KR20150135500A - 다중 양자 샘과 비대칭 p-n 접합을 갖는 발광 다이오드 - Google Patents
다중 양자 샘과 비대칭 p-n 접합을 갖는 발광 다이오드 Download PDFInfo
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Abstract
캐소드를 형성할 수 있는 n-도핑된 반도체의 제1 층(102) 및 이 제1 층(102)과 다이오드(100)의 p-n 접합을 형성하는, 애노드를 형성할 수 있는 p-도핑된 반도체의 제2 층(104); 상기 제1 층과 제2 층 사이에 배열되고 반도체를 함유하고 양자 샘을 형성할 수 있는 2 이상의 발광 층(106), 및 각 발광 층(106)이 2개의 배리어 층들 사이에 위치하도록 하는 복수의 반도체 배리어 층(108)을 포함하는 활성 구역(105); 및 제1 층과 활성 구역 사이에 위치하는 n-도핑된 반도체 완충 층(110)으로, 이 완충 층의 n-도핑된 반도체는 밴드 갭 에너지가 제2 층의 p-도핑된 반도체의 밴드 갭 에너지의 약 97% 이하인 n-도핑된 반도체 완충 층을 포함하는 발광 다이오드(100).
Description
본 발명은 다중 양자 샘(quantum well)을 갖는 발광 다이오드(LED)의 분야에 관한 것이다.
도 1은 선행 기술에 따른 다중 양자 샘을 갖는 다이오드(10)를 개략적으로 도시한 것이다.
이 다이오드(10)는 농도가 1019 도너(donor)/㎤인 제1 n-도핑된(doped) (GaN-n) GaN 층(12)과 농도가 2x1019 억셉터(acceptor)/㎤인 제2 p-도핑된 GaN(GaN-p) 층(14)으로부터 형성된 p-n 접합(junction)을 함유하며, 이 두 층들은 각각 예컨대 두께가 수 미크론(micron)이다.
층(12)와 (14) 사이에는 여러 개의 방출 층(emissive layer)(16)들이 배열되어 있다. 여기에 기술된 다이오드(10)는 도 1에 참조부호 16.1, 16.2 및 16.3으로 표시되고 각각 양자 샘을 형성하는 3개의 방사 층(16)을 포함한다. 방사 층(16)은 고의로 도핑한 것이 아닌(잔류 도너 농도 nnid=1017 cm-3) In0 . 16Ga0 .84N(16% 인듐과 84% 갈륨을 함유함)을 함유하며, 두께가 1nm이다. 고의로 도핑한 것이 아닌(잔류 도너 농도 nnid=1017 cm-3) GaN을 함유하고 두께가 5nm인 배리어(barrier) 층(18)(다이오드(10)에 참조부호 18.1, 18.2, 18.3 및 18.4로 표시된 배리어 층 4개가 존재한다)도 층(12)와 (14) 사이에 존재한다. 4개의 배리어 층(18) 중 2개는 2개의 연속 방사 층(16) 사이에 개재되고, 다른 2개의 배리어 층(18)은 각각 하나의 방사 층(16)과 층(12) 및 층(14) 중 하나의 층 사이에 개재되어 있다.
다이오드(10)는 전기적 접촉을 가한 제1 층(12)의 면(그 후 다이오드(10)의 캐소드를 형성함) 및 제2 층(14)의 면(그 후 다이오드(10)의 애노드를 형성함)에서 분극화된다. 이와 같이 다이오드(10)의 다른 층들에서 분극화된 다이오드(10)의 0V 밴드 구조는 도 2에 도시되어 있다. 이 도면에서, 전도 밴드(eV)는 참조부호(20)로 표시되고 가전자 밴드(valence band)(eV)는 참조부호(22)로 표시되어 있다. 다이오드(10)의 I(V) 특성, 환언하면 다이오드(10)의 애노드에서의 전압의 함수로서 다이오드(10)의 애노드에서의 전류 밀도의 값은 도 3에 도시했다. 도 3은 다이오드(10)의 애노드와 캐소드 사이에 인가된 3.2V의 분극 전압이 일반적으로 매우 밝은 발광 다이오드에 필요한 전류 밀도에 대응하는 250 A/㎠와 동등한 전류 밀도를 다이오드(10)의 애노드에서 제공할 수 있다는 것을 보여준다.
도 4는 상기 다이오드(10)의 애노드와 캐소드 사이에 인가된 3.2V의 분극 전압에 의해 다이오드(10)의 여러 층들에서 수득되는, 방사성 재결합비(radiation recombination ratio)(로그 스케일/㎤·s)를 도시한 것이다. 이 도면은 약 1027 cm-3s-1의 재결합비가 제3 방사 층 16.3에 의해 형성된 양자 샘에서 수득된다는 것을 보여준다. 다른 한편, 이 방사성 재결합비는 제2 방사 층 16.2에서 약 1023 cm-3s-1로 떨어지고, 제1 방사 층 16.1에서 약 1x1019 cm-3s- 1으로 떨어진다. 따라서, 다이오드(10)에 의해 수득되는 발광은 다이오드(10)의 3개의 양자 샘들 사이에 매우 나쁘게 분포된다.
이와 같은 다이오드(10)에서의 발광의 나쁜 분포는 양자 샘의 방사성 재결합비가 양자 샘에 존재하는 정공 및 전자의 농도의 곱에 정비례하기 때문에 다른 양자 샘들 사이에 전하 및 특히 정공의 불균일한 분포로 인한 것이다. 도 5는 3.2V의 전압에 의해 상기와 같이 분극된 다이오드(10)의 다른 층들에서 수득되는, 전자(참조부호 24의 x로 표시됨) 및 정공(참조부호 26의 마름모로 표시됨)의 농도를 도시한 것이다. 이 도 5에서는 전자들이 다이오드(10)의 양자 샘에서 방사성 재결합 비를 감소시키는 제2 GaN-p 층(14)으로 이동하는 경향이 있다는 것을 관찰할 수 있다. 이 문제는 제4 배리어 층(18.4)과 제2 GaN-p 층(14) 사이에 AlGaN을 함유하는 전자 차단 층을 개재시킴으로써 완화될 수 있는 것으로 알려져 있다. 다른 한편, 이 도면에서는 정공이 양자 샘에 균일하게 분포되어 있지 않다는 것을 관찰할 수 있다: 즉 제2 GaN-p 층(14)을 향하는 면에 위치한 제3 방사 층(16.3)에 의해 형성된 양자 샘에는 약 1019 정공/㎤이 존재하는 반면, 제2 방사 층(16.2)에 의해 형성된 양자 샘에는 약 1017 정공/㎤ 및 제1 GaN-n 층(12)을 향하는 면에 위치한 제1 방사 층(16.1)에 의해 형성된 양자 샘에는 약 1014 정공/㎤이 존재한다. 하지만, 다른 양자 샘들에 존재하는 전자 농도는 균일하고 약 1019 cm- 3 이다. 다이오드(10)의 발광이 오로지 제2 GaN-p 층(14)을 향하는 면에 있는 제3 방사 층(16.3)에 의해 형성된 양자 샘에서 기원한다는 사실은 정공이 다이오드(10)의 다른 양자 샘들 간에 균일하게 분포되어 있지 않다는 사실에 기인하는 것이다.
다이오드(10)에 존재하는 전류 밀도(A/㎠)의 함수로서 주입된 전자의 수와 다이오드(10)의 양자 샘에 의해 방사된 광자의 수 사이의 비에 대응하는 다이오드(10)의 내부 양자효율(internal quantum efficiency)은 도 6에서 확인된다. 이 도면에서 다이오드(10)의 최대 내부 양자 효율은 약 4%이고 이는 약 600 A/㎠의 전류 밀도에서 수득된다는 것을 관찰할 수 있다. 이 내부 양자효율은 다음과 같은 것, 즉:
- 다이오드(10)에서 일어나는 비-방사 오거(Auger) 및 쇼클리-리드-홀(Shockley-Read-Hall) 타입 재결합에 의해,
- 양자 샘으로부터 제2 GaN-p 층(14)으로 이탈하는 전자에 의해,
- 발광이 다이오드의 다른 양자 샘들에서 균일하지 않다는 사실로 인해 제한된다.
