KR20120060930A - Light emitting diode having an excellent hole mobility - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A light emitting diode is provided to improve the hole mobility and dispersion of a p type semiconductor layer by including graphene on the p type semiconductor layer or between an active layer and the p type semiconductor layer. CONSTITUTION: An n type semiconductor layer(170) is formed on a substrate. An active layer(140) is formed on the n type semiconductor layer. A p type semiconductor layer(160) is formed on the active layer. An electron barrier layer(110) is formed between the active layer and the p type semiconductor layer. Graphene(151) is formed between the active layer and the p type semiconductor layer.

Description

홀 이동도가 우수한 발광 다이오드{LIGHT EMITTING DIODE HAVING AN EXCELLENT HOLE MOBILITY}Light emitting diode with excellent hole mobility {LIGHT EMITTING DIODE HAVING AN EXCELLENT HOLE MOBILITY}

홀 이동도가 우수한 발광 다이오드가 개시된다. 더욱 상세하게는 질화물 반도체 내부의 홀 이동도 및 분산도가 우수하고, P 형 반도체층이 높은 활성도를 나타냄으로써, 광학적, 전기적으로 우수한 발광효율을 나타낼 수 있는 홀 이동도가 우수한 발광 다이오드가 개시된다.A light emitting diode having excellent hole mobility is disclosed. More specifically, a light emitting diode having excellent hole mobility and dispersion in a nitride semiconductor, and having a high activity of a P-type semiconductor layer exhibits excellent light mobility, which can exhibit excellent light and electrical efficiency. .

발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode)는 전류가 흐를 때 빛을 내는 반도체 소자이며, 갈륨비소(GaAs), 갈륨 나이트라이드(GaN) 광 반도체로 이루어진 PN 접합 다이오드(junction diode)로서 전기에너지를 빛에너지로 바꾸어 주는 전자부품이다.Light Emitting Diode (LED) is a semiconductor device that emits light when current flows, and is a PN junction diode composed of gallium arsenide (GaAs) and gallium nitride (GaN) optical semiconductors. It is an electronic component that turns into.

LED로부터 나오는 빛의 영역은 레드(630nm~700nm)로부터 블루-바이올렛(Blue-violet)(400nm)까지로 블루, 그린 및 화이트까지 포함하고 있으며, 백열전구와 형광등과 같은 기존의 광원에 비해 저전력 소비, 고효율, 장시간 동작 수명 등의 장점을 가지고 있어서 그 수요가 지속적으로 증가하고 있다.The area of light emitted from the LEDs ranges from red (630 nm to 700 nm) to blue-violet (400 nm), ranging from blue, green and white, with lower power consumption than conventional light sources such as incandescent bulbs and fluorescent lamps. With the advantages of high efficiency and long operating life, the demand is continuously increasing.

도 1에는 종래 GaN계 발광 다이오드를 나타낸 단면도가 도시되어 있고, 도 2에는 도1의 GaN계 발광 다이오드에서 활성층 주변부를 확대한 확대도가 도시되어 있다.1 is a cross-sectional view illustrating a conventional GaN-based light emitting diode, and FIG. 2 is an enlarged view of an enlarged portion of an active layer peripheral part of the GaN-based light emitting diode of FIG. 1.

도 1을 참조하면, 발광 다이오드는 기판(10) 이러한 기판 상부(10)에 버퍼층(11), N형 반도체 층(12), N형 클래드 층(13), 활성층(14), P형 클래드 층(15), P형 반도체 층(16)이 순차적으로 적층된 구조로 이루어져 있다.Referring to FIG. 1, a light emitting diode includes a substrate 10, a buffer layer 11, an N-type semiconductor layer 12, an N-type cladding layer 13, an active layer 14, and a P-type cladding layer on the substrate 10. (15), the P-type semiconductor layer 16 is composed of a stacked structure in this order.

P형 반도체 층(16)에는 투명전극(17)이 형성되고, 그 상부에 P형 금속전극(18)이 형성되며, N형 반도체 층(12)의 노출된 일부분에는 N형 전극이 형성된다. 경우에 따라서, P형 반도체 층(16) 및 N형 반도체 층(12)을 단일층 또는 다층 구조로 형성할 수 있다. 또한, P형 클래드 층(15)은 전자장벽층(electron blocking layer, EBL)으로 이루어질 수 있다.A transparent electrode 17 is formed on the P-type semiconductor layer 16, a P-type metal electrode 18 is formed thereon, and an N-type electrode is formed on an exposed portion of the N-type semiconductor layer 12. In some cases, the P-type semiconductor layer 16 and the N-type semiconductor layer 12 may be formed in a single layer or a multilayer structure. In addition, the P-type cladding layer 15 may be formed of an electron blocking layer (EBL).

도 2를 참조하면, N형 반도체층(12)과 P형 반도체층(16) 사이에 활성층(14)이 배치되어 있고, 활성층(14)과 P형 반도체층(16) 사이에는 클래드 층으로서, 전자장벽층(electron blocking layer, EBL)(21)이 형성되어 있다. 또한, 활성층(14)은 복수개의 양자우물층을 갖는 다중양자우물(multi quantum well: MQW) 구조로 이루어져 있다.Referring to FIG. 2, an active layer 14 is disposed between the N-type semiconductor layer 12 and the P-type semiconductor layer 16, and as the clad layer between the active layer 14 and the P-type semiconductor layer 16, An electron blocking layer (EBL) 21 is formed. In addition, the active layer 14 has a multi quantum well (MQW) structure having a plurality of quantum well layers.

