KR101701510B1 - 발광소자 - Google Patents

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Abstract

실시예는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템에 관한 것이다.
실시예에 따른 발광소자는 제2 도전형 반도체층; 상기 제2 도전형 반도체층 상에 발광층; 상기 발광층 상에 제1 도전형 반도체층; 상기 제2 도전형 반도체층 아래에 반사층을 포함하는 제2 전극층;을 포함하고, 상기 발광층은, 상기 반사층 상에 실제 발광을 하는 제2 발광층 및 상기 제2 발광층 상에 발광을 하지 않는 제1 발광층을 포함하며, 상기 반사층과 상기 제2 발광층 사이의 거리는 보강간섭 조건을 만족할 수 있다.

Description

발광소자{LIGHT EMITTING DEVICE}
실시예는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템에 관한 것이다.
발광소자(Light Emitting Device)는 전기에너지를 빛에너지로 변환하는 반도체소자로서, 화합물 반도체의 조성비를 조절함으로써 다양한 색상구현이 가능하다.
발광소자는 전자주입층에서 주입되는 전자와 정공주입층에서 주입되는 정공이 발광층에서 결합하여 발광을 하게 된다.
한편, 발광소자의 발광층이 고 반사율의 반사거울에 근접하면, 발광층과 반사 거울의 거리에 따라 발광 분포가 달라진다. 예를 들어, 수직형 GaN LED의 경우 반사 거울에 해당하는 Ag와 발광층인 다중양자우물(MQWs) 사이에는 p-GaN 및 오믹층(ohmic 층)이 위치할 수 있는데, p-GaN 및 오믹층의 두께에 따라 발광층인 MQWs의 발광 분포를 조절할 수 있다.
한편, 반사 거울은 금속에 한정할 필요는 없으며, 사실상 수직 방향에 대해 고 반사율을 나타낼 때 발광 분포 조절효과가 나타나므로, DBRs과 같은 유전체층으로 이루어진 거울이 발광층 주위에 위치할 때도 유사한 현상이 나타난다.
이에 따라, 발광층과 반사 거울사이의 거리가 보강 간섭 조건을 만족하면, MQWs의 발광 분포는 수직 방향을 중심으로 형성되며, 이는 추출효율의 향상을 가져올 수 있다.
그런데, 간섭효과를 통해 발광분포를 조절하여 추출효율의 향상을 가져오는 원리는 발광층의 두께가 λ/n 이하일 때, 유효하다. 발광층이 상기 두께를 넘어서면, 발광층 내 보강 조건과 상쇄 조건이 동일하게 분포하게 되어 결국 평균의 상태 즉, 간섭 효과가 없을 때의 추출효율과 동일해진다. 하지만, 간섭 효과를 위해 발광층의 두께가 얇아지면, 누설전류 증가에 의한 신뢰성 문제가 등장한다.
실시예는 유효 파장보다 두꺼운 발광층을 도입하여 신뢰성에 영향을 주지 않으면서 동시에 기존의 간섭효과는 유지하는 구조의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 발광소자는 제2 도전형 반도체층; 상기 제2 도전형 반도체층 상에 발광층; 상기 발광층 상에 제1 도전형 반도체층; 상기 제2 도전형 반도체층 아래에 반사층을 포함하는 제2 전극층;을 포함하고, 상기 발광층은, 상기 반사층 상에 실제 발광을 하는 제2 발광층 및 상기 제2 발광층 상에 발광을 하지 않는 제1 발광층을 포함하며, 상기 반사층과 상기 제2 발광층 사이의 거리는 보강간섭 조건을 만족할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 발광소자의 제조방법은 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층 상에 발광층 및 상기 발광층 상에 제2 도전형 반도체층을 구비하는 발광구조물을 형성하는 단계; 상기 발광구조물 상에 반사층을 포함하는 제2 전극층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 반사층과 상기 발광층 사이의 거리는 보강간섭 조건을 만족하며, 상기 발광층을 형성하는 단계는, 발광을 하지 않는 제1 발광층을 상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성하는 단계; 실제 발광을 하는 제2 발광층을 상기 제1 발광층 상에 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 발광소자 패키지는 상기 발광소자; 상기 발광소자가 배치되는 패키지 몸체; 및 상기 발광소자와 상기 패키지 몸체를 전기적으로 연결하는 하나 이상의 전극;을 포함할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 조명시스템은 상기 발광소자 패키지를 구비하는 발광유닛을 포함할 수 있다.
실시예에 의하면, 발광층이 실제 발광 과정에 참여하는 실제 발광층(actual emitters)과 발광 과정에 참여하지 않으면서 누설전류 억제만을 존재하는 가상 발광층(virtual emitters)으로 구성됨으로써, 전체 발광층의 두께를 유효 파장보다 두껍게 하여 신뢰성에 영향을 주지 않으면서 동시에 기존의 간섭효과는 유지할 수 있는 구조의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 발광소자의 단면도.
