KR101773709B1 - AlN 위에 성장된 스트레인이 감소한 고효율 자외선 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물 발광다이오드 - Google Patents
AlN 위에 성장된 스트레인이 감소한 고효율 자외선 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물 발광다이오드 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101773709B1 KR101773709B1 KR1020160056386A KR20160056386A KR101773709B1 KR 101773709 B1 KR101773709 B1 KR 101773709B1 KR 1020160056386 A KR1020160056386 A KR 1020160056386A KR 20160056386 A KR20160056386 A KR 20160056386A KR 101773709 B1 KR101773709 B1 KR 101773709B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- quantum well
- aln
- strain
- well structure
- light emitting
- Prior art date
Links
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 6
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 19
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 11
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 6
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 6
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 5
- 238000001748 luminescence spectrum Methods 0.000 description 4
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 229910052984 zinc sulfide Inorganic materials 0.000 description 2
- -1 InN Substances 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000005283 ground state Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/04—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/04—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
- H01L33/06—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction within the light emitting region, e.g. quantum confinement structure or tunnel barrier
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/12—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a stress relaxation structure, e.g. buffer layer
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/26—Materials of the light emitting region
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Led Devices (AREA)
Abstract
본 발명은 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물구조를 구비하는 발광다이오드에 있어서, 상기 양자우물구조는 적어도 하나의 서로 교대로 적층된 BAlGaN 우물층과 BAlGaN 장벽층의 적층구조를 포함하며, 양자우물구조의 스트레인이 0.2% 내지 0.8%인 발광다이오드를 제공한다.
Description
본 발명은 특히 자외선 영역에서 사용가능한 발광다이오드에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 AlN에 거의 격자 정합된 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물구조를 활용하여 고효율 발광다이오드를 제작하는 기술에 관한 것이다.
AlN, GaN, InN 과 이들의 합금과 같은 III-질화물계 화합물 반도체는 열적 안정성과 높은 열전도성, 기계적 강도, 화학적 안정성을 가지는 우수한 와이드 밴드갭 반도체이다. 이러한 특성들은 발광다이오드와 레이저 다이오드 등 자외선 영역에서 녹색광 영역까지 획기적인 구동 특성으로 발전을 이루었다.
그러나, 자외선 영역에서 우수한 특성을 가지고 구동되기 위해서는 몇가지 향상되어야 할 장애물들이 있다. 첫 번째는 AlGaN와 AlN 사이에 존재하는 격자 부정합 문제이다. 이는 활성층에서 발광재결합율(radiative recombination)의 감소와 심각한 전자 유출을 초래한다.
한편, BAlGaN 시스템은 최근에 자외선과 Deep 자외선 영역의 응용에서 유망한 후보로 제안되었다. AlGaN 시스템과 비교하여 보론 함유 III-질화물계는 비교적 새로운 물질로 밴드갭, 상수, 굴절율 엔지니어링에 많은 이점이 있다.
몇개 그룹이 AlN에 격자정합된 BAlGaN 성장에 대해 보고하였다. 그러나, 이론적인 계산 결과는 BAlGaN/AlN 양자우물 구조에서의 내부 필드는 AlN 에 격자정합되는 조건에 근접할수록 급격하게 증가되고 이러한 현상으로 인해 발광은 현저하게 감소함을 보여준다. 이것은 wurtzite BN에 대한 spontaneous 분극의 크기가 현저하게 크기 때문이다 (-2.174C/m2). 이것은 wurtzite AlN에 대한 것 보다 무려 25배 더 크다(-0.090C/m2). 따라서, 우수한 효율과 높은 결정성을 동시에 만족하기 위해서, BAlGaN 타입의 양자우물 구조에서는 내부 필드를 감소시키는 것이 매우 중요하다. 그러나, 이 부분에 대해서는 거의 연구가 되어 있지 않다.
(1) S.-H. Park, J. Appl. Phys. 110, 063105 (2011),
(2) S.-H. Park, Y.-T. Moon, D.-S. Han, J. S. Park, M.-S. Oh,
and D. Ahn, Appl. Phys. Lett. 99, 181101 (2011).
