KR19990008420A - 갈륨 나이트라이드 활성층을 가지는 이중 헤테로 접합 발광 다이오드 - Google Patents

갈륨 나이트라이드 활성층을 가지는 이중 헤테로 접합 발광 다이오드 Download PDF

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nitride
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에이몬드존아담
콩후아-슈앙
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헌터 에프. 니얼
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Abstract

발광 다이오드(20)를 위한 이중 헤테로 구조(24)는 제1 도전성 타입을 가지는 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층(25); 상반되는 도전성 타입을 가지는 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층(27); 및 상기 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층들 사이에 위치한 갈륨 나이트라이드 활성층(26)을 포함하며, 상기 갈륨 나이트라이드 층은 2가의 억셉터와 4가의 도너에 의해 혼합 도핑되며, 상기 불순물들 중의 하나는 상기 갈륨 나이트라이드 활성층에 네트 도전성 형태를 부여하기에 충분한 양을 가지며, 상기 활성층은 그곳으로부터 나오는 상기 상반되는 도전성을 가지는 인접한 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층으로 p-n 접합을 형성한다.

Description

갈륨 나이트라이드 활성층을 가지는 이중 헤테로 접합 발광 다이오드
발광 다이오드(LED)는 포토닉(photonic) 반도체 소자이다. 포토닉 반도체 소자에는 전기 에너지를 광방사(optical radiation)로 변환하는 소자(LED 및 다이오드 레이저), 광 신호를 검출하는 소자 (광검출기), 및 광방사를 전기 에너지로 변환하는 소자(광기전성 소자 또는 태양 전지)의 세 가지 분류가 있다.
상기 세 가지 분류 또는 소자 모두를 유용하게 사용할 수 있지만, LED를 가장 일반적으로 인식하고 있다. 이는 LED를 가장 다양한 폭의 제품에 적용할 수 있으며, 과학 장비, 의학 장비 또한 가장 일반적으로 다양한 신호, 표시기, 게이지, 클럭 및 다른 유사한 항목들에 있어서 광원을 형성하는 다양한 소비자 제품에 적용할 수 있기 때문이다.
LED와 같은 반도체 광원은 일반적으로 긴 수명 시간, 낮은 전력 소비 및 높은 신뢰성 때문에 이러한 항목들에 있어서 광출력 소자로써 특히 바람직하다.
넓게 사용할 수 있음에도 불구하고, LED를 형성하는 반도체 재료의 특성에 의해 LED가 발생할 수 있는 색상이 기능적으로(functionally) 제한되기 때문에 LED는 어느 정도 기능적으로 제한되어 있다. 상기 기술과 이와 관련된 기술이 속한 업계에서 일반적으로 상식을 가진 자들에게는 이미 공지되어 있듯이, LED에 의해 발생된 빛을 전계 발광(electroluminescence)이라 부르며, 이는 전계가 인가된 물질을 통과한 전류에 의해 발생된 빛을 가리킨다. 전계 발광광(electroluminescent light)을 발생시키는 모든 물질은 주어진 환경 하에서 비교적 좁은 범위의 주파수를 초과하려는 경향이 있다. 따라서 전계 발광은 일반적으로 훨씬 넓은 스펙트럼 폭을 가지는 열적 방사 또는 백열광과는 다르다.
보다 기본적으로 말하자면, LED 발광은 상기 반도체 재료 내의 에너지 레벨사이의 양자의 기본적 기계 천이(mechanical transition)에 의해 발생한다. 재료 내의 대역은 그 물질과 그 물질의 도핑 및 천이 에너지에 따라 달라지기 때문에 상기 천이 에너지에 의해 발생하는 방사 색상은 따라서 천이 에너지(E)와 발생한 빛의 주파수(v)와의 관계(E=hv, h:플랭크 계수)에 의해 제한된다. 청색광은 가시 스펙트럼의 다른 색상보다 짧은 파장(따라서 높은 주파수)을 가지며, 따라서 녹색광, 황색광, 오렌지색광 또는 적색광을 생산하는 천이보다 높은 에너지를 가지는 천이에 의해 청색광이 발생한다.
보다 구체적으로 말하자면, 전체 가시 스펙트럼은 대략 390나노미터의 자색에서부터 대략 770나노미터의 적색까지이다. 다시 말해, 가시 스펙트럼의 청색 부분은 (다소 임의적으로) 대략 425나노미터부터 480나노미터의 주파수 사이에서 확산하는 것으로 간주할 수 있다. 425나노미터부터 480나노미터까지의 주파수는 (다소 임의적으로) 대략 2.6eV 및 대략 2.9eV의 에너지 천이를 가리킨다. 따라서 최상의 조건이라 할지라도 적어도 2.6eV의 대역 갭을 가지는 재료만이 청색광을 생산할 수 있다.
보다 잘 공지되어 있듯이, 청색은 기본 색상 중의 하나이며, 따라서 LED를 사용하여 전체 색상을 표시하기를 원하는 모든 소자는 몇 가지 방법으로 청색과 결합할 필요가 있다. 부재 유효(absent efficient) 청색 LED, 및 필터링 또는 셔터링과 같은 몇 가지 다른 방법을 사용하여 디스플레이에 청색광을 제공해야 한다. 그렇지 않으면 청색 LED 광원이 결여된다.
다른 관점에서 보면, 청색광의 짧은 파장은 적색광 또는 황색광이 할 수 있는 것보다 (CD 롬과 같은) 광학적 기억 장치에 많은 정보를 저장한다. 구체적으로, 주어진 물리적 크기의 CD롬은 적색광을 사용할 때보다 청색광을 사용할 경우 대략 8배정도 더 많은 정보를 저장할 수 있다. 따라서, 청색광을 사용하는 컴퓨터 및 다른 종류의 광학적 기억 장치의 이점은 상당히 매력적이다.
