KR101784109B1 - Quantum well structure and blue light emitting diode including the same - Google Patents
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Abstract
GaN으로 이루어진 장벽층 및 상기 GaN 장벽층에 적층되고, 하기 화학식 1으로 이루어진 우물층을 포함하는 양자우물구조를 제공한다.
[화학식 1]
InxByGa1 -x- yN
(여기서, 0.14≤x≤0.2이고, 0<y≤0.02이다)A barrier layer made of GaN, and a well layer formed on the GaN barrier layer and having the following Chemical Formula 1:
[Chemical Formula 1]
In x B y Ga 1 -x- y N
(Where 0.14? X? 0.2 and 0 < y? 0.02)
Description
본 발명은 양자우물구조 및 이를 포함하는 청색 발광 다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내부 전계가 감소되고, 청색 스펙트럼 영역의 광 방출 효율이 개선된 양자우물구조 및 이를 포함하는 청색 발광 다이오드에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
Ⅲ-족 질화물 반도체는 발광 다이오드(LED)와 레이저 다이오드(LD) 등의 잠재적인 전자 및 광전자 장치 응용분야에 적용될 수 있기 때문에 광범위하게 연구되고 있으며, 특히, InGaN 계는 자외선(GaN에 대하여 3.4eV)부터 적외선(InN에 대하여 0.7eV)에 이르는 넓은 주파수 범위가 요구되는 광전자 장치 분야에서 각광을 받고 있다. Group III nitride semiconductors have been extensively studied because they can be applied to potential electronic and optoelectronic device applications such as light emitting diodes (LEDs) and laser diodes (LDs). In particular, ) To infrared (0.7 eV with respect to InN) is required in the field of optoelectronic devices.
하지만, GaN 기판 상에서 성장한 InGaN 층에는 고 In-함량에 대한 격자 불일치라는 단점이 있으며, 이에 따라 미스핏 전위(misfit dislocation) 밀도가 높아지는 문제가 있다. However, the InGaN layer grown on the GaN substrate has a disadvantage of lattice mismatch with respect to the high In-content, resulting in a problem of increasing the misfit dislocation density.
또한, 압전 분극과 자발 분극으로 유도되는 큰 내부 전계가 활성 영역에 존재하며, 이에 따라, 이에 따라, 방사 재 결합율이 감소되고 활성 영역으로부터의 심각한 전자 누출이 발생한다.Also, a large internal field induced by piezoelectric polarization and spontaneous polarization is present in the active region, thereby reducing the radiative recombination rate and causing significant electron leakage from the active region.
이를 해결하기 위하여, 내부 전계 효과를 감소시키도록 비정사각형 InGaN/GaN 계 등의 여러 방법들이 제안되어 왔으며, 예를 들어, 2-층 및 3층 스태거형 양자우물구조(quantum well)들이 연구되었다.In order to solve this problem, various methods such as a non-square InGaN / GaN system have been proposed to reduce the internal field effect. For example, two-layer and three-layer staggered quantum well structures have been studied .
그러나, 이러한 구조들은 청색 스펙트럼 영역의 광 방출을 개선하는 데 효과적이지 않아 여전히 기술 개발이 요구되고 있는 실정이다. However, these structures are not effective in improving the light emission in the blue spectrum region, and therefore, the technical development is still required.
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 내부 전계를 감소시켜, 청색 스펙트럼 영역의 광 방출 효율을 향상시킬 수 있는 양자우물구조 및 이를 포함하는 청색 발광 다이오드를 제공하는 것을 목적으로 한다. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a quantum well structure and a blue light emitting diode including the same that can reduce the internal electric field and improve the light emission efficiency of the blue spectral region.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기 설명에 의하여 이해될 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 기재된 수단 또는 방법 및 이의 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다. Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description. It is also to be easily understood that the objects and advantages of the present invention can be realized by the means or method described in the claims, and the combination thereof.
본 발명의 일 실시예에 따르면, GaN으로 이루어진 장벽층 및 상기 GaN 장벽층에 적층되고, 하기 화학식 1으로 이루어진 우물층을 포함하는 양자우물구조가 제공된다. According to an embodiment of the present invention, there is provided a quantum well structure including a barrier layer made of GaN and a well layer stacked on the GaN barrier layer,
[화학식 1][Chemical Formula 1]
InxByGa1 -x- yNIn x B y Ga 1 -x- y N
여기서, 0.14≤x≤0.2이고, 0<y≤0.02이다.Here, 0.14? X? 0.2 and 0 < y?
