된 금속층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 p측 전극과 동일한 물질로 된 상기 금속층을 형성하는 단계는, 상기 p측 전극을 형성하는 단계와 동시에 실시될 수 있다. 이에 따라, 상기 상부 금속층은 투명 전극층/금속층의 다층 구조를 형성하게 된다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 절연막 상에 상기 상부 금속층을 형성하는 단계는, 상기 절연막 상과 상기 p형 GaN계 클래드층 상에 투명 전극층을 형성하는 단계와; 상기 절연막이 노출되도록 상기 투명 전극층을 선택적으로 제거하는 단계와; 상기 노출된 절연막 상에 상기 p측 전극과 동일한 물질로 된 금속층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 p측 전극과 동일한 물질로 된 상기 금속층을 형성하는 단계는, 상기 p측 전극을 형성하는 단계와 동시에 실시될 수 있다. 이에 따라, 상기 p측 전극과 동일한 물질로 된 상기 금속층은 MIM 형 접합 구조의 상부 금속층을 이루게 된다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법은 상기 질화갈륨계 발광 소자를 보호하기 위한 패시베이션막을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 패시베이션막을 형성하는 단계는, 상기 절연막을 형성하는 단계와 동시에 실시될 수 있다.
본 발명은, 역방향 ESD에 대한 높은 내성을 갖는 질화갈륨계 발광 소자을 제공한다. 역방향 ESD에 대한 내성을 개선하기 위해, n 측 전극으로부터 이격된 위치에서 n형 GaN계 클래드층 상에 2 개 이상의 MIM 형 터널 접합 구조를 형성한다. 이 MIM 형 터널 접합 구조는 금속-절연체-금속(Metal-Insulator-Metal)의 적층 구조를 갖는 것으로서, 역방향 ESD 전압 인가시 이 접합 구조를 통해서 전자가 터널링 될 수 있도록 허용한다. 이에 따라, 발광 소자에 역방향 ESD 전압이 인가될 경우, 발광 소자는 손상을 입지 않게 되어 소자 신뢰성을 높일 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른면, 별도의 다른 재료를 사용할 필요없이, 발광 소자를 제조하기 위해 필요한 n측 전극, 투명 전극층, p측 전극 및 패시베이션막 물질을 MIM 형 터널 접합 구조의 하부 금속층, 상부 금속층 및 절연막 재료로 사용함으로써, 제조 공정을 저비용으로 단순화시킬 수 있게 된다. 본 발명에 따른 발광 소자는 화합물 반도체 발광 소자로서, GaN계 물질을 기반으로 제조된다. 여기서, GaN계 물질이란, AlXGaYInZN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1)로 이루어진 물질을 말한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화갈륨계 발광 소자(300)를 나타내는 개략적인 평면도이고, 도 3은 도 2의 XX'라인과 YY'라인을 따라 자른 단면도이다. 도 2 및 도 3를 참조하면, 사파이어 기판 등으로 이루어진 기판(101) 상에 버퍼층(102), n형 GaN층(103), n형 AlGaN층(104), AlXGaYInZN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1)의 다층 구조로 이루어진 활성층(105) 및 p형 AlGaN층(106)이 순차 적층되어 있다. 여기서, n형 GaN층(103) 및 n형 AlGaN층(104)은 n형 GaN계 클래드층을 구성하고, p형 AlGaN층(106)은 p형 GaN계 클래드층을 구성한다.
