KR100709058B1

KR100709058B1 - 자외선 발광장치

Info

Publication number: KR100709058B1
Application number: KR1020047007434A
Authority: KR
Inventors: 오까가와히로아끼; 다다또모가즈유끼; 오우찌요이찌로; 쯔네까와다까시
Original assignee: 미츠비시 덴센 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2001-11-15
Filing date: 2002-11-12
Publication date: 2007-04-18
Also published as: CN100355094C; WO2003043097A1; TW567620B; CN1586015A; KR20040062636A; TW200300300A; JP2003218396A

Abstract

GaN 계 결정층으로 이루어지는 적층 구조 (S) 는, 결정 기판 (B) 상에 버퍼층을 통하여 또는 직접적으로, 발광부를 포함하여 형성된다. 발광부는 다중양자 웰구조를 가지며, 자외선 발광가능한 InGaN 을 웰층에 사용하며, 웰층의 개수는 2 내지 20 으로 설정하며, 배리어층의 두께는 7 nm 내지 30 nm 로 설정한다. 그 결과, 발광층에 InGaN을 사용하여 고출력의 자외선 발광을 획득할 수 있다. 고품질의 GaN 막을 제조하기 위하여, AlN 저온 성장 버퍼층 바로 위에 AlGaN 베이스층을 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서는, 결정 기판과 웰층 사이 (AlGaN 베이스층을 배치하는 실시형태에서는, 베이스층과 웰층 사이) 에 AlGaN 층이 없는 실시형태를 권장한다.

자외선 발광 소자

Description

자외선 발광장치 {ULTRAVIOLET EMITTING DEVICE}

기술 분야

본 발명은 반도체 발광 소자에 관한 것이다. 더욱 상세하기로는, 본 발명은 발광 층의 재료로서 자외선을 방사(emit)할 수 있는 조성을 갖는 InGaN 계 재료를 구비하는 GaN 계 자외선 발광 소자에 관한 것이다.

배경 기술

GaN 계 발광 다이오드 (LED), GaN 계 레이저 다이오드 (LD) 등의 GaN 계 발광 소자들 중에서, InGaN 을 발광층으로 사용한 것 (특히, 높은 In 조성을 갖는 발광층을 구비하는 청색, 녹색 발광 소자) 은 일반적으로 고효율의 발광을 제공하는 것으로 알려져 있다. 이것은 In 조성 변동에 의한 캐리어의 국재화 (局在化) 에 기인하여 비발광 중심들에 의해 포획되는, 발광층에 주입된 캐리어의 비율이 감소되므로, 고효율의 발광을 제공되는 것으로 설명되고 있다.

GaN 계 LED 및 GaN 계 LD 에서 420 nm 이하의 자외선을 발광시키고자 하는 경우, InGaN (In 조성 0.15 이하) 은 통상적으로 발광층의 재료로서 사용된다.

일반적으로, 자외선 파장의 상한은 가시광의 단파장단 (380 nm 내지 400 nm) 보다 짧고, 하한은 약 1 nm (0.2 nm 내지 2nm) 이다. 그러나, 본 명세서에서, 자외선은 상기 0.15 이하의 In 조성을 갖는 InGaN 에 의해 방사되는 420 nm 이하의 청자색을 포함한다. GaN 에 의해 발생할 수 있는 자외선의 파장은 365 nm 이 다. 따라서, InGaN 이 In 조성을 필수적으로 함유하고 Al 조성을 함유하지 않은 3원계 화합물의 경우에, 발생할 수 있는 자외선의 파장의 하한은 상기 365 nm 보다 더 길다. 이하, InGaN 을 발광층의 재료로서 구비하는 자외선 발광 소자를 InGaN 자외선 발광 소자라 한다.

그러나, 청색, 녹색 발광 소자의 발광층의 높은 In 조성과 비교하여, InGaN 자외선 발광 소자에서는, 자외선이 단파장을 가지므로, 발광층의 In 조성을 저하시킬 필요가 있다. 따라서, 상기 In 조성 변동에 의한 국재화 효과가 감소하여, 비발광 재결합 중심으로 포획되는 비율이 증가하므로, 고출력을 방해한다.

InGaN 자외선 발광 소자에서, 발광부의 구조는 단일양자웰 (SQW) 구조 또는 다중양자웰 (MQW) 구조 (소위 DH 구조는 그 활성층이 얇기 때문에 SQW 구조에 포함된다) 이며, 여기서 발광층 (웰층) 은 더 높은 밴드 갭을 가지는 재료로 이루어지는 클래드 층들 (양자웰 구조도 배리어층을 포함한다) 사이에 개재되어 있다. 문헌 (Hiroo Yonezu, Hikari Tsushin Soshi Kogaku, Kougakutosho Ltd., p.72) 에 의하면, 발광층과 클래드층 사이의 밴드 갭차를 "0.3eV" 이상으로 하는 지침이 제공되어 있다.

상기 배경을 고려하여, InGaN 을 자외선을 방사하는 발광층 (웰층) 으로서 사용하는 경우, 발광층이 개재되는 클래드층과 배리어층에는, 캐리어 수용을 고려하여, 큰 밴드 갭을 가지는 AlGaN 이 사용되고 있다.

도 6 은 In_0.03Ga_0.97N (발광파장 380 nm) 을 발광층 재료로서 구비하는 종래의 자외선 LED 의 소자 구조의 일 실시형태를 나타낸다. 이 도면에 나타낸 바와 같이, 결정 기판 (B10) 상에, 버퍼층 (B20) 을 통하여 n 형 GaN 컨택트층 (101) 을 형성하고, 그 위에 SQW 구조를 갖는 발광부 (n형 Al_0.1Ga_0.9N 클래드층 (102), In_0.03Ga_0.97N 웰 층 (발광층)(103), p 형 Al_0.2Ga_0.8N 클래드층 (104)) 및 p 형 GaN 컨택트층 (105) 을 결정 성장에 의해 순차적으로 적층한다. 또한, 부분적으로 노출된 n 형 GaN 컨택트층 (101) 상에는 n 형 전극 (P10) 을 형성하고, p 형 GaN 컨택트층 (105) 상에는 p 형 전극 (P20) 을 형성한다.

