KR101916587B1

KR101916587B1 - 변형 보정 층을 가지는 적외선 발광 다이오드 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101916587B1
Application number: KR1020170059047A
Authority: KR
Inventors: 이형주
Original assignee: 광전자 주식회사
Priority date: 2017-05-12
Filing date: 2017-05-12
Publication date: 2018-11-08
Also published as: US20180331257A1; CN108878607A; TW201901986A

Abstract

본 발명은 적외선 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발광 효율이 향상된 적외선 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 적외선 발광 다이오드는 GaAs 기판; 상기 기판에서 성장된 제1형 AlGaAs 하부 제한층; 상기 제1형 AlGaAs 하부 제한층 위에 성장된 InGaP 변형 보상층; InGaP 변형 보상층 위에 성장된 InGaAs 양자우물을 포함하는 활성층; 상기 활성층 위에 성장된 제2형 AlGaAs 상부 제한층; 윈도우층; 및 전극을 가지는 것을 특징으로 한다.

Description

변형 보정 층을 가지는 적외선 발광 다이오드 및 그 제조 방법{INFRARED LIGHT EMITTING DIODE WITH COMPENSATION LAYER AND MANUFACTURING MEHTOD THEREOF}

본 발명은 적외선 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발광 효율이 향상된 적외선 발광 다이오드 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

940±10nm 중심파장(이하, 940nm 중심파장)을 가지는 적외선 발광 다이오드는 높은 격자 일치율과 높은 비용 절감(경제성)을 가진 GaAs기판상에 격자 상수가 거의 동일한 n형 AlxGa1-xAs 물질과 p형 AlxGa1-xAs 물질(0.1<x<0.7)을 성장시키고, n형과 p형 물질 중간에는 비도핑 GaAs 양자 장벽과 이러한 층들(n형, p형, 또는 양자 장벽)에서 성장할 수 있도록 In의 함량이 10% 이하로 조절된 InGaAs 양자우물을 포함하는 활성층을 가진다. 일반적으로 활성층은 InGaAs 양자우물(quantum well)과 GaAs 양자장벽(quantum barrier)으로 이루어진 다층 구조를 가진다. 또한, 광 효율을 극대화하기 위해 최상부에 전류 확산층으로 p형 AlxGa1-xAs 층을 3um 이상 성장시킨다. 이러한 940nm 중심파장을 가지는 적외선 발광 다이오드는 일반적으로 고품질 성장을 위해서 MOCVD를 이용하여 제조된다.

그러나 이러한 구조는 활성층의 양자 우물로 사용되는 InGaAs가 성장과정에서 GaAs 층과의 격자 불일치로 인해 변형이 발생되어 효율 저하를 야기시키곤 한다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 940nm 중심 파장을 가지는 적외선 발광 다이오드의 격자 불일치로 인한 효율 저하를 개선할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 940nm 중심 파장을 가지는 적외선 발광 다이오드의 격자 불일치를 보상하여 효율이 개선된 발광 다이오드를 제공하는 것이다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위해서,

본 발명에 따른 940nm 중심파장을 가지는 적외선 발광 다이오드는 하부 제한층과 활성층 사이에 InGaP 변형 보상층을 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 이론적으로 한정된 것은 아니지만, 양자우물인 InGaAs 층을 제외한 모든 n형, p형, 양자 장벽, 및 윈도우 층은 GaAs 기판 물질과 격자상수가 거의 일치하는 반면(예를 들어, Al₀ _. ₃Ga₀ _. ₇As/GaAs:△α/α≤ 400ppm; 격자상수 대비 변화율), GaAs와 InGaAs 층간의 격자상수 변형율은 높은 압축 변형을 가지므로(예를 들어, In₀ _. ₀₇Ga₀ _. ₉₃As/GaAs:△α/α≥ 6,000ppm; 격자상수 대비 변화율), GaAs 층과 격자상수가 거의 일치하면서, In과 Ga간의 구성성분 비율 조정을 통해 압축 변형률을 보상할 수 있는 인장 변형률을 가진 변형 보상층(strain compensation layer)을 InGaAs 활성층 하부에 삽입함으로써, InGaAs 활성층의 성장과정에서 발생하는 압축 변형률을 최소화시켜 발광다이오드의 활성층의 효율을 개선하게 된다.

