KR20070007105A - 화합물 반도체 발광 다이오드 - Google Patents

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Abstract

III-V족 화합물 반도체를 포함하는 발광층, 및 발광층 상에 제공되고 III-V족 화합물 반도체를 포함하는 전류 확산층을 포함하는 화합물 반도체 발광 다이오드는 전류 확산층이 도전성 붕소-인화물-기반 반도체를 포함하고 실온에서 상기 발광층보다 더 넓은 대역갭을 가지는 것을 특징으로 한다.
발광 다이오드, 화합물, III-V족, 전류 확산층, 발광층

Description

화합물 반도체 발광 다이오드{COMPOUND SEMICONDUCTOR LIGHT-EMITTING DIODE}
본 발명은 발광층으로 기능하는 III-V족 화합물 반도체층을 구비하는 화합물 반도체 발광 다이오드(이하에는, 화합물 반도체 LED로 지칭됨)에 관한 것으로, 여기에서 LED는 발광층의 넓은 영역에 걸쳐 LED 동작 전류를 확산시키기 위한 전류 확산층을 구비함으로써 높은 방출 세기를 유도한다.
알루미늄 갈륨 인듐 인화물 혼합된 결정(조성식: AlXGaYInZP: 0≤X, Y, Z≤1, X+Y+Z=1)으로 구성된 발광층을 구비하는 LED는 녹색광 내지 적색광에 대응하는 파장을 가지는 광을 방출하는 것으로 알려져 있다(Y. Hosokawa et al., J. Crystal Growth, Vol. 221(2000), Holland, p. 652-656을 참조하라).
상기 언급된 Y. Hosokawa et al.에 개시된 바와 같이, 더 짧은 파장을 가지는 가시광을 방출하는 발광층은 일반적으로 AlxGaYInZP로 형성되고, 약 2eV의 실온에서 비교적 큰 대역갭을 나타낸다.
일반적으로, 그러한 발광층은 클래딩 층(cladding layer)이 결합되어 방사 재결합 효율을 향상시키고 높은-세기의 광 방출을 달성하기 위한 이질접합을 형성 하는 이질접합 구조를 가지고 있다.
AlXGaYInZP로 형성된 발광층에서, 이질 접합을 형성하도록 결합되는 배리어층으로서 기능하는 클래딩 층은 발광층보다 더 넓은 대역갭을 나타내는 AlXGaYInZP로 형성된다. 캐리어-제한 효과가 달성되지만, 클래딩층은 넓은 대역폭을 나타내는 반도체 층으로 형성되므로, 그러한 클래딩층이 일반적으로 넓은 범위의 발광층에 걸쳐 디바이스를 동작하기 위한 전류(즉, 디바이스 동작 전류)를 확산시키기에는 불충분하다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 하나의 종래 기술에 따른 기술은 넓은 범위의 발광층에 걸쳐 디바이스 동작 전류를 확산시키기 위한 클래딩 층 상의 전류 확산층을 채용한다(미국특허 제5,008,718호를 참조하라).
전류 확산층은 디바이스 동작 전류를 넓게 확산시키기 위해 비교적 좁은 대역폭(예를 들면, 발광층의 대역폭보다는 작음)을 나타내는 반도체 재료로 구성된다.
예를 들면, 알루미늄 갈륨 비소(조성식: AlXGaYAs: 0≤X,Y≤1)로 구성된 전류 확산층이 AlXGaYInZP로 구성된 발광층 상에 제공되는 오렌지-발광 또는 적색-발광 화합물 반도체 발광 다이오드가 개시되어 있다(예를 들면, 일본 특허 미심사 공보 제11-4020호에서 페이지 4, 문단 [0010]을 참조하라).
그러나, 그러한 좁은 대역갭을 나타내는 반도체 재료로 형성된 전류 확산층은 본질적으로 발광층에 의해 방출된 광을 흡수한다. 그러므로, 발광층이 높은-세 기의 광 방출을 달성하기 위한 이질 접합을 가지고 있더라도, 전류 확산층이 광 추출 측상의 발광층 영역 상에 제공되는 종래의 구성을 LED가 가지고 있는 한, 높은 세기의 LED가 일관되고 신뢰성있게 생산될 수 없다.
한편, 인듐 주석 복합 산화막(ITO로 약함)과 같은 광학적으로 투명한 재료로 형성된 전류 확산층을 가지는 LED가 개시되어 있다(예를 들면, 일본특허 미심사공보 제2001-144330호를 참조하라).
ITO와 같은 투명한 산화물은, 넓은 대역갭 및 낮은 저항을 나타내는 것에 의해, 광이 외부에 추출되는 윈도우 층으로서 기능하는 전류 확산층을 형성하기 위한 재료로서 채용될 수 있다.
그러나, 투명한 산화물은 일반적으로 III-V족 화합물 반도체와 일관되게 저항성 컨택트를 유지하는데 어려움을 가지고 있고, 넓은 영역에 걸친 디바이스 동작 전류의 확산은 달성될 수 없다.
상기 문제를 극복하기 위해, 상기 언급된 일본 특허 미심사 공보 제2001-144330호는 복수의 저항성 전극들이 III-V족 화합물 반도체로 구성된 클래딩 층 상에 이산되어 제공되는 전극 구성의 채용을 통해 발광층에 걸쳐 디바이스 동작 전류를 확산시키기 위한 기술을 개시하고 있다.
그러나, 저항성 전극이 이산되어 제공되는 경우, LED 또는 다른 디바이스를 생산하기 위해 성가신 단계들이 필요하고, 이는 문제가 된다.
LED에 포함된 전류 확산층은 넓은 범위의 발광층에 걸쳐 디바이스 동작 전류를 충분하게 확산시키고 발광층으로부터 방출된 광이 방출된 광을 흡수하지 않고 외부에 추출될 수 있도록 하기 위해, 광학적으로 투명한 재료로 형성되는 것이 요구된다. 상기 조건을 만족시키기 위해, 전류 확산층은 실온에서 발광층보다 더 넓은 대역갭을 나타내어야 한다.
