KR101373804B1 - White light emitting diode and fabrication method thereof - Google Patents

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Abstract

백색 발광다이오드 및 그 제조방법을 제공한다. 백색 발광다이오드는 기판 상에 n형 반도체층, 녹색광을 방출하는 제1 활성층, 청색광을 방출하는 제2 활성층 및 p형 반도체층이 차례로 적층되어 있고, 상기 제1 활성층 및 제2 활성층은 각각 양자우물층 및 양자장벽층이 교대로 적층된 구조이고, 상기 제1 활성층의 양자장벽층 및 제2 활성층의 양자장벽층은 서로에 관계없이 n 또는 p 도핑된 것을 특징으로 한다. 따라서, 양자장벽층에 n형과 p형의 선택적인 도핑을 적용하여 활성층 내 불균일한 캐리어 분포 문제를 개선함으로써 내부양자효율을 향상시킬 수 있다.Provided are a white light emitting diode and a method of manufacturing the same. A white light emitting diode is formed by sequentially stacking an n-type semiconductor layer, a first active layer emitting green light, a second active layer emitting blue light, and a p-type semiconductor layer on a substrate, and the first active layer and the second active layer are quantum wells, respectively. The layer and the quantum barrier layer are alternately stacked, and the quantum barrier layer of the first active layer and the quantum barrier layer of the second active layer are n or p doped irrespective of each other. Therefore, by applying selective doping of n-type and p-type to the quantum barrier layer, it is possible to improve the internal quantum efficiency by improving the non-uniform carrier distribution problem in the active layer.

Description

백색 발광다이오드 및 그 제조방법{White light emitting diode and fabrication method thereof}White light emitting diode and manufacturing method thereof

본 발명은 발광다이오드에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 백색 발광다이오드 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a light emitting diode, and more particularly to a white light emitting diode and a method of manufacturing the same.

발광다이오드(light-emitting diode: LED)는 p-n접합 다이오드의 일종으로, 순방향으로 전압이 걸릴 때 단파장광(monochromatic light)이 방출되는 현상인 전기발광효과(electroluminescence)를 이용한 반도체 소자이다.A light-emitting diode (LED) is a type of p-n junction diode, and is a semiconductor device using electroluminescence, which is a phenomenon in which monochromatic light is emitted when voltage is applied in the forward direction.

발광다이오드의 동작은 양극과 음극으로 표현되는 2개의 전극에 전압을 인가하고, 전압의 인가에 따른 전류의 공급에 의해 발광동작이 수행되는 메커니즘이다. 특히, 다중양자우물 구조가 형성된 활성층에는 n형 반도체층과 p형 반도체층이 상하부에 접촉된다. n형 반도체층은 활성층에 전자를 공급하고, p형 반도체층은 활성층에 정공을 공급한다. 다중양자우물 구조에 투입된 전자 및 정공은 양자구속효과에 의해 우물층 내부에 정의되고, 재결합에 의해 발광동작이 수행된다.The operation of the light emitting diode is a mechanism in which a voltage is applied to two electrodes represented by an anode and a cathode, and a light emitting operation is performed by supplying a current according to application of a voltage. In particular, an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer are in contact with the upper and lower portions of the active layer in which the multi-quantum well structure is formed. The n-type semiconductor layer supplies electrons to the active layer, and the p-type semiconductor layer supplies holes to the active layer. Electrons and holes injected into the multi-quantum well structure are defined inside the well layer by the quantum confinement effect, and light emission operation is performed by recombination.

일반적으로 질화갈륨 기반의 백색 발광다이오드는 청색 또는 자외선 빛을 방출하는 발광다이오드와 형광체를 결합하여 제작된다. 그러나 형광체를 이용하는 백색 발광다이오드의 경우, 장기간 사용하게 되면 형광체의 손상으로 인해 발광효율이 저하된다. 또한 소자 제작을 위한 패키징 공정이 복잡한 문제점이 있다.In general, a gallium nitride-based white light emitting diode is manufactured by combining a light emitting diode emitting blue or ultraviolet light and a phosphor. However, in the case of a white light emitting diode using a phosphor, the luminous efficiency is lowered due to damage of the phosphor when used for a long time. In addition, there is a complex problem in the packaging process for manufacturing the device.

이를 극복하기 위해 두 개 또는 세 개의 빛을 방출하는 활성층을 적용하여 형광체를 이용하지 않는 백색 발광다이오드 연구가 많이 이루어졌다. 이러한 백색 발광다이오드는 보통 청색과 녹색 빛을 방출하는 활성층을 수직으로 적층하여 구성하게 된다. 하지만 전자와 정공의 이동도 차이로 인해 전류주입에 따라 두 개의 활성층 영역에 불균일한 캐리어 분포가 형성되므로 발광 효율 향상에 한계가 존재한다.In order to overcome this problem, many researches have been conducted on white light emitting diodes that do not use phosphors by applying two or three light emitting active layers. Such white light emitting diodes are usually constructed by vertically stacking active layers emitting blue and green light. However, due to the difference in mobility between electrons and holes, a non-uniform carrier distribution is formed in the two active layer regions due to the current injection, thus there is a limit in improving the luminous efficiency.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전자와 정공의 결합 효율을 높일 수 있는 고효율 백색 발광다이오드 구조를 제공함에 있다.The problem to be solved by the present invention is to provide a high-efficiency white light emitting diode structure that can increase the coupling efficiency of electrons and holes.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 고효율 백색 발광다이오드 제조방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a high efficiency white light emitting diode.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 백색 발광다이오드를 제공한다. 상기 백색 발광다이오드는 기판, 상기 기판 상에 형성된 n형 반도체층, 상기 n형 반도체층 상에 형성된 녹색광을 방출하는 제1 활성층, 상기 제1 활성층 상에 형성된 청색광을 방출하는 제2 활성층 및 상기 제2 활성층 상에 형성된 p형 반도체층을 포함하고, 상기 제1 활성층 및 제2 활성층은 각각 양자우물층 및 양자장벽층이 교대로 적층된 구조이고, 상기 제1 활성층의 양자장벽층 및 제2 활성층의 양자장벽층은 서로에 관계없이 n 또는 p 도핑된 것을 특징으로 한다.One aspect of the present invention to achieve the above object provides a white light emitting diode. The white light emitting diode includes a substrate, an n-type semiconductor layer formed on the substrate, a first active layer emitting green light formed on the n-type semiconductor layer, a second active layer emitting blue light formed on the first active layer, and the first active layer. 2, a p-type semiconductor layer formed on the active layer, wherein the first active layer and the second active layer each have a structure in which a quantum well layer and a quantum barrier layer are alternately stacked, and a quantum barrier layer and a second active layer of the first active layer The quantum barrier layer is characterized in that n or p doped irrespective of each other.

