KR20010075185A - 수직 구조의 인듐 갈륨 나이트라이드 ｌｅｄ - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전자기 스펙트럼의 적색, 녹색, 청색, 보라색 및 자외선부에서 발광할 수 있는 수직 구조의 발광 다이오드에 관한 것이다. 상기 발광 다이오드는 실리콘 카바이드 도전 기판, InGaN 양자 우물, 상기 기판과 양자 우물 사이에 위치하는 도전 버퍼층, 상기 양자 우물의 각 표면에 존재하는 각각의 도핑되지 않은 갈륨 나이트라이드 층 및 수직 구조로 배향된 옴 접촉부를 포함한다.

Description

수직 구조의 인듐 갈륨 나이트라이드 ＬＥＤ {VERTICAL GEOMETRY INGAN LED}
지난 수년간 광전자 분야가 발전해 옴에 따라, 발광 다이오드("LED")는 여러 분야에 유용한 p-n 접합 소자로 사용되어 왔다. 전자기 스펙트럼의 가시광선부에서 발광하는 소자들은 오디오 시스템, 자동차, 가전, 컴퓨터 및 기타 제품 등에서 단순 상태 인디케이터, 동력원 상태 막대 그래프 및 문자 숫자 디스플레이 장치에 사용되어 왔다. 적외선 장치들은 광 분리기(optoisolator), 핸드-헬드(hand-held) 원격 제어기, 및 인터럽트형(interruptive), 반사형(reflective) 및 섬유-광 감지 제품에 스펙트럼 방식으로 조화(match)된 포토트랜지스터와 함께 사용되었다.
LED의 동작은 반도체에 전자와 홀을 재결합하는 것에 기초한다. 전도대의 전자 캐리어가 가전자대의 홀과 결합하면, 출력된 광자 즉 빛의 형태로 밴드 갭 분량 만큼의 에너지를 상실한다. 평형 조건에서의 재결합 발생 수는 실용적인 적용에는 불충분하지만 소수의 캐리어 밀도를 증가시키면 그 수를 높일 수 있다.
LED에서 통상 소수의 캐리어 밀도는 다이오드를 순방향 바이어싱하면 증가된다. 주입된 소수 캐리어는 접합 에지의 확산 거리 내에서 다수의 캐리어와 재결합하여 발광한다. 각각의 재결합으로 인해 전자기 방사선, 즉 광자가 생성된다. 에너지 손실은 반도체 재료의 밴드 갭과 연관되어 있기 때문에, LED 재료의 밴드 갭 특성이 중요한 것으로 인식되어 왔다.
그러나, 기타 전자 장치에 있어서, 좀 더 효율적인 LED, 특히 저전력에서도 고강도(high density)로 동작하는 LED에 대한 요구가 계속되고 있다. 예를 들어, 고강도 LED는 특히 각종 높은 주위 환경에서의 디스플레이 또는 상태 인디케이터에 유용하다. 또한, LED 강도 출력과 LED 구동에 필요한 전력 사이에는 연관성이 있다. 예를 들어, 저전력 LED는 특히 각종 전자 제품에 유용하다. 고강도, 저전력 및 고효율의 LED에 대한 필요에 부응하기 위한 일례로 가시 스펙트럼의 적색광선 LED를 위한 AlGaAs LED 기술 개발을 들 수 있다. 또한 가시 스펙트럼의 녹색, 청색 및 자외선을 방출하는 LED도 계속 요청되어 왔다. 가령, 청색은 원색이기 때문에, 풀(full) 칼라나 순수한 백색광을 만들기 위해서는 청색이 꼭 필요하다.
본 발명의 공동 양수인은 이 분야에서 처음으로 청색 스펙트럼에 발광하는 LED를 상업적으로 대량 개발하는 데 성공하였다. 이 LED는 실리콘 카바이드로 형성되며, 그 예로 Edmond의 미국 특허 제4,918,497호와 제5,027,168호 "실리콘 카바이드에 형성된 청색 발광 다이오드"가 있다.
청색 LED의 다른 예로는 Nakamura의 미국 특허 제5,306,662호 "P-타입 화합물 반도체의 제조방법", Nakamura의 미국 특허 제5,290,393호 "갈륨 나이트라이드계 화합물 반도체용 크리스탈 성장 방법" 등이 있다. Hatano의 미국 특허 제 5,273,933호 "반도체 장치 제조 공정에서 막 형성의 기상 성장 방법"도 SiC 기판상에 GaInAlN로 형성된 LED 및 갈륨 아세나이드(GaAs) 기판상에 아연 셀레나이드(ZnSe)로 형성된 LED에 대해 개시하고 있다.
LED 기술에 관한 일반적인 내용은 Dorf,The Electrical Engineering Handbook, 2d Ed.(1997, CRC press) 1915-1925 페이지 83.1 섹션의 "발광 다이오드" 및, Sze,Physics of Semiconductor Devices, 681페이지 제12장 "LED와 반도체 레이저"(1981, John Wiley & Sons, Inc.)에 기재되어 있다.
