KR20110110865A - 수직구조의 심자외선 발광다이오드 - Google Patents

수직구조의 심자외선 발광다이오드 Download PDF

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Abstract

수직구조 발광다이오드는 전자기파스펙트럼의 광을 방출할 수 있다. 발광다이오드는 기판을 갖는다. 기판상에 변형제거 초격자 층이 증착되며 이 초격자 층은 펄스 측방 과성장에 의해 증착된 도우프 AlxInyGa1 -x- yN 로 이루어지며 여기서 AlxInyGa1-x-yN의 적어도 하나의 선구물질은 펄스되며 0
Figure pat00109
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1 이다. 제 1 도우프 층이 변형제거 초격자 층위에 놓여지며 제 1 도우프 층은 AlxInyGa1 -x- yN(여기서 0
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x
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x+y
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1)이며 제 1 전도도를 갖는다. 양자웰들과 배리어층들의 교번층들로 이루어진 다층 양자웰이 제 1 도우프 층위에 배열된다. 양자웰은 AlxInyGa1 -x- yN(여기서 0
Figure pat00121
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x+y
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1)로 이루어지며 양자웰의 각 표면상에 있는 배리어층은 양자웰 밴드갭보다 더 큰 밴드갭을 가진다. 다층 양자웰은 배리어층의 각 측면상에서 끝난다. 제 2 도우프 층이 양자웰상에 배열되며 제 2 도우프 층은 AlxInyGa1 -x- yN(여기서 0
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x
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x+y
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1)으로 이루어지며 제 2 도우프 층은 제 1 도우프 층과 다른 전도도를 가진다. 접점이 AlxInyGa1 -x- yN(여기서 0
Figure pat00133
x
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x+y
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1)으로 이루어진 제 3 도우프 층상에 배열되며, 접촉층은 제 3 도우프 층과 다른 전도도를 가진다. 금속 접점은 수직구조방위를 취한다.

Description

수직구조의 심자외선 발광다이오드{VERTICAL DEEP ULTRAVIOLET LIGHT EMITTING DIODES}
본 발명은 수직구조의 발광다이오드(LED)에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 자외선, 보다 바람직하게는 심자외선을 방출하는 수직구조의 LED에 관한 것이다.
자외선(UV) 발광다이오드(LEDs)는 전형적으로 사파이어 또는 덩어리 질화알루미늄 등의 전기절연기판상에서 성장된다. 이 때문에, 전류가 다이오드를 통과할 수 있도록 하기 위해서는, 종종 애노드와 캐소드로 칭하여지는 금속성 접점들이 최종 에피택셜 웨이퍼의 동일한 측면상에 배열될 필요가 있다. 이 기하학적구조는 전형적으로, 전극들이 서로에 대하여 측면에 배열되어 있기 때문에, 횡방향전도구조(laterally conducting geometry)라고 칭하여진다. 횡배열구조의 LEDs의 다량의 예들이 여기에 참고로 언급되는 미합중국 특허 제 7,202,506 호 및 미합중국 특허 출원 공개공보 제 2006/0091786 호에 제공되어 있다.
횡방향전도구조의 LEDs의 단점은 전류를 LED 활성영역을 통과하여 종방향으로 흐르게 하기 전에 전류를 억지로 일정한 저항을 갖는 반도체를 횡방향으로 흐르게 함으로써 유발하는 전류 크라우딩(current crowding) 이다. 횡전류크라우딩(lateral current crowding)은 전류의 횡방향전도를 위해 사용된 재료의 저항에 비례하여 증가한다. UV 방출다이오드에 있어서 전류크라우딩은, 방출의 파장이 감소함에 따라서 전류의 횡방향전도를 위해 사용된 재료의 저항은 전형적으로 증가하기 때문에, 특별히 해롭다. 어떠한 이론에도 한정되지는 않지만, 이것은, 방출파장에 대한 횡방향전도재료의 투과성을 유지하기 위한, 횡방향전도재료의 밴드갭 에너지의 증가에 기인한 것으로 여겨진다.
200 내지 365 mm에서 동작하는 심자외선(DUV)발광다이오드(LEDs)는 바이오에어로솔 형광 검출 시스템의 여기원을 포함하는 많은 용도들에서 실용성이 클 것으로 예상된다. 그러므로, 개선된 품질 및 개선된 제조효율 및 재현성을 갖는 LED 구조 및 그 구조를 갖는 LED를 제조하는 방법에 대한 요구가 계속 있어 왔다.
수직구조의 LEDs는 측방향구조 LEDs와 관련된 많은 결점들을 완화시킨다.
수직구조 LEDs 및 그것들을 제조하는 방법들은 미합중국 특허 제 7,001,824 호 및 제 7,148,520 호; 미합중국 출원공보 제 2006/0267043 호; 제 2007/0001190 호 및 제 2006/0071230 호에 기재되어 있고, 또한 Applied Physics Letters 89, 244113 (2006)에 기재된 Zhou 등의 "Vertical Injection Thin-Film AlGaN/AlGaN Multiple-Quantum-Well Deep Ultraviolet Light-Emitting Diodes" 및 Applied Physics Letters vol. 77, number 15, 200년 10월 9일, 페이지 2343-2345에 있는 Fareed 등의 "Vertical Faceted Lateral Overgrowth of GaN on SiC with Conducting Buffer Layers Using Pulsed Metalorganic Chemical Vapor Deposition" 에 기재되어 있으며, 이들은 모두 참고로서 명세서에 통합된다.
일반적으로, 수직구조 LEDs는 기판위에 기능층들을 순차적으로 적층하여 제조된다. 기능층들의 형성후에, 다이오드가 레이저 보조(laser assist)에 의해 기판으로부터 제거되며, 여기서 LED와 기판사이의 AlxInyGa1 -x- yN으로 이루어진 하나 또는 그 이상의 일련의 버퍼층들이 용해되거나 또는 승화된다.
