KR20090086942A - 가변 파장 발광 다이오드 - Google Patents

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츄 벵 소
수 진 추아
하리오노 하르토노
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에이전시 포 사이언스, 테크놀로지 앤드 리서치
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Abstract

발광 다이오드 및 발광 다이오드의 제작 방법이 제공된다. 상기 다이오드는 MQWs(multiple quantum wells)의 제1 세트로서, 상기 제1 세트의 상기 MQWs 각각은 상기 각 MQW의 웰층내에 QDs(quantum dots) 또는 QD-유사 구조들에 대한 핵성장 장소를 제공하는 웨팅층을 포함하는, MQWs의 제1 세트; 및 MQWs의 제2 세트로서, 상기 제2 세트의 MQWs 각각은 상기 제1 세트의 상기 MQWs에 대해 시프트된 PL(photoluminescence) 피크 파장을 표시하기 위해 형성되는, MQWs의 제2 세트를 포함한다.
발광 다이오드, MQWs, QDs, 웰층, 웨팅층

Description

가변 파장 발광 다이오드{Tunable Wavelength Light Emitting Diode}
본 발명은, 광범위하게는 발광 다이오드 및 발광 다이오드의 제조 방법에 관한 것이다.
발광 다이오드(LEDs)는 실외 풀 컬러 표시, 교통 신호, 데이터 저장, 고체 상태 광 및 통신과 같은 많은 애플리케이션에 이용되어 왔다. 현재, LEDs는 단지 특정 파장에서 광을 발산할 수 있다. 화이트 LEDs는 블루, 그린 및 레드라는 세 개의 기본 색을 가진 광을 발산하는 세 개의 분리된 LEDs로 구성된다. 기존 다이오드들은 무기물의 합성 반도체, 일반적으로 AlGaAs (레드), AlInGaP (오렌지-옐로우-그린) 및 InGaN (그린-블루)으로 만들어진다. 이러한 다이오드들은 합성 반도체의 밴드갭(bandgap)에 대응되는 주파수를 갖는 단일 광을 발산한다. 이러한 다른 매질들의 성능 저하 시간에 있어서의 차이는 시간에 걸쳐 획득된 화이트 면에서 문제를 야기할 수 있다. 또한, 이것은 형광체 기반 화이트 LEDs에 적용되며, 여기서 형광체들의 성능 저하에 대한 다른 비율은 화이트 광을 성장할 수 있는 장치의 수명이 장치 자체의 수명보다도 단축시키는 이유이다. 이러한 접근과 함께 추가적인 문제는 낮은 발산 효율, 재고 손실 및 형광체 층과 같은 복잡한 포장이 장치에 결합되어야 한다는 것을 포함한다. 이것은 LEDs의 비신뢰성을 초래한다. 풀 컬러 표시에 있어서, LEDs는 역광 조명에 이용되고, LEDs는 각 성분 파장에 대한 일정 비율의 세기를 갖는 광을 발산한다는 것이 본질적이다.
형광체에 기초한 LEDs에 있어서, 형광체 코팅은 블루 LEDs를 보다 넓은 스펙트럼에 걸친 광(일반적으로 옐로우)으로 변환시키는데 이용될 수 있다. 옐로우 및 블루 광의 결합은 화이트 광을 발산시킬 수 있다. 또는, 멀티-형광체 혼합은 3원 색의 레드-그린-블루(RGB)와 같은 광을 성장하는데 이용될 수 있다. 그러나, 형광체가 단지 특정 파장에서 광을 발산할 수 있기 때문에 옐로우, 그린 또는 시안(cyan)의 범위는 가변될 수 없다. 게다가, 블루, 그린 및 레드 LEDs 각각은 독립적으로 처리되고 피드백이 필요하기 때문에 상기 접근은 비용이 비싸고 복잡하다.
LEDs 중에서, 그룹 III-질화물 기반 LEDs는, 그 밴드갭이 변경되고, 자외선에서부터 이 원 및 삼 원의 합금, 예를 들어, AIN, AlxGa1-xN, InyGa1-yN 및 InN을 이용한 적외선-레드까지 넓은 발산 스펙트럼을 커버하기 때문에 광전자 분야에서 상당한 관심을 이끌어내 왔다. InGaN/GaN MQWs(multiple quantum wells)는 상기 그룹 III-질화물 기반 LEDs 및 레이저 다이오드(LDs)의 활성 영역에 자주 적용된다. 그러나, 특히, 높은 인듐(In) 컨텐츠가 그린 또는 레드 LEDs와 같은 긴 파장 애플리케이션에 결합되어야 하는 경우 InGaN/GaN MQWs의 에피 성장(epitaxial growth)은 큰 문제점을 일으킨다. 더군다나, 발광에 있어 빛 출력 효율은 파장이 길어지거나 In 결합이 높아질수록 낮아지는 경향이 있다. 성장 온도를 낮추는 것은 In 결합을 증가시킬 수 있으나, 결정체의 품질을 저하시키기 때문에, PL(Photoluminescence) 세기를 감소시키는 결과를 초래한다.
