KR101739851B1 - 파장변환구조체를 포함하는 발광 소자 - Google Patents
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Abstract
파장변환구조체를 포함하는 발광 소자가 제공된다. 구체적으로, 상기 발광 소자는 필터층, 파장변환층 및 반사층을 포함하는 파장변환구조체를 구비하여, 발광구조체로부터 방출된 광의 일부를 상기 필터층을 통해 선택적으로 투과시키고 투과된 광은 상기 파장변환층에 흡수되어 에너지의 하향 변환을 통해 변화된 파장영역을 갖는 광으로 방출시켜 상기 발광구조체로부터 방출된 광과 혼합되어 백색광을 포함한 다양한 색의 광을 용이하게 구현할 수 있다.
Description
본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 파장변환구조체를 통해 다양한 색을 구현할 수 있는 발광 소자에 관한 것이다.
발광 소자는 전압을 가하면 화합물 반도체층들의 전자와 정공의 재결합에 따른 밴드갭 에너지를 기초로 하여 빛을 내는 광전자 소자이다. 발광 소자는 처리속도가 빠르고 전력소모가 적어 광 효율성이 우수하며, 소형화가 가능한 특징이 있어, 최근, 표시용 광원에서 형광등이나 백열등 등의 조명 광원을 대체할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 이에, 발광 소자를 조명 장치 또는 디스플레이 장치의 백 라이트(back light)를 위한 고출력 및 고효율 광원으로 응용하려는 개발이 적극적으로 진행되고 있다.
일반적으로 하나의 발광 소자는 정해진 파장의 단색광을 발광하기 때문에, 백색광을 구현하기 위해서는 R(red, 적색), G(green, 녹색), B(blue, 청색)를 조합하여 백색광을 얻거나, 형광체를 이용하여 백색광으로 변환시키는 기술이 소개되고 있다. 하지만, 종래의 기술들을 응용하여 백색광을 포함한 다양한 색의 광을 구현하고자 하는 경우, 광의 휘도가 저하되거나, 서로 다른 비중과 입도를 갖는 복수개의 형광체의 배치로 인해 최종적으로 구현되는 색이 불균일하며, 공정이 복잡한 문제점이 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 백색광을 포함한 다양한 색의 광을 용이하게 구현할 수 있는 발광 소자를 제공하는 데에 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 서로 다른 도전형을 갖는 반도체층들 사이에 위치하는 발광층을 포함하는 반도체 적층체가 복수개 적층된 발광구조체와, 상기 발광구조체의 일면에 배치된 파장변환구조체를 포함하며, 상기 파장변환구조체는, 상기 발광구조체의 일면에 배치되어, 상기 발광구조체로부터 방출된 광의 일부만을 투과시키는 필터(filter)층, 상기 필터층의 일면에 배치되어, 상기 필터층을 투과한 광을 흡수하여 광의 파장영역을 변화시켜 방출하는 파장변환층 및 상기 파장변환층의 일면에 배치되어, 상기 파장변환층 및 상기 발광구조체에서 방출된 광을 반사시켜 외부로 방출시키는 반사층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자를 제공할 수 있다.
상기 복수개의 발광구조체에 포함된 발광층들은 각각 다른 파장영역을 갖는 광을 방출하는 것일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 발광구조체는 녹색광을 발광하는 제1 반도체 적층체 및 청색광을 발광하는 제2 반도체 적층체가 순차적으로 적층된 것으로, 상기 파장변환층은 상기 녹색광 또는 상기 청색광을 흡수하여 여기되는 것일 수 있다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에서, 상기 발광구조체는, 근자외선(near-uv)광을 발광하는 제1 반도체 적층체, 녹색광을 발광하는 제2 반도체 적층체 및 청색광을 발광하는 제3 반도체 적층체가 순차적으로 적층된 것으로, 상기 파장변환층은 상기 근자외선광, 상기 녹색광 또는 상기 청색광 중에서 선택되는 어느 하나의 광을 흡수하여 여기되는 것일 수 있다.
상기 필터층은 상기 발광구조체에서 제1 파장영역을 갖는 광을 선택적으로 투과시키며, 상기 파장변환층은 상기 필터층을 투과한 상기 제1 파장영역을 갖는 광을 흡수하여 광의 에너지를 하향 변환(down-conversion)시켜 제2 파장영역을 갖는 광으로 방출하는 것일 수 있다.
상기 발광구조체의 타면에, 상기 발광구조체 및 상기 파장변환층에서 방출되는 광을 선택적으로 투과시키기 위한 상부필터가 더 구비될 수 있다.
