KR20100126437A - 전류-주입/터널링 발광소자 및 방법 - Google Patents

전류-주입/터널링 발광소자 및 방법 Download PDF

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KR20100126437A
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로비 조젠슨
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라이트웨이브 포토닉스 인코포레이티드
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Abstract

장치 및 그것을 제조하는 방법. 어떤 실시예는 발광 활성영역; 상기 활성영역에 인접하여 면하는 터널링 배리어(TB) 구조; 상기 TB 구조에 인접하여 면하는 TB 성장된-에피택셜-금속-거울(TB-GEMM), 여기서 상기 TB-GEMM 구조는 적어도 하나의 금속을 포함하고 상기 활성영역에 대해 실질적으로 격자 매칭됨; 상기 TB 구조와 반대쪽에서 상기 활성영역에 인접하여 면하는 도전성-타입 III-질화물 결정구조를 구비하는 발광소자를 포함한다. 어떤 실시예에서, 상기 활성영역은 MQW 구조를 포함한다. 어떤 실시예에서, 상기 TB-GEMM은 합금 복합체를 포함하여 금속 전류 주입자는 상기 MQW의 서브밴드 최저 에너지 포텐셜과 실질적으로 동일한 페르미 에너지 포텐셜을 갖는다. 어떤 실시예는 추가적으로 상기 TB-GEMM 구조와의 사이에 광학적 공동을 형성하는 제2거울(선택적으로 GEMM)을 포함한다. 어떤 실시예에서, 적어도 하나의 GEMM이 기판상에 그것과 격자 매칭된다.

Description

전류-주입/터널링 발광소자 및 방법{Current-injecting/tunneling light-emitting device and method}
본 출원은 전체로서 여기 참조로 포함된 2008년 2월 25일 출원된 미국 가특허출원 No. 61/066,960의 35 U.S.C §119(e) 상의 이익을 주장한다.
본 출원은 모든 목적에서 전체로서 여기 참조로 포함된 2007.8.3일 출원된 하나 이상의 공명 반사기 및 그러한 소자용 반사성의 가공된 성장 템플릿을 포함하는 III-질화물 발광소자 및 그 제조방법에 관한 US 특허 출원 11/882,730(대리인 도켓 5069.001us1)과 관련되어 있다.
본 발명은 반도체 발광기 및 소자에 관한 것이고, 특히 그룹 III-질화물 발광 다이오드(LEDs)의 제조방법 및 장치에 관한 것으로, 그 어떤 실시예들은 수직 구조 LED를 제공하고, 및 선택적으로 그룹 III-질화물 LEDs, GaN-베이스 LEDs 및 반도체 레이저 다이오드를 포함한다.
본 발명은 III-질화물 베이스의 발광 다이오드(LEDs)에 관한 것이다. 지난 십년 동안, 그룹 III-질화물 베이스의 발광소자는 그룹 III-질화물 베이스의 소자가 자외선(UV), 청색광 및 녹색광 영역에서의 파장을 갖는 빛을 방출하는 능력으로 인하여 상당한 주목을 받아왔다. 그룹 III-질화물 베이스의 발광소자를 개발하고 상업화하기 위해 사용되는 주요한 수단에도 불구하고, 향상된 효율, 신뢰성 및 성능 특성을 갖는 그룹 III-질화물 베이스의 발광소자를 현실화하는 데에는 상당한 어려움 및 장벽이 아직 존재한다. 통상적인 표준 III-질화물 LEDs는 전자가 반도체 소자로 주입되어 나중에 더 낮은 포텐셜 활성영역으로 주입될 목적을 위해 상기 전자 포텐셜이 n-타입층의 도전-밴드 최저일 것을 요구한다. 최초 전자 주입의 포텐셜 레벨은 LED를 작동시키기 위해 요구되는 전압을 결정한다. 일단 전자가 통상의 표준 LED 소자로 최초 주입되면, 전자는 에너지 면에서 n-타입 반도체 도전-밴드 최저로부터 활성영역의 서브밴드 최저의 에너지 포텐셜로 떨어지고, 그런다음 양전하 운반자와 결합한 후, 광전자로서 에너지를 방출한다. n-타입 도전 밴드의 바닥으로부터 활성영역의 서브밴드 최저의 에너지 포텐셜로 전자 에너지의 최초 강하는 열 및 따라서 손실되는 에너지로 변환된다. 이러한 손실된 에너지는 열 발생이 감소된 소자의 신뢰성으로 인하여 바람직하지 못하며, 전기적 에너지를 빛으로 변환시키는데 있어서 효율적인 LEDs가 유리하다는 이유에서 이슈화되고있다. 나아가, 통상의 LEDs에서 전자는 양자우물을 지나 p-타입 물질로 이동하고, 여기서 전자는 소자의 활성영역 외부의 홀과 결합되며 따라서 전자를 n-GaN의 도전 밴드로 이동시키기 위해 소비되는 에너지가 손실된다. 앞서 언급된 한계를 보이는 통상의 LED 소자의 한 예가 종래기술 도1a, 1b 및 1c에 도시된다.
2003년 9월 2일 Wang 등에 발행된 "비대칭 공명 터널링을 포함하는 발광 다이오드" 명칭의 미국 특허 6,614,060이 모든 목적을 위해 전체로서 참조로 여기 포함된다. Wang 등은 전하 비대칭 공명 터널링을 구비하는 두 개의 우물 시스템을 기본으로 하는 LED로서, 제1 및 제2의 짝지어진 우물을 포함하고, 하나는 넓은 우물이고 나머지 하나는 활성 양자우물인 것을 기재한다. 상기 우물들은 양자-터널링 전자에 대해서는 실질적으로 투과성이며 홀에 대해서는 차단성인 공명 터널링 배리어를 통해 짝지어진다.
Ito 등에 발행된 "그룹 III 질화물 화합물 반도체 소자" 명칭의 미국특허 번호 6,426,512가 모든 목적을 위해 전체로서 참조로 여기 포함된다. Ito 등은 기판 상에 형성된 금속 질화물층을 포함하는 언더코트층을 기재한다. 그룹 III 질화물 화합물 반도체 층은 언더코트층 상에 연속적으로 형성된다.
Grupp 등에 발행된 "전기적 접합시 반도체의 페르미 레벨을 디피닝하는 방법 및 그러한 접합을 포함하는 소자" 명칭의 미국특허 번호 7,176,483이 모든 목적을 위해 전체로서 참조로 여기 포함된다. Grupp 등은 반도체(예를들면, C, Ge 또는 Si-베이스의 반도체), 도전체, 및 그들 사이에 놓여진 계면층을 포함하는 전기적 접합을 기재한다. 상기 계면층은 반도체의 페르미 에너지를 디핀하기에 충분히 두껍고, 한편 약 1000Ω-㎛2 이하의 특정 접속 저항 및 어떤 경우에는 최저 특정 접속 저항을 갖는 접합을 제공하기에 충분히 얇다.
향상된 발광 다이오드, 특히 그룹 III-질화물 LEDs, 및 특히 공명의 터널링 배리어를 사용하는 그룹 III-질화물 LEDs에 대한 필요성이 존재한다.
어떤 실시예에서, 본 발명은 발광 활성영역, 상기 발광 활성영역에 인접하여 면하는 터널링 배리어(TB) 구조, 상기 TB 구조에 인접하여 면하는 TB 성장된-에피택셜-금속-거울(TB-GEMM), 여기서 상기 TB-GEMM 구조는 적어도 하나의 금속을 포함하고 상기 활성영역에 대해 실질적으로 격자 매칭되며, 상기 TB 구조와 반대쪽에서 상기 활성영역에 인접하여 면하는 도전성-타입 III-질화물 결정구조를 구비하는 발광소자를 포함하는 장치를 제공한다. 어떤 실시예는 추가적으로 상기 도전성-타입 III-질화물 결정구조에 전기적으로 연결되는 전류-도전성 접속부를 포함한다. 상기 장치의 어떤 실시예에서, 상기 활성영역은 선택적으로 다중 양자우물(MQW) 구조를 포함한다. 상기 장치의 어떤 실시예에서, 상기 MQW 구조는 상기 활성영역의 상기 MQW 구조는 선택된 서브밴드 최저 에너지 포텐셜을 제공하도록 선택된 양자우물 폭을 포함하고, 및 상기 TB-GEMM 구조는 합금 복합체를 포함하여 금속 전류 주입자가 상기 MQW의 서브밴드 최저 에너지 포텐셜과 실질적으로 동일한 페르미 에너지 포텐셜을 가진다.
어떤 실시예에서, 본 발명은 발광소자를 제조하는 방법을 제공한다. 이 방법은 발광 활성영역을 형성하고, 터널링 배리어(TB) 구조를 형성하여 발광소자에서 상기 TB 구조가 상기 활성영역에 인접하여 면하며, TB 성장된-에피택셜-금속-거울(TB-GEMM) 구조를 형성하여 발광소자에서 상기 TB-GEMM 구조가 상기 TB 구조에 인접하여 면하고, 여기서 상기 TB-GEMM 구조는 적어도 하나의 금속을 포함하고, 여기서 상기 TB-GEMM 구조는 상기 활성영역에 대해 실질적으로 격자 매칭되고, 도전성 타입 III-질화물 결정구조를 형성하는 것을 포함하여 발광소자에서 상기 도전성 타입 III-질화물 결정구조가 상기 TB 구조의 반대쪽에서 상기 활성영역에 인접하여 면한다. 어떤 실시예는 추가적으로 전류-도전성 접속부를 형성하는 것을 포함하여 발광소자에서 상기 전류-도전성 접속부가 상기 도전성 타입 III-질화물에 전기적으로 연결된다. 상기 방법의 어떤 실시예에서, 상기 활성영역을 형성하는 것은 선택적으로 다중 양자우물(MQW)을 형성하는 것을 포함한다. 상기 방법의 어떤 실시예에서, 상기 활성영역의 MQW 구조를 형성하는 것은 선택된 서브밴드 최저 에너지 포텐셜을 제공하도록 선택된 양자우물 폭을 형성하는 것을 선택적으로 포함하고, 및 상기 TB-GEMM 구조는 합금 복합체를 포함하여 금속 전류 주입자가 상기 MQW의 서브밴드 최저 에너지 포텐셜과 실질적으로 동일한 페르미 에너지 포텐셜을 가진다.
도1a는 선행기술 다중양자우물(multiple-quantum-well, MQW) 소자(102 또는 103)의 에너지 레벨 다이아그램(101)이다.
도1b는 절연성 기판을 포함하는 선행기술 MQW 소자(102)의 블록 다이아그램이다.
도1c는 도전성 기판을 포함하는 선행기술 MQW 소자(103)의 블록 다이아그램이다.
도2a는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 MQW 소자(202 또는 203)의 에너지 레벨 다이아그램(201)이다.
도2b는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 절연성 기판을 포함하는 MQW 소자(202)의 블록 다이아그램이다.
도2c는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 도전성 기판을 포함하는 MQW 소자(203)의 블록 다이아그램이다.
도2d는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 절연성 기판 및 광학적 공동을 포함하는 MQW 소자(204)의 블록 다이아그램이다.
도2e는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 도전성 기판 및 광학적 공동을 포함하는 MQW 소자(205)의 블록 다이아그램이다.
도2f는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 절연성 기판을 포함하며, 여기서 빛이 상기 기판을 관통하여 방출될 수 있는 MQW 소자(206)의 블록 다이아그램이다.
도2g는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 도전성 기판 및 빛이 그것을 관통하여 소자의 상부로부터 방출되도록 하는 얇은 상부 GEMM 구조를 포함하는 MQW 소자(207)의 블록 다이아그램이다.
도2h는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 절연성 기판 및 광학적 공동을 형성하는 얇은 바닥부 GEMM를 포함하여, 여기서 빛이 상기 바닥부 GEMM 및 기판을 관통하여 방출되도록 하는 MQW 소자(208)의 블록 다이아그램이다.
도2i는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 도전성 기판 및 광학적 공동을 형성하며 빛이 그것을 관통하여 소자의 상부로부터 방출되도록 하는 얇은 상부 GEMM 구조를 포함하는 MQW 소자(209)의 블록 다이아그램이다.
도3a는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 MQW 소자(302, 303)의 에너지 레벨 다이아그램(301)이다.
도3b는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 절연성 기판을 포함하는 MQW 소자(302)의 블록 다이아그램이다.
도3c는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 도전성 기판을 포함하는 MQW 소자(303)의 블록 다이아그램이다.
도3d는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 절연성 기판 및 광학적 공동을 포함하는 MQW 소자(304)의 블록 다이아그램이다.
도3e는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 도전성 기판 및 광학적 공동을 포함하는 MQW 소자(305)의 블록 다이아그램이다.
도3f는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 절연성 기판을 포함하며, 여기서 빛이 상기 기판을 관통하여 방출될 수 있는 MQW 소자(306)의 블록 다이아그램이다.
도3g는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 도전성 기판 및 빛이 그것을 관통하여 소자의 상부로부터 방출되도록 하는 얇은 상부 GEMM 구조를 포함하는 MQW 소자(307)의 블록 다이아그램이다.
도3h는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 절연성 기판 및 광학적 공동을 형성하는 얇은 바닥부 GEMM를 포함하여, 여기서 빛이 상기 바닥부 GEMM 및 기판을 관통하여 방출되도록 하는 MQW 소자(308)의 블록 다이아그램이다.
도3i는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 도전성 기판 및 광학적 공동을 형성하며 빛이 그것을 관통하여 소자의 상부로부터 방출되도록 하는 얇은 상부 GEMM 구조를 포함하는 MQW 소자(309)의 블록 다이아그램이다.
도4a는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 MQW 소자(402, 403)의 에너지 레벨 다이아그램(401)이다.
도4b는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 절연성 기판을 포함하는 MQW 소자(402)의 블록 다이아그램이다.
도4c는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 도전성 기판을 포함하는 MQW 소자(403)의 블록 다이아그램이다.
도4d는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 절연성 기판 및 광학적 공동을 포함하는 MQW 소자(404)의 블록 다이아그램이다.
도4e는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 도전성 기판 및 광학적 공동을 포함하는 MQW 소자(405)의 블록 다이아그램이다.
도4f는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 절연성 기판을 포함하며, 여기서 빛이 상기 기판을 관통하여 방출될 수 있는 MQW 소자(406)의 블록 다이아그램이다.
도4g는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 도전성 기판 및 빛이 그것을 관통하여 소자의 상부로부터 방출되도록 하는 얇은 상부 GEMM 구조를 포함하는 MQW 소자(407)의 블록 다이아그램이다.
도4h는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 절연성 기판 및 광학적 공동을 형성하는 얇은 바닥부 GEMM를 포함하여, 여기서 빛이 상기 바닥부 GEMM 및 기판을 관통하여 방출되도록 하는 MQW 소자(408)의 블록 다이아그램이다.
도4i는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 도전성 기판 및 광학적 공동을 형성하며 빛이 그것을 관통하여 소자의 상부로부터 방출되도록 하는 얇은 상부 GEMM 구조를 포함하는 MQW 소자(409)의 블록 다이아그램이다.
도5a는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 절연성 기판을 포함하는 MQW 소자(502)의 블록 다이아그램이다.
도5b는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 도전성 기판을 포함하는 MQW 소자(503)의 블록 다이아그램이다.
