KR102163961B1 - 발광소자 및 조명시스템 - Google Patents

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KR102163961B1
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Abstract

실시예는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템에 관한 것이다.
실시예에 따른 발광소자는 제1 도전형 반도체층(112); 상기 제1 도전형 반도체층(112) 상에 양자우물(114w)과 양자벽(114b)을 포함하는 활성층(114); 상기 활성층(114) 상에 제2 도전형 반도체층(116)을 포함할 수 있다. 상기 양자우물(114w)은 InxGa1-xN(단, 0≤x〈1) 조성의 제1 양자우물(114w1)과 InyGa1 -yN(단, 0≤y〈1) 조성의 제2 양자우물(114w2)을 포함하며, 상기 제1 양자우물(114w1)의 인듐(In)의 조성(x)은 상기 제2 양자우물(114w2)의 인듐의 조성(y)의 1/2배 이하일 수 있다.

Description

발광소자 및 조명시스템{LIGHT EMITTING DEVICE AND LIGHTING SYSTEM}
실시예는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템에 관한 것이다.
발광소자(Light Emitting Device)는 전기에너지가 빛에너지로 변환되는 특성의 p-n 접합 다이오드를 주기율표상에서 Ⅲ족과 Ⅴ족의 원소가 화합하여 생성될 수 있다. LED는 화합물 반도체의 조성비를 조절함으로써 다양한 색상구현이 가능하다.
발광소자는 순방향전압 인가 시 n층의 전자와 p층의 정공(hole)이 결합하여 전도대(Conduction band)와 가전대(Valance band)의 에너지 갭에 해당하는 만큼의 에너지를 발산하는데, 이 에너지는 주로 열이나 빛의 형태로 방출되며, 빛의 형태로 발산되면 발광소자가 되는 것이다.
예를 들어, 질화물 반도체는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭 에너지에 의해 광소자 및 고출력 전자소자 개발 분야에서 큰 관심을 받고 있다. 특히, 질화물 반도체를 이용한 청색(Blue) 발광소자, 녹색(Green) 발광소자, 자외선(UV) 발광소자 등은 상용화되어 널리 사용되고 있다.
최근 고효율 LED 수요가 증가함에 광도 개선이 이슈가 되고 있다.
광도를 개선하는 방안으로 활성층(MQW) 구조 개선, 전자차단층(EBL)의 개선, 활성층 하부 층의 개선 등의 시도가 있으나 큰 효과를 보지 못하는 상황이다.
한편, 종래기술에 의하면 활성층의 양자우물이 인듐(In)이 포함하는데, 인듐의 뭉침현상으로 인해 일부 영역에 국부적인 배치됨으로 인해, 발광에 실직적으로 기여하는 영역이 감소하여 발광효율이 저하되는 문제가 있다.
또한 종래기술에 의하면, 활성층의 양자우물과 양자벽 사이에서 조성 차이에 의해 스트레인이 발생하고, 이러한 스트레인이 에너지 밴드갭 다이어그램의 변형을 유발하여 발광 재결합 효율을 저하함으로 인해 발광효율이 저하되는 문제가 있다.
또한 종래의 기술에 의하면 p-GaN에 홀(hole) 주입효율을 높이기 위해 높은 농도의 Mg을 도핑하는데,이는 결정품질이 저하와 캐리어(carrier) 이동 시, 스캐터링(scattering) 산란에 의해 이동도가 저하되는 문제가 발생되며, 이러한 문제들은 궁극적으로 발광효율 저하문제로 이어진다. 이에 종래기술에 의하면, 도핑원소의 농도를 높여서 캐리어 주입효율을 높이는 것과 결정품질을 향상시키고자 하는 것은 동시에 해결하지 못하는 기술적인 모순이 있는 상태이다.
실시예는 발광효율을 향상시킬 수 있는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 캐리어 주입효율을 높일 수 있는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 발광소자는 제1 도전형 반도체층(112); 상기 제1 도전형 반도체층(112) 상에 양자우물(114w)과 양자벽(114b)을 포함하는 활성층(114); 상기 활성층(114) 상에 제2 도전형 반도체층(116)을 포함할 수 있다. 상기 양자우물(114w)은 InxGa1-xN(단, 0≤x〈1) 조성의 제1 양자우물(114w1)과 InyGa1 -yN(단, 0≤y〈1) 조성의 제2 양자우물(114w2)을 포함하며, 상기 제1 양자우물(114w1)의 인듐(In)의 조성(x)은 상기 제2 양자우물(114w2)의 인듐의 조성(y)의 1/2배 이하일 수 있다.
또한 실시예에 따른 조명시스템은 상기 발광소자를 구비하는 조명모듈을 포함할 수 있다.
실시예는 활성층에서의 발광에 기여하는 양자우물의 비율을 향상시켜 발광효율을 향상시킬 수 있는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
또한 실시예는 활성층의 양자우물과 양자벽 사이의 스트레인을 감소시켜 발광효율을 향상시킬 수 있는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
또한 실시예는 결정품질을 향상시킴과 동시에 캐리어 주입효율이 유지 또는 개선됨으로써 발광효율을 증대시킬 수 있는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 전극과의 전기적인 컨택에 있어서 오믹컨택 기능이 더욱 증대되어 동작전압 감소하여 발광효율에 기여할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 발광소자의 단면도.
