KR20110118836A - 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 GaAs 기판과, GaAs 기판 상에 설치된 발광부와, 발광부 상에 설치된 변형 조정층을 구비하고, 상기 발광부는 조성식이 (AlXGa1 -X)YIn1 - YP(여기서, X 및 Y는, 각각 0≤X≤0.1 및 0.39≤Y≤0.45를 만족하는 수치임)인 변형 발광층을 갖고, 상기 변형 조정층은 발광 파장에 대하여 투명함과 동시에 상기 GaAs 기판의 격자 상수보다도 작은 격자 상수를 갖는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼 등에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 발광 파장 655 nm 이상의 고출력 및/또는 고효율의 LED를 양산 가능한 에피택셜 웨이퍼를 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼에 관한 것으로서, 특히 고출력 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼에 관한 것이다.
본원은, 2009년 3월 10일에 일본에서 출원된 일본 특허 출원 제2009-056779호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그의 내용을 여기에 원용한다.
최근 들어, 인공 광원에 의한 식물 육성이 연구되고 있다. 특히, 단색성이 우수하고, 에너지 절약, 장수명 및 소형화가 가능한 발광 다이오드(LED)에 의한 조명을 사용한 재배 방법이 주목받고 있다. 또한, 지금까지의 연구 결과로부터, 식물 육성(광합성)용의 광원에 적합했던 발광 파장의 하나로서, 파장 600 내지 700 nm의 영역의 적색 광의 효과가 확인되어 있다. 특히, 광합성에 대하여 파장 660 내지 670 nm 부근의 광은 반응 효율이 높아 바람직한 광원이다. 이 파장에 대하여, 종래의 적색 발광 다이오드에 있어서는, AlGaAs 및 InGaNP 등으로 이루어지는 발광층의 적용이 검토되고 있었다. (예를 들어 특허문헌 1 내지 4)
한편, 인화알루미늄·갈륨·인듐(조성식 (AlXGa1 -X)YIn1 - YP; 0≤X≤1, 0<Y≤1)으로 이루어지는 발광층을 구비한 화합물 반도체 LED가 알려져 있다. 이 LED에 있어서, Ga0 .5In0 .5P의 조성을 갖는 발광층의 파장이 가장 길고, 이 발광층에서 얻어지는 피크 파장은 650 nm 부근이다. 이 때문에, 655 nm보다도 장파장의 영역에서는, 화합물 반도체 LED의 실용화 및 고휘도화가 곤란하였다.
(AlXGa1 -X)YIn1 -YP(0≤X≤1, 0<Y≤1)로 이루어지는 발광층을 구비한 발광부는 비소화갈륨(GaAs) 단결정 기판 상에 형성되어 있다. 이때, 상기 발광부의 조성은 GaAs 단결정 기판의 격자 상수에 정합하도록 선택된다. 한편, 발광 메커니즘이 상이한 레이저 소자에 있어서는, 변형이 있는 발광층에 대해서 검토되고 있지만, 발광 다이오드에 있어서는, 변형이 있는 발광층에 대해서 실용화되어 있지 않은 것이 현 상황이다(예를 들어, 특허문헌 5 참조).
또한, 양자 웰 구조를 적용한 발광 다이오드의 발광부의 검토가 되어 있다. 그러나, 양자 웰 구조의 적용에 의해 얻어지는 양자 효과는 발광 파장을 단파장화시키기 때문에, 장파장화의 기술에는 적용할 수 없다는 문제가 있었다(예를 들어, 특허문헌 6 참조).
그런데, 식물 육성용의 조명의 광원으로서 실용화하기 위해서는, 에너지 절약 및 비용면에서, 발광 효율이 높은 LED를 사용해서 사용 전력 및 LED의 사용 수량을 삭감할 필요가 있다. 또한, LED의 양산 기술의 확립이나 비용 절감도 중요한 과제이다.
특히, 식물 육성용의 조명에 적합한 660 nm의 파장대의 LED에 대해서는, 종래의 AlGaAs로 이루어지는 발광층을 구비한 LED에서는 발광 출력이 부족하기 때문에, 고출력화 및/또는 고효율화의 실현이 가능한 LED의 개발이 요망되고 있다.
한편, 발광 효율이 높은 (AlXGa1 -X)YIn1 - YP (0≤X≤1, 0<Y≤1)로 이루어지는 발광층에 있어서는, 650 nm 이상의 장파장화에는 LED용의 변형 발광층에 특유한 기술 과제가 존재하기 때문에, 실용화, 고효율화, 및/또는 양산화가 되어 있지 않다. 특히, 655 nm 이상의 장파장화에서는, 발광층의 변형이 제어되고, 발광 파장의 균일성이 양호한 에피택셜 웨이퍼의 양산 기술에 과제가 있다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 발광 파장 655 nm 이상의 고출력 및/또는 고효율의 LED를 양산 가능한 에피택셜 웨이퍼를 제공하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명은 이하에 관한 것이다.
(1) GaAs 기판과, 상기 GaAs 기판 상에 설치된 pn 접합형의 발광부와, 상기 발광부 상에 설치된 변형 조정층을 구비하고, 상기 발광부는 조성식이 (AlXGa1 -X)YIn1-YP(여기서, X 및 Y는, 각각 0≤X≤0.1 및 0.39≤Y≤0.45를 만족하는 수치임)인 변형 발광층을 갖고, 상기 변형 조정층은 발광 파장에 대하여 투명함과 동시에 상기 GaAs 기판의 격자 상수보다도 작은 격자 상수를 갖는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼.
(2) 상기 변형 발광층의 조성식이 GaYIn1 - YP(여기서, Y는 0.39≤Y≤0.45를 만족하는 수치임)인 것을 특징으로 하는 전항 1에 기재된 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼.
(3) 상기 변형 발광층의 두께가 8 내지 30 nm의 범위인 것을 특징으로 하는 전항 1 또는 2에 기재된 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼.
(4) 상기 변형 조정층의 조성식이 (AlXGa1 -X)YIn1 - YP(여기서, X 및 Y는, 각각 0≤X≤1 및 0.6≤Y≤1을 만족하는 수치임)인 것을 특징으로 하는 전항 1 내지 3 중 어느 한 항에 기재된 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼.
(5) 상기 변형 조정층의 조성식이 AlXGa1 - XAs1 - YPY(여기서, X 및 Y는, 각각 0≤X≤1 및 0.6≤Y≤1을 만족하는 수치임)인 것을 특징으로 하는 전항 1 내지 3 중 어느 한 항에 기재된 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼.
(6) 상기 변형 조정층의 재질이 GaP인 것을 특징으로 하는 전항 1 내지 3 중 어느 한 항에 기재된 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼.
(7) 상기 변형 조정층의 두께가 0.5 내지 20 ㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 전항 1 내지 6 중 어느 한 항에 기재된 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼.
(8) 상기 발광부는 상기 변형 발광층과 배리어층의 적층 구조를 갖고 있으며, 변형 발광층이 8 내지 40층 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 전항 1 내지 7 중 어느 한 항에 기재된 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼.
(9) 상기 배리어층의 조성식이 (AlXGa1 -X)YIn1 - YP(여기서, X 및 Y는, 각각 0.3≤X≤0.7 및 0.49≤Y≤0.52를 만족하는 수치임)인 것을 특징으로 하는 전항 1 내지 8 중 어느 한 항에 기재된 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼.
(10) 상기 발광부의 상면 및 하면 중 한쪽 또는 양쪽에 클래드층을 구비하고, 상기 클래드층의 조성식이 (AlXGa1 -X)YIn1 - YP(여기서, X 및 Y는, 각각 0.5≤X≤1 및 0.48≤Y≤0.52를 만족하는 수치임)인 것을 특징으로 하는 전항 1 내지 9 중 어느 한 항에 기재된 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼.
(11) 상기 GaAs 기판의 면 방위의 범위가, (100) 방향으로부터 (0-1-1) 방향으로 15° 오프±5°인 것을 특징으로 하는 전항 1 내지 10 중 어느 한 항에 기재된 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼.
(12) 상기 GaAs 기판의 직경이 75 mm 이상인 것을 특징으로 하는 전항 1 내지 11 중 어느 한 항에 기재된 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼.
(13) 휘어짐량이 200 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 전항 12에 기재된 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼.
(14) 식물 육성의 광합성의 촉진에 사용하는 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼이며, 상기 변형 발광층의 피크 발광 파장이 655 내지 675 nm의 범위인 것을 특징으로 하는 전항 1 내지 13 중 어느 한 항에 기재된 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼.
