KR101134406B1 - 발광소자 - Google Patents

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KR101134406B1
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문용태
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Abstract

실시예는 기판; 상기 기판 상에 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 구비되고, 다중 양자 우물 구조의 제1 활성층과 단일 양자 우물 구조의 제2 활성층을 포함하는 활성층; 및 상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광소자를 제공한다.

Description

발광소자{Light emitting device}
실시예는 발광소자에 관한 것이다.
반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Ligit Emitting Diode)나 레이저 다이오드와 같은 발광소자는 박막 성장 기술 및 소자 재료의 개발로 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광 물질을 이용하거나 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색 광선도 구현이 가능하며, 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경친화성의 장점을 가진다.
따라서, 광 통신 수단의 송신 모듈, LCD(Liquid Crystal Display) 표시 장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 발광 다이오드 백라이트, 형광등이나 백열 전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드 조명 장치, 자동차 헤드 라이트 및 신호등에까지 응용이 확대되고 있다.
실시예는 발광소자의 발광효율을 개선하고자 한다.
실시예는 기판; 상기 기판 상에 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 구비되고, 다중 양자 우물 구조의 제1 활성층과 단일 양자 우물 구조의 제2 활성층을 포함하는 활성층; 및 상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광소자를 제공한다.
여기서, 상기 제1 활성층은 상기 제1도전형 반도체층 방향에 구비되고, 상기 제2 활성층은 상기 제2 도전형 반도체층 방향에 구비되며, 상기 제2 활성층은 p-도핑될 수 있다.
그리고, 상기 제1 활성층은 상기 제2 도전형 반도체층 방향에 구비되고, 상기 제2 활성층은 상기 제1 도전형 반도체층 방향에 구비되며, 상기 제2 활성층은 n-도핑될 수 있다.
그리고, 상기 제1 도전형 반도체층은 n형 반도체층이고, 상기 제2 도전형 반도체층은 p형 반도체층일 수 있다.
그리고, 상기 제2 활성층의 두께는 상기 제1 활성층 내의 각각의 양자 우물의 두께보다 클 수 있다.
그리고, 상기 제2 활성층은 두께가 적어도 5 나노미터일 수 있다.
그리고, 상기 제1 활성층 내의 각각의 양자 우물은 두께가 5 나노미터 미만일 수 있다.
또한, 상기 제1 활성층 내의 양자 우물의 에너지 밴드 갭은 상기 제2 활성층의 양자 우물의 에너지 밴드 갭보다 작을 수 있다.
실시예에 따른 발광소자는 발광효율이 개선된다.
도 1은 실시예에 따른 발광소자의 단면도이고,
도 2는 발광소자의 에너지 밴드 갭의 제1 실시예를 나타낸 도면이고,
도 3은 발광소자의 에너지 밴드 갭의 제2 실시예를 나타낸 도면이고,
도 4는 실시예에 따른 발광소자의 IQE 실험결과를 나타낸 도면이고,
도 5 및 도 6은 실시예에 따른 발광소자의 저전류 주입시와 고전류 주입시의 발광을 나타낸 도면이고,
도 7 및 도 8은 단일 양자 우물 구조의 활성층과 단일 양자 우물 구조의 활성층이 각각 도시된 발광소자의 에너지 밴드 갭을 나타낸 도면이고,
도 9은 종래의 발광소자의 광효율 저하를 나타낸 도면이고,
도 10은 실시예에 따른 발광소자 패키지의 단면도이다.
이하 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 1은 실시예에 따른 발광소자의 단면도이고, 도 2는 발광소자의 에너지 밴드 갭의 제1 실시예를 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 실시예에 따른 발광소자는 기판(100) 상에 제1 도전형 반도체층(110, 전자 주입층)과 제1 활성층(122)과 제2 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(140, 정공 주입층)이 적층된다.
상기 기판(100)은 투광성을 갖는 재질, 예를 들어, 사파이어(Al203), GaN, SiC, ZnO, Si, GaP, InP, Ga203, 그리고 GaAs 등이 사용될 수 있다.
