KR20120014677A - Metallic nanoparticles-embedded light emitting diode structure with conducting intermediate layer - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)에 관한 것으로, 더 상세하게는, 금속 나노입자의 표면 플라즈몬 공명결합 현상을 이용한 반도체 발광다이오드의 효율 증대 기법을 개선시킨 구조에 관한 것으로서, 양자우물 활성층에 근접한 위치의 p형 또는 n형 도핑 반도체층 내부에 금속 나노입자를 내장한 전도성 매개물층을 삽입하여 발광다이오드의 효율을 개선시킬 수 있도록 하는 기술적 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a light emitting diode (LED), and more particularly, to a structure in which an efficiency enhancement technique of a semiconductor light emitting diode using surface plasmon resonance coupling of metal nanoparticles is improved, and a quantum well active layer The present invention relates to a technical method of improving efficiency of a light emitting diode by inserting a conductive medium layer containing metal nanoparticles into a p-type or n-type doped semiconductor layer in proximity to the substrate.
발광다이오드(LED)는, 반도체에 전압을 가할 때 생기는 발광현상을 이용하는 것이며, 이러한 현상은, 1923년 탄화규소 결정의 발광 관측에서 비롯된 것으로, 1923년에 비소화갈륨(GaAs) p-n 접합에서의 고발광효율이 발견되면서부터 그 연구가 활발하게 진행되었다. Light-emitting diodes (LEDs) use light-emitting phenomena that occur when a voltage is applied to a semiconductor. These phenomena originate from light emission observations of silicon carbide crystals in 1923, and accumulate at gallium arsenide (GaAs) pn junctions in 1923. The research has been actively conducted since the light efficiency was discovered.
또한, 1960년대 말에는 이들이 실용화되기에 이르러 각종 전자기기의 표시용 램프, 숫자 표시장치나 계산기의 카드판독기 등의 다양한 분야에 널리 쓰이고 있으며, 최근에는 유비쿼터스(ubiquitous)의 실현을 위한 각종 응용분야, 신호등, 실외 풀 컬러 디스플레이, LCD(Liquid Crystal Display)의 백라이트 유닛(backlight units), 조명장치 등 더욱 많은 분야에 응용될 것으로 기대되고 있다. In the late 1960s, they have been put into practical use, and are widely used in various fields such as display lamps for various electronic devices, numeric display devices, and card readers for calculators, and recently, various applications for realizing ubiquitous, It is expected to be applied to many fields such as traffic lights, outdoor full color displays, backlight units of liquid crystal displays (LCDs), and lighting devices.
이와 같이 그 적용범위가 확대됨에 따라, 적은 전력소비로 더 높은 발광효율을 가지는 발광다이오드에 대한 요구가 점점 커지고 있다. As such an application range is expanded, there is an increasing demand for light emitting diodes having higher luminous efficiency with less power consumption.
그러나 기존의 발광다이오드는, 활성층의 내부 양자효율(Internal Quantum Efficiency)과 구조적인 특성의 한계에 의해 광추출효율(Optical Extraction Efficiency)이 처음부터 결정되어 있는 것이며, 이는 발광다이오드의 전광 변환효율 및 광방출효율에 있어 제약을 가져오게 된다. However, conventional light emitting diodes have an optical extraction efficiency determined from the outset due to the limitations of the internal quantum efficiency and structural characteristics of the active layer, which is all-optical conversion efficiency and light of the light emitting diodes. There is a restriction on the emission efficiency.
특히, 활성층의 내부 양자효율을 개선시키기 위한 방안으로, 양자우물 활성층(Quantum Well Active Layer)에 금속 나노입자 또는 금속 박막을 수십 나노미터 이내로 근접시켜 양자우물 활성층의 내부 양자효율을 증대시키는 기술이 주목받고 있다. In particular, as a method for improving the internal quantum efficiency of the active layer, a technique of increasing the internal quantum efficiency of the quantum well active layer by bringing the metal nanoparticle or the metal thin film into the quantum well active layer within tens of nanometers I am getting it.
이는, 근접한 금속 구조물에 의해 양자우물 발광체에서 이득(Gain)을 얻을 수 있는 원리에 근거한 것이며, 이와 같이 양자우물 내의 쌍극자와 금속 구조물 간의 표면 플라즈몬 공명결합(Surface Plasmon Resonance Coupling)을 유도함으로써 양자우물의 내부 양자효율을 수 배 ~ 수십 배 증대시킬 수 있게 된다. This is based on the principle of gaining gain from the quantum well emitter by adjacent metal structures, and thus induces Surface Plasmon Resonance Coupling between the dipole and the metal structure in the quantum well. The internal quantum efficiency can be increased several times to tens of times.
그러나 이러한 표면 플라즈몬 공명결합을 극대화하기 위해서는, 금속 나노입자와 입자를 둘러싼 물질의 광학적 특성이 매우 중요하다. However, in order to maximize the surface plasmon resonance coupling, the optical properties of the metal nanoparticles and the material surrounding the particles are very important.
이는 표면 플라즈몬 공명결합이 빛의 특정 파장영역에 대해서만 일어나고, 이러한 파장영역은 금속 나노입자의 물질, 크기, 모양, 밀도, 입자를 둘러싼 주변 물질의 유전상수 등에 매우 민감하게 의존하기 때문이다. This is because surface plasmon resonance coupling occurs only for a specific wavelength region of light, and the wavelength region is very sensitive to the material, size, shape, density of the metal nanoparticles, and dielectric constant of surrounding materials surrounding the particle.
따라서 표면 플라즈몬 공명결합에 의한 발광다이오드의 내부 양자효율을 극대화하기 위해서는, 양자우물 활성층의 발광파장과 금속 나노입자의 표면 플라즈몬 공명파장이 일치되도록 상기한 변수들을 조절하는 과정이 필요하다. Therefore, in order to maximize the internal quantum efficiency of the light emitting diode by surface plasmon resonance coupling, it is necessary to adjust the above parameters so that the light emission wavelength of the quantum well active layer and the surface plasmon resonance wavelength of the metal nanoparticles coincide.