이때, 상기 0.008≤y≤0.013일 수 있다. In this case, 0.008? Y?
또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 제1 도핑층, 제2 도핑층, 및 상기 제1 도핑층 과 제2 도핑층 사이에 개재된 활성 영역;을 구비하는 청색발광다이오드에 있어서, 상기 활성 영역은 GaN으로 이루어진 장벽층과 상기 GaN 장벽층에 적층되고, 하기 화학식 1으로 이루어진 우물층을 포함하는 것을 특징으로 하는 청색 발광 다이오드가 제공된다. According to another embodiment of the present invention, there is provided a blue light emitting diode comprising a first doping layer, a second doping layer, and an active region interposed between the first doping layer and the second doping layer, The active region includes a barrier layer made of GaN and a well layer formed on the GaN barrier layer and having the following Chemical Formula 1:
[화학식 1][Chemical Formula 1]
InxByGa1 -x- yNIn x B y Ga 1 -x- y N
(여기서, 0.14≤x≤0.2이고, 0<y≤0.02이다)(Where 0.14? X? 0.2 and 0 < y? 0.02)
이때, 상기 0.008≤y≤0.013일 수 있다. In this case, 0.008? Y?
또한, 상기 활성 영역은 GaN 버퍼층을 더 포함할 수 있다. In addition, the active region may further include a GaN buffer layer.
본 발명은 InGaN에 붕소(B, boron)를 첨가함으로써, 내부 전계를 감소시킬 수 있으며, 격자 파라미터를 서로 독립적으로 최적화 할 수 있고, 스트레인이 감소한 양자우물구조를 제공할 수 있는 이점이 있다. The present invention has an advantage that boron (B, boron) is added to InGaN to reduce the internal electric field, optimize lattice parameters independently of each other, and provide a quantum well structure with reduced strain.
또한, 최적의 붕소 함량을 포함함으로써 청색 스펙트럼에서 최대의 자발 방출 피크를 발휘할 수 있는 이점이 있다. Further, by including the optimum boron content, there is an advantage that the maximum spontaneous emission peak can be exhibited in the blue spectrum.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 우물 구조를 포함하는 청색 발광 다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 (a) 천이 파장 및 (b) 피크 자발 방출 계수를 여러 개의 인듐(In) 조성과 함께 InxByGa1 -x- yN/GaN 양자 우물 구조에 대한 붕소(B) 조성의 함수로서 도시한 것이다.
도 3은 (a) 자발 방출 스펙트럼 및 (b) 내부 전계를 여러 개의 인듐(In) 조성이 있는 440nm, InxByGa1 -x- yN/GaN 양자 우물 구조에 대한 붕소(B) 조성의 함수로서 도시한 것이다.
도 4는 400nm 파장에서 InxByGa1 -x- yN/GaN 양자 우물 구조의 x, y가 각각 구조의 (x, y) = (a) (0.192, 0), (b) (0.14, 0.017), (c) (0.16, 0.014), (d) (0.18, 0.008)인 경우에 대하여 존 센터에서 전위 프로파일 및 파동 함수(C1 및 HH1)를 도시한 것이다.
도 5는 440nm에서 (x, y) = (0.192, 0), (0.14, 0.017), (0.16, 0.014), (0.18, 0.008)인 InxByGa1 -x- yN/GaN 양자 우물 구조에 대하여, (a) 광학 매트릭스 요소를 인플레인 웨이브벡터()의 함수로서 도시하고, (b) 의사-페르미 준위 분리를 도시한 것이다. 1 is a cross-sectional view schematically showing a blue light emitting diode including a quantum well structure according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the boron (B) composition of the In x B y Ga 1 -x- y N / GaN quantum well structure with several indium (In) compositions, Lt; / RTI >
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the boron (B) composition (a), the spontaneous emission spectrum and the internal electric field (b) for a quantum well structure of 440 nm, In x B y Ga 1 -x- y N / GaN having several indium Lt; / RTI >
FIG. 4 is a graph showing the relationship between x and y of the In x B y Ga 1 -x- y N / GaN quantum well structure at a wavelength of 400 nm and (x, y) = (a) (0.192, 0) , 0.017), (c) (0.16, 0.014), and (d) (0.18, 0.008).
