KR20130123592A - Light emitting diode of having sloped band gap structure - Google Patents

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Abstract

Disclosed is a light emitting diode having a band slope layer formed on an area in contact with a multi-quantum well layer which emits light. The band slope layer is formed on the upper and lower parts of the multi-quantum well layer. The band slope layer has a lower band gap than that of a barrier layer composing the multi-quantum well layer and has a value greater than the band gap of the well layer. When a forward bias is applied, excited electrons and holes are bounded in the well layer by tunneling the barrier layer. As a result, internal quantum efficiency can be increased continuously even when a high current is applied.

Description

경사진 밴드 구조를 가지는 발광 다이오드{Light Emitting Diode of having Sloped Band Gap Structure}Light Emitting Diode of Having Sloped Band Gap Structure

본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다중양자우물 구조의 양측에 경사진 밴드 구조를 가지는 발광 다이오드에 관한 것이다.The present invention relates to a light emitting diode, and more particularly to a light emitting diode having a band structure inclined on both sides of the multi-quantum well structure.

발광 다이오드는 특정한 전계의 인가에 의해 광을 생성하는 소자이다. 발광 동작은 전도대의 전자와 가전자대의 정공의 결합에 의해 발생하며, 전자와 정공의 원활한 재결합을 위해 다중양자우물 구조가 채용된다.Light emitting diodes are devices that generate light by application of a specific electric field. The luminescence operation is caused by the combination of electrons in the conduction band and the hole in the valence band, and a multi-quantum well structure is adopted for smooth recombination of electrons and holes.

최근에는 질화갈륨 계열의 발광 다이오드가 상용화된 상태이며, 형광물질의 도입을 통해 백색광이 구현되고 있다. 질화갈륨 발광 다이오드는 고전류 밀도 또는 고전압 상태에서 외부양자효율(External Quantum Efficiency : EQE)이 감소되는 현상을 가진다. 이는 "Efficiency Droop"으로 지칭된다.Recently, gallium nitride-based light emitting diodes have been commercialized, and white light has been realized through the introduction of fluorescent materials. The gallium nitride light emitting diode has a phenomenon in which external quantum efficiency (EQE) is reduced at high current density or high voltage. This is referred to as "Efficiency Droop".

Efficiency Droop은 다중양자우물 구조 내에서 전자의 과잉(electron overflow), 오제 재결합(Auger recombination) 및 낮은 정공의 주입 농도의 원인을 이유로 발생된다. 특히, 상술한 원인들 중 전자의 과잉이 가장 중요한 요소로 인정된다. 즉, 장벽층과 우물층이 번갈아가며 형성된 다중양자우물 구조 내에서 높은 전류밀도로 인해 전자는 우물층에 완벽하게 구속되지 못하고, 장벽층을 뛰어넘는 과잉현상이 발생된다. 과잉현상의 발생으로 인해 높은 전류밀도에서도 전자는 정공과 충분히 재결합되지 못하며, 다중양자우물 구조에서 산란을 통한 열발생의 일요인이 되기도 한다.Efficiency droop occurs because of electron overflow, Auger recombination, and low hole injection concentration in multi-quantum well structures. In particular, the former excess is considered to be the most important factor among the above-mentioned causes. That is, due to the high current density in the multi-quantum well structure in which the barrier layer and the well layer are alternately formed, the electrons are not completely confined to the well layer, and the excess phenomenon that exceeds the barrier layer occurs. Due to the occurrence of excess phenomena, the electrons are not sufficiently recombined with the holes even at high current densities, and may be a cause of heat generation through scattering in a multi-quantum well structure.

전자의 과잉현상을 방지하기 위해 높은 밴드갭을 가진 전자 차단층(Electron Blocking Layer : EBL)이 사용되는 것이 일반적이다. 예컨대, 장벽층이 GaN으로 구성되고, 우물층이 InGaN으로 구성된 구조에서 클래드층으로 AlGaN층이 도입된다. AlGaN층은 전자 차단층으로 작용하며, 전자의 과잉을 막고, 전자와 정공의 밀도의 차이를 감소시켜 효율을 향상시킨다. 다만, 전자 차단층의 도입에도 불구하고 Efficiency Droop현상은 완전히 제거되지 않으며 어느 정도 완화되는 효과만을 유발한다. 이는 전자 차단층이 도입되더라도 전자의 차단이 완벽하게 이루어지지 않으며, 전류 밀도 또는 전압이 증가함에 따라 다중양자우물 구조 내부로 진입하는 전자의 양이 정공의 양보다 상대적으로 많기 때문이다.In order to prevent excessive electrons, an electron blocking layer (EBL) having a high band gap is generally used. For example, an AlGaN layer is introduced into the cladding layer in a structure in which the barrier layer is made of GaN and the well layer is made of InGaN. The AlGaN layer acts as an electron blocking layer, prevents excess electrons and reduces efficiency of electron and hole density, thereby improving efficiency. However, despite the introduction of the electron blocking layer, the efficiency droop phenomenon is not completely eliminated and only causes the effect to be somewhat alleviated. This is because the blocking of electrons is not achieved even when the electron blocking layer is introduced, and the amount of electrons entering the multi-quantum well structure as the current density or voltage increases is relatively higher than the amount of holes.

