KR101998763B1 - 발광소자 - Google Patents

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Abstract

실시예는 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되는 활성층; 및 상기 활성층 상에 배치되고, 전자 차단층을 포함하는 제2 도전형 반도체층을 포함하고, 상기 전자 차단층은 AlGaN층과 MgN층 및 언도프드 GaN층을 포함하는 발광소자를 제공한다.

Description

발광소자{LIGHT EMITTNG DEVICE}
실시예는 발광소자에 관한 것이다.
GaN, AlGaN 등의 3-5 족 화합물 반도체는 넓고 조정이 용이한 밴드 갭 에너지를 가지는 등의 많은 장점으로 인해 광 전자 공학 분야(optoelectronics)와 전자 소자를 위해 등에 널리 사용된다.
특히, 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.
도 1은 종래의 발광소자를 나타낸 도면이다.
종래의 발광소자(100)는 사파이어 등으로 이루어진 기판(110) 위에 버퍼층(115)과 발광 구조물이 배치되고, 발광 구조물은 제1 도전형 반도체층(120)과 활성층(130) 및 제2 도전형 반도체층(140)을 포함하고, 제1 도전형 반도체층(120)과 제2 도전형 반도체층(140) 상에 각각 제1 전극(170)과 제2 전극(180)이 배치된다.
발광소자(100)는 제1 도전형 반도체층(120)을 통해서 주입되는 전자와 제2 도전형 반도체층(140)을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 활성층(130)을 이루는 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출한다. 활성층(130)에서 방출되는 빛은 활성층(130)을 이루는 물질의 조성에 따라 다를 수 있으며, 청색광이나 자외선(UV) 또는 심자외선(Deep UV) 등일 수 있다.
도 2는 도 1의 발광 구조물의 구성을 상세히 나타낸 도면이다.
제2 도전형 반도체층(140)은 p-InAlGaN층(142)과 p-AlGaN층(144) 및 p-GaN층(146)을 포함하여 이루어질 수 있는데, p-AlGaN층(144)은 전자 차단층으로 작용할 수 있다.
그러나, 알루미늄의 본딩 에너지(bonding energy)로 인하여 도펀트인 마그네슘(Mg) 등이 정공으로 만들어지기 힘들다. 즉, 전자 차단 효과를 상승시키려면 알루미늄이 전자 차단층에 포함될 수 있는데, 이때 마그네슘의 도핑이 용이하지 않아 정공 주입효과가 감소할 수 있으며, 정공 주입의 감소는 활성층에서의 발광 효율의 감소로 이어질 수 있다. 또한, 마그네슘의 주입량을 증가시키면 도전형 반도체층의 품질 저하를 유발할 수 있다.
실시예는 발광소자의 전자 차단층의 전자 차단효과와 정공 주입 효과를 상승시키면서도 품질 저하를 방지하여 발광소자의 광효율을 향상시키고자 한다.
실시예는 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되는 활성층; 및 상기 활성층 상에 배치되고, 전자 차단층을 포함하는 제2 도전형 반도체층을 포함하고, 상기 전자 차단층은 AlGaN층과 MgN층 및 언도프드 GaN층을 포함하는 발광소자를 제공한다.
다른 실시예는 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되는 활성층; 및 상기 활성층 상에 배치되고, 전자 차단층을 포함하는 제2 도전형 반도체층을 포함하고, 상기 전자 차단층은 AlGaN층과 MgN층 및 InGaN층을 포함하는 발광소자를 제공한다.
전자 차단층은 1회 내지 50회 교번하여 배치될 수 있다.
AlGaN층은 제2 도전형일 수 있다.
AlGaN층은 1 나노미터 내지 50 나노미터의 두께를 가질 수 있다.
언도프드 GaN층 및/또는 InGaN층은 1 나노미터 내지 50 나노미터의 두께를 가질 수 있다.
발광소자는 제2 도전형 반도체층 내에 배치되고, 상기 활성층과 상기 전자 차단층의 사이에 배치되는 InAlGaN층을 더 포함할 수 있다.
InAlGaN층은 제2 도전형일 수 있다.
전자 차단층 내에서 상기 AlGaN층이 상기 활성층과 가장 가까이 배치되고, 상기 언도프드 GaN층이 상기 활성층과 가장 멀리 배치될 수 있있으며, 상기 InGaN층이 상기 활성층과 가장 멀리 배치될 수 있다.
발광소자는 제2 도전형 반도체층 내에 배치된 제2 도전형 GaN층을 더 포함하고, 상기 제2 도전형 GaN층은 상기 전자 차단층에 대하여 상기 활성층과 반대 방향에 배치될 수 있다.
