KR101527840B1 - 고 주입 효율 극성 및 무극성 ⅲ-질화물 광 에미터 - Google Patents

고 주입 효율 극성 및 무극성 ⅲ-질화물 광 에미터 Download PDF

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Abstract

극성 및 무극성 Ⅲ-질화물 발광 구조체의 주입 효율은 에미터의 MQW(Multiple Quantum Well) 활성 영역내의 다른 양자 우물의 불균일한 군집에 의해 크게 열화된다. 불균일 QW 군집은 깊은 활성 QW를 가진 장파장 에미터에서 더욱 크게 이루어진다. 극성 및 무극성 구조체에 있어서, 방출될 광의 원하는 파장에 의거한, 광학적 도파관층 및/또는 장벽층으로의 인듐 및/또는 알루미늄의 유입은 QW 군집의 균일성을 개선하고, 구조 주입 효율을 증가시킨다.

Description

고 주입 효율 극성 및 무극성 Ⅲ-질화물 광 에미터{HIGH INJECTION EFFICIENCY POLAR AND NON-POLAR Ⅲ-NITRIDES LIGHT EMITTERS}
본 출원은 2010년 2월 4일자 출원된 미국 가특허출원번호 제61/301,523호의 우선권을 주장한다.
본 발명은 극성 및 무극성 Ⅲ-질화물 광 에미터, 즉, 발광 다이오드 및 레이저 다이오드의 주입 효율에 관한 것이다.
Ⅲ-질화물 광 에미터에 있어서 무극성 기술 발전에 대한 기대는 아주 높다(Wetzel등에 의한 "RPI starts to extinguish the green gap," Compound Semiconductors, vol. 15, pp. 21-23, 2009, 참조). 무극성 구조에 있어서 내부 편극 필드(internal polarization field)의 부재 및 그와 관련된 양자 감금 스타크 효과(quantum-confined Stark effect)의 결핍은 무극성 장치의 운송 및 광학적 특성이 보다 좋다는 것을 암시한다(Waltereit등에 의한, "Nitride semiconductors free of electrostatic fields for efficient white light-emitting diodes," Nature , vol. 406, pp. 865-868, 2000, 참조). 무극성 템플릿(template)은, 활성 양자 우물에서의 보다 높은 인듐 유입이 필요하며, 그에 따라 높은 스트레인 유발 편극이 극성 장치의 특성을 제약할 수도 있는 녹색-황색 분광 영역에서 동작하는 광 에미터에 특히 바람직할 것으로 기대된다. 그러나, 극성 결정 배향 템플릿(Miyoshi등에 의한 "510-515 nm InGaN-Based Green Laser Diodes on c-Plane GaN Substrate," Applied Physics Express , vol. 2, p. 062201, 2009; Queren등에 의한 "500 nm electrically driven InGaN based laser diodes," Applied Physics Letters , vol. 94, pp. 081119-3, 2009; 및 Avramescu등에 의한 "InGaN laser diodes with 50 mW output power emitting at 515 nm," Applied Physics Letters , vol. 95, pp. 071103-3, 2009 참조) 및 무극성 결정 배향 템플릿(Okamoto등에 의한 "Nonpolar m-plane InGaN multiple quantum well laser diodes with a lasing wavelength of 499.8 nm," Applied Physics Letters, vol. 94, pp. 071105-3, 2009 참조)에 대해 녹색 레이저 다이오드가 실질적으로 동시에 처음 구현되었지만, 후자의 어떠한 실질적인 장점없이 Ⅲ-질화물 극성 및 무극성 발광 구조체에 관한 일반적인 문제점을 나타낸다.
본 발명의 목적은 장치 활성 영역의 도파관층 및/또는 장벽층에 최적의 인듐 및/또는 알루미늄 농도를 유입시키고 다수의 양자 우물을 구비하는 Ⅲ-질화물 발광 장치 구조체를 제공하는데 있다.
본 발명에서는, 도파관 및 장벽층내로 인듐을 유입하여 활성 QW가 효과적으로 얕아지게 함으로써 극성 및 무극성 Ⅲ-질화물 에미터에 있어서의 QW 주입 균일성을 개선한다. 원하는 방출 파장에 의거하여 인듐 유입이 개선된 도파관 및 장벽층의 최적의 화합물은, 스트레인 관리를 위해 알루미늄을 포함할 수 있다. 인듐이 없는 Ⅲ-질화물 구조에 있어서, 도파관 및 장벽층으로의 알루미늄 유입의 최적 레벨은 얕은 활성 QW 및 균일한 QW 주입을 보장하도록 유지되어야 한다.
Ⅲ-질화물 발광 장치의 도파관 및 장벽층에 최적의 인듐 및/또는 알루미늄을 유입하면 활성 QW의 주입 균일성을 개선하여, 그 구조체의 주입 효율이 전체적으로 높아지고, 레이저 다이오드의 임계 전류가 낮아지며, 발광 다이오드에 대한 외부 효율이 보다 높아지게 된다.
본 발명의 설명은 예시적인 것일 뿐 제한을 위한 것이 아니며, 첨부된 도면에 있어서 유사한 참조 번호는 유사한 소자를 나타낸다.
도 1은 장치의 전반적인 구조를 도시한 도면으로, 도면에서 인세트(inset)는 3-QW 활성 영역의 레이아웃을 세부적으로 나타낸다.
도 2는 동일 주입 레벨에서 도파관층에 인듐이 없는 전형적인 극성 및 무극성 MQW 발광 장치 구조체들의 3-QW 활성 영역에서의 전도대 및 원자가 전자대 프로파일을 도시한 것으로, 도면에서 점선은 전자 및 홀 준-페르미 레벨(electron and hole quasi-Fermi level)의 위치를 나타낸다.
도 3은 도파관층에 인듐이 없는 모델링된 3-QW 극성(C1) 및 무극성 (M1) 발광 장치 구조체에 있어서의 양자 우물 잔류 전하를 도시한 도면이다.
도 4는 도파관 층에 인듐이 없는 전형적인 극성(C1) 및 무극성(M1) 발광 장치 구조체에 있어서 주입 전류 밀도의 함수로서 활성 양자 우물의 전자 및 홀 군집을 나타낸 도면이다.