도6a는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 절연성 기판을 포함하는 MQW 소자(602)의 블록 다이아그램이다.
도6b는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 도전성 기판을 포함하는 MQW 소자(603)의 블록 다이아그램이다.
도7a는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 절연성 기판을 포함하는 MQW 소자(702)의 블록 다이아그램이다.
도7b는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 도전성 기판을 포함하는 MQW 소자(703)의 블록 다이아그램이다.
도8a는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 절연성 기판을 포함하는 MQW 소자(802)의 블록 다이아그램이다.
도8b는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 도전성 기판을 포함하는 MQW 소자(803)의 블록 다이아그램이다.
도9a는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 절연성 기판을 포함하는 MQW 소자(902)의 블록 다이아그램이다.
도9b는 본 발명의 어떤 실시예에 의한 도전성 기판을 포함하는 MQW 소자(903)의 블록 다이아그램이다.
도10은 본 발명의 어떤 실시예에 의한 MQW 소자의 에너지 레벨 다이아그램(1000)이다.
도11은 본 발명의 어떤 실시예에 의한 한 방법(1100)의 플로우 차트이다.
다음의 바람직한 실시예의 상세한 기재에서, 참조는 이 문서의 일부를 이루고, 본 발명이 구현되는 특정 실시예를 도시하는 방법으로 보여주는 첨부된 도면에 대해 이루어진다.
도면에 나타나는 참조 번호들의 앞번호는 그 구성요소가 처음 도입되는 도면 번호에 일반적으로 대응하여, 동일한 참조 번호가 여러 도면에서 나타나는 동일한 구성요소를 참조하기 위해 전부 사용된다. 신호 및 연결은 동일 참조 번호 또는 표시에 의해 참조될 것이며, 그 실제 의미는 기재 내용 중에서의 사용으로부터 명확해질 것이다.
에피택셜 성장된 금속 거울의 다양한 형태를 포함하는 소자 구조가 기재된다. 여기서 사용된 바에 의하면, 이러한 임베드된 거울(또는 거울 형상)은 성장된-에피택셜-금속-거울(Grwon-Epitaxial-Metal-Mirror, GEMM) 또는 GEMM 층이다. 어떤 실시예에서, 상기 GEMM층은 다중 양자우물(MQW)로 홀 또는 전자의 터널링을 용이하게 하도록 형성된다(예를들면, 그 일함수를 조정함으로써).
여기 사용된 바에 의하면:
두 개의 구조가 서로 "인접하여 면함"은 한 개의 구조가 적어도 그 일부가 다른 구조의 주요 표면의 일부에 면하는 주요 표면을 가져, 상기 주요 표면들의 일부들이 각각에 근접 또는 접촉할 때이다.
두 개의 구조가 서로 "가장자리 인접함"은 한 개의 구조가 적어도 그 일부가 다른 구조의 가장자리의 일부에 근접 또는 접촉하는 가장자리를 가질 때이다.
두 개의 구조가 서로 "인접함"은 한 개의 구조가 다른 구조에 인접하여 면하거나 가장자리 인접할 때이다.
두 개의 구조가 서로 "접촉하여 면함"은 한 개의 구조가 적어도 그 일부가 다른 구조의 주요 표면의 일부에 면하는 주요 표면을 가져, 상기 주요 표면들의 일부들이 각각에 접촉할 때이다.
두 개의 구조가 서로 "가장자리 접촉함"은 한 개의 구조가 적어도 그 일부가 다른 구조의 가장자리의 일부에 접촉하는 가장자리를 갖을 때이다.
두 개의 구조가 서로 "접촉함"은 한 개의 구조가 다른 구조에 인접하여 면하거나 가장자리 인접할 때이다.
여기 사용된 바에 의하면, 용어 "이중 헤테로접합"은 더 작은 밴드갭을 갖는 반도체층이 더 큰 밴드갭을 갖는 두 반도체층 사이에 샌드위치된 반도체 재료 구조로 참조된다.
여기 사용된 바에 의하면, 용어 "양자우물"("QW")은 더 작은 밴드갭을 갖는 반도체층이 더 큰 밴드갭을 갖는 두 반도체층 사이에 샌드위치되고, 더 작은 밴드갭 반도체층의 두께가 얇아서 도전 밴드 갈라짐(splitting) 및 밸런스 밴드 갈라짐(splitting)이 더 작은 밴드갭 반도체층에서 일어나는 반도체 재료 구조로 참조된다.
여기 사용된 바에 의하면, 용어 "다중 양자우물"("MQW")은 "QW"들이 서로 인접하여 위치하는 다중 양자우물을 갖는 구조로 참조된다. 어떤 실시예에서, 본 발명은 약 2개의 양자우물 내지 약 4개의 양자우물, 포함적, 약 4개의 양자우물 내지 약 8개의 양자우물, 포함적, 약 8개의 양자우물 내지 약 12개의 양자우물, 포함적, 또는 12개 초과의 양자우물을 갖는 MQWs를 포함한다. 어떤 실시예에서, 양자우물이 양자우물의 파장함수가 중첩되기에 충분히 얇을 때 다중 양자우물 구조는 "초-격자(super-lattice) 양자우물 구조"로 참조된다.
여기 사용된 바에 의하면, 용어 "터널링 배리어"는 전하 운반자(예를들면, 전자 또는 홀)가 양자-기계적으로 관통하여 터널링하게 할 정도로 충분히 얇으나, 보통의 전류 흐름에 대해서는 실질적인 배리어인 재료(예를들면, 반도체성, 절연성, 도전성 등)의 얇은 층으로 참조된다. 어떤 실시예에서, 터널링 배리어는 약 1Å 및 150Å의 범위, 어떤 다른 실시예에서, 터널링 배리어는 약 1Å 및 10Å의 범위, 10Å 및 15Å 사이, 15Å 및 20Å 사이, 20Å 및 30Å 사이, 30Å 및 40Å 사이, 40Å 및 50Å 사이, 50Å 및 75Å 사이, 75Å 및 100Å 사이, 100Å 및 125Å 사이, 125Å 및 150Å 사이의 두께를 가지며; 상기 범위 각각은 그 한계점을 포함한다. 어떤 실시예에서, 터널링 배리어 두께 및 양자우물의 두께는 에너지 밴드 갈라짐에 기여하고, 따라서 결합된 터널링 배리어/활성영역 구조의 페르미 레벨 에너지를 조정하는데 사용될 수 있다.
여기 사용된 바에 의하면, 용어 "공명 터널링 배리어"(RTB)는 터널링 배리어의 일면 상의 재료의 에너지 레벨이 터널링 배리어의 반대면 상의 재료의 에너지 레벨과 동일하거나 거의 동일한 터널링 배리어로 참조된다. 어떤 실시예에서, RTB의 일면 상 금속의 일함수에 따라, RTB는 홀 또는 전자를 우선적으로 터널링시키는 반면, 다른 것은 그렇지 않도록 형성될 수 있다. 어떤 경우에서, RTB 양면 상의 에너지 레벨 간의 공명으로 인하여 선택된 전하 운반자가 RTB를 관통하여 터널링할 확률이 높아진다.
어떤 실시예에서, 본 발명은 발광용 반도체 베이스의 소자, 더욱 상세하게는 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, AlGaInN 등을 포함하는 발광용 그룹 III-질화물 반도체 베이스의 소자를 제공한다. 어떤 실시예에서, 본 발명은 그룹 III-질화물 외, 예를들면, 그룹 IV 반도체, 그룹 III-V 반도체, 그룹 II-VI 반도체, Si, Ge, GaP, InP, InGaP, AlGaP, GaAs, GaAsP, GaSb, GaSbAs, GaAlP, InGaAlP, InGaAsP, AlGaAs, AlGaInAs, AlN, ZnSe, 및 SiC 등으로부터의 반도체를 사용하는 발광소자를 제공한다. 어떤 실시예에서, 본 발명의 발광소자는 종래 확인된 반도체의 다층(multiple layers) 등은 물론 종래 확인된 반도체의 다양한 화학양론적 화합물을 사용한다. 어떤 실시예에서, 본 발명에서 사용되는 반도체층(양자우물, 양자우물 배리어, 차단층 등)은 상기 리스트의 반도체 재료를 포함한다.
어떤 실시예에서, 본 발명의 발광소자는 기판 또는 성장 템플릿을 사용하고 상기 기판 또는 성장 템플릿 상에 뒤이어 소자 활성층을 성장 또는 형성시켜 형성된다. 어떤 실시예에서, 본 발명에서 사용된 기판 또는 성장 템플릿의 형태는 특정 소자 구조(예를들면, 수직, 플립칩(flip-chip), 또는 상부 접속(top-side contacts), 상부 빛 방출(top-side light output), 기판 빛 방출(substrate light output) 등)를 달성하기 위해, 특정 빛-방출 파장을 달성하기 위해, 큰 규모의 제조에서 비용을 감소시키기 위해, 또는 성능을 최적화하기 위해 선택된다. 어떤 실시예에서, 기판 또는 성장 템플릿은 실리콘, 사파이어, 실리콘 카바이드, 산화아연, 스피넬, GaAs, GaN, InP, MgAl2O4, AlN, GaP, MgO, LiGaO2, LiAlO2, NdGaO3, ScAlMgO4, Ca8La2(PO4)6O2, Zr, Hf, ScN, TiN, NbN, ZrxHf(1-x)B2 또는 ZrxHf(1-x)N 여기서 x는 0 및 1 사이, 포함적 등이다. 어떤 실시예에서, 상기 기판은 선택적으로 레이저 리프트오프(laser liftoff), 젖음 에칭(wet etching), 드라이 에칭 등 다양한 기술에 의해 제거된다.
어떤 실시예에서, 소자 특성을 갖는 재료에 재료 특성(예를들면, 표면 거칠기, 변위(dislocation) 밀도, 격자 상수 등)을 제공하도록 버퍼층 또는 버퍼구조가 활성 소자층을 성장시키기에 앞서 기판상에 직접 형성되고, 이에 따라 뒤이어 활성 소자층을 성장시킨다. 어떤 실시예에서 본 발명에서 사용된 버퍼층은 도핑 및 비도핑의 반도체층, 도전층, 절연층 또는 반도체, 도전 및 절연층 등의 어떤 조합을 포함한다. 어떤 실시예에서 상기 버퍼층은 p-도핑된 GaN, n-도핑된 GaN, 고유의 도핑된 GaN(비의도적으로 도핑된 GaN), SiGe, AlN, ZrN, Al, SiO2, Si3N4, GaO, 조합 및 다층(multiple layers) 등을 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서, 상기 버퍼층은 기판상에 약2마이크론의 두께를 가지도록 성장된 고유의 도핑된 GaN층을 포함하며, 어떤 다른 실시예에서는 상기 버퍼층은 약2마이크론의 두께를 가지는 기판상에 성장한 실리콘-도핑된 GaN(즉, n-도핑된 GaN)층이다.
어떤 실시예에서, 발광소자는 기판 또는 성장 템플릿 상, 버퍼층 상, 소자 특성 성질을 갖는 소자 구조의 다른 층들 상에 직접적으로 형성된 성장된 에피택셜 금속거울(GEMM)을 포함한다. 어떤 실시예에서, 상기 GEMM은 벌크 재료 성질에 따라 완전히 비투과성 및 고반사성으로 성장하거나, 단순히 GEMM 성장 시간, 및 따라서 에피택시 동안 두께를 조정함에 의해 다른 소자 구조의 요구에 맞도록 반투과성으로 성장할 수 있다. 어떤 실시예에서, GEMM 용으로 사용되는 재료는 III-질화물층의 격자상수에 근접하게 매칭하며 소자특성 성질을 갖는다. 어떤 실시예에서, GEMM층은 분산 브래그 반사기(Distributed Bregg Reflectors, DBRs) 또는 비-에피택셜 거울과 같은 통상의 발광소자 구조 구성요소에 비해 많은 장점을 갖는다. 예를들면, GEMM층은 결함과 크랙을 발생시킬 수 있는 DBRs과 같은 많은 교차적인 반도체 재료의 적층을 요구하지 않는다. 추가적으로, 상기 GEMM층은 전기적 전류 주입 및 전류 분산을 향상시키기 위한 도전층으로 사용될 것이다. 나아가, 우수한 전류 분산은 정전기적-방전 신뢰성을 향상시킬 것이다. 어떤 실시예에서, 상기 GEMM층의 두께는 약1nm 및 약150nm 사이여서, 상기 GEMM층은 부분적으로 투과성이다. 어떤 실시예에서, 상기 GEMM층의 두께는 약150nm 및 약1마이크론 사이여서, 상기 GEMM층은 고반사성이다.
어떤 실시예에서, 상기 GEMM층은 그룹 IVB 금속 Zr, Hf, (HfxZr1 -x, 여기서 x는 0 내지 1, 포함적), 및 전이금속 이붕소화물(diboride) ZrB2, HfB2, YB2 및(HfxZryYzB2 여기서 x+y+z=1, 및 x 및 y 및 z는 각각 0 및 1 사이, 포함적) 및 전이 금속 질화물 ZrN, HfN, TiN, YZrN 및(HfxZryYzN 여기서 x+y+z=1, 및 x 및 y 및 z는 각각 0 및 1 사이, 포함적)과 같은 용해하기 어려운(refractory) 금속 및/또는 금속성 화합물(metallic compound)을 포함할 수 있다.
어떤 실시예에서, 상기 GEMM 용 재료는 기판 또는 성장 템플릿, 또는 버퍼층, 또는 발광소자에 위치하고 충분한 소자 특성을 가지는 다른 층 상에 근접하여 격자 매칭되게 성장할 수 있는 다양한 금속 및 금속 화합물을 포함함으로써, 곤란성 및 고변위(high dislocation) 밀도로 인한 감소된 소자 특성을 피할 수 있다. 어떤 실시예에서, GEMM 재료는 기판 또는 성장 템플릿, 또는 버퍼층, 또는 발광소자에 위치하고 충분한 소자 특성을 가지는 다른 층에 열적 팽창 매칭되며, 이에의해 크랙의 용이성 및 변위 밀도가 감소된다. 어떤 실시예에서, GEMM 재료층은 금속-유기화학적 증착(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD), 펄스 레이저 침착(Pulsed Laser Deposition, PLD), 스마트-셔터링 금속-변형된 폐쇄-회로 분자빔 에피택시(smart-shuttering metal-modulated closed-loop molecular-beam epitaxy), 유기적-금속성 증기상 에피택시(Organo-Metalic Vapor Phase Epitaxy, OMVPE), 분자빔 에피택시(Molecular Beam Epitaxy, MBE), 수소화물 증기상 에피택시(Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE), 물리적 증착(Physical Vapor Deposition, PVD) 및/또는 그와 같은 것을 이용하여 성장될 수 있다.
어떤 실시예에서, 소자 특성 GEMM은 통상의 III-질화물 반도체 발광 에피택셜 스택의 활성영역에 결합된 n-타입 III-질화물층을 대신하여 사용될 수 있다. 어떤 실시예에서, GEMM은 문제성 정전기적 방전 손실을 감소시킬 수 있다.
