KR100358274B1 - 중간적외선발광다이오드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 중량으로 도핑되는 기판에 도입되어 모스-버스타인 시프트에 의한 디바이스에 의해 생성된 방사원에 대해 투명한 기판을 갖는 중간 적외선 발광 다이오드에 관한 것이다. 디바이스로부터의 방사는 금속 접촉에 의한 모호성의 회피로 인해 외부 효율에서 충분한 증가성을 갖는 기판에서 발생한다.

Description

중간 적외선 발광 다이오드
발광 다이오드(LED)는 디스플레이 및 통신을 위해 수년간 연구되어 왔다(예를 들면, 에이 에이 베르그 및 피 제이 덴의 "발광 다이오드", 클래렌돈 프레스 옥스포드, 1976). GaAs, GaP와, InP 및 이들 재료(즉, GaAs상에서 성장하는 AlxGa1-xAs)상에서 박막층으로 성장하는 합금에 의거한 기술이 또한 개발되어서 0.5×10-6m 내지 1.7×10-6m의 방사 파장을 생성하는 디바이스를 제공한다.
미국 특허 제4,144,540호에는 선택적인 파장 흡수에 의해 도핑되는 에피택셜적으로 성장하는 재료의 네층으로 구성된 적외선 검출기가 기술되어 있다. 이 디바이스는 조정할 수 있는 반응의 좁은 밴드를 갖는다. 상부 층은 p형층에 걸쳐서 중량적으로 도핑된 n 형층을 포함한다. 절단되지 않은 흡수성 엣지는 최상부층의 도핑량에 의해 결정되고, 절단된 흡수성 엣지는 이들 층으로 형성된 n-p 접촉부에 역 바이어스 전압을 적용하므로 써 변화된다.
미국 뉴욕 거주의 마틴 그레슨과,죤 윌리 및, 선에 의해 편집된 "반도체 기술의 백과사전"에는 LED로 부터 발광되는 생성된 방사원의 양의 적합성이 기술되어 있다. 비록 이들 문서가 그 내부에서 생성된 방사원에 대해 투명한 LED의 기판을 나타내기 위해 모스-버스타인 시프트의 사용에 참조될지라도, 그 참증은 p 형 재료에서 생성된 방사원이 상기 재료의 밴드갭아래에서 활성화되는 물리적 기구의 작동으로 GaAs 디바이스와 관련하여 이루어진다. 방사원을 방출하기 위해 n 형 재료를 사용하는 것은 p형 재료와 관련된 매우 강한 자유로운 캐리어 흡수성을 제거하기 때문에 양호하다. GaAs에서 모스-버스타인 시프트는 작고 그 효과는 이들 디바이스에서 충분하게 사용된다.
역사적으로, 1.55×10-6m 보다 긴 작동 파장을 갖는 LED의 조건은 훨씬 더 제한되고, 계속해서 상기 디바이스는 훨씬 더 낮게 개발되어 왔다.
현재, 값싸고 양적이며 선택적인 저동력의 가스 검출 디바이스의 개발에 관심이 집중되고 있다. 많은 가스는 가스의 특정 신호를 제공하는 (2 내지 5)×10-6m의 파장 범위에서 진동 회전 흡수 밴드를 갖는다. 특정 흡수 파장에서 작동하는 LED에 의거한 광학 시스템은 이들 시스템의 요구 조건에 적합한 전위를 갖는다. 더욱이, 상기 LED계 시스템은 열적 적외선원에 의거한 다른 시스템 보다 더 효율적인 동력을 갖는다.
특히 중요한 가스는 3.3×10-6의 흡수성을 갖는 메탄과, 4.2×10-6의 흡수성을 갖는 이산화탄소 및, 4.7×10-6의 흡수성을 갖는 일산화탄소를 포함한다.
종래의 LED 구성에 있어서, 증발성 금속 접촉부는 p-n 접합을 포함하는 층 구조의 상부면에 적용된다. 이 접촉부는 LED의 발광 영역의 충분한 부분을 모호하게 하고 그러므로 써 외부 효율의 감소로 초래된다. 더욱이, 박막층의 금속에서, 혼잡한 전류는 접촉부층이 상부 접촉부하에서 상기 디바이스의 영역으로 흐르도록 고려될지라도 직류로 발생한다(더블유 비 죠시와 에스에이치 웸플의 응용 물리학의 저널, 1970년판 제3818호의 41호 참조). 더욱이, 이것은 광 출력을 상기 디바이스의 상부면으로 부터 더 감소시킨다. 이러한 효과는 III/V 반도체에서 홀의 저 이동성으로 인해 p-형 상부 접촉부로 제조되는 디바이스에서 특히 사용된다.
