KR102572289B1 - 3차원 발광 다이오드를 갖는 광전자 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광전자 장치(10)에 관한 것으로, 광전자 장치(10)는
제1 화학 원소와 제2 화학 원소로 주로 이루어져 있는 3차원 반도체 구성요소(20)와,
상기 3차원 반도체 구성요소(20)의 측벽을 적어도 부분적으로 덮고 있으며, 상기 제1 및 제2 화학 원소로 주로 이루어져 있는 적어도 제1 층과, 상기 제1 및 제2 화학 원소 및 제3 화학 원소로 주로 이루어져 있는 적어도 제2 층의 적층을 포함하는 활성 영역(24)과,
활성 영역을 덮고 있는 제3 층(26)으로서, 상기 제3 층은 제1, 제2 및 제3 화학 원소와 제4 화학 원소로 주로 이루어져 있으며, 상기 제3 층의 제3 및 제4 화학 원소의 질량 비율이, 상기 기판(12)까지의 거리가 증가함에 따라서 증가하거나 또는 감소하는 제3 층(26)과,
상기 제1 및 제2 화학 원소로 주로 이루어져 있으며, 상기 제3 층(26)을 덮고 있는 제4 층(28)
을 포함한다.

Description

3차원 발광 다이오드를 갖는 광전자 장치
본 특허 출원은 본 명세서의 필수 부분으로서 고려되는 프랑스 특허 출원 FR17/63316호를 우선권으로 주장한다.
본 출원은 일반적으로 반도체 물질로 구성된 3차원 발광 다이오드를 구비하는 광전자 장치에 관한 것이다.
화상의 픽셀은 광전자 장치에 의하여 표시되는 화상의 단위 요소에 해당한다. 컬러 화상의 표시를 위하여, 광전자 장치는 일반적으로, 화상의 각 픽셀의 표시에 대하여, 적어도 3개의 구성요소를 구비하는데, 3개의 구성요소는, 서브-픽셀이라고도 하며, 각각은 실질적으로 단일 색(예를 들어, 적색, 녹색 및 청색)으로 광 방사선을 방출한다. 3개의 표시 서브-픽셀에 의하여 방출된 방사선의 중첩은, 관찰자에게, 표시된 화상의 픽셀에 대응하는 색감을 제공한다. 이 경우에, 화상의 한 픽셀을 표시하기 위하여 사용되는 3개의 표시 서브-픽셀에 의하여 형성된 조립체를 광전자 장치의 표시 픽셀이라고 한다.
3차원 발광 다이오드(또는 LED)를 형성할 수 있게 하는 3차원 반도체 구성요소를 구비하는 광전자 장치가 존재한다. 각 발광 다이오드는 3차원 반도체 구성요소의 측벽을 덮고 있는 활성 영역을 구비한다. 활성 영역은 발광 다이오드에 의하여 방출된 방사선의 대부분을 방출하는 발광 다이오드의 영역이다. 활성 영역은 전자 차단층(EBL)으로 덮여 있다. EBL의 제조 시에, 어떤 원소들의 함유량이 EBL 상에서 비-균일일 수 있다. 유사하게, 활성 영역은 정공 차단층(HBL)을 덮을 수 있으며, 어떤 원소들의 함유량이 HBL 상에서 비-균일일 수 있다. 이것은 활성 영역으로 공급하는 전류의 비-균일 분포를 발생시킬 수 있다. 따라서, 활성 영역에 의하여 방출된 방사선의 강도가 활성 영역 상에서 비-균일할 수 있으며, 발광 다이오드의 효율이 최적이 아닐 수 있다.
따라서, 일 실시형태의 목적은 앞에서 기재된 광전자 장치의 단점을 적어도 부분적으로 극복하는 것이다.
따라서, 일 실시형태는,
기판과,
제1 화학 원소와 제2 화학 원소로 주로 이루어져 있으며, 기판 상에 놓여 있는 3차원 반도체 구성요소와,
3차원 반도체 구성요소의 측벽을 적어도 부분적으로 덮고 있으며, 제1 및 제2 화학 원소로 주로 이루어져 있는 적어도 제1 층과, 제1 및 제2 화학 원소 및 제3 화학 원소로 주로 이루어져 있는 적어도 제2 층의 적층을 구비하는 활성 영역과,
활성 영역을 덮고 있는 제3 층으로서, 제1, 제2 및 제3 화학 원소와 제4 화학 원소로 주로 이루어져 있으며, 제3 층의 제3 및 제4 화학 원소의 질량 비율이, 기판까지의 거리가 증가함에 따라서 증가하거나 또는 감소하는 제3 층과,
제1 및 제2 화학 원소로 주로 이루어져 있으며, 제3 층을 덮고 있는 제4 층
을 구비하는 광전자 장치를 제공한다.