청색광을 생산하기에 충분한 대역 갭을 가지는 재료가 될 만한 것으로는, 실리콘 카바이드(silicon carbide), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride), 다른 3가 질소화물(Group Ⅲ nitride), 황화 아연(zinc sulfide), 셀렌화 아연(zinc selenide)이 있다. 실리콘(silicon), 인화 갈륨(gallium phosphide), 또는 비소화 갈륨(gallium arsenide)과 같은 보다 일반적인 반도체 재료들은 그들의 대역 갭이 대개 2.26eV이거나 그보다 작기 때문에 청색광을 발생하기에 적합하지 않다.
최근 10년 동안 청색 발광 다이오드는 본 발명의 양수인에 의한 다수의 기여를 포함하여 기본적으로 또는 상업적으로 상당히 발달하였다. 여기에는 미국 특허 번호 4,918,497; 4,966,862; 5,027,168; 5,338,944등이 있다.
청색 발광 다이오드를 위한 재료가 될만한 다른 것으로는 갈륨 나이트라이드(GaN) 및, 알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlGaN), 인듐 갈륨 나이트라이드(InGaN), 인듐 알루미늄 나이트라이드(InAlN) 및 몇몇 조건에서는 인듐 알루미늄 갈륨 나이트라이드(InAlGaN)와 같은 이와 유사한 3가(다시 말해, 주기표의 3가) 질소화물 합성물이 있다. 상기 재료들은 실내 온도에서 대략 3.4eV 내지 6.2eV 사이의 대역 갭을 가지는 직접 에너지 천이를 제공하기 때문에 구체적으로 관심을 끈다. LED와 전자 천이에 익숙해져 있는 사람들이 공지하고 있듯이, 가전자대 최대값과 전도대 최소값이 동일한 K값을 가지는 경우, 반도체에서는 직접(또는 수직) 천이가 일어난다. 이는 천이가 일어나는 동안 결정 운동량(crystal momentum)이 보존되어 천이에 의해 생산된 에너지가 주로 광자(photon)로 간다는 것을, 다시 말해 열보다는 빛을 생산한다는 것을 의미한다. 전도대와 가전자대의 최소값이 동일한 K값을 지니지 않을 경우, 음자(phonon, 다시 말해 진동 에너지 방사)는 결정 운동량을 보존해야 하는데, 이러한 천이를 간접이라 부른다. 음자의 에너지는 기본적으로 모든 발생된 양자 에너지를 감소시켜, 방사된 빛의 주파수와 강도를 감소시킨다. LED에 대한 이론과 동작에 대한 상세한 설명은Physics of Semiconductor Devices(Sze 씀, 제2판(1981), 12장, 페이지 681부터)에 나와있다.
보다 자세하게 고려하면, 갈륨 나이트라이드를 포함하여 3가 질소화물의 직접 천이 특성은 실리콘 카바이드와 같은 간접 재료로부터 방사에 비해 보다 밝고 보다 효율적인 방사--따라서 보다 밝고 보다 효율적인 LED--을 위한 전위를 제공하며, 나머지 다른 모든 인자들은 일반적으로 동일하다.
따라서 최근 10년 동안의 관심은 갈륨 나이트라이드 및 이와 관련된 3가 질소화물로 된 발광 다이오드를 생산하는 데 있었다.
갈륨 나이트라이드는 넓은 밴드 갭을 넘어서 직접 천이, 따라서 이론적으로 더 밝은 휘도를 제공하지만, 상기 재료는 동작 소자를 생산하는 데 있어서 구체적인 기술적 문제점을 가지고 있다. 주요 문제는 갈륨 나이트라이트에는 벌크 단일 결정이 부족하다는 것이며, 이는 갈륨 나이트라이드 또는 다른 3가 나이트라이드 소자가 다른 재료 위에서 에피택시얼 레이어(epitaxial layer)로서 형성되어야 한다는 것을 의미한다. 오늘날까지 가장 일반적으로 사용되는 재료는 사파이어(sapphire) (산화 알루미늄, Al2O3)이다. 상기 사파이어는 3가 질소화물에 대한 바람직한 결정 격자 매치(crystal lattice match), 열적 안정성 및 투명성을 부여하는데, 상기 모든 요소들은 발광 다이오드를 생산하는데 있어서 일반적으로 유용하다. 그러나 사파이어는 도전성 도핑을 하기에는 부적합하다는 단점이 있다. 다시 말해, 방사를 발생하는 LED를 통과해야 하는 전류는 사파이어 기판을 직접 통과해서는 안된다는 것을 의미한다. 일반적으로 수직 구조를 가지는(다시 말해 도전성 기판을 사용하여 소자의 반대편 끝에 옴 접촉(ohmic contact)을 위치시키는) LED는 비수직적 소자에 비해 제조의 용이성을 포함하여 여러 가지 이유로 바람직하다.
따라서 본 발명의 양수인은 기판으로써 사파이어의 도전성 문제를 해결할 목적으로 갈륨 나이트라이드 다른 3가 소자를 위한 실리콘 카바이드 기판의 사용을 계발하였다. 실리콘 카바이드는 도전성 도핑이 가능하기 때문에, 그 위에 수직 LED를 형성할 수 있다. 다시 말해, 소자의 상부에 제1 접촉을 형성하고, 상기 소자의 바닥에 제2 접촉을 형성하여 LED 제조뿐만 아니라 LED를 회로 또는 결합 소자 또는 구조와 결합하는 것을 상당히 용이하게 하는 구조로 소자를 구성한다.
상기 이론적 이점에도 불구하고, 갈륨 나이트라이드 활성층을 사용하여 지속적으로 신뢰할 수 있으며 예견 가능한 청색광을 아직 구현하지 못하고 있다. 예를 들어, 몇몇의 사용자들은 실리콘과 아연을 사용하여 인듐 갈륨 나이트라이드(InGaN)를 혼합 도핑(co-dope)하거나 상모 대칭(compensate) 도핑하는데, 이 사실을 두고 InGaN이 발광 다이오드를 위한 보다 나은 대역-대-대역(대역간) 천이를 제공하기 때문에, LED를 위해 갈륨 나이트라이드만으로 고정하는 것은 InGaN만큼 적합하지 않다고 해석한다.