본 발명은 기판으로부터의 LED의 제거를 용이하게 하는 개선된 버퍼층 및 그것에 의해 형성된 개선된 LED를 제공한다.
본 발명의 목적은 개선된 LED를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 하나의 목적은 최소저항을 갖는 LED를 제공하여 열발생을 감소시키는 데에 있다.
본 발명의 특이한 특성은 종래의 심자외선 LEDs에 비하여 광출력의 증가에 있다.
본 발명의 특이한 또 하나의 특성은 전형적으로 종래기술에서 채택하고 있는 GaN 버퍼층을 제거할 수 있다는 데에 있다.
본 발명의 바람직한 실시예의 특이한 특성은 펄스 원자층 에피택시 (PALE) 성장기술을 사용하여 증착된 버퍼층을 통합하는 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예의 또 하나의 특이한 장점은 기판과 제 1 도우프 층사이에 적어도 하나의 변형제거 초격자를 가질 수 있다는 데에 있다.
구현될 이들 및 다른 장점들은 전자기파스펙트럼으로 광을 방출하는 수직구조 발광다이오드에 의해 제공되어진다. 발광다이오드는 기판을 갖는다. 버퍼층은 기판상에 증착되는 데, 이 버퍼층의 적어도 일부분은 레이저 보조 기판 제거 동안에 나중에 제거할 목적으로 설계되어 있다. 그리고나서, n-형 도우프 AlxInyGa1 -x- yN 영역 (여기서0
Figure pat00001
x
Figure pat00002
1, 0
Figure pat00003
y
Figure pat00004
1, 0
Figure pat00005
x+y
Figure pat00006
1 )이 버퍼층위에 증착되며 합금조성은 n-형 영역이 다이오드로부터 방출된 광에 투명하도록 이루어져 있다. 단일 또는 다중 양자웰(quantum wells)로 이루어진 다이오드 광 방출 영역 또는 활성 영역이 n-형 영역에 뒤이어진다. 양자웰 또는 웰들은 AlxInyGa1 -x- yN (여기서 0
Figure pat00007
x
Figure pat00008
1, 0
Figure pat00009
y
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1, 0
Figure pat00011
x+y
Figure pat00012
1 )으로 이루어지며 양자웰의 각 표면위에 있는 배리어 층은 양자웰 밴드갭보다 큰 밴드갭을 갖는다. 양자웰 또는 양자웰들은 그의 각 측면상에 있는 배리어층에서 끝난다. 제 2 도우프 p-형 영역은 양자웰위에 놓여지며 제 2 도우프 영역은 AlxInyGa1 -x- yN (여기서 0
Figure pat00013
x
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1, 0
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y
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1, 0
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x+y
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1 )의 하나 또는 그 이상의 층들로 이루어지며 제 2 도우프 영역은 제 1 도우프 영역과 다른 전도도를 갖는다. 바람직한 실시예에서, p-형 접촉층은 AlxInyGa1 -x-yN (여기서 0
Figure pat00019
x
Figure pat00020
1, 0
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y
Figure pat00022
1, 0
Figure pat00023
x+y
Figure pat00024
1)으로 이루어진 제 2 도우프 층위에 증착되며 여기서 접촉층은 오옴 접점 형성시에 도움을 주는 제 2 도우프 층와는 다른 전도도를 갖는다. 이 층들은 결합하여 본 발명의 발광다이오드 설계의 기본 요소들을 형성한다.
바람직한 실시예에서, 제 1 버퍼층은 AlxInyGa1 -x- yN /AlrInsGa1 -r- sN (여기서 0
Figure pat00025
x
Figure pat00026
1, 0
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1, 0
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x+y
Figure pat00030
1 및 0
Figure pat00031
r
Figure pat00032
1, 0
Figure pat00033
s
Figure pat00034
1, 0
Figure pat00035
r+s
Figure pat00036
1)으로 이루어진 적어도 하나의 변형제거 초격자층을 포함한다. 초격자층들의의 밴드갭은 서로 달라야만 하며 이 층들은 종래의 성장기술을 이용하거나, 또는 바람직한 실시예에서 펄스성장모드를 이용하여 증착될 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예를 참고하여 설명되었지만 이에 제한되는 것은 아니다. 이 분야의 당업자는 특허청구범위에 보다 상세하게 청구한 본 발명으로부터 일탈함이 없이 부가적인 개선점, 변경, 실시예들을 용이하게 이해할 것이다.
도 1은 GaN 버퍼층을 갖는 수직구조 장치들에 대한 선행기술을 보여주는 개략도.
도 2는 본 발명에서 설명된 대표적인 발광장치구조를 개략적으로 예시한 도면.
도 3은 에피층 균열(epilayer cracks)을 회피하기 위해 깊은 아이솔레이션 트랜치들(isolation trenches)을 만드는 공정을 보여주는 도면.
도 4는 유전체 또는 연질 폴리머로 아이솔레이션 트랜치를 충전하는 공정을 보여주는 도면.
도 5는 하나의 형의 재료 바람직하게는 p-형 전도도의 재료에 오옴 접점을 갖는 장치의 개략도.
도 6은 대체 기판에 장치가 결합되는 것을 보여주는 개략도.
도 7은 원시기판(naive substrate)이 들어올리어지는 장치의 개략도.
도 8은 제 2 전도성 층으로 억세스하기 위한 재료의 제거를 보여주는 도면.
도 9는 에피층들의 양 측면상에 접점을 갖는 수직구조의 전도 장치를 보여주는 도면.
도 10은 수직 전도 발광 장치를 개략적으로 보여주는 도면.
본 발명은 명세서의 일체부분을 형성하는 다양한 도면들을 언급하면서 설명될 것이다. 다양한 도면들의 전체에 걸쳐서, 유사한 요소들은 동일한 숫자가 붙여질 것이다.
본 발명은 자외선, 보다 바람직하게는 심자외선광을 방출하는 장치를 제공한다. 여기서 사용될 때에 심자외선은 200-365 nm의 피크출력파장(peak output wavelength)을 나타낸다.
활성 LED는 p-n 접합을 형성하기 위하여 불순물로 도핑된 반도체재료로 이루어진다는 것은 이 분야의 당업자에게는 잘 알려져 있다. 전류는 p-측, 또는 애노드로부터 n-측, 또는 캐소드로 흐르지만 역방향으로는 흐르지 않는다. 방사선의 파장은 p-n 접합을 형성하는 재료들의 밴드갭 에너지에 종속된다. 여기에 제한되는 것은 아니지만, 본 발명은 그룹 Ⅲ-질화물계 발광장치(Group Ⅲ-nitride based devices) 등의 질화물계 발광장치(nitride-based light emitting devices)에 사용되는데 특히 적합하다. "그룹 Ⅲ 질화물(Group Ⅲ nitride)" 은 주기율표의 그룹 Ⅲ에 있는 원소들과 질소사이에 형성된 반도체 화합물들을 말한다. 보다 바람직하게는 그룹 Ⅲ 원소는 알루미늄(Al), 갈륨(Ga) 및/또는 인듐(In)으로 이루어진 그룹에서 선택된다. AlGaN 및 AlInGaN 등의 3성분 및 4성분 화합물들이 특히 바랍직하다. 이 분야에 잘 알려진 바와 같이, 그룹 Ⅲ 원소들은 질소와 결합하여 GaN, AlN 및 InN 등의 2 성분 화합물; AlGaN, AlInN, 및 GaInN 등의 3 성분 화합물; 및 특히 AlInGaN 의 4 성분 화합물을 형성한다. GN은 각 경우에 실험식이며 여기서 G는 그룹 Ⅲ 원소 또는 원소들의 혼합물이거나 또는 1 몰의 질소가 그룹 Ⅲ 원소들의 1 몰의 총합과 결합된다. 반도체 재료는 여기에 특별히 제한되는 것은 더욱 아니며 본 발명의 장점은 그룹 Ⅲ 질화물을 기본으로 하는 LED에서 가장 바람직한 화합물은 AlxInyGa1 -x- yN (여기서 0
Figure pat00037
x
Figure pat00038
1, 0
Figure pat00039
y
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1, 0
Figure pat00041
x+y
Figure pat00042
1)이며, 선택적으로 n-형 또는 p-형 반도체를 형성할 물질로 도핑된다. 도핑될 수 있거나 또는 도핑될 수 없는 양자웰 및 가장 바람직한 다층 양자웰은 n-형과 p-형 사이에 놓여있다.
종래기술, Zhou 등의 "Vertical Injection Thin-Film AlGaN/AlGaN Multiple-Quantum-Well Deep Ultraviolet Light-Emitting Diodes" Applied Physics Letters 89, 241113 2006로서 도 1을 참고하여 설명하면, 수직사출 박막구조는 고출력 LEDs에 대한 특히 매력적인 장치 설계이다. GaN 에피층(epilayer)는 레이저 리프트-오프 공정(laser lift-off process)용 희생 버퍼층으로서 사용되었다는 것을 도 1로부터 추측할 수 있다. 도 1를 참고하여 설명하면, 질화갈륨 에피층은 종래의 금속 유기 화학 증착(MOCVD) 기술을 사용하여 사파이어 기판위에 증착되었다. 이층은 희생층으로서 사용되었으며 여기서 레이저 방사선이 흡수되고 그래서 사파이어 기판이 제거되었다. 이 GaN층은 또한 변성 AlN 층의 삽입을 가능하도록 도와서, 완전한 UV LED 구조를 성장시켰다.
본 발명은 도 2를 참고하여 설명될 것이다. 수직 LED 장치는 기판 (12), 버퍼층(13), 바람직하게는 n-도우핑된 제 1 도우프층(14), 배리어층들(16)과 웰층들(17)로 이루어진 단일 양자웰 또는 다중 양자웰 발광영역(15), 바람직하게는 p-도핑된 제 2 도우프층(18) 및 접촉층(19)로 이루어진다.
기판(12)는 희생기초물로서 역할을 하며, 그 위에 에피택셜 층들이 형성된다. 기판은 나중에 제거되거나 또는 LED 형성공정동안에 에피택셜층들로부터 분리된다. 따라서, 그룹 Ⅲ 질화물 계 LEDs에 적합한 저가의 기판 재료들의 수는, 그룹 Ⅲ 질화물이 메치가 되지 않는 격자상수들을 갖는 재료에 적용될 때 결함전파의 성향때문에, 제한될지라도 고가의 기판재료들을 사용하는 것은 바람직하지 않다. 이 발명은 결함전파를 제한하여 다른 기판들에 비하여 저가이고 유용성이 있기 때문에 바람직한 사파이어 등의 덜 고가의 기판의 사용을 가능케 하는 방법을 제공한다. 탄화규소, 규소, 질화갈륨, 질화알루미늄, 비소화갈륨, AlxInyGa1 -x- yN (여기서 0
Figure pat00043
x
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1, 0
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y
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1,및 0
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x+y
Figure pat00048
1) 및/또는 다른 초소형전자 기판들(microelectronic substrates) 등의 다른 기판들이 사용될 수 있지만 사파이어가 가장 바람직하다. 기판은 극성이거나, 준극성이거나 또는 비극성이며 기판은 패턴형상이거나 또는 패턴형상이 되지 않을 수 있다. 기판은 다공성일 수 있으며 다공성 작업은 원위치에 행해지거나 또는 원위치를 벗어나서 행해질 수 있다.
버퍼층(13)은 적어도 하나의 AlxInyGa1 -x- yN (여기서 0
Figure pat00049
x
Figure pat00050
1, 0
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y
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1, 0
Figure pat00053
x+y
Figure pat00054
1)으로 이루어진다. 바람직한 실시예에서는, 레이저 리프트오프(laser liftoff) 용 희생층으로 사용되며 리프트-오프 층(lift-off layer)이라고 일컬어지는 AlxInyGa1 -x- yN 층이 펄스원자층 에피택셜(PALE) 성장을 통해 증착되며 또한 그것은 바람직하게는 질화알루미늄층이다. PALE 성장 기술은 2차원 스텝-성장 모드(two dimensional step-growth mode)를 개선함으로써 층의 물성을 크게 향상시킨다.
또 하나의 바람직한 실시예에서는, 버퍼층(13)은 희생층으로 이루어지며, 이 버퍼층(13)은 적어도 하나의 변형층 초격자를 포함하며 이 초격자는 AlxInyGa1 -x- yN /AlrInsGa1-r-sN (여기서 0
Figure pat00055
x
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1, 0
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1, 0
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x+y
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1 및 0
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r
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1, 0
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s
Figure pat00064
1, 0
Figure pat00065
r+s
Figure pat00066
1)의 교번층들로 이루어지며 두 재료들의 밴드갭은 동일하지 않다. 바람직한 실시예에서는, 그 재료들은 PALE 증착에 의해 증착된다. 초격자층들은 전위필터들(dislocaton filters)로서 기능을 하며 여기서 결함벤딩(defect bending)은 차후의 발광영역으로 연장하는 결함들의 크기의 감소를 초래한다.
또 하나의 바람직한 실시예에서는, 버퍼층(13)은 PALE 성장, 종래 성장 및 펄스 측방 과성장(pulsed lateral overgrowth) (PLOG)의 결합을 통해 형성된 측방 과성장 층들 및 일련의 층들로 이루어진다.
펄스 측방 과성장(PLOG)는 트리에틸 갈륨 또는 트리알킬 알루미늄 등의 그룹 Ⅲ 포함 물질과 암모니아 등의 질소 물질이 그룹 Ⅲ 질화물의 증착을 위해 증기상으로 공급되는 기술이다. 펄스 측방 과성장에서는 그룹 Ⅲ 물질의 유속은 일정한 율로 유지되지만, 질소화합물의 유속은 시스템에 의해 변동되며, 바람직하게는 전 흐름(full flow)에서 오프까지, Fareed 등의 "Vertically Faceted Lateral Overgrowth of GaN on SiC with Conducting Buffer Layers Using Pulsed Metalorganic Chemical Vapor Deposition" Applied Physics Letters, Vol. 77, Number 15, 9 October 2000, Page 2343-5 (이 문헌은 참고로서 명세서에 통합되어진다)에 기재된 예정된 순서대로 변동된다. 질소의 유속을 제어함으로써 그에 따라서 질소의 화학적 유용성을 제어함으로써, 선택된 결정면들의 규칙성장(systematic growth)을 달성할 수 있다. 규칙성장은 층 전체에 걸쳐서 격자불일치에 의해 생긴 전위의 이동을 크게 완화시키는 층을 제공한다.
펄스 원자 층 에피택시(pulse atomic layer epitaxy)(PALE) 법은 단위셀내의 알루미늄, 인듐, 및 갈륨 펄스들의 수 및 단위셀 반복의 수를 단지 변경시킴으로써 4 성분 층 조성 및 두께의 정확한 제어을 가능케한다. (J. Zhang 등, Applied Physics Letters, Vol. 79, No. 7, pp. 925-927, 13 August 2001, J. P. Zhang 등, Applied Physics Letters, Vol. 81, No. 23, pp. 4392-4394, 2 December 2002). 펄스 시간, 펄스 조건, 유속 및 그에 따른 화학유용성을 제어함으로써, 규칙성장은 조성, 두께, 및 결정품질을 크게 제어하는 층을 제공한다.
도 2로 다시 돌아가면, 도우프 반도체 층(14) 는 버퍼층(13)에 가해진다. 도우프 반도체 층(14)는 바람직하게는 n-형 반도체, 보다 바람직하게는 규소, 인듐, 산소, 탄소 등의 n-형 도펀트에 의해 도핑되거나, 앞서 언급된 종(species)의 결합에 의해 동시에 도핑된 그룹 Ⅲ 질화물 층이다. 층(14)은 발광영역에 의해 방출된 광의 파장이 이 층을 통과할 정도의 에너지 갭을 가져야 한다. 도우프 반도체는, 발광영역의 반대편의 도핑된 층이 n-형 반도체이라면, p-형 반도체일 수 있다.
