KR20120039957A - Bipolar junction light emitting diode for improving brightness and electric current injection - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 바이폴라 접합 발광 다이오드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 N-P-N 타입 혹은 P-N-P 타입의 바이폴라 접합(bipolar junction)의 구조로 이루어짐으로써 기존의 발광 다이오드(Light Emitting Diode(LED), 이하, LED라고도 칭함)와 비교하여 같은 면적에 서로 다른 N 타입 또는 P 타입의 반도체를 수직 또는 수평으로 3층 이상 접합하여 기존의 발광 다이오드보다 전류 주입 효과를 향상시키고 발광효율을 효과적으로 증가시킬 수 있는 발광 다이오드에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a bipolar junction light emitting diode, and more particularly, to a light emitting diode (LED), hereinafter also referred to as LED, having a structure of a bipolar junction of NPN type or PNP type. The present invention relates to a light emitting diode that can improve the current injection effect and increase the luminous efficiency more effectively than conventional light emitting diodes by bonding three or more layers of different N type or P type semiconductors in the same area in a vertical or horizontal manner.
최근 친환경 기술과 관련하여 발광 다이오드에 대한 관심이 증폭되면서, 발광 다이오드의 효율과 광도(brightness)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. Recently, as interest in light emitting diodes has been amplified in relation to environmentally friendly technologies, studies on efficiency and brightness of light emitting diodes have been actively conducted.
현재 널리 사용되고 있는 발광 다이오드는 대부분 P-N 접합의 구조를 가지고 있다. 하기 도 1은 기본적인 P-N 접합의 구조를 나타낸 것으로서, 검은색 원은 전자를, 흰색 원은 정공을 나타낸다. 도 1에서 나타낸 바와 같이, 기본적인 P-N 접합의 원리는 P-타입 반도체와 N-타입 반도체가 접합을 하게 되면, 각 영역에서 확산에 의하여 P-타입 반도체내의 정공과 N-타입 반도체의 전자가 서로 다른 영역으로 주입되고, 잇따르는 현상으로 공핍영역을 생성한다. Currently widely used light emitting diodes have a structure of P-N junction. 1 shows a structure of a basic P-N junction, in which a black circle represents an electron and a white circle represents a hole. As shown in FIG. 1, the principle of the basic PN junction is that when the P-type semiconductor and the N-type semiconductor are bonded, holes in the P-type semiconductor and electrons of the N-type semiconductor are different from each other by diffusion in each region. It is injected into the region and subsequent depletion creates a depletion region.
발광에 대한 기본적인 원리는 N-타입 반도체 내의 다수 반송자 역할을 하는 전자가 P-타입 반도체 내의 영역으로 주입되면서 소수 반송자 역할로 바뀌게 되며, P-타입 반도체 내의 다수 반송자라고 불리는 정공이 N-타입 반도체의 영역으로 주입되면서 같은 현상이 발생하여 전류가 흐르게 된다. 공핍 영역 내에서 전자와 정공의 재결합에 의해 소멸하게 되어, 상기 재결합에 해당되는 에너지가 빛으로 전환되어 발광하는 원리를 갖는다.The basic principle of luminescence is that electrons acting as multi-carriers in N-type semiconductors are injected into regions within P-type semiconductors, and thus they change to minority carriers, and holes called multi-carriers in P-type semiconductors are N-types. The same phenomenon occurs while the current is injected into the semiconductor region. It is extinguished by recombination of electrons and holes in the depletion region, and the energy corresponding to the recombination is converted into light to emit light.
또한, 최근 P-N 타입의 기본 구조를 갖는 발광 다이오드에서 조금 더 발전된 구조를 갖는 발광 다이오드는, 발광 효율을 증대시키기 위해, 하기 도 2에서 나타낸 바와 같이, 양자우물과 양자장벽층이 서로 다른 물질로 교대로 적층되어 다중 양자우물(Quantum Well)의 구조를 갖는 활성층을 만들고, 그 활성층 내에서 전자와 정공의 재결합에 의한 발광 현상이 이루어지도록 하고 있다.In addition, a light emitting diode having a more advanced structure in a light emitting diode having a basic structure of a PN type recently, as shown in FIG. 2, in order to increase luminous efficiency, the quantum well and the quantum barrier layer are alternately made of different materials. Stacked to form an active layer having a structure of a multiple quantum well, and light emission by recombination of electrons and holes is performed in the active layer.
