KR100462425B1 - Group 3-5 compound semiconductor and light emitting device - Google Patents
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Abstract
결정도가 높고 품질이 높은 3족-5족 화합물 반도체 및 이를 사용하는 발광효율이 높은 광 방출장치는 발광층과 기질과의 사이에 3개 이상의 층들로 구성된 특정한 접지층을 제공함으로써 수득된다.Group 3-5 compound semiconductors having high crystallinity and high quality and high luminous efficiency light emitting devices using the same are obtained by providing a specific ground layer composed of three or more layers between the light emitting layer and the substrate.
발광층의 계면에서 격자 상수의 차이로 생기는 전위의 형성을 억제하고 보다 긴 파장의 광을 용이하게 방출할 수 있는 광 방출장치는 또한 당해 발광층과 기질과의 사이의 하나 이상의 층의 AIN 혼합 결정비를 특정한 범위 내에서 조절하고 당해 발광층의 격자 상수를 접지층의 격자 상수보다 큰 값으로 조절함으로써 수득되며, 여기서 압축 변형율을 가진 발광층이 당해 접지층에 접촉되어 형성된다.A light emitting device that can suppress the formation of dislocations caused by the difference in lattice constant at the interface of the light emitting layer and can easily emit light of longer wavelengths, also provides an AIN mixing crystal ratio of one or more layers between the light emitting layer and the substrate. It is obtained by adjusting within a specific range and adjusting the lattice constant of the light emitting layer to a value larger than the lattice constant of the ground layer, where a light emitting layer having a compressive strain is formed in contact with the ground layer.
Description
본 발명은 화학식 InuGavAlwN의 3족-5족 화합물 반도체(단, u+v+w=1, 0≤u≤1, 0≤v≤1 및 0≤w≤1이다) 및 이를 사용하는 광 방출장치에 관한 것이다.The present invention provides a Group III-V compound semiconductor of the formula In u Ga v Al w N, provided that u + v + w = 1, 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1 and 0 ≦ w ≦ 1; and It relates to a light emitting device using the same.
자외선 또는 청색 광 방출 다이오드, 자외선 또는 청색 레이저 다이오드 등과 같은 광 방출장치의 물질로서, 화학식 InxGayAlZN의 3족-5족 화합물 반도체(단,x+y+z=1, 0<x≤l, 0≤y<1 및 0≤z<1이다) 공지되어 있다. 이하에서, 상기 화학식 중의 x, y 및 z는 종종 각각 "InN 혼합 결정비", "GaN 혼합 결정비" 및 "AIN 혼합 결정비"로서 지칭한다. 특히, 혼합 결정비 10% 이상의 InN을 함유하는 3족-5족 화합물 반도체는 가시 범위 내에서의 발광 파장이 InN 혼합 결정비에 따라 조절될 수 있기 때문에, 디스플레이 용도로서 중요하다.A material of a light emitting device, such as an ultraviolet or blue light emitting diode, an ultraviolet or blue laser diode, or the like, wherein the group III-V compound semiconductor of the formula In x Ga y Al Z N (where x + y + z = 1, 0 < x ≦ l, 0 ≦ y <1 and 0 ≦ z <1). In the following, x, y and z in the formula are often referred to as "InN mixed crystal ratio", "GaN mixed crystal ratio" and "AIN mixed crystal ratio", respectively. In particular, the group III-V compound semiconductors containing InN of 10% or more of mixed crystal ratio are important as display applications because the emission wavelength in the visible range can be adjusted according to the InN mixed crystal ratio.
그러나, 상기 화합물 반도체 및 이를 사용하는 광 방출장치는 하기의 문제점을 갖는다.However, the compound semiconductor and the light emitting device using the same have the following problems.
첫째, 다양한 기질(예를 들면, 사파이어, GaAs, ZnO 등) 위에서 상기 3족-5 족 화합물 반도체의 필름을 형성하려는 시도가 이루어지고 있다. 그러나, 상기 기질의 격자 상수 및 화학적 특성들이 상기 화합물 반도체의 기질과 상당히 다르기 때문에 여전히 충분하게 고품질의 결정이 수득될 수 없다. 따라서, 우수한 결정을 수득하기 위해 격자 상수 및 화학적 특성들이 상기 화합물 반도체의 기질과 매우 유사한 GaN의 결정을 먼저 성장시키고, 그 위에 상기 화합물 반도체를 성장시키려는 시도가 이루어지고 있다 [참조 일본 특허공보 제55-3834호]. 최근에, 활성층으로써 화학식 InxGayN의 반도체(단, x+y=1, 0<x<1, 0<y<1)를 포함하는 광 방출장치에서 발광층의 두께를 약 20Å으로 조절함으로써 고효율의 광 방출장치가 실현될 수 있는 것으로 보고되었다[참조 :Japanese Journal of Applied Physics, 1995, Vol. 34, page L797]. 그러나, 이러한 경우에 상기 발광층의 InN 혼합 결정비가 증가함에 따라 상기 발광 효율이 낮아지는 것으로 보고되었다.First, attempts have been made to form films of Group 3-5 compound semiconductors on various substrates (eg, sapphire, GaAs, ZnO, etc.). However, sufficient high quality crystals still cannot be obtained because the lattice constants and chemical properties of the substrate are significantly different from that of the compound semiconductor. Thus, in order to obtain excellent crystals, an attempt has been made to first grow a crystal of GaN whose lattice constant and chemical properties are very similar to the substrate of the compound semiconductor, and to grow the compound semiconductor thereon. See Japanese Patent Publication No. 55 -3834]. Recently, in the light emitting device including the semiconductor of the formula In x Ga y N as an active layer (where x + y = 1, 0 <x <1, 0 <y <1), the thickness of the light emitting layer is adjusted to about 20 mW. It has been reported that high efficiency light emitting devices can be realized [Japanese Journal of Applied Physics, 1995, Vol. 34, page L797]. However, in this case, it has been reported that the luminous efficiency is lowered as the InN mixing crystal ratio of the light emitting layer is increased.
둘째, 상기 3족-5족 화합물 반도체의 격자 상수는 상기 lnN 혼합 결정비에주로 의존하고, 상기 격자 상수는 상기 InN 혼합 결정비가 증가함에 따라 더 커진다. Second, the lattice constant of the Group III-V compound semiconductor is mainly dependent on the lnN mixed crystal ratio, and the lattice constant becomes larger as the InN mixed crystal ratio increases.
따라서, In을 함유하지 않는 3족-5족 화합물 반도체(예를 들면, GaN 등) 위에 InN 혼합 결정비가 큰 3족-5족 화합물 반도체를 성장시키려는 시도가 이루어지더라도, 필름 두께가 충분히 적은 것들만이 우수한 결정도를 보여준다. 그러나, 상기필름 두께가 적을 경우, 상기 혼합 결정비의 격자 매칭에 대한 소위 자기 조절 효과로 인해 접지층과 격자 상수가 크게 다른 결정을 수득하기 어려운 것으로 공지되어 있다. 즉, 이러한 사실은 In을 함유하지 않는 반도체층(예를 들면, GaN등) 위에 InN 혼합 결정비가 높은 화합물 반도체의 얇은 필름을 형성시키기 어려움을 나타낸다. 따라서, 상기 InN 혼합 결정비를 증가시킴으로써 상기 광 방출장치의 파장을 길게 하는 것은 어렵다.Therefore, even if an attempt is made to grow a Group 3 to Group 5 compound semiconductor having a high InN mixing crystal ratio on a Group 3 to Group 5 compound semiconductor that does not contain In (eg, GaN, etc.), only those films having a sufficiently small film thickness may be used. This shows excellent crystallinity. However, when the film thickness is small, it is known that it is difficult to obtain crystals having greatly different lattice constants from the ground layer due to the so-called self-regulating effect on lattice matching of the mixed crystal ratio. That is, this fact shows that it is difficult to form a thin film of a compound semiconductor having a high InN mixing crystal ratio on a semiconductor layer (for example, GaN or the like) containing no In. Therefore, it is difficult to lengthen the wavelength of the light emitting device by increasing the InN mixing crystal ratio.
한편, InN 혼합 결정비가 낮은 발광층을 사용함으로써 발광 파장이 긴 광 방출장치를 제조하는 방법으로서는, 발광층으로서 상기 3족-5족 화합물 반도체를 사용하는 양자 웰 구조를 포함하는 광 방출장치 중의 발광층에 인장 응력을 적용함으로써 발광 파장을 실질적으로 길게 하는 방법이 제시되어 있다[참조: 유럽 공개특허 공보 제0 716 457호]. 그러나, 상기 접지층보다 격자 상수가 큰 화합물 반도체에 인장 응력을 적용시키기 위해서는, 상기 접지층과 발광층과의 사이의 계면에 격자 상수 차이로 생기는 전위가 형성되는 것을 피할 수 없으며, 따라서, 상기 발광 층의 결정도의 열화를 피할 수 없다. 여기서 사용된 용어"격자 상수 차이로 생기는 전위'는 서로 적층된 2개의 층들 사이의 격자 상수의 차이로 인해 2개의 층들사이의 계면에 형성된 전위를 의미한다On the other hand, as a method of manufacturing a light emitting device having a long emission wavelength by using a light emitting layer having a low InN mixed crystal ratio, it is tensioned to a light emitting layer in a light emitting device including a quantum well structure using the group III-V group compound semiconductor as the light emitting layer. A method of substantially lengthening the luminescence wavelength by applying a stress is proposed (see EP-A-0 716 457). However, in order to apply tensile stress to a compound semiconductor having a lattice constant larger than that of the ground layer, it is inevitable that a potential caused by a lattice constant difference is formed at an interface between the ground layer and the light emitting layer, and thus, the light emitting layer Deterioration of the crystallinity is inevitable. As used herein, the term "potential caused by the lattice constant difference" means a potential formed at the interface between two layers due to the difference in lattice constant between two layers stacked on each other.
본 발명의 제1의 목적은 결정도가 높고 품질이 높은 3족-5족 화합물 반도체,및 이를 사용하는 발광 효율이 높은 광 방출장치를 제공하는 것이다It is a first object of the present invention to provide a Group 3-5 compound semiconductor having high crystallinity and high quality, and a light emitting device having high luminous efficiency using the same.
본 발명의 제2의 목적은 상기 발광층의 계면에서 격자 상수의 차이로 생기는 전위의 형성을 억제하고 보다 긴 파장의 광을 용이하게 방출할 수 있는 광 방출장치를 제공하는 것이다.It is a second object of the present invention to provide a light emitting device which can suppress the formation of dislocations caused by a difference in lattice constant at the interface of the light emitting layer and can easily emit light of a longer wavelength.
이러한 상황하에서, 본 발명자들은 본원을 예의 검토한 결과, 상기 발광층과기질과의 사이에 3개 이상의 층들로 이루어진 특정한 접지층을 제공함으로써 접지 층 위에서 성장된 층의 결정도가 현저하게 향상됨을 밝혀내고, 본 발명을 완성하였다.Under these circumstances, the inventors have diligently studied the present application and found that the crystallinity of the layer grown on the ground layer is significantly improved by providing a specific ground layer composed of three or more layers between the light emitting layer and the substrate. The present invention has been completed.
또한, 상기 발광층과 기질과의 사이의 하나 이상의 층의 AIN 혼합 결정비를 특정한 범위내에서 조절하고, 상기 발광층의 격자 상수를 상시 접지층의 것보다 큰 값으로 조절함으로써 압축 변형율을 가진 발광층이 상기 접지층과 접촉하여 형성되고, 이에 의해 격자 상수 차이로 생기는 전위의 형성이 억제되고 발광 파장이 길어진다. 따라서, 본 발명을 완성하였다.In addition, by adjusting the AIN mixing ratio of the at least one layer between the light emitting layer and the substrate within a specific range, and by adjusting the lattice constant of the light emitting layer to a value larger than that of the ground layer at all times, the light emitting layer having a compressive strain is It is formed in contact with the ground layer, whereby the formation of dislocations caused by the lattice constant difference is suppressed and the emission wavelength is long. Thus, the present invention has been completed.
