KR20160009102A - 변위 밀도를 유지하는 버퍼층을 가진 반도체 소자 - Google Patents

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KR20160009102A
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롱 양
윌리엄 펜윅
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마누티우스 아이피, 인크.
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Abstract

발광 소자 제조 방법은 기판, 상기 기판에 인접하는 질화 알루미늄 갈륨 층 및 상기 질화 알루미늄 갈륨 층에 인접하는 질화 갈륨 층을 포함하는 복수의 층을 가진 버퍼층의 제조 단계를 포함한다. 복수의 층의 각각의 제조 중에, 상기 복수의 층의 개별 층이 변형되도록, 하나 이상의 공정 파라미터가 선택된다.

Description

변위 밀도를 유지하는 버퍼층을 가진 반도체 소자{SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING DISLOCATION DENSITY MAINTAINING BUFFER LAYERS}
본 출원은 본원에 참조로서 전체가 도입되어 있는, 2011년 9월 29일 출원된 미국 특허 출원 제13/249,157호에 우선권을 주장한다.
조명 장치는 통상 백열 전구 또는 가스 전구를 사용한다. 이러한 전구는 통상 긴 작동 수명을 가지지 않고, 따라서 빈번한 교체를 요한다. 가스 전구, 예컨대 형광등 또는 네온등은 더 긴 수명을 가질 수 있으나, 높은 전압을 사용하여 작동하고 상대적으로 비싸다. 또한, 전구와 가스등은 모두 상당한 양의 에너지를 소비한다.
발광 다이오드(LED)는 전자와 정공의 재결합에 따라 발광하는 소자이다. LED는 통상 p-n 접합을 형성하기 위해 불순물로 도핑된 반도체 재료의 칩을 포함한다. 전류는 p-면 또는 애노드로부터 n-면 또는 캐소드로 흐른다. 전하-캐리어-전자 및 정공-은 상이한 전압을 가진 전극들로부터 p-n 접합 내로 흐른다. 전자가 정공을 만날 때, 전자는 광자(hν)의 형태로 방사성 배출되는 에너지를 야기할 수 있는 과정으로 정공과 재결합한다. 광자 또는 빛은 LED 밖으로 전송되고, 예를 들어, 조명 장치 및 전자 장치와 같은 다양한 장치에 사용된다.
백열 전구 또는 가스 전구와 달리, LED 전구는 상대적으로 저렴하고, 낮은 전압에서 작동하며, 긴 작동 수명을 가진다. 추가로, LED 전구는 상대적으로 전력을 거의 소비하지 않고, 소형이다. 이들 특징들은 LED 전구가 많은 장치에 대해 특히 바람직하고 매우 적합하게 한다.
LED 전구의 장점에도 불구하고, 이러한 소자에 관해서 제한이 있다. 이러한 제한은 LED 전구의 효율성을 제한할 수 있는 재료의 제한, LED에 의해 생성된 빛의 소자 밖으로의 전달을 제한할 수 있는 구조적 제한, 및 높은 공정 비용으로 이어질 수 있는 제조상의 제한을 포함한다. 따라서, 향상된 LED 전구 및 LED 전구 제조 방법에 대한 필요가 있다.
한 측면에서, 발광 소자, 예컨대 발광 다이오드(LED)가 제공된다. 한 실시양태에서, 발광 소자는 질화 알루미늄 갈륨 층 및 질화 알루미늄 갈륨 층에 인접하는 질화 갈륨(GaN) 층을 포함하는 버퍼층을 포함한다. 발광 소자는 또한 버퍼층에 인접하고, 전자와 정공의 재결합에 따라 빛을 생성하도록 구성된 활성층을 가진 발광 적층을 포함하고, 이때 버퍼층과 발광 적층이 결합된 두께는 5 마이크로미터(㎛) 이하이다. 일부 경우에는, 버퍼층은 질화 알루미늄(AlN) 층을 포함한다. AlN 층은 질화 알루미늄 갈륨 층에 인접할 수 있다. 일부 경우에는, AlN 층은 기판, 예컨대 규소 기판과 질화 알루미늄 갈륨 층 사이에 있다.
또 다른 실시양태에서, 발광 소자는 질화 알루미늄(AlN) 층, AlN 층에 인접하는 질화 알루미늄 갈륨 층 및 질화 알루미늄 갈륨 층에 인접하는 질화 갈륨(GaN) 층; 및 GaN 층에 인접하는 발광 적층을 가진 버퍼층을 포함한다. 발광 적층은 전자와 정공의 재결합에 따라 빛을 생성하도록 구성된 활성층을 포함한다. 버퍼층의 곡률 반경의 절대값은 50 m를 초과한다.
또 다른 실시양태에서, 발광 소자는 i) 인장 변형된 질화 알루미늄(AlN) 층, ii) AlN 층에 인접하는 압축 변형된 AlxGa1 - xN 층(여기서 'x'는 0에서 1 사이의 수이다) 및 iii) 변형된 AlxGa1 - xN 층에 인접하는 압축 변형된 질화 갈륨(GaN) 층을 포함하는 버퍼층을 포함한다. 발광 소자는 또한 버퍼층에 인접하는 발광 적층을 포함한다. 발광 적층은 n-형 질화 갈륨(n-GaN) 층, p-형 질화 갈륨(p-GaN) 층 및 n-GaN과 p-GaN 층 사이의 활성층을 포함한다. 활성층은 전자와 정공의 재결합에 따라 빛을 생성하도록 구성된다.
또 다른 실시양태에서, 발광 소자는 발광 적층에 인접하는 버퍼층을 포함한다. 발광 적층은 전자와 정공의 재결합에 따라 빛을 생성하도록 구성된 활성층을 포함한다. 활성층은 n-형 질화 갈륨 층과 p-형 질화 갈륨 층을 포함한다. 버퍼층은 50 m 초과인 곡률 반경(절대값)을 가진다.
또 다른 측면에서, 발광 소자 제조 방법이 제공된다. 한 실시양태에서, 발광 소자 제조 방법은 반응 챔버 내에 기판 위에, 전자와 정공의 재결합에 따라 빛을 생성하도록 구성된 활성층을 가진 발광 적층을 제조하는 것을 포함한다. 질화 갈륨(GaN) 층에 결함을 형성하는 공정 조건 하에서, 질화 알루미늄 갈륨 층에 인접하여 제조되는 GaN 층에 차례로 인접하여 발광 적층이 제조된다. 질화 알루미늄 갈륨 층은 질화 알루미늄 갈륨 층에 결함을 형성하는 공정 조건 하에서 질화 알루미늄(AlN) 층에 인접하여 제조된다. AlN 층은 AlN 층에 결함을 형성하는 공정 조건 하에서 기판에 인접하여 제조된다.
또 다른 실시양태에서, 발광 소자의 제조 방법은 반응 챔버 내에 기판을 제공하는 것 및 AlN 층에 결함을 생성하도록 선택된 공정 조건 하에서 기판에 인접하는 질화 알루미늄(AlN) 층을 제조하는 것을 포함한다. 질화 알루미늄 갈륨 층은 질화 알루미늄 갈륨 층에 결함을 생성하도록 선택된 공정 조건 하에서 AlN 층에 인접하여 제조된다. 질화 갈륨(GaN) 층은 GaN 층에 결함을 생성하도록 선택된 공정 조건 하에서 질화 알루미늄 갈륨 층에 인접하여 제조된다.
또 다른 실시양태에서, 발광 소자의 제조 방법은 기판에 인접하는 복수의 층을 제조하는 것을 포함한다. 복수의 층은 i) 기판에 인접한 질화 알루미늄 층, ii) 질화 알루미늄 층에 인접한 질화 알루미늄 갈륨 층 및 iii) 질화 알루미늄 갈륨 층에 인접한 질화 갈륨 층을 포함한다. 복수의 층의 각각의 제조 중에, 개별 층의 두께의 증가에 따라 복수의 층의 개별 층이 영이 아닌 변형을 가지도록, 하나 이상의 공정 파라미터가 선택된다.
또 다른 실시양태에서, 발광 소자의 제조 방법은 반응 챔버(또는 반응 챔버가 복수의 반응 공간을 포함한다면, 반응 공간) 내에 기판 위에, n-형 질화 갈륨(n-GaN) 층, p-형 질화 갈륨(p-GaN) 층 및 n-GaN 층과 p-GaN 층 사이에 활성층을 가진 발광 적층을 제조하는 것을 포함한다. 활성층은 전자와 정공의 재결합에 따라 빛을 생성하도록 구성된다. 발광 적층은 질화 갈륨(GaN) 층에 인접하여 제조된다. GaN 층은 질화 알루미늄 갈륨 층에 인접하여 제조되고, 질화 알루미늄 갈륨은 질화 알루미늄 층에 인접하여 제조되고, AlN 층은 기판에 인접하여 제조된다. 일부 경우에서 기판은 규소 기판이다.
일부 경우에는, 하나 이상의 GaN 층, 질화 알루미늄 갈륨 층 및 AlN 층의 제조 중에, 하나 이상의 GaN 층, 질화 알루미늄 갈륨 층 및 AlN 층 내에 결함(또는 변형-유발 결함)을 생성하도록 공정 조건이 선택된다. 일부 경우에서, GaN 층, 질화 알루미늄 갈륨 층 및 AlN 층의 제조 중에, GaN 층, 질화 알루미늄 갈륨 층 및 AlN 층의 각각에 결함을 생성하도록 공정 조건이 선택된다. 일부 경우에는 공정 조건은 층들에 소정의 결함 밀도를 유지하도록 선택된다. 일부 경우에는, 소정의 결함 밀도는 약 1x108 cm-2 내지 2x1010 cm- 2이다. 일부 실시양태에서, 약 800 ℃ 내지 1200 ℃, 또는 약 900 ℃ 내지 1100 ℃ 사이의 성장 온도에서, 각 GaN 층, 질화 알루미늄 갈륨 층 및 AlN 층이 층의 두께의 증가에 따라 영이 아닌 인장 또는 압축 변형을 가지도록 공정 조건이 선택된다.
또 다른 실시양태에서, 발광 소자의 제조 방법은 반응 챔버 내에 기판을 제공하는 것 및 질화 알루미늄(AlN) 층에 변형을 생성하도록 선택된 공정 조건 하에서 기판에 인접하는 AlN 층을 제조하는 것을 포함한다. 질화 알루미늄 갈륨 층은 질화 알루미늄 갈륨 층에 변형을 생성하도록 선택된 공정 조건 하에서 AlN 층에 인접하여 제조된다. 질화 갈륨(GaN) 층은 GaN 층에 변형을 생성하도록 선택된 공정 조건 하에서 질화 알루미늄 갈륨 층에 인접하여 제조된다.
또 다른 측면에서, 발광 소자의 제조 시스템이 제공된다. 한 실시양태에서, 발광 소자의 제조 시스템은 기판을 수용하기 위한 반응 챔버 및 반응 챔버를 퍼징하거나 배기하도록 구성된, 반응 챔버와 유체 연결되어 있는 펌프 시스템을 포함한다. 상기 시스템은 기판에 인접하는 버퍼층을 제조하는 방법을 실행하는 기계 가역 코드를 수행하기 위한 프로세서를 가진 컴퓨터 시스템을 포함한다. 상기 방법은 i) 기판에 인접하는 질화 알루미늄 층, ii) 질화 알루미늄 층에 인접하는 질화 알루미늄 갈륨 층 및 iii) 질화 알루미늄 갈륨 층에 인접하는 질화 갈륨 층을 포함하는, 기판에 인접하는 복수의 층을 제조하는 것을 포함한다. 복수의 층 중 개개의 제조 중에, 개별 층 두께의 증가에 따라 복수의 층의 개별 층이 영이 아닌 변형을 가지도록, 하나 이상의 공정 파라미터가 선택된다.
본 개시물의 추가의 측면 및 이점은 본 개시물의 오직 예시를 위한 실시양태가 나타내어지고 기재되는 하기의 자세한 기재로부터 통상의 기술자에게 용이하게 명백할 것이다. 알 수 있는 바와 같이, 본 개시물은 기타 다른 실시양태가 가능하고, 그것의 여러 세부사항은 모두 본 개시물에서 벗어나지 않으면서도 다양한 명백한 관점에서 수정이 가능하다. 따라서, 도면 및 설명은 제한적으로서가 아닌, 사실상 예시적인 것으로 간주될 것이다.
