[go: up one dir, main page]

KR101265178B1 - 간접 밴드갭 반도체를 이용한 전기발광소자 - Google Patents

간접 밴드갭 반도체를 이용한 전기발광소자 Download PDF

Info

Publication number
KR101265178B1
KR101265178B1 KR1020110141745A KR20110141745A KR101265178B1 KR 101265178 B1 KR101265178 B1 KR 101265178B1 KR 1020110141745 A KR1020110141745 A KR 1020110141745A KR 20110141745 A KR20110141745 A KR 20110141745A KR 101265178 B1 KR101265178 B1 KR 101265178B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
semiconductor layer
bandgap semiconductor
indirect
indirect bandgap
direct
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
KR1020110141745A
Other languages
English (en)
Inventor
박병국
Original Assignee
서울대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서울대학교산학협력단 filed Critical 서울대학교산학협력단
Priority to KR1020110141745A priority Critical patent/KR101265178B1/ko
Priority to US13/723,857 priority patent/US9281440B2/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101265178B1 publication Critical patent/KR101265178B1/ko
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/81—Bodies
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/81—Bodies
    • H10H20/822—Materials of the light-emitting regions

Landscapes

  • Led Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 실리콘이나 게르마늄과 같이 E-k 다이어그램에서 Γ-점에 전도대의 국지적 최소값을 갖는 간접 밴드갭 반도체층을 발광층으로 이용하고 여기에 전자공급수단으로 직접 밴드갭 반도체층을 이종접합으로 형성하여, 순방향 전압 인가시 Γ-밸리에서 Γ-밸리로 전자수송이 일어나고, 간접 밴드갭 반도체층의 Γ-밸리로 이동된 전자들은 간접 밴드갭 반도체층의 가전자대 최대값에 모여 있는 홀들과 재결합되면서 빛을 방출하는 전기발광소자를 제공한다.

