KR102053257B1 - 발광 소자 - Google Patents
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Abstract
발광 소자는 제1 도전형 반도체층 상에 배치된 활성층과, 활성층 상에 배치된 제2 도전형 반도체층과, 활성층과 제2 도전형 반도체층 사이에 배치된 전자 차단층을 포함한다. 전자 차단층은 서로 교대로 배치된 기수번째 층과 우수번째 층을 포함하는 다수의 층을 포함한다. 기수번째 층과 우수번째 층은 적어도 Al을 포함하는 화합물 반도체 재질로 형성되고, 기수번째 층의 Al 함량은 상기 우수번째 층의 Al 함량보다 클 수 있다.
Description
실시예는 발광 소자에 관한 것이다.
발광 소자에 대한 연구가 활발하게 진행 중이다.
발광 소자는 예컨대 반도체 물질로 형성되어 전기 에너지를 빛으로 변환하여 주는 반도체 발광 소자 또는 반도체 발광 다이오드이다.
반도체 발광 소자는 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경친화성의 장점을 가진다. 이에 기존의 광원을 반도체 발광 소자로 대체하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.
반도체 발광 소자는 실내외에서 사용되는 각종 램프, 액정표시장치, 전광판, 가로등 등의 조명 장치의 광원으로서 사용이 증가되고 있는 추세이다.
실시예는 전자의 오버 플로우를 방지하여 광 효율을 향상시킬 수 있는 발광 소자를 제공한다.
실시예는 내부 전기장을 최소화하여 광 효율을 향상시킬 수 있는 발광 소자를 제공한다.
실시예는 결정성을 향상시켜 전기적 특성과 광학적 특성을 향상시킬 수 있는 발광 소자를 제공한다.
실시예에 따르면, 발광 소자는, 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치된 활성층; 상기 활성층 상에 배치된 제2 도전형 반도체층; 및 상기 활성층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치된 전자 차단층을 포함하고, 상기 전자 차단층은 서로 교대로 배치된 기수번째 층과 우수번째 층을 포함하는 다수의 층을 포함하고, 상기 기수번째 층과 상기 우수번째 층은 적어도 Al을 포함하는 화합물 반도체 재질로 형성되고, 상기 기수번째 층의 Al 함량은 상기 우수번째 층의 Al 함량보다 클 수 있다.
실시예는 전자가 활성층을 경유하여 도전형 반도체층으로 넘어가지 않도록 활성층과 도전형 반도체층 사이에 전자 차단층을 구비하여 광 효율을 향상시킬 수 있다.
실시예는 전자 차단층의 초격자 구조로 형성하고 에너지 밴드갭을 조절하여 주어, 광 효율을 향상시킬 수 있다.
실시예는 도전형 반도체층에 가까울수록 전자 차단층의 에너지 밴드갭을 작게 하여 주어 도전형 반도체층의 결정성을 향상시켜 전기적 특성과 광학적 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 2는 제1 실시예에 따른 전자 차단층을 도시한 단면도이다.
도 3은 종래와 제1 실시예의 광출력을 비교한 그래프이다.
도 4는 종래와 제1 실시예의 구동 전압을 비교한 그래프이다.
도 5는 종래의 전류 스프레딩을 보여주는 그림이다.
도 6은 제1 실시예의 전류 스프레딩을 보여주는 그림이다.
도 7은 종래와 실시예의 지향각을 보여주는 데이터이다.
도 8은 제2 실시예에 따른 전자 차단층을 도시한 단면도이다.
도 9는 제3 실시예에 따른 전자 차단층을 도시한 단면도이다.
도 10은 제4 실시예에 따른 전자 차단층을 도시한 단면도이다.
도 11은 실시예에 따른 수평형 발광 소자를 도시한 단명도이다.
도 12는 실시예에 따른 플립형 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 13은 실시예에 따른 수직형 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 2는 제1 실시예에 따른 전자 차단층을 도시한 단면도이다.
도 3은 종래와 제1 실시예의 광출력을 비교한 그래프이다.
도 4는 종래와 제1 실시예의 구동 전압을 비교한 그래프이다.
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도 6은 제1 실시예의 전류 스프레딩을 보여주는 그림이다.
도 7은 종래와 실시예의 지향각을 보여주는 데이터이다.
도 8은 제2 실시예에 따른 전자 차단층을 도시한 단면도이다.
도 9는 제3 실시예에 따른 전자 차단층을 도시한 단면도이다.
도 10은 제4 실시예에 따른 전자 차단층을 도시한 단면도이다.
도 11은 실시예에 따른 수평형 발광 소자를 도시한 단명도이다.
