KR20210007797A - 자외선 led 및 그 제조 방법 - Google Patents

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샤오웬 왕
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지안 강
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Abstract

본 발명은 자외선 LED 및 그 제조 방법이 개시된다. 상기 자외선 LED는 기판 및 기판으로부터 위를 향해 순차적으로 적층 설치된 비도핑 AltGa1-tN층, N형 AlwGa1-wN층, AlxGa1-xN/AlyGa1-yN 다중 양자 우물층, 전자 차단층 및 정공 주입층을 포함하되; 여기서, 정공 주입층은 적어도 하나의 서브층을 포함하며, 서브층은 적층 설치된 P형 AluGa1-uN층, P형 AlvGa1-vN층 및 P형 GaN층 중 적어도 두 층을 포함하고; 0＜t＜1, 0＜w＜1, 0＜y＜x＜1, 0＜v≤1, 0＜u≤1, u≠v이다. 본 발명에 따른 자외선 LED는 사이클 구조의 정공 주입층을 구비함으로써, 발광 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

자외선 LED 및 그 제조 방법{ULTRAVIOLET LED AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 반도체 소자 기술분야에 관한 것으로서, 구체적으로는 자외선 LED 및 그 제조 방법, 특히는 AlGaN계 자외선 LED및 그 제조 방법에 관한 것이다.
Ⅲ-Ⅴ족 반도체 소재는 발광 조명, 태양 전지 및 고출력 소자 등 분야에 널리 사용되고 있으며, 특히 질화갈륨 GaN계열을 대표로 하는 와이드 밴드갭 반도체 소재는, Si 및 GaAs 이후의 3세대 반도체 소재로서, 과학 연구 분야 및 산업계의 큰 관심을 모으고 있다. 질화알루미늄갈륨(AlGaN)계 발광 다이오드（LED）는 파장이 200nm~365nm 범위인 자외선을 발생할 수 있으므로, 살균 소독, 광선 요법, 광 경화 등 분야에 널리 사용되고 있다.
현재, 가장 흔히 사용되는 AlGaN계 자외선 LED의 구조는 도 1에 도시된 바와 같이, 기판으로부터 윗 방향을 향해, 순차적으로 적층 설치된 완충층, 비도핑 AlN층, 비도핑 AltGa1-tN층, N형 AlwGa1-wN층, AlxGa1-xN/AlyGa1-yN 다중 양자 우물층, P형 AlzGa1-zN 전자 차단층 및 정공 주입층을 포함한다. 여기서, 정공 주입층은 대부분 P형 GaN층이지만, P형 GaN층은 자외선에 대한 흡수가 심각하여, 자외선의 추출에 있어서 제약이 존재한다.
자외선이 정공 주입층에 의해 흡수되는 것을 방지하기 위한 기존의 해결적 수단으로서, Al 조성 성분이 높은 AlGaN층을 정공 주입층으로서 사용하되, 여기서 Al함량이 10% 이상이고, 여기에 Mg 등 원소를 도핑하여 P형 도핑을 형성한다. 하지만, Al 조성 성분이 높은 AlGaN층의 정공 활성 에너지가 높으므로, Mg등 도핑 원소는 활성화되어 효과적인 정공을 형성하기 어려우며, 이에 따라 정공 주입층의 정공 농도가 낮고, 결과적으로 자외선 LED의 외부 양자 효율이 일반적으로 2%에 도달하기 어렵고, 발광 효율이 낮으며, 예를 들어 현재 규격이 1mm×1mm인 자외선 LED 칩은 350mA의 구동 전류에서, 발광하는 휘도가 50mW에 불과하므로, 살균, 광선 요법 등에서의 자외선 LED의 응용에 심각한 영향을 미치게 된다.
상기 결함을 해결하기 위하여, 본 발명은 높은 발광 효율을 구비하는 자외선 LED를 제공한다.
본 발명에 따른 자외선 LED의 제조 방법에 따르면, 상기 제조 방법을 사용할 경우, 얻어지는 자외선 LED가 높은 발광 효율을 구비하도록 할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 측면에 따른 자외선 LED는, 기판 및 기판으로부터 위를 향해 순차적으로 적층 설치된 비도핑 AltGa1-tN층, N형 AlwGa1-wN층, AlxGa1-xN/AlyGa1-yN 다중 양자 우물층, 전자 차단층 및 정공 주입층을 포함하고;
여기서, 정공 주입층은 적어도 하나의 서브층을 포함하며, 해당 서브층은 적층 설치된 P형 AluGa1-uN층, P형 AlvGa1-vN층 및 P형 GaN층 중 적어도 두개의 층을 포함하고;
0＜t＜1, 0＜w＜1, 0＜y＜x＜1, 0＜v≤1, 0＜u≤1, u≠v이다.
본 발명에 따른 자외선 LED는 주기적 구조의 정공 주입층을 사용함으로써, 압전 분극 필드을 형성하고, 정공 활성 에너지를 감소시키고, 정공 농도를 증가시키고, 전자 정공 복합 효율을 향상시킬 수 있으며, 결과적으로 자외선 LED의 내부 양자 효율 및 발광 효율을 향상시킨다.
설명의 편의를 위하여, 본 발명은 기판으로부터 정공 주입층으로의 방향을 “위를 향해”로 지칭하고, 반대로, 정공 주입층으로부터 기판으로의 방향을 “아래를 향해”로 지칭한다. “위를 향해” 및 “아래를 향해”는 단지 자외선 LED 각 기능층 사이의 상대적 위치 관계를 설명하기 위한 용도로서 사용된다.
본 발명의 실시예의 일 바람직한 형태에 있어서, 기판으로부터 윗 방향을 향해, 서브층 각각은 모두 순차적으로 적층 설치된 P형 AlvGa1-vN층 및 P형 GaN층을 포함하되, 여기서 0.1≤v≤1이고, 바람직하게는 0.3≤v＜0.9이다.
본 발명의 실시예의 다른 일 바람직한 형태에 있어서, 기판으로부터 윗 방향을 향해, 서브층 각각은 모두 순차적으로 적층 설치된 P형 AluGa1-uN층 및 P형 AlvGa1-vN층을 포함하되, 여기서 0.1≤v≤1, 0.1≤u≤1, u≠v이고; 더욱 바람직하게, 0.3≤v＜u＜0.9이다.
본 발명의 실시예의 또 다른 일 바람직한 형태에 있어서, 기판으로부터 윗 방향을 향해, 서브층 각각은 모두 순차적으로 적층 설치된 P형 AluGa1-uN층, P형 AlvGa1-vN층 및 P형 GaN층을 포함하되, 여기서 0.1≤v≤1, 0.1≤u≤1, u≠v이고; 더욱 바람직하게, 0.3≤v＜0.9, 0.3≤u＜0.9, u≠v이다.
정공 주입층은 상기 P형 AluGa1-uN층, P형 AlvGa1-vN층 및 P형 GaN층 중 두층 또는 세층이 주기적으로 배열된 형태를 사용함으로써, 압전 분극 필드의 형성에 유리하고, 정공 활성 에너지를 감소시키고, 정공 농도를 증가시키고, 전자 정공 복합 효율을 향상시키며, 이에 따라 자외선 LED의 내부 양자 효율 및 발광 효율을 더욱 향상시킨다.
구체적으로, 상기 정공 주입층의 주기수는 100을 초과하지 않는 것이 바람작하거나, 또는 정공 주입층의 서브층의 수량은 100개를 초과하지 않는 것이 바람직하며, 일반적으로 2~12개의 서브층이고, 바람직하게는 4~10개의 서브층이다.
구체적으로, P형 AluGa1-uN층의 두께는 1~50 nm, 바람직하게는 1~10 nm이며; P형 AlvGa1-vN층의 두께는 1~50 nm, 바람직하게는 1~10 nm이고; P형 GaN층의 두께는 1~50 nm, 바람직하게는 1~10 nm이다.
구체적으로, 상기 정공 주입층의 총 두께는 일반적으로 10~500 nm, 바람직하게는 40~120 nm이고, 여기서 서브층 각각의 두께는 구체적으로 4~50 nm, 바람직하게는 6~15 nm일 수 있다.
본 발명에서, 정공 주입층의 도핑 농도는 일반적으로 1×1017cm-3~5×1020cm-3, 바람직하게는 1×1018cm-3~1×1020cm-3로 제어될 수 있다. 예를 들어, 도핑 원소로서 Mg를 사용할 수 있으며, 이때 Mg의 도핑 농도는 1×1017cm-3~5×1020cm-3, 바람직하게는 1×1018cm-3~1×1020cm-3로 제어될 수 있다.
본 발명은 정공 주입층의 일반 형성 방식에 대해 특별히 한정하지 않으며, 예컨대 금속 유기 화학 기상 증착（MOCVD） 설비, 분자선 에피택시（MBE） 설비, 수소화물 기상 에피택시（HVPE） 설비와 같은 기존의 통상적인 방법 중 하나를 이용할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시형태에서, 정공 주입층은 전자 차단층 상에 하나 또는 복수의 서브층을 형성하고 어닐링을 수행하여 얻어지며, 여기서 어닐링은 순차적으로 수행되는 고온 어닐링 및 저온 어닐링을 포함하고, 여기서 고온 어닐링의 온도는 850~950℃이고, 시간은 10s~20min, 바람직하게는 30s~10min이고, 더 바람직하게는 30s~5min이고; 저온 어닐링의 온도는 650~750℃이고, 시간은 1~60min, 바람직하게는 2~30min이다.
상기 공정 조건에서의 어닐링 처리를 사용함으로써, Mg-H 결합을 효과적으로 차단하고, Mg의 활성화 효율을 향상시키고, 정공 농도를 증가시키고, 전자 정공 복합 효율을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 결과적으로 자외선 LED의 내부 양자 효율 및 발광 효율을 향상시킨다.
구체적으로, 상기 어닐링 처리는 정공 주입층의 주기적 형성에 따라 실시될 수 있으며, 서브층 각각이 형성된 후에 어닐링 처리를 수행할 수 있고, 서브층 형성 과정에서 어닐링 처리를 수행할 수도 있다. 예를 들어, 기판으로부터 윗 방향을 향해, 서브층 각각은 모두 순차적으로 적층 설치된 P형 AlvGa1-vN층 및 P형 GaN층을 포함할 수 있다. 이때, 서브층 각각이 제조된 후에 어닐링 처리를 수행할 수 있는 바, 즉 한층의 P형 AlvGa1-vN층 및 한층의 P형 GaN층을 형성하였을 때마다 어닐링 처리를 수행할 수 있으며; 또는, P형 AlvGa1-vN층을 형성한 후 어닐링 처리를 수행하고, P형 GaN층을 형성한 후 재차 어닐링 처리를 수행할 수 있다.
