KR102206768B1 - 반도체 발광 디바이스 - Google Patents

반도체 발광 디바이스 Download PDF

Info

Publication number
KR102206768B1
KR102206768B1 KR1020190047109A KR20190047109A KR102206768B1 KR 102206768 B1 KR102206768 B1 KR 102206768B1 KR 1020190047109 A KR1020190047109 A KR 1020190047109A KR 20190047109 A KR20190047109 A KR 20190047109A KR 102206768 B1 KR102206768 B1 KR 102206768B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
semiconductor
layer
light emitting
emitting device
group
Prior art date
Application number
KR1020190047109A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20200123937A (ko
Inventor
안도열
고석남
Original Assignee
주식회사 페타룩스
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 페타룩스 filed Critical 주식회사 페타룩스
Priority to KR1020190047109A priority Critical patent/KR102206768B1/ko
Priority to PCT/KR2020/005246 priority patent/WO2020218798A1/ko
Publication of KR20200123937A publication Critical patent/KR20200123937A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102206768B1 publication Critical patent/KR102206768B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/0004—Devices characterised by their operation
    • H01L33/0008—Devices characterised by their operation having p-n or hi-lo junctions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K11/00—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
    • C09K11/08—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials
    • C09K11/56—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing sulfur
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K11/00—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
    • C09K11/08—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials
    • C09K11/56—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing sulfur
    • C09K11/562—Chalcogenides
    • C09K11/565—Chalcogenides with zinc cadmium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K11/00—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
    • C09K11/08—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials
    • C09K11/70—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing phosphorus
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K11/00—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
    • C09K11/08—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials
    • C09K11/88—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing selenium, tellurium or unspecified chalcogen elements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K11/00—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials
    • C09K11/08—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials
    • C09K11/88—Luminescent, e.g. electroluminescent, chemiluminescent materials containing inorganic luminescent materials containing selenium, tellurium or unspecified chalcogen elements
    • C09K11/881—Chalcogenides
    • C09K11/883—Chalcogenides with zinc or cadmium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/04—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction
    • H01L33/06—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a quantum effect structure or superlattice, e.g. tunnel junction within the light emitting region, e.g. quantum confinement structure or tunnel barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/14—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a carrier transport control structure, e.g. highly-doped semiconductor layer or current-blocking structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/14—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a carrier transport control structure, e.g. highly-doped semiconductor layer or current-blocking structure
    • H01L33/145—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a carrier transport control structure, e.g. highly-doped semiconductor layer or current-blocking structure with a current-blocking structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26—Materials of the light emitting region
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26—Materials of the light emitting region
    • H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Electroluminescent Light Sources (AREA)
  • Led Devices (AREA)

Abstract

발광 효율의 감소를 최소화할 수 있는 동시에 저비용으로 생산이 가능하고 또한 p-도핑을 해결할 수 있는 반도체 발광 디바이스가 개시된다. 이러한 반도체 발광 디바이스는, n-타입 반도체층, 활성층 및 p-타입 반도체층을 포함한다. 상기 n-타입 반도체층은 I-VII족 반도체, II-VI족 반도체 또는 III-V족 반도체를 포함한다. 상기 활성층은 상기 n-타입 반도체 상부에 형성되고, I-VII족 반도체, II-VI족 반도체 또는 III-V족 반도체를 포함한다. 상기 p-타입 반도체층은 상기 활성층 상부에 형성되고, 유기물질로 형성된다. 이때, 유기물질로 형성되는 상기 p-타입 반도체층은 alq3, a-NPD, NPB, CBP, LUMO 1~4eV, HUMO 5~7eV 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.