일 실시형태에 따르면, 활성 영역은 전자기 방사선을 방출할 수 있으며 제3 층은 전하운반체 차단층이다.
일 실시형태에 따르면, 제3 층의 제3 화학 원소의 함유량은 0.1 내지 10% 범위에 있다.
일 실시형태에 따르면, 제3 층의 제4 화학 원소의 함유량은 10 내지 40% 범위에 있다.
일 실시형태에 따르면, 제1 화학 원소는 III-그룹 원소이다.
일 실시형태에 따르면, 제1 화학 원소는 갈륨이다.
일 실시형태에 따르면, 제2 화학 원소는 V-그룹 원소이다.
일 실시형태에 따르면, 제2 화학 원소는 질소이다.
일 실시형태에 따르면, 제3 화학 원소는 III-그룹 원소이다.
일 실시형태에 따르면, 제3 화학 원소는 인듐이다.
일 실시형태에 따르면, 제4 화학 원소는 III-그룹 원소이다.
일 실시형태에 따르면, 제4 화학 원소는 알루미늄이다.
일 실시형태에 따르면, 반도체 구성요소는 와이어 형상이다.
일 실시형태에 따르면, 반도체 구성요소는 각뿔 형상이다.
일 실시형태에 따르면, 제3 층에서의 밴드갭의 최대 변이는, 제3 화학 원소를 구비하지 않는 동일 층의 밴드갭의 최대 변이보다 작다.
일 실시형태에 따르면, 제3 층은 전자 차단층 또는 정공 차단층이다.
앞에서 언급된 특징 및 장점 그리고 그 밖의 다른 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련하여 그것으로 한정되지 않는 특정 실시형태의 이하의 설명에서 상세하게 논의될 것이다.
도 1은 3차원 발광 다이오드를 구비하는 광전자 장치의 단순화된 부분 단면도이다.
도 2는 발광 다이오드가 그 위에 형성된 기판까지의 거리에 따르는, 도 1에 도시된 발광 다이오드의 층들 중 하나의 밴드갭의 변이 커브 및 알루미늄 함유량의 변이 커브를 보여준다.
도 3은 발광 다이오드가 그 위에 형성된 기판까지의 거리에 따르는, 도 1에 도시된 발광 다이오드의 층들 중 하나의 밴드갭의 변이 커브 및 알루미늄 및 인듐의 변이 커브를 보여준다.
도 4는 발광 다이오드가 그 위에 형성된 기판까지의 거리에 따르는, 도 1에 도시된 발광 다이오드의 층들 중 하나의 밴드갭(eV)의 변이 커브(테스트에 의하여 얻어진)를 보여준다.
동일한 구성요소는 각 도면에서 동일한 참조 번호로 지정되며, 또한 각 도면은 일정한 비율로 되어 있지 않다. 명확성을 위하여, 기재된 실시형태의 이해에 유용한 단계와 구성요소만이 도시되고 설명된다. 특히, 이후에 기재된 광전자 장치를 제어하기 위한 수단은 당업자의 능력 내에 있는 것으로 설명하지 않는다.
이하의 설명에 있어서, 용어 "상부", "하부" 등과 같은 상대 위치를 한정하는 용어가 언급될 때에는, 각 도면에서 관련된 구성요소의 방향이 언급된다. 용어 "약" 및 "실질적으로"는 문제가 되는 값의 플러스 또는 마이너스 10%, 바람직하게는 플러스 또는 마이너스 5%의 허용오차를 나타내기 위하여 사용된다.
본 명세서는, 발광 다이오드의 활성 영역이 3차원 형상, 예를 들어 마이크로와이어, 나노와이어, 또는 각뿔의 형상을 갖는 반도체 구성요소 상에 형성되는 방사형의 3차원 형상을 갖는 발광 다이오드를 구비하는 광전자 장치에 관한 것이다.