이 적층물은, p형 AlGaN층(106), 활성층(105), n형 AlGaN층(104), 및 n형 GaN층(103)의 일부가 제거되어 상기 n형 GaN층(103)의 일부가 노출되는 메사 구조를 이룬다. 노출된 n형 GaN층(103)의 일측 영역(도 3의 B 영역) 상에는 n측 전극(114b)이 형성되어 있고, 상기 노출된 n형 GaN층(103)의 타측 영역(도 3의 A 영역) 상에는, 상기 n측 전극(114b)으로부터 이격되어 2 개의 MIM 형 터널 접합 구조(200)가 형성되어 있다. 상기 2 개의 MIM 형 터널 접합 구조(200)는 배선(114c)을 통해 n측 전극(114b)과 전기적으로 연결되어 있다. p형 AlGaN층(106) 상에는 투명 전극층(110)이 형성되어 있다. 투명 전극층(103)의 일측 상에는 패드 전극을 이루는 p측 전극(112)이 형성되어 있다. 반도체와 전극 사이에 오믹 콘택을 용이하게 형성하기 위해, p형 AlGaN층(106)과 투명 전극층(110) 사이에는 별도의 오믹 콘택층(미도시)이 형성될 수도 있다. 이 오믹 콘택층은, 예를 들어 Zn, Mg, Cu 중 적어도 하나를 포함하는 In2O3으로 형성될 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 MIM 형 터널 접합 구조(200)는, n형 GaN층(103) 상에 복수개(본 실시형태에서는, 2 개) 형성되어 있다. 이 MIM 형 터널 접합 구조(200)는 하부 금속층(114a), 절연막(108) 및 상부 금속층(110)으로 이루어져 있다. 따라서, 상기 접합 구조(200)는, 금속-절연체-금속(Metal-Insulator- Metal; MIM) 구조로 되어 있으며, 커패시터와 유사한 구조를 가지고 있다. 그러나, 이 접합 구조(200)는 커패시터로 사용하는 것이 아니며, 순간적인 역방향의 고전압 인가시, 양자역학적 터널링이 발생하도록 구성된 것이다. 즉, 발광 소자(300)에 역방향 ESD 전압이 인가될 경우, 상기 MIM 형 터널 접합 구조(200)를 통해서 터널링 전류가 흐름으로써 발광 소자 자체에는 ESD로 인한 손상을 받지 않게 된다.
본 실시형태에서는, MIM 형 터널 접합 구조(200)의 하부 금속층(114a)은 n측 전극(114b)과 동일한 물질로 형성되어 있다. 따라서, 제조 공정에 있어서, 상기 하부 금속층(114a)과 n측 전극(114b)을 동시에 형성할 수 있다. 또한, 하부 금속층(114a)과 n측 전극(114b)은 이들과 동일한 물질로 이루어진 배선(114c)을 통해 서로 전기적으로 연결되어 있다. 상기 n측 전극(114b) 재료(따라서, 하부 금속층(114a) 및 배선(114c) 재료)로는, Ti, Ni, Au 또는 AuGe 합금이 사용될 수 있다.
상기 MIM 형 터널 접합 구조(200)의 절연막(108)은, 하부 금속층(114a) 상에 형성되어 있다. 이 절연막(108) 재료로는, 산화규소, 산화알루미늄, 산화티탄, 질화규소 또는 폴리이미드 등을 사용할 수 있다. 상기 MIM 형 터널 접합 구조(200)는 커패시터로 사용되는 것이 아니므로, 상기 절연막(108)의 유전율이 높을 필요는 없다. 역방향 ESD 전압 인가시 절연막(108)을 통하여 전자가 터널링될 수 있도록, 상기 절연막(108)은 10 내지 3000 Å 정도의 두께를 갖는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 100 내지 1000 Å 의 두께를 갖는다. 또한, 상기 절연막(108)은, 발광 소 자를 보호하기 위한 패시베이션막(미도시) 형성과 동시에 형성될 수 있으며, 이 때, 상기 패시베이션막과 동일한 재료로 형성될 수 있다.