전도성 매개물이 없는 기존의 금속 나노입자 내장형 발광다이오드의 경우, 상기한 변수들 가운데 입자 주변물질의 유전상수를 조절하는 것이 불가능하고, 그로 인해 표면 플라즈몬 공명파장을 조절하는 것에 한계가 있다. Conventional metal nanoparticle-embedded light emitting diodes without a conductive medium cannot control the dielectric constant of the particle surroundings among the above parameters, thereby limiting the control of the surface plasmon resonance wavelength.
이는, 표면 플라즈몬 공명결합 현상을 이용한 발광다이오드의 내부 양자효율 증대기법을 청색 발광다이오드에 적용시키는 데에 있어서 기술적인 한계로 작용한다. This is a technical limitation in applying the internal quantum efficiency increasing method of the light emitting diode using the surface plasmon resonance coupling phenomenon to the blue light emitting diode.
일례로, GaN 기반의 청색 발광다이오드의 활성층의 발광 중심파장은 약 450nm인데 비해, 약 5nm 직경의 Ag 나노입자를 사용할 경우, 입자의 표면 플라즈몬 공명 중심파장은 약 510nm가 되며, Ag 나노입자의 크기가 커질수록 보다 장파장 쪽으로 이동하는 경향을 보인다. For example, the emission center wavelength of the active layer of the GaN-based blue light emitting diode is about 450 nm, whereas when Ag nanoparticles having a diameter of about 5 nm are used, the surface plasmon resonance center wavelength of the particle is about 510 nm, and the size of the Ag nanoparticles is The larger the is, the more it tends to move toward longer wavelengths.
이는, 금속 나노입자를 둘러싸고 있는 물질인 GaN의 유전상수(450nm 파장에서 약 8.1)가 매우 높기 때문인데, 보다 낮은 유전상수를 가지는 주변물질을 사용할 경우, 표면 플라즈몬 공명 중심파장을 단파장 쪽으로 이동시킬 수 있어 표면 플라즈몬 공명결합 효과로 인한 청색 발광다이오드의 내부 양자효율 극대화를 기대할 수 있다. This is because GaN, the material surrounding the metal nanoparticles, has a very high dielectric constant (about 8.1 at 450 nm wavelength). When using a peripheral material having a lower dielectric constant, the surface plasmon resonance center wavelength can be shifted to a shorter wavelength. Therefore, it is expected to maximize the internal quantum efficiency of the blue light emitting diode due to the surface plasmon resonance coupling effect.
아울러, 상기한 바와 같은 종래의 발광다이오드의 예로는, 예를 들면, "J. Vuckovic, M. Loncar, and A. Scherer, "Surface Plasmon Enhanced Light-Emitting Diode", IEEE Journal of quantum electronics, 36, 1131, (2000)"에 기재된 바와 같은 기술내용이 있다. In addition, examples of the conventional light emitting diode as described above, for example, "J. Vuckovic, M. Loncar, and A. Scherer," Surface Plasmon Enhanced Light-Emitting Diode ", IEEE Journal of quantum electronics, 36, 1131, (2000) ".
즉, 상기 문헌은, 금속 박막을 사용한 GaN 기반 발광다이오드의 내부 양자효율을 증가시키기 위한 방법을 제시하고는 있으나, 상기 문헌에는 금속 나노입자를 사용하는 방법에 대하여는 개시되어 있지 않다. That is, although the document suggests a method for increasing the internal quantum efficiency of a GaN based light emitting diode using a metal thin film, the document does not disclose a method of using metal nanoparticles.
또한, 예를 들면, "Surface plasmon-enhanced light-emitting diodes using silver nanoparticles embedded in p-GaN, Chu-Young cho외 7명, Nanotechnology 21, 205201 (2010)"에 기재된 기술내용에는, 금속 나노입자(Ag)가 p-GaN 반도체층에 내장된 청색 발광다이오드의 효율증대방법 및 그 구조가 제시되어 있고, 아울러, "Surface-Plasmon-Enhanced Light-Emitting Diodes, Min-Ki Kwon외 6명, Advanced Materials 20, 1253 (2008)"에는, 금속 나노입자(Ag)가 n-GaN 반도체 층에 내장된 청색 발광다이오드의 효율증대방법 및 그 구조가 제시되어 있다. In addition, for example, the technical contents described in "Surface plasmon-enhanced light-emitting diodes using silver nanoparticles embedded in p-GaN, Chu-Young cho et al., Nanotechnology 21, 205201 (2010)" include metal nanoparticles ( A method of increasing the efficiency and structure of a blue light emitting diode in which Ag) is embedded in a p-GaN semiconductor layer has been proposed, as well as "Surface-Plasmon-Enhanced Light-Emitting Diodes, Min-Ki Kwon et al. 6, Advanced Materials 20". , 1253 (2008) ", discloses a method of increasing the efficiency of a blue light emitting diode in which metal nanoparticles (Ag) are embedded in an n-GaN semiconductor layer and a structure thereof.
그러나 상기 문헌들에 기재된 기술내용들은, 금속 나노입자 내장형 청색 GaN 기반 발광다이오드의 구조를 개시하고는 있으나, 상기 문헌들의 경우는, 표면 플라즈몬 중심파장과 발광파장이 일치하지 않아 내부 양자효율의 증대를 기대하는 데에 치명적인 결점이 있는 것이었다. However, although the technical contents described in the above documents disclose the structure of the metal nanoparticle-embedded blue GaN-based light emitting diode, in the case of the above documents, the surface plasmon center wavelength and the light emission wavelength do not coincide with each other to increase the internal quantum efficiency. There was a fatal flaw in expectation.
