JP6215255B2 - 発光素子、発光素子パッケージ、及び照明システム - Google Patents

発光素子、発光素子パッケージ、及び照明システム Download PDF

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Description

本発明は、発光素子、発光素子製造方法、及び発光素子パッケージに関するものである。
発光ダイオード（Light Emitting Diode：ＬＥＤ）は電流を光に変換させる発光素子である。最近、発光ダイオードは、輝度が徐々に増加するようになって、ディスプレイ用光源、自動車用光源、及び照明用光源への使用が増加している。
最近、青色または緑色などの短波長光を生成してフルカラー具現が可能な高出力発光チップが開発された。ここに、発光チップから出力される光の一部を吸収して光の波長と異なる波長を出力する蛍光体を発光チップの上に塗布することによって、多様な色の発光ダイオードを組み合わせることができ、白色光を発光する発光ダイオードも具現が可能である。
本発明の目的は、活性層の井戸層の間に配置された障壁層の各々が複数の障壁構造を有する発光素子を提供することにある。
本発明の他の目的は、活性層の内に隣接した井戸層の間に３個以上の障壁構造を有する障壁層を含む発光素子を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、活性層の内に井戸層の厚さより薄く、３元系の化合物半導体よりエネルギーバンドギャップの広い複数の障壁構造を有する障壁層を含む発光素子を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、活性層の内で第１エネルギーバンドギャップを有する第１半導体層と、前記第１半導体層の上面及び下面に第１エネルギーバンドギャップより広い第２エネルギーバンドギャップを有する第２及び第３半導体層を含む活性層を含む発光素子を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、活性層の内の障壁層のうち、少なくとも１つの障壁層が複数の層を具備し、前記複数の層のうち、井戸層に隣接した層であるほどアルミニウムの含有量の高い発光素子を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、活性層の内の障壁層のうち、少なくとも１つの障壁層が複数の層を具備し、前記複数の層のうち、井戸層に隣接した層であるほど厚さの薄い発光素子を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、活性層の内の障壁層のうち、少なくとも１つの障壁層が複数の層を具備し、前記複数の層のうち、井戸層に隣接した層の厚さが前記井戸層の厚さより薄い発光素子を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、活性層の内の障壁層のうち、少なくとも１つの障壁層が複数の層を具備し、前記複数の層のうち、井戸層に隣接した層であるほどエネルギーバンドギャップの広い発光素子を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、活性層の内の障壁層のうち、少なくとも１つの障壁層が複数の層を具備し、前記複数の層のうち、井戸層に隣接した層であるほど障壁高さの高い発光素子を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、活性層の内の障壁層のうち、少なくとも１つの障壁層が複数の層を具備し、前記複数の層のうち、井戸層に隣接した層であるほど格子定数の小さい発光素子を提供することにある。
本発明の一態様に従う発光素子は、第１導電型半導体層、前記第１導電型半導体層の上に第２導電型半導体層、及び前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間に配置され、複数の井戸層と複数の障壁層を含む活性層を含み、前記複数の井戸層は互いに隣接した第１井戸層と第２井戸層を含み、前記複数の障壁層は前記第１井戸層と第２井戸層との間に配置された第１障壁層を含み、前記第１障壁層は、前記第１井戸層のエネルギーバンドギャップより広いエネルギーバンドギャップを有する複数の半導体層を含み、前記複数の半導体層のうち、前記第１井戸層と前記第２井戸層に隣接した層であるほどアルミニウムの含有量が高く配置される。
本発明の別の態様に従う発光素子は、ｎ型ドーパントを有する第１導電型半導体層、前記第１導電型半導体層の上にｐ型ドーパントを有する第２導電型半導体層、前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間に配置され、複数の井戸層と複数の障壁層を含む活性層、及び前記活性層と前記第２導電型半導体層との間に配置された電子遮断層を含み、前記複数の井戸層は互いに隣接した第１井戸層と第２井戸層を含み、前記複数の障壁層は前記第１井戸層と第２井戸層との間に配置された第１障壁層を含み、前記第１障壁層は、前記第１井戸層のエネルギーバンドギャップより広いエネルギーバンドギャップを有する複数の半導体層を含み、前記複数の半導体層のうち、前記第１井戸層と前記第２井戸層に隣接した層であるほど格子定数が低く、アルミニウムの含有量が高く配置される。
本発明の様々な実施形態によれば、新たな活性層を提供することができる。
本発明の様々な実施形態によれば、活性層の内部量子効率を改善させることができる。
本発明の様々な実施形態によれば、キャリア拘束（Carrier confinement）の効率を改善させることができる活性層を提供することができる。
本発明の様々な実施形態によれば、正孔と電子との再結合率の改善により光度を改善させることができる。
本発明の様々な実施形態によれば、光度を改善させることができる。
本発明の様々な実施形態によれば、発光素子及びこれを備えた発光素子パッケージの信頼性を改善させることができる。
本発明の第１実施形態に従う発光素子の側断面図である。 図１の活性層のエネルギーバンドダイヤグラムである。 図２の活性層の第１井戸層及び第１障壁層を詳細に示す図である。 図２の活性層の最後の障壁層と第２導電型半導体層の第１例に従うエネルギーバンドダイヤグラムを示す図である。 図２の活性層の最後の障壁層と第２導電型半導体層の第２例に従うエネルギーバンドダイヤグラムを示す図である。 図２の活性層の最後の障壁層と第２導電型半導体層の第３例に従うエネルギーバンドダイヤグラムを示す図である。 本発明の第２実施形態に従う活性層のエネルギーバンドダイヤグラムである。 本発明の第３実施形態に従う活性層のエネルギーバンドダイヤグラムである。 図１の発光素子の他の例を示す図である。 図１の発光素子の更に他の例を示す図である。 図５の発光素子を有する発光素子パッケージを示す図である。 実施形態による発光素子を有する表示装置を示す斜視図である。 実施形態による発光素子を有する表示装置を示す断面図である。 実施形態による発光素子を有する照明装置の例を示す図である。
以下、添付した図面を参照して実施形態に従う発光素子及びその製造方法について詳細に説明する。本発明を説明するに当たって、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、またはパターンの“上／の上（on）”に、または“下（under）”に形成されることと記載される場合において、“上／の上（on）”と“下（under）”は、“直接（directly）”または“他の層を介して（indirectly）”形成されることを全て含む。また、各層の上／の上または下に対する基準は、図面を基準として説明する。図面において、各層の厚さやサイズは説明の便宜及び明確性のために誇張、省略、または概略的に図示された。また、各構成要素のサイズは実際のサイズを全的に反映するものではない。
図１は、本発明の第１実施形態に従う発光素子の断面図である。
図１を参照すると、発光素子１００は、基板１１１、第１導電型半導体層１１７、活性層１２１、及び第２導電型半導体層１２５を含むことができる。
前記基板１１１は、透光性、絶縁性、または導電性材質の基板を含むことができ、例えば、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＰ、ＩｎＰ、Ｇｅ、Ｇａ２Ｏ３、ＬｉＧａＯ３のうち、少なくとも１つを用いることができる。前記基板１１１の上面には複数の突出部が形成されることができ、前記複数の突出部は前記基板１１１のエッチングを通じて形成したり、別途の光抽出構造で形成できる。前記突出部は、ストライプ形状、半球形状、またはドーム（dome）形状を含むことができる。前記基板１１１の厚さは３０μm−２５０μm範囲で形成されることができ、これに対して限定するものではない。
