JP2009530808A - アルミニウムガリウムナイトライドバッファ層を有する発光ダイオード及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバッファ層を有する発光ダイオード及びその製造方法に関し、特に、基板からＧａＮ系半導体層に行くほど、Ａｌの組成比ｘが減少するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）バッファ層を介在させ、基板とＧａＮ系半導体層との間の格子不整合を緩和した発光ダイオード及びその製造方法に関する。
このため、本発明は、基板と、前記基板の上部に位置する第１の導電型半導体層と、前記基板と第１の導電型半導体層との間に介在され、前記基板から前記第１の導電型半導体層に行くほど、Ａｌの組成比ｘが減少するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）バッファ層と、を備える発光ダイオードを提供する。

Description

本発明は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバッファ層を有する発光ダイオード及びその製造方法に関し、特に、基板から第１の導電型半導体層に行くほど、Ａｌの組成比ｘが減少するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）バッファ層を介在させ、基板と第１の導電型半導体層との間の格子不整合を緩和した発光ダイオード及びその製造方法に関する。

発光ダイオードは、Ｎ型半導体とＰ型半導体が互いに接合された構造を有する光電変換半導体素子であり、電子と正孔の再結合により光を発散する。このような発光ダイオードは、表示素子及びパックライトとして広く用いられている。また、発光ダイオードは、既存の電球または蛍光灯に比べて、低消耗電力、長寿命であり、白熱電球及び蛍光灯を代替して、一般照明用途としてその使用領域を広げている。

発光ダイオードには、ベースをなす基板として、安定性のよいサファイア基板が多用されており、その上には、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、ｙ、ｘ＋ｙ≦１）半導体層、すなわち、ＧａＮ系半導体層が成長される。特に、緑色及び青色発光ダイオードの場合、高いバンドギャップを有するＧａＮ系半導体層を用いた発光ダイオードが多い。

しかしながら、ＧａＮ系半導体層とサファイア基板との間の格子不整合のため、サファイア基板上に成長されたＧａＮ系半導体層は、高い欠陥密度を有する問題点があり、これは、発光ダイオードの信頼性、生産性、及び電気的特性の低下等の問題点を引き起こす。

これを解決するために、従来の発光ダイオードは、前記サファイア基板上にＧａＮ系バッファ層を成長させ、その上にドープされたＧａＮ系導電型半導体層を成長させる方法を採用して製造される。

しかしながら、従来の発光ダイオードは、サファイア基板とサファイア基板上に成長されたＧａＮ系バッファ層との間の格子定数の差により、ＧａＮ系バッファ層は、高い欠陥密度を有するようになり、その上に成長されたドープされたＧａＮ系導電型半導体層も、高いストレスにより高い欠陥密度を有するという問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するためのものであり、基板とＧａＮ系半導体層との間の格子不整合を緩和させ、発光ダイオードの欠陥密度を低くすることにある。
また、結晶性、表面形態、及び電気的特性が良好なＧａＮ系半導体層を成長させることに他の目的がある。

上述した目的を達成するための本発明の一側面によると、基板と、前記基板の上部に位置する第１の導電型半導体層と、前記基板と第１の導電型半導体層との間に介在され、前記基板から前記第１の導電型半導体層に行くほど、Ａｌの組成比ｘが減少するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）バッファ層と、を備える発光ダイオードを提供する。
好ましくは、前記Ａｌの組成比は、線形に減少する。

より好ましくは、前記Ａｌの組成比は、段階的に減少する。
さらに好ましくは、前記Ａｌの組成比は、傾斜階段形に減少する。
さらに好ましくは、前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバッファ層のうち、前記Ａｌの組成比が１である部分の厚さは、約１ｎｍ乃至約５０ｎｍである。

さらに好ましくは、前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバッファ層のうち、前記Ａｌの組成比が０である部分の厚さは、約１ｎｍ乃至約５０ｎｍである。
さらに好ましくは、前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバッファ層のうち、前記Ａｌの組成比が１または０ではない部分であって、前記Ａｌの組成比が一定である各部分の厚さは、約１ｎｍ乃至約３０ｎｍである。

上述した目的を達成するための本発明の他の側面によると、基板を用意するステップと、前記基板上に表面に行くほどＡｌの組成比が減少するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）バッファ層を形成するステップと、前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバッファ層上にＧａＮ系半導体層を形成するステップとを含む発光ダイオードの製造方法であることを特徴とする。

