KR101732524B1 - 붕소를 포함하는 ⅲ-질화물 발광 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예들은 n-형 영역(14)과 p-형 영역 사이에 배치된 발광 영역(16)을 포함하는 Ⅲ-질화물 반도체 구조물을 포함한다. 발광 영역 내의 적어도 하나의 층(18)은
Figure 112011076377039-pct00024
이다. 일부 실시예들에서, x는 14％ 미만이다. 일부 실시예들에서,
Figure 112011076377039-pct00025
층이 비교가능한 InGaN 층과 동일한 밴드갭 에너지를 가지며, 비교가능한 InGaN 층과 동일하거나 그보다 작은 벌크 격자 상수를 갖도록, BN 조성이 선택된다.

Description

붕소를 포함하는 Ⅲ-질화물 발광 장치{Ⅲ-NITRIDE LIGHT EMITTING DEVICE INCORPORATING BORON}
본 발명은 반도체 발광 장치의 분야에 관한 것으로, 더 구체적으로는 Ⅲ-질화물 발광 장치에 관한 것이다.
현재 이용가능한 가장 효율적인 광원들 중에는, LED(light emitting diode), RCLED(resonant cavity light emitting diode), VCSEL(vertical cavity laser diode) 및 에지 발광 레이저를 포함하는 반도체 발광 장치들이 있다. 가시 스펙트럼에 걸쳐 동작할 수 있는 고휘도 발광 장치의 제조에서 현재 관심있는 재료계는 Ⅲ-Ⅴ족 반도체, 구체적으로는 Ⅲ-질화물 재료(Ⅲ-nitride materials)라고도 칭해지는 갈륨, 알루미늄, 인듐 및 질소의 2원, 3원 및 4원 합금을 포함한다. 전형적으로, Ⅲ-질화물 발광 장치들은, 사파이어, 실리콘 카바이드, Ⅲ-질화물, 복합재료(composite) 또는 기타 적합한 기판 상에, MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition), MBE(molecular beam epitaxy) 또는 다른 에피택셜 기법에 의해, 상이한 조성들 및 도펀트 농도들을 갖는 반도체 층들의 스택을 에피택셜 성장시킴으로써 제조된다. 스택은 종종, 기판 위에 형성된 예를 들어 Si로 도핑된 하나 이상의 n-형 층, n-형 층 또는 층들 위에 형성된 활성 영역 내의 하나 이상의 발광층, 및 활성 영역 위에 형성된 예를 들어 Mg로 도핑된 하나 이상의 p-형 층들을 포함한다. n-형 및 p-형 영역 상에 전기 컨택트들이 형성된다.
Ⅲ-질화물 장치들은 종종 사파이어 또는 SiC 기판 상에 성장된다. 종래의 장치들에서, n-형 GaN 영역은 기판 상에 성장되고, InGaN 활성 영역이 그에 후속하고, AlGaN 또는 GaN p-형 영역이 그에 후속한다. 비-Ⅲ-질화물 기판과 Ⅲ-질화물 층들 간의 격자 상수의 차이뿐만 아니라, 상이한 조성의 Ⅲ-질화물 층들 간의 격자 상수의 차이는 장치에서 스트레인(strain)을 유발한다. 격자 부정합(lattice mismatch)으로 인한 스트레인 에너지는 InGaN 활성 영역의 결함 및 분해를 유발할 수 있으며, 이는 불량한 장치 성능을 유발할 수 있다. 스트레인 에너지는 (스트레인의 양을 결정하는) InGaN 발광층의 조성과 발광층의 두께 둘 다의 함수이므로, 종래의 Ⅲ-질화물 장치들에서는 두께 및 조성 둘 다가 제한된다.
Ougazzaden 등의 "Bandgap bowing in BGaN thin films" (Applied Physics Letters 93, 083118 (2008))은 "금속-유기 기상 에피택시(metal-organic vapor phase epitaxy)를 이용하여 AlN/사파이어 기판 상에 성장된
Figure 112011076377039-pct00001
의 박막들"에 대해 보고하고 있다. 예를 들어, 요약서를 참고하라. "질화물의 3원 및 4원 층들은 GaN계 광전자공학 장치의 밴드갭 엔지니어링에 대해 중요하다. '비중이 작은(light)' 요소인 붕소의 도입은 원리적으로는 InGaN계 발광기에서의 '비중이 큰(heavy)' 인듐의 높은 비율로 인해 유도되는 스트레인을 보상할 수 있고, AlN 및 SiC 기판 상에 성장되는 BGaN에 대한 격자 정합을 제공할 수 있다." 예를 들어, Ougazzaden 등의 첫번째 페이지의 제1 컬럼의 첫번째 단락을 참고하라.
본 발명의 목적은 발광 영역 내의 적어도 하나의 층이 붕소를 포함하는 Ⅲ-질화물 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 실시예들은 n-형 영역과 p-형 영역 사이에 배치된 발광 영역을 포함하는 Ⅲ-질화물 반도체 구조물을 포함한다. 발광 영역 내의 적어도 하나의 층은
Figure 112011076377039-pct00002
이다.
Figure 112011076377039-pct00003
층은
Figure 112011076377039-pct00004
발광층과 동일한 조성을 갖는 이완된 층(relaxed layer)의 격자 상수에 대응하는 벌크 격자 상수(bulk lattice constant) 및 밴드갭 에너지를 갖는다.