그리고, 상기 질화물 반도체와 기판(100) 사이에는 버퍼층(미도시)이 구비되어 재료의 격자 부정합 및 열 팽창 계수의 차이를 완화시킬 수 있는데, 버퍼층(미도시)은 저온 성장 GaN층 또는 AlN층 등을 사용할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(110)은 제1 도전형 반도체층으로만 형성되거나, 상기 제1 도전형 반도체층 아래에 언도프트 반도체층을 더 포함할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 제1 도전형 반도체층(110)은 예를 들어, n형 반도체층을 포함할 수 있는데, 상기 n형 반도체층은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN 등에서 선택될 수 있으며, Si, Ge, Sn, Se, Te 등의 n형 도펀트가 도핑될 수 있다.
상기 언도프트 반도체층은 상기 제1 도전형 반도체층(110)의 결정성 향상을 위해 형성되는 층으로, 상기 n형 도펀트가 도핑되지 않아 상기 제1 도전형 반도체층에 비해 낮은 전기전도성을 갖는 것을 제외하고는 상기 제1 도전형 반도체층(110)과 같을 수 있다.
그리고, 상기 제1 도전형 반도체층 상에는 다중 양자 우물 구조의 제1 활성층(122, 1차 발광층)과 단일 양자 우물 구조의 제2 활성층(124, 2차 발광층)이 구비될 수 있다. 여기서, 상기 제1 활성층(122)과 제2 활성층(124)는 예를 들어, InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 가지는 반도체 재료를 포함하여 형성할 수 있다.
상기 활성층들은 상기 제1 도전형 반도체층(110) 및 하기의 제2 도전형 반도체층(130)으로부터 제공되는 전자 및 정공의 재결합(recombination) 과정에서 발생되는 에너지에 의해 광을 생성할 수 있다. 본 실시예에서는 상기 제1 도전형 반도체층(110)과 인접하여 제1 활성층(122)이 구비되고, 상기 제2 도전형 반도체층(124)과 인접하여 제2 활성층(124)이 구비될 수 있다.
상기 제1 활성층(122) 내의 각각의 양자 우물은 두께가 5 나노미터 미만일 수 있고, 상기 제2 활성층(124)은 두께가 적어도 5 나노미터 이상일 수 있으므로, 상기 제2 활성층(124)의 두께는 상기 제1 활성층(122) 내의 각각의 양자 우물의 두께보다 클 수 있다. 그리고, 상기 제2 활성층은 p-도핑될 수 있다.
상기 활성층 상에는 상기 제2 도전형 반도체층(140)이 형성될 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(140)은 예를 들어 p형 반도체층으로 구현될 수 있는데, 상기 p형 반도체층은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN 등에서 선택될 수 있으며, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등의 p형 도펀트가 도핑될 수 있다.
여기서, 상술한 바와 다르게, 상기 제1 도전형 반도체층(110)이 p형 반도체층을 포함하고 상기 제2 도전형 반도체층(140)이 n형 반도체층을 포함할 수도 있다. 또한, 상기 제1 도전형 반도체층(110) 상에는 n형 또는 p형 반도체층을 포함하는 제3 도전형 반도체층(미도시)이 형성될 수도 있는데, 이에 따라 본 실시예에 따른 상기 발광 소자는 np, pn, npn, pnp 접합 구조 중 적어도 어느 하나를 가질 수 있다.
또한, 상기 제1 도전형 반도체층(110) 및 상기 제2 도전형 반도체층(140) 내의 도전형 도펀트의 도핑 농도는 균일 또는 불균일하게 형성될 수 있다. 즉, 상기 복수의 반도체층의 구조는 다양하게 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
그리고, 상기 제1 도전형 반도체층(110)과 제2 도전형 반도체층(140) 상에는 각각 제1 전극(170)과 제2 전극(180)이 구비된다. 여기서, 상기 제1 전극(170)과 제2 전극(180)은 각각 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
이상에서는 수평형 발광소자의 구조를 설명하였으나, 수직형 발광소자에서도 활성층이 다중 양자 우물 구조의 제1 활성층과 단일 양자 우물 구조의 제2 활성층이 구비될 수 있다.
