KR102326927B1 - 발광소자 및 이를 이용한 가스 센서 - Google Patents

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KR102326927B1 KR1020170055320A KR20170055320A KR102326927B1 KR 102326927 B1 KR102326927 B1 KR 102326927B1 KR 1020170055320 A KR1020170055320 A KR 1020170055320A KR 20170055320 A KR20170055320 A KR 20170055320A KR 102326927 B1 KR102326927 B1 KR 102326927B1
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Abstract

본 발명은 자외선 발광 소자에 관한 것으로, 본 발명에 따른 발광소자는 기판, 상기 기판 상에 배치된 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치된 제2 도전형 반도체층, 및 상기 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층 사이에 배치된 자외선 파장을 방출하는 활성층을 포함하고, 상기 활성층은 우물층과 장벽층을 포함하는 양자우물 구조이고, 상기 우물층과 장벽층은 AlxGa1 - xN (0≤x≤1) 조성식을 갖는 반도체층으로, 상기 우물층의 Al 조성과 장벽층의 Al 조성비는 1 : 1.13 내지 1 : 1.20일 수 있다.

Description

발광소자 및 이를 이용한 가스 센서{LIGHT EMITING DEVICE AND GAS SENSOR USING THE SAME}
실시예는 발광소자 및 이를 이용한 가스 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자외선을 방출하는 발광소자 및 이를 이용한 가스 센서에 관한 것이다.
GaN, AlGaN 등의 화합물을 포함하는 반도체 소자는 넓고 조정이 용이한 밴드 갭 에너지를 가지는 등의 많은 장점을 가져서 발광소자, 수광 소자 및 각종 다이오드 등으로 다양하게 사용될 수 있다.
질화물 반도체는 높은 열적 안정성과 폭 넓은 밴드갭 에너지에 의해 광소자 및 고출력 전자소자 개발 분야에서 큰 관심을 받고 있다. 특히, 질화물 반도체를 이용한 자외선(UV) 발광소자, 청색(Blue) 발광소자, 녹색(Green) 발광소자, 적색(RED) 발광소자 등은 상용화되어 널리 사용되고 있다.
한편, 이러한 발광 소자는 다양한 분야에 이용되고 있는데, 최근에는 발광 소자를 이용하여 유해 가스를 감지하기 위한 연구가 진행 중이다.
종래의 유해 가스 감지기는 이산화탄소를 감지할 수는 있으나 자동차 배기가스와 같은 질소산화물을 감지하지 못하는 문제점이 있다.
실시예에서는 질소산화물을 감지할 수 있는 자외선 발광소자 및 이를 이용한 가스 센서를 제공하고자 한다.
실시예는 따른 발광 소자는, 기판; 상기 기판 상에 배치된 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치된 제2 도전형 반도체층; 및 상기 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층 사이에 배치된 자외선 파장을 방출하는 활성층을 포함하고, 상기 활성층은 우물층과 장벽층을 포함하는 양자우물 구조이고, 상기 우물층과 장벽층은 AlxGa1-xN (0≤x≤1) 조성식을 갖는 반도체층으로, 상기 우물층의 Al 조성과 장벽층의 Al 조성비는 1 : 1.13 내지 1 : 1.20일 수 있다.
실시예에서, 상기 우물층의 Al 조성비는 72% 내지 78%일 수 있다.
실시예에서, 상기 제1 도전형 반도체층은 AlGaN계 반도체를 포함하고, 상기 제1 도전형 반도체층은 상기 활성층에 인접한 제1-1 도전형 반도체층, 상기 제1-1 도전형 반도체층 아래에 배치된 제1-2 도전형 반도체층 및 상기 제1-2 도전형 반도체층 아래에 배치된 제1-3 도전형 반도체층을 포함하고, 제1-1 도전형 반도체층의 Al 조성비는 상기 장벽층의 Al 조성비와 같거나 높고, 상기 제1-2 도전형 반도체층의 Al 조성비는 상기 제1-1 도전형 반도체층의 알루미늄 조성비와 같거나 낮고, 상기 제1-3 도전형 반도체층의 Al 조성비는 상기 제1-1 도전형 반도체층의 알루미늄 조성비와 같거나 높을 수 있다.
실시예에서, 상기 우물층과 상기 제1-1 도전형 반도체층의 Al 조성비는 1 : 1.16 내지 1 : 1. 23 이고, 상기 우물층과 상기 제1-2 도전형 반도체층의 Al 조성비는 1 : 1.09 내지 1 : 1. 17이고, 상기 우물층과 상기 제1-3 도전형 반도체층의 Al 조성비는 1 : 1.16 내지 1 : 1. 24 일 수 있다.
실시예에서, 상기 제1-1 도전형 반도체층의 Al 조성비는 87% 내지 92%이고, 상기 제1-2 도전형 반도체층의 Al 조성비는 82% 내지 98%이고, 상기 제1-3 도전형 반도체층의 Al 조성비는 87% 내지 92%일 수 있다.
실시예에서, 상기 활성층과 제2 도전형 반도체층 사이에는 상기 활성층에 인접한 정공주입층; 및 상기 정공주입층 상에 배치된 전자장벽층을 더 포함하고, 상기 정공주입층은 AlGaN계 반도체를 포함하고, Al의 조성비는 상기 제1-1 도전형 반도체층의 Al 조성비 보다 높을 수 있다.
