KR20050041824A - 발광 장치 및 발광 장치 제조 방법 - Google Patents

발광 장치 및 발광 장치 제조 방법 Download PDF

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에피테크 코포레이션 리미티드
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Abstract

기판과 비도핑형 GaN 사이에 SiN/Al1-x-yINxGayN(0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 초격자 층을 버퍼 층으로서 형성하여 상기 버퍼 층의 변위 밀도 (dislocation density)를 감소시킬 수 있는 발광 장치 및 상기 발광 장치를 제조하는 방법에 대해 서술한다. SiN/Al1-x-yINxGayN(0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 초격자 층에서, Al1-x-yINxGayN(0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1)는 n형, p형 또는 비도핑형이 될 수 있다.

Description

발광 장치 및 발광 장치 제조 방법{LIGHT-EMITTING DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 Ⅲ-질화물 장치 및 이 장치를 제조하는 방법에 관한 것이며, 특히 SiN/Al1-x-yINxGayN (0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 초격자 층을 버퍼 층으로서 사용하는 발광 장치 및 이 발광 장치를 제조하는 방법에 관한 것이다.
발광 장치(LED)와 같은 반도체 발광 장치는 반도체 재료를 사용하여 형성된다. 반도체 발광 장치는 전기 에너지를 광 에너지로 변환시킬 수 있는 일종의 미세한 고체 상태 광원이다. 반도체 발광 장치는 크기가 작고 감응 속도가 빠르고 충격에 강하고 수명이 길고 낮은 구동 전압을 사용할 뿐만 아니라 다양한 장치의 경박단소화에도 부합하기 때문에 일상생활에 있어서 매우 대중적인 전기 제품이 되어 있다.
최근, GaN, AlGaN, InGaN 및 AlInGaN 등의 질화물 기반의 반도체를 사용하는 발광 장치에 관심이 집중되어 있다. 통상적으로, 전술한 형태의 대부분의 발광 장치는 전기적 절연성의 사파이어 기판 위에 성장되며, 상기 장치는 전도성 기판을 사용하는 다른 발광 장치와는 다르다.
현재, 질화물 기반의 반도체로 이루어지는 발광 장치를 제조할 때는, 버퍼 층으로 사용할 사파이어 기판 위에 AlInGaN 재료를 성장시킨다. 상기 버퍼 층의 변위 밀도는 크게 증가하며 이에 의해 상기 발광 장치의 수명은 감소되고 발광 장치의 성능도 저하된다.
그러므로, 본 발명의 목적은 SiN/Al1-x-yINxGayN (0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 초격자 층을 버퍼 층으로서 사용하여 상기 버퍼 층의 변위 밀도를 감소시킬 수 있는 발광 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 SiN/Al1-x-yINxGayN (0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 초격자 버퍼 층을 사용하여 변위 밀도를 감소시킬 수 있는 발광 장치를 제공하는 것이다. 이에 따라, 발광 장치의 수명은 길어지고 정전기 방전 방지의 능력이 향상될 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 발광 장치를 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 상기 발광 장치 제조 방법에 있어서는, 금속 유기 화학 증기 증착(MOCVD) 에피택시 장치에서의 발광 장치의 변위 밀도를 감소시키도록 SiN/Al1-x-yINxGayN (0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 초격자 버퍼 층을 성장시킴으로써, 종래의 에피택셜 측 성장 (ELOG) 기술에 비해 제조 비용을 크게 감소시킬 수 있다.
본 발명의 전술한 목적에 따르면, 본 발명은 기판; 상기 기판 상에 위치하는 SiN/Al1-x-yINxGayN (0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 초격자 버퍼 층; 및 상기 SiN/Al1-x-yINxGayN (0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 초격자 버퍼 층 위에 위치하는 발광성 에피택셜 구조체를 포함한다.
발광성 에피택셜 구조체는 SiN/Al1-x-yINxGayN (0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 초격자 버퍼 층 위에 위치하는 비도핑형 GaN 층; 상기 비도핑형 GaN 층 위에 위치하는 n형 GaN 층; 상기 n형 GaN 층 위에 위치하는 복수 양자 웰(MQW) 액티브 층(multi-quantum well active layer); 상기 복수 양자 웰(MQW) 액티브 층 위에 위치하는 p형 AlGaN 층; 및 p형 AlGaN 층 위에 위치하는 p형 GaN 층을 포함한다.