(15) 상기 변형 발광층의 발광 파장 700 nm에 있어서의 발광 강도가, 상기 피크 발광 파장에 있어서의 발광 강도의 10％ 미만인 것을 특징으로 하는 전항 14에 기재된 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼.
본 발명의 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼에는 GaAs 기판 상에 조성식이 (AlXGa1-X)YIn1-YP(여기서, X 및 Y는, 각각 0≤X≤0.1 및 0.39≤Y≤0.45를 만족하는 수치임)인 변형 발광층을 갖는 발광부가 설치되어 있다. 변형 발광층의 재질에 AlGaInP을 채용함으로써, 변형 발광층에 있어서의 발광 효율을 향상할 수 있다. 또한, 변형 발광층의 조성을 상기 범위로 규정함으로써, 변형 발광층으로부터의 발광 파장을 655 nm 이상으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼에는, 발광부 상에 변형 조정층이 설치되어 있다. 이 변형 조정층은 발광 파장에 대하여 투명하기 때문에, 이 에피택셜 웨이퍼를 사용해서 LED를 제작했을 때에, 발광부으로부터의 발광을 흡수하는 경우가 없다. 또한, 이 변형 조정층은 GaAs 기판의 격자 상수보다도 작은 격자 상수를 갖고 있기 때문에, 이 에피택셜 웨이퍼 전체의 휘어짐의 발생을 저감할 수 있다. 이에 의해, 변형 발광층에 결함이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
따라서, 본 발명의 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼에 의하면, 발광 파장 655 nm 이상의 고출력 및/또는 고효율의 LED를 양산 가능한 에피택셜 웨이퍼를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 에피택셜 웨이퍼를 사용해서 발광 다이오드를 제작했을 때에는, 종래의 AlGaAs계의 발광층을 채용한 발광 다이오드(LED)와 비교하여 3배 이상의 발광 효율을 갖는 고출력 발광 다이오드를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태인 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼를 도시하는 단면 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태인 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼의 발광부를 도시하는 단면 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태인 발광 다이오드를 도시하는 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태인 발광 다이오드의, 도 3 중에 나타내는 A-A'선을 따른 단면 모식도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시 형태인 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼의 휘어짐량의 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시 형태인 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼의 휘어짐량의 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태인 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼를 구성하는 각 층의 변형의 상황을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태인 발광 다이오드의 발광 스펙트럼을 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태인 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼의 발광부를 도시하는 단면 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태인 발광 다이오드를 도시하는 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태인 발광 다이오드의, 도 3 중에 나타내는 A-A'선을 따른 단면 모식도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시 형태인 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼의 휘어짐량의 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시 형태인 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼의 휘어짐량의 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태인 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼를 구성하는 각 층의 변형의 상황을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태인 발광 다이오드의 발광 스펙트럼을 도시하는 도면이다.
이하, 본 발명을 적용한 일 실시 형태인 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼에 대해서, 이것을 사용한 발광 다이오드 칩과 함께 도면을 사용해서 상세하게 설명한다. 본 실시 형태는 상하로 전류를 흘리는 일반적인 소자 구조로 하였다. 이하의 설명에서 사용하는 도면은 특징을 이해하기 쉽게 하기 위해서, 편의상 특징이 되는 부분을 확대해서 나타내고 있는 경우가 있고, 각 구성 요소의 치수 비율 등이 실제와 같다고는 할 수 없다.
<발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼>
도 1은 본 발명을 적용한 일 실시 형태인 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼의 구조를 설명하기 위한 단면 모식도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼(10)(이하, 에피택셜 웨이퍼(10)라고 기재함)는, GaAs 기판(1)과, GaAs 기판(1) 상에 설치된 pn 접합형의 발광부(2)와, 발광부(2) 상에 설치된 변형 조정층(3)을 적어도 구비하여 개략 구성되어 있다. 구체적으로는, 에피택셜 웨이퍼(10)는 GaAs 기판(1)의 표면 상에, GaAs로 이루어지는 완충층(4), 하부 클래드층(5), 발광부(2), 상부 클래드층(6) 및 변형 조정층(3)이 순차 적층된 소자 구조를 갖고 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 완충층(4), 하부 클래드층(5), 발광부(2), 상부 클래드층(6) 및 변형 조정층(3)을 합쳐서 에피택셜 성장층이라고 하는 경우가 있다.
이 소자 구조에는 공지된 기능층을 적절히 첨가할 수 있다. 예를 들어, 오믹(Ohmic) 전극의 접촉 저항을 낮추기 위한 콘택트층, 소자 구동 전류를 발광부의 전반에 평면적으로 확산시키기 위한 전류 확산층, 반대로 소자 구동 전류가 통류하는 영역을 제한하기 위한 전류 저지층이나 전류 협착층 등 공지된 층 구조를 설치할 수 있다. 또한, GaAs 기판(1)의 상방에는, 반사층(DBR층) 등 공지된 층 구조를 설치할 수 있다.
GaAs 기판(1)은 공지된 제법으로 제작된 시판품의 단결정 기판을 사용할 수 있다. GaAs 기판(1)의 에피택셜 성장시키는 표면은 평활한 것이 바람직하다. GaAs 기판(1)의 표면의 면 방위는, 에피택셜 성장하기 쉽고, 양산되는 (100)면 및 (100)로부터 ±20° 이내로 오프하고 있는 것이, 품질의 안정성의 면으로부터 바람직하다. 또한, GaAs 기판(1)의 면 방위의 범위가, (100) 방향으로부터 (0-1-1) 방향으로 15° 오프±5°인 것이 보다 바람직하다.
GaAs 기판(1)의 전위 밀도는, 에피택셜 성장층의 결정성을 좋게 하기 위해서 낮은 쪽이 바람직하다. 구체적으로는, 예를 들어 10,000개cm-2 이하, 바람직하게는 1,000개cm-2 이하인 것이 적합하다.
GaAs 기판(1)은 N형이거나 P형이어도 된다. GaAs 기판(1)의 캐리어 농도는, 원하는 전기 전도도와 소자 구조로부터 적절히 선택할 수 있다. 예를 들어, GaAs 기판(1)이 실리콘 도핑의 n형인 경우에는, 캐리어 농도가 1×1017 내지 5×1018 cm-3의 범위인 것이 바람직하다. 이에 비해, GaAs 기판(1)이 아연을 도핑한 P형인 경우에는, 캐리어 농도는 2×1018 내지 5×1019 cm-3의 범위인 것이 바람직하다.
GaAs 기판(1)의 두께는 기판의 크기에 따라서 적절한 범위가 있다. GaAs 기판(1)의 두께가 적절한 범위보다도 얇으면, 에피택셜 웨이퍼(10)의 제조 프로세스 중에 깨져서, 수율이 저하할 우려가 있다. 한편, GaAs 기판(1)의 두께가 적절한 범위보다도 두꺼우면 재료 비용이 증가한다. 이 때문에, GaAs 기판(1)의 기판 크기가 큰 경우, 예를 들어 직경 75 mm의 경우에는, 핸들링 시의 깨짐을 방지하기 위해서 250 내지 500 ㎛의 두께가 바람직하다. 마찬가지로, 직경 50 mm의 경우에는, 200 내지 400 ㎛의 두께가 바람직하고, 직경 100 mm의 경우에는, 350 내지 600 ㎛의 두께가 바람직하다. 또한, 본 실시 형태에서는, GaAs 기판(1)의 직경은 생산성의 점으로부터 75 mm 이상인 것이 바람직하다.
이와 같이, GaAs 기판(1)의 기판 크기에 따라서 기판의 두께를 두껍게 함으로써, 후술하는 변형 발광층(7)에 기인하는 에피택셜 웨이퍼(10)의 휘어짐을 저감할 수 있다. 이에 의해, 에피택셜 성장 중의 온도 분포가 균일해지기 때문에, 에피택셜 웨이퍼(10)면 내의 파장 분포를 작게 할 수 있다. 또한, GaAs 기판(1)의 형상은 특별히 원형에 한정되지 않고, 직사각형 등이어도 된다.
발광부(2)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 하부 클래드층(5) 및 상부 클래드층(6)과 함께 더블 헤테로 구조를 구성하고 있다. 또한, 발광부(2)는 에피택셜 웨이퍼(10)를 사용해서 발광 다이오드(LED)을 제작했을 때에 발광 파장을 제어하기 위해서, 웰 구조를 구성하는 것이 바람직하다. 즉, 발광부(2)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 변형 발광층(우물층, 또는 웰(well)층이라고도 함)(7)을 양단부에 갖는 변형 발광층(7)과 배리어층(장벽층이라고도 함)(8)의 다층 구조인 것이 바람직하다.