前記基板１１１の上には複数の化合物半導体層が成長できる。前記複数の化合物半導体層は、II族−VI族、及びIII族−V族化合物半導体のうち、少なくとも１つを用いて形成できる。前記複数の化合物半導体層のいずれか１層は、例えば、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰのような化合物半導体のうち、少なくとも１つを含むことができる。
前記基板１１１の上の化合物半導体層は、次のような成長装備により成長できる。前記成長装備は、例えば、電子ビーム蒸着器、ＰＶＤ（physical vapor deposition）、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）、ＰＬＤ（plasma laser deposition）、二重型の熱蒸着器（dual-type thermal evaporator）スパッタリング（sputtering）、ＭＯＣＶＤ（metal organic chemical vapor deposition）により形成することができ、このような装備に限定するものではない。
前記基板１１１の上には第１導電型半導体層１１７が形成されることができ、前記第１導電型半導体層１１７は前記基板１１１に直接接触するか、他の半導体層の上に形成できる。前記第１導電型半導体層１１７は第１導電型ドーパントがドーピングされたII族−VI族、及びIII族−V族化合物半導体のうち、少なくとも１つで具現されることができ、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で形成できる。前記第１導電型半導体層１１７は、例えば、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰのうち、少なくとも１つを含む。前記第１導電型半導体層１１７はｎ型半導体層を含み、前記第１導電型のドーパントはｎ型ドーパントとして、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｅ、Ｔｅを含む。
前記基板１１１と前記第１導電型半導体層１１７との間には１つまたは複数の半導体層が配置されることができ、これに対して限定するものではない。
前記第１導電型半導体層１１７の上には活性層１２１が配置され、前記活性層１２１は可視光線から紫外線帯域の光を発生することができる。実施形態の活性層１２１は、例えば４００nm以下の波長帯域の光を放出し、例えば２８５nm−３８５nm範囲の波長帯域の光を発生することができる。
前記第１導電型半導体層１１７の上には活性層１２１が形成される。前記活性層１２１は単一井戸、単一量子井戸、多重井戸、多重量子井戸（ＭＱＷ）、量子線、量子点（quantum dot）構造のうち、少なくとも１つで形成できる。
前記活性層１２１は複数の井戸層２２と複数の障壁層３２を含み、多重量子井戸構造を含む。前記活性層１２１は井戸層２２と障壁層３２のペアを有し、交互に配置される。前記活性層１２１は紫外線帯域の波長を放出するようになる。前記活性層１２１は４００nm以下の波長帯域の光を放出し、例えば２８５nm−３８５nm範囲の波長帯域の光を発生するようになる。
前記井戸層２２と前記障壁層３２のペアは２−３０周期で形成できる。前記井戸層２２は量子井戸層として定義することができ、前記障壁層３２は量子障壁層として定義できる。
前記井戸層２２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で形成されることができ、例えばＩｎＧａＮ、ＧａＮ、またはＡｌＧａＮで形成できる。前記障壁層３２は、前記井戸層２２のバンドギャップより広いバンドギャップを有する半導体であって、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のうちから選択的に形成できる。前記障壁層３２は、例えば、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）で形成できる。前記障壁層３２は互いに隣接した井戸層２２の間に配置できる。
前記複数の井戸層２２に隣接した障壁層３２の各々は複数の障壁構造を含むことができ、前記複数の障壁構造は前記井戸層２２のエネルギーバンドギャップより広いエネルギーバンドギャップを有する。
前記障壁層３２の各々は井戸層２２の間に配置され、複数の層、例えば、３個以上の半導体層３３、３４、３５を含む。前記複数の半導体層のうち、前記井戸層２２に隣接した層であるほどエネルギーバンドギャップが広く形成される。前記複数の半導体層３３、３４、３５のうち、前記井戸層２２に隣接した層であるほどアルミニウムの含有量が高く形成される。前記複数の半導体層３３、３４、３５のうち、前記井戸層２２に隣接した層であるほど厚さが薄く形成できる。前記複数の半導体層３３、３４、３５のうち、前記井戸層２２に隣接した層の厚さは前記井戸層２２の厚さより薄く形成できる。前記複数の半導体層３３、３４、３５のうち、前記井戸層２２に隣接した層の厚さは互いに同一な厚さで形成できる。前記複数の半導体層３３、３４、３５のうち、前記井戸層２２に隣接した層であるほど障壁高さが高く、格子定数が小さい。
前記複数の障壁層３２は互いに隣接した井戸層２２の間に各々配置される。前記複数の障壁層３２の各々は、第１半導体層３３、前記第１半導体層３３の下面に接触した第２半導体層３４、及び前記第１半導体層３３の上面に接触した第３半導体層３５を含む。
前記第１半導体層３３はアルミニウムを有する３元系または４元系の化合物半導体で形成され、前記第２半導体層３４と第３半導体層３５との間に配置される。前記第２半導体層３４はアルミニウムを有する２元系の化合物半導体を含み、前記第３半導体層３５はアルミニウムを有する２元系の化合物半導体を含む。前記２元系、３元系、または４元系の化合物半導体は、例えば、III族金属原料と窒素を結合させた化合物半導体で形成できる。ここで、前記III族金属原料は、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）のような原料を含む。
また、前記第１半導体層３３は前記井戸層２２の第１エネルギーバンドギャップより広い第２エネルギーバンドギャップを有し、前記第２及び第３半導体層３４、３５は前記第２エネルギーバンドギャップより広い第３エネルギーバンドギャップを有する。ここで、前記III族金属原料は、インジウム（Ｉｎ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）のような原料を含む。
前記第１半導体層３３は、アルミニウム（Ａｌ）と窒素（Ｎ）を有する３元系または４元系の化合物半導体で形成されることができ、例えばＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮで形成できる。
前記第２半導体層３４は、アルミニウム（Ａｌ）と窒素を有する２元系の化合物半導体で形成されることができ、例えばＡｌＮで形成できる。前記第３半導体層３５は、アルミニウムと窒素を有する２元系の化合物半導体で形成されることができ、例えばＡｌＮで形成できる。前記第２半導体層３４と前記第３半導体層３５は、ＡｌＮで形成されることができ、エネルギーバンドギャップが互いに同一でありうる。
前記障壁層３２で、第１乃至第３半導体層３３、３４、３５の積層順序は、第２半導体層３４、第１半導体層３３、及び第３半導体層３５の順に積層できる。前記障壁層３２の各々は、例えば、ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ、またはＡｌＮ／ＩｎＡｌＧａＮ／ＡｌＮの構造で積層できる。
前記井戸層２２と障壁層３２とのペア構造は、ＩｎＧａＮ／ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ／ＡｌＮ／ＩｎＡｌＧａＮ／ＡｌＮ、ＧａＮ／ＡｌＮ／ＡｌＧａＮ／ＡｌＮ、ＧａＮ／ＡｌＮ／ＩｎＡｌＧａＮ／ＡｌＮのうち、いずれか１つを含むことができる。前記活性層１２１の詳細な説明は後述する説明を参照する。
前記複数の障壁層３２のうち、前記第２導電型半導体層１２５に最も隣接した第３障壁層は、第２エネルギーバンドギャップを有する第１半導体層３３を含み、単一障壁構造または複数の障壁構造を含む。前記第３障壁層は１つの層構造または複数の層構造を含むことができ、これに対して限定するものではない。前記第１半導体層３３はＡｌＧａＮで形成できる。
また、他の例として、前記第２導電型半導体層１２５に最も近い第３障壁層は第１層乃至第３半導体層３３、３４、３５のうち、少なくとも１つを含むことができ、例えばＡｌＮ／ＡｌＧａＮの積層構造で配置されることができ、これに対して限定するものではない。