즉, 본 발명의 제1은 발광층과 기질 사이에서 3개 이상의 층으로 구성된 접지층[당해 접지층을 구성하는 각각의 층은 화학식 InuGavAlwN의 3족-5족 화합물 반도체(단, 0≤u≤1, 0≤v≤1, 0≤w≤1, 및 u+v+w=1이다)이고, 당해 접지층 중의 하나 이상의 층은 이들과 접촉된 층보다 InN 혼합 결정비가 작은 2개의 층들 사이에 삽입되며, InN 혼합 결정비가 보다 작은 상기 2개의 층들 사이에 삽입된 층의 InN 혼합 결정비는 상기 기질 측으로 부터의 층과 접촉된 층의 혼합 결정비보다 0.05 이상 크고, InN 혼합 결정비가 보다 작은 2개의 층들 중에서 당해 기질 측에 있는 층과 상기 발광층과의 사이에 있는 하나 이상의 층은 n 형태의 불순물로 도핑된다]을 가짐을 특징으로 하는, 당해 기질 위에 하나 이상의 발광층[당해 발광층은 화학식 InxGayAlzN의 3족-5족 화합물 반도체(단, 0<x≤1, 0≤y<1, 0≤z<1, 및 x+y+z=1이다)이고, 이와 접촉된 2개의 충진물 유입층들 사이에 삽입된다] 및 충진물 유입층[당해 충진물 유입층은 화학식 Inx'Gay'Alz'N의 3족-5족 화합물 반도체(단, 0≤x'≤1, 0≤y'≤1, 0≤z'≤1, 및 x'+y'+z'=1이다)이고, 당해 발광층보다 밴드 갭이 크다]을 포함하는 3족-5족 화합물 반도체(1)에 관한 것이다.That is, the first of the present invention is a ground layer composed of three or more layers between the light emitting layer and the substrate [each layer constituting the ground layer is a group III-5 compound semiconductor of the formula In u Ga v Al w N , 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, 0 ≦ w ≦ 1, and u + v + w = 1), and at least one of these ground layers has a smaller InN mixing ratio than the layer in contact with them. The InN mixing crystal ratio of the layer inserted between the two layers inserted between the two layers with smaller InN mixing crystal ratio is greater than 0.05, and the InN mixing ratio of the mixed crystal ratio of the layer in contact with the layer from the substrate side At least one light emitting layer on the substrate, wherein the at least one layer between the layer on the side of the substrate and the light emitting layer is doped with an n-type impurity among the two smaller crystal ratios the formula in x Ga y Al z N of Group III -5 compound peninsula (Where 0 <x ≦ 1, 0 ≦ y <1, 0 ≦ z <1, and x + y + z = 1), interposed between the two charge inlet layers in contact with it; Layer [The filler inlet layer is a group III-V compound semiconductor of the formula In x ' Ga y' Al z ' N (where 0≤x'≤1, 0≤y'≤1, 0≤z'≤1, And x '+ y' + z '= 1), and the band gap is larger than that of the light emitting layer.
본 발명은 또한 상기의 3족-5족 화합물 반도체(1)를 사용하는 광 방출 장치(2)에 관한 것이다.The present invention also relates to a light emitting device (2) using the above Group III-V compound semiconductor (1).
본 발명의 제2는 화학식 InaGabAlcN의 3족-5족 화합물 반도체(단, 0≤a<1, 0<b<1, 0.05≤c<1, 및 a+b+c=1이다)의 접지층, 상기 접지층보다 밴드 갭이 작은, 화학식 InxGayAlzN의 3족-5족 화합물 반도체(단, 0<x≤1, 0≤y<1, 0≤z<1, 및 x+y+z=1이다)의 발광층, 및 상기 발광층보다 밴드 갭이 큰, 화학식 Ina'Gab'Alc'N의 3족-5족 화합물 반도체(단, 0≤a'<1, 0<b'≤1, 0≤c'<1, 및 a'+b'+c'=1이다)의 보호층이 각각 이 순서대로 적충되고; 상기 발광층의 격자 상수가 상기 접지층보다 크며; 압축 응력이 연결 방향으로 상기 발광층에 적용되는 구조를 포함하는 광 방출 장치에 관한 것이다.A second aspect of the present invention provides a group III-V compound semiconductor of the formula In a Ga b Al c N (where 0 ≦ a <1, 0 <b <1, 0.05 ≦ c <1, and a + b + c = A ground layer of 1), a group III-V group compound semiconductor of formula In x Ga y Al z N having a band gap smaller than that of the ground layer (where 0 <x≤1, 0≤y <1, 0≤z A light emitting layer of <1, and x + y + z = 1, and a group III-V group compound semiconductor of the formula In a ' Ga b' Al c ' N having a larger band gap than the light emitting layer (where 0 ≦ a Protective layers of '<1, 0 <b' ≦ 1, 0 ≦ c '<1, and a' + b '+ c' = 1) are respectively deposited in this order; A lattice constant of the light emitting layer is greater than the ground layer; A light emitting device comprising a structure in which compressive stress is applied to the light emitting layer in a connecting direction.
본 발명은 하기에서 상세히 설명될 것이다.The invention will be explained in detail below.
먼저, 본 발명의 제1을 설명한다.First, the first of the present invention will be described.
본 발명의 3족-5족 화합물 반도체는 기질 위에 접지층 및 양자 웰 구조의 층을 이 순서대로 포함한다. 양자 웰 구조는 화학식 InxGayAlzN의 층(단, x+y+z=1, 0<x≤1, 0≤y<1, 및 0≤z<1이다)(이하, 종종 "발광층"으로서 지칭함)이 당해 발광층보다 밴드 갭이 큰 화학식 Inx'Gay'Alz'N의 층들(단, 0≤x'≤1, 0≤y'≤1, 0≤z'≤1, 및 x'+y'+z'=1이다)(이하, "충진물 유입층"으로서 지칭함) 사이에 삽입됨을 의미한다. 단, 2개의 충진물 유입층들을 나타내는 화학식중의 x', y' 및 z'는 동일하거나 상이할 수 있다.The Group III-V compound semiconductor of the present invention includes a ground layer and a layer of a quantum well structure in this order on a substrate. The quantum well structure is a layer of the formula In x Ga y Al z N, provided that x + y + z = 1, 0 <x ≦ 1, 0 ≦ y <1, and 0 ≦ z <1 (hereinafter, often referred to as “ Light emitting layer ", which has a band gap larger than that of the light emitting layer, wherein layers of the formula In x ' Ga y' Al z ' N (where 0 ≦ x' ≦ 1, 0 ≦ y ' ≦ 1, 0 ≦ z' ≦ 1, And x '+ y' + z '= 1) (hereinafter referred to as the "fill inlet"). However, x ', y' and z 'in the formula representing the two filler inlet layers may be the same or different.
본 발명의 접지층은 3개 이상의 층들로 구성되며, 모든 층들은 화학식 InuGavAlwN의 층(단, 0≤u≤1, 0≤v≤1, 0≤w≤1, 및 u+v+w=1이다)이다. 단, 접지층중의 3개 이상의 층들을 나타내는 화학식 중의 u, v 및 w는 동일하거나 상이할 수 있다.The ground layer of the present invention is composed of three or more layers, all of which are layers of the formula In u Ga v Al w N, where 0 ≦ u ≦ 1, 0 ≦ v ≦ 1, 0 ≦ w ≦ 1, and u + v + w = 1). However, u, v, and w in the formula representing three or more layers in the ground layer may be the same or different.
본 발명의 접지층에서, 접지층 중의 하나 이상의 층은 당해 층에 접촉되어 있고 당해 층보다 InN 혼합 결정비를 가진 2개의 층들 사이에 삽입된다.In the grounding layer of the present invention, at least one of the grounding layers is interposed between two layers in contact with the layer and having an InN mixing ratio than that layer.
본 발명의 접지층에서 InN 혼합 결정비가 적은 층들 사이에 삽입된 층은 가끔 "변형된 층"으로서 지칭된다.In the ground layer of the present invention, a layer interposed between layers having a low InN mixing ratio is sometimes referred to as a "modified layer".
상기 변형된 층을 상기 기질 측으로부터의 변형된 층과 접촉하고 있는 층과 비교해 보면, 상기 변형된 층 및 상기 기질 측으로부터의 변형된 층과 접촉하고 있는 층 사이의 InN 혼합 결정비의 차이는 0.05이상, 보다 바람직하게는 0.1 이상, 가장 바람직하게는 0.2 이상이다. 혼합 결정비의 차이가 0.05 보다 작으면, 본 발명의 효과가 충분하지 않다.Comparing the strained layer with the layer in contact with the strained layer from the substrate side, the difference in InN mixing ratio between the strained layer and the layer in contact with the strained layer from the substrate side is 0.05. As mentioned above, More preferably, it is 0.1 or more, Most preferably, it is 0.2 or more. If the difference in the mixing crystal ratios is less than 0.05, the effect of the present invention is not sufficient.
상기 변형된 층의 두께가 5Å 이상인 것이 바람직하다. 상기 변형된 층의 두께가 5Å 보다 작으면, 본 발명의 효과가 충분하지 않다.It is preferable that the thickness of the deformed layer is 5 kPa or more. If the thickness of the deformed layer is less than 5 GPa, the effect of the present invention is not sufficient.
상기 변형된 층이 격자 변형을 갖기 때문에, 상기 두께가 너무 크면 종종 결함이 생긴다. 이러한 경우에, 상기 변형된 층위에서 성장된 층의 결정도는 결국 열화되어 바람직하지 않다. 상기 변형된 층의 두께의 바람직한 상한선은 상기 변형된 층과 당해 층 이전에 성장한 층과의 사이의 InN 혼합 결정비의 차이에 의존한다. 구체적으로, 상기 변형된 층의 두께는 InN 혼합 결정비의 차이가 0.05인 경우, 바람직하게는 600Å 이하이다. 상기 변형된 층의 두께는 InN 혼합 결정비의 차이가 0.3인 경우, 바람직하게는 100Å 이하이다. 즉, InN 혼합 결정비의 차이가 0.3 이하인 경우, 혼합 결정비의 차이와 변형된 층의 두께(Å)의 곱은 바람직하게는 30 이하이다. InN 혼합 결정비의 차이가 0.3을 초과하는 경우, 상기 변형된 층의 두께는 바람직하게는 100Å 이하이다.Since the deformed layer has a lattice strain, too large the thickness often leads to defects. In this case, the crystallinity of the layer grown on the strained layer eventually deteriorates and is undesirable. The preferred upper limit of the thickness of the strained layer depends on the difference in InN mixing crystal ratio between the strained layer and the layer grown before the layer. Specifically, the thickness of the deformed layer is preferably 600 kPa or less when the difference in InN mixing crystal ratio is 0.05. The thickness of the deformed layer is preferably 100 kPa or less when the difference in InN mixing crystal ratio is 0.3. That is, when the difference in the InN mixed crystal ratio is 0.3 or less, the product of the difference in the mixed crystal ratio and the thickness of the deformed layer is preferably 30 or less. When the difference in the InN mixing crystal ratios exceeds 0.3, the thickness of the modified layer is preferably 100 kPa or less.
