KR100384923B1 - Iii족 나이트라이드 활성층과 연장된 수명을 갖는 수직구조 발광다이오드 - Google Patents

Iii족 나이트라이드 활성층과 연장된 수명을 갖는 수직구조 발광다이오드 Download PDF

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Abstract

발광 다이오드(20)는 가시광선 스펙트럼의 청색 영역에서 발광하고 연장된 수명으로 특징된다. 상기 발광 다이오드는 도전성 실리콘 카바이드 기판(21); 상기 실리콘 카바이드 기판에 대한 옴 접촉부(22); 상기 기판위에 형성되고 갈륨 나이트라이드, 알루미늄 나이트라이드, 인듐 나이트라이드, 일반식 AxB1-xN(식에서 A와 B는 Ⅲ족 원소이고 x는 0, 1 또는 0과 1 사이의 소수임)을 갖는 3원 Ⅲ족 나이트라이드, 2원 Ⅲ족 나이트라이드 및 3원 Ⅲ족 나이트라이드로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 상기 활성 층(25)과 이형구조 층(26, 27)에서 상기 버퍼 층 위에 p-n 접합을 포함하는 이중 이형구조(24)로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 전도성 버퍼층(23)을 포함한다.

Description

Ⅲ족 나이트라이드 활성층과 연장된 수명을 갖는 수직 구조 발광 다이오드
발광 다이오드("LEDs")는 광전자 분야가 최근에 성장하고 확장됨에 따라 여러 가지 분야에서 유용한 것으로 공지된 p-n 접합 장치이다. 광전자 스펙트럼의 가시광선 영역에서 발광하는 장치는 많은 장치 중에서 오디오 시스템, 자동차, 가정용 전자 장치 및 컴퓨터 시스템 같은 많은 적용에 있어서, 간단한 스테이터스 표시 장치(status indicator), 동적 전력 레벨 막대 그래프 및 영숫자 표시용 장치(alphanumeric display)로서 사용되어 왔다. 적외선 장치는 광분리장치(optoisolator), 손잡이 리모트 콘트롤(hand-held remote controller) 및 방해 감지 장치, 반사 감지 장치 및 광-섬유(fiber-optic) 감지 장치에 있어서 스펙트럼 대응되는 포토트랜지스터(phototransistor)와 함께 사용되어 왔다.
LED 장치는 반도체에서 전자와 정공(hole)의 재결합에 기인하여 작동한다.전도대(conduction band) 내에 전자 캐리어가 가전자대내의 정공과 결합할 때, 방출되는 광자, 즉, 빛의 형태의 밴드갭(bandgap)과 동일한 에너지를 잃는다. 평형 조건 내에 재결합의 수는 실제 적용하기에는 불충분하나 소수 캐리어(minority carrier) 밀도를 증가시키므로서 향상시킬 수 있다.
종래에는 LED에 있어서, 소수 캐리어 밀도는 상기 다이오드를 순방향 전압을 인가하므로서 증가시켰다. 주입된 소수 캐리어는 집합 에지(edge)의 소수의 확산 길이 내에서 다수 캐리어(majority carrier)와 방사선적으로 재결합한다. 각 재결합 과정은 광전자 방사선, 즉, 광자를 형성한다. 에너지 손실이 반도체 재료의 밴드갭과 관련되어 있기 때문에, LED 재료의 밴드갭 특성이 중요하다고 알려져있다.
그러나, 다른 전자 장치를 사용할 때, 특히 더욱 효율적인 LEDs에 있어, 저전력을 사용하는 반면에 고 휘도(intensity)에서 작동하는 LEDs가 요구된다. 예를 들면, 고 휘도 LEDs가 특히 여러 가지 중요한 주위 환경에서 디스플레이 또는 스테이터스 인디케이터로 사용된다. 또한, LED의 휘도 출력과 LED를 구동하는데 요구되는 전력간에는 상관 관계가 있다. 예를 들어, 저전력 LEDs는 특히 여러 가지 휴대용 전자 기구에 유용하다. 고 휘도, 저전력, 및 더욱 효율적인 LEDs에 대한 요구를 충족하기 위한 시도는 가시광선 스펙트럼의 적색 영역 내에서 발생하는 LEDs인 AlGaAs LED 기술의 발달로 나타난다. 가시광선 영역의 청색 및 자외선 영역 내에서 발광하는 LEDs에 대하여도 유사하게 요구되고 있다. 예를 들어, 청색은 주요 색상이므로, 풀 컬러 디스플레이(full color display) 또는 순수한 백색광을 만드는데 요구되거나 필요하다.
본 특허 이용의 통상적인 목적은 이 분야에서 상업적으로 많이 이용되는 청색 스펙트럼에서 발광하는 LEDs를 개발하는 것이다. 상기한 LEDs는 넓은 밴드갭을 가지는 반도체 재료인 실리콘 카바니으에 의하여 제조되었다. 이러한 청색 LEDs의 예는 Edmond의 미국 특허 제 4,918,497 호 및 제 5,027,168 호 "Blue light Emitting Diode Formed In Silicon Carbide"에 기술되어 있다.
이러한 청색 LED의 다른 예는 Nakamura 등의 미국 특허 제 5,306,662호 "Method of Manufacturing P-Type Compound Semiconductor"에 기술되어 있고, Nakamura 등의 미국 특허 제 5,290,393 호 "Crystal Growth Method For Gallium Nitride-Based Compound Semiconductor"에 기술되어 있다. Hatano 등의 미국 특허 제 5,273,933 호 "Vapor Phase Growth Method Of Forming Film In Process of Manufacturing Semiconductor Device"에 또한 SiC 기판 위에 형성된 GaInAlN과 갈륨 아제나이드(GaAs) 기판 위에 형성된 징크 셀레나이트(ZnSe)로 형성된 LEDs가 기술되어 있다.