LED와 같은 광자 소자 분야에 알려진 바와 같이, 주어진 반도체 재료로 생산 가능한 전자기 방사선(즉, 광자)의 주파수는 재료의 밴드 갭 함수이다. 더 작은 밴드 갭은 낮은 에너지와 더 긴 파장의 광자를 발생하고, 더 높은 에너지를 가지는 더 짧은 파장의 광자를 생산하기 위해서는 더 넓은 밴드 갭을 가지는 재료가 필요하다다. 예를 들어, 레이저에 흔히 사용되는 반도체는 인듐 갈륨 알루미늄 포스파이드(InGaAlP)이다. 이 재료의 밴드 갭(각각의 엘리먼트의 몰(mole) 분율 또는 원자 분율에 따르는 밴드 갭의 범위)으로는, InGaAlP가 생산할 수 있는 빛은 가시 스펙트럼의 적색부(대략 600-700 nm)로 제한된다.
스펙트럼의 청색 또는 자외선 파장을 갖는 광자를 생성하기 위해서는 비교적 큰 밴드 갭을 가지는 반도체 재료가 필요하다. 이들 재료로는 실리콘 카바이드(SiC)와 Ⅲ족 나이트라이드, 특히 갈륨 나이트라이드(GaN), 및 알루미늄갈륨 나이트라이드(AlGaN), 인듐 갈륨 나이트라이드(InGaN) 및 알루미늄 인듐 갈륨 나이트라이드(AlInGaN) 등과 같은 3원자 및 3차 Ⅲ족 나이트라이드 등이 있다.
단파장 LED는 색 이외에도 여러 가지 이점이 있다. 특히, 광 저장(optical storage) 및 메모리 소자(가령 "CD-ROM" 또는 "광 디스크")에 사용되면, 단 파장은 상기 소자들이 정보를 더 많이 저장할 수 있게 한다. 예를 들어, 청색광을 사용하여 정보를 저장하는 광 장치는 적색광을 사용하는 장치보다 동일한 공간에 4배 정도의 정보를 더 저장할 수 있다.
Ⅲ족 나이트라이드는 상대적으로 높은 밴드 갭(즉, GaN은 상온에서 3.36eV임)을 가지고, 간접형(indirect) 밴드 갭 물질이 아닌 직접형 밴드 갭 물질이기 때문에 녹색, 청색, 및 UV 주파수(frequency)에 유력한 LED 후보 물질이다. 반도체 특성에 대하여 잘 알려진 바와 같이, 직접형 밴드 갭 물질은 가전도대에서 전도대로의 전자 전이가 전자에 대한 결정 운동량(crystal momentum)의 변화를 요구하지 않는 것이다. 간접형 반도체에서는 다른(alternative) 상황이 존재한다: 즉 가전도대와 전도대 사이의 전자 전이에 결정 운동량의 변화가 요구된다. 실리콘 및 실리콘 카바이드가 그러한 간접형 반도체의 일례에 속한다.
일반적으로 직접 전이에서 형성된 광자가 간접 전이에서 형성된 것보다 더 많은 에너지를 보유하기 때문에 직접형 밴드 갭 물질로 형성된 LED는 간접형 밴드 갭 물질로 형성된 것보다 더 효율적인 성능을 가진다.
그러나 Ⅲ족 나이트라이드는 다른 불리한 단점이 있다. Ⅲ족 나이트라이드 광 소자에 적합한 기판을 형성할 수 있는 Ⅲ족 나이트라이드의 벌크 단일 결정을생성하기 위한 실용가능한 기술은 아직까지 없기 때문이다. 반도체 소자 분야에서 잘 알려진 바와 같이, 이들은 모두 몇 종류의 구조적 기판을 필요로 한다. 일반적으로, 소자의 활성부와 동일한 물질로 형성된 기판은 상당한 이점, 특히 결정 성장 및 정합(matching)을 제공한다. 그러나 Ⅲ족 나이트라이드는 아직 그러한 벌크 결정상으로 형성되고 있기 때문에 Ⅲ족 나이트라이드 광 소자는 다른 ─즉 Ⅲ족 나이트라이드 제외─기판 상에 에피택셜 층으로 형성되어야 한다.
그러나 다른 기판을 사용하면, 대부분의 결정 격자 정합 및 열 팽창 계수(thermal coefficient of expansion; TCE)에서 부가적인 문제를 야기한다. 거의 모든 경우에 서로 다른 물질은 서로 다른 결정 격자 파라미터 및 TCE를 가진다. 그 결과 Ⅲ족 에피택셜 층은 다른 물질의 기판에 성장되는 경우, 얼마간의 결정 부정합이 일어나고 그 결과 에피택셜 층은 이러한 부정합으로 인하여 스트레인 상태나 수축(compress) 상태에 있다. 이러한 부정합 및 그에 따른 스트레인은 결정 및 그 접합부(junction)의 전자 특성에 영향을 미치는 결정 결함에 대한 가능성(potential)을 수반한다. 이에 따라 광 소자의 성능이 열화되거나 또는 저해되는 경향이 있다. 그러한 결함은 높은 전력 구조에서 더 많은 문제점을 야기한다.
이제까지 Ⅲ족 나이트라이드 소자에 대한 일반적인 기판으로는 사파이어, 즉 알루미늄 옥사이드(Al2O3)가 사용되어 왔다. 사파이어는 가시 및 UV 영역에서 광학적으로 투명하나, 불행히도 도전성보다는 절연성을 가지며, (예를 들어) 갈륨 나이트라이드와 약 16%의 격자 부정합을 수반한다. 도전 기판이 없는 경우에는, "수직" 구조의 소자(대향면에 접촉하는 것)를 형성하지 못하므로 소자의 제조 및 사용을 어렵게 한다.