Description

간접 밴드갭 반도체를 이용한 전기발광소자{ELECTROLUMINESCENCE DEVICE USING INDIRECT BANDGAB SEMICONDUCTOR}
본 발명은 광전자소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 간접 밴드갭 반도체를 이용한 전기발광소자에 관한 것이다.
광전자소자는 크게 3가지 범주, 전기에너지를 빛에너지로 변환시키는 소자(예를 들면, 발광 다이오드 및 레이저 다이오드), 광신호를 검출하는 소자(예를 들면, 광검출기) 및 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 소자(예를 들면, 광기전 소자 및 태양 전지)로 나눌 수 있다.
상기 광전자소자 중에 전기에너지를 빛에너지로 변환시키는 소자를 전기발광소자라 하며, 이는, 발광 다이오드(LED)와 같이, 특정 물질층(발광층) 양단에 전압을 인가하면 그 발광층이 갖는 에너지 밴드갭(이하, '밴드갭'이라 함)에 해당하는 빛을 내게 된다.
하나 이상의 원자가 모여 고체를 이룰 때 각 원자가 가지는 포텐셜 우물(potential well)의 파동함수가 겹치면서 전자(electron)가 가질 수 있는 에너지 상태가 나뉘어져서, 전자가 채워진 에너지 밴드와 그렇지 않은 에너지 밴드로 분리된다.
전자가 채워진 에너지 밴드를 가전자대(Valence Band, VB)라 하고, 전자가 채워지지 않은 에너지 밴드를 전도대(Conduction Band, CB)라 하며, 양자 사이에는 전자가 존재할 수 없는 금지대(forbidden band), 즉 밴드갭(bandgap)이 존재하게 된다.
따라서, 고체의 물성(전기적 특성)은 에너지 밴드로 설명되어 질 수 있다. 반도체는 부도체(절연체)보다 밴드갭이 작고, 도체보다는 밴드갭이 큰 물질로 정의할 수 있다.
그리고, 반도체 내에서 전자의 에너지 밴드를 에너지(E)와 파수(k, wave number 또는 wave vector)의 함수로 나타내면, 도 1 및 도 2의 E-k 다이어그램과 같이, 전자가 격자를 이동하는 방향에 따라 즉, <100> 방향 또는 <111> 방향에 따라 전도대 및 가전도대의 에너지값이 달라진다. 이때 밴드갭 에너지(Eg, 이하 간단히 '밴드갭'이라 함)는 전도대 최소값(conduction band minimum)과 가전자대 최대값(valence band maximum) 사이의 차로 정의된다.
E-k 다이어그램에서 전도대 최소값(conduction band minimum)과 가전자대 최대값(valence band maximum)은 반도체 물질에 따라, 도 1과 같이, 동일한 k값을 가질 수도 있고, 도 2와 같이, 서로 다른 k값을 가질 수도 있다. 전자를 직접 밴드갭 반도체, 후자를 간접 밴드갭 반도체라 한다.
즉, 직접 밴드갭 반도체(예를 들면, GaAs, GaN 등)는 k=0인 Γ-점에 전도대 최소값과 가전자대 최대값이 모두 존재하게 되고, 간접 밴드갭 반도체(Si, Ge 등)는 가전자대 최대값은 Γ-점에 있으나 전도대 최소값은 그렇지 않은 지점(X-valley 또는 L-valley가 형성되는 지점)에 있게 된다.
도 3은 Γ-점에 전도대의 국지적 최소값이 존재하는 간접 밴드갭 반도체의 E-k 다이어그램을 보여주는데, 전도대 최소값과 전도대의 국지적 최소값 사이에는 △Ec1 만큼의 에너지 차이가 난다.
밴드 간 전자의 천이가 일어나기 위해서는 천이 전후 에너지와 운동량이 보존되어야 한다.
에너지 보존 조건에 의하여, 밴드 간 전자 천이시 밴드갭(Eg[eV])에 해당되는 수학식 1의 파장(λ[nm])을 갖는 광자(photon)를 흡수 또는 방출하게 된다.
[수학식 1]
λ=1240/Eg
그리고, 운동량 보존 조건에 의하여, 광자(photon)가 갖는 운동량이 천이되는 전자에 비하여 극히 작으므로, 수학식 2에 따라 E-k 다이어그램 상에서 거의 동일한 k값을 가지며 천이하게 된다.
[수학식 2]
P=h/λ=ħk
여기서, P는 운동량, h는 플랑크 상수, λ는 파장, ħ는 h/2π, k는 파수이다.
이러한 이유로, 지금까지 전기발광소자는 주로 직접 밴드갭 반도체를 이용하여 왔다.
그런데, 직접 밴드갭 반도체를 이용하는 종래 전기발광소자는 주로 고가의 화합물 반도체 기판에 직접 밴드갭 물질인 화합물 반도체를 발광층(활성층)으로 성장시켜 사용되고 있어, 제조비용이 높을 뿐만 아니라, 주로 실리콘 기판에 만들어지는 일반 회로 소자와 함께 집적할 수 없는 문제점이 있다.
그리고, 실리콘(Si)이 갖는 많은 장점 때문에 이를 전기발광소자의 기판으로 이용하려는 연구가 많이 되고 있다.
그러나, 상기 연구의 대부분은 실리콘 기판에 질화물계 화합물 반도체(예를 들면, GaN 등)와 같은 직접 밴드갭 물질을 발광층으로 성장시키고 기판 이면을 전극으로 활용하여 광 개구 면적을 넓히기 위함이거나, 회로 소자와의 집적도를 높이기 위한 목적 또는 Si/GaN 사이 이종접합에서 순방향 전압(Vf)을 종래보다 낮추려는 것을 목적으로 하고 있다(특허문헌 1 참조). 이러한 종래 기술은 실리콘 기판상에 별도 고가의 발광층을 형성해 주어야하므로, 불필요한 공정 및 비용이 수반되는 문제점이 있다.
나아가, 실리콘(Si)을 전기발광소자의 발광층으로 이용하려는 시도도 있으나, 이는 상기에서 살펴본 바와 같이, 실리콘은 간접 밴드갭 반도체로 전도대 최소값과 가전자대 최대값이 서로 다른 k값 상에 있어, 전자의 직접 천이는 거의 불가능하게 된다.
이러한 문제를 극복하고자, 특허문헌 2에서는 실리콘의 동위원소 Si28, Si29, Si30을 이용하여 다수의 공명층을 만들어, 도 4와 같이, 이에 의한 격자 진동자, 즉 포논 공명자(phonon resonator, 1)로 X-밸리에 있는 전자의 에너지 및 운동량을 변화시켜 Γ-밸리로 이동시킨 후 전자를 천이시켜 가전자대 최대값에 존재하는 홀과 결합 되도록 하며 빛을 방출하는 기술이 개시되어 있다. 이에 의할 경우, 실리콘의 동위원소 Si28, Si29, Si30로 다수의 공명층을 만들어야 하는 공정상 어려움이 있다.
또한, 비특허문헌 1에 의하면, 간접 밴드갭 반도체인 게르마늄(Ge)의 격자 구조를 인장시켜(tensile strained) 변형함으로써, 도 5와 같이, 전도대의 에너지 밴드를 변화시켜, 즉 전도대 최소값이 있는 X-밸리는 올리고 k=0인 위치에 존재하는 Γ-밸리는 X-밸리와 비슷한 위치까지 내려오도록 조절한 다음, n형 불순물 도핑에 의하여 주입된 전자의 일부는 Γ-밸리에도 들어가게 하여, 가전자대 최대값에 존재하는 홀과 결합 되도록 하는 기술이 개시되어 있다. 이 경우에는 간접 밴드갭 반도체를 발광층으로 하기 위해서는 별도의 격자 구조를 변경시켜주어야 하는 공정상 어려움이 있다.
따라서, 실리콘이나 게르마늄과 같이 간접 밴드갭 반도체를 효과적으로 직접 발광층으로 이용하는 기술이 개발되지 않아 전기발광소자의 제조단가와 다양한 응용에의 한계점을 드러내고 있다.
특허문헌 1: 한국 공개 제10-2007-0122509호, 2007, 12, 31 특허문헌 2: 미국 특허 제5,917,195호, 1999. 6. 29.
비특허문헌 1: Jifeng Liu et al., Band-Engineered Ge-on-Si Lasers, IEDM, pp. 146-149, 2010