LEDs 같은 광자 장치에 정통한 사람들에게 알려진 것과 같이, 주어진 반도체 재료에 의하여 형성될 수 있는 전자 방사선(즉, 광자)의 주파수는 그 재료의 밴드갭과 상관 관계가 있다. 고 에너지, 단파장 광자를 형성하기 위해서는 넓은 밴드갭을 가지는 재료가 필요한 반면 좁은 밴드갭은 저 에너지, 장파장을 갖는 광자를 만든다. 예를 들면, 레이저에 일반적으로 사용되는 반도체는 인듐 갈륨 알루미늄 포스파이드(InGaAlP)이다. 이 재료의 밴드 갭 때문에(실제로 존재하는 각 원소의 몰 분율 또는 원자 분율에 따른 밴드갭의 범위), InGaAlP가 형성할 수 있는 빛은 가시광선 스펙트럼의 적색 영역, 즉, 약 600 내지 700 나노미터(nm)에서 방출된다.
예전에 스펙트럼의 청색 또는 자외선 영역의 파장을 갖는 광자를 생성하기 위한 반도체 재료로는 비교적 넓은 밴드갭이 요구되었다. 전형적인 재료로는 실리콘 카바이드(SiC)와 갈륨 나이트라이드(GaN)가 추천된다.
LEDs는 파장이 짧을수록 색상 이외에도 많은 장점이 있다. 특히, 광 메모리(optical storage) 및 메모리 장치(예를 들어, "CD-ROM" 또는 "광학 디스크")에 사용할 때, 이들 짧은 파장은 상기한 기억 장치에 비례적으로 많은 정보를 저장하는 것이 가능하다. 예를 들어, 청색 광을 사용하여 정보를 저장하는 광학 장치는 동일한 공간내에 적색 광을 사용한 것 보다 정보를 대략 32배 많이 저장할 수 있다.
그러나, 갈륨 나이트라이드는 비교적 넓은 밴드갭(상온에서 3.36eV)과 간접 밴드갭 재료가 아닌 직접적인 밴드갭 재료이기 때문에 청색 및 UV 파장용 LED용 재료로 적극 추천된다. 반도체 특성에 정통한 사람들에게 알려진 것과 같이, 직접 밴드갭 재료는 가전자대로부터 전도대(conduction band)로의 전자 천이는 전자에 대한 결정 운동량의 변화를 필요로 하지 않는다. 간접 반도체에 있어서는, 가전자대와 전도대간의 전자 천이를 위하여 결정 운동량의 변화가 필요한 경우가 있다. 실리콘과 실리콘 카바이드는 이러한 간접 반도체의 예이다.
일반적으로 말해서, 직접 밴드갭 재료 내에서 형성된 LED는, 직접적인 천이로부터 방출되는 광자가 간접적인 천이로부터 방출되는 광자에 비하여 더 큰 에너지가 필요하므로 간접 밴드갭 재료 내에서 형성된 것보다 훨씬 효과적으로 실시된다.
그러나, 갈륨 나이트라이드는 다른 단점이 있다. 갈륨 나이트라이드 광자 장치에 있어 적절한 기판을 제조할 수 있는 갈륨 나이트라이드의 벌크 단결정을 제조하기 위한 가능한 기술이 현재까지는 부족함. 반도체 장치에 정통한 사람들에게 알려진 것과 같이, 이들은 모두 어떠한 종류의 구조적 기판을 요구한다. 전형적으로, 장치의 활성 영역으로서 상기 동일한 재료로 형성된 기판은, 특히 결정 성장과 정합(matching)에 있어서 중요한 장점을 제공한다. 그러나 갈륨 나이트라이드는 아직 어떠한 벌크 결정으로 형성되기때문에, 갈륨 나이트라이드 광자 장치는 다른-즉, GaN이 아닌-기판 위에 형성되는 에피텍셜 층(epitaxial layer) 형태로 형성될 수 있다.
그러나, 다른 기판을 사용하면, 결정 격자 정합(crystal lattice matching)을 고려할 때 주로, 추가적인 문제점들이 야기된다. 대부분, 다른 재료는 다른 결정 격자 상수를 갖는다. 결과적으로, 갈륨 나이트라이드 에피텍셜 층이 다른 기판 위에서 성장하면, 어떤 결정 부정합(mismatch)이 발생하고, 얻어지는 에피텍셜 층은 이 부정합으로 인하여 "변형(strain)"이 나타난다. 이들이 형성하는 상기한 부정합 및 변형은 결정과 접합의 전자 특성에 차례로 영향을 미치고, 따라서 상기 광자 장치의 성능을 어느 정도 저하시키거나 심지어 작동하지 않게 되는 결점 결함을 유발한다. 이러한 결함은 고 전력 제품에 대하여 더 큰 문제점이다.
현재까지, 갈륨 나이트라이드 장치용으로-그리고 GaN LED에서 이용되는 유일한 기판- 가장 일반적인 기판은 사파이어(sapphire), 즉, 알루미늄 산화물(Al2O3)이다. 사파이어는 가시광선과 자외선 범위에서 광학적으로 투명하나 불행하게도 전도성보다는 오히려 절연상을 띠고, 갈륨 나이트라이드와 약 16%의 격자 부정합을 갖는다. 전도성 기판이 없는 경우에, "수직" 장치(대향 면과 접촉하는 장치)가 형성될 수 없어서 장치의 제조 및 이용이 복잡하다.
특별한 단점으로는, 갈륨 나이트라이드를 사파이어 위에 형성할 때 요구되는 것과 같은, 수평 구조(상기 장치의 동일한 면과 접촉하는)는 또한 전류의 수평적인 흐름을 형성하여 상기 층을 통과하는 전류 밀도가 실질적으로 증가된다. 이 수평적인 전류 흐름은 기변형된 GaN-사파이어 구조 위에 추가로 변형을 일으키고, 전체적으로 상기 접합과 장치의 품질의 저하를 유발한다.
