KR101883840B1 - 발광소자 - Google Patents

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Abstract

실시예는 사파이어 기판; 상기 사파이어 기판의 R면 상에 배치되고, 암염구조(Rock Salt Structure)를 갖는 질화물로 형성되는 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 배치되고, 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하며, a면으로 성장된 GaN을 포함하여 형성되는 발광구조물을 포함하는 발광 소자를 제공한다.

Description

발광소자{Light emitting diode}
실시예는 발광 소자에 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.
한편, 발광소자는 기판 상에 형성된 질화물 반도체층을 포함하여 형성될 수 있는데, 기판과 질화물 반도체층의 격자 부정합에 의해 결정 결함이 생기게 되는 문제점이 있었다.
실시예는 발광 소자의 발광 구조물과 사파이어 기판 사이에 암염 구조를 갖는 질화물로 형성되는 버퍼층을 배치함으로써, 발광 구조물과 버퍼층 사이의 격자 부정합(lattice mismatch)을 감소시켜 발광 소자의 안정성 및 신뢰성을 높이고자 하는 것이다.
실시예는 사파이어 기판; 상기 사파이어 기판의 R면 상에 배치되고, 암염구조(Rock Salt Structure)를 갖는 질화물로 형성되는 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 배치되고, 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하며, a면으로 성장된 GaN을 포함하여 형성되는 발광구조물을 포함하는 발광 소자를 제공한다.
이 때, 상기 버퍼층의 격자상수는 4.75Å 내지 5.52Å 사이의 범위를 가질 수 있다.
또한, 상기 버퍼층의 격자상수는 5.11Å 내지 5.18Å 사이의 범위를 가질 수 있다.
또한, 상기 버퍼층은 LaN, ThN, PrN, NdN, SmN 중 적어도 하나 이상을 포함하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 사파이어 기판의 R면, 상기 버퍼층의 결정면 및 상기 발광 구조물을 형성하는 GaN의 a면은 수직적으로 중첩될 수 있다.
또한, 상기 제1 도전형 반도체층은 표면에 요철 구조를 포함할 수 있다.
실시예에 따른 발광소자는 격자 상수 차이에 의한 격자 부정합(lattice mismatch)을 감소시켜 안정성 및 신뢰성을 높이는 효과가 있다.
도 1은 발광 소자의 일실시예의 단면을 나타낸 도면이고,
도 2a 내지 도 2d는 발광소자의 일실시예를 제조방법을 나타낸 도면이고,
도 3a 내지 도 3b는 암염 구조의 일실시예를 도시한 도면이고,
도 4는 GaN의 결정구조를 설명하기 위한 도면이고,
도 5는 r면 사파이어 기판 상에 a면 GaN이 형성된 실시예를 도시한 도면이고,
도 6은 r면 사파이어 기판과 a면 GaN으로 형성된 발광 구조물 사이에 암염 구조의 버퍼층이 형성된 실시예를 도시한 도면이고,
도 7은 버퍼층을 형성하는 암염 구조의 질화물의 결정면의 길이를 도시한 도면,
도 8은 버퍼층을 형성하는 암염 구조의 질화물별 격자 부정합 수치를 도시한 도면,
도 9는 발광소자 패키지의 일실시예의 단면도,
도 10은 실시예들에 따른 발광소자를 포함하는 표시장치를 나타낸 도면이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
상기의 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 발광 소자의 일실시예의 단면을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이. 제1 실시예의 발광 소자는 기판(100) 상으로 형성된 버퍼층(210), 버퍼층(210) 상으로 형성된 제1 도전형 반도체층(122), 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)을 포함하는 발광 구조물(120), 제1 도전형 반도체층 상에 형성되는 제1 전극(200), 제2 도전형 반도체층(126) 상에 형성되는 제2 전극(110)을 포함할 수 있다.
상기 기판(100)은 전도성 기판 또는 절연성 기판으로 이루어질 수 있으며, 예를들어, 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP, Ge, 그리고 Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 일례로, 사파이어 기판(100) 중에 r면으로 성장된 사파이어(Al2O3) 기판이 사용될 수 있다.
실시예의 발광 구조물(120)과 기판(100) 사이에는 버퍼층(210)을 성장시킬 수 있는데, 기판(100)과 발광구조물(120)간의 격자 부정합 및 열 팽창 계수의 차이를 완화하기 위한 것이다.