Description

반도체 발광 디바이스{SEMICONDUCTOR LIGHT GENERATING DEVICE}
본 발명은 발광 디바이스에 관한 것으로 보다 상세히 반도체 발광 소자에 관한 것이다.
발광 다이오드 등의 반도체 발광 소자는 환경 친화적이고, 저전력 구동이 가능하며, 또한 작은 사이즈로 구현 가능하다. 이러한 장점들로 인해서, 반도체 발광 소자가 개발된 이후, 이러한 반도체 발광 소자는 여러 분야에서 널리 사용되고 있다.
GaN, AlGaN 등 III-V족 질화물 반도체는 디스플레이 광원으로 상용화가 이루어졌으나 고출력, 고휘도 응용을 위해서는 높은 주입 전류 밀도에서의 급속한 발광 효율의 감소를 극복할 수 있는 해결 방안이 요구되고 있다. 또한, III-V족 질화물 반도체는 p-type의 불순물로서 마그네슘(Mg)이 사용되고 있는데, p층을 형성하고 난 후, MOCVD 챔버가 마그네슘으로 오염이 진행되어 클리닝 작업이 수행되게 된다. 그로인해서, 생산성이 감소하는 문제점이 발생된다.
반면 II-V족/I-VII족 반도체는 질화물 반도체에 비해 발광효율이 높고 사파이어어 비해 가격이 저렴하고 대면적 기판이 가능한 ZnO 기판을 사용할 수 있지만 아직 소자 형성을 위한 p-도핑(doping)이 해결되지 않고 있는 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 발광 효율의 감소를 최소화할 수 있는 동시에 저비용으로 생산이 가능하고 또한 p-도핑을 해결할 수 있는 반도체 발광 디바이스를 제공하는 것이다.
이러한 반도체 발광 디바이스는, n-타입 반도체층, 활성층 및 p-타입 반도체층을 포함한다. 상기 n-타입 반도체층은 I-VII족 반도체, II-VI족 반도체 또는 III-V족 반도체를 포함한다. 상기 활성층은 상기 n-타입 반도체층 상부에 형성되고, I-VII족 반도체, II-VI족 반도체 또는 III-V족 반도체를 포함한다. 상기 p-타입 반도체층은 상기 활성층 상부에 형성되고, 유기물질로 형성된다.
이때, 유기물질로 형성되는 상기 p-타입 반도체층은 alq3, a-NPD, NPB, CBP, LUMO 1~4eV, HUMO 5~7eV 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
바람직하게, 이러한 반도체 발광 디바이스는 상기 p-타입 반도체층 상부에 형성된 정공주입 강화층을 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 정공주입 강화층은 CuCl CuBr, CuI 및 이들의 조합중 어느 하나를 포함할 수 있다.
한편, 이러한 반도체 발광 디바이스는, 상기 정공주입 강화층 상부에 alq3, a-NPD, NPB, CBP, LUMO 1~4eV, HUMO 5~7eV 또는 이들의 조합을 포함하는 유기물 반도체층을 더 포함할 수 있다.
또한, 이러한 반도체 발광 디바이스는, 상기 활성층 및 유기물질로 형성되는 상기 p-타입 반도체층 사이에, CuCl CuBr, CuI, AgI 또는 이들의 조합을 포함하는 I-VII족 반도체를 더 포함할 수도 있다.
한편, 상기 I-VII족 반도체는 CuCl CuBr, CuI, AgI 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
또한, 상기 II-VI족 반도체는 CdO, CdS, CdSe, CdTe, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdZnTe, HgCdTe, HgZnTe 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
또한, 상기 III-V족 반도체는 GaN, GaP, GaAs, InP, AlGaN, AlGaP, AlInGaN, InGaAs, GaAsP 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
한편, 이러한 반도체 발광 디바이스는 상기 활성층과 상기 p-타입 반도체층 사이에 전자 장벽층을 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 전자 장벽층은, 밴드의 배치가 전도대 및 가전자대의 에너지가 동시에 주변에 비해 높다.
또한, 상기 전자 장벽층은 상기 활성층에서 자발분극필드 및 압전분극필드가 반대방향을 갖도록 형성될 수 있다.
한편, 상기 전자 장벽층은 유기물로 형성될 수 있다.
이때, 유기물로 형성된 상기 전자 장벽층은 LUMO 0~2eV, HUMO 5~7eV, TAPC, Bphen, m-MTDATA 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
