KR101053799B1 - Nitride-based light emitting device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전자 및 정공의 파동함수를 국소화하여 압전계 및 자발분극에 의한 영향을 최소화함으로써 광이득을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광소자에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 질화물계 발광소자는 활성층을 구비하는 질화물계 발광소자에 있어서, 상기 활성층 내에 파동함수 국소화 유도층이 개재되며, 상기 파동함수 국소화 유도층의 에너지밴드 갭은 상기 활성층의 에너지밴드 갭보다 작은 것을 특징으로 한다. The present invention relates to a nitride-based light emitting device that can improve the light gain by minimizing the effects of piezoelectric and spontaneous polarization by localizing the wave function of the electron and hole, the nitride-based light emitting device according to the present invention comprises an active layer In the nitride based light emitting device, a wave function localization inducing layer is interposed in the active layer, and the energy band gap of the wave function localization inducing layer is smaller than the energy band gap of the active layer.
파동함수, 광이득, 압전계, 자발분극 Wave function, optical gain, piezoelectric field, spontaneous polarization
Description
본 발명은 질화물계 발광소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자 및 정공의 파동함수를 국소화하여 압전계 및 자발분극에 의한 영향을 최소화함으로써 광이득을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광소자에 관한 것이다. The present invention relates to a nitride-based light emitting device, and more particularly to a nitride-based light emitting device that can improve the light gain by localizing the wave functions of electrons and holes to minimize the effects of piezoelectric and spontaneous polarization.
Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체를 이용한 발광소자는 청자색 및 청록색의 구현이 가능하여 평판표시장치, 광통신 등 다양한 분야에 응용되고 있다. Light emitting devices using III-V group nitride semiconductors can be implemented in various fields such as flat panel display devices and optical communications because they can be implemented in blue violet and blue green colors.
그러나, Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체를 이용한 발광소자는 여타의 Ⅲ-Ⅴ족 반도체를 이용한 발광소자에 비해 활성층에 응력이 작용하고 그에 따라, 압전계(piezo-electric field) 및 자발분극이 유발되어 광이득이 저하되는 단점이 있다. However, the light emitting device using the III-V nitride semiconductor has more stress on the active layer than the other light emitting device using the III-V semiconductor, and thus, the piezo-electric field and the spontaneous polarization are induced to cause light. There is a disadvantage that the gain is lowered.
이와 같은 압전계 및 자발분극을 최소화하기 위해 다양한 연구가 진행되어 왔다. 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 이종결정 성장 방향에 대한 성장 기술이 성숙하지 않아 소자 제작시 결함이 많이 발생되고 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 a large number of defects occur in fabrication of the device due to inadequate growth technology for the heterocrystal growth direction. Nishizuka et al., Appl. Phys. Lett. 87, 231901 (2005).
다른 방법으로, 클래드층을 4원막으로 구성하고 알루미늄(Al)의 조성비를 증가시켜 전송자의 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., IEEE J. 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 increases the composition ratio of aluminum (Al) to increase the restraint effect of the transmitter to improve 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 studies [Ahn et al., IEEE J. 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 양자우물 구조에서 양자우물 내의 인듐 조성비가 정해지면 압전계 및 자발분극에 의한 내부 전계가 소멸되는 4원막의 조성비를 발견할 수 있다는 이론적 토대로, 양자우물 LED(lighting 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. As another method, the quantum well structure having InquaN / InGaAlN quantum well structure having the quaternary barrier barrier can be found based on the theoretical ratio of the quaternary film whereby the piezoelectric field and the spontaneous polarization of the internal electric field disappear. Method for remarkably improving the light emitting characteristics of optical devices such as well emitting 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.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 전자 및 정공의 파동함수를 국소화하여 압전계 및 자발분극에 의한 영향을 최소화함으로써 광이득을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광소자를 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention has been made to solve the above problems, to provide a nitride-based light emitting device that can improve the light gain by minimizing the effects of piezoelectric field and spontaneous polarization by localizing the wave function of electrons and holes. There is a purpose.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 질화물계 발광소자는 활성층을 구비하는 질화물계 발광소자에 있어서, 상기 활성층 내에 파동함수 국소화 유도층이 개재되며, 상기 파동함수 국소화 유도층의 에너지밴드 갭은 상기 활성층의 에너지밴드 갭보다 작은 것을 특징으로 한다. In the nitride-based light emitting device according to the present invention for achieving the above object, in the nitride-based light emitting device having an active layer, the wave function localization induction layer is interposed in the active layer, the energy band gap of the wave function localization induction layer is It is characterized in that the smaller than the energy band gap of the active layer.
