KR102116829B1 - 자외선 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법 - Google Patents
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Abstract
자외선 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법이 개시된다. 이 발광 다이오드는, n형 질화물계 반도체층과 p형 질화물계 반도체층 사이에 활성 영역을 포함하며, 활성 영역은, Al을 함유하는 복수의 장벽층들; 장벽층들과 교대로 정렬되고, Al을 함유하는 복수의 웰층들; 및 적어도 하나의 컨디셔닝층을 포함한다. 각각의 컨디셔닝층은 웰층과 그것에 이웃하는 장벽층 사이에 위치하며, 2성분계 질화물 반도체로 형성된다. 컨디셔닝층을 채택함으로써, 활성 영역의 응력을 감소시킬 수 있으며, 또한, 웰층 및 장벽층의 조성을 균일하게 제어할 수 있다.
Description
본 발명은 무기물 반도체 발광 다이오드에 관한 것으로, 특히 질화물계 자외선 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 200 내지 365nm 범위 내의 자외선을 방출하는 발광 다이오드는 살균 장치 또는 바이오 에어로졸 형광 검출 시스템의 여기원을 포함하여 다양한 용도에 사용될 수 있다.
이러한 질화물계 자외선(UV) 발광다이오드는 전형적으로 사파이어 또는 질화알루미늄 등의 성장 기판 상에서 성장된다. 나아가, 최근에는 수직 구조의 자외선 발광 다이오드에 대한 기술도 소개되고 있다(WO2008/054995 참조).
종래의 근자외선 또는 청색 발광 다이오드와 달리, 상대적으로 심자외선을 방출하는 상기 발광 다이오드는 AlGaN과 같이 Al을 함유하는 웰층을 포함한다. 이에 따라, 장벽층이나 콘택층들은 웰층에 비해 넓은 밴드갭을 갖기 위해 웰층보다 더 많은 양의 Al을 함유한다.
도 1은 종래 기술에 따른 자외선 발광 다이오드 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이고, 도 2는 도 1의 활성 영역을 확대 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 기판(21) 상에 버퍼층(23), AlN층(25), n형 AlGaN층(27), 다중 양자우물 구조의 활성 영역(30) 및 p형 AlGaN층(31)이 형성된다.
기판(21)은 사파이어 기판이고, 버퍼층(23)은 레이저 리프트 오프 공정을 위한 희생 버퍼층으로서 일반적으로 GaN로 형성된다. 버퍼층(23)은, 잘 알려진 바와 같이, 핵층 및 고온 버퍼층을 포함할 수 있다.
이 분야에서 잘 알려진 바와 같이, p형 AlGaN층(31) 상에 지지기판이 부착되고, 레이저 리프트 오프 공정을 통해 기판(21)이 제거된다. 나아가, 버퍼층(23) 및 AlN층(25) 또한 제거되고 n형 AlGaN층(27)의 표면이 노출될 것이다.
한편, 활성 영역(30)은 장벽층(30b) 및 웰층(30w)이 교대로 적층된 다중 양자우물 구조를 가진다. 활성 영역(30)의 첫째층 및 마지막층은 장벽층(30b) 또는 웰층(30w)일 수 있다.
종래 기술에 따르면, 장벽층(30b) 및 웰층(30w)은 Al을 함유하는 질화물계 반도체층, 예컨대 AlGaN 또는 AlInGaN으로 형성된다. AlGaN이나 AlInGaN을 적층한 경우, 각 층들 내에 잔류하는 응력에 의해 밴드 벤딩 현상이 InGaN/GaN에 비해 상당히 크게 나타난다. 이에 따라, 자외선 발광 다이오드의 내부양자효율이 감소하고 또한 전류 증가에 따라 방출되는 광의 파장이 크게 변한다. 더욱이, 두께를 정밀하게 제어하지 못할 경우, 활성 영역(30) 상에 형성되는 층, 예컨대 p형 AlGaN층(31)에 크랙이 유발될 수 있으며, 따라서 발광 다이오드의 불량을 초래한다.
한편, 상기 종래 기술은 장벽층 및 웰층을 AlGaN 또는 AlInGaN으로 형성한다. 장벽층이나 웰층은 일반적으로 나노 스케일의 매우 얇은 두께를 갖는다. 이와 같이, 얇은 두께를 가지는 층을 AlGaN 또는 AlInGaN으로 형성할 경우, 성장되는 층의 조성은 그 아래 층의 조성에 강한 의존성을 나타낸다. 즉, 동일한 성장 조건으로 AlGaN층을 성장하더라도, 그 아래 층의 질화물계 반도체층의 조성이 바뀌면, 다른 조성을 가지는 AlGaN층이 성장한다.