본 발명에 의한 반도체 발광 디바이스는 n-타입 반도체층 및 활성층은 무기층으로, p-타입 반도체층은 유기층으로 구성하는 하이브리드 발광 디바이스로서, p-도핑 문제에 기인한 생산성 저감문제 없이 발광 디바이스를 제조할 수 있다.
또한, 유기물로 구성된 p-타입 반도체층 상부에 정공주입 강화층을 더 형성함으로써 발광효율을 보다 증대시킬 수 있다.
또한, 전자 장벽층이 활성층에서 자발 분극 필드 및 압전 분극 필드가 반대 방향을 갖도록 구성된 재료 조성을 가짐으로써, 내부 양자 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 반도체 발광 디바이스의 예시적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 의한 반도체 발광 디바이스의 예시적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 또 다른 실시예에 의한 반도체 발광 디바이스의 예시적인 단면도이다.
도 4는 alq3를 p-타입 반도체층으로 채택한 것으로 도 2에서 도시된 반도체 발광 디바이스의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 5는 도 4의 반도체 발광 디바이스의 실제 모습으로서, 발광하는 모습을 도시한 사진이다.
도 6은 a-NPD를 p-타입 반도체층으로 채택한 것으로 도 2에서 도시된 반도체 발광 디바이스의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 7은 도 6의 반도체 발광 디바이스의 실제 모습으로서, 발광하는 모습을 도시한 사진이다.
도 8은 도 2의 반도체 발광 디바이스에서, 활성층 상부에 정공주입 강화층이 곧바로 형성되고, 유기물을 포함하는 p-타입 반도체층이 없는 경우의 반도체 발광 디바이스의 발광사진 및 IV 커브를 도시한 그래프이다.
도 9는 도 8의 반도체 발광 디바이스에서, 정공주입 강화층 상부에 유기물을 포함하는 p-타입 반도체층이 더 형성된 경우의 반도체 발광 디바이스의 발광사진 및 IV 커브를 도시한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 막(또는 층) "위에 형성된다", "상에 형성된다"는 의미는 접촉되도록 직접 형성되는 것 이외에, 그 사이에 다른 막 또는 다른 층이 형성될 수도 있음을 의미하여, 막 또는 층 위에 "직접 형성된다"는 의미는 그 사이에 다른 층이 개재되지 못함을 의미한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 반도체 발광 디바이스의 예시적인 단면도이다.
도 1을 참조하면, 이러한 반도체 발광 디바이스(100)는, n-타입 반도체층(110), 활성층(120) 및 p-타입 반도체층(130)을 포함한다.
상기 n-타입 반도체층(110)은 기판(140) 상부에 형성된다. 상기 n-타입 반도체층(100)은 I-VII족 반도체, II-VI족 반도체 또는 III-V족 반도체를 포함한다. 이때, 상기 I-VII족 반도체는 CuCl CuBr, CuI, AgI 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 상기 II-VI족 반도체는 CdO, CdS, CdSe, CdTe, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdZnTe, HgCdTe, HgZnTe 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 상기 III-V족 반도체는 GaN, GaP, GaAs, InP, AlGaN, AlGaP, AlInGaN, InGaAs, GaAsP 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
한편, 상기 n-타입 반도체층(100)이 I-VII족 반도체를 포함하는 경우, 상기 상기 n-타입 반도체층(100)은 실리콘(Si) 기판(140) 위에 형성될 수 있다. 사파이어와 같은 더 값비싼 종래 기판 재료와 비교하여 상대적으로 저렴한 실리콘(Si) 기판이 사용될 수도 있는데, 이는 실리콘의 격자 상수가, 상이한 결정 구조를 가지긴 했지만, I-VII족 반도체의 격자 상수에 가깝기 때문이다. 예를 들면, Si가 다이아몬드 구조를 갖는 것으로 알려져 있는 한편, CuCl은 다이아몬드 구조를 갖는다. 특히, 실리콘(Si) 기판(140)의 (111) 면은, 기판(140) 상에 스택 (stack) 될 수도 있는, CuCl의 결정 구조에 적합할 수도 있으므로 발광 디바이스(5) 를 제조하는데 사용될 수도 있다. 즉, CuBr/CuBrCl I-VII 족 반도체는 격자상수가 실리콘의 (111)면과 유사해 저렴한 대면적 기판위에 성장이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 상기 n-타입 반도체층(100)이 II-VI족 반도체를 포함하는 경우, 상기 n-타입 반도체층(100)은 C-사파이어 기판(140) 또는 저렴한 ZnO 기판(140) 위에 형성될 수 있다.