본 발명은 실리콘이나 게르마늄과 같이, 반도체 기판으로 널리 사용되는 간접 밴드갭 반도체가 발광층으로 효과적으로 사용되지 못하는 종래 문제점을 해결하고자, 간접 밴드갭 반도체에도 Γ-점에 전도대의 국지적 최소값을 가질 수 있다는 점에 착안하여, 외부로부터 간접 밴드갭 반도체의 Γ-밸리에 전자를 공급하여 주게 되면 간접 밴드갭 반도체 자체도 상온에서 효과적으로 빛을 낼 수 있는 발광층으로 이용할 수 있다는 점을 제안하고, 이를 이용한 전기발광소자를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 전기발광소자는 E-k 다이어그램에서 Γ-점에 전도대의 국지적 최소값을 갖는 Γ-밸리가 하나 이상 형성되는 간접 밴드갭 반도체층; 및 상기 간접 밴드갭 반도체층에 이종접합으로 형성되어 상기 간접 밴드갭 반도체층의 Γ-밸리로 전자를 공급하는 직접 밴드갭 반도체층을 포함하여 구성되되, 상기 간접 밴드갭 반도체층은 p형 불순물로 도핑되어 홀을 공급하여 상기 직접 밴드갭 반도체층을 통해 공급된 전자와 재결합하는 발광층으로 사용되고, 상기 직접 밴드갭 반도체층은 n형 불순물로 도핑된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 직접 밴드갭 반도체층은 밴드갭이 상기 간접 밴드갭 반도체층의 Γ-밸리 최소값과 상기 간접 밴드갭 반도체층의 가전자대 최대값 차이보다 큰 것이 바람직하다.
상기 직접 밴드갭 반도체층은 전도대 최소값이 상기 간접 밴드갭 반도체층의 Γ-밸리 최소값보다 크거나 같고, 가전자대 최대값이 상기 간접 밴드갭 반도체층의 가전자대 최대값보다 작은 것이 바람직하다.
상기 직접 밴드갭 반도체층은 격자 상수가 상기 간접 밴드갭 반도체층의 격자 상수와 1% 이내의 오차를 갖는 것이 바람직하다.
상기 직접 밴드갭 반도체층은 전도대 최소값이 Γ-점에 있는 것이 바람직하다.
상기 직접 밴드갭 반도체층은 인장 혹은 압축을 가하여 격자 상수에 변화를 주거나, 2개 이상의 원자로 합금 되어 단층 또는 2개 이상의 복층으로 형성될 수 있다.
상기 간접 밴드갭 반도체층 및 상기 직접 밴드갭 반도체층에는 각각 외부 전원을 인가하기 위한 컨택부가 더 형성되고, 상기 컨택부를 통하여 외부 전원이 인가될 때 상기 직접 밴드갭 반도체층의 전도대 Γ-밸리에서 상기 간접 밴드갭 반도체층의 전도대 Γ-밸리로 전자가 이동되어 상기 간접 밴드갭 반도체층의 가전자대 최고값에 위치하는 홀과 결합하며 빛을 내도록 구성될 수 있다.
삭제
상기 간접 밴드갭 반도체층은 간접 밴드갭을 갖는 반도체 기판 자체에 형성되거나, 간접 밴드갭을 갖는 반도체 기판을 식각하여 형성된 것일 수 있다.
상기 간접 밴드갭 반도체층은 간접 밴드갭을 갖는 반도체 기판상에 에피택시로 성장시켜 형성된 것일 수 있다.
상기 반도체 기판은 상기 간접 밴드갭 반도체층과 동일한 반도체로 p형 불순물로 도핑된 기판이고, 상기 간접 밴드갭 반도체층 및 상기 직접 밴드갭 반도체층은 상기 기판보다 고농도로 도핑된 것일 수 있다.
상기 간접 밴드갭 반도체층과 상기 직접 밴드갭 반도체층 사이에는 불순물이 도핑되지 않은 진성 반도체층이 더 형성된 것일 수 있다.
상기 진성 반도체층은 상기 직접 밴드갭 반도체층과 동일한 조성을 갖는 물질층인 것일 수 있다.
상기 간접 밴드갭 반도체층은 간접 밴드갭을 갖는 반도체 기판상에 일체로 형성되고, 상기 반도체 기판에 상기 간접 밴드갭 반도체층의 컨택부가 형성될 수 있다.
본 발명은 Γ-밸리를 갖는 간접 밴드갭 반도체층에 직접 밴드갭 반도체층을 이종접합으로 형성시켜 외부 전원 인가시 직접 밴드갭 반도체층의 전도대 Γ-밸리로부터 간접 밴드갭 반도체층의 Γ-밸리로 전자를 공급하여 줌으로써, 간접 밴드갭 반도체층 자체를 상온에서 발광층으로 이용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 실리콘이나 게르마늄과 같이, 반도체 기판으로 널리 사용되는 간접 밴드갭 반도체를 직접 발광층으로 이용할 수 있게 됨에 따라, 광소자뿐만 아니라 이를 구동하는 회로 소자를 함께 집적할 수 있고, 제조단가를 획기적으로 줄이며 다양한 광소자로의 응용이 가능한 효과가 있다.
도 1은 직접 밴드갭을 갖는 반도체의 E-k 다이어그램의 일 예이다.
도 2는 간접 밴드갭을 갖는 반도체의 E-k 다이어그램의 일 예이다.
도 3은 Γ-점에 전도대의 국지적 최소값이 존재하는 간접 밴드갭 반도체의 일 예를 보여주는 E-k 다이어그램이다.
도 4는 도 3과 같은 E-k 다이어그램을 갖는 간접 밴드갭 반도체에서 포논 공명자(phonon resonator, 1)로 X-밸리에 있는 전자의 에너지 및 운동량을 변화시켜 Γ-밸리로 이동시킨 후 천이시키는 종래기술을 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 도 3과 같은 E-k 다이어그램을 갖는 간접 밴드갭 반도체에서 격자 구조를 인장시켜(tensile strained) 전도대의 에너지 밴드를 변형시킨 다음, n형 도핑에 의하여 주입된 전자의 일부를 Γ-밸리에 들어가게 하여, 가전자대 최대값에 존재하는 홀과 결합 되도록 하는 종래기술을 설명하기 위한 개념도이다.
도 6 내지 도 12는 본 발명의 각 실시예로 가질 수 있는 구성을 보여주는 단면도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 p형 간접 밴드갭 반도체층(10)과 n형 직접 밴드갭 반도체층(20)을 접합시키기 이전의 물리적 특성을 보여주는 에너지 밴드도이다.
도 14는 도 13에 의한 p형 간접 밴드갭 반도체층(10)과 n형 직접 밴드갭 반도체층(20)을 이종접합시킨 후 외부에서 전압을 인가하지 않은 평형상태에서의 에너지 밴드도이다.
도 15는 도 14에서 순방향 전압을 인가한 상태의 에너지 밴드도이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 의한 p형 간접 밴드갭 반도체층(15)/진성 반도체층(30)/n형 직접 밴드갭 반도체층(21)을 이종접합시킨 후 외부에서 전압을 인가하지 않은 평형상태에서의 에너지 밴드도이다.
도 17은 도 16에서 순방향 전압을 인가한 상태의 에너지 밴드도이다.
도 18은 도 17의 도면부호 100 부분을 E(에너지)-k(운동량)-x(위치) 3차원으로 표현한 에너지 밴드도이다.
도 19는 상온(300K)에서 얻은 실리콘(Si)의 E-k 다이어그램이다.
도 20은 상온(300K)에서 얻은 게르마늄(Ge)의 E-k 다이어그램이다.
도 21은 상온(300K)에서 얻은 질화알루미늄(AlN)의 E-k 다이어그램이다.
도 22는 상온(300K)에서 얻은 인화인듐(InP)의 E-k 다이어그램이다.
도 23은 상온(300K)에서 얻은 비소화갈륨(GaAs)의 E-k 다이어그램이다.
도 24는 도 23에서 갈륨(Ga) 대신 알루미늄(Al)을 추가하며 알루미늄-갈륨-비소 합금(AlxGa1 - xAs)을 형성할 때, 알루미늄 성분의 함량(x)에 따른 Γ-밸리, L-밸리 및 X-밸리의 에너지(E) 변화를 보여주는 다이어그램이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하며 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.
본 발명의 기본적인 기술적 사상은 외부 전원으로부터 간접 밴드갭 반도체층의 Γ-밸리에 전자를 공급하여 간접 밴드갭 반도체층의 가전자대 최고값에 위치하는 홀과 결합시켜 빛을 내게 함으로써, 간접 밴드갭 반도체층 그 자체로 발광층으로 이용하는 전기발광소자를 구현하는 데 있다.
따라서, 첨부된 도 6 내지 12에 개시된 내용 및 아래에서 설명되는 실시예에 한정되지 아니하고 다양하게 실시될 수 있음을 미리 밝힌다.