도 5는 도파관 및 장벽층내에 인듐을 가진(구조 M3) 본 발명의 Ⅲ-질화물 발광 장치의 활성 영역의 공칭 에너지 대역 프로파일을 나타낸 도면으로, 도면에서 점선은 도파관 및 장벽층내에 인듐이 없는(구조 M1) 장치의 대역 프로파일을 나타낸다.
도 6은 모델링된 장치의 활성 양자 우물의 전자 및 홀 군집의 불균일성에 대해 무극성 질화물 발광 장치의 도파관 및 장벽층내에 5%(구조 M2)인듐을 유입한 결과를 나타낸 도면이다.
본 발명의 이하의 상세한 설명에 있어서 "일 실시 예" 또는 "실시 예"에 대한 참조는, 그 실시 예와 관련되어 설명된 특정의 특징, 구조 또는 특성이 본 발명의 적어도 일 실시 예에 포함됨을 의미한다. 상세한 설명의 여러 곳에 있는 "일 실시 예에 있어서"라는 문구가 반드시 동일한 실시 예를 지칭하는 것은 아니다.
기존의 Ⅲ-질화물 발광 구조체에 있어서의 높은 레벨의 광학적 및 전기적 손실 때문에 활성 영역의 MQW(Mulitiple-QM) 설계가 필요하다. 극성 구조에 있어서, 강력한 빌트-인(built-in) 자생 및 피에조-편극 필드(spontaneous and piezo-polarization field)는 광학적 방출을 지배하는 P-측 QW를 간 서로 다른 QW들의 불균일 군집 환경을 생성한다(David등에 의한 "Carrier distribution in (0001)InGaN/GaN multiple quantum well light-emitting diodes," Applied Physics Letters , vol. 92, pp. 053502-3, 2008; Liu등에 의한 "Barrier effect on hole transport and carrier distribution in InGaN/GaN multiple quantum well visible light-emitting diodes," Applied Physics Letters , vol. 93, pp. 021102-3, 2008; 및 Xie등에 의한 "On the efficiency droop in InGaN multiple quantum well blue light emitting diodes and its reduction with p-doped quantum well barriers," Applied Physics Letters , vol. 93, pp. 121107-3, 2008 참조). 레이저 구조에 있어서, 언더-펌프형(under-pumped) QW은 그들의 대역간 흡수를 전체 손실에 추가하여, 레이저 임계치를 증가시킬 수 있다. 편극화된 QW내의 레이저 동작 상태(lasing state)들간의 공간 오버랩의 감소로 인해 광학적 이득이 보다 작아지게 되고 극성 레이저의 활성 영역내에 보다 많은 QW가 요구된다. 와이드-갭(wide-gap) Ⅲ 질화물에 있어서의 본질적으로 높은 투명 농도를 고려한다면, QW 개수의 증가는 극성 구조의 레이저 동작 임계치를 더욱 증가시킨다. 이에 따라 무극성 또는 반극성(semi-polar) 기술은 극성 템플릿에 대한 매력적인 대안으로 된다. 사실상, 내부 편극 필드가 없는 경우, 플랫-대역 상태에 도달하고 나면, 무극성 활성 영역내의 QW들은 보다 균일한 군집을 이루게 되고, 그에 따라 무극성 발광 장치에 대해 보다 낮은 임계치를 보장하게 된다. 강조할 것은, 내부 편극 필드가 없는 경우에도, 높은 QW 인듐 콘텐츠를 가진 무극성 MQW 구조는 광범위한 주입 전류하에서 변함없이 강한 불균일 QW 군집을 겪는다는 것이다. 본 명세서에서 보여준 결과는, 이러한 불균일성이 극성 및 무극성 템플릿의 공통적인 특징이라는 것을 나타낸다. 그것은 깊은 QW에서의 캐리어 감금(carrier confinement)에 의해 유발되어, 잔류 QW 전하에 의해 자기 일관성(self-consistent)있게 지원된다. 캐리어 군집 불균일성은 QW 깊이에 따라 증가하며, 그러므로, 보다 긴 파장의 에미터에서 더욱 현저하게 된다. 본 발명에서는, 도파관 및 장벽층내로 인듐을 유입하여 활성 QW가 효과적으로 얕아지게 함으로써 극성 및 무극성 Ⅲ-질화물 에미터에 있어서의 QW 주입 균일성을 개선한다. 원하는 방출 파장에 의거하여 인듐 유입이 개선된 도파관 및 장벽층의 최적의 화합물은, 스트레인 관리를 위해 알루미늄을 포함할 수 있다. 인듐이 없는 Ⅲ-질화물 구조에 있어서, 도파관 및 장벽층으로의 알루미늄 유입의 최적 레벨은 얕은 활성 QW 및 균일한 QW 주입을 보장하도록 유지되어야 한다.
현재의 Ⅲ-질화물 발광 장치의 상술한 단점이 주어지는 경우, 그러한 단점을 극복하는 것은 상당한 상업적 가치를 갖게 마련이다. 그러므로, 본 발명의 목적은 장치 활성 영역의 도파관층 및/또는 장벽층에 최적의 인듐 및/또는 알루미늄 농도를 유입시키고 다수의 양자 우물을 구비하는 Ⅲ-질화물 발광 장치 구조체를 제공하는데 있다. Ⅲ-질화물 발광 장치의 도파관 및 장벽층에 최적의 인듐 및/또는 알루미늄을 유입하면 활성 QW의 주입 균일성을 개선하여, 그 구조체의 주입 효율이 전체적으로 높아지고, 레이저 다이오드의 임계 전류가 낮아지며, 발광 다이오드에 대한 외부 효율이 보다 높아지게 된다. 본 발명의 추가적인 목적 및 장점은 첨부된 도면을 참조한 이하의 바람직한 실시 예의 상세한 설명으로부터 보다 명확해질 것이다.
