KR102066609B1 - 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

실시예의 발광 소자는 지지 기판과, 지지 기판 위에 순차적으로 배치되는 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 갖는 발광 구조물 및 제1 도전형 반도체층과 활성층 사이에 배치되며, AlxG1 - xN 초격자층 및 AlyG1 - yN 초격자층의 이중층 구조를 적어도 하나 포함하는 반사층을 포함하고, x와 y는 서로 달라 AlxG1-xN 초격자층과 AlyG1 - yN 초격자층은 서로 다른 굴절률을 갖는다.

Description

발광 소자{Light Emitting Device}
실시예는 발광 소자에 관한 것이다.
발광 다이오드(LED:Light Emitting Diode)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전기를 적외선 또는 빛으로 변환시켜서 신호를 주고 받거나, 광원으로 사용되는 반도체 소자의 일종이다.
Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체(group Ⅲ-Ⅴ nitride semiconductor)는 물리적 및 화학적 특성으로 인해 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD:Laser Diode) 등의 발광소자의 핵심 소재로 각광을 받고 있다.
이러한 발광 다이오드는 백열등과 형광등 등의 기존 조명기구에 사용되는 수은(Hg)과 같은 환경 유해물질이 포함되어 있지 않아 우수한 친환경성을 가지며, 긴 수명과 저전력 소비특성 등과 같은 장점이 있기 때문에 기존의 광원들을 대체하고 있다.
도 1은 기존의 발광 소자의 단면도로서, 사파이어 기판(10), 발광 구조물(20) 및 n형 전극(30)으로 구성된다.
도 1의 발광 소자에서, 발광 구조물(20)은 사파이어 기판(10) 위에 배치되며, p형 반도체층(22), 활성층(24) 및 n형 반도체층(26)으로 구성된다. p형 반도체층(22)과 n형 반도체층(26)은 통상적으로 GaN으로 이루어진다. 그러나, 활성층(24)으로부터 방출되는 빛의 파장 대역이 405 ㎚ 보다 적은 근 자외선(NUV:Near UV) 파장 대역일 경우 GaN은 NUV 광을 흡수할 수 있으므로, p형 반도체층(22)과 n형 반도체층(26)은 GaN 대신에 AlGaN으로 이루어질 수 있다.
그러나, p형 및 n형 반도체층(22, 26) 각각을 AlGaN으로 구현할 경우, 활성층(24)에서 방출된 빛의 흡수가 GaN보다 감소되지만, p형 GaN층(22) 대비 p형 AlGaN층(22)의 도전성(conductivity)이 저하되어 발광 소자의 동작 전압이 상승할 수 있다.
실시예는 도전성을 증가시켜 전기적인 특성도 개선시킬 수 있을 뿐만 아니라 방출 광의 흡수를 줄여 광학적 특성의 악화를 방지할 수 있는 발광 소자를 제공한다.
실시예의 발광 소자는, 지지 기판; 상기 지지 기판 위에 순차적으로 배치되는 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 갖는 발광 구조물; 및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 활성층 사이에 배치되며, AlxG1 - xN 초격자층 및 AlyG1-yN 초격자층의 이중층 구조를 적어도 하나 포함하는 반사층을 포함하고, 상기 x와 y는 서로 달라 상기 AlxG1 - xN 초격자층과 상기 AlyG1 - yN 초격자층은 서로 다른 굴절률을 갖는다.
상기 활성층은 우물층과 장벽층의 페어 구조를 적어도 하나 포함하고, 상기 반사층의 밴드 갭 에너지는 상기 장벽층의 밴드 갭 에너지보다 클 수 있다.
또한, y는 x보다 크며, 0 ≤ x ≤ 0.3 이고, 0.3 ≤ y ≤ 1 일 수 있다. 상기 AlxG1 - xN 초격자층과 상기 AlyG1 - yN 초격자층 각각은 20 ㎚ 이하의 두께 예를 들어, 3 ㎚ 내지 5 ㎚의 두께를 가질 수 있으며, 상기 반사층에 포함된 상기 이중층의 개수는 50개 이하일 수 있다. 상기 반사층은 제1 도전형 도펀트에 의해 도핑될 수 있다.
또한, 상기 제1 도전형 반도체층은 AlGaN 보다 높은 전기 전도도를 갖는 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, GaN으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 활성층은 330 ㎚ 내지 405 ㎚ 파장 대역의 빛을 방출할 수 있다.
또한, 상기 이중층 구조에서 상기 AlyG1 - yN 초격자층은 버텀층이고, 상기 AlxG1-xN 초격자층은 상기 버텀층 상에 배치될 수 있다.
또한, 상기 반사층의 평면 형상은 패턴을 갖는다.