상기 제1 활성층 및 제2 활성층은 각각 InxGa1 - xN 양자우물층(0<x<1)과 GaN 양자장벽층이 교대로 적층되어 이루어질 수 있다.The first active layer and the second active layer may be formed by alternately stacking an In x Ga 1 - x N quantum well layer (0 <x <1) and a GaN quantum barrier layer, respectively.

구체적으로, 상기 제1 활성층의 양자장벽층은 n 도핑되고 상기 제2 활성층의 양자장벽층은 p 도핑되거나, 상기 제1 활성층의 양자장벽층은 p 도핑되고 상기 제2 활성층의 양자장벽층은 n 도핑될 수 있다.Specifically, the quantum barrier layer of the first active layer is n-doped and the quantum barrier layer of the second active layer is p-doped, or the quantum barrier layer of the first active layer is p-doped and the quantum barrier layer of the second active layer is n Can be doped.

또한, 상기 백색 발광다이오드는 상기 기판과 상기 n형 반도체층 사이에 버퍼층을 더 포함할 수 있다.The white light emitting diode may further include a buffer layer between the substrate and the n-type semiconductor layer.

또한, 상기 백색 발광다이오드는 상기 제2 활성층과 상기 p형 반도체층 사이에 전자차단층을 더 포함할 수 있다.The white light emitting diode may further include an electron blocking layer between the second active layer and the p-type semiconductor layer.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 백색 발광다이오드 제조방법을 제공한다. 상기 백색 발광다이오드 제조방법은 기판을 준비하는 단계, 상기 기판 상에 n형 반도체층을 형성하는 단계, 상기 n형 반도체층 상에 녹색광을 방출하는 제1 활성층을 형성하는 단계, 상기 제1 활성층 상에 청색광을 방출하는 제2 활성층을 형성하는 단계 및 상기 제2 활성층 상에 p형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 제1 활성층 및 제2 활성층은 각각 양자우물층 및 양자장벽층을 교대로 적층하여 형성하고, 상기 제1 활성층의 양자장벽층 및 제2 활성층의 양자장벽층을 서로에 관계없이 n 또는 p 도핑하는 것을 특징으로 한다.Another aspect of the present invention to achieve the above object provides a method of manufacturing a white light emitting diode. The white light emitting diode manufacturing method comprises the steps of preparing a substrate, forming an n-type semiconductor layer on the substrate, forming a first active layer for emitting green light on the n-type semiconductor layer, on the first active layer Forming a second active layer that emits blue light in and forming a p-type semiconductor layer on the second active layer, wherein the first and second active layers alternate quantum well layers and quantum barrier layers, respectively. And the quantum barrier layer of the first active layer and the quantum barrier layer of the second active layer are n or p doped irrespective of each other.

본 발명에 따르면, 양자장벽층(Quantum barriers, QBs)에 n형과 p형의 선택적인 도핑을 적용하여 활성층 내 불균일한 캐리어 분포 문제를 개선함으로써 내부양자효율(internal quantum efficiency, IQE)을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, by applying selective doping of n-type and p-type to quantum barrier layers (QBs) to improve the non-uniform carrier distribution problem in the active layer to improve the internal quantum efficiency (IQE) Can be.

본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other technical effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광다이오드의 단면도이다.
도 2는 언도프(undoped) 양자장벽층을 갖는 백색 발광다이오드의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 3은 n형으로 도핑된 양자장벽층을 갖는 백색 발광다이오드의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 4는 p형으로 도핑된 양자장벽층을 갖는 백색 발광다이오드의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 5는 양자장벽층의 도핑 영향에 따른 발광다이오드의 내부양자효율 나타낸 그래프이다.
1 is a cross-sectional view of a light emitting diode according to an embodiment of the present invention.
2 is an energy band diagram of a white light emitting diode with an undoped quantum barrier layer.
3 is an energy band diagram of a white light emitting diode having an n-type doped quantum barrier layer.
4 is an energy band diagram of a white light emitting diode having a p-type doped quantum barrier layer.
5 is a graph showing the internal quantum efficiency of the light emitting diode according to the doping effect of the quantum barrier layer.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It is to be understood, however, that the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms and includes all equivalents and alternatives falling within the spirit and scope of the present invention.