어떤 실시예에서, GEMM 재료의 벌크 전도도는 그룹 III-질화물 베이스의 발광소자 구조로 현재 포함되는 적당히 도핑된 n-타입 III-질화물층에 비해 약 5배 및 약 30배 많은 도전성이다. GEMM의 고 도전성 특성은 소자를 가로지르는 전자적 운반자 이동을 향상시키는데 기여할 수 있으며, 이에따라 전자의 흐름을 위한 통로를 생성하고, 따라서 바람직하지 않은 정전기적 방전의 영향을 감소시킨다.
어떤 실시예에서, 본 발명의 발광소자는 빛을 생산하는 목적을 위한 소자 구조에 형성된 활성영역을 포함하고, 상기 활성영역은 그 안에서 전기적으로 여기된( excited) 전자가 홀과 결합하여 특정 파장을 갖는 광전자를 생성하는 하나 이상의 반도체 재료를 포함한다. 어떤 실시예에서, 발광소자의 활성영역은 이중 헤테로접합, 또는 양자우물(QW) 구조 또는 다중 양자우물(MQW) 구조를 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서, 이중 헤테로접합 활성영역 구조는 약 2Å 및 약 25Å 사이의 두께를 갖는 공명 터널링 배리어(RTB) 및 약 200nm 및 약 5마이크론 사이의 두께를 갖는 p-타입 GaN(예를들면, Mg-도핑된 GaN) 층 사이에 샌드위치된, 200Å 및 약 5마이크론 사이의 두께를 갖는 InGaN층을 포함한다. 어떤 실시예에서, QW 활성영역 구조는 약 2Å 및 약 100Å 사이의 두께를 갖는 공명 터널링 배리어(RTB) 및 약 200nm 및 약 5마이크론 사이의 두께를 갖는 p-타입 GaN(예를들면, Mg-도핑된 GaN) 층 사이에 샌드위치된, 5Å 및 약 200Å 사이의 두께를 갖는 InGaN층을 포함한다. 어떤 실시예에서 MQW 활성영역 구조는 세 개의 QW를 포함하고, 각각 약 5Å 및 약 200Å 사이의 두께를 갖는 InGaN의 다중층을 포함하며, 제1 InGaN층은 약 2Å 및 약 50Å 사이의 두께를 갖는 공명 터널링 배리어(RTB) 및 약 25Å 및 약 150Å 사이의 두께를 갖는 i-GaN 층 사이에 샌드위치되고, 제2층(즉, 가운데) InGaN 층은 각각 약 25Å 및 약 150Å 사이의 두께를 갖는 두 i-GaN 층들 사이에 샌드위치되며, 제3 InGaN 층은 약 25Å 및 약 150Å 사이의 두께를 갖는 i-GaN 층 및 약 200nm 및 약 5마이크론 사이의 두께를 갖는 p-타입 GaN(예를들면, Mg-도핑된 GaN)층 사이에 샌드위치된다.
어떤 실시예에서, 본 발명은 상기 GEMM 층의 반대편 활성영역의 일면 상에 위치하는 제2거울을 제공한다. 어떤 실시예에서, 상기 제2거울은 활성영역에 의해 방출된 빛을 반사하는 데 사용되어 소자로부터의 광출력을 향상시키고 및/또는 GEMM층 및 제2거울 사이의 거리에 의해 정해지는 광학적 공동 길이를 가지는 광학적 공동을 형성한다. 어떤 실시예에서, 상기 제2거울은 적어도 하나의 하기의 것을 포함한다: 고반사성 거울, 부분적으로 반사성 및 부분적으로 투과성인 거울, GEMM, 분산 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflectos, DBR), 투과성 전도성 거울(예를들면, 인듐 주석 산화물(ITO)), 계면 거울(interfacial mirror), 금속 거울, 반도체 및 공기 사이의 계면 등. 어떤 실시예에서, 상기 제2거울은 어떤 다른 적당한 거울 구조이다.
여기 기재된 바에 의하면, 용어 "터널링 배리어 GEMM"("TB-GEMM")(또한, "활성영역 GEMM"("AR-GEMM"))은 터널링 배리어 또는 RTB 옆에 위치하고, 상기 터널링 배리어 또는 RTB를 관통하여 터널링하는 전하 운반자를 제공하는 GEMM층으로 참조된다. 여기 기재된 바에 의하면, 용어 "광학적 공동 GEMM"("OC-GEMM")은 제2거울로 사용되고 터널링 배리어 또는 RTB를 관통하여 터널링하는 전하 운반자를 공급하는데 사용되지 않는 GEMM층으로 참조된다. 어떤 실시예에서, 활성영역이 AR-GEMM 및 OC-GEMM 사이에 존재할 때에 제1 GEMM은 AR-GEMM이고 제2거울은 광학적 공동을 형성하도록 구성된 OC-GEMM이다.
어떤 실시예에서, 본 발명은 반도체 터널링 배리어 또는 반도체 RTB의 페르미 에너지 레벨을 디핀(depin)시켜 AR-GEMM 및 반도체 터널링 배리어의 계면에 매달린 결합들이 종결되고 반도체 페르미 레벨에 대한 금속 유도된 갭 상태(metal induced gap states, MIGS)의 영향을 감소시키기 위해 AR-GEMM 및 반도체 터널링 배리어 사이 또는 AR-GEMM 및 반도체 RTB 사이에 위치하는 계면 절연층을 제공한다. 반도체 터널링 배리어의 페르미 레벨이 디핀되면, AR-GEMM의 일함수가 다음으로 조정되어 AR-GEMM의 페르미 레벨이 QW 또는 MQW 구조의 활성영역 내 도전 밴드에서의 제1서브밴드와 함께 정렬될 수 있어 공명 터널링을 향상시키거나, AR-GEMM의 페르미 레벨이 이중 헤테로접합 활성영역 내의 작은 밴드갭 반도체의 도전 밴드와 함께 정렬될 수 있어 공명 터널링을 향상시킨다. 어떤 실시예에서 터널링 배리어층은 또한 계면 절연층의 성능을 제공하고, 즉, 상기 터널링 배리어층은 활성영역의 페르미 레벨을 "디핀" 하고, 선택된 전하 운반자가 양자우물 서브밴드 포텐셜로 관통하여 터널링하는 터널링 배리어를 제공하는데 모두 사용된다. 어떤 실시예에서, 상기 계면층은 부동태화하는(passivating) 재료 예를들면, 반도체의 질화물, 불소화물, 산화물, 산소질화물, 수소화물(hydride) 및/또는 비화물(arsenide)을 포함하고, 어떤 경우에 또한 분리된 층을 포함한다. 다른 실시예에서, 다른 절연성 재료는 부동태화용으로 사용된다. 어떤 실시예에서 부동태화하는 재료는 필수적으로 그것의 모노레이어로 구성될 수 있고, 또는 어떤 경우에 GEMM의 페르미 레벨을 반도체의 도전 밴드, 반도체의 밸런스 밴드, 활성영역의 서브밴드와 함께 정렬하거나, 반도체의 페르미 레벨에 대해 독립되게 하는 두께를 가질 수 있다. 어떤 실시예에서, 계면층 또는, 또한 계면층으로 작동할 때 터널링 배리어는 GEMM 층 및 반도체층(터널링 배리어, 양자우물층, 양자우물 차단층 등) 사이의 계면에서 비 방사성 재결합 사이트(non-radiative recommbination sites)를 감소 또는 실질적으로 제거하는데 사용된다.
어떤 실시예에서, 본 발명은 이중 TB-GEMM/터널링 배리어 구조를 포함하는 발광소자를 제공한다. 즉, 어떤 실시예에서, LED의 활성영역은 활성영역의 각 표면 상에 TB-GEMM/터널링 배리어 구조를 포함하여 활성영역의 제1면 상의 제1 TB-GEMM/터널링 배리어 구조가 전자를 제1 TB-GEMM으로부터 제1 터널링 배리어를 관통하여 활성영역의 전자 포텐셜 레벨로 터널링하도록 구성되고, 활성영역의 그 반대 제2면 상의 제2 TB-GEMM/터널링 배리어 구조가 홀을 제2 TB-GEMM으로부터 제2 터널링 배리어를 관통하여 활성영역의 홀 포텐셜 레벨로 터널링하도록 구성된다. 어떤 실시예에서, 하나 또는 두개의 TB-GEMM 구조가 활성영역의 홀 및 전자 결합에 의해 생성된 빛을 방출하기에 충분히 얇게 형성된다. 어떤 실시예에서, 상기 제1TB-GEMM/터널링 배리어 구조는 홀이 활성영역으로부터 제1TB-GEMM으로 터널링하는 것을 막는 배리어를 제공하는 한편, 전자가 제1터널링 배리어를 관통하여 활성영역으로 터널링하도록 구성된다. 어떤 실시예에서, 상기 제2TB-GEMM/터널링 배리어 구조는 전자가 활성영역으로부터 제2TB-GEMM으로 터널링하는 것을 막는 배리어를 제공하는 한편, 홀이 제2터널링 배리어를 관통하여 활성영역으로 터널링하도록 구성된다. 따라서, 이러한 층들을 "터널링 배리어층"이라 한다.
어떤 실시예에서, 본 발명은 거칠어진 빛 효면, 광전자적 결정 등을 포함하는 광 출력 또는 발광소자의 추출 효율을 향상 또는 증진시키는 광-추출 구조를 제공한다. 광-추출 구조의 어떤 조합도 활성영역의 일면 또는 양면 상의 다중 광-추출 구조 결합과 같이 이용될 수 있는 다양한 변형을 포함하여 상기 GEMM과 결합될 수 있다.
어떤 실시예에서, 본 발명은 향상된 광 추출을 위해 최적화된 두께 및 광 추출 형상과 다양한 구성에 대한 배치를 포함하는 광학적 공동 효과를 사용하는 소자구조를 제공한다. 어떤 실시예에서, 향상된 광-추출을 가지는 상기 소자 구조는 공명-공동 발광소자(resonant-cavity light-emmitting devices, RCLED) 또는 미세-공동 발광소자(micro-cavity light-emitting devices, MCLED)를 포함한다. 어떤 실시예에서, 정상파는 활성영역에 의해 방출되는 빛과 GEMM에 의해 반사되는 빛 간의 간섭 및/또는 활성영역에 의해 방출되는 빛과 상기 GEMM 반대편에 위치하는 제2거울에 의해 반사되는 빛 간의 간섭 및/또는 상기 GEMM에 의해 반사되는 빛과 상기 GEMM 반대편에 위치하는 제2거울에 의해 반사되는 빛 간의 간섭에 의해 생성된다. 어떤 실시예에서, 발광소자의 활성영역은 앞서 정의된 방법으로 생성된 정상파의 파복에 위치하여 발광소자의 추출 효율이 향상된다. 이는 LED로부터 전개되는 빛의 양을 향상시키는 모드들(또는 단일 모드)로 빛이 향하게 한다. 광학적-공동에 의해 생성되는 빛은 표준 LED와 비교할 때 더 방향성이며 분광학적으로 더 순수(spectrally pure)하다.
어떤 실시예에서, 빛은 기판 면으로부터 벗어나 소자 구조의 상부를 관통하여 전개된다. 다른 실시예에서, 빛은 "플립 칩"의 형태인 소자 구조의 바닥부에서 투과성 기판을 관통하여 전개된다. 어떤 실시예에서, 빛은 복수의 방향으로 존재한다.
여기 사용된 바에 의하면, 용어 "성장 템플릿"은 그 위에 에피택셜 재료가 성장되는 결정성 계면 또는 기판으로 참조된다.
여기 사용된 바에 의하면, 용어 "공명 공동"은 고체상 발광소자에서 광출력을 향상시키는데 사용되는 공명 광학적 공동으로 참조된다. 예를들면, 어떤 실시예에서, 공명 공동은 MQW 활성영역 및 약간의 거리만큼 떨어져 있는 반사기 사이에 형성되어 MQW 활성영역과 반사기 사이의 빛 반사가 다른 에너지-부족 메카니즘보다 바람직한 광학적 모드를 형성한다. 어떤 실시예에서, 상기 공명 공동은 MQW의 일면으로부터 어떤 거리만큼 떨어진 제1거울 및 MQW 사이, MQW의 다른 면으로부터 어떤 거리만큼 떨어진 제2거울 및 MQW 사이, 또는 제1거울 및 제2거울 사이에 형성된다.
여기 사용된 바에 의하면, 용어 "미세공동"은 고체상 발광소자에서 광출력을 향상시키는데 사용되는 매우 작은 공명 광학적 공동으로 참조된다. 예를들면, 어떤 실시예에서, 미세공동은 MQW 활성영역 및 약간의 거리 떨어져 있는 반사기 사이에 형성되어 MQW 활성영역 및 반사기 사이의 빛 반사가 다른 에너지 부족 메카니즘보다 바람직한 광학적 모드를 형성한다. 어떤 실시예에서, 상기 미세공동은 MQW의 일면으로부터 어떤 거리만큼 떨어진 제1거울 및 MQW 사이, MQW의 다른 면으로부터 어떤 거리만큼 떨어진 제2거울 및 MQW 사이, 또는 제1거울 및 제2거울 사이에 형성된다.
어떤 실시예에서, TB-GEMM 층 및 제2거울 사이에 광학적 공동이 형성되어 있는 본 발명의 발광소자 구조가 레이저광을 출력하도록 구성된 반도체 레이저를 형성하는데 사용된다.
여기 사용된 바에 의하면, 용어 "광전자적-결정-보조 발광기"(photonic-crystal-assisted light emitter)는 잘 알려진 광전자적 결정 원리(PHOTONIC CRYSTALS: MOLDING THE FLOW OF LIGHT(SECOND EDITION) John D. Joannopoulos et al., Princeton University Press; 2nd edition(2008년 2월 11일), ISBN 번호 13:978-0691124568 참조)에 의해 형성되는 1차원적(1D), 2차원적(2D), 또는 3차원적(3D) 고체상 구조로 참조된다.
본 발명의 어떤 실시예는 모든 목적을 위해 전체로서 여기 참조로서 포함된 하나 이상의 공명 반사기 및 그러한 소자용 반사성의 가공된 성장 템플릿을 포함하는 III-질화물 발광소자 및 그 제조방법에 관한 US 특허 출원 11/882,730(대리인 도켓 5069.001us1)에 기재된, 그러나 제한되는 것은 아닌 재료 및 소자 디자인을 사용하는 향상된 LED를 포함한다. 에피택셜 성장된 금속 거울(여기서 GEMM이라 불림)로서 참조된 소자의 어떤 실시예에서 사용되는 재료 또는 구조는 전극으로 사용된다. 어떤 실시예에서, GEMM은 또한 뒤이은 층들의 성장 템플릿 및 미세공동 발광기 또는 공명-공동 발광기 또는 광전자적-결정-보조의 발광기(photonic-crystal-assisted light emitter) 등 또는 이들 구조의 어떤 조합으로 사용되는 반사성 거울로도 사용된다. 어떤 실시예에서, 이 GEMM 층은 발광소자를 구동시키는데 필요한 전압을 감소시키고, 소자 활성영역에서 전자와 홀의 효율적인 결합 과정을 지원하기 위하여 배리어 또는 배리어들을 관통하여 전하 운반자를 통상의 LED의 주입 전자 포텐셜과 비교할 때 감소된 전자 포텐셜에서 활성영역으로 주입시키는데 사용된다.