본 발명의 발광 소자는 복수개의 반도체 적층체가 다중접합된 발광구조체와 파장변환구조체를 통해 백색광을 포함한 원하는 색의 광을 용이하게 구현할 수 있다.
또한, 발광구조체 최상부에 배치된 상부필터는 파장변환구조체에 도달하는 광량을 증가시켜 파장변환구조체의 변환효율을 향상시킬 수 있다.
다만, 발명의 효과는 상기에서 언급한 효과로 제한되지 아니하며, 언급되지 않은 또 다른 효과들을 하기의 기재로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자의 구조 및 상기 발광 소자에서 방출된 광의 흐름을 모식화한 단면도이다.
도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자 및 상기 발광 소자에서 방출된 광의 흐름을 모식화한 단면도이다.
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자 및 상기 발광 소자에서 방출된 광의 흐름을 모식화한 단면도이다.
도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자 및 상기 발광 소자에서 방출된 광의 흐름을 모식화한 단면도이다.
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자 및 상기 발광 소자에서 방출된 광의 흐름을 모식화한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시 예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참고번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장 또는 축소된 것일 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참고번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 발명은 서로 다른 도전형을 갖는 반도체층들 사이에 위치하는 발광층을 포함하는 반도체 적층체가 복수개 적층된 발광구조체와, 상기 발광구조체의 일면에 배치된 파장변환구조체를 포함하는 발광 소자에 관한 것이다. 상기 파장변환구조체는 상기 발광구조체의 일면에 배치되어, 상기 발광구조체로부터 방출된 광의 일부만을 투과시키는 필터층, 상기 필터층의 일면에 배치되어, 상기 필터층을 투과한 광을 흡수하여 광의 파장영역을 변화시켜 방출하는 파장변환층 및 상기 파장변환층의 일면에 배치되어, 상기 파장변환층 및 상기 발광구조체에서 방출된 광을 반사시켜 외부로 방출시키는 반사층을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 서로 다른 도전형을 갖는 반도체층들은 제1 도전형 반도체층이 n형인 경우, 제2 도전형 반도체층은 p형을 갖는 것으로, 이에 상기 발광층이 n형 반도체층 및 p형 반도체층 사이에 위치하는 것을 의미할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 모식화한 단면도이다.
도 1a를 참조하면, 서로 다른 도전형을 갖는 반도체층들(제1 도전형 반도체층(111) 및 제2 도전형 반도체층(115)) 사이에 위치하는 제1 발광층(113)을 포함하는 제1 반도체 적층체(110)가 구비될 수 있다. 또한, 상기 제1 반도체 적층체(110) 상부에는, 서로 다른 도전형을 갖는 반도체층들(제1 도전형 반도체층(121) 및 제2 도전형 반도체층(125)) 사이에 위치하는 제2 발광층(123)을 포함하는 제2 반도체 적층체(120)가 적층되어 발광구조체(100)를 형성할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에서, 상기 발광구조체(100)는 n형 반도체층/발광층/p형 반도체층/n형 반도체층/발광층/p형 반도체층/…으로 배치된 구조를 가질 수 있다.
도 1b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자를 모식화한 도면이다. 구체적으로 이는, 상기 도 1a의 발광구조체와 다른 구조를 가진 다른 실시예이다.
도 1b를 참조하면, 서로 다른 도전형을 갖는 반도체층들(제1 도전형 반도체층(111) 및 제2 도전형 반도체층(115)) 사이에 위치하는 제1 발광층(113)을 포함하는 제1 반도체 적층체(110)가 구비되고, 상기 제2 도전형 반도체층(115) 상부에는 제2 발광층(123)이 배치되고, 상기 제2 발광층(123) 상부에는 상기 제2 도전형 반도체층(115)과 다른 도전형을 갖는, 제1 도전형 반도체층(121)가 배치될 수 있다. 즉, 도 1b의 발광구조체(100)는 n형 반도체층/발광층/p형 반도체층/발광층/n형 반도체층…으로 배치된 구조를 가질 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(111,121) 및 제2 도전형 반도체층(115, 125)는 도전성 성질을 나타낼 수 있는 불순물(dopant)이 각각 주입된 화합물 반도체층일 수 있다. 구체적으로 예를 들어, 상기 제1 도전형 반도체층(111, 121)은 규소(Si), 질소(N), 인(P) 또는 붕소(B) 등의 n형 불순물이 주입된 질화물계, 산화아연계 또는 갈륨아세나이드계의 화합물 반도체 물질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제2 도전형 반도체층(115, 125)는 마그네슘(Mg), 질소(N), 인(P), 비소(As), 아연(Zn), 리튬(Li) 또는 구리(Cu) 등의 p형 불순물이 주입된 질화물계, 산화아연계 또는 갈륨아세나이드계의 화합물 반도체 물질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 각각의 반도체 적층체(110, 120)의 도전형 반도체층에 포함되는 불순물의 종류 및 첨가 농도는 실시예에 따라 다양하게 적용될 수 있다.