도 2a는 실시예에 따른 발광소자의 활성층의 밴드갭 에너지 확대 개념도.
도 2b는 실시예에 따른 발광소자와 종래기술에서의 내부양자효율 비교도.
도 3은 종래기술과 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램의 예시도.
도 4 내지 도 5는 실시예에 따른 발광소자의 제조방법 공정 단면도.
도 6은 실시예에 따른 발광소자 패키지의 단면도.
도 7은 실시예에 따른 조명장치의 분해 사시도.
실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on/over)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on/over)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
(실시예)
도 1은 실시예에 따른 발광소자(100)의 단면도이다.
실시예에 따른 발광소자(100)는 제1 도전형 반도체층(112)과, 상기 제1 도전형 반도체층(112) 상에 양자우물(114w)과 양자벽(114b)을 포함하는 활성층(114)과, 상기 활성층(114) 상에 제2 도전형 반도체층(116)을 포함할 수 있다.
실시예는 발광효율을 향상시킬 수 있는 발광소자를 제공하고자 한다.
이를 위해, 실시예에서 상기 양자우물(114w)은 InxGa1 -xN(단, 0≤x〈1) 조성의 제1 양자우물(114w1)과 InyGa1 -yN(단, 0≤y〈1) 조성의 제2 양자우물(114w2)을 포함할 수 있다. 실시예에서 상기 제2 양자우물(114w2) 내에 복수의 상기 제1 양자우물(114w1)이 배치될 수 있다.
상기 제1 양자우물(114w1)의 인듐(In)의 조성(x)은 상기 제2 양자우물(114w2)의 인듐의 조성(y)의 1/2배 이하일 수 있다.
예를 들어, 실시예에서 상기 제2 양자우물(114w2)의 조성은 InyGa1 - yN(단, 0.08≤y≤0.15)이고, 상기 제1 양자우물(114w1)의 조성은 InxGa1 -xN(단, 0≤x〈0.08)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
종래기술에 의하면 활성층의 양자우물에서 인듐의 뭉침현상(localization)으로 인해 인듐의 국부적 배치됨으로 발광재결합에 실직적으로 기여하는 영역이 감소하여 발광효율이 저하되는 문제가 있다.
이에 실시예에 의하면, InyGa1 -yN(단, 0≤y〈1) 조성의 제2 양자우물(114w2) 내에 InxGa1-xN(단, 0≤x〈1) 조성의 제1 양자우물(114w1)을 배치하고, 상기 제1 양자우물(114w1)의 인듐(In)의 조성(x)은 상기 제2 양자우물(114w2)의 인듐의 조성(y)의 1/2배 이하로 제어함으로써, 인듐의 뭉침현상(localization)이 개선됨으로써 발광재결합에 기여하는 양자우물의 비율을 현저히 증대시킴과 아울러, 격자상수가 큰 인듐의 뭉침을 해소하여 결정품질이 현저히 향상되어 발광효율이 개선될 수 있다.
실시예에서 상기 제2 양자우물(114w2)의 두께는 상기 제1 양자우물(114w1)의 두께보다 클 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 양자우물(114w2)이 약 3Å 내지 5Å의 두께인 경우, 상기 제1 양자우물(114w1)은 약 1Å 내지 3Å 미만일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 종래기술에 의하면, 활성층의 양자우물과 양자벽 사이에서 조성 차이에 의해 스트레인이 발생하고, 이러한 스트레인이 에너지 밴드갭 다이어그램의 변형을 유발하여 발광 재결합 효율을 저하되는 문제가 있다.
실시예에 의하면, 상기 제2 양자우물(114w2)과 상기 양자벽(114b) 사이에 InzGa1 -zN(단, 0≤z〈1) 조성의 제3 양자우물(114w3)을 포함하며, 상기 제3 양자우물(114w3)의 인듐의 조성(z)은 점진적으로 감소하거나 증가할 수 있다.
상기 제3 양자우물(114w3)의 인듐조성(z)은 x〈z〈y의 관계일 수 있다. 즉, 제3 양자우물(114w3)의 인듐조성(z)은 제1 양자우물(114w1)의 인듐(In)의 조성(x)보다는 크고, 상기 제2 양자우물(114w2)의 인듐의 조성(y)보다는 작을 수 있다.
실시예에 의하면, 양자우물(114w)에서 양자벽(114b) 사이에 인듐이 조성이 양자우물의 중심을 향해서는 점진적으로 증가하고, 양자벽(114b)을 향해서는 점진적으로 감소함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제3 양자우물(114w3)의 인듐조성(z)은 제2 양자우물(114w2)을 향해서는 점진적으로 증가하고, 상기 양자벽(114b)을 향해서는 점진적으로 감소함으로써, 활성층의 양자우물(114w)과 양자벽(114b) 사이의 스트레인을 감소시켜 발광효율을 향상시킬 수 있는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
또한 실시예는 캐리어 주입효율이 유지 또는 개선되면서 결정품질을 향상시킴과 동시에 발광효율을 증대시킬 수 있는 발광소자 및 발광소자의 제조방법을 제공하고자 한다.
