KR101961825B1 - 자외선 발광 소자 - Google Patents

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KR101961825B1
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최운경
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Abstract

자외선 발광 소자는 제1 영역과 상기 제1 영역에 의해 둘러싸여지는 제2 영역을 포함하는 기판과, 기판 아래에 배치된 제1 도전형 반도체층, 제1 도전형 반도체층 아래에 배치된 활성층 및 활성층 아래에 배치된 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물과, 제1 도전형 반도체층 아래에 배치된 반사층을 포함한다. 제1 영역은 제1 도전형 반도체층을 포함하고, 제2 영역은 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함한다. 반사층은 제1 영역의 제1 도전형 반도체층 아래에 배치된다.

Description

자외선 발광 소자{Ultraviolet light-emitting device}
실시예는 자외선 발광 소자에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light-Emitting Diode: LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 반도체 발광 소자이다.
반도체 발광 소자는 고 휘도를 갖는 광을 얻을 수 있어, 디스플레이용 광원, 자동차용 광원 및 조명용 광원으로 폭넓게 사용되고 있다.
최근 들어, 자외선을 출력할 수 있는 자외선 발광 소자가 제안되었다.
자외선 광은 자외선 발광 소자의 외부로 출사되기도 하지만, 많은 양의 자외선 광이 외부로 출사되지 못하고 자외선 발광 소자 내부에서 흡수되거나 소멸되므로, 광 추출 효율이 낮은 문제가 있다.
실시예는 광 추출 효율이 향상된 자외선 발광 소자를 제공한다.
실시예에 따르면, 자외선 발광 소자는, 기판; 및 상기 기판 상에 배치되고 다수의 화합물 반도체층을 포함하고, 상기 화합물 반도체층은 적어도 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함한 발광 구조물; 상기 제1 도전형 반도체층의 제1 영역 상에 배치되는 제1 전극; 상기 제2 도전형 반도체층 상에 배치되는 제2 전극; 및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제1 전극 사이에 배치되고, 상기 제1 도전형 반도체층과 전기적으로 연결되는 전극층을 포함하고, 상기 전극층은 상기 활성층의 주위를 따라 배치되는 폐루프 형상(closed-loop shape)을 갖고, 상기 전극층의 적어도 일부는 상기 제1 도전형 반도체층의 측면에 접하도록 배치된다.
상기 전극층은 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제1 전극 사이에 배치되는 제1 전극층, 및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제1 전극층 사이에 배치되는 오믹층을 포함할 수 있다.
제1 전극층은 알루미늄을 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층은 상기 활성층과 중첩되는 중앙 영역과 상기 활성층과 중첩되지 않는 주변 영역을 포함하고, 상기 중앙 영역은 상기 주변 영역보다 돌출될 수 있다.
상기 활성층 및 상기 제2 도전형 반도체층의 측면의 하나 또는 둘 이상의 영역은 외측 방향으로 돌출될 수 있다.
상기 오믹층은 상기 제1 전극층에 의해 둘러싸일 수 있다.
상기 오믹층의 측면과 상기 제1 도전형 반도체층의 측면 사이의 간격은 1㎛ 내지 10㎛일 수 있다.
상기 제1 전극층은 상기 제1 도전형 반도체층의 측면과 이격되고, 상기 오믹층은 상기 제1 도전형 반도체층의 측면에 접할 수 있다.
상기 제1 전극층은 상기 오믹층을 커버할 수 있다.
상기 오믹층의 폭은 5㎛ 내지 30㎛일 수 있다.
상기 발광 구조물의 측면 상에 배치되는 보호층을 포함할 수 있다.
상기 보호층은 상기 제2 도전형 반도체층의 측면, 상기 활성층의 측면, 및 상기 제1 도전형 반도체층의 측면에 배치될 수 있다.
상기 보호층은 상기 제1 도전형 반도체층의 측면과 상기 오믹층 사이에 배치될 수 있다.
상기 보호층은 제1 전극층의 상면의 일부 영역 상에 배치될 수 있다.
상기 제2 전극과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되는 제2 전극층을 포함하고, 상기 제2 전극층과 상기 활성층 사이의 거리는 제1 전극층과 상기 활성층 사이의 거리보다 클 수 있다.
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실시예는 제1 도전형 반도체층의 배면 또는 제1 영역에 제1 반사층을 형성함으로써, 기판의 상면에 의해 하부 방향으로 반사된 자외선 광을 다시 상부 방향으로 반사시켜, 광 추출 효율을 현저하게 향상시킬 수 있다.
실시예는 제2 도전형 반도체층의 배면에 제2 반사층을 형성함으로써, 상기 기판의 상면에 의해 하부 방향으로 반사된 자외선 광이나 활성층으로부터 하부 방향으로 진행된 자외선 광을 다시 상부 방향으로 반사시켜, 광 추출 효율을 현저하게 향상시킬 수 있다.