상기 변형된 층의 수가 하나인 경우, 본 발명의 효과가 수득될 수 있을지라도, 다수의 변형된 층들을 사용함으로써 가끔 커다란 효과가 수득될 수 있다. 상기 접지층의 예에는 서로 적층되어 있는, InN 혼합 결정비가 보다 큰 m개의 층들과 InN 혼합 결정비가 보다 작은 (m+1)개의 층들을 포함하는 (2m+1)개의 층들의 구조가 포함된다. 또한, m은 2 이상의 양의 정수이다.When the number of the modified layers is one, even if the effects of the present invention can be obtained, sometimes large effects can be obtained by using a plurality of modified layers. Examples of the ground layer include a structure of (2m + 1) layers stacked on each other, including m layers having a higher InN mixing crystal ratio and (m + 1) layers having a smaller InN mixing crystal ratio. In addition, m is a positive integer of 2 or more.
다수의 이러한 변형된 층들을 함유하는 적층된 구조의 접지층에서, InN 혼합 결정비는 각각의 변형된 층의 두께가 유지되면서 극히 조금 변화될 수 있다. 상기 두께가 임계 필름 두께를 초과하지 않는 한, 각각의 변형된 층의 InN 혼합 결정비가 유지되면서 상기 층의 두께가 극히 조금 변화될 수 있다.In a stacked structure ground layer containing a large number of such modified layers, the InN mixing crystal ratio can be changed only slightly while maintaining the thickness of each modified layer. As long as the thickness does not exceed the critical film thickness, the thickness of the layer can be changed only slightly while maintaining the InN mixing ratio of each modified layer.
상기 변형된 층의 것보다 적은 InN 혼합 결정비를 가진 층들에서, 상기 층들의 두께 또는 InN 혼합 결정비는 극히 조금 변화하거나 그대로 일 수 있다.In layers with less InN mixed crystal ratio than that of the modified layer, the thickness or InN mixed crystal ratio of the layers may vary or remain very slight.
상기 발광층과 기질과이 사이에 상기 변형된 층을 함유하는 접지층을 제공함으로써 접지층 위에서 성장한 층의 결정도가 현저하게 향상될 수 있다. 상기 화합물 반도체가 이하에서 언급될 유기 금속 증기 상 적층 성장법을 사용하여 대기압에서 성장하는 경우, 이러한 효과가 인식될 수 있기는 하나, 이러한 효과는 감압 하에서 성장하는 경우에 현저하다.By providing a ground layer containing the modified layer between the light emitting layer and the substrate, the crystallinity of the layer grown on the ground layer can be significantly improved. When the compound semiconductor is grown at atmospheric pressure using the organometallic vapor phase layered growth method described below, this effect can be recognized, but this effect is remarkable when growing under reduced pressure.
결정도는 인산과 황산의 가열된 혼합 산으로 처리된 상기 화합물 반도체의 표면 위에 형성된 부식 피트의 밀도에 의해 인지될 수 있다. 부식 피트 밀도의 감소로써 상기 접지층의 효과가 나타나기 때문에, 상기 접지층이 화합물 반도체 결정중에 존재하는 전위의 이동을 억제하는 것으로 생각된다.The crystallinity can be recognized by the density of corrosion pits formed on the surface of the compound semiconductor treated with a heated mixed acid of phosphoric acid and sulfuric acid. Since the effect of the ground layer is exhibited by reducing the corrosion pit density, it is thought that the ground layer suppresses the shift of the potential present in the compound semiconductor crystal.
추가로, 본 발명은 InN 혼합 결정비가 보다 작은 2개의 층들 중에서 기질 측에 있는 층과 발광층과의 사이의 하나 이상의 층이 n 형태의 불순물로 도핑됨을 특징으로 한다. 이의 구체적인 예에는 상기 변형된 층 또는 당해 층 위에서 성장한 InN 혼합 결정비가 보다 작은 층이 n 형태의 불순물로 도핑된 것이 포함된다.Further, the present invention is characterized in that one or more layers between the light emitting layer and the layer on the substrate side of the two layers having the smaller InN mixing ratio are doped with n type impurities. Specific examples thereof include those in which the deformed layer or a layer having a smaller InN mixed crystal ratio grown on the layer is doped with n-type impurities.
상기 언급한 구조를 사용하여, 유입된 캐리어들이 상기 변형된 층에 재혼합되는 것을 피할 수 있고, 상기 변형된 층의 InN 혼합 결정비가 당해 변형 층과 연결된 층의 InN 혼합 결정비보다 높기 때문에, 상기 변형된 층의 밴드 갭이 변형된 층에 연결된 층의 InN 혼합 결정비보다 작다고 하더라도, 상기 발광층 중의 재혼합 효율이 저하되는 것을 피할 수 있다.By using the above-mentioned structure, it is possible to avoid remixing the introduced carriers into the deformed layer, and since the InN mixing crystal ratio of the deformed layer is higher than the InN mixing crystal ratio of the layer connected with the deformed layer, Even if the band gap of the strained layer is smaller than the InN mixing crystal ratio of the layer connected to the strained layer, the remixing efficiency in the light emitting layer can be avoided.
n 형태의 도핑된 층의 캐리어들의 바람직한 농도는 1x1017cm-3 이상, 바람직하게는 1x1018cm-3 이상이다.Preferred concentrations of carriers of the n-type doped layer are at least 1 × 10 17 cm −3 , preferably at least 1 × 10 18 cm −3 .
본 발명의 3족-5족 화합물 반도체의 구조의 한가지 양태는 도 1에 나타내었다. 도 1에 나타낸 양태는 변형된 층(2), n 형태의 층(1) 및 n 형태의 층(3)의 접지층, 2개의 충진물 유입층들(4,6)이 이와 접촉된 발광층(5)을 샌드위치 형태로 만든 양자 웰 구조의 층 및 p 형태의 층(7)이 서로 이 순서대로 적층되어 있는 것이다.One embodiment of the structure of the Group 3-5 compound semiconductor of the present invention is shown in FIG. 1 shows a modified layer 2, a ground layer of n-type layer 1 and an n-type layer 3, and a light-emitting layer 5 in contact with two filler inflow layers 4, 6. ) And a p-type layer 7 are laminated in this order.
n 형태의 층(1) 또는 n 형태의 층(3) 위에 n 전극을 제공하고, p 형태의 층(7)위에 p 전극을 제공한 다음, 순방향으로 전압을 적용함으로써 전류를 유입시키고, 이에 의해 상기 발광층(5) 및 본 발명의 광 방출장치로부터의 방출을 수득한다.providing an n electrode over an n-type layer (1) or an n-type layer (3), providing a p electrode over the p-type layer (7), and then applying a voltage in the forward direction to thereby introduce a current, thereby Emission from the light emitting layer 5 and the light emitting device of the present invention is obtained.
상기 충진물 유입층(4)중의 n 형태의 캐리어의 농도가 충분히 높은 경우, n전극이 상기 충진물 유입층(4)위에 형성될 수 있다.When the concentration of the n-type carrier in the filler inlet layer 4 is sufficiently high, an n electrode may be formed on the filler inlet layer 4.
상기 n 형태의 층(3)의 밴드 갭이 상기 발광층의 밴드 갭보다 큰 경우, 또 다른 층으로서 상기 n 형태의 층(3)을 상기 충진물 유입층(4)과 구별하지 않고 n 형태의 층(3)이 충진물 유입층으로서 작용하고, 상기 충진물 유입층(4)이 성장하지 않을 수 있다.If the bandgap of the n-type layer 3 is larger than the bandgap of the light emitting layer, the n-type layer 3 as another layer is not distinguished from the filler inflow layer 4 as another layer ( 3) acts as a filler inlet layer, and the filler inlet layer 4 may not grow.
상기 충진물 유입층(6)중의 p 형태의 캐리어의 농도가 충분히 높은 경우, 전극이 상기 충진물 유입층(6) 위에 형성될 수 있다. 이러한 경우에, p 형태의 층(7)이 형성되지 않을 수 있다.When the concentration of the p-type carrier in the filler inlet layer 6 is sufficiently high, an electrode may be formed on the filler inlet layer 6. In this case, the p-type layer 7 may not be formed.
상기 충진물 유입층(4) 또는 충진물 유입층(6)이 고농도로 도핑될 경우, 이러한 층들의 결정도가 가끔 열화한다. 이러한 경우에, 발광 특성 또는 전기적 특성이 열화하고, 바람직하지 않다. 이러한 경우에, 상기 충진물 유입층(4) 또는 충진물 유입층(6)중의 불순물의 농도를 감소시킬 필요가 있다. 결정도가 열화되지 않는 경우의 농도 범위는 바람직하게는 1x1018cm-3 이하, 가장 바람직하게는 1x1017cm-3 이하이다.When the filler inlet layer 4 or the filler inlet layer 6 is heavily doped, the crystallinity of these layers sometimes deteriorates. In this case, the luminescence properties or electrical properties deteriorate, which is not preferable. In this case, it is necessary to reduce the concentration of impurities in the filler inlet layer 4 or the filler inlet layer 6. The concentration range when the crystallinity does not deteriorate is preferably 1 × 10 18 cm −3 or less, most preferably 1 × 10 17 cm −3 or less.
그런데, In을 함유하는 화합물 반도체와 비교하여, 적절한 완충층을 사용함으로써 In을 함유하지 않은 화합물 반도체에 대해 비교적 고품질이 용이하게 수득될 수 있는 것으로 공지되어 있다. 따라서, 상기 기질 위의 In을 함유하지 않는 층에서 상기 충진물 유입층 및 발광층을 성장시키는 것이 바람직하다. 그러나, 상기 충진물 유입층으로서 In을 함유하는 층을 사용하는 경우, 상기 충진물 유입층과 상기 기질상에 이미 성장된 In 비함유 층간의 격자 부조화로 인해 상기 충진물 유입층에 가끔 결함이 생긴다. 이러한 경우에, 상기 충진물 유입층 중의 결함 형성은 이미 성장된 In 비함유 층과 상기 충진물 유입층과의 사이에 본 발명의 접지층을 삽입함으로써 억제할 수 있다.By the way, it is known that relatively high quality can be easily obtained with respect to the compound semiconductor which does not contain In by using an appropriate buffer layer compared with the compound semiconductor which contains In. Therefore, it is preferable to grow the filler inflow layer and the light emitting layer in the layer containing no In on the substrate. However, when using a layer containing In as the filler inlet layer, a lattice mismatch between the filler inlet layer and an In-free layer already grown on the substrate results in occasional defects in the filler inlet layer. In such a case, defect formation in the filler inlet layer can be suppressed by inserting the ground layer of the present invention between the already grown In-free layer and the filler inlet layer.
다음에, 상기 발광층에 대해 설명한다.Next, the light emitting layer will be described.
상기 3족-5족 화합물 반도체의 격자 상수는 혼합 결정비에 따라 크게 달라지기 때문에, 3족-5족 화합물 반도체의 발광층과 충진물 유입층 사이의 격자 상수에 큰 차이가 있는 경우, 격자 부조화에 의해 형성된 변형의 양에 따라 발광층의 두께가 바람직하게 감소된다.Since the lattice constant of the Group III-V compound semiconductors varies greatly depending on the mixing crystal ratio, when there is a large difference in the lattice constant between the light emitting layer and the filler inflow layer of the Group III-V compound semiconductors, the lattice mismatch The thickness of the light emitting layer is preferably reduced according to the amount of deformation formed.
상기 발광층의 두께의 바람직한 범위는 상기 변형의 양에 의존한다. InN 혼합 결정비가 10% 이상인 발광층이 충진물 유입층으로서 화학식 GaaAlbN의 층(단, a+b=1, 0≤a≤1, 및 0≤b≤1이다)에 적층되는 경우, 발광층의 바람직한 두께는 5 내지 90Å의 범위이다. 상기 발광층의 두께가 5Å 보다 적은 경우, 발광 효율이 불충분해진다. 한편, 상기 두께가 90Å 보다 크면, 결함이 생기고, 발광 효율도 불충분해진다.The preferred range of the thickness of the light emitting layer depends on the amount of deformation. When the light emitting layer having an InN mixed crystal ratio of 10% or more is laminated on the layer of formula Ga a Al b N (where a + b = 1, 0 ≦ a ≦ 1, and 0 ≦ b ≦ 1) as a filler inflow layer, The preferred thickness of is in the range of 5 to 90 kPa. When the thickness of the light emitting layer is less than 5 GPa, the light emitting efficiency is insufficient. On the other hand, when the thickness is larger than 90 mW, a defect occurs and the luminous efficiency is also insufficient.
