JP2006527503A - 発光素子及び発光素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
活性層と窒化ガリウム系層の間に、活性層に流入される逆電圧を遮断する多重層が介入されることで、発光素子の信頼性と発光素子の作動特性が向上する発光素子が開示される。
Description
本発明は発光素子に関することで、より具体的には作動上の信頼性が改善される発光素子及び発光素子の製造方法に関することである。より詳細に説明すると、静電気から発光素子が保護されて降伏電圧が高くなることで、発光素子の作動上の信頼性が向上する発光素子及び発光素子の製造方法に関することである。
発光素子は化合物半導体の特性を利用して電気を光で変換させる素子として、家庭用家電製品、リモートコントローラー、電光板、標示器、各種自動化器機等に広く使われる。前記発光素子の代表的な例では発光ダイオード(Light Emitting Diode: LED)がある。
前記LEDの作動原理は特定元素の半導体に順方向電圧を加えれば陽極と陰極(Positive-Negative)の接合(junction)部分で電子と精工が移動しながら互いに再結合するのに、この時電子と正孔(ホール)の結合によってエネルギー準位(レベル)が落ちて光が放出される動作が遂行される。
前記LEDは普遍的に0.25mm2で非常に小さくて大きさに製作されて、モールドによって固定され、リードプレームにより電源が印加されて、 PCB (Printed Circuit Board: PCB)に実装される構造をしている。現在一番普遍的に使うLEDは5mm(T 1 3/4)プラスチックパッケージがあって、 LEDの特定応用分野によって新しい形態のパッケージが開発されている。そして、前記LEDは情報通信器機の小型化、スリム化の傾向によって器機の各種部品である抵抗、コンデンサー、ノイズフィルター等はより小型化されていて、このような小型化、スリム化の必要を満たすために基板に直接装着される表面実装素子(Surface Mount Device: SMD)型にもLEDが実装されている。
前記LEDで放出する光は、半導体チップを成す化合物半導体の構成元素の種類及び配合にしたがってその波長及び色が決定される。
このごろになっては、赤色と緑色の発光ダイオードに引き続いて青色の発光ダイオードが開発され前記発光ダイオードの使用先はより広くなる傾向にあって、例えばディスプレー機器の光源、白色電燈に適用されることもできる。又、発光素子の輝度が増大されることによって、電光板や携帯電話のカメラに対してもその使用先が広くなっている実情である。
一般的な青色発光ダイオードの構造を説明すれば、先にサファイア基板と、前記基板上に形成されるバッファー層と、前記バッファー層上に形成されるドーピングされないGaN層と、前記ドーピングされないGaN層上に形成されるN型GaN層と、前記N型窒化ガリウム層上に形成される活性層と、前記活性層上に形成されるP型窒化ガリウム層が含まれる。
前記活性層は発光領域として窒化インジウムガリウム(InGaN)になった発光体物質を添加した半導体層である。
前記P型窒化ガリウム層と前記N型窒化ガリウム層は互いに対照になる層として、前記N型窒化ガリウム層は外部で印加される電圧によって電子等が移動して、前記P型窒化ガリウム層は外部で印加される電圧によって正孔等が移動して前記活性層で正孔と電子が互いに結合して発光するようになる。
前記される従来の発光素子は発光量を増加させて輝度を向上させれば発光素子の信頼性が落ちるようになって、信頼性を向上させようと思えば発光素子の光輝度が減少する問題がある。特に、その輝度が要求される電光板、携帯電話に実装されるためにはその信頼性が要求されるのに、信頼性を向上させるためには発光素子に形成された各層の結晶性を向上させなければならない。しかし、発光素子は望む光の波長を発光させるための構造的な制約があるため、信頼性を向上させるのにあって限界がある。
又、発光ダイオードの輝度を向上させるためには高電流及び高電圧が印加されて、このように高電圧が印加されれば活性層が破損される場合が頻繁にあって、このような問題によって発光素子の信頼性はより低下される。