도 12는 실시예에 따른 플립형 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 13은 실시예에 따른 수직형 발광 소자를 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 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 발광 소자는 기판(1), 제1 도전형 반도체층(13), 활성층(15), 전자 차단층(17) 및 제2 도전형 반도체층(19)을 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 기판(1)은 그 위의 반도체층들을 용이하게 성장시켜 주는 역할을 하지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 이들 반도체층들이 상기 기판(1) 상에 안정적으로 성장되기 위해 상기 기판(1)은 상기 반도체층들과의 격자 상수가 가급적 작은 차이를 갖는 물질로 형성될 수 있다.
상기 기판(1)은 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP 및 Ge로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나로 형성될 수 있다.
상기 기판(1)과 상기 제1 도전형 반도체층(13) 사이에 배치된 버퍼층(미도시)이 더 포함될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 상기 버퍼층은 상기 기판(1)과 상기 제1 도전형 반도체층(13) 사이의 격자 상수 차이를 완화하여 주기 위해 형성될 수 있다.
상기 버퍼층과 상기 제1 도전형 반도체층(13) 사이에 배치된 언도프트 반도체층(미도시)이 더 포함될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 제1 도전형 반도체층(13)의 아래 또는 상기 제2 도전형 반도체층(19)의 위에 배치된 또 다른 반도체층(미도시)이 더 포함될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 기판(1), 상기 버퍼층, 상기 언도프트 반도체층 또는 또 다른 반도체층 상에 제1 도전형 반도체층(13), 활성층(15) 및 제2 도전형 반도체층(19)이 순차적으로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층, 상기 언도프트 반도체층, 또 다른 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층(13), 상기 활성층(15), 전자 차단층(17), 상기 제2 도전형 반도체층(19)은 II-VI족 또는 III-V족 화합물 반도체 재질로 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(13)은 예를 들어, n형 도펀트를 포함하는 n형 반도체층일 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(13)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 있으며, Si, Ge, Sn 등의 n형 도펀트가 도핑될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(13) 상에는 상기 활성층(15)이 형성될 수 있다.
상기 활성층(15)은 상기 제1 도전형 반도체층(13)을 통해서 주입되는 제1 캐리어, 예컨대 전자와 상기 제2 도전형 반도체층(19)을 통해서 주입되는 제2 캐리어, 예컨대 정공이 서로 결합되어, 상기 활성층(15)의 형성 물질에 따른 에너지 밴드갭(Energy Band Gap)에 상응하는 파장을 갖는 빛을 생성하여 줄 수 있다.
상기 활성층(15)은 다중 양자 우물 구조(MQW), 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 활성층(15)은 우물층과 장벽층의 주기로 반복 형성될 수 있다. 예를 들면 InGaN/GaN 의 주기, InGaN /AlGaN의 주기, InGaN /InGaN의 주기 등으로 형성될 수 있다. 상기 장벽층의 밴드갭은 상기 우물층의 밴드갭보다 크게 형성될 수 있다.
상기 활성층(15) 상에 상기 제2 도전형 반도체층(19)이 형성될 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(19)은 예를 들어, p형 도펀트를 포함하는 p형 반도체층일 수 있다. 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 있으며, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등의 p형 도펀트가 도핑될 수 있다.
한편, 상기 제1 도전형 반도체층(13)에서 전자가 생성되어 상기 활성층(15)으로 공급되고, 상기 제2 도전형 반도체층(19)에서 정공이 생성되어 상기 활성층(15)으로 공급될 수 있다.
전자의 이동도는 정공의 이동도에 비해 상대적으로 매우 크므로, 상기 제1 도전형 반도체층(13)에서 생성된 전자는 상기 활성층(15)에 공급되어 광이 생성되는데 사용되기도 하지만, 일부 전자들은 매우 높은 이동도로 인해 상기 활성층(15)에 머무르지 않고 상기 제2 도전형 반도체층(19)으로 이동될 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(19)으로 이동된 전자는 광의 생성에 전혀 기여를 하지 못하므로, 상기 제2 도전형 반도체층(19)으로 이동되는 전자를 막지 못하면, 광 효율이 낮아질 수 있다.
실시예에 따른 발광 소자는 전자가 제2 도전형 반도체층(19)으로 넘어가지 못하도록 상기 활성층(15)과 상기 제2 도전형 반도체층(19) 사이에 초격자 구조를 갖는 전자 차단층(17)을 형성하여 줄 수 있다.
상기 전자 차단층(17)은 다수의 기수번째 층(21, 23, 25, 27)과 다수의 우수번째 층(22, 24, 26)이 교대로 형성될 수 있다.
예컨대, 상기 전자 차단층(17)은 3.5 쌍을 갖는 다수의 기수번째 층(21, 23, 25, 27)과 다수의 우수번째 층(22, 24, 26)을 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
예컨대, 상기 활성층(15)과 접하여 제1 기수번째 층(21)이 형성되고, 상기 제1 기수번째 층(21)에 접하여 제1 우수번째 층(22)이 형성될 수 있다. 상기 제1 우수번째 층(22)에 접하여 제2 기수번째 층(23)이 형성되고, 상기 제2 기수번째 층(23)에 접하여 제2 우수번째 층(24)이 형성될 수 있다. 상기 제2 우수번째 층(24)에 접하여 상기 제3 기수번째 층(25)이 형성되고, 상기 제3 기수번째 층(25)에 접하여 제3 우수번째 층(26)이 형성되며, 상기 제3 우수번째 층(26)에 접하여 제4 기수번째 층(27)이 형성될 수 있다.
