KR100915502B1 - Light-Emitting Diode using Surface Plasmon - Google Patents
Light-Emitting Diode using Surface PlasmonInfo
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Abstract
발광 다이오드가 개시된다. 발광 다이오드는 활성층과 n형 질화갈륨 박막 또는 활성층과 n형 AlGaN 클래딩층 사이에 은, 알루미늄 또는 금 등의 금속층으로 이루어진 표면 플라즈몬층을 구비한다. 표면 플라즈몬층을 가지는 발광 다이오드는 금속의 표면 플라즈몬층과 활성층의 사이의 공명 현상에 의해 발광 다이오드의 내부 양자 효율이 크게 개선된다.A light emitting diode is disclosed. The light emitting diode includes a surface plasmon layer made of a metal layer such as silver, aluminum or gold between the active layer and the n-type gallium nitride thin film or the active layer and the n-type AlGaN cladding layer. In the light emitting diode having the surface plasmon layer, the internal quantum efficiency of the light emitting diode is greatly improved by the resonance phenomenon between the surface plasmon layer of the metal and the active layer.
Description
본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 표면 플라즈몬 형상을 이용하는 발광 다이오드에 관한 것이다.The present invention relates to a light emitting diode, and more particularly to a light emitting diode using a surface plasmon shape.
최근, 질화물 반도체를 이용한 조명용 고휘도 백색 발광소자에 많은 관심이 모아지고 있으며 그 경제적 가치 또한 크다.Recently, a great deal of attention has been focused on a high brightness white light emitting device using a nitride semiconductor and its economic value is also great.
고휘도 백색 발광소자를 구현하는 방법은 크게 3가지로 나누어진다. 첫째로 빛의 삼원색인 적색, 녹색, 청색을 발광하는 3개의 발광소자들을 조합하여 백색을 구현하는 방법이다. 둘째는 청색 발광소자를 광원으로 사용하여 황색 형광체를 여기시킴으로써 백색을 구현하는 방법이 있으며, 마지막으로 자외선 발광 다이오드를 광원으로 이용하여 삼원색 형광체를 여기시켜서 백색을 만드는 방법이 있다. 상술한 백색 발광소자에서 녹색, 청색 및 자외선 발광소자의 효율을 높이는 것이 가장 중요한 문제로 인식되고 있다.There are three ways to implement a high brightness white light emitting device. First, a method of implementing white by combining three light emitting devices emitting three primary colors of light such as red, green, and blue. Second, there is a method of realizing white by exciting a yellow phosphor by using a blue light emitting device as a light source, and finally, a method of making white by exciting three primary color phosphors by using an ultraviolet light emitting diode as a light source. In the above-mentioned white light emitting device, increasing the efficiency of the green, blue and ultraviolet light emitting device is recognized as the most important problem.
도 1은 종래의 질화물 반도체 발광 다이오드를 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a conventional nitride semiconductor light emitting diode.
도 1을 참조하면, 종래의 질화물 반도체 발광 다이오드는 기판(100) 상에 버퍼층(200), 도핑되지 않은 중간층(300), GaN로 형성된 n형 접촉층(400), AlGaN로 형성된 n형 클래드층(500), 활성층(600), AlGaN로 형성된 p형 클래드층(700) 및 GaN로 형성된 p형 접촉층(800)으로 구성된다. 활성층(600)은 Ga1 -x-yInxAlyN (0≤x,y≤1, x+y<1)의 장벽층(610, 690)과 Ga1 -x- yInxAlyN (0≤x,y≤1, x+y<1)의 우물층(650)으로 구성된다. 또한, n형 클래드층(500)과 p형 클래드층(700)은 GaN 과 AlxGa1 - xN (0≤x≤1)으로 구성된 초격자층을 이용하기도 한다.Referring to FIG. 1, a conventional nitride semiconductor light emitting diode includes a buffer layer 200, an undoped intermediate layer 300, an n-type contact layer 400 formed of GaN, and an n-type cladding layer formed of AlGaN. 500, an active layer 600, a p-type cladding layer 700 formed of AlGaN, and a p-type contact layer 800 formed of GaN. The active layer 600 is Ga 1 -xy In x Al y N (0≤x, y≤1, x + y <1) barrier layer (610, 690) and a Ga 1 -x- y In x Al y N of ( And a well layer 650 having 0 ≦ x, y ≦ 1 and x + y <1. In addition, the n-type cladding layer 500 and the p-type cladding layer 700 may use a superlattice layer composed of GaN and Al x Ga 1 - x N (0 ≦ x ≦ 1).
