KR102239624B1 - 발광 소자 - Google Patents
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Abstract
실시 예는 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되는 활성층, 상기 활성층 상에 배치되는 제2 도전형 반도체층, 및 상기 활성층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되는 전자 차단층을 포함하며, 상기 전자 차단층은 1회 이상 교대로 배치되는 제1층 및 제2층을 포함하며 상기 제1층은 인듐을 포함하는 질화물 반도체층이고, 상기 제2층은 알루미늄을 포함하는 질화물 반도체층이고, 상기 제1층은 p형 도펀트가 도핑된다.
Description
실시 예는 발광 소자에 관한 것이다.
반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Ligit Emitting Diode, LED)는 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. 이러한 발광 소자의 구조에 대해서는 공개특허 10-2009-0002241호를 참조할 수 있다.
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.
실시 예는 광 효율을 향상시키고, 동작 전압을 낮추며, 막질의 품질을 향상시킬 수 있는 발광 소자를 제공한다.
실시 예에 따른 발광 소자는 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되는 활성층; 상기 활성층 상에 배치되는 제2 도전형 반도체층; 및 상기 활성층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되는 전자 차단층을 포함하며, 상기 전자 차단층은 1회 이상 교대로 배치되는 제1층 및 제2층을 포함하며, 상기 제1층은 인듐을 포함하는 질화물 반도체층이고, 상기 제2층은 알루미늄을 포함하는 질화물 반도체층이고, 상기 제1층은 p형 도펀트가 도핑된다.
상기 제1층은 InxAlyGa1 -x- yN (0<x≤1, 0≤y<1, 0<x+y<1)의 조성식을 가지며, 상기 제2층은 AlzGa1 - zN (0<z<1)의 조성식을 가질 수 있다.
상기 제1층에 포함되는 인듐의 함량은 1% ~ 2%일 수 있다.
상기 제2층에 포함되는 알루미늄의 함량은 17% ~ 20%일 수 있다.
상기 전자 차단층은 복수의 제1층들 및 복수의 제2층들을 포함할 수 있고, 상기 활성층으로부터 멀리 위치할수록 상기 제1층들의 두께가 얇을 수 있다.
상기 제2층들 각각의 두께는 서로 동일할 수 있다.
상기 제1층들과 상기 제2층들은 초격자 구조일 수 있다.
상기 제2층들의 에너지 밴드 갭은 상기 제1층들의 에너지 밴드 갭보다 클 수 있다.
상기 p형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, 또는 Ba일 수 있다.
상기 전자 차단층은 9쌍의 제1층들 및 제2층들을 포함하며, 제1 내지 제3 쌍에 포함되는 제1층들 각각의 두께는 3nm이고, 제4 내지 제6 쌍에 포함되는 제1층들 각각의 두께는 2nm이고, 제7 내지 제9 상에 포함되는 제1층들 각각의 두께는 1nm일 수 있다.
실시 예는 광 효율을 향상시키고, 동작 전압을 낮추며, 막질의 품질을 향상시킬 수 있다.
도 1은 실시 예에 따른 발광 소자의 단면도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 전자 차단층의 일 실시 예를 나타낸다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 발광 구조물의 에너지 밴드 갭을 나타낸다.
도 4는 실시 예에 따른 발광 소자의 동작 전압 개선을 나타내는 그래프이다.
도 5는 다른 실시 예에 따른 발광 소자의 단면도를 나타낸다.
도 6은 실시 예에 따른 발광 소자 패키지를 나타낸다.
도 7은 실시 예에 따른 발광 소자의 인가 전류에 따른 동작 전압 및 저항을 나타낸다.
도 8은 실시 예에 따른 발광 소자 패키지를 포함하는 조명 장치를 나타낸다.
도 9는 실시 예에 따른 발광 소자 패키지를 포함하는 표시 장치를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 전자 차단층의 일 실시 예를 나타낸다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 발광 구조물의 에너지 밴드 갭을 나타낸다.
도 4는 실시 예에 따른 발광 소자의 동작 전압 개선을 나타내는 그래프이다.
도 5는 다른 실시 예에 따른 발광 소자의 단면도를 나타낸다.
도 6은 실시 예에 따른 발광 소자 패키지를 나타낸다.
도 7은 실시 예에 따른 발광 소자의 인가 전류에 따른 동작 전압 및 저항을 나타낸다.
도 8은 실시 예에 따른 발광 소자 패키지를 포함하는 조명 장치를 나타낸다.
도 9는 실시 예에 따른 발광 소자 패키지를 포함하는 표시 장치를 나타낸다.
이하, 실시 예들은 첨부된 도면 및 실시 예들에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다. 실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on)"에 또는 "하/아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on)"와 "하/아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 또한 동일한 참조번호는 도면의 설명을 통하여 동일한 요소를 나타낸다.
도 1은 실시 예에 따른 발광 소자(100)의 단면도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 발광 소자(100)는 기판(110), 발광 구조물(120), 전도층(130), 제1 전극(142), 및 제2 전극(144)을 포함한다.
기판(110)은 발광 구조물(120)을 지지한다.
기판(110)은 반도체 성장에 적합한 물질로 형성될 수 있다. 또한 기판(110)은 열전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있으며, 전도성 기판 또는 절연성 기판일 수 있다.