Ⅲ족 나이트라이드 층이 사파이어 상에 형성되는 경우, 요구되는 것과 같은 수평 구조(소자의 동일면에 접촉하는 것)는 또한 전류의 수평 흐름을 생성시키므로 층을 통과하는 전류 밀도가 실질적으로 증가한다는 것이다. 이 수평 전류 흐름은 이미 형성된 스트레인 (GaN과 사파이어 사이에 약 16%의 격자 부정합) 구조에 부가적인 스트레인을 부여하고 전체적으로 소자와 접합부의 열화를 가속화한다.
갈륨 나이트라이드는 또한 알루미늄 나이트라이드(AlN)와 약 2.4%의 격자 부정합을 수반하고 실리콘 카바이드와 3.5%의 부정합을 수반한다. 실리콘 카바이드는 알루미늄 나이트라이드와 더 적은(단지 약 1%) 부정합을 가진다.
본 발명은 원소 주기율표의 Ⅲ족 나이트라이드로 형성되는 발광 다이오드(LED)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 활성부(active portion)로서 인듐 갈륨 나이트라이드(InGaN) 양자 우물(quantum well)을 포함하여 전자기 스펙트럼의 적색에서 자외선부까지, 녹색에서 자외선부까지 출력(output)하는 LED에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 발광 다이오드의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 다이오드와 종래의 소자의 양자 효율을 비교한 도면이다.
도 3은 본 발명의 발광 다이오드와 사파이어 기판 위에 형성된 다이오드를 비교한 순방향 전류에 대한 주파장(dominant wavelength)을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 발광 다이오드와 사파이어 기판 위에 형성된 다이오드의 파장에 대한 FWHM(full width at the half maximum)를 도시한 도면이다.
도 5와 6은 본 발명에 따른 두개의 다이오드의 전류 대 전압 특성을 도시한 도면이다.
따라서 본 발명의 목적은 실리콘 카바이드 기판의 장점과 함께 인듐 갈륨 나이트라이드의 발광 특성을 장점을 모두 가지는 개선된 휘도를 가지는 발광 다이오드를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여 전자기 스펙트럼의 적색, 녹색, 청색, 보라색 및 자외선부에서 발광할 수 있는 수직 구조의 발광 다이오드를 제공한다. 상기 발광 다이오드는 실리콘 카바이드 도전 기판, 인듐 갈륨 나이트라이드 양자 우물, 상기 기판 및 상기 양자 우물 사이에 위치하는 도전 버퍼층, 및 상기 양자 우물의 각각의 표면 상에 위치하는 각각의 도핑되지 않은 갈륨 나이트라이드층, 및 수직 구조로 배향되는 옴(ohmic) 접촉부를 포함한다.
본 발명의 또다른 특징에 따르면, 본 발명의 수직 구조의 발광 다이오드는 n-타입 실리콘 카바이드 기판, 상기 기판 위에 존재하는 도전 버퍼층, 상기 도전 버퍼층 위에 존재하는 n-타입의 제1 갈륨 나이트라이드 층, 상기 제1 갈륨 나이트라이드 층 위에 존재하는 도핑되지 않은 제2 갈륨 나이트라이드 층, 상기 제2 갈륨 나이트라이드 층 위에 존재하는 인듐 갈륨 나이트라이드 양자 우물, 상기 양자 우물 위에 존재하는 도핑되지 않은 제3 갈륨 나이트라이드 층, 상기 제3 갈륨 나이트라이드 층 위에 존재하는 도핑되지 않은 제1 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층, 상기 제1 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층 위에 존재하는 p-타입의 제2 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층, 상기 제2 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층 위에 존재하는 p-타입의 제4 갈륨 나이트라이드 층, 상기 기판에 대한 옴 접촉부; 및 상기 갈륨 나이트라이드 층에 대한 옴 접촉부를 포함한다.
상기 목적과 다른 목적 그리고 본 발명의 이점은 하기 상세한 설명 및 첨부된 도면에 의하여 명확해질 것이다.
본 발명은 전자기 스펙트럼의 적색, 녹색, 청색, 보라색 및 자외선부에서 발광할 수 있는 수직 구조의 발광 다이오드에 관한 것이다. 여기에서 "수직 구조(vertical geometry)"란 소자에 대한 옴 접촉부가 기판의 표면과 대향하여 위치할 수 있는 특성을 의미한다. 그러한 구조는 소자의 동일한 표면 상에 양극과 음극이 존재해야 하는 구조와는 달리, 적합한 금속 접촉 및 와이어 리드(lead; 마이크로프로세서 및 회로 기판에서의 와이어 리드도 포함)가 더 소자에 용이하게 형성되도록 할 수 있다. 도 1은 소자(10)를 개략적으로 도시한 것으로, 실리콘 카바이드 도전 기판(11), 인듐 갈륨 나이트라이드 양자 우물(12), 상기 기판(11)과 상기 양자 우물(12) 사이에 위치하는 도전 버퍼층(13), 및 상기 양자 우물(12)의 양 표면 상에 위치하는 각각의 도핑되지 않은 갈륨 나이트라이드 층(14, 15), 및 수직 구조로 배향되는 옴(ohmic) 접촉부(16, 17)를 포함한다.
