KR20120008539A - Fabrication of nonpolar indium gallium nitride thin films, heterostructures, and devices by metalorganic chemical vapor deposition - Google Patents
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Abstract
유기금속 화학기상증착법(metalorganic chemical vapor deposition, MOVCD)을 사용하여 비극성 질화인듐갈륨(indium gallium nitride, InGaN) 박막들 및 비극성 InGaN을 함유하는 소자 구조들을 제조하는 방법을 개시한다. 이러한 방법은 자색광(violet) 및 근 자외선(near-ultraviolet)을 발광하는 비극성 InGaN/GaN 다이오드들 및 레이저 다이오드들을 제조할 수 있다.Disclosed is a method of manufacturing device structures containing nonpolar InGaN thin films and nonpolar InGaN using metalorganic chemical vapor deposition (MOVCD). This method can produce non-polar InGaN / GaN diodes and laser diodes that emit violet and near-ultraviolet light.
Description
본 발명은 화합물 반도체 성장과 소자 제조에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 유기금속 화학기상증착법(metalorganic chemical vapor deposition, MOCVD)를 이용하여 질화인듐갈륨(InGaN)을 포함하는 전자 및 광전자 소자들의 성장과 제조에 관한 것이다.The present invention relates to compound semiconductor growth and device fabrication. More specifically, it relates to the growth and fabrication of electronic and optoelectronic devices including indium gallium nitride (InGaN) using metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD).
질화갈륨(GaN) 및 알루미늄과 인듐을 포함하는 그의 삼원계 및 사원계 화합물들(AlGaN, InGaN, AlINGaN)의 유용성은 가시광 및 자외선 광전자 소자들과 고전력 전자 소자들의 제조에 대하여 잘 정립되어있다. 이러한 소자들은 통상적으로 분자빔 에피택시법(molecular beam epitaxy, MBE), 유기금속 화학기상증착법(metalorganic chemical vapor deposition, MOCVD), 또는 수소화물 기상 에피택시법(hydride vapor phase epitaxy, HVPE)을 포함하는 성장 기술들에 의하여 에피택셜하게 성장한다.The utility of gallium nitride (GaN) and its ternary and quaternary compounds (AlGaN, InGaN, AlINGaN), including aluminum and indium, is well established for the production of visible and ultraviolet optoelectronic devices and high power electronic devices. Such devices typically include molecular beam epitaxy (MBE), metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD), or hydride vapor phase epitaxy (HVPE). Growth techniques grow epitaxially.
질화갈륨(GaN) 및 그의 합금들은 육방정 섬유아연석(wurtzite) 결정구조에서 가장 안정적이며, 이러한 구조는 서로에 대하여 120°회전하고 특유한 c-축에 대하여 모두 수직인 두 개의(또는 세 개의) 동일한 정벽면(basal plane)축들로 표시된다. 도 1은 본 명세서에 정의된 축들(110, 112, 114, 116)과 함께 일반적인 육방정 섬유아연석 결정구조(100)와 관심있는 면들(102, 104, 106, 108)을 개략적으로 도시하며, 표시된 패턴들은 관심있는 면들(102, 104, 106, 108)을 도시하기 위함일 뿐 결정구조(100)의 재료를 표현하는 것은 아니다. III족 및 질소 원자들은 결정의 c-축을 따라 교차되는 c-면들에 위치한다. 섬유아연석 구조 내에 포함된 대칭 요소들은 III족-질화물들이 이러한 c-축을 따라서 벌크(bulk)로서 자발적인 분극을 가지는 것을 나타낸다. 또한, 섬유아연석 결정구조가 비-중앙대칭(non-centrosymmetric)인 경우에는 섬유아연석 질화물들은 결정의 c-축을 따라서 압전(piezoelectric) 분극을 추가적으로 보일 수 있다. 전자 및 광전자 소자들에 대한 현재의 질화물 기술은 극성의 c-방향을 따라서 성장한 질화박막들을 이용한다. 그러나, 강한 압전 및 자발적 분극들의 존재로 인하여, III족-질화물계 광전자 및 전자 소자들 내의 통상적인 c-면 양자우물 구조들은 원하지 않는 양자-가둠 슈타르크 효과(quantum-confined Stark effect, QCSE)의 영향을 받는다. c-방향을 따른 강한 내부 전기장들은 전자 및 홀들을 공간적으로 분리하며, 이에 따라 캐리어 재결합 효율을 제한하고, 진동자 강도를 감소시키며, 또한 적색 편이 발광을 야기한다.Gallium nitride (GaN) and its alloys are the most stable in the hexagonal wurtzite crystal structure, which rotates 120 ° with respect to each other and is perpendicular to the unique c-axis (or three) It is represented by the same basal plane axes. FIG. 1 schematically depicts a general hexagonal fibrous
비극성 성장 방향들, 예를 들어, <11-20>의 a-방향 또는 <1-100>의 m-방향을 포함하는 (Al,Ga,In)N 양자 우물 구조들은 섬유아연석 질화물 구조들에서 분극이 유도된 전기장 효과들을 제거하는 효율적인 수단을 제공하는데, 그 이유는 분극축이 박막의 성장 면 내에 위치하고, 이에 따라 양자우물들의 이중경계들(heterointerfaces)에 평행하기 때문이다. 최근 몇 년간, 비극성 전자 및 광전자 소자들의 제조에 있어서, 비극성 (Al,Ga,In)N의 성장에 대한 잠재적인 사용은 큰 관심을 받아 왔다. 최근, 플라즈마 조력 분자빔 에피택시법(plasma-assisted molecular beam epitaxy)에 의하여 리튬 알루미네이트(lithium aluminate) 기판들 상에 성장한 비극성 m-면 AlGaN/GaN 양자우물들 및 분자빔 에피택시법(molecular beam epitaxy, MBE) 및 유기금속 화학기상증착법(metalorganic chemical vapor deposition, MOCVD)에 의하여 r-면 사파이어 기판들 상에 성장한 비극성 a-면 AlGaN/GaN 다중양자우물들(multi-quantum wells, MQWs)은 성장 방향을 따른 분극장(polarization field)이 없음을 보여준다. 따라서, 비극성 III족-질화물 발광 다이오드들(light emitting diodes, LEDs) 및 레이저 다이오드들(LDs)은 극성을 갖는 경우보다 더 우수한 성능을 가질 가능성이 있다.(Al, Ga, In) N quantum well structures comprising non-polar growth directions, for example, the a-direction of <11-20> or the m-direction of <1-100>, Polarization provides an efficient means of eliminating the induced electric field effects, because the polarization axis is located within the growth plane of the thin film and is therefore parallel to the heterointerfaces of quantum wells. In recent years, the potential use for the growth of nonpolar (Al, Ga, In) N in the manufacture of nonpolar electronic and optoelectronic devices has received great attention. Recently, nonpolar m-plane AlGaN / GaN quantum wells and molecular beam epitaxy grown on lithium aluminate substrates by plasma-assisted molecular beam epitaxy. non-polar a-plane AlGaN / GaN multi-quantum wells (MQWs) grown on r-plane sapphire substrates by epitaxy (MBE) and metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) It shows no polarization field along the direction. Thus, nonpolar Group III-nitride light emitting diodes (LEDs) and laser diodes (LDs) are likely to have better performance than when they have polarity.
그러나, 비극성 질화인듐갈륨(InGaN)의 성장은 아직 어려운 것으로 밝혀졌다. 사실상, 단지 두 개의 문헌만이 성공적인 비극성 질화인듐갈륨의 성장을 개시한다. 선 등(Sun et al.)은 분자빔 에피택시법에 의하여 10% 까지 포함하는 m-면 질화인듐갈륨/질화갈륨(InGaN/GaN) 양자우물 구조들을 성장시켰고[참조 1], 키니스 등(Chitnis, et al.)은 유기금속 화학기상증착법에 의하여 a-면 질화인듐갈륨/질화갈륨 양자우물 구조들을 성장시켰다[참조 2]. 선 등(Sun et al.)의 논문은[참조 1] 주로 그들의 재료의 구조적 및 광루미네선스(photoluminescence) 특성에 중점을 두었으나, 그들의 질화인듐갈륨 박막의 품질이 능동 소자들을 제조하기에 충분한지는 제시하지 않았다. 키니스 등(Chitnis, et al.)의 논문은 [참조 1] 비극성 질화갈륨/질화인듐갈륨의 발광 다이오드 구조를 설명하였다. 그러나, 논문에 주어진 제한된 데이터는 그들의 비극성 질화인듐갈륨 재료의 품질이 매우 낮음을 보여준다. 사실상, 그들의 소자는 주입 전류의 변화, 낮은 다이오드 전류-전압 특성, 및 매우 유해한 발열 효과들과 함께 상기 소자를 테스트하기 위하여 전류 주입에 펄스화하는 데 필요한 발광 강도에 있어서 큰 변이들을 보여준다. 이러한 낮은 특성은 부족한 재료 품질로서 설명될 수 있다.However, growth of nonpolar indium gallium nitride (InGaN) has been found to be difficult yet. In fact, only two documents describe the growth of successful nonpolar indium gallium nitride. Sun et al. Have grown m-plane indium gallium nitride / gallium nitride (InGaN / GaN) quantum well structures containing up to 10% by molecular beam epitaxy [Ref. 1]. Chitnis, et al.) Grew a-plane indium gallium nitride / gallium nitride quantum well structures by organometallic chemical vapor deposition (Ref. 2). Sun et al. [1] mainly focused on the structural and photoluminescence properties of their materials, but the quality of their indium gallium nitride films was sufficient to produce active devices. Did not present. A paper by Chinis, et al. [1] described a light emitting diode structure of nonpolar gallium nitride / indium gallium nitride. However, the limited data given in the paper show that the quality of their nonpolar indium gallium nitride materials is very low. In fact, their devices show large variations in the luminous intensity required to pulse the current injection to test the device with variations in injection current, low diode current-voltage characteristics, and very detrimental heating effects. This low property can be explained by the poor material quality.
성공적인 비극성 질화인듐갈륨의 성장이 어려운 것에는 몇 가지 원인들이 있다. 첫째, 질화인듐갈륨과 사용하는 기판들 간의 큰 격자 불일치가 질화인듐갈륨의 이종 에피택시를 매우 복잡하게 한다. 둘째, 고온에서 성장 표면으로부터 인듐이 탈착하는 경향 때문에, 일반적으로 질화인듐갈륨은 질화갈륨보다 상대적으로 낮은 온도에서 성장되어야 한다. 그러나, 비극성 질화물들은 통상적으로 900℃ 이상, 더 자주 1050℃ 이상에서 성장하고, 상기 온도들에서 인듐은 용이하게 표면으로부터 탈착된다. 셋째, 고품질 비극성 질화물들은 통상적으로 경사진 파세트들(inclined facets)에 대해 a-면 및 m-면들을 안정하기 위해 저압(100 Torr 이하)에서 성장된다. 그러나, 인듐 함유를 증가하고 탄소 함유를 감소하기 위하여 c-면 질화인듐갈륨은 대기압에서 성장시켜야 한다고 널리 알려져 있다.There are several reasons for the difficult growth of successful nonpolar indium gallium nitride. First, the large lattice mismatch between indium gallium nitride and the substrates used complicates heterogeneous epitaxy of indium gallium nitride. Second, due to the tendency of indium to desorb from the growth surface at high temperatures, indium gallium nitride generally has to be grown at a temperature relatively lower than gallium nitride. However, nonpolar nitrides typically grow above 900 ° C, more often above 1050 ° C, at which temperatures indium readily desorbs from the surface. Third, high quality nonpolar nitrides are typically grown at low pressure (up to 100 Torr) to stabilize the a-plane and m-planes against inclined facets. However, it is widely known that c-plane indium gallium nitride must be grown at atmospheric pressure in order to increase indium content and decrease carbon content.
본 발명은 이러한 어려움들을 극복하고 유기금속 화학기상증착법(MOCVD)에 의하여 고품질 질화인듐갈륨은 박막들 및 질화인듐갈륨을 포함하는 소자들을 최초로 제조한다.The present invention overcomes these difficulties and first fabricates devices comprising high quality indium gallium nitride thin films and indium gallium nitride by organometallic chemical vapor deposition (MOCVD).
상술한 종래 기술의 한계를 극복하기 위하여, 본 명세서를 일고 이해할 때에 명백해지는 다른 한계를 극복하기 위하여, 본 발명은 고품질 인듐(In) 함유 에피택셜 층들과 평면 비극성 질화인듐갈륨(InGaN) 박막들을 포함하는 이종 구조들 및 소자들의 제조방법을 개시한다.In order to overcome the above limitations of the prior art, in order to overcome other limitations which become apparent when reading and understanding the present specification, the present invention includes high quality indium (In) containing epitaxial layers and planar nonpolar indium gallium nitride (InGaN) thin films. Disclosed are heterogeneous structures and methods of manufacturing the devices.
본 발명에 따른 방법은 비극성 질화인듐갈륨/질화갈륨(InGaN/GaN)의 자색(violet) 및 근 자외선(near-ultraviolet) 발광 다이오드들 및 레이저 다이오드들을 구현하기 위하여 유기금속 화학기상증착법(metalorganic chemical vapor deposition, MOCVD)을 이용한다.The method according to the invention is an organometallic chemical vapor deposition method for implementing violet and near-ultraviolet light emitting diodes and laser diodes of nonpolar indium gallium nitride / gallium nitride (InGaN / GaN). deposition, MOCVD).
현재까지는, 고품질 III족-질화물들 또는 III족-질화물계 이종 구조들 함유하는 질화인듐갈륨(InGaN)을 비극성 방향들을 따라 성장시키는 수단이 없다. 본 발명은 비극성 질화인듐갈륨 박막들뿐만 아니라 비극성 질화인듐갈륨을 함유하는 소자 구조들의 제조를 가능하게 한다. 본 발명에 의하면, 질화인듐갈륨 이종 구조들에 있어서 전체적인 표면 거칠음, 낮은 인듐(In) 함유 및 인듐 탈착에 관계하는 상술한 문제점들을 극복할 수 있다. 이러한 유기금속 화학기상증착법(metalorganic chemical vapor deposition, MOCVD) 기반의 발명은 초기의 비극성 질화인듐갈륨/질화갈륨 자색광 발광 다이오드들의 구현에 응용되어 왔다. 본 발명은 비극성 질화갈륨계 가시광 및 근 자외선(near-ultraviolet) LED들과 LD들의 제조를 처음으로 가능하게 한다.To date, there is no means to grow indium gallium nitride (InGaN) containing high quality Group III-nitrides or Group III-nitride based heterostructures along nonpolar directions. The present invention enables the fabrication of device structures containing nonpolar indium gallium nitride thin films as well as nonpolar indium gallium nitride. According to the present invention, it is possible to overcome the above-described problems related to overall surface roughness, low indium (In) content, and indium desorption in indium gallium nitride heterostructures. This invention based on metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) has been applied to the implementation of the early nonpolar indium gallium nitride / gallium nitride purple light emitting diodes. The present invention allows for the first time the manufacture of nonpolar gallium nitride based visible and near-ultraviolet LEDs and LDs.