본 발명의 제1 목적은 종래 기술에 따른 발광 다이오드보다 내부 양자 효율이 우수한 다중 양자 샘을 갖는 발광 다이오드를 개시하는 것이다.
이것은
- 다이오드의 캐소드를 형성할 수 있는 제1 n-도핑된 반도체 층 및 이 제1 층과 다이오드의 p-n 접합을 형성하도록 다이오드의 애노드를 형성할 수 있는 제2 p-도핑된 반도체 층;
- 상기 반도체를 함유하고 양자 샘을 형성할 수 있는 2 이상의 방사 층, 및 각 방사 층이 이 방사 층의 양쪽 대향 면에서 이 방사 층과 접촉하고 있는 2개의 배리어 층들 사이에 위치하도록 하는 복수의 반도체 배리어 층을 포함하는, 제1 층과 제2 층 사이에 위치한 활성 구역;
- 제1 층과 활성 구역 사이에 위치하는 n-도핑된 반도체 완충 층으로서, 이 완충 층 중의 n-도핑된 반도체는 밴드 갭 에너지(band gap energy)가 제2 층의 p-도핑된 반도체의 밴드 갭 에너지의 약 97% 이하인 n-도핑된 반도체 완충 층을 포함하는 발광 다이오드를 개시함으로써 이루어진다.
또한, 본 발명은
- 다이오드의 캐소드를 형성할 수 있는 제1 n-도핑된 반도체 층 및 이 제1 층과 다이오드의 p-n 접합을 형성하도록 다이오드의 애노드를 형성할 수 있는 제2 p-도핑된 반도체 층;
- 상기 반도체를 함유하고 양자 샘을 형성할 수 있는 2 이상의 방사 층, 및 각 방사 층이 이 방사 층의 양쪽 대향 면에서 이 방사 층과 접촉하고 있는 2개의 배리어 층들 사이에 위치하도록 하는 복수의 반도체 배리어 층을 포함하는, 제1 층과 제2 층 사이에 위치한 활성 구역;
- 제1 층과 활성 구역 사이에 위치하는 n-도핑된 반도체 완충 층으로서, 이 완충 층의 n-도핑된 반도체는 밴드 갭 에너지가 제2 층의 p-도핑된 반도체의 밴드 갭 에너지의 약 97% 이하인 n-도핑된 반도체 완충 층을 포함하고,
상기 배리어 층들의 반도체는 InXGa1 - XN이고, 상기 완충 층의 반도체는 InZGa1 -ZN이며, 방사 층의 반도체는 InYGa1 - YN이고, 이때 x, y 및 z는 0.025≤x, 0.025≤z, 0.1≤y 및 x<y, 및 z<y인 정도의 실수(real numbers)이거나, 또는
다이오드가 m 배리어 층을 포함할 때, 각 배리어 층의 반도체가 InXiGa1 -XiN(여기서, i는 1과 m 사이의 정수이다)이고, 완충 층의 반도체는 InZGa1 - ZN이며, 방사 층의 반도체는 InYGa1 - YN이며(이때, xi, y 및 z는 0.025≤z, 0.1≤y, xi<y, 및 z<y인 정도의 실수이고, 각 배리어 층의 반도체에 존재하는 인듐 조성물 xi는 다른 배리어 층들의 인듐 조성물과 상이하고, 이러한 인듐 조성물들은 xi≤z가 되도록 완충 층과 접촉하고 있는 배리어 층들 중 한 층의 반도체에 존재하는 인듐 조성물에 대응하는 제1 값 xi로부터, xm < x1 이도록 m≥3인 경우 제2 층과 접촉하고 있는 배리어 층들 중 한 층의 반도체에 존재하는 인듐 조성물에 해당하는 다른 값 xm 이하까지 점차 변동 및 감소하는, 발광 다이오드를 개시한다.
선행 기술에 따른 다중 양자 샘을 갖는 발광 다이오드와 달리, 본 발명에 따른 발광 다이오드는 다이오드 구조 내 비대칭, 더욱 특히 다이오드의 p-n 접합에서 비대칭을, 제2 층의 밴드 갭 에너지의 약 97% 이하인 밴드 갭 에너지로 인해, 환언하면 완충 층의 갭이 p-n 접합의 제2 p-도핑된 반도체 층의 갭보다 적어도 3% 미만(Eg110≤0.97 Eg104)이도록 산출하는 n-도핑된 반도체 완충 층을 포함한다. 이 비대칭은 다이오드의 활성 구역에 있는 다른 양자 샘들에서 캐리어들(전자 및 정공)의 균일한 분포가 수득될 수 있도록 다이오드 내 정공들의 순환을 용이하게 한다. 이것은 다이오드의 다른 양자 샘들에서의 균일한 방사 및 이에 따른 다이오드의 더 나은 내부 양자 효율을 초래한다.
바람직하게는, 완충 층 갭은 방사 층 또는 양자 샘의 갭보다 2% 이상 커서, 양자 샘의 구속(confinement)을 개선한다(Eg110≥1.02 Eg106).
제1 층의 n-도핑된 반도체 및/또는 제2 층의 p-도핑된 반도체는 GaN일 수 있고, 및/또는 방사 층 및/또는 배리어 층 및/또는 완충 층의 반도체들은 InGaN일 수 있다.
예컨대 InGaN을 함유하는, 완충 층의 n-도핑된 반도체 중의 인듐 농도는 GaN(이 경우, 제2 층의 p-도핑된 반도체 중의 인듐 농도는 0임) 또는 InGaN 등과 같은 제2 층의 p-도핑된 반도체에 존재하는 인듐 농도보다 2.5% 이상 많을 수 있다.
완충 층 및 제1 층은 동일한 조성 및/또는 도핑(doping)의 반도체를 함유할 수 있다. 따라서, 제1 층의 n-도핑된 반도체에 존재하는 인듐 조성물, 환언하면 인듐의 백분율은 완충 층의 반도체에 존재하는 인듐 조성물과 유사할 수 있고, 및/또는 제1 층의 n-도핑된 반도체에 존재하는 도너의 농도는 완충 층의 n-도핑된 반도체에 존재하는 도너의 농도와 유사할 수 있다.
배리어 층의 반도체는 InXGa1 - XN일 수 있고, 완충 층의 반도체는 InZGa1 - ZN일 수 있으며, 방사 층의 반도체는 InYGa1 - YN일 수 있고, 여기서 x, y 및 z는 0.025≤x≤0.13, 0.025≤x≤0.3, 및 0.025≤z≤0.13 또는 0.025≤z≤0.3, 및 0.1≤y≤0.3 또는 0.1≤y≤0.5 및 x<y, 및 z<y인 정도의 실수이다.
완충 층은 두께가 약 5nm 초과일 수 있다.
다이오드가 2≤n≤5일 정도의 방사 층 수 n을 가질 때, 배리어 층 및 방사 층의 반도체들은 (x+0.03)≤y인 정도일 수 있다.
변형예로서, 다이오드가 5≤n≤10인 정도의 방사 층의 수 n을 가지면, 배리어 층 및 방사 층의 반도체들은 x≥0.04 및 (x+0.03)≤y인 정도일 수 있고, 및/또는 완충 층의 두께는 약 20nm 초과일 수 있다.
변형예로서, 다이오드가 n≥10인 정도의 방사 층의 수 n을 가지면, 배리어 층 및 방사 층의 반도체들은 x≥0.06 및 (x+0.03)≤y인 정도일 수 있고, 및/또는 완충 층의 두께는 약 20nm 초과일 수 있다.
배리어 층은 모두 조성이 동일한 반도체를 함유할 수 있다. 또한, z=x 또는 z≥x(이에 따라 완충 층의 갭 에너지는 배리어 층의 갭 에너지 이하이다)도 가능하며, 환언하면 완충 층의 반도체에 존재하는 인듐 조성물은 배리어 층들의 반도체에 존재하는 인듐 조성물과 대략 동일하거나 그보다 많을 수 있다. 이것은 특히 정공의 통행과 이에 따른 샘에서의 방사 균일성에 더욱 더 이바지한다.
변형예로서, 다이오드가 m 배리어 층을 포함할 때, 각 배리어 층의 반도체는 InXiGa1-XiN일 수 있고(이때 i는 1과 m 사이의 정수이다), 완충 층의 반도체는 InZGa1 -ZN일 수 있고 방사 층의 반도체는 InYGa1 - YN일 수 있으며(이때, xi, y 및 z는 0.025≤z≤0.13 또는 0.025≤z≤0.3, 및 0.1≤y≤0.3 또는 0.1≤y≤0.5 및 xi<y, 및 z<y인 정도의 실수이다), 각 배리어 층의 반도체에 존재하는 인듐 조성물 xi는 다른 배리어 층들의 인듐 조성물과 상이할 수 있고, 이러한 인듐 조성물들은 x1=z 또는 x1≤z인 정도로 완충 층과 접촉하고 있는 배리어 층들 중 한 층의 반도체에 존재하는 인듐 조성물에 해당하는 제1 값 x1로부터, xm < x1인 정도로, 그리고 m≥3인 경우 제2 층과 접촉하고 있는 배리어 층들 중 한 층의 반도체에 존재하는 인듐 조성물에 해당하는 다른 값 xm 이하까지 점차 변동 및 감소하는 것이 가능하다.
다이오드가 2≤n≤5인 정도로 방사 층의 수 n을 가질 때, 배리어 층 및 방사 층의 반도체들은 x1>0.04 및 xm≥0.005, 및 (x1+0.03)≤y인 정도일 수 있다.
변형예로서, 다이오드가 5≤n≤10인 정도로 방사 층의 수 n을 가지면, 배리어 층 및 방사 층의 반도체는 x1 > 0.08 및 xm ≥ 0.005 및 (x1 + 0.03) ≤ y인 정도일 수 있고, 및/또는 완충 층의 두께는 약 20nm 초과일 수 있다.
변형예로서, 다이오드가 n≥10인 정도로 방사 층의 수 n을 가지면, 배리어 층 및 방사 층의 반도체들은 x1>0.12 및 xm ≥ 0.025 및 (x1 + 0.03)≤y인 정도일 수 있고, 및/또는 완충 층의 두께는 약 20nm 초과일 수 있다.
완충 층의 반도체에 존재하는 인듐 조성물 z는 제1 값 z1과 이 제1 값 z1 보다 큰 제2 값 z2 사이에서 제1 층이 위치하고 있는 곳과 접촉하고 있는 완충 층의 제1 면과 대략 수직인 방향을 따라 달라질 수 있고, 완충 층의 제1 면에 있는 인듐 조성물 z는 제1 값 z1과 동일할 수 있고, 각 배리어 층의 반도체에 존재하는 인듐 조성물이 다른 배리어 층들의 인듐 조성물과 상이하면, 인듐 조성물 x1은 x1=z2 또는 x1≤z2인 정도일 수 있다.
이러한 경우에, 완충 층의 반도체에 존재하는 인듐 조성물 z는 z1과 z2 사이에서 증가하며 변동될 수 있고, 이때 z1 = 0이고 z2 = x 또는 z2 ≥ x 또는 z2 = x1 또는 z2 ≥ x1 이다.
변형예로서, 완충 층의 반도체에 존재하는 인듐 조성물 z는 z1과 제3 값 z3>z2 사이에서 증가 변동할 수 있고, z3 과 z2 사이에서 감소 변동할 수 있으며, 이때 z1=0이고 z2=x 또는 z2≥x 또는 z2=x1 또는 z2≥x1이다.
제2 층의 p-도핑된 반도체는 InWGa1 - WN일 수 있고, 이때 w는 w<0.12인 정도의 실수이고, 배리어 층의 반도체는 InXGa1 - XN이며, 완충 층의 반도체는 InZGa1 - ZN이고, 방사 층의 반도체는 InYGa1 - YN이고, 인듐 조성물 w, x, y 및 z는 (0.025+w)≤x, 및 (0.025+w)≤z, 및 (0.1+w)≤y인 정도, 또는 (0.025+w)≤x≤(0.13+w) 및 (0.025+w)≤z≤(0.13+w), 및 (0.1+w)≤y≤(0.3+w)인 정도, 또는 (0.025+w)≤x≤(0.3+w), 및 (0.025+w)≤z≤(0.3+w), 및 (0.1+w)≤y≤(0.5+w)인 정도일 수 있다.
본 발명은 첨부 도면을 참고로 하면서 전혀 제한적이지 않고 순전히 정보를 제공하는 실시 양태들의 설명을 통해 더 상세하게 이해될 것이다.
도 1은 선행 기술에 따른 다중 양자 샘을 갖는 발광 다이오드를 도시한 것이다.
도 2는 도 1에 제시된 발광 다이오드의 다른 층들 내의 밴드 구조를 도시한 것이다.
도 3은 도 1에 제시된 발광 다이오드의 I(V) 특성을 도시한 것이다.
도 4는 도 1에 제시된 발광 다이오드의 다른 층들 내의 방사성 재결합 비를 도시한 것이다.
도 5는 도 1에 도시된 발광 다이오드의 다른 층들 내에 존재하는 전자 및 정공의 농도를 도시한 것이다.
도 6은 발광 다이오드의 애노드에서의 전류 밀도의 함수로서, 도 1에 도시된 발광 다이오드의 내부 양자 효율을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 특정 양태에 따르면 발광 다이오드를 개략적으로 도시한 것이다.
도 8은 도 7에 도시된 본 발명에 따른 발광 다이오드의 다른 층들 내의 밴드 구조를 도시한 것이다.
도 9는 도 7에 도시된 본 발명에 따른 발광 다이오드의 I(V) 특성을 도시한 것이다.
도 10은 도 7에 도시된 본 발명에 따른 발광 다이오드의 다른 층들 내에서의 방사성 재결합 비를 도시한 것이다.
도 11은 도 7에 도시된, 본 발명에 따른 발광 다이오드의 다른 층들 내에 존재하는 전자 및 정공의 농도를 도시한 것이다.
도 12는 발광 다이오드의 애노드에서의 전류 밀도의 함수로서, 도 7에 도시된 본 발명에 따른 발광 다이오드의 내부 양자 효율을 도시한 것이다.
도 13 내지 도 15는 본 발명에 따른 다이오드의 다른 층들에 존재하는 반도체들의 인듐 조성물의 변동 프로필을 예시한 것이다.
도 16a 및 도 16b는 나노와이어 형태로 제조된 본 발명에 따른 발광 다이오드를 개략적으로 도시한 것이다.
이하에 설명된 여러 도면들의 동일, 유사 또는 등가 부분들은 다른 도면들의 용이한 이해를 위해 동일한 수의 참조부호로 표시했다.
도면들에 도시된 여러 부분들은 도면들의 더 쉬운 이해를 위해 전부 동일한 스케일일 필요는 없다.
서로 배타적이지 않으며 서로 조합될 수 있는 여러 가능성들(변형예 및 양태)도 이해되어야 한다.
도 1은 선행 기술에 따른 다중 양자 샘을 갖는 발광 다이오드를 도시한 것이다.
도 2는 도 1에 제시된 발광 다이오드의 다른 층들 내의 밴드 구조를 도시한 것이다.
도 3은 도 1에 제시된 발광 다이오드의 I(V) 특성을 도시한 것이다.
도 4는 도 1에 제시된 발광 다이오드의 다른 층들 내의 방사성 재결합 비를 도시한 것이다.
도 5는 도 1에 도시된 발광 다이오드의 다른 층들 내에 존재하는 전자 및 정공의 농도를 도시한 것이다.
도 6은 발광 다이오드의 애노드에서의 전류 밀도의 함수로서, 도 1에 도시된 발광 다이오드의 내부 양자 효율을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 특정 양태에 따르면 발광 다이오드를 개략적으로 도시한 것이다.
도 8은 도 7에 도시된 본 발명에 따른 발광 다이오드의 다른 층들 내의 밴드 구조를 도시한 것이다.
도 9는 도 7에 도시된 본 발명에 따른 발광 다이오드의 I(V) 특성을 도시한 것이다.
도 10은 도 7에 도시된 본 발명에 따른 발광 다이오드의 다른 층들 내에서의 방사성 재결합 비를 도시한 것이다.
도 11은 도 7에 도시된, 본 발명에 따른 발광 다이오드의 다른 층들 내에 존재하는 전자 및 정공의 농도를 도시한 것이다.
도 12는 발광 다이오드의 애노드에서의 전류 밀도의 함수로서, 도 7에 도시된 본 발명에 따른 발광 다이오드의 내부 양자 효율을 도시한 것이다.
도 13 내지 도 15는 본 발명에 따른 다이오드의 다른 층들에 존재하는 반도체들의 인듐 조성물의 변동 프로필을 예시한 것이다.
도 16a 및 도 16b는 나노와이어 형태로 제조된 본 발명에 따른 발광 다이오드를 개략적으로 도시한 것이다.
이하에 설명된 여러 도면들의 동일, 유사 또는 등가 부분들은 다른 도면들의 용이한 이해를 위해 동일한 수의 참조부호로 표시했다.
도면들에 도시된 여러 부분들은 도면들의 더 쉬운 이해를 위해 전부 동일한 스케일일 필요는 없다.
서로 배타적이지 않으며 서로 조합될 수 있는 여러 가능성들(변형예 및 양태)도 이해되어야 한다.
먼저, 하나의 특정 양태에 따라 다중 양자 샘을 갖는 발광 다이오드(100)를 도시한 도 7을 살펴보자.
다이오드(100)는 도너의 농도가 약 1019 도너/㎤인 n-도핑된 GaN(GaN-n)을 함유하는 제1 층(102) 및 억셉터 농도가 약 2x1019 억셉터/㎤인 p-도핑된 GaN(GaN-p)을 함유하는 제2 층(104)에 의해 형성된 p-n 접합을 함유한다. 예를 들어, 이러한 두 층(102) 및 (104) 각각의 두께(도 7에 도시된 Z 축으로의 크기)는 약 20nm와 10㎛ 사이일 수 있다. 제1 금속 전극(101)은 제1 층(102)과 접촉하여 위치해 있어 다이오드(100)의 캐소드를 형성하고, 제2 금속 전극(103)은 제2 층(104)과 접촉해 있어서 다이오드(100)의 애노드를 형성한다. 일반적으로, 제1 층(102)에 존재하는 도너의 농도는 약 1017과 1020 도너/㎤ 사이일 수 있고, 제2 층(104)에 존재하는 억셉터의 농도는 약 1015과 1020 억셉터/㎤ 사이일 수 있다.
다이오드(100)는 여러 방사 층(106)을 포함하는 층 (102)와 (104) 사이에 활성 구역(105)을 함유한다. 본원에 기술된 다이오드(100)는 106.1, 106.2 및 106.3으로 표시된 3개의 방사 층(106)을 포함하고, 각 층은 양자 샘을 형성한다. 일반적으로, 다이오드(100)는 n개의 방사 층(106)을 포함할 수 있고, 여기서 n은 2≤n≤20인 정도의 정수이다. 이 경우에 방사 층(106)은 고의로 도핑되지 않은(잔류 도너 농도 nnid=1017 cm-3) In0 .16Ga0 .84N(환언하면, 16% 인듐과 84% 갈륨을 함유함)을 함유하고 두께는 약 1nm이다. 또한, 다이오드(100)의 활성 구역(105)은 고의로 도핑되지 않은(잔류 도너 농도 nnid=1017cm-3) In0 .05Ga0 .95N(환언하면, 5% 인듐과 95% 갈륨을 함유함)을 함유하고 두께가 약 5nm인 배리어 층(108)(도 7에 도시된 다이오드(100)에는 108.1, 108.2, 108.3 및 108.4로 표시된 4개가 존재한다)을 포함한다. 4개의 배리어 층(108) 중 2개는 각각 2개의 연속 방사 층(106) 사이에 개재되어 있고, 다른 2개의 배리어 층(108)은 각각 방사 층(106) 중 하나와 층(102) 및 (104) 중 하나 사이에 개재되어 있다. 따라서, 제1 배리어 층(108.1)은 제1 GaN-n 층(102)과 제1 방사 층(106.1) 사이에 배열된다. 제2 배리어 층(108.2)은 제1 방사 층(106.1)과 제2 방사 층(106.2) 사이에 위치한다. 제3 배리어 층(108.3)은 제2 방사 층(106.2)과 제3 방사 층(106.3) 사이에 위치한다. 제4 배리어 층(108.4)은 제3 방사 층(106.3)과 제2 GaN-p 층(104) 사이에 위치한다. 따라서, 일반적으로, n의 방사 층(106)을 포함하는 다이오드(100)는 m 배리어 층(108)을 포함하며, 이때 m은 n+1의 정수이다. 활성 구역(105)은 n+1 배리어 층(108)과 교대로 적층된 n 방사 층(106)의 스택(stack)으로 형성된다. 층(106)과 (108)에 존재하는 잔류 도너 농도는 약 1017과 1020 도너/㎤ 사이일 수 있다.
또한, 다이오드(100)는 활성 구역(105)과 제1 GaN-n 층(102) 사이, 특히 제1 배리어 층(108.1)과 제1 GaN-n 층(102) 사이에 위치한 완충 층(110)도 포함한다. 이 완충 층(110)은 예컨대 배리어 층(108)과 동일한 반도체에 해당하는 In0 . 05Ga0 .95N을 함유한다. 한편, 배리어 층(108)과 달리, 완충 층(110)의 반도체는 약 1019 도너/㎤와 동일한 도너 농도, 환언하면, 이 경우 제1 층(102)의 GaN-n에 존재하는 도펀트(dopant)의 농도와 유사한 도펀트의 농도로 n-도핑된다. 예를 들면, 완충 층(110)의 두께(도 7에 도시된 Z 축으로의 치수)는 약 5nm와 10㎛ 사이일 수 있다. 일반적으로, 완충 층(110)은 도너 농도가 1017과 1020 도너/㎤ 사이, 일반적으로 1019 도너/㎤일 수 있다.
이하에 기술된 여러 시뮬레이션들은 ATLAS SILVACO® 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 제조한다.
다이오드(100)의 다른 층들 내에서 분극된 다이오드(100)의 OV에서의 밴드 구조(제1 층(102) 제외)는 도 8에 도시했다. 이 도면에서, 전도 밴드(conduction band)(eV)는 참조부호 112로 표시했고, 가전자 밴드(valence band)(eV)는 참조부호 (114)로 표시했다. 완충 층(110)의 전도 밴드 및 가전자 밴드에 해당하는 이러한 밴드들의 왼쪽 부분은 완충 층(110)에서 갭 Eg가 약 3.2eV이다. GaN-p의 제2 층(104)에 존재하는 밴드에 해당하는 이 밴드들의 오른쪽 부분은 제2 층(104)에서 갭 Eg가 약 3.4eV이다. 이러한 갭 차이(Eg110은 약 0.94.Eg104 이다)는 제1 GaN-n 층(102)과 활성 구역(105) 사이의 완충 층(110)의 존재, 및 배리어 층(108)의 반도체에 존재하는 인듐으로 인해 주로 수득된다. 활성 구역(105)와 제1 GaN-n층(102) 사이에 완충 층(110)의 존재는 다이오드(100)의 p-n 접합에서 비대칭을 산출한다. 결과적으로, 정공이 완충 층(110)만큼 멀리 순환할 수 있도록 횡단해야 하는 배리어는 그 다음 단지 3.2eV인 반면, 전자에 대해서는 여전히 3.4eV이다. 이것은 정공이 다이오드(100)의 모든 양자 샘에 균일하게 분포할 수 있게 한다. 게다가, 완충 층(110)의 갭은 방사 층(106) 또는 양자 샘의 갭보다 바람직하게는 2% 이상 더 커서, 샘에의 구속을 개선시킨다(본원에 기술된 실시예에서 Eg110≥1.02 Eg106 .1; Eg110≥1.02 Eg106 .2; Eg110≥1.02 Eg106 .3).
다이오드(100)의 I(V) 특성, 환언하면 다이오드(100)의 애노드에서의 전압의 함수로서 다이오드(100)의 애노드에서의 전류 밀도의 값은 도 9에 도시했다. 도 9는 다이오드(100)의 애노드와 캐소드 사이에 인가된 약 3.2V와 같은 분극 전압이 선행 기술에 따른 다이오드(10)에 의해 수득되는 전류 밀도 250 A/㎠보다 훨씬 큰 약 450 A/㎠와 같은 전류 밀도를 제공할 수 있다는 것을 보여준다. 이러한 높은 전류 밀도는 다이오드(100)의 양자 샘 세트 중에 정공의 균일한 분포가 다이오드(100)의 양자 샘 내에서의 방사성 재결합 비를 강하게 증가시킨다는 사실에 기인하는 것이다.
도 10은 다이오드(100)의 애노드와 캐소드 사이에 인가된 3.2V의 분극 전압에 의해 다이오드(100)의 다른 층(제1 층(102)은 제외)들에서 수득되는 ㎤ㆍs당 로그 스케일의 방사성 재결합 비를 도시한 것이다. 이 도면은 다이오드(100)의 3개의 방사 층 (106.1), (106.2) 및 (106.3)에 의해 형성된 3개의 양자 샘들에서 약 1028 cm-3s-1과 같은 방사성 재결합 비가 수득된다는 것을 보여준다. 따라서, 다이오드(100)에서 수득되는 방사는 다이오드(100)의 3개의 양자 샘들에 균일하게 분포된다.
도 11은 3.2V의 전압에서 상기와 같이 분극된 다이오드(100)의 다른 층들에서 수득되는, ㎤당 전자(x로 표시됨, 참조부호 120) 및 정공(마름모로 표시됨, 참조부호 122)의 농도를 도시한 것이다. 이 도면은 전자 및 정공 농도가 다이오드(100)의 모든 양자 샘들에서 동일한데(약 1019 cm-3과 같은 농도), 그 이유는 정공이 극복해야 할 에너지 배리어가 저하되어 다이오드(100)의 모든 양자 샘들에서 정공의 확산이 용이해지기 때문이다.
다이오드(100)의 전류 밀도(A/㎠)의 함수로서 다이오드(100)의 양자 샘들에 의해 주입된 전자의 수와 양자 샘들에 의해 방출된 광자의 수 사이의 비에 해당하는 다이오드(100)의 내부 양자 효율은 도 12에 도시했다. 이 도면은 다이오드(100)의 최대 내부 양자 효율이 약 25%이고 약 500A/㎠의 전류 밀도에서 수득되며, 이는 선행 기술에 따른 다이오드(10)에 의해 수득되는 4%의 최대 효율보다 훨씬 높다(약 6배의 효율).
다이오드(100)는 방사성 재결합 비의 차이가 약 10배 미만을 유지하도록, 환언하면 다이오드(100)의 양자 샘에서 나타나는 최저 방사성 재결합 비가 다이오드(100)의 양자 샘에서 나타나는 최대 방사성 재결합 비의 약 1/10 이상이도록, 이하에 제시된 파라미터들을 고려하여 제조하는 것이 바람직하다.
다이오드(100)가 2≤n≤5인 정도로 양자 샘의 수 n과 이에 따른 n의 방사 층(106)을 포함할 때, 그리고 배리어 층(108)의 반도체에 존재하는 인듐 조성물이 완충 층(110)의 반도체에 존재하는 인듐 조성물과 대략 동일하거나 또는 그 미만일 때에는,
- 방사 층(106)의 반도체는 약 10% 내지 30%의 인듐을 함유하는 것이 바람직하다;
- 배리어 층(108)의 반도체에 존재하는 인듐 조성물 x는 약 2.5% 초과인 것이 바람직하다;
- 배리어 층(108)의 반도체에 존재하는 인듐 조성물 x는 방사 층(106)의 반도체에 존재하는 인듐 조성물 y보다 약 3% 이상 적은 것이 바람직하다;
- 완충 층(110)의 두께는 약 5nm 초과인 것이 바람직하다.
따라서, 2≤n≤5일 때, 방사 층(106)에서 인듐 조성물 y가 약 10%이기 위해 배리어 층(108)(및 이에 따라 완충 층(110)에서)에서 약 2.5%와 같은 인듐 조성물 x는 다이오드(100)의 모든 양자 샘에서 발광을 균일화하기에 충분하다. 인듐 조성물 y가 약 22%와 같다면, 적어도 약 8%와 같은 인듐 조성물 x는 다이오드(100)의 모든 양자 샘에서 양호한 발광 균일화를 제공할 수 있다. 게다가, 5개의 양자 샘, 환언하면 5개의 방사 층(106)을 갖는 활성 구역(105)을 함유한 다이오드(100)에서 방사 층(106)의 인듐 조성물 y가 약 16%와 같은 경우, 배리어 층(108) 및 완충 층(110)은 인듐 조성물 x가 약 8%와 같은 반도체로부터 제조할 수 있고, 이 경우에 완충 층(110)은 아마도 약 20nm 초과의 두께일 수 있다.
다이오드(100)가 5≤n≤10인 정도로 양자 샘의 수 n을 가질 때, 그리고 배리어 층(108)의 반도체에 존재하는 인듐 조성물이 완충 층(110)의 반도체에 존재하는 인듐 조성물과 대략 동일하거나 또는 그 미만일 때에는,
- 방사 층(106)의 반도체는 약 10% 내지 30%의 인듐을 함유하는 것이 바람직하다;
- 배리어 층(108)의 반도체는 약 4% 초과의 인듐 조성물 x를 함유하는 것이 바람직하다;
- 배리어 층(108)의 반도체는 방사 층(106)의 반도체에 존재하는 인듐 조성물 y보다 약 3% 이상 적은 인듐 조성물 x를 함유하는 것이 바람직하다;
- 완충 층(110)의 두께는 약 5nm 초과인 것이 바람직하다.
따라서, 5≤n≤10일 때, 방사 층(106)에서 인듐 조성물 y가 약 10%이기 위해 배리어 층(108)(및 이에 따라 완충 층(110)에서)에서 약 4%와 같은 인듐 조성물 x는 다이오드(100)의 모든 양자 샘에서 발광을 균일화하기에 충분하다. 인듐 조성물 y가 약 22%와 같다면, 적어도 약 12%와 같은 인듐 조성물 x는 다이오드(100)의 모든 양자 샘에서 양호한 발광 균일화를 제공할 수 있다. 게다가, 10개의 양자 샘으로 제조된 활성 구역(105)을 함유한 다이오드(100)에서 방사 층(106)의 인듐 조성물 y가 약 16%와 같은 경우, 배리어 층(108) 및 완충 층(110)은 인듐 조성물 x가 약 10% 또는 12%와 같은 반도체로부터 제조될 수 있고, 이 경우에 완충 층(110)은 약 20nm 초과의 두께일 수 있다.
다이오드(100)가 n≥10인 정도로 양자 샘의 수 n을 가질 때, 그리고 배리어 층(108)의 반도체에 존재하는 인듐 조성물이 완충 층(110)의 반도체에 존재하는 인듐 조성물과 대략 동일하거나 또는 그 미만일 때에는,
- 방사 층(106)의 반도체는 약 10% 내지 30%의 인듐을 함유하는 것이 바람직하다;
- 배리어 층(108)의 반도체에 존재하는 인듐 조성물 x는 약 6% 초과인 것이 바람직하다;
- 배리어 층(108)의 반도체는 방사 층(106)의 반도체에 존재하는 인듐 조성물 y보다 약 3% 이상 적은 인듐 조성물 x를 함유하는 것이 바람직하다;
- 완충 층(110)의 두께는 약 5nm 초과인 것이 바람직하다.
따라서, n≥10일 때, 방사 층(106)에서 인듐 조성물 y가 약 10%이기 위해 배리어 층(108)(및 이에 따라 완충 층(110)에서)에서 약 6%와 같은 인듐 조성물 x는 다이오드(100)의 모든 양자 샘에서 발광을 균일화하기에 충분하다. 인듐 조성물 y가 약 22%와 같다면, 적어도 약 13%와 같은 인듐 조성물 x는 다이오드(100)의 모든 양자 샘에서 양호한 발광 균일화를 제공할 수 있다. 게다가, 이 경우에 완충 층(110)의 두께는 아마도 약 20nm 초과일 수 있다.
전술한 다이오드(100)의 예시적 양태는 배리어 층(108)의 반도체에 존재하는 인듐 조성물과 대략 동일한 인듐 조성물을 가진 반도체(기술된 실시예에서 InGaN)를 함유하는 완충 층(110)을 포함한다. 변형예로서, 완충 층(110)의 반도체에 존재하는 인듐 조성물은 배리어 층(108)의 반도체에 존재하는 인듐 조성물과 상이할 수 있고, 특히 배리어 층(108)의 반도체의 인듐 조성물보다 더 많을 수 있다.
게다가, 전술한 다이오드(100)는 전체 완충 층(110)을 통해 일정한 인듐 조성물을 갖는 반도체를 함유하는 완충 층(110)을 포함한다. 변형예로서, 완충 층(110)의 반도체에서 z로 표시된 인듐 조성물은 제1 값 z1과 이 제1 값 z1 보다 큰 제2 값 z2 사이에서 제1 GaN-n 층(102)가 위치하여 접촉하고 있는 완충 층(110)의 제1 면(116)에 대략 수직인 방향을 따라(환언하면, 도 7에 도시된 Z 축에 평행한 완충 층(110)의 두께를 따라) 변동할 수 있고, 완충 층(110)의 제1 면(116)에 존재하는 인듐 조성물 z는 제1 값 z1과 동일하다. 이 경우에, 완충 층(110)의 반도체는 가변적 인듐 조성물을 함유하여, 이 반도체 중의 인듐 조성물의 값이 제1 층(102)(전술한 실시예에서는 0과 동일함)부터 이 제1 면(116)의 대향 면(118)에서 완충 층(110)과 접촉한 제1 차단 층(108.1)의 반도체에 존재하는 인듐 조성물의 값까지 점차 변동할 수 있는 것이 유리하다.
도 13은 다이오드(100)의 다른 층들의 반도체에 존재하는 인듐 조성물의 변동 프로필의 제1 예를 도시한 것이다. 제1 GaN-n 층(102)에서 인듐 조성물은 거의 제로이다. 완충 층(110)의 인듐 조성물은 제1의 대략 제로 값 z1과 제2 값 z2=x 또는 z2≥x(여기서, x는 배리어 층(108)의 반도체에 존재하는 인듐 조성물에 해당한다) 사이에서 증가적으로(예컨대 지수적으로) 변동한다. 방사 층(106) 반도체의 인듐 조성물은 y로 표시했고, x 값보다 크다. 마지막으로, 제2 GaN-p 층(104)의 인듐 조성물은 대략 0이다. 이러한 완충 층(110)에서의 인듐 조성물의 변동은 완충 층(110)과 제1 차단 층(108.1)을 이 두 층의 두께의 합이 약 5nm 이상이도록 만듦으로써 예상할 수 있다. 완충 층(110)에 존재하는 인듐 조성물의 변동 프로필은 제1 층(102)에 존재하는 반도체의 메쉬(mesh) 파라미터를 제1 배리어 층(108.1)에 존재하는 반도체의 메쉬 파라미터로 점차적으로 개조시키는 이점이 있다.
도 14는 다이오드(100)의 다른 층들의 반도체에 존재하는 인듐 조성물의 변동 프로필의 제2 예를 도시한 것이다. 도 13을 참조로 하는 전술한 제1 예와 달리, 완충 층(110)의 반도체에 존재하는 인듐 조성물은 먼저 제1의 대략 0 값 z1로부터 x 값보다 큰 제3의 값 z3으로 선형으로 증가하고, 그 다음 제3 값 z3 으로부터 제2 값 z2=x 또는 z2≥x로 선형으로 감소한다. 이와 같은 완충 층(110)에 존재하는 인듐 조성물의 변동 프로필은 다이오드(100)의 다른 양자 샘들에 존재하는 정공의 통과를 더욱 용이하게 하는 이점이 있다.
다른 변형예로서, 각 배리어 층(108)은 인듐 조성물이 다른 차단 층(108)의 반도체에 존재하는 인듐 조성물과 상이한 반도체를 함유한다. 도 15는 이러한 다이오드의 다른 층들의 반도체에 존재하는 인듐 조성물의 변동 프로필의 한 예를 도시한 것이다. 이 도면은 제1 배리어 층(108.1)의 반도체에 존재하는 인듐 조성물 x1이 완충 층(110)의 반도체에 존재하는 인듐 조성물과 동일하다는 것을 보여준다. 변형예로서, 완충 층(110)의 반도체에 존재하는 인듐 조성물은 예컨대 도 13 및 14와 관련하여 전술한 바와 같이 가변적인 것이 가능하다. 제2 배리어 층(108.2)에 존재하는 인듐 조성물 x2는 x1 보다 작다. 이와 마찬가지로, 제3 배리어 층(108.3)에 존재하는 인듐 조성물 x3은 x2 보다 작고, 제4 배리어 층(108.4)에 존재하는 인듐 조성물 x4는 x3보다 작다. 분명한 것은, 다이오드(100)가 이 다이오드(100)에 포함된 양자 샘의 수에 따라 다른 수의 배리어 층을 가질 수 있는 가능성이 크다. 이러한 변형예는 적어도 3개의 양자 샘을 포함하는 다이오드에 유리하게 사용될 수 있고, 다음과 같은 파라미터를 고려하여 제조하는 것이 바람직하다.
다이오드(100)가 3≤n≤5인 정도로 양자 샘의 수 n 및 이에 따른 방사 층(106)을 포함하면,
- 방사 층(106)의 반도체는 약 10% 내지 30%의 인듐을 함유하는 것이 바람직하고;
- 제1 배리어 층(108)(완충 층(110)과 접촉해 있는 층)의 반도체는 인듐 조성물 x1을 바람직하게는 약 4% 초과로 함유하고, 마지막 배리어 층(108)(제2 GaN-p 층(104)과 접촉해 있는 층)의 반도체는 바람직하게는 약 0.5%와 동일한 인듐 조성물 xm(여기서, m은 다이오드에 존재하는 배리어 층의 총 수이다)을 함유한다;
- 완충 층(110)의 두께는 약 5nm 초과인 것이 바람직하다.
따라서, 활성 구역(105)이 5개의 양자 샘 또는 5개의 방사 층(106)으로 구성되고 방사 층(106)의 인듐 조성물 y가 약 16%인 다이오드(100)인 경우, 제1 배리어 층(108.1)은 인듐 조성물 x1이 약 6.5% 또는 7.5%와 동일한 반도체로 제조될 수 있다. 다른 배리어 층들의 인듐 조성물은 인듐 조성물 x6이 약 0.5% 또는 약 1.5%와 동일한 마지막 배리어 층(108.6)(이 층은 제2 GaN-p 층(104)과 접촉해 있다)에 도달할 때까지 후속되는 각 배리어 층마다 1%씩 감소할 수 있다.
다이오드(100)가 5≤n≤10인 정도로 양자 샘의 수 n을 가지면,
- 방사 층(106)의 반도체는 약 10% 내지 30% 사이의 인듐을 함유하는 것이 바람직하고;
- 제1 배리어 층(108)의 반도체는 인듐 조성물 x1을 바람직하게는 약 8% 초과로 함유하고, 마지막 배리어 층(108)의 반도체는 인듐 조성물 xm을 바람직하게는 약 0.5%와 동일한 양으로 함유한다;
- 완충 층(110)의 두께는 약 5nm 초과인 것이 바람직하다.
다이오드(100)가 n≥10인 정도로 양자 샘의 수 n을 가지면,
- 방사 층(106)의 반도체는 약 10% 내지 30%의 인듐을 함유하는 것이 바람직하고;
- 제1 배리어 층(108)의 반도체는 인듐 조성물 x1을 바람직하게는 약 12% 초과로 함유하고, 마지막 배리어 층(108)의 반도체는 인듐 조성물 xm을 바람직하게는 약 2.5%와 동일한 양으로 함유하며;
- 완충 층(110)의 두께는 바람직하게는 약 5nm 초과이다.
따라서, 활성 구역(105)이 10개의 양자 샘 또는 10개의 방사 층(106)으로 구성되고 방사 층(106)의 인듐 조성물 y가 약 16%인 다이오드인 경우, 제1 배리어 층(108.1)은 인듐 조성물 x1이 약 14%와 동일한 반도체로 제조될 수 있다. 다른 배리어 층들의 인듐 조성물은 인듐 조성물 x11이 약 3%와 동일한 마지막 배리어 층(108.11)에 도달할 때까지 후속되는 각 배리어 층마다 1%씩 감소할 수 있다.
하나의 변형 양태에 따르면, 제2 층(104)의 p-도핑된 반도체는 부분적으로 인듐으로 구성되고, 예컨대 p-도핑된 InGaN인 것이 가능하다. 이 경우, 다이오드(100)의 다른 구성요소들(완충 층(110), 배리어 층(108), 방사 층(106))의 인듐 조성물 값은 예컨대 전술한 값을 기반으로 할 수 있으나, 제2 층(104)의 반도체에 위치한 인듐의 퍼센트가 추가된다. 게다가, 이러한 변형예에 따르면, 완충 층(110)의 반도체에 존재하는 인듐 조성물은 완충 층(110)과 접촉해 있는 제1 배리어 층(108)의 반도체에 존재하는 인듐 조성물과 바람직하게는 유사할 것이고, 또는 가변적일 수 있고, 특히 도 13 및 14와 관련하여 전술한 바와 같이 더 높을 수 있다.
마지막으로, 다이오드(100)의 n-도핑된 반도체의 제1 층(102)과 완충 층(110)은 n-도핑된 반도체의 동일한 단일 층, 예컨대 InGaN-n에 대응하는 것도 가능하다. 이 경우, 이러한 층에 존재하는 도너 도펀트의 농도는 제1 GaN-n 층(102)에 대해 전술한 농도와 유사할 수 있고, 이러한 층의 인듐 조성물은 완충 층(110)에 대해 전술한 농도와 유사할 수 있다.
이러한 층의 두께는 약 20nm와 10㎛ 사이일 수 있다.
이러한 단일 층의 n-도핑된 반도체 층은 규소, 사파이어, SiC 또는 심지어 고유 GaN 기재와, 또는 규소, SiC 등의 n-도핑된 층과 접촉해 있을 수 있다.
다른 변형예로서, 다이오드(100)의 p-n 접합은 제1 InGaN-n 층(102)과 제2 InGaN-p 층(104)에 의해 형성되는 것이 가능하다. 완충 층(110)과 제2 층(104)의 물질들은 완충 층(110)의 n-도핑된 반도체의 밴드 갭 에너지가 제2 층(104)의 p-도핑된 반도체의 밴드 갭 에너지의 약 97% 이하(Eg110≤0.97Eg104)인 정도여서, 제2 층(104)의 p-도핑된 반도체에 존재하는 인듐 농도보다 최소 2.5% 높은, 완충 층(110)의 n-도핑된 반도체의 인듐 농도를 산출한다. 이 경우, 전술한 다른 관계들에서의 배리어 층(108)과 방사 층(106)의 반도체에 존재하는 인듐 조성물 x 및 y의 값은 제2 층(104)의 p-도핑된 반도체에 존재하는 인듐 농도의 값만큼 증가한다.
전술한 다른 실시예 및 변형예에 따르면, 다이오드(100)의 다른 구성요소들에 사용된 반도체는 GaN이다(방사 층, 배리어 층 및 완충 층을 생산하고, 가능하다면 제1 층(102) 및/또는 제2 층(104)을 제조하기 위해서는 인듐이 첨가됨).
하지만, 다수의 양자 샘을 가진 발광 다이오드에 적합한 p-n 접합이 제조될 수 있고 전자 및 정공에 대해 큰 이동성 차이 및/또는 큰 도핑 차이가 있는 임의의 반도체로부터 다이오드(100)를 제조하는 것이 가능하다. GaN 대신에, 또한 아마도 청색 또는 자외선에 대응하는 파장 범위에서 발광하는데 사용될 수 있는 GaInN, ZnO, ZnMgO 또는 ZnMgO와 같은 큰 갭 반도체를 사용하는 것도 가능하다. 또한, 이보다 작은 갭 반도체, 예컨대 InP, GaP, InGaP, InAs, GaAs, InGaAs, AlGaInP, AlGaAs도 사용될 수 있다.
변형예로서, 다이오드(100)는 또한 마지막 배리어 층(전술한 실시예들에서 층 (108.4)에 대응함)과 제2 p-도핑된 반도체 층(104) 사이에 위치한, AlGaN 등을 함유하는 전자 차단(blocking) 층을 포함할 수도 있다.
이러한 전자 차단 층은 추가로 전자가 제2 p-도핑된 반도체 층(104)으로 이동하지 않도록 할 수 있다.
이러한 종류의 전자 차단 층은 또한 DROOP, 환언하면 다이오드의 전류 밀도가 증가할 때 내부 양자 효율의 저하(drop)를 감소시킬 수 있으며, 이러한 저하는 부분적으로는 전류가 증가할 때 활성 구역으로부터 이탈하는 전자 때문이다. 도 12와 관련하여, 이러한 종류의 전자 차단 층의 첨가는 전류 밀도가 약 500 A/㎠ 초과일 때, 다이오드의 내부 양자 효율의 저하를 약화시킬 수 있다.
앞서 개시한 본 발명에 따른 양자 샘과 배리어 층이 교대로 구성된 활성 구역 및 완충 층을 포함하는 발광 다이오드(100)는 편평한 다이오드 형태, 환언하면 도 7에 도시된 기재 위에 형성된 층들(102, 110, 105 및 104)의 스택(stack) 형태로 제조될 수 있고, 다른 층들의 주요 면들은 기재 면에 평행하게((X,Y)면에 평행하게) 배열된다.
변형예로서, 본 발명에 따른 발광 다이오드(100)는 또한 나노와이어의 형태로 제조될 수 있다. 도 16a는 축형 나노와이어의 형태로 제조된 상기 다이오드(100)를 도시한 것으로, 이 나노와이어는 제1 전극(101), n형 반도체 기재(124)(예컨대, 규소), 나노와이어가 성장하는 핵형성 층(126), 제1 n-도핑된 반도체 층(102), n-도핑된 반도체 완충 층(110), 활성 구역(105), 제2 p-도핑된 반도체 층(104), 및 제2 전극(103)으로 구성된 스택(stack)을 포함한다. Z 축에 평행하게 신장된 상기 나노와이어 주위는 적어도 부분적으로 절연 물질(128)로 싸여있을 수 있다.
도 16b는 방사형 나노와이어 형태로 제조된 다이오드(100)를 도시한 것으로, 이 나노와이어는 제1 전극(101), 반도체 기재(124), 핵형성 층(126) 및 제1 n-도핑된 반도체 층(102)으로 구성된 스택을 포함한다. 절연 부위(128)는 제1 층(102)과 핵형성 층(126)을 부분적으로 둘러싼다. 완충 층(110)은 제1 층(102)을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 제조된다. 활성 구역(105)(배리어 층(108)과 방사 층(106)으로 구성됨)은 완충 층(110)을 둘러싸도록 제조된다. 제2 p-도핑된 반도체 층(104)은 활성 구역(105)을 둘러싸도록 제조된다. 마지막으로, 제2 전극(103)은 제2 층(104)을 피복하여 제조한다.
도 16a와 도 16b에 기술된 두 실시 양태들에 대한 변형예로서, 이 나노와이어의 구조는 역전될 수 있고, 이 경우 p형 반도체 기재(124)에는 그 위에 제2 층(104)이 제조되고, 그 다음 도 16a 및 16b에 기술된 순서의 역순으로 다이오드(100)의 다른 구성요소들을 포함한다.
평면형 다이오드(100)인 경우 전술한 여러 특성들(두께, 도핑 등)은 나노와이어 형태로 제조된 다이오드(100)와 유사할 수 있다.
100: 다이오드
102: 제1 n-도핑된 반도체 층
104: 제2 p-도핑된 반도체 층 105: 활성 구역
106: 방사 층 108: 배리어 층
110: 완충 층
104: 제2 p-도핑된 반도체 층 105: 활성 구역
106: 방사 층 108: 배리어 층
110: 완충 층
Claims (13)
- - 다이오드(100)의 캐소드를 형성할 수 있는 제1 n-도핑된 반도체 층(102) 및 이 제1 층(102)과 다이오드(100)의 p-n 접합을 형성하도록 다이오드(100)의 애노드를 형성할 수 있는 제2 p-도핑된 반도체 층(104);
- 상기 반도체를 함유하고 양자 샘을 형성할 수 있는 2 이상의 방사 층(106), 및 각 방사 층(106)이 이 방사 층(106)의 양쪽 대향 면에서 이 방사 층(106)과 접촉하고 있는 2개의 배리어 층들(108) 사이에 위치하도록 하는 복수의 반도체 배리어 층(108)을 포함하는, 제1 층(102)과 제2 층(104) 사이에 위치한 활성 구역(105);
- 제1 층(102)과 활성 구역(105) 사이에 위치하는 n-도핑된 반도체 완충 층(110)으로서, 이 완충 층(110)의 n-도핑된 반도체는 밴드 갭 에너지가 제2 층(104)의 p-도핑된 반도체의 밴드 갭 에너지의 약 97% 이하인 n-도핑된 반도체 완충 층(110)을 포함하고,
상기 배리어 층들(108)의 반도체는 InXGa1 - XN이고, 상기 완충 층(110)의 반도체는 InZGa1 - ZN이며, 방사 층(106)의 반도체는 InYGa1 - YN이고, 이때 x, y 및 z는 0.025≤x, 0.025≤z, 0.1≤y 및 x<y, 및 z<y인 실수(real numbers)이거나, 또는
다이오드(100)가 m 배리어 층(108)을 포함할 때, 각 배리어 층(108)의 반도체는 InXiGa1 - XiN(여기서, i는 1과 m 사이의 정수이다)이고, 완충 층(110)의 반도체는 InZGa1 - ZN이며, 방사 층(106)의 반도체는 InYGa1 - YN이며(이때, xi, y 및 z는 0.025≤z, 0.1≤y, xi<y, 및 z<y인 실수이다), 각 배리어 층(108)의 반도체에 존재하는 인듐 조성물 xi는 다른 배리어 층들(108)의 인듐 조성물과 상이하고, 이러한 인듐 조성물들은 xi≤z인 정도로 완충 층(110)과 접촉하고 있는 배리어 층들(108) 중 한 층의 반도체에 존재하는 인듐 조성물에 대응하는 제1 값 xi로부터, xm < x1 이도록 m≥3인 경우 제2 층(104)과 접촉하고 있는 배리어 층들(108) 중 한 층의 반도체에 존재하는 인듐 조성물에 해당하는 다른 값 xm 이하까지 점차 변동 및 감소하는, 발광 다이오드(100).
- 제 1 항에 있어서, 제1 층(102)의 n-도핑된 반도체 및/또는 제2 층(104)의 p-도핑된 반도체가 GaN이고, 및/또는 방사 층(106) 및/또는 배리어 층(108) 및/또는 완충 층(110)의 반도체들이 InGaN인 발광 다이오드(100).
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 완충 층(110)의 n-도핑된 반도체에 존재하는 인듐 농도가 제2 층(104)의 p-도핑된 반도체에 존재하는 인듐 농도보다 적어도 2.5% 이상 많은 발광 다이오드(100).
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 완충 층(110) 및 제1 층(102)이 동일한 조성 및/또는 도핑의 반도체를 함유하는 발광 다이오드(100).
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 완충 층(110)이 두께가 약 5nm 초과인 발광 다이오드(100).
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 다이오드(100)가 2≤n≤5일 정도로 방사 층(106)의 수 n을 가질 때, 배리어 층(108) 및 방사 층(106)의 반도체는 (x+0.03)≤y 또는 x1>0.04 및 xm≥0.005 및 (x1+0.03)≤y인 정도인 발광 다이오드(100).
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 다이오드(100)가 5≤n≤10일 정도로 방사 층(106) 수 n을 가질 때, 배리어 층(108) 및 방사 층(106)의 반도체는 x≥0.04 및 (x+0.03)≤y인 정도 또는 x1>0.08 및 xm ≥ 0.005 및 (x1+0.03) ≤ y인 정도이고 및/또는 완충 층(110)의 두께는 약 20nm 초과인 발광 다이오드(100).
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 다이오드(100)가 n≥10일 정도의 방사 층(106)의 수 n을 가질 때, 배리어 층(108) 및 방사 층(106)의 반도체는 x≥0.06 및 (x+0.03)≤y인 정도 또는 x1>0.12 및 xm ≥ 0.025 및 (x1+0.03) ≤ y인 정도이고 및/또는 완충 층(110)의 두께는 약 20nm 초과인 발광 다이오드(100).
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 완충 층(110)의 반도체에 존재하는 인듐 조성물 z가 배리어 층(108)의 반도체에 존재하는 인듐 조성물 x와 거의 같거나 그 이상인 발광 다이오드(100).
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 완충 층(110)의 반도체에 존재하는 인듐 조성물 z가 제1 값 z1과 이 제1 값 z1 보다 큰 제2 값 z2 사이에서 제1 층(102)이 위치해 접촉하고 있는 완충 층(110)의 제1 면(116)에 대략 수직인 방향을 따라 변동하고, 완충 층(110)의 제1 면(116)에 존재하는 인듐 조성물 z는 제1 값 z1과 동일하며, 각 배리어 층(108)의 반도체에 존재하는 인듐 조성물이 다른 배리어 층(108)의 인듐 조성물과 상이할 때, 인듐 조성물 x1은 x1≤z2인 정도인 발광 다이오드(100).
- 제 10 항에 있어서, 완충 층(110)의 반도체에 존재하는 인듐 조성물 z가 z1과 z2 사이에서 증가 변동하며, z1 = 0이고 z2 ≥ x 또는 z2 ≥ x1인 발광 다이오드(100).
- 제 10 항에 있어서, 완충 층(110)의 반도체에 존재하는 인듐 조성물 z가 z1과 제3 값 z3 > z2 사이에서 증가 변동하며, z1 = 0이고 z2 ≥ x 또는 z2 ≥ x1인 z3과 z2 사이에서는 감소 변동하는 발광 다이오드(100).
- 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 층(104)의 p-도핑된 반도체가 InWGa1 - WN이고, 이때 w는 w<0.12인 정도의 실수이고; 배리어 층(108)의 반도체가 InXGa1 - XN이고, 완충 층(110)의 반도체가 InZGa1 - ZN이며, 방사 층(106)의 반도체가 InYGa1 - YN일 때, 인듐 조성물 w, x, y 및 z는 (0.025+w)≤x, 및 (0.025+w)≤z, 및 (0.1+w)≤y인 정도인 발광 다이오드(100).
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