KR101462238B1 - High-efficiency blue InGaN/GaN quantum-well light-emitting diodes with saw-like later - Google Patents

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Abstract

본 발명은 톱형 층을 갖는 고효율 블루(blue) InGaN/GaN 양자 우물 LED에 관한 것으로, 톱형 InGaN/GaN 양자 우물(QW) LED 의 발광 특성은 다중대역 유효 질량 이론을 사용하여 조사하고, 톱형 양자 우물(QW) 구조의 자발적인 방출 피크는 매트릭스 요소가 톱형 층의 포함이 향상되기 때문에 기존 양자 우물(QW) 구조에 비해 개선되며, 또한, 톱형 양자 우물(QW) 구조의 경우, 우물 내에서 압전 및 자발 분극으로 인해 내부 필드 효과가 감소되기 때문에 전이 에너지는 캐리어 밀도의 약한 함수로 되어 내장된 전기장 효과를 줄일 수 있고, 비 (0001) 방향성을 갖는 기판을 사용하는 방법이나, 극박의 In 이 풍부한 InGaN 우물을 사용하는 방법, 두꺼운 InGaN 우물 내로 AlGaNδ-층을 주입하는 방법 및 4기(基)로 된 AlInGaN 장벽을 사용하는 방법을 채용하여 내부 전계효과를 줄이며, 3층 엇갈린 양자 우물(QW) 구조의 제조와 유사한 방법에 의해 비정방(非正方) 양자 우물(QW) 구조의 고효율을 달성하는 각별한 장점이 있는 유용한 발명이다.The present invention relates to a high efficiency blue InGaN / GaN quantum well LED with a sawtooth layer wherein the luminescent properties of the sawtooth InGaN / GaN quantum well (QW) LEDs are investigated using multi-band effective mass theory, The spontaneous emission peak of the QW structure is improved compared to the conventional quantum well (QW) structure because the matrix element is improved in the inclusion of the sawtooth layer, and also in the case of the sawto-type quantum well (QW) structure, Since the internal field effect is reduced due to the polarization, the transition energy becomes a weak function of the carrier density and the built-in electric field effect can be reduced. In addition, a method using a substrate having a non-directional (0001) orientation or an InGaN well , A method of injecting an AlGaNδ layer into a thick InGaN well and a method of using a four layer AlInGaN barrier to reduce the internal field effect, Ground quantum well (QW) is a useful invention that has particular advantages for non room (非 正方) achieve high efficiency of the quantum well (QW) structure by a method similar to the preparation of the structure.

Description

톱형 층을 갖는 고효율 블루(blue) InGaN/GaN 양자 우물 LED {High-efficiency blue InGaN/GaN quantum-well light-emitting diodes with saw-like later}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high efficiency blue InGaN / GaN quantum well LED having a sawtooth layer,

본 발명은 톱형 층을 갖는 고효율 블루(blue) InGaN/GaN 양자 우물 LED에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다중밴드 효과적인 대량 이론을 사용하여 조사한 톱형 InGaN/GaN 양자 우물(QW) LED의 발광 특성이 기존의 InGaN/GaN 의 양자 우물(QW) LED의 발광 특성과 비교하여 톱형(saw-like) 양자 우물(QW) 구조의 자발방출 피크가 기존의 양자 우물(QW) 구조에 비해 개선되었음을 나타내고, 이것은 주로 전자 파동함수 홀 파동함수가 거의 변하지 않는 동안 톱형 층의 포함과 함께 왼쪽으로 이동한다는 사실에 따라 결정되며, 결과로서 매트릭스 요소는 톱형(saw-like) 층의 포함이 향상되는 톱형 층을 갖는 고효율 블루(blue) InGaN/GaN 양자 우물 LED에 관한 것이다.The present invention relates to a high efficiency blue InGaN / GaN quantum well LED having a sawtooth layer, and more particularly to a light emitting diode (LED) having a luminescent characteristic of a sawtooth InGaN / GaN quantum well (QW) Shows that the spontaneous emission peak of a saw-like quantum well (QW) structure is improved as compared to that of a conventional quantum well (QW) structure, as compared with the luminescence characteristics of a quantum well (QW) LED of InGaN / GaN. The electron wave function is determined by the fact that the hole wave function moves to the left with inclusion of the saw-like layer while it is almost unchanged, and as a result the matrix element is a high-efficiency blue (blue) InGaN / GaN quantum well LED.