도 2는 제1 실시예에 따른 전자 차단층을 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 제1 실시예에 따른 전자 차단층(17)에서 제1 내지 제4 기수번째 층(21, 23, 25, 27)과 제1 내지 제3 우수번째 층(22, 24, 26)이 서로 교대로 배치될 수 있다. 즉, 상기 전자 차단층(17)은 서로 상이한 에너지 밴드갭(Eg1 내지 Eg7)을 갖는 다수의 층을 포함할 수 있다.
상기 제1 내지 제4 기수번째 층(21, 23, 25, 27)과 상기 제1 내지 제3 우수번째 층(22, 24, 26) 각각의 두께(T1 내지 T7)는 동일할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 제1 내지 제4 기수번째 층(21, 23, 25, 27) 각각의 에너지 밴드갭(Eg1, Eg3, Eg5, Eg7)은 동일하고, 상기 제1 내지 제3 우수번째 층(22, 24, 26) 각각의 에너지 밴드갭(Eg2, Eg4, Eg6)은 동일할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 제1 내지 제4 기수번째 층(21, 23, 25, 27) 각각의 에너지 밴드갭(Eg1, Eg3, Eg5, Eg7)은 상기 제1 내지 제3 우수번째 층(22, 24, 26) 각각의 에너지 밴드갭(Eg2, Eg4, Eg6)보다 클 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 제1 내지 제4 기수번째 층(21, 23, 25, 27)은 AlxGa(1-x)N (0<x<1) 의 조성식을 갖는 화합물 반도체 재질로 형성될 수 있고, 상기 제1 내지 제3 우수번째 층(22, 24, 26)은 AlyGa(1-y)N의 조성식을 갖는 화합물 반도체 재질로 형성될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 제1 내지 제4 기수번째 층(21, 23, 25, 27) 각각의 에너지 밴드갭(Eg1, Eg3, Eg5, Eg7)은 상기 제1 내지 제3 우수번째 층(22, 24, 26) 각각의 에너지 밴드갭(Eg2, Eg4, Eg6)보다 적어도 클 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
예컨대, 상기 제1 내지 제4 기수번째 층(21, 23, 25, 27) 각각의 Al 함량은 10% 내지 30%이고, 상기 제1 내지 제3 우수번째 층(22, 24, 26) 각각의 Al 함량은 2% 내지 15%일 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 예컨대, 상기 제1 내지 제4 기수번째 층(21, 23, 25, 27) 각각의 Al 함량은 바람직하게 25%이고, 상기 제1 내지 제3 우수번째 층(22, 24, 26) 각각의 Al 함량은 바람직하게 8%일 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
제1 실시예에 따른 전자 차단층(17)은 모든 층들, 즉 제1 내지 제4 기수번째 층(21, 23, 25, 27)과 제1 내지 제3 우수번째 층(22, 24, 26) 모두 적어도 Al을 포함하도록 함으로써, 전자 차단층(17) 내의 내부 전기장을 최소화하여 밴드 구브러짐(band bending)을 제거하여 제2 도전형 반도체층(19)에서 생성된 정공의 활성층(15)으로 주입을 용이하게 하여 주어 광 효율을 향상시킬 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 종래와 비교하여 제1 실시예에 따른 전자 차단층(17)을 적용했을 때, 광 출력이 더욱 향상됨을 알 수 있다. 여기서, 종래는 단일층으로 이루어진 벌크 타입(bulk type)의 전자 차단층이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 종래와 비교하여 제1 실시예에 따른 전자 차단층(17)을 적용했을 때, 구동 전압이 더욱 낮아짐을 알 수 있다.
또한, 도 5에 도시된 종래의 전류 스프레딩보다 도 6에 도시된 제1 실시예에 따른 전자 차단층(17)을 적용했을 때의 전류 스프레딩이 더욱 확장됨을 알 수 있다.
아울러, 도 7에 도시한 바와 같이, 종래에 비해 제1 실시예에 다른 전자 차단층(17)을 적용했을 때, 지향각이 더욱 더 넓어짐을 알 수 있다. 예컨대, 종래의 지향각은 147°인데 반해, 제1 실시예에 따른 전자 차단층(17)을 적용했을 때의 지향각은 149°일 수 있다.
도 8은 제2 실시예에 따른 전자 차단층을 도시한 단면도이다.