상술한 발광 다이오드 구조에서 기판(100)으로는 GaN, SiC, GaAs, Si 또는 ZnO 등을 사용할 수 있고, 일반적으로는 사파이어가 사용된다. 이는 사파이어 기판 상에 성장한 GaN 박막의 결정성이 양호하고 경제적이기 때문이다.In the light emitting diode structure described above, GaN, SiC, GaAs, Si, or ZnO may be used as the substrate 100, and sapphire is generally used. This is because the crystallinity of the GaN thin film grown on the sapphire substrate is good and economical.
또한, 녹색, 청색 및 자외선 발광소자를 위한 다중 양자 우물 구조에서 우물층(650)으로는 질화인듐갈륨층, 장벽층(610, 690)으로는 질화갈륨이 이용된다. 이는 질화인듐갈륨의 밴드갭이 인듐의 도핑량에 의해 0.7eV(적외선 영역)에서 가시광선 영역을 포함하고 3.4eV(자외선 영역)까지 변화할 수 있기 때문이다.In addition, in a multi-quantum well structure for green, blue and ultraviolet light emitting devices, an indium gallium nitride layer is used as the well layer 650 and gallium nitride is used as the barrier layers 610 and 690. This is because the bandgap of indium gallium nitride can vary from 0.7 eV (infrared region) to visible light region and 3.4 eV (ultraviolet region) by the amount of indium doping.
종래의 질화갈륨을 이용한 녹색, 청색 및 자외선 발광소자의 연구는 주로 다중 양자 우물 구조의 성장 조건 및 장벽층(610, 690)과 우물층(650)의 결정성 향상을 통한 발광 특성의 향상에 초점을 맞추고 있다.The study of green, blue, and ultraviolet light emitting devices using gallium nitride is mainly focused on the improvement of light emission characteristics through the growth conditions of the multi-quantum well structure and the crystallinity of the barrier layers 610, 690 and the well layer 650. Is fitting.
K. Uchida 외 5명은 장벽층에 Si을 균일하게 도핑하여 장벽층의 결정성을 증가시켜 다중양자 우물구조의 발광 특성을 향상하였다.(Appl. Phys. Lett. 74, 1153 (1999))K. Uchida et al. 5 uniformly doped Si to the barrier layer to increase the crystallinity of the barrier layer to improve the luminescence properties of multi-quantum well structures (Appl. Phys. Lett. 74, 1153 (1999)).
D. J. Kim 외 3명은 질화인듐갈륨을 활성층으로 하고 질화갈륨을 장벽층으로하는 다중양자 우물구조에서 장벽층의 두께에 따른 발광 특성을 연구하였다.(Jpn, J. Appl. Phys. 40, 3085 (2001))DJ Kim and three others studied the luminescence properties according to the thickness of the barrier layer in a multi-quantum well structure with indium gallium nitride as the active layer and gallium nitride as the barrier layer (Jpn, J. Appl. Phys. 40, 3085 (2001). ))
F. Huet 외 4명은 인듐질화갈륨을 활성층으로 하고 질화갈륨을 장벽층으로 하는 다중양자 우물구조에서 주기수에 따른 발광 특성 변화를 연구하였다.(phys. stat. sol. (a) 176, 103 (1999))F. Huet et al. (4) studied the change of luminescence properties according to the number of cycles in a multi-quantum well structure with indium gallium nitride and gallium nitride as a barrier layer (phys.stat.sol. (A) 176, 103 ( 1999))
S. N. Lee 외 7명은 질화인듐갈륨을 활성층으로 하고 질화갈륨을 장벽층으로하는 다중양자 우물구조에서 질화갈륨인듐의 활성층의 성장속도를 조절하여 발광 특성 변화를 연구하였다.(J. Crystal. Growth. 250, 256 (2003)) SN Lee and seven others studied the changes in luminescence properties by controlling the growth rate of the active layer of indium nitride in a multi-quantum well structure having indium gallium nitride as an active layer and gallium nitride as a barrier layer. (J. Crystal.Grow. 250 , 256 (2003))
그러나 상기의 연구에는 주로 다중양자 우물구조의 성장 조건 및 장벽층과 우물층의 결정성 향상을 통한 발광 특성 향상에 초점을 맞추고 있다. However, the above studies focus mainly on the growth conditions of the multi-quantum well structure and the improvement of luminescence properties through the improvement of crystallinity of the barrier layer and the well layer.