실리콘 카바이드 기판(11)은 3C, 4H, 6H, 및 15R 폴리타입(polytype)에서 선택되는 것이 바람직하고, 이중에서 6H 폴리타입이 가장 바람직하다. 기판은 미국 특허 제 Re.34,861호(제4,866,005호)에 기재되어 있는 막 성장 기술에 따라 형성되는 것이 가장 바람직하다.
도전 버퍼층(13)은 PCT/US98/21160(국제공개번호 WO 99/18617), "도전버퍼 구조를 가지는 실리콘 카바이드 기판에 형성된 Ⅲ족 나이트라이드 광 소자(Group Ⅲ Nitride Photonic Devices on Silicon Carbide Substrates with Conductive Buffer Interlayer Structure)"에 기재된 구조를 가지며, 상기 출원 명세서에 기재된 방법으로 도입되는 것이 바람직하다.
상기 언급된 바와 같이 실리콘 카바이드 기판은 사파이어보다 Ⅲ족 나이트라이드와 더 잘 맞는 격자 정합을 가진다. 더우기 Ⅲ족 나이트라이드는 사파이어 상에는 수축(compression)되어 있는 반면에 실리콘 카바이드 상에는 텐션(tension) 상태에 있다. 이 기술분야에서 "텐션"은 에피택셜 층의 열 팽창 계수가 그것의 기판 보다 더 높은 관계에 있는 것을 의미한다. 그와 반대로 "수축"은 에피택셜 층의 열 팽창 계수가 그것의 기판보다 낮은 관계에 있는 것을 의미한다. Ⅲ족 나이트라이드 층 및 실리콘 카바이드 기판 사이에서와 같이, 격자 상수(나이트라이드의 격자 상수는 실리콘 카바이드보다 크다)의 차이가 수축을 더 심화시키지만, 전체 텐션은 각각의 열 팽창 계수에 의해 좌우되는 경향이 있다. 이러한 관점에서 텐션 하에 있는 에피층 위에 InGaN을 성장시키는 것에 관한 연구 보고는 거의 없다.
전자 구조 분야에서 알려진 바와 같이, 양자 우물은 일반적으로 매우 얇은 활성 층을 가지는 반도체 물질의 하나 또는 몇개의 박막으로 형성되어 있다. 특히, 활성 층의 두께가 캐리어(carrier)의 드브로이의 파장 차원까지 감소될 경우, 한정된 스퀘어 양자 우물(finite square well)의 바운드(bound) 상태 에너지를 가지는 일련의 분리된(discrete) 에너지 수준이 된다(SzePhysics of SemiconductorDevices, 2d Ed. (1981) 127 및 729 페이지 참조). 이러한 구조에 대하여 숙련된 사람들이 인식하는 바와 같이, 단일 또는 다중 양자 우물을 사용하게 되면 바람직한 전이영역(transitions)에서 전자 밀도를 증가시켜 바람직한 발광 영역에서 휘도를 증가시킨다.
좀 더 자세히 설명하면, 실리콘 카바이드 기판(11)은 n-타입이고 실리콘으로 도핑된 n-타입의 제1 갈륨 나이트라이드 층(20)은 도전 버퍼층(13) 위에 존재하고, 상기 언급된 도핑되지 않은 갈륨 나이트라이드 층(14)과 경계를 이룬다.
또한 본 발명이 바람직한 구조는 제3 갈륨 나이트라이드 층인 다른 도핑되지 않은 갈륨 나이트라이드 층(15) 위에 형성된 도핑되지 않은 제1 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층(21)을 포함한다. p-타입인 (바람직하게는 마그네슘으로 도핑된) 제2 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층은 제1 도핑되지 않은 층(21) 위에 위치한다. 전체적으로 제4 갈륨 나이트라이드 층인 p-타입 갈륨 나이트라이드 층(23)은 완성된 소자 구조를 이루고 바람직하게는 마그네슘으로 도핑된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 옴 접촉부(16)는 실리콘 카바이드 도전 기판 쪽에 형성되고, 다른 옴 접촉부(17)는 p-타입의 갈륨 나이트라이드 층(23) 쪽에 형성된다. 본 발명의 바람직한 구체예에서, 상기 기판(11)에 대한 옴 접촉부(16)는 니켈(Ni)을 포함하고 상기 p-타입의 갈륨 나이트라이드 층에 형성된 옴 접촉부(17)는 백금(Pt)으로 형성된다. 다른 금속들도 그것들이 접촉하는 층에 대하여 적합한 옴 특성을 가지고 각각의 층에 화학적 그리고 물리적으로 부착될 수 있다면, 물론 옴 접촉부로 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구체예에서 인듐 갈륨 나이트라이드 양자 우물(12)은 본질적으로 n-타입이고 단일 양자 우물(SQW) 또는 다중 양자 우물(MQW)을 포함할 수 있다.
각각의 층은 본 발명의 전체 구조에서 특정한 이점을 제공한다. 상기 기재된 바와 같이 n-타입의 실리콘 카바이드 기판은 사파이어보다 훨씬 더 높은 열 전도도를 가지며, 사파이어보다 Ⅲ족 나이트라이드와 훨씬 더 우수한 격자 정합을 제공하고, 그것의 전도성 특성은 수직 구조의 소자에 이상적이다.
