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KR101608570B1 - 발광 장치에 사용하기 위한 p-형 도핑 층 - Google Patents

발광 장치에 사용하기 위한 p-형 도핑 층 Download PDF

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light emitting
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Abstract

발광 다이오드(LED)는 n-형 III-V족 반도체층, n-형 III-V족 반도체층에 인접한 활성층, 및 활성층에 인접한 p-형 III-V족 반도체층을 포함한다. 활성층은 1개 이상의 V-피트를 포함한다. p-형 III-V족 반도체층의 일부는 V-피트 내에 있다. p-형 III-V족 반도체층의 형성 중에 제공된 p-형 도펀트 주입층은 V-피트 내의 p-형 도펀트의 소정의 농도, 분포 및/또는 균일성을 제공하는 데 도움이 된다.

Description

발광 장치에 사용하기 위한 p-형 도핑 층{P-TYPE DOPING LAYERS FOR USE WITH LIGHT EMITTING DEVICES}
[상호 참조]
이 출원은 2011년 9월 29일자로 출원된 미국 특허 출원 제13/248,821호의 우선권을 주장하고, 그 전체 내용이 참고로 본 명세서에 원용된다.
조명 응용은 일반적으로 백열 전구 또는 가스-충전 전구를 사용한다. 이러한 전구는 일반적으로 작동 수명이 길지 않으며, 따라서 잦은 교체가 필요하다. 이러한 형광 또는 네온 튜브와 같은 가스-충전 튜브는 긴 수명을 갖고 있지만, 높은 전압을 사용하여 작동하고 상대적으로 비용이 비쌀 수 있다. 또한, 전구 및 가스-충전 튜브 모두 상당량의 에너지를 소모한다.
발광 다이오드(LED)는 LED의 활성층에서 전자와 정공의 재결합에 따라 광을 방출하는 장치이다. LED는 일반적으로 p-n 접합을 만들기 위해 불순물로 도핑된 반도체 물질의 칩을 포함한다. 전류는 p-측, 또는 애노드로부터 n-측, 또는 캐소드로 흐른다. 전하-캐리어 - 전자와 정공 -은 서로 다른 전압의 전극들로부터 p-n 접합으로 흐른다. 전자가 정공을 만나면, 하나 이상의 광자(hv)의 형태로 에너지의 복사 방출을 일으킬 수 있는 프로세스에서 전자가 정공과 재결합한다. 광자, 또는 광은 LED로부터 전달되고, 예를 들어, 조명 응용 및 전자 응용 등의 다양한 응용에서의 사용에 이용된다.
LED는 백열 전구 또는 가스-충전 전구에 비해, 상대적으로 저렴하고 낮은 전압에서 동작하며, 긴 작동 수명을 갖는다. 또한, LED는 상대적으로 적은 전력을 소비하고 컴팩트하다. 이러한 속성은 LED가 특히 바람직하고 다양한 응용에 매우 적합하도록 만든다.
LED의 장점에도 불구하고, 이러한 장치와 관련된 제한 사항이 있다. 이러한 제한은 LED의 효율성을 제한할 수 있는 물질의 제한; 장치로부터 LED에 의해 생성된 광의 전달을 제한할 수 있는 구조적 제한; 및 높은 처리 비용이 발생할 수 있는 제조 제한을 포함한다. 따라서, 향상된 LED 및 LED를 제조하기 위한 방법이 필요하다.
본 발명의 한 특징은 발광 다이오드(LED)와 같은 발광 장치를 제공하는 것이다. 한 실시 형태에서, 발광 다이오드는 n-형 도펀트로 도핑된 n-형 질화 갈륨(GaN) 층과, n-형 GaN 층에 인접한 활성층을 포함한다. 활성층은 하나 이상의 V-피트(pit)를 가질 수 있다. p-형 GaN 층은 활성층에 인접해 있다. p-형 GaN 층은 p-형 도펀트로 도핑되어 있다. p-형 GaN 층은 하나 이상의 V-피트에 의해 측면으로 경계지어진 제1 부분과 제2 부분을 포함한다. 제1 부분은 활성층 위에 배치된다. 제2 부분은 균일한 농도의 p-형 도펀트를 갖고 있다.
또 다른 실시 형태에서, 발광 다이오드(LED)는 실리콘 기판과 이 실리콘 기판에 인접한 n-GaN 층을 포함한다. 활성층은 n-GaN 층에 인접하고 전자 차단층은 활성층에 인접해 있다. p-GaN 층은 전자 차단층에 인접해 있다. LED는 전자 차단층과 p-GaN 층 사이의 계면에서 마그네슘과 인을 포함한다.
또 다른 실시 형태에서, 발광 장치는 n-형 질화 갈륨(GaN)을 갖는 제1 층과, 이 제1 층에 인접한 제2 층을 포함한다. 제2 층은 전자와 정공의 재결합에 따라 광을 생성하도록 구성된 활성 물질을 포함한다. 제2 층은 하나 이상의 V-피트를 더 포함한다. 제3 층은 제2 층에 인접해 있다. 제3 층은 하나 이상의 V-피트 내로 확장하는 제3 층의 일부를 가로질러 균일한 분포의 p-형 도펀트를 갖는 p-형 GaN을 포함하고 있다.
또 다른 실시 형태에서, 발광 다이오드(LED)는 n-형 질화 갈륨(GaN)을 갖는 제1 층과, 이 제1 층에 인접한 제2 층을 포함한다. 제2 층은 전자와 정공의 재결합에 따라 광을 생성하도록 구성된 활성 물질을 포함한다. 제3 층은 제2 층에 인접하여 배치되어 있다. 제3 층은 p-형 도펀트, 및 p-형 도펀트가 균일하게 제3 층에 분포될 수 있도록 구성된 습윤(wetting) 물질을 포함하고 있다.
또 다른 실시 형태에서, 발광 다이오드는 n-형 질화 갈륨(GaN) 층과, 이 n-형 GaN 층에 인접한 활성층을 포함한다. 활성층은 하나 이상의 V-피트를 가질 수 있다. p-형 GaN 층은 활성층에 인접해 있다. p-형 GaN 층은 하나 이상의 V-피트에 의해 측면으로 경계지어진 제1 부분과 제2 부분을 포함한다. 제1 부분은 활성층 위에 배치된다. 제2 부분은 농도가 적어도 1x1019 cm-3 정도인 p-형 도펀트를 갖는다.
또 다른 실시 형태에서, 발광 다이오드는 n-형 질화 갈륨(GaN) 또는 p-형 GaN 중 어느 하나를 갖는 제1 층과, 활성층을 포함한다. 활성층은 제1 층에 인접해 있고, 하나 이상의 V-피트를 가질 수 있다. 발광 다이오드는 상기 제1 층에서 사용하지 않은 n-형 GaN 또는 p-형 GaN 중 어느 하나를 갖는 제2 층을 더 포함한다. 즉, 제1 층과 제2 층 각각은 n-형 GaN 또는 p-형 GaN 물질 중 서로 다른 하나를 갖는다. 제2 층은 제1 부분과 제2 부분을 포함한다. 제2 부분은 하나 이상의 V-피트에 의해 측면으로 경계지어진다. 제1 부분은 활성층 위에 배치된다. 제2 부분은 균일한 농도의 p-형 도펀트를 갖는다.
또 다른 실시 형태에서, 발광 장치는 n-형 III-V족 반도체 또는 p-형 III-V족 반도체 중 어느 하나를 갖는 제1 층과, 활성층을 포함한다. 활성층은 제1 층에 인접해 있고, 하나 이상의 V-피트를 가질 수 있다. 발광 다이오드는 상기 제1 층에서 사용되지 않은 n-형 III-V족 반도체 또는 p-형 III-V족 반도체 중 어느 하나를 갖는 제2 층을 더 포함한다. 즉, 제1 층과 제2 층 각각은 n-형 III-V족 반도체 또는 p-형 III-V족 반도체 중 서로 다른 하나를 갖는다. 제2 층은 제1 부분과 제2 부분을 포함한다. 제2 부분은 하나 이상의 V-피트에 의해 측면으로 경계 지워지고, 제1 부분은 활성층 위에 배치된다. 제2 부분은 균일한 농도의 p-형 도펀트를 갖고 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 이러한 발광 다이오드와 같은 발광 장치를 형성하는 방법을 제공하는 것이다. 한 실시 형태에서, 발광 다이오드를 형성하는 방법은 p-형 도펀트로 습윤 층을 델타 도핑하는 단계를 포함한다. 습윤 층은 전자 차단층에 인접하여 형성되고, 전자 차단층은 활성층에 인접하여 형성된다. 활성층은 n-형 III-V족 반도체 층에 인접하여 형성되고, n-형 III-V족 반도체 층은 기판에 인접하여 형성된다. 일부 실시 형태에서, 습윤 층은 전자 차단층과 직접 접촉해 있다. 일부 실시 형태에서, 전자 차단층은 활성층과 직접 접촉해 있다. 일부 실시 형태에서, 활성층은 n-형 III-V족 반도체 층과 직접 접촉해 있다.
또 다른 실시 형태에서, 이러한 발광 다이오드와 같은 발광 장치를 형성하는 방법은, 반응 챔버 내의 기판(또는 반응 챔버가 다수의 반응 공간을 포함하는 경우의 반응 공간) 위에, 활성층에 인접한 p-형 III-V족 반도체 층을 형성하는 단계를 포함한다. p-형 III-V족 반도체 층은 활성층의 하나 이상의 V-피트 내로 확장한다. p-형 III-V족 반도체 층은 p-형 도펀트로 습윤 층을 델타 도핑하고, 반응 챔버 내로 III족 원소의 소스 가스와 V족의 원소의 소스 가스를 도입함으로써 형성된다. 몇몇 상황에서, 습윤 층은 활성층에 인접하여 형성된다. 한 예에서, 습윤 층은 활성층 위에 형성된다.
본 발명의 추가적인 특징과 장점은, 본 발명의 실시 형태가 예시적으로만 도시되고 설명된 다음의 상세한 설명으로부터 당업자에게는 명백하게 될 것이다. 본 발명은 실현될 때, 다른 실시 형태가 가능할 수 있고, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한, 몇 가지 세부 사항은 여러 가지 명백한 측면에서 수정할 수 있다. 따라서, 도면 및 설명은 본질적으로 예시로서 간주되며, 제한되지 않은 것으로 간주된다.
본 명세서에서 언급한 모든 간행물, 특허 및 특허 출원은 개별 간행물, 특허 또는 특허 출원이 구체적이고 개별적으로 참고로 원용된 것처럼 동일한 정도로 본 명세서에 참고로 원용된다.