상기 MIM 형 터널 접합 구조(200)의 상부 금속층은, 상기 절연막(108) 상에 형성된 투명 전극층(110) 부분으로 이루어질 수 있다. 이 투명 전극층(110)은, p형 AlGaN층(106) 상에도 형성되어 LED 소자의 투명 전극을 이루며, 상기 절연막 상에까지 연장되어 MIM 형 터널 접합 구조(200)의 상부 금속층을 이룬다. 따라서, 제조 공정에 있어서, MIM 형 터널 접합 구조를 위한 상부 금속층과 LED 소자 구현을 위한 투명 전극은 동시에 형성될 수 있다. 상기 투명 전극층(110)은, ITO, SnO2, Ni/Au 이중층, 및 Ni과 Au의 합금으로 형성될 수 있다. 따라서, MIM 형 터널접합 구조(200)의 상부 금속층도 상기 재료로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 복수 개의 MIM 형 터널 접합 구조(200)는, 도 2에 도시된 바와 같이, p측 전극(112)으로부터 동일한 거리로 이격되어 위치한다. 이와 같이 복수 개의 MIM 형 터널 접합 구조(200)가 p측 전극과 동일한 거리를 유지하면, N측 전극에 인가되는 전압을 더욱 낮출 수 있게 된다.
상기 실시형태에 따르면, MIM 형 터널 접합 구조(200)를 구비함으로써, 순간적인 펄스 형태의 역방향 ESD 전압 발생시 대부분의 전류는 상기 접합 구조(200)를 통해 흐르게 된다. 따라서, 질화갈륨계 발광 소자 자체의 손상을 방지할 수 있게 된다. 특히, n측 전극(114b)과 이격된 위치에 2 개 이상의 MIM 형 터널 접합 구조(200)를 배치시킴으로써, 역방향 ESD 전압 인가시 상기 터널 접합 구조(200)를 통해서 효율적으로 방전시킬 수 있게 된다. 또한, 터널 접합 구조(200)의 하부 금속층(114a), 절연막(108) 및 상부 금속층(110)은 발광 소자 구현을 위한 n측 전극, 패시베이션막 및 투명 전극과 동일한 재료로 형성될 수 있으므로, 본 실시형태에 따른 발광소자는 제조 공정의 단순화를 구현하기에 적합하다.
도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화갈륨계 발광 소자의 단면도이다. 도 4에 도시된 질화갈륨계 발광 소자는, MIM 형 터널 접합 구조(202) 영역(A 영역)에서, 투명 전극층(110) 상에 금속층(112a)이 더 형성되어 있다는 점을 제외하고는, 전술한 실시형태의 질화갈륨계 발광 소자와 동일하다. 따라서, 이 실시형태에서, MIM 형 터널 접합 구조(202)는, 하부 금속층(114a)/절연막(108)/투명 전극층(110)/금속층(112a)의 적층 구조를 형성한다. 이 때, 상기 MIM 형 터널 접합 구조(202)의 상부 금속층은, 투명 전극층(110)/금속층(112a)의 다층 구조로 되어 있다. 또한, 투명 전극층(110) 상에 형성된 금속층(112a)은 p측 전극(112)과 동일한 물질로 이루어져 있다. 따라서, 상기 금속층(112a)은 p측 전극(112)과 동시에 형성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 또다른 실시형태에 따른 질화갈륨계 발광 소자의 단면도이다. 도 5에 도시된 질화갈륨계 발광 소자는, MIM 형 터널 접합 구조(201)의 절연막 (108) 바로 위에 p측 전극(112)과 동일한 물질로 된 금속층(112a)이 형성되어 있다는 점을 제외하고는, 전술한 도 3의 실시형태의 발광 소자와 동일하다. 즉, 이 실시형태에서, MIM 형 터널 접합 구조(201)는 투명 전극층(110)을 포함하고 있지 않으며, p측 전극(112)과 동일한 물질로 된 금속층(201) 만이 MIM 형 터널 접합 구조(201)의 상부 금속층을 이룬다. 이 금속층(112a)은 p측 전극(112)과 동시에 형성될 수 있다. 이러한 MIM 형 터널 접합 구조(201)는, 후술하는 바와 같이, 투명 전극층(110)의 선택적 제거를 통해 형성할 수 있다.
