KR102323706B1 - 발광 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 발광 소자는 기판, 기판 상에 상기 알루미늄질화물을 성장시켜 형성된 버퍼층, 및 버퍼층 상에 형성된 제1도전형 반도체층, 활성층 및 제2도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물을 포함하고, 발광 구조물의 제1도전형 반도체층은 적어도 하나의 점층 알루미늄 영역을 더 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 발광 소자의 구조 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 개선된 외부양자효율(external quantum efficiency: EQE)을 가지는 발광 소자 (light emitting device, LED)를 위한 구조와 그 제조방법에 관한 것이다.
발광 소자(LED)의 기술이 발전하면서, 비용의 절감과 에너지 절약을 경험하고 있다. 또한, 발광 소자(LED)를 사용하는 기기들이 다양해지고 있다. 오늘날 가시광선 영역의 LED가 조명을 비롯한 응용분야에 활발하게 적용되고 있지만, 자외선(UV) 광원은 과학·공업, 의료·환경, 반도체 산업 등에서 광범위하게 사용되고 있고, 앞으로도 그 영역이 더 넓어질 것이다.
발광 소자(LED)는 전기 에너지를 광으로 변환하는 장치로서, 일반적으로 반대의 전기적 성질로 도핑된 복수의 층 사이에 개재된 반도체 재료로 이루어진 하나 이상의 활성층을 포함한다. 통상적으로, 도핑된 복수의 층의 양단에 바이어스를 인가하면, 활성층에 정공 및 전자가 주입되고, 이 활성층에서 정공과 전자가 재결합하여 광을 발생한다. 이 광은 활성층 및 LED의 전체 표면으로부터 방출된다.
본 발명은 외부양자효율(external quantum efficiency: EQE)이 개선된 발광 소자를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 광자의 외부 탈출확률을 높여 실질적인 발광 효율을 높일 수 있도록 발광구조물과 기판 사이에 특수 설계된 알루미늄층을 포함하는 발광 소자를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 다중양자우물구조(multiple quantum well, MQW)를 가지는 발광층에서 발생한 빛이 발광 소자를 구성하는 물질간의 굴절률 차이에 의해 발생하는 계면에서의 전반사 이후 내부에 흡수되는 것을 줄여 실질적인 발광 효율이 높아지는 발광 소자를 제공할 수 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자는 기판; 상기 기판 상에 상기 알루미늄질화물을 성장시켜 형성된 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 형성된 제1도전형 반도체층, 활성층 및 제2도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물을 포함하고, 상기 발광 구조물의 제1도전형 반도체층은 적어도 하나의 점층 알루미늄 영역을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 점층 알루미늄 영역은 상기 기판 및 상기 버퍼층의 계면에서 전반사로 인해 상기 활성층 방향으로 되돌아오는 빛을 재반사시킬 수 있다.
또한, 상기 점층 알루미늄 영역은 알루미늄의 조성비율이 상기 버퍼층 방향에서 높고 상기 활성층 방향으로 낮을 수 있다.
또한, 상기 점층 알루미늄 영역은 상기 버퍼층 방향에서 입사되는 빛의 반사율이 상기 활성층 방향에서 입사되는 빛의 반사율보다 클 수 있다.
또한, 상기 점층 알루미늄 영역 내 상기 알루미늄 조성비는 상기 버퍼층 방향에서 상기 활성층 방향으로 점진적으로 낮아질 수 있다.
또한, 상기 점층 알루미늄 영역은 상기 제1도전형 반도체층 내에 반복되어 중첩될 수 있다.
또한, 상기 점층 알루미늄 영역은 30nm~1m의 두께로 형성될 수 있다.
또한, 상기 점층 알루미늄 영역의 두께의 최소값은 상기 발광 구조물에서 출력되는 빛의 파장에 의해 결정되고, 상기 두께의 최대값은 제1도전형 반도체층의 박막 인장력(strain)에 의해 결정될 수 있다.
또한, 상기 점층 알루미늄 영역은 상기 제1도전형 반도체층의 50%를 차지할 수 있다.
또한, 상기 버퍼층은 알루미늄 질화물(AlN)을 포함하고, 상기 제1도전형 반도체층은 알루미늄 갈륨 질화물(AlGaN)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 점층 알루미늄 영역에서 알루미늄 조성비의 최대값은 알루미늄 질화물(AlN)의 알루미늄 조성비고 최소값은 알루미늄 갈륨 질화물(AlGaN)의 알루미늄 조성비일 수 있다.