FIG. 5 shows the In x B y Ga 1 -x- y N / GaN quantum wells at (x, y) = (0.192,0), (0.14,0.017), (0.16,0.014) For the structure, (a) the optical matrix element is replaced with an infrain wave vector ) And (b) pseudo-Fermi level separation.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서상에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서, 이를 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail. Prior to this, terms or words used in this specification and claims should not be construed in a conventional or dictionary sense, and the inventor should properly define the concept of the term to best describe its invention The present invention should be construed in accordance with the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are only the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all the technical ideas of the present invention. Therefore, at the time of the present application, It should be understood that various equivalents and modifications are possible.
또한, 이하 본 명세서에서는 멀티밴드 유효-질량 이론과 넌-마르코비안 모델을 이용하여 양자우물구조의 광 방출 특징을 이론적으로 설명하며, 밴드갭 재규격화에 의한 자유 캐리어 모텔을 고려한다. Hereinafter, the light emission characteristics of a quantum well structure will be described theoretically using multi-band effective-mass theory and non-Marcohoven model, and a free carrier motel by band gap re-standardization will be considered.
아울러, 셀프 컨시스턴트(self-consistent, SC)의 해(solution)는 전자에 대해서는 슈뢰딩거 등식을 푸는 것, 정공에 대해서는 블록-대각선화된 3 × 3 해밀토니안을 푸는 것, 푸아송 등식을 푸는 것을 반복하여 취득되며, BxInyGa1 -x- yO에 대한 파라미터는, BN, InN, GaN의 파라미터들 간의 선형 조합으로부터 취득된다.In addition, the solution of self-consistent (SC) is to solve the Schrodinger equation for electrons, to solve block-diagonalized 3 × 3 Hamiltonian for holes, to solve Poisson equation And the parameters for B x In y Ga 1 -x- y O are obtained from a linear combination between the parameters of BN, InN, GaN.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 우물 구조를 포함하는 청색 발광 다이오드를 개략적으로 도시한 단면도이다. 1 is a cross-sectional view schematically showing a blue light emitting diode including a quantum well structure according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양자 우물 구조(130)를 포함하는 청색 발광 다이오드(100)는 기판(110), 제1 도핑층(120), 활성 영역(140) 및 제2 도핑층(130)을 포함할 수 있고, 활성 영역은 양자우물구조(141)와 버퍼층(142)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, a blue light emitting diode 100 including a
이때, 기판(110)은 당해 기술분야에서 사용되는 것은 제한없이 적용할 수 있으며, 비제한적인 예로 육방정계 구조를 갖는 사파이어, 스피텔, 탄화실리콘 기판 등을 사용할 수 있다. At this time, the
상기 기판(110) 위에는 제1 도핑층(120)이 배치될 수 있으며, n형 반도체층 또는 p형 반도체층 중 어느 하나여도 무방하고, 바람직하게는 질화갈륨 계열의 n형 반도체층 또는 질화갈륨 계열을 p형 반도체층을 사용할 수 있다. 또한, 기판(110)과 제1 도핑층(120) 사이에 도핑층의 막질을 향상시키기 위해 추가로 버퍼층(도시되지 않음)을 더 포함할 수 있다. The
상기 제1 도핑층(120) 위에는 양자우물구조(141)와 버퍼층(142)을 포함하는 활성 영역(140)이 배치될 수 있다. An
양자우물구조(141)는 서로 다른 반도체 층 사이에 반도체 층의 에너지 밴드갭보다 작은 에너지 밴드갭을 가지는 얇은 반도체 층을 삽입하여 형성되는 구조로써, 전자 또는 정공이 에너지 장벽에 갇혀 이차원적으로 움직이는 특성을 나타낸다. The quantum well structure 141 is formed by inserting a thin semiconductor layer having an energy bandgap smaller than the energy bandgap of the semiconductor layer between different semiconductor layers. The quantum well structure 141 is a structure in which electrons or holes are trapped in an energy barrier, .