본 발명의 목적은 자외선 영역에서 고효율 발광다이오드를 구현하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 종래의 AlyGa1-x-yN/AlN 양자우물 구조 보다 우수한 특성을 가지는 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/ Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물구조의 적절한 조성을 제공하는 것이다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일측면은 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물구조를 구비하는 발광다이오드에 있어서, 상기 양자우물구조는 적어도 하나의 서로 교대로 적층된 BAlGaN 우물층과 BAlGaN 장벽층의 적층구조를 포함하며, 상기 양자우물구조의 스트레인이 0.2% 내지 0.8%인 것을 특징으로 하는 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/ Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물구조를 구비하는 발광다이오드를 제공한다.
바람직하게는, 상기 양자우물구조는 AlN 버퍼층 상부에 형성된다.
바람직하게는, 상기 우물층의 두께는 1 내지 3 nm, 상기 장벽층의 두께는 3-10 nm 이다.
본 발명에 의하면, 종래의 AlyGa1-x-yN/AlN 양자우물 구조 보다 우수한 광세기와 효율 특성을 가지는 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/ Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물구조를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라서, Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/ Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물을 구비하는 발광다이오드의 일예를 도시한 도면이다.
도 2a는 여러 가지 스트레인을 가진 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물 구조(x1, x2, y1, y2 는 0이 아님)에 대한 자발방출 스펙트럼을 도시하고 있고, 도 2b는 스트레인의 함수로 주어진 피크 강도를 보여주고 있다.
도 3a는 보론 함량의 함수로 스트레인과 내부 필드를 나타낸 도면이고, 도 3b는 zero 내부 필드와 zero 스트레인을 주는 보론 함량을 나타내며, 도 3c는 BxAlyGa1-x-yN/AlN 양자우물구조에 대한 Al 함량의 함수로 내부 필드 Fz을 나타낸다.
도 4a는 자발광 스펙트럼, 도 4b는 광학 매트릭스요소, 도 4c는 격자정합된 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/ Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물에 대한 포텐셜을 나타낸다.
도 5a는 자발광 스펙트럼, 도 5b는 스트레인 0.5%로 거의 격자정합된 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/ Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물에 대한 광학 매트릭스요소를 나타낸다.
도 6a는 종래의 Al0.27Ga0.73N/AlN 양자우물 구조의 포텐셜 프로파일, 도 6b는 B0.07Al0.2Ga0.73N/B0.048Al0.8Ga0.152N 양자우물의 거의 격자 정합된 포텐셜 프로파일, 도 6c는 2개의 양자우물 구조의 캐리어 농도의 함수로 quasi Fermi 레벨 분리를 나타내고 있다.
도 2a는 여러 가지 스트레인을 가진 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물 구조(x1, x2, y1, y2 는 0이 아님)에 대한 자발방출 스펙트럼을 도시하고 있고, 도 2b는 스트레인의 함수로 주어진 피크 강도를 보여주고 있다.
도 3a는 보론 함량의 함수로 스트레인과 내부 필드를 나타낸 도면이고, 도 3b는 zero 내부 필드와 zero 스트레인을 주는 보론 함량을 나타내며, 도 3c는 BxAlyGa1-x-yN/AlN 양자우물구조에 대한 Al 함량의 함수로 내부 필드 Fz을 나타낸다.
도 4a는 자발광 스펙트럼, 도 4b는 광학 매트릭스요소, 도 4c는 격자정합된 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/ Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물에 대한 포텐셜을 나타낸다.
도 5a는 자발광 스펙트럼, 도 5b는 스트레인 0.5%로 거의 격자정합된 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/ Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물에 대한 광학 매트릭스요소를 나타낸다.
도 6a는 종래의 Al0.27Ga0.73N/AlN 양자우물 구조의 포텐셜 프로파일, 도 6b는 B0.07Al0.2Ga0.73N/B0.048Al0.8Ga0.152N 양자우물의 거의 격자 정합된 포텐셜 프로파일, 도 6c는 2개의 양자우물 구조의 캐리어 농도의 함수로 quasi Fermi 레벨 분리를 나타내고 있다.
첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따라서, Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/ Bx2Aly2Ga1-x2-y2N양자우물을 구비하는 발광다이오드의 일예를 도시한 도면이다.