발광부(2)의 층 두께는 0.02 내지 2 ㎛의 범위인 것이 바람직하다. 또한, 발광부(2)의 전도형은 특별히 한정되는 것은 아니라, 언도핑, p형 및 n형 중의 어느 것이든 선택할 수 있다. 발광 효율을 높이기 위해서는, 결정성이 양호한 언도핑 또는 3×1017 cm-3 미만의 캐리어 농도로 하는 것이 바람직하다.
변형 발광층(7)은 (AlXGa1 -X)YIn1 -YP(여기서, X 및 Y는, 각각 0≤X≤1 및 0<Y≤1을 만족하는 수치임)의 조성을 갖고 있다. 상기 X는 0.1 이하인 것이 바람직하고, 0인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 Y는 0.37 내지 0.46의 범위가 바람직하고, 0.39 내지 0.45의 범위가 보다 바람직하다.
변형 발광층(7)의 층 두께는 8 내지 30 nm의 범위가 적합하다. 여기서, 변형 발광층(7)의 층 두께가 약 6 nm 미만의 박막일 경우에서는, 웰 구조의 양자 효과에 의해 발광 파장이 짧아져, 원하는 655 nm 이상이 얻어지지 않게 된다. 따라서, 변형 발광층(7)의 층 두께는, 층 두께의 변동을 가미해서 양자 효과가 발현하지 않는 8 nm 이상인 것이 바람직하다. 또한, 층 두께의 제어의 용이함을 고려하면, 10 nm 이상이 적합하다. 한편, 변형 발광층(7)의 층 두께가 30 nm를 초과하면, 변형량이 너무 커지기 때문에, 결정 결함이나 표면의 이상이 발생하기 쉬워지기 때문에 바람직하지 않다.
배리어층(8)은 (AlXGa1 -X)YIn1 -YP(여기서, X 및 Y는, 각각 0≤X≤1 및 0<Y≤1을 만족하는 수치임)의 조성을 갖고 있다. 상기 X는, 0.3 내지 0.7의 범위가 바람직하고, 0.4 내지 0.6의 범위가 보다 바람직하다. 또한, 상기 Y는, 0.48 내지 0.52의 범위가 바람직하고, 0.49 내지 0.52의 범위가 보다 바람직하고, 0.49 내지 0.51의 범위가 더욱 바람직하다.
배리어층(8)의 층 두께는 변형 발광층(7)의 층 두께보다도 두꺼운 것이 바람직하다. 이에 의해, 변형 발광층(7)의 발광 효율을 높게 할 수 있다. 또한, 배리어층(8)에 의해 발광 효율을 최적화함과 함께 변형 발광층(7)에서 발생한 변형을 완화할 필요가 있다. 따라서, 배리어층(8)은 적어도 15 nm 이상의 층 두께로 하는 것이 바람직하고, 20 nm 이상의 층 두께가 보다 바람직하다. 한편, 배리어층(8)의 층 두께가 50 nm를 초과하면 발광 파장의 파장에 가깝게 되어, 광의 간섭, 브래그 반사 등의 광학적인 영향이 생긴다. 따라서, 배리어층(8)은 50 nm 이하의 층 두께로 하는 것이 바람직하고, 40 nm 이하의 층 두께가 보다 바람직하다. 상술한 바와 같이, 변형 발광층(7)의 층 두께가 얇고, 배리어층(8)의 층 두께가 두꺼운 쪽이 변형 발광층(7)의 변형을 배리어층(8)에 의해 흡수함과 함께, 변형 발광층(7)에서 결정 결함이 발생하기 어렵다.
변형 발광층(7)과 배리어층(8)의 다층 구조에 있어서, 변형 발광층(7)과 배리어층(8)을 교대로 적층하는 쌍의 수는 특별히 한정되는 것은 아니나, 8쌍 이상 40쌍 이하인 것이 바람직하다. 즉, 발광부(2)에는, 변형 발광층(7)이 8 내지 40층 포함되어 있는 것이 바람직하다. 여기서, 발광부(2)의 발광 효율의 적합한 범위로서는, 변형 발광층(7)이 8층 이상이다. 한편, 변형 발광층(7) 및 배리어층(8)은 캐리어 농도가 낮기 때문에, 많은 쌍으로 하면 순방향 전압(VF)이 증대한다. 이 때문에, 40쌍 이하인 것이 바람직하고, 30쌍 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 변형 발광층(7)이 갖는 변형은 에피택셜 성장 기판과 발광부(2)의 격자 상수가 상이하기 때문에 발광부(2) 중에 발생하는 스트레스이다. 이 때문에, 변형 발광층(7)과 배리어층(8)을 교대로 적층하는 쌍의 수, 즉 발광부(2)에 포함되는 변형 발광층(7)의 층의 수가 상기 범위를 초과하면, 발광부(2)가 변형에 미처 견디지 못해 결정 결함이 발생하여, 표면 상태의 악화나 발광 효율 저하 등의 문제가 발생한다.
변형 발광층(7)은 도 3 및 도 4에 도시하는 바와 같은 상하로 전류를 흘리는 소자 구조(발광 다이오드(20))로 한 경우에, 그의 피크 발광 파장이 655 내지 675 nm의 범위인 것이 바람직하고, 660 내지 670 nm의 범위인 것이 보다 바람직하다. 상기 범위의 발광 파장은 식물 육성(광합성)용의 광원에 적합한 발광 파장의 하나이며, 광합성에 대하여 반응 효율이 높기 때문에 바람직하다.
한편, 700 nm 이상의 장파장 영역의 광을 이용하면, 식물의 육성을 억제하는 반응이 일어나기 때문에, 장파장역의 광량은 적은 쪽이 바람직하다. 따라서, 효율적으로 식물 육성하기 위해서는, 광합성 반응에 대하여 최적인 655 내지 675 nm의 파장 영역의 광이 강하고, 700 nm 이상의 초파장 영역의 광을 포함하지 않는 적색 광원이 가장 바람직하다.
또한, 변형 발광층(7)의 발광 파장 700 nm에 있어서의 발광 강도가 상기 피크 발광 파장에 있어서의 발광 강도의 10％ 미만인 것이 바람직하다. 이러한 특성의 변형 발광층(7)을 갖는 에피택셜 웨이퍼(10)를 사용해서 제작된 발광 다이오드는, 식물 육성의 광합성의 촉진에 사용하는 조명으로서 적절하게 사용할 수 있다. 또한, 변형 발광층(7)의 구성은, 상기 특성을 충족하도록 조성, 층 두께 및 층 수를 선택할 수 있다.
변형 조정층(3)은 도 1에 도시한 바와 같이, 상부 클래드층(6)을 통해서 발광부(2) 상에 설치되어 있다. 또한, 변형 조정층(3)은 발광부(2)(변형 발광층(7))로부터의 발광 파장에 대하여 투명하다. 또한, 변형 조정층(3)은 상기 GaAs 기판(1)의 격자 상수보다도 작은 격자 상수를 갖고 있다.
변형 조정층(3)으로서는 (AlXGa1 -X)YIn1 - YP(여기서, X 및 Y는, 각각 0≤X≤1 및 0.6≤Y≤1을 만족하는 수치임)의 조성을 갖는 재료를 적용할 수 있다. 상기 X는, 에피택셜 웨이퍼(10)의 소자 구조에도 의존하는데, Al 농도가 낮은 재료가 화학적으로 안정적인 것으로부터, 0.5 이하인 것이 바람직하고, 0인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 Y의 하한값은 0.6 이상인 것이 바람직하다. 여기서, 발광부(2)(변형 발광층(7))이 갖는 변형이 동일한 경우를 비교하면, 상기 Y의 값이 작은 쪽이 변형 조정층(3)의 변형 조정 효과가 작아진다. 이 때문에, 변형 조정층(3)의 층 두께를 두껍게 할 필요가 발생하여, 변형 조정층(3)의 성막 시의 성장 시간과 비용이 상승하기 때문에, 상기 Y의 값은 0.6 이상인 것이 바람직하고, 0.8 이상인 것이 보다 바람직하다.
또한, 변형 조정층(3)으로서는, 발광 파장에 대하여 투명하고, AlXGa1 - XAs1 -YPY(여기서, X 및 Y는, 각각 0≤X≤1 및 0.6≤Y≤1을 만족하는 수치임)의 조성을 갖는 III-V족 반도체 재료도 적절하게 사용할 수 있다. 상기 조성을 갖는 변형 조정층(3)에서는, Y의 값에 따라 격자 상수가 변화한다. 상기 Y의 값이 큰 쪽이 격자 상수가 작아진다. 또한, 발광 파장에 대한 투명도는, 상기 X 및 Y의 값의 양쪽에 관련하기 때문에, 투명한 재료가 되도록 X 및 Y의 값을 선택하면 된다.