상기 발광층(113, 123)은 상기 제1 도전형 반도체층(111, 121) 및 상기 제2 도전형 반도체층(115, 125) 사이에서 전자 및 정공의 재결합에 의해 방출되는 밴드갭 에너지를 광으로 방출시키는 역할을 수행하는 것으로, 통상의 발광층 소재를 사용할 수 있다. 구체적으로 상기 발광층(113, 123)은 InxAlyGa(1-x-y)N(0≤x<1, 0≤y<1 및 0≤x+y<1)인 InAlGaN층을 우물로 하고, InaAlbGa(1-a-b)N(0≤a<1, 0≤b<1 및 0≤a+b<1)인 InAlGaN층을 장벽층으로 하는 다중양자우물(multi-quantum well, MQW) 또는 단일양자우물 구조를 가질 수 있다. 여기서, 상기 a 및 b는, 상기 x 및 y와 무관하며, 장벽 구조를 이루는 데에 목적이 있다. 또는, 상기 발광층(113, 123)을 ZnMgO 또는 ZnCdO 등의 산화아연계 물질을 포함할 수 있으며, 실시예에 따라, 상기 발광층(113, 123)은 도핑된 화합물 반도체로 이루어질 수 있다. 상기 발광층(113, 123)은 구성하는 물질의 조성비에 따라 서로 다른 파장영역을 갖는 다양한 색의 광을 방출할 수 있다. 일반적으로, 근자외선광의 파장영역은 약 300nm 내지 410nm 정도이며, 청색광의 파장영역은 440nm 내지 460nm 정도이며, 녹색광의 파장영역은 525nm 내지 535nm 정도이며, 황색광의 파장영역은 550nm 내지 600nm 정도이고, 적색광의 파장은 615nm 내지 630nm 정도이다.
도 1a를 참조하면, 상기 제1 도전형 반도체층(111, 121) 및 상기 제2 도전형 반도체층(115, 125)에는 각각 제1 전극(117, 127) 및 제2 전극(119, 129)이 형성될 수 있다. 또한, 도 1b를 참조하면, 상기 제1 도전형 반도체층(111, 121) 및 상기 제2 도전형 반도체층(115)에는 각각 제1 전극(117, 127) 및 제 2 전극(119)이 형성될 수 있다. 상기 제1 전극(117, 127) 및 상기 제2 전극(119, 129)은 통상의 발광 소자의 전극 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 니켈(Ni), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al) 또는 금(Au) 등의 금속 또는 광 투과성 및 전기전도도가 우수한 ITO, IZO, TiO2, ZnO, CaO 또는 WO3 등의 투명전극재료로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다. 상기 제1 전극(117, 127) 및 상기 제2 전극(119, 129)을 통해 상기 제1 반도체 적층체(110) 및 상기 제2 반도체 적층체(120)에 전압을 인가할 수 있으며, 인가된 전압에 의해 각각의 반도체 적층체(110, 120)에 포함된 상기 발광층(113, 123)들은 각각 서로 다른 파장영역을 갖는 광을 방출할 수 있게 된다.
도 1a 내지 도 1b를 참조하면, 상기 제1 반도체 적층체(110) 및 상기 제2 반도체 적층체(120)가 순차적으로 적층된 상기 발광구조체(100)의 일면에 반사층(251), 파장변환층(231) 및 필터층(211)이 순차적으로 적층된 파장변환구조체(200)가 배치될 수 있다. 상세하게는, 상기 발광구조체(100)의 하부에 상기 발광구조체(100)로부터 방출된 광의 일부만을 투과시키는 필터층(211)이 배치되고, 상기 필터층(211)의 하부에 상기 필터층(211)을 투과한 광을 흡수하여 광의 파장영역을 변화시켜 방출하는 파장변환층(231)이 배치되며, 상기 파장변환층(231)의 하부에 상기 파장변환층(231) 및 상기 발광구조체(100)에서 방출된 광을 반사시켜 외부로 방출시키는 반사층(251)이 배치될 수 있다.
