KR100765387B1 - Luminance device having quantum well - Google Patents
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Abstract
본 발명은 양자 우물을 갖는 발광 및 수광 소자에 관한 것으로, 외부의 전기 및 광 에너지에 따라 각기 광 및 전기 에너지를 생성하는 발광 및 수광 소자에 있어서, AlxGa1 - xN막의 웰과 AlN막의 장벽을 갖는 활성층을 포함하는 발광 및 수광 소자를 제공한다. 이와 같이 양자 우물 구조에서 AlGaN막을 웰로서 사용하고, AlN막을 장벽으로 사용하여 품질이 좋고 전자 블록킹이 우수한 활성층을 제공할 수 있고, 활성층의 특성을 향상시켜 광학적 출력을 향상시킬 수 있다. The present invention relates to a light-emitting and light-receiving element having a quantum well, the light emitting and receiving elements to respectively generate optical and electrical energy in accordance with an external electrical and light energy, Al x Ga 1 - x N film well and AlN film It provides a light emitting and light receiving device comprising an active layer having a barrier. In this way, an AlGaN film is used as a well in the quantum well structure, and an AlN film is used as a barrier to provide an active layer having good quality and excellent electron blocking, and improving the optical output by improving the characteristics of the active layer.
UV LED, 양자 우물, AlN, 웰, 장벽, 활성층, PHOTO DETECTOR UV LED, Quantum Well, AlN, Well, Barrier, Active Layer, PHOTO DETECTOR
Description
도 1은 본 발명에 따른 양자우물 구조를 갖는 발광 소자의 단면 개념도. 1 is a cross-sectional conceptual view of a light emitting device having a quantum well structure according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 양자우물 구조를 간략히 나타낸 개념도. 2 is a conceptual diagram briefly showing a quantum well structure according to the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for main parts of the drawings>
10 : 기판 20, 40 : 반도체층10:
30 : 활성층 50 : 투명전극층30: active layer 50: transparent electrode layer
60 : P형 패드60: P type pad
본 발명은 양자우물 구조를 갖는 발광 및 수광 소자에 관한 것으로, 알루미늄 함량이 증가된 AlGaN-AlN으로 구성된 웰에 관한 것이다. The present invention relates to a light-emitting and light-receiving device having a quantum well structure, and to a well composed of AlGaN-AlN having an increased aluminum content.
양자우물(Quantum well)은 서로 다른 반도체층 사이에 반도체층의 에너지 밴드갭보다 작은 에너지 밴드갭을 가지는 얇은 반도체층을 삽입하여 형성되는 구조로서 전자 또는 전공의 캐리어가 에너지 장벽에 갇혀 양방향으로 움직이는 특성을 나타낸다. 양자 우물을 가지는 광소자는 작은 구동전압에도 많은 광량을 가지는 광을 생성할 수 있어 이에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한, 3족 질화물을 바탕으로 한 LED를 이용한 소자의 적용분야가 점차적으로 확대되고 있다. A quantum well is a structure formed by inserting a thin semiconductor layer having an energy bandgap smaller than the energy bandgap of a semiconductor layer between different semiconductor layers. A carrier of an electron or a hole is trapped in an energy barrier and moves in both directions. Indicates. Optical devices having a quantum well can generate light having a large amount of light even at a small driving voltage, and research on this is being actively conducted. In addition, the application field of the device using the LED based on group III nitride is gradually expanding.
특히, UV 발광(UV emission)을 위하여 Al 함량이 AlGaN 웰 안에서 점차적으로 증가하고 있다. 이러한 Al함량이 증가되면 고품질의 AlGaN을 성장하기 힘들어 지기 때문에 양자우물의 효능(Quantum Efficiency)이 점점 떨어지게 되어, 발광 소자의 광학적 출력(Optical Power)이 매우 낮아지게 되는 문제가 발생하였다. In particular, the Al content is gradually increased in the AlGaN wells for UV emission. When the Al content is increased, it becomes difficult to grow high quality AlGaN, and thus the efficiency of the quantum well is gradually decreased, resulting in a problem that the optical power of the light emitting device is very low.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 양자우물 구조에 Al함량이 증가하게 될 경우 장벽층으로 AlN을 사용하여 양자우물 구조의 활성층의 특성을 향상시켜 발광 소자의 광출력을 향상시킬 수 있는 양자우물 구조를 갖는 발광 및 수광 소자를 제공하는데 그 목적이 있다. Therefore, the present invention can improve the light output of the light emitting device by improving the characteristics of the active layer of the quantum well structure using AlN as a barrier layer when Al content is increased in the quantum well structure to solve the above problems. It is an object of the present invention to provide a light emitting and receiving element having a quantum well structure.
본 발명에 따른 외부의 전기 및 광 에너지에 따라 각기 광 및 전기 에너지를 생성하는 소자에 있어서, AlxGa1 -xN(0≤x<1)막의 웰과 AlN막의 장벽을 갖는 활성층을 포함하는 소자를 제공한다. A device for generating light and electrical energy according to external electric and light energy according to the present invention, the device comprising an active layer having a well of an Al x Ga 1- x N (0 ≦ x <1) film and a barrier between the AlN film. Provided is an element.
여기서, 상기 웰과 장벽의 두께는 5 내지 1000Å이다. Here, the thickness of the well and the barrier is 5 to 1000 mm 3.
이때, 상기 웰과 장벽으로 이루어진 기본층이 2 내지 1000 개의 층으로 형성된다. At this time, the base layer consisting of the well and the barrier is formed of 2 to 1000 layers.
상기의 AlxGa1 - xN막은 900 내지 1300℃의 온도와, 30 내지 760torr의 압력하에서 TMGa 또는 TEGa과, TMAl 또는 TEAl이 혼합된 원료와, NH3를 이용하여 0.01 내지 10㎛/hour의 성장률로 형성된다. 이때, 상기 AlxGa1 - xN막의 Ⅴ/Ⅲ 몰 농도 비율은 50 내지 50000이다. The Al x Ga 1 - x N film has a raw material mixed with TMGa or TEGa, TMAl or TEAl under a temperature of 900 to 1300 ° C. and a pressure of 30 to 760 torr, and 0.01 to 10 μm / hour using NH 3 . It is formed at a growth rate. At this time, the V / III molar concentration ratio of the Al x Ga 1 - x N film is 50 to 50000.
상기의 AlN막은 900 내지 1300℃의 온도와, 30 내지 760torr의 압력하에서 TMAl 또는 TEAl과, NH3를 이용하여 0.01 내지 10㎛/hour의 성장률로 형성된다. 이때, 상기 AlN막의 Ⅴ/Ⅲ 몰 농도 비율은 50 내지 50000이다. The AlN film is formed at a growth rate of 0.01 to 10 µm / hour using TMAl or TEAl and NH 3 at a temperature of 900 to 1300 ° C. and a pressure of 30 to 760 torr. At this time, the V / III molar concentration ratio of the AlN film is 50 to 50000.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 바명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention in more detail. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various forms, and only the embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention, and to those skilled in the art to fully understand the scope of the invention. It is provided to inform you. Like numbers refer to like elements in the figures.
하기 실시예에서는 발광 소자를 중심으로 설명한다. In the following examples, the light emitting device will be described.
도 1은 본 발명에 따른 양자우물 구조를 갖는 발광 소자의 개념 단면도이다. 도 2는 본 발명에 따른 양자우물 구조를 간략히 나타낸 개념도이다. 1 is a conceptual cross-sectional view of a light emitting device having a quantum well structure according to the present invention. 2 is a conceptual diagram briefly showing the structure of a quantum well according to the present invention.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 발광 소자는 기판(10) 상에 형성된 제 1 반도체층(20)과, 제 1 반도체층(20) 상에 형성된 AlN 장벽층(32, 34, 36)을 포함하는 양자우물 구조의 활성층(30)과, 상기 활성층(30) 상에 형성된 제 2 반도체층(40)을 포함한다. 이때, 기판(10)과 제 1 반도체층(20) 사이에 버퍼층이 형성될 수도 있다. 기판(10)으로는 사파이어 기판, 실리콘 기판, SiC 등을 사용할 수 있다. 또한, 제 1 반도체층(20)으로는 N형의 GaN층을 사용하고, 본 실시예에서는 N타입 불순물이 도핑된 AlGaN층을 사용하는 것이 효과적이다. 1 and 2, a light emitting device according to the present invention includes a
또한, 제 2 반도체층(40)으로는 P타입 불순물이 도핑된 AlGaN층을 사용하는 것이 효과적이다. 상기 제 2 반도체층(40) 상에는 ITO 등을 이용한 투명전극(50)과 P형 패드(60)가 형성된다. 물론 제 1 반도체층(20) 상에도 N형 패드가 형성될 수 있다. 물론 본 발명의 발광 소자의 구조는 수직형 또는 수평형 소자에 한정되지 않는다. 즉, 본 발명의 양자 우물 구조의 활성층은 모든 구조의 발광 소자에 적용될 수 있다. In addition, it is effective to use the AlGaN layer doped with P-type impurities as the
또한, 본 실시예에 따른 활성층(30)은 AlxGa1 -xN(0≤x<1)의 웰층(31, 33, 35)과 AlN의 장벽층(32, 34, 36)을 포함한다. 즉, AlN의 장벽층(32, 34, 36) 사이에 웰층(31, 33, 35)으로 AlxGa1 -xN(0≤x<1)이 개재된 구조를 갖는다. In addition, the
본 실시예에 따른 양자우물 구조의 활성층에 관해 좀더 자세히 설명하면 다음과 같다. The active layer of the quantum well structure according to the present embodiment will be described in more detail as follows.
양자우물 구조는 도 2에 도시된 바와 같이 다수의 웰(A)과 장벽(B)이 적층되어 있는 형상으로 형성된다. 상기에서 장벽(B)으로는 높은 전도대 에너지와 낮은 가전자대 에너지를 갖는 AlN막(32, 34, 36)을 사용하고, 웰(A)로는 낮은 전도대 에너지와 높은 가전자대 에너지를 갖는 AlxGa1 -xN(0≤x<1)막(31, 33, 35)을 사용한다.As illustrated in FIG. 2, the quantum well structure has a shape in which a plurality of wells A and barriers B are stacked. As the barrier B, AlN
바람직하게는 5 내지 1000Å두께(T1)의 AlxGa1 -xN(0≤x<1)의 웰(A)과 5 내지 1000Å 두께(T2)의 장벽(B)을 순차로 성장시킨 기본층(K)이 2 내지 1000개의 층으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 본 발명의 양자 우물 구조의 웰(A)과 장벽(B) 각각은 상술한 두께의 범위 내에서 형성하는 것이 효과적이고, 웰(A)과 장벽(B)의 두께를 동일하게 형성할 수도 있고, 각기 다르게 형성할 수도 있다. 또한, 웰(A)과 장벽(B)으로 이루어진 기본층(K)을 복수개 적층시켜 형성할 수도 있다. 이때, 전체적인 양자우물 구조의 활성층(30)의 두께와 개개의 웰(A)과 장벽(B)의 두께를 고려하여 적층되는 기본층(K)의 개수는 상기 범위 내에서 다양하게 변화할 수 있다. 또한, 적층되는 개개의 기본층(K) 두께도 서로 동일한 두께로 형성할 수 있고, 각기 다른 두께로도 형성할 수도 있다. Preferably, a base layer obtained by sequentially growing a well A of Al x Ga 1- x N (0 ≦ x <1) and a barrier B of 5 to 1000 mm thick (T2) in the order of 5 to 1000 mm thick (T1). It is preferable that (K) is formed from 2 to 1000 layers. Each well (A) and barrier (B) of the quantum well structure of the present invention is effective to form within the range of the above-described thickness, it is possible to form the same thickness of the well (A) and the barrier (B), They can be formed differently. In addition, a plurality of base layers K including the wells A and the barriers B may be laminated. In this case, the number of base layers K stacked in consideration of the thickness of the
상술한 바와 같은 양자 우물 구조의 활성층(30)을 형성하기 위해 먼저, 900 내지 1300℃의 온도와, 30 내지 760torr의 압력하에서 트리메틸갈륨(TMGa) 또는 트 리에틸 갈륨(TEGa)과 트리메틸알루미늄(TMAl) 또는 트리에틸알루미늄(TEAl)이 혼합된 원료와 NH3를 이용하여 0.01 내지 10㎛/hour의 성장률로서 AlxGa1 -xN(0≤x<1)막을 성장한다. 여기서, 상기의 트리메틸갈륨(TMGa) 또는 트리에틸 갈륨(TEGa) 및/또는 트리메틸알루미늄(TMAl) 또는 트리에틸알루미늄(TEAl)과 NH3와의 비율(Ⅴ/Ⅲ 비율)은 50 내지 50000인 것이 바람직하다.To form the
여기서, Ⅴ/Ⅲ 비율은 리엑터(reactor) 내의 몰(mole)비를 지칭한다. 즉, Ⅴ/Ⅲ 비율은 NH3의 비율 즉, NH3 내에 있는 N과, Ga 및/또는 Al의 비율을 나타내는 것이다. 즉, 다시 말해 N과, Ga와 Al의 몰 농도 비율을 지칭한다. Here, the V / III ratio refers to the mole ratio in the reactor. In other words, the V / III ratio represents the ratio of NH 3 , that is, the ratio of N in the NH 3 to Ga and / or Al. That is, it refers to the molar concentration ratio of N, Ga, and Al.