Figure 112011076377039-pct00005
층과 동일한 밴드갭 에너지를 갖는 InGaN 층은 InGaN 층과 동일한 조성을 갖는 이완된 층의 격자 상수에 대응하는 벌크 격자 상수를 갖는다.
Figure 112011076377039-pct00006
층의 벌크 격자 상수는 InGaN 층의 벌크 격자 상수보다 작다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 Ⅲ-질화물 발광 장치의 일부분을 도시한 도면이다.
도 2, 도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 Ⅲ-질화물 장치들의 일부분들에 대한 위치의 함수로서의 이상적인 밴드갭 에너지의 플롯들이다.
도 5는 알루미늄, 붕소, 갈륨, 인듐 및 질소의 2원, 3원 및 4원 합금에 대한 격자 상수의 함수로서의 밴드갭 에너지의 플롯이다.
도 6은 마운트 상에 플립 칩 구성으로 실장된 Ⅲ-질화물 장치의 일부분의 단면도이다.
도 7은 패키징된 발광 장치의 분해도이다.
도 8은 GaN에 격자 정합된 BInGaN 층들에 대한 InN 조성의 함수로서의 BN 조성의 플롯이다.
본 발명의 실시예들에 따르면, Ⅲ-질화물 장치의 하나 이상의 층으로 붕소가 포함된다. Ⅲ-질화물 장치의 층들 내에, 특히 이 장치의 활성 영역 내에 붕소를 포함시키면, 장치에서의 스트레인을 감소시킬 수 있고, 이는 장치의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예를 도시하고 있다. 제1 단결정 층(12)이 적합한 성장 기판(10) 위에 성장된다. 제1 단결정 층(12)은 그 위에 성장되는 모든 Ⅲ-질화물 층의 격자 상수를 결정한다. 제1 단결정 층(12)의 조성 및 성장 조건은 격자 상수를 결정할 수 있다. 활성 또는 발광 영역(16)은 n-형 영역(14)과 p-형 영역(18) 사이에 개재되어 제1 단결정 층(12) 위에 성장된다.
n-형 영역(14) 및 제1 단결정 층(12)은 예를 들어 제1 단결정 층(12) 이전에 또는 이후에 성장된 버퍼층들 또는 핵생성 층들과 같은 준비층들을 포함하는 상이한 조성들 및 도펀트 농도를 갖는 다수의 층을 포함할 수 있으며, 이들은 추후의 성장 기판의 릴리스(release) 또는 기판 제거 후의 반도체 구조물의 씨닝(thinning)을 용이하게 하도록 설계된 n-형 또는 의도적으로 도핑되지 않은(not intentionally doped) 릴리스 층들, 및 발광 영역이 광을 효율적으로 방출하는데 바람직할 수 있는 특정한 광학적 또는 전기적 특성들을 위해 설계된 n-형 또는 심지어는 p-형 장치 층들일 수 있다. 일부 실시예들에서, 성장 기판에 가장 가까운 n-형 영역(14)의 일부는 장치 내에 성장된 제1 단결정 층이며, 별도의 제1 단결정 층(12)은 생략된다.
p-형 영역(18)이 발광 영역(16) 위에 성장된다. n-형 영역과 마찬가지로, p-형 영역은, 의도적으로 도핑되지 않은 층들 또는 n-형 층들을 포함하여, 상이한 조성, 두께 및 도펀트 농도의 다수의 층을 포함할 수 있다.
활성 영역(16)은 n-형 영역(14) 위에 성장된다. 아래에 설명되는 바와 같이, 적합한 발광 영역들의 예는 단일의 두껍거나 얇은 발광층, 또는 장벽층들에 의해 분리된 다수의 얇거나 두꺼운 양자 우물 발광층들을 포함하는 다중 양자 우물 발광 영역을 포함한다. 예를 들어, 다중 양자 우물 발광 영역은, 100Å 이하의 두께를 각각 갖는 장벽층들에 의해 분리되는, 25Å 이하의 두께를 각각 갖는 다수의 발광층을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 장치 내의 발광층들 각각의 두께는 50Å보다 두껍다. 일부 실시예들에서, 장치의 발광 영역은 50Å과 600Å 사이, 더 바람직하게는 100Å과 400Å 사이의 두께를 갖는 단일의 두꺼운 발광층이다. 최적의 두께는 발광층 내의 결함의 수에 의존할 수 있다. 발광 영역 내의 결함의 농도는 일부 실시예들에서는 109㎝-2 미만으로, 일부 실시예들에서는 108㎝-2 미만으로, 일부 실시예들에서는 107㎝-2 미만으로, 그리고 일부 실시예들에서는 106㎝-2 미만으로 제한된다.
일부 실시예들에서, 장치 내의 적어도 하나의 발광층은 Si와 같은 도펀트를 이용하여 1×1018㎝-3과 1×1020㎝-3 사이의 도펀트 농도로 도핑된다. Si 도핑은 발광층에서의 스트레인을 더 감소시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 발광층 또는 층들은 의도적으로 도핑된 것은 아니다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 발광 장치들의 부분들에 대한 위치의 함수로서의 이상적인 밴드갭을 도시한 것이다. 도시된 밴드갭들은 이상적인 것이고, 그러므로 오직 조성만의 함수이다. 편광과 같이 밴드갭 다이어그램을 왜곡시킬 수 있는 실제 장치들에서의 영향들은 도 2 내지 도 4에 나타나 있지 않다.
