KR100586676B1

KR100586676B1 - Semiconductor light emitting device

Info

Publication number: KR100586676B1
Application number: KR20030052933A
Authority: KR
Inventors: 유태경
Original assignee: 에피밸리 주식회사
Priority date: 2003-07-30
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2006-06-07
Also published as: WO2005013381A1; KR20050014342A

Abstract

본 발명은 AlGalnP, AlGaAs, GaAsP계 화합물 반도체 LED에 수직으로 추가의 다이오드를 집적하여, 전체 LED 소자의 동작 전압을 상승시키는 LED구조에 관한 것이다. 이로 인해 동작 전압을 조절할 수 있어서 동작 전압이 상대적으로 큰 다른 종류의 LED와 병렬 연결하여 전체적으로 외부의 동일한 전압에서 여러 가지의 LED가 동작되는 것을 제공한다.The present invention relates to an LED structure in which an additional diode is vertically integrated in an AlGalnP, AlGaAs, or GaAsP compound semiconductor LED, thereby raising the operating voltage of the entire LED device. As a result, the operating voltage can be adjusted, so that the LEDs can be connected in parallel with other kinds of LEDs having relatively large operating voltages, thereby operating several LEDs at the same external voltage as a whole.

LED, 백색 LED, GaN, AlGalnP, AlGaAs, GaAsPLED, White LED, GaN, AlGalnP, AlGaAs, GaAsP

Description

Semiconductor Light Emitting Device {SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}

도 1은 종래의 AlGalnP 계열 LED구조의 단면도.1 is a cross-sectional view of a conventional AlGalnP series LED structure.

도 2는 종래 기술 LED의 전압-전류 특성 곡선.2 is a voltage-current characteristic curve of a prior art LED.

도 3은 본 발명의 AlGalnP LED구조의 단면도3 is a cross-sectional view of the AlGalnP LED structure of the present invention

도 4는 본 발명의 LED에 집적된 다이오드 전압 전류 특성 곡선4 is a diode voltage current characteristic curve integrated in the LED of the present invention.

도 5는 본 발명에 따른 LED와 추가의 다이오드가 수직으로 집적된 소자의 전압-전류 특성 곡선.5 is a voltage-current characteristic curve of a device in which an LED and an additional diode are vertically integrated according to the invention.

도 6는 본 발명의 소자와 동작 전압이 높은 LED와 병렬로 연결되어 외부의 동일 전원에 의해 동작되는 실시 예6 is an embodiment in which the device of the present invention and an LED having a high operating voltage are connected in parallel and operated by an external same power source.

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본 발명은 AlGalnP 화합물 반도체 LED에 수직으로 추가의 다이오드를 집적하여, 전체 LED 소자의 동작 전압을 상승시키는 반도체 발광소자에 관한 것이다. 이로 인해 동작 전압을 조절할 수 있어서 동작 전압이 상대적으로 큰 다른 종류의 LED와 병렬 연결하여 전체적으로 외부의 동일한 전압에서 여러 가지의 LED가 동작되는 것을 제공한다.The present invention relates to a semiconductor light emitting device that integrates an additional diode perpendicular to the AlGalnP compound semiconductor LED, thereby raising the operating voltage of the entire LED device. As a result, the operating voltage can be adjusted, so that the LEDs can be connected in parallel with other kinds of LEDs having relatively large operating voltages, thereby operating several LEDs at the same external voltage as a whole.

종래의 기술에 의한 LED는 기판 위에 빛이 방출되는 활성층(12) 양단에 빛의 방출을 위해 전자와 정공을 가두는 n형 클레이드층(11) 및 p형 클레이드층(13)층을 구성하고 외부의 전극을 위해 컨택층(14)을 형성하고 반도체 공정에 의해 금속전극을 형성하여 p측 전극(18) 및 n측 전극(19)으로 구성된다.The LED according to the prior art constitutes an n-type cladding layer 11 and a p-type cladding layer 13 which trap electrons and holes for emitting light on both sides of the active layer 12 where light is emitted on a substrate, and then externally. The contact layer 14 is formed for the electrodes of, and the metal electrode is formed by the semiconductor process, and is composed of the p-side electrode 18 and the n-side electrode 19.