본 명세서에서 언급된 모든 간행물, 특허 및 특허 출원은, 각 개별적인 간행물, 특허 또는 특허 출원이 구체적이고 개별적으로 참조로서 도입되는 것과 같은 정도로 본원에 참조로서 도입된다.
본 발명의 원리가 이용되고 있는, 예시적 실시양태를 제시하는 이하의 자세한 설명 및 수반된 도면을 참조함으로써 본 발명의 특징 및 이점에 대한 더 나은 이해가 얻어질 것이다.
본 출원은 향상된 LED 전구 및 LED 전구 제조 방법을 제공한다.
도 1은 초기 발광 소자를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 한 실시양태에 따른 발광 다이오드의 단면을 개략적으로 나타낸다.
도 3은 한 실시양태에 따른 발광 소자의 제조 방법을 개략적으로 나타낸다.
도 4는 한 실시양태에 따른 규소 기판 위에 버퍼층을 제조하는 다양한 단계에서 발광 소자 상의 변형 및 축적된 응력을 개략적으로 나타낸다.
도 5는 한 실시양태에 따른, 규소 기판 위에 초기 발광 소자의 버퍼층을 제조하는 공정의 다양한 단계에서의 단순화된 측단면을 나타낸다.
도 6은 한 실시양태에 따른, 발광 소자의 제작에 사용되는 시스템을 나타낸다.
본 발명의 다양한 실시양태가 본원에 나타내어지고 기재되었음에도, 이러한 실시양태가 오직 예시의 방식으로 제공됨은 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 본 발명에서 벗어나지 않고도 수치적 변이, 변경 및 치환이 통상의 기술자에게 일어날 수 있을 것이다. 본원에서 기재된 본 발명의 실시양태에 대한 다양한 대안이 본 발명의 실시에 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
본원에서 사용된, 용어 "발광 소자"는 소자의 발광 구역(또는 "활성층")에서 전자와 정공의 재결합에 따라, 예컨대 발광 구역을 통해 순방향-바이어스된 전기 전류의 인가(또는 흐름)에 따라, 빛을 생성하도록 구성된 소자를 지칭한다. 일부 경우에는, 발광 소자는 전기 에너지를 빛으로 전환하는 고체 상태 소자이다. 발광 다이오드("LED")는 발광 소자이다. 상이한 재료로 구성되고, 상이한 구조를 가지고, 다양한 방식으로 수행하는 많은 상이한 LED 소자 구조가 있다. 일부 발광 소자(레이저 다이오드)는 레이저 광을 방출하고, 다른 것들은 비-단색광을 생성한다. 일부 LED는 특정 용도에 성능이 최적화되어 있다. LED는 질화 인듐 갈륨을 가진 다중 양자 우물 (MQW) 활성층을 포함하는 소위 청색 LED일 수 있다. 청색 LED는 약 440 나노미터 내지 500 나노미터 범위에 있는 파장을 가진 비-단색광을 방출할 수 있다. 방출된 청색 광의 일부를 흡수하는 인광체 코팅이 제공될 수 있다. 인광체는 다시 형광을 내어 다른 파장의 빛을 방출하여, LED 소자가 방출하는 전체적인 빛은 더 넓은 범위의 파장을 가진다.
본원에서 사용된 용어 "층"은 기판 상의 원자 또는 분자의 층을 지칭한다. 일부 경우에는, 층은 에피택시 층 또는 복수의 에피택시 층을 포함한다. 층은 막 또는 박막을 포함할 수 있다. 일부 경우에는, 층은 빛을 생성(또는 방출)하도록 구성된 활성층과 같은 소정의 소자 기능을 수행하는 소자의 구조적 성분(예컨대, 발광 다이오드)이다. 층은 일반적으로 약 한 개의 단원자 단층 (ML) 내지 열 개의 단층, 백 개의 단층, 천 개의 단층, 백만 개의 단층, 10억 개의 단층, 1조 개의 단층 또는 그 이상의 두께를 가진다. 한 실시예에서, 층은 한 개의 단원자 단층보다 큰 두께를 가진 다층 구조이다. 또한, 층은 다중 재료 층(또는 하부-층)을 포함할 수 있다. 한 실시예에서, 다중 양자 우물 활성층은 다중 우물 및 장벽층을 포함한다. 층은 복수의 하부-층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 활성층은 장벽 하부-층 및 우물 하부-층을 포함할 수 있다.
본원에서 사용된 용어 "도포율"은 총 표면 면적에 대해 종으로 덮히거나 점유된 표면의 분율을 지칭한다. 예를 들어, 도포율 10 %의 종은 표면의 10 %가 그 종에 의해 덮힘을 나타낸다. 일부 경우에는, 도포율은 단층(ML)에 의해 나타내어지며, 1 ML은 특정 종으로의 표면의 완전한 포화에 해당한다. 예를 들어, 0.1 ML의 피트 도포율은 10 %의 표면이 피트로 점유됨을 나타낸다.
본원에서 사용된 용어 "활성 영역"(또는 "활성층")은 본원에서 사용된 바와 같이, 빛을 생성하도록 구성된 발광 다이오드(LED)의 발광 영역을 나타낸다. 활성층은 전자와 정공의 결합에 따라, 예를 들어 활성층을 통해 순방향-바이어스된 전기 전류의 도움으로, 빛을 생성하는 활성 재료를 포함한다. 활성층은 하나 또는 복수의 층(또는 하부-층)을 포함할 수 있다. 일부 경우에는, 활성층은 하나 이상의 장벽층(또는 클래드(cladding) 층, 예컨대 GaN) 및 하나 이상의 양자 우물("우물") 층(예컨대, InGaN)을 포함한다. 한 실시예에서, 활성층은 다중 양자 우물을 포함하고, 이 경우에 활성층은 다중 양자 우물 ("MQW") 활성층으로 지칭될 수 있다.
본원에서 사용된 용어 "도핑된"은 화학적으로 도핑된 구조 또는 층을 지칭한다. 층은 n-형 화학적 도판트로 (또한 본원에서 "n-도핑된") 또는 p-형 화학적 도판트로 (또한 본원에서 "p-도핑된") 도핑될 수 있다. 일부 경우에는, 층은 도핑되지 않거나 고의 아니게 도핑된다(또한 본원에서 "u-도핑된" 또는 "u-형"). 한 실시예에서, u-GaN (또는 u-형 GaN) 층은 도핑되지 않거나 또는 고의 아니게 도핑된 GaN을 포함한다.
본원에서 사용된 용어 "III-V 족 반도체"는 하나 이상의 III 족 종 및 하나 이상의 V 족 종을 가진 재료를 지칭한다. 일부 경우에는, III-V 족 반도체 재료는 질화 갈륨(GaN), 비소화 갈륨(GaAs), 비소화 알루미늄 갈륨(AlGaAs), 비소화 인화 갈륨(GaAsP), 인화 알루미늄 갈륨 인듐(AlGaInP), 인화 갈륨(GaP), 질화 인듐 갈륨(InGaN), 인화 알루미늄 갈륨(AlGaP), 질화 알루미늄(AlN), 질화 알루미늄 갈륨(AlGaN) 및 질화 알루미늄 갈륨 인듐(AlGaInN)으로부터 선택된다.
본원에서 사용된 용어 "도판트"는 화학적 도판트, 예컨대 n-형 도판트 또는 p-형 도판트를 지칭한다. P-형 도판트는 제한 없이, 마그네슘, 베릴륨, 아연 및 탄소를 포함한다. N-형 도판트는 제한 없이, 규소, 게르마늄, 주석, 텔루르 및 셀레늄을 포함한다. p-형 반도체는 p-형 도판트로 도핑된 반도체이다. n-형 반도체는 n-형 도판트로 도핑된 반도체이다. n-형 III-V 족 재료, 예컨대 n-형 질화 갈륨("n-GaN")은 n-형 도판트로 도핑된 III-V 족 재료를 포함한다. p-형 III-V 족 재료, 예컨대 p-형 GaN("p-GaN")은 p-형 도판트로 도핑된 III-V 족 재료를 포함한다. III-V 족 재료는 붕소, 알루미늄, 갈륨, 인듐 및 탈륨으로부터 선택된 하나 이상의 III 족 원소 및 질소, 인, 비소, 안티몬 및 비스무트로부터 선택된 하나 이상의 V 족 원소를 포함한다.
본원에서 사용된 용어 "인접한" 또는 "인접한"은 '바로 옆의', '부근의', '접촉하는' 및 '근접한'을 포함한다. 일부 경우에는, 인접한 성분은 하나 이상의 개재층에 의해 서로 분리되어 있다. 예를 들어, 하나 이상의 개재층은 약 10 마이크로미터("마이크론"), 1 마이크론, 500 나노미터("nm"), 100 nm, 50 nm, 10 nm, 1 nm 또는 그 이하보다 작은 두께를 가질 수 있다. 한 실시예에서, 제1 층이 제2 층과 직접적으로 접촉하고 있을 때, 제1 층은 제2 층과 인접하여 있다. 또 다른 실시예에서, 제1 층이 제3 층에 의해 제2 층으로부터 분리될 때, 제1 층은 제2 층에 인접하여 있다.
본원에서 사용된 용어 "기판"은 그 위에 막 또는 박막 형성이 요망되는 임의의 가공물을 지칭한다. 기판은 제한 없이, 규소, 게르마늄, 실리카, 사파이어, 산화 아연, 탄소(예컨대, 그래핀), SiC, AlN, GaN, 스피넬(spinel), 코팅된 규소, 산화물 상의 규소, 산화물 상의 탄화 규소, 유리, 질화 갈륨, 질화 인듐, 이산화 티타늄, 질화 알루미늄, 세라믹 재료(예컨대, 알루미나, AlN), 금속 재료(예컨대, 몰리브데듐, 텅스텐, 구리, 알루미늄) 및 이들의 조합물(또는 합금)을 포함한다.
본원에서 사용된 용어 "주입 효율"은 발광 소자의 활성 구역 내에 주입된, 발광 소자를 통과하는 전자의 비율을 지칭한다.
본원에서 사용된 용어 "내부 양자 효율"은 방사성인(즉, 광자를 생산하는), 발광 소자의 활성 구역 내의 모든 전자-정공 재결합 사건의 비율을 지칭한다.
본원에서 사용된 용어 "추출 효율"은 소자로부터 빠져나가는, 발광 소자의 활성 구역 내에 생성된 광자의 비율을 지칭한다.
본원에서 사용된 용어 "외부 양자 효율"(EQE)은 LED를 통과하는 전자의 수 대비 LED로부터 방출된 광자의 수의 비율을 지칭한다. 즉, EQE = 주입 효율 x 내부 양자 효율 x 추출 효율이다.
규소는 다양한 이점, 예컨대 반도체 제작을 사용하는 능력을 제공함에도, 규소 기판 상에 III-V 족 반도체계 LED의 제조는 다양한 제한점을 부과한다. 한 예로서, 격자 부정합 및 규소와 질화 갈륨 간의 열적 팽창 계수는 질화 갈륨 박막의 제조에 있어서 결함, 예컨대 쓰레딩(threading) 및/또는 헤어핀(hairpin) 변위(총괄하여 본원에서는 "변위")를 생성하는 구조적 응력을 야기한다.
LED는 다양한 반도체 소자 층으로 제조될 수 있다. 일부 경우에는, III-V 족 반도체 LED는 다른 반도체 재료에 비해 바람직할 수 있는 소자 파라미터(예컨대, 빛의 파장, 외부 양자 효율)를 제공한다. 질화 갈륨(GaN)은 광전자 장치 및 고-전력 및 고-주파수 소자에 사용될 수 있는 이원 III-V 족 직접 밴드갭 반도체이다.
III-V 족 반도체계 LED는 다양한 기판, 예컨대 규소, 게르마늄 및 사파이어 상에 제조될 수 있다. 규소는 특정한 다른 기판에 비해 다양한 이점, 예컨대 소정의 기간의 시간 내에 제조되는 LED의 수를 최대화하는 것을 돕는 큰 웨이퍼 크기의 사용에 더하여, 현재의 제조 및 공정 기술을 사용할 수 있는 능력을 제공한다. 그러나, 규소가 다양한 이점을 제공함에도, 규소 상에 III-V 족 반도체계 LED(예컨대, 질화 갈륨-계 LED)를 제조하는 것과 관련된 다양한 제한점 및 어려움이 본원에서 인식된다.