GaAs/AlGaAs IR LEDs에서 광추출의 이들 문제점은 상기 디바이스 구성을 역전시키므로써 정합되고 상기 광을 기판측으로 부터 추출한다. 버른 구조를 생성하기 위해 기판에 윈도우를 에칭하거나(씨 에이 버른과 비 아이 밀러의 광통신의 1971년판 제307호의 4 참조) 또는 상기 디바이스의 작동 파장에서 투명하게 되는 넓은 밴드 갭 기판상에서 상기 디바이스를 성장시키는 것이 필요하다.
이들 두 가지 노력은 상기 디바이스 제조시 어렵다. 상기 전자의 노력은 에칭 깊이 제어의 연합된 문제점과 함께 다른 제조 단계를 유도하고(아마, 다른 에칭 정지 층의 성장을 요구함) 접근 저항성과 상기 디바이스 가열을 향상시킨다. 상기 후자의 노력은 적합한 래티스 정합된 넓은 갭 기판 재료를 찾는 것이 요구되고, 이러한 것을 얻기 어려운 3원 또는 4원 합금의 사용을 요구한다.
상기 문제점은 중간 적외선 영역에서 작동하기 위한 디바이스의 제조에 동일하게 관련이 있다,
본 발명은 전자기 스펙트럼의 중간 적외선 영역에서 방사원을 생성하기 위한 디바이스에 관한 것이고, 특히 가스 감지 문제에 관한 것이다.
이하, 본 발명은 하기 도면을 참고로 설명된다.
도 1은 종래 발광 다이오드를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 제안된 구조를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 양호한 구조를 도시한 도면.
도 4A는 본 발명의 실시예를 형성하기 위해 사용된 층 구조를 도시한 도면이고, 도 4B는 그렇게 형성된 실시예를 도시한 도면이며, 도 4C는 비교 목적을 위해 형성된 종래 기술에서 발견된 것과 유사한 디바이스를 도시한 도면.
도 5는 도 4B, 4C에 도시된 디바이스의 출력 휘도 대 구동 전류의 좌표 사이를 비교한 도면.
도 6A는 본 발명의 제 2 실시예를 형성하기 위해 사용된 층 구조를 도시한 도면이고, 도 6B는 그렇게 형성된 실시예를 도시한 도면이며, 도 6C는 비교 목적을 위해 형성된 종래 기술에 발견된 것과 유사한 디바이스를 도시한 도면.
도 7은 도 6B, 6C에 의해 도시된 디바이스의 출력 휘도 대 구동 전류의 좌표 사이를 비교한 도면.
본 발명에 따르면, 2.5×10-6내지 5×10-6파장 범위에서 방사원을 생성시키기 위한 발광 다이오드는 n형 InAs 기판을 구비하는 InAs의 다층과, 상기 기판상에 배치된 n형 InAs의 층 및, p형 InAs의 층을 포함하고, 상기 기판은 기판 재료의 적합한 도핑에 의해 도입되는 모스-버스타인 시프트에 의한 디바이스에 의해 생성되는 방사원에 대해 투명한 것을 특징으로 한다.
적합한 실시예에 있어서, 상기 기판 재료는 1018cm-3내지 5×1018cm-3범위내로 도핑된다.
또한 적합한 실시예에 있어서, 상기 기판 재료는 3×1018cm-3내지 5×1018cm-3범위내로 도핑된다.
상기 n형 InAs 층은 5×1017cm-3레벨로 도핑되고 p-형 InAs 층은 5×1018cm-3레벨로 도핑된다.
또다른 적합한 실시예에 있어서, n-형 InAs 층은 1018cm-3의 레벨로 도핑되고, p-형 InAs 층은 5×1018cm-3의 레벨로 도핑되며, 더욱이 도핑되지 않는 InAs층을 포함한다. 투명한 기판은 렌즈에 형성된다.