예를 들어 기판(110)은 사파이어 기판, 실리콘(Si) 기판, 산화아연(ZnO) 기판, 및 질화물 반도체 기판 중 어느 하나, 또는 GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN, GaP, InP, Ga203, GaAs 중에서 적어도 하나가 적층된 템플레이트(Template) 기판일 수 있다.
발광 구조물(120)은 기판(110) 상에 배치되며, 빛을 발생시킨다. 발광 구조물(120)은 제1 도전형 반도체층(122), 활성층(124), 전자 차단층(Electron Blocking Layer, 125), 및 제2 도전형 반도체층(126)을 포함할 수 있다. 발광 구조물(120)은 제1 도전형 반도체층(122), 활성층(124), 전자 차단층(Electron Blocking Layer, 125), 및 제2 도전형 반도체층(126)이 기판(110) 상에 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.
기판(110)과 발광 구조물(120) 사이의 격자 상수 및 열 팽창 계수의 차이에 의한 격자 부정합을 완화하고, 발광 구조물의 결정 품질을 향상시키기 위하여 제1 도전형 반도체층(122)과 기판(110) 사이에 버퍼층(미도시)이 배치될 수 있다.
버퍼층은 3족 원소 및 5족 원소를 포함하는 질화물 반도체일 수 있다.
예컨대 버퍼층은 InAlGaN, GaN, AlN, AlGaN, InGaN 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 버퍼층은 단일층 또는 다층 구조일 수 있으며, 2족 원소 또는 4족 원소가 불순물로 도핑될 수도 있다.
또한 제1 도전형 반도체층(122)의 결정성 향상을 위하여 언도프트 반도체층(미도시)이 버퍼층과 제1 도전형 반도체층(122) 사이에 배치될 수 있다. 언도프트 반도체층은 n형 도펀트가 도핑되지 않아 제1 도전형 반도체층(122)에 비하여 낮은 전기 전도성을 갖는 것을 제외하고는 제1 도전형 반도체층(122)과 동일할 수 있다.
발광 구조물(120)은 제1 전극(142)의 배치를 위하여 제1 도전형 반도체층(122)의 일부를 노출하는 홈을 구비할 수 있다.
전도층(130)은 발광 구조물 상에 배치된다. 예컨대, 전도층(130)은 제2 도전형 반도체층 상에 배치될 수 있으며, 전반사를 감소시킬 뿐만 아니라, 투광성이 좋기 때문에 활성층(124)으로부터 제2 도전형 반도체층(126)으로 방출되는 빛의 추출 효율을 증가시킬 수 있다.
전도층(130)은 투명 전도성 산화물, 예컨대, ITO(Indium Tin Oxide), TO(Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), ITZO(Indium Tin Zinc 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, 또는 Ni/IrOx/Au/ITO 중 하나 이상을 이용하여 단층 또는 다층으로 이루어질 수 있다. 또한, 도시하지 않았지만, 전도층(130)은 빛의 추출 효율을 향상시키기 위하여 상부면에 요철 구조가 형성될 수 있다.
제1 전극(142)은 노출되는 제1 도전형 반도체층(122) 상에 배치되고, 제1 도전형 반도체층(122)과 접촉한다. 제2 전극(144)은 전도층(130) 상에 배치되며, 전도층(130)과 접촉한다.
제1 도전형 반도체층(122)은 기판(110) 상에 배치될 수 있으며, 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체일 수 있고, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다.
예컨대, 제1 도전형 반도체층(122)은 InxAlyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체, 예를 들어 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN 등에서 선택되어 형성될 수 있으며, Si, Ge, Sn, Se, Te 등의 n형 도펀트가 도핑될 수 있다.
활성층(124)은 제1 도전형 반도체층(122)과 제2 도전형 반도체층(126) 사이에 배치될 수 있다.
활성층(124)은 제1 도전형 반도체층(122) 및 제2 도전형 반도체층(1124)으로부터 제공되는 전자(electron), 및 정공(hole)의 결합(recombination) 과정에서 발생하는 에너지에 의해 광을 생성할 수 있다.
활성층(124)은 3족-5족, 2족-6족 등의 반도체 화합물, 예컨대, 3족-5족, 2족-6족의 화합물 반도체일 수 있다. 활성층(124)은 InxAlyGa1 -x-yN(0<x≤1, 0≤y<1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 가지는 반도체일 수 있으며, 활성층(124)은 1회 이상 교대로 배치되는 양자 우물층 및 양자 장벽층을 포함하는 다중 양자 우물 구조일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 실시 예에서 활성층(124)은 단일 우물 구조, 양자선(Quantum-Wire) 구조, 양자 점(Quantum Dot), 또는 양자 디스크(Quantum Disk) 구조를 가질 수 있다.
양자 장벽층의 에너지 밴드 갭은 양자 우물층의 에너지 밴드 갭보다 클 수 있다.
제2 도전형 반도체층(126)은 활성층(124) 상에 배치될 수 있으며, 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체일 수 있고, 제1 도전형 도펀트와 반대 극성을 갖는 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(126)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체, 예를 들어 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN 등에서 선택되어 형성될 수 있으며, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등의 p형 도펀트가 도핑될 수 있다.