도 2는 실시예에 따른 발광소자의 발광층에 대한 예시도.
도 3은 실시예에 따른 발광소자의 발광층에 대한 제1 예시도.
도 4는 실시예에 따른 발광소자의 발광층에 대한 제2 예시도.
도 5 내지 10은 실시예에 따른 발광소자 제조방법의 공정단면도.
도 11은 실시예에 따른 발광소자 패키지의 단면도.
도 12는 실시예에 따른 조명 유닛의 사시도.
도 13은 실시예에 따른 백라이트 유닛의 사시도.
실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on/over)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on/over)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/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.
(실시예)
실시예는 유효 파장보다 두꺼운 발광층을 도입하여 신뢰성에 영향을 주지 않으면서 동시에 기존의 간섭효과는 유지하는 구조의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공하고자 한다.
도 1은 실시예에 따른 발광소자(100)의 단면도이며, 도 2는 실시예에 따른 발광소자의 발광층에 대한 예시도이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 실시예에 따른 발광소자(100)는 제2 도전형 반도체층(116)과, 상기 제2 도전형 반도체층(116) 상에 형성된 발광층(114)과, 상기 발광층(114) 상에 형성된 제1 도전형 반도체층(112)과, 상기 제2 도전형 반도체층(116) 아래에 구비된 반사층(124)을 포함하는 제2 전극층(120)을 포함하며, 상기 발광층(114)은, 상기 반사층(124) 상에 실제 발광을 하는 제2 발광층(114a) 및 상기 제2 발광층(114a) 상에 발광을 하지 않는 제1 발광층(114v)을 포함하며, 상기 반사층(124)과 상기 제2 발광층(114a) 사이의 거리는 보강간섭 조건을 만족할 수 있다.
실시예는 제2 발광층(114a)이 반사층(124)으로부터 보강간섭조건에 있을 때, 발광효율이 최대가 되는 점을 이용할 수 있다. 실시예는 수직 방향에 대해 보강간섭이 일어나는 조건에 반사층을 위치시킴으로써 발광층은 수직 방향의 빛을 생성할 수 있다. 예를 들어, 발광층(114)에서 발생하는 빛 중 처음부터 위로 향하는 빛과 아래로 향한 뒤 반사층에서 반사되어 다시 위로 향하는 빛이 서로 같은 위상의 보강간섭 조건을 이루게 되면, 빛은 처음부터 수직 방향 근처의 빛을 우세하게 하게 된다.
상기 반사층(124)은, 금속, 유전체 또는 금속과 유전체의 조합으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 반사층은, 수직 방향의 반사율이 30%를 넘을 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서, 상기 제2 발광층(114a)에서 상기 반사층(124)과 가장 가까운 곳에 위치한 양자우물 사이의 거리를 d라고 할 때, d=(λ/4n)×(2m+1)±Δ-2α이며, 여기서 λ는 발광되는 빛의 파장, n은 발광층(114)과 반사층(124) 사이에 위치하는 매질의 평균 굴절률, m은 0 상의 정수, Δ는 3λ/16n보다 작은 값, 예를 들어, Δ는 λ/8n일 수 있으나 이에 한정되지 않으며, α는 반사층 내의 침투깊이(skin depth)일 수 있다.
예를 들어, 반사층(124)이 유전체인 경우, α는 0이며, 반사층(124)이 금속인 경우 금속의 침투깊이로서, 금속의 침투깊이(skin depth)는 금속 굴절률의 허수 부를 k라고 할 때, α-1=4pk/l 의 관계식을 만족한다. 예를 들어, Ag 거울(k=2.65 @ 450 nm) 인 경우 α는 약 13.5 nm 이다.
이에 따라 제2 발광층(114a)이 다중 양자우물이라 하더라도 예를 들어, 반사층(124)으로부터 3λ/4n, 5λ/4n, 7λ/4n 등에 각각의 양자우물이 위치하면, 최대의 발광효율을 얻을 수 있다. 이때, 다중 양자우물 내의 각 양자우물간의 거리는 λ/2n ±Δ일 수 있다.
실시예에 의하면 각 양자우물 내에서 발생하는 홀전자 재결합(Hole-Electron Recombination)과정에 의해 생성되는 빛은 수직으로 편향된다. 이는 다중 양자우물이 단일 양자우물과 동일한 경향을 나타냄을 의미한다. 즉, 초기 내부양자효율의 희생없이 수직각도로 편향된 발광패턴 조절효과를 얻을 수 있다.
실시예는, 상기 제1 도전형 반도체층(112)과 상기 제1 발광층(114v) 사이에 개재되는 수퍼래티스층(113)을 더 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 수퍼래티스층(113)은 실제 발광을 하지 않는 층일 수 있다.
실시예는 유효 파장보다 두꺼운 발광층을 도입하여 신뢰성에 영향을 주지 않으면서 동시에 기존의 간섭효과는 유지하는 구조의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공하고자 한다.
이를 위해, 상기 발광층(114)의 전체 두께가 λ/n 이상일 수 있으며, 상기 제2 발광층(114a)의 두께는 λ/n 이하일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2 발광층(114a)은 상기 제1 발광층(114v) 보다 상기 반사층(124)에 인접할 수 있다.
도 2는 실시예에 따른 발광소자의 발광층(114)에 대한 예시도이며, 도 3은 실시예에 따른 발광소자의 발광층(114)에 대한 제1 예시도이고, 도 4는 실시예에 따른 발광소자의 발광층(114)에 대한 제2 예시도이다.
실시예에서, 상기 발광층(114)은 실제 발광을 하는 제2 발광층(114a) 및 발광을 하지 않는 제1 발광층(114v)을 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 발광층(114)의 양자우물층 내에 인듐 조성을 증가하면 양자우물층의 에너지 밴드갭이 작아지고 더불어 양자역학적 에너지준위의 에너지 절대값도 낮아진다.
반면에, 상기 발광층(114)의 양자우물층 내에 인듐조성을 줄이거나 알루미늄(Al), 실리콘(Si) 등을 포함하면 양자우물의 에너지 밴드갭의 크기가 커지고 따라서 양자역학적 에너지준위의 에너지 절대값도 커지게 되어 실제 발광층으로 작용을 하지 않을 수 있다.
예를 들어, 도 3과 같이 실시예에서, 상기 제1 발광층(114v)의 인듐(In) 조성이 상기 제2 발광층(114a)의 양자우물 내의 인듐(In) 조성보다 낮게 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 발광층(114a)의 인듐(In) 조성을 약 15%로 할 경우, 상기 제1 발광층(114v)의 인듐(In) 조성이 5% 내지 10% 이도록 형성하여 제2 발광층(114a)을 실제 발광을 하는 반면, 제1 발광층(114v)에서 실제 발광이 일어나지 않고, 제2 발광층(114a)에서 주로 발광이 발생하게 할 수 있다.
또한, 예를 들어 도 4와 같이 상기 제1 발광층(114v)의 양자우물 또는 배리어에 실리콘(Si)이 도핑됨에 따라 제1 발광층(114v)에서 실제 발광이 일어나지 않고, 제2 발광층(114a)에서 주로 발광이 발생하게 할 수 있다. 이때, 상기 제1 발광층(114v) 내의 실리콘의 도핑농도는 1016~1019/cm3 일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또는, 상기 발광층(114)이 AlxGayN(단, 0≤x,y≤1)으로 구성되는 경우 상기 제1 발광층(114v)의 양자우물 내의 Al 조성이 상기 제2 발광층(114a)의 Al 조성보다 크게 됨으로써 제1 발광층(114v)에서 실제 발광이 일어나지 않고, 제2 발광층(114a)에서 주로 발광이 발생하게 할 수 있다.
실시예에 의하면, 발광층이 실제 발광 과정에 참여하는 실제 발광층(actual emitters)과 발광 과정에 참여하지 않으면서 누설전류 억제만을 존재하는 가상 발광층(virtual emitters)으로 구성됨으로써, 전체 발광층의 두께를 유효 파장보다 두껍게 하여 신뢰성에 영향을 주지 않으면서 동시에 기존의 간섭효과는 유지할 수 있는 구조의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
이하, 도 5 내지 10을 참조하여, 실시예에 따른 발광소자 제조방법을 설명한다.
우선, 도 5와 같이, 제1 기판(105) 상에 제1 도전형 반도체층(112), 상기 제1 도전형 반도체층 상에 발광층(114) 및 상기 발광층(114) 상에 제2 도전형 반도체층(116)을 구비하는 발광구조물(110)을 형성한다.
상기 제1 기판(105)은 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함하며, 예컨대 상기 제1 기판(105)은 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, and Ga203. 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 상기 제1 기판(105) 위에는 요철 구조가 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 제1 기판(105)에 대해 습식세척을 하여 표면의 불순물을 제거할 수 있다.
이후, 상기 제1 기판(105) 상에 제1 도전형 반도체층(112), 발광층(114) 및 제2 도전형 반도체층(116)을 포함하는 발광구조물(110)을 형성할 수 있다.
상기 제1 기판(105) 위에는 버퍼층(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 버퍼층은 상기 발광구조물(110)의 재료와 제1 기판(105)의 격자 부정합을 완화시켜 줄 수 있으며, 버퍼층의 재료는 3족-5족 화합물 반도체 예컨대, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 상기 버퍼층 위에는 언도프드(undoped) 반도체층이 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 제1 도전형 반도체층(112)은 제1 도전형 도펀트가 도핑된 3족-5족 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 상기 제1 도전형 반도체층(112)이 N형 반도체층인 경우, 상기 제1 도전형 도펀트는 N형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se, Te를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기 제1 도전형 반도체층(112)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(112)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN,AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(112)은 화학증착방법(CVD) 혹은 분자선 에피택시 (MBE) 혹은 스퍼터링 혹은 수산화물 증기상 에피택시(HVPE) 등의 방법을 사용하여 N형 GaN층을 형성할 수 있다. 또한, 상기 제1 도전형 반도체층(112)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 실리콘(Si)와 같은 n 형 불순물을 포함하는 실란 가스(SiH4)가 주입되어 형성될 수 있다.
상기 발광층(114)은 제1 도전형 반도체층(112)을 통해서 주입되는 전자와 이후 형성되는 제2 도전형 반도체층(116)을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 발광층(발광층) 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다.
상기 발광층(114)은 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 구조(MQW: Multi Quantum Well), 양자 선(Quantum-Wire) 구조, 또는 양자 점(Quantum Dot) 구조 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 발광층(114)은 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 트리메틸 인듐 가스(TMIn)가 주입되어 다중 양자우물구조가 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 발광층(114)의 우물층/장벽층은 InGaN/GaN, InGaN/InGaN, AlGaN/GaN, InAlGaN/GaN , GaAs,/AlGaAs(InGaAs), GaP/AlGaP(InGaP) 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 상기 우물층은 상기 장벽층의 밴드 갭보다 낮은 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
상기 발광층(114)의 위 또는/및 아래에는 도전형 클래드층이 형성될 수 있다. 상기 도전형 클래드층은 AlGaN계 반도체로 형성될 수 있으며, 상기 발광층(114)의 밴드 갭보다는 높은 밴드 갭을 갖을 수 있다.
실시예는 유효 파장보다 두꺼운 발광층을 도입하여 신뢰성에 영향을 주지 않으면서 동시에 기존의 간섭효과는 유지하는 구조의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공하고자 한다.
이를 위해, 상기 발광층(114)의 전체 두께가 λ/n 이상일 수 있으며, 상기 제2 발광층(114a)의 두께는 λ/n 이하일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2 발광층(114a)은 상기 제1 발광층(114v) 보다 상기 반사층(124)에 인접할 수 있다.
도 6는 실시예에 따른 발광소자의 발광층(114)에 대한 예시도이며, 도 7은 실시예에 따른 발광소자의 발광층(114)에 대한 제1 예시도이고, 도 8은 실시예에 따른 발광소자의 발광층(114)에 대한 제2 예시도이다.
실시예는 유효 파장보다 두꺼운 발광층을 도입하여 신뢰성에 영향을 주지 않으면서 동시에 기존의 간섭효과는 유지하는 구조의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공하고자 한다.
이를 위해, 상기 발광층(114)의 전체 두께가 λ/n 이상일 수 있으며, 상기 제2 발광층(114a)의 두께는 λ/n 이하일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2 발광층(114a)은 상기 제1 발광층(114v) 보다 상기 반사층(124)에 인접할 수 있다.
실시예에서, 상기 발광층(114)은 실제 발광을 하는 제2 발광층(114a) 및 발광을 하지 않는 제1 발광층(114v)을 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 발광층(114)의 양자우물층 내에 인듐 조성을 증가하면 양자우물층의 에너지 밴드갭이 작아지고 더불어 양자역학적 에너지준위의 에너지 절대값도 낮아진다.
반면에, 상기 발광층(114)의 양자우물층 내에 인듐조성을 줄이거나 알루미늄(Al), 실리콘(Si) 등을 혼합하면 양자우물의 에너지 밴드갭의 크기가 커지고 따라서 양자역학적 에너지준위의 에너지 절대값도 커지게 되어 실제 발광층으로 작용을 하지 않을 수 있다.
예를 들어, 도 7과 같이 실시예에서, 상기 제1 발광층(114v)의 인듐(In) 조성이 상기 제2 발광층(114a)의 양자우물 내의 인듐(In) 조성보다 낮게 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 발광층(114a)의 인듐(In) 조성을 약 15%로 할 경우, 상기 제1 발광층(114v)의 인듐(In) 조성이 5% 내지 10% 이도록 형성하여 제2 발광층(114a)을 실제 발광을 하는 반면, 제1 발광층(114v)에서 실제 발광이 일어나지 않고, 제2 발광층(114a)에서 주로 발광이 발생하게 할 수 있다.
또한, 예를 들어 도 8과 같이 상기 제1 발광층(114v)의 양자우물 또는 배리어에 실리콘(Si)이 도핑됨에 따라 제1 발광층(114v)에서 실제 발광이 일어나지 않고, 제2 발광층(114a)에서 주로 발광이 발생하게 할 수 있다. 이때, 상기 제1 발광층(114v) 내의 실리콘의 도핑농도는 1016~1019/cm3 일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또는, 상기 발광층(114)이 AlxGayN(단, 0≤x,y≤1)으로 구성되는 경우 상기 제1 발광층(114v)의 양자우물 내의 Al 조성이 상기 제2 발광층(114a)의 Al 조성보다 크게 됨으로써 제1 발광층(114v)에서 실제 발광이 일어나지 않고, 제2 발광층(114a)에서 주로 발광이 발생하게 할 수 있다.
실시예에 의하면, 발광층이 실제 발광 과정에 참여하는 실제 발광층(actual emitters)과 발광 과정에 참여하지 않으면서 누설전류 억제만을 존재하는 가상 발광층(virtual emitters)으로 구성됨으로써, 전체 발광층의 두께를 유효 파장보다 두껍게 하여 신뢰성에 영향을 주지 않으면서 동시에 기존의 간섭효과는 유지할 수 있는 구조의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
실시 예는, 상기 제1 도전형 반도체층(112)과 상기 제1 발광층(114v) 사이에 개재되는 수퍼래티스층(113)을 더 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 수퍼래티스층(113)은 실제 발광을 하지 않는 층일 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(116)은 제2 도전형 도펀트가 도핑된 3-족-5족 화합물 반도체 예컨대, InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(116)이 P형 반도체층인 경우, 상기 제2도전형 도펀트는 P형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(116)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 마그네슘(Mg)과 같은 p 형 불순물을 포함하는 비세틸 사이클로 펜타디에닐 마그네슘(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2}가 주입되어 p형 GaN층이 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서 상기 제1 도전형 반도체층(112)은 N형 반도체층, 상기 제2 도전형 반도체층(116)은 P형 반도체층으로 구현할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한 상기 제2 도전형 반도체층(116) 위에는 상기 제2 도전형과 반대의 극성을 갖는 갖는 반도체 예컨대 N형 반도체층(미도시)을 형성할 수 있다. 이에 따라 발광구조물(110)은 N-P 접합 구조, P-N 접합 구조, N-P-N 접합 구조, P-N-P 접합 구조 중 어느 한 구조로 구현할 수 있다.
이후, 상기 제2 도전형 반도체층(116) 상에 제2 전극층(120)을 형성한다.
상기 제2 전극층(120)은 오믹층(122), 반사층(124), 결합층(미도시), 전도성 기판(미도시) 등을 포함할 수 있다. 상기 제2 전극층(120)은 티탄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금(Au), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 또는 불순물이 주입된 반도체 기판 중 적어도 어느 하나로 형성될 수도 있다.
예를 들어, 상기 제2 전극층(120)은 오믹층(122)을 포함할 수 있으며, 단일 금속 혹은 금속합금, 금속산화물 등을 다중으로 적층하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 오믹층은 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), IZON(IZO Nitride), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), ZnO, IrOx, RuOx, NiO, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, 및 Ni/IrOx/Au/ITO, Ag, Ni, Cr, Ti, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 이러한 재료에 한정되는 않는다.
또한, 상기 제2 전극층(120)이 반사층(124)을 포함하는 경우 Al, Ag, Ni, Cu 혹은 이 이 금속을 적어도 하나를 포함하는 합금을 포함하는 금속층으로 이루어질 수 있다. 알루미늄이나 은 등은 발광층에서 발생된 빛을 효과적으로 반사하여 발광소자의 광추출 효율을 크게 개선할 수 있다.
실시예는 제2 발광층(114a)이 반사층(124)으로부터 보강간섭조건에 있을 때, 발광효율이 최대가 되는 점을 이용할 수 있다. 실시예는 수직 방향에 대해 보강간섭이 일어나는 조건에 반사층을 위치시킴으로써 발광층은 수직 방향의 빛을 생성할 수 있다. 예를 들어, 발광층(114)에서 발생하는 빛 중 처음부터 위로 향하는 빛과 아래로 향한 뒤 반사층에서 반사되어 다시 위로 향하는 빛이 서로 같은 위상의 보강간섭 조건을 이루게 되면, 빛은 처음부터 수직 방향 근처의 빛을 우세하게 하게 된다.
상기 반사층(124)은, 금속, 유전체 또는 금속과 유전체의 조합으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 실시예에서 상기 반사층(124)이 유전체로 형성될 경우라도 상기 제2 도전형 반도체층이 제2 전극층과 전기적으로 연결될 수 있도록 설계할 수 있다.
또한, 상기 반사층은, 수직 방향의 반사율이 30%를 넘을 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서, 상기 제2 발광층(114a)에서 상기 반사층(124)과 가장 가까운 곳에 위치한 양자우물 사이의 거리를 d라고 할 때, d=(λ/4n)×(2m+1)±Δ-2α이며, 여기서 λ는 발광되는 빛의 파장, n은 발광층(114)과 반사층(124) 사이에 위치하는 매질의 평균 굴절률, m은 0 상의 정수, Δ는 3λ/16n보다 작은 값, 예를 들어, Δ는 λ/8n일 수 있으나 이에 한정되지 않으며, α는 반사층 내의 침투깊이(skin depth)일 수 있다.
예를 들어, 반사층(124)이 유전체인 경우, α는 0이며, 반사층(124)이 금속인 경우 금속의 침투깊이로서, 금속의 침투깊이(skin depth)는 금속 굴절률의 허수 부를 k라고 할 때, α-1=4pk/l 의 관계식을 만족한다. 예를 들어, Ag 거울(k=2.65 @ 450 nm) 인 경우 α는 약 13.5 nm 이다.
이에 따라 제2 발광층(114a)이 다중 양자우물이라 하더라도 예를 들어, 반사층(124)으로부터 3λ/4n, 5λ/4n, 7λ/4n 등에 각각의 양자우물이 위치하면, 최대의 발광효율을 얻을 수 있다. 이때, 다중 양자우물 내의 각 양자우물간의 거리는 λ/2n ±Δ일 수 있다.
실시예에 의하면 각 양자우물 내에서 발생하는 홀전자 재결합(Hole-Electron Recombination)과정에 의해 생성되는 빛은 수직으로 편향된다. 이는 다중 양자우물이 단일 양자우물과 동일한 경향을 나타냄을 의미한다. 즉, 초기 내부양자효율의 희생없이 수직각도로 편향된 발광패턴 조절효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기 제2 전극층(120)이 결합층을 포함하는 경우 상기 반사층(124)이 결합층의 기능을 하거나, 니켈(Ni), 금(Au) 등을 이용하여 결합층을 형성할 수 있다.
또한, 제2 전극층(120)은 전도성 기판(126)을 포함할 수 있다. 만약, 상기 제1 도전형 반도체층(112)이 50㎛ 이상으로 충분히 두꺼운 경우에는 전도성 기판(126)을 형성하는 공정은 생략될 수 있다. 상기 전도성 기판(126)은 효율적으로 정공을 주입할 수 있도록 전기 전도성이 우수한 금속, 금속합금, 혹은 전도성 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 기판(126)은 구리(Cu), 금(Au), 구리합금(Cu Alloy), 니켈(Ni-nickel), 구리-텅스텐(Cu-W), 캐리어 웨이퍼(예: GaN, Si, Ge, GaAs, ZnO, SiGe, SiC 등) 등을 선택적으로 포함할 수 있다.
상기 전도성 기판(126)을 형성시키는 방법은 전기화학적인 금속증착방법이나 유테틱 메탈을 이용한 본딩 방법 등을 사용할 수 있다.
다음으로 도 10과 같이, 상기 제1 도전형 반도체층(112)이 노출되도록 상기 제1 기판(105)을 제거한다. 상기 제1 기판(105)을 제거하는 방법은 고출력의 레이저를 이용하여 제1 기판을 분리하거나 화학적 식각 방법을 사용할 수 있다. 또한, 상기 제1 기판(105)은 물리적으로 갈아냄으로써 제거할 수도 있다.
예를 들어, 레이저 리프트 오프 방법은 상온에서 소정의 에너지를 가해주게 되면 상기 제1 기판(100)과 발광구조물의 계면에서 에너지가 흡수되어 발광구조물의 접합표면이 열분해 되어 제1 기판(100)과 발광구조물을 분리할 수 있다.
실시예에 의하면, 발광층이 실제 발광 과정에 참여하는 실제 발광층(actual emitters)과 발광 과정에 참여하지 않으면서 누설전류 억제만을 존재하는 가상 발광층(virtual emitters)으로 구성됨으로써, 전체 발광층의 두께를 유효 파장보다 두껍게 하여 신뢰성에 영향을 주지 않으면서 동시에 기존의 간섭효과는 유지할 수 있는 구조의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
도 11은 실시예에 따른 발광소자가 설치된 발광소자 패키지(200)를 설명하는 도면이다.
도 11을 참조하면, 실시예에 따른 발광 소자 패키지는 몸체부(200)와, 상기 몸체부(200)에 설치된 제3 전극층(213) 및 제4 전극층(214)과, 상기 몸체부(200)에 설치되어 상기 제3 전극층(213) 및 제4 전극층(214)과 전기적으로 연결되는 발광 소자(100)와, 상기 발광 소자(100)를 포위하는 몰딩부재(240)가 포함된다.
상기 몸체부(200)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 발광 소자(100)의 주위에 경사면이 형성될 수 있다.
상기 제3 전극층(213) 및 제4 전극층(214)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광 소자(100)에 전원을 제공하는 역할을 한다. 또한, 상기 제3 전극층(213) 및 제4 전극층(214)은 상기 발광 소자(100)에서 발생된 빛을 반사시켜 광 효율을 증가시키는 역할을 할 수 있으며, 상기 발광 소자(100)에서 발생된 열을 외부로 배출시키는 역할을 할 수도 있다.
상기 발광 소자(100)는 도 1에 예시된 수직형 타입의 발광 소자가 적용될 수 있으며, 상기 발광 소자(100)는 상기 몸체부(200) 상에 설치되거나 상기 제3 전극층(213) 또는 제4 전극층(214) 상에 설치될 수 있다.
상기 발광 소자(100)는 와이어(230)를 통해 상기 제3 전극층(213) 및/또는 제4 전극층(214)과 전기적으로 연결될 수 있으며, 실시예에서는 수직형 타입의 발광 소자(100)가 예시되어 있기 때문에, 하나의 와이어(230)가 사용된 것이 예시되어 있다. 다른 예로서, 상기 발광 소자(100)가 수평형 타입의 발광 소자인 경우 두개의 와이어(230)가 사용될 수 있으며, 상기 발광 소자(100)가 플립칩 방식의 발광 소자의 경우 와이어(230)가 사용되지 않을 수도 있다.
상기 몰딩부재(240)는 상기 발광 소자(100)를 포위하여 상기 발광 소자(100)를 보호할 수 있다. 또한, 상기 몰딩부재(240)에는 형광체가 포함되어 상기 발광 소자(100)에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있다.
실시예에 따른 발광소자 패키지는 조명시스템에 적용될 수 있다. 상기 조명시스템은 도 12에 도시된 조명유닛, 도 13에 도시된 백라이드 유닛을 포함하고, 신호등, 차량 전조등, 간판 등이 포함될 수 있다.
도 12는 실시예에 따른 조명 유닛의 사시도(1100)이다.
도 12를 참조하면, 상기 조명 유닛(1100)은 케이스몸체(1110)와, 상기 케이스몸체(1110)에 설치된 발광모듈부(1130)과, 상기 케이스몸체(1110)에 설치되며 외부 전원으로부터 전원을 제공받는 연결 단자(1120)를 포함할 수 있다.
상기 케이스몸체(1110)는 방열 특성이 양호한 재질로 형성되는 것이 바람직하며, 예를 들어 금속 재질 또는 수지 재질로 형성될 수 있다.
상기 발광모듈부(1130)은 기판(1132)과, 상기 기판(1132)에 탑재되는 적어도 하나의 발광소자 패키지(200)를 포함할 수 있다.
상기 기판(1132)은 절연체에 회로 패턴이 인쇄된 것일 수 있으며, 예를 들어, 일반 인쇄회로기판(PCB: Printed Circuit Board), 메탈 코아(Metal Core) PCB, 연성(Flexible) PCB, 세라믹 PCB 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 기판(1132)은 빛을 효율적으로 반사하는 재질로 형성되거나, 표면이 빛이 효율적으로 반사되는 컬러, 예를 들어 백색, 은색 등으로 형성될 수 있다.
상기 기판(1132) 상에는 상기 적어도 하나의 발광소자 패키지(200)가 탑재될 수 있다. 상기 발광소자 패키지(200) 각각은 적어도 하나의 발광소자(100)를 포함할 수 있다. 상기 발광소자(100)는 적색, 녹색, 청색 또는 백색의 유색 빛을 각각 발광하는 유색 발광 다이오드 및 자외선(UV, UltraViolet)을 발광하는 UV 발광 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 발광모듈부(1130)는 색감 및 휘도를 얻기 위해 다양한 발광소자 패키지(200)의 조합을 가지도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 고 연색성(CRI)을 확보하기 위해 백색 발광 다이오드, 적색 발광 다이오드 및 녹색 발광 다이오드를 조합하여 배치할 수 있다.
상기 연결 단자(1120)는 상기 발광모듈부(1130)와 전기적으로 연결되어 전원을 공급할 수 있다. 상기 연결 단자(1120)는 소켓 방식으로 외부 전원에 돌려 끼워져 결합될 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다. 예를 들어, 상기 연결 단자(1120)는 핀(pin) 형태로 형성되어 외부 전원에 삽입되거나, 배선에 의해 외부 전원에 연결될 수도 있는 것이다.
도 13은 실시예에 따른 백라이트 유닛의 분해 사시도(1200)이다.
실시예에 따른 백라이트 유닛(1200)은 도광판(1210)과, 상기 도광판(1210)에 빛을 제공하는 발광모듈부(1240)와, 상기 도광판(1210) 아래에 반사 부재(1220)와, 상기 도광판(1210), 발광모듈부(1240) 및 반사 부재(1220)를 수납하는 바텀 커버(1230)를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기 도광판(1210)은 빛을 확산시켜 면광원화 시키는 역할을 한다. 상기 도광판(1210)은 투명한 재질로 이루어지며, 예를 들어, PMMA(polymethyl metaacrylate)와 같은 아크릴 수지 계열, PET(polyethylene terephthlate), PC(poly carbonate), COC(cycloolefin copolymer) 및 PEN(polyethylene naphthalate) 수지 중 하나를 포함할 수 있다.
상기 발광모듈부(1240)은 상기 도광판(1210)의 적어도 일 측면에 빛을 제공하며, 궁극적으로는 상기 백라이트 유닛이 설치되는 디스플레이 장치의 광원으로써 작용하게 된다.
상기 발광모듈부(1240)은 상기 도광판(1210)과 접할 수 있으나 이에 한정되지 않는). 구체적으로는, 상기 발광모듈부(1240)은 기판(1242)과, 상기 기판(1242)에 탑재된 다수의 발광소자 패키지(200)를 포함하는데, 상기 기판(1242)이 상기 도광판(1210)과 접할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기 기판(1242)은 회로패턴(미도시)을 포함하는 인쇄회로기판(PCB, Printed Circuit Board)일 수 있다. 다만, 상기 기판(1242)은 일반 PCB 뿐 아니라, 메탈 코어 PCB(MCPCB, Metal Core PCB), 연성 PCB(FPCB, Flexible PCB) 등을 포함할 수도 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
그리고, 상기 다수의 발광소자 패키지(200)는 상기 기판(1242) 상에 빛이 방출되는 발광면이 상기 도광판(1210)과 소정 거리 이격되도록 탑재될 수 있다.
상기 도광판(1210) 아래에는 상기 반사 부재(1220)가 형성될 수 있다. 상기 반사 부재(1220)는 상기 도광판(1210)의 하면으로 입사된 빛을 반사시켜 위로 향하게 함으로써, 상기 백라이트 유닛의 휘도를 향상시킬 수 있다. 상기 반사 부재(1220)는 예를 들어, PET, PC, PVC 레진 등으로 형성될 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 바텀 커버(1230)는 상기 도광판(1210), 발광모듈부(1240) 및 반사 부재(1220) 등을 수납할 수 있다. 이를 위해, 상기 바텀 커버(1230)는 상면이 개구된 박스(box) 형상으로 형성될 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 바텀 커버(1230)는 금속 재질 또는 수지 재질로 형성될 수 있으며, 프레스 성형 또는 압출 성형 등의 공정을 이용하여 제조될 수 있다.
실시예에 의하면, 발광층이 실제 발광 과정에 참여하는 실제 발광층(actual emitters)과 발광 과정에 참여하지 않으면서 누설전류 억제만을 존재하는 가상 발광층(virtual emitters)으로 구성됨으로써, 전체 발광층의 두께를 유효 파장보다 두껍게 하여 신뢰성에 영향을 주지 않으면서 동시에 기존의 간섭효과는 유지할 수 있는 구조의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 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 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 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 설정하는 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 제2 도전형 반도체층;
    상기 제2 도전형 반도체층 상에 발광층;
    상기 발광층 상에 제1 도전형 반도체층;
    상기 제2 도전형 반도체층 아래에 반사층을 포함하는 제2 전극층;을 포함하고,
    상기 발광층은, 상기 반사층 상에 실제 발광을 하는 제2 발광층 및 상기 제2 발광층 상에 발광을 하지 않는 제1 발광층을 포함하며,
    상기 발광층이 AlxGayN(단, 0≤x,y≤1)으로 구성되고, 상기 제1 발광층의 양자우물 내의 Al 조성이 상기 제2 발광층의 Al 조성보다 크고,
    상기 반사층과 상기 제2 발광층 사이의 거리는 보강간섭 조건을 만족하는 발광소자.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제2 도전형 반도체층;
    상기 제2 도전형 반도체층 상에 발광층;
    상기 발광층 상에 제1 도전형 반도체층;
    상기 제2 도전형 반도체층 아래에 반사층을 포함하는 제2 전극층;을 포함하고,
    상기 발광층은, 상기 반사층 상에 실제 발광을 하는 제2 발광층 및 상기 제2 발광층 상에 발광을 하지 않는 제1 발광층을 포함하며,
    상기 반사층과 상기 제2 발광층 사이의 거리는 보강간섭 조건을 만족하고,
    상기 제1 발광층의 양자우물 또는 배리어에 실리콘(Si)이 도핑된 발광소자.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 발광층 내의 실리콘의 도핑농도는 1016~1019/cm3 인 발광소자.
  8. 제1 항 또는 제6 항에 있어서,
    상기 발광층의 전체 두께가 λ/n 이상인 발광소자.
  9. 제1 항 또는 제6 항에 있어서,
    상기 제2 발광층의 두께는 λ/n 이하인 발광소자.
  10. 제1 항 또는 제6 항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제1 발광층 사이에 개재되는 수퍼래티스층을 더 포함하는 발광소자.
  11. 제1 항 또는 제6 항에 있어서,
    상기 반사층은, 금속, 유전체 또는 금속과 유전체의 조합으로 형성되는 발광소자.
  12. 제1 항 또는 제6 항에 있어서,
    상기 반사층은, 수직 방향의 반사율이 30%를 넘는 발광소자.
  13. 제1 항 또는 제6 항에 있어서,
    상기 제2 발광층에서 상기 반사층과 가장 가까운 곳에 위치한 양자우물 사이의 거리를 d라고 할 때, d=(λ/4n)×(2m+1)±Δ-2α이며, 여기서 λ는 발광되는 빛의 파장, n은 발광층과 반사층 사이에 위치하는 매질의 평균 굴절률, m은 0 이상의 정수, Δ는 3λ/16n보다 작은 값이며, α는 반사층 내의 침투깊이(skin depth)인 발광소자.
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