도 6 에 나타낸 발광부는 SQW 구조를 갖는다. 이것이 MQW 구조를 가지도록 이루어진 경우, 2 개의 웰층 사이에 배치되는 배리어층은 터널 효과를 제공할 수 있는 두께를 가질 필요가 있으며, 그 두께는 일반적으로 약 3 내지 6 nm 이다.

그러나, 상기 여러 가지 발광부의 구조들을 사용하더라도, InGaN 자외선 발광 소자는, 발광층의 낮은 In 조성으로 인하여, 충분한 출력을 제공할 수 없다.

발명의 개시

본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하여, 발광층의 재료로서 InGaN을 사용 경우 및 추가적으로 InGaN 계 재료를 사용하는 경우에도, 소자 구조를 최적화함으로써 보다 고출력을 나타내는 자외선 발광소자를 제공하는 것이다.

본 발명자들은, 발광층의 재료가 자외선 발광가능한 조성을 가지는 InGaN 계 재료이더라도, 발광부의 구조를 MQW 구조로 한정하고, 또한 웰층의 개수 및 배리어층의 두께를 특정 범위로 한정함으로써 출력을 향상시켜 본 발명을 완성하였다. 따라서, 본 발명의 자외선 발광 소자는 이하의 특징을 갖는다.

(1) 결정 기판 및 그 결정 기판상에 버퍼층을 통하여 또는 직접적으로 형성되는 GaN 계 결정층을 구비하는 적층 구조를 가지는 GaN 계 반도체 발광 소자인 자외선 발광소자로서, 그 적층 구조는 p 형층과 n 형층으로 이루어진 발광부를 구비하며, 그 발광부는 다중양자 웰구조를 가지며, 웰층이 자외선 발광가능한 InGaN 계 재료로 이루어지며, 웰층의 개수가 2 내지 20 이며, 배리어 층의 두께가 7 nm 내지 30 nm 인 자외선 발광 소자.

(2) 상기 적층 구조는 AlN 저온 성장 버퍼층을 통하여 결정 기판상에 형성되며, AlN 저온 성장 버퍼층 바로 위에는 Al_xGa_1-xN (0 < X ≤1) 베이스층이 형성되는, 상기 (1) 의 자외선 발광 소자.

(3) Al_xGa_1-xN (0 < X ≤1) 베이스층과 웰층 사이에 AlGaN 으로 이루어지는 층이 없는, 상기 (2) 의 자외선 발광 소자.

(4) 상기 적층 구조의 p 형층과 n 형층의 위치관계가 p 형층을 상측으로 하고, p 형 컨택트층이 In_YGa_1-YN (0 < Y ≤1) 으로 이루어지는, 상기 (1) 의 자외선 발광 소자.

(5) 상기 다중양자웰 구조가 p 형층과 접하는 배리어층을 가지며, 그 p 형층과 접하는 배리어층은 10 nm 내지 30 nm 의 두께를 가지는, 상기 (1) 의 자외선 발광 소자.

(6) 상기 다중양자웰 구조가 비도핑된 GaN 계 결정으로 이루어지는 웰층과 Si 도핑된 GaN 계 결정으로 이루어지는 배리어층을 구비하는, 상기 (1) 의 자외선 발광 소자.

(7) 상기 다중양자웰구조는 ln_xGa_1-xN (0 < X ≤1) 로 이루어진 웰층 및 GaN 으로 이루어진 배리어층을 구비하는, 상기 (1) 의 자외선 발광 소자.

(8) 상기 ln_xGa_1-xN 의 In 조성 (X) 은 0 < X ≤0.11 인, 상기 (7) 의 자외선 발광 소자.

(9) 결정 기판과 웰층 사이에 AlGaN 으로 이루어지는 층이 없는, 상기 (1) 의 자외선 발광 소자.

(10) 결정 기판은 표면이 요철가공되어 있으며, GaN 계 결정층은 기상성장으로 요철을 피복하여 적층 구조를 형성하는, 상기 (1) 의 자외선 발광 소자.

도면의 간단한 설명

도 1 은 본 발명의 자외선 발광 소자의 구조예를 나타내는 개략도이다. 이 도면에서, 각 심볼은 B ; 결정기판, S ; GaN 계 결정층을 갖는 적층 구조, 2 ; n 형 클래드층, 3 ; MQW 구조, 4 ; p 형 클래드층, P1 ; n 형 전극, P2 ; p 형 전극을 나타낸다.

도 2 는 본 발명의 자외선 발광 소자의 다른 구조예를 나타내는 개략도이다.

도 3 은 본 발명의 실시예 1 에서 측정되는, MQW 의 웰층의 개수와 발광 출력 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 4 는 본 발명의 실시예 2 에서 측정되는, MQW 의 웰층의 개수와 발광 출 력 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 5 는 본 발명의 자외선 소자에서, 배리어층에의 Si 도핑에 의한 배리어층 캐리어 농도 (단위 cm^-3) 와 발광 출력 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 6 은 In_0.03Ga_0.97N 을 발광층의 재료로 사용하는 종래의 자외선 LED 의 소자 구조의 일 실시형태를 나타내는 도면이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

본 발명에 사용되는 바와 같이, GaN 계는 In_XGa_YAl_ZN (0 ≤X ≤1, 0 ≤Y ≤1, 0 ≤Z ≤1, X＋Y＋Z＝1) 로 나타내는 화합물 반도체를 의미한다. 예를 들어, 중요한 화합물로서 AlN, GaN, AlGaN, InGaN, InGaAlN 등을 들 수 있다.