5×1018cm-3에서 도핑되는 p-형 접촉층을 갖는 InAs LEDs는 1016cm-3의 도핑수준으로 n-형 기판상에서 제조된다. 그러한 디바이스는 (에너지 E=0.36eV에 대응하는) 3.44×10-6m의 피크를 갖는 방사 스펙트럼 및 0.4×10-6m(E=0.04eV)의 반치 전폭(FWHM)이다. 상기 기판은 방사 스펙트럼(파장>3.7×10-6cm, E<0.335eV) 말미의 광에 대하여만 투명하며, 이러한 영역으로부터의 광은 기계적 래스터 스캔을 사용하여 영상화된다. 그 결과 생긴 상은 전류 밀집의 결과로서 거의 모든 광 방사가 접촉 금속화하에 발생한다는 사실을 증거한다.
기판이 활성 영역에서 발생한 광의 전체 스펙트럼에 걸쳐 투명한 상술된 바와 유사한 반 적외선 디바이스는 훨씬 많은 광의 추출을 용이하게 한다.
본 발명에 의하면, 반 적외선 방사 디바이스의 기판은 모스-버스타인 시프트 (E Burstein, phys. Rev., 93 104(1954); T S Moss. proc. phys. Soc. 1367 775 (1954))를 사용하여 투명하게 한다. 그에 따르면, 성분이 화학적으로 다르지 않은 투면 기판상에 광을 발생시키기 위하여 사용되는 활성층의 성장을 초래한다.
반도체가 전도성의 관점에서 상기와 같은 임계 도핑 밀도가 존속하는 n-형 도펀트로 짙게 도핑될 때, 상기 재료는 금속과 같이 작용한다. 페르미 에너지(Er)는 전도대내로 시프트 되어, 그 결과 전도대내의 일부 전자 상태에 의한 점유 가능성은 중요하게 된다. 이러한 상태하에 (특정 파장 범위내의 방사에 대한) 광 흡수는 억제되고, 상기 재료는 실제로 투명하게 된다.
모스- 버스타인 시프트 E(Moss Burstein shift E ; 여기서, 흡수 계수가 도핑되지 않는 재료에서 그 값을 절반으로 떨어뜨리는 에너지에 한정된)의 크기는 다음과 같다:
[수학식 1]
Figure pct00001
여기에서, mc및 mh는 전자 및 홀 효과 매스이고 주어진 도핑 밀도에서 Ef는 대략 암시적인 방정식으로 주어진다.
[수학식 2]
Figure pct00002
여기에서, n은 도핑 밀도이고, m(E)은 다음과 같은 전도성 밴드에서 전자의 에너지 의존 매스이다.
[수학식 3]
Figure pct00003
여기에서, EG는 반도체의 밴드갭이고, △는 밸랜스 밴드에서 분할되는 스팬-궤도이다. (방정식 (2) 및 (3)을 유도하기 위하여 N W Ashcroft 및 D Mermin의 "Solid State Physics" 사운더 칼리지 필라델피아(Saunder College Philadelphia) 1976 pp36-37 및 지 바스타드 엑타 일렉트로니카(G Bastard. Acta Electronica) 25 147 (1983)에 도시).
모스 브스타인 시프트의 크기는 III-V 반도체용(주어진 도핑 밀도용) 밴드갭과 대략 반비례한다. InAs의 밴드갭은 GaAs의 밴드갭 보다 1¼이고 그러므로 모스벌스테인 변환은 4배 크다. 기판 투명도의 정의는 100 × 10-6m의 흡수 길이에 대응하는 100cm-1흡수 길이로 이루어진다. 특성 스펙트럼이 상술된 로우 도프 InAs에 의해 방출된 방사에 실질적으로 투명한 기판은 흡수 변화를 일으킨다.
도 1을 참조하면, 종래 기술의 LED(1)는 불투명한 p-형 재료의 기판 층(2), p-형 재료 층(3) 및 n-형 재료 층(4)을 구비한다. 증착된 금속 접촉부(5)는 디바이스의 상부에 적용되고 제 2 접촉부(6)는 기판(2)에 적용된다.