이에 따라, 런-투-런(run-to-run), 웨이퍼-투-웨이퍼(wafer-to-wafer)로 전기적 및 광학적 특성이 균일한 발광 다이오드들을 제조하기 어려우며, 나아가, 동일 웨이퍼 내에서 제조된 발광 다이오드들 또한 전기적 및 광학적 특성의 편차가 심하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 크랙과 같은 결정 결함의 발생을 방지할 수 있는 질화갈륨계 자외선 발광 다이오드 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 웰층 및/또는 장벽층의 조성을 균일하게 제어할 수 있는 발광 다이오드 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 균일한 전기적 및 광학적 특성을 갖는 자외선 발광 다이오드 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드는, n형 질화물계 반도체층과 p형 질화물계 반도체층 사이에 활성 영역을 포함하며, 상기 활성 영역은, Al을 함유하는 복수의 장벽층들; 상기 장벽층들과 교대로 정렬되고, Al을 함유하는 복수의 웰층들; 및 적어도 하나의 컨디셔닝층을 포함한다. 각각의 컨디셔닝층은 웰층과 그것에 이웃하는 장벽층 사이에 위치하며, 2성분계 질화물 반도체로 형성된다.
상기 컨디셔닝층을 채택함으로써, 활성 영역의 응력을 감소시킬 수 있으며, 또한, 웰층 및/또는 장벽층의 조성을 균일하게 제어할 수 있다.
상기 2성분계 질화물 반도체는 GaN 또는 AlN일 수 있다. 특히, AlN는 웰층의 밴드갭보다 넓은 밴드갭을 가지므로, 웰층에서 생성된 광을 흡수하지 않으며, 따라서, 광 손실을 줄일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 컨디셔닝층은 상기 n형 질화물계 반도체층 측에서 웰층에 접하는 웰-컨디셔닝층을 포함할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 컨디셔닝층은 상기 n형 질화물계 반도체층 측에서 장벽층에 접하는 장벽-컨디셔닝층을 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 컨디셔닝층은 상기 웰-컨디셔닝층 및 장벽-컨디셔닝층 모두를 포함할 수 있다.
한편, 상기 장벽층들은 일정한 조성을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 조성 경사층일 수도 있다. 일 실시예에서, 상기 웰-컨디셔닝층에 인접한 장벽층은 상기 웰-컨디셔닝층을 향해 Al의 함량이 증가하는 조성 경사층일 수 있다.
상기 복수의 장벽층들 및 웰층들은 AlInGaN 또는 AlGaN으로 형성될 수 있다. 나아가, 상기 n형 질화물계 반도체층 및 p형 질화물계 반도체층은 AlInGaN 또는 AlGaN층을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드는, n형 질화물계 반도체층과 p형 질화물계 반도체층 사이에 활성 영역을 포함하며, 상기 활성 영역은, Al을 함유하는 복수의 장벽층들; 및 상기 장벽층들과 교대로 정렬되고, Al을 함유하는 복수의 웰층들을 포함하고, 상기 복수의 장벽층들 중 적어도 하나는 웰층과 웰층 사이에서 Al의 함량이 증가하는 조성 경사층을 포함한다. 나아가, 상기 p형 질화물계 반도체층측의 상기 조성 경사층의 끝단의 조성은 AlN이다.
조성 경사층의 끝단의 조성을 AlN가 되도록 함으로써, 그 위의 웰층의 조성이 용이하게 제어될 수 있다.
나아가, 상기 자외선 발광 다이오드는, 상기 활성영역과 상기 n형 질화물계 반도체층 사이에서 상기 활성 영역에 접하는 2성분계 질화물 반도체의 컨디셔닝층을 더 포함할 수 있다. 상기 활성 영역에 접하는 컨디셔닝층은 GaN 또는 AlN로 형성될 수 있다.
한편, 상기 복수의 웰층들은 AlInGaN 또는 AlGaN으로 형성될 수 있다. 나아가, 상기 복수의 장벽층들은 AlInGaN 또는 AlGaN을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드 제조 방법은, n형 질화물계 반도체층과 p형 질화물계 반도체층 사이에 활성 영역을 포함하는 자외선 발광 다이오드 제조 방법에 있어서, 기판 상에 n형 질화물계 반도체층을 성장시키고, 상기 n형 질화물계 반도체층 상에 Al을 함유하는 복수의 장벽층들과 Al을 함유하는 복수의 웰층들을 교대로 성장시켜 활성 영역을 형성하고, 상기 활성 영역 상에 p형 질화물계 반도체층을 성장시키는 것을 포함한다. 나아가, 상기 활성 영역을 형성하는 것은, 적어도 하나의 웰층 또는 적어도 하나의 장벽층을 성장시키기 전에, 컨디셔닝층을 성장시키는 것을 포함하고, 상기 컨디셔닝층은 2성분계 질화물 반도체로 형성된다.
웰층 또는 장벽층을 성장시키기 전에, 2성분계 질화물 반도체의 컨디셔닝층을 먼저 성장시킴으로써, 그 위에 성장되는 웰층 또는 장벽층의 조성을 용이하게 제어할 수 있다.
상기 컨디셔닝층은 GaN 또는 AlN로 형성될 수 있다. 특히, AlN는 웰층의 밴드갭보다 넓은 밴드갭을 가지므로, 웰층에서 생성된 광을 흡수하지 않으며, 따라서, 광 손실을 줄일 수 있다.
상기 활성 영역을 형성하는 것은, 복수의 웰층들 및 복수의 장벽층들 각각을 성장시키기 전에, 컨디셔닝층을 성장시키는 것을 포함할 수 있다.