일반적으로 최근 와이드 밴드갭 우르차이트(WZ) GaN 기반의 양자 우물(QWs)은 전자와 광전자 장치에서 잠재적인 장치 응용 때문에 많은 주목을 받고 있고(비특허문헌 1), 높은 내부 효율은 장치 응용에 매우 중요하다. 그러나, (0001)방향 우르차이트(WZ) GaN 기반의 양자 우물은 스트레인 유발 압전(PZ)과 자발적인 분극(polarizations)에 의해 큰 내부 필드를 갖는 것으로 알려져 있다. 전자와 홀파(hole wave) 사이의 공간적인 분리를 유도하고, 발광 재결합이 크게 감소한다(비특허문헌 2, 3). 그 결과 발광 재 결합율 및 이들 양자 우물(QW) 구조의 광학 이득은 상당히 감소하고, 현재 InGaN/GaN 양자 우물(QW) 레이저에서 높은 임계전류 밀도(Jth ∼ 1.5 - 6kA/㎠, λ= 425 - 482nm)에 이른다(비특허문헌4).In recent years, quantum wells (QWs) based on wide band gap (WZ) GaN have attracted much attention due to potential device applications in electronic and optoelectronic devices (Non-Patent Document 1) very important. However, quantum wells based on (0001) direction wurtzite (WZ) GaN are known to have large internal fields due to strain-induced piezoelectric (PZ) and spontaneous polarization. Induced spatial separation between electrons and hole waves, and the emission recombination is greatly reduced (Non-Patent Documents 2 and 3). As a result, the luminescent recombination rate and the optical gain of these quantum well (QW) structures are significantly reduced and the high critical current density (Jth ~ 1.5-6kA / cm2, λ = 425 - 482 nm) (Non-Patent Document 4).

이 결점을 극복하기 위한 다른 접근 방식은 내장된 전기장 효과를 줄이기 위해 제안되었고, 그것들은 비 (0001) 방향성을 갖는 기판을 사용하는 방법이나, 극박의 In 이 풍부한 InGaN 우물을 사용하는 방법(비특허문헌 5∼8), 두꺼운 InGaN 우물 내로 AlGaNδ-층을 주입하는 방법(비특허문헌 9) 및 4기(基)로 된 AlInGaN 장벽을 사용하는 방법을 포함한다(비특허문헌 10, 11, 12). 성장 과정이 기존의 구조와 거의 동일하여 결정 결함의 가능성이 심하게 증가하지 않기 때문에 최근에는 두층 및 세층 엇갈린 양자 우물(QW) 구조를 갖는 비정방(非正方) InGaN/GaN 시스템이 내부 전계효과를 줄이기 위해 제안되었다(비특허문헌 13). 이러한 구조는 3층 엇갈린 양자 우물(QW) 구조의 제조와 유사한 방법에 의해 얻을 수 있기 때문에 이 비정방(非正方) 양자 우물(QW) 구조의 현재 프로세스, 그것은 톱형(saw-like) 층을 갖는 InGaN/GaN 양자 우물(QW) 구조의 광학 특성의 조사는 흥미로울 것이다.Other approaches to overcome this drawback have been proposed in order to reduce the built-in electric field effects, which are either a method using a substrate with a non-directional (0001) orientation, a method using an In-rich InGaN well (Non-Patent Document 9) and a method of using a four-layered AlInGaN barrier (Non-Patent Documents 10, 11, and 12), a method of injecting an AlGaN? Layer into a thick InGaN well . Since the growth process is almost the same as that of the conventional structure, the possibility of crystal defects does not increase so much. Recently, a non-square InGaN / GaN system having a two- and three-layer staggered quantum well (QW) (Non-Patent Document 13). Since this structure can be obtained by a method similar to the fabrication of a three-layer staggered quantum well (QW) structure, the present process of this non-square quantum well (QW) structure, which has a saw- Investigation of the optical properties of InGaN / GaN quantum well (QW) structures will be interesting.

본 발명에서 톱형(saw-like) InGaN/GaN 양자 우물(QW) 발광다이오드(LEDs)의 발광 특성을 조사하고, 이들 결과는 종래 InGaN/GaN 양자 우물(QW) 발광다이오드(LED)와 비교된다. 자기 일관성(SC) 밴드 구조와 파동 함수는 전자에 대한 슐뢰딩거 방정식, 홀에 대한 3 × 3 해밀턴 방전식 그리고 반복적으로 푸아송의 방정식에 대한 방정식을 해결하여 얻을 수 있다(비특허문헌 14, 15). 우물에서의 인(In) 성분은 N 2D = 10 × 1012-2의 캐리어 밀도에서 440nm의 천이 파장을 제공하기 위해 선택된다.In the present invention, the emission characteristics of saw-like InGaN / GaN quantum well (QW) light emitting diodes (LEDs) are investigated, and these results are compared with conventional InGaN / GaN quantum well (QW) light emitting diodes (LEDs). The self-consistency (SC) band structure and the wave function can be obtained by solving the Schöndinger equation for electrons, the 3 × 3 Hamiltonian discharge equation for holes, and the equation for Poisson's equation repeatedly (Non-Patent Documents 14 and 15 ). The In component in the well is selected to provide a transition wavelength of 440 nm at a carrier density of N 2D = 10 x 10 12 cm -2 .