갈륨 나이트라이드는 또한 알루미늄 나이트라이드(AlN)와 2.4%의 격자 부정합을 일으키고, 실리콘 카바이드와 약 3.5%의 격자 부정합을 일으킨다. 실리콘 카바이드는 알루미늄 나이트라이트와 다소 적은 부정합(약 1%)을 갖는다.
Ⅲ족의 3원 및 4원 나이트라이드(예를 들어, InGaN, InGaAlN 등)는 또한 비교적 넓은 밴드갭을 갖고 따라서 청색 및 자외선 반도체 레이저에 대한 가능성을 제공하는 것으로 알려졌다. 그러나, 상기한 화합물의 대부분은 갈륨 나이트라이드와 동일한 문제점이 있다: 동일한 단 결정 기판의 부족. 따라서, 각각은 다른 기판 위에 성장된 에피텍셜 층의 형태로 사용되어야 한다. 따라서, 이들은 결정 결함과 이와 관련된 전자적인 문제점에 대하여 동일한 가능성을 제시한다.
본 발명은 광전자 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 전자 스펙트럼(electromagnetic spectrum)의 청색부터 자외선 영역까지 발광하는 Ⅲ족 나이트라이드(즉, 원소의 주기율표의 Ⅲ족)로부터 형성된 발광 다이오드에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 연장된 수명 발광 다이오드의 제일 실시예를 개략적으로 나타낸 수직 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 연장된 수명 발광 다이오드의 제이 실시예를 개략적으로 나타낸 수직 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 연장된 수명 발광 다이오드의 제삼 실시예를 개략적으로 나타낸 수직 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 연장된 수명 발광 다이오드의 제사 실시예를 개략적으로 나타낸 수직 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 발광 다이오드와 비교하여 종래 발광 다이오드의 시간에 대한 상대 휘도를 개략적으로 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 발광 다이오드에서 사용된 것과 같이 SiC 기판 위에 GaN 층에 대한 이중 결정 X-레이 락킹(rocking) 커브를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 연장된 수명 발광 다이오드에서 이용된 것과 같은 SiC 기판 위에 형성된 GaN 층의 에너지 방출과 비교한 광발광(photoluminescence)을 나타낸 그래프.
도 8은 SiC-AlN-GaN 합금의 운동 에너지와 비교한 강도를 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명에 따른 SiC-AlN-GaN 합금에서 실리콘 카바이드 농도의 함수로서 결정 격자 피크 에너지를 나타낸 그래프.
따라서, 본 발명의 목적은 전자 스펙트럼의 청색 및 자외선 영역에서 발광할 수 있고, 상기한 장치에 대하여 가장 유용한 수직 구조로 형성될 수 있으며, 매우 우수한 휘도와 효율을 갖고, 우수한 물리적이고 전자적인 수명을 갖으며, 다이오드로 유용한 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명은 유리한 재료와 구조로 인한 가시광선 스펙트럼의 청색 영역에서 발광하고, 연장된 수명으로 특징되는 발광 다이오드를 사용하여 상기한 목적을 만족한다. 상기 발광 다이오드는 전도성 실리콘 카바이드 기판; 상기 실리콘 카아비드에 대한 옴 접촉부(ohmic contact); 상기 기판 위에 형성되고, 갈륨 나이트라이드, 알루미늄 나이트라이드, 인듐 나이트라이드, 일반식 AxB1-xN(식에서 A와 B는 Ⅲ족 원소이고, x는 0, 1 또는 0과 1 사이의 소수임)을 갖는 3원 Ⅲ족 나이트라이드, 일반식 AxByC1-x-yN(식에서 A, B, C는 Ⅲ족 원소, x와 y는 0, 1 또는 0과 1 사이의 소수, 그리고 1이 (x+y)보다 큰 수임)을 갖는 4원 Ⅲ족 나이트라이드 및 실리콘 카바이드와 상기 3원 및 4원 Ⅲ족 나이트라이드의 합금으로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 전도성 버퍼 층; 그리고 2원 Ⅲ족 나이트라이드, 3원 Ⅲ족 나이트라이드, 4원 Ⅲ나이트라이드 및 실리콘 카바이드와 상기한 나이트라이드의 합금으로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 활성이고 이형구조층인 상기 버퍼 층 위에 형성된 p-n 접합을 포함하는 이중 이형 구조를 포함한다.
본 발명의 상기한 그리고 다른 목적, 장점 및 특징 그리고 동일하게 완성된방식은 첨부한 도면과 함께, 바람직한 실시예 및 대표 실시예를 설명하는 하기한 본 발명의 상세한 설명을 고려하면 용이하게 명백해질 것이다.
본 발명은 가시광선 스펙트럼의 청색 영역에서 빛을 형성하고 연장된 수명으로 특징되는 발광 다이오드이다. 이러한 발광 다이오드의 성능, 특성 및 정격(rating)에 정통한 사람들에게 알려진 것과 같이, 수명은 일반적으로 상기 LDE의 방출이 최초 방출의 약 50%로 떨어지는 동안의 시간으로서 정의된다.
도 1은 본 발명에 따른 빛-발광 다이오드의 개략적인 단면도이고 일반적으로 20으로 지정된다. 상기 다이오드는 바람직한 실시예에 있어서, 단결정 실리콘 카바이드 기판인 도전성 실리콘 카바이드 기판 21을 포함한다. 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 사람에게 잘 이해된 것과 같이, 고품질 단결정 기판은 우수한 성능과 수명 등의 중요한 구조적인 이점을 제공한다. 바람직한 실시예에 있어서, 상기 SiC 기판은 진행 중인 출원을 양도받은 미국 특허 제 4,866,005 호(현재 제 RE 34,861 호)에 기술되어있는 방법으로 형성될 수 있다.