그룹 Ⅲ 질화물 층 (14)에 이어서 발광영역 (15)이 놓여지며, 이 발광영역(15)는 단일 양자웰이거나 다중 양자웰을 포함한다. 양자웰 활성영역(15)은 배리어층들(16)과 양자웰들(17)로 이루어진다. 바람직한 실시예에서는 양자웰 활성영역(15)은 바람직하게는 1 내지 12개의 양자웰(17)을 포함하지만 이에 제한되는 것은 아니다. 웰 및 배리어 층들의 두께와 조성은 전자기 스펙트럼의 자외선 영역에서 원하는 출력파장으로 발광하도록 선택될 수 있다. 또한, 웰층의 조성의 변동은 웰층의 두께의 변동에 의해 상쇄될 수 있다. 예를 들면, 340 nm의 출력파장을 제공하기 위하여, 약 15 Å의 두께를 갖는 GaN 웰층이 이용될 수 있으며 반면에 320 nm의 출력파장을 제공하기 위햐여, AlGaN 웰층이 이용될 수 있다. 그래서, 양자웰 및 배리어 층들의 특성을 선택하기 위하여, 배리어 및 웰 층들의 두께 및 조성은 최적화된 성능을 제공하기 위하여 선택될 수 있다. 이것은 성능을 유지하면서 출력파장에 대한 캐리어 구속(carrier confinement)을 제공할 정도의 평형조성을 포함할 수 있다. 이것은 또한 박막에 스트레스(스트레인)을 최소화하고 그에 따라 에피택셜 층들에서의 균열발생을 최소화하면서 충분한 캐리어 구속을 제공할 최적화 두께를 포함할 수 있다. 양쟈웰 활성영역(15)의 특정 구조들이 아래에서 더 상세히 기재된다. 바람직하게는 배리어 층은 AlxInyGa1 -x- yN (여기서 0
Figure pat00067
x
Figure pat00068
1, 0
Figure pat00069
y
Figure pat00070
1, 0
Figure pat00071
x+y
Figure pat00072
1 )으로 이루어진다.
도 2로 되돌아 가면, 도우프 층(18), 바람직하게는 p- 형 도펀트들로 도핑된 도우프 층(18)이 다중 양자웰 활성 영역(15)상에 제공된다. 본 발명의 특정 실시예들에서는, 도우프 층(18)은 마그네슘, 아연, 베릴륨 또는 앞서 언급한 종들의 결합에 의해 도핑될 수 있다. 도우프 층(18)의 밴드갭 에너지는, 이 분야의 당업자에게 전자브록킹층(electronic blocking layer)으로 일컬어지는 캐리어 흐름에 대한 에너지 배리어를 제공하도록, 도우프 층에 인접한 층(15)의 밴드갭보다 크거나 또는 그 밴드갭과 동일하다. 도우프 층 (18)은 바람직하게는 약 50 Å 내지 약 0.5 ㎛의 두께를 갖는다.
양자웰 활성영역(15)은 배리어층(16)과 웰층(17)을 포함하는, 가능하면 각자의 다중 반복으로 포함하는 양자웰 구조들로 이루어진다. 웰층 또는 웰층들 (17)은 두개의 대향하는 배리어층들(16)사이에 들어있다. 그래서, m 웰 층들(17)에 대하여, m 또는 m+1 배리어 층들(16)이 (15)의 최종 층이 배리어층인지에 따라서 제공된다. 게다가, 베리어층(16)은 예를 들면, 미합중국 특허출원 공보 제 2003/0006418 호(발명의 명칭: GROUP Ⅲ NITRIDE BASED LIGHT EMITTING DIODE STRUCTURES WITH A QUANTUM WELL AND SUPERLATTICE, GROUP Ⅲ NITRIDE BASED QUANTUM WELL STRUCTURES AND GROUP Ⅲ NITRIDE BASED SUPERLATTICE STRUCTURES) 또는 미합중국 특허출원 공보 제 2006/0267043 호(발명의 명칭:DEEP ULTRAVIOLET LIGHT EMITTING DEVICES AND METHODS OF FABRICATING DEEP ULTRAVIOLET LIGHT EMITTING DEVICES)에 기재된 바와 같이, 하나 이상의 층으로 제공될 수 있으며, 이 문헌의 명세서는 본 명세서에 일체로 설명된 것 같이 통합된다. 배리어층들(16) 및 웰층들(17)은 위에서 설명된 것과 같은 종래의 그룹 Ⅲ 질화물 성장 기술들을 이용하여 제조될 수 있다. 본 발명의 특정 실시예들에서는, 배리어층(16)은 약 5 Å 내지 300 Å의 바람직한 두께를 가지며 웰층(17)은 약 5 Å 내지 300 Å의 바람직한 두께를 가진다.
접촉층(19)은 또한 도우프 층(18)위에 제공될 수 있다. 접촉층(19)은 Ⅲ-질화물 계 층(Ⅲ-nitride based layer)일 수 있으며 도우프 층(18)보다 적은 알루미늄의 백분율을 가질 수 있으며 또는 도우프 층(18)보다 더 높은 도핑 농도를 가질 수 있다. 접촉층(19)은 Mg, Zn, Be, 또는 앞서 언급된 종들의 결합 등의 p-형 도펀트로 도핑될 수 있으며 약 10 Å 내지 1.0 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 도우프 층(18)과 접촉층(19)은 여기서 언급된 것들과 같은 종래의 그룹 Ⅲ 질화물 성장 기술들을 이용하여 제조될 수 있다.
버퍼층 (13) 및 다른 장치 에피층들(14, 15, 16, 17, 18 및 19)은 금속 유기 화학 증착(metal organic chemical vapor deposition)(MOCVD), 펄스 금속 유기 화학 증착(pulsed metal organic chemical vapor deposition), 금속 유기 수소화물 증기상 에피택시(metal organic hydride vapor phase epitaxy)(MOHVPE), 펄스 금속 유기 수소화물 증기상 에피택시(pulsed metal organic hydride vapor phase epitaxy), 수소화물 증기상 에피택시(hydride vapor phase epitaxy)(HVPE), 분자 빔 에피택시(molecular beam epitaxy) (MBE) 또는 그것들의 결합에 의해 성장될 수 있다.
반도체 층들(13-19)은 트리알킬 (에틸 또는 메틸, 그러나 바람직하게는 메틸) 알루미늄 또는 갈륨 또는 암모니아 등의 선구물질의 농도에 펄싱을 줌으로써 성장될 수 있다. 선구물질농도의 펄싱(pulsing)은 층의 재료물성을 개선하는 물질의 원자층 표면이동을 돕는다. 성장기술은 공지기술에서 여러 형태로 일컬어져 왔으며 이 특허에서는 PALE 성장 기술로 통합하였다.
도 3을 참고하여 설명하면, 심 UV LEDS의 구현에 필요한 장치 에피층들(device epilayers)은 높은 알루미늄 농도때문에 크게 변형을 일으킨다. 레이저 보조 기판 리프트-오프이후에 에피층들의 균열발생을 없애기 위하여, 에피층 측면(epilayer side)으로부터 아이솔레이션 트렌치들(23)을 형성하는 것이 바람직하다. 바람직한 실시예에서는, 이들 트렌치가 Ti, Ni 등의 금속 및 이산화 규소 등의 유전체로 이루어지며, 금속 마스크를 이용하여 형성된다. 트렌치는 이 분야의 당업자에게 잘 알려진 표준 포토리소그래픽 공정을 이용하여 형성된다. 금속 마스크는 트렌치 형성이후에 제거된다.
도 4을 참고하여 설명하면, 한 실시예에서 기판은 아이솔레이션 트렌치(23)으로 이루어지고 소프트 폴리머로 충전된다. 폴리머들은 바람직하게는 리-플로우 포토-레지스트 SU-8, 스핀 온 글라스(SOG) 및 벤조-시클로-부텐(BCB)로부터 선택된다. 리-플로우 포토-레지스트 SU-8은 다양한 상업적 소오스들로부터 이용가능한 일반적으로 사용되는 네가티브 포토레지스트이다. 이들 폴리머는 표준 포토리소그라피에 의한 패터닝의 용이성, 점성, 온도안정성 및 유전체 강도 때문에 바람직하다. 폴리머들은 약 30℃ 내지 약 800℃의 온도, 본딩 압력 등의 후위 처리 조건들(back-end processing conditions)에 견딜 수 있어야 한다. 폴리머들은 또한 높은 절연강도(dielectric strength)를 가져야 하며, 전기적으로 비-전도성이고 UV 방사 및 화학약품에 불활성이어야 한다.
도 4를 참고하여 설명하면, 또 하나의 실시예에서, 기판은 아이솔레이션 트렌치(23)으로 이루어지며 유전체로 충전되며 유전체는 바람직하게는 이산화규소 및 질화규소로부터 선택된다. 이들 유전체는 전형적으로 플라즈마 개선 화학적 기상 증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition)(PECVD)을 사용하여 증착되며 이에 제한되는 것은 아니다. 한 실시예에서는 유전체는 선구물질 가스로서 암모니아, 실란, 디-실란, 테트라-에틸 오쏘 실리케이트, 산소, 아산화질소 및 헬륨을 사용하여 형성된다. 온도는 바람직하게는 70℃ 내지 300℃의 범위에 걸쳐있다. 300 mTorr 내지 1000 mTorr의 전형적인 압력 범위가 사용된다. 무선 주파수 전력(RF 전력)은 바람직하게는 10 와트 내지 200 와트의 범위에 있다. 전자 빔 스퍼터링 등의 다른 기술들이 유전체를 형성하는 데 사용될 수 있다. 유전체는 또한 05/07/2007에 출원된 미합중국 특허 출원 공보 제 11/800,712 호에 기재된 PECVD 시스템을 사용하는 신규의 유전체 증착 기술에 의해 증착될 수 있다. 유전체는 약 300℃ 내지 약 800℃의 온도, 본딩 압력 등의 후위처리조건들(back-end processing conditions)을 견딜 수 있어야 한다. 유전체는 또한 높은 절연강도를 가지고 전기적으로 비-전도성이며 UV 방사 및 화학약품에 불활성이어야 한다.
도 5에 관련하여 설명하면, 오옴 접점(20)이 접촉층(19)위에 제공될 수 있다. 접점은 플라티늄 접점일 수 있다. 다른 재료들이 오옴 접점으로서 사용될 수 있다. 예를 들면, 오옴 접점은 로듐, 산화아연, 팔라디움, 산화팔라디움, 티타늄, 니켈/금, 산화니켈/금, 산화니켈/ 산화 플라티늄 인듐 주석 및/또는 티타늄/금, 금/주석으로 이루어질 수 있다. 오옴 접점에 이어서, 위에서 언급된 금속층들의 결합에 의해 이루어진 금속층들의 적층이 이어진다. 일부 실시예에서는, 오옴접점은 10Å 내지 10 ㎛의 범위의 평균 두께를 갖는다.
오옴접점은 원자 금속박막(atomically thin metallic films)을 제어에 의해 형성하는 전자빕(e-beam) 증착 기술 또는 어떠한 다른 적절한 기술들에 의해 형성될 수 있다. 예를 들면, 적절한 공정제어가 유지된다면 전기도금법, 또는 열증착법에 의해 오옴접점을 형성할 수 있다. 전자빕 증착법에서는 금속원 타겟은 그 타겟의 일 영역을 용해하는 높은 세기 전자빕에 의해 증발점까지 진공챔버내에서 가열된다. 챔버내에 놓여있는 에피택셜 웨이퍼는 증기화된 금속으로 제어-코팅되어진다. 전자-빔 증착법 또는 다른 박막증착법들이 R. Jaeger의 Introduction to microelectronic fabrication 의 6장에 기재되어 있다.
발광장치는 플립-칩 기술에 의해 마운팅될 수 있다. 이 분야에서 전형적으로 다이스(dies)라고 불리어지는 장치들은, 활성 에피층 측면(active epilayer side)이 서브-마운트(또는 도 6에서 "대체 기판(21)")으로 일컬어지는 캐리어와 대면하도록, 범프-본딩(bump-bonding), 열초음파 본딩(thermosonic bonding), 공정 본딩(eutectic bonding) 또는 에폭시 본딩(epoxy bonding)을 포함하는 다양한 본딩 기술들에 의해 마운팅되며, 여기서 이러한 본딩기술들에 제한되는 것은 아니며 적절한 재료가 다이와 캐리어 양 부품상의 특정위치들에 증착된다. 특정한 바람직한 본딩 재료들은 혼합물을 포함하지만 이에 제한되는 것은 아니며 주석, 금, 납 및 인듐; 은 페인트 등의 공정혼합물이 바람직하다. 본딩 재료들은 바람직하게는 두께 제어를 위한 열증착법에 의해 증착되지만 전기도금, 스퍼터링 등의 다른 기술들에 의해 증착될 수 있다.
도 6을 참고하여 설명하면, 대체기판상의 접점은 어떠한 적절한 재료라도 무방하다. 전형적으로 다결정 질화알루미늄, 질화알루미늄, 규소, 티타늄-텅스텐 합금과 구리, 구리-텡스텐의 합금, 탄화규소가 대체기판 또는 캐리어들로서 사용된다. 기판(21)에 접점을 형성하는 어떠한 기술도 이용될 수 있다. 이러한 기술들은 이 분야의 당업자에게 알려져 있으며 그러므로 여기서 더 상세하게 기재할 필요가 없다. 여기에 기재한 본 발명은 결정질 에피택셜 성장 기판을 대체기판으로 갖는 구조들에 제한되는 것은 아니다.
이들 캐리어 기판, 또는 서브마운트는 천연기판보다 최종제품에 더 적당한 열적, 전기적, 구조적 및/또는 광학적 특성들을 가질 수 있다.
도 7을 참고하여 설명하면, n-형 반도체, 다중 양자웰 및 p-형 반도체로 이루어진 샌드위치를 변형 제거 버퍼층에서 분리할 수 있다. 분리는 전형적으로 적절한 파장의 광을 사용하여 레이저 보조 리프트-오프(laser-assisted lift-off)에 의해 이루어질 수 있다.
GaN에 대하여 리프트-오프용 레이저의 적절한 파장은 약 248 nm이며 반면에 AlxInyGa1-x-yN (여기서 x ＞ 0) 에 대하여는 레이저의 적절한 파장은 약 193 nm이다. 여기에 기재된 리프트 오프 층으로서 AlN을 사용하는 것이 바람직하며 장치 구조(device structure)로부터 기판을 리프트오프하기 위하여는 193 nm 레이저를 사용하는 것이 바람직하다.
리프트-오프 후에 나머지 구조물을, 레이저 조사로부터 생긴 원하지 않는 금속 방물들을 제거하기 위하여, 염산, 인산 또는 황산 등의 산과 물에, 또는 물이 없이 산만에 담글 수 있다.
리프트오프 후에, 기판을, 레이저 조사로부터 생긴 원하지 않는 금속방울들을 제거하기 위하여, 수산화칼륨, 수산화암모늄, 과산화수소 등의 부식액과 물에, 또는 이 부식액만에, 담글 수 있다.
도 8을 참고하여 설명하면, 층(13)으로부터 생긴 남아있는 버퍼는 이상적으로는 유도결합플라즈마 에칭 및 반응성이온 에칭에 의해 삼염화붕소, 염소 및 알곤 가스들의 혼합물 등의 적절한 화학적 환경에서 에칭될 것이다. 어떤 실시예에서는, 에칭은 반응성 이온 에칭에 의해서만 수행될 것이며 ICP 동력원을 필요로 하지 않을 수 있으나 이에 제한되지는 않는다. 어떤 실시예에서는 반응성 에칭은 삼염화붕소 및 알곤으로만 이루어지고 특별히 염소는 턴-오프되어 최종 n-형 접촉층의 표면조건들을 개선할 것이다. 또 하나의 실시예에서는 남아 있는 버퍼는 이 분야의 당업자에게 잘 알려진 습식 화학에칭, 광전 화학 습식 에칭이거나 랩 앤드 폴리쉬(lap and polish) 기술들을 이용하여 제거된다.
도 9를 참고하여 설명하면, 오옴접점(22)이 접촉층(14)상에 제공될 수 있다. 접점은 티타늄 접점일 수 있다. 다른 재료들이 오옴접점을 위해 사용될 수 있다. 예를 들면 오옴접점은 로듐, 알루미늄, 바나늄, 질화바나늄, 질화티타늄, 탄탈륨, 질화탄탈륨, 금(tantalum nitride gold) 및/또는 위에서 언급한 금속들의 결합으로 이루어질 수 있다. 오옴접점에 뒤이어서, 외부 와이어-본딩 및 플립-칩 패키징에 필요한 티타늄/금, 전기도금된 두꺼운 금 등의 금속층들의 적층이 배열된다. 일부 실시예에서는, 오옴접점 및 함께 결합된 뒤이은 금속 스택은 10 ㎛ 보다 적은 평균 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서는 결합된 금속 스택은 500Å 내지 10 ㎛의 범위에 있는 결합 두께를 갖는다.
오옴접점은 원자 금속 박막을 제어 형성하기 위한 전자빕 증착법 또는 어떤 다른 적절한 기술들에 의해 형성될 수 있다. 예를 들면, 적절한 공정제어가 유지된다면 전기도금법, 또는 열증착법에 의해 오옴접점을 형성할 수 있다. 장치로부터 광의 추출을 향상시키기 위해서 접촉금속과 긴밀한 접촉을 하지 않는 n-형 층의 면적들이 있도록 접촉의 기하학적 배열은 설계된다. 이 배열은 광추출을 최대화하면서 동시에 입력저항을 최소화하도록 설계된다.
도 9를 참고하여 설명하면, 층(14)에 대한 접점은 부분개구부를 가져서 UV 광이 효율적인 광추출을 위한 반도체로부터 새어나올 수 있다.
도 9를 참고하여 설명하면, 상부쪽에 있는 질소 면 에피층(nitrogen face epilayer)(층(14))은 염산, 황산, 인산, 수산화암모늄, 수산화칼륨, 과산화수소, 그것들의 결합 등의 산과 염기로 화학 에칭되기 용이하며 그래서 표면이 염산에 의해 에칭되고 이어서 수산화암모늄 또는 유사한 결합물에 액침(dipping)되어진다. 이 처리는 표면을 거칠게 만들어서 더 많은 광이 산란될 수 있고 그래서 장치들의 효율을 개선시킬 수 있다.
365 nm 보다 적은 피크 출력파장을 갖는 완성된 수직형 자외선 방광장치가 도 10에 예시되어 있다. 도 10에서, 장치는, 위에 기재된 바와 같이, 기판이 제거되고 나서 남아 있는 층들(14-19)으로 이루어진다. 대체 기판(21)은 바람직하게는 p-형 반도체 쪽에서 제공된다. 오옴접점(21 및 22)은 연결성을 제공하기 위하여 제공된다.
장치는 광출력을 향상시키기 위하여 추가적으로 에폭시 돔(epoxy dome)으로 이루어질 수 있다. 바람직한 폴리머들은 실리콘 탄성중합체들의 혼합물이다. 이러한 재료들의 올바른 조성은 두 부분 접착제 즉 부분 A(염기)와 부분 B(경화제)을 적정한 비율들로 혼합함으로써 형성된다. 비례 비(proportional ratio)는 장치의 발광파장에 따라서 변화한다. 전형적인 예들은 4:2, 6:1, 8:1, 10:1, 5:5, 2:6, 7:3 이며 이에 제한되는 것은 아니다. 다른 실리콘 폴리머가 또한 사용될 수 있다. 접착제는 돔 형상으로 형성되며 접착제는 적당한 투명도와 형상을 위하여 산소, 공기, 질소, 진공 또는 알곤 등의 환경에서 50℃ -300℃사이에서 열에 의해 경화된다. 돔들은 동일한 폴리머의 방울을 돔위에 제공함으로써 조심하여 부착된다.폴리머의 방울은 표면장력에 때문에 완성 칩쪽으로 이동하며 일단 돔이 다이위에 놓여지면 폴리머가 경화하여 돔을 발광다이오드 패키지에 고정시킨다.

Claims (1)

  1. 전자기파 스펙트럼의 광을 방출할 수 있는 수직구조의 발광다이오드로서, 상기 발광다이오드는:
    기판;
    상기 기판상에 코팅되며 AlxInyGa1 -x- yN (여기서 0.3
    Figure pat00073
    x
    Figure pat00074
    1, 0
    Figure pat00075
    y
    Figure pat00076
    1, 0.3
    Figure pat00077
    x+y
    Figure pat00078
    1 )으로 이루어진 리프트-오프 층;
    상기 리프트-오프 층상에 있는 변형제거 초격자 층;
    상기 변형제거 초격자 층상에 있으며 AlxInyGa1 -x- yN (여기서 0
    Figure pat00079
    x
    Figure pat00080
    1, 0
    Figure pat00081
    y
    Figure pat00082
    1, 0
    Figure pat00083
    x+y
    Figure pat00084
    1 )로 이루어지고 제 1 전도도를 가지는 제 1 도우프 층;
    상기 제 1 도우프 층상에 있으며, 양자웰 및 배리어 층이 교번되고, 양 측면에는 상기 배리어 층이 배열된 상태로 끝나는 다층 자외선 방출 양자웰 영역으로서, 상기 양자웰은 AlxInyGa1 -x- yN (여기서 0
    Figure pat00085
    x
    Figure pat00086
    1, 0
    Figure pat00087
    y
    Figure pat00088
    1, 0
    Figure pat00089
    x+y
    Figure pat00090
    1 )로 이루어지고, 상기 배리어 층은 상기 양자웰의 밴드갭보다 큰 밴드갭을 가지고 또한 AlxInyGa1 -x- yN (여기서 0
    Figure pat00091
    x
    Figure pat00092
    1, 0
    Figure pat00093
    y
    Figure pat00094
    1, 0
    Figure pat00095
    x+y
    Figure pat00096
    1 )로 이루어지는 다층 자외선 방출 양자웰 영역;
    상기 다층 자외선 방출 양자웰 영역상에 있으며 AlxInyGa1 -x- yN (여기서 0
    Figure pat00097
    x
    Figure pat00098
    1, 0
    Figure pat00099
    y
    Figure pat00100
    1, 0
    Figure pat00101
    x+y
    Figure pat00102
    1 )으로 이루어지고 제 1 도우프 층과 다른 전도도와 다른 도펀트 형을 가지는 제 2 도우프 층;
    상기 제 2 도우프 층상에 있으며 AlxInyGa1 -x- yN (여기서 0
    Figure pat00103
    x
    Figure pat00104
    1, 0
    Figure pat00105
    y
    Figure pat00106
    1, 0
    Figure pat00107
    x+y
    Figure pat00108
    1 )으로 이루어지고 제 2 도우프 층과 다른 전도도를 가지는 접촉 층;
    상기 접촉 층상에 형성된 금속 접점을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 발광다이오드.
KR1020117021867A 2006-10-18 2007-10-17 수직구조의 심자외선 발광다이오드 KR20110110865A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

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US85267206P 2006-10-18 2006-10-18
US60/852,672 2006-10-18

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