상기 버퍼층(210)의 재료는 3족-5족 화합물 반도체로 이루어질 수 있는데, 특히, 실시예의 버퍼층(210)은 암염구조(Rock Salt Structure)를 갖는 질화물로 형성될 수 있다.
도 3a 내지 도 3b는 암염 구조의 일실시예를 도시한 도면이다.
세라믹 구조는 같은 수의 양이온과 음이온을 가지는데, 이러한 재료를 AX형 화합물이라고 한다. 이 때 A는 양이온, X는 음이온을 지칭한다.
이러한, AX 화합물에는 여러 가지 결정 구조가 존재한다. 이 중 암염 구조(Rock Salt Structure)란 도 3a와 같이 음이온이 FCC구조를 형성하고 모든 8면체 사이트(octahedral site)에 양이온이 채워지는 구조이다.
또한, 도 3b와 같이 암염 구조는 양이온으로 이루어지는 팔면체가 팔면체의 가장자리를 이루는 구조이다.
이 때, 음이온이 형성하는 FCC 구조에서 8면체 사이트(octahedral site)의 개수는 음이온 개수이고, 화학식은 AX로 정의된다.
암염구조를 가지는 화합물에는 NaCl, KCl, LiF, MgO, CaO, SrO, NiO, CoO, MnO, PbO, LaN, ThN, PrN, NdN, SmN 등이 포함될 수 있는데, 실시예는 암염 구조를 가지는 화합물 중 질화물로 버퍼층(210)을 형성할 수 있다.
예를 들어, 버퍼층(210)은 LaN, ThN, PrN, NdN, SmN 중 적어도 하나 이상을 포함하여 형성될 수 있다.
이 때, 상기 버퍼층(210)의 격자상수는 4.75Å 내지 5.52Å 사이의 범위를 가질 수 있다.
특히, 상기 버퍼층(210)의 격자상수는 5.11Å 내지 5.18Å 사이의 범위를 가질 수 있다.
실시예에 따라, 발광 소자는 상기 사파이어 기판(100)의 R면상에 버퍼층(210)이 성장되고, 버퍼층(210) 상에 a면으로 성장된 GaN으로 형성된 발광 구조물(120)이 형성될 수 있다.
이 때, 상기 버퍼층(210)의 결정면 및 상기 발광 구조물(120)을 형성하는 GaN의 a면은 수직적으로 중첩될 수 있다.
상기 버퍼층(210) 위에는 언도프드(undoped) 반도체층이 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
버퍼층(210) 상으로는 발광 구조물(120)이 형성될 수 있는데, 발광 구조물(120)은, 예를 들어, 유기금속 화학 증착법(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 화학 증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 화학 증착법(PECVD; Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition), 분자선 성장법(MBE; Molecular Beam Epitaxy), 수소화물 기상 성장법(HVPE; Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등의 방법을 이용하여 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 특히, 발광 구조물(120)은 a면으로 성장된 GaN으로 형성될 수 있다.
도 4는 GaN의 결정구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 4를 참조하면, GaN의 결정 구조에서 비극성면은 c축에 평행한 m면(M-plane)과 a면(401)이 있다. GaN의 a면(401)은 m축[1-100]과 평행한 변 402(m)와 c축[0001]과 평행한 변 403(c)으로 구성될 수 있다.
실시예의 발광 구조물(120)은 도 4의 a면(401)으로 성장시킨 GaN으로 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(122)은 제1 도전형 도펀트가 도핑된 3족-5족 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 상기 제1 도전형 반도체층(122)이 N형 반도체층인 경우, 상기 제1 도전형 도펀트는 N형 도펀트로서, 예를 들어, Si, Ge, Sn, Se, Te를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
그리고, 상기 활성층(124)은 제1 도전형 반도체층(122)과 제2 도전형 반도체층(126)을 통해서 주입되는 캐리어(Carrier)가 서로 만나서 활성층(발광층) 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다.