본 발명의 특징 및 장점의 더 나은 이해는 발명의 원리가 이용되는 예시적인 실시 형태 및 첨부된 도면을 설명하는 다음의 상세한 설명을 참조하여 얻어지게 된다:
도 1은 개략적으로 발광 다이오드를 도시한다;
도 2는 활성층의 V-결함을 채우는 부적절하게 도핑된 p-형 질화 갈륨(p-GaN)의 영역을 갖는 발광 다이오드를 개략적으로 도시한다;
도 3은 활성층에 인접한 p-GaN 층을 갖는 발광 다이오드를 개략적으로 도시한다;
도 4는 실시 형태에 따라, 델타 도핑된(delta doped) 층을 갖는 발광 장치를 개략적으로 도시한다;
도 5는 실시 형태에 따라, 델타 도핑된 층과 다른 장치 층을 갖는 발광 장치를 개략적으로 도시한다;
도 6은 실시 형태에 따라, 발광 장치를 형성하는 방법을 도시한다;
도 7은 마그네슘 델타 도핑된 층과 p-GaN 층을 형성하는 데 사용되는 압력 대 시간 펄싱 플롯을 도시한다.
본 발명의 다양한 실시 형태가 도시되고 여기에 설명되어 있지만, 이러한 실시 형태를 단지 예로서 제공한다는 것은 당업자에게 자명한 사항이라 할 것이다. 수많은 변형, 변경 및 대체가 본 발명을 벗어나지 않는 한도에서 당업자에게는 발생할 수 있다. 여기에서 설명된 본 발명의 실시 형태에 대한 다양한 대안이 발명을 실시할 시에 채택될 수 있음을 이해하여야 한다.
여기에서 사용되는 용어 "발광 장치"는 장치의 발광 영역(또는 "활성층") 내의 전자와 정공의 재결합에 따라 광을 생성하도록 구성된 장치를 말한다. 일부 경우에는, 발광 장치는 전기 에너지를 광으로 변환하는 고체 상태 장치이다. 발광 다이오드("LED")는 발광 장치이다. 다른 물질로 만들어지고 서로 다른 구조를 가지며 다양한 방법으로 수행되는 LED 장치 구조의 예가 있다. 일부 LED가 레이저 광을 방출하고, 다른 LED는 비-단색광을 생성한다. 일부 LED는 특정 응용에서의 성능에 최적화되어 있다. LED는 인듐 질화 갈륨을 갖는 다중 양자 우물(MQW; multiple quantum well) 활성층을 포함하는 소위, 청색 LED일 수 있다. 청색 LED는 평방 센티미터당 38 A 이상의 평균 전류 밀도를 가지면서, 약 440 나노 미터로부터 500 나노 미터까지의 범위의 파장을 갖는 비-단색광을 방출할 수 있다. 방출된 청색 광의 일부를 흡수하는 형광체 코팅이 제공될 수 있다. 형광체는 다른 파장의 광을 방출하도록 차례로 형광을 내기 때문에, 전체 LED 장치가 방출하는 광은 더 넓은 범위의 파장을 갖는다.
여기에서 사용되는 용어 "층"은 기판 위의 원자 또는 분자의 층을 의미한다. 일부 경우에, 층은 에피택셜 층 또는 복수의 에피택셜 층을 포함한다. 층은 막이나 박막, 또는 복수의 막 또는 박막을 포함할 수 있다. 일부 상황에서는, 층은, 예를 들면, 광을 생성하도록 구성되는 활성층과 같은 소정의 장치 기능을 제공하는 장치(예를 들어, 발광 다이오드)의 구조적 구성 요소이다. 층은 일반적으로 대략 단원자 단층(ML)으로부터 수십의 단층, 수백의 단층, 수천의 단층, 수백만의 단층, 수십억의 단층, 수조의 단층, 또는 그 이상까지의 두께를 갖는다. 한 예에서, 층은 하나의 단원자 단층보다 큰 두께를 갖는 다층 구조이다. 또한, 층은 여러 물질 층을 포함할 수 있다. 한 예에서, 다중 양자 우물 활성층은 다중 우물 및 장벽 층을 포함한다.
여기에서 사용되는 용어 "활성 영역"(또는 "활성층")은 광을 생성하도록 구성되는 발광 다이오드(LED)의 발광 영역을 말한다. 활성층은 전자와 정공의 재결합에 따라 광을 생성하는 활성 물질을 포함한다. 활성층은 하나 또는 복수의 층을 포함할 수 있다. 일부 경우에는, 활성층은 장벽 층(또는 예를 들어, GaN과 같은 클래딩 층)과 양자 우물("우물") 층(예를 들어, InGaN과 같은)을 포함한다. 한 예에서, 활성층은 활성층이 다중 양자 우물("MQW") 활성층이라고 할 수 있는 경우에는 다중 양자 우물을 포함한다.
여기에서 사용되는 용어 "도핑된(doped)"은 도핑제로 도핑되는 구조나 층을 말한다. 층은 n-형 도펀트(또한, 여기에서는 "n-도핑된") 또는 p-형 도펀트(또한 여기에서는 "p-도핑된")로 도핑될 수 있다. 일부 경우에는, 층은 도핑되지 않거나 의도하지 않게 도핑된다(또한 여기에서는 "u-도핑된" 또는 "u-형"). 한 예에서, u-GaN(또는 u-형 GaN) 층은 도핑되지 않거나 의도하지 않게 도핑된 GaN을 포함한다.
여기에서 사용되는 용어 "도펀트"는 n-형 도펀트 또는 p-형 도펀트와 같은 도핑제를 말한다. p-형 도펀트는 제한없이, 마그네슘, 아연 및 탄소를 포함한다. n-형 도펀트는 제한없이, 실리콘과 게르마늄을 포함한다. p-형 반도체는 p-형 도펀트로 도핑된 반도체이다. n-형 반도체는 n-형 도펀트로 도핑된 반도체이다. n-형 III-V족 반도체는 n-형 질화 갈륨("n-GaN")과 같이, n-형 도핑되는 III-V족 반도체를 포함한다. p-형 III-V족 반도체는 p-형 GaN("p-GaN")과 같이, p-형 도핑되는 III-V족 반도체를 포함한다.
여기에서 사용되는 용어 "인접한" 또는 "에 인접한"은 '옆에', '서로 접한', '접촉한' 및 '에 근접한'을 포함한다. 일부 경우에는, 인접한 구성 요소는 하나 이상의 중간층에 의해 서로 분리된다. 예를 들어, 하나 이상의 중간층은 약 10 마이크로미터("마이크론"), 1 마이크론, 500 나노미터("nm"), 100 nm, 50 nm, 10 nm 및 1 nm의 미만, 또는 그 이하의 두께를 가질 수 있다. 한 예에서, 제1 층이 제2 층과 직접 접촉할 때, 제1 층은 제2 층에 인접해 있다. 다른 예에서, 제1 층이 제3 층에 의해 제2 층으로부터 분리될 때, 제1 층은 제2 층에 인접해 있다.
여기에서 사용되는 용어 "기판"은 막 또는 박막 형성이 요구되는 모든 워크피스(workpiece)를 의미한다. 기판은 제한 없이, 실리콘, 실리카, 사파이어, 산화 아연, 탄소(예를 들면, 그래핀), SiC, AlN, GaN, 스피넬, 실리콘 코팅, 실리콘 온 옥사이드, 실리콘 카바이드 온 옥사이드, 유리, 질화 갈륨, 질화 인듐, 이산화 티탄, 질화 알루미늄, 금속 물질(예를 들면, 몰리브덴, 텅스텐, 구리, 알루미늄), 및 이들의 조합(또는 합금)을 포함한다.
여기에서 사용되는 용어 "주입 효율"은 발광 장치의 활성 영역 내에 주입되는 발광 장치를 통과하는 전자와 정공의 비율을 말한다.
여기에서 사용되는 용어 "내부 양자 효율"은 복사되는(즉, 광자를 생성하는) 발광 장치의 활성 영역에 있는 모든 전자-정공 재결합 사건의 비율을 말한다.
여기에서 사용되는 용어 "추출 효율"은 장치로부터 탈출하는 발광 장치의 활성 영역에서 생성된 광자의 비율을 말한다.
여기에서 사용되는 용어 "외부 양자 효율"(EQE)은 LED를 통과하는 전자의 수에 대한 LED에서 방출되는 광자의 수의 비율을 의미한다. 즉, EQE = 주입 효율 × 내부 양자 효율 × 추출 효율이다.
LED는 다양한 반도체 장치 층으로 형성될 수 있다. 일부 상황에서는, III-V족 반도체 LED는 다른 반도체 물질에 바람직할 수 있는 장치 파라메터(예를 들면, 광의 파장, 외부 양자 효율)를 제공한다. 질화 갈륨(GaN)은 광전자 응용 및 고출력 고주파 장치에 사용될 수 있는 바이너리 III-V족 직접 밴드 갭 반도체이다.
III-V족 반도체 기반 LED는 실리콘이나 사파이어 등 다양한 기판 위에 형성될 수 있다. 실리콘은 특정 시간 주기 내에 형성된 LED의 수를 최대화하는데 도움이 되는 큰 크기의 웨이퍼를 사용하는 것 외에도, 현재의 제조 및 가공 기술을 사용하는 능력과 같이, 다양한 이점을 다른 기판에 제공한다. 도 1은 기판(105)을 갖는 LED(100), 기판(105)에 인접한 AlGaN 층(110), AlGaN 층(110)에 인접한 피트 생성층(115), 피트 생성층(115)에 인접한 n-형 GaN("n-GaN") 층(120), n-GaN 층(120)에 인접한 활성층(125), 활성층(125)에 인접한 전자 차단층(예를 들어, AlGaN)(130), 및 전자 차단층(130)에 인접한 p-형 GaN("p-GaN") 층(135)을 도시한다. 전자 차단층(130)은 p-GaN 층(135)에서 정공과 전자의 재결합을 최소화하도록 구성된다. 기판(100)은 실리콘으로 형성될 수 있다. 일부 경우에는, 피트 생성층(115)은 의도하지 않게 도핑된 GaN("u-GaN")을 포함한다.
실리콘은 실리콘 사용에 적합한 상용의 반도체 제조 기술을 사용하는 능력 등 다양한 장점을 제공하지만, 실리콘 기판 위에 III-V족 반도체 기반 LED의 형성은 여러 제한을 제기한다. 예로서, 실리콘과 질화 갈륨 간의 격자 불일치 및 열팽창 계수는 스레딩(threading) 및/또는 헤어핀 변위(hairpin dislocations)(이하, "변위"로 통칭)와 같은 질화 갈륨 박막 형성시의 결함을 생성하는 구조적 스트레스를 발생한다. 결함 주위의 박막 성장은 장치 층에서의 V-자형 또는 일반적으로 오목한 구조인 V-결함(또는 V-피트)을 생성한다. 이러한 V-피트는 하나 이상의 층에서의 도펀트 분포와 같은, 균일한 장치 속성을 달성하기 어렵게 만든다.