구체적으로, 상기 필터층(211)은 상기 발광구조체(100)의 각각의 반도체 적층체(110, 120)에서 방출되는 서로 다른 파장영역을 갖는 광 중에서 파장변환 하고자 하는 타겟 대상인 파장영역을 갖는 광만을 투과시켜 상기 필터층(211) 하부에 배치된 상기 파장변환층(231)에 도달하게 할 수 있다. 또한, 상기 필터층(211)은 상기 파장변환층(231)에서 에너지 하향 변환되어 변화된 파장영역으로 방출되는 광을 선택적으로 투과시켜 상기 발광구조체의 상부로 방출시키는 역할을 수행할 수 있다. 이를 통해, 본 발명은 원하는 색을 구현할 수 있는 파장영역을 갖는 광을 발광 소자의 외부로 방출시킬 수 있다.
상기 필터층(211)은 안료 및 안료 담체 또는 수지(투명수지, 에폭시 수지, 실리콘 수지)등을 포함하는 통상의 컬러필터 소재를 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 필터층(211) 구성소재로는 다이크로익 필터(dichroic filter), 장파장 투과 필터(long pass filter), 단파장 투과 필터(short pass filter), 대역 투과 필터(band pass filter) 또는 노치 필터(notch filter) 등의 유전체 필터(dielectric filter)를 사용할 수 있으나, 이에 국한되지는 않는다.
상기 파장변환층(231)은 파장변환물질로 이루어지며, 흡수된 광에 의해 여기되어 광의 파장영역을 변화시켜 방출하는 역할을 수행할 수 있다. 구체적으로, 상기 필터층(211)이 상기 발광구조체(100)로부터 방출된 제1 파장영역을 갖는 광을 선택적으로 투과시키면, 상기 파장변환층(231)은 상기 필터층(211)을 투과한 상기 제1 파장영역을 갖는 광을 흡수하여 상기 제1 파장영역을 갖는 광의 에너지를 하향 변환(down-conversion)시켜 에너지 하향 변환에 따른 상기 제1 파장영역의 파장보다 상향된 파장영역인, 제2 파장영역을 갖는 광으로 파장영역을 변화시켜 방출할 수 있다. 상기 제1 파장영역 및 제2 파장영역은 구현하고자 하는 광에 따라 일정 범위로 설정되는 것일 수 있다.
상기 파장변환물질은 변환하여 방출하는 광의 파장영역이 적색, 황색, 녹색 및 청색으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 파장 범위를 가질 수 있도록 변환시킬 수 있는 파장변환물질을 사용할 수 있으며, 하향 변환하고자 하는 광의 파장영역에 맞춰 양자점(quantum dots, QD), 양자우물(quantum well, QW)형광체 및 안료 중에서 선택되는 적어도 어느 하나의 공지된 파장변환물질을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 양자점(QD)은 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 또는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물로, 더욱 상세하게는, CdSe 양자점, ZnSe 양자점, InGaAs 양자점 또는 InGaN 양자점일 수 있으며, 상기 양자우물(QW)은 InGaN 양자우물층일 수 있으나, 이에 국한되지는 않는다. 상기 양자점 및 상기 양자우물은 통상의 에피택시(epitaxy)법 등을 이용하여 형성할 수 있다.
또한, 예를 들어, 적색 파장변환물질로는 SrS:Eu 또는 CaS:Eu 등의 황화물계 형광체, SrSiN:Eu, CaSiN:Eu 또는 LaSiN:Eu 등의 질화물계 형광체 또는 산화철(Fe2O3), 산화납(Pb3O4) 또는 황화수은(HgS)등의 안료를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 구체적으로 예를 들어, 황색 파장변환물질로는 YAG:Ce, TbYAG:Ce, GdYAG:Ce 또는 GdTbYAG:Ce 등의 이트륨 알루미늄 가닛(yttrium aluminum garnet, YAG)계 형광체, 메틸 실리케이트, 에틸 실리케이트, 또는 마그네슘알루미늄 실리케이트 등의 실리케이트계 형광체, 또는 황화-카드뮴-황화아연(CdS-ZnS), 크롬산 아연(ZnCrO4) 또는 크롬산 납(PbCrO4) 등의 안료를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 구체적으로 예를 들어, 녹색 파장변환물질은 BaSiO:Eu, SrSiO:Eu, SrAlO:Eu, SrAlO:Eu, SrGaS:Eu, SrSiAlON:Eu, YSiON:Tb, YSiON:Tb 또는 GdSiON:Tn의 형광체, 또는 산화크롬(Cr2O3), 수산화 크롬(Cr2O(OH)4) 또는 염기성 아세트산구리(Cu(C2H3O2)-2Cu(OH)2), 코발트크롬그린(Cr2O3-Al2O3-CoO) 등의 안료를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 구체적으로 예를 들어, 청색 파장변환물질은 Sr(PO)Cl:Eu, SrMgSiO:Eu, BaMgSiO:Eu, BaMgAlO:Eu, SrPO:Eu 또는 SrSiAlON:Eu 등의 형광체, 또는 페릭페로시아니드(Fe4[Fe(CN)6]3) 또는 코발트 블루(CoO-Al2O3)등의 안료를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
상기 파장변환층(231)은 공지된 형광체 또는 안료의 증착방법을 통해 형성할 수 있으며, 예를 들어, 디스펜싱(dispensing)법, 스핀코팅(spin coating)법, 물리적 기상 증착(physical vapor deposition, PVD)법 등을 이용하여 수행할 수 있다.
도 1a를 참조하면, 상기 반사층(251)은 상기 파장변환층(231)의 일면에 배치되어, 상기 파장변환층(231) 및 상기 발광구조체(100)에서 방출하는 광을 반사시켜 발광소자의 외부로 방출시키는 기능을 수행할 수 있으며, 또한, 상기 파장변환층(231)을 통과하였으나 변환되지 않은 광의 일부도 반사시킬 수 있다. 상기 반사층(251)은 통상의 조명 장치에서 사용되는 반사층 소재를 적용할 수 있으며, 예를 들어, 알루미늄(Al) 박막과 같은 광을 반사시키는 금속층을 사용할 수 있으나, 이에 국한되지는 않는다.
상기와 같이, 본 발명은 복수개의 반도체 적층체가 접합된 발광구조체의 일면에 파장변환구조체를 구비함으로써, 상기 파장변환구조체를 통해 상기 발광구조체에서 방출되는 광의 일부를 원하는 파장영역을 갖는 광으로 변환하여 방출시킬 수 있어, 상기 발광구조체에서 방출되는 광과 함께 다양한 색을 갖는 광을 용이하게 구현할 수 있다.
도 1c는 전술된 도 1a 내지 도 1b의 구조를 갖는 발광 소자에서 방출되는 광의 흐름을 모식화한 단면도이다. 도 1c를 참조하면, 상기 제1 반도체 적층체(110)에서 발광된 광의 일부는 상기 발광구조체(100)의 상부로 방출되고, 광의 일부는 상기 필터층(211)을 투과하여 상기 파장변환층(231)에 도달하게 된다. 상기 파장변환층(231)에 도달한 상기 제1 반도체 적층체(110)로부터 발광된 광은 상기 파장변환층(231)에 의해 광의 파장영역이 변환되어 상기 제1 반도체 적층체(110)에서 발광시의 파장영역과 다른 파장영역을 갖는 광이 되고, 이러한 광은 상기 반사층(251)에 의해 상기 발광구조체(100)의 상부로 방출될 수 있다. 이에, 상기 발광구조체(100)의 상부로 방출된 광은 상기 제2 반도체 적층체(120)에서 방출된 광, 상기 제1 반도체 적층체(110)에서 방출된 광 및 상기 파장변환층(231)에서 방출된 광이 혼합된 것으로, 각각의 광의 파장영역에 따라 다양한 색을 구현할 수 있다.
상기와 같이, 본 발명은 발광구조체와 파장변환층 사이에 필터층을 배치하여 상기 발광구조체에서 방출되는 광의 일부만을 통과시킴으로써 원하는 파장영역을 갖는 광으로 변환하여 파장영역이 변환된 광 및 필터층을 통과하지 않고 반사된 광을 모두 활용할 수 있으므로, 발광 소자에서 최종적으로 방출되는 광의 파장영역을 용이하게 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 발광구조체(100)는 녹색광을 발광하는 제1 반도체 적층체(110) 및 청색광을 발광하는 제2 반도체 적층체(120)가 순차적으로 적층된 것으로, 상기 파장변환층(231)은 상기 녹색광 또는 상기 청색광을 흡수하여 여기되는 것일 수 있다. 상기 파장변환층(231)에 흡수된 녹색광 또는 청색광은 상기 파장변환층(231)을 구성하는 형광체 및 안료 등의 파장변화물질의 조성에 따라 적색광, 황색광 또는 녹색광 등으로 변환되어 방출될 수 있다. 예를 들어, 상기 필터층(211)을 통해 상기 제1 반도체 적층체(110)의 녹색광이 투과되어 상기 파장변환층(231)에 도달되고, 상기 파장변환층(231)이 황색광을 방출하는 YAG계 형광체를 포함하는 경우, 상기 파장변환층(231)에 도달된 청색광은 상기 YAG계 형광체로 이루어진 상기 파장변환층(231)을 여기시켜 황록색의 형광으로 발생되어 상기 발광구조체(100)의 외부로 방출될 수 있다. 이에, 상기 발광 소자는 상기 제1 반도체 적층체(110)에서 방출된 녹색광, 상기 제2 반도체 적층체(120)에서 방출된 청색광 및 상기 파장변환층(231)에서 변환되어 방출된 황록색광이 합성되어 백색광을 구현할 수 있다.