유사하게, 다른 사용자들은 AlGaN 및 GaN의 헤테로 접합을 준비하지만, 상보 대칭 도핑을 시도하거나 기술하지 않고, 모든 서술에서 진성 n형 갈륨 나이트라이드와 p형 AlGaN을 사용하여 접합한다. 사실, 종래 기술에 따른 구조를 적절하게 이해한다면, 아연과 같은 상보 대칭 억셉터로 그들을 도핑하는 것은 상보 대칭 층보다 절연층을 생산하게 된다는 것을 쉽게 이해할 것이다.
본 발명은 발광 다이오드(light emitting diode)에 관한 것으로서, 상세하게 말하자면 가시 스펙트럼의 청색 부분에서 빛을 방사하기 위해 충분히 넓은 광대역 갭을 가지는 반도체 재료에 형성되어 있는 발광 다이오드에 관한 것이다.
도1은 본 발명에 따른 발광 다이오드(LED)의 제1 실시예를 도시하는 단면도이다.
도2는 본 발명에 따른 LED의 제2 실시예를 도시하는 단면도이다.
도3은 본 발명에 따른 제조된 LED의 스캐닝 전자 현미경 사진이다.
도4는 본 발명에 따른 LED의 스펙트럼 출력 대 전류의 플롯(plot)이다.
도5는 본 발명에 따른 LED의 출력 및 효율 대 정방향 전류의 플롯이다.
도6은 알루미늄 갈륨 나이트라이드(AlxGa1-xN)의 표준화된 광발광 강도 대 주파수의 플롯이다.
도7은 실리콘 카바이드 위의 n형 갈륨 나이트라이드에 형성된 옴 접촉의 전류 대 전압의 플롯이다.
도8은 p형 갈륨 나이트라이드에 형성된 옴 접촉을 제외하고는 도7과 유사한 플롯이다.
도9는 본 발명에 따른 LED의 전류-전압 특성의 플롯이다.
도10은 실리콘 카바이드 위의 마그네슘이 도핑된 p형 갈륨 나이트라이드의 실내 온도 광발광성의 플롯이다.
도11은 온도를 함수로 하여 n형 갈륨 나이트라이드 층의 캐리어 집중성(carrier concentration)과 저항도(resistivity)를 도시하는 홀 효과(hall effect) 플롯이다.
도12는 실리콘 카바이드 위의 실리콘이 도핑된 n형 갈륨 나이트라이드의 이동성 데이터를 도시한다.
도13은 온도를 함수로 하여 마그네슘이 도핑된 갈륨 나이트라이드의 정공 집중성(hale concentration)과 저항도를 도시하는 제2 홀 효과 플롯이다.
도14는 실리콘 카바이드 위의 마그네슘이 도핑된 p형 갈륨 나이트라이드의 이동성 데이터를 나타내는 도면이다.
따라서 본 발명의 목적은 갈륨 나이트라이트의 특성이 가지는 이점을 이용하는 발광 다이오드를 제공하여, 안정되고 예견 가능하게 방사하며, 상보 대칭 활성층을 이용하는 것이다.
본 발명은 발광 다이오드를 위한 이중 헤테로 구조(double heterostructure)를 사용하여 상기 목적을 충족시킬 수 있으며, 상기 헤테로 구조는 제1 도전성 타입을 가지는 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층; 상반되는 도전성 타입을 가지는 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층; 및 상기 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층들 사이에 위치한 갈륨 나이트라이드 도전성 층을 포함하며, 상기 갈륨 나이트라이드 층은 2가의 억셉터와 4가의 도너에 의해 혼합 도핑되며, 상기 불순물들 중의 하나는 상기 갈륨 나이트라이드 층에 네트 도전성 형태(net conductivity type)를 부여하기에 충분한 양을 가지며, 상반되는 도전성 타입을 가지는 인접한 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층으로 p-n 접합을 형성한다.
본 발명의 제2 태양에 의하면, 본 발명에 따라 가시 스펙트럼의 청색 부분에서 방사하는 이중 헤테로 구조 발광 다이오드는 기판; 상기 기판 위의 버퍼 레이어; 및 상기 버퍼 레이어 위의 본 발명에 따른 이중 헤테로 구조를 포함한다.
제3 태양에 의하면, 본 발명은 가시 스펙트럼의 청색 부분에서 방사하는 이중 헤테로 구조 발광 다이오드를 위한 상보 대칭된 n형 갈륨 나이트라이드의 활성층을 생산하는 방법을 포함한다.
본 발명의 상기 목적 및 다른 목적, 이점, 특징 및 본 발명을 구현하는 방법은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하는 첨부한 도면을 참조로 하여 다음의 상세한 기술을 고려한다면 명확해질 것이다.
큰 측면에서 보면, 본 발명은 제1 도전성 타입을 가지는 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층; 상반되는 도전성 타입을 가지는 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층; 및 상기 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층들 사이에 위치한 갈륨 나이트라이드 도전성 층을 포함하며, 상기 갈륨 나이트라이드 층은 2가의 억셉터와 4가의 도너에 의해 혼합 도핑되며, 상기 불순물들 중의 하나는 상기 갈륨 나이트라이드 층에 네트 도전성 형태를 부여하기에 충분한 양을 가짐으로써, 상기 활성층은 상기 상반되는 도전성 타입을 가지는 인접한 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층으로 p-n 접합을 형성하는 발광 다이오드를 위한 이중 헤테로 접합에 관한 것이다.