발광다이오드(100)는 기판(110), 제 1도핑층(122), 양자우물 구조(130) 및 제 2 도핑층(140)이 적층된 구조를 가질 수 있고, 양자우물 구조(130) 하부에는 버퍼층(124)을 포함할 수 있다.
양자우물 구조(130)는 장벽층(130A)과 우물층(130B)이 서로 교대로 적층되어 있는 적층의 수는 특별히 한정되지 않고 다양하게 가능하다. 본 발명의 양자우물 구조의 장벽층과 우물층 적층수는 다수인 경우 더욱 효과적일 수 있다. 양자우물구조는 BAlGaN 층과 BAlGaN이 서로 교대로 형성되어 있고 버퍼층(124)이 AlN층으로 이루어진 상부에 형성되는 것이 바람직하다.
발광다이오드(100)는 제 1 도핑층(122)과 제 2 도핑층(140)은 각각 전극들이 접속되어 소정의 전압이 발광다이오드(100)에 인가될 수 있다.
본 발명의 광소자는 발광다이오드인 것이 바람직하지만, 레이저 다이오드 등 특별히 한정되지 않은 다양한 소자가 적용가능하고 도 1의 구체적인 구조는 단지 예를 들어 제시한다.
한편, 
양자우물 발광다이오드 구조와 대비하여, Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물 발광다이오드는 우물층에 걸리는 압축 스트레인 및 장벽층에 걸리는 인장 스트레인 각각의 절대값이 0.2% 내지 0.8%인 경우 피크 크기가 높게 형성되는 것을 확인하였다. 그리고 각 스트레인의 절대값이 0.5%에서 가장 큰 광세기를 나타내어 가장 뛰어난 성능을 보여주었다. 이 경우, 범위로는 각각 절대값이 0.45% 내지 0.55% 스트레인에서 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물 발광다이오드의 광 특성이 가장 우수하였다. 여기서 스트레인은 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N 우물은 압축 스트레인 (compressive strain)이 걸리고, Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 장벽은 인장 스트레인 (tensile strain)이 걸리는데 스트레인의 절대값은 같도록 우물과 장벽의 B 와 Al 성분이 각각 선택될 수 있다.
스트레인은 작은 것이 유리하지만, 0 % 로 하면 내부장이 증가하여 효율이 급격히 떨어지고, 스트레인을 크게 하면 종래 기술의 광소자와 비교해 장점이 없어지게 된다. 또한, 스트레인이 정해지면 그에 따른 B 와 Al 성분이 정해질 수 있게 된다. 도 2에서는 Al=0.2 을 가진 우물에서는 B의 성분의 범위는 0.056-0.085 이며, Al=0.8을 가진 장벽의 경우 0.033-0.061 로 나타나는 것을 예를 들어 보여주고 있지만, 실제 우물과 장벽의 Al 비율은 변화가능하다. 이 경우, 스트레인 값에 따라 우물과 장벽의 B 와 Al 성분은 각각 정해질 수 있다.
바람직하게는, 우물의 두께는 1 내지 3 nm, 장벽의 두께는 3-10 nm 정도이다. 실험적인 측면에서는 우물의 두께를 두껍게 하면 결정의 질이 떨어질 우려가 있기 때문에 가능한 작게 하는 것이 좋지만, 너무 작게 하면 조절이 힘들게 된다. 따라서, 바람직한 우물의 두께는 1 내지 3 nm이다. 더욱 바람직하게는 2 nm 내지 3nm이다. 후술하는 시뮬레이션에서는 2.5nm로 가정하였다. 장벽의 두께는 이론적인 면에서는 크게 영향을 주지 않지만 우물의 두께, 공정 등을 고려하여 3-10 nm 가 바람직하다.
도 2a는 여러 가지 스트레인을 가진 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/ Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물 구조(x1, x2, y1, y2 는 0이 아님)에 대한 자발방출 스펙트럼을 도시하고 있고, 도 2b는 스트레인의 함수로 주어진 피크 강도를 보여주고 있다.
Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/ Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물 구조에서, Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/우물은 압축 스트레인 (compressive strain)이 걸리고, Bx2Aly2Ga1-x2-y2N장벽은 인장 스트레인 (tensile strain)이 그리고 스트레인의 절대값은 같도록 B 와 Al 성분이 선택되었다.