그러나, 전류 확산층이 종래에 채용되는 AlXGaYAs(0≤X,Y≤1)로 형성되는 경우, 충분히 낮은 저항을 나타내는 도전체층을 형성하기 어렵다. 환언하면, 디바이스 동작 전류를 적합하게 확산시키는 전류 확산층이 신뢰성있게 형성될 수 없다는 단점이 존재한다.
그런데, 구성 성분으로서 아연(Zn)을 포함하는 II-VI족 화합물 반도체 층은 산화되기 쉽다. 뛰어난 동작 신뢰성의 발광 디바이스를 제조하기 위해서는, 그러한 II-VI족 화합물 반도체 층은 반산화 방지막으로 코팅되어야 한다. 그러한 추가 동작은 디바이스 제조 단계를 더 성가시게 한다.
전류 확산층으로 기능하는 다른 재료인, ITO와 같은 산화물 재료는 클래딩 층으로서 기능하는 III-V족 화합물 반도체와 같은 반도체와 뛰어난 저항성 컨택트를 신뢰성있게 달성하지 못한다. 그러므로, 클래딩 층과, 투명한 산화물 재료 또는 유사한 재료로 형성되는 전류 확산층간의 전기 저항이 증가되고, 이는 낮은 순방향 전압(Vf)을 나타내는 LED의 제조에 불리하다.
본 발명은 종래 기술과 관련된 상기 언급된 문제들을 해결하려는 시도에서 고안되었다. 그러므로, 본 발명은 디바이스 동작 전류가 발광층에 걸쳐 확산되도록 유발하는데 양호한 저자항 도전체 층을 용이하게 형성할 수 있고 광학적으로 투명하며 LED에 포함된 III-V족 화합물 반도체와 뛰어난 저항성 컨택트를 달성하는 화합물 반도체 재료로부터 전류 확산층의 제공을 통해 순방향 전압을 포함하는 뛰어난 전기 특성을 나타내는 화합물 반도체 LED를 제공한다.
따라서, 본 발명은 이하에 관한 것이다.
(1) III-V족 화합물 반도체를 포함하는 발광층, 및 발광층 상에 제공되고 III-V족 화합물 반도체를 포함하는 전류 확산층을 포함하는 화합물 반도체 발광 다이오드에 있어서, 전류 확산층은 도전성 붕소-인화물-기반 반도체를 포함하고 실온에서 발광층보다 더 넓은 대역갭을 가지는 것을 특징으로 한다.
(2) 상기 1에 기재된 화합물 반도체 발광 다이오드에서, 전류 확산층은 붕소 모노포스파이드(monophosphide), 조성식 BαGaγIn1 -α-γP(0<α≤1, 0≤γ<1)로 표시되는 붕소 갈륨 인듐 인화물, 조성식: BP1 -δNδ(0≤δ<1)로 표시되는 붕소 질화물 인화물, 및 조성식 BP1 -δAsδ로 표시되는 붕소 비소화물 인화물 중에서 적어도 하나의 종류를 포함한다.
(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 화합물 반도체 발광 다이오드에서, 전류 확산층의 실온에서의 대역갭과 발광층의 실온에서의 대역갭의 차이는 0.1eV 이상을 차지한다.
(4) 상기 (1) 내지 (3) 중 임의의 하나에 기재된 화합물 반도체 발광 다이오드에서, 전류 확산층은 실온에서 2.8eV 내지 5.0eV의 대역갭을 가지고 있다.
(5) 상기 (1) 내지 (4) 중 임의의 하나에 기재된 화합물 반도체 발광 다이오드에서, 전류 확산층은 실온에서 1x1019cm-3의 캐리어 농도, 실온에서 5x10-2Ω·m 이하의 저항율, 및 50nm 내지 5,000nm의 두께를 가지고 있다.
(6) 상기 (1) 내지 (5) 중 임의의 하나에 기재된 화합물 반도체 발광 다이오드에서, 다이오드는 전류 확산층과 발광층 사이에, III-V족 화합물 반도체를 포함하는 클래딩 층을 포함하고, 클래딩 층은 실온에서 발광층보다 더 넓고 전류 확산층보다 더 좁거나 같은 대역갭을 가지고 있다.
(7) 상기 (6)에 기재된 화합물 반도체 발광 다이오드에서, 클래딩 층은 알루미늄, 갈륨 및 인듐을 포함하는 III-V족 화합물 반도체를 포함하고, 전류 확산층은 알루미늄, 갈륨 및 인듐에서 선택된 적어도 하나의 종류를 포함하는 붕소-인화물-기반 반도체를 포함한다.
(8) 상기 (6) 또는 (7)에 기재된 화합물 반도체 발광 다이오드에서, 다이오드는 조성 구배를 가지고 있고 붕소-인화물-기반 반도체를 포함하는 조성-그레이딩된 층을 포함하고, 조성-그레이딩된 층은 전류 확산층 및 클래딩 층으로서 기능한다.
(9) 상기 (1) 내지 (8) 중 임의의 하나에 기재된 화합물 반도체 발광 다이오드에서, 발광층은 조성식 AlXGaYInZP(0≤X,Y,Z≤1, X+Y+Z=1)로 표시되는 알루미늄 갈륨 인듐 인화물 혼합된 결정을 포함하고, 전류 확산층 및 클래딩 층 중 적어도 하나는 어떠한 불순물 원소도 의도적으로 첨가되지 않은 미도핑된 붕소-인화물-기반 반도체를 포함한다.
(10) 상기 (1) 내지 (9) 중 임의의 하나에 기재된 화합물 반도체 발광 다이오드에서, 저항성 컨택트 전극은 전류 확산층 또는 조성-그레이딩된 층에 결합된다.
도 1은 예 1의 LED의 개략적인 단면도이다.
도 2는 예 2의 LED의 개략적인 단면도이다.
참조부호의 설명
10, 20 : LED
11 : 스택된 구조
100 : GaAs 기판
101 : p형 버퍼층
102 : p형 하부 클래딩층
103 : n형 발광층
104 : n형 상부 클래딩 층
105 : 전류 확산층
106 : n형 저항성 전극
107 : p형 저항성 전극
108 : 조성-그레이딩된 층
본 발명의 화합물 반도체 발광 다이오드는 III-V족 화합물 반도체로 구성된 발광층 및 발광층 상에 제공되는 전류 확산층을 포함한다.