실시예에 따른 발광 소자는 활성층과 제1 도전형 반도체층 사이에 반사층을 배치함으로써 AlGaN보다 전기적 전도성이 높은 GaN에 의해 제1 도전형 반도체층을 구현할 수 있어 전기적 특성이 우수하고, 반사층에 제1 도전형 도펀트를 도핑함으로써 전기적 특성이 더 우수해지며, 활성층에서 방출된 근 자외선 파장 대역의 빛이 GaN으로 이루어진 제1 도전형 반도체층에 흡수되기 이전에 반사시킬 수 있어 광학적 특성의 악화를 방지할 수 있고, 결정성을 향상시켜 크랙이 감소되는 효과를 갖는다.
도 1은 기존의 발광 소자의 단면도이다.
도 2는 실시예에 의한 발광 소자의 단면도를 나타낸다.
도 3은 도 2에 도시된 "A" 부분을 확대 도시한 부분 단면도를 나타낸다.
도 4는 반사층의 반사율을 나타내는 그래프이다.
도 5a 내지 도 5d는 반사층의 실시예에 따른 평면 형상을 나타낸다.
도 6a 내지 도 6h는 도 2에 도시된 발광 소자의 제조방법의 실시예를 나타낸 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 발광소자 패키지의 단면도이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 발광 소자 패키지의 단면도이다.
도 9는 실시예들에 따른 발광소자 패키지를 포함하는 조명장치의 일 실시예를 나타낸 분해 사시도이다.
도 10은 실시예들에 따른 발광소자 패키지가 배치된 표시장치의 일 실시예를 나타낸 분해 사시도이다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 발명에 따른 실시 예의 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)”로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 2는 실시예에 의한 발광 소자(100)의 단면도를 나타낸다.
도 2에 예시된 발광 소자(100)는 지지 기판(110), 제1 전극(120), 발광 구조물(130), 반사층(140), 중간층(150) 및 제2 전극(160)을 포함한다.
지지 기판(110)은 발광 구조물(130)의 아래에 배치되며, 제1 전극(120)과 함께 전극의 역할을 수행할 수 있으므로 전기 전도도가 우수한 금속을 사용할 수 있다. 또한, 발광 소자의 작동시 발생하는 열을 충분히 발산시킬 수 있어야 하므로, 지지 기판(110)은 열전도도가 높은 금속으로 구현될 수 있다.
예를 들어, 지지 기판(110)은 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.
또한, 지지 기판(110)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.
제1 전극(120)은 지지 기판(110)과 제1 도전형 반도체층(132)의 사이에 배치된다. 제1 도전형 반도체층(132)은 불순물 도핑 농도가 낮아 접촉 저항이 높으며 그로 인해 오믹 특성이 좋지 못할 수 있으므로, 제1 전극(120)은 이러한 오믹 특성을 개선하는 역할을 할 수 있으며, 투명 전극 등으로 이루어질 수 있다.
제1 전극(120)은 약 200 옹스트롱(Å)의 두께일 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(120)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.
비록 도시되지는 않았지만, 지지 기판(110)과 제1 전극(120) 사이에 접합층이 더 배치될 수도 있다. 접합층은 제1 전극(120)과 지지 기판(110)을 결합하는 결합층(adhesion layer)에 해당한다. 그러나, 제1 전극(120)이 결합층의 기능을 수행할 경우 접합층은 생략될 수도 있다. 예를 들어, 접합층은 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.
발광 구조물(130)은 지지 기판(110) 위에 순차적으로 배치된 제1 도전형 반도체층(132), 활성층(134) 및 제2 도전형 반도체층(136)을 포함한다. 여기서, 제1 도전형 반도체층(132)은 제1 전극(120)의 상부에 배치되고, 활성층(134)은 제1 도전형 반도체층(132)과 제2 도전형 반도체층(136) 사이에 배치되어 광을 방출하고, 제2 도전형 반도체층(136)은 활성층(134)의 위에 배치된다. 특히, 활성층(134)은 330 ㎚ 내지 405 ㎚ 파장 대역의 근 자외선(NUV:Near UltraViolet) 빛을 방출할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(132)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(132)은 Ⅲ족-Ⅳ족, Ⅱ족-Ⅴ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 예컨대, InaAlbGa1 -a- bN (0≤a≤1, 0≤b≤1, 0≤a+b≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(132)이 p형 반도체층인 경우, 제1 도전형 도펀트는 p형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 수 있다. 특히, 본 실시예에 의하면, 활성층(134)이 NUV 광을 방출할 경우에도 제1 도전형 반도체층(132)은 AlGaN 대신에 GaN으로 이루어질 수 있다.
활성층(134)은 제1 도전형 반도체층(132)을 통해서 주입되는 정공(또는, 전자)과 제2 도전형 반도체층(136)을 통해서 주입되는 전자(또는, 정공)가 서로 만나서, 활성층(134)을 이루는 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다.