실시예에서, 상기 정공주입층과 상기 장벽층의 Al 함량 차이는 상기 제1-1 도전형 반도체층과 상기 장벽층의 Al 함량 차이 보다 2배 이상일 수 있다.
실시예에서, 상기 전자차단층은 AlGaN계 반도체를 포함하고, Al의 조성비는 상기 정공주입층 보다 낮을 수 있다.
실시예에서, 상기 우물층과 상기 정공주입층의 Al 조성비는 1 : 1.20 내지 1 : 1.27일 수 있다.
실시예에서, 상기 우물층과 상기 전자차단층의 Al 조성비는 1 : 1.16 내지 1 : 1.23일 수 있다.
실시예에서, 상기 정공주입층의 Al 조성비는 90% 내지 95%일 수 있고, 상기 전자차단층의 Al 조성비는 87% 내지 92%일 수 있다.
실시예에서, 상기 제2 도전형 반도체층은 AlGaN계 반도체를 포함하고, 상기 활성층에 인접하여 배치된 제2-1 도전형 반도체층, 상기 제2-1 도전형 반도체층 상에 배치된 제2-2 도전형 반도체층 및 상기 제2-2 도전형 반도체층 상에 배치된 제2-3 도전형 반도체층을 포함하고, 상기 제2-1 도전형 반도체층, 제2-2 도전형 반도체층 및 제2-3 도전형 반도체층의 Al 조성비는 위쪽으로 갈수록 낮아질 수 있다.
실시예에서, 상기 우물층과 제2-1 도전형 반도체층의 Al 조성비는 1 : 1.03 내지 1 : 1.09이고, 상기 우물층과 제2-2 도전형 반도체층의 Al 조성비는 1 : 0.96 내지 1 : 1.04이고, 상기 우물층과 제2-3 도전형 반도체층의 Al 조성비는 1 : 0.83 내지 1 : 0.91일 수 있다.
실시예에서, 상기 제2 도전형 반도체층 상에는 컨택층이 배치되고, 상기 컨택층의 Al 조성비는 상기 50% 이하일 수 있다.
실시예에서, 상기 제2-1 도전형 반도체층의 Al 조성비는 77% 내지 82%이고, 상기 제2-2 도전형 반도체층의 Al 조성비는 72% 내지 78%이고, 상기 제2-3 도전형 반도체층의 Al 조성비는 62% 내지 68%일 수 있다.
실시예에서, 상기 우물층의 두께는 0.1nm 내지 3nm이고, 상기 장벽층의 두께는 1nm 내지 20nm일 수 있다.
또한, 발 발명의 실시예에 따른 가스 센서는 가스 흡입구 및 배기구가 형성된 하우징; 상기 하우징의 일측에 배치되어 자외선 광을 방출하는 발광소자;
상기 발광소자와 이격 배치되어 상기 발광소자에서 방출된 자외선을 감지하여 수광소자; 및 상기 수광소자에서 감지된 자외선 량과 기준값을 비교하여 가스 농도를 계산하는 계산부;를 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 하우징의 일측에서는 제1 반사부가 형성되어 있고, 상기 제1 반사부는 상기 발광소자에서 출사된 자외선을 상기 수광소자로 반사할 수 있다.
실시예에서, 상기 하우징의 다른 일측에 제2 반사부가 형성되어 있고, 상기 제2 반사부는 상기 제1 반사부에서 반사된 자외선을 수신하여 상기 수광소자로 반사할 수 있다.
실시예에서, 상기 발광소자는, 기판; 상기 기판 상에 배치된 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치된 제2 도전형 반도체층; 및 상기 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층 사이에 배치된 자외선 파장을 방출하는 활성층을 포함하고, 상기 활성층은 우물층과 장벽층을 포함하는 양자우물 구조이고, 상기 우물층과 장벽층은 AlxGa1 - xN (0≤x≤1) 조성식을 갖는 반도체층으로, 상기 우물층의 Al 조성과 장벽층의 Al 조성비는 1 : 1.13 내지 1 : 1.20일 수 있다.
실시예에 의하면, 종래의 발광 소자의 구조 변화 없이 질화물계 반도체층의 Al 조성비만을 변화시켜 자외선 발광 소자를 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면, NO. NO2, SO 등의 유해 가스를 감지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자외선 발광 소자의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 활성층의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제1 도전형 반도체층의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 제2 도전형 반도체층의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 발광소자 패키지의 단면도이다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 발광소자를 적용한 가스 센서의 구성도를 나타낸 것이다.
본 실시 예들은 다른 형태로 변형되거나 여러 실시 예가 서로 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 각각의 실시 예로 한정되는 것은 아니다.
특정 실시 예에서 설명된 사항이 다른 실시 예에서 설명되어 있지 않더라도, 다른 실시 예에서 그 사항과 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 다른 실시 예에 관련된 설명으로 이해될 수 있다.
예를 들어, 특정 실시 예에서 구성 A에 대한 특징을 설명하고 다른 실시 예에서 구성 B에 대한 특징을 설명하였다면, 구성 A와 구성 B가 결합된 실시 예가 명시적으로 기재되지 않더라도 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 실시예의 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 두 개의 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)"으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
반도체 소자는 발광소자, 수광 소자 등 각종 전자 소자 포함할 수 있으며, 발광소자와 수광소자는 모두 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 반도체 소자는 발광소자일 수 있다.
