KR101051327B1 - Iii-nitride semiconductor light emitting device - Google Patents

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KR101051327B1 KR1020100054192A KR20100054192A KR101051327B1 KR 101051327 B1 KR101051327 B1 KR 101051327B1 KR 1020100054192 A KR1020100054192 A KR 1020100054192A KR 20100054192 A KR20100054192 A KR 20100054192A KR 101051327 B1 KR101051327 B1 KR 101051327B1
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nitride semiconductor
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iii nitride
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구분회
안도열
박승환
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Abstract

PURPOSE: A group III nitride semiconductor light-emitting diode is provided to reduce internal electric field due to a piezoelectric field and a spontaneous polarization by controlling a composition and a junction of a deep quantum well layer and a shallow quantum well layer. CONSTITUTION: A group III nitride semiconductor layer has first conductivity. A group III nitride semiconductor layer has second conductivity different from the first conductivity. A shallow quantum well layer is positioned among groups I and III nitride semiconductor layers and groups II and III nitride semiconductor layers and is formed with an In(x1)Al(y1)Ga(1-x1-y1)N (0<=x1<=1, 0<=y1<=1, 0<=x1+y1<=1). A second shallow quantum well layer is positioned among the groups I and III nitride semiconductor layers and the groups II and III nitride semiconductor layers and is formed with In(x2)Al(y2)Ga(1-x2-y2)N (0<=x2<=1, 0<=y2<=1, 0<=x2+y2<=1). A deep quantum well layer is formed with a compound semiconductor defined by In(x3)Al(y3)Ga(1-x3-y3)N (0<=x3<=1, 0<=y3<=1, 0<=x3+y3<=1).

Description

3족 질화물 반도체 발광소자{III-NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}Group III nitride semiconductor light emitting device {III-NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}

본 개시는 전체적으로 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 조성 및 두께를 적합하게 하여 압전계 및 자발분극에 의한 영향을 많이 감소시켜 광이득이 향상된 3족 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.The present disclosure relates to a group III nitride semiconductor light emitting device as a whole, and more particularly, to a group III nitride semiconductor light emitting device in which light gain is improved by reducing the effects of piezoelectric fields and spontaneous polarization by suitably composition and thickness.

여기서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 반도체 광소자를 의미하며, 3족 질화물 반도체는, 예를 들어, In(x)Al(y)Ga(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 된 화합물로 이루어진다.Here, the group III nitride semiconductor light emitting device means a semiconductor optical device that generates light through recombination of electrons and holes, and the group III nitride semiconductor is, for example, In (x) Al (y) Ga (1-xy). N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1).

여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art.

일반적으로 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 및 II-VI족 화합물 반도체를 이용한 발광소자는 청자색 및 청록색의 구현이 가능하여 평판표시장치, 광통신 등 다양한 분야에 응용되고 있다.In general, light emitting devices using III-V nitride semiconductors and II-VI compound semiconductors can be implemented in various fields such as flat panel displays and optical communications because they can be implemented in blue violet and blue green colors.

그러나 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 및 II-VI족 화합물 반도체를 이용한 발광소자는 활성층에 응력이 작용하고 그에 따라, 압전계(piezoelectric field) 및 자발분극(spontaneous polarizations)이 유발되어 여타의 Ⅲ-Ⅴ족 반도체를 이용한 발광소자에 비해 광이득이 저하되는 단점이 있다.However, in the light emitting device using the III-V nitride semiconductor and the II-VI compound semiconductor, stress is applied to the active layer, thereby causing piezoelectric field and spontaneous polarizations to cause other III-V group semiconductors. Compared with the light emitting device using the semiconductor, the light gain is deteriorated.

이와 같은 압전계 및 자발분극을 최소화하기 위해 다양한 연구가 진행되어왔다. 그 중 하나로, 무극성(non-polar) 또는 준극성(semi-polar) 기판을 사용하여 압전계 및 자발분극을 최소화하는 방법[Park et al., Phys Rev B 59, 4725 (1999), Waltereit et al., Nature 406, 865 (2000)]이 있다. 그러나 이 방법은 이종결정성장 방향에 대한 성장 기술이 성숙하지 않아 소자 제작시 결함이 자주 발생하고 이에 따라, 이론적 예상치 보다 소자 특성이 뛰어나지 않는 문제점이 있다[K.Nishizuka et al., Appl. Phys. Lett. 87, 231901(2005)].Various studies have been conducted to minimize such piezoelectric fields and spontaneous polarization. Among them, methods for minimizing piezoelectric fields and spontaneous polarization using non-polar or semi-polar substrates [Park et al., Phys Rev B 59, 4725 (1999), Waltereit et al. , Nature 406, 865 (2000). However, this method has a problem in that defects occur frequently in the fabrication of devices due to inadequate growth technology for hetero-crystal growth, and thus, device characteristics are not superior to theoretical expectations [K. Nishizuka et al., Appl. Phys. Lett. 87, 231901 (2005).

다른 방법으로, 클래드층을 4원막으로 구성하고 알루미늄(Al)의 조성비를 증가시켜 전송자(carrier)의 구속효과를 높여 발광효율을 향상시키는 방법[Zhang et al., Appl. Phys. Lett. 77, 2668 (2000), Lai et al., IEEE Photonics Technol Lett.13, 559 (2001)]이 제시된 바 있다. 그러나 이 방법은 압전계 및 자발분극을 근본적으로 제거할 수 없다는 단점이 있다. 다만, 최근의 연구결과[Ahn et al., IEEEJ. Quantum Electron. 41, 1253(2005)]에 따르면, 4원막 배리어(barrier)를 사용할 경우 양자우물의 전송자 구속 효과에 의한 광이득 개선 효과가 있는 것으로 보고되고 있다.Alternatively, the cladding layer is composed of a four-membered film and the composition ratio of aluminum (Al) is increased to increase the restraint effect of the carrier, thereby improving luminous efficiency. [Zhang et al., Appl. Phys. Lett. 77, 2668 (2000), Lai et al., IEEE Photonics Technol Lett. 13, 559 (2001). However, this method has a disadvantage in that the piezoelectric field and spontaneous polarization cannot be eliminated fundamentally. However, recent research results [Ahn et al., IEEEJ. Quantum Electron. 41, 1253 (2005), it is reported that the use of a four-barrier barrier has an effect of improving the light gain due to the transmitter restraining effect of the quantum wells.

또 다른 방법으로, 4원막 배리어를 갖는 InGaN/InGaAlN 양자우물에서 양자우물 내의 인듐 조성비가 정해지면 압전계 및 자발분극에 의한 내부전계가 소멸되는 4원막의 조성비를 발견할 수 있다는 이론을 토대로, 양자우물 LED(light emitting diode) 및 LD(laser diode) 등의 광소자의 발광 특성을 현저하게 개선할 수 있는 방법[S. H Park, D. Ahn, J. W. Kim, Applied Physics Letters 92, 171115(2008)]이 제안된 바 있다. 그러나, 이 방법은 4원막 배리어의 성장 조건이 극히 까다롭다는 단점을 갖고 있다.Alternatively, based on the theory that the ratio of indium in the quantum well in the InGaN / InGaAlN quantum well having a four-layer barrier can be found, the composition ratio of the quaternary membrane in which the internal electric field due to the piezoelectric field and the spontaneous polarization disappears can be found. Method for remarkably improving the light emitting characteristics of optical devices such as well light emitting diode (LED) and laser diode (LD) [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-film barrier are extremely difficult.

이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.This will be described later in the Specification for Implementation of the Invention.

여기서는, 본 개시의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 개시의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).SUMMARY OF THE INVENTION Herein, a general summary of the present disclosure is provided, which should not be construed as limiting the scope of the present disclosure. of its features).

이를 위하여, 본 개시는 제1 도전성을 갖는 제1 3족 질화물 반도체층과, 제1 도전성과는 다른 제2 도전성을 갖는 제2 3족 질화물 반도체층과, 제1 3족 질화물 반도체층과 제2 3족 질화물 반도체층의 사이에 위치하며 In(x1)Al(y1)Ga(1-x1-y1)N (0≤x1≤1, 0≤y1≤1, 0≤x1+y1≤1)으로 정의되는 화합물 반도체로 이루어진 제1 얕은 양자우물층(shallow-well)과, 제1 3족 질화물 반도체층과 제2 3족 질화물 반도체층의 사이에 위치하며 In(x2)Al(y2)Ga(1-x2-y2)N (0≤x2≤1, 0≤y2≤1, 0≤x2+y2≤1)으로 정의되는 화합물 반도체로 이루어진 제2 얕은 양자우물층과, In(x3)Al(y3)Ga(1-x3-y3)N (0≤x3≤1, 0≤y3≤1, 0≤x3+y3≤1)으로 정의되는 화합물 반도체로 이루어지며 제1 얕은 양자우물층과 제2 얕은 양자우물층의 사이에 위치하여 제1 얕은 양자우물층 및 제2 얕은 양자우물층에 각각 접하는 깊은 양자우물층(dip-well)으로서, 0.1≤x3≤0.3 및 x1<x3, x2<x3을 만족하여 에너지밴드 갭이 제1 얕은 양자우물층 및 제2 얕은 양자우물층의 에너지밴드 갭보다 작은 깊은 양자우물층(dip-well)을 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.To this end, the present disclosure provides a first group III nitride semiconductor layer having a first conductivity, a second group III nitride semiconductor layer having a second conductivity different from the first conductivity, a first group III nitride semiconductor layer, and a second Located between group III nitride semiconductor layers and defined as In (x1) Al (y1) Ga (1-x1-y1) N (0≤x1≤1, 0≤y1≤1, 0≤x1 + y1≤1) The first shallow quantum well layer (shallow-well) consisting of a compound semiconductor, and between the first group III nitride semiconductor layer and the second group III nitride semiconductor layer, and In (x2) Al (y2) Ga (1- a second shallow quantum well layer made of a compound semiconductor defined by x 2 -y 2) N (0 ≦ x2 ≦ 1, 0 ≦ y2 ≦ 1, 0 ≦ x2 + y2 ≦ 1), and In (x3) Al (y3) Ga A first shallow quantum well layer and a second shallow quantum well layer, consisting of a compound semiconductor defined as (1-x3-y3) N (0≤x3≤1, 0≤y3≤1, 0≤x3 + y3≤1) A deep quantum well positioned between and in contact with the first shallow quantum well layer and the second shallow quantum well layer, respectively As a dip-well, a deep quantum well layer satisfying 0.1 ≦ x3 ≦ 0.3 and x1 <x3, x2 <x3 has an energy band gap smaller than that of the first shallow quantum well layer and the second shallow quantum well layer. Provided is a Group III nitride semiconductor light emitting device comprising a dip-well.

이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.This will be described later in the Specification for Implementation of the Invention.

도 1은 복수의 박막층에 가해지는 스트레스 및 스트레인을 구하기 위한 모델,
도 2는 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 3은 깊은 양자우물층을 갖지 않는 3족 질화물 반도체 발광소자와 본 개시에 따라 깊은 양자우물층을 갖는 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예의 에너지밴드 갭 및 파동함수의 계산 결과를 각각 나타낸 그래프,
도 4는 양자우물의 두께(Lw)가 각각 3nm, 5nm 인 경우에 전자(파란색)와 정공(빨간색)의 기저상태에 대한 파동함수 분포를 단일양자우물(점선으로 표시됨)과 본 개시에 따른 dip-shaped 양자우물(실선으로 표시됨)에서 나타낸 그래프,
도 5는 서로 다른 파장과 양자우물의 두께에 따라 통상적인 양자우물(점선으로 표시됨)과 본 개시에 따른 dip-shaped 양자우물의 일 예(실선으로 표시됨)의 다이폴 매트릭스 값을 이론적으로 계산한 결과를 나타낸 그래프,
도 6은 서로 다른 파장과 양자우물의 두께에 따라 통상적인 양자우물(점선으로 표시됨)과 본 개시에 따른 dip-shaped 양자우물의 일 예(실선으로 표시됨)에 대해 자발 발광 효율을 나타내는 그래프,
도 7은 본 개시에 따라 깊은 양자우물층을 구비하여, dip-shaped 양자우물을 갖는 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예의 에너지밴드 갭을 나타내는 그래프,
도 8은 도 7에 도시된 3족 질화물 반도체 발광소자에서 깊은 양자우물층 및 얕은 양자우물층의 변화에 따른 발진 파장의 변화를 나타내는 그래프,
도 9는 도 7에 도시된 dip-shaped 양자우물에서 깊은 양자우물층 및 얕은 양자우물층의 변화에 따른 다이폴 매트릭스(dipole matrix)의 크기 변화를 나타내는 그래프,
도 10은 도 7에 도시된 dip-shaped 양자우물에서 깊은 양자우물층 및 얕은 양자우물층의 변화에 따른 광이득의 크기 변화를 나타내는 그래프.
1 is a model for obtaining stress and strain applied to a plurality of thin film layers,
2 is a view showing an example of a group III nitride semiconductor light emitting device according to the present disclosure;
3 is a graph showing calculation results of an energy band gap and a wave function of an example of a group III nitride semiconductor light emitting device having no deep quantum well layer and a group III nitride semiconductor light emitting device having a deep quantum well layer according to the present disclosure;
FIG. 4 shows wavefunction distributions for the ground state of electrons (blue) and holes (red) when the thickness L w of the quantum wells is 3 nm and 5 nm, respectively. graph shown in dip-shaped quantum well (indicated by a solid line),
5 shows theoretically calculated dipole matrix values of conventional quantum wells (indicated by dotted lines) and dip-shaped quantum wells in accordance with the present disclosure (indicated by solid lines) according to different wavelengths and thicknesses of quantum wells. Graph showing
6 is a graph showing spontaneous luminous efficiency for a typical quantum well (indicated by dotted lines) and an example of dip-shaped quantum wells (indicated by solid lines) according to different wavelengths and thicknesses of quantum wells;
7 is a graph showing an energy band gap of an example of a group III nitride semiconductor light emitting device having a deep quantum well layer having a deep quantum well layer according to the present disclosure;
FIG. 8 is a graph illustrating variation of an oscillation wavelength according to changes of a deep quantum well layer and a shallow quantum well layer in the group III nitride semiconductor light emitting device of FIG. 7;
FIG. 9 is a graph illustrating a change in the size of the dipole matrix according to the change of the deep quantum well layer and the shallow quantum well layer in the dip-shaped quantum well shown in FIG.
FIG. 10 is a graph illustrating a change in magnitude of light gain according to changes of a deep quantum well layer and a shallow quantum well layer in the dip-shaped quantum well shown in FIG. 7.

이하, 본 개시를 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명한다(The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing(s)).The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing (s).

본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자는 dip-shaped 양자우물을 갖고, dip-shaped 양자우물의 조성 및 두께를 적합하게 하여 광이득이 향상되는 특징을 갖는다. dip-shaped 양자우물은 제1 얕은 양자우물층과, 제2 얕은 양자우물층과, 제1 얕은 양자우물층 및 제2 얕은 양자우물층 사이에 형성된 깊은 양자우물층으로 이루어진다. 깊은 양자우물층은 제1 얕은 양자우물층 및 제2 얕은 양자우물층의 에너지밴드 갭보다 작은 에너지밴드 갭을 갖고, 깊은 양자우물층, 제1 얕은 양자우물층 및 제2 얕은 양자우물층의 조성 및 두께를 적합하게 선택하여 전자 및 정공의 파동함수의 공간적 분리(spatial separation)가 감소된다. 그 결과, 압전계 및 자발분극의 영향이 많이 감소되어 광이득이 향상된다.The group III nitride semiconductor light emitting device according to the present disclosure has a dip-shaped quantum well, and has a feature of improving the light gain by appropriately adjusting the composition and thickness of the dip-shaped quantum well. The dip-shaped quantum well layer comprises a first shallow quantum well layer, a second shallow quantum well layer, and a deep quantum well layer formed between the first shallow quantum well layer and the second shallow quantum well layer. The deep quantum well layer has an energy band gap smaller than the energy band gap of the first shallow quantum well layer and the second shallow quantum well layer, and the composition of the deep quantum well layer, the first shallow quantum well layer and the second shallow quantum well layer. And thickness are appropriately selected to reduce the spatial separation of the wave functions of electrons and holes. As a result, the influence of the piezoelectric field and the spontaneous polarization is greatly reduced, and the optical gain is improved.

깊은 양자우물층과 제1 얕은 양자우물층 및 제2 얕은 양자우물층의 에너지밴드 갭은 깊은 양자우물층과 제1 얕은 양자우물층 및 제2 얕은 양자우물층의 인듐 함유량 변경하여 조절될 수 있다. 깊은 양자우물층의 인듐 함유량이 제1 얕은 양자우물층 및 제2 얕은 양자우물층의 인듐 함유량보다 높게 형성하면 깊은 양자우물층의 에너지밴드 갭이 제1 얕은 양자우물층 및 제2 얕은 양자우물층의 에너지밴드 갭보다 작아질 수 있다. 특히, 본 개시는 3족 질화물 반도체 발광소자의 광이득 향상을 위해 깊은 양자우물층의 인듐 함유량 및 두께와, 깊은 양자우물층 상하측에 위치한 제1 얕은 양자우물층 및 제2 얕은 양자우물층의 인듐 함유량 및 두께의 유효한 범위를 개시한다.The energy band gap of the deep quantum well layer, the first shallow quantum well layer and the second shallow quantum well layer may be adjusted by changing the indium content of the deep quantum well layer, the first shallow quantum well layer and the second shallow quantum well layer. . When the indium content of the deep quantum well layer is higher than the indium content of the first shallow quantum well layer and the second shallow quantum well layer, the energy band gap of the deep quantum well layer is the first shallow quantum well layer and the second shallow quantum well layer. It can be smaller than the energy band gap of. In particular, the present disclosure provides the indium content and thickness of the deep quantum well layer, and the first shallow quantum well layer and the second shallow quantum well layer disposed above and below the deep quantum well layer to improve light gain of the group III nitride semiconductor light emitting device. An effective range of indium content and thickness is disclosed.

상기한 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 설명하기에 앞서, 복수의 박막층이 적층된 구조에 있어서 각 박막층에 인가되는 스트레인, 해당 스트레인에 의해 해당 박막층에 발생되는 압전계 및 자발분극, 상기 압전계 및 자발분극에 의해 각 박막층에 인가되는 내부전계, 그리고 광이득에 대해 수학적 방법을 통해 해석해 보기로 한다.
Prior to describing an example of the Group III nitride semiconductor light emitting device according to the present disclosure, in a structure in which a plurality of thin film layers are stacked, a strain applied to each thin film layer, a piezoelectric field and spontaneous generation generated in the thin film layer by the strain. The polarization, the piezoelectric field, the internal electric field applied to each thin film layer by spontaneous polarization, and the light gain will be analyzed through a mathematical method.

bracket 박막층에In a thin film layer 인가되는 스트레인과 그로 인한  Applied strain and the resulting 압전계Piezoelectric , , 자발분극Spontaneous polarization  And 내부전계Internal electric field

압전계(PZ)와 자발분극(SP)에 의해 양자우물과 배리어에 인가되는 내부전계는 다음과 같이 수학식 1로 주어진다. [Bykhovski, A. D., Gelmont, B. L. & Shur, M. S. Elastic strain relaxation and piezoeffect in GaN-AlN, GaN-AlGaN and GaN-InGaN superlattices. J. Appl. Phys. 81, 6332- 6338(1997).]The internal electric field applied to the quantum well and the barrier by the piezoelectric field PZ and the spontaneous polarization SP is given by Equation 1 as follows. Bykhovski, A. D., Gelmont, B. L. & Shur, M. S. Elastic strain relaxation and piezoeffect in GaN-AlN, GaN-AlGaN and GaN-InGaN superlattices. J. Appl. Phys. 81, 6332-6338 (1997).]

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112010036923604-pat00001
Figure 112010036923604-pat00001

여기서 P는 polarization, 첨자 w 와 b 각각 양자우물과 배리어를, L 은 두께, 그리고 ε는 유전율(static dielectric constant)이다.Where P is the polarization, subscripts w and b, quantum wells and barriers, L is thickness, and ε is the static dielectric constant.

도 1은 복수의 박막층에 가해지는 스트레스 및 스트레인을 구하기 위한 모델이다. 도 1에 도시된 것과 같은 복수의 박막층으로 구성되는 구조에 있어서 각 층에 인가되는 스트레인(strain) 및 스트레스(stress)를 수학적으로 구하는 방법을 이하에서 살펴본다. 참고로, 각 층에 인가되는 스트레인 및 스트레스에 대한 수학적 해석방법은 나카지마(Nakajima)가 제시한 방법(Nakajima, J. Appl. Phys. 72, 5213 (1992))을 따른다.1 is a model for obtaining stresses and strains applied to a plurality of thin film layers. Hereinafter, a method of mathematically obtaining strain and stress applied to each layer in a structure composed of a plurality of thin film layers as shown in FIG. 1 will be described. For reference, the mathematical interpretation of strain and stress applied to each layer follows the method suggested by Nakajima (Nakajima, J. Appl. Phys. 72, 5213 (1992)).

도 1에서 i번째 층에 인가되는 스트레스를 Fi, i번째 층의 모멘트를 Mi, i번째 층의 두께를 di, i번째 층의 격자상수를 ai, i번째 층의 영율(Young's modulus)을 Ei, i개의 박막층으로 구성되는 구조의 곡률을 R이라고 정의하면 i번째 층에 인가되는 스트레스는 아래의 수학식 2를 따른다.In FIG. 1, the stress applied to the i th layer is F i , the moment of the i layer is M i , the thickness of the i layer is d i , the lattice constant of the i layer is a i , and the Young's modulus of the i layer. ) Is defined as the curvature of the structure consisting of E i , i thin film layer as R, the stress applied to the i th layer follows the equation (2) below.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112010036923604-pat00002
Figure 112010036923604-pat00002

한편, i번째 층과 (i+1)번째 층이 평형상태를 유지하기 위한 조건은 다음의 수학식 3과 같다.On the other hand, the condition for maintaining the i-th layer and the (i + 1) -th layer in an equilibrium state is shown in Equation 3 below.

[수학식 3]&Quot; (3) &quot;

Figure 112010036923604-pat00003
Figure 112010036923604-pat00003

(여기서, li는 열팽창을 고려한 i번째 층의 유효격자상수, T는 격자의 온도, ei는 i번째 층에 인가되는 스트레인)Where l i is the effective lattice constant of the i-th layer taking into account thermal expansion, T is the temperature of the lattice, and e i is the strain applied to the i-th layer.

상기 수학식 2 및 수학식 3을 조합하여 i번째 층에 인가되는 스트레스를 구하면 다음의 수학식 4와 같다.When the stress applied to the i th layer is obtained by combining Equation 2 and Equation 3, Equation 4 below.

[수학식 4]&Quot; (4) &quot;

Figure 112010036923604-pat00004
Figure 112010036923604-pat00004

한편, i개의 박막층으로 구성되는 구조의 곡률(R)은 다음의 수학식 5와 같이 주어진다.On the other hand, the curvature R of the structure consisting of i thin film layers is given by the following equation (5).

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112010036923604-pat00005
Figure 112010036923604-pat00005

따라서, 수학식 4 및 수학식 5로부터 i번째 층에 인가되는 스트레인을 구하면 다음의 수학식 6과 같다.Therefore, the strain applied to the i-th layer from the equations (4) and (5) is obtained by the following equation (6).

[수학식 6]&Quot; (6) &quot;

Figure 112010036923604-pat00006
Figure 112010036923604-pat00006

(여기서, εxxi는 i번째 층에 인가되는 유효 스트레인)Where ε xxi is the effective strain applied to the ith layer

이상의 수학식에 있어서, 상기 수학식 2에 나타낸 바와 같이 복수의 박막층으로 구성되는 구조에 작용하는 스트레스의 합은 0이며, 수학식 3 내지 수학식 6을 해석하면 각 박막층에 스트레인이 적절히 분배됨을 알 수 있다.In the above equation, as shown in Equation 2, the sum of stress acting on the structure composed of the plurality of thin film layers is 0, and when the equations 3 to 6 are interpreted, the strain is properly distributed to each thin film layer. Can be.

본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자는 이와 같이 스트레인이 분배되는 원리를 이용한 것으로서, 특정 박막층(깊은 양자우물층)에 압축 스트레인이 작용하도록 유도하면 다른 박막층(제1 얕은 양자우물층 및 제2 얕은 양자우물층)에 작용하는 압축 스트레인은 깊은 양자우물층이 없는 경우에 비하여 감소한다는 점에 착안한 것이다.The group III nitride semiconductor light emitting device according to the present disclosure uses the principle of distributing strain, and when the compressive strain is induced to act on a specific thin film layer (deep quantum well layer), the other thin film layer (the first shallow quantum well layer and the second layer) The compressive strain acting on the shallow quantum well layer is reduced compared to the case without the deep quantum well layer.

한편, 상기 수학식 2 내지 수학식 6을 통해 산출된 스트레인을 이용하여 각 층에 인가되는 압전계 및 자발분극을 계산할 수 있다. 스트레인을 이용한 압전계 및 자발분극의 해석은 버날디니(Bernardini)가 제시한 방법(Phys. Stat. Sol. (b) 216,392 (1999))을 따르며, 다음의 수학식 7과 같이 계산된다.On the other hand, the piezoelectric field and spontaneous polarization applied to each layer may be calculated using the strains calculated through Equations 2 to 6 above. Piezoelectric and spontaneous polarization analysis using strain follows the method proposed by Bernardini (Phys. Stat. Sol. (B) 216,392 (1999)), and is calculated as in Equation 7 below.

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112010036923604-pat00007
Figure 112010036923604-pat00007

(여기서, Ei는 i번째 층에 인가되는 압전계 및 자발분극에 의한 유효전계)
(E i is the piezoelectric field applied to the i-th layer and the effective field by spontaneous polarization)

광이득Light gain

다음으로, 광이득에 대한 수학적 해석을 살펴보기로 한다.Next, we will look at the mathematical interpretation of light gain.

다체효과를 갖는 논-마코비안 이득모델을 이용하여 광이득 스펙트럼이 계산된다(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). 구체적으로 가전자대(valence band) 분산의 이방성의 효과를 포함하는 다체효과를 갖는 광이득은 아래의 수학식 8로 표현된다.The optical gain spectrum is calculated using a non-Markovian gain model with multibody effects (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). Specifically, the light gain having the multi-body effect including the anisotropy of the valence band dispersion is expressed by Equation 8 below.

[수학식 8][Equation 8]

Figure 112010036923604-pat00008
Figure 112010036923604-pat00008

위 식에서, ω는 각속도, μ0은 진공에서의 투자율(permeability), ε는 유전율(dielectric constant), σ=U(또는 L)는 유효질량 해밀토니안의 상부(또는 하부) 블록, e는 전자의 전하량, m0은 자유전자의 질량, k는 양자우물 평면에서 표면웨이브벡터의 크기, Lw는 양자우물의 두께, |Mnm2는 스트레인드 양자우물 (strained quantum well)의 매트릭스 성분이다. 또한, fn c와 fm v는 각각 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band)에서 전자에 의한 점유확률을 위한 페르미 함수이며, 아래첨자 n과 m은 각각 전도대에서의 전자 상태와 정공 상태를 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 The amount of charge, m 0 is the mass of free electrons, k is the size of the surface wave vector in the quantum well plane, L w is the thickness of the quantum well, | M nm2 is the matrix component of the strained quantum well . In addition, f n c and f m v are Fermi functions for the probability of electron occupancy in the conduction band and valence band, respectively, and the subscripts n and m are the electronic and hole states in the conduction band, respectively. Indicates.

또한, 전자와 정공 간의 재규격화된 전이 에너지는 아래의 수학식 9로 표현된다.In addition, the re-standardized transition energy between the electron and the hole is represented by Equation 9 below.

[수학식 9][Equation 9]

Figure 112010036923604-pat00009
Figure 112010036923604-pat00009

위 식에서, Eg는 에너지밴드 갭, ΔESX 및 ΔECH는 각각 에너지밴드 갭 재규격화에 대한 스크린된 교환(screened exchange)과 쿨롱홀 기여(coulomb hole contribution)이다(W. W. Chow, M. Hagerott, A. Bimdt and S. W. Koch, "Threshold conditions for ultraviolet wavelength GaN quantum-well laser", IEEE J. Select. Topics Quantum Electron., vol. 4, pp. 514-519, 1998).Where E g is the energy band gap, and ΔE SX and ΔE CH are the screened exchange and coulomb hole contributions for energy band gap renormalization, respectively (WW Chow, M. Hagerott, A). Bimdt and SW Koch, "Threshold conditions for 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)은 아래의 수학식 10으로 표현된다.A Gaussian line shape function L (ω, k , φ) is expressed by Equation 10 below.

[수학식 10][Equation 10]

Figure 112010036923604-pat00010
Figure 112010036923604-pat00010

위 식에서, Q(k, hw, φ0)는 엑시토닉(exitonic) 또는 에너지밴드 간의 전이의 쿨롱 상승의 원인이 된다. 상기된 라인형상 함수는 논-마코비안 양자역학(Non-Markobian quantum kinetics)의 가장 간단한 가우시안(Gaussian)이고, 아래의 수학식 11 및 수학식 12로 기술된다.In the above equation, Q (k , h w , φ 0 ) causes the coulomb rise of the excitonic or energy band transition. The above-described line shape function is the simplest Gaussian of Non-Markobian quantum kinetics, and is described by Equations 11 and 12 below.

[수학식 11][Equation 11]

Figure 112010036923604-pat00011
Figure 112010036923604-pat00011

[수학식 12][Equation 12]

Figure 112010036923604-pat00012
Figure 112010036923604-pat00012

에너지밴드 사이의 릴렉세이션 시간(interband relaxation time) τin과 코릴레이션 시간(co-relation time) τc는 상수로 간주되고, 각각 25fs 및 10fs로 계산된다.The interband relaxation time τ in and the co-relation time τ c between the energy bands are regarded as constants and calculated as 25 fs and 10 fs, respectively.

이하에서는, 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, an example of a group III nitride semiconductor light emitting device according to the present disclosure will be described with reference to the drawings.

도 2는 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면이다.2 is a diagram illustrating an example of a group III nitride semiconductor light emitting device according to the present disclosure.

도 2를 참조하면, 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예는 n형 반도체층(제1 질화물 반도체층)(10), p형 반도체층(제2 질화물 반도체층)(30), 제1 얕은 양자우물층(shallow-well)(51), 제2 얕은 양자우물층(53) 및 깊은 양자우물층(dip-well)(70)을 포함하며, n형 반도체층(10), 제1 얕은 양자우물층(51) 및 제2 얕은 양자우물층(53), p형 반도체층(30)이 순차적으로 적층되고, 깊은 양자우물층(70)은 제1 얕은 양자우물층(51) 및 제2 얕은 양자우물층(53) 사이에 위치하며, 제1 얕은 양자우물층(51) 및 제2 얕은 양자우물층(53)에 각각 접한다.2, an example of a group III nitride semiconductor light emitting device according to the present disclosure may include an n-type semiconductor layer (first nitride semiconductor layer) 10, a p-type semiconductor layer (second nitride semiconductor layer) 30, A first shallow quantum well layer 51, a second shallow quantum well layer 53, and a deep quantum well layer 70, the n-type semiconductor layer 10, The first shallow quantum well layer 51 and the second shallow quantum well layer 53 and the p-type semiconductor layer 30 are sequentially stacked, and the deep quantum well layer 70 is formed of the first shallow quantum well layer 51 and Located between the second shallow quantum well layer 53, the first shallow quantum well layer 51 and the second shallow quantum well layer 53, respectively.

n형 반도체층(10) 및 p형 반도체층(30)은 GaN으로 이루어질 수 있다. 제1 얕은 양자우물층(51)은 In(x1)Al(y1)Ga(1-x1-y1)N (0≤x1≤1, 0≤y1≤1, 0≤x1+y1≤1)로 정의되는 반도체 화합물로 이루어질 수 있다. 제2 얕은 양자우물층(53)은 In(x2)Al(y2)Ga(1-x2-y2)N (0≤x2≤1, 0≤y2≤1, 0≤x2+y2≤1)로 정의되는 반도체 화합물로 이루어질 수 있다. 깊은 양자우물층(70)은 In(x3)Al(y3)Ga(1-x3-y3)N (0≤x3≤1, 0≤y3≤1, 0≤x3+y3≤1)로 정의되는 반도체 화합물로 이루어질 수 있다.The n-type semiconductor layer 10 and the p-type semiconductor layer 30 may be made of GaN. The first shallow quantum well layer 51 is defined as In (x1) Al (y1) Ga (1-x1-y1) N (0 ≦ x1 ≦ 1, 0 ≦ y1 ≦ 1, 0 ≦ x1 + y1 ≦ 1). It may be made of a semiconductor compound. The second shallow quantum well layer 53 is defined as In (x2) Al (y2) Ga (1-x2-y2) N (0≤x2≤1, 0≤y2≤1, 0≤x2 + y2≤1). It may be made of a semiconductor compound. The deep quantum well layer 70 is a semiconductor defined as In (x3) Al (y3) Ga (1-x3-y3) N (0≤x3≤1, 0≤y3≤1, 0≤x3 + y3≤1). It may consist of a compound.

깊은 양자우물층(70)은 양자우물 내에서 압전계 및 자발분극에 의해 전자(electron)의 파동함수와 정공(hole)의 파동함수가 서로 공간적으로 분리(spatial separation)되는 것을 억제하거나 감소시키는 이른바, 파동함수 국소화(localization)를 유도하는 역할을 한다. 파동함수란 양자우물의 두께에 대한 양자우물의 에너지밴드 변화를 나타낸 함수를 의미한다. 양자우물 내에는 전자의 파동함수와 정공의 파동함수가 각각 존재하며, 파동함수 국소화란 전자의 파동함수와 정공의 파동함수가 서로 반대 방향으로 편향되지 않게 형성되는 것을 의미한다.The deep quantum well layer 70 suppresses or reduces spatial separation of the wave function of the electron and the wave function of the hole by piezoelectric field and spontaneous polarization in the quantum well. In other words, it induces a wave function localization. The wave function means a function representing the energy band change of the quantum well with respect to the thickness of the quantum well. In the quantum well, the wave function of the electron and the wave function of the hole exist, respectively, and the wave function localization means that the wave function of the electron and the wave function of the hole are not deflected in opposite directions.

이와 같은 파동함수 국소화 유도를 위해, 깊은 양자우물층(70)은 제1 얕은 양자우물층(51) 및 제2 얕은 양자우물층(53)에 대비하여 에너지밴드 갭이 작아야 하며, 에너지밴드 갭의 조절은 제1 얕은 양자우물층(51) 및 제2 얕은 양자우물층(53)과 깊은 양자우물층(70)의 인듐 함유량의 제어를 통해 가능하다. 구체적으로, 깊은 양자우물층(70)의 인듐 함유량은 제1 얕은 양자우물층(51) 및 제2 얕은 양자우물층(53)의 인듐 함유량보다 크도록 제어하는 것이 바람직하다.In order to induce the wave function localization, the deep quantum well layer 70 should have a smaller energy band gap than the first shallow quantum well layer 51 and the second shallow quantum well layer 53, Adjustment is possible by controlling the indium content of the first shallow quantum well layer 51, the second shallow quantum well layer 53, and the deep quantum well layer 70. Specifically, the indium content of the deep quantum well layer 70 is preferably controlled to be greater than the indium content of the first shallow quantum well layer 51 and the second shallow quantum well layer 53.

본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예에서, 양자우물에서의 파동함수를 살펴보면 다음과 같다.In one example of the group III nitride semiconductor light emitting device according to the present disclosure, the wave function in the quantum well is as follows.

도 3은 깊은 양자우물층을 갖지 않는 3족 질화물 반도체 발광소자와 본 개시에 따라 깊은 양자우물층을 갖는 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예의 에너지밴드 갭 및 파동함수의 계산 결과를 각각 나타낸 그래프이다.3 is a graph showing calculation results of energy band gaps and wave functions of an example of a group III nitride semiconductor light emitting device having no deep quantum well layer and a group III nitride semiconductor light emitting device having a deep quantum well layer according to the present disclosure. .

깊은 양자우물층을 갖지 않는 3족 질화물 반도체 발광소자(이하, 통상적인 3족 질화물 반도체 발광소자)의 에너지밴드 갭 및 파동함수는 도 3(a)에 나타나 있고, 본 개시에 따라 깊은 양자우물층을 갖는 3족 질화물 반도체 발광소자의 에너지밴드 갭 및 파동함수는 도 3(b)에 나타나 있다. 도 3(a) 및 3(b)에서, 통상적인 3족 질화물 반도체 발광소자 및 본 개시에 따른 발광소자의 일 예는 발진 파장이 530nm가 되도록 두께 및 인듐 조성비가 결정되었다.The energy band gap and wave function of the group III nitride semiconductor light emitting device (hereinafter, referred to as a conventional group III nitride semiconductor light emitting device) having no deep quantum well layer are shown in FIG. 3 (a), and the deep quantum well layer according to the present disclosure. The energy band gap and the wave function of the group III nitride semiconductor light emitting device having the same are shown in FIG. 3 (a) and 3 (b), thickness and indium composition ratios of the conventional group III nitride semiconductor light emitting device and the light emitting device according to the present disclosure are determined such that the oscillation wavelength is 530 nm.

도 3(a)를 참조하면, 통상적인 질화물계 방광소자는 n형 반도체층/ 양자우물층/p형 반도체층의 구조가 GaN/In(x)Ga(1-x)N/GaN의 구조를 가지며, 양자우물층(In(x)Ga(1-x)N)의 인듐 함유량(x)은 14.6%이고 두께(Lw)는 5nm이다. 전자의 파동함수는 도 3(a)에서 상단의 점선 그래프로 나타나 있고, 정공의 파동함수는 하단의 점선 그래프로 나타나 있다. 그래프를 관찰하면, 통상적인 3족 질화물 반도체 발광소자에서는 전자의 파동함수와 정공의 파동함수가 압전계 및 자발분극에 의해 유도된 내부전계로 의해 서로 반대 방향으로 많이 편향되어 있는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 3 (a), in the conventional nitride-based bladder device, an n-type semiconductor layer / quantum well layer / p-type semiconductor layer has a structure of GaN / In (x) Ga (1-x) N / GaN. The indium content (x) of the quantum well layer (In (x) Ga (1-x) N) is 14.6% and the thickness L w is 5 nm. The wave function of the electron is shown by the dotted line graph at the top in Figure 3 (a), the wave function of the hole is shown by the dotted line graph at the bottom. From the graphs, it can be seen that in the conventional group III nitride semiconductor light emitting device, the wave function of electrons and the hole function of holes are largely deflected in opposite directions by the piezoelectric field and the internal electric field induced by spontaneous polarization.

한편, 도 3(b)에 나타난 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예에서 dip-shapped 양자우물 즉, 제1 얕은 양자우물층/깊은 양자우물층/제2 얕은 양자우물층 구조는 In(x1)Ga(1-x1)N/In(x3)Ga(1-x3)N/In(x2)Ga(1-x2)N의 구조로 이루어지며, dip-shaped 양자우물이란 깊은 양자우물층을 포함하여 도 3(b)와 같이 나타나는 양자우물을 의미한다.Meanwhile, in an example of the group III nitride semiconductor light emitting device according to the present disclosure shown in FIG. 3B, a dip-shapped quantum well layer, that is, a first shallow quantum well layer / deep quantum well layer / second shallow quantum well layer structure In (x1) Ga (1-x1) N / In (x3) Ga (1-x3) N / In (x2) Ga (1-x2) N structure, a dip-shaped quantum well is a deep quantum well It means a quantum well as shown in Figure 3 (b) including a layer.

제1 얕은 양자우물층 및 제2 얕은 양자우물층의 인듐 함유량은 5%, 깊은 양자우물층의 인듐 함유량은 11.8%이다. 또한, 깊은 양자우물층의 두께(Lw2)는 2nm, 깊은 양자우물층 상하의 제1 얕은 양자우물층 및 제2 얕은 양자우물층의 두께(Lw1, Lw3)는 각각 1.5nm이다. 이와 같은 구조를 갖는 3족 질화물 반도체 발광소자에서 파동함수를 살펴보면, 도 3(b)의 상단의 점선 그래프로 표시된 전자의 파동함수와 하단의 점선 그래프로 표시된 정공의 파동함수 간의 편향 정도가 많이 감소하여 양자우물의 가운데 부분으로 국소화(localization)되어 있는 것을 알 수 있다.The indium content of the first shallow quantum well layer and the second shallow quantum well layer is 5%, and the indium content of the deep quantum well layer is 11.8%. Further, the thickness L w2 of the deep quantum well layer is 2 nm, and the thicknesses L w1 and L w3 of the first shallow quantum well layer and the second shallow quantum well layer above and below the deep quantum well layer are 1.5 nm, respectively. Looking at the wave function in the group III nitride semiconductor light emitting device having such a structure, the degree of deflection between the wave function of the electron represented by the dotted line graph at the top and the hole wave function represented by the dotted line graph at the bottom of FIG. It can be seen that it is localized to the middle part of the quantum well.

한편, 전자의 파동함수 및 정공의 파동함수가 국소화되는 것은 양자우물의 두께와도 관련이 있다.On the other hand, the localization of the electron wave function and the hole wave function is related to the thickness of the quantum well.

도 4는 양자우물의 두께(Lw)가 각각 3nm, 5nm 인 경우에 전자(파란색)와 정공(빨간색)의 기저상태에 대한 파동함수 분포를 단일양자우물(점선으로 표시됨)과 본 개시에 따른 dip-shaped 양자우물(실선으로 표시됨)에서 나타낸 그래프이다. 도 4(a) 및 4(b)에 나타난 바와 같이, 양자우물의 두께(Lw)가 3nm인 경우가 양자우물의 두께(Lw)가 5nm인 경우에 대비하여 전자의 파동함수(파란색)와 정공의 파동함수(빨간색)의 국소화 유도가 잘 이루어지는 것을 알 수 있다. 따라서 양자우물의 두께가 얇을수록 파동함수 국소화 유도의 효과가 더욱 큰 것을 확인할 수 있다.FIG. 4 shows wavefunction distributions for the ground state of electrons (blue) and holes (red) when the thickness L w of the quantum wells is 3 nm and 5 nm, respectively. This is a graph of a dip-shaped quantum well (indicated by a solid line). As shown in FIGS. 4A and 4B, when the thickness Lw of the quantum well is 3 nm, the wave function (blue) and the hole of the electron are prepared in the case where the thickness Lw of the quantum well is 5 nm. It can be seen that the localization of the wave function (red) is achieved well. Therefore, the thinner the thickness of the quantum well, the greater the effect of the wave function localization induction.

도 5는 서로 다른 파장과 양자우물의 두께에 따라 통상적인 양자우물(점선으로 표시됨)와 본 개시에 따른 dip-shaped 양자우물의 일 예(실선으로 표시됨)의 다이폴 매트릭스 값을 이론적으로 계산한 결과를 나타낸 그래프이다.5 shows theoretically calculated dipole matrix values of conventional quantum wells (indicated by dotted lines) and dip-shaped quantum wells in accordance with the present disclosure (indicated by solid lines) according to different wavelengths and thicknesses of quantum wells. Is a graph.

도 5를 참조하면, 다양한 파장이 적용되더라도 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예는 통상적인 3족 질화물 반도체 발광소자의 경우보다 비교적 일정한 다이폴모멘트(dipole moment)값을 갖는 것을 알 수 있다. 이러한 개선효과는 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예가 깊은 양자우물층을 구비하기 때문이라고 판단된다.Referring to FIG. 5, it can be seen that one example of the group III nitride semiconductor light emitting device according to the present disclosure has a relatively constant dipole moment value than that of a conventional group III nitride semiconductor light emitting device even when various wavelengths are applied. have. This improvement is considered to be because an example of the group III nitride semiconductor light emitting device according to the present disclosure has a deep quantum well layer.

도 6은 서로 다른 파장과 양자우물의 두께에 따라 통상적인 양자우물 (점선으로 표시됨)와 본 개시에 따른 dip-shaped 양자우물의 일 예(실선으로 표시됨)에 대해 자발 발광 효율을 나타내는 그래프이다.6 is a graph showing spontaneous light emission efficiency for a typical quantum well (indicated by dotted lines) and an example of dip-shaped quantum wells (indicated by solid lines) according to different wavelengths and thicknesses of quantum wells.

도 6에 나타난 그래프는 양자우물의 두께(Lw)가 각각 3nm, 5nm 인 경우에 통상적인 3족 질화물 반도체 발광소자(점선으로 표시됨)와 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예(실선으로 표시됨)의 자발 발광 효율(spontaneous emission rate)을 이론적으로 계산한 결과를 나타낸다. 도 6에서 파란색 그래프는 발진 파장이 440nm인 경우, 빨간색 그래프는 발진 파장이 530nm인 경우를 나타낸다.6 shows an example of a group III nitride semiconductor light emitting device (represented by a dotted line) and a group III nitride semiconductor light emitting device according to the present disclosure when the thickness Lw of the quantum well is 3 nm and 5 nm, respectively (solid line Shows the result of theoretically calculating the spontaneous emission rate of the (s). In FIG. 6, the blue graph shows the case where the oscillation wavelength is 440 nm and the red graph shows the case where the oscillation wavelength is 530 nm.

도 6에 나타난 바와 같이, 양자우물의 두께 및 발진 파장에 무관하게 깊은 양자우물층이 제1 얕은 양자우물층 및 제2 얕은 양자우물층 사이에 개재되어 있기 때문에 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예가 통상적인 3족 질화물 반도체 발광소자에 대비하여 자발 발광 효율이 훨씬 더 높아서 우수함을 알 수 있다. 참고로, 도 6의 자발 발광 특성 분석은 안(Ahn)이 제시한 모델(Ahn, IEEE J. Quantum Electron.34, 344 (1998) & Ahn et al., IEEE J. Quantum Electron. 41, 1253 (2005))을 이용하였다.As shown in FIG. 6, a group III nitride semiconductor light emitting device according to the present disclosure is provided because a deep quantum well layer is interposed between the first shallow quantum well layer and the second shallow quantum well layer regardless of the thickness and oscillation wavelength of the quantum well. It can be seen that one example of the device is superior because the spontaneous light emission efficiency is much higher than the conventional group III nitride semiconductor light emitting device. For reference, the spontaneous emission characteristic analysis of FIG. 6 is based on the model presented by Ahn (Ahn, IEEE J. Quantum Electron. 34, 344 (1998) & Ahn et al., IEEE J. Quantum Electron. 41, 1253 ( 2005).

도 7은 본 개시에 따라 깊은 양자우물층을 구비하여, dip-shaped 양자우물을 갖는 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예의 에너지밴드 갭을 나타내는 그래프이다. 도 7에는 InGaN으로 이루어진 깊은 양자우물층(Lw2), 제1 얕은 양자우물층(Lw1) 및 제2 얕은 양자우물층(Lw3)에 대한 전도대 및 가전자대의 포텐셜 프로파일 및 기저상태의 전자 및 정공의 파동함수(점선)가 나타나 있다. 제1 얕은 양자우물층(Lw1) 및 제2 얕은 양자우물층(Lw3)의 두께 및 인듐 조성비는 서로 동일하게 선택되었다. 제1 얕은 양자우물층(Lw1) 및 제2 얕은 양자우물층(Lw3)의 외곽에 있는 장벽층은 GaN으로 이루어질 수 있다. 7 is a graph showing an energy band gap of an example of a group III nitride semiconductor light emitting device having a deep quantum well layer and having a dip-shaped quantum well according to the present disclosure. 7 shows potential profiles of the conduction and valence bands for the deep quantum well layer L w2 , the first shallow quantum well layer L w1 , and the second shallow quantum well layer L w3 , and the electrons in the ground state. And the wave function (dotted line) of the hole. The thickness and the indium composition ratio of the first shallow quantum well layer L w1 and the second shallow quantum well layer L w3 were selected to be the same. The barrier layer outside the first shallow quantum well layer L w1 and the second shallow quantum well layer L w3 may be made of GaN.

박막층 내에서 내부전계는 다음의 수학식 13으로 표현되는 주기적인 경계 조건(periodic boundary condition)을 사용하여 결정된다. The internal electric field in the thin film layer is determined using a periodic boundary condition represented by the following equation (13).

[수학식 13][Equation 13]

Figure 112010036923604-pat00013
Figure 112010036923604-pat00013

수학식 13을 사용하여 장벽층을 포함하여 모든 박막층에 대해 합이 계산되며,

Figure 112010036923604-pat00014
은 박막층의 두께를 나타내고, F는 박막층에서 내부전계를 나타낸다. Using Equation 13, the sum is calculated for all thin film layers, including the barrier layer,
Figure 112010036923604-pat00014
Represents the thickness of the thin film layer, and F represents the internal electric field in the thin film layer.

n번째 박막층의 내부전계는 다음의 수학식 14로 표현된다.The internal electric field of the nth thin film layer is represented by the following equation (14).

[수학식 14][Equation 14]

Figure 112010036923604-pat00015
Figure 112010036923604-pat00015

여기서, ε는 dielectric constant이다.Where ε is the dielectric constant.

만약 dip-shaped 양자우물과 다르게, 제1 얕은 양자우물층 및 제2 얕은 양자우물층의 인듐 조성비가 깊은 양자우물층과 동일하면, 단일양자우물(single quantum well)이 형성된다. 대체로, 장벽층과 양자우물층 간의 압전계와 자발분극의 차이로 인해 큰 내부전계가 형성되기 때문에, 단일양자우물에서는 전자의 파동함수와 정공의 파동함수 간의 공간적 분리(spatial separation)가 큰 것으로 관측된다.Unlike the dip-shaped quantum well, if the indium composition ratio of the first shallow quantum well layer and the second shallow quantum well layer is the same as the deep quantum well layer, a single quantum well is formed. In general, because of the difference in piezoelectric and spontaneous polarization between the barrier layer and the quantum well layer, a large internal electric field is formed. do.

반면, 본 개시에 따른 dip-shaped 양자우물에서는 전술된 것과 같이 깊은 양자우물층이 개재됨으로 인해 전자의 파동함수와 정공의 파동함수 간의 공간적 분리(spatial separation)가 많이 감소되고, 이로 인해 압전계 및 자발분극의 영향을 많이 감소시켜 광이득이 향상된다.On the other hand, in the dip-shaped quantum well according to the present disclosure, the spatial separation between the wave function of the electron and the wave function of the hole is greatly reduced by interposing a deep quantum well layer as described above. The optical gain is improved by greatly reducing the effects of spontaneous polarization.

본 개시는 여기에서 더 나아가 발광이득이 더욱 향상되도록 하는데 있어서, dip-shaped 양자우물에서 제1 얕은 양자우물층 및 제2 얕은 양자우물층의 인듐 조성비 및 두께를 상수로 하고, 깊은 양자우물층(dip-well)의 두께 및 인듐 조성비 변화가 광이득 등에 미치는 영향을 검토하였다. 그 결과, dip-shaped 양자우물에서 광이득을 더욱 향상시키기 위해 깊은 양자우물층의 인듐 조성비 및 두께와, 깊은 양자우물층 양측의 제1 얕은 양자우물층 및 제2 얕은 양자우물층의 인듐 조성비 및 두께의 적합한 범위를 개시한다.The present disclosure further improves the light emission gain, wherein the indium composition ratio and thickness of the first shallow quantum well layer and the second shallow quantum well layer in the dip-shaped quantum well are constant, and the deep quantum well layer ( The effects of the dip-well thickness and the indium composition ratio on the light gain were examined. As a result, the indium composition ratio and thickness of the deep quantum well layer, the indium composition ratio of the first shallow quantum well layer and the second shallow quantum well layer on both sides of the deep quantum well layer, A suitable range of thickness is disclosed.

도 8은 도 7에 도시된 3족 질화물 반도체 발광소자에서 깊은 양자우물층 및 얕은 양자우물층의 변화에 따른 발진 파장의 변화를 나타내는 그래프이다.FIG. 8 is a graph illustrating a change in oscillation wavelength according to changes of a deep quantum well layer and a shallow quantum well layer in the group III nitride semiconductor light emitting device of FIG. 7.

도 8(a)는 깊은 양자우물층 양쪽의 제1 얕은 양자우물층 및 제2 얕은 양자우물층의 각각 인듐 조성비가 0.05, 두께가 10Å경우, 도 8(b)는 제1 얕은 양자우물층 및 제2 얕은 양자우물층의 각각 인듐 조성비가 0.1 두께가 10Å 경우에 깊은 양자우물층의 두께(10Å, 20Å, 30Å)와 인듐 조성비의 변화(수평축)에 따른 발진 파장의 변화(수직축)를 보여준다. 수직축에 표시된 타원에는 본 개시와 다른 단일양자우물을 나타낸다.FIG. 8 (a) shows that the first shallow quantum well layer on both sides of the deep quantum well layer and the second shallow quantum well layer each have an indium composition ratio of 0.05 and a thickness of 10 ms. In the case where the indium composition ratio of each of the second shallow quantum well layers is 0.1 μs, the oscillation wavelength (vertical axis) is changed according to the thickness (10 μs, 20 μs, 30 μs) of the deep quantum well layer and the change of the indium composition ratio (horizontal axis). Ellipses marked on the vertical axis represent single quantum wells different from the present disclosure.

도 8(a) 및 도 8(b) 두 경우 모두 깊은 양자우물층의 인듐의 조성비가 높아짐에 따라 발진파장의 장파장화가 급격히 일어남을 알 수 있다. 또한, 이러한 장파장화는 깊은 양자우물층의 두께가 클수록 더 큰 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 양자우물의 내부전계에 의해 유도되는 포텐셜 에너지는 내부전계와 양자우물의 두께의 곱으로 주어지는데, 깊은 양자우물층의 두께가 증가할수록 깊은 양자우물층의 내부전계에 의해 유도된 포텐셜 에너지가 증가하기 때문으로 판단된다. 얕은 양자우물층의 인듐 조성비가 더 작은 8(a)의 경우가 8(b)보다 발진파장의 장파장화가 더 큰 것을 알 수 있는데, 이는 얕은 양자우물층의 인듐 조성비가 작은 경우가 내부전계가 더 큰 것을 나타낸다.In both cases of FIGS. 8 (a) and 8 (b), as the composition ratio of indium of the deep quantum well layer increases, the long wavelength of the oscillation wavelength is rapidly increased. In addition, it can be seen that the longer the wavelength, the greater the thickness of the deep quantum well layer. These results indicate that the potential energy induced by the internal electric field of a quantum well is given by the product of the internal electric field and the thickness of the quantum well. As the thickness of the deep quantum well layer increases, the potential energy induced by the internal electric field of the deep quantum well layer increases. This is because it increases. In the case of 8 (a) having a smaller indium composition ratio of the shallow quantum well layer, the oscillation wavelength has a longer wavelength than 8 (b). It is big.

내부전계는 양자우물층과 장벽층 간의 압전계 및 자발분극의 합의 차이에 의해 결정된다. 예를 들어, 깊은 양자우물층의 두께 Lw=30Å이고 인듐 조성비가 0.2이고, 얕은 양자우물층의 인듐 조성비가 각각 0.1 및 0.05인 경우, 내부전계는 2.17 및 2.28 MV/cm 이다.The internal electric field is determined by the difference in the sum of the piezoelectric field and the spontaneous polarization between the quantum well layer and the barrier layer. For example, when the thickness L w = 30 kPa of the deep quantum well layer, the indium composition ratio is 0.2, and the indium composition ratio of the shallow quantum well layer is 0.1 and 0.05, respectively, the internal electric fields are 2.17 and 2.28 MV / cm.

도 9는 도 7에 도시된 3족 질화물 반도체 발광소자에서 깊은 양자우물층 및 얕은 양자우물층의 변화에 따른 다이폴 매트릭스(dipole matrix)의 크기 변화를 나타내는 그래프이다.FIG. 9 is a graph illustrating a change in the size of the dipole matrix according to the change of the deep quantum well layer and the shallow quantum well layer in the group III nitride semiconductor light emitting device of FIG. 7.

도 9(a)는 제1 얕은 양자우물층 및 제2 얕은 양자우물층의 인듐 조성비가 0.05 두께가 10Å 경우와, 도 9(b) 제1 얕은 양자우물층 및 제2 얕은 양자우물층의 인듐 조성비가 0.1 두께가 10Å 경우에 깊은 양자우물층의 두께(10Å, 20Å, 30Å)와 인듐 조성비의 변화(수평축)에 따른 다이폴 매트릭스(dipole matrix)의 크기(수직축)를 보여준다. 수직축에 표시된 타원에는 본 개시와 다른 단일양자우물을 나타낸다.FIG. 9 (a) shows the case where the indium composition ratio of the first shallow quantum well layer and the second shallow quantum well layer is 0.05 mm in thickness, and FIG. 9 (b) The indium of the first shallow quantum well layer and the second shallow quantum well layer. When the composition ratio is 0.1 μs, the thickness of the deep quantum well layer (10 μs, 20 μs, 30 μs) and the dipole matrix according to the change of the indium composition ratio (horizontal axis) are shown. Ellipses marked on the vertical axis represent single quantum wells different from the present disclosure.

도 9(a) 및 도 9(b)를 참조하면, 제1 얕은 양자우물층 및 제2 얕은 양자우물층의 인듐조성비가 0.05인 경우가 0.1인 경우에 비해 깊은 양자우물층의 두께와 인듐 조성비와는 크게 상관없이 다이폴 매트릭스(dipole matrix)의 크기가 큰 것을 알 수 있다. 이것은 전자의 경우가 후자의 경우에 비해 압전계 및 자발분극에 따른 내부전계가 작기 때문이다. 예를 들어 깊은 양자우물층의 인듐 조성비가 0.15이고 두께가 10Å일 때 얕은 양자우물층의 인듐 조성비가 0.05와 0.1일 경우의 이론적으로 계산된 내부전계는 각각 0.59 MV/cm와 1.11 MV/cm가 된다. 9 (a) and 9 (b), the indium composition ratio of the deep quantum well layer and the indium composition ratio are 0.1 compared to the case where the indium composition ratio of the first shallow quantum well layer and the second shallow quantum well layer is 0.05. It can be seen that the size of the dipole matrix is large regardless of. This is because the former has a smaller internal electric field due to the piezoelectric field and the spontaneous polarization than the latter. For example, when the indium composition ratio of the deep quantum well layer is 0.15 and the thickness is 10Å, the theoretical calculated electric fields at the indium composition ratio of 0.05 and 0.1 in the shallow quantum well layer are 0.59 MV / cm and 1.11 MV / cm, respectively. do.

한편, 얕은 양자우물층의 인듐 조성비가 0.05인 경우가 0.1인 경우보다 다이폴 매트릭스(dipole matrix)의 크기가 깊은 양자우물층의 인듐 조성비에 더 크게 영향을 받는 것을 알 수 있다. 즉 도 9(a)의 경우가 도 9(b)의 경우보다 깊은 양자우물층의 두께가 클수록 깊은 양자우물층의 인듐 조성비가 증가함에 따라 다이폴 매트릭스(dipole matrix)의 크기가 급격히 감소함을 알 수 있다. 이러한 결과는 주로 깊은 양자우물층의 두께가 증가할수록 내부전계의 영향이 증가하기 때문이다. 그러나 얕은 양자우물층의 인듐 조성비가 0.1로서 상대적으로 큰 도 9(b)의 경우, 깊은 양자우물층의 두께 및 인듐 조성비의 증가에 따른 다이폴 매트릭스(dipole matrix)의 크기 감소효과는 현저히 약화된 것을 알 수 있다.On the other hand, it can be seen that the indium composition ratio of the shallow quantum well layer is more affected by the indium composition ratio of the deep quantum well layer than the case where the indium composition ratio is 0.05. That is, as the thickness of the deep quantum well layer is larger in the case of FIG. 9 (a) than in the case of FIG. 9 (b), the size of the dipole matrix decreases rapidly as the indium composition ratio of the deep quantum well layer increases. Can be. This is mainly because the effect of the internal electric field increases as the thickness of the deep quantum well layer increases. However, in FIG. 9 (b) where the indium composition ratio of the shallow quantum well layer is relatively large as 0.1, the size reduction effect of the dipole matrix due to the increase in the thickness of the deep quantum well layer and the indium composition ratio is significantly weakened. Able to know.

도 10은 도 7에 도시된 3족 질화물 반도체 발광소자에서 깊은 양자우물층 및 얕은 양자우물층의 변화에 따른 광이득의 크기 변화를 나타내는 그래프이다.FIG. 10 is a graph illustrating a change in magnitude of light gain according to changes of a deep quantum well layer and a shallow quantum well layer in the group III nitride semiconductor light emitting device of FIG. 7.

도 10(a)는 제1 얕은 양자우물층 및 제2 얕은 양자우물층의 인듐 조성비가 0.05 두께가 각각 10Å 경우에, 도 10(b)는 제1 얕은 양자우물층 및 제2 얕은 양자우물층의 인듐 조성비가 0.1 두께가 각각 10Å 경우에 깊은 양자우물층의 두께(10Å, 20Å , 30Å) 와 인듐 조성비의 변화(수평축)에 따른 광이득의 크기(수직축)를 보여준다. 도 10의 그래프는 캐리어(carrier) 밀도를 10×1012cm- 2 로 가정하고 계산한 결과이다.FIG. 10 (a) shows the case where the indium composition ratios of the first shallow quantum well layer and the second shallow quantum well layer are 0.05 mm each, and FIG. 10 (b) shows the first shallow quantum well layer and the second shallow quantum well layer. In the case where the indium composition ratio of is 0.1Å, the thickness of the deep quantum well layer (10Å, 20Å, 30Å) and the magnitude (vertical axis) of light gain according to the change of the indium composition ratio (horizontal axis) are shown. The graph of Figure 10 is the carrier (carrier) density of 10 × 10 12 cm - the results of a home 2 and calculate.

도 10(a) 및 도 10(b)를 참조하면, 얕은 양자우물층의 인듐조성비가 0.05일 경우가 0.1일 경우보다 광이득이 큰 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 얕은 양자우물층의 인듐조성비가 0.05일 경우가 0.1일 경우보다 내부전계가 더 작기 때문으로 판단된다. 또한, 깊은 양자우물층의 두께가 10Å인 경우가 이보다 큰 경우보다 깊은 양자우물층의 인듐 조성비가 증가함에 따라 광이득이 더욱 급격히 증가함을 알 수 있다. 이것은 인듐 조성비가 증가함에 따라 깊은 양자우물층의 깊이가 깊어지고, 이로 인해 quasi-Fermi level의 분리가 커지기 때문이다. 예를 들어, 깊은 양자우물층의 인듐 조성비가 0.05 및 0.2인 경우 quasi-Fermi level의 분리는 각각 0.013 eV및 0.12 eV로 계산된다. 그러나 깊은 양자우물층의 두께가 증가함에 따라 광이득의 증가율이 급격히 감소하는 것을 알 수 있다. 얕은 양자우물층의 인듐 조성비가 0.1로 상대적으로 큰 도 10(b)의 경우, 깊은 양자우물층의 인듐 조성비가 증가함에 따라 광이득이 완만하게 증가하는 것을 알 수 있다.10 (a) and 10 (b), it can be seen that the light gain is greater than that of the case where the indium composition ratio of the shallow quantum well layer is 0.05. This result may be because the internal electric field is smaller in the case where the indium composition ratio of the shallow quantum well layer is 0.05 than in the case of 0.1. In addition, it can be seen that the light gain increases more rapidly as the indium composition ratio of the deep quantum well layer is larger than the case where the thickness of the deep quantum well layer is larger than 10 μs. This is because as the indium composition ratio increases, the depth of the deep quantum well layer becomes deeper, thereby increasing the separation of quasi-Fermi level. For example, when the indium composition ratio of the deep quantum well layer is 0.05 and 0.2, the separation of quasi-Fermi level is calculated as 0.013 eV and 0.12 eV, respectively. However, it can be seen that as the thickness of the deep quantum well layer increases, the increase rate of light gain decreases rapidly. In FIG. 10 (b), where the indium composition ratio of the shallow quantum well layer is relatively large as 0.1, it can be seen that the light gain gradually increases as the indium composition ratio of the deep quantum well layer increases.

도 7 내지 도 10에서 설명된 그래프의 분석 결과를 요약하면, InGaN/GaN으로 이루어진 dip-shaped 양자우물에서 광이득 향상을 위한 파라미터가 다음과 같이 결정될 수 있다. 먼저, 얕은 양자우물층의 인듐 조성비가 상대적으로 작은 0.05인 경우가 0.1인 경우보다 내부전계 영향이 더 작아서 광이득이 더 크다. 또한, 깊은 양자우물층의 두께가 얇고, 얕은 양자우물층의 인듐 조성비가 0.05로 상대적으로 작은 경우, 내부전계 효과를 거의 무시할 수 있고, quasi-Fermi level의 분리가 커져서 깊은 양자우물층의 인듐 조성비가 증가함에 따라 광이득이 급격히 증가한다.Summarizing the analysis results of the graphs illustrated in FIGS. 7 to 10, parameters for improving light gain in a dip-shaped quantum well made of InGaN / GaN may be determined as follows. First, when the indium composition ratio of the shallow quantum well layer is 0.05, which is relatively small, the internal field influence is smaller than that of 0.1, and thus the light gain is greater. In addition, when the thickness of the deep quantum well layer is relatively small and the indium composition ratio of the shallow quantum well layer is relatively small (0.05), the internal electric field effect can be almost ignored, and the separation of the quasi-Fermi level is increased, thereby increasing the indium composition ratio of the deep quantum well layer. As increases, the optical gain increases rapidly.

한편, 우물의 두께가 증가할수록 내부전계 영향으로 광이득 증가율이 현저히 저하된다. 얕은 양자우물층의 인듐 조성비가 상대적으로 큰 0.1인 경우, 깊은 양자우물층의 인듐 조성비가 증가함에 따라 광이득은 완만하게 증가한다. 도 7에서 도 10에서 설명된 그래프의 분석 결과를 바탕으로 광이득이 더욱 향상되기 위한 깊은 양자우물층 및 얕은 양자우물층의 적합한 조건을 찾을 수 있다.On the other hand, as the thickness of the well increases, the increase rate of light gain significantly decreases due to the influence of the internal electric field. When the indium composition ratio of the shallow quantum well layer is relatively large 0.1, the light gain gradually increases as the indium composition ratio of the deep quantum well layer increases. Based on the analysis results of the graphs described with reference to FIG. 10 in FIG. 7, suitable conditions of the deep quantum well layer and the shallow quantum well layer for further improving the light gain can be found.

도 7 내지 도 10에서 설명된 그래프 분석을 참조하면, 압전계 및 자발분극에 의한 내부전계를 효과적으로 줄이기 위해서는 얕은 양자우물층의(shallow-well)의 인듐 조성비가 0.05 이상 0.1 이하인 것이 바람직하다. 얕은 양자우물층의 인듐 조성비가 0.05보다 작으면 깊은 양자우물층과의 격자상수차이가 커져 응력이 커지기 때문에 불리하고, 얕은 양자우물층의 인듐 조성비가 0.1보다 크면 내부전계가 많이 커지기 때문에 불리하다.Referring to the graph analysis illustrated in FIGS. 7 to 10, it is preferable that the indium composition ratio of the shallow quantum well layer is 0.05 or more and 0.1 or less to effectively reduce the piezoelectric field and the internal electric field caused by spontaneous polarization. If the indium composition ratio of the shallow quantum well layer is less than 0.05, it is disadvantageous because the lattice difference between the deep quantum well layer is large and the stress is large.

얕은 양자우물층의 두께는 5Å 이상 20Å 이하인 것이 바람직하다. 얕은 양자우물층의 두께가 5Å보다 작으면 파동함수의 구속이 잘 되지 않아서 불리하고, 20Å보다 크면 활성층의 2차원 density of state가 감소하여서 불리하다.The thickness of the shallow quantum well layer is preferably 5 kPa or more and 20 kPa or less. If the thickness of the shallow quantum well layer is less than 5 μs, the wave function is not well constrained, and if it is larger than 20 μs, the two-dimensional density of state of the active layer is disadvantageous.

깊은 양자우물층의 두께는 5Å 이상 20Å 이하인 것이 바람직하다. 깊은 양자우물층의 두께가 5Å보다 작으면 파동함수의 구속이 잘 되지 않아서 불리하고, 20Å보다 크면 활성층의 2차원 density of state가 감소하여서 불리하다.It is preferable that the thickness of a deep quantum well layer is 5 kPa or more and 20 kPa or less. If the thickness of the deep quantum well layer is less than 5 μs, the wave function is not well constrained, and if it is larger than 20 μs, the two-dimensional density of state of the active layer is disadvantageous.

깊은 양자우물층의 인듐 조성비가 0.1 이상 0.3 이하인 것이 바람직하다. 깊은 양자우물층의 인듐 조성비가 0.1보다 작으면 quasi-Fermi level의 분리가 감소하여 불리하고, 인듐 조성비가 0.3보다 크면 압전계 및 자발분극이 많이 증가하여 불리하다.It is preferable that the indium composition ratio of the deep quantum well layer is 0.1 or more and 0.3 or less. If the indium composition ratio of the deep quantum well layer is less than 0.1, the quasi-Fermi level separation is disadvantageous, and if the indium composition ratio is greater than 0.3, the piezoelectric field and spontaneous polarization are increased.

이하, 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.Hereinafter, various embodiments of the present disclosure will be described.

(1) x1, x2 및 x3와 깊은 양자우물층의 두께, 제1 얕은 양자우물층의 두께 및 제2 얕은 양자우물층의 두께는 전자의 파동함수와 정공의 파동함수 간의 공간적 분리(spatial separation)를 감소하도록 선택되며, 0.05≤x1≤0.1, 0.05≤x2≤0.1 인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.(1) x1, x2 and x3 and the thickness of the deep quantum well layer, the thickness of the first shallow quantum well layer and the thickness of the second shallow quantum well layer are the spatial separation between the wave function of the electron and the wave function of the hole. Group III nitride semiconductor light-emitting device is selected to reduce, 0.05≤x1≤0.1, 0.05≤x2≤0.1.

(2) 깊은 양자우물층의 두께는 제1 얇은 양자우물층의 두께보다 크고, 제2 얇은 양자우물층의 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.(2) A group III nitride semiconductor light emitting device characterized in that the thickness of the deep quantum well layer is larger than the thickness of the first thin quantum well layer and larger than the thickness of the second thin quantum well layer.

(3) 깊은 양자우물층의 두께는 5Å 이상 20Å 이하인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.(3) A group III nitride semiconductor light emitting element, wherein the deep quantum well layer has a thickness of 5 kPa or more and 20 kPa or less.

(4) 제1 얕은 양자우물층 및 제2 얕은 양자우물층의 두께는 각각 5Å 이상 20Å 이하인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.(4) A group III nitride semiconductor light emitting element, wherein the thickness of the first shallow quantum well layer and the second shallow quantum well layer is 5 kPa or more and 20 kPa or less, respectively.

(5) x1=x2, y1=y2인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.(5) A group III nitride semiconductor light emitting element, wherein x1 = x2 and y1 = y2.

(6) x1=x2=0.05 인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.(6) A group III nitride semiconductor light emitting element, wherein x1 = x2 = 0.05.

(7) 깊은 양자우물층의 두께는 5Å 이상 20Å 이하이고, 제1 얕은 양자우물층 및 제2 얕은 양자우물층의 두께는 각각 5Å 이상 20Å 이하인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.(7) A group III nitride semiconductor light emitting element, wherein the deep quantum well layer has a thickness of 5 kPa or more and 20 kPa or less, and the thickness of the first shallow quantum well layer and the second shallow quantum well layer is 5 kPa or more and 20 kPa or less, respectively.

(8) 제1 3족 질화물 반도체층과 제1 얕은 양자우물층의 사이에 위치한 제1 장벽층; 그리고 제2 3족 질화물 반도체층과 제2 얕은 양자우물층의 사이에 위치한 제2 장벽층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.(8) a first barrier layer located between the first group III nitride semiconductor layer and the first shallow quantum well layer; And a second barrier layer positioned between the second Group III nitride semiconductor layer and the second shallow quantum well layer.

(8) 깊은 양자우물층, 제1 얕은 양자우물층 및 제2 얕은 양자우물층은 InGaN으로 이루어지고, 제1 장벽층 및 제2 장벽층은 GaN, InGaN, AlInGaN 및 AlGaN으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 적어도 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.(8) the deep quantum well layer, the first shallow quantum well layer and the second shallow quantum well layer are made of InGaN, and the first barrier layer and the second barrier layer are at least selected from the group consisting of GaN, InGaN, AlInGaN and AlGaN. Group III nitride semiconductor light emitting device, characterized in that consisting of one.

본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자에 의하면, dip-shaped 양자우물로 인해 양자우물 내에서 전자의 파동함수와 정공의 파동함수가 공간적으로 분리되는 것이 매우 감소되고, 깊은 양자우물층 및 얕은 양자우물층의 조성 및 두께가 접합하게 제어됨으로써 압전계 및 자발분극에 의한 내부전계 형성이 감소된다. 따라서 3족 질화물 반도체 발광소자의 광이득이 향상된다.
According to the group III nitride semiconductor light emitting device according to the present disclosure, the separation of the wave function of the electron and the wave function of the hole in the quantum well due to the dip-shaped quantum well is greatly reduced, deep quantum well layer and shallow quantum By controlling the composition and thickness of the well layer to be bonded, the formation of the internal electric field by piezoelectric field and spontaneous polarization is reduced. Therefore, the light gain of the group III nitride semiconductor light emitting device is improved.

Claims (10)

제1 도전성을 갖는 제1 3족 질화물 반도체층;
제1 도전성과는 다른 제2 도전성을 갖는 제2 3족 질화물 반도체층;
제1 3족 질화물 반도체층과 제2 3족 질화물 반도체층의 사이에 위치하며, In(x1)Al(y1)Ga(1-x1-y1)N (0≤x1≤1, 0≤y1≤1, 0≤x1+y1≤1)으로 정의되는 화합물 반도체로 이루어진 제1 얕은 양자우물층(shallow-well);
제1 3족 질화물 반도체층과 제2 3족 질화물 반도체층의 사이에 위치하며, In(x2)Al(y2)Ga(1-x2-y2)N (0≤x2≤1, 0≤y2≤1, 0≤x2+y2≤1)으로 정의되는 화합물 반도체로 이루어진 제2 얕은 양자우물층; 그리고
In(x3)Al(y3)Ga(1-x3-y3)N (0≤x3≤1, 0≤y3≤1, 0≤x3+y3≤1)으로 정의되는 화합물 반도체로 이루어지며, 제1 얕은 양자우물층과 제2 얕은 양자우물층의 사이에 위치하여 제1 얕은 양자우물층 및 제2 얕은 양자우물층에 각각 접하는 깊은 양자우물층(dip-well);으로서, 0.1≤x3≤0.3 및 x1<x3, x2<x3을 만족하여 에너지밴드 갭이 제1 얕은 양자우물층 및 제2 얕은 양자우물층의 에너지밴드 갭보다 작은 깊은 양자우물층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
A first group III nitride semiconductor layer having a first conductivity;
A second group III nitride semiconductor layer having a second conductivity different from the first conductivity;
Located between the first group III nitride semiconductor layer and the second group III nitride semiconductor layer, In (x1) Al (y1) Ga (1-x1-y1) N (0 ≦ x1 ≦ 1, 0 ≦ y1 ≦ 1 A first shallow quantum well layer made of a compound semiconductor defined by 0 ≦ x1 + y1 ≦ 1);
In (x2) Al (y2) Ga (1-x2-y2) N (0≤x2≤1, 0≤y2≤1), located between the first group III nitride semiconductor layer and the second group III nitride semiconductor layer A second shallow quantum well layer made of a compound semiconductor defined by 0 ≦ x2 + y2 ≦ 1); And
First compound consisting of a compound semiconductor defined as In (x3) Al (y3) Ga (1-x3-y3) N (0≤x3≤1, 0≤y3≤1, 0≤x3 + y3≤1) A deep quantum well layer positioned between the quantum well layer and the second shallow quantum well layer and in contact with the first shallow quantum well layer and the second shallow quantum well layer, respectively; 0.1 ≦ x3 ≦ 0.3 and x1 Group III nitride semiconductor light emitting device comprising: a deep quantum well layer having an energy band gap smaller than the energy band gap of the first shallow quantum well layer and the second shallow quantum well layer satisfying <x3, x2 <x3 .
청구항 1에 있어서,
x1, x2 및 x3와 깊은 양자우물층의 두께, 제1 얕은 양자우물층의 두께 및 제2 얕은 양자우물층의 두께는 전자의 파동함수와 정공의 파동함수 간의 공간적 분리(spatial separation)를 감소하도록 선택되며, 0.05≤x1≤0.1, 0.05≤x2≤0.1 인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
The method according to claim 1,
x1, x2, and x3 and the thickness of the deep quantum well layer, the thickness of the first shallow quantum well layer and the thickness of the second shallow quantum well layer are to reduce the spatial separation between the wave function of the electron and the wave function of the hole. Group III nitride semiconductor light emitting device, characterized in that selected from 0.05≤x1≤0.1, 0.05≤x2≤0.1.
청구항 2에 있어서,
깊은 양자우물층의 두께는 제1 얇은 양자우물층의 두께보다 크고, 제2 얇은 양자우물층의 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
The method according to claim 2,
A group III nitride semiconductor light emitting device, characterized in that the thickness of the deep quantum well layer is larger than the thickness of the first thin quantum well layer and larger than the thickness of the second thin quantum well layer.
청구항 3에 있어서,
깊은 양자우물층의 두께는 5Å 이상 20Å 이하인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
The method according to claim 3,
A group III nitride semiconductor light emitting device, characterized in that the thickness of the deep quantum well layer is 5 kW or more and 20 kW or less.
청구항 3에 있어서,
제1 얕은 양자우물층 및 제2 얕은 양자우물층의 두께는 각각 5Å 이상 20Å 이하인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
The method according to claim 3,
The group III nitride semiconductor light emitting device of claim 1, wherein the first shallow quantum well layer and the second shallow quantum well layer have a thickness of 5 mW or more and 20 mW or less, respectively.
청구항 2에 있어서,
x1=x2, y1=y2인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
The method according to claim 2,
A group III nitride semiconductor light emitting device, wherein x1 = x2 and y1 = y2.
청구항 6에 있어서,
x1=x2=0.05 인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
The method of claim 6,
A group III nitride semiconductor light emitting device, wherein x1 = x2 = 0.05.
청구항 7에 있어서
깊은 양자우물층의 두께는 5Å 이상 20Å 이하이고, 제1 얕은 양자우물층 및 제2 얕은 양자우물층의 두께는 각각 5Å 이상 20Å 이하인 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
The method according to claim 7
A group III nitride semiconductor light-emitting device, wherein the deep quantum well layer has a thickness of 5 mW or more and 20 mW or less, and the thickness of the first shallow quantum well layer and the second shallow quantum well layer is 5 mW or more and 20 mW or less, respectively.
청구항 1에 있어서,
제1 3족 질화물 반도체층과 제1 얕은 양자우물층의 사이에 위치한 제1 장벽층; 그리고
제2 3족 질화물 반도체층과 제2 얕은 양자우물층의 사이에 위치한 제2 장벽층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.
The method according to claim 1,
A first barrier layer located between the first group III nitride semiconductor layer and the first shallow quantum well layer; And
And a second barrier layer disposed between the second Group III nitride semiconductor layer and the second shallow quantum well layer.
청구항 9에 있어서,
깊은 양자우물층, 제1 얕은 양자우물층 및 제2 얕은 양자우물층은 InGaN으로 이루어지고, 제1 장벽층 및 제2 장벽층은 GaN, InGaN, AlInGan 및 AlGaN으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 적어도 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 3족 질화물 반도체 발광소자.


The method according to claim 9,
The deep quantum well layer, the first shallow quantum well layer and the second shallow quantum well layer are made of InGaN, and the first barrier layer and the second barrier layer are made of at least one selected from the group consisting of GaN, InGaN, AlInGan, and AlGaN. Group III nitride semiconductor light emitting device.


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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102881788A (en) * 2012-09-26 2013-01-16 合肥彩虹蓝光科技有限公司 Epitaxial growth method for improving GaN-based light-emitting diode (LED) quantum well structure to improve carrier recombination efficiency
WO2013147383A1 (en) * 2012-03-30 2013-10-03 대구가톨릭대학교 산학협력단 Method for theoretically analyzing optical properties of polarization-matched ingan/cdzno quantum well structure
KR101462238B1 (en) * 2012-10-05 2014-12-04 대구가톨릭대학교산학협력단 High-efficiency blue InGaN/GaN quantum-well light-emitting diodes with saw-like later

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10290027A (en) 1997-02-12 1998-10-27 Toshiba Corp Semiconductor light emitting device and manufacture thereof
KR20030016380A (en) * 2000-07-07 2003-02-26 니치아 카가쿠 고교 가부시키가이샤 nitride semiconductor device
KR20030083011A (en) * 2001-03-28 2003-10-23 니치아 카가쿠 고교 가부시키가이샤 Nitride semiconductor element
KR20080050942A (en) * 2006-12-04 2008-06-10 한국전자통신연구원 Nitride semiconductors based light emitting devices

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10290027A (en) 1997-02-12 1998-10-27 Toshiba Corp Semiconductor light emitting device and manufacture thereof
KR20030016380A (en) * 2000-07-07 2003-02-26 니치아 카가쿠 고교 가부시키가이샤 nitride semiconductor device
KR20030083011A (en) * 2001-03-28 2003-10-23 니치아 카가쿠 고교 가부시키가이샤 Nitride semiconductor element
KR20080050942A (en) * 2006-12-04 2008-06-10 한국전자통신연구원 Nitride semiconductors based light emitting devices

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013147383A1 (en) * 2012-03-30 2013-10-03 대구가톨릭대학교 산학협력단 Method for theoretically analyzing optical properties of polarization-matched ingan/cdzno quantum well structure
CN102881788A (en) * 2012-09-26 2013-01-16 合肥彩虹蓝光科技有限公司 Epitaxial growth method for improving GaN-based light-emitting diode (LED) quantum well structure to improve carrier recombination efficiency
KR101462238B1 (en) * 2012-10-05 2014-12-04 대구가톨릭대학교산학협력단 High-efficiency blue InGaN/GaN quantum-well light-emitting diodes with saw-like later

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