한편, 상기 복수의 장벽층들 및 복수의 웰층들은 AlInGaN 또는 AlGaN으로 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드 제조 방법은, n형 질화물계 반도체층과 p형 질화물계 반도체층 사이에 활성 영역을 포함하는 자외선 발광 다이오드 제조 방법에 있어서, 기판 상에 n형 질화물계 반도체층을 성장시키고, 상기 n형 질화물계 반도체층 상에 Al을 함유하는 복수의 장벽층들과 Al을 함유하는 복수의 웰층들을 교대로 성장시켜 활성 영역을 형성하고, 상기 활성 영역 상에 p형 질화물계 반도체층을 성장시키는 것을 포함한다. 나아가, 상기 복수의 장벽층들 중 웰층들 사이에 위치하는 적어도 하나의 장벽층은 웰층 상에서 Al의 함량이 증가하는 조성 경사층으로 형성되고, 상기 조성 경사층의 끝단의 조성은 AlN이다.
조성 경사층의 끝단의 조성이 AlN이므로, 그 위에 성장되는 웰층의 조성을 용이하게 제어할 수 있다.
상기 복수의 장벽층들 및 복수의 웰층들은 AlInGaN 또는 AlGaN으로 형성될 수 있다.
나아가, 상기 자외선 발광 다이오드 제조 방법은, 상기 활성 영역을 형성하기 전에 2성분계 질화물 반도체의 컨디셔닝층을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다. 상기 2성분계 질화물 반도체는 GaN 또는 AlN일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 웰층 또는 장벽층을 성장시키기 전에 컨디셔닝층을 먼저 성장함으로써 웰층 또는 장벽층의 조성을 용이하게 제어할 수 있다. 나아가, 웰층 및 장벽층의 조성을 균일하게 제어함으로써, 크랙과 같은 결정 결함의 발생을 방지할 수 있는 질화갈륨계 자외선 발광 다이오드를 제공할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 자외선 발광 다이오드 제조 방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1의 활성 영역 부분을 확대 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드를 설명하기 위해 활성 영역 부분을 확대 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드를 설명하기 위해 활성 영역 부분을 확대 도시한 단면도이다.
도 5(a) 및 도 5(b)는 각각 도 3 및 도 4의 실시예들에 따라 제조된 샘플들의 단면 TEM 사진들이다.
도 6(a) 및 도 6(b)는 각각 컨디셔닝층 또는 조성 경사층 채택에 따른 테스트 샘플들의 평면 광학 사진들이다.
도 7(a) 및 도 7(b)는 각각 종래 기술에 따라 형성된 테스트 샘플의 평면 사진들이다.
도 8은 종래 기술에 따라 함께 제조된 웨이퍼 그룹과 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 웨이퍼 그룹의 PL(photo-luminescence) 파장 분포를 나타내는 그래프이다.
도 9는 종래 기술에 따라 제조된 웨이퍼 및 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 웨이퍼의 PL 강도를 나타내는 그래프이다.
도 2는 도 1의 활성 영역 부분을 확대 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드를 설명하기 위해 활성 영역 부분을 확대 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드를 설명하기 위해 활성 영역 부분을 확대 도시한 단면도이다.
도 5(a) 및 도 5(b)는 각각 도 3 및 도 4의 실시예들에 따라 제조된 샘플들의 단면 TEM 사진들이다.
도 6(a) 및 도 6(b)는 각각 컨디셔닝층 또는 조성 경사층 채택에 따른 테스트 샘플들의 평면 광학 사진들이다.
도 7(a) 및 도 7(b)는 각각 종래 기술에 따라 형성된 테스트 샘플의 평면 사진들이다.
도 8은 종래 기술에 따라 함께 제조된 웨이퍼 그룹과 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 웨이퍼 그룹의 PL(photo-luminescence) 파장 분포를 나타내는 그래프이다.
도 9는 종래 기술에 따라 제조된 웨이퍼 및 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 웨이퍼의 PL 강도를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 그리고, 도면에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드를 설명하기 위해 활성 영역 부분을 확대 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 상기 자외선 발광 다이오드는 n형 질화물계 반도체층(27)과 p형 질화물계 반도체층(31) 사이에 활성 영역(50)을 가진다. 상기 자외선 발광 다이오드는 또한 도 1에 도시한 것과 같은 성장 기판(21) 또는 지지기판을 포함할 수 있다.
n형 질화물계 반도체층(27) 및 p형 질화물계 반도체층(27)은 활성층(30w)보다 넓은 밴드갭을 갖는 질화물계 반도체층으로 형성된다. n형 질화물계 반도체층(27) 및 p형 질화물계 반도체층(31)은 각각 Al을 함유하는 층, 예컨대 AlInGaN층 또는 AlGaN층을 포함할 수 있다.
활성 영역(50)은 복수의 장벽층들(30b), 복수의 웰층들(30w) 및 컨디셔닝층들(30cb, 30cw)을 포함한다. 한편, 컨디셔닝층들(30cb, 30cw)은 웰-컨디셔닝층(30cw) 및 장벽-컨디셔닝층(30cb)를 포함한다.