상기 In_XGa_YAl_ZN 중에서도, InGaN 계는, In 조성 및 Ga 조성을 필수적으로 함유하고, InGaN 또는 InGaN 에 Al 조성이 부가되는 것일 수도 있다.

본 발명의 자외선 발광 소자는 자외선 LED, 자외선 LD 등일 수도 있다. 이하에서, 본 발명은 자외선 LED 를 예를 들어 설명한다. 소자 구조에 있어서, p 형층 및 n 형층 중 어느 것이 하측 (결정 기판측) 에 배치될 수도 있다. GaN 계 반도체의 고품질결정이 쉽게 획득되는 등의 제조상의 이유로, n 형층을 하측에 형성하는 실시형태가 바람직하다. 이하, n 형층을 하측에 형성하는 소자 구조를 설명하지만 이것에 한정되지는 않는다.

도 1 은 본 발명의 자외선 발광 소자의 일 구조예 (LED 소자 구조) 를 나타낸다. 이 도면에 나타낸 바와 같이, 결정 기판 (B) 상에 GaN 계 저온 성장 버 퍼층 (B1) 을 통하여 GaN 계 결정층을 구비하는 적층 구조 (S) 가 성장하고, 그 적층 구조 (S) 는 p 형층과 n 형층을 구비하는 발광층을 포함하고, 추가적으로 전극을 포함하여, 본 발명의 자외선 발광 소자를 형성한다.

도 1 의 실시형태에서, 각 층의 구조는, 하층측에서 부터 순차적으로, 사파이어 결정 기판 (B), GaN 저온 성장 버퍼층 (B1), 비도핑된 GaN 층 (1), 발광부[n형 GaN 클래드층 (=컨택트층)(2), MQW 구조 (GaN 배리어층/InGaN 웰층/GaN 배리어층/InGaN 웰층/GaN 배리어층), p 형 AlGaN 클래드층 (4)], p 형 GaN 컨택트층 (5) 으로 되어 있다. n 형 GaN 컨택트층은 부분적으로 노출되며, 상기 노출면에는 n 형 전극 (P1) 이 형성되고, p 형 GaN 컨택트층에는 p 형 전극 (p2) 이 형성되어 있다.

상기 소자 구조의 중요한 특징은 발광부가 필수적으로 MQW 구조를 가지며, 상기 MQW 구조의 웰층의 재료는 자외선 발광가능한 조성을 가지는 InGaN 이며, 웰층의 개수는 2 내지 20 이고, 배리어층의 두께는 7 nm 내지 30 nm 이라는 것이다.

발광부를 이러한 구성으로 한정함으로써, InGaN 계 재료, 특히 InGaN 을 발광층에 사용한 자외선 발광 소자도 종래의 것보다 더 높은 출력을 제공할 수 있다.

발광부는 p 형 클래드층 및 n 형 클래드층을 가지며, 그 사이에 MQW 구조를 갖는다. n 형 및 p 형 클래드층은 또한 n 형 및 p 형 컨택트층으로도 기능할 수 있다. 또한, LD 등의 소자 구조는 필요에 따라서 클래드층의 내부에 도파층, 캡층 등을 포함할 수도 있다.

도 3 은 하기 실시예 1 에서 측정된, MQW 의 웰층 개수와 발광 출력 사이의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 그래프로부터 명확하게 되는 바와 같이, 웰층의 개수는 2 내지 20 이어야 하고, 이 범위외에서, 발광출력은 종래의 레벨과 같이 낮은 값으로 되어 있다. 웰층의 개수는 특히 8 내지 15 가 바람직하고, 이때에 가장 높은 발광출력이 얻어진다.

웰층의 재료는 InGaN 계 재료, 특히 In_XGa_1-XN (0 < X ≤1, 만일 Ga가 필수적이면, 0 < X < 1) 이고, 이는 420 nm 이하의 자외선을 방사할 수 있는 한 어떠한 조성을 가질 수도 있다. In_XGa_1-XN 의 In 조성 (X) 의 보다 구체적이고 바람직한 값은 0 < X ≤0.11 이다. 웰층의 재료는 모든 층에 대하여 동일한 In 조성일 필요는 없고, 필요에 따라 적절하게 결정될 수 있으며, 여기서 조성은 경사(傾斜) 등을 가질 수도 있다.

웰층의 두께는, 예를 들어 2 nm 내지 10 nm 와 같이 공지의 MQW 구조와 동일할 수도 있다.

배리어층은 양 클래드층에 인접하는 가장 바깥쪽 층으로서 독립적으로 존재할 필요는 없다. 예를 들어, 이하의 실시형태 (1) 내지 (3) 등을 사용할 수도 있다.

(1) (n 형 클래드층/웰층/배리어층/웰층/p 형 클래드층) 과 같이, 클래드층이 가장 바깥쪽 배리어층을 겸하는 실시형태.

(2) (n 형 클래드층/배리어층/웰층/배리어층/웰층/배리어층/p 형 클래드층) 과 같이, 가장 바깥쪽 배리어층이 클래드층과는 독립적으로 존재하는 실시형태.

(3) (n 형 클래드층/웰층/배리어층/웰층/배리어층/p 형 클래드층) 과 같이, 가장 바깥쪽 배리어층이 한측에만 독립적으로 존재하는 실시형태.

본 발명에서, MQW 구조의 모든 배리어층의 두께는 7 nm 내지 30 nm 이다.