본 발명은 자외선 LED의 기판에 대해 특별히 한정하지 않으며, LED에서 흔히 사용되는 기판, 예를 들어 사파이어 기판, Si기판 또는 SiC 기판 등일 수 있다.
나아가, 에피택시에 대한 기판의 영향을 제거하기 위하여, 비도핑 AltGa1-tN층과 기판 사이에 완충층이 더 설치될 수 있는 바, 예를 들어 AlN완충층, GaN완충층 등일 수 있다. 완충층의 두께는 기존의 자외선 LED 중 완충층의 일반 두께, 예를 들어 10~30nm일 수 있다.
나아가, 기판과 비도핑 AltGa1-tN층 사이, 예를 들어 완충층과 비도핑 AltGa1-tN층 사이에는, 비도핑 AlN층이 설치되는 것이 바람직하다. 비도핑 AlN층은 전반 자외선 LED의 베이스층으로서, 기판 상에 생성되는 AlGaN 소재의 결함을 줄일 수 있으므로, 결과적으로 자외선 LED의 내부 양자 효율을 향상시킨다. 본 발명의 실시예에서, 비도핑 AlN층의 두께는 일반적으로 0~5000nm로 제어된다.
비도핑 AltGa1-tN층은 비도핑 AlN층과 N형 AlwGa1-wN층 사이의 접촉층일 수 있으며, 응력을 조절하고, 디스로케이션을 줄일 수 있다. 비도핑 AltGa1-tN층의 두께는 일반적으로 1000~3000nm로 제어될 수 있다.
N형 AlwGa1-wN층은 주로 N형 불순물 원자를 도핑하여, 전자를 제공하는 바, 예를 들어 실리콘 원자를 도핑할 수 있으며, 실리콘 원자의 도핑 농도는 1×1017cm-3~5×1019cm-3일 수 있다.
AlxGa1-xN/AlyGa1-yN 다중 양자 우물층은 구체적으로 교대로 설치된 AlxGa1-xN 배리어 층 및 AlyGa1-yN 우물층을 포함할 수 있으며, 교대 횟수는 2~50회, 예를 들어 5~15회일 수 있으며, 더 구체적으로 6~12회일 수 있다. 또한, AlxGa1-xN/AlyGa1-yN 다중 양자 우물층에서 기판에 가장 가까운 밑층 및 기판과 가장 멀리 떨어진 최상층은 모두 AlxGa1-xN 배리어 층이고; 또는, AlxGa1-xN/AlyGa1-yN 다중 양자 우물층은 AlxGa1-xN 배리어 층으로부터 시작하여 AlxGa1-xN 배리어 층에서 끝난다.
여기서, AlxGa1-xN 배리어 층의 두께는 구체적으로 5~25nm, 예를 들어 5~15nm일 수 있고; AlyGa1-yN 우물층의 두께는 구체적으로 1~5nm, 예를 들어2~3nm일 수 있다.
바람직하게, AlyGa1-yN 우물층에서의 Al 함량은 비도핑 AltGa1-tN층에서의 Al 함량보다 낮고, 즉 y＜t이다.
본 실시예에서, 전자 차단층은 일반 자외선 LED에서의 전자 차단층 구조일 수 있으며, 예를 들어 전자 차단층은 P형 AlzGa1-zN층일 수 있고, 여기서 0＜z＜1이다.
바람직하게, 전자 차단층에서의 Al의 함량은 정공 주입층에서의 Al함량보다 크다. 예를 들어 기판으로부터 윗 방향을 향해, 정공 주입층의 서브층 각각은 모두 순차적으로 적층 설치된 P형 AlvGa1-vN층 및 P형 GaN층을 포함하면, 0.1≤v＜z＜1이고; 또 예를 들어, 기판으로부터 윗 방향을 향해, 서브층 각각은 모두 순차적으로 적층 설치된 P형 AluGa1-uN층 및 P형 AlvGa1-vN층을 포함하면, 0.1≤v＜z＜1, 0.1≤u＜z＜1이고; 또 예를 들어, 기판으로부터 윗 방향을 향해, 서브층 각각은 모두 순차적으로 적층 설치된 P형 AluGa1-uN층, P형 AlvGa1-vN층 및 P형 GaN층을 포함하면, 0.1≤v＜z＜1, 0.1≤u＜z＜1이다.
나아가, P형 AlzGa1-zN층의 두께는 1~100nm, 일반적으로 20~50nm이다.
본 발명의 일 바람직한 실시형태에 따르면, 전자 차단층은 교대로 적층 설치된 P형 AlrGa1-rN층 및 P형 AlsGa1-sN층이고, 여기서 0＜r＜1, 0＜s＜1, r≠s이며, 교대 횟수는 2~100회이다. 전자 차단층은 상기 AlrGa1-rN층/AlsGa1-sN 초격자 구조를 사용함으로써, 보다 우수하게 전자 차단 작용을 수행할 수 있으며, 결과적으로 자외선 LED의 휘도를 향상시킨다.
보다 바람직하게, 기판으로부터 윗 방향을 향해, 전자 차단층은 P형 AlrGa1-rN층으로부터 시작하여, P형 AlsGa1-sN층에서 끝나되, 여기서 0＜s＜r＜1이고, 교대 횟수는 바람직하게는 3~15회이며, 즉 전자 차단층은 3~15층의 P형 AlrGa1-rN층을 포함하고, 동일한 수량의 P형 AlsGa1-sN층을 포함한다.
나아가, 전자 차단층에서의 Al함량이 정공 주입층의 Al함량보다 높고, 예를 들어 기판으로부터 윗 방향을 향해, 정공 주입층의 서브층 각각은 모두 순차적으로 적층 설치된 P형 AlvGa1-vN층 및 P형 GaN층을 포함하면, 0.1≤v≤s＜r＜1이고; 또 예를 들어 기판으로부터 윗 방향을 향해, 서브층 각각은 모두 순차적으로 적층 설치된 P형 AluGa1-uN층 및 P형 AlvGa1-vN층을 포함하면, 0.1≤v＜u≤s＜r＜1이고; 또 예를 들어 기판으로부터 윗 방향을 향해, 서브층 각각은 모두 순차적으로 적층 설치된 P형 AluGa1-uN층, P형 AlvGa1-vN층 및 P형 GaN층을 포함하면, 0.1≤v≤s＜r＜1, 0.1≤u≤s＜r＜1, u≠v이다.
상기 P형 AlrGa1-rN층의 두께는 구체적으로 1~100nm일 수 있으며, 나아가 5~10nm일 수 있고; 상기 P형 AlsGa1-sN층의 두께는 구체적으로 1~100nm일 수 있고, 나아가 5~10nm일 수 있다. 여기서, P형 AlrGa1-rN층과 P형 AlsGa1-sN층의 두께는 동일하거나 서로 다를 수 있다.
전자 차단층은 P형 불순물 원소를 도핑하여 정공을 형성할 수 있으며, 예를 들어 Mg원소를 도핑할 수 있다. 여기서, 도핑 농도는 구체적으로 1×1017cm-3～1×1020cm-3, 바람직하게는 1×1018cm-3～1×1020cm-3일 수 있다.
나아가, 전자 차단층에서의 Al 함량은 AlxGa1-xN/AlyGa1-yN 다중 양자 우물층에서의 AlyGa1-yN 우물층의 Al 함량보다 높은 것이 바람직하다. 예를 들어, 전자 차단층이 P형 AlzGa1-zN층이면, 0＜y＜z＜1이다. 또 예를 들어, 전자 차단층이 교대로 적층 설치된 P형 AlrGa1-rN층 및 P형 AlsGa1-sN층이면, 1＞r＞y＞0이고 1＞s＞y＞0이다.
본 발명의 제2 측면에 따른 자외선 LED의 제조 방법은,
기판 상에 순차적으로 비도핑 AltGa1-tN층, N형 AlwGa1-wN층, AlxGa1-xN/AlyGa1-yN 다중 양자 우물층, 전자 차단층 및 정공 주입층을 형성하는 단계를 포함하고;
여기서, 정공 주입층은 적어도 하나의 서브층을 포함하며, 서브층은 적층 설치된 P형 AluGa1-uN층, P형 AlvGa1-vN층 및 P형 GaN층 중 적어도 두개의 층을 포함하고;
0＜t＜1, 0＜w＜1, 0＜y＜x＜1, 0＜v≤1, 0＜u≤1, u≠v이다.
구체적으로, 기판 상에 형성되는 상기 비도핑 AltGa1-tN층, N형 AlwGa1-wN층, AlxGa1-xN/AlyGa1-yN 다중 양자 우물층, 전자 차단층 및 정공 주입층은 모두 예컨대 금속 유기 화학 기상 증착（MOCVD） 설비, 분자선 에피택시（MBE） 설비 및 수소화물 기상 에피택시（HVPE） 설비와 같은 LED 가공 과정에서 흔히 사용하는 공정 설비 중 하나를 이용할 수 있다. 본 발명의 구체적인 실시과정에서, MOCVD 기술을 사용하였다.
나아가, 기판 상에 비도핑 AltGa1-tN층을 형성하기 전에, 우선 기판 상에 완충층을 형성할 수도 있는 바, 예를 들어 반응 챔버의 온도를 600~1000℃로 제어하고, 압력을 100~500torr（760torr =1표준 대기압）으로 제어하며, 반응 챔버로 알루미늄 소스와 질소 소스를 유입시켜, 기판 상에 AlN 완충층을 형성한다. 완충층의 두께는 기존의 자외선 LED 중 완충층의 일반 두께일 수 있는 바, 예를 들어 10~30nm일 수 있다.
나아가, 비도핑 AltGa1-tN층을 형성하기 전에, 우선 기판 상에 비도핑 AlN층을 형성할 수도 있는 바, 예를 들어 완충층 상에 AlN층을 형성한다. 구체적으로, 반응 챔버의 온도를 1000~1350℃로 설정하고, 압력을 100~400torr로 설정하고, 반응 챔버 내부로 계속하여 알루미늄 소스와 질소 소스를 유입시키고, 수소 가스 등을 캐리어 가스로 하여, 비도핑 AlN층을 형성한다. 비도핑 AlN층의 두께는 일반적으로 0~5000nm, 예를 들어 500~5000nm로 제어될 수 있다.
비도핑 AlN층의 기초 상에서, 반응 챔버의 온도를 1000~1350℃로 조정하고, 압력을 100~400torr로 조정하며, 반응 챔버 내부로 갈륨 소스, 알루미늄 소스, 질소 소스 및 캐리어 가스로서의 수소 가스를 유입시켜, 비도핑 AlN층 상에 비도핑 AltGa1-tN층을 형성할 수 있다. 비도핑 AltGa1-tN층의 두께는 일반적으로 1000~3000nm로 제어될 수 있다.
비도핑 AltGa1-tN층의 기초상에서, 계속하여 반응 챔버의 온도를 1000~1350℃로 조정하고, 압력을 100~400torr로 조정하며, 반응 챔버 내부로 갈륨 소스, 알루미늄 소스, 질소 소스, 캐리어 가스로서의 수소 가스 및 실리콘 소스를 유입시켜, N형 AlwGa1-wN층을 형성할 수 있다. N형 AlwGa1-wN층의 두께는 일반적으로 1000~3000nm로 제어될 수 있고; 실리콘 원자의 도핑 농도는 1×1017cm-3～5×1019cm-3일 수 있다.
AlxGa1-xN/AlyGa1-yN 다중 양자 우물층은 본 분야의 일반 수단에 의해 형성될 수 있는 바, 예를 들어 반응 챔버 내의 온도를 1000～1350℃로 제어하고, 압력을 100～400torr로 제어하고, 반응 챔버 내부로 갈륨 소스, 알루미늄 소스, 질소 소스, 캐리어 가스로서의 수소 가스 및 실리콘 소스를 유입시켜, AlxGa1-xN 배리어 층을 얻을 수 있다. 여기서 AlxGa1-xN 배리어 층의 두께는 구체적으로 5~25nm, 예를 들어 5~15nm일 수 있고; 실리콘 원자의 도핑 농도는 구체적으로 1×1017cm-3~5×1019cm-3일 수 있다. AlyGa1-yN 우물층의 제조에 있어서, 반응 챔버 내의 온도를 1000~1350℃로 제어하고, 압력을 100~400torr로 제어하며, 반응 챔버 내부로 갈륨 소스, 알루미늄 소스, 질소 소스 및 캐리어 가스로서의 수소 가스를 유입시켜, AlyGa1-yN 우물층을 얻을 수 있다. 여기서 AlyGa1-yN 우물층의 두께는 구체적으로 1~5nm, 예를 들어 2~3nm일 수 있다. 또한, AlyGa1-yN 우물층에서의 Al의 함량이 AlxGa1-xN 배리어 층에서의 Al의 함량보다 낮도록 제어할 수 있으며, 즉 y＜x일 수 있다.
상기 형태로 AlxGa1-xN 배리어 층 및 AlyGa1-yN 우물층을 교대로 생성하되, 교대 횟수는 구체적으로 2~50회, 예를 들어 5~15일 수 있으며, 나아가 6~12회일 수 있으며, AlxGa1-xN/AlyGa1-yN 다중 양자 우물층은 AlxGa1-xN 배리어 층으로부터 시작하여 AlxGa1-xN 배리어 층에서 끝나며, 여기서 마지막 하나의 AlxGa1-xN 배리어 층에는 Si이 도핑될 필요가 없다.
본 발명의 일부 구체적인 실시형태에서, 전자 차단층을 형성하는 단계는 구체적으로, AlxGa1-xN/AlyGa1-yN 다중 양자 우물층 상에 P형 AlzGa1-zN층을 형성하는 것을 포함할 수 있으며, 여기서 0＜z＜1이다.
예를 들어, 반응 챔버 내의 온도를 1000~1350℃로 제어하고, 압력을 100~400torr로 제어할 수 있으며, 반응 챔버 내부로 갈륨 소스, 알루미늄 소스, 질소 소스, 캐리어 가스로서의 수소 가스 및 마그네슘 소스를 유입시켜, P형 AlzGa1-zN층, 즉 전자 차단층을 얻을 수 있다. P형 AlzGa1-zN층의 두께는 일반적으로 1~100nm, 바람직하게는 20~50nm이다.
본 발명의 다른 일부 구체적인 실시형태에서, 전자 차단층을 형성하는 단계는, AlxGa1-xN/AlyGa1-yN 다중 양자 우물층 상에 P형 AlrGa1-rN층 및 P형 AlsGa1-sN층을 교대로 형성하는 것을 포함하되, 여기서 0＜r＜1, 0＜s＜1, r≠s, 교대 횟수는 2~100회이다.
예를 들어, 반응 챔버 내의 온도를 1000~1350℃로 제어하고, 압력을 100~400torr로 제어하며, 반응 챔버 내부로 갈륨 소스, 알루미늄 소스, 질소 소스, 캐리어 가스로서의 수소 가스 및 마그네슘 소스를 유입시켜, 순차적으로 P형 AlrGa1-rN층 및 P형 AlsGa1-sN층을 얻는다. 상기 형태에 따라 P형 AlrGa1-rN층 및 P형 AlsGa1-sN층을 교대로 형성하되, 교대 횟수는 2~100회, 바람직하게는 3~15회로서, 전자 차단층을 얻는다.
여기서, P형 AlrGa1-rN층 및 P형 AlsGa1-sN층에서의 Al의 함량이 서로 다르며（즉, r≠s）, 알루미늄 소스의 유량을 변경하는 등의 방식으로 Al의 함량을 제어할 수 있다.
상기 P형 AlrGa1-rN층의 두께는 구체적으로 1~100nm일 수 있으며, 나아가 5~10nm일 수 있고; 상기 P형 AlsGa1-sN층의 두께는 구체적으로 1~100nm일 수 있고, 나아가 5~10 nm일 수 있다. 여기서, P형 AlrGa1-rN층과 P형 AlsGa1-sN층의 두께는 동일하거나 서로 다를 수 있다.
전자 차단층에서, Mg의 도핑 농도는 구체적으로 1×1017cm-3~1×1020cm-3, 바람직하게는 1×1018cm-3~1×1020cm-3일 수 있다. 여기서, P형 AlrGa1-rN층 및 P형 AlsGa1-sN층에서 Mg의 도핑 농도는 동일하거나 서로 다를 수 있다.
상기와 같이, 정공 주입층은 적어도 하나의 서브층을 포함하고, 해당 서브층은 적층 설치된 P형 AluGa1-uN층, P형 AlvGa1-vN층 및 P형 GaN층 중 적어도 두개의 층을 포함한다.
본 발명의 구체적인 실시형태에서, 정공 주입층을 형성하는 단계는 적어도 하나의 서브층을 형성하는 과정을 포함하고, 여기서 서브층 각각을 형성하는 단계는 구체적으로, 순차적으로 P형 AlvGa1-vN층 및 P형 GaN층을 형성하는 것을 포함할 수 있으며, 여기서 0.1≤v＜1, 바람직하게는 0.3≤v＜0.9이다.
구체적으로, 반응 챔버의 온도를 900~1300℃로 제어하고, 압력을 100~400torr로 제어하며, 반응 챔버 내부로 갈륨 소스, 알루미늄 소스, 질소 소스, 수소 가스 및 마그네슘 소스를 유입시켜, P형 AlvGa1-vN층을 형성하고; 이어서, 반응 챔버 내부로의 알루미늄 소스의 유입을 중지하고, 기타 갈륨 소스, 질소 소스, 수소 가스 및 마그네슘 소스의 유량 등을 조절하여, P형 GaN층을 형성하여, 서브층을 형성할 수 있다. 상기 방식에 따라 P형 AlvGa1-vN층 및 P형 GaN층을 교대로 형성하여 정공 주입층을 얻는다.
또는, 서브층 각각을 형성하는 단계는, 순차적으로 P형 AluGa1-uN층 및 P형 AlvGa1-vN층을 형성하는 것을 포함할 수도 있으며, 여기서 0.1≤v≤1, 0.1≤u≤1, u≠v, 바람직하게, 0.3≤v＜u＜0.9이다. 구체적으로, P형 AluGa1-uN층을 형성하는 공정은 상기 P형 AlvGa1-vN층을 형성하는 공정을 참조할 수 있으므로, 여기서는 중복되는 설명을 생략한다.
또는, 서브층 각각을 형성하는 단계는, 순차적으로 P형 AluGa1-uN층, P형 AlvGa1-vN층 및 P형 GaN층을 형성하는 것을 포함할 수도 있으며, 여기서 0.1≤v≤1, 0.1≤u≤1, u≠v, 바람직하게, 0.3≤v＜0.9, 0.3≤u＜0.9, u≠v이다.
구체적으로, 정공 주입층을 형성하는 과정에서, Mg의 도핑 농도는 구체적으로 1×1017cm-3~5×1020cm-3, 바람직하게는 1×1018cm-3~1×1020cm-3일 수 있다.
구체적으로, 상기 정공 주입층의 주기수는 100을 초과하지 않는 것이 바람직하며, 또는, 정공 주입층의 서브층의 수량은 100개를 초과하지 않는 것이 바람직한 바, 일반적으로 2~12개의 서브층, 바람직하게는 4~10개의 서브층일 수 있다.
나아가, 정공 주입층을 형성하는 과정에서, 어닐링을 수행하는 단계를 더 포함하되, 해당 어닐링은 순차적으로 수행되는 고온 어닐링 및 저온 어닐링을 포함하고, 여기서 고온 어닐링의 온도는 850~950℃이고, 시간은 10s~20min, 바람직하게는 30s~10min, 나아가 30s~5min이고; 저온 어닐링의 온도는 650~750℃이고, 시간은 1～60min, 바람직하게는 2~30min이다.
구체적으로, 상기 어닐링은 서브층 각각이 형성된 후에 수행될 수 있고, 서브층의 형성 과정에서 수행될 수도 있다. 서브층 각각이 모두 P형 AlvGa1-vN층 및 P형 GaN층을 포함하는 경우를 예로 들면, P형 AlvGa1-vN층 및 P형 GaN층을 형성한 후에 어닐링 처리를 수행, 즉 매번 P형 GaN층을 형성한 후에 어닐링 처리를 수행할 수 있고; P형 AlvGa1-vN층을 형성한 후 어닐링 처리를 수행하고, P형 GaN층을 형성한 후에도 어닐링 처리를 수행할 수도 있다.
본 발명은 상기 알루미늄 소스, 갈륨 소스, 질소 소스 등에 대해 특별히 한정하지 않으며, 예를 들어 Ga 소스는 트리메틸갈륨(TMGa)일 수 있고, Al 소스 는 트리메틸알루미늄(TMAl)일 수 있고; 질소 소스는 질소 가스일 수 있고; 실리콘 소스는 실란(SiH4)일 수 있고; 마그네슘 소스는 비스사이클로팬타디에닐 마그네슘(bis(cyclopentadienyl)magnesium, Cp2Mg)일 수 있다.
한편, 상기 자외선 LED의 제조 방법은 클리닝, 전극 도금, 패터닝, 커팅, 패키징 등의 일반 처리를 더 포함하며, 모두 기존의 자외선 LED 가공 과정에서의 일반 공정을 사용할 수 있으며, 여기서는 중복되는 설명을 생략한다.
본 발명에 따른 자외선 LED는, 주기적 구조의 정공 주입층을 사용함으로써, 압전 분극 필드를 형성하고, 정공 활성 에너지를 감소시키고, 정공 농도를 증가시키고, 전자와 정공 복합 효율을 향상시킬 수 있으며, 결과적으로 자외선 LED의 내부 양자 효율 및 발광 효율을 향상시킨다. 정공 주입층 형성 과정에서 실시되는 어닐링 처리를 추가적으로 결합하여, 자외선 LED의 내부 양자 효율 및 발광 효율을 보다 향상시킬 수 있다. 규격이 1mm2, 인가 전류가 350mA인 테스트 조건에서, 본 발명에 따른 자외선 LED의 휘도는 80mW 이상에 도달하며, 심지어 100mW 이상에 도달할 수 있으며, 동일한 테스트 조건에서의 일반 자외선 LED의 발광 효율（약, 50mW）보다 훨씬 높으므로, 보다 우수하게 살균, 광선 요법 등에 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 자외선 LED의 제조 방법은, 얻어지는 자외선 LED가 높은 내부 양쟈 효율 및 발광 효율을 구비하도록 할 수 있으며; 해당 제조 방법은 종래기술을 이용하여 완성될 수도 있으므로, 실시 및 보급 편의성을 제공한다.
도1은 종래기술에 따른 자외선 LED의 구조를 나타내는 도면이다.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 자외선 LED의 구조를 나타내는 도면 1이다.
도3은 본 발명의 실시예에 따른 자외선 LED의 구조를 나타내는 도면 2이다.
도4는 본 발명의 실시예에 따른 자외선 LED의 구조를 나타내는 도면 3이다.
도5는 본 발명의 실시예에 따른 자외선 LED의 구조를 나타내는 도면 4이다.
도6은 본 발명의 실시예에 따른 자외선 LED의 구조를 나타내는 도면 5이다.
도7은 본 발명의 실시예에 따른 자외선 LED의 구조를 나타내는 도면 6이다.
본 발명의 실시예에 따른 목적, 기술적 해결수단 및 이점이 보다 명확해지도록, 이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 도면을 결합하여, 본 발명의 실시예에 따른 기술적 해결수단에 대해 명확하고 충분하게 기재한다. 물론, 기재되는 실시예는 본 발명의 일부 실시예일 뿐, 모든 실시예가 아니다. 본 발명의 실시예에 기반하여, 본 분야의 일반 기술자가 진보적 노력을 거치지 않고도 얻어진 모든 기타 실시예는 모두 본 발명의 보호 범위에 속한다.
실시예 1
본 실시예에 따른 자외선 LED의 구조는 도2에 도시된 바와 같이, 구체적으로 기판 및 기판으로부터 윗 방향을 향해 순차적으로 적층 설치된 완충층, 비도핑 AlN층, 비도핑 AltGa1-tN층, N형 AlwGa1-wN층, AlxGa1-xN/AlyGa1-yN 다중 양자 우물층, 전자 차단층 및 정공 주입층을 포함하고;
여기서, 정공 주입층은 적어도 하나의 서브층을 포함하며, 기판으로부터 윗 방향을 향해, 서브층 각각은 적층 설치된 P형 AlvGa1-vN층 및 P형 GaN층을 포함하되;
0＜t＜1, 0＜w＜1, 0＜y＜x＜1, 0＜v≤1이다.
해당 자외선 LED는 MOCVD기술을 이용하여 제조되며, 구체적인 공정 단계는 아래와 같다.
1. 반응 챔버 내의 온도를 900℃로 상승시키고, 압력을 400mbar로 제어하며, 반응 챔버 내부로 동시에 트리메틸알루미늄（150mL/min） 및 암모니아 가스를 약 3min 동안 유입시켜, 사파이어 기판 상에 두께가 약 25nm인 AlN 완충층을 형성하고;
2. 반응 챔버 내의 온도를 1250℃로 상승시키고, 압력을 200mbar로 조정하며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸알루미늄（200mL/min） 및 암모니아 가스를 약 90min 동안 유입시켜, 비도핑 AlN층을 형성하되, 그 두께는 약 1500nm이고;
3. 반응 챔버 내의 온도를 1150℃로 낮추고, 압력을 200mbar로 유지하며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（100mL/min）, 트리메틸알루미늄（360mL/min） 및 암모니아 가스를 약 60min 동안 유입시켜, 비도핑 AlN 층 상에 두께가 약 1000nm인 한층의 비도핑 AltGa1-tN층을 생성하되, 여기서 t=0.52이고;
4. 반응 챔버 내의 온도와 압력을 변경시키기 않고, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（100mL/min）, 트리메틸알루미늄（360mL/min） 및 암모니아 가스를 약 80min 동안 유입시키고, 실란을 혼입하여, 두께가 약 1500nm인 한층의 N형 AlwGa1-wN층을 생성하되, 여기서 w=0.52, Si의 도핑 농도는 1×1019cm-3이고;
5. 반응 챔버 내의 온도를 계속하여 1150℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（200mL/min） 및 암모니아 가스를 약 1 min 동안 유입시키고, 실란을 혼입하여, 두께가 약 12nm인 AlxGa1-xN 배리어 층을 생성하되, 여기서 x=0.58, Si의 도핑 농도는 1×1018cm-3이고;
6. 반응 챔버 내의 온도와 압력을 변경시키지 않고, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（50mL/min） 및 암모니아 가스를 약 30s 동안 유입시켜, 두께가 약 3nm인 AlyGa1-yN 우물층을 생성하되, 여기서 y=0.35%이고;
7. 단계5-6을 총 8개의 사이클만큼 반복적으로 수행하여, 8개의 사이클의 양자 우물 구조를 형성하고;
8. 계속하여 반응 챔버 내의 온도를 1150℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（200mL/min） 및 암모니아 가스를 약 1min동안 유입시켜, 마지막 한층의 AlxGa1-xN 배리어 층을 생성하되, 두께가 약 12nm, x=0.58이고;
9. 반응 챔버 내의 온도를 1150℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（250mL/min） 및 암모니아 가스를 약 2min 동안 유입시키고, 비스사이클로팬타디에닐 마그네슘(Cp2Mg)를 도핑하여, 전자 차단층으로서 두께가 약 30nm인 한층의 P형 AlzGa1-zN층을 생성하되, 여기서 z=0.65, Mg의 도핑 농도는 1×1019cm-3이고;
10. 반응 챔버 내의 온도를 1150℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（50mL/min） 및 암모니아 가스를 약 1min동안 유입시키고, 비스사이클로팬타디에닐 마그네슘(Cp2Mg)를 도핑하여, 두께가 약 6nm인 한층의 P형 AlvGa1-vN층을 생성하되, 여기서 v=0.35, Mg의 도핑 농도는 2×1019cm-3이고;
11. 반응 챔버 내의 온도를 안정적으로 1000℃로 낮추고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min） 및 암모니아 가스를 0.5min 동안 유입시키고, 비스사이클로팬타디에닐 마그네슘(Cp2Mg)를 도핑하여, 두께가 약 2 nm인 한층의 P형 GaN층을 생성하되, 여기서 Mg의 도핑 농도는 2×1019cm-3이고;
12. 반응 챔버 내부로의 수소 가스, 트리메틸갈륨 및 암모니아 가스 등 소스 소재의 유입을 중지시키고, 반응 챔버 내의 온도를 950℃로 낮추고, 압력을 200 mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 질소 가스를 유입시키고, 고온 어닐링을 수행하되, 어닐링 시간은 2min이고;
13. 계속하여 반응 챔버 내의 온도를 750℃로 낮추고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 계속하여 반응 챔버 내부로 질소 가스를 유입시키고, 저온 어닐링을 수행하되, 어닐링 시간은 30min이고;
14. 단계10-13을 총 10개의 사이클만큼 반복적으로 수행하여, 전자 차단층 상에 정공 주입층을 형성하여, 자외선 LED 에피택시얼 웨이퍼를 획득한다. 여기서 정공 주입층은 10개의 서브층을 포함하되, 서브층 각각은 기판으로부터 위를 향해 순차적으로 적층 설치된 P형 AlvGa1-vN층 및 P형 GaN층을 포함한다.
자외선 LED 에피택시얼 웨이퍼를 규격이 1mm×1mm인 자외선 LED칩으로 가공하고, 350mA의 전류를 인가하면, 상기 자외선 LED 칩에서 발광되는 파장은 280nm, 휘도는 100mW이고, 외부 양자 효율이 5%에 가까우며, 포워드 전압은 6.5V이다.
해당 자외선 LED는 효율적인 살균 작용을 구비한다.
실시예 2
본 실시예에 따른 자외선 LED의 구조는 도3에 도시된 바와 같이, 구체적으로 기판 및 기판으로부터 위를 향해 순차적으로 적층 설치된 완충층, 비도핑 AlN층, 비도핑 AltGa1-tN층, N형 AlwGa1-wN층, AlxGa1-xN/AlyGa1-yN 다중 양자 우물층, 전자 차단층 및 정공 주입층을 포함하고;
여기서, 정공 주입층은 적어도 하나의 서브층을 포함하며, 기판으로부터 윗 방향을 향해, 서브층 각각은 적층 설치된 P형 AluGa1-uN층, P형 AlvGa1-vN층 및 P형 GaN층을 포함하고;
0＜t＜1, 0＜w＜1, 0＜y＜x＜1, 0＜v≤1, 0＜u≤1, u≠v이다.
해당 자외선 LED는 MOCVD 기술을 이용하여 제조되며, 구체적인 공정 단계는 아래와 같다.