前記活性層１２１の成長方法は、例えば所定の成長温度（例：７００−９５０℃）の下でＨ２または／及びＮ２をキャリアガスとして使用してＮＨ３、ＴＭＧａ（または、ＴＥＧａ）、ＴＭＩｎ、ＴＭＡｌをソースとして選択的に供給して、ＧａＮまたはＩｎＧａＮからなる井戸層２２、ＡｌＮ、及びＡｌＧａＮを有する障壁層３２を形成することができる。
前記活性層１２１の上には第２導電型半導体層１２５が配置され、前記第２導電型半導体層１２５は、第２導電型のドーパントを含む。前記第２導電型半導体層１２５は、例えば、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰのような化合物半導体のうち、少なくとも１つを含む層の積層構造を含むことができる。前記第２導電型半導体層１２５がｐ型半導体層を含み、前記第２導電型ドーパントはｐ型ドーパントとして、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａなどを含むことができる。前記第２導電型半導体層１２５は、前記活性層１２１の最後の障壁層を構成する層のうち、少なくとも１層に接触または非接触できる。
発光構造物１５０の層の伝導性タイプは反対に形成されることができ、例えば前記第２導電型半導体層１２５はｎ型半導体層、前記第１導電型半導体層１１７はｐ型半導体層で具現できる。また、前記第２導電型半導体層１２５の上には前記第２導電型と反対の極性を有する半導体層であるｎ型半導体層をさらに形成することもできる。前記発光素子１００は、前記第１導電型半導体層１１７、活性層１２１、及び前記第２導電型半導体層１２５を発光構造物１５０として定義することができ、前記発光構造物１５０はｎ−ｐ接合構造、ｐ−ｎ接合構造、ｎ−ｐ−ｎ接合構造、ｐ−ｎ−ｐ接合構造のうち、少なくとも一構造を含むことができる。前記ｎ−ｐ及びｐ−ｎ接合は２つの層の間に活性層１２１が配置され、ｎ−ｐ−ｎ接合またはｐ−ｎ−ｐ接合は３つの層の間に少なくとも１つの活性層１２１を含むようになる。
図２は、図１の活性層のエネルギーバンドダイヤグラムを示す図である。図２で、縦軸（Ｙ）はエネルギーバンドギャップの絶対サイズ（ｅＶ）を表し、横軸（Ｘ）は成長方向を表す。図３は、図２の活性層の第１井戸層及び第１障壁層を詳細に示す図である。
図１乃至図３を参照すると、活性層１２１は複数の井戸層２２と複数の障壁層３２とを含み、４００nm以下の波長帯域の光を放出し、例えば２８５nm−３８５nm範囲の波長帯域の光を発生するようになる。前記活性層１２１の発光波長の範囲は、例えば、前記井戸層２２と前記障壁層３２の第１半導体層３３のエネルギーバンドギャップの差により発生する。即ち、前記障壁層３２の第１半導体層３３はメイン障壁層であり、第２及び第３半導体層３４、３５は電子障壁層として機能する。
前記井戸層２２は、例えばＩｎＧａＮ、ＧａＮ、またはＡｌＧａＮで形成できる。説明の便宜のために、前記複数の井戸層２２のうち、第１井戸層Ｗ１と前記第２井戸層Ｗ２とは互いに隣接した井戸層でありうる。説明の便宜のために、前記第１導電型半導体層１１７に隣接した井戸層は第１井戸層Ｗ１であり、前記第１井戸層Ｗ１に隣接した井戸層は第２井戸層Ｗ２になることができる。また、前記井戸層２２のうち、前記第２導電型半導体層１２５に最も隣接した井戸層は第３井戸層Ｗｎとして定義することができる。以下、前記複数の井戸層２２に対する説明は後述する第１乃至第３井戸層Ｗ１、Ｗ２、Ｗｎの説明を参照する。
前記障壁層３２は前記第１井戸層Ｗ１と前記第３井戸層Ｗｎとの間に配置され、井戸層２２に接触できる。また、互いに隣接した障壁層は第１及び第２障壁層として定義することができ、前記第２導電型半導体層１２５に隣接した障壁層は第３障壁層として定義することができる。
前記障壁層３２は、第１半導体層３３、第２半導体層３４、及び第３半導体層３５を含む。また、前記第３井戸層Ｗｎと前記第２導電型半導体層１２５との間に配置された第３障壁層は、第１半導体層３３及び第２半導体層３４を含む。
前記第１半導体層３３は前記第２及び第３半導体層３４、３５の間に配置され、前記第１及び第２井戸層Ｗ１、Ｗ２と非接触する。前記第２半導体層３４は前記第１井戸層Ｗ１と第１半導体層３３との間に配置され、前記第１井戸層Ｗ１の上面に接触し、前記第１半導体層３３の下面に接触できる。前記第３半導体層３５は、前記第２井戸層Ｗ２の下面に接触し、前記第１半導体層３３の上面に接触できる。前記第１乃至第３半導体層３３、３４、３５は、第２半導体層３４、第１半導体層３３、及び第３半導体層３５の順に積層する。
前記第１半導体層３３は３元系または４元系の化合物半導体で形成されることができ、例えばＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＧａＮで形成できる。
前記第２半導体層３４はアルミニウムを有する２元系の化合物半導体で形成されることができ、例えばＡｌＮで形成できる。前記第３半導体層３５はアルミニウム（Ａｌ）を有する２元系の化合物半導体で形成されることができ、例えばＡｌＮで形成できる。
前記第１乃至第３半導体層３３、３４、３５のエネルギーバンドギャップＢ２、Ｂ３は、前記井戸層２２の第１エネルギーバンドギャップＢ１より広く形成される。前記第２半導体層３４の第３エネルギーバンドギャップＢ３は前記第１半導体層３３の第２エネルギーバンドギャップＢ２より広く形成される。前記第１及び第３半導体層３３、３５は互いに同一な第３エネルギーバンドギャップＢ３で形成できる。
前記第１乃至第３半導体層３３、３４、４５のうち、前記第１及び第２井戸層Ｗ１、Ｗ２に隣接した層であるほどアルミニウムの含有量が高く、エネルギーバンドギャップがより広い。例えば、前記第２及び第３半導体層３４、３５は、前記第１半導体層３３より前記第１及び第２井戸層Ｗ１、Ｗ２に隣接するように配置され、前記第１半導体層３３のアルミニウムの含有量より高いアルミニウムの含有量を有する。例えば、前記第１半導体層３３は窒素を除外した組成比のうち、アルミニウム含有量が５−３０％範囲、例えば５−１０％範囲で形成できる。前記井戸層２２のインジウム組成比は窒素を除外した組成比のうち、１−１５％範囲で有することができ、例えば１−５％のインジウム組成比で形成できる。
図３のように、前記第１乃至第３半導体層３３、３４、４５のうち、前記第１及び第２井戸層Ｗ１、Ｗ２に隣接した層であるほど障壁高さがより高い。例えば、前記第２及び第３半導体層３４、３５は、前記第１半導体層３３の障壁高さ（Ｈ２）より高い障壁高さ（Ｈ１）を有する。前記第２及び第３半導体層３４、３５の障壁高さ（Ｈ１）が前記第１半導体層３３の障壁高さ（Ｈ２）より所定のギャップ（Ｇ１）に高いため、前記障壁層３２は電子障壁役割を遂行することができる。また、前記井戸層２２の両側面、例えば第２井戸層Ｗ２の上面及び下面にＡｌＮ材質の第２及び第３半導体層３４、３５が配置されるので、前記第１半導体層３３の障壁高さ（Ｈ２）を増加させないことがあり、アルミニウムの含有量を低めることができる。これによって、障壁層３２のうち、前記井戸層２２と光学的に結合される第１半導体層３３のアルミニウムの含有量が低くなるので、障壁層３２の品質低下を防止することができる。
前記第１乃至第３半導体層３３、３４、４５のうち、前記第１及び第２井戸層Ｗ１、Ｗ２に隣接した層であるほど厚さがより薄い。また、前記第２及び第３半導体層３４、３５は、前記第１半導体層３３の厚さ（Ｔ３）より薄い厚さ（Ｔ１、Ｔ４）で形成されることができ、また、前記第１及び第２井戸層Ｗ１、Ｗ２の厚さ（Ｔ２）より薄く形成できる。前記第２半導体層３４と前記第１井戸層Ｗ１の厚さの差は、前記第１半導体層３３と前記第２半導体層３４の厚さ差より小さいことがある。
前記第２及び第３半導体層３４、３５は、前記第１半導体層３３の厚さ（Ｔ３）より薄い厚さ（Ｔ１、Ｔ４）で形成されることができ、また、第１及び第２井戸層Ｗ１、Ｗ２の厚さ（Ｔ２）より薄いことがある。前記第１及び第２井戸層Ｗ１、Ｗ２の厚さ（Ｔ２）は、１．５nm−５nm範囲内に形成されることができ、例えば２nm−４nm範囲内で形成できる。前記第１半導体層３３の厚さ（Ｔ３）は、前記第１及び第２井戸層Ｗ１、Ｗ２の厚さ（Ｔ２）より厚い厚さである４nm−３０nmの範囲内に形成されることができ、例えば４nm−６nm範囲内で形成できる。前記第２及び第３半導体層３４、３５の厚さ（Ｔ１、Ｔ４）は互いに同一に形成され、１nm−１０nm範囲で形成されることができ、例えば１nm−４nm範囲で形成できる。キャリア、例えば電子（electron）の拘束のための第１半導体層３３の障壁高さが低くなることによって、前記第１半導体層３３の厚さをより薄く形成することができる。また、前記第１導電型半導体層１１７に隣接した障壁層３２により電子拘束が増加できるので、前記活性層１２１の内部量子効率は改善できる。即ち、前記第１導電型半導体層１１７に隣接した障壁層３２は、前記第１導電型半導体層１１７を通じて伝えられる電子をブロッキングするようになり、前記活性層１２１の全領域で放射再結合効率（radiative recombination）が改善できる。これによって、内部量子効率は改善できる。
