(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型半導体層；
上記ｎ型半導体層上に形成され、単一または多重量子井戸構造を備えるＭｇｘＺｎｙＯ(０≦ｘ，ｙ≦１)の障壁層及びＺｎＯの井戸層を具備する酸化亜鉛系活性層；
上記活性層上に形成されるｐ型半導体層；
上記ｐ型半導体層に電気的に接続するアノード；
上記ｎ型半導体層に電気的に接続するカソード；及び、
上記ｎ型半導体層と上記活性層との間または上記活性層と上記ｐ型半導体層との間に位置し、酸化亜鉛活性で直接的に接続する銀を含む表面プラズモン層を含み、
前記表面プラズモン層の厚さが８０ｎｍから１５０ｎｍである酸化亜鉛系発光ダイオード。
【請求項２】
請求項１において、
上記表面プラズモン層は、
アイランド形態、メッシュ形態またはライン形態を有することを特徴とする酸化亜鉛系発光ダイオード。
【請求項３】
請求項１において、
上記ｎ型半導体層は、順序に積層されたｎ型接触層及びｎ型クラッド層を備えて、
上記ｐ型半導体層は、順序に積層されたｐ型クラッド層及びｐ型接触層を備えることを特徴とする酸化亜鉛系発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化亜鉛系発光ダイオードに関し、より詳しくは、表面プラズモン現象を用いて発光ダイオードの光効率を改善することができる酸化亜鉛系発光ダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、酸化亜鉛半導体を用いた高輝度白色発光素子に関心が高まっており、その経済的価値も大きい。
【０００３】
高輝度白色発光素子を具現する方法は、光の三原色である赤色、緑色、青色を出す三つの発光素子を組み合わせて白色を具現する方法、青色発光素子を光源として使用して黄色蛍光体を励起(excitation)させることによって白色を具現する方法または紫外線発光ＬＥＤを光源として使用して三原色蛍光体を励起させることによって白色を具現する方法などが主に使われる。
【０００４】
このように、白色を具現するための研究は続いているが、光源として使われる緑色、青色及び紫外線発光素子の効率がよくないため、光源を用いて白色発光素子を具現するためには、緑色、青色及び紫外線発光素子の効率を上げる問題が一層至急である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した問題点を解決するための本発明の目的は、発光素子の光特性が向上した酸化亜鉛系発光ダイオードを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するための本発明は、ｎ型半導体層、上記ｎ型半導体層上に形成される酸化亜鉛系活性層、上記活性層上に形成されるｐ型半導体層、上記ｐ型半導体層に電気的に接続するアノード、上記ｎ型半導体層に電気的に接続するカソード、及び上記ｎ型半導体層と上記活性層との間または上記活性層と上記ｐ型半導体層との間に位置する表面プラズモン(Surface Plasmon)層を含む酸化亜鉛系発光ダイオードを提供する。
【発明の効果】
【０００７】
上述した通り本発明によると、ｎ型半導体層及び活性層との間またはｐ型半導体層と活性層との間に表面プラズモン層を形成することによって、上記表面プラズモン層で発生されるプラズモンと上記活性層内の励起子(exciton)間に共鳴またはカップリングを起こすことができるため、上記活性層では励起子の寿命が減少され、短時間に多くのキャリアが発光結合に参与することができるため、光効率が向上されることができる。
【０００８】
また、上記表面プラズモン層と上記活性層を直ちに接触させるため、表面プラズモン層の表面と活性層間の距離が増加しながら発生される表面プラズモン効果の減少だけでなく、表面プラズモン層をｐ型半導体層上に形成時、表面プラズモン効果を得るためのｐ型半導体層の厚さ減少によって発生される電気的抵抗の増加を排除することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１ａ】本発明の一実施例による発光ダイオードの製造過程を示す概略図である。
【図１ｂ】本発明の一実施例による発光ダイオードの断面図である。
【図１ｃ】本発明の他の実施例による発光ダイオードの断面図である。
【図２】本発明の一実施例による表面プラズモン層の構造を示す平面図である。
【図３ａ】本発明の他の実施例による発光ダイオードの製造過程を示す概略図である。
【図３ｂ】本発明の他の実施例による発光ダイオードの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明に係る望ましい実施例を添付図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
図１ａは、本発明の一実施例による発光ダイオードの製造過程を示す概略図である。