이 경우, 비교를 위해 같은 파장을 가지는 기존의 
양자우물 구조에 대한 결과도 함께 그려놓았다. 스트레인이
인 경우에 대한 성분 
, 
, 그리고 
에 대한 값들은 (0.085,0.2), (0.033,0.8), 0.2 이고, 
인 경우에 대해서는 (0.07,0.2), (0.048,0.8), 0.27, 그리고 
인 경우에 대해서는 (0.056, 0.2), (0.061,0.8), 0.19 이다.
도 2b에서 보여지는 것처럼 스트레인이 0.5 % 인 경우에서 가장 큰 강도를 보여주고 있으며, 스트레인이 조금 작아지거나 커지면, 발광 강도가 급격히 줄어듦이 보여진다.
따라서, 발광강도가 기존의 것 보다 크게 나타나는 B의 성분의 범위는 Al=0.2 을 가진 우물에서는 0.056-0.085 이며, Al=0.8을 가진 장벽의 경우 0.033-0.061 로 나타난다.
이하, BAlGaN층과 BAlGaN 양자우물 구조에 대해 좀 더 상세히 살펴본다.
멀티밴드 effective mass 이론을 이용하여 거의 격자 정합된 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/ Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물 구조의 발광 특성을 조사하였다. 여기서 두꺼운 AlN 버퍼 상에 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/ Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물이 성장된 상황을 가정하였다. 여기서 활성층의 웰 너비는 2.5 nm 이다. Self-consistent (SC) 솔루션들은 전자들의 슈뢰딩거 방정식과, 정공들의 블록 대각화된 3X3 해밀턴, 그리고 포와송 방정식을 iteratively 풀어서 얻어진다.
본 시뮬레이션에 사용되는 BN의 파라미터들은 Applied physc. 110 063105 (2011), Appl. Phys. Lett. 99, 191101 (2011) 에 발간된 본 발명자의 논문들에 있는 파라미터들과 동일하다. BxAlyGa1-x-yN에 대한 파라미터들은 BN, AlN, GaN 파라미터들 사이의 선형적 결합으로 얻어질 수 있다. 그러나, BN에 대한 몇몇 파라미터들은 잘 알려지지 않아서 AlGaN의 그것을 활용하였다.
도 3a는 보론 함량의 함수로 스트레인과 내부 필드를 나타낸 도면이고, 도 3b는 zero 내부 필드와 zero 스트레인을 주는 보론 함량을 나타내며, 도 3c는 BxAlyGa1-x-yN/AlN 양자우물구조에 대한 Al 함량의 함수로 내부 필드 Fz을 나타낸다.
도 3c에서, 비교를 위해서 종래의 AlyGa1-x-yN/AlN 양자우물 구조에 대한 결과들을 함께 도시하였다. 점선은 zero 내부 필드(Fz=0)와 zero 스트레인(ε=0)에 대한 가이드라인들이다. 보론의 함량이 증가할수록 스트레인의 절대값이 감소하고 특정한 함량에서 Zero가 된 후, 다시 절대값이 증가한다. 유사한 결과는 내부 필드에서도 관찰된다.
그러나, Zero 내부 필드에 이르는 보론 함량과 Zero 스트레인에 이르는 보론 함량은 다르다는 것을 확인할 수 있었다. 내부 필드가 Zero가 되는 보론 함량은 스트레인(ε=0)에 비해 작다는 것을 확인할 수 있다. 한편, 내부 필드가 Zero가 되는 보론 함량과 스트레인(ε=0)의 보론 함량의 차이는 Al 함량이 증가함에 따라 점차적으로 감소되었다.
따라서 도 3c에서 확인할 수 있는 바와 같이, 격자정합의 조건에서 BxAlyGa1-x-yN/AlN 양자우물구조의 내부 필드는 종래의 AlyGa1-x-yN/AlN 양자우물 구조 보다 매우 크다. 따라서, 높은 효율과 높은 결정성을 동시에 확보하기 위하여 활성층의 설계에서는 격자정합된 양자우물 구조에서 내부 필드를 감소시키는 것이 필요하다.
도 4a는 자발광 스펙트럼, 도 4b는 광학 매트릭스요소, 도 4c는 격자정합된 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/ Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물에 대한 포텐셜을 나타낸다.