한가지 문제점은 고품질 GaN이 요망되는 환경에 바람직하지 않을 수 있는 갈륨과 규소의 합금의 형성이다. 일부 경우에는, 약 1000 ℃ 초과의 온도에서는, 질화 갈륨 소자 층과 규소 기판 사이의 경계부에 규소-갈륨 합금의 형성에 의해 고품질 GaN의 성장이 어려울 수 있다. 규소 상에 III-V 족 반도체-계 LED를 제조하는 것과 관련된 또 다른 문제점은 LED 소자에 균열 문제를 야기할 수 있는 구조적 응력을 생성시킬 수 있는, 격자 부정합 및 질화 갈륨과 규소 간의 열적 팽창 계수(CTE)의 불일치이다. 발광 소자(예컨대, LED)의 다양한 소자 층의 균열은 열악한 소자 성능을 낼 수 있고, 발광 소자의 수명을 제한할 수 있다.
한 실시예에서, 규소 기판 상에 GaN 에피택시 층(또한, 본원에서 "에피층")을 가진 LED의 경우, GaN 에피층의 두께의 증가에 따라 에피층의 응력이 증가한다. 응력의 증가는 규소 웨이퍼의 휘어짐 및 일부 경우에는 균열을 야기할 수 있다. 균열 문제는 적어도 부분적으로는 규소-도핑된 GaN의 높은 인장 변형에 의해, 규소로 n-도핑된 GaN 층의 경우 더 심각할 수 있다. 규소-도핑된 GaN 층의 두께가 균열을 방지하도록 선택될 수 있음에도, 그러한 두께 제한은 GaN 및 규소-도핑된 LED 소자에 성능 제한을 부과할 수 있다.
일부 경우에는, 상승된 성장 온도에서 규소 기판 상에 GaN 박막의 제조 후에, 적어도 부분적으로는 GaN이 규소보다 더 큰 열적 팽창 계수를 가지기 때문에, 냉각 중에 규소 기판은 GaN 박막보다 더 낮은 속도로 수축한다. 그러한 환경 하에서는, 실온에서 GaN 박막은 인장 변형 하에 있게 된다. 역으로, GaN은 사파이어(Al2O3)보다 더 낮은 열적 팽창 계수를 가진다. 그 결과로, 사파이어 기판 상에서 성장한 GaN 박막의 경우, 박막 형성 및 실온에서의 냉각 후에, GaN 박막은 압축 변형 하에 있게 된다. 규소 상에 형성된 GaN 박막 및 사파이어 상에 형성된 GaN 박막의 경우, GaN과 규소 및 사파이어 사이의 격자 상수의 차이는 실온에서 GaN 박막에 인장 변형을 부과한다. 사파이어 상에 형성된 GaN의 경우, 격자 상수의 불일치에 의한 인장 변형은 GaN과 사파이어 사이의 열적 팽창 계수의 불일치에 의한 압축 변형에 의해 상쇄되어, GaN 박막의 균열이 방지된다. 규소 상에 형성된 GaN의 경우, 반면에, 열적 팽창 계수의 불일치 및 격자 상수의 불일치에 의한 인장 변형은 실온에서 인장 변형을 생성하고, 이는 통상 실온에서 GaN 박막의 휘어짐 및 일부 경우에는 균열을 야기한다. 적어도 일부 경우에는, 이는 규소 기판 상에 GaN 박막을 가진 LED의 제조에 저해 요소를 제공한다.
한 실시예에서, 도 1은 규소 기판(105)과 그 위에 제조된 GaN 박막(110)을 가진 발광 소자(100)의 제조를 나타내는 단순화된 단면도를 개략적으로 나타낸다. 일부 경우에는 발광 소자(100)는 초기 발광 소자이고, 완성된 발광 소자를 제조하기 위해서는 추가의 공정 작동이 필요할 수 있다. 도 1의 가장 위의 도면에 나타내어진 바와 같이, 규소 기판(105)은 성장 온도로 가열된다. 성장 온도에서 GaN 막(110)이 규소 기판(105) 상에 제조되고, 이는 도 1의 중간 도면에 나타내어진 바와 같이, 규소 기판(105)과 GaN 막(110)의 휘어짐을 일으킨다. GaN 막(110)이 규소 기판(105) 상에 제조된 후, 그 구조물은 실온으로 냉각된다. 그러나, 기판(105) 상의 GaN 막(110)에 의해 만들어진 응력은 도 1의 가장 아래 도면에서 나타내어진 바와 같이, 구조물 상에 휘어짐을 남긴다.
일부 경우에는, GaN 막(110)은 단결정질(또는 단일 결정) 기판, 예컨대 Si(111) 상에서 제조되고, 그 경우에는 GaN 막(110)은 에피층이다. 규소 기판(105)과 GaN 박막(110) 사이의 열적 팽창 계수의 불일치에 의해, 성장 온도에서 GaN 박막(110)은 인장 변형 하에 놓이고, 이는 GaN 박막(110) 및 규소 기판(105)의 휘어짐으로 이어진다. 성장 온도에서, GaN 박막(110) 및 규소 기판(105)은 규소 기판(105)의 바닥면에 평행한 축에 대해 각 θ만큼 휘어진다. 각 θ는 0 °를 초과한다. GaN 박막(110) 및 규소 기판(105)은 상기 축에 대해 오목한 구조를 가진다. GaN과 규소 간의 격자 상수의 불일치는 추가적인 인장 변형으로 이어진다. 그러한 경우에는, 실온으로의 냉각에 따라, GaN 박막(110)은 인장 변형 하에 놓이고, 이는 발광 소자(100)의 다양한 소자 층의 균열을 일으킬 수 있다.
일부 경우에는, 규소 기판 상의 GaN 박막의 휘어짐 및 균열 문제가 형성 중에 GaN 박막의 결함 밀도를 최소화함으로써 처리될 수 있다. 이는 규소 기판 상의 저 결함 밀도, 고품질 GaN 박막을 제공하는 것을 돕는다. 그러나, 규소 기판 상의 저 결함 밀도 GaN 박막의 제조는 제조상의 도전점을 제기하여 왔다.
본 발명의 다양한 실시양태에서 기재된 구조물, 소자 및 방법은 규소 기판 상에 GaN 박막의 제조에 관해 상기된 문제점들을 다루는 것을 돕는다. 일부 실시양태에서, 규소 기판 상에 제조된 GaN 박막의 변형을 감소시키기 위해, 구조물 및 방법이 제공된다. 이는 성장 온도로부터 실온으로의 냉각 후의, 규소 기판 상의 GaN 박막의 휘어짐 및 균열을 제거하지 않는다면, 최소화한다.
구조물, 소자 및 방법은 적어도 부분적으로는, 규소 기판 상의 GaN 박막의 임의의 인장 변형-예를 들어, 열적 팽창 계수의 불일치에 의한-이 GaN 박막에 생성된 상반되는 변형에 의해 상쇄될 수 있다는 예상 밖의 깨달음에 근거하고 있다. 일부 경우에는 상반되는 변형이 압축 변형이다. 일부 실시양태에서, 규소 기판 상의 GaN-함유 버퍼층은 성장 온도에서 압축 변형을 가지도록 변형되고, 이는 GaN-함유 버퍼층의 인장 변형과 균형을 맞춰서, 이로써 휘어짐 및 균열 형성을 제거하지 않는다면, 최소화할 수 있다.
일부 실시양태에서, 발광 소자의 다양한 소자 층이 다양한 소자 층에 변위를 도입하거나 유지함으로써 제조된다. 고유의(또는 다르게는 소정의) 성장 조건 하에서 V-피트(또는 V-결함)를 일으킬 수 있는 변위는 성장 온도에서 다양한 소자 층 각각에 변형(압축 또는 인장)을 유지하도록 돕는다. 일부 실시양태에서, 발광 소자의 소자 층은 규소 기판 상에 제조되어, 소자 층의 인장 변형과 균형을 이루는, 성장 온도에서의 압축 변형을 생성하기 위해 소정의 변위 밀도를 가진다.
소자 층의 두께가 성장함에 따라, 변위는 감소할 수 있다. 예를 들어, 규소 상의 소자 층의 두께가 증가함에 따라, 변위 밀도는 소자 층의 두께 증가와 함께 감소한다. 일부 실시양태에서, 소자 층, 예컨대 버퍼층(버퍼층의 다양한 층을 포함)의 두께는 성장 온도에서 소자 층에 소정의 변위 밀도를 유지하도록 선택된다. 즉, 특정 소자 층은 소정의 변위 밀도를 제공하는 두께를 가지도록 제조된다. 한 실시예에서, 소자 층은 약 1x108 cm-2 내지 2x1010 cm-2의 변위 밀도를 유지하도록 선택된 두께로 제조된다.
일부 실시양태에서, 변위는 2 이상의 기능을 가진다. 하나의 기능은 발광 소자의 다양한 층 내의 응력의 균형을 맞추는 것이다. 또 다른 기능은 발광 소자 내에 V-피트(또는 V-결함)을 생성하는 것이다. 활성층은 발광 소자의 제조 중에 V-피트 내에 형성될 수 있다.
발광 소자 및 버퍼층
본 발명의 한 측면은 발광 소자, 예컨대 발광 다이오드를 제공한다. 일부 실시양태에서, 발광 소자는 규소 기판 상에 제조된 복수의 층을 포함한다. 일부 경우에는, 복수의 층은 버퍼층을 포함한다. 하나 이상의 복수의 층이 변형된다. 일부 경우에서, 하나 이상의 복수의 층이 고의적으로 변형된다-예를 들어, 복수의 층의 생성 중에 예컨대 결함의 방식으로, 복수의 층에 변형을 생성하도록 공정 조건이 선택된다. 일부 실시양태에서, 변형은 발광 소자내에서 임의의 인장 변형과 균형을 이루는 압축 변형을 생성하고-예를 들어, 규소 기판과 그 위에 놓인 소자 층 간의 열적 팽창 계수의 불일치에 의해-, 이는 실온에서 순 변형이 거의 없거나 아예 없는 발광 소자를 제공한다.
일부 실시양태에서, 버퍼층은 성장 온도에서 압축적으로 변형된다. 성장 온도로부터 냉각에 따라(예를 들어, 실온으로) 압축 변형은 버퍼층에서 인장 변형과 균형을 이룬다.
일부 실시양태에서, 발광 소자의 하나 이상의 층은, 성장 중에 하나 이상의 층에 생성되는 변위의 도움으로 변형된다. 변위는 성장 온도에서 및 성장 온도로부터 냉각에 따라 하나 이상의 층에서 변형을 유지하는(또는 생성하는) 것을 돕는다.
일부 실시양태에서, 발광 소자는 규소 기판 상에 제조된 버퍼층 및 버퍼층 상에 제조된 발광 적층을 포함한다. 발광 적층은 발광 활성층을 포함한다. 버퍼층은 버퍼층의 임의의 인장 변형과 균형을 이루는 순 압축 변형을 가지도록 변형된다. 이는 실온에서 전체 변형이 거의 없거나 아예 없는 버퍼층을 제공한다.
실온에서, 발광 소자는 오목하거나, 편평하거나 또는 실질적으로 편평할 수 있다. 발광 소자가 오목한 경우에는, 기판은 버퍼층을 향해 구부러진다. 일부 실시양태에서, 발광 소자는 약 30 미터("m") 또는 40 m 또는 50 m 또는 100 m 또는 200 m 또는 300 m 또는 400 m 또는 500 m 또는 1000 m 또는 10,000 m 초과의 곡률 반경(절대값)을 가진다. 일부 경우에는, 곡률 반경(또는 휘어짐의 정도)은 실질적으로 0이거나 0 미만이다(즉, 기판 및 다양한 소자 층은 볼록하다). 일부 경우에는, 발광 소자는 약 -50 m 또는 -100 m 또는 -200 m 또는 -300 m 또는 -400 m 또는 -500 m 또는 -1000 m 또는 -10,000 m 미만의 곡률 반경(휘어짐의 정도)을 가진다.