또한, 상기 n-타입 반도체층(100)이 III-V족 반도체를 포함하는 경우, 상기 n-타입 반도체층(100)은 사파이어 또는 SiC 기판위에 형성될 수 있다.
상기 활성층(120)은 상기 n-타입 반도체층(110) 상부에 형성되고, I-VII족 반도체, II-VI족 반도체 또는 III-V족 반도체를 포함한다. 이때, 상기 활성층(120)은 상기 n-타입 반도체층(110)과 동일계열로 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 n-타입 반도체층(110)이 I-VII족 반도체를 포함하는 경우, 상기 활성층(120) 또한 I-VII족 반도체를 포함한다.
서로 다른 계열의 반도체 물질을 성장시키는 이종접합에서는 다른 에너지 갭을 갖기 때문에 접합 계면에서 에너지 밴드의 불연속이 생기게 된다. 이 때문에 격자상수를 유사하게 매칭시키는 경우라 하더라도, 양질의 결정구조를 갖는 박막의 생성이 힘들다. 따라서, 본 발명에서, 상기 활성층(120)은 상기 n-타입 반도체층(110)과 동일계열의 반도체로 형성된다.
한편, I-VII족 반도체를 포함하는 활성층(120)은 상대적으로 큰 여기자 결합 에너지 (exciton binding energy), 예를 들면, III-V족 반도체에 비해 적어도 2배 더 큰 여기자 결합 에너지를 가질 수 있는데 이로 인해서 양자 효율을 향상시킬 수 있다. 특히, 큰 여기자 결합 에너지를 갖는 Ⅰ- Ⅶ 화합물 반도체들은 예를 들면, 가시 스펙트럼의 청색 영역의 광을 방출하는 발광 디바이스들에서 바람직한 강한 광 천이 (optical transition) 에 적합할 수도 있다. 여기자 결합 에너지는, 반대 전하를 갖는, 정공과 전자들의 상호작용의 척도이고, 정공-전자 재결합 프로세스의 강도를 예측하기 위해 사용될 수도 있다. 예를 들면, CuBr은 약 108meV의 여기자 결합 에너지를 갖는 것으로 알려져 있는데, 이는 ZnO의 여기자 결합 에너지 보다 더 높다. 결과적으로, Ⅰ- Ⅶ 화합물 반도체 기반 발광 디바이스들은 III-V족 반도체 또는 ZnO 기반 발광 디바이스들과 같은 종래 넓은 밴드갭 반도체들보다 더 큰 광 이득을 갖는 것으로 예상될 수도 있다.
하지만, I-VII족 반도체들을 포함하는 이들 넓은 밴드갭 반도체들은 압전 분극 (piezoelectric polarization) 또는 자발 분극 (spontaneous (voluntary) polarization) 과 같은 특성들을 나타낼 수도 있다. 압전 분극 및 자발 분극은 발광 디바이스를 형성하는 반도체 박막들 간의 격자 상수 차이 및 분극 특성 차이에 의해 생성될 수도 있다. 즉, 발광층들은 상이한 종류의 층들 간의 계면 응력으로부터 발생되는 변형 유도된 압전 효과들에 기인한 큰 내부 필드를 가질 수도 있다. 또한, 자발 분극은 예를 들면 발광층 자체의 이온도 (ionicity) 에 의해 야기될 수도 있다.
큰 내부 필드들은 I-VII족 반도체의 광 전기 특성에 영향을 미쳐서, 전자와 정공 사이의 큰 공간적 분리를 야기하고, 그에 의해 정공과 전자의 효율적인 방사 재결합을 방지하여 원하는 광을 생성할 수 있다. 그러나, 유도된 압전 효과는 내부 분극 필드 감소 스킴(internal polarization field reduction scheme)의 부재시 광 이득을 감소시킬 수도 있다.
따라서, I-VII족 반도체 재료로 상기 n-타입 반도체층(110) 및 상기 활성층(120)을 형성하는 경우, 상기 n-타입 반도체층(110) 및 상기 활성층(120) 사이에 4원 재료 (quaternary material), 예를 들면, CuIBrCl 타입 구리 블렌드 Ⅰ- Ⅶ 화합물 반도체 또는 3원 재료 (ternary material), 예를 들면, CuICl 타입 구리 블렌드 Ⅰ- Ⅶ 화합물 반도체로 구성되는 장벽층(도시안됨)을 형성할 수도 있다.
한편, 도시되진 않았으나, 상기 활성층(120)의 양자우물층과 양자장벽층이 교대로 적층된 다중양자우물(MQW)구조로 형성될 수 있다.
이러한, 상기 n-타입 반도체층(100)과 상기 활성층(120)은 기판(140) 상부에서 MBE (molecular beam epitaxy), MOCVD (metal organic chemical vapor deposition), HVPE (hydride vapor phase epitaxy), ALE (atomic layer epitaxy), 및/또는 그밖에 유사한 방법들을 통해 성막될 수 있다.