상기 발광층의 두께를 감소시킴으로써 충진물이 상기 발광층에 고밀도로 유입될 수 있기 때문에, 발광 효율이 향상될 수 있다. 따라서, 격자 상수의 차이가 상기 양태의 것보다 작은 경우조차도 상기 발광층의 두께를 상기 양태의 것과 동일한 범위 내에서 조절하는 것이 바람직하다.Since the filling material can be introduced into the light emitting layer at a high density by reducing the thickness of the light emitting layer, the light emission efficiency can be improved. Therefore, even when the difference in lattice constant is smaller than that of the above embodiment, it is preferable to adjust the thickness of the light emitting layer within the same range as that of the above embodiment.
상기 발광층이 Al을 함유하는 경우, 산소와 같은 불순물이 쉽게 혼입되며, 발광 효율이 가끔 저하된다. 이러한 경우에, 발광층으로서 Al을 함유하지 않으며 화학식 InxGayN의 화합물(단, x+y=1, 0<x≤1, 및 0≤y<1이다)을 사용할 수 있다.When the light emitting layer contains Al, impurities such as oxygen are easily mixed, and the luminous efficiency sometimes decreases. In this case, it is possible to use a compound of formula In x Ga y N (where x + y = 1, 0 <x ≦ 1, and 0 ≦ y <1) without containing Al as the light emitting layer.
상기 충진물 유입층과 발광층과의 사이의 밴드 갭의 차이는 바람직하게는 0.1eV 이상이다. 상기 충진물 유입층과 발광층과의 사이의 밴드 갭의 차이가 0.1eV 보다 작으면, 발광층으로의 캐리어의 유입이 충분하지 않으며, 발광 효율이 저하된다. 보다 바람직하게는 상기 차이는 0.3eV 이상이다. 한편, 상기 충진물 유입층의 밴드 갭이 5eV를 초과하는 경우, 충진물 유입을 위해 필요한 전압은 높아지며, 따라서, 상기 충진물 유입층의 밴드 갭은 바람직하게는 5eV 이하이다.The difference in band gap between the filler inlet layer and the light emitting layer is preferably at least 0.1 eV. If the difference in the band gap between the filler inflow layer and the light emitting layer is less than 0.1 eV, the inflow of the carrier into the light emitting layer is not sufficient, and the luminous efficiency is lowered. More preferably, the difference is at least 0.3 eV. On the other hand, when the band gap of the filler inlet layer exceeds 5 eV, the voltage required for the filler inlet becomes high, and therefore, the band gap of the filler inlet layer is preferably 5 eV or less.
상기 충진물 유입층의 두께는 바람직하게는 10 내지 5000Å이다. 상기 충진물 유입층의 두께가 5Å 보다 작거나 5000Å 보다 크면, 발광 효율이 저하되고, 따라서, 바람직하지 않다. 보다 바람직하게는, 10 내지 2000Å의 범위이다.The thickness of the filler inlet layer is preferably 10 to 5000 mm. If the thickness of the filler inflow layer is smaller than 5 kPa or larger than 5000 kPa, the luminous efficiency is lowered and, therefore, not preferable. More preferably, it is the range of 10-2000 microseconds.
상기 발광층은 단일층 또는 다수의 층들로 구성될 수 있다. 이러한 구조의 예에는 n개의 발광층들과 상기 발광층보다 밴드 갭이 큰 (n+1)개의 층들이 교대로 적층되어 있는 (2n+1)개의 층들의 적층 구조가 포함된다. 단, n은 양의 정수이고, 바람직하게는 1 내지 50, 보다 바람직하게는 1 내지 30이다. n이 50이상인 경우, 발광 효율이 저하되고, 성장하는데 긴 시간이 걸리며, 따라서, 바람직하지 않다. 다수의 발광층을 가진 구조는 강한 광 출력이 요구되는 반도체 레이저를 만드는 경우에 특히 유용하다.The light emitting layer may be composed of a single layer or a plurality of layers. An example of such a structure includes a stack structure of n light emitting layers and (2n + 1) layers in which (n + 1) layers having a larger band gap than the light emitting layer are alternately stacked. However, n is a positive integer, Preferably it is 1-50, More preferably, it is 1-30. When n is 50 or more, the luminous efficiency is lowered and it takes a long time to grow, which is therefore undesirable. Structures with multiple light emitting layers are particularly useful when making semiconductor lasers that require strong light output.
상기 발광층을 불순물들로 도우핑함으로써 상기 발광층의 밴드 갭과 파장이 상이한 광을 방출시킬 수 있다. 이것은 불순물들로부터의 방출이기 때문에 "불순물 방출"이라고 지칭한다. 불순물 방출의 경우에, 발광 파장은 3족 원소와 상기 발광층의 불순물 원소의 조성에 따라 변한다. 이러한 경우에, 상기 발광층의 InN 혼합 결정비는 바람직하게는 5% 이상이다. InN 혼합 결정비가 5% 보다 적으면, 방출된 거의 모든 광은 자외선 광이고, 충분한 밝기를 감지할 수 없다. InN 혼합 결정비가 증가함에 따라 발광 파장이 더 길어지고, 당해 발광 파장이 보라색에서 청색으로, 그 다음에는 녹색으로 조절될 수 있다.By doping the light emitting layer with impurities, light having a different wavelength and a band gap of the light emitting layer may be emitted. This is called "impurity release" because it is an emission from impurities. In the case of impurity emission, the light emission wavelength varies depending on the composition of the group 3 element and the impurity element of the light emitting layer. In this case, the InN mixing crystal ratio of the light emitting layer is preferably 5% or more. If the InN mixing crystal ratio is less than 5%, almost all the light emitted is ultraviolet light and cannot sense sufficient brightness. As the InN mixing crystal ratio increases, the emission wavelength becomes longer, and the emission wavelength can be adjusted from purple to blue and then green.
상기 불순물 방출에 적합한 불순물로서, 2족 원소가 바람직하다. 2족 원소 중에서 Mg, Zn 또는 Cd를 도핑하는 경우, 발광 효율이 높아지고, 따라서, 바람직하다. Zn이 특히 바람직하다. 이러한 원소들의 농도는 바람직하게는 1018 내지 1022cm-3의 범위이다. 상기 발광층은 이러한 2족 원소들과 함께 Si 또는 Ge로 동시에 도핑될 수 있다. Si 또는 Ge의 농도는 바람직하게는 1018 내지 1022cm-3의 범위이다.As impurities suitable for the above impurity release, Group 2 elements are preferable. In the case of doping Mg, Zn or Cd in the Group 2 element, the luminous efficiency becomes high, and therefore is preferable. Zn is particularly preferred. The concentration of these elements is preferably in the range of 10 18 to 10 22 cm -3 . The light emitting layer may be doped simultaneously with Si or Ge together with these Group 2 elements. The concentration of Si or Ge is preferably in the range of 10 18 to 10 22 cm -3 .
상기 불순물 방출의 경우에, 방출 스펙트럼은 일반적으로 넓어진다. 유입된 충진물의 양이 증가함에 따라, 방출 스펙트럼이 종종 이동한다. 따라서, 높은 색순도가 요구되거나 발광력이 좁은 파장 범위 내로 집약되어야 하는 경우, 밴드 가장자리 방출이 이용된다. 밴드 가장자리 방출로 인한 광 방출 장치를 실현하기 위해 발광층중에 함유된 불순물의 양을 감소시키는 것이 바람직하다. 구체적으로, Si, Ge, Mg, Cd 및 Zn과 같은 원소들의 농도는 바람직하게는 1019cm-3 이하, 보다 바람직하게는 1018cm-3 이하이다.In the case of the above impurity emission, the emission spectrum is generally broadened. As the amount of incoming fill increases, the emission spectrum often shifts. Therefore, band edge emission is used when high color purity is required or when the luminous power must be concentrated within a narrow wavelength range. In order to realize the light emitting device due to the band edge emission, it is desirable to reduce the amount of impurities contained in the light emitting layer. Specifically, the concentration of elements such as Si, Ge, Mg, Cd and Zn is preferably 10 19 cm −3 or less, more preferably 10 18 cm −3 or less.
상기 밴드 가장자리 방출을 사용하는 경우, 발광 효율은 상기 발광층 중의 결함에 의존하고, 결함의 양이 더 커짐에 따라 저하된다. 따라서, 상기 발광층 중의 결함의 양을 가능한 한 적게 감소시킬 필요가 있다. 따라서, 본 발명의 접지층은 상기 밴드 가장자리 형태의 광 방출 장치의 발광 효율을 향상시키는데 큰 효과가 있다.When the band edge emission is used, the luminous efficiency depends on the defect in the light emitting layer, and decreases as the amount of the defect becomes larger. Therefore, it is necessary to reduce the amount of defects in the light emitting layer as little as possible. Therefore, the ground layer of the present invention has a great effect in improving the luminous efficiency of the band emitting light emitting device.
상기 3족-5족 화합물 반도체에서, 상기 발광층의 InN 혼합 결정비가 높은 경우, 열 안정성이 충분하지 않으며, 결정 성장 또는 반도체 가공 도중에 종종 반도체의 열화가 일어난다. 이러한 열화를 방지하기 위해, 혼합 결정비가 높은 발광층에 충진물 유입층을 적층시킴으로써 InN 혼합 결정비가 적은 충진물 유입층(6)(이하, 이러한 경우의 충진물 유입층을 종종 "보호층"이라고 지칭한다)에 보호층으로서의 기능을 부여할 수 있다. 상기 보호충의 InN 및 AlN의 혼합 결정비는 바람직하게는 각각 10% 이하 및 5% 이상이어서, 상기 보호층에 충분한 보호 기능을 부여한다. 보다 바람직하게는 InN 혼합 결정비가 5% 이하이고, AlN 혼합 결정비가 10% 이상이다.In the Group III-V compound semiconductor, when the InN mixed crystal ratio of the light emitting layer is high, thermal stability is not sufficient, and the semiconductor often deteriorates during crystal growth or semiconductor processing. In order to prevent such deterioration, the filler inflow layer 6 having a low InN mixed crystal ratio (hereinafter referred to as the filler inlet layer in this case is sometimes referred to as a "protective layer") by stacking the filler inflow layer in the light emitting layer having a high mixed crystal ratio. The function as a protective layer can be provided. The mixing crystal ratio of InN and AlN of the protective layer is preferably 10% or less and 5% or more, respectively, to impart sufficient protective function to the protective layer. More preferably, the InN mixed crystal ratio is 5% or less, and the AlN mixed crystal ratio is 10% or more.
상기 보호층의 두께는 바람직하게는 10Å 내지 1㎛ 이어서, 상기 보호층에 충분한 보호 기능이 부여된다. 상기 보호층의 두께가 10Å 보다 적은 경우, 충분한 효과가 수득될 수 없다. 한편, 상기 두께가 1㎛보다 크면, 발광 효율이 저하되고, 따라서, 바람직하지 않다. 보다 바람직하게는 50 내지 5000Å의 범위내이다.Preferably the thickness of the said protective layer is 10 micrometers-1 micrometer, and sufficient protective function is provided to the said protective layer. If the thickness of the protective layer is less than 10 mm 3, sufficient effect cannot be obtained. On the other hand, when the said thickness is larger than 1 micrometer, luminous efficiency will fall and therefore it is unpreferable. More preferably, it exists in the range of 50-5000 kPa.