前記第１乃至第３半導体層３３、３４、４５のうち、前記第１及び第２井戸層Ｗ１、Ｗ２に隣接した層であるほど前記第１半導体層３３の格子定数（lattice constant）より小さい格子定数を有する。前記第２及び第３半導体層３４、３５は、前記第１半導体層３３の格子定数より小さい格子定数を有する。これによって、障壁層３２と井戸層２２との間の格子不整合（lattice mismatch）は減少できる。付加して説明すれば、前記第２及び第３半導体層３４、３５はＡｌＮで形成され、前記第１半導体層３３はＡｌＧａＮで形成できる。ＡｌＮ材質の第２及び第３半導体層３４、３５は、ＡｌＧａＮ材質の第１半導体層３３の格子定数より小さい格子定数を有するため、活性層１２１での分極現象を緩和させることができる。また、前記井戸層２２と第２及び第３半導体層３４、３５との間の界面は結晶性が改善できる。
前記第１井戸層Ｗ１の上面には第１障壁層の第２半導体層３４が配置され、第２井戸層Ｗ２の下面には第２障壁層の第３半導体層３５が配置される。また、前記第２井戸層Ｗ２の下面には第２障壁層の第３半導体層３５が配置され、上面には第１障壁層の第２半導体層３４が配置されるので、障壁層３２の障壁高さを高める効果がある。
実施形態に従う活性層１２１は、量子井戸構造でアルミニウムの組成比を増加させてＡｌＧａＮ障壁層の障壁高さを高めなくても、ＡｌＮ材質である第２及び第３半導体層３４、３５により障壁高さを高めることができる効果がある。これによって、前記第１導電型半導体層１１７から流入するキャリアを拘束（confinement）させる効果を与えることができる。また、ＡｌＧａＮ材質の第１半導体層３３でアルミニウムの組成比の増加に従う障壁品質の低下を防止することができる。
前記第２及び第３半導体層３４、３５は、前記井戸層２２の両側で電子ブロッキング層の役割をするので、前記活性層１２１の全領域での電子と正孔との再結合率を高めることができる。
前記活性層１２１から放出された光が２８５nmに隣接した場合、前記井戸層２２はアルミニウムを有する３元系化合物半導体、例えばＡｌＧａＮで形成できる。前記障壁層３２の第１乃至第３半導体層３３、３４、３５のうちの少なくとも１つにはｎ型ドーパントを含むことができ、これに対して限定するものではない。前記井戸層２２のエネルギーバンドギャップは前記紫外線の範囲内でピーク波長や材料によって変更できる。
他の例として、前記第１乃至第３半導体層３３、３４、３５のうちのいずれか１つは、前記第１導電型半導体層１１７に最も隣接するように配置されることができ、これに対して限定するものではない。第１実施形態は、第１井戸層Ｗ１を前記第１導電型半導体層１１７に最も隣接するように配置した例を示すものである。
また、前記第２導電型半導体層１２５と活性層１２１との間に電子遮断層（図示せず）が配置されることができ、前記電子遮断層はＡｌＧａＮ、ＡｌＮ、またはＩｎＡｌＧａＮで配置できる。
図４は、図２の活性層の最後の障壁層と第２導電型半導体層の第１例に従うエネルギーバンドダイヤグラムを示す図である。
図４を参照すると、活性層１２１の最後の井戸層である第３井戸層Ｗｎと第２導電型半導体層１２５との間に配置された第３障壁層３２Ａは、第１半導体層３３と第２半導体層３４とを含むことができる。前記第１半導体層３３は、前記第２半導体層３４より第２導電型半導体層１２５に一層隣接するように配置され、前記第２半導体層３４は第３井戸層Ｗｎの上面に接触できる。
前記第２導電型半導体層１２５のエネルギーバンドギャップＢ４は、前記第３井戸層Ｗｎの第１エネルギーバンドギャップＢ１より広く、前記第１半導体層３３の第２エネルギーバンドギャップＢ２より狭いことがある。例えば、前記第２導電型半導体層１２５はＧａＮまたはＡｌＧａＮ半導体で形成できる。
また、前記第２導電型半導体層１２５と活性層１２１との間に電子遮断層（図示せず）が配置されることができ、前記電子遮断層はＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、またはＩｎＡｌＧａＮで配置できる。
前記第３井戸層Ｗｎと第２導電型半導体層１２５との間に配置された第３障壁層３２Ａは３個の層でない２個の層に配置されることができ、第３半導体層が除去できる。前記第３半導体層が除去されることによって、正孔注入効率が改善できる。
図５は、図２の活性層の最後の障壁層と第２導電型半導体層の第２例に従うエネルギーバンドダイヤグラムを示す図である。
図５を参照すると、活性層１２１の最後の井戸層である第３井戸層Ｗｎと第２導電型半導体層１２５Ａとの間に配置された第３障壁層３２Ｂは、第１乃至第３半導体層３３、３４、３５を含むことができる。前記第１半導体層３３は、前記第２半導体層３４及び第３半導体層３５の間に配置され、前記第２半導体層３４は第３井戸層Ｗｎの上面に接触することができ、前記第３半導体層３５は前記第２導電型半導体層１２５Ａの下面に接触することができる。
前記第２導電型半導体層１２５ＡのエネルギーバンドギャップＢ５は、前記第３井戸層Ｗｎの第１エネルギーバンドギャップＢ１と等しいか広いことがあり、前記第１半導体層３３の第２エネルギーバンドギャップＢ２より狭いことがある。例えば、前記第２導電型半導体層１２５ＡはＩｎＧａＮ、ＧａＮ、またはＡｌＧａＮ半導体で形成できる。
また、前記第３障壁層３２Ｂが第３半導体層３５を有しているので、前記第２導電型半導体層１２５Ａと活性層１２１との間に別途の電子遮断層は形成しないことがある。
図６は、図２の活性層の最後の障壁層と第２導電型半導体層の第３例に従うエネルギーバンドダイヤグラムを示す図である。
図６を参照すると、活性層１２１の第３井戸層Ｗｎと第２導電型半導体層１２５Ｂとの間に配置された第３障壁層３２Ｃは、第１半導体層３３と第２半導体層３４を含むことができる。前記第１半導体層３３は、前記第２半導体層３４より第２導電型半導体層１２５Ｂにより隣接するように配置され、前記第２半導体層３４は第３井戸層Ｗｎの上面に接触できる。
前記第２導電型半導体層１２５ＢのエネルギーバンドギャップＢ６は、前記第３井戸層Ｗｎの第１エネルギーバンドギャップＢ１より広く、前記第１半導体層３３の第２エネルギーバンドギャップＢ２より広いことがある。例えば、前記第２導電型半導体層１２５Ｂは、ＡｌＧａＮ、またはＡｌＮ半導体で形成できる。このような第２導電型半導体層１２５Ｂは、電子遮断層として機能するようになる。
前記第３井戸層Ｗｎと第２導電型半導体層１２５Ｂとの間に配置された第３障壁層３２Ｃは、３個の層でない２個の層に配置されることができ、障壁層の内で第３半導体層が除去できる。前記第３半導体層が除去されることによって、正孔注入効率が改善できる。
図７は、本発明の第２実施形態に従う活性層のエネルギーバンドダイヤグラムを示す図である。第２実施形態を説明するに当たって、第１実施形態と同一な部分は第１実施形態の説明を参照する。
図７を参照すると、活性層１２１Ａは第１導電型半導体層１１７の上に配置され、井戸層２２と障壁層３２とが交互に配置される。このような井戸層２２及び障壁層３２の構成は第１実施形態の説明を参照する。
前記活性層１２１Ａは、前記井戸層２２の第１井戸層Ｗ１と第１導電型半導体層１１７との間に障壁層である第４半導体層３６を含むことができる。前記第４半導体層３６は、前記第１導電型半導体層１１７の上面に接触することができ、単一障壁構造として機能する。前記第４半導体層３６の障壁高さは前記第３半導体層３５の障壁高さと同一な高さに形成できる。
前記第４半導体層３６は、アルミニウムを含む２元系の窒化物半導体、または３元系の以上の窒化物半導体でありうる。前記第４半導体層３６は、障壁層３２の第３半導体層３５と同一な材質で形成できる。例えば、前記第４半導体層３６はＡｌＮで形成できる。
また、前記第４半導体層３６は前記第３半導体層３５の厚さ（Ｔ４）と同一な厚さで形成されることができ、１nm−１０nmの厚さ範囲で形成されることができ、例えば１nm−４nmの厚さ範囲で形成できる。前記障壁層３２の第２半導体層３４及び第３半導体層３５と第４半導体層３６は、同一なＡｌＮ材質で形成されることができ、互いに同一な厚さで形成できる。
ここで、前記第４半導体層３６のエネルギーバンドギャップは、前記第１導電型半導体層１１７のエネルギーバンドギャップより高いことがある。他の例として、前記第４半導体層３６のエネルギーバンドギャップは、前記第１導電型半導体層１１７のエネルギーバンドギャップと等しいことがある。
前記第１井戸層Ｗ１の下面及び上面にＡｌＮの第４半導体層３６と障壁層３２の第２半導体層３４が配置されるので、第１井戸層Ｗ１の障壁高さを高めることができる効果があり、分極現象を緩和させることができる。
図８は、本発明の第３実施形態に従う活性層のエネルギーバンドダイヤグラムを示す図である。
図８を参照すると、活性層１２１Ｂは複数の井戸層２２と複数の障壁層３２を含み、前記複数の井戸層２２の間に配置された障壁層３２の各々は第１乃至第３半導体層３３Ａ、３４Ａ、３５Ａを含む。