전자 차단층은 AlGaN층과 MgN층 및 언도프드 GaN층이 적어도 2회 교번하여 배치되고, 상기 제2 도전형 GaN층과 접촉하는 영역에서 MgN층이 배치될 수 있다.
전자 차단층은 AlGaN층과 MgN층 및 InGaN층이 적어도 2회 교번하여 배치되고, 상기 제2 도전형 GaN층과 접촉하는 영역에서 MgN층이 배치될 수 있다.
본 실시예에 따른 발광소자는 전자 차단층인 AlGaN층과 MgN층 및 언도프드 GaN층으로 이루어져서, 전자 차단효과와 정공 주입 효과를 상승시키면서도 품질이 우수하고 전류 스프레딩을 상승시켜서 발광소자의 광효율을 우수하다.
도 1은 종래의 발광소자를 나타낸 도면이고,
도 2는 도 1의 발광 구조물의 구성을 상세히 나타낸 도면이고,
도 3은 발광소자의 일실시예의 발광 구조물의 구성을 상세히 나타낸 도면이고,
도 4a 및 도 4b는 도 3의 전자 차단층의 일실시예들의 구성을 나타낸 도면이고,
도 5a 내지 도 5g는 발광소자의 일실시예의 제조 공정을 나타낸 도면이고,
도 6은 발광소자의 다른 실시예를 나타낸 도면이고,
도 7은 발광소자의 또 다른 실시예의 발광 구조물의 구성을 상세히 나타낸 도면이고,
도 8a 및 도 8b는 도 7의 전자 차단층의 일실시예들의 구성을 나타낸 도면이고,
도 9는 발광소자가 배치된 발광소자 패키지의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 10은 발광소자가 배치된 조명장치의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 11은 발광소자가 배치된 영상표시장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)(on or under)”으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향 뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 3은 발광소자의 일실시예의 발광 구조물의 구성을 상세히 나타낸 도면이고, 도 4a 및 도 4b는 도 3의 전자 차단층의 일실시예들의 구성을 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 발광소자의 발광 구조물은 제1 도전형 반도체층(220)과 활성층(230)과 제2 도전형 반도체층(240)을 포함하여 이루어질 수 있다.
제1 도전형 반도체층(220)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(220)이 n형 반도체층인 경우, 상기 제1도전형 도펀트는 n형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se, Te를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
제1 도전형 반도체층(220)은 InxAlyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(220)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
활성층(230)은 제1 도전형 반도체층(220)을 통해서 주입되는 전자와 제2 도전형 반도체층(240)을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 활성층(230)을 이루는 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다.
활성층(230)은 이중 접합 구조(Double Hetero Junction Structure), 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(230)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.
활성층(230)의 우물층/장벽층은 예를 들어, InGaN/GaN, InGaN/InGaN, GaN/AlGaN, InAlGaN/GaN, InAlGaN/InAlGaN, GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 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.
활성층(230)의 위 또는/및 아래에는 도전형 클래드층(미도시)이 형성될 수 있다. 도전형 클래드층은 활성층(230)의 장벽층이나 밴드갭보다 더 넓은 밴드갭을 가지는 반도체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도전형 클래드층은 GaN, AlGaN, InAlGaN 또는 초격자 구조 등을 포함할 수 있다. 또한, 도전형 클래드층은 n형 또는 p형으로 도핑될 수 있다.
활성층(230) 위에는 제2 도전형 반도체층이 배치된다. 제2 도전형 반도체층은 활성층(230) 방향으로부터 p-InAlGaN층(242)과 전자 차단층(244) 및 p-GaN층(246)을 포함하여 이루어질 수 있다. 그리고, 전자 차단층(244)은 AlGaN/MgN/언도프드 GaN(u-GaN)을 포함할 수 있다.
도 4a에 도시된 실시예에서, 전자 차단층(Electron Blocking Layer)은 AlGaN층(244a)/MgN층(244b)/언도프드 GaN층(u-GaN, 244c)이 복수 회 배치되는데, 적어도 1회부터 최대 50회까지 배치될 수 있다.
여기서, AlGaN층(244a)은 제조 공정에서 도펀트를 공급하지 않아도 MgN층(244b)으로부터 일부가 공급되는 등의 이유로 p-type으로 도핑될 수 있고, 1 나노미터 내지 50 나노미터의 두께(t1)를 가질 수 있다. MgN층(244b)은 박막으로 형성되어 두께(t2)의 측정이 어려우며, 언도프드 GaN층(244c)은 1 나노미터 내지 50 나노미터의 두께(t3)를 가질 수 있다.