발광소자는 전자와 정공이 재결합함으로써 빛을 방출하게 되고, 이 빛의 파장은 물질 고유의 에너지 밴드갭에 의해서 결정된다. 따라서, 방출되는 빛은 상기 물질의 조성에 따라 다를 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광 소자(100)의 개념도를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 발광 소자(100)는 기판(110), 상기 기판 상에 배치된 제1 도전형 반도체층(130), 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치된 활성층(140), 상기 활성층 상에 배치된 제2 도전형 반도체층(170)을 포함하고, 상기 기판과 제1 도전형 반도체층 사이에는 버퍼층(120)이 배치될 수 있고, 상기 활성층(140)과 제2 도전형 반도체층(170) 사이에는 정공주입층(150)과 전자장벽층(160)이 배치될 수 있다.
상기 기판(110)은 열전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있으며, 전도성 기판 또는 절연성 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(110)은 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, and Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 상기 기판(110)은 예컨대, AlN 템플리트(template)일 수 있다. 상기 기판(110)의 상면 및/또는 하면에는 복수의 돌출부(미도시)가 형성될 수 있으며, 상기 복수의 돌출부 각각은 측 단면이, 반구형 형상, 다각형 형상, 타원 형상 중 적어도 하나를 포함하며 스트라이프 형태 또는 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 상기 돌출부는 광 추출 효율을 개선시켜 줄 수 있다.
상기 기판(110) 위에는 복수의 화합물 반도체층이 성장될 수 있으며, 상기 복수의 화합물 반도체층의 성장 장비는 전자빔 증착기, PVD(physical vapor deposition), CVD(chemical vapor deposition), PLD(plasma laser deposition), 이중형의 열증착기(dual-type thermal evaporator) 스퍼터링(sputtering), MOCVD(metal organic chemical vapor deposition) 등에 의해 형성할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 기판(110) 상에는 버퍼층(120)이 배치될 수 있다.
상기 버퍼층(120)은 기판(110)과 제1 도전형 반도체층(130) 간의 격자 부정합을 완화하고 도전형 반도체들이 용이하게 성장될 수 있도록 한다. 상기 버퍼층(120)은 AlxGa1 - xN (0≤x≤1) 조성식을 포함하는 반도체층일 수 있다. 따라서 상기 Al의 조성비는 100%인 경우 버퍼층(120)은 AlN층이 될 수 있다.
상기 버퍼층(120) 상에는 제1 도전형 반도체층(130)과 제2 도전형 반도체층(170)이 배치될 수 있으며, 상기 제1 도전형 반도체층(130)과 제2 도전형 반도체층 사이에 활성층(140)이 배치될 수 있다.
상기 활성층(140)은 제1도전형 반도체층(130)을 통해서 주입되는 전자(또는 정공)와 제2도전형 반도체층(170)을 통해서 주입되는 정공(또는 전자)이 만나는 층이다. 활성층(140)은 전자와 정공이 재결합함에 따라 낮은 에너지 준위로 천이하며, 자외선 파장을 가지는 빛을 생성할 수 있다.
활성층(140)은 단일 우물 구조, 다중 우물 구조, 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물(Multi Quantum Well; MQW) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있으며, 활성층(140)의 구조는 이에 한정하지 않는다.
상기 활성층(140)은 화합물 반도체로 구현될 수 있다. 상기 활성층(140)은 예로서 II족-VI족 및 III족-V족 화합물 반도체 중에서 적어도 하나로 구현될 수 있다.
상기 활성층(140)이 다중 우물 구조로 구현된 경우, 상기 활성층(140)은 복수의 우물층과 복수의 장벽층을 포함한다. 상기 활성층(140)은 우물층과 장벽층이 교대로 배치된다. 상기 우물층과 상기 장벽층의 페어는 2~30주기로 형성될 수 있다. 바람직하게는 우물층과 장벽층의 페어는 4페어일 수 있다.
상기 우물층은 예컨대, AlxGa1 - xN (0≤x≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료로 배치될 수 있다. 상기 장벽층은 예컨대, AlxGa1 - xN (0≤x≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료로 형성될 수 있다.
도 2는 상기 활성층의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2를 참조하면 우물층(142)과 장벽층(144)이 반복적으로 배치되어 있는 것을 확인할 수 있다.
상기 활성층(140)에서 발생하는 광의 파장은 상기 우물층(142)과 장벽층(144)의 에너지 밴드갭에 의해 결정된다.
상기 우물층(142)와 장벽층의(144) 알루미늄 함량을 조절하여 에너지 밴드갭을 조절할 수 있고, 이를 이용하여 자외선C(ultraviolet C, UVC) 대역의 광을 생성할 수 있다.
파장과 에너지 밴드갭은 eV=1240/λ(nm) 의 관계가 성립한다.
상기 식에 의해 에너지 밴드갭을 5.39eV가 되도록 조절하면 230nm 파장의 광을 출력할 수 있다.
에너지 밴드갭은 우물층(142)과 장벽층(144)의 알루미늄 조성비율을 조절하여 조절할 수 있다.