전류 확산층은 III-V족 화합물 반도체 타입인 붕소-인-기반 반도체로 구성되고, 발광 다이오드를 동작시키기 위한 순방향 디바이스 동작 전류가 발광층에 걸쳐 확산되도록 한다.
전류 확산층은 실온에서 넓은 대역폭을 가지고 있고 붕소-인-기잔 반도체 층으로 구성되며, 디바이스 동작 전류가 클래딩 층 및 발광층에 걸쳐 확산되도록 하고, 방출된 광이 외부에 추출되는 윈도우 층으로서 효율적으로 기능한다.
본 발명에 따르면, 전류 확산층은 실온에서 발광층보다 더 넓은 대역갭을 가지고 있고, 저저항 붕소-인-기반 반도체로 구성된다. 그러므로, 디바이스 동작 전류는 넓은 발광 영역에 걸쳐 확산될 수 있다. 뿐만 아니라, 전류 확산층은 광학적으로 투명하고, III-V족 화합물 반도체층으로 구성된 발광층에 대해 뛰어난 저항성 컨택트 특성을 나타내며, 용이하게 형성될 수 있다.
그러므로, 순방향 전압을 포함하여 뛰어난 전기적 특성을 나타내고, 발광 영역에서 일정한 방출 세기를 달성하며, 일정한 발출 세기를 가지는 방출된 광을 흡수하지 않고 광을 외부에 투과하는 화합물 반도체 발광 다이오드가 생산될 수 있다.
LED는 전류 확산층과 발광층 사이에 III-V족 화합물 반도체로 구성된 클래딩층을 더 포함하고, 클래딩층은 실온에서 발광층보다 더 넓고 전류 확산층보다는 더 좁거나 같은 대역갭을 가진다. 그러므로, 대역갭은 화합물 반도체 발광 다이오드 의 깊이 방향으로 발광층으로부터 전류 확산층으로 점진적으로 가변될 수 있으므로, 낮은 순방향 전압을 나타내는 화합물 반도체 발광 다이오드가 제공될 수 있다.
전류 확산층 및 클래딩 층은 넓은 대역갭을 가지고 있고 저저항 도전성 붕소-인-기반 반도체로 형성되는 경우, 발광층의 거의 전체 영역으로부터 거의 일정한 세기의 광을 방출할 수 있는 화합물 반도체 발광 다이오드가 제공될 수 있다.
발광층이 알루미늄 갈륨 인듐 인화물 혼합된 결정(조성식: AlXGaYInZP: 0≤X,Y,Z≤1, X+Y+Z=1)으로 구성되는 경우, 전류 확산층은 구성 요소로서 인을 포함하는 미도핑된 붕소 인화물로부터 형성된다. 그 구조의 채용을 통해, 전류 확산층의 대역갭이 증가함으로써, 전기 저항을 감소시킨다.
그러므로, 디바이스 동작 전류가 발광층의 거의 전체 표면에 걸쳐 확산하도록 유발할 수 있고 발광층의 거의 전체 영역으로부터 관심사가 되는 파장의 일정한 세기의 광을 방출하는 화합물 반도체 발광 다이오드가 제공될 수 있다.
여기에 이용되는 바와 같이, 용어 "붕소-인화물-기반 반도체"는 큐빅 섬아연광 결정 구조를 가지고 있고 실체 원소로서 붕소(B) 및 인(P)을 포함하는 III-V족 화합물 반도체를 지칭한다. 예들은 조성식:BαAlβGaγIn1 -α-β-γP1 -δAsδ(0<α≤1, 0≤β<1, 0≤γ<1, 0<α+β+γ≤1, 0≤δ<1)로 표시되는 화합물, 및 조성식: BαAlβGaγIn1-α-β-γP1 -δNδ(0<α≤1, 0≤β<1, 0≤γ<1, 0<α+β+γ≤1, 0≤δ<1)로 표시되는 화합물을 포함한다.
이들 중에서, 산화되기 쉬운 원소(예를 들면, 알루미늄(Al))를 전혀 포함하 지 않는 반도체 화합물은 본 발명에 특히 양호하게 채용된다. 예들은 붕소 모노포스파이드(BP), 조성식 BαGaγIn1 -α-γP(0<α≤1, 0≤γ<1)로 표시되는 붕소 갈륨 인듐 인화물, 및 조성식 BP1 -δNδ(0≤δ<1)로 표시되는 붕소 질화 인화물 및 조성식 BαP1-δAsδ로 표시되는 붕소 비소화 인화물을 포함하고, 이들은 복수의 V족 원소를 포함하는 혼합된 결정이다.
본 발명에 따른 전류 확산층은 도전성 붕소-인화물-기반 반도체로 구성되고 실온에서 발광층보다 더 넓은 대역갭을 가지고 있다.
실온에서 전류 확산층의 대역갭과 실온에서 발광층의 대역갭의 차이는 양호하게는 0.1eV 이상이다. 차이가 0.1eV 이상인 경우, 형성된 전류 확산층은 충분히 윈도우 층으로서 기능한다.
대역갭은 흡광도(=h· ν)의 광자 에너지 종속성에 기초하거나 굴절율(n)과 소광 계수(k)의 곱(=2n·k)의 양자 에너지 종속성에 기초하여 결정될 수 있다.
예를 들면, 청색-발광 화합물 반도체 발광 다이오드의 발광층이 III-V족 화합물 반도체로 구성되고 실온에서 2.7eV의 대역갭을 가지고 있는 경우, 붕소-인화물-기반 반도체로 구성되고 실온에서 2.8eV 내지 5.0eV의 대역갭을 가지고 있는 전류 확산층이 발광층 상에 제공된다.
양호하게는, 전류 확산층은 붕소-인화물-기반 반도체로 구성되고 실온에서 2.8eV 내지 5.0eV의 대역갭을 가지고 있다. 상기 조건들이 만족되는 경우, 전류 확산층은 가시광(예를 들면, 적색 내지 녹색광)을 외부에 투과시킬 수 있고, 따라 서 윈도우 층으로서 기능한다.