이를 위해, 실시예는 상기 제1 농도의 제2 도전형 반도체층(116) 상에 상기 제1 농도보다 높은 제2 농도의 제2 도전형 InxGa1 - xN층(단, 0≤x＜1)(128)을 포함할 수 있다.
상기 제2 농도의 제2 도전형 InxGa1 - xN층(128)에서 상기 제2 농도는 상기 제1 농도의 제2 도전형 반도체층의 농도보다 높은 1×1020 내지 1×1022 (atoms/cm3)일 수 있다.
또한 실시예에 의하면, 상기 제2 농도의 제2 도전형 InxGa1 - xN층(128) 상에 제1 도전형 InyGa1 - yN층(단, 0＜y＜1)(129)을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형 InyGa1 - yN층(129)에서 In의 농도는 0.5% 내지 1.0%일 수 있다.
도 3(a)는 종래기술에 의한 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램의 예시도이며, 도 3(b)는 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램의 예시도이다.
실시예에 의하면 제2 농도의 제2 도전형 InxGa1 - xN층(128)이 In을 필수적인 원소로 포함하는 경우(0＜x＜1), 제1 도전형 InyGa1 - yN층(단, 0＜y＜1)(129)과 유기적으로 결합함으로써 종래기술(도 3(a) 참조)에 비해 투광성 전극(130) 또는 제2 전극(132)과의 전기적인 컨택에 있어서 쇼키컨택보다는 오믹컨택 기능이 더욱 증대되어 동작전압 감소하여 발광효율에 기여할 수 있다.
예를 들어, 투광성 전극(130) 또는 제2 전극(132)과 제1 도전형 InyGa1 - yN층(129), 제2 농도의 제2 도전형 InxGa1 - xN층(128)과의 에너지 밴드 다이어그램을 고려한 전기적인 상호 접촉관계에 있어서, 제2 농도의 제2 도전형 InxGa1 - xN층(128)과 제1 도전형 InyGa1 -yN층(단, 0＜y＜1)(129)이 유기적으로 결합되는 경우 제2 농도의 제2 도전형 InxGa1 - xN층(128)이 In을 포함함에 따라 줄어든 밴드갭 에너지(ΔEg)는 결과적으로 일함수(work function)의 차이를 줄어들게 함으로 쇼키 컨택(schottky contact)의 기능을 약화시키고 오믹컨택 기능이 더욱 증대되어 동작전압 감소하여 발광효율에 기여할 수 있다.
실시예에 의하면 전극과의 전기적인 컨택에 있어서 오믹컨택 기능이 더욱 증대되어 동작전압 감소하여 발광효율에 기여할 수 있는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
또한, 실시예는 결정품질을 향상시킴과 동시에 캐리어 주입효율이 유지 또는 개선됨으로써 발광효율을 증대시킬 수 있는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
이하, 도 4 내지 도 5를 참조하여 실시예에 따른 발광소자의 제조방법을 설명한다.
실시예에서 기판(105)은 열전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있으며, 전도성 기판 또는 절연성 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(105)은 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, and Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
실시예는 광반사 패턴을 구비하여 광추출 효율을 증대시킬 수 있다. 예를 들어, 기판(105)에 PSS(Patterned Sapphire Substrate)를 형성하여 광 추출효율을 증대할 수 있다.
또한, 실시예는 기판(105) 상에 버퍼층(107), 언도프드(undoped) 반도체층(108)을 구비하여 상기 발광구조물(110)의 재료와 기판(105)의 격자 부정합을 완화시켜 줄 수 있다. 예를 들어, 상기 버퍼층(107)의 재료는 3족-5족 화합물 반도체 예컨대, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중 적어도 하나로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 상기 언도프드(undoped) 반도체층(108) 상에 제1 도전형 반도체층(112)이 형성된다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 반도체층(112)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예는 제1 도전형 반도체층(112) 상에 질화갈륨계열 초격자층(124)을 형성할 수 있다. 상기 질화갈륨계열 초격자층(124)은 제1 도전형 반도체층(112)과 활성층(114) 사이의 격자 불일치에 기이한 응력을 효과적으로 완화시킬 수 있다.
상기 활성층(114)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.
상기 활성층(114)은 양자우물(114w)/양자벽(114b)을 포함할 수 있다.
도 2a와 같이 실시예의 양자우물(114w)은 InxGa1 -xN(단, 0≤x〈1) 조성의 제1 양자우물(114w1)과 InyGa1 -yN(단, 0≤y〈1) 조성의 제2 양자우물(114w2)을 포함할 수 있다. 실시예에서 상기 제2 양자우물(114w2) 내에 복수의 상기 제1 양자우물(114w1)이 배치될 수 있다.
상기 제1 양자우물(114w1)의 인듐(In)의 조성(x)은 상기 제2 양자우물(114w2)의 인듐의 조성(y)의 1/2배 이하일 수 있다.
