JP7119269B2 - 半導体発光装置及び製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は半導体発光装置に関わり、より詳細にはI-VII族半導体を用いた半導体発光装置及び製造方法に関する。
単元素半導体のうち1950年から研究開発されてきて実用化となったSi半導体は素材の価格が低廉で熱酸化によって容易にSi酸化物を得ることができ、安定した表面保護膜を作ることのできるなどの長所があって、大部分のデバイスが要求している特性を満たしている。しかし、完全な大型単結晶成長が難しいというのが問題であり、バンドギャップが1.1eVで小さいので高度の熱的安定性と高い効率を要求する半導体素子としては適合していない。また、ワイドバンドギャップ(WBG:Wide Band Gap)半導体やナロ-バンドギャップ(Narrow Band Gap)半導体の機能にも不適合である。
最近、注目されている代案材料として、III-V族半導体とII-VI族半導体はワイドバンドギャップ半導体物質で高出力、高周波電子素子として活用価値がある。しかし、III-V族半導体とII-VI族半導体構成元素の蒸気圧差異に起因して通常n-型半導体のみの単結晶が成長され、p-型の単結晶は殆ど成長されなくてPN接合を形成することができない。そのため、p-型半導体を形成するめにMgド-ピングが通常的に必要であり、Mgド-ピングされたIII-V族半導体またはII-VI族半導体は水素結合によってp-型半導体の性能が落ちるようになる。それだけではなく、強い化学的結合力が短所として作用して結晶成長及びデバイスプロセスが難しい。このような現象のためワイドギャップ半導体は応用性に比べて多様な分野で活用するに限界がある。
従って、本発明の解決しようとする課題は、ワイドギャップ半導体のp-型半導体適用限界を克服し、発光効率を向上させてハイブリッド型半導体発光装置及び製造方法を提供することにある。
このような課題を解決するために本発明による半導体発光装置は、基板、第1半導体層、第1クラッド層、活性層、第2クラッド層、及び第2半導体層から構成されてもよい。前記第1半導体層は前記基板上に形成され、III-V族半導体またはII-VI族半導体含んでいてもよい。また、活性層は前記第1クラッド層上に形成され、III-V族半導体またはII-VI族半導体を含んでいてもよい。また、第2クラッド層は前記活性層上に形成されてもよい。また、前記第2半導体層は前記第2クラッド層上に形成され、I-VII族半導体を含んでいてもよい。
また、前記第1半導体層はn-型半導体でもあり、前記第2半導体層はp-型半導体から構成されてもよい。
また、前記第1クラッド層はIII-V族半導体またはII-VI族半導体を含んでいてもよい。
また、前記第2クラッド層はI-VII族半導体を含んでいてもよい。
また、前記活性層と前記第2クラッド層との間に第3クラッド層をさらに含み、前記第3クラッド層はIII-V族半導体またはII-VI族半導体物質から形成されてもよい。
また、前記第2半導体層上に透明電極層をさらに含んでいてもよい。
また、本発明による発光ダイオ-ドは半導体素子及び蛍光体が含まれた光変換層を含んでいてもよい。前記半導体素子は基板、n-型半導体層、第1クラッド層、活性層、第2クラッド層及びp-型半導体層を含んでいてもよい。この際、前記n-型半導体層は前記基板上にIII-V族半導体またはII-VI族半導体から形成されてもよい。また、前記第1クラッド層は前記n-型半導体層上にIII-V族半導体またはII-VI族半導体から形成されてもよい。また、前記活性層は前記第1クラッド層上にIII-V族半導体またはII-VI族半導体から形成されてもよい。また、前記第2クラッド層は前記活性層上にI-VII族半導体から形成されてもよい。また、前記p-型半導体層は前記第2クラッド層上にI-VII族半導体から構成されてもよい。
また、前記発光ダイオ-ドは前記活性層と第2クラッド層との間に第3クラッド層をさらに含み、前記第3クラッド層はIII-V族半導体またはII-VI族半導体から形成されてもよい。
また、本発明による半導体発光装置製造方法によると、基板を準備する段階と、n-型半導体を形成する段階と、第1クラッド層を形成する段階と、活性層を形成する段階と、第2クラッド層を形成する段階と、p-型半導体を形成する段階と、を含む。前記n-型半導体を形成する段階はIII-V族半導体またはII-VI族半導体物質を含む物質を使用することができ、前記基板上に形成されてもよい。また、前記第1クラッド層を形成する段階は前記n-型半導体上に形成されてもよい。また、前記活性層はIII-V族半導体またはII-VI族半導体物質を含んでいてもよい。また、前記第2クラッド層を形成する段階は前記活性層上に形成されてもよい。また、前記p-型半導体を形成する段階は前記第2クラッド層上に形成され、前記 p-型半導体はI-VII族半導体を含んでいてもよい。