이러한 발광 다이오드의 ?-?족 반도체 재료중 GaAs, GaP 및 InP 등은 박막 성장시 P형 불순물로서 아연(Zn)이나 마그네슘(Mg) 등을 도핑하여 P형화가 이루어진다. 그러나, GaN 반도체 박막의 경우 P형의 불순물을 첨가하여도 저항이 낮은 P형화가 잘 이루어지지 않고, 고저항의 절연층 상태로 머물러 있는 현상이 발생한다. 따라서, 발광 다이오드의 발광 효율등의 성능 향상을 위해서는 필수적으로 P형 반도체층의 활성화가 이루어져야 한다.GaAs, GaP, InP, and the like among the?-? Semiconductor materials of the light emitting diode are formed by doping zinc (Zn), magnesium (Mg), etc. as P-type impurities during thin film growth. However, in the case of the GaN semiconductor thin film, even if P-type impurities are added, the P-type with low resistance is hardly achieved, and the phenomenon of staying in a high-resistance insulating layer state occurs. Therefore, activation of the P-type semiconductor layer is essential for improving performance such as light emission efficiency of the light emitting diode.

마그네슘(Mg)이 도핑된 P형 질화물 반도체층은 성장되는 동안 마그네슘수소화물(Mg-H complex)를 만들게 된다. 이러한 마그네슘수소화물은 수소 원자가 GaN 위치로 들어가 갈륨(Ga)위치에 있는 P형 억셉터(acceptor) 도핑 물질인 마그네슘과 결합함으로써 형성되며 P형 반도체층의 활성을 억제하고 질화물 반도체층 내부의 홀(hole) 이동도 및 분산도를 저하시키는 작용을 한다.The P-type nitride semiconductor layer doped with magnesium (Mg) forms magnesium hydride (Mg-H complex) during growth. These magnesium hydrides are formed by hydrogen atoms entering the GaN position and bonding with magnesium, a P-type acceptor doping material at the gallium (Ga) position, to inhibit the activity of the P-type semiconductor layer and to prevent holes in the nitride semiconductor layer. hole) acts to reduce mobility and dispersion.

이와 같이 질화물 반도체의 활성이 억제되고, 홀 이동도 및 분산도가 저하되는 현상을 방지하기 위해 여러 가지 시도들이 이루어지고 있으며, 특히 질화갈륨을 성장한 후, 낮은 에너지 선을 갖는 전자선을 조사함으로써, 수소를 탈착시키는 방법(Low-energy electron beam irradiation: LEEBI)과 GaN 반도체 층의 성장 후에, 열처리를 수행함으로써, P형 반도체 층의 활성화를 도모하였다.As described above, various attempts have been made to prevent a phenomenon in which the nitride semiconductor is suppressed and hole mobility and dispersion are lowered. In particular, after growing gallium nitride, by irradiating an electron beam having a low energy ray, hydrogen After the growth of the low-energy electron beam irradiation (LEEBI) and the growth of the GaN semiconductor layer, heat treatment was performed, thereby activating the P-type semiconductor layer.

상기 LEEBI 방법에 의한 P형 반도체 층의 활성화는 전자선에 의해 박막표면에서의 열에너지가 증가함으로써 발생하는 것이며, 질소분위기에서의 열처리에 의한 P형 활성화 역시 진공이나 질소분위기에서 열에너지를 증가시킴으로써 발생하는 것이다.The activation of the P-type semiconductor layer by the LEEBI method is caused by the increase of the thermal energy at the surface of the thin film by the electron beam, and the activation of the P-type by the heat treatment in the nitrogen atmosphere is also caused by the increase of the thermal energy in the vacuum or nitrogen atmosphere. .

구체적으로, LEEBI 방법에 의한 P형 활성화는 사파이어 기판상에 0.02 ㎛ 내지 0.05 ㎛ 사이의 질화알루미늄(AIN)으로 이루어진 완충층을 약 400 ~ 600 ℃ 의 저온에서 성장시킨 후, 1000 ℃ 정도의 고온에서 마그네슘을 도핑하면서 성장시킨 GaN 박막층을 형성시키고, 그 표면에 전자선을 조사하여 P형 활성화를 구현하였다. 이와 같이 구현된 질화갈륨계 반도체의 P형 반도체층의 홀 농도는 최대 1017/cm3 정도이고, 저항도는 최소 12 Ω-cm로 얻어진다.Specifically, P-type activation by the LEEBI method is performed by growing a buffer layer made of aluminum nitride (AIN) between 0.02 μm and 0.05 μm on a sapphire substrate at a low temperature of about 400 to 600 ° C., and then removing magnesium at a high temperature of about 1000 ° C. The GaN thin film layer grown while doping was formed, and the surface was irradiated with electron beams to implement P-type activation. The hole concentration of the P-type semiconductor layer of the gallium nitride-based semiconductor implemented as described above is about 10 17 / cm 3 at the maximum, and the resistance is obtained to be at least 12 Ω-cm.

또한, 상기 열처리에 의한 P형 반도체 층의 활성화는 먼저 기판상에 0.04 ㎛의 GaN 완충층을 형성하고, P형 불순물 마그네슘을 1020/cm3 으로 도핑한 4 ㎛의 GaN 박막층을 형성하여 700 ℃의 온도로 열처리할 경우에는 홀 농도가 최대 3~5 * 1017/cm3 정도이고, 저항도는 최소 2 Ω-cm로 얻어진다.In addition, activation of the P-type semiconductor layer by the heat treatment first formed a GaN buffer layer of 0.04 μm on the substrate, and then formed a 4 μm GaN thin film layer doped with P-type impurity magnesium at 10 20 / cm 3 to obtain a temperature of 700 ° C. In the case of heat-treatment at a temperature, the hole concentration is about 3 to 5 * 10 17 / cm 3 , and the resistance is obtained to a minimum of 2 Ω-cm.