前記第２半導体層３４Ａ及び第３半導体層３５ＡはＡｌＮの材質で形成され、前記アルミニウム組成比が線形的または非線形的に増加するようになる。
前記第２半導体層３４Ａの領域のうち、前記第１井戸層Ｗ１に隣接した下部領域はアルミニウム組成比または含有量が第１半導体層３３Ａに隣接した上部領域のアルミニウム組成比または含有量より低い。これによって、第２半導体層３４Ａのエネルギーバンドギャップを見ると、前記第１井戸層Ｗ１に隣接した領域のエネルギーバンドギャップＢ７が第１半導体層３３Ａに隣接した領域のエネルギーバンドギャップＢ３より狭く形成できる。
また、前記第２半導体層３４Ａの障壁高さを見ると、前記第２半導体層３４Ａの領域のうち、前記第１井戸層Ｗ１に隣接した下部領域は障壁高さ（Ｈ４）が前記第１半導体層３３Ａに隣接した上部領域の障壁高さ（Ｈ１）より低く、前記第１半導体層３３Ａの障壁高さ（Ｈ２）より低い。
前記第３半導体層３５Ａは、前記第１半導体層３３Ａに隣接した下部領域のアルミニウム組成比または含有量は、第２井戸層Ｗ２に隣接した上部領域のアルミニウム組成比または含有量より低く形成される。これによって、第３半導体層３５Ａのうち、第１半導体層３３Ａに隣接した領域のエネルギーバンドギャップＢ７は第２井戸層Ｗ２に隣接した領域のエネルギーバンドギャップＢ３より狭く形成できる。
上記のように、第２及び第３半導体層３４Ａ、３５Ａのアルミニウム組成比を線形的または非線形的に増加させることによって、前記第１半導体層３３Ａでの電子ブロッキング効果を改善させることができる。
前記第２及び第３半導体層３４Ａ、３５Ａは、下部領域と上部領域との間の障壁高さ差（Ｈ３）を形成することができる。即ち、前記第２及び第３半導体層３４Ａ、３５Ａは下部領域の障壁高さが上部領域の障壁高さより高いことがあり、反対に、上部領域の障壁高さが下部領域の障壁高さより高いことがある。他の例として、前記第２及び第３半導体層３４Ａ、３５Ａは下部領域と上部領域との間に厚さ差が存在することができる。
図９は、図１の発光素子の他の例を示す図である。図９に開示された構成を説明するに当たって、図１乃至図３の説明と同一な部分は図１乃至図３の説明を参照する。
図９を参照すると、発光素子１０１は、基板１１１、バッファ層１１３、低伝導層１１５、第１導電型半導体層１１７、クラッド層１１９、前記活性層１２１、電子遮断層１２３、及び第２導電型半導体層１２５を含むことができる。
前記基板１１１は、上面に複数の突出部１１２が形成されることができ、前記複数の突出部１１２は光抽出構造で形成できる。
前記基板１１１の上にはバッファ層１１３が形成されることができ、前記バッファ層１１３は、II族乃至VI族化合物半導体を用いて少なくとも１層に形成できる。前記バッファ層１１３は、III族−V族化合物半導体を用いた半導体層を含み、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で形成できる。前記バッファ層１１３は、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰのような化合物半導体のうち、少なくとも１つを含む。他の例として、前記バッファ層１１３は互いに異なる半導体層を交互に配置して超格子構造で形成できる。
前記バッファ層１１３は、前記基板１１１と窒化物系列の半導体層との格子定数の差を緩和させるために形成されることができ、欠陥制御層として定義されることができ、前記基板１１１と窒化物系列の半導体層との間の格子定数の間の値を有することができる。前記バッファ層１１３は、ＺｎＯ層のような酸化物で形成されることができ、これに対して限定するものではない。前記バッファ層１１３は３０−５００nm範囲で形成されることができ、これに対して限定するものではない。
前記バッファ層１１３の上に低伝導層１１５が形成され、前記低伝導層１１５はアンドープド半導体層であって、第１導電型半導体層１１７の電気伝導性より低い電気伝導性を有する。前記低伝導層１１５は、III族−V族化合物半導体を用いたＧａＮ系半導体で具現されることができ、このようなアンドープド半導体層は、意図的に導電型ドーパントをドーピングしなくても、第１導電型特性を有するようになる。前記アンドープド半導体層は形成しないことがあり、これに対して限定するものではない。
前記低伝導層１１５の上には第１導電型半導体層１１７が形成されることができ、前記第１導電型半導体層１１７は第１実施形態の説明を参照することにする。前記低伝導層１１５と前記第１導電型半導体層１１７との間には互いに異なる第１層と第２層とが交互に配置された超格子構造で形成されることができ、前記第１層と第２層の厚さは数Ａ以上に形成できる。
前記第１導電型半導体層１１７の上にはクラッド層１１９が配置され、前記クラッド層１１９の上には活性層１２１が配置される。前記クラッド層１１９はＧａＮ系半導体で形成されることができ、キャリアを拘束させる役割をする。他の例として、前記クラッド層１１９はＩｎＧａＮ層またはＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子構造で形成されることができ、これに限定するものではない。前記クラッド層１１９はｎ型または／及びｐ型ドーパントを含むことができ、例えば第１導電型または低伝導性の半導体層で形成できる。
前記活性層１２１は前記に開示された図１乃至図３の説明を参照することにする。前記活性層１２１の下に前記クラッド層１１９が配置されるので、前記クラッド層１１９は、図２の活性層１２１の第１井戸層Ｗ１と前記第１導電型半導体層１１７との間に配置できる。前記クラッド層１１９のエネルギーバンドギャップは、前記活性層１２１の障壁層３２、例えば第１乃至第３半導体層３３、３４、３５のうち、少なくとも１つのエネルギーバンドギャップより広いエネルギーバンドギャップで形成できる。例えば、前記クラッド層１１９は第１半導体層３３のエネルギーバンドギャップより広く、前記第２及び第３半導体層３４、３５のエネルギーバンドギャップより狭いことがある。
前記活性層１２１の上には電子遮断層１２３が形成され、前記電子遮断層１２３は前記活性層１２１の第２障壁層２４のバンドギャップより広いバンドギャップで形成できる。前記電子遮断層１２３はIII−V族化合物半導体、例えばＧａＮ系半導体であって、ＡｌＧａＮで形成できる。前記電子遮断層１２３に隣接した障壁層は、第１乃至第３半導体層３３、３４、３５のうちの少なくとも１つ、例えば第２半導体層３４及び第１半導体層３３が配置されることができ、これに対して限定するものではない。
前記電子遮断層１２３の上には第２導電型半導体層１２５が形成され、前記第２導電型半導体層１２５は第１実施形態の説明を参照する。前記電子遮断層１２３の成長のために前記活性層１２１の最後の量子井戸構造を成長しながら成長温度を上げるようになる。この際、成長温度を上げることによって、最後の量子井戸構造の薄膜特性は改善できる。
発光構造物１５０Ａは、前記第１導電型半導体層１１７から前記第２導電型半導体層１２５までの層構造を含むことができる。
前記発光構造物１５０Ａの上に電極層１４１及び第２電極１４５が形成され、前記第１導電型半導体層１１７の上に第１電極１４３が形成される。
前記電極層１４１は電流拡散層であって、透過性及び電気伝導性を有する物質で形成できる。前記電極層１４１は、化合物半導体層の屈折率より低い屈折率で形成できる。前記電極層１４１は第２導電型半導体層１２５の上面に形成され、その物質は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）、ＺｎＯ、ＩｒＯｘ、ＲｕＯｘ、ＮｉＯ等から選択され、少なくとも１層に形成できる。前記電極層１４１は反射電極層で形成されることができ、その物質は、例えばＡｌ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｐｔ、Ｉｒ、及びこれらのうちの２以上の合金のうちから選択的に形成できる。
前記第２電極１４５は、前記第２導電型半導体層１２５及び／または前記電極層１４１の上に形成されることができ、電極パッドを含むことができる。前記第２電極１４５はアーム（arm）構造またはフィンガー（finger）構造の電流拡散パターンがさらに形成できる。前記第２電極１４５は、オーミック接触、接着層、ボンディング層の特性を有する金属であって、不透光性特性を有することができ、これに対して限定するものではない。
前記第１電極１４３は前記第１導電型半導体層１１７の露出した領域に形成できる。前記第１電極１４３及び前記第２電極１４５は金属、例えば、Ｔｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｔａ、Ｐｄ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｇ、及びＡｕとこれらの選択的な合金のうちから選択できる。