예를 들어, 실시예에서 상기 제2 양자우물(114w2)의 조성은 InyGa1 - yN(단, 0.08≤y≤0.15)이고, 상기 제1 양자우물(114w1)의 조성은 InxGa1 -xN(단, 0≤x〈0.08)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에 의하면, InyGa1 -yN(단, 0≤y〈1) 조성의 제2 양자우물(114w2) 내에 InxGa1-xN(단, 0≤x〈1) 조성의 제1 양자우물(114w1)을 배치하고, 상기 제1 양자우물(114w1)의 인듐(In)의 조성(x)은 상기 제2 양자우물(114w2)의 인듐의 조성(y)의 1/2배 이하로 제어함으로써, 인듐의 뭉침현상(localization)이 개선됨으로써 발광재결합에 기여하는 양자우물의 비율을 현저히 증대시킴과 아울러, 격자상수가 큰 인듐의 뭉침을 해소하여 결정품질이 현저히 향상되어 발광효율이 개선될 수 있다.
도 2b는 실시예에 따른 발광소자와 종래기술에서의 내부양자효율 비교도이다. 도 2b와 같이, 실시예에 따른 발광소자의 내부양자효율(E)은 종래기술에서의 내부양자효율(R)에 비해 향상됨을 알 수 있고, 특히 주입전류 증대에 따른 드룹(Droop) 현상의 개선효과가 큼을 알 수 있다.
광파워(Po) at 95mA 광파워(Po) at 250mA
실시예 134.3 310.3
비교예 127.93 294.8
표1은 실시예와 비교에서 주입전류에 따른 광파워 비교 데이터로서, 실시예에 의하면 광파워가 현저히 증대됨을 알 수 있다.
실시예에서 상기 제2 양자우물(114w2)의 두께는 상기 제1 양자우물(114w1)의 두께보다 클 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 양자우물(114w2)이 약 3Å 내지 5Å의 두께인 경우, 상기 제1 양자우물(114w1)은 약 1Å 내지 3Å 미만일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 실시예에 의하면, 상기 제2 양자우물(114w2)과 상기 양자벽(114b) 사이에 InzGa1-zN(단, 0≤z〈1) 조성의 제3 양자우물(114w3)을 포함하며, 상기 제3 양자우물(114w3)의 인듐의 조성(z)은 점진적으로 감소하거나 증가할 수 있다.
상기 제3 양자우물(114w3)의 인듐조성(z)은 x〈z〈y의 관계일 수 있다. 즉, 제3 양자우물(114w3)의 인듐조성(z)은 제1 양자우물(114w1)의 인듐(In)의 조성(x)보다는 크고, 상기 제2 양자우물(114w2)의 인듐의 조성(y)보다는 작을 수 있다.
실시예에 의하면, 양자우물(114w)에서 양자벽(114b) 사이에 인듐이 조성이 양자우물의 중심을 향해서는 점진적으로 증가하고, 양자벽(114b)을 향해서는 점진적으로 감소함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제3 양자우물(114w3)의 인듐조성(z)은 제2 양자우물(114w2)을 향해서는 점진적으로 증가하고, 상기 양자벽(114b)을 향해서는 점진적으로 감소함으로써, 활성층의 양자우물(114w)과 양자벽(114b) 사이의 스트레인을 감소시켜 발광효율을 향상시킬 수 있다.
이후, 실시예에서 상기 활성층(114) 상에는 제2 도전형 질화갈륨계열층(126)이 형성되어 전자 차단(electron blocking) 및 활성층의 클래딩(MQW cladding) 역할을 해줌으로써 발광효율을 개선할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 질화갈륨계열층(126)은 AlxInyGa(1-x-y)N(0≤x≤1,0≤y≤1)계 반도체로 형성될 수 있으며, 상기 활성층(114)의 에너지 밴드 갭보다 높은 에너지 밴드 갭을 가질 수 있으며, 약 100Å~ 약 600Å의 두께로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 제2 도전형 질화갈륨계열층(126)은 AlzGa(1-z)N/GaN(0≤z≤1) 초격자(superlattice)로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2 도전형 질화갈륨계열층(126)은 p형으로 이온주입되어 오버플로우되는 전자를 효율적으로 차단하고, 홀의 주입효율을 증대시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 질화갈륨계열층(126)은 Mg이 약 1018~1020/cm3 농도 범위로 이온주입되어 오버플로우되는 전자를 효율적으로 차단하고, 홀의 주입효율을 증대시킬 수 있다.
다음으로, 상기 제2 도전형 질화갈륨계열층(126) 상에 제1 농도의 제2 도전형 반도체층(116)이 형성된다.
상기 제1 농도의 제2 도전형 반도체층(116)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 농도의 제2 도전형 반도체층(116)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 상기 제1 농도의 제2 도전형 반도체층(116)이 p형 반도체층인 경우, 상기 제2도전형 도펀트는 p형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 수 있다.
실시예는 캐리어 주입효율이 유지 또는 개선되면서 결정품질을 향상시킴과 동시에 발광효율을 증대시킬 수 있는 발광소자 및 발광소자의 제조방법을 제공하고자 한다.