그리고, 상기 제2 도전형 반도체층(126)은 제2 도전형 도펀트가 도핑된 3족-5족 화합물 반도체, 예를 들어, 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(126)이 P형 반도체층인 경우, 상기 제2도전형 도펀트는 P형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제2 도전형 반도체층(126) 표면에는 제2 전극(110)을 형성될 수 있다. 상기 제2 전극(110)은 예를 들어, 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 백금(Pt), 바나듐(V), 텅스텐(W), 납(Pd), 구리(Cu), 로듐(Rh) 및 이리듐(Ir) 중에서 선택된 어느 하나의 금속 또는 상기 금속들의 합금으로 이루어진다. 상기 제2 전극(110)은 상기 제2 도전형 반도체층(126)의 일부 상에 구비되게, 마스크를 이용하여 형성할 수 있다.
그리고, 제1 전극(200)은 상기 제1 도전형 반도체층(122) 표면의 식각되어 노출된 영역에 형성될 수 있다. 상기 제1 전극(200)의 재료는 상술한 제2 전극(110)과 동일하다.
각 구성에 대한 상세 설명은 도 2a 내지 도 2d를 참조하여 상세히 설명한다.
도 2a 내지 도 2d는 발광소자의 일실시예의 제조공정을 나타낸 도면이다.
먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이 기판(100)을 준비한다. 상기 기판(100)은 전도성 기판 또는 절연성 기판으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP, Ge, 그리고 Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 상기 기판(100) 위에는 요철 구조가 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 기판(100)에 대해 습식세척을 하여 표면의 불순물을 제거할 수 있다. 일례로, 사파이어 기판(100) 중에 r면으로 성장된 사파이어(Al2O3) 기판이 사용될 수 있다.
실시예의 발광 구조물(120)과 기판(100) 사이에는 버퍼층(210)을 성장시킬 수 있는데, 기판(100)과 발광구조물(120)간의 격자 부정합 및 열 팽창 계수의 차이를 완화하기 위한 것이다.
그리고, 상기 기판(100) 상에 제1 도전형 반도체층(122)과 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)을 포함하는 발광 구조물(120)을 형성할 수 있다.
이때, 상기 발광 구조물(120)과 기판(100) 사이에는 버퍼층(210)을 성장시켜서, 재료의 격자 부정합 및 열 팽창 계수의 차이를 완화할 수 있다. 상기 버퍼층(210)은 3족-5족 화합물 반도체로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 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 버퍼층(210)의 재료는 3족-5족 화합물 반도체로 이루어질 수 있는데, 특히, 실시예의 버퍼층(210)은 암염구조(Rock Salt Structure)를 갖는 질화물로 형성될 수 있다.
예를 들어, 버퍼층(210)은 LaN, ThN, PrN, NdN, SmN 중 적어도 하나 이상을 포함하여 형성될 수 있다.
이 때, 상기 버퍼층(210)의 격자상수는 4.75Å 내지 5.52Å 사이의 범위를 가질 수 있다.
특히, 상기 버퍼층(210)의 격자상수는 5.11Å 내지 5.18Å 사이의 범위를 가질 수 있다.
실시예에 따라, 발광 소자는 상기 사파이어 기판(100)의 r면 상에 버퍼층(210)이 성장되고, 버퍼층(210) 상에 a면으로 성장된 GaN으로 형성된 발광 구조물(120)이 형성될 수 있다.
이 때, 상기 버퍼층(210)의 결정면 및 상기 발광 구조물(120)을 형성하는 GaN의 a면은 수직적으로 중첩될 수 있다.
상기 버퍼층(210) 위에는 언도프드(undoped) 반도체층이 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
버퍼층(210) 상으로는 발광 구조물(120)이 형성될 수 있는데, 발광 구조물(120)은, 예를 들어, 유기금속 화학 증착법(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 화학 증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 화학 증착법(PECVD; Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition), 분자선 성장법(MBE; Molecular Beam Epitaxy), 수소화물 기상 성장법(HVPE; Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등의 방법을 이용하여 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 특히, 발광 구조물(120)은 a면으로 성장된 GaN으로 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(122)은 제1 도전형 도펀트가 도핑된 3족-5족 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 상기 제1 도전형 반도체층(122)이 N형 반도체층인 경우, 상기 제1도전형 도펀트는 N형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se, Te를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기 제1 도전형 반도체층(122)은 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 예를들어, 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(122)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 활성층(124)은 제1 도전형 반도체층(122)과 제2 도전형 반도체층(126)을 통해서 주입되는 캐리어(Carrier)가 서로 만나서 활성층(발광층) 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다.