제2 실시예는 기수번째 층(21, 23, 25, 27)과 우수번째 층(22, 24, 26)의 두께(T1 내지 T7)가 상이한 것을 제외하고는 제1 실시예와 거의 유사하다. 제2 실시예에서 제1 실시예와 동일한 기능을 갖는 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여하고 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 8을 참조하면, 제2 실시예에 따른 전자 차단층(17A)에서 제1 내지 제4 기수번째 층(21, 23, 25, 27)과 제1 내지 제3 우수번째 층(22, 24, 26)이 서로 교대로 배치될 수 있다. 즉, 상기 전자 차단층(17A)은 서로 상이한 두께(T1 내지 T7)를 갖는 다수의 층을 포함할 수 있다.
상기 다수의 층의 두께(T1 내지 T7)는 상기 활성층(15)에 가까울수록 두꺼워지고 상기 제2 도전형 반도체층(19)에 가까울수록 얇아질 수 있다. 즉, 상기 다수의 층의 두께(T1 내지 T7)는 상기 활성층(15)에서 상기 제2 도전형 반도체층(19)으로 갈수록 얇아질 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
인접하는 기수번째 층과 우수번째 층은 동일한 두께를 가질 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
예컨대, 상기 제1 기수번째 층(21)과 상기 제1 우수번째 층(22)은 동일한 두께(T1, T2)를 가지고, 제2 기수번째 층(23)의 두께(T3)는 상기 제1 우수번째 층(22)의 두께(T2)보다 얇아질 수 있다.
예컨대, 상기 제2 기수번째 층(23)과 제2 우수번째 층(24)은 동일한 두께(T3, T4)를 가지고, 제3 기수번째 층(25)의 두께(T5)는 상기 제2 우수번째 층(24)의 두께(T4)보다 얇아질 수 있다.
예컨대, 상기 제3 기수번째 층(25)과 제3 우수번째 층(26)은 동일한 두께(T5, T6)를 가지고, 제4 기수번째 층(27)의 두께(T7)는 상기 제3 우수번째 층(26)의 두께(T6)보다 얇아질 수 있다.
예컨대, 상기 제1 기수번째 층(21)과 상기 제1 우수번째 층(22)은 6nm의 두께를 가지고, 상기 제2 기수번째 층(23)과 상기 제2 우수번째 층(24)은 5nm의 두께를 가지고, 상기 제3 기수번째 층(25)과 상기 제3 우수번째 층(26)은 4nm의 두께를 가지며, 상기 제4 기수번째 층(27)은 3nm의 두께를 가질 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
도 9는 제3 실시예에 따른 전자 차단층을 도시한 단면도이다.
제3 실시예는 기수번째 층(21, 23, 25, 27)들 중에서 적어도 하나의 기수번째 층의 에너지 밴드갭이 다른 기수번째 층의 에너지 밴드갭보다 큰 것을 제외하고는 제1 실시예와 거의 동일하다. 제3 실시예에서 제1 실시예와 동일한 기능을 갖는 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여하고 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 9를 참조하면, 제3 실시예에 따른 전자 차단층(17B)에서 제1 내지 제4 기수번째 층(21, 23, 25, 27)과 제1 내지 제3 우수번째 층(22, 24, 26)이 서로 교대로 배치될 수 있다. 즉, 상기 전자 차단층(17B)은 서로 상이한 에너지 밴드갭(Eg1, Eg3, Eg5, Eg7)을 갖는 다수의 층을 포함할 수 있다.
상기 제1 내지 제3 우수번째 층(22, 24, 26) 각각의 에너지 밴드갭(Eg2, Eg4, Eg6)은 동일할 수 있다.
상기 제1 내지 제4 기수번째 층(21, 23, 25, 27) 중 적어도 하나의 기수번째 층의 에너지 밴드갭은 다른 기수번째 층들의 에너지 밴드갭보다 클 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
예컨대, 상기 제2 기수번째 층(23)의 에너지 밴드갭(Eg3)은 상기 제1 기수번째 층(21) 그리고 상기 제3 및 제4 기수번째 층(25, 27)의 에너지 밴드갭(Eg1, Eg5, Eg7)보다 클 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 제2 기수번째 층(23)의 에너지 밴드갭(Eg2)은 인접하는 제1 기수번째 층(21)과 제3 기수번째 층(25)의 에너지 밴드갭(Eg1, Eg5)보다 클 수 있다.
예컨대, 상기 제1 기수번째 층(21)과 상기 제3 및 제 4 기수번째 층(25, 27) 각각의 Al 함량은 10% 내지 30%이고, 상기 제2 기수번째 층(23)의 Al 함량은 20% 내지 40%이며, 상기 제1 내지 제3 우수번째 층(22, 24, 26) 각각의 Al 함량은 2% 내지 15%일 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 예컨대, 상기 제1 기수번째 층(21)과 상기 제3 및 제 4 기수번째 층(25, 27) 각각의 Al 함량은 바람직하게 25%이고, 상기 제2 기수번째 층(23)의 Al 함량은 바람직하게 30%이며, 상기 제1 내지 제3 우수번째 층(22, 24, 26) 각각의 Al 함량은 바람직하게 8%일 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
제3 실시예에 따르면, 제2 기수번째 층(23)의 Al 함량을 상기 제1 기수번째 층(21)의 Al 함량보다 더 많게 함으로써, 압전분극(piezoelectric field)를 감소시켜 밴드 구부러짐의 제어를 통한 정공 주입 효율을 증가시켜 광 효율을 향상시킬 수 있다.