상기 p-타입 반도체층(130)은 상기 활성층(120) 상부에 형성되고, 유기물질로 형성된다. 이때, 유기물질로 형성되는 상기 p-타입 반도체층(130)은 alq3, a-NPD, NPB, CBP, LUMO 1~4eV, HUMO 5~7eV 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 이때, 유기물질로 구성되는 상기 p-타입 반도체층(130)은 증착 또는 스핀코팅 등이 방법을 통해서 형성될 수 있다.
이하, 아래의 표1에서는 alq3과 a-NPD의 밴드 구조의 값을 보여준다.
물질명 ΔEc ΔEv Eg
alq3 2.8 6.2 2.85
a-NPD 2.4 5.3 3.1
이러한 밴드 구조를 가지므로, alq3과 a-NPD는 무기물질로 구성되는 n-타입 반도체층(110) 및 활성층(120)과 접하며, p-타입 반도체층(130)으로 동작할 수 있다.
실험결과, alq3, a-NPD 외에도, NPB, CBP, LUMO 1~4eV, HUMO 5~7eV가 p-타입 반도체층(130)으로 동작가능함을 확인하였다.
한편, 상기 p-타입 반도체층(130) 상부에는 투명전극층(150)이 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 투명전극층(150)은 예컨대, Ni/Au, ITO, CTO, TiWN, IN2O3, SnO2, CdO, ZnO, CuGaO2 및 SrCu2O2 중 어느 하나의 물질로 제조될 수 있다.
또한, 투명 전극층(150) 상부에는 p-타입 전극(160)이 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 p-타입 전극(160)은 알루미늄, 금, 백금, 은, 그밖에 금속 및 이들의 조합으로 형성될 수도 있다.
상기 p-타입 전극(160)에서 유입되는 전류는 상기 투명 전극층(150)을 따라서 분산되어 상기 p-타입 반도체층(130)의 전체 면적으로 전류를 공급함으로써 발광면적을 증대시킬 수 있다.
한편, 상기 활성층(120), 상기 p-타입 반도체층(130) 및 상기 투명 전극층(150)의 모서리부가 제거되어 상기 n-타입 반도체층(110) 상면의 일부를 노출하고, 그 위에 n-타입 전극(170)이 형성될 수 있다. 상기 n-타입 전극(170)은 상기 상기 p-타입 전극(160)과 마찬가지로 알루미늄, 금, 백금, 은, 그밖에 금속 및 이들의 조합으로 형성될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 의한 반도체 발광 디바이스의 예시적인 단면도이다. 도 2에서 도시된 반도체 발광 디바이스는 도 1에서 도시된 반도체 발광 디바이스에서 정공주입 강화층을 더 포함하는 것을 제외하면 실질적으로 동일하다. 따라서, 동일 또는 유사한 구성요소는 동일한 참조부호를 병기하고 중복되는 설명은 생략한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 의한 반도체 발광 디바이스(100)는 상기 p-타입 반도체층(130) 상부에 형성된 정공주입 강화층(180)을 더 포함한다..
상기 정공주입 강화층(180)은 CuCl CuBr, CuI 및 이들의 조합중 어느 하나를 포함할 수 있다. Ⅰ-Ⅶ족 반도체인 CuCl CuBr, CuI의 경우, 결정성장만으로, p-타입의 반도체가 되므로 프로세스가 용이하고 성장온도가 400℃~ 600℃로 상대적으로 저온에서 공정이 가능한 장점이 있다. 또한, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 및 Ⅱ-Ⅵ족 반도체에 비하여 밴드갭 에너지가 크므로 광효율이 높은 장점이 있다.
한편, 도 2에서, p-타입 반도체층(130)과 정공주입 강화층(180)의 순서가 바뀌어도 무방하다. 정공주입 강화층(180) 자체만으로 p-타입의 반도체가 되지만, 정공주입 강화층(180) 상부에, alq3, a-NPD, NPB, CBP, LUMO 1~4eV, HUMO 5~7eV 또는 이들의 조합을 포함하는 p-타입 반도체층이 더 형성되는 경우, 아래의 도 8 및 9에서 도시된 바와 같이, 발광효율이 향상됨을 확인할 수 있었다.
도 8은 도 2의 반도체 발광 디바이스에서, 활성층 상부에 정공주입 강화층이 곧바로 형성되고, 유기물을 포함하는 p-타입 반도체층이 없는 경우의 반도체 발광 디바이스의 발광사진 및 IV 커브를 도시한 그래프이고, 도 9는 도 8의 반도체 발광 디바이스에서, 정공주입 강화층 상부에 유기물을 포함하는 p-타입 반도체층이 더 형성된 경우의 반도체 발광 디바이스의 발광사진 및 IV 커브를 도시한 그래프이다.