상술한 발광소자에 저전류가 주입될 때, 상기 제1 활성층(124)이 p-도핑되어 있으므로 캐리어 리컴비네이션 센터(carrier recombination center)는 다중 양자 우물 구조의 제1 활성층 상에 위치할 수 있다. 따라서, 저전류가 주입될때 상기 제2 도전형 반도체층(140)으로부터 상기 활성층으로 주입된 정공은 p-도핑된 제2 활성층(124) 즉, InAlGaN 단일층을 지나서 다중 양자 우물 구조의 제1 활성층(122)으로 주입된다. 그리고, 상기 제1 도전형 반도체층(110)으로부터 주입된 전자가 상기 정공과 결합하여 빛을 낸다.
그리고, 상기 발광소자에 고전류가 주입될 때, 상기 제1 도전형 반도체층(110)으로부터 활성층 주입되는 전자들 중 일부는 상기 제1 활성층(122) 내의 다중 양자 우물 내의 모든 양자화 에너지 준위들을 채우고, 잉여 전자들은 터널링 등으로 양자벽을 넘어서 상기 제2 활성층(124)으로 주입된다.
즉, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 발광소자에 저전류가 주입될 때 제2 활성층에서 전자 농도의 저하로 인하여 주로 제1 활성층에서 발광하나, 도 6에 도시된 바와 같이 고전류가 주입될 때는 제1 활성층과 제2 활성층 모두에서 고르게 발광함을 알 수 있다.
상기 2차 활성층(124)은 상기 제1 활성층(122) 내의 다중 양자 우물보다 두꺼워서 상대적으로 많은 전자들을 효과적으로 수용할 수 있고, 상기 전자들이 정공과 결합하여 빛을 낸다. 따라서, 고전류 주입시에 활성층 내로 주입된 전자와 정공은 제1 활성층과 제2 활성층에 분산되어 두 활성층 모두에서 서로 효과적으로 결합하여 빛을 방출함으로써, 도 4에 도시된 바와 같이 제1 활성층(MQW)이나 제2 활성층(DH) 만으로 이루어진 경우보다 넓은 주입전류 영역에서 높은 내부양자효율(IQE, Internal Quantun Efficiency)를 유지한다.
즉, 단일 양자 우물 구조의 활성층과 단일 양자 우물 구조의 활성층이 각각 도시된 발광소자의 에너지 밴드 갭 및 발광소자의 광효율 저하는 도 7 내지 도 9를 통하여 알 수 있다.
즉, 도 7에 도시된 바와 같이 InGaN 다중 양자 우물 구조의 활성층이 구비된 발광소자는, 다중 양자 우물 내의 양자화 에너지준위들이 양자역학적으로 일정량의 전자 혹은 정공만을 보유할 수 있다.
이때, 상기 활성층에 주입되는 전자 혹은 정공 수량이 충분히 많을 경우 양자우물 내에 효과적으로 속박되지 않는 잉여의 전자 혹은 정공들이 발생하며, 잉여의 전자 혹은 정공들은 빛을 발생시키는 데 참여하지 않고 발광층내에서 자체 소멸되거나 혹은 발광층 외부로 누설된다.
따라서, 발광소자에 주입되는 전류가 증가하게 되면 전자와 정공의 비발광 손실이 증가하게 되어 발광층의 내부양자효율이 도 9에 도시된 바와 같이 감소할 수 있다.
그리고, 도 8에 도시된 단일 양자 우물 구조의 활성층에서는 예를 들어 InGaN 층의 두께가 6~100 나노미터 정도로 상대적으로 두꺼운 InGaN 단일층을 활성으로으로 사용한다.