최근에는 이러한 양자우물과 양자장벽층이 교대로 적층된 형태인 다중 양자우물(Multiple Quantum Well; MQW, 이하, MQW라고 칭함)의 구조를 가지고 있으며, 상기 MQW층에서 전자와 정공을 가두어 재결합을 하도록 하여 이 MQW층을 활성층으로서 동작 영역으로 만들고 있다. 그러나, 이러한 구조를 갖는 기존의 반도체(P-N 또는 N-P) 사이에 다중 양자우물을 적층시켜 제작된 발광다이오드는 현재까지 일반 실내 조명으로 사용하기에는 발광 효율의 측면에서 아직 부족한 상태이다.Recently, a quantum well and a quantum barrier layer have a structure of multiple quantum wells (MQW, hereinafter referred to as MQW) in the form of alternating layers, and recombine by trapping electrons and holes in the MQW layer. This MQW layer is used as an active layer to form an operating region. However, a light emitting diode manufactured by stacking multiple quantum wells between conventional semiconductors (P-N or N-P) having such a structure is still insufficient in terms of luminous efficiency to be used as a general indoor lighting.
LED는 현재 핸드폰이나 TV 등의 디스플레이 영역에서 백라이트 유닛(Back Light Unit; BLU)으로 사용되고 있으나, LED기술의 급격한 발전은 가까운 미래에 조명용 LED를 개발하여 적용하려고 노력하고 있다. LED를 조명 분야에 적용하기 위해서는 기존의 형광등이나 삼파장 조명과 비슷하거나 더 밝은 빛의 세기와 높은 효율을 가져야 한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 수많은 업체와 연구소에서 밝기를 향상시킬 수 있는 다양한 방법을 시도하고 있으며, 문제를 해결하기 위한 여러 방법 중 전류 주입에 대한 연구 또한 활발히 진행되고 있는 실정이다.LED is currently used as a back light unit (BLU) in the display area of mobile phones and TVs, but the rapid development of LED technology is trying to develop and apply lighting LED in the near future. In order to apply LED to the lighting field, the light intensity and high efficiency similar to or brighter than the conventional fluorescent or three-wavelength lighting must be obtained. In order to solve this problem, numerous companies and research institutes are trying various ways to improve the brightness, and researches on current injection among the various methods to solve the problem are being actively conducted.
본 발명의 목적은 N-P 타입 형태의 이중접합 구조를 가지는 일반적인 LED의 반도체 기판을 전류주입 효율을 개선하기 위하여 N-P-N 타입 혹은 P-N-P 타입의 삼중접합 구조로 기판을 제작함으로써, 전류주입 효율을 증가시키고 LED의 밝기를 향상시키는 바이폴라 접합 발광 다이오드를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to improve the current injection efficiency of a conventional LED semiconductor substrate having a double junction structure of the NP type to improve the current injection efficiency, thereby increasing the current injection efficiency and increase the current injection efficiency of the LED It is to provide a bipolar junction light emitting diode that improves the brightness.
본 발명은 N-P-N 타입 또는 P-N-P 타입의 발광 다이오드의 구조를 포함하고, 상기 P 및 N 타입 반도체가 3개 이상으로 반복되는 형태의 수직 또는 수평 접합 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 바이폴라 접합 발광 다이오드를 제공한다.The present invention provides a bipolar junction light emitting diode comprising a structure of an NPN type or a PNP type light emitting diode, and having a vertical or horizontal junction structure in which the P and N type semiconductors are repeated three or more times. .
하기 도 7은 N-P-N 접합의 발광 다이오드의 밴드 다이어그램을 나타낸 것으로서, 도 1에서 나타내는 P-N 접합 구조에서 N-P-N 접합으로 전환된 것을 보여준다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 바이폴라 접합 발광 다이오드는 공핍 영역을 2개 갖는 것과 전극을 2개 이상 가질 수 있는 구조로 보여진다.7 shows a band diagram of a light emitting diode of an N-P-N junction, showing that the P-N junction structure shown in FIG. 1 is converted to an N-P-N junction. As shown in FIG. 7, the bipolar junction light emitting diode is shown to have two depletion regions and a structure capable of having two or more electrodes.