도8 및 9에서 도시된 바와 같이, 정공주입 강화층(180) 상부에, alq3, a-NPD, NPB, CBP, LUMO 1~4eV, HUMO 5~7eV 또는 이들의 조합을 포함하는 p-타입 반도체층이 더 형성되는 경우, 아래의 도 8 및 9에서 도시된 바와 같이, 발광효율이 향상됨을 확인할 수 있다.
한편, 도시되진 않았으나, 정공주입 강화층(180)과 투명 전극층(150) 사이에 앞서 설명된 alq3, a-NPD, NPB, CBP, LUMO 1~4eV, HUMO 5~7eV 또는 이들의 조합을 포함하는 p-타입 반도체층이 더 형성될 수도 있다. 더욱이, I-VII과 alq3, a-NPD, NPB, CBP, LUMO 1~4eV, HUMO 5~7eV 또는 이들의 조합을 포함하는 p-타입 반도체층이 교번적으로 적층될 수도 있다.
도 4는 alq3를 p-타입 반도체층으로 채택한 것으로 도 2에서 도시된 반도체 발광 디바이스의 에너지 밴드 다이어그램이고, 도 5는 도 4의 반도체 발광 디바이스의 실제 모습으로서, 발광하는 모습을 도시한 사진이다. 도 5에서는 2.30V, 20mA에서의 발광모습으로서, 유기물인 alq3는 무기물과의 접합으로, p-타입 반도체의 기능이 수행됨을 확인할 수 있다.
도 6은 a-NPD를 p-타입 반도체층으로 채택한 것으로 도 2에서 도시된 반도체 발광 디바이스의 에너지 밴드 다이어그램이고, 도 7은 도 6의 반도체 발광 디바이스의 실제 모습으로서, 발광하는 모습을 도시한 사진이다. 도 7에서 또한, 2.30V, 20mA에서의 발광모습으로서, 유기물인 a-NPD는 무기물과의 접합으로, p-타입 반도체의 기능이 수행됨을 확인할 수 있다.
도 3은 본 발명의 예시적인 또 다른 실시예에 의한 반도체 발광 디바이스의 예시적인 단면도이다. 도 3에서 도시된 반도체 발광 디바이스는 도 1에서 도시된 반도체 발광 디바이스에서 전자 장벽층을 더 포함하는 것을 제외하면 실질적으로 동일하다. 따라서, 동일 또는 유사한 구성요소는 동일한 참조부호를 병기하고 중복되는 설명은 생략한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 의한 반도체 발광 디바이스는 상기 활성층과 상기 p-타입 반도체층 사이에 전자 장벽층(190)을 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 전자 장벽층(190)은, 밴드의 배치가 전도대 및 가전자대의 에너지가 동시에 주변에 비해 높다. 따라서, 전자가 p-타입 반도체층으로 유입되는 것을 방지함과 동시에, 정공이 활성층으로 유입되는 것을 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 전자 장벽층(190)은 상기 활성층에서 자발분극필드 및 압전분극필드가 반대방향을 갖도록 형성될 수 있다. 따라서, 내부 필드의 압전 및 자발 분극의 합의 상쇄에 기인하여 활성층(120)의 전기 및 광 특성이, 예를 들면, 실질적으로 감소되거나 실질적으로 0인 내부 필드를 갖는 것에 의해 향상될 수도 있다. 즉, 반도체 발광 디바이스(100)는 내부 필드의 감소 또는 제거에 기인한 광 매트릭스 엘리먼트의 강화의 결과로서 큰 광 이득을 가질 수도 있다.
한편, 상기 전자 장벽층(190)은 유기물로 형성될 수 있다.
이때, 유기물로 형성된 상기 전자 장벽층(190)은 LUMO 0~2eV, HUMO 5~7eV, TAPC, Bphen, m-MTDATA 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 실험결과, 전자 장벽층(190)의 LUMO는 p-타입 반도체층의 LUMO보다 낮은 밴드이어야 한다.
한편, 본 실시예에서는 도 1에서 도시된 반도체 발광 디바이스에서 추가적으로 전자 장벽층(190)을 더 포함하고 있는 예를 설명하였으나, 도 2에서 도시된 반도체 발광 디바이스에서 추가적으로 전자 장벽층(190)을 더 포함할 수도 있음은 당업자에게 자명한 사실이다.
이와 같이, 본 발명에 의한 반도체 발광 디바이스는 n-타입 반도체층 및 활성층은 무기층으로, p-타입 반도체층은 유기층으로 구성하는 하이브리드 발광 디바이스로서, p-도핑 문제에 기인한 생산성 저감문제 없이 발광 디바이스를 제조할 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 반도체 발광 디바이스
110: n-타입 반도체층 120: 활성층
130: p-타입 반도체층 140: 기판
150: 투명전극층 160: p-타입 전극
170: n-타입 전극 180: 정공주입 강화층
190: 전자 장벽층