최근에, PL 발산에 있어서 레드-시프트(red-shift)를 얻기 위해, 인듐 양자 점(Indium quantum dots)이 차외 다수[차수진 외 다수. US 2004/0023427 A1, 공개일: 2004.02.05]에 의해 조사되었다. 싱글 및 멀티플 InxGa1-xN/ InyGa1-yN QWs(quantum wells)에서 임베디드된 InN(Indium Nitride) 및 InGaN(Indium-rich Indium Gallium Nitride) 양자점들은 MOCVD 성장 동안에 계면불활성(antisurfactant)과 같은 TMIn(trimethyIndium)을 이용함으로써 형성된다. 그리고, 광루미네슨스 파장은 480 내지 530 nm에서 시프트되어 왔다.[J. Zhang 다수. Appl. Phys. Lett. v80, p485-487, 2002] 그러나, 그러한 기술을 이용하는 LEDs의 성장은 단지 MQWs로부터 그린 발산을 제공한다. 현재, InGaN/GaN MQWs로부터 레드 발산을 획득할 가능성을 없다. Perez-Solorzano과 동료들[Perez-Solorzano외 다수. Appl. Phys. Lett. v87, p163121-1, 2005]은 피라미드 InGaN QDs에 의해 제어되는 위치에서 근-레드(near-red) 발산에 관하여 발표해 왔다. 그러나 레드 발산을 제공하는 GaN 기반 LED에 관한 발산은 없다. 실질적으로 가시적인 레드-오렌지 및 옐로우 광원은 AlInGaP을 이용하여 획득된 반면, 밝은 그린, 블루 및 바이올릿(violet) LEDs는 GaN 기반 물질 시스템으로부터 제조된다. 그러나, 이러한 다이오드들이, 함께 추가되었을 때, 충분한 밝기를 갖는 풀 컬러 표시를 제공한다 할지라도, 가변 파장을 가진 광을 발산할 수 있는 싱글 MQW 구조는 없다.
US 특허 출원 공개 US 2005/0082543은 넓은 밴드갭 매질들 및 광전자 공학 장치의 결점이 낮은 나노구조에 대한 제조를 개시한다. 나노석판술로 정의된 템플리트는 넓은 밴드갭 매질들의 나노구조에 대한 성형에 이용되며 형광체- 단일 화이트 발광 다이오드의 제조에 이용되어 왔다. 상기 제조는 다른 파장들을 갖는 광을 성장시키기 위해 QDs의 크기를 가변하는 것을 포함한다. 화이트 광은 30% 레드 광, 59% 그린 광 및 11% 블루 광을 성장시키기 위해 만들어진 QDs를 혼합함으로써 총체적으로 성장된다. 나노-패턴 기판은 SiO2 또는 석판 인쇄 기술을 이용하는 다른 패턴 마스크의 이용을 포함한다. 그리하여, 상기 제조는 다른 컬러 발산을 제공하는 QDs 패턴의 형태를 성장하는데 특정 탬플리트를 요구한다. 그리고 이것은 결과물 LEDs의 복잡성 및 비용을 증가시킨다.
US 특허 출원 공개 US 2003/127660 A1은 지점이 선택된 컬러에 대한 2차적인 광을 발산하도록 1차적인 광원 및 호스트 매트릭스에서 임베디드된 QDs를 포함하는 전자 장치를 개시한다. 상기 호스트 매트릭스는 다양한 크기 분배를 가진 양자 지점들 및 고체 투명 프레폴리머(prepolymer) 콜로이드로 구성된다. 상기 양자 지점은 ZnS ZnSe, CdSe 및 CdS와 같은 매질들로 구성된다. 예를 들어, 고체 상태 광원은 상기 지점들을 조명하여 그것들이 그들 크기 분배에 따른 컬러 특성을 가진 광루미네슨스 광(photoluminescence light)이 되도록 하는데 이용된다. 상기 광은 순수 컬러(양자 지점들의 균일한(monodisperse) 크기 분배에 대응) 또는 혼합된 컬러(양자 지점들의 다분산계의(polydisperse) 크기 분배에 대응)일 수 있다. 그러나 다시 상기 제조는 특정 "템플리트(template)" 여기서 화합물의 호스트 매트릭스를 요구한다. 게다가, 상기 제조는 이질적인 매질들을 이용하는 QDs의 수행을 요구하는데, 이것은 루미네슨스를 소멸시킬 수 있다. 그리하여, 이 제조 기술은 복잡하고, 그리하여 잠정적으로 소멸된 루미네슨스를 갖는 LEDs의 비용을 증가시킨다.
그리하여, 상기한 문제들 중 적어도 하나를 해결하기 위해 추구되는 발광 장치를 제공하는 것이 필요하다.
본 발명의 일 실시예에 따른, MQWs(multiple quantum wells)의 제1 세트로서, 상기 제1 세트의 상기 MQWs 각각은 상기 각 MQW의 웰층(well layer)내에 QDs(quantum dots) 또는 QDs-유사 구조들을 위한 핵성장 장소(nucleation sites)를 제공하는 웨팅층(wetting layer)을 포함하는, MQWs의 제1 세트; 및 MQWs의 제2 세트로서, 상기 제2 세트의 상기 MQWs 각각은 상기 제1 세트의 상기 MQWs와 비교하여 시프트된 PL(photoluminescence) 피크 파장을 나타내기 위해 형성되는, 상기 MQWs의 제2 세트를 포함하는 발광다이오드가 제공된다.
