KR20140035813A - 단파장 발광체용 p-측 층들 - Google Patents

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쳉 보엔
엘. 추아 크리스토퍼
운더러 토마스
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Abstract

발광소자는, xlow≤ xhigh ≤ 0.9인, p-형 도펀트로 도핑된 AlxhighGa1 - xhighN 및 p-형 도펀트로 도핑된 AlxlowGa1 - xlowN 의 교번 층들로 형성되는 단주기 초격자 (SPSL) 를 가지는 p-측 이종구조를 포함한다. SPSL의 각각의 층은 약 6 종의 AlGaN 이중-층들 이하의 두께를 가진다.

Description

단파장 발광체용 p-측 층들{P-SIDE LAYERS FOR SHORT WAVELENGTH LIGHT EMITTERS}
본 발명은 단파장 발광체용 p-측 층들에 관한 것이다.
자외선 (UV)을 발생시키는 발광다이오드 및 레이저 다이오드는 정수, 소독, 보안, UV 경화, 광선요법, 및 의료진단을 포함한 다양한 분야에서 사용된다. 예를들면, UV 광은 더 넓은 밴드갭의 반도체 재료, 예컨대 AlN, AlGaN, InGaN, InAlGaN, 및 기타 등을 포함한 III-질화물 재료에서 생성된다.
그러나, 높은 정공 농도 달성을 위한 이들 재료 도핑은 이들 더 넓은 밴드갭 재료에서 도펀트 활성에너지가 상대적으로 높으므로 어렵다.
본원에 기재된 다양한 실시태양은 p-형 도펀트로 도핑되는 AlxhighGa1-xhighN 및 p-형 도펀트로 도핑되는 AlxlowGa1-xlowN의 교번 층들을 가지는 단주기 초격자 (SPSL)를 포함한 p-측 이종구조로 구성되고, xlow≤ xhigh ≤ 0.9인, 발광소자에 관한 것이다. SPSL의 각각의 층은 AlGaN의 약 6종의 이중-층들과 동일하거나 얇은 두께를 가진다. 이들 발광소자는 n-측 이종구조 및 SPSL 및 n-측 이종구조 사이에 배치되어 발광하는 활성영역을 포함한다.
일부 실시태양은 p-형 도펀트로 도핑되는 AlxhighGa1-xhighN 및 p-형 도펀트로 도핑되는 AlxlowGa1-xlowN의 교번 층들을 가지는 단주기 초격자 (SPSL)를 포함한 p-측 이종구조로 구성되고, xlow≤ xhigh ≤ 0.9인, 발광소자를 기술한다. 본 소자는 n-측 이종구조 및 SPSL 및 n-측 이종구조 사이에 배치되어 발광하는 활성영역을 포함한다. 교번 층들은 SPSL에서 가전자 대역 전위 변조를 일으키고 본 변조는 대략 p-형 도펀트의 억셉터 준위 에너지와 같다.
일부 실시태양은 p-측 이종구조, n-측 이종구조, 및 p-측 이종구조 및 n-측 이종구조 사이에 배치되어 발광하는 활성 영역을 포함한 발광소자에 관한 것이다. 또한 발광소자는 금속성 p-접촉부 및 p-측 이종구조 및 p-접촉부 사이에 배치되는 p-접촉층을 포함한다. p-접촉층은 AlzGa1-zN 로 구성되고 두께, D를 가지며, 여기에서 z는 p-접촉층 두께의 상당 부분을 걸쳐 가변되는 S-형 Al 조성 프로파일을 가진다. 일부 경우에서, p-측 이종구조는 p-형 도펀트로 도핑되는 AlxhighGa1-xhighN 및 p-형 도펀트로 도핑되는 AlxlowGa1-xlowN의 교번 층들을 포함하고, 여기에서 xlow≤ xhigh ≤ 0.9인 단주기 초격자 (SPSL)로 구성된다.
일부 실시태양은 단주기 초격자 (SPSL)로 구성되는 p-측 이종구조, n-측 이종구조; 및 SPSL 및 n-측 이종구조 사이에 배치되어 발광하는 활성영역을 포함한 발광소자에 관한 것이다. SPSL은 제1부분 및 제2부분을 포함하고, 제1부분은 활성영역에 근위하고 제1 개수의 Alx1highGa1-x1highN 및 Alx1lowGa1-x1lowN의 교번 층들로 구성된다. 제2부분은 제2 개수의 Alx2highGa1-x2highN 및 Alx2lowGa1-x2lowN의 교번 층들로 구성된다. SPSL의 각각의 층 두께는 AlGaN의 약 6종의 이중-층들과 동일하거나 얇다.
발광소자 제조방법은 기판 상에 n-측 이종구조 성장단계, n-측 이종구조 상에 활성영역 성장단계, 및 활성영역 근위에 단주기 초격자 (SPSL) 성장단계를 포함한다. SPSL 성장단계는 p-형 도펀트로 도핑되는 AlxhighGa1-xhighN 및 p-형 도펀트로 도핑되는 AlxlowGa1-xlowN의 교번 층들의 성장단계를 포함하고, 여기에서 xlow≤ xhigh ≤ 0.9이고 SPSL의 각각의 층은 AlGaN의 약 6종의 이중-층들과 동일하거나 얇은 두께를 가진다.
도 1은 다양한 실시태양에 따라 Al 조성을 변경시켜 달성되는 분극개선도핑에 의한 다양한 선택 층들을 포함한 발광소자의 단면도이다;
도 2는 분극개선도핑을 보이는 단주기 초격자 (SPSL)에서 Mg 원자에 대하여 계산된 천이 준위이다;
도 3은 고정 xhigh에 대하여 xlow 함수로서 도시된 가전자 대역 에지의 총 변조 (Vmod) 그래프 집합이다;
도 4는 수직면 및 c-축에 대하여 이완 AlN에서 압축 변형된 AlGaN의 총 분극 보인다;
도 5는 여러 두께의 층들을 가지는SPSL의 광전송 스펙트럼을 보인다;
도 6은 Thigh는 0.7 nm이고 Tlow 는 0.9 nm인 Mg 도핑된Al0.74Ga0.26N/Al0.49Ga0.51N SPSL의 계산된 대역 구조를 보인다;
도 7은 각각 약 1nm인 교번되는 Thigh 및 Tlow층들을 가지는 AlGaN/AlGaN SPSL의 단면 전자현미경사진이다;
도 8은 온도의 함수로써 SPSL의 전기저항률 측정에 사용되는 테스트 구조를 보인다;
도 9는 두 종의 상이한 테스트 SPSL 이종구조에 대한 온도 함수로써 SPSL 저항률을 보인다;
도 10은 본원에 기재된 분극 개선 SPSL을 포함한 발광소자의 전류-전압 (IV) 특성 테스트에 사용되는 개략적인 테스트 구조체이다;
도 11은 분극 개선 SPSL을 활용한 소자의 DC 전류-전압 (IV) 특성을 보인다;
도 12는 평균48% Al 조성 분극 개선 SPSL을 활용한 소자의 IV 특성 및 38% Al 조성을 가지는 종래 동종 AlGaN p-클래딩 층을 활용한 소자의 IV 특성을 비교한 것이다;
도 13은 분극 개선 SPSL 및 구간 선형 등급화 AlzGa1-zN p-접촉층 모두를 가지는 소자에 대한 대역 구조 시뮬레이션을 보인다;
도 14는 p-접촉층의 두 등급 영역들 각각에서의 운반체 농도를 보인다;
도 15는 거리 기준으로 선형 등급화 AlzGa1-zN p-접촉층에 대한 평방미터당 쿨롱 (C/m2) 단위의 분극계를 보인다;
도 16은 거리 기준으로 선형 등급화 AlzGa1-zN p-접촉층에 대한 정공 농도를 보인다;
도 17은 SPSL에서의 0.7 내지 팔라듐 (Pd) p-접촉부에서의 0로 등급화된 Al 조성을 가지는 등급화 AlGaN p-접촉층과 함께 사용되는 xhigh = 1.0 및 xlow= 0.5 인 SPSL의 두께 기준으로 강도 손실을 보인다;
도 18은 여러 비-선형 등급 프로파일에 대하여 계산된 정공 농도의 3종의 예시를 보인다;
도 19는 AlzGa1-zN 층에서 파장 λ = 250 nm에 대한 Al 조성의 굴절률, n, 및 흡광계수, k 그래프이다;
도 20은 선형, 포물선, 및 S-형 Al 조성 프로파일을 보인다;
도 21은 도 20의 각각의Al 조성 프로파일에 대한 p-접촉층 내부에서 여러 거리에서의 z 값 표를 제공한다;
도 22는 도 20의Al 조성 프로파일에 대한 굴절률 및 횡단 광학방식 도표를 제공한다;
도 23은 도 20의Al 조성 프로파일에 대한 총 분극을 제공한다;
도 24는 도 20의Al 조성 프로파일에 대한 정공 농도를 제공한다;
도 25는 양자 우물 영역, 활성영역의 최종 장벽 영역 및 분극 개선 SPSL 영역에서의 전도 대역 에너지를 보이는 에너지 다이어그램이다;
도 26은 활성영역에 대한 전자차단층 (EBL) 기능을 제공하는 SPSL 구역 (section)을 형성하기 위하여 활성영역 근처가 변경된 SPSL의 에너지 다이어그램이다.