상기 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한, 첫 번째 고려사항은 발광층으로 간접 밴드갭 반도체층을 선택하는데, 이때 간접 밴드갭 반도체층은 E-k 다이어그램에서 Γ-점(k=0인 지점, 이하 동일)에 전도대(CB)의 국지적 최소값(localized minimum)을 갖는 Γ-밸리가 하나 이상 형성되는 것이어야 한다.
그리고, 두 번째 고려사항은 상기 간접 밴드갭 반도체층의 전도대 Γ-밸리로 전자를 효과적으로 공급할 수 있는 전자공급수단을 찾아야 하는 것이다.
상기 전자공급수단은 다양하게 구현할 수 있으나, 간접 밴드갭 반도체층의 전도대 Γ-밸리로 효율적인 전자 수송을 위해, E-k 다이어그램에서 Γ-점 또는 간접 밴드갭 반도체층의 Γ-밸리를 벗어나지 않는 k 상에 전도대 최소값을 갖는 직접 밴드갭 반도체층을 그 수단으로 채택하여, 상기 간접 밴드갭 반도체층에 이종접합시켜 구현하는 것이 바람직하다.
이렇게 함으로써, 도 18과 같이, Γ-밸리 대 Γ-밸리로의 전자 수송이 가능하게 하여, 즉, 직접 밴드갭 반도체층(120)의 Γ-밸리로 외부 전원 등으로부터 유입된 전자를 1차적으로 모아서 마치 전자수로(150)를 형성한 다음, 이를 외부 전원 등에 의하여 전도대(140)의 에너지 높이를 조절하여 상기 전자수로(150)에 기울기를 주어, 간접 밴드갭 반도체층(110)의 Γ-밸리로 전자를 효과적으로 공급하게 한다. 이와 같이 간접 밴드갭 반도체층(110)의 Γ-밸리에 2차적으로 모여 전자수로를 형성하는 전자들은 간접 밴드갭 반도체층의 가전자대 최고값에 위치하는 홀들과 결합하며 빛을 내게 된다.
이때, 외부에서 전원을 인가했을 때만 빛을 내는 전기발광소자로 구현하기 위해서는, 직접 밴드갭 반도체층에서의 전자 공급 및 차단이 가능하도록, 즉 스위칭 역할을 함께할 수 있도록 상기 간접 밴드갭 반도체층과 상기 직접 밴드갭 반도체층을 pn 접합으로 구현하는 것이 바람직하다.
이러한 pn 접합을 구현하기 위해서는, 전자를 공급하는 측인 직접 밴드갭 반도체층은 n형 불순물이 도핑된 것으로 하고, 홀을 공급하여 공급된 전자와 재결합으로 발광층으로 사용되는 간접 밴드갭 반도체층은 p형 불순물이 도핑된 것으로 채택함이 바람직하다.
또한, 전기발광소자를 켠 상태(ON 상태)에서 발광층인 간접 밴드갭 반도체층에서 빛이 나오게 하기 위해서는, p형 간접 밴드갭 반도체층과 n형 직접 밴드갭 반도체층 간의 pn 접합에 순방향 전압(Vf)을 인가시, n형 직접 밴드갭 반도체층의 전도대 Γ-밸리가 올라가 p형 간접 밴드갭 반도체층의 전도대 Γ-밸리 위에서 형성되어 Γ-밸리 대 Γ-밸리로의 전자의 이동이 용이하게 하는 한편, p형 간접 밴드갭 반도체층의 가전자대에 모여 있는 홀들은 순방향 전압 인가로 p형 간접 밴드갭 반도체층의 가전자대가 내려오더라도 n형 직접 밴드갭 반도체층 등으로 빠져나가지 않게 하여야 한다.
따라서, 상기 조건을 만족하기 위해서는 직접 밴드갭 반도체층의 밴드갭이 간접 밴드갭 반도체층의 Γ-밸리 최소값과 간접 밴드갭 반도체층의 가전자대 최대값 차이보다 클 것이 요구된다.
이에 관하여, 도 13 내지 도 18을 참조하며, 좀 더 상세히 설명한다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 의한 p형 간접 밴드갭 반도체층(10)과 n형 직접 밴드갭 반도체층(20)을 접합시키기 이전의 물리적 특성을 보여주는 에너지 밴드도이다.
도 13에서 X1 과 X2 는 각각 p형 간접 밴드갭 반도체층(10) 및 n형 직접 밴드갭 반도체층(20)의 전자친화도로, X1 > X2 일 것이 요구된다.
또한, Φ1 과 Φ2는 각층의 일함수(work function)이고, Vbi는 자생 전위(built-in potential)이다.
Vbi는, 도 13과 같이, 접합 전에는 페르미 레벨의 에너지 차이(EF2-EF1)로 정의된다. 이는 접합 후 평형상태에서(양측의 페르미 레벨이 같아질 때), 도 14와 같이, 자생 전위(built-in potential)로 나타나며, Vbi=Φ1-Φ2의 크기를 갖게 된다.
한편, 도 13에서 EG1은 p형 간접 밴드갭 반도체층(10)의 밴드갭 이므로, 도 3과 같이, Γ-점 이외(예컨대, X-밸리)에서의 전도대 최소값과 가전자대 최대값 사이의 에너지 차이이고, EG2는 n형 직접 밴드갭 반도체층(20)의 밴드갭 이므로 Γ-점에서의 전도대 최소값과 가전자대 최대값 사이의 에너지 차이이다.
그리고, △EC1은, 도 3과 같이, p형 간접 밴드갭 반도체층(10)의 Γ-밸리 최소값과 전도대 최소값의 차이를 말한다.
따라서, p형 간접 밴드갭 반도체층(10)과 n형 직접 밴드갭 반도체층(20) 사이에 순방향 전압(Vf)이 인가될 때, n형 직접 밴드갭 반도체층(20)으로부터 전자가 공급됨과 동시에 p형 간접 밴드갭 반도체층(10)으로부터 홀이 빠져나가지 않게 하기 위해서는 수학식 3의 조건을 만족하여야 한다.
[수학식 3]
EG2 > EG1 + △EC1
나아가, 수학식 3을 만족하면서, 도 14와 같이, n형 직접 밴드갭 반도체층(20)과 p형 간접 밴드갭 반도체층(10)의 접합에서 n형 직접 밴드갭 반도체층(20)의 전도대 최소값(EC2)과 p형 간접 밴드갭 반도체층(10)의 전도대 최소값(EC1)의 차이(△EC)는 p형 간접 밴드갭 반도체층(10)의 Γ-밸리 최소값과 전도대 최소값의 차이(△EC1) 보다 크거나 같고(△EC≥△EC1), n형 직접 밴드갭 반도체층(20)의 가전자대 최대값(EV2)과 p형 간접 밴드갭 반도체층(10)의 가전자대 최대값(EV1)의 차이 (△EV)는 0보다 작을 것(△EV<0)이 요구된다.
도 14는 도 13에 의한 p형 간접 밴드갭 반도체층(10)과 n형 직접 밴드갭 반도체층(20)을 이종접합시킨 후 외부에서 전압을 인가하지 않은 평형상태에서의 에너지 밴드도이고, 도 15는 도 14에서 순방향 전압(Vf)을 인가한 상태의 에너지 밴드도이다.
따라서, 본 실시예에 의한 전기발광소자는 외부에서 전압을 인가하지 않은 상태(OFF 상태)에서는, 도 14와 같이, p형 간접 밴드갭 반도체층(10)의 Γ-밸리로 전자가 공급되지 않아 빛이 나오지 않게 된다.
그러나, 소정의 순방향 전압(Vf)을 인가해주게 되면, 도 15와 같이, 에너지 밴드가 이동되어, 즉 양측의 페르미 레벨이 qVf 만큼 시프트 된다. 그 결과, n형 직접 밴드갭 반도체층(20)의 전도대 최소값(EC2)이 p형 간접 밴드갭 반도체층(10)의 전도대 최소값(EC1)에 △EC1를 더한 에너지 레벨까지 올라가게 되어, 즉, E-k 다이어그램 상에서 n형 직접 밴드갭 반도체층(20)의 전도대 Γ-밸리가 올라가 p형 간접 밴드갭 반도체층(10)의 전도대 Γ-밸리 위에서 형성되어, Γ-밸리 대 Γ-밸리로의 전자의 이동이 용이하게 하는 한편, p형 간접 밴드갭 반도체층(10)의 가전자대 최대값(EV1)에 모여 있는 홀들은 순방향 전압 인가로 p형 간접 밴드갭 반도체층(10)의 가전자대 최대값(EV1)이 내려오더라도, 수학식 3의 조건에 의하여, n형 직접 밴드갭 반도체층(20)의 가전자대 최대값(EV2) 이하로 내려오지 않게 되므로, n형 직접 밴드갭 반도체층(20)으로 빠져나가지 않게 된다.
결국, 본 실시예에 의한 전기발광소자에 소정의 순방향 전압(Vf)을 인가하여 n형 직접 밴드갭 반도체층(20)의 전도대 최소값(EC2)이 p형 간접 밴드갭 반도체층의 전도대(10)의 전도대 최소값(EC1)에 △EC1를 더한 에너지 레벨까지 올라갈 수 있도록 해주면, p형 간접 밴드갭 반도체층(10)은 n형 직접 밴드갭 반도체층(20)으로부터 Γ-밸리 대 Γ-밸리로 전자들을 공급받아 가전자대 최대값(EV1)에 모여 있는 홀들과 재결합되며 빛을 내게 된다. 즉, 온(ON) 상태로 된다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 의한 p형 간접 밴드갭 반도체층(15)/진성 반도체층(30)/n형 직접 밴드갭 반도체층(21)을 이종접합시킨 후 외부에서 전압을 인가하지 않은 평형상태에서의 에너지 밴드도이다.