도 2에 도시된 장치에서, 활성 영역(16)은 단일의 발광층을 포함한다. 발광층은 붕소, 인듐, 갈륨 및 질소의 4원 합금일 수 있다. 붕소 및 인듐 조성은 방출되는 광의 파장을 결정하는 발광층에서의 요구되는 밴드갭에 대하여 선택될 수 있다. 활성 영역(16)에 인접한 n-형 영역(14)의 부분은 예를 들어 GaN 또는 InGaN일 수 있다. 활성 영역(16)에 인접한 p-형 영역(18)의 부분은 예를 들어 GaN, InGaN 또는 AlGaN일 수 있다. n-형 영역(14) 및 p-형 영역(18)의 조성은, n-형 영역(14)과 활성 영역(16) 사이 및 활성 영역(16)과 p-형 영역(18) 사이의 밴드갭의 변화가 전자들 및 정공들을 활성 영역에 충분히 가두도록 선택된다. 활성 영역(16)의 발광층들과 활성 영역에 바로 인접하는 n-형 및 p-형 영역(14 및 18)의 부분들의 밴드갭 에너지 간의 차이는 실온에서 0.026eV인 kT의 적어도 수 배일 수 있다. 예를 들어, 이 차이는 일부 실시예들에서는 적어도 0.1eV, 일부 실시예들에서는 적어도 0.15eV일 수 있다.
도 3에 도시된 장치에서, 활성 영역(16)은 위에서 도 2를 참조하여 설명된 바와 같이 단일의 발광층을 포함한다. 발광층에 인접한 n-형 영역 및 p-형 영역 중 하나 또는 이들 모두에서의 조성은 점차 변화한다(graded). 예를 들어, 점차 변화하는 영역(14a)에 인접한 n-형 영역(14)의 부분은 GaN일 수 있다. 점차 변화하는 영역(14a)에서, 조성은 GaN으로부터 InGaN으로, 그리고 발광층(16)에서의 BInGaN 조성으로 점차 변화할 수 있다. 유사하게, 점차 변화하는 영역(18a)에 인접한 p-형 영역(18)의 부분은 GaN일 수 있다. 점차 변화하는 영역(18a)에서, 조성은 발광층(16)에서의 BInGaN 조성으로부터 InGaN으로, 그리고 GaN으로 점차 변화할 수 있다. 활성 영역(16)의 양측에서의 조성 프로파일은 도 3에 도시된 바와 같이 대칭일 필요는 없고, 어떠한 점차 변화하는 영역도 도 3에 도시된 바와 같이 선형으로 점차 변화할 필요는 없다. 일부 실시예들에서, 활성 영역(16)의 단지 일 측의 조성만이 점차 변화한다. 일부 실시예들에서, 도 3에 도시된 것과 같은 점차 변화하는 영역은 도 2에 도시된 바와 같이 조성의 계단식 변화(step change)와 결합된다. 예를 들어, 조성은 점차 변화하는 영역(14a) 내에서 GaN으로부터 InGaN으로 점차 변화한 다음, 활성 영역(16) 내에서 InGaN으로부터 BInGaN 조성으로 계단식 변화로 변화될 수 있다.
도 4에 도시된 장치에서, 활성 영역(16)은 하나 이상의 장벽층에 의해 분리된 양자 우물 층들을 갖는 다중 양자 우물 활성 영역이다. 도 4에는 3개의 양자 우물 층(16a)과 2개의 장벽(16b)이 도시되어 있지만, 더 많거나 더 적은 양자 우물 층이 활성 영역(16) 내에 포함될 수 있다. 양자 우물(16a)은 BInGaN일 수 있고, 여기서 붕소 및 인듐 조성은 발광층에서의 요구되는 밴드갭에 대해 선택된다. 장벽층들(16b)은 GaN, 또는 양자 우물들(16a)에서의 밴드갭보다 큰 밴드갭을 갖는 인듐 조성에서의 InGaN일 수 있다. 대안적으로, 양자 우물들(16a)은 InGaN일 수 있고, 장벽층들(16b)은 양자 우물들(16a)에서의 밴드갭보다 큰 밴드갭을 갖도록 선택된 붕소 및 인듐 조성을 갖는 BInGaN일 수 있다.
도 4에 도시된 다중 양자 우물 활성 영역은, 위에서 도 3에 동반된 본문에서 설명된 것과 같이 점차 변화하는 조성의 n-형 및/또는 p-형 영역들과 결합될 수 있다.