비교를 위해서 종래의 AlyGa1-x-yN/AlN 양자우물 구조에 대한 결과들을 함께 도시하였다. 수치적인 결과는 N2D=20*1012 ㎝-2 의 시트 캐리어농도에서 얻어진 것이다. AlN에 격자정합된 조건하에서, 우물과 웰에서의 B와 Al 함량(x,y)은 각각 (0.094,0.2) 및 (0.071, 0.4)이고 피크 전이 파장은 약 277 nm이다. 또한, 종래의 AlyGa1-x-yN/AlN 양자우물 구조에서 Al 함량 (y=0.23)는 약 309nm의 피크 전이 파장을 위해 선택되어 진다. 그러나, 불행하게도 종래의 양자우물구조 보다 본 발명의 구조가 높지 않은 빛 세기를 나타내는 것을 관찰하였다.
이러한 현상은 격자정합된 본 발명의 양자우물 구조의 포텐셜 웰 두께가 종래의 양자우물구조 보다 월등하게 작은데서 비롯된 것으로 보인다. 왜냐하면, 격자정합된 본 발명의 양자우물 구조가 종래구조 보다 큰 광학 매트릭스를 보이기 때문이다. 따라서, 가능한 작은 스트레인으로 거의 격자정합된 조건하에서 양자우물 구조의 포텐셜 웰 두께를 증가시킬 필요가 있다.
도 5a는 자발광 스펙트럼, 도 5b는 스트레인 0.5%로 거의 격자정합된 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/ Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물에 대한 광학 매트릭스요소를 나타낸다.
비교를 위해서 동일한 파장을 가지는 종래의 AlyGa1-x-yN/AlN 양자우물 구조에 대한 결과들을 함께 도시하였다. N2D=20*1012 ㎝-2 의 시트 캐리어농도에서 SC 솔루션들이 얻어졌다. 우물과 웰에서의 B와 Al 함량(x,y)은 각각 (0.07,0.2) 및 (0.048, 0.8)이고 피크 전이 파장은 약 302nm이다. 종래의 AlyGa1-x-yN/AlN 양자우물 구조에서 Al 함량은 y=0.27이다.
스트레인 0.5%로 거의 격자정합된 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/ Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물에서 B와 Al 함량(x,y)이 선택되었는데 이는 종래의 AlyGa1-x-yN/AlN 양자우물 구조에서의 1.78% 스트레인 보다 현저히 작았다. Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/ Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물의 피크 광 세기는 종래의 양자우물 구조에 비해 3배 이상이었다. 이것은 배리어에서의 큰 Al 함량에 의해 포텐셜 웰의 증가에 더해서, 보론 함량이 감소함에 따라 내부 필드가 현저하게 감소된 영향으로 해석된다. Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/ Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물 구조는 종래의 AlyGa1-x-yN/AlN 양자우물 구조 보다 현저하게 큰 광학 매트릭스 요소를 나타내고 있다.
도 6a는 종래의 Al0.27Ga0.73N/AlN 양자우물 구조의 포텐셜 프로파일, 도 6b는 B0.07Al0.2Ga0.73N/B0.048Al0.8Ga0.152N 양자우물의 거의 격자 정합된 포텐셜 프로파일, 도 6c는 2개의 양자우물 구조의 캐리어 농도의 함수로 quasi Fermi 레벨 분리를 나타내고 있다.
포텐셜 프로파일들은 N2D=20*1012 ㎝-2 의 시트 캐리어농도에서 얻어진 것들이다. quasi Fermi 레벨 분리 △Efc (△Efv) 는 컨덕션 밴드(밸랜스 밴드)에서 기저상태 에너지와 quasi Fermi 레벨 사이의 에너지 차이다. Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/ Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물에 대한 내부 필드는 종래의 AlyGa1-x-yN/AlN 양자우물 구조 보다 현저하게 감소된다. 예를 들어, BxAlyGa1-x-yN/BxAlyGa1-x-yN 양자우물에 대한 내부 필드, AlyGa1-x-yN/AlN 양자우물 구조의 내부 필드는 각각 0.3, 4.8 MV/cm 이다. 또한, 거의 격자 정합된 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/ Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물에 대한 포텐셜 웰 깊이(depth) (1.29 eV)는 격자 정합된 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/ Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물에 대한 포텐셜 웰 깊이(0.32 eV) 보다 현저하게 크다.