우물층(142)과 장벽층(144)의 알루미늄 조정비를 1: 1.3 내지 1:1.20 범위일 경우, 우물층과 장벽층의 에너지 밴드갭이 대략 5.39eV가 되고 230nm 파장 대역의 광을 출력할 수 있다. 즉, 장벽층의 알루미늄 조성비는 우물층의 알루미늄 조성비 대비 1.13 배 내지 1.20 배 범위 내에서 결정될 수 있다.
우물층(142)의 알루미늄 비중은 72% 내지 78% 일 수 있고, 장벽층(144)의 알루미늄 비중은 우물층(142)의 알루미늄 비중에 따라 상기 1: 1.3 내지 1:1.20 비율로 결정될 수 있다. 예를 들어, 우물층(142)의 알루미늄 비중이 75%인 경우, 장벽층(144)의 알루미늄 비중은 85% 내지 90%일 수 있다. 그리고, 우물층(142)의 두께(T)는 0.1nm 내지 3nm 일 수 있고, 장벽층의 두께(T2)는 1nm 내지 20nm 일 수 있다.
다른 파장 대역의 광을 출력하고자 할 경우에는 알루미늄 비중을 조절하여 에너지 밴드갭을 조절할 수 있다.
예를 들어, 220nm 파장의 광을 출력하고자 하는 경우에는 에너지 밴드갭이 5.63eV가 되도록 알루미늄 비중을 조절하고, 240nm 파장의 광을 출력하고자 하는 경우에는 에너지 밴드갭이 5.17eV가 되도록 알루미늄 비중을 조절할 수 있다.
구체적으로, 우물층의 알루미늄 조성비가 60%이고, 장벽층의 알루미늄 조성비가 68% 내지 72%인 경우, 220nm 파장의 광을 출력할 수 있고, 우물층의 알루미늄 조성비가 90%이고, 장벽층의 알루미늄 조성비가 95% 내지 98%인 경우 240nm 파장의 광을 출력할 수 있다.
상기 우물층(142)과 장벽층(144)의 알루미늄 비중에 따라 다른 층들(130, 150, 160, 170)의 알루미늄 비중이 조절된다.
상기 제1 도전형 반도체층(130)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1도펀트가 도핑될 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(130)은 AlxGa1 - xN (0≤x≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료로 구현될 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(130)은의 알루미늄 조성비는 장벽층(144)보다 높게 형성될 수 있다. 그리고 제1 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 와 같은 n형 도펀트일 수 있다. 제1 도펀트가 n형 도펀트일 경우, 제1 도전형 반도체층(130)은 n형 반도체층일 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(130)은 Al 조성비에 따라 다수의 층으로 구분될 수 있다.
도 3은 상기 제1 도전형 반도체층(130)의 단면도를 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 상기 제1 도전형 반도체층은(130)은 상기 활성층에 인접하는 제1-1 도전형 반도체층(132), 상기 제1-1 도전형 반도체층 아래에 배치된 제1-2 도전형 반도체층(134) 및 상기 제1-2 도전형 반도체층 아래에 배치된 제1-3 도전형 반도체층(136)을 포함할 수 있다.
상기 제1-1 도전형 반도체층(132)는 장벽층(144)의 알루미늄 조성비와 같거나 높을 수 있다. 상기 우물층(142)의 알루미늄 조성비가 75%일 때, 제1-1 도전형 반도체층(132)의 알루미늄 조성비는 87% 내지 92%일 수 있다. 상기 우물층(142)과 제1-1 도전형 반도체층(132)의 알루미늄 조성비는 1:1.15 내지 1:1.23일 수 있다. 그리고 제1-1 도전형 반도체층(132)의 두께는 1nm 내지 500nm 일 수 있다.
제1-2 도전형 반도체층(134)의 알루미늄 조성은 제1-1 도전형 반도체층(132)의 알루미늄 조성보다 낮다. 상기 우물층(142)의 알루미늄 조성비가 75%일 때, 제1-2 도전형 반도체층(134)의 알루미늄 조성비는 82% 내지 88%일 수 있다. 상기 우물층(142)과 제1-2 도전형 반도체층(132)의 알루미늄 조성비는 1:1.09 내지 1:1.17일 수 있다.
상기 제1-3 도전형 반도체층(136)의 알루미늄 조성은 제1-1 도전형 반도체층(132)의 알루미늄 조성과 같을 수 있다. 상기 우물층(142)의 알루미늄 조성비가 75%일 때, 제1-3 도전형 반도체층(136)의 알루미늄 조성비는 87% 내지 92%일 수 있다. 상기 우물층(142)과 제1-3 도전형 반도체층(136)의 알루미늄 조성비는 1:1.15 내지 1:1.23일 수 있다.
그리고 제1-3 도전형 반도체층(136)의 알루미늄 조성비는 버퍼층(120) 보다는 낮으며 제1-2 도전형 반도체층(134) 보다는 높다. 버퍼층의 알루미늄 조성비는 100%인데, 알루미늄 조성비가 급격히 변하면 결정성이 좋지 않으므로 n 컨택층(134)와 버퍼층(120) 사이에 제1-3 도전형 반도체층(136)을 형성하여 알루미늄 조성이 급격이 변하는 것을 막는다.
상기 활성층(140) 상에는 정공주입층(150)이 배치될 수 있다.