본 발명에 있어서, 상기 InGaP 변형 보상층은 발광 효율을 높일 수 있도록 In_xGa_1-xP(0.44≤x≤0.47)인 것이며, 바람직하며 x=0.47인 것이 더욱 바람직하다.

본 발명에서, 용어 '압축 변형'은 GaAs 기판의 arcsec 보다 활성층이 낮은 arcsec을 가지는 것을 의미한다.

본 발명에서, 용어 '인장 변형'은 GaAs 기판의 arcsec 보다 활성층이 높은 arcsec을 가지는 것을 의미한다.

본 발명에 있어서, 상기 940nm 중심파장을 가지는 적외선 발광 다이오드는 GaAs 기판; 상기 기판에서 성장된 제1형 AlGaAs 하부 제한층; 상기 제1형 AlGaAs 하부 제한층 위에 성장된 InGaP 변형 보상층; InGaP 변형 보상층 위에 성장된 InGaAs 양자우물을 포함하는 활성층; 상기 활성층 위에 성장된 제2형 AlGaAs 상부 제한층; 및 p형 윈도우층을 포함하며, p형 윈도우층과 GaAs기판의 상면 및 하면에 각각 상부 전극 및 하부 전극을 가진다.

본 발명에 있어서, 상기 GaAs 기판은 하부 제한층이 성장되는 기판으로서, 기판의 하면에는 하부 전극이 형성될 수 있다. 발명의 실시에 있어서, 상기 GaAs 기판은 제1형 AlGaAs 하부 제한층과 동형, 바람직하게는 n형 GaAs기판일 수 있다. 일 예로 상기 n형 GaAs기판은 32.9 arcsec 값을 가질 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 AlGaAs 하부 제한층은 하부 GaAs 기판과 동형을 사용하는 것이 바람직하며, n형 기판과 실질적으로 동일한 수준의 arcsec 값, n형 기판의 arcsec 값±0.5를 가지는 것이 바람직하다. 바람직한 실시에 있어서, AlGaAs는 arcsec 값이 n형 기판과 실질적으로 동일한 수준을 가질 수 있도록, Al과 Ga의 비율을 조절할 수 있다. 일 예로 AlGaAs는 AlxGa1-xAs로 표현될 수 있으며, x는 0.3일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 활성층은 InGaAs 양자우물층과 GaAs 양자장벽층이 교대로 적층된 다층 활성층일 수 있다.

본 발명의 실시에 있어서, 상기 InGaAs 활성층은 940nm의 중심파장을 방출할 수 있도록, In_xGa₁ _-xP에서 0.07≤x≤0.08 범위를 사용할 수 있으며 두께에 따라서 약간 조정될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시에 있어서, 상기 다층 활성층은 InGaAs 양자우물층과 GaAs 양자장벽층이 2쌍 이상, 바람직하게는 3쌍 이상, 보다 바람직하게는 4쌍 이상일 수 있으며, 바람직하게는 5쌍일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 상부 제한층 AlGaAs는 AlxGa1-xAs로 표현될 수 있으며, x는 0.3일 수 있다.

본 발명은 일 측면에서, 기판, 하부 제한층, 변형 활성층, 및 상부 제한층, 윈도우층을 포함하는 발광 다이오드에 있어서, 하부 제한층과 활성층 사이에 활성층의 변형을 보상하는 변형 보상층을 가지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드를 제공한다.

본 발명은 일 측면에서, 기판, 하부 제한층, 변형 활성층, 및 상부 제한층, 윈도우층을 포함하는 발광 다이오드의 제조 방법에 있어서, 하부 제한층에 활성층의 변형을 보상하는 변형 보상층을 성장시키고, 상기 변형 보상층에 활성층을 성장시키는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드를 제공한다.

본 발명에 있어서, 발광 다이오드의 효율이 향상될 수 있도록, 상기 압축 변형된 활성층에 대해서는 인장 변형된 보상층이 형성되고, 인장 변형된 활성층에 대해서는 압축 변형된 보상층이 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의해서, 높은 격자 일치율과 높은 비용 절감(경제성)을 가지는 GaAs기판을 사용하는 940nm 중심 파장의 적외선 발광 다이오드의 변형에 따른 문제가 해결되고, 이로 인해 발광 효율이 향상된 적외선 다이오드가 제공되었다.