도 4 는 하기 실시예에서 측정되는, 배리어층의 두께와 발광 출력 사이의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 도면으로부터 명확하게 되는 바와 같이, 배리어층의 두께가 7 nm 내지 30 nm 인 경우에, 높은 발광 출력을 갖는 자외선 발광 소자를 획득할 수 있다. 배리어층이 7 nm 보다 얇은거나 또는 30 nm 보다 두꺼운 경우에는, 종래의 실시형태들과 같이 발광 출력이 낮게 된다. 상기 배리어층의 두께 범위 중에도, 특히 8 nm 내지 15 nm 가 바람직하며, 이때 가장 높은 출력을 가지는 발광 소자를 획득할 수 있다.

종래의 MQW 구조의 배리어층의 두께는 3 nm 내지 6 nm 인 반면에, 본 발명의 배리어층의 두께는 7 nm 내지 30 nm 이다. 배리어층의 두께를 이 레벨까지 증가시키면, 파동 함수들이 중첩되지 않아, MQW 구조 보다는 오히려 다중 SQW 구조들이 적층되고, 충분히 높은 출력을 제공한다. 배리어층의 두께가 30 nm를 초과하는 경우, p 층으로부터 주입된 홀은 그 홀이 웰층에 도달하기 이전에 GaN 배리어 층에 존재하는 비발광 중심이 되는 전위 결함 등에 의해 트랩되어, 발광 효율을 저하시키기 때문에 바람직하지 않다.

본 발명의 MQW 구조의 바람직한 실시형태들로서, p 형 클래드층측에 가장 바깥쪽의 배리어층이 항상 존재하는 실시형태 (즉, 상기 (2) 및 (3) 의 실시형태들) 로 하여, p 형측의 가장 바깥쪽 배리어층이 10 내지 30 nm 의 두께를 가지는 것을 들 수 있다. 이 실시형태에 의해, 웰층은 p 형 클래드층 이후의 층들을 성장시키기 위한 열 및 가스에 의해 쉽게 손상되지 않으므로, 손상이 감소된다. 또한, p 형층으로부터의 도판트 재료 (Mg 등) 의 확산이 감소되고, 웰층의 변형도 감소될 수 있으므로, 출력이 향상될 뿐만 아니라 소자의 수명도 길어지는 작용효과를 제공한다.

배리어층의 재료는, InGaN 웰층에 대하여 배리어층으로 될 수 있는 밴드 갭을 갖는 GaN 계 반도체 재료인 한 어떠한 것도 될 수 있다. 본 발명에서는, GaN 이 바람직한 재료로서 권장되고 있다.

종래의 MQW 구조에서는, 웰층에 캐리어를 수용하는 것을 고려하여, 웰층보다도 충분히 큰 밴드 갭을 갖는 배리어층을 사용한다. 특히, 자외선 발광 소자의 경우에, 청색 발광 소자 등에 비하여 웰층 자체가 더 큰 밴드 갭을 가지므로, 배리어층에는 더욱 더 큰 밴드 갭을 갖는 재료가 요구된다. 예를 들어, 웰층이 InGaN (In 조성 0.03) 으로 이루어진 경우, AlGaN 은 배리어층 및 클래드 층 등으로 사용된다.

이와는 다르게, 본 발명에서는, InGaN 웰층과 AlGaN 배리어층의 조합에서, 이들이 매우 다른 결정 성장 온도의 최적값을 가지므로, 이것이 문제점으로 고려되고 있다. 즉, AlGaN 의 조성인 AlN 은 GaN 에 비하여 고융점을 가지며, InGaN 의 조성인 InN 은 GaN 에 비하여 저융점을 갖는다. 구체적인 결정성장의 최적 온도는 GaN 에 대하여 1000℃ 이고, InGaN 에 대하여 1000℃ 이하 (바람직하기로는 약 600 내지 800℃) 이고, AlGaN 에 대하여 GaN 이상이다. 따라서, InGaN 웰층 과 AlGaN 배리어층의 조합에 대하여, 웰층과 배리어층의 성장 온도는 바람직한 결정 품질을 가지는 층을 제공하기 위하여 바람직한 값들로 크게 변경되어야 한다.

그러나, 각 웰층/배리어층 각각의 성장 온도를 변경시키면 성장을 중단시켜야 한다. 약 3 nm의 두께를 가지는 얇은 웰층에 대하여, 성장이 중단되면 에칭 작용에 의해 두께가 변동하고, 성장중단 동안에 표면에 결정 결함 등이 생성된다.

이러한 트레이드-오프 관계 때문에, AlGaN 배리어층과 InGaN 웰층의 조합으로부터 고품질의 제품을 획득하기가 어렵게 된다. 또한, AlGaN 을 배리어층으로 이용하면, 웰층이 변형되는 문제점이 발생하므로, 고출력을 방해한다.

따라서, 본 발명에서는, 배리어층의 재료로서 GaN 을 사용하여 상기 트레이드-오프 문제를 감소시킨다. 이는 배리어층과 웰층 사이의 밴드 갭 차를 감소시키지만, 양 층의 결정 품질이 개선되어 전체적으로 출력이 증가된다.

또한, InGaN 계 재료로서, InGaN 에 Al 을 혼합하여 획득되는 AlInGaN를 웰층으로서 사용하므로, InGaN 의 경우와 같이 동일한 작용효과를 달성할 수 있다.