본 발명에 따른 발광 다이오드는 플립칩(flip chip) 타입이나 수직형칩(vertical chip) 타입 반도체 등의 발광 다이오드에 적용가능한 구조로서, 수직 또는 수평으로 접합이 가능하여 기존 발광 다이오드와 같은 면적에 극성이 다른 타입의 반도체를 수직 또는 수평으로 여러 번 적층함으로써, 전류의 주입을 향상시킨다.The light emitting diode according to the present invention is a structure applicable to a light emitting diode such as a flip chip type or a vertical chip type semiconductor, and can be vertically or horizontally bonded to have a polarity in the same area as a conventional light emitting diode. By stacking different types of semiconductors vertically or horizontally several times, the injection of current is improved.
본 발명에 따른 발광 다이오드는 N-타입 반도체와 P-타입 반도체가 N-P-N 타입 또는 P-N-P 타입으로 적층된 것으로서, 도 4를 참고로 하면 기판 위에 N-타입 반도체를 증착하고, 그 위에 P-타입 반도체를 증착한 후, 다시 N-타입 반도체를 적층하는 구조로 기판을 형성하며, P-타입과 N-타입을 이와 반대의 구조로도 형성이 가능하다.In the light emitting diode according to the present invention, an N-type semiconductor and a P-type semiconductor are stacked in an NPN type or a PNP type. Referring to FIG. 4, an N-type semiconductor is deposited on a substrate, and a P-type semiconductor is deposited thereon. After the deposition, the substrate is formed again by stacking the N-type semiconductor, and the P-type and the N-type may be formed in the reverse structure.
상기 기판은, 그 종류에 특별히 한정은 없고, 구체예로서 사파이어 기판이 사용될 수 있고, 형태에 따라, Si, SiC, GaN, ZnO, MgAl2O4, LiAlO2 및 LiGaO2 등으로 이루어진 기판도 사용이 가능하며, 나아가 상기 기판 상에 성장되는 반도체 단결정의 결정 품질 향상을 위한 버퍼층을 성장시킬 수도 있는데, 이러한 버퍼층은 소자의 특성 및 공정 조건에 따라 생략될 수도 있다.The substrate is not particularly limited in their kinds, may be a sapphire substrate is used as a specific example, according to the type, Si, SiC, GaN, ZnO, MgAl2O 4, also possible to use a substrate made of a LiAlO 2 and LiGaO 2, etc. In addition, a buffer layer for improving the crystal quality of the semiconductor single crystal grown on the substrate may be grown, and the buffer layer may be omitted depending on the characteristics of the device and the process conditions.
상기 버퍼층 위에는 N-타입의 반도체 또는 P-타입의 반도체가 형성된다. 상기 P-타입 반도체 및 N-타입 반도체의 재료는, 그 종류에 특별히 한정은 없고, 예를 들면, GaAs, GaP, InAs, InP, AlAs, AlSb, AlP, GaSb, InSb, GaN, InN, AnN, ZnO, SiC, Si, InGaN 및 C 등으로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 사용할 수 있으며, 상기 재료 이외에도 발광성 유기 폴리머 또는 무기 세라믹 등을 더 사용할 수 있고, 상기 N-타입의 반도체 또는 P-타입의 반도체는 단일층일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 다중층일 수 있다.An N-type semiconductor or a P-type semiconductor is formed on the buffer layer. The material of the P-type semiconductor and the N-type semiconductor is not particularly limited in its kind. For example, GaAs, GaP, InAs, InP, AlAs, AlSb, AlP, GaSb, InSb, GaN, InN, AnN, It can be used one or more from the group consisting of ZnO, SiC, Si, InGaN and C, In addition to the material, a light emitting organic polymer or an inorganic ceramic may be further used, and the N-type semiconductor or the P-type semiconductor may be a single layer, but is not limited thereto.