실시예는 오믹층을 제1 도전형 반도체층의 배면에 형성하여 전원을 보다 원활하게 제1 도전형 반도체층으로 공급하여 주고 또한 상기 제1 도전형 반도체층 내에서 측 방향으로 보다 넓게 전류가 흐르도록 하여 줌으로써, 발광 효율을 향상시키고 균일한 자외선 광을 확보할 수 있다.
도 1은 제1 실시예에 따른 자외선 발광 소자를 도시한 저면도이다.
도 2는 도 1의 자외선 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1의 자외선 발광 소자에서 자외선 광이 출사되는 모습을 도시한 도면이다.
도 4는 제2 실시예에 따른 자외선 발광 소자를 도시한 저면도이다.
도 5는 도 4의 자외선 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 6은 제3 실시예에 따른 자외선 발광 소자를 도시한 저면도이다.
도 7은 도 6의 자외선 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 8은 제4 실시예에 따른 자외선 발광 소자를 도시한 저면도이다.
도 9는 제5 실시예에 따른 자외선 발광 소자를 도시한 저면도이다.
도 10은 실시예에 따른 발광 소자 패키지를 도시한 단면도이다.
발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)는 두개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되거나 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 배치되어 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향 뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
이하의 자외선 발광 소자는 기판이 위에 배치되고 제1 및 제2 전극(27, 29)이 아래에 배치되는 플립형 자외선 발광 소자로 한정하여 설명하고 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
이하의 자외선 발광 소자는 240nm 내지 360nm의 심 자외선(deep ultraviolet) 광을 생성하지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
도 1은 제1 실시예에 따른 자외선 발광 소자를 도시한 저면도이고, 도 2는 도 1의 자외선 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 실시예에 따른 자외선 발광 소자(10)는 기판(11), 제1 도전형 반도체층(15), 활성층(17), 제2 도전형 반도체층(19), 제1 및 제2 반사층(21, 23) 및 제1 및 제2 전극(27, 29)을 포함할 수 있다.
제1 실시예에 따른 자외선 발광 소자(10)은 플립형 발광 소자일 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 제1 도전형 반도체층(15), 상기 활성층(17) 및 상기 제2 도전형 반도체층(19)에 의해 발광 구조물(20)이 형성될 수 있다.
상기 자외선 발광 소자(10)는 상기 기판(11)과 상기 제1 도전형 반도체층(15) 사이의 격자 상수 차이에 의한 격자 부정합을 완화시켜주기 위해 상기 기판(11)과 상기 제1 도전형 반도체층(15) 사이에 버퍼층(13)을 더 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 버퍼층(13)에 의해 상기 기판(11) 상에 형성된 상기 제1 도전형 반도체층(15), 상기 활성층(17) 및 상기 제2 도전형 반도체층(19)에 결함, 예컨대 크랙(cracks), 보이드(void), 그레인(grain) 및 굴곡(bowing)이 발생되지 않는다.
도시되지 않았지만, 상기 버퍼층(13)과 상기 제1 도전형 반도체층(15) 사이에 도펀트를 포함하지 않는 언도프트 반도체층이 더 포함될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 버퍼층(13), 상기 제1 도전형 반도체층(15), 활성층(17) 및 제2 도전형 반도체층(19)은 II-VI족 화합물 반도체 재질로 형성될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 화합물 반도체 재질로는 예컨대, Al, In, Ga 및 N을 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 기판(11)은 열 전도성 및/또는 투과도가 우수한 재질로 형성될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 예컨대, 상기 기판(11)은 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP 및 Ge로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나로 형성될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 기판(11) 또는 상기 버퍼층(13) 아래에 상기 제1 도전형 반도체층(15)이 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(15)은 예를 들어, n형 도펀트를 포함하는 n형 반도체층일 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 상기 제1 도전형 반도체층(15)은 InxAlyGa1 -x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재질, 예를 들어 InAlGaN, GaN, AlGaN, InGaN, AlN, InN 및 AlInN로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 상기 n형 도펀트는 Si, Ge 또는 Sn를 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 제1 도전형 반도체층(15)은 제1 캐리어, 예컨대 전자(electrons)를 상기 활성층(17)으로 공급하여 주기 위한 도전층으로서의 역할을 하며, 상기 제2 도전형 반도체층(19)로부터 상기 활성층(17)으로 공급된 즉, 제2 캐리어, 예컨대 정공(holes)이 상기 버퍼층(13)으로 넘어가지 못하게 하는 장벽층으로서의 역할을 할 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(15)에 고농도의 도펀트가 도핑됨으로써, 전자가 자유롭게 이동할 수 있는 도전층으로서의 역할을 할 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(15)은 상기 활성층(17)과 같거나 더 큰 밴드갭을 가지는 화합물 반도체 재질로 형성함으로써, 활성층(17)의 정공이 버퍼층(13)으로 넘어가지 못하게 하는 장벽층으로서의 역할을 할 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(15) 아래에 상기 활성층(17)이 형성될 수 있다.
