KR101012636B1 - Light generating device - Google Patents
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Abstract
광특성이 향상된 발광 소자가 개시된다. 이러한 발광 소자는 활성층, N형 콘택층 및 P형 콘택층을 포함한다. 상기 활성층은 양자우물층과 장벽층을 포함한다. 상기 양자우물층은 제1 화합물 반도체를 포함하고, 상기 장벽층은 제2 화합물 반도체를 포함한다. 또한 상기 양자우물층은 계단형상의 에너지 밴드갭을 이루는 서브양자우물층들을 포함한다. 상기 N형 콘택층은 상기 활성층에 전자를 주입하고, 상기 P형 콘택층은 상기 활성층을 경계로 상기 N형 콘택층과 대향하게 배치되고, 상기 활성층에 정공을 주입한다. 이때, 제1 밴드갭을 이루는 제1 서브양자우물층의 두께는 상기 제1 서브양자우물층과 상기 장벽층 사이에 위치하며 상기 제1 밴드갭보다 큰 제2 밴드갭을 이루는 제2 서브양자우물층의 두께보다 작다.A light emitting device having improved optical characteristics is disclosed. Such a light emitting device includes an active layer, an N-type contact layer and a P-type contact layer. The active layer includes a quantum well layer and a barrier layer. The quantum well layer includes a first compound semiconductor, and the barrier layer includes a second compound semiconductor. In addition, the quantum well layer includes sub-quantum well layers forming an energy bandgap of a step shape. The N-type contact layer injects electrons into the active layer, and the P-type contact layer is disposed to face the N-type contact layer with respect to the active layer, and injects holes into the active layer. At this time, the thickness of the first sub quantum well layer forming the first band gap is located between the first sub quantum well layer and the barrier layer and the second sub quantum well forming a second band gap larger than the first band gap. Smaller than the thickness of the layer.
Description
본 발명은 발광 소자에 관한것으로, 보다 상세히 화합물 반도체 발광 소자 에 관한 것이다.The present invention relates to a light emitting device, and more particularly to a compound semiconductor light emitting device.
반도체 청자색 및 청록색 발광 소자를 구성하는 III-V족 질화물 및 II-VI족 화합물 반도체 구조는 본질적인 특성 중의 하나인 활성층에 인가되는 응력에 의한 피에조 전계와 자발 분극에 의해 발광특성이 다른 III-V족 반도체에 비해 현저하게 떨어진다는 점은 주지의 사실이다[Park et al., Appl. Phys. Lett. 75, 1354 (1999)]. 특히 자발 분극을 없앨 수 있는 방법은 현재까지는 기판의 성장방향을 바꾸어 논폴라(non-polar) 또는 세미폴라(semi-polar) 기판을 사용하는 방법 이외에는 없는 것으로 알려져 있다[Park & Chuang, Phys. Rev. B59, 4725 (1999), Waltereit et al., Nature 406, 865 (2000)].Group III-V nitride and group II-VI compounds constituting the semiconductor blue violet and cyan light emitting devices The semiconductor structure is group III-V having different light emission characteristics due to the piezoelectric field and spontaneous polarization caused by stress applied to the active layer, which is one of the essential characteristics. It is well known that it is significantly lower than a semiconductor [Park et al., Appl. Phys. Lett. 75, 1354 (1999). In particular, there is no known method for eliminating spontaneous polarization until now by changing the growth direction of the substrate to use a non-polar or semi-polar substrate [Park & Chuang, Phys. Rev. B59, 4725 (1999), Waltereit et al., Nature 406, 865 (2000).
III-V 족 질화물 반도체의 본질적인 취약점인 피에조 및 자발 분극을 최소화 시키려는 시도는 여러가지가 있어 왔다. 그 중 대표적인 방법으로, Attempts have been made to minimize piezo and spontaneous polarization, an inherent weakness of III-V nitride semiconductors. Among them, the representative method
1) Non-polar 또는 semi-polar 기판을 이용하여 자발 분극 및 피에조 효과를 최소화 시키는 방법 [Park et al., Phys Rev B 59, 4725 (1999) 및 Waltereit et al., Nature 406, 865 (2000)]1) Method to minimize spontaneous polarization and piezo effect using non-polar or semi-polar substrate [Park et al., Phys Rev B 59, 4725 (1999) and Waltereit et al., Nature 406, 865 (2000) ]
2) 클래드 층을 4원막으로 하고 이중 Al 의 조성비를 증가시켜 전송자의 구속효과를 높여 발광효율을 높이는 방법 [Zhang et al., Appl. Phys. Lett. 77, 2668 (2000), Lai et al., IEEE Photonics Technol Lett. 13, 559 (2001)]이 있다.2) The cladding layer is a four-layered film, and the composition ratio of Al is increased to increase the confinement effect of the transmitter to increase the luminous efficiency [Zhang et al., Appl. Phys. Lett. 77, 2668 (2000), Lai et al., IEEE Photonics Technol Lett. 13, 559 (2001).