그러나, 이러한 P형 반도체층의 활성화 방법은 활성화 효율이 매우 낮으며, 낮은 활성화로 인한 p-GaN/금속 계면의 P-면 전극 형성시 높은 오믹 저항을 초래하고, 높은 부하전압(Vf)과 발광효율(Po)의 저하를 유발하여 발광 다이오드의 성능을 제한한다.
However, the activation method of such a P-type semiconductor layer has a very low activation efficiency, resulting in high ohmic resistance when forming a P-plane electrode at a p-GaN / metal interface due to low activation, and high load voltage (Vf) and light emission. It causes a decrease in efficiency (Po) to limit the performance of the light emitting diode.

본 발명의 일실시예에 따르면, 질화물 반도체 내부의 홀 이동도 및 분산도가 우수하고, P 형 반도체층이 높은 활성도를 나타냄으로써, 광학적, 전기적으로 우수한 발광효율을 나타낼 수 있는 홀 이동도가 우수한 발광 다이오드가 제공된다.According to an embodiment of the present invention, the hole mobility and dispersion of the inside of the nitride semiconductor is excellent, and the P-type semiconductor layer exhibits high activity, and thus has excellent hole mobility, which can exhibit excellent optical and electrical luminous efficiency. A light emitting diode is provided.

본 발명의 일실시예에 따른 발광 다이오드는 기판; 상기 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층; 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층을 포함하고, 상기 활성층과 P형 질화물 반도체층 사이 또는 P형 질화물 반도체층에 그래핀(graphene)을 포함하는 발광 다이오드이다.A light emitting diode according to an embodiment of the present invention includes a substrate; An n-type nitride semiconductor layer formed on the substrate; An active layer formed on the n-type nitride semiconductor layer; A light emitting diode includes a p-type nitride semiconductor layer formed on the active layer, and includes graphene between the active layer and the P-type nitride semiconductor layer or in the P-type nitride semiconductor layer.

일측에 따르면, 상기 그래핀은 P-타입 그래핀일 수 있다.According to one side, the graphene may be a P-type graphene.

일측에 따르면, 상기 그래핀은 긴 필름 형태 또는 판상형의 형태로 P형 질화물 반도체층 상에 형성될 수 있다.According to one side, the graphene may be formed on the P-type nitride semiconductor layer in the form of a long film or plate shape.

일측에 따르면, 상기 그래핀은 180,000 cm2/Vs 내지 230,000 cm2/Vs 의 전자이동도를 가질 수 있다.According to one side, the graphene may have an electron mobility of 180,000 cm 2 / Vs to 230,000 cm 2 / Vs.

일측에 따르면, 상기 활성층은 교대로 형성되는 양자 우물층과 전자 장벽층을 포함할 수 있다.According to one side, the active layer may include an quantum well layer and an electron barrier layer formed alternately.

일측에 따르면, 상기 P형 질화물 반도체층은 마그네슘(Mg)이 도핑되어 있는 질화물 반도체층일 수 있다.
According to one side, the P-type nitride semiconductor layer may be a nitride semiconductor layer doped with magnesium (Mg).

질화물 반도체 내부의 홀(hole) 이동도 및 분산도가 우수하고, P 형 반도체층이 높은 활성도를 나타냄으로써, 광학적, 전기적으로 우수한 발광효율을 나타낼 수 있는 홀 이동도가 우수한 발광 다이오드가 제공된다.
A light emitting diode having excellent hole mobility and dispersibility inside the nitride semiconductor, and having a high activity of the P-type semiconductor layer exhibiting excellent light emission efficiency optically and electrically is provided.

도 1은 종래 GaN계 발광 다이오드를 나타낸 단면도이다;
도 2는 도1의 GaN계 발광 다이오드에서 활성층 주변부를 확대한 확대도이다;
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 GaN계 발광 다이오드에서 활성층과 P형 반도체층 사이에 그래핀이 형성되어 있는 모습을 나타낸 단면도이다;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 GaN계 발광 다이오드에서 P형 반도체층 내부에 그래핀이 형성되어 있는 모습을 나타낸 단면도이다;
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 GaN계 발광 다이오드에서 P형 반도체층 내부에 2개의 그래핀이 형성되어 있는 모습을 나타낸 단면도이다;
도 6은 본 발명의 일실시예 따른 발광 다이오드를 나타낸 단면도이다;
도 7은 본 발명의 일실시예 따른 수직형 전극을 포함하는 발광 다이오드를 나타낸 단면도이다;
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예 따른 수직형 전극을 포함하는 발광 다이오드를 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a conventional GaN-based light emitting diode;
FIG. 2 is an enlarged view of the periphery of the active layer in the GaN-based light emitting diode of FIG. 1; FIG.
3 is a cross-sectional view illustrating a graphene formed between an active layer and a P-type semiconductor layer in a GaN-based light emitting diode according to an embodiment of the present invention;
4 is a cross-sectional view showing a graphene formed inside a P-type semiconductor layer in a GaN-based light emitting diode according to another embodiment of the present invention;
FIG. 5 is a cross-sectional view showing two graphenes formed inside a P-type semiconductor layer in a GaN-based light emitting diode according to another embodiment of the present invention; FIG.
6 is a cross-sectional view showing a light emitting diode according to an embodiment of the present invention;
7 is a cross-sectional view showing a light emitting diode including a vertical electrode according to an embodiment of the present invention;
8 is a cross-sectional view illustrating a light emitting diode including a vertical electrode according to another embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the Example of this invention is described concretely.