제3 실시예는 제2 실시예에서 제2 도전형 반도체층(19)으로 갈수록 두께(T1 내지 T7)가 작아지는 다수의 층을 포함하는 전자 차단층에도 적용할 수 있다.
도 10은 제4 실시예에 따른 전자 차단층을 도시한 단면도이다.
제4 실시예는 제3 및 제4 기수번째 층(25, 27)의 에너지 밴드갭(Eg5, Eg7)이 더욱 작아진 것을 제외하고는 제3 실시예와 거의 유사하다. 제4 실시예에서 제3 실시예와 동일한 기능을 갖는 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여하고 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 10을 참조하면, 제4 실시예에 따른 전자 차단층(17C)에서 제1 내지 제4 기수번째 층(21, 23, 25, 27)과 제1 내지 제3 우수번째 층(22, 24, 26)이 서로 교대로 배치될 수 있다. 즉, 상기 전자 차단층(17C)은 서로 상이한 에너지 밴드갭(Eg1 내지 Eg7)을 갖는 다수의 층을 포함할 수 있다.
제1 내지 제4 기수번째 층(21, 23, 25, 27) 중에서 제2 기수번째 층(23)의 에너지 밴드갭(Eg3)이 제일 크고, 제3 기수번째 층(25)의 에너지 밴드갭(Eg5)이 그 다음 크고, 제1 기수번째 층(21)의 에너지 밴드갭(Eg1)이 그 다음 크며, 제4 기수번째 층(27)의 에너지 밴드갭(Eg7)이 제일 작을 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
예컨대, 상기 제1 기수번째 층(21)의 Al 함량은 바람직하게 18%이고, 상기 제2 기수번째 층(23)의 Al 함량은 바람직하게 30%이고, 상기 제3 기수번째 층(25)의 Al 함량은 바람직하게 20%이며, 상기 제4 기수번째 층(27)의 Al 함량은 15%일 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
예컨대, 다수의 기수번째 층(21, 23, 25, 27)들 중에서, 제2 기수번째 층(23)의 에너지 밴드갭(Eg3)이 가장 크고, 제3 기수번째 층(25)부터 마지막 기수번째 층(27)은 에너지 밴드갭(Eg5, Eg7)이 선형적으로 또는 비선형적으로 작아질 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 이러한 경우, 상기 제3 기수번째 층(25)과 상기 마지막 기수번째 층(27) 사이에 다수의 기수번째 층이 추가로 배치될 수 있다.
마지막 기수번째 층(27)의 에너지 밴드갭(Eg7)은 제1 기수번째 층(21)의 에너지 밴드갭(Eg1)보다 클 수도 있고 작을 수도 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
도 11은 실시예에 따른 수평형 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 11을 참조하면, 실시예에 따른 수평형 발광 소자는 기판(1), 제1 도전형 반도체층(13), 활성층(15), 전자 차단층(17), 제2 도전형 반도체층(19), 투명 도전층(42) 및 제1 및 제2 전극(30, 32)을 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
도 11의 실시예에서, 도 1에 도시된 구성 요소와 동일한 기능을 갖는 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여하고 상세한 설명을 생략하기로 한다.
상기 제1 도전형 반도체층(13), 상기 활성층(15) 및 상기 제2 도전형 반도체층(19)은 발광 구조물(20)을 형성할 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(19) 상에는 투명 도전층(42)이 형성되고, 상기 투명 도전층(42) 상의 일부 영역에 제2 전극(32)이 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(13) 상의 일부 영역에 제1 전극(30)이 형성될 수 있다. 이를 위해, 메사 식각에 의해 상기 제2 도전형 반도체층(19)과 상기 활성층(15)이 제거되고 상기 제1 도전형 반도체층(13)의 상면의 일부분이 제거될 수 있다. 이와 같이 제거된 제1 도전형 반도체층(13) 상에 상기 제1 전극(30)이 형성될 수 있다.
상기 제2 전극(32)은 실시예에 따른 수평형 발광 소자의 최상부에 형성되고, 상기 제1 전극(30)은 실시예에 따른 수평형 발광 소자의 측면 상에 형성됨에 따라, 제1 및 제2 전극(30, 32)에 전원이 인가되면 전류가 제1 및 제2 전극(30, 32) 사이의 최단 경로에 해당하는 발광 구조물로 흐르기 때문에 활성층(15)의 전 영역에서 발광이 되지 않을 수 있다.