이 중 1)의 경우는 아직 이종결정성장 방향에 대한 성장기술의 성숙하지 않아 소자제작시 결함(Defects)이 많아 이론적인 예상만큼 소자 특성이 안나오는 것으로 알려져 있고 제작과정이 매우 까다롭다[K. Nishizuka et al., Appl. Phys. Lett. 87, 231901 (2005)].In case of 1), the growth technology for the direction of dissimilar crystal growth is not mature yet, so there are many defects in device fabrication. Therefore, the device characteristics are not known as theoretically expected and the manufacturing process is very difficult [K. Nishizuka et al., Appl. Phys. Lett. 87, 231901 (2005)].
2)의 경우는 자발분극 및 피에조 효과를 근본적으로 제거할 수 없기 때문에 근본적인 해결책이 될 수 없다. 다만 최근의 연구결과[Ahn et al., IEEE J. Quantum Electron. 41, 1253 (2005)]에 따르면 4원막 배리어를 사용할 경우 양자우물의 전송자 구속 효과에 의한 광이득 개선 효과가 있는 것으로 나타났다. In case of 2), spontaneous polarization and piezo effect cannot be eliminated fundamentally, so it cannot be a fundamental solution. However, recent studies [Ahn et al., IEEE J. Quantum Electron. 41, 1253 (2005)] showed that the use of a four-barrier barrier has the effect of improving light gain due to the effect of confining the transmitter of a quantum well.
3) 다른 방법으로는 4원막 배리어를 갖는 InGaN/InGaAlN 양자우물 구조에서 양자우물내의 인듐 조성비가 정해지면 피에조 및 자발 분극에 의한 내부전계가 소멸되는 4원막의 조성비를 발견할 수 있다는 이론적 연구를 토대로 양자우물 LED 및 LD 등 광소자의 발광특성을 현저하게 개선할 수 있는 방법이 제안되어 있다[S. H Park, D. Ahn, J. W. Kim, Applied Physics Letters 92, 171115 (2008)]. 그러나 이 방법은 4원막 배리어의 성장 조건이 극히 까다롭다는 단점을 갖고 있다. 3) Alternatively, based on the theoretical study, the composition ratio of quaternary membranes in which the internal electric field due to piezo and spontaneous polarization disappears can be found in the InGaN / InGaAlN quantum well structure having the quaternary membrane barrier. A method for remarkably improving the light emission characteristics of optical devices such as quantum well LEDs and LDs has been proposed [S. H Park, D. Ahn, J. W. Kim, Applied Physics Letters 92, 171115 (2008). However, this method has the disadvantage that the growth conditions of the four-layer barrier are extremely difficult.
이에 따라, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 성장 조건이 보다 용이하고 광특성이 개선된 발광 소자를 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a light emitting device having easier growth conditions and improved optical characteristics.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 발광 소자는 활성층, N형 콘택층 및 P형 콘택층을 포함한다. 상기 활성층은 양자우물층과 장벽층을 포함한다. 상기 양자우물층은 제1 화합물 반도체를 포함하고, 상기 장벽층은 제2 화합물 반도체를 포함한다. 또한 상기 양자우물층은 계단형상의 에너지 밴드갭을 이루는 서브양자우물층들을 포함한다. 상기 N형 콘택층은 상기 활성층에 전자를 주입하고, 상기 P형 콘택층은 상기 활성층을 경계로 상기 N형 콘택층과 대향하게 배치되고, 상기 활성층에 정공을 주입한다. 이때, 제1 밴드갭을 이루는 제1 서브양자우물층의 두께는 상기 제1 서브양자우물층과 상기 장벽층 사이에 위치하며 상기 제1 밴드갭보다 큰 제2 밴드갭을 이루는 제2 서브양자우물층의 두께보다 작다.The light emitting device according to the exemplary embodiment of the present invention for solving this problem includes an active layer, an N-type contact layer and a P-type contact layer. The active layer includes a quantum well layer and a barrier layer. The quantum well layer includes a first compound semiconductor, and the barrier layer includes a second compound semiconductor. In addition, the quantum well layer includes sub-quantum well layers forming an energy bandgap of a step shape. The N-type contact layer injects electrons into the active layer, and the P-type contact layer is disposed to face the N-type contact layer with respect to the active layer, and injects holes into the active layer. At this time, the thickness of the first sub quantum well layer forming the first band gap is located between the first sub quantum well layer and the barrier layer and the second sub quantum well forming a second band gap larger than the first band gap. Smaller than the thickness of the layer.
예컨대, 상기 제1 화합물 반도체는 질화인듐갈륨(InGaN)으로 구성되고, 상기 제2 화합물 반도체는 질화갈륨(GaN)으로 구성될 수 있다.For example, the first compound semiconductor may be composed of indium gallium nitride (InGaN), and the second compound semiconductor may be composed of gallium nitride (GaN).