결과적으로, 거의 격자 정합된 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/ Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물의 quasi Fermi 레벨 분리는 종래의 AlyGa1-x-yN/AlN 양자우물 구조의 quasi Fermi 레벨 분리와 비슷하다. 따라서, 스트레인 0.5%로 거의 격자정합된 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/ Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물 구조는 종래의 AlyGa1-x-yN/AlN 양자우물 구조(스트레인 1.78%)와 비교하여 더 우수한 효율과 더 높은 결정성을 가지는 광원으로 사용될 수 있다.
전술한 본 발명에 따른 결함 분석 방법에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.
Claims (4)
- Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물구조를 구비하는 발광다이오드에 있어서,
상기 양자우물구조는 적어도 하나의 서로 교대로 적층된 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N 우물층과 Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 장벽층의 적층구조를 포함하며,
상기 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N 우물층에 걸리는 압축 스트레인은 0.2% 내지 0.8%이고,
상기 Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 장벽층에 걸리는 인장 스트레인은 0.2% 내지 0.8%인 것을 특징으로 하는 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물구조를 구비하는 발광다이오드.
- 제 1항에 있어서,
상기 양자우물구조는 AlN 버퍼층 상부에 형성된 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물구조를 구비하는 발광다이오드.
- 제1항에 있어서,
상기 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N 우물층에 걸리는 압축 스트레인은 0.45% 내지 0.55%이고,
상기 Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 장벽층에 걸리는 인장 스트레인은 0.45% 내지 0.55%인 것을 특징으로 하는 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물구조를 구비하는 발광다이오드.
- 제1 항에 있어서,
상기 우물층의 두께는 1 내지 3 nm, 상기 장벽층의 두께는 3-10 nm 인 것을 특징으로 하는 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물구조를 구비하는 발광다이오드.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160056386A KR101773709B1 (ko) | 2016-05-09 | 2016-05-09 | AlN 위에 성장된 스트레인이 감소한 고효율 자외선 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물 발광다이오드 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160056386A KR101773709B1 (ko) | 2016-05-09 | 2016-05-09 | AlN 위에 성장된 스트레인이 감소한 고효율 자외선 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물 발광다이오드 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101773709B1 true KR101773709B1 (ko) | 2017-08-31 |
Family
ID=59760980
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020160056386A KR101773709B1 (ko) | 2016-05-09 | 2016-05-09 | AlN 위에 성장된 스트레인이 감소한 고효율 자외선 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물 발광다이오드 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101773709B1 (ko) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101937592B1 (ko) * | 2017-10-20 | 2019-01-10 | 대구가톨릭대학교산학협력단 | 양자우물구조를 이용한 자외선 광소자 |
| KR101944636B1 (ko) * | 2017-12-28 | 2019-01-31 | 대구가톨릭대학교산학협력단 | 양자우물구조를 갖는 발광다이오드 |
| CN110047979A (zh) * | 2019-02-20 | 2019-07-23 | 华灿光电(苏州）有限公司 | 紫外发光二极管外延片及其制造方法 |
| US10862004B2 (en) | 2017-12-13 | 2020-12-08 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Ultraviolet semiconductor light emitting devices |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005136371A (ja) | 2003-10-30 | 2005-05-26 | Korea Inst Of Science & Technology | ストレイン補償多重量子井戸を用いる単一モード型レーザダイオード及びその製造方法 |
| JP2007294877A (ja) | 2006-03-31 | 2007-11-08 | Fujifilm Corp | 半導体層とその成膜方法、及び半導体発光素子 |
