WO2020218798A1 - 반도체 발광 디바이스 - Google Patents

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안도열
고석남
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Definitions

  • the present invention relates to a light emitting device, and more particularly to a semiconductor light emitting device.
  • Semiconductor light emitting devices such as light emitting diodes are environmentally friendly, can be driven with low power, and can be implemented in a small size. Due to these advantages, since semiconductor light emitting devices were developed, these semiconductor light emitting devices have been widely used in various fields.
  • III-V nitride semiconductors such as GaN and AlGaN have been commercialized as display light sources, but for high power and high luminance applications, a solution capable of overcoming a rapid decrease in luminous efficiency at a high injection current density is required.
  • magnesium (Mg) is used as a p-type impurity. After the p-layer is formed, the MOCVD chamber is contaminated with magnesium, and a cleaning operation is performed. As a result, there arises a problem that productivity decreases.
  • group II-V/I-VII semiconductors have higher luminous efficiency compared to nitride semiconductors, are cheaper than sapphire, and can use ZnO substrates that are capable of large-area substrates, but p-doping for device formation is still possible. The situation is not being resolved.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a semiconductor light emitting device capable of minimizing a decrease in luminous efficiency, manufacturing at low cost, and solving p-doping.
  • Such semiconductor light emitting devices include an n-type semiconductor layer, an active layer, and a p-type semiconductor layer.
  • the n-type semiconductor layer includes a group I-VII semiconductor, a group II-VI semiconductor, or a group III-V semiconductor.
  • the active layer is formed on the n-type semiconductor layer and includes a group I-VII semiconductor, a group II-VI semiconductor, or a group III-V semiconductor.
  • the p-type semiconductor layer is formed on the active layer and is formed of an organic material.
  • the p-type semiconductor layer formed of an organic material may include alq3, a-NPD, NPB, CBP, LUMO 1-4eV, HUMO 5-7eV, or a combination thereof.
  • such a semiconductor light emitting device may further include a hole injection enhancement layer formed on the p-type semiconductor layer.
  • the hole injection reinforcement layer may include any one of CuCl CuBr, CuI, and combinations thereof.
  • such a semiconductor light emitting device may further include an organic semiconductor layer including alq3, a-NPD, NPB, CBP, LUMO 1-4eV, HUMO 5-7eV, or a combination thereof on the hole injection enhancement layer.
  • such a semiconductor light emitting device may further include an I-VII group semiconductor including CuCl CuBr, CuI, AgI, or a combination thereof between the active layer and the p-type semiconductor layer formed of an organic material.
  • an I-VII group semiconductor including CuCl CuBr, CuI, AgI, or a combination thereof between the active layer and the p-type semiconductor layer formed of an organic material.
  • the group I-VII semiconductor may include CuCl CuBr, CuI, AgI, or a combination thereof.
  • the II-VI group semiconductor may include CdO, CdS, CdSe, CdTe, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdZnTe, HgCdTe, HgZnTe, or a combination thereof.
  • III-V group semiconductor may include GaN, GaP, GaAs, InP, AlGaN, AlGaP, AlInGaN, InGaAs, GaAsP, or a combination thereof.
  • Such a semiconductor light emitting device may further include an electron barrier layer between the active layer and the p-type semiconductor layer.
  • the energy of the conduction band and the valence band is higher than that of the surroundings at the same time in the arrangement of the bands.
  • the electron barrier layer may be formed such that the spontaneous polarization field and the piezoelectric polarization field have opposite directions in the active layer.
  • the electron barrier layer may be formed of an organic material.
  • the electron barrier layer formed of an organic material may be formed of any one of LUMO 0-2eV, HUMO 5-7eV, TAPC, Bphen, and m-MTDATA.
  • the semiconductor light emitting device is a hybrid light emitting device in which an n-type semiconductor layer and an active layer are composed of an inorganic layer, and a p-type semiconductor layer is an organic layer. can do.