도 1은 MOCVD 시스템에 의해 제조된 InxGa1-xP 변형 보상층이 적용된 940nm 적외선 발광다이오드 구조를 간략하게 도시한 것이다.
도 2는 In_xGa₁ _-xP 변형 보상 층, In₀ _. ₀₇Ga₀ _. ₀₃As 양자우물층, n형 제한층 Al_0.3Ga_0.7As 층 및 GaAs 기판에 대한 XRD 결과를 보여준다.
도 3은 도 2에서 얻어진 인장변형 특성을 가진 In_xG₁ _-xP가 적용된, 940nm 적외선 발광다이오드의 활성층에 대한 PL(photoluminescense)특성을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 In_xGa₁ _-xP 변형 보상층이 적용된 940nm 적외선 발광다이오드에 대한 광학적 특성을 보여주는 그래프이다.

이하, 실시예를 통해서 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 1은 MOCVD 시스템에 의해 제조된 InxGa1-xP 변형 보상층이 적용된 940nm 적외선 발광다이오드 구조를 도식화한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 940nm 적외선 발광다오드는 하부의 n형 GaAs기판 (8)과, n형 GaAs기판 위에 성장된 Al₀ _. ₃Ga₀ _. ₇As으로 이루어진 n형 제한층(7)과, 상기 n형 제한층(7) 위에서 성장된 In_xGa_1-xP로 이루어진 변형 보상층(8), 상기 변형 보상층(8) 위에 GaAs로 이루어진 양자장벽(5)과 In₀ _. ₀₇Ga₀ _. ₉₃As로 이루어진 양자우물(4)을 교대로 5회 성장시켜 활성층(10)을 구성하고, 상기 활성층(10) 위에 Al₀ _. ₃Ga₀ _. ₇As로 이루어진 p형 제한층(3)을 성장시키고, 적외선 발광다이오드의 전류 확산 효과와 방출 콘 영역 확대 효과를 위해 상기 p형 제한층(3) 위에 Al₀ _. ₂Ga₀ _. ₈As로 이루어진 윈도우층(2)을 5㎛ 두께로 성장시켰다. n형 GaAs기판(8)의 하부에 AuGeNi로 이루어진 하부 전극(9)를 형성하고, 윈도우층(2) 위에 AuZn 로 이루어진 상부 전극(1)을 형성하였다.

도 2는 In_xGa_1-xP 변형 보상 층, In_0.07Ga_0.03As 양자우물층, n형 제한층 Al_0.3Ga_0.7As 층 및 GaAs 기판에 대한 XRD 분석 결과를 보여준다. 모든 층들은 GaAs 기판상에 단일 층으로 성장되었으며, omega-2theta로 스캔되어 측정되었다. 발광다이오드 층들은 GaAs기판(32.9 arcsec) 위에 성장되었으며, GaAs기판을 기준으로 보다 낮은 arcsec 방향으로 이동시(compressive strain)을 가지며, 보다 높은 arcsec 방향으로 이동시 인장변형(tensile strain)을 가진다. 940nm 다이오드 광 방출 양자우물로 사용된 In₀ _. ₀₇Ga₀ _. ₀₃As 경우, 32.55 arcsec로 GaAs 기준(32.9 arcsec)에 대해 상당히 높은 압축 변형(△α/α≥ 6,000ppm; 격자상수 대비 변화율)이 확인되었다. n-제한층으로 사용된 Al₀ _. ₃Ga₀ _. ₇As는 32.85 arcsec로 GaAs와 거의 동일한 특성(△α/α≤ 400ppm; 격자상수 대비 변화율)을 가짐이 확인되었다. In₀ _. ₀₇Ga₀ _. ₀₃As의 높은 압축 변형을 보상하기 위해 사용되는 In_xGa₁ _- _xP층의 경우, In 비율에 따라 GaAs 기준에 대해 압축변형(32.82 arsec)특성부터 인장변형 (33.0, 33.2, 33.32 )특성까지 다양한 변형 특성을 보이고 있음이 확인되었다. 또한, 본 실험에서는 압축 및 인장 변형 특성을 In_xGa₁ _-xP 들을 사용하여, 높은 압축변형을 가진 양자우물 In₀ _. ₀₇Ga₀ _. ₀₃As 에 대한 변형 특성을 보정할 수 있음이 확인되었다.