본 발명에 따른 발광 다이오드는 기판, 상기 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층, 상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층, 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층을 포함하고 상기 활성층과 P형 질화물 반도체층 사이 또는 P형 질화물 반도체층에 그래핀(graphene)을 포함하는 것으로 구성되어 있다. A light emitting diode according to the present invention includes a substrate, an n-type nitride semiconductor layer formed on the substrate, an active layer formed on the n-type nitride semiconductor layer, a p-type nitride semiconductor layer formed on the active layer, and the active layer and the P-type nitride Graphene is included between the semiconductor layers or between the P-type nitride semiconductor layers.

즉, 본 발명에 따른 발광 다이오드는 활성층과 P형 질화물 반도체층 사이 또는 P형 질화물 반도체층에 그래핀을 포함함으로써, 활성효율(activation efficiency)이 낮은 P 형 질화물 반도체 층의 홀(hole) 이동도 및 분산도를 향상시켜 활성층으로의 홀 이동도를 높일 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 발광 다이오드는 활성층에서 전자와 홀의 재결합 확률 즉, 내부 양자 효율이 개선됨으로써, 광학적, 전기적으로 우수한 발광효율을 나타낼 수 있다.That is, the light emitting diode according to the present invention includes graphene between the active layer and the P-type nitride semiconductor layer or the P-type nitride semiconductor layer, so that the hole mobility of the P-type nitride semiconductor layer with low activation efficiency is low. And the dispersion degree can be improved to increase the hole mobility to the active layer. Accordingly, the light emitting diode according to the present invention may exhibit an excellent light emitting efficiency optically and electrically by improving the recombination probability of electrons and holes in the active layer, that is, the internal quantum efficiency.

참고로, 그래핀은 자연계에서 흑연의 형태로 존재하며, 흑연은 탄소 원자들이 벌집 모양의 육각형 그물처럼 배열된 평면들이 여러 층으로 적층되어 있는 원자 결합 구조로 이루어져 있다. 이러한 흑연의 원자 결합 구조에서 벌집 모양의 육각형 그물처럼 배열된 한층의 평면을 그래핀이라고 한다.For reference, graphene exists in the form of graphite in nature, and graphite has an atomic bond structure in which planes having carbon atoms arranged like honeycomb-shaped hexagonal nets are stacked in layers. In this graphite atomic bond structure, a layer of planes arranged like honeycomb hexagonal nets is called graphene.

그래핀을 이루는 탄소동소체들은 4개의 전자들의 파동함수의 선형결합을 가지며, 여기서 3개의 최외각 전자들의 선형결합만이 탄소들 사이의 강한 공유 결합에 참여하여 육각형 그물모양의 평면을 만들고 나머지 전자들의 파동함수는 평면에 수직인 상태로 존재하게 된다. 이와 같은 독특한 원자 결합 형태로 이루어진 그래핀은 실리콘의 100배에 달하는 높은 전하이동도, 구리의 100배에 달하는 높은 전류밀도, 우수한 열전도도 및 낮은 발열량, 내화학성, 유연성 신축성 등의 물리적 특성을 갖는다.Graphene carbon allotropes have a linear bond of the wave function of four electrons, where only the linear bonds of the three outermost electrons participate in strong covalent bonds between the carbons to form a hexagonal plane and The wave function exists in a state perpendicular to the plane. This unique atomic bond type graphene has physical properties such as high charge mobility of 100 times that of silicon, high current density of 100 times that of copper, excellent thermal conductivity and low calorific value, chemical resistance, and flexibility. .

따라서, 이러한 그래핀이 반도체 적층 구조의 활성층과 P형 질화물 반도체층 사이 또는 P형 질화물 반도체층에 형성되어 있음으로써, 발광 다이오드의 내부 양자 효율을 개선시켜 광학적, 전기적으로 우수한 성능을 나타낼 수 있게 한다.Therefore, the graphene is formed between the active layer and the P-type nitride semiconductor layer or the P-type nitride semiconductor layer of the semiconductor laminated structure, thereby improving the internal quantum efficiency of the light emitting diode to exhibit excellent optical and electrical performance. .

상기 그래핀은 일반적인 그래핀을 사용할 수 있으나, P형 반도체 층의 홀 이동도를 더욱 향상시킬 수 있도록, p-타입 그래핀을 사용할 수 있다. P-타입 그래핀은 예를 들어, 염화금(Gold chloride, AuCl3)을 그래핀에 접촉시켜 홀의 양을 증가시키는 화학적인 방법을 통해 P-타입의 그래핀으로 제조할 수 있으며, 그래핀을 고농도의 산소(Oxygen) 분위기에 노출시켜 홀의 양을 증가시키는 물리적인 방법을 통해 P-타입 그래핀을 제조할 수도 있다.The graphene may use general graphene, but p-type graphene may be used to further improve hole mobility of the P-type semiconductor layer. P-type graphene can be prepared with P-type graphene, for example, by chemically increasing the amount of holes by contacting gold chloride (Gold chloride, AuCl 3 ) with graphene. P-type graphene may also be manufactured by a physical method of increasing the amount of holes by exposing to oxygen atmosphere.

