KR100898586B1 - Light emitting diode - Google Patents
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Abstract
발광 다이오드가 개시된다. 이 발광 다이오드는 질화갈륨 계열의 N형 화합물 반도체층 및 질화갈륨 계열의 P형 화합물 반도체층을 포함한다. 활성층이 상기 N형 및 P형 화합물 반도체층 사이에 개재되고, N형 AlxGa1 - xN 클래드층 및 P형 AlyGa1 - yN 클래드층이 각각 상기 N형 화합물 반도체층과 활성층 사이 그리고 상기 N형 화합물 반도체층과 활성층 사이에 개재된다. 여기서, 상기 N형 클래드층의 Al 조성비는 P형 클래드층의 Al 조성비와 동일하고, 상기 N형 클래드층의 두께는 상기 P형 클래드층에 비해 상대적으로 두껍다. N형 클래드층의 Al 조성비를 P형 클래드층과 동일하게 하여 발광 다이오드 제조 공정을 단순화함과 아울러 화합물 반도체층들의 결정질이 떨어지는 것을 방지할 수 있으며, N형 클래드층의 두께를 P형 클래드층에 비해 상대적으로 두껍게 함으로써 전자가 활성층 내로 유입되는 속도를 제어할 수 있다.A light emitting diode is disclosed. The light emitting diode includes a gallium nitride series N-type compound semiconductor layer and a gallium nitride series P-type compound semiconductor layer. An active layer is interposed between the N-type and P-type compound semiconductor layers, and an N-type Al x Ga 1 - x N clad layer and a P-type Al y Ga 1 - y N clad layer are respectively disposed between the N-type compound semiconductor layer and the active layer. And interposed between the N-type compound semiconductor layer and the active layer. Here, the Al composition ratio of the N-type cladding layer is the same as the Al composition ratio of the P-type cladding layer, and the thickness of the N-type cladding layer is relatively thicker than that of the P-type cladding layer. The Al composition ratio of the N-type cladding layer is the same as that of the P-type cladding layer, which simplifies the light emitting diode manufacturing process and prevents the crystallinity of the compound semiconductor layers from dropping. By relatively thickening it can control the rate at which electrons are introduced into the active layer.
발광 다이오드, 질화갈륨(GaN), 질화인듐갈륨(InGaN), 질화알루미늄갈륨(AlGaN), 초격자(superlattice) Light-emitting diodes, gallium nitride (GaN), indium gallium nitride (InGaN), aluminum gallium nitride (AlGaN), superlattice
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a light emitting diode according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.2 is a cross-sectional view illustrating a light emitting diode according to another embodiment of the present invention.
본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 특히 AlGaN의 n-클래드층과 p-클래드층을 갖는 발광 다이오드에 관한 것이다.The present invention relates to a light emitting diode, and more particularly to a light emitting diode having an n- clad layer and a p- clad layer of AlGaN.
일반적으로 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN), 질화인듐갈륨(InGaN) 등과 같은 Ⅲ족 원소의 질화물은 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드(band) 구조를 갖고 있어, 최근 청색 및 자외선 영역의 발광 다이오드용 물질로 많은 각광을 받고 있다. 특히, 질화인듐갈륨(InGaN) 화합물 반도체는 좁은 밴드 갭에 기인하여 많은 주목을 받고 있다. 이러한 질화갈륨 계열의 화합물 반도체를 이용한 발광 다이오드는 대규모 천연색 평판 표시 장치, 백라이트 광원, 신호등, 실내 조명, 고밀도광원, 고해상도 출력 시스템과 광통신 등 다양한 응용 분야에 활용 되고 있다.In general, nitrides of Group III elements such as gallium nitride (GaN), aluminum nitride (AlN), and indium gallium nitride (InGaN) have excellent thermal stability and have a direct transition energy band structure. It is attracting much attention as a material for light emitting diodes in the ultraviolet region. In particular, indium gallium nitride (InGaN) compound semiconductors have attracted much attention due to their narrow band gap. Light emitting diodes using gallium nitride-based compound semiconductors are being used in a variety of applications such as large-scale color flat panel display, backlight light source, traffic light, indoor lighting, high density light source, high resolution output system and optical communication.