용어 "마이크로와이어" 또는 "나노와이어"는 바람직한 방향을 따라서 가늘고 긴 형상, 예를 들어, 원통형, 원뿔형 또는 테이퍼드형을 가지며, 5nm 내지 2.5㎛ 범위, 바람직하게는 50nm 내지 2.5㎛ 범위에 있는, 마이너 치수라고 불리는 2개의 치수와 가장 큰 마이너 치수의 1배 이상, 바람직하게는 5배 이상, 더 바람직하게는 10배 이상인, 메이저 치수라고 불리는 제3 치수를 적어도 갖는 3차원 구조를 나타낸다. 일부 실시형태에 있어서, 마이너 치수는 약 1㎛ 이하, 바람직하게는 100nm 내지 1㎛ 범위, 더 바람직하게는 100nm 내지 800nm의 범위에 있을 수 있다. 일부 실시형태에서는, 각 마이크로와이어 또는 나노와이어의 높이는 50nm 이상, 바람직하게는 50nm 내지 50㎛의 범위, 더 바람직하게는 1㎛ 내지 10㎛의 범위에 있을 수 있다. 와이어의 베이스는 예를 들어, 타원원, 원형 또는 다각형, 특히 삼각형, 사각형, 정사각형 또는 육각형을 갖는다.
다음의 설명에 있어서, 용어 "와이어"는 "마이크로와이어" 또는 "나노와이어"를 의미하기 위하여 사용된다.
다음의 설명에서, 용어 각뿔 또는 단절각뿔은 각뿔 형상을 갖는 3차원 구조를 나타낸다. 각뿔 구조는 끝이 절단될 수 있는데, 즉 원뿔의 정부(top)가 없고 평평한 영역으로 대체되어 있다. 각뿔의 베이스는 100nm 내지 10㎛, 바람직하게는 1 내지 3㎛의 변 길이를 갖는 다각형 내에서 내접한다. 각뿔의 베이스를 형성하는 다각형은 육각형일 수 있다. 각뿔의 베이스와 정점 또는 정부 평면 사이의 각뿔의 높이는 100nm 내지 25㎛, 바람직하게는 1㎛ 내지 10㎛ 에서 변화한다.
도 1은 전자기 방사선을 방출할 수 있는 광전자 장치(10)의 단순화된 부분 단면도이다.
장치(10)는, 평행한 표면(14 및 16)을 구비하는 기판(12), 예를 들어 반도체를 구비한다. 표면(14)은 제1 바이어싱 전극(18)과 접촉한다.
반도체 구성요소들(20)(도 1에는 이들 중 하나의 구성요소가 도시됨)은 기판(12)의 표면(16)과 접촉한다. 도 1의 예에서, 각 반도체 구성요소(20)는 기판(12)으로부터 연장하는 와이어의 형태를 갖는다. 그러나, 반도체 구성요소(20)는 다른 3차원 형태를 가질 수 있다.
전기적- 절연층(22)은 기판(12)의 표면(16)을 덮고 있으며 각 와이어(20)의 하부, 즉 기판(12)에 가장 인접한 각 와이어(20)의 부분을 둘러싸고 있다.
각 와이어(20)의 상부의 측벽, 즉 절연층(22)으로 둘러싸이지 않는 부분은 활성 영역(24)으로 적어도 부분적으로 덮여 있으며, 여기서는 전체적으로 덮여 있다.
활성 영역(24)은 전자 차단층(26) 또는 EBL로 덮여 있다.
EBL(26)은 반도체층(28)과 제2 전극을 형성하는 전기적-도전층(30)으로 덮여 있다.
와이어(20), 활성 영역(24), EBL(26) 및 반도체층(28)에 의하여 형성된 조립체는 발광 다이오드를 형성한다. 전극(18)과 전극(30) 사이에 전압이 인가될 때, 광 방사가 활성 영역(24)에 의하여 방출된다. 복수의 발광 다이오드가 기판(12) 상에 형성될 때, 그들은 직렬 및/또는 병렬로 연결될 수 있으며 발광 다이오드의 조립체를 형성한다. 특히, 층(30)은 복수의 발광 다이오드의 반도체 층(28)을 덮을 수 있다. 유사하게, 층(26 및 28)은 복수의 와이어(20)의 활성 영역(24)을 덮을 수 있다. 광전자 장치의 발광 다이오드의 수는 1 내지 수 천만개까지 변화할 수 있다.
전극(18)은 기판(12)의 표면(14) 상에 연장하는 도전층에 대응할 수 있다. 전극(18)을 형성하는 물질은, 예를 들어 규화니켈(NiSi), 알루미늄(Al), 규화알루미늄(AlSi), 티타늄(Ti), 또는 규화티타늄(TiSi)이다.