S.Nakamura and G. Fasol, The Blue Laser Diode(Springer, Berlin, 1997)S. Nakamura and G. Fasol, The Blue Laser Diode (Springer, Berlin, 1997) G.Martin, A. Botchkarev, A.Rockett, H. Morkoc, Appl. Phys. Lett. 68, 2541(1996)G. Martin, A. Botchkarev, A. Rockett, H. Morkoc, Appl. Phys. Lett. 68, 2541 (1996) F.Bernardini, V.Fiorentini, D.Vanderbilt, Phys,Rev.b 56, 10024(1997)F. Bernardini, V. Fiorentini, D. Vanderbilt, Phys, Rev. B 56, 10024 (1997) R. A Arif, H. 코매, Y.-K. Ee, and N. Tansu, IEEE J. Quantum Electron. 44, 573(2008).R. A Arif, H. Coh, Y.-K. Ee, and N. Tansu, IEEE J. Quantum Electron. 44, 573 (2008). S.H. Park and S.L. Chuang, Phys. Rev. B 59, 4725(1999).S.H. Park and S.L. Chuang, Phys. Rev. B 59, 4725 (1999). T.Takeuchi, H.Amano, and I.Akasaki, Japan. J.Appl. Phys. 39, 413(2000).T. Takuchi, H. Amano, and I. Akasaki, Japan. J. Appl. Phys. 39, 413 (2000). F.Mireles and S.E. Ulloa, Phys. Rev. B 62, 2562(2000).F. Mireles and S.E. Ulloa, Phys. Rev. B 62, 2562 (2000). S.H.Park, J. Appl. Phys. 91, 9904(2002).S. H. Park, J. Appl. Phys. 91, 9904 (2002). S.-Y. Kwon, S.-I. Baik, Y.-W. Kim, H.J. kIM, D.-S. Ko, E. Yoon, J.-W. Yoon, H. Cheong, and Y.-S. Park, Appl. PHYS. Lett. 86, 192105(2005).S.-Y. Kwon, S.-I. Baik, Y.-W. Kim, H.J. KIM, D.-S. Ko, E. Yoon, J.-W. Yoon, H. Cheong, and Y.-S. Park, Appl. PHYS. Lett. 86, 192105 (2005). J. Park and Y. Kawakami, Appl. Phys. Lett. 88, 202107(2006). J. Park and Y. Kawakami, Appl. Phys. Lett. 88,220107 (2006). S.-H. Park, J. Park and E. Yoon, Appl. Phys. Lett 90, 023508(2007). S.-H. Park, J. Park and E. Yoon, Appl. Phys. Lett 90, 023508 (2007). S.H.Park, D. Ahn, and J.-W. Kim, Appl. Phys. Lett. 92, 171115(2008). S. H. Park, D. Ahn, and J.-W. Kim, Appl. Phys. Lett. 92,171115 (2008). M. Tsai, S. Yen, and Y. K. Kuo, Appl. PHYS. A 104, 621(2011). M. Tsai, S. Yen, and Y. K. Kuo, Appl. PHYS. A 104, 621 (2011). S.L.Chuang and C.S.Chang, Phys. Rev. B 54, 2491(1996). S. L. Chen and C.S. Chang, Phys. Rev. B 54, 2491 (1996). S.H.Park, S.L.Chuang, Appl. Phys. Lett. 72, 3103(1998). S. H. Park, S. L. Chen, Appl. Phys. Lett. 72, 3103 (1998). D.Ahn, Prog. Quantum Electron. 21, 249(1997). D.Ahn, Prog. Quantum Electron. 21, 249 (1997). S.H.Park,S.L.Chuang,J.Minch,D.Ahn, Semicond. Sci.Technol 15, 203(2000) S. H. Park, S. L. Huang, J. Minch, D. A.hn, Semicond. Sci. Technol. 15, 203 (2000) W.W.Chow,S.W.Koch, M. Sergent Ⅲ, Semiconductor-Laser Physics(Springer, Berlin, 1994) W. W. Chow, S. W. Koch, M. Sergent III, Semiconductor-Laser Physics (Springer, Berlin, 1994) H.Haug,S.W.Koch, Quantum Theory of the Optical and Electronic Properties of Semiconductors(World Scientific, Singapore, 1993). H. Haug, S. W. Koch, Quantum Theory of the Optical and Electronic Properties of Semiconductors (World Scientific, Singapore, 1993). S.H.Park, Appl.Phys. Lett. 85, 890(2004). S. H. Park, Appl. Lett. 85, 890 (2004). U.M.E.Christmas, A.D. Andreev, and D.A.Faux, J.Appl. Phys. 98, 073522(2005). U. M. E. Christmas, A.D. Andreev, and D. A. Faux, J. Appl. Phys. 98, 073522 (2005).