상기와 같은 종래 기술에 따른 LED의 전압 전류 특성 곡선은 도2에 예시되어 있는데, 한 개의 p-n 다이오드 구성으로 순방향 전압을 가해 주면 문턱 전압까지는 전류가 흐르지 않다가 문턱 전압을 넘어서면서부터 전류가 흐르게 된다. 예를 들어, 인가 전류를 20 mA라 하면 이때의 전압을 동작 전압으로 정한다. 이 경우 문턱 전압은 LED를 구성하는 반도체의 물성에 의해 정해진다. 또한 역방향 전압을 가하면, LED가 견딜 수 있는 전압까지 전류가 흐르지 않다가, 어느 순간 전류가 과도하게 흐르게 된다. 이런 전압을 항복전압이라 하는데, 이것 역시 반도체의 물성과 반도체에 인위적으로 조절하는 불순물량으로 조절된다. 종래의 LED 구조는 순방향 문턱 전압이 반도체 물질 특성 및 p-n접합 물질의 불순물 농도에 의해 정해지는데, 적색 LED를 구성하는 GalnP/AlGalnP계의 경우 630nm 파장의 빛에 해당하는 조성의 문턱 전압은 약 1.2V ~ 1,5V이며, 20mA 전류가 흐르는 동작 전압은 약 1.8V ~ 2.2V 정도이다.The voltage-current characteristic curve of the LED according to the prior art is illustrated in FIG. 2. When a forward voltage is applied in one pn diode configuration, no current flows to the threshold voltage, but the current flows from the threshold voltage. . For example, assuming that the applied current is 20 mA, the voltage at this time is determined as the operating voltage. In this case, the threshold voltage is determined by the physical properties of the semiconductor constituting the LED. In addition, when the reverse voltage is applied, the current does not flow to the voltage that the LED can withstand, and the current excessively flows at any moment. This voltage is called the breakdown voltage, which is also controlled by the physical properties of the semiconductor and the amount of impurities artificially controlled by the semiconductor. In the conventional LED structure, the forward threshold voltage is determined by the characteristics of the semiconductor material and the impurity concentration of the pn junction material. In the case of the GalnP / AlGalnP system constituting the red LED, the threshold voltage of the composition corresponding to the light of 630 nm wavelength is about 1.2 V. ~ 1,5V, the operating voltage of 20mA current is about 1.8V ~ 2.2V.

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한편 청색 또는 녹색 LED의 경우 AlGalnN/InGaN/GaN등의 물질로 구성되며 해당 파장을 구현하는 물질의 조성에 의해 정해지는 문턱 전압 및 동작 전압은, 각각 약 2.0V ~ 2.7V 및 2.8V ~ 4.0V 정도로 분포한다.Meanwhile, in the case of blue or green LED, the threshold voltage and the operating voltage, which are composed of materials such as AlGalnN / InGaN / GaN, and are determined by the composition of the material that implements the corresponding wavelength, are about 2.0 V to 2.7 V and 2.8 V to 4.0 V, respectively. Distributed to a degree.

예를 들면, 적색LED와 청색 LED를 한 패키지에 병렬 연결하여, 단일 전원으로 사용하려면 청색 LED가 동작하기 전에 적색만이 동작하게 된다. 따라서, 빛의 삼원색을 얻기 위해 적색, 녹색, 청색 LED를 각각 한 패키지에 넣어 동일한 외부 전원으로 구동시키기는 어렵다. 보통의 경우 청색과 녹색 LED는 문턱전압과 동작 전압이 비슷하여, 각각의 휘도 특성을 조합하여 병렬 연결 구현이 가능하나, 적색의 경우는 동작 전압이 달라서 추가의 전원을 공급해야 하는 어려움이 있다.For example, if the red and blue LEDs are connected in parallel in a package, and use them as a single power supply, only the red LEDs will operate before the blue LEDs. Therefore, in order to obtain the three primary colors of light, it is difficult to put the red, green, and blue LEDs in one package and drive them with the same external power source. In general, blue and green LEDs have similar threshold voltages and operating voltages, and thus, a parallel connection can be realized by combining luminance characteristics. However, red and blue LEDs have difficulty in supplying additional power due to different operating voltages.

본 발명은 서로 다른 동작 전압을 갖는 LED를 병렬 다이오드로 연결하여 색도를 조절하고 다양한 색을 구현시킬 수 있도록 동작 전압이 조절될 수 있는 새로운 적색 LED 구조에 관한 것으로, 적색 LED의 문턱 전압과 동작 전압을 청색 및 녹색 LED의 문턱 전압과 동작 전압에 유사하게 근접시켜, 삼색의 다이오드가 병렬로 연결되어 외부로부터 단일 전원으로 구동시킬 수 있는 적색 LED를 발명하는 것에 관한 것이다.The present invention relates to a new red LED structure in which the operating voltage can be adjusted to adjust the chromaticity and implement various colors by connecting LEDs having different operating voltages with parallel diodes. Is similar to the threshold voltage and the operating voltage of the blue and green LEDs, and the invention relates to the invention of a red LED in which three diodes are connected in parallel to be driven by a single power supply from the outside.

