KR100878390B1 - Method of Growing InGaN-based Mutilayer Structure by Plasma-assisted MBE and Manufacturing ?-Nitride Light Emitting Device Using the Same - Google Patents
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Abstract
본 발명의 따른 InGaN계 다층구조 성장방법은, 질소 액티베이터를 구비한 PA MBE 장치의 성장 챔버 내에 기판을 배치하고 3족 질화물 층의 성장을 준비하는 단계와; 상기 질소 액티베이터를 이용하여 상기 기판 상에 활성화 질소 플럭스를 제공해주면서 상기 기판 상에 Ga 플럭스 및 In 플럭스를 입사하여 다른 In 조성을 갖는 InGaN계 층들을 성장시킴으로써 InGaN계 다층구조를 형성하는 단계를 포함하되, 상기 InGaN계 다층구조 형성 단계에서, 상기 입사되는 Ga 플럭스 및 In 플럭스와 상기 질소 액티베이터에 공급되는 질소 유량을 일정하게 유지하면서 상기 질소 액티베이터의 RF 파워의 변화에 의해 상기 InGaN계 층의 In 조성을 변화시킨다.InGaN-based multi-layer growth method according to the present invention comprises the steps of placing a substrate in the growth chamber of the PA MBE device having a nitrogen activator and preparing for growth of the group III nitride layer; Forming an InGaN-based multilayer structure by injecting Ga flux and In flux onto the substrate using the nitrogen activator to grow InGaN-based layers having different In compositions by providing Ga flux and In flux on the substrate, In the InGaN-based multilayer structure forming step, the In composition of the InGaN-based layer is changed by changing the RF power of the nitrogen activator while maintaining a constant flow rate of the incident Ga flux and In flux and the nitrogen activator supplied to the nitrogen activator. .
질화물, 발광 소자, MBE, RF 파워 Nitride, Light Emitting Diode, MBE, RF Power
Description
본 발명은 InGaN계 다층구조 성장방법 및 이를 이용한 3족 질화물 발광소자 제조방법에 관한 것으로서, 특히 플라즈마 분자선 에피택시(PA MBE: Plasma-Assisted Molecular Beam Epitaxy)를 이용하여 InGaN/GaN 양자우물 구조 등의 InGaN계 다층구조를 빠르고 재현성 있게 성장시킬 수 있는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an InGaN-based multi-layer growth method and a method for manufacturing a group III nitride light emitting device using the same, in particular, InGaN / GaN quantum well structure using a plasma molecular beam epitaxy (PA MBE) The present invention relates to a method for growing an InGaN-based multilayer structure quickly and reproducibly.
현재, 3족 질화물 발광소자가 백색 발광, 총천연색 디스플레이, 자동차 조명 등에 성공적으로 응용되고 있다. 청색-녹색 및 근자외선 스펙트럼 영역에서 동작하는 3족 질화물 발광소자의 대량생산을 위해, 유기금속 화학기상증착(MOCVD: Metal Organic Vapour Phase Epitaxy)이 주로 사용되고 있다.Currently, Group III nitride light emitting devices have been successfully applied to white light emission, full color display, automobile lighting, and the like. For mass production of Group III nitride light emitting devices operating in the blue-green and near-ultraviolet spectral region, metal organic vapor phase epitaxy (MOCVD) is mainly used.
3족 질화물 발광소자 구조를 성장시키기 위한 다른 에픽택셜 기술로는, 서로 다른 2종류의 질소 활성화 처리 방법을 이용하는 분자선 에피택시(MBE: Molecular Beam Epitaxy)가 있다. 그 중 첫번째 방법은, MOCVD와 유사하게 기판에서 암모니아의 고온 열분해(high temperature cracking)를 이용하는 반면, 두번째 방법은 특별히 고안된 원격 플라즈마 소스(질소 액티베이터)에서 생성된 플라즈마 내에서의 분자 질소의 활성화를 포함하는 기술(즉, PA MBE)이다.Another epitaxial technique for growing a group III nitride light emitting device structure is a molecular beam epitaxy (MBE) using two different nitrogen activation treatment methods. The first of these uses high temperature cracking of ammonia in the substrate, similar to MOCVD, while the second involves the activation of molecular nitrogen in the plasma generated in a specially designed remote plasma source (nitrogen activator). Technology (ie PA MBE).
상기 2종류의 MBE의 공통적인 장점은, MOCVD 기술에 비하여 상대적으로 낮은 재료 소모와 낮은 에피택셜 성장 온도이다. 이러한 경제적인 잇점에 더하여, 성장 반응로 안의 극히 낮은 가스 압력은 기생적인 가스반응을 제거하는 한편, 낮은 성장온도는 낮은 전위 온도(dislocation temperature)를 갖는 3족 질화물계 화합물(InxGa1-xN, x = 1까지 높은 x값을 가짐)의 성장을 가능하게 하고 낮은 분해 온도를 갖는 기판(플라스틱 또는 유기 물질 뿐만 아니라, GaAs, ZnO 등으로 된 기판)을 이용할 수 있게 한다. Common advantages of the two types of MBE are relatively low material consumption and low epitaxial growth temperature over MOCVD techniques. In addition to these economic advantages, the extremely low gas pressure in the growth reactor eliminates parasitic gas reactions, while the low growth temperature results in a Group III nitride compound (In x Ga 1-x ) having a low dislocation temperature. It enables the growth of N, x having a high x value up to 1 and makes use of substrates with low decomposition temperatures (substrate of GaAs, ZnO, etc. as well as plastics or organic materials).
PA MBE의 중요한 장점은 (ⅰ) 기판 온도(Ts)에 관계없이 활성화 질소(activated nitrogen: N*)의 플럭스(FN*)를 발생시킬 수 있다는 것과, (ⅱ) 에피택셜층 성장 환경 내에 수소와 암모니아가 없다는 것이다. 환경 안전에 더하여, PA MBE는, Mg 도펀트를 활성화시키기 위한 성장후 처리(MOCVD에서는 필요한 처리임)의 필요성을 제거할 수 있게 한다. 뿐만 아니라, PA MBE에서는, 더욱 더 단순한 디자 인의 크누센 셀(Knudsen cell)과 통상적인 UHV 펌프를 이용할 수 있다.Important advantages of PA MBE are: (i) it can generate a flux of activated nitrogen (N *) (F N * ) regardless of substrate temperature (Ts), and (ii) hydrogen in the epitaxial layer growth environment. And no ammonia. In addition to environmental safety, PA MBE makes it possible to eliminate the need for post-growth treatment (which is necessary for MOCVD) to activate Mg dopants. In addition, in PA MBE, even simpler design Knudsen cells and conventional UHV pumps can be used.
수년 동안, PA MBE와 관련하여 불충분한 질소 활성화 효율과 낮은 최대 성장 속도(~0.1 ㎛/h)가 PA MBE의 주된 장애가 되었다. 그러나, 1990년대 말에 이러한 문제는, 새로운 형태의 RF 유도결합 플라즈마(RF inductively-coupled plasma) 질소 액티베이터 개발에 의해 성공적으로 극복되었다. 현재, 대부분 시리즈의 질소 액티베이터(nitrogen activator)는 1 ㎛/h를 넘는 최대 성장 속도에 해당하는 값까지 FN *를 공급한다.Over the years, insufficient nitrogen activation efficiency and low maximum growth rate (˜0.1 μm / h) with respect to PA MBE have been major barriers to PA MBE. In the late 1990s, however, this problem was successfully overcome by the development of a new type of RF inductively-coupled plasma nitrogen activator. Currently, most series of nitrogen activators supply F N * up to a value corresponding to a maximum growth rate above 1 μm / h.