도1a는 선행기술 다중양자우물(multiple-quantum-well, MQW) 소자(102 또는 103)의 에너지 레벨 다이아그램(101)이다. 이 다이아그램에서, 다음 참조 번호들이 참조된다:
98 양전하 운반자 "홀"
99 전자
112 절연 기판에 대한 격자 매칭을 용이하게 하는데 사용되는 버퍼층
113 n-GaN
114 114A-114E를 통틀어 포함하는 활성영역
114A, 114C, 114E 제1, 및 선택적으로 제2 및 추가적인 양자우물
114B, 114D 제1, 및 선택적으로 추가적인 양자우물벽
115 전류 차단층
116 p-타입 GaN
117 p-타입 GaN과의 접속을 위한 상부 전기적 접속부
122 도전성 기판에 대한 격자 매칭을 용이하게 하는데 사용되는 버퍼층
127 TB-GEMM과의 접속을 위한 상부 전기적 접속부
128 바닥부 전기적 접속부
129 몇 실시예에 적용된 절연성 기판
도1b는 절연층 129를 포함하는 선행기술 MQW 소자(102)의 블록 다이아그램이다. 소자(102)는 기판(129) 위에 버퍼층(112)를 적층시킴으로써 형성된다. n-GaN(113)이 잘 정돈된 결정 템플릿을 형성함에 따라 고품질의 활성영역(114)이 성장할 수 있게 하기 위하여, n-GaN(113) 층은 n-GaN(113)의 격자 구조가 기판 버퍼(112)의 격자 구조에 매칭되도록 기판 버퍼(112) 상에 성장한다. p-AlGaN 층(115)는 활성층(114)에 성장하고, p-타입 GaN 층(116)은 p-AlGaN 층(115)상에 성장하며, 발광 MQW 소자(102)에 호환성 전기적 접속부를 제공하는 p-접속부(117)는 p-타입 GaN 층(116) 상에 형성된다.
도2c는 본 발명의 실시예에 의한 도전성 기판을 포함하는 MQW 소자(103)의 블록 다이아그램이다. 소자(103)는 소자(103)의 도전성 기판(128)이 소자(102)의 기판(129)를 대신하는 것을 제외하고는 실질적으로 도1a의 소자(102)와 동일하다.
도2a는 본 발명의 실시예에 의한 MQW 소자(202(도2b에 도시된 바와 같음), 203(도2c에 도시된 바와 같음), 204(도2d에 도시된 바와 같음), 205(도2e에 도시된 바와 같음), 206(도2f에 도시된 바와 같음), 207(도2g에 도시된 바와 같음), 208(도2h에 도시된 바와 같음) 또는 209(도2i에 도시된 바와 같음))의 에너지 레벨 다이아그램(201)이다. 도2a-2i에서(또한 본 출원의 모든 다른 도면에서), 다음 참조 번호가 참조된다:
98 "홀"-양전하 운반자
99 전자-음전하 운반자
211 몇 실시예에 적용된 도전성 기판
212 절연성 기판에 대한 격자 매칭을 용이하게 하는데 사용되는 버퍼층
214 SQW, MQW 또는 헤테로접합이 위치하는 활성영역
214A, 214C, 214E 제1, 및 선택적으로 제2 및 추가적인 터널링 층 또는 이중 헤테로접합층 간의 양자우물
214B, 214D 제1, 및 선택적으로 추가적인 양자우물벽은 선택적으로 214C, 214E와 같은 하나 이상의 추가적인 양자우물을 형성하는 추가적인 터널링 층/i-GaN 층을 형성한다.
216 상부 p-타입 GaN(다른 실시예에서는 n-타입 GaN일 수 있다)
217 p-타입 GaN과 접속하는 상부 전기적 접속부
220 바닥부 터널링 배리어 에피택셜 성장된 금속 거울(TB-GEMM)
221 터널링 및 배리어층(몇 실시예에서 이것은 도핑되거나, 다른 실시예에서는 고유의 도핑된 것일 수 있다)
222 도전성 기판에 대한 격자 매칭을 용이하게 하는데 사용되는 버퍼층
225 상부 광학적 동공 에피택셜 성장된 금속 거울(OC-GEMM)
226 OC-GEMM과 접속하는 상부 전기적 접속부
227 TB-GEMM과 접속하는 상부 전기적 접속부
228 바닥부 전기적 접속부
229 몇 실시예에서 사용되는 절연성 기판
250 상부 TB-GEMM(두껍거나 얇은 버전)
255 바닥부 OC-GEMM
256 절연성 기판용 바닥부 p-타입 GaN(대안적으로 n-타입 GaN일 수 있다)
260 상부 TB-GEMM(얇은 버전)
261 p-타입 GaN에서 도전성 서브밴드(272)와 페르미 에너지 레벨(270)간의 에너지 차이로 정의되는 전압("V2")
262 도전성 서브밴드 에너지 레벨(272)과 밸런스 서브밴드 에너지 레벨(271)간의 에너지 차이인 방출 광전자의 에너지("hv")
266 도전성 기판용 바닥부 p-타입 GaN(대안적으로 n-타입 GaN)
270 p-타입 GaN에서의 페르미 에너지 레벨
271 활성영역에서의 제1 밸런스 서브밴드
272 활성영역에서의 제1 도전성 서브밴드
어떤 실시예에서, 전자(99)는 TB-GEMM(220) 금속 복합체의 페르미 에너지 레벨(터널링 배리어 구조(221)의 다른 면에서 동일한 에너지 레벨이 유지되는 동안 전자가 터널하기 위하여 서브밴드 에너지(272) 레벨 또는 대략적으로 그 레벨)에서 흐른다(도2a의 에너지 레벨 다이아그램(201)에 있어서 오른방향, 도2b, 2c, 2d 또는 2e의 각 소자(202, 203, 204, 205)에 있어서 위방향, 도2f, 2g, 2h 또는 2i의 각 소자(206, 207, 208, 209)에 있어서 아래방향). 양자우물로의 에너지의 떨어짐(예를들어, 전자(99)가 QWs(도1a에서 114A, 114C 및 114E)로 흐를 때)보다, 도2a에서 전자(99)는 터널링 배리어층(221)(양자는 관통시키지만 일반적인 전자 흐름에 대해서는 배리어임)을 관통하여 양자우물(214A)(그리고 추가적인 양자우물을 포함하는 소자에서는 QWs(214C, 214E 등)으로(어떤 실시예에서는 더욱 추가적인 양자우물이 QW(214E))의 오른쪽에 형성될 수 있다), 이러한 전자들은 또한 추가적인 터널링 배리어층(214B, 214D 등)을 관통하여 터널링할 수 있다)로 터널링한다. 에너지 레벨(272)의 QWs(214A, 214C, 214E)에서의 전자는 흘러온 홀(98)(도2a의 에너지 레벨 다이아그램(201)에서 왼방향, 도2b, 2c, 2d 또는 2e의 각 소자(202, 203, 204, 205)에서는 아래방향, 도2f, 2g, 2h 또는 2i의 각 소자(206, 207, 208, 209)에서는 위방향으로)과 결합하고(전자는 서브밴드 에너지 레벨(272)로부터 서브밴드 에너지 레벨(271)로 떨어짐), 홀과 결합하는 각 전자는 광전자가 방출되게 한다(서브밴드 에너지 레벨(272)와 서브밴드 에너지 레벨(271)의 차이에 해당되는 방출 광전자 에너지 262(=hv)를 가짐).
도2b는 본 발명의 실시예에 따른 절연성 기판을 포함하는 MQW 소자(202)의 블록 다이아그램이다. 어떤 실시예에서, 소자(202)는 기판 구조(231)를 얻기 위한 기판(229) 상의 버퍼층(212) 적층으로부터 형성된다. 어떤 실시예에서, TB-GEMM(220)이 잘 정돈된 결정 템플릿을 형성함에 따라 고품질의 터널링 배리어 구조(221) 및 활성층(214)이 성장할 수 있게 하기 위하여, TB-GEMM(220)은 TB-GEMM(220)의 격자 구조가 기판 구조(231)의 격자 구조에 매칭되도록 기판 구조(231) 상에 성장한다. 어떤 실시예에서, 도전성 타입 III-질화물층(216)(예를들어, 어떤 실시예에서는 p-타입 GaN 반도체가 활성층(214)(대안적인 어떤 실시예는 p-타입의 어떤 다른 III-질화물 재료를 사용함)상에 성장하는 한편, 다른 실시예에서는 n-타입 III-질화물층(216)으로 대체된 도전 타입이 "n"인 다른 형태의 소자(도전 타입이 반대인)가 만들어진다), 발광 MQW 소자(202)에 호환성 전기적 접속부를 제공하는 p-접속부 구조(217)가 III-질화물층(216) 상에 형성된다. 어떤 실시예에서는, 도2b에 보여지는 바와 같이, 발광 MQW 소자(202) 용 다른 전기적 접속부(227)가 TB-GEMM 구조(220)의 상면 단에 적층된다. 어떤 실시예에서는, 소자(202)는 (예를들어, 공지의 반응성 이온 에칭 기술(reactive-ion etching, RIE), 또는 전도성 커플된 플라즈마(inductively coupled-plasma, ICP) 에칭 기술, 또는 전자-사이클로트론 공명(electron-cyclotron-resonance, ECR) 에칭 기술, 또는 다른 적당한 기술을 이용하여, TB-GEMM(220)상의 단을 노출시켜 전기적 접속부(227)가 형성되게 하기 위해 식각되어야 한다. 어떤 실시예에서는, 빛이 방출되는 활성영역(214)의 노출면적을 최대화하기 위하여, 여전히 낮은 전기적 저항 접속을 제공하는 한편, 단 및 접속부(227)는 가능한 작게 형성한다. 마찬가지로, 어떤 실시예에서는, 빛이 방출되는 활성영역(214)의 노출 면적을 최대한으로 하기 위하여, 여전히 낮은 전기적 저항 접속부를 제공하는 한편, 접속부(217)를 가능한 작게 형성한다(및/또는 인듐-주석 옥사이드(ITO)와 같은 얇고 및/또는 투명한 재료로 형성함). 도2a의 에너지 레벨 다이아그램에서 2A-2A'간의 영역은 도2b에서 2A-2A'간의 물리적 영역에 해당한다. 소자(202)의 어떤 실시예에서는, 활성영역(214)로부터의 빛이 다양한 층을 관통하여, 및 p-GaN 층(216)의 상부으로부터(및 그렇게 구성되었을 때, 적어도 전기적 접속부(217)의 일부를 통해) 방출됨에 주목하라.
도2c는 본 발명의 실시예에 따른 도전성 기판을 포함하는 MQW 소자(203)의 블록 다이아그램이다. 소자(203)는 소자(203)의 기판 구조(232)가 소자(202)의 기판 구조(231)를 대신하는 것을 제외하고, 도2a의 소자(202)와 실질적으로 동일하다. 어떤 실시예에서는, 전기적 도전성 기판 구조(232)는 전기적 도전성 기판(211) 상에 성장한 전기적 도전성 버퍼층(222), 및 공정의 한 지점에서, 기판(211)의 반대쪽 대면 상에 형성된 전기적 접속부층(228)을 포함한다. 이러한 전기적으로 도전성의 기판 구조(232)는 어떤 실시예에서, 더 넓고 낮은 저항의 전기적 접속부를 제공하여, 바닥부 전기적 접속부(228)보다 상부 전기적 접속부(227)을 사용할 때에 발생되는 발광 영역의 손실을 요구하지 않는다. 소자(203)의 다른 형태는 소자(202)의 대응되는 형태와 동일하다. 도2a의 에너지 레벨을 도시한 것에서 2A-2A'간 영역은 도2c의 2A-2A'간 물리적 영역에 대응된다.
도2d는 본 발명의 실시예에 따른 절연성 기판 및 광학적 공동을 포함하는 MQW 소자(204)의 블록 다이아그램이다. 어떤 실시예에서, 소자(204)는 광학적 공동 GEMM(OC-GEMM) 구조(225)가 층(216) 상에 추가되었고, 호환성의 전기적 접속부(226)가 OC-GEMM 구조(225) 상에 형성되었다는 점, 상기 두 구성요소가 도2b의 상부 p-접속 구조(217)를 대신한다는 점을 제외하고 실질적으로 도2b의 소자(202)와 동일하다. 어떤 실시예에서, p-타입 III-질화물층(216)의 두께는 활성영역(214)이 OC-GEMM 구조(225)(거울)의 제1면으로부터 제1거리 떨어져 배치되게 선택되어, 상기 활성영역(214)은 활성영역(214)으로부터 방출되는 빛의 OC-GEMM 구조(225)에 의해 반사된 빛과의 간섭에 의해 생성되는 제1 광학적 정상파의 파복(antinode) 혹은 실질적으로 그곳에 위치하게 되며, 적어도 하나의 추출 모드를 형성한다. 여러 실시예에서, 활성영역(214), p-GaN 영역(216) 및 OC-GEMM 구조(225)는, 참조로서 여기 포함되고, 함께 출원 중인 2007.8.3일 출원된 하나 이상의 공명 반사기 및 그러한 소자용 반사성의 가공된 성장 템플릿을 포함하는 III-질화물 발광소자 및 그 제조방법에 관한 US 특허 출원 11/882,730(대리인 도켓 5069.001us1)에 더 자세하게 여러 형태로 기재되어있다. 소자(204)의 다른 형태는 소자(202)의 대응되는 형태와 동일하다.
도2e는 본 발명의 실시예에 따른 도전성 기판 및 광학적 공동을 포함하는 MWQ 소자(205)의 블록 다이아그램이다. 어떤 실시예에서, 소자(205)는 광학적 공동 GEMM(OC-GEMM) 구조(225)가 실질적으로 도2c의 소자(203)와 실질적으로 동일하다. 어떤 실시예에서, 소자(204)는 광학적 공동 GEMM(OC-GEMM) 구조(225)이 층(216) 상에 추가되었고, 호환성의 전기적 접속부(226)가 OC-GEMM 구조(225) 상에 형성되었다는 점, 상기 두 구성요소가 도2b의 상부 p-접속 구조(217)을 대신한다는 점을 제외하고 실질적으로 도2b의 소자(202)와 동일하다. 어떤 실시예에서, p-타입 III-질화물층(216)의 두께는, 활성영역(214)이 적어도 하나의 추출 모드를 형성하는 활성영역(214)로부터의 발광과 OC-GEMM 구조(225)에 의해 반사된 빛과의 간섭에 의해 생성되는 제1 광학적 정상파의 파복(antinode) 혹은 실질적으로 그곳에 위치할 수 있도록, 활성영역(214)이 OC-GEMM 구조(225)(거울)의 제1면으로부터 제1거리 떨어져 배치되게 선택된다. 소자(205)의 다른 형태는 상술한 소자(203) 및 소자(204)의 대응되는 형태와 동일하다.
도2f는 절연성 기판을 포함하며, 어떤 실시예에서 그 기판을 관통하여 빛을 방출하는 MQW 소자(206)의 블록 다이아그램이다. 어떤 실시예에서, 소자(206)는, 상술한 바와 같이 소자(202)에서 상부 p-GaN층(216), 활성영역(214), 터널링 배리어(221) 및 TB-GEMM 구조(220)가 적층된 것과 역순으로 TB-GEMM(250), 터널링 배리어(221), 활성영역(214) 및 바닥부 p-GaN층(256)이 적층된 것을 제외하고는, 실질적으로 도2b의 소자(202)와 동일하다. 어떤 실시예에서, 바닥부 p-GaN 층(256)은, 바닥부 p-GaN층(256)이 잘-정돈된 결정 템플릿을 형성하여 그에 따라 고품질의 활성영역(214) 및 터널링 배리어 구조(221)이 성장할 수 있게 하기 위해, 바닥부 p-GaN층(256)의 격자 구조가 기판 구조(231)의 격자 구조와 매칭되게 기판 구조(231) 상에 성장한다. 어떤 실시예에서, 도전성-타입 III-질화물 층(256)은 버퍼층(212) 상에 성장한다(예를들면, 어떤 실시예에서 층(256)이 p-타입 GaN 반도체 임(대안적인 어떤 실시예는 p-타입의 어떤 다른 III-질화물 재료를 사용함); 한편, 다른 실시예에서는, 다른 타입의 소자(반대의 전도도 타입)는 전도성 타입이 "n"이어서 n-타입 III-질화물층(256)으로 치환됨). 어떤 실시예에서, 활성영역(214)이 다음으로 형성되고, 이어서 터널링 배리어(221) 및 TB-GEMM 구조(250)를 성장시키며, 그 위에 발광 MQW 소자(206)용 호환성 전기적 접속을 제공하는 접속부(227)가 적층된다. 어떤 실시예에서, 도2f에 보여지는 바와 같이, 발광 MQW 소자(206)용 다른 전기적 접속부(217)가 p-GaN 구조(256)의 위면 단에 적층된다. 어떤 실시예에서, 소자(206)는 식각되어 p-GaN 구조(256)의 단을 노출시키며 그 위에 전기적 접속부(217)가 형성된다. 어떤 실시예에서, 단 및 접속부(217)는 여전히 낮은 전기적 저항 접속부를 제공하는 한편, 빛이 방출되는 활성영역(214)의 노출되는 영역을 최대화하기 위하여 최대한 작게 형성된다. 소자(206)의 바닥으로부터 빛을 방출하는 어떤 실시예에서는, 활성영역(214)이 소자(206)의 바닥으로부터 빛을 방출하기 때문에, 여전히 낮은 전기적 저항 접속을 제공하는 한편, 접속부(217)가 가능한 작게 형성될 필요는 없다. 소자(206)의 어떤 실시예에서는, 활성영역(214)으로부터 빛이 여러 층을 관통하여 기판(229)의 바닥으로부터 방출됨에 주목하라. 소자(206)의 다른 형태는 소자(202)의 대응되는 형태와 동일하다. 에너지 레벨 다이아그램 2a에서 2A-2A'간 영역은 도2f에서의 2A-2A'간 물리적 영역에 대응됨에 주목하라.
도2g는 본 발명의 실시예에 따른, 도전성 기판 및 빛이 그것을 통과하여 하는 소자(207)의 표면으로부터 방출되게 하는 얇은 상부 GEMM 구조(260)를 포함하는 MQW 소자(207)의 블록 다이아그램이다. 어떤 실시예에서, 소자(207)는 상술한 바와 같이 소자(203)에서 상부 p-GaN층(216), 활성영역(214), 터널링 배리어(221) 및 TB-GEMM 구조(220)가 적층된 것과 역순으로 TB-GEMM(260), 터널링 배리어(221), 활성영역(214) 및 바닥부 p-GaN층(266)이 적층된 것을 제외하고는, 실질적으로 도2c의 소자(203)와 동일하다. 어떤 실시예에서, 바닥부 p-GaN 층(266)은, 바닥부 p-GaN층(266)이 잘-정돈된 결정 템플릿을 형성하여 그에 따라 고품질의 활성영역(214) 및 터널링 배리어 구조(221)이 성장할 수 있게 하기 위해, 바닥부 p-GaN층(266)의 격자 구조가 기판 구조(232)의 격자 구조와 매칭되게 기판 구조(232) 상에 성장한다. 어떤 실시예에서, 도전성-타입 III-질화물 층(266)(예를들면, p-타입 GaN 반도체)은 버퍼층(222) 상에 성장한다. 어떤 실시예에서, 활성영역(214)이 다음으로 형성되고, 이어서 터널링 배리어(221) 및 TB-GEMM 구조(260)를 성장시키며, 그 위에 발광 MQW 소자(207)용 호환성 전기적 접속을 제공하는 접속부(227)가 적층된다. 어떤 실시예에서, 도2g에 보여지는 바와 같이, 발광 MQW 소자(207)용 다른 전기적 접속부(228)가 기판구조(232)의 바닥면에 적층된다. 어떤 실시예에서, 접속부(227)는 여전히 낮은 전기적 저항 접속부를 제공하는 한편, 빛이 방출되는 활성영역(214)의 노출되는 영역을 최대화하기 위하여 최대한 작게 형성된다. 소자(207)의 어떤 실시예에서는, 활성영역(214)으로부터 빛이 여러 층을 관통하여 상부 TB-GEMM 구조(260)의 표면으로부터 방출됨에 주목하라. 다른 실시예에서는, 적당한 기판(예를들면, 도핑된 실리콘 카바이드)이 기판(211)으로 사용될 때, 빛은 바닥으로부터 방출된다. 소자(207)의 다른 형태는 소자(203)의 대응되는 형태와 동일하다. 에너지 레벨 다이아그램 2a에서 2A-2A'간 영역은 도2g에서의 2A-2A'간 물리적 영역에 대응됨에 주목하라.
도2h는 본 발명의 실시예에 따른, 절연성 기판 구조(231), 광학적 동공을 형성하는 얇은 바닥부 OC-GEMM 구조(255)를 포함하는, 어떤 실시예에서 빛이 바닥부 OC-GEMM 구조(255) 및 기판구조(231)을 관통하여 방출되는, MQW 소자(208)의 블록 다이아그램이다. 따라서, 어떤 실시예에서 소자(208)는 도2f의 상부 TB-GEMM를 도2d의 OC-GEMM과 결합한다. 어떤 실시예에서, 상부 TB-GEMM 구조(250)는 소자(208)의 표면으로부터 빛을 방출하기 위하여 적당히 얇게 형성된다. 다른 실시예에서, 바닥부 OC-GEMM 구조(255)는 소자(208)의 바닥부로부터 빛을 방출하기 위해 적당히 얇게 형성된다. 다른 실시예에서, TB-GEMM(250)과 OC-GEMM(255) 양자는 소자(208)의 표면 및 바닥 양자로부터 빛을 방출하도록 얇게 만들어진다. 소자(208)의 다른 형태는 소자(202, 204 또는 206)의 대응되는 형태와 동일하다.
도2i는 본 발명의 어떤 실시예에 의한, 도전성 기판 구조(232), 상부 TB-GEMM 구조(260)와 함께 광학적 동공을 형성하는 얇은 바닥부 OC-GEMM 구조(255)를 포함하는, 어떤 실시예에서 빛이 바닥부 OC-GEMM 구조(255) 및 기판구조(232)를 관통하여 방출되는, MQW 소자(209)의 블록 다이아그램이다. 따라서, 어떤 실시예에서, 소자(209)는 도2g의 상부 TB-GEMM과 도2e의 OC-GEMM을 결합한다. 어떤 실시예에서, 상부 TB-GEMM 구조(260)는 소자(209)의 표면으로부터 빛을 방출하도록 적당히 얇게 형성된다. 다른 실시예에서는, 바닥부 OC-GEMM 구조(255)가 소자(209)의 바닥으로부터 빛을 방출하도록 적당히 얇게 형성된다. 소자(209)의 다른 형태는 소자(203, 205 또는 207)의 대응되는 형태와 동일하다.
어떤 실시예에서, 본 발명은 전자 및 홀 포텐셜 또는 활성영역의 서브밴드 에너지에서 터널링 배리어를 관통하는 터널링에 의해 활성영역(214)으로 전자나 홀의 주입을 가능하게 하며, 그에따라 요구되는 작동 전압을 감소시키고, 통상적인 LED 소자의 p-타입부(예를들면, 도1a, 1b 및 1c에 보여지는 바와 같이)에서 흔히 사용되는 전류 차단층(예를들면, 도1b의 층(115)와 같은)의 요구를 완화한다. 어떤 실시예에서는, 더 낮은 LED 작동 전압이 감소된 에너지 소모의 이익을 위해 바람직하다. 나아가, 어떤 실시예에서 p-타입 전류 차단층(즉, 도1a에서 p-AlGaN 층(115))에 대한 요구를 제거함으로써 달성되는, 덜 복잡한 LED 제조공정이 바람직하다.
통상적인 그룹 III-질화물 LED는 전자가 반도체 소자로 주입되어, 전자가 도1a에 도시된 바와 같이 n-타입 층(99)의 도전 밴드 최저 레벨에 있고, 이러한 레벨이 LED를 작동시키기 위해 필요한 적용 전압(applied voltage)을 결정할 것을 요구한다. 본 발명의 어떤 실시예에서, 전자는 활성영역 전자 포텐셜(예를들면, 서브밴드 에너지)에서, 양자 기계적 터널링을 통하여 직접 활성영역으로 주입되고, 이에따라, LED를 작동시키기 위해 요구되는 전압은 통상적으로 LED를 작동시키기 위해 요구되는 전압보다 실질적으로 낮다. 어떤 실시예에서, 주입된 전자는 양자우물을 지나 p-타입 재료로 통과하려는 경향이 덜하고, 이에따라 의도적이지 않게 그들의 에너지가 열 발생의 형태로서 손실되는 p-타입 재료로 주입되는 전자의 수를 없애거나 실질적으로 감소시킨다.
어떤 실시예에서, 본 발명은 전자를 직접 활성영역의 전자 포텐셜(예를들면, 서브밴드 에너지 레벨(272))에서 주입하여, 직접적으로 소자 성능을 향상시키고, LED를 작동시키거나 구동하는데 필요한 전압을 감소시킴으로써 에너지 손실을 감소시킨다. 어떤 실시예에서, 활성영역(214)에서의 전자 포텐셜 레벨은 p-타입층(216)의 도전 밴드의 최저 전자 포텐셜 레벨보다 낮다. 어떤 실시예의 520nm파장에서 발광하는 본 발명의 LED(202, 203)에서, 상기 LED의 작동 전압은 통상의 LED 작동 전압보다 약 1볼트 또는 약 70% 감소된다. 어떤 실시예에서, 활성영역의 전자 포텐셜에서 전자를 직접 주입하는 것은 하나 이상의 배리어(221, 214D, 214E)를 관통하여 활성영역 양자우물(214A, 214B, 214C)로 전자가 터널링하고, 작동 전압이 표준의 통상의 LED와 비교할 때 감소되며, p-타입 전자 차단층(예를들면, 도1a, 1b 및 1c에서 p-AlGaN층(115))에 대한 요구가 사라지거나 완화되는 결과를 가져온다.
어떤 실시예에서, 에피택셜/본 발명의 구조에 의해 달성되는 더 낮은 작동 전압은 낮은 열발생의 결과를 가져오고, 이에따라 열은 LED 소자의 소자 성능 및 작동 수명에 미치는 나쁜 영향 때문에 더 낮은 열발생이 바람직하므로, 현재 존재하는 통상의 III-질화물 LED에 비해 바람직하다.
통상의 LED에서, p-타입 전류 차단층(예를들면, 도1a의 p-AlGaN(115))은 몇 가지 이유(예를들면, 시간, 재료비용, 에피택시 챔버 세정, 공정개발 중 소자 최적화 등)에서 에피택셜 공정에서 성장하기에 번거롭다. 어떤 실시예에서, 본 발명에서는 전하 운반자(즉, 전자 또는 홀)가 활성영역을 지나 활성영역의 외부에 위치하는 반도체 재료(예를들면, p-타입 또는 n-타입 반도체 재료)에서 손실되는 경향이 줄어든다는 사실로 인하여 이러한 전류 차단층에 대한 요구가 완화 또는 사라진다.
어떤 실시예에서, 본 발명은 금속의 전류 주입자(TB-GEMM(220)) 및 전하 운반자 공명 터널링 배리어(221)에 의해 분리된 활성영역(214)을 기반으로 하는 LED구조를 제공한다. 어떤 실시예에서, 전하 운반 공명 터널링 배리어 구조(221)는 양자 터널링 전자에 대하여 실질적으로 투과성이고, 홀에 대해서는 차단성이다(따라서, 그 명칭이 "터널링-배리어" 구조임). 어떤 다른 실시예에서, 전하 운반 공명 터널링 배리어(221)는 양자 터널링 홀에 대해서는 투과성이고, 전자에 대해서는 차단성이다. 어떤 실시예에서, 활성영역(214)은 단일 양자우물(SQW) 구조 또는 다중 양자우물(MQW) 구조 또는 이중 헤테로접합을 포함한다.
어떤 실시예에서, 금속 전류 주입자(예를들면, TB-GEMM(220)) 및 활성영역(214) 간의 공명 터널링은 금속 전류 주입자(220)의 페르미 에너지 포텐셜이 활성영역(214)의 서브밴드 최저 전자 포텐셜과 동일 또는 실질적으로 동일할 때 일어난다. 어떤 실시예에서, 이것은 활성영역 합금 복합체 및 활성영역에서의 적당한 QW 폭 양자의 선택, 및 금속 전류 주입자(220) 복합체의 선택 및/또는 조절, 이에따라 재료의 관련 일함수를 조정함에 의해 달성된다. 어떤 실시예에서, 터널링 배리어(221)의 페르미 레벨을 디핀(depin)하기 위해 금속 전류 주입자(220) 및 터널링 배리어(221)간에 계면층이 제공된다.
어떤 실시예에서, 열적으로 활성화된 홀은 금속 전류 주입자(220)로 터널링하지 않는다는 점은 중요하다. 어떤 실시예에서, 이는 전하 운반자 공명 터널링 배리어(221)의 두께를 적절하게 조절함으로써 예방되거나 실질적으로 감소된다.
어떤 실시예에서, 발명-향상된 LED-은 터널링 배리어(221)를 관통하는 터널링에 의해 더 낮은 에너지에서 전자를 활성영역(214)으로 주입한다. 어떤 실시예에서, GaN에 연결된 층-GaN층(221)으로의 전자 소스-은 에피택셜 성장한 금속 거울(TB-GEMM)(220)이다. 어떤 실시예에서, TB-GEMM층(220)은 특정 성능의 요구 또는 기능을 달성하도록 가공되고, 따라서 다양한 두께 및 광학적 물성을 갖게된다. 어떤 실시예에서, TB-GEMM(220)은 전기적으로 도전성이며, 전자를 양자우물의 도전 밴드 또는 서브밴드로 주입하는데 적합한 일함수를 갖는다. 어떤 실시예에서, TB-GEMM(220)은 하나 이상의 Hf, Zr, HfB2, ZrB2, HfNx, 또는 ZrNx 등, 또는 이들의 어떤 결합된 화합물 또는 복합체 또는 혼합물을 포함하는 재료를 포함한다. 어떤 실시예에서, 전기적으로 도전성인 어떤 재료 및 상술한 바와 같이 적합한 일함수를 가진 금속이 TB-GEMM(220)층으로 사용된다. 어떤 실시예에서, TB-GEMM(220)의 재료는 LED 소자의 에피택셜 구조에 대해 격자 매칭된다. 어떤 실시예에서, 터널링 배리어층(221)은 전자나 홀을 양자우물의 도전 밴드 또는 서브밴드 최저로 주입하기에 적합한 도핑 수준(n 또는 p)을 가지며, 전하 운반자가 활성영역(214)로부터 금속층(220)으로 이동하는 것을 차단한다. 그러한 설명이 도2a, 2b 및 2c에 도시되어 있다. 도1a 및 도2a는 LED를 구동하기 위해 요구되는 포텐셜(V1(161) 및 V2(261))을 비교하기 위해 사용될 수 있다(즉, 도1a의 V1(161)은 도2a의 V2(261)보다 크다).