상기 그래핀은 다양한 형태로 상기 활성층과 P형 질화물 반도체층 사이 또는 P형 질화물 반도체층에 포함될 수 있으며, 상기 활성층과 P형 질화물 반도체층 사이에 형성되는 방법은 예를 들어, 활성층 상에 화학기상증착 (CVD, chemical vapor deposition)에 의해 그래핀 층을 형성한 후, 그 위에 P형 질화물 반도체층을 형성하는 방법으로 형성할 수 있다.The graphene may be included in various forms between the active layer and the P-type nitride semiconductor layer or in the P-type nitride semiconductor layer, and the method formed between the active layer and the P-type nitride semiconductor layer may include, for example, a chemical vapor phase on the active layer. After forming the graphene layer by vapor deposition (CVD, chemical vapor deposition), it can be formed by a method of forming a P-type nitride semiconductor layer thereon.

또한, P형 질화물 반도체층에 그래핀이 포함되는 방법은 예를 들어, 긴 필름 형태 또는 판상형의 형태로 P형 질화물 반도체층 상에 형성될 수 있다. 구체적으로 P형 질화물 반도체층 외측면에 긴 직사각형 형상의 홈을 형성한 후, 이러한 홈에 긴 필름 형태 또는 판상형의 그래핀을 삽입하여 그래핀과 P형 질화물 반도체층 사이의 반데르발스 힘(van der waals forces)을 이용한 물리적 결합을 통해 형성할 수 있다. 또한, P형 질화물 반도체층을 형성한 후, 그 위에 화학기상증착 (CVD, chemical vapor deposition)과 같은 증착을 통해 그래핀 층을 형성한 후, 그 위에 다시 P형 질화물 반도층을 형성하는 방법으로 그래핀을 P형 질화물 반도체층 내부에 포함시킬 수 있다.In addition, the method in which graphene is included in the P-type nitride semiconductor layer may be formed on the P-type nitride semiconductor layer, for example, in the form of a long film or a plate. Specifically, a long rectangular groove is formed on the outer surface of the P-type nitride semiconductor layer, and then a long film-like or plate-shaped graphene is inserted into the groove to form a van der Waals force between the graphene and the P-type nitride semiconductor layer. It can be formed through physical coupling using der waals forces. In addition, after the P-type nitride semiconductor layer is formed, a graphene layer is formed thereon by deposition such as chemical vapor deposition (CVD), and then a P-type nitride semiconductor layer is formed thereon. Graphene may be included in the P-type nitride semiconductor layer.

상기 그래핀의 전기적 특성등과 같은 물성은 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는 전자이동도가 180,000 cm2/Vs 내지 230,000 cm2/Vs 인 그래핀을 사용할 수 있다. 이러한 그래핀은 P형 질화물 반도체층에 비하여 매우 우수한 전기적 특성을 나타냄으로써, 발광 다이오드의 내부 양자 효율을 개선시켜 광학적, 전기적으로 우수한 성능을 나타낼 수 있게 한다.Physical properties such as electrical properties of the graphene are not particularly limited, and preferably, graphene having an electron mobility of 180,000 cm 2 / Vs to 230,000 cm 2 / Vs may be used. Such graphene exhibits very excellent electrical characteristics compared to the P-type nitride semiconductor layer, thereby improving the internal quantum efficiency of the light emitting diode, thereby exhibiting excellent optical and electrical performance.

상기 활성층은 전자와 정공이 재결합하여 발광 파장을 방출하는 활성층이면 특별히 제한되지 않으며, 교대로 형성되는 양자 우물층과 전자 장벽층을 포함하는 활성층으로 형성될 수 있다.The active layer is not particularly limited as long as the active layer emits an emission wavelength by recombination of electrons and holes, and may be formed as an active layer including an quantum well layer and an electron barrier layer that are alternately formed.

상기 양자우물층과 양자장벽층으로 이루어지는 활성층은 InXGa1 - XN(0≤X≤0)의 일반식으로 표현되며, 이러한 활성층을 이루는 물질의 종류에 따라 발광 다이오드의 발광 파장이 결정된다. 활성층에는 하나의 양자우물층을 갖는 단일양자우물(single quantum well: SQW) 구조와 약 100 Å 보다 작은 복수개의 양자우물층을 갖는 다중양자우물(multi quantum well: MQW) 구조가 있다. 이중에서 특히 다중양자우물 구조의 활성층은 단일양자우물 구조의 활성층에 비해 전류대비 광효율이 우수하고 높은 발광출력을 가지므로 더욱 바람직하게 사용될 수 있다.The active layer consisting of the quantum well layer and the quantum barrier layer is represented by the general formula of In X Ga 1 - X N (0≤X≤0), and the emission wavelength of the light emitting diode is determined according to the type of the material forming the active layer. . The active layer has a single quantum well (SQW) structure having one quantum well layer and a multi quantum well (MQW) structure having a plurality of quantum well layers smaller than about 100 μs. In particular, the active layer of the multi-quantum well structure may be used more preferably since it has better light efficiency compared to the current and has a high luminous output than the active layer of the single quantum well structure.