상기 보호층은 광 방출장치로의 전류 유입의 효율에 비추어 볼 때, p 형태의 전도도를 갖는 것이 바람직하다. 상기 보호층에 p 형태의 전도도를 부여하기 위해 고농도의 어셉터 형태 불순물로 도핑할 필요가 있다. 상기 어셉터 형태 불순물의 구체적인 예는 2족 원소들을 포함한다. 이들 중에서, Mg 및 Zn이 바람직하고, Mg가 보다 바람직하다. 상기 보호층이 고농도의 불순물로 도핑되는 경우, 보호층의 결정도가 열화하고, 광방출 장치의 특성이 종종 결국에는 열화한다. 결정도가 열화되지 않는 불순물의 농도 범위는 바람직하게는 1x1019cm-3 이하, 보다 바람직하게는 1x1018 cm-3 이하이다.The protective layer preferably has a p-type conductivity in view of the efficiency of current inflow into the light emitting device. In order to impart p-type conductivity to the protective layer, it is necessary to dop with a high concentration of acceptor-type impurities. Specific examples of the acceptor type impurities include group 2 elements. Among these, Mg and Zn are preferable and Mg is more preferable. When the protective layer is doped with a high concentration of impurities, the crystallinity of the protective layer deteriorates, and the properties of the light emitting device often eventually deteriorate. The concentration range of impurities in which the crystallinity does not deteriorate is preferably 1 × 10 19 cm −3 or less, and more preferably 1 × 10 18 cm −3 or less.
다음에, 본 발명에서 사용된 기질과 성장 방법을 설명한다.Next, the substrate and the growth method used in the present invention will be described.
3족-5족 화합물 반도체의 결정을 성장시키기 위한 기질로서, 예를 들면, 사파이어, ZnO, GaAs, Si, SiC, NGO(NdGaO3), 스피넬(MgAl2O4) 등이 사용된다. 사파이어는 투명하며 영역이 크고 품질이 높은 결정이 수득될 수 있기 때문에, 중요하다.As the substrate for growing the crystals of the Group III-V compound semiconductor, for example, sapphire, ZnO, GaAs, Si, SiC, NGO (NdGaO 3 ), spinel (MgAl 2 O 4 ), and the like are used. Sapphire is important because crystals are transparent and a large area and high quality crystals can be obtained.
이러한 기질들을 사용하는 성장에 있어서, 고결정도의 반도체(예를 들면, GaN, AlN, GaAlN, InGaAlN 등)는 소위 2단계 성장, 즉 ZnO, SiC, GaN, AlN, GaAlN 등과 같은 얇은 필름 또는 완충층으로서 기질상의 이러한 필름들의 적층물에 의해 성장될 수 있으며, 이것이 바람직하다.In growth using these substrates, high crystallinity semiconductors (e.g. GaN, AlN, GaAlN, InGaAlN, etc.) are referred to as so-called two-step growth, ie thin films or buffer layers such as ZnO, SiC, GaN, AlN, GaAlN, etc. It can be grown by a stack of such films on a substrate, which is preferred.
상기 3족-5족 화합물 반도체를 제조하는 방법의 예에는 분자 빔 적층 성장(이하, 종종 "MBE"라고 지칭함)법, 유기 금속 증기 상 적층 성장(이하, 종종 "MOVPE"라고 지칭함)법, 하이드라이드 증기 상 적층 성장(이하, 종종 "HVPE"라고 지칭함)법 등이 포함된다. "MBE"법을 사용하는 경우, 가스 상태의 질소 원료 물질(예를 들면, 질소 가스, 암모니아, 기타 질소 화합물 등)을 공급하는 방법인 가스공급원 분자 빔 적층 성장(이하, 종종 "GSMBE"라고 지칭함)법이 일반적으로 사용된다. 이러한 경우에, 상기 질소 원료 물질이 화학적으로 불활성이기 때문에, 질소 원자가 결정에 종종 쉽게 혼입되지 않는다. 그러한 경우에, 질소의 혼입 효율은 상기 질소 원료 물질을 마이크로파에 의해 여기시키고 이를 활성화된 상태로 공급함으로써 증가될 수 있다.Examples of the method for manufacturing the Group III-V compound semiconductor include molecular beam lamination growth (hereinafter sometimes referred to as "MBE") method, organometallic vapor phase deposition growth (hereinafter sometimes referred to as "MOVPE") method, and hydride. Ride vapor phase stack growth (hereinafter sometimes referred to as "HVPE") method and the like. When using the "MBE" method, gas source molecular beam stack growth (hereinafter sometimes referred to as "GSMBE") is a method of supplying a gaseous nitrogen source material (eg, nitrogen gas, ammonia, other nitrogen compounds, etc.). Method is commonly used. In this case, since the nitrogen source material is chemically inert, nitrogen atoms are often not easily incorporated into the crystals. In such a case, the incorporation efficiency of nitrogen can be increased by exciting the nitrogen source material by microwave and feeding it in an activated state.
다음에, 본 발명의 3족-5족 화합물 반도체의 MOVPE법에 따른 제조 방법을 설명한다.Next, the manufacturing method by the MOVPE method of the Group 3-5 compound semiconductor of this invention is demonstrated.
MOVPE법의 경우에, 하기의 원료 물질들이 사용될 수 있다.In the case of the MOVPE method, the following raw materials can be used.
즉, 3족 원료 물질의 예에는 트리메틸갈륨[(CH3)3Ga, 이하, 종종 "TMG"라고 지칭함], 트리에틸갈륨[(C2H5)3Ga, 이하, 종종 "TEG"라고 지칭함]등과 같은 화학식 R1R2R3Ga의 트리알킬갈륨(여기서, R1, R2 및 R3은 각각 저급 알킬 그룹을 나타낸다);트리메틸알루미늄[(CH3)3Al], 트리에틸알루미늄[(C2H5)3Al, 이하, 종종 "TEA"라고 지칭함], 트리이소부틸알루미늄[(i-C4H9)3Al]등과 같은 화학식 R1R2R3Al의 트리알킬알루(여기서, R1, R2 및 R3은 상기 정의한 바와 같다) 트리메틸아민알란[(CH3)3N:AlH3]; 트리메틸인듐[(CH3)3In, 이하, 종종 "TMI"라고 지칭함], 트리에틸인듐[(C2H5)3In]등과 같은 화학식 R1R2R3In의 트리알킬인듐(여기서, R1, R2 및 R3은 상기 정의한 바와 같다)이 포함된다. 이들은 단독으로 사용하거나 혼합하여 사용한다.That is, examples of group III raw materials include trimethylgallium [(CH 3 ) 3 Ga, hereinafter sometimes referred to as "TMG"], triethylgallium [(C 2 H 5 ) 3 Ga, hereinafter sometimes referred to as "TEG". Trialkylgallium of the formula R 1 R 2 R 3 Ga, wherein R 1 , R 2 and R 3 each represent a lower alkyl group; trimethylaluminum [(CH 3 ) 3 Al], triethylaluminum [ Trialkylalunes of formula R 1 R 2 R 3 Al, such as (C 2 H 5 ) 3 Al, hereinafter sometimes referred to as "TEA", triisobutylaluminum [(iC 4 H 9 ) 3 Al], and the like. R 1 , R 2 and R 3 are as defined above) trimethylaminealan [(CH 3 ) 3 N: AlH 3 ]; Trialkylindium of the formula R 1 R 2 R 3 In, such as trimethylindium [(CH 3 ) 3 In, hereinafter sometimes referred to as "TMI"], triethylindium [(C 2 H 5 ) 3 In], etc. R 1 , R 2 and R 3 are as defined above). These may be used alone or in combination.
5족 원료 물질의 예에는 암모니아, 하이드라진, 메틸하이드라진, 1,1-디메틸하이드라진, 1,2-디메틸하이드라진, t-부틸아민, 에틸렌디아민 등이 포함된다. 이들은 단독으로 또는 혼합하여 사용된다. 이러한 원료 물질들 중에서, 암모니아 및 하이드라진이 바람직한데, 그 이유는 이들이 분자내에 탄소 원자를 함유하고 있지 않아서 반도체에서의 탄소 오염이 거의 일어나지 않기 때문이다.Examples of Group 5 raw materials include ammonia, hydrazine, methylhydrazine, 1,1-dimethylhydrazine, 1,2-dimethylhydrazine, t-butylamine, ethylenediamine and the like. These are used alone or in combination. Among these raw materials, ammonia and hydrazine are preferred because they do not contain carbon atoms in their molecules, so that carbon contamination in semiconductors rarely occurs.
상기 3족-5족 화합물 반도체의 p 형태의 도펀트로서, 2족 원소들이 중요하다. 이의 구체적인 예에는 Mg, Zn, Cd, Hg, Be 등이 포함된다. 이들 중에서, Mg는 내성이 적은 p 형태의 것이 쉽게 제조되기 때문에 바람직하다.As the p-type dopant of the Group III-V compound semiconductor, Group II elements are important. Specific examples thereof include Mg, Zn, Cd, Hg, Be, and the like. Among them, Mg is preferable because a p-type having a low resistance is easily produced.
Mg 도펀트의 원료 물질로서, 적합한 증기압으로 인해 화학식 (RC5H4)2Mg의 유기 금속 화합물(단, R은 수소 또는 탄소수 1 내지 4의 저급 알킬 그룹을 나타낸다 (예를 들면, 비스사이클로펜타디에닐 마그네슘, 비닐메틸사이클로펜타디에닐 마그네슘, 비스에틸사이클로펜타디에닐 마그네슘, 비스-n-프로필사이클로펜타디에닐 미그네슘, 비스-i-프로필사이클로펜타디에닐 마그네슘 등)이 바람직하다.As raw material of Mg dopant, due to the suitable vapor pressure, organometallic compounds of the formula (RC 5 H 4 ) 2 Mg, provided that R represents hydrogen or lower alkyl groups of 1 to 4 carbon atoms (e.g., biscyclopentadiene Nile magnesium, vinylmethylcyclopentadienyl magnesium, bisethylcyclopentadienyl magnesium, bis-n-propylcyclopentadienyl magnesium, bis-i-propylcyclopentadienyl magnesium, and the like).
3족-5족 화합물 반도체의 n 형태의 도우펀트로서, 4족 원소들 및 6족 원소들이 중요하다. 이의 구체적인 예에는 Si, Ge 및 O가 포함된다. 이들 중에서, 내성이 적은 n 형태의 것이 쉽게 제조되고 원료 물질의 순도가 높은 것이 수득된다는 이유로 Si가 특히 바람직하다. Si 도우펀트의 원료 물질로서, 실란(SiH4), 디실란(Si2H6), 모노메틸실란(CH3SiH3) 등이 바람직하다.As the n-type dopant of the Group 3-5 compound semiconductor, Group 4 elements and Group 6 elements are important. Specific examples thereof include Si, Ge and O. Among them, Si is particularly preferable because n-type with low resistance is easily produced and high purity of the raw material is obtained. As a raw material of the Si dopant, silane (SiH 4 ), disilane (Si 2 H 6 ), monomethylsilane (CH 3 SiH 3 ), or the like is preferable.
상기 3족-5족 화합물 반도체의 제조에 사용될 수 있는 MOVPE법에 따른 성장 장치의 예에는 단일 웨이퍼 반응기, 다수의 웨이퍼 반응기 등이 포함된다. 다수의 웨이퍼 반응기의 경우에, 당해 웨이퍼 표면에서 적층 성장 필름의 균일성을 유지하기 위해 감압하에 성장시키는 것이 바람직하다. 다수의 웨이퍼 반응기중의 성장 압력의 바람직한 범위는 0.001 내지 0.8atm이다.Examples of the growth apparatus according to the MOVPE method that can be used for the production of the Group 3 to Group 5 compound semiconductors include a single wafer reactor, a plurality of wafer reactors, and the like. In the case of many wafer reactors, it is desirable to grow under reduced pressure to maintain uniformity of the lamination growth film on the wafer surface. The preferred range of growth pressure in many wafer reactors is 0.001 to 0.8 atm.