상기 활성층(124)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 활성층(124)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 활성층(124)의 우물층/장벽층은 InGaN/GaN, InGaN/InGaN, GaN/ AlGaN/, InAlGaN/GaN , GaAs(InGaAs),/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 상기 우물층은 상기 장벽층의 밴드 갭보다 좁은 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
상기 활성층(124)의 위 또는/및 아래에는 도전형 클래드층(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 도전형 클래드층은 AlGaN계 반도체로 형성될 수 있으며, 상기 활성층(124)의 밴드 갭보다는 높은 밴드 갭을 가질 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(126)은 제2 도전형 도펀트가 도핑된 3족-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(126)이 P형 반도체층인 경우, 상기 제2도전형 도펀트는 P형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(126)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(122)은 P형 반도체층, 상기 제2 도전형 반도체층(126)은 N형 반도체층으로 구현할 수 있다. 또한 상기 제2 도전형 반도체층(126) 위에는 상기 제2 도전형과 반대의 극성을 갖는 반도체 예컨대 상기 제 2도전형 반도체층이 P형 반도체층일 경우 N형 반도체층(미도시)을 형성할 수 있다. 이에 따라 발광 구조물(120)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.
이어서, 도 2b에 도시된 바와 같이 상기 제2 도전형 반도체층(126)에서 상기 제1 도전형 반도체층(122)의 일부분까지 RIE(Reactive Ion Etching) 방식으로 메사(Mesa) 식각한다.
예를 들어, 사파이어 기판과 같이 절연성 기판을 사용하는 경우 기판 하부에 전극을 형성할 수 없기 때문에, 상기 제2 도전형 반도체층(126)부터 상기 제1 도전형 반도체층(122)의 일부분까지 메사(Mesa) 식각함으로써, 전극을 형성할 수 있는 공간을 확보할 수 있다.
그리고, 도 2c에 도시된 바와 같이 상기 제2 도전형 반도체층(126) 상에 요철 구조를 형성한다. 이 때, 요철 구조는, PEC 방법이나 마스크를 형성한 후 에칭을 통하여 형성할 수 있다
상기 PEC 방법에서, 식각액(가령, KOH)의 양과 GaN 결정성에 의한 식각 속도 차이 등을 조절함으로써, 미세 크기의 요철의 형상을 조절할 수 있다. 상기 요철 구조는 주기적 도는 비주기적으로 형성될 수 있다.
실시예에 따라 상기 제2 도전형 반도체층(126) 상으로는 제2 전극(110)과의 전기적 접촉을 위해 오믹층이 형성될 수 있으며 이에 대해 한정하지 않는다. 상기 오믹층을 이루는 물질로는 예를 들어, ITO(indium tin oxide)가 사용될 수 있다.
그리고, 상기 제2 도전형 반도체층(126) 표면에 제2 전극(110)을 형성할 수 있다. 상기 제2 전극(110)은 예를 들어, 몰리브덴, 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 백금(Pt), 바나듐(V), 텅스텐(W), 납(Pd), 구리(Cu), 로듐(Rh) 및 이리듐(Ir) 중에서 선택된 어느 하나의 금속 또는 상기 금속들의 합금으로 이루어진다. 상기 제2 전극(110)은 상기 제2 도전형 반도체층(126)의 일부 상에 구비되게, 마스크를 이용하여 형성할 수 있다.
그리고, 상기 제1 도전형 반도체층(122) 표면의 식각되어 노출된 영역에 제1 전극(200)을 형성할 수 있다. 상기 제1 전극(200)의 재료는 상술한 제2 전극(110)과 동일하다.
도 5는 r면 사파이어 기판 상에 a면 GaN이 형성된 실시예를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, r면으로 성장된 사파이어(Al2O3) 기판(501) 상에 a면 GaN(401)이 버퍼층 없이 형성될 경우, 3개의 a면 GaN(401)이 하나의 r면 사파이어(Al2O3) 기판 상에 형성될 수 있다.
