KR20080063422A

KR20080063422A - 반도체 발광 다이오드

Info

Publication number: KR20080063422A
Application number: KR1020087012780A
Authority: KR
Inventors: 타카시 우다가와
Original assignee: 쇼와 덴코 가부시키가이샤
Priority date: 2005-11-07
Filing date: 2006-11-02
Publication date: 2008-07-03
Also published as: KR100992499B1; TW200737548A; JP2007149713A; TWI318802B; JP4917301B2

Abstract

반도체 발광 다이오드(20)가 실리콘 단일 결정 기판(201), Ⅲ족 질화물 반도체로 형성되고 상기 실리콘 단일 결정 기판(201) 상에 적층된 개재층(203), 및 p-n 접합 헤테로 접합 구조로 형성되고 상기 개재층(203) 상에 적층된 발광부(205, 206, 207)를 구비한다. 상기 개재층(203)은 알루미늄 함유 Ⅲ족 질화물 반도체로 형성된다. 상기 개재층(203)과 상기 발광부(205, 206, 207) 사이에 알루미늄을 함유하고 서로 다른 알루미늄 조성비를 갖는 복수의 Ⅲ족 질화물 반도체층으로 형성된 초격자 구조체(204)가 배치되어 있다. 상기 초격자 구조체(204)로 형성된 DBR막은 반사율을 우수하게 하고 발광 특성을 향상시킬 수 있다.

반도체 발광 다이오드

Description

반도체 발광 다이오드{SEMICONDUCTOR LIGHT-EMITTING DIODE}

본 발명은 실리콘 단일 결정 기판, Ⅲ족 질화물 반도체로 형성되고 상기 실리콘 단일 결정 기판 상에 적층된 개재층, 및 p-n 접합 헤테로 접합 구조로 형성되고 상기 개재층 상에 적층된 발광부를 구비하는 반도체 발광 다이오드에 관한 것이다.

지금까지, 질화 갈륨(GaN) 등의 Ⅲ족 질화물 반도체 재료는 단파장 가시 발광 다이오드(LED) 및 레이저 다이오드(LD) 등의 반도체 발광 장치(반도체 발광 다이오드)의 발광부를 형성하기 위해 사용되고 있다(일본 특허 공고 소 55-3834 참조). 상기 표현 "반도체 발광 장치의 발광부"는 발광을 야기할 수 있는 반도체 재료로 형성된 발광층, 및 상기 발광층에 부수하는 클래드층 등의 기능층을 포함하는 영역을 나타낸다. 발광층을 형성하기 위해서 사용된 상기 반도체 재료의 한 예로서, 질화 갈륨 인듐(Ga_XIn₁ _- _XN, 여기서, 0≤X≤1)이 공지되어 있다(일본 특허 공고 소 55-3834 참조).

Ⅲ족 질화물 반도체로 형성된 상기 발광부는 사파이어(α-Al₂O₃ 단일 결정)(일본 특허 공고 소 55-3834 참조) 또는 실리콘 단일 결정(실리콘)(일본 특허 공개 소 49-122294 참조)을 기판으로서 사용함으로써 얻어진다. 이러한 기판 상에 Ⅲ족 질화물 반도체층을 형성하는 경우, 그들의 경계면을 발생시킬 수도 있는 격자 부정합을 완화시키는 관점에서 이들 층 간에 버퍼층을 배치하는 것이 일반적으로 이루어지고 있다(일본 특허 공개 소 60-173829 참조). 예를 들면, 실리콘 기판 상에 Ⅲ족 질화물 반도체층을 형성하기 위해서 버퍼층으로서 인화 붕소(BP)층을 사용하는 기술이 공지되어 있다(일본 특허 공개 평 4-084486 참조).

실리콘 기판 상에 버퍼층으로서 실리콘 카바이드층을 형성하는 방법으로서, 상기 실리콘 기판의 표면을 탄화하는 것을 포함하는 기술이 기재되어 있다(J. Electrochem. Soc. (U.S.A.), Vol. 137, No. 3, 1990, pp. 989-992 참조). 실리콘 기판의 표면 상에 배치된 상기 실리콘 카바이드층 상에, 우수한 품질의 질화 알루미늄 갈륨 인듐(AlGaInN)층이 형성될 수 있다는 것이 보고되어 있다(일본 특허 공개 평 4-223330 참조). 따라서, 이러한 층 상에 Ⅲ족 질화물 반도체층의 초격자 구조체를 갖는 분포 브래그 반사기(DBR) 등의 기능층의 형성이 바람직하다고 추정된다.

한편, 사파이어가 기판으로서 사용되는 초격자 구조체의 GaN 및 AlN을 갖는 상기 DBR층을 형성하는 종래 기술의 예가 기재되어 있다(Appl. Phys. Lett(U.S.A.), Volume 74, No. 7, 1999, pp. 1036-1038 참조).

예를 들면, 실리콘 카바이드 버퍼층 상에 적층된 AlN층이 언더층으로서 사용되는 초격자 구조체를 배치하기 위한 시도는 이 구조가 모두 Ⅲ족 질화물 반도체층인 GaN 박막과 AlN 박막의 조합으로 형성되는 한, 상기 초격자 구조체가 안정적으 로 형성될 수 없는 문제를 일으킨다. 이것은 피트(pit)가 없는 편평한 표면을 갖고 특정 결정 방향을 향하여 연속적이고 독특하게 배향됨을 나타내는 상기 GaN 박막은 상기 AlN막 상의 Ga의 축합으로 인해서 상기 AlN 박막에 접합됨으로써 형성될 수 없기 때문이다.