질소가 풍부한 조건(Ⅴ/Ⅲ > 1)으로부터 3족소스가 풍부한 조건(Ⅴ/Ⅲ < 1)에 이르기까지 다른 화학양론적 조건하에서 3족 질화물계 화합물을 MBE 성장하는 것이 실제로 실현되었었다. 전자(질소가 풍부한 조건)의 PA MBE는 층 표면이 거친 나노기둥(nanocolumnar) 형태의 층 표면을 형성하는 것을 특징으로 하는 반면에, 후자(3족 소스가 풍부한 조건)에서는 평탄한 면을 얻을 수 있다. 더욱이, Heying 외는 "Journal of Applied Physics" vol.88, pp.1855-1860 (2000)에서, 금속성 마이크로 드롭릿(metallic microdroplet)이 없는 원자수준으로 평탄한 표면을 얻기 위한 기술적인 윈도우(window) (즉, 특정 기판 온도에 대한 3족 플럭스 변화의 범위)가 있다고 보고하였다. 3족이 풍부한(N-제한의) 화학양론적 조건에서 3족 질화물계 화합물을 성장시키는 이러한 가능성은, PA MBE의 독특한 특징이며, 이는 다른 기술과 구별되도록 한다.MBE growth of Group III nitride compounds under different stoichiometric conditions, ranging from nitrogen rich conditions (V / III> 1) to Group III source-rich conditions (V / III <1), has actually been realized. The former (nitrogen-rich condition) PA MBE is characterized by the formation of a nanocolumnar-shaped layer surface with a coarse layer surface, whereas the latter (a condition rich in
InxGa1 - xN층을 형성하는 PA MBE 공정 중의 인듐(In) 혼입 반응과정(kinetics)이 몇몇 연구 그룹에 의해 연구되었다. T. Botcher 외의 선구적인 논문인 Applied Physics Letters vol.73 pp.3232-3234 (1994)은, 다양한 In/Ga 플러스 비에서의 In 혼입에 대한 실험적인 결과를 보고하고 있다. 이에 따르면, In 함량의 가능한 최대치(Xmax)는 Ga 플럭스 값을 넘는 초과의 N* 플럭스에 의해 결정된다(Xmax = 1-FGa/FN *)는 것을 보여주었다. 따라서, 높은 In 함량을 얻기 위해서는, Ga 플럭스(FGa)가 N* 플럭스(FN*)보다 더 낮아야 한다. 또한, Ts = 650℃에서 In 부착 계수 αIn = 0.16이 된다는 것을 보여주었다(여기서, αIn는 제공된 In 원자에 대한 혼입 비율임). Ga에 대한 부착 계수(αGa)는 이 온도에서 1이다. InN에 비하여 GaN가 더 높은 결합 에너지를 갖는다는 것은, 첫째로 모든 이용가능한 Ga이 혼입되고, 둘째로 In은 화학양론에 도달할 때까지 혼입된다는 것을 의미한다. 이러한 아이디어는 C. Adelmann 외의 논문 Applied Physics Letters vol.75 pp.3518-3520 (1999)에서 확인되고 발전되었으며, 이 논문에서는 또한 Ts = 600℃에서 무시할만한 In의 재증발(re-evaporation)이 실증적으로 나타났다(즉, αIn = 1). M.L.O'Steen 외의 Applied Physics Letters vol.75 pp.2280-2282 (1999)에 의하면, 590~670℃의 좁은 온도범위 내에서 Ts의 증가에 따라 1차수를 넘는 정도로 x 값이 감소하는, Ts에 대 한 강한 의존성이 관찰되었다. 따라서, 이 논문에서는, 관심대상의 Ts 범위(>600℃) 내에서 재증발 과정의 중요성이 주장되었다. Indium (In) incorporation kinetics during the PA MBE process to form In x Ga 1 - x N layers has been studied by several research groups. A pioneering paper by T. Botcher et al., Applied Physics Letters vol.73 pp. 3232-3234 (1994), reports experimental results on In incorporation at various In / Ga plus ratios. According to this, it is shown that the maximum possible value of In content (X max ) is determined by the excess of N * flux over the Ga flux value (X max = 1-F Ga / F N * ). Thus, in order to obtain a high In content, the Ga flux (F Ga ) must be lower than the N * flux (F N * ). It was also shown that the In adhesion coefficient α In = 0.16 at Ts = 650 ° C., where α In is the incorporation ratio for the provided In atoms. The adhesion coefficient α Ga for Ga is 1 at this temperature. GaN has a higher binding energy compared to InN, which means that firstly all available Ga is incorporated and secondly In until it reaches stoichiometry. This idea has been identified and developed in C. Adelmann et al. Applied Physics Letters vol. 75 pp.3518-3520 (1999), which also demonstrates the negligible re-evaporation of In at Ts = 600 ° C. (Ie α In = 1). According to Applied Physics Letters vol. 75 pp. 2280-2282 (1999) by MLO'Steen et al., The value of x decreases by more than one order with increasing Ts over a narrow temperature range of 590 to 670 ° C. One strong dependency was observed. Thus, in this paper, the importance of the re-evaporation process within the Ts range of interest (> 600 ° C.) was argued.
몇몇 연구자들은, In 혼입을 기술하는 현상론적인 모델(phenomelogical)의 개발을 시도하였다. 첫째로, MRS Internet Journal Nitride Semiconductor Research vol.6, 11(2001)에서 H. Chen에 의해 공표된 것에서, 논문 저자들은 (0001) 및 (000-1) 극성을 갖는 InGaN 합금으로의 In 혼입에 대한 자신들의 실험 데이타를 이용하여 Ts 및 Ⅲ/N 비 대한 In 혼입의 의존성을 기술하였다. 그들은, 화학양론적 조건의 서로 다른 2개 영역 - 질소 풍부 영역(nitrogen-rich) 및 3족 풍부 영역(group-Ⅲ-rich) - 이 있다는 것을 발견하였다. 전자(질소 풍부 영역)에서는, FGa+αInFIn<FN * 일 경우(여기서, FIn은 In 플럭스를 나타냄), In 혼입은 주로 Ts에 의해 결정되면서 Ⅲ/N 비에 대한 의존성도 가지며, 일정한 In/Ga 비에서는 전체 3족 플럭스가 증가함에 따라 증가하는 함수 관계를 나타낸다. 이 경우, x = αI nFIn/(FGa+αInFIn)이고 αIn = 상수(constant)이다.Some researchers have attempted to develop phenomenological models describing In incorporation. First, in a publication by H. Chen in the MRS Internet Journal Nitride Semiconductor Research vol. 6, 11 (2001), the authors of the article describe the incorporation of In into the InGaN alloys with (0001) and (000-1) polarities. Their experimental data were used to describe the dependence of In incorporation on the Ts and III / N ratios. They found that there were two different regions of stoichiometric conditions-the nitrogen-rich region and the group-III-rich region. In the former (nitrogen-rich region), when F Ga + α In F In <F N * (wherein F In represents In flux), In incorporation is mainly determined by Ts and depends on the III / N ratio At constant In / Ga ratio, it shows a functional relationship that increases as the total Group III flux increases. In this case, x = α I n F In / (F Ga + α In F In ) and α In = constant.
FGa+αInFIn>FN *로 정의되는, 3족 풍부 영역에서, 저자들은 화학양론적인 한계의 존재를 실증해보였는데, 즉 전체 3족 플럭스가 증가하는 동안에 x는 감소하는 것을 관찰함으로써, (Botcher 외에 의해 먼저 보여진 바와 같이) In 혼입이 x = 1-FGa/FN *에 의해 결정된다는 것을 나타내 보였다. 저자들은 너무 많은 In이 있을 경우 과잉 In은 증발하거나 또는 드롭릿을 형성할 것이라고 제안하였다. 불행하게도, 이 저자들은 상기 각 과정의 실현에 대한 조건을 정량적으로 결정하지 않았다. In the Group III rich region, defined as F Ga + α In F In > F N * , the authors demonstrated the existence of a stoichiometric limit, ie by observing that x decreases while the total Group III flux is increasing. , In incorporation (as shown first by Botcher et al.) Was determined by x = 1-F Ga / F N * . The authors suggest that if there is too much In, excess In will evaporate or form droplets. Unfortunately, these authors did not quantitatively determine the conditions for the realization of each of these processes.
InxGa1 - xN 내의 In 혼입을 기술하는 또다른 이론적 접근이 D. F. Storm에 의해 전개되어 Journal of Applied Physics vol.89 pp.2452-2457 (2001)에 공표되었는데, 이 이론적 접근은 질소가 풍부한 조건에서만 성장이 진행될 경우에, 즉 FGa<FN*이고 전체 금속 플럭스 FGa+FIn가 FN *보다 작거나 너무 크지 않는 경우에 적절하다.Another theoretical approach describing In incorporation in In x Ga 1 - x N was developed by DF Storm and published in the Journal of Applied Physics vol.89 pp.2452-2457 (2001), which is rich in nitrogen. It is suitable when growth proceeds only under conditions, i.e. when F Ga <F N * and the total metal flux F Ga + F In is not less than or too large than F N * .
상술한 모든 연구에서는, x를 변화시키기 위해서 FN * 플럭스는 일정하게 유지되고 3족 플럭스와 Ts만이 변하였다는 것에 유의한다.Note that in all the above studies, to change x, the F N * flux remained constant and only the
InGaN계 양자우물(QW: Quantum-Well) 헤테로 구조의 성장은 K. Ploog와 J. Speck이 이끄는 연구그룹에 의해 주의 깊게 연구되었다. 이것은 "Applied Physics Letters" vol.83 pp.90-92 (2003)에서 O. Brandt가 발표한 논문에 반영되었는데, 이 논문에서 저자들은 InGaN계 양자우물 헤테로 구조를 성장시키기 위해 화학양론적 조건의 조절을 이용할 것을 제안하였다. 또한 양자우물층의 성장에는 질소 풍부 조건이 더 바람직한 반면에, 장벽층 성장동안은 3족 풍부 조건이 사용되어야 한다는 것을 보였다. 뿐만 아니라, 논문 저자들은 InGaN 성장층으로부터의 In 재증발로 인한 표면 편석(surface segregation)을 억제하기 위해 상대적으로 높은 성장 온도(>600℃)를 사용할 것을 제안하였다.The growth of InGaN-based quantum well (QW) heterostructures has been carefully studied by a research group led by K. Ploog and J. Speck. This is reflected in a paper published by O. Brandt in "Applied Physics Letters" vol.83 pp. 90-92 (2003), in which the authors control stoichiometric conditions to grow InGaN-based quantum well heterostructures. It is suggested to use. It was also shown that nitrogen enrichment conditions are more desirable for growth of the quantum well layer, while group III enrichment conditions should be used during barrier layer growth. In addition, the authors suggested using a relatively high growth temperature (> 600 ° C) to suppress surface segregation due to In evaporation from InGaN growth layers.