정공주입층(150)은 정공을 활성층의 중심부로 효과적으로 이동시켜 발광 효율을 증가시킬 수 있다. 정공주입층(150)은 제1 정공주입층과 제2 정공주입층을 포함할 수 있다. 제1 정공주입층은 언도프 층일 수 있다. 제2 정공주입층은 p형 도펀트가 도핑된 층일 수 있다.
상기 정공주입층(150)의 알루미늄 조성비는 제1-3 도전형 반도체층(136)의 알루미늄 조성비보다 높아야 한다. 정공주입층의 알루미늄 조성비는 버퍼층을 제외하고 가장 높을 수 있다.
상기 우물층(142)의 알루미늄 조성비가 75%일 때, 상기 정공주입층(150)이 알루미늄 조성비는 90% 내지 95%일 수 있다. 상기 우물층(142) 정공주입층의 알루미늄 조성비는 1 : 1.2 내지 1: 1.27 일 수 있다.
상기 정공주입층(150)과 상기 장벽층(144)의 알루미늄 조성비 차이는 상기 제1-1 도전형 반도체층(132)과 상기 장벽층의 알루미늄 조성비 차이보다 2배 이상일 수 있다. 즉, 다음과 같은 식이 성립한다.
(정공주입층 Al 조성비 - 장벽층 Al 조성비) ≥ 2(제1-1 도전형 반도체층 Al 조성비 - 장벽층 Al 조성비)
예를 들어, 장벽층의 알루미늄 조성비가 88%이고, 제1-1 도전형 반도체층(132)의 알루미늄 조성비가 90%인 경우, 정공주입층(150)의 알루미늄 조성비는 92% 이상이어야 한다.
상기 정공주입층(150)의 두께는 1nm 내지 10nm 일 수 있다.
상기 정공주입층(150) 상에는 전자차단층(160)이 배치될 수 있다.
상기 전자차단층(160)은 전자 차단(electron blocking) 및 활성층의 클래딩(MQW cladding) 역할을 하며, 이로 인해 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 전자 차단층(160)은 AlxGa(1-x)N(0≤x≤1)계 반도체로 형성될 수 있으며, 상기 활성층(140)의 에너지 밴드 갭보다는 높은 에너지 밴드 갭을 가질 수 있다. 상기 전자차단층(160)의 알루미늄 조성비는 정공주입층(150)의 알루미늄 조성비조다 낮게 형성될 수 있다. 우물층(142)의 알루미늄 조성비가 75%일 때, 전자차단층(160)의 알루미늄 조성비는 87% 내지 92%일 수 있다. 상기 우물층(142)과 전자차단층(160)의 알루미늄 조성비는 1 : 1.16 내지 1 : 1. 23 일 수 있다.
상기 전자차단층(160)의 두께는 1nm 내지 100nm 일 수 있다.
상기 전자차단층(160)의 상부에는 제2 도전형 반도체층(170)이 배치될 수 있다.
상기 제2도전형 반도체층(170)은 활성층(140) 상에 형성되며, Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2도전형 반도체층(127)에 제2도펀트가 도핑될 수 있다. 제2도전형 반도체층(170)은 AlxGa1 - xN (0≤x≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질일 수 있다. 제2도펀트가 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트인 경우, 제2도펀트가 도핑된 제2도전형 반도체층(170)은 p형 반도체층일 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(170)은 알루미늄 조성비율에 따라 다수의 층으로 구분될 수 있다.
도 4는 제2 도전형 반도체층(170)의 단면도를 나타낸 것이다.
도 4를 참조하면, 상기 제2 도전형 반도체층(170)은 상기 전자차단층(160) 상에 배치된 제2-1 도전형 반도체층(172), 상기 제2-1 도전형 반도체층 상에 배치된 제2-2 도전형 반도체층(174) 및 상기 제2-2 도전형 반도체층 상에 배치된 제2-3 도전형 반도체층(176)을 포함할 수 있다.
상기 제2-1 도전형 반도체층(172), 제2-2 도전형 반도체층(174) 및 제2-3 도전형 반도체층(176)의 알루미늄 조성비는 위쪽으로 갈수록 순차적으로 낮아질 수 있다. 우물층(142)의 알루미늄 조성비가 75%일 때, 제2-1 도전형 반도체층(172)의 알루미늄 조성비는 77% 내지 82%일 수 있고, 제2-2 도전형 반도체층(174)의 알루미늄 조성비는 72% 내지 77%일 수 있고, 제2-3 도전형 반도체층(176)의 알루미늄 조성비는 62% 내지 68%일 수 있다.
상기 우물층(142)과 제2-1 도전형 반도체층(172)의 알루미늄 조성비는 1 : 1.03 내지 1: 1.09일 수 있다. 상기 우물층(142)과 제2-2 도전형 반도체층(174)의 알루미늄 조성비는 1 : 0.96 내지 1: 1.04일 수 있다. 상기 우물층(142)과 제2-3 도전형 반도체층(176)의 알루미늄 조성비는 1 : 0.83 내지 1: 0.91일 수 있다.
상기 제2-1 도전형 반도체층(172), 2-2 도전형 반도체층(174), 및 2-3 도전형 반도체층(176)의 두께는 모두 1nm 내지 100nm 일 수 있다.