또한, 본 발명에서, InGaN 웰층과 AlGaN 배리어층의 조합과 관련되는 상기 문제의 해결과 관련하여, 결정 기판과 웰층 사이에 (AlGaN 베이스층이 AlN 저온 성장 버퍼층 바로 위에 형성되는 후술할 실시형태에서는, AlGaN 베이스층과 웰층 사이에) AlGaN 층이 없는 실시형태가 권장된다. 이는 결정 성장 온도차에 기인하는 상기 문제를 감소시킨다. AlGaN 층을 제거하기 위한 구체적인 실시형태로서, AlGaN 층 대신에 GaN 층을 이용한 실시형태를 들 수 있다. 도 1 의 실시예에서, GaN 저온 버퍼층상에 불순물을 도핑하지 않은 비도핑된 GaN 결정층 (두께 0.1㎛ 내지 2.0 ㎛) 을 성장시키고, 그 위에 n 형 GaN 결정층 (컨택트층 및 클래드층) 을 성장시킨다. 비도핑된 GaN 결정층을 생략할 수도 있다. 또한, n 형 GaN 결정층은 다른 캐리어 농도를 가지며, n 형 GaN 컨택트층과 n 형 GaN 클래드층으로 개별적으로 형성될 수도 있다.

MQW 구조의 다른 바람직한 실시형태로서, 웰층을 비도핑하고 배리어층에 Si를 도핑하는 실시형태를 들 수 있다.

도 5 는 배리어층에의 Si 도핑에 의한 배리어층 캐리어 농도와 발광 출력 사이의 관계를 나타내는 그래프이다. 측정에 사용한 샘플에서, 웰층의 개수를 6 으로 배리어층의 두께를 10 nm 로 하지만, 동일한 내용을 다른 경우들에 적용할 수 있다. 이 도면의 그래프로부터 명확하게 되는 바와 같이, 비도핑된 Si 의 경우에는, 발광 출력이 작고, Si 도핑량이 5 ×10¹⁸cm^-3이상으로 되어도, 발광 출력은 감소한다. 배리어층에의 Si 도핑은 발광강도를 증가시키므로 바람직하다. 그러나, 도핑량이 너무 증가되면, 결정성이 저하되어, 반대로 발광 강도가 감소한다. 바람직한 Si 도핑량은 5 ×10¹⁶ cm^-3 내지 5 ×10¹⁸ cm^-3이다.

성장에 사용되는 결정 기판은 GaN 계 결정이 성장할 수 있는 한 어떠한 것일 수도 있다. 바람직한 결정 기판은 예를 들어 사파이어 (C 면, A 면, R 면), SiC (6H, 4H, 3C), GaN, AlN, Si, 스피넬, ZnO, GaAs, NGO 등을 포함한다. 또한, 기판은 표면층으로서 이 결정들을 사용할 수도 있다. 기판의 방향은 특히 한정되지 않고, 기판은 추가적으로 저스트 (just) 기판 또는 오프각을 갖는 기판일 수도 있다.

결정 기판과 GaN 계 결정층 사이에는 필요에 따라서 버퍼층을 형성할 수도 있다. 결정 기판으로서 GaN, AlN 결정 등으로 이루어진 기판을 사용하며, 버퍼층은 필수적이지 않다.

전위 (dislocation) 등이 적은 고품질의 GaN 막을 획득하기 위하여, GaN 막을 성장하는 베이스층으로서 GaN 막과는 다른 격자 상수를 갖는 AlGaN 막 (AlGaN 베이스층) 을 배치하는 것이 바람직하다. AlGaN 막상에 GaN 이 성장하면, GaN 에는 압축응력이 인가된다. 이 상태로 성장이 수행되면, AlGaN 막/GaN 막 계면 (정확하게는, AlGaN 막상의 GaN 성장의 초기 단계) 에서, 전위가 성장 방향에 대하여 수직으로 만곡되고, 성장 방향으로는 전파하지 않는다. 즉, 이러한 방식으로 고품질의 GaN 막을 획득할 수 있다. 이 AlGaN 베이스층을 성장시키기 위하여, 베이스로서 버퍼층을 사용하는 것이 바람직하다. 바람직한 버퍼층으로서, GaN 계 저온 성장 버퍼층을 들수 있다. 버퍼층의 재료, 형성 방법, 및 형성 조건은 공지의 기술을 참조하여 알 수도 있다. GaN 계 저온 성장 버퍼층의 재료들로서, GaN, AlN, InN 등을 들 수 있고, 성장 온도로서, 300℃ 내지 600℃ 를 들 수 있다. 버퍼층의 두께는 10 nm 내지 50 nm 가 바람직하고, 특히 20 nm 내지 40 nm 가 바람직하다. 특히 바람직한 형태로서, AlN 버퍼층을 들 수 있다. 이 실시형태의 소자구조의 일례를 도 2 에 나타낸다. 이 도면에 나타낸 바와 같이, 결정 기판 (B) 상에 AlN 저온 성장 버퍼층 (10) 을 통하여 GaN 계 결정층을 구비하는 적층 구조 (S) 가 성장되며, AlN 저온 성장 버퍼층 (10) 상에는 Al_XGa_1-XN (0 < X ≤1) 베이스층 (11) 이 형성되어 있다.

Al_XGa_1-XN 베이스층의 최적 두께는 Al 조성 (X 값) 에 따라 변화한다.

예를 들어, Al 조성이 30 % (X=0.3) 인 경우, 두께는 10 nm 내지 5 ㎛ 가 바람직하며 특히 50 nm 내지 1㎛ 가 바람직하다. 두께가 10 nm 보다 얇으면, 상기 효과가 달성될 수 없으므로, 바람직하지 않다. 두께가 5 ㎛ 보다 더 두꺼우면, GaN 층의 결정성이 저하하기 때문에 바람직하지 않다.

또한, Al_XGa_1-XN 베이스층의 Al 조성 (X 의 값) 은 성장 방향의 경사를 가질 수도 있다. Al 조성은 연속적으로 또는 다단계로 변화할 수도 있다.

AlGaN 베이스층이 두꺼운 (예를 들어, Al 조성이 30 % 인 경우, 약 500 nm 내지 5000 nm) 경우, 그 위에 직접 발광부를 형성할 수도 있다.

본 발명에서, InGaN 으로 형성되는 p 형 컨택트층은 바람직한 실시형태들 중 하나이다.