성장 온도에서, 발광 소자는 볼록할 수 있다-즉, 기판은 버퍼층으로부터 멀어지게 구부러진다(도 5를 참조). 일부 실시양태에서, 성장 온도에서 발광 소자는 약 3 m 또는 4 m 또는 5 m 또는 6 m 또는 7 m 또는 8 m 또는 9 m 또는 10 m 또는 15 m 또는 20 m 또는 25 m 또는 30 m 또는 35 m 또는 40 m 또는 45 m 초과의 곡률 반경(절대값)을 가진다. 일부 실시양태에서, 성장 온도에서 발광 소자는 약 0.1 m 내지 50 m 또는 0.5 m 내지 20 m 또는 1 m 내지 6 m의 곡률 반경(절대값)을 가진다. 성장 온도에서 곡률 반경은 하나 이상의 성장 조건(이하를 참조)을 조절함으로써 예정될 수 있다.
곡률 반경은 표면으로 향하는 빛이 산란하는 정도를 계산하여, 예를 들어 휨 측정계(deflectometer)의 도움으로 계산될 수 있다. 소자 층 제조 중에 빛의 산란을 측정함으로써, 임의의 변형의 변화가 계산될 수 있다. 곡률 반경은 변형에 반대로 비례한다-층이 많이 변형될수록, 곡률 반경은 작아지고, 역으로 층의 변형이 적을수록, 곡률 반경은 커진다. 실질적으로 편평한 표면의 경우에(즉, 휘어짐이 거의 없거나 아예 없는), 곡률 반경은 무한대에 접근한다.
일부 실시양태에서, 발광 소자의 하나 이상의 층은 성장 온도에서 변형된다. 성장 온도는 실온에 비해 상승된다. 상승된 성장 온도에서의 변형은 상승된 성장 온도에서의 임의의 상반된 변형(예컨대, 압축 변형)과 균형을 이루는 것을 돕는다. 그러한 경우에는, 실온으로의 냉각에 따라, 발광 소자의 하나 이상의 층이 거의 없거나 아예 없는 변형을 가지고, 이는 휘어짐 및 일부 경우에는 균열의 형성을 제거하지 않는다면, 유리하게 최소화한다.
일부 실시양태에서, 발광 소자는 발광 적층에 인접하는 버퍼층을 포함한다. 버퍼층은 변형된 질화 알루미늄(AlN) 층, AlN 층에 인접하는 변형된 AlxGa1 - xN(여기서, 'x'는 0 내지 1의 수이다) 층 및 변형된 AlxGa1 - xN 층에 인접하는 변형된 질화 갈륨(GaN) 층을 포함한다. 일부 경우에는, 변형된 AlN 층은 제외될 수 있다. 발광 적층은 n-형 질화 갈륨(n-GaN) 층, p-형 질화 갈륨(p-GaN) 층 및 n-GaN과 p-GaN 층 사이의 활성층을 포함한다. 활성층은 전자와 정공의 재결합에 따라, 예컨대 활성층을 통한 순방향-바이어스된 전기 전류의 인가에 의해 빛을 생성하도록 구성된다. 일부 경우에는, n-GaN 층은 변형된 GaN 층에 인접한다. n-GaN 층은 전기 전류의 활성층으로의 흐름을 돕도록 구성된다. p-GaN 층은 정공의 활성층으로의 흐름을 돕도록 구성된다.
일부 경우에는, 발광 소자의 버퍼층은 하나 이하의 AlN 층, 하나 이하의 AlN 층에 인접하는 하나 이하의 AlxGa1 - xN 층 및 하나 이하의 AlxGa1 - xN 층에 인접하는 하나 이하의 GaN 층을 가진다. 한 실시예에서, 발광 소자는 하나의 AlN 층, 하나의 AlN 층에 인접하는 하나의 AlxGa1 - xN 층 및 하나의 AlxGa1 - xN 층에 인접하는 하나의 GaN 층을 가진다. 이러한 경우의 발광 소자는 임의의 추가적인 AlN 층, AlxGa1 - xN 층 및 GaN 층을 포함하지 않는다.
일부 경우에는, 발광 소자는 변형된 AlxGa1 - xN 층과 변형된 GaN 층 사이에 하나 이상의 추가의 변형된 질화 알루미늄 갈륨 층을 포함한다. 일부 실시양태에서, 발광 소자는 AlxGa1 - xN 층과 변형된 GaN 층 사이에 변형된 AlyGa1 - yN 층(여기서 'y'는 0 내지 1의 수이다)을 포함한다. 변형된 AlyGa1 - yN 층은 변형된 AlxGa1 - xN 층(변형된 AlyGa1-yN 층에 인접)의 최외측 하부-층과 고의적으로 변형된 GaN 층의 조성물 사이로 조성물적으로 분류될 수 있다.
발광 소자는 추가로 버퍼층 또는 발광 적층에 인접하는 기판을 포함한다. 일부 경우에는, 기판은 버퍼층에 인접한다. 한 실시예에서, 기판은 버퍼층의 AlN 층에 인접한다. 다른 경우에는, 기판은 발광 적층, 예컨대 발광 적층의 p-GaN 층에 인접한다. 기판은 하나 이상의 규소, 게르마늄, 산화 규소, 이산화 규소, 산화 티타늄, 이산화 티타늄, 사파이어, 탄화 규소(SiC), 세라믹 재료(예컨대, 알루미나, AlN) 및 금속 재료(예컨대, 몰리브데듐, 텅스텐, 구리, 알루미늄)를 포함한다.
일부 실시양태에서, 발광 소자의 두께는 발광 소자(발광 소자의 버퍼층을 포함)에 소정의 결함 밀도(예컨대, 변위 밀도)를 생성하거나 및/또는 유지하도록 선택된다. 결함은 다시 변형(예를 들어, 압축 또는 인장 변형)을 유도한다. 일부 경우에는 결함 밀도는 버퍼층의 두께의 함수일 수 있다. 한 실시예에서, 버퍼층이 두꺼울수록, 결함 밀도는 낮아지고, 버퍼층이 얇을수록, 결함 밀도는 높아진다. 특정 실시양태에 기재된 소자는 발광 소자의 개별 층의 두께와 성장 조건을 유의하여 선택함으로써, 상기 기재된 다양한 문제들, 예컨대 실온으로의 냉각에 따른 균열이 제거되지 않는다면, 완화될 수 있다는 예상 밖의 깨달음에 근거하고 있다.
일부 실시양태에서, 발광 소자의 두께는 약 5 마이크로미터("㎛") 이하 또는 약 4 ㎛ 이하 또는 약 3 ㎛이하이다. 일부 실시양태에서, 버퍼층과 발광 적층의 결합된 두께는 약 5 마이크로미터("㎛") 이하 또는 약 4 ㎛ 이하 또는 약 3 ㎛ 이하이다. 일부 실시양태에서, 변형된 AlN 층의 두께는 약 1 ㎛ 이하 또는 약 0.5 ㎛ 이하 또는 약 0.4 ㎛ 이하이다. 일부 실시양태에서, 변형된 AlxGa1 - xN 층의 두께는 약 1 ㎛ 이하 또는 약 0.8 ㎛ 이하 또는 약 0.7 ㎛ 이하이다. 일부 실시양태에서, 변형된 GaN 층의 두께는 약 4 ㎛ 이하 또는 약 3 ㎛ 이하 또는 약 2.5 ㎛ 이하이다. 일부 실시양태에서, 버퍼층의 두께는 약 5 ㎛ 이하 또는 약 4 ㎛ 이하 또는 약 3 ㎛ 이하이다.
발광 소자의 다양한 층은 소정의 결함 밀도를 가짐으로써, 성장 중에 변형된다. 일부 실시양태에서, 변형된 AlN 층은 약 1x108 cm-2 내지 2x1010 cm-2의 결함 밀도(예를 들어, 변위 밀도)를 가지고, 변형된 AlxGa1 - xN 층은 약 1x108 cm-2 내지 2x1010 cm-2의 결함 밀도를 가지고, 변형된 GaN 층은 약 1x108 cm-2 내지 2x1010 cm-2의 결함 밀도를 가진다. 일부 경우에는, 발광 적층은 약 1x108 cm-2 내지 2x1010 cm-2의 결함 밀도를 가진다.
일부 실시양태에서, 변형된 GaN 층의 변위 밀도는 변형된 AlGaN 및 AlN 층의 것들보다 더 작다. 변형된 AlGaN 층의 변위 밀도는 AlN 층의 변위 밀도보다 더 작을 수 있다. 일부 경우에는, 버퍼층의 성장 중에 새로운 재료의 추가가 층의 처음 10-150 단일층에 대한 변형의 방출에 동반된다.
일부 경우에는, 버퍼층은 약 1x108 cm-2 내지 2x1010 cm-2의 변위 밀도를 가지고, 이는 GaN 층 및 LED 층에 V-결함(또는 V-피트)의 형성을 촉진한다. 그러한 경우에는, 변위 밀도를 유지함으로써 버퍼층-버퍼층의 AlN, AlxGa1 - xN 및 GaN 층을 포함-을 변형시키는 것은 버퍼층 및 LED 층에서 V-결함의 형성을 촉진한다. 하나 이상의 성장 조건을 선택함으로써, V-결함의 크기가 조절될 수 있다. 더욱이, 빛이 생성되는 활성 구역은 V-결함 사이의 영역에서만 선택적으로 성장될 수 있다. 이는 고-효율 LED 재료를 성장시키는 효율적인 방법이다. 따라서, 활성층의 선택적 성장은, 이어서 전체적인 성장한 층의 응력을 설계하기 위해 이용되는, 기존의 변위를 허용한다.
일부 실시양태에서, 발광 소자는 추가의 층을 포함한다. 일부 경우에는, 발광 소자는 활성층과 p-GaN 층 사이에 전자 차단층을 포함한다. 일부 실시양태에서, 발광 소자는 n-GaN 층과 전기적 통신하는 제1 전극 및 p-GaN 층과 전기적 통신하는 제2 전극을 포함한다. 발광 소자는 p-GaN 층에 인접하는 광학적 반사성 재료(또한 본원에서 "광학적 반사체")의 층을 포함할 수 있다. 광학적 반사성 재료의 층은 하나 이상의 은, 백금, 금 및 니켈, 로듐 및 인듐으로 제조될 수 있다.
도 2는 한 실시양태에 따른 LED(200)를 나타낸다. LED(200)는 제1 기판(205), 제1 기판(205)에 인접하는 AlN 층(210), AlN 층(210)에 인접하는 AlGaN 층(215), AlGaN 층(215)에 인접하는 GaN 층(220), GaN 층(220)에 인접하는 n-형 GaN("n-GaN") 층(225), n-GaN 층(225)에 인접하는 활성층(230), 활성층(230)에 인접하는 전자 차단(예컨대, AlGaN) 층(235) 및 전자 차단 층(235)에 인접하는 p-형 GaN("p-GaN") 층(240)을 포함한다.
GaN 층(220)은 u-GaN(즉, 도핑되지 않거나 또는 고의 아니게 도핑된 GaN)으로 제조될 수 있다. 일부 경우에는, AlN 층(210), AlGaN 층(215) 및 GaN 층(220)은 적어도 부분적으로는 LED(200)의 버퍼층을 정의한다. n-GaN 층(225), 활성층(230) 및 p-GaN 층(240)은 LED(200)의 발광 적층(245)을 정의한다. 발광 적층(245)은 기타 층, 예컨대 전자 차단층(235)을 포함할 수 있다. 전자 차단층(235)은 p-GaN 층(240)에서 전자와 정공의 재결합을 최소화하도록 구성된다.
제1 기판(205)은 규소로 제조될 수 있다. 일부 경우에는, LED(200)는 p-GaN 층(240)에 인접하는 제2 기판(250)(기판 2)을 포함한다. 그러한 경우에는, 제1 기판(205)은 배제될 수 있다. 제2 기판(250)은 최종 LED(200)에 포함될 수 있다.
일부 실시양태에서, AlN 층(210), AlGaN 층(215) 및 GaN 층(220)은 변형된 층이다. 일부 경우에는, AlN 층(210)은 인장 변형 하에 있고, AlGaN 층(215)은 압축 변형 하에 있고, GaN 층(220)은 압축 변형 하에 있다.