다음으로, 양자 우물 구조의 활성층(30)을 형성하기 위해 먼저, 900 내지 1300℃의 온도와, 30 내지 760torr의 압력하에서 트리메틸알루미늄(TMAl) 또는 트리에틸알루미늄(TEAl)과 NH3를 이용하여 0.01 내지 10㎛/hour의 성장률로서 AlN막을 성장한다. 이때의 N과 Al의 Ⅴ/Ⅲ 비율은 50 내지 50000범위내로 하여 AlN막을 형성한다. 또한, 상기에 트리메틸갈륨(TMGa) 또는 트리에틸갈륨(TEGa)을 첨가하여 양자 우물 구조의 우물로 AlGaN막을 형성하고, 장벽으로 AlN막을 형성한다. Next, in order to form the
여기서, 상기 양자 우물 구조의 활성층(30)내의 Al함량과 두께를 변화시켜 목표로하는 파장을 변화시킬 수 있다. 즉, 웰 내의 Al의 함량을 증가시키면 벤드겝이 증가하여 짧은 파장의 빛이 나오고, 웰의 두께가 증대되면 긴 파장의 빛이 나오게 된다. Here, the target wavelength may be changed by changing the Al content and thickness in the
상술한 증착공정을 적어도 한번 이상 반복하여 다층의 웰과 장벽을 갖는 양 자 우물 구조의 활성층을 형성한다. 상기에서 필요에 따라 AlN막과 AlGaN 웰에 Si 또는 Mg를 도핑할 수도 있다. The above-described deposition process is repeated at least once to form an active layer having a quantum well structure having a multilayer well and a barrier. As necessary, Si or Mg may be doped into the AlN film and the AlGaN well.
상술한 바와 같이 양자 우물 구조에서 장벽층으로 AlN을 사용하는 것이 종래의 AlGaN을 사용하는 것보다 막질이 좋아지고, 전자 블록킹에 더 효과적이다.As described above, using AlN as the barrier layer in the quantum well structure has better film quality and is more effective for electron blocking than using conventional AlGaN.
또한, 상술한 구조의 소자는 외부의 광 에너지에 따라 전기적 에너지(전류)를 생성하는 수광 소자로도 사용할 수 있다. 통상의 다이오드에 역방향 전압을 가하면 전류가 거의 흐르지 않지만 본 실시예에 따른 수광 소자의 양자 우물 구조의 활성층에 광 에너지를 인가하면 앞서 설명한 발광 소자와 반대의 원리로 광 에너지에 의해 전류가 흐르게 된다. 즉, 상기 소자의 활성층 내의 전자가 밴드겝 에너지보다 더 높은 에너지를 갖는 광 에너지를 인가받게 되면 전자가 이동하게 되고 이로 인해 전류가 흐르게 된다. 이때, 전류의 흐름은 인가되는 광의 강도에 비례한다. 한편, 상술한 구조의 소자를 수광 소자로 사용하기 위해서 광 에너지를 집중시키기 위한 집광부를 더 포함할 수 있다. In addition, the device having the above-described structure can also be used as a light receiving device that generates electrical energy (current) in accordance with external light energy. When a reverse voltage is applied to a conventional diode, almost no current flows, but when light energy is applied to the active layer of the quantum well structure of the light receiving device according to the present embodiment, the current flows by light energy in a principle opposite to that of the light emitting device described above. That is, when the electrons in the active layer of the device is applied with light energy having a higher energy than the band 전자 energy, the electrons are moved, thereby causing a current to flow. At this time, the flow of current is proportional to the intensity of light applied. On the other hand, in order to use the device of the above-described structure as a light receiving device may further include a light concentrator for concentrating the light energy.
상술한 바와 같이 본 발명은 양자 우물 구조에서 AlGaN막을 웰로서 사용하고, AlN막을 장벽으로 사용하여 품질이 좋고 전자 블록킹이 우수한 활성층을 제공할 수 있다. As described above, the present invention can provide an active layer having good quality and excellent electron blocking by using an AlGaN film as a well in an quantum well structure and using an AlNN film as a barrier.
또한, 활성층의 특성을 향상시켜 광학적 출력을 향상시킬 수 있다. In addition, the optical output can be improved by improving the characteristics of the active layer.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.Although the invention has been described with reference to the accompanying drawings and the preferred embodiments described above, the invention is not limited thereto, but is defined by the claims that follow. Accordingly, one of ordinary skill in the art may variously modify and modify the present invention without departing from the spirit of the following claims.
Claims (7)
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