그리고, 상기 제1-2 도전형 반도체층(134)은 제1 컨택층일 수 있으며, 그 위에는 제1 전극(192)이 배치될 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(170) 상에는 제2 컨택층(180)이 배치될 수 있고, 제2 컨택층(180) 상에는 제2 전극(194)이 배치될 수 있다.
상기 제2 컨택층(180)은 알루미늄 조성비는 우물층의 알루미늄 조성비보다 낮아야 하며, 구체적으로 50% 미만 이하일 수 있다. 상기 제2 컨택층(180)은 제2 도전형 반도체층 보다 밴드갭이 작아 컨택 저항을 줄여 전력 소모를 감소시킬 수 있다.
상기 제2 컨텍층(180)층의 두께는 1nm 내지 10nm 일 수 있다.
상기 제1 전극(192)은 제1 도전형 반도체층(130)에 전기적으로 연결되면, 상기 제2 전극(194)는 제2 도전형 반도체층(170)에 전기적으로 연결된다.
상기 제1 전극(192)과 제2 전극(194)는 오믹 접촉, 접착층, 본딩층의 특성을 갖는 금속으로 비 투광성으로 이루어질 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 제1전극(192) 및 제2전극(194)은 Ti, Ru, Rh, Ir, Mg, Zn, Al, In, Ta, Pd, Co, Ni, Si, Ge, Ag 및 Au와 이들의 선택적인 합금 중에서 선택될 수 있다.
상기와 같은 알루미늄 조성에 의해 자외선 파장을 방출하는 발광 소자를 제조할 수 있다.
특히, 본 실시예에 의하면 종래의 발광소자의 적층 구조를 크게 변화시키지 않고 밴드갭 엔지니어링(bandgap engineering)을 통해 우물층 알루미늄 조성비와 두께를 적절히 조절하고, 그에 따라 다른 층들의 알루미늄 조성비를 적절히 조절함으로써 자외선 파장을 방출하는 발광소자를 보다 용이하게 제조할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 발광소자가 구비된 발광소자 패키지를 나타낸 단면도이다.
도 5를 참조하면, 발광 소자 패키지(10)는 패키지 몸체부(1), 상기 패키지 몸체부(1) 에 설치된 제1 리드전극(2) 및 제2 리드전(3), 상기 상기 제1 리드전극(2) 및 제2 리드전(3)과 전기적으로 연결되는 발광 소자(100), 및 상기 발광 소자(100)를 포위하는 몰딩부재(4)가 포함된다.
상기 패키지 몸체부(1)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 발광 소자(100)의 주상에 경사면이 형성될 수 있다.
상기 제1 리드전극(2) 및 제2 리드전극(3)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광 소자(100)에 전원을 제공하는 역할을 한다. 또한, 상기 제3 리드전전(2) 및 제2 리드전극(3)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 상기 패키지 몸체부(1) 상에 배치되거나 상기 제3 리드전극(2) 또는 제2 전극층(3) 상에 배치될 수 있다.
상기 발광 소자(100)는 상기 제1 리드전극(2) 및 제2 리드전극(3)과 와이어 방식, 플립칩 방식 또는 다이 본딩 방식 중 어느 하나에 의해 전기적으로 연결될 수도 있다. 실시예에서는 상기 발광 소자(100)가 상기 제1 리드전극(2) 및 제2 리드전극(3)과 각각 와이어를 통해 전기적으로 연결된 것이 예시되어 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 몰딩부재(4)는 상기 발광 소자(100)를 포위하여 상기 발광 소자(100)를 보호할 수 있다. 또한, 상기 몰딩부재(4)에는 형광체(5)가 포함되어 상기 발광 소자(100)에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 발광소자를 적용한 가스 센서의 구성도를 나타낸 것이다. 도 6 내지 도 9는 개략적인 구조만을 나타낸 것이고, 가스 농도 계산을 위한 회로 구성은 생략하였다. 도 6 내지 9에는 도시되지 않았으나, 실시예에 따른 가스 센서는 수광소자에서 검출된 자외선 량과 기준값을 비교하여 가스 농도를 계산하는 계산부를 포함할 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 가스 센서(200)는 흡입구 및 배기구가 형성된 하우징(210), 상기 하우징의 일측에 배치된 발광소자(220), 및 상기 발광소자와 이격 배치되어 상기 발광소자에서 방출된 자외선을 감지하여 가스 농도를 감지하는 수광소자(230)를 포함할 수 있다.
상기 하우징에는 흡입구(212)와 배기구(214)가 형성될 수 있으며, 흡입구(212)와 배기구(214)는 서로 대향하는 면에 형성될 수 있다. 상기 흡입구(212)와 배기구의 위치에는 제한이 없으나, 도시된 바와 같이 흡입구(212)와 배기구(214)는 일직선 상에 배치되지 않고 서로 대각선 방향으로 배치되게 하여 가스가 하우징 내에 머무는 시간을 확보하여 가스 감지의 정확성을 높일 수 있다.
상기 하우징(210)은 원통형의 기다란 형상일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
상기 하우징(210)에서 길이가 긴 쪽을 가로 방향이라고 할 때, 상기 흡입구(212)는 하우징의 상부에 형성될 수 있고, 배기구(214)는 하우징의 하부 에 형성될 수 있다.
상기 하우징(210)의 내부에는 발광소자(220)와 수광소자(230)가 배치될 수 있다.