상기 QDs 또는 QD-유사 구조들은 인듐 원자들을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 MQWs의 제1 세트는 약 3 내지 5 MQWs를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 MQWs의 제2 세트는 약 2 내지 5 MQWs를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제2 세트의 상기 MQWs 각각은 Ga-기반 베리어 층(barrier layer) 및 상기 Ga-기반 베리어 층 상에 형성되는 Ga-기반 웰층(well layer)을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제1 세트의 상기 MQWs 각각은 Ga-기반 베리어 층, 상기 Ga-기반 베리어 층상에 형성된 InGa-기반 웨팅층, 및 상기 InGa-웨팅층상에 형성된 Ga-기반 웰층을 포함하는 것이 바람직하다.
MQWs의 제1 세트는 n형 도핑된 Ga-기반 층상에 형성되고, MQWs의 제2 세트는 상기 MQWs의 제1 세트 상에 형성되며, Ga-기반 캐핑된(capped) 층은 상기 MQWs의 제2 세트에 형성되고, p형 도핑된 Ga-기반 층은 상기 Ga-기반 캐핑된 층상에 형성되는 것이 바람직하다.
상기 발광 다이오드는 상기 n형 도핑된 Ga-기반 층 및 상기 p형 도핑된 Ga-기반 층 각각에 접촉하는 전기적 접점들(electrical contacts)을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 MQWs의 제1 및 제2 세트는 기판상에 지지되는 것이 바람직하다.
상기 MQWs는 InGa/Ga, InGa/AlGa, Ga/AlGa 및 InGa/AlInGa로 구성된 그룹인 하나의 매질 시스템(one material system)을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 MQWs는 상기 매질 시스템의 질화물(nitride) 또는 인화물(phosphide)을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 다이오드의 혼합된 PL 스펙트럼은 약 400-800 nm의 가변적인 파장 범위를 커버하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 관점에 따른, 발광 다이오드 제조 방법이 제공되며, 상기 방법은 MQWs(multiple quantum wells)의 제1 세트를 형성하는 단계로서, 상기 제1 세트의 상기 MQWs 각각은 상기 각 MQW의 웰층내에 QDs(quantum dots) 또는 QD-유사 구조들을 위한 핵성장 장소들을 제공하는 웨팅층을 포함하는, MQWs의 제1 세트를 형성하는 단계; 및 MQWs의 제2 세트를 형성하는 단계로서, 상기 제2 세트의 상기 MQWs 각각은 상기 제1 세트의 상기 MQWs와 비교하여 시프트된 PL(photoluminescence) 피크 파장을 표시하기 위해 형성된, MQWs의 제2 세트를 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 QDs 또는 QD-유사 구조들은 In 원자들을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 MQWs의 제1 세트는 약 3 내지 5 MQWs를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 MQWs의 제2 세트는 약 2 내지 5 MQWs를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제2 세트의 상기 MQWs 각각은 Ga-기반 베리어 층 및 상기 Ga-기반 베리어 층상에 형성된 InGa-기반 웰층을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제1 세트의 상기 MQWs 각각은 Ga-기반 베리어 층, 상기 Ga-기반 베리어 층상에 형성된 InGa-기반 웨팅 층, 및 상기 InGa-기반 층상에 형성된 Ga-기반 웰층을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 MQWs의 제1 세트는 n형 도핑된 Ga-기반 층상에 형성되고, 상기 MQWs의 제2 세트는 상기 MQWs의 제1 세트상에 형성되며, Ga-기반 캐핑된 층은 상기 MQWs의 제2 세트상에 형성되고, 그리고 p형 도핑된 Ga-기반 층은 상기 Ga-기반 캐핑된 층상에 형성되는 것이 바람직하다.
상기 방법은 상기 n형 도핑된 Ga-기반 층 및 상기 p형 도핑된 Ga-기반 층 각각에 접촉하기 위한 전기적 접점들(electrical contacts)을 형성하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 MQWs의 제1 및 2 세트는 기판상에 지지되는 것이 바람직하다.
상기 MQWs의 제1 세트는 상기 MQWs의 제2 세트보다 낮은 온도에서 형성되는 것이 바람직하다.
상기 MQWs의 제2 세트는 상기 MQWs의 제2 세트보다 높은 In 선행물 유입(a higher In precursor flow)과 함께 형성되는 것이 바람직하다.
상기 MQWs는 InGa/Ga, InGa/AlGa, Ga/AlGa 및 InGa/AlInGa로 구성된 그룹인 하나의 매질 시스템(one material system)을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 MQWs는 상기 매질 시스템의 질화물 또는 인화물을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예들은 하기 작성된 설명으로부터, 단지 예에 불과한 것으로, 도면과 결합하여, 당업자에게 보다 잘 이해되고 더욱 명확해진다.