본 명세서에서 층이 다른 층 또는 기판 "상"에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 층 또는 기판 상에 직접 형성될 수 있거나, 그들 사이에 제3의 층이 개재될 수도 있다. 또한, 본 명세서에서 위쪽, 상(부), 상면 등의 방향적인 표현은 그 기준에 따라 아래쪽, 하(부), 하면 등의 의미로 이해될 수 있다. 즉, 공간적인 방향의 표현은 상대적인 방향으로 이해되어야 하며 절대적인 방향을 의미하는 것으로 한정 해석되어서는 안 된다. 또한, "제1", "제2" 또는 "제3" 등의 용어는 구성요소들에 어떠한 한정을 가하려는 것이 아니라, 구성요소들을 구별하기 위해 사용되는 것으로 이해되어야 할 것이다.When a layer is referred to herein as being "on" another layer or substrate, it may be formed directly on another layer or substrate, or a third layer may be interposed therebetween. In the present specification, directional expressions of the upper side, upper side, upper side, and the like can be understood as meaning lower, lower, lower, and the like according to the standard. That is, the expression of the spatial direction should be understood in the relative direction and should not be construed as limiting in the absolute direction. Also, it is to be understood that the terms “first”, “second” or “third” are used to distinguish between elements, rather than to impose any limitation on the elements.

도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장 또는 축소된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.In the drawings, the thicknesses of the layers and regions may be exaggerated or reduced for clarity. Like numbers refer to like elements throughout.

또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광다이오드를 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a light emitting diode according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 발광다이오드는 기판(100), 버퍼층(200), n형 반도체층(300), 제1 활성층(400), 제2 활성층(500), 전자차단층(600) 및 p형 반도체층(700)을 포함한다.Referring to FIG. 1, a light emitting diode includes a substrate 100, a buffer layer 200, an n-type semiconductor layer 300, a first active layer 400, a second active layer 500, an electron blocking layer 600, and a p-type. The semiconductor layer 700 is included.

상기 기판(100)은 소정의 광투과도를 가지고 n형 반도체층의 성장을 용이하게 할 수 있는 재질이라면 어느 것이나 가능하다. 예컨대, 발광 구조가 질화물 계열의 화합물 반도체로 구성되고, 육방정계 구조를 가지는 경우, 상기 기판(100)도 육방정계의 결정구조를 가짐이 바람직하다. 이외에도 상기 기판(100)은 비정질상 또는 육방정계 이외의 결정구조를 가진 상태에서 그 상부에 단결정 박막이 구비된 형태로 제공될 수 있다. 또한, 상기 기판(100)은 임의의 기판 상에 나노 구조체가 형성된 형태로 제공될 수도 있다. 상기 나노 구조체는 패턴 형상일 수 있다. 예컨대, 상기 기판(100)은 사파이어(Al2O3) 기판, 실리콘 카바이드(SiC) 기판, GaN 기판, ZnO 기판 또는 실리콘 기판 등일 수 있다.The substrate 100 may be any material as long as it has a predetermined light transmittance and may facilitate growth of the n-type semiconductor layer. For example, when the light emitting structure is formed of a nitride semiconductor compound semiconductor and has a hexagonal structure, it is preferable that the substrate 100 also has a hexagonal crystal structure. In addition, the substrate 100 may be provided in a form in which a single crystal thin film is provided thereon in a state in which a crystal structure other than an amorphous phase or a hexagonal system is provided. In addition, the substrate 100 may be provided in the form of a nanostructure formed on any substrate. The nanostructure may have a pattern shape. For example, the substrate 100 may be a sapphire (Al 2 O 3 ) substrate, a silicon carbide (SiC) substrate, a GaN substrate, a ZnO substrate or a silicon substrate.

상기 기판(100) 상에 버퍼층(200)이 형성되어 있다. 상기 버퍼층(200)은 질화막 또는 산화막으로 이루어질 수 있다. 상기 버퍼층(200)은 기판과 n형 반도체층 사이의 격자상수(lattice constant) 및 열팽창 계수(thermal expansion coefficient)의 불일치에 따른 결정 결함(crystal defect)의 발생을 최소화시키기 위해 구비된다. 예를 들어, 사파이어 기판 상에 저온의 GaN 버퍼층을 형성한 후 상기 GaN 버퍼층 상에 양질의 단결정 GaN 질화물 반도체층을 성장시킬 수 있다. 다만, 상기 버퍼층(200)은 실시의 형태에 따라 생략될 수 있다. 예컨대, GaN 기판 상에 n-GaN 반도체층을 성장시키는 경우 격자상수의 불일치 문제가 없으므로 GaN 기판 및 n-GaN 반도체층 사이에 버퍼층을 추가로 개재하지 않아도 충분하다.A buffer layer 200 is formed on the substrate 100. The buffer layer 200 may be formed of a nitride film or an oxide film. The buffer layer 200 is provided to minimize the occurrence of crystal defects due to a mismatch between a lattice constant and a thermal expansion coefficient between the substrate and the n-type semiconductor layer. For example, after forming a low temperature GaN buffer layer on a sapphire substrate, a high quality single crystal GaN nitride semiconductor layer may be grown on the GaN buffer layer. However, the buffer layer 200 may be omitted according to the embodiment. For example, when an n-GaN semiconductor layer is grown on a GaN substrate, there is no problem of mismatch of lattice constant, and thus, it is sufficient that an additional buffer layer is not interposed between the GaN substrate and the n-GaN semiconductor layer.