상기 활성층(17)은 예컨대 상기 제1 도전형 반도체층(15)으로부터 공급된 전자와 상기 제2 도전형 반도체층(19)으로부터 공급된 정공을 재결합시켜 자외선 광을 발광시킬 수 있다. 자외선 광의 생성을 위해 상기 활성층(17)은 적어도 와이드 밴드갭을 가져야 한다. 예컨대, 제1 실시예에 따르면, 상기 활성층(17)은 240nm 내지 360nm 이하의 파장을 갖는 심 자외선(deep ultraviolet) 광을 생성할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 활성층(17)은 단일 양자 우물 구조(SQW), 다중 양자 우물 구조(MQW), 양자점 구조 및 양자선 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 활성층(19)은 자외선 광을 생성하기 위한 에너지 밴드의 밴드갭을 갖는 II-VI족 화합물 반도체를 우물층과 장벽층의 주기로 반복 형성할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
예를 들면 InGaN 우물층/GaN 장벽층의 주기, InGaN 우물층/AlGaN 장벽층의 주기, InGaN우물층/InGaN 장벽층의 주기 등으로 형성될 수 있다. 상기 장벽층의 밴드갭은 상기 우물층의 밴드갭보다 크게 형성될 수 있다.상기 활성층(17) 아래에 상기 제2 도전형 반도체층(19)이 형성될 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(19)은 예컨대 p형 도펀트를 포함하는 p형 반도체층일 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 상기 제2 도전형 반도체층(19)은 InxAlyGa1 -x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재질, 예를 들어 InAlGaN, GaN, AlGaN, InGaN, AlN, InN 및 AlInN로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 상기 p형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr 또는 Ba를 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 제2 도전형 반도체층(19)은 정공을 상기 활성층(17)으로 공급하여 주기 위한 도전층으로서의 역할을 할 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(19)에 고농도의 도펀트가 도핑됨으로써, 정공이 자유롭게 이동할 수 있는 도전층으로서의 역할을 할 수 있다.
상기 활성층(17)의 전자가 상기 제2 도전형 반도체층(19)으로 넘어오지 못하도록 하기 위해 상기 활성층(17)과 상기 제2 도전형 반도체층(19) 사이에 제3 도전형 반도체층이 형성될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
보다 확실하게 상기 제3 도전형 반도체층과는 별개로, 활성층(17)의 전자가 상기 제2 도전형 반도체층(19)으로 넘어가지 못하도록 하기 위해, 상기 활성층(17)과 상기 제2 도전형 반도체층(19) 또는 상기 제3 도전형 반도체층 사이에 전자 차단층이 형성될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
예컨대, 상기 제3 도전형 반도체층과 상기 전자 차단층은 AlGaN로 형성될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.예컨대, 상기 전자 차단층은 적어도 상기 제2 도전형 반도체층 또는 상기 제3 도전형 반도체층의 밴드갭보다 큰 밴드갭을 가질 수 잇지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
예컨대, 상기 제3 도전형 반도체층과 상기 전자 차단층이 AlGaN로 형성되는 경우, 상기 전자 차단층이 상기 제3 도전형 반도체층보다 큰 밴드갭을 갖도록 하기 위해, 상기 전자 차단층이 상기 제3 도전형 반도체층보다 더 높은 Al 함량을 가질 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
플립형 자외선 발광 구조에서 자외선 광이 측면 방향 내지 상기 기판(11) 측의 전방 방향으로 진행되는 것이 바람직하다.
플립형 자외선 발광 구조에서 활성층(17)에서 생성된 자외선 광은 모든 방향으로 진행된다.
자외선 광의 일부는 기판(11)이 있는 상부 방향 또는 전방 방향으로 진행되지 않고 상기 제2 도전형 반도체층(19)이 있는 하부 방향으로 진행될 수 있다. 하부 방향으로 진행된 광은 전방 방향으로 진행되도록 하여 주지 못하면, 결국 자외선 발광 소자(10) 내에서 흡수되거나 소멸되게 되어 광 추출 효율이 현저히 저하되는 문제가 발생한다.
특히, 도 3에 도시한 바와 같이, 자외선 광이 기판(11) 측의 상부 방향으로 진행되더라도 기판(11)의 굴절률과 공기의 굴절률의 차이와 자외선 광의 파장으로 인해, 자외선 광이 기판(11)의 상면을 통해 외부로 출사되기도 하지만, 자외선 광의 일부는 기판(11)의 상면에서 반사되어 측 방향이나 하부 방향으로 진행되어 결국 자외선 발광 소자(10) 내에서 흡수되거나 소멸되곤 한다.
제1 실시예는 이러한 문제를 해소하기 위해 제1 및 제2 반사층(21, 23)을 구비하여, 활성층(17)에서 하부 방향으로 진행된 자외선 광을 상부 방향으로 반사시키며, 활성층(17)에서 상부 방향으로 진행되어 기판(11)의 상면에서 반사된 자외선 광을 다시 상부 방향으로 반사시킬 수 있다.
상기 제1 반사층(21)은 상기 제1 도전형 반도체층(15)의 배면 상에 형성되고, 상기 제2 반사층(23)은 상기 제2 도전형 반도체층(19)의 배면 상에 형성될 수 있다.