인듐 및/또는 알루미늄이 도파관층 및 활성 영역 장벽층에 유입된 Ⅲ-질화물 MQW 발광 장치가 본 명세서에서 설명된다. 이하의 설명에서는, 설명을 위해 본 발명의 전반적인 이해를 제공하도록 여러 특정한 세부 사항이 설명될 것이다. 본 발명이 다른 특정의 세부 사항으로 실행될 수 있음을 당업자라면 명확히 알 것이다. 다른 예시에서는, 본 발명의 불명확성을 피하기 위해 구조 및 장치가 블럭도 형태로 도시된다.
도 1에는 본 발명의 Ⅲ-질화물 발광 반도체 장치(100)의 다층 절단 형태의 예시적인 실시 예가 도시된다. 도 1에 도시된 바와 같이, Ⅲ-질화물 발광 장치(100)의 바람직한 실시 예는 통상적으로 MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)라고 하는 잘 알려진 에피택셜 증착 프로세스를 이용하여 MQW 활성 영역을GaN(Gallium Nitride) 기판상에 성장시킨 반도체 다이오드 구조체이다. LPD(Liquid Phase Epitaxy), MBE(Molecular Beam Epitaxy), MOVPE(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy), HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy), H-MOVPE(Hydride Metal Organic Vapor Phase Epitaxy) 또는 다른 알려진 결정 성장 프로세스와 같은 다른 증착 프로세스가 이용될 수 있으며, 다른 기판 물질이 채용될 수 있다. 발광 장치의 예시적인 실시 예(100)에 의해 방출된 광의 원하는 파장 및 다른 관련 특성은, 활성 영역 층에 이용되는 Ⅲ-질화물 합금 화합물 InxGa1 - xN, AIyGa1 - yN 및 AIyINxGa1-x-yN과, 양자 우물층의 개수, 양자 우물층의 폭, MQW 활성 영역에서 양자 우물층을 분리하는 장벽층의 폭을 포함하는 다층 구조의 여러 설계 파라메타의 적절한 값을 선택함에 의해 달성될 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 다층 반도체 구조체의 예시적인 실시 예의 설계 파라메타는, 발광 장치(100)에 의해 방출된 광이 도미넌트 파장 450nm를 갖도록 선택된다. 그러나, 당업자라면 도 1의 다층 반도체 구조체의 예시적인 실시 예의 설계 파라메타의 선택을 통해 달성될 수 있는 파장 보다 더 짧거나 긴 파장 다른 파장을 달성하기 위해 도 1의 다층 구조체에 대한 상술한 파라메타를 선택하는 방법을 알 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 다층 반도체 구조체(100)는 원하는 결정 배향, 즉, 극성, 반극성 또는 무극성을 가진 두꺼운 GaN 기판 템플릿상에서 성장한 레벨 6×1018cm-3로 도핑된 두께 100nm의 Si-도핑형 GaN으로 된 n-컨택트층(162)을 포함한다. 전형적인 Ⅲ-질화물 장치 구조체에 있어서 기판(160)과 n-컨택트층(162)은 전형적으로, GaN이지만, 인듐-갈륨-질화물(InxGa1 - xN) 또는 알루미늄-인듐-갈륨-질화물(AIyInxGa1 -x- yN) 물질 합금이 도 1의 다층 반도체 구조체의 예시적인 실시 예의 기판(160) 및 n-컨택트층(162)을 위해 이용될 수 있다. n-컨택트층(162)상에, 전형적으로 500nm 두께 및 2×1018cm-3의 Si 도핑을 가진 n-형의 AIyGa1 -x- yN/GaN SL(SuperLattice)의 클래딩 층(cladding layer: 164)이 증착된다. 또한, InxGa1 - xN 및 AIyInxGa1 -x- yN 물질 합금이 클래딩 층(164)을 위해 이용될 수 있다. 클래딩 층(164)상에 전형적으로 Si가 1018cm-3의 레벨로 도핑된 100nm 두께의 n-형 GaN 도파관층(166)이 증착된다. InxGa1 - xN 및 AIyInxGa1 -x- yN 물질 합금이 도파관층(166)을 위해 이용될 수 있다. 도파관층(166)상에 InxGa1 - xN 장벽층(168)에 의해 이격된 다수의 In0.2Ga0.8N QW층(170)으로 이루어진 발광 장치 구조체의 활성 영역(131)이 증착된다. InxGa1-xN 또는 AIyInxGa1 -x- yN 물질 합금은 QW 층(170) 및/또는 장벽층(168)을 위해 이용되어, 원하는 대역갭 값을 실현한다. QW층(170)과 장벽층(168)은 발광 장치(100)의 최적의 성능을 달성하기 위해 도핑되거나 도핑되지 않을 수 있다. QW층(170)과 장벽층(168)의 두께는 각각 3nm 및 8nm로 선택될 수 있다. 그러나, 이들 층들의 두께는, 이용된 결정 배향에 의거하여 및 발광 장치(100)의 방출 특성을 원하는 방출 파장으로 동조시키기 위해 증가되거나 감소될 수 있다. 도 1의 다층 반도체 구조체의 예시적인 실시 예에 있어서, QW층(170)과 장벽층(168)의 상기 선택된 두께와 QW층(170)내로의 인듐 유입을 위한 x=0.2의 비제로값(non-zero value)은, 발광 장치(100)에 의해 방출된 광이 450nm의 도미넌트 파장을 갖도록 선택되었다.
비록 도 1이 3개의 QW로 이루어진 발광 장치(100)의 활성 영역(131)을 도시하고 있지만, 발광 장치(100)의 동작 특성을 미세하게 조정하기 위해 이용되는 QW의 개수를 증감시킬 수 있다. 또한, 발광 장치(100)의 활성 영역(131)은 양자 우물 대신에 다수의 양자 와이어(quantum wire) 또는 양자 도트(quantum dot)로 이루어질 수 있다.
활성 영역(131) 위에는, 도핑되거나 도핑되지 않을 수 있는 10nm 두께의 GaN 스페이서층(spacer layer)이 증착된다. 스페이서층(172) 위에는 대략 10×1018cm-3의 도핑 레벨을 가진 마그네슘(Mg)으로 p-도핑된 15nm 두께의 AIyGa1-yN 전자 차단층(174)이 증착된다. InxGa1-xN 또는 AIyInxGa1-x-yN 물질 합금이 스페이서층(172) 및 전자 차단층(174)을 위해 이용될 수 있다. 전자 차단층(174)은 발광 장치(100)의 동작 온도 및 임계 전류를 증가시킬 수 있는 전자 누설 전류를 감소시키기 위한 것이다.