상기 활성층 및 파동함수 국소화 유도층은 Inx(AlyGa1-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1)의 일반식에 포함되는 물질로 구성되며, 상기 파동함수 국소화 유도층의 인듐 함유량은 상기 활성층의 인듐 함유량보다 클 수 있다. 또한, 상기 파동함수 국소화 유도층의 두께는 그 상부 또는 하부에 구비되는 활성층의 두께보다 클 수 있다. The active layer and the wave function localization inducing layer are made of a material included in a general formula of In x (Al y Ga 1-y ) N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1), and the wave function localization inducing layer The indium content of may be greater than the indium content of the active layer. In addition, the thickness of the wave function localization inducing layer may be greater than the thickness of the active layer provided above or below it.
본 발명에 따른 질화물계 발광소자는 다음과 같은 효과가 있다. The nitride-based light emitting device according to the present invention has the following effects.
양자우물 내에서 전자의 파동함수와 정공의 파동함수가 편향되는 것이 최소 화됨으로써 압전계 및 자발분극이 억제되고 그에 따라, 발광소자의 광이득을 향상시킬 수 있게 된다. By minimizing deflection of the wave function of the electron and the wave function of the hole in the quantum well, the piezoelectric field and spontaneous polarization can be suppressed, thereby improving the light gain of the light emitting device.
본 발명은 활성층 내부에 활성층의 에너지밴드 갭보다 작은 에너지밴드 갭을 갖는 파동함수 국소화 유도층을 개재시킴으로써 전자 및 정공의 파동함수의 국소화를 유도하여 압전계 및 자발분극의 영향을 최소화하고 이를 통해 광이득을 향상시키는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 파동함수 국소화 유도층과 활성층의 에너지밴드 갭은 상기 파동함수 국소화 유도층과 활성층의 인듐 함유량 제어를 통해 조절이 가능하며, 정확히는 상기 파동함수 국소화 유도층의 인듐 함유량을 상기 활성층보다 높게 제어함으로써 파동함수 국소화 유도층의 에너지밴드 갭이 상기 활성층의 에너지밴드 갭보다 작도록 형성할 수 있다. The present invention induces localization of the wave function of electrons and holes by interposing a wave function localization inducing layer having an energy band gap smaller than the energy band gap of the active layer inside the active layer to minimize the effects of piezoelectric fields and spontaneous polarization. It is characterized by improving the gain. In addition, the energy band gap of the wave function localization inducing layer and the active layer can be controlled by controlling the indium content of the wave function localization inducing layer and the active layer, and precisely controlling the indium content of the wave function localization inducing layer higher than the active layer. As a result, the energy band gap of the wave function localization inducing layer may be smaller than the energy band gap of the active layer.
이와 같은 본 발명의 특징을 구현하는 일 실시예를 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 내부 전계, 그리고 광이득에 대해 수학적 방법을 통해 해석해 보기로 한다. Prior to describing an embodiment for implementing the features of the present invention, 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 polarization generated in the thin film layer by the strain, The internal electric field and light gain applied to each thin film layer by piezoelectric and spontaneous polarization will be analyzed by mathematical method.
각 박막층에 인가되는 스트레인과 그로 인한 압전계, 자발분극 및 내부 전계Strain applied to each thin film layer and the resulting piezoelectric field, spontaneous polarization and internal electric field
먼저, i개의 박막층으로 구성되는 구조에 있어서 각 층에 인가되는 스트레 인(strain) 및 스트레스(stress)를 수학적으로 살펴보면 다음과 같다. 참고로, 각 층에 인가되는 스트레인 및 스트레스에 대한 수학적 해석방법은 나카지마(Nakajima)가 제시한 방법(Nakajima, J. Appl. Phys. 72, 5213 (1992))을 따른다. First, in the structure composed of i thin film layers, the strain and stress applied to each layer are mathematically described as follows. 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)).