상기 제1 반사층(21)을 상기 제1 도전형 반도체층(15)의 배면 상에 형성될 수 있도록 하기 위해, 상기 활성층(17)과 상기 제2 도전형 반도체층(19)으로 덮혀진 상기 제1 도전형 반도체층(15)을 노출시켜 주어야 한다.
즉, 상기 제1 도전형 반도체층(15)이 노출되도록 상기 제2 도전형 반도체층(19)과 상기 활성층(17)이 순차적으로 메사 식각될 수 있다.
메사 식각에 의해 상기 제1 도전형 반도체층(15)도 부분적으로 식각될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
메사 식각되어 노출된 제1 도전형 반도체층(15)을 제1 영역(41)이라 명명하고, 메사 식각되지 않고 그대로 남은 활성층(17)과 제2 도전형 반도체층(19) 또는 메사 식각에 의해 노출되지 않은 제1 도전형 반도체층(15)뿐만 아니라 상기 노출되지 않은 제1 도전형 반도체층(15)에 대응하는 활성층(17) 및 제2 도전형 반도체층(19)을 제2 영역(43)이라 명명하기로 한다. 상기 제2 영역(43)은 활성층(17)에서 광이 생성되므로, 발광 영역이라 할 수 있고, 상기 제1 영역(41)은 광이 생성되지 않으므로 비발광 영역이라 할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 제1 영역(41)은 상기 제2 도전형 반도체층(19), 상기 활성층(17) 및 상기 제1 도전형 반도체층(15)의 일부 영역이 제거된 그루브를 포함할 수 있다. 즉, 상기 그루브는 적어도 상기 활성층(17) 및 상기 제2 도전형 반도체층(19)의 두께만큼의 깊이로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 그루브는 상기 제2 영역(43) 즉, 발광 영역의 둘레를 따라 형성될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
한편, 상기 제1 및 제2 영역(41, 43)은 상기 기판(11) 상에 정의될 수도 있다. 따라서, 상기 기판(11)의 제1 영역(41) 상에 제1 도전형 반도체층(15)이 형성되고, 상기 기판(11)의 제2 영역(43) 상에 제1 도전형 반도체층(15), 활성층(17) 및 제2 도전형 반도체층(19)가 형성될 수 있다. 이러한 경우, 상기 제2 영역(43)의 제1 도전형 반도체층(15)의 배면은 상기 제1 영역(41)의 제1 도전형 반도체층(15)의 배면에 대해 하부 방향으로 돌출될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 제2 영역(43)은 도 1에 도시한 바와 같이, 십자 형상으로 형성될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
예컨대, 제2 영역(43)은 원형 형상(도 8) 또는 별 형상(도 9)으로 형성될 수도 있다.
통상적으로 제2 영역(43)은 사각 형상을 갖는다. 이러한 사각 형상에 비해, 십자 형상, 원형 형상 및 별 형상은 노출된 외부에 활성층(17)의 측면의 면적이 더욱 확대되어 광 추출 효율이 더욱 향상될 수 있다.
상기 제1 반사층(21)은 상기 제1 도전형 반도체층(15)의 배면, 즉 제1 영역(41) 상에 형성될 수 있다.
예컨대, 상기 제1 반사층(21)은 외부에 노출된 상기 제1 도전형 반도체층(15)의 전 영역에 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 반사층(21)에 의한 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(15, 19) 사이의 전기적인 쇼트를 피하기 위해, 상기 제1 반사층(21)의 끝단은 제2 영역(43)의 끝단, 즉 상기 식각된 제1 도전형 반도체층(15) 또는 활성층(17)의 측면으로부터 이격되도록 형성될 수 있다.
상기 제1 반사층(21)에 의한 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(15, 19) 사이의 전기적인 쇼트를 완전히 제거하기 위해, 도 7에 도시한 바와 같이, 제2 영역(43)의 제1 도전형 반도체층(15)의 측면, 활성층(17)의 측면, 제2 도전형 반도체층(19)의 측면 및 제2 반사층(23)의 측면에 보호층(31)이 형성될 수도 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
아울러, 상기 보호층(31)은 제1 영역(41)의 상기 제1 도전형 반도체층(15)의 배면의 일부 영역과 상기 제1 반사층(21)의 배면의 일부 영역 그리고 제2 영역(43)의 상기 제제2 반사층(23)의 배면의 일부 영역에 형성될 수도 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
다시 말해, 상기 보호층(31)은 상기 식각된 발광 구조물, 즉 제1 도전형 반도체층(15), 활성층(17) 및 제2 도전형 반도체층(19)의 측며들의 둘레를 따라 형성될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 제1 반사층(21)은 상기 활성층(17)에서 상기 기판(11)으로 진행되고 상기 기판(11)의 상면에 의해 반사되어 하부 방향으로 진행된 자외선 광을 반사시키는 역할을 할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 활성층(17)에서 생성된 자외선 광은 사방으로 진행되고, 상기 자외선 광의 일부는 상기 기판(11)이 있는 상부 방향 또는 전방 방향으로 진행될 수 있다. 상기 기판(11)으로 진행된 자외선 광은 상기 기판(11)의 상면을 통해 외부로 출사되기도 하지만, 자외선 광의 일부는 상기 기판(11)의 상면에 의해 반사되어 하부 방향으로 진행될 수 있다. 상기 하부 방향으로 진행된 자외선 광은 상기 제1 반사층(21)에 의해 다시 반사되어 상부 방향으로 진행되어 상기 기판(11)의 상면을 통하거나 측 방향을 통해 외부로 출사될 수 있다.