따라서 상기한 바와 같이, 금속 나노입자 내장형 청색 GaN 기반 발광다이오드의 구조에 있어서, 표면 플라즈몬 중심파장과 양자우물 활성층의 발광파장을 일치시켜 표면 플라즈몬 공명결합 효과의 극대화를 도모함으로써, 청색 발광다이오드의 내부 양자효율 극대화할 수 있는 새로운 발광다이오드의 구조 또는 그 제조방법을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 구조나 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다. Therefore, as described above, in the structure of the metal nanoparticle-embedded blue GaN-based light emitting diode, the surface plasmon resonance coupling effect is maximized by matching the center wavelength of the surface plasmon with the light emission wavelength of the active layer of the quantum well, whereby the inside of the blue light emitting diode is It is desirable to provide a structure of a new light emitting diode or a method of manufacturing the same, which can maximize quantum efficiency, but there is no structure or method that satisfies all such requirements.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 금속 나노입자 내장형 청색 GaN 기반 발광다이오드의 구조에 있어서, 표면 플라즈몬 중심파장과 양자우물 활성층의 발광파장을 일치시켜 표면 플라즈몬 공명결합 효과를 극대화함으로써 청색 발광다이오드의 내부 양자효율 극대화할 수 있도록 구성된 전도성 매개물층이 적층된 금속 나노입자 내장형 발광다이오드를 제공하고자 하는 것이다. The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, the object of the present invention, in the structure of the metal nanoparticle-embedded blue GaN-based light emitting diode, the surface plasmon wavelength and the emission wavelength of the quantum well active layer In order to maximize the surface plasmon resonance coupling effect to provide a metal nanoparticle-embedded light emitting diode with a conductive medium layer laminated to maximize the internal quantum efficiency of the blue light emitting diode.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 전도성 매개물층이 적용된 금속 나노입자 내장형 발광다이오드 구조에 있어서, n형 도핑 반도체층(n-type semiconductor)과, 금속 나노입자(metallic nanoparticles)를 포함하는 전도성 매개물층(conducting intermediate layer)과, 양자우물 활성층(multi quantum wells active layer) 및 p형 도핑 반도체층(p-type semiconductor)이 차례로 적층되어 구성된 것을 특징으로 하는 발광다이오드 구조가 제공된다. In order to achieve the above object, according to the present invention, in the metal nanoparticle-embedded light emitting diode structure to which the conductive medium layer is applied, an n-type doped semiconductor layer and a metal nanoparticles A light emitting diode structure is provided in which a conductive intermediate layer including a quantum wells active layer and a p-type semiconductor layer are sequentially stacked. .
여기서, 상기 n형 도핑 반도체층과 상기 p형 도핑 반도체층은, 서로 그 도핑이 반대가 되도록 구성된 것을 특징으로 한다. Here, the n-type doped semiconductor layer and the p-type doped semiconductor layer, it characterized in that the doping is configured to be opposite to each other.
또한, 상기 전도성 매개물층의 전도성 매개물질은, ITO(Indium-Tin-Oxide), SnO2(Tin-dioxide), TiO2(Titanium-dioxide), ZnO(Zinc-Oxide), IZO(Indium-Zinc-Oxide), 탄소 나노튜브(CNT: Carbon NanoTubes)와 같은 투명전극용 전도성 화합물(TCO: Transparent Conducting Oxide), 전도성 합금(Conducting Alloy), 전도성 고분자 물질(Conducting Polymer)과 같은 박막소재와 같은 물질들을 사용할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다. In addition, the conductive medium of the conductive medium layer, ITO (Indium-Tin-Oxide), SnO 2 (Tin-dioxide), TiO 2 (Titanium-dioxide), ZnO (Zinc-Oxide), IZO (Indium-Zinc-) Materials such as thin film materials such as oxides, transparent conducting oxides (TCO), conducting alloys, and conducting polymers such as carbon nanotubes (CNT) Characterized in that configured to be.
아울러, 상기 금속 나노입자의 소재로는, Au, Ag, Al, Cu, Ti, Ir, Mo, Ni, Os, Pt, Rh, W 등을 사용할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다. In addition, the material of the metal nanoparticles, characterized in that configured to be used Au, Ag, Al, Cu, Ti, Ir, Mo, Ni, Os, Pt, Rh, W and the like.
또한, 상기 발광다이오드의 소재로는, GaN, GaAs, InGaN, AlGaN, AlGaInN과 같은 III-V족 반도체 화합물 및 Si와 같은 반도체를 사용할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다. In addition, the light emitting diode may be formed of a III-V semiconductor compound such as GaN, GaAs, InGaN, AlGaN, AlGaInN, and a semiconductor such as Si.
더욱이, 상기 구조는, 상기 금속 나노입자의 크기, 모양, 밀도 및 상기 전도성 매개물층의 두께를 조절함으로써 상기 금속 나노입자와 상기 양자우물 활성층의 간격을 용이하게 조절할 수 있도록 구성되고, 그것에 의해, 상기 양자우물 활성층과의 표면 플라즈몬 공명결합의 극대화를 용이하게 달성할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다. Moreover, the structure is configured to easily adjust the distance between the metal nanoparticles and the quantum well active layer by adjusting the size, shape, density and thickness of the conductive medium layer of the metal nanoparticles, whereby It is characterized in that it is configured to easily achieve the maximization of the surface plasmon resonance bond with the quantum well active layer.
또, 상기 구조는, 상기 n형 도핑 반도체층과 상기 p형 도핑 반도체층 사이에 적어도 둘 이상의 복수의 전도성 매개물층을 포함하도록 구성된 것을 특징으로 한다. The structure may be configured to include at least two or more conductive media layers between the n-type doped semiconductor layer and the p-type doped semiconductor layer.