전자의 과잉을 발생시키는 다른 요인으로는 QCSE(Quantum Confined Stark Effect)가 있다. 이는 외부 전계가 인가될 경우, 양자우물의 흡수 스펙트럼 또는 발광 스펙트럼에 미치는 영향을 의미한다. 즉, 외부에 전계가 인가되면, 전자는 전도대는 하강하고, 정공의 가전자대는 상승한다. 또한, 전계에 의해 경사진 형태를 가지는 전도대에서 전자는 에너지 레벨이 낮은 부위로 이동한다. 이와 반대로 가전자대의 정공은 에너지 레벨이 높은 부위로 이동한다. 즉, 우물층 내부에서 전자의 밀도가 높은 영역과 정공의 밀도가 높은 영역이 서로 일치하지 않는 현상이 발생하며, 이는 전자와 정공의 재결합율을 저하시킨다. 정공과 재결합하지 않는 전자는 전자의 과잉을 유발하고 Efficiency Droop을 심화시킨다. 이러한 QCSE는 사파이어 기판의 C면상에서 GaN이 성장되고, 다중양자우물 구조인 InGaN/GaN이 생성되는 경우에 발생된다. 즉, GaN층과 격자상수의 불일치를 가지는 InGaN층에서는 일종의 압전현상인 Piezoelectric Field가 발생된다. 이러한 전계는 QCSE를 발생시키는 외부 전계로 작용한다.Another factor causing the excess of electrons is the Quantum Confined Stark Effect (QCSE). This means the effect on the absorption spectrum or emission spectrum of the quantum well when an external electric field is applied. That is, when an electric field is applied to the outside, the electrons fall in the conduction band, and the valence band in the holes increases. In addition, in the conduction band inclined by the electric field, the electrons move to a region of low energy level. On the contrary, holes in the valence band move to areas with high energy levels. That is, a phenomenon in which the region of high density of electrons and the region of high density of holes do not coincide with each other in the well layer occurs, which reduces the recombination rate of electrons and holes. Electrons that do not recombine with holes cause excess electrons and deepen efficiency droop. This QCSE is generated when GaN is grown on the C plane of the sapphire substrate and InGaN / GaN, which is a multi-quantum well structure, is generated. That is, a piezoelectric field, a kind of piezoelectric phenomenon, is generated in the InGaN layer having a mismatch between the GaN layer and the lattice constant. This electric field acts as an external electric field that generates QCSE.

상술한 문제를 해결하기 위해 비극성 성장 결정면을 가지는 GaN층의 성장을 이용하는 방법이 제시된다. 다만, 비극성 성장 결정면을 가지기 위해서는 단결정 성장의 기저가 되는 사파이어 기판의 표면이 비극성면을 가져야 한다.In order to solve the above problem, a method of using growth of a GaN layer having a non-polar growth crystal plane is proposed. However, in order to have a non-polar growth crystal plane, the surface of the sapphire substrate on which the single crystal growth is based should have a non-polar plane.

상술한 바대로 전자의 과잉 현상을 해결하기 위해 다양한 방법이 제시된다. 그러나, 하나의 방법의 사용 또는 제시된 방법들을 모두 사용한다 하더라도 전자의 과잉현상은 완전히 제거되지 않으며, Efficency Droop은 지속적으로 발생된다.As described above, various methods are proposed to solve the excess phenomenon of electrons. However, even if one method is used or all the suggested methods are used, the excess of electrons is not completely eliminated, and the effect droop is continuously generated.

따라서, 전하운송 메커니즘을 개선하고, 새로운 적층구조의 도입을 통해 Efficiency Droop을 방지하기 위한 기술의 출현은 여전히 요청된다 할 것이다.Thus, the emergence of techniques for improving the charge transport mechanism and preventing efficiency droop through the introduction of new stack structures will still be required.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 과제는 주입된 전자와 정공의 터널링을 통해 우물층으로 전자와 정공을 구속하고, 이를 통해 효율이 향상된 발광 다이오드를 제공하는데 있다.An object of the present invention for solving the above problems is to provide a light emitting diode that is constrained electrons and holes to the well layer through the tunneling of the injected electrons and holes, thereby improving efficiency.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 전자를 공급하는 n 클래드층; 상기 n 클래드층 상에 형성되고, 밴드갭이 변화하는 제1 밴드 경사층; 상기 제1 밴드 경사층 상에 형성되고, 발광동작을 수행하는 다중양자우물층; 상기 다중양자우물층 상에 형성되고, 밴드갭이 변화하는 제2 밴드 경사층; 및 상기 제2 밴드 경사층 상에 형성되고, 정공을 공급하는 p 클래드층을 포함하는 발광 다이오드를 제공한다.The present invention for solving the above problems, n clad layer for supplying electrons; A first band inclined layer formed on the n clad layer and having a changed band gap; A multi-quantum well layer formed on the first band inclined layer and performing a light emitting operation; A second band inclined layer formed on the multi-quantum well layer and having a band gap changed; And a p-clad layer formed on the second band inclined layer and supplying holes.

상술한 본 발명에 따르면, n 타입의 n 클래드층과 다중양자우물층 사이에 제1 밴드 경사층이 형성되고, p 타입의 p 클래드층과 다중양자우물층 사이에 제2 밴드 경사층이 형성된다. 각각의 밴드 경사층은 다중양자우물층 내의 우물층 이상의 밴드갭을 가지되, 장벽층보다 낮은 밴드갭을 가진다. 따라서, 정방향 바이어스가 인가되더라도 전자 또는 정공은 장벽층을 오버플로우하는 이동보다는 터널링을 통해 우물층에 구속된다. 따라서, 전류밀도가 증가하더라도 내부양자효율은 감소되지 않고, 지속적으로 증가한다. 이를 통해 내부양자효율의 저하는 해결된다.According to the present invention described above, a first band inclined layer is formed between the n-type n clad layer and the multi-quantum well layer, and a second band inclined layer is formed between the p-type p clad layer and the multi-quantum well layer. . Each band bevel layer has a bandgap above the well layer in the multi-quantum well layer, but lower than the barrier layer. Thus, even if a forward bias is applied, electrons or holes are constrained to the well layer through tunneling rather than moving over the barrier layer. Therefore, even if the current density increases, the internal quantum efficiency does not decrease, but increases continuously. This reduces the internal quantum efficiency.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드의 적층구조를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1의 발광 다이오드의 밴드갭을 도시한 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 발광 다이오드의 특성을 도시한 그래프이다.
1 is a cross-sectional view showing a laminated structure of a light emitting diode according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a band gap of the light emitting diode of FIG. 1 according to a preferred embodiment of the present invention.
3 is a graph showing the characteristics of a light emitting diode manufactured according to a preferred embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.The present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. Like reference numerals are used for like elements in describing each drawing.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