  • luminous efficiency can be further increased by further forming a hole injection enhancement layer on the p-type semiconductor layer made of an organic material.
  • the electron barrier layer has a material composition configured such that the spontaneous polarization field and the piezoelectric polarization field have opposite directions in the active layer, the internal quantum efficiency can be further improved.
  • FIG. 1 is an exemplary cross-sectional view of a semiconductor light emitting device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exemplary cross-sectional view of a semiconductor light emitting device according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is an exemplary cross-sectional view of a semiconductor light emitting device according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an energy band diagram of the semiconductor light emitting device shown in FIG. 2 in which alq3 is adopted as a p-type semiconductor layer.
  • FIG. 5 is a photograph showing an actual state of the semiconductor light emitting device of FIG. 4 and emitting light.
  • FIG. 6 is an energy band diagram of the semiconductor light emitting device shown in FIG. 2 by adopting a-NPD as a p-type semiconductor layer.
  • FIG. 7 is a photograph showing an actual state of the semiconductor light emitting device of FIG. 6 and emitting light.
  • FIG. 8 is a graph showing luminescence photographs and IV curves of a semiconductor light emitting device in the case where a hole injection enhancement layer is directly formed on an active layer and there is no p-type semiconductor layer containing an organic material in the semiconductor light emitting device of FIG. 2 .
  • FIG. 9 is a graph showing an emission photograph and an IV curve of the semiconductor light emitting device when a p-type semiconductor layer including an organic material is further formed on the hole injection enhancement layer in the semiconductor light emitting device of FIG. 8.
  • first and second may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another component. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component may be referred to as a second component, and similarly, a second component may be referred to as a first component.
  • the meaning of “formed on” and “formed on” a film (or layer) means that, in addition to being directly formed to be in contact, another film or other layer may be formed therebetween, a film or
  • the meaning of "directly formed” on a layer means that no other layers are interposed therebetween.
  • FIG. 1 is an exemplary cross-sectional view of a semiconductor light emitting device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • such a semiconductor light emitting device 100 includes an n-type semiconductor layer 110, an active layer 120, and a p-type semiconductor layer 130.
  • the n-type semiconductor layer 110 is formed on the substrate 140.
  • the n-type semiconductor layer 100 includes a group I-VII semiconductor, a group II-VI semiconductor, or a group III-V semiconductor.
  • the I-VII group semiconductor may include CuCl CuBr, CuI, AgI, or a combination thereof
  • the II-VI group semiconductor is CdO, CdS, CdSe, CdTe, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdZnTe, HgCdTe, HgZnTe, or a combination thereof
  • the III-V group semiconductor may include GaN, GaP, GaAs, InP, AlGaN, AlGaP, AlInGaN, InGaAs, GaAsP, or a combination thereof.
  • the n-type semiconductor layer 100 may be formed on a silicon (Si) substrate 140.
  • a relatively inexpensive silicon (Si) substrate may be used, which, although the lattice constant of silicon, has a different crystal structure, is close to that of a group I-VII semiconductor.
  • Si is known to have a diamond structure
  • CuCl has a diamond structure.
  • the (111) side of the silicon (Si) substrate 140 may be used to manufacture the light emitting device 5 since it may be suitable for a crystal structure of CuCl, which may be stacked on the substrate 140. have. That is, the CuBr/CuBrCl I-VII group semiconductor has the advantage of being able to grow on an inexpensive large area substrate because its lattice constant is similar to that of the (111) plane of silicon.
  • the n-type semiconductor layer 100 may be formed on the C-sapphire substrate 140 or the inexpensive ZnO substrate 140. have.
  • the n-type semiconductor layer 100 when the n-type semiconductor layer 100 includes a III-V group semiconductor, the n-type semiconductor layer 100 may be formed on a sapphire or SiC substrate.
  • the active layer 120 is formed on the n-type semiconductor layer 110 and includes a group I-VII semiconductor, a group II-VI semiconductor, or a group III-V semiconductor.