예컨대, 상기 제1 서브양자우물층은 InxGa1 - xN으로 표현되고, 상기 제2 서브양자우물층은 InyGa1 - yN으로 표현되며, x는 0.15 내지 0.25의 범위를 가지며, y는 0 보다 크고 0.075보다 작은 범위를 가질 수 있다.For example, the first sub quantum well layer is represented by In x Ga 1 - x N, the second sub quantum well layer is represented by In y Ga 1 - y N, x has a range of 0.15 to 0.25, y may have a range greater than 0 and less than 0.075.
상기 제1 서브양자우물층의 두께와 상기 제2 서브양자우물층 두께의 비는 8/42 내지 22/28의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 더욱이, 상기 제1 서브양자우물층의 두께와 상기 제2 서브양자우물층 두께의 비는 15/35를 갖는 것이 보다 바람직하다.The ratio of the thickness of the first sub quantum well layer and the thickness of the second sub quantum well layer is preferably in the range of 8/42 to 22/28. Further, it is more preferable that the ratio of the thickness of the first sub quantum well layer and the thickness of the second sub quantum well layer has 15/35.
본 발명에 따르면, 3원막의 양자우물층을 사용하여 성장조건을 용이하게 할 수 있으며, 또한 계단 모양의 양자우물 구조를 채용함으로 전자와 정공의 파동함수를 공간적으로 제어함과 동시에 격자 부정합에 의한 스트레인을 분산시킴으로 피에조 전계를 감소시켜 광특성을 개선하는 효과가 있다.According to the present invention, it is possible to facilitate the growth conditions by using the quantum well layer of the three-element film, and by adopting the step-shaped quantum well structure to control the wave function of electrons and holes spatially and at the same time by lattice mismatch By dispersing the strain, the piezoelectric field is reduced to improve the optical properties.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.As the inventive concept allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명 될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다. The terms first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "having" are intended to indicate that there is a feature, number, step, action, component, part, or combination thereof described in the specification, and that one or more other features It should be understood that it does not exclude in advance the possibility of the presence or addition of numbers, steps, actions, components, parts or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the relevant art and are to be interpreted as ideal or overly formal in meaning unless explicitly defined in the present application Do not.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to the preferred embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 반도체 발광 소자의 개략적인 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor light emitting device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 발광 소자는 N형 콘 택층(102), 활성층(103) 및 P형 콘택층(104)을 포함한다.Referring to FIG. 1, a light emitting device according to an exemplary embodiment of the present invention includes an N-
상기 기판(101)으로서, 예컨대 사파이어(Al2O3) 기판 또는 탄화 실리콘 기판(SiC)이 사용될 수 있다.As the
상기 N형 콘택층(102)은 상기 기판(101) 상부에 형성된다. 선택적으로, 상기 기판(101)과 상기 N형 콘택층(102) 사이에 버퍼층(도시안됨)이 더 형성될 수 있다. 이러한 버퍼층(도시안됨)은 통상적으로 도우너 또는 억셉터와 같은 도펀트를 포함하는 않는다(undoped). 예컨대, 상기 버퍼층은 도펀트를 포함하지 않는 질화물 반도체로 형성된다. 버퍼층(도시안됨)은 고품위의 질화물 결정성장을 위해서 형성된다.The N-
상기 N형 콘택층(102)은 예컨대, 하나 이상의 질화물 반도체층으로 형성될 수 있다.The N-
상기 N형 콘택층(102)은 상기 활성층(103)에 도우너를 주입한다. P형 콘택층(104)은 상기 활성층(103)에 억셉터를 주입한다.The N-
N형 전극(105)와 P형 전극(106)을 통해서 전압이 인가되면, N형 콘택층(102)의 도우너가 P형 콘택층(104)의 억셉터와 활성층(103)에서 만나, 빛을 발광한다.When voltage is applied through the N-
상기 활성층(103)은 제1 화합물 반도체를 포함하는 양자우물층(도시안됨)과 제2 화합물 반도체를 포함하는 장벽층(도시안됨)이 교대로 형성된 다중 양자우물층을 포함한다. 예컨대, 제1 화합물 반도체는 질화갈륨(InGaN)으로 구성되고, 상기 제2 화합물 반도체는 질화갈륨(GaN)으로 구성된다.The
본 발명에 의한 활성층(103)의 상기 양자우물층은 상기 제1 화합물 반도체의 구성비가 달라서 계단형상의 에너지 밴드갭을 이루는 서브양자우물층들을 포함한다. 예컨대, 양자우물층은 제1 밴드갭을 갖는 제1 서브양자우물층 및 상기 제1 밴드갭보다 큰 제2 밴드갭을 갖는 제2 서브양자우물층을 포함한다.The quantum well layer of the
제1 서브양자우물층은 InxGa1 - xN을 포함하고, 이때, x의 범위는 0.15 내지 0.25의 범위를 갖는다. 또한, 상기 제2 서브양자우물층은 InyGa1 - yN을 포함하며, 이때, y는 0보다 크고 0.075보다 작은 범위를 갖는다. 상기 y값이 값이 0.075보다 커지는 경우, 질화갈륨(GaN)을 포함하는 장벽층과의 밴드갭 차이가 너무 커져 스트레인 감소효과가 적어진다. 또한, 이러한 y값의 범위와 연동하여 x값의 범위가 위의 범위를 벗어나는 경우, 발광파장의 범위를 청색발광이 아닌 다른 파장의 빛이 방출된다.The first sub quantum well layer includes In x Ga 1 - x N, where x ranges from 0.15 to 0.25. In addition, the second sub-quantum well layer is Ga y In 1 - comprises N y, In this case, y has a range between greater than 0 and 0.075. When the value of y is larger than 0.075, the band gap difference with the barrier layer containing gallium nitride (GaN) becomes too large, resulting in less strain reduction effect. In addition, when the range of the x value is out of the above range in conjunction with the range of the y value, light of a wavelength other than blue light is emitted in the range of the emission wavelength.