본 발명의 일 실시예에 따른 양자 우물 구조(141)는 우물층(141B)과 장벽층(141A)이 적층된 형태일 수 있다. 이때, 우물층은 작은 에너지 밴드갭을 갖는 얇은 층을 의미하며, 장벽층은 우물층보다 밴드갭이 크며, 우물층을 둘러싸고 있는 층으로, 우물층 내의 전자와 정공을 우물 내로 속박시키는 역할을 한다. 이와 같은 양자 우물 구조를 갖는 경우 활성 영역 내의 전자와 정공이 양자우물구조 내에서 재결합하여 발광하게 되므로, 우물층이 활성 영역의 광학적 특성을 결정하게 된다. The quantum well structure 141 according to an embodiment of the present invention may have a stacked structure of a well
이때, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 양자 우물 구조(141)의 장벽층(141A)은 GaN을 포함하여 형성될 수 있으며, 우물층(141B)은 하기 화학식 1을 포함하여 형성될 수 있다. At this time, the
[화학식 1][Chemical Formula 1]
InxByGa1 -x- yNIn x B y Ga 1 -x- y N
여기서, 0.14≤x≤0.2이고, 0<y≤0.02이며, 상기 x는 파장의 범위가 청색인 440nm에 근접하는 수치로, 이러한 범위를 갖는 인듐(In) 성분에 대해 발광 강도가 종래의 구조에 비해 증가하는 조건에 속하는 y의 범위는 0<y≤0.02이다. Herein, 0.14? X? 0.2 and 0 <y? 0.02, where x is a numerical value close to 440 nm in which the wavelength range is blue and the luminescence intensity of the indium (In) The range of y belonging to the increasing condition is 0 < y? 0.02.
또한, 상기 y의 범위는 0.008≤y≤0.013일 수 있으며, 도 2(a)에서와 같이 이 범위 내에서는 인듐의 성분에 관계없이, 최적의 발광 강도를 가질 수 있다.The range of y may be 0.008? Y? 0.013, and as shown in Fig. 2 (a), the emission intensity can be optimum regardless of the indium component within this range.
이하에서는 설명의 편의를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 GaN 장벽층과 상기 화학식 1의 우물층을 포함하는 양자 우물 구조를 InxByGa1 -x- yN/GaN로 간략히 표기하며, 여기서, 0.14≤x≤0.2이고, 0<y≤0.02인 것을 포함하여 설명된다. Hereinafter, for convenience of description, a quantum well structure including a GaN barrier layer and a well layer according to an embodiment of the present invention will be abbreviated as In x B y Ga 1 -x- y N / GaN, Here, it is explained that 0.14? X? 0.2 and 0 <y? 0.02 are included.
도 2는 (a) 천이 파장 및 (b) 피크 자발 방출 계수를 여러 개의 인듐(In) 조성과 함께 InxByGa1 -x- yN/GaN 양자 우물 구조에 대한 붕소(B) 조성의 함수로서 도시한 것이다. FIG. 2 is a graph showing the relationship between the boron (B) composition of the In x B y Ga 1 -x- y N / GaN quantum well structure with several indium (In) compositions, Lt; / RTI >
도 2(a)를 참조하면, 폭이 2.5nm로 고정된 InxByGa1 -x- yN/GaN 양자 우물 구조에서, 붕소(B)의 함량(가로축)에 따라 천이 파장(세로축)이 달라지게 된다. 천이 파장은 더욱 긴 파장으로 급격하게 변화하며, B 조성이 0.07 보다 큰 영역의 범위에서는 B 가 증가함에 따라 스타크 효과 때문에 파장이 급격히 증가한다.2 (a), in the In x B y Ga 1 -x- y N / GaN quantum well structure in which the width is fixed to 2.5 nm, the transition wavelength (vertical axis) is changed according to the content of boron (B) . The transition wavelength changes abruptly with a longer wavelength, and the wavelength increases sharply due to the stark effect as B increases in the region where the B composition is larger than 0.07.