AlGaN 층(215)은 바람직한(또는 소정의) 소자 특성을 달성하도록 선택된 알루미늄 및 갈륨 조성물을 가질 수 있다. 일부 경우에는, 알루미늄 및 갈륨 조성물은 AlGaN 층(215)에 변형을 생성하도록 선택된다. AlGaN 층(215)은 화학식 AlxGa1 -xN을 가질 수 있고, 여기서 'x'는 0 내지 1의 수이다. 일부 경우에는, AlGaN 층(215)은 조성물적으로 알루미늄 및 갈륨으로 분류된다. 한 실시예에서, AlN 층(210)과 AlGaN 층(215) 사이의 경계부에서 AlGaN 층(215)의 알루미늄 함량이 갈륨 함량보다 크고(즉, x>1-x), AlGaN 층(215)과 GaN 층(220) 사이의 경계부에서 AlGaN 층(215)의 갈륨 함량이 알루미늄 함량보다 크다(즉, 1-x>x). 또 다른 실시예에서, AlN 층(210)과 AlGaN 층(215) 사이의 경계부에서 AlGaN 층(215)의 알루미늄 함량이 갈륨 함량보다 낮고(즉, x<1-x), AlGaN 층(215)과 GaN 층(220) 사이의 경계부에서 AlGaN 층(215)의 갈륨 함량이 알루미늄 함량보다 크다(즉, 1-x>x).
일부 실시양태에서, AlN 층(210)은 약 1x108 cm-2 내지 2x1010 cm-2의 결함 밀도를 가지고, AlGaN 층(215)은 약 1x108 cm-2 내지 2x1010 cm-2의 결함 밀도를 가지고, GaN 층(220)은 약 1x108 cm-2 내지 2x1010 cm-2의 결함 밀도를 가진다. 일부 경우에는, 발광 적층(245)은 약 1x108 cm-2 내지 2x1010 cm-2의 결함 밀도를 가진다.
LED(200)는 n-GaN 층(225)과 전기적 통신하는 제1 전극 및 p-GaN 층(240)과 전기적 통신하는 제2 전극을 포함할 수 있다. 일부 경우에는, 제1 전극은 n-GaN 층(225)과 전기적 접촉한다. 제2 전극은 p-GaN 층(240)과 전기적 접촉할 수 있다.
일부 경우에는, LED(200)는 p-GaN 층에 인접하는 광학적 반사성 재료의 층을 포함한다. 한 실시예에서, LED(200)는 p-GaN 층(240)과 제2 기판(250) 사이에 광학적 반사성 재료(예컨대, 은)의 층을 포함한다.
발광 소자의 제조 방법
본 발명의 또 다른 측면은 발광 소자, 예컨대 발광 다이오드의 제조 방법의 제공이다. 일부 실시양태에서, 발광 소자의 제조 방법은 i) 규소 기판에 인접하는 질화 알루미늄(AlN) 층, ii) AlN 층에 인접하는 질화 알루미늄 갈륨 층 및 iii) 질화 알루미늄 갈륨 층에 인접하는 질화 갈륨(GaN) 층을 포함하는 장벽층을 기판에 인접하여 제조하는 것을 포함한다. 일부 실시양태에서, 장벽층의 제조 중에, 장벽층의 개별 층이 층의 두께의 증가에 따라 영이 아닌 인장 변형 또는 압축 변형을 가지도록 하나 이상의 공정 파라미터가 선택된다. 장벽층의 인장 변형 또는 압축 변형은 성장 온도에서 장벽층이 순 압축 변형을 가지도록 조절될 수 있다.
발광 소자의 소자 층(예컨대, AlN 층, 질화 알루미늄 갈륨 층, GaN 층)의 변형(압축 또는 인장)은 적어도 부분적으로는 소자 층의 결함 밀도에 의존할 수 있다. 일부 실시양태에서, 장벽층의 형성 중에, 장벽층의 개별 층이 소정의 농도의 결함(예컨대, 변위)을 가지도록 하나 이상의 공정 파라미터가 선택된다. 일부 경우에는, 장벽층의 개별 층이 약 1x108 cm-2 내지 2x1010 cm-2의 결함 밀도를 가지도록 공정 파라미터가 선택된다.
일부 실시양태에서, 기판은 규소, 게르마늄, 산화 규소, 이산화 규소, 산화 티타늄, 이산화 티타늄, 사파이어, 탄화 규소(SiC), 세라믹 재료 및 금속 재료를 포함하는 재료로 제조된다. 일부 실행에는, 기판은 규소로 제조된다.
공정 파라미터(또는 성장 조건)는 발광 소자의 제조를 위한 하나 이상의 공정 파라미터의 선택에 기초하여 조절가능하다. 성장 조건은 성장 온도, 캐리어 가스 유량, 전구체 유량, 성장율, 반응 챔버 압력 및 서셉터(susceptor)(또는 플래튼(platten)) 회전율을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 발광 소자의 하나 이상의 층이 약 750 ℃ 내지 1200 ℃, 또는 약 900 ℃ 내지 1100 ℃의 성장 온도에서 제조된다. 개별 층은 소정의 결함 밀도를 달성하도록 선택된 성장 온도에서 제조될 수 있다.
일부 경우에는, 하나 이상의 GaN 층, 질화 알루미늄 갈륨 층 및 AlN 층의 제조 중에, 하나 이상의 GaN 층, 질화 알루미늄 갈륨 층 및 AlN 층에 결함을 생성하도록 공정 조건이 선택된다. 일부 경우에는, GaN 층, 질화 알루미늄 갈륨 층 및 AlN 층의 제조 중에, GaN 층, 질화 알루미늄 갈륨 층 및 AlN 층에 결함을 생성하도록 공정 조건이 선택된다. 상기 결함은 성장 온도에서 층에 소정의 수준의 변형을 유지하는 것을 돕는다.
한 실시양태에서, AlN 층은 AlN 층에 인장 변형을 생성하도록 선택된 성장 조건 하에서 제조된다. 또 다른 실시양태에서, 질화 알루미늄 갈륨 층은 질화 알루미늄 갈륨 층에 압축 변형을 생성하도록 선택된 성장 조건 하에서 제조된다. 또 다른 실시양태에서, GaN 층은 GaN 층에 압축 변형을 생성하도록 선택된 성장 조건 하에서 제조된다.
일부 실시양태에서, 다양한 소자 층, 예컨대 버퍼층은 결함(예컨대, 변위)에 의한 인장 변형 또는 압축 변형 하에 있다. 소정의 결함 밀도를 가진 층을 제조하도록 공정 조건이 선택된다. 한 실시예에서, AlN 층은, 적어도 부분적으로는 AlN 층의 결함에 의한 인장 변형 하에 AlN 층이 있도록 선택된 공정 조건 하에서 제조된다. 일부 경우에는 AlN 층은 실온에서 그것이 나타내는 인장 변형에 비해 상승된 성장 온도에서 인장 변형 하에 있다. 소정의 수준의 인장 변형을 생성하도록 결함 밀도가 선택된다. 일부 경우에는, 결함 밀도는 약 1x108 cm-2 내지 2x1010 cm- 2이다. 다른 실시예에서, 질화 알루미늄 갈륨 층 및 GaN 층은, 적어도 부분적으로는 질화 알루미늄 갈륨 층 및 GaN 층의 결함에 의한 압축 변형 하에 질화 알루미늄 갈륨 층 및 GaN 층이 있도록 선택된 공정 조건 하에서 제조된다. 일부 경우에는 질화 알루미늄 갈륨 층 및 GaN 층은 실온에 비해 상승된 성장 온도에서 압축 변형하에 있다. 소정의 수준의 압축 변형을 생성하도록 결함 밀도가 선택된다. 일부 경우에는, 결함 밀도는 약 1x108 cm-2 내지 2x1010 cm- 2이다. 다른 실시예에서, 적어도 부분적으로는 버퍼층의 결함에 의해 성장 온도에서 AlN, 질화 알루미늄 갈륨 및 GaN 층을 가진 버퍼층이 압축 변형 하에 있도록 공정 조건이 선택된다. 일부 경우에는, 버퍼층(개별 층을 포함)의 결함 밀도는 약 1x108 cm-2 내지 2x1010 cm-2이다.
본원에서 기재된 방법에 다양한 소스 가스(또는 전구체)가 사용될 수 있다. 갈륨 전구체는 트리메틸갈륨(TMG), 트리에틸갈륨, 염화 디에틸갈륨 및 배위 수소화 갈륨 화합물(예컨대, 수소화 디메틸갈륨)을 포함할 수 있다. 알루미늄 전구체는 트리-이소부틸 알루미늄(TIBAL), 트리메틸 알루미늄(TMA), 트리에틸 알루미늄(TEA) 및 수소화 디메틸알루미늄(DMAH)을 포함할 수 있다. 인듐 전구체는 트리메틸 인듐(TMI) 및 트리에틸 인듐(TEI)을 포함할 수 있다. 질소 전구체는 암모니아(NH3), 질소(N2) 및 암모니아 및/또는 N2의 플라즈마-여기 종을 포함할 수 있다. p-형 도판트 전구체는 몇 가지 예를 들면, 붕소 전구체(예컨대, B2H6), 마그네슘 전구체(예컨대, 비스시클로펜타디에닐 마그네슘), 알루미늄 전구체로부터 선택될 수 있다. n-형 전구체는 몇 가지 예를 들면, 규소 전구체(예컨대, SiH4), 게르마늄 전구체(예컨대, 테트라메틸게르마늄, 테트라에틸게르마늄, 사염화 디메틸 아미노 게르마늄, 이소부틸게르만(isobutylgermane)) 및 인 전구체(예컨대, PH3)로부터 선택될 수 있다.
도 3은 한 실시양태에 따른 발광 소자의 제조 방법(300)을 나타낸다. 작동 305에서, 기판이 반응 챔버 내에 제공된다. 반응 챔버는 화학 기상 증착(예컨대, 유기 금속 화학 기상 증착 또는 MOCVD) 또는 원자층 증착(ALD)을 이용하는 것과 같이, 박막 제조를 위해 구성된 진공 챔버일 수 있다.
다음으로, 작동 310에서, 질화 알루미늄(AlN) 층이 기판에 인접하여 제조된다. AlN 층은 반응 챔버 내에 알루미늄 전구체 및 질소 전구체 가스를 사용하여 약 750 ℃ 내지 1200 ℃의 범위에 있는 성장 온도에서 기판을 가열함으로써 제조된다. 한 실시양태에서, 성장 온도는 약 900 ℃ 내지 1100 ℃가 되도록 지정된다. 알루미늄 전구체와 질소 전구체는 캐리어 가스의 도움으로 반응 챔버 내로 공급될 수 있다. 캐리어 가스는 수소(H2), 아르곤, 네온 및 헬륨을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 반응 챔버는 기판이 알루미늄 전구체와 질소 전구체에 동시에 노출되도록 알루미늄 전구체와 질소 전구체 가스 모두를 동시에 포함한다. 다른 실시양태에서, 기판이 알루미늄 전구체와 질소 전구체에 교대 방식으로 노출되도록, 알루미늄 전구체 가스와 질소 전구체 가스가 반응 챔버 내로 교대 방식으로 제공된다.
일부 실시양태에서, AlN 층의 제조 중에, 제조된 AlN 층이 성장 온도에서 AlN 층의 인장 변형을 유지하도록 선택된 두께를 가지도록 하나 이상의 공정 파라미터가 선택된다. 한 실시예에서, AlN 층이 성장 온도에서 한정된 인장 변형을 가지도록, 수소 유량 및 알루미늄과 질소 전구체 유량의 하나 또는 둘 다가 선택된다. 그러한 경우에 AlN 층은 소정의 결함 밀도를 가진다. 한 실시예에서, AlN 층은 약 1x108 cm-2 내지 2x1010 cm-2의 결함 밀도를 가진다.