장벽층들(30b)과 웰층들(30w)은 서로 교대로 정렬되어 다중 양자우물 구조를 형성한다. 웰층들(30w)은 요구되는 자외선 파장, 예컨대 200 내지 365nm 범위 내의 자외선을 방출하는 질화물계 반도체층으로 형성된다. 일 실시예에서, 웰층들(30w)은 250 내지 340nm 범위 내의 자외선을 방출하는 질화물계 반도체층으로 형성될 수 있다. 웰층들(30w)은 Al을 함유하며, AlInGaN 또는 AlGaN으로 형성될 수 있다.
장벽층들(30b)은 웰층들(30w)보다 넓은 밴드갭을 가지는 질화물계 반도체층으로 형성된다. 장벽층들(30b)은 Al을 함유하며, AlInGaN 또는 AlGaN으로 형성될 수 있다. 장벽층들(30b) 각각은 일정한 조성을 갖도록 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 적어도 하나의 장벽층(30b)은 조성이 다른 층들의 적층 구조로 형성될 수 있으며, 조성 경사층으로 형성될 수 있다. 특히, 웰층(30w)들 사이에 위치하는 장벽층(30b)이 조성 경사층으로 형성될 수 있다.
컨디셔닝층들(30cb, 30cw)은 각각 웰층(30w)과 그것에 이웃하는 장벽층(30b) 사이에 위치한다. 웰 컨디셔닝층(30cw)은 n형 질화물계 반도체층(27) 측에서 웰층(30w)에 접한다. 한편, 장벽 컨디셔닝층(30cb)은 n형 질화물계 반도체층(27) 측에서 장벽층(30b)에 접한다.
컨디셔닝층들(30cb, 30cw)은 2성분계 질화물계 반도체층, 예컨대, GaN 또는 AlN로 형성될 수 있다. 컨디셔닝층들(30cb, 30cw)은, 2성분계 질화물계 반도체층이므로, 3성분계 또는 4성분계 질화물계 반도체층에 비해 균일한 조성을 갖는다. 일 실시예에서, 컨디셔닝층들(30cb, 30cw)은 AlN로 형성될 수 있다. AlN는 웰층(30w)보다 넓은 밴드갭을 가지므로, 광을 흡수하지 않으며, 따라서, 광 손실을 줄일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 자외선 발광 다이오드는 수직 구조일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 수평 구조일 수도 있다. 수직 구조의 경우, 상기 자외선 발광 다이오드는 질화물계 반도체층들(27, 50, 31)을 지지하기 위한 지지 기판을 포함할 것이다. 이와 달리, 수평 구조의 경우, 상기 자외선 발광 다이오드는 질화물계 반도체층들(27, 50, 31)을 성장시키기 위한 성장 기판을 포함할 것이다.
한편, 본 실시예에 있어서, 웰-컨디셔닝층들(30cw)이 모든 웰층들(30c)에 접하여 형성된 것으로 도시 및 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 일부 웰층들(30c) 또는 하나의 웰층(30c)에 접하여 웰-컨디셔닝층(들)(30cw)이 형성될 수 있다. 또한, 장벽-컨디셔닝층들(30cb)이 모든 장벽층들(30b)에 접하여 형성된 것으로 도시 및 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 일부 장벽층들(30b) 또는 하나의 장벽층(30b)에 접하여 장벽-컨디셔닝층(들)(30cb)이 형성될 수 있다.
이하, 앞의 실시예의 자외선 발광 다이오드 제조 방법을 설명한다.
우선, 도 1에 도시한 바와 같은 기판(21) 상에 n형 질화물계 반도체층(27)이 성장된다. n형 질화물계 반도체층(27)을 성장하기 전, 종래기술에서 설명한 바와 같은 층들, 예컨대 버퍼층(23) 및 AlN층(25) 등이 성장될 수 있다. n형 질화물계 반도체층(27)을 형성하기 전에 기판(21) 상에 형성되는 층들은 다양하게 변형될 수 있으며, 공지의 다양한 층들이 용도에 맞게 선택될 수 있다.
n형 질화물계 반도체층(27)은 금속 유기화학 기상 성장법(MOCVD)을 이용하여 성장될 수 있다. n형 질화물계 반도체층(27)은 단일층 또는 다중층으로 형성될 수 있으며, AlInGaN층 또는 AlGaN층을 포함한다.
상기 n형 질화물계 반도체층(27) 상에 활성 영역(50)이 성장된다. 활성 영역(50)은 Al을 함유하는 복수의 장벽층들(30b)과 Al을 함유하는 복수의 웰층들(30w)을 교대로 성장시켜 형성된다. 다만, 장벽층들(30b)을 성장하기 전에 장벽 컨디셔닝층(30cb)이 먼저 성장되고, 웰층들(30w)을 성장하지 전에 웰-컨디셔닝층(30cw)이 먼저 성장된다. 상기 컨디셔닝층들(30cb, 30cw)은 2성분계 질화물 반도체, 예컨대 GaN 또는 AlN로 형성된다.
이에 따라, 장벽층들(30b) 하부의 층들, 예컨대, n형 질화물계 반도체층(27) 또는 웰층들(30w)의 조성이 변하더라도, 장벽층들(30b)은 모두 균일한 조성의 장벽-컨디셔닝층(30cb) 상에서 성장될 수 있다. 따라서, 장벽층들(30b)의 조성이 용이하게 제어될 수 있다.