주 파장대가 좁은 자외선 광의 경우, 기판(11)의 상면에 의해 내부로 반사되는 자외선 광이 무시하지 못할 정도로 크다. 또한, 상기 제1 도전형 반도체층(15)이 노출된 제1 영역(41)이 상기 제1 도전형 반도체층(15)이 노출되지 않는 제2 영역(43)보다 상대적으로 큰 면적을 차지할 수 있다. 즉, 상기 제1 영역(41)의 면적은 상기 제2 영역(43)의 면적보다 클 수 있다. 이러한 경우, 상기 기판(11)의 상면에 의해 반사된 자외선 광의 소멸에 따른 광 추출 효율의 저하는 심각한 문제가 될 수 있다.
제1 실시예는 상기 제1 도전형 반도체층(15)의 배면 또는 제1 영역(41)에 제1 반사층(21)을 형성함으로써, 상기 기판(11)의 상면에 의해 하부 방향으로 반사된 자외선 광을 다시 상부 방향 또는 측 방향으로 반사시켜, 광 추출 효율을 현저하게 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 제2 도전형 반도체층(19)의 배면 상에 제2 반사층(23)이 형성될 수 있다. 다시 말해, 메사 식각에 의해 노출되지 않은 제1 도전형 반도체층(15)에 대응하는 상기 제2 도전형 반도체층(19)의 배면 상에 제2 반사층(23)이 형성될 수 있다.
상기 제2 반사층(23)은 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 활성층(17)으로부터 하부 방향으로 진행된 자외선 광을 상부 방향으로 반사시키는 역할을 할 수 있다.
상기 제2 반사층(23)은 상기 기판(11)의 상면에 의해 반사되어 하부 방향으로 진행되고 상기 활성층(17)과 상기 제2 도전형 반도체층(19)을 경유한 자외선 광을 다시 상부 방향으로 반사시키는 역할을 할 수 있다.
아울러, 상기 제2 반사층(23)과 상기 활성층(17) 간의 거리는 상기 제1 반사층(21)과 상기 활성층(17) 간의 거리보다 더 크게 형성될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
도시되지 않았지만, 상기 제2 도전형 반도체층(19)와 상기 제2 반사층(23) 사이에 투명 도전층이 형성될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 상기 투명 도전층은 제2 전극(29)으로부터의 전류를 측 방향으로 확산시켜주는 전류 스프레딩 기능과 전류를 상기 제2 도전형 반도체층(19)으로 용이하게 주입시켜주는 오믹 콘택 기능을 가질 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 투명 도전층으로는, 예컨대 ITO, IZO(In-ZnO), GZO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au 및 Ni/IrOx/Au/ITO로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나가 사용될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
제1 실시예는 제2 도전형 반도체층(19)의 배면 상에 제2 반사층(23)을 형성함으로써, 상기 기판(11)의 상면에 의해 하부 방향으로 반사된 자외선 광이나 활성층(17)으로부터 하부 방향으로 진행된 자외선 광을 다시 상부 방향으로 반사시켜, 광 추출 효율을 현저하게 향상시킬 수 있다.
상기 제1 반사층(21)과 상기 제2 반사층(23)은 반사성이 우수한 재질로 형성될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 제1 및 제2 반사층(21, 23)은 서로 동일한 재질로 형성되거나 서로 상이한 재질로 형성될 수 있다.
상기 제1 및 제2 반사층(21, 23)은 단일층으로 형성되거나 다수의 층으로 형성될 수 있다.
상기 제1 및 제2 반사층(21, 23)은 예컨대, 반사성과 도전성이 우수한 금속 물질로 형성될 수 있는데, Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 하나 또는 이들의 합금을 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
예컨대, 상기 제1 및 제2 반사층(21, 23)은 자외선 광에 대한 반사 특성이 우수한 Al로 형성될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
예컨대, 상기 제1 반사층(21)은 알루미늄(Al)로 형성되고, 상기 제2 반사층(23)은 Al/Ni의 합금으로 형성될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
실험 결과, 제1 반사층(21)으로 알루미늄(Al)을 사용하는 경우, 제1 실시예에 따른 자외선 발광 소자(10)의 광 추출 효율은 16.4%인데 반해, 제1 반사층(21)으로 은(Ag)을 사용하는 경우, 제1 실시예에 따른 자외선 발광 소자(10)의 광 추출 효율은 13.8%임을 확인할 수 있다.