따라서, 상기 제2 도전형 반도체층(19)과 상기 제2 전극(32) 사이에 상기 제2 도전형 반도체층(19)의 전 영역 상에 투명 도전층(42)을 형성하여 줌으로써, 제2 전극(32)을 통해 투명 도전층(42)의 전 영역으로 전류가 스프레딩되어 상기 제1 전극(30)과 상기 투명 전극(42)의 전 영역 사이로 전류가 흐르게 되어 활성층(15)의 전 영역에서 발광이 되어 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 투명 도전층(42)은 광을 투과시키는 우수한 투광성과 전기적 전도도를 갖는 도전성 물질로 형성되는데, 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 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극(30, 32)은 예컨대, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 백금(Pt), 금(Au), 텅스텐(W), 구리(Cu) 및 몰리브덴(Mo)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 하나 또는 이들의 합금을 포함할 수 있지만, 이에 한정하지 않는다.
도 12는 실시예에 따른 플립형 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 12의 실시예는 도 11의 실시예의 투명 도전층(42) 대신에 반사층(44)이 형성되는 것을 제외하고는 도 11의 실시예와 거의 유사하다. 따라서, 도 12의 실시예에서 도 11의 실시예와 동일한 형상이나 동일한 기능을 갖는 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여하고 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 12를 참조하면, 실시예에 따른 플립형 발광 소자는 기판(1), 제1 도전형 반도체층(13), 활성층(15), 전자 차단층(17), 제2 도전형 반도체층(19), 반사층(44) 및 제1 및 제2 전극(34, 36)을 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 제1 도전형 반도체층(13), 상기 활성층(15) 및 상기 제2 도전형 반도체층(19)은 발광 구조물(20)을 형성할 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(19)의 아래에 반사층(44)이 형성되고, 상기 반사층(44)의 아래에 제2 전극(36)이 형성될 수 있다.
상기 반사층(44)은 상기 활성층(15)에서 생성되어 하부 방향으로 진행된 광을 반사시켜 주는 역할을 할 수 있다. 상기 반사층(44)은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 및 Hf로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 하나 또는 이들의 적층이 포함될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 제1 도전형 반도체층(13)의 아래에 제1 전극(34)이 형성될 수 있다.
도 13은 실시예에 따른 수직형 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 11의 제1 및 제2 전극(30, 32) 또는 도 12의 제1 및 제2 전극(34, 36)을 대신하여, 도 13의 실시예에서는 전극(38)과 전극층(54)이 구비되는데, 전극(38)과 전극층(54)은 서로 수직으로 중첩되는 구조로 배치될 수 있다. 아울러, 도 13의 실시예에서, 전극층(54)은 적어도 발광 구조물(20)의 활성층(15)보다 큰 사이즈를 가지고 반사 특성을 가지므로, 상기 활성층(15)에서 생성된 광을 전방으로 반사시켜 주어 발광 효율이 향상될 수 있다.
도 13의 실시예의 전극(38)은 도 11의 제1 및 제2 전극 또는 도 12의 제1 및 제2 전극과 동일한 구조, 형상, 물질 및 기능을 가질 수 있다. 따라서, 도 13의 실시예의 전극(38)의 상세한 설명은 생략하기로 하고, 이하에서 생략된 내용은 앞서의 설명으로부터 용이하게 이해될 수 있을 것이다.
도 13을 참조하면, 실시예에 따른 발광 소자는 지지 기판(50), 접합층(52), 전극층(54), 채널층(56), 전류 차단층(Current Blocking Layer, CBL)(58), 제1 도전형 반도체층(13), 활성층(15), 전자 차단층(17), 제2 도전형 반도체층(19), 보호층(60) 및 전극(38)을 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(13), 상기 활성층(15) 및 상기 제2 도전형 반도체층(19)은 발광 구조물(20)을 형성할 수 있다.
상기 지지 기판(50), 상기 접합층(52) 및 상기 전극층(54)은 전원을 공급하여 주기 위한 전극 부재를 형성할 수 있다.
상기 지지 기판(50)은 그 위에 형성되는 복수의 층들을 지지할 뿐만 아니라 전극으로서의 기능을 가질 수 있다. 상기 지지 기판(50)은 상기 전극(38)과 함께 상기 발광 구조물(20)에 전원을 공급하여 줄 수 있다.
상기 지지 기판(50)은 금속 물질 또는 반도체 물질로 형성될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 상기 지지 기판(50)은 전기 전도성과 열 전도성이 높은 물질로 형성될 수 있다. 상기 지지 기판(50)은 예를 들어, 티탄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금(Au), 텅스텐(W), 구리(Cu), 구리합금(Cu Alloy), 몰리브덴(Mo) 및 구리-텅스텐(Cu-W)로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 금속 물질일 수 있다. 상기 지지 기판(50)은 예를 들어, Si, Ge, GaAs, GaN, ZnO, SiGe 및 SiC로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 반도체 물질일 수 있다.