  • the active layer 120 is preferably formed in the same series as the n-type semiconductor layer 110. That is, when the n-type semiconductor layer 110 includes an I-VII group semiconductor, the active layer 120 also includes an I-VII group semiconductor.
  • the active layer 120 is formed of a semiconductor of the same series as the n-type semiconductor layer 110.
  • the active layer 120 including the I-VII semiconductor may have a relatively large exciton binding energy, for example, at least two times greater exciton binding energy than the III-V group semiconductor. This can improve quantum efficiency.
  • I-VII compound semiconductors with large exciton binding energy may be suitable for a strong optical transition, which is desirable in light emitting devices that emit light in the blue region of the visible spectrum, for example.
  • the exciton binding energy is a measure of the interaction of holes and electrons, with opposite charges, and may be used to predict the strength of the hole-electron recombination process.
  • CuBr is known to have an exciton binding energy of about 108 meV, which is higher than that of ZnO.
  • I-VII compound semiconductor based light emitting devices may be expected to have a greater optical gain than conventional wide bandgap semiconductors such as III-V group semiconductor or ZnO based light emitting devices.
  • these wide bandgap semiconductors including I-VII semiconductors may exhibit characteristics such as piezoelectric polarization or spontaneous (voluntary) polarization.
  • Piezoelectric polarization and spontaneous polarization may be generated by differences in lattice constants and polarization characteristics between semiconductor thin films forming a light emitting device. That is, the light emitting layers may have a large internal field due to strain-induced piezoelectric effects generated from interfacial stress between different kinds of layers.
  • spontaneous polarization may be caused, for example, by the ionicity of the light emitting layer itself.
  • the large internal fields affect the photoelectric properties of the I-VII semiconductor, resulting in large spatial separation between electrons and holes, thereby preventing efficient radiative recombination of holes and electrons, thereby generating desired light.
  • the induced piezoelectric effect may reduce optical gain in the absence of an internal polarization field reduction scheme.
  • a quaternary material between the n-type semiconductor layer 110 and the active layer 120 e.g. CuIBrCl type copper blend I- VII compound semiconductor or ternary material, e.g. CuICl type copper blend I- VII to form a barrier layer (not shown) composed of compound semiconductor You may.
  • the active layer 120 may have a multi-quantum well (MQW) structure in which quantum well layers and quantum barrier layers are alternately stacked.
  • MQW multi-quantum well
  • the n-type semiconductor layer 100 and the active layer 120 are MBE (molecular beam epitaxy), MOCVD (metal organic chemical vapor deposition), HVPE (hydride vapor phase epitaxy), ALE (atomic layer epitaxy), and/or other similar methods.
  • MBE molecular beam epitaxy
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • HVPE hydrogen vapor phase epitaxy
  • ALE atomic layer epitaxy
  • the p-type semiconductor layer 130 is formed on the active layer 120 and is formed of an organic material.
  • the p-type semiconductor layer 130 formed of an organic material may include alq3, a-NPD, NPB, CBP, LUMO 1-4eV, HUMO 5-7eV, or a combination thereof.
  • the p-type semiconductor layer 130 made of an organic material may be formed through deposition or spin coating.
  • Table 1 shows the values of the band structures of alq3 and a-NPD.
  • alq3 and a-NPD are in contact with the n-type semiconductor layer 110 and the active layer 120 made of an inorganic material, and can operate as the p-type semiconductor layer 130.
  • Experimental results In addition to, alq3, a-NPD, it was confirmed that NPB, CBP, LUMO 1-4eV, and HUMO 5-7eV can operate as the p-type semiconductor layer 130.
  • a transparent electrode layer 150 may be formed on the p-type semiconductor layer 130.
  • the transparent electrode layer 150 may be made of any one of Ni/Au, ITO, CTO, TiWN, IN2O3, SnO2, CdO, ZnO, CuGaO2, and SrCu2O2, for example.
  • a p-type electrode 160 may be formed on the transparent electrode layer 150.