한편, 상기 제1 반사층(21) 상에 제1 전극(27)이 형성되고, 상기 제2 반사층(23) 상에 제2 전극(29)이 형성될 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극(27, 29)은 서로 동일한 재질로 형성되거나 서로 상이한 재질로 형성될 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극(27, 29)은 단일층으로 형성되거나 다수의 층으로 형성될 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극(27, 29)은 예컨대 전기 전도도가 우수한 금속 재질로 형성될 수 있는데, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 백금(Pt), 금(Au), 텅스텐(W), 구리(Cu) 및 몰리브텐(Mo)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 하나 또는 이들의 합금을 포함할 수 있지만, 이에 한정하지 않는다.
상기 제1 전극(27)은 상기 제1 영역(41)의 제1 반사층(21)의 적어도 하나 이상의 영역에 형성될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
도시되지 않았지만, 상기 제1 전극(27)은 상기 제1 영역(41)의 제1 반사층(21)의 상면의 전체 영역에 형성될 수도 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 제1 반사층(21)은 자외선 광을 반사시키는 반사층으로서의 역할 뿐만 아니라 전원을 공급하기 위한 도전층으로서의 역할을 할 수도 있다. 이러한 경우, 상기 제1 전극(27)은 형성되지 않을 수도 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 제2 반사층(23)은 자외선 광을 반사시키는 반사층으로서의 역할 뿐만 아니라 전원을 공급하기 위한 도전층으로서의 역할을 할 수도 있다. 이러한 경우, 상기 제2 전극(29)은 형성되지 않을 수도 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 제1 및 제2 전극(27, 29)은 원형 형상을 가질 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
도 4는 제2 실시예에 따른 자외선 발광 소자를 도시한 저면도이고, 도 5는 도 4의 자외선 발광 소자를 도시한 단면도이다.
제2 실시예는 오믹층(25)을 제외하고는 제1 실시예와 거의 동일하다.
제2 실시예에서 제1 실시예와 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여하고 보다 상세한 설명은 생략한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 제2 실시예에 따른 자외선 발광 소자(10A)는 기판(11), 제1 도전형 반도체층(15), 활성층(17), 제2 도전형 반도체층(19), 오믹층(25), 제1 및 제2 반사층(21, 23) 및 제1 및 제2 전극(27, 29)을 포함할 수 있다.
상기 오믹층(25)은 상기 제1 반사층(21)과 상기 제1 반사층(21) 사이에 형성될 수 있다.
상기 오믹층(25)은 메사 식각에 의해 외부에 노출된 제1 도전형 반도체층(15)에 의해 정의된 제1 영역(41)에 형성될 수 있다.
상기 오믹층(25)로서는 투명한 도전 물질이 사용될 수 있는데, 예를 들어 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), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni, Ag, Ni/IrOx/Au,및 Ni/IrOx/Au/ITO로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나가 사용될 수 있다.상기 오믹층(25)은 메사 식각에 의해 외부에 노출되지 않은 제1 도전형 반도체층(15)에 대응하는 제2 도전형 반도체층(19)에 의해 정의된 제2 영역(43)의 둘레를 따라 형성된 페루프 구조를 가질 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 다시 말해, 상기 오믹층(25)은 상기 발광 구조물(20)의 둘레를 따라 상기 제1 도전형 반도체층(15) 상에 형성될 수 있다.
예컨대, 상기 제2 영역(43)의 활성층(17)의 측면에 인접하여 상기 오믹층(25)이 형성될 수 있다.
상기 오믹층(25)은 상기 제2 영역(43)의 활성층(17)의 측면으로부터 이격되도록 형성될 수 있다.
상기 오믹층(25)과 제2 영역(43) 사이의 간격(d)은 대략 1㎛ 내지 대략 10㎛일 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 제1 도전형 반도체층(15)의 두께가 두껍고 상기 오믹층(25)의 상기 발광 구조물(20)의 측 영역(side)에 형성되므로, 상기 오믹층(25)은 상기 활성층(17)으로부터 멀리 이격될 수 있다. 따라서, 전류를 신속히 상기 활성층으로 공급하기 위해서는 상기 오믹층(25)은 상기 활성층(17)과 최대한 가깝게 형성되는 것이 바람직하다.
도시되지 않았지만, 상기 활성층(17)과의 전기적인 쇼트가 발생되지 않는다면, 상기 오믹층(25)은 상기 제2 도전형 반도체층의 측면에 접하도록 형성될 수도 있다. 이러한 경우, 상기 제1 도전형 반도체층(15)의 배면이 상기 활성층(17)의 측면으로부터 멀리 이격되도록 상기 제1 도전형 반도체층(15)을 더 깊게 식각하여 줄 수 있다.
상기 오믹층(25)은 상기 제2 영역(43)의 둘레를 따라 바 형상으로 형성될 수 있다.