이를 위해, 실시예는 상기 제1 농도의 제2 도전형 반도체층(116) 상에 상기 제1 농도보다 높은 제2 농도의 제2 도전형 InxGa1 - xN층(단, 0≤x＜1)(128)을 포함할 수 있다.
상기 제2 농도의 제2 도전형 InxGa1 - xN층(128)에서 상기 제2 농도는 상기 제1 농도의 제2 도전형 반도체층의 농도보다 높은 1×1020 내지 1×1022 (atoms/cm3)일 수 있다.
종래기술에 의하면 P-GaN에 홀주입효율을 높이기 위해 높은 농도의 Mg 도핑시 p-GaN의 결정품질이 저하되어 발광효율이 저하되는 문제가 있다.
실시예는 홀(Hole) 주입기능을 하는 제2 농도의 제2 도전형 InxGa1 - xN층(128)을 상기 제1 농도의 제2 도전형 반도체층(116)보다 얇게 형성하고, 나머지 p-GaN 영역은 홀 주입(hole source)보다는 홀 전달(hole transfer)기능을 하도록 할 수 있다.
나머지 p-GaN 영역은 undoped GaN 또는 저농도 p-GaN이므로 홀(hole)의 이동도가 현저히 증대될 수 있다.
이에 따라 실시예에 의하면 홀(Hole) 주입 효율이 유지 내지 개선되면서 결정품질이 향상되어 전체적인 발광효율은 증대될 수 있다.
실시예에 의하면 제2 도전형 질화갈륨계열층(126)이나 제1 농도의 제2 도전형 반도체층(116)을 형성하는 과정에서 p형 원소의 도핑농도를 올리기 어려운 문제를 해결하였다.
예를 들어, 제2 도전형 질화갈륨계열층(126)에서 Al의 조성비율이 높을수록, AlN의 결합 에너지가 커서 도핑은 어려워지게 되며, 제1 농도의 제2 도전형 반도체층(116)에 홀주입효율을 높이기 위해 높은 농도의 Mg 도핑시 결정품질이 저하되어 발광효율이 저하되는 문제가 있다.
따라서, 실시예는 상대적으로 도핑 농도가 큰 제2 농도의 제2 도전형 InxGa1 -xN층(128)을 제1 농도의 제2 도전형 반도체층(116) 상에 형성하고, 제2 도전형 질화갈륨계열층(126)과 제1 농도의 제2 도전형 반도체층(116)은 홀의 전달층 기능을 하도록 유기적으로 배치함으로써, 상대적으로 도핑농도가 큰 제2 농도의 제2 도전형 InxGa1 - xN층(128)에서 활성층(114)에 풍부한 정공을 제공할 수 있어서, 홀(Hole) 주입 효율이 유지 내지 개선되면서 결정품질이 향상됨과 아울러 발광소자의 동작전압 감소함으로써 전체적인 발광효율은 증대될 수 있다.
실시예에 의하면 p-GaN에 홀(hole) 주입 효율을 높이기 위해 높은 농도의 Mg 도핑시 결정 품질의 저하로 인한 이동도 저하 및 발광 효율이 저하되는 현상을 고농도인 제2 농도의 제2 도전형 InxGa1 - xN층(128)을 삽입하고, 저농도인 제1 농도의 제2 도전형 반도체층(116)과 농도 및 두께를 고려하여 유기적으로 결합함으로써 홀(Hole) 주입 효율이 유지 내지 개선되면서 결정품질이 향상됨과 아울러 발광소자의 동작전압 감소하여 발광효율은 현저히 증대될 수 있다.
실시예는 상기 제2 농도의 제2 도전형 InxGa1 - xN층(128) 상에 제1 도전형 InyGa1 -yN층(단, 0＜y＜1)(129)을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형 InyGa1 - yN층(129)에서 In의 농도는 0.5% 내지 1.0%일 수 있다.
도 3(a)는 종래기술에 의한 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램의 예시도이며, 도 3(b)는 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램의 예시도이다.
실시예에 의하면 제2 농도의 제2 도전형 InxGa1 - xN층(128)이 In을 필수적인 원소로 포함하는 경우(0＜x＜1), 제1 도전형 InyGa1 - yN층(단, 0＜y＜1)(129)과 유기적으로 결합함으로써 종래기술(도 3(a) 참조)에 비해 투광성 전극(130) 또는 제2 전극(132)과의 전기적인 컨택에 있어서 쇼키컨택보다는 오믹컨택 기능이 더욱 증대되어 동작전압 감소하여 발광효율에 기여할 수 있다.
예를 들어, 투광성 전극(130) 또는 제2 전극(132)과 제1 도전형 InyGa1 - yN층(129), 제2 농도의 제2 도전형 InxGa1 - xN층(128)과의 에너지 밴드 다이어그램을 고려한 전기적인 상호 접촉관계에 있어서, 제2 농도의 제2 도전형 InxGa1 - xN층(128)과 제1 도전형 InyGa1 - yN층(단, 0＜y＜1)(129)이 유기적으로 결합되는 경우 제2 농도의 제2 도전형 InxGa1-xN층(128)이 In을 포함함에 따라 줄어든 밴드갭 에너지(ΔEg)는 결과적으로 일함수(work function)의 차이를 줄어들게 함으로 쇼키 컨택(schottky contact)의 기능을 약화시키고 오믹컨택 기능이 더욱 증대되어 동작전압 감소하여 발광효율에 기여할 수 있다.