상술한 바와 같이, 실리콘 기판 상에 형성된 실리콘 카바이드 버퍼층을 통해서 Ⅲ족 질화물 반도체층으로 형성된 상기 초격자 구조체를 배치하는 경우, 종래 기술은 지속성을 갖고 규칙적인 배향을 나타내는 상기 Ⅲ족 질화물 반도체층으로부터 이러한 초격자 구조체를 형성할 수 없고, 또한, 상기 반도체 발광 다이오드의 발광 특성을 향상시킬 수 없다는 문제를 수반한다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술에서의 문제를 극복하는 관점에서 제안되고 있고, 초격자 구조체로 이루어지는 DBR막을 반사율이 우수하게 할 수 있고, 향상된 발광 특성을 갖는 반도체 발광 다이오드를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 언급된 목적을 달성하기 위해서, 1) 본 발명은 제 1 실시형태로서 실리콘 단일 결정 기판과 알루미늄 함유 Ⅲ족 질화물 반도체로 형성되고 상기 실리콘 단일 결정 기판 상에 적층된 개재층, p-n 접합 헤테로 접합 구조로 형성되고 상기 개재층 상에 적층된 발광부, 및 상기 개재층과 상기 발광부 간에 배치되고, 알루미늄을 포함하고 서로 다른 알루미늄 조성비를 갖는 복수의 Ⅲ족 질화물 반도체층으로 형성된 초격자 구조체를 구비하는 반도체 발광 다이오드를 제공한다.

본 발명의 제 1 실시형태의 형태를 포함하는 본 발명의 제 2 실시형태에 있어서, 상기 개재층은 X₁(0＜X₁≤1)의 알루미늄 조성비를 갖고, 상기 초격자 구조체의 상기 반도체층은 X₂ 및 X₃의 알루미늄 조성비가 X₁을 초과하지 않고 서로 달라 (0＜X₂＜X₃≤X₁)을 만족하는 것이다.

본 발명의 제 2 실시형태의 형태를 포함하는 본 발명의 제 3 실시형태는 알루미늄 함유 Ⅲ족 질화물 반도체로 형성되고, 상기 개재층과 상기 초격자 구조체 간에 배치된 중간층을 더 포함하고, 여기서, 상기 중간층은 X₄의 알루미늄 조성비가 X₂보다 크고 X₃ 이하인 (0＜X₂＜X₄≤X₃)를 갖는다.

본 발명의 제 1 실시형태 내지 제 3 실시형태 중 어느 한 형태를 포함하는 본 발명의 제 4 실시형태에 있어서, 상기 개재층, 상기 초격자 구조체의 반도체층 및 중간층은 각각 질화 알루미늄 갈륨으로 형성된다.

본 발명의 제 1 실시형태 내지 제 4 실시형태 중 어느 한 형태를 포함하는 본 발명의 제 5 실시형태는 상기 실리콘 단일 결정 기판과 상기 개재층 간에 배치된 감마(γ)상 알루미늄막을 더 포함한다.

본 발명의 제 1 실시형태에 따르면, 실리콘 단일 결정 기판, Ⅲ족 질화물 반도체로 형성되고 상기 실리콘 단일 결정 기판 상에 적층된 개재층, 및 p-n 접합 헤테로 접합 구조로 형성되고 상기 개재층 상에 적층된 발광부를 구비하는 반도체 발광 다이오드에 있어서, 상기 개재층이 알루미늄 함유 Ⅲ족 질화물 반도체로 형성되고, 상기 개재층과 상기 발광부 간에, 알루미늄을 함유하고 서로 다른 알루미늄 조성비를 갖는 복수의 Ⅲ족 질화물 반도체층으로 형성된 초격자 구조체가 배치되므로, 상기 초격자 구조체는 연속성이 우수한 Ⅲ족 질화물 반도체층을 포함할 수 있게 된다.

본 발명의 제 2 실시형태에 따르면, 상기 개재층은 X₁(0＜X₁≤1)의 알루미늄 조성비를 갖고, 상기 초격자 구조체의 반도체층은 X₂ 및 X₃의 알루미늄 조성비가 X₁을 초과하지 않고 서로 달라 (0＜X₂＜X₃≤X₁)을 만족하므로, 상기 초격자 구조체는 연속성이 우수하고, 고효율로 발광을 반사시킬 수 있는 분포 브래그 반사기로서 사용된 경우, 고휘도의 발광 장치가 제조되게 한다.

본 발명의 제 3 실시형태에 따르면, 알루미늄 함유 Ⅲ족 질화물 반도체로 형성된 중간층이 상기 개재층과 상기 초격자 구조체 간에 배치되고, 상기 중간층은 X₄의 알루미늄 조성비가 X₂보다 크고 X₃ 이하인 (0＜X₂＜X₄≤X₃)를 가지므로, 연속성이 우수한 Ⅲ족 질화물 반도체층이 안정하게 형성될 수 있고, 분포 브래그 반사기로서 사용되는 경우의 상기 초격자 구조체는 고휘도의 발광 장치의 제조를 안정하게 한다.

본 발명의 제 4 실시형태에 따르면, 상기 개재층, 상기 초격자 구조체의 반도체층 및 중간층이 각각 질화 알루미늄 갈륨으로 형성되므로, 연속성이 우수한 Ⅲ족 질화물 반도체층을 얻기에 유리한 알루미늄 함유 Ⅲ족 질화물 반도체로 형성된 상기 중간층 등을 형성하는 효과를 향상시키고, 고효율로 단파 발광을 반사시키기에 바람직한 상기 분포 브래그 반사기의 형성을 가능하게 하고, 고휘도의 단파장 발광 장치를 제조할 수 있게 한다.

본 발명의 제 5 실시형태에 따르면, 감마(γ)상 알루미늄막이 상기 실리콘 단일 결정 기판과 상기 개재층 사이에 배치되므로, 상기 기판을 형성하는 실리콘 단일 결정과 상기 알루미늄 함유 Ⅲ족 질화물 반도체층 사이의 부정합을 완화시킬 수 있고, 우수한 품질을 갖는 개재층이 형성될 수 있다. 언더층으로서 우수한 품질의 개재층을 사용하면, 그 상에 결정성이 우수한 Ⅲ족 질화물 반도체층으로 형성된 상기 초격자 구조체가 형성되고, 결과적으로 분포 브래그 반사기로서 상기 초격자 구조체를 사용함으로써 고휘도의 발광 장치를 제조할 수 있다.