최근, 고효율 백색 LED는 형광 램프를 대체할 것으로 기대되고 있으며, 특히 백색 LED의 효율(efficiency)은 통상의 형광램프의 효율에 유사한 수준에 도달하고 있다. 그러나, LED효율은 더욱 개선될 여지가 있으며, 따라서 지속적인 효율 개선이 더욱 요구되고 있으며, 특히, 결정질(crystal quality) 및 에피층 구조를 개선하여 내부 양자 효율(interna quantum efficiency)을 증가시킬 것이 요구된다.Recently, high-efficiency white LEDs are expected to replace fluorescent lamps. In particular, the efficiency of white LEDs has reached a level similar to that of conventional fluorescent lamps. However, the LED efficiency can be further improved, and thus, continuous efficiency improvement is further required. In particular, it is required to increase the internal quantum efficiency by improving the crystal quality and epilayer structure. .
에피층 구조와 관련하여, 종래의 LED는 N형 GaN와 활성층 사이에 N형 AlGaN 클래드층을, P형 GaN와 활성층 사이에 P형 AlGaN 클래드층을 포함하여, 상기 클래드층들에 의해 전자와 정공의 재결합률을 증가시키는 구조를 채택한다.Regarding the epilayer structure, conventional LEDs include an N-type AlGaN cladding layer between N-type GaN and an active layer, and a P-type AlGaN cladding layer between the P-type GaN and the active layer, whereby electrons and holes are formed by the clad layers. Adopt a structure to increase the recombination rate.
한편, GaN 계열의 화합물 반도체에서 전자의 이동도는 홀의 이동도에 비해 100배 이상 크기 때문에, 동일한 Al 조성비를 갖는 N형 AlGaN 클래드층과 P형 AlGaN 클래드층을 채택한 경우, 전자가 홀에 비해 상대적으로 빨리 활성층을 통과하게 되므로, 전자와 홀의 재결합율이 감소된다. 이를 방지하기 위해, N형 AlGaN 클래드층의 Al 조성비를 P형 AlGaN 클래드층의 Al 조성비에 비해 상대적으로 높게 하여 전자의 유입속도를 제어할 수 있으나, N형 AlGaN 클래드층의 Al 조성비 증가는 Al과 Ga 및 Al과 In의 원자 크기 차이에 기인하여 활성층 및 다른 반도체층들의 결정질을 떨어뜨린다. 또한, N형 클래드층과 P형 클래드층의 Al 조성비를 다르게 할 경우, 상기 두 층을 성장시키는 성장 공정의 공정 파라미터들, 예컨대 Al, Ga 및 N의 소오스 유량을 다르게 하여야 하며, 이에 따라 발광 다이오드 제조 공정을 복잡하게 할 수 있다.On the other hand, in the GaN-based compound semiconductor, the electron mobility is 100 times larger than the mobility of the holes, so that when the N-type AlGaN cladding layer and the P-type AlGaN cladding layer having the same Al composition ratio are adopted, the electrons are relatively As soon as it passes through the active layer, the recombination rate of electrons and holes is reduced. In order to prevent this, the Al composition ratio of the N-type AlGaN cladding layer can be relatively high compared to the Al composition ratio of the P-type AlGaN cladding layer to control the inflow rate of electrons, but the Al composition ratio of the N-type AlGaN cladding layer increases with Al and Due to the atomic size difference between Ga and Al and In, the crystallinity of the active layer and other semiconductor layers is degraded. In addition, when the Al composition ratio of the N-type cladding layer and the P-type cladding layer is different, process parameters of the growth process for growing the two layers, for example, source flow rates of Al, Ga, and N, must be changed. The manufacturing process can be complicated.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 결정질을 감소시키지 않으면서 활성층 내로 유입되는 전자의 유입 속도를 제어할 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide a light emitting diode capable of controlling an inflow rate of electrons introduced into an active layer without reducing crystallinity.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 제조 공정이 복잡해지는 것을 방지할 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a light emitting diode which can prevent the manufacturing process from becoming complicated.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 태양에 따른 발광 다이오드는, 질화갈륨 계열의 N형 화합물 반도체층 및 질화갈륨 계열의 P형 화합물 반도체층을 포함한다. 활성층이 상기 N형 및 P형 화합물 반도체층 사이에 개재된다. 한편, AlxGa1 - xN 클래드층이 상기 N형 화합물 반도체층과 활성층 사이에 개재되고, P형 AlyGa1-yN 클래드층이 상기 P형 화합물 반도체층과 활성층 사이에 개재된다. 여기서, 0<x, y≤1, x=y 이고, 상기 N형 AlxGa1 - xN 클래드층의 두께는 상기 P형 AlyGa1 - yN 클래드층에 비해 상대적으로 두껍다.In order to achieve the above technical problem, a light emitting diode according to an aspect of the present invention includes a gallium nitride-based N-type compound semiconductor layer and a gallium nitride-based P-type compound semiconductor layer. An active layer is interposed between the N-type and P-type compound semiconductor layers. On the other hand, an Al x Ga 1 - x N clad layer is interposed between the N-type compound semiconductor layer and the active layer, and a P-type Al y Ga 1-y N clad layer is interposed between the P-type compound semiconductor layer and the active layer. Here, 0 <x, y ≦ 1, x = y, and the thickness of the N-type Al x Ga 1 - x N cladding layer is relatively thick compared to the P-type Al y Ga 1 - y N cladding layer.