발광 다이오드의 광효율은 상기 활성층 내에서의 전자와 홀의 재결합 확률인 내부양자효율에 의해 결정되므로, 상기 활성층과 P형 질화물 반도체층 사이 또는 P형 질화물 반도체층에 그래핀이 포함된 상기 발광 다이오드는 활성층으로의 홀이동도가 개선되어 더욱 우수한 광학적, 전기적 특성을 나타낼 수 있다.Since the light efficiency of the light emitting diode is determined by the internal quantum efficiency, which is the probability of recombination of electrons and holes in the active layer, the light emitting diode including graphene between the active layer and the P-type nitride semiconductor layer or the P-type nitride semiconductor layer is an active layer. It is possible to exhibit better optical and electrical properties by improving the hole mobility to.

상기 P형 질화물 반도체층은 P형화를 위해 아연(Zn) 등과 같은 불순물을 도핑한 반도체층 일수 있으나, 바람직하게는 마그네슘(Mg)을 도핑하여 P형화를 수행한 질화물 반도체층 일수 있다. The P-type nitride semiconductor layer may be a semiconductor layer doped with impurities such as zinc (Zn) for P-type formation, but preferably, may be a nitride semiconductor layer doped with magnesium (Mg) to perform P-type formation.

상기 마그네슘이 도핑된 P형 질화물 반도체층은 발광 다이오드 분야에 널리 적용되고 있는 구성요소이나, 질화물 반도체 제조 과정에서 반응기 내부의 여러가지 수소원(hydrogen source)으로 인하여 P형 질화물 반도체층 내부에 마그네슘수소화물(Mg-H complex)를 만들게 된다. 이러한 마그네슘수소화물(Mg-H complex)은 P형 반도체층의 활성을 억제하고 질화물 반도체층 내부의 홀(hole) 이동도 및 분산도를 저하시켜 발광 다이오드의 광학적, 전기적 특성을 저하시키는 작용을 한다. The magnesium-doped P-type nitride semiconductor layer is a component widely applied in the field of light emitting diodes, but magnesium hydride inside the P-type nitride semiconductor layer due to various hydrogen sources in the reactor during the manufacturing process of the nitride semiconductor. (Mg-H complex). The magnesium hydride (Mg-H complex) serves to reduce the optical and electrical properties of the light emitting diode by inhibiting the activity of the P-type semiconductor layer and lowering the hole mobility and dispersion of the inside of the nitride semiconductor layer. .

따라서, 마그네슘(Mg)이 도핑되어 있는 P형 질화물 반도체층 또는 P형 질화물 반도체층과 활성층 사이에 그래핀을 포함시킴으로써, P형 질화물 반도체층의 홀 이동도 및 분산도를 향상시켜 우수한 전기적, 광학적 특성을 나타내는 발광 다이오드를 제조할 수 있다.Therefore, graphene is included between the P-type nitride semiconductor layer or P-type nitride semiconductor layer doped with magnesium (Mg) and the active layer to improve hole mobility and dispersion of the P-type nitride semiconductor layer, thereby providing excellent electrical and optical characteristics. A light emitting diode exhibiting characteristics can be manufactured.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to or limited by the embodiments.

도 3에는 본 발명의 일실시예에 따른 GaN계 발광 다이오드에서 활성층과 P형 반도체층 사이에 그래핀이 형성되어 있는 모습을 나타낸 단면도가 도시되어 있다.3 is a cross-sectional view showing a graphene is formed between the active layer and the P-type semiconductor layer in the GaN-based light emitting diode according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 발광 다이오드의 활성층(140) 주변 구조(100)는 N형 반도체층(170)과 P형 반도체층(160) 사이에 활성층(140)이 배치되어 있고, 활성층(140)과 P형 반도체층(160) 사이에는 전자장벽층(electron blocking layer, EBL)(110)이 형성되어 있다. 또한, 활성층(140)은 복수개의 양자우물층을 갖는 다중양자우물(multi quantum well: MQW) 구조로 이루어져 있다.Referring to FIG. 3, in the structure 100 around the active layer 140 of the light emitting diode, the active layer 140 is disposed between the N-type semiconductor layer 170 and the P-type semiconductor layer 160, and the active layer 140 is formed in the structure 100. An electron blocking layer (EBL) 110 is formed between the P-type semiconductor layers 160. In addition, the active layer 140 has a multi quantum well (MQW) structure having a plurality of quantum well layers.

여기서, 그래핀(151)은 P형 반도체층(160)과 접하는 전자장벽층(electron blocking layer, EBL)(110) 상에 형성되어 있다. 이와 같이 배치된 그래핀(151)은 전자장벽층(electron blocking layer, EBL)(110) 상에 1000 ℃ 온도, 500 mTorr의 압력 조건에서 2시간 동안 화학기상증착법(CVD, chemical vapor deposition)에 의해 그래핀을 형성한 후, 그 위에 P형 반도체층(160)을 형성하는 방법으로 형성할 수 있다.Here, the graphene 151 is formed on an electron blocking layer (EBL) 110 in contact with the P-type semiconductor layer 160. The graphene 151 disposed as described above is subjected to chemical vapor deposition (CVD) over an electron barrier layer (EBL) 110 at a temperature of 1000 ° C. and a pressure of 500 mTorr for 2 hours. After forming the graphene, it may be formed by a method of forming the P-type semiconductor layer 160 thereon.

도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 GaN계 발광 다이오드에서 P형 반도체층 내부에 그래핀이 형성되어 있는 모습을 나타낸 단면도가 도시되어 있고, 도 5에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 GaN계 발광 다이오드에서 P형 반도체층 내부에 2개의 그래핀이 형성되어 있는 모습을 나타낸 단면도가 도시되어 있다.4 is a cross-sectional view illustrating a graphene formed inside a P-type semiconductor layer in a GaN-based light emitting diode according to still another embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a cross-sectional view of another embodiment of the present invention. A cross-sectional view showing a state in which two graphenes are formed inside a P-type semiconductor layer in a GaN-based light emitting diode is shown.