활성층(134)은 단일 우물 구조(Double Hetero Structure), 다중 우물 구조, 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, 활성층(134)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(134)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. 예를 들어, 활성층(134)은 3 내지 5 페어 구조를 가질 수 있다. 우물층은 장벽층의 밴드 갭 에너지보다 작은 밴드 갭 에너지를 갖는 물질로 형성될 수 있다.
활성층(134)의 위 또는/및 아래에는 도전형 클래드층(미도시)이 형성될 수 있다. 도전형 클래드층은 활성층(134)의 장벽층의 밴드 갭 에너지보다 더 넓은 밴드 갭 에너지를 갖는 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.
제2 도전형 반도체층(136)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(136)은 Ⅲ-Ⅴ, Ⅱ족-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 예를 들어, 제2 도전형 반도체층(136)은 AlaInbGa(1-a-b)N (0≤a≤1, 0≤b≤1, 0≤a+b≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 제2 도전형 반도체층(136)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(136)이 n형 반도체층인 경우, 제2 도전형 도펀트는 n형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se, Te를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
제1 도전형 반도체층(132)은 p형 반도체층으로, 제2 도전형 반도체층(136)은 n형 반도체층으로 구현할 수 있다. 또는, 제1 도전형 반도체층(132)은 n형 반도체층으로, 제2 도전형 반도체층(136)은 p형 반도체층으로 구현할 수도 있다. 발광 구조물(130)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.
이하, 제1 도전형은 p형이고, 제2 도전형은 n형인 것으로 설명하지만, 제1 도전형이 n형이고, 제2 도전형이 p형인 경우에도 본 실시예는 동일하게 적용될 수 있다.
본 실시예에 의한 발광 소자(100)는 제1 도전형 반도체층(132)과 활성층(134) 사이에 배치된 반사층(140)을 더 포함할 수 있다. 반사층(140)은 AlxG1-xN 초격자층(140B-1, 140B-2) 및 AlyG1 - yN 초격자층(140A-1, 140A-2)의 이중층 구조를 적어도 하나 포함할 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 "A" 부분을 확대 도시한 부분 단면도를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 반사층(140)은 N개의 이중층 구조(140-1, ..., 140-N)를 포함할 수 있다. 여기서, N은 1 이상의 양의 정수이다. 각 이중층 구조(140-1, ..., 140-N)는 AlxG1 - xN 초격자층(140B-1, 140B-2) 및 AlyG1 - yN 초격자층(140A-1, 140A-2)을 포함한다. 예컨대, 제1 이중층 구조(140-1)는 AlxG1 - xN 초격자층(140B-1) 및 AlyG1 - yN 초격자층(140A-1)으로 이루어지고, 제N 이중층 구조(140-N)는 AlxG1 - xN 초격자층(140B-N) 및 AlyG1 - yN 초격자층(140A-N)으로 이루어진다. 각 이중층 구조(140-1, ..., 140-N)에서, AlyG1 - yN 초격자층(140A-1, ..., 140-N)은 버텀(bottom)층이고, AlxG1 - xN 초격자층(140B-1, ..., 140B-N)은 버텀층(140A-1, ..., 140-N) 상에 배치되는 탑(top)층일 수 있다.
또한, 반사층(140)에 포함된 이중층(140-1, ..., 140-N)의 개수(N)는 50개 이하일 수 있다. 예를 들어, 개수(N)는 20 개 내지 50 개일 수도 있고, 30개일 수도 있다.
이하, 설명의 편의상 도 2에 도시된 발광 소자(100)에서 N은 2인 것으로 가정하여 설명하지만 본 실시예는 이에 국한되지 않고 N이 1이거나 2보다 큰 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.
계속해서 도 2를 참조하면, 각 이중층(140-1, 140-2)에서, x와 y는 서로 다르다. 따라서, AlxG1 - xN 초격자층(140B-1, 140B-2)의 굴절률과 AlyG1 - yN 초격자층(140A-1, 140A-2)의 굴절률은 서로 다르다. 이와 같이, 서로 다른 굴절률을 갖는 AlxG1 - xN 초격자층(140B-1, 140B-2)과 AlyG1 - yN 초격자층(140A-1, 140A-2)이 교번하여 다수 층으로 적층될 경우, 반사층(140)은 분산 브래그 반사층(DBR:Distributed Bragg Reflector)의 기능을 수행하여 반사율이 높아져 활성층(134)에서 방출된 광을 반사시킬 수 있다.
