KR100663911B1 - Light emitting diode - Google Patents
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도 1은 종래 기술에 따른 발광 다이오드 구조를 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a light emitting diode structure according to the prior art.
도 2는 본 발명에 따른 양자 우물 구조를 갖는 활성층을 도시한 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing an active layer having a quantum well structure according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 양자 우물 구조를 갖는 활성층의 에너지 다이어그램을 나타낸 도이다.3 is an energy diagram of an active layer having a quantum well structure according to the present invention.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 화합물 반도체 발광 다이오드의 단면도이다.4 is a cross-sectional view of a compound semiconductor light emitting diode according to a first embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 화합물 반도체 발광 다이오드의 단면도이다.5 is a cross-sectional view of a compound semiconductor light emitting diode according to a second embodiment of the present invention.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
110: 기판 120: 버퍼층110: substrate 120: buffer layer
130: n형 질화물 반도체층 140a: 우물층130: n-type
140b: 장벽층 150: p형 질화물 반도체층140b: barrier layer 150: p-type nitride semiconductor layer
160: n 전극 170: p 전극160: n electrode 170: p electrode
본 발명은 화합물 반도체 발광 다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원자외선(deep UV) 발광 다이오드를 제공하기 위하여, AlNP 우물층과 AlNP 장벽층으로 이루어진 양자 우물구조를 갖는 활성층을 포함하는 화합물 반도체 발광 다이오드에 관한 것이다.The present invention relates to a compound semiconductor light emitting diode, and more particularly, to provide a deep UV light emitting diode, a compound semiconductor light emitting diode including an active layer having a quantum well structure composed of an AlNP well layer and an AlNP barrier layer. It is about.
발광 다이오드는 기본적으로 반도체 PN 접합 다이오드이며, P, N 반도체를 접합한 뒤, 전압을 가해주면, P형 반도체의 정공은 N형 반도체 쪽으로 이동하여 가운데층으로 모이며, 이와는 반대로 N형 반도체의 전자는 P형 반도체 쪽으로 이동하여 전도대(conduction band)의 가장 낮은 곳인 가운데층으로 모인다. 이 전자들은 가전대(valence band)의 정공으로 자연스럽게 떨어지며, 이 때 전도대와 가전대의 높이 차이 즉, 에너지 갭에 해당하는 만큼의 에너지를 발산하는데, 이 에너지가 빛의 형태로 방출된다.The light emitting diode is basically a semiconductor PN junction diode, and when the P and N semiconductors are bonded and voltage is applied, holes in the P-type semiconductor move toward the N-type semiconductor and collect in the middle layer. Moves toward the P-type semiconductor and gathers in the middle layer, the lowest point of the conduction band. These electrons naturally fall into the holes of the valence band, and at this point, they emit as much energy as the difference in height between the conduction band and the appliance band, that is, the energy gap, which is emitted in the form of light.
도 1은 종래 기술에 따른 발광 다이오드 구조를 도시한 단면도이다. 상기 발광 다이오드는 기판(10), 버퍼층(20), n형 질화물 반도체층(30), 양자 우물구조를 갖는 활성층(40), p형 질화물 반도체층(50), n 전극(60) 및 p 전극(70)을 포함한다.1 is a cross-sectional view showing a light emitting diode structure according to the prior art. The light emitting diode includes a
상기 기판(10)상에 버퍼층(20), n형 질화물 반도체층(30), 활성층(40) 및 p형 질화물 반도체층(50)이 차례로 적층되어 형성되며, 상기 p형 질화물 반도체층(50) 상부에 p 전극(70)이 형성되며, 상기 n형 질화물 반도체층(30)의 소정 영역이 노출되고, 상기 노출된 영역 상에 n 전극(60)이 형성된다. The
한편, 상기 활성층(40)은 상대적으로 에너지 밴드갭이 작은 우물층(well)(40a)과 상기 우물층 보다 상대적으로 에너지 밴드갭이 큰 장벽층 (barrier)(40b)이 교대로 한 번 또는 여러 번 적층되어 형성된 양자 우물(Quantum Well) 구조로 형성된다. On the other hand, the
상기 활성층(40)의 재료로 InxGa1 - xN가 주로 사용되고 있으며, In의 조성을 변화시킴으로써, 발광 파장이 변화한다. 즉, In의 조성이 증대할수록, 발광 파장이 장파장쪽으로 이동하고, In의 조성이 감소할수록, 발광 파장이 단파장쪽으로 이동하여, x = 0 인 경우(GaN)에, 활성층은 363nm의 발광 파장을 갖는 광이 방출되며, x = 1인 경우(InN)에, 활성층은 0.8eV / 1.9eV이고, 650nm / 1550nm의 발광 파장을 갖는 광을 방출하게 된다. 그러나, 상기 InGaN에 의하면, 활성층에서 300nm 이하의 원자외선(deep UV)이 방출되기 어렵다.In x Ga 1 - x N is mainly used as the material of the