이들 도면을 참조하면, 발광 다이오드의 활성층(240, 340) 주변 구조(200, 300)는 N형 반도체층(270, 370)과 P형 반도체층(260, 360) 사이에 활성층(240, 340) 이 배치되어 있고, 활성층(240, 340)과 P형 반도체층(260, 360) 사이에는 전자장벽층(electron blocking layer, EBL)(220, 320)이 형성되어 있다. 또한, 활성층(240, 340)은 복수개의 양자우물층을 갖는 다중양자우물(multi quantum well: MQW) 구조로 이루어져 있다.Referring to these drawings, structures 200 and 300 surrounding the active layers 240 and 340 of the light emitting diode may include the active layers 240 and 340 between the N-type semiconductor layers 270 and 370 and the P-type semiconductor layers 260 and 360. The electron blocking layer (EBL) 220, 320 is formed between the active layers 240 and 340 and the P-type semiconductor layers 260 and 360. In addition, the active layers 240 and 340 have a multi quantum well (MQW) structure having a plurality of quantum well layers.

여기서, 그래핀(251, 351)은 긴 테이프 형상으로 P형 반도체층(260, 360) 내부에 1개 및 2개가 각각 배치되어 있다. 이와 같이 배치된 그래핀(251, 351)은 P형 반도체층(260, 360)의 외측면에 1개 또는 2개의 긴 필름 형태의 홈을 형성한 후, 이러한 홈의 형상에 대응하는 긴 필름 형태의 그래핀을 삽입하여 그래핀(251, 351)과 P형 반도체층(260, 360)이 반데르발스 힘(van der waals forces)에 의해 결합되도록 하는 방법에 의해 형성할 수 있다.Here, one and two graphenes 251 and 351 are arranged inside the P-type semiconductor layers 260 and 360 in the form of a long tape. The graphenes 251 and 351 disposed as described above form one or two long film grooves on the outer surfaces of the P-type semiconductor layers 260 and 360, and then form a long film shape corresponding to the shape of the grooves. By inserting the graphene may be formed by a method such that the graphene (251, 351) and the P-type semiconductor layer (260, 360) is coupled by van der Waals forces.

도 6은 본 발명의 일실시예 따른 발광 다이오드를 나타낸 단면도이다.6 is a cross-sectional view showing a light emitting diode according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 발광 다이오드(400)는 서브 마운트층(490), 본딩층(480), 절연층(470), P형 전극층(460), P형 반도체층(470), 활성층(430), n형 반도체층(420)이 순차적으로 적층된 구조로 이루어져 있고, n형 전극층(410)이 n형 반도체(420)층 상단에 수직으로 돌출된 구조로 이루어져 있다.Referring to FIG. 6, the light emitting diode 400 includes a sub-mount layer 490, a bonding layer 480, an insulating layer 470, a P-type electrode layer 460, a P-type semiconductor layer 470, and an active layer 430. The n-type semiconductor layer 420 is sequentially stacked, and the n-type electrode layer 410 is configured to protrude perpendicularly to the top of the n-type semiconductor 420 layer.

이러한 구조를 갖는 발광 다이오드(400)에서 활성층(430)과 P형 반도체층(470) 사이에는 전자 장벽층(440)이 형성되어 있다. 이러한 전자 장벽층(440)은 전체가 그래핀으로 형성될 수 있으며, 예를 들어 이종원소의 도핑 농도를 P형 반도체층과 다르게 함으로써 형성한 종래의 전자 장벽층에 그래핀을 추가로 형성한 구조로 이루어질 수도 있다.In the light emitting diode 400 having such a structure, an electron barrier layer 440 is formed between the active layer 430 and the P-type semiconductor layer 470. The electron barrier layer 440 may be formed entirely of graphene. For example, the electron barrier layer 440 may have a structure in which graphene is additionally formed in a conventional electron barrier layer formed by changing a doping concentration of a heterogeneous element from a P-type semiconductor layer. It may be done.

도 7은 본 발명의 일실시예 따른 수직형 전극을 포함하는 발광 다이오드를 나타낸 단면도이다.7 is a cross-sectional view illustrating a light emitting diode including a vertical electrode according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 발광 다이오드(500)는 서브 마운트층(590), 본딩층(580), 절연층(570), P형 전극층(560), P형 반도체층(550), 활성층(530), n형 반도체층(520)이 순차적으로 적층된 구조로 이루어져 있고, n형 전극층(510)은 절연체(571)에 둘러쌓인 상태에서 P형 전극층(560), 활성층(530) 및 n형 반도체층(530)을 관통하는 구조로 이루어져 있고, P형 전극층(560)의 일측 단부에는 외부 회로와의 연결을 위해 P-패트(561)가 형성되어 있다.Referring to FIG. 7, the light emitting diode 500 includes a sub-mount layer 590, a bonding layer 580, an insulating layer 570, a P-type electrode layer 560, a P-type semiconductor layer 550, and an active layer 530. , the n-type semiconductor layer 520 is sequentially stacked, and the n-type electrode layer 510 is surrounded by the insulator 571, the P-type electrode layer 560, the active layer 530 and the n-type semiconductor layer The P-patt 561 is formed at one end of the P-type electrode layer 560 to be connected to an external circuit.