AlxG1 - xN 초격자층(140B-1, 140B-2)과 AlyG1 - yN 초격자층(140A-1, 140A-2) 간의 굴절률 차이가 크면 클수록 반사율이 커질 수 있어 적층 횟수 즉, N을 줄일 수 있다. DBR의 기능을 수행하는 반사층(140)은 λ/4n 의 두께로 저굴절률층과 고굴절률층이 교대로 적층하여 구성될 수 있다. 여기에서, λ는 방출되는 광의 파장, n은 매질의 굴절률을 의미한다. AlxG1 - xN 초격자층(140B-1, 140B-2)이 저굴절률층에 해당하고, AlyG1 - yN 초격자층(140A-1, 140A-2)이 고굴절률층에 해당할 수 있다.
또한, 광을 흡수하지 않도록 반사층(140)은 활성층(134)에서 방출되는 광의 파장보다 큰 밴드 갭 에너지를 가질 수 있다.
게다가, 실시예에 의하면, 반사층(140)의 밴드 갭 에너지는 활성층(134)의 장벽층의 밴드 갭 에너지보다 클 수 있다. 이는, 제2 도전형 반도체층(136)으로부터 활성층(134)으로 공급되는 제2 도전형 캐리어인 전자가 제1 도전형 반도체층(132)으로 유입되는 것을 차단하는 전자 차단층(EBL:Electron Blocking Layer)의 역할을 반사층(140)이 수행하도록 하기 위함이다. 또는, 반사층(140)과 활성층(134) 사이에 별도의 EBL층(미도시)이 배치될 수도 있다.
전술한 DBR의 역할과 EBL의 역할을 모두 수행할 수 있도록, y는 x보다 클 수 있다. 예를 들어, 0 ≤ x ≤ 0.3 이고, 0.3 ≤ y ≤ 1일 수 있다.
일반적으로 활성층(134)에서 NUV 광이 방출될 경우 제1 및 제2 도전형 반도체층(132, 134)에서 광이 흡수되는 것을 줄이기 위해, 제1 및 제2 도전형 반도체층(132, 134)은 GaN 대신에 광의 흡수가 적은 AlGaN으로 이루어진다. 그러나, AlGaN은 전기 전도도가 낮기 때문에, 동작 전압을 상승시키는 문제가 있다.
그러나, 실시예에 의하면, 발광 소자(100)의 활성층(134)과 제1 도전형 반도체층(132) 사이에 반사층(140)이 배치되어 있으므로, 활성층(134)에서 방출된 광은 제1 도전형 반도체층(132)에서 흡수되기 이전에 반사층(140)에서 반사될 수 있다. 그러므로, 제1 도전형 반도체층(132)을 p형 AlGaN 대신에 p형 GaN으로 구현한다고 하더라도, GaN으로 이루어진 제1 도전형 반도체층(132)에서 광이 흡수되는 것이 반사층(140) 덕택으로 방지되어 광학적 특성이 악화되지 않을 수 있다.
또한, p형 AlGaN 보다 높은 전기 전도도를 갖는 p형 GaN에 의해 제1 도전형 반도체층(132)이 형성되므로, 동작 전압의 상승이 방지되어 전기적인 특성이 개선될 수도 있다.
이와 같이, 도 2에 예시된 실시예의 발광 소자(100)는 도 1에 도시된 기존의 발광 소자보다 더 우수한 전기적인 특성을 가지면서도 광학적 특성이 악화되지 않을 수 있다.
또한, AlxG1 - xN 초격자층(140B-1, 140B-2)과 AlyG1 - yN 초격자층(140A-1, 140A-2) 각각은 20 ㎚ 이하의 두께 예를 들면, 3 ㎚ 내지 5 ㎚의 두께를 가질 수 있으며, 반사층(140)의 총 두께는 150 ㎚이하일 수 있다. 이와 같이, 반사층(140)의 두께가 얇기 때문에, 활성층(134)과 제1 도전형 반도체층(132) 사이에 반사층(140)이 배치되더라도, 제1 도전형 반도체층(132)으로부터 활성층(134)으로 제1 도전형 캐리어인 홀이 주입될 수 있다. 게다가, 반사층(140)을 제1 도전형인 p형 도펀트에 의해 도핑할 경우, 제1 도전형 캐리어인 홀이 활성층(134)으로 훨씬 더 주입될 수 있어, 발광 소자(100)의 전기적인 특성이 더욱 개선될 수 있다.
도 4는 반사층(140)의 반사율을 나타내는 그래프로서, 종축은 반사율을 나타내고, 횡축은 파장을 나타내며, x=0인 경우를 나타낸다.