전자 차단층(125)은 활성층(124)과 제2 도전형 반도체층(126) 사이에 배치되며, 제1 도전형 반도체층(122)으로부터 활성층(124)으로 주입되는 전자가 제2 도전형 반도체층(126)으로 넘어가는(overflow) 것을 차단한다.
전자 차단층(125)은 1회 이상 교대로 배치되는 제1층(a1 내지 an, n>1인 자연수) 및 제2층(b1 내지 bn, n>1인 자연수)을 포함할 수 있다.
제1층(a1 내지 an, n>1인 자연수)은 인듐을 포함하는 질화물 반도체층일 수 있고, 제2층(b1 내지 bn, n>1인 자연수)은 알루미늄을 포함하는 질화물 반도체층일 수 있다.
제1층(a1 내지 an, n>1인 자연수)은 InxAlyGa1 -x- yN (0<x≤1, 0≤y<1, 0<x+y<1)의 조성식을 가질 수 있으며, 제2 도전형 도펀트, 예컨대, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등의 p형 도펀트가 도핑될 수 있다.
제2층(b1 내지 bn, n>1인 자연수)은 AlzGa1 - zN (0<z<1)의 조성식을 가질 수 있다.
전자 차단층(125)의 두께는 30nm ~ 50nm일 수 있다.
전자 차단층(125)의 두께가 30nm보다 작을 경우에는 활성층(124)으로부터 주입되는 전자의 오버플로우를 방지할 수 없고, 전자 차단층(125)의 두께가 50nm보다 클 경우에는 활성층(124)으로의 정공(hole) 주입 효율이 저하되어 광 효율이 감소할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 전자 차단층(125)의 일 실시 예를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 전자 차단층(125)은 9회 교대로 배치되는 제1층들(a1 내지 a9) 및 제2층들(b1 내지 b9)을 포함할 수 있다.
예컨대, 전자 차단층(125)은 9개 페어들(pairs)을 포함할 수 있고, 각 페어는 제1층과 제2층을 구비할 수 있다.
제1층들(a1 내지 a9) 각각은 InGaN 조성을 가질 수 있으며, p형 도펀트인 Mg가 도핑될 수 있다. 제2층들(b1 내지 b9) 각각은 AlGaN 조성을 가질 수 있다.
제1층들(a1 내지 a9) 각각의 인듐(In)의 함량은 1% ~ 2 %일 수 있다.
인듐은 휘발성이 강하기 때문에 인듐 함량을 1% 미만으로 할 경우에는 전자 차단층(125) 형성시 인듐이 모두 휘발되어 없어질 수 있다. 또한 인듐 함량이 2% 초과할 경우에는 전자 차단층(125)의 에너지 밴드 갭이 낮아질 수 있어 전자 차단의 역할 수행이 어려울 수 있고, 전자 차단층, 및 제2 도전형 반도체층의 막질이 저하될 수 있다.
제2층들(b1 내지 b9)의 알루미늄(Al)의 함량은 17% ~ 20%일 수 있다
제2층들(b1 내지 b9)의 알루미늄 함량이 17%보다 작을 경우에는 에너지 밴드 갭이 작아져서 전자 차단층의 역할을 할 수 없고, 제2층들(b1 내지 b9)의 알루미늄 함량이 20%보다 클 경우에는 활성층(124)으로의 정공(hole) 주입 효율이 저하되어 광도가 저하될 수 있다.
활성층(124)으로부터 멀리 위치할수록 제1층들(a1 내지 a9)의 두께가 얇을 수 있다. 즉 활성층(124)에서 제2 도전형 반도체층(126)으로 진행할수록 제1층들(a1 내지 a9)의 두께가 감소할 수 있다.
제1 내지 제3 쌍들(pairs)에 포함되는 제1층들(a1,a2,a3) 각각의 두께(d1)는 3nm일 수 있고, 제4 내지 제6 쌍들에 포함되는 제1층들(a4,a5,a6)) 각각의 두께(d2)는 2nm일 수 있고, 제7 내지 제9 쌍들에 포함되는 제1층들(a7,a8,a9) 각각의 두께(d3)는 1nm일 수 있다.
제1 내지 제3 쌍들(pairs)은 활성층(124)에 가장 인접하는 3개의 쌍일 수 있고, 제7 내지 제9 쌍들은 제2 도전형 반도체층(126)에 가장 인접하는 3개의 쌍일 수 있다. 제4 내지 제6 쌍들은 제1 내지 제3 쌍들과 제7 내지 제9쌍들 사이에 위치할 수 있다.
제2층들(b1 내지 b9) 각각의 두께는 동일할 수 있다. 예컨대, 제2층들(b1 내지 b9) 각각의 두께는 2nm일 수 있다.
활성층(124)으로부터 멀리 위치하고 제2 도전형 반도체층(126)에 인접할수록 제1층들(a1 내지 a9)의 두께를 얇게 하는 이유는 활성층(124)으로의 정공 주입 효율을 향상시키고, 막질의 품질(quality)이 나빠지는 것을 방지하기 위함이다. 인듐 함량이 많아질수록 막질의 품질이 떨어지기 때문이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 발광 구조물(120)의 에너지 밴드 갭을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 활성층(124)의 장벽층(QB)의 에너지 밴드 갭(E2)은 우물층(QW)의 에너지 밴드 갭(E1)보다 크다(E2>E1)).