바람직한 실시예에서 본 발명은 알루미늄 갈륨 나이트라이드 p형 층, 알루미늄 갈륨 나이트라이드의 n형 층, 및 상기 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층들 사이에 위치한 갈륨 나이트라이드 n형 층으로 헤테로 접합을 구성하는 발광 다이오드의 이중 헤테로 접합에 관한 것이다. 상기 갈륨 나이트라이드 층은 아연과 실리콘으로 혼합 도핑되며, 알루미늄 갈륨 나이트라이드의 p형 층으로 p-n 접합을 형성한다.
이중 헤테로 구조는 호모 구조 또는 단일 헤테로 구조 소자에 비해 다수의 이점을 제공한다. 이중 헤테로 구조는 GaN 및 AlGaN 사이의 서로 다른 반사 인덱스(refractive indexes)에 기초하여 증가된 방사를 제공하며, 보다 효율적인 캐리어 제한, 나아가 보다 효율적인 캐리어 재결합을 이끌어냄으로써 보다 밝은 출력을 내는 LED를 제공할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 이중 헤테로 구조는 도1의 인용부호 20으로 표시된 것과 같은 발광 다이오드와 결합할 수 있다. 도1에 도시된 이중 구조 발광 다이오드(20)는 가시 스펙트럼의 청색 부분에서 방사하며, 바람직하게 충분히 도핑된 실리콘 카바이드로 형성된 기판(21)을 포함함으로써 도1에 도시된 수직 구조 LED(20)을 위한 도전성 기판을 제공한다. 버퍼와 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층들의 결정 구조를 정합하기 위해 실리콘 카바이드 기판은 6H 또는 4H 실리콘 카바이드로 이루어진 군으로부터 바람직하게 선택된 폴리타입(polytype)을 가진다.
상기 재료들과 친숙한 자들에게 공지되어 있듯이, 실리콘 카바이드는 두 가지 육각(hexagonal) 결정으로 형성되며, 갈륨 나이트라이드(및 다른 3가 나이트라이드)는 육각의 폴리타입을 형성한다. 입방(cubic 예를 들어, 3C) 실리콘 카바이드를 기판으로서 사용할 경우, 갈륨 나이트라이드는 입방 구조를 형성한다.
다음, LED(20)는 상기 기판(21) 위의 버퍼 레이어(22)를 포함한다. 적당한 버퍼 레이어들은 미합중국 특허 번호 5,393,993에 기술되어 있다. 상기 버퍼 구조는 상기 실리콘 카바이드 기판과 상기 LED(2)의 이중 헤테로 접합 사이에 적절한 결정 및 전자 천이를 제공한다.
제1 실시예에서 상기 버퍼 레이어는 갈륨 나이트라이드 및 알루미늄 나이트라이드의 제1 층; 및 상기 제1 층과 인접한 갈륨 나이트라이드 및 알루미늄 나이트라이드 제2 층을 포함한다. 상기 제2 층에서의 알루미늄 나이트라이드의 분자 퍼센트는 제1 층의 알루미늄 나이트라이드의 분자 퍼센트와는 실질적으로 다르다.
제2 실시예에서 버퍼 레이어는 갈륨 나이트라이드, 알루미늄 나이트라이드, 인듐 나이트라이드, AxBl-xN 공식을 가지며 상기 공식에서 A와 B는 3가 요소들이며 x는 0,1 또는 0과 1 사이의 분수인 3원의(ternary) 3가 질소화물, AxByCl-x-yN 공식을 가지며 상기 공식에서 A, B, C는 3가 요소들이며 x와 y는 0,1, 또는 0과 1 사이의 분수이며, l은 (x+Y)보다 큰 4원의(quaternary) 3가 질소화물 및 이러한 3원 및 4원의 3가 질소화물과 실리콘 카바이드의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 도전성 층을 포함한다.
제3 실시예에서 상기 버퍼 레이어는 실리콘 카바이드 알루미늄 갈륨 나이트라이드의 점차 변화된 합성물로 형성된 기판 위에 형성된 제1 레이어를 포함한다. 이 때 기판과 인접한 부분은 실질적으로 완전한 실리콘 카바이드이며, 상기 기판과 먼 부분은 실질적으로 완전한 알루미늄 갈륨 나이트라이드이다. 그들 사이의 부분은 지배적인(predominantly) 실리콘 카바이드로부터 지배적인 알루미늄 갈륨 나이트라이드까지 내용물이 점차 변화한다. 제2 레이어를 상기 제1 레이어에 첨가할 수 있으며, 제2 레이어를 점차 변화된 알루미늄 갈륨 나이트라이드 합성물로 구성할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 LED(20)는 상기 버퍼 레이어(22) 위의 n형 갈륨 나이트라이드 에피택시얼 레이어(23)를 더 포함하는데 상기 레이어(23)는 상기 기판, 상기 버퍼 및 상기 헤테로 구조 사이의 추가 결정 천이(additional crystal transition)를 제공한다.
상기 LED(20)는 도1의 브래킷(brackets; 24)에 의해 표시되는 이중 헤테로 구조를 포함한다. 상기 이중 헤테로 구조(24)는 상기 구조가 상기 n형 갈륨 나이트라이드 에피택시얼 레이어(23)를 포함하는 경우, 상기 n형 갈륨 나이트라이드 에피택시얼 레이어(23) 위에 놓이는 n형 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층(25)을 포함한다. 상기 n형 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층(25)은 AlxGa1-xN 공식을 가지며, 상기 공식에서 x는 알루미늄 분자 분수이며, 1은 x보다 크며, x는 0보다 크다(1x0). 바람직한 실시예들에서 분자 분수 x는 대략 0.05에서 2.0 사이이며, 가장 바람직한 실시예들에서, 상기 분자 분수 x는 대략 0.1이다. 상기 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층(25)은 나아가 대략 2E18의 네트 도핑 농도(net doping density)를 가지며, 가장 바람직한 실시예들에서 실리콘으로 도핑된다. 이 기술 분야에서 일반적으로 사용하고 있듯이, E는 도핑 농도를 표시하는 단축된 지수 표시이기 때문에 2E18은 2×1018cm-3을 표시한다.