예를 들어, 알루미늄 질화 갈륨(AlGaN) 층을 형성한 후에 V-결함 피트(여기에서는, "V-피트"로 통칭) 내에서 성장된 GaN의 p-형 도핑은 활성 영역에서 V-결함을 채우는 물질로부터 효율적인 정공 방출을 가능하게 하기에 충분하지 않을 수 있다. 이러한 문제는 박막 형성시 측면 V-결함의 AlGaN 표면에 반대의 AlGaN 표면의 c-평면에 대해 분리하는 p-형 도펀트(예를 들어, 마그네슘)의 경향으로 인해 발생할 수 있다. V-결함 측면 표면에서 p-형 도펀트의 흡착은 기체상 p-형 도펀트 전구체 농도에 상대적으로 둔감할 수 있다. p-형 도펀트의 결합은 주로 c-평면의 표면을 따라 이루어진다. 도 2는 최종 LED의 예를 도시한다. 피트를 채우는 GaN의 물질이 부적절하게 도핑되어, 열악한 장치 성능(예를 들어, 낮은 광도, 높은 전력 입력) 및/또는 LED 양단의 불균일한 광 출력을 야기한다. 즉, p-형 도펀트의 도핑 분포가 p-형 GaN(p-GaN) 층에서 불균일하게 되는 경우에, LED의 전자 구조(또는 밴드 다이어그램)는 장치 양단에서 변할 수 있으므로, 불균일한 방출 광의 분포로 이어진다. 도시된 예에서, V-결함이 있는 p-형 층의 부분은 도핑되지 않으므로, 바람직한(예를 들면, 균일한) 장치 성능에 필요한 p-형 도펀트(예를 들어, 마그네슘)의 농도가 부족하게 된다. V-피트에서의 p-형 층의 부분은 부적절하게 도핑되어, V-피트 외부의 p-GaN 층에 있는 p-형 도펀트의 농도보다 작은 p-형 도펀트 농도를 갖는다. 한 예에서, V-피트에서의 p-GaN 층은 V-피트 외부의 p-GaN 층에서의 p-형 도펀트 농도의 최대 1 %, 또는 10 %, 또는 20 %, 또는 30 %, 또는 40 %, 또는 50 %, 또는 60 %, 또는 70 %, 또는 80 %, 또는 90 %, 또는 95 %인 p-형 도펀트 농도를 갖는다.
이러한 문제를 해결하기 위한 접근 방법은 AlGaN 이전에 V-결함 피트된 활성 영역 위에 직접 낮은 농도의 인듐으로 p-GaN을 성장시킴으로써, AlGaN의 표면 위에서의 p-형 도펀트(예를 들면, 마그네슘) 분리의 문제를 줄일 수 있다. 이러한 구조를 갖는 발광 장치는 도 3에 개략적으로 도시된다. 정공 주입 효율을 얻을 수 있지만, 활성층과 p-GaN 사이에 개입 전자 차단층을 가짐으로써 파생된 이익의 적어도 일부가 손실될 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위한 또 다른 방법은 LED 내의 V-피트의 농도를 최소화하는 것이다. 예를 들어, 활성층은 V-피트의 범위(또는 밀도)를 최소화하는 데 도움이 될 수 있는, 낮거나 실질적으로 낮은 결함 밀도로 형성될 수 있다. 그러나, 이러한 접근 방식은 LED의 형성을 위해 현재 가능한 방법으로 구현하기에 상업적으로 불가능하고/또는 어려울 수 있다. 예를 들어, 낮은 결함 밀도에서의 LED 구성 요소 층(예를 들어, 활성층)의 형성은 느리고 자원 집약 프로세스가 될 수 있는데, 이는 LED 장치에 대한 상업적 요구를 충족하기 위해 높은 처리 비용과 불충분한 장치 회전율로 이어진다.
V-피트 내의 부적절한 도펀트 농도의 문제를 제거하지 않을 경우, 이를 감소하기 위한 장치 구조 및 방법이 여기에 제공된다. 여기에 제공된 장치 및 방법은 다양한 LED 구성 요소 층에서의 열악한 및/또는 불균일한 도핑 농도의 문제에 대해 보상함으로써 낮은 결함 밀도로 LED 구성 요소 층을 형성할 필요성을 유익하게 배제한다.
본 발명의 다양한 실시 형태에 설명된 발광 장치 및 방법은 p-GaN 층의 형성 동안에 AlGaN 표면의 c-평면에 대한 p-형 도펀트 분리에 의한 V-피트 내의 비효율적인 p-형 도핑의 문제를 해결한다. 여기에 설명된 방법과 구조는 AlGaN 전자 차단층 아래에 p-형 반도체 층 없이도 높은 정공 주입 효율을 제공한다(도 3 참조).
발광 장치
본 발명의 특징에서는, V-피트 내에 향상된 도펀트 농도를 갖는 발광 장치 구조가 제공된다. 이러한 장치 구조는 최소한의 결함 밀도로 발광 장치 구조를 형성할 필요성을 최소화하거나 배제한다. 여기에 제공되는 구조의 도움으로, 상대적으로 중간 정도의 결함 밀도(즉, V-피트)를 갖는 장치 구조가 사용될 수 있는데, 이는 처리 비용을 절감하는 데 유리하다.
일부 실시 형태에서, 이러한 발광 다이오드(LED)와 같은 발광 장치는 n-형 III-V족 반도체와 p-형 III-V족 반도체 중 하나의 제1 층, 제1 층에 인접한 활성층, 및 활성층에 인접한 n-형 III-V족 반도체와 p-형 III-V족 반도체 중 다른 하나의 제2 층을 포함한다. n-형 III-V족 반도체는 n-형 도펀트로 도핑된 III-V족 반도체를 포함한다. p-형 III-V족 반도체는 p-형 도펀트로 도핑된 III-V족 반도체를 포함한다. 활성층은 하나 이상의 V-피트를 포함한다. 제2 층은 하나 이상의 V-피트에 의해 측면으로 경계지어진 제1 부분과 제2 부분을 갖는다. 제1 부분은 활성층 위에 배치된다. 제2 부분은 균일한 농도의 n-형 또는 p-형 도펀트를 갖고 있다. 한 예에서, III-V족 반도체는 질화 갈륨이다. 일부 실시 형태에서, 활성층은 약 1x108 cm-2와 5x109 cm-2 사이의 결함 밀도를 갖는다. 다른 실시 형태에서, 상기 활성층은 약 1x109 cm-2와 2xl09 cm-2 사이의 결함 밀도를 갖는다.
III-V족 반도체는 III족 원소 및 V족의 원소를 포함한다. 일부 실시 형태에서, III족 원소는 갈륨이고 V족의 원소는 질소이다. 일부 실시 형태에서, III족 원소는 갈륨 및/또는 인듐을 포함한다. 다른 실시 형태에서, III족 원소는 갈륨, 인듐 및/또는 알루미늄을 포함한다.
일부 실시 형태에서, 발광 장치는 n-형 도펀트를 갖는 n-형 질화 갈륨(GaN) 층을 포함한다. n-GaN 층은 하나 이상의 V-피트를 갖는 활성층에 인접하여 배치되어 있다. 즉, 형성된 활성층은 하나 이상의 V-모양의 피트(또는 결함)를 보인다. 활성층은 p-형 도펀트를 갖는 p-형 GaN 층에 인접해 있다. p-GaN 층은 제1 부분과 제2 부분을 갖는다. 제2 부분은 하나 이상의 V-피트에 의해 측면으로 경계 지워지고 있다. 제1 부분은 활성층 위에 배치되지만, 하나 이상의 V-피트에 의해 측면으로 경계 지워지지는 않는다. 한 실시 형태에서, 발광 장치는 완성에 도달하기 위해 추가 처리 및/또는 장치 구조를 필요로 하는 초기의 발광 장치이다.
일부 경우에는, p-GaN 층은 약 10 나노 미터("nm")와 1000 nm 사이의 범위의 두께를 갖고 있다. 다른 실시 형태에서, p-GaN 층은 약 50 nm와 500 nm 사이의 범위의 두께를 갖고 있다. p-GaN 층의 두께는 소정의 작동 상태를 갖는 발광 장치를 제공하도록 선택될 수 있다.
일부 경우에는, n-GaN 층은 약 100 nm와 8 마이크로 미터("마이크론") 사이의 범위의 두께를 갖고 있는 반면, 다른 실시 형태에서는 n-GaN 층의 두께가 약 500 nm와 6 마이크론 사이의 범위에 있다. 또 다른 실시 형태에서, n-GaN 층의 두께는 약 1 마이크론과 4 마이크론 사이의 범위에 있다. n-GaN 층의 두께는 소정의 작동 상태를 갖는 발광 장치를 제공하도록 선택될 수 있다.
한 실시 형태에서, p-형 도펀트는 마그네슘, 탄소 및 아연 중 하나 이상을 포함하고 있다. 특정 구현에서, p-형 도펀트는 마그네슘이다.
한 실시 형태에서, n-형 도펀트는 실리콘과 게르마늄 중 하나 이상을 포함하고 있다. 특정 구현에서, n-형 도펀트는 실리콘이다.
일부 상황에서는, p-GaN 층은 p-GaN 층의 도핑에 도움이 되는 습윤 물질을 더 포함한다. 일부 경우에는, 습윤 물질은 p-형 도펀트가, p-GaN 층의 형성 이전에 습윤 물질의 층에 걸쳐 균일하게 분포되게 한다(아래 참조). 일부 상황에서는, 습윤 물질은 인듐(In)이다.
일부 실시 형태에서, 제2 부분은 균일한 농도의 p-형 도펀트를 갖고 있다. 일부 경우에는, 제2 부분에서의 p-형 도펀트의 농도는 p-GaN 층의 제1 부분에서의 p-형 도펀트(또는 다른 p-형 도펀트)의 농도와 거의 또는 실질적으로 동일하다. 한 실시 형태에서, 제2 부분에서의 p-형 도펀트의 농도는 제1 부분에서의 p-형 도펀트의 농도의 약 90 %, 또는 80 %, 또는 70 %, 또는 60 %, 또는 50 %, 또는 40 %, 또는 30 %, 또는 20 %, 또는 10 %, 또는 5 %, 또는 1 %, 또는 0.1 %, 또는 0.01 %, 또는 0.001 %의 범위 내에 있다.
한 실시 형태에서, 제2 부분은 실질적으로 p-형 도펀트로 도핑되어 있다. 제1 부분 및 제2 부분에서의 p-형 도펀트의 농도는 약 1x1018 cm-3와 1x1022 cm-3 사이에 있다. 다른 실시 형태에서, 제1 부분 및 제2 부분에서의 p-형 도펀트의 농도는 약 1x1019 cm-3와 1x1021 cm-3 사이에 있는 반면, 다른 실시 형태에서는 제1 부분 및 제2 부분에서의 p-형 도펀트의 농도는 약 1x1020 cm-3와 5x1020 cm-3 사이에 있다.