도전 버퍼층(13)은 상기 언급된 WO 99/18617에 기재된 바와 같은 목적으로 제공된다. 도전 버퍼층(13)은 기본적인 기능으로 실리콘 카바이드 기판으로부터 갈륨 나이트라이드 층(20, 14)로의 유리한 결정 전이영역을 제공하며, 그것의 도전 특성은 소자의 수직 구조를 보완하고 이를 가능하게 한다.
제1 갈륨 나이트라이드 층(20)은 도전 버퍼층(13)과 함께 전체 약 1.8 마이크론의 두께를 가진다. 도전 버퍼층(13)과 갈륨 나이트라이드 층(20)은 바람직한 환경으로 수소(H2) 분위기하에서 약 1040℃의 온도에서 성장시키는 것이 바람직하다. n-타입 갈륨 나이트라이드 층(20)은 실리콘 카바이드 기판(11)과 도전 버퍼층(13) 사이의 계면으로부터 생기는 결함을 최소화하고 전체 표면을 평탄화하기에 충분한 두께를 가져야 한다. 실험 결과에 의하면 상기 층이 너무 얇으면, 소자의 파장 균일도에 영향을 미치는 것으로 보인다.
본 발명의 바람직한 구체예에서, 제2의 갈륨 나이트라이드 층인 도핑되지 않은 갈륨 나이트라이드 층(14)은 소자의 휘도 및 발광 균일도를 증가시키는 것으로 나타났다. 이것은 이제까지의 실험적인 결과에 의한 것이고, 본 출원인은 어떠한 특정 이론에 얽매이고자 하는 것은 아니지만 도핑되지 않은 갈륨 나이트라드 층(14; 질소 분위기에서 성막됨)은 수소를 포착하거나 매립하는 경향이 있어 질소에서 분리되어야 하는 InGaN 양자 우물에 더이상 영향을 미치지 않는 것으로 보인다. 또한 도핑되지 않은 갈륨 나이트라이드 층(14)을 사용하면 InGaN 양자 우물이 추후 성장하는 동일한 질소(N2) 분위기에서 성장하기 때문에 막 성장이 중단되는 것을 제거할 수 있다. 이러한 형태의 소자의 제조과정 중에 막 성장의 중단이 예정될 때, 중단 전과 후에 성장하는 막사이에 중간면이 열화되는 경향이 있다.
또한 상기 도핑되지 않은 갈륨 나이트라이드 층(14)은 단순히 실리콘 카바이드 기판 및 그 위에 위치하는 Ⅲ족 나이트라이드 층 사이에 형성되는 스트레인을 완화시키는 데 도움을 줄 수 있다. 상기 설명된 바와 같이, 도핑되지 않은 갈륨 나이트라이드(14)는 질소 분위기에서 (수소 분위기에서 성장하는 갈륨 나이트라이드의 n-타입 하층(predecessor)막(20)에 대향하여) 성장되고, 바람직하게는 약 200Å의 두께까지 750 내지 800℃의 온도에서 성장된다.
인듐 갈륨 나이트라이드 양자 우물(12)은 단일 또는 다중 양자 우물이며, 일반적으로 도핑되지 않은 갈륨 나이트라이드(14)와 동일한 질소 분위기에서 750 내지 800℃의 온도 범위에서 약 20 내지 30Å의 두께까지 성장한다. 상기 양자 우물은 물론 소자의 활성층이며 원하는 출력을 생성시킨다. 기능적인 관점에서 양자우물(12)는 의사형태(pseudomorphic) 또는 준안정성(metastable); 즉 동일하거나 유사한 물질의 두꺼운 층에서 나타나는 결정 결함을 피할 정도로 얇아야 한다.
Ⅲ족 나이트라이드에 대하여 잘 알려진 바와 같이, 밴드 구조 및 양자 우물의 발광은 3원자(ternary) 화합물에서의 인듐 양에 따라 다르다(미국 특허 제5,684,309호, 도 10과 도 11 및 칼럼 7, 라인 19-42 참조, 상기 특허는 예시하기 위한 것이며, 이러한 특성에 제한되는 것은 아님). 청색 LED에서 인듐의 몰 분율은 약 35%이고, 녹색 LED에서 인듐의 몰분율은 약간 높으며, 바람직하게는 약 50 내지 55%이다. 이와 같이 3원자 InGaN 화합물에서의 인듐의 몰분율(몰%)을 조절함으로써 소자가 특정 파장에서 발광하도록 디자인할 수 있다. 인듐의 몰 분율이 더 클수록 작은 경우보다 더 불안정해지는 경향이 있으나, 이러한 특성은 일반적으로 양자 우물(들)에 바람직한 또는 적합한 조성물을 선택할 때 고려된다.
전체 층중 제3 갈륨 나이트라이드 층(15)은 양자 우물(12)과 경계를 이루는 다른 도핑되지 않은 갈륨 나이트라이드 층이며, 이것은 결정 성장 과장에서 InGaN 양자 우물(12)을 수소 또는 고온으로부터 보호하는 역할을 한다. 상부층에 위치하는 도핑되지 않은 갈륨 나이트라이드 층(15)도 양자 우물(12)이 수소에 노출되는 것을 보호하기 위하여 질소 분위기에서 성장시킨다. 또한 InGaN가 고온에서 분해되는 것으로 알려져 있기 때문에, 고온에서 갈륨 나이트라이드 층(15)은 InGaN 양자 우물이 고온에 노출되는 것도 보호한다.