상기 이중 헤테로 구조(24)는 n형 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층(25) 위의 갈륨 나이트라이드 활성층(26)을 포함하는데 상기한 바와 같이 2가 억셉터와 4가 도너에 의해 상보 대칭되며, 바람직한 2가 억셉터로는 아연 또는 카드뮴 또는 마그네슘이 있으며, 4가 억셉터로는 탄소를 사용할 수 있다. 상기 바람직한 4가 도너는 실리콘 또는 게르마늄이다. 가장 바람직한 실시예들에서, 2가 억셉터는 아연이며, 4가 도너는 실리콘인데, 이들은 다수의 다른 도면에 대하여 서술한 바와 같이 청색 방사 특성을 생산한다. 상기 활성층(26)의 네트 도핑 농도는 대략 1E18 및 4E18이며, 가장 바람직하게는 대략 2E18이다.
상기 이중 헤테로 구조는 p형 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층(27)으로서 완성되는데, 이는 공식 AlxGa1-xN를 가지며, 상기 공식에서 1은 x보다 크며, x는 0보다 크다(1x0). 바람직한 분자 분수 x는 대략 0.05에서 2.0 사이이며, 가장 바람직하게는 상기 분자 분수 x는 대략 0.1이다.
바람직한 실시예들에서, 상기 LED(20)는 헤테로 구조의 p형 층(27)의 상부에 p형 갈륨 나이트라이드 층(30)을 더 포함할 수 있다. 상기 p형 층(27)은 대략 1E19 의 네트 도핑 농도를 가지며, 바람직하게는 알루미늄으로 도핑된다.
도1에 도시된 상기 LED(20)는 상기 헤테로 구조의 상기 기판에 대한 옴 접촉(31) 및 상기 층 상부에 대한 다시 말해 도1에 도시된 실시예에서는 상기 p형 갈륨 나이트라이드 층(30)에 대한 옴 접촉(32)을 더 포함할 수 있다. 그러나 이 실시예에서는 p형 갈륨 나이트라이드 층(30)을 포함하지 않기 때문에, 상기 옴 층(32)은 상기 이중 헤테로 구조의 상기 p형 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층(27)에 직접 형성된다.
도1은 또한 바람직한 실시예들에서 상기 접촉(32)이 티타늄(titanum) 및 금의 결합 패드(bonding pad)를 포함한다는 것을 도시한다. 가장 바람직한 실시예에서, 상기 접촉은 금(Au) 층으로 도금된 티타늄(Ti) 박층으로 형성된다. 바람직한 실시예에서, 상기 기본 접촉(32)은 투명 옴 접촉(33)을 수반하며, 이는 상기 LED(20)의 상부 표면의 보다 큰 부분으로 확장되어 전류 확산을 도와 그 결과로 휘도를 증가시킨다.
상기 실리콘 카바이드 기판에 대한 바람직한 옴 접촉은 니켈(nickel)을 포함하지만, 니켈-바나듐(nickel-vanadium)과 같은 다른 적당한 금속이나 금속 화합물을 또한 포함할 수 있다.
도1에 도시된 상기 이중 헤테로 접합 발광 다이오드(20)는 일반적인 LED 전류(에를 들어 10 내지 40밀리암페어)가 상기 헤테로 구조의 상기 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층(27) 및 상기 갈륨 나이트라이드 활성층(26)에 의해 형성되는 상기 p-n 접합에 인가되는 경우 대략 430나노미터(nm)의 피크 파장 및 대략 65nm의 절반 최대값의 대역 폭을 가지는 방사를 안정적으로 생산할 것이다.
도2는 본 발명에 따른 LED(40)의 약간 다른 실시예를 도시한다. 도2에서 기판은 41로 표시되어 있으며, 버퍼 레이어는 42로 표시되어 있으며, 이 실시예에서는 절연 버퍼 레이어를 포함한다. 상기한 바와 같이, 상기 버퍼 레이어는 미국 특허 번호 5,393,993에 게시된 구조를 포함한다. 그렇지 않으면 상기 버퍼 레이어(42)는 점차 변화된 AlGaN 층을 포함할 수 있으며, 상기 기판(41)을 만나는 상기 층 부분은 실질적으로 완전한 알루미늄 나이트라이드이며, 도2의 43 및 도1의 23으로 도시된 n형 갈륨 나이트라이드의 층을 만나는 부분은 그 상부 표면에서 실질적으로 완전한 갈륨 나이트라이드가 될 때까지 갈륨량을 증가시켜 점차적으로 변화한다.
상기 이중 헤테로 구조는 도2에서 44로 도시되어 있으며, 바람직한 실시예는 n형 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층(45) 그렇지 않으면 도1에 도시된 층(25), 상보 대칭된 n형 갈륨 나이트라이드 활성층(46) 그렇지 않으면 도1의 상기 갈륨 나이트라이드 활성층(26), 및 p형 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층(47) 유사하게 도1의 층(27)을 포함한다. 도1의 층(30)에 해당하는 p형 갈륨 나이트라이드 층(50)은 헤테로 구조 위에 놓이게 되며, 기판에 대한 옴 접촉(51) 및 다이오드의 상부에 대한 옴 접촉(52, 53)은 도1에서 31, 32, 33으로 도시된 것들에 해당한다.
그러나 도2에 도시되어 있듯이, 본 실시예에서 상기 버퍼 레이어(42)는 도전성을 띠기보다는 절연성을 가지며, 상기 기판 위의 상기 옴 접촉(51) 및 상기 다이오드의 상부 층 위의 옴 접촉(52, 53) 사이에 전류 흐름을 위한 몇 가지 다른 경로를 제공해야 한다. 상기 접촉은 바람직하게 알루미늄 또는 티타늄과 알루미늄 위에 형성되어 있으며 상기 n형 갈륨 나이트라이드 층(43)에 대한 옴 접촉을 제공하는 단락 접촉(54, 55)을 통해 형성된다. 가장 바람직한 실시예들에서 상기 단락 접촉은 56 및 57로 도시되어 있는 부분을 더 포함하며, 상기 부분은 n형 실리콘 카바이드 기판과 즉시 접촉하며 티타늄과 니켈로 형성되어 실리콘 카바이드와 적절하게 옴 접촉한다.
