KR100819388B1 - Broad spectrum light emitting device - Google Patents
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Description
도 1a 내지 도 1e는 종래 대표적인 넓은 발광 파장 활성층 구조를 보이는 개략도.1A to 1E are schematic diagrams showing a conventional representative wide light emission wavelength active layer structure.
도 2는 대표적 3-5족 반도체 물질의 격자상수와 밴드갭의 다이어그램.2 is a diagram of lattice constants and bandgaps of representative Group 3-5 semiconductor materials.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 발광소자의 구조 및 두께에 따른 굴절율을 보이는 개략도.3 is a schematic view showing a refractive index according to the structure and thickness of a light emitting device according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자의 두께에 따른 밴드갭의 변화를 보이는 그래프.4 is a graph showing a change in the band gap according to the thickness of the semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 InGaAs/GaAs/AlGaAs 반도체 발광소자의 전산 시뮬레이션(simulation)으로 얻은 전기장 분포를 보이는 그래프.5 is a graph showing an electric field distribution obtained by computer simulation of an InGaAs / GaAs / AlGaAs semiconductor light emitting device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 InGaAs/GaAs/AlGaAs 반도체의 발광소자의 InGaAs 양자우물과 InAs 양자점의 상온 레이저 여기 발광특성을 보이는 그래프.6A and 6B are graphs showing room-temperature laser-excited emission characteristics of InGaAs quantum wells and InAs quantum dots of light emitting devices of InGaAs / GaAs / AlGaAs semiconductors according to embodiments of the present invention, respectively.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
30: 기판 31a, 31b, 31c, 31d: 도파로 덮개층30:
32a, 32b: 전기장 강화층 33a, 33b: 중심 도파로층32a, 32b: electric
34: 양자우물 활성층 34: quantum well active layer
본 발명은 반도체 소자 제조 분야에 관한 것으로, 특히 넓은 파장의 광을 방출하는 발광소자에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to the field of semiconductor device manufacturing, and more particularly, to a light emitting device that emits light of a wide wavelength.
넓은 파장의 광원은 가스 등의 물질 특성을 분석하거나, 고체 또는 액체 상태의 물질 구조를 분석할 수 있어, 화학공업, 분석학, 군사, 생물, 의료의 목적으로 많은 쓰임이 있다. 램프(Lamp) 또는 반도체 소자를 이용하여 넓은 파장의 광원을 얻을 수 있다. 램프는 크기가 크고, 가격이 높아 유용하지 못한 반면에, 반도체 소자는 작은 부피로 고출력을 낼 수 있어 휴대하기가 용이하여, 대량 생산이 가능하다.The wide wavelength light source can be used to analyze material properties such as gas or solid or liquid material structure, which is widely used for chemical, analytical, military, biological, and medical purposes. A light source having a wide wavelength can be obtained by using a lamp or a semiconductor device. Lamps are large in size, high in price, and not useful, while semiconductor devices can produce high output in a small volume, which is easy to carry, allowing mass production.
종래 넓은 광원을 얻을 수 있는 반도체 소자의 대표적인 방법으로, 다수 양자우물의 두께를 다르게 형성하는 제1 방법(도 1a 참조), 다수 양자우물의 조성에 변화를 주어 밴드갭의 차이를 두는 제2 방법(도 1b 참조), 양자점의 내재적인 파장넓음현상을 이용하는 제3 방법(도 1c 참조), 이종의 크기의 양자점을 형성하는 제4 방법(도 1d 참조) 그리고 양자점과 양자우물을 전기적으로 결합하여 사용하는 제4 방법(도 1e 참조)이 있다.A representative method of a conventional semiconductor device capable of obtaining a wide light source, the first method of forming a plurality of quantum wells differently (see FIG. 1A), the second method of changing the composition of the plurality of quantum wells to leave a difference in the band gap (See FIG. 1B), the third method using the inherent wavelength widening of the quantum dots (see FIG. 1C), the fourth method of forming heterogeneous quantum dots (see FIG. 1D), and electrically combining the quantum dots and the quantum wells. There is a fourth method used (see FIG. 1E).