또한, 변형 조정층(3)으로서 GaP를 사용할 수 있다. 이 GaP는 조성의 조정이 불필요함과 동시에 변형 조정 효과가 크기 때문에, 생산성 및 안정성의 면으로부터도 변형 조정층(3)의 재료로서 가장 적합하다.
변형 조정층(3)은 에피택셜 성장 기판인 GaAs 기판(1)의 격자 상수보다도 작은 격자 상수를 갖고 있기 때문에, 변형 발광층(7)이 포함하는 변형량의 편차를 완화하는 기능을 구비하고 있다. 이 때문에, 변형 조정층(3)을 설치함으로써, 발광 파장 등의 특성의 균일화, 균열 발생 등의 결정 결함의 발생 방지의 효과가 있다. 여기서, 변형 조정층(3)의 층 두께는 0.5 내지 20 ㎛의 범위인 것이 바람직하고, 3 내지 15 ㎛의 범위인 것이 보다 바람직하다.
층 두께가 0.5 ㎛ 미만이면 변형 발광층(7)의 변형량의 편차를 완화하기에 충분하지 않고, 층 두께가 20 ㎛를 초과하면, 성장 시간이 길어 비용이 증대하기 때문에 바람직하지 않다.
또한, 변형 조정층(3)의 조성을 제어함으로써, 얇은 GaAs 기판(1)을 사용한 경우에도 에피택셜 웨이퍼(10)의 휘어짐을 저감할 수 있기 때문에, 면내 파장 분포가 작은 에피택셜 웨이퍼(10)의 제작이 가능하다. 또한, 동일한 두께의 기판에서는, GaAs 기판(1)의 크기가 커질수록 에피택셜 웨이퍼(10)의 휘어짐은 커진다. 그러나, 변형 조정층(3)의 조성을 제어함으로써, 예를 들어 직경 75 mm 이상의 대구경의 GaAs 기판(1)을 사용한 경우이어도 에피택셜 웨이퍼(10)의 휘어짐을 저감시킬 수 있다. 또한, 예를 들어 고휘도화를 실현하기 위해서 기능성 기판과 에피택셜 웨이퍼(10)의 접합을 행하는 소자 구조의 경우에도, 에피택셜 웨이퍼(10)의 휘어짐이 클 때는 깨짐 등의 문제가 발생하기 때문에, 에피택셜 웨이퍼(10)의 휘어짐을 작게 하는 것이 바람직하다. 에피택셜 웨이퍼(10)의 휘어짐량은, 예를 들어 직경 75 mm 이상의 GaAs 기판(1)을 사용한 경우에 있어서, 200 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 150 ㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, 기판 크기가 클수록 휘어짐이 커지는 경향이 있다. 예를 들어, 기판 크기가 75 mm인 경우에는, 변형 조정층 및 변형 발광층의 조성, 및 기판의 두께에 따라 변동하는데, 휘어짐은 약 50 내지 150 ㎛의 범위가 된다. 또한, 기판 크기가 100 mm인 경우에는, 변형 조정층 및 변형 발광층의 조성, 및 기판의 두께에 따라 변동하는데, 휘어짐은 약 80 내지 200 ㎛의 범위가 된다. 즉, 기판 크기로서는, 75 mm 이상 100 mm 이하가 바람직하다.
여기서, 본 실시 형태에 있어서의 에피택셜 웨이퍼(10)의 휘어짐의 측정 방법에 대해서 도 5a 및 5b를 참조하면서 설명한다. 우선, 도 5a에 도시한 바와 같이, 에피택셜 웨이퍼(10)를 GaAs 기판(2)이 하측이 되도록, 즉 에피택셜 성장층을 상측이 되도록 평탄면에 적재한다. 이때, 에피택셜 웨이퍼(10)는 상향으로 볼록해져 있다. 그리고, 이 에피택셜 웨이퍼(10)의 중앙 부분의 평탄면에서의 높이(A)를 측정한다.
이어서, 도 5b에 도시한 바와 같이, 에피택셜 웨이퍼(10)를 GaAs 기판(2)이 상측이 되도록, 즉 에피택셜 성장층이 하측이 되도록 평탄면에 적재한다. 이때, 에피택셜 웨이퍼(10)는 하향으로 볼록해져 있다. 그리고, 이 에피택셜 웨이퍼(10)의 중앙 부분의 평탄면과 접하고 있는 부분의 높이(즉, 에피택셜 웨이퍼(10)의 두께)(B)를 측정한다.
마지막으로, 높이(A)의 값으로부터 높이(B)의 값을 차감한 값(A-B의 값)을 산출한다. 이 값이 본 실시 형태에 있어서의 에피택셜 웨이퍼(10)의 휘어짐량이라 정의된다
이어서, 변형 조정층(3)이 변형을 완화하는 메커니즘(변형 조정층(3)과, GaAs 기판(1) 및 발광부(2)의 격자 상수의 관계)에 대해서, 도 6을 참조하면서 설명한다.
도 6에 도시한 바와 같이, 변형 조정층(3)의 격자 상수는 기준이 되는 GaAs 기판(1)의 격자 상수보다 작은 측에 있다. 이 상태를 -(마이너스) 변형으로 한다. 이에 비해, 발광부(2)에 있어서의 변형 발광층(7)의 격자 상수는 기준이 되는 GaAs 기판(1)의 격자 상수보다도 큰 측에 있다. 이것을 +(플러스) 변형으로 한다. 본 발명에서는, 변형 조정층(3)에 기인하는 - 변형의 존재가, 발광 파장을 장파장화하기 위해서 변형 발광층(7)에 도입이 필요한 + 변형의 편차를 작게 하는 효과가 있는 것을 발견하였다. 상술한 바와 같이, 변형 발광층(7)의 발광 파장은 변형 발광층(7)의 층 두께, 조성 및 변형량에 의해 결정된다. 이와 같이, 변형 발광층(7)의 발광 파장에 영향을 주는 요소가 많기 때문에, 각 요소의 편차의 상승 효과에 의해 파장의 편차가 커지기 쉬운 경향이 있다.
예를 들어, 변형 발광층(7)의 층 두께는 30 nm 이하의 박막이 바람직한데, 얇은 막이기 때문에 층 두께를 균일하게 제어하는 것은 곤란하다. 그리고, 층 두께와 도입되는 변형량에는 상관이 있기 때문에, 변형 발광층(7)의 층 두께가 변동되는 것에 따라 도입되는 변형량도 변동되고, 결과적으로 변형 발광층(7)의 발광 파장이 변동된다. 따라서, + 변형을 갖는 변형 발광층(7)을 포함하는 발광부(2) 상에 변형 조정층(3)을 설치함으로써, 이 변형 조정층(3)이 갖는 - 변형이, 변형 발광층(7)의 층 두께의 편차에 의해 +측으로 크게 어긋난 변형을 -측으로 가까이 끌어당겨서, 변형 발광층(7)의 변형량의 편차가 작아지는 것을 발견하였다. 이 변형 조정층(3)의 효과는 변형 발광층(7)의 변형량의 편차의 원인이 변형 발광층(7)의 조성의 편차에 의한 경우이어도 마찬가지이다.
그런데, 변형 조정층(3)이 없는 종래의 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼의 구조에서는, 발광 파장 등의 특성의 편차가 크기 때문에, 수율이 저하하고, 또한 품질 요구를 만족할 수 없어 양산할 수 없었다. 이에 비해, 본 실시 형태의 에피택셜 웨이퍼(10)에서는, 발광부(2) 상에 변형 조정층(3)을 설치한 소자 구조로 하고 있다. 이 현상은, 변형이 +측으로 크게 변동된 발광층에 대해서는, 크게 변형을 조정하는 기능이 있다고 생각된다. 이에 따라, 장파장화를 행하기 위해서 필요한 변형 발광층(7)의 변형량이 웨이퍼면 내 및 웨이퍼 간에 있어서 균일화되어서, 발광 파장 및 출력의 특성의 편차가 작아진다. 또한, 에피택셜 웨이퍼(10)의 표면 상태도 개선된다. 따라서, 예를 들어 직경 75 mm 이상의 대구경 웨이퍼나, 에피택셜 성장의 총 면적이 350 cm2 이상인 다수매의 동시 성장이 가능하게 되기 때문에, 생산성을 현격하게 향상할 수 있다.