도 2는 종래 단일 양자우물 구조를 갖는 활성층과 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 계단형 양자우물 구조를 갖는 활성층의 에너지 밴드갭을 도시한 그래프이다. 보다 구체적으로, 도 2의 그래프 (a)는 종래 단일 양자우물 구조를 갖는 활성층의 에너지 밴드갭을 도시한 그래프이고, 도 3의 그래프 (b)는 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 계단형 양자우물 구조를 갖는 활성층의 에너지 밴드갭을 도시한 그래프이다.2 is a graph showing an energy band gap of an active layer having a conventional single quantum well structure and an active layer having a stepped quantum well structure according to an exemplary embodiment of the present invention. More specifically, the graph (a) of Figure 2 is a graph showing the energy bandgap of the active layer having a conventional single quantum well structure, the graph (b) of Figure 3 is a stepped form according to an exemplary embodiment of the present invention A graph showing an energy band gap of an active layer having a quantum well structure.
도 2를 참조하면, 그래프 (b)와 같이 양자우물 중간에 스텝을 줌으로 전자와 정공이 공간적으로 좀더 근접한 위치에 구속이 되어 광천이 특성이 개선된다. 또한 격자상수가 다른 계단구조가 도입됨으로 인하여 스트레인 분산 효과도 발생된다.Referring to Figure 2, as shown in the graph (b) by giving a step in the middle of the quantum well, electrons and holes are constrained in a position closer to the space to improve the light transition characteristics. In addition, the strain dispersion effect is also generated by introducing a step structure having a different lattice constant.
스트레인이 분산되면 피에조 전계가 감소하므로 이에 따라 광천이 특성의 개선된다. 예컨대, 도 1의 활성층(103) 내부의 GaN을 포함하는 장벽층과 InGaN을 포함하는 양자우물층은 격자 상수가 크게 다르므로, 스트레인이 발생되는데, InGaN의 인듐(In)함량을 조절하여 GaN과 InGaN 사이에 계단구조를 도입함으로써, 스트레인을 분산할 수 있다.As the strain is dispersed, the piezoelectric field is reduced, thus improving the mineral properties. For example, since the lattice constants of the barrier layer including GaN and the InGaN layer in the
도 3은 종래 단일 양자우물 구조를 갖는 활성층과 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 계단형 양자우물 구조를 갖는 활성층의 광이득 곡선을 도시한 그래프이다. 보다 구체적으로, 도 3의 그래프 (a)는 종래 단일 양자우물 구조를 갖는 활성층의 광이득 곡선을 도시한 그래프이고, 도 3의 그래프 (b)는 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 계단형 양자우물 구조를 갖는 활성층의 광이득 곡선을 도시한 그래프이다.3 is a graph illustrating a light gain curve of an active layer having a conventional single quantum well structure and an active layer having a stepped quantum well structure according to an exemplary embodiment of the present invention. More specifically, the graph (a) of FIG. 3 is a graph showing a light gain curve of an active layer having a conventional single quantum well structure, and the graph (b) of FIG. 3 is a stepped shape according to an exemplary embodiment of the present invention. It is a graph showing the light gain curve of the active layer having a quantum well structure.
도 3의 그래프는 아래에서 기술되는 수학식들을 이용하여 수치계산한 결과이다.3 is a result of numerical calculation using the equations described below.