1. MOCVD 반응 챔버 내의 온도를 900℃로 상승시키고, 압력을 400mbar로 제어하며, 반응 챔버 내부로 동시에 트리메틸알루미늄（150mL/min） 및 암모니아 가스를 약 1.5min 동안 유입시켜, 사파이어 기판 상에 두께가 약 12.5nm인 AlN완충층을 형성하고;
2. 반응 챔버 내의 온도를 1250℃로 상승시키고, 압력을 200mbar로 조정하며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸알루미늄（200mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시켜, 비도핑 AlN층을 형성하되, 그 두께는 2000nm이고;
3. 반응 챔버 내의 온도를 1150℃로 낮추고, 압력을 200mbar로 유지시켜, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（100mL/min）, 트리메틸알루미늄（360mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시켜, 비도핑 AlN층 상에 두께가 약 1500nm인 한층의 비도핑 AltGa1-tN층을 생성하되, 여기서 t=0.52이고;
4. 반응 챔버 내의 온도와 압력을 변경시키지 않고, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（90mL/min）, 트리메틸알루미늄（360mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시키고, 실란을 혼입하여, 두께가 약 1000nm인 한층의 N형 AlwGa1-wN층을 생성하되, 여기서 w=0.47, Si의 도핑 농도는 1×1019cm-3이고;
5. 반응 챔버 내의 온도를 1150℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（200mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시키고, 실란을 혼입하여, 두께가 약 12nm 인 AlxGa1-xN 배리어 층을 생성하되, 여기서 x=0.58, Si의 도핑 농도는 1×1018cm-3이고;
6. 반응 챔버 내의 온도와 압력을 변경시키지 않고, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（50mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시켜, 두께가 약 3 nm인 AlyGa1-yN 우물층을 생성하되, 여기서 y=0.35%이고;
7. 단계5-6을 총 6개의 사이클만큼 반복적으로 수행하여, 6개의 사이클의 양자 우물 구조를 형성하고;
8. 반응 챔버 내의 온도를 1150℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（200mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시켜, 마지막 한층의 AlxGa1-xN 배리어 층을 생성하되, 그 두께는 약 12nm, x=0.58이고;
9. 반응 챔버 내의 온도를 1150℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（250mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시키고, 비스사이클로팬타디에닐 마그네슘(Cp2Mg)를 도핑하여, 전자 차단층으로서 두께가 약 30 nm인 한층의 P형 AlzGa1-zN층을 생성하되, 여기서 z=0.65, Mg의 도핑 농도는 1×1019cm-3이고;
10. 반응 챔버 내의 온도를 1150℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（100mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시키고, 비스사이클로팬타디에닐 마그네슘(Cp2Mg)를 도핑하여, 두께가 약 4nm인 한층의 P형 AluGa1-uN층을 생성하되, 여기서 u=0.45, Mg의 도핑 농도는 2×1019cm-3이고;
11. 반응 챔버 내의 온도를 1150℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（50mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시키고, 비스사이클로팬타디에닐 마그네슘(Cp2Mg)를 도핑하여, 두께가 약 6nm인 한층의 P형 AlvGa1-vN층을 생성하되, 여기서 v=0.35, Mg의 도핑 농도는 2×1019cm-3이고;
12. 반응 챔버 내의 온도를 안정적으로 1000℃로 낮추고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min） 및 암모니아 가스를 약 0.5min 동안 유입시키고, 비스사이클로팬타디에닐 마그네슘(Cp2Mg)를 도핑하여, 두께가 약 2nm인 한층의 P형 GaN층을 생성하되, 여기서 Mg의 도핑 농도는 2×1019cm-3이고;
13. 반응 챔버 내부로의 수소 가스, 트리메틸갈륨 및 암모니아 가스 등 소스 소재의 유입을 중지시키고, 반응 챔버 내의 온도를 900℃로 낮추고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 질소 가스를 유입시키고, 고온 어닐링을 수행하되, 어닐링 시간은 1min이고;
14. 반응 챔버 내의 온도를 750℃로 낮추고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 계속하여 질소 가스를 유입시키고, 저온 어닐링을 수행하되, 어닐링 시간은 20min이고;
15. 단계10-14를 총 6개의 사이클만큼 반복적으로 수행하여, 전자 차단층 상에 정공 주입층을 형성하여, 자외선 LED 에피택시얼 웨이퍼를 획득한다. 여기서, 정공 주입층은 6개의 서브층을 포함하고, 서브층 각각은 기판으로부터 위를 향해 순차적으로 적층 설치된 P형 AluGa1-uN층, P형 AlvGa1-vN층 및 P형 GaN층을 포함한다.
자외선 LED 에피택시얼 웨이퍼를 규격이 1mm2인 자외선 LED칩으로 가공하고, 350mA의 전류를 인가하면, 해당 자외선 LED 칩에서 발광되는 파장은 280nm, 휘도는 100mW이고, 외부 양자 효율이 5%에 가까우며, 포워드 전압은 6.0V이다. 해당 자외선 LED는 효율적인 살균 작용을 구비한다.
실시예 3
본 실시예에 따른 자외선 LED 구조는 도4에 도시된 바와 같이, 구체적으로 기판 및 기판으로부터 위를 향해 순차적으로 적층 설치된 완충층, 비도핑 AlN층, 비도핑 AltGa1-tN층, N형 AlwGa1-wN층, AlxGa1-xN/AlyGa1-yN 다중 양자 우물층, 전자 차단층 및 정공 주입층을 포함하고;
여기서, 정공 주입층은 적어도 하나의 서브층을 포함하며, 기판으로부터 윗 방향을 향해, 서브층 각각은 적층 설치된 P형 AluGa1-uN층 및 P형 AlvGa1-vN층을 포함하고;
0＜t＜1, 0＜w＜1, 0＜y＜x＜1, 0＜v≤1, 0＜u≤1, u≠v이다.
상기 자외선 LED는 MOCVD 에피택시 기술을 이용하여 제조되며, 구체적인 공정 단계는 아래와 같다:
1. 반응 챔버 내의 온도를 950℃로 상승시키고, 압력을 400mbar로 제어하며, 반응 챔버 내부로 동시에 트리메틸알루미늄（150mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시켜, 사파이어 기판 상에 두께가 약 12.5nm인 AlN완충층을 형성하고;
2. 반응 챔버 내의 온도를 1250℃로 상승시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸알루미늄（200mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시켜, 비도핑 AlN층을 형성하되, 두께가 약 3000nm이고;
3. 반응 챔버 내의 온도를 1140℃로 낮추고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（100mL/min）, 트리메틸알루미늄（360mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시켜, 비도핑 AlN층 상에 두께가 약 1500nm인 한층의 비도핑 AltGa1-tN층을 생성하되, 여기서 t=0.50이고;
4. 반응 챔버 내의 온도와 압력을 변경시키지 않고, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（90mL/min）, 트리메틸알루미늄（360mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시키고, 실란을 혼입하여, 두께가 약 1000nm인 한층의 N형 AlwGa1-wN층을 생성하되, 여기서 w=0.45, Si의 도핑 농도는 1×1019cm-3이고;
5. 반응 챔버 내의 온도를 1140℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（200mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시키고, 실란을 혼입하여, 두께가 약 12nm인 AlxGa1-xN 배리어 층을 생성하되, 여기서 x=0.55%, Si의 도핑 농도는 1×1018cm-3이고;
6. 반응 챔버 내의 온도와 압력을 변경시키지 않고, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（50mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시켜, 두께가 약 2.8 nm인 AlyGa1-yN 우물층을 생성하되, 여기서 y=0.33%이고;
7. 단계5-6을 총 10개의 사이클만큼 반복적으로 수행하여, 10개의 사이클의 양자 우물 구조를 형성하고;
8. 반응 챔버 내의 온도를 1140℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（200mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시켜, 마지막 한층의 AlxGa1-xN 배리어 층을 생성하되, 두께가 약 12nm, x=0.55이고;
9. 반응 챔버 내의 온도를 1140℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（250mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시키고, 비스사이클로팬타디에닐 마그네슘(Cp2Mg)를 도핑하여, 전자 차단층으로서 두께가 약 30 nm인 한층의 P형 AlzGa1-zN층을 생성하되, 여기서 z=0.63, Mg의 도핑 농도는 1×1019cm-3이고;
10. 반응 챔버 내의 온도를 1150℃로 조정하고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（100mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시키고, 비스사이클로팬타디에닐 마그네슘(Cp2Mg)를 도핑하여, 두께가 약 8nm인 한층의 P형 AluGa1-uN층을 생성하되, 여기서 u=0.45%, Mg의 도핑 농도는 1×1019cm-3이고;
11. 반응 챔버 내의 온도를 1150℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（50mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시키고, 비스사이클로팬타디에닐 마그네슘(Cp2Mg)를 도핑하여, 두께가 약 6nm인 한층의 P형 AlvGa1-vN층을 생성하되, 여기서 v=0.35, Mg의 도핑 농도는 1×1019cm-3이고;
12. 반응 챔버 내부로의 수소 가스, 트리메틸갈륨 및 암모니아 가스 등 소스 소재의 유입을 중지시키고, 반응 챔버 내의 온도를 950℃로 낮추고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 질소 가스를 유입시키고, 고온 어닐링을 수행하되, 어닐링 시간은 3min이고;
13. 반응 챔버 내의 온도를 750℃로 낮추고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 계속하여 질소 가스를 유입시키고, 저온 어닐링을 수행하되, 어닐링 시간은 25min이고;
14. 단계10-13을 총 8개의 사이클만큼 반복적으로 수행하여, 전자 차단층 상에 정공 주입층을 형성하여, 자외선 LED 에피택시얼 웨이퍼를 획득한다. 여기서 정공 주입층은 8개의 서브층을 포함하고, 서브층 각각은 기판으로부터 위를 향해 순차적으로 적층 설치된 P형 AluGa1-uN층 및 P형 AlvGa1-vN층을 포함한다.
자외선 LED 에피택시얼 웨이퍼를 규격이 1mm2인 자외선 LED칩으로 가공하고, 350mA의 전류를 인가하면, 해당 자외선 LED 칩에서 발광되는 파장은 280nm, 휘도는 110mW, 포워드 전압은 6.0V이다. 해당 자외선 LED는 효율적인 살균 작용을 구비한다.