  • the p-type electrode 160 may be formed of aluminum, gold, platinum, silver, other metals, and combinations thereof.
  • the current flowing from the p-type electrode 160 is distributed along the transparent electrode layer 150 to supply current to the entire area of the p-type semiconductor layer 130 to increase the light emitting area.
  • the n-type electrode 170 may be formed of aluminum, gold, platinum, silver, other metals, and combinations thereof.
  • FIG. 2 is an exemplary cross-sectional view of a semiconductor light emitting device according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • the semiconductor light emitting device shown in FIG. 2 is substantially the same except that the semiconductor light emitting device shown in FIG. 1 further includes a hole injection enhancement layer. Accordingly, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals, and duplicate descriptions are omitted.
  • the semiconductor light emitting device 100 according to another exemplary embodiment of the present invention further includes a hole injection enhancement layer 180 formed on the p-type semiconductor layer 130.
  • the hole injection reinforcement layer 180 may include any one of CuCl CuBr, CuI, and combinations thereof.
  • group I-VII semiconductors such as CuCl CuBr and CuI
  • the process is easy because it becomes a p-type semiconductor with only crystal growth, and the process is possible at a relatively low temperature with a growth temperature of 400°C to 600°C.
  • the band gap energy is larger than that of the group III-V semiconductor and the group II-VI semiconductor, there is an advantage of high light efficiency.
  • the order of the p-type semiconductor layer 130 and the hole injection enhancement layer 180 may be changed.
  • the hole injection enhancement layer 180 itself becomes a p-type semiconductor, but on top of the hole injection enhancement layer 180, alq3, a-NPD, NPB, CBP, LUMO 1-4eV, HUMO 5-7eV, or a combination thereof
  • the p-type semiconductor layer including a is further formed, as shown in FIGS. 8 and 9 below, it was confirmed that the luminous efficiency is improved.
  • FIG. 8 is a graph showing luminescence photographs and IV curves of a semiconductor light emitting device in the case where a hole injection enhancement layer is immediately formed on the active layer and there is no p-type semiconductor layer containing an organic material in the semiconductor light emitting device of FIG. 2 9 is a graph showing an emission photograph and an IV curve of the semiconductor light emitting device when a p-type semiconductor layer including an organic material is further formed on the hole injection enhancement layer in the semiconductor light emitting device of FIG. 8.
  • the luminous efficiency is improved as shown in FIGS. 8 and 9 below.
  • p-type semiconductor layer including I-VII and alq3, a-NPD, NPB, CBP, LUMO 1-4eV, HUMO 5-7eV, or a combination thereof may be alternately stacked.
  • FIG. 4 is an energy band diagram of the semiconductor light emitting device shown in FIG. 2 by adopting alq3 as a p-type semiconductor layer
  • FIG. 5 is an actual state of the semiconductor light emitting device of FIG. 4 and a photograph showing a state of emitting light.
  • FIG. 5 it can be seen that light emission at 2.30V and 20mA is shown, and alq3, which is an organic material, is bonded to an inorganic material, thereby performing the function of a p-type semiconductor.
  • FIG. 6 is an energy band diagram of the semiconductor light emitting device shown in FIG. 2 by adopting a-NPD as a p-type semiconductor layer
  • FIG. 7 is an actual state of the semiconductor light emitting device of FIG. 6 and a photograph showing a state of emitting light to be.
  • FIG. 7 it can be seen that light emission at 2.30V and 20mA is shown in which a-NPD, an organic material, is bonded to an inorganic material and performs the function of a p-type semiconductor.
  • FIG. 3 is an exemplary cross-sectional view of a semiconductor light emitting device according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • the semiconductor light emitting device shown in FIG. 3 is substantially the same except that the semiconductor light emitting device shown in FIG. 1 further includes an electron barrier layer. Accordingly, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals, and duplicate descriptions are omitted.
  • a semiconductor light emitting device may further include an electron barrier layer 190 between the active layer and the p-type semiconductor layer.