다른 상황에서, 제1 부분에서의 p-형 도펀트의 농도는 활성층에서나 그 가까운 곳에서는 최대가 되고 제2 부분을 향해서는 감소한다. 다른 상황에서, 제1 부분에서의 p-형 도펀트의 농도는 p-GaN 층과 활성층 사이의 표면에 평행한 방향(또한 여기에서는 "횡축")을 따라, 그리고 p-GaN 층과 활성층 사이의 표면에 직각인 방향(또한 여기에서는 "종축")을 따라 균일 또는 거의 균일하다.
특정 구현에서, 제2 부분에서의 p-형 도펀트의 농도는 V-피트의 종 방향 치수를 따라 균일하다. 일부 실시 형태에서, 발광 장치의 종축을 따라 측정된 V-피트에서의 p-형 도펀트의 농도는 최대 약 50 %, 또는 40 %, 또는 30 %, 또는 20 %, 또는 10 %, 또는 5 %, 또는 1 %, 또는 0.1 %, 또는 0.01 %, 또는 0.001 %, 또는 0.0001 %만큼 달라진다. 다른 경우에는, 제2 부분에서의 p-형 도펀트의 농도는 V-피트의 횡 방향 치수를 따라 균일하다. 일부 실시 형태에서, 발광 장치의 횡축을 따라 측정된 V-피트에서의 p-형 도펀트의 농도는 최대 약 50 %, 또는 40 %, 또는 30 %, 또는 20 %, 또는 10 %, 또는 5 %, 또는 1 %, 또는 0.1 %, 또는 0.01 %, 또는 0.001 %, 또는 0.0001 %만큼 달라진다.
발광 장치는 n-형 또는 p-형 GaN 층에 인접한 기판을 더 포함한다. 한 예에서, 기판은 예를 들어, n-형 실리콘과 같은 실리콘, 또는 사파이어를 포함하고 있다. 일부 경우에는, 기판은 완성된 발광 장치에 사용할 수 있다. 다른 경우에는, 기판은 캐리어 기판이고, 완성된 발광 장치는 그런 경우에 다른 기판을 포함하게 된다. 일부 실시 형태에서, 기판은 약 200 마이크로 미터(㎛)와 2 밀리미터(mm) 사이의 범위의 두께를 갖는다.
일부 실시 형태에서, 상기 발광 장치는 피트 생성층을 포함한다. 일부 경우에는, 피트 생성층은 n-형 GaN 층 및 활성층 아래에서와 같이, n-형 GaN 층에 인접해 있다. 다른 경우에, 피트 생성층은 n-형 GaN 층과 활성층 사이에 있다. 피트 생성층은 활성층의 형성시에 하나 이상의 V-피트의 성장에 도움이 되고, 일부 경우에는, 활성층 위에 다른 층이 형성된다.
일부 실시 형태에서, 피트 생성층은 약 1x108 cm-2와 5x109 cm-2 사이의 결함 밀도를 갖는 반면, 다른 실시 형태에서는 피트 생성층은 약 1x109 cm-2와 2xl09 cm-2 사이의 결함 밀도를 갖는다. 일부 실시 형태에서, 피트 생성층은 약 10 nm와 1000 nm 사이의 두께를 갖는 반면, 다른 실시 형태에서는, 피트 생성층은 약 50 nm와 500 nm 사이의 두께를 갖는다.
발광 장치는 n-GaN 층과의 직접 접촉에 의해 또는 하나 이상의 중간층을 통해 n-GaN 층과 전기적 통신을 하는 전극을 포함한다. 발광 장치는 p-GaN 층과의 직접 접촉에 의해 또는 하나 이상의 중간층을 통해 p-GaN 층과 전기적 통신을 하는(또는 전기적으로 결합된) 전극을 포함한다. 일부 경우에는, 전극 중 하나 또는 둘 모두는 발광 장치로부터 나오는 광의 차단을 최소화하도록 선택된 모양과 구성(예를 들어, 발광 장치에서의 위치)을 갖는다.
활성층은 다중 양자 우물(MQW) 활성층과 같은 양자 우물 활성층일 수 있다. 한 실시 형태에서, 활성층은 인듐 질화 갈륨 및/또는 인듐 알루미늄 질화 갈륨으로 형성된 우물 층을 포함한다. 활성층을 구성하는 물질은 활성층을 포함하는 2개 이상의 요소에 있어서 구성적으로 등급화(또한 여기에서는 "등급화(graded)")될 수 있다. 한 예에서, 활성층은 등급화된 인듐 질화 갈륨, InxGa1 - xN으로 형성되고, 여기서 'x'는 0과 1 사이의 숫자이며, 장벽(또는 클래딩) 층은 GaN으로 형성된다. 그러한 층의 구성은 층의 제1 측으로부터 제2 측까지 다를 수 있다. 일부 실시 형태에서, 우물 또는 장벽 물질은 질화 갈륨, InAlGaN의 다양한 성분(또는 화학량론: stoichiometrics) 및 AlGaN의 다양한 조성으로부터 선택된다. 일부 실시 형태에서, 활성층은 약 10 nm와 1000 nm 사이의 두께를 갖고 있는 반면, 다른 실시 형태에서는 활성층이 약 50 nm와 200 nm 사이의 두께를 갖고 있다.
일부 실시 형태에서, 활성층은 약 1x108 cm-2와 5x109 cm-2 사이의 결함 밀도를 갖는 반면, 다른 실시 형태에서는 활성층은 약 1x109 cm-2와 2xl09 cm-2 사이의 결함 밀도를 갖는다. 다른 실시 형태에서, 상기 활성층은 약 1x106 cm-2보다 크거나, 약 1x107 cm-2보다 크거나, 약 1x108 cm-2보다 크거나, 약 1x109 cm-2보다 큰 결함 밀도를 갖는다.
일부 실시 형태에서, n-GaN 층과 p-GaN 층 사이의 발광 장치의 두께는 약 4 마이크론 미만, 또는 3 마이크론 미만, 또는 약 2 마이크론 미만, 또는 약 1 마이크론 미만, 또는 약 500 나노 미터 미만이다. n-GaN 층과 p-GaN 층 사이의 영역은 활성층을 포함한다.
일부 경우에서의 발광 장치는 활성층과 p-GaN 층 사이에 전자 차단층을 포함한다. 전자 차단층은 활성층에서의 광 방출이 필요한 경우에 바람직하지 않을 수 있는, p-GaN 층에서의 전자와 정공의 재결합을 최소화하도록 구성되어 있다. 한 예에서, 전자 차단층은 알루미늄 질화 갈륨 또는 알루미늄 인듐 질화 갈륨으로 형성된다. 전자 차단층은 전자 차단층의 2개 이상의 요소에 있어서 구성적으로 등급화(또한 여기에서는 "등급화")될 수 있다. 예를 들어, 전자 차단층은 등급화된 알루미늄 질화 갈륨, AlxGa1 - xN으로 형성될 수 있는데, 여기에서, 'x'는 0과 1 사이의 숫자이고, 또는 알루미늄 인듐 질화 갈륨, AlxInyGa1 -x- yN으로 형성될 수 있는데, 여기에서 'x'와 'y'는 0과 1 사이의 숫자이다. 그러한 층의 구성은 층의 제1 측으로부터 제2 측까지 다를 수 있다. 일부 실시 형태에서, 전자 차단층은 약 1 nm와 1000 nm의 사이, 또는 약 10 nm와 100 nm 사이의 두께를 갖는다.
일부 실시 형태에서, 발광 장치는 활성층과 p-GaN 층 사이에 p-형 도펀트 주입층을 더 포함한다. p-형 도펀트 주입층은 p-GaN 층의 형성시 p-GaN 층의 제2 부분에 p-형 도펀트를 제공하도록 구성되어 있다. p-형 도펀트 주입층은 p-GaN 층의 부적절하게 도핑된 영역 문제를 제거하지 않을 경우, 이를 최소화하는데 도움이 되는, V-피트에서의 바람직한 또는 소정 농도의 p-형 도펀트를 제공하는데 유익하게 도움이 된다. p-형 도펀트 주입층은 p-형 도펀트와, 일부의 경우, 습윤 물질을 포함하고 있다. 일부 실시 형태에서, p-형 도펀트는 마그네슘(Mg)이다. 일부 실시 형태에서, 습윤 물질은 인듐(In)이다. 습윤 물질은 p-형 도펀트가 균일하게 p-형 도펀트 주입층을 커버할 수 있도록 구성되어 있다. 일부 경우에는, 습윤 물질은 p-GaN 층과 전자 차단층 또는 활성층(전자 차단층이 배제된 경우) 사이의 계면에 남아 있을 수 있다.
일부 실시 형태에서, p-형 도펀트 주입층은 약 100 nm 미만, 또는 약 50 nm 미만, 또는 약 10 nm 미만, 또는 약 1 nm 미만, 또는 그 미만의 두께를 갖고 있다. 일부 경우에는, p-형 도펀트 주입층의 두께는 단원자 단층(ML)의 관점에서 설명한다. 일부 실시 형태에서, p-형 도펀트 주입층의 두께는 약 0.1 ML과 10 ML 사이에 있다. 다른 실시 형태에서, p-형 도펀트 주입층은 약 10 ML 이하, 또는 약 5 ML 이하, 또는 약 4 ML 이하, 또는 약 3 ML 이하, 또는 약 2 ML 이하, 또는 약 1 ML 이하, 또는 약 0.5 ML 이하, 또는 그 이하의 두께를 갖는다.
일부 실시 형태에서, 발광 다이오드(LED)는 n-형 질화 갈륨(GaN) 층, 상기 n-형 GaN 층에 인접한 활성층, 및 이 활성층에 인접한 p-형 GaN 층을 포함한다. 활성층은 하나 이상의 V-피트를 포함한다. p-형 GaN 층은 제1 부분과 제2 부분을 포함한다. 제2 부분은 하나 이상의 V-피트에 의해 측면으로 경계 지워지고 있다. 제1 부분은 활성층 위에 배치되고, 적어도 약 1x1018 cm-3, 또는 적어도 약 1x1019 cm-3, 적어도 약 1x1020 cm-3, 또는 적어도 약 1x1021 cm-3, 또는 적어도 1x1022 cm-3의 p-형 도펀트 농도를 갖고 있다. 일부의 경우, p-형 도펀트 농도는 약 1x1018 cm-3와 1x1022 cm-3 사이, 또는 약 1x1019 cm-3와 1x1021 cm-3 사이, 또는 약 1x1020 cm-3와 5x1020 cm-3 사이에 있다.
일부 실시 형태에서, 발광 다이오드(LED)는 n-형 질화 갈륨(GaN)과 p-형 GaN 중 하나의 제1 층, 및 제1 층에 인접하여 하나 이상의 V-피트를 갖는 활성층을 포함한다. LED는 n-형 GaN과 p-형 GaN 중 다른 하나의 제2 층을 더 포함하고, 이 제2 층은 하나 이상의 V-피트에 의해 측면으로 경계 지워지는 제1 부분과 제2 부분을 갖는다. 제1 부분은 활성층 위에 배치된다. 제2 부분은 균일한 농도의 n-형 또는 p-형 도펀트를 갖고 있다.