전자 차단층(174) 위에는, 전형적으로 1019cm-3의 레벨로 도핑된 마그네슘(Ma)일 수 있는 100nm 두께의 p-형 GaN 도파관층(176)이 증착된다. 도파관층(176) 위에는, 전형적으로 1019cm-3의 레벨로 도핑된 마그네슘(Ma)일 수 있는 400nm 두께의 AIyGa1-yN/GaN SL 클래딩층(178)이 증착된다. 클래딩층(178) 위에는, 전형적으로 1019cm-3의 레벨로 도핑된 마그네슘(Ma)일 수 있는 50nm 두께의 p-형 GaN 컨택트층(179)이 증착된다. InxGa1-xN 또는 AIyInxGa1-x-yN 물질 합금이 도파관층(176), 클래딩층(178) 및 컨택트층(179)을 위해 이용될 수 있다.
다층(164-166-131-172-174-176)은 MQW 활성 영역(131)에 의해 생성된 광이 감금되는 발광 장치(100)의 광학적 감금 영역 또는 광학적 공진기로서 당업자에게 알려져 있다. 그러한 광학적 감금 구조는 전형적으로 공진 캐비티(resonant cavity) 발광 다이오드 장치에 있어서의 광 리사이클(light recycling) 또는 레이저 다이오드 장치의 구현에 있어서 요구되는 피드백을 제공하는데 이용된다.
본 발명의 Ⅲ 질화물 발광 장치 구조체(100)의 예측된 장점은 시뮬레이션에 의해 설명된다. 캐리어 운송 시뮬레이션의 경우, Ⅲ-질화물 장치 모델링을 위해 종래의 드리프트-확산 근사법이 넓게 허용된다(J. Piprek, Optoelectronic devices : advanced simulation and analysis. New York: Springer, 2005; 및 J. Piprek, "Nitride Semiconductor Devices: Principles and Simulation," Berlin: Wiley-VCH Verlag GmbH, 2007, p. 496 참조). 본 발명자에 의한 시뮬레이션에 있어서, 활성 QW내의 캐리어 감금의 세부적인 모델링에 특정의 주의가 요구되었다. 스트레인 유발 변형 포텐셜(deformation potential) 및 원자가 전자대 혼합 항(valence band mixing terms)를 가진 멀티-대역 해밀토니안(multi-band Hamiltonian)을 이용하여 Ⅲ-질화물 QW 서브대역 구조체 및 우물내 전하 분포(intra-well charge distribution)를 자기 일관성 있게 계산하였다(M. V. Kisin에 의한 "Modeling of the Quantum Well and Cascade Semiconductor Lasers using 8-Band Schronger and Poisson Equation System," in COMSOL Conference 2007, Newton, MA, USA, 2007, pp. 489-493 참조). 채용된 장치 시뮬레이션에 의해 극성 및 무극성 템플릿을 포함하는 임의 결정학적 배향으로 성정한 Ⅲ-질화물 QW의 모델링이 가능해진다(Kisin등에 의한 "Modeling of III-Nitride Quantum Wells with Arbitrary Crystallographic Orientation for Nitride-Based Photonics," in COMSOL Conference 2008, Boston, MA, USA, 2008 참조). 시뮬레이션된 QW 특성들은 내부 편극 필드의 QW내 스크리닝(intra-QW screening)과 QW 서브대역들간의 열적 캐리어 재분산을 고려한다(Kisin등에 의한 "Optical characteristics of III-nitride quantum wells with different crystallographic orientations," Journal of Applied Physics , vol. 105, pp. 013112-5, 2009; 및 Kisin 등에 의한 "Optimum quantum well width for III-nitride nonpolar and semipolar laser diodes," Applied Physics Letters , vol. 94, pp. 021108-3, 2009 참조). COMSOL-기반 프로그래밍에 의해 운송 모델링으로의 서브 대역 DOS(Densith of State) 파라메타, 스크린된 편극 필드, QW 방사 재조합 레이트 및 QW 감금 에너지 레벨의 주입 의존도의 자기 일관성 합체가 가능해진다(Kisin등에 의한 "Software Package for Modeling III-Nitride Quantum-Well Laser Diodes and Light Emitting Devices," in COMSOL Conference 2009, Boston, MA, USA, 2009 참조).
특히, 모델링된 벤치마크(benchmark) 장치 구조체, 극성 C-1 및 무극성 M-1은 무극성 및 극성 결정 배향을 위한 3nm 및 2.5nm폭의 3개의 In0.2Ga0.8N QW와, 각각 8nm폭을 가진 2개의 n-도핑된 GaN 장벽과, 15nm 폭의 Al0.15Ga0.85N p-도핑된 전자-차단층(EBL)으로부터 상술한 MQW층을 분리하는 10nm 폭의 도핑되지 않은 GaN 스페이서층을 포함한다. MQW 활성 영역은 100nm n-도핑된 GaN 도파관층과 p-도핑된 GaN 도파관층 사이에 샌드위치된다. 모델링을 위한 모든 마이크로스코픽 파라메타(microscopic parameter)들은, Moret등에 의한 "Optical, structural investigations and band-gap bowing parameter of GaInN alloys," Journal of Crystal Growth, vol. 311, pp. 2795-2797, 2009으로부터 차용된 높은 값의 InGaN 기초 대역-갭 바우잉 계수(fundamental band-gap bowing coefficient)인 2.8eV를 제외하고는, 모두 Vurgaftman등에 의한 "Electron band structure parameters," in Nitride semiconductor devices: Principles and simulation, J. Piprek, Ed.: Wiley, New York, 2007, pp. 13-48로부터 추출되었다. 원자가 대 전도 대역 오프셋 비율(valence to conductionband offset ratio)은 모든 인터페이스에 대해 3:7이다. 모든 모델링된 장치 구조에 대해, GaN 도파관 물질의 격자를 맞추도록 탄력적으로 변형되는 QW층과 함께 활성 영역의 부정형 성장이 추정되었다. 모델링 결과에 대해 허용된 특정 물질 파라메타 값들중 어느 것도 결정적인 것은 없다. 본 발명에 따른 모델링에서 실증된 QM 군집 불균일성은 장파장 Ⅲ-질화물 광 에미터의 특징적인 특성인 활성 영역에서의 깊은 QW의 존재로부터 전적으로 기인한다.