상기 지지 기판(50) 상에는 상기 접합층(52)이 형성될 수 있다. 상기 접합층(52)은 상기 전극층(54)과 상기 지지 기판(50) 사이에 형성된다. 상기 접합층(52)은 전극층(54)과 상기 지지 기판(50) 사이의 접착력을 강화시켜 주는 매개체 역할을 할 수 있다.
상기 접합층(52)은 접합성과 열 전도성이 높은 금속 물질로 형성될 수 있다. 상기 접합층(52)은 예를 들어, Ti, Au, Sn, Ni, Nb, Cr, Ga, In, Bi, Cu, Ag 및 Ta로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 접합층(52)의 상면은 중심 영역에 대해 주변 영역이 상부 방향, 즉 상기 발광 구조물(20)로 더 연장되도록 형성된 그루브를 가질 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 상기 접합층(52)의 상면의 중심 영역에 접하거나 상기 그루브에 전극층(54)이 형성될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 전극층(54)의 일부 영역은 상기 채널층(56)의 하면과 수직 방향으로 중첩되도록 형성될 수 있다. 다시 말해, 상기 채널층(56)의 내측 영역은 상기 전극층(54)의 끝단을 지나 내측으로 연장되도록 형성될 수 있다.
상기 전극층(54)은 상기 발광 구조물(20)로부터 입사되는 광을 반사시켜 주어, 광 추출 효율을 개선시켜 줄 수 있다.
상기 전극층(54)은 상기 발광 구조물(20)과 오믹 콘택되어, 전류가 발광 구조물(20)로 흐르도록 할 수 있다.
상기 전극층(54)은 반사 물질과 오믹 콘택 물질이 혼합된 단일 층으로 형성될 수 있다. 이러한 경우, 상기 전극층(54)은 반사층과 오믹 콘택층을 별개로 형성할 필요가 없다. 상기 반사 물질로는 예를 들어, Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 및 Hf로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나 또는 둘 이상의 합금이 사용되지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 상기 오믹 콘택 물질로는 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 전극층(54)은 예를 들어, IZO/Ni, AZO/Ag, IZO/Ag/Ni 및 AZO/Ag/Ni 중 어느 하나를 포함하는 다층으로 구성될 수 있다.
상기 전극층(54) 상에는 전류 차단층(58)이 형성될 수 있다. 상기 전류 차단층(58)은 상기 발광 구조물(20)의 하면과 접하도록 형성할 수 있다. 상기 전류 차단층(58)은 상기 전극(38)과 수직 방향으로 적어도 일부가 중첩되도록 형성될 수 있다.
상기 전류 차단층(58)은 상기 전극층(54)의 상면 내에 형성될 수 있지만, 이에 한정하지 않는다. 즉 도시되지 않았지만, 상기 전류 차단층(58)은 상기 발광 구조물(20)의 하면 내, 상기 전극층(54)의 하면 내, 또는 상기 접합층(52)의 상면 내에 형성될 수 있다.
상기 전류 차단층(58)은 상기 발광 구조물(20)과 쇼트키 콘택(Schottky contact)될 수 있다. 이에 따라, 상기 전류 차단층(58)과 쇼트키 콘택되는 상기 발광 구조물(20)로 전류가 원활하게 공급되지 않게 된다.
상기 전극층(54) 상에 채널층(56)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 전극층(54)의 에지 영역의 둘레를 따라 상기 채널층(56)이 형성될 수 있다. 즉, 상기 채널층(56)은 상기 발광 구조물(20)과 상기 전극층(54) 사이의 둘레 영역에 형성될 수 있다.
상기 채널층(56)은 외부의 이물질에 의한 상기 접합층(52)의 측면과 상기 발광 구조물(20)의 측면 사이의 전기적인 쇼트를 방지하여 줄 수 있다. 아울러 상기 채널층(56)은 상기 발광 구조물(20)과 접촉하는 면적을 가능한 확보하여 복수개의 칩을 개별 칩 단위로 분리하는 레이저 스크라이빙(Laser Scribing) 공정과 성장 기판을 제거하는 레이저 리프트 오프(LLO) 공정시 상기 발광 구조물(20)이 상기 전극층(54)으로부터 박리되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
상기 채널층(56)은 절연 물질 예를 들어, SiO2, SiOx, SiOxNy, Si3N4, Al2O3로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한 상기 채널층(56)은 금속 물질로 형성될 수도 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 발광 구조물(20)이 상기 전극층(54), 상기 채널층(56) 및 상기 전류 차단층(58) 상에 형성될 수 있다.