도 1은 일 실시예에 따른 LED 샘플 구조의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1의 LED에서 p형 InGaN의 표면 구조에 대한 SEM 이미지를 나타낸다.
도 3 내지 15는 일 실시예에 따른 발광장치의 제조를 설명하기 위한 개략적인 단면도들을 나타낸다.
도 16은 일 실시예에 따른 LED의 I-V 특성을 나타낸다.
도 17은 도 16의 LED로부터 듀얼 PL 피크 발산 스펙트럼을 설명하는 그래프이다.
도 18은 도 16의 LED에서 MQWs의 듀얼 세트를 나타내는 단면 TEM 이미지이 다.
도 19는 도 16의 LED를 대한 색도 다이어그램, CIE, 상의 다른 전압에서 발산에 대한 컬러 코디네이트를 표시한다. 다음 포인트는 다음 전압 범위에 대응된다. 포인트 (A),: 3-4V, 포인트 (B): 5-7V, 포인트(C): 8- 10V, 포인트 (D): 11 -20V.
일 실시예에서 LEDs의 성장(growth)은 MOCVD(metalorganic chemical vapour deposition) 시스템을 이용하여 수행되었다. TMGa(Trimethylgallium), TMIn(TrimethlyIndium), TMA(Trimethylaluminium), Cp2Mg(Magnesium) 및 SiH4(silane)는 선행물(precursor)로 이용되었다. 수소 및 질소는 요소들의 효과적인 결합을 위한 캐리어 기체(carrier gas)로 이용되었다.
LEDs에서, MQWs의 두 세트(도 1의 100, 102를 참조하라)는 다른 파장에서 발산(emission)을 얻기 위해 다른 온도에서 성장되었다. 높은 온도의 GaN 층(도 1의 층 3을 참조하라) 이후에, 여기서 상기 높은 온도 GaN 층은, 예를 들어, 사파이어 기판(도 1의 층 1을 참조하라) 상의 낮은 온도의 GaN 버퍼(도 1의 층 2를 참조하라) 상에 성장되며, 약 3 내지 5 웰(well)들로 구성된 MQWs의 제1 세트를 성장시키기 위해, MOCVD 챔버에서의 온도는 약 700-750℃로 낮게 한다. GaN 베리어(도 1의 층 4를 참조하라)는 Si가 도핑된 약 5.0-10.0 nm의 두께로 성장된다. 여기서, ns 는 약 2.0×1017cm-3이다. 약 0.10-0.20의 x의 조합과 약 1 nm의 두께를 가진 InxGa1-xN의 얇은 웨팅층(도 1의 층 5를 참조하라)은 In 버스트 처리동안 인듐 질화물이 풍부한 QDs(Indium Nitride rich QDs)의 혼합을 강화시킨다. 인듐 선행물(Indium precursor)으로부터 In 원자는 웰층 및 InGaN QDs의 순차적인 성장에 대한 씨드층 (seed layer)(도 1의 층 6을 참조하라)으로 기능하기 위해 InGaN의 웨팅층의 불포화 결합에서 분리된다. 비계면활성제로 역할하는 TMIn의 양 및 TMIn 유입의 지속기간은 인듐이 풍부한 QDs의 성장에 중요하다. 너무 작은 유입은 QDs의 성장에 대한 충분한 씨드를 형성할 수 없고, 너무 긴 지속기간은 웰층을 거칠게 만들 수 있다는 것이 확인되었다.
MQWs의 제1 세트를 성장시킨 후에, 약 10-30nm 도핑되지 않은(undoped) GaN층(도 1의 층 7을 비교하라)은, 상기 온도가 MQWs의 제2 세트의 성장을 위해 다시 약 3O℃ 상승되기 전에, 약 720-750℃에서 성장된다. n형 GaN 베리어(도 1의 층 8을 참조하라)는 약 5.0-10.0 nm의 두께로 성장되며, InGaN(도 1의 층 9를 참조하라) 웰은 약 2.0-5.0 nm의 두께로 성장된다. MQWs의 제2 세트에 대한 성장 동안 TMIn 유입은 상기 TMI 소스의 증기 압력 및 온도에 기초하여 약 300 sccm 또는 43.0 μmol/min로 낮아진다. 보다 낮은 TMI 유입률은 PL 발산에서 블루-시프트를 제공한다는 것이 확인되었다. MQWs의 제2 세트는 약 2 내지 5 웰들로 구성된다.