붕소-인화물-기반 반도체로 구성된 전류 확산층이 5.0eV를 넘는 대역갭을 가지고 있는 경우, 전류 확산층과 발광층 또는 클래딩층간의 에너지 갭은 과도하게 증가하고, 이는 낮은 순방향 전압 또는 임계 전압을 나타내는 화합물 반도체 발광 다이오드를 제조하는데 바람직하지 못하다.
양호하게는, 전류 확산층은 실온에서 1x1019cm-3 이상의 캐리어 농도, 실온에서 5x10-2Ω·m 이하의 저항, 및 50nm 내지 5,000nm의 두께를 가지고 있다.
그러한 저저항 붕소-인화물-기반 반도체 층은 발광층으로부터 방출된 광이 외부에 투과되는 윈도우 층으로서도 기능하는 전류 확산층으로서 효율적으로 채용된다.
붕소-인화물-기반 반도체로 구성된 전류 확산층은 할로겐 방법, 할로겐화물 방법, 또는 MOCVD(금속-유기 화학적 증착), 또는 분자-빔 에피택시(J. Solid State Chem., 133(1997), p. 269-272를 참조할 것)와 같은 증기 상태 성장 수단을 통해 형성된다.
예를 들면, n형 붕소 모노포스파이드(BP)로 구성된 전류 확산층은 트라이에틸보레인(triethylborane)(분자식: (C2H5)3B) 및 포스파인(phosphine)(분자식: PH3)을 소스로 이용하여 대기압(대기압 근처) 또는 감압된 MOCVD를 통해 형성될 수 있다.
n형 붕소 모노포스파이드(BP)로 구성된 전류 확산층의 형성 동안의 소스 공 급 비율(V/III 비율, 예를 들면, PH3/(C2H5)3B)은 양호하게는 200 이상이고, 더 양호하게는 400 이상이다.
여기에 이용되는 바와 같이, 용어 "V/III 비율"은 붕소을 포함하는 III족 원소의 원자 농도에 대한 인을 포함하는 V족 원소의 원자 농도의 비율을 지칭하고, 이들 소스들은 증기 상태 성장 존에 공급된다.
형성 온도 및 V/III 비율뿐만 아니라 형성 레이트의 정확한 제어를 통해, 발광층으로부터 방출된 광을 거의 흡수하지 않고 넓은 대역갭을 나타내는 붕소-인화물-기반 반도체로 구성된 전류 확산층이 형성될 수 있다.
n형 BP 층 형성 온도는 양호하게는 700℃ 내지 1,000℃이다.
유사하게, p형 붕소 모노포스파이드(BP)로 구성된 전류 확산층은 트라이에틸보레인(triethylborane)(분자식: (C2H5)3B) 및 포스파인(phosphine)(분자식: PH3)을 소스로 이용하여 대기압(대기압 근처) 또는 감압된 MOCVD를 통해 형성될 수 있다.
p형 BP층 형성 온도는 양호하게는 1,000℃ 내지 1,200℃이다. 층 형성 동안의 소스 공급 비율(V/III 비율; 예를 들면, PH3/(C2H5)3B)은 양호하게는 10 내지 50이다.
특히 형성 레이트가 2nm/min 내지 30nm/min으로 제어되는 경우, 붕소 모노포스파이드로 구성되고 실온에서 2.8eV의 대역갭을 나타내는 전류 확산층이 생성될 수 있다(일본특허출원서 제2002-158282호를 참조하라).
다음으로, 방사 재결합을 향상시키기 위해, III-V족 화합물 반도체로 구성된 클래딩 층이 III-V족 화합물 반도체로 구성된 발광층에 결합되어 높은 세기의 광을 방출하는 화합물 반도체 발광 다이오드의 다른 실시예가 설명된다.
상기 실시예에서, 전류 확산층은 클래딩 층 상에 제공된다. 그러므로, 클래딩 층은 발광층과 전류 확산층 사이에 개재된다.
전류 확산층은 양호하게는 실온에서 클래딩 층보다 더 넓은 대역갭을 가지고 있다. 대역갭 조건 하에서, 발광층으로부터 방출된 광은 광 흡수가 가능한 한 효율적으로 방지되는 동안에, 외부에 투과될 수 있다.
특히 양호하게는, 클래딩 층은 실온에서 발광층보다 넓고 전류 확산층보다 좁거나 같은 대역갭을 가지고 있다. 대역갭 조건 하에서, 대역갭은 전류 확산층으로부터 발광층을 향하여 감소하여, LED의 순방향 전압 및 LD의 임계값의 증가가 방지될 수 있다.
클래딩 층이 조성식 AlXGaYInZP(0≤X,Y,Z≤1, X+Y+Z=1)로 표시되는 화합물, 또는 III족 원소로서 기능하는 Al, Ga 및 In을 포함하는 유사한 화합물과 같은 III-V족 화합물 반도체로 형성되는 경우, 전류 확산층은 Al, Ga 및 In에서 선택된 적어도 하나의 종류를 포함하는 붕소-인화물-기반 반도체로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 조건하에서, 클래딩 층의 표면 상에 제공되는 III족 원소(Al, Ga, 및 In)는 클래딩 층 상의 전류 확산층의 형성 동안에 이들 원소들을 구성 원소로서 포함하는 전류 확산층의 성장을 촉진시킨다. 그러므로, 전류 확산층이 용이하게 형 성될 수 있고, 클래딩 층에 대해 뛰어난 접착력을 나타낸다.
Al, Ga 및 In에서 선택된 적어도 하나의 종류를 포함하는 붕소-인화물-기반 반도체의 예들은 상기 언급된 조성식 BαGaγIn1 -α-γP(0<α≤1, 0≤γ<1)로 표시되는 붕소 갈륨 인듐 인화물, 조성식 BαP1 -αPδ(0<α<1)로 표시되는 붕소 인듐 인화물 및 조성식 BαIn1 -αP1 -δAsδ(0<α<1, 0<δ<1)로 표시되는 붕소 인듐 비소화 인화물을 포함한다.