도 1에 도시된 것과 실질적으로 동일한 다층 구조체를 가진 4개의 발광 장치 구조체가 본 발명의 장점을 실증하기 위해 비교 목적으로 모델링되었다. 제 1 발광 장치 구조체(C-1로 표기됨)는 c-평면 (극성) 결정 배향상에 성장되는 것으로 가정했고, 제 2, 제 3 및 제 4 장치 구조체(M-1, M-2 및 M-3으로 표기됨)는 m-평면(무극성) 결정 배향상에 성장되었다고 가정했다. 발광 장치 구조체 레이아웃 C-1 및 M-1은 도파관 및 장벽층에 인듐을 유입한 본 발명의 발광 장치 구조체 M-2 및 M-3과 비교된다(테이블 1 참조). c- 평면(극성) 및 m-평면(무극성) 성장 MQW의 방사 특성 및 서브 대역 구조의 세부적인 비교는, Kisin등에 의한 "Optical characteristics of III-nitride quantum wells with different crystallographic orientations," Journal of Applied Physics , vol. 105, pp. 013112-5, 2009; 및 Kisin에 의한 "Optimum quantum well width for III-nitride nonpolar and semipolar laser diodes," Applied Physics Letters , vol. 94, pp. 021108-3, 2009에서 발견될 수 있다. MQW 군집 다이나믹(dynamic)의 실감나는 시뮬레이션을 보장하기 위해, 마이크로스코픽 모델링동안에 획득한 MQW 주입 레벨에 대한 서브대역 DOS(Density of State), 방사 재조합 레이트, 스크린된 편극 필드 및 감금된 에너지 레벨의 의존성이 COMSOL 인터프로그램 데이터 간삽 절차를 통해 운송 모델링에 이용되었다. QW 파라메타의 일부는 극성(C-1) 및 무극성(M-1, M-2 및 M-3) 장치 구조에 대한 테이블 1에 제시된다. 모델링에 사용된 유효 벌크 파라메타(effective bulk parameter)는 방사 상수 B=0.2×10-10cm3/s, 캐리어 비방사 SRH-재조합 수명 te=10ns 및 th=20ns와, 오거(Auger) 재조합 계수 C=10-30cm6/s를 포함한다. 이들 값들은 전형적인 실험 추정치에 아주 근접한다(Zhang등에 의한 "Direct measurement of Auger recombination in In0.1Ga0.9N/GaN quantum wells and its impact on the efficiency of In0.1Ga0.9N/GaN multiple quantum well light emitting diodes," Applied Physics Letters, vol. 95, pp. 201108-3, 2009 참조). 다시 강조하면, 상술한 파라메타들 중 어느 것도 본 발명의 장점을 실현하는데 결정적인 것은 아니며, 깊은 Ⅲ-질화물 MQW의 강한 캐리어 감금에 의해 우선적으로 결정된다.
QW 파라메타 극성 무극성
C-1 M-1 M-2 M-3
QW 물질 대역 갭
(300K, 스트레인) (eV)		 2.725 2.618 2.618 2.618
도파관 인듐(%) 0 0 5 10
QW 대역 오프셋 (△ｃ/△v)
(meV)		 498/214 573/246 381/163 273/117
주 광학적 천이
c1-h1 (eV)		 2.647 2.748 2.733 2.730
방출 파장
(nm)		 468 451 454 454
모델화된 극성 및 무극성 MQW 발광 구조체의 필수 파라메타
도 2는 1.5kA/㎠의 높은 주입 레벨로 계산된 벤치마크 장치 구조 C-1 및 M-1의 활성 영역 대역 프로파일을 비교한 도면이다. 중요한 것은, 그러한 높은 주입 레벨에서도, 무극성 구조 M1에서는 플랫-대역 상태가 달성되지 않는다는 것이다. 이것은, EPL의 양측면상의 편극-유도형 포텐션 포켓의 편극 우물간(inter-well) 포텐셜 장벽 및 강한 캐리어 축적과 같은 극성 구조 C1의 전형적인 부정적 특징이 장치 구조 M-1에는 존재하지 않음에도 불구하고 여전히 그러하다. 대신, 가장 끝의 N-측 QW의 음의 잔류 전하로 인한 강한 쿨롬(Coulomb) 장벽이 무극성 구조체의 활성 영역의 강한 내부 필드에 제공되는 무극성 구조체 M-1의 특성이다(도 2 구조 M-1 참조). 비슷한 주입 레벨의 경우, 무극성 구조체 M-1의 활성 영역에서의 내부 필드는 극성 구조체 C-1에서의 내부 필드와 아주 비슷하다. 무극성 구조 M-1의 활성 영역에서의 내부 필드는 QW1(음)으로 표기된 가장 끝의 N-측 양자 우물 및 QW3(양)으로 표기된 가장 끝의 P-측 양자 우물의 역전하(opposite charge)에 의해 지지된다(도 3 참조). 극성 구조체 C1에 있어서, QW 전하는 역전하임을 알아야 한다. 강한 캐리어 오버플로우(overflow)가 발생하는 경우, QW는 매우 높은 주입 전류 밀도로 대전된 채로 유지된다. 오버플로우가 구축되는 경우의 전형적인 주입 레벨값은 극성 구조체(C-1)의 경우에는 약 1kA/㎠이고, 무극성 구조체(M-1)의 경우에는 약 15kA/㎠이다. 극성 구조체(C-1)의 열등한 특성은 EBL 경계에서의 전하 축적에 기인한 EBL 저하에 의해 설명된다(도 1 참조). EBL없는 두 구조체의 모델링은, 캐리어 오버플로우가 활성 영역에서의 대역 프로파일의 관측된 밴딩(observed banding)과 무관함을 보여주며, EBL 없는 구조체에서는 보다 낮은 주입에서 누설이 시작되지만 주어진 전류 밀도에 대한 활성 영역 빌트-인 필드(active region built-in field)는 사실상 동일하게 유지된다.
