KR102355608B1 - 발광장치 - Google Patents

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쑤저우 레킨 세미컨덕터 컴퍼니 리미티드
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Abstract

실시 예는 제1층 및 제2층을 포함하는 제1기판; 상기 제2층상에 배치되는 제1반도체층, 활성층, 및 제2반도체층을 포함하는 발광구조물; 및 상기 제1기판에 전원을 인가하는 전원 연결부를 포함하고, 상기 제1기판은 전원 인가시 휘어지는 발광장치를 개시한다.

Description

발광장치{LIGHT EMITTING APPARATUS}
실시 예는 발광장치에 관한 것이다.
발광소자(Light Emitting Device, LED)는 전기에너지를 빛 에너지로 변환하는 화합물 반도체 소자로서, 화합물반도체의 조성비를 조절함으로써 다양한 색상구현이 가능하다.
질화물반도체 발광소자는 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저소비 전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경친화성의 장점을 갖고 있다. 따라서, 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.
GaN 계열의 발광소자는 InGaN 양자우물구조 내부에 울자이트(Wurzite) 구조의 대칭성과 격자 상수 부정합에 의한 스트레인(strain)에 의해 매우 강한 압전 전기장(piezoelectric field)이 존재한다. 이러한 압전 전기장에 의해 전자와 정공의 파동함수가 서로 반대 방향으로 편향되어 내부 양자 효율(IQE)이 감소하는 문제가 있다.
실시 예는 내부 양자 효율이 개선된 발광장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 발광장치는, 제1층 및 제2층을 포함하는 제1기판; 상기 제2층상에 배치되는 제1반도체층, 활성층, 및 제2반도체층을 포함하는 발광구조물; 및 상기 제1기판에 전원을 인가하는 전원 연결부를 포함하고, 상기 제1기판은 전원 인가시 휘어져 발광구조물에 스트레스를 야기시킨다.
상기 제1기판은 열팽창 계수가 상이한 제1층 및 제2층을 포함할 수 있다.
상기 제1층의 열팽창 계수는 상기 제2층의 열팽창 계수보다 클 수 있다.
상기 제1기판의 일단이 고정되는 제2기판을 포함할 수 있다.
상기 제1층과 제2층은 실리콘 재질일 수 있다.
상기 제1층과 제2층은 산화량이 상이할 수 있다.
상기 발광구조물은 상기 제2층상에서 성장할 수 있다.
실시 예에 따르면, 발광구조물의 가해지는 외부 스트레스에 의해 내부 스트레인이 상쇄될 수 있다. 따라서, 전자와 정공의 파동함수의 오버랩 영역이 증가하여 내부 양자 효율(IQE)이 증가할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광장치의 개념도이고,
도 2는 도 1의 A-A방향 단면도이고,
도 3은 도 1의 발광장치에 전원이 인가된 상태를 보여주는 도면이고,
도 4은 도 1의 발광소자의 개념도이고,
도 5는 도 1의 발광소자에 외부 스트레스가 인가되지 전의 에너지 밴드 다이어그램이고,
도 6은 도 1의 발광소자에 외부 스트레스가 인가된 후의 에너지 밴드 다이어그램이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예를 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명 실시 예를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 실시 예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 실시 예의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 2 구성 요소는 제 1 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 1 구성 요소도 제 2 구성 요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명 실시 예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
실시 예의 설명에 있어서, 어느 한 element가 다른 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 element 사이에 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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광장치의 개념도이고, 도 2는 도 1의 A-A방향 단면도이고, 도 3은 도 1의 발광장치에 전원이 인가된 상태를 보여주는 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 실시 예에 따른 발광장치(10)는 제1층(211)과 제2층(212)을 포함하는 제1기판(210)과, 제2층(212)상에 배치되는 발광구조물(100), 및 제1기판(210)에 전원을 인가하는 전원 연결부(230)를 포함할 수 있다.