종래에는 전술한 제1 방법 내지 제4 방법에 따라, 비교적 저렴하며 수월하게 구할 수 있는 화합물 반도체인 GaAs 및 InP를 이용하여 넓은 파장의 광원을 제공하 는 반도체 소자를 제조하고 있다. 그러나, 대표적 3-5족 반도체 물질의 격자상수와 밴드갭의 다이어그램을 보이는 도 2를 참조하면, GaAs 및 InP는 격자부정합이 넘을 경우 일정한 제한 하에서 양자우물을 형성해야하는 단점이 있다. 예컨대, GaAs를 이용하여 양자우물을 형성할 경우 중심파장이 0.6 ㎛ 내지 1 ㎛ 정도인 광을 얻을 수 있고, InP를 이용하여 양자우물을 형성할 경우 중심파장이 1.1 ㎛ 내지 1.7 ㎛ 정도의 광을 얻을 수 있다. 이에 따라, GaAs 또는 InP를 이용하여 양자우물을 형성할 경우 중심파장이 ~1 ㎛ 근처인 광을 얻기 어렵다.Conventionally, according to the first to fourth methods described above, a semiconductor device providing a light source having a broad wavelength is manufactured by using GaAs and InP which are relatively inexpensive and easily obtainable compound semiconductors. However, referring to FIG. 2 showing a lattice constant and a bandgap diagram of a representative group 3-5 semiconductor material, GaAs and InP have a disadvantage in that quantum wells must be formed under certain limitations when lattice mismatch is exceeded. For example, when the quantum well is formed using GaAs, light having a center wavelength of about 0.6 μm to about 1 μm can be obtained. When the quantum well is formed by using InP, light having a center wavelength of about 1.1 μm to about 1.7 μm is obtained. You can get it. Accordingly, when the quantum well is formed using GaAs or InP, it is difficult to obtain light having a central wavelength of ˜1 μm.
InP 보다 상업성이 큰 GaAs를 이용하기 위한 노력으로, GaAs 기판 상에 InAs 이원 양자점을 형성하여 중심파장을 1.5 ㎛까지 넓히는 방법이 제시되어 널리 사용되고 있으나, 1 ㎛ 이내의 단파장의 경우에는 InGaAs 또는 InAlAs등과 같은 3원 화합물 양자점을 형성하여야 하는데, 3원 화합물 양자점의 불균일한 특성 때문에 형성이 어렵다.In an effort to use GaAs, which is more commercially available than InP, a method of forming an InAs binary quantum dot on a GaAs substrate to widen the center wavelength to 1.5 μm has been widely used. The same tertiary compound quantum dot should be formed, but it is difficult to form due to the nonuniform nature of the tertiary compound quantum dot.
다시 말하면, 종래의 제1 방법 내지 제4 방법에 따를 경우, GaAs 기판에 기반하여 중심파장이 0.6 ㎛ 내지 1.5 ㎛에 아우르는 광원을 얻기 어렵고, 양자우물을 형성하여 0.6 ㎛ 내지 1 ㎛의 중심파장을 얻거나 2원 양자점을 형성하여 1 ㎛ 내지 1.5 ㎛의 중심파장을 얻을 수 있을 뿐이다.In other words, according to the first to fourth methods of the prior art, it is difficult to obtain a light source having a center wavelength of 0.6 μm to 1.5 μm based on the GaAs substrate, and form a quantum well to form a center wavelength of 0.6 μm to 1 μm. It is only possible to obtain a central wavelength of 1 ㎛ to 1.5 ㎛ by forming a binary quantum dot.
한편, 제5 방법을 따라 양자우물과 양자점을 전기적으로 근접하게 결합시킬 경우, 전하가 양자우물과 양자점 중 어느 하나의 경로만 선택한다(양자점을 선호한다). 따라서, 실제로 양자우물과 양자점 두개의 구조를 형성하여 이종의 파장을 얻기 어렵다. On the other hand, when the quantum well and the quantum dot are electrically coupled in close proximity according to the fifth method, the charge selects only one path of the quantum well and the quantum dot (preferably a quantum dot). Therefore, it is difficult to obtain heterogeneous wavelengths by actually forming two structures of quantum wells and quantum dots.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 넓은 파장의 광을 방출하는 발광소자를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention for solving the above problems is to provide a light emitting device that emits light of a wide wavelength.
본 발명의 실시예에 따른 발광소자는, 양자우물 활성층; 상기 양자우물 활성층을 둘러싸는 중심 도파로층; 및 도파로 덮개층을 포함하되, 상기 도파로 덮개층은 그 내부에 도파로 덮개층 보다 굴절율이 높은 전기장 강화층을 포함하고, 상기 전기장 강화층은 다수의 양자점을 포함한다.The light emitting device according to the embodiment of the present invention, the quantum well active layer; A center waveguide layer surrounding the quantum well active layer; And a waveguide cover layer, wherein the waveguide cover layer includes an electric field enhancement layer having a higher refractive index than the waveguide cover layer therein, and the electric field enhancement layer includes a plurality of quantum dots.