MQW 군집은 본질적으로 증가된 주입 레벨(즉, 전기적 바이어스)로 수렴하는 경향이 있다. 도 4는, 극성 구조체(C-1)에 있어서 그러한 수렴이 대략 10A/㎠의 낮은 주입 레벨에서 시작하지만, 가장 끝의 P-측 QW3의 관련 군집은 10kA/㎠를 초과하는 아주 높은 주입 레벨까지 우세함을 보여준다. 무극성 구조체(M1)에 있어서, QW 군집의 비균일성은 광범위한 주입 전류에서 아주 강하게 유지되며, 가장 끝의 N-측 QW1에 의해 지배된다.
서로 다른 QW 폭과 화합물을 가진 QW 구조체의 모델링은, QW의 불균일성을 일으키는 가장 중요한 요소가 전자 및 홀 QW의 깊이임을 보여주며, QW내 스크리닝(intra-QW screening)의 세부 사항, 서브대역간 캐리어 재분산(intersubband carrier redistribution), 방사 및 비방사 재조합 레이트, 층 도핑에 있어서의 변화 및 캐리어 이동도가 부차적으로 중요한 것임을 입증한다. 발명자의 모델링은, MQW 깊이가 홀에 대해 100meV 및 전자에 대해 200meV를 초과할 때 발생하는 충분한 캐리어 감금에 의해, 발명자의 벤치마크 레이아웃 C-1 및 M-1의 활성 영역 MQW가 항상 불균일하게 군집됨을 보여준다. 대역 오프셋 비율을 가변함에 의해, 그 모델링이 나타내는 것은, 보다 강한 홀 감금 및/또는 보다 약한 전자 감금에 의해 P-측 QW의 군집이 지배적으로 되며, 반면 보다 강한 전자 감금 및/또는 보다 약한 홀 감금에 의해 가장 끝의 N-측 QW가 지배적으로 된다는 것이다.
잔류 MQW 전하의 자기 일관성 동작에 의해 모델링 결과는 쉽게 설명될 수 있다. 극성 구조체 C-1에 있어서, 내부 편극 필드의 영향때문에, MQW는 사실상 보다 얕아지고 도파관층으로의 전자의 열적 탈출이 보다 효율적으로 된다. 이에 따라 P-측 QW로의 전자의 후속적인 드리프트-확산 운송이 용이해지고, 극성 구조체에 있어서의 홀 주입은 EBL에 의해 강력하게 저지된다(도 2(C-1) 참조). 스페이서-EPL 인터페이스에서의 강한 전자 축적은 P-측 QW의 지배력(dominance)을 보조한다. 동일한 화합물의 무극성 구조체에 있어서, MQW는 사실상 더 깊어진다. 이것은 도파관으로의 전자 탈출을 억제하고, P-측 QW로의 전자 드리프트를 차단한다. 다른 한편, 무극성 EPL를 통한 홀 주입은 보다 효율적으로 된다(도 2(M-1) 참조). 이에 따라 그 구조체를 통해 네거티브하게 대전된 N-측 QW로 홀을 운송하는 것이 용이해지고, 그의 군집이 향상된다. 그러나, 매우 높은 주입 레벨에서는, 도파관을 통한 전자 운송이 충분하게 이루어지고, P-측 MQW는 지배력을 회복한다.
캐리어 감금에 영향을 주는 활성 영역 설계의 특성은 MQW 군집 균일성에 영향을 준다. 예를 들어, 무극성 구조에 있어서, 보다 넓은 QW의 이용은 광학 모드 감금을 개선하며, 보다 긴 파장의 방출에 도달할 수 있게 하지만, 동시에 그 구조체가 불균일한 QW 주입에 더욱 취약하게 되도록 한다. 발명자의 모델링은, 도파관 및/또는 장벽층으로 인듐을 유입하여 MWQ 깊이 및 캐리어 감금을 감소시킴으로써 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 불균일한 주입 단점이 보상될 수 있음을 보여준다. 도 5에는 본 발명의 Ⅲ-질화물 발광 장치(100)의 바람직한 실시 예의 공칭 에너지 대역 프로파일(전기적 바이어스 및 스페이스-전하 전기 필드가 없음)이 도시된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 발광 구조 도파관층 및 장벽층으로의 인듐의 유입은 보다 얕은 양자 우물의 실현을 보장한다. 보다 얕은 QW는 무극성 결정 배향에 구현될 때, 본 발명의 발광 장치 구조체(100)가 그의 MQW내에 전하 캐리어 군집 균일성을 달성하고, 그 결과, 보다 높은 주입 효율과 레이저 다이오드에 있어서의 보다 낮은 레이저 동작 임계치를 달성할 수 있게 한다.
도 6은 도파관 및 장벽층으로의 5%(M-2) 및 10%(M-3) 인듐 유입을 특징으로 하는, 본 발명의 발광 장치(100)의 무극성 구조체 M-2 및 M-3의 도파관 및 장벽층으로의 인듐 유입 효과를 보여준다. 구조체 M-2 및 M-3의 활성 MQW들간의 전하 캐리어(전자 및 홀)의 균일한 분포는 구조체의 보다 높은 주입 효율과 발광 장치의 보다 높은 광학적 출력을 제공한다는 것을 아는 것이 중요하다.