好ましくは、前記Ａｌの組成比は、線形に減少する。
より好ましくは、前記Ａｌの組成比は、段階的に減少する。
さらに好ましくは、前記Ａｌの組成比は、傾斜階段形に減少する。

さらに好ましくは、前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバッファ層は、温度が、例えば、４００℃乃至１５００℃であり、圧力が、約１０ｔｏｒｒ乃至約７８０ｔｏｒｒである状態で形成される。

本発明によると、基板からＧａＮ系半導体層に行くほど、Ａｌの組成比ｘが減少するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）バッファ層により、基板とＧａＮ系半導体層との間の格子不整合を緩和させ、発光ダイオードの欠陥密度を低くするという効果がある。

また、基板上にＡｌＮ層を形成し、その上にＡｌの組成比ｘが漸進的に減少するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）バッファ層を成長させた後、ＧａＮ系半導体層を形成し、表面形態及び電気的特性が良好なＧａＮ系半導体層を成長させることができるという効果がある。

以下、添付した図面に基づき、本発明の好適な実施例について詳述する。
図１は、本発明の一実施例による発光ダイオードの断面図である。
図１を参照して説明すると、本発明の一実施例による発光ダイオード１は、サファイア基板１００と、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）バッファ層２００と、第１の導電型半導体層３１０と、活性層３２０と、第２の導電型半導体層３３０と、透明電極４００と、電極パッド５００ａ、５００ｂと、を備える。

前記サファイア基板１００は、安定性の高いサファイアからなり、前記基板１００上には、前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）バッファ層２００が形成される。
前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）バッファ層２００は、前記サファイア基板と前記第１の導電型半導体層３１０（例えば、ＧａＮ系半導体層等）との間に介在され、前記サファイア基板１００から前記第１の導電型半導体層３１０に行くほど、Ａｌの組成比ｘが減少する。

一般に、前記サファイア基板１００と前記第１の導電型半導体層３１０との間には、前記サファイア基板１００と前記第１の導電型半導体層３１０との間の格子不整合を緩和さ
せるためのバッファ層が介在される。前記バッファ層としては、一般にＧａＮバッファ層またはＡｌＮバッファ層が用いられる。

しかし、ＧａＮバッファ層の場合、前記サファイア基板１００との格子定数の差により、前記サファイア基板１００上に単結晶に成長させ難いという問題点があった。特に、前記サファイア基板１００上に成長されたＧａＮバッファ層の場合、高い欠陥密度を有し、これにより、前記ＧａＮバッファ層上に成長される第１の導電型半導体層３１０は、結晶性、表面特性、及び電気的特性が低下する。

それに対して、ＡｌＮバッファ層を用いる場合、前記ＡｌＮバッファ層上に成長された前記第１の導電型半導体層３１０は、前記ＡｌＮバッファ層との格子定数の差により、高い欠陥密度を有するようになる。

これを解決するために、前記サファイア基板１００から第１の導電型半導体層３１０に行くほど、Ａｌの組成比ｘが減少するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバッファ層２００を用いて、結晶性、表面特性、及び電気的特性が改善された第１の導電型半導体層３１０を成長させることができる。

前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバッファ層２００において、前記サファイア基板１００との接触部分には、Ａｌの組成比ｘを１とし、前記第１の導電型半導体層３１０との接触部分には、Ａｌの組成比ｘを０として、欠陥密度が低く、結晶性、表面特性、及び電気的特性等の良好なＧａＮ系第１の導電型半導体層３１０を成長させることができるようにする。

前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバッファ層２００のＡｌの組成比ｘは、図２に示すように線形であり、図３に示すように段階的に、すなわち、階段形、または、図４に示すように傾斜階段形に減少してもよい。前記Ａｌの組成比が階段形に減少する場合、前記ｘは、１、０．８、０．６、０．４、０．２、０のように順次的に減少することができる。