실시예 4
본 실시예에 따른 자외선 LED의 구조는 도5에 도시된 바와 같이, 구체적으로 기판 및 기판으로부터 위를 향해 순차적으로 적층 설치된 완충층, 비도핑 AlN층, 비도핑 AltGa1-tN층, N형 AlwGa1-wN층, AlxGa1-xN/AlyGa1-yN 다중 양자 우물층, 전자 차단층 및 정공 주입층을 포함하되; 여기서,
정공 주입층은 적어도 하나의 서브층을 포함하며, 기판으로부터 윗 방향을 향해, 서브층 각각은 적층 설치된 P형 AlvGa1-vN층 및 P형 GaN층을 포함하고;
전자 차단층은 교대로 적층 설치된 P형 AlrGa1-rN층 및 P형 AlsGa1-sN층을 포함하고;
0＜t＜1, 0＜w＜1, 0＜y＜x＜1, 0＜v≤1, 0＜r＜1, 0＜s＜1, r≠s이다.
해당 자외선 LED는 MOCVD 기술을 이용하여 제조되며, 구체적인 공정 단계는 아래와 같다.
1. MOCVD 반응 챔버 내의 온도를 950℃로 상승시키고, 압력을 400mbar로 제어하며, 반응 챔버 내부로 동시에 트리메틸알루미늄（150mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시켜, 사파이어 기판 상에 두께가 약 12.5nm인 AlN완충층을 형성하고;
2. 반응 챔버 내의 온도를 1250℃로 상승시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸알루미늄（200mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시켜, 비도핑 AlN층을 형성하되, 두께가 약 3500nm이고;
3. 반응 챔버 내의 온도를 1140℃로 낮추고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（100mL/min）, 트리메틸알루미늄（360mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시키고, 비도핑 AlN층 상에 두께가 약 1500nm인 한층의 비도핑 AltGa1-tN층을 생성하되, 여기서 t=0.50이고;
4. 반응 챔버 내의 온도와 압력을 변경시키지 않고, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（90mL/min）, 트리메틸알루미늄（360mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시키고, 실란을 혼입하여, 두께가 약 1200nm인 한층의 N형 AlwGa1-wN층을 생성하되, 여기서 w=0.45, Si의 도핑 농도는 1×1019cm-3이고;
5. 반응 챔버 내의 온도를 1100℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（200mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시키고, 실란을 혼입하여, 두께가 약 12nm인 한층의 AlxGa1-xN 배리어 층을 생성하되, 여기서 x=0.50, Si의 도핑 농도는 1×1018cm-3이고;
6. 반응 챔버 내의 온도와 압력을 변경시키지 않고, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50 mL/min）, 트리메틸알루미늄（50 mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시켜, 두께가 약 2.5 nm인 한층의 AlyGa1-yN 우물층을 생성하되, 여기서 y=0.25이고;
7. 단계5-6을 총 8개의 사이클만큼 반복적으로 수행하여, 8개의 사이클의 양자 우물 구조를 형성하고;
8. 반응 챔버 내의 온도를 1100℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（200mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시켜, 마지막 한층의 AlxGa1-xN 배리어 층을 생성하되, 두께가 약 12nm, x=0.50이고;
9. 반응 챔버 내의 온도를 1100℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（250mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시켜, 두께가 약 7.5 nm인 한층의 P형 AlrGa1-rN층을 생성하되, 여기서 r=0.65, Mg의 도핑 농도는 1×1019cm-3이고;
10. 반응 챔버 내의 온도를 1100℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（150mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시키고, 비스사이클로팬타디에닐 마그네슘(Cp2Mg)를 도핑하여, 두께가 약 5nm인 한층의 P형 AlsGa1-sN층을 생성하되, 여기서 s=0.45, Mg의 도핑 농도는 1×1019cm-3이고;
11. 단계9-10을 총 5개의 사이클만큼 반복적으로 수행하여, 5개의 사이클의 전자 차단층을 형성하고;
12. 반응 챔버 내의 온도를 1100℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（60mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시키고, 비스사이클로팬타디에닐 마그네슘(Cp2Mg)를 도핑하여, 두께가 약 6nm인 한층의 P형 AlvGa1-vN층을 생성하되, 여기서 v=0.32%, Mg의 도핑 농도는 2×1019cm-3이고;
13. 반응 챔버 내의 온도를 1000℃로 낮추고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（100mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시키고, 비스사이클로팬타디에닐 마그네슘(Cp2Mg)를 도핑하여, 두께가 약 2nm인 한층의 GaN층을 생성하되, 여기서 Mg의 도핑 농도는 3×1019cm-3이고;
14. 반응 챔버 내부로의 수소 가스, 트리메틸갈륨 및 암모니아 가스 등 소스 소재의 유입을 중지시키고, 반응 챔버 내의 온도를 900℃로 낮추고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 질소 가스를 유입시키고, 고온 어닐링을 수행하되, 어닐링 시간은 1min이고;
15. 반응 챔버 내의 온도를 750℃로 낮추고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 계속하여 반응 챔버 내부로 질소 가스를 유입시키고, 저온 어닐링을 수행하되, 어닐링 시간은 5min이고;
16. 단계12-15를 총 5개의 사이클만큼 반복적으로 수행하여, 전자 차단층 상에 정공 주입층을 형성하여, 자외선 LED 에피택시얼 웨이퍼를 획득한다. 여기서 정공 주입층은 5개의 서브층을 포함하되, 서브층 각각은 기판으로부터 위를 향해 순차적으로 적층 설치된 P형 AlvGa1-vN층 및 P형 GaN층을 포함한다.
해당 자외선 LED 에피택시얼 웨이퍼를 규격이 1mm×1mm인 자외선 LED칩으로 가공하고, 350mA의 전류를 인가하면, 상기 자외선 LED 칩에서 발광되는 파장은 310nm, 휘도는 120mW, 포워드 전압은 6.0V이다. 해당 자외선 LED는 효율적인 광선 요법 작용을 구비한다.
실시예 5
본 실시예에 따른 자외선 LED의 구조는 도6에 도시된 바와 같이, 구체적으로 기판 및 기판으로부터 위를 향해 순차적으로 적층 설치된 완충층, 비도핑 AlN층, 비도핑 AltGa1-tN층, N형 AlwGa1-wN층, AlxGa1-xN/AlyGa1-yN 다중 양자 우물층, 전자 차단층 및 정공 주입층을 포함하되; 여기서,
정공 주입층은 적어도 하나의 서브층을 포함하며, 기판으로부터 윗 방향을 향해, 서브층 각각은 적층 설치된 P형 AluGa1-uN층, P형 AlvGa1-vN층 및 P형 GaN층을 포함하고;
전자 차단층은 교대로 적층 설치된 P형 AlrGa1-rN층 및 P형 AlsGa1-sN층을 포함하고;
0＜t＜1, 0＜w＜1, 0＜y＜x＜1, 0＜v≤1, 0＜u≤1, 0＜r＜1, 0＜s＜1, u≠v, r≠s이다.
해당 자외선 LED는 MOCVD 기술을 이용하여 제조되며, 구체적인 공정 단계는 아래와 같다.
1. MOCVD 반응 챔버 내의 온도를 850℃로 상승시키고, 압력을 400mbar로 제어하며, 반응 챔버 내부로 동시에 트리메틸알루미늄（150mL/min） 및 암모니아 가스를 1.5min 동안 유입시켜, 사파이어 기판 상에 두께가 약 12.5nm인 AlN완충층을 형성하고;
2. 반응 챔버 내의 온도를 1250℃로 상승시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸알루미늄（200mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시켜, 비도핑 AlN층을 형성하되, 두께가 약 4000nm이고;
3. 반응 챔버 내의 온도를 1140℃로 낮추고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（100mL/min）, 트리메틸알루미늄（360mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시켜, 비도핑 AlN층 상에 두께가 약 1500nm인 한층의 비도핑 AltGa1-tN층을 생성하되, 여기서 t=0.50이고;
4. 반응 챔버 내의 온도와 압력을 변경시키지 않고, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（90mL/min）, 트리메틸알루미늄（360mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시키고, 실란을 혼입하여, 두께가 약 1000nm인 한층의 N형 AlwGa1-wN층을 생성하되, 여기서 w=0.45, Si의 도핑 농도는 1×1019cm-3이고;
5. 반응 챔버 내의 온도를 1100℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 조정하며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（200mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시키고, 실란을 혼입하여, 두께가 약 12nm인 AlxGa1-xN 배리어 층을 생성하되, 여기서 x=0.50, Si의 도핑 농도는 1×1018cm-3이고;
6. 반응 챔버 내의 온도를 1100℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（50mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시켜, 두께가 약 2.5 nm인 AlyGa1-yN 우물층을 생성하되, 여기서 y=0.25이고;
7. 단계5-6을 총 8개의 사이클만큼 반복적으로 수행하여, 8개의 사이클의 양자 우물 구조를 형성하고;
8. 반응 챔버 내의 온도를 1100℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（200mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시켜, 마지막 한층의 AlxGa1-xN 배리어 층을 생성하되, 두께는 12nm, x=0.50이고;
9. 반응 챔버 내의 온도를 1100℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（250mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시키고, 비스사이클로팬타디에닐 마그네슘(Cp2Mg)를 도핑하여, 두께가 약 7.5nm인 한층의 P형 AlrGa1-rN층을 생성하되, 여기서 r=0.55, Mg의 도핑 농도는 1×1019cm-3이고;
10. 반응 챔버 내의 온도를 1100℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（200mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시키고, 비스사이클로팬타디에닐 마그네슘(Cp2Mg)를 도핑하여, 두께가 약 6nm인 한층의 P형 AlsGa1-sN층을 생성하되, 여기서 s=0.50, Mg의 도핑 농도는 1×1019cm-3이고;
11. 단계9-10을 총 10개의 사이클만큼 반복적으로 수행하여, 10개의 사이클의 전자 차단층을 형성하고;
12. 반응 챔버 내의 온도를 1100℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（80mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시키고, 비스사이클로팬타디에닐 마그네슘(Cp2Mg)를 도핑하여, 두께가 약 5nm인 한층의 P형 AluGa1-uN층을 생성하되, 여기서 u=0.45%, Mg의 도핑 농도는 2×1019cm-3이고;
13. 반응 챔버 내의 온도를 1100℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（60mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시키고, 비스사이클로팬타디에닐 마그네슘(Cp2Mg)를 도핑하여, 두께가 약 6nm인 한층의 P형 AlvGa1-vN층을 생성하되, 여기서 v=0.32%, Mg의 도핑 농도는 2×1019cm-3이고;
14. 반응 챔버 내의 온도를 1000℃로 낮추고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（100mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시키고, 비스사이클로팬타디에닐 마그네슘(Cp2Mg)를 도핑하여, 두께가 약 2nm인 한층의 GaN층을 생성하되, 여기서 Mg의 도핑 농도는 3×1019cm-3이고;
15. 반응 챔버 내부로의 수소 가스, 트리메틸갈륨 및 암모니아 가스 등 소스 소재의 유입을 중지시키고, 반응 챔버 내의 온도를 900℃로 낮추고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 질소 가스를 유입시키고, 고온 어닐링을 수행하되, 어닐링 시간은 1min이고;
16. 반응 챔버 내의 온도를 750℃로 낮추고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 계속하여 반응 챔버 내부로 질소 가스를 유입시키고, 저온 어닐링을 수행하되, 어닐링 시간은 5min이고;
17. 단계10-14를 총 6개의 사이클만큼 반복적으로 수행하여, 전자 차단층 상에 정공 주입층을 형성하여, 자외선 LED 에피택시얼 웨이퍼를 획득한다. 여기서 정공 주입층은 6개의 서브층을 포함하되, 서브층 각각은 적층 설치된 P형 AluGa1-uN층, P형 AlvGa1-vN층 및 P형 GaN층을 포함한다;
해당 자외선 LED 에피택시얼 웨이퍼를 규격이 1mm2인 자외선 LED칩으로 가공하고, 350mA의 전류를 인가하면, 해당 자외선 LED 칩에서 발광되는 파장은 310nm, 휘도는 120mW, 포워드 전압은 6.0V이다. 해당 자외선 LED는 효율적인 광선 요법 작용을 구비한다.