前記発光素子１０１の表面に絶縁層がさらに形成されることができ、前記絶縁層は発光構造物１５０Ａの層間ショート（short）を防止し、湿気の侵入を防止することができる。
図１０は、図１の発光素子の更に他の例を示す図である。
図１０を参照すると、発光構造物１５０Ａ及び前記発光構造物１５０Ａの下に電流ブロッキング層１６１、チャンネル層１６３、第２電極１７０、及び支持部材１７３を含む。前記電流ブロッキング層１６１は絶縁物質、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉＯｘ、ＳｉＯｘＮｙ、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２のうちから少なくとも１つを含むことができ、発光構造物１５０Ａと第２電極１７０との間に少なくとも１つが形成できる。
前記電流ブロッキング層１６１は、前記発光構造物１５０Ａの上に配置された第１電極１４３と前記発光構造物１５０Ａの厚さ方向に対応するように配置される。前記電流ブロッキング層１６１は、前記第２電極１７０から供給される電流を遮断して、他の経路に拡散させることができる。他の例として、前記電流ブロッキング層１６１は、前記第２導電型半導体層１２５の下面とショットキー接触する金属物質で形成されることができ、これに対して限定するものではない。
前記チャンネル層１６３は前記第２導電型半導体層１２５の下面周りに沿って形成され、リング（ring）形状、ループ（loop）形状、またはフレーム（frame）形状に形成できる。前記チャンネル層１６３は伝導性物質または非伝導性物質、絶縁物質のうちから選択的に形成できる。前記チャンネル層１６３は、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＩＺＴＯ、ＩＡＺＯ、ＩＧＺＯ、ＩＧＴＯ、ＡＺＯ、ＡＴＯ、ＳｉＯ２、ＳｉＯｘ、ＳｉＯｘＮｙ、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２のうち、少なくとも１つを含むことができる。前記チャンネル層１６３は金属で形成されることができ、これに対して限定するものではない。前記チャンネル層１６３の内側部は前記第２導電型半導体層１２５の下面領域の周りに接触し、外側部は前記発光構造物１５０Ａの側面より外側に配置される。
前記第２導電型半導体層１２５の下に第２電極１７０が形成できる。前記第２電極１７０は複数の伝導層１６５、１６７、１６９を含むことができる。
前記第２電極１７０は、接触層１６５、反射層１６７、及びボンディング層１６９を含む。前記接触層１６５は、前記第２導電型半導体層１２５の下面とオーミック接触される物質であって、金属または金属性物質で形成できる。前記接触層１６５は、例えば、ＩＴＯ、ＩＺＯ、ＩＺＴＯ、ＩＡＺＯ、ＩＧＺＯ、ＩＧＴＯ、ＡＺＯ、ＡＴＯなどの低伝導性物質、またはＮｉ、Ａｇの金属を用いることができる。前記接触層１６５の下に反射層１６７が形成され、前記反射層１６７はＡｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｈｆ、及びその組合により構成されたグループから選択された物質からなる少なくとも１つの層を含む構造で形成できる。前記反射層１６７は前記第２導電型半導体層１２５の下に接触することができ、金属でオーミック接触するか、ＩＴＯのような低伝導物質でオーミック接触することができ、これに対して限定するものではない。
前記反射層１６７の下にはボンディング層１６９が形成され、前記ボンディング層１６９はバリア金属またはボンディング金属に使われることができ、その物質は例えば、Ｔｉ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ａｇ、及びＴａと選択的な合金のうち、少なくとも１つを含むことができる。
前記ボンディング層１６９の下には支持部材１７３が形成され、前記支持部材１７３は伝導性部材で形成されることができ、その物質は、銅（Ｃｕ−copper）、金（Ａｕ−gold）、ニッケル（Ｎｉ−nickel）、モリブデン（Ｍｏ）、銅−タングステン（Ｃｕ−Ｗ）、キャリアウエハー（例：Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＺｎＯ、ＳｉＣ等）のような伝導性物質で形成できる。前記支持部材１７３は、他の例として、伝導性シートで具現できる。
ここで、前記図１または図５の基板、即ち成長基板は除去するようになる。前記成長基板の除去方法は、物理的方法（例：Laser lift off）または／及び化学的方法（湿式エッチング等）により除去することができ、前記第１導電型半導体層１１７を露出させる。前記基板が除去された方向を通じてアイソレーションエッチングを遂行して、前記第１導電型半導体層１１７の上に第１電極１４３を形成するようになる。
前記第１導電型半導体層１１７の上面にはラフニスのような光抽出構造１１７Ａで形成できる。
これによって、発光構造物１５０Ａの上に第１電極１４３及び下に支持部材１７３を有する垂直型電極構造を有する発光素子１０２が製造できる。
図１１は、図９の発光素子を有する発光素子パッケージを示す図である。
図１１を参照すると、発光素子パッケージ２００は、胴体２１０、前記胴体２１０に少なくとも一部が配置された第１リード電極２１１及び第２リード電極２１２、前記胴体２１０の上に前記第１リード電極２１１及び第２リード電極２１２と電気的に連結される前記発光素子１０１、及び前記胴体２１０の上に前記発光素子１０１を囲むモールディング部材２２０を含む。
前記胴体２１０は、シリコン材質、合成樹脂材質、または金属材質を含んで形成できる。前記胴体２１０は、内部にキャビティー（cavity）２０１及びその周りに傾斜面を有する反射部２１５を含む。
前記第１リード電極２１１及び前記第２リード電極２１２は互いに電気的に分離され、前記胴体２１０の内部を貫通するように形成できる。即ち、前記第１リード電極２１１及び前記第２リード電極２１２の内側部は前記キャビティー２０１の内に配置され、他の部分は前記胴体２１０の外部に配置できる。
前記第１リード電極２１１及び第２リード電極２１２は前記発光素子１０１に電源を供給し、前記発光素子１０１で発生した光を反射させて光効率を増加させることができ、前記発光素子１０１で発生した熱を外部に排出させる機能をすることもできる。
前記発光素子１０１は前記胴体２１０の上に設置されるか、前記第１リード電極２１１または／及び第２リード電極２１２の上に設置できる。
前記発光素子１０１のワイヤー２１６は前記第１リード電極２１１または第２リード電極２１２のうち、いずれか１つに電気的に連結されることができ、これに限定されるものではない。
前記モールディング部材２２０は、前記発光素子１０１を囲んで前記発光素子１０１を保護することができる。また、前記モールディング部材２２０には蛍光体が含まれ、このような蛍光体により前記発光素子１０１から放出された光の波長が変化できる。
＜照明システム＞
実施形態による発光素子又は発光素子は、照明システムに適用される。前記照明システムは、複数の発光素子がアレイされた構造を含み、図１２及び図１３に示されている表示装置、図１４に示されている照明装置とを含み、照明灯、信号灯、車両前照灯、電光板などが含まれる。
図１２は、実施形態による発光素子を有する表示装置の分解斜視図である。
図１２を参照すると、実施形態による表示装置１０００は、導光板１０４１と、前記導光板１０４１に光を提供する光源モジュール１０３３と、前記導光板１０４１の下に反射部材１０２２と、前記導光板１０４１上に光学シート１０５１と、前記光学シート１０５１ 上に表示パネル１０６１と、前記導光板１０４１、光源モジュール１０３３、及び反射部材１０２２を収納するボトムカバー１０１１とを含むが、ここに限定されない。
前記ボトムカバー１０１１と、反射シート１０２２と、導光板１０４１と、光学シート１０５１とは、ライトユニット１０５０として定義される。
前記導光板１０４１は、光を拡散して、面光源化する役目を果たす。前記導光板１０４１は、透明な材質からなり、例えば、PMMA(polymethylmetaacrylate)のようなアクリル樹脂系列、PET(polyethylene terephthlate)、PC(poly carbonate)、COC(cycloolefin copolymer)、及びPEN(polyethylene naphthalate)樹脂の１つを含むことができる。
前記光源モジュール１０３３は、前記導光板１０４１の少なくとも一側面に光を提供し、 窮極的には、表示装置の光源として作用するようになる。