상기 버퍼층(200)은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법, LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)법 또는 MBE(Molecular Beam Epitaxy)법을 사용하여 형성할 수 있다.The buffer layer 200 may be formed using a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, a low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) method, or a molecular beam epitaxy (MBE) method.

상기 버퍼층(200) 상에 n형 반도체층(300)이 형성되어 있다. 상기 n형 반도체층(300)은 질화물 반도체일 수 있다. 상기 질화물 반도체는 GaN로 구성될 수 있다. 이 경우, 도판트로는 4족 원소가 사용될 수 있으며, Si이 도판트로 사용됨이 바람직하다.An n-type semiconductor layer 300 is formed on the buffer layer 200. The n-type semiconductor layer 300 may be a nitride semiconductor. The nitride semiconductor may be composed of GaN. In this case, a Group 4 element may be used as the dopant, and Si is preferably used as the dopant.

상기 n형 반도체층(300) 상에 제1 활성층(400) 및 제2 활성층(500)이 차례로 형성되어 있다. 상기 활성층들(400, 500)은 하부의 n형 반도체층(300)과 동종의 결정구조를 가지는 물질로 형성함이 바람직하다. 예컨대, n형 반도체층이 GaN 계열인 경우, 상기 활성층도 GaN 계열로 형성함이 바람직하다.The first active layer 400 and the second active layer 500 are sequentially formed on the n-type semiconductor layer 300. The active layers 400 and 500 may be formed of a material having a crystal structure that is the same as that of the lower n-type semiconductor layer 300. For example, when the n-type semiconductor layer is GaN-based, it is preferable to form the active layer also GaN-based.

상기 활성층들(400, 500)은 다중 양자 우물(Multi Quantum Well) 구조일 수 있다. 다중 양자 우물 구조는 양자장벽층(quantum barrier layer)과 양자우물층(quantum well layer)이 교대로 적층된 구조를 의미한다. 양자장벽층은 양자우물층의 밴드갭보다 높은 밴드갭을 가진다. 이를 통해 양자우물층에서의 양자구속효과는 유효하게 발현된다. 양자우물층 또는 양자장벽층의 형성은 밴드갭 엔지니어링에 의해 수행된다.The active layers 400 and 500 may have a multi quantum well structure. The multi quantum well structure refers to a structure in which a quantum barrier layer and a quantum well layer are alternately stacked. The quantum barrier layer has a band gap higher than that of the quantum well layer. Through this, the quantum confinement effect in the quantum well layer is effectively expressed. Formation of the quantum well layer or the quantum barrier layer is performed by bandgap engineering.

예를 들어, 제1 활성층(400) 및 제2 활성층(500)은 각각 InxGa1 - xN 양자우물층(0<x<1)(420, 520)과 GaN 양자장벽층(410, 510)이 교대로 적층된 구조로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 제1 활성층(400)은 녹색광을 방출하고, 상기 제2 활성층(500)은 청색광을 방출할 수 있도록, 각각의 양자우물층의 x값을 조절할 수 있다.For example, the first active layer 400 and the second active layer 500 may each be an In x Ga 1 - x N quantum well layer (0 <x <1) 420, 520 and a GaN quantum barrier layer 410, 510. ) May be composed of alternating stacked structures. In this case, the first active layer 400 may emit green light, and the second active layer 500 may emit blue light, so that the x value of each quantum well layer may be adjusted.

일반적으로 전자와 정공의 이동도 차이로 인해 활성층 내 불균일한 캐리어 분포가 나타난다. 따라서, 상기 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에 따르면 상기 제1 활성층(400)의 양자장벽층(410) 및 제2 활성층(500)의 양자장벽층(510)은 서로에 관계없이 n 또는 p 도핑이 적용된다. 예를 들어, 양자장벽층들(410, 510)이 GaN 계열로 이루어지는 경우, n형 도판트로는 4족 원소가 사용될 수 있으며, 예를 들어 Si이 도판트로 사용될 수 있다. 또한, p형 도판트로는 2족 원소가 사용될 수 있으며, 예를 들어 Mg가 도판트로 사용될 수 있다.In general, due to the difference in mobility between electrons and holes, a nonuniform carrier distribution occurs in the active layer. Accordingly, in order to solve the above problem, according to the present invention, the quantum barrier layer 410 of the first active layer 400 and the quantum barrier layer 510 of the second active layer 500 may have n or p doping irrespective of each other. Apply. For example, when the quantum barrier layers 410 and 510 are made of GaN series, a Group 4 element may be used as the n-type dopant, for example, Si may be used as the dopant. In addition, a Group 2 element may be used as the p-type dopant, for example, Mg may be used as the dopant.

바람직하게, 제1 활성층(400)의 양자장벽층(410)과 제2 활성층(500)의 양자장벽층(510) 중 한 쪽은 n형으로 도핑되고, 다른 쪽은 p형으로 도핑될 수 있다.Preferably, one of the quantum barrier layer 410 of the first active layer 400 and the quantum barrier layer 510 of the second active layer 500 may be n-type doped, and the other may be doped p-type. .

따라서, 선택적으로 n 또는 p 도핑된 양자장벽층을 포함하는 활성층 구조를 이용할 경우, 캐리어 분포의 불균일도를 최소화시킬 수 있다.Therefore, when using an active layer structure including an n- or p-doped quantum barrier layer, it is possible to minimize the non-uniformity of the carrier distribution.