실시예 6
본 실시예에 따른 자외선 LED의 구조는 도7에 도시된 바와 같이, 구체적으로 기판 및 기판으로부터 위를 향해 순차적으로 적층 설치된 완충층, 비도핑 AltGa1-tN층, N형 AlwGa1-wN층, AlxGa1-xN/AlyGa1-yN 다중 양자 우물층, 전자 차단층 및 정공 주입층을 포함하되; 여기서,
정공 주입층은 적어도 하나의 서브층을 포함하며, 기판으로부터 윗 방향을 향해, 서브층 각각은 적층 설치된 P형 AluGa1-uN층 및 P형 AlvGa1-vN층을 포함하고;
전자 차단층은 교대로 적층 설치된 P형 AlrGa1-rN층 및 P형 AlsGa1-sN층을 포함하고;
0＜t＜1, 0＜w＜1, 0＜y＜x＜1, 0＜v≤1, 0＜u≤1, 0＜r＜1, 0＜s＜1, u≠v, r≠s이다.
해당 자외선 LED는 MOCVD 기술을 이용하여 제조되며, 구체적인 공정 단계는 아래와 같다.
1. MOCVD 반응 챔버 내의 온도를 850℃로 상승시키고, 압력을 400mbar로 제어하며, 반응 챔버 내부로 동시에 트리메틸알루미늄（150mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시켜, 사파이어 기판 상에 두께가 약 25nm인 AlN완충층을 형성하고;
2. 반응 챔버 내의 온도를 1250℃로 상승시키고, 압력을 200mbar로 제어하며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸알루미늄（200mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시켜, 비도핑 AlN층을 형성하되, 두께는 5000nm이고;
3. 반응 챔버 내의 온도를 1140℃로 낮추고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（100mL/min）, 트리메틸알루미늄（360mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시켜, 두께가 약 1000nm인 비도핑 AltGa1-tN층을 생성하되, 여기서 t=0.50이고;
4. 반응 챔버 내의 온도와 압력을 변경시키지 않고, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（90mL/min）, 트리메틸알루미늄（360mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시키고, 실란을 혼입하여, 두께가 약 1200nm인 한층의 N형 AlwGa1-wN층을 생성하되, 여기서 w=0.45, Si의 도핑 농도는 1×1019cm-3이고;
5. 반응 챔버 내의 온도를 1100℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（200mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시켜, 두께가 약 12nm인 한층의 AlxGa1-xN 배리어 층을 생성하되, 여기서 x=0.50, Si의 도핑 농도는 1×1018cm-3이고;
6. 반응 챔버 내의 온도를 1100℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（50mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시켜, 두께가 약 2.5nm인 한층의 AlyGa1-yN 우물층을 생성하되, 여기서 y=0.25이고;
7. 단계5-6을 총 8개의 사이클만큼 반복적으로 수행하여, 8개의 사이클의 양자 우물 구조를 형성하고;
8. 반응 챔버 내의 온도를 1100℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（200mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시켜, 마지막 한층의 AlxGa1-xN 배리어 층을 생성하되, 두께가 약 12 nm, x=0.50이고;
9. 반응 챔버 내의 온도를 1100℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（250mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시키고, 비스사이클로팬타디에닐 마그네슘(Cp2Mg)를 도핑하여, 두께가 약 7.5nm인 한층의 P형 AlrGa1-rN층을 생성하되, 여기서 r=0.55, Mg의 도핑 농도는 1×1019cm-3이고;
10. 반응 내의 온도를 1100℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 조정하며, 반응 챔버 내챔버 부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（150mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시키고, 비스사이클로팬타디에닐 마그네슘(Cp2Mg)를 도핑하여, 두께가 약 6nm인 한층의 P형 AlsGa1-sN층을 생성하되, 여기서 s=0.45, Mg의 도핑 농도는 1×1019cm-3이고;
11. 단계9-10을 총 4개의 사이클만큼 반복적으로 수행하여, 4개의 사이클의 전자 차단층을 형성하고;
12. 반응 챔버 내의 온도를 1100℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（80mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시키고, 비스사이클로팬타디에닐 마그네슘(Cp2Mg)를 도핑하여, 두께가 약 6nm인 한층의 P형 AluGa1-uN층을 생성하되, 여기서 u=0.45%, Mg의 도핑 농도는 2×1019cm-3이고;
13. 반응 챔버 내의 온도를 1100℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（60mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시키고, 비스사이클로팬타디에닐 마그네슘(Cp2Mg)를 도핑하여, 두께가 약 6nm인 한층의 P형 AlvGa1-vN층을 생성하되, 여기서 v=0.32%, Mg의 도핑 농도는 2×1019cm-3이고;
14. 반응 챔버 내부로의 수소 가스, 트리메틸갈륨 및 암모니아 가스 등 소스 소재의 유입을 중지시키고, 반응 챔버 내의 온도를 850℃로 낮추고, 압력을 200mbar로 조정하며, 반응 챔버 내부로 질소 가스를 유입시키고, 고온 어닐링을 수행하되, 어닐링 시간은 1min이고;
15. 반응 챔버 내의 온도를 650℃로 낮추고, 압력을 200mbar로 조정하며, 계속하여 반응 챔버 내부로 질소 가스를 유입시키고, 저온 어닐링을 수행하되, 어닐링 시간은 4min이고;
16. 단계12-15를 총 6개의 사이클만큼 반복적으로 수행하여, 전자 차단층 상에 정공 주입층을 형성하여, 자외선 LED 에피택시얼 웨이퍼를 획득한다. 여기서 정공 주입층은 6개의 서브층을 포함하되, 서브층 각각은 적층 설치된 P형 AluGa1-uN층 및 P형 AlvGa1-vN층을 포함한다.
해당 자외선 LED 에피택시얼 웨이퍼를 1mm2크기의 자외선 LED칩으로 가공하고, 350mA의 전류를 인가하면, 해당 자외선 LED 칩에서 발광되는 파장은 310nm, 휘도는 110mW, 포워드 전압은 6.0V이다. 해당 자외선 LED는 효율적인 광선 요법 작용을 구비한다.
실시예 7
본 실시예에 따른 자외선 LED의 구조는 도3에 도시된 바와 같이, 구체적으로 기판 및 기판으로부터 위를 향해 순차적으로 적층 설치된 완충층, 비도핑 AltGa1-tN층, N형 AlwGa1-wN층, AlxGa1-xN/AlyGa1-yN 다중 양자 우물층, 전자 차단층 및 정공 주입층을 포함하되; 여기서,
정공 주입층은 적어도 하나의 서브층을 포함하며, 기판으로부터 윗 방향을 향해, 서브층 각각은 적층 설치된 P형 AluGa1-uN층 및 P형 AlvGa1-vN층을 포함하고;
전자 차단층은 교대로 적층 설치된 P형 AlrGa1-rN층 및 P형 AlsGa1-sN층을 포함하되;
0＜t＜1, 0＜w＜1, 0＜y＜x＜1, 0＜v≤1, 0＜u≤1, 0＜r＜1, 0＜s＜1, u≠v, r≠s이다.
해당 자외선 LED는 MOCVD 기술을 이용하여 제조되며, 구체적인 공정 단계는 아래와 같다.