이하, 본 발명의 여러 실시형태에 따른 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법을 설명한다. 도 6 내지 도 11은 본 발명의 실시형태들에 따른 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
먼저, 도 6을 참조하면, 사파이어 기판 등의 기판(101) 상에 버퍼층(102)을 형성한다. 이 버퍼층(102)은 기판(101)과 GaN계 반도체 간의 격자 부정합을 완화하기 위한 것으로서, 예를 들어 저온 성장된 GaN층으로 형성될 수 있다. 버퍼층(102) 상에는, n형 GaN층(103), n형 AlGaN층(104), 활성층(105) 및 p형 AlGaN층(106)을 순차 형성한다. 상기 활성층(105)은 예를 들어, GaN층과 InGaN층의 적층 구조를 이루도록 형성될 수 있으며, 다중 양자 우물을 형성할 수 있다. 상기 n형 AlGaN층(104)은, 예를 들어, 1015 내지 1022 /cm3 의 도핑 농도를 갖도록 형성될 수 있다.
다음으로, 도 6에 도시된 적층물을 메사 식각하여, 도 7에 도시된 바와 같은 메사 구조를 얻는다. 즉, p형 AlGaN층(106), 활성층(105), n형 AlGaN층(104), 및 n형 GaN층(103)의 일부를 메사 식각함으로써, n형 GaN층(103)의 일부를 노출시킨다. 이에 따라, 도 7에 도시된 바와 같이, MIM 형 터널 접합 구조가 형성될 영역(A 영역)과 n측 전극이 형성될 영역(B 영역)에서 n형 GaN층(103)이 노출된다. 이 때, 상기 n형 GaN층(103) 및 n형 AlGaN층(104)은 발광 소자의 n형 GaN계 클래드층을 구성하고, 상기 p형 AlGaN층(106)은 발광 소자의 p형 GaN계 클래드층을 구성한다.
다음으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 노출된 n형 GaN층의 A 영역과 B 영역 상에 예를 들어, AuGe 합금층을 형성한다. 이에 따라, A 영역에서는 MIM 형 터널 접합 구조의 하부 금속층(114a)이 형성되고, B 영역에서는 발광 소자의 n측 전극(114b)이 형성된다. 동일 물질(AuGe 합금)로 된 하부 금속층(114a)과 n측 전극(114b)은, 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이 서로 이격되어 있으며, 동일 물질(AuGe 합금)로 된 배선(도 2의 114c 참조)을 통해 서로 전기적으로 연결되어 있다. 그 후, 하부 금속층(114a) 상에 예를 들어, SiO2 로 이루어진 절연막(108)을 100 내지 1000Å의 두께로 형성한다. 도면에는 도시되어 있지 않지만, 절연막(108) 형성시 발광 소자 보호를 위한 패시베이션막을 형성할 수도 있다. 이 경우, 상기 절연막(108)과 패시베이션막은 동일한 재료를 사용하여 형성될 수 있다.
다음으로, 도 9에 도시된 바와 같이, p형 AlGaN층(106)과 절연막(108) 상에 예를 들어 ITO로 된 투명 전극층(110)을 형성한다. 이 투명 전극층(110)은 p형 AlGaN층(106) 상에서는 LED 소자의 투명 전극의 역할을 하며, 절연막(108) 상에서는 MIM 형 터널 접합 구조의 상부 금속층 역할을 한다. 이에 따라, 도 9 에 도시된 바와 같이, n측 전극(114b)과 이격된 위치(A 영역)에는 AuGe층/SiO2층/ITO층으로 이루어진 MIM 형 터널 접합 구조가 형성된다.
다음으로, 도 10에 도시된 바와 같이, p측 AlGaN층(106)이 형성되어 있는 영역에서 투명 전극층(110) 상의 일측에 예를 들어, Ti 층으로 된 p측 전극(112)을 형성한다. 이에 따라, 본 실시형태에 따른 질화갈륨계 발광 소자를 얻게된다. 순방향의 정상적인 전압이 인가될 경우에는 발광 소자의 LED 구조(도 10의 Y-Y' 단면)에서 GaN계 반도체 물질(103~106)을 통해 정상적인 전류가 흐른다. 정상적인 동작 전류 영역에서는 절연막(108)을 통해서는 전류가 흐르지 않으므로, 상기 MIM 형 터널 구조는 일종의 전류 차단층(current blocking layer)의 역할을 한다. 이에 반하여, 만약 역방향 ESD 전압이 인가되면, 대부분의 전류는 발광 소자에 집적된 MIM 형 터널 구조를 통해 흐른다. 즉, 역방향 ESD 전압 인가시, 전자가 절연막(108)을 터널링하여 전류가 하부 금속층(114a)로부터 상부 금속층(즉, 투명 전극층(110))으로 직접 흐르게 된다. 이에 따라, 역방향 ESD 전압으로부터 발광 소자를 보호할 수 있게 된다.
MIM 형 터널 접합 구조가 형성되는 상기 A 영역에서, 투명 전극층(110) 위에 다른 금속층을 더 형성할 수도 있다. 도 11은 투명 전극층(110) 위에 p측 전극과 동일한 재료로 된 금속층(112a)을 더 형성하는 경우를 나타내고 있다. 구체적으로 설명하면, 도 6 내지 도 9를 참조하여 설명한 공정들을 실시한 후, 도 11에 도시된 바와 같이, Ti로 된 p측 전극(112)과 함께, Ti로 된 금속층(112a)를 투명 전극층(110) 상에 동시에 형성한다. 이에 따라, MIM 접합 구조의 상부 금속층은 ITO로 된 투명 전극층(110)과 Ti로 된 금속층(112a)의 다층 구조를 갖게 된다.
도 12 내지 도 13은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 이 실시형태에서도, 먼저 도 1 내지 도 9를 참조하여 설명한 공정들을 실시한다. 그 후, 도 12에 도시된 바와 같이, A 영역에서만 투명 전극층(110)이 제거되도록 투명 전극층(110)을 선택적으로 식각한다. 이에 따라, A 영역에서는 절연막(108)이 노출된다.
다음으로, 도 12에 도시된 바와 같이, 투명 전극층(110)의 일측 상에 Ti로 된 p측 전극(112)을 형성함과 동시에, 노출된 절연막(108) 상에 Ti로 된 금속층(112a)를 형성한다. 이에 따라, AuGe으로 된 하부 금속층(114a), SiO2 로 된 절연막(108), 및 Ti로 된 상부 금속층(112a)의 적층물은, MIM 형 터널 접합 구조를 이루 게 된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, MIM 형 터널 접합 구조를 발광 소자 내에 집적시킴으로써, 역방향 ESD 전압으로부터 질화갈륨계 발광 소자를 효과적으로 보호할 수 있게 된다. 이에 따라, 역방향 ESD에 대한 내성이 향상되어 발광 소자의 신뢰성을 개선하게 된다. 특히, n측 전극과 이격된 위치에 2 개 이상의 MIM 형 터널 접합 구조를 배치시킴으로써, 역방향 ESD 전압 인가시 상기 터널 접합 구조를 통해서 효율적으로 방전시킬 수 있게 된다. 또한, 터널 접합 구조의 하부 금속층, 절연막 및 상부 금속층은 발광 소자 구현을 위한 n측 전극, 패시베이션막 및 투명 전극과 동일한 재료로 형성될 수 있으므로, 보다 단순화된 제조 공정을 구현할 수 있게 된다.

Claims (20)

  1. 기판 상에 순차 형성된 n형 GaN계 클래드층, 활성층, p형 GaN계 클래드층 및 p측 전극을 구비하는 질화갈륨계 발광 소자에 있어서,
    상기 n형 GaN계 클래드층의 일측 영역 상에 형성된 n측 전극; 및
    상기 n측 전극로부터 이격되어 상기 n측 전극과 전기적으로 연결되고, 상기 n형 GaN계 클래드층의 타측 영역 상에 형성된 2 개 이상의 MIM 형 터널 접합 구조를 포함하고,
    상기 MIM 형 터널 접합 구조는, 상기 n형 GaN계 클래드층과 접촉되도록 상기 GaN계 클래드층 상에 형성된 하부 금속층과, 상기 하부 금속층 상에 형성된 절연막과, 상기 절연막 상에 형성된 상부 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부 금속층은 2층 이상의 다층 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하부 금속층은 상기 n측 전극과 동일한 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 p형 GaN계 클래드층과 상기 p측 전극 사이에 투명 전극층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 투명 전극층은 상기 절연막 상으로 연장되어, 상기 상부 금속층의 적어도 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 상부 금속층은, 상기 투명 전극층 상에 형성되고 상기 p측 전극과 동일한 물질로 이루어진 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 상부 전극층은 상기 p측 전극과 동일한 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 2 개 이상의 MIM 형 터널 접합 구조는 상기 p측 전극으로부터 동일한 거리로 이격되어 위치하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 p측 전극은, Ti, Au, Ni, Au와 Al의 합금, Au와 Ti의 합금, Au와 Cu의 합금, Mn 계열 합금, La 계열 합금, Ni 계열 합금 및 Mg 계열 합금으로 이루어진 군으로부터 적어도 하나 선택되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 n측 전극은, Cr, Ti, Ni, Au, Al, Ta, Hf, AuGe 합금, ZnO 및 ITO로 이루어진 군으로부터 적어도 하나 선택되는 것을 특징으로하는 질화갈륨계 발광 소자.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 투명 전극층은, ITO, SnO2, Ni/Au 이중층, Ni과 Au의 합금, 및 ZnO로 이루어진 군으로부터 적어도 하나 선택되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 절연막은 산화규소, 산화알루미늄, 산화티탄, 질화규소 또는 폴리이미드로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 절연막의 두께는, 10 내지 3000 Å 인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 절연막의 두께는, 100 내지 1000 Å 인 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자.
  15. 기판 상에 n형 GaN계 클래드층, 활성층 및 p형 GaN계 클래드층을 순차 형성하는 단계;
    상기 P형 GaN계 클래드층, 활성층 및 GaN계 클래드층의 일부를 메사 식각하여 상기 n형 GaN계 클래드층의 일부를 노출시키는 단계;
    상기 노출된 n형 GaN계 클래드층 상의 일측 영역에 n측 전극을 형성하는 단계;
    상기 n측 전극으로부터 이격되어 상기 n측 전극과 전기적으로 연결되도록, 상기 노출된 n형 GaN계 클래드층 상의 타측 영역에 2 개 이상의 하부 금속층을 형성하는 단계;
    상기 하부 금속층 상에 절연막을 형성하는 단계;
    상기 절연막 상에 상부 금속층을 형성하는 단계; 및
    상기 p형 GaN계 클래드층 상에 p측 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 하부 금속층은 상기 n측 전극과 동일한 물질로 형성되고, 상기 하부 금속층을 형성하는 단계는 상기 n측 전극을 형성하는 단계와 동시에 실시되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 절연막 상에 상기 상부 금속층을 형성하는 단계는, 상기 절연막과 상기 p형 GaN계 클래드층 상에 투명 전극층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 절연막 상에 상기 상부 금속층을 형성하는 단계는, 상기 절연막이 형성된 영역에서 상기 투명 전극층 상에 상기 p측 전극과 동일한 물질로 된 금속층을 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 p측 전극과 동일한 물질로 된 상기 금속층을 형성하는 단계는, 상기 p측 전극을 형성하는 단계와 동시에 실시되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 절연막 상에 상기 상부 금속층을 형성하는 단계는,
    상기 절연막 상과 상기 p형 GaN계 클래드층 상에 투명 전극층을 형성하는 단계;
    상기 절연막이 노출되도록 상기 투명 전극층을 선택적으로 제거하는 단계; 및
    상기 노출된 절연막 상에 상기 p측 전극과 동일한 물질로 된 상부 금속층을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 p측 전극과 동일한 물질로 된 상기 상부 전극층을 형성하는 단계는, 상기 p측 전극을 형성하는 단계와 동시에 실시되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법은, 상기 질화갈륨계 발광 소자를 보호하기 위한 패시베이션막을 형성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 패시베이션막을 형성하는 단계는, 상기 절연막을 형성하는 단계와 동시에 실시되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자의 제조 방법.
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