본 발명의 일실시예 따르면, 기판의 재료는 사파이어다. SiN/Al1-x-yINxGay N (0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 초격자 버퍼 층의 두께는 약 10Å 및 2000Å 사이이다. 비도핑형 GaN 층의 두께는 약 1 ㎛ 이다. n형 GaN 층의 두께는 약 2 ㎛ 이고 n형 GaN 층은 Si 도핑형이다. 복수 양자 웰 액티브 층은 InGaN/GaN 으로 이루어지며, InGaN의 두께는 약 30Å이고 GaN의 두께는 약 150Å이다. AlGaN 층의 두께는 약 20 nm 이고 AlGaN은 Mg 도핑형이다. p형 GaN 층의 두께는 약 0.2 ㎛이고 AlGaN 층은 Mg 도핑형이다.
본 발명의 전술한 목적에 따르면, 본 발명은 발광 장치 제조 방법을 제공하며, 상기 방법은 기판을 제공하는 단계; 상기 기판 위에 SiN/Al1-x-yINxGay N (0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 초격자 버퍼 층을 형성하는 단계; 및 상기 SiN/Al1-x-yINxGayN (0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 초격자 버퍼 층 위에 발광성 에피택셜 구조체를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 상기 SiN/Al1-x-yINxGayN (0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 초격자 버퍼 층을 형성하는 단계는 저온 금속 유기 화학 증기 증착법에 의해 수행된다. 반응 온도를 양호하게 약 200℃ 및 900℃ 사이로 제어하며, 보다 양호하게는 약 520℃로 제어한다.
SiN/Al1-x-yINxGayN (0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 초격자 층을 버퍼 층으로서 사용함으로써, 상기 버퍼 층의 변위 밀도를 향상시킬 수 있다. 이에 의해 발광 장치의 수명이 길어지며 정전기 방전 방지의 능력을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 전술한 특징 및 다양한 이점은 첨부된 도면을 참조하는 이하의 상세한 설명으로부터 보다 잘 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 기판과 비도핑형 GaN 사이에 SiN/Al1-x-yINxGayN (0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 초격자 층을 버퍼 층으로서 형성하여 상기 버퍼 층의 변위 밀도 (dislocation density)를 감소시킬 수 있는 발광 장치 및 상기 발광 장치를 제조하는 방법에 대해 서술한다. 상기 발광 장치의 수명을 연장시킬 수 있고 정전기 방전 방지를 향상시킬 수 있다. 본 발명을 보다 명확하고 완벽하게 설명하기 위해, 첨부된 도 1 내지 도 5를 참조하여 이하에 설명한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 도 1 및 도 2는 본 발명의 양호한 실시예에 따라 발광 장치를 제조하는 프로세스를 나타내는 흐름도이다. 본 발명의 발광 장치는 예를 들어 발광 다이오드나 레이저 다이오드가 될 수 있다. 본 발명의 발광 장치의 제조에 있어서, 기판(100)을 제공한다. 기판(100)의 재료는 양호하게 투명하며, 예를 들어 Al2O3, SiC, Si, GaN 또는 GaAs가 될 수 있다. 양호하게, 기판(100)의 재료는 사파이어다. 그런 다음, 기판(100)에 대해 열 세척 단계(thermal cleaning step)를 수행한다. 열 세척 단계는 1200℃의 H2 분위기에서 양호하게 수행된다. 기판에 대한 열 세척 단계를 수행한 후, 저온 금속 유기 화학 증기 증착법으로 상기 기판(100) 위에 버퍼 층(102)을 성장시킨다. 상기 버퍼 층(102)은 SiN/Al1-x-yINxGayN(0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 초격자 층을 버퍼 층으로 이루어진다. 상기 버퍼 층(102)을 성장시키는 동안, 온도를 약 200℃와 900℃ 사이로 양호하게 제어하며, 보다 양호하게는 약 520℃로 제어한다. 예를 들어, 트리메틸갈륨 (trimethylgalliaum)(TMGa), 트리메틸알루미늄(trimethylaluminum)(TMAl) 및 NH3를 프리커서(precursors)로서 사용하고, S2H6 및 2-시클로펜타디에닐 마그네슘(bis-cyclopentadienyl magnesium)(Cp2Mg)를 도판트로서 사용한다. 상기 버퍼 층(102)의 SiN을 성장시킬 때, NH3의 흐름 속도는 양호하게 약 8slm 이며, S2H6의 흐름 속도는 양호하게 약 2.5 sccm이다. 본 발명의 양호한 실시예에서, SiN/Al1-x-yINxGayN(0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 초격자 층으로 이루어지는 상기 버퍼 층(102)의 두께는 양호하게 약 10Å과 2000Å 사이이며, 보다 양호하게는 약 300Å이다. 상기 버퍼 층(102)의 Al1-x-yINxGayN(0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1)는 n형, p형 또는 비도핑형이 될 수 있다. 상기 버퍼 층(102)에서, SiN/Al1-x-yINxGay N (0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 초격자 구조체는 SiN/Al1-x-yINxGayN (0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 구조체 또는 Al1-x-yINxGayN (0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1)/SiN 구조체로 이루어질 수 있으며, SiN/Al1-x-yINxGayN (0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 구조체 또는 Al 1-x-yINxGayN(0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1)/SiN 구조체의 수는 2보다 크거나 같을 수 있다. 기판(100)과 접촉하는 상기 버퍼 층의 재료는 SiN 또는 Al1-x-yINxGayN (0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1)가 될 수 있다.
본 발명의 한 특징은 SiN/Al1-x-yINxGayN(0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 초격자 구조체로 이루어지는 상기 버퍼 층(102)을 기판(100) 위에 성장시킴으로써 상기 버퍼 층(102)의 변위 밀도를 감소시킬 수 있다는 것이다. 그러므로, 발광 장치의 수명을 연장시킬 수 있고 발광 장치의 정전기 방전 방지 효과를 향상시킬 수 있다.
SiN/Al1-x-yINxGayN (0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 초격자 구조체로 이루어지는 버퍼 층(102)을 완성한 후에는, 프로세스 온도를 약 1180℃로 상승시키고, 이 온도에서, 예를 들어 금속 유기 화학 증기 증착법으로 상기 발광 장치의 발광성 에피택셜 구조체를 상기 버퍼 층(102) 위에 성장시킨다. 먼저, 상기 버퍼 층 위에 비도핑형 GaN 층(104)을 성장시킨다. 상기 비도핑형 GaN 층(104)의 두께는 양호하게 약 1 ㎛ 이다. n형 GaN 층(106)은 양호하게 Si 도핑형이며, n형 GaN 층(106)의 두께는 양호하게 2 ㎛ 이다. 그런 다음, 상기 n형 GaN 층(106) 위에 복수 양자 웰 액티브 층(multi-quantum well active layer)(108)을 성장시킨다. 상기 복수 양자 웰 액티브 층(108)은 예를 들어 InGaN 층/GaN 층 구조체로 이루어지며, InGaN 층의 두께는 양호하게 약 30Å이며, GaN 층의 두께는 양호하게 약 150Å이다. 다음, 상기 복수 양자 웰 액티브 층(108) 위에 p형 AlGaN 층(110)을 성장시킨다. 상기 p형 AlGaN 층(110)은 양호하게 Mg 도핑형이며, p형 AlGaN 층(110)의 두께는 양호하게 약 20 nm이다. 후속해서 상기 p형 AlGaN 층(110) 위에 p형 GaN 층(112)을 성장시켜 도 1에 도시된 구조체를 형성한다. 상기 p형 GaN 층(112)은 양호하게 Mg 도핑형이며, p형 GaN 층(112)의 두께는 양호하게 0.2 ㎛이다.
발광 장치의 발광성 에피택셜 구조체를 완성한 후, 상기 기판(100)을 상기 버퍼 층(102) 및 상기 발광성 에피택셜 구조체와 함께 가열노(thermal furnace)와 같은 열 프로세싱 장치 내에 위치시켜 약 700℃의 N2 분위기에서 약 200분 동안 어닐링시킨다. 다음, 포토리소그래픽 및 에칭에 의해 규정 단계(definition step)를 수행하여, 상기 p형 GaN 층(106)의 일부가 노출될 때까지 상기 p형 GaN 층(112)의 일부, 상기 p형 AlGaN 층(110)의 일부 및 상기 복수 양자 웰 액티브 층(108)의 일부를 제거한다. 그런 다음, 증발법(evaporation)에 의해 상기 노출된 n형 GaN 층(106) 위에는 전극(114)을 형성하고, 상기 p형 GaN 층(112) 위에는 투명 전극 층(113)을 형성하며, 상기 투명 전극 층(113)의 일부 위에는 전극(116)을 형성하여 도 2에 도시된 바와 같이 발광 장치의 제조를 완료한다. 상기 전극(114)은 양호하게 Ti/Al/Ni/Au 구조체이며, 상기 전극(116)은 양호하게 Ni/Au 구조체이다.
도 3은 GaN 단일 층으로 이루어지는 버퍼 층의 송신 전자 현미경(TEM) 다이어그램이다. 도 4에 도시된 SiN/Al1-x-yINxGayN (0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 초격자 버퍼 층의 송신 전자 현미경 다이어그램과 비교해 보면, 상기 SiN/Al1-x-yINxGa yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 초격자 버퍼 층의 변위 밀도가 분명하게 많이 감소되어 있다.
도 5는 GaN 단일 층으로 이루어지는 버퍼 층과 SiN/Al1-x-yINxGayN (0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 초격자 버퍼 층간의 수명 검사 비교 다이어그램이다. 검사는 50 mA 및 85℃의 조건에서 수행된다. 도 5에서, LEDⅠ는 GaN 단일 층을 버퍼 층으로 사용하는 GaN 계열 발광 장치를 나타내고, LEDⅡ는 SiN/Al1-x-yINxGayN (0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 초격자 버퍼 층으로 이루어지는 GaN 계열 발광 다이오드를 나타낸다. 도 5는 49 시간 동안에 LEDⅠ의 발광성 세기가 12% 감소하고 LEDⅡ의 발광성 세기는 5% 감소하며, 73 시간 동안에 LEDⅠ의 발광성 세기가 18% 감소하고 LEDⅡ의 발광성 세기는 8% 감소함으로 나타내고 있다. LEDⅠ의 발광성 세기의 급격한 저하는 GaN 단일 층을 버퍼 층으로서 사용하는 GaN 계열 발광 다이오드의 변위 밀도가 너무 높고, SiN/Al1-x-yINxGayN (0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 초격자 버퍼 층으로 이루어지는 GaN 계열 발광 다이오드의 정전기 방전 방지 성능이 GaN 단일 층을 버퍼 층으로서 사용하는 GaN 계열 발광 다이오드의 정전기 방전 방지 성능의 1배에 불과하기 때문이다.SiN/Al1-x-yINxGayN (0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 초격자 버퍼 층으로 이루어지는 GaN 계열 발광 다이오드의 정전기 방전 방지 능력은 950V까지 될 수 있지만, GaN 단일 층을 버퍼 층으로서 사용하는 GaN 계열 발광 다이오드의 정전기 방전 방지 능력은 450V에 불과하다. LEDⅠ 및 LEDⅡ의 정전기 방전 방지 능력의 차이는 LEDⅠ 및 LEDⅡ의 변위 밀도량의 차이에 기인한다.
위에서 언급한 설명에 따르면, 본 발명의 한 이점은 본 발명은 SiN/Al1-x-yINxGayN (0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 초격자 층을 버퍼 층으로서 사용하여, 상기 버퍼 층의 변위 밀도를 감소시키는 목적이 달성될 수 있다는 것이다.
위에서 언급한 설명에 따르면, 본 발명의 다른 이점은 발광 장치의 변위 밀도가 기판 위의 SiN/Al1-x-yINxGayN (0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 초격자 버퍼 층에 의해 감소될 수 있으며, 그래서 상기 발광 장치의 수명이 길어지며, 상기 발광 장치의 정전기 방전 방지 능력이 향상될 수 있다는 것이다.
위에서 언급한 설명에 따르면, 본 발명의 또 다른 이점은 본 발명의 발광 장치를 제조할 때, 유기 화학 증기 증착 에피택셜 장치에서 직접 발광 장치의 변위 밀도를 감소시키도록 SiN/Al1-x-yINxGayN (0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 초격자 버퍼 층을 성장시킴으로써 제조 비용을 크게 감소시킬 수 있다는 것이다.
당업자가 이해하는 바와 같이, 본 발명의 전술한 양호한 실시예들은 본 발명의 설명을 위한 것이지 본 발명을 제한하려는 것이 아니다. 첨부된 특허청구범의 정신 및 범주 내에 포함되는 다양한 변형 및 유사한 장치를 망라하고자 함이며, 본 발명의 범주는 모든 변형 및 유사한 구조체를 망라하도록 가장 넓게 해석되어야 한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 발광 장치를 제조하는 프로세스를 나타내는 흐름도.
도 3은 GaN 단일 층으로 이루어진 버퍼 층의 송신 전자 현미경 다이어그램.
도 4는 SiN/Al1-x-yINxGayN(0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 초격자 버퍼 층의 송신 전자 현미경 다이어그램.
도 5는 GaN 단일 층으로 이루어지는 버퍼 층과 SiN/Al1-x-yINxGayN(0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 초격자 버퍼 층간의 수명 검사에 대한 비교 다이어그램.

Claims (1)

  1. 발광 장치에 있어서,
    기판;
    상기 기판 상에 위치하는 SiN/Al1-x-yINxGayN (0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 초격자 버퍼 층; 및
    상기 SiN/Al1-x-yINxGayN (0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1) 초격자 버퍼 층 위에 위치하는 발광성 에피택셜 구조체
    를 포함하는 발광 장치.
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