그리고, 도 17은 도 16에서 순방향 전압(Vf)을 인가한 상태의 에너지 밴드도이고, 도 18은 도 17의 도면부호 100 부분을 E(에너지)-k(운동량)-x(위치) 3차원으로 표현한 에너지 밴드도이다.
여기서, 상기 진성 반도체층(30)는 불순물이 도핑되지 않은 물질층으로, 상기 직접 밴드갭 반도체층(21)과 동일한 조성을 갖도록 하여, 도 16과 같이, 동일한 직접 밴드갭으로 그 밴드갭이 서로 같도록 함이 바람직하다.
이와 같이, 상기 진성 반도체층(30)이 상기 직접 밴드갭 반도체층(21)과 동일한 물질층일 경우에는, 수학식 3의 조건이 동일하게 요구된다.
그리고, 상기 p형 간접 밴드갭 반도체층(15) 및 상기 n형 직접 밴드갭 반도체층(21)은 각각 도 14에 의한 pn 접합형 실시예보다 불순물 도핑농도를 높여 p+, n+로 형성함이 바람직하다.
이렇게 되면, 양측에서 페르미 레벨(EF)이, 도 16과 같이, 전도대 최소값(EC2)과 겹치거나 가전자대 최대값(EV1) 근방에 위치하게 되어, n형 직접 밴드갭 반도체층(21)의 전도대 Γ-밸리에는 보다 많은 전자들이 모이게 되고, p형 간접 밴드갭 반도체층(15)의 가전자대 최대값에는 보다 많은 홀들이 모이게 된다.
이때, 순방향 전압(Vf)을 인가해주게 되면, 도 17과 같이, 에너지 밴드가 이동되어, n형 직접 밴드갭 반도체층(21)의 전도대 Γ-밸리에 모인 전자들은 진성 반도체층(30)의 전도대 Γ-밸리를 통과하면서, 도 18과 같이, 전자수로(150)를 더욱 크게 형성하여, p형 간접 밴드갭 반도체층(15)의 전도대 Γ-밸리로 이동하게 된다.
한편, p형 간접 밴드갭 반도체층(15)의 가전자대 최대값(EV1)에 모여 있는 많은 홀들은 순방향 전압 인가로 p형 간접 밴드갭 반도체층(15)의 가전자대 최대값(EV1)이 내려오더라도, 수학식 3의 조건에 의하여, 진성 반도체층(30)의 가전자대 최대값(EV3) 이하로 내려오지 않게 되므로, 진성 반도체층(30)을 통하여 n형 직접 밴드갭 반도체층(21)으로 빠져나가지 않게 된다.
그 결과, p형 간접 밴드갭 반도체층(15)의 전도대 Γ-밸리로 이동된 보다 많은 전자들이 p형 간접 밴드갭 반도체층(15)의 가전자대 최대값(EV1)에 모여 있는 많은 홀들과 재결합되면서 보다 많은 빛을 내게 되므로, 전기발광소자의 효율을 높일 수 있게 된다.
도 18은 도 17의 도면부호 100 부분을 확대하여 E(에너지)-k(운동량)-x(위치) 3차원으로 표현한 에너지 밴드도이다.
도 17에서 도시된 진한 실선(140)은 n형 직접 밴드갭 반도체층(21)의 전도대 최소값(EC2), 진성 반도체층(30)의 전도대 최소값(EC3) 및 p형 간접 밴드갭 반도체층(15)의 전도대 Γ-밸리 최소값을 연결한 것인데, 이것은 도 18에서 각 영역의 에너지 밴드 곡면(110, 120)과 E-x 평면(k=0, 130)이 만나는 선(140)으로 나타난다.
따라서, 본 실시예에 의해서도 각 영역의 전도대 Γ-밸리를 연결시켜 전자 이송을 위한 전자수로(150)를 형성할 수 있음을 알 수 있다.
이하에서는, 첨부된 도 6 내지 12를 참조하며 본 발명의 기술적 사상을 구현할 보다 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
도 6은 간접 밴드갭을 갖는 p형 반도체 기판 자체를 p형 간접 밴드갭 반도체층(10)으로 이용할 수 있는 실시예를 보여준다. n형 직접 밴드갭 반도체층(20)은 기판상에 이종접합으로 형성되어 소정의 패턴으로 식각된다.
이와 같이 구성된 p형 간접 밴드갭 반도체층(10)과 n형 직접 밴드갭 반도체층(20) 양측에, 도 6과 같이, 순방향 전합(Vf)을 인가하게 되면, 상술한 도 15의 메커니즘에 의하여, p형 간접 밴드갭 반도체층(10)인 기판에서 빛(hυ)을 내게 된다.
본 실시예로 채택될 수 있는 p형 간접 밴드갭 반도체층(10)의 구체적 물질은 널리 반도체 기판으로 사용되고 있는 단결정 실리콘(Si) 또는 게르마늄(Ge)일 수 있다.
도 19 및 도 20은 각각 상온(300K)에서 얻은 실리콘(Si)의 E-k 다이어그램과 게르마늄(Ge)의 E-k 다이어그램을 보여준다.
도 19에 의하면, 실리콘은 전도대(Ec) 최소값이 <100> 방향에 형성된 X-밸리에 있고 그 간접 밴드갭은 1.12eV 이며, Γ-점에서 전도대의 국지적 최소값을 갖는 Γ-밸리가 2군데 형성됨을 알 수 있다. 외부에서 공급받은 전자는 2개의 Γ-밸리 중에 아래부터 차게 되고, 아래 Γ-밸리에 있던 전자들이 가전자대 최대값에 모여있는 홀들과 결합하며 빛을 내게 된다. 따라서, 본 실시예에 의하여 실리콘에서 나오는 빛은 EΓ1=3.4eV에 해당되는 파장을 내게 된다(수학식 1 참조).
본 실시예에서 실리콘을 p형 간접 밴드갭 반도체층(10)으로 사용하여 상기와 같이 EΓ1=3.4eV에 해당되는 파장의 빛을 내기 위해서는 수학식 3에 의거 n형 직접 밴드갭 반도체층(20)은 EΓ1=3.4eV 보다 큰 직접 밴드갭을 갖는 물질층을 선택하여야 한다.
도 21 내지 도 23은 Γ-밸리에서 전도대 최소값을 갖는 직접 밴드갭 반도체를 예시적으로 보여주고 있는데, 이 중에서 실리콘을 p형 간접 밴드갭 반도체층(10)으로 선택할 경우, 수학식 3의 조건을 만족할 수 있는 직접 밴드갭 반도체는 도 21의 E-k 다이어그램 상에서 밴드갭이 6.2eV로 보여주는 질화알루미늄(AlN)이므로, 이를 n형 직접 밴드갭 반도체층(20)으로 형성할 수 있다.
한편, p형 간접 밴드갭 반도체층(10)을 게르마늄(Ge) 기판으로 형성하게 되면, 도 20에서 확인되듯이, 게르마늄(Ge)은 E-k 다이어그램에서 2개의 Γ-밸리가 생기고, 이 중 아래 Γ-밸리에 의한 밴드갭은 EΓ1=0.8eV이므로, 이보다 큰 직접 밴드갭을 갖는 물질층을 n형 직접 밴드갭 반도체층(20)으로 형성하여야 한다.
도 21 내지 도 23에 예시된 직접 밴드갭 반도체의 밴드갭은 모두 게르마늄(Ge)의 첫 번째 Γ-밸리에 의한 밴드갭 0.8eV보다 크므로, 이들 중 어느 것을 선택하더라도 n형 직접 밴드갭 반도체층(20)을 형성할 수 있다.
그러나, n형 직접 밴드갭 반도체층(20)은 p형 간접 밴드갭 반도체층(10) 상에서 에피택시 등으로 성장시켜야 하므로, 격자 상수가 비슷한 물질을 선택하는 것이 바람직하다.
p형 간접 밴드갭 반도체층(10)과 n형 직접 밴드갭 반도체층(20)의 이종접합면에 트랩(trap) 등이 생겨 Γ-밸리에서 Γ-밸리로 이송되는 전자가 손실되는 것을 최대한 방지하기 위해서는 양 물질층 간의 격자상수는 1% 이내 오차를 갖도록 함이 더욱 바람직하다.
따라서, 게르마늄(Ge)의 격자상수와 비소화갈륨(GaAs)의 격자상수가 5.65Å으로 같음을 고려하여, 비소화갈륨(GaAs)으로 n형 직접 밴드갭 반도체층(20)을 형성함이 바람직하다.
또한, 비소화갈륨(GaAs)은, 도 24에서 확인되듯이, 갈륨(Ga)에 알루미늄(Al)을 추가하며 알루미늄-갈륨-비소 합금(AlxGa1 - xAs)을 형성할 때, 알루미늄 성분의 함량(x)에 따라 Γ-밸리, L-밸리 및 X-밸리의 에너지(E)에 변화를 줄 수 있다. 즉, 알루미늄(Al)의 조성비를 약 40% 까지 올릴 때까지 Γ-밸리가 전도대 최소값을 가져 직접 밴드갭 물질로 남아 있으면서, 밴드갭 크기를 약 1.9eV 까지 키울 수 있다.