참조하는 도면상에서 동일 부호는 전체에 걸쳐 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 육방정 섬유아연석(wurtzite) 결정구조를 그의 정의된 축과 함께 도시한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프로세스 단계들을 설명하는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비극성 발광 다이오드(light emitting diode, LED)의 개략적인 단면도이다.
도 4는 비극성 발광다이오드의 전류-전압(I-V) 특성의 그래프이다.
도 5는 다른 구동 전류들에 대한 전자루미네선스(electroluminescence, EL) 스펙트럼의 그래프이며, 내부의 그래프는 전자루미네선스 선폭(linewidth)을 상기 구동 전류의 함수로 표현한 것이다.
도 6은 구동 전류의 함수로서 상기 LED의 온-웨이퍼(on-wafer) 출력 전력 및 외부-양자 효율(external-quantum efficiency, EQE)의 그래프이다.Like reference numerals in the drawings refer to like elements throughout.
1 shows a hexagonal wurtzite crystal structure with its defined axis.
2 is a flow chart illustrating process steps in accordance with a preferred embodiment of the present invention.
3 is a schematic cross-sectional view of a non-polar light emitting diode (LED) according to a preferred embodiment of the present invention.
4 is a graph of current-voltage (IV) characteristics of a non-polar light emitting diode.
FIG. 5 is a graph of electroluminescence (EL) spectra for different drive currents, and the graph inside shows the electron luminescence linewidth as a function of the drive current.
FIG. 6 is a graph of the on-wafer output power and external-quantum efficiency (EQE) of the LED as a function of drive current.
(관계 출원들과의 상호참조)(Cross Reference with Related Applications)
본 출원은 이하의 동시 계류중(co-pending)이고 일반 양도된(commonly-assigned) 미국특허출원의 미국법 제35호(특허법)제119조(e)에 의거한 이익을 주장한다:This application claims the benefit under section 119 (e) of United States Code 35 (Patent Law) of the following co-pending and commonly-assigned United States patent application:
아펜 차크라보티(Arpan Chakraborty), 벤자민 하스켈(Benjamin A. Haskell), 스타시아 켈러(Stacia Keller), 제임스 스펙(James S. Speck), 스티븐 덴바스(Steven P. DenBaars), 슈지 나카무라(Shuji Nakamura) 및 유메쉬 미쉬라(Umesh K. Mishra)에 의하여 2004년 5월 10일 출원된 미국임시특허출원 제60/569,749호 "유기금속 화학기상증착법을 이용한 비극성 질화인듐갈륨 박막들, 이종 구조들 및 소자들의 제조(FABRICATION OF NONPOLAR InGaN THIN FILMS, HETEROSTRUCTURES AND DEVICES BY METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION),"(변호사 도킷(docket) 번호 제30794.117-US-P1호);Arpan Chakraborty, Benjamin A. Haskell, Stacia Keller, James S. Speck, Steven P. DenBaars, Shuji Nakamura, and US Provisional Patent Application No. 60 / 569,749, filed May 10, 2004 by Umesh K. Mishra, entitled "Nonpolar Indium Gallium Nitride Thin Films, Heterostructures and Devices Using Organic Metal Chemical Vapor Deposition". FABRICATION OF NONPOLAR InGaN THIN FILMS, HETEROSTRUCTURES AND DEVICES BY METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION, "(Law attorney docket no.
상기 출원은 본 명세서의 참조로서 결합된다.The above application is incorporated by reference herein.
본 출원은 하기의 동시계류중(co-pending)이고 일반 양도된(commonly-assigned) 미국특허출원들과 관련이 있다:This application is related to the following co-pending and commonly-assigned US patent applications:
벤자민 하스켈(Benjamin A. Haskell), 마이클 크라벤(Michael D. Craven), 폴 피니(Paul T. Fini), 스티븐 덴바스(Steven P. DenBaars), 제임스 스펙(James S. Speck), 및 슈지 나카무라(Shuji Nakamura)에 의하여 2002년 12월 16일에 출원된 미국임시특허출원 제60/433,843호 "수소화물 기상 에피택시를 이용한 감소된 전위밀도를 갖는 비극성의 질화갈륨의 성장(GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSITY NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY),"(변호사 도킷번호 제30794.93-US-P1(2003-224-1)호)을 우선권 주장하여 벤자민 하스켈(Benjamin A. Haskell), 마이클 크라벤(Michael D. Craven), 폴 피니(Paul T. Fini), 스티븐 덴바스(Steven P. DenBaars), 제임스 스펙(James S. Speck), 및 슈지 나카무라(Shuji Nakamura)에 의하여 2003년 7월 15일에 출원된 국제특허출원 제PCT/US03/21918호의 "수소화물 기상 에피택시를 이용한 감소된 전위밀도를 갖는 비극성 질화갈륨의 성장(GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSITY NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY),"(변호사 도킷 번호 제30794.93-WO-U1(2003-224-2)호);Benjamin A. Haskell, Michael D. Craven, Paul T. Fini, Steven P. DenBaars, James S. Speck, and Shuji Nakamura US Provisional Patent Application No. 60 / 433,843, filed December 16, 2002 by Shiji Nakamura, entitled "GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSITY. Benjamin A. Haskell, Michael Craven (Nor-Polar GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY), claiming priority over the lawyer's attorney No. 30794.93-US-P1 (2003-224-1). Filed July 15, 2003 by D. Craven, Paul T. Fini, Steven P. DenBaars, James S. Speck, and Shuji Nakamura International Patent Application No. PCT / US03 / 21918, entitled “Hydride Gas Phase Epitaxy with Reduced Potential Density. Growth of the polar gallium nitride (GROWTH OF REDUCED DISLOCATION DENSITY NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY), "(Attorney dokit No. 30794.93-WO-U1 (2003-224-2) call);
벤자민 하스켈(Benjamin A. Haskell), 폴 피니(Paul T. Fini), 시게마사 마쓰다(Shigemasa Matsuda), 마이클 크라벤(Michael D. Craven), 스티븐 덴바스(Steven P. DenBaars), 제임스 스펙(James S. Speck), 및 슈지 나카무라(Shuji Nakamura)에 의하여 2002년 12월 16일 출원된 미국임시특허출원 제60/433,844호 "수소화물 기상 에피택시를 이용한 평평한 비극성의 A-면 질화갈륨의 성장기술(TECHNIQUE FOR THE GROWTH OF PLANAR, NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY),"(변호사 도킷번호 제30794.94-US-P1(2003-225-1)호)을 우선권 주장하여 벤자민 하스켈(Benjamin A. Haskell), 폴 피니(Paul T. Fini), 시게마사 마쓰다(Shigemasa Matsuda), 마이클 크라벤(Michael D. Craven), 스티븐 덴바스(Steven P. DenBaars), 제임스 스펙(James S. Speck), 및 슈지 나카무라(Shuji Nakamura) 에 의하여 2003년 7월 15일에 출원된 국제특허출원 제PCT/US03/21916호, "수소화물 기상 에피택시를 이용한 평평한 비극성의 A-면 질화갈륨의 성장(GROWTH OF PLANAR, NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY),"(변호사 도킷번호 제30794.94-WO-Ul(2003-225-2)호);Benjamin A. Haskell, Paul T. Fini, Shigemasa Matsuda, Michael D. Craven, Steven P. DenBaars, James Specs S. Speck), and U.S. Provisional Patent Application No. 60 / 433,844, filed December 16, 2002 by Shuji Nakamura, "Technology for Growth of Flat Nonpolar A-Side Gallium Nitride Using Hydride Vapor Epitaxy. (TECHNIQUE FOR THE GROWTH OF PLANAR, NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY), "(Attorney Docket No. 30794.94-US-P1 (2003-225-1)) Benjamin A. Haskell, Paul T. Fini, Shigemasa Matsuda, Michael D. Craven, Steven P. DenBaars, James S. Speck , And International Patent Application No. PCT / US03 / 21916, filed July 15, 2003 by Shuji Nakamura, GROWTH OF PLANAR, NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY, "(Attorney Docket No. 30794.94-WO-Ul (2003-) 225-2));
마이클 크라벤(Michael D. Craven), 스타시아 켈러(Stacia Keller), 스티븐 덴바스(Steven P. DenBaars), 탈 마갈리스(TaI Margalith), 제임스 스펙(James S. Speck), 슈지 나카무라(Shuji Nakamura), 및 유메쉬 미쉬라(Umesh K. Mishra)에 의하여 2002년 4월 15일 출원된 미국임시특허출원 제60/372,909호 "비극성의 질화갈륨계 박막들 및 이종 구조 재료들(NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BASED THIN FILMS AND HETEROSTRUCTURE MATERIALS),"(변호사 도킷번호 제30794.95-US-P1(2002-294/301/303)호)를 우선권 주장하여 마이클 크라벤(Michael D. Craven) 및 제임스 스펙(James S. Speck)에 의하여 2003년 4월 15일에 출원된 미국실용신안등록출원 제10/413,691호 "유기금속 화학기상증착법을 이용하여 성장한 비극성의 A-면 질화갈륨 박막들(NON-POLAR A-PLANE GALLIUM NITRIDE THIN FILMS GROWN BY METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION),"(변호사 도킷번호 제30794.100-US-Ul(2002-294-2)호);Michael D. Craven, Stacia Keller, Steven P. DenBaars, TaI Margalith, James S. Speck, Shuji Nakamura ), And US Provisional Patent Application No. 60 / 372,909, filed April 15, 2002 by Umesh K. Mishra, "Non-polar gallium nitride based thin films and heterostructured materials (NON-POLAR GALLIUM). NITRIDE BASED THIN FILMS AND HETEROSTRUCTURE MATERIALS, "Michael D. Craven and James S. (Attorney Docket No. 30794.95-US-P1 (2002-294 / 301/303)) US Utility Model Application No. 10 / 413,691, filed April 15, 2003, by Speck, entitled "Non-POLAR A-PLANE Thin Films Grown Using Organic Metal Chemical Vapor Deposition." GALLIUM NITRIDE THIN FILMS GROWN BY METALORGANIC CHEMICAL VAPOR DEPOSITION, "(Attorney Docket No. 30794.100-US-Ul (2002-294-2) )number);
마이클 크라벤(Michael D. Craven), 스타시아 켈러(Stacia Keller), 스티븐 덴바스(Steven P. DenBaars), 탈 마갈리스(TaI Margalith), 제임스 스펙(James S. Speck), 슈지 나카무라(Shuji Nakamura), 및 유메쉬 미쉬라(Umesh K. Mishra)에 의하여 2002년 4월 15일 출원된 미국임시특허출원 제60/372,909호 "비극성의 질화갈륨계 박막들 및 이종 구조 재료들(NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BASED THIN FILMS AND HETEROSTRUCTURE MATERIALS),"(변호사 도킷번호 제30794.95-US-P1(2002-294/301/303)호)을 우선권 주장하여 마이클 크라벤(Michael D. Craven), 스타시아 켈러(Stacia Keller), 스티븐 덴바스(Steven P. DenBaars), 탈 마갈리스(TaI Margalith), 제임스 스펙(James S. Speck), 슈지 나카무라(Shuji Nakamura), 및 유메쉬 미쉬라(Umesh K. Mishra)에 의하여 2003년 4월 15일 출원된 미국실용신안등록출원 제10/413,690호 "비극성의(Al,B,In,Ga)N 양자우물 및 이종 구조 재료들 및 소자들(NON-POLAR (Al,B,In,Ga)N QUANTUM WELL AND HETEROSTRUCTURE MATERIALS AND DEVICES),"(변호사 도킷번호 제30794.101-US-U1(2002-301-2)호;Michael D. Craven, Stacia Keller, Steven P. DenBaars, TaI Margalith, James S. Speck, Shuji Nakamura ), And US Provisional Patent Application No. 60 / 372,909, filed April 15, 2002 by Umesh K. Mishra, "Non-polar gallium nitride based thin films and heterostructured materials (NON-POLAR GALLIUM). NITRIDE BASED THIN FILMS AND HETEROSTRUCTURE MATERIALS, "Michael D. Craven, Stacia Keller By Keller, Steven P. DenBaars, TaI Margalith, James S. Speck, Shiji Nakamura, and Umesh K. Mishra US Utility Model Application No. 10 / 413,690, filed April 15, 2003, "Non-polar (Al, B, In, Ga) N quantum wells and heterostructure materials. The device (NON-POLAR (Al, B, In, Ga) N QUANTUM WELL AND HETEROSTRUCTURE MATERIALS AND DEVICES), "(Attorney dokit No. 30794.101-US-U1 (2002-301-2) call;
마이클 크라벤(Michael D. Craven), 스타시아 켈러(Stacia Keller), 스티븐 덴바스(Steven P. DenBaars), 탈 마갈리스(TaI Margalith), 제임스 스펙(James S. Speck), 슈지 나카무라(Shuji Nakamura), 및 유메쉬 미쉬라(Umesh K. Mishra)에 의하여 2002년 4월 15일 출원된 미국임시특허출원 제60/372,909호 "비극성의 질화갈륨계 박막들 및 이종 구조 재료들(NON-POLAR GALLIUM NITRIDE BASED THIN FILMS AND HETEROSTRUCTURE MATERIALS),"(변호사 도킷번호 제30794.95-US-P1호)을 우선권 주장하여 마이클 크라벤(Michael D. Craven), 스타시아 켈러(Stacia Keller), 스티븐 덴바스(Steven P. DenBaars), 탈 마갈리스(TaI Margalith), 제임스 스펙(James S. Speck), 슈지 나카무라(Shuji Nakamura), 및 유메쉬 미쉬라(Umesh K. Mishra)에 의하여 2003년 4월 15일 출원된 미국실용신안등록출원 제10/413,913호 "비극성의 질화갈륨 박막들 내의 전위감소(DISLOCATION REDUCTION IN NON-POLAR GALLIUM NITRIDE THIN FILMS),"(변호사 도킷번호 제30794.102-US-U1(2002-303-2)호;Michael D. Craven, Stacia Keller, Steven P. DenBaars, TaI Margalith, James S. Speck, Shuji Nakamura ), And US Provisional Patent Application No. 60 / 372,909, filed April 15, 2002 by Umesh K. Mishra, "Non-polar gallium nitride based thin films and heterostructured materials (NON-POLAR GALLIUM). NITRIDE BASED THIN FILMS AND HETEROSTRUCTURE MATERIALS, "Michael D. Craven, Stacia Keller, and Steven P., claiming priority over the lawyer's attorney No. 30794.95-US-P1. United States, filed April 15, 2003 by DenBaars, TaI Margalith, James S. Speck, Shiji Nakamura, and Umesh K. Mishra. Utility Model Application No. 10 / 413,913 "Disposition of dislocations in nonpolar gallium nitride films (DISLOCATION REDUCTION IN NON-P) OLAR GALLIUM NITRIDE THIN FILMS, "(Attorney Docket No. 30794.102-US-U1 (2002-303-2);