또한, 본 발명에 따르면, 전도성 매개물을 포함하는 금속 나노입자 내장형 발광다이오드 칩 구조에 있어서, 성장기판과, 무도핑 반도체층(undopped semiconductor)과, n형 도핑 반도체층(n-type semiconductor)과, 금속 나노입자(metal Nano-particles)를 포함하는 전도성 매개물층(conducting intermediate layer)과, 양자우물 활성층(multi quantum wells active layer)과, p형 도핑 반도체층(p-type semiconductor) 및 투명전극층(transparent electrode)이 차례대로 적층되어 이루어지고, 상기 투명전극층 상에 형성되는 p형 접촉전극(p-type contact electrode)과, 상기 n형 도핑 반도체층 상에 형성되는 n형 접촉전극(n-type contact electrode)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 발광다이오드 칩 구조가 제공된다. In addition, according to the present invention, in the metal nanoparticle-embedded light emitting diode chip structure including a conductive medium, a growth substrate, an undopped semiconductor layer, an n-type semiconductor layer, A conducting intermediate layer containing metal nanoparticles, a multi quantum wells active layer, a p-type semiconductor layer and a transparent electrode layer (transparent) p-type contact electrodes formed on the transparent electrode layer and stacked on one another, and n-type contact electrodes formed on the n-type doped semiconductor layer. There is provided a light emitting diode chip structure comprising a).
여기서, 상기 n형 도핑 반도체층과 상기 p형 도핑 반도체층 및 상기 n형 접촉전극과 상기 p형 접촉전극은, 서로 그 도핑이 반대가 되도록 구성된 것을 특징으로 한다. The n-type doped semiconductor layer, the p-type doped semiconductor layer, and the n-type contact electrode and the p-type contact electrode are characterized in that the doping is opposite to each other.
또, 상기 전도성 매개물층의 전도성 매개물질은, ITO(Indium-Tin-Oxide), SnO2(Tin-dioxide), TiO2(Titanium-dioxide), ZnO(Zinc-Oxide), IZO(Indium-Zinc-Oxide), 탄소 나노튜브(CNT: Carbon NanoTubes)와 같은 투명전극용 전도성 화합물(TCO: Transparent Conducting Oxide), 전도성 합금(Conducting Alloy), 전도성 고분자 물질(Conducting Polymer)과 같은 박막소재와 같은 물질들을 사용할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다. In addition, the conductive medium of the conductive medium layer, ITO (Indium-Tin-Oxide), SnO 2 (Tin-dioxide), TiO 2 (Titanium-dioxide), ZnO (Zinc-Oxide), IZO (Indium-Zinc- Materials such as thin film materials such as oxides, transparent conducting oxides (TCO), conducting alloys, and conducting polymers such as carbon nanotubes (CNT) Characterized in that configured to be.
또한, 상기 금속 나노입자의 소재로는, Au, Ag, Al, Cu, Ti, Ir, Mo, Ni, Os, Pt, Rh, W 등을 사용할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다. In addition, the material of the metal nanoparticles, characterized in that configured to be used Au, Ag, Al, Cu, Ti, Ir, Mo, Ni, Os, Pt, Rh, W and the like.
아울러, 상기 발광다이오드의 소재로는, GaN, GaAs, InGaN, AlGaN, AlGaInN과 같은 III-V족 반도체 화합물 및 Si와 같은 반도체를 사용할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다. In addition, as the material of the light emitting diode, it is characterized in that it is configured to use a semiconductor such as group III-V semiconductor compounds such as GaN, GaAs, InGaN, AlGaN, AlGaInN and Si.
아울러, 상기 구조는, 상기 금속 나노입자의 크기, 모양, 밀도 및 상기 전도성 매개물층의 두께를 조절함으로써 상기 금속 나노입자와 상기 양자우물 활성층의 간격을 용이하게 조절할 수 있도록 구성되고, 그것에 의해, 상기 양자우물 활성층과의 표면 플라즈몬 공명결합의 극대화를 용이하게 달성할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다. In addition, the structure is configured to easily adjust the distance between the metal nanoparticles and the quantum well active layer by adjusting the size, shape, density and thickness of the conductive medium layer of the metal nanoparticles, thereby It is characterized in that it is configured to easily achieve the maximization of the surface plasmon resonance bond with the quantum well active layer.
또한, 상기 구조는, 상기 n형 도핑 반도체층과 상기 p형 도핑 반도체층 사이에 적어도 둘 이상의 복수의 전도성 매개물층을 포함하도록 구성된 것을 특징으로 한다. The structure may be configured to include at least two or more conductive media layers between the n-type doped semiconductor layer and the p-type doped semiconductor layer.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 금속 나노입자 내장형 청색 GaN 기반 발광다이오드의 구조에 있어서 표면 플라즈몬 중심파장과 양자우물 활성층의 발광파장을 일치시켜 표면 플라즈몬 공명결합 효과를 극대화함으로써 청색 발광다이오드의 내부 양자효율을 극대화할 수 있도록 구성된 전도성 매개물층이 적층된 금속 나노입자 내장형 발광다이오드를 제공할 수 있다. As described above, according to the present invention, in the structure of the metal nanoparticle-embedded blue GaN-based light emitting diode, the inner surface of the blue light emitting diode is maximized by maximizing the surface plasmon resonance coupling effect by matching the center wavelength of the surface plasmon and the light emission wavelength of the quantum well active layer. It is possible to provide a metal nanoparticle-embedded light emitting diode in which a conductive medium layer configured to maximize quantum efficiency is stacked.
또, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 전도성 매개물 층이 적용된 금속 나노입자 내장형 발광다이오드가 제공됨으로써, 금속 나노입자 주변물질인 반도체의 높은 유전상수로 인해 표면 플라즈몬 공명결합을 이용한 내부 양자효율 증대기법이 청색 LED에 적용되기 어려웠던 종래의 기술적 한계를 극복할 수 있어, 고효율의 청색 LED의 구현을 가능하게 할 수 있다. In addition, according to the present invention, by providing a metal nanoparticle-embedded light emitting diode to which the conductive medium layer is applied as described above, the internal quantum efficiency enhancement method using the surface plasmon resonance coupling due to the high dielectric constant of the semiconductor as the metal nanoparticle peripheral material It is possible to overcome the conventional technical limitations that were difficult to apply to this blue LED, thereby enabling the implementation of a high efficiency blue LED.