또한, 웰층들(30w)의 하부의 층들, 예컨대, 장벽층들(30b)의 조성이 변하더라도, 웰층들(30w)은 모두 균일한 조성의 웰-컨디셔닝층(30cw) 상에서 성장될 수 있다. 따라서, 웰층들(30w)의 조성이 용이하게 제어될 수 있다.
이어서, 활성 영역(50) 상에 p형 질화물계 반도체층(31)이 성장된다. p형 질화물계 반도체층(31)은 단일층 또는 다중층으로 형성될 수 있으며, AlInGaN층 또는 AlGaN층을 포함할 수 있다.
상기 자외선 발광 다이오드는 수평 구조 또는 수직 구조의 발광 다이오드로 제조될 수 있으며, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
본 실시예에 따르면, 웰-컨디셔닝층(30cw) 및/또는 장벽-컨디셔닝층(30cb)을 채택함으로써, 웰층들(30w) 및/또는 장벽층들(30b)의 조성을 용이하게 제어할 수 있다. 따라서, 활성 영역(50) 내의 잔류 응력을 감소시킬 수 있어, 활성 영역(50) 상에 성장되는 p형 질화물계 반도체층(31)에 크랙 등의 결함이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 나아가, 웰층들(30w) 및/또는 장벽층들(30b)의 조성을 균일하게 제어할 수 있다. 따라서, 동일 웨이퍼 내에서 제조된 발광 다이오드들의 전기적 및 광학적 특성이 균일할 뿐만 아니라, 런-투-런, 웨이퍼-투-웨이퍼로 제조된 발광 다이오드들 또한 균일한 전기적 및 광학적 특성을 가질 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드를 설명하기 위해 활성 영역 부분을 확대 도시한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 상기 자외선 발광 다이오드는 n형 질화물계 반도체층(27)과 p형 질화물계 반도체층(31) 사이에 활성 영역(60)을 가진다. 상기 자외선 발광 다이오드는 또한 도 1에 도시한 것과 같은 성장 기판(21) 또는 지지기판을 포함할 수 있다.
n형 질화물계 반도체층(27), p형 질화물계 반도체층(27), 성장 기판(21), 및 지지기판은 도 3을 참조하여 설명한 바와 동일하므로, 중복을 피하기 위해 상세한 설명은 생략한다.
활성 영역(50)은 복수의 장벽층들(30b, 30gb) 및 복수의 웰층들(30w)을 포함한다.
장벽층들(30gb)과 웰층들(30w)은 서로 교대로 정렬되어 다중 양자우물 구조를 형성한다. 웰층들(30w)은 도 3을 참조하여 설명한 바와 중복되므로, 상세한 설명은 생략한다. 한편, 장벽층들(30gb)는 웰층들(30w)보다 넓은 밴드갭을 가지는 질화물계 반도체층으로 형성된다. 장벽층들(30gb)은 Al을 함유하며, AlInGaN 또는 AlGaN을 포함할 수 있다.
장벽층들(30gb)은 특히 웰층(30w)들 사이에 위치하며, Al 함량이 증가하는 조성 경사층이다. p형 질화물계 반도체층(31) 측의 상기 조성 경사층(30gb)의 끝단의 조성은 AlN이다. 조성 경사층(30gb)의 끝단의 조성을 AlN로 함으로써, 그 위에 성장되는 웰층(30w)의 조성을 용이하게 제어할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 활성 영역(60)은 n형 질화물계 반도체층(27)에 인접하여 위치하는 장벽층(30b)을 더 포함할 수 있다. 장벽층(30b)은 도 3을 참조하여 설명한 장벽층(30b)과 동일하며, 예컨대 일정한 조성층일 수 있다. 이 경우, 장벽-컨디셔닝층(30cb)이 n형 질화물계 반도체층(27) 측에서 장벽층(30b)에 접할 수 있다. 또한, 도시하지는 않았지만, 장벽층(30b)과 그 위에 위치하는 웰층(30w) 사이에 도 3을 참조하여 설명한 바와 같은 웰-컨디셔닝층(30cw)이 위치할 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 웰층(30w)이 n형 질화물계 반도체층(27)에 인접하여 위치할 수 있으며, 이 경우, 웰-컨디셔닝층(도 3의 30cw)이 n형 질화물계 반도체층(27) 측에서 웰층(30w)에 접할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 자외선 발광 다이오드는, 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 수직 구조 또는 수평 구조일 수 있다.
한편, 본 실시예에 있어서, n형 질화물계 반도체층(27)에 인접한 장벽층(30b)을 제외하고 모든 장벽층들(30gb)이 조성 경사층인 것으로 도시 및 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 일부 장벽층들 또는 하나의 장벽층만이 조성 경사층이고, 나머지 장벽층들은 일정한 조성을 가질 수 있다. 또한, 상기 활성 영역(60)은 조성이 다른 층들의 적층 구조를 갖는 장벽층을 포함할 수도 있다. 나아가, 상기 활성 영역(60)은 조성 경사층의 장벽층(30gb)과 함께, 컨디셔닝층(30cw 또는 30cb)들을 그 내부에 포함할 수 있다.