前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバッファ層２００のうち、前記ｘが１である部分の厚さ、すなわち、ＡｌＮバッファ層の厚さは、例えば、約１ｎｍ乃至約５０ｎｍであってもよく、前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバッファ層２００のうち、前記ｘが０である部分の厚さ、すなわち、ＧａＮバッファ層の厚さは、例えば、約１ｎｍ乃至約５０ｎｍであってもよい。また、前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバッファ層２００の組成比が、階段形または傾斜階段形に減少する場合、前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバッファ層２００のうち、前記ｘが１または０ではない部分であって、前記ｘが一定である各部分の厚さは、例えば、約１ｎｍ乃至約３０ｎｍ、好ましくは、約２０ｎｍ乃至約３０ｎｍであってもよい。

前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバッファ層２００は、有機金属化学気相蒸着法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition 、MOCVD ）、ハイドライド気相成長法（Hydride Vapor Phase Epitaxy 、HVPE）、または分子線エピタキシー法（Molecular Beam Epitaxy、MBE ）等を用いて形成することができる。前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバッファ層２００は、温度が、例えば、４００℃乃至１５００℃であり、圧力が、約１０ｔｏｒｒ乃至約７８０ｔｏｒｒである状態で、前記結晶成長法のいずれか一つを用いて成長され得る。

前記第１の導電型半導体層３１０は、Ｎ型Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、ｙ、ｘ＋ｙ≦１）で形成されてもよく、Ｎ型クラッド層を含んでもよい。前記第１の導電型半導体層３１０は、シリコン（Ｓｉ）をドープして形成してもよい。

前記活性層３２０は、電子及び正孔が再結合する領域であって、ＩｎＧａＮを含んでなる。前記活性層３２０をなす物質の種類により、前記発光ダイオード１から放出される発
光波長が決定される。前記活性層３２０は、量子井戸層とバリア層が繰り返して形成された多層膜であってもよい。前記バリア層と井戸層は、一般式Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、ｙ、ｘ＋ｙ≦１）で表れる２元乃至４元化合物半導体層であってもよい。

前記第２の導電型半導体層３３０は、Ｐ型Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ、ｙ、ｘ＋ｙ≦１）で形成されてもよく、Ｐ型クラッド層を含んでもよい。前記第２の導電型半導体層３３０は、亜鉛（Ｚｎ）またはマグネシウム（Ｍｇ）をドープして形成してもよい。

前記発光ダイオード１は、第１の導電型半導体層３１０、活性層３２０、及び第２の導電型半導体層３３０が連続的に積層された構造をなす。前記活性層３２０は、前記第１の導電型半導体層３１０の一部領域上に形成され、前記活性層３２０上には、前記第２の導電型半導体層３３０が形成される。したがって、前記第１の導電型半導体層３１０の上面の一部領域は、前記活性層３２０と接合されており、上面の一部領域は、外部に露出する。

前記透明電極４００は、前記第２の導電型半導体層３３０上に形成される。前記透明電極４００は、板状であり、前記活性層３３０から放出される光を外部に透過させる。前記透明電極４００は、Ｎｉ／Ａｕまたはインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）膜のような透明物質で形成されてもよい。前記透明電極４００は、前記電極パッド５００ａから入力される電流を均一に分散させ、発光効率を高める役割も果たす。

前記電極パッド５００ａ、５００ｂは、前記透明電極４００上及び前記第１の導電型半導体層３１０上に形成される。前記電極パッド５００ａ、５００ｂは、ワイヤによりリード（図示せず）と連結され、外部電源から電源を供給される。

図５は、本発明の一実施例による発光ダイオードの製造方法のフローチャートであり、図６及び図７は、本発明の一実施例による発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図である。

図５及び図６を参照して説明すると、サファイア基板１００を用意する（Ｓ１００）。しかし、本発明を具現するにあたって、サファイア基板以外にも、スピネル基板、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板等の他の種類の基板が用いられてもよい。

その後、前記サファイア基板１００から第１の導電型半導体層に行くほど、Ａｌの組成比が減少するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）バッファ層２００を形成する（Ｓ２００）。
前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバッファ層２００は、有機金属化学気相蒸着法（MOCVD ）、ハイドライド気相成長法（HVPE）、または分子線エピタキシー法（MBE ）等を用いて形成することができる。前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバッファ層２００は、温度が、例えば、４００℃乃至１５００℃であり、圧力が、約１０ｔｏｒｒ乃至約７８０ｔｏｒｒである状態で、前記結晶成長法のいずれか一つを用いて成長され得る。