옴 접촉부 22를 실리콘 카바이드 기판에 형성하고 여기에 기술된 재료의 종래의 다이오드로부터 본 발명의 다이오드를 직접적으로 구별하는 본 발명의 특성 중의 하나이다. 상술한 것과 같이, 갈륨 나이트라이드에 대한 전형적인 기판은, 도전성이 형성될 수 없고 따라서 옴 접촉부에 연결될 수 없는, 사파이어이다. 이는 사파이어계 장치가 LEDs 및 많은 다른 장치에 대한 가장 바람직한 수직 기판에 형성되지 못하도록 한다.
도 1은 상기 기판 21 위에 형성된 버퍼 층 23을 포함하는 LED 20을 더욱 기술한다. 상기 버퍼 층 23은 갈륨 나이트라이드, 알루미늄 나이트라이드, 인듐 나이트라이드, 일반식 AxB1-xN(식에서, A와 B는 Ⅲ족 원소이고 x는 0, 1 또는 0과 1 사이의 소수임)을 갖는 3원 Ⅲ족 나이트라이드, 일반식 AxByC1-x-yN(식에서, A, B 및 C는 Ⅲ족 원소이고, x, y는 0, 1 또는 0과 1 사이의 소수이며, 1이 (x+y)보다 큰 수임)을 갖는 4원 Ⅲ족 나이트라이드 및 상기한 3원 및 4원 Ⅲ족 나이트라이드와 실리콘 카바이드의 합금으로 이루어진 그룹 중에서 선택된다. 상기 버퍼 층 23과 상기 기판 21은 모두 도전성이다.
상기 LED 20은 괄호 24로 지정되고, 특히 p-n 접합을 포함하는, 상기 버퍼층 23 위에 형성된 이중 이형구조를 포함한다. 구조적인 명칭 "이중 이형 구조(double heterostructure)"는 일반적인 방식으로 사용된 것이고, 이 기술 분야에서 잘 이해될 것이다. 이러한 구조의 형태는 예를 들어, Sze의Physics of Semiconductor Devices, second edition(1981), p708-710에 기술되어 있다. 상기한 페이지에 기술된 Sze 기술은 레이저에 관한 것이나 동형구조, 단일 이형구조 및 이중 이형구조 접합의 성질 및 이들 사이의 차이를 기술하고 있다.
도 1에 나타낸 실시예에 있어서, 상기 이중 이형구조 24는 상부 이형구조 층 26에 따른 활성 층 25와 상기 활성 층 25에 인접한 하부 이형구조 층 27을 더욱 포함한다. 상기 이형구조 층 26과 27은 갈륨 나이트라이드, 알루미늄 나이트라이드, 인듐 나이트라이드, 일반식 AxB1-xN,(식에서, A와 B는 Ⅲ족 원소이고, x는 0, 1 또는 0과 1 사이의 소수임)을 갖는 3원 Ⅲ족 나이트라이드 및 상기한 3원 Ⅲ족 나이트라이드와 실리콘 카바이드의 합금, 예를 들어, (SiC)xAyB1-yN으로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 조성물로 바람직하게 형성된다. 달리 기술하면, 최하부 이형구조 층은 상기 버퍼 층의 최상층 위에 있다. 도 1에서, 버퍼 층 23의 최상층 위에 최하부 이형구조 27로서 나타냈다.
옴 접촉부 30을 상기 상부 이형구조 층 26에 적용하여 본 발명의 유용한 수직 구조를 완성할 수 있다. 상기 옴 접촉부는 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt) 또는 니켈(Ni) 같은 금속으로 각각 형성되는 것이 바람직하나, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 사람에게 알려진 것 같은 옴 접촉부를 형성하기 위한 다른 재료로 형성될 수 있다.
여기에 기술한 각각의 실시예에 있어서, 상기 이중 이형구조는 갈륨 나이트라이드, 알루미늄 나이트라이드, 인듐 나이트라이드, 일반식 AxB1-xN(식에서, A와 B는 Ⅲ족 원소이고 x는 0, 1 또는 0과 1 사이의 소수임)을 갖는 3원 Ⅲ족 나이트라이드 및 상기한 3원 Ⅲ족 나이트라이드와 실리콘 카바이드의 합금으로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 활성 층을 포함한다.
도 1에 나타낸 상기한 이형구조 24에 있어서, 상기 활성 층 25는 인듐 갈륨나이트라이드를 바람직하게 포함할 수 있고, 상기 상부 이형구조 층 26과 하부 이형구조 층 27은 알루미늄 갈륨 나이트라이드를 바람직하게 포함한다. 더욱 상세하게, 상기 알루미늄 갈륨 나이트라이드 이형구조 층 26과 27은 일반식 AlxGa1-xN(식에서, x는 0, 1 또는 0과 1 사이의 소수임)을 갖는다. 상기 활성 층 25가 인듐 갈륨나이트라이드를 포함할 때, 상기 조성물은 InzGa1-zN(식에서 z는 0과 1 사이의 소수임)이다.
이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 사람에게 공지된 것과 같이, 상기 3급 Ⅲ족 나이트라이드의 조성물은 이들의 반사 지수(reflective index)와 이들의 밴드갭에 모두 영향을 미칠 수 있다. 일반적으로 말하면, 알루미늄 비율이 높을수록 상기 밴드갭을 증가시키고 상기 반사 지수를 감소시킨다. 따라서, 바람직한 실시예에 있어서, 상기 활성 층 25 보다 큰 밴드갭과 상기 활성 층 25 보다 적은 반사지수를 갖기 위한 상기 이형구조 층 26과 27에 대한 순서로, 상기 층 26과 27은 상기 활성 층 25보다 큰 알루미늄의 원자 퍼센트 또는 몰 퍼센트를 갖는다. 상기 이형구조 층 26과 27의 큰 밴드갭은 상기 활성 층 25를 통과하여 주입되는 전자를 촉진하여 상기 장치의 효율을 증가시킨다. 유사하게, 상기 이형구조 층 26과 27의 더 낮은 반사 지수는 상기 활성 층 25로부터 광학적으로 빛이 바람직하게 방출하도록 촉진한다.