불순물 원소가 의도적으로 첨가되는 도핑된 III-V족 화합물 반도체(예를 들면, 아연(Zn)-도핑된 AlXGaYInZP)가 클래딩 층으로서 제공되는 경우, 클래딩 층으로부터 확산하는 불순물 원소(아연)는 발광층의 캐리어 농도 및 도전 타입을 가변시킨다. 이 경우에, 관심사가 되는 전압에서 벗어난 순방향 전압(Vf)이 인가되거나, 관심사가 되는 파장에서 벗어난 파장의 광이 방출될 수 있다.
이에 비해, 미도핑된(즉, n형 또는 p형) 붕소-인화물-기반 반도체는 미도핑된 상태에서 낮은 전기 저항을 나타낸다.
그러므로, 클래딩 층은 양호하게는 미도핑된 붕소-인화물-기반 반도체로 형성된다. 클래딩 층이 낮은 불순물 원소 양을 가지고 있으므로, 발광층으로 확산하는 불순물 원소의 양이 감소될 수 있으므로, 다르게는 외부 불순물 원소의 확산에 의해 야기될 발광층의 특성 악화가 방지될 수 있다. 뿐만 아니라, 발광층에 걸친 디바이스 동작 전류의 확산은 저저항에 의해 용이하게 될 수 있다.
한편, 어떠한 불순물 원소도 의도적으로 첨가되지 않는 미도핑된 붕소-인화 물-기반 반도체가 전류 확산층으로서 제공되는 경우, 클래딩 층에 의해 달성되는 것과 동일한 효과가 달성될 수 있다.
미도핑된 붕소-인화물-기반 반도체로 구성된 클래딩 층 또는 전류 확산층은 넓은 대역갭을 가지고 있다. 그러므로, 발광층이 조성식 GaXIn1-XN(0≤X≤1)로 표시되는 갈륨 인듐 질화물 또는 조성식 GaN1-YPY(0≤Y≤1)로 표시되는 갈륨 질화물 인화물인 경우, 미도핑된 붕소 모노포스파이드 층이 n형 또는 p형 클래딩 층으로서 채용될 수 있다.
특히 발광층이 구성 원소로서 인을 포함하는 화합물 반도체 재료(예를 들면, 조성식: AlXGaYInZP(0≤X,Y,Z≤1, X+Y+Z=1))로 구성되는 경우, 미도핑된 붕소 모노포스파이드 층이 클래딩 층으로 채용되는 것이 더 바람직하다.
발광층이 구성 원소로서 다량의 인을 포함하는 경우, 발광층과 전류 확산층 또는 클래딩층으로서 기능하는 붕소-인화물-기반 반도체 층간의 인 원자 농도의 차이가 감소된다. 그러므로, 전류 확산층 또는 클래딩 층으로부터 발광층까지의 P 원자들의 확산이 억제되어, 발광층의 악화가 방지될 수 있다.
클래딩층이 발광층으로 결합되는 화합물 반도체 발광 다이오드에서, 조성 구배를 가지고 있고 붕소-인화물-기반 반도체로 구성된 조성-그레이딩된 층은 양호하게는 전류 확산층 및 클래딩 층으로서 기능하도록 제공된다.
조성-그레이딩된 층에서, 조성 구배는 대역갭이 두께 증가 방향(즉, 발광층으로부터 전류 확산층의 상부로)으로 증가하도록 제공된다.
예를 들면, 조성-그레이딩된 층이 붕소 갈륨 인화물(B1-XGaXP: 0≤X≤1)로 구성되는 경우, 조성 구배는 붕소(B) 조성 비율(=1-X)이 증가하고 갈륨(Ga) 조성 비율(=X)은 감소하도록 두께 증가 방향으로 제공된다. 특히, 조성 구배는 발광층과 접촉하고 있는 조성-그레이딩된 층의 부분이 0의 붕소 조성 비율(=1-X)을 가지는 갈륨 인화물(GaP)로 형성되도록 제공된다. 층 두께가 클래딩 층으로부터 전류 확산층을 향하여 증가함에 따라, 붕소 조성 비율이 증가한다. 전류 확산층의 상부 부분은 1의 붕소 조성 비율을 가지는 BP로 형성된다.
조성 구배를 가지는 그렇게-제공된 조성-그레이딩된 붕소-인화물-기반 반도체 층은 실온에서 갈륨 인화물의 대역갭을 2.2eV에서 예를 들면, 2.8eV 이상으로 상승시킬 수 있고, 전류 확산층 및 클래딩 층으로서 기능할 수 있다.
대역갭이 전류 확산층으로부터 발광층을 향하여 점진적으로 감소하는 조성 구배를 가지는 붕소-인화물-기반 반도체 층(조성-그레이딩된 층)을 제공함으로써, LED의 순방향 전압 및 LD의 임계값의 증가가 방지될 수 있다.
전류 확산층 및 클래딩 층으로서 기능하는 조성-그레이딩된 층이 형성되는 경우, 대역갭이 선형, 단차별(step-by-step), 또는 커브형 변화 프로파일로 변경되도록 조성 구배가 제공된다.
클래딩 층으로서 기능하는 조성-그레이딩된 층의 일부에 조성 구배가 제공되어, 대역갭은 두께 증가 방향으로 점진적으로 증가한다.
전류 확산층 또는 조성-그레이딩된 층 상에, n형 또는 p형 저항성 전극이 제 공된다. 전류 확산층 또는 조성 그레이딩된 층이 n형 붕소-인화물-기반 반도체로 구성되는 경우, 저항성 전극은 금(Au)-게르마늄(Ge)과같은 금(Au) 합금으로부터 형성될 수 있다.
전류 확산층 또는 조성-그레이딩된 층이 p형 붕소-인화물-기반 반도체로 구성되는 경우, 저항성 전극은 종래에 채용된 니켈(Ni), 니켈 합금, 금(Au)-아연(Zn) 합금, 금(Au)-베릴륨(Be) 합금, 등으로부터 형성될 수 있다.
저항성 전극이 다층 구조를 가지고 있는 경우, 최상부 층은 본딩을 용이하게 하기 위해 금(Au) 또는 알루미늄(Al)으로 형성되는 것이 바람직하다. 저항성 전극이 3층 구조를 가지고 있는 경우, 기저부와 최상층 사이에 제공된 중간층은 변이 금속(예를 들면, 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 또는 백금(Pt))으로 형성될 수 있다.