また、前記半導体発光装置製造方法は、前記活性層を形成する段階と前記第2クラッド層を形成する段階との間に第3クラッド層を形成する段階をさらに含み、第3クラッド層はIII-V族半導体またはII-VI族半導体物質を含んでいてもよい。
また、前記I-VII族半導体はCuCl、CuBr、CuI、AgIのうちいずれか一つ、または2つ以上の組合からなってもよい。
また、前記III-V族半導体はGaN、GaP、GaAs、InP、AlGaN、AlGaP、AlInGaN、InGaAs、GaAsPのうちいずれか一つ、または2つ以上の組合からなってもよい。
また、前記II-VI族半導体は、CdO、CdS、CdSe、CdTe、ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdZnTe、HgCdTe、HgZnTeのうちいずれか一つ、または2つ以上の組合からなってもよい。
本発明による半導体発光装置、発光ダイオ-ド及び半導体製造方法によると、p-型半導体形成の際別途のド-ピング過程なしに自然に半導体を成長させるので、高純度単結晶形成に有利である。また、基板と格子の不整合による欠陥が源泉的に解決できる。
また、I-VII族半導体は低温で結晶成長が可能であるのでプロセスが容易で材料安定性を確保することができる。
また、広範囲の波長領域の光を放出することができ、用途によって波長領域を選択することができる。さらに、半導体産業の多変化と共に多様な欲求を充足させることができる。
図1はI-VII族半導体、III-V族半導体及びII-VI族半導体の特性を示すグラフである。 本発明の例示的一実施形態による発光装置の断面図を示す。 本発明の例示的一実施形態による発光装置の製造方法の順序図である。 本発明の半導体発光素子を適用したLEDの例示的一実施形態を示す断面図である。
本発明は多様な変更を加えることができ、多様な形態を有することできる。ここでは、特定の実施形態を図面に例示し本文に詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の開示形態に限定するものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むこととして理解されるべきである。各図面を説明しながら類似した参照符号を類似した構成要素に対して使用した。添付された図面において、構造物の寸法は本発明の明確性を図るために実際より誇張して示したものでもある。
第1、第2などの用語は多用な構成要素を説明するのに使用されることがあるが、前記構成要素は前記用語によって限定解釈されない。前記用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的のみとして使用される。例えば、本発明の権利範囲を外れることなく第1構成要素を第2構成要素ということができ、類似に第2構成要素も第1構成要素ということができる。
本出願において使用した用語は単なる特定の実施形態を説明するために使用されたもので、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は文脈上明白に示さない限り、複数の表現を含む。本出願において、「含む」または「有する」などの用語は明細書に記載された特徴、数字、ステップ、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在することを意味し、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、ステップ、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものの存在または付加可能性を予め排除しないこととして理解されるべきである。また、AとBが‘連結される。’、‘結合される’という意味はAとBが直接的に連結されるか結合する外に他の構成要素CがAとBとの間に含まれてAとBが連結されるか結合されることを含むのである。
異なるように定義されない限り、技術的か科学的な用語を含んでここで使用される全ての用語は本発明が属する技術分野で通常の知識を有した者によって一般的に理解されるのと同一の意味を有している。一般的に使用される辞書に定義されているような用語は関連技術の文脈上有する意味と一致する意味を有すると解釈されるべきであり、本出願で明白に定義しない限り、理想的であるか過度に形式的な意味で解釈されない。また、方法発明に対する特許請求範囲で、各段階が明白に順序に拘束されない限り、各段階はその順序が互いに変わってもよい。
以下、図面を参照して本発明の好適な一実施形態をより詳細に説明する。
図2は本発明による半導体発光装置1000の断面図である。