Claims (14)

  1. I-VII족 반도체, II-VI족 반도체 또는 III-V족 반도체로 구성되는 n-타입 반도체층;
    상기 n-타입 반도체층 상부에 형성되고, I-VII족 반도체, II-VI족 반도체 또는 III-V족 반도체로 구성되는 활성층;
    상기 활성층 상부에 형성된 전자 장벽층; 및
    상기 전자 장벽층 상부에 형성되고, 유기물질로 형성되는 p-타입 반도체층을 포함하고,
    상기 전자 장벽층은, 밴드의 배치가 전도대 및 가전자대의 에너지가 동시에 주변에 비해 높은 것을 특징으로 하는 반도체 발광 디바이스.
  2. 제1 항에 있어서, 유기물질로 형성되는 상기 p-타입 반도체층은 alq3, a-NPD, NPB, CBP, LUMO 1~4eV, HUMO 5~7eV 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 디바이스.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 p-타입 반도체층 상부에 형성된 정공주입 강화층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 디바이스.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 정공주입 강화층은 CuCl CuBr, CuI 및 이들의 조합중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 디바이스.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 정공주입 강화층 상부에 alq3, a-NPD, NPB, CBP, LUMO 1~4eV, HUMO 5~7eV 또는 이들의 조합을 포함하는 유기물 반도체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 디바이스.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중, 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성층 및 유기물질로 형성되는 상기 p-타입 반도체층 사이에, CuCl CuBr, CuI, AgI 또는 이들의 조합을 포함하는 I-VII족 반도체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 디바이스.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 I-VII족 반도체는 CuCl CuBr, CuI, AgI 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 디바이스.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 II-VI족 반도체는 CdO, CdS, CdSe, CdTe, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdZnTe, HgCdTe, HgZnTe 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 디바이스.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 III-V족 반도체는 GaN, GaP, GaAs, InP, AlGaN, AlGaP, AlInGaN, InGaAs, GaAsP 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 디바이스.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 전자 장벽층은 상기 활성층에서 자발분극필드 및 압전분극필드가 반대방향을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 디바이스.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 전자 장벽층은 유기물로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 디바이스.
  14. 제13 항에 있어서,
    유기물로 형성된 상기 전자 장벽층은 LUMO 0~2eV, HUMO 5~7eV, TAPC, Bphen, m-MTDATA 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 디바이스.