기판(12)은 모노블럭 구조 또는 다른 물질로 이루어진 지지대를 덮는 층에 대응할 수 있다. 기판(12)은 바람직하게는 반도체 기판, 예를 들어 실리콘, 갈륨, 탄화규소, III-V 화합물 또는 II-VI 화합물, 예를 들어 ZnO로 이루어진 기판이다. 바람직하게는 기판(12)은 단결정 실리콘 기판이다. 바람직하게는, 이것은 마이크로일렉트로닉스에서 실현된 제조 방법과 양립할 수 있는 반도체 기판이다. 기판(12)은 SOI라고 불리는 실리콘-온-인슐레이터 형태의 다층 구조에 대응할 수 있다. 기판(12)은 짙게-도핑될 수도, 엷게-도핑될 수도, 또는 도핑되지 않을 수도 있다.
II-그룹 화학 원소의 예로는 IIA-그룹 화학 원소, 특히 베릴륨(Be) 및 마그네슘(Mg), IIB-그룹 화학 원소, 특히 아연(Zn), 카드늄(Cd), 및 수은(Hg)를 구비한다. VI-그룹 화학 원소의 예로는 VIA-그룹 화학 원소, 특히 산소(O) 및 텔루륨(Te)을 구비한다. II-VI 화합물의 예로는 ZnO, ZnMgO, CdZnO, CdZnMgO, CdHgTe, CdTe, 또는 HgTe가 있다. 일반적으로, II-VI 화합물의 화학 원소들은 다른 몰분율로 결합될 수 있다.
절연층(22)은 유전체 물질로 이루어질 수 있으며 또는 유전체층들, 예를 들어 실리콘산화물(SiO2), 실리콘질화물(SixNy, 여기서 x는 약 3이며 y는 약 4로서, 예를 들어 Si3N4), 실리콘산질화물(특히 일반식 SiOxNy, 예를 들어 Si2ON2), 하프늄산화물(HfO2), 또는 다이아몬드의 적층을 구비한다. 예로서, 절연층(22)의 두께는 1nm 내지 20㎛, 바람직하게는 5nm 내지 150nm의 범위에 있다.
각 반도체 구성요소(20)는 기판(12)의 표면(16)과 접촉한다. 변형으로서, 반도체 구성요소(20)의 성장을 조력하는 물질로 이루어진 시드층이 기판(12)과 반도체 구성요소(20) 사이에 끼워질 수 있다. 예로서, 시드층을 형성하는 물질은 화학 원소의 주기표의 컬럼 IV, V 또는 VI로부터의 전이 금속의 질화물, 탄화물 또는 붕소화물 또는 이들 화합물의 조합일 수 있다. 예로서, 시드층(16)은 알루미 질화물(AlN), 알루미늄산화물(Al2O3), 붕소(B), 붕소질화물(BN), 티타늄(Ti), 티타늄질화물(TiN), 탄탈륨(Ta), 탄탈륨질화물(TaN), 하프늄(Hf), 하프늄질화물(HfN), 니오븀(Nb), 니오븀질화물(NbN), 지르코늄(Zr), 붕소화지르코늄(ZrB2), 지르코늄질화물(ZrN), 실리콘탄화물(SiC), 탄탈륨탄소질화물(TaCN), MgxNv 형식의 마그네슘질화물(x는 약 3이고 y는 약 2로서 예를 들어 Mg3N2 형식의 마그네슘질화물)로 이루어질 수 있다. 시드층은 기판(12)과 동일한 도전형으로 도핑될 수 있다. 예를 들어 시드층은 1 내지 100 나노미터의 범위, 바람직하게는 10 내지 30 나노미터 범위의 두께를 갖는다. 변형으로서, 시드층은 기판(12)의 표면(16)에 존재하는 시드 패드로 대체될 수 있으며, 각 와이어(20)는 시드 패드 중 하나에 놓여 있다.
반도체 구성요소(20)는 제1 화학 원소 및 제2 화학 원소를 구비하는 화합물, 특히 이원소 화합물로 형성될 수 있다. 제1 화학 원소는 III-그룹 원소일 수 있다. 제2 화학 원소는 V-그룹 원소일 수 있다. 따라서 반도체 구성요소(20)는 III-V 화합물로 이루어질 수 있다.
III-그룹 화학 원소의 예로는 갈륨(Ga), 인듐(In), 또는 알루미늄(Al)을 구비한다. V-그룹 화학 원소의 예로는 질소, 인 또는 비소를 구비한다. III-N 화합물의 예로는 GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN 또는 AlInGaN이다. 일반적으로 III-V 화합물의 화학 원소는 다른 몰분율로 결합될 수 있다.
