JP2010512017A - 電流拡散層を含む発光ダイオードの製造方法 - Google Patents
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Abstract
異種接合構造を利用したｎ−型及びｐ−型電流拡散層を形成するステップと、ドライエッチングを用いてｎ−型及びｐ−型電流拡散層にトレンチを形成するステップと、ｎ−型金属電極層をｎ−型電流拡散層に形成されたトレンチ内に形成するステップと、ｐ−型金属電極層をｐ−型電流拡散層に形成されたトレンチ内に形成するステップと、透明電極層をｐ−型金属電極層上に形成するステップとを含むことによって、従来の発光ダイオード製造方法に比べてｎ−型及びｐ−型電極層で電流拡散特性を改善して、発光ダイオードの動作特性を高める、窒化物半導体を利用した発光ダイオードの製造方法を提供する。
Description
本発明は、ガリウム（Gallium；Ｇａ）、アルミニウム（Aluminum；Ａｌ）、インジウム（Indium；Ｉｎ）などのＩＩＩ族元素と窒素を含むＩＩＩ族−窒化物半導体を利用して発光ダイオードを製造する方法に関し、より詳細には、ｎ−型及びｐ−型電極を形成する工程で低抵抗及び高い表面電子／正孔濃度を有する二次元電子ガス層（2 dimensional electron gas：２−ＤＥＧ）及び二次元正孔ガス層（2 dimensional hole gas：２−ＤＨＧ）を形成する工程を含む窒化物系発光ダイオードの製造方法に関する。
一般的に、ＩＩＩ族−窒化物半導体は、直接遷移型半導体であって、可視光線から紫外線まで波長制御が可能であり、高い熱的及び化学的安定性、高い電子移動度及び飽和電子速度、大きいエネルギーバンドギャップなど既存のＧａＡｓ及びＩｎＰ系化合物半導体に比べて優れた特性を有している。このような特性を用いて、ＩＩＩ族−窒化物半導体は、可視光領域の発光ダイオード（ＬＥＤ）及びレーザーダイオード（ＬＤ）などの光素子、高出力及び高周波特性が要求される次世代無線通信及び衛星通信システムに使用される電子素子など既存の化合物半導体では限界性を有する分野に応用範囲が拡大されている。ＩＩＩ族−窒化物半導体の発光特性は、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮなどで構成される活性層及び活性層で放出された光を外部に取り出すｐ−型電極層によって左右される。
しかしながら、ＩＩＩ族−窒化物半導体の発光特性は、活性層と電極層間との間の格子不整合及び成長温度の差異などに起因して、量子効率を高めることが困難である。特に、サファイア基板を使用する場合において、電流集中効果が発生しやすいのは、ｎ−型及びｐ−型電極が同一平面上に存在する電極構造のためである。さらに、ｐ−型ＧａＮの場合には、電流集中効果は高い抵抗率及び低い移動度に発生し、発光及び熱発生は不均一であり、その結果、発光ダイオードの特性を低下する。したがって、発光ダイオードの特性を改善するために、電流集中を減少することができる様々な素子構造及び製造工程に関する研究が行われている。
本発明の目的は、ｎ−型及びｐ−型電極層に含まれている二次元電子ガス（2-dimensional electron gas：2-DEG）層及び二次元正孔ガス（2-dimensional hole gas：2-DHG）層を電流拡散層として利用し、ｎ−型及びｐ−型電流拡散層内にトレンチを形成することによって蒸着された金属電極層を含む窒化物系発光ダイオードの製造方法を提供することである。
上記の問題を解決し、特に発光ダイオードの電流拡散特性を改善するために、電流拡散層を、ｎ−型及びｐ−型電極層内に電流拡散層を形成する。すなわち、各々の電極層をエッチングしてトレンチを形成し、及び金属電極をトレンチ内に蒸着する。