이하, 본 발명의 실시예를 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
본 발명의 실시예에 따른 발광소자는 제1 파장의 광을 방출하는 양자우물 활성층(quantum well active layer), 양자우물 활성층을 둘러싸는 중심 도파로층(core layer), 도파로 덮개층(cladding layer)을 포함하되, 도파로 덮개층은 그 내부에 도파로 덮개층 보다 굴절율이 높은 전기장 강화층을 구비한다. 전기장 강화층은 제1 파장 보다 긴 파장의 광을 방출하는 다수의 양자점을 포함한다. 양자점의 밴드갭은 양자우물 활성층의 밴드갭 보다 작다. 전기장 강화층의 양자점은 양자우물 활성층에서 발생된 광자를 흡수하여 2차 광자를 발생시킨다.The light emitting device according to the embodiment of the present invention comprises a quantum well active layer (quantum well active layer) that emits light of the first wavelength, a core waveguide layer (core layer) surrounding the quantum well active layer, a waveguide cladding layer (cladding layer) The waveguide cover layer includes an electric field reinforcing layer having a higher refractive index than the waveguide cover layer therein. The field enhancement layer includes a plurality of quantum dots that emit light of a wavelength longer than the first wavelength. The band gap of the quantum dot is smaller than the band gap of the quantum well active layer. Quantum dots in the field enhancement layer absorb secondary photons generated in the quantum well active layer to generate secondary photons.
보다 구체적으로, 도 3에 보인 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 발광소자는, n형 불순물이 강하게 도핑된 반전도성 기판(30), 기판(30) 상에 형성된 제1 및 제2 하부 도파로 덮개층(31a, 31b), 제1 및 제2 하부 도파로 덮개층(31a, 31b) 사이에 형성되며 제1 및 제2 하부 도파로 덮개층(31a, 31b) 보다 굴절율이 높으며 제 2 파장의 광을 방출하는 하부 전기장 강화층(32a), 제2 하부 도파로 덮개층(31b) 상에 형성된 하부 중심 도파로층(33a), 하부 중심 도파로층(33a) 상에 형성되며 전기장 강화층(32a) 보다 굴절률이 높고 제2 파장보다 짧은 제1 파장의 광을 방출하는 양자우물 활성층(34), 양자우물 활성층(34) 상에 형성된 상부 중심 도파로층(33b), 상부 중심 도파로층(33b) 상에 형성된 제1 및 제2 상부 도파로 덮개층(31c, 31d), 제1 및 제2 상부 도파로 덮개층(31c, 31d) 사이에 형성되며 제1 및 제2 상부 도파로 덮개층(31c, 31d) 보다 굴절율이 높으며 제2 파장의 광을 방출하는 상부 전기장 강화층(32b)을 포함한다. 또한, 제2 상부 도파로 덮개층(31d) 상에 p형 불순물이 강하게 도핑된 상부 낮은 밴드갭층(35) 및 전기적 금속접촉층(36)을 더 포함한다.More specifically, as shown in FIG. 3, the light emitting device according to the embodiment of the present invention includes a
상부 낮은 밴드갭층(35)에는 3×1018/cm3 이상의 농도로 p형 불순물이 강하게 도핑되고, 제1 및 제2 상부 도파로 덮개층(31c, 31d)과 상부 전기장 강화층(32b) 에는 1×1017/cm3 이하의 농도로 p형 불순물이 도핑된다. 제1 및 제2 하부 도파로 덮개층(31a, 31b) 및 하부 전기장 강화층(32a) 에는 1×1017/cm3 이하의 농도로 n형 불순물이 도핑되고, 기판에는 3×1018/cm3 이상의 농도로 n형 불순물이 강하게 도핑된다.The upper
하부 전기장 강화층(32a)과 상부 전기장 강화층(32b)은 동일한 굴절율을 갖는다. 하부 및 상부 전기장 강화층(32a, 32b)은 각각 양자우물 활성층(34)에서 발 생된 광자를 흡수하여 2차 광자를 발생시킨다.The lower electric
도 4에 보인 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 발광소자는, 도파로 덮개층(31a, 31b, 31c, 31d) 내부에 양자우물 활성층(34) 보다 밴드갭이 낮은 양자점을 포함하는 전기장 강화층(32a, 32b)을 구비한다. 이에 따라, 도 5에 보인 바와 같이 발광 소자내의 전기장이 양자우물 활성층(34)을 감싸는 도파로 덮개층 내의 전기장 강화층(32a, 32b)까지 분포되어 양자우물 활성층(34)에서 발생된 광자가 양자점(QD)에 흡수된 후 양자점으로부터 2차 광자를 발생시킬 수 있다. 즉, 전기장이 확대되는 전기장 강화층(32a, 32b) 내의 양자점(QD)이 양자우물 활성층(34)로부터 발산된 광을 흡수하여 양자우물 활성층(34)의 발광 파장보다 긴 파장의 빛을 방출할 수 있다. 이처럼, 본 발명의 실시예에 따른 발광소자의 양자우물과 양자점은 서로 전기적으로 결합되지 않고 광학적으로 결합되어 두 종류의 광원으로서 역할한다. 이로써, 양자 우물과 양자점의 발광 스펙트럼을 아우르는 넓은 파장의 발광 소자의 제작이 가능하다.As shown in FIG. 4, the light emitting device according to the embodiment of the present invention includes an electric field reinforcing layer including a quantum dot having a band gap lower than that of the quantum well