도 2는 언도프(undoped) 양자장벽층을 갖는 백색 발광다이오드의 에너지 밴드 다이어그램이다. 한편, 도 3은 n형으로 도핑된 양자장벽층을 갖는 백색 발광다이오드의 에너지 밴드 다이어그램이며, 도 4는 p형으로 도핑된 양자장벽층을 갖는 백색 발광다이오드의 에너지 밴드 다이어그램이다.2 is an energy band diagram of a white light emitting diode with an undoped quantum barrier layer. FIG. 3 is an energy band diagram of a white light emitting diode having an n-type doped quantum barrier layer, and FIG. 4 is an energy band diagram of a white light emitting diode having a p-type doped quantum barrier layer.

도 2 내지 4를 참조하면, 양자장벽층이 도핑되지 않은 경우(도 2)에 비해, 양자장벽층을 n형으로 도핑하는 경우(도 3) 양자장벽층의 밴드 구조가 아래쪽으로 벤딩(bending)되는 현상이 나타남을 확인할 수 있다. 따라서, 전도대에서 장벽층의 높이가 낮아짐에 따라 전자의 주입이 향상되므로 전기적 특성이 개선될 수 있다. 그러나 전류주입이 증가할수록 전자의 오버플로우(overflow) 현상이 심해지므로 광학적 특성은 저하될 수 있다. 반면, 양자장벽층을 p형으로 도핑하는 경우(도 4) 양자장벽층의 밴드 구조가 윗쪽으로 벤딩되는 현상이 나타남을 확인할 수 있다. 이에 따라 효율적인 정공 주입이 가능하므로 광학적 특성이 향상될 수 있다. 하지만 전도대에서 장벽층의 높이가 높아지므로 전기적 특성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.2 to 4, the band structure of the quantum barrier layer is bent downward when the quantum barrier layer is n-doped (FIG. 3), compared with the case where the quantum barrier layer is not doped (FIG. 2). It can be seen that the phenomenon appears. Therefore, as the height of the barrier layer in the conduction band is lowered, the injection of electrons is improved, so that electrical characteristics may be improved. However, as the current injection increases, the overflow phenomenon of the electron becomes worse and thus the optical characteristics may be degraded. On the other hand, when the quantum barrier layer is doped to the p-type (Fig. 4) it can be seen that the phenomenon that the band structure of the quantum barrier layer is bent upwards. As a result, efficient hole injection can be performed, thereby improving optical characteristics. However, as the height of the barrier layer increases in the conduction band, a problem may occur in which electrical characteristics are degraded.

따라서, 각각 녹색과 청색 파장의 빛을 방출하는 활성층의 양자장벽층에 n 도판트 및 p 도판트를 선택적으로 도핑함으로써 광학적 특성과 전기적 특성을 모두 보완할 수 있다.Therefore, by selectively doping the n dopant and p dopant in the quantum barrier layer of the active layer that emits light of green and blue wavelength, respectively, it is possible to complement both optical and electrical properties.

다시 도 1을 참조하며 설명하는 바, 예를 들어, 상기 제1 활성층(400)의 양자장벽층(410)은 n 도핑되고, 상기 제2 활성층(500)의 양자장벽층(510)은 p 도핑될 수 있다. 이때, 상기 제1 활성층(400) 및 제2 활성층(500)은 각각 녹색광 및 청색광을 방출하는 활성층일 수 있다. 녹색광을 방출하는 활성층은 양자우물구조 내 구속효과가 청색광을 방출하는 활성층에 비해 크기 때문에 전자의 이동이 어렵다. 그러나, 녹색광을 방출하는 활성층의 양자장벽층을 n 도핑하는 경우 전도대 내 장벽이 낮아져 용이한 전자이동이 가능해지므로 소자의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 청색광을 방출하는 활성층의 양자장벽층을 p 도핑하는 경우 정공주입효율을 향상시킬 수 있으며, 전도대 내 장벽이 높아져 전자의 오버플로우 현상도 방지할 수 있다.Referring back to FIG. 1, for example, the quantum barrier layer 410 of the first active layer 400 is n-doped, and the quantum barrier layer 510 of the second active layer 500 is p-doped. Can be. In this case, the first active layer 400 and the second active layer 500 may be active layers emitting green light and blue light, respectively. The active layer emitting green light is difficult to move electrons because the restraining effect in the quantum well structure is larger than the active layer emitting blue light. However, when n-doped the quantum barrier layer of the active layer that emits green light, the barrier in the conduction band is lowered to facilitate electron transfer, thereby improving the electrical characteristics of the device. In addition, when p-doped the quantum barrier layer of the active layer that emits blue light can improve the hole injection efficiency, it is possible to prevent the electron overflow phenomenon due to the high barrier in the conduction band.

다른 예로, 상기 제1 활성층(400)의 양자장벽층(410)은 p 도핑되고, 상기 제2 활성층(500)의 양자장벽층(510)은 n 도핑될 수 있다. 이때, 상기 제1 활성층(400) 및 제2 활성층(500)은 각각 녹색광 및 청색광을 방출하는 활성층일 수 있다. 발광다이오드에 있어서 정공이 전자에 비해 낮은 이동도를 가지므로 n형 반도체층(300) 쪽으로 갈수록 정공의 농도가 급격히 감소되어 불균일한 캐리어 분포를 보인다. 그러나, 녹색광을 방출하는 활성층의 양자장벽층을 p 도핑하는 경우 효율적인 정공주입이 가능해지므로 상대적으로 낮은 녹색광 효율을 증가시켜 안정적인 백색광을 구현할 수 있다. 다만, 이 경우 녹색광을 방출하는 활성층의 전도대 내 장벽이 높아져 청색광을 방출하는 활성층으로의 전자의 주입이 어려워질 수 있으나, 이러한 문제는 청색광을 방출하는 활성층의 양자장벽층을 n 도핑하여 해결할 수 있다.As another example, the quantum barrier layer 410 of the first active layer 400 may be p-doped, and the quantum barrier layer 510 of the second active layer 500 may be n-doped. In this case, the first active layer 400 and the second active layer 500 may be active layers emitting green light and blue light, respectively. In the light emitting diode, since the holes have a lower mobility than the electrons, the concentration of holes rapidly decreases toward the n-type semiconductor layer 300, resulting in uneven carrier distribution. However, when p-doped the quantum barrier layer of the active layer that emits green light enables efficient hole injection, thereby increasing the relatively low green light efficiency, thereby achieving stable white light. In this case, however, the barrier in the conduction band of the active layer emitting green light may be increased, thereby making it difficult to inject electrons into the active layer emitting blue light. However, this problem may be solved by n doping the quantum barrier layer of the active layer emitting blue light. .