작동되는 동안, 전위차는 상기 디바이스가 접촉부(5) 아래로 유동될지라도 접촉부(5,6)와 직류(화살표(7)로 도시됨)사이에 적용된다. 결과적으로, 디바이스의 작동 영역(8)은 접촉부(5) 하부에 있는 층(3, 4)사이의 접합 영역에서 제한된다. 상기 디바이스로부터의 광(화살표(9)로 도시됨)의 방출은 불투명한 기판(2)과 금속 접촉부(5)에 의해 제한된다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 디바이스(10)는 디바이스에 의해 생성된 방사원에 대해 투명한 출구 통로를 제공하기 위해 고도로 도핑된 n-형 기판(11)을 사용한다. n-형 층(4)은 기판에 증착되고 얇은 p-형 접촉층(3)은 최상부에 증착된다. p-형 접촉층(3)은 윈도우(13)가 p-형 접촉층(3)과 금속층(14) 사이의 접촉 영역을 한정하기 위해 개방된 절연층(12)으로 코팅된다. 금속층(14)은 절연층(12)의 표면상에 연장되기 때문에, 층(3, 14) 사이의 접촉 에어리어는 본딩 문제가 없는 리소그래피와 같이 작게 구성될 수 있다. 개별적인 디바이스는 전도 에폭시 수지와 같은 적절한 전도 매체(16)를 사용하는 적절한 헤더(15)에 접합될 수 있다.
전기 접촉부는 디바이스의 발광 영역으로부터 멀리 적용된 적합한 금속 접촉부(6)에 의하여 n-형 기판(11)으로 이루어진다. p-형 접촉부(3)에 활성 영역의 근접과 함께 기판(11)의 재료의 높은 전자 이동성은 상기 형상에서 중요한 기판(11)에 전류가 유입되지 못하도록 한다.
작동되는 동안, 전위차는 헤더(15)와 접촉부(6) 사이에 적용되고 디바이스를 통하여 전류가 흐른다. 빛(화살표(9)로 도시된 바와 같이)은 디바이스의 활성 영역(8)에서 발생되고 기판(11)을 통하여 디바이스에 통과된다. 활성 영역(8)은 윈도우(13) 하부에 직접적인 층(3, 4) 사이의 접합의 에어리어로 층(3)의 과전류에 의해 제한된다,
도 2에 도시된 장치의 외부 효율은 기판(11)과 공기 사이의 경계부에서의 내부 반사에 의해 제한된다. 도 3을 참조하면, 장치의 외부 효율은 반구 또는 포물면 렌즈내에 기판(11)을 형성함으로써 개선된다. 이것은 본 기술분야에서 숙련된 자들에게 잘 공지된 표준 연마 또는 에칭 기술에 의해 달성될 수 있다. 다른 방법으로는, 렌즈는 평탄한 기판에 부착되어되 된다.
도 4A를 참조하면, 스타팅 층 구조(17)는 5×1016cm-3으로 도핑된 InAs의 300×10-6m 두께의 n-형 기판(2), 4×1018cm-3으로 도핑된 10×10-6m의 n-형 InAs 층(11), 5×1017cm-3으로 도핑된 2×10-6m의 n-형 InAs 층(4) 및, 5×1018cm-3으로 도핑된 2×10-6m의 n-형 InAS 층(3)을 포함하여 달성된다. 이 실시예에서, 본 기술 분야에 숙련된 자들에게 명백한 바와 같이, 층(3,4,11)은 금속 유기화학 기상법에 의해 증착되나, 다른 적합한 기술 예를 들면, 분자 빔 에피택시에 의해 증착된다.
또한, 많은 도핑제가 알려져 있다. 이 경우에, 황은 n-형 도핑제로 사용되고, 아연은 p-형 도핑제로 사용된다.
도 4B를 참조하면, 본 발명의 디바이스(18)를 제조하기 위하여, 도 4A에 도시된 스타팅 층 구조가 선택되고, 하부 기판층(2)은 먼저 100×10-6m의 두께로 얇게된다. Au/Ti 접촉 금속화의 100×10-6m 구획(5)은 층 구조의 최상부에 증착되고, NiGeAu의 금속 접촉부(6)는 기판(2)의 저부에 증착된다. 이러한 하부 접촉부(6)는 상부 접촉부(5) 보다 약간 크고, 중심이 일치하는 홀(9)에 포함된다. 상기 디바이스에 의해 생성된 방사원에 대해 불투명한 기판(2)은 상부 접촉부(5)아래에서 에칭되며, 디바이스에 의해 생성된 방사원에 대해 투명한 다량의 도핑된 기판층(11)을 노출시킨다.