다음으로, 작동 315에서, 성장 온도에서 기판에, AlxGa1 - xN 조성물(여기서 'x'는 0 내지 1의 수이다)을 가진 제1 질화 알루미늄 갈륨 층이 AlN 층에 인접하여 제조된다. 제1 질화 알루미늄 갈륨 층은 AlN 층을 알루미늄 전구체(예컨대, TMA), 갈륨 전구체(예컨대, TMG) 및 질소 전구체(예컨대 NH3)에 노출시켜 제조된다. 각각의 전구체의 부분 압력 및 유량은 바람직한 알루미늄 및 갈륨 함량을 제공하도록 선택된다. 일부 경우에는, 제1 질화 알루미늄 갈륨 층은 조성물적으로 알루미늄 및 갈륨으로 분류된다(즉, 제1 질화 알루미늄 갈륨 층의 알루미늄 및 갈륨 함량은 성장 방향에 따라 변한다). 일부 경우에는, 제1 질화 알루미늄 갈륨 층이 성장 온도에서 순 압축 변형을 가지도록 공정 파라미터(예컨대, 캐리어 가스 유량, 전구체 유량)가 선택된다. 성장 조건의 적합한 선택이 없이도, AlGaN 층은 신속하게 이완될 수 있고, 성장한 층의 전체 응력은 고르게 될 수 있다. 통상적으로, 그렇게 이완된 층 상에 성장된 신규 층은 변형이 없기 때문에 이완된 층은 바람직할 수 있고, 더 높은 결정 품질의 것일 수 있다. 그러나, 성장 온도에서 압축 응력(또는 변형)이 없는 층은 실온으로의 냉각에 따라 바람직하지 않을 수 있다. 일부 경우에는, 다르게는 성장 온도에서 압축 변형이 없는 층은 실온에서 또는 실온 근처에서 변형(예컨대, 인장 변형)을 가지고, 이는 휘어짐 및 일부 경우에는 균열로 이어진다.
다음으로, 작동 320에서, 성장 온도에서 기판에, AlyGa1 - yN 조성물(여기서 'y'는 0 내지 1의 수이다)을 가진 제2 질화 알루미늄 갈륨 층이 제1 질화 알루미늄 갈륨 층에 인접하여 제조된다. 제2 질화 알루미늄 갈륨 층은 제1 질화 알루미늄 갈륨 층을 알루미늄 전구체, 갈륨 전구체 및 질소 전구체에 노출시켜 제조된다. 각각의 전구체의 부분 압력 및 유량은 바람직한 알루미늄 및 갈륨 함량을 제공하도록 선택된다. 일부 경우에는, 제2 질화 알루미늄 갈륨 층은 조성물적으로 알루미늄 및 갈륨으로 분류된다(즉, 제1 질화 알루미늄 갈륨 층의 알루미늄 및 갈륨 함량은 성장 방향에 따라 변한다). 일부 경우에는, 제2 질화 알루미늄 갈륨 층이 성장 온도에서 순 압축 변형을 가지도록 공정 파라미터(예컨대, 캐리어 가스 유량, 전구체 유량)가 선택된다.
다음으로, 작동 325에서, 성장 온도에서 기판에, 질화 갈륨(GaN) 층이 제2 질화 알루미늄 갈륨 층에 인접하여 제조된다. GaN 층은 반응 챔버 내에 갈륨 전구체(예컨대, TMG) 및 질소 전구체(예컨대, NH3)를 공급하고, 제2 질화 알루미늄 갈륨 층을 갈륨 전구체 및 질소 전구체에 노출시켜서 제조된다. 일부 경우에는, 질화 갈륨 층이 성장 온도에서 순 압축 변형을 가지도록 공정 파라미터(예컨대, 캐리어 가스 유량, 전구체 유량)가 선택된다.
일부 경우에는, 제2 질화 알루미늄 갈륨 층이 제외된다. 그러한 경우에는, GaN 층은 제1 질화 알루미늄 갈륨 층에 인접하게 제조된다.
다음으로, 작동 330에서, 소자 적층이 GaN 층에 인접하게 제조된다. 일부 경우에서, 소자 적층은 작동 325에서 제조된 GaN 층에 인접하는 n-형 질화 갈륨(n-GaN) 층, n-GaN 층에 인접하는 활성층 및 활성층에 인접한 p-형 질화 갈륨(p-GaN) 층을 포함한다. 일부 실시양태에서, GaN 층은 갈륨 전구체(예컨대, TMG), 질소 전구체(예컨대, NH3) 및 n-형 도판트(예컨대, 실란)에 노출되어 n-GaN 층을 형성한다. 일부 경우에는 n-GaN 층은 약 750 ℃ 내지 1100 ℃ 범위에 있는 성장 온도에서 제조된다. 일부 실시양태에서, 성장 온도는 약 800 ℃ 내지 1050 ℃의 범위에 있다. 다른 실시양태에서, 성장 온도는 약 850 ℃ 내지 1000 ℃의 범위에 있다.
이어서 활성층이 n-GaN 층에 인접하여 제조된다. 일부 경우에는, 활성층은 하나 이상의 우물층(예를 들어, 질화 인듐 갈륨, 질화 알루미늄 갈륨, 질화 알루미늄 인듐 갈륨) 및 하나 이상의 장벽층(예를 들어, 질화 갈륨)으로 제조되고, 이때 우물층과 장벽층은 교대 구성으로 분포된다. 예를 들어, 질화 인듐 갈륨으로 제조된 우물층의 경우, 우물층은 인듐 전구체(예컨대, TMI), 갈륨 전구체(예컨대, TMG) 및 질소 전구체(예컨대, NH3)를 반응 챔버 내에 공급하여 제조된다. 또 다른 실시예로서, 질화 알루미늄 갈륨을 가진 우물층은 알루미늄 전구체(예컨대, TMA), 갈륨 전구체(예컨대, TMG) 및 질소 전구체(예컨대, NH3)를 반응 챔버 내에 공급하여 제조된다.
하나 또는 복수의 우물층이 장벽층, 예컨대 질화 갈륨을 가진 장벽층으로 분리될 수 있다. 한 실시예에서, 질화 갈륨 장벽층은 갈륨 전구체 및 질소 전구체를 반응 챔버 내에 공급하여 제조된다. 활성층은 소정의 기간의 우물-장벽 적층을 가지도록 제조된다. 한 실시예에서, 활성층은 1 또는 2 또는 3 또는 4 또는 5 또는 6 또는 7 또는 8 또는 9 또는 10 또는 그 이상의 기간의 우물-장벽 적층을 가진다. 한 실시예에서, 활성층은 예를 들어, 10 또는 그 이상의 기간을 가진 다중 양자 우물(MQW) 활성층이다.
일부 경우에서, 양자 우물("우물")층은 약 750 ℃ 내지 790 ℃의 범위에 있는 온도에서 제조된다. 일부 실시양태에서, 우물은 약 770 ℃ 내지 780 ℃의 범위에 있는 온도에서 제조된다. 장벽층은 약 790 ℃ 내지 850 ℃의 범위에 있는 온도에서 제조될 수 있다. 일부 실시양태에서, 장벽층은 약 810 ℃ 내지 840 ℃의 범위에 있는 온도에서 제조된다.
이어서 p-GaN 층은 활성층에 인접하여 제조된다. 일부 경우에서, p-GaN 층은 갈륨 전구체(예컨대, TMG), 질소 전구체(예컨대, NH3) 및 p-형 도판트의 전구체(예컨대, 비스시클로펜타디에닐 마그네슘 또는 Cp2Mg)를 반응 챔버 내에 공급하여 제조된다. 일부 경우에는, p-GaN 층은 약 700 ℃ 내지 1100 ℃의 범위에 있는 온도에서 제조된다. 일부 실시양태에서, 온도는 약 800 ℃ 내지 1050 ℃의 범위에 있으나, 다른 실시양태에서, 온도는 약 850 ℃ 내지 1000 ℃의 범위에 있다.
다음으로, 제2 기판이 p-GaN 층에 인접하여 제공될 수 있다. 제2 기판은 규소 기판일 수 있다. 일부 경우에는, 제2 기판을 제공하기 전에 하나 이상의 개재층이 제조된다. 이어서 AlN 층에 인접하는 기판은 제거되어 AlN 층을 노출시킬 수 있다.
일부 실시양태에서, n-GaN 층과 전기적 통신하는 제1 전극이 제조되고, p-GaN 층과 전기적 통신하는 제2 전극이 제조된다. 다른 실시양태에서, 제조된 제1 전극은 n-GaN 층과 접촉하고, 제조된 제2 전극은 제2 기판(p-GaN 층에 인접)과 접촉한다. 제1 전극은 하나 이상의 원소 금속, 예컨대 티타늄, 알루미늄, 니켈, 백금, 금, 은, 로듐, 구리, 크롬 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 제2 전극은 하나 이상의 원소 금속, 예컨대 알루미늄, 티타늄, 크롬, 백금, 니켈, 금, 로듐, 은 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
방법 300에 따라 제조된 발광 소자는 실온에서 감소된 변형을 가질 수 있다. 일부 경우에는, 작동 305-325에 따른 버퍼층의 제조는 버퍼층의 인장 변형과 균형을 이루는 압축 변형을 제공하고, 이로써 실온에서 버퍼층 및/또는 소자 적층의 휘어짐 및 일부 경우에는 균열 형성을 감소시킨다.
도 4는 한 실시양태에 따른, 발광 소자의 규소 기판 상의 버퍼층의 다양한 성장 단계에서 발광 소자 상에 변형 및 축적된 응력을 개략적으로 나타낸다. y-축은 버퍼층의 다양한 성장 단계에서 버퍼층의 변형 및 축적된 응력을 개략적으로 나타낸다. 음영을 넣은 직사각형(상단)은 각 층의 상대적 변형을 나타내고, 층 도식(하단)은 다양한 성장 단계에서 버퍼층의 휘어짐의 정도를 나타낸다. x-축은 막 두께를 나타낸다. 규소 기판 상에 제조된 버퍼층은 규소 기판에 인접하는 질화 알루미늄(AlN) 층, AlN 층에 인접하는 제1 질화 알루미늄 갈륨(AlxGa1 - xN) 층, 제1 질화 알루미늄 갈륨 층에 인접하는 제2 질화 알루미늄 갈륨(AlyGa1 - yN) 층 및 제2 질화 알루미늄 갈륨 층에 인접한 질화 갈륨 층을 포함한다. 각 층의 제조에 따라, 발광 소자의 버퍼층은 상기 층에 변형을 달성하기 위해 하나 이상의 공정 파라미터를 선택하여 변형된다-즉, 각 층은 소정의 수준의 변형을 가지도록 제조된다.
일부 실시양태에서, 갈륨-함유 층의 제조를 돕기 위해 AlN이 제공된다. AlN은 규소 기판에 인접하는 갈륨-규소 합금의 형성을 최소화하거나 제거할 수 있다.
일부 경우에는, 버퍼층이 성장 온도에서 제조된다. 다른 경우에는, 버퍼층의 다양한 층이 동일한 성장 온도 또는 상이한 성장 온도에서 제조된다.
도 4를 계속 참조하면, 버퍼층이 인장 변형 하에 있도록 AlN 층이 제조된다. AlN 층의 제조에 따른 발광 소자는 휘어진다(또는 오목하다). 버퍼층의 인장 변형이 AlxGa1 - xN 층의 압축 변형에 의해 균형을 이루도록 선택된 공정 조건 하에서 AlN 층 상에 AlxGa1 - xN 층이 제조된다. 그러한 경우에 발광 소자는 성장 온도에서 최소한의 변형 하에 있다. AlyGa1 - yN 층이 압축 변형 하에 있도록 선택된 공정 조건 하에서 AlxGa1 - xN 층 상에 AlyGa1 - yN 층이 제조된다. 발광 소자는 압축 변형 하에 있다. 그러한 경우에 발광 소자는 볼록하다-버퍼층의 압축 변형은 인장 변형보다 크다. GaN 층이 압축 변형 하에 있도록 선택된 공정 조건 하에서 AlxGa1 - xN 층 상에 GaN 층이 제조된다. 일부 실시양태에서, 버퍼층의 각 층은 약 1x108 cm-2 내지 2x1010 cm-2의 결함 밀도를 가지도록 제조된다.
GaN 층의 제조에 이어서, 발광 다이오드 소자 적층("LED 소자 적층")이 제조된다. LED 소자 적층은 전자와 정공의 재결합에 따라 빛을 생성하도록 구성된다. 소자 적층은 n-GaN 층, p-GaN 층 및 n-GaN 층과 p-GaN 층 사이의 활성층을 포함한다. 일부 경우에는 소자 적층은 약 1x108 cm-2 내지 2x109 cm-2의 결함 밀도를 가지도록 제조된다.
AlN 층의 제조 중에, 버퍼층은 음의 변형을 가진다. 뒤이은 층의 제조 중에 버퍼층의 변형은 증가한다. 도 4의 도표의 기울기(두께로 나눈 변형)는 거의 또는 실질적으로 일정하다. 일부 실시양태에서, 다양한 성장 단계에서 버퍼층의 변형은 두께로 나눴을 때 거의 또는 실질적으로 일정하다.