상기 특허출원들인 제PCT/US03/21918호(30794.93-WO-U1), 제PCT/US03/21916호(30794.94-WO-Ul), 제10/413,691호(30794.100-US-Ul), 제10/413,690호(30794.101-US-Ul), 제10/413,913호(30794.102-US-U1)의 일부계속출원으로 마이클 크라벤(Michael D. Craven) 및 스티븐 덴바스(Steven P. DenBaars)에 의하여 2003년 12월 11일 출원된 국제특허출원 제PCT/US03/39355호 "비극성 (Al, B, In, Ga)N 양자우물들(NONPOLAR (Al, B, In, Ga)N QUANTUM WELLS),"(변호사 도킷번호 제30794.104-WO-Ol(2003-529-1)호);The patent applications of PCT / US03 / 21918 (30794.93-WO-U1), PCT / US03 / 21916 (30794.94-WO-Ul), 10 / 413,691 (30794.100-US-Ul), 10 / Partial application of 413,690 (30794.101-US-Ul) and 10 / 413,913 (30794.102-US-U1), in 2003 by Michael D. Craven and Steven P. DenBaars. International Patent Application No. PCT / US03 / 39355, filed Dec. 11 "NONPOLAR (Al, B, In, Ga) N QUANTUM WELLS)," Docket no. 30794.104-WO-Ol (2003-529-1);
벤자민 하스켈(Benjamin A. Haskell), 멜빈 맥로린(Melvin B. McLaurin), 스티븐 덴바스(Steven P. DenBaars), 제임스 스펙(James S. Speck), 및 슈지 나카무라(Shuji Nakamura)에 의하여 2004년 6월 3일 출원된 미국임시특허출원 제60/576,685호 "수소화물 기상 에피택시를 이용한 평평하고 감소된 전위밀도를 갖는 M-면 질화갈륨의 성장(GROWTH OF PLANAR REDUCED DISLOCATION DENSITY M-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY),"(변호사 도킷번호 제30794.119-US-P1호); 및2004 by Benjamin A. Haskell, Melvin B. McLaurin, Steven P. DenBaars, James S. Speck, and Shuji Nakamura U.S. Provisional Patent Application No. 60 / 576,685, filed Mar. 3 "Growth of PLANAR REDUCED DISLOCATION DENSITY M-PLANE GALLIUM NITRIDE BY HYDRIDE VAPOR PHASE EPITAXY), "(Attorney Docket No. 30794.119-US-P1); And
트로이 베이커(Troy J. Baker), 벤자민 하스켈(Benjamin A. Haskell), 폴 피니(Paul T. Fini), 스티븐 덴바스(Steven P. DenBaars), 제임스 스펙(James S. Speck), 및 슈지 나카무라(Shuji Nakamura)에 의하여 2005년 3월 10일 출원된 미국임시특허출원 제60/660,283호 "평평한 세미-극성의 질화갈륨의 성장에 관한 기술(TECHNIQUE FOR THE GROWTH OF PLANAR SEMI-POLAR GALLIUM NITRIDE),"(변호사 도킷번호 제30794.128-US-P1호)은 모두 본 명세서에서 참조로서 인용된다.
Troy J. Baker, Benjamin A. Haskell, Paul T. Fini, Steven P. DenBaars, James S. Speck, and Shuji Nakamura US Patent Application No. 60 / 660,283, filed March 10, 2005 by Shuji Nakamura, "TECHNIQUE FOR THE GROWTH OF PLANAR SEMI-POLAR GALLIUM NITRIDE," (Attorney docket no. 30794.128-US-P1) is incorporated herein by reference in its entirety.
(연구개발 지원에 관한 선언)(Declaration on R & D Support)
본 발명은 산타바바라 소재 캘리포니아 주립대학(the University of California, Santa Barbara)의 조명 및 디스플레이 센터(Solid State Lighting and Display Center)의 구성원 회사인 스탠리 전기(Stanley Electric Co., Ltd.), 미쓰비시 화학(Mitsubishi Chemical Corp.), 롬(Rohm Co., Ltd.), 크리(Cree, Inc.), 마쓰시타 전기(Matsushita Electric Works), 마쓰시타 전기공업(Matsushita Electric Industrial Co.), 및 서울반도체(Seoul Semiconductor Co., Ltd)의 지원 하에 수행되었다.
The present invention relates to Stanley Electric Co., Ltd., a member company of the Solid State Lighting and Display Center of the University of California, Santa Barbara, Mitsubishi Chemical ( Mitsubishi Chemical Corp., Rohm Co., Ltd., Cree, Inc., Matsushita Electric Works, Matsushita Electric Industrial Co., and Seoul Semiconductor Co., Ltd. ., Ltd).
(주의사항: 상세한 설명 내에 각진 괄호에 둘러싸인 참조번호, 예를 들어, [참조. x]에 의하여 표시된 바와 같이 많은 다른 간행물들이 본 명세서에서 참조된다. 이러한 다른 간행물들은 참조번호에 의한 순서에 따라 하기에 "참조"로 명명된 부분에서 찾을 수 있다. 이러한 간행물들 각각은 본 명세서에 참조로서 인용된다.)(Note: Many other publications are referred to herein as indicated by a reference number enclosed in angle brackets within the description, for example, [ref. X]. These other publications are referred to in order by reference number. May be found in the section entitled “Reference.” Each of these publications is incorporated herein by reference.)
바람직한 실시예의 이하의 설명에서는, 본 명세서의 일부를 이루며 본 발명의 예시적인 실시예를 도시하기 위하여 첨부된 도면을 참조한다. 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다른 실시예들도 구현가능하며, 구조적인 변형이 가능함을 이해할 수 있다.
In the following description of the preferred embodiments, reference is made to the accompanying drawings, which form a part hereof, to illustrate exemplary embodiments of the invention. It is to be understood that other embodiments may be implemented and structural modifications are possible within the scope of the technical idea of the present invention.
개괄generalization
비극성 질화물 반도체들의 성장은 섬유아연석(wurtzite) 구조의 III족-질화물 소자들 내의 분극 효과들을 제거하는 수단을 제공한다. 현재의 (Ga,Al,In,B)N 소자들은 극성 [0001] c-방향으로 성장하여, 이종 구조들을 가로질러 전하분리가 된다. 결과적인 분극장들은 기술 소자의 전류 상태의 성능에 악영향을 주며, 특히 광전자 소자들에 두드러진다. 소자들의 비극성 방향을 따른 성장은 소자 성능을 매우 개선할 수 있다.The growth of nonpolar nitride semiconductors provides a means to eliminate polarization effects in group III-nitride devices of wurtzite structure. Current (Ga, Al, In, B) N devices grow in the polar c-direction, resulting in charge separation across heterogeneous structures. The resulting polar fields adversely affect the performance of the current state of the technical device, especially in optoelectronic devices. Growth along the nonpolar direction of devices can greatly improve device performance.
현재까지는, 고품질 III족-질화물들 또는 III족-질화물계 이종 구조들 함유하는 질화인듐갈륨(InGaN)을 비극성 방향들을 따라 성장시키는 수단이 없다. 본 발명은 비극성 질화인듐갈륨 박막들뿐만 아니라 비극성 질화인듐갈륨을 함유하는 소자 구조들의 제조를 가능하게 한다. 본 발명에 의하면, 질화인듐갈륨 이종 구조들에서의 전체적인 표면 거침, 낮은 인듐(In) 함유 및 인듐 탈착에 관계된 문제점들을 극복할 수 있다. 이러한 유기금속 화학기상증착법(metalorganic chemical vapor deposition, MOCVD) 기반의 발명은 초기의 비극성 질화인듐갈륨/질화갈륨(InGaN/GaN) 자색광 발광 다이오드(light emitting diode, LED)들의 구현에 응용되어 왔다. 본 발명은 비극성 질화갈륨계 가시광 및 근 자외선(near-ultraviolet) 발광 다이오드들과 레이저 다이오드(laser diode, LD)들의 제조를 처음으로 가능하게 한다.
To date, there is no means to grow indium gallium nitride (InGaN) containing high quality Group III-nitrides or Group III-nitride based heterostructures along nonpolar directions. The present invention enables the fabrication of device structures containing nonpolar indium gallium nitride thin films as well as nonpolar indium gallium nitride. According to the present invention, problems related to overall surface roughness, low indium (In) content and indium desorption in indium gallium nitride heterostructures can be overcome. The metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) -based invention has been applied to the implementation of early non-polar indium gallium nitride / gallium nitride (InGaN / GaN) purple light emitting diodes (LEDs). The present invention makes for the first time the manufacture of nonpolar gallium nitride based visible and near-ultraviolet light emitting diodes and laser diodes (LDs).
기술적 설명Technical description
본 발명은 고품질 인듐을 함유하는 에피택셜 층들, 이종 구조들 및 이들을 포함하는 소자들의 제조 기술이다. 우수한 평면 비극성 질화인듐갈륨 박막들은 유기금속 화학기상증착법에 의하여 성장하였고, 기능적으로 비극성인 질화갈륨인듐을 함유하는 소자들도 동일한 기술로 제조되었다. 이런 특별한 개시가 a-면 방위의 질화인듐갈륨계 양자우물들의 제조를 포함하고 있더라도, m-면 질화물 성장은 본 명세서에 설명된 기술들이 m-면 질화인듐갈륨/질화갈륨 소자들의 성장에 또한 넓게 적용될 수 있다는 것을 제시한다.The present invention is a manufacturing technique of epitaxial layers containing heterogeneous indium, heterostructures and devices comprising them. Excellent planar nonpolar indium gallium nitride thin films were grown by organometallic chemical vapor deposition, and devices containing functionally nonpolar gallium indium nitride were manufactured by the same technique. Although this particular disclosure involves the fabrication of indium gallium nitride based quantum wells in a-plane orientation, m-plane nitride growth is also broadly supported by the techniques described herein for the growth of m-plane indium gallium nitride / gallium nitride devices. Suggest that it can be applied.
평평한 비극성 a-면 GaN 템플릿들(templates)이 유기금속 화학기상증착법에 의하여 성장되었다. 이러한 템플릿 성장에 대한 상세한 설명은 상술한 바와 같이 본 명세서의 참조로 포함된 동시 계류중(co-pending)이고 일반 양도된(commonly-assigned) 미국특허출원 제10/413,691호(30794.100-US-U1) 및 국제특허출원 제PCT/US03/21916호(30794.94-WO-Ul)에 개시되어 있다. 이러한 a-면 질화갈륨 템플릿들 비극성 질화인듐갈륨 박막들 상에서 재성장할 수 있는 거의 일치한 격자를 가지는 층을 제공한다.Flat nonpolar a-plane GaN templates were grown by organometallic chemical vapor deposition. A detailed description of such template growth is described in co-pending and commonly-assigned US patent application Ser. No. 10 / 413,691 (30794.100-US-U1), incorporated herein by reference as described above. ) And International Patent Application No. PCT / US03 / 21916 (30794.94-WO-Ul). These a-plane gallium nitride templates provide a layer with a nearly identical lattice capable of regrowth on nonpolar indium gallium nitride thin films.
유기금속 화학기상증착법에 의한 성장들은 고속 회전하는 고온 수직 반응기 내에서 수행되었다. 300rpm의 회전 속도를 사용하였다. 갈륨, 인듐, 마그네슘 및 실리콘 소스들로서 사용된 전구체들(precursors)은 각각 트리메틸갈륨(trimethylgalium, TMG), 트리메틸인듐(trimethylindium, TMI), 비스-시클로펜타디에닐 마그네슘(bis-cyclopentadienyl magnesium, Cp2Mg) 및 디실란(disilane)이었다. 고순도 암모니아가 질소 소스로서 사용되었다. r-면 사파이어 기판 상에 a-면 질화갈륨 템플릿이 저온(620 내지 650℃) 질화갈륨 핵생성층 형성단계 및 고온(1130 내지 1180℃) 질화갈륨 성장 단계를 포함하는 이 단계(two-step) 프로세스에 의해 성장하였다. 650에서 670 사이의 V족/III족 비율이 사용된다. 반사분광법(reflectance spectroscopy)을 사용한 인-시튜(in-situ) 두께측정에 의하여 측정된 질화갈륨의 성장속도는 4 내지 6 Å/s이다. UID 질화갈륨의 성장 동안에는 10 slpm의 총 유동이 사용되었다.Growth by organometallic chemical vapor deposition was carried out in a high temperature, vertical reactor with high speed rotation. A rotation speed of 300 rpm was used. Precursors used as gallium, indium, magnesium and silicon sources are trimethylgalium (TMG), trimethylindium (TMI), bis-cyclopentadienyl magnesium (Cp 2 Mg), respectively. ) And disilane. High purity ammonia was used as the nitrogen source. This two-step a-plane gallium nitride template on an r-plane sapphire substrate comprises a low temperature (620-650 ° C.) gallium nitride nucleation layer forming step and a high temperature (1130-1180 ° C.) gallium nitride growth step. Grown by process. Group V / III ratios between 650 and 670 are used. The growth rate of gallium nitride measured by in-situ thickness measurement using reflectance spectroscopy is 4 to 6 Å / s. During the growth of UID gallium nitride a total flow of 10 slpm was used.
