JP2013026616A - 発光素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】発光効率及び結晶欠陥が改善された発光素子を提供する。
【解決手段】発光素子は、第１半導体層１２０、第２半導体層１５０、及び前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に配置された活性層を有し、活性層と第２半導体層１５０との間に、活性層での電子と正孔の再結合確率を高め、漏れ電流を防止する電子遮断層の機能をもつ、活性層より相対的に大きいバンドギャップを有する中間層１４０を備える。発光素子は、活性層の障壁層の構造を変更し、中間層のバンドギャップエネルギーに変化を与えて、活性層の正孔注入効率を改善することによって、発光効率を向上させることができる。
【選択図】図３

Description

本発明の実施例は、発光素子に関する。
ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ；発光ダイオード）は、化合物半導体の特性を用いて電気信号を赤外線、可視光線または光の形態に変換させる素子であって、家庭用家電製品、リモコン、電光板、表示器、各種自動化機器などに使用されており、ＬＥＤの使用領域は漸次広くなりつつある傾向にある。
通常、小型化されたＬＥＤは、ＰＣＢ（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）基板に直接装着するために表面実装素子（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｏｕｎｔ Ｄｅｖｉｃｅ）型に製作されており、これによって、表示素子として使用されているＬＥＤランプも表面実装素子型に開発されている。このような表面実装素子は、既存の単純な点灯ランプに取って代わることができ、これは、多様なカラーを出す点灯表示器用、文字表示器及び映像表示器などに使用される。
このように、ＬＥＤの使用領域が広くなるとともに、生活に使用される電灯、救助信号用電灯などに要求される輝度が高くなるので、ＬＥＤの発光輝度を増加させることが重要である。
本発明の実施例は、発光効率及び結晶欠陥が改善された発光素子を提供することにある。
本発明の一実施例に係る発光素子は、第１半導体層、第２半導体層、及び前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に配置された活性層を有する発光構造物を備え、前記第１半導体層は、Ｎ型ドーパントがドーピングされたＮ型半導体層で、前記第２半導体層は、Ｐ型ドーパントがドーピングされたＰ型半導体層であり、前記活性層は、交互に積層された少なくとも２対の井戸層及び障壁層を有し、前記障壁層のうち前記第２半導体層に隣接した障壁層は、第１層、及び前記第１層と前記第２半導体層との間に配置された第２層を有し、前記第１層は第１バンドギャップを有し、前記第２層は第２バンドギャップを有し、前記第２バンドギャップは前記第１バンドギャップより小さく、前記第２層はＰ型ドーパントでドーピングされていてもよい。
本発明の一実施例に係る発光素子は、活性層の正孔注入効率が改善されて、発光効率が向上する。
本発明の一実施例に係る発光素子を示す図である。 本発明の一実施例に係る発光素子の部分拡大断面図である。 本発明の一実施例に係る発光素子のエネルギーバンドダイアグラムを示す図である。 従来技術に係る発光素子と本発明の一実施例に係る発光素子との光度の差を示す図である。 従来技術に係る発光素子と本発明の一実施例に係る発光素子との動作電圧の差を示す図である。 他の実施例に係る発光素子のエネルギーバンドダイアグラムを示す図である。 本発明の一実施例に係る発光素子の中間層に対するＴＥＭ写真を示す図である。 本発明の一実施例に係る発光素子を示す図である。 本発明の一実施例に係る発光素子の部分拡大断面図である。 本発明の一実施例に係る発光素子のエネルギーバンドダイアグラムを示す図である。 本発明の一実施例に係る発光素子を含む発光素子パッケージの斜視図である。 本発明の一実施例に係る発光素子を含む発光素子パッケージの断面図である。 本発明の一実施例に係る発光素子を含む発光素子パッケージの断面図である。 本発明の一実施例に係る発光素子を含む照明システムを示す斜視図である。 図１４の照明システムのＣ−Ｃ’線断面図である。 本発明の一実施例に係る発光素子を含む液晶表示装置の分解斜視図である。 本発明の一実施例に係る発光素子を含む液晶表示装置の分解斜視図である。
本発明の実施例に対する説明において、各層（膜）、領域、パターンまたは構造物が基板、各層（膜）、領域、パッド、パターンまたは他の構造物の“上（ｏｎ）”に、“下（ｕｎｄｅｒ）”に、“上側（ｕｐｐｅｒ）”に、または“下側（ｌｏｗｅｒ）”に形成されると記載される場合において、“上（ｏｎ）”、“下（ｕｎｄｅｒ）”、“上側（ｕｐｐｅｒ）”及び“下側（ｌｏｗｅｒ）”は、“直接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ）”または“他の層または構造物を介在して（ｉｎｄｉｒｅｃｔｌｙ）”形成されることをいずれも含む。
また、各層、または構造物間の位置関係に対する説明は、本明細書または本明細書に添付の図面を参照することにする。
図面において、各層の厚さや大きさは、説明の便宜及び明確性のために誇張したり、省略したり、または概略的に図示した。また、各構成要素の大きさと面積は、実際の大きさや面積を全的に反映するものではない。
図１を参照すると、発光素子１００は、支持部材１１０と、支持部材１１０上に配置された発光構造物１６０とを備えることができ、発光構造物１６０は、第１半導体層１２０、活性層１３０、中間層１４０、及び第２半導体層１５０を有することができる。
支持部材１１０は、光透過的性質を有する材質、例えば、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、ＧａＮ、ＺｎＯ、ＡｌＯのうちいずれか一つを含んで形成できるが、これに限定されない。また、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）支持部材に比べて熱伝導性の大きいＳｉＣ支持部材であってもよい。ただし、支持部材１１０の屈折率は、光抽出効率のために第１半導体層１２０の屈折率よりも小さいことが望ましい。
一方、支持部材１１０の上側面には、光抽出効率を高めるためにＰＳＳ（Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ ＳｕｂＳｔｒａｔｅ）構造を設けることができる。本明細書で言及される支持部材１１０は、ＰＳＳ構造を有してもよく、または有さなくてもよい。
一方、支持部材１１０上には、支持部材１１０と第１半導体層１２０との間の格子不整合を緩和し、半導体層が容易に成長できるようにするバッファー層（図示せず）が位置することができる。バッファー層（図示せず）は、低温雰囲気で形成することができ、半導体層と支持部材との格子定数の差を緩和できる物質からなり得る。例えば、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＡｌＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、及びＩｎＡｌＧａＮのような材質のうち選択されることができるが、これに限定されない。バッファー層（図示せず）は、支持部材１１０上に単結晶として成長でき、単結晶として成長したバッファー層（図示せず）は、バッファー層（図示せず）上に成長する第１半導体層１２０の結晶性を向上させることができる。
バッファー層（図示せず）上には、第１半導体層１２０、活性層１３０、及び第２半導体層１５０を含む発光構造物１６０を形成することができる。
バッファー層（図示せず）上には、第１半導体層１２０が位置することができる。第１半導体層１２０は、ｎ型半導体層に具現することができ、活性層１３０に電子を提供することができる。第１半導体層１２０は、例えば、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０<ｘ<１、０<ｙ<１、０<ｘ＋ｙ<１）の組成式を有する半導体材料、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮなどから選択されることができ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎなどのｎ型ドーパントがドーピングされることができる。
また、第１半導体層１２０の下には非ドープの半導体層（図示せず）をさらに含むことができるが、これに限定されることはない。非ドープの半導体層は、第１半導体層１２０の結晶性を向上させるために形成される層であって、ｎ型ドーパントがドーピングされないので、第１半導体層１２０に比べて低い電気伝導性を有することを除いては、第１半導体層１２０と同一のものであってよい。
前記第１半導体層１２０上には活性層１３０を形成することができる。活性層１３０は、３族―５族元素の化合物半導体材料を用いて単一または多重量子井戸構造、量子線（Ｑｕａｎｔｕｍ―Ｗｉｒｅ）構造、または量子点（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ）構造などで形成することができる。