도 4를 계속 참조하면, 일부 경우에는 버퍼층 및 발광 소자의 다양한 층의 두께가 소정의 한계 내에 있도록 공정 조건이 선택된다. 일부 실시양태에서, 발광 다이오드의 제조 중에, 제조된 발광 다이오드가 약 5 ㎛ 이하 또는 약 4 ㎛ 이하 또는 약 3 마이크로미터("㎛") 이하의 두께를 갖도록 공정 조건이 선택된다. 일부 실시양태에서, AlN 층의 제조 중에, 제조된 AlN 층의 두께가 약 1 ㎛ 이하이도록 공정 조건이 선택된다. 일부 실시양태에서, AlN 층의 두께는 약 0.5 ㎛ 이하이나, 다른 실시양태에서 AlN 층의 두께는 약 0.3 ㎛ 이하이다. 일부 실시양태에서, AlxGa1-xN 및 AlyGa1 - yN 층의 제조 중에, 제조된 AlxGa1 - xN 및 AlyGa1 - yN 층의 결합된 두께가 약 1 ㎛ 이하이도록 공정 조건이 선택된다. 다른 실시양태에서, 결합된 두께는 약 0.8 ㎛ 이하이나, 다른 실시양태에서 결합된 두께는 약 0.7 ㎛ 이하이다. 일부 실시양태에서, GaN 층의 제조 중에, GaN 층의 두께가 약 4 ㎛ 이하이도록 공정 조건이 선택된다. 다른 실시양태에서, GaN 층의 두께는 약 3 ㎛ 이하이나, 다른 실시양태에서 GaN 층의 두께는 약 2.5 ㎛ 이하이다. 일부 실시양태에서, 버퍼층의 제조 중에, 제조된 버퍼층의 두께가 약 5 ㎛ 이하이도록 공정 조건이 선택된다. 다른 실시양태에서 버퍼층의 두께는 약 4 ㎛ 이하이나, 다른 실시양태에서 버퍼층의 두께는 약 3 ㎛ 이하이다. 상기 두께들을 조절하기 위해 사용되는 공정 조건은 하나 이상의 성장 온도, 전구체 유량, 캐리어 가스(예컨대 H2 가스) 유량, 반응 챔버 압력, 성장율 및 서셉터(또는 플래튼) 회전율을 포함한다.
도 4를 계속 참조하면, 각 층은 상이한 양의 변형을 가질 수 있다. 그러나 일부 경우에는 개별 층의 제조 중에, 개별 층의 두께의 함수로서의 개별 층의 변형은 일정하다.
도 5는 한 실시양태에 따른 버퍼층의 제조 방법을 나타낸다. 버퍼층은 초기 발광 소자일 수 있는 발광 소자의 부분이다. 초기에, AlN 층은 형성된 AlN 층이 소정의 수준의 변형을 가지도록 선택된 공정 조건 하에서 기판 상에 제조된다. 일부 경우에는 변형은 인장 변형이다. 한 실시양태에서, AlN 층은 약 1x108 cm-2 내지 2x1010 cm-2의 결함 밀도를 가지도록 제조된다. 그러한 경우에 AlN 층은 성장 온도에서 인장 변형 하에 있고, AlN 층 및 기판을 포함하는 초기 발광 소자는 휘어진다(또는 오목하다). 일부 경우에는, 기판은 규소-함유 기판, 예컨대 주로 규소 내용물(예컨대, Si(111))을 가진 기판이다.
다음으로, 제조된 질화 알루미늄 갈륨 층이 초기 발광 소자의 인장 변형과 균형을 이루는 압축 변형을 가지도록 선택된 공정 조건 하에서 AlN 층 상에 질화 알루미늄 갈륨 층이 제조된다. 일부 경우에는, 질화 알루미늄 갈륨 층은 약 1x108 cm-2 내지 2x1010 cm-2의 결함 밀도를 가지도록 제조된다. 그러한 경우에는 성장 온도에서 초기 발광은 휘어지지 않고, 따라서 오목하거나 볼록하지 않다.
다음으로, 제조된 GaN 층이 압축 변형을 가지도록 선택된 공정 조건 하에서 질화 알루미늄 갈륨 층 상에 GaN 층이 제조된다. 그러한 경우에 초기 발광 소자는 성장 온도에서 순 압축 변형을 가진다. 일부 경우에는, GaN 층은 약 1x108 cm-2 내지 2x1010 cm-2의 범위에 있는 결함 밀도를 가지도록 제조된다. 그러한 경우에 발광 소자는 볼록하다. 실온으로의 냉각 후에, 초기 발광 소자는 변형이 거의 없거나 아예 없다(즉, 압축 변형이 인장 변형과 균형을 이룬다).
성장 온도에서, 추가의 층이 버퍼층 상에 제조될 수 있다. 한 실시예에서, n-GaN 층, p-GaN 층 및 n-GaN 층과 p-GaN 층 사이에 활성층을 가진 발광 적층이 GaN 층 상에 제조된다.
일부 실시양태에서, 다양한 소자 층의 제조 중에, 기판이 2 이상의 전구체에 동시에 노출된다. 다른 경우에는, 다양한 소자 층의 제조 중에, 기판이 다양한 전구체에 교대 및 연속적인 방식으로 노출된다. 한 실시예에서, 질화 갈륨 층은 중간에 퍼징 또는 배기 작동과 함께 기판을 갈륨 전구체(예컨대 TMG) 및 이어서 질소 전구체(예컨대 NH3)에 노출시켜서 제조된다. 일반적으로 만약 복수의 전구체가 소자 층을 제조하는데 필요한 경우, 전구체는 반응 챔버 내에 동시에 또는 교대 및 연속적인 방식으로 공급될 수 있다.
소자 층은 다양한 증착 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 일부 실시양태에서, 소자 층은 화학 기상 증착(CVD), 원자층 증착(ALD), 플라즈마 강화 CVD(PECVD), 플라즈마 강화 ALD(PEALD), 유기 금속 CVD(MOCVD), 열선 CVD(HWCVD), 개시된 CVD(iCVD), 변형된 CVD(MCVD), 기상 축 증착(VAD), 외부 기상 증착(OVD), 물리적 기상 증착(예컨대, 스퍼터 증착, 증발 증착)을 사용하여 제조된다.
본원에서 제공된 방법 및 구조물은 III-V 족 반도체 재료, 예컨대 질화 갈륨을 가진 발광 소자의 측면에서 기재되었으나, 그러한 방법 및 구조물은 다른 유형의 반도체 재료에 적용될 수 있다. 본원에서 제공된 방법 및 구조물은 적어도 부분적으로는 질화 갈륨(GaN), 비소화 갈륨(GaAs), 비소화 알루미늄 갈륨(AlGaAs), 비소화 인화 갈륨(GaAsP), 인화 알루미늄 갈륨 인듐(AlGaInP), 인화 갈륨(GaP), 질화 인듐 갈륨(InGaN), 인화 알루미늄 갈륨(AlGaP), 셀렌화 아연(ZnSe), 질화 알루미늄(AlN), 질화 알루미늄 갈륨(AlGaN) 및 질화 알루미늄 갈륨 인듐(AlGaInN)으로 제조된 발광 소자와 함께 사용될 수 있다.
발광 소자를 제조하도록 구성된 시스템
본 발명의 또 다른 측면에서, 발광 소자의 제조 시스템은 기판을 수용하기 위한 반응 챔버 및 반응 챔버를 퍼징하거나 배기하도록 구성된, 반응 챔버와 유체 연결되어 있는 펌프 시스템 및 발광 소자 제조 방법을 실행하는 기계 가역 코드를 수행하기 위한 프로세서를 가진 컴퓨터 시스템을 포함한다. 상기 코드는 본원에서 제공하는 임의의 방법을 실행할 수 있다. 한 실시양태에서, 코드는 i) 규소 기판에 인접하는 질화 알루미늄 층, ii) 질화 알루미늄 층에 인접하는 질화 알루미늄 갈륨 층 및 iii) 질화 알루미늄 갈륨 층에 인접하는 질화 갈륨 층을 포함하고, 규소 기판에 인접하는 복수의 층을 제조하는 것을 포함하는 방법을 실행한다. 복수의 층의 개개의 제조 중에, 개별 층 두께의 증가에 따라 복수의 층의 개별 층이 영이 아닌 인장 변형 또는 압축 변형을 가지도록, 하나 이상의 공정 파라미터가 선택된다. 또 다른 실시양태에서, 코드는 (a) 기판을 반응 챔버 내에 제공하는 것, (b) 질화 알루미늄(AlN) 층에 결함(예컨대, 변위)을 생성하도록 선택된 공정 조건 하에서 기판에 인접하여 AlN 층을 제조하는 것, (c) 질화 알루미늄 갈륨 층에 결함을 생성(또는 제조)하도록 선택된 공정 조건 하에서 AlN 층에 인접하여 질화 알루미늄 갈륨 층을 제조하는 것 및 (d) GaN 층에 결함을 생성하도록 선택된 공정 조건 하에서 질화 알루미늄 갈륨 층에 인접하여 질화 갈륨(GaN) 층을 제조하는 것을 포함하는 방법을 실행한다. 상기 결함은 각 층에 변형(즉, 압축 변형 또는 인장 변형)을 유도한다. 일부 실시양태에서, 소정의 결함 밀도, 예컨대 약 1x108 cm-2 내지 2x1010 cm-2의 결함 밀도를 생성하고 유지하도록 공정 조건이 선택된다.
도 6은 한 실시양태에 따른 발광 소자 제조 시스템(600)을 나타낸다. 시스템(600)은 발광 소자를 제조하는데 사용되는 기판을 수용하기 위해 구성된 서셉터(또는 기판 홀더)(610)를 가진 반응 챔버(605)를 포함한다. 시스템은 제1 전구체 저장 용기(또는 탱크)(615), 제2 전구체 저장 용기(620) 및 캐리어 가스 저장 탱크(625)를 포함한다. 제1 전구체 저장 용기(615)는 III 족 전구체(예컨대, TMG)를 담기 위한 것일 수 있고, 제2 전구체 저장 용기(620)는 V 족 전구체(예컨대, NH3)를 담기 위한 것일 수 있다. 캐리어 가스 저장 탱크(625)는 캐리어 가스(예컨대 H2)를 담기 위한 것이다. 시스템(600)은 기타 저장 탱크 또는 용기, 예컨대 추가의 전구체 및 캐리어 가스를 담기 위한 것을 포함할 수 있다. 시스템(600)은 저장 용기와 반응 챔버(605) 사이에 각 저장 용기로부터 반응 챔버(605)를 유체적으로 분리시키기 위한 밸브를 포함한다.
시스템(600)은 추가로 반응 챔버(605)에 진공을 제공하기 위한 진공 시스템(630)을 포함한다. 진공 시스템(630)은 반응 챔버(605)와 유체 연결되어 있다. 일부 경우에는, 진공 시스템(630)은 밸브, 예컨대 게이트 밸브의 도움으로 반응 공간(605)으로부터 분리되도록 구성된다.
시스템(600)의 제어기(또는 제어 시스템)(635)는 반응 챔버(605)에서 발광 소자의 제조, 예컨대 발광 소자의 하나 이상의 층의 제조 방법을 촉진한다. 제어기(635)는 제1 전구체 저장 용기(615), 제2 전구체 저장 용기(620), 캐리어 가스 저장 탱크(625) 및 진공 시스템(630)의 각각의 밸브에 연결적으로 결합되어 있다. 제어기(635)는 서셉터 및 서셉터 상의 기판의 온도를 조절하기 위해 서셉터(610)에 및 반응 챔버(605)의 압력을 조절하기 위해 진공 시스템(630)에 작동적으로 결합되어 있다.
일부 경우에는, 진공 시스템(630)은 하나 이상의 터보분자("터보") 펌프, 확산 펌프 및 기계적 펌프를 포함한다. 일부 경우에는, 진공 시스템(630)은 터보 펌프, 확산 펌프 및/또는 기계적 펌프를 포함한다. 펌프는 하나 이상의 배압 펌프(backing pump)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 터보 펌프는 기계적 펌프로 배압될 수 있다.