따라서 기존 연구들은 단순히 다중양자 우물구조의 성장 조건 및 장벽층과 우물층의 결정성의 최적화를 통해 재료 내에 적층 결함등 비발광 영역으로 존재할 수 있는 결함을 최소한으로 줄임으로써 발광 특성의 향상을 기하고 있다. Therefore, existing studies are trying to improve the luminescence properties by minimizing defects that may exist in the non-emitting region such as stacking defects in the material by simply optimizing the growth conditions of the multi-quantum well structure and the crystallinity of the barrier layer and the well layer. .
그러나 이러한 연구들은 장벽층과 우물층 사이에 밴드갭 내에 구속된 운반자에 의한 발광효과를 얻기 때문에 발광소자의 내부양자효율을 높이는 데는 한계가 있다. 따라서 기존의 구속된 운반자에 의한 발광효과 이외의 잉여 발광을 얻기 위해서는 표면 플라즈몬등의 현상을 이용하는 것이 절실하다. However, these studies have a limitation in increasing the internal quantum efficiency of the light emitting device because the light emitting effect is obtained by the carrier constrained in the band gap between the barrier layer and the well layer. Therefore, in order to obtain surplus light emission other than the light emitting effect by the conventional constrained carrier, it is urgent to use a phenomenon such as surface plasmon.
표면 플라즈몬은 금속과 유전체의 경계 면을 따라 진행하는 전자기파의 일종이며, 파수벡터(wave vector)의 크기는 유전체 내부에서 진행하는 광자의 파수벡터보다 크다. 그래서 유전체 내부로 전파 할 수 없고 금속의 표면에만 존재하게 된다. Surface plasmons are a kind of electromagnetic waves traveling along the interface between metal and dielectric, and the magnitude of the wave vector is larger than the wave vector of photons traveling inside the dielectric. Thus, they cannot propagate inside the dielectric and only exist on the surface of the metal.
활성층과 금속의 표면 플라즈몬이 50 nm 이내에 가까운 위치에 존재하게 되면 금속층의 표면 플라즈몬과 활성층의 양자 간의 공명을 일으켜서 활성층의 내부양자 효율이 크게 향상된다. (Koichi Okamoto et al, nature materials, 3, 601 (2004))When the surface plasmon of the active layer and the metal is present at a position near 50 nm, resonance between both the surface plasmon of the metal layer and the active layer causes a significant improvement in the internal quantum efficiency of the active layer. (Koichi Okamoto et al, nature materials, 3, 601 (2004))
표면 플라즈몬을 이용한 질화갈륨 반도체의 광효율 향상에 대한 연구는 상당히 진행되었지만 발광소자로의 응용은 전무하였다. 이것은 종래의 연구들이 활성층 상의 p형 질화 갈륨층 위쪽에 금속층을 증착함으로써 p형 질화 갈륨층의 두께를 감소시켜야 된다는 제약을 가지고 있기 때문이다. p형 질화 갈륨층의 두께가 50 nm 이하로 감소시 p형 질화 갈륨층의 전기적 특성이 감소되기 때문에 소자로의 구현이 불가능하기 때문이다.Although the research on the improvement of the light efficiency of gallium nitride semiconductor using the surface plasmon has progressed considerably, there is no application to the light emitting device. This is because conventional studies have a constraint that the thickness of the p-type gallium nitride layer should be reduced by depositing a metal layer over the p-type gallium nitride layer on the active layer. This is because the electrical properties of the p-type gallium nitride layer are reduced when the thickness of the p-type gallium nitride layer is reduced to 50 nm or less, thereby making it impossible to implement the device.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 금속층인 표면 플라즈몬층을 활성층의 하부에 p형 질화 갈륨층의 전기적인 특성의 저하 없이 고효율의 발광소자를 제공하는데 있다. 