다른 태양에서, 본 발명은 가시 광선의 청색 부분에서 방사하는 이중 헤테로 구조 발광 다이오드를 위한 상보 대칭된 갈륨 나이트라이드의 활성층을 제공하는 방법을 포함한다. 본 태양에서 본 발명은 갈륨, 질소, 실리콘 및 아연으로 된 기화된 소스를 화학적 증기 증착 시스템(chemical vapor deposition system)에 도입하는데 상기 시스템은 그 위에서 성장한 갈륨 나이트라이드와 융화성이 있는(compatible) 기판을 포함한다. 아연 및 실리콘이 상보 대칭된 갈륨 나이트라이드의 에피택시얼 성장을 증진할 수 있도록 온도를 충분히 높게 유지하지만, 상기 갈륨 나이트라이드가 분해되는 온도보다는 낮게 유지해야 한다. 본 발명이 속한 기술 분야의 일반적인 상식을 지닌 자들이 충분히 이해할 수 있듯이, 원자를 얻는데 필요한 에너지를 제공할 수 있도록 상기 온도를 충분히 높게 설정하여 상기 에피택시얼 성장 표면을 가로질러 이동하도록 해야하며, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 일반적으로 상기 온도를 800℃ 내지 1050℃ 사이에서 유지한다.
가스 유량률 및 구체적 온도는 일반적으로 시스템에 따라 다르며, 따라서 구체적인 온도 및 위에서 언급한 것 이외의 요소는 본 발명의 방법에 속한다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야의 일반적인 상식을 지닌 자들은 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 왜냐하면 이들 요소들은 본 기술 분야의 일반적인 상식을 지닌 자들에 의해 불필요한 실험을 거치지 않고서도 특정 화학적 증기 증착(CVD) 시스템에 따라 쉽게 결정될 수 있기 때문이다.
다른 제한 요소로서, 상기 온도를 상기 에피택시얼 층의 표면 변형이 그 위의 추가적인 에피택시얼 성장을 허용하지 않게 되는 온도보다 낮게 유지하여야 한다.
바람직한 실시예들에서 갈륨의 기화된 소스를 도입하는 단계는 트라이메틸 갈륨, (CH3)3Ga을 도입하는 단계를 포함하며; 질소의 기화된 소스를 도입하는 단계는 암모니아, NH3을 도입하는 단계를 포함하며; 아연의 기화된 소스를 도입하는 단계는 디메틸 아연 (C2H5)2Zn을 도입하는 단계를 포함하며; 기화된 실리콘 소스를 도입하는 단계는 실란, SIH4를 도입하는 단계를 포함한다. (AlGaN 층을 위한) 바람직한 알루미늄 소스는 트라이메틸 알루미늄, (CH3)3Al이며, 마그네슘이 도입되는 경우 바람직한 소스는 바이사이클로펜타디에닐(biscyclopentadienyl) 마그네슘 (C5H5)2Mg이다.
도3은 본 발명에 따른 LED의 SEM 사진이다. 이러한 소자는 대략 14밀×1밀의 칩 크기와 10밀×10밀 메사 부분을 갖는다. 상기 기판은 대략 7 또는 8밀 두께이며, 상기 n-GaN 층(도1의 23 또는 도2의 43)은 대략 3미크론 두께이며, 상기 헤테로 구조(n-AlGaN, GaN 및 p-AlGaN)의 층은 각각 대략 1000Å 두께이다. GaN 층(도1의 30 및 도2의 50)의 상부는 대략 4000Å 두께이다.
도4 내지 14는 본 발명에 따른 헤테로 구조 및 헤테로 구조 다이오드를 구성하는 층들의 다양한 성능 특성을 도시한다. 도4는 동작 전류를 함수로 하여 본 발명에 따라 실리콘 카바이드 기판 위에 형성된 갈륨 나이트라이드 이중 헤테로 접합 발광 다이오드의 스펙트럼 응답(spectral response)을 도시한다. 도4는 10 내지 40밀리암페어(mA) 사이의 네 가지 다른 전류에서 측정한 측정표를 도시한다. 피크 방사 파장은 상기 실리콘 및 아연이 상보 대칭된 갈륨 나이트라이드 활성층의 특성인 대략 60나노미터의 최대값의 절반에서의 대역 폭과 함께 430나노미터(nm)이다.
도5는 동작 전류를 함수로 하여 본 발명에 따른 발광 다이오드의 출력 전력과 외부 양자 효율성(external quantum efficiency)을 도시한다. 이러한 LED의 정상 동작 전류로서(대략 20밀리암페어), 그 출력은 대략 1.5%의 외부 양자 효율성에 해당하는 대략 850마이크로와트이다.
도6은 실리콘 카바이드 기판 위의 알루미늄 갈륨 나이트라이드의 다양한 합성물의 실내 온도 광발광성을 보여준다. 또한 비교를 위해 순수 갈륨 나이트라이드 층을 포함한다. 실내 온도에서 측정된 깨끗하고 잘 정제된 피크는 상기 층들의 고 결정 특성(high crystal quality)을 나타낸다. 325나노미터에서 10밀리와트 헬륨/카듐 레이저(helium/cadmium laser)로 레이저를 여기시킴으로써 상기 광발광성을 측정한다.
도7은 본 발명에 따라 실리콘 카바이드 기판 위의 n형 갈륨 나이트라이드에 형성된 옴 접촉의 전류 전압 특성을 보여준다. 바람직한 옴 접촉 금속은 대략 1018cm-3의 도너 농도(donor density)를 가지는 n형 갈륨 나이트라이드 층을 위해 대략 10-5ohm-cm2의 접촉 저항을 생산하는 알루미늄이다.