실시예Example

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드의 적층구조를 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a laminated structure of a light emitting diode according to a preferred embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 다이오드는 기판(100) 상에 형성된 n 클래드층(110), 제1 밴드 경사층(120), 다중양자우물층(130), 제2 밴드 경사층(140) 및 p 클래드층(150)을 가진다.Referring to FIG. 1, the light emitting diode according to the present exemplary embodiment includes an n cladding layer 110, a first band gradient layer 120, a multi-quantum well layer 130, and a second band gradient layer formed on the substrate 100. 140 and the p clad layer 150.

n 클래드층(110)은 도판트의 주입에 의해 페르미 레벨이 상승할 수 있는 반도체라면 어느 것이나 가능할 것이다. 예컨대, n 클래드층(110)이 GaN을 포함하는 경우, 4족 원소가 도판트로 이용되어 n 클래드층(110)이 형성될 수 있다. 또한, n 클래드층(110)이 GaN을 포함하는 경우, 도판트로는 Si이 사용됨이 바람직하다. 이외에도 상기 n 클래드층(110)은 ZnO를 포함할 수 있다. n 클래드층(110)이 ZnO를 포함하는 경우, n 타입의 반도체 형성을 위해 도우너의 역할을 할 수 있는 도판트가 선택된다. 상기 n 클래드층(110)은 발광 동작시, 전자를 공급한다.The n clad layer 110 may be any semiconductor as long as the Fermi level may be increased by implantation of the dopant. For example, when the n clad layer 110 includes GaN, the n clad layer 110 may be formed by using a Group 4 element as a dopant. In addition, when the n clad layer 110 includes GaN, Si is preferably used as the dopant. In addition, the n clad layer 110 may include ZnO. When the n clad layer 110 includes ZnO, a dopant may be selected to serve as a donor for forming an n-type semiconductor. The n clad layer 110 supplies electrons in the light emission operation.

n 클래드층(110) 상부에는 제1 밴드 경사층(120)이 형성된다. 상기 제1 밴드 경사층(120)은 n 타입임이 바람직하다. 따라서, n 클래드층(110)이 GaN을 포함하는 경우, 상기 제1 밴드 경사층(120)도 GaN을 포함할 수 있으며, 4족 원소를 도판트로 이용할 수 있다. 따라서, 상기 제1 밴드 경사층(120)도 n 타입의 도전성을 가진다.The first band inclined layer 120 is formed on the n clad layer 110. Preferably, the first band inclination layer 120 is of n type. Therefore, when the n clad layer 110 includes GaN, the first band inclination layer 120 may also include GaN, and a Group 4 element may be used as a dopant. Therefore, the first band inclination layer 120 also has n-type conductivity.

다만, 상기 제1 밴드 경사층(120)은 n 클래드층과 접하는 면에서부터 상부로 갈수록 밴드갭 조절을 수행하는 물질의 농도가 증가한다. 예컨대, 제1 밴드 경사층(120)의 기저물질이 GaN인 경우, 상부로 갈수록 In의 농도는 증가하는 특성을 가진다. 이는 제1 밴드 경사층(120)이 상부로 갈수록 밴드갭이 감소함을 의미한다. 즉, GaN의 경우, 밴드갭은 상온에서 3.4eV이고, InN의 경우, 밴드갭은 상온에서 0.65eV이다. 따라서, In의 농도가 증가할수록 밴드갭은 줄어드는 경향을 가진다. 다만, 제1 밴드 경사층(120) 최상단의 밴드갭은 다중양자우물층(130)의 우물층의 밴드갭 이상임이 바람직하다.However, the concentration of the material for performing the bandgap increases from the surface in contact with the n-clad layer to the upper portion of the first band inclination layer 120. For example, when the base material of the first band inclination layer 120 is GaN, the concentration of In is increased toward the top. This means that the band gap decreases as the first band inclination layer 120 moves upward. That is, in the case of GaN, the band gap is 3.4 eV at room temperature, and in InN, the band gap is 0.65 eV at room temperature. Therefore, as the concentration of In increases, the band gap tends to decrease. However, the band gap at the top of the first band slanting layer 120 may be equal to or greater than the band gap of the well layer of the multi-quantum well layer 130.

제1 밴드 경사층(120) 상에는 다중양자우물층(130)이 구비된다. 상기 다중양자우물층(130)은 장벽층과 우물층이 교대로 형성된 구조이다. 예컨대, 장벽층이 GaN인 경우, 우물층은 InGaN으로 구성된다. 이는 In을 밴드갭 조절을 수행하는 물질로 선택한 결과이다. 따라서, 큰 밴드갭과 비교적 작은 밴드갭을 가진 물질층을 교대로 형성한다면 본 발명의 다중양자우물층(130)을 형성할 수 있을 것이다.The multi-quantum well layer 130 is provided on the first band inclination layer 120. The multi-quantum well layer 130 has a structure in which a barrier layer and a well layer are alternately formed. For example, when the barrier layer is GaN, the well layer is composed of InGaN. This is the result of selecting In as a material for performing bandgap control. Therefore, if the material layers having a large band gap and a relatively small band gap are alternately formed, the multi-quantum well layer 130 of the present invention may be formed.

특히, 우물층에서의 밴드갭은 제1 밴드 경사층(120)의 최상위의 밴드갭 이하인 것이 바람직하다.In particular, the band gap in the well layer is preferably equal to or less than the uppermost band gap of the first band inclined layer 120.