전자 차단층(125)의 제1층들(a1 내지 a9)의 에너지 밴드 갭(E3) 및 제2층들(b1 내지 b9)의 에너지 밴드 갭(E4)은 활성층(124)의 장벽층(QB)의 에너지 밴드 갭(E2)보다 크다(E3,E4 > E2).
전자 차단층(125)의 제2층들(b1 내지 b9)의 에너지 밴드 갭(E4)은 제1층들(a1 내지 a9)의 에너지 밴드 갭(E3)보다 크다(E4>E3).
제1층들(a1 내지 a9)의 에너지 밴드 갭들은 서로 동일할 수 있고, 제2층들(b1 내지 b9)의 에너지 밴드 갭들은 서로 동일할 수 있다.
일반적으로 정공의 이동도가 전자의 이동도보다 느리기 때문에 활성층 내로 정공의 주입 효율이 떨어지게 되어 광도가 떨어질 수 있다. 정공의 주입 효율을 개선하기 위하여 전자 차단층에 Mg를 주입할 수 있으나, Mg의 농도가 높아짐에 따라 전자 차단층과 제2 도전형 반도체층 사이에 Mg이 몰리는 현상이 발생하여 제2 도전형 반도체층의 막질이 저하될 수 있고, 이로 인하여 광 흡수율이 증가하여 광도의 저하가 발생할 수 있다.
인듐을 포함하는 제1층들(a1 내지 a9)에 첨가된 Mg에 의하여 활성화 에너지(activation energy)가 낮아져서 정공의 농도(hole concentration), 및 정공 이동도(hole mobility)를 증가시킬 수 있고, 이로 인하여 실시 예는 광량을 향상시킬 수 있다.
또한 실시 예는 전자 차단층(125)의 저항이 감소하기 때문에 정공 주입 효율이 증가할 수 있고, 이로 인하여 동작 전압을 낮출 수 있다.
또한 실시 예는 제2 도전형 반도체층(126)의 결정성을 향상시킬 수 있고, 전류 분산을 향상시킬 수 있다.
또한 상술한 바와 같이, 활성층(124)으로부터 멀리 위치하고 제2 도전형 반도체층(126)에 인접할수록 제1층들(a1 내지 a9)의 두께를 얇게 함으로써 제2 도전형 반도체층(126)의 막질을 향상시킬 수 있다.
또한 전자 차단층(125)은 InGaN 조성을 갖는 제1층과 AlGaN 조성을 갖는 제2층이 교번하여 배치되는 초격자 구조를 갖기 때문에, 스트레인이 감소할 수 있고, 이로 인하여 실시 예는 제1 도전형 반도체층(126)의 막질을 향상시킬 수 있다.
또한 InGaN/AlGaN의 서로 다른 계면에 의하여 전류 분산이 개선될 수 있고, 이로 인하여 실시 예는 광 효율일 향상될 수 있다.
도 7은 실시 예에 따른 발광 소자(100)의 인가 전류(VF1,VF2,VF3)에 따른 동작 전압 및 저항을 나타낸다. Case 1은 벌크(bulk) 구조의 전자 차단층을 포함하는 발광 소자에 대한 동작 전압, 및 저항을 나타내고, case 2는 실시 예에 따른 전자 차단층(125)을 포함하는 발광 소자(100)에 대한 동작 전압, 및 저항을 나타낸다.
도 7을 참조하면, 발광 소자(100)에 인가되는 전류되는 전류가 2 마이크로 암페어일 때, case 1의 발광 소자에 인가되는 전압(VF1)은 2.29 [V]일 수 있고, case 2의 발광 소자에 인가되는 전압(VF1)은 2.27[V]일 수 있다.
또한 발광 소자(100)에 인가되는 전류되는 전류가 10 마이크로 암페어일 때, case 1의 발광 소자에 인가되는 전압(VF2)은 2.43 [V]일 수 있고, case 2의 발광 소자(100)에 인가되는 전압(VF2)은 2.41 [V]일 수 있다.
마지막으로 발광 소자(100)에 인가되는 전류되는 전류가 20 밀리 암페어일 때, case 1의 발광 소자에 인가되는 전압(VF3)은 3.17 [V]일 수 있고, case 2의 발광 소자(100)에 인가되는 전압(VF1)은 3.11 [V]일 수 있다. case 1 및 case 2의 VF3가 발광 소자들의 동작 전압일 수 있다.
저전류 영역(예컨대, 2 또는 10 마이크로 암페어)에서 case 1과 case 2의 발광 소자들에 걸리는 전압들(예컨대, VF1, VF2)의 차이는 0.02 [V]이지만, 발광 소자에 인가되는 전류가 20 마이크로 암페어일 때 case 1과 case 2의 동작 전압들(VF3)의 차이는 0.06 [V]일 수 있다.
또한 case 1의 저항에 비하여 case 2의 저항이 낮은 것을 알 수 있으며, case 1의 동작 전압에 비하여 case 2의 동작 전압이 낮은 것을 알 수 있다. 따라서 실시 예는 동작 전압을 낮출 수 있다.