상기 p-n 접합을 형성하기 위하여, 상기 상부 및 하부 이형구조 층 26과 27은 서로 반대되는 도전성 타입을 갖고, 상기 활성 층 25는 상기 두 이형구조 층의 하나와 동일한 전도성 타입을 갖는다. 예를 들어, 바람직한 실시예에 있어서, 상기 상부 이형구조 층 26은 p-타입이고, 상기 활성 층 25는 n-타입이며, 상기 하부 이형구조 층 27은 n-타입이고, 상기 버퍼 및 실리콘 카바이드 기판은 둘다 n-타입이다. 따라서 상기 p-n 접합은 상기 활성 층 25와 상기 하부 이형구조 층 26 사이에형성된다.
도 2는 32로 광범위하게 지정된된 본 발명의 다소 다른 실시예를 나타낸다. 상기한 실시예에서와 같이, 상기 LED는 실리콘 카바이드 기판 33과 이들의 옴 접촉부 34를 포함한다. 상기 이중 이형구조는 괄호 35로 지정된다. 도 2의 실시예에 있어서, 상기 버퍼 층은 36으로 나타냈고, 갈륨 나이트라이드를 포함하며, 전체 구조는 상기 갈륨 나이트라이드 버퍼 층 36과 상기 이중 이형구조 35 사이에 형성된 상기 버퍼 층 위에 형성된 갈륨 나이트라이드 에피텍셜 층 37을 더욱 포함한다. 상기 이중 이형구조 35에 대한 옴 접촉부 40은 상기 장치의 유용한 수직 구조를 완성한다.
특별한 성능 파라미터가 이후에 기술될 지라도, 여기에 기술되고, 논문에 언급된 다이오드 및 나머지 도면은 상온에서 50 milliamps의 순방향 바이어스 전류(forward bias current)에서 작동하는 10,000 시간보다 큰 수명을 갖고, 상온에서 30milliamps의 전진 바이어스 전류에서 작동하는 10,000 시간보다 큰 수명을 갖을 것으로 예상된다. 본 발명의 가능한 장치의 것을 훨씬 넘는 본 명세서로 상기한 장치와 유사한 것으로 인식될 것이다.
도 3은 42로 광범위하게 지정된 본 발명의 제삼 실시예를 나타낸다. 상기한 실시예에서와 같이, 상기 다이오드 42는 실리콘 카바이드 기판 43 및 상기 기판 43에 대한 옴 접촉부 44를 포함한다. 상기 이중 이형구조는 다시 괄호 45로 지정되고, 상부 옴 접촉부 46은 이중 이형 구조 45를 형성한다. 그러나, 실시예에 있어서, 상기 버퍼 층은 제일 및 제이 층 47과 48을 각각 포함한다. 상기 제일 층 47은상기 기판 43 위에 형성되어 있고, 실리콘 카바이드 알루미늄 갈륨 나이트라이드 (SiC)xAlyGa1-yN을 주성분으로 형성되며, 상기 기판 43의 인접 부분은 실질적으로 완전 실리콘 카바이드이고 상기 기판으로부터 가장 먼 부분은 실질적으로 완전 알루미늄 갈륨 나이트라이드이며, 이들 사이의 부분은 주를 이룬 실리콘 카바이드에서 주를 이룬 알루미늄 나이트라이드로 점진적으로 변환된다.
상기 제이 층 48은 상기 제일 층 47 위에 형성되어 있고, 알루미늄 갈륨 나이트라이드의 다른 변화된 조성물로 형성된다. 바람직한 실시예에 있어서, 상기 변화된 제이 층 48의 조성물은 상기 층 47과 48이 접촉하는 포인트에서 상기 제일 버퍼 층 47의 조성물에 일치하는 조성물로부터 이중 이형구조물 45의 가장 낮은 층의 조성물에 일치하는 조성물로 변화된다.
도 3을 고려하여, 상기 버퍼 층은 실리콘 카바이드와 Ⅲ족 나이트라이드의 변화된 층 하나 이상을 갖고, 상기 변화된 층은 상기 기판과의 인접면(interface)에서는 실리콘 카바이드이며, 상기 이중 이형구조와의 인접면에서 상기 이중 이형구조의 가장 낮은 층의 조성물과 일치하는 조성으로 점진적으로 변화되는 것으로 또한 기술될 수 있다.
본 발명은 상기 이중 이형구조 내에 상기 활성 층 위에 형성되고 상기 각각의 버퍼 층과 실질적으로 동일한 격자 상수를 갖는 스트레인-최소화 접점 층(conduct layer)(나타내지 않음)을 더욱 포함할 수 있다. 상기한 스트레인-최소화 접전 층은 본 출원과 함께 양도되고 전체적으로 인용참조된, 동시에 출원된Edmond와 Bulman의 "Low Strain Laser Structures with Group Ⅲ Nitride Active Layers"의 명세서에 기술되어 있다. 간단히 요약하면, 상기 다중-층 결정성 장치의 전체 스트레인은 이들의 격자 상수 사이에 차이점에 기인한 각각의 스트레인의 평균값의 함수이다. 따라서, 상기 버퍼와 실질적으로 동일한 격자 상수를 갖는 층을 첨가함에 따라, 상기 스트레인의 측정된 평균값은 더욱 일정하고 따라서 상기 전체 스트레인을 감소시킨다.
