KR0151137B1 - 이중 헤테로형 에픽택셜 웨이퍼 - Google Patents

이중 헤테로형 에픽택셜 웨이퍼 Download PDF

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Abstract

내용 없슴.

Description

이중 헤테로형 에피택셜 웨이퍼
본 발명은 이중 헤테로형 에피택셜 웨이퍼에 관한 것으로서, 특히 발광출력이 큰 발광 다이오드(LED)를 제조하기에 적절한 이중 헤테로형 에피택셜 웨이퍼에 관한 것이다.
본 명세서에서는 주기표내의 Ⅲb족 원소 및 Ⅴb족 원소로 구성되는 화합물을 Ⅲ-Ⅴ족 화합물이라 칭한다. 이중 헤테로 구조를 가진 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 혼정(mixed crystal) 에피택셜 웨이퍼는 출력이 큰 LED를 제조하는데 적합한 데, 이는 캐리어를 활성층 내에 한정할 수 있고, 비방사 재결합법에 따른 캐리어 손실이 적기 때문이다.
특히, 갈륨 알루미늄비소(GaAlAs) 혼정 에피택셜 웨이퍼를 사용함으로써 출력이 큰 적색 LED를 제조할 수 있기 때문에, 에피택셜 웨이퍼는 표시장치나, 카메라의 자동초점측정 장치 등에 폭넓게 사용된다.
에피택셜 웨이퍼는 원하는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 혼정의 에피택셜 성장에 의해 제조될 수 있는데, 이 성장은 단결정(이하 갈륨비소(GaAs) 등의 기판이라 칭함)상의 액상 에피택셜 성장법, 화학증기 에피택셜 성장법 등에 의해 수행된다. 그럼에도 불구하고, 기판으로서 사용되는 GaAs 등이 빛의 투과성이 낮기 대문에, pn 접합으로 발생되는 빛은 외부로 발광되기 전에 기판에 의해 흡수된다. 종래에는, 기판에 의한 빛의 흡수를 피하기 위해서는 에피택셜 성장후 연마 또는 에칭함으로써 기판을 소제(clean)하였다.
양호하게도, 에피택셜 웨이퍼는, LED의 제조중에 웨이퍼의 파손을 예방하기 위해 적어도 0.1㎜ 이상의 두께를 갖는다. 따라서, 에피택셜층을 0.1㎜ 이상의 두께로 성장한다.
그러나 에피택셜층의 두께를 두껍게 할 시에는 편석(segregation) 계수의 차이로 인해 에피택셜층, 특히 클래드(clad) 층에서 혼정 조성의 불균일이 생긴다.
본 발명의 목적은 기판에 의해 빛이 흡수되지 않고 고출력 LED를 제조하기에 적당한 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 에피택셜 웨이퍼를 제공하는데 있다.
따라서 본 발명의 이중 헤테로형 에피택셜 웨이퍼는 기판, 간접 전이형 밴드구조를 갖는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 혼정으로 구성된 도전 및 대향 도전형 클래드 층과, 상기 두 클래드 층 사이에 끼워진 직접 전이형 밴드 구조를 갖는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 혼정으로 구성된 활성층을 가지는데, 단결정 기판측의 클래드 층의 굴절율은 다른 클래드 층의 굴절율보다 작다.
본 발명에 따르면, 갈륨 알루미늄 결정 비소(GaAlAs), 결정 갈륨 인듐 인화물(GaInP) 결정 또는 갈륨 인듐 비소 인화물(GaInAsP)은 양호하게도 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 혼정으로서 사용된다.
이런 혼정은, 혼정율을 변화시킴으로써 간접 전이형 또는 직접 전이형 밴드구조를 갖는 혼정을 획득할 수 있기 때문에, 이중 헤테로형 에피택셜 웨이퍼의 제조에 적합하다.
예를들면, 갈륨 알루미늄비소 결정의 경우, 혼정율이 약 0.45 이하에서는 결정이 직접 전이형 구조를 갖게되고, 혼정율이 0.45 이상에서는 결정이 간접 전이형 구조를 갖게된다.
본 명세서에 있어서, 혼정율은 혼정을 구성하는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물의 각 원소의 비율을 의미한다. 예를들어, 갈륨 알루미늄 비소의 경우, 갈륨 알루미늄 비소를 나타내는 (GaAs)1-x(AlAs)x의 x값(0≤x≤1)이 혼정율이다.
본 발명의 에피택셜 웨이퍼는, 화학증기 증착(CVD) 또는 액상 에피택셜 성장법이나, 분자빔 에피택셜 성장법 등을 이용하여 기판상에 원하는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 혼정의 에피택셜 성장에 의하여 제조된다. 예를들어 유기 금속 CVD(MOCVD)법, 할로겐 화합물 수송법등 또는 분자빔 에피택셜 성장법과 같은 화학증기 증착 성장법에서는, 성장하는 단결정의 조성 또는 두께 등을 제어하기가 쉽지만, 다른 한편으로는 두께가 두꺼운 단결정층을 액상 에피택셜 성장법에서 쉽게 얻을 수 있기 때문에, 성장법은 에피택셜의 성장의 목적에 따라 선택된다. GaAs, InP 등이 기판으로 바람직하지만, Si, Ge 등도 또한 사용될 수 있다.