도 4는 실시 예에 따른 발광 소자(100)의 동작 전압 개선을 나타내는 그래프이다.
g1은 30nm의 두께를 갖는 벌크(bulk) 구조의 전자 차단층을 포함하는 발광 소자에 대한 동작 전압을 나타내고, g2는 실시 예에 대한 동작 전압을 나타낸다.
도 4를 참조하면, g1의 동작 전압에 비하여 g2의 동작 전압이 낮을 것을 알 수 있으며, 전류 밀도가 증가함에 따라 g1의 동작 전압과 g2의 동작 전압 간의 차이가 증가함을 알 수 있다.
도 5는 다른 실시 예에 따른 발광 소자(200)의 단면도를 나타낸다. 도 1과 동일한 도면 부호는 동일한 구성을 나타내며, 동일한 구성에 대해서는 설명을 간략하게 하거나 생략한다.
도 5를 참조하면, 발광 소자(200)는 제2 전극(405), 보호층(430), 발광 구조물(120), 패시베이션층(440), 및 제1 전극(450)을 포함한다.
제2 전극(405)은 제1 전극(450)과 함께 발광 구조물(120)에 전원을 제공한다. 제2 전극(405)은 지지 기판(422), 접합층(424), 배리어층(barrier layer, 426), 반사층(428), 및 오믹층(429)을 포함할 수 있다.
지지 기판(422)은 발광 구조물(120)을 지지하며, 전도성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 지지 기판(422)은 구리(Cu), 금(Au), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 구리-텅스텐(Cu-W), 캐리어 웨이퍼(예를 들어, Si, Ge, GaAs, ZnO, SiC) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
배리어층(426)은 지지 기판(422) 상에 배치되며, 지지 기판(422)의 금속 이온이 반사층(428)과 오믹층(429)으로 확산하는 것을 차단한다. 예컨대, 배리어층(426)은 Ni, Pt, Ti, W, V, Fe, Mo 중 적어도 하나를 포함하며, 단일층(single layer) 또는 멀티층(multilayer)일 수 있다.
접합층(424)은 지지 기판(422)과 배리어층(426) 사이에 배치된다.
접합층(424)은 본딩층으로서, 반사층(428)과 오믹층(429)이 지지 기판(422)에 접합될 수 있도록 한다. 접합층(424)은 본딩 금속, 예를 들어, Ti, Au, Sn, Ni, Cr, Ga, In, Bi, Cu, Ag 또는 Ta 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
반사층(428)은 배리어층(426) 상에 배치된다.
반사층(428)은 발광 구조물(120)로부터 입사되는 광을 반사시켜 주어, 광 추출 효율을 개선시켜 줄 수 있다. 반사층(428)은 반사 물질, 예를 들어, Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 중 적어도 하나를 포함하는 금속 또는 합금으로 형성될 수 있다. 또한 반사층(428)은 금속 또는 합금과 IZO, IZTO, IAZO, IGZO, IGTO, AZO, ATO 등의 투광성 전도성 물질을 이용하여 다층으로 형성할 수 있다. 예를 들어, 반사층(428)은 IZO/Ni, AZO/Ag, IZO/Ag/Ni, AZO/Ag/Ni 등으로 형성할 수 있다.
오믹층(429)은 반사층(428) 상에 배치된다. 오믹층(429)은 발광 구조물(120)의 제2 도전형 반도체층(126)에 오믹 접촉되어 발광 구조물(120)에 전원이 원활히 공급되도록 한다. 오믹층(429)은 투광성 전도층과 금속을 선택적으로 사용할 수 있다. 예컨대, 오믹층(429)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), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni, Ag, Ni/IrOx/Au, 및 Ni/IrOx/Au/ITO 중 하나 이상을 이용하여 단층 또는 다층으로 구현할 수 있다.
보호층(430)은 제2 전극(405) 상에 배치된다. 보호층(430)은 발광 구조물(120)과 배리어층(426) 사이의 계면이 박리되어 발광 소자(200)의 신뢰성이 저하되는 현상을 감소시킬 수 있다. 보호층(430)은 전도성을 갖는 물질 또는 비전도성을 갖는 물질일 수 있다. 예컨대, 전도성 보호층은 투명 전도성 산화막으로 형성되거나 금속 물질, 예컨대, Ti, Ni, Pt, Pd, Rh, Ir, W 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한 비전도성 보호층은 반사층(428) 또는 오믹층(429)보다 전기 전도성이 낮은 물질, 제2 도전형의 반도체층(126)과 쇼트키 접촉을 형성하는 물질, 또는 전기 절연성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 비전도성 보호층은 ZnO 또는 SiO2로 형성될 수 있다.
발광 구조물(120)은 제2 전극(405) 상에 배치된다.
발광 구조물(120)은 제2 전극(405) 상에 순차적으로 적층되는 제2 도전형 반도체층(126), 전자 차단층(125), 활성층(124), 제1 도전형 반도체층(122)을 포함할 수 있다. 발광 구조물(120)은 도 1에서 설명한 바와 동일할 수 있으며, 중복을 피하기 위하여 설명을 생략한다.