동일 도면부호는 동일 요소를 나타낸다;
도면은 달리 표시되지 않는 한 척도가 적용되지 않는다.
본원에 기재된 접근방법은 발광소자의 하나 이상의 층들에서 정공 농도를 증가시키는 분극개선도핑에 관한 것이다.
반도체 층들에 존재하는 분극계로 인하여 분극개선도핑은 이동 운반체 농도를 증가시킨다. 상이한 전기음성도를 가지는 둘 (또는 이상의) 원자들이 화합물에서 화학적으로 결합할 때 쌍극자를 생성하는 원자의 전기음성도로 인하여 분극개선도핑이 가능하다. 화합물 쌍극자로 결정 내 층들에 걸쳐 거시적으로 분극이 발생된다. 층들에서의 분극 정도는 결정 격자에 존재하는 변형뿐 아니라 결정 구조에 의해 영향을 받는다. III-질화물 반도체는 원자의 결정 배열로 인가된 변형이 없어도 자발적 분극 전하가 존재하는 섬유아연석형 구조의 결정으로 성장한다.
결정 층들 분극으로 다른 분극을 가지는 재료의 두 층들 계면에 고정 전하가 발생된다. 분극 전하는 고정되어 있으므로, 그 자체는 결정 내 전기 수송에 기여하지 못하지만, 분극 전하는 이동 운반체 발생을 유도할 수 있다. 분극 전하가 존재할 때 결정 내 분극계는 거리에 따라 변한다. 예를들면, 극성 결정 계면에 걸쳐 가변 분극계가 발생한다. 고정 전하가 계면에 존재할 때, 고정 전하는 재료 내에서 이동 전하에 의해 중화된다. 두 종의 질화물 층들 계면에서 분극 전하가 유도하는 이동 전하의 양은 결정 조성 및 구조에 따라 다르다. AlGaN의 경우, 예를들면, 접합부에서 AlGaN의 알루미늄 조성이 분극 정도 따라서 계면에서 유도되는 이동 전하의 수를 결정한다. 분극개선도핑은 둘 중 어느 유형의 운반체에도 적용될 수 있다는 것에 주의하라. 질화물 기반의 발광소자에서, 특히 분극개선도핑은 높은 p-형 도너 농도를 달성하기 위한 질화물 층에 대한 도핑 및 동시에 높은 전도도 층들을 제공하기 어렵기 때문에 정공 농도 개선과 관련된다.
도 1은 가변 Al 조성으로 달성되는 분극개선도핑에 따라 다양한 선택 층들을 포함하는 발광소자 (100)의 단면도이다. 도 1에 예시된 바와 같이, 발광소자 (100)는 p-측 이종구조 (120) 및 n-측 이종구조 (110) 사이에 위치하는 활성영역 (105)을 포함한다. 예를들면, p-측 이종구조 (120)는 AlxhighGa1-xhighN/AlxlowGa1-xlowN의 교번 층들을 가지고, 여기에서 예를들면 xhigh 는 약 1 내지 약 0.5이고 xlow 는 약 0.75 내지 약 0인, p-측 단주기 초격자 (SPSL, 121)를 포함한다. P-접촉층 (122)은 SPSL (121) 및 금속 예컨대 팔라듐 (Pd)일 수 있는 p-접촉부 사이에 배치된다. p-접촉층 (122)은 AlzGa1-zN 로 구성되고 SPSL (121)에서 p-접촉부 쪽 방향으로 거리에 따라 감소되는 Al 조성 프로파일에 따라 등급화될 수 있다.
n-측 이종구조 (110), 활성영역 (105), 및 p-측 이종구조 (120) 층들은 육각 대칭 재료, 예컨대 III족-질화물 재료로 구성되는 기판에서 에피택시얼 성장될 수 있다. 기판용 적합 재료는 하나 이상의 GaN, AlN, SiC, 사파이어, Si, GaAs, ZnO, III족-N 합금, 및 III족-N 재료로 구성되는 템플릿을 포함한다.
많은 경우에, AlGaN 소자 층들은 높은 Al 함량을 가지므로 발광소자 AlGaN 층들을 위하여는 AlN이 특히 적합한 기판을 제공한다. AlN상에서 에피택시얼 성장된 높은 Al 조성 층들은 기판 격자 및 에피택시얼 성장 층들 격자 사이 낮은 부정합을 제공한다. 예를들면, 발광소자는 벌크 AlN 기판을 포함하고, n-측 이종구조, 활성 영역, 및 p-측 이종구조는 벌크 AlN 기판 상에서 성장한다. 벌크 AlN 기판 대안으로, 사파이어 또는 다른 재료의 기판 상에서 에피택시얼 성장된 AlN 템플릿이 적용될 수 있다.
발광소자 (100) 층들은 기판의 극성 또는 반-극성 표면 또는 소면에서 성장될 수 있다. 일부 실시태양에서, 기판은 사파이어, III족 질화물, SiC, 또는 ZnO을 포함할 수 있고, n-측 이종구조, 활성 영역 및 p-측 이종구조는 기판의
Figure pat00001
또는
Figure pat00002
표면에서 에피택시얼 성장된다. 일부 실시태양에서, 기판은 III족 질화물, SiC, 또는 ZnO을 포함하고, n-측 이종구조, 활성 영역 및 p-측 이종구조는 기판의 반-극성 소면에서 에피택시얼 성장된다.
활성영역 (105)은 장벽에 의해 분리되는 하나 이상의 양자 우물 및/또는 스페이서에 의해 분리되는 다중 양자우물 구조들을 포함한다. 소자 n-측에서의 전자 및 소자 p-측에서의 정공은 활성영역 (105)으로 확산되고 여기에서 재결합되어 빛을 발생시킨다. 양자 우물, 장벽, 및/또는 스페이서는 임의의 질화물 기반의 재료 시스템, 예컨대 InGaN, AlGaN, InAlN, InAlGaN, 또는 기타 질화물, 또는 극성 산화물 예컨대 BeMgZnO 시스템을 이용하여 형성된다. 일부 경우에서, 전자차단층 (EBL, 125)이 활성영역 (105) 최종 양자우물 구조 및 p 측 이종구조 (120) 사이에 위치하여 활성영역 (105) 내 전자 구속을 촉진시킨다. 발광은 활성영역 (105)에서 정공 및 전자의 재결합에 의한 것이므로, 전자를 활성 영역에 보유하는 것이 재결합 가능성을 높이는데 유리하다.
금속 p-접촉부 및 활성영역 (105) 사이에 놓인 p-측 이종구조 (120)의 반도체 재료에서 질화물 시스템의 단파장 (λ ~ 250 nm) 레이저의 충분히 높은 p-형 전도도 및 충분히 높은 광학 투과도를 달성하는 것이 어렵다. 예를들면, p-측 층들 (120)에 적용되는 AlGaN은 레이저 파장에서 충분한 전도성 및 동시에 충분한 투과성을 가져야 한다. 마그네슘은 AlGaN용 p-형 도펀트로 사용될 수 있고, AlGaN에서 Mg 억셉터 준위 에너지는 Al 조성과 함께 증가되기 때문에, Al 조성이 증가되면 높은 정공 농도 및 전도도를 달성하기 더욱 어려워진다. 그러나, 투과도는 Al 조성이 높아질 때 AlGaN에서 더욱 용이하게 달성되고, 이것은 p-측 층들에서 Al 조성에 대한 경쟁적 제약조건을 부과한다. 또 다른 제약조건은 질화물 재료 및 p-접촉 금속 전극 사이 양호한 전기접촉을 설정할 필요가 있는 것이다. 이러한 요건은 금속 및 GaN (대략 제로 Al 조성) 사이 접촉을 형성하면 더욱 용이하게 만족된다.