도 4는 본 발명의 실시 형태에 따른 발광 장치("장치")(400)를 개략적으로 도시한다. 한 예에서, 발광 장치(400)는 발광 다이오드이다. 발광 장치(400)는 아래쪽에서 위쪽으로, n-도핑된(또는 "n-형") GaN 층("n-GaN 층")(405), n-GaN 층(405)에 인접한 피트 생성층(410), 피트 생성층(410)에 인접한 활성층(415), 활성층(415)에 인접한 전자 차단층(420), 전자 차단층(420)에 인접한 p-형 도펀트 주입층(425), 및 p-형 도펀트 주입층(425)에 인접한 p-GaN 층(430)을 포함한다. 장치(400)는 피트 생성층(410), 활성층(415) 및 전자 차단층(420)의 층 단위(layer-by-layer) 형성시 물질 층에서의 결함(예를 들면, 변위)으로부터 형성되는 복수의 V-피트(435)(2개 도시)를 포함한다. p-GaN 층(430)은 제1 부분(430a)과 제2 부분(430b)을 포함하고, 제2 부분(430b)은 V-피트(435) 내에 배치된다. p-형 도펀트 주입층은 p-형 도펀트와, 일부의 경우, 습윤 물질을 포함하고 있다. p-형 도펀트 주입층은 제2 부분(430b)에서의 p-형 도펀트의 바람직한(또는 소정의) 균일성, 분포 및/또는 농도로 제2 부분(430b)을 형성하는데 도움이 된다.
일부 실시 형태에서, 활성층(415)은 다중 양자 우물 활성층이다. 한 실시 형태에서, 활성층은 인듐 질화 갈륨과 질화 갈륨의 교번 층(alternating layers), 또는 인듐 알루미늄 질화 갈륨과 질화 갈륨의 교번 층과 같이, 우물 층과 장벽 층의 교번 층으로 형성된다. 두 경우 모두에 있어서의 질화 갈륨은 장벽 층 물질로서의 역할을 할 수 있다. 인듐 질화 갈륨 또는 인듐 알루미늄 질화 갈륨은 우물 층 물질로서의 역할을 할 수 있다.
한 예에서, 활성층(415)은 교번하는 알루미늄 질화 갈륨 층과 질화 갈륨 층으로 형성되고, 전자 차단층(420)은 알루미늄 질화 갈륨으로 형성되며, p-형 도펀트 주입층(425)은 마그네슘과 인듐으로 형성된다. 이러한 경우에 인듐은 습윤 물질로서의 역할을 한다. 대안적으로, 전자 차단층(420)은 알루미늄 인듐 질화 갈륨 등의 4기 물질(quaternary material)로 형성된다. 일부 경우에는, 전자 차단층(420)은 구성적으로 등급화된다. 다른 경우에는, 전자 차단층(420)은 균일한 구성을 갖는다.
장치(400)는 기판(도시하지 않음) 위에 형성된다. 기판은 n-GaN 층(405)에 인접하거나 p-GaN 층(430)에 인접하여 배치된다. 한 실시 형태에서, 기판은 실리콘이나 사파이어로 형성된다. 일부 경우에는, 기판은 n-GaN 층(405)에 인접하여 배치되며, AlN 층과 AlGaN 층을 갖는 버퍼 층은 기판과 n-GaN 층(405) 사이에 형성된다. AlN 층은 기판에 인접하여 배치되며, AlGaN의 층은 AlN 층과 n-GaN 층(405)에 인접하여 배치되어 있다.
구현 시에, 기판은 실리콘으로 형성되고 n-GaN 층(405)에 인접하여 배치된다. 기판은 실리콘과 같은 다른 기판에 층(405-430)을 전송하는 데 사용될 수 있다. 이러한 경우, 층(405-430)이 전송 후에, n-GaN 층에 인접하여 배치된 제1 기판 위에 형성되면, 층(405-430)은 p-GaN 층에 인접한 제2 기판 위에 배치된다.
도 5는 본 발명의 실시 형태에 따라, 기판(505) 위에 형성된 복수의 층(510-535)을 갖는 장치(500)를 개략적으로 도시한다. 장치(500)는 발광 다이오드와 같은 발광 장치이다. 장치(500)는 아래쪽에서 위쪽으로("아래"는 기판(505)에 인접한 위치를 지정함), n-GaN 층(510), 피트 생성층(515), 활성층(520), 전자 차단층(525), 델타 도핑된 층(530) 및 p-GaN 층(535)을 포함한다. p-GaN 층(535)은 제1 부분과 제2 부분(도시 안됨)을 포함한다. 제2 부분은 피트 생성층(515), 활성층(520) 및 전자 차단층(525)에 있어서의 하나 이상의 V-피트 내에 형성된다(예를 들면, 도 4 참조). 델타 도핑된 층(530)은 마그네슘과 같은 p-형 도펀트, 및 인듐 과 같은 습윤 물질을 포함하고 있다. 일부 상황에서는, 습윤 물질은 델타 도핑된 층의 표면에 p-형 도펀트의 이송을 위해 장벽을 감소시킴으로써, p-형 물질이 델타 도핑된 층을 균일하게 커버하도록 한다. 습윤 물질은 V-결함에 대한 p-형 도펀트(예를 들어, 마그네슘)의 표면 에너지를 줄일 수 있다. 아래에 설명된 바와 같이, p-형 도펀트는 기판(505)을 갖는 반응 챔버 내에 p-형 도펀트의 소스 가스를 펄싱(pulsing)함으로써 델타 도핑된 층(530) 내에 제공된다.
한 예에서, 델타 도핑 층(530)은 V-결함 측면에서 p-형 도펀트(예를 들어, 마그네슘)의 표면 에너지를 감소시킴으로써 습윤 층에 p-형 도펀트를 결합시키는 데 도움을 주는, 인듐 등의 습윤 물질을 포함한다. 델타 도핑된 층(530) 내의 p-형 도펀트는 활성층(520) 및 전자 차단층(525)의 하나 이상의 V-피트 내에 GaN 층의 한 부분 내로의 후속 결합을 위한 p-형 도펀트의 소스를 제공한다. 이것은 하나 이상의 V-피트 내에 있는 p-GaN 층(535) 부분의 형성을 촉진한다.
일부 실시 형태에서, 장치(500)는 n-GaN 층(510)과 전기적 통신을 하는 제1 전극, 및 p-GaN 층(535)과 전기적 통신을 하는 제2 전극을 포함한다. 전극은 활성층(520) 양단에 전위(전압)의 인가를 가능케 한다. 일부 상황에서, 제1 및 제2 전극은 각각 n-GaN 층(510) 및 p-GaN 층(535)과 전기적으로 접촉하고 있다. 다른 경우에는, 제1 전극과 제2 전극 중 하나 또는 둘 모두는 하나 이상의 중간층을 통해 n-GaN 층(510)과 p-GaN 층(535)에 전기적으로 접촉하고 있다. 한 예에서, 제2 전극은 예를 들어, 인듐 주석 산화물(ITO) 층과 같은 투명 전도층(도시안됨)을 통해 p-GaN 층과 전기적으로 통신한다.
활성층(520) 양단에 전위를 인가함에 따라, 활성층(520) 내의 전자와 정공의 재결합은 일반적으로 기판(505)과는 멀어지는 방향으로 장치로부터 전송되는 광을 생성한다. 대안으로서, 층(505-535)은 다른 기판(540)으로 전송되고, 기판(505)은 이어서 제거된다. 활성층(520)에서의 전자와 정공의 재결합은 n-GaN 층을 통해 그리고 일반적으로 기판(540)으로부터 멀어지는 방향을 따라 장치(500)로부터 후속 전송되는 광을 생성한다. 일부 경우에는, 장치(500)는 p-GaN 층(535)과 기판(540) 사이에 추가 층을 포함하고 있다.
일부 실시 형태에서, 기판(505)은 실리콘, 실리카, 사파이어, 산화 아연, 탄소(예를 들어, 그래핀), SiC, AlN, GaN, 스피넬, 실리콘 코팅, 실리콘 온 옥사이드, 실리콘 카바이드 온 옥사이드, 유리, 질화 갈륨, 질화 인듐, 이산화 티탄, 질화 알루미늄, 금속 물질(예를 들어, 구리), 및 이들의 조합(또는 합금) 중 하나 이상의 물질로 형성된다. 일부 상황에서, 기판(505)은 실리콘으로 형성된다. 한 예에서, 기판(505)은 n-형 실리콘으로 형성될 수 있다. 이러한 경우, 전극은 n-GaN 층(510)과 전기적으로 통신하는 기판(505)과 접촉해서 형성될 수 있다.
장치(500)는, 일부의 경우, 기판(505)과 n-GaN 층(510) 사이에 하나 이상의 추가 층을 포함하고 있다. 하나 이상의 추가 층은 버퍼 층, 스트레스 완화 층, 또는 스트레스 생성 층을 포함할 수 있다. 한 실시 형태에서, 장치(500)는 기판에 인접한 알루미늄 질화 갈륨층, 및 이 알루미늄 질화 갈륨층에 인접한 하나 이상의 u-형 GaN(즉, 도핑되지 않거나 의도하지 않게 도핑된 GaN) 층을 포함한다. 하나 이상의 u-GaN 층은 n-GaN 층(510)에 인접하여 배치된다.
일부 상황에서는, 전자 차단층(525)은 알루미늄 질화 갈륨(AlGaN)으로 형성되어 있다. 일부 경우에는, AlGaN 층은 알루미늄과 갈륨에 있어서 구성적으로 등급화될 수 있다.
일부 실시 형태에서, 델타 도핑된 층(530)은 전자 차단층(525)과 p-GaN 층(535) 사이의 계면에 있다. 일부 경우에는, 전자 차단층(525)과 p-GaN 층(535) 사이의 계면에서, 장치(500)는 일치하는 Mg 및 In 피크를 나타내는 2차 이온 질량 분석법(SIMS) 프로파일을 갖는다.
일부 경우에는, SIMS에 의해 측정된 바와 같이, 델타 도핑된 층(530) 내에서 관찰된 피크 인듐의 밀도는 활성층(520) 내의 개별 양자 우물에서 관찰된 피크 인듐 밀도(또는 농도)보다 약 1/100 이하이다. 피크 인듐 농도의 위치는 AlGaN 층과 p-GaN 층(535) 사이의 계면에서의 피크 마그네슘 농도의 위치와 일치한다.