活性層１３０が量子井戸構造で形成された場合、例えば、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０<ｘ<１、０<ｙ<１、０<ｘ＋ｙ<１）の組成式を有する井戸層と、ＩｎａＡｌｂＧａ１−ａ−ｂＮ（０<ａ<１、０<ｂ<１、０<ａ＋ｂ<１）の組成式を有する障壁層とを有する単一または多重の量子井戸構造を有することができる。ここで、井戸層は、障壁層のバンドギャップより小さいバンドギャップを有する物質で形成することができる。
また、活性層１３０が多重量子井戸構造を有する場合、それぞれの井戸層（図示せず）、または障壁層（図示せず）は、互いに異なる組成及びバンドギャップを有することができ、これについては、図２乃至図３を参照して後述する。
活性層１３０の上または／及び下には、導電型クラッド層（図示せず）を形成することができる。導電型クラッド層（図示せず）は、ＡｌＧａＮ系半導体で形成することができ、活性層１３０のバンドギャップよりは大きいバンドギャップを有することができる。
第２半導体層１５０は、活性層１３０に正孔を注入するようにｐ型半導体層に具現することができる。第２半導体層１５０は、例えば、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０<ｘ<１、０<ｙ<１、０<ｘ＋ｙ<１）の組成式を有する半導体材料、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮなどから選択されることができ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａなどのｐ型ドーパントがドーピングされることができる。
一方、活性層１３０と第２半導体層１５０との間に中問層１４０を形成することができ、中問層１４０は、高電流の印加時、第１半導体層１２０から活性層１３０に注入される電子が活性層１３０で再結合されずに、第２半導体層１５０に流れる現象を防止する電子遮断層（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｌａｙｅｒ）であってもよい。中問層１４０は、活性層１３０より相対的に大きいバンドギャップを有することによって、第１半導体層１２０から注入された電子が活性層１３０で再結合されずに、第２半導体層１５０に注入される現象を防止することができる。これによって、活性層１３０での電子と正孔の再結合確率を高め、漏れ電流を防止することができる。
一方、上述した中問層１４０は、活性層１３０に含まれた障壁層のバンドギャップより大きいバンドギャップを有することができ、ｐ型ＡｌＧａＮのようなＡｌを含む半導体層で形成することができるが、これに限定されない。
上述した第１半導体層１２０、活性層１３０、中問層１４０、及び第２半導体層１５０は、例えば、有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ；Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、化学蒸着法（ＣＶＤ；Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、プラズマ化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ；Ｐｌａｓｍａ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、分子線成長法（ＭＢＥ；Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）、水素化物気相成長法（ＨＶＰＥ；Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）、スパッタリング（Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）などの方法を用いて形成することができるが、これに限定されることはない。
また、第１半導体層１２０及び第２半導体層１５０中の導電型ドーパントのドーピング濃度は、均一または不均一にすることができる。すなわち、複数の半導体層は、様々なドーピング濃度分布を有するように形成できるが、特に限定されない。
また、第１半導体層１２０をｐ型半導体層に具現し、第２半導体層１５０をｎ型半導体層に具現することができ、第２半導体層１５０上にはｎ型またはｐ型半導体層を含む第３半導体層（図示せず）を形成することもできる。これによって、発光素子１００は、ｎｐ、ｐｎ、ｎｐｎ、ｐｎｐ接合構造のうち少なくともいずれか一つを有することができる。
一方、活性層１３０及び第２半導体層１５０の一部を除去して第１半導体層１２０の一部を露出させ、該露出された第１半導体層１２０上には第１電極１７４を形成することができる。すなわち、第１半導体層１２０は、活性層１３０に向く上面と、支持部材１１０に向く下面とを含み、上面は、少なくとも一領域が露出された領域を含み、第１電極１７４は、上面の露出された領域上に配置することができる。
一方、第１半導体層１２０の一部を露出させる方法には、所定のエッチング方法を用いることができるが、これに限定されない。また、エッチング方法には、湿式エッチング、乾式エッチング方法を用いることができる。
また、第２半導体層１５０上には第２電極１７２を形成することができる。
一方、第１及び第２電極１７２、１７４は、伝導性物質、例えば、Ｉｎ、Ｃｏ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｗ、Ｔｉ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、及びＷＴｉから選択された金属またはこれらの合金を含むことができ、単層または多層に形成することができるが、これに限定されない。
図２は、図１のＡ領域を拡大して示した拡大断面図である。
図２を参照すると、発光素子１００の活性層１３０は、多重量子井戸構造を有することができ、したがって、活性層１３０は、第１乃至第３井戸層Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及び第１乃至第３障壁層Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３を有することができる。
本発明の一実施例によって、第１乃至第３井戸層Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及び第１乃至第３障壁層Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３は、図２に示すように、互いに交互に積層される構造を有することができる。
一方、図２では、それぞれ第１乃至第３井戸層Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及び第１乃至第３障壁層Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３を形成し、第１乃至第３障壁層Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３と第１乃至第３井戸層Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３を交互に積層して形成するものに図示したが、これに限定されず、井戸層Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及び障壁層Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３は、任意の数を有するように形成することができ、配置もまた任意の配置を有することができる。さらに、上述のように、それぞれの井戸層Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及びそれぞれの障壁層Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３を形成する材質の組成比、バンドギャップ、及び厚さは、互いに異なってもよく、図２に示すものに限定されない。
また、本発明の一実施例によって、第２半導体層１５０に隣接するように形成された第３障壁層Ｂ３は、厚さｄ１を有し、第２障壁層Ｂ２は、厚さｄ２を有することができ、ｄ１はｄ２より大きい値を有することができる。
一方、第２半導体層１５０に隣接した障壁層（例えば、第３障壁層Ｂ３）は、第１層１３１、及び第１層１３１と第２半導体層１５０との間に配置される第２層１３２を含むことができる。
第１層１３１と第２層１３２は、互いに異なる成長条件、厚さ、または組成を有することができるが、これに限定されない。例えば、第２層１３２は、第１層１３１より多く、井戸層より少ないＩｎ含量を有することができる。第１層は、４nm乃至６nmの厚さを有することができる。