상기 오믹층(25)의 폭(w)은 대략 5㎛ 내지 대략 30㎛일 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 오믹층(25)의 면적 대비 상기 제1 반사층(21)의 비는 1보다 크거나 같을 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
또는 상기 오믹층(25)은 상기 제1 영역(41)의 상기 제1 도전형 반도체층(15)의 전 영역에 형성될 수도 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
제2 실시예는 상기 오믹층(25)이 제1 도전형 반도체층(15)의 배면에 형성하여 전원을 보다 원활하게 제1 도전형 반도체층(15)으로 공급하여 주고 또한 상기 제1 도전형 반도체층(15) 내에서 측 방향으로 보다 넓게 전류가 흐르도록 하여 주는 전류 스프레딩의 기능을 가짐으로써, 발광 효율을 향상시키고 균일한 자외선 광을 확보할 수 있다.
상기 제1 반사층(21)은 상기 오믹층(25)의 측면과 배면을 모두 덮도록 형성될 수 있다. 다시 말해, 상기 제1 반사층(21)을 상기 오믹층(25)을 포위하여 형성될 수 있다. 상기 오믹층(25)이 상기 제1 반사층(21)에 최대한 면접촉되도록 함으로써, 상기 제1 전극(27)으로부터의 전원이 제1 반사층(21)을 통해 상기 오믹층(25)의 측면과 배면으로 공급되어, 전원이 보다 원활하게 제1 도전형 반도체층(15)으로 공급될 수 있다.
도시되지 않았지만, 상기 제1 반사층(21)은 상기 오믹층(25)의 배면의 일부 영역에 오버랩되도록 형성될 수도 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 다시 말해, 상기 제1 반사층(21)은 상기 제2 영역(43)의 제1 도전형 반도체층(15)의 측면에 인접한 제1 반사층(21)의 측면 상에 형성되지 않을 수도 있다.
도 6은 제3 실시예에 따른 자외선 발광 소자를 도시한 저면도이고, 도 7은 도 6의 자외선 발광 소자를 도시한 단면도이다.
제3 실시예는 보호층(31)을 제외하고는 제2 실시예와 거의 동일하다.
제3 실시예에서 제1 및 제2 실시예와 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여하고, 보다 상세한 설명은 생략한다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 제3 실시예에 따른 자외선 발광 소자(10B)는 기판(11), 제1 도전형 반도체층(15), 활성층(17), 제2 도전형 반도체층(19), 오믹층(25), 제1 및 제2 반사층(21, 23), 보호층(31) 및 제1 및 제2 전극(27, 29)을 포함할 수 있다.
앞서 제1 실시예에서 설명한 바와 같이, 상기 제1 반사층(21)에 의한 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(15, 19) 사이의 전기적인 쇼트를 완전히 제거하기 위해, 제2 영역(43)에서 외부에 노출된 제1 도전형 반도체층(15)의 측면, 활성층(17)의 측면 및 제2 도전형 반도체층(19)의 측면에 보호층(31)이 형성될 수도 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 제2 영역(43)은 메사 식각에 의해 식각되지 않은 제1 도전형 반도체층(15)과 상기 제1 도전형 반도체층(15)에 대응하는 활성층(17)과 제2 도전형 반도체층(19)을 의미한다.
제1 영역(41)은 메사 식각에 의해 식각되어 외부에 노출된 제1 도전형 반도체층(15)을 의미할 수 있다.
상기 제1 영역(41)은 비 발광 영역이고, 상기 제2 영역(43)은 발광 영역일 수 있다.
상기 보호층(31)은 상기 제1 반사층(21)과 상기 제2 영역(43)의 제1 도전형 반도체층(15)의 측면 사이의 상기 제1 영역(41)의 제1 도전형 반도체층(15)의 배면 상에 형성될 수 있다.
상기 보호막은 제1 영역(41)의 제1 도전형 반도체층(15)의 배면의 일부 영역, 상기상기 제1 반사층(21)의 일부 영역, 발광 구조물(20)의 측면, 즉 상기 제2 영역(43)의 제1 도전형 반도체층(15)의 측면, 활성층(17)의 측면, 제2 도전형 반도체층(19)의 측면 및 제2 반사층(23)의 측면과 더불어 상기 제2 반사층(23)의 배면의 일부 영역에 형성될 수 있다.
상기 보호층(31)은 투명성이 우수하고 전도성이 낮은 재질이나 절연성 재질로 형성될 있는데, 예컨대 SiO2, SixOy, Si3N4, SixNy, Al2O3 및 TiO2로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나로 형성될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
도 10은 실시예에 따른 발광 소자 패키지를 도시한 단면도이다.
도 10을 참조하면, 실시예에 따른 발광 소자 패키지는 몸체(330)와, 상기 몸체(330)에 설치된 제1 리드 프레임(310) 및 제2 리드 프레임(320)과, 상기 몸체(330)에 설치되어 상기 제1 리드 프레임(310) 및 제2 리드 프레임(320)으로부터 전원을 공급받는 제1 실시예 내지 제3 실시예들에 따른 발광 소자(10)와, 상기 발광 소자(10)를 포위하는 몰딩부재(340)를 포함한다.
상기 몸체(330)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 발광 소자(10)의 주위에 경사면이 형성될 수 있다.