이 때, r면 사파이어(Al2O3) 기판의 사이즈는 a축 방향으로 15.34Å b축 방향으로 4.75Å이 되고, a면 GaN(401)의 m축 방향의 길이는 5.52Å, 3개의 a면 GaN(401)의 c 축 방향의 길이는 15.54Å이 되어 c축 방향으로는 1.3%의 격자 부정합이 발생하고, m축 방향으로는 16.2%의 격자 부정합이 발생한다.
r면 사파이어(Al2O3) 기판의 사이즈는 b축 방향으로 4.75Å 이고, GaN의 a면 GaN(401)의 m축 방향의 길이는 5.52Å 이므로, 상기 버퍼층(210)의 격자상수는 4.75Å 내지 5.52Å 사이의 범위를 가질 수 있다.
특히, a면 GaN(401)의 c 축 방향의 길이는 5.18Å이고, r면 사파이어(Al2O3) 기판의 사이즈는 a축 방향으로 15.34Å(15.34Å/3=5.11Å)이므로, 상기 버퍼층(210)의 격자상수는 5.11Å 내지 5.18Å 사이의 범위를 가질 수 있다.
도 6은 r면 사파이어 기판과 a면 GaN으로 형성된 발광 구조물 사이에 암염 구조의 버퍼층이 형성된 실시예를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, r면 사파이어 기판(501)과 a면 GaN으로 형성된 발광 구조물(401) 사이에 암염 구조의 버퍼층이 형성된다.
이 때, r면으로 성장된 사파이어(Al2O3) 하나(501) 상에 버퍼층을 형성하는 3개의 암염 구조의 질화물의 결정면(301)이 수직적으로 배치되고, 3개의 암염 구조의 질화물의 결정면(301) 상에 3개의 a면 GaN(401)이 형성될 수 있다.
이 때, r면 사파이어(Al2O3) 기판(501)의 사이즈는 a축 방향으로 15.34Å b축 방향으로 4.75Å이 되고, a면 GaN(401)의 m축 방향의 길이는 5.52 Å일 수 있다.
버퍼층을 형성하는 3개의 암염 구조의 질화물의 결정면(301)의 길이는 각 질화물에 따라 다를 수 있다.
도 7은 버퍼층을 형성하는 암염 구조의 질화물의 결정면의 길이를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 버퍼층을 형성하는 암염 구조의 질화물들(701)의 결정면의 길이는 각각 도면부호 702와 같을 수 있다.
도 8은 버퍼층을 형성하는 암염 구조의 질화물별 격자 부정합 수치를 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 버퍼층을 형성하는 각 암염구조의 질화물(801)별 결정면의 길이는 도면부호 802와 같을 수 있다. 이 때, 결정면의 길이는 가로 또는 세로 길이이며, 동일할 수 있다.
도면 부호 803 및 804는 각 질화물이 버퍼층(210)으로 형성되었을 때, 버퍼층(210)과 a면 GaN으로 형성되는 발광 구조물(120)과의 격자 부정합률을 나타낸 것이다.
도 8을 참조하면, LaN으로 형성된 버퍼층(210)의 경우, a면 GaN으로 형성되는 발광 구조물(120)과의 격자 부정합률은 c축 방향으로 -2.28 %가 되고, m축 방향으로 4.13%가 된다.
또한, LaN으로 형성된 버퍼층(210)의 경우, r면 사파이어 기판(100)과의 격자 부정합률은 a축 방향으로 11.6 %가 되고, b축 방향으로 3.67%가 된다.
또한, ThN로 형성된 버퍼층(210)의 경우, a면 GaN으로 형성되는 발광 구조물(120)과의 격자 부정합률은 c축 방향으로 -0.38%가 되고, m축 방향으로 6.15%가 된다.
또한, ThN으로 형성된 버퍼층(210)의 경우, r면 사파이어 기판(100)과의 격자 부정합률은 a축 방향으로 9.74 %가 되고, b축 방향으로 1.69%가 된다.
또한, PrN로 형성된 버퍼층(210)의 경우, a면 GaN으로 형성되는 발광 구조물(120)과의 격자 부정합률은 c축 방향으로 0.48%가 되고, m축 방향으로 7.08%가 된다.
또한, PrN으로 형성된 버퍼층(210)의 경우, r면 사파이어 기판(100)과의 격자 부정합률은 a축 방향으로 8.53 %가 되고, b축 방향으로 0.08%가 된다.
또한, NdN로 형성된 버퍼층(210)의 경우, a면 GaN으로 형성되는 발광 구조물(120)과의 격자 부정합률은 c축 방향으로 0.56%가 되고, m축 방향으로 7.16%가 된다.
또한, NdN으로 형성된 버퍼층(210)의 경우, r면 사파이어 기판(100)과의 격자 부정합률은 a축 방향으로 8.44%가 되고, b축 방향으로 0.74%가 된다.
또한, SmN로 형성된 버퍼층(210)의 경우, a면 GaN으로 형성되는 발광 구조물(120)과의 격자 부정합률은 c축 방향으로 2.61%가 되고, m축 방향으로 9.35%가 된다.
또한, SmN으로 형성된 버퍼층(210)의 경우, r면 사파이어 기판(100)과의 격자 부정합률은 a축 방향으로 6.28%가 되고, b축 방향으로 -1.28%가 된다.
이 때, 격자 부정합률이 마이너스인 경우, a면 GaN은 인장 스트레인(tensile strain)을 받을 수 있고, 플러스인 경우, 압축 스트레인(compressive strain)을 받을 수 있다.
실시예와 같이, 각 질화물로 형성된 버퍼층을 r면 사파이어 기판(501)과 a면 발광 구조물(120) 사이에 형성시켰을 때의 격자 부정합은 도 5와 같이 버퍼층이 형성되지 않은 경우에 비해 감소되므로, 기판(100)과 발광구조물(120)간의 격자 부정합 및 열 팽창 계수의 차이를 완화하여 발광소자의 안정성 및 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.
예를 들어, 버퍼층(210)이 형성되지 않은 경우, a면 GaN의 c축 방향으로는 1.3%의 격자 부정합이 발생하고, m축 방향으로는 16.2%의 격자 부정합이 발생하나, 버퍼층을 형성한 경우, a면 GaN으로 형성되는 발광 구조물(120)과의 격자 부정합률은 c축 방향으로 -2.28 %가 되고, m축 방향으로 4.13%가 되므로, 격자 부정합을 감소시켜 발광 소자의 안정성 및 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 9는 발광소자 패키지의 일실시예의 단면도이다.
도시된 바와 같이, 상술한 실시예들에 따른 발광 소자 패키지는 패키지 몸체(720)와, 상기 패키지 몸체(720)에 설치된 제1 전극층(711) 및 제2 전극층(712)과, 상기 패키지 몸체(720)에 설치되어 상기 제1 전극층(711) 및 제2 전극층(712)과 전기적으로 연결되는 실시예에 따른 발광 소자(700)와, 상기 발광 소자(700)를 포위하는 몰딩부(740)를 포함한다.
상기 패키지 몸체(720)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 발광 소자(700)의 주위에 경사면이 형성되어 광추출 효율을 높일 수 있다.
상기 제1 전극층(711) 및 제2 전극층(712)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광 소자(700)에 전원을 제공한다. 또한, 상기 제1 전극층(711) 및 제2 전극층(712)은 상기 발광 소자(700)에서 발생된 광을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있으며, 상기 발광 소자(700)에서 발생된 열을 외부로 배출시키는 역할을 할 수도 있다.
상기 발광 소자(700)는 상기 패키지 몸체(720) 상에 설치되거나 상기 제1 전극층(711) 또는 제2 전극층(712) 상에 설치될 수 있다.
상기 발광 소자(700)는 상기 제1 전극층(711) 및 제2 전극층(712)과 와이어 방식, 플립칩 방식 또는 다이 본딩 방식 중 어느 하나에 의해 전기적으로 연결될 수도 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.
도 10은 실시예들에 따른 발광소자를 포함하는 표시장치를 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 표시장치(800)는 광원 모듈(830, 835)과, 바텀 커버(810) 상의 반사판(820)과, 상기 반사판(820)의 전방에 배치되며 상기 광원모듈에서 방출되는 빛을 표시장치 전방으로 가이드하는 도광판(840)과, 상기 도광판(840)의 전방에 배치되는 제1 프리즘시트(850)와 제2 프리즘시트(860)와, 상기 제2 프리즘시트(860)의 전방에 배치되는 패널(870)과 상기 패널(870)의 전반에 배치되는 컬러필터(880)를 포함하여 이루어진다.