즉, p 형 GaN 컨택트층을 사용한 종래의 GaN 계 발광소자에서, p 형 컨택트 저항은 1 ×10^-3 Ω㎠ 만큼 높고, 우수한 것이라도 약 1 ×10^-4 Ω㎠ 이다. 이와 반대로, InGaN 을 p 형 컨택트층의 재료로 사용한 경우, 억셉터준위가 낮게 되고 홀 농도가 증가한다는 이점과 컨택트 저항이 약 1×10^-6 Ω㎠ 만큼 감소되는 이점이 얻어진다.

p 형 전극을 형성하는 p 형 컨택트층은 특히 Mg 도핑된 In_YGa_1-YN (0 < Y ≤1) 인 것이 바람직하다. InGaN 층의 성장 동안의 가스 분위기를 N₂＋ NH₃ 로 설정하여, 성장 후에 Mg를 활성화시키는 소위 P 형화 처리의 조건을 완화시키거나 또는 처리 자체를 생략할 수 있다. 이는 성장 동안의 가스 분위기 중 H₂ 량이 적으면 Mg 를 불활성화시키는 H₂ 가 막으로 혼입되는 것을 방지할 수 있기 때문이다. 또한, InGaN 에 Mg 를 도핑하는 경우에 형성되는 억셉터 준위가 낮기 때문에, 실온에서의 홀 농도가 높게 되더라도 P 형화 처리의 조건을 완화시키거나 또는 처리 자체를 생략할 수가 있다.

p 형 InGaN 컨택트층을 자외선 발광 소자에 응용함으로써, 발광출력을 더욱 더 향상시킬 수 있다. 이는 상술한 이유에 대하여 p 형화 처리 (특히 열 어닐) 의 조건을 완화시키거나 또는 처리 자체를 생략할 수가 있는 결과로서, 도핑된 불순물이 웰층으로 확산되는 것을 억제할 수 있기 때문이다.

특히, MQW 구조가 비도핑된 GaN 계 결정으로 이루어지는 웰층과 Si 도핑된 GaN 계 결정으로 이루어지는 배리어층으로 구성되는 경우, 열 처리가 필요없게 된다. 따라서, 급경사의 불순물 프로파일을 획득할 수 있다. 그 결과, 발광출력이 보다 더 향상된다고 생각된다.

결정 기판상에 성장하는 GaN 계 결정층의 전위밀도를 저감시키기 위하여, 전위밀도를 저하시키기 위한 구조를 적절하게 도입할 수 있다. 전위밀도를 저감 시키기 위한 구조를 도입함에 따라 SiO₂ 등의 이종재료로 이루어지는 부분이 GaN 계 결정층으로 이루어지는 적층 구조에 포함되는 경우가 발생할 수도 있다.

전위 밀도를 저감시키기 위한 구조로는, 예를 들어 이하의 것을 들 수 있다.

(a) 종래 공지된 선택성장법 (ELO 법) 을 실행할 수 있도록, 결정 기판상에 마스크층 (SiO₂ 등이 사용됨) 을 스트라이프 패턴 등으로 형성한 구조.

(b) GaN 계 결정이 래터럴 성장 또는 패싯 성장할 수 있도록, 결정 기판에 도트형상, 스트라이프 형상의 요철가공을 적용한 구조.

이것의 구조들 및 버퍼층은 적절하게 조합될 수도 있다.

전위 밀도를 저감하기 위한 구조 중에서, 상기 (b) 는 마스층이 없는 바람직한 구조이다. 이하에서는, 이를 설명한다.

요철의 가공방법으로서는, 예를 들어, 종래의 포토리소그래피 기술을 이용하여 목적하는 요철 실시형태에 따른 패턴을 형성하고, RIE 기술 등을 이용하여 에칭가공을 실시하여 목적하는 요철을 얻는 방법이 예시된다.

요철의 배치 패턴은 예를 들어 도트 형상의 오목부 (또는 볼록부) 가 배열된 패턴, 직선 형상 또는 곡선 형상의 오목한 채널들 (또는 볼록한 릿지) 이 일정 간격 또는 정해져 있지 않은 간격으로 배열된 스트라이프 또는 동심 패턴 등을 포함한다. 볼록한 릿지가 격자 형상으로 교차한 패턴은 도트 형상 (정사각홀 형상) 의 오목부가 규칙적으로 배열된 패턴으로 볼 수 있다. 요철의 단면 형상으로서, 직사각형 (사다리꼴을 포함) 웨이브, 삼각형 웨이브, 사인 곡선 등을 들 수 있 다.

이러한 다양한 요철의 실시형태들 중에서, 직선 형상의 오목한 채널들 (또는 볼록한 릿지) 이 일정한 간격으로 배열된 스트라이프 형상의 요철 패턴 (직사각형 웨이브 섹션) 은, 제작 단계를 간략화하고 패턴을 용이하게 형성할 수 있기 때문에 바람직하다.

스트라이프 형상의 요철 패턴을 형성하는 경우, 그 스트라이프의 세로 방향은 어떠한 것이어도 된다. 패턴을 매입함으로써 성장하는 GaN 계 결정에 있어서, <11-20> 방향은 횡방향성장을 억제하여 {1- 101} 면 등의 경사 패싯의 형성을 용이하게 한다. 그 결과, 기판측으로부터 C 축 방향으로 전파되는 전위가 이 패싯 면에서 횡방향으로 휘어지고, 상방으로의 전파가 쉽지 않게 되어, 저 전위 밀도 영역이 특히 바람직하게 형성될 수 있다.