一方、高電圧によって発光素子に隣接される電子部品から印加される静電気(ElectroStatic Discharge: ESD)及び人体で発生される静電気が発光素子に印加される場合には、発光素子、特に発光素子の活性層が破壊される場合が頻発する問題点がある。このような静電気と関連する問題を解決するために発光素子の電源印加端にジェナーダイオードに例示されるダイオードが追加的により使われて製造価が高くなる問題点がある。
本発明は前記される問題点を改善するために提案されることとして、発光素子の作動上の信頼性を改善させることができる発光素子及び発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
又、発光素子の輝度が増大されながらも発光素子の信頼性が低下されない発光素子及び発光素子の製造方法を提案することを目的とする。
又、発光素子の電源印加に別途のダイオードが提供される必要がないために、発光素子の実装がより簡便になる発光素子及び発光素子の製造方法を提案することを目的とする。
前記する目的を果たすための本発明による発光素子は基板;前記基板の上に提供される窒化ガリウム系層;前記窒化ガリウム系層の上に提供されるN型窒化ガリウム系層;前記N型窒化ガリウム系層の上に提供されインジウムの含量が他の少なくとも1個のInxGa1-xN/InyGa1-yN多重層(0<x、y<1);及び前記InxGa1-xN/InyGa1-yN多重層の上に提供されるP型窒化ガリウム系層が含まれる。
他の側面による本発明の発光素子は第1窒化ガリウム系層;第2窒化ガリウム系層;前記第1窒化ガリウム系層と第2窒化ガリウム系層の間に形成される活性層;及び前記第2窒化ガリウム系層と活性層の間に介入されて静電気の流入を遮断する多重層が含まれる。
又他の側面による本発明の発光素子の製造方法は基板上にバッファー層を形成する段階;前記窒化ガリウム層上にN型窒化ガリウム系層を形成する段階;前記N型窒化ガリウム系層上に成長温度が互いに異なる多重層を形成する段階;前記多重層上に活性層を形成する段階;及び前記活性層上にP型窒化ガリウム系層を形成する段階が含まれる。
本発明によれば発光素子の降伏電圧(ブレーキダウン ボルテージ)特性が改善して発光素子の信頼性の向上する長所がある。
又、発光素子に印加される静電気から発光素子特に、発光素子の活性層が保護されて高電圧による活性層の破壊が防止される長所がある。
又、発光素子の光効率特性はそのまま維持されながら発光素子の作動上の信頼性が改善する長所がある。
又、発光素子の実装の時に静電気の流入を遮断する別途のダイオードが必要ではなくなるので、発光素子パッケージの原価が節減されて、パッケージの嵩が小くなる長所を得ることができる。
以下、添付した図面を参照して発明の望ましい実施例を詳細に説明する。
図1乃至図4は本発明による発光素子の製造方法を順次に図示する発光素子の断面図で、図5は本発明による発光素子の断面図である。
先に、図1及び図2を参照すれば、サファイア基板(200)上に一定な温度状態下でGaN系列のバッファー層(201)(GaN buffer layer)を形成して、前記バッファー層(201)上に低速成長窒化ガリウム層(203)を続けて形成する。ここで、前記バッファー層(201)は500〜600℃の温度下で成長されることができる。
前記低速成長窒化ガリウム層(203)は、前記バッファー層(201)の欠陷(defect)等が前記低速成長窒化ガリウム層(203)以後に形成されるドーピングされないGaN層(205)(Un-Doped GaN layer)及びそれと接した窒化層に伝えることを防止するために形成される。
図3を参照すれば、前記低速成長窒化ガリウム層(203)が形成されれば、ドーピングされないGaN層(205)(Un-Doped GaN Layer)を一定な温度で成長させて、続いてN型にドーピングされたN-GaN層(207)を連続して形成する。前記ドーピングされないGaN層(205)は1000〜1100℃の温度雰囲気下で成長させることができる。