도 4a에서 AlGaN층(244a)이 활성층 방향으로 배치되고 언도프드 GaN층(244c)이 활성층과 가장 멀리 배치될 수 있다. 그리고, 전자 차단층 내에 배치된 AlGaN층(244a)/MgN층(244b)/언도프드 GaN층(244c)의 조합을 각각 제1 전자 차단층(2441) 내지 제n 전자 차단층(244n)이라 할 수 있다.
도 4a의 전자 차단층 구조를 가지는 제2 도전형 반도체층은, 제n 전자 차단층(244n)과 접촉하며 배치된 제2 도전형 GaN층을 포함할 수 있는데, 제2 도전형 GaN층은 전자 차단층에 대하여 상기 활성층과 반대 방향에 배치될 수 있다.
도 4b에 도시된 전자 차단층의 구조는 도 4a에 도시된 구조와 유사하나, 마지막에 배치된 제n 전자 차단층(244n)은 AlGaN층(244a)과 MgN층(244b) 만으로 이루어져 있다. 즉, 제1 전자 차단층(2441) 내지 제n-1 전자 차단층(244n-1)으로 이루어져 있으나, 마지막에 배치된 제n 전자 차단층(244n)의 조성 내지 구성이 상이하다. 따라서, 상술한 p-GaN층(246)과 접촉하는 영역에는 MgN(244b)이 배치될 수 있고, 도 4a에 도시된 실시예에 비하여 p-GaN층이 p-type으로 도핑이 더 잘 될 수 있다. 반면, 도 4a에 도시된 실시예는 본 실시예보다 전류 스프레딩(current spreading)이 더 잘 되나 저항이 더 커서 동작 전압이 증가할 수 있다.
p-GaN층(246)은 반도체 화합물로 형성될 수 있으며, 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, p-type 도펀트가 도핑될 수 있다. 또한, InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있는데 p형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 수 있다.
전자 차단층(244)은 활성층 방향으로부터 주입되는 전자를 차단하고, p-GaN층(246)으로부터 정공의 주입을 용이하게 할 수 있어야 한다. AlGaN층(244a)은 종래의 p-AlGaN보다 품질은 우수하나 도펀트를 포함하지 않아서 정공 주입 효과가 떨어질 수 있으므로, MgN층(244b)을 추가하여 정공 주입 효과를 향상시킬 수 있다. 그리고, MgN층(244b)은 정공의 주입 효과는 향상시킬 수 있으나, 발광 구조물의 전면적에 전류를 흐르게 하기 위하여 언도프드 GaN층(244c)을 배치할 수 있으며, 언도프드 GaN층(244c)은 전류 스프레딩과 결정 품질을 향상시킬 수 있다.
도 5a 내지 도 5g는 발광소자의 일실시예의 제조 공정을 나타낸 도면이다.
먼저, 도 5a에 도시된 바와 같이 기판(210) 위에 버퍼층(215)과 제1 도전형 반도체층(220) 및 활성층(230)을 성장시킨다.
기판(210)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질이나 캐리어 웨이퍼로 형성될 수 있으며, 열 전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있고, 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함할 수 있다. 예컨대, 사파이어(Al2O3), SiO2, SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
버파층(215)은 3족-5족 화합물 반도체 예컨대, AlN 외에 AlAs, GaN, InN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중 적어도 하나로 형성될 수 있다.
사파이어 등으로 기판(210)을 형성하고, 기판(210) 상에 GaN이나 AlGaN 등을 포함하는 발광구조물이 배치될 때, GaN이나 AlGaN과 사파이어 사이의 격자 부정합(lattice mismatch)이 매우 크고 이들 사이에 열 팽창 계수 차이도 매우 크기 때문에, 결정성을 악화시키는 전위(dislocation), 멜트 백(melt-back), 크랙(crack), 피트(pit), 표면 모폴로지(surface morphology) 불량 등이 발생할 수 있으므로, 버퍼층(215)으로 AlN 등을 사용할 수 있다.
도시되지는 않았으나, 버퍼층(220)과 발광구조물의 사이에는 언도프드 GaN층이나 AlGaN층이 배치되어, 발광구조물 내로 상술한 전위 등이 전달되는 것을 방지할 수 있다.
발광 구조물은 제1 도전형 반도체층(220)과 활성층(230) 및 제2 도전형 반도체층을 포함하여 이루어진다.
제1 도전형 반도체층(220)은, 화학증착방법(CVD) 혹은 분자선 에피택시 (MBE) 혹은 스퍼터링 혹은 수산화물 증기상 에피택시(HVPE) 등의 방법을 사용하여 n형 도펀트가 도핑된 AlGaN층 등을 형성할 수 있다. 또한, 제1 도전형 반도체층(220)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 실리콘(Si)와 같은 n형 불순물을 포함하는 실란 가스(SiH4)가 주입되어 형성될 수 있다.