도 2a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자를 모식화한 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 서로 다른 도전형을 갖는 반도체층들(제1 도전형 반도체층(131), 제2 도전형 반도체층(135)) 사이에 위치하는 발광층(133)을 포함하는 제1 반도체 적층체(130)가 구비될 수 있다. 상기 제1 반도체 적층체(130) 상부에는, 서로 다른 도전형을 갖는 반도체층들(제1 도전형 반도체층(141), 제2 도전형 반도체층(145)) 사이에 위치하는 발광층(143)을 포함하는 제2 반도체 적층체(140)가 구비될 수 있다. 상기 제2 반도체 적층체(140) 상부에는, 서로 다른 도전형을 갖는 반도체층들(제1 도전형 반도체층(151), 제2 도전형 반도체층(155)) 사이에 위치하는 발광층(153)을 포함하는 제3 반도체 적층체(150)가 적층되어 발광구조체(100)를 형성할 수 있다. 또한, 상기 제1 도전형 반도체층(131, 141, 151) 및 상기 제2 도전형 반도체층(135, 145, 155)에는 각각 제1 전극(137, 147, 157) 및 제2 전극(139, 149, 159)이 형성될 수 있다.
도 2a를 참조하면, 상기 3개의 반도체 적층체(130, 140, 150)가 접합된 상기 발광구조체(100)의 하부에 상기 발광구조체(100)로부터 방출된 광의 일부만을 투과시키는 필터층(213)이 배치되고, 상기 필터층(213)의 하부에 상기 필터층(213)을 투과한 광을 흡수하여 광의 파장영역을 변화시켜 방출하는 파장변환층(233)이 배치되며, 상기 파장변환층(233)의 하부에 상기 파장변환층(233)에서 방출된 광을 반사시켜 외부로 방출시키는 반사층(253)이 배치될 수 있다. 상술한 각각의 구성요소의 대한 기능 및 특징에 대한 설명은 도 1a에 개시된 바와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 도 1a를 참조할 수 있다.
도 2b는 전술된 도 2a의 구조를 갖는 발광 소자에서 방출되는 광의 흐름을 모식화한 단면도이다.
도 2b를 참조하면, 상기 제1 반도체 적층체(130)에서 발광된 광의 일부는 상기 발광구조체(100)의 상부로 방출되고, 광의 일부는 상기 필터층(213)을 투과하여 상기 파장변환층(233)에 도달하게 된다. 상기 파장변환층(233)에 도달한 상기 제1 반도체 적층체(130)로부터 발광된 광은, 상기 파장변환층(233)에 의해 광의 파장영역이 변환되어 상기 제1 반도체 적층체(130)에서 발광시의 파장영역과 다른 파장영역을 갖는 광이 되고, 이러한 광은 상기 반사층(253)에 의해 상기 발광구조체(100)의 상부로 방출될 수 있다. 이에, 상기 발광구조체(100)의 상부로 방출된 광은 상기 제2 반도체 적층체(140)에서 방출된 광, 상기 제3 반도체 적층체(150)에서 방출된 광, 상기 제1 반도체 적층체(130)에서 방출된 광 및 상기 파장변환층(233)에서 방출된 광이 혼합된 것으로, 각각의 광의 파장영역에 따라 다양한 색을 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 발광구조체(100)는, 근자외선광을 발광하는 제1 반도체 적층체(130), 녹색광을 발광하는 제2 반도체 적층체(140) 및 청색광을 발광하는 제3 반도체 적층체(150)가 순차적으로 적층된 것으로, 상기 파장변환층(233)은 상기 근자외선광, 상기 녹색광 또는 상기 청색광 중에서 선택되는 어느 하나의 광을 흡수하여 여기되는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 필터층(213)을 통해 상기 제1 반도체 적층체(130)의 근자외선광이 투과되어 상기 파장변환층(233)에 도달되고, 상기 파장변환층(233)이 적색광을 방출하는 황화물계 형광체를 포함하는 경우, 상기 파장변환층(233)에 도달된 근자외선광은 상기 황화물계 형광체로 이루어진 상기 파장변환층(233)을 여기시켜 적색광으로 발생되어 상기 발광구조체(100)의 외부로 방출될 수 있다. 이에, 상기 발광 소자는 상기 제3 반도체 적층체(150)에서 방출된 청색광, 상기 제2 반도체 적층체(140)에서 방출된 녹색광, 상기 제1 반도체 적층체(130)에서 방출된 근자외선광 및 상기 파장변환층(233)에서 변환되어 방출된 적색광이 합성되어 백색광을 구현할 수 있다.