마찬가지로, 보다 좁은 QW 폭의 이용은 MQW 군집의 균일성을 개선할 수 있게 한다. 보다 넓은 QW에서는, 캐리어 감금이 보다 강해지고, 캐리어 에너지 레벨은 에너지의 보다 깊은 곳에 위치하게 된다. 이와 반대로, 좁은 QW은 사실상 보다 얕아지며, 좁은 QW에 있어서의 캐리어 감금은 보다 약화된다. 그러므로, 좁은 QW의 이용은 활성 QW의 균일한 군집을 달성하기 위한 목적과 도파관층으로의 인듐 유입을 보완해준다. 그러나, QW 폭은 QW 군집의 균일성과 얕은 QW의 열적 군집 감소(thermal depopulation)간의 트레이드오프(tradeoff)의 주체이며, Ⅲ-질화물 발광 MQW 구조체의 최적 폭은 5nm를 초과하지 않아야 한다(Kisin등에 의한 "Optimum quantum well width for III-nitride nonpolar and semipolar laser diodes," Applied Physics Letters , vol. 94, pp. 021108-3, 2009 참조). 무극성 구조체에서는 QW를 좁히는 것이 보다 효율적임을 아는 것이 중요하다. 극성 QW에 있어서 효율적인 QW의 폭은 내부 편극 필드의 영향으로 인해 공칭값보다 더 작으며, 그에 대응하여, 캐리어 감금이 보다 약화된다. 예를 들어, 발명자의 모델링은, 구조체 C-1에서 QW 폭을 2nm로 변경하더라도 상대적인 QW 군집이 현저하게 변화하지 않으며, 구조체 M-1에서 QW 폭을 유사하게 변경하면 MQW 군집이 100A/㎠의 훨씬 낮은 주입 레벨에서 수렴하게 됨을 보여준다.
본 발명의 Ⅲ-질화물 발광 장치(100)의 주요 특징들 중 하나, 즉 도파관층(166)으로의 인듐의 유입의 추가적인 장점은, 그러한 특징이 MQW 층(170)으로의 보다 높은 인듐 유입(보다 높은 레벨의 인듐 유입을 의미함)을 용이하게 한다는 것이다. 표 1의 장치 구조체 C-1과 같은 전형적인 Ⅲ-질화물 발광 장치에 있어서, 도파관층(166)층으로 유입된 인듐이 없는 것(x가 0의 값임을 의미함)으로부터 제 1 양자 우물층 QW-1(170)에 유한 비율 "x"의 인듐이 있는 것으로의 천이는, MQW(170)로의 원하는 유입 비율 "x"의 효과적이면서 균일한 인듐 유입을 방해하는 두 층들간의 상당히 큰 격자 부정합을 유발한다. 그러한 영향은 MQW내의 높은 인듐 레벨의 유입을 방해하여, Ⅲ-질화물 발광 장치로부터 보다 긴 파장의 광 방출이 이루어지지 못하게 한다. 상술한 높은 주입 효율을 달성하는 장점 이외에, 도파관층(166)으로의 인듐의 유입으로 인해, 도파관층과 QW-1층(170)간의 결정 격자 부정합이 감소되고, 그 결과, 본 발명의 Ⅲ-질화물 발광 장치(100)의 MQW층(170)으로의 보다 높은 비율 "x"의 인듐의 효과적이면서 균일한 유입이 용이해진다. 그러므로, MQW층(170)으로의 높은 비율 "x"의 인듐 유입은 도파관층(166)로의 인듐 유입에 의해 용이하게 이루어지며, 그에 의해 도 5에 도시된 바와 같이 도파관층(166)에 걸쳐서 비율 "x"의 인듐이 점진적으로 또는 단계별로 이산 증가(discrete increase)함에 따라 도판관층으로의 인듐 유입이 이루어진다.
요약하면, 수치적 시뮬레이션 및 모델링을 통해, 장치 구조체의 도파관/장벽층으로 인듐이 유입되는(인듐 유입 비율 "x"가 0이 아님을 의미) 본 발명의 발광 장치 구조체는 전하 캐리어 군집 균일성을 개선하여, 높을 주입 효율 및 낮은 임계 Ⅲ-질화물 발광 장치가 실현됨을 보여 준다.
상술한 상세한 설명에 있어서, 본 발명은 특정의 실시 예를 참조하여 설명되었다. 그러나, 본 발명의 넓은 사상 및 범주를 벗어나지 않고도 여러 변형 및 변경이 이루어질 수 있음은 명백하다. 따라서, 설계 세부 사항 및 도면은 제한적이 아닌 예시적인 것으로 간주되어야 한다. 당업자라면, 본 발명의 일부가 바람직한 실시 예에 대한 상술한 구현과 다르게 구현될 수 있음을 알 것이다. 예를 들어, 당업자라면 본 발명의 도파관 및 장벽층에 최적의 인듐 및/또는 알루미늄이 유입된 다수의 양자 우물을 포함하는 Ⅲ-질화물 발광 장치 구조체가, 양자 우물의 개수, 양자 우물의 폭, 장벽의 폭, 도파관층내의 인듐 및/또는 알루미늄 유입 비율, 장벽층내의 인듐 및/또는 알루미늄 유입 비율, 전공 차단층(EBL)의 화합물, p-도핑 및 n-도핑층의 도핑 레벨, 장치의 도파관 및 클래딩층의 두께의 여러가지 변형에 의해 구현될 수 있음을 알 것이다.
상술한 설명에 있어서, 예시적인 실시 예는 원하는 결과를 달성하기 위해 합금내의 주요 성분으로서 인듐을 사용하였음을 알아야 한다. 이러한 선택은 방출될 광의 원하는 파장을 우선적으로 달성하기 위해서이다. 그러나, 본 발명은 적어도 적외선에서 자외선까지의 범위로 방출하는 발광 장치에 이용될 수 있음을 알아야 한다. 따라서, 특히 자외선을 통한 청색을 위해, 알루미늄이 원하는 대역-갭을 획득하기 위한 주요 성분일 수 있다. 따라서, 일반적으로, 본 발명의 실시 예는, x 및/또는 y가 0이 되도록 허용되는 경우에 이들 합금에 대한 가장 일반적인 표현인 Ⅲ-질화물 합금 InxGa1 - xN, AIyGa1 - yN 및/또는 AIyINxGa1 -x- yN을 이용할 것이다. 본 발명의 장치의 상대적인 성능은 N-도핑된 도파관 및 장벽층에 대해 AIyINxGa1 -x- yN(x 및/또는 y는 0이 아님)을 이용하는 발광 장치의 성능과 x와 y가 0인 대응하는 발광 장치의 성능을 비교함에 의해 결정된다. 이와 관련하여, 활성 복수 양자 우물 영역(active multiple quantum well region)에 인접한 N-도핑된 도파관은, 0값의 x 및 y(즉, GaN)에서 AIyINxGa1 -x- yN(x 및/또는 y는 0이 아님)로 점진적으로 또는 단계별로 커지는 대역-갭을 가질 수 있음을 알 것이다. 이와 관련하여, 도 5로부터, N-형 도파관의 대역-갭은 다수의 양자 우물 영역내의 장벽층의 대역-갭과 대략적으로 동일한것이 바람직함을 알 것이지만, 일반적으로 이것으로 본 발명이 제한되는 것은 아니다.