상기 발광소자(220)는 자외선을 방출하는 발광소자로, 앞서 도 1에서 살펴본 발광소자가 사용될 수 있다.
상기 발광소자(220)는 하우징에서 가로 방향으로 외곽 부분에 배치될 수 있고, 상기 수광소자(230)는 상기 발광소자(220)의 반대편에 배치될 수 있다. 즉, 발광소자(220)와 수광소자(230)는 최대한 이격되도록 배치되는 것이 바람직하다. 발광소자에서 방출된 광시 수광소자(230)에 수신되기 전까지 비행 거리가 늘어날수록 감지 센서의 정확도는 향상되기 때문이다.
이때 발광소자(220)의 발광부(222)와 수광소자(230)의 수광부(232)는 서로 마주보도록 배치될 수 있다.
상기 수광소자(220)는 포토 다이오드가 사용될 수 있으며, 상기 발광소자(220)에서 방출된 자외선을 수신하여 기준값과 비교하여 가스 농도를 감지할 수 있다. 기준값이란 하우징 내 가스가 없을 때 수광소자에서 수신한 자외선 량으로 미리 설정될 수 있다. 즉, 하우징 내에 가스가 없을 때 수신한 자외선 량과 가스가 유입되었을 때 수신된 자외선 량을 비교하는 방법으로 가스 농도를 감지할 수 있다. 발광소자에서 방출된 자외선은 가스 입자에 의해 굴절 및 산란 하게 되므로, 가스가 존재하면 수광소자(230)에 수신되는 자외선 량은 기준값과 달라지게 되므로, 이를 계산하여 가스 농도를 알 수 있다.
상기 가스는 NO, NO2, Sox와 같은 자동차 유해 가스를 포함한다.
도 7은 가스 센서의 다른 실시예를 나타낸 것으로, 하우징의 일면에 반사부를 추가한 것이다.
도 7을 참조하면, 가스 센서(300)는 흡입구 및 배기구가 형성된 하우징(210), 상기 하우징의 일측에 배치된 발광소자(220), 및 상기 발광소자와 이격 배치되어 상기 발광소자에서 방출된 자외선을 감지하여 가스 농도를 감지하는 수광소자(230)를 포함하고, 하우징의 일면에 반사부(216)가 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다.
본 실시예에서는 상기 발광소자(220)외 발광부(220)와 수광소자(230)의 수광부(232)가 서로 같은 방향으로 배치될 수 있다.
즉, 발광소자(220)의 발광부(222)는 하우징(210)의 반사부(216)를 바라보도록 배치될 수 있다. 발광부(222)에서 방출된 광은 반사부(216)에서 반사되어 수광소자(230)로 입사된다.
상기 반사부(216)에는 알루미늄층이 코팅될 수 있다. 반사부에 알루미늄 코팅을 함으로써 자외선 광의 반사율을 높일 수 있다.
도 6의 실시예에 의하면, 발광소자(220)는 반사부(216)에서 다소 이격되어 배치될 수 있다. 도 5의 실시예에서는, 발광소자와 수광소자 간의 거리를 확보하기 위해 발광소자가 하우징의 측면에 배치되었지만, 도 의 실시예에서는 발광소자를 측면에서 안쪽으로 배치하되, 반사부(216)를 사용하여 광경로가 더 길어지게 할 수 있다.
도 7은 가스 센서의 또 다른 실시예를 나타낸 것으로, 하우징의 다른 일면에 반사부를 더 추가한 것이다.
도 7을 참조하면, 가스 센서(400)는 흡입구 및 배기구가 형성된 하우징(210), 상기 하우징의 일측에 배치된 발광소자(220), 및 상기 발광소자와 이격 배치되어 상기 발광소자에서 방출된 자외선을 감지하여 가스 농도를 감지하는 수광소자(230)를 포함하고, 하우징의 일면에 제1 반사부(216)가 형성되어 있고, 다른 일면에 제2 반사부(218)이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다.
도 7의 실시예는 제2 반사부(218)가 더 추가된 형태이다. 상기 제2 반사부(218)는 제1 반사부(216)의 반대 방향 일측면에 배치될 수 있다.
이때, 발광소자(220)와 수광소자(230)는 발광부(222)와 수광부(232)가 서로 반대 방향을 향하도록 배치될 수 있다. 이러한 구조에 의해, 발광부(222)에서 방출된 광은 제1 반사부(216) 및 제2 반사부(218)을 더쳐 수광부(232)로 입사될 수 있다.
상기 수광소자(230)는 제2 반사부(218)에서 반사된 광을 수신하므로 제2 반사부(218)으로부터 다소 이격되어 배치될 수 있다. 즉, 도 2 및 도 3의 실시예에서는 광 경로를 확보하기 위해 수광소자(230)를 최대한 하우징의 외곽 부분에 배치되었으나, 도 4의 실시예에서는 수광소자(230)가 제2 반사부(218)에서 반사된 광을 수신하므로 제2 반사부(218)으로부터 이격되어 배치될 수 있다.
이상 살펴본 바와 같이 본 발명의 실시예에 의하면 자외선 발광소자 및 수광소자를 이용하여 자동차 배기가스와 같은 유해가스를 감지할 수 있다.
또한, 하우징 내에 반사부를 설치하여 광 경로가 길어지도록 함으로써 가스 감지의 정확도를 향상시킬 수 있다.