전술된 도 2a 및 도 2b와 같이, 본 발명은 반도체 적층체를 다중 접합하여 각각의 반도체 적층체들로부터 방출된 광을 합성하여 다양한 색의 광을 용이하게 구현할 수 있다. 이러한 구조적 특징을 통해 본 발명은, 종래의 다양한 색의 광을 구현하기 위해 하나의 반도체 적층체에 다양한 형광체를 복수개 배치하는 경우 휘도가 저하되고 색이 불균일했던 문제점을 개선할 수 있으며, 광의 휘도를 유지하면서도 파장변환구조체를 이용하여 광의 색을 용이하게 제어할 수 있다. 이에, 본 발명의 발광 소자는 디스플레이(display) 등의 표시 장치의 화소나 관련분야에 적극 활용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 발광구조체의 타면에, 상기 발광구조체 및 상기 파장변환층에서 방출되는 광을 선택적으로 투과시키기 위한 상부필터가 더 구비될 수 있다.
도 3a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 소자를 모식화한 단면도이다. 구체적으로 이는, 도 2a의 구조에서 발광구조체의 타면에 상부필터를 더 배치한 것일 수 있다.
도 3a를 참조하면, 서로 다른 도전형을 갖는 반도체층들(제1 도전형 반도체층(161), 제2 도전형 반도체층(165)) 사이에 위치하는 제1 발광층(163)을 포함하는 제1 반도체 적층체(160)가 구비될 수 있다. 상기 제1 반도체 적층체(160) 상부에는 제2 발광층(173)이 배치되고, 상기 제2 발광층(173) 상부에는 상기 제1 반도체 적층체(160)의 제2 도전형 반도체층(165)과 다른 도전형을 갖는 제1 도전형 반도체층(171)이 배치되어 제2 반도체 적층체(170)가 형성될 수 있다. 상기 제2 반도체 적층체(170) 상부에는, 제3 발광층(183)이 배치되고, 상기 제3 발광층(183) 상부에는 상기 제2 반도체 적층체(170)의 제1 도전형 반도체층(171)과 다른 도전형을 갖는 제2 도전형 반도체(185)가 배치되어 제3 반도체 적층체(180)가 형성되어, 상기 제1 반도체 적층체(160), 상기 제2 반도체 적층체(170) 및 상기 제3 반도체 적층체(180)를 포함하는 발광구조체(100)를 형성할 수 있다. 또한, 상기 제1 도전형 반도체층(161, 171) 및 상기 제2 도전형 반도체층(165, 185)에는 각각 제1 전극(167, 177) 및 제2 전극(179, 189)이 형성될 수 있다.
상기 3개의 반도체 적층체(160, 170, 180)가 접합된 상기 발광구조체(100)의 하부에 상기 발광구조체(100)로부터 방출된 광의 일부만을 투과시키는 필터층(215)이 배치되고, 상기 필터층(215)의 하부에 상기 필터층(215)을 투과한 광을 흡수하여 광의 파장영역을 변화시켜 방출하는 파장변환층(235)이 배치되며, 상기 파장변환층(235)의 하부에 상기 파장변환층(235)에서 방출된 광을 반사시켜 외부로 방출시키는 반사층(255)이 배치될 수 있다. 상술한 각각의 구성요소의 기능 및 특징에 대한 설명은 도 1a에 개시된 바와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 도 1a를 참조할 수 있다.
도 3a를 참조하면, 상기 발광구조체(100)의 타면, 즉, 상기 발광구조체(100)의 최상부에 상부필터(310)가 더 배치될 수 있다. 상기 상부필터(310)는 상기 발광구조체(100)를 구성하는 각각의 반도체 적층체(160, 170, 180)에서 방출된 광들 및 상기 파장변환층(235)에서 방출된 광을 선택적으로 투과시키기는 역할을 수행하는 것으로, 구현하고자 하는 광의 색에 따라 최종적으로 상기 발광 소자에서 방출되는 광의 파장영역을 선택하는 필터기능을 수행할 수 있다. 이를 통해, 본 발명은 백색광을 포함한 다양한 색의 광을 구현하도록 제어하는 것이 용이해질 수 있다.
도 3b는 전술된 도 3a의 구조를 갖는 발광 소자에서 방출되는 광의 흐름을 모식화한 단면도이다.