붕소-인화물-기반 반도체로 구성된 전류 확산층 또는 조성-그레이딩된 층의 채용을 통해, 전류 확산층 또는 조성-그레이딩된 층이 클래딩 층과 같은 또 하나의 층보다 더 넓은 대역갭을 가지고 있는 경우라도, 뛰어난 저항성 컨택트를 나타내는 전극이 전류 확산층 또는 조성-그레이딩된 층 상에 형성될 수 있다.
뛰어난 저항성 전극이 형성될 수 있는 이유는 다음과 같다. AlXGaYAs 또는 AlXGaYInZP로 구성되는 종래 전류 확산층과 비교할 때, 붕소-인화물-기반 반도체로 구성된 전류 확산층 또는 조성-그레이딩된 층은 더 작은 이온 결합 특성을 나타낸다. 그러므로, 대역갭이 넓더라도, 종래 반도체 재료와 비교할 때, 현저하게 낮은 저항을 나타내는 도전층을 얻을 수 있다. 붕소-인화물-기반 반도체 중에서, 미도 핑된 상태의 붕소 모노포스파이드(BP)는 용이하게 1019cm-3 내지 1020cm-3의 높은 캐리어 농도를 가지는 도전층을 용이하게 제공할 수 있다. 그러므로, 붕소-인화물-기반 반도체로 구성된 전류 확산층 또는 조성-그레이딩된 층은 넓은 대역갭에 의해 외부에 추출된 방출광에 대한 뛰어난 투과율을 나타낸다. 전류 확산층 또는 조성-그레이딩된 층 상에, 낮은-컨택트-저항의 저항성 전극이 형성될 수 있다.
예제들
<예 1>
다음으로, 본 발명은 붕소 모노포스파이드 반도체로 구성된 전류 확산층을 구비하는 붕소 포스파이드 LED의 예를 참조하여 상세하게 설명된다.
도 1은 이중-동질(double-hetero, DH) 접합 구조 및 그 스택된 구조(11)를 가지는 예 1의 붕소 인화물 LED(10)의 개략적인 단면도이다. 도 1은 개략도이므로, 컴포넌트 층의 치수(예를 들면, 두께 비율)는 실제 값과 다르다.
스택된 구조(11)는 아연(Zn)-도핑된 p형(100)-갈륨 비소화물(GaAs) 단일-결정 기판(100) 상에 이하의 층들, 즉 아연-도핑된 p형 GaAs 버퍼 층(101), 아연-도핑된 알루미늄 갈륨 인듐 인화물 혼합된 결정((Al0.70Ga0.30)0.50In0.50P)으로 구성된 하부 클래딩 층(102), (Al0.14Ga0.86)0.50In0.50P로 구성된 미도핑된 n형 발광층(103), 및 (Al0.70Ga0.30)0.50In0.50P로 구성된 셀레늄(Se)-도핑된 n형 상부 클래딩 층(104)을 통해 형성되었다(J. Korean Association of Crystal Growth, 11(5)(2001), p.207-210을 참조하라).
층들(101 내지 104)은 종래 감압 MOCVD 수단을 통해 기판 상에 증기-상태 성장되었다.
(Al0.70Ga0.30)0.50In0.50P로 구성된 상부 클래딩 층(104) 상에, 미도핑된 n형 붕소 인듐 인화물(B0.40In0.60P)이 피착되어, 전류 확산층(105)을 형성한다.
n형 붕소 인듐 인화물로 구성된 전류 확산층(105)은 붕소(B) 소스로서 트리에틸렌보레인(분자식: (C2H5)3B)을, 인듐 소스로서 트리메틸인듐(분자식: (CH3)3In)을, 그리고 인 소스로서 포스파인(분자식: PH3)을 이용하여 대기압(대기압 근처) 금속-유기 증기 상태 에피택시(MOVPE)를 통해 형성되었다.
전류 확산층(105)은 실온에서 약4.3eV의 대역갭, 즉 800의 V/III 비율, 700℃의 성장 온도, 및 30nm/min의 성장 레이트를 가지는 붕소 모노포스파이드(BP)의 형성 동안에 채용되는 동일한 조건 하에서 형성되었다.
전류 확산층(105)을 형성하는 n형 붕소 인듐 인화물의 붕소(B) 조성 비율은 GaAs에 래티스-매칭을 하지 않고 넓은 대역갭을 달성하도록 0.40으로 제어되었다. n형 붕소 인듐 인화물로 구성된 전류 확산층(105)은 700nm의 두께를 가지고 있다.
그렇게 형성된 전류 확산층(105)은 미도핑된 n형 B0.40In0.60P로 구성되고 실온에서 2.5eV의 대역갭을 가지고 있는 것으로 나타났다.
실온에서의 캐리어 농도 및 저항율은 1x20cm-3 및 2x10-2Ω·m인 것으로 나타났다.
전류 확산층(105)의 전체 표면 상에, 금-게르마늄(Au/Ge) 합금막, 니켈(Ni) 막, 및 금(Au) 막은 종래의 진공 증착 및 전자-빔 증착을 통해 순차적으로 피착되었다.
이어서, Au-Ge 합금막으로 형성된 기저 표면을 가지는 상기 언급된 3층 전극이 와이어 본딩을 위한 패드 전극으로서도 기능하는 n형 저항성 전극(16)이 제공되었던 부분에 독점적으로 남아있도록, 공지된 포토리소그래피 기술을 통해 금속막이 선택적으로 패터닝되었다.
n형 저항성 전극(106)이 제공되었던 영역과는 달리, 전류 확산층(105)으로서 기능하는 n형 붕소 인듐 인화물 층의 표면을 노출하도록 에칭을 통해 금속막(Au-Ge 합금막을 포함함)이 제거되었다.
포토레지스트 재료의 제거 후, n형 붕소 인듐 인화물 층은 구조를 발광 디바이스(칩)로 절단하기 위한 래티스-패턴 홈을 제공하도록 다시 선택적으로 패터닝되었다. 홈들은 50㎛의 라인 폭을 가지고 있고, 기판(100)의 <110> 결정 배향과 동일한 방향으로 제공되었다.