높은 기판 온도(Ts)에서의 화학양론의 조절에 의한 성장은, 선명한 InGaN/GaN 계면을 제공해주고 표면 편석 현상을 억제하여, QW 구조의 방사성 재결합 효율의 증가를 가져온다. 이러한 사실은 고분해능 투과전자 현미경 분석(HRTEM), X선 회절 분석(XRD) 및 저온 발광 스펙트럼(low-temperature PL spectra) 연구에 의해서도 확인되었다. 2.766eV의 발광대역(PL band)에 대해 95meV의 최소 반치폭(FWHM) 값이 저온(5K)에서 측정되었다. 더욱이, 이러한 방법을 사용함으로써 20mA의 전류에서 0.87mW의 출력으로 480nm 파장을 내는 LED를 제조할 수 있었는데, 이러한 사실은 P. Waltrei 외에 의해 "Applied Physics Letters" vol.84 pp.2748-2750 (2004)에 보고되었다.Growth by controlling the stoichiometry at high substrate temperature Ts provides a clear InGaN / GaN interface and suppresses surface segregation, resulting in an increase in the radioactive recombination efficiency of the QW structure. This was also confirmed by high resolution transmission electron microscopy (HRTEM), X-ray diffraction analysis (XRD) and low-temperature PL spectra studies. The minimum half width (FWHM) value of 95 meV for the PL band of 2.766 eV was measured at low temperature (5K). Moreover, using this method, LEDs with a wavelength of 480 nm with an output of 0.87 mW at a current of 20 mA can be manufactured, which is described by P. Waltrei et al. "Applied Physics Letters" vol. 84 pp.2748-2750 (2004). ) Was reported.
화학양론적 조건을 조절하기 위해, K. Ploog 등은 질소 유량을 1 sccm에서 2 sccm까지 변화시켰으며, J. Speck 등은 Ga 플럭스에 있어서 2배의 차이를 갖는 1쌍의 Ga 소스(twin Ga source)를 사용하였다. 이와 같이 제안된 화학양론적 조건 조절 방법의 주된 단점은, 1쌍의 Ga 소스(셀)를 사용하는 경우 MBE 장비가 복잡하다는 것과 증발 크누센 셀의 지연으로 인해 빠른 조성 변화를 실현하기 어렵다는 것이다. 상기 질소 유량 조절의 경우에 주된 단점은, 질량 유량에 대한 출력 활성화 질소 빔 플럭스(FN*)의 비선형적인 의존성이다.In order to control the stoichiometric conditions, K. Ploog et al. Changed the nitrogen flow rate from 1 sccm to 2 sccm, and J. Speck et al. Had a pair of Ga sources (twin Ga) with a 2-fold difference in Ga flux. source). The main disadvantages of the proposed stoichiometric condition control method are the complexity of the MBE equipment when using a pair of Ga sources (cells) and the rapid composition change due to the delay of the evaporation Knudsen cell. The main disadvantage in the case of the nitrogen flow regulation is the nonlinear dependence of the output activated nitrogen beam flux F N * on the mass flow rate.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 In 조성을 빠르고 재현성 있게 바꿀 수 있고 3족 소스 플럭스나 질소 유량의 조절에 따른 복잡성을 제거할 수 있는, InGaN/GaN 등의 InGaN계 다층구조 성장방법을 제공하는 데에 있다. The present invention is to solve the above problems, an object of the present invention is to change the In composition quickly and reproducibly and to eliminate the complexity of the control of the
본 발명의 다른 목적은 상기 InGaN계 다층구조 성장 방법을 이용하여 고품질의 3족 질화물 발광소자를 제조하는 방법을 제공하는 데에 있다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a high quality Group III nitride light emitting device using the InGaN-based multilayer structure growth method.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 따른 InGaN계 다층구조 성장방법은, In order to achieve the above technical problem, the InGaN-based multilayer structure growth method of the present invention,
질소 액티베이터를 구비한 PA MBE 장치의 성장 챔버 내에 기판을 배치하고 3족 질화물 층의 성장을 준비하는 단계와; Placing a substrate in a growth chamber of a PA MBE device with a nitrogen activator and preparing for growth of a Group III nitride layer;
상기 질소 액티베이터를 이용하여 상기 기판 상에 활성화 질소 플럭스를 제공해주면서 상기 기판 상에 Ga 플럭스 및 In 플럭스를 입사하여 다른 In 조성을 갖는 InGaN계 층들을 성장시킴으로써 InGaN계 다층구조를 형성하는 단계를 포함하되, Forming an InGaN-based multilayer structure by injecting Ga flux and In flux onto the substrate using the nitrogen activator to grow InGaN-based layers having different In compositions by providing Ga flux and In flux on the substrate,
상기 InGaN계 다층구조 형성 단계에서, 상기 입사되는 Ga 플럭스 및 In 플럭스와 상기 질소 액티베이터에 공급되는 질소 유량을 일정하게 유지하면서 상기 질 소 액티베이터의 RF 파워의 변화에 의해 상기 InGaN계 층의 In 조성을 변화시킨다.In the InGaN-based multilayer structure forming step, the In composition of the InGaN-based layer is changed by changing the RF power of the nitrogen activator while maintaining a constant flow rate of the incident Ga flux and In flux and the nitrogen activator supplied to the nitrogen activator. Let's do it.
본 발명에 따르면, 상기 InGaN계 다층구조 형성 단계에서 상기 질소 액티베이터의 RF 파워가 클수록 InGaN계 층의 In 조성은 높게 된다. 상기 활성화 질소 플럭스(FN*)는 일정한 질소 유량에서 상기 RF 파워에 선형적으로(linearly) 의존한다. 따라서, RF 파워의 변화는 넓은 범위의 N-제한 성장 속도에서 FN *을 선형적으로 변화시킬 수 있다. 그 범위는 (ⅰ) RF 플라즈마 셀의 출력 어퍼쳐(aperture) 디자인, (ⅱ) 성장 챔버 내의 전체 펌핑 속도, (ⅲ) 질소 유량 및 (ⅳ) 인가된 RF 파워의 범위에 의존하며, 1차수의 정도를 넘을 수 있다.According to the present invention, the In composition of the InGaN-based layer increases as the RF power of the nitrogen activator increases in the InGaN-based multilayer structure forming step. The activated nitrogen flux F N * is linearly dependent on the RF power at a constant nitrogen flow rate. Thus, a change in RF power can linearly change F N * over a wide range of N-limit growth rates. The range depends on (i) the output aperture design of the RF plasma cell, (ii) the total pumping rate in the growth chamber, (i) the nitrogen flow rate, and (i) the range of applied RF power, You can go beyond that.
바람직한 실시형태에 따르면, 상기 InGaN계 다층구조 형성 단계에서 기판 온도는 일정하게 유지된다. 또한 상기 3족 질화물 층의 성장 준비 단계와 InGaN계 다층구조 형성 단계 사이에, 상기 기판 상에 GaN 버퍼층 등 3족 질화물 버퍼층을 성장시키는 단계를 더 포함할 수 있다.According to a preferred embodiment, the substrate temperature is kept constant in the InGaN-based multilayer structure forming step. The method may further include growing a group III nitride buffer layer, such as a GaN buffer layer, on the substrate between the group III nitride layer growth preparation step and the InGaN-based multilayer structure forming step.
바람직하게는, 상기 InGaN계 다층구조 형성 단계에서, 일정하게 입사되는 상기 Ga 플럭스(FGa) 및 In 플럭스(FIn)는 다음 요건을 만족하도록 선택된다: FGa+FIn > FN * 및 FGa < FN * (FN *는 활성화 질소 플럭스임). 이 경우, FGa은 InxGa1 - xN층의 최 소 성장 속도를 제한하고 FN *은 그 최대 성장 속도를 제한한다. Ga 플럭스와 In 플럭스는 InGaN계 다층구조의 성장 표면에 동시에 공급된다.Preferably, in the InGaN-based multilayer structure forming step, the Ga flux (F Ga ) and In flux (F In ) which are constantly incident are selected to satisfy the following requirements: F Ga + F In > F N * and F Ga <F N * (F N * is an activated nitrogen flux). In this case, F Ga limits the minimum growth rate of the In x Ga 1 - x N layer and F N * limits the maximum growth rate. Ga flux and In flux are simultaneously supplied to the growth surface of the InGaN based multilayer structure.