MQWs의 제2 세트에 대한 성장 후에, GaN의 얇게 캐핑된 층(도 1의 층 10을 참조하라)은 약 780-800℃에서 약 15-30 nm의 두께로 성장된다. 다음으로, 두께 20-40nm(도 1의 층 11을 비교하라)의 AIaGa1-aN 층이 성장된다. 여기서 a는 0.1-0.3이다. 이것은 약 150-300 nm의 두께로 성장된 p형 InGaN 층(도 1의 층 12을 참조하라)이 뒤따른다. 마그네슘은 p-도펀트(p-dopant)로서 사용되고, 챔버에서의 성장은 약 750-800℃에서 수행된다. 상기 TMIn 유입률은 약 300 Torr보다 작은 압력과 함께 약 80-150 sccm 범위에서 설정된다. 상기 압력은, 수소 환경에서 Mg-도핑된(dopped) GaN의 얇은 에피층(epilayer)의 성장을 위해, 약 50-300 Torr로 순차적으로 낮아진다. 이것은 접촉 저항(contact resistance)을 향상시키는 것으로 확인되었다. MQWs의 제1 세트에 대한 웰층(도 1의 층 6을 비교하라)에서 In이 풍부한 InGaN 나노구조의 외방 확산(out-diffusion)을 방지하기 위하여, 기존의 p형 GaN이 인듐과 함께 도핑되며, 상기 p형 InGaN(도 1의 층 12를 참조하라)의 성장은 약 750-800℃ 범위에서 유지된다. 상기 p형 InGaN에서 상기 Mg을 활성화시키기 위해, 추가적인 in-situ annealing은 수행되지 않는다(도 1의 층 12를 참조하라).
도 1은 상기 일 예에 대한 InGaN/GaN MQWs의 두 세트(100, 102)의 개략적인 단면도를 나타낸다. 층 1은 사파이어(sapphire), 탄화 규소(Silicon carbide : SiC), 산화 아연(zinc oxide: ZnO) 또는 다른 기판일 수 있는 기판이다. 층 2는 상기 사파이어 기판 상에 GaN 핵성장(nucleation)을 촉진하기 위해, 500-550℃에서 성장된 약 25nm의 두께를 가진 낮은 온도 GaN이다. 층 3은 약 1000-1050℃에서 성장되었으며, 약 2×1017 내지 9 ×1018 cm-3.에서 집중적으로 도핑된, 고온 GaN 층이다. 층 4 내지 층 6은 MQWs의 제1 세트이다. 층 4는, 약 2×1017 내지 2×1018 cm-3에 서 집중적으로 Si가 도핑된 GaN 베리어이다. 층 5는 TMIn 버스트 전에 InxGa1-xN 전성장의 웨팅 층이다. 인듐 컨텐츠, x는 약 0.1 내지 0.2 범위이다. 층 5의 성장 후에, TMIn 및 암모니아는, 층 6이 증착(diposite)되기 전에, 인듐이 풍부한 QDs의 성장에 대한 씨드를 형성하기 위해 유입되었다. 유입률은 약 3 내지 12초 동안 약 10-80 μmol/min로 유지되는 반면에, 챔버의 온도는 TMIn 유입동안 약 10℃로 낮아진다. 층 6은 상기 임베디드 인듐이 풍부한 나노구조(104)를 가진 InyGa1-YN 웰층이다. 여기서 y>x이다. 상기 임베디드 In이 풍부한 나노구조(104)는 약 10에서 60% 범위의 인듐 컨텐츠를 갖고 있고, 보다 긴 파장에서 광을 발산한다. 층 7은 약 720-750℃에서 성장된 약 15-30nm의 도핑되지 않는 GaN이 캡핑된 층이다. 층 8-9는 MQWs의 제2 세트이며, 여기서, 온도는 MQWs의 제1 세트의 온도로부터 약 30℃ 상승되었다. MQWs의 제2 세트에서 인듐의 합성물, InzGa1-zN은, InyGa1-yN을 가진 MQWs의 제 1 세트와 비교하여 몰율(mole fractions) z < y을 가진다. 층 10은 약 780-800℃에서 약 15-30nm의 낮은 온도 GaN이 얇게 캐핑된 층이다. 층 11은 두께 20-40 nm을 가진 AlaGa1-aN 층이다. 여기서 a는 약 0.1-0.3이다. 층 12는 Mg이 도핑된 (p 형) InmGa1-mN 층이고, 여기서 m은 약 0.05-0.1이다.
도 2는 상기 p형 InGaN 층12의 표면 구조(200)에 대한 SEM(scanning electron microscopy) 이미지를 나타낸다. 표면 구조(200)는 구멍이 많은 것으로 나타난다.
그리고 나서, 쇼트키(Schottky)를 위한 처리가 수행되며, 저항이 p형 InGaN (도 1, 층 12) 및 n형 GaN(도 1, 층 3) 각각에 접촉된다. 제조 과정의 보다 상세한 설명은 도 3 내지 15를 참조하여 지금 제공될 것이다.
도 3을 참조하면, 일 실시예로, 전압을 변경하면서 레드에서 시안(cyan)까지의 광을 발산하는 장치를 제조하는 방법은 GaN 버퍼 층의 에피층(302) 및 n형 GaN 층(304)을 가진 기판(300)을 제공하는 단계를 포함한다. 상기 에피층(302)은 약 500-550℃에서 GaN의 핵성장 (버퍼) 층의 성장으로 이루어지는 반면, n형 GaN 층(304)은 1000-1050℃에서 성장된다.
다음으로, 상기 기판(300)은 상기 동일한 온도 주변에서 유지되며, Si가 도핑된 GaN 층(400)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 약 2×1017 내지 1×1018 cm-3에 대한 집중적인 도핑으로 증착된다.