【００１２】
図１ａを参照すると、本発明の一実施例による発光ダイオードは、基板(１００)、バッファ層(１１０)、ストレイン緩和層(１２０)、ｎ型半導体層(１３０)、活性層(１５０)、ｐ型半導体層(１６０)、カソード(１７０)及びアノード(１８０)を含むことができる。
【００１３】
基板(１００)は、サファイア、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＺｎＯ、ガラス、プラスチックまたは酸化亜鉛基板を使用することができる。
【００１４】
上記基板(１００)上にバッファ層(１１０)及びストレイン緩和層(１２０)を順次的に形成する。上記ストレイン緩和層(１２０)は、上記バッファ層(１１０)に比べて厚くてもよい。上記バッファ層(１１０)及びストレイン緩和層(１２０)は、ＭｇｘＺｎｙＣｄｚＯ(０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１)膜であってもよい。上記ストレイン緩和層(１２０)は、基板(１００)との結晶格子差によって生成されるストレイン(strain)を緩和または相殺させるために形成する。
【００１５】
即ち、ストレイン緩和層(１２０)形成以後に形成される薄膜層を酸化亜鉛膜として使用する場合、上記ストレイン緩和層(１２０)をまず形成することによって同種基板に薄膜を形成する効果を得ることができるため、結晶格子差にともなうストレインを最小化させることができる。
【００１６】
上記ストレイン緩和層(１２０)上にｎ型半導体層(１３０)を形成することができる。上記ｎ型半導体層(１３０)は順序に積層されたｎ型接触層(１３２)及びｎ型クラッド層(１３４)を備えることができる。
【００１７】
上記ｎ型接触層(１３２)はＭｇｘＺｎｙＣｄｚＯ(０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１)膜であり、上記ｎ型クラッド層(１３４)はＭｇｘＺｎｙＣｄｚＯ(０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１)とＭｇｘＺｎ１-ｘＯ(０≦ｘ≦１)を超格子層で形成した膜であってもよい。上記超格子層は組成が各々異なるＭｇｘＺｎｙＣｄｚＯ(０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１)薄膜をナノミリメータ水準の厚さで多数層積み上げた構造を示す。
【００１８】
上記ｎ型半導体層(１３０)はＭｇｘＺｎｙＣｄｚＯ(０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１)膜にＡｌ、Ｉｎ、Ｇａをドーピングして製造することができる。
【００１９】
上記ｎ型半導体層(１３０)上に酸化亜鉛系活性層(１５０)が形成されることができる。上記活性層(１５０)は、第１の障壁層(１５２)、井戸層(１５４)及び第２の障壁層(１５６)を備えることができる。望ましくは、上記第１の障壁層(１５２)はＭｇｘＺｎｙＣｄｚＯ(０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１)膜であってもよく、上記井戸層(１５４)はＭｇｘＺｎｙＣｄｚＯ(０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１)を単一または多重量子井戸構造で形成した膜であってもよい。また、上記第２の障壁層(１５６)はＭｇｘＺｎｙＣｄｚＯ(０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１)膜であってもよい。
【００２０】
上記単一量子井戸構造は、上記のような第１の障壁層(１５２)、井戸層(１５４)及び第２の障壁層(１５６)で備えられ、上記多重量子井戸構造は、上記第１の障壁層(１５２)、井戸層(１５４)及び第２の障壁層(１５６)が積層されている単一量子井戸構造に単一量子井戸構造がもう一回積層される構造を示す。
【００２１】
上記活性層(１５０)上にｐ型半導体層(１６０)を形成することができる。上記ｐ型半導体層(１６０)は順序に積層されたｐ型クラッド層(１６２)及びｐ型接触層(１６４)を備えることができる。
【００２２】
上記ｐ型接触層(１６４)はＭｇｘＺｎｙＣｄｚＯ(０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１)膜であってもよく、上記ｐ型クラッド層(１６２)はＭｇｘＺｎｙＣｄｚＯ(０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１)とＭｇｘＺｎ１-ｘＯ(０≦ｘ≦１)を超格子層で形成した膜であってもよい。
【００２３】
上記ｐ型半導体層(１６０)はＭｇｘＺｎｙＣｄｚＯ(０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１)膜にＮ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂをドーピングして製造することができる。
【００２４】
ここで、上記ストレイン緩和層(１２０)、ｎ型クラッド層(１３４)及びｐ型クラッド層(１６２)は省略することができるため、このとき、活性層(１５０)はｎ型接触層(１３２)及びｐ型接触層(１６４)間に形成されることができる。
【００２５】
発光素子の電気的連結のためにカソード(１７０)及びアノード(１８０)を形成する。
【００２６】
上記アノード(１８０)はｐ型半導体層(１６０)に電気的に接続する所に形成されることができ、カソード(１７０)はｎ型半導体層(１３０)に電気的に接続する所に形成されることができる。
【００２７】
例えば、ｎ型半導体層(１３０)上の一側には活性層(１５０)が形成されることができ、上記活性層(１５０)の形成されない一側にはカソード(１７０)が形成されることができる。
【００２８】
一方、上記ｎ型半導体層(１３０)と上記活性層(１５０)との間または上記活性層(１５０)と上記ｐ型半導体層(１６０)との間に表面プラズモン層(１４０)を形成させることができる。
【００２９】
即ち、活性層(１５０)は、第１の障壁層(１５２)、井戸層(１５４)及び第２の障壁層(１５６)を備えることができるため、上記表面プラズモン層(１４０)は、上記ｎ型半導体層(１３０)と第１の障壁層(１５２)との間または上記第２の障壁層(１５６)とｐ型半導体層(１６０)との間に形成されることができる。
【００３０】
上記表面プラズモン層(１４０)は、金、銀、アルミニウムまたは銅からなる群から選択されることができ、上記表面プラズモン層(１４０)は電子線蒸発器(Electron beam evaporator)、スパッタ(sputter)またはプラズマレーザー蒸着器(Plasma laser deposition)を用いて形成することができる。上記表面プラズモン層(１４０)は０.１ｎｍないし５００ｎｍの厚さで形成するのが望ましい。
【００３１】
もし、上記表面プラズモン層(１４０)が０.１ｎｍ未満に形成しようとしても金属の基本原子の大きさが約０.１ｎｍないし０.３ｎｍ程度であるため、０.１ｎｍ未満に形成するのは難しい。また、上記表面プラズモン層(１４０)が５００ｎｍ以上である場合、厚さが相当厚いため、上記表面プラズモン層(１４０)上に形成される他の薄膜層の形成が難しいだけでなく、活性層(１５０)で発光される光が上記表面プラズモン層(１４０)を抜け出るのが難しいおそれがある。
【００３２】
上記障壁層(１５２、１５６)は表面プラズモンを発生させるために８０ｎｍ以下の厚さで形成するのが望ましい。
【００３３】
上記のように製造された発光素子は、製造した後に上記基板(１００)及びバッファ層(１１０)は除去されてもよい。
【００３４】
図１ｂは、本発明の一実施例による発光ダイオードの断面図であり、図１ｃは、本発明の他の実施例による発光ダイオードの断面図である。本実施例による発光ダイオードは後述するものを除いては図１ａを参照して説明した実施例と類似することができる。
【００３５】
図１ｂを参照すると、本発明の一実施例による発光素子は、基板(１００)、バッファ層(１１０)、ストレイン緩和層(１２０)が除去されることができ、ｎ型クラッド層(１３４)とｐ型クラッド層(１６２)が省略されることができる。
【００３６】
従って、本発明の一実施例によって製造された発光素子は、ｎ型接触層(１３２)、表面プラズモン層(１４０)、活性層(１５０)及びｐ型接触層(１６４)が順序に積層されて形成されることができ、上記ｐ型接触層(１６４)と電気的に接続される部分にアノード(１８０)が形成されることができ、上記ｎ型接触層(１３２)と電気的に接続される部分にカソード(１７０)が形成されることができる。
【００３７】
図１ｃを参照すると、表面プラズモン層(１４０)は、ｎ型接触層(１３２)及び活性層(１５０)との間に形成して、その他、上記活性層(１５０)とｐ型接触層(１６４)との間に形成されることができる。
【００３８】
このように、ｎ型接触層(１３２)及び活性層(１５０)との間またはｐ型接触層(１６４)と活性層(１５０)との間に表面プラズモン層(１４０)を形成することによって、上記表面プラズモン層(１４０)で発生されるプラズモンと上記活性層(１５０)内の励起子(exciton)間に共鳴またはカップリングを起こすことができるため、上記活性層(１５０)では励起子の寿命が減少され、短時間に多くのキャリアが発光結合に参与することができるため、光効率が向上されることができる。
【００３９】
表面プラズモン層(１４０)の表面と活性層(１５０)間の距離が増加しながら発生される表面プラズモン効果減少だけでなく、表面プラズモン層(１４０)をｐ型半導体層(１３０)上に形成時、表面プラズモン効果を得るためのｐ型半導体層(１３０)の厚さ減少によって発生される電気的抵抗の増加を排除することができる。
【００４０】
図２（ａ）ないし図２（ｃ）は本発明の一実施例による表面プラズモン層の構造を示す平面図である。
【００４１】
図２（ａ）を参照すると、表面プラズモン層(１４０)は、本発明の一実施例の通りアイランド形態(island shape)の凹凸形状を有することができる。表面プラズモン層(１４０)上に水滴形態の金属(１４２)を形成して、金属(１４２)が形成されない部分は酸化亜鉛や他の無機物または有機物(１４４)で満たされることができる。
【００４２】
図２（ｂ）を参照すると、表面プラズモン層(１４０)はメッシュ形態(mesh shape)の凹凸形状を有することができる。このように、メッシュ形態の金属(１４２)を形成して、金属(１４２)が形成されない部分は酸化亜鉛や他の無機物または有機物(１４４)で満たされることができる。
【００４３】
図２（ｃ）を参照すると、表面プラズモン層(１４０)はライン形態(line shape)の凹凸形状を有することもできる。このように、ライン形態の金属(１４２)を形成して、金属(１４２)が形成されない部分は酸化亜鉛や他の無機物または有機物(１４４)で満たされることができる。
【００４４】
図２（ａ）ないし図２（ｃ）に示した通り、表面プラズモン層(１４０)が金属の形成された部分と金属の形成されない部分からなることによって、金属の形成された部分にプラズモンが局部化(localized)されることができる。このような局部化されたプラズモンは、活性層のエキシトンと一層效率的にカップリングすることができる。従って、キャリアの寿命が減少され、短時間に多くのキャリアが発光結合に参与することができるため、光効率が向上されることができる。
【００４５】
図３ａは、本発明の他の実施例による発光ダイオードの製造過程を示す概略図であり、図３ｂは本発明の他の実施例による発光ダイオードの断面図である。本実施例による発光ダイオードは後述するものを除いては図１ａないし図１ｃを参照して説明した実施例と類似することができる。
【００４６】
図３ａを参照すると、図１ａないし図１ｃで上述した通り、基板(１００)、バッファ層(１１０)、ストレイン緩和層(１２０)、ｎ型半導体層(１３０)、活性層(１５０)、ｐ型半導体層(１６０)、カソード(１７０)及びアノード(１８０)を形成して、上記ｎ型半導体層(１３０)と上記活性層(１５０)との間または上記活性層(１５０)と上記ｐ型半導体層(１６０)との間に表面プラズモン層(１４０)を形成することができる。上記ｎ型半導体層(１３０)は順序に積層されたｎ型接触層(１３２)及びｎ型クラッド層(１３４)を備えることができ、上記ｐ型半導体層(１６０)は順序に積層されたｐ型クラッド層(１６２)及びｐ型接触層(１６４)を備えることができる。
【００４７】
上記ｎ型クラッド層(１３４)またはｐ型クラッド層(１６２)は省略可能であり、基板(１００)としてドーピングされた酸化亜鉛を使用する場合にはカソード(１７０)が基板(１００)に形成されることができるため、上記バッファ層(１１０)は省略されることができる。上記バッファ層(１１０)は、ＭｇｘＺｎｙＣｄｚＯ(０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１)またはドーピングしないＭｇｘＺｎｙＣｄｚＯ(０≦ｘ，ｙ，ｚ≦１)膜であってもよい。
【００４８】
図３ｂを参照すると、基板(１００)、ストレイン緩和層(１２０)、ｎ型接触層(１３２)、活性層(１５０)及びｐ型接触層(１６４)が順序に積層され、上記ｐ型接触層(１６４)に電気的に接続する部分にアノード(１８０)が形成され、上記基板(１００)と電気的に接続する部分にカソード(１７０)が形成される。ここで、上記基板(１００)はドーピングされた酸化亜鉛基板である。
【００４９】
以上、例を参照して説明したが、該当技術分野の熟練された当業者は、特許請求範囲に記載された本考案の思想及び領域から外れない範囲内で本考案を多様に修正及び変更可能であることを理解することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１００  基板
１１０  バッファ層
１２０  ストレイン緩和層
１３０  ｎ型半導体層
１３２  ｎ型接触層
１３４  ｎ型クラッド層
１４０  表面プラズモン層
１５０  活性層
１６０  ｐ型半導体層
１６２  ｐ型クラッド層
１６４  ｐ型接触層
１７０  カソード
１８０  アノード
【図１ａ】
0005037557.tif 000002
【図１ｂ】
0005037557.tif 000003
【図１ｃ】
0005037557.tif 000004
【図２】
0005037557.tif 000005
【図３ａ】
0005037557.tif 000006
【図３ｂ】
0005037557.tif 000007