따라서, 상기 활성층(40)이 300nm 이하의 원자외선의 발광 파장의 광을 방출하기위하여, AlGaN 등의 재료가 사용되었다. 그러나, AlGaN은 결정 성장이 어려우며, 특히 Al 함유량이 30% 이상일 경우에는 결정 성장이 더욱 어려워지는 문제점이 있었다. Therefore, a material such as AlGaN was used for the
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 AlNP 우물층과 AlNP 장벽층으로 이루어진 양자 우물구조를 갖는 활성층을 포함하는 질화물계 화합물 발광 다이오드를 제공함으로써, 200nm ~ 300nm의 발광 파장을 갖는 원자외선 발광 다이오드를 용이하게 제조하기 위한 것이다.The present invention is to overcome the above-described problems, the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a nitride compound light emitting diode comprising an active layer having a quantum well structure consisting of an AlNP well layer and AlNP barrier layer, 200nm It is for easily manufacturing an ultraviolet ray light emitting diode having an emission wavelength of ˜300 nm.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 기판과, 상기 기판 상에 형성된 n형 반도체층과, 상기 n형 반도체층 상에 형성된 활성층 및 상기 활성층 상에 형성된 p형 반도체층을 포함하며, 상기 활성층은 우물층과 장벽층이 교대로 적층된 양자 우물 구조로 형성되며, 상기 우물층은 AlNxP1-x로 이루어지고, 상기 장벽층은 AlNyP1-y로 이루어지며, 0< x,y <1 이고, y > x이며, 상기 활성층에서 방출되는 광은 200nm ~ 300nm인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드가 제공된다.According to an aspect of the present invention for achieving the object of the present invention, a substrate, an n-type semiconductor layer formed on the substrate, an active layer formed on the n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer formed on the active layer Wherein the active layer is formed of a quantum well structure in which a well layer and a barrier layer are alternately stacked, the well layer is made of AlN x P 1-x , and the barrier layer is made of AlN y P 1-y . And 0 <x, y <1, y> x, and the light emitted from the active layer is 200nm to 300nm.
상기 활성층은 복수의 우물층과 복수의 장벽층이 교대로 적층된 다중 양자 우물 구조로 형성되는 것을 특징으로 한다.The active layer is formed of a multi-quantum well structure in which a plurality of well layers and a plurality of barrier layers are alternately stacked.
상기 기판과 상기 n형 반도체층 사이에 형성된 버퍼층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.And a buffer layer formed between the substrate and the n-type semiconductor layer.
상기 n형 반도체층과 상기 활성층 사이에 형성된 n형 클래드층 및 상기 p형 반도체층과 상기 활성층 사이에 형성된 p형 클래드층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.And an n-type cladding layer formed between the n-type semiconductor layer and the active layer, and a p-type cladding layer formed between the p-type semiconductor layer and the active layer.
한편, 상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 기판 상에 n형 반도체층을 형성하는 단계와, 상기 n형 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계 및 상기 활성층 상에 p형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 활성층은 우물층과 장벽층을 교대로 적층하여, 양자 우물 구조로 형성하며, 상기 우물층은 AlNxP1-x로 이루어지고, 상기 장벽층은 AlNyP1-y로 이루어지며, 0< x,y <1 이고, y > x이며, 상기 활성층에서 방출되는 광은 200nm ~ 300nm인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 제조방법이 제공된다.On the other hand, according to another aspect of the present invention for achieving the object of the present invention, forming an n-type semiconductor layer on the substrate, forming an active layer on the n-type semiconductor layer and p on the active layer Forming a semiconductor layer, wherein the active layer is formed by alternately stacking a well layer and a barrier layer to form a quantum well structure, wherein the well layer is made of AlN x P 1-x , and the barrier layer is It is made of AlN y P 1-y , 0 <x, y <1, y> x, the light emitted from the active layer is provided a method of manufacturing a light emitting diode, characterized in that 200nm ~ 300nm.
상기 활성층은 약 400℃ 내지 1200℃의 성장 온도에서 형성하는 것을 특징으로 한다.The active layer is formed at a growth temperature of about 400 ℃ to 1200 ℃.