바람직하게는, 상기 기판의 온도(Ts)는, In 용해물(In melt)로부터 증발하는 In의 플럭스를 상기 (입사되는) In 플럭스(FIn)보다 더 높게 제공하도록 선택된다. 사용된 성장 조건이 InGaN계 층으로의 In 혼입을 완전히 억제하는 것(FGa≥FN *)이 아닌 조건에서, 상기한 바와 같이 선택된 기판 온도(Ts)는 성장 표면 상에 In 드롭릿의 형성을 방지할 수 있게 한다.Preferably, the temperature Ts of the substrate is selected to provide a higher flux of In that evaporates from the In melt than the (incident) In flux F In . Under conditions where the growth conditions used do not completely inhibit In incorporation into the InGaN-based layer (F Ga ≥ F N * ), the substrate temperature (Ts) selected as described above forms the formation of In droplets on the growth surface. To prevent it.
기판 온도(Ts)는 InGaN계 층으로의 In 혼입 효율(αIn)을 지배하는 주된 인자이다. 여기서 In 혼입 효율(αIn)은 입사되는 In 플럭스에 대한 혼입된 In 플럭스의 비로 정의된다. 590~650℃ 범위에서 기판 온도(Ts)의 증가는 αIn을 급격히 감소시키는 반면, FN */(FGa+FIn) 비의 증가는, 비록 그에 따른 효과는 휠씬 더 작지만 αIn를 증가시킨다. 바람직하게는, 상기 InGaN계 다층구조 전체의 성장 동안에 기판 온도(Ts)는 일정하게 유지된다. The substrate temperature Ts is the main factor governing the In incorporation efficiency α In into the InGaN-based layer. Here In mixing efficiency (α In ) is defined as the ratio of the incorporated In flux to the incident In flux. Increasing the substrate temperature (Ts) in the range of 590 to 650 ° C drastically decreases α In , while increasing the F N * / (F Ga + F In ) ratio increases α In , although the effect is much smaller. Let's do it. Preferably, the substrate temperature Ts is kept constant during the growth of the entire InGaN based multilayer structure.
상기한 바와 같이 결정된 조건에서, InGaN계 다층구조를 포함하는 InxGa1-xN층의 조성을 넓은 범위(FN*/FGa=1에서 최소 x=0으로부터, FN*/(αInFIn+FGa)≥1인 경우 x=αIn FIn/(αInFIn+FGa) 또는 FN*/(αInFIn+FGa)<1인 경우 x=1-FGa/FN*까지의 넓은 범위)에서 변화시킬 수 있다. In, Ga 및 N* 플럭스가 각층의 성장 표면에 동시에 공급된다. 층 계면에서의 성장 중단(growth interruptions) 동안에만 질소 액티베이터의 RF 파워를 빠르게 조절함으로써 층들간의 x(In 조성)의 변화가 조절된다.Under the conditions determined as described above, the composition of the In x Ga 1-x N layer including the InGaN-based multilayer structure was varied from a minimum of x = 0 at a wide range (F N * / F Ga = 1, F N * / (α In F In + F Ga ) ≥1 for x = α In F In / (α In F In + F Ga ) or F N * / (α In F In + F Ga ) <1 x = 1-F Ga / F N * range). In, Ga and N * fluxes are simultaneously supplied to the growth surface of each layer. The change in x (In composition) between the layers is controlled by quickly adjusting the RF power of the nitrogen activator only during growth interruptions at the layer interface.
FN */(αInFIn+FGa) 비는 또한 InGaN계 층의 표면 화학양론을 지배한다. 따라서, 본 발명에서 제안된 방법은, N*/Ⅲ* 플럭스 비=1(즉, FN */(αInFIn+FGa)=1)로부터의 정확한 편차에 따라 InGaN계 층의 화학양론적 조건의 변화를 가능하게 한다. 예를 들어, 장벽층은 Ⅲ족 풍부 조건에서 성장될 수 있는 반면에, 양자우물층에 대해서는 발광 특성의 개선을 위해 N 풍부 조건이 채용될 수 있다.The F N * / (α In F In + F Ga ) ratio also dominates the surface stoichiometry of the InGaN based layer. Thus, the method proposed in the present invention is based on the stoichiometry of the InGaN-based layer according to the exact deviation from N * / III * flux ratio = 1 (ie, F N * / (α In F In + F Ga ) = 1). It allows for changing theoretical conditions. For example, the barrier layer may be grown in group III rich conditions, while the N rich condition may be employed for the quantum well layer to improve the luminescence properties.
본 발명의 실시형태는, InGaN/GaN 단일 양자우물(SQW) 구조, InGaN/GaN 다중 양자우물(MQW) 구조 - 더 넓게는 InxGa1 - xN/InyGa1 - yN(x>y)의 SQW 구조 또는 MQW 구조 - 및 제어가능한 In 분포 기울기를 갖는 InGaN/GaN 헤테로구조 등을 포함하는, 다른 In조성 프로파일의 InGaN계 다층 헤테로구조의 성장방법을 제공한다. Embodiments of the present invention provide an InGaN / GaN single quantum well (SQW) structure, an InGaN / GaN multiple quantum well (MQW) structure-more broadly In x Ga 1 - x N / In y Ga 1 - y N (x> A method of growing an InGaN-based multi-layer heterostructure of another In composition profile, including the SQW structure or MQW structure of y) and InGaN / GaN heterostructure with controllable In distribution slope, and the like.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, InxGa1 - xN/InyGa1 - yN(x>y) 단일 양자우 물(SQW) 구조를 형성하기 위해, 상기 질소 액티베이터의 제1 RF 파워에서 활성화 질소 플럭스를 상기 기판에 공급하면서 InyGa1 - yN 장벽층을 형성하는 단계와; 상기 제1 RF 파워보다 더 큰 제2 RF 파워에서 활성화 질소 플럭스를 상기 기판에 공급하면서 상기 InyGa1 - yN 장벽층 상에 InxGa1 - xN 우물층을 형성하는 단계를 포함한다. 이 경우, 상기 InyGa1 - yN 장벽층은 GaN(또는 GaN:In)이고, 상기 InxGa1 - xN 우물층은 InGaN일 수 있다.According to one embodiment of the invention, the first RF power of the nitrogen activator to form an In x Ga 1 - x N / In y Ga 1 - y N (x> y) single quantum well (SQW) structure forming a y N barrier layer, the active nitrogen flux in the in y Ga 1 was fed to the substrate; And forming a x N well layer, said first larger second while supplying active nitrogen flux in the RF power to the substrate on which the In y Ga 1 than the RF power-on y N barrier layer, In x Ga 1 . In this case, the In y Ga 1 - y N barrier layer may be GaN (or GaN: In), and the In x Ga 1 - x N well layer may be InGaN.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, InxGa1 - xN/InyGa1 - yN(x>y) 다중 양자우물(MQW) 구조를 형성하기 위해, 상기 질소 액티베이터의 제1 RF 파워에서 활성층 질소 플럭스를 상기 기판에 공급하면서 InyGa1 - yN 장벽층을 형성하는 단계와; 상기 제1 RF 파워보다 더 큰 제2 RF 파워에서 활성화 질소 플럭스를 상기 기판에 공급하면서 상기 InyGa1 - yN 장벽층 상에 InxGa1 - xN 우물층을 형성하는 단계와; 상기 장벽층 형성 단계와 우물층 형성 단계를 교대로 반복 실시하는 단계를 포함한다. 이 경우, 상기 InyGa1 - yN 장벽층은 GaN(또는 GaN:In)이고, 상기 InxGa1 - xN 우물층은 InGaN일 수 있다. 상기 제1 RF 파워 및 제2 RF 파워 중 적어도 하나는 변화될 수 있다. 이에 따라, 상기 장벽층 또는 우물층의 In 조성은 변화될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, at a first RF power of the nitrogen activator to form an In x Ga 1 - x N / In y Ga 1 - y N (x> y) multi-quantum well (MQW) structure in y Ga 1 while supplying active nitrogen flux to the substrate to form a y N barrier layer; The first larger second while supplying active nitrogen flux in the RF power to the substrate on which the In y Ga 1 than the RF power-y N barrier layer on the Ga x In 1-x N to form a well layer; And alternately repeating the barrier layer forming step and the well layer forming step. In this case, the In y Ga 1 - y N barrier layer may be GaN (or GaN: In), and the In x Ga 1 - x N well layer may be InGaN. At least one of the first RF power and the second RF power may be changed. Accordingly, the In composition of the barrier layer or the well layer may be changed.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 3족 질화물 발광 소 자 제조 방법은, In order to achieve another object of the present invention, the method for producing a group III nitride light emitting device according to the present invention,
질소 액티베이터를 구비한 PA MBE 장치의 성장 챔버 내에 기판을 배치하고 3족 질화물 층의 성장을 준비하는 단계; Placing a substrate in a growth chamber of a PA MBE device with a nitrogen activator and preparing for growth of a group III nitride layer;
기판 상에 제1도전형 3족 질화물층을 형성하는 단계; Forming a first conductive group III nitride layer on the substrate;