또한, 본 발명에 따르면, 기존의 효율증대기술과 중복적용이 가능하여 백색 LED 조명기술의 획기적인 발전을 도모할 수 있을 뿐만 아니라, 태양전지 및 바이오 관련소자 등에도 유용하게 쓰일 수 있어, 다양한 분야에 걸쳐 그 활용 가치가 매우 높은 전도성 매개물 층이 적용된 금속 나노입자 내장형 발광다이오드를 제공할 수 있다. In addition, according to the present invention, it is possible to overlap with the existing efficiency increase technology to achieve breakthrough development of the white LED lighting technology, as well as to be useful in solar cells and bio-related devices, etc. It is possible to provide a metal nanoparticle-embedded light emitting diode to which a conductive medium layer having a high utilization value is applied.
도 1은 본 발명에 따른 전도성 매개물층이 적용된 금속 나노입자 내장형 발광다이오드의 전체적인 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 전도성 매개물층이 적용된 금속 나노입자 내장형 발광다이오드를 실제로 적용한 예를 나타내는 도면이다. 1 is a view schematically showing the overall structure of a metal nanoparticle-embedded light emitting diode to which a conductive medium layer according to the present invention is applied.
2 is a view showing an example in which the metal nanoparticle-embedded light emitting diode to which the conductive medium layer according to the present invention is applied is actually applied.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 전도성 매개물층이 적용된 금속 나노입자 내장형 발광다이오드의 상세한 내용에 대하여 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, it will be described in detail the metal nanoparticle-embedded light emitting diode to which the conductive medium layer according to the present invention is applied.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다. Hereinafter, it is to be noted that the following description is only an embodiment for carrying out the present invention, and the present invention is not limited to the contents of the embodiments described below.
즉, 본 발명은, 금속 나노입자를 발광다이오드의 활성층으로부터 수십 나노미터 이하로 근접시킬 경우 금속입자의 국소화된 표면 플라즈몬 현상(LSPR: Localized Surface Plasmon Resonance)에 의해 활성층의 광방출효율 또는 내부 양자효율이 크게 증대되는 현상을 이용한 것으로, 그러한 현상의 극대화 및 최적화를 위해서는 금속 나노입자를 둘러싼 물질의 유전상수와 금속 나노입자의 크기, 모양 및 밀도의 조절이 필요하게 된다. That is, according to the present invention, when the metal nanoparticles are brought closer to tens of nanometers or less from the active layer of the light emitting diode, the light emission efficiency or the internal quantum efficiency of the active layer is caused by Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) of the metal particles. Using this greatly increased phenomenon, in order to maximize and optimize such a phenomenon, it is necessary to control the dielectric constant of the material surrounding the metal nanoparticles and the size, shape, and density of the metal nanoparticles.
즉, 본 발명은, 상기한 바와 같이, 금속 나노입자가 포함된 전도성 매개물질을 이용하여 금속 나노입자를 둘러싼 물질의 유전상수 등의 물성 조절을 용이하게 하는 것이다. That is, the present invention, as described above, to facilitate the physical property control, such as the dielectric constant of the material surrounding the metal nanoparticles using a conductive medium containing the metal nanoparticles.
예를 들면, 매개물질로서 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 물질을 사용할 경우, 반도체(여기서, GaN의 유전상수는 450nm 파장에서 약 8.1)의 유전상수보다 낮은 유전상수(450nm 파장에서 약 3.84)로 인해 표면 플라즈몬 공명결합의 중심파장을 단파장 영역으로 이동시켜 청색 발광다이오드의 출력파장과 최대한 일치시킬 수 있으며, 그것에 의해, 내부 양자효율의 극대화를 달성할 수 있다. For example, if a material such as ITO (Indium Tin Oxide) is used as the mediator, the dielectric constant of the semiconductor (where GaN is about 8.1 at 450 nm wavelength) is lower than the dielectric constant (about 3.84 at 450 nm wavelength). Due to this, the center wavelength of the surface plasmon resonance coupling can be shifted to the short wavelength region so as to match the output wavelength of the blue light emitting diode as much as possible, thereby maximizing the internal quantum efficiency.
아울러, ITO 매개물층이 반도체 p-n 접합의 운반자(carrier) 이동에 지장을 주지 않을 뿐만 아니라, 웨이퍼 접합기술을 이용하여 제조할 경우에도 저온 및 저압 공정을 유도하는 등, 공정상 이점 또한 기대할 수 있다. In addition, not only does the ITO media layer interfere with carrier movement of the semiconductor p-n junction, but also a process advantage such as inducing low temperature and low pressure processes even when fabricated using wafer bonding technology.
계속해서, 도 1을 참조하여, 본 발명에 따른 전도성 매개물층이 적용된 금속 나노입자 내장형 발광다이오드의 구조에 대하여 설명한다. Subsequently, the structure of the metal nanoparticle-embedded light emitting diode to which the conductive medium layer according to the present invention is applied will be described with reference to FIG. 1.
도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명에 따른 전도성 매개물층이 적용된 금속 나노입자 내장형 발광다이오드의 전체적인 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다. Referring to FIG. 1, FIG. 1 schematically illustrates the overall structure of a metal nanoparticle-embedded light emitting diode to which a conductive medium layer according to the present invention is applied.
즉, 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명은, 금속 나노입자 주변에 반도체보다 유전상수가 낮은 전도성 매개물 층을 삽입하는 구조를 가지는 것이다. That is, as shown in FIG. 1, the present invention has a structure in which a conductive medium layer having a lower dielectric constant than a semiconductor is inserted around metal nanoparticles.