다음으로, 상기 제2 농도의 제2 도전형 InxGa1 - xN층(128) 또는 제1 도전형 InyGa1 -yN층(129) 상에 투광성 전극(130)을 형성되며, 상기 투광성 전극(130)은 투광성 오믹층을 포함할 수 있으며, 캐리어 주입을 효율적으로 할 수 있도록 단일 금속 혹은 금속합금, 금속산화물 등을 다중으로 적층하여 형성할 수 있다.
상기 투광성 전극(130)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 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 이러한 재료에 한정되는 않는다.
실시예에서 상기 제1 도전형 반도체층(112)은 n형 반도체층, 상기 제2 도전형 반도체층(116)은 p형 반도체층으로 구현할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한 상기 제2 도전형 반도체층(116) 위에는 상기 제2 도전형과 반대의 극성을 갖는 반도체 예컨대 n형 반도체층(미도시)을 형성할 수 있다. 이에 따라 발광구조물(110)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.
다음으로, 상기 제1 도전형 반도체층(112)이 노출되도록 투광성 전극(130), 제1 도전형 InyGa1 - yN층(129), 제2 농도의 제2 도전형 InxGa1 - xN층(128), 제2 도전형 반도체층(116), 제2 도전형 질화갈륨계열층(126), 활성층(114) 및 질화갈륨계열의 초격자층(124)의 일부를 제거할 수 있다.
다음으로, 도 5와 같이, 상기 투광성 전극(130) 상에 제2 전극(132)을 형성하고, 상기 노출된 제1 도전형 반도체층(112) 상에 제1 전극(131)을 형성한다.
실시예는 활성층에서의 발광에 기여하는 양자우물의 비율을 향상시켜 발광효율을 향상시킬 수 있는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
또한 실시예는 활성층의 양자우물과 양자벽 사이의 스트레인을 감소시켜 발광효율을 향상시킬 수 있는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
또한 실시예는 결정품질을 향상시킴과 동시에 캐리어 주입효율이 유지 또는 개선됨으로써 발광효율을 증대시킬 수 있는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 전극과의 전기적인 컨택에 있어서 오믹컨택 기능이 더욱 증대되어 동작전압 감소하여 발광효율에 기여할 수 있다.
도 6은 실시예에 따른 발광소자가 설치된 발광소자 패키지(200)를 설명하는 도면이다.
실시예에 따른 발광 소자 패키지(200)는 패키지 몸체부(205)와, 상기 패키지 몸체부(205)에 설치된 제3 전극층(213) 및 제4 전극층(214)과, 상기 패키지 몸체부(205)에 설치되어 상기 제3 전극층(213) 및 제4 전극층(214)과 전기적으로 연결되는 발광 소자(100)와, 상기 발광 소자(100)를 포위하는 몰딩부재(230)가 포함된다.
상기 패키지 몸체부(205)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 발광 소자(100)의 주위에 경사면이 형성될 수 있다.
상기 제3 전극층(213) 및 제4 전극층(214)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광 소자(100)에 전원을 제공하는 역할을 한다. 또한, 상기 제3 전극층(213) 및 제4 전극층(214)은 상기 발광 소자(100)에서 발생된 빛을 반사시켜 광 효율을 증가시키는 역할을 할 수 있으며, 상기 발광 소자(100)에서 발생된 열을 외부로 배출시키는 역할을 할 수도 있다.
상기 발광 소자(100)는 도 1에 예시된 수평형 타입의 발광 소자가 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 수직형 발광소자, 플립칩 발광소자도 적용될 수 있다.
상기 발광 소자(100)는 상기 패키지 몸체부(205) 상에 설치되거나 상기 제3 전극층(213) 또는 제4 전극층(214) 상에 설치될 수 있다.
상기 발광 소자(100)는 상기 제3 전극층(213) 및/또는 제4 전극층(214)과 와이어 방식, 플립칩 방식 또는 다이 본딩 방식 중 어느 하나에 의해 전기적으로 연결될 수도 있다. 실시예에서는 상기 발광 소자(100)가 상기 제3 전극층(213)과 와이어(230)를 통해 전기적으로 연결되고 상기 제4 전극층(214)과 직접 접촉하여 전기적으로 연결된 것이 예시되어 있다.
상기 몰딩부재(230)는 상기 발광 소자(100)를 포위하여 상기 발광 소자(100)를 보호할 수 있다. 또한, 상기 몰딩부재(230)에는 형광체(232)가 포함되어 상기 발광 소자(100)에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있다.