어떤 실시예에서, 도2a, 2b 및 2c에 기재된 바와 같은 LED의 구조로 인하여, 전자가 거의 QW를 지나 이동하지 않으므로 전자를 양자우물 영역에 가두기 위한 차단층(예를들면, 도1a에 도시된 p-AlGaN층(115))이 선택적으로 포함된다. 어떤 실시예에서, 도2a, 2b 및 2c의 p-타입층(216)은 p-GaN, p-AlGaN, p-InGaN, p-InGaAlN, p-HfGaN, p-ZrGaN 및/또는 ScAlGaN 등 또는 여기 언급된 다중층의 어떤 적당한 변형을 포함한다.
어떤 실시예에서, 도2a, 2b 및 2c의 활성영역(214)은 GaN, AlGaN, InGaN, InGaAlN, HfGaN, ZrGaN 및/또는 ScAlGaN 등 또는 여기 언급된 다중층의 어떤 적당한 변형을 포함하며, 어떤 실시예에서, 활성영역(214)는 실리콘 또는 마그네슘 등으로 도핑된다.
어떤 실시예에서, 도2a의 터널링 배리어층(221) 및/또는 추가적인 배리어층(214B 및 214D)은 GaN, AlGaN, InGaN, InGaAlN, HfGaN, ZrGaN, 또는 ScAlGaN 및/또는 등, 또는 여기 언급된 다중층의 어떤 적당한 변형을 포함하며, 어떤 실시예에서, 터널링 배리어층(221)은 실리콘 또는 마그네슘 등으로 도핑된다.
어떤 실시예에서, 도2b-2i에서 층(214A, 214C, 214E)은 금속층(TB-GEMM(220))으로부터 전자가 활성영역 양자우물(214A, 214C, 214E 등)로 터널링하는 것을 보조하기 위한 양자우물 또는 낮은 전자 포텐셜층으로 사용된다. 어떤 실시예에서, p-타입 재료에 가장 근접한 양자우물(214E)은 일반적으로 가장 큰 전자 및 홀 결합의 빈도를 가지며, 금속층(220)에 대한 그 위치 및 소자의 광 존재 표면에 대한 그 위치는, 미국특허출원 11/882,730에 기재된 바와 같이, 소자 디자인의 어떤 실시예에 있어 필수적이다. 어떤 실시예에서, 적당한 수의 터널링 배리어(214B, 214D) 및 더 낮은 전자 포텐셜 층/양자우물(214A, 214C, 214E)은, 광 추출을 향상시키기 위하여, 여기 참조로 포함된 미국특허출원 11/882,730에 기재된 바와 같이, 제1 활성영역(예를들면, 마지막 양자우물(214E))을 적당한 거리에서 금속층(TB-GEMM(220))으로부터 분리하는데 사용된다.
어떤 실시예에서, TB-GEMM층(225)는 실리콘(Si), 사파이어(단일 결정 Al2O3), GaN/사파이어, SiC 또는 ZnO 또는 다른 적합한 격자-매칭된 기판 상에 성장한다. 어떤 실시예에서, GEMM층(220)은 비격자-매칭된 기판 및/또는 유리 상에 성장한다. 어떤 실시예에서, 발명은 여기 참조로 포함된 미국특허출원 11/882,730에 기재된 바와 같이, GEMM 및 활성영역 간의 거리에 의존하는 미세동공 효과를 이용한다.
도3a는 본 발명의 어떤 실시예에 따른 MQW 소자(302 또는 303)의 에너지 레벨 다이아그램이다. 도3a-3i에서, 대부분의 참조번호는 도2a-2i에 상기 기재된 바와 동일하고, 여기서 다음 추가적인 참조번호가 참조된다:
323= 절연성 계면층
도3a에서, 에너지 레벨 다이아그램(301)은 계면 절연층(323)의 도시를 포함한다. 어떤 실시예에서, 계면 절연층(323)은, TB-GEMM(220)의 금속 일함수를 MQW(214)의 서브밴드 에너지 레벨(272)과 함께 적절하게 정렬시키기 위해, 터널링 배리어(221)의 페르미 에너지 레벨을 디핀(depin)(예를들면, 그 표면 상태, 매달린 결합(dangling bond)의 부동태화(passivate), 및 MIGS(상술한 바와 같이, 금속 유도 갭 상태)의 감소 또는 제거)하는데 사용된다. 도3a-3i의 모든 다른 면은 대응하는 도2a-2i에 대해 상술한 바와 동일하다.
도3b는 본 발명의 어떤 실시예에 따른, 도3a에 대해 상기 기재된 바와 같이, 계면 절연층(323)을 포함하는 MQW 소자(302)의 블록 다이아그램이다. 도3b의 모든 다른 면은 대응하는 도2b에 대해 상술한 바와 동일하다.
도3c는 본 발명의 어떤 실시예에 따른, 도3a에 대해 상기 기재된 바와 같이, 계면 절연층(323)을 포함하는 MQW 소자(303)의 블록 다이아그램이다. 도3c의 모든 다른 면은 대응하는 도2c에 대해 상술한 바와 동일하다.
도3d는 본 발명의 어떤 실시예에 따른, 도3a에 대해 상기 기재된 바와 같이, 계면 절연층(323)을 포함하는 MQW 소자(304)의 블록 다이아그램이다. 도3d의 모든 다른 면은 대응하는 도2d에 대해 상술한 바와 동일하다.
도3e는 본 발명의 어떤 실시예에 따른, 도3a에 대해 상기 기재된 바와 같이, 계면 절연층(323)을 포함하는 MQW 소자(305)의 블록 다이아그램이다. 도3e의 모든 다른 면은 대응하는 도2e에 대해 상술한 바와 동일하다.
도3f는 본 발명의 어떤 실시예에 따른, 도3a에 대해 상기 기재된 바와 같이, 계면 절연층(323)을 포함하는 MQW 소자(306)의 블록 다이아그램이다. 도3f의 모든 다른 면은 대응하는 도2f에 대해 상술한 바와 동일하다.
도3g는 본 발명의 어떤 실시예에 따른, 도3a에 대해 상기 기재된 바와 같이, 계면 절연층(323)을 포함하는 MQW 소자(307)의 블록 다이아그램이다. 도3g의 모든 다른 면은 대응하는 도2g에 대해 상술한 바와 동일하다.
도3h는 본 발명의 어떤 실시예에 따른, 도3a에 대해 상기 기재된 바와 같이, 계면 절연층(323)을 포함하는 MQW 소자(308)의 블록 다이아그램이다. 도3h의 모든 다른 면은 대응하는 도2h에 대해 상술한 바와 동일하다.
도3i는 본 발명의 어떤 실시예에 따른, 도3a에 대해 상기 기재된 바와 같이, 계면 절연층(323)을 포함하는 MQW 소자(309)의 블록 다이아그램이다. 도3i의 모든 다른 면은 대응하는 도2i에 대해 상술한 바와 동일하다.
여기 기재된 다른 실시예들의 각각의 어떤 실시예에서, 도3a에 대해 상기 기재된 바와 같이, 계면 절연층(323)은 유사한 방법으로 추가된다.
도4a는 본 발명의 어떤 실시예에 따른, 차단층(418)을 포함하는 MQW 소자(402 또는 403)의 에너지 레벨 다이아그램(401)이다. 어떤 실시예에서, 차단층(418)은 p-도핑된 AlGaN층(또는 다른 반도체 재료가 사용된다면 대응하는 p-타입 또는 n-타입층)이다. 어떤 실시예에서, 차단층(418)은 운반자가 양자우물(214A-214E)를 넘어 이동하는 것을 막기 위해(도4a에서 오른쪽으로 더 이동하는 것을 막기 위해) 밴드갭 에너지를 적당히 증가시킨다. 어떤 실시예에서, 이는 재결합 효율을 향상시킨다. 도4a-4i의 모든 다른 면은 대응하는 도4a-4i에 대해 상술한 바와 동일하다. 여기 기재된 다른 실시예들의 각각의 어떤 실시예에서, 도4a에 대해 상기 기재된 바와 같이, 차단층(418)은 유사한 방법으로 추가된다.
도4b는 본 발명의 어떤 실시예에 따른, 도4a에 대해 상기 기재된 바와 같이, 차단층(418)을 포함하는 MQW 소자(402)의 블록 다이아그램이다. 도4b의 모든 다른 면은 대응하는 도2b에 대해 상술한 바와 동일하다.
도4c는 본 발명의 어떤 실시예에 따른, 도4a에 대해 상기 기재된 바와 같이, 차단층(418)을 포함하는 MQW 소자(403)의 블록 다이아그램이다. 도4c의 모든 다른 면은 대응하는 도2c에 대해 상술한 바와 동일하다.
도4d는 본 발명의 어떤 실시예에 따른, 도4a에 대해 상기 기재된 바와 같이, 차단층(418)을 포함하는 MQW 소자(404)의 블록 다이아그램이다. 도4d의 모든 다른 면은 대응하는 도2d에 대해 상술한 바와 동일하다.
도4e는 본 발명의 어떤 실시예에 따른, 도4a에 대해 상기 기재된 바와 같이, 차단층(418)을 포함하는 MQW 소자(405)의 블록 다이아그램이다. 도4e의 모든 다른 면은 대응하는 도2e에 대해 상술한 바와 동일하다.
도4f는 본 발명의 어떤 실시예에 따른, 도4a에 대해 상기 기재된 바와 같이, 차단층(418)을 포함하는 MQW 소자(406)의 블록 다이아그램이다. 도4f의 모든 다른 면은 대응하는 도2f에 대해 상술한 바와 동일하다.
도4g는 본 발명의 어떤 실시예에 따른, 도4a에 대해 상기 기재된 바와 같이, 차단층(418)을 포함하는 MQW 소자(407)의 블록 다이아그램이다. 도4g의 모든 다른 면은 대응하는 도2g에 대해 상술한 바와 동일하다.
도4h는 본 발명의 어떤 실시예에 따른, 도4a에 대해 상기 기재된 바와 같이, 차단층(418)을 포함하는 MQW 소자(408)의 블록 다이아그램이다. 도4h의 모든 다른 면은 대응하는 도2h에 대해 상술한 바와 동일하다.
도4i는 본 발명의 어떤 실시예에 따른, 도4a에 대해 상기 기재된 바와 같이, 차단층(418)을 포함하는 MQW 소자(409)의 블록 다이아그램이다. 도4i의 모든 다른 면은 대응하는 도2i에 대해 상술한 바와 동일하다.
도5a는 본 발명의 어떤 실시예에 따른, 기판(229)(여기서 기판(229)은 버퍼층 없이 기판 구조(531)를 형성함) 상에 직접 성장한 TB-GEMM(220)을 포함하는 MQW 소자(502)의 블록 다이아그램이다. 도5a의 모든 다른 면은 도2b에 대해 상기 기재된 대로이다. 이는 고품질 TB-GEMM(220)이 버퍼층 없이 성장할 수 있는 이러한 실시예에 대하여 공정단계를 감소시킨다. 여기 기재된 다른 실시예 각각의 어떤 실시예에서, TB-GEMM(220)은 적합하다면 버퍼층 없이 성장한다.
도5b는 본 발명의 어떤 실시예에 따른, 도전성 기판을 포함하고, 기판(211)(여기서 기판(211) 및 접속부(228)(어떤 실시예에서, 연속된 공정단계에서 형성됨)는 버퍼층 없이 기판구조(532)를 형성함) 상에 직접 성장한 TB-GEMM(220)을 포함하는 MQW 소자(503)의 블록 다이아그램이다. 도5b의 모든 다른 면은 도2c에 대해 상기 가재된 대로이다.
도6a는 본 발명의 어떤 실시예에 따른, 도2b의 대응하는 p-타입 GaN층(216) 대신에 n-타입 GaN 층(676)을 포함하는 MQW 소자(602)의 블록 다이아그램이다. 추가적으로, 어떤 실시예에서, n-접속부(677)는 n-타입 GaN층(676)에 대한 낮은 저항 전기적 접속부를 제공하는데에 사용된다. 도6a의 모든 다른 면은 도2b에 대해 상기 기재된 대로이다. 이는 높게 도핑된 n-타입 GaN이 적합한 어떤 실시예(높게 도핑된 n-타입 GaN이 높게 도핑된 p-타입 GaN보다 더 용이하게 달성될 수 있으므로)를 위한 대안적인 다이오드 구조를 제공한다. 여기 기재된 다른 실시예 각각의 어떤 실시예에서, 그러한 n-타입 GaN층(676)은 대응하는 p-타입 GaN층(216)을 대신한다.
도6b는 본 발명의 어떤 실시예에 따른, 도전성 기판구조(232)를 포함하고, 도2c의 대응하는 p-타입 GaN층(216)을 대신하는 n-타입 GaN층(676)을 포함하는 MQW 소자(603)의 블록 다이아그램이다. 도6b의 모든 다른 면은 도2c에 대해 상기 기재된 대로이다.
도7a는 본 발명의 어떤 실시예에 따른, 빛을 반사하고 p-타입 GaN층(216)에 전기적 접속부를 제공하며 선택적으로 금속 거울(763) 및 TB-GEMM(220) 간에 광학적 공동을 생성하는 금속 거울(763)을 포함하는 MQW 소자(702)의 블록 다이아그램이다. 어떤 실시예에서, 빛은 소자(702)의 바닥부를 관통하여 방출된다. 도7a의 모든 다른 면은 도2b에 대해 상기 기재된 대로이다. 여기 기재된 다른 실시예 각각의 어떤 실시예는 그러한 금속 거울(763)을 사용한다.
도7b는 본 발명의 어떤 실시예에 따른, 도전성 기판 구조(232)를 포함하고, 금속 거울(763)을 포함하는 MQW 소자(703)의 블록 다이아그램이다. 도7b의 모든 다른 면은 도2c에 대해 상기 기재된 대로이다.
도8a는 본 발명의 어떤 실시예에 따른, 빛을 통과시키고 p-타입 GaN층(216)에 전기적 접속부를 제공하며 선택적으로 광학적 공동을 생성하는(투과성의 전기적 접속부(864) 및 p-타입 GaN층(216) 간, 또는 투과성의 전기적 접속부(864) 및 그 위의 층 간의 계면으로부터의 반사로 인한) 투과성 전기적 접속부(864)를 포함하는 MQW 소자(802)의 블록 다이아그램이다. 어떤 그러한 실시예에서, 빛은 소자(802)의 상부를 관통하여 방출된다. 도8a의 모든 다른 면은 도2b에 대하여 상기 기재된 대로이다. 여기 기재된 다른 실시예 각각의 어떤 실시예에서, 그러한 투과성 전기적 접속부(864)가 사용된다.