다중양자우물층(130) 상에는 제2 밴드 경사층(140)이 구비된다. 상기 제2 밴드 경사층(140)은 p 타입의 도전성을 가진다. 또한, 제2 밴드 경사층(140)이 GaN을 기반으로 형성된다면, 도판트로는 2족 원소가 사용될 수 있다. 예컨대, Mg이 도판트로 사용된다. 또한, 제2 밴드 경사층(140)은 다중양자우물층(130)과 접하는 부분에서부터 상부로 갈수록 밴드갭 조절을 수행하는 물질의 농도가 감소하는 경향을 가진다. 즉, 제2 밴드 경사층(140)이 GaN을 포함하는 경우, 다중양자우물층(130)과 접하는 부위에서 제2 밴드 경사층(140)은 가장 높은 In의 농도를 가진다. 또한, 상부로 갈수록 In의 농도는 감소한다. 따라서, 다중양자우물층(130)과 접하는 부위에서의 밴드갭은 가장 낮은 값을 가지고, 상부로 갈수록 밴드갭이 증가한다. 다중양자우물층(130)과 접하는 부위에서의 밴드갭은 다중양자우물층(130)의 밴드갭 이상임이 바람직하다.The second band slope layer 140 is provided on the multi-quantum well layer 130. The second band inclined layer 140 has a p-type conductivity. In addition, if the second band inclination layer 140 is formed based on GaN, a Group 2 element may be used as the dopant. For example, Mg is used as the dopant. In addition, the second band inclination layer 140 has a tendency to decrease the concentration of the material for performing the band gap from the portion in contact with the multi-quantum well layer 130 toward the top. That is, when the second band inclination layer 140 includes GaN, the second band inclination layer 140 has the highest concentration of In at the portion in contact with the multi-quantum well layer 130. In addition, the concentration of In decreases toward the top. Therefore, the band gap at the portion in contact with the multi-quantum well layer 130 has the lowest value, and the band gap increases toward the top. The band gap at a portion in contact with the multi quantum well layer 130 is preferably greater than or equal to the band gap of the multi quantum well layer 130.

제2 밴드 경사층(140) 상에는 p 클래드층(150)이 구비된다. 상기 p 클래드층(150)은 도판트의 주입에 의해 페르미 레벨이 가전자대를 향해 하강할 수 있는 물질이라면 어느 것이나 가능할 것이다. 따라서, 상기 p 클래드층(150)은 GaN 또는 ZnO를 포함할 수 있다. 만일 p 클래드층(150)이 GaN을 포함하는 경우, 도판트로는 2족 원소가 사용된다. 따라서, 도판트로는 Mg이 사용됨이 바람직하다. 상기 p 클래드층(150)에서는 정공이 발생되고, 이는 다중양자우물층(130)에 공급된다.The p clad layer 150 is provided on the second band inclined layer 140. The p-clad layer 150 may be any material as long as the Fermi level can be lowered toward the valence band by implantation of a dopant. Therefore, the p clad layer 150 may include GaN or ZnO. If the p clad layer 150 contains GaN, a Group 2 element is used as the dopant. Therefore, Mg is preferably used as the dopant. Holes are generated in the p-clad layer 150, which is supplied to the multi-quantum well layer 130.

상기 도 1에서 n형 반도체의 특성을 가진 n 클래드층(110)과 다중양자우물층(130) 사이에는 제1 밴드 경사층(120)이 구비된다. 제1 밴드 경사층(120)은 n형 반도체의 특성을 가지며, 다중양자우물층(130)에 가까울수록 밴드갭이 감소하는 특성을 가진다. 다만, 다중양자우물층(130)에 접하는 제1 밴드 경사층(120)의 밴드갭은 우물층의 밴드갭 이상으로 설정된다.In FIG. 1, a first band inclined layer 120 is provided between an n cladding layer 110 and a multi-quantum well layer 130 having characteristics of an n-type semiconductor. The first band inclination layer 120 has the characteristics of an n-type semiconductor, and the closer to the multi-quantum well layer 130, the smaller the band gap. However, the band gap of the first band inclined layer 120 in contact with the multi-quantum well layer 130 is set to be equal to or greater than the band gap of the well layer.

또한, 다중양자우물층(130)과 p형 반도체의 특성을 가진 p 클래드층(150) 사이에는 제2 밴드 경사층(140)이 형성된다. 제2 밴드 경사층(140)은 p형 반도체의 특성을 가지며, 다중양자우물층(130)에 가까울수록 밴드갭이 감소하는 특성을 가진다. 다만, 다중양자우물층(130)에 접하는 제2 밴드 경사층(140)의 밴드갭은 우물층의 밴드갭 이상으로 설정된다.In addition, a second band inclined layer 140 is formed between the multi-quantum well layer 130 and the p-clad layer 150 having the characteristics of the p-type semiconductor. The second band inclined layer 140 has a characteristic of a p-type semiconductor, and the closer the band is to the multi-quantum well layer 130, the smaller the band gap. However, the band gap of the second band inclined layer 140 in contact with the multi-quantum well layer 130 is set to be equal to or greater than the band gap of the well layer.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1의 발광 다이오드의 밴드갭을 도시한 다이어그램이다.FIG. 2 is a diagram illustrating a band gap of the light emitting diode of FIG. 1 according to a preferred embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 반도체 물질들의 접합에 따른 열적 평형 상태는 무시한다. 따라서, 이종 막질들 사이의 페르미 레벨은 일치하지 않은 상태이며 전도대와 가전자대의 변화의 추이만 도시된다. 또한, 전계의 인가에 따른 밴드의 왜곡도 무시된다. 다만, 각각의 적층구조에서의 밴드의 경향은 도시된다. 또한, 상기 도 2에서 전도대의 에너지 준위는 Ec로 표시하고, 가전자대의 에너지 준위는 Ev로 표시한다. 각각의 적층구조마다 Ec와 Ev는 상이할 수 있다. 다만, 전도대의 에너지 준위 Ec는 각각의 연속하는 적층구조 전체의 에너지 준위를 대표하는 것으로 기재하며, 가전자대의 에너지 준위 Ev도 각각의 연속하는 적층구조의 에너지 준위를 대표하는 것으로 기재한다.2, the thermal equilibrium state due to the bonding of the semiconductor materials is ignored. Thus, Fermi levels between dissimilar membranes are inconsistent and only trends in changes in conduction and valence bands are shown. In addition, the distortion of the band due to the application of the electric field is also ignored. However, the tendency of the band in each laminated structure is shown. 2, the energy level of the conduction band is represented by Ec, and the energy level of the valence band is represented by Ev. Ec and Ev may be different for each stacked structure. However, the energy level Ec of the conduction band is described as representing the energy level of each successive laminated structure, and the energy level Ev of the valence band is also described as representing the energy level of each successive laminated structure.