다체효과를 갖는 논-마코비안 이득모델을 이용하여 광학이득 스펙트럼이 계산된다(참고, S. H. Park, S. L. Chung, and D Ahn, "Interband relaxation time effects on non-Markovian gain with many-body effects and comparison with experiment", Semicond. Sci. Technol., vol. 15 pp. 2003-2008). 가전자대 분산 의 이방성의 효과를 포함하는 다체효과를 갖는 광학이득은 아래의 수학식 1로 표현된다.The optical gain spectrum is calculated using a non-Markovian gain model with multibody effects (see SH Park, SL Chung, and D Ahn, "Interband relaxation time effects on non-Markovian gain with many-body effects and comparison with experiment ", Semicond. Sci. Technol., vol. 15 pp. 2003-2008). An optical gain having a multibody effect including an anisotropy of valence versus dispersion is represented by
윗식에서, ω는 각속도, μ0는 진공에서의 투자율(permeability), ε은 유전율(dielectric constant), σ=U(또는 L)은 유효질량 해밀토니안의 상부(또는 하부)블럭, e는 전자의 전하량, m0는 자유전자의 질량, k||는 양자우물평면에서 표면웨이브벡터의 크기, Lw는 우물의 폭, |Mlm|2은 스트레인드 양자우물(strained Quantum Well)의 매트릭스 성분이다. 또한 fl c와 fm v는 각각 전도대와 가전자대에서 전자에 의한 점유확률을 위한 페르미 함수이며, 아래첨자의 l과 m은 각각 전도대에서의 전자상태와 정공상태를 나타낸다.Where ω is the angular velocity, μ 0 is the permeability in vacuum, ε is the dielectric constant, σ = U (or L) is the upper (or lower) block of the effective mass Hamiltonian, and e is the electron's Charge, m 0 is the mass of free electrons, k || Is the magnitude of the surface wave vector in the quantum well plane, Lw is the width of the well, and | M lm | 2 is the matrix component of the strained quantum well. In addition, f l c and f m v are Fermi functions for the probability of electron occupancy in the conduction and valence bands, respectively. The subscripts l and m represent the electron and hole states in the conduction band, respectively.
또한, 전자와 정공간의 재규격화된 전이 에너지는 아래의 수학식 2로 표현된다.In addition, the re-standardized transition energy of electrons and constant space is represented by Equation 2 below.
윗식에서, Eg는 밴드갭, ΔESX 및 ΔECH는 각각 밴드갭 재규격화에 대한 스크린된 교환(Screened exchange)과 쿨롱홀 기여(Coulomb-hole contribution)이다(참조, W.W. Chow, M. Hagerott, A. Bimdt, and S.W. Koch, "Threshold coditions for an ultraviolet wavelength GaN quantum-well laser", IEEE J. Select. Topics Quantum Electron., vol. 4, pp. 514-519, 1998).In the above equation, Eg is the bandgap, ΔE SX and ΔE CH are the screened exchange and Coulomb-hole contribution to the bandgap renormalization, respectively (see WW Chow, M. Hagerott, A). Bimdt, and SW Koch, "Threshold coditions for an ultraviolet wavelength GaN quantum-well laser", IEEE J. Select. Topics Quantum Electron., Vol. 4, pp. 514-519, 1998).
가우스라인 형상 함수(Gaussian line shape function) L(ω, k||, φ)는 아래의 수학식 3으로 표현된다.A Gaussian line shape function L (ω, k || , φ) is expressed by
윗식에서 는 엑시토닉(exitonic) 또는 밴드간 전이의 쿨롱상승의 원인이 된다. 상기의 라인형상 함수는 논-마코비안 퀀텀 키네틱스(Non-Marcobian Quantum kinetics)의 가장 간단한 가우시안(Gaussian)이고, 아래의 수학식 4 및 수학식 5로 기술된다.At the top Causes coulomb rise in exitonic or interband transitions. The line shape function is the simplest Gaussian of Non-Marcobian Quantum kinetics and is described by
인터밴드 릴렉세이션 시간(interband relaxation time) τin과 코릴레이션시간(correlation time) τc는 상수로 간주되고, 각각 25fs 및 10fs로 계산된다. 계산에 필요한 GaN 및 InN 물질의 파라미터들은 다음의 표 1에 의해서 주어진다.The interband relaxation time τ in and the correlation time τ c are regarded as constants and are calculated to be 25fs and 10fs, respectively. The parameters of GaN and InN materials required for the calculation are given by Table 1 below.
ParameterEnergy
Parameter
effective massesConduction band
effective masses
potentials(eV)Deformation
potentials (eV)
constant
(1011dyn/cm2)Elastic stiffness
constant
(10 11 dyn / cm 2 )
도 3을 참조하면, 파장이 청색에서 녹색으로 갈수록, 또는 파장이 길어질 수록 계단형상의 양자우물층의 효과가 커지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 양자우물층의 두께가 증가할수록 계단형상의 양자우물층의 효과가 커지는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 3, it can be seen that the effect of the stepped quantum well layer increases as the wavelength goes from blue to green, or as the wavelength becomes longer. In addition, it can be seen that as the thickness of the quantum well layer increases, the effect of the step-shaped quantum well layer increases.