반사도는 반사층(140)의 총 두께, 반사층(140)에 포함된 이중층(140-1, ..., 140-N)의 개수(N), AlxG1 - xN 초격자층(140B-1, 140B-2)의 x값 및 AlyG1 - yN 초격자층(140A-1, 140A-2)에서 y값에 따라 달라질 수 있다. 반사층(140)의 총 두께가 150 ㎚이고, 이중층(140-1, ..., 140-N)의 개수(N)가 30일 경우, 파장별 반사도는 도 4에 도시된 바와 같다. 이 경우, 활성층(134)에서 방출되는 광의 파장이 360 ㎚와 370 ㎚ 사이일 때 반사도가 최대가 됨을 알 수 있다. 또한, 실시예에 의하면, 반사층(140)의 반사도가 50 % 내지 90 %가 되도록 0 ≤ x ≤ 0.3 이고, 0.3 ≤ y ≤ 1의 범위 내에서 x와 y는 결정될 수 있다.
또한, 전술한 반사층(140)은 반사 역할과 EBL의 역할을 수행할 뿐만 아니라 발광 소자(100)의 결정성을 향상시켜 크랙(crack)을 감소시킬 수도 있다.
또한, 반사층(140)의 평면 형상은 패턴을 갖지 않을 수도 있지만 도 5a 내지 도 5d에 예시된 바와 같이 일정한 패턴을 가질 수도 있다.
도 5a 내지 도 5d는 반사층(140)의 실시예에 따른 평면 형상을 나타낸다.
반사층(140)의 평면 형상은 도 5a에 예시된 바와 같이 사각형의 패턴을 가질 수도 있고, 도 5b에 예시된 바와 같이 횡방향으로 가늘고 긴 스트라이프(stripe) 패턴을 가질 수도 있고, 도 5c에 예시된 바와 같이 종방향으로 가늘고 긴 스트라이프 패턴을 가질 수도 있고, 도 5d에 예시된 바와 같이 원형의 패턴을 가질 수도 있다. 실시예의 반사층(140)의 평면 형상은 도 5a 내지 도 5d에 예시된 패턴에 국한되지 않고 다양한 패턴을 가질 수 있음은 물론이다.
만일, 반사층(140)의 평면 형상이 도 5a 내지 도 5d에 예시된 바와 같이 패턴을 가질 경우, 패턴을 갖지 않은 경우 대비 패턴(140) 사이의 공간(142)을 통해 제1 도전형 반도체층(132)으로부터 활성층(134)으로 제1 도전형 캐리어가 더 많이 주입될 수 있다.
한편, 도 2를 참조하면, 활성층(134)과 제2 도전형 반도체층(136)의 사이에 중간층(150)이 더 배치될 수도 있다. 중간층(150)은 복수의 초격자층(150-1, 150-2, 150-3, 150-4)을 포함할 수 있다. 중간층(150)은 응력(strain)을 완화시키는 역할을 하며, AlN 초격자층과 AlGaN 초격자층으로 이루어진 페어 구조가 반복적으로 적층되는 구조일 수 있다. 경우에 따라, 발광 소자(100)에서 중간층(150)은 생략될 수도 있다.
제2 전극(160)은 제2 도전형 반도체층(136) 위에 배치될 수 있다. 제2 전극(160)은 금속으로 형성될 수 있으며, 또한 오믹 특성을 갖는 반사 전극 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 전극(160)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
비록 도시되지는 않았지만, 제2 도전형 반도체층(136)의 상부는 광 추출 효율을 높이기 위해 광 결정 구조(photonic crystal structure) 또는 러프니스(roughness)를 가질 수도 있다.
도 6a 내지 도 6h는 도 2에 도시된 발광 소자(100)의 제조방법의 실시예를 나타낸 도면이다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 기판(170) 상에 버퍼층(180)을 형성한다. 여기서, 기판(170)은 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함하며, 예컨대 사파이어(Al2O3), SiC, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP, Ge, and Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
버퍼층(180)은 재료의 격자 부정합 및 열 팽창 계수의 차이를 완화하기 위한 것이다. 버퍼층(180)의 재료는 Ⅲ족-Ⅴ족 화합물 반도체 예컨대, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 버퍼층(180) 위에 언도프드(undoped) 반도체층이 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
이후, 도 6b에 도시된 바와 같이, 버퍼층(180) 상에 제2 도전형 반도체층(136)을 형성한다. 제2 도전형 반도체층(136)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.
제2 도전형 반도체층(136)의 조성은 상술한 바와 동일하며, 챔버(chamber)에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2) 및 실리콘(Si) 같은 n형 불순물을 포함하는 실란 가스(SiH4)가 주입되어 형성될 수 있다.
이후, 도 6c를 참조하면, 제2 도전형 반도체층(136)의 상부에 중간층(150)을 형성한다. AlN 초격자층(150-1, 150-3) 및 AlGaN 초격자층(150-2, 150-4)의 페어 구조가 반복적으로 적층된 구조로 중간층(150)이 형성될 수 있으나 실시예는 이에 국한되지 않는다.