먼저, n 클래드층(110)의 전도대는 평활한 상태이다. 이는 n 클래드층(110) 전체에 도판트가 균일하게 도핑된 상태를 나타낸다. 만일, 정방향의 바이어스가 인가되면, 페르미 레벨로부터 전자는 전도대로 이동한다. 따라서, 전도대의 전자가 여기된 상태로 나타난다. 또한, 바이어스의 인가에 따라 제1 밴드 경사층(120)에서의 전도대에서도 전자가 발생된다. 전도대의 전자는 낮은 에너지 준위로 이동하고자 하는 특성을 가진다. 따라서, 다중양자우물층(130)에 접하는 부위에 전도대의 전자는 집중된다. 다중양자우물층(130)과 접하는 제1 밴드 경사층(120)은 낮은 밴드갭을 가진다. 따라서, 경사진 에너지 밴드를 따라 전도대의 전자는 집중된다.First, the conduction band of the n clad layer 110 is in a smooth state. This shows a state where the dopant is uniformly doped throughout the n clad layer 110. If a forward bias is applied, electrons from the Fermi level move to the conduction band. Thus, the electrons in the conduction band appear to be excited. In addition, electrons are generated in the conduction band in the first band inclination layer 120 according to the application of the bias. The electrons in the conduction band have a characteristic of moving to a low energy level. Therefore, the electrons of the conduction band are concentrated in the region in contact with the multi-quantum well layer 130. The first band inclined layer 120 in contact with the multi-quantum well layer 130 has a low band gap. Thus, electrons in the conduction band are concentrated along the inclined energy band.

다중양자우물층(130)은 장벽층과 우물층이 교대로 형성된 구조를 가진다. 물론, 제1 밴드 경사층(120)과 접하는 부위에서는 장벽층이 형성된다. The multi-quantum well layer 130 has a structure in which a barrier layer and a well layer are alternately formed. Of course, the barrier layer is formed at a portion in contact with the first band inclination layer 120.

밴드 경사층들이 구비되지 않은 경우, 정방향의 바이어스가 인가되면, 높은 에너지 레벨을 가지는 n 클래드층의 전도대의 전자는 장벽층을 오버플로우하고, 우물층의 전도대로 이동한다. 즉, 양자구속효과가 발생된다. 장벽층에 대한 오버플로우와 양자구속의 과정에서 우물층과 장벽층의 레벨을 상회하는 에너지를 가지는 전자는 우물층에 구속되지 않고, p 클래드층으로 직접 이동한다. 이는 발광효율을 저하시키는 일요인이 된다.When no band inclination layers are provided, when a forward bias is applied, electrons in the conduction band of the n clad layer having a high energy level overflow the barrier layer and move to the conduction band of the well layer. That is, the quantum confinement effect is generated. In the process of overflowing the barrier layer and quantum confinement, electrons having energy above the level of the well layer and the barrier layer move directly to the p clad layer without being confined to the well layer. This is a factor for lowering the luminous efficiency.

상기 도 2에서는 제1 밴드 경사층(120)의 밴드갭이 장벽층의 밴드갭보다 낮은 레벨을 가진다. 따라서, 정방향 바이어스가 인가되는 경우, 제1 밴드 경사층(120)의 전도대의 전자는, 장벽층에 대한 터널링을 통해 우물층에 구속된다. 물론, 높은 에너지 레벨을 가진 전자는 장벽층을 오버플로우 할 수 있으나, 이는 주도적인 현상이 아니다.In FIG. 2, the band gap of the first band slanting layer 120 has a level lower than that of the barrier layer. Thus, when forward bias is applied, electrons in the conduction band of the first band inclined layer 120 are constrained to the well layer through tunneling to the barrier layer. Of course, electrons with high energy levels can overflow the barrier layer, but this is not the dominant phenomenon.

제1 밴드 경사층(120)의 낮은 밴드갭을 이용하여 장벽층을 터널링한 전자는 우물층에서 구속된다.The electrons tunneled through the barrier layer using the low bandgap of the first band slope layer 120 are constrained in the well layer.

또한, p 클래드층(150)의 가전자대도 평활한 상태라 가정한다. 이는 p 클래드층(150)에서 국부적인 도판트의 집중이 없이 대략 균일한 상태로 도판트가 분포된 것을 의미한다. 다만, p 클래드층(150)의 페르미 레벨은 가전자대 방향으로 이동된 상태이다. 정방향의 바이어스가 인가되면 p 클래드층(150)의 가전자대에는 정공이 형성된다. 가전자대의 정공은 전계의 인가에 따라 제2 밴드 경사층(140)으로 이동한다.In addition, it is assumed that the valence band of the p-clad layer 150 is also smooth. This means that the dopant is distributed in a substantially uniform state without local concentration of the dopant in the p clad layer 150. However, the Fermi level of the p clad layer 150 is moved in the valence band direction. When a positive bias is applied, holes are formed in the valence band of the p-clad layer 150. Holes in the valence band move to the second band inclination layer 140 according to the application of an electric field.