図2を参照すると、本発明による半導体発光装置1000は、基板100、第1半導体層200、第1クラッド層300、活性層400、第2クラッド層600及び第2半導体層700から構成されてもよい。前記第1半導体層200は前記基板100上に形成され、III-V族半導体またはII-VI族半導体を含んでいてもよい。また、前記第1クラッド層300は前記第1半導体層200上に形成されてもよい。また、前記活性層400は前記第1クラッド層300上に形成され、III-V族半導体またはII-VI族半導体を含んでいてもよい。また、前記第2クラッド層600は前記活性層400上に形成されてもよい。また、前記第2半導体層700は前記第2クラッド層600上にI-VII族半導体から形成されてもよい。
また、前記第1半導体層200はn-型半導体であり、前記第2半導体層700はp-型半導体から構成されてもよい。一般的にワイドバンドギャップ半導体を形成するためにIII-V族半導体またはII-VI族半導体を主に使用するが、前記III-V族半導体及びII-VI族半導体でp-型を形成するためには不純部ド-ピング処理が不可避である。また、前記III-V族半導体及びII-VI族半導体をMgド-ピングしてp-型半導体を形成する場合、強い水素結合によって正孔生成能力が劣れて光効率が落ちるようになる。
しかし、I-VII族半導体は結晶成長のみでp-型半導体が形成されるのでプロセスが容易で、成長温度が400℃~600℃で相対的に低温で工程が可能である。のみならず、図1を参照すると、I-VII族半導体はIII-V族半導体及びII-VI族半導体に比べてバンドギャップエネルギ-が大きいので光効率の高いという長所がある。
また、前記第1クラッド層300はIII-V族半導体またはII-VI族半導体からなってもよい。また、前記第2クラッド層600はI-VII族半導体からなってもよい。
一般的に半導体素子内電子の移動速度が正孔の移動速度に比べて非常に速いのでp-型半導体に電子過剰現象が生じるようになる。それは光効率を低下させる現象を惹起させる。本発明によって前記第1クラッド300及び第2クラッド層600を形成するとこのような光効率限界を克服することができる。
また、前記半導体発光装置1000は前記活性層400と前記第2クラッド層600との間に第3クラッド層500をさらに含み、前記第3クラッド層500はIII-V族半導体またはII-VI族半導体物質から形成されてもよい。
互いに異なる2つの半導体物質を接合させる異種接合は他のエネルギ-ギャップを有するので接合界面にエネルギ-バンドの不連続が生じるようになる。そのために格子常数がよく合わなければならないので材料選択に限界があり、階段接合問題を解決しなければならないという難しさがある。しかし、前記半導体発光装置1000はIII-V族半導体またはII-VI族半導体物質を含む第3クラッド層500を形成してヘテロエピタキシャル成長(Hetero-epitaxial growth)の際バッファ-となる。前記第3クラッド層500上にI-VII族半導体を成長させることで格子不整合による欠陥が源泉的に解決できる。
また、前記第2半導体層上に透明電極層800をさらに含んでいてもよい。
前記透明電極層800はNi/Au、ITO、CTO、TiWN、IN、SnO、CdO、ZnO、CuGaO、及びSrCuのうちいずれか一つの物質から製造されてもよい。
また、本発明による前記半導体発光装置1000は蛍光体層をさらに含んでいてもよく、それは多様な照明及びディスプレ-に製品に適用可能である。
本発明による発光ダイオ-ドは、半導体素子及び蛍光体が含まれた光変換層を含んでいてもよい。前記半導体素子は基板、n-型半導体層、第1クラッド層、活性層、第2クラッド層、p-型半導体層を含んでいてもよい。この際、前記n-型半導体は基板上にIII-V族半導体またはII-VI族半導体から形成されてもよい。また、前記第1クラッド層はn-型半導体層上にIII-V族半導体またはII-VI族半導体から形成される。また、前記活性層は前記第1クラッド層上にIII-V族半導体またはII-VI族半導体から形成されてもよい。また、前記第2クラッド層は前記活性層上にI-VII族半導体から形成されてもよい。また、前記p-型半導体層は前記第2クラッド層上にI-VII族半導体から構成されてもよい。
また、前記発光ダイオ-ドは前記活性層と第2クラッド層との間に第3クラッド層をさらに含み、前記第3クラッド層はIII-V族半導体またはII-VI族半導体から形成されてもよい。
また、本発明による半導体発光装置製造方法S1000によると、基板を準備する段階S100、n-型半導体を形成する段階S200、第1クラッド層を形成する段階S300、活性層を形成する段階S400、第2クラッド層を形成する段階S500及びp-型半導体を形成S600する段階を含んでいてもよい。前記n-型半導体を形成する段階S200はIII-V族半導体またはII-VI族半導体物質を含むn-型半導体を使用することができ、前記基板上に形成されてもよい。また、前記第1クラッド層を形成する段階S300は前記n-型半導体上に形成されてもよい。また、前記活性層を形成する段階S400は前記第1クラッド層上に形成され、前記活性層はIII-V族半導体またはII-VI族半導体物質を含んでいてもよい。また、前記第2クラッド層を形成する段階S500は前記活性層上に形成されてもよい。また、前記p-型半導体を形成する段階S600は前記第2クラッド層上に形成され、前記p-型半導体はI-VII族半導体を含んでいてもよい。