장치 내의 Ⅲ-질화물 층은 격자 상수에 의해 특징지어질 수 있다. 본 명세서에서 이용되는 바와 같이, "면내(in-plane)" 격자 상수는 장치 내의 층의 실제 격자 상수를 언급한다. "벌크" 격자 상수는 주어진 조성의 이완된 프리스탠딩 재료(relaxed, free-standing material)의 이상적인 격자 상수를 언급한다. 일 층의 면내 및 벌크 격자 상수가 동일한 경우, 이 층은 이완된 것이거나 스트레인이 없는 것이다. 층에서의 스트레인의 양은
Figure 112011076377039-pct00007
로서 정의된다. 이 수학식이 a-격자 상수를 언급하고, 따라서 c-평면 섬유아연석(wurtzite)에서의 스트레인을 정의하지만, 다른 배향의 섬유아연석 층들에서, 스트레인은 a-격자 상수와는 다른 격자 상수들을 이용하여 또는 하나보다 많은 격자 상수를 이용하여 측정될 수 있다. 층들은 하나의 격자 상수에 대하여 격자 정합될 수 있고, 다른 격자 상수에 대하여 스트레인될 수 있다.
일부 실시예들에서, BInGaN 발광층들에서의 조성은 도 1에 도시된 제1 단결정 층(12)의 면내 격자 상수에 정합하거나 그에 가까운 벌크 격자 상수를 갖도록 선택된다. 제1 단결정 층(12)은 종종 GaN이며, 약 3.189Å의 면내 a-격자 상수를 갖는다.
합금 AxB1-xC의 밴드갭 Eg는,
Figure 112011076377039-pct00008
로 표현될 수 있는데, 여기서 B는 밴드갭 대 조성 라인의 임의의 넌-제로 곡률을 기술하는 밴드갭 보잉 파라미터(band gap bowing parameter)이다. 보잉 파라미터가 제로인 경우, 밴드갭과 조성 간의 관계는 Vegard 법칙 관계(Vegard's law relationship)로서 언급된다. 낮은 인듐 조성(예를 들어, 30％ 미만의 InN)에서의 알루미늄, 인듐, 갈륨 및 질소의 3원 합금은 전형적으로 Vegard 법칙을 따르는 벌크 격자 상수를 갖는다.
도 5는 수개의 Ⅲ-질화물 합금에 대한 밴드갭 에너지의 함수로서의 격자 상수의 플롯이다. GaN, 및 알루미늄, 갈륨, 인듐 및 질소의 3원 합금이 선들(24 및 26)에 의해 표현된다. 음영 표시된 영역(20)은 알루미늄, 갈륨, 인듐 및 질소의 4원 합금을 나타낸다. 도 5에 도시된 바와 같이 GaN에 격자 정합된 AlGaInN 합금을 성장시키는 것이 가능한 한편, 이들은 모두 GaN보다 큰 밴드갭들을 가져서, UV 응용들에 대해서는 잠재적으로 유용하지만 가시 파장들에서의 광을 방출하는 LED들에 대해서는 덜 유용하게 된다. GaN보다 좁은 밴드갭들에 대하여, InGaN 3원은 주어진 격자 상수에서 알루미늄, 갈륨, 인듐 및 질소 재료계에서 달성할 수 있는 가장 좁은 밴드갭을 나타낸다.
파선들(22a-22d)은, 5.5eV의 섬유아연석 붕소 질화물(BN)의 밴드갭 에너지를 가정하여, 상이한 밴드갭 보잉 파라미터 B에 대하여 10％ BN을 갖는 붕소, 갈륨, 인듐 및 질소의 4원 합금을 나타낸 것이다. 선(22a)은 B=9eV를 나타내고, 선(22b)은 B=3eV를 나타내고, 선(22c)은 B=1eV를 나타내고, 선(22d)은 B=0을 나타낸다. 전형적으로 밴드갭과 조성 간에 Vegard 법칙 관계를 나타내는 알루미늄, 갈륨, 인듐 및 질소 합금과 달리, 붕소, 갈륨, 인듐 및 질소 합금에서의 밴드갭 보잉 파라미터 B는 넌-제로, 아마도 9eV 정도의 크기인 것으로 보인다. 그러나, 도 5에서 선들(22a-22d)에 의해 나타나 있는 바와 같이, 비교적 작은 붕소 조성들에서, InGaN 층들에 붕소를 첨가하는 것은 밴드갭을 감소시키고, GaN에 격자 정합되며 GaN보다 작은 밴드갭들을 갖는 4원 BInGaN 층들의 성장을 허용할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, InGaN 합금에 BN을 첨가하는 것은 격자 상수를 감소시킨다. 일부 실시예들에서, 활성 영역의 발광층들에서의 주어진 밴드갭 에너지에 대해 활성 영역에서의 격자 상수를 감소시키기 위해, 장치의 활성 영역에 붕소가 첨가된다. 일부 실시예들에서, 붕소-함유 층들은 GaN에 격자 정합될 수 있다. 그러한 조성들은 도 5에서 파선(27)에 의해 나타나 있다. 선(27)의 우측의 붕소, 인듐, 갈륨 및 질소의 4원 합금은 GaN 상에 성장되는 경우에 압축된다(in compression). 선(27)의 좌측의 붕소, 인듐, 갈륨 및 질소의 4원 합금은 GaN 상에 성장되는 경우에 장력을 받는다(in tension). 일부 실시예들에서, 장치 내의 임의의 층에서의 붕소의 양은, 그 층이 GaN 상에 성장되는 경우에 압축되도록 제한된다. 그러한 실시예들에서의 붕소, 인듐, 갈륨 및 질소의 가능한 4원 합금은 선들(26 및 27) 사이의 삼각형에 의해 표현된다.