상기 제1도전형 3족 질화물층 상에 InxGa1 - xN/InyGa1 - yN(x>y) 헤테로 구조를 갖는 활성층을 형성하는 단계; 및Forming an active layer having an In x Ga 1 - x N / In y Ga 1 - y N (x> y) heterostructure on the first conductive group III nitride layer; And
상기 활성층 상에 제2도전형 3족 질화물층을 형성하는 단계를 포함하되,Forming a second conductive group III nitride layer on the active layer,
상기 활성층 형성 단계에서, 상기 질소 액티베이터를 이용하여 상기 기판 상에 활성화 질소 플럭스를 제공해주면서 상기 기판 상에 Ga 플럭스 및 In 플럭스를 입사하여 다른 In 조성을 갖는 InGaN계 층들로 된 InGaN계 다층구조를 형성하고,In the forming of the active layer, by providing the activated nitrogen flux on the substrate using the nitrogen activator to form a GaGa and In flux on the substrate to form an InGaN-based multilayer structure of InGaN-based layers having different In composition ,
상기 InGaN계 다층구조 형성시, 상기 입사되는 Ga 플럭스 및 In 플럭스와 상기 질소 액티베이터에 공급되는 질소 유량을 일정하게 유지하면서 상기 질소 액티베이터의 RF 파워의 변화에 의해 상기 InGaN계 층의 In 조성을 변화시킨다.When the InGaN-based multilayer structure is formed, the In composition of the InGaN-based layer is changed by changing the RF power of the nitrogen activator while maintaining a constant flow rate of the incident Ga flux and In flux and the nitrogen activator supplied to the nitrogen activator.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 InGaN계 다층구조는 InxGa1 - xN/InyGa1 -yN(x>y) 단일 양자우물 구조일 수 있으며, 특히 InGaN/GaN 단일 양자우물 구조일 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the InGaN-based multilayer structure may be an In x Ga 1 - x N / In y Ga 1- y N (x> y) single quantum well structure, in particular, an InGaN / GaN single quantum well structure Can be.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 InGaN계 다층구조는 InxGa1 - xN/InyGa1-yN(x>y) 다중 양자우물 구조일 수 있으며, 특히 InGaN/GaN 다중 양자우물 구조일 수 있다. According to another embodiment of the present invention, the InGaN-based multilayer structure may be an In x Ga 1 -x N / In y Ga 1-y N (x> y) multi quantum well structure, in particular an InGaN / GaN multi quantum well structure. It may be a structure.
본 명세서에서 "GaN:In"은 GaN 내에 In이 (불순물 도핑에 불과할 정도로, 즉 In 조성이 있다고 보기 힘들 정도로) 미량 함유되어 있는 것으로, "GaN"와 실질적으로 동일한 조성을 갖는다. 따라서, 본 명세서에서는, "GaN:In"은 "GaN"와 동의어로 사용될 수 있다.In the present specification, "GaN: In" contains a small amount of In in GaN (so that it is only impurity doping, that is, it is hard to see In composition), and has a composition substantially the same as "GaN". Thus, in this specification, "GaN: In" may be used synonymously with "GaN".
본 발명에 따르면, InGaN계 다층구조 성장시 In 조성을 빠르게 그리고 재현성 있게 변화시킬 수 있다. 또한 In 조성의 변화를 위해 Ga 또는 In 등 3족 소스의 플럭스의 조절에 따른 복잡성을 제거할 수 있고, 다른 In 조성을 갖는 InGaN계 다층구조의 성장을 보다 용이하게 실현할 수 있다. 이에 따라 보다 선명한 InGaN/GaN 계면을 갖는 고품질의 단일 양자우물 구조 또는 다중 양자우물 구조를 보다 용이하게 제조할 수 있게 된다. 뿐만 아니라 1쌍(2개)의 Ga 소스를 사용할 필요가 없기 때문에, 사용되는 MBE 장비의 단순화를 도모할 수 있다. According to the present invention, the In composition can be changed quickly and reproducibly during growth of the InGaN-based multilayer structure. In addition, in order to change the In composition, the complexity of adjusting the flux of the group III source such as Ga or In can be eliminated, and growth of an InGaN-based multilayer structure having another In composition can be more easily realized. Accordingly, a high quality single quantum well structure or a multi quantum well structure having a clearer InGaN / GaN interface can be more easily manufactured. In addition, there is no need to use a pair of (2) Ga sources, which simplifies the MBE equipment used.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 특히 아래에 서는 벌크 InGaN계 다층구조 및 단일 양자우물 구조의 PA MBE 성장을 예시하여 본 발명을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In particular, the following describes the present invention by illustrating the PA MBE growth of the bulk InGaN-based multilayer structure and single quantum well structure. However, embodiments of the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. Embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. Shapes and sizes of the elements in the drawings may be exaggerated for more clear description, elements denoted by the same reference numerals in the drawings are the same element.
도 1은 질소 액티베이터의 RF 파워 변화에 의해 In 혼입을 조절하는 본 발명의 가능성을 확인하기 위해 성장된 테스트 샘플 구조의 개략적인 단면도이다. 모든 구조(도 1(a) 및 도 1(b) 참조)는 PA MBE 장비를 이용하여(Riber사의 Compact 21T 사용) 사파이어 기판(101)의 (0001)면 상에서 성장되었다. 투명한 사파이어 기판(101)의 복사 가열(radiative)을 제공하기 위해 사파이어 기판(101)의 배면은 미리 0.2 ㎛ 두께의 Ti층(110)으로 코팅되었다. 이 기판(101)은 유기 용매 내에서 표면 상의 기름 성분이 제거된 후, 분리된 챔버에서 800℃의 기판 온도(Ts)에서 3시간동안 어닐링되어 잔류 오염물의 대부분을 증발시켰다. 기판(101)을 성장 챔버로 이송한 후, 기판은 Ts=800℃에서 1시간동안 마지막으로 어닐링되었다. 그리고 나서, 기판 온도(Ts)를 700℃로 낮추고 질소 액티베이터(Oxford Applied Research의 HD-25 장비 사용)에 의하여 발생한 활성화 질소 플럭스 하에서 115 W의 RF 파워와 5 sccm의 N2 유량으로 사파이어 기판(101) 표면를 10분동안 질화시켰다. 이 질소 액티베이터는 각 직경이 0.3 ㎛인 185개의 홀(hloe)을 갖는 출력 어퍼쳐를 구비한 것이었다. 이와 같은 질화처리를 통해 GaN층 성장을 위한 초기 준비 단계(initial stage)를 수행하였다.1 is a schematic cross-sectional view of a test sample structure grown to confirm the possibility of the present invention to control In incorporation by changing RF power of a nitrogen activator. All structures (see FIGS. 1A and 1B) were grown on the (0001) plane of
상기 질화처리된 사파이어 기판(101) 표면 상에서, 별도의 핵형성층 없이 0.4 ㎛/h의 성장속도로 약간의 Ga 풍부 화학양론 조건에서 Ts=750℃에서 GaN 버퍼층(103)의 성장을 시작하였다. GaN 버퍼층(103) 성장시 상기 질소 액티베이터의 RF 파워 및 N2 유량은 각각 145W 및 5 sccm이었다. 더블-존 분출셀(double-zone effusion cell)에 의해 공급되는 Ga 플럭스는 0.65 ㎛/h(플럭스를 정의하기 위해 성장 속도 단위가 사용됨 - 이 값은 표면으로부터의 원자 재증발이 없이 제공된 성장 속도에 해당함)로 유지되었다. 셀 온도에 대한 Ga 플럭스 및 In 플럭스의 의존성이 각각 도 2a 및 2b의 그래프에 나타나 있다. GaN 버퍼층(103)이 두께는 0.8 ㎛ 정도이다. 버퍼층 성장이 완료된 후, Ga 및 N* 셔터가 닫히고 Ts 및 Ga 플럭스를 각각 637℃ 및 0.22 ㎛/h (TGa=828℃)로 감소시켰다.On the
본 발명에서 제안한 방법의 중요한 점은 양자우물(QW) 성장에서의 상이한 단계동안에 RF 파워의 레벨을 선택하는 것이다. 질소 액티베이터 안의 N 플라즈마의 고휘도 모드(high brightness mode)의 특성에 대한 연구를 통해, 도 3a에 도시된 바와 같이 질소 액티베이터의 RF 파워에 대한 글로잉 플라즈마의 강도(Ig)의 선형적인 의존성을 발견하였다. 반면에, 도 3b에 도시된 바와 같이 N2 유량에는 상기 강도(Ig)가 비선형적으로 의존한다는 점을 발견하였다. 이러한 측정으로부터 N* 플럭스의 조절을 위한 파라미터로서 RF 파워를 선택하게 되었다. 도 4의 그래프에 나타난 바와 같이, RF 파워에 대한 최대 GaN 성장 속도의 의존성에 대한 테스트 측정 결과로부터, RF 파워에 대한 FN *의 선형적 의존성을 확인할 수 있었다.An important point of the method proposed in the present invention is to select the level of RF power during different stages in quantum well (QW) growth. A study of the characteristics of the high brightness mode of the N plasma in the nitrogen activator finds a linear dependence of the intensity of the glowing plasma (I g ) on the RF power of the nitrogen activator as shown in FIG. 3A. It was. On the other hand, it was found that the strength (I g ) is nonlinearly dependent on the N 2 flow rate as shown in FIG. 3B. From these measurements, RF power was chosen as a parameter for the adjustment of the N * flux. As shown in the graph of FIG. 4, the linear dependence of F N * on the RF power was confirmed from the test measurement result of the dependence of the maximum GaN growth rate on the RF power.