본 발명의 구체적 실시예로, 도 3에 보인 양자우물 활성층(34)은 8nm 두께의 In0.2Ga0.8As/GaAs로 형성하고, 도파로 덮개층(31a, 31b, 31c, 31d)은 Al0.7Ga0.3As로 형성하고, 도파로 덮개층(31a, 31b, 31c, 31d) 내의 전기장 강화층(32a, 32b)은 Al0.3Ga0.7As로 형성한다. 전기장 강화층(32a, 32b) 내의 양자점(QD)은 InAs 또는 In(Ga)As로 형성하여, 전도 밴드(conduction band)만을 고려할 때 도 4와 같은 두께에 따른 밴드갭의 변화가 나타나도록 한다. 아울러, 양자우물의 밴드갭이 양자점 의 밴드갭보다 높도록 설계하여, 도 6a 및 도 6b와 같은 양자우물 및 양자점의 상온 광여기 스팩트럼이 얻어지도록 한다.In a specific embodiment of the present invention, the quantum well
한편, 전기장 강화층(32a, 32b) 내의 양자점(QD)은 도펀트(dopant)와 같이 주변으로부터 유입되는 불순물에 의해 자연히 일정량의 전하를 보유하여 전하의 흐름을 방해하지 않을 것이나, 원활한 전하의 흐름을 위해 양자점을 강하게 도핑한다.On the other hand, the quantum dots (QD) in the electric field enhancement layer (32a, 32b) will naturally retain a certain amount of charge by impurities introduced from the surroundings, such as dopant (dopant) will not interfere with the flow of charge, but the smooth flow of charge Strongly doped the quantum dots.
전술한 본 발명의 실시예에서 보인 발광소자는 레이저 다이오드, 발광 다이오드, 공진결합 발광다이오드 등 다양한 형태의 반도체 발광소자이다.The light emitting device shown in the embodiment of the present invention described above is a semiconductor light emitting device of various forms such as a laser diode, a light emitting diode, a resonance coupled light emitting diode.
상술한 실시예들은 본 발명의 원리를 응용한 다양한 실시예의 일부를 나타낸 것에 지나지 않음을 이해해야 한다. 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질로부터 벗어남이 없이 여러 가지 변형이 가능함을 명백히 알 수 있을 것이다.It is to be understood that the above-described embodiments are merely representative of some of the various embodiments to which the principles of the present invention are applied. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications may be made without departing from the spirit of the invention.
전술한 바와 같은 본 발명은 서로 방해되지않게 양자우물과 양자점의 장점을 결합함으로써, 반도체 발광소자로부터 넓은 파장의 광을 얻을 수 있다. 본 발명에 따른 발광소자는 저렴하고, 휴대성 높아 화학공업, 분석학, 군사, 생물, 의료용 장치의 광원으로 사용될 수 있다.As described above, the present invention combines the advantages of a quantum well and a quantum dot without interfering with each other, so that light of a wide wavelength can be obtained from a semiconductor light emitting device. The light emitting device according to the present invention can be used as a light source of the chemical industry, analytical, military, biological, medical device because it is inexpensive and portable.
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Citations (2)
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KR20040022309A (en) * | 2002-09-05 | 2004-03-12 | 한국전자통신연구원 | Efficient LED having highly refractive cover layer |
KR20060013434A (en) * | 1999-06-02 | 2006-02-09 | 세이코 엡슨 가부시키가이샤 | Light emitting device |
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2007
- 2007-01-04 KR KR20070001021A patent/KR100819388B1/en not_active IP Right Cessation
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