광원 모듈은 기판(830) 상의 발광소자 패키지(835)를 포함하여 이루어진다. 상기 바텀 커버(810)는 표시 장치(800) 내의 구성 요소들을 수납할 수 있다. 상기 반사판(820)은 본 도면처럼 별도의 구성요소로 마련될 수도 있고, 상기 도광판(840)의 후면이나, 상기 바텀 커버(810)의 전면에 반사도가 높은 물질로 코팅되는 형태로 마련되는 것도 가능하다.
여기서, 반사판(820)은 반사율이 높고 초박형으로 사용 가능한 소재를 사용할 수 있고, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PolyEthylene Terephtalate; PET)를 사용할 수 있다.
도광판(840)은 발광소자 패키지 모듈에서 방출되는 빛을 산란시켜 그 빛이 액정 표시 장치의 화면 전영역에 걸쳐 균일하게 분포되도록 한다. 따라서, 도광판(840)은 굴절률과 투과율이 좋은 재료로 이루어지는데, 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate; PMMA), 폴리카보네이트(PolyCarbonate; PC), 또는 폴리에틸렌(PolyEthylene; PE) 등으로 형성될 수 있다.
그리고, 도광판이 생략되어 반사판(820)과 제1 프리즘 시트(850) 사이의 공간에서 빛이 전달되는 에어 가이드(Air Guide) 방식으로 구성될 수도 있다.
상기 제1 프리즘 시트(850)는 지지필름의 일면에, 투광성이면서 탄성을 갖는 중합체 재료로 형성되는데, 상기 중합체는 복수 개의 입체구조가 반복적으로 형성된 프리즘층을 가질 수 있다. 여기서, 상기 복수 개의 패턴은 도시된 바와 같이 마루와 골이 반복적으로 스트라이프 타입으로 구비될 수 있다.
상기 제2 프리즘 시트(860)에서 지지필름 일면의 마루와 골의 방향은, 상기 제1 프리즘 시트(850) 내의 지지필름 일면의 마루와 골의 방향과 수직할 수 있다. 이는 광원 모듈과 반사시트로부터 전달된 빛을 상기 패널(870)의 전방향으로 고르게 분산하기 위함이다.
도시되지는 않았으나 상기 각각의 프리즘 시트 상에는 보호 시트가 구비될 수 있는데, 지지필름의 양면에 광확산성 입자와 바인더를 포함하는 보호층이 구비될 수 있다.
또한, 상기 프리즘층은 폴리우레탄, 스티렌부타디엔 공중합체, 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트 엘라스토머, 폴리이소프렌, 폴리실리콘으로 구성되는 군으로부터 선택되는 중합체 재료로 이루어질 수 있다.
도시되지는 않았으나, 상기 도광판(840)과 제1 프리즘 시트(850) 사이에 확산시트가 배치될 수 있다. 상기 확산시트는 폴리에스터와 폴리카보네이트 계열의 재료로 이루어질 수 있으며, 백라이트 유닛으로부터 입사된 빛을 굴절과 산란을 통하여 광 투사각을 최대로 넓힐 수 있다.
상기 확산시트는 광확산제를 포함하는 지지층과, 광출사면(제1 프리즘 시트 방향)과 광입사면(반사시트 방향)에 형성되며 광확산제를 포함하지 않는 제1 레이어와 제2 레이어를 포함할 수 있다.
상기 지지층은 메타크릴산-스틸렌 공중합체와 메타크릴산 메틸-스틸렌 공중합체가 혼합된 수지 100 중량부에 대하여, 1~10 마이크로 미터의 평균입경을 가진 실록산계 광확산제 0.1~10중량부, 1~10 마이크로 미터의 평균입경을 가진 아크릴계 광확산제 0.1~10중량부가 포함될 수 있다.
상기 제1 레이어와 제2 레이어는 메타크릴산 메틸-스틸렌 공중합체 수지 100 중량부에 대하여, 자외선 흡수제 0.01 ~ 1 중량부, 대전 방지제 0.001 ~ 10중량부로 포함될 수 있다.
상기 확산시트에서 상기 지지층의 두께는 100~10000 마이크로 미터이고, 상기 각각의 레이어의 두께는 10~1000 마이크로 미터일 수 있다.