도8b는 본 발명의 어떤 실시예에 따른, 도전성 기판, 및 빛을 통과시키고 p-타입 GaN층(216)에 전기적 접속부를 제공하며 선택적으로 광학적 공동을 생성하는(투과성의 전기적 접속부(864) 및 p-타입 GaN층(216) 간, 또는 투과성의 전기적 접속부(864) 및 그 위의 층 간의 간섭으로부터의 반사로 인한) 투과성 전기적 접속부(864)를 포함하는 MQW 소자(803)의 블록 다이아그램이다. 어떤 그러한 실시예에서, 빛은 소자(803)의 상부를 관통하여 방출된다. 도8b의 모든 다른 면은 도2c에 대하여 상기 기재된 대로이다.
도9a는 본 발명의 어떤 실시예에 따른, 빛 방출 및 방향성을 향상시키는 광전자적 결정층(965)을 포함하는 MQW 소자(902)의 블록 다이아그램이다. 어떤 실시예에서, 광전자적 결정층(965)는 전기적으로 도전성이고, 상부 전기적 접속부(987)가 보여진다. 다른 실시예에서, 광전자적 결정층(965)은 제거되어 상부 전기적 접속부(987)가 상부 p-GaN층(216)과 직접적으로 접속된다. 어떤 실시예에서, 광전자적 결정층(965)은 분리층이 아니라, 광전자적 결정구조가 상부 p-GaN층(216)에 형성된다. 어떤 그러한 실시예에서, 빛은 소자(902)의 상부를 관통하여 방출된다. 도9a의 모든 다른 면은 도2b에 대해 상기 기재된 대로이다. 여기 기재된 다른 실시예 각각의 어떤 실시예에서, 그러한 광전자적 결정층(965) 및 상부 전기적 접속부(987)가 사용된다.
도9b는 본 발명의 어떤 실시예에 따른, 도전성 기판, 광전자적 결정층(965) 및 상부 전기적 접속부(987)을 포함하는 MQW 소자(903)의 블록 다이아그램이다. 어떤 그러한 실시예에서, 빛은 소자(903)의 상부를 관통하여 방출된다. 도9b의 모든 다른 면은 도2c에 대해 상기 기재된 대로이다.
도10은 본 발명의 어떤 실시예에 따른, MQW 소자(1000)의 에너지 레벨 다이아그램이다. 어떤 실시예에서, 정상파(1031)는 활성영역(1014)에 의해 방출되는 빛의 거울(1041)에 의해 반사되는 빛과의 도전성 간섭에 의해 형성되어, 정상파(1031)의 파복(1032)은 활성영역(1014)에, 또는 실질적으로 활성영역(1014)에 위치한다. 이러한 향상된 기술은 참조로서 여기 포함되는, 2007.8.3. 출원된 하나 이상의 공명 반사기 및 그러한 소자용 반사성으로 가공된 성장 템플릿을 포함하는 III-질화물 발광소자 및 그 제조방법에 관한 US 특허 출원 11/882,730(대리인 도켓 5069.001us1)에 상세히 기재되어있다.
도11은 본 발명의 어떤 실시예에 따른 발광 소자를 제조하는 방법의 플로우 차트(1100)이다. 어떤 실시예에서, 방법(1100)은 발광 활성영역의 형성(1110), 발광 소자에서 TB 구조가 상기 활성영역에 인접하여 면하도록 터널링 배리어(TB) 구조의 형성(1112), 발광소자에서 TB-GEMM 구조가 상기 TB 구조에 인접하여 면하도록 TB 성장된-에피택셜-금속-거울(TB-GEMM) 구조의 형성(1114), 여기서 상기 TB-GEMM 구조는 적어도 하나의 금속을 포함하고, TB-GEMM 구조는 활성영역에 대해 실질적으로 격자 매칭되며, 발광소자에서 도전성 타입 III-질화물 결정구조가 상기 TB 구조와 반대편에서 상기 활성영역에 인접하여 면하도록 도전성 타입 III-질화물 결정구조의 형성(1116)을 포함한다. 어떤 실시예에는 추가적으로 발광소자에서 전류-도전성 접속부가 상기 도전성 타입 III-질화물에 전기적으로 접속되도록 전류-도전성 접속부의 형성(1118)을 포함한다.
어떤 실시예에서, 본 발명은 발광 활성영역, 상기 활성영역에 인접하여 면하는 터널링 배리어(TB) 구조, 상기 TB 구조에 인접하여 면하는 TB-성장된-에피택셜-금속-거울(TB-GEMM) 구조, 여기서 상기 TB-GEMM 구조는 적어도 하나의 금속을 포함하고, 상기 활성영역에 대해 실질적으로 격자 매칭되며, 상기 TB 구조와 반대쪽에서 상기 활성영역에 인접하여 면하는 도전성-타입 III-질화물 결정구조를 포함하는 발광소자를 포함하는 장치를 제공한다. 어떤 실시예는 추가적으로 상기 도전성-타입 III-질화물 구조에 전기적으로 접속되는 전류-도전성 접속부를 포함한다.
상기 장치에 대한 어떤 실시예에서, 활성영역은 다중 양자우물(MQW) 구조를 포함한다.
상기 장치에 대한 어떤 실시예에서, 활성영역의 MQW 구조는 서브밴드 최저 에너지 레벨 제공하도록 선택된 양자우물 폭을 포함하고, TB-GEMM 구조는 합금 복합체를 포함하여 금속 전류 주입자가 MQW의 서브밴드 최저 에너지 포텐셜과 실질적으로 동일한 페르미 에너지 포텐셜을 갖게된다.
상기 장치에 대한 어떤 실시예에서, 발광소자는 도전성-타입 III-질화물 구조에 인접하여 면하고, 상기 TB-GEMM 구조에 면하는 제2거울을 추가적으로 포함하여, 상기 제2거울 및 TB-GEMM 구조 간에 광학적 공동을 형성하고, 여기서 활성영역은 상기 광학적 공동 내이다. 특히, 발광소자의 어떤 실시예에서, 상기 제2거울은 도전성-타입 III-질화물 구조에 인접하여 면하는 광학적-동공 성장된-에피택셜-금속-거울(OC-GEMM)을 포함하여, 소자는 상기 OC-GEMM 구조 및 TB-GEMM 구조 간에 광학적 공동을 갖고, 여기서 활성영역은 상기 광학적 공동 내이다. 어떤 그러한 실시예에서, 활성영역은 상기 제2거울의 제1면으로부터 제1거리 떨어져 위치하여, 상기 활성영역은 활성영역(214)으로부터 방출되는 빛의 상기 제2거울에 의해 반사되는 빛과의 간섭에 의해 생성되는 제1 광학적 정상파의 파복(antinode) 혹은 실질적으로 그곳에 위치하게 되며, 적어도 하나의 추출 모드를 형성한다.
상기 장치의 어떤 실시예에서, 발광소자는 추가적으로 기판구조를 포함하며, 여기서 TB-GEMM 구조가 상기 기판구조에 인접하여 면하고, 상기 기판구조 표면에 대해 실질적으로 격자 매칭된다.
OC-GEMM을 포함하는 장치의 어떤 실시예에서, 발광소자는 추가적으로 기판구조를 포함하며, 여기서 상기 OC-GEMM 구조가 상기 기판구조에 인접하여 면하고, 상기 기판구조 표면에 대해 실질적으로 격자 매칭된다.
상기 장치의 어떤 실시예에서, TB-GEMM 구조 및/또는 OC-GEMM 구조는 (HfxZryTiz)R을 포함하는 화합물을 포함하며, 여기서 x+y+z=1이고; x는 0 내지 1, 포함적, y는 0 내지 1, 포함적, z는 x는 0 내지 1, 포함적이며; R은 N 또는 B2이다. 다른 실시예에서, TB-GEMM 구조 및/또는 OC-GEMM 구조는 단지 Hf, 단지 Zr, 단지 Ti 또는 둘 이상의 Hf, Zr 및/또는 Ti의 조합을 포함한다.
어떤 실시예에는 추가적으로 TB-GEMM 구조 및 TB 구조 간에 위치하는 절연성 계면층을 추가적으로 포함한다.
상기 장치의 어떤 실시예에서, 발광소자는 추가적으로 계면 절연층을 포함한다. 어떤 실시예에서, 상기 계면 절연층은 TB-GEMM의 금속 일함수를 MQW의 서브밴드 에너지 레벨과 적절히 정렬시키기 위하여, 터널링 배리어의 페르미 에너지 레벨을 디핀(depin)(예를들면, 표면 상태, 매달린 결합을 부동태화하고, MIGS(금속-유도된 갭 상태, 상술된 바와 같음)의 감소 또는 제거)하는데 사용된다.
상기 장치의 어떤 실시예에서, 발광소자는 추가적으로 차단층을 포함한다. 어떤 실시예에서, 상기 차단층은 p-도핑된 AlGaN층이다. 다른 실시예에서, 상기 차단층은 다른 반도체 재료가 사용된다면, 대응하는 p-타입 또는 n-타입층이다. 어떤 실시예에서, 상기 차단층은 운반자가 양자우물을 건너 이동하는 것을 막기 위하여 밴드갭 에너지를 적당히 증가시킨다. 어떤 실시예에서, 이는 재결합 효율을 향상시킨다.
상기 장치의 어떤 실시예에서, 발광소자는 추가적으로 기판(여기서 상기 기판은 버퍼층을 포함하지 않음) 상에 직접적으로 성장한 TB-GEMM을 포함한다. 이는 이러한 실시예에 대한 공정단계를 감소시켜 고품질 TB-GEMM이 버퍼층 없이 성장할 수 있다.
상기 장치의 어떤 실시예에서, 발광소자는 추가적으로 버퍼층을 포함하지 않는 기판구조를 포함하여, 고품질 TB-GEMM이 버퍼층 없이는 이런 결과를 제공하지 않는 기판 상에 성장할 수 있다.
상기 장치의 어떤 실시예에서, 발광소자는 추가적으로 본 발명의 다른 실시예의 대응하는 p-타입 GaN층을 대신하는 n-타입 GaN층을 포함한다. 추가적으로, 어떤 실시예에서, 추가적인 n-접속은 n-타입 GaN층에 적당한 낮은 저항 전기적 접속을 제공하는 데에 사용된다. 이는 높게 도핑된 n-타입 GaN이 적합한(높게 도핑된 n-타입 GaN이 높게 도핑된 p-타입 GaN보다 용이하게 달성되므로) 이러한 실시예를 위한 대안적인 다이오드 구조를 제공한다.
상기 장치에 대한 어떤 실시예에서, 발광소자는 추가적으로 빛을 반사하고, p-타입 GaN층에 전기적 접속을 제공하며, 선택적으로 금속거울 및 TB-GEMM 간에 광학적 공동을 형성하는 금속거울을 포함한다. 어떤 그러한 실시예에서, 빛은 발광소자의 바닥부를 관통하여 방출된다.
상기 장치에 대한 어떤 실시예에서, 발광소자는 추가적으로 빛은 통과시키고, p-타입 GaN층에 대해 전기적 접속부를 제공하며, 선택적으로 광학적 공동을 형성하는(투과성 전기적 접속부 및 p-타입 GaN 층간, 또는 투과성 전기적 접속부 및 그 위의 층간의 계면으로부터의 반사로 인하여) 투과성 전기적 접속부를 포함한다. 어떤 그러한 실시예에서, 빛은 발광소자의 상부를 관통하여 방출된다.
상기 장치의 어떤 실시예에서, 발광소자는 추가적으로 빛 방출 및 방향성을 증가시키는 광전자적 결정층을 포함한다. 어떤 실시예에서, 상기 광전자적 결정층은 전기적으로 도전성이며, 상부 전기적 접속부가 그 위에 추가된다. 다른 실시예에서, 상기 광전자적 결정층 영역이 제거되어 상부 전기적 접속부가 직접 상부 p-타입 GaN층에 연결된다. 어떤 실시예에서, 상기 광전자적 결정층은 분리된 층이 아니라, 상부 p-GaN층에 형성된다. 어떤 그러한 실시예에서, 빛은 발광소자의 상부를 관통하여 방출된다.
어떤 실시예에서, 본 발명은 발광소자를 제조하는 방법을 제공한다. 이 방법은 발광 활성영역을 형성하고, 터널링 배리어(TB) 구조를 형성하여 발광소자에서 상기 TB 구조가 상기 활성영역에 인접하여 면하며, TB 성장된-에피택셜-금속-거울(TB-GEMM) 구조를 형성하여 발광소자에서 상기 TB-GEMM 구조가 상기 TB 구조에 인접하여 면하고, 여기서 상기 TB-GEMM 구조는 적어도 하나의 금속을 포함하고, 여기서 상기 TB-GEMM 구조는 상기 활성영역에 대해 실질적으로 격자 매칭되며, 도전성 타입 III-질화물 결정구조를 형성하는 것을 포함하여 발광소자에서 상기 도전성 타입 III-질화물 결정구조가 상기 TB 구조의 반대쪽에서 상기 활성영역에 인접하여 면한다. 어떤 실시예는 추가적으로 전류-도전성 접속부를 형성하는 것을 포함하여, 발광소자에서 상기 전류-도전성 접속부가 전기적으로 도전성 타입 III-질화물에 연결된다.
방법의 어떤 실시예에서, 활성영역의 형성은 다중 양자우물(MQW) 구조의 형성을 포함한다.
방법의 어떤 실시예에서, 활성영역의 MQW를 형성하는 것은 선택된 서브밴드 최저 에너지 포텐셜을 제공하도록 선택된 양자우물 폭을 형성하는 것을 포함하고, TB-GEMM 구조는 합금 복합체를 포함하여 금속 전류 주입자가 실질적으로 MQW의 서브밴드 최저 에너지 포텐셜과 동일한 페르미 에너지 포텐셜을 가지도록 한다.
방법의 어떤 실시예는 추가적으로 제2거울을 형성하는 것을 포함하여, 발광소자에서 상기 제2거울이 도전성-타입 III-질화물 구조에 인접하여 면하고, TB-GEMM 구조에 면하여 상기 제2거울 및 TB-GEMM 구조 간에 광학적 공동을 형성하며, 여기서 활성영역이 상기 광학적 공동내에 존재한다.
방법의 어떤 실시예는 추가적으로 광학적-공동 성장된-에피택셜-금속-거울(OC-GEMM)을 포함하는 제2거울을 형성하는 것을 포함하여, 발광소자에서 상기 OC-GEMM 구조가 도전성-타입 III-질화물 구조에 인접하여 면하고, 상기 OC-GEMM 구조 및 TB-GEMM 구조 간에 광학적 공동을 형성하며, 여기서 활성영역이 상기 광학적 공동내에 존재한다.
발명의 어떤 실시예에서, 발광소자가 형성되어, 상기 발광소자에서 활성영역이 제2거울의 제1면으로부터 제1거리 떨어져 위치하며, 상기 활성영역은 활성영역으로부터 방출되는 빛의 상기 제2거울에 의해 반사되는 빛과의 간섭에 의해 생성되는 제1 광학적 정상파의 파복(antinode) 혹은 실질적으로 그곳에 위치하게 되며, 적어도 하나의 추출 모드를 형성한다.
발명의 어떤 실시예는 추가적으로 기판구조를 제공하고, 상기 기판구조 상에 접촉하여 면하며, 상기 기판구조의 표면에 대해 실질적으로 격자 매칭되는 TB-GEMM 구조를 형성하는 것을 포함한다.