상기 활성층은 약 20 내지 760 토르(torr)의 압력에서 형성하는 것을 특징으로 한다.The active layer is formed at a pressure of about 20 to 760 torr (torr).
상기 활성층은 약 0.01 내지 10 마이크로미터/시간의 속도로 성장시키는 것을 특징으로 한다.The active layer is characterized by growing at a rate of about 0.01 to 10 micrometers / hour.
상기 Al 대 N와 P의 함량비는 1:50 내지 1:50000 인 것을 특징으로 한다.The content ratio of Al to N and P is characterized in that 1:50 to 1: 50000.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 양자 우물 구조를 갖는 활성층을 도시한 단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 양자 우물 구조를 갖는 활성층의 에너지 다이어그램을 나타낸 도이다.2 is a cross-sectional view showing an active layer having a quantum well structure according to the present invention, Figure 3 is a diagram showing an energy diagram of the active layer having a quantum well structure according to the present invention.
상기 도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 활성층은 에너지 밴드갭이 작은 우물층(well)과 상기 우물층 보다 에너지 밴드갭이 큰 장벽층(barrier)이 교대로 적층되 어 형성된 양자 우물(Quantum Well) 구조를 갖는다. 본 실시예의 활성층은 상기 우물층과 장벽층이 3번 교대로 적층되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 한 번 또는 여러 번 교대로 적층 형성되어, 단일 양자 우물구조 또는 다중 양자 우물구조를 갖는다.2 and 3, the active layer is a quantum well formed by alternately stacking a well layer having a small energy band gap and a barrier layer having a larger energy band gap than the well layer. ) Has a structure. The active layer of the present exemplary embodiment may be formed by alternately stacking the well layer and the barrier layer three times, but is not limited thereto. The active layer may be laminated one or more times to have a single quantum well structure or a multiple quantum well structure.
상기 우물층은 AlNxP1 -x로 이루어지고, 상기 장벽층은 AlNyP1 -y로 이루어지며, 여기서, 0< x,y <1 이고, y > x이다. 상기와 같이, AlNP를 이용한 우물층과 장벽층을 포함하는 양자 우물 구조를 갖는 활성층을 형성하면, 상기 활성층에서는 약 200nm ~ 300nm의 원자외선이 방출된다,The well layer is made of AlN x P 1 -x , and the barrier layer is made of AlN y P 1 -y , where 0 <x, y <1 and y> x. As described above, when an active layer having a quantum well structure including a well layer and a barrier layer using AlNP is formed, ultraviolet rays of about 200 nm to 300 nm are emitted from the active layer.
한편, 상기 활성층을 성장시키기 위한 조건을 살펴보면, 상기 활성층은 약 400℃ 내지 1200℃의 성장 온도에서 형성하며, 약 20 내지 760 토르(torr)의 압력에서 형성한다.On the other hand, looking at the conditions for growing the active layer, the active layer is formed at a growth temperature of about 400 ℃ to 1200 ℃, it is formed at a pressure of about 20 to 760 torr (torr).
또한, 상기 활성층은 약 0.01 내지 10 마이크로미터/시간의 속도로 성장시키는 것이 바람직하며, 상기 Al 대 N와 P의 함량비는 약 1:50 내지 1:50000으로 조절하는 것이 바람직하다.In addition, the active layer is preferably grown at a rate of about 0.01 to 10 micrometers / hour, and the content ratio of Al to N and P is preferably adjusted to about 1:50 to 1: 50000.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 화합물 반도체 발광 다이오드(100)의 단면도이다.4 is a cross-sectional view of the compound semiconductor
상기 화합물 반도체 발광 다이오드(100)는 순차로 적층된 기판(110), 버퍼층(120), n형 질화물 반도체층(130), 양자 우물구조를 갖는 활성층(140) 및 p형 질화물 반도체층(150)을 포함하며, 상기 n형 질화물 반도체층(130)상에 형성된 n 전극 (160) 및 상기 p형 질화물 반도체층(150)상에 형성된 p 전극(170)으로 구성된다.The compound semiconductor
상기 화합물 반도체 발광 다이오드의 제조 과정을 살펴보면, 우선 기판(110)을 준비하는데, 이때, 기판의 재료로는 실리콘(Si), 실리콘 카바이드(SiC) 및 사파이어 등 다양한 물질이 사용될 수 있다. Looking at the manufacturing process of the compound semiconductor light emitting diode, first to prepare a
상기 기판(110) 상에 버퍼층(120), n형 질화물 반도체층(130), 양자 우물구조를 갖는 활성층(140) 및 p형 질화물 반도체층(150)을 순차적으로 형성한다. 이때, 상기 버퍼층(120)은 GaN, AlN, GaInN, AlGaInN, SiN 등의 다양한 물질이 사용될 수 있으며, 상기 질화물 반도체층은 GaN 등을 포함한 여러 가지 조성의 질화물계 화합물이 사용될 수 있다. The
또한, n형 도펀트로는 Si, Ge, Sn, Te, S 등이 사용될 수 있으며, p형 도펀트로는 Zn, Cd, Be, Mg, Ca, Sr, Ba 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In addition, Si, Ge, Sn, Te, S, etc. may be used as the n-type dopant, and Zn, Cd, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, etc. may be used as the p-type dopant, but is not limited thereto. no.
상기 n형 질화물 반도체층(130)의 소정 영역을 식각을 통하여 노출시키며, 상기 노출된 제1 n형 질화물 반도체층(130) 상에 상기 n 전극(170)을 형성하며, 상기 p형 질화물 반도체층(150)상에 p 전극(170)을 형성한다.Exposing a predetermined region of the n-type
한편, 상기 활성층(140)은 3개의 우물층(140a)과 3개의 장벽층(140b)이 교대로 적층된 양자 우물 구조로 형성되며, 본 실시예에서는 3쌍의 우물층(140a) 및 장벽층(140b)으로 이루어진 다중 양자 우물 구조가 도시되지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 단일 양자 우물 구조 또는 다른 복수쌍의 우물층 및 장벽층으로 이루어진 다중 양자 우물 구조를 가질 수도 있다. Meanwhile, the
상기에서 살펴본 바와 같이, 상기 우물층(140a)은 AlNxP1 -x로 이루어지고, 상기 장벽층은 AlNyP1 -y로 이루어지며, 여기서, 0< x,y <1 이고, y > x이다.As described above, the
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 화합물 반도체 발광 다이오드(200)의 단면도이다. 상기 제2 실시예는 상기 제1 실시예와 비교하여, n형 및 p형 클래드층이 추가되는 점을 제외하면, 상기 제1 실시예의 구성과 유사하다.5 is a cross-sectional view of the compound semiconductor
상기 도 5를 참조하면, 상기 화합물 반도체 발광 다이오드(200)는 순차로 적층된 기판(210), 버퍼층(220), n형 질화물 반도체층(230), n형 클래드층(240), 양자 우물구조를 갖는 활성층(250), p형 클래드층(260) 및 p형 질화물 반도체층(270)을 포함하며, 상기 n형 질화물 반도체층(230)상에 형성된 n 전극(280) 및 상기 p형 질화물 반도체층(270)상에 형성된 p 전극(290)으로 구성된다. Referring to FIG. 5, the compound semiconductor
상기 n형 클래드층(230) 및 p형 클래드층(260)은 전자와 정공을 효율적으로 상기 양자 우물구조를 갖는 활성층(250) 내부에 제한시킴으로써, 전자와 정공의 재결합 효율을 증대시키는 역할을 수행한다. The n-
상기에서 살펴본 바와 같이, AlNP로 이루어진 우물층과 장벽층을 교대로 적층하여 구성된 양자 우물구조를 갖는 활성층을 포함하는 화합물 반도체 발광 다이오드는 200nm ~ 300nm의 원자외선을 방출하게 되며, 또한, 상기 활성층을 종래 기술보다 용이하게 성장시킬 수 있게 된다.As described above, the compound semiconductor light emitting diode including an active layer having a quantum well structure formed by alternately stacking a well layer and a barrier layer made of AlNP emits ultraviolet rays of 200 nm to 300 nm, and further, It is possible to grow easier than the prior art.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 화합물 반도체 발광 다이오드의 예시적인 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하 의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.What has been described above is merely an exemplary embodiment of the compound semiconductor light emitting diode according to the present invention, and the present invention is not limited to the above-described embodiment, and as claimed in the following claims, it departs from the gist of the present invention. Without this, anyone skilled in the art to which the present invention pertains will have the technical spirit of the present invention to the extent that various modifications can be made.
전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 종래의 AlGaN 보다 성장이 용이한 AlNP를 이용하여 우물층과 장벽층을 형성함으로써, 200nm ~ 300nm의 원자외선을 방출하는 발광 다이오드를 용이하게 제조할 수 있게 된다.As described above, according to the present invention, by forming a well layer and a barrier layer using AlNP, which is easier to grow than the conventional AlGaN, a light emitting diode emitting 200 nm to 300 nm of ultraviolet rays can be easily manufactured.
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