도핑되지 않은 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층(21)은 도핑된 AlGaN보다 일반적으로 더 높은 결정성을 가지며 도핑되지 않은 갈륨 나이트라이드 층(15)과 함께InGaN 양자 우물이 바람직한 온도보다 높은 온도 또는 수소에 노출되지 않도록 보호한다. 도핑되지 않은 AlGaN 층(21)은 질소 분위기에서 성장된다.
일반적으로 수소 분위기는 고 품질의 GaN 및 AlGaN 층을 생성시키지만, InGaN에 심각한 영향을 미친다. 그러므로 가능한 한 막 성장은 수소 분위기에서 실시하고, InGaN 양자 우물 및 그것의 인접 층을 성공적으로 성장시키기 위해서는 질소 분위기로 바꾸어 준다.
도핑되지 않은 갈륨 나이트라이드 층(15) 및 도핑되지 않은 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층(21)은 상대적으로 얇다. 갈륨 나이트라이드 층(15)는 20-30 Å이고 750 내지 800℃의 온도에서 성장한다. 도핑되지 않은 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층(21)은 약 30-50Å 범위의 두께를 가지고 약 800 내지 850℃의 온도에서 성장된다.
p-타입 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층(22)은 다소 두껍고, 약 200Å이며, 약 900℃ 이상의 온도에서 수소 분위기에서 성장된다. 이것은 전체 구조에 고 품질의 결정막을 제공하며, 바람직한 발광을 생성하는 양자 우물에 주입되는 홀을 제공한다. 마지막으로 p-타의입 갈륨 나이트라이드 접촉(contact) 층(23)은 옴(ohmic) 접촉부(17)가 형성되기에 보다 용이한 물질을 제공한다. 이러한 물질에 대하여 알려진 바와 같이, 알루미늄 갈륨 나이트라이드에 적합한 옴 접촉부를 형성하는 것은 어려우며, 많은 경우에 불가능한 것이다.
다양한 막에 대한 성장 가스는 전방향 직선상으로(straightforward)으로 진행한다. 실란(SiH4) 트리메틸갈륨((CH3)3Ga) 및 암모니아(NH3)는 n-타입 갈륨 나이트라이드 층(20)을 형성하는 데 사용된다. 필요에 따라 트리에틸갈륨((C2H5)3Ga)은 트리메틸갈륨 대신 사용될 수 있다. 유사하게 갈륨 및 알루미늄은 소스 가스로서 트리에틸인듐((CH3)3In) 또는 트리메틸알루미늄((CH3)3Al)을 이용하여 제공될 수 있다. 암모니아는 각 층에 대하여 질소의 바람직한 소스 가스가 된다.
상기 기재된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 구체예에서, 도전 버퍼층(13) 및 제1 GaN 층(20)은 그것의 성장을 촉진하고 원하는 특성을 가지도록 하는 수소 분위기에서 성장시킨다. H2분위기 하에서의 막의 성장을 도 1에 화살표(25)로 표시하였다. 그런 다음 제2 GaN 층(14), InGaN 양자 우물(12), 제3 GaN 층(15) 및 제1 AlGaN 층(21)이 질소 분위기에서 바람직하게는 중단없이 막 성장된다. 마지막으로 제2 AlGaN 층(22) 및 제4 GaN층(23)이 수소 분위기에서 바람직하게는 중단없이 성장된다. 이러한 방법으로 도핑되지 않은 GaN 층에서 수소 분위기에서 질소 분위기로의 전환이 일어나고 도핑되지 않은 AlGaN 층(21) 이후에 질소에서 수소로 다시 전환되기 때문에 InGaN 양자 우물(12) 및 이것과 경계를 이루는 층은 모두 막성장 중단없이 성장된다. 결정 성장―특히 CVD 에피택셜 성장―기술에 숙련된 당업자에게 알려진 바와 같이, 연속적인 막 성장공정은 중단을 포함하는 막 성장공정에 비하여 에피택셜 층 사이에 보다 우수한 계면을 형성시킨다. 이러한 방법으로 본 발명에 따른 LED 구조는 막 성장 기술을 개선시키며 이러한 연속적인 막 성장 기술은 LED의 최종 성능을 향상시킨다.
본 발명의 바람직한 구체예에서, 실리콘 카바이드 기판(11)은 "백 임플랜트(back-implant)"된다. 상기에서 설명된 바와 같이 LED에서 일반적으로 약 6E17 및 2E18 사이에서 도핑되는 n-타입 실리콘 카바이드 상에서의 옴 접촉부를 얻기 위해서는 (적어도) 930℃의 온도가 필요하다. 그러한 온도는 일반적으로 갈륨 나이트라이드에 불리하게 작용하지는 않으나 인듐 갈륨 나이트라이드양자 우물(12)을 열화시키거나 파괴하는 경향이 있다. 따라서 낮은 온도에서 실리콘 카바이드에 양호한 옴 접촉부를 얻기 위해서는 실리콘 카바이드 기판(11)의 배면을 고농도로 도핑한다. 이 기술은 800℃의 낮은 온도에서 적당한 옴 접촉부가 형성되도록 가능하게 하고 750℃의 낮은 온도에서도 유사한 결과를 얻을 수 있을 것으로 예상된다.