상기의 성장단계는 비극성 질화인듐갈륨의 성장이 가능함을 보여준다. 본 발명은 비극성 질화인듐갈륨계 발광다이오드의 성장 및 제조에 직접 관련된다.The growth step shows that the growth of nonpolar indium gallium nitride is possible. The present invention relates directly to the growth and manufacture of nonpolar indium gallium nitride based light emitting diodes.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프로세스 단계들을 설명하는 흐름도이다. 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비극성 발광 다이오드의 개략적인 단면을 도시한다.2 is a flow chart illustrating process steps in accordance with a preferred embodiment of the present invention. 3 shows a schematic cross section of a non-polar light emitting diode according to a preferred embodiment of the invention.
블록(200)에서는 매끄럽고, 낮은 결함밀도를 갖는 III족-질화물 기판 또는 템플릿을 제공한다. 예를 들어, 상기 블록은 r-면 사파이어 기판(300) 상에 수소화물 기상 에피택시(hydride vapor phase epitaxy HVPE)에 의하여 10 μm 두께의 감소된 전위밀도를 갖는 측면 에피택셜 과성장(lateral epitaxial overgrowth, LEO) a-면 질화갈륨 템플릿(302)의 제조를 나타낼 수 있다. 수소화물 기상 에피택시 기반의 LEO 프로세스에 대한 상세한 설명은 상술한 바와 같이 본 명세서의 참조로서 포함되어 있는 동시 계류중(co-pending)이고 일반 양도된(commonly-assigned) 국제특허출원 제PCT/US03/21918호(30794.93-WO-U1)에 개시되어 있다.
템플릿(300)이 질화갈륨이라 하여도, 이는 또한 질화알루미늄(AlN) 또는 질화알루미늄갈륨(AlGaN)을 포함할 수 있다. 또한, a-면 방위의 질화갈륨 템플릿(300)이 개시되어 있으나, m-면 질화갈륨 템플릿들도 또한 제조될 수 있다.Although the
LEO 프로세스에 사용되는 마스크는 질화갈륨의 <1-100> 방향에 평행한 방위의 2 μm 폭의 윈도우 개구부들에 의해 분리된 평행한 8 μm 폭의 SiO2 스트라이프들을 포함한다. 갈륨-면 및 질소-면의 {0001} 날개들(wings)의 측면 성장속도들의 비율은 6:1 까지이며, 이에 따라 결함없는 과성장 면적들은 윈도우들과 융합 선단들 사이에 약 6.5 μm 폭이 된다. 비교할 수 있는 샘플들의 투과전자현미경(transmission electron microscopy, TEM) 분석에 의하면, 과성장 영역들 내의 스레딩(threading) 전위 및 정벽면(basal plane) 적층결함밀도들은 각각 5×106 cm-2 and 3×103 cm- 1 이다.The mask used in the LEO process includes parallel 8 μm wide SiO 2 stripes separated by 2 μm wide window openings in an orientation parallel to the <1-100> direction of gallium nitride. The ratio of lateral growth rates of gallium-plane and nitrogen-plane {0001} wings is up to 6: 1, so that flawless overgrowth areas are approximately 6.5 μm wide between the windows and the fusion tip. do. Transmission electron microscopy (TEM) analysis of the comparable samples showed that the threading dislocations and basal plane stacking defect densities in the overgrowth regions were 5 × 10 6 cm −2 and 3, respectively. × 10 3 cm - 1 .
블록(202)에서는 수직 유기금속 화학기상증착 반응기 내에서 수행되며, 2.2 μm의 Si이 도핑된 n형 질화갈륨 기저층(304) 상에서 2×1018 cm-3 의 전자농도로 재성장을 수행한다. 상기 층은 통상적인 a-면 질화갈륨 성장 조건들(예를 들어, 1050 내지 1150℃의 기판 온도, 40 내지 100 Torr의 시스템 압력, H2 캐리어 가스, 및 100 이하의 V족/III족 비율) 하에서 적층된다. 이에 따라, 유기금속 화학기상증착에 의하여 성장한 평평한 비극성 a-면 질화갈륨 템플릿을 포함하는 기판이 제조된다.
이와는 다르게, 매끄럽고, 낮은 결함밀도를 갖는 III족-질화물 기판이 준비될 수 있다. 이러한 기판들은 낮은 결함밀도를 갖는 독립구조(free-standing)의 a-면 질화갈륨 웨이퍼, 낮은 결함밀도를 갖는 독립구조의 m-면 질화갈륨 웨이퍼, 낮은 결함밀도 독립구조의 a-면 질화알루미늄 웨이퍼, 낮은 결함밀도를 갖는 독립구조의 m-면 질화알루미늄 웨이퍼, 낮은 결함밀도를 갖는 벌크(bulk) a-면 질화갈륨 웨이퍼, 낮은 결함밀도를 갖는 벌크 m-면 질화갈륨 웨이퍼, 낮은 결함밀도를 갖는 벌크 a-면 질화알루미늄 웨이퍼, 또는 낮은 결함밀도를 갖는 벌크 m-면 질화알루미늄 웨이퍼를 포함할 수 있다.Alternatively, a smooth, low defect density group III-nitride substrate can be prepared. These substrates include free-standing a-plane gallium nitride wafers with low defect density, free-standing gallium nitride wafers with low defect density, free-standing gallium nitride wafers with low defect density , Free-standing m-plane aluminum nitride wafer with low defect density, bulk a-plane gallium nitride wafer with low defect density, bulk m-plane gallium nitride wafer with low defect density, low defect density Bulk a-plane aluminum nitride wafers, or bulk m-plane aluminum nitride wafers having low defect densities.
또한, 다양한 방법들, 특히 수소화물 기상 에피택시에 의하여 질화알루미늄갈륨과 같은 합금 기판들이 성장될 수 있다. 본 발명을 수행하기 위하여 사용되는 기판은 모든 비극성 질화알루미늄갈륨 또는 다른 III족-질화물 기판이 가능하다.In addition, alloy substrates such as aluminum gallium nitride can be grown by various methods, in particular hydride vapor phase epitaxy. Substrates used to carry out the invention can be any nonpolar aluminum gallium nitride or other Group III-nitride substrate.
블록(204)에서는 N2 캐리어 가스를 사용하여 감소된 온도 및 대기압에서 소자를 위하여 질화인듐갈륨/질화갈륨 활성 영역(306)을 증착한다. 상기 블록에서는 (1) 인듐 함유를 증가시키고 및 인듐 탈착을 감소시키기 위하여 N2 캐리어 가스를 사용하여 감소된 온도(약 900℃ 또는 그 부근)에서 기판 또는 템플릿 상에 비극성 질화인듐갈륨 층들을 성장시키며, 상기 질화인듐갈륨 박막의 품질을 증가시키고 탄소 함유를 감소시키기 위하여 대기압 또는 그 부근(약 760 Torr 또는 그 부근)에서 성장시키는 단계, (2) 그 후의 p형 질화갈륨 층의 성장 도중에 인듐 탈착을 방지하기 위하여 비극성 질화인듐갈륨 층들 상에 얇은 저온 질화갈륨 캡핑층을 성장시키는 단계, 및 (3) 상기 질화갈륨 캡핑층 상에 대기압 또는 그 부근(약 600 내지 850 Torr 또는 그 부근)에서 하나 또는 그 이상의 질화인듐갈륨/질화갈륨 다중양자우물들(multiple quantum wells, MQWs)을 성장시키는 단계가 포함된다.
N2 캐리어 가스의 사용은 질화인듐갈륨 박막들 내의 더 높은 인듐 함유를 위해서 필수적이다. 상대적으로 낮은 성장 온도는 인듐 함유를 증가시키고, 인듐 성장 표면으로부터의 인듐 탈착 속도를 감소시킨다. 또한, 대기압의 사용은 질화인듐갈륨 박막의 품질을 증가시키고 상기 박막에의 탄소 함유를 감소시켜, 활성 영역내에서 방출되지 않는(non-radiative) 점결함들의 비율을 감소시킨다.The use of N 2 carrier gas is essential for higher indium content in indium gallium nitride thin films. Relatively low growth temperatures increase the indium content and decrease the rate of indium desorption from the indium growth surface. In addition, the use of atmospheric pressure increases the quality of the indium gallium nitride thin film and reduces the carbon content in the thin film, thereby reducing the rate of non-radiative point defects in the active region.
바람직하게는, 상기 활성 영역(306)은 16 nm의 실리콘이 도핑된 질화갈륨 배리어들(barriers) 및 4 nm의 In0.17Ga0.83N 양자우물들과 함께 5 주기 다중양자우물 스택(stack)을 포함한다. 0.4 Å/s의 상대적으로 높은 성장속도가 상기 단계에서 매끄러운 질화인듐갈륨/질화갈륨 이종 계면들을 보장하기 위하여 사용되며, 이에 따라 소자의 광학적 성능이 개선된다.Preferably, the
블록(206)에서는 대기압 또는 그 부근에서 질화인듐갈륨/질화갈륨 다중양자우물 구조(306) 상에 도핑안된 질화갈륨 배리어(308)가 성장한다. 특히, 상기 블록에서는 이어지는 성장 단계에서 활성 영역(306)으로부터 질화인듐갈륨의 탈착을 방지하기 위하여 상기 질화인듐갈륨 다중양자우물 구조(306)를 캡핑하기 위한 16 nm의 도핑안된(또는, 의도하지 않게 도핑된(unintentionally doped, UE)) 질화갈륨 배리어(308)이 저온에서 증착된다.In
블록(208)에서는 상기 도핑안된 질화갈륨 배리어(308) 상에 저압(약 20 내지 150 Torr 또는 그 부근)에서 하나 또는 그 이상의 n형 및 p형 (Al,Ga)N 층들(310)이 성장한다. 특히, 상기 블록에서는 더 높은 온도(1100℃까지) 및 더 낮은 압력(70 Torr까지)에서 6×1017 cm-3 의 홀 농도를 포함하는 0.3 μm의 마그네슘이 도핑된 p형 질화갈륨 층(310)이 증착되며, 상기 p형 질화갈륨의 성장에는 16 slpm의 총 유동이 사용된다.In
블록(210)에서는 40 nm의 두껍게 도핑된 p+-질화갈륨 층(312)이 증착된다. 질화갈륨 층(312)은 상기 구조에서 캡핑으로 작용한다.In block 210 a 40 nm thick doped p + -
마지막으로, 블록(212)에서는 소자를 위하여 각각 p형 질화갈륨 및 n형 질화갈륨 콘택으로서 팔라듐/금(Pd/Au) 콘택(314) 및 알루미늄/금(Al/Au) 콘택(316)이 증착된다.Finally, block 212 deposits palladium / gold (Pd / Au) contacts 314 and aluminum / gold (Al / Au) contacts 316 as p-type gallium nitride and n-type gallium nitride contacts, respectively, for the device. do.
상기 프로세스 단계들의 최종 결과는 비극성 질화인듐갈륨계 이종 구조 및 질화인듐갈륨계 소자이다. 특히, 상기 프로세스 단계들의 최종 결과는 질화인듐갈륨 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD)이다.
The end result of the process steps is a nonpolar indium gallium nitride based heterostructure and indium gallium nitride based device. In particular, the final result of the process steps is an indium gallium nitride light emitting diode (LED) or a laser diode (LD).
실험결과들Experimental Results
성장시킨 직후의 샘플들을 광학현미경 및 광루미네선스(photoluminescence, PL) 측정을 하였다. 300×300 μm2의 다이오드 메사들(mesas)은 염소계 반응성 이온식각(reactive ion etching, RIE)에 의하여 한정되었다. 팔라듐/금(3/200 nm) 및 알루미늄/금(30/200 nm)이 각각 p형 질화갈륨 및 n형 질화갈륨 콘택들로서 사용되었다. 상기 다이오드의 전기적 및 루미네선스 특성을 소자들의 온-웨이퍼(on-wafer) 탐침을 사용하여 측정하였다. 도 4에 도시된 바와 같은 I-V(전류-전압) 측정에는 휴렛-패커드(Hewlett-Packard) 4145B 반도체 파라미터 분석기를 사용하였다. 후면발광으로 부터 사파이어 기판을 통하여 넓은 면적의 눈금이 새겨진 실리콘 포토 다이오드 상까지의 직류조건하에서 상대적인 광학출력 측정값들을 측정하였다. 상기 발광 다이오드들의 발광 스펙트럼과 광학출력 발광을 각각 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 구동 전류들의 함수로서 측정하였다. 실온에서 모든 측정들을 수행하였다.Samples immediately after growth were subjected to optical microscopy and photoluminescence (PL) measurements. Diode mesas of 300 × 300 μm 2 were defined by chlorine-based reactive ion etching (RIE). Palladium / gold (3/200 nm) and aluminum / gold (30/200 nm) were used as p-type gallium nitride and n-type gallium nitride contacts, respectively. The electrical and luminescence properties of the diodes were measured using the on-wafer probes of the devices. A Hewlett-Packard 4145B semiconductor parameter analyzer was used for IV (current-voltage) measurements as shown in FIG. 4. Relative optical power measurements were measured under direct current conditions from the back emission to the large area scaled silicon photodiode through the sapphire substrate. The emission spectrum and optical output emission of the light emitting diodes were measured as a function of drive currents as shown in FIGS. 5 and 6, respectively. All measurements were performed at room temperature.
상술한 소자 구조는 기능하는 질화인듐갈륨계 발광 다이오드에 대한 최초의 보고이다. 상기 다이오드의 직류-전압(I-V) 곡선은 7.8Ω의 낮은 직렬저항과 함께 3.3 V의 포워드 전압을 나타냈다. 평평한 a-면 질화갈륨 템플릿들 상에 동일한 조건으로 성장한 비극성 a-면 질화갈륨 p-n 접합 다이오드들은 비슷한 포워드 전압을 나타내지만, 30Ω 정도의 높은 직렬저항을 나타낸다. 이러한 발광 다이오드들의 낮은 직렬저항은 상기 LEO 질화갈륨 템플릿의 결함없는 과성장 영역 내의 높은 전기전도도에 기인한다.The device structure described above is the first report of a functioning indium gallium nitride based light emitting diode. The DC-voltage (I-V) curve of the diode showed a forward voltage of 3.3V with a low series resistance of 7.8Ω. Nonpolar a-plane gallium nitride p-n junction diodes grown under the same conditions on flat a-plane gallium nitride templates exhibit similar forward voltages, but have a high series resistance as high as 30Ω. The low series resistance of these light emitting diodes is due to the high electrical conductivity in the defect free overgrowth region of the LEO gallium nitride template.