本発明の態様によると、（ａ）基板上に緩衝層を形成するステップと、（ｂ）緩衝層上に異種接合構造を利用したｎ型電流拡散層を含む多層構造のｎ−型電極層を形成するステップと、（ｃ）ｎ−型電極層上に活性層を形成するステップと、（ｄ）活性層上に異種接合構造を利用したｐ型電流拡散層を含む多層構造のｐ−型電極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は、（ｅ）ｐ−型電極層が形成された後、ｎ−型電極層に形成されたｎ型電流拡散層が露出するようにエッチングするステップと、（ｆ）エッチング工程を利用して露出したｎ型電流拡散層及びｐ型電流拡散層の各々にｎ−型トレンチ及びｐ−型トレンチを形成するステップと、（ｇ）各々のトレンチに金属電極層を挿入し、ｎ−型金属電極層及びｐ−型金属電極層を形成するステップと、（ｈ）ｐ−型金属電極層上に透明電極層を形成するステップと、をさらに含む。
（ｂ）ステップは、（ｂ１）電子を供給するｎ−ＧａＮ層を形成するステップと、（ｂ２）ｎ−ＧａＮ層上にＡｌＧａＮ／ＧａＮ異種接合構造であるｎ−型電流拡散層を形成するステップと、（ｂ３）ｎ−型電流拡散層上にｎ+−ＧａＮ層を形成するステップと、を含む。
（ｄ）ステップは、（ｄ１）正孔を供給するｐ−ＧａＮ層を形成するステップと、（ｄ２）ｐ−ＧａＮ層上にｐ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮ異種接合構造であるｐ−型電流拡散層を形成するステップと、（ｄ３）ｎ−型電流拡散層上にｐ型障壁層を形成するステップと、を含む。
ｎ−型トレンチ及びｐ−型トレンチの厚さは、異種接合構造の１〜３周期範囲であり、ｐ型障壁層は、３０〜１００Å厚さ範囲のｐ＋−ＡｌＧａＮ層である。ｎ型電流拡散層を二次元電子ガス層として利用するために、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ異種接合構造でＡｌＧａＮ層はドーピングせずに、ＧａＮ層はシリコンでドーピングする。ｐ型電流拡散層を二次元正孔ガス層として利用するために、ｐ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮ異種接合構造でｐ−ＡｌＧａＮ層は１０17／ｃｍ-3以下で、ＧａＮ層は１０17／ｃｍ-3以上でＭｇドーピングする。
以上説明したように、異種接合によって形成された２−ＤＥＧ及び２−ＤＨＧ構造をｎ−型及びｐ−型電流拡散層として利用することによって、既存のｎ−ＧａＮ及びｐ−ＧａＮのバルク構造に比べて二次元平面上での電流移動が速くなる。このように、現在の大面積発光ダイオードで問題点として認識される部分的な電流集中効果及び発光特性の不均一性を低減し、大面積発光ダイオードを製造することを可能にする。
さらに、前述の構成において、金属電極をトレンチ内部に挿入することで、金属電極を既存の発光ダイオードに比べて後続工程によって平坦化することができる。このように、様々な種類の素子を発光ダイオードと一緒に集積することができる。
また、電流拡散のための多層構造を有するｐ−型電極層は、異種接合構造による電流拡散層、エピタキシャル構造の最終層である薄いＡｌＧａＮ層に形成された２−ＤＨＧ層及び透明金属電極層を含む。従って、ｐ−ＧａＮの低い正孔移動度及び高い薄膜抵抗に起因して電流拡散特性が低下する短所を克服し、発光ダイオードの均一度向上及び大面積化が可能になる。
以下、添付の図面を参照して本発明の実施例を具体的に説明する。しかしながら、本発明は以下に開示された実施形態に限定されず、様々な形式で実装されることができる。従って、以下の実施形態はこの開示を完全にして当業者にとって可能となるために説明される。