상기 제1 리드 프레임(310) 및 제2 리드 프레임(320)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광 소자(10)에 전원을 제공한다.
또한, 상기 제1,2 리드 프레임(310,320)은 상기 발광 소자(10)에서 발생된 빛을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있으며, 상기 발광 소자(10)에서 발생된 열을 외부로 배출시키는 역할을 할 수도 있다.
상기 발광 소자(10)는 상기 제1 리드 프레임(310), 제2 리드 프레임(320) 및 상기 몸체(330) 중 어느 하나 위에 설치될 수 있으며, 와이어 방식, 다이 본딩 방식 등에 의해 상기 제1,2 리드 프레임(310,320)에 전기적으로 연결될 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다.
실시예에서는 제1 실시예에 따른 발광 소자(10)가 예시되어 있으며, 두개의 와이어(350)를 통해 상기 제1,2 리드 프레임(310,320)과 전기적으로 연결된 것이 예시되어 있으나, 제2 실시예에 따른 발광 소자(10)의 경우 상기 와이어(350)없이 상기 제1,2 리드 프레임(310,320)과 전기적으로 연결될 수 있으며, 제3 실시예에 따른 발광 소자(10)의 경우 하나의 와이어(350)를 이용하여 상기 제1,2 리드 프레임(310,320)과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 몰딩부재(340)는 상기 발광 소자(10)를 포위하여 상기 발광 소자(10)를 보호할 수 있다. 또한, 상기 몰딩부재(340)에는 형광체가 포함되어 상기 발광 소자(10)에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있다.
또한, 상기 발광 소자 패키지(200)는 COB(Chip On Board) 타입을 포함하며, 상기 몸체(330)의 상면은 평평하고, 상기 몸체(330)에는 복수의 발광 소자(10)가 설치될 수도 있다.
10, 10A, 10B, 10C, 10D: 자외선 발광 소자
11: 기판
13: 버퍼층 15: 제1 도전형 반도체층
17: 활성층 19: 제2 도전형 반도체층
20: 발광 구조물 21: 제1 반사층
23: 제2 반사층 25: 오믹층
27: 제1 전극 29: 제2 전극
31: 보호층 41: 제1 영역
43: 제2 영역

Claims (15)

  1. 기판; 및
    상기 기판 상에 배치되고 다수의 화합물 반도체층을 포함하고,
    상기 화합물 반도체층은 적어도 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함한 발광 구조물;
    상기 제1 도전형 반도체층의 제1 영역 상에 배치되는 제1 전극;
    상기 제2 도전형 반도체층 상에 배치되는 제2 전극; 및
    상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제1 전극 사이에 배치되고, 상기 제1 도전형 반도체층과 전기적으로 연결되는 전극층을 포함하고,
    상기 전극층은 상기 활성층의 주위를 따라 배치되는 폐루프 형상(closed-loop shape)을 갖고, 상기 전극층의 적어도 일부는 상기 제1 도전형 반도체층의 측면에 접하도록 배치되는 자외선 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극층은 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제1 전극 사이에 배치되는 제1 전극층, 및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제1 전극층 사이에 배치되는 오믹층을 포함하는 자외선 발광 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    제1 전극층은 알루미늄을 포함하는 자외선 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층은 상기 활성층과 중첩되는 중앙 영역과 상기 활성층과 중첩되지 않는 주변 영역을 포함하고,
    상기 중앙 영역은 상기 주변 영역보다 돌출되는 자외선 발광 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 활성층 및 상기 제2 도전형 반도체층의 측면의 하나 또는 둘 이상의 영역은 외측 방향으로 돌출되는 자외선 발광 소자.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 오믹층은 상기 제1 전극층에 의해 둘러싸이는 자외선 발광 소자.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 오믹층의 측면과 상기 제1 도전형 반도체층의 측면 사이의 간격은 1㎛ 내지 10㎛인 자외선 발광 소자.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전극층은 상기 제1 도전형 반도체층의 측면과 이격되고,
    상기 오믹층은 상기 제1 도전형 반도체층의 측면에 접하는 자외선 발광 소자.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전극층은 상기 오믹층을 커버하는 자외선 발광 소자.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 오믹층의 폭은 5㎛ 내지 30㎛인 자외선 발광 소자.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 발광 구조물의 측면 상에 배치되는 보호층을 포함하는 자외선 발광 소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 보호층은 상기 제2 도전형 반도체층의 측면, 상기 활성층의 측면, 및 상기 제1 도전형 반도체층의 측면에 배치되는 자외선 발광 소자.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 보호층은 상기 제1 도전형 반도체층의 측면과 상기 오믹층 사이에 배치되는 자외선 발광 소자.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 보호층은 제1 전극층의 상면의 일부 영역 상에 배치되는 자외선 발광 소자.
  15. 제2항에 있어서,
    상기 제2 전극과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되는 제2 전극층을 포함하고,
    상기 제2 전극층과 상기 활성층 사이의 거리는 제1 전극층과 상기 활성층 사이의 거리보다 큰 자외선 발광 소자.
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