따라서, n형 직접 밴드갭 반도체층(20)은 알루미늄-갈륨-비소 합금(AlxGa1 -xAs)으로 형성하며, 알루미늄(Al)의 조성비를 적절히 조절하면, 순방향 전압 인가에 의한 온 동작시 p형 간접 밴드갭 반도체층(10)에서 홀을 잡아 놓을 수 있는 여유 즉, 동작 마진을 높일 수 있는 장점이 있다.
도 7은 간접 밴드갭을 갖는 p형 반도체 기판을 식각하거나 간접 밴드갭을 갖는 p형 반도체 기판(11)상에 에피택시로 성장시켜 p형 간접 밴드갭 반도체층(10)을 형성한 실시예를 보여준다. 이때, p형 에피택시층(10)은 간접 밴드갭을 갖는 물질로 조성을 바꾸어가며 2층 이상으로도 형성할 수 있다.
n형 직접 밴드갭 반도체층(20)은 p형 간접 밴드갭 반도체층(10) 상에 이종접합으로 형성된다.
각 층의 설명은 도 6에 따른 실시예에서 설명된 내용과 동일하므로, 반복된 설명은 생략한다.
도 8은 도 7에 따른 실시예에서 p형 간접 밴드갭 반도체층(10) 및 n형 직접 밴드갭 반도체층(20)의 전기적 연결시 컨택 저항을 줄이기 위해 기판(11)에 고농도의 p+ 컨택부(12)와 n형 직접 밴드갭 반도체층(20) 상에 고농도의 n+ 컨택부(22)를 각각 더 형성하고, 각 컨택부에 전기적 컨택(14)(24)이 됨을 보여준다.
여기서, 고농도라 함은 p형 반도체 기판의 불순물 농도보다 높은 것을 말한다.
n+ 컨택부(22)를 통하여 p형 간접 밴드갭 반도체층(10)에서 발생한 빛이 나오게 되므로, 투명전극(미도시)을 통하여 상부 컨택(24)이 되도록 함이 바람직하다.
도 9는 도 8의 실시예에서 p+ 컨택부(12)가 p형 간접 밴드갭 반도체층(10) 주변을 둘러싸며 형성될 수도 있으나, 도면부호 16과 같이, p형 간접 밴드갭 반도체층(10) 하부 전면으로 확장 형성될 수 있음을 보여준다. 이때, 반도체 기판(13)은 p형 일수도 있으나, 이웃 소자와의 절연을 위해서는 n형 기판 또는 n형 웰(well)로 형성함이 바람직하다.
도 10은 간접 밴드갭을 갖는 반도체 기판(13)에 p형 간접 밴드갭 반도체층(15)/진성 반도체층(30)/n형 직접 밴드갭 반도체층(21)을 순차 형성한 것을 특징으로 하는 실시예를 보여준다.
여기서, p형 간접 밴드갭 반도체층(15)과 n형 직접 밴드갭 반도체층(21)은 도 8의 실시예에서 p+ 컨택부(12) 및 n+ 컨택부(22)와 각각 동일한 수준의 고농도로 도핑된 것이 바람직하다.
그리고, 진성 반도체층(30)은 불순물이 도핑되지 않은 반도체층이나, n형 직접 밴드갭 반도체층(21)과 동일한 조성을 갖는 물질층으로, n형 직접 밴드갭 반도체층(21)과 동일한 직접 밴드갭의 크기를 갖는 것이 바람직하다.
도 10에 따른 실시예의 각 층의 설명도 도 6, 도 8 및 도 9에 따른 실시예에서 설명된 내용과 동일하므로, 반복된 설명은 생략한다. 다만, 도 10에서 n+ 컨택부(22)는 투명전극 또는 n형 직접 밴드갭 반도체층(21)을 보호하기 위한 클래드층(cladding layer)일 수도 있다.
도 10의 구조를 갖는 구체적 실시예로, p형 간접 밴드갭 반도체층(15)은 기판과 동일한 게르마늄(Ge)으로 형성하고, 진성 반도체층(30) 및 n형 직접 밴드갭 반도체층(21)은 게르마늄(Ge)과 격자상수가 유사한 알루미늄-갈륨-비소 합금(AlxGa1 - xAs)으로 형성함이 알루미늄의 조성비(x)의 조절로 동작 마진을 높일 수 있어 바람직하다.
그리고, 도 10에 따른 실시예는 도 16 내지 도 18에 도시된 에너지 밴드도로 동작관계가 설명될 수 있는데, 이에 대해서도 도 16 내지 도 18에 따른 실시예로 앞에서 충분히 설명하였으므로, 중복되는 설명은 생략한다.
도 11은 도 9에 따른 실시예와 동일한데, 다만 p형 간접 밴드갭 반도체층(10)의 전기적 컨택(14)이 반도체 기판(18) 후면에서 이루어질 수 있음을 보여준다.
도 12는 도 10에 따른 실시예와 동일한데, 다만 p형 간접 밴드갭 반도체층(15)의 전기적 컨택(14)이 p형 간접 밴드갭 반도체층(15)과 일체로 형성된 반도체 기판 후면에서 이루어질 수 있음을 보여준다.
도 11과 도 12에 따른 실시예로 구현함으로써, 용이하게 광 개구 면적을 넓힐 수 있는 장점이 있다.
도 6 내지 도 12에 따른 실시예에서, n형 직접 밴드갭 반도체층(20)(21)은 전도대 최소값이 Γ-점에 있거나, 간접 밴드갭 반도체층(10)(15)의 Γ-밸리를 벗어나지 않는 k 상에 있도록 하기 위하여, 수학식 3을 만족하기 위한 직접 밴드갭을 조절하기 위하여, 또는 간접 밴드갭 반도체층(10)(15)의 격자상수와 매칭시키기 위하여 2개 이상의 층으로 형성되거나, 인장 혹은 압축으로 격자 상수에 변화를 주면서 형성될 수 있다.
또한, 도 6 내지 도 12에 따른 실시예에서, 간접 밴드갭 반도체층(10)(15) 상에 직접 밴드갭 반도체층(20)(21)을 수직하게 형성한 수직구조를 보여주고 있으나, 이에 한정되지 않고 간접 밴드갭 반도체층의 일측면으로 수평하게 직접 밴드갭 반도체층을 이종접합시킨 수평구조로 형성할 수도 있다. 예컨대, 간접 밴드갭 반도체층으로 된 기판을 식각하여 계단형상의 단차를 주고, 계단 측면으로 직접 밴드갭 반도체층을 에피택시로 성장시켜 기판의 계단 측면으로 빛이 나오게 구현할 수도 있다.
따라서, 간접 밴드갭 반도체층을 발광층으로 하며, 이에 이종접합된 직접 밴드갭 반도체층을 전자공급수단으로 하는 것이라면, 어떤 구조로도 구현 가능하므로, 첨부된 특허청구범위의 해석에도 이를 고려하여야 한다.
그리고, 상기에서 설명한 간접 밴드갭 반도체층은 Si, Ge, SiC, AlP, AlAs, AlSb, GaP, PbS, PbSe, PbTe 및 이들에 3족 또는 5족의 새로운 원소가 하나 이상 결합된 화합물(합금) 중에서 선택되어 형성될 수 있으며, 나아가 반도체로 통상 분류되지 않더라도 E-k 다이어그램에서 Γ-점에 전도대의 국지적 최소값을 갖는 Γ-밸리가 하나 이상 형성되는 물질이면 모두 이에 이용될 수 있다.
또한, 상기에서 설명한 직접 밴드갭 반도체층은 AlN, InP, GaAs, GaN, GaSb, InAs, InSb, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe 및 이들에 3족 또는 5족의 새로운 원소가 하나 이상 결합된 화합물(합금) 중에서 선택되어 형성될 수 있으며, 나아가 반도체로 통상 분류되지 않더라도 E-k 다이어그램에서 Γ-점에 전도대 최소값을 갖는 물질이면 모두 이에 이용될 수 있다.
따라서, 본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에 기재된 "간접 밴드갭 반도체층" 및 "직접 밴드갭 반도체층"의 용어는 상기에서 언급한 물질을 포함한 모든 해당 물질을 가리키는 것으로 해석되어야 한다.
10, 15: 간접 밴드갭 반도체층
11, 13: 반도체 기판
12, 16, 18: 간접 밴드갭 반도체층의 컨택부
14: 간접 밴드갭 반도체층의 컨택
20, 21: 직접 밴드갭 반도체층
22: 직접 밴드갭 반도체층의 컨택부
24: 직접 밴드갭 반도체층의 컨택
100: 직접 밴드갭을 갖는 반도체층의 전도대(EC3) Γ-밸리와 간접 밴드갭을 갖는 반도체층의 전도대(EC1) Γ-밸리의 접합부분
110: 간접 밴드갭을 갖는 반도체층의 에너지 밴드 곡면
120: 직접 밴드갭을 갖는 반도체층의 에너지 밴드 곡면
130: k=0에서의 E-x 평면
140: 각 영역의 Γ-밸리 최소값 연결선
150: 전자수로