특히, 440nm의 천이 파장(청색 파장)을 제공하기 위해, 종래의 InGaN/GaN 양자 우물 구조에서 In 조성은 0.192이였으나, 본 발명의 InxByGa1 -x- yN/GaN 양자 우물 구조의 (x, y) 값들은 각각 (0.14, 0.017), (0.16, 0.014), (0.18, 0.008)로, B 값이 덜어감에 따라 우물 내의 인듐(In) 값이 줄어들어 우 물내 스트레인 값이 줄어들었음을 보여주고 있으며, 이것은 붕소(B)를 첨가한 양자 우물 구조의 장점을 보여준다. 스트레인 줄어들면 그만큼 결정의 크랙이 줄어들기 때문이다. 예를 들면, (x, y) = (0.18, 0.008) 인 경우 기존의 (x, y) = (0.192, 0.00) 인 경우에 비해 스트레인이 2.01 % 에서 1.72 % 로 줄어들었다.In particular, in order to provide a transition wavelength of 440 nm (blue wavelength), the In composition in the conventional InGaN / GaN quantum well structure was 0.192, but the In x B y Ga 1 -x- y N / GaN quantum well structure (X, y) values are 0.14, 0.017, 0.16, 0.014, and 0.18, 0.008, respectively. As the value of B decreases, the value of indium in the well decreases and the strain value decreases. , Which shows the advantage of a quantum well structure with boron (B) added. If the strain is reduced, the crystal crack is reduced as much. For example, in the case of (x, y) = (0.18, 0.008), the strain was reduced from 2.01% to 1.72% as compared with the case of (x, y) = (0.192, 0.00).
도 2(b)는 폭이 2.5nm로 고정된 InxByGa1 -x- yN/GaN 양자 우물 구조의 자발 방출 피크를 도시한 그래프로, 자발 방출 스펙트럼은 N2D = 10 × 1012cm-2의 시트 캐리어 밀도에서 취득된 것이다. FIG. 2 (b) is a graph showing the spontaneous emission peak of the In x B y Ga 1 -x- y N / GaN quantum well structure fixed to a width of 2.5 nm. The spontaneous emission spectrum is N 2D = 10 × 10 12 cm < -2 & gt ; at the sheet carrier density.
도 2(b)를 참조하면, 자발 방출 피크는 붕소(B)의 조성이 증가할수록 급격히 증가하여, 소정의 임계 붕소(B) 조성에서 최대값을 나타내며, 임계 붕소(B) 조성은 인듐(In) 조성에 상관없이 약 0.01인 것으로 나타난다. 또한, 자발 방출 피크는 붕소(B) 조성이 임계값을 초과할 때 감소하기 시작하였다. Referring to FIG. 2 (b), the spontaneous emission peak rapidly increases as the composition of boron (B) increases, exhibits a maximum value in a predetermined critical boron (B) composition, and the critical boron (B) ), Regardless of the composition. In addition, the spontaneous emission peak began to decrease when the boron (B) composition exceeded the threshold value.
또한, 임계 붕소(B) 조성에서 InxByGa1 -x- yN/GaN 양자 우물 구조의 광 강도는 종래 InGaN/GaN 양자 우물 구조 광 강도의 약 2배로 증가한 것이 관찰되었다. It was also observed that the light intensity of the In x B y Ga 1 -x- y N / GaN quantum well structure in the critical boron (B) composition was increased to about twice that of the conventional InGaN / GaN quantum well structure light intensity.
아울러, 도면에 도시도어 있지 않지만, InxByGa1 -x- yN/GaN 양자 우물 구조에 대한 웰(well)의 스트레인(strain)은 종래 InGaN/GaN 양자 우물 구조보다 감소하며, 구체적으로, (x, y)=(0.18, 0.008)인 InxByGa1 -x- yN/GaN 양자 우물 구조에 대한 스트레인 값은 -1.72%인데 반해, (x, y)=(0.192, 0.0)인 InGaN/GaN 양자 우물 구조에 대한 스트레인 값은 -2.01%로 높게 나타났다. Although not shown in the figure, the strain of the well for the In x B y Ga 1 -x- y N / GaN quantum well structure is smaller than that of the conventional InGaN / GaN quantum well structure, and specifically, (x, y) = (0.192, 0.008), while the strain value for the In x B y Ga 1 -x- y N / GaN quantum well structure is -1.72% ) For the InGaN / GaN quantum well structure was as high as -2.01%.