캐리어 가스로서, 수소, 질소, 아르곤, 헬륨 등과 같은 가스들이 단독으로 또는 혼합하여 사용될 수 있다. 수소가 상기 캐리어 가스에 함유되는 경우, InN 혼합 결정비가 높은 화합물 반도체를 성장시킬 때, 종종 충분한 결정도가 수득되지 않는다. 이러한 경우에, 상기 캐리어 가스중의 수소의 부분압을 감소시켜야 한다. 상기 캐리어 가스중의 수소의 바람직한 부분압은 0.1atm 이하이다.As the carrier gas, gases such as hydrogen, nitrogen, argon, helium and the like may be used alone or in combination. When hydrogen is contained in the carrier gas, sufficient crystallinity is often not obtained when growing a compound semiconductor having a high InN mixing crystal ratio. In this case, the partial pressure of hydrogen in the carrier gas must be reduced. The preferred partial pressure of hydrogen in the carrier gas is 0.1 atm or less.
이러한 캐리어 가스중에서, 유동성 점도가 크고 대류가 쉽게 일어나지 않는다는 이유로 수소 및 헬륨이 바람직하다. 헬륨은 다른 가스에 비해 비싸고, 수소를 사용하는 경우 화합물 반도체의 결정도가 상술한 것처럼 좋지 않다. 질소 가스 및 아르곤은 비교적 싸기 때문에, 다량의 캐리어 가스를 사용하는 경우, 이들이 적합하게 사용될 수 있다.Among these carrier gases, hydrogen and helium are preferred because of their high fluidity viscosity and the ease of convection. Helium is expensive compared to other gases, and when hydrogen is used, the crystallinity of the compound semiconductor is not as good as described above. Since nitrogen gas and argon are relatively inexpensive, when using a large amount of carrier gas, they can be suitably used.
다음에, 본 발명의 제2를 설명한다.Next, a second aspect of the present invention will be described.
본 발명의 광 방출장치는 화학식 InaGabAlcN의 3족-5족 화합물 반도체(단, 0≤a<1, 0<b<1, 0.05≤c<1, 및 a+b+c=1이다)의 접지층, 화학식 InxGayAlzN의 3족-5족 화합물 반도체(단, 0<x≤1, 0≤y<1, 0≤z<1, 및 x+y+z=1이다)의 발광층, 및 화학식 Ina'Gab'Alc'N의 3족-5족 화합물 반도체(단, 0≤a'<1, 0<b'≤1, 0≤c'<1, 및 a'+b'+c'=1이다)의 보호층이 각각 이 순서대로 적층되어 있는 구조를 가짐을 특징으로 한다. 상기 발광층은 상기 접지층 및 보호층보다 밴드 갭이 작고, 이러한 3개의 층들의 적층 구조는 소위 양자 웰 구조를 형성한다. 상기 접지층 및 보호층은 발광층에 충진물을 유입하는 작용을 하므로, 이러한 2개의 층들은 종종 이하에서 "충진물 유입층"으로 지칭한다.The light emitting device of the present invention is a group III-V compound semiconductor of formula In a Ga b Al c N (where 0 ≦ a <1, 0 <b <1, 0.05 ≦ c <1, and a + b + c) A ground layer of = 1, a group III-V compound semiconductor of the formula In x Ga y Al z N (where 0 <x≤1, 0≤y <1, 0≤z <1, and x + y +) z = 1) and a group III-V compound semiconductor of the formula In a ' Ga b' Al c ' N (where 0≤a'<1, 0 <b'≤1, 0≤c '< 1, and a '+ b' + c '= 1), each having a structure in which the protective layers are laminated in this order. The light emitting layer has a smaller band gap than the ground layer and the protective layer, and the stacked structure of these three layers forms a so-called quantum well structure. Since the ground layer and the protective layer serve to introduce a filler into the light emitting layer, these two layers are often referred to as " fill incoming layer " below.
본 발명의 3족-5족 화합물 반도체의 구조의 한가지 양태는 도 2에 나타내었다. 도 2는 완충층(102), n 형태의 GaN 층(103), 접지층(104), 발광층(105), 보호층(106) 및 p 형태의 층(107)이 이 순서대로 기질(101) 위에 적층된 양태를 나타낸다. 상기 n 형태의 층(103) 위에 n 전극을 제공하고, 상기 p 형태의 층(107) 위에 p 전극을 제공한 다음, 순방향으로 전압을 적용함으로써 전류를 유입하면, 상기 발광층(105)으로 부터의 방출이 수득된다. 상기 발광층 및 보호층으로서, 본 발명의 제1과 관련하여 기술된 것과 동일한 것을 사용할 수 있다.One embodiment of the structure of the Group 3-5 compound semiconductor of the present invention is shown in FIG. 2 shows a buffer layer 102, an n-type GaN layer 103, a ground layer 104, a light emitting layer 105, a protective layer 106 and a p-type layer 107 on the substrate 101 in this order. The laminated aspect is shown. When an n electrode is provided on the n-type layer 103, a p-electrode is provided on the p-type layer 107, and a current is introduced by applying a voltage in a forward direction, the light emitting layer 105 Release is obtained. As the light emitting layer and the protective layer, the same as those described in connection with the first of the present invention can be used.
다음에 접지층을 설명한다.Next, the ground layer will be described.
접지층은 AlN 혼합 결정비가 0.05 내지 1의 범위내에 있음을 특징으로 한다. AlN 혼합 결정비가 0.05 보다 작은 경우, 발광 파장의 변화가 적고, 본 발명의 효과가 수득되지 않는다. AlN 혼합 결정비는 바람직하게는 0.1 이상이고, 보다 바람직하게는 0.15 이상이다. AlN 혼합 결정비가 0.9를 초과하는 경우, 구동 전압이 종종 높아지고, 따라서, 바람직하지 않다. 따라서, AlN 혼합 결정비는 바람직하게는 0.9 이하이다.The ground layer is characterized in that the AlN mixing crystal ratio is in the range of 0.05-1. When the AlN mixed crystal ratio is smaller than 0.05, the change in emission wavelength is small, and the effect of the present invention is not obtained. AlN mixing crystal ratio becomes like this. Preferably it is 0.1 or more, More preferably, it is 0.15 or more. When the AlN mixing crystal ratio exceeds 0.9, the driving voltage is often high, and therefore is not preferable. Therefore, AlN mixing crystal ratio is preferably 0.9 or less.
상기 접지층의 필름 두께는 바람직하게는 10Å 내지 1㎛의 범위이다. 상기 접지층의 필름 두께가 10Å 보다 작으면, 본 발명의 효과가 현저해지지 않는다. 한편, 상기 접지층의 필름 두께가 1㎛를 초과하는 경우, 상기 접지층을 성장시키는데 오랜 시간이 걸리며, 따라서, 실용적인 면에서 적합하지 않다.The film thickness of the ground layer is preferably in the range of 10 mW to 1 m. If the film thickness of the ground layer is smaller than 10 kPa, the effect of the present invention is not remarkable. On the other hand, when the film thickness of the ground layer exceeds 1 μm, it takes a long time to grow the ground layer, and therefore, it is not suitable in practical terms.
본 발명의 접지층은 결정도가 저하되지 않는 범위 내에서 불순물로 도핑될 수 있다. 상기 접지층이 n 형태에 도핑될 경우, 구동 전압, 발광 효율 등과 같은 광 방출 장치의 특성들이 종종 향상되며, 따라서, 바람직하다. 도우핑 양의 바람직한 범위의 구체적인 예에는 1x1016 내지 1x1022cm-3의 범위의 캐리어 농도가 포함된다. 보다 바람직하게는, 상기 접지층의 캐리어 농도의 범위는 1x1017 내지 1x1021cm-3이다. 상기 캐리어 농도가 1x1016cm-3 보다 작은 경우, 상기 충진물의 유입 효율은 종종 충분하지 않다. 한편, 상기 캐리어 농도가 1x1022cm-3 보다 큰 경우, 상기 접지층의 결정도가 열화되고, 발광 효율이 종종 저하된다.The ground layer of the present invention may be doped with impurities within a range in which crystallinity does not decrease. When the ground layer is doped in the n form, the characteristics of the light emitting device such as driving voltage, luminous efficiency and the like are often improved, and thus are preferable. Specific examples of preferred ranges of the doping amount include carrier concentrations in the range of 1 × 10 16 to 1 × 10 22 cm −3 . More preferably, the carrier concentration of the ground layer is 1 × 10 17 to 1 × 10 21 cm −3 . If the carrier concentration is less than 1 × 10 16 cm −3 , the inlet efficiency of the fill is often not sufficient. On the other hand, when the carrier concentration is larger than 1x10 22 cm -3 , the crystallinity of the ground layer is degraded, and the luminous efficiency is often lowered.
한층 또는 다층의 n 형태 또는 비도핑된 화합물 반도체는 상기 접지층과 기질 사이에 삽입될 수 있다. 본 발명의 제1에서 설명한 바와 같이, 격자 상수가 상이한 화합물 반도체의 다수의 얇은 필름들이 적층되어 있는 구조가 특히 바람직한데, 그 이유는 그 위에서 성장될 층의 결정도가 종종 향상되기 때문이다.One or multiple n-type or undoped compound semiconductors may be interposed between the ground layer and the substrate. As described in the first of the present invention, a structure in which a plurality of thin films of a compound semiconductor having different lattice constants are stacked is particularly preferable because the crystallinity of the layer to be grown thereon is often improved.
상기에서 설명한 접지층, 발광층 및 보호층의 적층 구조에서, 발광층의 격자 상수를 접지층의 격자 상수보다 크게 만들어서 압축 응력이 연결 방향으로 상기 발광층에 적용되는 구조, 즉 압축 응력이 연결 계면에 평행한 방향으로 적용되는 구조를 수득할 수 있다. 이러한 구조를 수득하기 위해, 예를 들면, 상기 접지층의 InN 혼합 결정비보다 발광층의 InN 혼합 결정비를 크게 만드는 방법이 사용될 수 있다.In the above-described laminated structure of the ground layer, the light emitting layer and the protective layer, the lattice constant of the light emitting layer is made larger than the lattice constant of the ground layer so that the compressive stress is applied to the light emitting layer in the connecting direction, that is, the compressive stress is parallel to the connecting interface. A structure applied in the direction can be obtained. In order to obtain such a structure, for example, a method of making the InN mixed crystal ratio of the light emitting layer larger than the InN mixed crystal ratio of the ground layer may be used.
상기 발광층의 InN 혼합 결정비가 상기 접지층의 InN 혼합 결정비보다 크다고 하더라도, 이러한 층들의 성장 방법 또는 조건에 따라 상기 발광층 및 접지층의 계면에 격자 상수 차이로 생기는 전위가 형성되고, 상기 발광층의 격자 이완이 일어나며, 압축 응력이 상기 발광층에 적용되지 않는다. 따라서, 결정도가 높은 발광층이 종종 수득될 수 없다. 보호층을 형성하지 않고 상기 발광층의 성장 후에 장시간 동안 고온(1000℃ 초과)으로 유지하는 경우 또는 상기 보호층을 고온(1000℃ 초과)에서 성장시키는 경우, 상기 발광층의 열적 열화가 종종 진행된다. 이와 관련하여, 성장 온도는 상기 보호층의 결정 성장에서 바람직하게는 1000℃ 이하이다.Although the InN mixed crystal ratio of the light emitting layer is larger than the InN mixed crystal ratio of the ground layer, a potential caused by a lattice constant difference is formed at the interface between the light emitting layer and the ground layer according to the growth method or condition of these layers, and the lattice of the light emitting layer Relaxation occurs and no compressive stress is applied to the light emitting layer. Therefore, a light emitting layer with high crystallinity often cannot be obtained. When the protective layer is kept at a high temperature (greater than 1000 ° C.) for a long time after the growth of the light emitting layer without forming a protective layer, or when the protective layer is grown at a high temperature (greater than 1000 ° C.), thermal degradation of the light emitting layer often proceeds. In this regard, the growth temperature is preferably 1000 ° C. or lower in the crystal growth of the protective layer.
본 발명에서 사용된 기질 및 성장 방법으로서, 본 발명의 제1과 관련하여 언급된 것과 동일한 것을 사용할 수 있다.As the substrate and the growth method used in the present invention, the same ones mentioned in connection with the first of the present invention can be used.
실시예Example
하기 실시예들은 본 발명을 추가로 상세히 설명하는 것이지, 이의 범위를 한정하려는 의도는 아니다.The following examples further illustrate the invention but are not intended to limit its scope.
실시예 1Example 1
도 3의 구조를 가진 3족-5족 화합물 반도체는 MOVPE법에 의해 제조된다.Group 3-group compound semiconductors having the structure of Figure 3 are manufactured by the MOVPE method.
사파이어 C 표면은 미러-연마(mirror-polish)하고 유기 용매로 세척한 다음, 생성물은 기질(8)로서 사용한다. 성장 방법으로서, 저온 성장된 완충층으로 GaN을 사용하는 2단계 성장법을 사용한다. 두께 악 300Å(550℃)의 GaN 완충층(9), 두께 약 2.5㎛(1050℃)의 Si로 도핑된 GaN의 n 형태의 층(1) 및 두께 1500Å의 비도핑된 GaN 층(10)은 캐리어 가스로서 수소를 사용하여 1/8atm의 압력하에 성장된다.The sapphire C surface is mirror-polish and washed with an organic solvent and then the product is used as substrate 8. As a growth method, a two-step growth method using GaN as a low temperature grown buffer layer is used. GaN buffer layer 9 having a thickness of 300 mW (550 ° C.), an n-type layer 1 of GaN doped with Si having a thickness of about 2.5 μm (1050 ° C.), and an undoped GaN layer 10 having a thickness of 1500 mW are carriers. Using hydrogen as the gas, it is grown under a pressure of 1/8 atm.
그 다음, 변형된 층(2)으로서 Si로 도핑된 In0.3Ga0.7N 층은 캐리어 가스로서의 질소, TEG, TMI, 질소로 1 ppm까지 희석된 실란 및 암모니아를 각각 4slm, 0.04sccm, 0.6sccm, 5sccm 및 4slm의 양으로 공급함으로써 750℃에서 70초 동안 기질에서 성장된다. 추가로, Si로 도핑된 Ga0.8Al0.2N의 n 형태의 층(3)은 TEG, TEA, 상기 실란 및 암모니아를 각각 0.032sccm, 0.008sccm, 5sccm 및 4slm의 양으로 공급함으로써 10분 동안 동일한 온도에서 성장된다.Then, the In 0.3 Ga 0.7 N layer doped with Si as the modified layer 2 contains nitrogen, TEG, TMI, silane and ammonia diluted to 1 ppm with nitrogen as carrier gas, respectively, 4 slm, 0.04 sccm, 0.6 sccm, It is grown on the substrate at 750 ° C. for 70 seconds by feeding in amounts of 5 sccm and 4 slm. In addition, an n-type layer 3 of Ga 0.8 Al 0.2 N doped with Si was subjected to the same temperature for 10 minutes by feeding TEG, TEA, the silane and ammonia in amounts of 0.032 sccm, 0.008 sccm, 5 sccm and 4 slm, respectively. Is grown in.
단, "slm" 및 "sccm"은 가스 유동의 단위를 의미한다. "1slm"은 정상 상태의 유동에서 분당 1ℓ의 용적을 차지하는 가스를 의미하고, "1000sccm"은 "1slm"에 상응한다.Provided that "slm" and "sccm" mean units of gas flow. "1 slm" means a gas that occupies a volume of 1 liter per minute in steady state flow, and "1000 sccm" corresponds to "1 slm".
상기 층(2) 및 층(3)의 필름 두께와 관련하여, 오랜 시간 동안 동일한 조건하에 성장한 층의 두께로부터 측정한 성장 속도는 각각 43Å/분 및 30Å/분이다. 따라서, 상기 성장 시간으로부터 계산하여 측정한 필름의 두께는 각각 50Å 및 300Å이다.Regarding the film thicknesses of the layers 2 and 3, the growth rates measured from the thicknesses of the layers grown under the same conditions for a long time are 43 kPa / min and 30 kPa / min, respectively. Therefore, the thickness of the film calculated from the growth time and measured was 50 kPa and 300 kPa, respectively.
n 형태의 층(3)을 성장시킨 후, 비도핑된 In0.3Ga0.7N의 발광층(5)(50Å) 및 비도핑된 Ga0.8Al0.2N의 충진물 유입층(6)(300Å)이 1atm의 성장 압력하에 785℃의 기질 온도에서 성장한다.After growing the n-type layer 3, the light emitting layer 5 (50 kV) of undoped In 0.3 Ga 0.7 N and the filling inflow layer 6 (300 kPa) of undoped Ga 0.8 Al 0.2 N were formed at 1 atm. Grow at a substrate temperature of 785 ° C. under growth pressure.
충진물 유입층(6)을 성장시킨 후, Mg로 도핑된 GaN의 p 형태의 층(7)(5000Å)이 1100℃의 기질 온도에서 성장한다. 이와 같이 제조된 샘플은 Mg로 도핑된 층의 내성을 감소시키기 위해 1atm의 압력하에 20분 동안 800℃에서 질소 중에서 열처리된다.After growing the fill inlet layer 6, a p-type layer 7 (5000 kPa) of GaN doped with Mg is grown at a substrate temperature of 1100 ° C. The sample thus prepared is heat treated in nitrogen at 800 ° C. for 20 minutes under a pressure of 1 atm to reduce the resistance of the layer doped with Mg.
상기 양태에서, 층들(9), (1), (10), (2) 및 (3)은 접지층이다. 층(3)은 또한 상기 충진물 유입층으로서 작용한다.In the above aspect, the layers 9, 1, 10, 2 and 3 are ground layers. Layer 3 also serves as the filler inlet layer.
정상적인 방법에 따라, 전극을 상기 수득된 샘플위에 형성하여, LED를 제공한다. Ni-Au 합금을 p 전극으로서 사용하고, Al을 n 전극으로서 사용한다. 전류(20mA)는 순방향으로 LED를 통과한다. 그 결과, 깨끗한 청색 광이 방출된다. 방출 피이크의 중심 파장은 4800Å이고, 휘도는 860mcd이다.According to the normal method, an electrode is formed on the obtained sample to provide an LED. Ni-Au alloy is used as a p electrode and Al is used as an n electrode. Current (20mA) passes through the LED in the forward direction. As a result, clean blue light is emitted. The center wavelength of the emission peak is 4800 Hz and the luminance is 860 mcd.
대조 실시예 1Control Example 1
비도핑된 GaN 층(10)을 성장시킨후, 발광층(5), 충진물 유입층(6) 및 Mg로 도핑된 GaN의 p 형태의 층(7)을 성장시키는 것을 제외하고는, 실시예 1에 기재된 것과 동일한 방법에 따라 LED를 제조한 다음, 실시예 1에 기술된 것과 동일한 방법에 따라 LED를 평가한다. 그 결과, LED는 깨끗한 청색 광을 방출하고, 휘도는 390mcd이다.Example 1, except that after growing the undoped GaN layer 10, the light emitting layer (5), the filler inlet layer (6) and p-type layer (7) of GaN doped with Mg. The LEDs were made according to the same method as described, and then the LEDs were evaluated according to the same method as described in Example 1. As a result, the LED emits clean blue light and the brightness is 390 mcd.
실시예 2Example 2
상기 층(3)이 Si로 도핑된 GaN인 것을 제외하고는, 실시예 1에 기재된 것과 동일한 방법에 따라 LED를 제조한 다음, 실시예 1에 기재된 것과 동일한 방법에 따라 LED를 평가한다. 그 결과, 휘도는 630mcd(방출 피이크의 중심 파장: 4600Å, 외부 양자의 양자 효율: 0.8%)이다.The LEDs were fabricated according to the same method as described in Example 1, except that the layer 3 was GaN doped with Si, and then the LEDs were evaluated according to the same method as described in Example 1. As a result, the luminance was 630 mcd (center wavelength of emission peak: 4600 GHz, quantum efficiency of external quantum: 0.8%).
실시예 3Example 3
TEG 및 TMI를 각각 0.04sccm 및 0.6sccm의 양으로 사용하여 1/8atm하에 750℃에서 비도핑된 InGaN 발광층을 성장시키고, TEG 및 TEA를 각각 0.032sccm 및 0.008sccm의 양으로 사용하여 1/8atm하에 750℃에서 비도핑된 Ga0.8Al0.2N의 충진물 유입층(6)을 성장시킨후, 1atm의 성장 압력하에 Mg로 도핑된 GaN 층(7)을 성장시키는 것을 제외하고는, 실시예 1에 기술된 것과 동일한 방법에 따라 LED를 제조한 다음, 실시예 1에 기술된 것과 동일한 방법에 따라 LED를 평가한다. 그 결과, 휘도는 520mcd이고, 방출 피이크의 중심 파장은 4600Å이다.Undoped InGaN emitting layer was grown at 750 ° C. under 1/8 atm using TEG and TMI in amounts of 0.04 sccm and 0.6 sccm, respectively, and at 1/8 atm using TEG and TEA in amounts of 0.032 sccm and 0.008 sccm, respectively. After growing the doped Ga 0.8 Al 0.2 N fill inlet layer 6 at 750 ° C., the GaN layer 7 doped with Mg was grown under a growth pressure of 1 atm. The LEDs were manufactured according to the same method as described above, and then the LEDs were evaluated according to the same method as described in Example 1. As a result, the luminance was 520 mcd, and the center wavelength of the emission peak was 4600 Hz.
대조 실시예 2Control Example 2
비도핑된 GaN 층(10)을 성장시킨후, 변형된 층(2) 및 Ga0.8Al0.2N 층을 성장시키지 않고 발광층(5), 충진물 유입층(6) 및 Mg로 도핑된 GaN 층(7)을 성장시키는 것을 제외하고는, 실시예 3에 기술된 것과 동일한 방법에 따라 LED를 제조한 다음, 실시예 1에 기술된 것과 동일한 방법에 따라 LED를 평가한다. 그 결과, LED는 매우 약한 광을 방출하고, 휘도는 10-4cd이다.After growing the undoped GaN layer 10, the modified layer 2 and the Ga 0.8 Al 0.2 N layer without growing the light emitting layer 5, the filler inflow layer 6 and the Mg doped GaN layer 7 Except for growing), the LEDs are manufactured according to the same method as described in Example 3, and then the LEDs are evaluated according to the same method as described in Example 1. As a result, the LED emits very weak light and the brightness is 10 −4 cd.
실시예 4Example 4
비도핑된 GaN 층(10)을 성장시킨후, 변형된 층(2) 및 Ga0.8Al0.2N 층(3)을 2회 성장시킴으로써 수득된 구조를 형성시키는 것을 제외하고는, 실시예 3에 기재된 것과 동일한 방법에 따라 LED를 제조한 다음, 실시예 1에 기술된 것과 동일한 방법에 따라 LED를 평가한다. 그 결과, 휘도는 240mcd이다.After growing the undoped GaN layer 10 and then growing the modified layer 2 and the Ga 0.8 Al 0.2 N layer 3 twice to form the structure obtained in Example 3, The LED was fabricated according to the same method as that followed, and then the LED was evaluated according to the same method as described in Example 1. As a result, the luminance is 240 mcd.