본 발명의 상기 목적 및 다른 목적, 특성 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 이하에 기재된 설명으로부터 당업자에게 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명에 의해서 고안된 적층 구조를 설명하는 모식도이다.

도 2는 실시예 1에 기재된 LED의 평면 모식도이다.

도 3은 도 2의 파선(Ⅲ-Ⅲ)을 따른 LED의 단면 모식도이다.

도 4는 실시예 2에 기재된 LED의 단면 모식도이다.

본 발명에 의해서 고안된 상기 반도체 발광 다이오드는 실리콘 단일 결정 기판, 알루미늄 함유 Ⅲ족 질화물 반도체로 형성되고 상기 실리콘 단일 결정 기판 상에 적층된 개재층, p-n 접합 헤테로 접합 구조로 형성되고 상기 개재층 상에 적층 된 발광부, 및 상기 개재층과 상기 발광부 사이에 배치되고, 알루미늄을 함유하고 서로 다른 알루미늄 조성비를 갖는 복수의 Ⅲ족 질화물 반도체층으로 형성된 초격자 구조체를 구비하는 반도체 발광 다이오드이다.

상기 실리콘 기판 상에 상기 개재층으로서 알루미늄 함유 Ⅲ족 질화물 반도체를 형성하기 위하여, 예를 들면, 유기 금속 화학 증착(MOCVD)법 및 분자빔 에피택셜(MBE)법이 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 MOCVD법에 있어서, 상기 알루미늄 함유 Ⅲ족 질화물 반도체층은 예를 들면, Al원으로서 트리메틸 알루미늄((CH₃)₃Al) 및 Ga원으로서 트리메틸 갈륨((CH₃)₃Ga)을 사용함으로써 형성된다.

예를 들면, {001} 또는 {111} 결정면으로 형성된 실리콘 기판의 표면 상에, 소망의 Al 조성비를 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체층이 Ⅲ족 구성 요소의 원료의 전체량에 기초하여 공급된 알루미늄 원료의 양을 조절함으로써 형성된다. 상기 실리콘 기판 상에 형성되는 Al 함유 Ⅲ족 질화물 반도체층은 우르차이트 육방정형 결정 또는 섬아연광 입방형 결정 중 어느 하나로 형성되어도 좋다. 어느 경우에나, X₁(0＜X₁≤1)의 Al 조성비를 갖고, 피트가 없는 연속성을 갖는 우수한 품질의 Ⅲ족 질화물 반도체층이 형성될 수 있다.

상기 개재층으로서 격자 불일치를 완화시키는 버퍼층을 통해서 상기 실리콘 기판 상에 Al 함유 Ⅲ족 질화물 반도체층의 배열을 결정함으로써, 보다 우수한 품질의 Ⅲ족 질화물 반도체층을 얻을 수 있다.

예를 들면, 상기 버퍼층은 실리콘 카바이드(SiC)로 형성되어도 좋다. 실리콘 카바이드로 형성된 상기 버퍼층은 화학 증착(CVD)(X. M. Zheng et al., J. Crystal Growth, 233(2001), pp. 40~44 참조)에 의해서 얻어질 수 있다. 또한, 아세틸렌(C₂H₂) 등의 탄화수소를 사용함으로써 상기 실리콘 기판의 표면을 탄화하는 방법은 이러한 목적으로 사용할 수 있다(A. Yamada et al., J. Crystal Growth, 189/190(1998), pp. 401~405 참조).

상기 버퍼층을 구성하는 상기 실리콘 카바이드층은 거의 동일한 두께로 상기 실리콘 기판의 표면을 형성하는 것이 바람직하다. 특히, 상기 버퍼층은 실리콘 단일 결정의 격자 상수(0.5431nm)에 대하여 간단한 정수비를 나타내는 실리콘 카바이드층이 되는 것이 바람직하다. 상기 실리콘 카바이드 층에 대한 실리콘 단일 결정의 상기 격자 상수비가 예를 들면, 4:5인 상기 실리콘 카바이드층은 상기 실리콘 기판과 장기간 도메인 매칭이 되므로 바람직하게 사용될 수 있다(J. Narayan, J. Appl. Phys., 93(1)(2003), pp. 278~285 참조). 상기 실리콘 카바이드층과 상기 실리콘 기판에 의해 달성된 도메인 매칭의 외형은 예를 들면, 고해상도 투과형 전자 현미경(HR-TEM)으로 얻어진 단면 TEM 화상으로 관찰된다.

이어서, 상기 버퍼층은 금속 Al층, 특히 감마(γ)상 Al층으로 형성되어도 좋다. 상기 γ-Al층은 그것의 표면으로서 (111) 결정면을 갖는 실리콘 기판((111)-Si) 상에 특히 바람직하게 형성될 수 있다. 이것은 예를 들면, MBE 방법 또는 고진공의 환경 하에서 막을 형성하는 화학빔 에피택셜(CBE) 성장 등의 성장 방법에 의해서 바람직하게 형성될 수 있다. 이 경우, 이러한 형성이 상기 (111)-Si 기판의 표면 상에 (7×7) 재배열 구조(예를 들면, The Physical Society of Japan저, 1992년 12월 10일에 Baifukan Co., Ltd.에 의해서 출판된 "Surface New Substance and Epitaxy," first edition, Chapter 8 참조)를 출현시킨 후 행해지는 경우, 우수한 품질의 γ-Al층이 제조될 수 있다.

상술한 바와 같은 상기 버퍼층을 사용함으로써, 이러한 층 상에 Al을 함유하지 않고 예를 들면, 질화 갈륨(GaN)으로 형성된 Ⅲ족 질화물 반도체층을 형성할 수 있다. 그러나, 이 경우, 상기 제조된 층은 연속성이 결여되고 결정 입자가 분산된 상태를 나타낸다. 상기 버퍼층 상에 배치된 상기 Ⅲ족 질화물 반도체층(개재층)이 Al 함유 Ⅲ족 질화물 반도체층으로 형성되는 경우, 연속성을 지니고 피트를 거의 함유하지 않는 결정층을 얻을 수 있다. 예를 들면, 연속성이 우수하고 X₁의 Al 조성비를 지니는 질화 알루미늄 갈륨 혼합 결정(Al_x1Ga₁ _-x1N, 여기서 0＜X₁≤1)이 형성될 수 있다. 상기 버퍼층을 구성하는 결정층의 특정 결정 방향을 향하여 특이하게 배향되는 질화 알루미늄(X₁=1인 경우, AlN) 연속막도 바람직하게 형성될 수 있다.