상기 양자장벽층에 n 또는 p 도핑은 이온주입법 등 통상의 공지된 방법을 이용하여 수행될 수 있다.The n or p doping to the quantum barrier layer may be performed using a conventionally known method such as ion implantation.

상기 제2 활성층(500) 상에 전자차단층(600)이 형성되어 있다. 상기 전자차단층(600)은 AlxGa1 - xN층(0<x<1)일 수 있다. 상기 전자차단층(600)은 전자의 오버플로우 현상을 방지하는 기능을 수행한다. 다만, 상기 전자차단층(600)은 생략할 수도 있다.An electron blocking layer 600 is formed on the second active layer 500. The electron blocking layer 600 may be an Al x Ga 1 - x N layer (0 <x <1). The electron blocking layer 600 performs a function of preventing the overflow of electrons. However, the electron blocking layer 600 may be omitted.

상기 전자차단층(600) 상에 p형 반도체층(700)이 형성되어 있다. 상기 p형 반도체층(700)은 상기 n형 반도체층(300) 또는 상기 활성층(400, 500)을 형성하는 기반 물질과 동일한 물질로 형성됨이 바람직하다. 예컨대, n형 반도체층(300) 또는 활성층(400, 500)이 GaN을 포함하는 경우, p형 반도체층(700)도 GaN을 포함함이 바람직하다. 다만, 상기 p형 반도체층(700)의 재질은 상기 활성층(400, 500)에서 형성된 빛의 흡수가 최소화될 수 있는 구조와 밴드갭을 가진 물질이고, 소정의 광투과성을 가진 물질이라면 제한 없이 사용 가능하다.The p-type semiconductor layer 700 is formed on the electron blocking layer 600. The p-type semiconductor layer 700 is preferably formed of the same material as the base material forming the n-type semiconductor layer 300 or the active layer (400, 500). For example, when the n-type semiconductor layer 300 or the active layers 400 and 500 include GaN, it is preferable that the p-type semiconductor layer 700 also includes GaN. However, the material of the p-type semiconductor layer 700 is a material having a structure and a bandgap that can minimize the absorption of light formed in the active layer (400, 500), if the material having a predetermined light transmittance is used without limitation It is possible.

상기 p형 반도체층(700)의 형성을 위해 다양한 형태의 도판트가 도입될 수 있다. 예컨대, 상기 p형 반도체층(700)이 GaN을 포함하는 경우, 도판트로는 2족 원소가 사용될 수 있으며, Mg이 사용됨이 바람직하다.Various types of dopants may be introduced to form the p-type semiconductor layer 700. For example, when the p-type semiconductor layer 700 includes GaN, a Group 2 element may be used as the dopant, and Mg is preferably used.

상기 n형 반도체층(300), 제1 활성층(400), 제2 활성층(500), 전자차단층(600) 및 p형 반도체층(700)은 서로에 관계없이 MOCVD, HVPE, MBE, E-beam 또는 스퍼터링 등을 사용하여 형성할 수 있다.
The n-type semiconductor layer 300, the first active layer 400, the second active layer 500, the electron blocking layer 600, and the p-type semiconductor layer 700 are independent of MOCVD, HVPE, MBE, and E−. It may be formed using a beam or sputtering.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실험예를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred examples for the understanding of the present invention will be described. It should be understood, however, that the following examples are intended to aid in the understanding of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.

제조예Manufacturing example 1 One

본 발명의 실시예에 따른 백색 발광다이오드를 제조하였다.A white light emitting diode according to an embodiment of the present invention was prepared.

먼저 사파이어 기판 상에 기판과 반도체층의 격자부정합을 완화하기 위하여 약 3.5㎛의 두께의 언도프 GaN층을 증착하였다.First, an undoped GaN layer having a thickness of about 3.5 μm was deposited on the sapphire substrate to mitigate lattice mismatch between the substrate and the semiconductor layer.

그 다음, 상기 언도프 GaN층 상에 MOCVD법을 이용하여 n-GaN층을 2㎛ 두께로 증착하였다. 이때, n 도핑 농도는 5 x 1018 /cm3이었다.Next, an n-GaN layer was deposited on the undoped GaN layer by 2 mu m thickness using MOCVD. At this time, the n doping concentration was 5 x 10 18 / cm 3 .

상기 n-GaN층 상에 MOCVD법을 이용하여 GaN 양자장벽층(10nm)과 InGaN 양자우물층(3nm)을 교대로 적층하여 녹색광을 방출하는 제1 활성층을 형성하였다.On the n-GaN layer, a GaN quantum barrier layer (10 nm) and an InGaN quantum well layer (3 nm) were alternately stacked on the n-GaN layer to form a first active layer emitting green light.