실시예에 따른 발광소자 패키지는 복수개가 기판 상에 어레이되며, 상기 발광 소자 패키지에서 방출되는 광의 경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트, 형광 시트 등이 배치될 수 있다. 이러한 발광 소자 패키지, 기판, 광학 부재는 백라이트 유닛으로 기능하거나 조명 유닛으로 기능할 수 있으며, 예를 들어, 조명시스템은 백라이트 유닛, 조명 유닛, 지시 장치, 램프, 가로등을 포함할 수 있다.
도 7은 실시예에 따른 조명시스템의 분배 사시도이다.
실시예에 따른 조명 장치는 커버(2100), 광원 모듈(2200), 방열체(2400), 전원 제공부(2600), 내부 케이스(2700), 소켓(2800)을 포함할 수 있다. 또한, 실시 예에 따른 조명 장치는 부재(2300)와 홀더(2500) 중 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 상기 광원 모듈(2200)은 실시 예에 따른 발광소자 또는 발광소자 패키지를 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 커버(2100)는 벌브(bulb) 또는 반구의 형상을 가지며, 속이 비어 있고, 일 부분이 개구된 형상으로 제공될 수 있다. 상기 커버(2100)는 상기 광원 모듈(2200)과 광학적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 커버(2100)는 상기 광원 모듈(2200)로부터 제공되는 빛을 확산, 산란 또는 여기 시킬 수 있다. 상기 커버(2100)는 일종의 광학 부재일 수 있다. 상기 커버(2100)는 상기 방열체(2400)와 결합될 수 있다. 상기 커버(2100)는 상기 방열체(2400)와 결합하는 결합부를 가질 수 있다.
상기 커버(2100)의 내면에는 유백색 도료가 코팅될 수 있다. 유백색의 도료는 빛을 확산시키는 확산재를 포함할 수 있다. 상기 커버(2100)의 내면의 표면 거칠기는 상기 커버(2100)의 외면의 표면 거칠기보다 크게 형성될 수 있다. 이는 상기 광원 모듈(2200)로부터의 빛이 충분히 산란 및 확산되어 외부로 방출시키기 위함이다.
상기 커버(2100)의 재질은 유리(glass), 플라스틱, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리카보네이트(PC) 등일 수 있다. 여기서, 폴리카보네이트는 내광성, 내열성, 강도가 뛰어나다. 상기 커버(2100)는 외부에서 상기 광원 모듈(2200)이 보이도록 전자차단층(126)할 수 있고, 불투명할 수 있다. 상기 커버(2100)는 블로우(blow) 성형을 통해 형성될 수 있다.
상기 광원 모듈(2200)은 상기 방열체(2400)의 일 면에 배치될 수 있다. 따라서, 상기 광원 모듈(2200)로부터의 열은 상기 방열체(2400)로 전도된다. 상기 광원 모듈(2200)은 광원부(2210), 연결 플레이트(2230), 커넥터(2250)를 포함할 수 있다.
상기 부재(2300)는 상기 방열체(2400)의 상면 위에 배치되고, 복수의 광원부(2210)들과 커넥터(2250)이 삽입되는 가이드홈(2310)들을 갖는다. 상기 가이드홈(2310)은 상기 광원부(2210)의 기판 및 커넥터(2250)와 대응된다.
상기 부재(2300)의 표면은 빛 반사 물질로 도포 또는 코팅된 것일 수 있다. 예를 들면, 상기 부재(2300)의 표면은 백색의 도료로 도포 또는 코팅된 것일 수 있다. 이러한 상기 부재(2300)는 상기 커버(2100)의 내면에 반사되어 상기 광원 모듈(2200)측 방향으로 되돌아오는 빛을 다시 상기 커버(2100) 방향으로 반사한다. 따라서, 실시 예에 따른 조명 장치의 광 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 부재(2300)는 예로서 절연 물질로 이루어질 수 있다. 상기 광원 모듈(2200)의 연결 플레이트(2230)는 전기 전도성의 물질을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 방열체(2400)와 상기 연결 플레이트(2230) 사이에 전기적인 접촉이 이루어질 수 있다. 상기 부재(2300)는 절연 물질로 구성되어 상기 연결 플레이트(2230)와 상기 방열체(2400)의 전기적 단락을 차단할 수 있다. 상기 방열체(2400)는 상기 광원 모듈(2200)로부터의 열과 상기 전원 제공부(2600)로부터의 열을 전달받아 방열한다.
상기 홀더(2500)는 내부 케이스(2700)의 절연부(2710)의 수납홈(2719)를 막는다. 따라서, 상기 내부 케이스(2700)의 상기 절연부(2710)에 수납되는 상기 전원 제공부(2600)는 밀폐된다. 상기 홀더(2500)는 가이드 돌출부(2510)를 갖는다. 상기 가이드 돌출부(2510)는 상기 전원 제공부(2600)의 돌출부(2610)가 관통하는 홀을 갖는다.
상기 전원 제공부(2600)는 외부로부터 제공받은 전기적 신호를 처리 또는 변환하여 상기 광원 모듈(2200)로 제공한다. 상기 전원 제공부(2600)는 상기 내부 케이스(2700)의 수납홈(2719)에 수납되고, 상기 홀더(2500)에 의해 상기 내부 케이스(2700)의 내부에 밀폐된다.