一方、第２層１３２は、Ｍｇのようなｐ型ドーパントでドーピングされ得る。第２層１３２のＭｇの濃度は、１Ｅ１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ3乃至５Ｅ１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ3であってもよい。第２層１３２がｐ型ドーパントでドーピングされることで、正孔注入効率が増加し、動作電圧が低下することができる。第２層１３２の厚さは、井戸層Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の厚さより厚くてもよい。
一方、第２層１３２は、Ｍｇのようなｐ型ドーパントでドーピングされ得る。第２層１３２がｐ型ドーパントでドーピングされることで、正孔注入効率が増加し、動作電圧が低下することができる。
一方、第２層１３２は、正孔の捕獲確率を高めるために、所定の厚さｄ３を有することができ、例えば、２nm乃至１５nmの厚さを有することができる。
また、第１層１３１と第２層１３２は、互いに異なるバンドギャップを有するように形成することができ、これについては、図３を参照して後述する。
図３は、本発明の一実施例に係る発光素子のエネルギーバンドダイアグラムを示す図である。
図３を参照すると、第３障壁層Ｂ３の第１層１３１と第２層１３２のバンドギャップは、互いに異なる大きさを有することができ、例えば、第２層１３２のバンドギャップは第１層１３１のバンドギャップより小さく形成されて、カート（ｃａｒｔ）構造を形成できる。また、第２層１３２のバンドギャップは、第１、第２障壁層Ｂ１、Ｂ２、及び第３障壁層Ｂ３の第１層１３１のバンドギャップより小さく、井戸層Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３のバンドギャップより小さく形成することができる。
一方、発光層として機能する井戸層Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の厚さを厚く形成すると、キャリアの捕獲確率が増加できる。しかし、井戸層Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の厚さを厚く形成する場合、圧電分極（ｐｉｅｚｏｅｌｅｔｒｉｃ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）による量子井戸構造の歪み現象などが激しくなる。これによって、電子と正孔の再結合で光を発生させる発光素子において、内部量子効率が低下し、発光スペクトルの赤色シフト（ｒｅｄ ｓｈｉｆｔ）現象などが発生して、発光素子の電気的、光学的特性が劣化することがある。
井戸層Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３は、２nm至１０nmの厚さを有することができる。また、障壁層Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３は、２nm乃至１０nmの厚さを有することができる。
本発明の一実施例に係る発光素子１００は、発光層として機能しない障壁層Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３の一領域が、他の領域より小さいバンドギャップを有するように形成され、キャリアを捕獲するのに寄与するカート構造を有することによって、井戸層Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３から生成される光のスペクトル不良及びバンドの曲げ現象などを起こさずに、キャリアの注入効率を増加させることができる。したがって、キャリアの注入効率が増加し、正孔と電子との間の再結合確率が増加して、発光素子１００の発光効率を改善することができる。
一方、正孔は電子より低い移動度（ｍｏｂｉｌｉｔｙ）を有するため、正孔に比べて電子が過剰注入されて、電子過剰現象、及び電子が活性層１３０を越えて第２半導体層１５０に流れるオーバーフローイング（ｏｖｅｒ ｆｌｏｗｉｎｇ）現象が発生し得る。
本発明の一実施例に係る発光素子１００は、ｐ型ドーパントでドーピングされた第２半導体層１５０に隣接した第３障壁層Ｂ３が、カート構造を有するように形成されることによって、第２半導体層１５０から提供されるキャリア、例えば、正孔の捕獲確率が増加し得る。したがって、電子と正孔との間の再結合確率が増加し、第１半導体層１２０から提供される電子が過剰注入されて第２半導体層１５０に流れるオーバーフローイング現象を防止することができ、発光素子１００の発光効率を改善することができる。
一方、活性層１３０と中間層１４０との間に、ドーピングされないＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０<ｙ<１）１４１をさらに有することができる。ドーピングされないＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０<ｙ<１）１４１は、活性層１３０と中間層１４０との間に格子不整合を緩和することができる。
図４は、従来技術に係る発光素子と本発明の一実施例に係る発光素子との光度を比較した図である。
図４を参照すると、本実施例に係る発光素子Ａは、上述したように、カート構造を有する障壁層を含み、正孔の注入効率、及び正孔と電子の再結合確率が増加して、従来技術に係る発光素子Ｂに比べて光度が改善されるのを確認することができる。
図５は、従来技術に係る発光素子と本発明の一実施例に係る発光素子との動作電圧を比較した図である。
図５を参照すると、本実施例に係る発光素子Ａは、上述したように、カート構造を有する障壁層を含み、前記カート構造を有する障壁層は、Ｍｇのようなドーパントでドーピングされて、従来技術に係る発光素子Ｂに比べて動作電圧が低くなることを確認することができる。
図６は、他の実施例に係る発光素子のエネルギーバンドダイアグラムを示す図で、図７は、本実施例に係る発光素子の中間層に対するＴＥＭ写真を示す図である。
図６を参照すると、本実施例の発光素子１００は、図３の実施例と比較すると、中間層１４０のバンドギャップに差異点が存在する。
中間層１４０は、ｐ型にドーピングされたｐ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０<ｘ<１）を含むことができる。例えば、中間層１４０は、Ｍｇが約１０１８〜１０２０／ｃｍ3の濃度範囲でイオン注入されることで、オーバーフローされる電子を效率的に遮断し、正孔の注入効率を増大させることができる。
また、本実施例で、中間層１４０のＡｌの組成が変わることができる。例えば、本実施例で、中間層１４０は、Ａｌの組成が、活性層１３０から第２半導体層１５０の方向に増加してから減少することができる。
また、本実施例で、中間層１４０は、Ａｌの組成が活性層１３０から第２半導体層１５０の方向に漸増してから漸減することができる。
本実施例によれば、中間層１４０の初期のＡｌ組成比を低くして、活性層との格子定数の差を最小化することによって、ストレイン（ｓｔｒａｉｎ）を緩和し、正孔注入効率（ｈｏｌｅ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を増大させることができる。
また、本実施例で、第２半導体層１５０と隣接した最後の中間層１４０でＡｌ組成比を低くすることによって、エネルギーバンド準位を低下させて、正孔注入効率を増大させることができる。
また、本実施例で、中間層１４０は、特定の厚さを有し、Ａｌ組成比を漸次変化させて、電子遮断及び正孔注入効率を増大させることができる。例えば、中間層１４０を、約３００Å〜約６００Åの厚さに形成することによって、電子遮断及び正孔注入効率を増大させることができる。
また、中間層１４０は、図６のように、バルク層（ｂｕｌｋ ｌａｙｅｒ）であってもよく、バルク層の内にＡｌの組成が変わる複数の領域が存在することができる。
例えば、中間層１４０は、Ａｌ組成比が約５％乃至約３０％の間で変化されるステア（ｓｔａｉｒ）を、約４乃至５個を有することができるが、これに限定されることはない。
例えば、中間層１４０は、Ａｌの組成が変わる第１領域１４０ａ、第２領域１４０ｂ、第３領域１４０ｃ及び第４領域１４０ｄを含むことができ、第１領域１４０ａは、Ａｌの組成が約１０％で、第２領域１４０ｂは、Ａｌの組成が約１８％で、第３領域１４０ｃは、Ａｌの組成が約３０％で、第４領域１４０ｄは、Ａｌの組成が約１８％であってもよいが、これに限定されることはない。
第１領域１４０ａの厚さは、約１２０nmで、第２領域１４０ｂの厚さは、約１５０nmで、第３領域１４０ｃの厚さは、約６０nmで、第４領域１４０ｄの厚さは、約１２０nmであってもよいが、これに限定されることはない。
本実施例によれば、中間層１４０の第１領域１４０ａのＡｌ組成比を低くして、活性層１３０との格子定数の差を最小化することによって、ストレインを緩和し、正孔注入効率を増大させることができる。
また、本実施例で、第２半導体層１５０と隣接した第４領域１４０ｄの中間層１４０でＡｌ組成比を低くすることによって、エネルギーバンド準位を低下させて、正孔注入効率を増大させることができる。
本実施例で、中間層１４０は、図６のように、バルク層であってもよい。
図７を参照すると、本実施例で、Ａｌ組成比が高いほど、明暗が濃く出ることができ、ＴＥＭで見るように、中間層１４０でＡｌ組成がグレーディング（ｇｒａｄｉｎｇ）されることが明確に現れる。
本実施例によれば、中間層１４０がバルク層になることによって、超格子構造の電子遮断層に比べて工程時間が短縮され、生産性が向上することができる。
また、本実施例によれば、中間層１４０は、Ａｌ組成比が変わりながら、各層のエネルギーバンドギャップ（ｅｎｅｒｇｙ ｂａｎｄ ｇａｐ）が変化することによって、ピエゾフィールド（ｐｉｅｚｏｆｉｅｌｄ）を活用して、電子遮断の効率を高めることができる。
また、本実施例によれば、バルク層の中間層１４０でＡｌ組成比を変化させることによって、ストレインを緩和し、正孔注入効率を増大させることができる。
また、本実施例は、中間層１４０にＩｎがドーピングされることによって、活性層以後に成長されるp−ＡｌｘＧａ１−ｘＮ電子遮断層で、ピット（ｐｉｔ）をマージ（Ｍｅｒｇｅ）することができ、Ｉｎを添加することによって、正孔濃度効率（ｈｏｌｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）を増大させることができる。
本実施例は、図２のように、活性層１３０と中間層１４０との間に、ドーピングされないＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０<ｙ<１）１３５をさらに含むことができる。
例えば、本実施例は、活性層１３０と中間層１４０との間に、約６０Å以下のドーピングされないＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０<ｙ<１）を形成することによって、歪みを緩和（ｓｔｒａｉｎ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ）し、正孔注入効率を増大させることができる。
また、本実施例は、第２半導体層１５０でＭｇドーピング（ｄｏｐｉｎｇ）濃度が増加されるｐ−バンプ（ｂｕｍｐ）構造を採用して、以後に形成される電極層とのコンタクト抵抗を低下させることができる。
本実施例は、高出力発光素子、発光素子の製造方法、発光素子パッケージ及び照明システムを提供できる。
また、本実施例は、電子遮断機能に優れるとともに正孔の注入効率が増大する電子遮断層を有する発光素子、発光素子の製造方法、発光素子パッケージ及び照明システムを提供できる。
図８は、本発明の一実施例に係る発光素子を示す図である。
図８を参照すると、本実施例に係る発光素子２００は、支持部材２１０、支持部材２１０上に配置される第１電極層２２０、第２半導体層２３０、活性層２５０、第１半導体層２６０を含む発光構造物２７０、及び第２電極層２８２を備えることができる。
支持部材２１０は、熱伝導性に優れた物質を用いて形成することができ、また、伝導性物質で形成することができ、金属物質または伝導性セラミックを用いて形成することができる。支持部材２１０は単一層で形成してもよく、二重構造またはそれ以上の多重構造で形成してもよい。
すなわち、支持部材２１０は、金属、例えば、Ａｕ、Ｎｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔａ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｒから選択されたいずれか一つまたは２以上の合金で形成することもでき、互いに異なる２以上の物質を積層して形成することもできる。また、支持部材２１０は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＺｎＯ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、ＧａＮ、Ｇａ２Ｏ３のようなキャリアウエハーに具現することができる。このような支持部材２１０は、発光素子２００から発生する熱の放出を容易にして、発光素子２００の熱的安全性を向上させることができる。
一方、支持部材２１０上には、第１電極層２２０を形成することができ、第１電極層２２０は、オーミック層（ｏｈｍｉｃ ｌａｙｅｒ）（図示せず）、反射層（ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｌａｙｅｒ）（図示せず）、ボンディング層（ｂｏｎｄｉｎｇ ｌａｙｅｒ）（図示せず）のうち少なくとも１層を含むことができる。例えば、第１電極層２２０は、オーミック層／反射層／ボンディング層の構造、またはオーミック層／反射層の積層構造、または反射層（オーミック層含み）／ボンディング層の構造であってもよいが、これに限定されない。例えば、第１電極層２２０は、絶縁層上に反射層及びオーミック層が順に積層された形態であってもよい。
反射層（図示せず）は、オーミック層（図示せず）及び絶縁層（図示せず）の間に配置されることができ、反射特性に優れた物質、例えば、Ａｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｈｆ及びこれらの選択的な組み合あわせで構成された物質のいずれかで形成することもでき、前記金属物質とＩＺＯ、ＩＺＴＯ、ＩＡＺＯ、ＩＧＺＯ、ＩＧＴＯ、ＡＺＯ、ＡＴＯなどの投光性の伝導性物質を用いて多層で形成することもできる。また、反射層（図示せず）は、ＩＺＯ／Ｎｉ、ＡＺＯ／Ａｇ、ＩＺＯ／Ａｇ／Ｎｉ、ＡＺＯ／Ａｇ／Ｎｉなどのように積層することができる。また、反射層（図示せず）を発光構造物２７０（例えば、第１半導体層２３０）とオーミック接触する物質で形成する場合、オーミック層（図示せず）は別途に形成しなくてもよく、これに限定されない。
オーミック層（図示せず）は、発光構造物２７０の下面にオーミック接触され、層または複数のパターンで形成されることができる。オーミック層（図示せず）は、投光性伝導層と金属を選択的に使用することができ、例えば、ＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｚｉｎｃ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）、ＩＡＺＯ（ｉｎｄｉｕｍ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ）、ＩＧＺＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｇａｌｌｉｕｍ ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ）、ＩＧＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｇａｌｌｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）、ＡＺＯ（ａｌｕｍｉｎｕｍ ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ）、ＡＴＯ（ａｎｔｉｍｏｎｙ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）、ＧＺＯ（ｇａｌｌｉｕｍ ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ）、ＩｒＯｘ、ＲｕＯｘ、ＲｕＯｘ／ＩＴＯ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｎｉ／ＩｒＯｘ／Ａｕ、及びＮｉ／ＩｒＯｘ／Ａｕ／ＩＴＯのうち一つ以上を用いて単層または多層に具現することができる。オーミック層（図示せず）は、第２半導体層２３０にキャリアの注入を円滑にするためのもので、必須のものではない。
また、第１電極層２２０は、ボンディング層（図示せず）を有することができ、このボンディング層（図示せず）は、障壁金属（ｂａｒｒｉｅｒ ｍｅｔａｌ）、またはボンディング金属、例えば、Ｔｉ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｃｕ、ＡｇまたはＴａのうち少なくとも一つを含むことができるが、これに限定されない。
発光構造物２７０は、少なくとも第２半導体層２３０、活性層２５０及び第１半導体層２６０を含むことができ、第２半導体層２３０と第１半導体層２６０との間に活性層２５０を介在した構成からなることができる。
前記第１電極層２２０上には第２半導体層２３０を形成することができる。前記第２半導体層２３０は、p型ドーパントがドーピングされたp型半導体層に具現することができる。前記p型半導体層は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０<ｘ<１、０<ｙ<１、０<ｘ＋ｙ<１）の組成式を有する半導体材料、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮなどから選択されることができ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａなどのｐ型ドーパントがドーピングされることができる。
第２半導体層２３０上には活性層２５０を形成することができる。活性層２５０は、３族−５族元素の化合物半導体材料を用いて単一または多重量子井戸構造、量子線（Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｉｒｅ）構造、または量子点（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ）構造などで形成することができる。
活性層２５０が量子井戸構造で形成された場合、例えば、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０<ｘ<１、０<ｙ<１、０<ｘ＋ｙ<１）の組成式を有する井戸層と、ＩｎａＡｌｂＧａ１−ａ−ｂＮ（０<ａ<１、０<ｂ<１、０<ａ＋ｂ<１）の組成式を有する障壁層とを有する単一または多重量子井戸構造を有することができる。井戸層は、障壁層のバンドギャップより小さいバンドギャップを有する物質で形成することができる。
活性層２５０の上または／及び下には、導電型クラッド層（図示せず）を形成することができる。導電型クラッド層（図示せず）は、ＡｌＧａＮ系半導体で形成することができ、活性層２５０のバンドギャップよりは大きいバンドギャップを有することができる。
また、活性層２５０が多重量子井戸構造を有する場合、それぞれの井戸層（図示せず）、または障壁層（図示せず）は、互いに異なる組成及びバンドギャップを有することができ、これについては、図９乃至図１０を参照して後述する。
一方、活性層２５０と第２半導体層２３０との間に中問層２４０を形成することができ、中問層２４０は、高電流の印加時、第１半導体層２６０から活性層２５０に注入される電子が活性層２５０で再結合されずに第２半導体層２３０に流れる現象を防止する電子遮断層（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｌａｙｅｒ）であってもよい。中問層２４０は、活性層２５０より相対的に大きいバンドギャップを有することによって、第１半導体層２６０から注入された電子が活性層２５０で再結合されずに第２半導体層２３０に注入される現象を防止することができる。これによって、活性層２５０での電子と正孔の再結合確率を高め、漏れ電流を防止することができる。
一方、上述した中間層２４０は、活性層２５０に含まれた障壁層のバンドギャップより大きいバンドギャップを有することができ、ｐ型ＡｌＧａＮのようなＡｌを含む半導体層で形成することができるが、これに限定されない。
活性層２５０上には第１半導体層２６０を形成することができる。第１半導体層２６０はｎ型半導体層に具現することができ、ｎ型半導体層は、例えば、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０<ｘ<１、０<ｙ<１、０<ｘ＋ｙ<１）の組成式を有する半導体材料、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮなどから選択されることができ、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｅ、Ｔｅのようなｎ型ドーパントがドーピングされることができる。
第１半導体層２６０上には、第１半導体層２６０と電気的に連結された第２電極層２８２を形成することができ、第２電極層２８２は、少なくとも一つのパッドまたは／及び所定パターンを有する電極を含むことができる。第２電極層２８２は、第１半導体層２６０の上面においてセンター領域、外側領域または隅領域に配置されることができるが、これに限定されない。第２電極層２８２は、前記第１半導体層２６０の上ではない他の領域に配置されることができるが、これに限定されない。
第２電極層２８２は、伝導性物質、例えば、Ｉｎ、Ｃｏ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｗ、Ｔｉ、Ａｇ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、及びＷＴｉから選択された金属またはこれらの合金を用いて、単層または多層に形成することができる。
一方、発光構造物２７０は、第１半導体層２６０上に第１半導体層２６０と逆の極性を有する第３半導体層（図示せず）を含むことができる。また、第２半導体層２３０をｎ型半導体層に、第１半導体層２６０をｐ型半導体層に具現することもできる。これによって、発光構造層２７０は、ｎ−ｐ接合、ｐ−ｎ接合、ｎ−ｐ−ｎ接合及びｐ−ｎ−ｐ接合構造のうち少なくとも一つを含むことができる。
発光構造物２７０の上部には光抽出構造２８４を形成することができる。
光抽出構造２８４は、第１半導体層２６０の上面に形成してもよく、または発光構造物２７０の上部に投光性電極層（図示せず）を形成した後、投光性電極層（図示せず）の上部に形成してもよいが、これに限定されない。
光抽出構造２８４は、投光性電極層（図示せず）、または第１半導体層２６０の上面の一部または全体領域に形成することができる。光抽出構造２８４は、投光性電極層（図示せず）、または第１半導体層２６０の上面の少なくとも一領域に対してエッチングを行うことによって形成することができるが、これに限定されない。前記エッチング過程は、湿式または／及び乾式エッチング工程を含み、エッチング過程を経ることによって、投光性電極層（図示せず）の上面または第１半導体層２６０の上面は、光抽出構造２８４を形成するラフネスを含むことができる。ラフネスは、ランダムな大きさとして不規則に形成することができるが、これに限定されない。ラフネスは、平坦でない上面であって、テクスチャ（ｔｅｘｔｕｒｅ）パターン、凹凸パターン、平坦でないパターン（ｕｎｅｖｅｎ ｐａｔｔｅｒｎ）のうち少なくとも一つを含むことができる。
ラフネスは、円柱、多角柱、円錐、多角錐、円錐台、多角錐台などの様々な形状を有するように形成することができ、望ましくは、錐形状とすることができる。
一方、光抽出構造２８４は、ＰＥＣ（ｐｈｏｔｏ ｅｌｅｃｔｒｏ ｃｈｅｍｉｃａｌ）などの方法で形成することができるが、これに限定されない。光抽出構造２８４を投光性電極層（図示せず）の上部面または第１半導体層２６０の上部面に形成することによって、活性層２５０から生成された光が投光性電極層（図示せず）の上部面または第１半導体層２６０の上部面から全反射して再吸収されたり散乱したりするのを防止できるので、発光素子２００の光抽出効率の向上に寄与することができる。
発光構造物２７０の側面及び上部領域には、パシベーション（図示せず）を形成することができ、パシベーション（図示せず）は絶縁性材質で形成することができる。
図９は、図８のＢ領域を拡大して示した拡大断面図である。
図９を参照すると、発光素子２００の活性層２５０は多重量子井戸構造を有することができ、したがって、活性層２５０は、第１乃至第３井戸層Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及び第１乃至第３障壁層Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３を含むことができる。
実施例によって、第１乃至第３井戸層Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及び第１乃至第３障壁層Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３は、図９に示すように、互いに交互に積層される構造を有することができる。
一方、図９では、それぞれ第１乃至第３井戸層Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及び第１乃至第３障壁層Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３を形成し、第１乃至第３障壁層Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３と第１乃至第３井戸層Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３を交互に積層して形成するものに図示したが、これに限定されず、井戸層Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及び障壁層Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３は、任意の数を有するように形成することができ、配置もまた任意の配置を有することができる。さらに、上述のように、それぞれの井戸層Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及びそれぞれの障壁層Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３を形成する材質の組成比、バンドギャップ、及び厚さは、互いに異なってもよく、図９に示すものに限定されない。
また、本実施例によって、ｐ型ドーパントでドーピングされた第２半導体層２３０に隣接するように形成された第３障壁層Ｂ３は、厚さｄ１を有し、第１及び第２障壁層Ｂ１、Ｂ２は、厚さｄ２を有することができ、ｄ１はｄ２より大きい値を有することができる。
一方、第３障壁層Ｂ３は、第１層２５１、及び第１層２５１と中間層２４０との間に配置された第２層２５２とを有することができる。
第１層２５１と第２層２５２は、互いに異なる成長条件、厚さ、または組成を有することができるが、これに限定されない。例えば、第２層２５２は、第１層２５１より多く、井戸層より少ないＩｎ含量を有することができる。
一方、第２層２５２は、Ｍｇのようなｐ型ドーパントでドーピングされ得る。第２層２５２がｐ型ドーパントでドーピングされることで、正孔注入効率が改善され、動作電圧が低下することができる。
一方、第２層２５２は、正孔の捕獲確率を高めるために、所定の厚さｄ３を有することができ、例えば、２nm至１５nmの厚さを有することができる。
また、第１層２５１と第２層２５２は、互いに異なるバンドギャップを有するように形成することができ、これについては、図１０を参照して後述する。
図１０は、本発明の一実施例に係る発光素子のエネルギーバンドダイアグラムを示す図である。
図１０を参照すると、第３障壁層Ｂ３の第１層２５１と第２層２５２のバンドギャップは、互いに異なる大きさを有することができ、例えば、第２層２５２のバンドギャップは第１層２５１のバンドギャップより小さく形成されて、カート（ｃａｒｔ）構造を形成できる。また、第２層２５２のバンドギャップは、第１、第２障壁層Ｂ１、Ｂ２、及び第３障壁層Ｂ３の第１層２５１のバンドギャップより小さく、井戸層Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３のバンドギャップより大きく形成することができる。
一方、発光層として機能する井戸層Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の厚さを厚く形成すると、キャリアの捕獲確率が増加できる。しかし、井戸層Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の厚さを厚く形成する場合、圧電分極（ｐｉｅｚｏｅｌｅｔｒｉｃ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）による量子井戸構造の歪み現象などが激しくなる。これによって、電子と正孔の再結合で光を発生させる発光素子において、内部量子効率が低下し、発光スペクトルの赤色シフト（ｒｅｄ ｓｈｉｆｔ）現象などが発生して、発光素子の電気的、光学的特性が劣化することがある。
本実施例に係る発光素子は、発光層として機能しない障壁層Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３の一領域が、他の領域より小さいバンドギャップを有するように形成され、キャリアを捕獲するのに寄与するカート構造を有することによって、井戸層Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３から生成される光のスペクトル不良及びバンドの曲げ現象などを起こさずに、キャリアの注入効率を増加させることができる。したがって、キャリアの注入効率が増加し、正孔と電子との間の再結合確率が増加して、発光素子の発光効率を改善することができる。
一方、正孔は電子より低い移動度（ｍｏｂｉｌｉｔｙ）を有するため、正孔に比べて電子が過剰注入されて、電子過剰現象、及び電子が活性層２５０を越えて第１半導体層２６０に流れるオーバーフローイング現象が発生し得る。
また、ｐ型ドーパントでドーピングされた第２半導体層２３０に隣接した第３障壁層Ｂ３が、カート構造を有するように形成されることによって、第２半導体層２３０から提供されるキャリア、例えば、正孔の捕獲確率が増加することができる。したがって、電子と正孔との間の再結合確率が増加し、第２半導体層２３０から提供される電子が過剰注入されて第１半導体層２６０に流れるオーバーフローイング現象を防止することができ、発光素子２００の発光効率を改善させることができる。
図１１乃至図１３は、本発明の一実施例に係る発光素子パッケージを示す斜視図及び断面図である。
図１１乃至図１３を参照すると、発光素子パッケージ５００は、キャビティ５２０が形成されたボディー５１０、ボディー５１０に実装される第１及び第２リードフレーム５４０、５５０と、第１及び第２リードフレーム５４０、５５０と電気的に連結された発光素子５３０と、発光素子５３０を覆うようにキャビティ５２０に充填されている封止材（図示せず）とを備えることができる。
ボディー５１０は、ポリフタルアミド（ＰＰＡ：Ｐｏｌｙｐｈｔｈａｌａｍｉｄｅ）のような樹脂材質、シリコン（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、液晶ポリマー（ＰＳＧ：ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ｇｌａｓｓ）、ポリアミド９Ｔ（ＰＡ９Ｔ）、シンジオタクチックポリスチレン（ＳＰＳ）、金属材質、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、印刷回路基板（ＰＣＢ：Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）のうち少なくとも一つで形成することができる。ボディー５１０は、射出成形、エッチング工程などによって形成されることができるが、これに限定されない。
ボディー５１０の内面は、傾斜面が形成されることができる。このような傾斜面の角度によって、発光素子５３０から放出される光の反射角が変わり、これによって、外部に放出される光の指向角を調節することができる。
光の指向角が減少するほど、発光素子５３０から外部に放出される光の集中性は増加し、逆に、光の指向角が増加するほど、発光素子５３０から外部に放出される光の集中性は減少する。
一方、ボディー５１０に形成されるキャビティ５２０を上から見た形状は、円形、四角形、多角形、楕円形などの形状であってもよく、角部を曲線にした形状であってもよいが、これに限定されない。
発光素子５３０は、第１リードフレーム５４０上に実装され、例えば、赤色、緑色、青色、白色などの光を放出する発光素子、または紫外線を放出するＵＶ（Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ）発光素子であってもよいが、これに限定されない。また、発光素子５３０は、１個以上実装することができる。
また、発光素子５３０は、その電気端子が全て上部面に形成された水平タイプ（Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｔｙｐｅ）、または上、下部面に形成された垂直タイプ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ ｔｙｐｅ）、またはフリップチップ（ｆｌｉｐ ｃｈｉｐ）のいずれにも適用可能である。
一方、本実施例に係る発光素子５３０は、発光素子の側面に延長された電極（図示せず）を有するので、動作電圧が改善され、発光効率が向上して、発光素子パッケージ５００の光度を向上させることができる。
封止材（図示せず）は、発光素子５３０を覆うようにキャビティ５２０に充填されることができる。
封止材（図示せず）は、シリコン、エポキシ、及びその他の樹脂材質で形成することができ、キャビティ５２０内に充填した後、これを紫外線または熱硬化する方式で形成することができる。
また、封止材（図示せず）は蛍光体を含むことができ、蛍光体は、発光素子５３０から放出される光の波長によってその種類が選択されて、発光素子パッケージ５００が白色光を具現するようにすることができる。
このような蛍光体は、発光素子５３０から放出される光の波長に応じて、青色発光蛍光体、青緑色発光蛍光体、緑色発光蛍光体、黄緑色発光蛍光体、黄色発光蛍光体、黄赤色発光蛍光体、オレンジ色発光蛍光体、及び赤色発光蛍光体のうちいずれか一つを適用することができる。
すなわち、蛍光体は、発光素子５３０から放出される第１光を有する光によって励起されて第２光を生成することができる。例えば、発光素子５３０が青色発光ダイオードで、蛍光体が黄色蛍光体である場合、黄色蛍光体は、青色光によって励起されて黄色光を放出でき、青色発光ダイオードから発生した青色光と該青色光によって励起されて発生した黄色光とが混色されることで、発光素子パッケージ５００は白色光を提供することができる。
これと同様に、発光素子５３０が緑色発光ダイオードの場合は、マゼンタ（ｍａｇｅｎｔａ）蛍光体または青色と赤色の蛍光体を混用する場合を例に挙げることができ、発光素子５３０が赤色発光ダイオードの場合は、シアン（Ｃｙａｎ）蛍光体または青色と緑色蛍光体を混用する場合を例に挙げることができる。
このような蛍光体は、ＹＡＧ系、ＴＡＧ系、硫化物系、シリケート系、アルミネート系、窒化物系、カーバイド系、ニトリドシリケート系、ホウ酸塩系、フッ化物系、リン酸塩系などの公知の蛍光体であってもよい。
第１及び第２リ―ドフレーム５４０、５５０は、金属材質、例えば、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、白金（Ｐｔ）、錫（Ｓｎ）、銀（Ａｇ）、リン（Ｐ）、アルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｎ）、パラジウム（Ｐｄ）、コバルト（Ｃｏ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ルテニウム（Ｒｕ）、鉄（Ｆｅ）のうち一つ以上の物質またはこれらの合金を含むことができる。また、第１及び第２リードフレーム５４０、５５０は、単層または多層構造を有するように形成することができるが、これに限定されない。
第１及び第２リ―ドフレーム５４０、５５０は、互いに離隔して電気的に分離される。発光素子５３０は、第１及び第２リードフレーム５４０、５５０上に実装され、第１及び第２リードフレーム５４０、５５０は発光素子５３０と直接接触したり、またははんだ付け（ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ）部材（図示せず）のような伝導性を有する材料を介して電気的に連結されることができる。また、発光素子５３０は、ワイヤーボンディングによって第１及び第２リードフレーム５４０、５５０と電気的に連結されることができるが、これに限定されない。したがって、第１及び第２リードフレーム５４０、５５０に電源が連結されると発光素子５３０に電源が印加されることができる。一方、数個のリードフレーム（図示せず）がボディー５１０内に実装され、それぞれのリードフレーム（図示せず）が発光素子５３０と電気的に連結されることができるが、これに限定されない。
一方、図１３を参照すると、本実施例に係る発光素子パッケージ５００は、光学シート５８０を含むことができ、光学シート５８０は、ベース部５８２及びプリズムパターン５８４を含むことができる。
ベース部５８２は、プリズムパターン５８４を形成するための支持体であって、熱的安全性が優れ、透明な材質からなるもので、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、及びポリエポキシからなる群より選択されたいずれか一つからなることができるが、これに限定されない。
また、ベース部５８２は、蛍光体（図示せず）を含むことができる。一例として、ベース部５８２を形成する材質に蛍光体（図示せず）を均一に分散させた状態でこれを硬化してベース部５８２を形成することができる。このようにベース部５８２を形成する場合は、蛍光体（図示せず）がベース部５８２の全体に均一に分布することができる。
一方、ベース部５８２上には、光を屈折し、集光する立体形状のプリズムパターン５８４を形成することができる。プリズムパターン５８４を構成する物質はアクリルレジンであってもよいが、これに限定されない。
プリズムパターン５８４は、ベース部５８２の一面において一方向に沿って相互隣接して平行に配列された複数の線形プリズムを含み、線形プリズムの軸方向に対する垂直断面は三角形であってもよい。
プリズムパターン５８４は、光を集光する効果があるので、図１３の発光素子パッケージ５００に光学シート５８０を付着する場合は、光の直進性が向上して発光素子パッケージ５００の光の輝度を向上させることができる。
一方、プリズムパターン５８４には、蛍光体（図示せず）が含まれることができる。
蛍光体（図示せず）は、分散された状態で、プリズムパターン５８４を形成する、例えば、アクリルレジンと混合してペーストまたはスラリー状態にした後、プリズムパターン５８４を形成することによって、蛍光体がプリズムパターン５８４内に均一に含まれることができる。
このように、プリズムパターン５８４に蛍光体（図示せず）が含まれる場合は、発光素子パッケージ５００の光の均一度及び分布度が向上するのはもちろん、プリズムパターン５８４による光の集光効果の他に、蛍光体（図示せず）による光の分散効果があるので、発光素子パッケージ５００の指向角を向上させることができる。
本実施例に係る発光素子パッケージ５００は、複数個が基板上にアレイされ、発光素子パッケージ５００の光経路上に、光学部材である導光板、プリズムシート、拡散シートなどが配置されることができる。このような発光素子パッケージ、基板、光学部材は、ライトユニットとして機能することができる。また他の実施例は、上述した実施例に記載された発光素子または発光素子パッケージを含む表示装置、指示装置、照明システムに具現することができ、例えば、照明システムはランプ、街灯を含むことができる。
図１４は、本実施例に係る発光素子パッケージを備える照明装置を示す斜視図で、図１５は、図１４の照明装置のＣ−Ｃ'線断面図である。
図１４及び図１５を参照すると、照明装置６００は、ボディー６１０、ボディー６１０に締結されるカバー６３０、及びボディー６１０の両端に設けられるエンドキャップ６５０を含むことができる。
ボディー６１０の下部面には、発光素子モジュール６４０が締結され、ボディー６１０は、発光素子パッケージ６４４から発生した熱がボディー６１０の上部面を通して外部に放出されるように、伝導性及び熱発散効果に優れた金属材質で形成することができる。
発光素子パッケージ６４４は、ＰＣＢ６４２上に多色、多列で実装されてアレイをなすことができ、同一の間隔で実装したり、または必要に応じて様々な離隔距離を有して実装することができ、明るさなどを調節することができる。このようなＰＣＢ６４２には、ＭＰＰＣＢ（Ｍｅｔａｌ Ｃｏｒｅ ＰＣＢ）またはＦＲ４材質のＰＣＢなどを使用することができる。
特に、発光素子パッケージ６４４は、発光素子（図示せず）を含み、一方、実施例に係る発光素子（図示せず）は、発光素子（図示せず）の側面に延長された電極（図示せず）を有するので、動作電圧が改善され、発光効率が向上して、発光素子パッケージ６４４及び照明装置６００の光度を向上させることができる。
カバー６３０は、ボディー６１０の下部面を取り囲むように円形に形成することができるが、これに限定されないのはいうまでもない。
カバー６３０は、内部の発光素子モジュール６４０を外部の異物などから保護する。また、カバー６３０は、発光素子パッケージ６４４から発生した光のまぶしさを防止し、外部に光を均一に放出できるように拡散粒子を含むことができ、また、カバー６３０の内面及び外面のうち少なくともいずれか一面には、プリズムパターンなどを形成することができる。また、カバー６３０の内面及び外面のうち少なくともいずれか一面には、蛍光体を塗布することもできる。
一方、発光素子パッケージ６４４から発生した光は、カバー６３０を通して外部に放出されるので、カバー６３０は、光透過率に優れたものでなければならなく、発光素子パッケージ６４４から発生した熱に耐えられるように十分な耐熱性を備えていなければならない。したがって、カバー６３０は、ポリエチレンテレフタレート（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ；ＰＥＴ）、ポリカーボネート（Ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ；ＰＣ）またはポリメチルメタクリレート（Ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌ Ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ；ＰＭＭＡ）などを含む材質で形成することが望ましい。
エンドギャップ６５０は、ボディー６１０の両端に位置し、電源装置（図示せず）を密閉する用途で使用することができる。また、エンドキャップ６５０には電源ピン６５２が形成されており、実施例に係る照明装置６００は、既存の蛍光灯を除去した端子に別途の装置なしに直ぐ使用できるようになる。
図１６、本発明の一実施例に係る発光素子を備える液晶表示装置の分解斜視図である。
図１６は、エッジ−ライト方式のもので、液晶表示装置７００は、液晶表示パネル７１０と、液晶表示パネル７１０に光を提供するためのバックライトユニット７７０とを備えることができる。
液晶表示パネル７１０は、バックライトユニット７７０から提供される光を用いて画像を表示することができる。液晶表示パネル７１０は、液晶を介在して互いに対向するカラーフィルター基板７１２及び薄膜トランジスタ基板７１４を備えることができる。
カラーフィルター基板７１２は、液晶表示パネル７１０を通してディスプレイされる画像の色を具現することができる。
薄膜トランジスタ基板７１４は、駆動フィルム７１７を介して多数の回路部品が実装される印刷回路基板７１８と電気的に接続されている。薄膜トランジスタ基板７１４は、印刷回路基板７１８から提供される駆動信号に応答して、印刷回路基板７１８から提供される駆動電圧を液晶に印加することができる。
薄膜トランジスタ基板７１４は、ガラスやプラスチックなどのような透明な材質の他の基板上に薄膜で形成された薄膜トランジスタ及び画素電極を含むことができる。
バックライトユニット７７０は、光を出力する発光素子モジュール７２０と、発光素子モジュール７２０から提供される光を面光源の形態に変更させて液晶表示パネル７１０に提供する導光板７３０と、導光板７３０から提供された光の輝度分布を均一にし、垂直入射性を向上させる複数のフィルム７５２、７６６、７６４と、導光板７３０の後方に放出される光を導光板７３０に反射させる反射シート７４７と、で構成される。
発光素子モジュール７２０は、複数の発光素子パッケージ７２４と、複数の発光素子パッケージ７２４が実装されてアレイをなすようにするＰＣＢ基板７２２とを備えることができる。
特に、発光素子パッケージ７２４は発光素子（図示せず）を備え、本実施例に係る発光素子（図示せず）は、発光素子（図示せず）の側面に延長された電極（図示せず）を有するので、動作電圧が改善され、発光効率が向上して、発光素子パッケージ７２４及びバックライトユニット７７０の光度を向上させることができる。
一方、バックライトユニット７７０は、導光板７３０から入射する光を液晶表示パネル７１０の方向に拡散させる拡散フィルム７６６と、拡散された光を集光して垂直入射性を向上させるプリズムフィルム７５２とで構成されることができ、プリズムフィルム７５２を保護する保護フィルム７６４を備えることができる。
図１７は、本発明の一実施例に係る発光素子を備える液晶表示装置の分解斜視図である。ただし、図１６で図示し、説明した部分については繰り返して詳細に説明しない。
図１７は、直下方式のもので、液晶表示装置８００は、液晶表示パネル８１０と、液晶表示パネル８１０に光を提供するバックライトユニット８７０とを備えることができる。
液晶表明パネル８１０は、図１６での説明と同一なので、詳細な説明は省略する。
バックライトユニット８７０は、複数の発光素子モジュール８２３と、反射シート８２４と、発光素子モジュール８２３及び反射シート８２４が収納される下部シャーシ８３０と、発光素子モジュール８２３の上部に配置された拡散板８４０と、複数の光学フィルム８６０とを備えることができる。
発光素子モジュール８２３は、複数の発光素子パッケージ８２２と、複数の発光素子パッケージ８２２が実装されてアレイをなすようにＰＣＢ基板８２１とを備えることができる。
特に、発光素子パッケージ８２２は発光素子（図示せず）を備え、本実施例に係る発光素子（図示せず）は、発光素子（図示せず）の側面に延長された電極（図示せず）を有するので、動作電圧が改善され、発光効率が向上して、発光素子パッケージ８２２及びバックライトユニット８７０の光度を向上させることができる。
反射シート８２４は、発光素子パッケージ８２２から発生した光を、液晶表示パネル８１０の位置した方向に反射させて、光の利用効率を向上させる。
一方、発光素子モジュール８２３から発生した光は拡散板８４０に入射し、拡散板８４０の上部には光学フィルム８６０が配置される。光学フィルム８６０は、拡散フィルム８６６、プリズムフィルム８５０及び保護フィルム８６４を含んで構成することができる。
一方、本実施例に係る発光素子は、上述した各実施例の構成及び方法に限定されず、各実施例は多様な変形が可能なように、各実施例の全部または一部を選択的に組み合わせて構成することもできる。
また、以上では好適な実施例について図示し、説明したが、上述した特定の実施例に限定されず、請求の範囲で請求する実施例の要旨を逸脱しない範囲内で、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者によって、様々な変形実施が可能であるのはもちろん、このような各変形実施は、実施例の技術的思想や見込みから個別的に理解されてはいけないであろう。

Claims (24)

  1. 第１半導体層、第２半導体層、及び前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に配置された活性層を有する発光構造物を備え、
    前記第１半導体層は、Ｎ型ドーパントがドーピングされたＮ型半導体層で、前記第２半導体層は、Ｐ型ドーパントがドーピングされたＰ型半導体層であり、
    前記活性層は、交互に積層された少なくとも２対の井戸層及び障壁層を有し、
    前記障壁層のうち前記第２半導体層に隣接した障壁層は、
    第１層、及び前記第１層と前記第２半導体層との間に配置されている第２層を有し、
    前記第１層は第１バンドギャップを有し、前記第２層は第２バンドギャップを有し、
    前記第２バンドギャップは前記第１バンドギャップより小さく、
    前記第２層はＰ型ドーパントでドーピングされている、発光素子。
  2. 第１半導体層、第２半導体層、及び前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に配置された活性層を有する発光構造物を備え、
    前記第１半導体層は、Ｎ型ドーパントがドーピングされたＮ型半導体層で、前記第２半導体層は、Ｐ型ドーパントがドーピングされたＰ型半導体層であり、
    前記活性層は、交互に積層された少なくとも２対の井戸層及び障壁層を有し、
    前記障壁層のうち前記第２半導体層に隣接した障壁層は、
    第１層、及び前記第１層と前記第２半導体層との間に配置された第２層を有し、
    前記第１層は第１バンドギャップを有し、前記第２層は第２バンドギャップを有し、
    前記第２バンドギャップは前記第１バンドギャップより小さく、
    前記第２層はＰ型ドーパントでドーピングされ、
    前記第１層及び第２層は、Ｉｎを含み、
    前記第２層は前記第１層より多いＩｎ含有量を有する、発光素子。
  3. 第１半導体層、第２半導体層、及び前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に配置された活性層を有する発光構造物を備え、
    前記第１半導体層は、Ｎ型ドーパントがドーピングされたＮ型半導体層で、前記第２半導体層は、Ｐ型ドーパントがドーピングされたＰ型半導体層であり、
    前記活性層は、交互に積層された少なくとも２対の井戸層及び障壁層を有し、
    前記障壁層のうち前記第２半導体層に隣接した障壁層は、
    第１層、及び前記第１層と前記第２半導体層との間に配置された第２層を有し、
    前記第１層は第１バンドギャップを有し、前記第２層は第２バンドギャップを有し、
    前記第２バンドギャップは前記第１バンドギャップより小さく、
    前記第２層はＰ型ドーパントでドーピングされ、
    前記活性層と前記第２半導体層との間に中間層を有し、
    前記中間層は、
    ｐ型にドーピングされたｐ−ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０<ｘ<１）を含み、
    前記中間層は、バルク層（ｂｕｌｋ ｌａｙｅｒ）であり、前記中間層のＡｌの組成が変わる、発光素子。
  4. 前記井戸層は、第３バンドギャップを有し、
    前記第２バンドギャップは前記第３バンドギャップより大きい、請求項１乃至３のいずれかに記載の発光素子。
  5. 前記第２層の厚さは、
    ２nm乃至１５nmである、請求項１乃至３のいずれかに記載の発光素子。
  6. 前記ｐ型ドーパントは、
    Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａのうちのいずれか一つを含む、請求項１乃至３のいずれかに記載の発光素子。
  7. 前記第２層は、Ｉｎを含む、請求項１または３に記載の発光素子。
  8. 前記第２層は、
    前記井戸層より少なく、前記第１層より多いＩｎ含有量を有する、請求項７に記載の発光素子。
  9. 前記中間層は、
    前記障壁層より大きいバンドギャップを有する、請求項３に記載の発光素子。
  10. 前記中間層のＡｌの組成が、前記活性層から前記第２半導体層の方向に増加してから減少する、請求項３に記載の発光素子。
  11. 前記中間層のＡｌの組成が、前記活性層から前記第２半導体層の方向に漸増してから漸減する、請求項３に記載の発光素子。
  12. 前記中間層にＩｎがドーピングされた、請求項３に記載の発光素子。
  13. 前記活性層と前記中間層との間に、ドーピングされないＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０<ｙ<１）をさらに含む、請求項３に記載の発光素子。
  14. 前記中間層は、
    ３００Å〜６００Åの厚さに形成されている、請求項３に記載の発光素子。
  15. 前記中間層は、
    Ａｌ組成比が５％乃至３０％の間で変化される、請求項３に記載の発光素子。
  16. 前記第２半導体層の下部に支持部材、
    前記支持部材と前記第２半導体層との間に第１電極、及び
    前記第１半導体層上に第２電極
    をさらに備える、請求項１乃至１５のいずれかに記載の発光素子。
  17. 前記第２半導体層上に第２電極、
    前記第１半導体層の下部に支持部材、及び
    前記第２半導体層及び前記活性層の一部を除去して、前記第１半導体層の上面の一部を露出させ、前記露出された第１半導体層の上面に第１電極
    を備える、請求項１乃至１６のいずれかに記載の発光素子。
  18. 前記第２半導体層上に、所定のラフネスを有する凸凹部をさらに備える、請求項１７に記載の発光素子。
  19. 前記ドーピングされないＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０<ｙ<１）のバンドギャップは、前記第１層のバンドギャップより大きい、請求項１３に記載の発光素子。
  20. 前記第１層の厚さは、４nm乃至６nmである、請求項１乃至３のいずれかに記載の発光素子。
  21. 前記第２層は、Ｍｇでドーピングされ、前記Ｍｇの濃度は、１Ｅ１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ3乃至５Ｅ１９ａｔｏｍｓ／ｃｍ3である、請求項１乃至３のいずれかに記載の発光素子。
  22. 請求項１乃至２１のいずれかに記載の発光素子を備える発光素子パッケージ。
  23. 請求項１乃至２１のいずれかに記載の発光素子を備える照明装置。
  24. 請求項１乃至２１のいずれかに記載の発光素子を備えるバックライトユニット。
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