성장된 GaAlAs를 함유하는 에피택셜 웨이퍼를 성장할 시, p 클래드 층, 활성 층 및 n 클래드층을 그러한 순서로 p형 GaAs 기판에 형성한다. 따라서, p형 GaAs 기판을 사용할 시, p형 GaAs와 GaAlAs의 격자정수의 차이가 작기 때문에, 부적합한 전위(dislocation)가 발생하지 않으며, GaAs 기판의 p형 캐리어 농도를 크게 증가시킬 수 있기 때문에, 전극이 쉽게 형성된다.
본 발명에 따르면, 상측 클래드층의 굴절율보다 작은 굴절율을 갖는 기판측 클래드 층을 사용한다. 즉, 상측 클래드층의 혼정율보다 큰 혼정율을 갖는 기판층 클래드층을 사용한다. 따라서, 기판과 클래드층간의 경계면에서 반사되는 빛은 불규칙한 반사현상 없이 클래드층과 활성층간의 경계면을 통과하여, LED의 외부 양자(quantum) 효율이 향상되고, LED의 발광 출력이 증가한다.
갈륨 알루미늄 비소 혼장 에피택셜 웨이퍼의 경우에, 상축 n 클래드층의 혼정율보다 적어도 0.02 더 큰 혼정율을 갖는 기판측의 p 클래드층을 사용한다.
Ⅲ-Ⅴ 화합물 혼정에서는 가전자대와 전도대간의 에너지 갭인 밴드폭이 넓으면 넓을수록 굴절율은 더 작아진다. 예를들어, 갈륨 알루미늄 비소에서는 혼정율이 크면 클수록, 밴드폭은 더 커지고, 굴절율은 더 작아진다.
갈륨 알루미늄 비소 혼정 에피택셜 웨이퍼의 경우, 각 층의 1) 층의 두께와 2) 혼정율은 아래와 같이 선택되는 것이 바람직하다.
(1) p 클래드 층에서는,
Figure kpo00001
(2) 활성층에서는,
Figure kpo00002
p 도전형 활성층이 선택되는 것이 바람직하다. 따라서, 출력되는 빛의 파장은 약 870㎚에서 620㎚으로 변화한다.
(3) n 클래드 층에서는
Figure kpo00003
더욱이, 예를들어, 약 1×1017내지 1×1018/㎤의 통상 범위를 갖는 각 층의 캐리어 농도를 사용한다. 양호하게도, 활성층은 p 클래드층의 캐리어 농도보다 더 큰 캐리어 농도를 갖는다.
[실시예]
적색 LED용의 아래의 갈륨 알루미늄 비소 혼정 에피택셜 웨이퍼는 액상 에피택셜 성장법에 의해 성장한다.
(1) 기판 ; 표면방향은 (100) 이었고, 기판은 두께가 0.3㎜인 아연 도핑 p형 갈륨 비소 단결정 기판이었다.
본 발명의 아래의 실시예와 비교예에서, 1) 층 두께, 2) 캐리어 농도, 3) 혼정율의 순으로 제각기 기술한다.
(2) p 클래드 층 (기판측 클래드 층) ;
Figure kpo00004
p 클래드 층의 굴절율은 약 3.15이다.
(3) 활성층 ;
Figure kpo00005
(4) n 클래드 층 (상측 클래드 층) ;
Figure kpo00006
n 클래드 층의 굴절율은 약 3.19이다.
캐리어 농도는 c-v법과 반 데르 포우 법(Van Der Pauw method)으로 측정되었다. 또한 혼정율은 x-선 마이크로 분석법에 의해 측정된 값을 얻어, ZAF 보정법(correction process)에 의해 그 값을 보정하므로써 측정되었다.
한 변의 길이가 0.3㎜인 사각형으로 이루어지고, 0.25㎜의 두께를 갖는 LED 칩은 얻어진 에피택셜 웨이퍼로부터 만들어 졌다. 얻어진 칩이 에폭시 수지로 코팅한 후에, 8A/㎠의 전류밀도조건 하에서 다양한 특성이 측정되었다. 얻어진 LED 빛 출력은 1.8cd(100 LED의 평균값)이었고, 발광파장은 661㎚, 순방향 전압은 1.85v(100 칩의 평균값)이었다.
[비교예]
본 발명의 실시예에서 사용한 것과 유사한 갈륨 비소 단결정위에 다음의 갈륨 알루미늄 비소 혼정을 액상 에피택셜 성장법에 의해 성장시켰다.
(2) p 클래드층 ;
Figure kpo00007
p 클래드 층의 굴절율은 약 3.21이다.
(3) 활성층 ;
Figure kpo00008
(4) n 클래드층 ;
Figure kpo00009
n 클래드 층의 굴절율은 약 3.18이다.
LED 칩은 본 발명의 실시예에서 사용한 방식과 동일한 방식으로 얻어진 에피택셜 웨이퍼로부터 만들어졌다. 본 발명의 실시예에서와 동일한 방식으로 측정된 LED 빛 출력은 1.1cd(100 LED의 평균값)이었고, 피크(peak) 빛 발광파장은 663㎚이었다.
본 발명에 따르면, 강한 빛 출력이 기판을 제거하지 않아도 얻어질 수 있다. 또한, 기판을 제거하기 위해 에피택셜 층을 크고 두껍게 성장시킬 필요가 없기 때문에, 에피택셜 층의 조성의 불균일이 발생하지 않는다.