이후, 도 6d를 참조하면, 중간층(150)의 상부에 활성층(134)이 형성된다. 활성층(134)은 예를 들어 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 트리메틸 인듐 가스(TMIn)가 주입되어 다중 양자우물구조로 활성층(134)이 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이후, 도 6e를 참조하면, 활성층(134)의 상부에 반사층(140)을 형성한다. 예를 들어, 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), TMA(trimethoxyamphetamines), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 트리메틸 마스네슘(TMMg), 트리메틸 인듐 가스(TMIn)를 반응 소스로 사용하면서 MOCVD나 MOVPE(Metal-Organic Vapor-Phase Epitaxy) 등의 방법을 이용하여 약 950 ℃ 내지 1000 ℃의 공정 온도에서 반사층(140)을 형성할 수 있으나 실시예는 이에 국한되지 않는다.
이후, 도 6f를 참조하면, 반사층(140)의 상부에 제1 도전형 반도체층(132)을 형성한다. 제1 도전형 반도체층(132)의 조성은 상술한 바와 동일하며, 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 마그네슘(Mg)과 같은 p형 불순물을 포함하는 비세틸 사이클로 펜타디에닐 마그네슘(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2}가 주입되어 p형 GaN층은 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이후, 도 6g를 참조하면, 발광 구조물(130) 즉, 제1 도전형 반도체층(132)의 위에 제1 전극(120)을 형성할 수 있다. 제1 전극(120)은 스퍼터링법이나 전자빔 증착법에 의하여 형성될 수 있다. 계속해서, 제1 전극(120)의 상부에 지지 기판(110)을 형성할 수 있다. 지지 기판(110)을 형성시키는 방법은 전기화학적인 금속증착방법이나 유테틱(Eutetic) 메탈을 이용한 본딩 방법 등을 사용할 수 있다.
이후, 도 6h에 도시된 바와 같이 기판(170)과 버퍼층(180)을 발광 구조물(130)로부터 분리한다. 기판(170)의 제거는 엑시머 레이저 등을 이용한 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off: LLO)의 방법으로 할 수도 있으며, 건식 및 습식 식각의 방법으로 할 수도 있다.
레이저 리프트 오프법을 예로 들면, 기판(170) 방향으로 일정 영역의 파장을 가지는 엑시머 레이저 광을 포커싱(focusing)하여 조사하면, 기판(170)과 발광 구조물(130)의 제2 도전형 반도체층(136)의 경계면에 열 에너지가 집중되어 경계면이 갈륨과 질소 분자로 분리되면서 레이저 광이 지나가는 부분에서 순간적으로 기판(170)의 분리가 일어나며, 버퍼층(180)도 함께 분리될 수 있다.
이후, 도 6h에 도시된 바와 같이, 기판(170)과 버퍼층(180)을 제거한 결과물을 뒤집은 후, 도 2에 예시된 바와 같이 제2 전극(160)을 제2 도전형 반도체층(136) 위에 형성한다.
이하, 발광 소자를 포함하는 발광 소자 패키지의 구성 및 동작을 설명한다.
도 7은 일 실시예에 따른 발광소자 패키지(200)의 단면도이다.
실시예에 따른 발광 소자 패키지(200)는 패키지 몸체부(205)와, 패키지 몸체부(205)에 설치된 제1 및 제2 리드 프레임(213, 214)과, 패키지 몸체부(205)에 배치되어 제1 및 제2 리드 프레임(213, 214)과 전기적으로 연결되는 발광 소자(220)와, 발광 소자(220)를 포위하는 몰딩 부재(240)를 포함한다.
패키지 몸체부(205)는 실리콘, 합성수지, 또는 금속을 포함하여 형성될 수 있으며, 발광 소자(220)의 주위에 경사면이 형성될 수 있다.
제1 및 제2 리드 프레임(213, 214)은 서로 전기적으로 분리되며, 발광 소자(220)에 전원을 제공하는 역할을 한다. 또한, 제1 및 제2 리드 프레임(213, 214)은 발광 소자(220)에서 발생된 빛을 반사시켜 광 효율을 증가시키는 역할을 할 수도 있으며, 발광 소자(220)에서 발생된 열을 외부로 배출시키는 역할을 할 수도 있다.
발광 소자(220)는 도 2에 예시된 발광 소자(100)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
발광 소자(220)는 도 7에 예시된 바와 같이 제2 리드 프레임(214) 상에 배치될 수 있으나, 이와 달리 제1 리드 프레임(213) 또는 패키지 몸체부(205) 상에 배치될 수도 있다.
발광 소자(220)는 제1 및/또는 제2 리드 프레임(213, 214)과 와이어 방식 또는 다이 본딩 방식 중 어느 하나에 의해 전기적으로 연결될 수도 있다. 도 7에 예시된 발광 소자(220)는 제1 리드 프레임(213)과 와이어(230)를 통해 전기적으로 연결되고 제2 리드 프레임(214)과 직접 전기적으로 연결될 수 있으나 이에 국한되지 않는다.