여기서, 상기 GaN 양자장벽층을 적층한 후, InGaN 양자우물층을 적층하기 전에, 상기 양자장벽층에 Si 도판트를 이용하여 n 도핑하였다. 상기 양자장벽층의 n 도핑 농도는 3 x 1018 /cm3이었다.Here, after stacking the GaN quantum barrier layer, and before stacking the InGaN quantum well layer, n-doped the quantum barrier layer using a Si dopant. The n doping concentration of the quantum barrier layer was 3 x 10 18 / cm 3 .

상기 제1 활성층 상에 MOCVD법을 이용하여 GaN 양자장벽층(10nm)과 InGaN 양자우물층(3nm)을 교대로 적층하여 청색광을 방출하는 제2 활성층을 형성하였다.The GaN quantum barrier layer (10 nm) and the InGaN quantum well layer (3 nm) were alternately stacked on the first active layer by using MOCVD to form a second active layer emitting blue light.

여기서, 상기 GaN 양자장벽층을 적층한 후, InGaN 양자우물층을 적층하기 전에, 상기 양자장벽층에 Si 도판트를 이용하여 n 도핑하였다. 상기 양자장벽층의 n 도핑 농도는 3 x 1018 /cm3이었다.Here, after stacking the GaN quantum barrier layer, and before stacking the InGaN quantum well layer, n-doped the quantum barrier layer using a Si dopant. The n doping concentration of the quantum barrier layer was 3 x 10 18 / cm 3 .

상기 제2 활성층 상에 MOCVD법을 이용하여 30nm 두께의 p-AlGaN 전자차단층 및 200nm 두께의 p-GaN 반도체층을 차례로 형성하였다. 상기 전자차단층의 p 도핑 농도는 1.5 x 1019 /cm3이었고, 상기 p-GaN 반도체층의 p 도핑 농도는 2 x 1019 /cm3이었다.
A 30 nm thick p-AlGaN electron blocking layer and a 200 nm thick p-GaN semiconductor layer were sequentially formed on the second active layer by MOCVD. The p doping concentration of the electron blocking layer was 1.5 x 10 19 / cm 3, and the p doping concentration of the p-GaN semiconductor layer was 2 x 10 19 / cm 3 .

제조예Manufacturing example 2 2

제1 활성층의 양자장벽층 및 제2 활성층의 양자장벽층에 Mg 도판트를 이용하여 둘 모두 p형 도핑한 것을 제외하고는, 상기 제조예 1과 동일한 방법을 수행하여 백색 발광다이오드를 제조하였다.
A white light emitting diode was manufactured by the same method as Preparation Example 1, except that both the quantum barrier layer of the first active layer and the quantum barrier layer of the second active layer were p-type doped with Mg dopant.

제조예Manufacturing example 3 3

제1 활성층의 양자장벽층에 Si 도판트를 이용하여 n형 도핑하고, 제2 활성층의 양자장벽층에 Mg 도판트를 이용하여 p형 도핑한 것을 제외하고는, 상기 제조예 1과 동일한 방법을 수행하여 백색 발광다이오드를 제조하였다.
The same method as in Preparation Example 1 was repeated except that the quantum barrier layer of the first active layer was n-type doped with Si dopant, and the quantum barrier layer of the second active layer was p-type doped with Mg dopant. A white light emitting diode was produced by the process.

제조예Manufacturing example 4 4

제1 활성층의 양자장벽층에 Mg 도판트를 p형 도핑하고, 제2 활성층의 양자장벽층에 Si 도판트를 이용하여 n형 도핑한 것을 제외하고는, 상기 제조예 1과 동일한 방법을 수행하여 백색 발광다이오드를 제조하였다.
The same method as in Preparation Example 1 was performed except that p-type Mg dopant was doped into the quantum barrier layer of the first active layer, and n-type doped was used to form the quantum barrier layer of the second active layer. A white light emitting diode was prepared.

비교예Comparative Example

제1 활성층 및 제2 활성층의 양자장벽층이 언도핑된 것을 제외하고는, 상기 제조예 1과 동일한 방법을 수행하여 백색 발광다이오드를 제조하였다.
A white light emitting diode was manufactured in the same manner as in Preparation Example 1, except that the quantum barrier layers of the first active layer and the second active layer were undoped.

분석예Analysis example

제조예 1 내지 제조예 4 및 비교예에 의해 제조된 백색 발광다이오드의 전류밀도에 따른 내부양자효율(internal quantum efficiency, IQE)을 측정하였다.Internal quantum efficiency (IQE) of the white light emitting diodes manufactured according to Preparation Examples 1 to 4 and Comparative Examples was measured.

도 5는 양자장벽층의 도핑 영향에 따른 발광다이오드의 내부양자효율 나타낸 그래프이다.5 is a graph showing the internal quantum efficiency of the light emitting diode according to the doping effect of the quantum barrier layer.

도 5를 참조하면, 저전류밀도에서 제1 활성층의 양자장벽층이 p형 도핑되고 제2 활성층의 양자장벽층이 n형 도핑된 경우(제조예 4), 양자장벽층이 언도핑된 비교예의 백색 발광다이오드에 비하여 내부양자효율이 향상됨을 알 수 있다.Referring to FIG. 5, in the case where the quantum barrier layer of the first active layer is p-doped and the quantum barrier layer of the second active layer is n-doped (manufacture example 4) at low current density, the quantum barrier layer is undoped. It can be seen that the internal quantum efficiency is improved compared to the white light emitting diode.