도8은 본 발명에 따른 실리콘 카바이드 기판 위의 p형 갈륨 나이트라이드에 형성된 옴 접촉의 특성을 보여주는 유사한 전류 전압 플롯이다. 바람직한 옴 접촉 금속은 상기 갈륨 나이트라이드 층에서 대략 6E17의 p형 억셉터 농도를 위해 대략 10-2ohms-cm2의 접촉 저항을 생산하는 티타늄과 금의 합금이다.
도9는 본 발명에 따른 실리콘 카바이드 위의 갈륨 나이트라이드 이중 헤테로 접합 발광 다이오드의 전류 전압 곡선이다. 역방향 바이어스에서 누설 전류는 검출되지 않는다. 정방향 바이어스에서 상기 LED는 대략 2.7볼트에서 턴(turn)을 시작하여 일반적으로 20밀리암페어에서 대략 3.7볼트의 동작 전압을 나타낸다.
도10은 실리콘 카바이드 위의 마그네슘이 도핑된 P형 갈륨 나이트라이드의 실내 온도 광발광성을 도시한다. 대략 6E17의 네트 억셉터 농도로 도핑된 층의 435나노미터에서 피크가 일어난다.
도11은 온도와 반대되도록 고안된, 온도를 함수로 하여 n형 갈륨 나이트라이드의 캐리어 집중도와 저항도를 도시하는 홀 효과 데이터의 부분 로그 플롯이다. 도11에서 측정한 상기 층은 실리콘으로 대략 1.4E18 네트 도너 농도로 도핑되었으며, 실내 온도에서 0.016ohm-cm의 저항도를 갖는다.
도12는 도11에 의해 도시된 동일한 층에 대한 해당 데이터를 도시하며, 상기 층의 이동성을 도시한다. 상기 층의 이동성은 실내 온도에서 대략 300cm2/V·s이며, 상기 도핑 레벨의 높은 값은 상기 층의 높은 품질 특성을 표시한다.
도13은 온도를 함수로 하여(역으로 고안된) 억셉터 농도 및 마그네슘이 도핑된 갈륨 나이트라이드의 저항도를 도시하는 홀 효과 데이터의 플롯이다.
도14는 도13과 동일한 층의 해당 이동성 데이터를 도시하며, 상기 층의 상기 이동성은 p형 갈륨 나이트라이드의 일반적 이동성인 실내 온도에서 대략 8cm2/V·s이다.
도면과 명세서에서, 본 발명의 일반적인 바람직한 실시예들에 대하여 설명하였다. 여기에서 사용된 구체적 단어는 일반적으로 묘사하기 위한 것이지 제한하기 위한 것은 아니다. 본 발명의 범위는 다음의 청구항에 나타난다.

Claims (21)

  1. 발광 다이오드를 위한 이중 헤테로 구조로서, 상기 헤테로 구조는
    제1 도전성 타입을 가지는 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층(25);
    상반되는 도전성 타입을 가지는 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층(27); 및
    상기 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층들 사이에 위치한 갈륨 나이트라이드 활성층(26)으로서, 상기 갈륨 나이트라이드 층은 2가의 억셉터와 4가의 도너에 의해 혼합 도핑되며, 상기 불순물들 중의 하나는 상기 갈륨 나이트라이드 활성층에 네트 도전성 형태를 부여하기에 충분한 양을 가지며, 상기 활성층은 그곳으로부터 나오는 상기 상반되는 도전성을 가지는 인접한 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층으로 p-n 접합을 형성함;
    을 포함하는 헤테로 구조.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 갈륨 나이트라이드 층은 n형이며, 상기 2가 억셉터는 아연이며, 상기 4가 도너는 실리콘인 이중 헤테로 구조.
  3. 발광 다이오드를 위한 이중 헤테로 구조로서, 상기 헤테로 구조는
    알루미늄 갈륨 나이트라이드 p형 층;
    알루미늄 갈륨 나이트라이드 n형 층; 및
    상기 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층들 사이에 위치한 갈륨 나이트라이드 n형 층, 상기 갈륨 나이트라이드 층은 아연과 실리콘으로 혼합 도핑되며, 알루미늄 갈륨 나이트라이드의 p형 층으로 p-n 접합을 형성함;
    을 포함하는 헤테로 구조.
  4. 가시 스펙트럼의 청색 부분에서 방사하며,
    기판(21);
    상기 기판 위의 버퍼 레이어(22); 및
    상기 버퍼 레이어 위의 이중 헤테로 구조(24)를 포함하며, 상기 헤테로 구조는,
    알루미늄 갈륨 나이트라이드 n형 층(25);
    상기 알루미늄 갈륨 나이트라이드 n형 층(25) 위의 상보 대칭된 갈륨 나이트라이드(26) n형 활성층; 및
    상기 갈륨 나이트라이드 층 위의 알루미늄 갈륨 나이트라이드 p형 층(27), 상기 알루미늄 갈륨 나이트라이드 p형 층 및 상기 n형 활성층은 p-n 접합을 형성함;을 포함하는 이중 헤테로 구조 발광 다이오드.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 기판 및 상기 p형 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층에 대한 해당 옴 접촉(31, 32)을 더 포함하는 발광 다이오드를 위한 이중 헤테로 구조.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 버퍼 레이어(22) 위의 n형 갈륨 나이트라이드 에피택시얼 레이어(23)를 더 포함하며, 상기 헤테로 구조의 상기 알루미늄 갈륨 나이트라이드 n형 층(25)은 상기 n형 갈륨 나이트라이드 에피택시얼 레이어 위에 놓이는 이중 헤테로 구조 발광 다이오드.
  7. 청구항 4에 있어서, 상기 헤테로 구조의 상기 알루미늄 갈륨 나이트라이드 p형 층(27) 위의 상기 갈륨 나이트라이드 p형 층(30); 및 상기 갈륨 나이트라이드 p형 층에 대한 옴 접촉을 더 포함하는 이중 헤테로 구조 발광 다이오드.