여기서, 상대적으로 두꺼운 InGaN 단일층은 상대적으로 많은 양의 전자와 정공을 수용할 수 있고, 다중 양자 우물 구조의 활성층보다 잉여 전자와 정공의 비발광 손실이 발생되는 임계 주입전류밀도가 더 커질 수 있다. 따라서, 도 9에 도시된 바와 같이 상대적으로 높은 주입전류밀도에서 높은 내부발광효율을 나타낼 수 있다. 그러나, 낮은 주입전류밀도에서 발광효율이 다중 양자 우물 구조의 활성층보다 매우 낮다.
도 2에 도시된 실시예에서는, 다중 양자 우물 구조의 제1 활성층과 단일 양자 우물 구조의 제2 활성층이 함께 구비되어, 저전류와 고전류 주입 영역 모두에서 우수한 발광특성을 나타내고 있다.
도 3은 발광소자의 에너지 밴드 갭의 제2 실시예를 나타낸 도면이다.
본 실시예는 도 2에 도시된 실시예와 달리 제1 도전형 반도체층(전자주입층) 방향에 단일 우물 구조의 제2 활성층(2차 발광층)이 구비되고, 제2 도전형 반도체층(정공주입층) 방향에 제1 활성층(1차 발광층)이 구비되어 있다. 제1 활성층과 제2 활성층의 조성 등은 상술한 도 2에 도시된 실시예와 동일하나, 상기 제2 활성층은 전자주입층과 인접하므로 n-도핑될 수 있다. 또한, 상기 제1 활성층(발광층) 내의 양자 우물의 밴드 갭 에너지는 상기 제2 활성층(발광층)의 양자 우물의 에너지 밴드 갭보다 작을 수 있다.
상술한 발광소자에 저전류가 주입될 때, 상기 제2 활성층이 n-도핑되어 있으므로 캐리어 리컴비네이션 센터(carrier recombination center)는 다중 양자 우물 구조의 제1 활성층 상에 위치할 수 있다. 따라서, 저전류가 주입될때 상기 제1 도전형 반도체층으로부터 상기 활성층으로 주입된 전자는 n-도핑된 2차 활성층 즉, InAlGaN 단일층을 지나서 다중 양자 우물 구조의 제1 활성층으로 주입된다. 그리고, 상기 제2 도전형 반도체층으로부터 주입된 정공이 상기 전자과 결합하여 빛을 낸다.
그리고, 상기 발광소자에 고전류가 주입될 때, 상기 제2 도전형 반도체층으로부터 활성층 주입되는 정공들 중 일부는 상기 제1 활성층 내의 다중 양자 우물 내의 모든 양자화 에너지 준위들을 채우고, 잉여 정공들은 터널링 등으로 양자벽을 넘어서 상기 제2 활성층으로 주입된다. 따라서, 상기 발광소자에 저전류가 주입될 때 제2 활성층에서 전자 농도의 저하로 인하여 주로 제1 활성층에서 발광하나, 고전류가 주입될 때는 제1 활성층과 제2 활성층 모두에서 고르게 발광할 수 있다.
상기 제1 활성층 내의 각각의 양자 우물은 두께가 5 나노미터 미만일 수 있고, 상기 제2 활성층은 두께가 적어도 5 나노미터 이상일 수 있는데, 상기 2차 활성층은 상기 제1 활성층 내의 다중 양자 우물보다 두꺼워야 상대적으로 많은 정공들을 효과적으로 수용할 수 있고, 상기 정공들이 전자와 결합하여 빛을 낸다.
실시예는 수평형 발광소자를 중심으로 설명하고 있으나 이는 예시에 불과한 것으로서, 수직형 발광소자, 플립칩형 발광소자, 비아홀을 포함하는 하이브리드형 발광소자 등에도 적용될 수 있다.
도 10은 발광 소자 패키지의 일실시예의 단면도이다. 이하에서, 도 10을 참조하여 발광 소자 패키지의 일실시예를 설명한다.
도시된 바와 같이, 실시예에 따른 발광 소자 패키지는 패키지 몸체(320)와, 상기 패키지 몸체(320)에 설치된 제1 전극층(331) 및 제2 전극층(332)과, 상기 패키지 몸체(320)에 설치되어 상기 제1 전극층(331) 및 제2 전극층(332)과 전기적으로 연결되는 실시예에 따른 발광 소자(300)와, 상기 발광 소자(00)를 포위하는 충진재(340)를 포함한다.
상기 패키지 몸체(320)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 발광 소자(300)의 주위에 경사면이 형성되어 광추출 효율을 높일 수 있다.
상기 제1 전극층(311) 및 제2 전극층(312)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광 소자(300)에 전원을 제공한다. 또한, 상기 제1 전극층(311) 및 제2 전극층(312)은 상기 발광 소자(300)에서 발생된 광을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있으며, 상기 발광 소자(300)에서 발생된 열을 외부로 배출시키는 역할을 할 수도 있다.
상기 발광 소자(300)는 상기 패키지 몸체(320) 상에 설치되거나 상기 제1 전극층(311) 또는 제2 전극층(312) 상에 설치될 수 있다.
상기 발광 소자(300)는 상기 제1 전극층(311) 및 제2 전극층(312)과 와이어 방식, 플립칩 방식 또는 다이 본딩 방식 중 어느 하나에 의해 전기적으로 연결될 수도 있다.
상기 충진재(340)는 상기 발광 소자(300)를 포위하여 보호할 수 있다. 또한, 상기 충진재(340)에는 형광체가 포함되어 상기 발광 소자(300)에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있다.
상기 발광 소자 패키지는 상기에 개시된 실시 예들의 발광 소자 중 적어도 하나를 하나 또는 복수개로 탑재할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
실시 예에 따른 발광 소자 패키지는 복수개가 기판 상에 어레이되며, 상기 발광 소자 패키지의 광 경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트 등이 배치될 수 있다. 이러한 발광 소자 패키지, 기판, 광학 부재는 라이트 유닛으로 기능할 수 있다. 또 다른 실시 예는 상술한 실시 예들에 기재된 반도체 발광소자 또는 발광 소자 패키지를 포함하는 표시 장치, 지시 장치, 조명 시스템으로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 조명 시스템은 램프, 가로등을 포함할 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 기판 110 : 제1 도전형 반도체층
122 : 제1 활성층 124 : 제2 활성층
130 : 제2 도전형 반도체층 150 : 제1 전극
160 : 제2 전극 300: 발광소자
311 : 제1 전극층 312 : 제2 전극층
320 : 패키지 바디 340 : 충진재

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 기판;
    상기 기판 상에 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 구비되고, 다중 양자 우물 구조의 제1 활성층과 단일 양자 우물 구조의 제2 활성층을 포함하는 활성층; 및
    상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층을 포함하고,
    상기 제1 활성층은 상기 제1도전형 반도체층 방향에 구비되고, 상기 제2 활성층은 상기 제2 도전형 반도체층 방향에 구비되며, 상기 제2 활성층은 p-도핑된 발광소자.
  3. 기판;
    상기 기판 상에 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 구비되고, 다중 양자 우물 구조의 제1 활성층과 단일 양자 우물 구조의 제2 활성층을 포함하는 활성층; 및
    상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층을 포함하고,
    상기 제1 활성층은 상기 제2 도전형 반도체층 방향에 구비되고, 상기 제2 활성층은 상기 제1 도전형 반도체층 방향에 구비되며, 상기 제2 활성층은 n-도핑된 발광소자.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층은 n형 반도체층이고, 상기 제2 도전형 반도체층은 p형 반도체층인 발광소자.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 제2 활성층의 두께는 상기 제1 활성층 내의 각각의 양자 우물의 두께보다 큰 발광소자.
  6. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 제2 활성층은 두께가 적어도 5 나노미터인 발광소자.
  7. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 활성층 내의 각각의 양자 우물은 두께가 5 나노미터 미만인 발광소자.
  8. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 활성층 내의 양자 우물의 에너지 밴드 갭은 상기 제2 활성층의 양자 우물의 에너지 밴드 갭보다 작은 발광 소자.
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