상기 소자들의 전자루미네선스(electroluminescence, EL) 스펙트럼은 직류 구동 전류의 함수를 사용하여 연구하였다. 발광 스펙트럼은 10 내지 250 mA 범위의 구동 전류들 하에서 측정하였다. 상기 소자들은 모든 구동 전류에 대하여 최소의 선폭 확장범위(linewidth broading)를 가지면서 413.5 nm 범위의 자색광 스펙트럼을 발광하였다(도 5 참조). 성장시킨 직후의 샘플에 대한 PL 스펙트럼으로부터 412 nm에서 25 nm의 좁은 선폭을 가지는 강한 양자 우물 발광이 관찰되었다. 구동 전류들을 증가함에 따라 발광 최고점에서 청색편이가 없는 것은 상기 파장 범위 및 유사한 구동 전류 범위에서 c-면 발광 다이오드들의 구동시 일반적으로 관찰되는 청색편이 현상과는 반대이다. 상기 선폭은 20 mA에서의 최소 선폭 23.5 nm로부터 250 mA에서의 27.5 nm까지 상기 구동 전류에 대해 거의 선형적으로 증가한다. 상기 구동 전류가 증가함에 따라 상기 최소 선폭 확장범위는 상기 전류 영역에서 소자의 발열이 낮음을 나타낸다.Electroluminescence (EL) spectra of the devices were studied using a function of direct current drive current. The emission spectrum was measured under driving currents ranging from 10 to 250 mA. The devices emit a violet light spectrum in the 413.5 nm range with minimal linewidth broading for all drive currents (see FIG. 5). Strong quantum well emission with a narrow linewidth of 412 nm to 25 nm was observed from the PL spectrum for the sample immediately after growth. The absence of blue shift at the luminescence peak with increasing drive currents is in contrast to the blue shift phenomenon commonly observed when driving c-plane light emitting diodes in the wavelength range and similar drive current range. The linewidth increases almost linearly with respect to the drive current from a minimum linewidth of 23.5 nm at 20 mA to 27.5 nm at 250 mA. As the driving current increases, the minimum line width extension range indicates that the heat generation of the device in the current region is low.
이어서, 직류 구동 전류에 대한 출력 전력의 의존을 측정하였다. 상기 출력 전력은 상기 구동 전류가 10 mA부터 200 mA의 전류 수준에서 포화할 때까지 증가함에 따라 부선형적(sublinearly)으로 증가하였다. 상기 출력 전력의 포화는 가열 효과들에 영향을 받을 수 있으며, 따라서 양자 효율은 감소한다. 20 mA의 포워드 전류에서의 출력 전력은 240 μW이며, 0.4%의 외부 양자 효율(external quantum efficiency, EQE)과 상관된다. 직류 전력은 200 mA의 구동 전류에 대하여 1.5 mW의 크기로 측정되었다. 상기 외부 양자 효율은 구동 전류가 증가함에 따라 증가하며, 30 mA에서 최대값으로서 0.42%가 되고, 이어서 상기 포워드 전류가 30 mA 이상으로 증가함에 따라 급격하게 감소한다. 이러한 발광 다이오드들의 낮은 외부 양자 효율은 p형 콘택의 낮은 반사율이 부분적으로 원인이 되고, 또한 상기 LEO의 발광하지 않는 "어두운" 결함있는 윈도우 영역들이 부분적으로 원인이 된다. 상술한 소자 구조는 개념적인 예시이며, 최적의 소자는 아니라는 점을 유의하여야 한다. 템플릿/기저 층들 및 발광 다이오드 구조의 모든 측면들을 최적화하여 외부 양자 효율의 중요한 개선을 얻을 수 있다.
The dependence of the output power on the direct current drive current was then measured. The output power increased sublinearly as the drive current increased until it saturated at a current level of 10 mA to 200 mA. Saturation of the output power can be affected by heating effects, thus reducing quantum efficiency. The output power at 20 mA forward current is 240 μW, correlated with an external quantum efficiency (EQE) of 0.4%. DC power was measured at a size of 1.5 mW for a 200 mA drive current. The external quantum efficiency increases with increasing drive current, reaching 0.42% as a maximum at 30 mA, and then drastically decreasing as the forward current increases above 30 mA. The low external quantum efficiency of these light emitting diodes is due in part to the low reflectance of the p-type contact, and in part due to the " dark " defective window areas of the LEO. It should be noted that the device structure described above is a conceptual illustration and is not an optimal device. By optimizing all aspects of the template / base layers and light emitting diode structure, a significant improvement in external quantum efficiency can be obtained.
주요 특징들Key features
상술한 비극성 발광 다이오드 구조의 기술적인 설명은 비극성 질화인듐갈륨계 이종 구조들 및 소자들의 넓은 범위에 관한 성장 및 제조와 관련된 주요 특징들을 포함한다. 이러한 특징들은 하기의 내용을 포함한다:The technical description of the nonpolar light emitting diode structure described above includes nonpolar indium gallium nitride based heterogeneous structures and key features related to the growth and manufacture of a wide range of devices. These features include the following:
1. 매끄럽고, 낮은 결함밀도를 갖는 질화갈륨 기판 또는 템플릿, 예를 들어 그러나 이에 한정되지는 않는 수소화물 기상 에피택시 LEO a-면 또는 m-면 질화갈륨 템플릿을 사용한다.1. Use a smooth, low defect density gallium nitride substrate or template, such as, but not limited to, hydride vapor phase epitaxy LEO a-plane or m-plane gallium nitride templates.
2. 인듐 함유를 증가시키고 인듐 탈착을 감소하기 위하여 N2 캐리어 가스를 사용하여 감소된 온도(900℃ 또는 그 이하)에서 비극성 질화인듐갈륨을 성장시킨다.2. Non-polar indium gallium nitride is grown at reduced temperature (900 ° C. or less) using N 2 carrier gas to increase indium content and reduce indium desorption.
3. 질화인듐갈륨 박막의 품질을 증가시키고 탄소 함유를 감소시키기 위하여 대기압(760 Torr) 또는 그 부근에서 질화인듐갈륨 층들을 성장시킨다.3. Indium gallium nitride layers are grown at or near atmospheric pressure (760 Torr) to increase the quality of the indium gallium nitride thin film and reduce the carbon content.
4. p형 질화갈륨을 증착하는 도중에 인듐 탈착을 방지하기 위하여 얇은 저온 질화갈륨 캡핑층을 사용한다. 4. A thin low temperature gallium nitride capping layer is used to prevent indium desorption during the deposition of p-type gallium nitride.
5. 대기압 또는 그 부근(600 내지 850 Torr)에서 질화인듐갈륨/질화갈륨 다중양자우물 및 도핑안된 질화갈륨 배리어를 성장시키고, 저압(40 내지 80 Torr)에서 n형 및 p형 질화갈륨을 성장시킨다.
5. Grow indium gallium nitride / gallium nitride multiquantum wells and undoped gallium nitride barrier at or near atmospheric pressure (600-850 Torr) and grow n-type and p-type gallium nitride at low pressure (40-80 Torr) .
가능한 변형들과 다양한 실시예들Possible variations and various embodiments
바람직한 실시예는 비극성 방향들을 따라 평평한 고품질 질화인듐갈륨 박막들 및 이종 구조들을 성장시키는 프로세스를 설명한다. 상기 기술적 설명 부분에서 설명된 특별한 예는 a-면 질화갈륨 소자(즉, 성장 방향은 질화갈륨 <11-20> 방향이다)이다. 그러나, 연구에 의하면 a-면 질화물들의 성장과정은 통상적으로 m-면 질화물 성장과 양립되거나 또는 용이하게 적용될 수 있다고 알려져 있다. 따라서, 이러한 프로세스는 섬유아연석 <11-20> 또는 <1-100> 방향들을 따라 성장하는 박막들 및 구조들에 적용할 수 있다.The preferred embodiment describes a process for growing flat high quality indium gallium nitride thin films and heterostructures along non-polar directions. A particular example described in the Technical Description section is an a-plane gallium nitride device (ie, the growth direction is the gallium nitride <11-20> direction). However, studies have shown that the growth process of a-plane nitrides is typically compatible with or easily applicable to m-plane nitride growth. Thus, this process can be applied to thin films and structures that grow along fibrillite <11-20> or <1-100> directions.
상술한 질화인듐갈륨 박막의 기저층은 r-면 Al2O3 상에 유기금속 화학기상증착법을 이용하여 성장한 a-면 질화갈륨 템플릿이다. 이와 유사하게, 상기의 주요 특징들 부분에서 설명한 소자 구조는 r-면 Al2O3 상에 수소화물 기상 에피택시법을 이용하여 성장한 LEO a-면 질화갈륨 층이다. 본 발명의 본질을 변화하지 않고 다른 기판들을 실질적으로 사용할 수 있다. 예를 들어, 프로세스를 위한 기저층은 분자빔 에피택시법, 유기금속 화학기상증착법, 또는 수소화물 기상 에피택시법을 이용하여 a-면 실리콘 탄화물(SiC) 기판 상에 성장한 a-면 질화갈륨 박막을 포함할 수 있다. 다른 가능한 기판의 선택은, 이에 반드시 제한되는 것은 아니지만, a-면 6H-SiC, m-면 6H-SiC, a-면 4H-SiC, m-면 4H-SiC, 다른 SiC 폴리타입들(polytypes) 및 방향들을 포함하며, 이들은 비극성 질화갈륨, a-면 산화아연(ZnO), m-면 산화아연, (100) LiAlO2, (100) MgAl2O4, 독립구조의 a-면 질화갈륨, 독립구조의 질화알루미늄갈륨, 독립구조의 질화알루미늄 또는 이러한 기판들의 미스컷(miscut) 변형들을 포함한다. 이러한 기판들은 그 상에 비극성 질화인듐갈륨 소자가 성장하기 전에 질화갈륨 템플릿 층이 반드시 성장하여야 하는 것을 아니다. 적절한 인-시튜(in-situ) 결함 감소 기술들을 사용하거나 사용하지 않거나, 질화갈륨, 질화알루미늄, 질화알루미늄갈륨, 질화알루미늄인듐갈륨, 질화알루미늄인듐, 등의 기저층을 소자 성장 프로세스를 시작하면서 적층할 수 있다. 반면, 감소된 결함-밀도(즉, 1×109 전위들/cm2 및 1×104 적층결함들/cm-1 보다 작은)를 갖는 질화물 템플릿/기저층을 사용하면, 일반적으로 박막의 품질 및 소자 성능이 개선될 수 있다. 본 발명에 사용된 측면 에피택셜 과성장(lateral epitaxial overgrowth, LEO) 프로세스는 이와 같은 수준들 이하의 결함밀도들을 이룰 수 있다.The base layer of the indium gallium nitride thin film described above is an a-plane gallium nitride template grown on an r-plane Al 2 O 3 by using an organometallic chemical vapor deposition method. Similarly, the device structure described in the main features section above is a LEO a-plane gallium nitride layer grown using hydride gas phase epitaxy on r-plane Al 2 O 3 . Other substrates can be used substantially without changing the nature of the present invention. For example, the base layer for the process may be an a-plane gallium nitride thin film grown on an a-plane silicon carbide (SiC) substrate using molecular beam epitaxy, organometallic chemical vapor deposition, or hydride vapor phase epitaxy. It may include. The choice of other possible substrates is not necessarily limited to a-plane 6H-SiC, m-plane 6H-SiC, a-plane 4H-SiC, m-plane 4H-SiC, other SiC polytypes And directions, which include nonpolar gallium nitride, a-plane zinc oxide (ZnO), m-plane zinc oxide, (100) LiAlO 2 , (100) MgAl 2 O 4 , free-form a-plane gallium nitride, independent Aluminum gallium nitride in structure, freestanding aluminum nitride, or miscut variations of such substrates. These substrates do not necessarily require that the gallium nitride template layer grow before the nonpolar indium gallium nitride device grows thereon. With or without appropriate in-situ defect reduction techniques, a base layer of gallium nitride, aluminum nitride, aluminum gallium nitride, aluminum indium gallium nitride, indium aluminum nitride, or the like may be deposited at the beginning of the device growth process. Can be. On the other hand, using a nitride template / base layer with reduced defect-density (ie less than 1 × 10 9 dislocations / cm 2 and less than 1 × 10 4 stacking defects / cm −1 ) generally results in thin film quality and Device performance can be improved. The lateral epitaxial overgrowth (LEO) process used in the present invention can achieve defect densities below these levels.
바람직한 실시예는 특히 질화인듐갈륨 및 질화갈륨 층들을 포함하는 LED 구조를 설명한다. 그러나, 본 발명은 또한 상기 층들의 어떤 하나 또는 모두에 알루미늄의 함유와 양립할 수 있다. 일반적으로, 본 발명에 의하여 성장한 층들 모두는 (AlxInyGaz)N의 식으로 표시되는 조성을 가질 수 있다(여기에서 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤l, 및 x+y+z=1). 어떤 또는 모든 층들은 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 철(Fe), 실리콘(Si), 산소(O), 등의, 그러나 이에 반드시 한정되지는 않는 추가적인 도판트들을 포함할 수 있으며, 이는 본 발명의 기술적 사상의 범위에 포함된다. The preferred embodiment particularly describes an LED structure comprising indium gallium nitride and gallium nitride layers. However, the present invention is also compatible with the inclusion of aluminum in any one or both of the layers. In general, all of the layers grown by the present invention may have a composition represented by the formula (Al x In y Ga z ) N (where 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z ≦ l, And x + y + z = 1). Some or all of the layers may include additional dopants such as, but not limited to, zinc (Zn), magnesium (Mg), iron (Fe), silicon (Si), oxygen (O), and the like, which is not limited thereto. It is included in the scope of the technical idea of the present invention.