언더층으로서 연속성이 우수하고 X₁의 Al 조성비를 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체로 형성된 상기 개재층을 사용하면, 그 위에 연속성이 우수한 Ⅲ족 질화물 반도체층으로 형성된 초격자 구조체의 형성을 가능하게 한다.

또한, 상기 초격자 구조체는 Al을 함유하지 않는 질화 갈륨 인듐 혼합 결정(Ga_QIn₁ _- _QN, 여기서 0＜Q＜1) 또는 GaN의 Ⅲ족 질화물 반도체층으로 형성될 수 있 다. 한편, Al 함유 Ⅲ족 질화물 반도체층을 언더층으로서 사용하고 그 위에 성장시킨 상기 Al 함유 Ⅲ족 질화물 반도체층은 피트를 거의 함유하지 않고, 또한, 연속성이 우수하다. 또한, Al 함유 Ⅲ족 질화물 반도체층을 언더층으로서 사용함으로써 제조된 상기 Al 함유 Ⅲ족 질화물 반도체층은 상기 동일한 언더층 상에 형성된 GaN층 또는 Ga_QIn₁ _-QN(0＜Q＜1)층과 비교하여, 배향의 특이성이 우수하다.

그 결과, 상기 초격자 구조체의 구성층이 반드시 Al을 구성 요소로서 함유하는 Ⅲ족 질화물 반도체층으로 형성된다는 사실은 피트를 거의 함유하지 않고 평탄한 표면을 지니는 초격자 구조체를 얻는 것을 우위로 한다. 연속성이 우수한 Ⅲ족 질화물 반도체층으로 형성된 상기 초격자 구조체는 접합 경계의 평탄성이 우수한 p-n 접합 구조를 갖는 발광부를 형성하는데 우위하다는 것을 증명한다.

상기 초격자 구조체가 연속성과 평탄한 표면을 나타내고 서로 다른 Al 조성비를 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체층을 교대로 주기적으로 적층함으로써 형성되는 경우, 그 위에 배치되는 예를 들면, p-n 접합 구조를 갖는 상기 발광부로부터의 발광을 반사하는데 유리하다는 것을 증명하는 분포 브래그 반사기(DBR) 층이 될 수 있다.

이러한 초격자 구조체는 예를 들면, X₂의 Al 조성비를 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체층 및 X₃(X₂＜X₃)의 Al 조성비를 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체층을 교대로 주기적으로 적층함으로써 구성된다. 바람직하게는 상기 구성층은 λ/4n(nm)로 설정된 층 두께(nm)를 갖는다. 여기서, 상기 기호 λ(nm)는 상기 초격자 구조체 위에 배치된 상 기 발광부를 구성하는 발광층으로부터의 발광의 파장을 나타낸다. 상기 기호 n은 X₂ 또는 X₃의 Al 조성비를 갖는 상기 Ⅲ족 질화물 반도체층의 파장 λ에서의 굴절률을 나타낸다. DBR층의 초격자 구조체를 형성하는 경우에 상기 Al 조성비 X₂ 및 X₃에 가능한 크게 서로 다른 수적 값이 되도록 하는 시도가 상기 발광이 고반사율로 반사되는 대역폭의 확장을 가능하게 한다.

X₂ 및 X₃의 Al 조성비(X₂＜X₃)를 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체층으로 형성된 상기 초격자 구조체는 DBR층으로서 뿐만 아니라 Al 조성비 간의 차이로 인한 변형의 완화를 위한 구조체로서도 사용될 수 있다. 상기 변형의 완화를 위해서 사용되는 상기 초격자 구조체는 DBR층을 형성하는 경우에 반드시 λ/4n의 층 두께를 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체층으로 형성될 필요는 없다. 상기 초격자 구조체는 X₂ 및 X₃의 Al 조성비를 갖는 Al 함유 Ⅲ족 질화물 반도체층을 그들의 층 두께가 예를 들면, 1:3의 비로 고정되도록 함으로써 형성된다. X₂보다 큰 X₃의 Al 조성비를 갖는 상기 Al 함유 Ⅲ족 질화물 반도체층이 보다 큰 층 두께라 하면, 결과적으로 형성되는 초격자 구조체는 상기 변형의 완화의 목적에 바람직하다.

상기 초격자 구조체가 X₁ 이하인 X₃의 Al 조성비를 갖는 상기 Al 함유 Ⅲ족 질화물 반도체층을 사용하여 제조되는 경우, 즉, 상기 초격자 구조체가 0＜X₂＜X₃≤X₁의 관계를 만족하는 X₂ 및 X₃의 Al 조성비를 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체층을 사용하 여 제조되는 경우, 결과적으로 형성된 상기 초격자 구조체는 변형으로 인한 크랙을 갖는 것이 회피될 수 있다.

X₁의 Al 조성비를 갖는 Al 함유 Ⅲ족 질화물 반도체층(개재층) 상에 초격자 구조체를 배치하는 경우, 중간층으로서 그 사이에 X₄의 Al 조성비를 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체층을 배치하는 것과 그 위에 초격자 구조체를 적층하는 것을 더 포함하는 절차는 크랙을 갖는 것을 회피하게 하는 초격자 구조체를 더욱 안정하게 제조하는 효과를 강화시키는 결과가 얻어진다. X₂를 초과하고 X₃ 이하인 X₄(X₂＜X₄≤X₃)의 Al 조성비를 갖는 Al 함유 Ⅲ족 질화물 반도체층의 중간층을 형성하면, 특히 바람직하다는 것이 확인된다.