図１は、本発明の例示的な実施形態にかかる窒化物系発光ダイオードのエピタキシャル構造を示す断面構造図である。図１を参照すれば、窒化物系発光ダイオード１０は、基板１１、基板１１上に形成された緩衝層１２、緩衝層１２上に形成されたＧａＮ支持層１３、ＧａＮ支持層１３上に形成されたｎ−型電極層１４、ｎ−型電極層１４上に形成された活性層１５、活性層１５上に形成されたｐ型クラッド層１６、及びｐ型クラッド層１６上に形成されたｐ−型電極層１７を含む。
例えば、基板１１は、サファイア基板である。基板１１上に形成される緩衝層１２は、低温で成長された低温緩衝層である。低温緩衝層１２上に形成されるＧａＮ支持層１３は、結晶性を向上するドーピングしないＧａＮ層であり、２〜３μｍの厚さに成長する。
次に、ｎ−型電極層１４をＧａＮ支持層１３上に形成し、ｎ−型電極層１４は、電子を供給するｎ−ＧａＮ層１４ａと、ｎ−ＧａＮ層１４ａ上に形成され、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ異種接合構造を有するｎ型電流拡散層１４ｂと、電流拡散層１４ｂ上に形成されるｎ＋型電極層であるｎ+−ＧａＮ層１４ｃとを含む。ここで、ｎ−ＧａＮ層１４ａは、３〜５×１０18ｃｍ-3の電子濃度を有し、厚さは２〜３μｍである。さらに、ＡｌxＧａ1-xＮ／ＧａＮ異種接合構造を有する電流拡散層１４ｂにおいて、Ａｌ組成比である「ｘ」の範囲が０．１〜０．３の間であり、ＡｌＧａＮ及びＧａＮの各々の厚さは３０〜３００Åの範囲である。ｎ型電流拡散層１４ｂを二次元電子ガス層（２−ＤＥＧ）として形成するために、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ二重接合構造のＡｌＧａＮ層をドーピングせず、ＧａＮ層をＳｉでドーピングする。次に、ｎ型電流拡散層１４ｂ上に形成されるｎ+−ＧａＮ層１４ｃは、３〜５×１０18ｃｍ-3の電子濃度及び０．５〜１μｍの厚さを有する。
次に、活性層１５をｎ+−ＧａＮ層１４ｃ上に形成する。活性層１５は、発光波長を決定するＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple quantum well）構造で成長する。次に、ｐ−型クラッド層１６は、活性層１５（すなわち、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ ＭＱＷ）上に形成され、電流障壁として機能する。ｐ−型クラッド層１６は、ｐ−ＡｌxＧａ1-xＮ障壁であり、Ａｌの組成比である「ｘ」の範囲は、０．１〜０．２であり、厚さは、３０〜１０００Åの範囲である。
ｐ型電極層１７を、ｐ−型クラッド層１６上に形成する。ｐ−型電極層１７は、正孔を供給するｐ−ＧａＮ層１７ａと、ｐ−ＧａＮ層１７ａ上に形成され、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ異種接合構造を有するｐ型電流拡散層１７ｂと、電流拡散層１７ｂ上に形成されるｐ型障壁層１７ｃとを含む。ここで、ｐ−ＧａＮ層１７ａの厚さは、５００〜５０００Å範囲である。さらに、ｐ−ＧａＮ層１７ａ上に形成され、ｐ−ＡｌxＧａ1-xＮ／ＧａＮ構造を有するｐ−型電流拡散層１７ｂにおいて、「ｘ」の範囲は０．１〜０．３であり、ＡｌＧａＮ及びＧａＮの各々の厚さは３０〜３００Åの範囲である。二次元正孔ガス層（２−ＤＨＧ）を形成するために、ｐ−ＡｌＧａＮ層を、Ｍｇで１０17ｃｍ-3以下でドーピングし、ＧａＮ層をＭｇで１０17ｃｍ-3以上でドーピングする。
ｐ−型障壁層１７ｃを、ｐ−型電流拡散層１７ｂ上に形成する。ｐ−型障壁層１７は、ｐ+−ＡｌＧａＮ構造を有し、「ｘ」の範囲は０．１〜０．３であり、厚さは３０〜１００Å以内にし、Ｍｇドーピングは１０18ｃｍ-3以上である。このように、試験片の最上層はＡｌＧａＮ／ＧａＮ（１７ｂ）／ＡｌＧａＮ（１７ｃ）の二重異種接合構造を有し、表面でのキャリア制限を高め、トレンチ構造によって挿入されるｐ−型金属電極層とその上に蒸着される透明電極層によって二重電流拡散層を形成する。