또한, 상기 최소값은 상기 발광 구조물에서 출력되는 빛의 파장에 따라 달라질 수 있다.
또한, 상기 점층 알루미늄 영역에서 알루미늄 조성비의 최소값은 약 30~70%의 범위를 가지고 최대값은 약 100%의 범위를 가질 수 있다.
또한, 상기 발광 구조물에서 출력된 빛은 사파이어로 구성된 상기 기판을 통해 출력되는 플립 칩(Flip-Chip) 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 발광 구조물에서 출력된 빛은 100-400nm 범위의 파장을 가지는 자외선(Ultraviolet: DUV)일 수 있다.
상기 본 발명의 양태들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.
본 발명에 따른 장치에 대한 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 발광 소자의 발광 효율을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명은 발광 소자에 새로운 물질을 주입하는 것이 아닌 기존 물질의 조성비를 변화를 통해 발광 효율을 개선할 수 있으므로 경제성 및 효율성이 높다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명에 대한 실시예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시예로 구성될 수 있다.
도1은 발광 소자의 문제점을 설명한다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명한다.
도3은 도2에 도시된 점층(gradation) 알루미늄 영역을 설명한다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 패키지를 설명한다.
도1은 발광 소자의 문제점을 설명한다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명한다.
도3은 도2에 도시된 점층(gradation) 알루미늄 영역을 설명한다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 패키지를 설명한다.
이하, 본 발명의 실시예들이 적용되는 장치 및 다양한 방법들에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 구성 요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 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.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도1은 발광 소자의 문제점을 설명한다.
도시된 바와 같이, 발광 소자(1)는 기판(10), 버퍼층(15), 발광 구조물(12), 제1전극(34), 및 제2전극(32)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 발광 구조물(12)은 제1도전형 반도체층(22), 활성층(24), 전자 차단층(25), 및 제2도전형 반도체층(26)을 포함한다. 발광 소자(1)는 빛이 기판(10)을 통과하여 제1방향(52) 및 제2방향(54)으로 방출되는 플립 칩(Flip-Chip) 구조를 가지고 있다.
제1전극(34) 및 제2전극(32)을 통해 전류가 흐르면, 활성층(24)은 빛을 발산한다. 이때, 빛(42)은 버퍼층(15)과 기판(10)을 통과하여 외부로 출력될 수 있다. 하지만, 활성층(24)에서 출력되는 빛의 일부(44)는 기판(10)과 버퍼층(15)의 굴절률 차이에 의해 전반사가 일어나고, 빛의 또 다른 일부(46)는 버퍼층(15)과 제1도전형 반도체층(22)의 굴절률 차이에 의해 전반사가 일어나기도 한다. 기판(10), 버퍼층(15) 및 제1도전형 반도체층(22)의 물질이 서로 상이하기 때문에, 굴절률의 차이를 제거하는 것은 어렵다. 결과적으로, 서로 다른 굴절률을 가지는 복수의 층으로부터 전반사된 빛은 제2도전형 반도체층(26)으로 전달되어 흡수된다. 이로 인해, 발광 소자(1)의 발광 효율은 낮아진다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명한다.
도시된 바와 같이, 발광 소자(100)는 기판(110), 버퍼층(115), 발광 구조물(120), 제1전극(134), 및 제2전극(132)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 발광 구조물(120)은 제1도전형 반도체층(122), 활성층(124), 전자 차단층(125), 및 제2도전형 반도체층(126)을 포함한다. 발광 소자(100)는 빛이 기판(110)을 통과하여 제1방향(152) 및 제2방향(154)으로 방출되는 플립 칩(Flip-Chip) 구조를 가지고 있다.
기판(110)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질, 캐리어 웨이퍼로 형성될 수 있다. 열전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있으며, 전도성 기판 또는 절연성 기판일 수 있다. 예를 들어, 기판(110)은 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, and Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있으나, 이에 한정하지 않는다.
한편, 기판(110) 상에 GaN 화합물의 반도체층을 형성하는 경우에 있어서, 동종 기판으로 GaN 기판이 사용될 수 있다. GaN 기판은 GaN 화합물 반도체와 격자 상수 차이를 줄일 수 있어 저결함 특성을 갖는 고품질 에피 성장이 가능할 수 있다. GaN 기판은 분극성, 반분극성 또는 무분극성일 수 있다.