상기 데이타를 사용하여, 장벽층 및 양자우물층을 각각 성장시키기 위해 110W로부터 170W까지 FN *의 변화의 작업 범위가 선택되었다. 전자의 RF 파워값(110W)은 0.22 ㎛/h의 최대 GaN 성장 속도에 해당한다(도 4 참조). 사용된 Ts(<650℃)에서의 Ga 플럭스의 완전한 혼입을 고려하면, 이는 장벽층 성장 동안에 FN */FGa = 1:1의 화학양론적 조건의 실현을 의미한다. RF 파워의 상기 상한값(170W)은 0.64 ㎛/h의 최대 GaN 성장 속도에 해당하며, FN */FGa > 1 의 성장 조건을 구현한다.Using this data, a working range of change of F N * from 110 W to 170 W was selected to grow the barrier layer and the quantum well layer, respectively. The former RF power value 110W corresponds to a maximum GaN growth rate of 0.22 μm / h (see FIG. 4). Considering the complete incorporation of Ga flux at Ts (<650 ° C.) used, this means the realization of stoichiometric conditions of F N * / F Ga = 1: 1 during barrier layer growth. The upper limit 170W of the RF power corresponds to a maximum GaN growth rate of 0.64 μm / h, and implements a growth condition of F N * / F Ga > 1.
상기한 RF 파워의 조절과 함께, In 셀의 온도는 870℃로 설정되었는데, 이는 0.91 ㎛/h의 최대 InN 성장 속도에 해당한다(도 2 참조). 본 발명자의 예비적인 실험을 통해서, 도 5의 그래프에 나타난 바와 같이 Ts>600℃에서 In 혼입 효율(αIn) 이 기판 온도에 의해 강하게 영향받는다는 것을 발견하였다. With the adjustment of the RF power described above, the temperature of the In cell was set to 870 ° C., which corresponds to a maximum InN growth rate of 0.91 μm / h (see FIG. 2). Through preliminary experiments by the inventors, it was found that the In incorporation efficiency (α In ) was strongly influenced by the substrate temperature as shown in the graph of FIG. 5.
도 6은 InGaN/GaN:In 단일 양자우물(SQW) 구조를 성장시키는 기술을 나타낸 것으로, 셔터 시퀀스와 RF 파워 변화를 도시하고 있다. 이 성장 시퀀스에 있어서 다음과 같은 2가지 중요한 특징이 강조되어야 한다. FIG. 6 illustrates a technique for growing an InGaN / GaN: In single quantum well (SQW) structure, and illustrates a shutter sequence and an RF power change. Two important features should be emphasized in this growth sequence:
첫째, 장벽층과 캡핑층 형성동안에 In 셀은 Ga 셀과 동시에 개방된다. FGa와 FN *의 선택된 값에서, N*/Ⅲ 플럭스비를 FN */FGa=1:1이 되도록 맞춘다. 이 때, GaN층으로의 In 혼입은 수 퍼센트의 수준으로 제한된다. 비교적 높은 Ts(637℃)는 성장 표면으로부터 전체 In 플럭스의 재증발로 귀결되며, 편석 효과를 통한 Ga 원자의 표면 반응과정에 영향으로 주어 GaN:In의 품질을 개선한다. 이러한 사실은, 장벽층 성장 동안에 보이는 비교적 선명하고 줄무늬진 리드(RHEED) 패턴을 인 시츄(in situ)로 관찰함으로써 확인되었을뿐만 아니라, 도 7b에 도시된 바와 같이 SEM을 이용하여 드롭릿 없는 표면을 엑스 시츄(ex situ)로 관찰함으로써 확인되었다.First, the In cell is open simultaneously with the Ga cell during barrier layer and capping layer formation. At selected values of F Ga and F N * , set the N * / III flux ratio to be F N * / F Ga = 1: 1. At this time, In incorporation into the GaN layer is limited to a level of several percent. The relatively high Ts (637 ° C.) results in the re-evaporation of the entire In flux from the growth surface, which affects the surface reaction process of Ga atoms through the segregation effect, thus improving the quality of GaN: In. This was confirmed not only by observing in situ the relatively clear and striped RHEED pattern seen during barrier layer growth, but also by using a SEM as shown in FIG. This was confirmed by observation with ex situ.
둘째, 양자우물의 뚜렷한 계면을 얻기 위해, 질소 액티베이터의 RF 파워를 올리고 내리는 변화동안에(양자우물층의 성장 전후에) 짧은 시간의(20초 정도) 성장 중단을 적용하였다. 질소 셔터를 포함하여 모든 셀 셔터는 상기 성장 중단동안에 폐쇄된 상태에 있다. GaN:In 장벽층 성장 후의 성장 중단은 또한 GaN:In 상에 편석된 잔류의 In 단층을 재증발할 수 있게 한다.Second, in order to obtain a clear interface for the quantum wells, a short period of time (approximately 20 seconds) of growth interruption was applied during the change in raising and lowering the RF power of the nitrogen activator (before and after the growth of the quantum well layer). All cell shutters, including the nitrogen shutters, remain closed during the growth interruption. Growth interruption after GaN: In barrier layer growth also allows the redeposition of residual In monolayer segregated on GaN: In.
상기한 RF 파워의 상한 레벨에 도달한 후에, Ga 및 In 셔터는 양자우물층 성장을 위해 개방된다. 이 단계에서 유효 3족 플럭스는 FGa+αInFIn=0.22+0.91×0.13=0.34 ㎛/h (αIn에 대해서는 도 5 참조)로서 FN *보다 작았다. 즉 FN */(FGa+αInFIn)>1 이었다. 이것은 In 혼입이 Ts에 의해서만 한정되고 35초간의 양장우물층 성장동안에 양장우물층의 공칭 두께가 3nm가 된다는 것을 의미한다. 이 경우, 평균적인 In 함량은 x=FInαIn /(FGa+αInFIn)=0.35 정도로 계산될 수 있다. 이러한 x 값 계산은 벌크층에 대해서는 정확하지만, 양자우물층과 같은 박막층에 대해서는 약 10% 정도로 차이가 날 수 있다는 점에 유의한다. 이는 스트레인 효과뿐만 아니라 성장 중단 후의 셀 및 기판 온도에서의 어떤 과도과정때문이다.After reaching the upper limit level of the RF power, the Ga and In shutters are opened for quantum well layer growth. At this stage, the
양자우물층이 완료된 후에는, Ga, In 및 N 셀 셔터를 다시 폐쇄하고 RF 파워를 110W로 감소시키고, 그 후 동일한 Ts=637℃에서 30분동안 GaN:In 캡핑층을 110nm의 두께로 성장시킨다.After the quantum well layer is complete, close the Ga, In and N cell shutters again and reduce the RF power to 110W, then grow the GaN: In capping layer to 110nm thickness for 30 minutes at the same Ts = 637 ° C. .
상기한 실시형태에 따르면, In 플럭스, Ga 플럭스, 질소 유량 등의 공정 파라미터의 변화없이 RF 파워의 조절 만으로 원하는 In 조성의 프로파일을 빠르고 재현성 있게 얻을 수 있게 된다. 즉, In 조성 변화를 위해 RF 파워만을 모듈레이션하 기 때문에, 종래와 같이 Ga 또는 In 분출셀 조절로 인한 시간 지연이 발생하지 않는다. 따라서 빠른 In 조성 변화(및 이에 따른 뚜렷한 InGaN/GaN 계면 구현)를 달성할 수 있다. 또한 RF 파워에 대한 FN *의 뚜렷한 선형적 의존성으로 인해, In 조성 의 변화에 대한 재현성이 우수하다. According to the embodiment described above, the desired In composition profile can be obtained quickly and reproducibly only by adjusting the RF power without changing process parameters such as In flux, Ga flux, and nitrogen flow rate. That is, since only the RF power is modulated to change the In composition, there is no time delay due to Ga or In injection cell control as in the prior art. Therefore, fast In composition change (and thus a distinct InGaN / GaN interface implementation) can be achieved. In addition, due to the apparent linear dependence of F N * on RF power, the reproducibility of changes in In composition is excellent.