본원에 논의된 실시태양은 동시에 충분한 p-형 전도도, 충분한 광학 투과도를 달성하고 p-형 재료 및 금속 전극 간 낮은 저항률의 전기접촉을 가능하게 하는p-층 구조 설계에 관한 것이다. 본원에 논의된 접근방법은 SPSL (121)를 금속 p-접촉부에 연결하는 억셉터-도핑된 등급화 AlGaN p-접촉층 (122)와 함께 선택적으로 적용될 수 있는 억셉터-도핑된 AlxhighGa1-xhighN/AlxlowGa1-xlowN SPSL (121)에 관한 것이다. AlGaN에 대하여 적합한 억셉터는 마그네슘 (Mg)을 포함한다. AlGaN에 대한 다른 잠재적 p-형 도펀트는 Be 및 C를 포함한다. 등급화 p-접촉층은 AlzGa1-zN을 포함하고, 여기에서 z은 예를들면 일정, 선형, 포물선, 및/또는 S-형일 수 있는 프로파일에 따라 등급화 된다. 충분히 낮은 광 흡수손실, 충분히 높은 p-형 전도도, 및 양호한 전기접촉은 이러한 접근방법으로 달성된다.
일부 실시태양에서, SPSL (121)의 Al 조성은 상대적으로 높은 값 (xhigh~ 0.9) 및 상대적으로 낮은 값 (xlow~ 0.5) 사이를 교번한다. AlxhighGa1-xhighN 층들 두께는 Thigh 로 표기하고 AlxlowGa1-xlowN 두께는 Tlow로 표기된다. Thigh 및 Tlow 는 예를들면 약 0.7 nm 내지 약 1.5 nm 범위 또는 약 6 이중-층들 미만이다. 용어 “이중-층”이란 III족 원자의 하나의 층 및 N 원자의 하나의 층으로 구성되는 한 쌍의 층을 의미한다. III족 원자의 층은 Al 및 Ga 원자의 혼합물로 이루어진다. AlGaN의 이중-층 각각의 두께는 약 0.25 nm이다. SPSL (121) 전체 두께는 여러 제약조건에 따른다. 하나의 제약조건에 의하면, SPSL이 클래딩 층으로 적용되면, 광학방식을 가지기 위하여 SPSL은 상대적으로 두꺼운 것이 바람직하다. 경쟁적 제약조건에 있어서, 전기저항률을 낮추고 SPSL을 관통하는 수직 전류를 증가시키기 위하여는 SPSL이 상대적으로 얇은 것이 바람직하다. 경쟁적 제약조건에 있어서, 전기저항률을 낮추고 따라서 상대적으로 낮은 발열로 대전류가 SPSL를 관통하도록 SPSL이 상대적으로 얇은 것이 바람직하다. 경쟁적 제약조건들을 달성하기 위하여, SPSL 총 두께는 예를들면 약 200 nm 초과 및 약 450 nm 미만일 수 있다. SPSL (121)의 평균 Al 조성은 xave= (xhighThigh+ xlowTlow)/(Thigh + Tlow)로 계산된다. 평균 Al 조성은 소자에서 발생되는 빛이 상당히 흡수되는 것을 방지하기 위하여 충분히 높아야 한다. 예를들면, λ 가 약 290 nm인 경우, 평균 Al 조성은 약 45% 초과 내지 약 80% 미만의 범위이다. 약 330 nm 초과의 λ인 경우, 평균 Al 조성은 약 30% 초과 내지 약 80% 미만의 범위이다.
SPSL이 레이저 다이오드에서 클래딩 층으로 사용되면, 광학 방식을 소자 p-측으로부터 밀어내는 것이 유용할 수 있고, 이는 상대적으로 높은 평균 Al 조성, 예를들면, λ = 290 nm에 대하여 약 60% 초과인 조성을 이용하여 달성될 수 있다. 레이저 다이오드 p-클래딩에서 더 높은 Al 조성을 적용하는 것은 p-클래딩 층 저항률이 Al 조성과 함께 증가하므로 반직관적인 것으로 보인다. 그러나, 경쟁적 제약조건에 있어서, 높은 Al 조성은 광학방식을 소자 n-측으로 밀도록 따라서 광손실을 감소시키도록 작용된다.
도 2는 SPSL에서의 분극개선도핑을 보인다. c-면 기판에서 성장된 AlGaN SPSL으로 구성되는 소자에서, AlGaN c-축은 층들의 면과 수직이다. 이러한 SPSL에서 각각의 계면에서 상당한 분극 불연속이 존재할 것이다. 불연속 정도는 층들의 변형, 및 계면에서의 조성 변화에 따라 다르다. 이러한 분극 불연속은 각각의 층에서 전계를 일으키고, 이는 AlxhighGa1-xhighN 층들, 예를들면, 도 2에서 AlN 및 AlxlowGa1-xlowN 층들, 예를들면, 도 2에서 Al0.5Ga0.5N 사이의 가전자 대역 옵셋과 함께, 결정 내에서 전위 변조를 유발시킨다. 전위 변조는 p-형 도펀트 이온화 및 정공 형성으로 이어진다. 높은 Al 조성의 층들에 위치하는 P-형 도펀트 (예컨대 Mg원자)는 전자 포획에 의해 이온화 될 수 있다. 더 낮은 Al조성의 층들에서 전자가 빠져 나가고, 이에 따라 정공이 생성된다. 정공은 도 2에 개략적으로 표시된 바와 같이 층들 사이 계면에 누적된다.
도 2는 Mg 원자에 대한 계산된 천이 준위(210, 211) 를 보인다. 점선은 계산된 페르미 에너지 (220)를 나타내고 실선은 SPSL의 가전자 대역 최대 (230)를 나타낸다. 주어진 Mg 원자에 대한 천이 준위 (211)가 페르미 에너지 (220)보다 낮을 때, 해당 Mg 원자는 이온화가 용이하고 음전하 상태가 될 것이다. SPSL의Al-풍부 영역에 위치한 Mg 원자는 SPSL 구조의 가전자 대역 최대 (230) 보다 낮은 천이 준위 (211)를 가진다. 이들 Mg 원자는 음전하로 되기 용이하고 이에 따라 정공 (240)을 유발한다. 보다 낮은 Al을 가지는 영역에 위치한 Mg 원자는 페르미 에너지 (220)보다 높은 천이 준위 (210)를 가진다. 이들 Mg 원자는 중성 전하 상태로 유지된다.
SPSL은 가전자 대역 에지에서 변조를 유발한다. Vmod로 정의되는 단주기 SPSL에서의 가전자 대역 에지 변조는, SPSL의 두 재료 간의 가전자 대역 옵셋 (VBO) 및 계면에서 분극 전하로 유발되는SPSL에서의 전위 변화의 합과 대략 같다. AlGaN 시스템에서 다음과 같이 가전자 대역 옵셋 (VBO)이 추정된다. AlxhighGa1-xhighN 및 AlxlowGa1-xlowN 간의 VBO는 대략 다음과 같다:
VBO = 0.3 {Egap(AlxhighGa1 - xhighN) - Egap(AlxlowGa1 - xlowN)}.
여기에서 Egap 는 가전자 대역 및 전도 대역 간 에너지 갭이다. 밴드 갭 차이의 대략 30%는 가전자 대역 옵셋에 기여하고 나머지 70%는 전도 대역 옵셋에 기여한다. 이것을 Egap(AlxhighGa1 - xhighN) = xhighEgap(AlN) + (1-xhigh) Egap(GaN) - b xhigh(1-xhigh)와 결합시켜, 두 재료들에 대한 xhigh 및 xlow의 함수로써 VBO을 추정할 수 있다. Egap(AlN) = 6.2 eV, Egap(GaN) = 3.4 eV , 및 b = 0.7 eV을 적용하여 VBO를 얻는다.