일부 실시 형태에서, V-피트(또는 V-결함)를 갖는 발광 장치는 발광 장치의 p-GaN 층의 p-형 도펀트의 균일한 분포를 갖고 있다. 이는 높은 결함 밀도에 적당한 장치 구조(예를 들어, 활성층)를 유익하게 사용하게 하는 한편, 불균일한 도펀트 농도와 같은, 여기에서 제공된 그러한 장치 구조 문제를 제거하지 않을 경우, 이를 최소화한다.
발광 장치를 형성하는 방법
본 발명의 또 다른 특징에 있어서, 발광 장치를 형성하는 방법이 제공된다. 이러한 방법은 III-V족 LED(예를 들어, GaN 계 LED)를 포함하는 발광 다이오드와 같은, 여기에 설명된 장치의 형성을 위해 제공된다.
일부 실시 형태에서, 발광 다이오드(LED)와 같은 발광 장치를 형성하는 방법은, 반응 챔버 내의 기판 위에, 활성층 위에 있는(또는 인접한) p-형 III-V족 반도체 층을 형성하는데, 이러한 p-형 III-V족 반도체 층은 활성층의 하나 이상의 V-피트 내로 확장하면서, p-형 III-V족 반도체 층과 활성층 사이에 소정의 중간층(예를 들어, 전자 차단층)을 포함한다. p-형 III-V족 반도체 층은 p-형 도펀트로 습윤 층을 델타 도핑하고, 반응 챔버 내에 III족 소스 가스 및 V족 소스 가스를 도입하여 형성된다. p-형 도펀트의 소스 가스는 p-형 III-V족 층에서의 p-형 도펀트의 농도를 제어하기 위해 도입된다. 활성층은 n-형 III-V족 반도체 층 위에(또는 인접하여) 형성된다. III-V족 반도체 층은 반응 챔버 내에 III족 소스 가스, V족 소스 가스, 및 n-형 도펀트의 소스 가스를 도입하여 형성된다.
p-형 III-V족 반도체 층은 III-V족 반도체와 p-형 도펀트를 포함한다. n-형 III-V족 반도체 층은 III-V족 반도체와 n-형 도펀트를 포함한다. III-V족 반도체는 III족 원소 및 V족의 원소를 포함한다. 한 실시 형태에서, III족 원소는 갈륨 및/또는 인듐이다. 또 다른 실시 형태에서, V족의 원소는 질소이다.
일부 실시 형태에서, LED 등의 발광 장치를 형성하는 방법은, 반응 챔버 내의 기판 위에, 활성층에 인접한 p-형 III-V족 반도체 층을 형성하는데, 이러한 p-형 III-V족 반도체 층은 활성층의 하나 이상의 V-피트 내로 확장한다. p-형 III-V족 반도체 층은 p-형 도펀트로 습윤 층을 델타 도핑하고 반응 챔버 내에 III족 원소의 소스 가스와 V족 원소의 소스 가스를 도입하여 형성된다. 습윤 층은 활성층에 인접하여 형성된다. 일부 상황에서는, 습윤 층의 형성 이전에, 전자 차단층은 활성층에 인접하여 형성된다. 한 실시 형태에서, 활성층은 n-형 III-V족 반도체 층에 인접하여 형성된다. 다른 실시 형태에서, n-형 III-V족 반도체 층은 기판에 인접하여 형성된다.
특정 구현에 있어서, 발광 다이오드(LED)를 형성하는 방법은, 반응 챔버 내의 기판 위에, 활성층 위에 있는(또는 인접한) p-형 질화 갈륨(p-GaN) 층을 형성하는데, 이러한 p-GaN 층은 활성층의 하나 이상의 V-피트 내로 확장하면서, p-GaN 층과 활성층 사이의 소정의 중간층(예를 들어, 전자 차단층)을 포함한다. p-GaN 층은 p-형 도펀트로 습윤 층을 델타 도핑하고, 반응 챔버 내에 갈륨 소스 가스와 질소 소스 가스를 도입하여 형성된다. p-형 도펀트의 소스 가스는 p-GaN 층 내의 p-형 도펀트의 농도를 제어하기 위해 도입된다.
한 실시 형태에서, 습윤 층은 활성층에 인접하여 형성된다. 일부 경우에는, 발광 장치는 습윤 층과 활성층 사이에 형성된 전자 차단층을 포함한다. 일부 상황에서는, 습윤 층을 형성하기 이전에, 전자 차단층은 활성층에 인접 형성된다. 활성층은 n-형 GaN("n-GaN") 층 위에(또는 인접하여) 형성된다. n-GaN 층은 기판 위에(또는 인접하여) 형성된다.
다른 실시 형태에서, 발광 다이오드(LED)를 형성하는 방법은, 반응 챔버 내의 기판에 인접한 n-GaN 층을 형성하는 단계, 기판 위에 활성층을 형성하는 단계, 활성층 위에 전자 차단층을 형성하는 단계, 및 전자 차단층 위에 델타 도핑된 층을 형성하는 단계를 포함한다. 델타 도핑된 층은 p-형 도펀트로 습윤 층을 델타 도핑하여 형성된다.
일부 상황에서, 습윤 층을 델타 도핑하는 단계는 기판을 갖는 반응 챔버 내에 p-형 도펀트의 전구체를 펄싱하는 단계를 포함한다. p-형 도펀트의 전구체는 약 0.01 초와 20 분 사이, 또는 약 0.1 초와 15 분 사이, 또는 약 1 초와 10 분 사이의 기간 동안 펄싱된다.
도 6은 발명의 실시 형태에 따라, 발광 장치를 형성하기 위한 공정 흐름도를 갖는 방법(600)을 개략적으로 도시한다. 제1 동작(605)에서, 기판은 발광 장치의 하나 이상의 장치 구조(또는 층)의 성장을 위해 구성된 반응 챔버 내에 제공된다. 한 예에서, 반응 챔버는 진공 또는 불활성 가스 환경 상태 하의 챔버이다.
예를 들어, 반응 챔버는 초고 진공(UHV) 챔버와 같은, 진공 챔버일 수 있다. 저압 환경이 요구되는 경우에, 반응 챔버는 터보 분자 ("터보") 펌프, 크라이오펌프(cryopump), 이온 펌프 및 확산 펌프와 기계식 펌프 중 하나 이상의 펌프와 같이, 하나 이상의 진공 펌프를 가진 펌핑 시스템의 도움으로 펌핑될 수 있다 . 반응 챔버는 전구체 유량, 기판 온도, 챔버 압력 및 챔버의 진공 상태를 조정하기 위한 제어 시스템을 포함할 수 있다.
다음, 제2 동작(610)에서, n-GaN 층은 기판 위에 형성된다. 한 실시 형태에서, n-GaN 층은 갈륨 전구체, 질소 전구체, 및 n-형 도펀트의 전구체를 반응 챔버 내로 전달함으로써 형성된다. 갈륨 전구체는 트리메틸갈륨(TMG: trimethylgallium), 트리에틸갈륨(triethylgallium), 염화 디에틸갈륨(diethylgallium chloride), 배위 결합된 갈륨 수소 화합물(coordinated gallium hydride compounds)(예를 들어, 디메틸갈륨 수소화물) 중 하나 이상을 포함하고 있다. 질소 전구체는 암모니아(NH3), 질소(N2), 암모니아 및/또는 N2의 플라즈마 여기된 종(plasma-excited species) 중 하나 이상을 포함한다. 일부 경우에는, n-형 도펀트의 전구체는 실란이다.
한 실시 형태에서, 갈륨 전구체, 질소 전구체, 및 n-형 도펀트의 전구체는 동시에 반응 챔버 내로 전달된다. 다른 실시 형태에서, 갈륨 전구체, 질소 전구체, 및 n-형 도펀트의 전구체는 교대로 및 순차적으로 반응 챔버 내로 전달된다(예를 들면, 펄싱됨).
다음, 선택적 제3 동작(615)에서, 피트 생성층은 n-GaN 층 위에 형성된다. 피트 생성층은 반응 챔버 내에 갈륨 전구체와 질소 전구체, 및 일부 경우에는 인듐 전구체를 전달함으로써 형성된다. 일부 상황에서 피트 생성층은 GaN, InGaN, 및 InGaN/GaN 초격자를 포함하는 이들의 다양한 조합으로 형성된다. 일부 경우에, 다중 양자 우물 활성층의 하나 이상의 하위 층이 피트를 만드는 데 사용되는 경우에는 피트 생성층은 선택 사항이다.
다음, 제4 동작(620)에서, 활성층은 n-GaN 층 또는 피트 생성층 위에 형성된다(동작(615)에서 형성된 경우). 한 예에서, 활성층은 교번하는 InGaN 우물 층과 GaN 장벽 층을 포함하는 다중 양자 우물 활성층이다. 활성층은 장벽 층을 형성하기 위해 반응 챔버 내에 갈륨 소스 가스와 질소 소스 가스를 전달하고, 우물 층을 형성하기 위해 인듐 소스 가스를 도입함으로써 형성된다. 인듐 소스 가스는 트리메틸인듐(trimethylindium), 트리에틸인듐(triethylindium), 염화 디에틸인듐(diethylindium chloride) 및 배위 결합된 인듐 수소 화합물(예를 들어, 디메틸인듐 수소화물) 중 하나 이상을 포함하고 있다. 개별의 장벽 층 및 우물 층을 형성하기 위한 소스 가스는 반응 챔버 내에 동시에 전달되고, 또는 다른 경우에, 교대로 및 순차적으로 전달된다.
다음, 제5 동작(625)에서, 전자 차단층은 활성층 위에 형성된다. 전자 차단층이 알루미늄 질화 갈륨을 포함하는 경우에, 전자 차단층은 반응 챔버 내에 갈륨 소스 가스, 질소 소스 가스 및 알루미늄 소스 가스를 전달함으로써 형성된다. 일부 상황에서는, 알루미늄 소스 가스는 트리-이소부틸 알루미늄(TIBAL), 트리메틸 알루미늄(TMA), 트리에틸 알루미늄(TEA) 및 디메틸알루미늄 수소화물(DMAH) 중 하나 이상을 포함하고 있다. 일부 상황에서, 전자 차단층은 트리메틸인듐(TMI)과 같은 인듐 소스 가스가 다른 소스 가스와 함께 사용될 수 있는 경우에, 알루미늄 인듐 질화 갈륨을 포함한다. 다른 실시 형태에서, 일부 경우에는 전자 차단층은 배제된다.
다음, 제6 동작(630)에서, 습윤 층은 전자 차단층(또는 전자 차단층이 배제되는 경우, 활성층) 위에 형성된다. 습윤 층은 습윤 물질이 인듐인 경우, 트리메틸인듐(TMI)과 같은 습윤 물질의 소스 가스를 반응 챔버 내에 전달함으로써 형성된다.