1. MOCVD 반응 챔버 온도를 850℃로 상승시키고, 압력을 400mbar로 제어하며, 반응 챔버 내부로 동시에 트리메틸알루미늄（150mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시켜, 사파이어 기판 상에 두께가 약 42nm의 AlN완충층을 형성하고;
2. 반응 챔버 내의 온도를 1150℃로 낮추고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（100mL/min）, 트리메틸알루미늄（360mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시켜, 두께가 약 3000nm인 한층의 비도핑 AltGa1-tN층을 생성하되, 여기서 t=0.52이고;
3. 반응 챔버 내의 온도와 압력을 변경시키지 않고, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（100mL/min）, 트리메틸알루미늄（360mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시키고, 실란을 혼입하여, 두께가 약 1500nm인 한층의 N형 AlwGa1-wN층을 생성하되, 여기서 w=0.52, Si의 도핑 농도는 1×1019cm-3이고;
4. 반응 챔버 내의 온도를 1150℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（200mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시켜, 두께가 약 12nm인 한층의 AlxGa1-xN 배리어 층을 생성하되, 여기서 x=0.58, Si의 도핑 농도는 1×1018cm-3이고;
5. 반응 챔버 내의 온도를 1150℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（50mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시켜, 두께가 약 3.0nm인 한층의 AlyGa1-yN 우물층을 생성하되, 여기서 y=0.35이고;
6. 단계5-6을 총 12개의 사이클만큼 반복적으로 수행하여, 12개의 사이클의 양자 우물 구조를 형성하고;
7. 반응 챔버 내의 온도를 1150℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（200mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시켜, 마지막 한층의 AlxGa1-xN 배리어 층을 생성하되, 여기서 x=0.58, 두께가 약 12nm이고;
8. 반응 챔버 내의 온도를 1150℃로 유지시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（250mL/min） 및 암모니아 가스를 약 2min 동안 유입시키고, 비스사이클로팬타디에닐 마그네슘(Cp2Mg)를 도핑하여, 전자 차단층으로서 두께가 약 30nm인 한층의 P형 AlzGa1-zN층을 생성하되, 여기서 z=0.65, Mg의 도핑 농도는 1×1019cm-3이고;
9. 반응 챔버 내의 온도를 1110℃로 낮추고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（80mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시키고, 비스사이클로팬타디에닐 마그네슘(Cp2Mg)를 도핑하여, 두께가 약 5nm인 한층의 P형 AluGa1-uN층을 생성하되, 여기서 u=0.45, Mg의 도핑 농도는 2×1019cm-3이고;
10. 반응 챔버 내부로의 수소 가스, 트리메틸갈륨 및 암모니아 가스 등 소스 소재의 유입을 중지시키고, 반응 챔버 내의 온도를 850℃로 낮추고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 질소 가스를 유입시키고, 고온 어닐링을 수행하되, 어닐링 시간은 30s이고;
11. 반응 챔버 내의 온도를 650℃로 낮추고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 계속하여 질소 가스를 유입시키고, 저온 어닐링을 수행하되, 어닐링 시간은 3min이고;
12. 반응 챔버 내의 온도를 1100℃로 상승시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（50mL/min）, 트리메틸알루미늄（60mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시키고, 비스사이클로팬타디에닐 마그네슘(Cp2Mg)를 도핑하여, 두께가 약 6nm인 한층의 P형 AlvGa1-vN층을 생성하되, 여기서 v=0.32, Mg의 도핑 농도는 2×1019cm-3이고;
13. 반응 챔버 내부로의 수소 가스, 트리메틸갈륨 및 암모니아 가스 등 소스 소재의 유입을 중지시키고, 반응 챔버 내의 온도를 850℃로 낮추고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 질소 가스를 유입시키고, 고온 어닐링을 수행하되, 어닐링 시간은 30s이고;
14. 반응 챔버 내의 온도를 650℃로 낮추고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 계속하여 질소 가스를 유입시키고, 저온 어닐링을 수행하되, 어닐링 시간은 3min이고;
15. 반응 챔버 내의 온도를 1000℃로 상승시키고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 수소 가스, 트리메틸갈륨（100mL/min） 및 암모니아 가스를 유입시키고, 비스사이클로팬타디에닐 마그네슘(Cp2Mg)를 도핑하여, 두께가 약 2nm인 한층의 GaN층을 생성하되, 여기서 Mg의 도핑 농도는 3×1019cm-3이고;
16. 반응 챔버 내부로의 수소 가스, 트리메틸갈륨 및 암모니아 가스 등 소스 소재의 유입을 중지시키고, 반응 챔버 내의 온도를 850℃로 낮추고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 반응 챔버 내부로 질소 가스를 유입시키고, 고온 어닐링을 수행하되, 어닐링 시간은 30s이고;
17. 반응 챔버 내의 온도를 650℃로 낮추고, 압력을 200mbar로 유지시키며, 계속하여 질소 가스를 유입시키고, 저온 어닐링을 수행하되, 어닐링 시간은 3min이고;
18. 단계9-17을 총 4개의 사이클만큼 반복적으로 수행하여, 전자 차단층 상에 정공 주입층을 형성하여, 자외선 LED 에피택시얼 웨이퍼를 획득한다. 여기서 정공 주입층은 4개의 서브층을 포함하되, 서브층 각각은 순차적으로 적층 설치된 P형 AluGa1-uN층, P형 AlvGa1-vN층 및 P형 GaN층을 포함한다.
해당 자외선 LED 에피택시얼 웨이퍼를 1mm2 크기의 자외선 LED칩으로 가공하고, 350mA의 전류를 인가하면, 해당 자외선 LED 칩에서 발광되는 파장은 280nm, 휘도는 120mW, 포워드 전압은 6.0V이다. 해당 자외선 LED는 효율적인 살균 작용을 구비한다.
마자막으로 설명해야 할 점은, 이상의 각 실시예는 본 발명의 기술적 해결수단을 설명한 것에 불과한 것으로서, 이에 대해 한정하지 않는다. 비록 상기에서 각 실시예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 여전히 상기 각 실시예에 기재된 기술방안을 수정하거나, 그 중 일부 또는 전부의 기술적 특징에 대해 동등한 치환을 가할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 이러한 수정 또는 치환에 의해 대응되는 기술적 해결수단이 본 발명의 각 실시예의 기술적 해결수단의 범위를 벗어나지 않는다.

Claims (10)

  1. 기판 및 기판으로부터 위를 향해 순차적으로 적층 설치된 비도핑 AltGa1-tN층, N형 AlwGa1-wN층, AlxGa1-xN/AlyGa1-yN 다중 양자 우물층, 전자 차단층 및 정공 주입층을 포함하되;
    여기서, 상기 정공 주입층은 적어도 하나의 서브층을 포함하고, 상기 서브층은 적층 설치된 P형 AluGa1-uN층, P형 AlvGa1-vN층 및 P형 GaN층 중 적어도 두개의 층을 포함하고;
    0＜t＜1, 0＜w＜1, 0＜y＜x＜1, 0＜v≤1, 0＜u≤1, u≠v인 것을 특징으로 하는 자외선 LED.
  2. 제1항에 있어서,
    기판으로부터 윗 방향을 향해, 상기 서브층 각각은 모두 순차적으로 적층 설치된 P형 AlvGa1-vN층 및 P형 GaN층을 포함하되, 여기서 0.1≤v≤1이고;
    또는, 기판으로부터 윗 방향을 향해, 상기 서브층 각각은 모두 순차적으로 적층 설치된 P형 AluGa1-uN층 및 P형 AlvGa1-vN층을 포함하되, 여기서 0.1≤v≤1, 0.1≤u≤1, u≠v이고;
    또는, 기판으로부터 윗 방향을 향해, 상기 서브층 각각은 모두 순차적으로 적층 설치된 P형 AluGa1-uN층, P형 AlvGa1-vN층 및 P형 GaN층을 포함하되, 여기서 0.1≤v≤1, 0.1≤u≤1, u≠v인 것을 특징으로 하는 자외선 LED.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 정공 주입층의 총 두께는 10~500nm이고;
    및/또는, 상기 정공 주입층의 도핑 농도는 1×1017cm-3~5×1020cm-3인 것을 특징으로 하는 자외선 LED.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정공 주입층은 전자 차단층 상에 하나 또는 복수의 상기 서브층을 형성하고 어닐링을 수행하여 얻어지고,
    상기 어닐링은 순차적으로 수행되는 고온 어닐링 및 저온 어닐링을 포함하고, 상기 고온 어닐링의 온도는 850~950℃이고, 시간은 10s~20min이고; 상기 저온 어닐링의 온도는 650~750℃이고, 시간은 1~60 min인 것을 특징으로 하는 자외선 LED.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자 차단층은 P형 AlzGa1-zN층이고, 여기서 0＜z＜1이고;
    또는, 상기 전자 차단층은 교대로 적층 설치된 P형 AlrGa1-rN층 및 P형 AlsGa1-sN층이고, 여기서 0＜r＜1, 0＜s＜1, r≠s이고, 교대 횟수는 2~100회인 것을 특징으로 하는 자외선 LED.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 AlxGa1-xN/AlyGa1-yN 다중 양자 우물층은 교대로 적층 설치된AlxGa1-xN 배리어 층 및 AlyGa1-yN 우물층을 포함하고, 교대 횟수는 2~50회이고, 상기 AlxGa1-xN/AlyGa1-yN 다중 양자 우물층에서 상기 기판에 가장 가까운 밑층과 상기 기판과 가장 멀리 떨어진 최상층은 모두 AlxGa1-xN 배리어 층이고;
    상기 AlxGa1-xN 배리어 층의 두께는 5~25nm이고, 상기 AlyGa1-yN 우물층의 두께는 1~5nm인 것을 특징으로 하는 자외선 LED.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 AlyGa1-yN 우물층에서의 Al의 함량이 상기 전자 차단층에서의 Al함량보다 낮고; 및/또는 상기 AlyGa1-yN 우물층에서의 Al함량이 상기 비도핑 AltGa1-tN층에서의 Al함량보다 낮은 것을 특징으로 하는 자외선 LED.
  8. 자외선 LED의 제조 방법에 있어서,
    기판 상에 순차적으로 비도핑 AltGa1-tN층, N형 AlwGa1-wN층, AlxGa1-xN/AlyGa1-yN 다중 양자 우물층, 전자 차단층 및 정공 주입층을 형성하는 단계를 포함하고;
    여기서, 상기 정공 주입층은 적어도 하나의 서브층을 포함하고, 상기 서브층은 적층 설치된 P형 AluGa1-uN층, P형 AlvGa1-vN층 및 P형 GaN층 중 적어도 두개의 층을 포함하고;
    0＜t＜1, 0＜w＜1, 0＜y＜x＜1, 0＜v＜1, 0＜u＜1, u≠v인 것을 특징으로 하는 자외선 LED의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 정공 주입층을 형성하는 단계는 적어도 하나의 상기 서브층을 형성하는 과정을 포함하되, 여기서 상기 서브층 각각을 형성하는 단계는,
    순차적으로 상기 P형 AlvGa1-vN층 및 상기 P형 GaN층을 형성하되, 여기서 0.1≤v＜1인 단계;
    또는, 순차적으로 상기 P형 AluGa1-uN층 및 상기 P형 AlvGa1-vN층을 형성하되, 여기서 0.1≤v＜u＜1인 단계;
    또는, 순차적으로 상기 P형 AluGa1-uN층, 상기 P형 AlvGa1-vN층 및 상기 P형 GaN층을 형성하되, 여기서 0.1≤v＜u＜1인 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 정공 주입층을 형성하는 과정은,
    어닐링을 수행하는 단계를 더 포함하고, 상기 어닐링은 순차적으로 수행되는 고온 어닐링 및 저온 어닐링을 포함하고, 여기서 상기 고온 어닐링의 온도는 850~950℃, 시간은 10s~20 min이고; 상기 저온 어닐링의 온도는 650~750 ℃, 시간은 1~60 min인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
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