図２乃至図７は、本発明の例示的な実施形態にかかる発光ダイオードの製造工程を示し、図８は、本発明の例示的な実施形態にかかるｎ−型電流拡散層に形成されたトレンチ及び金属電極が蒸着された窒化物系発光ダイオードの部分的断面図であり（図５の「Ａ」領域を参照）、図９は、本発明の例示的な実施形態にかかるｐ−型電流拡散層に形成されたトレンチ及び金属電極が蒸着された窒化物系発光ダイオードの部分的断面図である（図７の「Ｂ」領域を参照）。
図２を参照すれば、発光ダイオードのエピタキシャル構造は、基板１１、低温緩衝層１２、ドーピングしてないＧａＮ支持層１３、ｎ−ＧａＮ層１４ａ、ｎ−型電流拡散層１４ｂ、ｎ+−ＧａＮ層１４ｃ、活性層１５、ｐ−型クラッド層１６、ｐ−ＧａＮ層１７ａ、ｐ型電流拡散層１７ｂ及びｐ型障壁層１７ｃによって形成されている。
前述のエピタキシャル構造が積層された後、積層されたエピタキシャル構造は、最上部層であるｐ型障壁層１７ｃからｎ+−ＧａＮ層１４ｃまでエッチング工程を経る（図３を参照）。その次の工程では、ｐ型障壁層１７ｃ及び露出したｎ型電流拡散層１４ｂをエッチングし、トレンチ１８、１９を形成する（図４を参照）。トレンチ１８、１９を用いて、ｎ−型及びｐ−型金属電極を形成し、エッチングの厚さを設定して、ｎ−型電流拡散層１４ｂ及びｐ−型電流拡散層１７ｂの内部にトレンチ１８、１９を形成する。例えば、エッチングの厚さは、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ異種接合の１周期より大きく、３周期よりは小さい。
図５を参照すると、ｎ型金属電極層２０を、ｎ−型電流拡散層１４ｂに形成されたトレンチ１８の内部に蒸着する。より具体的に、図８を参照すると、１次エッチング工程は、最上部層であるｐ型障壁層１７ｃからｎ型電極層１４のｎ+−ＧａＮ層１４ｃに適用され、２次エッチング工程は、ｎ型電流拡散層１４ｂに適用されてトレンチ１８を形成し、その後、金属電極層２０がトレンチ１８内に形成される。
図６を参照すると、ｐ型金属電極層２１を、ｐ−型電流拡散層１７ｂの最上部に形成されたトレンチ１９の内部に蒸着する。具体的に、図９を参照すると、２次エッチング工程は、ｐ型障壁層１７ｃの下部に形成されたｐ型電流拡散層１７ｂに適用されてトレンチ１９を形成し、金属電極層２１がトレンチ２０内に形成される。トレンチ１９内に金属電極層２１が形成された後、ｐ型障壁層１７ｃ及び金属電極層２１は、透明電極層２２でカバーされる。
図７を参照すると、ｎ型及びｐ型金属電極層２０及び２１を蒸着した後、透明電極層２２をｐ−型電極層１７上に蒸着することによって、窒化物系発光ダイオード３０の製作が完了する。
図１０は、本発明の例示的な実施形態にかかる蒸着されたｎ−型電流拡散層及びｐ−型電流拡散層を介した電流の流れを示す。図１０が示すように、電子は、ｎ−ＧａＮ層１４ａを介してｎ型電流拡散層１４ｂに供給され、その後、ｎ型電流拡散層１４ｂの反対側に形成された金属電極層２０に移動するか、または、ｎ型電流拡散層１４ｂ上に形成されたｎ+−ＧａＮ層１４ｃを通じて活性層１５に移動する。一方で、正孔は、ｐ型電流拡散層１７ｂ及びｐ型金属電極層２１を通じてｐ−ＧａＮ層１７ａに移動し、その後活性層１５に移動する。このように、電子及び正孔は活性層１５に移動し、再結合して励起子を形成し、これにより、発光ダイオードが光を出すことを可能にする。