반도체 구성요소(20)는 또한 AlGaInP-형 합금으로 주로 이루어질 수 있다.
반도체 구성요소(20)는 도펀트를 구비할 수 있다. 예로서, III-V 화합물에 대하여는, 도펀트가 P-형 II-그룹 도펀트, 예를 들어, 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 카드늄(Cd), 또는 수은(Hg), P-형 IV-그룹 도펀트, 예를 들어, 탄소(C), 또는 N-형 IV-그룹 도펀트, 예를 들어 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 셀레늄(Se), 황(S), 테르븀(Tb) 또는 주석(Sn)을 구비하는 그룹으로부터 선택될 수 있다.
광전자 장치의 3차원 반도체 구성요소(20)가 와이어에 해당될 때, 각 와이어의 높이는 50nm 내지 50㎛의 범위에 있을 수 있다. 각 와이어(20)는 표면(16)에 실질적으로 수직하는 축(D)을 따라서 연장된 반도체 구조를 가질 수 있다.
광전자 장치(10)의 3차원 반도체 구성요소(20)가 각뿔에 대응할 때, 각 각뿔의 높이는 100nm 내지 25㎛의 범위에 있을 수 있다. 각 각뿔(20)은 표면(16)에 실질적으로 수직한 축을 따라서 연장된 반도체 구조를 가질 수 있다.
각 와이어(20) 또는 각 각뿔의 단면은 타원형, 원형 또는 다각형, 특히 삼각형, 사각형, 정사각형 또는 육각형의 일반적인 형상을 가질 수 있다. 두 개의 인접하는 와이어(20) 또는 각뿔의 중앙은 0.25㎛ 내지 10㎛, 바람직하게는 1.5㎛ 내지 5㎛ 만큼 떨어져 있을 수 있다. 예로서, 와이어(20) 또는 각뿔은 규칙적으로 분포될 수 있으며, 특히 육각형 망으로 분포될 수 있다.
활성 영역(24)은 단일 양자벽을 구비할 수 있다. 따라서, 활성 영역(24)은 삼원소 III-V 화합물로 주로 이루어진 층을 구비할 수 있다. 바람직하게는, 활성 영역(24)은 반도체 구성요소(20)와 관련하여 이미 기재된 제1 및 제2 화학 원소와 제1 화학 원소가 아닌 제1 화학 원소와 동일한 그룹의 제3 화학 원소를 주로 구비하는 층을 구비할 수 있다.
활성 층(24)은 다중 양자벽을 구비할 수 있다. 그러면, 이것은 양자벽과 배리어층을 교대로 형성하는 반도체층의 적층을 구비한다. 이것은 이원소 III-V 화합물로 주로 이루어진 층과 삼원소 III-V로 주로 이루어진 층을 교대로 하여 형성될 수 있다. 바람직하게는 활성 영역은 제1 화학 원소와 제2 화학 원소를 주로 구비하는 층과 제1, 제2 및 제3 화학 원소를 주로 구비하는 층을 교대로 구비한다.
반도체층(28)은 반도체 구성요소(20)와 동일한 원소들로 이루어질 수 있다. 예를 들어 반도체층은 제1 원소 및 제2 원소를 주로 구비한다. 반도체층(28)은 예를 들어 반도체 구성요소(20)의 도핑 형태와 반대의 도핑 형태로 도핑된다.
전극(30)은 각 반도체 구성요소(20)를 덮는 활성 영역(24)을 바이어싱 할 수 있으며 발광 다이오드에 의하여 방출된 전자기 방사선을 통과시킬 수 있다. 전극(30)을 형성하는 재료는 인듐주석산화물(ITO), 알루미늄 또는 갈륨이 도핑되거나 또는 도핑되지 않은 아연산화물, 그래핀 등의 투명한 도전성 물질일 수 있다. 예로서, 전극층(30)은 5nm 내지 200nm, 바람직하게는 20nm 내지 50nm의 범위의 두께를 갖는다.