몰딩 부재(240)는 발광 소자(220)를 포위하여 보호할 수 있다. 또한, 몰딩 부재(240)는 형광체를 포함하여, 발광 소자(220)에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있다.
도 8은 다른 실시예에 따른 발광 소자 패키지(300)의 단면도이다.
다른 실시예에 따른 발광소자 패키지(300)는 몸체(310), 몸체(310) 내에 배치된 방열 블록(360), 방열 블록(360)의 상부에 배치되는 발광소자(100)를 포함한다.
몸체(310)는 복수 개의 층(311, 312, 313, 314)으로 구현될 수 있다. 몸체(310)를 이루는 층들의 개수는 실시예에 따라 달라질 수 있다.
발광소자(100)가 자외선을 방출하는 UV LED인 경우, 몸체(310)는 자외선에 의해 변질되지 않는 재질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 세라믹 재질로 이루어질 수 있다. 일 예로서, 몸체(310)는 저온 동시 소성 세라믹(LTCC: low temperature co-fired ceramic) 방법에 의하여 구현될 수 있다. 또한, 몸체(310)는 고온 동시 소성 세라믹(HTCC: high temperature co-fired ceramic) 방법에 의하여 구현될 수 있다. 또한, 몸체(310)는 Si02, SixOy, Si3N4, SixNy, SiOxNy, Al2O3, 또는 AlN를 포함하여 이루어질 수 있다.
몸체(310)는 각 층(311 ~ 314)을 관통하여 형성된 비아홀 및 각 층(311 ~ 314) 사이에 위치하는 도전성 패턴을 통해 발광소자(100)에 전류를 공급할 수 있다.
몸체(310) 내에 방열 블록(360)이 배치된다. 방열 블록(360)은 발광소자(100)에서 발생된 열을 효과적으로 외부로 전달한다. 방열 블록(360)은 Cu, 또는 Cu를 포함한 합금으로 형성될 수 있으나, 이에 한정하지 않는다.
실시예에 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.
도 9는 실시예들에 따른 발광소자 패키지를 포함하는 조명장치의 일 실시예를 나타낸 분해 사시도이다.
실시예에 따른 조명 장치는 광을 투사하는 발광 모듈(600)과 발광 모듈(600)이 내장되는 하우징(400)과 발광 모듈(600)의 열을 방출하는 방열부(500) 및 발광 모듈(600)과 방열부(500)를 하우징(400)에 결합하는 홀더(700)를 포함하여 이루어진다.
하우징(400)은 전기 소켓(미도시)에 결합되는 소켓 결합부(410)와, 소켓결합부(410)와 연결되고 광원(600)이 내장되는 몸체부(420)를 포함한다. 몸체부(420)에는 하나의 공기유동구(430)가 관통하여 형성될 수 있다.
하우징(400)의 몸체부(420) 상에 복수 개의 공기유동구(430)가 구비되어 있는데, 공기유동구(430)는 하나의 공기유동구로 이루어지거나, 복수 개의 유동구를 도시된 바와 같은 방사상 배치 이외의 다양한 배치도 가능하다.
발광 모듈(600)은 회로 기판(610) 상에 배치된 복수 개의 발광소자 패키지(650)를 포함한다. 발광소자 패키지(650)는 상술한 실시예에 따른 발광소자를 포함할 수 있다. 회로 기판(610)은 하우징(400)의 개구부에 삽입될 수 있는 형상일 수 있으며, 후술하는 바와 같이 방열부(500)로 열을 전달하기 위하여 열전도율이 높은 물질로 이루어질 수 있다.
발광 모듈의 하부에는 홀더(700)가 구비되는데 홀더(700)는 프레임과 또 다른 공기 유동구를 포함할 수 있다. 또한, 도시되지는 않았으나 발광 모듈(600)의 하부에는 광학 부재가 구비되어 발광 모듈(600)의 발광소자 모듈(650)에서 투사되는 빛을 확산, 산란 또는 수렴시킬 수 있다.
도 10은 실시예들에 따른 발광소자 패키지가 배치된 표시장치(800)의 일 실시예를 나타낸 분해 사시도이다.
도 10을 참조하면, 실시예에 따른 표시장치(800)는 발광 모듈(830, 835)과, 바텀 커버(810) 상의 반사판(820)과, 반사판(820)의 전방에 배치되며 발광 모듈에서 방출되는 빛을 표시장치 전방으로 가이드하는 도광판(840)과, 도광판(840)의 전방에 배치되는 제1 프리즘시트(850)와 제2 프리즘시트(860)와, 제2 프리즘시트(860)의 전방에 배치되는 패널(870)과 패널(870)의 전반에 배치되는 컬러필터(880)를 포함하여 이루어진다.