더욱 자세하게 말하면, 실시예 중 한 실시예에 있어서 상기 실리콘 카바이드의 상부 표면은 알루미늄과 함께 도핑될 수 있어서 상기 결정 성장을 증가시킬 수 있다. 이미 언급한 바와 같이, 각 실시예에 있어서, 상기 기판과 상기 버퍼 층은 도전성이고, 이는 적절한 도판트(dopant)를 사용하여 각 기판에 도핑하여 일반적으로 얻을 수 있다. 상기 실리콘 카바이드 기판은 3C, 4H, 6H 및 15R을 특히 포함하는 여러 가지 실리콘 카바이드 폴리타입으로부터 선택될 수 있다.
도 4는 50으로 광범위하게 지정된 본 발명의 다른 실시예를 나타낸다. 상기 LED 50은 괄호 52로 지정된 버퍼 층 위에 형성된 실리콘 카바이드 기판 51 위에 형성된다. 상기 버퍼 층은 갈륨 나이트라이드, 알루미늄 나이트라이드, 인듐 나이트라이드, 일반식 AxB1-xN(식에서 A와 B는 Ⅲ족 원소이고 x는 0, 1 또는 0과 1 사이의 소수임)을 갖는 3원 Ⅲ족 나이트라이드 및 상기한 3원 Ⅲ족 나이트라이드와 실리콘 카바이드의 합금으로 이루어진 그룹 중에서 선택된다. 제일 Ⅲ족 나이트라이트 층 53은 상기 버퍼 52 위에 형성되고 제일 도전성 타입을 갖는다. 제이 Ⅲ족 나이트라이드 층 54는 상기 제일 Ⅲ족 나이트라이드 층 53 위에 형성되고 제이 도전성 타입을 가져 제일과 제이 Ⅲ족 나이트라이드 층 53 과 54는 p-n 접합 장치를 형성한다. 옴 접촉부 55를 상기 제이 Ⅲ족 나이트라이트 층 54에 형성하고, 옴 접촉부 56을 상기 실리콘 카바이드 기판 위에 형성하여 상기 제일 및 제이 옴 접촉부를 따라 상기 p-n 접합 장치로 제공되는 전류가 이들로부터 고 강도 광 방출을 생성한다.
도 4에 점선으로 나타낸 것과 같이, 상기 버퍼 52는 상기 기판 위에 형성된 제일 층 57을 바람직하게 포함하고 실리콘 카바이드 알루미늄 갈륨 나이트라이드의 변화된 조성물로 형성되며 상기 기판 인접 부분은 실질적으로 완전 실리콘 카바이드이고 상기 기판에 가장 인접한 부분은 실질적으로 완전 알루미늄 갈륨 나이트라이드이며 이들 사이의 부분은 주를 이룬 실리콘 카바이드로부터 주를 이룬 알루미늄 갈륨 나이트라이드로 충분하게 점진적으로 변화된다,
제이 버퍼 층 58은 상기 제일 층 57 위에 형성되고, 알루미늄 갈륨 나이트라이드의 변화된 조성물로 형성된다. 상기한 실시예에 기술한 것과 같이, 상기 변화된 제이 층 58의 조성물은 상기 층 57과 57이 접하는 지점에서 상기 제일 버퍼층 57의 조성물에 일치하는 조성물로부터 상기 다이오드의 하부 Ⅲ족 나이트라이드층 53의 조성물에 일치하는 조성물로 점진적으로 변화된다.
도 4에 나타낸 다이오드 50에 있어서, 상기 나이트라이드 층 53과 54는 갈륨 나이트라이드, 알루미늄 나이트라이드, 인듐 나이트라이드, 일반식 AxB1-xN(식에서 A와 B는 Ⅲ족 원소이고 x는 0, 1 또는 0과 1 사이의 소수임)을 갖는 3원 Ⅲ족 나이트라이드 및 상기한 3원 Ⅲ족 나이트라이드와 실리콘 카바이드의 합금으로 이루어진 그룹 중에서 선택된다. 따라서 여기에서 그리고 상기한 실시예에서, 접합은 동형구조, 단일 이형구조 또는 이중 이형구조일 수 있다는 것이 이해될 것이다.
상기 버퍼 52는 실리콘 카바이드 기판 51 위에 위치하는 실리콘 카바이드로 형성된 하부 중간 층(intermediate layer) 57과 낮은 중간 층 57 위에 위치하는 나이트라이드 합금으로 형성된 상부 중간 층 58을 포함한다.
상기 버퍼는 실리콘 카바이드와 Ⅲ족 나이트라이드의 변화된 층을 하나 이상 포함할 수 있고 상기 변화된 층은 상기 기판 51과 공유영역에서 실리콘 카바이드이며, 상기 변화된 층은 상기 접합 구조와의 공유영역에서 활성 장치의 가장 하부 층의 조성물에 일치하는 조성물이다.
상기한 실시예서와 같이, 상기 발광 다이오드는 알루미늄이 도핑된 상기 실리콘 카바이드 기판의 상부 표면을 갖을 수 있다.
여기에 어떠한 다른 도면을 고려하여 기술한 것과 같이, 본 발명에 따른 결정의 특성은 어떠한 종래 장치에 의해 나타나는 것보다 일반적으로 우수하다. 따라서 본 발명에 따른 SiC 기판 위에 성장한 GaN에 대한 이중 결정 X-선 락킹 커브는 약 85 arcsecond의 완전 폭 반 최대값(full width half maximum)을 갖는다(도 6).
상기한 바와 같이, LED의 수명은 상기 LED의 초기 발광 방출의 약 50%의 발광 방출에 대한 상기 LED 열화 시간으로 정의된다. 상술한 것과 같이, 도 5는 본 발명에 따른 LED와 비교한 사파이어 위에 GaN으로 형성된 종래 LED의 시간에 대한 상대 휘도를 그래프로 나타낸다. 도 5는 본 발명에 따른 LED의 수명의 중요한 개선점을 잘 나타낸다. 상기 장치를 50milliamps에서 번인(burn-in)하였다.