또한, p 클래드층(150)과 접하는 제2 밴드 경사층(140)은 다중양자우물층(130)에 근접할수록 밴드갭이 감소되는 경향을 가진다. 정방향의 바이어스가 인가되면, 가전자대에는 정공이 형성된다. 또한, 가전자대의 정공은 높은 에너지 상태로 이동하는 특성을 가진다. 따라서, 제2 밴드 경사층(140)의 정공은 다중양자우물층(130)과 접하는 가전자대로 집중된다.In addition, the second band inclined layer 140 in contact with the p clad layer 150 has a tendency to decrease the band gap closer to the multi-quantum well layer 130. When a positive bias is applied, holes are formed in the valence band. In addition, holes in the valence band have a characteristic of moving to a high energy state. Therefore, the holes of the second band inclined layer 140 are concentrated in the valence band in contact with the multi-quantum well layer 130.

인가되는 정방향 바이어스에 기인한 전계에 의해 제2 밴드 경사층(140)의 정공은 다중양자우물층(130)의 장벽층을 터널링한다. 터널링을 통해 우물층으로 양자구속된다.Holes in the second band gradient layer 140 tunnel through the barrier layer of the multi-quantum well layer 130 by the electric field due to the applied forward bias. It is quantum confined to the well layer through tunneling.

상술한 과정을 통해 우물층 내로 정의되는 전자와 정공은 장벽층을 오버플로우 하지 않고, 터널링을 통해 구속된다. 우물층 내에 구속된 전자와 정공은 재결합을 통해 발광 동작을 수행할 수 있다.Electrons and holes defined in the well layer through the above-described process are confined through tunneling without overflowing the barrier layer. Electrons and holes confined in the well layer may perform light emission through recombination.

또한, 상기 제1 밴드 경사층(120)과 제2 밴드 경사층(140)의 밴드갭은 다중양자우물층(130)을 향해 선형적으로 감소함이 바람직하다. 이외에 상기 제1 밴드 경사층(120)과 제2 밴드 경사층(140)은 다중양자우물층(130)으로부터 일정 영역까지 감소하고, 일정 영역에서부터 다중양자우물층(130)까지는 평활한 밴드를 유지할수도 있다.In addition, the band gap of the first band inclination layer 120 and the second band inclination layer 140 may be linearly reduced toward the multi-quantum well layer 130. In addition, the first band inclination layer 120 and the second band inclination layer 140 are reduced from the multi-quantum well layer 130 to a predetermined area, and the smooth band from the predetermined area to the multi-quantum well layer 130 is maintained. It may be.

만일, 종래와 같이 밴드 경사층이 도입되지 않는 경우, 전자 및 정공의 오버플로우에 의해 우물층으로 전자 및 정공이 구속되어야 한다. 따라서, 높은 에너지 상태의 전자는 산란 등을 통해 에너지를 잃어야 함을 의미한다. 양자의 산란은 결정구조 내에서 열에너지를 발생시키는 일 요인이 된다. 이는 내부양자효율이 저하됨을 의미한다.If the band inclination layer is not introduced as in the related art, electrons and holes should be constrained to the well layer by overflow of electrons and holes. Therefore, electrons of high energy state mean that energy must be lost through scattering or the like. Both scattering is a factor in generating thermal energy in the crystal structure. This means that the internal quantum efficiency is lowered.

반면, 본 실시예에서는 양자의 터널링을 이용한다. 전계의 인가에 따른 양자의 터널링을 통해 입자의 산란은 최소화되고, 에너지를 유지한 상태에서 양자는 우물층 내로 구속된다. 따라서, 내부양자효율은 증가한다. 이는 전계의 인가에 따라 우물층에서 재결합되는 전자와 정공의 수가 증가함을 의미한다.On the other hand, in this embodiment, both tunneling is used. The scattering of particles is minimized through the tunneling of the protons according to the application of the electric field, and the protons are confined into the well layer while maintaining energy. Therefore, the internal quantum efficiency is increased. This means that the number of electrons and holes recombined in the well layer increases with the application of the electric field.

또한, 본 실시예에서 다중양자우물층과 접하는 제1 밴드 경사층과 제2 밴드 경사층은 상기 우물층이 가지는 밴드갭 이상의 밴드갭을 가짐이 바람직하다. 이는 우물층에서의 재결합에 의해 발생되는 광이 제1 밴드 경사층과 제2 밴드 경사층에서 재흡수되는 현상을 회피하기 위한 것이다. 또한, 제1 밴드 경사층 또는 제2 밴드 경사층이 가지는 가장 낮은 밴드갭은 다중양자우물층의 장벽층의 밴드갭 미만값을 가짐이 바람직하다.In addition, in the present embodiment, it is preferable that the first band inclined layer and the second band inclined layer contacting the multi-quantum well layer have a band gap greater than or equal to that of the well layer. This is to avoid the phenomenon that the light generated by the recombination in the well layer is reabsorbed in the first band slope layer and the second band slope layer. In addition, it is preferable that the lowest bandgap of the first band inclination layer or the second band inclination layer has a value below the bandgap of the barrier layer of the multi-quantum well layer.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 발광 다이오드의 특성을 도시한 그래프이다.3 is a graph showing the characteristics of a light emitting diode manufactured according to a preferred embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, n 클래드층(110)은 1500nm의 두께를 가지고, 도판트로는 Si이 사용된다. 도핑되는 도판트의 농도는 2*1018cm-3이다. 또한, n 클래드층(110) 상부에 형성되는 제1 밴드 경사층(120)은 30nm의 두께를 가지며, 도판트로는 Si이 사용된다. 밴드갭의 조절을 위한 인자로 In이 사용된다. 특히 n 클래드층(110)과 접하는 부분에서부터 다중양자우물층(130)까지의 인듐의 농도는 선형적으로 변경된다. 즉, 인듐의 분률은 Ga 대비 0에서 0.185까지 변경된다. 따라서, 다중양자우물층(130)과 접하는 제1 밴드 경사층(120)의 말단은 In0 .185Ga0 .815N의 조성식을 가진다.Referring to FIG. 3, the n clad layer 110 has a thickness of 1500 nm, and Si is used as the dopant. The concentration of dopant to be doped is 2 * 10 18 cm -3 . In addition, the first band inclination layer 120 formed on the n clad layer 110 has a thickness of 30 nm, and Si is used as the dopant. In is used as a factor for adjusting the band gap. In particular, the concentration of indium from the portion in contact with the n clad layer 110 to the multi-quantum well layer 130 is linearly changed. That is, the fraction of indium is changed from 0 to 0.185 relative to Ga. Thus, the end of the first band-gradient layer 120 is in contact with the multiple quantum well layer 130 has a compositional formula of In Ga 0 .185 0 .815 N.