또한, 고전류밀도에서 제1 활성층의 양자장벽층이 n형 도핑되고, 제2 활성층의 양자장벽층이 p형 도핑된 경우(제조예 3), 양자장벽층이 언도핑된 비교예의 백색 발광다이오드에 비하여 내부양자효율이 향상됨을 알 수 있다.In addition, when the quantum barrier layer of the first active layer is n-type doped and the quantum barrier layer of the second active layer is p-doped (Manufacturing Example 3) at a high current density, the white light emitting diode of the comparative example in which the quantum barrier layer is undoped In comparison, it can be seen that the internal quantum efficiency is improved.

이는 다중양자우물 구조 내 상대적으로 캐리어 분포가 균일해짐에 따른 영향으로 판단된다.
This is judged to be due to the relatively uniform carrier distribution in the multi-quantum well structure.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, This is possible.

100: 기판 200: 버퍼층
300: n형 반도체층 400: 제1 활성층
410: 양자장벽층 420: 양자우물층
500: 제2 활성층 510: 양자장벽층
520: 양자우물층 600: 전자차단층
700: p형 반도체층
100: substrate 200: buffer layer
300: n-type semiconductor layer 400: first active layer
410: quantum barrier layer 420: quantum well layer
500: second active layer 510: quantum barrier layer
520: quantum well layer 600: electron blocking layer
700: p-type semiconductor layer

Claims (10)

기판;
상기 기판 상에 형성된 n형 반도체층;
상기 n형 반도체층 상에 형성된 녹색광을 방출하는 제1 활성층;
상기 제1 활성층 상에 형성된 청색광을 방출하는 제2 활성층; 및
상기 제2 활성층 상에 형성된 p형 반도체층을 포함하고,
상기 제1 활성층 및 제2 활성층은 각각 양자우물층 및 양자장벽층이 교대로 적층된 구조이며,
상기 제1 활성층의 양자장벽층은 p 도핑되고, 상기 제2 활성층의 양자장벽층은 n 또는 p 도핑되거나,
또는 상기 제1 활성층의 양자장벽층은 n 도핑되고, 상기 제2 활성층의 양자장벽층은 p 도핑된 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드.
Board;
An n-type semiconductor layer formed on the substrate;
A first active layer emitting green light formed on the n-type semiconductor layer;
A second active layer emitting blue light formed on the first active layer; And
A p-type semiconductor layer formed on the second active layer,
The first active layer and the second active layer have a structure in which quantum well layers and quantum barrier layers are alternately stacked, respectively.
The quantum barrier layer of the first active layer is p doped, the quantum barrier layer of the second active layer is n or p doped,
Or the quantum barrier layer of the first active layer is n-doped, and the quantum barrier layer of the second active layer is p-doped.
제1항에 있어서,
상기 제1 활성층 및 제2 활성층은 각각 InxGa1 - xN 양자우물층(0<x<1)과 GaN 양자장벽층이 교대로 적층되어 이루어진 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드.
The method of claim 1,
The first active layer and the second active layer are white light emitting diodes, characterized in that the In x Ga 1 - x N quantum well layer (0 <x <1) and the GaN quantum barrier layer are alternately stacked.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 기판과 상기 n형 반도체층 사이에 버퍼층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드.
The method of claim 1,
And a buffer layer between the substrate and the n-type semiconductor layer.
제1항에 있어서,
상기 제2 활성층과 상기 p형 반도체층 사이에 전자차단층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드.
The method of claim 1,
The white light emitting diode of claim 2, further comprising an electron blocking layer between the second active layer and the p-type semiconductor layer.
제6항에 있어서,
상기 전자차단층은 AlxGa1 - xN층(0<x<1)인 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드.
The method according to claim 6,
The electron blocking layer is an Al x Ga 1 - x N layer (0 <x <1) characterized in that the white light emitting diode.
기판을 준비하는 단계;
상기 기판 상에 n형 반도체층을 형성하는 단계;
상기 n형 반도체층 상에 녹색광을 방출하는 제1 활성층을 형성하는 단계;
상기 제1 활성층 상에 청색광을 방출하는 제2 활성층을 형성하는 단계; 및
상기 제2 활성층 상에 p형 반도체층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 제1 활성층 및 제2 활성층은 각각 양자우물층 및 양자장벽층을 교대로 적층하여 형성하며,
상기 제1 활성층을 형성하는 단계는 p 도핑된 양자장벽층들을 형성하고, 상기 제2 활성층을 형성하는 단계는 n 또는 p 도핑된 양자장벽층들을 형성하거나,
또는, 상기 제1 활성층을 형성하는 단계는 n 도핑된 양자장벽층들을 형성하고, 상기 제2 활성층을 형성하는 단계는 p 도핑된 양자장벽층들을 형성하는 것을 특징으로 하는 백색 발광다이오드 제조방법.
Preparing a substrate;
Forming an n-type semiconductor layer on the substrate;
Forming a first active layer emitting green light on the n-type semiconductor layer;
Forming a second active layer emitting blue light on the first active layer; And
Forming a p-type semiconductor layer on the second active layer;
The first active layer and the second active layer are formed by alternately stacking quantum well layers and quantum barrier layers, respectively.
Forming the first active layer forms p-doped quantum barrier layers, and forming the second active layer forms n or p doped quantum barrier layers,
Alternatively, the forming of the first active layer may form n-doped quantum barrier layers, and the forming of the second active layer may form p-doped quantum barrier layers.
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