도 4C를 참조하면, 종래 기술에서 발견된 것과 유사한 전방 방출 디바이스 (20)는 비교를 위해 도 4A에 도시된 것과 동일한 기본 층 구조로 부터 제조된다. 디바이스는 50×10-6m 직경의 TiAu 접촉부(5)를 층 구조의 상부에 증착하고, 3×10-6m 메사(21)를 상부 접촉부 주위에 에칭함으로써 제조된다. NiGeAu의 금속 접촉부 (6)는 기판의 하부에 증착된다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 디바이스(22 ; 도 4B에 도시된 것과 같음)와 종래 기술의 디바이스(23 ; 도 4C에 도시된 것과 같음)에 대해 출력 강도 대 구동 전류의 좌표를 비교하면, 부여된 구동 전류에 대해 평균 동력 출력은 통상 본 발명의 디바이스의 약 5배인 것을 알 수 있다.
도 6A를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예는 2×1018cm-3으로 도핑하므로써흥미로운 파장 범위내에서 투명하게 되는 n-형 InAs 기판층(11)상의 층 구조(분자 빔 에피택시에 의해 생성됨)로 부터 제조된다. 구조는 1018cm의 레벨로 도핑된 10-6m의 n-형 InAS 층(4)과, 2×10-6m의 도핑되지 않은 InAs 층(24) 및, 5×1018cm-3의 레벨로 도핑된 2×10-6m의 p-형 InAs 층(3)을 포함한다.
도 6B를 참조하면, 본 발명의 디바이스(18)를 제조하기 위해, 10-4m×10-4m 스퀘어 메사(21)가 도 6A에 도시된 에피택셜 구조로 에칭되고 메사보다 약간 작은 Ti/Au 접촉부(5)가 최상부에 증착된다. NiGeAu 접촉부(6)는 기판(11)상에 증착되고 광을 디바이스로 부터 방출하기 위하여, 메사(21)상에 중심 설정된 5×10-4m 직경의 홀을 갖는다. 렌즈(도시생략)는 광학 시스템에서 LED의 성능을 개선시키기 위해 기판(11)에 증착해도 된다.
도 6C를 참조하면, 종래 기술에서 발견된 것과 유사한 전방 방출 디바이스 (20)가 비교를 위해 도 6A에 도시된 것과 동일한 층 구조로 부터 제도된다. 디바이스는 50×10-6m 직경의 TiAu 접촉부(5)를 층 구조 상부에 증착하고, 2×10-4m 메사(21)를 접촉부 주위에 에칭하므로써 제조된다. NiGeAu의 금속 접촉부(6)는 기판의 하부에 증착된다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 디바이스(22 ; 도 6B에 도시된 것과 동일함)와 종래 기술의 디바이스(23 ; 도 6C에 도시된 것과 동일함)에 대해 출력 강도 대 구동 전류의 좌표를 비교하면, 부여된 구동 전류에 대해 메인 동력 출력은 본 발명의 디바이스에 비해 약 9배 이상 큰 것을 이해할 수 있다.

Claims (6)

  1. n형 InAs 기판을 구비하는 InAs의 다층과, 상기 기판상에 배치된 n형 InAs의 층 및, p형 InAs의 층을 포함하는 2.5×10-6내지 5×10-6파장 범위에서 방사원을 생성시키기 위한 발광 다이오드에 있어서,
    상기 기판은 기판 재료를 적절히 도핑함으로써 유도되는 모스-버스타인 시프트에 의해서 다이오드에 의해 생성되는 방사선에 대해 투과성을 가지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기판 재료는 1018cm-3내지 5×1018cm-3범위내로 도핑되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 기판 재료는 3×1018cm-3내지 5×1018cm-3범위내로 도핑되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 n형 InAs 층은 5×1017cm-3레벨로 도핑되고, p-형 InAs 층은 5×1018cm-3레벨로 도핑되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 n-형 InAs 층은 1018cm-3의 레벨로 도핑되고, 상기 p-형 InAs 층은 5×1018cm-3의 레벨로 도핑되며, 도핑되지 않는 InAs 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 투명 기판은 렌즈에 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
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