KR20220077919A - 등축정계 GaN의 양자 와이어로부터의 편광된 방출광 - Google Patents

등축정계 GaN의 양자 와이어로부터의 편광된 방출광 Download PDF

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KR20220077919A
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레이첼 올리버
메노 케퍼스
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데이비드 빈크스
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캠브리지 엔터프라이즈 리미티드
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Abstract

제1 밴드 갭을 갖는 제1 등축정계 III족 질화물을 갖는 매트릭스, 및 제2 밴드갭을 갖고 상기 매트릭스 내에 매립된 영역을 형성하는 제2 등축정계 III족 질화물을포함하는 반도체 구조체. 제2 등축정계 III족 질화물은 제1 밴드갭에 비해 제2 밴드갭을 감소시키는 합금 재료를 포함하고, 양자 와이어는 상기 매트릭스 내에 매립된 영역 내의 일 부분에 의해 한정되며, 상기 부분은 1차원 전하 캐리어 구속 채널을 형성하고, 양자 와이어는 광학적으로 편광된 방출 발광을 나타내도록 작동가능하다.

Description

등축정계 GaN의 양자 와이어로부터의 편광된 방출광
본 개시는 대략적으로 방출 발광을 나타내는 등축정계 III족 질화물 반도체에 관한 것이며, 특히, 그러나 비배타적으로, 등축정계 III족 질화물 반도체 구조체의 양자 와이어에 관한 것이다.
등축정계/징크블렌드 상(cubic/zincblende phase)의 GaN 관련 구조체는, 더 널리 알려진 우르짜이트/육방정계(wurtzite/hexagonal) GaN 반도체에 대한 유망한 대안으로 알려져 있으며, 장파장(녹색, 호박색 및 적색 포함) LED의 효율성을 개선하는 데 사용될 수 있다. GaN을 포함하는 것과 같은 반도체는, 광발광(photo-luminescent) 및 전기발광(electro-luminescent) 특성을 발생시키는 것으로 알려져 있으며, 이러한 반도체는 LED 또는 광-다이오드 장치에 사용될 수 있다. III족 질화물 반도체는 일반적으로 청색, 녹색 및 적색 스펙트럼 영역에서 방출하는 LED, 및 레이저 다이오드를 포함하는 광범위한 광전자 응용 분야들을 제공한다. 그러나, 종래의 LED 광원은 디스플레이 기술에 사용할 때 여전히 별도의 편광 필터(polarisation filters)가 필요하고, 이는 본질적으로 빛의 투과를 감소시켜, 시스템의 효율을 감소시킨다. 따라서, LD 또는 LCD 디스플레이, 또는 편광 광원을 필요로 하는 다른 이러한 장치에 사용하기 위한 편광 광원을 얻는 것이 유리할 것이다.
더욱이, 반도체는 더 큰 밴드갭 영역 및 (상대적으로) 더 작은 밴드갭 반도체 영역의 배열에 의해 소위 '양자 와이어'(quantum wire)를 생성하도록 배열될 수 있다. 양자 와이어는 일반적으로 전하 캐리어, 즉, 전자 및/또는 정공이 2개의 직교 차원에서는 구속되지만, 제3 직교 차원에서 자유롭게 이동할 수 있는 재료 영역으로서 생각할 수 있다. 전하 캐리어의 이러한 구속은 양자 와이어 내에서 일련의 양자화된(또는, 실질적으로 양자화된) 에너지 상태의 형성으로 이어진다.
양자 와이어가 저온에서 방출을 나타낼 수 있다는 것이 공지된 기술에서 관찰되었지만, 아래에 설명된 바와 같이, 다양한 등축정계 III족 질화물 반도체로 인한 광 방출 특성은 일반적으로 알려지지 않았거나, 또는 종래 기술에서는 아직 잘 이해되지 않고 있다.
본 개시는 반도체 장치, 특히, 등축정계 III족 질화물 반도체 장치로부터 편광된 광원들을 안정적으로 생성하는 문제를 해결하고자 한다.
양자 와이어는 1차원(1D) 구조이며, 이는 2차원에서의 전하 캐리어의 양자 구속(quantum confinement)을 나타낸다(전하 캐리어는 1차원에서만 자유롭게 이동할 수 있도록 함). 이것은 1차원에서의 전하 캐리어의 양자 구속을 나타내는 2차원(2D) 구조인(전하 캐리어가 2차원에서 자유롭게 이동하도록 함) 양자 우물(Quantum wells)과 대조적이고, 전하 캐리어가 가능한 모든 차원에서 구속되는 0차원 구조(0D)인 양자 점(quantum dots)과도 대조적이다.
다음의 개시에서, 실증되는 바와 같이, 양자 우물 내의 등축정계 III족 질화물계 양자 와이어로부터 편광된 광 방출을 얻는 것이 가능하다. 이것이 LED 구조에서 달성될 수 있다면 그 다음 디스플레이 및 다른 응용분야에서 효율을 개선하는 경로를 제공한다. 현재, 표준(비편광된) LED가 LCD 디스플레이의 백라이트 광원으로 사용된다. 이들 디스플레이는 편광된 광에 의존하기 때문에, 현재, 비편광된(unpolarised) 광원 앞에 편광 필름을 배치함으로써 달성되며, 표준 백라이트 광원에서 방출되는 빛의 최대 50%가 낭비된다는 것을 의미한다. 편광된 광원이 실현될 수 있다면, 이는 유리하게는 방출된 광학 에너지의 더 많은 부분이 디스플레이에서 사용될 수 있다는 것을 의미할 것이고, 따라서, 결과적으로 더 효율적인 디스플레이가 될 것이다. 이것은 차례로 휴대용 장치의 배터리 수명을 연장할 것이다. 따라서, 등축정계 GaN LED의 개선된 효율 가능성(특히, 녹색, 호박색(amber) 및/또는 적색과 같은 더 긴 파장에서)과 결합된 편광 방출은 디스플레이 응용 분야에서 상당한 이점을 제공한다. 또한 편광된 광원이 사용되는 다른 응용 분야도 광범위하므로, 편광된 등축정계 GaN LED로부터 이점을 얻을 수 있는 다른 적합한 응용 분야도 다양하다.
본 개시의 일 측면에 따르면, 제1 밴드갭을 갖는 제1 등축정계 III족 질화물을 포함하는 매트릭스; 및 제2 밴드갭을 갖고 매트릭스 내에 매립된(embedded) 영역을 형성하는 제2 등축정계 III족 질화물을 포함하는 반도체 구조체가 제공되며, 제2 등축정계 III족 질화물은 제1 밴드갭에 비해 제2 밴드갭을 감소시키는 합금 재료를 포함한다. 반도체 구조체는 매트릭스 내에 매립된 영역 내의 일 부분에 의해 한정(define)되는 양자 와이어(quantum wire)를 더 포함하고, 상기 부분은 1차원 전하 캐리어 구속 채널(one-dimensional charge-carrier confinement channel)을 형성하고, 양자 와이어는 광학적으로 편광된(optically polarised) 방출 발광(emission luminescence)을 나타내도록 작동될 수 있다.
양자 와이어를 한정(define)하는, 매트릭스 내에 매립된 영역 내의 상기 부분은 합금 재료의 분율을 가질 수 있으며, 이는 매립된 영역의 나머지 부분에 비해 더 증가된다.
통상의 기술자가 이해할 수 있는 바와 같이, 합금 재료는 하나 이상의 원소들을 포함할 수 있고, 매트릭스의 구조에 정합(commensurate)할 수 있다(즉, 또한, 등축정계이고, 가능하게는 동일하거나 또는 실질적으로 유사한 격자 상수를 가짐). 합금 재료는, 매트릭스 내의 원소들에 비해, 원소 또는 원소들의 부화(enrichment) 또는 사실상 고갈(depletion)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 매트릭스는 삼원(ternary) 재료(예를 들어, AlGaN)을 포함할 수 있고, 더 낮은 밴드갭(lower-band gap) 매립 영역은 이원(binary) 합금(GaN)을 포함할 수 있다. 따라서, 합금 재료는 매트릭스에 비해 GaN이 풍부한다.
추가적으로, 합금 재료는 바람직하게는 매트릭스를 구성하는 원소들과 등원자가(isovalent)이다. 통상의 기술자가 더 이해할 수 있는 바와 같이, 합금 재료는 임의의 증가된 비율의 특정 원소를 포함할 수 있다. 단지 예를 들어, 매트릭스는 GaN을 포함할 수 있고, 매트릭스 내의 매립된 영역은 InGaN을 포함할 수 있으며, 여기서 In은 1%만큼 낮거나, 또는 80%만큼 높은 비율이지만, 이 범위에 있는 것으로 제한되지는 않으며, 99%에 이를 만큼 높을 수 있다. 이 경우, 합금 재료는 인듐이며, 이는, 매트릭스에 비해, 매립된 영역에 부화를 제공한다. 대안적으로, 매트릭스는 AlN을 포함할 수 있고, 매립된 영역은 AlGaN, 또는 BGaN과 같은, 더 낮은 밴드갭을 갖도록 합금된 적합한 매트릭스 재료를 포함할 수 있다.
더 이해될 수 있는 바와 같이, 등축정계 III족 질화물 매트릭스는 일반적으로 등축정계 구조에서(Al)(Ga)(In)(B)N으로 이루어진 적합한 조합을 포함한다. 매트릭스 내의 매립된 영역은 합금 재료를 포함하고, 따라서, 매트릭스에 대해 상이한 비율의 원소들을 갖는 (Al)(Ga)(In)(B)N의 적합한 조합을 포함하며, 이때, 상이한 비율은 제2 밴드갭이 제1 밴드갭보다 낮도록 하는 비율이다. 이해할 수 있는 바와 같이, 감소된 밴드갭을 초래하는 상이한 비율들은 또한 양자 와이어를 한정하는 매립 영역 내의 부분에도 적용된다. 감소된 밴드갭을 초래하는 다양한 적합한 조합들은 다음 실시예들에서 설명된다.
전술한 반도체 구조체는, 단독으로 또는 조합하여, 다음의 특징들 중 임의의 것을 포함할 수 있다.
구조체는 매트릭스 내에 매립된 영역에 의해 한정되는 양자 우물을 더 포함할 수 있으며, 상기 영역은 매트릭스 내에 매립된 층을 형성한다.
전술한 것에 따르면, 매트릭스는 등축정계 갈륨 니트라이드를 포함할 수 있고, 매트릭스에 매립된 영역은 인듐이 부화된 등축정계 갈륨 니트라이드를 포함할 수 있다. 인듐은, 매트릭스의 밴드 갭에 비해, 매립된 영역의 밴드 갭을 감소시킨다. 매립된 영역 내의 그 부분에 의해 한정되는 양자 와이어는, 매립된 영역에 비해, 인듐이 더 부화된 비율로 포함하는 영역을 포함할 수 있다. 이 추가의 인듐-부화 영역은 전하 캐리어가 2차원으로 구속되는 전하 캐리어 구속 채널을 형성하며, 양자 와이어는 광학적으로 편광된 발광(예를 들어, 광발광(photo-luminescent) 또는 전기발광(electro-luminescent)) 방출을 나타내도록 작동 가능하다. 또한, 매트릭스는 적어도 2개의 층으로 형성될 수 있으며, 그 내부에 매립된 영역이 매립되고, 매립된 영역은 양자 우물을 한정하는 층이다.
전하 캐리어 구속 채널은 캐리어를 구속하여 그 결과 캐리어는 1차원(1D)으로만 자유롭게 이동하고, 광학적으로 편광된 빛은 선형으로 편광될 수 있으며, 선형 편광의 평면은 양자 와이어의 방향과 동일한 방향일 수 있다. 유리하게는, 전자(음전하 캐리어) 또는 정공(양전하 캐리어)일 수 있는 1차원에서의 전하 캐리어들의 구속은, 1차원에서 이동하도록 구속되거나(confined) 또는 실질적으로 구속된 것의 결과로서, 편광된 방출을 일으킨다.
'등축정계(cubic)'는 면심입방(FCC) 결정 구조, 또는 다시 말해서 징크블렌드(zincblende) 결정 구조를 지칭하는 것으로 이해될 것이다. 이 결정 구조는 임의의 III족 및 V족 원소, 및 바람직하게는 임의의 III족 원소와 질소, 즉 III족 질화물를 조합함으로써 형성될 수 있다. 이들 III족 원소들은 갈륨, 인듐, 알루미늄 또는 붕소일 수 있고, 결합하여 이원, 삼원, 사원 또는 오원 합금, 예를 들어, (Al)(Ga)(In)(B)N의 임의의 조합을 형성할 수 있다. 합금 재료는 일반적으로 임의의 적합한 III족 원소 또는 원소들일 수 있으며, 바람직하게는 합금화/부화(alloying/enriching) 원소들이 격자의 안정성을 방해할 정도로 크지 않도록 한다. 더욱이, 위에서 언급된 바와 같이, 합금 재료는 일반적으로 매트릭스(제1 밴드갭을 가짐)에 비해 감소된 제2 밴드갭을 초래하는 적어도 하나의 G-III족 원소를 포함한다.
반도체 구조체는 매트릭스 내에 매립된 영역에 의해 한정된 양자 우물을 더 포함할 수 있으며, 매립된 영역은 매트릭스 내에 매립된 층을 형성한다.
매립된 영역은 매트릭스 내에서 연속 채널(continuous channel) 또는 함입물(inclusion)을 형성할 수 있다. 따라서, 양자 우물을 한정하는 매립된 층은 매트릭스의 분리된 층들 사이에 끼워진 층일 수 있다. 또한, 양자 우물/매립된 층의 평면의 배향은 양자 와이어의 배향과 동일한 방향으로 배향될 수 있다.
반도체 구조체의 합금 재료는 인듐일 수 있다. 바람직한 구현예들에서, (매트릭스 내의 GaN에 비해) 매립된 영역 내의 인듐의 분율은 약 0.01 내지 0.40(1% 내지 40%)일 수 있다.
양자 와이어를 한정하는 매립된 영역의 부분은 합금 재료의 농도의 국부적 증가를 포함할 수 있다. 즉, 양자 와이어는, 매립된 영역의 나머지 부분의 조성에서의 합금 재료의 비율에 비해, 증가된 비율의 합금 재료를 포함할 수 있다.
또한, 합금 재료 농도의 국부적 증가는, 반도체 구조체의 적층 결함(stacking fault)과 양자 우물 사이의 교차점에 국부적(local)일 수 있다. 일부 예에서, 합금 재료 분율 농도(인듐일 수 있음)는 매립된 영역/층 내의 합금 재료의 평균 분율의 대략 2배일 수 있다.
양자 와이어를 한정하는 매립된 영역의 부분은 또한/대안적으로 양자 우물을 한정하는 매립된 층의 폭에서의 국부적 변동을 포함할 수 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, 매립된 층의 폭의 상기 변동은 전하 캐리어를 구속하여, 그 결과 그들이 주로 1차원에서만 이동할 수 있으므로, 편광된 방출을 전달하도록 작동가능한 양자 와이어를 초래한다.
국부적인 변동의 치수는 바람직하게는 2 nm보다 클 수 있다.
초기 양자 우물 폭에 따라 좌우되어, 약 2 nm 내지 3 nm를 초과하는 우물 폭의 변화는, 전자 바닥 상태들 사이의 에너지 차이가 더 높은 전자 상태를 열적으로 점유하는 데 필요한 에너지의 양을 초과하게 한다. 따라서, 유리하게는, 열적 여기(thermal excitation)가 낮기 때문에 전자들은 잘 구속될 것이고, 방출의 강도는 온도에 더 독립적일 것이다.