스트라이프의 세로 방향을 성장할 GaN 계 결정에 대한 <1-100> 방향으로 설정한 경우, 볼록부의 상부로부터 성장을 개시하는 GaN 계 결정은 측방향으로 고속성장하고, 오목부를 공동(空洞)으로 하여 GaN 계 결정층을 형성한다. 스트라이프의 세로 방향을 <1-100> 방향으로 설정한 경우에도, 패싯 면이 형성되기 쉬운 성장 조건을 이용하여 <11-20> 방향에 의해 제공되는 동일한 효과를 획득할 수 있다.

요철의 단면을 직사각형 웨이브로 하는 바람직한 크기는 다음과 같다. 오목한 채널의 폭은 0.1 ㎛ 내지 20 ㎛ 가 바람직하고, 특히 0.5 ㎛ 내지 10 ㎛ 가 바람직하다. 볼록부의 폭은 0.1 ㎛ 내지 20 ㎛ 가 바람직하고, 특히 0.5 ㎛ 내지 10 ㎛ 가 바람직하다. 요철의 진폭 (오목한 채널의 깊이) 은 오목부와 볼록 부 중 넓은 것의 20 % 이상이다. 이 크기 및 이로부터 계산되는 피치 등은 다른 단면 형상을 갖는 요철에 대해서도 동일하다.

GaN 계 결정층의 성장 방법은 예를 들어 HVPE, MOVPE, MBE 등을 들 수 있다. 두꺼운 막을 형성하는 경우는, HVPE 가 바람직하지만, 박막을 형성하는 경우에는, MOVPE 및 MBE 가 바람직하다.

실시예

실시예 1

이 실시예서는, 도 1 에 나타낸 자외선 LED 를 제작하고, 배리어층의 두께를 10 nm 에 고정하며, 웰층의 개수를 1 내지 25 로 설정하여 총 25 종류의 샘플을 형성한 후, 각 샘플의 출력을 측정하였다. 소자 형성 프로세스는 다음과 같다.

각 샘플에 있어서, MOVPE 장치에 C 면 사파이어 기판을 장착하여, 수소 분위기 하에서 1100℃ 로 가열하여 열 에칭을 수행하였다. 온도를 500℃ 까지 내리고, Ⅲ 족 원료로서 트리메틸 갈륨 (이하, TMG) 을 그리고 N 원료로서 암모니아를 흘려, 30 nm 두께의 GaN 저온 버퍼층을 성장시켰다.

그 후, 온도를 1000℃ 로 올리고, 원료로서 TMG 와 암모니아를 흘려 비도핑된 GaN 결정층 (1) 을 2 ㎛ 두께로 성장시켰다. 그 후, SiH₄를 흘려 Si 도핑된 n 형 GaN 결정층 (컨택트 및 클래드층) 을 3 ㎛ 두께로 성장시켰다.

[양자 웰 구조]

온도를 800℃ 로 낮추고 Si를 5 ×10¹⁷cm^-3 첨가한 GaN 계 배리어층 (두께 10 nm) 과 InGaN 웰층 (발광파장 380 nm, In 조성 0.03, 두께 3 nm) 의 쌍의 개수를 각 샘플마다 1 내지 25 로 변경하였다. 또한, 모든 샘플에 있어서 p 층에 인접한 최후의 GaN 배리어층 (Si(5 ×10¹⁷cm^-3) 로 도핑, 두께 20 nm) 을 형성하였다.

각 샘플에 있어서, 성장 온도를 1000℃로 올리고, 30 nm 두께의 p 형 AlGaN 클래드 층 (4) 및 50 nm 두께의 p 형 GaN 컨택트 층을 연속적으로 형성하여 380 nm 의 발광 파장을 갖는 자외선 LED 웨이퍼를 제공하고, 이어서 전극을 형성하고 소자를 분리하여 자외선 LED 칩을 제공하였다.

상기 얻어진 웰층의 개수가 다른 자외선 LED 칩의 샘플을 베어칩 상태로 20 mA 통전하여 380 nm 의 파장에서의 출력을 측정하였다. 그 결과, 도 3 에 나타낸 바와 같이, 웰층의 개수와 출력 사이의 관계를 나타내는 그래프를 획득하였다. 상술한 바와 같이, 웰층의 개수는 2mW 이상의 출력을 제공하는 2 내지 20 이어야 한다. 6 내지 15 는 5 mW 이상의 발광출력을 제공하는 웰층의 개수로서 특히 바람직하다.

실시예 2

이 실시예에서, 도 1 에 나타낸 자외선 LED 를 상기 실시예 1 과 유사한 공정에 의해 제작하여, 웰층의 개수를 6 으로 고정하고, 배리어층의 두께를 3 nm 내지 4 nm 로 변화시킨 샘플들을 형성한 후, 각 샘플의 출력을 측정하였다.

이 실시예에서 얻어진 배리어층의 두께가 다른 자외선 LED 칩의 샘플들을 베어칩 상태로 20 mA 통전하고, 380 nm 의 파장에서의 출력을 측정하였다. 그 결 과, 도 4 에 나타낸 바와 같이, 배리어층의 두께와 출력 사이의 관계를 나타내는 그래프를 획득하였다. 상술한 바와 같이, 배리어층의 두께는 2 mW 이상의 출력을 제공하는 7 nm 내지 30 nm 이어야 한다. 8 nm 내지 15 nm 은 5 mW 이상의 발광출력을 제공하는 배리어층의 두께로서 특히 바람직하다.

상기 실시예 1 에서는, 배리어층의 두께를 1 종류로 고정하고, 상기 실시예 2 에서는, 웰층의 개수를 1 종류로 고정하였다. 상기 소자 형성 공정과 동일한 방식으로, 배리어층의 두께를 7 내지 30 nm 의 범위로 변경한 샘플들을 제작하고, 각 두께에 있어서, 웰층의 개수를 2 내지 20 의 범위로 변경하였다. 이러한 소자 샘플들에 있어서, 어떤 배리어층의 두께에서도 웰층의 개수의 변화에 대하여, 도 3 과 유사한 곡선이 획득되었고, 어떤 웰층의 개수에서도 배리어층의 두께의 변화에 대하여 도 4 와 유사한 곡선이 획득되었다.