발광 모듈은 회로 기판(830) 상의 상술한 발광소자 패키지(835)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 회로 기판(830)은 PCB 등이 사용될 수 있고, 발광소자 패키지(835)는 예를 들어 도 7 또는 도 8에서 설명한 바와 같다.
바텀 커버(810)는 표시 장치(800) 내의 구성 요소들을 수납할 수 있다. 반사판(820)은 본 도면처럼 별도의 구성요소로 마련될 수도 있고, 도광판(840)의 후면이나, 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 반사시트(820) 위의 공간에서 빛이 전달되는 에어 가이드 방식도 가능하다.
제1 프리즘 시트(850)는 지지필름의 일면에, 투광성이면서 탄성을 갖는 중합체 재료로 형성되는데, 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.
제2 프리즘 시트(860)에서 지지필름 일면의 마루와 골의 방향은, 제1 프리즘 시트(850) 내의 지지필름 일면의 마루와 골의 방향과 수직할 수 있다. 이는 발광 모듈과 반사시트로부터 전달된 빛을 패널(870)의 전방향으로 고르게 분산하기 위함이다.
본 실시예에서 제1 프리즘시트(850)과 제2 프리즘시트(860)가 광학시트를 이루는데, 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.
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.
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, 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.
패널(870)의 전면에는 컬러 필터(880)가 구비되어 패널(870)에서 투사된 빛을, 각각의 화소마다 적색과 녹색 및 청색의 빛만을 투과하므로 화상을 표현할 수 있다.
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, 220: 발광 소자 110: 지지 기판
120: 제1 전극 130: 발광 구조물
132: 제1 도전형 반도체층 134: 활성층
136: 제2 도전형 반도체층 140: 반사층
140-1, ..., 140-N: 이중층 구조 150: 중간층
160: 제2 전극 170: 기판
180: 버퍼층 200, 300: 발광 소자 패키지
205: 패키지 몸체부 213, 214: 리드 프레임
240: 몰딩 부재 310: 몸체
360: 방열 블록 311, 312, 313, 314: 복수 개의 층
400:하우징 500:방열부
600: 발광 모듈 700: 홀더
800: 표시장치 810: 바텀 커버
820: 반사판 830, 835: 발광 모듈
840: 도광판 850, 860: 프리즘시트
870: 패널 880: 컬러필터

Claims (12)

  1. 지지 기판;
    상기 지지 기판 위에 순차적으로 배치되는 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 갖는 발광 구조물; 및
    상기 제1 도전형 반도체층과 상기 활성층 사이에 배치되며, AlxGa1-xN 초격자층 및 AlyGa1-yN 초격자층의 이중층 구조를 적어도 하나 포함하는 반사층을 포함하고,
    상기 x와 y는 서로 달라 상기 AlxGa1-xN 초격자층과 상기 AlyGa1-yN 초격자층은 서로 다른 굴절률을 갖고,
    상기 활성층은 우물층과 장벽층의 페어 구조를 적어도 하나 포함하고,
    상기 반사층의 밴드 갭 에너지는 상기 장벽층의 밴드 갭 에너지보다 크고,
    상기 반사층은 상기 활성층에 접하여 배치되고,
    상기 반사층의 평면 형상은 상기 제1 도전형 반도체층으로부터 상기 활성층으로 제1 도전형 캐리어의 주입을 허용하는 공간을 형성하는 패턴을 갖는 발광 소자.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서, 0 ≤ x ≤ 0.3 이고, 0.3 ≤ y ≤ 1 이고,
    상기 제1 도전형 반도체층은 AlGaN 보다 높은 전기 전도도를 갖는 물질로 이루어진 발광 소자.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 AlxGa1-xN 초격자층과 상기 AlyGa1-yN 초격자층 각각은 20 ㎚ 이하의 두께를 갖는 발광 소자.
  6. 제4 항에 있어서, 상기 반사층에 포함된 상기 이중층의 개수는 50개 이하이고,
    상기 반사층은 제1 도전형 도펀트에 의해 도핑되고,
    상기 활성층은 330 ㎚ 내지 405 ㎚ 파장 대역의 빛을 방출하는 발광 소자.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1 항에 있어서, 상기 제1 도전형 반도체층은 GaN으로 이루어진 발광 소자.
  10. 삭제
  11. 제1 항에 있어서, 상기 이중층 구조에서 상기 AlyGa1-yN 초격자층은 버텀층이고, 상기 AlxGa1-xN 초격자층은 상기 버텀층 상에 배치되는 탑층이고,
    상기 제1 도전형 반도체층은 GaN으로 이루어지는 발광 소자.
  12. 삭제
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