완충층(4)은 도 1에 도시한 바와 같이 GaAs 기판(1) 상에 설치되어 있다. 완충층(4)은 에피택셜 성장에 사용하는 기판의 결정 결함이나 격자 변형의 전파를 완화하는 기능을 갖고 있다.
이 때문에, 기판의 품질이나 에피택셜 성장 조건을 선택하면, 완충층(4)은 반드시 필요한 것은 아니다. 또한, 완충층(4)의 재질은 에피택셜 성장시키는 기판과 동일한 재질로 하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 완충층(4)에는 GaAs 기판(1)과 동일하게 GaAs를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 완충층(4)에는 결함의 전파를 저감하기 위해서 GaAs 기판(1)과 상이한 재질로 이루어지는 다층막을 사용할 수도 있다. 완충층(4)의 두께는, 0.1 ㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.2 ㎛ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다.
하부 클래드층(5) 및 상부 클래드층(6)은 도 1에 도시한 바와 같이, 발광부(2)의 하면 및 상면에 각각 설치되어 있다. 구체적으로는, 발광부(2)의 하면측(GaAs 기판(1) 측)에 하부 클래드층(5)이 설치되고, 발광부(2)의 상면측(변형 조정층(3) 측)에 상부 클래드층(6)이 설치되어 있다. 그리고, 하부 클래드층(5) 및 상부 클래드층(6)에 의해, 발광부(2)을 하면 및 상면으로부터 끼워 넣은 구조로 되어 있다.
하부 클래드층(5) 및 상부 클래드층(6)의 재질로서는, 완충층(4)과 격자 정합하고, 또한 변형 발광층(7)보다도 밴드 갭이 큰 재질이 바람직하고, 배리어층(8)보다도 밴드 갭이 큰 재질이 보다 바람직하다. 상기 재질로서는, 예를 들어 AlXGa1-XAs의 조성을 갖는 화합물이나, (AlXGa1 -X)YIn1 -YP(여기서, X 및 Y는, 각각 0≤X≤1 및 0<Y≤1을 만족하는 수치임)의 조성을 갖는 화합물을 들 수 있다. AlXGa1 - XAs의 조성을 갖는 경우, 상기 X의 값은, 하한값이 0.5 이상인 것이 바람직하고, 0.6 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한, (AlXGa1 -X)YIn1 -YP(여기서, X 및 Y는, 각각 0≤X≤1 및 0<Y≤1을 만족하는 수치임) 조성을 갖는 경우, 상기 X의 값은, 하한값이 0.3 이상인 것이 바람직하고, 0.5 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 Y의 값은, 0.48 내지 0.52의 범위가 바람직하고, 0.49 내지 0.52의 범위가 보다 바람직하고, 0.49 내지 0.51의 범위가 더욱 바람직하다.
하부 클래드층(5)과 상부 클래드층(6)은 극성이 상이하다. 또한, 하부 클래드층(5) 및 상부 클래드층(6)의 캐리어 농도 및 두께는, 공지된 적합한 범위로 할 수 있고, 발광부(2)의 발광 효율이 높아지도록 조건을 최적화하는 것이 바람직하다. 또한, 하부 클래드층(5) 및 상부 클래드층(6)의 조성을 제어함으로써도, 에피택셜 웨이퍼(10)의 휘어짐을 저감시킬 수 있다.
구체적으로, 하부 클래드층(5)로서는, 예를 들어 Si를 도핑한 n형의 (AlXGa1 -X)YIn1-YP(여기서, X 및 Y는, 각각 0.3≤X≤1 및 0.48 <Y≤0.52를 만족하는 수치임)의 조성을 갖는 반도체 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 캐리어 농도는 1×1017 내지 1×1018 cm-3의 범위가 바람직하고, 층 두께는 0.5 내지 2 ㎛의 범위가 바람직하다. 또한, 하부 클래드층(5)의 극성은 GaAs 기판(1)과 동일한 극성(n형)인데, 에피택셜 웨이퍼(10)를, GaAs 기판(1)을 제거하는 구조의 LED에 적용하는 경우에는 이에 해당되지 않는다.
한편, 상부 클래드층(6)로서는, 예를 들어 Mg을 도핑한 p형의 (AlXGa1 -X)YIn1 -YP(여기서, X 및 Y는, 각각 0.3≤X≤1 및 0.48 <Y≤0.52를 만족하는 수치임)의 조성을 갖는 반도체 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 캐리어 농도는 2×1017 내지 2×1018 cm-3의 범위가 바람직하고, 층 두께는 0.5 내지 5 ㎛의 범위가 바람직하다. 또한, 상부 클래드층(6)(및 변형 조정층(3))의 극성은, 소자 구조를 고려해서 선택할 수 있다. 예를 들어, 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 에피택셜 웨이퍼(10)를 상하로 전류를 흘리는 소자 구조의 발광 다이오드(20)에 적용하는 경우에는, GaAs 기판(1)과 상이한 극성(p형)으로 한다.
또한, 하부 클래드층(5)과 발광부(2)의 사이, 발광부(2)와 상부 클래드층(6)의 사이 및 상부 클래드층(6)과 변형 조정층(3)의 사이에, 양쪽 층간에 있어서의 밴드(band) 불연속성을 완만하게 변화시키기 위한 중간층을 설치해도 된다. 이 경우, 각 중간층은 상기 양쪽 층의 중간의 금지대폭을 갖는 반도체 재료로 각각 구성하는 것이 바람직하다.
<에피택셜 웨이퍼의 제조 방법>
이어서, 본 실시 형태의 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼(10)(에피택셜 웨이퍼(10))의 제조 방법에 대해서 설명한다.
본 실시 형태의 에피택셜 웨이퍼(10)는 GaAs 기판(1) 상에 완충층(4), 하부 클래드층(5), 발광부(2), 상부 클래드층(6), 변형 조정층(3)으로 이루어지는 에피택셜 성장층을 순차 에피택셜 성장시켜서 적층한다.
본 실시 형태에서는, 분자선 에피택셜법(MBE)이나 감압 유기 금속 화학 기상 퇴적법(MOCVD법) 등의 공지된 성장 방법을 적용할 수 있다. 그 중에서도, 양산 성이 우수한 MOCVD법을 적용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 성장에 사용하는 GaAs 기판(1)은 성장 전에 세정 공정이나 열처리 등의 전처리를 실시하여, 표면의 오염이나 자연 산화막을 제거하는 것이 바람직하다. 상기 에피택셜 성장층을 구성하는 각 층은, 직경 50 내지 150 mm의 GaAs 기판(1)을 MOCVD 장치 내에 8장 이상 세트하고, 동시에 에피택셜 성장시켜서 적층할 수 있다. 또한, MOCVD 장치로서는, 자공전형, 또는 고속 회전형 등의 시판되는 대형 장치를 적용할 수 있다.
상기 에피택셜 성장층의 각 층을 에피택셜 성장할 때, III족 구성 원소의 원료로서는, 예를 들어 트리메틸알루미늄((CH3)3Al), 트리메틸갈륨((CH3)3Ga) 및 트리메틸인듐((CH3)3In) 등을 사용할 수 있다. 또한, Mg의 도핑 원료로서는, 예를 들어 비스시클로펜타디에닐마그네슘(bis-(C5H5)2Mg) 등을 사용할 수 있다. 또한, Si의 도핑 원료로서는, 예를 들어 디실란(Si2H6) 등을 사용할 수 있다. 또한, V족 구성 원소의 원료로서는, 포스핀(PH3) 및 아르신(AsH3) 등을 사용할 수 있다. 또한, 각 층의 성장 온도로서는, 변형 조정층(3)으로서 p형 GaP를 사용하는 경우에는, 720 내지 770℃를 적용할 수 있고, 그 밖의 각 층에서는 600 내지 700℃를 적용할 수 있다. 또한, 각 층의 캐리어 농도, 층 두께 및 온도 조건 등은 적절히 선택할 수 있다.
이와 같이 하여 제조한 에피택셜 웨이퍼(10)는 변형 발광층(7)을 가짐에도 불구하고 결정 결함이 적은 양호한 표면 상태를 갖는다. 또한, 에피택셜 웨이퍼(10)는 소자 구조에 대응해서 연마 등의 표면 가공이 실시되어도 된다. 또한, GaAs 기판(1)의 이면을 깎아 두께를 조정해도 된다.
<식물 육성용의 발광 다이오드>
본 실시 형태의 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼(10)(에피택셜 웨이퍼(10))를 소자로 한 경우에 대해서 설명한다.