더 상세하게는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 전도성 매개물층이 적용된 금속 나노입자 내장형 발광다이오드의 구조는, n형(p형) 도핑 반도체층(n-type(or p-type) semiconductor)(105) 위에 금속 나노입자(metallic nanoparticles)(104)를 포함하는 전도성 매개물층(conducting intermediate layer)(103), 양자우물 활성층(multi quantum wells active layer)(102) 및 p형(n형) 도핑 반도체층(p-type(or n-type) semiconductor)(101)이 차례로 적층된 구조를 가지는 것이다. More specifically, as shown in FIG. 1, the structure of the metal nanoparticle-embedded light emitting diode to which the conductive medium layer according to the present invention is applied is an n-type (p-type) doped semiconductor layer (n-type (or p-type)). A conducting
여기서, n형 도핑 반도체층(105)과 p형 도핑 반도체층(101)은, 서로 그 도핑이 반대가 되도록 구성할 수도 있다. Here, the n-type doped
또한, 전도성 매개물층(103)의 전도성 매개물질로는, 예를 들면, ITO(Indium-Tin-Oxide), SnO2(Tin-dioxide), TiO2(Titanium-dioxide), ZnO(Zinc-Oxide), IZO(Indium-Zinc-Oxide), 탄소 나노튜브(CNT: Carbon NanoTubes) 등의 투명 전극용 전도성 화합물(TCO: Transparent Conducting Oxide), 전도성 합금(Conducting Alloy), 전도성 고분자 물질(Conducting Polymer) 등의 박막소재와 같은 물질들을 사용할 수 있다. In addition, as the conductive medium of the conductive
여기서, 전도성 매개물층(103)의 물질로서, 예를 들면, ITO(Indium Tin Oxide)를 사용할 경우, ITO의 유전상수는 450nm 파장에서 약 3.84가 되므로, 이러한 경우는, 5nm의 은(Ag) 나노입자의 표면 플라즈몬 공명 중심파장을 약 470nm로 설계할 수 있다. Here, when using indium tin oxide (ITO), for example, as the material of the conductive
아울러, 상기한 바와 같은 전도성 매개물층(103)의 두께를 적절히 조절함으로써, 금속 나노입자(104)와 양자우물 활성층(102)과의 간격을 용이하게 조절할 수도 있다. In addition, by appropriately adjusting the thickness of the conductive
즉, 금속 나노입자(104)의 크기, 모양, 밀도 및 전도성 매개물층(103)의 두께를 적절히 조절함으로써, 양자우물 활성층(102)과의 표면 플라즈몬 공명결합의 극대화를 용이하게 달성할 수 있다. That is, by appropriately adjusting the size, shape, density and thickness of the conductive
또한, 예를 들면, 웨이퍼 접합기술을 사용하여 제조할 경우, 전도성 매개물층(103)의 삽입에 의해 저온의 접합온도 및 접합강도 향상 등의 공정상의 장점 또한 유도할 수 있어, 내부 양자효율의 극대화를 이룰 수 있다. In addition, for example, when fabricating using a wafer bonding technique, the insertion of the conductive
아울러, 상기한 금속 나노입자(104)의 소재로는, Au, Ag, Al, Cu, Ti, Ir, Mo, Ni, Os, Pt, Rh, W 등을 사용할 수 있다. In addition, as the material of the
또한, 반도체 발광다이오드의 소재로는, GaN, GaAs, InGaN, AlGaN, AlGaInN 등과 같은 III-V족 반도체 화합물 및 Si 등의 반도체를 사용할 수 있다. As the material of the semiconductor light emitting diode, III-V group semiconductor compounds such as GaN, GaAs, InGaN, AlGaN, AlGaInN and the like and semiconductors such as Si can be used.
계속해서, 도 2는 본 발명에 따른 전도성 매개물을 포함하는 금속 나노입자 내장형 발광다이오드 칩의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. Subsequently, FIG. 2 is a diagram schematically showing the overall configuration of a metal nanoparticle embedded LED chip including a conductive medium according to the present invention.
즉, 본 발명에 따른 전도성 매개물을 포함하는 금속 나노입자 내장형 발광다이오드 칩은, 금속 나노입자가 내장된 전도성 매개물 층 또는 금속 나노입자가 전도성 매개물 층과 n형 또는 p형 반도체층 사이에 적층되어 있는 구조를 포함하여, 금속 나노입자와 전도성 매개물층이 n형 또는 p형 반도체 내부에 삽입된 구조로 구성될 수 있다. That is, the metal nanoparticle-embedded light emitting diode chip including the conductive medium according to the present invention includes a conductive medium layer in which the metal nanoparticles are embedded or a metal nanoparticle is stacked between the conductive medium layer and the n-type or p-type semiconductor layer. Including the structure, the metal nanoparticles and the conductive medium layer may be composed of a structure inserted into the n-type or p-type semiconductor.
더 상세하게는, 본 발명에 따른 전도성 매개물을 포함하는 금속 나노입자 내장형 발광다이오드 칩은, 도 2에 나타낸 바와 같이, 성장기판(208) 위에 무도핑 반도체층(undopped semiconductor)(207), n형 도핑 반도체층(n-type semiconductor)(203b), 금속 나노입자(metal Nano-particles)(206)를 포함하는 전도성 매개물층(conducting intermediate layer)(205), 양자우물 활성층(multi quantum wells active layer)(204), p형 도핑 반도체층(p-type semiconductor)(203a), 투명전극층(transparent electrode)(202)이 차례로 적층되어 이루어진다. More specifically, the metal nanoparticle-embedded light emitting diode chip including the conductive medium according to the present invention, as shown in Figure 2, an undoped semiconductor layer (207), n-type on the growth substrate 208 A conducting
여기서, 투명전극층(transparent electrode)(202) 상에는 p형 접촉전극(p-type contact electrode)(201a)이 형성되고, n형 도핑 반도체층(203b) 상에는 n형 접촉전극(n-type contact electrode)(201b)이 각각 형성된다. Here, a p-type contact electrode 201a is formed on the
아울러, 상기한 도 1에 나타낸 실시예의 경우와 마찬가지로, n형 도핑 반도체층(203b)과 p형 도핑 반도체층(203a) 및 n형 접촉전극(201b)과 p형 접촉전극(201a)은 서로 그 도핑이 반대가 되도록 구성될 수도 있다. 1, the n-type doped
또한, 나머지 부분은 상기한 도 1에 나타낸 발광다이오드의 구조와 동일하므로, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명은 생략한다. In addition, since the remaining part is the same as the structure of the light emitting diode shown in FIG. 1, the detailed description thereof will be omitted for simplicity.