당업자라면 기본적인 원리 및 교시로부터 벗어나지 않고도 본 발명의 상술한 실시 예의 세부 사함에 많은 변경이 이루어질 수 있음을 알 것이다. 본 발명의 범주는 단지 이하의 청구범위에 의해 결정되어야 한다.
100: 장치 구조체
131 : 활성 영역
160 : 기판
162 : N-컨택트 층
164: N-클래딩 층
166 : N-도파관
168 : 장벽
170 : 양자 우물
172 : 스페이서 층
174 : 전자 차단층
176 : P-도파관
178 : P-클래딩 층
179 : P-컨택트 층

Claims (14)

  1. 극성, 반극성(semi-polar) 또는 무극성(non-polar) 결정 배향상에 Ⅲ-질화물 합금 물질을 이용하여 제조된 고체 상태 발광 장치로서,
    기판과;
    P-클래딩 층과;
    N-클래딩 층; 및
    상기 P-클래딩 층과 N-클래딩 층 사이에 광학적 감금 영역을 형성하는 다층(multiple layers)을 포함하되,
    상기 다층은 P-도핑된 도파관층, 전자 차단층, 활성 복수 양자 우물 영역(active multiple quantum well region) 및 N-도핑된 도파관 영역으로 그룹화되며,
    상기 활성 복수 양자 우물 영역은 다수의 양자 우물과 장벽층들을 형성하기 위한 다수의 층들을 포함하고, 상기 N-도핑된 도파관 영역 및 상기 장벽층과 연관된 대역-갭은 상기 층들내의 인듐 및/또는 알루미늄의 유입을 통해 실현되며, 상기 고체 상태 발광 장치는, 홀에 대해 100meV 및 전자에 대해 200meV를 초과하지 않도록 다수의 양자 우물의 깊이를 감금함에 의해, 활성 복수 양자 우물 영역의 일정한 불균일한 군집(constant non-uniform population)을 회피하는,
    고체 상태 발광 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 N-도핑된 도파관 영역과 상기 장벽층내의 인듐 및/또는 알루미늄의 양은 다수의 양자 우물과 N-도핑된 도파관 영역과 장벽층의 대역-갭들간의 대역-갭 차이를 감소시키도록 선택되는
    고체 상태 발광 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 장벽층의 대역-갭은 활성 복수 양자 우물 영역에 인접한 N-도핑된 도파관 영역의 대역-갭과 동일한
    고체 상태 발광 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 활성 복수 양자 우물 영역과 N-도핑된 도파관 영역은 삼원(ternary) 반도체 합금 물질 InxGa1 - xN 및 AIyGa1 - yN 또는 사기(quaternary) 반도체 합금 물질 AIyINxGa1-x-yN을 이용하여 제조되며, 상기 아래 첨자 "x" 및 "y"는 다수의 양자 우물, 장벽 및 N-도핑된 도파관층에 이용되는 합금 화합물을 나타내는,
    고체 상태 발광 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 다수의 양자 우물내의 합금에 대한 "x" 및 "y"의 값은, 상기 고체 상태 발광 장치가 원하는 범위의 파장 내의 광을 방출할 수 있도록 선택되는
    고체 상태 발광 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 장벽층 및 도파관층내의 합금에 대한 "x" 및 "y"의 값은 다수의 양자 우물에 균일한 캐리어 분포를 제공하도록 선택되는
    고체 상태 발광 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 장벽층내의 합금에 대한 "x" 및 "y"의 값은, 다수의 양자 우물들간에 균일한 캐리어 군집을 이루어, "x" 및 "y"의 값이 0일 때 보다 높은 주입 효율을 제공하도록 선택되는
    고체 상태 발광 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 N-도핑된 도파관층내의 합금에 대한 "x" 및 "y"의 값은, 다수의 양자 우물들간에 균일한 캐리어 군집을 이루어, 화합물 "x" 및 "y"가 0일 때 보다 높은 주입 효율을 제공하도록 선택되는
    고체 상태 발광 장치.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 N-도핑된 도파관층내의 합금에 대한 "x" 및/또는 "y"의 값은, 다수의 양자 우물과의 격자 정합을 위한 점증식 비-제로값 범위(a range of increasing non-zero values)에 걸쳐서 점진적으로 가변하도록 선택되는
    고체 상태 발광 장치.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 N-도핑된 도파관층내의 합금에 대한 "x" 및/또는 "y"의 값은, 다수의 양자 우물과의 격자 정합을 위한 점증식 비-제로값 범위에 걸쳐서 이산적인 단계(discrete step)로 가변하도록 선택되는
    고체 상태 발광 장치.
  11. 제 4항에 있어서,
    상기 N-도핑된 도파관층내의 합금에 대한 "x" 및/또는 "y"의 값은, 장벽층의 대역-갭과 동일한 활성 복수 양자 우물 영역에 인접하는 대역-갭을 획득하기 위해, 점증식 비-제로값 범위에 걸쳐 N-도핑된 도파관내의 대역-갭을 점진적으로 가변시키도록 선택되는
    고체 상태 발광 장치.
  12. 제 4항에 있어서,
    상기 N-도핑된 도파관층내의 합금에 대한 "x" 및/또는 "y"의 값은, 장벽층의 대역-갭과 동일한 활성 복수 양자 우물 영역에 인접하는 대역-갭을 획득하기 위해, 점증식 비-제로값 범위에 걸쳐 N-도핑된 도파관내의 대역-갭을 이산적인 단계로 가변시키도록 선택되는
    고체 상태 발광 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    다수의 양자 우물들은 다수의 양자 우물내에 균일한 캐리어 군집을 제공하도록 좁은
    고체 상태 발광 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 고체 상태 발광 장치는 고 주입 효율 레이저 다이오드 또는 발광 다이오드 장치로서 실현되는
    고체 상태 발광 장치.
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