상기 N-타입 반도체의 불순물로는 Si, Ge, Se, Te 등이 사용될 수 있으며, 상기 P-타입 반도체의 불순물로는 Mg, Zn, Be 등이 대표적이다. 상기 N-타입 및 P-타입의 반도체층을 성장시키는 방법은, 당 기술분야에서 공지된 유기금속기상증착법(MOCVD), 분자빔성장법(MBE), 하이브리드 기상증착법(HVPE) 공정 등으로 성장될 수 있다.Si, Ge, Se, Te, and the like may be used as impurities of the N-type semiconductor, and Mg, Zn, Be, and the like are representative of the impurities of the P-type semiconductor. The method for growing the N-type and P-type semiconductor layers may be grown by organometallic vapor deposition (MOCVD), molecular beam growth (MBE), hybrid vapor deposition (HVPE), or the like. Can be.
본 발명에 따른 발광 다이오드는 적층되는 N-타입 및 P-타입 반도체 사이에 활성층을 더 증착시킬 수 있는데, 상기 활성층은 양자우물과 양자장벽층이 교번적으로 적층된 양자우물(quantumn well)구조를 형성할 수 있다. 양자 우물층에 전하들이 모이는 감금(confinement) 효율을 증대시키기 위하여, 활성층은 복수의 양자우물층과 복수의 양자장벽층이 교번적으로 적층되어 있는 다중 양자우물(multiple quantum well; 이하 MQW라고도 칭함)구조를 가질 수 있고, N-타입 및 P-타입 반도체층 사이에 형성된 활성층은 전자와 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출하는 것이다.The light emitting diode according to the present invention can further deposit an active layer between the stacked N-type and P-type semiconductors, and the active layer has a quantum well structure in which quantum wells and quantum barrier layers are alternately stacked. Can be formed. In order to increase the confinement efficiency of charges collected in the quantum well layer, the active layer is a multiple quantum well (hereinafter referred to as MQW) in which a plurality of quantum well layers and a plurality of quantum barrier layers are alternately stacked. The active layer formed between the N-type and P-type semiconductor layers emits light having a predetermined energy by recombination of electrons and holes.
따라서, 상기 활성층은 각각의 N-타입 및 P-타입 반도체에서 이동되는 전자와 정공을 가두어 재결합을 하도록 하는 동작 영역으로서, 다중 양자우물구조의 활성층이 각각의 반도체 사이에 위치함으로써, 도 8에 나타낸 바와 같이, 상기 N-P-N 타입의 발광 다이오드의 경우에는, 양쪽의 N-타입 반도체 내의 다수 반송자인 전자가 P-타입 반도체 방향의 동작 영역으로 양방향에서 흘러 전류의 크기를 늘릴 수 있고, 상기 P-N-P 타입의 발광 다이오드의 경우에는 중앙에 위치하고 있는 N-타입 반도체 내에 다수 존재하는 전자가 양쪽에 위치하고 있는 P-타입 반도체의 양 방향에 존재하는 동작 영역으로 주입되어 전류의 크기를 늘릴 수 있다.Accordingly, the active layer is an operation region for trapping electrons and holes recombined in each of the N-type and P-type semiconductors, and the active layer of the multi-quantum well structure is located between the semiconductors, thereby being shown in FIG. 8. As described above, in the case of the NPN type light emitting diode, electrons, which are the majority carriers in both N-type semiconductors, flow in both directions to the operation region in the direction of the P-type semiconductor to increase the magnitude of the current, and the light of the PNP type In the case of a diode, a large number of electrons in a centrally located N-type semiconductor may be injected into an operating region existing in both directions of a P-type semiconductor located at both sides, thereby increasing the magnitude of the current.