본 발명은 종래 InGaN/GaN 양자 우물(QW) 구조의 LED 에서 야기되는 여러 가지 결점 및 문제점 들을 해결하고자 발명한 것으로서, 그 목적은 내장된 전기장 효과를 줄일 수 있는 톱형 층을 갖는 고효율 블루(blue) InGaN/GaN 양자 우물 LED 를 제공함에 있다.The present invention has been made to solve the various drawbacks and problems caused by the LED of the InGaN / GaN quantum well (QW) structure, and it is an object of the present invention to provide a high efficiency blue light emitting diode having a sawtooth layer capable of reducing the built- InGaN / GaN quantum well LEDs.

본 발명의 다른 목적은 비 (0001) 방향성을 갖는 기판을 사용하는 방법이나, 극박의 In 이 풍부한 InGaN 우물을 사용하는 방법, 두꺼운 InGaN 우물 내로 AlGaNδ-층을 주입하는 방법 및 4기(基)로 된 AlInGaN 장벽을 사용하는 방법을 채용하여 내부 전계효과를 줄인 톱형 층을 갖는 고효율 블루(blue) InGaN/GaN 양자 우물 LED 를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a method of using a substrate having a non-directional (0001) orientation, a method of using an InGaN well rich in InGaN, a method of injecting an AlGaNδ layer into a thick InGaN well, Efficient blue InGaN / GaN quantum well LED having a sawtooth layer with reduced internal field effect by adopting a method using an AlInGaN barrier.

본 발명의 또 다른 목적은 3층 엇갈린 양자 우물(QW) 구조의 제조와 유사한 방법에 의해 비정방(非正方) 양자 우물(QW) 구조의 고효율을 달성하는 톱형(saw-like) 층을 갖는 고효율 블루(blue) InGaN/GaN 양자 우물 LED 를 제공하는 데 있다.It is a further object of the present invention to provide a method of forming a high-efficiency (QW) structure having a saw-like layer that achieves high efficiency of a non-square quantum well (QW) structure by a method similar to the fabrication of a three-layer staggered quantum well And a blue InGaN / GaN quantum well LED.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 톱형 층을 갖는 고효율 블루(blue) InGaN/GaN 양자 우물 LED 는 양자 우물(QW) 내의 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하면서 각각 1.0, 0.5, 1.0 nm 의 두께를 갖는 톱형 InGaN/GaN 양자 우물(QW) 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a high-efficiency blue InGaN / GaN quantum well LED having a sawtooth layer according to the present invention includes a sawtooth InGaN (GaN) layer having a thickness of 1.0, 0.5 and 1.0 nm / GaN quantum well (QW) structure.

본 발명은 내장된 전기장 효과를 줄일 수 있고, 비 (0001) 방향성을 갖는 기판을 사용하는 방법이나, 극박의 In 이 풍부한 InGaN 우물을 사용하는 방법, 두꺼운 InGaN 우물 내로 AlGaNδ-층을 주입하는 방법 및 4기(基)로 된 AlInGaN 장벽을 사용하는 방법을 채용하여 내부 전계효과를 줄이며, 3층 엇갈린 양자 우물(QW) 구조의 제조와 유사한 방법에 의해 비정방(非正方) 양자 우물(QW) 구조의 고효율을 달성하는 각별한 장점이 있다.The present invention can reduce the built-in electric field effect, and can be applied to a method using a substrate having a non-directional (0001) orientation, a method using an InGaN well with an extremely thin InGaN, a method of injecting an AlGaNδ layer into a thick InGaN well, (QW) structure by a method similar to the fabrication of a three-layer staggered quantum well (QW) structure by employing a method using a quaternary AlInGaN barrier to reduce the internal field effect Which is a significant advantage of achieving high efficiency.