활성층(230)은, 예를 들어 상기 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.
그리고, 도 5b 내지 도 5f에 도시된 바와 같이 활성층(230) 위에 제2 도전형 반도체층을 성장시킨다.
도 5b에서, 활성층(230) 위에 InAlGaN층(242)을 성장시키는데, 제2 도전형 즉 p형 도펀트를 첨가하여 p형으로 성장시킬 수 있다.
그리고, 도 5c 내지 도 5e에 도시된 바와 같이, AlGaN층(244a)과 MgN층(244b) 및 언도프드 GaN층(244c)를 차례로 성장시켜서 전자 차단층을 형성시킬 수 있다.
도 5c에서 AlGaN층(244a)은 TMAL과 TMGa 및 NH3를 공급하여 성장시키고, 도 5d에서 MgN층(244b)은 Cp2Mg와 NH3를 공급하여 성장시킬 수 있는데, 마그네슘(Mg)의 공급량은 종래에 도펀트로 도핑하던 마그네슘의 1배 내지 4배를 공급할 수 있다. 도 5d에서 마그네슘은 Cp2Mg와 NH3를 5초 내지 60초 공급하는데, 너무 짧은 시간 동안 공급하면 도핑이 제대로 되지 않고 너무 오랜 시간 동안 공급하면 결정의 품질이 저하될 수 있다.
도 5e에서 TMGa와 NH3를 공급하여 언도프드 GaN층(244c)을 성장시킬 수 있다. 도 5c 내지 도 5e의 공정은 차례로 1회 내지 50회 반복되어, 전자 차단층 내에서 AlGaN층(244a)과 MgN층(244b) 및 언도프드 GaN층(244c)이 1회 내지 50회 반복하여 배치될 수 있다.
또한, 도 4b에서 설명한 실시예와 같이, 전자 차단층 내에 AlGaN층(244a)과 MgN층(244b) 및 언도프드 GaN층(244c)이 복수 회 교번하여 배치되되, 제2 도전형 GaN층(246)과 접촉하는 영역에는 MgN층(244b)이 배치될 수 있다. 즉, 전자 차단층 중에서 활성층(230)과 가장 멀리 배치된 영역에는 AlGaN층(244a)과 MgN층(244b)이 배치되고, 언도프드 GaN층(244c)의 성장을 생략시킬 수 있다.
AlGaN층(244a)은 제2 도전형 도펀트 즉 p-형 도펀트로 도핑할 수 있고, 1 나노미터 내지 50 나노미터의 두께로 성장시킬 수 있으며, 언도프드 GaN층(244c)은 1 나노미터 내지 50 나노미터의 두께로 성장시킬 수 있다.
그리고, 도 5f에 도시된 바와 같이 제2 도전형 GaN층(246)을 성장시킬 수 있는데, 성장된 제2 도전형 GaN층(246)은 전자 차단층에 대하여 활성층(230)과 반대 방향에 배치될 수 있다.
그리고, 도 5g에 도시된 바와 같이 발광 구조물의 일측면은 제2 도전형 GaN층(246)으로부터 전자 차단층(244), 활성층(230), 그리고 제1 도전형 반도체층(220)의 일부까지 식각되어 제1 도전형 반도체층(220)의 일부가 노출될 수 있다. 이러한 메사 식각 구조는 절연성 물질로 기판(210)을 사용하는 경우에 유용할 수 있다.
노출된 제1 도전형 반도체층(220)의 표면에는 제1 전극(270)이 배치되고, 제2 도전형 GaN층(246)의 표면에는 제2 전극(280)이 배치될 수 있다. 제1 전극(270) 및 제2 전극(280) 중 적어도 하나는 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
도 5g에 상술한 전자 차단층을 포함하는 수평형 발광소자가 도시되어 있고, 도 6에는 발광소자의 다른 실시예로서 상술한 전자 차단층을 포함하는 수직형 발광소자가 도시되어 있다.
도 6에 도시된 발광소자에서 발광 구조물을 이루는 제1 도전형 반도체층(220)과 활성층(230), 및 제2 도전형 반도체층 내의 p-InAlGaN층(242)과 전자 차단층(244) 및 p-GaN층(246)의 조성, 그리고, 전자 차단층(244) 내의 AlGaN층(244a)/MgN층(244b)/언도프드 GaN층(u-GaN, 244c)의 조성 및 제1 전극(270)의 조성은 도 5g 등에 도시된 실시예와 동일하다.
발광 구조물의 하부, 구체적으로 p-GaN층(246)의 하부에는 오믹층(282)과 반사층(284)과 접합층(286) 및 도전성 지지기판(288)이 배치되어 제2 전극으로 작용할 수 있다.