도 3은 (a) 자발 방출 스펙트럼 및 (b) 내부 전계를 여러 개의 인듐(In) 조성이 있는 440nm, InxByGa1 -x- yN/GaN 양자 우물 구조에 대한 붕소(B) 조성의 함수로서 도시한 것이다. FIG. 3 is a graph showing the relationship between the boron (B) composition (a), the spontaneous emission spectrum and the internal electric field (b) for a quantum well structure of 440 nm, In x B y Ga 1 -x- y N / GaN having several indium Lt; / RTI >
도 3 의 자발 방출 스펙트럼은 N2D = 10 × 1012cm-2의 시트 캐리어 밀도에서 취득된 것으로, 비교를 위해 440nm의 천이 파장과 함께 종래의 InGaN/GaN 양자 우물 구조에 대한 결과를 도시하였다. The spontaneous emission spectrum of FIG. 3 was obtained at a sheet carrier density of N 2D = 10 × 10 12 cm -2 , and the results for a conventional InGaN / GaN quantum well structure with a transition wavelength of 440 nm for comparison are shown.
도 3을 참조하면, 본 발명과 같이 자발 붕소(B) 조성을 추가하는 경우 방출 피크가 향상되는 것을 알 수 있다. 구체적으로 x=0.18과 y=0.008의 양자 우물 구조는, 종래의 InGaN/GaN 양자 우물 구조의 피크 값보다 2 배 큰 피크 값을 갖는다. 이는 붕소(B) 조성물의 추가시, InxByGa1 -x- yN/GaN 양자 우물 구조의 내부 전계(-0.40MV/cm)가 종래의 InGaN/GaN 양자 우물 구조 내부 전계(-1.04 MV/cm)에 비해 크게 감소한다는 것을 알 수 있다. 내부 전계 감소는 붕소(B) 조성이 증가하는 웰(well)에서 자발 분극의 급속한 증가로부터 발생하는 것이다. 그러나, 붕소(B) 조성이 더 증가하면, 내부 전계의 크기는 붕소(B) 조성이 증가함에 따라 급속히 증가하며, 그 결과 도 2(b)에 도시된 바와 같이 자발 방출 피크가 감소한다. Referring to FIG. 3, it can be seen that the emission peak is improved when the spontaneous boron (B) composition is added as in the present invention. Specifically, the quantum well structure with x = 0.18 and y = 0.008 has a peak value twice as large as the peak value of the conventional InGaN / GaN quantum well structure. This is because the internal electric field (-0.40 MV / cm) of the In x B y Ga 1 -x- y N / GaN quantum well structure becomes larger than the conventional InGaN / GaN quantum well structure internal electric field (-1.04 MV / cm). ≪ / RTI > Internal field reduction results from a rapid increase in spontaneous polarization in a well where the boron (B) composition increases. However, when the composition of boron (B) is further increased, the magnitude of the internal electric field increases rapidly as the boron (B) composition increases, and as a result, the spontaneous emission peak decreases as shown in Fig. 2 (b).
도 4는 400nm 파장에서 InxByGa1 -x- yN/GaN 양자 우물 구조의 x, y가 각각 구조의 (x, y) = (a) (0.192, 0), (b) (0.14, 0.017), (c) (0.16, 0.014), (d) (0.18, 0.008)인 경우에 대하여 존 센터에서 전위 프로파일 및 파동 함수(C1 및 HH1)를 도시한 것이다. 이때, 셀프 컨시스턴트 (self-consistent, SC)의 해(solution)는 N2D = 10 × 1012cm-2의 시트 캐리어 밀도에서 취득된 것이다. FIG. 4 is a graph showing the relationship between x and y of the In x B y Ga 1 -x- y N / GaN quantum well structure at a wavelength of 400 nm and (x, y) = (a) (0.192, 0) , 0.017), (c) (0.16, 0.014), and (d) (0.18, 0.008). At this time, a solution of self-consistent (SC) was obtained at a sheet carrier density of N 2D = 10 × 10 12 cm -2 .