다음, 제7 동작(635)에서, 습윤 층은 p-형 도펀트의 소스 가스와 접촉한다. 구현에 있어서, 습윤 층은 반응 챔버 내에 p-형 도펀트의 소스 가스를 펄싱함으로써 델타 도핑된다. 습윤 층의 델타 도핑은 델타 도핑된 층을 형성한다. 일부 경우에는, 델타 도핑된 층은 p-형 도펀트 주입층이다. 한 예에서, p-형 도펀트는 마그네슘이고, 습윤 층은 반응 챔버 내에 비스사이크로펜타디에닐 마그네슘(biscyclopentadienyl magnesium)(Cp2Mg)을 전달함으로써 마그네슘으로 델타 도핑된다.
한 예에서, 습윤 층은 제1 온도로 동작(630)에서 형성되고, 동작(635)에서 습윤 층은 동일하거나 유사한 온도로 델타 도핑되어 델타 도핑층을 형성한다. 그러나, 다른 경우에, 습윤 층은 제1 온도에서 형성되고, 습윤 층은 제1 온도와는 다른 제2 온도에서 p-형 도펀트로 델타 도핑된다. 한 실시 형태에서, 습윤 층 및/또는 델타 도핑된 층은 약 700℃와 1100℃ 사이의 온도에서 형성된다. 다른 실시 형태에서, 습윤 층 및/또는 델타 도핑된 층은 약 800℃와 1050℃ 사이의 온도에서 형성되는 반면, 다른 실시 형태에서는, 습윤 층 및/또는 델타 도핑된 층은 약 850℃와 1000℃ 사이의 온도에서 형성된다.
한 예에서, 습윤 층은 반응 챔버 내에 p-형 도펀트의 소스 가스를 펄싱함으로써 델타 도핑된다. 한 실시 형태에서, p-형 도펀트의 소스 가스는 0.01 초와 20 분 사이의 시간 동안 펄싱된다. 다른 실시 형태에서, p-형 도펀트의 소스 가스는 약 0.1 초와 15분 사이의 시간 동안 펄싱되는 한편, 다른 실시 형태에서 p-형 도펀트의 소스 가스는 약 1 초와 10 분 사이의 시간 동안 펄싱된다.
이 도시된 예에서, 동작(635)은 동작(630)을 뒤따른다. 일부 경우에서는, 그러나, 동작(630 및 635)이 동시에 수행된다. 즉, 습윤 물질의 소스 가스와 p-형 도펀트의 소스 가스가 동시에 반응 챔버 내로 전달된다. 한 예에서, 트리메틸인듐(TMI), 비스사이크로펜타디에닐 마그네슘(Cp2Mg) 및 암모니아는 질소 캐리어 가스의 도움으로 반응 챔버 내에 전달되어, 동작(625)에서 형성된 전자 차단층(예를 들어, AlGaN)과 접촉 상태가 된다. Cp2Mg는 반응 챔버 내에 TMI를 제공하기 전에, 동시에, 또는 그 후에 유입될 수 있다. 한 예에서, 동작(635)은 동작(630)에 선행하는데- 즉, 전자 차단층은 습윤 물질(예를 들어, TMI)의 소스 가스와 이후에 접촉되는, 전자 차단층 위에 p-형 도펀트의 층을 형성하기 위해 p-형 도펀트의 소스(예를 들어, Cp2Mg)와 접촉된다.
다음, 제8 동작(640)에서, p-형 질화 갈륨(p-GaN) 층은 델타 도핑된 층 위에(또는 인접하여) 형성된다. 일부 실시 형태에서, p-GaN 층의 실제 성장은 델타 도핑된 층의 형성시에 발생하지 않는다.
p-GaN 층은 반응 챔버 내에 갈륨 소스 가스(또는 전구체)와 질소 소스 가스를 전달함으로써 형성된다. 한 실시 형태에서, p-형 도펀트의 소스 가스는 갈륨 소스 가스와 질소 소스 가스와 함께 반응 챔버 내에 전달되지 않는다. 이러한 경우, 갈륨 소스 가스와 질소 소스 가스를 델타 도핑된 층과 접촉되게 함에 따라, GaN 층은 델타 도핑된 층을 형성하기 시작한다. GaN 층의 성장에는 델타 도핑된 층으로부터 GaN 층 내로의 p-형 도펀트의 결합이 수반되어, p-GaN 층을 형성하는데, 이러한 것에는 p-형 도펀트 내의 델타 도핑된 층의 공핍(depletion)이 수반된다. 선정된 시간 주기에, p-형 도펀트의 소스 가스는 계속 반응 챔버 내에 도입되어, p-GaN 층의 형성을 계속한다. 일부 경우에는, p-형 도펀트의 소스 가스에는 갈륨 소스 가스와 질소 소스 가스의 지속적인 흐름이 동반된다. 델타 도핑된 층은 활성층 및 전자 차단층의 하나 이상의 V-피트 내에 GaN 층을 도핑(p-GaN의 형성)할 수 있게 한다. p-형 도펀트의 소스 가스의 연속적인 도입은 활성층 위에 있는 p-GaN 층의 부분 내에(그리고 V-피트 내에는 아닌) p-GaN 층의 지속적인 성장을 위한 p-형 도펀트를 제공한다.
한 예에서, p-GaN 층은 제1 부분과 제2 부분을 포함한다(예를 들면, 도 4 참조). 제1 부분은 하나 이상의 V-피트 외부의 전자 차단층 위에 배치되고, 제2 부분은 하나 이상의 V-피트 내에 형성된다. 제2 부분의 성장 동안, p-GaN 층의 p-형 도펀트는 델타 도핑된 층에 의해 제공된다. 제2 부분의 형성에 따라, p-형 도펀트의 소스 가스(또는 다른 p-형 도펀트의 소스 가스)는 제1 부분에서의 선정된 농도의 p-형 도펀트를 제공하기 위해 도입된다.
일부 상황에서는, 소스 가스는 캐리어 가스 및/또는 펌핑의 도움으로 반응 챔버 내로 전달된다. 캐리어 가스는 H2, Ar 및/또는 N2와 같은 불활성 가스일 수 있다. 한 예에서, 갈륨 소스 가스(예를 들어, TMG)와 질소 소스 가스(예를 들면, NH3)는 N2의 도움으로 반응 챔버 내로 전달된다. 다른 예에서, 갈륨 소스 가스, 질소 소스 가스 및 p-형 도펀트의 소스 가스는 펌핑 시스템(예를 들어, 터보 펌프)의 도움으로 반응 챔버 내로 전달된다.
일부 또는 전부의 개별 동작 간의 반응 챔버는 진공될 수 있다. 일부 경우에는, 반응 챔버는 퍼지 가스(purge gas) 또는 진공(펌핑) 시스템의 도움으로 퍼지된다. 한 예에서, 동작(620 및 625) 간의 반응 챔버는 퍼지 가스의 도움으로 진공된다. 퍼지 가스는 캐리어 가스와 동일하거나 유사할 수 있다. 한 예에서, 퍼지 가스는 N2이며, 반응 챔버는 하나 이상의 소스 가스의 흐름을 막으면서, 반응 챔버 내로의 N2의 흐름을 지속시킴으로써 퍼지된다. 다른 예에서, 동작(610 및 615) 간의 반응 챔버는 펌핑 시스템의 도움으로(즉, 반응 챔버에 진공을 적용하여) 진공된다. 다른 경우에, 반응 챔버는 퍼지 가스와 진공 시스템의 도움으로 퍼지된다.
방법(600)이 반응 챔버 내에서의 발생으로 설명되었지만, 일부 상황에서는, 방법(600) 중 하나 이상의 동작이 별도의 반응 챔버 내에서 발생할 수 있다. 한 예에서, 동작(605 및 610)은 제1 반응 챔버 내에서 실행되고, 동작(615-625)은 제2 반응 챔버 내에서 실행되며, 동작(630-640)은 제3 반응 챔버 내에서 실행된다. 반응 공간이 별도의 위치에서와 같이, 서로 유동적으로 격리될 수 있다.
도 7은 델타 도핑된 층과 델타 도핑된 층 위에 p-GaN 층을 형성하기 위한 압력 대 시간 펄싱 다이어그램을 도시한다. 압력(y-축)은 시간의 함수(x-축)로서 도시된다. 압력은 반응 챔버 내의 각 소스 가스의 부분 압력에 대응할 수 있다. 제1 시간(t1)에서, 반응 챔버 내의 기판으로 인해, TMI와 NH3는 N2 캐리어 가스의 도움으로 반응 챔버 내로 전달된다. 이는 기판 위에 습윤 층을 형성한다. 다음으로, 습윤 층은 제2 시간(t2)에 반응 챔버 내로 전달되는, Cp2Mg의 도움으로 마그네슘으로 델타 도핑된다. NH3와 N2의 유량은 반응 챔버 내로의 Cp2Mg의 펄스 동안 유지된다. Cp2Mg 노출을 위한 기간은 TMI의 노출 기간 미만이지만, 일부 상황에서, Cp2Mg 노출 기간(즉, 펄스 지속 시간)은 TMI의 노출 기간 이상이다. Cp2Mg 펄스는 TMI 펄스를 중첩한다. 다른 경우에는, Cp2Mg 펄스는 TMI 펄스를 중첩하지 않는다. 한 예에서, Cp2Mg 펄스는 TMI 펄스를 선행한다. 다른 예에서, Cp2Mg 펄스는 TMI 펄스를 뒤따른다.
다음, 제3 시간(t3)에서, TMG는 반응 챔버 내로 전달된다. TMG의 도입 이전에, Cp2Mg의 유량은 막지만, NH3와 N2의 유량은 유지된다. 다음, 제4 시간(t4)에서, Cp2Mg는 p-GaN 층을 형성하기 위한 p-형 도펀트를 제공하도록 반응 챔버 내로 전달된다. 델타 도핑된 층은 GaN 증착시 V-피트 내로의 결합을 위해 p-형 도펀트(Mg)를 제공하는데, 이는 V-피트 내에 p-GaN을 형성하게 한다. Cp2Mg의 제2 용량(dose)은 기판 위에 그리고 V-피트 외부에 p-GaN 층의 연속적인 성장을 위한 p-형 도펀트를 제공한다.
여기에서 제공된 발광 장치의 하나 이상의 층은 증기(또는 기체상) 증착 기술에 의해 형성될 수 있다. 일부 실시 형태에서, 여기에서 제공되는 발광 장치의 하나 이상의 층은 화학 기상 증착(CVD), 원자 층 증착(ALD), 플라즈마 향상 CVD(PECVD), 플라즈마 강화 ALD(PEALD), 유기 금속 CVD(MOCVD), 열선 CVD(HWCVD), 초기 CVD(iCVD), 수정 CVD(MCVD), 기상 축 증착(VAD), 외부 증착(OVD) 및/또는 물리적 기상 증착(예를 들면, 스퍼터 증착, 증발 증착)에 의해 형성된다.