예를 들어, 청색광 또는 430㎚와 480㎚ 사이의 파장을 갖는 광을 방출하는 종래의 Ⅲ-질화물 장치는, 예를 들어 10％와 14％ 사이의 InN 조성을 갖는 InGaN 발광층을 가질 수 있다. 일례인 In0.12Ga0.88N 발광층은 3.23Å의 벌크 a-격자 상수를 갖는다. 그러한 장치 내의 발광층들은 전형적으로는 약 3.189Å의 격자 상수를 갖는 GaN 층 위에 성장되고, 따라서 3.189Å의 면내 a-격자 상수를 갖는다. 그러한 장치의 발광층들에서의 스트레인의 양은 발광층에서의 면내 격자 상수와 벌크 격자 상수 간의 차이를 벌크 격자 상수로 나눈 것, 또는 ｜(3.189Å-3.23Å)｜/3.23Å×100％, 약 1.23％이다. 본 발명의 일부 실시예들에서, 청색 방출 장치 내의 적어도 하나의 발광층은 BInGaN이다. 발광층에서의 BN의 양은, 발광층들의 밴드갭 에너지 또는 방출 컬러가 위에서 설명된 종래의 청색 방출 장치와 동일하지만 발광층에서의 벌크 격자 상수는 더 작아서, 스트레인이 더 적도록 선택된다. 예를 들어, 발광층에서의 BN의 양은 일부 실시예들에서는 스트레인이 1％보다 작도록, 일부 실시예들에서는 0.5％보다 작도록 선택될 수 있다. 전술한 청색 방출 InGaN 발광층에 첨가되어 조성
Figure 112011076377039-pct00009
을 갖는 발광층을 야기하는 BN 조성 x는 예를 들어 일부 실시예들에서는 0 < x ≤ 0.1, 일부 실시예들에서는 0.06 ≤ x ≤ 0.08일 수 있다.
시안 광 또는 480㎚와 520㎚ 사이의 파장을 갖는 광을 방출하는 종래의 Ⅲ-질화물 장치는 예를 들어 14％와 18％ 사이의 InN 조성을 갖는 InGaN 발광층을 가질 수 있다. GaN 상에 성장된 In0.16Ga0.84N 발광층에서의 스트레인의 양은 약 1.7％이다. 본 발명의 일부 실시예들에서, 시안 방출 장치 내의 적어도 하나의 발광층은 BInGaN이다. 발광층에서의 BN의 양은, 발광층의 밴드갭 또는 방출 컬러가 동일하며, 스트레인이 일부 실시예들에서는 1.5％보다 작고, 일부 실시예들에서는 1％보다 작도록 선택될 수 있다. 전술한 시안 방출 InGaN 발광층에 첨가되어 조성
Figure 112011076377039-pct00010
을 갖는 발광층을 야기하는 BN 조성 x는, 예를 들어 일부 실시예들에서는 0 < x ≤ 0.12, 일부 실시예들에서는 0.08 ≤ x ≤ 0.11일 수 있다.
녹색 광 또는 520㎚와 560㎚ 사이의 파장을 갖는 광을 방출하는 종래의 Ⅲ-질화물 장치는 예를 들어 18％와 22％ 사이의 InN 조성을 갖는 InGaN 발광층을 가질 수 있다. GaN 상에 성장된 In0.2Ga0.8N 발광층에서의 스트레인의 양은 약 2.1％이다. 본 발명의 일부 실시예들에서, 녹색 방출 장치 내의 적어도 하나의 발광층은 BInGaN이다. 발광층에서의 BN의 양은, 발광층의 밴드갭 또는 방출 컬러가 동일하며, 스트레인이 일부 실시예들에서는 2％보다 작고, 일부 실시예들에서는 1％보다 작도록 선택될 수 있다. 전술한 녹색 방출 InGaN 발광층에 첨가되어 조성
Figure 112011076377039-pct00011
을 갖는 발광층을 야기하는 BN 조성 x는, 예를 들어 일부 실시예들에서는 0 < x ≤ 0.14, 일부 실시예들에서는 0.11 ≤ x ≤ 0.13일 수 있다.
BN이 다중 양자 우물 장치 내의 장벽층들 중 적어도 하나에 포함되는 실시예들에서, BN의 양은, 장벽층에서의 밴드갭이 발광층들에 캐리어들을 가두기에 충분할 정도로 크며, 장벽층 또는 발광층들에서의 스트레인이 장벽층들 내에 붕소를 갖지 않는 장치에 비해 감소되도록 선택된다. 도 8은 GaN에 격자 정합된 BInGaN 층들에 대한 InN 조성의 함수로서의 BN 조성의 플롯이다. x-축은
Figure 112011076377039-pct00012
합금이 기반을 두는
Figure 112011076377039-pct00013
조성을 나타낸다. y-축은
Figure 112011076377039-pct00014
합금에서의 BN 조성을 나타낸다.
본 발명의 실시예들에 따른 장치들 내의 임의의 붕소-함유 층들에서의 BN의 조성은 그 붕소-함유 층들이 섬유아연석 층이기에 충분할 정도로 작게 유지된다. 충분히 높은 BN 조성에서, Ⅲ-질화물 층들은 섬아연광(zincblende)으로 될 수 있다.