실시예 5Example 5
변형된 층(2)을 성장시킨후, Ga0.8Al0.2N 층(3) 대신에, Ga0.7Al0.3N 층(3)을 성장시키는 것을 제외하고는, 실시예 3에 기술된 것과 동일한 방법에 따라 LED를 제조한 다음, 실시예 1에 기술된 것과 동일한 방법에 따라 LED를 평가한다. 그 결과, 방출 피이크의 중심 파장은 5,050Å이고, 휘도는 320mcd이다. 발광 파장은 실시예 3의 것보다 더 길어진다.After the strained layer 2 is grown, instead of the Ga 0.8 Al 0.2 N layer 3, the Ga 0.7 Al 0.3 N layer 3 is grown in the same manner as described in Example 3 The LEDs were produced accordingly, and then the LEDs were evaluated according to the same method as described in Example 1. As a result, the center wavelength of the emission peak is 5,050 GHz and the luminance is 320 mcd. The emission wavelength is longer than that of Example 3.
실시예 6Example 6
도 4에 나타낸 3족-5족 화합물 반도체는 MOVPE법에 따라 증기 상 적층 성장에 의해 성장하여 발광 파장 5100Å의 LED를 만든다.The group III-V compound semiconductors shown in Fig. 4 are grown by vapor phase stack growth in accordance with the MOVPE method to produce LEDs having a light emission wavelength of 5100 Hz.
TMG 및 암모니아를 사용하여 1/8atm의 압력하에 600℃의 성장 온도에서 사파이어(0001) 기질(8)위에 완충층(9)으로서의 GaN(500Å)을 형성시킨후, Si로 도핑된 GaN 층을 1,100℃에서 3㎛의 두께로 성장시킨다.TN and ammonia were used to form GaN (500 kPa) as a buffer layer 9 on the sapphire (0001) substrate 8 at a growth temperature of 600 ° C. under a pressure of 1/8 atm, and then the GaN layer doped with Si was deposited at 1,100 ° C. At a thickness of 3 μm.
Si로 도핑된 In0.3Ga0.6Al0.1N 층 및 Si로 도핑된 Ga0.8Al0.2N 층을 6회 반복 성장시켜 접지층을 형성한 다음, Si로 도핑된 In0.3Ga0.6Al0.1N 층의 충진물 유입층(4)을 성장시킨다.A layer of In 0.3 Ga 0.6 Al 0.1 N layer doped with Si and Ga 0.8 Al 0.2 N layer doped with Si was repeatedly grown six times to form a ground layer, followed by a filling of In 0.3 Ga 0.6 Al 0.1 N layer doped with Si. The inflow layer 4 is grown.
In0.5Ga0.5N 층(150Å)의 발광층(5)을 성장시킨 다음, Ga0.8Al0.2N 층을 300Å의 두께로 성장시킨다.After the light emitting layer 5 of the In 0.5 Ga 0.5 N layer (150 microseconds) is grown, a Ga 0.8 Al 0.2 N layer is grown to a thickness of 300 microseconds.
그 다음, Mg로 도핑된 GaN 층(7)을 5000Å의 두께로 성장시킨다. 성장후, 기질을 반응기로부터 빼내고, 800℃에서 질소 중에서 열처리하여 Mg 도핑된 GaN 층의 내성을 감소시킨다.Then, a GaN layer 7 doped with Mg is grown to a thickness of 5000 mm 3. After growth, the substrate is withdrawn from the reactor and heat treated in nitrogen at 800 ° C. to reduce the resistance of the Mg doped GaN layer.
선명한 방출 스펙트럼을 가진 LED는 일반적인 방법에 따라 수득된 샘플위에 전극을 형성함으로써 제조될 수 있다.LEDs with a clear emission spectrum can be produced by forming electrodes on the samples obtained according to the usual methods.
실시예 7Example 7
캐리어 가스로서 수소를 사용하여 두께 악 300Å의 GaN 완충층(102)(기질 온도: 550℃, 성장 압력: 1atm), Si로 도핑된 GaN의 두께 약 3㎛의 n 형태의 층(103)(1,100℃) 및 Si로 도핑된 n 형태의 Ga0.8Al0.2N의 층(104)(1500Å)을 성장시킨다.GaN buffer layer 102 (substrate temperature: 550 ° C., growth pressure: 1 atm) having a thickness of 300 kV using hydrogen as a carrier gas, n-type layer 103 (1,100 ° C.) having a thickness of about 3 μm of GaN doped with Si. And n-type Ga 0.8 Al 0.2 N doped 104 (1500 Å).
그 다음, 캐리어 가스로서의 질소, TEG, TMI 및 암모니아를 각각 4slm, 0.04sccm, 0.24sccm 및 4slm의 양으로 공급함으로써 800℃의 기질 온도에서 비도핑된 In0.3Ga0.7N의 발광층(50Å)을 성장시킨다.Next, a light emitting layer (50 μs) of undoped In 0.3 Ga 0.7 N was grown at a substrate temperature of 800 ° C. by supplying nitrogen, TEG, TMI, and ammonia as carrier gases in amounts of 4 slm, 0.04 sccm, 0.24 sccm, and 4 slm, respectively. Let's do it.
추가로, 비도핑된 Ga0.8Al0.2N의 보호층(106)(300Å)은 TEG, TEA 및 암모니아를 각각 0.032sccm, 0.008sccm 및 4slm의 양으로 공급함으로써 동일한 온도에서 성장시킨다.In addition, the protective layer 106 (300 Hz) of undoped Ga 0.8 Al 0.2 N is grown at the same temperature by supplying TEG, TEA and ammonia in amounts of 0.032 sccm, 0.008 sccm and 4 slm, respectively.
상기 보호층(106)을 성장시킨후, 상기 기질의 온도를 1100℃로 올리고, Mg로 도핑된 GaN의 p 형태의 층(107)(5000Å)을 성장시킨다. 이와 같이 제조된 샘플은 1atm하에 800℃에서 20분 동안 질소 중에서 열처리하여 Mg 도핑된 층의 내성을 감소시킨다.After the protective layer 106 is grown, the temperature of the substrate is raised to 1100 ° C., and a p-type layer 107 (5000 μs) of GaN doped with Mg is grown. The sample thus prepared is heat treated in nitrogen at 800 ° C. for 20 minutes under 1 atm to reduce the resistance of the Mg doped layer.
일반적인 방법에 따라, 상기와 같이 수득된 샘플위에 전극을 형성시켜 광 방출 장치를 수득한다. Ni-Au 합금을 p 전극으로서 사용하고, Al을 n 전극으로서 사용한다. 전류(20mA)는 이러한 광 방출 장치를 순방향으로 통과한다. 그 결과, 상기 장치는 깨끗한 청색광을 방출한다. 방출 피이크의 중심 파장은 4800Å이다.According to a general method, an electrode is formed on a sample obtained as above to obtain a light emitting device. Ni-Au alloy is used as a p electrode and Al is used as an n electrode. Current (20 mA) passes through this light emitting device in the forward direction. As a result, the device emits clean blue light. The center wavelength of the emission peak is 4800 Hz.
상기 접지층(4)으로서 비도핑된 GaN을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예에서 기재된 것과 동일한 방법에 따라 샘플을 제조한다.Samples were prepared according to the same method as described in the above examples except that undoped GaN was used as the ground layer 4.
이와 같이하여 수득된 샘플을 평가하였다. 그 결과, 발광 파장은 20mA에서 4500Å이다.The sample thus obtained was evaluated. As a result, the light emission wavelength is 4500 Hz at 20 mA.
상기 실시예에서 기재된 것과 동일한 방법에 따라, 비도핑된 GaN(1100℃), 비도핑된 InGaN 활성층(800℃) 및 비도핑된 GaAlN 보호층(동일한 온도)이 적층되어 있는 양자 웰 구조를 만들고, 전자 현미경을 사용하여 격자 상을 관찰한다. 그 결과, 상기 발광층의 계면에서 격자 상수의 차이로 생기는 전위의 형성이 관찰되지 않는다. InGaN의 격자 상수가 GaN의 격자 상수보다 크기 때문에, 상기 양자 웰 구조 전후에 격자 상수의 차이로 생기는 전위가 형성되지 않는다. 따라서, 압축 응력이 계면 방향으로 InGaN 층에 적용되는 것이 분명하다.According to the same method as described in the above embodiment, a quantum well structure in which an undoped GaN (1100 ° C.), an undoped InGaN active layer (800 ° C.) and an undoped GaAlN protective layer (same temperature) are stacked, Observe the grating image using an electron microscope. As a result, the formation of dislocations caused by the difference in lattice constant at the interface of the light emitting layer is not observed. Since the lattice constant of InGaN is larger than the lattice constant of GaN, a potential caused by the difference in lattice constant before and after the quantum well structure is not formed. Therefore, it is clear that compressive stress is applied to the InGaN layer in the interface direction.
실시예 8Example 8
Si로 도핑된 n 형태의 Ga0.8Al0.2N 대신에, 비도핑된 GaN을 성장시키고, 캐리어 가스로서 질소를 사용하여 접지층(104)으로서 800℃에서 n 형태의 Ga0.6Al0.4N(600Å)을 성장시키는 것을 제외하고는, 실시예 7에서 기술된 것과 동일한 방법에 따라, 샘플을 제조한 다음, 실시예 1에서 기술된 것과 동일한 방법에 따라 샘플을 평가한다. 그 결과, 깨끗한 녹색광이 방출되는 것으로 관찰되었다. 발광 파장은 1mA에서 5200Å이다.Instead of n-type Ga 0.8 Al 0.2 N doped with Si, undoped GaN was grown and n-type Ga 0.6 Al 0.4 N (600 kV) at 800 ° C. as the ground layer 104 using nitrogen as the carrier gas. A sample is prepared according to the same method as described in Example 7, except for growing the sample, and the sample is evaluated according to the same method as described in Example 1. As a result, it was observed that clean green light was emitted. The emission wavelength is 5200 Hz at 1 mA.
본 발명의 3족-5족 화합물 반도체는 결정도 및 품질이 높고, 이를 사용하는 광 방출장치는 발광 효율이 높으며, 이의 공업적 가치가 크다.The Group 3-5 compound semiconductors of the present invention have high crystallinity and quality, and the light emitting device using the same has high luminous efficiency and high industrial value.
본 발명의 3족-5족 화합물 반도체를 사용하는 광 방출 장치는 상기 발광층의 계면에서 격자 상수의 차이로 생기는 전위의 형성을 억제할 수 있고, 보다 긴 파장의 광을 쉽게 방출할 수 있다. 따라서, 발광 파장이 넓은 범위에서 쉽게 전도될 수 있고, 이의 공업적 가치가 크다.The light emitting device using the Group 3-Group 5 compound semiconductor of the present invention can suppress the formation of dislocations caused by the difference in lattice constant at the interface of the light emitting layer, and can easily emit light having a longer wavelength. Therefore, the light emission wavelength can be easily conducted in a wide range, and its industrial value is large.
도 1은 본 발명의 3족-5족 화합물 반도체의 한 가지 양태를 나타내는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing one embodiment of the Group 3-5 compound semiconductor of the present invention.
도 2는 본 발명의 광 방출장치에 사용된 3족-5족 화합물 반도체의 한 가지양태를 나타내는 단면도이다.Fig. 2 is a cross-sectional view showing one embodiment of the Group III-V compound semiconductor used in the light emitting device of the present invention.
도 3은 실시예 1에서 제조된 본 발명의 광 방출장치를 나타내는 단면도이다3 is a cross-sectional view showing a light emitting device of the present invention manufactured in Example 1;
도 4는 실시예 6에서 나타낸 본 발명의 광 방출장치를 나타내는 단면도이다.4 is a cross-sectional view showing the light emitting device of the present invention shown in Example 6. FIG.
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