도 3의 그래프 (a) 또는 (b)를 참조하면, 청색파장인 440nm의 경우에는 종래의 단일의 양자우물층에 대응하는 광이득(청색점선)과 제1 서브양자우물층(도2의 Lw1구간)과 제2 서브양자우물층(도2의 Lw2구간)으로 분할되어 계단형상을 갖는 양자우물층에 대응하는 광이득(청색실선)의 차이가 크지 않지만, 녹색파장인 530nm의 경우(녹색실선)에는 종래의 단일의 양자우물층에 대응하는 광이득(녹색점선)에 비해 광이득이 크게 증가되었음을 볼 수 있다.Referring to the graphs (a) and (b) of FIG. 3, in the case of 440 nm of blue wavelength, the light gain (blue dot line) and the first sub quantum well layer corresponding to the conventional single quantum well layer (Lw1 in FIG. 2). Section) and the second sub quantum well layer (Lw2 section in FIG. 2), and the light gain (blue solid line) corresponding to the quantum well layer having a step shape is not large, but the green wavelength is 530 nm (green solid line). ), It can be seen that the light gain is greatly increased compared to the light gain (green dotted line) corresponding to the conventional single quantum well layer.
도 3의 그래프 (a) 및 (b)를 참조하면, 양자우물층의 두께가 3nm인 그래프(a)에 비해서 양자우물층의 두께가 5nm인 그래프(b)는 광이득이 감소한다. 이것은 정공과 전자가 보다 넓은 영역에 분포하게 되어 상대적으로 결합확률이 감소하기 때문이다. 그러나, 양자우물층의 두께가 3nm인 그래프(a)에 비해서 양자우물층의 두께가 5nm인 그래프(b)의 경우에, 종래의 단일의 양자우물층에 대응하는 광이득(청색점선)과 제1 서브양자우물층(도2의 Lw1구간)과 제2 서브양자우물층(도2의 Lw2구간)으로 분할되어 계단형상을 갖는 양자우물층에 대응하는 광이득(청색실선)의 차이가 커지는 것을 확인할 수 있다.Referring to the graphs (a) and (b) of FIG. 3, the light gain is reduced in the graph (b) having a thickness of 5 nm of the quantum well layer compared to the graph (a) having a thickness of 3 nm of the quantum well layer. This is because holes and electrons are distributed in a wider area, and thus the bonding probability decreases relatively. However, in the case of the graph (b) in which the thickness of the quantum well layer is 5 nm compared to the graph (a) in which the thickness of the quantum well layer is 3 nm, the optical gain (blue dotted line) and the first corresponding to the conventional single quantum well layer are The difference in light gain (blue solid line) corresponding to the quantum well layer having a step shape is divided into one sub quantum well layer (Lw1 section in FIG. 2) and a second sub quantum well layer (Lw2 section in FIG. 2). You can check it.
도 4는 작은 밴드갭을 갖는 제1 서브양자우물층의 두께를 변화시켜가면서 제1 서브양자우물층의 인듐조성비를 측정한 그래프(a)와 자발발광효율을 도시한 그래프(b)이다.4 is a graph (a) of measuring the indium composition ratio of the first sub quantum well layer while varying the thickness of the first sub quantum well layer having a small band gap and a graph (b) illustrating the self-luminescence efficiency.
도 4의 그래프 (a)는 400nm의 파장을 갖도록 고정시키고, 제1 서브양자우물층(도2의 Lw1구간)과 제2 서브양자우물층(도2의 Lw2구간)의 전체 두께를 50옹스트롬(Å)으로 고정시켰을 때, 제1 서브양자우물층의 두께(Lw1)를 변화시켜가며, InxGa1-xN을 포함하는 상기 제1 서브양자우물층의 인듐함량 x를 계산한 결과이다. 이 계산에서, InyGa1 - yN을 포함하는 제2 서브양자우물층의 인듐함량 y는 0.05로 고정하였다.The graph (a) of FIG. 4 is fixed to have a wavelength of 400 nm, and the total thickness of the first sub quantum well layer (Lw1 section of FIG. 2) and the second sub quantum well layer (Lw2 section of FIG. 2) is 50 angstrom ( I), the thickness Lw1 of the first sub quantum well layer is changed, and the indium content x of the first sub quantum well layer including In x Ga 1-x N is calculated. In this calculation, In y Ga 1 - a second indium content y of the sub-quantum well layer comprising a N y was fixed at 0.05.
이 계산 결과에 따르면, 밴드갭이 상대적으로 작은 제1 서브양자우물층의 두께(Lw1)를 증가시킬수록 상기 제1 서브양자우물층의 인듐함량 x가 감소함을 볼 수 있다.According to the calculation result, it can be seen that the indium content x of the first sub quantum well layer decreases as the thickness Lw1 of the first sub quantum well layer having a relatively small band gap is increased.