도 1은 (a) z=0.06, (b) z=0.09, (c) z=0.12 의 오른쪽에 있는 InGaN 층에서의 In 성분을 갖는 톱형 InGaN/GaN 양자 우물(QW) 접지 상태에 대한 지역 센터에서 첫 번째 전도 서버밴드(C1)의 잠재적 프로필 및 파동함수, 첫번째 원자가 서브밴드(HH1)의 잠재적 프로필 및 파동함수를 각각 나타낸 그래프,
도 2 (a)는 시트 캐리어 밀도의 함수로서 피크 전이파장을 나타내고, (b)는 톱니형 InGaN/GaN 양자 우물(QW) 구조의 오른쪽 InGaN 층의 In 성분의 함수로서 광학 매트릭스 요소를 나타낸 그래프,
도 3 (a)는 종래 및 (b)는 각각 0.19, 0.14 및 0.09의 In 성분을 갖는 세 InGaN 층 톱형 InGaN/GaN 양자 우물(QW) 구조의 접지 상태에 대한 지역 센터에서 잠재적 프로필 및 첫 번째 전도 서브밴드(C1) 및 원자가 서브밴드(HH1)의 파동함수를 나타낸 그래프,
도 4 (a)는 각각 0.19, 0.14 및 0.09의 In 성분을 갖는 톱형 InGaN/GaN 양자 우물(QW) 구조의 시트 캐리어 밀도의 함수로서 피크 전이파장, (b)는 각각 0.19, 0.14 및 0.09의 In 성분을 갖는 톱형 InGaN/GaN 양자 우물(QW) 구조의 N 2D = 10 × 1012-2 시트 캐리어 밀도에서 구해지는 광 매트릭스 요소, 그리고 (c)는 종래 InGaN/GaN 양자 우물(QW) 구조의 자연 방출계수를 나타낸 그래프이다.
Fig. 1 is a graphical representation of a localized center of a sawtooth InGaN / GaN quantum well (QW) with an In component in the InGaN layer to the right of (a) z = 0.06, (b) z = 0.09, A potential profile and wave function of the first conduction server band (C1), a graph showing the potential profile and wave function of the first valence subband (HH1), respectively,
Fig. 2 (a) shows the peak transition wavelength as a function of the sheet carrier density, Fig. 2 (b) is a graph showing the optical matrix elements as a function of the In component of the right InGaN layer of the InGaN / GaN quantum well (QW)
3 (a) shows the potential profile and first conduction in the local center for the ground state of the three InGaN layer saw-top InGaN / GaN quantum well (QW) structures having In components of 0.19, 0.14 and 0.09, respectively, A graph showing the wave function of subband C1 and valence subband HH1,
Fig. 4 (a) shows the peak transition wavelength as a function of the sheet carrier density of a saw-shaped InGaN / GaN quantum well (QW) structure having In components of 0.19, 0.14 and 0.09, (QW) structure of a top InGaN / GaN quantum well (QW) structure having a structure of a conventional InGaN / GaN quantum well (QW) structure with N 2D = 10 x 10 12 cm -2 sheet carrier density, And the natural emission coefficient.

다체 효과를 갖는 비 마르코브(non-Markovian) 자연방출 스펙트럼

Figure 112012080795017-pat00001
는 하기 수학식 1로 주어진다(비특허문헌 16, 17).Non-Markovian spontaneous emission spectrum with multibody effect
Figure 112012080795017-pat00001
Is given by the following equation (Non-Patent Documents 16 and 17).

Figure 112012080795017-pat00002
Figure 112012080795017-pat00002

여기서 ω는 각 주파수(angular frequency) 이고, μ0는 진공 투과율(vacuum permeability), ε는 유전상수(dielectric constant), σ= U(또는 L)은 유효질량 해밀토니안에 대한 상부(하부) 블록을 참조, e는 전자의 전하(charge on an electron), m0 는 전자 질량(electron mass), k는 양자 우물(QW) 면에서의 면내 파동 백터(in-plane wave vector)의 크기, Lw 는 우물 두께(well thickness),

Figure 112012080795017-pat00003
는 광학 전기장의 방향에서의 단위벡터, 또한, |Mlm|2 은 응력 변형된 양자우물(strained QW) 내 모멘텀 매트릭스 요소(momentum matrix element)를 나타낸다.Where ω is the angular frequency, μ 0 is the vacuum permeability, ε is the dielectric constant, and σ = U (or L) is the upper (lower) block for the effective mass Hamiltonian Where e is the charge on an electron, m 0 is the electron mass, k is the size of the in-plane wave vector in the quantum well (QW) plane, and Lw Well thickness,
Figure 112012080795017-pat00003
Is the unit vector in the direction of the optical electric field, and | M lm | 2 represents a momentum matrix element in a strained QW.