방법의 어떤 실시예는 추가적으로 기판구조를 제공하고, 상기 기판구조 상에 접촉하여 면하며, 상기 기판구조의 표면에 대해 실질적으로 격자 매칭되는 OC-GEMM 구조를 형성하는 것을 포함한다.
방법의 어떤 실시예에서, TB-GEMM 구조는 (HfxZryTiz)R를 포함하는 화합물을 포함하며, 여기서 x+y+z=1이고; x는 0 내지 1, 포함적, y는 0 내지 1, 포함적, z는 x는 0 내지 1, 포함적이며; R은 N 또는 B2이다. 다른 실시예에서, TB-GEMM 구조 및/또는 OC-GEMM 구조는 단지 Hf, 단지 Zr, 단지 Ti 또는 둘 이상의 Hf, Zr 및/또는 Ti의 조합을 포함한다.
방법의 어떤 실시예는 추가적으로 절연성의 계면층을 형성하는 것을 포함하여 발광소자에서 상기 계면층이 TB-GEMM 구조 및 TB 구조 간에 위치한다.
상기 기재는 예시적 의도이지 제한적이 아닌 것으로 이해되어야 한다. 여기 기재된 다양한 실시예들의 다수의 특성 및 장점이 앞선 상세한 설명에 다양한 실시예들의 구조 및 기능의 상세함과 함께 설명되었지만, 많은 다른 실시예 및 상세한 부분에서의 변형이 상기 기재된 바의 검토에 의해 본 기술 분야의 숙련된 자들에게 분명할 것이다. 발명의 범위는 따라서 별첨의 청구항을 참조로, 그러한 청구항들에 부여된 균등한 전체 범위에 따라 정해져야 한다. 별첨의 청구항에서, 용어 "포함하는(including)" 및 "여기서(in which)"는 각각 용어 "포함하는(comprising)" 및 "여기서(wherein)"와 동등한 쉬운 영어로서 사용된다. 나아가, 용어 "제1", "제2" 및 "제3" 등은 단지 표시로서 사용되는 것이지, 그 대상물들에 대해 숫자적 필요성을 부과하고자 함은 아니다.
98 "홀"-양전하 운반자
99 전자-음전하 운반자
112 절연 기판에 대한 격자 매칭을 용이하게 하는데 사용되는 버퍼층
113 n-GaN
114 114A-114E를 통틀어 포함하는 활성영역
114A, 114C, 114E 제1, 및 선택적으로 제2 및 추가적인 양자우물
114B, 114D 제1, 및 선택적으로 추가적인 양자우물벽
115 전류 차단층
116 p-타입 GaN
117 p-타입 GaN과의 접속을 위한 상부 전기적 접속부
122 도전성 기판에 대한 격자 매칭을 용이하게 하는데 사용되는 버퍼층
127 TB-GEMM과의 접속을 위한 상부 전기적 접속부
128 바닥부 전기적 접속부
129 몇 실시예에 적용된 절연성 기판
211 몇 실시예에 적용된 도전성 기판
212 절연성 기판에 대한 격자 매칭을 용이하게 하는데 사용되는 버퍼층
214 SQW, MQW 또는 헤테로접합이 위치하는 활성영역
214A, 214C, 214E 제1, 및 선택적으로 제2 및 추가적인 터널링 층 또는 이중 헤테로접합층 간의 양자우물
214B, 214D 제1, 및 선택적으로 추가적인 양자우물벽은 선택적으로 214C, 214E와 같은 하나 이상의 추가적인 양자우물을 형성하는 추가적인 터널링 층/i-GaN 층을 형성한다.
216 상부 p-타입 GaN(다른 실시예에서는 n-타입 GaN일 수 있다)
217 p-타입 GaN과 접속하는 상부 전기적 접속부
220 에피택셜 성장한 금속 거울의 바닥부 터널링 배리어(TB-GEMM)
221 터널링 및 배리어층(몇 실시예에서 이것은 도핑되거나, 다른 실시예에서는 고유의 도핑된 것일 수 있다)
222 도전성 기판에 대한 격자 매칭을 용이하게 하는데 사용되는 버퍼층
225 에피택셜 성장된 금속 거울의 상부 광학적 동공(OC-GEMM)
226 OC-GEMM과 접속하는 상부 전기적 접속부
227 TB-GEMM과 접속하는 상부 전기적 접속부
228 바닥부 전기적 접속부
229 몇 실시예에서 사용되는 절연성 기판
250 상부 TB-GEMM(두껍거나 얇은 버전)
255 바닥부 OC-GEMM
256 절연성 기판용 바닥부 p-타입 GaN(대안적으로 n-타입 GaN일 수 있다)
260 상부 TB-GEMM(얇은 버전)
261 p-타입 GaN에서 도전성 서브밴드(272)와 페르미 에너지 레벨(270)간의 에너지 차이로 정의되는 전압("V2")
262 도전성 서브밴드 에너지 레벨(272)과 밸런스 서브밴드 에너지 레벨(271)간의 에너지 차이인 방출 광전자의 에너지("hv")
266 도전성 기판용 바닥부 p-타입 GaN(대안적으로 n-타입 GaN)
270 p-타입 GaN에서의 페르미 에너지 레벨
271 활성영역에서의 제1 밸런스 서브밴드
272 활성영역에서의 제1 도전성 서브밴드
323 절연성 계면층

Claims (21)

  1. 발광 활성영역;
    상기 활성영역에 인접하여 면하는 터널링 배리어(TB) 구조;
    상기 TB 구조에 인접하여 면하는 TB 성장된-에피택셜-금속-거울(TB-GEMM), 여기서 상기 TB-GEMM 구조는 적어도 하나의 금속을 포함하고 상기 활성영역에 대해 실질적으로 격자 매칭됨;
    상기 TB 구조와 반대쪽에서 상기 활성영역에 인접하여 면하는 도전성-타입 III-질화물 결정구조; 및
    상기 도전성-타입 III-질화물 결정구조에 전기적으로 연결되는 전류-도전성 접속부를 포함하는 발광소자를 포함하는 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 활성영역은 다중 양자우물(MQW) 구조를 포함하는 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에서,
    상기 활성영역의 상기 MQW 구조는 선택된 서브밴드 최저 에너지 포텐셜을 제공하도록 선택된 양자우물 폭을 포함하고, 및
    상기 TB-GEMM 구조는 합금 복합체를 포함하여 금속 전류 주입자가 상기 MQW의 서브밴드 최저 에너지 포텐셜과 실질적으로 동일한 페르미 에너지 포텐셜을 가지는 장치.
  4. 제1항 또는 제2항 또는 제3항에서,
    상기 발광소자는 추가적으로, 상기 도전성-타입 III-질화물 구조에 인접하여 면하고 상기 TB-GEMM 구조에 면하는 제2거울을 포함하여 상기 제2거울 및 상기 TB-GEMM 구조 간에 광학적 공동을 형성하고, 여기서 상기 활성영역은 상기 광학적 공동 내에 있는 장치.
  5. 제1항 또는 제2항 또는 제3항에서,
    상기 발광소자는 추가적으로, 상기 도전성-타입 III-질화물 구조에 인접하여 면하고 상기 OC-GEMM 구조 및 상기 TB-GEMM 구조 간에 광학적 공동을 형성하는 광학적 공동 성장된-에피택셜-금속-거울(OC-GEMM) 구조를 포함하는 제2거울을 포함하고, 여기서 상기 활성영역은 상기 광학적 공동 내에 있는 장치.
  6. 제4항 또는 제5항에서,
    상기 활성영역은 상기 제2거울의 제1면으로부터 제1거리 떨어져 위치하여 상기 활성영역은 활성영역으로부터 방출되는 빛의 상기 제2거울에 의해 반사되는 빛과의 간섭에 의해 생성되는 제1 광학적 정상파의 파복(antinode) 혹은 실질적으로 그곳에 위치하게 되며, 적어도 하나의 추출 모드를 형성하는 장치.
  7. 제1항 또는 제2항 또는 제3항 또는 제4항 또는 제5항 또는 제6항에서,
    상기 발광소자는 추가적으로 기판구조를 포함하고, 여기서 상기 TB-GEMM 구조는 상기 기판구조에 접하여 면하고, 실질적으로 상기 기판구조의 표면에 대해 실질적으로 격자 매칭되는 장치.
  8. 제5항에서,
    상기 발광소자는 추가적으로 기판구조를 포함하고, 여기서 상기 OC-GEMM 구조는 상기 기판구조에 접하여 면하고, 실질적으로 상기 기판구조의 표면에 대해 실질적으로 격자 매칭되는 소자.
  9. 제1항 또는 제2항 또는 제3항 또는 제4항 또는 제5항 또는 제6항 또는 제7항 또는 제8항에서,
    상기 TB-GEMM 구조는 (HfxZryTiz)R를 포함하는 화합물을 포함하며, 여기서 x+y+z=1이고; x는 0 내지 1, 포함적, y는 0 내지 1, 포함적, z는 x는 0 내지 1, 포함적이며; R은 N 또는 B2인 소자.
  10. 제1항 또는 제2항 또는 제3항 또는 제4항 또는 제5항 또는 제6항 또는 제7항 또는 제8항 또는 제9항에서,
    추가적으로 상기 TB-GEMM 구조 및 상기 TB 구조 간에 위치하는 절연성 계면층을 포함하는 장치.
  11. 발광 활성영역을 형성하고;
    터널링 배리어(TB) 구조를 형성하여 발광소자에서 상기 TB 구조가 상기 활성영역에 인접하여 면하며;
    TB 성장된-에피택셜-금속-거울(TB-GEMM) 구조를 형성하여 발광소자에서 상기 TB-GEMM 구조가 상기 TB 구조에 인접하여 면하고, 여기서 상기 TB-GEMM 구조는 적어도 하나의 금속을 포함하고, 여기서 상기 TB-GEMM 구조는 상기 활성영역에 대해 실질적으로 격자 매칭되고;
    도전성 타입 III-질화물 결정구조를 형성하여 발광소자에서 상기 도전성 타입 III-질화물 결정구조가 상기 TB 구조의 반대쪽에서 상기 활성영역에 인접하여 면하며; 및
    전류-도전성 접속부를 형성하는 것을 포함하여 발광소자에서 상기 전류-도전성 접속부가 상기 도전성 타입 III-질화물에 전기적으로 연결되는,
    발광소자를 제조하는 방법.
  12. 제11항에서,
    상기 활성영역을 형성하는 것은 다중 양자우물(MQW)을 형성하는 것을 포함하는 방법.
  13. 제11항 또는 제12항에서,
    상기 활성영역의 MQW 구조를 형성하는 것은 선택된 서브밴드 최저 에너지 포텐셜을 제공하도록 선택된 양자우물 폭을 형성하는 것을 포함하고, 및
    상기 TB-GEMM 구조는 합금 복합체를 포함하여 금속 전류 주입자가 상기 MQW의 서브밴드 최저 에너지 포텐셜과 실질적으로 동일한 페르미 에너지 포텐셜을 가지는 방법.
  14. 제11항 또는 제12항 또는 제13항에서,
    추가적으로 제2거울을 형성하는 것을 포함하고 상기 발광소자에서 상기 제2거울은 상기 도전성-타입 III-질화물 구조에 인접하여 면하고 상기 TB-GEMM 구조에 면하여 상기 제2거울 및 상기 TB-GEMM 구조 간에 광학적 공동을 형성하고, 여기서 상기 활성영역은 상기 광학적 공동 내에 있는 방법.
  15. 제11항 또는 제12항 또는 제13항에서,
    추가적으로 광학적 공동 성장된-에피택셜-금속-거울(OC-GEMM) 구조를 포함하는 제2거울을 형성하는 것을 포함하고 상기 발광소자에서 상기 OC-GEMM 구조는 상기 도전성-타입 III-질화물 구조에 인접하여 면하고 상기 OC-GEMM 구조 및 상기 TB-GEMM 구조 간에 광학적 공동을 형성하며, 여기서 상기 활성영역은 상기 광학적 공동 내에 있는 방법.
  16. 제14항 또는 제15항에서,
    상기 발광소자는 형성되어 상기 발광소자에서 상기 활성영역이 상기 제2거울의 제1면으로부터 제1거리 떨어져 위치하여 상기 활성영역은 활성영역으로부터 방출되는 빛의 상기 제2거울에 의해 반사되는 빛과의 간섭에 의해 생성되는 제1 광학적 정상파의 파복(antinode) 혹은 실질적으로 그곳에 위치하게 되며, 적어도 하나의 추출 모드를 형성하는 방법.
  17. 제11항 또는 제12항 또는 제13항 또는 제14항 또는 제15항 또는 제16항에서,
    추가적으로 기판소자를 제공하고; 및
    상기 기판소자 상에 접촉하여 면하며 상기 기판소자의 표면에 대해 실질적으로 격자 매칭되는 TB-GEMM 구조를 형성하는 것을 포함하는 방법.
  18. 제15항에서,
    추가적으로 기판구조를 제공하고; 및
    상기 기판구조 상에 접촉하여 면하며 상기 기판소자의 표면에 대해 실질적으로 격자 매칭되는 OC-GEMM 구조를 형성하는 것을 포함하는 방법.
  19. 제11항 또는 제12항 또는 제13항 또는 제14항 또는 제15항 또는 제16항 또는 제17항 또는 제18항에서,
    상기 TB-GEMM 구조는 (HfxZryTiz)R를 포함하는 화합물을 포함하며, 여기서 x+y+z=1이고; x는 0 내지 1, 포함적, y는 0 내지 1, 포함적, z는 x는 0 내지 1, 포함적이며; R은 N 또는 B2인 방법.
  20. 제11항 또는 제12항 또는 제13항 또는 제14항 또는 제15항 또는 제16항 또는 제17항 또는 제18항 또는 제19항에서,
    추가적으로 절연성 계면층을 형성하는 것을 포함하며 발광소자에서 상기 절연성 계면층이 상기 TB-GEMM 구조 및 상기 TB 구조 간에 위치하는 방법.
  21. 발광 활성영역을 형성하기 위한 수단;
    터널링 배리어(TB) 구조를 형성하기 위한 수단, 이에 따라 발광소자에서 상기 TB 구조가 상기 활성영역에 인접하여 면하며;
    TB 성장된-에피택셜-금속-거울(TB-GEMM) 구조를 형성하기 위한 수단, 이에 따라 발광소자에서 상기 TB-GEMM 구조가 상기 TB 구조에 인접하여 면하고, 여기서 상기 TB-GEMM 구조는 적어도 하나의 금속을 포함하고, 여기서 상기 TB-GEMM 구조는 상기 활성영역에 대해 실질적으로 격자 매칭되고;
    도전성 타입 III-질화물 결정구조를 형성하기 위한 수단, 이에 따라 발광소자에서 상기 도전성 타입 III-질화물 결정구조가 상기 TB 구조의 반대쪽에서 상기 활성영역에 인접하여 면하며; 및
    전류-도전성 접속부를 형성하는 수단을 포함하여, 이에 따라 발광소자에서 상기 전류-도전성 접속부가 상기 도전성 타입 III-질화물에 전기적으로 연결되는, 발광소자를 제조하기 위한 장치.
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