도 3은 도 2에서 얻어진 다양한 변형 특성(압축 변형 및 인장 변형)을 가진 In_xG_1-xP가 적용된, 940nm 적외선 발광다이오드의 활성층에 대한 PL(photoluminescense) 특성을 보여준다. 기본적인 940nm 적외선 발광다이오드 활성층(MQW w/o InGaP)은 0.1의 광 강도를 보이고 있다. 압축변형을 가진 In_xGa₁ _-xP가 적용된 940nm 적외선 발광다이오드 활성층(MQW with In₀ _. ₅Ga₀ _.5P)은 약 0.09의 보다 낮은 광 강도 특성을 나타낸다. 반면 인장변형을 가진 In_xGa₁ _-xP(0.44<x<0.47)가 적용된 940nnm 적외선 발광다이오드 활성층의 경우, 상대적으로 높은 약 0.13 과 0.11의 광 강도 특성을 보이고 있으며, 일부 x<0.41 에서는 상당히 낮아진 0.06 광 강도를 나타내고 있다. 이러한 결과를 바탕으로 인장변형에 대한 일정 조건을 충족할 경우 In_xGa₁ _-xP 변형 보상층이 940nm 적외선 발광다이오드의 In₀ _. ₀₇Ga₀ _. ₀₃As 활성층효율증가 측면에 효과적인 방법 중 하나임을 알 수 있다.

도 4는 본 발명에서 개발된 In_xGa₁ _-xP 변형 보상층이 적용된 940nm 적외선 발광다이오드에 대한 광학적 특성을 보여준다. 적용된 In_xGa₁ _-xP 변형 보상층의 x 값은 0.5, 0.47, 0.44, 및 0.41이며, x 값에 따라 압축변형과 인장변형 특성을 가지고 있다. 개발된 적외선 발광다이오드는 약 60mA 까지 인가되는 전류 값 하에서 전류-전압(I-V) 및 전류-광 (I-L) 값들이 측정되었다.

도 4에서 도시된 바와 같이, 압축변형 In_xGa₁ _-xP(x=0.5) 적용된 발광다이오드 발광특성은 미적용 발광다이오드(w/o InGaP)에 비해 보다 낮은 특성을 보이고 있으며, 이러한 결과는 높은 압축변형 In₀ _. ₀₇Ga₀ _. ₀₃As에 대해 추가된 압축변형이 부정적인 영향을 미침을 보여준다. 인장변형 In_xGa₁ _-xP( 0.44 <x <0.47 ) 적용된 발광다이오드들은 상당히 개선된 발광 특성들이 확인되었으며, 약 25% 와 x=0.47 에서 약 5%로 효율이 증가하였다. 또한 보다 높은 인장변형을 가진 In_xGa₁ _-xP(x=0.41)가 적용된 경우에는 효율이 급격히 저하되는 현상이 확인되었다. (약 - 22%)

1: 상부 전극
2: 윈도우층
3: p형 제한층
4: 양자우물
5: 양자장벽
6: 변형보상층
7: n형 제한층
8: 기판
9: 하부 전극
10: 활성층

Claims

GaAs 기판;
상기 기판에서 성장된 제1형 AlGaAs 하부 제한층;
상기 제1형 AlGaAs 하부 제한층 위에 성장되어 상부 활성층의 변형을 보상하는 InGaP 변형 보상층;
상기 InGaP 변형 보상층 위에서 InGaAs 양자우물층과 GaAs 양자 장벽층이 교대로 반복 성장되어 이루어진 활성층;
상기 활성층 위에 성장된 제2형 AlGaAs 상부 제한층;
윈도우층; 및
전극을 가지는 것을 특징으로 하는 940nm 중심 파장을 가지는 적외선 발광 다이오드.
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제1항에 있어서,
상기 InGaP 변형 보상층은 인장 변형율을 가지는 보상층인 것을 특징으로 하는 적외선 발광 다이오드.
제1항에 있어서,
상기 InGaP 변형 보상층은 In_xGa_1-xP(0.44≤x≤0.47)인 것을 특징으로 하는 적외선 발광 다이오드.
제1항에 있어서,
상기 InGaP 변형 보상층은 In_xGa_1-xP(x=0.47)인 것을 특징으로 하는 적외선 발광 다이오드.
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