상기 양자우물층과 양자장벽층은, 각각 그 종류에 특별히 한정이 없고, 예를 들면, GaAs, GaP, InAs, InP, AlAs, AlSb, AlP, GaSb, InSb, GaN, InN, AnN, ZnO, ZnSe, ZnCdSe, SiC, Si, InGaN, AlGaInN, AlGaInP, AlN, BN(질화붕소), GaAsP, AlGaAs, AlGaN 및 C(다이아몬드) 등으로 이루어지는 군으로부터 1종 이상 사용할 수 있고, 또한 상기 재료 이외에도 발광성 유기 폴리머 또는 무기 세라믹 등으로 이루어질 수 있으며, 상기 양자우물층과 양자장벽층은 각각 단일층일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 다중층일 수 있다.The quantum well layer and the quantum barrier layer are not particularly limited in kind, for example, GaAs, GaP, InAs, InP, AlAs, AlSb, AlP, GaSb, InSb, GaN, InN, AnN, ZnO, ZnSe , ZnCdSe, SiC, Si, InGaN, AlGaInN, AlGaInP, AlN, BN (boron nitride), GaAsP, AlGaAs, AlGaN and C (diamonds), etc. It may be used one or more, and may be made of a light-emitting organic polymer or an inorganic ceramic in addition to the material, the quantum well layer and the quantum barrier layer may be a single layer, respectively, but is not limited to this may be a multilayer.
또한, 상기 양자우물층과 양자장벽층은 각각 사용되는 재료의 밴드갭의 차이에 따라 구분할 수 있는데, 이는 각 재료의 원소 함량비에 따라 밴드갭은 달라질 수 있다.In addition, the quantum well layer and the quantum barrier layer may be classified according to the difference in the band gap of the material used, respectively, which may vary in accordance with the element content ratio of each material.
상기 다중 양자우물구조를 구현하는 양자우물층과 양자장벽층의 개수는 설계 상의 필요에 따라 다양하게 변경할 수 있으며, 이는 본 발명의 개시내용에 기초한다면, 당업자에 의해 용이하게 선택될 수 있다.The number of quantum well layers and quantum barrier layers for implementing the multi-quantum well structure may be variously changed according to design needs, which may be easily selected by those skilled in the art based on the present disclosure.
상기 양자장벽층은 상대적으로 더 두꺼운 양자장벽층, 밴드갭이 더 넓은 양자장벽층 또는 p형 불순물이 도핑된 양자장벽층을 포함할 수 있다.The quantum barrier layer may include a relatively thicker quantum barrier layer, a wider band gap quantum barrier layer, or a quantum barrier layer doped with p-type impurities.
또한, 본 발명에 따른 발광 다이오드는 각각의 N-타입 및 P-타입 반도체의 접합 내부에 도핑이 되지 않은 층 또는 절연막을 더 삽입할 수 있는데, 이는 활성영역으로 사용할 수 있다.In addition, the light emitting diode according to the present invention may further insert an undoped layer or an insulating film into the junction of each of the N-type and P-type semiconductor, which can be used as an active region.
또한, 상기 N-P-N 타입의 발광 다이오드는 N-face로 성장시킨 GaN 에피택셜층(epitaxial layer)에 있어서, N-타입 반도체가 P-타입 반도체보다 식각하는데에 있어 유리하므로 표면에 요철을 주어 발광 효과를 증대시키는데에 훨씬 유리한 장점을 갖는다.In addition, in the GaN epitaxial layer grown on the N-face, the NPN type light emitting diode has an advantage in that the N-type semiconductor is more etched than the P-type semiconductor. It has a much more favorable advantage to increase.
본 발명에 따른 LED의 제조방법은, 특별히 한정이 없고, 예를 들면, 일반적인 N-P 타입 반도체를 갖는 LED의 제조방법과 동일하며, 이는 공지의 방법이고, 상기 제조방법은, 그 종류에 특별한 제한은 없고, 예를 들면, 화학적 기상 증착법, 원자선 증착법, 전기 또는 무전해 도금법, 스퍼터링, 기화증착법(evaporation), 솔겔 코팅법(스핀 코팅 방식, 딥핑, 스프레이, 페인팅 등) 및 레이저 박리(laser ablation) 등을 사용할 수 있다.The manufacturing method of LED which concerns on this invention is not specifically limited, For example, it is the same as the manufacturing method of LED which has a general NP type semiconductor, This is a well-known method, The manufacturing method has a special limitation to the kind Chemical vapor deposition, atomic beam deposition, electro or electroless plating, sputtering, evaporation, sol-gel coating (spin coating, dipping, spraying, painting, etc.) and laser ablation. Etc. can be used.