일부 실시양태에서, 제어기(635)는 하나 이상의 공정 파라미터, 예컨대 기판 온도, 전구체 유량, 성장율, 캐리어 가스 유량 및 반응 챔버 압력을 조절하도록 구성된다. 일부 경우에는, 제어기(635)는 저장 용기와 반응 챔버(605) 사이에 있고, 전구체의 반응 챔버(605)로의 흐름을 차단하는(또는 조절하는) 것을 돕는 밸브에 연결되어 있다. 제어기(635)는 본원에서 제공된 방법을 수행하도록 구성된 기계-실행가능 코드를 실행하는 것을 돕도록 구성된 프로세서를 포함한다. 기계-실행가능 코드는 물리적 저장 매체, 예컨대 플래시 메모리, 하드 디스크 또는 컴퓨터-실행가능 코드를 저장하도록 구성된 기타 물리적 저장 매체 상에 저장된다.
일부 실시양태에서, 제어기(635)는 하나 이상의 공정 파라미터를 조절하도록 구성된다. 일부 경우에는, 제어기(635)는 성장 온도, 캐리어 가스 유량, 전구체 유량, 성장율 및/또는 성장 압력(또는 반응 챔버 압력)을 조절한다.
일부 경우에는, 발광 소자의 하나 이상의 층이 변형되도록 공정 파라미터를 조절하도록 제어기(635)가 구성된다. 예를 들어, 제어기(635)는 초기 또는 완성된 발광 소자의 버퍼층의 하나 이상의 층에 소정의 수준의 변형을 일으키도록 하나 이상의 성장 온도, 전구체 유량, 캐리어 가스 유량, 반응 챔버 압력 및 성장율을 조절한다.
일부 실시양태에서, 시스템(600)은 기판 및 기판 위에 제조된 다양한 층을 정성적으로 및/또는 정량적으로 분석하기 위해 다양한 표면 또는 벌크 분석 기기(분광기)를 포함한다. 일부 경우에는, 시스템은 기판 또는 기판 상에 제조된 박막의 곡률을 측정하기 위한 휨 측정계를 포함한다. 일부 경우에서 곡률은 기판 또는 박막의 변형에 관련된다(예를 들어, 응력 하의 박막이 오목하거나 볼록하다).
실시예
규소 기판이 반응 챔버 내의 서셉터 상에 제공되고, 변위 밀도 유지 버퍼층이 규소 기판 상에 제조된다. 변위 밀도 유지 버퍼층은 질화 알루미늄 층, AlN 층에 인접하는 질화 알루미늄 갈륨, 질화 알루미늄 갈륨 층에 인접하는 질화 갈륨 층을 포함한다.
서셉터를 약 850 ℃의 온도에 두고, 규소 기판을 TMA 및 NH3에 노출시켜 규소 기판 상에 AlN 층을 제조하여 버퍼층을 제조한다. AlN 층은 약 0.4 마이크로미터("㎛")의 두께를 가진다. 다음으로, 서셉터를 약 850 ℃의 온도에 두고, AlN 층을 TMA, TMG 및 NH3에 노출시켜 AlN 층 상에 질화 알루미늄 갈륨 층을 제조한다. 질화 알루미늄 갈륨은 약 0.7 ㎛의 두께를 가진다. 다음으로, 서셉터를 약 850 ℃의 온도에 두고, 질화 알루미늄 갈륨 층을 TMG 및 NH3에 노출시켜, 약 2.5 ㎛ 두께의 GaN 층을 제조한다. 성장 온도에서, 기판은 약 5 m의 곡률 반경(절대값)을 가진다. 실온으로 냉각에 따라, 기판은 50 m 초과의 곡률 반경(절대값)을 가진다.
문맥상 다르게 명확히 요구하지 않는 한, 본 기재 및 청구항을 통해, 단수형 또는 복수형의 수를 사용하는 단어는 또한 각각 복수형 또는 단수형의 수를 포함한다. 또한, 단어 '본원에서', '본원에 따라','상기','이하' 및 유사한 의미의 단어는 본 출원의 임의의 특정 부분이 아닌, 전체로서의 본 출원을 지칭한다. 단어 '또는'이 둘 이상의 항목의 목록에 대해 사용될 때, 그 단어는 그 단어의 다음의 모든 해석: 목록 중 임의의 항목, 목록 중 모든 항목 및 목록 중 항목의 임의의 조합을 포함한다.
상기로부터, 특정 실행이 예시되고 기재됨에도, 다양한 수정물이 이에 만들어질 수 있고 본원에서 고려될 수 있음을 이해해야 한다. 또한 본 발명은 명세서 내에 제공된 구체적인 실시예에 의해 제한되고자 의도하지 않는다. 본 발명이 앞서 명시된 명세서에 대해 기재하고 있음에도, 본원에서 본 발명의 실시양태의 기재 및 예시는 제한하고자 하는 의미로 이해되고자 의도하지 않는다. 더욱이, 본 발명의 모든 측면은 다양한 조건 및 변수에 의존하는, 본원에서 제시하는 구체적인 묘사, 구성 또는 상대적인 비율에 제한되지 않음을 이해해야 한다. 본 발명의 실시양태의 형식 및 세부사항의 다양한 수정물은 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 따라서 본 발명이 그러한 임의의 수정물, 변형물 및 등가물을 또한 포함할 것임이 예상된다.

Claims (15)

  1. (a) 반응 챔버 내에 기판을 배치하는 공정;
    (b) 질화 알루미늄(AlN) 층 내에 인장 변형을 생성하도록 선택된 제1 공정 조건 하에서 상기 기판에 인접하여 AlN 층을 형성하는 공정;
    (c) 질화 알루미늄 갈륨 층 내에 압축 변형을 생성하도록 선택된 제2 공정 조건 하에서 상기 AlN 층에 인접하여 질화 알루미늄 갈륨 층을 형성하는 공정;
    (d) 질화 갈륨(GaN) 층 내에 압축 변형을 생성하도록 선택된 제3 공정 조건 하에서 상기 질화 알루미늄 갈륨 층에 인접하여 GaN 층을 형성하는 공정; 및
    (e) 상기 GaN 층에 인접하여 소자 적층을 형성하는 공정을 포함하고,
    상기 제1 공정 조건은 상기 AlN 층에 1x108 cm-2 내지 2x1010 cm-2의 결함 밀도를 갖는 결함을 생성하도록 선택되고,
    상기 제2 공정 조건은 상기 질화 알루미늄 갈륨 층에 1x108 cm-2 내지 2x1010 cm-2의 결함 밀도를 갖는 결함을 생성하도록 선택되고,
    상기 제3 공정 조건은 상기 GaN 층에 1x108 cm-2 내지 2x1010 cm-2의 결함 밀도를 갖는 결함을 생성하도록 선택되고,
    상기 제1, 제2, 및 제3 공정 조건은 상기 기판의 곡률 반경의 절대값이 실온에서 50 m 초과이도록 선택되고,
    상기 소자 적층은, 상기 GaN 층 내의 변위로부터 유래한 V-결함을 생성하도록 선택된 공정 조건 하에서 형성된 발광 적층을 포함하고,
    상기 발광 적층은, 전자와 정공의 재결합시 빛을 생성하도록 구성된 활성층을 포함하는, 반도체 장치 형성 방법.
  2. (a) 반응 챔버 내에 기판을 배치하는 공정;
    (b) 질화 알루미늄(AlN) 층 내에 인장 변형을 생성하도록 선택된 제1 공정 조건 하에서 상기 기판에 인접하여 AlN 층을 형성하는 공정;
    (c) 질화 알루미늄 갈륨 층 내에 압축 변형을 생성하도록 선택된 제2 공정 조건 하에서 상기 AlN 층에 인접하여 질화 알루미늄 갈륨 층을 형성하는 공정; 및
    (d) 질화 갈륨(GaN) 층 내에 압축 변형을 생성하도록 선택된 제3 공정 조건 하에서 상기 질화 알루미늄 갈륨 층에 인접하여 GaN 층을 형성하는 공정을 포함하고,
    상기 제1, 제2, 및 제3 공정 조건은 상기 기판의 곡률 반경의 절대값이 실온에서 50 m 초과이도록 선택되는, 반도체 장치 형성 방법.
  3. 제2항에 있어서, (e) 상기 GaN 층 내의 변위로부터 유래한 V-결함을 생성하도록 선택된 공정 조건 하에서 상기 GaN 층에 인접하여 발광 적층을 형성하는 공정을 추가로 포함하는, 반도체 장치 형성 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 GaN 층에 인접하여 발광 적층을 형성하는 공정을 추가로 포함하고, 상기 발광 적층은 전자와 정공의 재결합시 빛을 생성하도록 구성된 활성층을 포함하는, 반도체 장치 형성 방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 GaN 층에 인접하여 소자 적층을 형성하는 공정을 추가로 포함하는, 반도체 장치 형성 방법.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 공정 조건은 상기 AlN 층에 1x108 cm-2 내지 2x1010 cm-2의 결함 밀도를 갖는 결함을 생성하도록 선택되는, 반도체 장치 형성 방법.
  7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 공정 조건은 상기 질화 알루미늄 갈륨 층에 1x108 cm-2 내지 2x1010 cm-2의 결함 밀도를 갖는 결함을 생성하도록 선택되는, 반도체 장치 형성 방법.
  8. 제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제3 공정 조건은 상기 GaN 층에 1x108 cm-2 내지 2x1010 cm-2의 결함 밀도를 갖는 결함을 생성하도록 선택되는, 반도체 장치 형성 방법.
  9. 기판;
    상기 기판 상의 버퍼층으로서, 질화 알루미늄 갈륨 층 및 상기 질화 알루미늄 갈륨 층에 인접하는 질화 갈륨(GaN) 층을 포함하는 버퍼층; 및
    상기 버퍼층에 인접하는 소자 적층을 포함하고,
    상기 GaN 층은 상기 질화 알루미늄 갈륨 층과 상기 소자 적층 사이에 위치하고,
    상기 소자 적층의 하나 이상의 층 및 상기 버퍼층은, 상기 기판의 제2 열적 팽창 계수보다 더 높은 제1 열적 팽창 계수를 갖고,
    상기 버퍼층과 상기 기판 사이의 격자 부정합은, 성장 온도에서 상기 기판에 인장 변형을 생성하고,
    상기 버퍼층은 성장 온도에서 압축 변형을 부여받고,
    상기 기판의 인장 변형과 상기 버퍼층의 압축 변형은, 상기 기판의 곡률 반경의 절대값이 실온에서 50 m 초과이도록 균형을 이루는, 반도체 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 기판은 규소 기판이고, 상기 버퍼층은 상기 질화 알루미늄 갈륨 층과 상기 기판 사이에 형성된 질화 알루미늄(AlN) 층을 추가로 포함하는, 반도체 장치.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 버퍼층은 상기 기판에 인접하여 형성된 인장 변형 부여 질화 알루미늄(AlN) 층을 추가로 포함하고,
    상기 질화 알루미늄 갈륨 층은 상기 AlN 층과 상기 GaN 층 사이에 형성된 압축 변형 부여 질화 알루미늄 갈륨 층이고,
    상기 GaN 층은 상기 소자 적층에 인접하여 형성된 압축 변형 부여 GaN 층인, 반도체 장치.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소자 적층은 전자와 정공의 재결합시 빛을 생성하도록 구성된 활성층을 포함하는, 반도체 장치.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 버퍼층은 1x108 cm-2 내지 2x1010 cm-2의 결함 밀도를 가지는, 반도체 장치.
  14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소자 적층은 1x108 cm-2 내지 2x1010 cm-2의 결함 밀도를 가지는, 반도체 장치.
  15. 질화 알루미늄(AlN) 층, 상기 AlN 층에 인접하는 질화 알루미늄 갈륨 층, 및 상기 질화 알루미늄 갈륨 층에 인접하는 질화 갈륨(GaN) 층을 포함하는 버퍼층; 및
    상기 버퍼층에 인접하는 소자 적층을 포함하고,
    상기 GaN 층은 상기 질화 알루미늄 갈륨 층과 상기 소자 적층 사이에 위치하고,
    상기 AlN 층은 성장 중에 인장 변형을 부여받고,
    상기 질화 알루미늄 갈륨 층은 성장 중에 압축 변형을 부여받고,
    상기 GaN 층은 성장 중에 압축 변형을 부여받고,
    상기 버퍼층의 곡률 반경의 절대값이 실온에서 50 m 초과이도록 상기 AlN 층의 인장 변형과 상기 질화 알루미늄 갈륨 층의 압축 변형과 상기 GaN 층의 압축 변형이 균형을 이루는, 반도체 장치.
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