また、前記半導体発光装置製造方法は、前記活性層を形成する段階S400と前記第2クラッド層を形成する段階S500との間に第3クラッド層を形成する段階をさらに含んでいてもよい。また、前記第3クラッド層はIII-V族半導体またはII-VI族半導体物質を含んでいてもよい。
また、前記半導体発光装置製造方法S1000は各段階が順次にまたは2つの段階以上が同時に行われてもよいが順序を限定してはいない。
また、前記p-型半導体を形成する段階は物理的気相蒸着方法(PVD:Physical Vapor Deposition)または化学的気相蒸着方法(CVD:Chemical Vapor Deposition)を通じてI-VII族半導体を蒸着させることができる。また、前記p-型半導体を形成する段階は前記400℃~600℃の温度を保持してI-VII族半導体を蒸着して結晶を成長させることができる。
また、前記I-VII族半導体はCuCl、CuBr、CuI、AgIのうちいずれか一つ、または2つ以上の組合からなってもよい。また、前記CuClはバンドギャップが3.3eCのdirect band gap半導体で紫外線領域のバンドギャップを有していて可視光線領域で透明であってディスプレ-応用に可能である。
また、前記III-V族半導体はGaN、GaP、GaAs、InP、AIGaN、AIGaP、AlInGaN、InGaAs、GaAsPのうちいずれか一つ、または2つ以上の組合からなってもよい。
また、前記II-VI族半導体はCdO、CdS、CdTe、ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdZnTe、HgCdTe、HgZnTeのうちいずれか一つ、または2つ以上の組合からなってもよい。
図4は本発明の半導体発光素子、発光ダイオ-ド及び半導体製造方法によって製造されたLEDの例示的な一実施形態の例を示す断面図である。
図4を参照すると、LED内に本発明による半導体発光装置1000を実装することができる。フレ-ム1(10)上に前記半導体発光装置1000を接着し、半導体発光装置1000の第1電極210をワイヤ2(40)によってフレ-ム2(20)に接合し、前記半導体発光装置1000の第2電極710をワイヤ1(30)によってフレ-ム1(10)に接合させることができる。また、透明な樹脂からなったハウジング50で周辺をモ-ルディングして前記LEDを製造することができる。
また、本発明による半導体発光装置1000、半導体発光ダイオ-ド及び半導体発光装置製造方法S1000によると、多様なディスプレ-製品に活用可能であり太陽電池及び電気自動車用バッテリ-などに適用可能である。
以上、本発明の実施形態によって詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者であれば、本発明の思想と精神を離れることなく、本発明を修正または変更できる。

Claims (18)

  1. 基板と、
    前記基板上にIII-V族半導体またはII-VI族半導体から形成された第1半導体層と、
    前記第1半導体層上に形成された第1クラッド層と、
    前記第1クラッド層上にIII-V族半導体またはII-VI族半導体から形成された活性層と、
    前記活性層上に形成された第2クラッド層と、
    前記第2クラッド層上にI-VII族半導体から形成された第2半導体層と、
    前記第2半導体層上に形成された透明電極層と、
    を含むことを特徴とする半導体発光装置。
  2. 前記第1半導体層はn-型半導体であり、前記第2半導体層はp-型半導体から構成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
  3. 前記第1クラッド層はIII-V族半導体またはII-VI族半導体を含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
  4. 前記第2クラッド層はI-VII族半導体を含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
  5. 前記活性層と前記第2クラッド層との間に第3クラッド層をさらに含み、
    前記第3クラッド層はIII-V族半導体またはII-VI族半導体から形成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
  6. 前記I-VII族半導体はCuCl、CuBr、CuI、AgIのうちいずれか一つ、または2つ以上の組合からなることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