상기 발광 구조물(20)의 측면은 복수개의 칩을 개별 칩 단위로 구분하는 식각에 의해 수직하거나 경사지게 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 발광 구조물(20)의 측면은 아이솔레이션 식각 (isolation etching)에 의해 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(13)의 상면에는 광을 추출하여 주는 광 추출 구조(62)가 형성될 수 있다.
상기 광 추출 구조(62)는 러프니스(roughness) 구조일 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 제1 도전형 반도체층(13) 상에 전극(38)이 형성될 수 있다.
상기 전극(38)은 상기 발광 구조물(20)의 전체 면적을 커버하지 않고, 국부적으로 형성된 패턴 형상을 가질 수 있다.
상기 발광 구조물(20) 상에 보호층(60)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 발광 구조물(20)의 적어도 측면상에는 보호층(60)이 형성될 수 있다.
상기 보호층(60)은 상기 발광 구조물(20)과 지지 기판(50) 사이의 전기적 쇼트를 방지하는 한편 수직형 발광 소자를 외부의 충격으로부터 보호하는 역할을 할 수 있다. 상기 보호층(60)은 투명성과 절연성이 우수한 재질로 형성될 수 있다. 상기 보호층(60)은 예를 들어, SiO2, SiOx, SiOxNy, Si3N4, TiO2 및 Al2O3로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있지만, 이에 대해 한정하지는 않는다.
11: 기판
13: 제1 도전형 반도체층
15: 활성층
17, 17A, 17B, 17C: 전자 차단층
19: 제2 도전형 반도체층
21, 23, 25, 27: 기수번째 층
22, 24, 26: 우수번째 층
30, 32, 34, 36, 38: 전극
42: 투명 도전층
44: 반사층
52: 접합층
50: 지지 기판
54: 전극층
56: 채널층
58: 전류 차단층
60: 보호층
62: 광 추출 구조
Eg1, Eg2, Eg3, Eg4, Eg5, Eg6, Eg7: 에너지 밴드갭
T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7: 두께
13: 제1 도전형 반도체층
15: 활성층
17, 17A, 17B, 17C: 전자 차단층
19: 제2 도전형 반도체층
21, 23, 25, 27: 기수번째 층
22, 24, 26: 우수번째 층
30, 32, 34, 36, 38: 전극
42: 투명 도전층
44: 반사층
52: 접합층
50: 지지 기판
54: 전극층
56: 채널층
58: 전류 차단층
60: 보호층
62: 광 추출 구조
Eg1, Eg2, Eg3, Eg4, Eg5, Eg6, Eg7: 에너지 밴드갭
T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7: 두께
Claims (14)
- 제1 도전형 반도체층;
상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치된 활성층;
상기 활성층 상에 배치된 제2 도전형 반도체층; 및
상기 활성층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치된 전자 차단층을 포함하고,
상기 전자 차단층은 제1 내지 제4 기수번째층과 제1 내지 제3우수번째층이 서로 교대로 배치되고,
상기 전자 차단층은 상기 활성층 상에 제1 기수번째층, 상기 제1 기수번째층 상에 제1 우수번째층, 상기 제1 우수번째층 상에 제2 기수번째층, 상기 제2 기수번째층 상에 제2 우수번째층, 상기 제2 우수번째층 상에 제3 기수번째층, 상기 제3 기수번째층 사에 제3 우수번째층, 상기 제3 우수번째층 상에 제4 기수번째층을 포함하고,
상기 제1 기수번째층 내지 상기 제4 기수번째층과 상기 제1 우수번째층 내지 상기 제3 우수번째층은 적어도 Al을 포함하는 화합물 반도체 재질로 형성되고,
상기 제1 기수번째층 내지 상기 제4 기수번째층의 Al 함량은 상기 제1 우수번째층 내지 상기 제3 우수번째층의 Al 함량보다 크며,
상기 제1 기수번째층은 상기 활성층과 접촉하고 상기 제4 기수번째층은 상기 제2 도전형 반도체층과 접촉하며,
상기 제2 기수번째층의 에너지 밴드갭은 상기 제1 기수번째층, 상기 제3 기수번째층, 상기 제4 기수번째층의 에너지 밴드갭보다 크며,
상기 제1 기수번째층, 상기 제3 기수번째층, 상기 제4 기수번째층의 에너지 밴드갭은 동일한 발광 소자. - 제1항에 있어서,
상기 제2 기수번째층의 Al 함량은 20% 내지 40%이고,
상기 제1 기수번째층, 상기 제3 기수번째층, 상기 제4 기수번째층 각각의 Al 함량은 10% 내지 30%이며,
상기 제1 우수번째 층 내지 상기 제3 우수번째층 각각의 Al 함량은 2% 내지 15%인 발광 소자. - 제2항에 있어서,
상기 제1 기수번째층 내지 상기 제4 기수번째층과 상기 제1 우수번째층 내지 상기 제3 우수번째층은 상기 제2 도전형 반도체층과 가까워질수록 두께가 얇아지는 발광 소자. - 삭제
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