예를 들어, BInGaN은 캐리어 기체로서 100％ 질소를 갖는 저압 MOVPE 반응기 내에서 c-축 배향된 사파이어 기판 상에 성장된 Ⅲ-질화물 층들 위에 성장될 수 있다. 트리에틸보론(triethylboron), 트리메틸인듐(trimethylindium), 트리메틸갈륨(trimethylgallium) 및 암모니아가 전구체로서 이용될 수 있다. 트리메틸보론, 보란(borane), 디보란(di-borane) 및 붕소 금속(boron metal)과 같은 다른 붕소 전구체도 이용될 수 있다. 붕소-함유 질화물에 대해 최적화된 성장 절차는 본 명세서에 참조로 포함되는 A. Ougazzaden 등의 J. Cryst. Growth 298, 428 (2007)에 기재되어 있다.
Ⅲ-질화물 장치의 하나 이상의 층에 BN을 포함시키는 것은 유리할 수 있다. 섬유아연석의 Ⅲ-질화물 층들은 큰 편광을 나타내며, 이는 온도 및 조성의 함수인 자연발생적 성분(spontaneous component), 및 층에서의 스트레인의 함수인 압전 성분 둘 다를 포함한다. 상이한 조성의 층들 간의 계면에서의 편광 불연속성(polarization discontinuities)은 편광-유도(polarization-induced) 시트 전하(sheet charges) 및 전기장을 야기한다. BN의 첨가는 예를 들어 계면에서의 스트레인을 감소시킴으로써, GaN/InGaN 계면에 대한 GaN/BInGaN 계면에서의 편광 불연속성을 감소시킬 수 있다. 일부 실시예들에 따른 n-GaN/BInGaN 발광층/p-GaN 더블 헤테로 구조에서, 적절한 BN 조성을 선택하면, 스트레인, 밴드갭 에너지 및 편광이 적어도 부분적으로 분리될 수 있어서, 임의의 두 가지가 세번째 것을 희생하여 임의로 설정될 수 있게 된다. 종래의 GaN/InGaN/GaN 헤테로 구조에서, 스트레인, 밴드갭 에너지 및 편광 중 단 하나만이 독립적으로 변화될 수 있다. BN을 첨가함으로써 장치에서의 스트레인을 감소시키는 것은 더 높은 InN 조성에서의 더 두꺼운 활성 영역들의 성장을 허용할 수 있다.
위에서 예시되고 설명된 반도체 구조물들은 장치의 양측에 컨택트들이 형성되는 장치, 또는 장치의 동일측에 컨택트들 둘 다가 형성되는 장치와 같이, 임의의 적합한 구성의 발광 장치에 포함될 수 있다. 두 컨택트가 동일측에 배치되는 경우, 장치는 투명 컨택트들로 형성되며, 컨택트들이 형성된 것과 동일한 측을 통해 광이 추출되도록 실장되거나, 또는 반사성 컨택트들로 형성되며, 컨택트들이 형성된 측과 반대측으로부터 광이 추출되는 플립칩으로서 실장될 수 있다. 컨택트들이 형성되어 있는 표면을 통해 광이 추출되는 장치들에서, p-형 Ⅲ-질화물 재료에서는 n-형 Ⅲ-질화물 재료에서처럼 전류가 쉽게 확산되지 않으므로, 컨택트는 얇고 투명한 전류 확산층 위에 형성된 작고 두꺼운 흡수성 금속 본드 패드를 포함할 수 있다. 전류 확산층은 예를 들어 Ni 및/또는 Au, ITO(indium tin oxide), Cu-도핑된 InO, ZnO, Ga-도핑된 ZnO, 또는 임의의 다른 적합한 도핑된 투명 산화물의 얇은 층일 수 있다.
도 6은 성장 기판이 제거된 플립칩 장치인 적합한 구성의 일례의 일부분을 도시하고 있다. p-형 영역(18) 및 발광 영역(16)의 일부분은 n-형 영역(14)의 일부분을 노출시키는 메사(mesa)를 형성하도록 제거된다. 도 6에는 n-형 영역(14)을 노출시키는 하나의 비아가 도시되어 있지만, 단일 장치 내에 다수의 비아가 형성될 수 있음을 이해해야 한다. n-컨택트 및 p-컨택트(44 및 42)는 예를 들어 증착 또는 도금에 의해 n-형 영역(14) 및 p-형 영역(18)의 노출된 부분들 상에 형성된다. 컨택트들(42 및 44)은 공기 또는 유전체층에 의해 서로로부터 전기적으로 절연될 수 있다.
컨택트 금속들(42 및 44)이 형성된 후, 장치들의 웨이퍼는 개별 장치들로 다이싱된 다음, 각각의 장치가 성장 방향에 대하여 플리핑되어(flipped) 마운트(40) 상에 실장될 수 있고, 이 경우 마운트(40)는 장치보다 더 큰 측방향 크기를 가질 수 있다. 대안적으로, 장치들의 웨이퍼가 마운트들의 웨이퍼에 접속된 다음, 개별 장치들로 다이싱될 수 있다. 마운트(40)는 예를 들어 Si, 금속 또는 AlN과 같은 세라믹일 수 있으며, p-컨택트들(42)에 전기적으로 접속하는 적어도 하나의 금속 패드(도시되지 않음) 및 n-컨택트들(44)에 전기적으로 접속하는 적어도 하나의 금속 패드(도시되지 않음)를 가질 수 있다. 솔더 또는 금 스터드 범프와 같은 인터커넥트들(도시되지 않음)은 반도체 장치를 마운트(40)에 접속시킨다. p-형과 n-형 전류 경로를 전기적으로 절연시키기 위해, 금속간 유전체들이 마운트(40) 상에 또는 그 내부에 형성될 수 있다.