  8. 청구항 4에 있어서, 상기 기판은 도전성 실리콘 카바이드인 이중 헤테로 구조 발광 다이오드.
  9. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서, 상기 알루미늄 갈륨 나이트라이드 n형 층은 AlxGa1-xN 공식을 가지며, 상기 공식에서 1x0이며; 상기 알루미늄 갈륨 나이트라이드 p형 층은 AlxGa1-xN 공식을 가지며, 상기 공식에서 1x0인 이중 헤테로 구조.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 공식에서 x는 0.1인 이중 헤테로 구조.
  11. 청구항 4에 있어서, 상기 갈륨 나이트라이드 층은 아연과 실리콘으로 혼합 도핑되는 이중 헤테로 구조 발광 다이오드.
  12. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서, 상기 n형 갈륨 나이트라이드 층은 대략 1E18 내지 4E18 사이의 네트 도핑 농도를 가지며; 상기 p형 갈륨 나이트라이드 층은 대략 1E19의 네트 도핑 농도를 가지며; 상기 n형 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층은 대략 2E18의 네트 도핑 농도를 가지는 이중 헤테로 구조 발광 다이오드.
  13. 청구항 4에 있어서, 상기 버퍼 레이어는
    갈륨 나이트라이드 및 알루미늄 나이트라이드의 제1 층; 및
    상기 제1 층과 인접하고 갈륨 나이트라이드 및 알루미늄 나이트라이드 제2 층, 상기 제2 층에서의 알루미늄 나이트라이드의 분자 퍼센트는 상기 제1 층에서의 알루미늄 나이트라이드의 분자 퍼센트와는 실질적으로 다름;
    을 포함하는 이중 헤테로 구조 발광 다이오드.
  14. 청구항 4에 있어서, 상기 버퍼 레이어는 상기 기판과 만나는 부분은 실질적으로 완전한 알루미늄 나이트라이드이며, 상기 이중 헤테로 구조를 만나는 부분은 그 상부 표면이 실질적으로 완전한 갈륨 나이트라이드가 될 때까지 갈륨량을 증가하여 점차적으로 변화하는 점차적으로 변화한 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층인 이중 헤테로 구조 발광 다이오드.
  15. 청구항 4에 있어서, 상기 버퍼 레이어는 갈륨 나이트라이드, 알루미늄 나이트라이드, 인듐 나이트라이드, AxBl-xN 공식을 가지며 상기 공식에서 A와 B는 3가 요소들이며 x는 0,1 또는 0과 1 사이의 분수인 3원의 3가 질소화물, AxByCl-x-yN 공식을 가지며 상기 공식에서 A, B, C는 3가 요소들이며 x와 y는 0,1, 또는 0과 1 사이의 분수이며, l은 (x+Y)보다 큰 4원의 3가 질소화물 및 이러한 3원 및 4원의 3가 질소화물과 실리콘 카바이드의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 도전성 층을 포함하는 이중 헤테로 구조 발광 다이오드.
  16. 청구항 4에 있어서, 상기 버퍼 레이어는 상기 기판과 인접한 부분은 실질적으로 완전한 실리콘 카바이드이며, 상기 기판과 먼 부분은 실질적으로 완전한 알루미늄 갈륨 나이트라이드이며, 그들 사이의 부분은 지배적인 실리콘 카바이드로부터 지배적인 알루미늄 갈륨 나이트라이드까지 내용이 점차 변화하는 실리콘 카바이드 알루미늄 갈륨 나이트라이드의 점차 변화된 합성물로 형성된 상기 기판 위의 제1 레이어; 및
    상기 제1 레이어 위에 위치하며 알루미늄 갈륨 나이트라이드의 점차 변화된 합성물로 형성된 제2 층을 포함하는 이중 헤테로 구조 발광 다이오드.
  17. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서, 상기 갈륨 나이트라이드 활성층은 아연, 카드뮴, 마그네슘으로 이루어진 군으로부터 선택된 2가 억셉터 및 실리콘, 게르마늄 또는 탄소로 이루어진 군으로부터 선택된 4가 도너로 상보 대칭된 이중 헤테로 구조 발광 다이오드.
  18. 청구항 4에 있어서, 상기 버퍼 레이어는 절연이며, 상기 기판과 상기 이중 헤테로 구조 사이에 단락 접촉을 더 포함하는 이중 헤테로 구조 발광 다이오드.
  19. 가시 스펙트럼의 청색 부분에서 방사하는 이중 헤테로 구조 발광 다이오드를 위한 상보 대칭된 n형 갈륨 나이트라이드 활성층을 제조하는 방법으로서, 상기 방법은,
    그 위의 갈륨 나이트라이드의 성장과 융화성이 있는 반도체 기판을 포함하는 화학적 증기 증착 시스템에 갈륨, 질소, 실리콘 및 아연으로 된 기화된 소스를 도입하는 단계; 및
    아연 및 실리콘이 상보 대칭된 갈륨 나이트라이드의 에피택시얼 성장을 증진할 수 있도록 온도를 충분히 높게 유지하지만, 상기 갈륨 나이트라이드가 분해되는 온도보다는 낮게 유지하는 단계를 포함하는 방법.
  20. 청구항 19에 있어서, 상기 에피택시얼 층의 표면 변형이 그 위의 추가적인 에피택시얼 성장을 허용하지 않게 되는 온도보다 낮게 유지하는 방법.
  21. 청구항 19에 있어서, 갈륨의 기화된 소스를 도입하는 단계는 트라이메틸 갈륨을 도입하는 단계를 포함하며; 질소의 기화된 소스를 도입하는 단계는 암모니아를 도입하는 단계를 포함하며; 아연의 기화된 소스를 도입하는 단계는 디메틸 아연을 도입하는 단계를 포함하며; 기화된 실리콘 소스를 도입하는 단계는 실란을 도입하는 단계를 포함하는 방법.
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