본 발명의 삼색 LED가 한 패키지 안에 병렬로 구성되어 외부의 특별한 구동회로변화 없이, 단일 전원으로 구동이 가능한 새로운 특성이 창출된다.The tri-color LED of the present invention is configured in parallel in one package to create a new characteristic that can be driven by a single power supply, without changing the external special driving circuit.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 새로운 적색 LED의 구성은 도 3과 같다. GaAs 기판(20) 위에 n형 AlGalnP 클레이드층(21)과 GalnP/AlGalnP 로 구성된 양자우물 구조의 활성층(22), p형 AlGalnP 클레이드층(23)과 p형 도전성을 가지는 반도체층(24)을 종래의 기술과 동일하게 성장하고, 그 위에 연속적으로, 추가의 다이오드가 수직으로 집적화되기 위하여, p형 AlGalnP층(25), n형 AlGalnP층(26) 및 최종 n형 컨택층(27)을 형성한다. 이때에 추가로 형성되는 p형 AlGalnP층(25), n형 AlGalnP(26) 및 n형 컨택층(27)층의 밴드갭 에너지는 활성층에서 형성되는 파장에 해당하는 밴드갭 에너지보다 커서 활성층에서 발생하는 빛을 흡수하지 않아야 한다. 이런 구성의 반도체 물질은 AlGalnP, AlGaAs, GaAsP, GaP로 구성 가능하며, 각각의 조성은 전압 조절 및 빛의 흡수를 방지하기 위한 조건에서 조절될 수 있다. 그리고, 추가의 다이오드 특성을 결정하는 가장 좋은 방법은 도 4에 표시한 한 예제로, 제너 다이오드가 되면 바람직하다. 제너 다이오드를 형성하기 위하여서는 p형 AlGalnP층(25)과 n형 AlGalnP층(26)의 불순물 농도를 조절하여 얻을 수 있다. 이 경우 제너 다이오드의 역방향 항복전압은 p형 AlGalnP층(25)과 n형 AlGalnP층(26)의 조성 및 불순물 농도로 결정된다.The configuration of a new red LED according to the present invention for achieving the above object is as shown in FIG. On the GaAs substrate 20, an n-type AlGalnP cladding layer 21 and an active layer 22 having a quantum well structure composed of GalnP / AlGalnP, a p-type AlGalnP cladding layer 23 and a semiconductor layer 24 having p-type conductivity are conventionally used. Growing in the same manner as in the above, and successively thereon, a p-type AlGalnP layer 25, an n-type AlGalnP layer 26, and a final n-type contact layer 27 are formed so that additional diodes are vertically integrated. . At this time, the bandgap energy of the p-type AlGalnP layer 25, the n-type AlGalnP 26 and the n-type contact layer 27, which are additionally formed, is greater than the bandgap energy corresponding to the wavelength formed in the active layer and is generated in the active layer. It must not absorb light. The semiconductor material of this configuration can be composed of AlGalnP, AlGaAs, GaAsP, GaP, each composition can be adjusted under conditions for voltage regulation and to prevent light absorption. And, the best way to determine additional diode characteristics is one example shown in FIG. 4, which is preferably a zener diode. In order to form a zener diode, it can obtain by adjusting the impurity concentration of the p-type AlGalnP layer 25 and the n-type AlGalnP layer 26. FIG. In this case, the reverse breakdown voltage of the zener diode is determined by the composition and impurity concentration of the p-type AlGalnP layer 25 and the n-type AlGalnP layer 26.

추가의 다이오드가 집적된 소자에 상부 전극(28)에 순방향 전압을 가하면, 추가로 집적된 다이오드로 보면 역방향 전압이 걸리게 되고, 항복전압보다 큰 전압에서 추가로 집적된 다이오드는 동작하게 되며 여기에 걸리는 전압은 항복전압으로 유지된다. 여기에 항복전압 이상의 순방향 전압이 더 걸리게 되면 LED의 p-n 접합에서 문턱전압까지는 전류가 흐르지 않고 그 이상의 전압이 가해지면 전류가 흐르게 되어 LED가 정상동작하게 된다.When a forward voltage is applied to the upper electrode 28 to a device in which an additional diode is integrated, a reverse voltage is applied to the integrated diode, and the integrated diode is operated at a voltage greater than the breakdown voltage. The voltage is maintained at the breakdown voltage. If a forward voltage of more than the breakdown voltage is further applied, no current flows from the p-n junction of the LED to the threshold voltage, and when more voltage is applied, the current flows and the LED operates normally.