그런 다음, n형 붕소 인듐 인화물 층의 그렇게-형성된 래티스-패턴이 염소-포함 할로겐 혼합 기체를 채용하는 플라즈마 건식 에칭을 통해 선택적으로 제거되었다.
p형 GaAs 단결정 기판(100)의 전체 후방 표면 상에, 금-베릴륨(Au-Be) 막이 종래 진공 증착을 통해 피착되어, p형 저항성 전극(107)을 형성하였다.
GaAs 기판(100)은 50㎛의 라인 폭을 가지고 있고 기판(100)의 <110> 결정 배 향과 동일한 방향으로 제공된 상기 언급된 슬립형 홈을 따라 틈이 만들어져 정사각형(350㎛ X 350㎛) LED 칩(10)을 생산하였다.
LED 칩(10)의 방출 특성은 순방향 디바이스 동작 전류(20mA)가 n형 저항성 전극(106)과 p형 저항성 전극(107) 사이에 흐르도록 되었을 때 평가되었다. LED 칩(10)은 610nm의 방출 중앙 파장을 가지는 적색(약간 오렌지색) 광을 방출하는 것으로 나타났다.
광 방출은 n형 저항성 전극(106)의 프로젝션 영역외의 발광층(103)의 거의 전체 표면에 거쳐 가시적으로 관찰되었다. 방출된 광의 근계 패턴은, 상기 프로젝션 영역 이외의 발광층(103)으로부터 방출된 광이 거의 균일한 세기를 가진다는 것을 나타내었다. 전형적인 적분구를 통해 결정된 바와 같이, 수지-몰딩 이전에 각 칩으로부터 방출된 광의 휘도는 40mcd였다.
전류 확산층(105)은 넓은 대역갭을 가지고 있고 저저항 n형 붕소 인듐 인화물로 구성되어 있으므로, 발광층(103)으로부터 방출된 광이 외부에 투사되는 윈도우 층으로서도 전류 확산층(105)이 기능하였다.
n형 저항성 전극(106)이 저저항 n형 붕소 인듐 인화물로 구성된 전류 확산층(105) 상에 제공되었으므로, 순방향 전압(Vf)이 2.3V로 낮아질 수 있었다. 10㎂의 역전류가 인가된 경우, 역전압은 8V를 초과했다.
<예 2>
다음으로, 본 발명은 붕소 조성 구배를 가지고, 전류 확산층 및 클래딩 층 양쪽으로서 기능하는 붕소-인화물-기반 반도체 층(조성-그레이딩된 층)을 가지는 붕소 인화물 반도체 LED의 예를 참조하여 상세하게 설명된다.
도 2는 예 2의 붕소 인화물 LED(20)의 개략적인 단면도이다. 도 1과 유사하게, 도 2는 개략도이므로, 컴포넌트 층의 치수(예를 들면, 두께 비율)는 실제값과 다르다.
도 1에 도시된 붕소 인화물 LED(10)에 채용된 것과 동일한 부재는 동일한 참조 번호로 표시되고, 그 상세한 설명은 생략된다.
예 2에서, 예 1의 붕소 인화물 LED(10)에 채용되고 (Al0.70Ga0.30)0.50In0.50P로 구성된 셀레늄(Se)-도핑된 n형 상부 클래딩 층(104)은 박막 클래딩 층으로서 제공되었다(이하에서는, 층은 동일한 숫자(104)로 표시된다). 박막 클래딩 층 상에, 미도핑된 붕소 갈륨 인화물 혼합된 결정(BαGa1-αP: 0<α<1)으로 구성된 조성-그레이딩된 층(108)이 형성되었다.
셀레늄(Se)-도핑된 n형 (Al0.70Ga0.30)0.50In0.50P로 구성된 박막 클래딩 층(104)은 층의 두께가 75nm로 조정되었다는 것을 제외하고는, 예 1의 상부 클래딩 층(104, 두께: 5㎛)을 형성하기 위해 채용된 것과 동일한 절차를 통해 형성되었다.
BαGa1 -αP(0<α<1)로 구성된 조성-그레이딩된 층(108)은 750℃에서 (C2H5)3B/(CH3)3Ga/PH3 시스템을 이용하여 감압 MOCVD를 통해 형성되었다. 두께는 740nm로 조정되었다. 조성-그레이딩된 층(108)의 붕소(B) 조성 비율(α)은 층과 박막 클래딩 층(104)간의 접합 경계에서 0.05로 조정되었다. 붕소 조성 비율은 (CH3)3Ga의 공급을 줄이며 시간 경과되고 막 두께가 증가함에 따라 일정한 레이트로 증기 상태 성장 시스템에 (C2H5)3B의 공급을 유지시킴으로써 선형 조성 구배를 구비하고 있었다. 특히, 상부 표면의 붕소(B) 조성 비율(α)이 1.0이 되도록 조성-그레이딩된 층이 형성되었다(즉, 붕소 인화물(BP)의 형성).
BαGa1 -αP로 구성된 조성-그레이딩된 층(108)의 표면부는 8x1018cm-3의 캐리어 농도 및 6x10-2Ω·m의 저항율을 가지는 것으로 나타났다.
조성-그레이딩된 층(108)의 굴절율 및 소광 계수는 종래의 타원계를 이용하여 결정되었고, 결정된 굴절율 및 소광 계수로부터 계산된 조성 그레이딩된 층(108)의 평균 대역갭은 약 3.1eV였다. 특히, 표면부(표면으로부터 약 100nm의 깊이까지)는 실온에서 약 4.0eV의 대역갭을 가지는 것으로 나타났다. 따라서, 조성-그레이딩된 층(108)은 윈도우 층 및 전류 확산층으로서 기능하는 클래딩 층으로 채용될 수 있다.
깊이 방향의 조성-그레이딩된 층(108)의 인(P) 농도 프로파일은 종래 SIMS 수단을 통해 결정되었다. 박막 클래딩 층(104)을 통해 조성-그레이딩된 층(108)에 포함된 다량의 인의 발광층(103)으로의 어떠한 상당한 확산도 관찰되지 않았다.