크랙을 갖지 않는 초격자 구조체를 안정하게 제조하기 위하여 본 발명에 의해서 숙고된 상기 적층 구성은 Al 조성비(X₁~X₄)를 참조하여 도 1에 개략적으로 도해된다. 적층 구조체(10)는 (a) 실리콘 단일 결정 기판(11)의 표면 상에 (b) 예를 들면, AlN 등의 Ⅲ족 질화물 반도체와 가까운 격자 상수를 갖는 γ-Al으로 형성된 버퍼층(12), (c) X₁(0＜X₁≤1)의 Al 조성비를 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체층(개재층)(13), (d) X₄(0＜X₂＜X₄≤X₃)의 Al 조성비를 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체로 형성된 중간층(14), 및 (e) X₂ 및 X₃의 Al 조성비는 X₁을 초과하지 않고 서로 달라 (0＜X₂＜X₃≤X₁)을 만족하는 Ⅲ족 질화물 반도체층으로 이루어지는 초격자 구조체(15)를 적층함으로써 구성된다.

예를 들면, Ⅲ족 질화물 반도체층(개재층)(13)은 1의 Al 조성비 X₁을 갖는 AlN층으로 형성되고, 상기 중간층(14)은 0.50의 Al 조성비 X₄를 갖는 Al₀ _.50Ga₀ _.50N층으로 형성되고, 상기 초격자 구조체(15)는 0.05의 Al 조성비 X₂를 갖는 Al₀ _.05Ga₀ _.95N층및 1의 Al 조성비 X₃를 갖는 AlN층으로 형성된다. 또한, 본 발명은 도 1의 구성에 한정될 필요는 없지만, 상기 버퍼층(12) 및 상기 중간층(14)이 필요에 따라서 조합되어도 좋다.

상기 초격자 구조체를 구성하기 위하여 교대로 적층되는 X₂ 또는 X₃의 Al 조성비를 갖는 Al 함유 Ⅲ족 질화물 반도체층의 수, 즉, 주기수는 구체화되지 않는다. 예를 들면, DBR에 사용되는 초격자 구조체의 경우, 주기(쌍)의 수는 발광이 고효율로 반사될 수 있게 되는 것이 바람직하다. 이 경우, 가능한 큰 굴절률을 나타내는 Al 함유 Ⅲ족 질화물 반도체층이 상기 초격자 구조체의 형성에서 발광부에 가까운 최상 표면층으로서 사용되는 경우, 고반사율을 지니는 상기 DBR층이 적은 수의 주기로 제조될 수 있다. 예를 들면, 교대로 Al₀ _.05Ga₀ _.95N 및 1의 X₃를 갖는 AlN을 적층함으로써 초격자 구조체를 형성하는 경우, 최상 표면층으로서 배치되는 AlN 보다 높은 반사율을 갖는 Al₀ _.05Ga₀ _.95N층이 되는 것과 20주기까지 교차를 행함으로써 초격자 구조체를 형성하는 것을 포함하는 절차는 460nm의 파장을 갖는 발광에 대하여 90%를 초과하는 반사율을 나타내는 DBR층의 형성을 가능하게 한다.

발광을 효율적으로 반사하는 기능을 나타내는 DBR층으로서의 기능을 하는 초 격자 구조체 상에 발광부를 배치함으로써 얻어진 구조는 고휘도의 LED의 제조에 우위하게 된다.

실시예 1:

본 발명의 내용은 DBR로서 사용하도록 의도되고 그 표면으로서 (001) 결정면을 갖는 (001) Si 단일 결정 기판 상에 형성된 초격자 구조체를 사용함으로써 LED를 구성하는 경우를 참조하여 이하에 구체적으로 설명될 것이다.

도 2는 이하의 실시예 1에 관련된 LED(20)의 평면 구조를 개략적으로 나타내고, 도 3은 도 2의 파선 Ⅲ-Ⅲ을 따른 LED(20)의 개략 단면도이다.

상기 LED(20)를 제조하도록 의도된 적층 구조체(200)는 기판(201)으로서 (001) 결정면을 표면으로 갖는 n형 실리콘(Si) 단일 결정(실리콘)을 사용함으로써 형성되었다. 일반적인 MBE 장치를 사용함으로써, 상기 기판(201)은 800℃에서 고진공으로 열처리되어 상기 기판(201)의 표면 상에 (2×1) 재배열 구조를 발생시켰다. 그런 후, 약 2nm의 층 두께를 갖는 입방형 SiC의 버퍼층(202)이 상기 Si 기판(201)의 표면 상에 형성되었다. 고해상도 TEM(HR-TEM)에 의한 격자 화상의 관찰은 상기 기판(201)과 상기 버퍼층(202) 간의 접합 경계에서, SiC의 6개의 (001) 결정면이 Si의 5개의 (001) 결정면과 도메인 매칭되었다는 것을 나타내었다.

상기 SiC 버퍼층(202)의 표면 상에, 실리콘(Si)으로 도프된 n형 AlN의 개재층(203)(상술한 바와 같이 X₁의 Al 조성비를 갖는 Al 함유 Ⅲ족 질화물 반도체층, 단, 본 실시예에서 X₁이 1이다)이 일반적인 MBE 방법에 의해서 형성되었다. 상기 개 재층(203)은 약 40nm의 층 두께를 가졌다.

상기 개재층(203) 상에, Si로 도프된 n형 Al₀ _.05Ga₀ _.95N 및 n형 AlN을 일반적인 MBE 방법에 의해서 교대로 적층함으로써 DBR층으로서 얻어진 초격자 구조체(204)가 형성되었다. 즉, 상기 초격자 구조체(204)는 0.05의 Al 조성비 X₂를 갖는 Al₀ _.05Ga₀ _.95N 및 1의 Al 조성비 X₃를 갖는 AlN으로 형성되었다. DBR로서의 사용을 위한 상기 초격자 구조체(204)는 AlN(굴절률: 약 2.16)으로 형성된 상기 개재층(203)에 인접한 층 및 AlN보다 큰 굴절률을 갖는 Al₀ _.05Ga₀ _.95N(굴절률: 2.43)으로 형성된 최상층을 가졌다. 460nm의 파장을 갖는 발광을 효율적으로 반사시키는 관점에서, 상기 초격자 구조체(204)를 형성하는 상기 AlN층 및 상기 Al₀ _.05Ga₀ _.95N층은 각각 53nm 및 47nm의 층 두께로 주어졌다. 상기 AlN층 및 상기 Al₀ _.05Ga₀ _.95N층의 적층 주기수는 20이었다.