도 5에 나타낸 것과 같이, 본 발명에 따른 LED에 대한 공급 전류의, 10,000시간 이상의 연장된 시간 후에, 상기 LED는 연속하여 고 휘도 발광, 즉, 초기 휘도 발광의 약 90% 보다 큰,을 발광하고, 1000 시간 번인(burn-in) 이하 후에 사파이어 LED 위에 형성된 GaN으로 나타나는 초기 휘도 발광의 약 55%보다 훨씬 크게 발광한다. 도 5에서, 상기 점선은 SiC 위에 형성된 SiC의 잘 인정된 성능에 기초로 한 SiC 위에 형성된 GaN의 성능을 예측한다.
나이트라이드 합금은 일차적으로 두 종류의 재료 사이의 표면 에너지 차이 때문에 종래 기술을 사용하여 실리콘 카바이드 위에 이차원적으로 성장시키는 것이 종종 어렵다. 더욱 상세하게는, 비교적 높은 온도(즉, 약 1000℃보다 높은)에서 종래 성장 기술은 상기 실리콘 카바이드 기판의 상부 표면 위에 3차원 성장을 일으키는 경향이 있다. 이 3차원 성장은 나쁜 표면 커버리지를 갖는 상기 기판의 상부 표면 위에 반도체 재료의 작은 각각의 섬(island) 형성을 어느 정도 발생시킨다. 이러한 섬들의 추가 성장은 여전히 3차원이고, 매우 거친 나이트라이드 합금의 성장 표면을 야기한다. 그러나, 비교적 낮은 온도, 즉, 1000℃ 이하,에서 매우 높은 밀도를 갖는 나이트라이드 합금의 매우 작은 섬은 상기 실리콘 카바이드의 표면 위에서 성장할 수 있다. 종래 성장 온도에서 매우 짧은 기간의 추가 성장 후에, 이러한 섬들은 합체되고, 상기 기판의 상부 표면 거의 전체를 덮는다. 이 기판 위에서의 추가 성장은 나이트라이드 합금 위에서 나이트라이드 합금의 성장이고, 이차원적인 측면 성장에 따라 좌우된다. 이는 상기 필름의 거울같이 성장한 표면, 상기 나이트라이드 합금의 높은 전기적 및 구조적 품질을 야기한다. 상기 Ⅲ족 나이트라이드의 p-n 접합 장치는 화학 기상 증착(CVD) 또는 분자선 에피텍셜 성장(molecular beam epitaxy) 같은 기술을 사용하여 상기 갈륨 나이트라이드 층 위에 형성된다; 참조 예를 들어 양도된 미국 특허 제 5,210,051 호.
도 6∼9는 본 발명에 따른 연장된 수명 LED의 여러 가지 다른 성능과 조립 특성을 나타낸다. 더욱 상세하게, 도 6은 본 발명에 따른 SiC 기판 위에 형성된 GaN 층에 대한 이중 결정 X-선 락킹 커브, 즉, 각도와 비교한 초당 카운트,를 그래프로 나타낸다. 결정성 재료에 의해 회절되는 각 위치(angular position), 휘도 및 x-선 빔의 피크 폭의 분석은 상기 재료의 결정 구조에 대한 정보를 제공한다. 이러한 예에 있어서, 본 발명에 따른 LED의 기본 GaN에 대한 상기 완전 폭 반 최적치(FWHM)는 약 85 arcsecond인 것으로 알려졌다. 상기 X-선 락킹 커브 측정이 상기 SiC 기판 위에 형성된 GaN의 결정 품질이 비교적 높다고 나타내므로, 얻어지는 LED는 요구되는 고 강도 및 긴 수명 특성을 제공하는 것으로 기대된다.
도 7은 본 발명에 따른 연장된 수명 LED의 SiC 위에 형성된 기본 GaN의 에너지 방출과 비교한 발광을 그래프로 나타낸다. 상기 그래프는 325nm, 온도 295 K의 여기(excitation)에서 측정한 광발광 측정값의 결과를 나타낸다. 균일한 방출이 상기 표면을 따라 관찰된다. 상온 광발광은 상기 방출이, 본 발명에 따른 SiC 기판 위에 형성된 GaN의 고 품질을 다시 나타내는, 사파이어 위에서 성장된 층에 대한 2.2eV에서 결함 피크에 의해 전형적으로 좌우되는 3.41eV에서 밴드 에지 엑사이톤(band edge exiton)에 의해 좌우된다는 것을 나타낸다.
도 8은 본 발명에 따른 합금 층이 SiC-AlN-GaN 합금에 모두 5개 원소를 포함하는 것을 나타내는 아우거 전자 스펙트럼(Auger electron spectrum)이다: Si, C, Al, N 및 Ga. 캐소드루미네센스(cathodoluminescence) 측정은 약 80° 캘빈(K)에서 SiC-AlN-GaN 합금 층 위에서 실시하고, 자외선(UV)와 보라색 영역에서 여러 가지 피크를 나타낸다.
도 9는 본 발명에 따른 상기한 층들에 대한 실리콘 카바이드 농도의 함수로서 얻어지는 피크 에너지를 그래프로 나타낸 것이다. 나타낸 것과 같이, 상기 에지 피크에 대한 광자 에너지는 상기 합금 층에서 SiC 농도에 따라 좌우된다. 약 10 몰%의 SiC 농도를 사용한 층에 대하여, 상기 에지 피크는 약 300nm의 파장에서 검출된다.
상기한 도면과 명세서에 있어서, 본 발명의 전형적인 바람직한 실시예가 기술되어 있고, 특별한 단어가 사용되었을지라도, 상기한 단어는 일반적이고 기술적인 이해로 사용되었을 뿐 제한하기 위한 목적으로 사용된 것이 아니다. 본 발명은 특히 여러 가지 바람직한 실시예에 따라 더욱 자세하게 설명된다. 그러나, 다양한 변화와 변경이 상기한 명세서에 기술한 것과 첨부된 청구범위에서 정의된 본 발명의 정신과 범위 내에서 가능할 수 있다는 것은 명백하다.