상온에서의 단일 양자우물(SQW) 구조에 대한 발광(PL;Photoluminescence) 스펙트럼은, 도 8에 도시된 바와 같이, 150 meV의 FWHM과 함께 480nm 라인으로 특징지워진다. 실질적으로, GaN:N 장벽층으로부터는 저온에서조차 PL 방출이 관찰되지 않는데(도 9 참조), 이는 양자우물층 내의 비평형 캐리어의 완전한 수집을 허용하는 고품질의 캡핑층을 나타내는 것이다. Photoluminescence (PL) spectra for single quantum well (SQW) structures at room temperature are characterized by a 480 nm line with an FWHM of 150 meV, as shown in FIG. 8. Practically, no PL emission is observed even at low temperatures from the GaN: N barrier layer (see FIG. 9), indicating a high quality capping layer that allows full collection of unbalanced carriers in the quantum well layer.
InGaN/GaN:In 양자우물 구조를 성장시키는 상기 제안된 방법의 주요 사항을 확인하기 위해, 2개의 레퍼런스 벌크층을 상기한 단일 양장우물층(InGaN) 및 장벽층(GaN:In)의 성장 조건에 따라 성장시켰다. 이 벌크 InGaN에 해당하는 20K에서의 PL 스펙트럼이 도 9에 도시되어 있다. 200nm-InGaN층의 PL 스펙트럼은, 3nm-InGaN/GaN 단일 양장우물 구조 자체에 비하여, SQW PL(480nm)에 대해 520nm 정도로 적색 시프트를 나타내고 있으며, PL 강도는 약 2배 정도로 높다. 이 벌크 InGaN 층의 PL 최대값의 스펙트럼 위치는 문헌들에서 입수할 수 있는 실험적 데이타와 잘 맞는다. 반면에, GaN:In 층의 PL 스펙트럼을 통해 장벽층에서의 무시할만한 In 혼 입(수 퍼센트 정도)을 확인할 수 있다(도 9 참조).In order to identify the main points of the proposed method of growing the InGaN / GaN: In quantum well structure, two reference bulk layers were added to the growth conditions of the single well well layer (InGaN) and barrier layer (GaN: In). Accordingly. The PL spectrum at 20K corresponding to this bulk InGaN is shown in FIG. The PL spectrum of the 200 nm-InGaN layer exhibits a red shift of about 520 nm with respect to SQW PL (480 nm) compared to the 3 nm-InGaN / GaN single well well structure itself, and the PL intensity is about twice as high. The spectral position of the PL maximum value of this bulk InGaN layer fits well with the experimental data available in the literature. On the other hand, the PL spectrum of the GaN: In layer shows a negligible In incorporation (a few percent) in the barrier layer (see FIG. 9).
InGaN 양자우물층은, 도 7c 및 7d에 도시된 바와 같이 나노기둥의 표면상태를 보이는데 이로부터 N 풍부 성장 조건을 확인할 수 있다. 반면에, 저온 GaN:In 캡핑층은 평평한 상부를 갖는 더 큰 크기의 그레인(grain)을 구비한 더욱 더 평탄한 표면 상태를 나타낸다(도 7e 및 7f 참조).InGaN quantum well layer, as shown in Figure 7c and 7d shows the surface state of the nano-pillar from this can confirm the N-rich growth conditions. On the other hand, the low temperature GaN: In capping layer exhibits a much flatter surface condition with larger size grains with flat tops (see FIGS. 7E and 7F).
상기 제시된 모든 실험 결과는 (양자우물 구조를 포함한) InGaN계 다층 구조의 성장에 관한 제안된 기술의 적용가능성을 확인시켜주고 있다. 본 발명자가 제안한 기술에 의해, 성장축을 따른 In 함량 및 화학양론적 변화를 갖는 InGaN계 다층 구조를 쉽게 성장시킬 수 있게 된다. 이와 같이 성장된 InxGa1 - xN/InyGa1 - yN(x>y) 단일 양자우물(SQW) 구조는 녹색-적색 스펙트럼 범위에서 선명한 상온 발광 현상을 나타낸다. All experimental results presented above confirm the applicability of the proposed technique to the growth of InGaN-based multilayer structures (including quantum well structures). By the technique proposed by the inventor, it is possible to easily grow an InGaN-based multilayer structure having In content and stoichiometric change along the growth axis. The grown In x Ga 1 - x N / In y Ga 1 - y N (x> y) single quantum well (SQW) structure exhibits a clear room temperature luminescence in the green-red spectral range.
상기 실시형태에 따른 InGaN계 다층구조 성장방법은 뚜렷한 계면을 갖는 고품질의 다중 양자우물 구조를 형성하는데 용이하게 응용될 수 있다. 즉, 위에서 설명한 RF 파워의 모듈레이션에 의한 InGaN/GaN의 장벽층/양자우물층 성장 단계를 반복하여 수행함으로써 InGaN/GaN 다중 양자우물 구조를 얻을 수 있다.The InGaN-based multilayer structure growth method according to the above embodiment can be easily applied to form a high quality multi quantum well structure having a distinct interface. That is, the InGaN / GaN multi-quantum well structure may be obtained by repeatedly performing the growth of the barrier layer / quantum well layer of InGaN / GaN by the modulation of the RF power described above.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 InGaN/GaN 단일 양자우물 구조(더 넓게는 InxGa1 - xN/InyGa1 - yN(x>y) 단일 양자우물 구조) 성장방법을 이용하여 3족 질화물 발광소자를 제조하는 공정을 나타내는 단면도들이다. 10 illustrates a method of growing an InGaN / GaN single quantum well structure (broadly In x Ga 1 - x N / In y Ga 1 - y N (x> y) single quantum well structure) according to an embodiment of the present invention. Sectional drawing which shows the process of manufacturing a
먼저, 질소 액티베이터를 구비한 PA MBA 장치의 성장 챔버 내에 사파이어 등의 기판(201)을 배치한 후, 어닐링 및/또는 질화처리 등을 실시하여 3족 질화물 반도체 성장을 준비한다. 그 후, 기판(201) 상에 전술한 바와 같이 GaN 버퍼층(203)을 형성한다(도 10(a) 참조). First, a
다음으로, GaN 버퍼층(203) 상에 제1도전형 3족 질화물 반도체층을 성장시킴으로써 제1 클래드층(205)을 형성한다(도 10(b) 참조). 예를 들어, 제1 클래드층(205)을 얻기 위해 PA MBE 공정을 이용하여 n형 AlGaN층을 성장시킬 수 있다.Next, the
다음으로, 전술한 바와 같이 질소 액티베이터의 RF 파워의 조절을 통해 InGaN/GaN 단일 양자우물 구조를 성장시킴으로써 활성층(207)을 얻는다(도 10(c) 참조). 예컨대, 도 1을 참조하여 언급한 성장 조건(637℃의 기판 온도, 일정한 Ga 플럭스 및 In 플럭스, 일정한 질소 유량)을 사용하여 제1 클래드층(205) 상에 InGaN/GaN 단일 양자우물 구조의 활성층(207)을 형성할 수 있다. 활성층(207) 내의 In 조성의 조절을 위해, 장벽층 형성시에는 질소 액티베이터에 제1 RF 파워(예 컨대, 110W)를 인가하고 양자우물층 형성시에는 더 높은 제2 RF 파워(예컨대, 170W)를 인가할 수 있다.Next, as described above, the
그 후, 활성층(207) 상에 제2 도전형의 3족 질화물층을 성장시킴으로써, 제2 클래드층(209)을 형성한다(도 10(d) 참조). 예를 들어, 제2 클래드층(209)을 얻기위해 PA MBE 공정을 이용하여 p형 AlGaN층을 성장시킬 수 있다.Thereafter, the
다음으로, 도 10(e)에 도시된 바와 같이, 제1 클래드층(105)의 일부 영역을 노출시키도록 메사 식각하고, 제1 클래드층(205)의 노출된 상면과 제2 클래드층(209) 상면에 각각 n측 전극(211)과 p측 전극(212)을 형성한다. 이에 따라, 일 실시형태에 따른 3족 질화물 발광소자를 얻게 된다. Next, as shown in FIG. 10E, mesa etching is performed to expose a portion of the
상기한 실시형태에서는 활성층을 얻기 위해 InGaN/GaN 단일 양자우물 구조를 성장시켰지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 더 넓게는, RF 파워의 조절을 통해 다른 In 조성을 갖는 InxGa1 - xN/InyGa1 - yN(x>y) 단일 양자우물 구조를 성장시킬 수 있다.In the above embodiment, the InGaN / GaN single quantum well structure is grown to obtain an active layer, but the present invention is not limited thereto. More broadly, it is possible to grow In x Ga 1 - x N / In y Ga 1 - y N (x> y) single quantum well structures with different In compositions by adjusting the RF power.