그리고,

Figure 112012080795017-pat00004
Figure 112012080795017-pat00005
은 전도대(conduction band) 상태와 가전자대(valence band) 상태에 대한 페르미 함수(Fermi functions)를 각각 나타내고,
Figure 112012080795017-pat00006
는 플랭크 상수(Plank constant)를 나타낸다. 지수 l과 m 은 전도대 내의 전자 상태와 가전자대 내의 무거운 정공(가벼운 정공) 부대역(subband) 상태를 각각 나타낸다.And,
Figure 112012080795017-pat00004
and
Figure 112012080795017-pat00005
Denotes the Fermi functions for the conduction band state and the valence band state, respectively,
Figure 112012080795017-pat00006
Represents a Plank constant. The exponents l and m represent the electron state in the conduction band and the heavy hole (light hole) subband state in the valence band, respectively.

또한,

Figure 112012080795017-pat00007
는 전자와 전공 사이의 환치(renormalization)된 전이에너지이다. 여기서
Figure 112012080795017-pat00008
는 물질의 밴드갭,△E SX 와 △E CH는 각각 밴드갭 환치(renormalization)에 대한 스크린된 교류(SX; screened exchange)와 쿨롱-정공의 기여도이다(비특허문헌18). 지수
Figure 112012080795017-pat00009
는 대간전이(帶間轉移) 확률의 여기(excitonic) 또는 쿨롱 증대에 대한 계정이다(비특허문헌 18, 19). 선형(line-shape) 함수는 간단한 비 마르코프(Markovian) 양자 역학(quantum)에 대한 가우시안(Gaussian) 모양이며, 수학식 2와 수학식 3으로 주어진다(비특허문헌 16, 17).Also,
Figure 112012080795017-pat00007
Is the renormalized transition energy between electrons and electrons. here
Figure 112012080795017-pat00008
Is the bandgap of the material, DELTA E SX and DELTA E CH are the screened exchange (SX) and coulomb-hole contribution to band gap renormalization, respectively (non-patent document 18). Indices
Figure 112012080795017-pat00009
Is an account for the excitonic or coulone enhancement of the interstage transition probability (Non-Patent Documents 18 and 19). The line-shape function is a Gaussian shape for a simple Markovian quantum, given by Equations 2 and 3 (Non-Patent Documents 16 and 17).

Figure 112012080795017-pat00010
Figure 112012080795017-pat00010

Figure 112012080795017-pat00011
Figure 112012080795017-pat00011

도 1은 (a) z=0.06, (b) z=0.09, (c) z=0.12 의 오른쪽에 있는 InGaN 층에서의 In 성분을 갖는 톱형 InGaN/GaN 양자 우물(QW) 접지 상태에 대한 지역 센터에서 첫 번째 첫 번째 전도 서버밴드(C1)의 잠재적 프로필 및 파동함수, 첫번째 원자가 서브밴드(HH1)의 잠재적 프로필 및 파동함수를 각각 나타낸 그래프로서, 톱니형(saw-like) 우물에 세 InGaN 층이 존재한다. 그들의 두께는 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하면서 각각 1.0, 0.5, 그리고 1.0 nm 이다. 또한, 왼쪽 두 층에서의 In 성분은 각각 0.19과 0.14이다(비특허문헌 21). 층들의 내부필드 F는 합이 장벽층을 포함하고, l이 층의 두께를 나타내는 모든 층을 통해 실행하는 정기 경계조건

Figure 112012080795017-pat00012
에 의해 얻을 수 있다. 원자가 밴드의 홀파 기능은 주로 왼쪽 InGaN 층에 국한되어 있다. 다른 밴드에서 전도대의 전자 파동함수는 우물에서 세 InGaN 층에 국한되어 있다. 따라서, 그것은 전자 파동함수의 피크 위치, 가능하면 왼쪽 InGaN 근처에 전자 및 홀 파동함수 사이의 오버랩을 증가 할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 전자 파동함수의 정상 위치는 오른쪽 InGaN 층의 In 성분이 감소할 때 왼쪽 InGaN 층으로 이동한다. 그러나, 아래 도면과 같이 동시에 440nm보다 짧은 파장 전이를 제공한다.Fig. 1 is a graphical representation of a localized center of a sawtooth InGaN / GaN quantum well (QW) with an In component in the InGaN layer to the right of (a) z = 0.06, (b) z = 0.09, , The potential profile and wave function of the first first conduction-server band (C1), the potential profile of the first valence subband (HH1), and the wave function, respectively, with three InGaN layers at the saw- exist. Their thickness is 1.0, 0.5, and 1.0 nm, respectively, moving from left to right. In the left two layers, the In components are 0.19 and 0.14, respectively (Non-Patent Document 21). The inner field F of the layers is defined as the periodic boundary condition that runs through all layers where the sum includes the barrier layer and l represents the thickness of the layer
Figure 112012080795017-pat00012
Lt; / RTI > The doping function of the valence band is mainly limited to the left InGaN layer. In other bands, the electron wave function of the conduction band is limited to the three InGaN layers in the well. Therefore, it is desirable to be able to increase the overlap between the electron wave function and the hole wave function at the peak position of the electron wave function, possibly near the left InGaN. The normal position of the electron wave function moves to the left InGaN layer when the In component of the right InGaN layer decreases. However, it provides a wavelength transition shorter than 440 nm at the same time, as shown in the figure below.