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, 상기 i개의 박막층으로 구성되는 구조의 곡률을 R이라고 정의하면 i번째 층에 인가되는 스트레스는 아래의 수학식 1과 같다. The stress applied to the i 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 E When i , R, the curvature of the structure composed of the thin film layer is defined as R, the stress applied to the i-th layer is expressed by Equation 1 below.
[수학식 1][Equation 1]
한편, i번째 층과 (i+1)번째 층이 평형상태를 유지하기 위한 조건은 다음의 수학식 2와 같다. Meanwhile, the condition for maintaining the i-th layer and the (i + 1) -th layer in an equilibrium state is expressed by
[수학식 2][Equation 2]
(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 1 및 수학식 2를 조합하여 i번째 층에 인가되는 스트레스 및 스트레인을 구하면 다음의 수학식 3과 같다. The combination of
[수학식 3]&Quot; (3) "
(여기서, εxxi는 I번째 층에 인가되는 유효 스트레인)Where ε xxi is the effective strain applied to the I layer.
한편, i개의 박막층으로 구성되는 구조의 곡률(R)은 다음의 수학식 4와 같이 주어진다.On the other hand, the curvature R of the structure consisting of i thin film layers is given by the following equation (4).
[수학식 4]&Quot; (4) "
이상의 수학식에 있어서, 상기 수학식 1에 나타낸 바와 같이 복수의 박막층으로 구성되는 구조에 작용하는 스트레스의 합은 0이며, 수학식 2 내지 수학식 4를 이용하면 각 박막층에 스트레인이 적절히 분배됨을 알 수 있다. 이와 같은 원리를 본 발명에 적용하면, 특정 박막층(파동함수 국소화 유도층)에 압축 스트레인이 작용하도록 유도하는 경우, 여타의 박막층(활성층)에 작용하는 압축 스트레인은 상대적으로 감소시킬 수 있게 된다. In the above equation, as shown in Equation 1, the sum of stress acting on the structure composed of the plurality of thin film layers is 0, and it is understood that the strains are appropriately distributed in each thin film layer by using
한편, 상기 수학식 1 내지 수학식 4를 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 5와 같이 계산된다. Meanwhile, the piezoelectric field and the spontaneous polarization applied to each layer may be calculated using the strains calculated through Equations 1 to 4 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
[수학식 5][Equation 5]
(여기서, Ei는 i번째 층에 인가되는 압전계 및 자발분극에 의한 유효 전계)(E i is the piezoelectric field applied to the i-th layer and the effective electric 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 6으로 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 multibody effect including the effect of anisotropy of valence band dispersion is expressed by Equation 6 below.
[수학식 6]&Quot; (6) "
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, k∥는 양자우물 평면에서 표면웨이브벡터의 크기, Lw는 양자우물의 폭, ｜Mlm｜2는 스트레인드 양자우물(strained quantum well)의 매트릭스 성분이다. 또한, f1 c와 fm v는 각각 전도대(conduction band)와 가전자대(valence band)에서 전자에 의한 점유확률을 위한 페르미 함수이며, 아래첨자의 l과 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 width of the quantum well, ｜ M lm | 2 is the matrix component of the strained quantum well . In addition, f 1 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 l and m are electron states and holes in the conduction band, respectively. Indicates the state.
또한, 전자와 정공간의 재규격화된 전이 에너지는 아래의 수학식 7로 표현된다. In addition, the re-standardized transition energy of electrons and constant space is represented by Equation 7 below.
[수학식 7][Equation 7]
위 식에서, Eg는 에너지밴드 갭, ΔESX 및 ΔECH는 각각 에너지밴드 갭 재규격 화에 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 to 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 8로 표현된다. A Gaussian line shape function L (ω, k ∥ , φ) is expressed by Equation 8 below.