이러한 구조를 갖는 발광 다이오드(500)에서 활성층(530)과 P형 반도체층(550) 사이에는 전자 장벽층(540)이 형성되어 있다. 이러한 전자 장벽층(540)은 전체가 그래핀으로 형성될 수 있으며, 예를 들어 이종원소의 도핑 농도를 P형 반도체층과 다르게 함으로써 형성한 종래의 전자 장벽층에 그래핀을 추가로 형성한 구조로 이루어질 수도 있다.In the light emitting diode 500 having the above structure, an electron barrier layer 540 is formed between the active layer 530 and the P-type semiconductor layer 550. The electron barrier layer 540 may be formed entirely of graphene. For example, the electron barrier layer 540 may be formed by adding graphene to a conventional electron barrier layer formed by changing a doping concentration of heterogeneous elements from a P-type semiconductor layer. It may be done.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예 따른 수직형 전극을 포함하는 발광 다이오드를 나타낸 단면도이다.8 is a cross-sectional view illustrating a light emitting diode including a vertical electrode according to another embodiment of the present invention.

도 8을 참조하면, 발광 다이오드(600)는 서브 마운트층(690), 본딩층(680), 절연층(670), P형 전극층(660), P형 반도체층(650), 활성층(630), n형 반도체층(620)이 순차적으로 적층된 구조로 이루어져 있고, n형 전극층(610)은 절연체(671)에 둘러쌓인 상태에서 P형 전극층(660), 활성층(630) 및 n형 반도체층(620)을 관통하는 구조로 이루어져 있고, P형 전극층(660)과 연결되는 P형 전극리드(661) 및 N형 전극층(610)과 연결되는 N형 전극리드(611)가 서브 마운트 층(690)에 각각 형성되어 있다.Referring to FIG. 8, the light emitting diode 600 includes a submount layer 690, a bonding layer 680, an insulating layer 670, a P-type electrode layer 660, a P-type semiconductor layer 650, and an active layer 630. , the n-type semiconductor layer 620 is sequentially stacked, the n-type electrode layer 610 is a P-type electrode layer 660, the active layer 630 and the n-type semiconductor layer in the state surrounded by the insulator 671 The sub-mount layer 690 includes a P-type electrode lead 661 connected to the P-type electrode layer 660 and an N-type electrode lead 611 connected to the N-type electrode layer 610. Are respectively formed.

이러한 구조를 갖는 발광 다이오드(600)에서 활성층(630)과 P형 반도체층(650) 사이에는 전자 장벽층(640)이 형성되어 있다. 이러한 전자 장벽층(640)은 전체가 그래핀으로 형성될 수 있으며, 예를 들어 이종원소의 도핑 농도를 P형 반도체층과 다르게 형성한 종래의 전자장벽층에 그래핀을 추가로 형성한 구조로 이루어질 수도 있다.In the light emitting diode 600 having the above structure, an electron barrier layer 640 is formed between the active layer 630 and the P-type semiconductor layer 650. The electron barrier layer 640 may be formed entirely of graphene. For example, the electron barrier layer 640 may be formed of a structure in which graphene is additionally formed in a conventional electron barrier layer in which a doping concentration of heterogeneous elements is different from that of a P-type semiconductor layer. It may be.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.As described above, the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, but the present invention is not limited to the above embodiments, and those skilled in the art to which the present invention pertains various modifications and variations from such descriptions. This is possible.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the claims below but also by the equivalents of the claims.

140 : 활성층 120 : 전자장벽층
170: N형 반도체층 160 : P형 반도체층
151: 그래핀140: active layer 120: electronic barrier layer
170: N-type semiconductor layer 160: P-type semiconductor layer
151: graphene

Claims (6)

기판;
상기 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층;
상기 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 활성층;
상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층을 포함하고,
상기 활성층과 P형 질화물 반도체층 사이 또는 P형 질화물 반도체층에 그래핀(graphene)을 포함하는 발광다이오드.
Board;
An n-type nitride semiconductor layer formed on the substrate;
An active layer formed on the n-type nitride semiconductor layer;
A p-type nitride semiconductor layer formed on the active layer,
A light emitting diode comprising graphene between the active layer and the P-type nitride semiconductor layer or a P-type nitride semiconductor layer.
제1항에 있어서,
상기 그래핀은 P-타입 그래핀인 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
The method of claim 1,
The graphene is a light emitting diode, characterized in that the P-type graphene.
제1항에 있어서,
상기 그래핀은 긴 필름 형태 또는 판상형의 형태로 P형 질화물 반도체층 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
The method of claim 1,
The graphene is a light emitting diode, characterized in that formed on the P-type nitride semiconductor layer in the form of a long film or plate-like.
제1항에 있어서,
상기 그래핀은 180,000 cm2/Vs 내지 230,000 cm2/Vs 의 전자이동도를 가진 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
The method of claim 1,
The graphene is a light emitting diode, characterized in that it has an electron mobility of 180,000 cm 2 / Vs to 230,000 cm 2 / Vs.
제1항에 있어서,
상기 활성층은 교대로 형성되는 양자 우물층과 전자 장벽층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드.
The method of claim 1,
The active layer includes a quantum well layer and an electron barrier layer formed alternately.
제1항에 있어서,
상기 P형 질화물 반도체층은 마그네슘(Mg)이 도핑되어 있는 질화물 반도체층인 것을 특징으로 하는 발광다이오드.The method of claim 1,
The P-type nitride semiconductor layer is a light emitting diode, characterized in that the nitride semiconductor layer doped with magnesium (Mg).
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