따라서 상기한 바와 같은 구조를 이용하여, 본 발명에 따른 전도성 매개물을 포함하는 금속 나노입자 내장형 발광다이오드 칩을 제조할 수 있다. Therefore, using the structure as described above, it is possible to manufacture a metal nanoparticle-embedded light emitting diode chip containing a conductive medium according to the present invention.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 금속 나노입자의 표면 플라즈몬 공명결합 현상을 이용한 반도체 발광다이오드의 효율을 개선하기 위해, 양자우물 활성층에 근접한 위치의 p형 또는 n형 도핑 반도체 층 내부에 금속 나노입자를 내장한 전도성 매개물 층을 삽입한 전도성 매개물을 포함하는 금속 나노입자 내장형 발광다이오드를 제공할 수 있다. As described above, according to the present invention, in order to improve the efficiency of the semiconductor light emitting diode using the surface plasmon resonance coupling phenomenon of the metal nanoparticles, the metal nanoparticles inside the p-type or n-type doped semiconductor layer in the vicinity of the quantum well active layer. Metal nanoparticle-embedded light emitting diodes including a conductive medium in which a conductive medium layer containing particles is inserted may be provided.
이상 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 전도성 매개물층이 적층된 금속 나노입자 내장형 발광다이오드의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니다. As described above, the details of the metal nanoparticle-embedded light emitting diode in which the conductive medium layer according to the present invention is laminated through the embodiments of the present invention as described above, but the present invention is limited to the contents described in the above embodiments. It is not.
즉, 상기한 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같은 실시예에서는, 금속 나노입자(104)를 포함하는 전도성 매개물층(103)이 하나인 것으로 설명하였으나, 본 발명은, 도시하지는 않았으나, 둘 이상의 복수의 전도성 매개물층(103)을 포함하도록 구성할 수도 있는 등, 필요에 따라 다양하게 구성할 수 있는 것이다. That is, in the above-described embodiment as shown in FIGS. 1 and 2, the conductive
상기한 바와 같이, 본 발명은 상기한 발명의 상세한 설명에 기재된 내용만으로 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다. As described above, the present invention is not limited only to the contents described in the detailed description of the invention, and therefore, the present invention is designed by those skilled in the art to which the present invention pertains to design needs and various other factors. As a matter of course, various modifications, changes, combinations and substitutions are possible.
101. p형(n형) 도핑 반도체층 102. 양자우물 활성층
103. 전도성 매개물층 104. 금속 나노입자
105. n형(p형) 도핑 반도체 층 201a. p형 접촉전극
201b. n형 접촉전극 202. 투명전극층
203a. p형 도핑 반도체층 203b. n형 도핑 반도체층
204. 양자우물 활성층 205. 전도성 매개물층
206. 금속 나노입자 207. 무도핑 반도체층
208. 성장기판 101. p-type (n-type) doped
103.
105. n-type (p-type) doped semiconductor layer 201a. p-type contact electrode
201b. n-
203a. p-type doped
204. Quantum well
206.
208. Growth substrate
Claims (14)
n형 도핑 반도체층(n-type semiconductor)과,
금속 나노입자(metallic nanoparticles)를 포함하는 전도성 매개물층(conducting intermediate layer)과,
양자우물 활성층(multi quantum wells active layer) 및
p형 도핑 반도체층(p-type semiconductor)이 차례로 적층되어 구성된 것을 특징으로 하는 발광다이오드 구조. In the metal nanoparticle-embedded light emitting diode structure to which the conductive medium layer is applied,
an n-type doped semiconductor layer,
A conducting intermediate layer comprising metallic nanoparticles,
Multi quantum wells active layer and
A light emitting diode structure, characterized in that the p-type semiconductor layer (p-type semiconductor) is stacked in order.
상기 n형 도핑 반도체층과 상기 p형 도핑 반도체층은, 서로 그 도핑이 반대가 되도록 구성된 것을 특징으로 하는 발광다이오드 구조. The method of claim 1,
Wherein the n-type doped semiconductor layer and the p-type doped semiconductor layer are configured such that their dopings are opposite to each other.
상기 전도성 매개물층의 전도성 매개물질은, ITO(Indium-Tin-Oxide), SnO2(Tin-dioxide), TiO2(Titanium-dioxide), ZnO(Zinc-Oxide), IZO(Indium-Zinc-Oxide), 탄소 나노튜브(CNT: Carbon NanoTubes)와 같은 투명전극용 전도성 화합물(TCO: Transparent Conducting Oxide), 전도성 합금(Conducting Alloy), 전도성 고분자 물질(Conducting Polymer)과 같은 박막소재와 같은 물질들을 사용할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 발광다이오드 구조. The method of claim 1,
Conductive mediators of the conductive media layer, ITO (Indium-Tin-Oxide), SnO 2 (Tin-dioxide), TiO 2 (Titanium-dioxide), ZnO (Zinc-Oxide), IZO (Indium-Zinc-Oxide) , Materials such as thin film materials such as conductive conducting compounds (TCO), conducting alloys, and conducting polymers such as carbon nanotubes (CNT). A light emitting diode structure, characterized in that configured.
상기 금속 나노입자의 소재로는, Au, Ag, Al, Cu, Ti, Ir, Mo, Ni, Os, Pt, Rh, W 등을 사용할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 발광다이오드 구조. The method of claim 1,
As the material of the metal nanoparticles, a light emitting diode structure, characterized in that configured to use Au, Ag, Al, Cu, Ti, Ir, Mo, Ni, Os, Pt, Rh, W and the like.
상기 발광다이오드의 소재로는, GaN, GaAs, InGaN, AlGaN, AlGaInN과 같은 III-V족 반도체 화합물 및 Si와 같은 반도체를 사용할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 발광다이오드 구조. The method of claim 1,
The light emitting diode structure may include a III-V group compound such as GaN, GaAs, InGaN, AlGaN, AlGaInN, and a semiconductor such as Si.