상기 기판(300)은 약 상기 동일한 온도 주변에서 유지되며, InxGa1-xN 층(500)은, 여기서 x는 약 0.10 내지 0.20 범위이다, 상기 GaN 층(400) 위에 웨팅 층으로 역할을 하기 위해 형성된다. 상기 기판(300) 온도는 약 10℃ 하강하고, 약 3 내지 12초 사이에 약 10-80 μmol/min의 유입률로 인듐-선행물을 유입하면서, 도 6에 도시된 바와 같이, InwGa1-wN의 QDs-유사(quantum dots-like) 구조(600)가 형성된다. 여기서, 0.2<w <1.0이다.
다음, InwGa1-wN의 QDs-유사 구조(600)의 성장에서 도달한 상기 일정 온도에 서 상기 기판(300)을 유지하면서, 도 7에 도시된 바와 같이, InyGa1-yN 웰층(700)이 형성된다. 여기서 y>x이다. 도 4 내지 7를 참조하여 설명된 상기 단계들은 도 8에 도시된 바와 같은 MQWs 구조들(800, 802, 804)을 형성하기 위해 3번 반복된다. 여기서 상기 구조들(800, 802, 804) 각각은 층(400), 층(500), QDs-유사 구조(600) 및 웰층(700)(도 4 내지 7)을 포함한다.
다음, 상기 기판(300)은 도 3을 참조하여 위에서 설명된 단계들 동안의 온도인 약 700℃ 내지 850℃와 동일한 온도로 유지되며, GaN의 패킹된 층(900)이, 도 9에 도시된 바와 같이, 증착된다. 그리고나서, 상기 기판(300) 온도는 3O℃ 상승되고, 약 2×1017 내지 1×1018cm-3에서 집중적인 도핑을 하는 Si가 도핑된 GaN층 (1000)이, 도 10에 도시된 바와 같이, 증착된다. 상기 기판은 상기 동일한 온도 주변에서 유지되고, InzGa1-zN의 웰층(1100)이, 도 11에 도시된 바와 같이, 형성된다. 여기서 z < y이다. 도 10 및 11을 참조하여 설명된 상기 단계들은 도 12에 도시된 바와 같이 MQWs 구조들(1200, 1202)을 형성하기 위해 2번 반복된다. 상기 구조들(1200, 1202) 각각은 Si가 도핑된 GaN 층(1000) 및 웰층(1100)(도 10, 11)을 포함한다.
상기 기판(300)은 상기 동일한 온도 주변에서 유지되고 약 2×1017 내지 1×1018 cm-3에서 집중적으로 도핑하는 Si가 도핑된 GaN의 캡핑된 층(1300)이, 도 13에 도시된 바와 같이, 증착된다. 그리고 나서 상기 기판 온도는 약 3O℃ 상승되고, AlxGa1-xN 층(1400)은, 도 14에 도시된 바와 같이, 형성된다. 여기서 0.1<x<0.3이다. 상기 기판은 상기 동일한 온도 주변에서 유지되고, 약 1×1018 내지 1×1019 cm-3에서 Mg 도핑을 갖는 p형 InmGa1-mN의 캐핑된 층(1500)은, 도 15에 도시된 바와 같이, 증착된다. 여기서 m은 0.05 내지 0.10이다.
그리고나서, 상기 장치들을 접촉하기 위한 처리가 수행된다. ICP(Inductive Coupled Plasma Etching)을 이용해 도 1의 층 3(도 3의 층(304))에 도달하기 위해 메사(mesa)의 에칭은 BCl3 및 Cl2를 이용하여 수행된다. 그리고나서, n형 GaN에 n-접촉 다음으로 p형 InGaN 층(1500)에 p 접촉이 증착된다.
언급된 실시예들은 적용된 전압을 변경시킴으로써 다른 컬러 발산을 제공할 수 있는 하나의 GaN 기반 LED 패킷 칩을 생산하기 위해 시도된 것이다. 상기 LEDs의 품질면에서, 상기 실시예들은, 특히, 화이트 LEDs 또는 자동차 지시등에 적용된 때, 사용되는 LEDs 세트의 수명 차에 대한 문제점을 극복할 수 있다. GaN 기반 LEDs는 원하는 파장 발산을 생산하기 위해 상기 양자 벽(quantum well)에서 양자 점들(quantum dots)을 이용하기 때문에, 상기 다른 컬러 발산을 얻기 위해 형광체 사용과 관련된 패키지의 감손 및 어려움에 대한 문제점을 해결할 수 있다. 또한, 상기 실시예들은, 발산 파장 자체가 다이오드에 적용되는 전압을 변경시킴으로써 가변되기 때문에, 원하는 발산 파장을 얻기 위해 다색의 컬러 혼합 디바이스들의 사용을 피할 수 있다.
도 16은 일 예로서 LED의 I-V 특성을 나타낸다. 상기 실시예에서, In이 풍 부한 InGaN 나노구조들은, InGaN/GaN MQWs 성장동안, TMIn(trimethyl Indium) 버스트를 이용하여 In0.10Ga0.90N 웨팅층상에 성장된다. 이러한 In이 풍부한 InGan 나노구조들은, 계면불활성제으로서 TMIn을 이용하여 형성되며, 약 50- 80 nm에 분포하고, 상기 InGaN 웰층에 결합된 In을 강화하기 위해 핵성장 위치로서 역할을 하는 상기 구조내의 "QDs-유사" 모양으로 기능한다. 이것은, 도 17에 도시된 바와 같이, 500-700 nm 범위의 파장을 가진 넓은 PL 발산 피크(1700)를 야기시킨다. InGaN 나노구조(1800)의 엠비디드층은 도 18의 TEM(transmission electron microscopy) 이미지로부터 관찰될 수 있다. 다른 파장을 가진 발산을 생산하기 위해, MQWs의 두 세트가 수행된다. 도 17에 도시된 바와 같이, MQWs의 제1 세트는 약 500-700 nm의 넓은 발산 밴드(1700)를 제공하고, MQWs의 제2 세트는 460nm에서 발산 피크(1702)를 할 수 있다. 도 19는 색도 다이어그램, CIE(International Commission on Illumination)상의 다른 전압에서 LED의 발산에 대한 컬러 코디네이터, 특히, (a) 3-4V, (b) 5-7V, (c) 8-10V, 및 (d) 11 -20V를 나타낸다.
전압이 변경됨에 따라 가변되는 컬러를 가진 LEDs를 제조하는 능력은 수많은 중요한 애플리케이션에 유용하다. 상기 애플리케이션은 하기한 것들을 포함한다.
-조명 및 표시 용도. 이것은 간판의 조명을 포함하고, 가게, 집 및 보도에서 표시된다.
-LCD 백라이트, 키패드 광 가이드, 디지털 카메라 플래시 광, PC 모니터 백라이트. LEDs, 특히 무지개 LEDs의 사용은 컬러 투시도를 제공하기 위해 LEDs의 성 능을 보다 강화시킬 것이다.
-고체 상태 광(Solid state lighting)
-자동차 헤드라이트 및 교통 신호
구체적인 실시예에서 보인 것처럼 수많은 변형예 또는 수정안들이 본 발명의 기술적 사상이나 영역에서 벗어남이 없이 본 발명으로부터 만들어질 수 있다는 것이 당업자에게 인정될 것이다. 따라서 본 발명은 모든 관점에서 실예가 되고, 제한적인 것이 아니다.
도 1 및 3 내지 15의 개략적인 도면은 한정하지 않아야 한다는 것을 안다. 본 발명은 인화물 기반 발산 장치와 같은 다른 매질들을 커버하기 위해 적용될 수 있음도 물론이며, 상기한 인화물 기반 발산 장치는 In/Ga, InGa/AlGa, Ga/AlGa 및 InGa/AlInGa(웰/베리어) 시스템 기반 장치를 포함한다. 전압 함수로서 컬러 및 상기 디바이스들의 전반적인 파장 범위는 다른 매질간에도 변경될 수 있다는 것이 인정될 것이다. 상기 사용되는 웨팅층은 상기 웰층의 요소들에 의존한다. 동일한 터르네이(ternay) 또는 쿼터르네이(quaternay) 합금이 이용될 수 있다. 예를 들어, InxGa1-xP 웨팅층은 InyGa1-yP 웰 층에 적용된다. 여기서 x < y이다. 또한, QDs 성장을 위해 결합되는 요소들은 상기 웰층내의 요소들에 의해 또한 결정된다. In은 질화물에 대한 넓은 스펙트럼 및 필수적인 레드 시프트를 제공할 수 있기 때문에, 상기 언급된 실시예에서 In 원자들이 결합된다. GaP의 경우에, 사용되는 InP QDs는 레드 영역에서 적외선-레드까지 그 발산을 강화시킬 수 있다.

Claims (25)

  1. MQWs(multiple quantum wells)의 제1 세트로서, 상기 제1 세트의 상기 MQWs 각각은 상기 각 MQW의 웰층내에 QDs(quantum dots) 또는 QD-유사 구조들에 대한 핵성장(nucleation) 장소를 제공하는 웨팅층를 포함하는, MQWs의 제1 세트; 및
    MQWs의 제2 세트로서, 제2 세트의 상기 MQWs 각각은 상기 제1 세트의 상기 MQWs에 대해 시프트된 PL(photoluminescence) 피크 파장을 표시하기 위해 형성되는, MQWs의 제2 세트;를 포함하는 발광 다이오드.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 QDs 또는 QD-유사 구조들은 In 원자들을 포함하는 하는 발광 다이오드.
  3. 제 1항 또는 제2항에 있어서, 상기 MQWs의 제1 세트는 약 3 내지 5 MQWs를 포함하는 발광 다이오드.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 MQWs의 제2 세트는 약 2 내지 5 MQWs를 포함하는 발광 다이오드.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 세트의 상기 MQWs 각각은 Ga-기반 베리어층(barrier layer) 및 상기 Ga-기반 베리어층상에 형성된 Ga- 기반 웰층을 포함하는 발광다이오드.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 세트의 상기 MQWs 각각은 Ga-기반 베리어층, 상기 Ga-기반 베리어층 상에 형성된 InGa-기반 웨팅층, 및 상기 InGa-웨팅층 상에 형성된 Ga-기반 웰층을 포함하는 발광 다이오드.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 MQWs의 제1 세트는 n형 도핑된 Ga-기반 층상에 형성되고 상기 MQWs의 제2 세트는 상기 MQWs의 제1 세트상에 형성되며, Ga-기반 캐핑된 층은 상기 MQWs의 제2 세트 상에 형성되고, p형 도핑된 Ga-기반 층은 상기 Ga-기반 캐핑된 층상에 형성되는 발광 다이오드.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 n형 도핑된 Ga-기반 층 및 상기 p형 도핑된 Ga-기반 층 각각에 접촉하는 전기적 접점들(electrical contacts)을 더 포함하는 발광 다이오드.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, MQWs의 상기 제1 및 제2 세트는 기판상에서 지지되는 발광 다이오드.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 MQWs는 InGa/Ga, InGa/AlGa, Ga/AlGa 및 InGa/AlInGa로 구성된 그룹인 하나의 매질 시스템(one material system)을 포함하는 발광 다이오드.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 MQWs는 상기 매질 시스템의 질화물(nitride) 또는 인화물(phosphide)을 포함하는 발광 다이오드.
  12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다이오드의 콤바인드(combined) PL 스펙트럼은 약 400-800nm의 가변 파장 범위를 커버하는 발광 다이오드.
  13. 발광 다이오드의 제조 방법에 있어서,
    MQWs(multiple quantum wells)의 제1 세트를 형성하는 단계로서, 상기 제1 세트의 상기 MQWs 각각은 상기 각 MQW의 웰층내에 QDs(quantum dots) 또는 QD-유사 구조들을 위한 핵성장 장소(nucleation sites)를 제공하는 웨팅층을 포함하는, MQWs의 제1 세트를 형성하는 단계; 및
    MQWs의 제2 세트를 형성하는 단계로서, 상기 제2 세트의 상기 MQWs 각각은 상기 제1 세트의 상기 MQWs에 대해 시프트된 PL(photoluminescence) 피크 파장을 표시하기 위해 형성되는, MQWs의 제2 세트를 형성하는 단계;를 포함하는 발광 다이오드의 제조방법.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 QDs 또는 QD-유사 구조들은 In 원자들을 포함하는 발광 다이오드의 제조방법.
  15. 제 13항 또는 제14항에 있어서, 상기 MQWs의 제1 세트는 약 3 내지 5 MQWs를 포함하는 발광 다이오드의 제조방법.
  16. 제 13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 MQWs의 제2 세트는 약 2 내지 5 MQWs를 포함하는 발광 다이오드 제조방법.
  17. 제 13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 세트의 상기 MQWs 각각은 Ga-기반 베리어층 및 상기 Ga-기반 베리어층 상에 형성된 InGa-기반 웰층을 포함하는 발광 다이오드 제조방법.
  18. 제 13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 세트의 상기 MQWs 각각은 Ga-기반 베리어층, 상기 Ga-기반 베리어층상에 형성된 InGa-기반 웨팅층, 및 상기 InGa-웨팅층상에 형성된 Ga-기반 웰층을 포함하는 발광 다이오드 제조방법.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 MQWs의 제1 세트는 n형 도핑된 Ga-기반 층 상에 형성되고, 상기 MQWs의 제2 세트는 상기 MQW의 제1 세트상에 형성되며, Ga-기반 캐핑된 층은 상기 MQWs의 제2 세트상에 형성되고, p형 도핑된 Ga-기반 층은 상기 Ga-기 반 캐핑된 층상에 형성되는 발광 다이오드 제조방법.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 n형 도핑된 Ga-기반 층 및 상기 p형 도핑된 Ga-기반 층 각각에 접촉되는 전지적 접점들(electrical contacts)을 형성하는 단계를 더 포함하는 발광 다이오드 제조방법.
  21. 제 13항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 MQWs의 제1 및 제2 세트는 기판상에 지지되는 발광 다이오드 제조방법.
  22. 제 13항 내지 제 21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 MQWs의 제1 세트는 상기 MQWs의 제2 세트보다 낮은 온도에서 형성되는 발광 다이오드 제조방법.
  23. 제 13항 내지 제 22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 MQWs의 제1 세트는 상기 MQWs의 제2 세트보다 높은 In 선행물 유입(a higher In precursor flow)과 함께 형성되는 발광 다이오드 제조방법.
  24. 제 13항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 MQWs는 InGa/Ga, InGa/AlGa, Ga/AlGa 및 InGa/AlInGa로 구성된 그룹인 하나의 매질 시스템(one material system)을 포함하는 발광 다이오드 제조방법.
  25. 제 24항에 있어서, 상기 MQWs는 상기 매질 시스템의 질화물(nitride) 또는 인화물(phosphide)을 포함하는 발광 다이오드 제조방법.
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