바람직한 예에서, 양자 우물을 한정하는 매립된 층의 폭은 2 nm 이상 14 nm 이하의 폭 사이에서 변동할 수 있다. 양자 우물의 평균 폭은 약 4 nm 내지 8 nm 사이일 수 있다.
또한, 양자 와이어의 캐리어 구속 채널 내에 구속된 전하 캐리어는 바람직하게는 전자이다. 즉, 전자는 우물 폭의 변동 내에서 1차원으로만 이동하도록 강하게 구속될 가능성이 더 높다. 정공은 우물 폭의 변동에 의해 강하게 구속되지 않을 수 있다.
양자 와이어를 한정하는 매립된 영역의 부분은 대안적으로 합금 재료를 포함하는 매립된 영역의 채널에 의해 한정될 수 있으며, 채널은 매트릭스를 통해 연장한다. 달리 말하면, 양자 와이어는, 매트릭스를 통해 또는 매트릭스 내에서, 물리적 와이어-유사 구조, 또는 통로, 또는 채널을 형성하는, 합금 재료를 갖는 매립된 영역의 부분에 의해 한정될 수 있다.
일반적으로, 매립된 영역 내의 합금 재료의 분율은, 특히 매립된 영역이 매트릭스 내에 매립된 층을 형성하여 양자 우물을 한정하는 경우, 약 20%보다 더 클 수 있다. 일부 예에서, 매트릭스는 GaN이고 매트릭스 내에 매립된 영역은 InGaN이며, 합금 재료는 In이다. 상기 언급된 바와 같이, 합금 재료는, 매트릭스 내의 원소들에 비해, 원소 또는 원소들의 부화 또는 사실상 고갈을 포함할 수 있다. 더욱이, 이해할 수 있는 바와 같이, 매트릭스 내에 매립된 영역의 밴드갭의 감소시키기 위해, 매트릭스에 따라 특정 합금 재료만이 적합하다. 예를 들어, GaN을 In과 합금하면 밴드 갭이 감소하지만, GaN을 Al과 합금하면 밴드 갭이 증가한다. 하기의 설명에 추가 예가 나타나있다.
유리하게는, 양자 와이어에서 더 높은 인듐 함량은 방출의 편광도(degree of polarisation)에 대한 온도 의존성을 감소시킨다. 다시 말하면, 바닥 상태일 수 있는 제1 상태와, 여기 상태일 수 있는 제2 상태 사이의 에너지 분할(energy splitting)이 확대되어, 열적 여기를 감소시키고, 여기 상태로의 열적 점유(thermal occupation)를 감소시킨다.
더 일반적으로, 양자 와이어의 캐리어 구속 채널은 제1 전자 상태 및 제2 전자 상태를 가질 수 있으며, 앞에서 언급한 상태들 사이의 에너지 차이는, 특성 열 에너지(characteristic thermal energy)보다 크며, 이는 이들 상태들 사이에 열적 유도 전이의 가능성을 감소시킨다. 특정 실시예들에서 이러한 에너지 차이는 약 25 meV보다 클 수 있다.
다시, 유리하게는, 이들 상태들(예를 들어, 전자의 바닥 상태와 여기 상태) 사이의 25 meV 넘는 에너지 차이는, 열적 여기를 상당히 감소시켜, 편광도의 온도 의존성을 감소시킨다. 이해할 수 있는 바와 같이, 26 meV는 상온에서의 전형적인 열 에너지이며 특성 열 에너지와 관련이 있다. 대안적으로, 제1 상태 및 제2 상태는 양자 우물의 바닥 상태(이론적으로 무한한 길이를 가짐)이고, 국부적인 변동의 바닥 상태는 유한한 길이를 갖는 제2 양자 우물로서 거동(따라서, 전하 캐리어 구속 채널로 작용함)한다.
바람직한 구현예들에서, 양자 와이어의 평균 단면 치수는 약 10 nm 미만 내지 약 2 nm 초과일 수 있다. 약 5 nm의 양자 와이어의 치수가 바람직할 수 있다. 평균 치수 또는 평균 단면 치수는: 와이어의 일 측방향 차원의 폭; 와이어의 두 측방향 폭들의 평균(mean average); 와이어의 단면에 의해 한정되는 사각형의 두 모서리들 사이의 대각선 길이; 또는 양자 와이어의 단면 크기에 대한 임의의 적합한 측정치;를 지칭할 수 있다. 이해할 수 있는 바와 같이, 와이어의 길이는 와이어의 평균 단면 치수에 비해 더 클 것이다.
상기의 예들, 특히, 바람직한 합금 조성들 및 양자 우물 치수들에 따르면, 본 개시는 또한, 편광도 및/또는 방출 강도가 온도에 실질적으로 독립적인 반도체 구조체 또는 반도체 장치를 생성하는 문제를 해결하고 극복하고자 한다. 양자 와이어의 단면 치수들은 2차원으로 정공을 구속하는데 영향을 미칠 수 있다; 캐리어 바닥 상태와 양자 우물 사이의 에너지 차이가 더 커질 것이기 때문에 더 큰 양자 와이어들은 양자 와이어로부터의 열적 여기를 감소시킬 수 있다. 그러나, 와이어의 바닥 상태와 여기 상태 사이의 에너지 분리가 더 낮을 수 있기 때문에, 더 큰 양자 와이어는 또한 양자 와이어의 여기 상태의 열적 점유를 증가시킬 수 있다. 따라서, 여기 상태들의 증가된 열적 점유는 불리한 온도 의존성 편광을 초래할 수 있다.
따라서, 편광의 온도 독립성을 보장하기 위해, 일부 예들, 예를 들어, 양자 와이어가 적층 결함과 양자 우물 사이의 교차의 결과인 경우에서는 더 작은 양자 와이어가 바람직할 수 있고, 다른 예들에서는, 양자 와이어로부터의 감소된 열적 여기 및 여기 상태들의 증가된 열적 점유의 경쟁 효과의 균형을 맞추기 위해, 크기의 균형을 맞추어야 한다.
그러나, 더 넓은 양자 와이어는, 캐리어 바닥 상태와 양자 우물 사이의 에너지 차이가 더 커질 것이기 때문에, 양자 와이어로부터의 열적 여기를 감소시킬 것이다. 그러나, 더 넓은 양자 와이어는, 와이어의 바닥 상태와 여기 상태 사이의 에너지 분리가 더 낮아질 것이기 때문에, 와이어의 여기 상태들의 열적 점유를 증가시켜, 온도에 의존하는 편광이 발생한다.
본 발명의 다른 관련된 측면에 따르면, 이전에 설명된 측면들 및 예들 중 어느 하나에 따른 반도체 구조체를 통합하는 반도체 장치가 제공되며, 이 반도체 장치는: 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL); 레이저; 센서;를 포함하는 군으로부터 선택된다.
반도체 장치는 등축정계 실리콘 카바이드(3C SiC)를 포함하는 기재, 또는 대안적으로, 실리콘, GaAs와 같은 적합한 등축정계 반도체를 더 포함할 수 있거나, 또는, 특히, 기재는 또한, Si 상의 실리콘 카바이드일 수 있으며, 이는 [001] Si 상의 3C-SiC일 수 있다.
상기 장치는: 기재의 표면 상에 배치된, 매트릭스 재료의 전자 풍부 층;, 매트릭스 및 이 매트릭스 내에 매립된 영역에 의해 한정되며, 전자 풍부 층의 표면 상에 배치된 광학적 활성 영역; 및 광학적 활성 영역의 표면 상에 배치된 매트릭스 재료의 전자 결핍층;을 더 포함할 수 있다. 이 구조체는 일반적으로 LED를 나타낼 수 있고, 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 알려진 변형 완화(strain relief), 전위 또는 점 결함 필터링(dislocation or point defect filtering), 또는 캐리어 수송 제어를 위한 다른 원소들 또는 재료들을 포함할 수 있다. 더 이해할 수 있는 바와 같이, LED 등과 관련하여, 상기의 반도체 구조체는 광학적 활성 영역으로부터 광학 활성/발광을 유도하는 다이오드(즉, p-n 접합)를 정의한다.
일반적으로, 전자 결핍층(대안적으로, 정공 풍부층)은 p형 반도체 층에 해당하고, 전자 풍부층은 n형 반도체에 해당한다.
이해할 수 있는 바와 같이, 광학적 활성 영역은, 양자 우물, 즉 더 낮은 밴드갭 재료의 층을 매립하는 매트릭스 재료의 두 층, 및 또한 양자 우물 내에 포함되며 편광된 방출을 나타내는 양자 와이어에 의해 한정된다. 또한, 이해할 수 있는 바와 같이, 복수의 광학적 활성 층들/양자 우물들은, LED와 같은 장치에 존재할 수 있다.
또한, 기재는 위에 실리콘 카바이드 층을 갖는 세라믹 또는 단결정 실리콘과 같은 다층(multiple layers)을 포함할 수 있으며, 이는 바람직한 예에서 등축정계 (3C) 실리콘 카바이드일 수 있다. 유리하게는, 갈륨 니트라이드에 대해 정합하는 (등축정계) 결정 구조를 갖는 실리콘 기재 상의 실리콘 카바이드는, 기재 위에(over) GaN 구조체를 직접 제작하는 것을 가능하게 할 수 있다. 기재의 직경은 50 mm, 100 mm, 150 mm, 200 mm, 300 mm, 또는 종래의 웨이퍼 처리 파운드리에서 이용할 수 있는 대량 제조 능력에 상응하는 임의의 크기일 수 있다.
또한, 반도체 구조체는 광학적 활성 영역의 양측에 배치된 광학 구속 층을 더 포함할 수 있다. 이 구조체는 일반적으로 레이저 다이오드 장치 구조체와 관련된다.
본 발명의 다른 관련 측면에 따르면, 반도체 장치의 제조 방법이 제공된다. 이 방법은: 제1 밴드갭을 갖는 제1 등축정계 III족 질화물을 포함하는 매트릭스를 형성하는 단계; 제2 밴드갭을 갖고 매트릭스 내에 매립된 영역을 형성하는 제2 등축정계 III족 질화물을 형성하는 단계로서, 제2 등축정계 III족 질화물은 제1 밴드갭에 비해 제2 밴드갭을 감소시키는 합금 재료를 포함하는, 단계; 및매트릭스 내에 매립된 영역 내에 양자 와이어를 한정하는 부분을 형성하는 단계로서, 상기 부분은 1차원 전하 캐리어 구속 채널을 형성하는 부분을 형성하는, 단계;를 포함한다.
본 방법은, 매트릭스 내의 매립된 층으로서 매트릭스 내에 매립된 영역을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 이것은 양자 우물을 한정한다.
위의 측면에 따르면, 형성된 반도체 장치는: 발광 다이오드(LED); 수직 공동 표면 발광 레이저, VCSEL; 레이저; 센서;를 포함하는 군으로부터 선택될 수 있다.
반도체 장치의 제조 방법은: 등축정계 실리콘 카바이드를 포함하는 기재를 형성하는 단계; 기재의 표면 상에 배치된, 매트릭스 재료의 전자 풍부 층(electron rich layer)을 형성하는 단계; 전자 풍부 층의 표면 상에 배치된, 매트릭스, 및 상기 매트릭스 내에 매립된 영역에 의해 한정되는 광학적 활성 영역을 형성하는 단계; 및 광학적 활성 영역의 표면에 배치된 매트릭스 재료의 전자 결핍층을 형성하는 단계;를 포함한다.
반도체 장치의 제조 방법은 광학적 활성 영역의 제1 표면 및 제2 표면의 각각의 위에 배치된 광학 구속 층들을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
아래의 구조체들로부터 야기되는 방출 특성(즉, 광 발광 또는 전기 발광)과 관련된 추가 이점은 아래의 설명에서 명백해질 것이다. 예를 들어, 설명된 바와 같은 구조체들/장치들의 표면으로부터 방출된 빛은 편광되며, 이것은 본 명세서에서 설명된 반도체 구조체들로 만들어진 LED가, 통상적인(표면 발광) 포맷으로 사용될 수 있게 하고, 따라서, 에지 발광 LED 장치를 제조할 필요성을 없애준다.
본 개시의 이들 및 다른 측면들은, 이제, 단지 예로서, 첨부 도면을 참조하여 추가적으로 설명될 것이다.
도 1은, 각각, 양자 우물 및 양자 와이어를 보여주며, 이것은 더 높은 밴드 갭 재료로 둘러싸인 낮은 밴드 갭 재료로부터 형성된다.
도 2는 도 1의 일반적인 예에 예시된 것과 같은 GaN 및 인듐 갈륨 니트라이드(InGaN) 구조체의 투과 전자 현미경(TEM) 이미지를 나타내며, 에너지 분산 X선(EDX) 오버레이를 갖는 삽입도가 추가되어 있다.
도 3은 도 1에 예시된 GaN 및 InGaN 양자 와이어들을 포함하는 모델 광 방출 다이오드(LED) 구조체를 도시한다.
도 4는 도 1에 도시된 GaN 및 InGaN 양자 와이어들을 포함하는 레이저 다이오드 구조체를 도시한다.
도 5a는 양자 와이어를 형성하는 폭 변동이 있는 양자 우물에 대한 개략적인 에너지 전위 다이어그램(energy potential diagram)을 보여준다.
도 5b는 8 nm 우물들을 갖는 징크블렌드 InGaN/GaN 양자 우물 샘플의 투과 전자 현미경 이미지로서, 우물들의 폭 변동들을 보여준다.
도 6은 적층 결함과 양자 우물의 상호작용 주변의 인듐 풍부 영역으로부터 발생하는 양자 와이어의 전도 밴드의 개략적인 에너지 전위를 보여준다.
도 7은 4 nm 폭의 인듐 풍부 영역을 갖는 8 nm 양자 우물에 대한 모델 에너지 전위에 대해 구한 전자 및 정공 파동함수 해(solutions)를 보여준다.
도 8은, 도 7의 파동함수들에 상응하는, 4 nm 폭의 인듐 풍부 영역을 갖는 8 nm 양자 우물에 대한 전도 및 가전자 밴드(conduction and valence band)의 단순화된 전체 에너지 전위(full energy potential)를 보여준다.
도 9는 다양한 치수들 및 인듐 분율을 갖는 양자 와이어들 세트의 전자 특성들에 대한 표로 작성된 결과들을 보여준다.
도 10은 양자 우물을 에칭(etching)함으로써 생성된 양자 와이어를 개략적으로 보여준다.
도 11은, 대각선 길이로 정의되는 다양한 단면 크기들 및 인듐 함량을 갖는 InGaN/GaN 양자 우물을 에칭함으로써 생성된 직사각형 양자 와이어들에 대한 계산된 정공 바닥 상태 에너지들(사각형들) 및 제2 여기된 정공 상태 에너지들(원들)의 그래프를 보여준다.
도 12는 각각의 두께가 2 nm인, 5개의 양자 우물들을 갖는, InGaN을 포함하는 등축정계 GaN 샘플의 10 K에서 취한 실험적 광발광(photoluminescence) 스펙트럼의 그래프를 보여준다.
도 13a 및 도 13b는, 각각, 도 12에 도시된 피크들에 상응하는, 정규화된 강도(normalized intensity) 및 편광도(degree of polarisation)의 온도 의존성을 나타낸다.
도 14는 GaN 결정들로부터 생성된, 상이한 폭들의 양자 우물들에 대한 4개의 실온 광발광 스펙트럼들을 나타내는 그래프를 보여준다.
도 15는, 6 nm 폭 양자 우물의, 10 K에서 생성된, 광발광(PL) 스펙트럼(실선), 및 2개의 별개의 흡수 에지들을 나타내는 상응하는 PL-여기(PL-excitation)(PLE) 스펙트럼(파선)을 표시하는 그래프를 보여준다.
도 16은, 2 nm 폭의 양자 우물로부터 생성된, 10 K에서의 GaN/InGaN 결정으로부터의 광발광 시간 감쇠(photoluminescence time decays)를 보여준다.
도 17은 다양한 폭들의 등축정계 InGaN/GaN 양자 우물들에 대한 4개의 방출광 감쇠 시간들(emission decay times)을 나타내는 그래프를 보여준다.
도 18은 다양한 폭들의 4개의 등축정계 InGaN/GaN 양자 우물들의 광발광 스펙트럼들을 보여준다.
도 19는 다양한 인듐 함량들 및 우물 치수들을 갖는 등축정계 InGaN/GaN 양자 우물들과 관련하여, 10 K에서와 비교하여 300 K에서의 양자 우물들로부터의 방출광에 대한 선형 편광도(DOLP)의 비율들의 계산된 2D 맵을 보여준다.
본 개시 및 본 개시의 특정 구현예들은 이제 다음의 비제한적인 실시예들을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 반도체 구조체 내에 포함된 양자 우물(Qwell(100) 및 양자 와이어(102)(Qwire)를 각각 도시한다. 일반적으로, 양자 우물은 2개의 더 높은 밴드 갭 재료들 사이에 낮은 밴드 갭 재료를 끼워 넣음(sandwiching)으로써 형성될 수 있다. 도 1에서, 양자 우물(100)은, 갈륨 니트라이드과 같은, 더 높은 밴드 갭 매트릭스(106) 사이에, 합금 원소/재료인 인듐, InGaN을 더 포함하는 갈륨 니트라이드(GaN)과 같은, 더 낮은 밴드갭 재료(104)의 층을 둘러쌓음(encasing)으로써 생성된다. 양자 우물(100)은 일반적으로 더 높은 밴드갭의 매트릭스 재료(106)가 더 낮은 밴드갭 재료(104)의 층을 매립하도록/둘러싸도록 함으로써 형성된다. 매립된 영역을 둘러싸는 더 높은 밴드갭 매트릭스 재료는 대안적으로 장벽으로 지칭될 수 있다.
일반적으로, 임의의 적합한 III족 원소 또는 원소들(예를 들어, 인듐, 양자 우물을 둘러싸는 매트릭스 재료(106)가 GaN인 경우)은 GaN 반도체에서 양자 우물을 생성하기 위해 중심층(104)을 부화(enrich)하는데 사용될 수 있다. 더 큰 In 원자가 중심층의 밴드갭을 감소시키는 효과가 있다.
예를 들어, 양자 우물 층(104)(매립된 영역) 및 주변 층(106)(매트릭스)에 대한 다른 대안들은: Ga 결핍 AlGaN(106)에 매립된 Ga 부화(enriched) AlGaN(104); BGaN(106)에 매립된 AlGaN(104); 및 인듐 결핍 InGaN(106)에 매립된 인듐 부화(enriched) InGaN(104);이다. 양자 우물 층(104) 상에 사용되는 낮은 밴드갭 재료(예를 들어, InGaN)의 조성은 2% 내지 40%의 인듐 사이로 다양할 수 있으며, 일부 실시예에서는 그 이상 값으로 다양할 수 있다. GaN 반도체들의 인듐 분율에 대한 바람직한 예들은 아래에 자세히 설명되어 있다.
그 다음, 더 낮은 밴드갭 재료(104)의 길이들 또는 부분들을 제거함으로써, 전자들이 2차원에 구속되고 1차원에서만 자유롭게 이동할 수 있는 횡단 채널들(102)을 생성하여 양자 와이어가 생성될 수 있다.
양자 와이어들은 다양한 형상 및 구성을 따르는 것으로 이해될 것이며, 도면들에 예시된 양자 와이어들에 한정되지 않는다. 예를 들어, 절단된 양자 와이어(truncated quantum wires); 양자 대쉬(quantum dashes); 뭉툭한 양자 와이어(stubby quantum wires); 세장형 양자 점(elongated quantum dots); 또는 연장된 양자 점(extended quantum dots);으로 지칭될 수 있는 다른 적합한 양자 와이어 유사 구조체들이 존재한다.
도 2는 실험 투과 전자 현미경(TEM) 이미지를 보여주며, 여기서, 삽입도는, 도 1의 일반적 예에 도시된 것과 같은, GaN(106) 및 InGaN(104) 구조체의 에너지 분산 X선(Energy Dispersive X-ray)(EDX) 오버레이를 갖는다. 인듐(In) 부화GaN(104)을 포함하는 양자 우물들(200)은 그래프 상의 축에 의해 도시된 바와 같이 GaN 결정의 [110] 방향을 따라 정렬된다. 양자 와이어들(202)은, 양자 우물들(200)이 기저의 GaN 결정에서 이전부터 존재하는(pre-existing) 적층 결함들(SF)(204)과 교차하는, 도시된 이미지에서 형성된다. EDX 오버레이에서 강조 표시된 영역들(202)은 더 부화된 In 영역들을 가리킨다. 즉, 양자 우물들(200)과 적층 결함들(204)의 교차점에서, InGaN 양자 우물들은 인듐이 더욱 부화될 수 있으며, 이는 양자 와이어들(202)을 생성할 수 있다.
본 명세서에서 보여주는 GaN 결정은 등축정계 또는 징크블렌드, GaN(zb-GaN)이다. 전형적으로, GaN 결정 구조는, 열역학적으로 안정적인 상태이기 때문에, 천연적으로는 육각형, 또는 우르짜이트(Wurtzite) 구조이다. Zb-GaN은 GaN의 준안정 상태(metastable state)이지만, 이는 그럼에도 불구하고 특정 조건들 하에서 제조될 수 있다. 예를 들어, 본 발명자들이 확인한 바와 같이, (예를 들어) 유기 금속 화학 기상 증착(metal organic chemical vapour deposition)(MOCVD)으로도 알려진, 유기 금속 증기상 에피택시(metal organic vapour phase epitaxy)(MOVPE)를 사용하여, 실리콘 기재들 상의 실리콘 카바이드의 [001] 표면 상에서 zb-GaN이 성장될 수 있다. 대안적으로, 분자선 엑피택시(Molecular Beam Epitaxy)(MBE) 또는 수소화물 기상 에피택시(hydride vapour phase epitaxy)(HVPE)와 같은 다른 성장 기술들이 사용될 수 있다.
도 2의 TEM 이미지는 결정의 기저의 거칠기로 인한 양자 우물의 큰 왜곡들을 보여준다(적층 결함과는 별개임). 이 실시예에서, 양자 우물의 평균 폭은 8 nm이지만, 이 폭은 양자 우물의 길이를 따라 약 4 nm 내지 12 nm 사이에서 변할 수 있다. 이들 폭 왜곡은 1차원에서만(즉, 도시된 바와 같이 [001] 방향으로, 와이어의 길이를 가로지르는) 발생하고, 따라서, 추가적인 캐리어 구속을 초래할 수 있다. 이는, ([1-10] 방향으로) 도면 내로 들어가는 양자 와이어(Qwire)-유사 구조체를 발생시킬 것이다. 다시 말하지만, 양자 와이어들의 기저 상태들로부터의 방출광은 와이어의 길이를 따라 편광된 방출광을 초래한다. 이 폭-왜곡 현상의 모델링 결과들은, 도 5와 관련하여, 아래에서 더 자세히 설명된다.
따라서, 일반적으로, 그리고 아래에 더 자세히 설명되는 바와 같이, 양자 와이어들은 기저의 결정 거칠기(underlying crystal roughness)로부터 형성될 수 있으며, 이는 양자 우물의 폭에서 국부적인 왜곡 또는 변동을 생성한다. 특히, 등축정계 GaN 결정들을 제조하는 데 사용되는 온도 및 어닐링 인자들은 결정의 성분들에 고유한 이방성 확산(anisotropic diffusion)을 이용하도록 조정(tuning)될 수 있다. 그 결과, 결정은 분자 수준에서 융기들 또는 주름들을 형성할 수 있으며, 이는 양자 와이어들의 형성에 기여하는 변동 및/또는 적층 결함을 유발할 수 있다.
대안적으로, 도 2에서, 적층 결함들(SF)(204)은 양자 우물들(200)과 교차하고, 최대 2배(factor of 2)까지 양자 우물들의 인듐 함량을 국부적으로 증가시킨다. 이것들은 (202)로 표시된 강조 표시된 In-부화 영역들에서 양자 와이어-유사 구조체들을 초래한다. 생성된 양자 와이어들의 방향은 도시된 결정의 표면에 수직이며, 즉, [1-10] 방향으로 도면 내로 들어간다. 따라서, 양자 와이어들은 전자들을 [1-10] 방향의 1차원으로 구속하고, 편광된 방출광(즉, 광발광(PL) 또는 전기발광 방출광)을 생성한다. 이 적층 결함 현상의 모델링 결과들은 도 6, 도 7 및 도 8과 관련하여, 아래에서 더 자세히 논의된다.
또한, SF들은 [110]과 [1-10] 방향 둘 다에 존재할 수 있다. 이는 양자 와이어들이 양방향으로도 또한 존재할 수 있음을 의미한다. 따라서, [110] 양자 와이어들에서 발생하는 광은 특정 방향으로 편광되는 반면, 직교 [110] 배향의 양자 와이어들은 직교 방향으로 광을 편광할 것이다. 따라서, 양방향으로 동일한 수의 양자 와이어들은 순 편광(net polarisation)을 제공하지 않는다. 그러나, 본 실시예들에서, SF 밀도의 이방성은 기재 오프 컷(substrate off cut)과 관련되며, 이는 유리하게는 순 편광을 발생시킨다.
따라서, 다른 일반적인 세트의 실시예들에서, 양자 와이어들은 In-풍부 영역들, 예를 들어, 양자 우물들과 적층 결함들의 교차에 의해 야기되는 In-풍부 영역들로부터 형성될 수 있다.
예시 구조체: LED
도 3은 낮은 밴드갭 가닥들(strands)(104)이 높은 밴드갭 재료들(106)(예를 들어, InGaN/GaN) 사이에 끼워져 양자 와이어들(104)을 형성하여 편광된 광을 방출할 수 있는 활성 영역을 구성하는 광 발광 다이오드(LED) 장치(300)의 모델을 도시한다. 전기 접점들(301; electrical contacts)은, p형 GaN과 같은 p형 반도체(302), 및 n형 GaN과 같은 n형 반도체(304) 위에 배치된다. 단지 예를 들어, p-형 GaN은 Mg로 도핑함으로써 생성될 수 있으며, 여기서 p-형 도펀트의 양은, 예를 들어, 1,017 내지 1,020 cm-3의 범위일 수 있다. n형은 약 1,018 내지 1,020 cm-3의 양으로, Si, 또는 게르마늄(Ge)으로 도핑될 수 있다. Zb-GaN(즉, 등축정계 GaN)(106)은, InGaN(104)의 횡방향 함입물(transverse inclusion)을 갖는 활성 영역의 벌크(bulk)를 구성한다. LED 구조체(300)는 적합한 기재, 예를 들어 3C-SiC(SiC의 유일한 등축정계 폴리타입)와 같은 실리콘 카바이드(306), 순수 Si(308), 또는 GaAs상에 배치된다. 따라서, 등축정계 GaN 결정들은 등축정계 SiC 기재 상에서 직접 성장될 수 있다.
광학적 활성 영역 내에 양자 와이어들 및/또는 양자 우물들을 포함하는 본 실시예들에서 설명된 LED 구조체들은, 단지 편광된 방출광 또는 온도-독립적인 편광된 방출광을 제공하는 것 외에, 다른 이점들을 가지고 있다. 방출광은 편광될 뿐만 아니라, 스펙트럼적으로도 광범위할 수 있다. 또한, 이 광범위한 방출광은 양자 우물 폭을 변경함으로써 가시광 스펙트럼 전반에 걸쳐 조정될 수 있다. 이것은, 예를 들어, 광범위한 스펙트럼이 넓은 색 영역(wide colour gamut)(즉, 더 하얀 하얀색을 위해)을 가능하게 하는 백색 LED 백라이팅에 사용하기에 유리하다.
예시 구조체: 레이저 다이오드
도 4는, 다시 양자 와이어들이 활성 발광 활성 영역을 구성하는, 레이저 다이오드 장치(400)의 모델을 도시하고, 이는 다시 높은 밴드갭 재료들(106)(예를 들어, InGaN/GaN) 사이에 끼워진 낮은 밴드 갭 가닥들(104)로 이루어진다. 전기 접점들(301)은 다시 각각 p형 반도체(302) 및 n형 반도체(304) 위에 배치된다. zb-GaN/InGaN을 포함할 수 있는 활성 영역(104, 106)은, 반사층들(402) 사이에 끼워지며, 이는 레이저 기능성을 제공한다. 다시 말하면, 다이오드 구조체는 적합한 기재, 예를 들어, 3C-SiC(SiC의 등축정계 폴리타입)와 같은 실리콘 카바이드(306) 및 순수 Si(308)와 같은 적합한 기재 상에 배치되거나 침착된다.
양자 우물 폭 변동으로부터 형성된 양자 와이어들
도 5a는, 도 2의 양자 우물 채널들(104)에서 볼 수 있는 양자 우물 폭 왜곡들/변동들에 의해 생성된 것과 같은, 양자 우물 폭의 국부적 증가로 인한 2차원 구속 전위(500)를 보여준다. 이러한 폭의 왜곡들은 z 방향(도 2의 [1-10] 결정 방향에 해당하는)의 양자 와이어를 생성하고, 따라서, 편광된 방출광을 생성한다. 이 실시예에서, 양자 우물은 80 meV의 전위 에너지 깊이(506)를 갖고, 양자 우물은 4 nm(y 방향)의 일반적인 폭(504)을 가지며, 폭의 변동은 x 방향(502)에서 6 nm, y 방향에서 10 nm이다.
이 실시예에서 전위들의 해를 구하기 위해, 시간 독립적 슈뢰딩거 방정식(TISE)을 1차원에서 해를 구하여, 상이한 두께들의 양자 우물들에 대한 무거운 정공(heavy-hole) 및 전자 바닥 상태 에너지들을 찾았다. 그 다음, 이러한 양자 우물들은 무한 범위의 양자 우물 폭 왜곡들(Qwell width distortions of infinite extent)로서 취급되었다. 이들 상이한 양자 우물들의 바닥 상태 에너지들을 비교함으로써, 캐리어가 변동 내에 얼마나 잘 구속되는 지에 대한 척도로서, 우물 폭 변동의 내부와 외부에서의 바닥 상태들 사이의 에너지 차이의 추정치가 얻어졌다.
정공 전위에 대한 TISE 계산은 최대 약 6 meV의 바닥 상태 에너지 차이들을 초래하고, 이는 정공이 폭 변동 양자 와이어들에 잘 구속되지 않음을 나타낸다. 정공들은 유효 질량이 크기 때문에 폭 변동들에 크게 영향을 받지 않는다. 그러나, 반대로, 정공들은 인듐 풍부 변동들에 국한(localization)될 가능성이 더 크지만, 이는 이 계산에서 고려되지 않는다.
전자 바닥 상태 에너지 차이는 4 nm 양자 우물로부터 12 nm 양자 우물로의 변화에 대해 100 meV만큼 높을 수 있다. 따라서, 유리하게는, 전자들은 폭-변동 구조체에 의해 구속될 수 있으며, 100 meV 정도로 높은 에너지 차이는 실온에서 양자 와이어로부터의 열이온 방출 속도를 상당히 감소시킬 수 있다. 따라서, 더욱 유리하게는, 등축정계 InGaN/GaN 양자 와이어 구조체들의 이러한 폭 변동 구조체는 온도에 독립적인 방출광의 강도를 나타낼 수 있다(즉, 실온에서 잘 기능할 수 있음).
그러나, 초기 우물 폭에 따라, 2 nm 및 3 nm 미만의 우물 폭의 변화는 단지 정공들의 에너지 차이(단지 약 6meV)에 필적하는 에너지 차이를 초래한다. 따라서, 이러한 전자들은 잘 구속되지 않는다. 따라서, 우물 폭의 변동이 약 3 nm 미만인 경우, 열이온 방출 속도는 실온에서 높을 것이다. 따라서, 실온에 가까운 더 높은 온도에서, 방출광의 강도는 낮은(약 10 K) 온도에서의 강도 값의 약 10%로 떨어질 수 있다. 따라서, 이들 모델링 결과는 더 거친 양자 우물이 캐리어들, 특히 전자들의 더 강한 구속을 초래할 수 있음을 시사한다. 따라서, 거친 양자 우물들은 더 매끄러운 양자 우물들보다 더 온도에 독립적인 강도를 갖는 광발광(PL)을 일으킬 수 있다.
요약하면, 양자 와이어들로부터의 전자들의 열이온 방출을 줄이기 위해서는 약 3 nm 초과의 우물 폭 변화들/변동들이 필요하며, 그 결과, 온도 독립적 방출광 강도가 얻어질 수 있다. 그러나, 양자 우물을 따른 양자 우물 왜곡들의 공간 범위가 전자 보어 반경(약 2.5 nm)과 비슷하거나 또는 더 큰 경우에만, 양자 우물 왜곡들은 전자를 구속할 것이다.
도 5b는 양자 우물들의 폭 변동들(508)을 포함하는, 징크블렌드(등축정계) InGaN/GaN(104) 양자 우물(100) 샘플(양자 우물 폭들이 평균 8 nm임)의 TEM 이미지를 실제로 보여준다. 이 이미지는 양자 우물에 큰 왜곡들/변동들을 보여준다. 본 경우에서, 이는 결정의 기저 거칠기(underlying roughness) 때문에 발생한다. 따라서, 기저의 결정 거칠기는 의도적으로 제작될 수 있으며(즉, MOVPE 성장 공정에서 어닐링 및 성장 조건을 변경함으로써), 이는 특정 온도들에서 결정에 고유한 Ga 및 N 원자들의 이방성 확산을 이용할 수 있다.
도 5b의 이 실시예에서, 평균 양자 우물 폭은 8 nm이지만, 이는 약 4 nm에서 12 nm 사이로 다양할 수 있다. 양자 우물 폭의 이러한 왜곡들은 1차원에서만 발생하며, 놀랍게도, 추가적인 캐리어 구속을 초래할 수 있다. 이것은 도면 내로 들어가는(즉, 범례에 표시된 대로 [1-10] 방향으로) 양자 와이어(양자 와이어)-유사 구조체를 발생시킬 것이다. 다시 말하면, 유리하게도, 폭 변동들로부터 기인한 그러한 양자 와이어들의 바닥 상태들로부터 전자들 및 정공들의 재결합(recombination)은 편광된 방출광을 초래하고, 여기서 선형 편광의 평면은 와이어의 길이에 따른 방향이다.
인듐 풍부 영역들로부터 형성된 양자 와이어들
통상의 기술자가 이해할 수 있는 바와 같이, 인듐은 다음의 실시예들에서 양자 와이어들의 형성 및 따라서, (예를 들어, zb-GaN/InGaN) 반도체 구조체들에서 편광된 방출광을 일으키는 합금 재료로서 사용되는 예이지만, 다양한 다른 적합한 재료들, 원소들 또는 결정들이 사용될 수 있다. 일반적으로, 적합한 구조를 갖는 임의의 적합한 징크블렌드 III족 질화물이 편광된 방출광을 나타내는 양자 와이어들을 발생시키는 데 적합할 수 있다.
예: 붕소가 풍부한 GaN, Ga가 풍부한 AlGaN, 및 일반적으로, 적합한 III족 원소, 또는 원소들의 조합으로 부화된/합금화된, 알루미늄 니트라이드(AlN), 갈륨 알루미늄 니트라이드(GaAlN), 알루미늄 인듐 갈륨 니트라이드(AlInGaN), 인듐 알루미늄 니트라이드(InAlN) 또는 GaN중 임의의 것; 단, 상기 부화/고갈/합금화(enrichment/depletion/alloying)는 주변 매트릭스 재료보다 더 좁은 밴드갭 재료를 발생시켜서 캐리어 구속을 유도해야 한다. 즉, 캐리어들은 1차원에서만 자유롭게 이동할 수 있도록 2차원에 구속된다. 따라서, 매트릭스 및 매립된 영역 재료에 대한 일반적인 화학식은 (Al)(Ga)(In)(B)N이며, 양자 와이어를 한정하거나 구성하는 매립된 영역은, 동일한 원소들을 다른 비율들로 포함하거나, 또는 추가의 재료들과 합금하여, 더 낮은 밴드갭을 갖는 재료를 생성할 수 있다.
도 6은 적층 결함과 양자 우물의 상호작용 주변의 인듐 풍부 영역으로부터 기인하는 양자 와이어 전도대의 개략적인 에너지 전위(600)를 보여준다. 인듐 풍부 영역으로부터 기인한 양자 와이어의 이론적인 치수들은 y방향(606)으로 6 nm, x방향(608)으로 4 nm이다. 양자 우물 깊이(604)의 에너지 전위는 70 meV이고, 시스템(602)의 총 에너지 전위 깊이는 150 meV이다. 이 양자 와이어의 이론적 모델링에서, 인듐 함량이 높은 영역의 공간적 범위가 적층 결함 자체보다 크기 때문에, 적층 결함과 적층 결함이 없는 zb-GaN 사이의 밴드 정렬(band alignment)은 무시되었다.
도 7은, 4 nm 폭의 인듐 풍부 영역을 갖는 8 nm 양자 우물의 모델 에너지 전위에 대해 구해진, 상태들의 에너지들에 의해 오프셋(706)된, 전자(702) 및 정공(704) 파동함수의 해들(solutions)을 예시하는 그래프(700)를 보여준다. 이것은 대체적으로 도 6의 모델 전위(600)에 상응한다.
도 8은, 도 7의 파동함수들에 상응하는, 4 nm 폭의 인듐 풍부 영역을 갖는 8 nm 양자우물에 대한 전도 밴드 및 가전자 밴드(conduction and valence band)의 단순화된 전체 에너지 전위(800)를 보여준다. 상기 전위는: 양자 와이어의 기부로부터 적층 결함이 없는 양자 우물까지의 전도 밴드의 전체 깊이(802)(0.52eV); 양자 와이어 전도 밴드 및 양자 우물에 구속된 캐리어의 에너지 차이(803)(0.28 eV); 양자 와이어 전도 밴드 및 가전자 밴드의 전위 깊이 사이의 밴드갭(804)(2.57 eV); 양자 와이어의 가전자 밴드의 전위 깊이(805)(0.15 eV); 및 양자 와이어의 개별적 x 치수들(810) 및 y 치수들(806)(각각, 4 nm x 8 nm);를 보여준다.
다시 말하면, 도 2에서 볼 수 있듯이, SF들과 InGaN 양자 우물들의 교차점은 In의 분율이 최대 두 배인 영역을 생성한다. 따라서, 일반적으로, 양자 와이어의 인듐 분율은 전체 양자 우물 값의 약 두 배일 수 있다. SF가 인듐 비율을 2배로 국부적으로 증가시킬 때 전자와 정공이 어떻게 영향을 받는지에 대해 계산하기 위해, 도 6에 표시된 전위를 연구하였다. 전위는 z방향으로 일정하다고 가정하였고, 합금 변동들의 영향은 고려하지 않았다.
문제는 도 8에 나타낸 전위로 단순화되어, 변수들의 분리를 허용하였다. 이 가정은 캐리어들이 양자 와이어에 의해 잘 구속되는 한 유효할 것이다. 그 다음, 시간 독립적 슈뢰딩거 방정식(TISE)의 해가 각각의 차원(dimension)에 대해 별도로 구해졌고, 이는, 전자들과 정공들 간의 쿨롱 상호작용의 효과를 포함하였고, 그 결과, 도 7에 도시된 바와 같은 캐리어 파동 함수들, 및 바닥 상태 에너지들이 추출되었다. 이 모델은 양자 와이어 PL 방출의 강도와 편광의 온도 의존성을 조사하는 데 사용되었다.
강도의 온도 의존성
전자들과 정공들의 파동함수(700) 및 에너지들(600)이 시스템의 치수들을 변화시키면서 계산되었다. 즉, 양자 우물의 폭 및 양자 와이어의 폭은 물론이고, 양자 우물의 인듐 분율 함량도 변화되었다. 각각의 경우에, 바닥 상태 에너지들은 양자 와이어의 전체 깊이(602)와 비교되어(즉, 양자 와이어 바닥과 적층 결함이 없는 양자 우물 사이의 에너지 차이) 캐리어들이 10 K의 온도에서 양자 와이어에 의해 구속되는지 여부를 결정하고, 실온에서 캐리어 구속 정도에 대한 정성적 평가를 제공하였다.
따라서, 이 모델은 열이온 방출 속도를 다양한 양자 와이어 치수들 및 인듐 분율들에 대해 비교할 수 있게 한다. 양자 우물들로부터의 열이온 방출에 대해 사용된 모델은, 열이온 방출 속도가 exp(-△E/(kT))에 비례함을 나타낼 수 있으며, 여기서 T는 온도, k는 볼츠만 상수, △E는 구속된 캐리어 및 장벽 높이 사이의 에너지 차이이다.
양자 와이어에 적용하면, △E는 양자 와이어에 구속된 캐리어와 양자 우물 사이의 에너지 차이(604)이다(즉, 도 6에서 양자 와이어의 깊이(604)로 볼 때 70 meV). 따라서, 위의 볼츠만 분포를 고려할 때, 열이온 방출 속도가 다른 메커니즘들에 비해 높으면, 양자 와이어 관련된 방출광의 강도는 온도 상승시 감소될 수 있다. 따라서, 바람직한 예에서, 구속된 양자 와이어 캐리어와 양자 우물 사이에는 큰 에너지 차이가 존재하며; 이것은 열이온 방출 속도를 더 느리게 하여, 결과적으로 유리하게는 온도 독립적인(편광된) 방출광 강도를 초래할 것이다. 일반적으로, 열이온 방출은 양자 와이어로부터의 전하 캐리어의 탈출을 지칭하는 데 사용되며, 이로 인해 바람직하지 않게도 (편광된) 방출광의 강도가 감소할 것이다. 열적 여기(thermal excitation)는 여기 상태로의 열적 유도 점유를 지칭하는 데 사용된다.
가장 낮은 인듐 함량(4%, 양자 와이어 자체에서 약 8%의 국부적 증가에 해당함)을 갖는 양자 우물들의 경우, 전하 캐리어들은 연구된 가장 작은 양자 와이어(2 nm x 1 nm)를 제외한 모든 치수들에 대해 10 K에서 구속된다. 그러나, 정공 바닥 상태들은 QW 에너지보다 겨우 최대 수십 meV(예를 들어, 약 10 meV 내지 50 meV) 아래에 있으므로, 열이온 방출의 속도는 바람직하지 않게 높을 수 있다.
그럼에도 불구하고, 유리하게는, 양자 우물의 인듐 함량을 증가시킴으로써, 열이온 방출의 높은 속도의 영향을 완화할 수 있다. 20% 인듐 양자 우물(양자 와이어의 약 40% 인듐 분율에 해당함)의 경우, 캐리어 바닥 상태 에너지들은 양자 우물 에너지보다 낮은 최대 수백 meV(즉, 약 100 meV 내지 500 meV)이다. 따라서, 열이온 방출 속도는 상당히 감소될 것이고, 그러한 양자 와이어들은 유리한 수준의 온도 독립적 방출광 강도를 얻을 수 있다(예를 들어, PL 방출, 또는 전기발광 방출일 수 있음). 좁은 양자 우물이 여전히 적합할 수 있는데: 2 nm 상에서의 실험적 PL 측정들(즉, 뒤에 도 12에서 논의됨)은 방출이 실온에서 단지 약 40%로 감소될 수 있는 방법을 보여준다. TEM/EDX 연구에서 인듐 함량이 높은 영역들이 전형적으로 4 nm 내지 8 nm 사이임을 나타내므로, 이것은 양자 와이어의 다른 치수가 넓기 때문일 수 있다.
일반적으로, 양자 와이어의 전체 치수들이 증가함에 따라, 바닥 상태 에너지는 감소하여, 열이온 방출 속도를 더 감소시킨다. 그러나, 상태들 간의 불리한 열이온 방출을 완화하는 주된 원인은 증가된 인듐 함량에 있다. 따라서, 요약하면, 열이온 방출의 영향을 최소화하려면, 더 높은 인듐 함량과 더 넓은 양자 우물이 유익하고 유리하다.
편광의 온도 의존성
매우 낮은 온도(10 K 미만)에서 양자 와이어들로부터의 방출은 와이어의 길이를 따라 광학적으로 편광되는 것으로 알려져 있다. 이 광학적 편광은 구속 전위(confinement potential)에 의해 야기되는, 와이어를 따라 그리고 와이어에 수직인 이방성으로 인한 가벼운 정공-무거운 정공의 혼합의 결과일 수 있다. 그 결과 다양한 상이한 구속된 정공 서브-밴드들(sub-bands)이 생성되며, 각각은 상이한 가벼운 정공 종류의 분율을 갖는다. 추가적으로, 정공 바닥 상태(순수한 무거운 정공 바닥 상태와 에너지적으로 유사함) 및 제1 정공 여기 상태와 관련된 전이들(transitions)은 양자 와이어의 길이를 따라 편광된다.
그러나, 제2 정공 여기된 상태, 및 모든 추가의 여기된 상태들은 양자 와이어에 수직으로 편광된다. 이 제2 정공 여기된 상태는 무거운 정공 바닥 상태와 가벼운 정공 바닥 상태의 대략 중간에 있다. 온도가 증가함에 따라, 정공들은 여기된 상태들로 열적으로 여기될 것이고, 직교 편광된 전이들에서 재결합할 것이며, 양자 와이어 방출로부터 관찰되는 순 편광을 감소시킨다. 따라서, 이러한 온도 의존성 편광은 양자 와이어들의 일반적인 특성이다. 더욱이, 양자 와이어의 치수는 온도 의존성의 강도를 결정하는 것으로 나타났다.
그러나, 유리하게는, 더 좁은 양자 와이어에 대해, 온도 의존성이 감소되거나, 또는 심지어 완전히 제거된다는 것도 또한 관찰된다. 이 관찰은 양자 와이어의 상태들 간의 에너지 차이들을 고려함으로써 설명될 수 있다. 바닥 상태와 여기된 직교 편광된 상태 사이의 에너지 차이가 크면, 여기 상태의 열적 점유가 적당히 작을 수 있으므로, 온도가 증가해도 편광이 많이 감소하지 않을 것이다. 또한, 양자 와이어에 여기 상태들이 없는 경우, 더욱 유리하게는, 편광도가 실질적으로 온도 독립적일 것이다.
온도 독립적인 편광을 달성하는 데 필요한 양자 와이어의 특성들을 결정하기 위해, 이전의 모델(온도에 대한 강도 의존성을 모델링하는 데 사용되는)이 가벼운 정공들의 영향을 포함하도록 확장되었다. 이들 정공들의 유효 질량은 무거운 정공의 유효 질량보다 약 100배 더 적다. 이전과 동일한 방법을 사용하여, 다양한 인듐 함량과 양자 와이어 치수들에 대해 가벼운 정공들에 대한 바닥 상태 에너지들을 계산하였다. 그 다음, 제2 여기된 정공 상태에 대한 대략적인 에너지는 무거운 정공 바닥 상태 에너지와 가벼운 정공 바닥 상태 에너지 사이의 중간 값으로 추정되었다.
이 결과들은 온도 독립적인 편광된 방출광을 갖는 양자 와이어들을 얻기 위한 이상적인 치수들 및 인듐 함량들에 대한 지침을 제공한다.
도 9는 이러한 결과들을 요약한 표(900)를 보여주며, 여기서 양자 와이어들의 치수들 및 상대적인 인듐 분율들이 표시되며, 어떤 조합들이 온도 독립적인 편광된 방출광으로 이어질 수 있는지를 나타낸다. 표(900)에서, 범례는 다음과 같다: 제2 여기 상태 없음(902); 작은 여기된 상태 분할(small excited state splitting)(904); 큰 여기된 상태 분할(906); 및 상당한 열이온 방출(908).
예를 들어, 인듐 분율이 0.04이면 여기된 구속된 상태가 없거나, 또는 여기된 상태가 양자 와이어 깊이에 매우 가까워지게 된다. 따라서, 이러한 양자 와이어들의 방출광은 최대 실온까지 높은 정도의 편광을 나타낼 것이다. 그러나, 이전에 언급된 바와 같이, 정공 바닥 상태들은 양자 와이어 장벽 에너지에 가깝기 때문에, 열이온 방출 속도가 높을 것이다(908). 이 사실은 실온에서의 kT(26meV)를 열이온 방출 속도에 대한 대략적인 지침으로 사용하여 도 9에 반영된다.
유사하게, 2 nm x 2 nm 이하 치수를 갖는 좁은 양자 와이어의 경우, 구속된 여기 상태(confined excited state)(902)가 없으므로, 편광은 온도에 독립적이다. 그러나, 인듐 함량이 너무 낮으면, 정공 바닥 상태가 양자 와이어 장벽 높이에 가까워지므로, 열이온 방출 속도가 높아진다(908). 이를 방지하기 위해, 0.16 초과의 인듐 함량이, 좁은 양자 와이어가 온도에 독립적인 편광 및 강도를 발생시키는 데 필요하다(즉, 902 또는 906).
더 큰 치수 및 더 낮은 인듐 조성을 갖는 양자 와이어의 경우, 여기된 정공 상태들은 구속되어 있으며, 그에 따라, 여기된 정공 상태들은 실온에서 열적으로 채워질(thermally populated) 수 있다(즉, 일반적으로 904 및 908). 그러나, 더 많은 인듐 함량의 경우, 바닥 상태와 여기 상태 사이의 에너지 분리가 대략 60 meV까지 이를 정도로 크며, 그에 따라, 이러한 열적 채움(thermal population)은 작을 것이다. 정공 파동함수(hole wavefunction)가 장벽 내로 침투하는 것이 감소됨으로 인해 에너지 분리가 증가하고, 그에 따라, 온도가 실온까지 변하는 동안에도 크게 변화하지 않는 편광이 발생된다.
이전에 논의된 구조체들의 예들은 모두 양자 와이어를 생성하는 데 효과적일 수 있으며, 그에 따라, 광학적으로 편광된(optically polarised) 방출광을 발생시킨다. 또한, 도 9의 결과에 예시된 바와 같이, 충분히 높은 인듐 함량(일부 실시예들에서 약 20% 초과) 및 올바른 치수(예를 들어, 약 2 nm 내지 8 nm의 단면 대각선 길이)의 양자 와이어를 갖는 특정 예들은, 실질적으로 온도 독립적인 방출광 강도 및 방출광 편광도(emission degree of polarisation)를 가질 수 있다.
그러나, 위의 구조체들은 구조적 결함의 결과일 수 있으며, 이는 제어하기가 더 어려울 수 있다. 따라서, 직접 제어될 수 있고 편광 방출광을 생성하도록 작동가능한 반도체 구조체를 제작하는 기술은 훨씬 더 이로울 것이다.
도 10은 이러한 추가적인 제어 가능성을 달성하는 예시적 구조체를 보여준다. 도 10은, 영역 등축정계 GaN(region cubic GaN)(106)에 의해 둘러싸인 도핑된 등축정계 GaN 결정(예를 들어, InGaN)을 포함하는 양자 와이어(104)의 개략도를 도시한다. 이러한 구조체들의 치수는, 양자 우물의 두께를 변화시키고 후속적으로 부분들을 에칭으로 제거함으로써, 제어될 수 있다. 즉, InGaN/GaN 양자 와이어를 생성하기 위해, InGaN/GaN 양자 우물을 성장시킨 다음 에칭으로 제거할 수 있다. 이러한 양자 와이어들은, 이전에 연구된 다음과 같은 두 가지 구속 효과들(confinement effects)을 결합할 수 있다: 즉, 양자 와이어(104) 내에 증가된 인듐 함량이 존재함; 및, 양자 우물의 두께가 변화될 수 있음.
이들 구조체들의 실온에서의 편광 방출광 특성을 측정하기 위해, 앞의 설명에서와 유사한 분석을 수행하였다. TISE는, 도 7 및 도 8에 나타난 것과 유사한 형태를 갖는, 분리가능한 전위(separable potential)에서의 전자 및 정공에 대해 2차원에서 해를 구하였다. 이는, 0.05 내지 0.30의 인듐 조성/분율의 범위에 대해 수행되었고, 이때, 양자 우물 폭은 2 nm 내지 10 nm이었고, 에칭 분리(etch-separations)는 5 nm 내지 20 nm이었다. 양자 와이어에 구속된 전자 및 정공에 대한 바닥 상태 에너지들이, 각각의 경우에서, 계산되었다.
도 11은 0.05 인듐 분율 및 0.30 인듐 분율에 대한 정공 바닥 상태 에너지 및 직교 편광된 여기 상태(orthogonally polarised excited state)의 에너지를 보여준다. SF-유도된 양자 와이어의 경우와 마찬가지로, 시스템의 발광 거동을 주로 결정하는 것은 (전자 에너지들이 아니라) 정공 에너지들이다. 도 11은, 정공에 대한 바닥 상태 및 여기 상태에 대해 계산된 에너지들을 보여준다. 이러한 결과들은, 계산된 상태들이, 조사된 모든 치수들 및 인듐 함량들에 대해, 양자 와이어에 잘 구속되어 있는 것을 보여준다. 따라서, 방출광의 편광이 온도에 따라 어떻게 달라지는지를 고려할 때, 바닥 상태와 여기 상태의 에너지 분할(energy splitting)을 고려하는 것이 이롭다.
정공 에너지 준위들이 양자 와이어의 깊이와 비교된다. 양자 와이어 치수 및 인듐 함량의 모든 조합들에 대해, 캐리어들은 저온에서 양자 와이어에 구속된다. 계산 결과에 따르면, 정공 바닥 상태는 양자 와이어 장벽 높이의 최소 24 meV 아래에 있는데, 이는 2 nm x 5 nm 치수의 0.05 인듐 양자 와이어에 대한 것이다. 양자 와이어의 치수가 증가함에 따라, 정공의 구속 에너지가 감소하고, 그에 따라, 열적 여기의 속도도 감소한다. 도 11의 결과는 또한, 인듐 함량이 증가하면, 열적 여기의 속도가 감소한다는 것을 보여준다. 앞에서 언급된 바와 같이, 유리하게는, 열적 여기의 감소는 편광도의 더 큰 온도 독립성을 발생시킨다. 이 경우, 정공 바닥 상태 및 여기 상태의 배향이 직각으로 편광되기 때문에, 둘 사이의 열적 여기의 속도의 감소는, 방출광 편광도의 온도 의존성을 감소시킨다. 일반적으로, 열적 여기(thermal excitation)는 여기 상태로의 열적 유도 점유(thermally induced occupation)를 지칭하는 데 사용되며, 열이온 방출(thermionic emission)은 양자 와이어로부터의 전하 캐리어 탈출을 지칭하는 데 사용된다.
SF-매개 양자 와이어와 비교할 때, 정공 에너지들은, 전체적으로, 양자 와이어 장벽 높이보다 훨씬 낮다. 이는, 도 10에 예시된 바와 같이, 이 방법에 의해 생성된 InGaN/GaN 양자 와이어에서 열이온 방출 속도가 더 낮다는 것을 나타낸다. 따라서, 유리하게는, 재결합의 강도는 온도 변화에 더 둔감할 수 있으며, 결과적으로, 온도 독립적인 편광 방출광원을 달성할 수 있다.
더 자세하게 살펴보면, 상태들의 에너지 분할은 양자 와이어들의 크기 및 인듐 함량에 따라 달라진다. 0.05의 인듐 함량의 경우, 양자 와이어의 치수가 감소함에 따라, 에너지 분할이 4 meV로부터 11 meV까지 증가한다. 따라서, 더 작은 양자 와이어는 유리하게는, 여기 상태의 열적 점유(thermal occupation)를 감소시킬 것이고, 이는 결과적으로, 광학 편광(optical polarisation)에 대한 온도의 영향을 감소시킬 것이다. 그러나, 이러한 에너지들의 분할은 실온에서의 kT(26 meV)에 비해 상대적으로 작으며, 이는, 방출광의 광학 편광이 낮은 인듐 함량의 경우 온도에 크게 의존할 것임을 시사한다. 일반적으로, 인듐 함량을 증가시키면, 에너지 분할이 증가하는 것으로 나타났으며, 예를 들어, 인듐 함량이 0.30인 경우 2 nm x 5 nm 양자 와이어에 대해 최대 36 meV 분할까지 증가한다.
더욱이, 인듐 함량을 증가시키면, 양자 와이어의 치수를 변화시키는 것의 유익한 효과를 증폭시킬 수도 있다. 이러한 효과들은, 인듐 함량이 증가하면 캐리어 파동 함수가 장벽 내로 침투하는 것이 감소되기 때문에, 발생한다. 따라서, 이 결과들은, 더 높은 인듐 함량이 방출광의 편광에 대한 온도의 영향을 유리하게 감소시킬 것임을 시사한다. 자세히 살펴 보면, 에너지 분할은 2 nm × 5 nm 양자 와이어의 경우 20% 이상의 인듐 함량에 대해 실온에서 kT보다 더 커지고, 4 nm × 5 nm 양자 와이어의 경우 0.25보다 높게 된다.
요약하면, 등축정계 InGaN/GaN에서, 또는 더욱 일반적으로는, 밴드갭 감소 합금 재료로 합금된 등축정계 III족 질화물에서, 유리하게 온도 독립적인 편광을 달성하기 위해서는, 인듐 함량이 높을수록 더 좁은 양자 와이어가 바람직하다.
도 12는 각각 두께가 2 nm인 5개의 양자 우물들을 갖는 InGaN을 갖는 등축정계 GaN의, 10 K에서 취한 실험적 광발광 스펙트럼의 그래프(1200)를 보여준다. 자세히 살펴보면, 10 K에서 취한 편광된 PL 스펙트럼은 양자 우물/양자 와이어 발광에 기인하는 두 개의 피크들(1202, 1204)을 나타내며, 이 피크들은 둘 다 [1-10] 방향(도 2에 예시된 양자 와이어의 [1-10] 방향에 해당됨)으로 편광된다. 니어 밴드 에지 방출광(near band edge emission)은 편광되지 않았으며, 이는 편광이, 외부 효과가 아니라, 양자 우물/양자 와이어 발광의 특성이라는 것을 나타낸다. 4 nm, 6 nm 및 8 nm 두께의 양자 우물들에서도 유사한 결과를 얻을 수 있다.
도 13a는 피크들(1202 및 1204)에 해당하는 정규화된 강도의 온도 의존성을 보여준다. 도 13b는 도 12의 각각의 피크들 및 니어 밴드 방출광(near band emission: NBE)에 대한 온도에 따른 선형 편광도의 변화를 보여준다.
도 13a 및 13b에 도시된 2 nm 양자 와이어의 PL 결과는, 피크(1202)의 편광이 온도에 독립적이며, 피크(1202)의 강도가 온도에 따라 크게 변하지 않는는 것을 보여준다. 양자 와이어의 치수들 중 하나는, 2 nm인, 양자 우물 폭에 의해 한정되며, 여기서, 다른 하나는 여기에 표시된 결과에 대해 알려지지 않았다.
모델링 결과에 나타난 바에 따르면, 연구된 임의의 치수를 갖는 양자 와이어들의 경우, 양자 와이어가 도 13에서 관찰된 특성과의 재결합을 발생시킬 것이 가능하며, 양자 우물에서 인듐 분율이 증가함에 따라 그 가능성은 더 높아진다. 대조적으로, 피크(1204)의 강도는 온도에 따라 크게 떨어지고, 편광은 300 K에서 0에 가까워진다. 따라서, 피크(1204)의 결과는 인듐 농도의 국부적 증가(즉, SF와 양자 우물의 교차)에 의해 생성된 양자 와이어의 모델과 덜 양립하는데, 이는, 강도의 강한 온도 의존성은 편광이 온도와 무관해지도록 만들어야 하기 때문이다. 따라서, 피크(1204)는 그러한 In-풍부 양자 와이어들에 의해 발생되지 않을 것이다.
위의 설명을 요약하면, PL 측정 결과에 나타난 바와 같이, zb-InGaN/GaN QW들로부터의 방출광은, 기재 거칠기/미스컷(substrate roughness/miscut)에 수직인 [1-10] 방향으로, 10 K에서 고도로 편광된다(최대 80%). 또한, QW들로부터의 방출광으로 인한 두 개의 분리된 방출광 피크들이 존재한다. 피크(1202)는, 피크(1204)에 비해, 더 낮은 에너지에 있고 더 넓다. 온도가 10 K로부터 300 K까지 증가함에 따라, 피크(1202)의 편광은 80%에서 일정하게 유지되고, 강도는 저온 값의 대략 40%로 떨어진다. 동일한 온도 범위에 걸쳐서, 피크(1204)의 편광은 45%로부터 대략 0까지 떨어지고, 강도는 그것의 저온 값의 10%로 떨어진다.
TEM/EDX 측정은 QW들과 교차하는 SF들의 존재를 나타낸다. 이 교차부 주변의 QW의 영역에서, 인듐 함량은 대략적으로 InGaN 양자 우물 영역내의 인듐 함량의 두 배까지 증가할 수 있다. 그 결과, 전하 캐리어를 1차원으로 구속되어 편광된 빛을 방출할 수 있는 고 인듐 함량 양자 와이어들이 존재하게 된다.
낮은 인듐 함량들 및 작은 양자 와이어 치수들의 경우, 정공 캐리어가 열이온 방출을 통해 양자 와이어를 떠날 가능성이 훨씬 더 높기 때문에, 방출광 강도가 온도에 따라 급격히 떨어진다.
높은 인듐 함량들 및 큰 양자 와이어 치수들의 경우, 바닥 상태에 수직으로 편광된 빛을 방출하는 여기된 구속 상태들이 양자 와이어 내에 존재한다: 온도가 증가함에 따라, 이러한 여기 상태들은 채워질(populated) 것이고 편광은 감소할 것이다. 따라서, 피크(1204)의 거동은 이 모델링에 양립되지 않는데, 이는, 온도가 증가함에 따라 강도 및 편광이 떨어지기 때문이다. 그러나, 도 9에 나타난 바와 같이, 도 13a 및 13b의 피크(1202)에 해당하는, 온도 독립적인 강도 및 편광 방출광을 유리하게 발생시킬 수 있는 양자 와이어 치수들 및 인듐 함량들의 다양한 조합들이 존재한다. 피크(1202)의 더 낮은 피크 에너지는 또한, 양자 와이어들의 상대적으로 높은 인듐 함량에 의해 설명될 수 있다. 방출광 스펙트럼은, 서로 다른 SF 교차부들 간의 변동의 기여(contribution of variation)로 인해, 넓을 수 있다. 따라서, 도 12 및 도 13의 증거는, 피크(1202)가 인듐-풍부 양자 와이어들의 결과일 수 있음을 시사한다.
TEM 측정은 또한, QW 구조체들이 기저 결정(underlying crystal)의 거칠기로 인해 하나의 차원에서 왜곡되며, 그에 따라, 도 5b의 이미지에 나타난 바와 같이, 우물 폭의 변화가 야기될 수 있다는 것을 보여준다. 그 결과, [1-10] 방향으로 양자 와이어 유사 구조체들(및, 그에 따라, 캐리어 구속 및 편광된 방출광)이 발생한다. 모델링은 이러한 구조체들이 정공들을 구속하지 않을 것이라는 것을 보여준다. 그럼에도 불구하고, 그 대신에, 정공들은 상대적인 인듐 함량의 변동(증가)에 의해 국부화될 수 있다.
반도체 장치 작동에 유리하게도, 양자 우물 두께의 변화/변동의 크기가 대략 3 nm 초과인 경우, 전자들은 300 K까지 구속될 수 있다. 전자들은 또한, 심지어 약 400K의 작동 온도까지, 잘 구속될 수 있으며, 여기서, 예를 들어 도 9의 다양한 구성들과 같이, 양자 와이어 치수 및 합금 재료 함량의 특정 조합들에 의해 온도 독립적 편광도가 달성된다. 따라서, 더 거친 QW들의 경우, 감소된 열이온 방출로 인해, 방출광 강도는 온도에 덜 의존한다. 가능하게는, 이러한 구조체들은 PL 스펙트럼 내의 피크(1204)에 기인할 수 있다.
InGaN/GaN을 포함하는 양자 우물들은, 더욱 제어 가능한 방식으로 양자 와이어들을 생성하기 위해, 에칭될 수 있다. 계산 결과가 시사하는 바와 같이, 도 10에 예시된 바와 같이, 대략 4 nm의 치수들을 갖고 대략 0.20 초과의 인듐 분율들을 갖는 양자 우물들로부터 생성된 좁은 양자 와이어들의 경우, 온도에 독립적인 강도 및 편광을 갖는 방출광이, 그러한 구조체에서 달성가능하다.
앞에서 언급된 설명은, 등축정계 GaN 및 InGaN(이것은 등축정계 3C-SiC 상에서 성장될 수 있음)과 관련된 실험적 구조체들, 및 모델링 결과들에 관한 것이지만, 통상의 기술자에 의해 인식될 수 있는 바와 같이, 양자 우물 영역 및 주변 매트릭스를 형성하는 다양한 조성의 III족 질화물은 또한, 편광된 방출광을 나타내는 그러한 반도체 장치들에 적합할 수 있다. 예를 들어, 알루미늄 니트라이드(AlN), 갈륨 알루미늄 니트라이드(GaAlN), 붕소 갈륨 니트라이드(BGaN), Ga-풍부 AlGaN, 인듐 갈륨 니트라이드(InGaN), 알루미늄 인듐 갈륨 니트라이드(AlInGaN), 및 유사한 니트라이드 층들이 사용될 수 있다(다만, 양자 우물을 한정하는 층 또는 영역이 주변 (매트릭스) 재료보다 더 낮은 밴드 갭을 갖도록 합금화되어야 한다).
결정의 조성 및 구조
본 발명자들이 확인한 바에 따르면, 광학적으로 편광된 방출광이, 실온에서, 등축정계 InGaN/GaN 양자 우물들(QWs)로부터, 선형 편광도(degree of linear polarisation: DOLP)가 최대 75%인 상태로, 생성될 수 있다. 이 DOLP는 wz-QW들 의해 달성된 것들과 유사하지만, 등축정계 InGaN/GaN 양자 우물들로부터 편광된 방출광을 생성하는 것의 이점은, 그러한 구조가 표준 MOCVD 에피층 성장을 사용하여 얻어질 수 있어서 추가 처리 단계들의 필요성이 제거된다는 것이다. 방출광은, 재결합의 효율성 또는 동역학에 최소한의 영향을 미친 채, 가시광 스펙트럼을 포괄하도록 조정될 수 있다. 방출광은, 적층 결함(stacking fault: SF) 결점들(defects)과 QW들의 교차로 인해 QW들에서 형성되는 인듐-풍부 양자 와이어들과 관련된다. 또한, 양자 와이어들은 QW들의 나머지로부터 캐리어들을 포획한다. 낮은 온도들에서, 나머지 QW들로부터의 방출광을 볼 수 있다.
또한, 본 발명자들은 등축정계 III족 질화물 기반 결정의 구조 및 조성의 다양한 특징들을 확인했으며, 이러한 특징들은 양자 우물들로부터의 방출광의 지속시간, 편광도, 및 온도 의존성에 추가적으로 영향을 미칠 수 있다. 가시광 스펙트럼에서 방출되는 등축정계 InGaN/GaN 양자 우물들의 표면에 수직인 광발광은, 10K에서 86% 정도로, 실온에서 최대 75% 정도로, 광학적으로 편광된 것으로 관찰될 수 있다. 주사 투과 전자 현미경 및 에너지 분산 x선 측정은, 적층 결함들에 인접한 인듐 함량의 분리/부화(segregation/enrichment)로 인해, 1차원 나노구조체들이 형성된다는 것을 추가적으로 실증할 수 있다. 이러한 나노구조체들로부터의 방출광은 실온 스펙트럼을 지배하고, 양자 우물(QW)의 치수(여기서 이 치수는 폭일 수 있음)가 2 nm로부터 8 nm까지 증가함에 따라, 적색편이하고 넓어진다. 광발광 여기 측정은, 캐리어가 나머지 QW들로부터의 이러한 나노구조체들에 의해 포획되고, 나노구조체의 길이를 따라 편광된 빛을 방출하도록 재결합된다는 것을 나타낸다. 낮은 온도들에서, 나머지 양자 우물들로부터의 발광은 더 높은 방출광 에너지에서 관찰된다.
일반적으로 말하면, 녹색 LED는 종래 기술에서 관찰되지 않는다. 우르짜이트(wurtzite)(육방정계라고도 알려져 있음) 결정 구조의 c-평면 상에서 성장한 InGaN/GaN 양자 우물들(QW들) 기반 LED는 청색 스펙트럼에서의 방출광에 대해 최대 90%의 실온 내부 양자 효율(IQE)을 가질 수 있다. 그러나, 유리하게는, QW 내의 인듐 함량을 증가시킴으로써, 방출광 파장이 녹색 범위 내로 확장될 수 있다. 이는 IQE를 감소시키는데, 이 현상은 녹색 갭(green gap)이라고 알려져 있다. 이러한 효율 저하에 대한 가능한 설명은, 인듐 함량을 증가시키는 데 필요한 더 낮은 성장 온도가 점 결함들(point defects)의 밀도를 증가시켜 비발광 재결합(non-radiative recombination)의 속도를 증가시킨다는 것이다.
또한, 자발 및 압전 분극 효과들로 인해 QW들에 수직인 강한 전기장이 존재한다. 상대적으로 더 큰 인듐 함량은 QW의 변형을 증가시키고, 전기장 강도의 증가를 발생시킨다. 전기장은 전자와 정공을 분리하는 작용을 하며, 그에 따라, 더 긴 파장의 이미터(emitters)에 대한 발광 재결합(radiative recombination)의 속도를 감소시킨다. 따라서, 녹색 QW들의 IQE는, 인듐 함량을 낮추어 비발광 재결합 속도(non-radiative recombination rate)를 감소시킴으로써, 향상될 수 있다.
본 발명자들이 확인한 바에 따르면, 소위 녹색 갭은, wz-GaN보다 200 meV만큼 더 작은 밴드 갭을 갖는 징크블렌드(zincblende: zb, 이것 또한 등축정계인 것으로 알려져 있음) GaN 상에서 QW들을 성장시킴으로써, 극복될 수 있다. 또한, zb-GaN은 [001] 방향으로 0(zero)의 자발 및 압전 장들(spontaneous and piezoelectric fields)을 가지며, 그에 따라, [001] 평면에서 성장된 QW에 걸친 전기장은 0(zero)이다. 그러나, zb-GaN은 성장하는 동안 열역학적으로 준안정(metastable)하기 때문에, 에피층들(epilayers)은 적층 결함(SF)들을 함유할 수 있으며, 이것들은 표면에서 1 x 105 cm-1의 밀도를 갖는 것으로 관찰되었다. 이러한 SF들은, 얇은 평면에서의 wz-GaN과 결정 구조가 유사해지도록 하는(comparable), 원자들의 적층 순서(stacking order)의 변화이다.
다음의 추가 개시 내용은 zb-InGaN/GaN QW들의 구조적 및 광발광 측정들을 제시하고, SF들의 존재가, 특히 특정 조건에서의 SF들의 존재가, 10 K 내지 실온의 온도들에서 편광된 방출광을 발생시킬 수 있음을 나타낸다.
인식될 수 있는 바와 같이, 편광된 방출광은, 언급된 바와 같이 일반적으로 당해 기술분야에 알려져 있지 않은 녹색 LED를 비롯한, 많은 적용 분야에서 상업적 및 산업적 용도를 갖는다. 예를 들어, 편광된 방출광은 액정 디스플레이용 백라이트로서 유용할 수 있다.
실험 구조체들 및 광발광
샘플들은 3C-SiC/Si [001] 기재 상에서 [110] 방향을 향하여 4o의 오프컷(offcut)으로 성장되었다. QW들의 구조적 특성들은, 200 kV에서 작동하고 4개의 에너지 분산 X선 분광기들이 장착된 FEI Tecnai Osiris를 사용하여, 주사 투과 전자 현미경/에너지 분산 X선(STEM/EDX)에 의해 연구되었다. 고각 환상 암시야(high-angle annular darkfield: HAADF) 이미지들이, 빔 방향이 [1-10] 영역 축과 평행한 상태에서, 촬영되었다. STEM 분석을 위한 샘플들이, 집속 이온 빔(focussed ion beam: FIB; FEI Helios NanoLabTM) 인-시투 리프트-아웃 방법(in-situ lift-out method)을 사용하여, 준비되었다.
이러한 3C-SiC/Si [001] 기재들은 GaN과의 비교적 작은 격자 불일치(lattice mismatch)(3.4%)를 제공하며, 최대 150 mm의 웨이퍼 크기들로 입수가능하다. 유리하게는, 이는 그러한 웨이퍼들이 Si 파운드리들과 호환되도록 만들고, 장치들의 상업화에 이르는직접적인 경로를 제공한다. zb-GaN 에피층이 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD)을 사용하여 성장되었다. 5개의 InGaN/GaN QW들이 Q2T(quasi-two-temperature) 방법을 사용하여 순차적으로 성장되었다; 장벽들은 16 nm의 공칭 두께를 가졌고, 2 nm, 4 nm, 6 nm 및 8 nm의 공칭 QW 두께들이 연구되었다. 본 발명자들은 2차 이온 질량 분광법(secondary ion mass spectroscopy: SIMS) 측정을 통해 확인한 바에 따르면, GaN 에피층들은, 실시예들에서, 1 x 1019 cm-3 정도의 산소 불순물 농도를 포함할 수 있다. 아래에 설명되는 바와 같이, 이러한 작은 산소 존재만으로도 전도 밴드(CB)를 부분적으로 채울 수 있는 배경 전자들의 증가를 제공할 수 있으며, 따라서, 편광된 방출광의 반치전폭(full-width half-maximum: FWHM)을 증가시킬 수 있다. 그럼에도 불구하고, 산소 불순물이, 편광된 방출광을 제공하거나 향상시키는 데 필수적(inherent)인 것은 아니다. 따라서, 이해될 수 있는 바와 같이, 산소의 존재가 편광된 방출광의 측면들을 제공하거나 향상시키는데 반드시 필요한 것은 아니며, 0(zero)의 산소 불순물로 성장된 GaN 에피층들은 동등하게 유리한 편광 특성들을 가질 수 있다.
각각, 10 W cm-2의 여기 전력 밀도를 갖는 325 nm의 파장의 연속 파동 HeCd 레이저를 사용하고, 각각의 파장에서 여기 전력 밀도가 0.4 mW cm-2인 모노크로메이터에 결합된 300 W Xe 램프를 사용하여, 광발광(photoluminescence: PL) 분광법, 및 PL-여기(PL-excitation: PLE) 분광법으로 광학 특성들을 조사하였다.
PL은, 24 Å의 스펙트럼 분해능을 갖는 이중 격자 분광기의 슬릿에 초점을 맞췄다. 빛은 GaAs 광전자 증배관(photomultiplier tube: PMT)을 사용하여 감지되었고, 고정화 증폭 기술(lock-in amplification techniques)로 처리되었다. 교정된 흑체 공급원을 사용하여 PMT 및 분광기의 스펙트럼 응답을 측정하였고, 이것을 PL 스펙트럼을 보정하는 데 사용하였다. 글랜-톰슨(Glan-Thomson) 편광기로 광학 편광을 분석하여, [001] 방향으로의 방출광을 수집하였다. 파장이 267 nm인 100 fs 주파수-3배 펄스화 Ti:사파이어 레이저로 여기하여 펄스당 3 x 1012 cm-2의 주입된 캐리어 밀도를 발생시킴으로써, PL 시간 감쇠들(time decays)이 얻어졌다.
도 14는, 폭이 2 nm(1408), 4 nm(1406), 6 nm(1404) 및 8 nm(1402)인 양자 우물(QW)들에 대한, 실온에서 얻어진, 4개의 편광된 광발광 스펙트럼들을 표시하는 그래프(1400)를 보여주며, 여기서, 편광은 [110](하부 선들) 및 [1-10](상부 선들) 방향으로 분해되어 있다. 이러한 스펙트럼들은, GaN 기반 다층 구조체들에서 전형적으로 관찰되는 파브리-페로 간섭 무늬(Fabry-Perot interference fringes)를 나타낸다. 2.8 eV에서의 모든 스펙트럼들에 공통적인 피크는 레이저로부터의 자발 방출선(spontaneous emission line)이다.
시간 상관 단일 광자 계수 기술들(time correlated single photon counting techniques)을 사용하여 PL 감쇠 과도 현상들(PL-decay transients)을 발생시켰다. 각각의 샘플에 대한 실온에서의 편광된 PL 스펙트럼들을 도 1에 나타내었다. [1-10]에서 편광된 빛을 감지할 때, 넓은 방출광(broad emission)이 관찰된다. 직교 편광([110])에서, 방출광은 감소된 강도로 관찰된다. 선형 편광도(degree of linear polarisation: DOLP)는 DOLP = (Imax - Imin)/(Imax - Imin)으로 정의되며, 여기서, Imax, Imin은 방출광의 최대 및 최소 적분 강도(maximum and minimum integrated intensities)이다. DOLP는, 5 %의 오차로, 2 nm(1408), 4 nm(1406), 6 nm(1404) 및 8 nm(1402)의 QW 폭들에 대해, 각각, 75 %, 70 %, 65 % 및 75 %인 것으로 측정되었으며, 따라서, QW 폭에 대해 광범위하게 독립적이다.
PL 스펙트럼에 대한 정규화된(X,Y) CIE 색상 값은, 2 nm 샘플의 경우 (0.14, 0.17)로부터 8 nm 샘플의 경우 (0.33, 0.51)까지 다양하며, 여기서, 이들은 각각 청색 및 황록색을 나타낸다. QW 폭이 증가함에 따라 방출광 피크의 적색편이는 대략적으로 더 큰 QW 폭들에서의 양자 구속 에너지의 감소와 일치한다. 그러나, QW 폭이 전자 및 정공의 보어 반경(zb-GaN에 대한 유전 상수 및 유효 질량을 사용하여, 대략 2.6 nm 및 0.26 nm)보다 크게 증가함에 따라, 방출광은 계속해서 적색편이를 보인다. 이는, 적색편이 거동에 영향을 미치는 또 다른 효과가 존재함을 시사한다.
앞에서 언급된 바와 같이, SIMS 측정은, 일부 실시예들에서, 샘플이 1 x 1019 cm-1 정도의 산소 불순물 농도를 갖는다는 것을 보여준다. 이러한 산소 불순물은 wz-GaN 에피층들에서 얕은 공여체(shallow donors)로서 작용할 수 있으며, 그 결과, 전도 밴드(CB)를 부분적으로 채울 상대적으로 더 높은 밀도의 배경 전자들이 샘플 내에 존재할 수 있다. 따라서, 순전히 일부 선택적(optional) 실시예들에서, CB 채움(CB filling)은 방출광의 큰 FWHM에 부분적으로 기여한다. 그럼에도 불구하고, 위에서 언급된 바와 같이, 더 큰 FWHM은 산소 불순물의 고유한(inherent) 특성이 아니다. 바람직하게는, 샘플들은 존재하는 산소 불순물을 갖지 않으며, 여전히 편광된 방출광을 생성할 수 있다.
도 15는, 6 nm 두께 QW의 샘플에 대한 10 K의 온도에서의 광발광(PL) 스펙트럼(1506)(실선), 및 그에 상응하는 PL-여기(PLE) 스펙트럼(파선; 1502b, 1504b)을 표시하는 그래프(1500)를 보여주며, 여기서, 2.53 eV의 여기 광자 에너지에서 방출광이 감지된다. 이 그래프는, PL 스펙트럼(1502a) 및 PLE 스펙트럼(1502b) 각각에 대한 GaN 흡수 에지(GaN absorption edge)의 특성 에너지들, 및 PL 스펙트럼(1504a) 및 PLE 스펙트럼(1504b) 각각에 대한 QW(즉, InGaN)에 대한 abs 부분 에지(abs portion edge)를 추가적으로 표시한다.
PL 피크에 걸친 임의의 파장에서 방출광을 감지할 때, 광자 흡수 에지들은 3.26 eV 및 3 eV의 에너지들에서 관찰될 수 있다. 제1 흡수 에지(3.26 eV에서)는 zb-GaN에서 캐리어들의 광발생(photo-generation)에 해당하며, 여기서, 이 캐리어들은 QW들에 의해 포획되어 QW들에서 재결합한다.
제2 흡수 에지는 QW들에서의 광자들의 직접 흡수에 기인하며, 여기서, 특성 에너지를 추출하기 위해 PLE 스펙트럼들(1502b, 1504b)에 대해 시그모이달 피팅(sigmoidal fit)이 적용되었다. 그래프(1500)의 1502a에 있는 데이터 포인트들에서 볼 수 있듯이, GaN 에지는 일정한 에너지(3.26 eV)에 있고, 변형되지 않은 zb-GaN의 밴드 갭(3.3 eV)에 가까우며, 여기서, 이러한 불일치(즉, 3.26 eV와 3.3 eV 간의 불일치)는 zb-GaN이 인장 변형을 받고 있음을 시사한다. 그럼에도 불구하고, 이해될 수 있는 바와 같이, zb-GaN의 인장 변형은, 본 명세서에서 설명된 유리한 결과들을 생성하는 데 필요한 특성은 아니다. 대조적으로, QW 흡수 에지(1504a)는 일정한 에너지에 있지 않다. 더 높은 에너지 피크 상에서 감지할 때, 흡수 에지는 방출광 에너지와 함께 편이(shift)하며, 이때, 흡수와 방출 사이에 대략 250 meV의 에너지 차이가 있다. 이는, 광자들이 QW들 내로 직접 흡수되어, 재결합하기 전에, 바닥 상태들까지 냉각되는 전자-정공 쌍들을 발생시키는 것과 일치한다.
더 낮은 에너지 피크의 경우, 흡수 에지는 방출광 에너지와 함께 감소된 속도로 편이하고, 흡수 에지는 방출이 시작되기 전에 0에 가깝게 떨어진다. 이는, 다양한 에너지 준위들을 갖는 QW들 내의 별개의 영역들이 있음을 시사한다. 예를 들어, 이러한 별개의 영역들은, 도 2에 표시된 STEM/EDX 측정과 일치하는 다양한 인듐 분율들로 생성될 수 있다. 작은 부피 및 상태들의 낮은 밀도로 인해 이러한 영역들 내로의 직접적인 광자 흡수는 거의 없을 것이다. 대신에, 캐리어들은 QW의 나머지 부분으로부터 인듐 함량이 높은 이러한 영역들 내로 포획된다: 이는 흡수와 방출 사이에 최대 800 meV의 에너지 차이로 이어진다. 전도 밴드(CB) 채움(예를 들어, 산소 불순물로 인한)은, 채워진 저에너지 CB 상태들 내로의 흡수를 방지함으로써, 이러한 큰 에너지 차이에 기여할 수 있으며, 여기서, 이러한 채워진 상태들에 있는 캐리어들은 여전히 발광 재결합할 수 있다. 요약하면, 저에너지 방출광의 큰 FWHM(도 14의 그래프(1400)의 서브플롯들에서 볼 수 있듯이, 420 meV와 510 meV 사이)은, 부분적으로는 CB 채움에 기인하고, 부분적으로는 양자 와이어들의 크기 및 인듐 함량의 변동에 기인한다.
위에서 자세히 설명된 도 12의 PL 스펙트럼들은, 10 K의 온도에서 두 개의 방출광 밴드들(즉, 고에너지 방출광 밴드 및 저에너지 방출광 밴드)이 존재함을 나타낸다. 이는, 아래에 설명되는 도 18에서 연구되고 표시된 모든 샘플들과 일치한다. 2 nm QW의 경우, 2.67 eV를 중심으로 하는 저에너지 피크와 2.86 eV에 있는 고에너지 피크가 존재한다. 이러한 에너지들은, 온도가 감소함에 따른 밴드 갭의 증가로 인해, 실온에서의 값들보다 높다. 2 nm QW의 경우, 그리고 그래프(1400)의 서브플롯(1408)과 관련하여, 더 낮은 에너지 피크(예를 들어, 도 12의 1202)는 [1-10] 방향으로 86 %의 DOLP로 편광되는 반면, 높은 에너지 피크는 37 %의 DOLP를 갖는다. 샘플 온도가 증가함에 따라, 더 높은 에너지 피크는 더 낮은 에너지 피크보다 더 빠른 속도로 소멸(quench)되어, 편광된 더 낮은 에너지 피크가 도 14에 표시된 실온 PL 스펙트럼들에서 우세하다.
도 16은, 10 K의 온도에서 측정된 PL 시간 감쇠를 표시하는 그래프(1600)를 보여주며, 이는 저온에서 두 방출광 밴드들의 기저에 있는 재결합 메커니즘들에 대한 통찰력을 제공한다. 자세히 살펴보면, 도 16은, 2 nm 폭의 양자 우물로부터 생성된, 10 K의 GaN/InGaN 결정으로부터의, 광발광 시간 감쇠들을 보여준다. 이러한 감쇠들은 높은 에너지 피크(도 12의 피크(1204)) 2.82 eV 가까이에서, 그리고 2.43 eV의 에너지에서, 측정되었으며, 여기서, PL 강도에 대한 가장 큰 성분은 더 낮은 에너지 피크로부터 발생한다.
더 낮은 에너지 피크에서 방출광을 감지할 때, 별도의 비지수적 감쇠 성분(non-exponential decay component)도 관찰된다. 이는, 다른 재조합 메커니즘이 이 에너지에서 PL 감쇠에 기여하고 있음을 나타낸다. 비지수적 형태는, 상이한 국부적 환경들로부터의 캐리어들의 재결합으로부터 발생하는, 동일한 방출광 에너지를 갖는 상이한 재결합 속도들의 분포를 나타낼 수 있다. 감쇠 시간들은 도 17과 관련하여 아래에서 자세히 논의된다. QW들의 구조적 측정은 이러한 더 낮은 에너지 방출광 피크에 대한 설명을 제공한다. 위에서 설명된 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, SF들(204)은 GaN 표면으로 가는 도중에 QW들(104)과 교차한다. 도 2에 표시된 샘플로부터의 EDX 측정들은, SF들의 몇 nm 내의 인듐 함량이 나머지 QW의 인듐 함량의 대략 두 배임을 나타낸다.
증가된 인듐 함량은 이러한 영역들의 밴드 갭을 감소시키는데, 한편 SF들은 평면 결함들(planar defects)이기 때문에, 이러한 영역들은 ([1-10] 방향의) 이미지의 평면에 수직하게 연장하며, 그 결과, 양자 와이어(Qwire) 1차원 나노구조체를 발생시킨다. 도 2에 나타난 바와 같이, QW들이 거친 zb-GaN 표면 상에서 성장되었고, 그 결과, [1-10] 방향에서 볼 때 구불구불한(meandering) 프로파일이 발생되지만, [110] 방향에서 볼 때는 그렇지 않다. 이러한 구불구불함은 또한, 양자 와이어들 내에서의 그리고 나머지 QW 내에서의 캐리어들의 구속에 추가적인 기여를 발생시킬 수 있다. 이러한 인듐-풍부 영역들에서의 재결합은, 나머지 QW와 비교하여, 감소된 밴드 갭으로 인해 더 낮은 에너지에서 발생한다.
또한, 관찰된 바에 따르면, wz-GaN 결정 적층의 얇은 평면들에 해당하는 SF들은, zb(등축정계) 및 wz(육방정계) 상들 간의 자발 분극의 차이로 인해, 구조체 내로 전기장을 추가적으로 도입할 수 있다. SF들의 분리는, 이러한 장들의 크기에 영향을 미치므로, 인듐 풍부 영역들에서의 캐리어들의 재결합 에너지에 영향을 미칠 것이며, 이는 본 명세서에서 설명되는 QW들에서 방출광의 큰 FWHM에 기여할 수 있다.
유사한 구조체들로부터의 방출광이 양자 와이어의 길이를 따라 편광될 수 있기 때문에, 양자 와이어들 내에서의 재결합은 저에너지 방출광의 광학적 편광을 설명할 수도 있다. 와이어의 단면 치수들을 변화시킴으로써, DOLP를 변화시킬 수 있다. 따라서, 특정 단면 치수들을 갖는 양자 와이어들을 제작함으로써, DOLP가 다양한 온도들에 대해 상대적으로 일정하게 유지될 수 있다. 도 19와 관련하여 논의된 간단한 계산들은, 온도에 대해 실질적으로 변하지 않는 DOLP들을 양자 와이어 치수들이 달성할 수 있는 예들을 설명한다. 더욱 유리하게는, SF 분포 이방성을 증가시킴으로써, DOLP를 더욱 최대화하는 것이 가능할 수 있다.
SF들은 zb-GaN의 [111] 평면들 상에 존재하며, 그에 따라, QW 내의 [110] 및 [1-10] 방향들 둘 다를 따라 나노구조체들이 생성된다. SF들의 분포가 4개의 평면들 모두 상에서 균일하면, 성장 방향에 수직인 순 광학 편광은 0이 될 것이다. 그러나, 언급된 바와 같이, SF들의 밀도는 기재 오프컷(substrate offcut)의 방향에 따라 달라진다. 그 결과, 한 방향으로 SF들의 더 큰 밀도가 발생될 것이고, 그에 따라, 순 광학 편광이 발생될 것이다. 또한, QW들의 구불구불한 프로파일은 [1-10] 방향에서 우선적으로 나타난다.
도 17은, 10 K의 온도에서 생성된 2, 4, 6 및 8 nm의 두께를 갖는 등축정계 InGaN/GaN 양자 우물들에 대한 4개의 실험 방출광 1/e 감쇠 시간들을 표시하는 그래프(1700)를 보여준다. 또한, 각각의 서브플롯에는, 각각, 피크 1(각각의 서브플롯의 왼쪽 곡선) 및 피크 2(각각의 서브플롯의 오른쪽 그래프)의 피크 에너지 및 FWHM을 나타내는 가우시안 피크들이 포함되어 있다. PL 감쇠 곡선들이 10K의 온도에서 각각의 QW 샘플(즉, 2, 4, 6 및 8 nm의 두께를 가짐)에 대해 측정되었으며, 여기서, 10 K의 온도에서, 동역학은 순전히 발광(radiative)인 것으로 가정된다. 이러한 감쇠 곡선들로부터, 강도가 피크 강도의 1/e로 떨어지는 데 걸리는 시간이 기록되었으며, 이러한 측정은 스펙트럼에 걸쳐 다양한 방출광 에너지들에 대해 반복되었다.
도 18은 QW 폭이 2 nm, 4 nm, 6 nm 및 8 nm인 샘플들에 대해 10 K에서 측정된 PL 스펙트럼들을 보여준다. 각각의 스펙트럼에서, 낮은 에너지에서 QW들의 인듐-풍부 영역들로부터의, 및 더 높은 에너지에서 나머지 QW들로부터의 방출광에 해당하는 두 개의 방출광 피크들이 관찰된다. QW 폭들에 따른 방출광의 적분 강도(integrated intensity)에는 경향이 없다.
PL 방출광의 고에너지 측면 상에서, 감쇠 시간들은, 10 ps의 오차로, 증가하는 QW 폭에 대해 320 ps, 200 ps, 210 ps 및 310 ps이다. zb-QW들에 대해 측정된 감쇠 시간들은, 극성 QW들에 대해 예상되는 QW 폭의 큰 변화를 나타내지 않으며, 이는, 상응하는 c-평면 우르짜이트 QW에 비해, 전기장들이 현저하게 감소되었음을 시사한다. 따라서, 이는 극성 c-평면 우르짜이트 InGaN/GaN QW들로부터 얻어진 결과와 상반되는데, 여기서는, 더 두꺼운 QW는, 전기장들에 의해 QW를 가로지르는 전자 및 정공의 분리로 인해, 발광 수명(radiative lifetime)의 현저한 증가를 발생시킨다.
전기장이 감소된 헤테로구조체들에서는, 재결합은 엑시톤(excitons)을 포함할 수 있다. 국소화 효과가 없는 경우, 발광 수명은, 엑시톤 결합 에너지의 변화로 인해, 여전히 QW 폭에 따라 달라진다. 또 다른 가능성은, 재결합이 정공 및 과잉 전자를 포함하는 것인데, 여기서, 과잉 전자는 QW 폭과의 전자-정공 파동함수 중첩의 변동을 제한한다. 추가적으로, 감쇠 형상은, 도 17에 도시된 바와 같이, 단일지수적(monoexponential)이며, 여기서, 상기 감쇠 형상은 엑시톤 재결합과 일치한다.
가장 낮은 에너지들에서는, QW 폭이 증가함에 따라 375 ps, 365 ps, 330 ps 및 410 ps인 감쇠 시간들에도 뚜렷한 경향이 없다. 따라서, 더 낮은 에너지 피크의 재결합 수명 또한, 이러한 영역들에서 전기장을 생성하는 SF들의 영향에도 불구하고, QW 폭에 따라 크게 변하지 않는다. 그러나, 이러한 전기장들은 QW를 가로지르지 않으며, 대신에, 4개의 가능한 [111] 방향들로 형성되는데, 이는, QW 폭이 이러한 장들에 의한 캐리어 분리에 거의 영향을 미치지 않을 수 있고 그에 따라 감쇠 시간들에 대해 최소한의 영향을 미칠 수 있음을 의미한다. 인식될 수 있는 바와 같이, SF들을 분리하는 거리는 대신에 전기장들을 결정할 것이고, 그에 따라, 감쇠 시간들을 결정할 것이며, 이는 도 17의 그래프(1700)에 플롯된 바와 같다.
InGaN/GaN 양자 우물들의 추가 모델링
캐리어들이 높은 인듐 함량의 영역들에 의해 포획될 수 있는지 확인하기 위해, 도 8과 관련하여 위에서 설명한 대로, 3차원 모델 시스템을 개발하였다. 이 시스템은, 교차하는 위치에서 인듐 함량이 두 배인 직사각형 단면 양자 와이어를 형성하는, 인듐 함량이 동일한 두 개의 교차 QW들로 구성되었다. QW들의 치수들은 인듐 함량과 함께 변화되었으며, 그에 따라, 누메로프(Numerov) 방법을 사용하여 전자 및 정공에 대한 기저 상태 에너지들을 계산하였다. 모델 분석에서, 관찰된 바에 따르면, 정공 및 전자 둘 다 양자 와이어에 구속되며, 이러한 구속 정도는 인듐 조성 및 QW 폭이 증가함에 따라 증가한다. 대부분의 경우들에서, 캐리어들이 양자 와이어를 탈출하여 QW 내로 들어가는 데 필요한 에너지는 실온에서의 평균 열 에너지(26 meV)보다 훨씬 더 크다. 따라서, 이러한 양자 와이어들이 전자 및 정공을 둘 다 포획하는 것이 가능하다.
양자 와이어들에서 무거운 정공들 및 가벼운 정공들을 혼합하면, 상이한 방향들로 편광된 빛의 방출이 발생되는 것으로 알려졌다. 전자-정공 바닥 상태 재결합은 양자 와이어의 길이를 따라 편광된 빛을 방출할 것이다. 낮은 온도들 및 낮은 캐리어 밀도들에서는, 바닥 상태들만 점유될 것이고, 그에 따라, 양자 와이어들로부터의 전체 방출광은 편광될 것이다. 이는, 10 K에서 양자 와이어 방출광의 선형 편광도(DOLP)가 86%인 도 12의 PL 측정과 일치한다. DOLP는 양자 와이어들의 단면적에 따라 달라질 것이며, 여기서, 더 좁은 양자 와이어들은 더 높은 DOLP를 갖는다. 양자 와이어에 구속된 고차 상태들(higher order states)은, 바닥 상태에 직각으로 편광된 빛을 방출할 수 있다. 따라서, 상승된 온도들에서 발생할 수 있듯이 고차 상태들이 채워지면, 방출광의 DOLP가 떨어질 것이다. 도 15에 표시된 측정들은, 300 K(즉, 실온)에서 양자 와이어 방출광의 DOLP가 75 %(2 nm 폭의 QW의 경우) 정도로 높으며, 10 K에서의 양자 와이어 방출광에 비해 대략 10 % 하락하였다는 것을 실증한다.
도 19는, 다양한 인듐 함량들 및 QW 치수들을 갖는 등축정계 InGaN/GaN 양자 우물들과 관련하여, 10 K에서의 선형 편광도(DOLP) 대비, 300 K에서의 양자 우물들로부터의 방출광에 대한 DOLP의 비율들의 계산된 2D 맵(1900)을 도시한다. 시뮬레이션은 바닥 및 여기 상태들의 열 평형 모집단(thermal equilibrium population)을 고려하고, 재결합 속도가 영향을 받지 않는다고 가정한다. 인듐 함량이 0.25 미만이고 대각선 치수가 2 nm 미만인 경우, 구속된 상태들이 없다는 것을 알 수 있다. 다시 말해, 인듐 함량이 0.25 미만이고 대각선 치수가 2 nm 미만인 경우, 300 K에서의 InGaN/GaN 양자 우물에 대한 선형 편광도(DOLP)는 10 K에서의 DOLP와 동일하며, DOLP는 온도에 독립적이다. 범례 1902는 10 K의 DOLP 대비 300 K의 DOLP의 비율을 나타낸다. 그래프(1900)의 하부 오른쪽 부분에 상응하는 음의 비율은 실온에서 편광이 직교 방향인 것으로 예상된다는 것을 나타낸다. 이 직교 편광은, 낮은 인듐 함량들의 경우 7 nm 초과의 대각선 길이들, 및 높은 인듐 함량들의 경우 11 nm 초과의 QW 폭들을 갖는 QW들에 관한 것이다.
따라서, 도 19에 도시된 바와 같이, DOLP는, 양자 와이어에 여기 상태들이 없는 경우 온도에 독립적일 수 있거나, 또는 바닥 상태와 여기 상태 사이의 분할이 평균 열 에너지(kT)에 비해 큰 경우 온도에 약하게 의존할 수 있다. 이러한 여기 상태들의 에너지는 양자 와이어들의 치수들에 따라 달라질 것이다. 이러한 여기 상태들의 에너지를 추산하기 위해, 가벼운 정공들(0.2 m0의 질량을 갖는 것으로 간주됨)에 대한 바닥 상태 에너지들이 이러한 여기 상태들에 대한 상한치로서 계산되었다. 무거운 정공 상태와 가벼운 정공 상태의 분리를 절반으로 줄임으로써, 약간 개선된 분할의 추산치가 얻어졌는데, 이는, 여기 상태들이 이들 두 상태들 사이에 있기 때문이다. 이러한 분할이 인듐 함량 및 양자 와이어의 치수들에 따라 어떻게 달라지는지 추산하기 위해, 시스템의 파라미터들을 변화시켰다. 인듐 함량이 0.20인 경우, 2 nm 양자 와이어들의 제1 여기 상태의 에너지는 QW의 바닥의 에너지(즉, 캐리어들이 양자 와이어를 탈출하는 데 필요한 에너지)위에 있다. 대각선 치수가 3 nm 이상인 모든 양자 와이어들의 경우, 제1 여기 상태는 QW의 바닥의 에너지 아래로 구속된다.
따라서, 도 19와 일관되게, 계산된 가장 좁은 치수들에 대해서만, 여기 상태가 장벽 위에 있으며, 그러므로 양자 와이어에 구속되지 않는다. 이 경우, DOLP는 온도에 독립적일 것이다. 와이어의 치수들이 증가함에 따라, 분할은 60 meV로부터 26 meV로 감소한다. 따라서, 실온에서, 더 넓은 양자 와이어들에 대해 여기 상태가 더 많은 정도까지 채워질(populated) 것이고, 더 넓은 와이어들로부터의 방출광의 DOLP는 온도가 증가함에 따라 더 많이 감소할 것이다. 실험 동안 열평형에 도달했다고 가정하고, 볼츠만 통계를 사용하여, 실온에서 바닥 상태 및 제1 여기 상태의 점유를 계산함으로써, 이러한 의존성을 추산하였다.
그 다음, 각각의 상태의 재결합 속도가 동일하다고 가정하고, 300 K 및 10 K에서의 DOLP의 비율을, 다양한 인듐 함량들 및 치수들에 대해 추산하였다: 그 결과를 도 19의 그래프(1900)에 나타내었다. 대각선 단면 길이가 3 nm 미만인 양자 와이어들을 사용함으로써, 10% 미만의 DOLP 변화를 달성하는 것이 가능하다. 따라서, 이 모델(1900)은 10 K와 실온 사이에서 DOLP의 작은 변화를 달성하는 것이 실현가능하다는 것을 시사한다. 일반적으로, 더 좁은 양자 와이어들 및/또는 더 높은 인듐 함량들은 DOLP를 온도에 덜 의존하도록 만들 것이다. 이 플롯(1900)의 들쭉날쭉한 성질(jagged nature)은 단면의 2차원에서의 개별적인 변화들에 기인하는데, 여기서, 데이터는 이들의 구적 합(quadrature sum)에 대해서만 플롯된다. 하나의 치수가 다른 치수보다 훨씬 좁으면, 계산된 비율의 증가가 발생한다. 도 19의 오른쪽에 있는 더 어두운 음영 영역은, 낮은 인듐 함량들의 경우 7 nm 초과이고 높은 인듐 함량들의 경우 11 nm 초과인 대각선 길이들에 대해, 편광이 실온에서 직교 방향인 것으로 예상된다는 것을 실증한다. 그러나, DOLP는 치수들이 증가함에 따라 0으로 줄어들 것이기 때문에, 그러한 효과는 관찰되지 않을 것이다.
본 개시는 위에서 설명된 바와 같은 바람직한 구현예들의 관점에서 설명되었지만, 이해되어야 하는 바와 같이, 이들 구현예는 단지 예시적이며, 청구범위는 이러한 구현예들로 제한되지 않는다. 당해 기술분야의 통상의 기술자는 첨부된 청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 고려되는 본 개시내용을 고려하여 변형 및 대안을 만들 수 있을 것이다. 본 명세서에 개시되거나 예시된 각각의 특징은, 단독으로, 또는 본 명세서에 개시되거나 예시된 임의의 다른 특징과의 임의의 적합한 조합으로, 본 발명에 포함될 수 있다.

Claims (22)

  1. 반도체 구조체(semiconductor structure)로서, 상기 반도체 구조체는:
    제1 밴드갭을 갖는 제1 등축정계 III족 질화물을 포함하는 매트릭스;
    제2 밴드갭을 갖고 상기 매트릭스 내에 매립된 영역을 형성하는 제2 등축정계 III족 질화물로서, 상기 제2 등축정계 III족 질화물은 상기 제1 밴드갭에 비해 상기 제2 밴드갭을 감소시키는 합금 재료(alloying material)를 포함하는, 제2 등축정계 III족 질화물; 및
    상기 매트릭스 내에 매립된 상기 영역 내의 부분에 의해 한정(define)된 양자 와이어(quantum wire)로서, 상기 부분은 1차원 전하 캐리어 구속 채널(one-dimensional charge-carrier confinement channel)을 형성하는, 양자 와이어;를 포함하고,
    상기 양자 와이어는 광학적으로 편광된 방출 발광(optically polarised emission luminescence)을 나타내도록 작동가능한, 반도체 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 매트릭스 내에 매립된 상기 영역에 의해 한정된 양자 우물을 더 포함하고, 상기 영역은 상기 매트릭스 내에 매립된 층(embedded layer)을 형성하는, 반도체 구조체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 매트릭스는 등축정계 갈륨 니트라이드를 포함하는, 반도체 구조체.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금 재료는 인듐을 포함하는, 반도체 구조체.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양자 와이어를 한정하는 상기 매트릭스 내에 매립된 상기 영역의 상기 부분은 상기 합금 재료의 농도의 국부적 증가를 포함하는, 반도체 구조체.
  6. 제 5 항에 있어서, 제 2 항에 종속하는 경우, 상기 합금 재료의 농도의 상기 국부적 증가는 상기 반도체 구조체의 적층 결함(stacking fault)과 상기 양자 우물 사이의 교차점에 국부적인(local), 반도체 구조체.
  7. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양자 와이어를 한정하는 상기 매트릭스 내에 매립된 상기 영역의 상기 부분은 상기 양자 우물을 한정하는 상기 매립된 층의 폭의 국부적 변동(local fluctuation)을 포함하는, 반도체 구조체.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 국부적 변동의 치수는 약 2 nm보다 큰, 반도체 구조체.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 양자 우물을 한정하는 상기 매립된 층의 폭은 약 2 nm 이상의 폭과 약 14 nm 이하의 폭 사이에서 변동하는, 반도체 구조체.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양자 와이어의 상기 1차원 전하 캐리어 구속 채널 내에 구속된 전하 캐리어는 전자인, 반도체 구조체.
  11. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양자 와이어를 한정하는, 상기 매트릭스 내에 매립된 상기 영역의 상기 부분은 상기 합금 재료를 포함하는 상기 영역의 채널에 의해 한정되고, 이 채널은 상기 매트릭스를 통해 연장하는, 반도체 구조체.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 매트릭스 내에 매립된 상기 영역 내의 상기 합금 재료의 분율은 약 20% 초과인, 반도체 구조체.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양자 와이어의 상기 1차원 전하 캐리어 구속 채널은 제1 전자 상태 및 제2 전자 상태를 갖고, 상기 제1 전자 상태와 상기 제2 전자 상태 사이의 에너지 차이는 특성 열 에너지(characteristic thermal energy)보다 크며, 그에 따라, 상기 제1 전자 상태와 상기 제2 전자 상태 사이의 열적 유도 전이(thermally induced transition)의 가능성이 감소되는, 반도체 구조체.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 양자 와이어의 평균 치수는 약 10 nm 미만이고 약 2 nm 초과인, 반도체 구조체.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 반도체 구조체를 포함(incorporating)하는 반도체 장치로서, 상기 반도체 장치는 발광다이오드(LED), 수직 공동 표면 발광 레이저(vertical cavity surface emitting laser: VCSEL), 레이저, 및 센서를 포함하는 군으로부터 선택되는, 반도체 장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 반도체 장치는:
    등축정계 실리콘 카바이드를 포함하는 기재;
    상기 기재의 표면 상에 배치된 매트릭스 재료의 전자 풍부 층;
    상기 매트릭스 및 상기 매트릭스 내에 매립된 영역에 의해 한정(define)되며, 상기 전자 풍부 층의 표면 상에 배치된 광학적 활성 영역; 및
    상기 광학적 활성 영역의 표면 상에 배치된 매트릭스 재료의 전자 결핍 층;을 더 포함하는, 반도체 장치.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 반도체 구조체는 상기 광학적 활성 영역의 양측 상에 배치된 광학적 구속 층(optical confinement layer)을 더 포함하는, 반도체 장치.
  18. 다음 단계들을 포함하는, 반도체 장치의 제조 방법:
    제1 밴드갭을 갖는 제1 등축정계 III족 질화물을 포함하는 매트릭스를 형성하는 단계;
    제2 밴드갭을 갖고 상기 매트릭스 내에 매립된 영역을 형성하는 제2 등축정계 III족 질화물을 형성하는 단계로서, 상기 제2 등축정계 III족 질화물은 상기 제1 밴드갭에 비해 상기 제2 밴드갭을 감소시키는 합금 재료를 포함하는, 단계; 및
    상기 매트릭스 내에 매립된 상기 영역 내에 양자 와이어를 한정하는 부분을 형성하는 단계로서, 상기 부분은 1차원 전하 캐리어 구속 채널을 형성하는, 단계.
  19. 제 18 항에 있어서, 양자 우물을 한정(define)하는, 상기 매트릭스 내에 매립된 층으로서 상기 매트릭스 내에 매립된 영역을 형성하는 단계를 더 포함하는 제조 방법.
  20. 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서, 상기 반도체 장치는, 발광다이오드(LED), 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL), 레이저, 및 센서를 포함하는 군으로부터 선택되는, 제조 방법.
  21. 제 18 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서, 다음 단계들을 더 포함하는 제조 방법:
    등축정계 실리콘 카바이드를 포함하는 기재를 형성하는 단계;
    상기 기재의 표면 상에 배치된, 매트릭스 재료의 전자 풍부 층을 형성하는 단계;
    상기 전자 풍부 층의 표면 상에 배치된, 상기 매트릭스 및 상기 매트릭스 내에 매립된 상기 영역에 의해 한정된 광학적 활성 영역을 형성하는 단계; 및
    상기 광학적 활성 영역의 표면 상에 배치된, 매트릭스 재료의 전자 결핍 층을 형성하는 단계.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 광학적 활성 영역의 제1 표면 및 제2 표면 각각 상에 배치된 광학적 구속 층을 형성하는 단계를 더 포함하는 제조 방법.
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