[수학식 8][Equation 8]
위 식에서, Q(k∥, hw, φ0)는 엑시토닉(exitonic) 또는 에너지밴드간 전이의 쿨롱 상승의 원인이 된다. 상기의 라인형상 함수는 논-마코비안 양자역학(Non-Markobian quantum kinetics)의 가장 간단한 가우시안(Gaussian)이고, 아래의 수학식 9 및 수학식 10으로 기술된다. In the above equation, Q (k ∥ , hw, φ 0 ) causes the coulomb rise of an exitonic or inter-band transition. The line shape function is the simplest Gaussian of Non-Markobian quantum kinetics and is described by Equations 9 and 10 below.
[수학식 9][Equation 9]
[수학식 10][Equation 10]
에너지밴드간 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 are regarded as constants and calculated as 25 fs and 10 fs, respectively.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광소자를 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광소자의 구성도이다. Hereinafter, a nitride based light emitting device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 is a block diagram of a nitride-based light emitting device according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광소자는 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층이 순차적으로 적층된 구조를 가지며, 상기 활성층 내에는 파동함수 국소화 유도층이 개재된다. 이 때, 상기 n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층 및 파동함수 국소화 유도층은 Inx(AlyGa1-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1)의 일반식에 포함되는 물질로 구성된다. As shown in FIG. 1, the nitride-based light emitting device according to the exemplary embodiment of the present invention has a structure in which an n-type semiconductor layer, an active layer, and a p-type semiconductor layer are sequentially stacked, and a wave function localization induction layer is formed in the active layer. This intervenes. In this case, the n-type semiconductor layer, the active layer, the p-type semiconductor layer and the wave function localization induction layer is in the general formula of In x (Al y Ga 1-y ) N (0≤x≤1, 0≤y≤1) It consists of the substance contained.
상기 파동함수 국소화 유도층은 양자우물 내에서 분극전계에 의해 전자(electron)의 파동함수와 정공(hole)의 파동함수가 서로 엇갈리는 현상을 최소화하는 이른 바, 파동함수 국소화를 유도하는 역할을 한다. 여기서, 상기 파동함수란 양자우물의 폭에 대한 양자우물의 에너지밴드 변화를 나타낸 함수로서, 양자우물 내에는 전자의 파동함수와 정공의 파동함수가 각각 존재하며, 상기 파동함수 국소 화란 전자의 파동함수와 정공의 파동함수가 편향되지 않고 국소화(localization)되는 것을 일컫는다. The wave function localization inducing layer minimizes a phenomenon in which a wave function of an electron and a wave function of a hole are crossed by a polarization electric field in a quantum well, thereby inducing a wave function localization. Here, the wave function is a function representing the change of the energy band of the quantum well with respect to the width of the quantum well, the wave function of the electron and the wave function of the hole in the quantum well, respectively, and the wave function of the local function electron The wave function of the hole is localized without deflection.
이와 같은 파동함수 국소화 유도를 위해, 상기 파동함수 국소화 유도층은 상기 활성층에 대비하여 에너지밴드 갭이 작아야 하며, 에너지밴드 갭의 조절은 상기 활성층과 파동함수 국소화 유도층의 인듐 함유량의 제어를 통해 가능하다. 구체적으로, 상기 파동함수 국소화 유도층의 인듐 함유량은 상기 활성층보다 크도록 제어하는 것이 바람직하다. In order to induce the wave function localization, the wave function localization induction layer should have a smaller energy band gap than the active layer, and the energy band gap can be controlled by controlling the indium content of the active layer and the wave function localization induction layer. Do. Specifically, the indium content of the wave function localization inducing layer is preferably controlled to be larger than the active layer.
본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광소자의 양자우물에서의 파동함수를 살펴보면 다음과 같다. 도 2는 종래 기술에 따른 질화물계 발광소자와 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광소자의 에너지밴드 갭 및 파동함수를 각각 나타낸 것이다(도 2에서 왼쪽 그림이 종래 기술이고, 오른쪽 그림이 본 발명이다).Looking at the wave function in the quantum well of the nitride-based light emitting device according to an embodiment of the present invention. Figure 2 shows the energy band gap and the wave function of the nitride-based light emitting device according to the prior art and the nitride-based light emitting device according to an embodiment of the present invention (Fig. Invention).