공지된 형태에 있어서, EBL(26)은 제1 화학 원소, 제2 화학 원소 및 제1 또는 제3 화학 원소 이외의 제1 화학 원소와 동일한 그룹으로부터의 제4 화학 원소를 구비하는 3원소 합금으로 주로 이루어진다. 와이어(20)가 GaN으로 이루어지고 양자벽이 InyGa(1-y)N 층(여기서 y는 In의 비율이며 일반적으로 InGaN으로서 표시됨)을 구비하는 경우, EBL이 알루미늄갈륨질화물 AlxGa(1-x)N(여기서 x는 알루미늄의 비율이며, 일반적으로 AlGaN으로 표시됨)으로 주로 이루어져 있으며, 활성 영역(24)과 접촉되어 있고, 활성 영역(24)에 전하운반체의 양호한 분배를 제공하는 것이 공지되어 있다. 예로서, 층(26)은 5nm 내지 60nm의 범위의 두께를 가질 수 있으며, 알루미늄의 비율(x)은 5% 내지 60% 사이, 바람직하게는 15% 내지 25%에서 변화할 수 있다. 비율은 질소없는 원자 비율을 의미한다. 예를 들어, Al0, 2Ga0, 8N 구성성분의 경우에, 질소아닌 원자의 20%가 알루미늄이며, 질소아닌 원자의 80%가 갈륨이다.
각 반도체 구성요소(20), 활성 영역(24), EBL(26) 및 반도체층(28)을 성장시키는 방법은 화학기상증착법(CVD) 또는 금속-유기 화학기상 에피텍시(MOVPE)로도 알려진, 금속-유기 화학기상증착법(MOCVD) 등의 방법이다. 그러나, 분자빔 에피텍시(MBE), 가스-원 MBE(GSMBE), 금속-유기 MBE(MOMBE), 플라즈마-보조 MBE(PAMBE), 원자층 에피텍시(ALE), 또는 수소기상 에피텍시(HVPE) 등의 방법이 사용될 수 있다.
예로서, 그 방법은 제1 화학 원소의 전구체 및 제2 화학 원소의 전구체, 그리고 선택적으로, 제3 화학 원소의 전구체 및/또는 제4 화학 원소의 전구체를 리액터로 주입하는 것을 구비할 수 있다.
다음의 설명에 있어서, 제1 화학 원소는 갈륨(Ga)이고, 제2 화학 원소는 질소(N)이고, 제3 화학 원소는 인듐(In)이고 제4 화학 원소는 알루미늄(Al)으로 고려된다. 그러나, 각각의 설명된 현상은, 이전에 기재된 것들과 같은 다른 화학 원소로 확장될 수 있다.
도 2는, 주로 AlGaN으로 이루어진, 도 1에 도시된 발광 다이오드의 EBL(26)에서 알루미늄 함유량(x)(퍼센트)의 변이 커브(40)와 기판(12)까지의 거리에 따르는 EBL(26)의 밴드갭(전자 볼트)의 변이 커브(42)를 보여준다.
EBL(26)의 형성 시에, 발명자들은 제4 화학 원소의 함유량, 여기서는 AlGaN 화합물 중 알루미늄의 함유량은 층(26) 상에서 일정하지 않을 수 있다는 것을 보여주었다. 실제로, 층(26)에서의 알루미늄 함유량은, 기판(12)과 층(26)의 고려되는 지점 사이의 거리가 증가할 때 증가할 수도 있고 또는 감소할 수도 있다. 커브(40)으로 표시된 예에서는, 알루미늄 함유량은 와이어(20)의 하부("바닥")와 와이어(20)의 정부("정부") 사이에서 증가한다.
그런 함유량 변이는, 커브(42)로 표시된, AlGaN으로 주로 이루어진 EBL(26)의 밴드갭의 유사한 변이를 따른다. 밴드갭 변이는, 최신 기술에서 알려진 바와 같이, 특히 "Dielectric function and optical properties of quaternary AlInGaN alloys"(Journal of Applied Physics 110, 012102(2011))의 제목의 사카라우스카스(Saka luskas) 등에 의한 공보에 기재된 바와 같이 결정될 수 있다. 밴드갭은 와이어(20)의 하부의 레벨에서보다 와이어(20)의 정부의 레벨에서 더 높다. 활성 영역(24)을 통하여 흐르는 전류의 분포, 그에 따라서 활성 영역(24)에 의하여 방출된 방사선의 강도는 그러므로 비-균일하다. 그러므로 발광 다이오드의 효율은 최적이 되지 않는다.
일 실시형태에 따르면, 제3 원소가 EBL(26)의 조성에 부가된다. 그러므로 EBL(26)은 제1, 제2, 제3 및 제4 화학 원소를 구비하는 4원 화합물로 주로 이루어져 있다. 도 3 및 도 4와 관련하여 기재된 실시형태에 있어서, EBL(26)은, AlGaN으로 이루어지는 대신에, AlxInzGa(1-x-z)N으로 이루어지며, 여기 x는 알루미늄 함유량이고, z는 인듐 함유량이며, 일반적으로 AlInGaN으로 표시된다.