오믹층(282)은 약 200 옹스트롱의 두께일 수 있다. 오믹층(282)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, Sn, In, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 이러한 재료에 한정되는 않는다.
반사층(284)은 알루미늄(Al), 은(Ag), 니켈(Ni), 백금(Pt), 로듐(Rh), 혹은 Al이나 Ag이나 Pt나 Rh를 포함하는 합금을 포함하는 금속층으로 이루어질 수 있다. 상술한 반도체 소자가 발광소자일 때, 알루미늄이나 은 등은 활성층(230)에서 발생된 빛을 효과적으로 반사하여 반도체 소자의 광추출 효율을 크게 개선할 수 있다.
도전성 지지기판(metal support, 288)은 전기 전도도가 우수한 금속을 사용할 수 있고, 반도체 소자 작동시 발생하는 열을 충분히 발산시킬 수 있어야 하므로 열전도도가 높은 금속을 사용할 수 있다.
도전성 지지기판(288)은 금속 또는 반도체 물질등으로 형성될 수 있다. 또한 전기전도성과 열 전도성이 높은 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 몰리브덴(Mo), 실리콘(Si), 텅스텐(W), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al)로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있으며, 또한, 금(Au), 구리합금(Cu Alloy), 니켈(Ni), 구리-텅스텐(Cu-W), 캐리어 웨이퍼(예: GaN, Si, Ge, GaAs, ZnO, SiGe, SiC, SiGe, Ga2O3 등) 등을 선택적으로 포함할 수 있다.
상기 도전성 지지기판(288)은 전체 질화물 반도체에 휨을 가져오지 않으면서, 스크라이빙(scribing) 공정 및 브레이킹(breaking) 공정을 통하여 별개의 칩으로 잘 분리시키기 위한 정도의 기계적 강도를 가질 수 있다.
접합층(286)은 반사층(264)과 도전성 지지기판(288)을 결합하는데, 금(Au), 주석(Sn), 인듐(In), 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 은(Ag), 니켈(Ni) 및 구리(Cu)로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들의 합금으로 형성할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(220)의 표면은 도시된 바와 같이 패터닝되어 광추출 효과를 향상시킬 수 있되, 제1 전극(270)이 배치되는 부분은 플랫(flat)할 수 있으며, 발광 구조물(220)의 둘레에는 패시베이션층(290)이 형성될 수 있는데, 패시베이션층(290)은 절연물질로 이루어질 수 있으며, 절연물질은 비전도성인 산화물이나 질화물로 이루어질 수 있다. 일 예로서, 상기 패시베이션층(290)은 실리콘 산화물(SiO2)층, 산화 질화물층, 산화 알루미늄층으로 이루어질 수 있다.
도 7은 발광소자의 다른 실시예의 발광 구조물의 구성을 상세히 나타낸 도면이고, 도 8a 및 도 8b는 도 7의 전자 차단층의 일실시예들의 구성을 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 발광소자는 7의 발광소자는 도 3의 발광소자와 유사하나, 언도프드 GaN층(244c) 대신에 InGaN층(245c)이 배치되는 점에서 상이하다. 전자 차단층(245)은 AlGaN층(245a)/MgN층(245b)/InGaN층(245c)이 복수 회 배치되는데, 적어도 1회부터 최대 50회까지 배치될 수 있다.
여기서, AlGaN층(245a)은 제조 공정에서 도펀트를 공급하지 않아도 MgN층(245b)으로부터 일부가 공급되는 등의 이유로 p-type으로 도핑될 수 있고, 1 나노미터 내지 50 나노미터의 두께(t1)를 가질 수 있다. MgN층(245b)은 박막으로 형성되어 두께(t2)의 측정이 어려우며, InGaN층(245c)은 1 나노미터 내지 50 나노미터의 두께(t3)를 가질 수 있다.
도 8a에서 AlGaN층(245a)이 활성층 방향으로 배치되고 InGaN층(245c)이 활성층과 가장 멀리 배치될 수 있다. 그리고, 전자 차단층 내에 배치된 AlGaN층(245a)/MgN층(245b)/InGaN층(245c)의 조합을 각각 제1 전자 차단층(2451) 내지 제n 전자 차단층(245n)이라 할 수 있다.
도 8a의 전자 차단층 구조를 가지는 제2 도전형 반도체층은, 제n 전자 차단층(245n)과 접촉하며 배치된 제2 도전형 GaN층을 포함할 수 있는데, 제2 도전형 GaN층은 전자 차단층에 대하여 상기 활성층과 반대 방향에 배치될 수 있다.