본 발명에 의하면, N-P-N 타입 또는 P-N-P 타입의 구조를 갖는 발광 다이오드는 기존의 발광다이오드와 동일한 면적에 3개 이상의 반도체가 수직 또는 수평으로 접합되어 반도체 내부로 공급되는 전류의 양을 증가시켜 빛의 밝기를 향상시키는 효과를 가지고 있다.According to the present invention, a light emitting diode having an NPN type or a PNP type structure has three or more semiconductors bonded vertically or horizontally in the same area as a conventional light emitting diode to increase the amount of current supplied into the semiconductor, thereby increasing the brightness of light. Has the effect of improving.
도 1은 기본적인 LED의 발광 원리를 나타내는 도면이다.
도 2는 활성층을 증착시킨 이종접합 발광 다이오드의 원리를 나타내는 도면이다.
도 3은 상용화되고 있는 LED의 수평형의 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 LED의 구조를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 LED를 제조하는 공정을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 활성층을 나타내는 것으로서, 양자우물층과 양자장벽층이 교번적으로 적층된 것을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 LED의 전압을 걸어주지 않은 상태의 밴드 다이어그램을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 LED의 양극과 음극에 전압을 걸어준 상태의 밴드 다이어그램으로 양방향에서 전류 주입이 가능함을 보여주는 도면이다.1 is a view showing the light emission principle of a basic LED.
2 is a view showing the principle of a heterojunction light emitting diode deposited with an active layer.
3 is a diagram showing a horizontal structure of a commercially available LED.
4 is a view showing the structure of an LED according to the present invention.
5 is a view showing a process for manufacturing an LED according to the present invention.
6 shows an active layer according to the present invention, in which a quantum well layer and a quantum barrier layer are alternately stacked.
7 is a diagram showing a band diagram of a state in which the voltage of the LED according to the present invention is not applied.
8 is a band diagram showing a voltage applied to the anode and the cathode of the LED according to the present invention showing that the current can be injected in both directions.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 3은 기본적인 수평형 LED 구조를 나타내는 도면이다.3 is a view showing a basic horizontal LED structure.
도 3을 참조하면, 현재 상용화되고 있는 LED의 기본적인 형태로서 기판에 N-타입 반도체를 적층하고, 그 위에 P-타입 반도체를 적층하였으며, N-타입 반도체와 P-타입 반도체 사이에 활성층을 증착하는 구조로 구성된다.Referring to FIG. 3, an N-type semiconductor is stacked on a substrate, a P-type semiconductor is stacked thereon, and an active layer is deposited between an N-type semiconductor and a P-type semiconductor as a basic form of an LED currently commercially available. It is composed of a structure.
도 4는 본 발명의 일 실시예인 LED 구조를 나타내는 도면이다.4 is a view showing an LED structure which is an embodiment of the present invention.
상기 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예인 LED 구조는 기본적으로 N-P-N 타입의 구조를 가지고 있으며, 활성층은 도 4에서 나타내는 바와 같이, 중간 P-타입 반도체 위 또는 아래에 증착할 수 있으며, 이와 역으로도 성립가능하다.Referring to FIG. 4, the LED structure, which is an embodiment of the present invention, basically has an NPN type structure, and an active layer may be deposited on or below an intermediate P-type semiconductor, as shown in FIG. 4. The reverse is also possible.
상기 도 4의 일 실시예인 LED를 제조하는 방법은 공지의 방법으로서, 기존의 P-N 타입의 LED를 구성하는 방법과 동일하며, 구체적인 방법은 도 5에 상세하게 나타내었다.The method of manufacturing the LED of the embodiment of FIG. 4 is a known method, which is the same as the method of configuring an existing P-N type LED, and a specific method is shown in detail in FIG. 5.
도 5는 본 발명에 따른 발광 다이오드에 대한 바람직한 실시예의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다. 5 is a view showing a schematic configuration of a preferred embodiment of a light emitting diode according to the present invention.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 발광 다이오드는 기판, N-타입 반도체층, 활성층, P-타입 반도체층, 활성층, N-타입 반도체층을 구비한다.Referring to FIG. 5, a light emitting diode according to the present invention includes a substrate, an N-type semiconductor layer, an active layer, a P-type semiconductor layer, an active layer, and an N-type semiconductor layer.