도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 발광 다이오드(20)는 에피택셜 웨이퍼(10)를 사용해서 상하로 전류를 흘리는 소자 구조를 갖고 있다. 구체적으로는, 발광 다이오드(20)는 변형 조정층(3)의 상면 및 GaAs 기판(1)의 하면에, 원하는 형상으로 가공된 오믹 전극(9A 및 9B)이 설치되어 있다. 이 오믹 전극(9A 및 9B)으로서는 공지된 전극 재료를 사용할 수 있다. 예를 들어, n형 전극에는, AuGe 등, p형 전극에는, AuBe 등을 사용할 수 있다.
발광 다이오드(20)는 에피택셜 웨이퍼(10)의 상면 및 하면에 오믹 전극(9A 및 9B)을 형성하고, 다이싱법에 의해 원하는 크기의 칩으로 재단한 후, 파쇄층을 에칭 제거함으로써 제조할 수 있다.
이어서, 본 실시 형태의 에피택셜 웨이퍼(10)를 사용해서 제작한 발광 다이오드(20)의 발광 스펙트럼을 도 7에 도시하였다. 도 7에 도시한 바와 같이, 발광 다이오드(20)의 발광 스펙트럼은, 피크 발광 파장이 655 내지 675 nm의 범위이다. 또한, 발광 파장 700 nm에 있어서의 발광 강도가, 피크 발광 파장에 있어서의 발광 강도의 10％ 미만이 된다. 따라서, 에피택셜 웨이퍼(10)를 사용해서 제작한 발광 다이오드(20)는 식물 육성의 광합성의 촉진에 사용하는 조명으로서 적절하게 사용할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 에피택셜 웨이퍼(10)에 의하면, GaAs 기판(1) 상에 조성식이 (AlXGa1 -X)YIn1 - YP(여기서, X 및 Y는, 각각 0≤X≤0.1 및 0.39≤Y≤0.45를 만족하는 수치임)인 변형 발광층(7)을 갖는 발광부(2)가 설치되어 있다. 변형 발광층(7)의 재질에 AlGaInP을 채용함으로써, 변형 발광층(7)에 있어서의 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 변형 발광층(7)의 조성을 상기 범위로 규정함으로써, 변형 발광층(7)로부터의 발광 파장을 655 nm 이상으로 할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 에피택셜 웨이퍼(10)에는, 발광부(2) 상에 변형 조정층(3)이 설치되어 있다. 이 변형 조정층(3)은 발광 파장에 대하여 투명하기 때문에, 이 에피택셜 웨이퍼(10)를 사용해서 발광 다이오드(20)을 제작했을 때에, 발광부(2)로부터의 발광을 흡수하는 경우가 없다. 또한, 이 변형 조정층(3)은 GaAs 기판(1)의 격자 상수보다도 작은 격자 상수를 갖고 있기 때문에, 이 에피택셜 웨이퍼(10) 전체의 휘어짐의 발생을 저감할 수 있다. 이에 의해, 변형 발광층(7)에의 결함의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태의 에피택셜 웨이퍼(10)에 의하면, 발광 파장 655 nm 이상의 고출력 및/또는 고효율의 LED를 양산 가능한 에피택셜 웨이퍼를 제공할 수 있다.
[실시예]
이하, 본 발명의 효과를, 실시예를 사용해서 구체적으로 설명한다. 또한, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 실시예에서는, 본 발명에 따른 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼를 사용해서 발광 다이오드를 제작한 예를 구체적으로 설명한다. 또한, 본 실시예에서 제작한 발광 다이오드는, AlGaInP 발광부를 갖는 적색 발광 다이오드이다. 본 실시예에서는, GaAs 기판 상에 GaP로 이루어지는 변형 조정층을 포함하는 에피택셜 성장층을 성장시킨 에피택셜 웨이퍼를 제작하였다. 그리고, 특성 평가를 위해서 발광 다이오드 칩을 제작하고, 웨이퍼면 내 및 웨이퍼 간의 편차를 평가하였다.
(실시예 1)
실시예 1의 발광 다이오드는, 우선, Si를 도핑한 n형의 GaAs 단결정으로 이루어지는 반도체 기판 상에, 에피택셜 성장층을 순차 적층해서 에피택셜 웨이퍼를 제작하였다. GaAs 기판은, (100)면으로부터 (0-1-1) 방향으로 15° 기울인 면을 성장면으로 하고, 캐리어 농도를 2×1018 cm-3로 하였다. 에피택셜 성장층이란 Si를 도핑한 n형의 GaAs로 이루어지는 완충층, Si를 도핑한 n형의 (Al0 .5Ga0 .5)0.5In0 .5P로 이루어지는 저 저항층, Si를 도핑한 n형의 Al0 .5In0 .5P로 이루어지는 하부 클래드층, 언도핑의 Ga0 .44In0 .56P/(Al0 .53Ga0 .47)0.5In0 .5P의 쌍으로 이루어지는 변형 발광층/ 배리어층, Mg을 도핑한 p형의 Al0 .5In0 .5P로 이루어지는 상부 클래드층, (Al0 .6Ga0 .4)0.5In0 .5P로 이루어지는 박막의 중간층, Mg 도핑한 p형 GaP로 이루어지는 변형 조정층이다.
본 실시예에서는, 감압 유기 금속 화학 기상 퇴적 장치법(MOCVD 장치)을 사용하여, 직경 76 mm 및 두께 350 ㎛의 GaAs 기판 18장을 동시에 성장시켜서 에피택셜 웨이퍼를 형성하였다. 에피택셜 성장층을 성장시킬 때, III족 구성 원소의 원료로서 트리메틸알루미늄((CH3)3Al), 트리메틸갈륨((CH3)3Ga) 및 트리메틸인듐((CH3)3In)을 사용하였다. 또한, Mg의 도핑 원료로서 비스시클로펜타디에닐마그네슘(bis-(C5H5)2Mg)을 사용하였다. 또한, Si의 도핑 원료로서 디실란(Si2H6)을 사용하였다. 또한, V족 구성 원소의 원료로서 포스핀(PH3) 및 아르신(AsH3)을 사용하였다. 또한, 각 층의 성장 온도로서는, p형 GaP로 이루어지는 변형 조정층에 대해서는 770℃; 및 그 밖의 각 층에 대해서는 680℃로 하였다.
GaAs로 이루어지는 완충층은, 캐리어 농도를 약 2×1018 cm-3, 층 두께를 약 0.5 ㎛로 하였다. 저 저항층은 캐리어 농도를 약 3×1018 cm-3, 층 두께를 약 3 ㎛로 하였다. 하부 클래드층은, 캐리어 농도를 약 2×1018 cm-3, 층 두께를 약 0.5 ㎛로 하였다. 변형 발광층은 언도핑이고 층 두께가 약 17 nm인 Ga0 .44In0 .56P로 하고, 배리어층은 언도핑이고 층 두께가 약 19 nm인 (Al0 .53Ga0 .47)0.5In0 .5P로 하였다. 또한, 변형 발광층과 배리어층을 교대로 22쌍 적층하였다. 상부 클래드층은 캐리어 농도를 약 8×1017 cm-3, 층 두께를 약 0.5 ㎛로 하였다. 중간층은 캐리어 농도를 약 8×1017 cm-3, 층 두께를 약 0.05 ㎛로 하였다. GaP로 이루어지는 변형 조정층은 캐리어 농도를 약 3×1018 cm-3, 층 두께를 약 9 ㎛로 하였다.
이어서, 에피택셜 웨이퍼의 두께를 250 ㎛로 하기 위해서, GaAs 기판을 깎아서 두께를 조정하였다.
이어서, 에피택셜 성장층을 구성하는 GaP로 이루어지는 변형 조정층의 표면에 AuBe를 0.2 ㎛, Au를 1 ㎛가 되도록 진공 증착법으로 성막하였다. 그 후, 일반적인 포토리소그래피 수단을 이용해서 패터닝을 실시하여, 직경 100 ㎛의 원형의 p형 오믹 전극을 형성하였다.
이어서, GaAs 기판의 이면에 AuGe 및 Ni 합금을 0.5 ㎛, Au를 1 ㎛가 되도록 진공 증착법을 사용해서 n형 오믹 전극을 형성하였다.
그 후, 450℃에서 10분간 열처리를 행해서 합금화하여, 저 저항의 p형 및 n형 오믹 전극을 형성하였다.
이어서, 다이싱 소어를 사용하여, 350 ㎛ 간격으로 GaAs 기판을 절단하여, 칩화하였다. 다이싱에 의한 파쇄층 및 오염을 황산-과산화수소 혼합액으로 에칭 제거하여 실시예 1의 발광 다이오드를 제작하였다.
상기한 바와 같이 해서 제작한 실시예 1의 발광 다이오드 칩을 균등하게 샘플링하고, 마운트 기판 상에 실장한 발광 다이오드 램프를 각 웨이퍼 17개×18장=306개를 조립하였다.
이 발광 다이오드의 특성 및 균일성을 평가한 결과를 표 1에 나타내었다. 표 1에 나타낸 바와 같이, n형 및 p형 오믹 전극 간에 전류를 흘린 바, 피크 파장 660.4 nm로 하는 적색 광이 출사되었다. 순방향으로 20 밀리암페어(mA)의 전류를 통류했을 때의 순방향 전압(Vf)은 약 2.0 볼트(V)였다. 또한, 순방향 전류를 20 mA로 했을 때의 발광 출력은 4 mW였다. 조립한 모든 발광 다이오드 칩에 있어서의 피크 파장의 편차(최대-최소)는 2.1 nm였다.
(실시예 2)
실시예 2의 발광 다이오드는 실시예 1의 발광 다이오드에 있어서의 변형 발광층 및 배리어층의 구성만을 변경한 것이다. 여기서, 실시예 2의 발광 다이오드는, 상기 실시예 1에 있어서의 변형 발광층을 언도핑이고 층 두께가 약 10 nm인 Ga0.42In0.58P로 변경하고, 상기 실시예 1에 있어서의 배리어층을 언도핑이고 층 두께가 약 30 nm인 (Al0 .53Ga0 .47)0.5In0 .5P로 변경하고, 변형 발광층과 배리어층을 교대로 20쌍 적층하였다.
실시예 2의 발광 다이오드를 실장한 발광 다이오드 램프의 특성 및 균일성을 평가한 결과를 표 1에 나타내었다. 표 1에 나타낸 바와 같이, n형 및 p형 오믹 전극 간에 전류를 흘린 바, 피크 파장을 660.5 nm로 하는 적색 광이 출사되었다. 또한, 순방향으로 20 밀리암페어(mA)의 전류를 통류했을 때의 순방향 전압(Vf)은 약 2.0 볼트(V)였다. 또한, 순방향 전류를 20 mA로 했을 때의 발광 출력은 3.6 mW였다. 조립한 모든 발광 다이오드 램프에 있어서의 피크 파장의 편차는 2.3 nm였다.
(실시예 3)
실시예 3의 발광 다이오드는 실시예 2의 발광 다이오드에 있어서의 변형 발광층의 구성만을 변경한 것이다. 여기서, 실시예 3의 발광 다이오드는 상기 실시예 2에 있어서의 변형 발광층을 언도핑이고 층 두께가 약 15 nm인 Ga0 .41In0 .59P로 변경하였다.
실시예 3의 발광 다이오드를 실장한 발광 다이오드 램프의 특성 및 균일성을 평가한 결과를 표 1에 나타내었다. 표 1에 나타낸 바와 같이, n형 및 p형 오믹 전극 간에 전류를 흘린 바, 피크 파장을 668.0 nm로 하는 적색 광이 출사되었다. 또한, 순방향으로 20 밀리암페어(mA)의 전류를 통류했을 때의 순방향 전압(Vf)은 약 2.0 볼트(V)였다. 또한, 순방향 전류를 20 mA로 했을 때의 발광 출력은 3.7 mW였다. 조립한 모든 발광 다이오드 램프에 있어서의 피크 파장의 편차는 2.2 nm였다.
(실시예 4)
실시예 4의 발광 다이오드는 실시예 2의 발광 다이오드에 있어서의 변형 발광층의 구성만을 변경한 것이다. 여기서, 실시예 4의 발광 다이오드는, 상기 실시예 2에 있어서의 웰층을 언도핑이고 층 두께가 약 25 nm인 Ga0 .45In0 .55P로 변경하였다.
실시예 4의 발광 다이오드를 실장한 발광 다이오드 램프의 특성 및 균일성을 평가한 결과를 표 1에 나타내었다. 표 1에 나타낸 바와 같이, n형 및 p형 오믹 전극 간에 전류를 흘린 바, 피크 파장을 656.0 nm로 하는 적색 광이 출사되었다. 또한, 순방향으로 20 밀리암페어(mA)의 전류를 통류했을 때의 순방향 전압(Vf)은 약 2.0 볼트(V)였다. 또한, 순방향 전류를 20 mA로 했을 때의 발광 출력은 4.0 mW였다. 조립한 모든 발광 다이오드 램프에 있어서의 피크 파장의 편차는 2.1 nm였다.
(실시예 5)
실시예 5의 발광 다이오드는 실시예 2의 발광 다이오드에 있어서의 변형 발광층의 구성만을 변경한 것이다. 여기서, 실시예 5의 발광 다이오드는 상기 실시예 2에 있어서의 변형 발광층을 언도핑이고 층 두께가 약 10 nm인 Ga0 .39In0 .61P로 변경하였다.
실시예 5의 발광 다이오드를 실장한 발광 다이오드 램프의 특성 및 균일성을 평가한 결과를 표 1에 나타내었다. 표 1에 나타낸 바와 같이, n형 및 p형 오믹 전극 간에 전류를 흘린 바, 피크 파장을 670.0 nm로 하는 적색 광이 출사되었다. 또한, 순방향으로 20 밀리암페어(mA)의 전류를 통류했을 때의 순방향 전압(Vf)은 약 2.0 볼트(V)였다. 또한, 순방향 전류를 20 mA로 했을 때의 발광 출력은 3.8 mW였다. 조립한 모든 발광 다이오드 램프에 있어서의 피크 파장의 편차는 2.8 nm였다.
(비교예 1)
비교예 1의 발광 다이오드는 실시예 2의 발광 다이오드에 있어서의 표면층을 변형이 없는 층으로 변경한 것이다. 여기서, 비교예 1의 발광 다이오드는 상기 실시예 2에 있어서의 변형 조정층을 (Al0 .7Ga0 .3)0.5In0 .5P층으로 변경하였다.
비교예 1의 발광 다이오드를 실장한 발광 다이오드 램프의 특성 및 균일성을 평가한 결과를 표 1에 나타내었다. 표 1에 나타낸 바와 같이, n형 및 p형 오믹 전극 간에 전류를 흘린 바, 피크 파장을 660 nm로 하는 적색 광이 출사되었다. 또한, 순방향으로 20 밀리암페어(mA)의 전류를 통류했을 때의 순방향 전압(Vf)은 약 2.0 볼트(V)였다. 또한, 순방향 전류를 20 mA로 했을 때의 발광 출력은 2.5 mW였다. 조립한 모든 발광 다이오드 램프에 있어서의 피크 파장의 편차는 7.3 nm였다. 발광 파장 분포가 커서, 특성을 만족할 수 없었다.
(비교예 2)
비교예 2의 발광 다이오드는 실시예 2의 발광 다이오드에 있어서의 변형 발광층의 구성만을 변경한 것이다. 여기서, 비교예 2의 발광 다이오드는 상기 실시예 1에 있어서의 변형 발광층을 언도핑이고 층 두께가 약 5 nm인 Ga0 .38In0 .62P로 변경하였다.
비교예 2의 발광 다이오드를 실장한 발광 다이오드 램프의 특성 및 균일성을 평가한 결과를 표 1에 나타내었다. 표 1에 나타낸 바와 같이, n형 및 p형 오믹 전극 간에 전류를 흘린 바, 피크 파장을 651.5 nm로 하는 적색 광이 출사되었다. 또한, 순방향으로 20 밀리암페어(mA)의 전류를 통류했을 때의 순방향 전압(Vf)은 약 2.0 볼트(V)였다. 또한, 순방향 전류를 20 mA로 했을 때의 발광 출력은 3.1 mW였다. 조립한 모든 발광 다이오드 램프에 있어서의 피크 파장의 편차는 4.3 nm였다. 양자 효과에 의해 발광 파장이 655 nm 미만이 되어, 특성을 만족할 수 없었다.
(비교예 3)
비교예 3의 발광 다이오드는 실시예 2의 발광 다이오드에 있어서의 변형 발광층의 구성만을 변경한 것이다. 여기서, 비교예 3의 발광 다이오드는, 상기 실시예 2에 있어서의 변형 발광층의 조성을 Ga0 .37In0 .63P로 변경하였다.
비교예 3에서 제작한 에피택셜 웨이퍼에 있어서, p형 GaP로 이루어지는 변형 조정층의 표면에는 변형 발광층의 조성에 기인하는 결정 결함(해칭)이 발생하고 있었다.