| JP2009049422A (ja) | 1999-11-16 | 2009-03-05 | Panasonic Corp | 相分離が抑制されたｉｉｉ族窒化物材料系を用いた半導体構造及び光検出器 |
| JP2015046415A (ja) | 2013-08-27 | 2015-03-12 | ウシオ電機株式会社 | 窒化物半導体発光素子および電子線励起型光源装置 |
-
2016
- 2016-05-09 KR KR1020160056386A patent/KR101773709B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009049422A (ja) | 1999-11-16 | 2009-03-05 | Panasonic Corp | 相分離が抑制されたｉｉｉ族窒化物材料系を用いた半導体構造及び光検出器 |
| JP2005136371A (ja) | 2003-10-30 | 2005-05-26 | Korea Inst Of Science & Technology | ストレイン補償多重量子井戸を用いる単一モード型レーザダイオード及びその製造方法 |
| JP2007294877A (ja) | 2006-03-31 | 2007-11-08 | Fujifilm Corp | 半導体層とその成膜方法、及び半導体発光素子 |
| JP2015046415A (ja) | 2013-08-27 | 2015-03-12 | ウシオ電機株式会社 | 窒化物半導体発光素子および電子線励起型光源装置 |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101937592B1 (ko) * | 2017-10-20 | 2019-01-10 | 대구가톨릭대학교산학협력단 | 양자우물구조를 이용한 자외선 광소자 |
| US10862004B2 (en) | 2017-12-13 | 2020-12-08 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Ultraviolet semiconductor light emitting devices |
| KR101944636B1 (ko) * | 2017-12-28 | 2019-01-31 | 대구가톨릭대학교산학협력단 | 양자우물구조를 갖는 발광다이오드 |
| CN110047979A (zh) * | 2019-02-20 | 2019-07-23 | 华灿光电(苏州）有限公司 | 紫外发光二极管外延片及其制造方法 |
| CN110047979B (zh) * | 2019-02-20 | 2020-10-09 | 华灿光电(苏州）有限公司 | 紫外发光二极管外延片及其制造方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101773709B1 (ko) | AlN 위에 성장된 스트레인이 감소한 고효율 자외선 Bx1Aly1Ga1-x1-y1N/Bx2Aly2Ga1-x2-y2N 양자우물 발광다이오드 | |
| US20190088817A1 (en) | Electronic Devices Comprising N-Type and P-Type Superlattices | |
| Fan et al. | Efficiency improvements in AlGaN-based deep ultraviolet light-emitting diodes using inverted-V-shaped graded Al composition electron blocking layer | |
| Pantzas et al. | Semibulk InGaN: A novel approach for thick, single phase, epitaxial InGaN layers grown by MOVPE | |
| JP2011155241A (ja) | 歪平衡発光デバイス及びその製造方法 | |
| JP5259660B2 (ja) | 半導体発光素子 | |
| KR101199677B1 (ko) | 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법 | |
| CN107134514B (zh) | 一种发光二极管的外延片及其制造方法 | |
| US10115859B2 (en) | Nitride based devices including a symmetrical quantum well active layer having a central low bandgap delta-layer | |
| KR101283538B1 (ko) | 표면 플라즈몬 공명을 이용하여 발광 특성이 향상된 발광소자 | |
| US8890113B2 (en) | Optoelectronic device with a wide bandgap and method of making same | |
| Church et al. | Photoluminescence efficiency of zincblende InGaN/GaN quantum wells | |
| WO2019094866A1 (en) | Photonic materials | |
| KR102358403B1 (ko) | 발광 영역의 적어도 하나의 장벽층 내에 위치한 적어도 하나의 더 넓은 밴드갭 중간층을 포함하는 발광 다이오드 | |
| US10276745B2 (en) | Light emitting diode including wavelength conversion layers | |
| KR101937592B1 (ko) | 양자우물구조를 이용한 자외선 광소자 | |
| KR101051327B1 (ko) | 3족 질화물 반도체 발광소자 | |
| CN103151710A (zh) | GaAs基含B高应变量子阱及其制备方法、半导体激光器 | |
| JP5489626B2 (ja) | 光電変換素子および光電変換方法 | |
| KR101043345B1 (ko) | 질화물 반도체 소자 | |
| KR101784109B1 (ko) | 양자우물구조 및 이를 포함하는 청색 발광 다이오드 | |
| KR101944636B1 (ko) | 양자우물구조를 갖는 발광다이오드 | |
| KR101056754B1 (ko) | 3족 질화물 반도체 발광소자 | |
| JP2017220586A (ja) | 半導体発光素子 | |
| JP2006286417A (ja) | 電子放出素子 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |