GaN-InGaN Heterostructure & Quantum Well

GaN-InGaN Heterostructure & Quantum Well 2005. 10. 27 이 상 준 Process Design Lab.

INTRODUCTION(1) • 최근 들어 blue LED의 효율을 높이기 위해 넓은 밴드갭을 갖는 화합물에 대한 관심이 커지고 있다. • 넓은 밴드갭을 갖는 화합물 반도체는 Matsuoka에 의해 제안되었고, 이를 이용하면 2~6.2eV 범위의 밴드갭 에너지를 선택할 수 있다. • Ⅲ-Ⅴ족 반도체 화합물인 InGaN은 인듐의 mole fraction에 따라 다양한 밴드갭 에너지(2~3.4eV)를 갖기 때문에 blue LED의 활성층으로 이용할 수 있다.

INTRODUCTION(2) • MOCVD에 의한 InGaN 성장은 과정 중에 InN의 분리를 막기 위해 약 500℃의 낮은 온도에서 이루어진다. • GaN 박막 위에 성장시킨 InGaN 박막이 사파이어 기판 위에 성장시킨 InGaN 박막과 비교하여 PL(photoluminescence measurement) 결과 및 결정성이 더 좋다는 것이 Nakamura에 의해 밝혀졌다. • 특히 Si가 도핑된 InGaN 박막은 Mg가 도핑된 p-type GaN 박막보다 blue emission의 세기가 20배 정도 높다.

EXPERIMENTAL(1) • InGaN 박막은 MOCVD법에 의해 성장되었다. • (0001) 방향의 2인치 사파이어 기판을 1050℃로 가열. • GaN 버퍼층을 성장시키기 위해 510℃로 온도를 낮춤. • GaN 박막을 성장시키기 위해 1020℃로 온도를 높임.

EXPERIMENTAL(2) • GaN 성장 후 800℃로 낮추고 Si가 도핑된 InGaN 박막을 성장시킨다. • Mg가 도핑된 p-GaN 박막을 성장시키기 위해 온도를 1020℃까지 올린다. • 성장 후 높은 p-GaN을 얻기 위해 electron-beam radiation을 수행한다.

RESULT(1) • The peak wavelength : 440nm. • The FWHM of the peak emission : 180meV • Blue emission의 FWHM값이 지금까지 보고되어진 blue GaN LED들 중에서 가장 작다.

RESULT(2) • The output power는 20mA까지 선형적으로 증가한다. • The output power : 125㎼ • The external quantum efficiency : 0.22% • The homostructure GaN blue LEDs the output power : 42㎼

RESULT(3) • homostructure GaN blue LED와 비교했을 때 forward voltage가 매우 크다. • 이는 LEEBI 처리 후에도 나타나는 p-type GaN층의 높은 저항성 때문이다. • 후에 Nakamura에 의해 시도된 고온 열처리 방법으로 효과를 봄.

GaN/InGaN Quantum Wells(1) • GaN과 비교하여 밴드갭이 작고 결함이 잘 전파되지 않기 때문에 InGaN는 많은 소자의 Quantum Well이나 active region 으로 이용된다. • 비록 GaN나 AlGaN에 비해 InGaN의 결정성이 좋지는 않지만, p-n junction GaN LED에 많이 응용되어왔다. • InxGa1-xN의 밴드갭 특성이 인듐의 mole fraction에 의존한다는 것이 몇 년간의 연구 끝에 밝혀졌다.

GaN/InGaN Quantum Wells(2) • The energy band gap of InxGa1-xN (0 < x < 1) • Eg(x) = (1-x)Eg(InN) + xEg(GaN) – bx(1-x) Eg(GaN) = 3.40eV Eg(InN) = 2.07eV • 식으로부터 얻어진 결과들은 그림의 실험값들과 일치한다.

GaN/InGaN Quantum Wells(3) • InxGa1-xN의 성장 조건에 따른 캐리어의 농도와 이동 특징에 따른 효과가 Yoshimoto, Matsuoka에 의해 연구되어졌다. • 증착 온도를 500℃에서 900℃로 올렸을 때, 캐리어의 농도는 1020cm-3에서 1018cm-3으로 감소한 반면에 캐리어의 이동도는 10cm2/Vs에서 100cm2/Vs로 증가한다. • Nakamula와 Mukai는 GaN 박막의 결정성이 좋을수록 성장시킬 InxGa1-xN 박막의 결정성도 좋아짐을 밝혔다.

The emission spectra for QWs of 10, 20, 30, 50Å • The peak wavelength of emission and the line width as a function of well thickness

감사합니다~^^*

GaN-InGaN Heterostructure & Quantum Well