두께 Thigh 및 Tlow 인AlxhighGa1-xhighN 및 AlxlowGa1-xlowN 의 교번 층들로 이루어진 초격자에서의 전계 Exhigh 및 Exlow 는 다음과 같다
Exhigh = Tlow (Pxlow - Pxhigh) / (Thighεxlow + Tlowεxhigh),
Exlow = Thigh (Pxhigh - Pxlow) / (Thighεxlow + Tlowεxhigh).
이들 식에서 Pxlow 및 Pxhigh 는 AlxlowGa1-xlowN 및 AlxhighGa1-xhighN 에서의 분극이고 εxhigh 및 εxlow 는 두 재료의 유전상수이다. 두께 Thigh인 SPSL 구역에 걸친 전위 변화는 ThighExhigh 이고 두께 Tlow인초격자 구역에 걸친 전위 변화는TlowExlow이다. ThighExhigh= - TlowExlow라는 것에 주목하라. 가전자 대역 에지 (Vmod)의 총 변조는 대역 옵셋 및 분극계로부터의 기여 합이다. 도 3에서 고정 xhigh에 대한 xlow 함수로써 Vmod 가 도시된다. 도 3의 시뮬레이션을 위하여, Thigh 및 Tlow는 각각의 1 나노미터로 설정된다.
많은 경우, SPSL은 p-형 도펀트 억셉터 준위 에너지와 대등한 (예를들면, 거의 같은) 가전자 대역 전위에서의 총 변조를 가진다. AlGaN 시스템에서 가장 일반적인 억셉터는 Mg이고 Al0.5Ga0.5N에서 억셉터 준위 에너지는 도 3에서 점선 (310)로 나타낸 바와 같이 가전자 대역 최대보다 대략 0.35 eV 높다. SPSL에 의해 생성된 가전자 대역 변조가 충분히 클 때, 이온화 억셉터 개수는 동종 층에 비하여 상당힌 증가한다. 이러한 요건은 SPSL에서Al 조성에 대한 제약조건을 부여한다. 상세하게는 xhigh 및 xlow 간의 차이가 약 0.25를 넘어야 분극 개선 접근방법에 따른 상당한 이점을 달성할 수 있다. 이것이 xlow 의 함수로써 xhigh 가 0.5, 0.75, 또는 1.0에 대하여 총 변조 전위가 도시된 도 3에 도시된다. xhigh 를 0.75로 선택하면 xlow 는 약 0.5 미만으로 선택된다. Thigh = Tlow = 0.75 nm 에 대한 동일한 추정 역시 유사한 결론에 이른다. 따라서, 효과적인 AlxhighGa1-xhighN /AlxlowGa1-xlowNSPSL 접근방법의 잠재적 실시태양 중 하나는 Thigh 및 Tlow 이 각각 1 나노미터 이하이고, xhigh - xlow 는 약 0.25 보다 큰 것에 있다.
도 1에 도시된 소자는 III-N 재료의 III-족 면 (0001), 예를들면, AlN 기판의Al 면에서 극성 배향으로 성장될 수 있다. 또한 기판의 반-극성 소면에서 성장하는 소자에서 분극개선도핑을 구현하는 것도 가능하다. 반-극성 배향에서는, 그러나, c-면 계면과 비교할 때 계면에서의 분극 변화는 줄어들고, 따라서 층들 간 전계는 감소된다. 따라서, 극성 배향에서 성장된 소자와 대비할 때 반-극성 배향에서 성장된 소자에서 정공 농도 개선은 감소될 것이라고 예측된다.
도 4는 c-축 및 수직 표면 간 각도에 따른 이완 AlN 상에서 압축 변형된 AlGaN의 총 분극을 보인다. 총 분극은 재료의 자발적 분극 및 AlGaN 층 및 비변형 AlN의 압축변형에서 일어나는 압전 분극 모두에 따라 달라진다. 벌크 AlN상에서 c-면 압축 변형된 GaN의 총 분극 ΔPtotal 은 대략 0.08 C/m2이다. Al0.5Ga0.5N 및 AlN 간의 c-축 배향 계면에 대한 분극 불연속은 대략 0.05 C/m2이다. 반-극성 표면 배향 예컨대
Figure pat00003
이 적용되면 분극불연속은 감소될 것이다.
도 2와 연관하여 전기된 바와 같이, 분극개선도핑을 구현하는 잠재적 SPSL 설계는 Al0.5Ga0.5N 및 AlN의 교번된 1 nm 층들을 포함한다. 재료의 1 나노미터는 AlN의 약 4 (0001) 층들에 해당된다. 이러한 사양을 가지는 초격자에 있어서, 도 2에서 Vmod로 표기된 총 전위 변조는 약 0.7 eV이다. 도 2와 관련하여 논의된 계산에 따라, 초격자에 존재하는 상당 부분의 Mg 원자가 이온화 될 것이다.
1 nm 층들의 AlN/Al0.5Ga0.5N로 구성되는 SPSL은 하나의 구성을 예시한 것이고, 기타 층 두께 및 조성도 유용하다. 예를들면, 변조를 높이기 위하여, Al 조성의 더욱 큰 차이 (contract)가 유용하다. 예를들면, Al0.25Ga0.75N 및 AlN (75% 차이)의 교번 층들을 포함하는 격자는 Al0.5Ga0.5N/AlN 실시태양과 비교할 때 추가적인 차이를 제공한다. 차이 정도는 최대 Al 조성 및 최소 Al 조성에 의해 제한된다. 예를들면, p-형 도펀트를 매우 높은 Al 함량, 예를들면, 0.9 이상의 층에 주입시키는 것은 점점 어려워진다. 또한, 더 낮은 Al 조성, 예를들면, 약 0.25 미만의 경우 소자에서 발생된 빛을 더욱 흡수한다. 초격자 구조에 대한 최적 Al 조성은 높은 Al 조성의 AlGaN에 대한 도핑 난이도, 더 낮은 Al 조성에서 흡광, 및 분극개선도핑을 위한 변조 달성에 충분한 차이를 포함한 모든 제약조건을 고려하여야 한다. 일부 구현예에서, 분극 개선 SPSL의 층들에 대한최적 Al 조성은 약 0.9 미만의 xhigh 에서 약 0.44 초과의 xlow을 교번하는 것이다.
분극 개선 SPSL에서 AlGaN 층들 두께는 층들에 수직하는 정공 수직 수송이 가능하도록 충분히 얇아야 한다. x가 약 0.5 미만인 벌크 AlxGa1-xN의 밴드 갭은 너무 낮아 250 nm 이하의 파장의 빛이 흡수되는 것을 방지하지 못한다. 그러나, SPSL에서의 양자 구속으로 SPSL의 에너지 갭이 증가되고 교번 층들 AlN/Al0.5Ga0.5N/또는 평균 Al 조성이 약 0.60을 넘는 AlxhighGa1-xhighN/AlxlowGa1-xlowN, 예를들면, Al0.74Ga0.26N/Al0.44Ga0.56N을 가지는 SPSL에서의 흡광은 허용 가능하게 낮아질 것이다. 따라서 이러한 유형의 SPSL은 250 nm 주위에서 발광하는 레이저에 적합하다.
도 5는 AlN 1.45 nm 층들과 교번하는 Al0 .5Ga0 .5N 1.02 nm 층들 (그래프에서 510) 및 더욱 후박한 AlGaN/AlN 층들 (AlN6 nm 층들과 교번하는 Al0 .5Ga0 .5N 6.15 nm 층들) (그래프에서520)을 가지는 유사한 초격자로 구성되는 p-측 SPSL 정공 수송층의 광전송 스펙트럼을 보이는 그래프이다. 더욱 후박한 AlGaN 층들을 가지는 샘플은 λ = 279 nm 주위에서 전송 경사 (dip)를 보이고, 이는 초격자 AlGaN 성분의 대역 에지 흡수에 상당한다. 도 2와 연관하여 논의된 설계에 따라 더욱 얇게 초격자 층들을 제작하면, 흡수 에지는 λ = 238 nm로 이동되고, 이는 설계 파장 λ = 250 nm에서 정공 수송층이 원하는 낮은 흡수 특성을 가진다는 것을 의미한다. 이들 스펙트럼 (510, 520)을 비교하면 더욱 얇은 층들을 가지는 SPSL에 대한 광전송 개선을 보인다.