기판은 사파이어 또는 GaN으로 이루어진다. 도면상에는 나타내지 않았으나, 버퍼층은 기판 상에 형성될 수도 있고, 일반적으로 기판이 사파이어로 이루어진 경우에 형성된다. 버퍼층은 N-타입 반도체와 기판의 격자 상수차이로부터 발생하는 격자 부정합을 완화시키고 결정성이 우수한 N-타입 반도체가 성장될 수 있도록 하는 역할을 한다. 이를 위해, 버퍼층은 GaN, AlN 또는 InGaN으로 이루어질 수 있고, 버퍼층을 적층할 시에는, 특별히 한정은 없고, 예를 들면, 버퍼층/언도프된(undoped)-GaN/N-타입의 반도체의 순서로 적층한다.The substrate is made of sapphire or GaN. Although not shown in the drawings, the buffer layer may be formed on a substrate, and is generally formed when the substrate is made of sapphire. The buffer layer serves to mitigate the lattice mismatch resulting from the lattice constant difference between the N-type semiconductor and the substrate and to allow the N-type semiconductor having excellent crystallinity to be grown. For this purpose, the buffer layer may be made of GaN, AlN or InGaN, and when the buffer layers are stacked, there is no particular limitation, for example, in the order of the buffer layer / undoped-GaN / N-type semiconductor. Laminated.
상기 버퍼층 위에 언도프된 GaN, 그런 다음 N-타입의 반도체를 증착한 후, 상기 N-타입의 반도체층은 N-전극이 형성되는 층이므로, Si 또는 Ge와 같은 N-타입 불순물을 도핑한다. 이어서, N-타입의 반도체 위에 InGaN 양자우물층과 GaN 양자장벽층을 20회 교번적으로 적층하는데, 상기 InGaN 양자우물층의 두께는 1~3nm이고, GaN 양자장벽층의 두께는 7~30nm로 적층함으로써 활성층을 증착시킨다. 그런 다음, 상기 활성층 위에 P-타입 반도체를 적층하고, 그 위에 불순물인 Mg를 도핑한다. 이어서, 상기 P-타입 반도체 위에 InGaN 양자우물층을 1~3nm의 두께로, GaN 양자장벽층을 7~30nm두께로 하여 상기 양자우물층과 양자장벽층을 20회 교번적으로 적층한다. 그런 다음, 상기 활성층 위에 다시 N-타입 반도체를 증착하고, N-타입 불순물인 Si 또는 Ge를 도핑하여 N-P-N 구조를 갖는 바이폴라 접합 LED의 에피택셜층을 구성한다. 그 후에 포토레지스트 도포를 한 후, 핫 플레이트에서 포토레지스트 저온건조(soft baking)를 실시한다. 그런 다음, 에너지 방사-UV 등의 광학 노출을 이용하여 건조시킨 후, 최하단부의 N-타입 반도체까지 에피택셜층을 식각하고, 남은 포토레지스트층을 제거한다. 이어서, 상단에 위치해 있는 N-P 타입 반도체를 각각 식각한 후, 캐소드 리프트 오프 공정을 거쳐 두 개의 N-타입 반도체 상에 각각 캐소드를 리프트 오프하고, 이어서 애노드 금속화(anode metalization)하여 P-타입 반도체 상에 애노드를 리프트 오프함으로써, 전극이 3개 존재하도록 제조하였다.After depositing an undoped GaN and then an N-type semiconductor on the buffer layer, the N-type semiconductor layer is a layer on which an N-electrode is formed, and thus is doped with an N-type impurity such as Si or Ge. Subsequently, an InGaN quantum well layer and a GaN quantum barrier layer are alternately stacked 20 times on an N-type semiconductor. The thickness of the InGaN quantum well layer is 1 to 3 nm and the thickness of the GaN quantum barrier layer is 7 to 30 nm. The active layer is deposited by lamination. Then, a P-type semiconductor is laminated on the active layer and doped with Mg which is an impurity thereon. Subsequently, the quantum well layer and the quantum barrier layer are alternately stacked 20 times with an InGaN quantum well layer having a thickness of 1 to 3 nm and a GaN quantum barrier layer having a thickness of 7 to 30 nm on the P-type semiconductor. Then, an N-type semiconductor is deposited again on the active layer, and doped with Si or Ge, which is an N-type impurity, to form an epitaxial layer of a bipolar junction LED having an N-P-N structure. Thereafter, after the photoresist is applied, photoresist soft baking is performed on a hot plate. Then, after drying using optical exposure such as energy radiation-UV, the epitaxial layer is etched to the lowest N-type semiconductor and the remaining photoresist layer is removed. Subsequently, each of the NP-type semiconductors located at the top is etched, and then the cathodes are lifted off on each of the two N-type semiconductors through a cathode lift-off process, followed by anode metalization to form an P-type semiconductor phase. By lifting off the anode at, three electrodes were prepared.