패시베이션층(440)은 발광 구조물(120)을 전기적으로 보호하기 위하여 발광 구조물(120)의 측면 상에 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 패시베이션층(440)은 절연 물질, 예컨대, SiO2, SiOx, SiOxNy, Si3N4, Al2O3 로 형성될 수 있다. 제1 도전형의 반도체층(122)의 상면은 광 추출 효율을 증가시키기 위해 러프니스(미도시)가 형성될 수 있다. 제1 전극(450)은 발광 구조물(120) 상면에 배치된다.
상술한 바와 같이, 도 5에 도시된 실시 예는 전자 차단층(125)에 의하여 발광 구조물(120)의 품질이 저하되는 것을 방지하고, 발광 효율을 향상시키고, 동작 전압을 낮출 수 있다.
도 6은 실시 예에 따른 발광 소자 패키지를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 발광 소자 패키지는 패키지 몸체(510), 제1 도전층(512), 제2 도전층(514), 발광 소자(520), 반사판(530), 와이어(522, 524), 및 수지층(540)을 포함한다.
패키지 몸체(510)는 실리콘 기반의 웨이퍼 레벨 패키지(wafer level package), 실리콘 기판, 실리콘 카바이드(SiC), 질화알루미늄(aluminum nitride, AlN) 등과 같이 절연성 또는 열전도도가 좋은 기판으로 형성될 수 있으며, 복수 개의 기판이 적층되는 구조일 수 있다.
패키지 몸체(510)는 일측 영역에 측면 및 바닥으로 이루어지는 캐비티(cavity)를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 캐비티의 측면은 경사지게 형성될 수 있다. 실시 예는 상술한 몸체의 재질, 구조, 및 형상으로 한정되지 않는다.
제1 도전층(512) 및 제2 도전층(514)은 열 배출이나 발광 소자(520)의 장착을 고려하여 서로 전기적으로 분리되도록 패키지 몸체(510)의 표면에 배치될 수 있다.
발광 소자(520)는 제1 도전층(512) 및 제2 도전층(514)과 전기적으로 연결된다. 이때 발광 소자(520)는 실시 예들(100 또는 200) 중 어느 하나일 수 있다.
반사판(530)은 발광 소자(520)에서 방출된 빛을 소정의 방향으로 지향하도록 패키지 몸체(510)의 캐비티의 측면에 형성될 수 있다. 반사판(530)은 광반사 물질로 이루어지며, 예컨대, 금속 코팅이거나 금속 박편일 수 있다.
수지층(540)은 패키지 몸체(510)의 캐비티 내에 위치하는 발광 소자(520)를 포위하여 발광 소자(520)를 외부 환경으로부터 보호한다. 수지층(540)은 에폭시 또는 실리콘과 같은 무색 투명한 고분자 수지 재질로 이루어질 수 있다.
수지층(540)은 발광 소자(520)에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있도록 형광체가 포함될 수 있다.
실시 예에 따른 발광 소자 패키지는 복수 개가 기판 상에 어레이될 수 있고, 발광 소자 패키지의 광 경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트 등이 배치될 수 있다. 이러한 발광 소자 패키지, 기판, 광학 부재는 백라이트 유닛으로 기능할 수 있다.
또 다른 실시 예는 상술한 실시 예들에 기재된 발광 소자 또는 발광 소자 패키지를 포함하는 표시 장치, 지시 장치, 조명 시스템으로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 조명 시스템은 램프, 가로등을 포함할 수 있다.
도 8은 실시 예에 따른 발광 소자 패키지를 포함하는 조명 장치를 나타낸다.
도 8을 참조하면, 조명 장치는 커버(1100), 광원 모듈(1200), 방열체(1400), 전원 제공부(1600), 내부 케이스(1700), 및 소켓(1800)을 포함할 수 있다. 또한, 실시 예에 따른 조명 장치는 부재(1300)와 홀더(1500) 중 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
커버(1100)는 벌브(bulb) 또는 반구의 형상일 수 있으며, 속이 비어 있고, 일 부분이 개구된 형상일 수 있다. 커버(1100)는 광원 모듈(1200)과 광학적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 커버(1100)는 광원 모듈(1200)로부터 제공되는 빛을 확산, 산란 또는 여기시킬 수 있다. 커버(1100)는 일종의 광학 부재일 수 있다. 커버(1100)는 방열체(1400)와 결합될 수 있다. 커버(1100)는 방열체(1400)와 결합하는 결합부를 가질 수 있다.
커버(1100)의 내면에는 유백색 도료가 코팅될 수 있다. 유백색의 도료는 빛을 확산시키는 확산재를 포함할 수 있다. 커버(1100)의 내면의 표면 거칠기는 커버(1100)의 외면의 표면 거칠기보다 크게 형성될 수 있다. 이는 광원 모듈(1200)로부터의 빛이 충분히 산란 및 확산되어 외부로 방출시키기 위함이다.
커버(1100)의 재질은 유리(glass), 플라스틱, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리카보네이트(PC) 등일 수 있다. 여기서, 폴리카보네이트는 내광성, 내열성, 강도가 뛰어나다. 커버(1100)는 외부에서 광원 모듈(1200)이 보이도록 투명할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 불투명할 수 있다. 커버(1100)는 블로우(blow) 성형을 통해 형성될 수 있다.
광원 모듈(1200)은 방열체(1400)의 일 면에 배치될 수 있으며, 광원 모듈(1200)로부터 발생한 열은 방열체(1400)로 전도될 수 있다. 광원 모듈(1200)은 광원부(1210), 연결 플레이트(1230), 및 커넥터(1250)를 포함할 수 있다. 광원부(1210)는 도 6에 도시된 발광 소자 패키지를 포함할 수 있다.
부재(1300)는 방열체(1400)의 상면 위에 배치될 수 있고, 복수의 광원부(1210)들과 커넥터(1250)가 삽입되는 가이드홈(1310)을 갖는다. 가이드홈(1310)은 광원부(1210)의 기판 및 커넥터(1250)와 대응 또는 정렬될 수 있다.
부재(1300)의 표면은 광 반사 물질로 도포 또는 코팅된 것일 수 있다.
예를 들면, 부재(1300)의 표면은 백색의 도료로 도포 또는 코팅된 것일 수 있다. 이러한 부재(1300)는 커버(1100)의 내면에 반사되어 광원 모듈(1200)을 향하여 되돌아오는 빛을 다시 커버(1100) 방향으로 반사할 수 있다. 따라서, 실시 예에 따른 조명 장치의 광 효율을 향상시킬 수 있다.
부재(1300)는 예로서 절연 물질로 이루어질 수 있다. 광원 모듈(1200)의 연결 플레이트(1230)는 전기 전도성의 물질을 포함할 수 있다. 따라서, 방열체(1400)와 연결 플레이트(1230) 사이에 전기적인 접촉이 이루어질 수 있다. 부재(1300)는 절연 물질로 구성되어 연결 플레이트(1230)와 방열체(1400)의 전기적 단락을 차단할 수 있다. 방열체(1400)는 광원 모듈(1200)로부터의 열과 전원 제공부(1600)로부터의 열을 전달받아 방열할 수 있다.
홀더(1500)는 내부 케이스(1700)의 절연부(1710)의 수납홈(1719)을 막는다. 따라서, 내부 케이스(1700)의 절연부(1710)에 수납되는 전원 제공부(1600)는 밀폐될 수 있다. 홀더(1500)는 가이드 돌출부(1510)를 가질 수 있으며, 가이드 돌출부(1510)는 전원 제공부(1600)의 돌출부(1610)가 관통하는 홀을 가질 수 있다.
전원 제공부(1600)는 외부로부터 제공받은 전기적 신호를 처리 또는 변환하여 광원 모듈(1200)로 제공한다. 전원 제공부(1600)는 내부 케이스(1700)의 수납홈(1719)에 수납될 수 있고, 홀더(1500)에 의해 내부 케이스(1700)의 내부에 밀폐될 수 있다. 전원 제공부(1600)는 돌출부(1610), 가이드부(1630), 베이스(1650), 연장부(1670)를 포함할 수 있다.
가이드부(1630)는 베이스(1650)의 일 측에서 외부로 돌출된 형상을 가질 수 있다. 가이드부(1630)는 홀더(1500)에 삽입될 수 있다. 베이스(1650)의 일 면 위에는 다수의 부품이 배치될 수 있다. 다수의 부품은 예를 들어, 외부 전원으로부터 제공되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 직류변환장치, 광원 모듈(1200)의 구동을 제어하는 구동칩, 광원 모듈(1200)을 보호하기 위한 ESD(ElectroStatic discharge) 보호 소자 등을 포함할 수 있으나 이에 대해 한정하지는 않는다.
연장부(1670)는 베이스(1650)의 다른 일 측에서 외부로 돌출된 형상을 가질 수 있다. 연장부(1670)는 내부 케이스(1700)의 연결부(1750) 내부에 삽입될 수 있고, 외부로부터의 전기적 신호를 제공받을 수 있다. 예컨대, 연장부(1670)는 내부 케이스(1700)의 연결부(1750)와 폭이 같거나 작을 수 있다. 연장부(1670)에는 "+ 전선"과 "- 전선"의 각 일 단이 전기적으로 연결될 수 있고, "+ 전선"과 "- 전선"의 다른 일 단은 소켓(1800)에 전기적으로 연결될 수 있다.
내부 케이스(1700)는 내부에 전원 제공부(1600)와 함께 몰딩부를 포함할 수 있다. 몰딩부는 몰딩 액체가 굳어진 부분으로서, 전원 제공부(1600)가 내부 케이스(1700) 내부에 고정될 수 있도록 한다.
도 9는 실시 예에 따른 발광 소자 패키지를 포함하는 표시 장치를 나타낸다.
도 9를 참조하면, 표시 장치(800)는 바텀 커버(810)와, 바텀 커버(810) 상에 배치되는 반사판(820)과, 광을 방출하는 발광 모듈(830, 835)과, 반사판(820)의 전방에 배치되며 발광 모듈(830,835)에서 발산되는 빛을 표시 장치 전방으로 안내하는 도광판(840)과, 도광판(840)의 전방에 배치되는 프리즘 시트들(850,860)을 포함하는 광학 시트와, 광학 시트 전방에 배치되는 디스플레이 패널(870)과, 디스플레이 패널(870)과 연결되고 디스플레이 패널(870)에 화상 신호를 공급하는 화상 신호 출력 회로(872)와, 디스플레이 패널(870)의 전방에 배치되는 컬러 필터(880)를 포함할 수 있다. 여기서 바텀 커버(810), 반사판(820), 발광 모듈(830,835), 도광판(840), 및 광학 시트는 백라이트 유닛(Backlight Unit)을 이룰 수 있다.