  7. 前記第1半導体層および前記活性層の前記III-V族半導体は、GaN、GaP、GaAs、InP、AlGaN、AlGaP、AlInGaN、InGaAs、GaAsPのうちいずれか一つ、または2つ以上の組合からなることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
  8. 前記第1半導体層および前記活性層の前記II-VI族半導体はCdO、CdS、CdSe、CdTe、ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdZnTe、HgCdTe、HgZnTeのうちいずれか一つ、または2つ以上の組合からなることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光装置。
  9. 半導体素子と、
    蛍光体が含まれた光変換層を含み、
    前記半導体素子は、
    基板と、
    前記基板上にIII-V族半導体またはII-VI族半導体から形成されたn-型半導体層と、
    前記n-型半導体層上にIII-V族半導体またはII-VI族半導体から形成された第1クラッド層と、
    前記第1クラッド層上にIII-V族半導体またはII-VI族半導体から形成された活性層と、
    前記活性層上にI-VII族半導体から形成された第2クラッド層と、
    前記第2クラッド層上にI-VII族半導体から構成されたp-型半導体層と、を含むことを特徴とする発光ダイオ-ド。
  10. 前記活性層と前記第2クラッド層との間に第3クラッド層をさらに含み、前記第3クラッド層はIII-V族半導体またはII-VI族半導体から形成されることを特徴とする請求項9に記載の発光ダイオ-ド。
  11. 前記第2クラッド層および前記p-型半導体層の前記I-VII族半導体はCuCl、CuBr、CuI、AgIのうちいずれか一つ、または2つ以上の組合からなることを特徴とする請求項9に記載の発光ダイオ-ド。
  12. 前記n-型半導体層、前記第1クラッド層、および前記活性層の前記III-V族半導体はGaN、GaP、GaAs、InP、AlGaN、AlGaP、AlInGaN、InGaAs、GaAsPのうちいずれか、一つまたは2つ以上の組合からなることを特徴とする請求項9に記載の発光ダイオ-ド。
  13. 前記n-型半導体層、前記第1クラッド層、及び前記活性層の前記II-VI族半導体は、CdO、CdS、CdSe、CdTe、ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdZnTe、HgCdTe、HgZnTeのうちいずれか一つ、または2つ以上の組合からなることを特徴とする請求項9に記載の発光ダイオ-ド。
  14. 基板を準備する段階と、
    前記基板にIII-V族半導体またはII-VI族半導体物質を含むn-型半導体を形成する段階と、
    前記n-型半導体上にIII-V族半導体またはII-VI族半導体物質を含む第1クラッド層を形成する段階と、
    前記第1クラッド層上にIII-V族半導体またはII-VI族半導体物質を含む活性層を形成する段階と、
    前記活性層上にI-VII族半導体を含む第2クラッド層を形成する段階と、
    第2クラッド層上にI-VII族半導体を含むp-型半導体を形成する段階と、を含むことを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
  15. 前記活性層を形成する段階と前記第2クラッド層を形成する段階との間に第3クラッド層を形成する段階をさらに含み、前記第3クラッド層はIII-V族半導体またはII-VI族半導体物質を含むことを特徴とする請求項14に記載の半導体発光装置の製造方法。
  16. 前記第2クラッド層および前記p-型半導体の前記I-VII族半導体はCuCl、CuBr、CuI、AgIのうちいずれか一つ、または2つ以上の組合からなることを特徴とする請求項14に記載の半導体発光装置の製造方法。
  17. 前記第1クラッド層および前記活性層の前記III-V族半導体はGaN、GaP、GaAs、InP、AlGaN、AlGaP、AlInGaN、InGaAs、GaAsPのうちいずれか一つ、または2つ以上の組合からなることを特徴とする請求項14に記載の半導体発光装置の製造方法。
  18. 前記n-型半導体、前記第1クラッド層、および前記活性層の前記II-VI族半導体物質は、CdO、CdS、CdSe、CdTe、ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdZnTe、HgCdTe、HgZnTeのうちいずれか一つ、または2つ以上の組合からなることを特徴とする請求項14に記載の半導体発光装置の製造方法。
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