도 3은, 여기서는 AlInGaN으로 주로 이루어진, 도 1에 도시된 발광 다이오드의 EBL(26)에서의 알루미늄 및 인듐의 함유량(퍼센트)의 변이 커브(43, 44)를 보여준다. 도 3은, 또한 기판(12)까지의 거리에 따르는 AlGaN 으로 이루어진 층과 AlInGaN으로 이루어진 층의 밴드갭(전자 볼트) 변이의, 비교로서 도시된, 커브(42)와 커브(46)을 보여준다.
커브(43)에 의하여 표시된, EBL(26) 내의 알루미늄 함유량의 변화는 AlGaN으로 주로 이루어진 EBL(26)에서의 알루미늄 함유량의 변이와 유사하게 유지된다. 또한, 커브(44)에 의하여 표시된, AlInGaN으로 주로 이루어진 EBL(26)에서의 인듐(In) 함유량의 변이는 또한 와이어(20)의 하부 및 정부 사이에서, 일정하지 않으며, 여기서는 증가하고 있다.
발명자들은, 도 3의 실질적으로 일정한 커브(46)에 의하여 개략적으로 나타내어진, AlInGaN으로 주로 이루어진 EBL(26)의 밴드갭의 변이가, 커브(42)에 의하여 나타내어진, AlGaN으로 주로 이루어진 EBL(26)의 밴드갭의 변이와 비교하여 감소되어 있음을 보여주었다. 활성 영역(24)을 통하여 흐르는 전류의 분포는 따라서 발광 다이어드 전체에서 더 균일하며, 따라서 활성 영역(24)에 의하여 방출된 방사선의 강도는 또한 더 균일하다. 발광 다이오드의 효율은 따라서 개선된다.
예를 들어, 제1, 제2, 제3 및 제4 화학 원소의 화합물로 주로 이루어진 EBL(26)은 10 내지 40% 범위, 예를 들어 15 내지 35%의 범위의 제4 화학 원소의 함유량을 갖는다. 예를 들어, 제1, 제2, 제3 및 제4 화학 원소의 화합물로 주로 이루어진 EBL(26)은 0.5 내지 10%의 범위, 예를 들어 1 내지 5%의 범위의 제3 화학 원소의 함유율을 갖는다.
도 4는 그 위에 형성된 발광 다이오드를 갖는 기판까지의 거리에 따르는, 도 1에 도시된 발광 다이오드의 EBL(26)의 밴드갭의, 테스트에 의하여 얻어진, 변이의 커브를 보여준다. 커브(48)는, 도 3의 커브(42)와 같이, AlGaN으로 주로 이루어진 EBL(26)에 대응하며, 커브(50)는, 도 3의 커브(46)와 같이, AlInGaN으로 주로 이루어진 EBL(26)에 대응한다.
테스트에 대하여, 예를 들어 EBL(26)은 75 내지 500 Torr 범위의 압력 및 800 내지 1000℃ 범위의 온도에서 형성된다. 사용된 전구체들은 예를 들어 갈륨에 대하여는, 82,75 sccm(standard cubic centimeters per minute)의 유량의 트리메틸갈륨, 질소에 대하여는 50 l/min의 유량의 암모니아, 인듐에 대하여는 900 sccm의 유량의 트리메틸인듐 및 알루미늄에 대하여는 570 sccm 유량의 트리메틸알루미늄이다.
도 3과 관련하여 설명된 바와 같이, AlInGaN에 대응하는 커브(50)는, AlGaN과 관련된 커브(48)보다, 특히 와이어의 상부에 있어서 상당히 적게 변화하는 것이 관찰될 수 있다. 또한, 커브(50)의 밴드갭의 값은 커브(48)의 밴드갭보다 작다
특히, 이전에-기재된 조건에서 실행된 테스트에 따르면, 주로 AlGaN으로 이루어진 EBL을 갖는 와이어의 하부(B)에서는, 알루미늄 함유량은 실질적으로 15%이며, 밴드갭은 실질적으로 3,75 eV 이다. 와이어(M)의 중간에서는, 알루미늄 함유량은 실질적으로 25%이며, 밴드갭은 실질적으로 3.96 eV이다. 와이어의 상부(T)에서는, 알루미늄 함유량은 실질적으로 30%이며, 밴드갭은 실질적으로 4.1eV이다.