이하, 앞의 실시예의 자외선 발광 다이오드 제조 방법을 설명한다.
본 실시예에 따른 자외선 발광 다이오드 제조 방법은 활성 영역(60)을 제외하면, 도 3을 참조하여 설명한 제조 방법과 유사하므로, 중복을 피하기 위해, 그 차이점에 대해서만 상세히 설명한다.
기판(21) 상에 n형 질화물계 반도체층(27)이 성장된 후, n형 질화물계 반도체층(27) 상에 활성 영역(60)이 성장된다. 활성 영역(60)은 Al을 함유하는 복수의 장벽층들(30b, 30gb)과 Al을 함유하는 복수의 웰층들(30w)을 교대로 성장시켜 형성된다. 장벽층(30b)은 생략될 수도 있다. 복수의 웰층들(30w)은 AlInGaN층 또는 AlGaN층으로 형성될 수 있다.
또한, 장벽층들(30b, 30gb)은 AlInGaN 또는 AlGaN으로 형성될 수 있다. 다만, 장벽층들(30b, 30gb) 중 웰층들(30w) 사이에 위치하는 장벽층들(30gb)은 웰층(30w) 상에서 Al의 함량이 증가하는 조성 경사층으로 형성되며, 조성 경사층(30w)의 끝단의 조성은 AlN이다. 예컨대, 장벽층(30gb)은 웰층(30w)의 조성으로부터 Al의 함량이 증가하고, Ga 또는 In의 함량이 감소하여 AlN의 조성으로 성장이 종료될 수 있다. 조성 경사층(30gb)을 채택함으로써, 활성 영역(60) 내의 잔류 응력을 줄일 수 있다. 나아가, 조성 경사층의 끝단의 조성을 AlN로 설정함으로써, 장벽층(30gb) 상에 성장되는 웰층(30w)의 조성을 용이하게 제어할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 조성 경사층의 장벽층(30gb)을 채택함으로써, 웰층(30w)의 조성을 균일하게 제어할 수 있다. 따라서, 동일 웨이퍼 내에서 제조된 발광 다이오드들의 전기적 및 광학적 특성이 균일할 뿐만 아니라, 런-투-런, 웨이퍼-투-웨이퍼로 제조된 발광 다이오드들 또한 균일한 전기적 및 광학적 특성을 가질 수 있다.
도 5(a) 및 도 5(b)는 각각 도 3 및 도 4의 실시예들에 따라 제조된 샘플들의 단면 TEM 사진들이다.
도 5(a)를 참조하면, 웰층(30w) 및 장벽층(30b)은 각각 AlGaN으로 형성되었다. 장벽층(30b)이 웰층(30w)에 비해 더 많은 Al을 함유하므로, 장벽층(30b)이 웰층(30w)보다 더 짙은 회색을 나타낸다. 한편, 장벽층(30b)과 웰층(30w) 사이에 컨디셔닝층들(30cw, 30cb)이 형성된 것을 확인할 수 있다. 컨디셔닝층들(30cw, 30cb)은 웰-컨디셔닝층(30cw)과 장벽-컨디셔닝층(30cb)을 포함한다. 이들 컨디셔닝층들(30cw, 30cb)은 모두 AlN로 형성되었다.
도 5(b)를 참조하면, 웰층(30w)은 AlGaN으로 형성되었으며, 장벽층(30b)은 조성 경사층으로 형성되었다. 장벽층(30b)의 끝단의 조성은 AlN이며, 따라서, TEM 사진에서 검정색으로 보인다. 장벽층(30b)은 웰층(30w)의 조성으로부터 순차적으로 Al이 증가하여 끝단에서 AlN로 된다. AlN 조성에 도달한 후, 성장을 계속하여, 일정 두께를 갖는 AlN층이 형성될 수 있다.
도 6(a) 및 도 6(b)는 각각 컨디셔닝층 또는 조성 경사층 채택에 따른 테스트 샘플들의 평면 광학 사진들이다.
테스트 샘플들은, 본 발명의 실시예들에 따른 컨디셔닝층 또는 조성 경사층이 다중양자우물 구조 내의 응력에 미치는 영향을 확인하기 위해 제조되었다. 따라서, n형 질화물 반도체층이나 p형 질화물 반도체층과 같은 도핑층들은 형성되지 않았ek.
도 6(a)의 테스트 샘플은, 사파이어 기판 상에 GaN 버퍼층을 성장시킨 후, 도 5(a)의 구조와 유사하게 Al 함량이 높은 AlGaN층들과 Al이 함량이 상대적으로 낮은 AlGaN층들을 교대로 성장시키고, 마지막층으로 0.1㎛ 두께의 AlGaN층을 성장시켜 제조되었다. 나아가, Al 함량이 높은 AlGaN층들과 Al이 함량이 상대적으로 낮은 AlGaN층들을 성장시키기 전에 컨디셔닝층으로서 AlN층들이 각각 성장되었다.
한편, 도 6(b)의 테스트 샘플은 도 6(a)의 테스트 샘플과 유사하게 제조되었으나, 다만, Al 함량이 높은 AlGaN층들을 도 5(b)에서 설명한 바와 같이 조성 경사층으로 형성하였다. 또한, AlN층의 컨디셔닝층을 형성하는 대신, 조성 경사층의 마지막 조성을 AlN로 하였다.