발광 모듈은 기판(830) 상에 실장되는 발광 소자 패키지들(835)을 포함할 수 있다. 여기서, 기판(830)은 PCB 등이 사용될 수 있다. 발광 소자 패키지(835)는 도 6에서 상술한 실시 예일 수 있다.
바텀 커버(810)는 표시 장치(800) 내의 구성 요소들을 수납할 수 있다. 그리고, 반사판(820)은 본 도면처럼 별도의 구성요소로 마련될 수도 있으며, 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.
그리고, 도광판(830)은 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate; PMMA), 폴리카보네이트(PolyCarbonate; PC), 또는 폴리에틸렌(PolyEthylene; PE) 등으로 형성될 수 있다.
그리고, 제1 프리즘 시트(850)는 지지 필름의 일면에, 투광성이면서 탄성을 갖는 중합체 재료로 형성될 수 있으며, 중합체는 복수 개의 입체구조가 반복적으로 형성된 프리즘층을 가질 수 있다. 여기서, 복수 개의 패턴은 도시된 바와 같이 마루와 골이 반복적으로 스트라이프 타입으로 구비될 수 있다.
그리고, 제2 프리즘 시트(860)에서 지지 필름 일면의 마루와 골의 방향은, 제1 프리즘 시트(850) 내의 지지필름 일면의 마루와 골의 방향과 수직할 수 있다. 이는 발광 모듈과 반사 시트로부터 전달된 빛을 디스플레이 패널(1870)의 전면으로 고르게 분산하기 위함이다.
그리고, 도시되지는 않았으나, 도광판(840)과 제1 프리즘 시트(850) 사이에 확산 시트가 배치될 수 있다. 확산 시트는 폴리에스터와 폴리카보네이트 계열의 재료로 이루어질 수 있으며, 백라이트 유닛으로부터 입사된 빛을 굴절과 산란을 통하여 광 투사각을 최대로 넓힐 수 있다. 그리고, 확산 시트는 광확산제를 포함하는 지지층과, 광출사면(제1 프리즘 시트 방향)과 광입사면(반사시트 방향)에 형성되며 광확산제를 포함하지 않는 제1 레이어와 제2 레이어를 포함할 수 있다.
실시 예에서 확산 시트, 제1 프리즘시트(850), 및 제2 프리즘시트(860)가 광학 시트를 이루는데, 광학 시트는 다른 조합 예를 들어, 마이크로 렌즈 어레이로 이루어지거나 확산 시트와 마이크로 렌즈 어레이의 조합 또는 하나의 프리즘 시트와 마이크로 렌즈 어레이의 조합 등으로 이루어질 수 있다.
디스플레이 패널(870)은 액정 표시 패널(Liquid crystal display)가 배치될 수 있는데, 액정 표시 패널(860) 외에 광원을 필요로 하는 다른 종류의 표시 장치가 구비될 수 있다.
이상에서 실시 예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에 포함되며, 반드시 하나의 실시 예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 기판 120: 발광 구조물
122: 제1 도전형 반도체층 124: 활성층
125: 전자 차단층 126: 제2 도전형 반도체층
130: 전도층 142: 제1 전극
144: 제2 전극 a1 내지 a9: 제1층들
b1 내지 b9: 제2층들.
122: 제1 도전형 반도체층 124: 활성층
125: 전자 차단층 126: 제2 도전형 반도체층
130: 전도층 142: 제1 전극
144: 제2 전극 a1 내지 a9: 제1층들
b1 내지 b9: 제2층들.
Claims (10)
- 제1 도전형 반도체층;
상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되고, 우물층 및 장벽층을 포함하는 활성층;
상기 활성층 상에 배치되는 제2 도전형 반도체층; 및
상기 활성층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되는 전자 차단층을 포함하며,
상기 전자 차단층은 제1층과 제2층이 교대로 배치되는 초격자 구조이고,
상기 전자 차단층은 복수의 제1층들과 복수의 제2층들을 포함하고,
상기 복수의 제1층들 각각은 InxAlyGa1-x-yN (0<x≤1, 0≤y<1, 0<x+y<1)의 조성식을 갖고, 상기 복수의 제2층들 각각은 AlzGa1-zN (0<z<1)의 조성식을 가지며,
상기 제1층들 각각에 포함되는 인듐의 함량은 1% ~ 2%이고, 상기 제2층들 각각에 포함되는 알루미늄의 함량은 17% ~ 20%이고,
상기 장벽층의 에너지 밴드 갭은 상기 우물층의 에너지 밴드 갭보다 크고,
상기 제2층들 각각의 에너지 밴드 갭은 상기 제1층들 각각의 에너지 밴드 갭보다 크고,
상기 제1층들의 에너지 밴드 갭들은 서로 동일하고, 상기 제1층들 각각의 에너지 밴드 갭은 상기 장벽층의 에너지 밴드 갭보다 크고,
상기 제1층들은 상기 활성층에서 상기 제2 도전형 반도체층으로 진행할수록 두께가 감소하고,
상기 제1층은 p형 도펀트가 도핑되는 발광 소자.
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