상기 금속 나노입자의 크기, 모양, 밀도 및 상기 전도성 매개물층의 두께를 조절함으로써 상기 금속 나노입자와 상기 양자우물 활성층의 간격을 용이하게 조절할 수 있도록 구성되고,
그것에 의해, 상기 양자우물 활성층과의 표면 플라즈몬 공명결합의 극대화를 용이하게 달성할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 발광다이오드 구조. The method of claim 1,
By adjusting the size, shape, density of the metal nanoparticles and the thickness of the conductive medium layer is configured to easily control the gap between the metal nanoparticles and the quantum well active layer,
Thereby, the light emitting diode structure, characterized in that configured to easily achieve the maximization of the surface plasmon resonance coupling with the quantum well active layer.
상기 구조는, 상기 n형 도핑 반도체층과 상기 p형 도핑 반도체층 사이에 적어도 둘 이상의 복수의 전도성 매개물층을 포함하도록 구성된 것을 특징으로 하는 발광다이오드 구조. The method of claim 1,
Wherein said structure comprises at least two conductive media layers between said n-type doped semiconductor layer and said p-type doped semiconductor layer.
성장기판과,
무도핑 반도체층(undopped semiconductor)과,
n형 도핑 반도체층(n-type semiconductor)과,
금속 나노입자(metal Nano-particles)를 포함하는 전도성 매개물층(conducting intermediate layer)과,
양자우물 활성층(multi quantum wells active layer)과,
p형 도핑 반도체층(p-type semiconductor) 및
투명전극층(transparent electrode)이 차례대로 적층되어 이루어지고,
상기 투명전극층 상에 형성되는 p형 접촉전극(p-type contact electrode)과,
상기 n형 도핑 반도체층 상에 형성되는 n형 접촉전극(n-type contact electrode)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 발광다이오드 칩 구조. In the metal nanoparticle embedded light emitting diode chip structure including a conductive medium,
Growth substrate,
An undoped semiconductor layer,
an n-type doped semiconductor layer,
A conducting intermediate layer comprising metal nano-particles,
Multi quantum wells active layer,
p-type semiconductor and p-type semiconductor
The transparent electrode layer (transparent electrode) is made by laminating in sequence,
A p-type contact electrode formed on the transparent electrode layer,
A light emitting diode chip structure comprising an n-type contact electrode formed on the n-type doped semiconductor layer.
상기 n형 도핑 반도체층과 상기 p형 도핑 반도체층 및 상기 n형 접촉전극과 상기 p형 접촉전극은, 서로 그 도핑이 반대가 되도록 구성된 것을 특징으로 하는 발광다이오드 칩 구조. The method of claim 8,
And the n-type doped semiconductor layer, the p-type doped semiconductor layer, the n-type contact electrode and the p-type contact electrode are configured such that their dopings are opposite to each other.
상기 전도성 매개물층의 전도성 매개물질은, ITO(Indium-Tin-Oxide), SnO2(Tin-dioxide), TiO2(Titanium-dioxide), ZnO(Zinc-Oxide), IZO(Indium-Zinc-Oxide), 탄소 나노튜브(CNT: Carbon NanoTubes)와 같은 투명전극용 전도성 화합물(TCO: Transparent Conducting Oxide), 전도성 합금(Conducting Alloy), 전도성 고분자 물질(Conducting Polymer)과 같은 박막소재와 같은 물질들을 사용할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 발광다이오드 칩 구조. The method of claim 8,
Conductive mediators of the conductive media layer, ITO (Indium-Tin-Oxide), SnO 2 (Tin-dioxide), TiO 2 (Titanium-dioxide), ZnO (Zinc-Oxide), IZO (Indium-Zinc-Oxide) , Materials such as thin film materials such as conductive conducting compounds (TCO), conducting alloys, and conducting polymers such as carbon nanotubes (CNT). Light emitting diode chip structure, characterized in that configured.
상기 금속 나노입자의 소재로는, Au, Ag, Al, Cu, Ti, Ir, Mo, Ni, Os, Pt, Rh, W 등을 사용할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 발광다이오드 칩 구조. The method of claim 8,
The metal nanoparticle material, Au, Ag, Al, Cu, Ti, Ir, Mo, Ni, Os, Pt, Rh, W and the light emitting diode chip structure, characterized in that configured to be used.
상기 발광다이오드의 소재로는, GaN, GaAs, InGaN, AlGaN, AlGaInN과 같은 III-V족 반도체 화합물 및 Si와 같은 반도체를 사용할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 발광다이오드 칩 구조. The method of claim 8,
The light emitting diode chip structure includes a III-V semiconductor compound such as GaN, GaAs, InGaN, AlGaN, AlGaInN, and a semiconductor such as Si.
상기 금속 나노입자의 크기, 모양, 밀도 및 상기 전도성 매개물층의 두께를 조절함으로써 상기 금속 나노입자와 상기 양자우물 활성층의 간격을 용이하게 조절할 수 있도록 구성되고,
그것에 의해, 상기 양자우물 활성층과의 표면 플라즈몬 공명결합의 극대화를 용이하게 달성할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 발광다이오드 칩 구조. The method of claim 8,
By adjusting the size, shape, density of the metal nanoparticles and the thickness of the conductive medium layer is configured to easily control the gap between the metal nanoparticles and the quantum well active layer,
Thereby, the light emitting diode chip structure, characterized in that configured to easily achieve the maximization of the surface plasmon resonance coupling with the quantum well active layer.
상기 구조는, 상기 n형 도핑 반도체층과 상기 p형 도핑 반도체층 사이에 적어도 둘 이상의 복수의 전도성 매개물층을 포함하도록 구성된 것을 특징으로 하는 발광다이오드 칩 구조.
The method of claim 8,
And wherein the structure comprises at least two conductive media layers between the n-type doped semiconductor layer and the p-type doped semiconductor layer.
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