前記光源モジュール１０３３は、少なくとも１つを含み、前記導光板１０４１の一側面で直接又は間接的に光を提供することができる。前記光源モジュール１０３３は、基板１０３１と前記に開示された実施形態による発光素子又は発光素子１０３５を含み、前記発光素子又は発光素子１０３５は、前記基板１０３１上に所定間隔でアレイされる。
前記基板１０３１は、回路パターン(図示せず)を含む印刷回路基板(PCB、Printed Circuit Board)である。但し、前記基板１０３１は、一般のPCBのみならず、メタルコア PCB(MCPCB、Metal Core PCB)、軟性PCB(FPCB、 Flexible PCB)などを含み、これに対して限定しない。前記発光素子１０３５は、前記ボトムカバー１０１１の側面又は放熱プレート上に搭載される場合、前記基板１０３１は、除去され得る。ここで、 前記放熱プレートの一部は、前記ボトムカバー１０１１の上面に接触される。
そして、前記複数の発光素子１０３５は、前記基板１０３１上に光が放出される出射面が、前記導光板１０４１と所定の距離離隔して搭載され、これに対して限定しない。前記発光素子１０３５は、前記導光板１０４１の一側面である入光部に光を直接又は間接的に提供することができ、これに対して限定しない。
前記導光板１０４１の下には、前記反射部材１０２２が配置される。前記反射部材１０２２は、前記導光板１０４１の下面に入射した光を反射させて、上に向かわせることで、前記ライトユニット１０５０の輝度を向上することができる。前記反射部材１０２２は、例えば、PET、PC、PVCレジンなどで形成されるが、これに対して限定しない。前記反射部材１０２２は、前記ボトムカバー１０１１の上面であり、これに対して限定しない。
前記ボトムカバー１０１１は、前記導光板１０４１、光源モジュール１０３３、及び反射部材１０２２などを輸納することができる。このため、前記ボトムカバー１０１１は、上面が開口したボックス(box)形状を有する収納部１０１２が備えられ、これに対して限定しない。前記ボトムカバー１０１１は、トップカバーと結合され、これに対して限定しない。
前記ボトムカバー１０１１は、金属材質又は樹脂材質で形成され、プレス成形又は押出成形などの工程を用いて製造されることができる。また、前記ボトムカバー１０１１は、熱伝導性の良い金属又は非金属材料を含み、これに対して限定しない。
前記表示パネル１０６１は、例えば、LCDパネルとして、互いに対向する透明な材質の第１及び第２の基板、そして、第１及び第２の基板の間に介在した液晶層を含む。前記表示パネル１０６１の少なくとも一面には、偏光版が取り付けられ、このような偏光版の取付構造に限定しない。前記表示パネル１０６１は、光学シート１０５１を通過した光により情報を表示することになる。このような表示装置１０００は、各鐘の携帯端末機、ノートＰＣのモニタ、ラップトップコンピュータのモニタ、テレビなどに適用されることができる。
前記光学シート１０５１は、前記表示パネル１０６１と前記導光板１０４１との間に配置され、少なくとも一枚の透光性シートを含む。前記光学シート１０５１は、例えば、拡散シート、水平及び垂直プリズムシート、及び輝度強化シートなどのようなシートから少なくとも１つを含む。前記拡散シートは、入射される光を拡散させ、前記水平又は/及び垂直プリズムシートは、入射される光を表示領域に集光させ、前記輝度強化シートは、損失される光を再使用して、輝度を向上させる。また、前記表示パネル１０６１上には、保護シートが配置され、これに対して限定しない。
ここで、前記光源モジュール１０３３の光経路上には、光学部材として、前記導光板１０４１、及び光学シート１０５１を含み、これに対して限定しない。
図３３は、実施形態による発光素子を有する表示装置を示す図である。
図１３を参照すると、表示装置１１００は、ボトムカバー１１５２と、前記の発光素子１１２４がアレイされた基板１１２０と、光学部材１１５４と、表示パネル１１５５とを含む。
前記基板１１２０と前記発光素子１１２４とは、光源モジュール１１６０と定義される。 前記ボトムカバー１１５２と、少なくとも１つの光源モジュール１１６０と、 光学部材１１５４とは、ライトユニット１１５０と定義される。前記ボトムカバー１１５２には、収納部１１５３を具備することができ、これに対して限定しない。前記の光源モジュール１１６０は、基板１１２０、及び前記基板１１２０上に配列した複数の発光素子又は発光素子１１２４を含む。
ここで、前記光学部材１１５４は、レンズ、導光板、拡散シート、水平及び垂直プリズムシート、及び輝度強化シートなどから少なくとも１つを含む。前記導光板は、ＰＣ材質又はＰＷＭА(polymethyl methacrylate)材質からなり、このような導光板は除去されることができる。前記拡散シートは、入射される光を拡散させ、前記水平及び垂直プリズムシートは、入射される光を表示領域に集光させ、前記輝度強化シートは、損失される光を再使用して、輝度を向上させる。
前記光学部材１１５４は、前記光源モジュール１１６０上に配置され、前記光源モジュール１１６０から放出された光を面光源するか、拡散、集光などを行うようになる。
図１４は、実施形態による発光素子を有する照明装置の分解斜視図である。
図１４を参照すると、実施形態による照明装置は、カバー２１００と、光源モジュール２２００と、放熱体２４００と、電源提供部２６００と、内部ケース２７００と、ソケット２８００とを含む。また、実施形態による照明装置は、部材２３００とホルダー２５００ のいずれか１以上を更に含むことができる。前記光源モジュール２２００は、実施形態による発光素子、又は発光素子パッケージを含むことができる。
例えば、前記カバー２１００は、バルブ(bulb)又は半球の形状を有し、中空であり、一部分が開口した形状で提供される。前記カバー２１００は、前記光源モジュール２２００と光学的に結合され、前記放熱体２４００と結合されることができる。前記カバー２１００は、前記放熱体２４００と結合する凹部を有することができる。
前記カバー２１００の内面には、拡散嶺を有する乳白色塗料がコートされる。このような乳白色材料を用いて、前記光源モジュール２２００からの光を散乱及び拡散して、外部に放出させることができる。
前記カバー２１００の材質は、ガラス、プラスチック、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ポリカーボネート(PC)などである。ここで、ポリカーボネートは、耐光性、耐熱性、強度が優れている。前記カバー２１００は、外部から前記光源モジュール２２００が見えるように透明であるか、不透明である。前記カバー２１００は、ブロー(blow)成形により、形成されることができる。
前記光源モジュール２２００は、前記放熱体２４００の一面に配置される。したがって、 前記光源モジュール２２００からの熱は、前記放熱体２４００に伝導される。前記光源モジュール２２００は、発光素子２２１０と、連結プレート２２３０と、コネクター２２５０とを含む。
前記部材２３００は、前記放熱体２４００の上面上に配置され、複数の照明素子２２１０と、コネクター２２５０が挿入されるガイド溝２３１０とを有する。前記ガイド溝２３１０は、前記照明素子２２１０の基板、及びコネクター２２５０と対応される。
前記部材２３００の表面は、白色の塗料で塗布又はコートされる。このような前記部材２３００は、前記カバー２１００の内面に反射して、前記光源モジュール２２００側方向に戻って来る光を、再度前記カバー２１００方向に反射する。したがって、実施形態による照明装置の光効率を向上させる。
前記部材２３００は、例として、絶縁物質からなる。前記光源モジュール２２００の連結プレート２２３０は、電気伝導性の物質を含む。したがって、前記放熱体２４００と前記連結プレート２２３０との間に電気的な接触が行える。前記部材２３００は、絶縁物質で構成され、前記連結プレート２２３０と前記放熱体２４００との電気的短絡を遮断することができる。前記放熱体２４００は、前記光源モジュール２２００からの熱と、前記電源提供部２６００からの熱を伝達されて、放熱する。
前記ホルダー２５００は、内部ケース２７００の絶縁部２７１０の収納溝２７１９を塞ぐ.したがって、前記内部ケース２７００の前記絶縁部２７１０に収納される前記電源提供部２６００は密閉される。前記ホルダー２５００は、ガイド突出部２５１０を有する。前記ガイド突出部２５１０は、前記電源提供部２６００の突出部２６１０が貫通するホールを具備することができる。
前記電源提供部２６００は、外部から提供された電気的信号を処理又は変換して、前記光源モジュール２２００に提供する。前記電源提供部２６００は、前記内部ケース２７００の収納溝２７１９に収納され、前記ホルダー２５００により、前記内部ケース２７００の内部に密閉される。
前記電源提供部２６００は、突出部２６１０と、ガイド部２６３０と、ベース２６５０と、延在部２６７０とを含む。
前記ガイド部２６３０は、前記ベース２６５０の一側から外部に突出した形状を有する。 前記ガイド部２６３０は、前記ホルダー２５００に挿入される。前記ベース２６５０の一面の上に多数の部品が配置される。多数の部品は、例えば、直流変換装置、前記光源モジュール２２００の駆動を制御する駆動チップ、前記光源モジュール２２００を保護するためのＥＳＤ(ElectroStatic discharge)保護素子などを含むが、これに対して限定しない。
前記延在部２６７０は、前記ベース２６５０の他の一側から外部に突出した形状を有する。前記延在部２６７０は、前記内部ケース２７００の連結部２７５０内に挿入され、外部からの電気的信号を提供される。例えば、前記延在部２６７０は、前記内部ケース２７００の連結部２７５０の幅と同一であるか、小さく提供される。前記延在部２６７０は、電線を通じて、ソケット２８００に電気的に連結される。
前記内部ケース２７００は、内部に前記電源提供部２６００と共にモールディング部を含むことができる。モールド部は、モールディング液体が固まった部分であって、前記電源提供部２６００が、前記内部ケース２７００内に固定できるようにする。
以上、実施形態に説明された特徴、構造、効果などは、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれ、必ずしも１つの実施形態のみに限定されるものではない。延いては、各実施形態で例示された特徴、構造、効果などは、当業者により他の実施形態に対しても組合または変形されて実施可能である。したがって、このような組合と変形に関連した内容は本発明の範囲に含まれることと解釈されるべきである。
以上、本発明を好ましい実施形態をもとに説明したが、これは単なる例示であり、本発明を限定するのでない。本発明の本質的な特性を逸脱しない範囲内で、多様な変形及び応用が可能であることが当業者にとって明らかである。例えば、実施形態に具体的に表れた各構成要素は変形して実施することができ、このような変形及び応用にかかわる差異点も、特許請求の範囲で規定する本発明の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。

Claims (20)

  1. 第１導電型半導体層と、
    前記第１導電型半導体層の上に第２導電型半導体層と、
    前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間に配置され、複数の井戸層と複数の障壁層を含む活性層と、
    を含み、
    前記複数の井戸層は相互隣接した第１井戸層と第２井戸層を含み、
    前記複数の障壁層は、前記第１井戸層と第２井戸層との間に配置される第１障壁層を含み、
    前記第１障壁層は、前記第１井戸層の第１エネルギーバンドギャップより広いエネルギーバンドギャップを有する複数の半導体層を含み、
    前記複数の半導体層は、前記第１井戸層の第１エネルギーバンドギャップより広い第２エネルギーバンドギャップを有する第１半導体層と、前記第１井戸層と前記第１半導体層との間に、前記第２エネルギーバンドギャップより広い第３エネルギーバンドギャップを有する第２半導体層と、前記第１半導体層と前記第２井戸層との間に、前記第２エネルギーバンドギャップより広い第４エネルギーバンドギャップを有する第３半導体層を含み、
    前記第２及び第３半導体層は、アルミニウムを含む二元系化合物半導体から形成され、
    前記第２及び第３半導体層は、相互同じ半導体から形成され、前記第１半導体層の格子定数より小さい格子定数を有する物質を含み、
    前記活性層は、紫外線波長の光を放出し、
    前記第２及び第３半導体層は、前記第１半導体層または前記第１井戸層の厚さより薄い厚さを有することを特徴とする、発光素子。
  2. 前記第１半導体層は、前記第２及び第３半導体層のアルミニウムの組成より低いアルミニウムの組成を有することを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
  3. 前記活性層と前記第２導電型半導体層との間に配置される電子遮断層を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載の発光素子。
  4. 前記複数の障壁層のうち前記電子遮断層に隣接した障壁層は、前記第１〜第３半導体層のうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項３に記載の発光素子。
  5. 前記活性層内において、前記第１導電型半導体層に隣接した層は井戸層であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の発光素子。
  6. 第１導電型半導体層と、
    前記第１導電型半導体層の上に第２導電型半導体層と、
    前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間に配置され、複数の井戸層と複数の障壁層を含む活性層と、
    を含み、
    前記複数の井戸層は、相互隣接した第１井戸層と第２井戸層を含み、
    前記複数の障壁層は、前記第１井戸層と第２井戸層との間に配置された第１障壁層を含み、
    前記第１障壁層は、前記第１井戸層の第１エネルギーバンドギャップより広いエネルギーバンドギャップを有する複数の半導体層を含み、
    前記複数の半導体層は、前記第１井戸層の第１エネルギーバンドギャップより広い第２エネルギーバンドギャップを有する第１半導体層と、前記第１井戸層と前記第１半導体層との間に、前記第２エネルギーバンドギャップより広い第３エネルギーバンドギャップを有する第２半導体層と、前記第１半導体層と前記第２井戸層との間に、前記第２エネルギーバンドギャップより広い第４エネルギーバンドギャップを有する第３半導体層を含み、
    前記第２及び第３半導体層は、アルミニウムを含む二元系化合物半導体から形成され、
    前記第２及び第３半導体層は、相互同じ半導体から形成され、前記第１半導体層の格子定数より小さい格子定数を有する物質を含み、
    前記活性層は、紫外線波長の光を放出し、
    前記活性層は、前記第１導電型半導体層に隣接したAlN材質の障壁層を有することを特徴とする、発光素子。
  7. 前記第１半導体層は、アルミニウムと窒素を含む三元系または四元系の化合物半導体から形成されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の発光素子。
  8. 前記第２及び第３半導体層は、前記第１半導体層の障壁高さより高い障壁高さを有することを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の発光素子。
  9. 前記活性層は、４００nm以下の波長の光を放出することを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の発光素子。
  10. 前記第２半導体層及び前記第３半導体層は、AlNから形成されることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の発光素子。
  11. 前記第１半導体層は、アルミニウムの組成比が５％〜３０％の範囲を有することを特徴とする、請求項１０に記載の発光素子。
  12. 前記第２及び第３半導体層は、前記第１半導体層の厚さより薄い厚さを有することを特徴とする、請求項６に記載の発光素子。
  13. 前記第２半導体層及び前記第３半導体層は、前記第１井戸層の厚さより薄い厚さを有することを特徴とする、請求項６に記載の発光素子。
  14. 前記第１半導体層と前記第１井戸層の厚さの差は、前記第２半導体層と前記第１半導体層の厚さの差より小さいことを特徴とする、請求項１から１３のいずれか一項に記載の発光素子。
  15. 前記第２半導体層は、前記第３半導体層の厚さと同じ厚さを有することを特徴とする、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の発光素子。
  16. 前記井戸層は、ガリウムと窒素を含む三元系または四元系の化合物半導体から形成されることを特徴とする、請求項１から１５のいずれか一項に記載の発光素子。
  17. 前記井戸層は、１％〜５％の範囲のインジウム組成比を有する半導体を含むことを特徴とする、請求項１から１６のいずれか一項に記載の発光素子。
  18. 前記井戸層は、AlGaN材質の半導体を含むことを特徴とする、請求項１から１６のいずれか一項に記載の発光素子。
  19. 前記活性層は、３８５nm以下の波長の光を放出することを特徴とする、請求項１から１８のいずれか一項に記載の発光素子。
  20. 前記第１導電型半導体層と前記活性層との間にクラッド層を含むことを特徴とする、請求項１から１９のいずれか一項に記載の発光素子。
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