도 6(a) 및 도 6(b)에서 알 수 있듯이, 건디셔닝층 또는 마지막 조성을 AlN로 하는 조성 경사층을 채택한 테스트 샘플들에서 크랙은 관찰되지 않았다.
한편, 도 7(a) 및 도 7(b)는 각각 종래 기술에 따라 형성된 테스트 샘플의 평면 사진들이다.
도 7(a)의 테스트 샘플은 도 6(a)의 테스트 샘플과 유사하게 제조되었으나, 종래 기술과 같이, 컨디셔닝층은 생략되었다. 도 7(b)의 테스트 샘플은 도 6(b)의 테스트 샘플과 유사하게 제조되었으나, 조성 경사층의 마지막 조성은 AlN가 아니라 AlGaN이었다.
도 7(a) 및 도 7(b)를 참조하면, 종래 기술에 따라 제조된 테스트 샘플들의 경우, 마지막 층에서 많은 크랙들이 관찰되었다. 조성 경사층을 채택한 도 7(b)의 샘플은 도 7(a)의 샘플에 비해 표면이 개선되는 것을 보이지만, 여전히 많은 크랙이 발생하였다.
따라서, 종래 기술에 따라 다중 양자우물 구조를 형성할 경우, 다중 양자우물 구조내의 응력에 의해 그 위에 형성되는 p형 질화물계 반도체층에 많은 크랙이 발생할 수 있다. 이에 반해, 본 발명의 실시예들과 같이, 컨디셔닝층을 채택하거나 또는 마지막 조성이 AlN인 조성 경사층을 채택함으로써, 다중 양자우물 구조 내의 응력을 감소시킬 수 있으며, 따라서, 그 위에 형성되는 p형 질화물계 반도체층에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있을 것이다.
도 8은 종래 기술에 따라 함께 제조된 웨이퍼 그룹과 본 발명의 일 실시예에 따라 함께 제조된 웨이퍼 그룹의 PL 파장 분포를 나타내는 그래프이다.
비교예 1 및 실시예는 각각 30장의 사파이어 기판들을 MOCVD의 동일 챔버에 장착하고, 동일 조건으로 동시에 에피층들을 성장시켰다. 실시예는 본 발명의 일 실시예에 따라, 웰층 및 장벽층을 성장하기 전에 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이 웰-컨디셔닝층 및 장벽-컨디셔닝층을 형성한 웨이퍼들고, 비교예 1은 종래 기술에 따라 컨디셔닝층 없이 제조된 웨이퍼들이다. 컨디셔닝층들을 제외하면, 실시예의 각 층들은 비교예 1의 각 층과 동일 조건으로 성장되었다.
도 8을 참조하면, 비교예 1 및 실시예의 웰층들은 동일 조건으로 성장되었지만, 실시예의 웨이퍼들이 비교예 1의 웨이퍼들에 비해 상대적으로 짧은 피크 파장을 나타내었다. 또한, 실시예의 웨이퍼들이 비교예 1의 웨이퍼들에 비해 상대적으로 적은 편차를 나타내었다. 이는, AlN 컨디셔닝층을 채택함에 따라, 웰층 내에 함유되는 Al 함량이 증가하였고, 또한, 웰층의 Al 조성이 더 균일하게 되었기 때문이라 판단된다.
도 9는 종래 기술에 따라 제조된 웨이퍼 및 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 웨이퍼의 PL 강도를 나타내는 그래프이다.
여기서, 실시예는 도 8의 실시예의 웨이퍼 그룹들 중에서 선택된 하나의 웨이퍼이고, 비교예 2는 실시예와 유사한 피크 파장을 갖도록 웰층 및 장벽층의 조성을 조절하여 제조된 웨이퍼이다.
도 9에서 알 수 있듯이, 실시예의 웨이퍼가 비교예 2에 비해 더 높은 PL 강도를 나타내었다. 실시예의 PL 강도는 비교예 2의 PL 강도의 약 2배이었다.
앞에서, 본 발명의 다양한 실시예들 및 실험예들에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이들 실시예들 및 실험예들에 한정되는 것은 아니다. 또한, 하나의 실시예에서 설명된 구성 요소는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한 다른 실시예에도 적용될 수 있다.