실시예 3

이 실시예에서는, 상기 실시예 1 및 2 에서 제작한 모든 샘플에 대하여, GaN 저온 버퍼층을 AlN 저온 버퍼층으로 이용하고, 비도핑된 GaN 결정층을 AlGaN 베이스층으로 이용하고, p 형 GaN 컨택트층을 p 형 InGaN 컨택트 층으로 이용하여 자외선 LED 의 샘플을 제작하였다. 각 샘플의 출력을 측정하였다. 소자들을 형성하는 공정은 다음과 같다.

모든 샘플에서, MOVPE 장치에 C 면 사파이어 기판을 장착하고, 수소 분위기하에서 1100℃ 로 가열하여 열 에칭을 수행하였다. 온도를 350℃ 로 낮추고, Ⅲ 족 원료로서 트리메틸 알루미늄 (이하 TMA) 을 흘리고, N 원료로서 암모니아를 흘려서 20 nm 두께의 AlN 저온 버퍼층을 성장시켰다.

이어서, 온도를 1000℃ 로 올리고, 원료로서 TMA, TMG, 및 암모니아를 흘려 10 % 의 Al 조성을 가진 비도핑된 AlGaN 결정층 (베이스층)(1) 을 200 nm 두께로 성장시킨 후, TMA 공급을 중지하고 SiH₄를 흘려 Si 도핑된 n 형 GaN 결정층 (컨택트 및 클래드층) 을 4㎛ 두께로 성장시켰다. 그 후, 실시예 1 및 2 와 동일한 방식으로 MQW 구조를 형성하였다.

각 샘플에 있어서, 성장 온도를 1000℃ 로 올리고, 30 nm 두께의 p 형 AlGaN 클래드 층 (4), 50 nm 두께의 p 형 GaN 층, 5 nm 두께의 p 형 InGaN 컨택트층 (In 조성 10%) 을 연속적으로 형성하여 380 nm 의 발광 파장을 갖는 자외선 LED 웨이퍼를 제공하고, 이어서 전극을 형성하고 소자를 분리하여 자외선 LED 칩을 형성하였다.

상기 획득된 자외선 LED 칩의 샘플들을 베어칩 상태로 20 mA 통전시켜 380 nm의 파장에서의 출력을 측정하였다. 그 결과, 모든 샘플은 실시예 1 및 2 의 샘플들과 비교하여 약 10% 내지 30% 만큼 개선된 출력을 나타내었다.

산업상 이용분야

상술한 바와 같이, MQW 구조에 대하여 웰층의 개수를 2 내지 20 으로 설정하고, 배리어층의 두께를 7 nm 내지 30 nm 로 함으로써, InGaN 계 재료 특히 InGaN 을 발광층의 재료로서 사용한 자외선 소자에 의해 종래에는 달성하기 어려운 고출력을 달성할 수 있다.

본 출원은 일본에서 출원된 특허 출원 제 2001-350615 호, 제 2002-073871 호에 기초하며, 이들의 내용이 여기서 참조된다.

Claims

결정 기판과 그 결정 기판상에 버퍼층을 통하여 또는 직접적으로 형성되는 GaN 계 결정층을 구비하는 적층 구조를 갖는 GaN 계 반도체 발광 소자인 자외선 발광 소자로서,

상기 적층 구조는 p 형층과 n 형층을 구비하는 발광부를 구비하고, 상기 발광부는 다중양자 웰구조를 가지며,

상기 다중양자 웰구조는, 비도핑된 GaN 계 결정으로 이루어지는 웰층과 Si 도핑된 GaN 계 결정으로 이루어지는 배리어층을 구비하고,

상기 웰층은 자외선 발광가능한 InGaN 계 재료로 이루어지며, 웰층의 개수는 2 내지 20 이고, 배리어층의 두께는 7 nm 내지 30 nm 이며,

상기 웰층은 In_XGa_1-XN (O < X ≤ 0.11) 로 이루어지고,

Si 도핑량은 5 ×10¹⁶ cm^-3 내지 5 ×10¹⁸ cm^-3인, 자외선 발광 소자.
제 1 항에 있어서,

상기 적층 구조는 AlN 저온 성장 버퍼층을 통하여 결정 기판상에 형성되며, AlN 저온 성장 버퍼층 바로 위에는 Al_XGa_1-XN (0 < X ≤ 1) 베이스층이 형성되는, 자외선 발광 소자.
제 2 항에 있어서,

Al_XGa_1-XN (0 < X ≤ 1) 베이스층과 웰층 사이에, AlGaN 으로 이루어지는 층이 없는, 자외선 발광 소자.
제 1 항에 있어서,

상기 적층 구조내의 p 형층과 n 형층의 위치관계는 p 형층을 상측으로 하며, p 형 컨택트층은 In_YGa_1-YN (O < Y ≤ 1) 로 이루어지는, 자외선 발광 소자.
제 1 항에 있어서,

상기 다중양자 웰구조는 p 형층과 접하는 배리어층을 가지며, p 형 층과 접하는 배리어층은 10 nm 내지 30 nm 의 두께를 가지는, 자외선 발광 소자.
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제 1 항에 있어서,

결정 기판과 웰층 사이에, AlGaN 으로 이루어지는 층이 없는, 자외선 발광 소자
제 1 항에 있어서,

결정 기판은 표면이 요철가공되어 있으며, GaN 계 결정층은 기상 성장으로 상기 요철을 피복하여 적층 구조를 형성하는, 자외선 발광 소자.