고농도로 도핑된 실리콘 카바이드 기판(11)의 배면은 레이져 어닐 또는 박막 에피택셜 층(많은 경우에 비실용적일 수 있음)과 같은 다른 기술이 이용될 수 있기는 하지만, 이온 주입법으로 도핑하는 것이 바람직하다. 실리콘 카바이드 기판(11)은 약 1.2 E 18(1.2 ×1018cm-3)로 도핑되고 주입된 부분의 농도는 약 1 E 20(1 ×1020cm-3)에 이르며, 이것은 하나의 예시에 불과하며, 이에 한정되는 것은 아니다.
따라서 본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명의 수직으로 배향된 발광 다이오드의 제조 방법을 제공한다. 이 특징에 따르면 본 발명은 n-타입 실리콘 카바이드 기판 위에 수소 분위기에서 도전 버퍼층과 n-타입 갈륨 나이트라이드 층을 연속적으로 성장시키는 것을 포함한다. 그런 다음에 얇고 도핑되지 않은 갈륨 나이트라이드, 인듐 갈륨 나이트라이드 양자 우물, 제2의 도핑되지 않은 갈륨 나이트라이드의 박막, 및 도핑되지 않은 알루미늄 갈륨 나이트라이드의 박막을 질소 분위기에서 성장시켜 연속적인 막을 이룬다. 그 다음 수소 분위기에서 p-타입 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층 및 p-타입 갈륨 나이트라이드 층을 연속적으로 형성함으로써 완성한다. 그런 후에 옴 접촉부가 p-타입 갈륨 나이트라이드 층 및 실리콘 카바이드 기판에 부가될 수 있다. 바람직한 구체예에 의하면 옴 접촉부가 이온 주입법과 같은 바람직한 방법에 의하여 부가되는 부분에 실리콘 카바이드 기판의 도핑을 증가시키는 단계를 포함한다. 이때의 소스 가스는 상기 기재된 바와 같다.
소스 가스로 알 수 있는 바와 같이 이들 막의 바람직한 성장 방법은 화학 기상 증착법(CVD)이다. 그러한 기술은 이 분야에서 잘 알려져 있다. 그럼에도 불구하고 CVD의 특성 및 개개의 CVD 장치의 특성은 개별적인 가스 흐름 속도, 온도, 반응기 압력, 시간, 및 다른 공정 파라미터가 측정 장치 및 환경에 따라 일반적으로 결정되어야 한다는 것이다. 각각의 층의 두께를 포함하여 본 명세서에 기재된 층의 조성 및 바람직한 막성장 온도 범위가 주어진다면, 이 분야의 통상의 기술자에 의하여 기재되어 있는 공정이 반복 실시될 수 있고 과도한 실험을 거치지 않고도 결과의 구조가 재현될 수 있다.
도 2 내지 6은 본 발명에 따라 디자인되어 제조된 다이오드의 이점을 도시하였다. 도 2는 본 발명에 따른 LED의 양자 효율이 사파이어 기판 상에 형성된 몇몇 다른 LED와 동등 이상인 것을 보여주는 것이다. 나아가서 수직 구조의 소자는 동일한 출력을 제공하면서도 동일한 사파이어계 소자보자 훨씬 더 작은 칩을 제공한다. 예를 들어 비교용으로 평가된 사파이어계 소자(예를 들어 도 2, 3 및 4)는 14 mil×14 mil(196 mil2)인 반면에 본 발명에 따른 소자는 동일한 휘도를 가지면서 10 mil×10 mil(100 mil2)이다; 즉 57% 정도의 크기를 가진다.
도 3은 사파이어 상에 형성된 소자보다 본 발명에 따른 LED가 순방향 전류의 범위에서 보다 균일한 색을 유지한다는 것을 보여준다. 도 3에 도시된 바와 같이, 사파이어계 LED는 낮은 순방향 전류에서 황색 부분 스펙트럼 내에서 또는 그에 가까운 영역에서 발광한다(즉 2 mA에서 544 nm). 이에 비하여 본 발명의 LED는 녹색 영역에서 발광함을 알 수 있다(2 mA에서 531 nm).
도 4는 본 발명의 SiC계 LED가 원하는 파장에서, 즉, 각각의 측정된 파장에서 좁은 발광(순색)을 나타냄을 보여준다. SiC계 LED에 대한 FWHM(full width at half maximum)은 사파이어계 다이오드보다 적어도 약 5 nm 더 작다.
도 5와 6은 본 발명에 따른 녹색(525 nm) 및 청색(470 nm) LED가 순방향 전압에서 모두 우수한 전류 특성을 나타냄을 보여준다.
본 발명의 다이오드는 적색, 녹색 및 청색 LED를 통합한 화소 및 디스플레이를 제공하는 데 사용될 수 있다.
도면 및 상세한 설명에 기재된 것은 본 발명의 전형적인 구체예를 보인 것이고, 특정 용어가 사용되기는 하였으나 일반적이고 기술적인 의미로 쓰였을 뿐이며, 하기 특허청구범위에 기재된 발명의 사상을 한정하고자 하는 것은 아니다.

Claims (16)

  1. 발광 다이오드에 있어서,
    실리콘 카바이드 도전 기판;
    InGaN 양자 우물(quantum well);
    상기 기판 및 양자 우물 사이에 위치하는 도전 버퍼층;
    상기 양자 우물의 양 표면 상에 위치하는 각각의 도핑되지 않은 갈륨 나이트라이드 층; 및
    수직 구조로 배향된 옴(ohmic) 접촉부
    를 포함하고, 전자기 스펙트럼의 적색, 녹색, 청색, 보라색 및 자외선부에서 발광할 수 있는 수직 구조의 발광 다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼층과 도핑되지 않은 갈륨 나이트라이드 층 사이에 도핑된 갈륨 나이트라이드 층을 추가로 포함하는 수직 구조의 발광 다이오드.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기판 및 버퍼와 대향하는 양자 우물 위에 존재하는 도핑되지 않은 갈륨 나이트라이드 층의 표면 위에 위치하는 알루미늄 갈륨 나이트라이드의 도핑되지 않은 층; 및
    상기 도핑되지 않은 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층 위에 존재하는 알루미늄 갈륨 나이트라이드의 도핑된 층
    을 추가로 포함하는 수직 구조의 발광 다이오드.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 도핑된 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층 위에 존재하는 도핑된 갈륨 나이트라이드 층을 추가로 포함하는 수직 구조의 발광 다이오드.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 기판, 버퍼층, 및 버퍼와 인접하는 갈륨 나이트라이드 층이 모두 n-타입이고;
    상기 알루미늄 갈륨 나이트라이드의 도핑된 층과 그 위에 존재하는 갈륨 나이트라이드의 도핑된 층이 p-타입인
    수직 구조의 발광 다이오드.
  6. 발광 다이오드에 있어서,
    n-타입 실리콘 카바이드 기판;
    상기 기판 위에 존재하는 n-타입 도전 버퍼층;
    상기 도전 버퍼층 위에 존재하는 n-타입의 제1 갈륨 나이트라이드 층;
    상기 제1 갈륨 나이트라이드 층 위에 존재하는 도핑되지 않은 제2 갈륨 나이트라이드 층;
    상기 제2 갈륨 나이트라이드 층 위에 존재하는 인듐 갈륨 나이트라이드 양자 우물;
    상기 양자 우물 위에 존재하는 도핑되지 않은 제3 갈륨 나이트라이드 층;
    상기 제3 갈륨 나이트라이드 층 위에 존재하는 도핑되지 않은 않은 제1 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층;
    상기 제1 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층 위에 존재하는 p-타입의 제2 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층;
    상기 제2 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층 위에 존재하는 p-타입의 제4 갈륨 나이트라이드 층;
    상기 기판에 대한 옴 접촉부; 및
    상기 갈륨 나이트라이드 층에 대한 옴 접촉부
    를 포함하고, 전자기 스펙트럼의 적색, 녹색, 청색, 보라색 및 자외선부에서 발광할 수 있는 수직 구조의 발광 다이오드.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 기판에 대한 옴 접촉부가 니켈을 포함하고 상기 p-타입의 갈륨 나이트라이드 층에 대한 옴 접촉부가 백금인 수직 구조의 발광 다이오드.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 도전 버퍼층이 n-타입의 알루미늄 갈륨 나이트라이드인 수직 구조의 발광 다이오드.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 양자 우물이 n-타입인 수직 구조의 발광 다이오드.
  10. 제1항 또는 제6항에 있어서,
    상기 양자 우물이 다중(multiple) 양자 우물인 수직 구조의 발광 다이오드.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 제1 갈륨 나이트라이드 층이 실리콘으로 도핑된 수직 구조의 발광 다이오드.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 제4 갈륨 나이트라이드 층 및 제2 알루미늄 갈륨 나이트라이드 층이 마그네슘으로 도핑된 수직 구조의 발광 다이오드.
  13. 제1항 또는 제6항에 따른 발광 다이오드를 포함하는 화소.
  14. 제13항에 따른 다수의 화소를 포함하는 디스플레이.
  15. 발광 다이오드에 있어서,
    실리콘 카바이드 기판; 및
    인듐 갈륨 나이트라이드 양자 우물로 형성되는 활성층
    을 포함하고,
    (1) FWHM(full with at the half maximum)이 25 nm 이하인 470 nm의 발광 피크;
    (2) FWHM이 29nm 이하인 505 nm의 발광피크; 및
    (3) FWHM이 35nm 이하인 525 nm의 발광피크
    로 이루어진 군에서 선택되는 발광 피크 및 FWHM의 조합을 가지는 발광 다이오드.
  16. 발광 다이오드에 있어서,
    실리콘 카바이드 기판; 및
    인듐 갈륨 나이트라이드 양자 우물로 형성되는 활성층
    을 포함하고,
    (1) 2mA의 순방향 전류에서 531 nm의 주파장(dominant wavelength),
    (2) 5mA의 순방향 전류에서 529 nm의 주파장,
    (3) 10mA의 순방향 전류에서 527 nm의 주파장,
    (4) 20mA의 순방향 전류에서 525 nm의 주파장, 및
    (5) 30mA의 순방향 전류에서 523 nm의 주파장
    으로 이루어진 군에서 선택되는 주파장 및 순방향 전류의 조합을 가지는 발광 다이오드.
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