본 태양에 따르면, N형 클래드층의 Al 조성비와 P형 클래드층의 Al 조성비를 동일하게 하고 N형 클래드층의 두께를 P형 클래드층에 비해 두껍게 함으로써, 종래 Al 조성비 증가에 따른 화합물 반도체층의 결정질 감소를 방지함과 아울러 활성층 내로 유입되는 전자의 유입속도를 제어할 수 있다. 또한, N형 클래드층의 Al 조성비와 P형 클래드층의 Al 조성비가 동일하므로, N형 및 P형 클래드층을 성장시키는 공정 파라미터들, 예컨대 Al, Ga 및 N의 소오스 유량을 일치시킬 수 있어 발광 다이오드 제조 공정을 단순화할 수 있다.According to the present aspect, the Al composition ratio of the N-type cladding layer and the Al composition ratio of the P-type cladding layer are the same, and the thickness of the N-type cladding layer is thicker than that of the P-type cladding layer, so that the compound semiconductor layer of the conventional Al compositional ratio increases. It is possible to control the inflow rate of the electrons flowing into the active layer while preventing the crystalline decrease. In addition, since the Al composition ratio of the N-type cladding layer and the Al composition ratio of the P-type cladding layer are the same, the process parameters for growing the N-type and P-type cladding layers, for example, the source flow rates of Al, Ga, and N can be matched to emit light. The diode manufacturing process can be simplified.
한편, 상기 활성층은 InGaN 화합물 반도체층을 포함하는 단일 양자웰 또는 다층 양자웰일 수 있다. 이에 따라, In의 조성비를 변경하여 자외선 내지 가시광선 영역의 광을 방출하는 발광 다이오드를 제공할 수 있다. 또한, 상기 N형 화합물 반도체층은 N형 GaN로 형성되고, 상기 P형 화합물 반도체층은 P형 GaN로 형성될 수 있다.The active layer may be a single quantum well or a multilayer quantum well including an InGaN compound semiconductor layer. Accordingly, it is possible to provide a light emitting diode that emits light in the ultraviolet to visible light region by changing the composition ratio of In. The N-type compound semiconductor layer may be formed of N-type GaN, and the P-type compound semiconductor layer may be formed of P-type GaN.
한편, x는 0.08~0.15 범위 내일 수 있다. x가 0.08 미만인 경우, 클래드층의 밴드갭이 좁아 전자 또는 홀을 블로킹하지 못하며, x가 0.15를 초과하는 경우, 격자부정합의 증가에 의해 결정질을 감소시킬 수 있다.On the other hand, x may be in the range of 0.08 ~ 0.15. When x is less than 0.08, the bandgap of the clad layer is narrow to prevent blocking of electrons or holes, and when x is more than 0.15, crystallinity may be reduced by increasing lattice mismatch.
본 발명의 다른 태양에 따른 발광 다이오드는 질화갈륨 계열의 N형 화합물 반도체층 및 질화갈륨 계열의 P형 화합물 반도체층을 포함한다. 활성층이 상기 N형 및 P형 화합물 반도체층 사이에 개재된다. 한편, AlxGa1 - xN과 InzGa1 - zN이 적층된 초격자 구조의 N형 클래드층이 상기 N형 화합물 반도체층과 활성층 사이에 개재되고, P형 AlyGa1 - yN 클래드층이 상기 P형 화합물 반도체층과 활성층 사이에 개재된다. 여기서, 0<x, y, z≤1, x=y 이고, 상기 N형 클래드층 내의 AlxGa1 - xN의 총 두께는 상기 P형 AlyGa1 - yN 클래드층에 비해 상대적으로 두껍다.A light emitting diode according to another aspect of the present invention includes a gallium nitride-based N-type compound semiconductor layer and a gallium nitride-based P-type compound semiconductor layer. An active layer is interposed between the N-type and P-type compound semiconductor layers. Meanwhile, an N-type cladding layer having a super lattice structure in which Al x Ga 1 - x N and In z Ga 1 - z N are stacked is interposed between the N-type compound semiconductor layer and the active layer, and P-type Al y Ga 1 - y An N clad layer is interposed between the P-type compound semiconductor layer and the active layer. Here, 0 <x, y, z ≦ 1, x = y, and the total thickness of Al x Ga 1 - x N in the N-type cladding layer is relatively higher than that of the P-type Al y Ga 1 - y N cladding layer. thick.
본 태양에 따르면, 초격자 구조의 N형 클래드층을 채택하여 격자부정합에 기인한 결정질 감소를 완화할 수 있다.According to this aspect, the crystal lattice mismatch due to lattice mismatch can be alleviated by employing an N-type cladding layer having a superlattice structure.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following embodiments are provided as examples to ensure that the spirit of the present invention can be fully conveyed to those skilled in the art. Accordingly, the present invention is not limited to the embodiments described below and may be embodied in other forms. And, in the drawings, the width, length, thickness, etc. of the components may be exaggerated for convenience. Like numbers refer to like elements throughout.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.1 is a cross-sectional view illustrating a light emitting diode according to an embodiment of the present invention.
도 1를 참조하면, 기판(11) 상에 질화갈륨계열의 N형 화합물 반도체층(25)이 위치한다. 또한, 기판(21)과 N형 화합물 반도체층(25) 사이에 버퍼층(23이 개재될 수 있으며, 상기 버퍼층은 저온 버퍼층 및 고온 버퍼층을 포함할 수 있다. 상기 기판(21)은 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 사파이어, 스피넬, 탄화실리콘 기판 등일 수 있다. Referring to FIG. 1, a gallium nitride series N-type
상기 N형 화합물 반도체층(25) 상부에 질화갈륨계열의 P형 화합물 반도체층(33)이 위치하고, 상기 N형 화합물 반도체층(25)과 P형 화합물 반도체층(33) 사이에 활성층(29)이 개재된다. 상기 N형 화합물 반도체층 및 P형 화합물 반도체층은 (Al, Ga, In)N 계열의 III족 질화물 반도체층으로 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 N형 화합물 반도체층(25) 및 P형 화합물 반도체층(33)은 각각 N형 및 P형 GaN로 형성될 수 있다.A gallium nitride series P-type
한편, 상기 활성층(29)은 단일의 웰층을 갖는 단일 양자웰 또는 웰층과 장벽 층이 교대로 적층된 다중양자웰일 수 있다. 상기 웰층은 InGaN로 형성되며, 장벽층은 (Al, In, Ga)N로 형성될 수 있다. 상기 웰층은 장벽층에 비해 더 많은 In을 포함하여 양자웰을 형성한다.The
한편, 상기 N형 화합물 반도체층(25)와 활성층(29) 사이에 AlxGa1 - xN 클래드층(27)이 개재되고, 상기 P형 화합물 반도체층(33)과 활성층(29) 사이에 P형 AlyGa1-yN 클래드층(31)이 개재된다. 여기서, 0<x, y≤1 이고, x=y 이다. 즉, 상기 N형 클래드층(27)의 Al 조성비는 P형 클래드층(31)의 Al 조성비와 동일하다. 상기 N형 및 P형 클래드층들(27, 31)의 조성비 x, y는 0.08 내지 0.15 범위 내일 수 있다. x 또는 y가 0.08 미만인 경우, 클래드층의 밴드갭이 좁아 전자 또는 홀을 블로킹하지 못하며, x 또는 y가 0.15를 초과하는 경우, 격자부정합의 증가에 의해 화합물 반도체층들의 결정질을 감소시킬 수 있다.Meanwhile, an Al x Ga 1 - x N
한편, 상기 N형 클래드층(27)의 두께는 상기 P형 클래드층(31)에 비해 상대적으로 두껍다. 예컨대, 상기 P형 클래드층(31)의 두께는 100~300Å일 수 있으며, 상기 N형 클래드층(27)의 두께는 상기 P형 클래드층(31)의 두께에 비해 100~500Å 두껍게 형성될 수 있다. 이에 따라, 전자가 N형 화합물 반도체층(25)에서 활성층(29)으로 유입되는 유입속도를 제어할 수 있다.Meanwhile, the thickness of the N-