상기 초격자 구조체(204)를 형성하는 AlN층 및 상기 Al₀ _.05Ga₀ _.95N층이 1의 높은 Al 조성비 X₁을 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체층을 통해서 배치되었으므로, 최종적으로 얻어진 구성 반도체층은 연속성이 항상 뛰어났다. 460nm의 파장을 갖는 광이 상기 초격자 구조체(204)의 최상층을 구성하는 Al₀ _.05Ga₀ _.95N층의 표면 상에 수직으로 입사된 경우, 동일한 파장의 광에 대한 DBR로서의 사용을 위한 상기 초격자 구조체(204)의 반사율은 약 97%였다.

상기 초격자 구조체(204)의 최상층을 구성하는 상기 Al₀ _.05Ga₀ _.95N층의 표면 상에, n형 Al₀ _.01Ga₀ _.99N층으로 형성된 하부 클래드층(205), n형 GaN층 및 n형 Ga_0.85In_0.15N층의 쌍을 5주기까지 반복적으로 적층함으로써 얻어진 다중 양자 우물(MQW) 구조로 형성된 발광층(206), 및 p형 Al₀ _.15Ga₀ _.85N층으로 형성된 상부 클래드층(207)이 언급된 순서대로 일반적인 MBE 방법에 의해서 순차적으로 적층되어 p-n 접합 2중 헤테로(DH) 구조를 갖는 발광부를 형성하였다. 상기 하부 클래드층(205)을 구성하는 상기 n형 Al₀ _.01Ga₀ _.99N층은 250nm의 두께로 주어졌고, 상기 상부 클래드층(207)을 구성하는 p형 Al₀ _.15Ga₀ _.85N층은 90nm의 두께로 주어졌다. MQW 구조를 갖는 상기 발광층(206)을 구성하는 n형 GaN층으로 형성된 배리어층은 10nm의 두께로 주어졌고, n형 Ga₀ _.85In₀ _.15N층으로 형성된 우물층은 3nm의 두께로 주어졌다.

p형 GaN층(층 두께=80nm)으로 형성된 컨택트층(208)은 DH 구조를 갖는 상기 발광부를 구성하는 상기 상부 클래드층(207) 표면 상에 적층되어 상기 LED(20)에서의 사용에 의도된 상기 적층 구조체(200)의 형성을 종료하였다.

상기 p형 컨택트층(208)의 일부 영역에 있어서, 금(Au)-니켈 옥시드(NiO) 합금으로 이루어진 p형 오믹 전극(209)이 형성되었다. 한편, n형 오믹 전극(210)은 건식 에칭 기술에 의해서 이러한 전극(210)의 형성을 위해서 선정된 영역에 존재한 상기 컨택트층(208), 상부 클래드층(207) 및 발광층(206)의 일부를 제거함으로써 노출된 상기 하부 클래드층(205)의 표면 상에 형성되었다. 그 후, 상기 LED(20)는 상기 완성된 구조를 칩으로 커팅함으로써 제조되었다.

상기 LED(20)는 20mA의 장치 구동 전류를 야기하여 상기 LED(20)의 p형과 n형 오믹 전극(209, 210) 간에 순 방향으로 유동시킴으로써 발광 특성이 실험되었다. 상기 LED(20)로부터의 주 발광은 약 460nm의 파장을 가졌다. Al 함유 Ⅲ족 질화물 반도체층으로 형성된 상기 초격자 구조체가 DBR층으로서 Al 함유 Ⅲ족 질화물 반도체층(개재층) 상에 배치되었으므로 상기 발광의 강도는 약 1.9cd의 높은 값에 이르렀다. p-n 접합 DH 구조를 갖는 상기 발광부가 연속성이 우수한 Al 함유 Ⅲ족 질화물 반도체층으로 형성된 상기 초격자 구조체 상에 배치되었기 때문에, 상기 발광부는 연속성이 우수한 Ⅲ족 질화물 반도체층으로 형성될 수 있었고, 따라서, 불균일한 발광을 제조하지 않고 균일한 강도의 발광을 나타내는 상기 LED(20)가 제공될 수 있었다.

실시예 2:

본 발명의 내용은 그 표면으로서 (111) 결정면을 갖고 DBR로서 사용하도록 의도되는 (111) Si 단일 결정 기판 상에 형성된 초격자 구조체를 사용함으로써 LED를 구성하는 경우를 참조하여 이하에 구체적으로 설명될 것이다.

일반적인 MBE 장치에 있어서, 그 표면으로서 (111) 결정면을 갖는 n형 실리콘 기판은 850℃에서 고진공으로 열처리되어 상기 기판의 표면 상에 (7×7) 재배열 구조를 발생시켰다. 그 후, 대략 한 원자층과 동일한 두께를 갖는 γ상 알루미늄(γ-Al)의 초박막이 상기 Si 기판의 표면 상에 버퍼층으로서 형성되었다.