SPSL 내에서 개별 층들 Alxhigh/Ga1-xhighN/AlxlowGa1-xlow/N의 두께 Thigh 및 Tlow 는 전기된 바와 같이 단지 수 (예를들면, 6) 원자적 이중-층들 두께일 수 있다. SPSL 내에서 높은 분극계는 도펀트의 이온화를 촉진시키고, 정공 발생 및 더 낮은 전기 전도도로 진행된다. 도 6은 Mg도핑된Al0.74Ga0.26N/Al0.49Ga0.51NSPSL의 계산된 대역 구조를 보이고, 여기에서 Thigh 는 0.7 nm이고 Tlow 는 0.9 nm이다. L1 영역에서 페르미 준위, Ef 아래에 Mg 도너의 에너지 준위가 있다는 것은, SPSL의 L1 영역 내에서 Mg 원자는 분극계에 의해 이온화 될 수 있다는 것을 의미한다. 형성된 정공은 이후 인접 L2 영역에 있는 더 낮은 에너지 우물로 이동된다. SPSL 층들은 매우 얇으므로, 수직 정공 수송은 터널링으로 가능하다. 도 7은 약 1 nm 미만의 두께 Thigh 및 Tlow를 가지는 얇은 층들 간 분명한 계면을 유지하는 SPSL 구조를 보이는 단면 투과전자현미경 (TEM)이다.
도 7에 보인 AlGaN/AlGaN SPSL은 유기금속화학증착 (MOCVD)으로 성장되었다. 본원에 개시된 방법은 이러한 초-박층들 간에 분명한 계면을 형성할 수 있는 이종구조 결정 성장 조건을 포함한다. 적당한 성장 조건이 유지되지 않으면, 극한 박층들은 하나의 합금으로 통합되므로 분명한 계면을 가지는 박층들에 걸쳐 Al 조성이 가변되는 이러한 SPSL을 성장시키는 것은 어려운 작업일 수 있다. 예를들면, 일부 경우에서, 약 930 내지 980°C 및 약 200 torr의 압력에서 SPSL 층들을 성장시키면 최적 결정 품질 및 Mg 도펀트 주입을 달성할 수 있다.
층들을 상당히 저속 성장시켜 결정 품질 및 Mg 주입을 달성한다. 하나의 실시예에서, 층들은 초당 0.01 내지 0.04 nm 속도로 성장하고, 이는 유기금속 트리메틸갈륨 (TMG) 유속 0.5 sccm 및 암모니아 유속 분당 4 리터에 상당한다. TMG 기준으로 높은 암모니아 유속은 높은 V-III 부분압에 이를 수 있고, 고품질 결정을 제공할 수 있다.
일반적으로, 층들은 상대적으로 낮은 주위 압력인 약 80 torr 내지 약 700 torr 및 상대적으로 낮은 온도인 약 750°C 내지 약 1300°C에서 성장될 수 있다. 허용 가능한 결정 품질, 억셉터 도너 주입, 및 SPSL 층들 간 상대적으로 분명한 형상을 달성하도록 성장 온도가 선택될 필요가 있다.
본원에 기재된 분극-조력의 정공-도핑된 SPSL 설계는 높은 수준의 수직 전류 주입을 지원할 수 있다. 초격자의 평균 Al 조성은 발광 파장에 따라 다르다. 소자에서 SPSL의 개별 층 두께뿐 아니라 총 두께는 전기저항 저하 및 터널링에 의한 정공 수송이 가능하도록 선택된다. 본 발명자들은 21 kA/cm2까지의 피크 전류밀도를 가지는 펄스전류를 소자로 성공적으로 주입시켰다. 또한 소자는 적당한 전압을 보였고 11 kA/cm2 정도로 높은 DC 전류밀도를 취급하였다. 이러한 SPSL 설계를 상이한 레이저 다이오드 이종구조들에 조합하여 두 유형의 테스트 가능한 레이저 구조로 가공하였다. 도 8에 개략적으로 도시된 구조를 온도 함수로써 SPSL 전기저항률을 시험하기 위하여 사용하였다. 도 10에 개략적으로 도시된 테스트 구조를 SPSL의 전류-전압 (IV) 특성을 시험하기 위하여 사용하였다.
온도 함수로써의 전기저항률 테스트에 있어서, 도 8은 SPSL 온도 시험에 사용된 테스트 형상을 보인다. 테스트 소자는 p-접촉층 (p+ GaN 층)에 Pd p-접촉부를 형성하고 접촉부들 사이 영역의 p+GaN 층 재료를 식각 제거하여 제조하였다. p-접촉부들 패턴은 저항률 측정용 Van Der Pauw 패턴으로 가공하였다.
도 9는 두 종의 상이한 테스트 SPSL 이종구조에 대한 온도 함수로써의 SPSL 저항률을 보인다. 양자 모두 도 6에 표기된 층 조합인 xhigh = 74%, Thigh = 0.7 nm 및 xlow = 49%, Tlow = 0.9 nm-두께로 설계된다. 두 SPSL에 대한 평균 알루미늄 조성은 모두 60%이고, 이들 모두 광학적으로 60% AlGaN와 같이 거동한다. 하나의 구조는 940℃에서 성장된 것이고, 다른 구조는 980℃에서 성장된 것이다. 도 9는 이들 테스트 SPSL의 측방 전기 저항률은 400 K 내지 100 K 범위에서 약 50 Ω-cm 미만으로 변경되는 거의 비-열적 거동을 가진다는 것을 보인다. 940℃에서 성장된 샘플 및 980℃에서 성장된 샘플 성장은 유사한 거동을 보인다. 이러한 약한 온도 의존성은 전기된 분극-유도 정공 활성 프로세스에서 예측될 수 있는 바와 같이, 도핑 이온화 메커니즘이 실제로 비-열적이라는 것을 제안한다.
또한 비교 목적으로, 도 9는 p-도핑된 GaN 및 동종 p-도핑된 Al0 .7Ga0 .3N의 저항률 거동을 도시한다. p-GaN 및 동종 p-AlGaN 양자 모두 열적 정공 활성의 특성인 온도 감소에 따른 급격한 전기 저항률 증가를 보인다. SPSL 샘플의 열적 활성에너지는 940℃ 및 980℃ 샘플 각각에 대하여 22 meV 및 17 meV이다. 이와 비교되는, 동종 p-AlGaN의 활성에너지는 323 meV이고 p-GaN의 활성에너지는 146 meV이다. 또한, 본원에 기재된 AlGaN 분극 개선 SPSL 설계는 약 175K 미만의 온도에서 약 20 Ω-cm 및/또는 실온에서 약 10 Ω-cm의 낮은 저항률을 보인다.
도 10은 SPSL 구조의 IV 시험용 테스트 구조의 개략적 사시도이다. 테스트 구조 (1000)는 AlN 기판 (1010)에서 성장된 n-측 이종구조 (1020), 활성 영역 (1040), 및 p-측 이종구조 (1035) (분극 개선 SPSL 포함)를 가지는 AlN 기판 (1010)을 포함하는 발광소자이다. 금속성 n-접촉부 (1030)로 n-측 이종구조로의 전기접촉이 가능하고 금속성 p-접촉부 (1050)로 p-측 이종구조와의 전기접촉이 이루어진다. 도 11은 분극 개선 SPSL을 활용한 소자의DC 전류-전압 (IV) 특성을 보인다. 본 결과는 분극 개선 SPSL의 극한 박층들이 약 J = 11 kA/cm2의 DC 전류밀도를 달성하므로 소자를 통한 수직 전류 주입이 성공적이라는 것을 보인다. 도 12는 평균 48% Al 조성 분극 개선 SPSL을 이용한 소자의 IV 특성 및 Al 조성 38%를 가지는 종래 동종 AlGaN p-클래딩을 활용한 소자의 IV 특성을 비교한 것이다.
다시 도 1로 돌아가, 등급화 p-접촉층 (122)은 단독으로 또는 상기된 분극 개선 SPSL와 조합하여 사용될 수 있다. 등급화 p-접촉층은 p-이종구조 및 p-접촉층 사이 계면에서 더 높은 Al 조성 및 p-접촉층 및 p-접촉부 사이 계면에서 더 낮은 Al 조성을 가진다. 일부 경우에서, Al 조성은 본원에 기재된 바와 같이 다른 프로파일 역시 유용하지만 p-접촉층을 따라 선형 또는 구간 선형 방식으로 감소될 수 있다.
분극 개선 SPSL 및 등급화 AlzGa1 - zN p-접촉층 모두를 가지는 소자에 대한 대역 구조 시뮬레이션을 도 13에 도시한다. 본 소자에서, Al 조성은 분극 개선 SPSL에서 초격자 평균 조성 (z = xave = 0.59)에서 p-접촉부에서 z = 0로 낮아지도록 등급화 된다. 이러한 특정 소자에서, 등급화는 도 13에 도시된 바와 같이 두 영역에의 구간 선형이다. 등급화는 두 단계로 일어난다: 63 nm 에 걸쳐 z = 0.59에서 z=0.41 (영역 I) 및20 nm에 걸쳐 z = 0.41에서 z=0 (영역 II). 도 14에서 보인 바와 같이, p-접촉층의 두 등급 영역 각각에서 정공 농도는 SPSL에서의 정공 농도보다 개선된다. 영역 I에서 AlzGa1-zN의 에너지 밴드 갭이 활성영역에서 방출되는 빛의 에너지 보다 크기 때문에 이러한 접근법으로 영역 I에서의 광 흡수는 매우 낮아진다. 따라서 영역 I은 광손실에 기여하지 않는다. 충분히 후박한 영역 I을 포함시키면, 광학방식 및 흡수 GaN 접촉부의 오버랩을 줄일 수 있고 따라서 광손실을 낮출 수 있다. 등급화 영역 I을 적용하면 SPSL 두께를 줄일 수 있다.
p-접촉 영역에서 Al 조성 등급화로 p-접촉 두께 (등급화가 전체 층에 걸쳐 이루어지는 경우), 또는 등급화가 구현된 다른 두께일 수 있는 두께 D 영역에 걸쳐 연장되는 3차원 정공 가스를 생성한다. 예를들면, p-접촉층에서 AlzGa1-zN의 Al 조성은 p-접촉층 및 p-접촉부 간 계면의 z = 0에서 p-접촉부 및 SPSL 간 계면의 z = ΔzAl로 선형 등급화될 수 있다. 선형 근사에 있어서, 이러한 영역에서 정공 농도 h는 대략 다음과 같이 주어진다:
Figure pat00004
[1]
본 식에서 Δ Ptotal 는 AlN 및 GaN 간 계면의 총 분극 변화,
Figure pat00005
은 p-접촉층 두께, D에 걸친 Al 조성 변화를 나타낸다. 벌크 AlN 상에서 압축 변형된 GaN에 있어서 ΔPtotal = 0.08 C/m2. 등급화 층에서 정공 밀도는 d = 100 nm 및 ΔzAl = 0.7에 대하여 대략 3 x 1018 cm-3 일 것이다. 본 정공 농도는 본 영역에서 허용 가능한 전도도를 달성하기에 충분하다. 더 작은 값의 D를 적용하면 더 높은 농도를 얻을 수 있다.
도 15는 거리에 따른 선형 등급화 AlzGa1 - zN p-접촉층에 대한 평방미터당 쿨롱 (C/m2) 단위의 분극계를 보인다. 도 16은 선형 등급화 설계를 위한 거리에 대한 AlzGa1-zN p-접촉층에서의 정공 농도를 보인다. 도 15 및 16에 보여진 설계를 위하여, p-접촉층 두께, D는 100 nm이고 z는 0.7에서 0로 변한다. 총 분극 (1510)은 자발적 분극 (1520) 및 층 변형에 따른 압전 분극 (1530)에 의해 달라진다.
도 16에 표기된 바와 같이, 정공 농도는 100 nm 층에 걸쳐 실질적으로 균일하다. 등급화 층의 분극계는 거의 균일한 정공 가스를 생성하고 따라서 소자를 통한 수직 방향 ([0001] 방향) 전도도를 개선시킨다.
SPSL의 두께 및 유효 굴절률은 레이저 방식 (lasing mode)이 흡수 영역, 예컨대 등급화 층 및 금속 접촉 전극과 오버랩 되지 않도록 충분하여야 한다. 도 17은 SPSL에서 0.7 내지 팔라듐 (Pd) p-접촉부에서 0으로 차등된 Al 조성을 가지는 등급화 AlGaN p-접촉층과 조합되어 사용되는 xhigh = 1.0 및 xlow = 0.5의 AlGaN/AlN초격자인 SPSL 두께에 대한 강도 손실을 보인다. 도 17에 도시된 광학 모델에 기초하여, 등급화 p-접촉층 및 Pd 금속 접촉부에서의 조합 흡수손실을 10 cm-1 이하로 줄이기 위하여는 이러한 SPSL총 두께는 약 250 nm (2500 A)보다 커야 한다. 본 흡수손실은 레이저 (lasing)를 얻기에 충분하여야 한다.
Al 조성을 비-선형으로 가변 시키는 것이 유익할 수 있다. 도 18은 여러 비-선형 등급화 Al 조성 프로파일에 대하여 계산된 예시적인 3종의 정공 농도들을 보인다. 3종의 예시적 비-선형 프로파일을 도시한 그래프가 도 18 우측에 제공된다. 도 18 좌측에, 비-선형 조성에 의해 형성되는 정공 농도들이 도시된다. 도 18은 3종의 예시적 프로파일 및 상부, 중간 및 하부 예로 표기되는 해당 정공 농도를 보인다. 각각의 실시예에서, Al 조성은 100 nm에 걸쳐 0.7에서 0으로 감소된다.
적당한 등급화 프로파일은 실질적으로 모든 p-접촉층에 걸쳐 높은 정공 농도, (1018-1019cm-3)를 유지한다. 도 18의 상부 예에서 도시된 약간의 비-선형 프로파일은 프로파일 거리에 걸쳐 실질적으로 균일하고 높은 농도를 제공한다. 중간 및 하부 실시예에서, Al 조성 프로파일은 프로파일 거리 대부분에 걸쳐 변한다. 중간 실시예에 도시된 프로파일은 상부 프로파일과 비교할 때 더욱 비-선형이고, 상부 실시예와 비교할 때 p-접촉부 근위의 층 측에서 약간 더 높은 정공 농도를 가진다. 도 18의 하부 실시예에 도시된 바와 같은 “계단식 프로파일”은 계면에서의 정공 누적 및 계면 간 영역에서 정공 농도 감소를 보인다. 더 낮은 정공 농도의 영역이 더욱 저항성이고 (~1017 cm-3) 따라서 많은 경우에서 상부 및 중간 프로파일이 더욱 바람직하다.
선형 등급화, 포물선 등급화, 및 등급화 “S” 프로파일이 p-접촉층에 대하여 고려될 수 있다. 이러한 구성에서, p-접촉층의 Al 조성은 p-접촉층 및 p-접촉부 간 계면 또는 가까이에서의 Al 조성과 비교할 때 p-측 이종구조 및 p-접촉층 간 계면 또는 가까이에서 더욱 높다. p-접촉층에서의 등급화 프로파일은 p-측 이종구조 및 p-접촉부 사이 실질적 대부분에 걸쳐 Al 조성 변화를 포함한다. “포물선” 및 “S” 설계 모두 형성된 (built-in) 압전 및 자발적 분극들을 활용하고 시뮬레이션에서 층들에 걸쳐1 x 1018/cm3정공 농도 이상을 유도할 수 있다. S 설계는 접촉부 및 층 자체가 선형 (40cm-1) 및/또는 포물선 (44cm-1) 설계의 약 1/3인 14cm-1로 흡수손실 되는 것을 효과적으로 방지한다. S-등급화 층에 대한 적당한 설계 규칙은 레이저 파장에서 가장 높은 굴절률을 제공하는 AlGaN의 Al 조성이 S의 허리 부분에 있어야 한다는 것을 포함한다. S 프로파일의 "허리" dw는 Al 조성 대 거리의 곡선에서 정에서 부로 만곡이 변경되는 변곡점이다.
흡수손실은 Al 조성 감소에 따라 증가된다. (SPSL에서) Δz 값으로부터 더 낮은 값 예를들면 (p-접촉부에서) 0에 이르는 등급화 p-접촉층의 AlzGa1 - zN 조성에서 z에 대한 설계는 활성영역에서 나온 빛은 p-접촉층의 손실 (lossy) 영역을 따라 또는 관통하여 전파된다는 것이다. 레이저 다이오드의 경우, 흡수손실을 최소값 이하로 유지하는 것이 최적이고, 이는 등급화 p-접촉부 영역에서 Al 조성에 대한 제한을 부과한다. 등급화 p-접촉층에서 본 영역에서의 Al 조성 프로파일을 선택함으로써 흡수손실을 감소시키는 것이 가능하다. 본원에서 논의된 일부 경우에서, 비선형 등급 층 설계는 흡수손실을 방지하고 동시에 레이저 다이오드 적용을 위한 3차원 정공 가스 유도에 활용될 수 있다.
도 19는 등급화 AlzGa1 - zN p-접촉층에서 Al 조성에 따른 파장 λ= 250 nm에 대한 굴절률 (1910) n, 및 흡광계수 (1920) k를 도시한 그래프이다. 굴절률 피크 및 흡광계수의 급격한 증가는 AlzGa1-zN의 에너지 밴드 갭이 파장 250 nm의 빛 에너지와 거의 같은 z 값에서 일어난다. 본 파장은 약 4.96 eV의 에너지 및 약 0.62의 z 값에 해당한다. 본 z 값을 zgap(λ)로 칭한다. AlzGa1-zN의 밴드 갭은 대략 Egap(eV) = 6.2 z + 3.4 (1-z) - 0.7 z(1-z)와 같다. zgap(λ)는 대략 식 1240 / λ = 6.2 z + 3.4 (1-z) - 0.7 z(1-z)의 해와 같고, λ는 nm 단위이다. 0.62 미만의 z 값에서 AlzGa1-zN에서의 빛 흡수는 증가한다. 흡광계수 k는 층에서 빛 흡수와 관련된다. 본 시뮬레이션에서, z가 1에서 0으로 감소되는 AlzGa1-zN의 굴절률이 모사되고, λ= 250 nm에 대하여 도 19에 도시된다. 광학방식 구속 (낮은 굴절률) 및 높은 투과도 (낮은 k)를 제공하기 위하여 SPSL의 평균 조성은 z가 0.62 보다 클 것을 요구한다. SPSL 및 등급화 p-접촉층 간 계면에서 불연속을 피하기 위하여, 등급화는 SPSL의 Al 조성에서, 예를들면, z = 0.75에서 개시되어, 두께에 걸쳐 연속적으로 z = 0 (GaN)까지 감소되어야 한다. 금속 접촉부에서 GaN는 옴 접촉 설정이 가능하다.
광학방식의 진폭 시뮬레이션으로부터 굴절률 피크 영역 근처에서 높은 굴절률 n 값은 방식을 손실 영역으로 더욱 연장시킨다는 것을 확인하였다. 거리 함수로써 n 의 피크 폭을 줄임으로써 (도 22에 도시된 바와 같이) 손실을 감소시킬 수 있다. z가 zgap(λ) 근처인AlzGa1-zN 영역의 두께를 줄임으로써 손실을 감소시킬 수 있다. z가 zgap(λ) 근처인AlzGa1-zN 영역의 두께를 줄이는 것은 Al 등급화 프로파일을 세심하게 선정함으로써 달성될 수 있다. 0.62의 평균 Al 조성에 걸쳐 z를 변화시킬 때 “피닝 도파관 (pinning waveguide)”이 등급화 층에 형성된다. 이러한 국부적 에너지 트랩 (trap)은 광학 방식 (optical mode)를 유인하고 따라서 흡수 영역 (더 높은 k)과의 오버랩을 개선시킨다. 즉, 재료가 상대적으로 더 높은 굴절률을 보이는 영역으로 방식이 "끌리는" 경향이 있다. 방식이 더 높은 손실 영역으로 더욱 연장되면, 총 손실이 커질 것이다.
상이한 Al 등급화 프로파일들로부터의 손실 연구를 위하여 3종의 설계들을 비교하였다. 제1 실시예는 도 20에서 기록선 (2010)에 도시된 바와 같이 SPSL 및 p-접촉층 간 계면에서 d = 0에서 z = 0.75으로 개시하여 p-접촉층 및 p-접촉부 간 계면에서 d = D에서 z = 0으로 감소되는 Al 조성의 선형 등급화 p-접촉층에 관한 것이다. 제2 실시예는, 기록선 (2020)에 도시된 바와 같이, 포물선 Al 조성 프로파일에 관한 것이고, 이는 z 가 거리 d에 따라 d = 0에서 d = D로 식 d = -133.3z2 -33.3z+100에 의해 포물선을 따라 변경되고, 기록선 (2020)에서 보이는 바와 같이 0.75> z >0이다. 제3 실시예는, 기록선 (2030)에 도시된 바와 같이, S-등급화 설계 (반전 S-형상과 유사)에 관한 것이고, 이는 변곡점에서 연결되는 두 종의 포물선 구역의 곡선으로 이루어진다. 본 실시예에서, 제1 포물선 구역은 d = -1602.5z2 - 1964.7z - 572로 특정되고, 여기에서 0.75 > z > 0.62이다. 제2 포물선 구역은 d = 147.8z2 - 204.6z + 100로 특정되고 여기에서 0.62> z >0이다. 일반적으로, d는 p-접촉층에서의 거리이고, p-측 이종구조 및 p-접촉층 간 계면은 d = 0이고, p-접촉층 및 p-접촉부 간 계면은 d = D이고, dW 는 d = 0 및 d = D 사이 지점이다. p-접촉층에서 S-형 프로파일은 d = 0 및 d =dW 사이 z가 위로 볼록한 제1부분 및 d = dW 및 d = D 사이 z가 아래로 볼록한 제2부분을 포함한다. 일부 경우에서, dW 는 p-접촉층 총 두께의 약 30% 보다 더 크다. p-접촉층 총 두께 D는 예를들면 약 100 nm일 수 있다. S-형 프로파일의 다양한 구현예에서, z는 p-측 이종구조 근위에서 예를들면 d = 0에서 약 0.7로부터 p-접촉부 근위에서 예를들면 d = D에서 약 0으로 감소된다.
도21에 보이는 표는 각각의 프로파일에 대하여 여러 d 값에서의 z 값을 제공한다. 도 20의 S-곡선에서 변곡점 dw (2031) ("허리"라고도 언급)은 dw = 30 nm 및 z = 0.62에서 일어난다. 변곡점 (2031)은 Al 조성이 대략 본 실시예에서 z = zgap(250nm)과 같은 지점에서 발생된다.
3종의 예시적 설계들의 굴절률 및 횡단 (transverse) 광학방식이 모사되고, 도 22에 도시된다. 기록선 (2210, 2220, 2230)은 선형, 포물선, 및 S 프로파일 각각에 대한 거리에 따른 굴절률 (refractive index)을 보인다. 기록선 (2215, 2225, 2235)은 선형, 포물선, 및 S 프로파일 각각에 대한 거리에 따른 광학방식을 보인다. 선형 등급 설계에서 상대적으로 넓은 인덱스 (index) 피크는 광학방식 플롯 (2215)에서 돌출부 (2216)을 유도한다. 선형 프로파일 광학방식 (2215)에서의 돌출부 (2216)는 광학방식을 z <0.62인 손실 재료로 더욱 연장시킴으로써 광손실을 높일 수 있다. 선형 설계에서 발생되는 손실은 40 cm-1이다. 포물선 등급 프로파일에 대한 광학방식 기록선 (2225)은 피크 인덱스가 발생되는 지점을 p-접촉층 및 SPSL 간 계면으로부터 더 먼 지점으로 밀어버린다. 그러나, 인덱스 피크 폭은 포물선 설계에 의해 증가되고, 그 결과, 포물선 설계에서 유발되는 광손실 (44 cm-1)은 선형 등급 설계보다 더 크다. S-형 설계에서, 기록선 (2230)에 도시된 바와 같이 피크는 협소해진다. 계면에서 인덱스 피크까지의 거리는 S 설계에서 연장되고 이는 손실 방지에 조력한다. S-형 설계에서 흡수손실은 약 14 cm-1로 감소된다. 이러한 흡수손실은 선형 및 포물선 설계 각각의40 cm-1 및 44 cm-1 의 약 1/3이다.
3종의 설계에 대한 압전 및 자발적 분극계를 모사하였다. 도 23은 선형, 포물선 및 S 프로파일 각각에 대한 총 분극 그래프 (2310, 2320, 2330)를 제공한다. 도 24에는 0 볼트에서 분극에 의해 유도되는 해당 정공 농도들이 각각 선형 (2410), 포물선 (2420), 및S-형 프로파일 (2430 )에 대하여 도시된다. 3종의 설계 모두에서 정공 농도는 p-접촉층에 걸쳐1x 1018/cm3을 초과한다.
3종의 설계를 검토하면 일부 경우에서, S 프로파일은 포물선 및 선형 설계와 비교할 때 우수한 특성을 보인다. S-형 프로파일은 동시적으로 광손실을 방지하고 p-접촉층에 걸쳐 높은 정공 농도를 유지한다. S-프로파일 설계의 변곡점에서 Al 조성은 소자 양자 우물의 Al 조성과 매우 가깝다는 것에 주목할 필요가 있다.
실질적으로 일정한 Al 조성을 가지는 p-접촉층을 활용하는 발광소자와 비교할 때 발광소자에서 적절하게 설계된 등급화 p-접촉층은 두께가 감소된 SPSL 사용을 가능하게 한다. 예를들면, d는 p-접촉층에서의 거리인 구간 선형 등급화 p-접촉층에서, z는 p-측 이종구조 및 p-접촉층 간 계면인 d = 0에서 d = dmid로 연장되는 제1 영역 (예를들면, 도 13의 영역 I) 에서 기울기 g1 로 선형적으로 감소되고, z는 d = dmid 에서 p-접촉층 및 p-접촉부 간 계면인 d = D으로 연장되는 제2 영역 (예를들면, 도 13의 영역 II)에서 기울기 g2 로 선형적을 감소된다. 일부 구현예에서, g2 크기는 g1 크기보다 크다. 이러한 구간 선형 구성에서, SPSL 두께는 약 60 nm보다 큰 dmid 에 대하여 약 260 nm 미만일 수 있다.
다른 실시예로서, S-형 Al 조성 프로파일에 있어서, d는 p-접촉층에서의 거리이고, d = 0은 p-측 이종구조 및 p-접촉층 간 계면이고, d = D은 p-접촉층 및 p-접촉부 간 계면이고, dW 는 d = 0 및 d = D 사이 지점이다. p-접촉층은 z가 d = 0 및 d =dW 사이에 위로 볼록한 제1부분 및 d = dW 및 d = D 사이에 아래로 볼록한 제2부분을 포함한다. S-형 Al 조성을 가지는 p-접촉층에 있어서, SPSL 두께는 약 60 nm보다 큰 dmid 에 대하여 약 260 nm 미만일 수 있다.
일부 실시태양에서, 도 25의 에너지 다이어그램에서 도시된 바와 같이, SPSL 층들은 활성영역으로 연장될 수 있다. 도 25는 양자 우물 (2512) 영역, 활성영역의 최종 장벽 (2520) 영역, 분극 개선 SPSL (2530) 영역 에서의 전도 대역 에너지를 보이는 에너지 다이어그램이다. 분극 개선 SPSL (2530)은 최종 장벽 (2520)에 바로 인접하고, 장벽은 다시 인접 활성영역의 최종 양자우물 (2511)에 바로 인접한다. 본 실시예에서, SPSL은 전체에 걸쳐 조성 xhigh = 0.74, xlow = 0.44, Thigh = 1 nm 및 Tlow = 1 nm를 가진다.
일부 경우에서, SPSL 치수 및/또는 조성이 활성영역 근처에서 변경되어 활성영역에 대한 전자차단층 (EBL) 기능을 제공하는 SPSL 구역을 형성한다. 이러한 접근방법의 실시예는 도 26의 전도 대역 에너지 다이어그램으로 설명된다. 본 실시예에서, 여러 SPSL 층들, 예를들면, 활성영역 (2610) 근처의 약 6종의 SPSL 층들이, 다중층 전자차단구역 (MEBS, 2640)을 형성한다. MEBS (2640)의 SPSL 층들은 SPSL (2630)의 표준 층들과 비교할 때 변경된 두께 및/또는 조성 (Thigh, Tlow, xhigh, xlow)을 가진다. 도 26에 도시된 실시예에서, 표준 SPSL 층들의 xhigh 및 xlow 는 각각 0.74 및 0.44이고; 표준 SPSL 층들의 Thigh 및 Tlow 는 1.0 nm 및 1.0 nm이다. 도 26에 도시된 실시예에서, 층 (2641)은 xhigh = 0.87 및 Thigh = 1.5 nm; 층 (2642)는 xlow = 0.62 및 Tlow = 1.5 nm; 층 (2643)은 xhigh = 0.87 및 Thigh = 1.5 nm; 층 (2644)는 xlow = 0.62 및 Tlow = 1.5 nm; 층 (2645)는 xhigh= 0.87 및 Thigh= 1.0 nm; 및 층 (2646)은 xlow = 0.62 및 Tlow = 1.0 nm을 가진다. MEBS 층들의 Al 조성 및/또는 층 두께가 활성영역에서 전자의 상당한 보유을 제공한다면 다른 값의 xhigh, xlow, Thigh, Tlow도 가능하다.
본원에 기술된 시스템, 장치 또는 방법은 본원에 기재된 하나 이상의 특징부, 구조, 방법 또는 이들의 조합을 포함한다. 예를들면, 장치 또는 방법은 본원에 기재된 하나 이상의 특징부 및/또는 프로세스를 포함하도록 구현된다. 이러한 장치 또는 방법은 본원에 기술된 모든 특징부 및/또는 프로세스를 포함할 필요는 없고, 유용한 구조 및/또는 기능을 제공하는 선택된 특징부 및 프로세스를 포함하도록 구현될 수 있다.
본원에 기재된 구현예의 다양한 국면들에 대하여 상세한 설명, 수치 및 범위가 제공된다. 이러한 값 및 범위는 예시로만 취급되고 청구범위를 제한할 의도는 아니다. 예를들면 본 발명에 기재된 실시태양은 개시된 수치 범위 전반에서 실시될 수 있다. 또한, 재료의 개수는 다양한 구현예를 위하여 적합하도록 확인될 수 있다. 이들 재료는 예시적으로 취급되는 것이고 청구범위를 제한할 의도는 아니라는 것을 이해하여야 한다.

Claims (10)

  1. xlow≤ xhigh ≤ 0.9인, p-형 도펀트로 도핑된 AlxhighGa1 - xhighN 및 p-형 도펀트로 도핑된 AlxlowGa1 - xlowN 의 교번 층들을 포함하는 단주기 초격자 (SPSL) 로 구성되고, SPSL의 각각의 층 두께는 약 6 종의 AlGaN 이중-층들 이하인 p-측 이종구조;
    n-측 이종구조; 및
    SPSL 및 n-측 이종구조 사이에 배치되어 발광하는 활성영역으로 구성되는, 발광소자.
  2. 제1항에 있어서, 각각의 AlxhighGa1 - xhighN 층은 두께 Thigh을 가지고, 각각의 AlxlowGa1-xlowN 층은 두께 Tlow을 가지며, Thigh 및 Tlow 는 약 0.7 nm 내지 약 1.3 nm 범위인, 발광소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, SPSL의 총 두께는 약 200 nm 초과 및 약 450 nm 미만인, 발광소자.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, xhigh - xlow 는 약 0.25 이상인, 발광소자.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, SPSL의 평균 Al 조성은 약 0.60인, 발광소자.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, xlow 은 약 0.44이고 xhigh 는 약 0.75인, 발광소자.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서, SPSL 저항률은 약 400 K 내지 약 100 K의 온도 범위에서 약 50 Ω-cm 미만으로 변하는, 발광소자.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서, SPSL 저항률은 실온에서 약 10 Ω-cm 미만인, 발광소자.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서, n-측 이종구조, 활성영역, 및 p-측 이종구조는 하나 이상의 GaN, AlN, SiC, 사파이어, Si, GaAs, ZnO, III족-N 합금, 및 III족-N 재료를 포함한 템플릿으로 구성되는 최소한 하나의 기판에서 성장되는, 발광소자.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서, n-측 이종구조, 활성영역, 및 p-측 이종구조는 벌크 AlN 기판에서 에피택시얼 성장되는, 발광소자.
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