기판(110) 상에는 요철 구조(P)가 형성될 수 있다. 예를 들어, 기판은 PSS(Patterned Sapphire Substrate) 기판일 수 있으며, 사파이어기판 표면에 패터닝되어 형성된 요철은 기판 표면에서 빛의 난반사를 유도하여 발광 구조물의 광추출효율을 향상시킬 수 있다.
기판(110) 상에는 버퍼층(115)이 배치될 수 있다. 버퍼층(115)은 기판(110)과 도전형 반도체층 간의 재료의 격자 부정합 및 열 팽창 계수의 차이를 완화할 수 있다. 버퍼층(115)의 재료는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 예를 들어, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중 적어도 하나로 형성될 수 있다.
버퍼층(115) 위에는 언도프드(undoped) 반도체층(미도시)이 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
기판(110) 또는 버퍼층(115) 상에 제1도전형 반도체층(122), 활성층(124) 및 제2도전형 반도체층(126)을 포함하는 발광구조물(120)이 형성될 수 있다.
발광 구조물(120)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.
제1도전형 반도체층(122)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제1도전형 반도체층(122)은 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤≤x≤≤1, 0≤≤y≤≤1, 0≤≤x+y≤≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질, AlGaN, GaN, InAlGaN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
제1도전형 반도체층(122)이 n형 반도체층인 경우, 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다. 제1도전형 반도체층(122)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있다.
제1도전형 반도체층(122)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 실리콘(Si)와 같은 n 형 불순물을 포함하는 실란 가스(SiH4)가 주입되어 형성될 수 있다.
제1도전형 반도체층(122)은 점층(gradation) 알루미늄 영역(190)을 포함할 수 있다. 점층 알루미늄 영역(190)은 기판(110) 및 버퍼층(115)의 계면에서 전반사로 인해 활성층(124) 방향으로 되돌아오는 빛을 재반사시킬 수 있다.
점층 알루미늄 영역(190)에서 알루미늄의 조성비율은 버퍼층(115) 방향에서 높고 활성층(124) 방향에서 낮을 수 있다. 점층 알루미늄 영역(190) 내 알루미늄(Al)의 조성비율은 버퍼층(115) 방향에서 활성층(124) 방향으로 서서히 낮아진다.
제1도전형 반도체층(122) 내에 복수의 점층 알루미늄 영역(190)이 반복되어 중첩될 수 있다. 즉, 점층 알루미늄 영역(190)에서 알루미늄(Al)의 조성비율이 높아짐과 낮아짐을 반복할 수 있다. 다만, 알루미늄(Al)의 조성비율이 높아질 때에는 한번에 높아질 수 있지만, 알루미늄(Al)의 조성비율이 낮아질 때에는 점진적으로 낮아질 수 있다. 발광 소자가 출력하는 빛의 파장에 따라 달라질 수 있지만, 점층 알루미늄 영역(190)은 적어도 30nm이상의 두께로 형성될 수 있다.
제1도전형 반도체층(122)은 일반적으로 박막의 인장력(strain)을 고려하여 2um를 넘지 않으며, 일반적으로 1~2um정도의 두께를 가진다. 제1도전형 반도체층(122) 내에 형성되는 점층 알루미늄 영역(190)은 박막의 인장력을 증가시키는 효과가 있으므로, 1um를 넘지 않는 것이 효과적이다. 이 경우, 점층 알루미늄 영역(190)의 두께는 30nm~1um의 범위를 가질 수 있다.
발광 구조물의 제1도전형 반도체층(122) 상에 전류확산층(미도시)이 형성될 수 있다. 전류확산층은 언도프트 질화갈륨층(undoped GaN layer)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
전류확산층 상에 전자주입층(미도시)이 형성될 수 있으며, 전자주입층은 제1 도전형 질화갈륨층일 수 있다.
또한 전자주입층 상에 스트레인 제어층(미도시)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 전자주입층 상에 InyAlxGa(1-x-y)N(0≤≤x≤1, 0≤≤y≤≤1)/GaN 등으로 형성된 스트레인 제어층이 형성될 수 있다.
스트레인 제어층은 제1도전형 반도체층(122)과 활성층(124) 사이의 격자 불일치에 기인한 응력을 완화시킬 수 있다.
제1도전형 반도체층(112) 또는 스트레인 제어층 상에 활성층(124)이 형성될 수 있다.
활성층(124)은 제1도전형 반도체층(122)과 제2도전형 반도체층(126) 사이에 배치될 수 있다.
활성층(124)은 전자와 정공이 서로 만나서 활성층(발광층) 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다. 제1도전형 반도체층(122)이 n형 반도체층이고 제2도전형 반도체층(126)이 p형 반도체층인 경우, 상기 제1도전형 반도체층(122)으로부터 전자가 주입되고 상기 제2도전형 반도체층(126)으로부터 정공이 주입될 수 있다.
활성층(124)은 단일 우물 구조(Double Hetero Structure), 다중 우물 구조, 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물(MQW:Multi Quantum Well) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
활성층(124)은 Ⅲ-Ⅴ족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 우물층과 장벽층, 예를 들면 AlGaN/AlGaN, InGaN/GaN, InGaN/InGaN, AlGaN/GaN, InAlGaN/GaN, GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 우물층은 장벽층의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
활성층(124)의 위 또는/및 아래에는 도전형 클래드층(미도시)이 형성될 수 있다. 도전형 클래드층은 활성층의 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.
제2도전형 반도체층(126)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 제2도전형 반도체층(126)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다.
예를 들어, 제2도전형 반도체층(126)은 InxAlyGa1-x-yN (0≤≤x≤≤1, 0≤≤y≤≤1, 0≤≤x+y≤≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질, AlGaN, GaN AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있으며, 제2도전형 반도체층(126)이 AlxGa(1-x)N으로 이루어질 수 있다.
제2도전형 반도체층(126)이 p형 반도체층인 경우, 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트일 수 있다.
제2도전형 반도체층(126)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 제2도전형 반도체층(126)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 마그네슘(Mg)과 같은 p 형 불순물을 포함하는 비세틸 사이클로 펜타디에닐 마그네슘(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2}가 주입되어 p형 GaN층이 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제2도전형 반도체층(126)이 p형 반도체층일 때, 제2도전형 반도체층(126) 상에는 제2 도전형과 반대의 극성을 갖는 반도체, 예를 들어 n형 반도체층(미도시)을 형성할 수 있다. 이에 따라 발광구조물(120)은 n-p 접합 구조, p-n 접합 구조, n-p-n 접합 구조, p-n-p 접합 구조 중 어느 하나의 구조로 구현할 수 있다.
활성층(124)과 제2도전형 반도체층(126)의 사이에는 활성층(124)과 인접하여 전자 차단층(Electron blocking layer, 125)이 배치될 수 있다.
전자 차단층(125)은 AlGaN을 포함할 수 있으며, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다.
또한, 전자차단층(125)은 AlzGa(1-z)N/GaN(0≤≤z≤≤1) 초격자 (superlattice) 로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 전자차단층(125)은 p형으로 이온 주입되어 오버플로우되는 전자를 효율적으로 차단하고, 홀의 주입효율을 증대시킬 수 있다.
발광 소자(120)의 제2도전형 반도체층(126) 상에는 도전층(미도시)이 배치될 수 있다. 또한, 제2도전형 반도체층(126) 또는 도전층 상에 제2 전극(132)이 형성될 수 있다.
도전층은 제2도전형 반도체층(26)의 전기적 특성을 향상시키고, 제2 전극(132)과의 전기적 접촉을 개선할 수 있다. 도전층은 복수의 층 또는 패턴을 가지고 형성될 수 있으며 도전층은 투과성을 갖는 투명 전극층 혹은 반사성이 높은 반사층으로 형성될 수 있다.
도전층은 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), IZON(IZO Nitride), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), ZnO(Zinc Oxide), IrOx(Iridium Oxide), RuOx(Ruthenium Oxide), NiO(Nickel Oxide), RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au(Gold) 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으나, 이러한 재료에 한정되지 않는다.
도전층 상에는 광추출패턴(미도시)이 형성될 수 있다. 광추출패턴은 습식식각 또는 건식식각 방법에 의하여 형성될 수 있으며, 발광 구조물의 광추출효율을 개선할 수 있다.
발광 소자(100)는 발광 구조물(120)에서 출력된 빛은 사파이어로 구성된 기판(110)을 통해 출력되는 플립 칩(Flip-Chip) 구조를 가질 수 있다. 또한, 발광 구조물(120)에서 출력된 빛은 100-400nm 범위의 파장을 가지는 자외선(Ultraviolet: DUV)일 수 있다.
발광 소자(100)는 빛을 제1방향(152) 및 제2방향(154)으로 방출시킬 수 있다. 제1전극(134) 및 제2전극(132)을 통해 전류가 흐르면, 활성층(124)은 빛을 발산한다. 이때, 빛(142)은 버퍼층(115)과 기판(110)을 통과하여 외부로 출력될 수 있다.
하지만, 활성층(124)에서 출력되는 빛의 일부(144)는 기판(110)과 버퍼층(115)의 굴절률 차이에 의해 전반사가 일어나서 활성층(124)방향으로 되돌아 올 수 있는데, 점층 알루미늄 영역(190)이 되돌아오는 빛을 재반사시켜서 제1방향(152) 및 제2방향(154)으로 빛이 발산되도록 한다.
또한, 빛의 또 다른 일부(146)는 버퍼층(115)과 제1도전형 반도체층(122)의 굴절률 차이에 의해 전반사가 일어나서 활성층(124)방향으로 되돌아 올 수 있는데, 점층 알루미늄 영역(190)이 되돌아오는 빛을 재반사시켜서 제1방향(152) 및 제2방향(154)으로 빛이 발산되도록 한다.
도3는 도2에 도시된 점층(gradation) 알루미늄 영역(190)을 설명한다.
도3(a)를 참조하면, 점층 알루미늄 영역(190)은 버퍼층(115)에서 에피텍셜 성장을 통해 형성되는데, 성장되는 과정에서 알루미늄(Al)의 조성비율이 최소값(P1)에서 최대값(P2)사이로 변화되는 것을 볼 수 있다. 점층 알루미늄 영역(190)에서 알루미늄의 조성비율은 버퍼층(115) 방향에서 높고 활성층(124) 방향에서 낮을 수 있다. 점층 알루미늄 영역(190) 내 알루미늄(Al)의 조성비율은 버퍼층(115) 방향에서 활성층(124) 방향으로 서서히 낮아진다.
일례로, 발광 소자(100) 내에 버퍼층(115)이 알루미늄 질화물(AlN)을 포함하고, 제1도전형 반도체층(122)은 알루미늄 갈륨 질화물(AlGaN)을 포함할 수 있다. 이때, 점층 알루미늄 영역(190)에서 알루미늄(Al) 조성비의 최대값(P2)은 버퍼층(115)에 포함된 알루미늄 질화물(AlN)의 알루미늄 조성비와 동일할 수 있고, 최소값(P1)은 제1도전형 반도체층(122)에 포함된 알루미늄 갈륨 질화물(AlGaN)의 알루미늄 조성비와 동일할 수 있다.
일례로, 점층 알루미늄 영역(190)에서 알루미늄(Al) 조성비의 최소값(P1)은 약 30%~70%의 범위를 가질 수 있다. 최소값(P1)을 결정하는 제1도전형 반도체층(122)에 포함된 알루미늄 갈륨 질화물(AlGaN)의 알루미늄 조성비는 발광 소자가 출력하는 빛의 파장에 따라 달라질 수 있다. 예를 들면, 발광 소자가 장파장 자외선(Ultraviolet A, 400~320 nm), 중간파장 자외선(Ultraviolet B, 320~280 nm), 단파장 자외선(Ultraviolet C, 280~100 nm) 및 그 외 자외선 영역의 빛을 출력하도록 설계될 때, 제1도전형 반도체층(122)에 포함된 알루미늄 갈륨 질화물(AlGaN)의 알루미늄 조성비가 전체의 30%~70%의 범위 내에서 변화될 수 있다.
한편, 점층 알루미늄 영역(190)에서 알루미늄(Al) 조성비의 최대값(P2)은 약 100%까지 가질 수 있다.
도3(b)를 참조하면, 점층 알루미늄 영역(190)은 알루미늄(Al)의 조성비율이 높은 계면(예를 들어, 알루미늄(Al)의 조성비율이 최대값(P2)인 경우)의 반사율(R1)-즉, 버퍼층(115) 방향에서 입사되는 빛의 반사율(R1)-이 알루미늄(Al)의 조성비율이 낮은 계면(예를 들어, 알루미늄(Al)의 조성비율이 최소값(P1)인 경우)의 반사율(R2)-즉, 활성층(124) 방향에서 입사되는 빛의 반사율-보다 클 수 있다. 이러한 반사율 특징으로 인해, 점층 알루미늄 영역(190)은 버퍼층(115)방향에서 전반사로 되돌아오는 빛을 재반사시켜 버퍼층(115)방향으로 되돌릴 수 있다.
일례로, 점층 알루미늄 영역(190)의 두께(T1)는 30nm~1um의 범위를 가질 수 있다. 또한, 복수의 점층 알루미늄 영역(190)이 형성되는 경우, 30nm의 두께를 가지는 영역이 최대 30번 중첩되어 형성될 수 있다.
발광 소자가 출력하는 빛이 280nm의 파장을 가지는 단파장 자외선인 경우, 공기의 굴절률(n=1)보다 두 배 이상 큰 버퍼층(115) 및 제1도전형 반도체층(122) 내에서는 굴절률에 반비례하여 파장이 짧아지게 된다. 예를 들면, 버퍼층(115)을 구성하는 알루미늄 질화물(AlN)의 경우 굴절률이 대략 2.2배(n=2.2)까지 커질 수 있다. 이 경우, 발광 소자의 구조물 내에서의 빛의 파장은 최대 130nm 정도로 짧아질 수 있으며, 이러한 파장의 빛을 반사하기 위해서는 점층 알루미늄 영역(190)이 적어도 파장의 1/4이상의 두께(T1)를 가지는 것이 바람직할 수 있다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 패키지(400)를 설명한다.
도시된 바와 같이, 발광 소자 패키지(400)은 패키지 몸체(452), 제1 및 제2 리드 프레임(454, 456), 몰딩 부재(458) 및 발광 소자(Light Emitting Device, LED)를 포함할 수 있다.
발광 소자(LED)는 소자 기판(410), 발광 구조물(420), 제1 및 제2 범프(455A, 455B)를 포함할 수 있다.
소자 기판(410)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질, 캐리어 웨이퍼로 형성될 수 있다. 또한, 소자 기판(410)은 열전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있으며, 전도성 기판 또는 절연성 기판일 수 있다. 예를 들어 소자 기판(121)은 사파이어(Al203), GaN, SiC, ZnO, Si, GaP, InP, Ga203, GaAs 중 적어도 하나를 포함하는 물질일 수 있다. 비록 도시되지는 않았지만 이러한 소자 기판(410)의 아래에는 요철 패턴이 형성될 수 있다.
발광 구조물(420)은 소자 기판(410) 아래에 제1도전형 반도체층(422), 활성층(424), 및 제2도전형 반도체층(426)이 순차로 적층된 구조일 수 있다.
제1도전형 반도체층(422)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(422)은 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제1도전형 반도체층(422)는 점층 알루미늄 영역(490)을 포함할 수 있다.
발광 구조물(420)은 제1도전형 반도체층(422) 일부를 노출할 수 있다. 즉 발광 구조물(420)에서 제2도전형 반도체층(426), 활성층(424) 및 제1 도전형 반도체층(422)의 일부가 식각되어 제1 도전형 반도체층(422)의 일부가 노출될 수 있다. 이때 메사 식각(mesa etching)에 의하여 노출되는 제1 도전형 반도체층(422)의 노출면은 활성층(424)의 상면보다 높게 위치할 수 있다.
활성층(424)과 제1 도전형 반도체층(422) 사이, 또는 활성층(424)과 제2 도전형 반도체층(426) 사이에는 도전형 클래드층(clad layer, 미도시)이 배치될 수도 있으며, 도전형 클래드층은 질화물 반도체(예컨대, AlGaN)로 형성될 수 있다.
이때, 제1 전극(미도시)이 제1 도전형 반도체층(424)과 제1 범프(455A) 사이에 배치되고, 제2 전극(미도시)이 제2 도전형 반도체층(426)와 제2 범프(455B) 사이에 배치될 수 있다.
제1 범프(455A)는 제1 전극과 제1 리드 프레임(454) 사이에 배치될 수 있다. 제2 범프(455B)는 제2 전극과 제2 리드 프레임(456) 사이에 배치될 수 있다.
제1 및 제2 리드 프레임(454, 456)은 발광 구조물(420)의 두께 방향과 수직한 방향인 x축 방향으로 서로 이격되어 배치될 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 리드 프레임(454, 456)은 서로 전기적으로 분리되어 있다. 제1 및 제2 리드 프레임(454, 456) 각각은 도전형 물질 예를 들면 금속으로 이루어질 수 있으며, 실시 예는 제1 및 제2 리드 프레임(454, 456) 각각의 물질의 종류에 국한되지 않는다.
패키지 몸체(452)는 캐비티(Cavity, "C")를 형성한다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 패키지 몸체(452)는 제1 및 제2 리드 프레임(454, 456)과 함께 캐비티(C)를 형성할 수 있다. 즉, 패키지 몸체(452)의 측면과 제1 및 제2 리드 프레임(454, 456)의 각 상부면은 캐비티(C)를 형성할 수 있다. 패키지 몸체(452)는 EMC(Epoxy Molding Compound) 등으로 구현될 수 있으나, 실시 예는 패키지 몸체(452)의 재질에 국한되지 않는다.
몰딩 부재(458)는 발광 소자(LED)를 포위하여 보호할 수 있다. 몰딩 부재(458)는 예를 들어 실리콘(Si)으로 구현될 수 있으며, 형광체를 포함하므로 발광 소자(LED)에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있다. 형광체로는 발광 소자(LED)에서 발생된 빛을 백색광으로 변환시킬 수 있는 YAG계, TAG계, Silicate계, Sulfide계 또는 Nitride계 중 어느 하나의 파장변환수단인 형광물질이 포함될 수 있으나, 실시 예는 형광체의 종류에 국한되지 않는다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 자외선 LED는 살균기능을 포함하는 장치에 적용할 수 있다. 예를 들어, 살균기능을 갖춘 공기정화기, 가습기, 정수기 등 가정 및 산업 현장 모두에서 사용될 수 있는 장치가 자외선 LED를 포함할 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 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 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 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: 발광 소자 110: 기판
115: 버퍼층 120: 발광 구조물
122: 제1도전형 반도체층
124: 활성층
126: 제2도전형 반도체층
190: 점층 알루미늄 영역
400: 발광 소자 패키지
115: 버퍼층 120: 발광 구조물
122: 제1도전형 반도체층
124: 활성층
126: 제2도전형 반도체층
190: 점층 알루미늄 영역
400: 발광 소자 패키지
Claims (15)
- 기판;
상기 기판 상에 알루미늄질화물을 성장시켜 형성된 버퍼층; 및
상기 버퍼층 상에 형성된 제1도전형 반도체층, 활성층 및 제2도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물을 포함하고,
상기 발광 구조물의 제1도전형 반도체층은 상기 기판 및 상기 버퍼층의 계면에서 전반사로 인해 상기 활성층 방향으로 되돌아오는 빛을 재반사시키는 적어도 하나의 점층 알루미늄 영역을 더 포함하는, 발광 소자. - 제1항에 있어서,
상기 점층 알루미늄 영역은 알루미늄의 조성비율이 상기 버퍼층 방향에서 높고 상기 활성층 방향으로 낮은, 발광 소자. - 제1항에 있어서,
상기 점층 알루미늄 영역은 상기 버퍼층 방향에서 입사되는 빛의 반사율이 상기 활성층 방향에서 입사되는 빛의 반사율보다 큰, 발광 소자. - 제2항에 있어서,
상기 점층 알루미늄 영역 내 상기 알루미늄 조성비는 상기 버퍼층 방향에서 상기 활성층 방향으로 점진적으로 낮아지는, 발광 소자. - 제1항에 있어서,
상기 점층 알루미늄 영역은 상기 제1도전형 반도체층 내에 반복 및 중첩되어 30nm~1㎛의 두께로 형성되는, 발광 소자. - 삭제
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|---|---|---|---|
| KR1020150089427A KR102323706B1 (ko) | 2015-06-24 | 2015-06-24 | 발광 소자 |
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| JP4453515B2 (ja) | 2004-10-22 | 2010-04-21 | 豊田合成株式会社 | 半導体発光素子 |
| KR101279073B1 (ko) | 2011-11-21 | 2013-06-26 | 포항공과대학교 산학협력단 | 발광 다이오드 및 그 제조방법 |
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-
2015
- 2015-06-24 KR KR1020150089427A patent/KR102323706B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
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| JP2007103689A (ja) | 2005-10-05 | 2007-04-19 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 半導体発光装置 |
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| KR20170000494A (ko) | 2017-01-03 |
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