도 11은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 3족 질화물 발광 소자의 제조 공정을 설명하기 위한 단면도들이다. 이 실시형태에서는, 활성층을 얻기 위해 다중 양 자우물 구조를 성장시킨다. 이 실시형태에서도, 활성층 형성시(다중 양자우물 구조 성장시), RF 파워 이외의 다른 공정 파라미터(기판 온도, Ga 플럭스, In 플럭스, 질소 유량 등)는 일정하게 유지하고 RF 파워만을 조절하여 In 조성의 변화를 얻는다. 11 is a cross-sectional view for explaining a step of manufacturing a group III nitride light emitting device according to another embodiment of the present invention. In this embodiment, a multi-quantum well structure is grown to obtain an active layer. Also in this embodiment, during the formation of the active layer (when growing a multi-quantum well structure), other process parameters (substrate temperature, Ga flux, In flux, nitrogen flow rate, etc.) other than RF power are kept constant and only the RF power is adjusted to In composition. Get a change.
먼저, 도 11(a)와 같이, 사파이어 등의 기판(201) 상에 GaN 버퍼층(203) 및 n형 AlGaN 등의 제1 클래드층(205)을 형성한다. 그 후, 제1 클래드층(205) 상에 InGaN/GaN의 다중 양자우물 구조의 활성층(270)을 형성하고, 그 위에 p형 AlGaN 등의 제2 클래드층(209)을 형성한다(도 11(b) 참조). 반도체층 적층이 완료된 후에는, 도 11(c)에 도시된 바와 같이 메사 식각 공정 및 전극(211, 212) 형성 공정을 실시한다. First, as shown in Fig. 11A, a
활성층(270)은 GaN 양자장벽층(270a)과 InGaN 양자우물층(270b)의 교대로 반복된 적층 구조를 가질 수 있다. 이러한 InGaN/GaN 헤테로 구조를 얻기 위해, 도 1을 참조하여 이미 설명한 성장 방법을 이용한다. 기판온도, Ga, In 플럭스, 질량 유량 등의 다른 공정 파라미터를 일정하게 유지하면서 RF 파워를 조절함으로써, 활성층 내의 In 조성의 급격하고 선명한 변화를 얻을 수 있다. 예를 들어, Ga 플럭스, In 플럭스, N2 유량을 일정하게 유지시킨 상태에서(기판 온도는 637℃로 유지) 상대적으로 낮은 제1 RF 파워(예컨대, 110W)와 더 높은 제2 RF 파워(예컨대, 170W) 를 교대로 반복해 인가함으로써, InGaN/GaN 다중 양자우물 구조조(더 넓게는 InxGa1 - xN/InyGa1 - yN(x>y) 다중 양자우물 구조)를 얻을 수 있다. 이 경우, 제1 RF 파워 인가시 장벽층이 형성되고 제2 파워 인가시 우물층이 형성된다. The
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다. The present invention is not limited by the above-described embodiment and the accompanying drawings, but is intended to be limited by the appended claims, and various forms of substitution, modification, and within the scope not departing from the technical spirit of the present invention described in the claims. It will be apparent to those skilled in the art that changes are possible.
도 1은 본 발명 따른 성장방법에 의해 얻은 InGaN/GaN 헤테로 구조를 나타내는 것으로서, 도 1의 (a)는 단일 양자우물(SQW) InGaN을 갖는 헤테로 구조를 나타내는 단면도이고, 도 1의 (b)는 벌크 InGaN층을 갖는 헤테로 구조를 나타내는 단면도이다.1 shows an InGaN / GaN heterostructure obtained by a growth method according to the present invention, and FIG. 1 (a) is a cross-sectional view showing a hetero structure having a single quantum well (SQW) InGaN, and FIG. It is sectional drawing which shows the heterostructure which has a bulk InGaN layer.
도 2의 (a)는 Ga 분출셀 온도에 대한 3족 플럭스의 의존성을 나타내는 그래프이고, 도 2의 (b)는 In 분출셀 온도에 대한 3족 플럭스의 의존성을 나타내는 그래프이다.FIG. 2A is a graph showing the dependency of
도 3의 (a)는 질소 액티베이터 내부에 형성된 플라즈마의 강도 대(vs) RF 파워를 나타내는 그래프이고, 도 3의 (b)는 질소 액티베이터 내부에 형성된 플라즈마의 강도 대(vs) N2 질량유량을 나타내는 그래프이다.FIG. 3 (a) is a graph showing the intensity vs. the RF power of the plasma formed inside the nitrogen activator, and FIG. 3 (b) shows the strength vs. the N 2 mass flow rate of the plasma formed inside the nitrogen activator. It is a graph.
도 4는 5sccm의 일정한 N2 유량에 있어서 GaN층의 최대 성장속도 대(vs) 질소 액티베이터의 RF 파워를 나타내는 그래프이다.4 is a graph showing the maximum growth rate of the GaN layer vs. the RF power of the nitrogen activator at a constant N 2 flow rate of 5 sccm.
도 5는 기판 온도 TS 및 플럭스 비(N*/Ⅲ = FN */(FGa+FIn))의 함수로서, InGaN층으로의 In 혼입 효율(αIn)을 나타내는 그래프이다. FIG. 5 is a graph showing In incorporation efficiency (α In ) into the InGaN layer as a function of substrate temperature T S and flux ratio (N * / III = F N * / (F Ga + F In )).
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따라 InGaN/GaN 단일 양자우물 구조를 성장시키기 위한 성장 셔터 시퀀스를 나타내는 도면이다.6 is a diagram illustrating a growth shutter sequence for growing an InGaN / GaN single quantum well structure according to one embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명에 따른 InGaN/GaN 구조의 단면도 및 평면도 SEM 사진들로서,7 is a cross-sectional view and a plan view SEM pictures of the InGaN / GaN structure according to the present invention,
도 7의 (a) 및 (b)는 단일 양자우물 InGaN/GaN 구조의 단면 및 평면 SEM 사 진이고,7A and 7B are cross-sectional and planar SEM photographs of a single quantum well InGaN / GaN structure,
도 7의 (c) 및 (d)는 상기 단일 양자우물의 성장조건에 따라 GaN 버퍼층 상에 형성된 벌크 InGaN을 갖는 InGaN/GaN 구조의 단면 및 평면 SEM 사진이고, 7 (c) and 7 (d) are cross-sectional and planar SEM images of an InGaN / GaN structure having bulk InGaN formed on a GaN buffer layer under growth conditions of the single quantum well.
도 7의 (e) 및 (f)는 각각 GaN:In 캡핑층의 단면도 및 평면도 SEM 사진이다.7 (e) and 7 (f) are cross-sectional and plan view SEM photographs of the GaN: In capping layer, respectively.
도 8은 본 발명에 따라 성장된 단일 양자우물 구조의 상온 발광 스펙트럼(He-Cd 레이저(200nm)에 의해 여기됨)을 나타내는 그래프이다. 8 is a graph showing the room temperature emission spectrum (excited by He-Cd laser (200 nm)) of a single quantum well structure grown according to the present invention.
도 9의 (a)는 InGaN/GaN 단일 양자우물, 및 상기 단일 양자우물의 성장조건에 따라 GaN 버퍼층 상에 형성된 벌크 InGaN층(200nm두께)의 저온 발광 스펙트럼을 나타내는 그래프이고, 도 9의 (b)는 GaN:In 캡층의 저온 발광 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. FIG. 9A is a graph showing low-temperature emission spectra of an InGaN / GaN single quantum well and a bulk InGaN layer (200 nm thick) formed on a GaN buffer layer according to growth conditions of the single quantum well, and FIG. ) Is a graph showing the low-temperature emission spectrum of the GaN: In cap layer.
도 10은 본 발명의 일 실시형태에 따른 3족 질화물 발광소자 제조공정을 설명하기 위한 단면도들이다.FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a process of manufacturing a group III nitride light emitting device according to one embodiment of the present invention. FIG.
도 11은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 3족 질화물 발광소자 제조공정을 설명하기 위한 단면도들이다.FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a process of manufacturing a group III nitride light emitting device according to another embodiment of the present invention. FIG.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
101: 사파이어 기판 103: GaN 버퍼층101: sapphire substrate 103: GaN buffer layer
104: 벌크 InxGa1 - xN층 105: GaN:In 장벽층104: bulk In x Ga 1 - x N layer 105: GaN: In barrier layer
107: InGaN 우물층 109: GaN:In 캡핑층107: InGaN well layer 109: GaN: In capping layer
110: Ti층110: Ti layer
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