도 8b에 도시된 전자 차단층의 구조는 도 8a에 도시된 구조와 유사하나, 마지막에 배치된 제n 전자 차단층(245n)은 AlGaN층(245a)과 MgN층(245b) 만으로 이루어져 있다. 즉, 제1 전자 차단층(2451) 내지 제n-1 전자 차단층(245n-1)으로 이루어져 있으나, 마지막에 배치된 제n 전자 차단층(245n)의 조성 내지 구성이 상이하다. 따라서, 상술한 p-GaN층(246)과 접촉하는 영역에는 MgN(245b)이 배치될 수 있고, 도 8a에 도시된 실시예에 비하여 p-GaN층이 p-type으로 도핑이 더 잘 될 수 있다. 반면, 도 8a에 도시된 실시예는 본 실시예보다 전류 스프레딩(current spreading)이 더 잘 되나 저항이 더 커서 동작 전압이 증가할 수 있다.
전자 차단층(245)은 활성층 방향으로부터 주입되는 전자를 차단하고, p-GaN층(246)으로부터 정공의 주입을 용이하게 할 수 있어야 한다. AlGaN층(245a)은 종래의 p-AlGaN보다 품질은 우수하나 도펀트를 포함하지 않아서 정공 주입 효과가 떨어질 수 있으므로, MgN층(245b)을 추가하여 정공 주입 효과를 향상시킬 수 있다. 그리고, 상술한 실시예에서 언도프드 GaN층(244c)은 결정의 품질을 향상시켜서 전자 차단층(244)의 작용을 강화시킬 수 있고, 본 실시예에서 InGaN층(245c)은 전자 차단층(245)의 저항을 줄여서 발광소자의 동작 전압을 감소시킬 수 있다.도 7 내지 도 8b의 발광소자의 제조방법은 도 5a 내지 도 5g에 도시된 방법과 동일하나, 언도프드 GaN층(244c) 대신 InGaN층(245c)을 형성하는 점에서 상이하다. 즉, AlGaN층(245a)과 MgN층(245b) 및 InGaN층(245c)을 1회 내지 50회 반복하여 성장시켜서 전자 차단층(245)을 형성할 수 있고, InGaN층(245c)은 1 나노미터 내지 50 나노미터의 두께로 성장시킬 수 있다.
상술한 구조의 전자 차단층은 도 6에 도시된 수직형 발광소자에도 적용될 수 있다.
도 9는 발광소자가 배치된 발광소자 패키지의 일실시예를 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 발광소자 패키지(300)는 플립 칩 타입의 발광소자 패키지로서, 캐비티를 포함하는 몸체(310)와, 상기 몸체(310)에 설치된 제1 리드 프레임(Lead Frame, 321) 및 제2 리드 프레임(322)과, 상기 몸체(310)에 설치되어 상기 제1 리드 프레임(321) 및 제2 리드 프레임(322)과 전기적으로 연결되는 상술한 실시예들에 따른 발광소자(200)와, 상기 캐비티에 형성된 몰딩부(350)를 포함한다.
몸체(310)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있다. 상기 몸체(310)가 금속 재질 등 도전성 물질로 이루어지면, 도시되지는 않았으나 상기 몸체(310)의 표면에 절연층이 코팅되어 상기 제1,2 리드 프레임(321, 322) 간의 전기적 단락을 방지할 수 있다.
제1 리드 프레임(321) 및 제2 리드 프레임(322)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광소자(200)에 전류를 공급한다. 또한, 제1 리드 프레임(321) 및 제2 리드 프레임(322)은 발광소자(200)에서 발생된 광을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있으며, 발광소자(200)에서 발생된 열을 외부로 배출시킬 수도 있다.
발광소자(200)는 볼 형상의 솔더(340)에 의하여 제1 리드 프레임(321) 및 제2 리드 프레임(322)에 전기적으로 연결될 수 있으며, 플립 칩 타입이 아닌 다른 방식으로 리드 프레임과 몸체에 고정될 수 있다.
상기 몰딩부(350)는 상기 발광소자(200)를 포위하여 보호할 수 있다. 또한, 상기 몰딩부(350) 상에는 형광체(360)가 몰딩부(350)와 별개의 층으로 컨포멀(Conformal) 코팅되어 있다. 이러한 구조는 형광체(360)가 분포되어, 발광소자(200)로부터 방출되는 빛의 파장을 발광소자 패키지(300)의 빛이 출사되는 전 영역에서 변환시킬 수 있다.
발광소자(200)에서 방출된 제1 파장 영역의 광이 상기 형광체(360)에 의하여 여기되어 제2 파장 영역의 광으로 변환되고, 상기 제2 파장 영역의 광은 렌즈(미도시)를 통과하면서 광경로가 변경될 수 있다.