Claims (15)

  1. E-k 다이어그램에서 Γ-점에 전도대의 국지적 최소값을 갖는 Γ-밸리가 하나 이상 형성되는 간접 밴드갭 반도체층; 및
    상기 간접 밴드갭 반도체층에 이종접합으로 형성되어 상기 간접 밴드갭 반도체층의 Γ-밸리로 전자를 공급하는 직접 밴드갭 반도체층을 포함하여 구성되되,
    상기 간접 밴드갭 반도체층은 p형 불순물로 도핑되어 홀을 공급하여 상기 직접 밴드갭 반도체층을 통해 공급된 전자와 재결합하는 발광층으로 사용되고,
    상기 직접 밴드갭 반도체층은 n형 불순물로 도핑된 것을 특징으로 하는 전기발광소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 직접 밴드갭 반도체층은 밴드갭이 상기 간접 밴드갭 반도체층의 Γ-밸리 최소값과 상기 간접 밴드갭 반도체층의 가전자대 최대값 차이보다 큰 것을 특징으로 하는 전기발광소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 직접 밴드갭 반도체층은 전도대 최소값이 상기 간접 밴드갭 반도체층의 Γ-밸리 최소값보다 크거나 같고, 가전자대 최대값이 상기 간접 밴드갭 반도체층의 가전자대 최대값보다 작은 것을 특징으로 하는 전기발광소자.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 직접 밴드갭 반도체층은 전도대 최소값이 Γ-점에 있는 것을 특징으로 하는 전기발광소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 직접 밴드갭 반도체층은 2개 이상의 층으로 형성된 것을 특징으로 하는 전기발광소자.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 직접 밴드갭 반도체층은 인장 혹은 압축을 가하여 격자 상수에 변화를 준 것을 특징으로 하는 전기발광소자.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 간접 밴드갭 반도체층 및 상기 직접 밴드갭 반도체층에는 각각 외부 전원을 인가하기 위한 컨택부가 더 형성되고,
    상기 컨택부를 통하여 외부 전원이 인가될 때 상기 직접 밴드갭 반도체층의 전도대 Γ-밸리에서 상기 간접 밴드갭 반도체층의 전도대 Γ-밸리로 전자가 이동되어 상기 간접 밴드갭 반도체층의 가전자대 최고값에 위치하는 홀과 결합하며 빛을 내는 것을 특징으로 하는 전기발광소자.
  8. 삭제
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 간접 밴드갭 반도체층은 간접 밴드갭을 갖는 반도체 기판 자체에 형성되거나, 간접 밴드갭을 갖는 반도체 기판을 식각하여 형성된 것을 특징으로 하는 전기발광소자.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 간접 밴드갭 반도체층은 간접 밴드갭을 갖는 반도체 기판상에 에피택시로 성장시킨 것을 특징으로 하는 전기발광소자.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 상기 간접 밴드갭 반도체층과 동일한 반도체로 p형 불순물로 도핑된 기판이고,
    상기 간접 밴드갭 반도체층 및 상기 직접 밴드갭 반도체층은 상기 기판보다 고농도로 도핑된 것을 특징으로 하는 전기발광소자.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 간접 밴드갭 반도체층과 상기 직접 밴드갭 반도체층 사이에는 불순물이 도핑되지 않은 진성 반도체층이 더 형성된 것을 특징으로 하는 전기발광소자.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 진성 반도체층은 상기 직접 밴드갭 반도체층과 동일한 조성을 갖는 물질층인 것을 특징으로 하는 전기발광소자.
  14. 제 7 항에 있어서,
    상기 직접 밴드갭 반도체층은 격자 상수가 상기 간접 밴드갭 반도체층의 격자 상수와 1% 이내의 오차를 갖는 것을 특징으로 하는 전기발광소자.
  15. 제 7 항에 있어서,
    상기 간접 밴드갭 반도체층은 간접 밴드갭을 갖는 반도체 기판상에 일체로 형성되고,
    상기 반도체 기판에 상기 간접 밴드갭 반도체층의 컨택부가 형성된 것을 특징으로 하는 전기발광소자.
KR1020110141745A 2011-12-23 2011-12-23 간접 밴드갭 반도체를 이용한 전기발광소자 Active KR101265178B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110141745A KR101265178B1 (ko) 2011-12-23 2011-12-23 간접 밴드갭 반도체를 이용한 전기발광소자
US13/723,857 US9281440B2 (en) 2011-12-23 2012-12-21 Electroluminescence device using indirect bandgap semiconductor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110141745A KR101265178B1 (ko) 2011-12-23 2011-12-23 간접 밴드갭 반도체를 이용한 전기발광소자