상기 γ-Al 버퍼층의 표면 상에, 실시예 1에 기재된 바와 같이 n형 AlN으로 형성되고 실리콘으로 도프된 동일한 개재층이 일반적인 MBE 방법에 의해서 형성되었다. 이러한 개재층 상에, Si로 도프된 n형 Al₀ _.10Ga₀ _.90N 및 n형 AlN을 일반적인 MBE 방법에 의해서 교대로 적층함으로써 DBR층으로서 얻어진 초격자 구조체가 형성되었다. 상기 초격자 구조체는 상기 개재층에 인접한 층은 AlN(굴절률=2.16)으로 형성되고 상기 최상 표면층은 Al₀ _.10Ga₀ _.90N(굴절률=2.41, AlN보다 높음)으로 형성된 것이었다. 460nm의 파장을 갖는 발광을 효율적으로 반사시키는 관점에서, 실시예 2는 상기 초격자 구조체를 형성하는 상기 AlN층 및 Al₀ _.10Ga₀ _.90N층의 두께는 각각 53nm 및 48nm이었다. 상기 AlN층 및 Al₀ _.10Ga₀ _.90N을 적층하는 주기의 수는 30이었다.

상기 초격자 구조체를 형성하는 상기 AlN층 및 상기 Al₀ _.10Ga₀ _.90N층이 1의 높은 Al 조성비 X₁을 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체층(개재층)을 통해서 배치되었으므로, 최종적으로 얻어진 구성 반도체층은 항상 연속성이 우수했다. 460nm의 파장을 갖는 광이 30주기까지 교대를 행함으로써 제조된 상기 초격자 구조체의 최상층을 구성하는 Al₀ _.10Ga₀ _.90N층의 표면 상에 수직으로 입사된 경우, 동일한 파장의 광에 대한 DBR로서 사용하기 위한 초격자 구조체의 반사율은 약 95%이었다.

상기 초격자 구조체의 최상층을 구성하는 상기 Al₀ _.10Ga₀ _.90N층의 표면 상에, n형 Al_0.05Ga_0.95N층으로 형성된 하부 클래드층, n형 GaN층 및 n형 Ga₀ _.85In₀ _.15N층의 쌍을 5주기까지 반복적으로 적층함으로써 얻어진 MQW 구조로 형성된 발광층, 및 p형 Al_0.10Ga_0.90N층으로 형성된 상부 클래드층이 언급된 순서대로 일반적인 MBE 방법에 의해서 순차적으로 적층되어 p-n 접합 DH 구조를 갖는 발광부가 형성되었다. 상기 하부 클래드층을 구성하는 상기 n형 Al₀ _.05Ga₀ _.95N층은 200nm의 두께로 주어졌고, 상기 상부 클래드층을 구성하는 상기 p형 Al₀ _.10Ga₀ _.90N층은 80nm의 두께로 주어졌다. 실시예 1과 동일하게, MQW 구조를 갖는 상기 발광층을 구성하는 n형 GaN층으로 형성된 배리어층은 10nm의 두께로 주어졌고, n형 Ga₀ _.85In₀ _.15N층으로 형성된 우물층은 3nm의 두께로 주어졌다.

p형 인화 붕소(BP)층(층 두께=190nm)으로 형성된 컨택트층은 DH 구조를 갖는 발광부를 구성하는 상부 클래드층의 표면 상에 더 적층되어 LED에서의 사용에 의도된 적층 구조체의 형성을 종료하였다. 상기 컨택트층을 구성하는 상기 BP층은 일반적인 MOCVD 방법에 의해서 형성되었다.

상기 p형 컨택트층의 일부 영역에 있어서, Au-Zn 합금으로 이루어진 p형 오믹 전극이 형성되었다. 한편, n형 오믹 전극은 건식 에칭 기술에 의해서 이러한 전극의 형성을 위해서 선정된 영역에 존재한 상기 상부 클래드층 및 상기 발광층의 일부를 제거함으로써 노출된 상기 하부 클래드층의 표면 상에 형성되었다. 그 후, 도 2 및 도 3에 나타낸 상기 LED와 동일한 LED는 상기 완성된 구조체를 칩으로 커팅함으로써 제조되었다.

이러한 LED는 20mA의 장치 구동 전류를 야기하여 상기 LED의 p형과 n형 오믹 전극 간에 순 방향으로 유동시킴으로써 발광 특성이 실험되었다. 상기 LED로부터의 주 발광은 약 460nm의 파장을 가졌다. Al 함유 Ⅲ족 질화물 반도체층으로 형성된 상기 초격자 구조체가 DBR층으로서 γ-Al 버퍼층 상에 적층된 Al 함유 Ⅲ족 질화물 반도체층(개재층) 상에 배치되었으므로, 상기 발광의 강도는 약 2.0cd의 높은 값에 이르렀다. 상기 p-n 접합 DH 구조를 갖는 상기 발광부가 연속성이 우수한 Al 함유 Ⅲ족 질화물 반도체층으로 형성된 상기 초격자 구조체 상에 배치되었기 때문에, 상기 발광부는 연속성이 우수한 Ⅲ족 질화물 반도체층으로 형성될 수 있었고, 따라서, 불균일한 발광을 제조하지 않고 균일한 강도의 발광을 나타내는 상기 LED가 제공될 수 있었다.

실시예 3:

본 발명의 내용은 그 표면으로서 (111) 결정면을 갖는 (111) Si 단일 결정 기판 상에 형성된 금속 Al층 및 상기 Al층 상에 형성된 초격자 구조체를 사용함으로써 LED를 구성하는 경우를 참조하여 이하에 구체적으로 설명될 것이다.

도 4는 실시예 3에 관련된 LED(30)의 평면 구조를 개략적으로 나타낸다.

실리콘 기판(301)의 (111) 결정면의 표면 상에, γ-Al의 초박막(두께: 약 1 원자층)으로 형성된 버퍼층(302)이 실시예 2에 기재된 바와 같이 형성되었다.

상기 버퍼층(302) 상에, 개재층(303)이 n형 AlN으로 형성되었고 Si로 도프되었다(즉, 상술한 바와 같이 X₁의 Al 조성비를 갖는 Al 함유 Ⅲ족 질화물 반도체층, 단, 실시예 3에 X₁은 1이다).

상기 개재층(302) 상에, 0.60의 Al 조성비를 갖는 Al₀ _.60Ga₀ _.40N층(X₄의 Al 조 성비를 갖는 Ⅲ족 질화물 반도체층에 상당함, 단, 실시예 3에서 X₄가 0.60이다)으로 형성된 중간층(304)이 일반적인 MBE 방법에 의해서 형성되었다. 상기 중간층(304)은 약 200nm의 두께를 갖는 n형 Si-도프 도전층으로 형성되었다.