상술한 소자 내의 캡핑층 및 배리어 층들은 질화갈륨을 포함한다. 그러나, 이러한 층들 각각은 적절한 캐리어 가둠 또는 캡핑층의 경우에는 적절한 인듐 탈착 저항을 제공하는 비극성 질화알루미늄인듐갈륨의 조성을 선택적으로 포함할 수 있다.The capping layer and barrier layers in the aforementioned device comprise gallium nitride. However, each of these layers may optionally comprise a composition of nonpolar aluminum indium gallium nitride which, in the case of a suitable carrier confinement or capping layer, provides adequate indium desorption resistance.
상술한 소자 구조 내의 상기 질화갈륨 및 질화인듐갈륨 층들의 두께는 본 발명의 바람직한 실시예로부터 본질적으로 벗어나지 않는 범위에서 실질적으로 변화할 수 있다. 이와 유사하게, 상기 층의 조성들은 전자밴드 구조를 변화시키기 위하여 알루미늄 및/또는 보론을 포함하도록 변화할 수 있다. 또한, 도핑 프로파일들은 상기 구조들의 전기적 및 광학적 특성들을 재단하기 위하여 변화시킬 수 있다. 본 발명의 기술적 사상 내에서 구조 내로 추가적인 층들이 삽입되거나, 층들이 제거될 수 있으며, 또한 구조 내의 양자우물들의 갯수가 변화할 수 있다. 예를 들어, UID 질화갈륨 캡핑층의 두께를 감소하는 것과 마그네슘이 도핑된 p형 질화알루미늄갈륨 전자 차단층을 포함하는 것은 발광 다이오드 소자의 성능을 실질적으로 증가시킬 수 있다.The thicknesses of the gallium nitride and indium gallium nitride layers in the above-described device structure may vary substantially without departing from the preferred embodiments of the present invention. Similarly, the compositions of the layer can be varied to include aluminum and / or boron to change the electron band structure. In addition, the doping profiles can be varied to tailor the electrical and optical properties of the structures. Within the spirit of the present invention, additional layers may be inserted into the structure, layers may be removed, and the number of quantum wells in the structure may vary. For example, reducing the thickness of the UID gallium nitride capping layer and including the magnesium-doped p-type aluminum gallium nitride electron blocking layer can substantially increase the performance of the light emitting diode device.
상기 기술적 설명 부분에 개시된 정확한 성장 조건들을 또한 확장할 수 있다. 가능한 성장 조건들은 반응기마다 다르며, 이는 상기 반응기의 외형적 형상에 의존한다. 본 발명에 수행함에 있어서 다른 온도, 압력 범위들, 전구체/ 반응물질 선택, V족/III족 비율, 캐리어 가스들, 및 유동 조건들을 사용하는 것이 이해되는 것과 마찬가지로 다른 디자인의 반응기의 사용은 본 발명과 있어서 양립가능하다.The exact growth conditions disclosed in the above technical section can also be extended. Possible growth conditions vary from reactor to reactor, depending on the outer shape of the reactor. The use of reactors of other designs is equally understood as it is understood to use other temperatures, pressure ranges, precursor / reactant selection, group V / III ratios, carrier gases, and flow conditions in carrying out the invention. It is compatible with.
상술한 바와 같이, 본 명세서에 설명된 소자는 발광 다이오드를 포함한다. 그러나, 본 발명은 비극성 질화인듐갈륨 박막들 및 질화인듐갈륨을 함유하는 구조들의 일반적인 성장에 적용가능하며, 발광 다이오드 구조들에 한정되어서는 안 된다. 본 발명은 360 내지 600 nm의 파장을 갖는 비극성 질화물계 발광 다이오드들 및 유사한 파장 범위에서 작동되는 비극성 질화물계 레이저 다이오드들을 포함하는, 그러나 이에 반드시 한정되지는 않는, 소자들의 디자인과 제조에 중대한 이득을 제공한다. 본 발명을 사용하여, 통상적인 c-면 질화인듐갈륨계 레이저 다이오드들에 필요한 정도보다 낮은 투명한 캐리어 밀도들을 갖는 비극성 스트레인드 단일 양자우물 레이저 다이오드들을 제조할 수 있다. 또한, 본 발명에 따라 제조된 비극성 질화인듐갈륨계 레이저 다이오드들은 무겁고 가벼운 홀 밴드들의 비대칭성 스트레인유도 분리(anisotropic strain-induced splitting)과 관련하여 감소된 홀 유효질량으로부터 이득을 얻을 수 있다. 일반적으로 c-면 III족:질화물 소자들에서는 얻을 수 없는 낮은 유효질량은 c-면 레이저 다이오드들과 비교하여 레이저를 위한 문턱 전류 밀도들을 감소시킨다. 낮은 홀 유효질량은 더 높은 홀 유동도를 갖게 되며, 또한 이에 따라 비극성 p형 질화갈륨은 더 좋은 전기전도도를 갖는다. 또한, 본 발명으로부터 전자 소자들은 이득을 갖는다. 비극성의 p형 질화갈륨의 더 높은 유동도의 장점이 이종 구조 양극성의 트랜지스터 등과 같은 양극성의 전자 소자들의 제조에 이용될 수 있다. 또한, 비극성 질화물들의 더 높은 p형 전기전도도는 p-n 접합 다이오드들 및 발광 다이오드들이 더 낮은 직렬전압들을 가지게 한다. 질화인듐갈륨 내의 높은 포화 전자 속도 때문에 우수한 고주파수 성능을 보여주는, 감소된 라디오-주파수(radio frequency, RF) 분포를 갖는 비극성 질화인듐갈륨 채널 MODFET(Modulation Doped Field Effect Transistor)들의 제조가 가능하다.
As mentioned above, the devices described herein include light emitting diodes. However, the present invention is applicable to the general growth of nonpolar indium gallium nitride thin films and structures containing indium gallium nitride, and should not be limited to light emitting diode structures. The present invention provides significant benefits in the design and manufacture of devices, including but not necessarily limited to, nonpolar nitride based light emitting diodes having a wavelength of 360 to 600 nm and nonpolar nitride based laser diodes operating in a similar wavelength range. to provide. Using the present invention, nonpolar strained single quantum well laser diodes having transparent carrier densities lower than required for conventional c-plane indium gallium nitride based laser diodes can be fabricated. In addition, nonpolar indium gallium nitride based laser diodes made in accordance with the present invention can benefit from reduced hole effective mass in connection with anisotropic strain-induced splitting of heavy and light hole bands. Low effective mass, which is generally not available in c-plane III-nitride devices, reduces the threshold current densities for the laser compared to c-plane laser diodes. Lower hole effective masses have higher hole flow rates, and thus nonpolar p-type gallium nitride has better electrical conductivity. In addition, the electronic devices have a benefit from the present invention. The advantages of higher flow rates of nonpolar p-type gallium nitride can be utilized in the fabrication of bipolar electronic devices such as heterostructure bipolar transistors and the like. In addition, the higher p-type conductivity of nonpolar nitrides allows pn junction diodes and light emitting diodes to have lower series voltages. It is possible to produce nonpolar indium gallium nitride channel Modulation Doped Field Effect Transistors (MODFETs) with reduced radio frequency (RF) distribution, which shows good high frequency performance due to the high saturation electron velocity in indium gallium nitride.
본 발명의 장점들 및 개선점들, 및 새로운 특징들Advantages and improvements of the present invention, and new features
본 발명의 많은 신규한 특징들을 본 명세서의 종래기술 및 기술적 설명 부분들에서 상세하게 설명하였다. 주요 특징들 부분에서 규정한 주요한 점들은 비극성 질화인듐갈륨의 성장에서 가장 중요하고 새로운 요소들로 구성되어 있다. 본 발명은 이종 구조들 내에 매끄럽고, 피트(pit)없는 질화인듐갈륨 층들의 성장을 가능하게 함으로써, 고품질 비극성 질화인듐갈륨을 함유한 전자 및 광전자 소자들을 최초로 제조할 수 있다. 키니스 등(Chitnis, et al)의 유기금속 화학기상증착법을 사용하여 성장시킨 질화인듐갈륨/질화갈륨 발광 다이오드에 대한 최근 개시[참조 2]는 본 발명과 가장 인접한 비교를 제공한다. 상기 키니스의 개시와 비교하여 본 발명의 주요 개선들은 이하와 같다:Many novel features of the invention have been described in detail in the prior art and technical description herein. The main points defined in the main features section consist of the most important and new elements in the growth of nonpolar indium gallium nitride. The present invention allows for the first production of electronic and optoelectronic devices containing high quality nonpolar indium gallium nitride by allowing the growth of smooth, pit-free indium gallium nitride layers within heterogeneous structures. A recent disclosure of indium gallium nitride / gallium nitride light emitting diodes grown using organometallic chemical vapor deposition from Chinis, et al. Provides a closest comparison to the present invention. The main improvements of the present invention as compared to the disclosure of the above varnish are as follows:
1. 고품질, 낮은 결함밀도를 갖는 기판/템플릿/기저층을 사용한다. 그들의 직접 성장 방법은 r-면 사파이어 기판 상의 a-면 질화갈륨 템플릿 층의 적층을 포함한다. 그러나, 그들의 프로세스는 각각 109 cm-2까지의 스레딩 전위 및 105 cm-1까지의 적층결함밀도들로 감소시키는 효과적인 수단을 포함하지 않는다. 이러한 구조적 결함들은 그들의 질화인듐갈륨 층들 내로 전파되며, 질화인듐갈륨 층의 지형(morphology), 층의 구조적 품질, 및 소자 성능을 저하시킬 수 있다. 본 발명은 재료 품질 및 소자 성능을 개선하기 위하여 템플릿 층 내의 결함 감소 기술들을 이용한다.1. Use a high quality, low defect density substrate / template / base layer. Their direct growth method involves lamination of an a-plane gallium nitride template layer on an r-plane sapphire substrate. However, their processes do not include effective means of reducing threading dislocations up to 10 9 cm −2 and stacking defect densities up to 10 5 cm −1 , respectively. These structural defects propagate into their indium gallium nitride layers and can degrade the morphology of the indium gallium nitride layer, the structural quality of the layer, and device performance. The present invention utilizes defect reduction techniques in the template layer to improve material quality and device performance.
2. 질화인듐갈륨/질화갈륨 양자우물 및 질화갈륨 캡핑층 성장을 위한 성장조건으로 대기압 또는 그 부근의 압력을 사용한다. 이러한 대기압 단계는 양자우물들에 인듐 함유를 증가시키고 탄소 오염을 감소시키며, 따라서 그들의 결과들에 비하여 소자 성능을 개선한다.2. Atmospheric or near atmospheric pressure is used as growth conditions for growth of indium gallium nitride / gallium nitride quantum wells and gallium nitride capping layers. This atmospheric pressure increases the indium content in quantum wells and reduces carbon contamination, thus improving device performance compared to their results.
3. 감소된 온도, 대기압, 및 캐리어 가스로서 질소 가스를 사용하여 성장한 질화갈륨 캡핑층을 포함한다. 그들의 소자 구조는 저온 캡핑층을 포함하지 않는다. 그들의 양자우물들은 양자우물 영역 상에 직접적으로 p형 질화알루미늄갈륨 층을 성장시키기 위하여 성장 온도를 증가시키며, 이와 관련하어 품질 저하가 발생한다. 본 명세서에 개시된 캡핑층과 같은 유형의 포함은 양자우물 영역과 개선된 소자 품질을 보호한다.3. A gallium nitride capping layer grown using reduced temperature, atmospheric pressure, and nitrogen gas as the carrier gas. Their device structure does not include a low temperature capping layer. Their quantum wells increase the growth temperature in order to grow a p-type aluminum gallium nitride layer directly on the quantum well region, in which quality degradation occurs. Inclusion of a type such as the capping layer disclosed herein protects the quantum well region and improved device quality.
이러한 개선들 모두는 종래 기술과 비교하여 질화인듐갈륨계 전자 및 광전자 소자들의 제조에 있어서 중요한 이득을 제공할 수 있다. 이러한 세 가지 주요 요소들을 포함함으로써, 매우 우수한 질화인듐갈륨 층의 품질과 소자 성능을 제공하며, 비극성 III족-질화물 소자 성장의 기술분야에서 중요한 개선을 표시한다.
All of these improvements can provide significant benefits in the fabrication of indium gallium nitride based electronic and optoelectronic devices compared to the prior art. By incorporating these three main elements, it provides a very good quality of the indium gallium nitride layer and device performance, and represents a significant improvement in the art of nonpolar Group III-nitride device growth.
참조Reference
이하의 참조들은 본 명세서에 참조로서 인용된다: The following references are incorporated herein by reference:
1. 선 외(Y. Sun et al.), "플라즈마 조력 분자빔 에피택시에 의해 γ-LiAlO2 (100) 상에 성장된 비극성 InxGaI-I/GaN (1-100) 다중양자우물들(Nonpolar InxGai-i/GaN (1-100) multiple quantum wells grown on γ-LiAlO2 (100) by plasma assisted molecular beam epitaxy)," Phys Rev. B, 67, 41306 (2003). 본 논문은 문헌 중에서 비극성 질화인듐갈륨 성장의 유일한 다른 결과를 제공하고, 분자빔 에피택시법을 사용하여 수행되었다.1. Y. Sun et al., “Non-polar In x Ga II / GaN (1-100) multiquantum wells grown on γ-LiAlO 2 (100) by plasma assisted molecular beam epitaxy ( Nonpolar Inx Gai-i / GaN (1-100) multiple quantum wells grown on γ-LiAlO 2 (100) by plasma assisted molecular beam epitaxy), "Phys Rev. B, 67, 41306 (2003). This paper provides the only other result of nonpolar indium gallium nitride growth in the literature and was performed using molecular beam epitaxy.
2. 키니스 외(Chitnis, et al.), "r-면 사파이어를 덮는 a-면 질화갈륨-질화인듐갈륨 다중양자우물들을 사용한 가시광 발광 다이오드들(Visible light-emitting diodes using a-plane GaN-InGaN multiple quantum wells over r-plane sapphire)," Appl. Phys. Lett., 84, 3663 (2004).2. Chinis, et al., "Visible light-emitting diodes using a-plane GaN- using a-plane gallium nitride-indium gallium nitride multiquantum wells covering r-plane sapphire. InGaN multiple quantum wells over r-plane sapphire), "Appl. Phys. Lett., 84, 3663 (2004).