상술한 발광소자 패키지(300)의 내부에 배치된 발광소자는 전자 차단층인 AlGaN층과 MgN층 및 언도프드 GaN층으로 이루어져서, 전자 차단효과와 정공 주입 효과 및 품질이 우수하고, 전류 스프레딩을 상승시켜서 발광소자의 광효율도 우수하다.
발광소자 패키지(300)는 상술한 실시예들에 따른 발광소자 중 하나 또는 복수 개로 탑재할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
실시 예에 따른 발광소자 패키지는 복수 개가 기판 상에 어레이되며, 상기 발광소자 패키지의 광 경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트 등이 배치될 수 있다. 이러한 발광소자 패키지, 기판, 광학 부재는 라이트 유닛으로 기능할 수 있다. 또 다른 실시 예는 상술한 실시 예들에 기재된 반도체 발광소자 또는 발광소자 패키지를 포함하는 표시 장치, 지시 장치, 조명 시스템으로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 조명 시스템은 램프, 가로등을 포함할 수 있다. 이하에서는 상술한 발광소자 패키지가 배치된 조명 시스템의 일실시예로서, 헤드 램프와 백라이트 유닛을 설명한다.
도 10은 발광소자 패키지가 배치된 헤드 램프의 일실시예를 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 헤드 램프(400)는 발광소자 패키지가 배치된 발광소자 모듈(401)에서 방출된 빛이 리플렉터(402)와 쉐이드(403)에서 반사된 후 렌즈(404)를 투과하여 차체 전방을 향할 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 발광소자 모듈(401)에 사용되는 발광소자는 전자 차단층인 AlGaN층과 MgN층 및 언도프드 GaN층으로 이루어져서, 전자 차단효과와 정공 주입 효과 및 품질이 우수하고, 제2 도전형 반도체층 내에서 전류 스프레딩을 상승시켜서 발광소자의 광효율도 우수하다.
도 11은 발광소자가 배치된 영상 표시장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 영상표시장치(500)는 광원 모듈과, 바텀 커버(510) 상의 반사판(520)과, 상기 반사판(520)의 전방에 배치되며 상기 광원모듈에서 방출되는 빛을 영상표시장치 전방으로 가이드하는 도광판(540)과, 상기 도광판(540)의 전방에 배치되는 제1 프리즘시트(550)와 제2 프리즘시트(560)와, 상기 제2 프리즘시트(560)의 전방에 배치되는 패널(570)과 상기 패널(570)의 전반에 배치되는 컬러필터(580)를 포함하여 이루어진다.
광원 모듈은 회로 기판(530) 상의 발광소자 패키지(535)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 회로 기판(530)은 PCB 등이 사용될 수 있고, 발광소자 패키지(535)는 도 8에서 설명한 바와 같다.
바텀 커버(510)는 영상표시장치(500) 내의 구성 요소들을 수납할 수 있다. 반사판(520)은 본 도면처럼 별도의 구성요소로 마련될 수도 있고, 도광판(540)의 후면이나, 상기 바텀 커버(510)의 전면에 반사도가 높은 물질로 코팅되는 형태로 마련되는 것도 가능하다.
반사판(520)은 반사율이 높고 초박형으로 사용 가능한 소재를 사용할 수 있고, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PolyEthylene Terephtalate; PET)를 사용할 수 있다.
도광판(540)은 발광소자 패키지 모듈에서 방출되는 빛을 산란시켜 그 빛이 액정 표시 장치의 화면 전영역에 걸쳐 균일하게 분포되도록 한다. 따라서, 도광판(530)은 굴절률과 투과율이 좋은 재료로 이루어지는데, 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate; PMMA), 폴리카보네이트(PolyCarbonate; PC), 또는 폴리에틸렌(PolyEthylene; PE) 등으로 형성될 수 있다. 또한, 도광판(540)이 생략되면 에어 가이드 방식의 표시장치가 구현될 수 있다.
상기 제1 프리즘 시트(550)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(560)에서 지지필름 일면의 마루와 골의 방향은, 상기 제1 프리즘 시트(550) 내의 지지필름 일면의 마루와 골의 방향과 수직할 수 있다. 이는 광원 모듈과 반사시트로부터 전달된 빛을 상기 패널(570)의 전방향으로 고르게 분산하기 위함이다.
본 실시예에서 상기 제1 프리즘시트(550)과 제2 프리즘시트(560)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(570)은 액정 표시 패널(Liquid crystal display)가 배치될 수 있는데, 액정 표시 패널(560) 외에 광원을 필요로 하는 다른 종류의 디스플레이 장치가 구비될 수 있다.
상기 패널(570)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(570)의 전면에는 컬러 필터(580)가 구비되어 상기 패널(570)에서 투사된 빛을, 각각의 화소마다 적색과 녹색 및 청색의 빛만을 투과하므로 화상을 표현할 수 있다.
본 실시예에 따른 영상표시장치에 배치된 발광소자는 전자 차단층인 AlGaN층과 MgN층 및 언도프드 GaN층으로 이루어져서, 전자 차단효과와 정공 주입 효과 및 품질이 우수하고, 제2 도전형 반도체층 내에서 전류 스프레딩을 상승시켜서 발광소자의 광효율도 우수하다.
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: 발광소자 110: 버퍼층
120: 제1 도전형 반도체층 130: 활성층
140: 제2 도전형 반도체층 142, 242: p-InAlGaN층
144: p-AlGaN층 146, 246: p-GaN층
150: 투명 도전층 170: 제1 전극
180: 제2 전극 244, 245: 전자 차단층
244a, 245a: AlGaN층 244b, 245b: MgN층
244c: 언도프드 GaN층 245c: InGaN층
282: 오믹층
284: 반사층 286: 접합층
288: 도전성 지지기판 290: 패시베이션층
300 : 발광소자 패키지 310 : 몸체
321, 322 : 제1,2 리드 프레임 340 : 솔더
350 : 몰딩부 360 : 형광체층
400 : 헤드 램프 410 : 발광소자 모듈
402 : 리플렉터 403 : 쉐이드
404 : 렌즈 500 : 표시장치
510 : 바텀 커버 520 : 반사판
530 : 회로 기판 모듈 540 : 도광판
550, 560 : 제1,2 프리즘 시트 570 : 패널
580 : 컬러필터

Claims (15)

  1. 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되는 활성층; 및
    상기 활성층 상에 배치되고, 전자 차단층을 포함하는 제2 도전형 반도체층을 포함하고,
    상기 전자 차단층은 AlGaN층과 MgN층 및 언도프드 GaN층을 포함하는 발광소자.
  2. 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되는 활성층; 및
    상기 활성층 상에 배치되고, 전자 차단층을 포함하는 제2 도전형 반도체층을 포함하고,
    상기 전자 차단층은 AlGaN층과 MgN층 및 InGaN층을 포함하는 발광소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 전자 차단층은, 상기 AlGaN층과 상기 MgN층 및 상기 언도프드 GaN층이 1회 내지 50회 번갈아 배치되는 발광소자.
  4. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 AlGaN층은 제2 도전형이고, 1 나노미터 내지 50 나노미터의 두께를 가지는 발광소자
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 언도프드 GaN층은 1 나노미터 내지 50 나노미터의 두께를 가지는 발광소자.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 InGaN층은 1 나노미터 내지 50 나노미터의 두께를 가지는 발광소자.
  7. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층 내에 배치되고, 상기 활성층과 상기 전자 차단층의 사이에 배치되는 제2 도전형의 InAlGaN층을 더 포함하는 발광소자.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 전자 차단층 내에서 상기 AlGaN층이 상기 활성층과 가장 가까이 배치되고, 상기 언도프드 GaN층이 상기 활성층과 가장 멀리 배치되는 발광소자.
  9. 제2 항에 있어서,
    상기 전자 차단층 내에서 상기 AlGaN층이 상기 활성층과 가장 가까이 배치되고, 상기 InGaN층이 상기 활성층과 가장 멀리 배치되는 발광소자.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층 내에 배치된 제2 도전형 GaN층을 더 포함하고, 상기 제2 도전형 GaN층은 상기 전자 차단층에 대하여 상기 활성층과 반대 방향에 배치되고 상기 전자 차단층은 AlGaN층과 MgN층 및 언도프드 GaN층이 적어도 2회 교번하여 배치되고, 상기 제2 도전형 GaN층과 접촉하는 영역에서 MgN층이 배치되는 발광소자.
  11. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층 내에 배치된 제2 도전형 GaN층을 더 포함하고, 상기 제2 도전형 GaN층은 상기 전자 차단층에 대하여 상기 활성층과 반대 방향에 배치되고, 상기 전자 차단층은 AlGaN층과 MgN층 및 InGaN층이 적어도 2회 교번하여 배치되고, 상기 제2 도전형 GaN층과 접촉하는 영역에서 MgN층이 배치되는 발광소자.
  12. 제2 항에 있어서,
    상기 전자 차단층은, 상기 AlGaN층과 상기 MgN층 및 상기 InGaN층이 1회 내지 50회 번갈아 배치되는 발광소자.
  13. 삭제
  14. 삭제
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