본 실시예에서 상기 확산시트와 제1 프리즘시트(850)과 제2 프리즘시트(860)가 광학시트를 이루는데, 상기 광학시트는 다른 조합 예를 들어, 마이크로 렌즈 어레이로 이루어지거나 확산시트와 마이크로 렌즈 어레이의 조합 또는 하나의 프리즘 시트와 마이크로 렌즈 어레이의 조합 등으로 이루어질 수 있다.
상기 패널(870)은 액정 표시 패널(Liquid crystal display)가 배치될 수 있는데, 액정 표시 패널(860) 외에 광원을 필요로 하는 다른 종류의 디스플레이 장치가 구비될 수 있다.
상기 패널(870)은, 유리 바디 사이에 액정이 위치하고 빛의 편광성을 이용하기 위해 편광판을 양 유리바디에 올린 상태로 되어있다. 여기서, 액정은 액체와 고체의 중간적인 특성을 가지는데, 액체처럼 유동성을 갖는 유기분자인 액정이 결정처럼 규칙적으로 배열된 상태를 갖는 것으로, 상기 분자 배열이 외부 전계에 의해 변화되는 성질을 이용하여 화상을 표시한다.
표시장치에 사용되는 액정 표시 패널은, 액티브 매트릭스(Active Matrix) 방식으로서, 각 화소에 공급되는 전압을 조절하는 스위치로서 트랜지스터를 사용한다.
상기 패널(870)의 전면에는 컬러 필터(880)가 구비되어 상기 패널(870)에서 투사된 빛을, 각각의 화소마다 적색과 녹색 및 청색의 빛만을 투과하므로 화상을 표현할 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.
100 : 기판 110 : 제1 전극
120 : 발광구조물 122 : 제1 도전형 반도체층
124 : 활성층 126 : 제2 도전형 반도체층
200 : 제2 전극 210 : 버퍼층

Claims (19)

  1. 사파이어 기판;
    상기 사파이어 기판의 r면 상에 배치되고, 암염구조(Rock Salt Structure)를 갖는 질화물로 형성되는 버퍼층; 및
    상기 버퍼층 상에 배치되고, a면으로 성장된 GaN을 포함하는 발광구조물을 포함하고,
    상기 버퍼층은,
    상기 발광구조물의 상기 a면과 격자 부정합 비율은 c축 방향으로 3%이하이고 m축 방향으로 10%이하이며, 상기 사파이어 기판의 상기 r면과 격자 부정합 비율은 a축 방향으로 12%이하이고 b축 방향으로 4%이하인 발광 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 버퍼층은 격자상수는 4.75Å 내지 5.52Å 사이의 범위를 갖는 발광소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 버퍼층의 격자상수는 5.11Å 내지 5.18Å 사이의 범위를 갖는 발광소자.
  4. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 버퍼층은 LaN, ThN, PrN, NdN, SmN 중 적어도 하나 이상을 포함하여 형성되는 발광 소자.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 버퍼층 상에 배치된 언도프된 반도체층을 더 포함하는 발광 소자.
  8. 삭제
  9. 제1 항 내지 제3 항 및 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광 구조물은,
    상기 버퍼층 위에 배치된 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층 위에 배치된 활성층; 및
    상기 활성층 위에 배치된 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 소자.
  10. 제1 항 내지 제3 항 및 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사파이어 기판의 r면, 상기 버퍼층의 결정면 및 상기 발광 구조물을 형성하는 GaN의 a면은 수직적으로 중첩되는 발광 소자.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 버퍼층은 3 개의 암염 구조의 질화물의 결정면으로 형성되고,
    상기 발광 구조물은 상기 3 개의 암염 구조의 질화물의 결정면상에 배치된 3 개의 a면 GaN을 포함하고,
    상기 버퍼층을 형성하는 상기 3 개의 암염 구조의 질화물의 결정면의 사이즈는 질화물에 따라 다른 발광 소자.
  14. 삭제
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 사파이어 기판의 결정 셀의 사이즈는 a축 방향으로 15.34Å이고 b축 방향으로 4.75Å이며,
    상기 a면 GaN의 결정 셀의 사이즈는 c축 방향으로 15.54Å이고 m축 방향으로 5.52Å인 발광 소자.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 제9 항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층 상에 형성된 요철 구조를 더 포함하는 발광 소자.

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