前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバッファ層２００の厚さ及びＡｌの組成比については、図１及び図２のところで詳しく説明されている。
図５及び図７を参照して説明すると、前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバッファ層２００が形成された以降、前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバッファ層２００上に、半導体層３００、すなわち、第１の導電型半導体層３１０、活性層３２０、及び第２の導電型半導体層３３０を順次形成する（Ｓ３００）。

前記半導体層３００は、有機金属化学気相蒸着法（MOCVD ）、ハイドライド気相成長法（HVPE）、または分子線エピタキシー法（MBE ）等を用いて形成することができる。また、前記半導体層３００は、同一の工程チェンバーで連続的に形成されてもよい。

前記半導体層３００が形成された後、前記第２の導電型半導体層３３０上に透明電極４００を形成する（Ｓ４００）。
前記透明電極４００が形成された後、フォトリソグラフィー及びエッチング工程により、前記第２の導電型半導体層３３０及び活性層３２０をパターニングまたはエッチングし、前記第１の導電型半導体層３１０の上部の一部領域を露出させる（Ｓ５００）。

その後、前記露出した第１の導電型半導体層３１０上に電極パッド５００ｂを形成し、前記透明電極４００上に電極パッド５００ａを形成し（Ｓ６００）、手続きを終了する。前記電極パッド５００ａ、５００ｂは、リフトオフ法を用いて形成されてもよい。

本発明の一実施例を説明するにあたって、サファイア基板を中心として説明しているが、サファイア基板以外にも、スピネル基板、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板等の他の種類の基板が用いられてもよいことは言うまでもない。

以上、本発明は、上述した実施例に限定されず、当業者により様々な変形及び変更が可能であり、これは、添付の請求の範囲において定められる本発明の趣旨と範囲に含まれる。

本発明の一実施例による発光ダイオードの断面図。 本発明の一実施例によるＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバッファ層のＡｌの組成比対厚さを示すグラフ。 本発明の他の実施例によるＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバッファ層のＡｌの組成比対厚さを示すグラフ。 本発明のまた他の実施例によるＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバッファ層のＡｌの組成比対厚さを示すグラフ。 本発明の一実施例による発光ダイオードの製造方法のフローチャート。 本発明の一実施例による発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図。 本発明の一実施例による発光ダイオードの製造方法を説明するための断面図。

符号の説明

１…発光ダイオード、１００…サファイア基板、２００…Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバッファ層、３００…半導体層、３１０…第１の導電型半導体層、３２０…活性層、３３０…第２の導電型半導体層、４００…透明電極、５００ａ，５００ｂ…電極パッド。

Claims (12)

1. 基板と、
   前記基板の上部に位置する第１の導電型半導体層と、
   前記基板と第１の導電型半導体層との間に介在され、前記基板から前記第１の導電型半導体層に行くほど、Ａｌの組成比ｘが減少するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）バッファ層と、
   を備えることを特徴とする発光ダイオード。
2. 前記Ａｌの組成比は、線形に減少することを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
3. 前記Ａｌの組成比は、段階的に減少することを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
4. 前記Ａｌの組成比は、傾斜階段形に減少することを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
5. 前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバッファ層のうち、前記Ａｌの組成比が１である部分の厚さは、約１ｎｍ乃至約５０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
6. 前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバッファ層のうち、前記Ａｌの組成比が０である部分の厚さは、約１ｎｍ乃至約５０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
7. 前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバッファ層のうち、前記Ａｌの組成比が１または０ではない部分であって、前記Ａｌの組成比が一定である各部分の厚さは、約１ｎｍ乃至約30ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード。
8. 基板を用意するステップと、
   前記基板上に表面に行くほどＡｌの組成比が減少するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）バッファ層を形成するステップと、
   前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバッファ層上にＧａＮ系半導体層を形成するするステップと、
   を含むことを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
9. 前記Ａｌの組成比は、線形に減少することを特徴とする請求項８に記載の発光ダイオードの製造方法。
10. 前記Ａｌの組成比は、段階的に減少することを特徴とする請求項８に記載の発光ダイオードの製造方法。
11. 前記Ａｌの組成比は、傾斜階段形に減少することを特徴とする請求項８に記載の発光ダイオードの製造方法。
12. 前記Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバッファ層は、温度が、４００℃乃至１５００℃であり、圧力が、約１０ｔｏｒｒ乃至約７８０ｔｏｒｒである状態で形成されることを特徴とする請求項８に記載の発光ダイオードの製造方法。

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