즉 도 5에 예시된 대로 최종 소자의 동작 전압은 기존의 LED 다이오드의 동작 전압에 추가로 집적된 다이오드의 역방향 항복전압을 더한 만큼 인식된다. 즉 기존의 LED 동작 전압을 항복전압만큼 상승시키는 기능을 갖게 된다.That is, as illustrated in FIG. 5, the operating voltage of the final device is recognized by adding the reverse breakdown voltage of the integrated diode to the operating voltage of the conventional LED diode. That is, it has a function of increasing the existing LED operating voltage by the breakdown voltage.

이런 새로운 기능을 GalnP/AlGalnP 계열의 적색 LED에 적용시키면 동작 전압을 약 2.0V에서 약 3.0V로 상승시킬 수 있고, 이런 전압 상승은 추가로 집적되는 다이오드의 반도체 조성과 불순물 농도를 조절함으로써 가능하게 된다.Applying this new feature to the GalnP / AlGalnP series red LEDs can increase the operating voltage from about 2.0V to about 3.0V, which can be achieved by adjusting the semiconductor composition and impurity concentration of the additional integrated diode. do.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 새로운 구조의 적색 LED는 종래의 LED p-n 접합에서 정해지는 동작전압을 조절할 수 있어서, 동작 전압이 높은 곳에 필요한 응용에 활용될 수 있다. 예를 들면 도 6에 예시된 바와 같이, 동작 전압이 적색 LED 보다 약 1.0V 정도 높은 청색 LED 혹은 녹색 LED와 병렬 연결하여, 한 개의 패키지 내부에서 외부의 회로 구성이 동일한, 단일 외부 전압에 의해 다파장 빛을 방출할 수 있게 된다. 보통 휴대폰이나 다른 전자제품은 기존의 청색 LED에 형광체를 도포하여 백색을 구현하는 제품이 많은데, 이런 곳의 응용은 모든 회로 조건이 청색 LED 특성 하나에만 정해진 전압조건이다. 따라서 백색 LED를 구현하기 위하여 적색 LED를 내부에 첨가할 경우 적색 LED에 맞는 회로 변경이 필요하게 된다. 본 발명은 외부의 회로 변경없이, 순수 삼색이 가능한 동일동작 조건의 LED를 구성하기 위한 새로운 적색 LED을 가능하게 한다.As described above, the red LED of the new structure according to the present invention can adjust the operating voltage determined in the conventional LED p-n junction, it can be utilized in applications where the operating voltage is high. For example, as illustrated in FIG. 6, the operating voltage is connected in parallel with a blue LED or a green LED, which is about 1.0V higher than the red LED, so that the external circuit configuration is the same with a single external voltage in one package. It can emit wavelength light. In general, mobile phones and other electronic products have many products that implement white by applying phosphors to existing blue LEDs. In this application, all circuit conditions are voltage conditions in which only one blue LED characteristic is defined. Therefore, when a red LED is added inside to realize a white LED, a circuit change for the red LED is required. The present invention enables a new red LED for constituting LEDs under the same operating conditions, where pure tricolor is possible, without external circuit changes.

이런 방식은 형광체의 저수명, 저 변환효율의 단점을 가지는 청색 LED 와 형광체가 조합된 백색 LED의 문제점을 해결하는데 효과적이다.This method is effective in solving the problems of the blue LED and the white LED combined with the phosphors, which have the disadvantage of low lifetime and low conversion efficiency of the phosphor.

Claims

Board; It is grown on the n-type AlGalnP cladding layer grown on the substrate, the n-type AlGalnP cladding layer, the active layer emitting light by recombination of electrons and holes, the p-type AIGalnP cladding layer grown on the active layer, and the p-type AIGalnP cladding layer grown on the active layer. In a semiconductor light emitting device comprising a semiconductor layer having a p-type conductivity,

And a semiconductor layer having a diode structure composed of a p-type AlGalnP layer and an n-type AlGalnP grown on the semiconductor layer having the p-type conductivity.

The semiconductor light emitting device of claim 1, wherein the diode structure is a zener diode structure.

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The semiconductor light emitting device of claim 1, wherein the semiconductor layer of the diode structure has a band gap energy greater than that of the active layer.

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