Claims (15)

  1. 도전성 실리콘 카바이드 기판,
    상기 기판 위에 형성되며, 일반식 AxB1-xN(식에서, A와 B는 Ⅲ족 원소이고, x는 0, 1 또는 0과 1 사이의 소수임)을 갖는 3원 Ⅲ족 나이트라이드 또는 일반식 AxByC1-x-yN(식에서, A, B 및 C는 Ⅲ족 원소이고, x와 y는 0, 1 또는 0과 1 사이의 소수, 그리고 1이 (x+y)보다 큰 수임)을 갖는 4원 Ⅲ족 나이트라이드와 실리콘 카바이드의 합금으로 이루어지는 도전성 버퍼층,
    상기 버퍼층 위에 형성되며, 제1 도전성 타입의 제1 Ⅲ족 나이트라이드 층,
    상기 제1 Ⅲ족 나이트라이드층 위에 형성되며, 제2 도전성 타입의 제2 Ⅲ족 나이트라이드층,
    상기 제2 Ⅲ족 나이트라이드 층 위에 형성되는 제1 옴 접촉부, 그리고
    상기 실리콘 카바이드 기판 위에 형성되는 제2 옴 접촉부
    를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 Ⅲ족 나이트라이드층이 p-n 접합 장치를 형성하고, 상기 제1 및 제2 옴 접촉부를 따라서 상기 p-n 접합 장치로 전류를 공급하며,
    상기 버퍼층은 실리콘 카바이드와 Ⅲ족 나이트라이드의 합금이 변화하는 적어도 하나의 층을 포함하고, 상기 기판과 인접한 면에서는 실리콘 카바이드이며 상기 접합 장치와 인접한 면에서는 상기 접합 장치의 가장 하부층의 조성물과 일치하는 조성물을 가지는
    발광 다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 Ⅲ족 나이트라이드층은 동형 구조, 단일 이형 구조 및 이중 이형 구조로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 구조를 포함하는 발광 다이오드.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 이형 구조는 활성층 및 이형 구조층이 2원 Ⅲ족 나이트라이드 및 3원 Ⅲ족 나이트라이드로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 이중 이형 구조를 포함하는 발광 다이오드.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 이중 이형 구조는
    활성층, 및
    상기 활성층에 인접하며, 갈륨 나이트라이드, 알루미늄 나이트라이드, 인듐 나이트라이드, 일반식 AxB1-xN(식에서, A와 B는 Ⅲ족 원소이고, x는 0, 1 또는 0과 1사이의 소수임)을 갖는 3원 Ⅲ족 나이트라이드, 및 상기 3원 Ⅲ족 나이트라이드와 실리콘 카바이드의 합금으로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 조성물로 형성되는 상부 및 하부 이형 구조층
    을 포함하는 발광 다이오드.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 이중 이형 구조는 일반식 AxB1-xN(식에서, A와 B는 Ⅲ족 원소이고, x는 0, 1 또는 0과 1 사이의 소수임)을 갖는 3원 Ⅲ족 나이트라이드 및 상기 3원 Ⅲ족 나이트라이드와 실리콘 카바이드의 합금으로부터 선택되는 활성층을 포함하는 발광 다이오드.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 이형 구조층은 일반식 AxB1-xN(식에서 x는 0, 1 또는 0과 1 사이의 소수임)을 갖는 발광 다이오드.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 이형 구조층은 상기 활성층보다 큰 밴드 갭을 가지며, 상기 활성층보다 적은 굴절율를 갖는 발광 다이오드.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 이형 구조층은 알루미늄 나이트라이드, 갈륨 나이트라이드 또는 인듐나이트라이드를 포함하는 발광 다이오드.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼층과 실질적으로 동일한 격자 상수를 갖는 이중 이형 구조 위에 스트레인 최소화 접전층을 더 포함하는 발광 다이오드.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 카바이드 기판은 3C, 4H, 6H 및 15R로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 폴리타입인 발광 다이오드.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 접합 다이오드 구조의 최상층에 대한 옴 접촉부를 더 포함하며,
    상기 기판에 대한 옴 접촉부는 상기 기판의 바닥층 위에 형성되어 수직 장치구조를 형성하는
    발광 다이오드.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼 층은
    상기 기판에 인접한 부분은 실질적으로 완전 실리콘 카바이드이며 상기 기판과 가장 멀리 떨어진 부분은 실질적으로 완전 알루미늄 갈륨 나이트라이드이고, 이들 사이의 영역은 주를 이룬 실리콘 카바이드로부터 주를 이룬 알루미늄 갈륨 나이트라이드로 점진적으로 변화하는, 실리콘 카바이드와 알루미늄 갈륨 나이트라이드의 변화하는 조성물로 형성되는 상기 기판 위의 제1층, 및
    상기 제1층 위에 형성되며, 알루미늄 갈륨 나이트라이드의 변화하는 조성물로 형성되는 제2층
    을 포함하는 발광 다이오드.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 변화하는 제2층의 조성물은 상기 제1 버퍼층의 조성물과 일치하는 조성으로부터 상기 접합 장치의 가장 하부층의 조성물과 일치하는 조성물까지 점진적으로 변화하는 발광 다이오드.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼층의 Ⅲ족 나이트라이드는 알루미늄 나이트라이드, 갈륨 나이트라이드 또는 인듐 나이트라이드이나 이들의 3원 또는 4원 나이트라이드를 포함하는
    발광 다이오드.
  15. 제4항 내지 제6항, 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성 층은 InzGa1-zN(식에서 z는 0과 1 사이의 소수임)의 조성물을 갖는발광 다이오드.
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