실장 후에, 에칭 또는 레이저 용융과 같이 기판 재료에 적합한 프로세스에 의해 성장 기판이 제거된다. 예를 들어, 희생 반도체 층(도시되지 않음)은 기판을 리프트오프하기 위해 선택적으로 에칭될 수 있다. 기판 제거 동안 반도체 층들을 지지하고 균열을 방지하기 위해, 강성의 언더필(underfill)이 실장 전 또는 후에 장치와 마운트(40) 사이에 제공될 수 있다. 반도체 구조물의 일부분은 기판의 제거 후에 씨닝에 의해 제거될 수 있다. 예를 들어, 제1 단결정 층(12)은 도 6에 도시된 바와 같이 완성된 장치에 남아있을 수 있거나, 씨닝에 의해 제거될 수 있다. 반도체 구조물의 노출된 표면은 예를 들어 광전기화학적 에칭과 같은 에칭 프로세스에 의해 또는 그라인딩과 같은 기계적 프로세스에 의해 조면화될 수 있다. 광이 추출되는 표면을 조면화하면, 장치로부터의 광 추출이 개선될 수 있다. 대안적으로, 포토닉 결정 구조물은 성장 기판을 제거함으로써 노출되는 반도체 구조물의 상부 표면에 형성될 수 있다. 인광체 층, 또는 다이크로익이나 편광자들과 같은 본 기술분야에 알려진 2차 광학계와 같은 구조물(30)이 방출 표면에 적용될 수 있다.
도 7은 미국 특허 제6,274,924호에 더 상세하게 설명된 것과 같은 패키징된 발광 장치의 분해도이다. 히트 싱크 슬러그(heat-sinking slug)(100)가 인서트 몰딩된 리드프레임에 배치된다. 인서트 몰딩된 리드프레임은 예를 들어 전기적 경로를 제공하는 금속 프레임(106) 둘레에 몰딩되는 채워진 플라스틱 재료(105)이다. 슬러그(100)는 선택적인 반사기 컵(102)을 포함할 수 있다. 위의 실시예들에서 설명된 장치들 중 임의의 것일 수 있는 발광 장치 다이(104)는 열전도성 서브마운트(103)를 통해 간접적으로 또는 직접적으로 슬러그(100)에 실장된다. 광학 렌즈일 수 있는 커버(108)가 추가될 수 있다.
본 발명이 상세하게 설명되었지만, 당업자들은, 본 개시물이 주어지는 경우, 본 명세서에 설명된 본 발명의 개념의 사상을 벗어나지 않고 본 발명에 대한 수정이 이루어질 수 있음을 알 것이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 예시되고 설명된 특정 실시예들로 한정되는 것으로 의도되지 않는다.

Claims (16)

  1. n-형 영역과 p-형 영역 사이에 배치된 발광 영역을 포함하는 Ⅲ-질화물 반도체 구조물을 포함하고,
    상기 발광 영역 내의 적어도 하나의 층은 넌-제로(non-zero) 밴드갭 보잉 파라미터를 포함하는
    Figure 112016127607688-pct00065
    층이고 - 상기
    Figure 112016127607688-pct00066
    층은 발광층이고, 0.06 ≤ x ≤ 0.08이며, 0.1 ≤ y ≤ 0.14임 -,
    상기
    Figure 112016127607688-pct00067
    층은, 상기
    Figure 112016127607688-pct00068
    층과 동일한 조성을 갖는 이완된 층(relaxed layer)의 격자 상수에 대응하는 벌크 격자 상수(bulk lattice constant) 및 밴드갭 에너지를 갖고,
    상기
    Figure 112016127607688-pct00069
    층과 동일한 밴드갭 에너지를 갖는 InGaN 층은 상기 InGaN 층과 동일한 조성을 갖는 이완된 층의 격자 상수에 대응하는 벌크 격자 상수를 가지며,
    상기
    Figure 112016127607688-pct00070
    층의 상기 벌크 격자 상수는 상기 InGaN 층의 상기 벌크 격자 상수보다 작은 구조물.
  2. n-형 영역과 p-형 영역 사이에 배치된 발광 영역을 포함하는 Ⅲ-질화물 반도체 구조물을 포함하고,
    상기 발광 영역 내의 적어도 하나의 층은 넌-제로 밴드갭 보잉 파라미터를 포함하는
    Figure 112016127607688-pct00071
    층이고 - 상기
    Figure 112016127607688-pct00072
    층은 발광층이고, 0.08 ≤ x ≤ 0.11이며, 0.14 ≤ y ≤ 0.18임 -,
    상기
    Figure 112016127607688-pct00073
    층은, 상기
    Figure 112016127607688-pct00074
    층과 동일한 조성을 갖는 이완된 층(relaxed layer)의 격자 상수에 대응하는 벌크 격자 상수(bulk lattice constant) 및 밴드갭 에너지를 갖고,
    상기
    Figure 112016127607688-pct00075
    층과 동일한 밴드갭 에너지를 갖는 InGaN 층은 상기 InGaN 층과 동일한 조성을 갖는 이완된 층의 격자 상수에 대응하는 벌크 격자 상수를 가지며,
    상기
    Figure 112016127607688-pct00076
    층의 상기 벌크 격자 상수는 상기 InGaN 층의 상기 벌크 격자 상수보다 작은 구조물.