비교예 3의 발광 다이오드를 실장한 발광 다이오드 램프의 특성 및 균일성을 평가한 결과를 표 1에 나타내었다. 표 1에 나타낸 바와 같이, n형 및 p형 오믹 전극 간에 전류를 흘린 바, 피크 파장을 677.7 nm로 하는 적색 광이 출사되었다. 또한, 순방향으로 20 밀리암페어(mA)의 전류를 통류했을 때의 순방향 전압(Vf)은 약 2.3 볼트(V)였다. 또한, 순방향 전류를 20 mA로 했을 때의 발광 출력은 1.3 mW였다. 조립한 모든 발광 다이오드 램프에 있어서의 피크 파장의 편차는 3.9 nm였다. 상술한 변형 조정층의 결함의 발생에 의해 발광 출력이 낮아, 특성을 만족할 수 없었다.
(비교예 4)
비교예 4의 발광 다이오드는 실시예 1의 발광 다이오드에 있어서의 변형 발광층의 구성만을 변경한 것이다. 여기서, 비교예 4의 발광 다이오드는 상기 실시예 1에 있어서의 변형 발광층의 조성을 Ga0 .48In0 .52P로 변경하였다.
비교예 4의 발광 다이오드를 실장한 발광 다이오드 램프의 특성 및 균일성을 평가한 결과를 표 1에 나타내었다. 표 1에 나타낸 바와 같이, n형 및 p형 오믹 전극 간에 전류를 흘린 바, 피크 파장을 647.7 nm로 하는 적색 광이 출사되었다. 또한, 순방향으로 20 밀리암페어(mA)의 전류를 통류했을 때의 순방향 전압(Vf)은 약 2.0 볼트(V)였다. 또한, 순방향 전류를 20 mA로 했을 때의 발광 출력은 3.3 mW였다. 조립한 모든 발광 다이오드 램프에 있어서의 피크 파장의 편차는 2.5 nm였다. 발광 파장이 655 nm 미만이 되어, 특성을 만족할 수 없었다.
(비교예 5)
비교예 5의 발광 다이오드는 실시예 2의 발광 다이오드에 있어서의 변형 발광층 및 배리어층의 구성만을 변경한 것이다. 여기서, 비교예 5의 발광 다이오드는, 상기 실시예 2에 있어서의 변형 발광층을 언도핑이고 층 두께가 약 30 nm인 Ga0.44In0.56P로 변경하고, 상기 실시예 1에 있어서의 배리어층을 언도핑이고 층 두께가 약 30 nm인 (Al0 .53Ga0 .47)0.5In0 .5P로 변경하고, 변형 발광층과 배리어층을 교대로 12쌍 적층하였다.
비교예 5에서 제작한 에피택셜 웨이퍼에 있어서, p형 GaP로 이루어지는 변형 조정층의 표면에는 변형 발광층의 조성에 기인하는 결정 결함(해칭)이 발생하고 있었다.
비교예 5의 발광 다이오드를 실장한 결과를 표 1에 나타내었다. 표 1에 나타낸 바와 같이, n형 및 p형 오믹 전극 간에 전류를 흘린 바, 피크 파장을 668.5 nm로 하는 적색 광이 출사되었다. 또한, 순방향으로 20 밀리암페어(mA)의 전류를 통류했을 때의 순방향 전압(Vf)은 약 2.3 볼트(V)였다. 또한, 순방향 전류를 20 mA로 했을 때의 발광 출력은 1.1 mW였다. 조립한 모든 발광 다이오드 램프에 있어서의 피크 파장의 편차는 3.7 nm였다. 결함의 발생에 의해 발광 출력이 낮아, 특성을 만족할 수 없었다.
(비교예 6)
비교예 6의 발광 다이오드는, 종래 기술인 액상 에피택셜법으로 형성하였다. GaAs 기판에 Al0 .35Ga0 .65As 발광층으로 하고, 상하 클래드층을 Al0 .7Ga0 .3As로 하는 더블 헤테로 구조의 발광부를 갖는 발광 다이오드로 변경한 것이다.
비교예 6의 발광 다이오드를 실장한 결과를 표 1에 나타내었다. 표 1에 나타낸 바와 같이, n형 및 p형 오믹 전극 간에 전류를 흘린 바, 피크 파장을 660.7 nm로 하는 적색 광이 출사되었다. 또한, 순방향으로 20 밀리암페어(mA)의 전류를 통류했을 때의 순방향 전압(Vf)은 약 1.9 볼트(V)였다. 또한, 순방향 전류를 20 mA로 했을 때의 발광 출력은 1.2 mW였다. 조립한 모든 발광 다이오드 램프에 있어서의 피크 파장의 편차는 7.2 nm였다. 출력이 낮고, 발광 파장 분포가 커서 특성을 만족할 수 없었다.
본 발명의 발광 다이오드는 AlGaInP로 이루어지는 발광층에 있어서, 발광 파장 655 nm 이상의 장파장에서 고효율의 발광을 달성하고, 균일성이 우수한 생산성이 높은 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼이다. 본 발명은 식물 육성 용도나, 표시, 통신, 센서용 광원 등, 종래 AlGaAs계의 LED로는 출력 부족으로 대응할 수 없었던 각종 용도에 이용할 수 있다.
1: GaAs 기판
2: 발광부
3: 변형 조정층
4: 완충층
5: 하부 클래드층
6: 상부 클래드층
7: 변형 발광층
8: 배리어층
9A, 9B: 오믹 전극
10: 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼(에피택셜 웨이퍼)
20: 발광 다이오드
2: 발광부
3: 변형 조정층
4: 완충층
5: 하부 클래드층
6: 상부 클래드층
7: 변형 발광층
8: 배리어층
9A, 9B: 오믹 전극
10: 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼(에피택셜 웨이퍼)
20: 발광 다이오드
Claims (15)
- GaAs 기판과, 상기 GaAs 기판 상에 설치된 pn 접합형의 발광부와, 상기 발광부 상에 설치된 변형 조정층을 구비하고,
상기 발광부는 조성식이 (AlXGa1 -X)YIn1 - YP(여기서, X 및 Y는, 각각 0≤X≤0.1 및 0.39≤Y≤0.45를 만족하는 수치임)인 변형 발광층을 갖고,
상기 변형 조정층은 발광 파장에 대하여 투명함과 동시에 상기 GaAs 기판의 격자 상수보다도 작은 격자 상수를 갖는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼. - 제1항에 있어서, 상기 변형 발광층의 조성식이 GaYIn1 - YP(여기서, Y는 0.39≤Y≤0.45를 만족하는 수치임)인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 변형 발광층의 두께가 8 내지 30 nm의 범위인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변형 조정층의 조성식이 (AlXGa1 -X)YIn1 - YP(여기서, X 및 Y는, 각각 0≤X≤1 및 0.6≤Y≤1을 만족하는 수치임)인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변형 조정층의 조성식이 AlXGa1-XAs1-YPY(여기서, X 및 Y는, 각각 0≤X≤1 및 0.6≤Y≤1을 만족하는 수치임)인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변형 조정층의 재질이 GaP인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변형 조정층의 두께가 0.5 내지 20 ㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발광부는 상기 변형 발광층과 배리어층의 적층 구조를 갖고 있으며,
상기 변형 발광층이 8 내지 40층 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배리어층의 조성식이 (AlXGa1-X)YIn1-YP(여기서, X 및 Y는, 각각 0.3≤X≤0.7 및 0.49≤Y≤0.52를 만족하는 수치임)인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발광부의 상면 및 하면 중 한쪽 또는 양쪽에 클래드층을 구비하고,
상기 클래드층의 조성식이 (AlXGa1 -X)YIn1 - YP(여기서, X 및 Y는, 각각 0.5≤X≤1 및 0.48≤Y≤0.52를 만족하는 수치임)인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 GaAs 기판의 면 방위의 범위가, (100) 방향으로부터 (0-1-1) 방향으로 15° 오프±5°인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 GaAs 기판의 직경이 75 mm 이상인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼.
- 제12항에 있어서, 휘어짐량이 200 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼.
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 식물 육성의 광합성의 촉진에 사용하는 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼이며,
상기 변형 발광층의 피크 발광 파장이 655 내지 675 nm의 범위인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼. - 제14항에 있어서, 상기 변형 발광층의 발광 파장 700 nm에서의 발광 강도가, 상기 피크 발광 파장에서의 발광 강도의 10％ 미만인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드용 에피택셜 웨이퍼.
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