또한 금속층을 활성층 상부에 형성시키고 p형 질화갈륨층을 성장시키는 구조를 가짐으로서 또한 전기적 특성 저하 없는 고효율의 발광소자를 제공하는데 있다.An object of the present invention for solving the above problems is to provide a high-efficiency light emitting device of the surface plasmon layer, which is a metal layer, without deteriorating the electrical properties of the p-type gallium nitride layer under the active layer. In addition, the metal layer is formed on the active layer and the p-type gallium nitride layer has a structure to provide a high-efficiency light emitting device without deterioration of electrical characteristics.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기판; 상기 기판 상에 형성된 n형의 AlxGayInZN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루이진 하부 접촉층; 상기 n형의 하부 접촉층 상에 형성되고 AlxGayInZN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어진 장벽층 및 AlxGayInZN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어진 우물층으로 구성되고, 단일 또는 다중양자 우물구조를 가진 활성층; 상기 활성층 상에 구비된 p형의 AlxGayInZN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어진 상부 접촉층; 및 상기 활성층의 상부 또는 하부에 구비되는 금속층을 구비하고, 상기 금속층의 표면 플라즈몬은 상기 활성층의 우물층과 공명을 일으키는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 다이오드를 제공한다.The present invention for achieving the above object, a substrate; A lower contact layer formed of n-type Al x Ga y In Z N (0 ≦ x, y, z ≦ 1) formed on the substrate; A barrier layer formed on the n-type lower contact layer and composed of Al x Ga y In Z N (0 ≦ x, y, z ≦ 1) and Al x Ga y In Z N (0 ≦ x, y, z ≦ An active layer consisting of a well layer consisting of 1) and having a single or multi-quantum well structure; An upper contact layer formed of p-type Al x Ga y In Z N (0 ≦ x, y, z ≦ 1) provided on the active layer; And a metal layer provided above or below the active layer, wherein the surface plasmon of the metal layer causes resonance with the well layer of the active layer.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
실시예Example
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드를 도시한 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing a light emitting diode according to a preferred embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드는 기판(100), 버퍼층(200), 도핑되지 않은 질화갈륨층(300), n형 하부접촉층(400), Al-질화갈륨으로 구성된 n형 클래드층(500), 활성층(600), Al-질화갈륨으로 구성된 p형 클래드층(700), p형 상부접촉층(800), n형 전극(910) 및 p형 전극(920)을 가진다.Referring to FIG. 2, a light emitting diode according to a preferred embodiment of the present invention includes a substrate 100, a buffer layer 200, an undoped gallium nitride layer 300, an n-type lower contact layer 400, and an Al-gallium nitride. N-type cladding layer 500, active layer 600, p-type cladding layer 700 composed of Al-gallium nitride, p-type upper contact layer 800, n-type electrode 910 and p-type electrode 920 )
상기 버퍼층(200), 도핑되지 않은 질화갈륨층(300), n형 클래드층(500) 또는 p형 클래드층(700)은 생략될 수 있다. n형 클래드층(500) 및 p형 클래드층(700)은 질화갈륨과 AlxGa1 - xN(0≤x≤1)으로 이루어진 초격자층으로 형성할 수도 있다. 또한, 버퍼층(200)은 질화갈륨을 가진다. 상기 버퍼층(200)은 도핑되지 않은 질화갈륨층이 에피택셜 성장할 수 있는 씨드로서의 역할을 수행한다.The buffer layer 200, the undoped gallium nitride layer 300, the n-type cladding layer 500, or the p-type cladding layer 700 may be omitted. The n-type cladding layer 500 and the p-type cladding layer 700 may be formed of a superlattice layer made of gallium nitride and Al x Ga 1 - x N (0 ≦ x ≦ 1). In addition, the buffer layer 200 has gallium nitride. The buffer layer 200 serves as a seed through which the undoped gallium nitride layer may epitaxially grow.
기판(100)으로는 질화갈륨, SiC, GaAs, Si 또는 ZnO 등을 사용할 수 있고, 현재 일반적으로 사파이어가 주로 사용되고 있다. 이러한 이유는 사파이어 위에 성장한 질화갈륨 박막의 결정성이 양호하고 경제적이기 때문이다.As the substrate 100, gallium nitride, SiC, GaAs, Si, or ZnO may be used. Currently, sapphire is generally used. This is because the crystallinity of the gallium nitride thin film grown on sapphire is good and economical.
버퍼층(200) 및 도핑되지 않은 질화갈륨층(300)은 Ga1 -x-yInxAlyN(0≤x,y≤1, x+y<1)로 이루어지며 기판(100) 상에 순차적으로 형성된다. 하부 접촉층(400)은 n형 AlxGayInZN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)으로 이루어지며 도핑되지 않은 질화갈륨층(300) 상에 형성되고, 활성층(600)은 AlxGayInZN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어지는 장벽층 (610, 690) 과 AlxGayInZN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어지는 우물층(650)의 단일 또는 다중양자 우물구조로 이루어지며 하부 접촉층(400)의 소정영역 상에 형성된다. n형 클래드층(500)을 가지는 경우에는 n형 클래드층(500)이 하부 접촉층(400) 상의 소정영역 상에 형성되고, n형 클래드층(500) 상에 활성층(600)이 형성된다.The buffer layer 200 and the undoped gallium nitride layer 300 are made of Ga 1 -xy In x Al y N (0 ≦ x, y ≦ 1, x + y <1) and sequentially on the substrate 100. Is formed. The lower contact layer 400 is made of n-type Al x Ga y In Z N (0 ≤ x, y, z ≤ 1) and is formed on the undoped gallium nitride layer 300, and the active layer 600 is formed of Al a well layer made of a x Ga y in Z N (0 ≤ x, y, z ≤ 1) barrier layers (610, 690) and the Al x Ga y in Z N (0 ≤ x, y, z ≤ 1) formed of ( A single or multi-quantum well structure of 650 is formed on a predetermined region of the lower contact layer 400. When the n-type cladding layer 500 is provided, the n-type cladding layer 500 is formed on a predetermined region on the lower contact layer 400, and the active layer 600 is formed on the n-type cladding layer 500.
상부 접촉층(800)은 p형 AlxGayInZN(0 ≤ x, y, z ≤ 1)로 이루어지며 활성층(600) 상에 형성된다. p형 클래드층(700)을 가지는 경우에는 p형 클래드층(700)이 활성층(600) 상의 소정영역 상에 형성되고, 그 p형 클래드층(700) 상에 상부 접촉층(800)이 형성된다. n형 전극(910)은 하부 접촉층(400)에 있어서 활성층(600) 또는 n형 클래드층(500)과 활성층(600)이 형성되지 않아 노출된 영역에 형성되고, p형 전극(920)은 상부 접촉층(800) 상에 형성된다. 또한, AlGaN으로된 n형 클래드층 (500)과 p형 클래드층(700)은 생략될 수 있다.The upper contact layer 800 is formed of p-type Al x Ga y In Z N (0 ≦ x, y, z ≦ 1) and is formed on the active layer 600. When the p-type cladding layer 700 is provided, the p-type cladding layer 700 is formed on a predetermined region on the active layer 600, and the upper contact layer 800 is formed on the p-type cladding layer 700. . The n-type electrode 910 is formed in the exposed region because the active layer 600 or the n-type cladding layer 500 and the active layer 600 are not formed in the lower contact layer 400, and the p-type electrode 920 is It is formed on the upper contact layer 800. In addition, the n-type cladding layer 500 and the p-type cladding layer 700 made of AlGaN may be omitted.
이 때, 본 발명에 따른 발광 소자의 종래 발광 소자 구조와 다른 점이 상기 도 2에 나타난다. 즉, n형 클래드층(500) 상에 금속층(550)이 증착되고 그 위에 활성층(600)이 증착된 형태를 갖는다. 금속층(550)을 이루는 금속으로는 은, 알루미늄, 금 또는 구리가 이용될 수 있다. n형 클래드층(500)이 개재되지 않는 경우에는 금속층(550)이 하부 접촉층(400) 상의 소정영역 상에 형성된다. 금속층(550)은 금속 패턴을 가질 수도 있고 박막의 형태를 가질 수 도 있다. 금속 주변은 질화 갈륨 층이나 다른 무기물 또는 유기물로 채워질 수도 있다. 금속층(550)의 두께는 0.1nm ~ 500nm 임이 바람직하다.At this time, the difference from the conventional light emitting device structure of the light emitting device according to the present invention is shown in FIG. That is, the metal layer 550 is deposited on the n-type cladding layer 500 and the active layer 600 is deposited thereon. Silver, aluminum, gold, or copper may be used as the metal forming the metal layer 550. When the n-type cladding layer 500 is not interposed, the metal layer 550 is formed on a predetermined region on the lower contact layer 400. The metal layer 550 may have a metal pattern or may have a thin film form. The perimeter of the metal may be filled with a gallium nitride layer or other inorganic or organic material. The thickness of the metal layer 550 is preferably 0.1 nm to 500 nm.
금속층(550)의 위치는 활성층(600)을 기준으로 n형 클래드층(500) 과 활성층 (600) 사이가 될 수도 있고 p형 클래드층(700) 과 활성층(600) 사이가 될 수 있다. 또한 n형 클래드층(500)과 활성층(600) 사이와 p형 클래드층(700)과 활성층(600) 사이에 모두 삽입될 수 있다.The position of the metal layer 550 may be between the n-type cladding layer 500 and the active layer 600 with respect to the active layer 600, and may be between the p-type cladding layer 700 and the active layer 600. In addition, both the n-type cladding layer 500 and the active layer 600 may be inserted between the p-type cladding layer 700 and the active layer 600.
또한, n형 클래드층(500) 및 p형 클래드층(700)이 개재되지 아니하는 경우, 상기 금속층(550)은 활성층(600)과 하부 접촉층(400) 또는 활성층(600)과 상부 접촉층(800) 사이에 개재될 수 있다.In addition, when the n-type cladding layer 500 and the p-type cladding layer 700 are not interposed, the metal layer 550 may have the active layer 600 and the lower contact layer 400 or the active layer 600 and the upper contact layer. Interposed between 800.
금속층(550)의 증착 방법은 Electron beam evaporator 장비나 스퍼터, Plasma laser deposition 을 통하여 형성 될 수 있다.The deposition method of the metal layer 550 may be formed through electron beam evaporator equipment, sputtering, or plasma laser deposition.
도 3은 하부 접촉층 상에 Electron beam evaporator에 의해 증착된 은의 표면 Atomic force microscope 사진을 보여준다. 은으로 이루어진 금속층의 형태는 그림처럼 너비가 80-150 nm 이고 크기가 5-15 nm 인 나노 droplet 형태의 금속층이 형성되었음을 보여준다. 이외에도, 상기 금속층은 박막의 형태로 존재할 수 있으며, 메쉬 또는 라인 형태로서 요철 형상을 가질 수도 있다.3 shows a surface Atomic force microscope photograph of silver deposited by an electron beam evaporator on a lower contact layer. The shape of the metal layer made of silver shows that a nano-droplet-shaped metal layer with a width of 80-150 nm and a size of 5-15 nm is formed. In addition, the metal layer may exist in the form of a thin film, and may have a concave-convex shape as a mesh or a line form.
도 4는 종래의 발광 다이오드와 본 발명에서 개발한 활성층(600)과 하부접촉층(400) 사이에 금속층(550)이 포함된 발광 다이오드의 상온 광발광 그래프를 보여준다. 그림에서 보듯이 본 발명에서 개발한 발광 다이오드의 경우 금속층(550)의 표면 플라즈몬과 활성층(600)의 우물층(650)과의 공명에 의해서 발광 세기가 2배 이상 크게 향상됨을 확인할 수 있다. 그림에서 보듯이 활성층(600)의 우물층(650) 주변에 금속층(550)을 형성시켜 주었을 때 금속층(550)의 표면 플라즈몬과 활성층(600)의 우물층(650) 간의 공명이 발생함을 볼 수 있다. 4 shows a room temperature photoluminescence graph of a light emitting diode including a metal layer 550 between a conventional light emitting diode and an active layer 600 and a lower contact layer 400 developed in the present invention. As shown in the figure, in the light emitting diode developed in the present invention, it can be seen that the emission intensity is greatly improved by more than two times by resonance between the surface plasmon of the metal layer 550 and the well layer 650 of the active layer 600. As shown in the figure, when the metal layer 550 is formed around the well layer 650 of the active layer 600, it is seen that resonance occurs between the surface plasmon of the metal layer 550 and the well layer 650 of the active layer 600. Can be.
도 5는 표면 플라즈몬 형상 확인을 위해 광발광 크기의 비율을 나타내는 그래프이다.5 is a graph showing the ratio of the photoluminescence size to confirm the surface plasmon shape.
도 5를 참조하면, 표면 플라즈몬 현상을 증명하기 위하여 본 발명에서 개발한 금속층이 포함된 발광 다이오드의 파장에 따른 광발광의 세기를 종래의 발광 다이오드의 파장에 따른 광발광 세기로 나누었을 때 파장에 따른 광발광 세기의 상대 비를 보여준다. 도 5 에서 보듯이 파장이 3.0 eV 에 가까이 갈수록 상대적인 세기의 비가 커짐을 알 수 있는데 이것은 본발명에서 사용한 금속층(550)의 금속이 은 이기 때문에 하부접촉층과 금속층사이의 유전율에 의해서 표면 플라즈몬 공명 에너지가 3.0 eV 이기 때문이다. Referring to Figure 5, in order to prove the surface plasmon phenomenon, the light emission intensity according to the wavelength of the light emitting diode including the metal layer developed in the present invention divided by the light emission intensity according to the wavelength of the conventional light emitting diode to the wavelength Shows the relative ratio of photoluminescence intensity accordingly. As shown in FIG. 5, the closer the wavelength is to 3.0 eV, the higher the ratio of the relative intensity becomes. This is because the metal of the metal layer 550 used in the present invention is silver. Is 3.0 eV.
도 6은 본 발명을 통해 개발된 발광소자와 종래의 발광소자의 전류-전압 곡선이다. 그림 6에서 보듯이 본발명에 의한 주입전압에 따른 전류의 곡선이 금속층(550) 이 활성층(600)과 하부접촉층(400) 사이에 금속층(550)에 삽입되었음에도 불구하고 종래의 발광소자의 주입전압에 따른 전류 곡선과 비슷한 것을 확인 할 수 있다. 따라서 금속층에 의해 전기적인 특성 저하는 없을 확인하였다. 6 is a current-voltage curve of a light emitting device developed through the present invention and a conventional light emitting device. As shown in Fig. 6, although the curve of the current according to the injection voltage according to the present invention is inserted into the metal layer 550 between the active layer 600 and the lower contact layer 400, the conventional injection of the light emitting device You can see something similar to the current curve according to the voltage. Therefore, it was confirmed that there was no electrical property deterioration by the metal layer.
도 7은 전류 주입에 따른 광출력 세기를 비교한 그래프이다. 본발명의 한 발광소자의 광출력 세기가 종래의 발광소자에 비해서 크게 증가되는 것을 확인할 수 있다. 이것은 금속층(550)의 표면 플라즈몬과 활성층(600)의 우물층(650) 간의 공명에 의한 우물층(550)의 광특성이 향상되기 때문이다. 7 is a graph comparing light output intensity according to current injection. It can be seen that the light output intensity of the light emitting device of the present invention is greatly increased as compared with the conventional light emitting device. This is because the optical properties of the well layer 550 due to resonance between the surface plasmon of the metal layer 550 and the well layer 650 of the active layer 600 are improved.
한편, 상술한 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드에 있어서, 녹색, 청색 및 자외선 발광을 위한 다중양자 우물구조로는 우물층으로 질화인듐갈륨층이 이용되고 장벽층으로 질화갈륨이 이용된다. 이것은 질화인듐갈륨의 밴드갭이 인듐의 도핑양에 의해 0.7(적외선)에서 가시광선을 포함하고 3.4eV(자외선)까지 변화할 수 있기 때문이다.Meanwhile, in the light emitting diode according to the embodiment of the present invention, an indium gallium nitride layer is used as a well layer and gallium nitride is used as a barrier layer as a multi-quantum well structure for green, blue, and ultraviolet light emission. This is because the bandgap of indium gallium nitride can vary from 0.7 (infrared) to visible light and 3.4 eV (ultraviolet) by the amount of doping of indium.
상술한 본 발명에서 금속층은 활성층의 상부 또는 하부에 구비된다. 금속층에서의 표면 플라즈몬은 활성층의 우물층과 공명을 일으키고, 우물층의 광특성을 향상시킨다. 따라서, 금속층을 가지는 발광 다이오드의 광효율은 향상된다.In the present invention described above, the metal layer is provided above or below the active layer. Surface plasmons in the metal layer cause resonance with the well layer of the active layer and improve the optical properties of the well layer. Therefore, the light efficiency of the light emitting diode having the metal layer is improved.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 활성층의 상부 또는 하부에 금속층이 개재된다. 금속층은 활성층과 표면 플라즈몬에 의한 공명을 발생시키고, 따라서, 발광 다이오드의 광효율은 개선된다.According to the present invention as described above, a metal layer is interposed above or below the active layer. The metal layer generates resonance due to the active layer and the surface plasmon, and therefore the light efficiency of the light emitting diode is improved.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described above with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be variously modified and changed within the scope of the invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below I can understand that you can.
도 1은 종래의 질화물 반도체 발광 다이오드를 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a conventional nitride semiconductor light emitting diode.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발광 다이오드를 도시한 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing a light emitting diode according to a preferred embodiment of the present invention.
도 3은 하부 접촉층 상에 Electron beam evaporator에 의해 증착된 은의 표면 Atomic force microscope 사진을 보여준다.3 shows a surface Atomic force microscope photograph of silver deposited by an electron beam evaporator on a lower contact layer.
도 4는 종래의 발광 다이오드와 본 발명에서 개발한 활성층과 하부접촉층 사이에 금속층이 포함된 발광 다이오드의 상온 광발광 그래프를 보여준다.4 shows a room temperature photoluminescence graph of a light emitting diode including a metal layer between a conventional light emitting diode and an active layer and a lower contact layer developed in the present invention.
도 5는 표면 플라즈몬 형상 확인을 위해 광발광 크기의 비율을 나타내는 그래프이다.5 is a graph showing the ratio of the photoluminescence size to confirm the surface plasmon shape.
도 6은 본 발명을 통해 개발된 발광소자와 종래의 발광소자의 전류-전압 곡선이다.6 is a current-voltage curve of a light emitting device developed through the present invention and a conventional light emitting device.
도 7은 전류 주입에 따른 광출력 세기를 비교한 그래프이다.7 is a graph comparing light output intensity according to current injection.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
100 : 기판 200 : 버퍼층100 substrate 200 buffer layer
300 : 도핑되지 않은 질화갈륨층 400 : n형 하부접촉층300: undoped gallium nitride layer 400: n-type lower contact layer
500 : n형 클래드층 600 : 활성층500: n-type cladding layer 600: active layer
700 : p형 클래드층 800 : p형 상부접촉층700: p-type cladding layer 800: p-type upper contact layer
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