3. 퍼튼 외(SJ. Pearton, et al.), "질화갈륨: 프로세싱, 결함들, 및 소자들(GaN: Processing, defects, and devices)," J. Appl. Phys., 86, 1 (1999). 본 논문은 c-면 질화갈륨에 관한 기술을 포괄적으로 기술한다,3. SJ. Pearton, et al., “Gallium nitride: Processing, defects, and devices (GaN),” J. Appl. Phys., 86, 1 (1999). This paper describes a comprehensive description of c-plane gallium nitride,
4. 타케우치 외(T. Takeuchi, et al.), "질화갈륨인듐 스트레인드 양자우물들 내의 압전장들(piezoelectric fields)에 의한 양자-가둠 슈타르크 효과(Quantum-Confined Stark Effect due to Piezoelectric Fields in GaInN Strained Quantum Wells)," Jpn. J. Appl. Phys. Part 2, 36, L382 (1997). 본 논문은 극성의 c-면 질화인듐갈륨 소자들 내의 해로운 전기장들의 크기를 정량화하였다. 이러한 전기장은 본 발명에 따라 제조된 비극성 소자들 내에서는 제거된다.4. T. Takeuchi, et al., “Quantum-Confined Stark Effect due to Piezoelectric Fields in gallium indium nitride strained quantum wells. GaInN Strained Quantum Wells), "Jpn. J. Appl. Phys.
5. 밀러 외(D. Miller, at al.), "양자-우물 구조들의 밴드갭 근처에서의 광 흡수의 전기장 의존(Electric field dependence of optical absorption near the band gap of quantum-well structures)," Phys. Rev. B, 32, 1043 (1985). 본 논문은 광전자 소자들의 전기장들의 효과들과 양자-가둠 슈타르크 효과(quantum-confined Stark effect, QCSE)를 개시한다.5. D. Miller, at al., "Electric field dependence of optical absorption near the band gap of quantum-well structures," Phys . Rev. B, 32, 1043 (1985). This paper describes the effects of the electric fields of optoelectronic devices and the quantum-confined Stark effect (QCSE).
6. 베르나디니 외(F. Bernardini, et al.), "III족-V족 질화물들의 자발적인 극성 및 압전 상수들(Spontaneous polarization and piezoelectric constants of III-V nitrides)," Phys. Rev. B, 56, R10024 (1997). 본 논문은 질화물 반도체들 내의 실질적인 압전 계수들의 계산을 제공한다.6. F. Bernardini, et al., "Spontaneous polarization and piezoelectric constants of III-V nitrides," Phys. Rev. B, 56, R 10024 (1997). This paper provides a calculation of the substantial piezoelectric coefficients in nitride semiconductors.
7. 임 외(J. S. Im, et al.), "GaN/AlxGai-xN 양자우물들 내의 압전장등에 의한 진동자 강도의 감소(Reduction of oscillator strength due to piezoelectric fields in GaN/AlxGai-xN quantum wells),"Phys. Rev. B, 57, R9435 (1998). 본 논문은 극성 효과들에 의하여 극성의 c-면 질화갈륨계 소자들의 감소된 효율을 개시한다. 더 나아가, 본 발명에 개시된 비극성 소자들은 이러한 효과들로부터 자유롭고, 이론적인 효율보다 더 높은 효율을 가질 수 있다.7. Lim et al (Im JS, et al.), "Reducing the intensity of the vibrator caused by the piezoelectric field in the GaN / Al x Ga ix N quantum well (Reduction of oscillator strength due to piezoelectric fields in GaN / Al x Ga ix N quantum wells), "Phys. Rev. B, 57, R 9435 (1998). This paper discloses the reduced efficiency of polar c-plane gallium nitride based devices by polarity effects. Furthermore, the nonpolar devices disclosed in the present invention are free from these effects and may have higher efficiency than theoretical efficiency.
8. 크라벤 외(M. D. Craven, et al.), "(1-102) r-면 사파이어 상에 성장한 비극성 (11-20) a-면 질화갈륨 박막들의 구조적 특성(Structural characterization of nonpolar (11-20) a-plane GaN thin films grown on (1-102) r-plane sapphire),"Appl. Phys. Lett., 81, 469 (2002). 본 논문은 산타바바라 소재 캘리포니아 주립대학(UCSB)에서 비극성 질화갈륨 유기금속 화학기상증착법 성장에 관하여 최초로 공개적으로 개시하였다,8. MD Craven, et al., “Structural characterization of nonpolar (11-20) a-plane gallium nitride thin films grown on (1-102) r-plane sapphire. 20) a-plane GaN thin films grown on (1-102) r-plane sapphire), "Appl. Phys. Lett., 81, 469 (2002). This paper is the first public publication of the growth of nonpolar gallium nitride organometallic chemical vapor deposition at the University of California, Santa Barbara (UCSB).
9. 월터라이트 외(P. Waltereit, et al), "효율적인 희색 발광소자를 위한 정전기장에 대하여 자유로운 질화물 반도체들(Nitride semiconductors free of electrostatic fields for efficient white light-emitting diodes),"Nature (London) 406, 865 (2000). 본 논문은 LiAlO2 상에 성장한 m-면 질화갈륨의 극성 장의 제거를 처음으로 공개적으로 개시하였다.9. P. Waltereit, et al, "Nitride semiconductors free of electrostatic fields for efficient white light-emitting diodes," Nature (London) 406, 865 (2000). This paper discloses for the first time the removal of the polar field of m-plane gallium nitride grown on LiAlO 2 .
10. 나(H. M. Ng), "R-면 (10-12) 사파이어 기판들 상의 GaN/AlxGa1-xN 다중양자우물들의 분자빔 에피택시(Molecular-beam epitaxy of GaN/AlxGa1-xN multiple quantum wells on R-plane (1012) sapphire substrates)," Appl. Phys. Lett. 80, 4369 (2002). 본 논문은 분자빔 에피택시에 의해 성장한 비극성 질화알루미늄갈륨/질화갈륨 양자 이종 구조들에 관한 몇 개의 논문 중의 하나이다.Or 10. (HM Ng), "R- surface (10-12) sapphire substrate of GaN / Al x Ga 1-x N multi-quantum well of molecular beam epitaxy (Molecular-beam epitaxy of GaN / Al x Ga 1 on the -x N multiple quantum wells on R-plane (1012) sapphire substrates), "Appl. Phys. Lett. 80, 4369 (2002). This paper is one of several papers on nonpolar gallium nitride / gallium nitride quantum heterostructures grown by molecular beam epitaxy.
11. 크라벤 외(M. D. Craven, et al.), "유기금속 화학기상증착법에 의해 성장한 a-면 GaN/(Al,Ga)N 다중양자우물들의 특성(Characterization of a-plane GaN/(Al,Ga)N Multiple Quantum Wells Grown via Metalorganic Chemical Vapor Deposition),"Jpn. J. Appl. Phys. Part 2, 42, L235 (2003). 본 논문은 유기금속 화학기상증착법에 의해 성장한 질화알루미늄갈륨/질화갈륨 양자 이종 구조들의 구조적 특성들을 처음으로 개시한다.11. C. Craven, et al., “Characterization of a-plane GaN / (Al, GaN / (Al, Ga) N multi-quantum wells grown by organic metal chemical vapor deposition) Ga) N Multiple Quantum Wells Grown via Metalorganic Chemical Vapor Deposition), "Jpn. J. Appl. Phys.
12. 하스켈 외(B. A. Haskell, et al.), "수소화물 기상 에피택시에 의한 측면 에피택셜 과성장을 통해 질화갈륨의 (1120) a-면의 결함감소(Defect reduction in (1120) a-plane gallium nitride via lateral epitaxial overgrowth by hydride vapor phase epitaxy),"Appl. Phys. Lett., 83, 644 (2003). 본 논문은 본 발명에 개시된 소자들을 위한 템플릿들의 제조에 사용되는 수소화물 기상 에피택시 측면 에피택셜 과성장(lateral epitaxial overgrowth, LEO) 프로세스를 개시한다.12. BA Haskell, et al., “Defect reduction in (1120) a-plane through lateral epitaxial overgrowth by hydride vapor phase epitaxy. gallium nitride via lateral epitaxial overgrowth by hydride vapor phase epitaxy), "Appl. Phys. Lett., 83, 644 (2003). This paper discloses a hydride vapor phase epitaxy lateral epitaxial overgrowth (LEO) process used in the manufacture of templates for the devices disclosed herein.
13. 무카이(T. Mukai) 및 나카무라(S. Nakamura), "에피택셜하게 측면 과성장한 질화갈륨 기판들 상에 성장한 자외선 질화인듐갈륨 및 질화갈륨 단일-양자-우물-구조 발광 다이오드들(Ultraviolet InGaN and GaN Single-Quantum-Well-Structure Light-Emitting Diodes Grown on Epitaxially Laterally Overgrown GaN Substrates)," Jpn. J. Appl. Phys., Part 1, 38, 5735 (1999). 본 논문은 LEO 기판들 상에 질화인듐갈륨/질화갈륨 활성 영역들을 이용하여 자외선 LED들의 제조를 개시한다.13. T. Mukai and S. Nakamura, “Ultraviolet InGaN and gallium nitride single-quantum-well-structure light emitting diodes (Ultraviolet InGaN) grown on epitaxially lateral overgrown gallium nitride substrates. and GaN Single-Quantum-Well-Structure Light-Emitting Diodes Grown on Epitaxially Laterally Overgrown GaN Substrates), "Jpn. J. Appl. Phys.,
14. 나카무라(S. Nakamura) 및 파솔(G. Fasol), 청색 레이저 다이오드(The Blue Laser Diode), (Springer, Heidelberg, 1997). 본 도서는 c-면 질화갈륨 광전자 기술에 대하여 전반적으로 다룬다.14. S. Nakamura and G. Fasol, The Blue Laser Diode, (Springer, Heidelberg, 1997). This book covers the c-plane gallium nitride optoelectronic technology as a whole.
15. 콜드렌(L. Coldren) 및 코진(S. Corzine), 다이오드 레이저들과 광자집적회로들(Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits), (Wiley Interscience, 1995). 160 내지 178쪽과 첨부 11은 스트레인드(strained) 양자우물 레이저들의 설계에 관계된 이론을 제시한다. 본 도서는 비화불계(arsenide) 및 인화물계(phosphide) 광전자 소자들에 대하여 중점을 두지만, 본 발명을 사용하여 설계되는 비극성 질화인듐갈륨계 스트레인드 단일 양자우물 레이저들에도 동일한 이론이 적용된다.
15. L. Coldren and S. Corzine, Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits, (Wiley Interscience, 1995). Pages 160-178 and Annex 11 present a theory relating to the design of strained quantum well lasers. Although this book focuses on arsenide and phosphide optoelectronic devices, the same theory applies to nonpolar indium gallium nitride based strained single quantum well lasers designed using the present invention.
결론conclusion
본 발명의 바람직한 실시예에 대한 설명을 결론짓는다. 개시와 설명을 위하여 발명의 하나 또는 그 이상의 실시예들에 대하여 상술한 바와 같은 설명들이 제공되었다. 그러나, 이는 본 발명을 개시된 형태로서 한정하는 것은 아니다. 상기의 개시에 기반하여 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 상술한 바에 한정되지 않으며 이하에 첨부된 청구항들에 의하여 한정된다.The description of the preferred embodiment of the present invention is concluded. The foregoing description has been provided for the purposes of disclosure and description of one or more embodiments of the invention. However, this is not intended to limit the invention to the form disclosed. Many modifications and variations are possible in light of the above teaching. The technical spirit of the present invention is not limited to the above description but defined by the appended claims.
300: 사파이어 기판,
302: GaN 템플릿,
304: n-GaN 층,
306: MQW,
308: GaN:UID 캡,
310: p-GaN 층,
312: p+ GaN 층,
314: Pd/Au 콘택,
316: Al/Au 콘택,300: sapphire substrate,
302: GaN template,
304: n-GaN layer,
306: MQW,
308: GaN: UID cap,
310: p-GaN layer,
312: p + GaN layer,
314: Pd / Au contacts,
316: Al / Au contacts,
Claims (31)
적어도 p형 갈륨 질화물 층을 성장시키는 단계; 및
비극성 방위된 인듐 함유 III족-질화물 층을 성장시키는 단계;
를 포함하고,
상기 비극성 방위된 인듐 함유 III족-질화물 층은 상기 n형 갈륨 질화물 층과 상기 p형 갈륨 질화물 층 사이에 위치한 발광 활성층이고,
p-n 접합 소자는 109 cm-2 보다 작은 스레딩 전위 밀도와 104 cm-1 보다 작은 적층결함을 가지는 III족-질화물 템플릿 또는 기판의 비극성 표면 상에 성장하고, 또한
상기 p-n 접합 소자는 적어도 20 밀리암페어(mA)의 직류에 반응하여 기능하는 것을 특징으로 하는 p-n 접합 소자의 성장 방법.Growing at least an n-type gallium nitride layer;
Growing at least a p-type gallium nitride layer; And
Growing a nonpolar oriented indium-containing Group III-nitride layer;
Including,
The nonpolar oriented indium-containing group III-nitride layer is a light emitting active layer located between the n-type gallium nitride layer and the p-type gallium nitride layer,
The pn junction device grows on a nonpolar surface of a group III-nitride template or substrate having a threading dislocation density of less than 10 9 cm -2 and stacking defects of less than 10 4 cm -1 , and
Wherein said pn junction element functions in response to a direct current of at least 20 milliamps (mA).
비극성 갈륨 질화물 성장을 최적화하는 압력과 온도에서 상기 n형 갈륨 질화물 층과 상기 p형 갈륨 질화물 층을 성장시키는 단계; 및
비극성 인듐 함유 III족-질화물의 성장을 최적화하는 압력과 온도에서 비극성 방위된 인듐 함유 III족-질화물 층을 성장시키는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 p-n 접합 소자의 성장 방법.The method of claim 1,
Growing the n-type gallium nitride layer and the p-type gallium nitride layer at pressure and temperature to optimize nonpolar gallium nitride growth; And
Growing a nonpolar oriented indium-containing Group III-nitride layer at pressure and temperature to optimize the growth of the nonpolar indium-containing Group III-nitride;
Method for growing a pn junction device further comprises.