도 4를 참조하면, (x, y) = (0.192, 0.0)인 종래의 InGaN/GaN 양자 우물 구조의 전위 프로파일은 InxByGa1 -x- yN/GaN 양자 우물 구조보다 큰 내부 전계를 갖는다는 것을 명백하게 보여준다. 그러나 내부 전계는 붕소(B) 조성이 증가함에 따라 감소하고, 전위 프로파일은 임계 보론 조성에서 평평한 밴드 형상을 나타내며, 이러한 현상은 (x, y) = (0.18, 0.008)인 InxByGa1 -x- yN/GaN 양자 우물 구조에서 관찰된다. 따라서, 전자와 정공 파동 함수들 간의 공간적 분리가 내부 전계의 소멸 때문에 크게 감소한다. 반면, 내부 전계는 (x, y) =(0.14, 0.017) 및 (0.16, 0.014)인 InxByGa1-x-yN/GaN 양자 우물 구조에서 나타낸 바와 같이, 붕소(B) 조성이 내부 전계의 부호 변화화 함께 임계 붕소 조성을 초과하는 경우 다시 증가하기 시작한다. Referring to FIG. 4, the potential profile of a conventional InGaN / GaN quantum well structure with (x, y) = (0.192, 0.0) is larger than the In x B y Ga 1 -x- y N / GaN quantum well structure Lt; / RTI > However, the internal electric field decreases as the boron (B) composition increases, and the potential profile exhibits a flat band shape in the critical boron composition, and this phenomenon occurs when (x, y) = (0.18, 0.008) In x B y Ga 1 -x- y N / GaN quantum well structures. Therefore, the spatial separation between electron and hole wave functions is greatly reduced due to the disappearance of the internal electric field. On the other hand, as shown in the In x B y Ga 1-xy N / GaN quantum well structure in which the internal electric field is (x, y) = (0.14, 0.017) and (0.16, 0.014) And when the boron content exceeds the critical boron composition, it begins to increase again.
도 5는 440nm에서 (x, y) = (0.192, 0), (0.14, 0.017), (0.16, 0.014), (0.18, 0.008)인 InxByGa1 -x- yN/GaN 양자 우물 구조에 대하여, (a) 광학 매트릭스 요소를 인플레인 웨이브벡터()의 함수로서 도시하고, (b) 의사-페르미 준위 분리를 도시한 것이다. FIG. 5 shows the In x B y Ga 1 -x- y N / GaN quantum wells at (x, y) = (0.192,0), (0.14,0.017), (0.16,0.014) For the structure, (a) the optical matrix element is replaced with an infrain wave vector ) And (b) pseudo-Fermi level separation.
의사-페르미 준위 분리는 편의상 x 함수로서 플롯팅 되었으며, 여기서, 의사-페르미 준위 분리 는, 의사-페르미 준위와 전도대의 접지 상태 에너지(가전자대) 간의 에너지 차로서 정의될 수 있다. 또한, 셀프 컨시스턴트 (self-consistent, SC)의 해(solution)는 N2D = 10 × 1012cm-2의 시트 캐리어 밀도에서 취득된 것이다. The pseudo-Fermi level separation is conveniently plotted as an x function, where pseudo-Fermi level separation Can be defined as the energy difference between the pseudo-Fermi level and the ground state energy (valence band) of the conduction band. Also, a solution of self-consistent (SC) was obtained at a sheet carrier density of N 2D = 10 × 10 12 cm -2 .
본 발명의 일 실시예에 따른 InxByGa1 -x- yN/GaN 양자 우물 구조에 대한 매트릭스 요소는 종래의 InGaN/GaN 양자 우물 구조와 유사하게, 와는 거의 독립적인 것으로 나타나 있다. 이는 붕소(B) 조성에 상관 없이 =0을 초과하는 높은 상태에서도 최상위 가전자 부대역의 HH 대역 특성이 변하지 않는 상태로 유지된다는 사실로 설명할 수 있다.The matrix element for the In x B y Ga 1 -x- y N / GaN quantum well structure according to an embodiment of the present invention is similar to the conventional InGaN / GaN quantum well structure, Is almost independent from This means that regardless of the composition of boron (B) Can be explained by the fact that the HH band characteristic of the highest valued electron subband remains unchanged even at a high state exceeding zero.