상기 전원 제공부(2600)는 돌출부(2610), 가이드부(2630), 베이스(2650), 연장부(2670)를 포함할 수 있다.
상기 가이드부(2630)는 상기 베이스(2650)의 일 측에서 외부로 돌출된 형상을 갖는다. 상기 가이드부(2630)는 상기 홀더(2500)에 삽입될 수 있다. 상기 베이스(2650)의 일 면 위에 다수의 부품이 배치될 수 있다. 다수의 부품은 예를 들어, 외부 전원으로부터 제공되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 직류변환장치, 상기 광원 모듈(2200)의 구동을 제어하는 구동칩, 상기 광원 모듈(2200)을 보호하기 위한 ESD(ElectroStatic discharge) 보호 소자 등을 포함할 수 있으나 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 연장부(2670)는 상기 베이스(2650)의 다른 일 측에서 외부로 돌출된 형상을 갖는다. 상기 연장부(2670)는 상기 내부 케이스(2700)의 연결부(2750) 내부에 삽입되고, 외부로부터의 전기적 신호를 제공받는다. 예컨대, 상기 연장부(2670)는 상기 내부 케이스(2700)의 연결부(2750)의 폭과 같거나 작게 제공될 수 있다. 상기 연장부(2670)에는 "+ 전선"과 "- 전선"의 각 일 단이 전기적으로 연결되고, "+ 전선"과 "- 전선"의 다른 일 단은 소켓(2800)에 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 내부 케이스(2700)는 내부에 상기 전원 제공부(2600)와 함께 몰딩부를 포함할 수 있다. 몰딩부는 몰딩 액체가 굳어진 부분으로서, 상기 전원 제공부(2600)가 상기 내부 케이스(2700) 내부에 고정될 수 있도록 한다.
실시예는 활성층에서의 발광에 기여하는 양자우물의 비율을 향상시켜 발광효율을 향상시킬 수 있는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
또한 실시예는 활성층의 양자우물과 양자벽 사이의 스트레인을 감소시켜 발광효율을 향상시킬 수 있는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
실시예는 결정품질을 향상시킴과 동시에 캐리어 주입효율이 유지 또는 개선됨으로써 발광효율을 증대시킬 수 있는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 전극과의 전기적인 컨택에 있어서 오믹컨택 기능이 더욱 증대되어 동작전압 감소하여 발광효율에 기여할 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 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 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 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 설정하는 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
제1 도전형 반도체층(112), 활성층(114),
양자우물(114w), 양자벽(114b),
제1 양자우물(114w1), 제2 양자우물(114w2), 제3 양자우물(114w3),
제2 도전형 질화갈륨계열층(126),
제1 농도의 제2 도전형 반도체층(116),
제2 농도의 제2 도전형 InxGa1 - xN층(단, 0≤x＜1)(128),
제1 도전형 InyGa1 - yN층(단, 0＜y＜1)(129),

Claims (9)

  1. 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되며 양자우물과 양자벽을 포함하는 활성층;
    상기 활성층 상에 배치되는 제2 도전형 반도체층을 포함하고,
    상기 양자우물은,
    InxGa1-xN(단, 0≤x〈1) 조성의 제1 양자우물;
    InyGa1-yN(단, 0≤y〈1) 조성의 제2 양자우물; 및
    InzGa1-zN(단, 0≤z〈1) 조성을 가지며 상기 제2 양자우물과 상기 양자벽 사이에 배치되는 제3 양자우물을 포함하며,
    상기 제1 양자우물의 인듐의 조성(x)은 상기 제2 양자우물의 인듐의 조성(y)의 1/2배 이하이고,
    상기 제3 양자우물의 인듐의 조성(z)은 점진적으로 감소하거나 증가하는 발광소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 양자우물의 조성은 InyGa1 - yN(단, 0.08≤y≤0.15)이고,
    상기 제1 양자우물의 조성은 InxGa1 -xN(단, 0≤x〈0.08)인 발광소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 양자우물의 두께는 상기 제1 양자우물의 두께보다 큰 발광소자.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 양자우물의 인듐조성(z)은 x〈z〈y의 관계를 가지며, 상기 제2 양자우물을 향해서는 점진적으로 증가하고, 상기 양자벽을 향해서는 점진적으로 감소하는 발광소자.
  6. 삭제
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층은 제1 농도의 제2 도전형 반도체층이며,
    상기 활성층과 상기 제1 농도의 제2 도전형 반도체층 사이에 제2 도전형 질화갈륨계열층을 더 포함하고,
    상기 제1 농도의 제2 도전형 반도체층 상에 상기 제1 농도보다 높은 제2 농도의 제2 도전형 InxGa1-xN층(단, 0≤x＜1)을 더 포함하고,
    상기 제2 농도의 제2 도전형 InxGa1-xN층 상에 제1 도전형 InyGa1-yN층(단, 0＜y＜1)을 더 포함하는 발광소자.
  8. 삭제
  9. 제1 항, 제2 항, 제3 항, 제5 항 및 제7 항 중 어느 하나의 발광소자를 구비하는 광원 모듈을 포함하는 조명시스템.
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