KR1020190047109A 2019-04-23 2019-04-23 반도체 발광 디바이스 KR102206768B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190047109A KR102206768B1 (ko) 2019-04-23 2019-04-23 반도체 발광 디바이스
PCT/KR2020/005246 WO2020218798A1 (ko) 2019-04-23 2020-04-21 반도체 발광 디바이스

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190047109A KR102206768B1 (ko) 2019-04-23 2019-04-23 반도체 발광 디바이스

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200123937A KR20200123937A (ko) 2020-11-02
KR102206768B1 true KR102206768B1 (ko) 2021-01-25

Family

ID=72941635

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190047109A KR102206768B1 (ko) 2019-04-23 2019-04-23 반도체 발광 디바이스

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR102206768B1 (ko)
WO (1) WO2020218798A1 (ko)

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004296950A (ja) * 2003-03-27 2004-10-21 Quantum 14:Kk 発光素子と発光装置並びに情報ディスプレイ装置
KR100818459B1 (ko) * 2007-02-13 2008-04-02 삼성전기주식회사 발광소자 및 그의 제조방법
KR101248383B1 (ko) * 2009-12-22 2013-03-28 우리이앤엘 주식회사 반도체 발광소자
KR101723540B1 (ko) * 2010-07-30 2017-04-05 엘지이노텍 주식회사 발광 소자 및 이를 갖는 발광 소자 패키지
KR101831726B1 (ko) * 2016-06-13 2018-02-23 주식회사 페타룩스 반도체 발광장치 및 제조방법
KR20180094535A (ko) * 2017-02-15 2018-08-24 삼성디스플레이 주식회사 발광 소자 및 이를 포함하는 표시 장치

Also Published As

Publication number Publication date
KR20200123937A (ko) 2020-11-02
WO2020218798A1 (ko) 2020-10-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6881602B2 (en) Gallium nitride-based semiconductor light emitting device and method
TWI451591B (zh) 以氮化物為主之發光裝置
Tao et al. Numerical investigation on the enhanced performance of N-polar AlGaN-based ultraviolet light-emitting diodes with superlattice p-type doping
TWI517431B (zh) 形成發光二極體裝置的方法
US20120007048A1 (en) III-Nitride Based Semiconductor Structure with Multiple Conductive Tunneling Layer
US11069836B2 (en) Methods for growing light emitting devices under ultra-violet illumination
KR102587949B1 (ko) 질화물 기반의 발광 장치에서 정공 주입을 위한 이종 터널링 접합
US11538962B2 (en) Light-emitting element and method for manufacturing light-emitting element
KR101369155B1 (ko) 반도체 발광 디바이스
US20020197827A1 (en) Method for producing group III nitride compound semiconductor device
KR102206768B1 (ko) 반도체 발광 디바이스
KR100830643B1 (ko) 발광 소자의 제조 방법
US20090078961A1 (en) Nitride-based light emitting device
KR101761310B1 (ko) 발광 소자 및 그 제조 방법
JP2013505574A (ja) 半導体発光素子
KR20000024945A (ko) 더블클래딩-더블헤테로구조를 갖는 질화갈륨계 발광소자의 제작방법
Wang et al. Electrically injected hybrid organic/inorganic III-nitride white light-emitting diodes based on rubrene/(InGaN/GaN) multiple-quantum-wells PN junction
US20120126198A1 (en) Light emitting diode for droop improvement
JP6192722B2 (ja) オプトエレクトロニクス半導体ボディ及びオプトエレクトロニクス半導体チップ
KR102444467B1 (ko) 발광 다이오드
KR102281223B1 (ko) 자외선 조사 하에서 발광 디바이스들을 성장시키기 위한 방법들
KR101198759B1 (ko) 질화물계 발광 소자
Li et al. GaN-based high-voltage light-emitting diodes with SU-8 passivation
KR20100003331A (ko) 발광 소자 및 그 제조 방법
CN106340572B (zh) 发光二极管及其形成方法

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant