KR101712049B1 - 발광 소자 - Google Patents
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Abstract
실시예는 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상의 적어도 2개의 초격자층을 포함하는 초격자층 그룹; 상기 초격자층 그룹 상의 활성층; 및 상기 활성층 상의 제2 도전형 반도체층을 포함하고, 상기 각각의 초격자층은 서로 상이한 에너지 밴드 갭을 갖는 제1 층과 제2 층이 적어도 2회 반복되고, 상기 활성층에 인접한 초격자층의 에너지 밴드 갭은 상기 제1 도전형 반도체층에 인접한 초격자층의 에너지 밴드 갭보다 작은 발광소자를 제공한다.
Description
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 하는 것이다.
실시예는 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상의 적어도 2개의 초격자층을 포함하는 초격자층 그룹; 상기 초격자층 그룹 상의 활성층; 및 상기 활성층 상의 제2 도전형 반도체층을 포함하고, 상기 각각의 초격자층은 서로 상이한 에너지 밴드 갭을 갖는 제1 층과 제2 층이 적어도 2회 반복되고, 상기 활성층에 인접한 초격자층의 에너지 밴드 갭은 상기 제1 도전형 반도체층에 인접한 초격자층의 에너지 밴드 갭보다 작은 발광소자를 제공한다.
여기서, 상기 각각의 초격자층 간의 경계를 이루는 양자벽의 에너지 밴드 갭은, 상기 활성층 방향으로 경사를 갖고 감소할 수 있다.
그리고, 상기 각각의 초격자층 내에서 가장 큰 에너지 밴드 갭을 갖는 층의 에너지 밴드 갭은, 상기 초격자층 간의 양자벽의 에너지 밴드 갭보다 작을 수 있다.
그리고, 상기 초격자층 간의 양자벽의 에너지 밴드 갭은 계단식으로 감소할 수 있다.
그리고, 상기 초격자층 간의 양자벽의 에너지 밴드 갭은, 상기 제1 도전형 반도체층 방향으로부터 상기 활성층 방향으로 계단식으로 감소할 수 있다.
그리고, 상기 제1 도전형 반도체층에 인접한 초격자층의 에너지 밴드 갭은, 상기 제1 도전형 반도체층의 에너지 밴드 갭보다 작을 수 있다.
그리고, 상기 활성층에 인접한 초격자층의 에너지 밴드 갭은, 상기 활성층의 에너지 밴드 갭보다 클 수 있다.
또한, 상기 제1 도전형 반도체층은 n형 반도체층이고, 상기 제2 도전형 반도체층은 p형 반도체층일 수 있다.
다른 실시예는 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상의 적어도 2개의 초격자층을 포함하는 초격자층 그룹; 상기 초격자층 그룹 상의 활성층; 및 상기 활성층 상의 제2 도전형 반도체층을 포함하고, 상기 초격자층 그룹 내의 In 조성은, 상기 제1 도전형 반도체층 방향으로부터 상기 활성층 방향으로 증가하는 발광소자를 제공한다.
여기서, 상기 각각의 초격자층은 서로 상이한 In 조성을 갖는 제1 층과 제2층이 적어도 2회 반복될 수 있다.
그리고, 상기 초격자층은 AlxInyGa1 -x- yN(여기서, 0≤x,y≤1)의 조성을 가질 수 있다.
여기서, 상기 각각의 초격자층은 동일한 In 조성을 갖는 적어도 2개의 초격자로 이루어지고, 상기 초격자층의 In 조성은 상기 제1 도전형 반도체층 방향으로부터 상기 활성층 방향으로 증가할 수 있다.
그리고, 상기 각각의 초격자층 간의 경계를 이루는 양자벽의 In 조성은, 상기 활성층 방향으로 경사를 갖고 증가할 수 있다.
그리고, 상기 각각의 초격자층 내에서 In의 조성이 작은 층의 In 조성은, 상기 초격자층 간의 양자벽의 In 조성보다 클 수 있다.
그리고, 상기 초격자층 간의 양자벽의 In 조성은 계단식으로 증가할 수 있다.
그리고, 상기 초격자층 간의 양자벽의 In 조성은, 상기 제1 도전형 반도체층 방향으로부터 상기 활성층 방향으로 계단식으로 증가할 수 있다.
그리고, 상기 제1 도전형 반도체층에 인접한 초격자층의 In 조성은, 상기 제1 도전형 반도체층의 In 조성보다 클 수 있다.
그리고, 상기 활성층에 인접한 초격자층의 In 조성은 상기 활성층의 In 조성보다 작을 수 있다.
또한, 상기 제1 도전형 반도체층은 n형 반도체층이고, 상기 제2 도전형 반도체층은 p형 반도체층일 수 있다.
실시예에 따른 발광소자는 발광효율이 개선된다.
도 1a 및 도 1b는 발광소자의 일실시예들의 단면도이고,
도 2는 발광소자의 에너지 밴드 갭의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 3은 종래의 발광소자의 에너지 밴드 갭을 나타낸 도면이고,
도 4는 도 3에 도시된 발광소자의 주입전류에 따른 발광효율을 나타낸 도면이고,
도 5a 및 도 5b는 실시예에 따른 발광소자와 종래의 발광소자의 발광 구조물 내에서의 전자와 정공의 분포를 나타낸 도면이고,
도 6a 및 도 6b는 실시예에 따른 발광소자와 종래의 발광소자의 활성층 내에서의 전자와 정공의 분포를 나타낸 도면이고,
도 7a 및 도 7b는 실시예에 따른 발광소자와 종래의 발광소자의 활성층 내의 자발발광율을 나타낸 도면이고,
도 8은 실시예에 따른 발광소자와 종래의 발광소자의 주입 전류에 따른 광도를 나타낸 도면이고,
도 9는 실시예에 따른 발광소자와 종래의 발광소자의 주입전류에 따른 발광효율을 나타낸 도면이고,
도 10 내지 도 12은 발광소자의 에너지 밴드 갭의 다른 실시예들을 나타낸 도면이고,
도 13은 발광 소자 패키지의 일실시예의 단면도이다.
도 2는 발광소자의 에너지 밴드 갭의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 3은 종래의 발광소자의 에너지 밴드 갭을 나타낸 도면이고,
도 4는 도 3에 도시된 발광소자의 주입전류에 따른 발광효율을 나타낸 도면이고,
도 5a 및 도 5b는 실시예에 따른 발광소자와 종래의 발광소자의 발광 구조물 내에서의 전자와 정공의 분포를 나타낸 도면이고,
도 6a 및 도 6b는 실시예에 따른 발광소자와 종래의 발광소자의 활성층 내에서의 전자와 정공의 분포를 나타낸 도면이고,
도 7a 및 도 7b는 실시예에 따른 발광소자와 종래의 발광소자의 활성층 내의 자발발광율을 나타낸 도면이고,
도 8은 실시예에 따른 발광소자와 종래의 발광소자의 주입 전류에 따른 광도를 나타낸 도면이고,
도 9는 실시예에 따른 발광소자와 종래의 발광소자의 주입전류에 따른 발광효율을 나타낸 도면이고,
도 10 내지 도 12은 발광소자의 에너지 밴드 갭의 다른 실시예들을 나타낸 도면이고,
도 13은 발광 소자 패키지의 일실시예의 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 1a 및 도 1b는 발광소자의 일실시예들의 단면도이며, 도 1a는 수평형 발광소자를, 도 1b는 수직형 발광소자를 각각 도시하고 있다. 그리고, 도 2는 발광소자의 에너지 밴드 갭의 일실시예를 나타내고 있다.
도 1a에 도시된 바와 같이 실시예에 따른 발광소자는 기판(100) 상에, 개구면을 가지는 제1 도전형 반도체층(122)과 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)을 포함하는 발광구조물(120)이 구비된다.
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(122)은 제1 도전형 반도체층으로만 형성되거나, 상기 제1 도전형 반도체층 아래에 언도프트 반도체층을 더 포함할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 제1 도전형 반도체층(122)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 반도체층은 결정성 향상을 위해 형성되는 층으로, 상기 n형 도펀트가 도핑되지 않아 상기 제1 도전형 반도체층에 비해 낮은 전기전도성을 갖는 것을 제외하고는 상기 제1 도전형 반도체층과 같을 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(122) 상에는 활성층(124)이 형성될 수 있다. 상기 활성층(124)은 예를 들어, InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 가지는 반도체 재료를 포함하여 형성할 수 있으며, 양자선(Quantum wire) 구조, 양자점(Quantum dot) 구조, 단일 양자 우물 구조 또는 다중 양자 우물 구조(MQW: Multi Quantum Well) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 활성층(124)은 상기 제1 도전형 반도체층(122) 및 하기의 제2 도전형 반도체층(126)으로부터 제공되는 전자 및 정공의 재결합(recombination) 과정에서 발생되는 에너지에 의해 광을 생성할 수 있다.
그리고, 상기 활성층(124) 상에는 제2 도전형 반도체층(126)이 형성될 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(126)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(122)이 p형 반도체층을 포함하고 상기 제2 도전형 반도체층(126)이 n형 반도체층을 포함할 수도 있다. 또한, 상기 제1 도전형 반도체층(122) 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 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 도전형 반도체층(122) 및 상기 제2 도전형 반도체층(126) 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(122)의 개구면 상에 제1 전극(150)이 형성되고, 제2 도전형 반도체층(126) 상에 제2 전극(160)이 구비된다. 여기서, 상기 제1 전극(150)과 제2 전극(160)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.
도 1a에 도시된 수평형 발광소자에서는 제2 도전형 반도체층(126)부터 제1 도전형 반도체층(122)의 일부까지 메사 식각되고, 노출된 제1 도전형 반도체층(122) 상에 제1 전극(150)이 구비될 수 있다.그리고, 도 1b에 도시된 수직형 발광소자는, 제2 도전형 반도체층(126) 상에 오믹층(130)과 반사층(140)이 구비되어 있다.
상기 오믹층(130)은 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.
그리고, 상기 오믹층(130) 상에는 반사층(140)이 형성될 수 있는데, 상기 반사층(140)은 알루미늄(Al), 은(Ag) 혹은 Al이나 Ag를 포함하는 합금을 포함하는 금속층으로 이루어질 수 있다. 알루미늄이나 은 등은 상기 활성층(124)에서 발생된 빛을 효과적으로 반사하여 발광소자의 광추출 효율을 크게 개선할 수 있다.
그리고, 상기 반사층(140) 상에 도전성 지지부재(180)를 형성할 수 있다. 상기 도전성 지지부재(180)는 구리(Cu), 금(Au), 구리합금(Cu Alloy), 니켈(Ni-nickel), 구리-텅스텐(Cu-W), 캐리어 웨이퍼(예: GaN, Si, Ge, GaAs, ZnO, SiGe, SiC, SiGe, Ga2O3 등) 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 상기 도전성 지지부재(180)를 형성시키는 방법은 전기화학적인 금속증착방법이나 유테틱 메탈을 이용한 본딩 방법 등을 사용할 수 있다.
상기 도전성 지지부재(180)와 상기 반사층(140) 사이에는 결합층(170)이 형성되며, 상기 접합층(170)은 베리어 금속 또는 본딩 금속 등을 포함하며, 예를 들어, Ti, Au, Sn, Ni, Cr, Ga, In, Bi, Cu, Ag 또는 Ta 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 결합층(170)은 서로 다른 결합층을 접합시켜 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
그리고, 상기 제1 도전형 반도체층(122)의 표면에 요철이 형성될 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(122)의 표면의 요철 형상은, PEC(Photo enhanced chemical) 식각 방법이나 마스크 패턴을이용한 에칭 공정 수행하여 형성할 수 있다. 상기 요철 구조는 상기 활성층에서 발생한 광의 외부 추출 효율을 증가시키기 위한 것으로서, 규칙적인 주기를 갖거나 불규칙적인 주기를 가질 수 있다.
실시예에 따른 발광소자는, 에너지 밴드 갭이 서로 다른 복수 개의 초격자층들이 에너지 밴드 갭 크기 순서대로 활성층에 인접하여 구비되어 활성층에 주입되는 전자들의 에너지 상태를 낮게 냉각시킨다. 구체적으로 도 2에 도시된 바와 같이 상술한 발광소자는 제1 도전형 반도체층(122)과 활성층(124) 사이에 초격자층 그룹이 구비되어 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(122)은 n형 반도체층일 수 있으며 전자주입층으로 작용하고, 상기 제2 도전형 반도체층(126)은 p형 반도체층일 수 있으며 정공주입층으로 작용할 수 있다. 여기서, 제1 도전형 반도체층(122) 및 제2 도전형 반도체층(126)은 도 1a 및 도 1b에 도시된 것과 같다.
여기서, 초격자층 그룹은 적어도 2개의 초격자층를 포함하며, 도 2에서는 3개의 초격자층이 도시되어 있고, 10개 이하의 초격자층을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 각각의 초격자층은 서로 상이한 에너지 밴드 갭을 갖는 서로 상이한 에너지 밴드 갭을 갖는 두 개의 층(제1 층과 제2 층)이 적어도 2회 반복되며, 도 2에서는 제1 층과 제2 층이 3회 반복되고 있다. 그리고, 상기 서로 다른 에너지 밴드 갭을 가진 2개의 층이 초격자를 이룬다.
상기 초격자는 질화물 반도체층으로 이루어지며, 조성은 상술한 바와 같으며, In의 조성을 달리하여 에너지 밴드 갭을 변화시킬 수 있다. 이때, 상기 초격자층은 AlxInyGa1-x-yN(여기서, 0≤x,y≤1)의 조성을 가지며, In의 조성이 상술한 바와 같이 달라질 수 있다.또한, 하나의 초격자층 내의 복수 개의 초격자는 사이에는 양자벽이 구비되는데, 상기 양자벽의 두께는 0.5~30 나노미터일 수 있다.
또한, 상기 초격자층의 에너지 밴드 갭은 예를 들어 도 1a에 도시된 수평형 발광소자의 경우, 상기 제1 도전형 반도체층(122, 전자 주입층) 방향으로부터 상기 활성층(124) 방향으로 감소하고 있다. 그리고, 초격자층 내의 각각의 층(제1 층 및 제2 층)은 두께가 0.5 ~ 20 나노미터의 두께를 가질 수 있는데, 각각의 초격자층(제1 내지 제3 초격자층)은 에너지 밴드 갭이 서로 다른 두 개의 질화물 반도체층, 즉 제1층 과 제2 층이 2~40회 배치될 수 있다.
상술한 에너지 밴드 갭의 변화는, 상기 초격자층 그룹 내의 In 조성이 상기 제1 도전형 반도체층 방향으로부터 상기 활성층 방향으로 증가하여 형성될 수 있다. 그리고, 제1 초격자층 내의 In 조성보다 제2 초격자층 내의 In 조성이 더 크고, 제2 초격자층 내의 In 조성보다 제3 초격자층 내의 In 조성이 더 클 수 있다.
그리고, 상기 제1 도전형 반도체층에 인접한 초격자층(도 2에서 제1 초격자층)의 에너지 밴드 갭은 상기 제1 도전형 반도체층(전자 주입층)의 에너지 밴드 갭보다 작을 수 있으며, 상기 제1 도전형 반도체층으로부터 상기 초격자층으로 전자의 진행이 용이할 수 있다. 이때, 상기 제1 도전형 반도체층(전자 주입층)에 인접한 초격자층의 In 조성은, 상기 제1 도전형 반도체층(전자 주입층)의 In 조성보다 클 수 있다.
또한, 상기 활성층(양자 우물)에 인접한 초격자층(도 2에서 제3 초격자층)의 에너지 밴드 갭은 상기 활성층의 에너지 밴드 갭보다 클 수 있는데, 상기 초격자층으로부터 상기 활성층으로 전자의 진행이 용이할 수 있다. 이때, 상기 활성층에 인접한 초격자층의 In 조성은 상기 활성층의 In 조성보다 작을 수 있다.
상술한 발광 소자에 전자 주입층으로부터 전자가 주입되면, 전자들은 먼저 에너지 상태가 상기 전자 주입층(제1 도전형 반도체층)보다 낮은 제1 초격자층에 주입된다 즉 도 1a/도 1b에 도시된 실시예의 경우, 제1 도전형 반도체층(122)으로부터 전자가 주입되면, 전자들이 활성층(124)으로 진입하기 전에 제1 초격자층에 진입한다.
그리고, 상기 제1 초격자층에 주입된 전자들은 제1 초격자층을 통과하여 에너지 상태가 더 낮은 제2 초격자층으로 주입된다. 상기 제2 초격자층에 주입된 전자들은 제1 초격자층과 제2 초격자층간의 에너지상태 차이만큼 에너지를 손실하여 냉각된다.
이어서, 상기 제2 초격자층을 통과하면서 에너지 상태가 양자역학적으로 낮아진 전자들은 에너지 상태가 더욱 낮은 제3 초격자층으로 주입된다. 이때, 에너지 상태가 충분히 낮고 다중 양자우물 구조의 활성층에 인접한 상기 제3 초격자층을 통과하여 충분히 냉각된 주입전자들은 상기 활성층 내의 양자우물에 양자역학적으로 주입된다.
여기서, 상기 제3 초격자층의 에너지 상태는 상기 양자우물의 에너지 상태와 동일하거나 유사할 수 있으므로, 상기 양자우물에 주입되는 전자들은 에너지 면에서 충분히 냉각되어 있으므로, 상기 활성층 내의 양자벽을 넘어서 정공 주입층 영역으로 양자역학적으로 침투할 확률이 매우 작다.
따라서, 실시예에 따른 발광 소자 내의 초격자층 그룹은 상기 전자 주입층으로부터 주입되는 높은 에너지상태를 갖는 전자들을 냉각하여 활성층에 효과적으로 주입하여, 전자들이 정공 주입층 영역으로 누설되는 양을 줄여서 소자의 발광효율을 개선할 수 있다. 또한, 주입전자의 횡적인 분산기능과 압축응력완화 기능을 개선하여 높은 주입전류영역에서 작동하는 대면적 고출력 소자의 발광효율을 개선할 수 있다.
도 3은 종래의 발광소자의 에너지 밴드 갭을 나타낸 도면이다.
종래의 발광소자는 전자 주입층과 활성층 사이에 초격자층이 구비되고, 상기 초격자층은 에너지 밴드갭이 서로 다른 두 개의 층이 교대로 반복 적층되어 이루어진다. 이러한 초격자층은 에너지 밴드 갭이 작은 층 내에서 주입되는 전류를 효과적으로 횡적으로 분산시킬 수 있다.
여기서, 에너지 밴드 갭이 서로 다른 두 개의 층이 반복 적층되어 이루어지는 초격자구조는 양자역학적으로 에너지 미니밴드를 갖는데, 이러한 미니밴드의 에너지 밴드 갭은 양자우물의 에너지 밴드 갭보다 충분히 크므로, 미니밴드를 지나 양자우물에 주입되는 전자들은 충분히 높은 에너지를 가지므로 양자벽을 지나서 정공 주입층으로 누설될 수 있다.
이러한 주입전자의 누설은 도 4에 도시된 바와 같이 주입전류 증가에 따른 발광 효율 감소를 야기할 수 있다.
따라서, 양자우물에 주입되는 전자의 에너지 상태를 충분히 낮게 냉각시킬 필요가 있는데, 도 2에 등에 도시된 초격자층 그룹을 갖는 발광소자는, 다중 초격자 구조로 인하여 높은 에너지 상태에 있는 주입 전자들을 효과적으로 냉각시켜서 정공 주입층 영역으로의 주입 전자 누설을 억제하여, 높은 주입 전류 영역에서 작동하는 고출력 소자의 발광효율을 개선하고, 횡적인 분산 기능과 압축응력 완화 기능을 강화시킬 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 실시예에 따른 발광소자와 종래의 발광소자의 발광 구조물 내에서의 전자와 정공의 분포를 나타낸 도면이다.
도 5a에서 활성층은 In0 .15GaN/GaN 구조의 양자벽/양자 우물이 3개 구비되는데, 양자벽과 양자 우물은 각각 3나노 미터와 10 나노 미터의 두께를 갖는다. 그리고, 다중 초격자층 그룹은 n-In0 .03GaN/n-GaN 구조의 제1 층/제1층이 10개 구비된 제1 초격자층과, n-In0 .06GaN/n-GaN 구조의 제1 층/제2 층이 10개 구비된 제2 초격자층과, n-In0.10GaN/n-GaN 구조의 제1 층/제2 층이 10개 구비된 제3 초격자층을 포함하며, 각각의 층은 2나노 미터의 두께로 이루어진다.
그리고, 도 5b에 도시된 발광소자에서는 n-In0 .03GaN/n-GaN 구조의 제1 층/제2 층이 20 쌍으로 이루어지고, 각각의 층은 2 나노미터의 두께를 갖는다. 그리고, In0.15GaN/GaN 구조의 양자벽/양자 우물 3개를 갖는 활성층으로 이루어지는데, 양자벽과 양자 우물은 각각 3 나노미터와 10 나노미터의 두께를 갖는다.
도시된 바와 같이, 실시예에 다른 발광소자는 활성층 등에서 전자와 정공이 고르게 분포하여 발광효율을 향상을 기대할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 실시예에 따른 발광소자와 종래의 발광소자의 활성층 내에서의 전자와 정공의 분포를 나타낸 도면이다.
도 6b의 종래의 발광소자에서는 세 개의 양자 우물 내에서 전자에 비하여 정공의 농도가 매우 작으나, 도 6a에 도시된 실시예에 따른 발광소자는 세 개의 양자 우물 내에서 전자와 정공이 고르게 분포하고 있다.
도 7a 및 도 7b는 실시예에 따른 발광소자와 종래의 발광소자의 활성층 내의 자발발광율을 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 발광소자의 자발발광율, 특히 두번째와 세번째 양자 우물에서의 자발발광율이 개선됨을 알 수 있다.
도 8은 실시예에 따른 발광소자와 종래의 발광소자의 주입 전류에 따른 광도를 나타낸 도면이다. 실시예에 따른 발광소자는 주입전류 600A/m에서 종래의 발광소자에 대비하여 광도가 35% 개선됨을 알 수 있다.
도 9는 실시예에 따른 발광소자와 종래의 발광소자의 주입전류에 따른 발광효율을 나타낸 도면이다. 실시예에 따른 발광소자는 주입전류 600A/m에서 종래의 발광소자에 대비하여 발광효율이 35% 개선됨을 알 수 있다.
도 10 내지 도 12은 발광소자의 에너지 밴드 갭의 다른 실시예들을 나타낸 도면이다.
도 10에 도시된 실시예에는, 각각의 초격자층(제1 초격자층, 제2 초격자층 및 제3 초격자층) 간의 경계를 이루는 양자벽의 에너지 밴드 갭이 활성층 방향으로 감소하고 있다. 즉, 제1 초격자층과 제2 초격자층 간의 경계를 이루는 양자벽의 에너지 밴드 갭보다, 제2 초격자층과 제3 초격자층 간의 경계를 이루는 양자벽의 에너지 밴드 갭이 더 작다. 또한, 제2 초격자층과 제3 초격자층 간의 경계를 이루는 양자벽의 에너지 밴드 갭보다, 제3 초격자층과 활성층 간의 경계를 이루는 양자벽의 에너지 밴드 갭이 더 작다.
상술한 에너지 밴드 갭은 상기 전자 주입층에서 주입된 전자가 활성층 방향으로 용이하게 이동하게 할 수 있다.
그리고, 도 10에 도시된 실시예에서 각각의 초격자층 내의 초격자들에서 에너지 밴드 갭이 높은 층의 에너지 밴드 갭은, 이웃한 초격자층과의 경계를 이루는 양자벽의 에너지 밴드 갭보다 작다. 이러한 에너지 밴드 갭은, 상기 각각의 초격자층 내에서 In의 조성이 작은 층의 In 조성이 상기 초격자층 간의 양자벽의 In 조성보다 커서 형성될 수 있다. 따라서, 하나의 초격자층 내에서 전자의 이동이 용이하여 전자가 고르게 분포할 수 있다.
도 11에 도시된 실시예에서는, 초격자층 간의 양자벽의 에너지 밴드 갭은 계단식으로 감소하고 있다. 여기서, 감소 방향은 전자 주입층으로부터 활성층 방향이다. 이러한 에너지 밴드 갭의 구성은, 상기 초격자층 간의 양자벽의 In 조성이 상기 활성층 방향으로 계단식으로 증가하여 이루어질 수 있다.
상술한 실시예들에서는 예를 들어, 초격자층 간의 양자벽의 에너지 밴드는 이웃한 초격자층 내의 초격자의 에너지 밴드까지 수직 또는 수직에 가깝게 하락하는데, 본 실시예에서는 상술한 초격자층 간의 경계를 이루는 양자벽의 에너지 밴드가 계단식으로 감소하고 있는 점에서 상이하다. 여기서, 도 11에서는 상기 양자벽은 중간에 1개의 단을 갖는 계단식의 에너지 밴드를 보이고 있으나, 2개 이상의 단을 갖는 계단식의 에너지 밴드를 가질 수도 있다.
도 12에 도시된 실시예에서는, 초격자층 간의 양자벽의 에너지 밴드 갭이 경사를 갖고 감소하는데, 감소 방향은 전자 주입층으로부터 활성층 방향이다. 도 11에 도시된 실시예에서는 초격자층 간의 양자벽의 에너지 밴드 갭이 계단식으로 감소하는데, 본 실시예에서는 경사를 갖고 감소하는 점에서 상이하다. 상술한 양자벽의 에너지 밴드 갭은, 각각의 초격자층 간의 경계를 이루는 양자벽의 In 조성이 상기 활성층 방향으로 경사를 갖고 증가하여 형성될 수 있다.
도 11 및 도 12에 도시된 실시예들에서, 초격자층 간의 경계를 이루는 양자벽의 에너지 밴드 갭은 활성층 방향으로의 전자의 이동을 용이하게 하되, 역방향(전자 주입층)으로의 전자의 이동을 줄일 수 있다.
도 13은 발광 소자 패키지의 일실시예의 단면도이다. 이하에서, 도 13을 참조하여 발광 소자 패키지의 일실시예를 설명한다.
실시예에 따른 발광 소자 패키지는 패키지 몸체(320)와, 상기 패키지 몸체(320)에 설치된 제1 전극층(311) 및 제2 전극층(312)과, 상기 패키지 몸체(320)에 설치되어 상기 제1 전극층(311) 및 제2 전극층(312)과 전기적으로 연결되는 실시예에 따른 발광 소자(300)와, 상기 발광 소자(300)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.
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 120 : 발광 구조물
122 : 제1 도전형 반도체층 124 : 활성층
126 : 제2 도전형 반도체층 130 : 오믹층
140 : 반사층 150 : 제1 전극
160 : 제2 전극 170 : 결합층
180 : 도전성 지지부재 190 : 패시베이션층
300: 발광소자 311 : 제1 전극층
312 : 제2 전극층 320 : 패키지 바디
340 : 충진재
122 : 제1 도전형 반도체층 124 : 활성층
126 : 제2 도전형 반도체층 130 : 오믹층
140 : 반사층 150 : 제1 전극
160 : 제2 전극 170 : 결합층
180 : 도전성 지지부재 190 : 패시베이션층
300: 발광소자 311 : 제1 전극층
312 : 제2 전극층 320 : 패키지 바디
340 : 충진재
Claims (18)
- 삭제
- 제1 도전형 반도체층;
상기 제1 도전형 반도체층 상의 적어도 2개의 초격자층을 포함하는 초격자층 그룹;
상기 초격자층 그룹 상의 활성층; 및
상기 활성층 상의 제2 도전형 반도체층을 포함하고,
상기 각각의 초격자층은 서로 상이한 에너지 밴드 갭을 갖는 제1 층과 제2 층이 적어도 2회 반복되고, 상기 활성층에 인접한 초격자층의 에너지 밴드 갭은 상기 제1 도전형 반도체층에 인접한 초격자층의 에너지 밴드 갭보다 작고,
상기 각각의 초격자층 간의 경계를 이루는 양자벽의 에너지 밴드 갭은, 상기 활성층 방향으로 경사를 가지면서 감소하는 발광소자. - 제1 도전형 반도체층;
상기 제1 도전형 반도체층 상의 적어도 2개의 초격자층을 포함하는 초격자층 그룹;
상기 초격자층 그룹 상의 활성층; 및
상기 활성층 상의 제2 도전형 반도체층을 포함하고,
상기 각각의 초격자층은 서로 상이한 에너지 밴드 갭을 갖는 제1 층과 제2 층이 적어도 2회 반복되고, 상기 활성층에 인접한 초격자층의 에너지 밴드 갭은 상기 제1 도전형 반도체층에 인접한 초격자층의 에너지 밴드 갭보다 작고,
상기 각각의 초격자층 내에서 가장 큰 에너지 밴드 갭을 갖는 층의 에너지 밴드 갭은, 상기 초격자층 간의 양자벽의 에너지 밴드 갭보다 작은 발광소자. - 제1 도전형 반도체층;
상기 제1 도전형 반도체층 상의 적어도 2개의 초격자층을 포함하는 초격자층 그룹;
상기 초격자층 그룹 상의 활성층; 및
상기 활성층 상의 제2 도전형 반도체층을 포함하고,
상기 각각의 초격자층은 서로 상이한 에너지 밴드 갭을 갖는 제1 층과 제2 층이 적어도 2회 반복되고, 상기 활성층에 인접한 초격자층의 에너지 밴드 갭은 상기 제1 도전형 반도체층에 인접한 초격자층의 에너지 밴드 갭보다 작고,
상기 초격자층 간의 양자벽의 에너지 밴드 갭은, 상기 제1 도전형 반도체층 방향으로부터 상기 활성층 방향으로 계단식으로 감소하는 발광소자. - 제2 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초격자층 내에서 가장 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 층의 에너지 밴드 갭은, 상기 제1 도전형 반도체층의 에너지 밴드 갭보다 작은 발광소자. - 제2 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초격자층 내에서 가장 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 층의 에너지 밴드 갭은, 상기 활성층의 에너지 밴드 갭보다 큰 발광소자. - 제1 도전형 반도체층;
상기 제1 도전형 반도체층 상의 적어도 2개의 초격자층을 포함하는 초격자층 그룹;
상기 초격자층 그룹 상의 활성층; 및
상기 활성층 상의 제2 도전형 반도체층을 포함하고,
상기 초격자층 그룹 내의 In 조성은, 상기 제1 도전형 반도체층 방향으로부터 상기 활성층 방향으로 증가하고,
상기 각각의 초격자층은 서로 상이한 In 조성을 갖는 제1 층과 제2층이 적어도 2회 반복되고,
상기 각각의 초격자층 내에서 In의 조성이 작은 층의 In 조성은, 상기 초격자층 간의 양자벽의 In 조성보다 크고,
상기 초격자층 간의 양자벽의 In 조성은, 상기 제1 도전형 반도체층 방향으로부터 상기 활성층 방향으로 계단식으로 증가하는 발광소자. - 제1 도전형 반도체층;
상기 제1 도전형 반도체층 상의 적어도 2개의 초격자층을 포함하는 초격자층 그룹;
상기 초격자층 그룹 상의 활성층; 및
상기 활성층 상의 제2 도전형 반도체층을 포함하고,
상기 초격자층 그룹 내의 In 조성은, 상기 제1 도전형 반도체층 방향으로부터 상기 활성층 방향으로 증가하고,
상기 각각의 초격자층은 서로 상이한 In 조성을 갖는 제1 층과 제2층이 적어도 2회 반복되고,
상기 각각의 초격자층 내에서 In의 조성이 작은 층의 In 조성은, 상기 초격자층 간의 양자벽의 In 조성보다 크고,
상기 각각의 초격자층 간의 경계를 이루는 양자벽의 In 조성은, 상기 활성층 방향으로 경사를 갖고 증가하는 발광소자. - 제7 항 또는 제8 항에 있어서,
상기 초격자층은 AlxInyGa1-x-yN(여기서, 0≤x,y≤1)의 조성을 갖는 발광 소자. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제 7 항 또는 제8 항에 있어서,
상기 초격자층 내에서 In의 조성이 가장 큰 층의 In 조성은, 상기 제1 도전형 반도체층의 In 조성보다 큰 발광소자. - 제7 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 초격자 내에서 In의 조성이 가장 큰 층의 In 조성은 상기 활성층의 In 조성보다 작은 발광소자. - 제2 항 내지 제4 항, 제7 항 및 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 도전형 반도체층은 n형 반도체층이고, 상기 제2 도전형 반도체층은 p형 반도체층인 발광소자.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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