図１１は、本発明の例示的な実施形態にかかる発光ダイオードの平面図を示す。図１１が示すように、ｎ−型及びｐ−型電流拡散層による発光ダイオードの特性を達成するために、金属電極を十字に配置し、電流の流れを発光ダイオード全体を通して均一にすることによって、発光ダイオードの電流拡散特性を向上する。電流拡散特性を向上するために、発光ダイオードの面積を４等分し、ｎ型金属電極層２０を外部及び内部で十字に配置し、一方で十字のｐ型金属電極層２１を４等分になった各々の内部に配置する。次に、透明電極層２２（図９を参照）を発光ダイオードの全面上に形成することによって、電流拡散面積を増大させて、大面積素子を実現する。
本発明は、それらのある例示的な実施形態を参照して示され、説明されている一方で、当業者は、形態や細部の様々な変換が添付の特許請求の範囲に定義されたような本発明の思想及び概観から逸脱せずになされることができることを理解されよう。
Claims (8)
- （ａ）基板上に緩衝層を形成するステップと、
（ｂ）異種接合構造を利用したｎ型電流拡散層を含む多層構造を有するｎ−型電極層を前記緩衝層上に形成するステップと、
（ｃ）前記ｎ−型電極層上に活性層を形成するステップと、
（ｄ）前記活性層上に異種接合構造を利用したｐ型電流拡散層を含む多層構造を有するｐ−型電極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。 - （ｅ）前記ｐ−型電極層を形成した後、前記ｎ−型電極層の前記ｎ型電流拡散層を露出するように前記ｐ−型電極層をエッチングするステップと、
（ｆ）前記ｐ型電流拡散層及びエッチングによって露出された前記ｎ型電流拡散層の各々にｎ−型トレンチ及びｐ−型トレンチを形成するステップと、
（ｇ）前記各々のトレンチに金属電極層を挿入し、ｎ−型金属電極層及びｐ−型金属電極層を形成するステップと、
（ｈ）前記ｐ−型金属電極層上に透明電極層を形成するステップと
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードの製造方法。 - 前記（ｂ）ステップは、
（ｂ１）電子を供給するｎ−ＧａＮ層を形成するステップと、
（ｂ２）前記ｎ−ＧａＮ層上にＡｌＧａＮ／ＧａＮ異種接合構造を有する前記ｎ−型電流拡散層を形成するステップと、
（ｂ３）前記ｎ−型電流拡散層上にｎ+−ＧａＮ層を形成するステップと
を含むことを特徴とする請求項２に記載の発光ダイオードの製造方法。 - 前記（ｄ）ステップは、
（ｄ１）正孔を供給するｐ−ＧａＮ層を形成するステップと、
（ｄ２）前記ｐ−ＧａＮ層上にｐ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮ異種接合構造を有する前記ｐ−型電流拡散層を形成するステップと、
（ｄ３）前記ｎ−型電流拡散層上にｐ型障壁層を形成するステップと
を含むことを特徴とする請求項２に記載の発光ダイオードの製造方法。 - 前記ｎ−型トレンチ及びｐ−型トレンチの厚さは、前記異種接合構造の１〜３周期の範囲であることを特徴とする請求項３に記載の発光ダイオードの製造方法。
- 前記ｐ型障壁層は、３０〜１００Åの厚さを有するｐ＋−ＡｌＧａＮ層であることを特徴とする請求項４に記載の発光ダイオードの製造方法。
- ＡｌＧａＮ／ＧａＮ異種接合構造は、ドーピングしていないＡｌＧａＮ層と、シリコンでドーピングされたＧａＮ層とを含み、前記ｎ型電流拡散層を二次元電子ガス層として利用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の製造方法。
- ｐ−ＡｌＧａＮ／ＧａＮ異種接合構造は、１０17／ｃｍ-3以下のＭｇでドーピングされたｐ−ＡｌＧａＮ層と、１０17／ｃｍ-3以下のＭｇでドーピングされたＧａＮ層とを含み、前記ｐ型電流拡散層を二次元正孔ガス層として利用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の製造方法。
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