도 2에 있어서, 종래 기술에 따른 질화물계 발광소자는 n형 반도체층/활성층/p형 반도체층의 구조가 GaN/InxGa1-xN/GaN의 구조를 가지며, 활성층(InxGa1-xN)의 인듐 함유량(x)은 14.6%이고 활성층의 두께(Lw)는 5nm이다. 이와 같은 구조를 갖는 종래 기술에 따른 질화물계 발광소자의 파동함수를 살펴보면, 전자의 파동함수(상단의 점선 그래프)와 정공의 파동함수(하단의 점선 그래프)가 서로 반대 방향으로 편향되어 있음을 알 수 있다. In FIG. 2, the nitride-based light emitting device according to the related art has a structure of n-type semiconductor layer / active layer / p-type semiconductor layer having a structure of GaN / In x Ga 1-x N / GaN, and an active layer (In x Ga 1). The indium content (x) of -x N) is 14.6% and the thickness L w of the active layer is 5 nm. Looking at the wave function of the nitride-based light emitting device according to the prior art having such a structure, it can be seen that the wave function of the electron (the dotted line graph at the top) and the wave function of the hole (the dotted line graph at the bottom) are deflected in opposite directions. Can be.
한편, 도 2에 있어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광소자는 양자우물의 구조 즉, 활성층/파동함수 국소화 유도층/활성층의 구조가 InyGa1- yN/InyGa1-yN/InyGa1-yN의 구조를 가지며, 활성층의 인듐 함유량은 5%, 파동함수 국소화 유도층의 인듐 함유량은 11.8%이다. 또한, 파동함수 국소화 유도층의 두께(Lw2)는 2nm, 그 상하의 활성층의 두께(Lw1, Lw3)는 각각 1.5nm이다. 이와 같은 구조를 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광소자의 파동함수를 살펴보면, 전자의 파동함수(상단의 점선 그래프)와 정공의 파동함수(하단의 점선 그래프)가 서로 편향되지 않고 양자우물의 가운데 부분으로 국소화(localization)됨을 알 수 있다. 참고로, 도 2에 있어서, 본 발명 및 종래 기술에 따른 발광소자는 발진 파장이 530nm가 되도록 두께 및 인듐 조성비가 결정된 것이다. Meanwhile, in FIG. 2, in the nitride-based light emitting device according to the exemplary embodiment of the present invention, the structure of the quantum well, that is, the structure of the active layer / wave function localization induction layer / active layer is In y Ga 1-y N / In y Ga 1 It has a structure of -y N / In y Ga 1-y N, the indium content of the active layer is 5%, the indium content of the wave function localization induction layer is 11.8%. The thickness L w2 of the wave function localization inducing layer is 2 nm, and the thicknesses L w1 and L w3 of the upper and lower active layers are 1.5 nm, respectively. Looking at the wave function of the nitride-based light emitting device according to an embodiment of the present invention having such a structure, the wave function of the electron (the dotted line graph at the top) and the wave function of the hole (the dotted line graph at the bottom) are not deflected with each other It can be seen that it is localized to the middle of the well. For reference, in FIG. 2, in the light emitting device according to the present invention and the related art, the thickness and the indium composition ratio are determined such that the oscillation wavelength is 530 nm.
한편, 전자의 파동함수 및 정공의 파동함수가 국소화되는 것은 양자우물의 두께와도 관련이 있다. 도 3은 양자우물의 두께(Lw)가 각각 3nm, 5nm 인 경우에 있어서 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광소자의 파동함수를 나타낸 것이다. 도 3에 나타난 바와 같이, 양자우물의 두께(Lw)가 3nm인 경우 양자우물의 두께(Lw)가 5nm인 경우에 대비하여 상대적으로 전자의 파동함수(파란색)와 정공의 파동함수(빨간색)의 국소화 유도가 잘 이루어지는 것을 알 수 있다. 이를 통해, 양자우물의 두께가 작을수록 파동함수 국소화 유도가 효과적으로 진행됨을 확인할 수 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. 3 illustrates a wave function of a nitride-based light emitting device according to an exemplary embodiment when the thickness L w of the quantum well is 3 nm and 5 nm, respectively. As shown in FIG. 3, when the thickness L w of the quantum well is 3 nm, the wave function of the electron and the wave function of the hole (red) are relatively compared to the case where the thickness L w of the quantum well is 5 nm. It can be seen that localization of) is well performed. Through this, it can be seen that the smaller the thickness of the quantum well, the more effectively the wave function localization induction proceeds.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광소자의 경우 파동함수 국소화 유도층이 구비됨으로 인해 다양한 파장이 적용되더라도 비교적인 일정한 다이폴 모멘트(dipole moment)값을 가짐을 도 4를 통해 확인할 수 있다. In addition, in the case of the nitride-based light emitting device according to an embodiment of the present invention, since the wave function localization induction layer is provided, it can be confirmed through FIG. 4 that the comparative dipole moment value is applied even when various wavelengths are applied. .