상대적으로 작은 밴드갭을 갖는 제1 서브양자우물층의 두께(w1)가 증가하면, 상대적으로 작은 밴드갭의 영향이 커지므로 발광하는 빛의 진폭이 증가하는 경향을 갖는다. 그런데, 요구되는 발광파장은 400nm로 고정되어 있으므로 이를 보상하기 위해서는 상기 제1 서브양자우물층의 밴드갭이 증가되어야 한다. 한편, 인듐(In) 함량이 감소할수록 밴드갭은 증가된다. 따라서, 고정된 발광파장의 빛을 생성하기 위해서는 상기 제1 서브양자우물층의 인듐(In) 함량이 감소되어야 한다. 도 4의 그래프 (a)에서는 이러한 결과를 잘 볼 수 있다.When the thickness w1 of the first sub quantum well layer having the relatively small band gap is increased, the influence of the relatively small band gap is increased, and thus the amplitude of the light emitted tends to increase. However, since the required emission wavelength is fixed at 400 nm, the band gap of the first sub quantum well layer should be increased to compensate for this. On the other hand, as the indium content decreases, the band gap increases. Therefore, in order to generate light having a fixed emission wavelength, the indium (In) content of the first sub quantum well layer should be reduced. In the graph (a) of Figure 4 it can be seen well these results.
도 4의 그래프 (b)는 제1 서브양자우물층(도2의 Lw1구간)과 제2 서브양자우물층(도2의 Lw2구간)의 전체 두께를 50옹스트롬(Å)으로 고정시키고, 제1 서브양자우물층(도2의 Lw1구간)의 두께를 변화시켜가면서 자발방출율(spontaneous emission rate)을 계산한 그래프이다.Graph (b) of FIG. 4 fixes the overall thickness of the first sub quantum well layer (Lw1 section in FIG. 2) and the second sub quantum well layer (Lw2 section in FIG. 2) to 50 angstroms, and the first Spontaneous emission rate is calculated while changing the thickness of the sub quantum well layer (Lw1 section in FIG. 2).
이러한 계산결과에 따르면, 제1 밴드갭을 이루는 제1 서브양자우물층(도2의 Lw1구간)은 상기 제1 밴드갭보다 큰 제2 밴드갭을 이루는 제2 서브양자우물층(도2의 Lw2구간)의 두께보다 작은 경우에 발광효율이 증가한다.According to the calculation result, the first sub quantum well layer forming the first band gap (Lw1 section in FIG. 2) is the second sub quantum well layer forming the second band gap larger than the first band gap (Lw2 in FIG. 2). Luminous efficiency increases when smaller than the thickness of the section).
보다 상세히, 제1 서브양자우물층(도2의 Lw1구간)의 두께가 8옹스트롬(Å)이고, 제2 서브양자우물층(도2의 Lw2구간)의 두께가 42옹스트롬(Å) 인 구간에서, 제1 서브양자우물층(도2의 Lw1구간)의 두께가 22옹스트롬(Å)이고, 제2 서브양자우물층(도2의 Lw2구간)의 두께가 28옹스트롬(Å) 인 구간에서 발광효율이 우수하다. 환언하면, 제1 서브양자우물층(도2의 Lw1구간)의 두께와 제2 서브양자우물층(도2의 Lw2구간)의 두께의 비가 8/42 내지 22/28 범위에서 우수한 자발방출율을 가진다.More specifically, in a section where the thickness of the first sub quantum well layer (Lw1 section in FIG. 2) is 8 angstroms and the thickness of the second sub quantum well layer (Lw2 section in FIG. 2) is 42 angstroms Luminous efficiency in a section where the thickness of the first sub quantum well layer (Lw1 section in FIG. 2) is 22 angstroms and the thickness of the second sub quantum well layer (Lw2 section in FIG. 2) is 28 angstroms This is excellent. In other words, the ratio of the thickness of the first sub quantum well layer (Lw1 section in FIG. 2) to the thickness of the second sub quantum well layer (Lw2 section in FIG. 2) has an excellent spontaneous emission rate in the range of 8/42 to 22/28. .
보다 바람직하게, 제1 서브양자우물층(도2의 Lw1구간)의 두께가 15옹스트롬(Å)이고, 제2 서브양자우물층(도2의 Lw2구간)의 두께가 35 옹스트롬(Å)일때 최대 자발방출율을 갖는다. 환언하면, 제1 서브양자우물층(도2의 Lw1구간)의 두께와 제2 서브양자우물층(도2의 Lw2구간)의 두께의 비가 15/35에서 최대 자발방출율을 가진다.More preferably, the thickness of the first sub quantum well layer (Lw1 section in FIG. 2) is 15 angstroms and the thickness of the second sub quantum well layer (Lw2 section in FIG. 2) is 35 angstroms. It has a spontaneous release rate. In other words, the ratio of the thickness of the first sub quantum well layer (Lw1 section in FIG. 2) to the thickness of the second sub quantum well layer (Lw2 section in FIG. 2) has a maximum spontaneous emission rate at 15/35.