예 1과 유사한 방식으로, 원형 평면(직경: 약 130㎛)을 가지는 n형 저항성 전극(106)은 조성-그레이딩된 층(108)의 중앙부 상에 제공되었다. 예 1과 유사하게, Au-Be 합금으로 구성된 p형 저항성 전극(107)이 GaAs 기판(100)의 전체 후방측 표면 상에 형성되었다. p형 저항성 전극(107)을 형성하는 Au-Be 합금막은 약 2㎛의 두께를 가지고 있다.
n형 저항성 전극(106)의 형성 후, 래티스형 절단 라인은 기판(100)의 [1,-1,0] 및 [-1,-1,0] 결정 배향과 동일한 방향으로 (100)-GaAs 단결정 기판(100) 상에 제공되었고, 기판은 절단 라인을 따라 절단되어 정사각형 평면(400㎛ x 400㎛)을 가지는 LED 칩(20)을 생산하였다.
LED 칩(20)은 순방향 전류(20mA)가 n형 저항성 전극(106) 및 p형 저항성 전극(107) 사이에 흘러지도록 야기되었을 때 평가되었다. LED 칩(20)은 방출 중심 파장이 610nm인 적색-오렌지 광을 방출하는 것으로 나타났고, 이는 바람직했다. 방출된 광의 관찰된 근계 패턴은 각 칩(20)의 중앙에 제공된 n형 저항성 전극(106) 이외의 영역으로부터 방출된 광이 거의 균일한 세기를 가지고 있다는 것을 나타냈다.
상기 결과는, 본 발명에 따르면, 종래 기술에서 발광 면에 걸쳐 디바이스 동작 전류의 확산을 달성하기 위해 채용되었던, 클래딩 층의 표면 상에 복수의 작은 저항성 전극을 의도적으로 제공하지 않고서도 디바이스 동작 전류의 확산이 발광층(103)의 넓은 영역에 걸쳐 균일하게 달성될 수 있다는 것을 나타낸다. 전형적인 적분구를 통해 결정되는 바와 같이, 발광된 광의 휘도는 약 44mcd였다.
전류 확산층 및 윈도우 층으로서 기능하는 조성-그레이딩된 층(108)에서, 대역갭은 전류 확산층 표면으로부터 발광층(103)을 향하여 점진적으로 감소되었다. 그러므로, 20mA의 순방향 전류에서 순방향 전압은 2.3V로 낮아졌고, 10㎂의 역전류 에서의 역전압은 8V인 것으로 나타났다.
본 발명의 LED는 다양한 방출 파장의 III-V족 화합물 반도체 발광층을 가지는 화합물 반도체 LED로서 이용될 수 있다. 특히, 높은 휘도를 달성하는 본 발명의 LED는 표시 디바이스를 위한 LED, 광 통신 장치와 같은 전자 장치를 위한 LED로서 이용될 수 있다.

Claims (10)

  1. III-V족 화합물 반도체를 포함하는 발광층, 및 상기 발광층 상에 제공되고 III-V족 화합물 반도체를 포함하는 전류 확산층을 포함하는 화합물 반도체 발광 다이오드로서,
    상기 전류 확산층은 도전성 붕소-인화물-기반 반도체를 포함하고 실온에서 상기 발광층보다 더 넓은 대역갭을 가지는 것을 특징으로 하는 화합물 반도체 발광 다이오드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전류 확산층은 붕소 모노포스파이드(monophosphide), 조성식 BαGaγIn1 -α-γP(0<α≤1, 0≤γ<1)로 표시되는 붕소 갈륨 인듐 인화물, 조성식: BP1 -δNδ(0≤δ<1)로 표시되는 붕소 질화물 인화물, 및 조성식 BP1 -δAsδ로 표시되는 붕소 비소화물 인화물 중에서 적어도 하나의 종류를 포함하는 화합물 반도체 발광 다이오드.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전류 확산층의 실온에서의 대역갭과 상기 발광층의 실온에서의 대역갭의 차이는 0.1eV 이상을 차지하는 화합물 반도체 발광 다이오드.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전류 확산층은 실온에서 2.8eV 내지 5.0eV의 대역갭을 가지고 있는 화합물 반도체 발광 다이오드.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전류 확산층은 실온에서 1x1019cm-3 이상의 캐리어 농도, 실온에서 5x10-2Ω·m 이하의 저항율, 및 50nm 내지 5,000nm의 두께를 가지고 있는 화합물 반도체 발광 다이오드.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전류 확산층과 상기 발광층 사이에, III-V족 화합물 반도체를 포함하는 클래딩 층을 포함하고, 상기 클래딩 층은 실온에서 상기 발광층보다 더 넓고 상기 전류 확산층보다 더 좁거나 같은 대역갭을 가지고 있는 화합물 반도체 발광 다이오드.
  7. 제6항에 있어서, 상기 클래딩 층은 알루미늄, 갈륨 및 인듐을 포함하는 III-V족 화합물 반도체를 포함하고, 상기 전류 확산층은 알루미늄, 갈륨 및 인듐에서 선택된 적어도 하나의 종류를 포함하는 붕소-인화물-기반 반도체를 포함하는 화합물 반도체 발광 다이오드.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 조성 구배를 가지고 있고 붕소-인화물-기반 반도체를 포함하는 조성-그레이딩된 층을 포함하고, 상기 조성-그레이딩된 층은 상기 전류 확산층 및 상기 클래딩 층으로서 기능하는 화합물 반도체 발광 다이오드.
  9. 제1항에 있어서, 상기 발광층은 조성식 AlXGaYInZP(0≤X,Y,Z≤1, X+Y+Z=1)로 표시되는 알루미늄 갈륨 인듐 인화물 혼합된 결정을 포함하고, 상기 전류 확산층 및 상기 클래딩 층 중 적어도 하나는 어떠한 불순물 원소도 의도적으로 첨가되지 않은 미도핑된 붕소-인화물-기반 반도체를 포함하는 화합물 반도체 발광 다이오드.
  10. 제1항에 있어서, 상기 저항성 컨택트 전극은 상기 전류 확산층 또는 상기 조성-그레이딩된 층에 결합되는 화합물 반도체 발광 다이오드.
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