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.2 is a cross-sectional view illustrating a light emitting diode according to another embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 도 1를 참조하여 설명한 바와 같이, 기판(11) 상에 질화갈 륨계열의 N형 화합물 반도체층(25)이 위치하고, 기판(21)과 N형 화합물 반도체층(25) 사이에 버퍼층(23이 개재될 수 있다. 또한, 상기 N형 화합물 반도체층(25) 상부에 질화갈륨계열의 P형 화합물 반도체층(33)이 위치하고, 상기 N형 화합물 반도체층(25)과 P형 화합물 반도체층(33) 사이에 활성층(29)이 개재된다. 상기 N형 화합물 반도체층 및 P형 화합물 반도체층은 (Al, Ga, In)N 계열의 III족 질화물 반도체층으로 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 N형 화합물 반도체층(25) 및 P형 화합물 반도체층(33)은 각각 N형 및 P형 GaN로 형성될 수 있다. 또한, 상기 활성층(29)은 단일의 웰층을 갖는 단일 양자웰 또는 웰층과 장벽층이 교대로 적층된 다중양자웰일 수 있다. 상기 웰층은 InGaN로 형성되며, 장벽층은 (Al, In, Ga)N로 형성될 수 있다. 상기 웰층은 장벽층에 비해 더 많은 In을 포함하여 양자웰을 형성한다.Referring to FIG. 2, as described with reference to FIG. 1, a gallium nitride-based N-type
한편, 상기 N형 화합물 반도체층(25)과 활성층(29) 사이에 AlxGa1 - xN와 InzGa1-zN이 교대로 적층된 초격자 구조의 N형 클래드층(37)이 개재되고, 상기 P형 화합물 반도체층(33)과 활성층(29) 사이에 P형 AlyGa1 - yN 클래드층(31)이 개재된다. 여기서, 0<x, y, z≤1 이고, x=y 이다. 즉, 상기 N형 클래드층(37)의 AlxGa1 - xN 내의 Al 조성비는 P형 클래드층(31)의 Al 조성비와 동일하다. 또한, 상기 N형 클래드층(37)의 AlxGa1 - xN 내의 Al 조성비 및 P형 클래드층(31)의 Al 조성비 x, y는 0.08 내지 0.15 범위 내일 수 있다. Meanwhile, an N-
한편, 상기 N형 클래드층(27) 내의 AlxGa1 - xN의 총 두께는 상기 P형 클래드 층(31)에 비해 상대적으로 두껍다. 예컨대, 상기 P형 클래드층(31)의 두께는 100~300Å일 수 있으며, 상기 N형 클래드층(27) 내의 AlxGa1 - xN의 총 두께는 상기 P형 클래드층(31)의 두께에 비해 100~500Å 두껍게 형성될 수 있다. 이에 따라, 전자가 N형 화합물 반도체층(25)에서 활성층(29)으로 유입되는 유입속도를 제어할 수 있다. 한편, 상기 N형 클래드층(37) 내의 InzGa1-zN의 총 두께는 클래드층 전체 두께가 과도하게 두꺼워지는 것을 방지하기 위해 AlxGa1 - xN의 총 두께에 비해 얇은 것이 바람직하다. Meanwhile, the total thickness of Al x Ga 1 - x N in the N-
본 실시예에 따르면, 초격자 구조의 N형 클래드층(37)을 채택함으로써 N형 화합물 반도체층(25)과 N형 클래드층(37), 또는 N형 클래드층(37)과 활성층(29) 사이의 격자 부정합을 완화하여 결정질을 향상시킬 수 있다.According to the present embodiment, the N-
본 발명의 실시예들에 따르면, N형 클래드층의 AlGaN와 P형 클래드층의 AlGaN의 Al 조성비를 동일하게 함으로써, 공정을 단순화함과 아울러, 결정질 감소를 방지할 수 있으며, 또한, N형 클래드층의 AlGaN의 두께를 제어하여 전자가 활성층으로 유입되는 유입속도를 제어할 수 있는 발광 다이오드를 제공할 수 있다.According to the embodiments of the present invention, by making the Al composition ratio of AlGaN of the N-type cladding layer and AlGaN of the P-type cladding layer to be the same, it is possible to simplify the process and to prevent crystalline reduction and to further reduce the N-type cladding. By controlling the thickness of AlGaN of the layer can provide a light emitting diode that can control the flow rate of the electrons flowing into the active layer.
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