한편, 제1 서브양자우물층(도2의 Lw1구간)에서 발광파장의 대부분이 생성되는 경우에는 제2 서브양자우물층(도2의 Lw2구간)의 폭을 최대한 감소시키는 것이 바람직하다. 즉, 제1 서브양자우물층(도2의 Lw1구간)에서 발광파장의 대부분이 생성되는 경우에 제2 서브양자우물층(도2의 Lw2구간)의 폭을 증가시키면 파동함수가 제2 서브양자우물층(도2의 Lw2구간)의 영향으로 발광파장이 증가하는 경향을 갖게 된다. 따라서, 제1 서브양자우물층(도2의 Lw1구간)에서 발광파장의 대부분이 생성되도록 설계하는 경우에는 제2 서브양자우물층(도2의 Lw2구간)의 폭을 최대한 감소시키고 제2 서브양자우물층(도2의 Lw2구간)은 스트레인을 분산시키는 기능만을 담당하도록 하는 것이 좋다.On the other hand, when most of the light emission wavelength is generated in the first sub quantum well layer (Lw1 section in Fig. 2), it is preferable to reduce the width of the second sub quantum well layer (Lw2 section in Fig. 2) as much as possible. That is, when most of the light emission wavelength is generated in the first sub quantum well layer (Lw1 section of FIG. 2), when the width of the second sub quantum well layer (Lw2 section of FIG. 2) is increased, the wave function causes the second sub quantum The emission wavelength tends to increase due to the influence of the well layer (Lw2 section in Fig. 2). Accordingly, when the first sub quantum well layer (Lw1 section of FIG. 2) is designed to generate most of the emission wavelengths, the width of the second sub quantum well layer (Lw2 section of FIG. 2) is reduced as much as possible and the second sub quantum well is formed. The well layer (Lw2 section in FIG. 2) may be responsible only for the function of dispersing strain.
그러나, 얇은 두께의 제2 서브양자우물층(도2의 Lw2구간)을 제조하는 것은 그 공정이 용이하지 않으므로, 제1 서브양자우물층(도2의 Lw1구간)과 제2 서브양자우물층(도2의 Lw2구간)이 모두 발광에 기여하도록 설계하는 것이 바람직하다. 이 경우에는 제1 서브양자우물층의 폭(Lw1)이 제2 서브양자우물층의 폭(Lw2)보다 작게하는 것이 바람직하다.However, manufacturing the thin second sub quantum well layer (Lw2 section in FIG. 2) is not easy, and therefore, the first sub quantum well layer (Lw1 section in FIG. 2) and the second sub quantum well layer ( It is preferable to design so that all Lw2 sections of FIG. 2 contribute to light emission. In this case, it is preferable that the width Lw1 of the first sub quantum well layer is smaller than the width Lw2 of the second sub quantum well layer.
본 발명에 따르면, 3원막의 양자우물층을 사용하여 성장조건을 용이하게 할 수 있으며, 또한 계단 모양의 양자우물 구조를 채용함으로 전자와 정공의 파동함수를 공간적으로 제어함과 동시에 격자 부정합에 의한 스트레인을 분산시킴으로 피에조 전계를 감소시켜 광특성을 개선하는 효과가 있다.According to the present invention, it is possible to facilitate the growth conditions by using the quantum well layer of the three-element film, and by adopting the step-shaped quantum well structure to control the wave function of electrons and holes spatially and at the same time by lattice mismatch By dispersing the strain, the piezoelectric field is reduced to improve the optical properties.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이다. 따라서, 전술한 설명 및 아래의 도면은 본 발명의 기술사상을 한정하는 것이 아닌 본 발명을 예시하는 것으로 해석되어져야 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical and exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention. Therefore, the above description and the drawings below should be construed as illustrating the present invention, not limiting the technical spirit of the present invention.
도 1은 본 발명의 예시적인 일 실시예에 따른 발광 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view schematically showing a light emitting device according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 2는 종래 단일 양자우물 구조를 갖는 활성층과 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 계단형 양자우물 구조를 갖는 활성층의 에너지 밴드갭을 도시한 그래프이다.2 is a graph showing an energy band gap of an active layer having a conventional single quantum well structure and an active layer having a stepped quantum well structure according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3은 종래 단일 양자우물 구조를 갖는 활성층과 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 계단형 양자우물 구조를 갖는 활성층의 광이득 곡선을 도시한 그래프이다.3 is a graph illustrating a light gain curve of an active layer having a conventional single quantum well structure and an active layer having a stepped quantum well structure according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 4는 작은 밴드갭을 갖는 제1 서브양자우물층의 두께를 변화시켜가면서 제1 서브양자우물층의 인듐조성비를 측정한 그래프(a)와 자발발광효율을 도시한 그래프(b)이다.4 is a graph (a) of measuring the indium composition ratio of the first sub quantum well layer while varying the thickness of the first sub quantum well layer having a small band gap and a graph (b) illustrating the self-luminescence efficiency.
<주요 도면번호에 대한 간단한 설명><Short Description of Main Drawing Numbers>
100: 반도체 발광 소자 101: 기판100 semiconductor
102: N형 콘택층 103: 활성층102: N-type contact layer 103: active layer
104: P형 콘택층 105: N형 전극104: P-type contact layer 105: N-type electrode
106: P형 전극 106: P-type electrode
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