도 2 (a)는 시트 캐리어 밀도의 함수로서 피크 전이파장을 나타내고, (b)는 톱니형 InGaN/GaN 양자 우물(QW) 구조의 오른쪽 InGaN 층의 In 성분의 함수로서 광학 매트릭스 요소를 나타낸다. 전이파장과 광 매트릭스 요소는 N 2D = 10 × 1012-2 시트 캐리어 밀도에서 구할 수 있다. 전자 파동함수의 피크 위치가 왼쪽으로 이동되기 때문에 정방형 광 매트릭스 요소는 오른쪽 InGaN 층의 In 성분의 감소와 함께 점차 증가한다.Fig. 2 (a) shows the peak transition wavelength as a function of the sheet carrier density, and Fig. 2 (b) shows the optical matrix element as a function of the In component of the right InGaN layer in the sawtooth InGaN / GaN quantum well (QW) structure. The transition wavelength and the optical matrix element can be obtained at N 2D = 10 x 10 12 cm -2 sheet carrier density. Since the peak position of the electron wave function is shifted to the left, the square light matrix element gradually increases with the decrease of the In component of the right InGaN layer.

그러나, 오른쪽 InGaN 층에서 더 적은 In 성분을 갖는 양자 우물(QW) 구조는 더큰 In 성분을 갖는 양자 우물(QW) 구조 보다도 더 짧은 전이파장을 갖는다. 이것은 더 적은 In 성분을 갖는 양자 우물(QW) 구조에 대한 전도대에서의 서브 밴드 에너지가 우물 폭 감소 효과로 인해 더 크게 된다는 사실에 의해 설명 될 수 있다. 440nm의 전이 파장을 갖는 양자 우물(QW) 구조가 오른쪽 InGaN 층에서 0.09의 In 성분에 대해 얻을 수 있음을 알 수 있다.However, a quantum well (QW) structure having fewer In components in the right InGaN layer has a shorter transition wavelength than a quantum well (QW) structure having a larger In component. This can be explained by the fact that the subband energy at the conduction band for a quantum well (QW) structure with fewer In components becomes larger due to the well width reduction effect. It can be seen that a quantum well (QW) structure with a transition wavelength of 440 nm can be obtained for the In component of 0.09 in the right InGaN layer.

도 3 (a)는 종래 및 (b)는 톱형 InGaN/GaN 양자 우물(QW) 구조의 접지 상태에 대한 지역 센터에서 잠재적 프로필 및 첫 번째 전도 서브밴드(C1) 및 원자가 서브밴드(HH1)의 파동함수를 보여준다. 톱형 우물에서 세 InGaN 층은 각각 0.19, 0.14 및 0.09의 In 성분을 갖는다. 종래의 InGaN/GaN 양자 우물(QW) 구조의 잠재적 프로파일은 우물에서큰 내부 필드로 인해 전자와 홀 파동함수 사이에 큰 공간 분리를 나타낸다. 그러나, 톱형 InGaN/GaN 양자 우물(QW) 구조는 전자 파동함수의 피크 위치가 왼쪽으로 이동되기 때문에 전자와 홀 파동함수 사이의 공간 분리가 크게 감소되는 것을 나타낸다.3 (a) shows the potential profile at the local center for the ground state of the saw-top InGaN / GaN quantum well (QW) structure and the wave front of the first conduction subband (C1) and valence subband (HH1) Function. The three InGaN layers in the saw-top well have In components of 0.19, 0.14 and 0.09, respectively. The potential profile of a conventional InGaN / GaN quantum well (QW) structure represents a large spatial separation between electron and hole wave functions due to the large internal field in the well. However, the sawtooth InGaN / GaN quantum well (QW) structure shows that the spatial separation between electron and hole wave function is greatly reduced because the peak position of the electron wave function is shifted to the left.