여기에 제공된 방법과 구조는 질화 갈륨과 같은 특정 III-V족 반도체 물질을 갖는 발광 장치의 맥락에서 설명되었지만, 그러한 방법과 구조는 다른 유형의 반도체 물질에도 적용할 수 있다. 여기에 제공된 방법과 구조는 질화 갈륨(GaN), 인듐 질화 갈륨(InGaN), 아연 셀레나이드(ZnSe), 질화 알루미늄(AlN), 알루미늄 질화 갈륨(AlGaN), 알루미늄 갈륨 질화 인듐(AlGalnN) 및 아연 산화물(ZnO)으로 형성된 활성층을 갖는 발광 장치에 사용할 수 있다.
일부 실시 형태에서, 예를 들어, 활성층(우물 층과 장벽 층 포함), n-형 III-V족 반도체 층, p-형 III-V족 반도체 층과 같은, 여기에 제공된 층 및 장치 구조는 기판 온도, 전구체 유량, 성장 속도, 수소 유량 및 반응 챔버 압력과 같은, 하나 이상의 처리 파라메터를 조절하도록 구성되는 컨트롤러의 도움으로 형성된다. 컨트롤러는 여기에 제공된 방법을 구현하도록 구성되는 기계-실행 코드의 실행에 도움이 되도록 구성된 프로세서를 포함하고 있다.
예
활성층 위에 AlGaN 전자 차단층을 갖는 기판은 반응 챔버 내에 제공된다. 활성층 및 전자 차단층은 복수의 V-피트를 포함한다. p-GaN 층은 p-형 델타 도핑된 층을 초기에 형성함으로써 AlGaN 전자 차단층 위에 형성된다. 약 850℃와 1000℃ 사이의 기판 온도에서, 트리메틸인듐(TMI) 및 암모니아(NH3)는 N2 캐리어 가스의 도움으로 반응 챔버 내로 제공되고, 전자 차단층과 접촉되어, 습윤 층을 형성한다. 다음으로, 습윤 층은 반응 챔버 내에 Cp2Mg을 전달하고 Cp2Mg에 습윤 층을 노출함으로써 마그네슘으로 델타 도핑된다. 일부 경우에는, Cp2Mg은 반응 챔버 내로의 TMI의 유입 이전에, 동시에, 또는 이후에 반응 챔버 내에 제공된다. 다음, GaN의 층은 반응 챔버 내에 TMG를 도입함으로써 델타 도핑된 층 위에 형성된다. 델타 도핑된 층 내의 p-형 도펀트는 V-피트 내에 GaN 층 내로의 결합을 위한 p-형 도펀트를 제공한다. V-피트를 채우는 p-GaN 층 이전에 또는 이후에, p-형 도펀트의 소스 가스는 TMG와 NH3와 함께 반응 챔버 내에 도입된다. p-형 도펀트의 소스 가스의 타이밍은 원하는 대로 p-형 도펀트 농도, 분포 및/또는 배포를 제공하도록 선택된다.
설명 및 청구범위 전체에 걸쳐서 문맥상 달리 명확하게 요구하지 않는 한, 단수 또는 복수 번호를 사용하는 단어는 각각 복수 또는 단수를 포함하기도 한다. 또한, 단어 '여기', '이하', '상기', '하기', 및 이와 유사한 단어는 전체적으로 이 출원을 참조하고, 이 출원의 특정 부분에 대해서는 참조하지 않는다. 2개 이상의 항목의 목록을 참조하여 단어 '또는'이 사용되면, 그 단어는 다음의 단어 전체의 해석을 커버한다: 목록에서 소정의 항목, 목록에서 모든 항목, 및 목록에서 소정의 항목 조합.
상기로부터, 특정 구현이 도시되고 설명되었지만, 여기에서는 다양한 변형이 이루어질 수 있고 고려된다는 점이 이해되어야 한다. 또한, 본 발명이 명세서에서 제공되는 특정 실시 형태에 의해 제한되는 것은 아니다. 본 발명이 상기 명세서를 참조하여 설명하였지만, 여기에서는 본 발명의 실시 형태에 대한 설명과 도시는 제한의 의미로 해석되는 것을 의미하지 않는다. 또한, 본 발명의 모든 특징은 다양한 조건과 변수에 의존하는 여기에 명시된 특정 묘사, 구성 또는 상대 비율에 국한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 발명의 실시 형태의 다양한 형태 변형 및 세부 사항은 당업자에게는 명백하다. 따라서, 본 발명은 또한 그러한 수정, 변형 및 등가물을 포함하여야 하는 것으로 고려된다.

Claims (35)

  1. 발광 다이오드(LED)로서,
    n-형 도펀트로 도핑된 n-형 질화 갈륨(GaN) 층;
    상기 n-형 GaN 층에 인접하여 있고 1개 이상의 V-피트(pit)를 갖고 인듐(In)을 포함하는 활성층;
    상기 활성층에 인접하여 있고, 습윤 물질로서 인듐(In)을 포함하고 p-형 도펀트로서 마그네슘(Mg)을 포함하는 p-형 델타 도핑된 층; 및
    상기 p-형 델타 도핑된 층에 인접하여 있고 p-형 도펀트로 도핑되는 p-형 GaN 층을 포함하고,
    상기 p-형 GaN 층은 제1 부분과 제2 부분을 갖고, 상기 제1 부분은 상기 활성층 위에 배치되고, 상기 제2 부분은 상기 1개 이상의 V-피트에 의해 측면으로 경계지어진 상기 p-형 GaN 층의 부분이고,
    마그네슘 밀도(intensity)는 상기 p-형 델타 도핑된 층에서 피크를 갖고, 인듐 밀도(intensity)는 상기 p-형 델타 도핑된 층에서 제1 피크, 상기 활성층에서 제2 피크를 갖고, 상기 p-형 델타 도핑된 층에서의 인듐 밀도의 제1 피크는 상기 활성층에서의 인듐 밀도의 제2 피크보다 낮은, 발광 다이오드.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 부분에서의 상기 p-형 도펀트의 농도가 적어도 1x1020 cm-3 인, 발광 다이오드.
  3. 제1항에 있어서, 상기 n-형 GaN 층에 인접하여 있는 실리콘 기판을 더 포함하는, 발광 다이오드.
  4. 삭제
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  11. 제1항에 있어서, 상기 활성층이 1x108 cm-2와 5xl09 cm-2 사이의 변위 밀도(dislocation density)를 갖는, 발광 다이오드.
  12. 발광 다이오드(LED)로서,
    n-GaN 층;
    상기 n-GaN 층에 인접하여 있고 1개 이상의 V-피트(pit)와 인듐(In)을 포함하는 활성층;
    상기 활성층에 인접하여 있는 전자 차단층; 및
    상기 전자 차단층에 인접하여 있는 p-GaN 층을 포함하고,
    상기 발광 다이오드는 상기 전자 차단층과 상기 p-GaN 층 사이에 마그네슘(Mg)과 인듐(In)을 포함하는 p-형 도펀트 주입층을 포함하고,
    마그네슘 밀도(intensity)는 상기 p-형 도펀트 주입층에서 피크를 갖고, 인듐 밀도(intensity)는 상기 p-형 도펀트 주입층에서 제1 피크, 상기 활성층에서 인듐 밀도의 제2 피크를 갖고, 상기 p-형 도펀트 주입층에서의 인듐 밀도의 제1 피크는 상기 활성층에서의 인듐 밀도의 제2 피크보다 낮은, 발광 다이오드.
  13. 삭제
  14. 제12항에 있어서, 상기 활성층이 1x108 cm-2와 5x109 cm-2 사이의 변위 밀도를 갖는, 발광 다이오드.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 발광 다이오드(LED)를 형성하는 방법으로서,
    활성층에 인접하여 있고 상기 활성층의 하나 이상의 V-피트 내로 확장되는 p-형 III-V족 반도체 층을 반응 챔버 내의 기판 위에 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 p-형 III-V족 반도체 층이,
    인듐(In)을 포함하는 습윤 층을 마그네슘(Mg)으로 델타 도핑하는 단계; 및
    상기 반응 챔버 내에 III족 원소의 소스 가스와 V족 원소의 소스 가스를 도입하는 단계에 의해 형성되는, 발광 다이오드 형성 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 습윤 층을 형성하기 전에, 전자 차단층이 상기 활성층에 인접하여 형성되는, 발광 다이오드 형성 방법.
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 제1항에 있어서, 상기 p-형 GaN 층이 상기 활성층의 하나 이상의 V-피트 내로 확장되는, 발광 다이오드.
  24. 제1항에 있어서, 상기 제2 부분에서의 상기 p-형 도펀트의 농도가 적어도 1x1020 cm-3 인, 발광 다이오드.
  25. 제1항에 있어서, 상기 p-형 델타 도핑된 층에서의 인듐 밀도의 제1 피크는 상기 활성층에서의 인듐 밀도의 제2 피크의 1/100 이하인, 발광 다이오드.
  26. 제1항에 있어서, 상기 활성층과 상기 p-형 델타 도핑된 층 사이에 전자 차단층을 더 포함하는, 발광 다이오드.
  27. 제1항에 있어서, 상기 p-형 델타 도핑된 층에서의 마그네슘 밀도의 피크는 상기 p-형 델타 도핑된 층에서의 인듐 밀도의 제1 피크와 일치하는, 발광 다이오드.
  28. 제12항에 있어서, 상기 p-형 도펀트 주입층에서의 인듐 밀도의 제1 피크는 상기 활성층에서의 인듐 밀도의 제2 피크의 1/100 이하인, 발광 다이오드.
  29. 제12항에 있어서, 상기 p-형 도펀트 주입층에서의 마그네슘 밀도의 피크는 상기 p-형 도펀트 주입층에서의 인듐 밀도의 제1 피크와 일치하는, 발광 다이오드.
  30. 제12항에 있어서, 상기 p-형 도펀트 주입층은 질소(N)를 추가로 포함하는, 발광 다이오드.
  31. 제12항에 있어서, 상기 p-GaN 층이 상기 활성층의 하나 이상의 V-피트 내로 확장되는, 발광 다이오드.
  32. 제12항에 있어서, 상기 p-GaN 층은 제1 부분과 제2 부분을 갖고, 상기 제1 부분은 상기 활성층 위에 배치되고, 상기 제2 부분은 상기 1개 이상의 V-피트에 의해 측면으로 경계지어진 p-GaN 층의 부분인, 발광 다이오드.
  33. 제32항에 있어서, 상기 제2 부분에서의 p-형 도펀트의 농도가 적어도 1x1020 cm-3 인, 발광 다이오드.
  34. 제19항에 있어서, 상기 델타 도핑하는 단계는 상기 기판이 배치되는 상기 반응 챔버 내에 마그네슘의 전구체를 펄싱하는 단계를 포함하는, 발광 다이오드 형성 방법.
  35. 제34항에 있어서, 상기 마그네슘의 전구체는 0.1 초와 15 분 사이의 기간 동안 펄싱되는, 발광 다이오드 형성 방법.
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