이전에-기재된 테스트에 따르면, 주로 AlInGaN으로 이루어진 EBL을 갖는 하부(B)에서는, 알루미늄 함유량은 실질적으로 15%이며, 인듐 함유량은 실질적으로 1%이며, 밴드갭은 실질적으로 1%이며, 밴드갭은 실질적으로 3.7eV이다. 와이어(M)의 중간에서는, 알루미늄 함유량은 실질적으로 25%이며, 인듐 함유량은 실질적으로 2%이며, 밴드갭은 실질적으로 3.88eV이다. 와이어의 상부(T)에서는, 알루미늄 함유량은 실질적으로 30%이며, 인듐은 실질적으로 5%이며, 밴드갭은 실질적으로 3.9eV이다.
EBL의 조성에 부가되는 제3 원소는 발광 다이오드의 다른 층, 특히 활성 영역의 조성물에 이미 존재한다는 장점이 있다. 따라서, 제3 원소의 전구체의 주입은 이미 제공되어 있다. 따라서, 이미-존재하는 방법에 대하여 행하게 될 수정이 감소하게 된다.
특정 실시예가 설명되었다. 다양한 변형 및 수정이 당업자에게 발생될 것이다. 특히 3차원 구성요소의 형상은 본 명세서에서 설명된 예로 한정되지 않는다.
이 명세서의 전체에 걸쳐서, 광전자 장치가 발광 다이오드를 구비하는 것으로 고려되고 있다. 그러나, 여기서 설명된 실시형태는 또한 광다이오드의 경우에서도 실현될 수 있다. 이 경우에, 활성 영역은 전자기 방사선을 포획하고, 그 포획된 광자를 전하운반체로 변환할 수 있다.
또한, 이전에-기재된 실시형태는 또한 HBL에 적용될 수 있다. 또한 EBL 또는 HBL은 활성 영역 및 3차원 반도체 구성요소 사이에 끼워질 수 있다.
다른 변형을 갖는 다양한 실시형태가 이상에서 설명되었다. 당업자는 이들 다양한 실시형태와 변형의 다양한 구성요소들을 임의의 진보적 단계를 나타내지 않고 결합할 수 있다는 것에 유의해야한다.

Claims (15)

  1. 광전자 장치(10)로서,
    기판(12)과,
    제1 화학 원소와 제2 화학 원소를 포함하며, 상기 기판(12) 상에 놓여 있으며, 와이어 형상 또는 각뿔 형상을 갖는 3차원 반도체 구성요소(20)와,
    상기 3차원 반도체 구성요소(20)의 측벽을 적어도 부분적으로 덮고 있으며, 상기 제1 및 제2 화학 원소를 포함하는 적어도 제1 층과, 상기 제1 및 제2 화학 원소 및 제3 화학 원소를 포함하는 적어도 제2 층의 적층을 구비하는 활성 영역(24)과,
    상기 활성 영역을 덮고 있는 제3 층(26)으로서, 상기 제3 층은 제1, 제2 및 제3 화학 원소와 제4 화학 원소를 포함하며, 상기 제3 층의 제3 및 제4 화학 원소의 질량 비율이, 상기 기판(12)까지의 거리가 가장 가까운 상기 제3 층의 바닥으로부터 상기 기판(12)까지의 거리가 가장 먼 상기 제3 층의 정부에 이르기까지 상기 기판(12)까지의 거리가 증가함에 따라서 증가하거나 또는 감소하는, 제3 층(26)과,
    상기 제1 및 제2 화학 원소를 포함하며, 상기 제3 층(26)을 덮고 있는 제4 층(28)
    을 구비하는 광전자 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 활성 영역(24)은 전자기 방사선을 방출할 수 있으며 상기 제3 층(26)은 전하운반체 차단층인 광전자 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제3 층(26)의 제3 화학 원소의 함유량은 0.1 내지 10% 범위에 있는 광전자 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제3 층(26)의 제4 화학 원소의 함유량은 10 내지 40% 범위에 있는 광전자 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 화학 원소는 III-그룹 원소인 광전자 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 화학 원소는 갈륨인 광전자 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 화학 원소는 V-그룹 원소인 광전자 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 화학 원소는 질소인 광전자 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제3 화학 원소는 III-그룹 원소인 광전자 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제3 화학 원소는 인듐인 광전자 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제4 화학 원소는 III-그룹 원소인 광전자 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제4 화학 원소는 알루미늄인 광전자 장치.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제3 층(26)에서의 밴드갭의 최대 변이는, 상기 제3 화학 원소를 구비하지 않는 동일 층의 밴드갭의 최대 변이보다 작은 광전자 장치.
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