Claims (20)
- n형 질화물계 반도체층과 p형 질화물계 반도체층 사이에 활성 영역을 포함하는 자외선 발광 다이오드에 있어서,
상기 활성 영역은,
Al을 함유하는 복수의 장벽층들;
상기 장벽층들과 교대로 정렬되고, Al을 함유하는 복수의 웰층들; 및
적어도 하나의 컨디셔닝층을 포함하되,
각각의 컨디셔닝층은 웰층과 그것에 이웃하는 장벽층 사이에 위치하며, 2성분계 질화물 반도체로 형성된 자외선 발광 다이오드. - 청구항 1에 있어서,
상기 2성분계 질화물 반도체는 AlN인 자외선 발광 다이오드. - 청구항 1에 있어서,
상기 적어도 하나의 컨디셔닝층은 상기 n형 질화물계 반도체층 측에서 웰층에 접하는 웰-컨디셔닝층을 포함하는 자외선 발광 다이오드. - 청구항 3에 있어서,
상기 웰-컨디셔닝층에 인접한 장벽층은 상기 컨디셔닝층을 향해 Al의 함량이 증가하는 조성 경사층인 자외선 발광 다이오드. - 청구항 1에 있어서,
상기 적어도 하나의 컨디셔닝층은 상기 n형 질화물계 반도체층 측에서 장벽층에 접하는 장벽-컨디셔닝층을 포함하는 자외선 발광 다이오드. - 청구항 1에 있어서,
상기 복수의 장벽층들 및 웰층들은 AlInGaN 또는 AlGaN으로 형성된 자외선 발광 다이오드. - 청구항 1에 있어서,
상기 n형 질화물계 반도체층 및 p형 질화물계 반도체층은 AlInGaN 또는 AlGaN층을 포함하는 자외선 발광 다이오드. - n형 질화물계 반도체층과 p형 질화물계 반도체층 사이에 활성 영역을 포함하는 자외선 발광 다이오드에 있어서,
상기 활성 영역은,
Al을 함유하는 복수의 장벽층들; 및
상기 장벽층들과 교대로 정렬되고, Al을 함유하는 복수의 웰층들을 포함하되,
상기 복수의 장벽층들 중 적어도 하나는 웰층과 웰층 사이에서 Al의 함량이 증가하는 조성 경사층을 포함하고,
상기 p형 질화물계 반도체층측의 상기 조성 경사층의 끝단의 조성은 AlN인 자외선 발광 다이오드. - 청구항 8에 있어서,
상기 활성영역과 상기 n형 질화물계 반도체층 사이에서 상기 활성 영역에 접하는 2성분계 질화물 반도체의 컨디셔닝층을 더 포함하는 자외선 발광 다이오드. - 청구항 9에 있어서,
상기 활성 영역에 접하는 컨디셔닝층은 AlN로 형성된 자외선 발광 다이오드. - 청구항 8에 있어서,
상기 복수의 웰층들은 AlInGaN 또는 AlGaN으로 형성된 자외선 발광 다이오드. - 청구항 11에 있어서,
상기 복수의 장벽층들은 AlInGaN 또는 AlGaN을 포함하는 자외선 발광 다이오드. - n형 질화물계 반도체층과 p형 질화물계 반도체층 사이에 활성 영역을 포함하는 자외선 발광 다이오드 제조 방법에 있어서,
기판 상에 n형 질화물계 반도체층을 성장시키고,
상기 n형 질화물계 반도체층 상에 Al을 함유하는 복수의 장벽층들과 Al을 함유하는 복수의 웰층들을 교대로 성장시켜 활성 영역을 형성하고,
상기 활성 영역 상에 p형 질화물계 반도체층을 성장시키는 것을 포함하되,
상기 활성 영역을 형성하는 것은, 적어도 하나의 웰층 또는 적어도 하나의 장벽층을 성장시키기 전에, 컨디셔닝층을 성장시키는 것을 포함하고,
상기 컨디셔닝층은 2성분계 질화물 반도체로 형성된 자외선 발광 다이오드 제조 방법. - 청구항 13에 있어서,
상기 컨디셔닝층은 AlN로 형성된 자외선 발광 다이오드 제조 방법. - 청구항 13에 있어서,
상기 활성 영역을 형성하는 것은, 복수의 웰층들 및 복수의 장벽층들 각각을 성장시키기 전에, 컨디셔닝층을 성장시키는 것을 포함하는 자외선 발광 다이오드 제조 방법. - 청구항 13에 있어서,
상기 복수의 장벽층들 및 복수의 웰층들은 AlInGaN 또는 AlGaN으로 형성된 자외선 발광 다이오드 제조 방법. - n형 질화물계 반도체층과 p형 질화물계 반도체층 사이에 활성 영역을 포함하는 자외선 발광 다이오드 제조 방법에 있어서,
기판 상에 n형 질화물계 반도체층을 성장시키고,
상기 n형 질화물계 반도체층 상에 Al을 함유하는 복수의 장벽층들과 Al을 함유하는 복수의 웰층들을 교대로 성장시켜 활성 영역을 형성하고,
상기 활성 영역 상에 p형 질화물계 반도체층을 성장시키는 것을 포함하되,
상기 복수의 장벽층들 중 웰층들 사이에 위치하는 적어도 하나의 장벽층은 웰층 상에서 Al의 함량이 증가하는 조성 경사층으로 형성되고, 상기 조성 경사층의 끝단의 조성은 AlN인 자외선 발광 다이오드 제조 방법. - 청구항 17에 있어서,
상기 복수의 장벽층들 및 복수의 웰층들은 AlInGaN 또는 AlGaN으로 형성된 자외선 발광 다이오드 제조 방법. - 청구항 17에 있어서,
상기 활성 영역을 형성하기 전에 2성분계 질화물 반도체의 컨디셔닝층을 형성하는 것을 더 포함하는 자외선 발광 다이오드 제조 방법. - 청구항 19에 있어서,
상기 2성분계 질화물 반도체는 AlN인 자외선 발광 다이오드 제조 방법.
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