마지막으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광소자의 자발광 효율(spontaneous emission rate)을 살펴보면 다음과 같다. 도 5는 양자우물의 두께(Lw)가 각각 3nm, 5nm 인 경우에 있어서 본 발명 및 종래 기술에 따른 질화물계 발광소자의 자발광 효율을 나타낸 것이다. 도 5에 있어서, 점선 그래프는 종래 기술, 실선 그래프는 본 발명을 나타낸 것이며, 파란색 그래프는 발진 파장이 440nm인 경우, 빨간색 그래프는 발진 파장이 530nm인 경우이다. Finally, the spontaneous emission rate of the nitride-based light emitting device according to an embodiment of the present invention is as follows. 5 shows the self-luminous efficiency of the nitride based light emitting device according to the present invention and the prior art when the thickness L w of the quantum well is 3 nm and 5 nm, respectively. 5, the dotted line graph is a prior art, the solid line graph shows this invention, and the blue graph is a case where an oscillation wavelength is 440 nm, and a red graph is a case where an oscillation wavelength is 530 nm.
도 5에 나타난 바와 같이, 양자우물의 두께 및 발진 파장에 무관하게 파동함수 국소화 유도층이 개재된 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광소자가 종래 기술에 따른 발광소자에 대비하여 자발광 효율이 우수함을 알 수 있다. 참고로, 도 5의 자발광 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. 5, the nitride-based light emitting device according to an embodiment of the present invention having a wave function localization inducing layer interposed regardless of the thickness and oscillation wavelength of a quantum well has a self-luminous efficiency compared to the light emitting device according to the prior art. It can be seen that this is excellent. For reference, the self-luminescence characterization of FIG. 5 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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광소자의 구성도. 1 is a block diagram of a nitride-based light emitting device according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예 및 종래 기술에 따른 질화물계 발광소자의 에너지밴드 갭 및 파동함수를 각각 나타낸 참고도. Figure 2 is a reference diagram showing the energy band gap and wave function of the nitride-based light emitting device according to an embodiment of the present invention and the prior art, respectively.
도 3은 양자우물의 두께(Lw)가 각각 3nm, 5nm 인 경우에 있어서 본 발명의 일 실시예에 따른 질화물계 발광소자의 파동함수를 나타낸 참고도. 3 is a reference diagram showing a wave function of a nitride-based light emitting device according to an embodiment of the present invention when the thickness L w of the quantum wells is 3 nm and 5 nm, respectively.
도 4는 양자우물의 두께(Lw)가 각각 3nm, 5nm 인 경우에 있어서 본 발명의 일 실시예 및 종래 기술에 따른 질화물계 발광소자의 다이폴 모멘트값을 나타낸 그래프. Figure 4 is a graph showing the dipole moment value of the nitride-based light emitting device according to an embodiment of the present invention and when the thickness (L w ) of the quantum well is 3nm, 5nm, respectively.
도 5는 양자우물의 두께(Lw)가 각각 3nm, 5nm 인 경우에 있어서 본 발명 및 종래 기술에 따른 질화물계 발광소자의 자발광 효율을 나타낸 그래프.5 is a graph showing the self-luminous efficiency of the nitride-based light emitting device according to the present invention and the prior art when the thickness (L w ) of the quantum well is 3nm, 5nm, respectively.
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