상기 인듐 함유 III족-질화물 층과 상기 인듐 함유 III족-질화물 층 상에 성장한 상기 III족-질화물 층들 사이에 질화물 캡핑층을 성장시키는 단계;를 더 포함하고,
상기 캡핑층은, 상기 III족-질화물 층들이 형성될 때, 상기 인듐 함유 III족-질화물 층으로부터 인듐이 탈착되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 p-n 접합 소자의 성장 방법.The method of claim 1,
Growing a nitride capping layer between the indium-containing III-nitride layer and the III-nitride layers grown on the indium-containing III-nitride layer;
And the capping layer prevents indium from being desorbed from the indium-containing group III-nitride layer when the group III-nitride layers are formed.
상기 n형 갈륨 질화물 층, 상기 p형 갈륨 질화물 층 및 상기 인듐 함유 III족-질화물 층은 유기금속 화학기상증착법(MOCVD)에 의하여 성장하는 것을 특징으로 하는 p-n 접합 소자의 성장 방법.The method of claim 1,
And the n-type gallium nitride layer, the p-type gallium nitride layer, and the indium-containing group III-nitride layer are grown by organometallic chemical vapor deposition (MOCVD).
상기 비극성 III족-질화물 기판 또는 템플릿은 5 x 106 cm-2 보다 작은 스레딩 전위 밀도 및 3 x 103 cm-1 보다 작은 적층결함을 가지는 것을 특징으로 하는 p-n 접합 소자의 성장 방법.The method of claim 1,
Wherein said nonpolar Group III-nitride substrate or template has a threading dislocation density of less than 5 × 10 6 cm −2 and a stacking defect of less than 3 × 10 3 cm −1 .
상기 n형 갈륨 질화물 층, 상기 p형 갈륨 질화물 층 및 상기 인듐 함유 III족-질화물 층의 최상 표면들이 비극성 평면이 되도록, 상기 n형 갈륨 질화물 층, 상기 p형 갈륨 질화물 층 및 상기 인듐 함유 III족-질화물 층은 상기 III족-질화물 기판 또는 템플릿 상에 비극성 방향으로 성장하는 것을 특징으로 하는 p-n 접합 소자의 성장 방법.The method of claim 1,
The n-type gallium nitride layer, the p-type gallium nitride layer and the indium-containing group III so that the top surfaces of the n-type gallium nitride layer, the p-type gallium nitride layer, and the indium-containing group III-nitride layer are nonpolar planes. The nitride layer is grown on the Group III-nitride substrate or template in a non-polar direction.
상기 기판 또는 템플릿은 a-면 갈륨 질화물 (GaN) 기판 또는 템플릿이고,
상기 비극성 표면은 a-면 표면이고,
상기 비극성 인듐 함유 III족-질화물 층들은 a-면 인듐 함유 III족-질화물 층들이고, 또한
상기 비극성 인듐 함유III족-질화물 층, 상기 n형 갈륨 질화물 층, 및 상기 p형 갈륨 질화물 층은 a-축 방향으로 성장하는 것을 특징으로 하는 p-n 접합 소자의 성장 방법.The method of claim 1,
The substrate or template is an a-plane gallium nitride (GaN) substrate or template,
The non-polar surface is an a-plane surface,
The nonpolar indium-containing group III-nitride layers are a-plane indium-containing group III-nitride layers, and
The nonpolar indium-containing group III-nitride layer, the n-type gallium nitride layer, and the p-type gallium nitride layer grow in the a-axis direction.
상기 소자는 발광다이오드(LED), 레이저 다이오드, 또는 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 p-n 접합 소자의 성장 방법.The method of claim 1,
Wherein the device is a light emitting diode (LED), a laser diode, or a transistor.
상기 소자는 광전자 소자 또는 전자 소자인 것을 특징으로 하는 p-n 접합 소자의 성장 방법.The method of claim 1,
Wherein said device is an optoelectronic device or an electronic device.
(b) 상기 기판 또는 템플릿 상에 하나 또는 그 이상의 비극성 인듐 함유 III족-질화물 층들을 성장시키는 단계;
(c) 상기 비극성 인듐 함유 III족-질화물 층들 상에 캡핑층을 성장시키는 단계; 및
(d) 상기 캡핑층 상에 하나 또는 그 이상의 비극성 알루미늄 함유 또는 갈륨 함유 III족-질화물 층들을 성장시키는 단계;
를 포함하는 비극성 인듐 함유 III족-질화물 소자의 제조 방법.(a) providing a group III-nitride substrate or template;
(b) growing one or more nonpolar indium containing Group III-nitride layers on the substrate or template;
(c) growing a capping layer on the nonpolar indium containing Group III-nitride layers; And
(d) growing one or more nonpolar aluminum containing or gallium containing Group III-nitride layers on the capping layer;
Method for producing a non-polar indium-containing group III-nitride device comprising a.
상기 III족-질화물 기판 또는 템플릿은 1 x 109 cm-2 보다 작은 전위 밀도 및 1 x 104 cm-1 보다 작은 적층결함 밀도를 가지는 것을 특징으로 하는 비극성 인듐 함유 III족-질화물 소자의 제조 방법.The method of claim 10,
The group III-nitride substrate or template has a dislocation density of less than 1 x 10 9 cm -2 and a stacking defect density of less than 1 x 10 4 cm -1. .
(b) 상기 기판 또는 템플릿 상의 하나 또는 그 이상의 비극성 인듐 함유 III족-질화물 층들;
(c) 상기 비극성 인듐 함유 III족-질화물 층들 상의 캡핑층; 및
(d) 상기 캡핑층 상의 하나 또는 그 이상의 비극성 알루미늄 함유 또는 갈륨 함유 III족-질화물 층들;
을 포함하는 비극성 인듐 함유 III족-질화물계 소자.(a) a Group III-nitride substrate or template;
(b) one or more nonpolar indium containing Group III-nitride layers on the substrate or template;
(c) a capping layer on the nonpolar indium containing Group III-nitride layers; And
(d) one or more nonpolar aluminum containing or gallium containing Group III-nitride layers on the capping layer;
A nonpolar indium-containing group III-nitride-based device comprising a.
상기 III족-질화물 기판 또는 템플릿은 1 x 109 cm-2 보다 작은 전위 밀도 및 1 x 104 cm-1 보다 작은 적층결함 밀도를 가지는 것을 특징으로 하는 비극성 인듐 함유 III족-질화물계 소자.The method of claim 12,
And the group III-nitride substrate or template has a dislocation density of less than 1 x 10 9 cm -2 and a stacking defect density of less than 1 x 10 4 cm -1 .
상기 비극성 질화물 템플릿 또는 기판은, 5 x 106 cm-2 보다 작은 스레딩 전위 밀도 및 3 x 103 cm-1 보다 작은 적층결함을 가지는 것을 특징으로 하는 인듐 함유 III족-질화물 에피택셜 층, 이종 구조 또는 소자.The method of claim 14,
Indium-containing group III-nitride epitaxial layer, heterostructure, characterized in that the nonpolar nitride template or substrate has a threading dislocation density of less than 5 x 10 6 cm -2 and stacking defects of less than 3 x 10 3 cm -1. Or device.
상기 인듐 함유III족-질화물 에피택셜 층, 이종 구조 또는 소자는 N2 캐리어 가스를 이용하여 성장한 것을 특징으로 하는 인듐 함유 III족-질화물 에피택셜 층, 이종 구조 또는 소자.The method of claim 14,
The indium-containing group III-nitride epitaxial layer, the heterostructure, or the device is grown using an N 2 carrier gas.
상기 인듐 함유III족-질화물 에피택셜 층, 이종 구조 또는 소자는 대기압 또는 그 부근에서 성장한 것을 특징으로 하는 인듐 함유 III족-질화물 에피택셜 층, 이종 구조 또는 소자.The method of claim 14,
The indium-containing III-nitride epitaxial layer, heterostructure or device is grown at or near atmospheric pressure.
상기 비극성 질화물 템플릿 또는 기판은 AlGaN 기판인 것을 특징으로 하는 인듐 함유 III족-질화물 에피택셜 층, 이종 구조 또는 소자.The method of claim 14,
An indium-containing group III-nitride epitaxial layer, heterostructure or device, wherein the nonpolar nitride template or substrate is an AlGaN substrate.
상기 층은 InGaN 층인 것을 특징으로 하는 인듐 함유 III족-질화물 에피택셜 층, 이종 구조 또는 소자.The method of claim 14,
Indium-containing Group III-nitride epitaxial layer, heterostructure or device, wherein the layer is an InGaN layer.
상기 소자는 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드, 또는 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 인듐 함유 III족-질화물 에피택셜 층, 이종 구조 또는 소자.The method of claim 14,
The device is a light emitting diode (LED), a laser diode, or a transistor; an indium-containing group III-nitride epitaxial layer, heterostructure, or device.
상기 소자는 360 nm 내지 600 nm 범위의 발광 파장을 가지는 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD)인 것을 특징으로 하는 인듐 함유 III족-질화물 에피택셜 층, 이종 구조 또는 소자.The method of claim 14,
The device is an indium-containing group III-nitride epitaxial layer, heterostructure or device, characterized in that the light emitting diode (LED) or laser diode (LD) having an emission wavelength in the range of 360 nm to 600 nm.
상기 소자는 p-n 접합 소자이고
상기 p-n 접합 소자는:
적어도 n형 갈륨 질화물 층;
적어도 p형 갈륨 질화물 층; 및
비극성 방위된 인듐 함유 III족-질화물 층;
을 포함하고,
상기 비극성 방위된 인듐 함유 III족-질화물 층은 상기 n형 층과 상기 p형 층 사이에 위치한 활성 영역이고, 또한
상기 p-n 접합 소자는 적어도 20 밀리암페어(mA)의 직류에 반응하여 기능하는 것을 특징으로 하는 인듐 함유 III족-질화물 에피택셜 층, 이종 구조 또는 소자.The method of claim 14,
The device is a pn junction device
The pn junction device is:
At least n-type gallium nitride layer;
At least p-type gallium nitride layer; And
Nonpolar oriented indium-containing Group III-nitride layers;
Including,
The nonpolar oriented indium-containing group III-nitride layer is an active region located between the n-type layer and the p-type layer, and
The pn junction device functions in response to a direct current of at least 20 milliamperes (mA), an indium-containing group III-nitride epitaxial layer, heterostructure or device.
상기 소자는 적어도 0.4%의 외부 양자 효율(EQE)을 가지는 광을 방출하는 발광 다이오드(LED)인 것을 특징으로 하는 소자.The method of claim 22,
The device is a light emitting diode (LED) emitting light having an external quantum efficiency (EQE) of at least 0.4%.
전류가 전자루미네선스 출력이 10의 인수(factor of ten)로 증가되는 것에 상응하는 범위에 걸쳐서 증가되는 경우에, 또는 전류가 20 밀리암페어(mA) 내지 120 밀리암페어(mA) 사이의 범위에 걸쳐서 증가되는 경우에, 상기 소자는 발광 최고점에서 청색편이가 없는 광을 방출하는 발광 다이오드(LED)인 것을 특징으로 하는 소자.The method of claim 22,
If the current is increased over a range corresponding to the increase in the electroluminescence output by a factor of ten, or the current is in the range between 20 milliamps (mA) and 120 milliamps (mA). When increased over, the device is a light emitting diode (LED) that emits light without blue shift at the peak of light emission.
상기 소자는 1.5 밀리와트(mW)의 출력을 가지는 광을 방출할 수 있는 발광 다이오드(LED)인 것을 특징으로 하는 소자.The method of claim 22,
The device is a light emitting diode (LED) capable of emitting light having an output of 1.5 milliwatts (mW).
상기 소자는 상기 III족-질화물 기판 또는 템플릿의 비극성 표면 상에 성장하고,
상기 비극성 표면은 에피택셜하기 성장하고, 벌크 결정으로부터 절단되지 않은 것을 특징으로 하는 소자.The method of claim 22,
The device grows on a nonpolar surface of the group III-nitride substrate or template,
And said nonpolar surface is epitaxially grown and not cut from bulk crystals.
상기 기판 또는 템플릿은 갈륨 질화물 기판 또는 템플릿인 것을 특징으로 하는 소자.The method of claim 14,
The substrate or template is a gallium nitride substrate or template.
상기 기판 또는 템플릿은 알루미늄 질화물 기판 또는 템플릿인 것을 특징으로 하는 소자.The method of claim 14,
And said substrate or template is an aluminum nitride substrate or template.
상기 기판은 독립구조(free-standing)의 a-면 질화갈륨 웨이퍼, 독립구조의 m-면 질화갈륨 웨이퍼, 독립구조의 a-면 질화알루미늄 웨이퍼, 독립구조의 m-면 질화알루미늄 웨이퍼, 벌크(bulk) a-면 질화갈륨 웨이퍼, 벌크 m-면 질화갈륨 웨이퍼, 벌크 a-면 질화알루미늄 웨이퍼, 또는 벌크 m-면 질화알루미늄 웨이퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 소자.The method of claim 14,
The substrate is a free-standing a-plane gallium nitride wafer, a free-standing m-plane gallium nitride wafer, a free-standing a-plane aluminum nitride wafer, a free-standing m-plane aluminum nitride wafer, a bulk ( bulk) A device comprising a-plane gallium nitride wafer, a bulk m-plane gallium nitride wafer, a bulk a-plane aluminum nitride wafer, or a bulk m-plane aluminum nitride wafer.
상기 기판 또는 템플릿은 a-면 갈륨 질화물 (GaN) 기판 또는 템플릿이고,
상기 비극성 표면은 a-면 표면이고,
상기 비극성 인듐 함유 III족-질화물 층들은 a-면 인듐 함유 III족-질화물 층들이고, 또한
상기 비극성 인듐 함유III족-질화물 층, 상기 n형 갈륨 질화물 층, 및 상기p형 갈륨 질화물 층은 a-축 방향으로 성장한 것을 특징으로 하는 소자.The method of claim 22,
The substrate or template is an a-plane gallium nitride (GaN) substrate or template,
The non-polar surface is an a-plane surface,
The nonpolar indium-containing group III-nitride layers are a-plane indium-containing group III-nitride layers, and
And wherein the nonpolar indium-containing group III-nitride layer, the n-type gallium nitride layer, and the p-type gallium nitride layer are grown in the a-axis direction.
상기 소자는 발광다이오드(LED)인 것을 특징으로 하는 소자.The method of claim 22,
The device is characterized in that the light emitting diode (LED).
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