상기 제1 밴드 경사층(120) 상에는 다중양자우물층(130)이 구비된다. 장벽층은 GaN으로 구성되며 두께는 10nm이다. 또한, 우물층은 In0 .185Ga0 .815N로 구성되며, 두께는 3nm이다. 다중양자우물층(130)은 장벽층과 우물층이 번갈아가며 형성되며, n 클래드층에 접하는 부위에는 장벽층이 구비되고, 다중양자우물층(130)의 최상층에도 장벽층이 구비된다. 상기 다중양자우물층(130)에서 장벽층과 우물층의 반복횟수는 5회이다. 따라서, 6층의 장벽층과 5층의 우물층이 형성된다.The multi-quantum well layer 130 is provided on the first band inclination layer 120. The barrier layer consists of GaN and is 10 nm thick. In addition, the well layer is composed of In 0 .185 Ga 0 .815 N, a thickness of 3nm. The multi-quantum well layer 130 is formed by alternating a barrier layer and a well layer, a barrier layer is provided at a portion in contact with the n clad layer, and a barrier layer is also provided at the uppermost layer of the multi-quantum well layer 130. The number of repetitions of the barrier layer and the well layer in the multi-quantum well layer 130 is five times. Thus, six barrier layers and five well layers are formed.

다중양자우물층(130) 상에는 제2 밴드 경사층(140)이 구비된다. 제2 밴드 경사층(140)은 GaN을 포함하며, 도판트로는 Mg이 이용된다. 또한, 밴드갭 조절을 위해 In이 포함된다. 제2 밴드 경사층(140)의 두께는 30nm이며, In의 분율은 다중양자우물층(130)과 접하는 면에서부터 최상부까지 0.185~0으로 설정된다. 상기 In의 분율은 Ga 대비 In의 분율을 나타낸다. The second band slope layer 140 is provided on the multi-quantum well layer 130. The second band inclined layer 140 includes GaN, and Mg is used as the dopant. In addition, In is included for bandgap adjustment. The thickness of the second band inclination layer 140 is 30 nm, and the fraction of In is set at 0.185 to 0 from the surface in contact with the multi-quantum well layer 130 to the top thereof. The fraction of In represents the fraction of In relative to Ga.

제2 밴드 경사층(140) 상에는 p 클래드층(150)이 형성된다. p 클래드층(150)은 GaN을 포함하며, 도판트로는 Mg가 사용되고, 두께는 200nm이다. p 클래드층(150)에 포함되는 도판트의 농도는 1*1018cm-3이다. The p clad layer 150 is formed on the second band inclined layer 140. The p clad layer 150 includes GaN, Mg is used as the dopant, and the thickness is 200 nm. The concentration of the dopant included in the p clad layer 150 is 1 * 10 18 cm -3 .

상술한 발광 다이오드의 특성은 상기 도 3에서 로 표시된다.The characteristic of the above-described light emitting diode is represented by FIG. 3.

상술한 발광 다이오드와 성능의 비교를 위해 제1 밴드 경사층 및 제2 밴드 경사층이 생략된 발광 다이오드가 구비된다. 즉, n 클래드층, 다중양자우물층 및 p 클래드층으로 구성된 발광 다이오드가 구비된다. 이의 특성은 상기 도 3에서 로 표시된다. For comparison with the above-described light emitting diode, a light emitting diode in which the first band slope layer and the second band slope layer are omitted is provided. That is, a light emitting diode comprising an n clad layer, a multi-quantum well layer and a p clad layer is provided. Its characteristic is represented by in FIG.

도 3을 참조하면, 밴드 경사층이 구비되지 않은 발광 다이오드는 전류가 공급되는 초기 단계에서 높은 내부양자효율(IQE : Internal Quantum Efficiency)을 가진다. 이는 비교적 낮은 전압에서 적절한 수준으로 전자와 정공이 우물층 내로 구속되기 때문이다. 다만, 전류밀도가 증가하는 경우, 높은 에너지의 공급으로 인해 전자 및 정공의 오버플로우가 발생되며, 전자 및 정공이 우물층 내로 구속되지 않는 경우의 수가 증가한다. 이는 효율의 감소로 연결된다. 따라서, 전류밀도가 상승할수록 내부양자효율은 감소된다.Referring to FIG. 3, a light emitting diode having no band inclination layer has a high internal quantum efficiency (IQE) at an initial stage in which a current is supplied. This is because electrons and holes are confined into the well layer at an appropriate level at a relatively low voltage. However, when the current density increases, electrons and holes overflow due to the supply of high energy, and the number of cases where the electrons and holes are not confined into the well layer increases. This leads to a decrease in efficiency. Therefore, as the current density increases, the internal quantum efficiency decreases.

반면, 밴드 경사층이 구비된 경우, 낮은 전류밀도에서 낮은 내부양자효율을 가진다. 이는 밴드 경사층의 말단부의 밴드갭이 장벽층의 밴드갭보다 낮으며, 이를 터널링하기에는 낮은 에너지가 공급되는데 기인한다. 반면, 전류밀도가 증가할수록 내부양자효율은 증가한다. 이는 높은 에너지로 인해 장벽층을 터널링을 통해 전자 및 정공이 관통하고, 우물층에 구속되기 때문이다.On the other hand, when the band inclination layer is provided, it has a low internal quantum efficiency at a low current density. This is due to the fact that the bandgap at the distal end of the band ramp layer is lower than the bandgap of the barrier layer, and low energy is supplied to tunnel it. On the other hand, as the current density increases, the internal quantum efficiency increases. This is because electrons and holes penetrate through the barrier layer due to high energy and are confined to the well layer.