Claims (7)

  1. 단결정 기판과, 간접 전이형 밴드 구조를 가지는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 혼정으로 구성된 도전형 클래드 층 및 대향도전형 클래드 층과, 상기 두 클래드 층 사이에 끼워진 직접 전이형 밴드구조를 갖는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 혼정으로 구성된 활성층을 가지는 데, 상기 단결정 기판 측의 클래드 층의 굴절율은 다른 클래드 층의 굴절율보다 작은 것을 특징으로 하는 이중 헤테로형 에피택셜 웨이퍼.
  2. 제1항에 있어서, 상기 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 혼정이 갈륨 알루미늄 비소, 갈륨 인듐 인화물 또는 갈륨 인듐 비소 인화물로부터 선택되는 것을 특징으로하는 이중 헤테로형 에피택셜 웨이퍼.
  3. 제1항에 있어서, 상기 단결정 기판이 p형 갈륨 비소이고, 단결정 기판측 클래드 층이 p형 클래드 층이며, 다른 클래드 층이 n형 클래드 층인 것을 특징으로 하는 이중 헤테로형 에피택셜 웨이퍼.
  4. 제3항에 있어서, 상기 p형 클래드 층의 두께와 혼정율 x가 제각기 약 5 내지 약 40㎛와 약 0.6 내지 약 0.9인 것을 특징으로 하는 이중 헤테로형 에피택셜 웨이퍼.
  5. 제3항에 있어서, 상기 n형 클래드 층의 두께와 혼정율 x가 제각기 약 5 내지 약 40㎛와 약 0.5 내지 약 0.88인 것을 특징으로 하는 이중 헤테로형 에피택셜 웨이퍼.
  6. 제1항에 있어서, 상기 활성층이 p형 활성층인 것을 특징으로 하는 이중 헤테로형 에피택셜 웨이퍼.
  7. 제6항에 있어서, 상기 p형 활성층의 두께와 혼정율 x가 제각기 약 0.5 내지 약 7㎛와 약 0 내지 약 0.45인 것을 특징으로 하는 이중 헤테로형 에피택셜 웨이퍼.
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