  • the energy of the conduction band and the valence band is higher than that of the surroundings at the same time in the arrangement of the band. Therefore, while preventing electrons from flowing into the p-type semiconductor layer, it is possible to increase the inflow of holes into the active layer.
  • the electron barrier layer 190 may be formed so that the spontaneous polarization field and the piezoelectric polarization field have opposite directions in the active layer.
  • the electrical and optical properties of the active layer 120 may be substantially reduced or improved by having a substantially zero inner field, for example. That is, the semiconductor light emitting device 100 may have a large optical gain as a result of the strengthening of the optical matrix element due to the reduction or elimination of the internal field.
  • the electron barrier layer 190 may be formed of an organic material.
  • the electron barrier layer 190 formed of an organic material may be formed of any one of LUMO 0-2eV, HUMO 5-7eV, TAPC, Bphen, and m-MTDATA.
  • the LUMO of the electron barrier layer 190 should be a lower band than the LUMO of the p-type semiconductor layer.
  • the electronic barrier layer 190 is additionally included in the semiconductor light emitting device illustrated in FIG. 1 .
  • an additional electronic barrier layer 190 is further included. It is obvious to those skilled in the art that it may include.
  • the semiconductor light emitting device is a hybrid light emitting device in which the n-type semiconductor layer and the active layer are composed of an inorganic layer, and the p-type semiconductor layer is an organic layer.
  • the device can be manufactured.

Abstract

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

Description

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

Claims (14)

  1. I-VII족 반도체, II-VI족 반도체 또는 III-V족 반도체로 구성되는 n-타입 반도체층;
    상기 n-타입 반도체층 상부에 형성되고, I-VII족 반도체, II-VI족 반도체 또는 III-V족 반도체로 구성되는 활성층; 및
    상기 활성층 상부에 형성되고, 유기물질로 형성되는 p-타입 반도체층을 포함하는 반도체 발광 디바이스.
  2. 제1 항에 있어서, 유기물질로 형성되는 상기 p-타입 반도체층은 alq3, a-NPD, NPB, CBP, LUMO 1-4eV, HUMO 5-7eV 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 디바이스.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 p-타입 반도체층 상부에 형성된 정공주입 강화층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 디바이스.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 정공주입 강화층은 CuCl CuBr, CuI 및 이들의 조합중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 디바이스.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 정공주입 강화층 상부에 alq3, a-NPD, NPB, CBP, LUMO 1-4eV, HUMO 5-7eV 또는 이들의 조합을 포함하는 유기물 반도체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 디바이스.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중, 어느 한 항에 있어서,
    상기 활성층 및 유기물질로 형성되는 상기 p-타입 반도체층 사이에, CuCl CuBr, CuI, AgI 또는 이들의 조합을 포함하는 I-VII족 반도체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 디바이스.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 I-VII족 반도체는 CuCl CuBr, CuI, AgI 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 디바이스.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 II-VI족 반도체는 CdO, CdS, CdSe, CdTe, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, CdZnTe, HgCdTe, HgZnTe 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 디바이스.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 III-V족 반도체는 GaN, GaP, GaAs, InP, AlGaN, AlGaP, AlInGaN, InGaAs, GaAsP 또는 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 디바이스.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 활성층과 상기 p-타입 반도체층 사이에 전자 장벽층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 디바이스.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 전자 장벽층은, 밴드의 배치가 전도대 및 가전자대의 에너지가 동시에 주변에 비해 높은 것을 특징으로 하는 반도체 발광 디바이스.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 전자 장벽층은 상기 활성층에서 자발분극필드 및 압전분극필드가 반대방향을 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 디바이스.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 전자 장벽층은 유기물로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 디바이스.
  14. 제13 항에 있어서,
    유기물로 형성된 상기 전자 장벽층은 LUMO 0-2eV, HUMO 5-7eV, TAPC, Bphen, m-MTDATA 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 디바이스.
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