상기 중간층(304)에 있어서, 실시예 2에 기재된 바와 같이 n형 Si-도프 Al_0.10Ga_0.90N 및 n형 AlN을 30주기까지 교대로 반복하여 적층함으로써 얻어진 초격자 구조체(305)가 형성되었다. 상기 초격자 구조체(305)를 구성하는 상기 AlN층 및 상기 Al₀ _.10Ga₀ _.90N층은 실시예 2의 경우에서와 같이 각각 53nm 및 48nm의 두께로 주어졌다.

상기 초격자 구조체(305)의 최상층을 구성하는 상기 Al₀ _.10Ga₀ _.90N층의 표면 상에, 실시예 2에서와 같이 동일한 설명의 n형 Al₀ _.05Ga₀ _.95N층으로 형성된 하부 클래드층(306), n형 GaN 및 n형 Ga₀ _.85In₀ _.15N층의 쌍을 5주기까지 반복적으로 적층함으로써 얻어진 MQW 구조로 형성된 발광층(307), 및 p형 Al₀ _.10Ga₀ _.90N층으로 형성된 상부 클래드층(308)이 언급된 순서대로 일반적인 MBE 방법에 의해서 순차적으로 적층되어 p-n 접합 DH 접합 구조를 갖는 발광부를 형성하였다.

실시예 2에 기재된 p형 BP층으로 형성된 컨택트층(309)은 DH 구조를 갖는 상기 발광부를 구성하는 상기 상부 클래드층(308)의 표면 상에 적층되어 상기 LED(30)에서의 사용에 의도된 적층 구조체의 형성을 종료하였다.

상기 p형 컨택트층(309)의 일부 영역에 있어서, 실시예 2에 기재된 바와 같 이, Au-Zn 합금으로 이루어진 p형 오믹 전극(310)이 형성되었다. 한편, n형 오믹 전극(311)은 건식 에칭 기술에 의해서 이러한 전극(311)의 형성을 위해서 선정된 영역에 존재한 상기 컨택트층(309), 상기 상부 클래드층(308) 및 상기 발광층(307)의 일부를 제거함으로써 노출된 상기 하부 클래드층(305)의 표면 상에 형성되었다. 그런 후, LED(30)는 상기 완성된 구조를 칩으로 커팅함으로써 제조되었다.

상기 LED(30)는 20mA의 장치 구동 전류를 야기하여 상기 LED(30)의 p형과 n형 오믹 전극 간에 순 방향으로 유동시킴으로써 발광 특성이 실험되었다. 상기 LED(30)로부터의 주 발광은 약 460nm의 파장을 가졌다. 연속성이 우수한 Al 함유 Ⅲ족 질화물 반도체층으로부터 DBR층으로서 상기 초격자 구조체(305)를 형성하고, 결과적으로 Al 함유 Ⅲ족 질화물 반도체층(개재층)(303) 및 γ-Al 버퍼층(302) 상에 형성된 중간층(304)을 통한 상기 초격자 구조체(305)의 배치로 인하여 반사율을 증가시킬 수 있게 되므로, 상기 발광의 강도는 약 2.0cd의 높은 값에 이르렀다.

또한, 언더층으로서 상기 중간층(304) 상에 상기 초격자 구조체(305)의 배치로 인하여, 상기 초격자 구조체(305)는 그것의 [2.-1.-1.0.]결정 배향이 상기 중간층(304)을 구성하는 Al₀ _.65Ga₀ _.35N 결정의 [2.-1.-1.0] 결정 배향에 평행한 특이한 배향의 Al 함유 Ⅲ족 질화물 반도체층으로 형성될 수 있었다. 그 결과, 이러한 초격자 구조체 상에 배치된 p-n 접합 DH 구조를 갖는 발광부도 연속성이 우수하고 통합된 배향을 지니는 Ⅲ족 질화물 반도체층으로 형성될 수 있었다. 따라서 불균일한 강도의 발광을 생성하지 않고 균일한 강도의 발광을 나타내는 상기 LED(30)가 제공 될 수 있었다.

상기 발광층으로부터의 광은 상기 기판에 의해서 흡수되지 않으므로, 상기 광은 효율적으로 외부로 추출될 수 있다. 따라서, 고휘도의 LED를 제공할 수 있다.

Claims

실리콘 단일 결정 기판, 알루미늄 함유 Ⅲ족 질화물 반도체로 형성되고 상기 실리콘 단일 결정 기판 상에 적층된 개재층, p-n 접합 헤테로 접합 구조로 형성되고 상기 개재층 상에 적층된 발광부, 및 상기 개재층과 상기 발광부 사이에 배치되고 알루미늄을 함유하고 서로 다른 알루미늄 조성비를 갖는 복수의 Ⅲ족 질화물 반도체층으로 형성된 초격자 구조체를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 다이오드.
제 1 항에 있어서, 상기 개재층은 X₁(0＜X₁≤1)의 알루미늄 조성비를 갖고, 상기 초격자 구조체의 반도체층은 X₂ 및 X₃의 알루미늄 조성비가 X₁을 초과하지 않고 서로 달라 (0＜X₂＜X₃≤X₁)을 만족하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 다이오드.
제 2 항에 있어서, 알루미늄 함유 Ⅲ족 질화물 반도체로 형성되고 상기 개재층과 상기 초격자 구조체 사이에 배치된 중간층을 더 포함하고, 상기 중간층은 X₂ 보다 크고 X₃ 이하인 X₄의 알루미늄 조성비(0＜X₂＜X₄≤X₃)를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 다이오드.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 개재층, 상기 초격자 구조체의 반도체층 및 중간층은 각각 질화 알루미늄 갈륨으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 다이오드.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 단일 결정 기판과 상기 개재층 사이에 배치된 감마(γ)상 알루미늄막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 다이오드.