도 3b를 참조하면, 상기 제1 반도체 적층체(160)에서 발광된 광의 일부는 상기 발광구조체(100)의 상부 방향으로 방출되고 다른 광의 일부는 상기 제1 반도체 적층체(160) 하부에 배치된 필터층(215)으로 방출되나, 상기 발광구조체(100)의 상부로 방출된 광은 상기 발광구조체(100)의 상부에 배치된 상부필터(310)에 의해 반사되어 최종적으로 상기 발광 소자의 외부로 방출되지 않도록 제어할 수 있다. 반사된 광은 상기 제1 반도체 적층체(160) 하부에 배치된 필터층(215)을 투과하여 상기 필터층(215) 하부에 배치된 파장변환층(235)에 도달하여 파장변환되어 상기 상부필터(310)를 투과할 수 있다. 즉, 전술된 바와 같이, 상기 발광구조체(100) 상부에 필터층(310)을 구비함으로써 상기 변환하고자 하는 광을 손실없이 상기 필터층(215)을 통해 상기 파장변환층(235)으로 도달하게 할 수 있어, 발광구조체 최상부에 배치된 필터층은 파장변환구조체에 도달하는 광량을 증가시키고, 이에 파장변환구조체의 변환효율을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 상부필터(310)의 구성소재로는 다이크로익 필터(dichroic filter), 장파장 투과 필터(long pass filter), 단파장 투과 필터(short pass filter), 대역 투과 필터(band pass filter) 또는 노치 필터(notch filter) 등의 유전체 필터(dielectric filter)를 사용할 수 있으나, 이에 국한되지는 않는다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
100: 발광구조체
110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180: 반도체 적층체
111, 121, 131, 141, 151, 161, 171: 제1 도전형 반도체층
113, 123, 133, 143, 153, 163, 173, 183: 발광층
115, 125, 135, 145, 155, 165, 185: 제2 도전형 반도체층
117, 127, 137, 147, 157, 167, 177: 제1 전극
119, 129, 139, 149, 159, 179, 189: 제2 전극
200: 파장변환구조체
211, 213, 215: 필터층
231, 233, 235: 파장변환층
251, 253, 255: 반사층
310: 상부필터
110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180: 반도체 적층체
111, 121, 131, 141, 151, 161, 171: 제1 도전형 반도체층
113, 123, 133, 143, 153, 163, 173, 183: 발광층
115, 125, 135, 145, 155, 165, 185: 제2 도전형 반도체층
117, 127, 137, 147, 157, 167, 177: 제1 전극
119, 129, 139, 149, 159, 179, 189: 제2 전극
200: 파장변환구조체
211, 213, 215: 필터층
231, 233, 235: 파장변환층
251, 253, 255: 반사층
310: 상부필터
Claims (6)
- 서로 다른 도전형을 갖는 반도체층들 사이에 위치하는 발광층을 포함하는 반도체 적층체 복수개가 적층된 발광구조체와, 상기 발광구조체의 일면에 배치된 파장변환구조체를 포함하며,
상기 파장변환구조체는,
상기 발광구조체의 일면에 배치되어, 상기 발광구조체로부터 방출된 광의 일부만을 투과시키는 필터층;
상기 필터층의 일면에 배치되어, 상기 필터층을 투과한 광을 흡수하여 광의 파장영역을 변화시켜 방출하는 파장변환층; 및
상기 파장변환층의 일면에 배치되어, 상기 파장변환층 및 상기 발광구조체에서 방출된 광을 반사시켜 외부로 방출시키는 반사층을 포함하고,
상기 발광구조체는, 근자외선광을 발광하는 제1 반도체 적층체, 녹색광을 발광하는 제2 반도체 적층체 및 청색광을 발광하는 제3 반도체 적층체가 순차적으로 적층된 것으로,
상기 파장변환층은 상기 근자외선광, 상기 녹색광 또는 상기 청색광 중에서 선택되는 어느 하나의 광을 흡수하여 여기되는 것을 특징으로 하는 발광 소자. - 제1항에 있어서,
상기 복수개의 발광구조체에 포함된 발광층들은 각각 서로 다른 파장영역을 갖는 광을 방출하는 것을 특징으로 하는 발광 소자. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 필터층은 상기 발광구조체에서 제1 파장영역을 갖는 광을 선택적으로 투과시키며,
상기 파장변환층은 상기 필터층을 투과한 상기 제1 파장영역을 갖는 광을 흡수하여 광의 에너지를 하향 변환(down-conversion)시켜 제2 파장영역을 갖는 광으로 방출하는 것을 특징으로 하는 발광 소자. - 제1항에 있어서,
상기 발광구조체의 타면에, 상기 발광구조체 및 상기 파장변환층에서 방출되는 광을 선택적으로 투과시키기 위한 상부필터가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
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