또한, (x, y) = (0.192, 0)에서의 종래의 InGaN/GaN 양자 우물 구조가 최대 의사-페르미 준위 분리를 갖는다는 것이 관찰되었으며, 이는 x 값이 작은, 즉, (x, y) = (0.14, 0.017), (0.16, 0.014), (0.18, 0.008)인 경우에 관찰된 자발 방출 피크의 증가는, 주로 내부 전계의 감소에 의한 광학 매트릭스 요소의 증가 때문이다. It has also been observed that the conventional InGaN / GaN quantum well structure at (x, y) = (0.192, 0) has maximum pseudo-Fermi level separation, The increase in the spontaneous emission peak observed in the case of (0.14, 0.017), (0.16, 0.014), (0.18, 0.008) is mainly due to the increase of the optical matrix element due to the decrease of the internal electric field.
한편, 활성 영역(140) 위에 제2 도핑층(130)이 배치될 수 있으며, 이때 제2 도핑층(120)은 n형 반도체층 또는 p형 반도체층 중 어느 하나여도 무방하고, 바람직하게는 질화갈륨 계열의 n형 반도체층 또는 질화갈륨 계열을 p형 반도체층을 사용할 수 있으나, 함께 적용되는 제1 도핑층(120)과 상이한 반도체층 일 수 있다. Meanwhile, the
예컨대, 제1 도핑층(120)-제2 도핑층(130)은 각각 n형 반도체층- p형 반도체층이거나, p형 반도체층- n형 반도체층일 수 있다. For example, the
아울러, 제1 도핑층(120) 및 제2 도핑층(130)의 일부 영역이 식각되어 제거되고 각각의 반도체층이 노출될 수 있으며, 상기 노출된 반도체층 상에 전극패드(150)를 더 포함할 수 있다. In addition, a portion of the
또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따라, 활성영역(140)은 버퍼층(142)을 더 포함할 수 있으며, 이때, 상기 버퍼층(142)은 GaN 성분을 포함할 수 있다. In addition, according to another embodiment of the present invention, the
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention.
100: 청색 발광 다이오드
110: 기판
120: 제1 도핑층
130: 제2 도핑층
140: 활성 영역
141: 양자우물구조
141A: 장벽층
141B: 우물층
142: 버퍼층
150: 전극패드100: blue light emitting diode
110: substrate
120: first doping layer
130: second doping layer
140: active area
141: Quantum well structure
141A: barrier layer
141B: well layer
142: buffer layer
150: Electrode pad
Claims (5)
상기 GaN 장벽층에 적층되고, 하기 화학식 1으로 이루어진 우물층;을 포함하는 양자우물구조:
[화학식 1]
InxByGa1 -x- yN
(여기서, 0.14≤x≤0.2이고, 0<y≤0.02이다)A barrier layer made of GaN; And
A quantum well structure stacked on the GaN barrier layer and comprising a well layer having the following Formula 1:
[Chemical Formula 1]
In x B y Ga 1 -x- y N
(Where 0.14? X? 0.2 and 0 < y? 0.02)
상기 0.008≤y≤0.013인 양자우물구조. The method according to claim 1,
Wherein said quantum well structure is 0.008? Y? 0.013.
질화갈륨 계열의 p형 화합물 반도체층; 및
상기 n형 및 p형 화합물 반도체층 사이에 개재된 활성 영역;을 구비하는 청색발광다이오드에 있어서,
상기 활성 영역은 GaN으로 이루어진 장벽층과 상기 GaN 장벽층에 적층되고, 하기 화학식 1으로 이루어진 우물층을 포함하는 것을 특징으로 하는 청색 발광 다이오드.
[화학식 1]
InxByGa1 -x- yN
(여기서, 0.14≤x≤0.2이고, 0<y≤0.02이다)A gallium nitride based n-type compound semiconductor layer;
A gallium nitride based p-type compound semiconductor layer; And
And an active region interposed between the n-type and p-type compound semiconductor layers, the blue light emitting diode comprising:
Wherein the active region comprises a barrier layer made of GaN and a well layer formed on the GaN barrier layer and having the following Chemical Formula 1. < EMI ID = 1.0 >
[Chemical Formula 1]
In x B y Ga 1 -x- y N
(Where 0.14? X? 0.2 and 0 < y? 0.02)
상기 0.008≤y≤0.013인 청색 발광 다이오드.The method of claim 3,
Wherein 0.008? Y? 0.013.
상기 활성 영역은 GaN 버퍼층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 청색 발광 다이오드.
The method of claim 3,
Wherein the active region further comprises a GaN buffer layer.
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