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101265178B1 true KR101265178B1 (ko) 2013-05-15

Family

ID=48653651

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110141745A Active KR101265178B1 (ko) 2011-12-23 2011-12-23 간접 밴드갭 반도체를 이용한 전기발광소자

Country Status (2)

Country Link
US (1) US9281440B2 (ko)
KR (1) KR101265178B1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101437926B1 (ko) * 2013-02-26 2014-09-11 서울대학교산학협력단 게르마늄 전기발광소자 및 그 제조방법
WO2015194782A1 (ko) * 2014-06-16 2015-12-23 고려대학교 산학협력단 간접 밴드갭 반도체 전기발광소자 및 이의 제조방법

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160056065A1 (en) * 2014-08-25 2016-02-25 Robert E. Stahlbush Method and apparatus for removing experimental artifacts from ensemble images
US20210098651A1 (en) * 2018-03-12 2021-04-01 Institute Of Semiconductors, Chinese Academy Of Sciences Silicon-based direct bandgap light-emitting material and preparation method thereof, and on-chip light-emitting device
WO2020081441A1 (en) * 2018-10-15 2020-04-23 Arizona Board Of Regents On Behalf Of Arizona State University True hot-carrier solar cell and hot-carrier transfer
CN114520270B (zh) * 2020-11-20 2024-07-05 苏州华太电子技术股份有限公司 一种间接带隙半导体光电探测器件及其制作方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011155024A (ja) 2008-04-10 2011-08-11 Mitsuteru Kimura テラヘルツ波放射素子及びこれを用いたテラヘルツ波放射装置

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69202554T2 (de) * 1991-12-25 1995-10-19 Nippon Electric Co Tunneltransistor und dessen Herstellungsverfahren.
US5917195A (en) 1995-02-17 1999-06-29 B.A. Painter, Iii Phonon resonator and method for its production
DE19542241C2 (de) * 1995-11-13 2003-01-09 Siemens Ag Optoelektronisches Bauelement in II-VI-Halbleitermaterial
WO1997047159A1 (en) * 1996-06-03 1997-12-11 Kanagawa Prefectural Government Process for producing infrared emitting device and infrared emitting device produced by the process
US20060175601A1 (en) * 2000-08-22 2006-08-10 President And Fellows Of Harvard College Nanoscale wires and related devices
AU2003261205A1 (en) * 2002-07-19 2004-02-09 President And Fellows Of Harvard College Nanoscale coherent optical components
KR101319512B1 (ko) 2005-05-02 2013-10-21 니치아 카가쿠 고교 가부시키가이샤 질화물계 반도체 소자 및 그 제조방법
US8222657B2 (en) * 2009-02-23 2012-07-17 The Penn State Research Foundation Light emitting apparatus
US8395141B2 (en) * 2009-07-06 2013-03-12 University Of Seoul Industry Cooperation Foundation Compound semiconductors
US8304272B2 (en) * 2010-07-02 2012-11-06 International Business Machines Corporation Germanium photodetector

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011155024A (ja) 2008-04-10 2011-08-11 Mitsuteru Kimura テラヘルツ波放射素子及びこれを用いたテラヘルツ波放射装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101437926B1 (ko) * 2013-02-26 2014-09-11 서울대학교산학협력단 게르마늄 전기발광소자 및 그 제조방법
WO2015194782A1 (ko) * 2014-06-16 2015-12-23 고려대학교 산학협력단 간접 밴드갭 반도체 전기발광소자 및 이의 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
US9281440B2 (en) 2016-03-08
US20130161653A1 (en) 2013-06-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7737451B2 (en) High efficiency LED with tunnel junction layer
US8692301B2 (en) Nanostructured photodiode
JP5940069B2 (ja) 発光するナノワイヤー系光電子デバイス
US8330174B2 (en) LED having current spreading layer
US6943381B2 (en) III-nitride light-emitting devices with improved high-current efficiency
KR101265178B1 (ko) 간접 밴드갭 반도체를 이용한 전기발광소자
JP2010532926A (ja) 放射線放出半導体ボディ
KR20070068303A (ko) Ｌｅｄ 구조
KR102587949B1 (ko) 질화물 기반의 발광 장치에서 정공 주입을 위한 이종 터널링 접합
Chang et al. Numerical study on the influence of piezoelectric polarization on the performance of p-on-n (0001)-face GaN/InGaN pin solar cells
KR100542720B1 (ko) GaN계 접합 구조
US7456423B2 (en) Quantum dot optoelectronic device having an Sb-containing overgrown layer
US8507929B2 (en) Semiconductor light emitting device including graded region
JP3486193B2 (ja) 光電半導体素子
US10529890B2 (en) Light emitting diode having improved quantum efficiency at low injection current
KR101369155B1 (ko) 반도체 발광 디바이스
US7202411B1 (en) Photovoltaic and thermophotovoltaic devices with quantum barriers
WO2011163186A1 (en) Engineering emission wavelengths in laser and light emitting devices
RU2306634C1 (ru) Полупроводниковая светоизлучающая гетероструктура
KR20160027644A (ko) 발광소자 및 조명시스템
RU2701873C1 (ru) Полупроводниковая структура многопереходного фотопреобразователя
Kawamura et al. Bistability of electroluminescence in In0. 52Al0. 48As/AlAs0. 56Sb0. 44 type II multiple quantum well diodes
RU2370857C1 (ru) Полупроводниковая светоизлучающая гетероструктура
Montgomery et al. Proposal of ZnSe/GaAs digital alloys for high band gap solar cells and true green LEDs
JPH04273481A (ja) 発光ダイオード

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
PA0109 Patent application

Patent event code: PA01091R01D

Comment text: Patent Application

Patent event date: 20111223

PA0201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event date: 20121126

Patent event code: PE09021S01D

E701 Decision to grant or registration of patent right
PE0701 Decision of registration

Patent event code: PE07011S01D

Comment text: Decision to Grant Registration

Patent event date: 20130423

GRNT Written decision to grant
PR0701 Registration of establishment

Comment text: Registration of Establishment

Patent event date: 20130506

Patent event code: PR07011E01D

PR1002 Payment of registration fee

Payment date: 20130506

End annual number: 3

Start annual number: 1

PG1601 Publication of registration
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160128

Year of fee payment: 4

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20160128

Start annual number: 4

End annual number: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170421

Year of fee payment: 5

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20170421

Start annual number: 5

End annual number: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180425

Year of fee payment: 6

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20180425

Start annual number: 6

End annual number: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190902

Year of fee payment: 7

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20190902

Start annual number: 7

End annual number: 7

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20200513

Start annual number: 8

End annual number: 8

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20210701

Start annual number: 9

End annual number: 9

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20220706

Start annual number: 10

End annual number: 10

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20230424

Start annual number: 11

End annual number: 11

PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20240424

Start annual number: 12

End annual number: 12