前記N型にドーピングされたN-GaN層(207)が成長された後には、図4に図示されるところのように、活性層(図5の211参照)を形成する前に、静電気(ESD)による素子保護及び作動信頼性を向上させるためにInGaN/InGaN多重層(209)を形成する。
詳細に説明すると、前記InGaN/InGaN多重層(209)は高温状態と低温状態で積層されるそれぞれの層が相互に複数個が形成されるが、第1 InGaN層(209a)はおおよそ900℃状態で1~3000Åの厚さに成長して、第2 InGaN層(209b)は900℃以下の温度であるおおよそ800℃から1〜3000Åの厚さに成長する。図面では、前記第1 InGaN層(209a)と第2 InGaN層(209b)が一回で成長されたことに図示されているが、これに制限されなくて、それぞれの層が相互に複数個に成長されることができることは自明である。又、第1 InGaN層(209a)が先に積層されることに図示されているが、これに制限されなくて第2 InGaN層(209b)が先に積層されることもある。
一方、前記InGaN/InGaN多重層(209)は超格子構造(Super Lattice)を成すことが望ましい。
前記InGaN/InGaN多重層(209)の形成方法を詳細に説明する。
前記InGaN/InGaN多重層(209)はTMGa、 TMInのアルキル系ソース(Alkyl source)とアンモニア(NH3)、窒素(N2)で成り立つ水素化物(hydride gas)を利用して成長させる。ここで、前記TMGaの量は50〜500μmol、 TMInの量は25〜500μmol、 NH3及びN2の量は1〜100literを使う。
又、前記InGaN/InGaN多重層(209)は水素(H2)が除去された状態で成長されるようにすることで、前記InGaN/InGaN多重層(209)に水素が添加されないようにする。
このように、前記InGaN/InGaN多重層(209)が互いに異なる温度条件で成長すれば、インジウムとガリウムの割合が前記第1 InGaN層(209a)と第2 InGaN層(209b)で互いに異なるようになる。詳細に説明すれば、インジウムは温度が高ければ高いほど少ない量が成長する層に含まれるから、温度が高ければインジウムの含量が少ない第1 InGaN層(209a)で成長して、温度が低ければインジウムの含量が多い第2 InGaN層(209b)で成長するのである。
前記インジウムの含量は下記される数学式1のように提示されることができる。
前記数学式1を参照すれば、成長温度が低い第2 InGaN層(209b)はInの含量が比較的多くて、成長温度が高い第1 InGaN層(209a)はInの含量が比較的少なくなるようになるのである。
前記するところのようなInGaN/InGaN多重層(209)は前記N-GaN層(207)で起因する転位(dislocation)と欠陷(defect)などは勿論で、超格子構造で生成される欠陷が加わるため、表面には六方晶系ピット(図7の10参照)(Hexagonal Pit)等が多数個形成される。
前記六角晶系ピットの個数は前記InGaN/InGaN多重層(209)表面上に5μm×5μmの面積に50個以下で形成されることが望ましい。
前記六方晶系ピット(10)等は発光素子に静電気による逆電圧が加えられる時に一次的に電流減少が成り立つ役目をするから、高電流及び高電圧が加えられる時活性層(図5の211参照)を保護することができる。又、電流が消滅するとか、前記六方晶系ピット等が電流が流れることができる抜け道を提供するようになって活性層(211)を通過しないで流れることができるようになる。
前記六方晶系ピット(10)等は発光素子に静電気による逆電圧が加えられる時に一次的に電流減少が成り立つ役目をするから、高電流及び高電圧が加えられる時活性層(図5の211参照)を保護することができる。又、電流が消滅するとか、前記六方晶系ピット等が電流が流れることができる抜け道を提供するようになって活性層(211)を通過しないで流れることができるようになる。
前記六方晶系ピット(10)は一種のカペシト(コンデンサー)の役目を遂行することとして、発光素子が発光されるために順方向の電圧が印加される時にはコペシトには順方向の電圧が充電されているが、静電気によって逆方向の高電圧が短い瞬間に加えられれば、逆方向に電圧が充電される役目が遂行されるため、高圧の静電気が活性層(211)に加えられることが抑制されることができるようになる。従って、外部に印加される高電圧に対して素子保護の機能を遂行することができるようになる。
図5を参照すれば、前記InGaN/InGaN多重層(209)成長した後には続いて多重養子井戸構造を持つInGaN/GaNの構造を持つ活性層(211)を成長させる。前記活性層(211)はおおよそ600〜800℃の温度下で成長させる。そして、前記活性層(211)が成長すればMg成分の不純物にドーピングされたP-GaN層(220)を成長させることで発光素子を完成するようになる。
図6は従来技術によるN-GaN層のAFM(Atomic Force Microscope)イメージで、図7は改善された本発明の多重層のAFM(Atomic Force Microscope)イメージを図示している。
図6と図7を参照すれば、従来N-GaN層表面にはピットが形成されていないが、本発明のInGaN/InGaN多重層(209)上には多数個の六方晶系ピット(10)が形成されていることを見られる。
前記InGaN/InGaN多重層(209)上に形成された六方晶系ピット(10)等は発光素子に印加される逆方向の電流を消滅させるとか、活性層(211)にまで至らなくても電流が流れることができる道の役目をするため、外部で印加される静電気によって活性層が損傷を負うことを防止することができる。結局、発光素子に印加される高電圧による発光素子の破壊を最小化させることができるようになるのである。
表1は従来発光素子と本発明の発光素子の静電気に対する耐力特性を比較したテーブルである。
前記表1に提示されるところのように、前記InGaN/InGaN多重層(209)がより提供される場合には他の条件等は同一な状態でおおよそ20倍位の逆方向電圧に対しても発光素子が正常に作動されることが見られる。
このように本発明が思想が適用される場合には発光素子の降伏電圧が大きさのため、外部で静電気が印加されても発光素子には影響を及ぼさないことが分かる。そして、他の条件等は同一に維持される状態で前記nGaN/InGaN多重層(209)が介入されるだけで、高い降伏電圧を得ることができる長所がある。
又、前記InGaN/InGaN多重層(209)のポトルミノンス(Photoluminescence: PL)測定特性は、イエロバンド(Yellow band)とN-GaNでのポトルミノンス勢気の割合(Yellow band intensity/N-doped GaN intensity ratio)は0.4以下にすることで発光素子の作動信頼性をより向上させることができる。
［発明の実施のための形態］
本発明の思想は提示される実施例に限定されないで、以下請求範囲で請求する本発明の要旨を脱することなしに当該発明が属する分野で通常の知識を持った者なら誰でも多様な変更実施が可能なはずである。
本発明の思想は提示される実施例に限定されないで、以下請求範囲で請求する本発明の要旨を脱することなしに当該発明が属する分野で通常の知識を持った者なら誰でも多様な変更実施が可能なはずである。
例えば、発光ダイオード及びレーザーダイオードのある形態にも適用されて活性層の隣接される層として前記InGaN/InGaN多重層(209)が形成されれば、活性層に及ぶ静電気の効果を抑制して発光素子の信頼性及び作動特性を向上させることができる。
前記する本発明によって発光素子の光効率と既存の成長方法はそのまま維持しながら、静電気に対する耐力特性を改善することができる利点がある。
又、従来の光効率を維持しながら発光素子の作動信頼性を改善させることができる利点がある。そして、光量が増大されるようにするために、高電圧及び高電流が加えられる場合にも安定的に発光素子が作動される長所がある。
又、発光素子に静電気の流入を阻む別途のダイオードが必要ではないので、発光素子がパッケージ化された時にも製造化が節減される長所を得ることができる。
Claims (25)
- 基板と、
前記基板の上に提供される窒化ガリウム系層と、
前記窒化ガリウム系層の上に提供されるN型窒化ガリウム系層と、
前記N型窒化ガリウム系層の上に提供されてインジウムの含量が他の少なくとも1個のInxGa1-xN/InyGa1-yN多重層(0<x、y<1) 、及び
前記InxGa1-xN/InyGa1-yN多重層の上に提供されるP型窒化ガリウム系層が含まれる発光素子。 - 前記多重層には多数個のピットが形成されることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 前記ピットは5μm×5μmの面積に50個以下が形成されることを特徴とする請求項２に記載の発光素子。
- 前記多重層を成す各層の厚さは1〜3000Åであることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 前記多重層のポトルミノンス特性はイエロバンドとN-GaNでのポトルミノンス世紀の割合が0.4以下であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 第1窒化ガリウム系層と、
第2窒化ガリウム系層と、
前記第1窒化ガリウム系層と第2窒化ガリウム系層の間に形成される活性層、及び
前記第2窒化ガリウム系層と活性層の間に介入されて静電気の流入を遮断する多重層が含まれる発光素子。 - 前記多重層はInxGa1-xN/InyGa1-yN(0<x、y<1)で形成されることを特徴とする請求項６に記載の発光素子。
- 前記多重層には多数個のピットが形成されることを特徴とする請求項６に記載の発光素子。
- 前記多重層はインジウムの含量が他の複数個の層が相互に積層されることを特徴とする請求項６に記載の発光素子。
- 前記多重層は成長温度が他の複数個の層が相互に積層されることを特徴とする請求項６に記載の発光素子。
- 前記多重層を成す種類が他の二つの層はそれぞれ800℃と900℃で形成されることを特徴とする請求項６に記載の発光素子。
- 前記多重層には5μm×5μmの面積に50個以下で提供されるピットが形成されることを特徴とする請求項６に記載の発光素子。
- 前記多重層には六方晶系のピットが複数個が形成されることを特徴とする請求項６に記載の発光素子。
- 前記多重層を成す各層でインジウムの含量は、ガリウムとインジウムの全体対比最高3%の以下であることを特徴とする請求項６に記載の発光素子。
- 前記多重層を成す各層でインジウムの含量は、ガリウムとインジウムの全体対比最低2%の以上であることを特徴とする請求項６に記載の発光素子。
- 前記第2窒化ガリウム層はN-GaN層であることを特徴とする請求項６に記載の発光素子。
- 基板上にバッファー層を形成する段階と、
前記窒化ガリウム層上にN型窒化ガリウム系層を形成する段階と、
前記N型窒化ガリウム系層上に成長温度が互いに異なる多重層を形成する段階と、
前記多重層上に活性層を形成する段階、及び
前記活性層上にP型窒化ガリウム系層を形成する段階を含む発光素子製造方法。 - 前記多重層はInGaNでInの含量が他の層が相互に複数個積層されることを特徴とする請求項１７に記載の発光素子の製造方法。
- 前記多重層は高温状態と低温状態でそれぞれ形成される複数個の層で提供されることを特徴とする請求項１７に記載の発光素子の製造方法。
- 前記多重層で高温状態の温度は900℃で形成されることを特徴とする請求項１９に記載の発光素子の製造方法。
- 前記多重層で低温状態の温度は800℃で形成されることを特徴とする請求項１９に記載の発光素子の製造方法。
- 前記多重層はTNGa、 TMIn、アンモニア、窒素を使って形成されることを特徴とする請求項１７に記載の発光素子の製造方法。
- 前記多重層の各層の厚さは1〜3000Åであることを特徴とする請求項 １７に記載の発光素子の製造方法。
- 前記バッファー層上に低速成長窒化ガリウム系層を形成する段階がより遂行されることを特徴とする請求項 １７に記載の発光素子の製造方法。
- 前記低速成長窒化ガリウム系層上にドーピングされない窒化ガリウム層が形成される段階がより遂行されることを特徴とする請求項 １７に記載の発光素子の製造方法。
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