결국, 전류밀도가 400 A/cm2 이상에서는 밴드 경사층이 구비된 발광 다이오드가 통상의 발광 다이오드보다 높은 내부양자효율을 가지게 된다. 또한, 지속적으로 전류밀도가 증가하더라도 내부양자효율은 지속적으로 증가한다. 이는 전류밀도의 증가에 따라 내부양자효율이 감소되는 기존의 Efficiency Droop현상을 해결하고 있음을 의미한다.As a result, when the current density is 400 A / cm 2 or more, the light emitting diode having the band gradient layer has a higher internal quantum efficiency than the conventional light emitting diode. In addition, even if the current density is continuously increased, the internal quantum efficiency is continuously increased. This means that the existing efficiency droop phenomenon that the internal quantum efficiency decreases with increasing current density is solved.

상술한 본 발명에서는 n 타입의 n 클래드층과 다중양자우물층 사이에 제1 밴드 경사층이 형성되고, p 타입의 p 클래드층과 다중양자우물층 사이에 제2 밴드 경사층이 형성된다. 각각의 밴드 경사층은 다중양자우물층 내의 우물층 이상의 밴드갭을 가지되, 장벽층보다 낮은 밴드갭을 가진다. 따라서, 정방향 바이어스가 인가되더라도 전자 또는 정공은 장벽층을 오버플로우하는 이동보다는 터널링을 통해 우물층에 구속된다. 따라서, 전류밀도가 증가하더라도 내부양자효율은 감소되지 않고, 지속적으로 증가한다. 이를 통해 내부양자효율의 저하는 해결된다.In the present invention described above, a first band inclined layer is formed between the n-type n clad layer and the multi-quantum well layer, and a second band inclined layer is formed between the p-type p clad layer and the multi-quantum well layer. Each band bevel layer has a bandgap above the well layer in the multi-quantum well layer, but lower than the barrier layer. Thus, even if a forward bias is applied, electrons or holes are constrained to the well layer through tunneling rather than moving over the barrier layer. Therefore, even if the current density increases, the internal quantum efficiency does not decrease, but increases continuously. This reduces the internal quantum efficiency.

110 : n 클래드층 120 : 제1 밴드 경사층
130 : 다중양자우물층 140 : 제2 밴드 경사층
150 : p 클래드층
110: n cladding layer 120: first band inclined layer
130: multi-quantum well layer 140: second band inclined layer
150: p cladding layer

Claims (7)

전자를 공급하는 n 클래드층;
상기 n 클래드층 상에 형성되고, 밴드갭이 변화하는 제1 밴드 경사층;
상기 제1 밴드 경사층 상에 형성되고, 발광동작을 수행하는 다중양자우물층;
상기 다중양자우물층 상에 형성되고, 밴드갭이 변화하는 제2 밴드 경사층; 및
상기 제2 밴드 경사층 상에 형성되고, 정공을 공급하는 p 클래드층을 포함하는 발광 다이오드.
An n clad layer for supplying electrons;
A first band inclined layer formed on the n clad layer and having a changed band gap;
A multi-quantum well layer formed on the first band inclined layer and performing a light emitting operation;
A second band inclined layer formed on the multi-quantum well layer and having a band gap changed; And
And a p-cladding layer formed on the second band inclined layer and supplying holes.
제1항에 있어서, 상기 제1 밴드 경사층은 n 타입의 도전형을 가지고, 상기 다중양자우물층과 접하는 부위의 밴드갭은 상기 다중양자우물층의 장벽층의 밴드갭 미만값을 가지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.The method of claim 1, wherein the first band inclination layer has an n-type conductivity type, the band gap of the portion in contact with the multi-quantum well layer has a value less than the band gap of the barrier layer of the multi-quantum well layer. Light emitting diode. 제2항에 있어서, 상기 제1 밴드 경사층은 상기 다중양자우물층과 접하는 부위의 밴드갭이 상기 다중양자우물층의 우물층의 밴드갭 이상의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.3. The light emitting diode of claim 2, wherein the band gap of the portion in contact with the multi quantum well layer has a value equal to or greater than the band gap of the well layer of the multi quantum well layer. 제3항에 있어서, 상기 제1 밴드 경사층의 밴드갭은 상기 다중양자우물층에 근접할수록 감소하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.4. The light emitting diode of claim 3, wherein a band gap of the first band inclined layer decreases closer to the multi-quantum well layer. 제1항에 있어서, 상기 제2 밴드 경사층은 p 타입의 도전형을 가지고, 상기 다중양자우물층과 접하는 부위의 밴드갭은 상기 다중양자우물층의 장벽층의 밴드갭 미만값을 가지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.The method of claim 1, wherein the second band inclined layer has a p-type conductivity type, the band gap of the portion in contact with the multi-quantum well layer has a value less than the band gap of the barrier layer of the multi-quantum well layer. Light emitting diode. 제5항에 있어서, 상기 제2 밴드 경사층은 상기 다중양자우물층과 접하는 부위의 밴드갭이 상기 다중양자우물층의 우물층의 밴드갭 이상의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.The light emitting diode according to claim 5, wherein the band gap of the portion in contact with the multi quantum well layer has a value greater than or equal to the band gap of the well layer of the multi quantum well layer. 제6항에 있어서, 상기 제2 밴드 경사층의 밴드갭은 상기 다중양자우물층에 근접할수록 감소하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.7. The light emitting diode of claim 6, wherein a band gap of the second band sloped layer decreases closer to the multi-quantum well layer.
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