도 4 (a)는 시트 캐리어 밀도의 함수로서 피크 전이파장, (b)는 광 매트릭스 요소, 그리고 (c)는 종래 및 톱형 InGaN/GaN 양자 우물(QW) 구조의 자연 방출계수를 나타낸다. 매트릭스 요소는 N 2D = 10 × 1012-2 시트 캐리어 밀도에서 구할 수 있다. 톱형 우물에서 세 InGaN 층은 각각 0.19, 0.14 및 0.09의 In 성분을 갖는다. 종래 양자 우물(QW) 구조의 경우에, 내부 필드가 높은 캐리어 밀도에서 충전된 캐리어들에 의해 스크린되기 때문에 전이 파장이 캐리어 밀도의 증가와 함께 급속도로 감소한다. 반면에, 톱형 양자 우물(QW) 구조의 경우, 전이 에너지가 캐리어 밀도의 약한 함수이다. 이것은 압전으로 인해 내부필드 효과와 우물에서 자발 분극이 감소한다는 사실 때문이다. 기존의 양자 우물(QW) 구조는 전자와 홀 파동함수 사이의 큰 공간 분리로 인해 작은 매트릭스 요소를 나타낸다. 반면에, 광 매트릭스 요소는 톱형 InGaN/GaN 양자 우물(QW) 구조에 대하여 개선된다. 이것은 주로 홀 파동함수가 거의 불변하는 동안 전자 파동함수는 톱형 층의 포함과 함께 왼쪽으로 이동한다는 사실에 따라 결정된다. 자연 방출 스펙트럼의 피크 위치는 N 2D = 10 × 1012- 2 의 높은 캐리어 밀도에서 440nm 근처로 나타납니다. 톱형 양자 우물(QW) 구조의 자발적인 방출 피크는 기존 양자 우물(QW) 구조에 비해 개선된 것으로 나타난다. 이는 주로 매트릭스 요소가 톱형 층의 포함이 향상되어 있는 사실 때문이다.Fig. 4 (a) shows the peak transition wavelength as a function of sheet carrier density, (b) shows the optical matrix elements, and (c) shows the spontaneous emission coefficients of the conventional and saw-top InGaN / GaN quantum well (QW) structures. The matrix element can be obtained at N 2D = 10 x 10 12 cm -2 sheet carrier density. The three InGaN layers in the saw-top well have In components of 0.19, 0.14 and 0.09, respectively. In the case of the conventional quantum well (QW) structure, since the internal field is screened by carriers filled at high carrier densities, the transition wavelength decreases rapidly with increasing carrier density. On the other hand, in the case of a saw-tooth quantum well (QW) structure, the transition energy is a weak function of the carrier density. This is due to the fact that piezorescence reduces internal field effects and spontaneous polarization in the well. Conventional quantum well (QW) structures represent small matrix elements due to large spatial separation between electron and hole wave functions. On the other hand, the optical matrix element is improved with respect to the saw-top InGaN / GaN quantum well (QW) structure. This is mainly determined by the fact that while the Hall wave function is almost invariant, the electron wave function moves to the left with the inclusion of the sawtooth layer. Peak position of the spontaneous emission spectrum is N 2D = 10 × 10 12 ㎝ - appears on the high carrier density of 2 nearby 440nm. The spontaneous emission peak of the sawtooth type quantum well (QW) structure appears to be improved compared to the conventional quantum well (QW) structure. This is mainly due to the fact that matrix elements have improved inclusion of sawtooth layers.

지금까지 본 발명을 바람직한 실시예로서 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 발명의 요지를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있음은 물론이다.While the present invention has been described with reference to the preferred embodiments, it is to be understood that the invention is not limited thereto and that various changes and modifications may be made therein without departing from the scope of the invention.

Claims (3)

LED 는 N 2D = 10 × 1012-2 시트 캐리어 밀도에서 440nm 의 전이파장을 가지고, 기존의 InGaN/GaN 양자 우물 LED 보다 큰 광 매트릭스 요소 크기를 가져 광발광이 증가되는 LED에 있어서;
상기 양자 우물(QW) 내의 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하면서 각각 1.0, 0.5, 1.0 nm 의 두께를 갖고;
상기 InGaN/GaN 양자 우물(QW) 구조에서의 In 성분이 0.15 ∼ 0.26 의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 톱형 층을 갖는 고효율 블루(blue) InGaN/GaN 양자 우물 LED.
The LED has a transition wavelength of 440 nm at a N 2D = 10 x 10 12 cm -2 sheet carrier density and has a larger optical matrix element size than conventional InGaN / GaN quantum well LEDs;
Moving from left to right in the quantum well (QW) and having thicknesses of 1.0, 0.5, and 1.0 nm, respectively;
Wherein the In component in the InGaN / GaN quantum well (QW) structure is in the range of 0.15 to 0.26. A high efficiency blue InGaN / GaN quantum well LED having a sawtooth layer.
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