  3. n-형 영역과 p-형 영역 사이에 배치된 발광 영역을 포함하는 Ⅲ-질화물 반도체 구조물을 포함하고,
    상기 발광 영역 내의 적어도 하나의 층은 넌-제로 밴드갭 보잉 파라미터를 포함하는
    Figure 112016127607688-pct00077
    층이고 - 상기
    Figure 112016127607688-pct00078
    층은 발광층이고, 0.11 ≤ x ≤ 0.13이며, 0.18 ≤ y ≤ 0.22임 -,
    상기
    Figure 112016127607688-pct00079
    층은, 상기
    Figure 112016127607688-pct00080
    층과 동일한 조성을 갖는 이완된 층(relaxed layer)의 격자 상수에 대응하는 벌크 격자 상수(bulk lattice constant) 및 밴드갭 에너지를 갖고,
    상기
    Figure 112016127607688-pct00081
    층과 동일한 밴드갭 에너지를 갖는 InGaN 층은 상기 InGaN 층과 동일한 조성을 갖는 이완된 층의 격자 상수에 대응하는 벌크 격자 상수를 가지며,
    상기
    Figure 112016127607688-pct00082
    층의 상기 벌크 격자 상수는 상기 InGaN 층의 상기 벌크 격자 상수보다 작은 구조물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 발광 영역은 장벽층에 의해 분리된 적어도 2개의 양자 우물 발광층들을 포함하며,
    상기 장벽층이
    Figure 112016038504955-pct00052
    인 구조물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 발광 영역과 직접 접촉하는 상기 n-형 영역 및 상기 p-형 영역 중 하나의 적어도 일부분은 점차 변화하는 조성(graded composition)을 갖는 구조물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 n-형 영역 및 상기 p-형 영역에 전기적으로 접속된 제1 전기 컨택트 및 제2 전기 컨택트를 더 포함하는 구조물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기
    Figure 112016038504955-pct00053
    층은 GaN에 격자 정합(lattice-matched)되는 구조물.
  8. n-형 영역과 p-형 영역 사이에 배치된 발광 영역을 포함하는 Ⅲ-질화물 반도체 구조물로서,
    상기 발광 영역 내의 적어도 하나의 층은 넌-제로 밴드갭 보잉 파라미터를 포함하는
    Figure 112016127607688-pct00083
    층이고 - 상기
    Figure 112016127607688-pct00084
    층은 발광층이고, 0.06 ≤ x ≤ 0.08이며, 0.1 ≤ y ≤ 0.14임 -,
    상기
    Figure 112016127607688-pct00085
    층은, 상기
    Figure 112016127607688-pct00086
    층과 동일한 조성을 갖는 이완된 층의 격자 상수에 대응하는 벌크 격자 상수 및 밴드갭 에너지를 갖고,
    상기
    Figure 112016127607688-pct00087
    층과 동일한 밴드갭 에너지를 갖는 InGaN 층은 상기 InGaN 층과 동일한 조성을 갖는 이완된 층의 격자 상수에 대응하는 벌크 격자 상수를 갖고,
    상기
    Figure 112016127607688-pct00088
    층의 상기 벌크 격자 상수는 상기 InGaN 층의 상기 벌크 격자 상수보다 작으며,
    상기
    Figure 112016127607688-pct00089
    층은 압축되는(in compression) 구조물.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 발광 영역은 장벽층에 의해 분리된 적어도 2개의 양자 우물 발광층들을 포함하며,
    상기 장벽층이
    Figure 112016038504955-pct00061
    인 구조물.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 발광 영역과 직접 접촉하는 상기 n-형 영역 및 상기 p-형 영역 중 하나의 적어도 일부분은 점차 변화하는 조성(graded composition)을 갖는 구조물.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 n-형 영역 및 상기 p-형 영역에 전기적으로 접속된 제1 전기 컨택트 및 제2 전기 컨택트를 더 포함하는 구조물.
  12. 제2항에 있어서,
    상기
    Figure 112016038504955-pct00062
    층은 GaN에 격자 정합(lattice-matched)되는 구조물.
  13. 제3항에 있어서,
    상기 발광 영역은 장벽층에 의해 분리된 적어도 2개의 양자 우물 발광층들을 포함하며,
    상기 장벽층이
    Figure 112016038504955-pct00063
    인 구조물.
  14. 제3항에 있어서,
    상기 발광 영역과 직접 접촉하는 상기 n-형 영역 및 상기 p-형 영역 중 하나의 적어도 일부분은 점차 변화하는 조성(graded composition)을 갖는 구조물.
  15. 제3항에 있어서,
    상기 n-형 영역 및 상기 p-형 영역에 전기적으로 접속된 제1 전기 컨택트 및 제2 전기 컨택트를 더 포함하는 구조물.
  16. 제3항에 있어서,
    상기
    Figure 112016038504955-pct00064
    층은 GaN에 격자 정합(lattice-matched)되는 구조물.
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