또한, 도 5에서와 같이 N-P-N 타입의 반도체를 적층한 후, 상기 P-타입 반도체의 수직으로 양 방향에 위치하고 있는 곳, 즉 P-타입 반도체와 N-타입 반도체의 사이에, 이온 주입 장치로 이온을 주입하거나, 기상 또는 액상의 도펀트 함유물을 표면에 도포하여 고온의 확산장치 또는 급속 열처리(RTA, rapid thermal annealing) 장치에서 고온 확산하여 활성층을 형성할 수도 있다.In addition, as shown in FIG. 5, after the NPN type semiconductors are stacked, the ion implantation apparatus is ionized between the P-type semiconductors located vertically in both directions, that is, between the P-type semiconductors and the N-type semiconductors. The active layer may be formed by injecting a gaseous phase or a liquid phase dopant content into the surface, and diffusing a high temperature in a high temperature diffusion apparatus or a rapid thermal annealing (RTA) apparatus to form an active layer.
또한, 본 발명의 도면에 기재하지는 않았으나, 상기 도 4의 구조를 역으로 하여 P-N-P 형태의 구조도 가질 수 있으며, 각각의 반도체 사이에 활성층을 더 포함할 수 있고, P-N-P 타입의 반도체의 제조방법 또한 도 5와 동일하게 적용할 수 있다.In addition, although not described in the drawings of the present invention, the structure of FIG. 4 may be reversed to have a PNP type structure, and may further include an active layer between each semiconductor, and a method of manufacturing a PNP type semiconductor. The same applies to FIG. 5.
본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 접합 발광 다이오드는 N-P-N 타입의 발광 다이오드와 P-N-P 타입의 발광 다이오드로 적층되어 종래의 수평형의 LED와 동일한 면적에 3개 이상의 반도체가 수직으로 중첩됨으로써 전극이 3개로 이루어져 있고, 전류의 양이 증가하며, 또한, 활성층이 각각의 반도체 상에 더 적층됨으로써 동작영역이 형성되어 발광 다이오드의 전류의 양을 더욱 증가시킬 수 있으며, 반도체 상에 존재하는 캐소드 또는 애노드를 단락시켜 종래의 수평형의 발광 다이오드와 같이 두 전극만을 사용할 수 있고, 또한 3개 이상의 전극을 갖는 경우 각각의 반도체 상에 있는 각 캐소드 또는 애노드에 다른 전압을 주어 전류의 양을 조절할 수 있다.Bipolar junction light emitting diode according to an embodiment of the present invention is laminated with an NPN type light emitting diode and a PNP type light emitting diode so that three or more semiconductors are vertically overlapped in the same area as a conventional horizontal LED, so that the electrodes are three. And the amount of current is increased, and the active layer is further laminated on each semiconductor to form an operating region, which can further increase the amount of current of the light emitting diode, and short-circuits the cathode or anode present on the semiconductor. As in the conventional horizontal light emitting diode, only two electrodes can be used, and when three or more electrodes are used, the amount of current can be adjusted by giving a different voltage to each cathode or anode on each semiconductor.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허등록청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, the present invention has been described with reference to a preferred embodiment of the present invention, but those skilled in the art can vary the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. It will be appreciated that modifications and variations can be made.
Claims (13)
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2010
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