JP4989978B2 - 窒化物系発光素子及びその製造方法 - Google Patents

窒化物系発光素子及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、窒化物系発光素子に係り、特に高出力及び長寿命の特性を有するようにその構造が改善された窒化物系発光素子及びその製造方法に関する。
発光素子、すなわち発光ダイオード(Light Emitting Diode:LED)は、基本的に半導体PN接合ダイオードである。シリコンPN接合が電子情報革命の主役であったならば、III−V族化合物半導体のPN接合は、光革命の主役である。III−V族化合物半導体は、元素周期律表上でIII族(13族)とV族(15族)との元素が結合して作られたものであって、発光効率がほぼ100%に近いという長所がある。これは、シリコンより約1万倍高い効率であり、したがって、物質開発の初期からLEDがダイオードレーザなど発光素子に広く応用されて光革命の主役となった。また、LEDは、電子の移動速度が速く、高温動作が可能であって、高速・高電力の電子素子にも広く使われている。特に、III族とV族との色々な元素が混合することによって、非常に多様な物質組成及び特性の半導体を製造できるという長所を有する。
発光ダイオードの基本的な特性により、可視光線領域の発光ダイオードでは、光度(単位:カンデラ(cd))が使われ、非可視光線領域では、放射束(radiant flux;単位:ワット)で表示される。光度は、単位立体角当たりの光速で表示され、輝度は、単位面積当たりの光度として表示されるが、かかる光度を測定するためには、光度計が使われる。放射束は、LEDからあらゆる波長に対して放射される全出力を表し、単位時間当たり放射されるエネルギーで表示される。
可視光線LEDの性能を判別する主な評価要素は、発光効率であって、ワット当たりルーメン(lm/W)で表示される。これは、人間の目の視感度を考慮したWall−Plug効率(光出力/入力電気パワー量)に該当する。そして、かかるLEDの発光効率は、内部量子効率、取り出し効率、電圧効率などの三つの要素により主に決定され、かかる発光効率の改善のための研究開発が現在も行われつつある。ここで、LEDは電流を流すことにより電気エネルギーが光エネルギーに変換され、最終的に外部に取り出されて利用される。このとき、発生した光エネルギーのうちで外部に取り出される光エネルギーの割合を取り出し効率と言う。また、発生する光子のエネルギーに対する1電子あたりの動作電圧の割合を電圧効率と言う。また、LEDに電流を流すことによって発生する電子と正孔の対は、光を放射して再結合するか、結晶中に存在する欠陥を介在して光を放射しないかあるいは別な波長もつ光を放射して再結合する。内部量子効率は、この電流によって発生する電子と正孔の対がどれだけ、目的の波長をもった光を放射して再結合するかの割合を示す。
従来のLEDは、サファイア/n−GaN/多重量子井戸(Multiple Quantum WellないしMulti−Quantum Well;以下、単にMQWともいう。)/p−GaNの構造で形成されることが一般的であった。しかしながら、かかる構造のLEDでは、その製造技術上の限界で、欠陥密度が高い。したがって、第1に、MQW層の内部量子効率の向上、第2に、高出力のLED製造という現在の技術課題の解決に限界があった。特に、高出力LEDの場合、前記欠陥により漏れ電流が大きく、これは、素子の駆動電圧を高める要因となり、かつ素子の寿命を短縮させた。
特許文献1は、InGaN量子井戸を有するナノロッドアレイ構造のLED構造及びその製造方法に関する技術を開示する。ここで、前記LEDは、サファイア/n−GaN/ナノロッド/MQW/p−GaNの構造で形成されており、前記問題点を改善する努力がなされていた。しかしながら、前記ナノロッドの製造方法が複雑であって、かかる技術が産業界で実際的に活用化され難い。
韓国公開特許2005−0081139号公報
本発明が解決しようとする課題は、前述した従来技術の問題点を改善するためのものであって、高出力及び長寿命の特性を有するようにその構造が改善された窒化物系発光素子及びその製造方法を提供することである。
本発明による窒化物系発光素子は、単結晶ウェハ上に形成されたn−クラッド層と、前記n−クラッド層の上面から所定深さまでHClとNHとの混合ガス雰囲気で表面処理して形成された多孔性層と、前記多孔性層上に順次に形成された活性層及びp−クラッド層と、を備える。
ここで、前記多孔性層は、1μmないし10μmの厚さに形成されうる。
前記単結晶ウェハは、Si、GaAs、SiC、GaN及びサファイア基板のうちいずれか一つである。望ましくは、前記n−クラッド層はn−GaN層であり、前記p−クラッド層はp−GaN層である。前記活性層は、GaN/InGaN/GaN MQWまたはGaN/AlGaN/GaN MQW構造のような多重量子井戸構造で形成されうる。
また、本発明による窒化物系発光素子の製造方法は、単結晶ウェハ上にn−クラッド層を形成する工程と、HClとNHとの混合ガス雰囲気で、前記n−クラッド層を表面処理してその上面から所定深さまで多孔性層に変化させる工程と、前記多孔性層上に順次に活性層及びp−クラッド層を形成する工程と、を含む。
前記表面処理は、950℃ないし1200℃の温度範囲で行われ、望ましくは1050〜1100℃の温度範囲、特に望ましくは1065℃で行われうる。前記表面処理は、HVPE(Halide or Hydride Vapor Phase Epitaxy;ハライドまたはハイドライド気相成長)装置内で行われることが望ましく、このとき、前記HClガスとNHガスとの混合比(体積比)は、好ましくは1:10〜15の範囲、より好ましくは1:10である。望ましくは、前記混合ガスは、N、Ar及びHのうち少なくともいずれか一つを含む移送ガスをさらに含み、このとき、前記HClガス、NHガス及び移送ガスそれぞれの混合比(体積比)は、好ましくは1:10〜15:75〜80の範囲、より好ましくは1:10:80である。
ここで、前記多孔性層は、1μmないし10μmの厚さに形成されうる。
前記単結晶ウェハは、Si、GaAs、SiC、GaN及びサファイア基板のうちいずれか一つである。望ましくは、前記n−クラッド層はn−GaN層であり、前記p−クラッド層はp−GaN層である。前記活性層は、GaN/InGaN/GaN MQWまたはGaN/AlGaN/GaN MQW構造のようなMQW構造で形成されうる。
そして、前記n−クラッド層、活性層及びp−クラッド層は、気相蒸着法により形成され、かかる気相蒸着法によりHVPE法、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition;有機金属化学気相蒸着ないし有機金属気相成長)法、MBE(Molecular Beam Epitaxy;分子線エピタキシー)法などが例示されうる。
本発明によれば、高出力及び長寿命の特性を有する窒化物系発光素子が得られる。かかる窒化物系発光素子において、n−クラッド層、例えばn−GaN層の所定厚さを表面処理して多孔性層が得られるが、かかる工程の進行過程で、前記n−GaN層内に含まれた欠陥のうち相当量が除去されうる。
したがって、欠陥密度の低い前記多孔性層上にMQW層を形成できて、漏れ電流が小さくなり、内部量子効率が向上するなど、その電気的特性の改善された窒化物系発光素子が製造されうる。その結果、窒化物系発光素子の生産収率が従来より向上する。
また、前記窒化物系発光素子の製造方法が簡単かつ容易であって、その製造コストを低減できる。したがって、本発明によれば、低コスト・高品位の窒化物系発光素子を製造できる。
以下では、本発明による窒化物系発光素子及びその製造方法の望ましい実施形態を、添付された図面を参照して詳細に説明する。この過程で、図面に示した層や領域の厚さは、明細書の明確性のために誇張されて示された。
図1は、本発明の実施形態による窒化物系発光素子の概略的な断面図である。
図1に示すように、本発明による窒化物系発光素子は、単結晶ウェハ10上に順次に形成されたn−クラッド層20、多孔性層22、活性層30及びp−クラッド層40を備える。n−電極50及びp−電極60それぞれは、前記n−クラッド層20のエッチング面及び前記p−クラッド層40上に形成された。
前記単結晶ウェハ10は、Si、GaAs、SiC、GaN及びサファイア基板のうちいずれか一つであることが望ましい。そして、前記n−クラッド層20は、n−GaN系のIII−V族窒化物半導体層で形成するが、特にn−GaN層またはn−GaN/AlGaN層で形成することが望ましい。そして、前記p−クラッド層40は、p−GaN系のIII−V族窒化物半導体層で形成するが、特にp−GaN層またはp−GaN/AlGaN層で形成することが望ましい。ここで、前記n−クラッド層20及びp−クラッド層40の構造、材質及びその形成方法は周知されているので、これについての詳細な説明は省略する。
前記多孔性層22は、前記n−クラッド層20の上面から所定深さまでHClとNHとの混合ガス雰囲気で表面処理して形成されたものであって、複数の突出柱からなっている。実験的に、前記多孔性層22が1μmないし10μmの厚さに形成される場合において、前記窒化物系発光素子の光出力特性が最も優秀であった。かかる多孔性層22の形成方法に関しては、後述する本発明による窒化物系発光素子の製造方法で詳述する。
前記活性層30は、InAlGa1−x−yN(0≦x<1、0≦y<1、0≦x+y<1)であるGaN系のIII−V族窒化物半導体層で形成するが、特にInGaN層またはAlGaN層で形成することが望ましい。ここで、前記活性層30は、MQWまたは単一量子井戸のうちいずれか一つの構造を有し、かかる活性層の構造は、本発明の技術的範囲を制限しない。例えば、前記活性層30は、GaN/InGaN/GaN MQWまたはGaN/AlGaN/GaN MQW構造で形成されることが最も望ましい。
かかる構造の窒化物系発光素子において、前記n−電極50とp−電極60との間に所定の電圧が印加されれば、前記n−クラッド層20及びp−クラッド層40からそれぞれ電子と正孔とが前記活性層30に注入されて、それらが活性層30内で結合することによって、活性層30から光が出力されうる。
本発明によれば、n−GaN層20の所定厚さを表面処理して多孔性層22が得られるが、かかる工程の進行過程で、前記n−GaN層20内に含まれた欠陥(例えば、エッジディスロケーション(刃状転位)など)のうち相当量が除去されうる。したがって、欠陥密度の低い前記多孔性層22上にMQW層(活性層30)を形成できて、漏れ電流が減少し、内部量子効率が向上するなど、その電気的特性の改善された窒化物系発光素子が得られた。
前記図示された実施形態では、前記活性層30は、多孔性層22を構成する複数の突出柱上にそれぞれ形成されて一列に整列された複数のドットからなるが、本発明の他の実施形態によれば、前記ドットが互いに連続的に連結された構造をなすこともできる。具体的に、前記活性層30の形成において、垂直成長(以下、‘G’という)速度と側面成長(以下、‘G’という)速度との相対的大きさを調節して、前記活性層30の形態を制御できる。したがって、かかる活性層30の多様な形態は、本発明の技術的範囲を制限しない。
図2Aないし図2Gは、本発明の実施形態による窒化物系発光素子の製造方法を示すフローチャートである。
図2Aに示すように、準備された単結晶ウェハ10、例えばSi、GaAs、SiC、GaNまたはサファイア基板上に同種(例えば、GaN基板上にGaN系の結晶層を成長)または異種の積層(例えば、サファイア基板上にGaN系の結晶層を成長)方法によりn−クラッド層20を形成する。前記n−クラッド層20は、n−GaN系のIII−V族窒化物半導体層で形成するが、特にn−GaN層またはn−GaN/AlGaN層で形成することが望ましい。前記n−クラッド層20は、HVPEまたはMOCVD、MBEのような気相蒸着法で形成され、それらの方法は周知されているので、これについての詳細な説明は省略する。
図2B及び図2Cに示すように、HClとNHとの混合ガス雰囲気で前記n−クラッド層20を表面処理し、その上面から所定深さまで多孔性層22に変化させる。ここで、前記多孔性層22は、複数の突出柱からなる形態を有し、1μmないし10μmの厚さに形成されうる。このとき、前記HClガスとNHガスとの混合比(体積比)は、好ましくは1:10〜15の範囲、より好ましくは1:10と制御される。HClガス1体積部に対してNHガスが10体積部未満の場合には、多孔性GaN(porous GaN)形成がよく行われず、HClガス1体積部に対してNHガスが15体積部を超える場合には、オーバーエッチング(over etching)されるから好ましくない。望ましくは、前記混合ガスは、N、Ar及びHのうち少なくともいずれか一つを含む移送ガスをさらに含み、このとき、前記HClガス、NHガス及び移送ガスそれぞれの混合比(体積比)は、好ましくは1:10〜15:75〜80の範囲、より好ましくは1:10:80と制御されうる。HClガス1体積部に対してNHガスが10体積部未満の場合には、多孔性GaNがよく行われず、15体積部を超える場合には、オーバーエッチングされるから好ましくない。また、HClガス1体積部に対して移送ガスが75体積部未満の場合には、オーバーエッチングされ、80体積部を超える場合には多孔性GaN形成がよく行われなくて好ましくない。前記表面処理は、950℃ないし1200℃の温度範囲で行われ、望ましくは1050〜1100℃の温度範囲、特に望ましくは1065℃で行われうる。表面処理温度が950℃未満の場合は、多孔性GaN形成がよく行われず、1200℃を超える場合には、オーバーエッチングされるから好ましくない。そして、かかる表面処理は、反応チャンバー内で行われ、望ましくは、HVPE装置内で行われうる。
前記多孔性層22を形成する工程の進行過程で、前記n−GaN層20内に含まれた欠陥(例えば、エッジディスロケーションなど)のうち相当量が除去されうる。具体的に、前記HClとNHとの混合ガス雰囲気は、一種の気相エッチング液として作用でき、このとき、前記n−GaN層20内の欠陥領域が先にエッチングされて多孔性形態に変化しうる。
図2D及び図2Eに示すように、前記多孔性層22上に順次に活性層30及びp−クラッド層40を形成する。ここで、前記活性層30及びp−クラッド層40は、HVPE、MOCVDまたはMBEのような気相蒸着法により形成されうる。
前記活性層30は、InAlGa1−x−yN(0≦x<1、0≦y<1、0≦x+y<1)であるGaN系のIII−V族窒化物半導体層で形成するが、特にInGaN層またはAlGaN層で形成することが望ましい。ここで、前記活性層30は、MQWまたは単一量子ウェルのうちいずれか一つの構造で形成され、かかる活性層の構造は、本発明の技術的範囲を制限しない。例えば、前記活性層30は、GaN/InGaN/GaN MQWまたはGaN/AlGaN/GaN MQW構造で形成されることが最も望ましい。
前記図示された実施形態では、前記活性層30は、多孔性層22を構成する複数の突出柱上にそれぞれ形成されて一列に整列された複数のドットからなるが、本発明の他の実施形態によれば、前記ドットが互いに連続的に連結された構造をなすこともできる。具体的に、前記活性層30の形成において、G速度とG速度との相対的大きさを調節して前記活性層30の形態を制御できる。ここで、前記GとGとの速度は、GaN系のIII−V族ソース原料、すなわちトリメチルガリウム(TMGa)とアンモニア(NH)との相対的な組成比を調節することによって制御され、かかる事実は周知されているので、これについての詳細な説明は省略する。
前記p−クラッド層40は、p−GaN系のIII−V族窒化物半導体層で形成するが、特にp−GaN層またはp−GaN/AlGaN層で形成することが望ましい。ここでも同様に、前記p−クラッド層40のGとGとの速度が制御されることによって、前記活性層30上で前記p−クラッド層40が連続的に連結された構造で形成されうる。
図2F及び図2Gに示すように、まず、前記p−クラッド層40の上面からn−クラッド層20の所定深さまでエッチングして、前記n−クラッド層20にエッチング面を形成する。次いで、前記n−クラッド層20のエッチング面及び前記p−クラッド層40上にAg、AuまたはITO(Indium Tin Oxide)のような導電性物質でそれぞれn−電極50及びp−電極60を形成する。前記のような工程を通じて、本発明による窒化物系発光素子が製造されうる。
実験例:n−GaN/多孔性GaN/MQW/p−GaN構造のLED製造
多孔性GaN層を形成するために、GaN基板(詳しくは、GaN基板上に同種のGaN系の結晶層であるn−GaN層を成長させてn−クラッド層を形成したもの)をHVPEシステムに装着した後、前記システム内部の温度を1065℃まで昇温した。次いで、前記システムの内部にHClガス100sccm、NHガス1000sccm、Nガス8000sccmを注入した。そして、圧力は、常圧に調節した。かかる条件下で、多孔性GaN層を形成し、このとき、温度、ガス流量、工程時間などの工程変数を調節して、多孔性GaNの厚さまたは多孔性GaN内の空隙を制御した。次いで、前記積層構造物をMOCVDチャンバー内に入れ、前記多孔性GaN層上にMQW層及びp−GaN層を成長させた。前記MQW層の成長時には、G速度をG速度より相対的に速くした。そして、前記p−GaN層の成長時には、G速度をG速度より相対的に速くし、p−GaN層を相互連結して付着させた。次いで、電極形成工程を通じてn−電極及びp−電極を形成し、かかる工程を通じてLEDを製造した。図3は、本発明の実験例で製造された多孔性GaN層の断面SEM(Scanning Electron Microscope)写真である。
以上、かかる本願発明の理解を助けるために、幾つかの模範的な実施形態が説明されて添付された図面に示されたが、かかる実施形態は、例示的なものに過ぎず、当業者ならば、前記実施形態から多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明は、図示されて説明された構造及び工程順序にのみ限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の発明の技術思想を中心に保護されねばならない。
本発明は、半導体発光素子の製造関連の技術分野に適用可能である。
本発明の実施形態による窒化物系発光素子の概略的な断面図である。 本発明の実施形態による窒化物系発光素子の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の実施形態による窒化物系発光素子の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の実施形態による窒化物系発光素子の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の実施形態による窒化物系発光素子の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の実施形態による窒化物系発光素子の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の実施形態による窒化物系発光素子の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の実施形態による窒化物系発光素子の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の実験例で製造された多孔性GaN層の断面SEM写真である。
符号の説明
10 単結晶ウェハ、
20 n−クラッド層、
22 多孔性層、
30 活性層、
40 p−クラッド層、
50 n−電極、
60 p−電極。

Claims (20)

  1. 単結晶ウェハ上に形成されたn−クラッド層と、
    前記n−クラッド層の上面から所定深さまでHClとNHとの混合ガス雰囲気で表面処理して形成された多孔性層と、
    前記多孔性層上に順次に形成された活性層及びp−クラッド層と、を備えることを特徴とする窒化物系発光素子。
  2. 前記多孔性層は、1μmないし10μmの厚さに形成されたことを特徴とする請求項1に記載の窒化物系発光素子。
  3. 前記単結晶ウェハは、Si、GaAs、SiC、GaN及びサファイア基板のうちいずれか一つであることを特徴とする請求項1または2に記載の窒化物系発光素子。
  4. 前記n−クラッド層はn−GaN層であり、前記p−クラッド層はp−GaN層であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の窒化物系発光素子。
  5. 前記活性層は、多重量子井戸(以下、単にMQWともいう。)構造で形成されたことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の窒化物系発光素子。
  6. 前記活性層は、GaN/InGaN/GaN MQWまたはGaN/AlGaN/GaN MQW構造で形成されたことを特徴とする請求項5に記載の窒化物系発光素子。
  7. 単結晶ウェハ上にn−クラッド層を形成する工程と、
    HClとNHとの混合ガス雰囲気で前記n−クラッド層を表面処理し、その上面から所定深さまで多孔性層に変化させる工程と、
    前記多孔性層上に順次に活性層及びp−クラッド層を形成する工程と、を含むことを特徴とする窒化物系発光素子の製造方法。
  8. 前記表面処理は、950℃ないし1200℃の温度範囲で行われることを特徴とする請求項7に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
  9. 前記表面処理は、1050〜1100℃の温度範囲で行われることを特徴とする請求項8に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
  10. 前記表面処理は、HVPE(Halide or Hydride vapor phase epitaxy)装置内で行われることを特徴とする請求項7〜9のいずれか1項に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
  11. 前記HClガスとNHガスとの混合比(体積比)は、1:10〜15の範囲であることを特徴とする請求項7〜10のいずれか1項に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
  12. 前記混合ガスは、N、Ar及びHのうち少なくともいずれか一つを含む移送ガスをさらに含むことを特徴とする請求項7〜11のいずれか1項に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
  13. 前記HClガス、NHガス及び移送ガスそれぞれの混合比(体積比)は、1:10〜15:75〜80の範囲であることを特徴とする請求項12に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
  14. 前記多孔性層は、1μmないし10μmの厚さに形成されることを特徴とする請求項7〜13のいずれか1項に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
  15. 前記単結晶ウェハは、Si、GaAs、SiC、GaN及びサファイア基板のうちいずれか一つであることを特徴とする請求項7〜14のいずれか1項に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
  16. 前記n−クラッド層はn−GaN層であり、前記p−クラッド層はp−GaN層であることを特徴とする請求項7〜15のいずれか1項に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
  17. 前記活性層は、MQW構造で形成されることを特徴とする請求項7〜16のいずれか1項に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
  18. 前記活性層は、GaN/InGaN/GaN MQWまたはGaN/AlGaN/GaN MQW構造で形成されることを特徴とする請求項17に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
  19. 前記n−クラッド層、活性層及びp−クラッド層は、気相蒸着法により形成されることを特徴とする請求項7〜18のいずれか1項に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
  20. 前記気相蒸着法は、HVPE法、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法のうちいずれか一つであることを特徴とする請求項19に記載の窒化物系発光素子の製造方法。
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