도 8은 가스 센서의 또 다른 실시예를 나타낸 것으로, 하우징을 원형으로 형성한 것이다.
도 9을 참조하면, 발광소자(220)와 수광소자(230)의 바닥면에 배치되고, 하우징(510)에 반사면(516)이 형성되어 있다. 발광소자(220)에서 출사된 자외선 광은 반사면(516)에서 반사되어, 수광소자(230)로 입사된다.
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발광소자는 상술한 발광 다이오드 외에 레이저 다이오드가 있다.
레이저 다이오드는, 발광소자와 동일하게, 상술한 구조의 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함할 수 있다. 그리고, p-형의 제1 도전형 반도체와 n-형의 제2 도전형 반도체를 접합시킨 뒤 전류를 흘러주었을 때 빛이 방출되는 electro-luminescence(전계발광) 현상을 이용하나, 방출되는 광의 방향성과 위상에서 차이점이 있다. 즉, 레이저 다이오드는 여기 방출(stimulated emission)이라는 현상과 보강간섭 현상 등을 이용하여 하나의 특정한 파장(단색광, monochromatic beam)을 가지는 빛이 동일한 위상을 가지고 동일한 방향으로 방출될 수 있으며, 이러한 특성으로 인하여 광통신이나 의료용 장비 및 반도체 공정 장비 등에 사용될 수 있다.
수광 소자로는 빛을 검출하여 그 강도를 전기 신호로 변환하는 일종의 트랜스듀서인 광 검출기(photodetector)를 예로 들 수 있다. 이러한 광 검출기로서, 광전지(실리콘, 셀렌), 광도전 소자(황화 카드뮴, 셀렌화 카드뮴), 포토 다이오드(예를 들어, visible blind spectral region이나 true blind spectral region에서 피크 파장을 갖는 PD), 포토 트랜지스터, 광전자 증배관, 광전관(진공, 가스 봉입), IR(Infra-Red) 검출기 등이 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
또한, 광검출기와 같은 반도체 소자는 일반적으로 광변환 효율이 우수한 직접 천이 반도체(direct bandgap semiconductor)를 이용하여 제작될 수 있다. 또는, 광검출기는 구조가 다양하여 가장 일반적인 구조로는 p-n 접합을 이용하는 pin형 광검출기와, 쇼트키접합(Schottky junction)을 이용하는 쇼트키형 광검출기와, MSM(Metal Semiconductor Metal)형 광검출기 등이 있다.
포토 다이오드(Photodiode)는 발광소자와 동일하게, 상술한 구조의 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함할 수 있고, pn접합 또는 pin 구조로 이루어진다. 포토 다이오드는 역바이어스 혹은 제로바이어스를 가하여 동작하게 되며, 광이 포토 다이오드에 입사되면 전자와 정공이 생성되어 전류가 흐른다. 이때 전류의 크기는 포토 다이오드에 입사되는 광의 강도에 거의 비례할 수 있다.
광전지 또는 태양 전지(solar cell)는 포토 다이오드의 일종으로, 광을 전류로 변환할 수 있다. 태양 전지는, 발광소자와 동일하게, 상술한 구조의 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함할 수 있다.
또한, p-n 접합을 이용한 일반적인 다이오드의 정류 특성을 통하여 전자 회로의 정류기로 이용될 수도 있으며, 초고주파 회로에 적용되어 발진 회로 등에 적용될 수 있다.
또한, 상술한 반도체 소자는 반드시 반도체로만 구현되지 않으며 경우에 따라 금속 물질을 더 포함할 수도 있다. 예를 들어, 수광 소자와 같은 반도체 소자는 Ag, Al, Au, In, Ga, N, Zn, Se, P, 또는 As 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있으며, p형이나 n형 도펀트에 의해 도핑된 반도체 물질이나 진성 반도체 물질을 이용하여 구현될 수도 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.
110 : 기판 120 : 버퍼층
130 : 제1 도전형 반도체층 140 : 활성층
150 : 정공주입층 160 : 전자차단층
170 : 제2 도전형 반도체층 180 : 컨택층

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  17. 가스 흡입구 및 배기구가 형성된 하우징;
    상기 하우징의 일측에 배치되어 자외선 광을 방출하는 발광소자;
    상기 발광소자와 이격 배치되어 상기 발광소자에서 방출된 자외선을 감지하여 수광소자; 및
    상기 수광소자에서 감지된 자외선 량과 기준값을 비교하여 가스 농도를 계산하는 계산부;
    를 포함하되,
    상기 하우징의 일측에는 제1반사부가 형성되고,
    상기 발광소자는 상기 수광소자와 상기 제1반사부 사이에서 상기 제1반사부로부터 소정거리 이격 배치되어, 상기 수광소자를 향하는 방향이 아닌 상기 제1반사부를 향해 자외선 광을 방출하는 것을 특징으로 하는, 가스 센서.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 하우징의 다른 일측에는 제2반사부가 형성되어 있고,
    상기 수광소자는 상기 제2반사부로부터 소정거리 이격 배치되며,
    상기 제2반사부는 상기 제1반사부에서 반사된 자외선을 상기 수광소자로 다시 반사하는 것을 특징으로 하는, 가스 센서.
  19. 삭제
  20. 삭제
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