제1기판(210)은 제2기판(220)에 일단이 고정되고, 전원 인가시 타단이 휘어질 수 있다. 제1기판(210)과 제2기판(220)의 결합 구조는 전원 인가시 제1기판(210)이 휘어짐을 지지할 수 있는 다양한 결합 구조가 모두 적용될 수 있다. 제2기판(220)은 발광장치가 회로 기판 등에 장착될 때 베이스 역할을 수행할 수 있다.
제1기판(210)은 전원 인가시 상하로 휘어질 수 있다. 즉, 제1기판(210)은 전원이 인가되면 최초 형상에서 의도한 형상으로 변형될 수 있는 구조일 수 있다. 제1기판(210)은 바이모프(Bimorph), 컨틸레버(Cantilever) 등 다양한 방식에 의해 구현될 수도 있다.
제1기판(210)은 열팽창 계수가 상이한 제1층(211)과 제2층(212)을 이용하여 휘어짐을 제어할 수 있다. 일 예로, 제1층(211)의 열팽창 계수가 제2층(212)의 열팽창 계수보다 큰 경우 전압 인가시 제1층(211)은 상대적으로 팽창하고 제2층(212)은 상대적으로 수축하므로 제1기판(210)은 상측으로 휘어질 수 있다.
이와 반대로 제1층(211)의 열팽창 계수가 제2층(212)의 열팽창 계수보다 작은 경우 전압 인가시 제1층(211)은 상대적으로 수축하고 제2층(212)은 상대적으로 팽창하므로 제1기판(210)은 하측으로 휘어질 수 있다.
제1층(211)과 제2층(212)은 동일한 재질일 수도 있고 상이한 재질일 수도 있다. 일 예로, 제1층(211)과 제2층(212)은 모두 실리콘 재질일 수 있다. 제1층(211)과 제2층(212)의 두께는 서로 동일하거나 상이할 수 있다. 제1층(211)과 제2층(212)은 복수의 층일 수 있으며, 층 사이에는 절연층이 배치될 수도 있다.
제1층(211)과 제2층(212)은 실리콘 기판을 성장시키면서 열팽창 계수를 다르게 조절하여 제작할 수 있다. 일 예로, 벌크 실리콘 기판으로 제1층(211)을 형성한 후, 제2층(212)을 형성할 때 상대적으로 산화량을 높게 제어할 수 있다. 산화량을 높게 한다는 것은 국부적으로 산화시키거나, 산소에 노출되는 시간 또는 농도를 조절하여 제어할 수 있다. 산화량이 높아지면 실리콘 기판의 열팽창 계수는 낮아질 수 있다.
발광구조물(100)은 제2층(212) 상에서 에피 성장시켜 제작할 수 있다. 따라서, 전원이 인가되어 제2층(212)이 휘어지는 경우 응력(또는 스트레스)은 발광구조물(100)에도 인가될 수 있다. 에피 성장은 MOCVD를 이용할 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다. 도면상에서 발광구조물(100)은 제2층(212)보다 작게 도시되었으나, 발광구조물(100)의 크기는 제2층(212)과 동일할 수 있다.
전원 연결부(230)는 제1기판(210) 및/또는 발광구조물(100)에 전기적으로 연결되는 한 쌍의 다리(leg)일 수 있다. 전원 연결부(230)는 제1전극부(231)와 제2전극부(232)에 의해 외부 전원을 제1층(211)과 제2층(212)에 인가할 수 있다. 또한, 전원 연결부(230)는 제3전극부(233)와 제4전극부(234)에 의해 발광구조물(100)에 전압을 인가할 수 있다. 발광구조물(100)에 전압을 인가하는 구조는 수평형 또는 수직형 구조에 따라 적절히 변형될 수 있다.
제1 내지 제4전극부(231 내지 234) 사이에는 절연층(P)이 배치되어 전기적으로 절연할 수 있다. 절연층의 재질은 특별히 한정하지 않는다.
전원 연결부(230)에 의해 제1기판(210)과 발광구조물(100)에 각각 전원을 인가할 수 있다. 이러한 구성에 의하면 발광구조물(100)이 발광하면서 제1기판(210)의 휨 스트레스가 발광구조물(100)에 인가될 수 있다. 전원 연결부(230)는 제1기판(210)에 전원 인가시 연결부위가 같이 휘어질 수 있다.
이러한 발광장치(10)는 회로기판 등에 배치된 후 진공 패킹되어 신뢰성이 향상될 수 있다. 진공 패킹은 별도의 하우징을 이용하여 구현할 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
도 3을 참고하면, 제1기판(210)에 전압이 인가되면 제1층(211)은 상대적으로 팽창하고 제2층(212)은 상대적으로 수축하므로 제1기판(210)은 상측으로 휘어질 수 있다. 따라서, 제1기판(210)에 의해 야기된 응력은 발광구조물(100)에 전파될 수 있다. 이러한 외부 스트레스는 발광구조물(100) 내부의 스트레인을 상쇄할 수 있다. 그러나, 발광구조물(100)의 구조에 따라 제1기판(210)은 하측으로 휘어져 발광구조물(100)에 스트레스를 인가할 수도 있다.
일반적으로 GaN 계열의 발광소자는 사파이어 기판과 GaN 발광소자 사이의 격자 부정합 및 InGaN 우물층과 GaN 장벽층 사이의 격자 부정합에 의해 매우 강한 압전 전기장(piezoelectric field)이 존재한다. 이러한 압전 전기장에 의해 전자와 정공의 파동함수가 서로 반대 방향으로 편향되어 내부 양자 효율(IQE)이 감소하는 문제가 있다. 그러나, 전술한 바와 같이 외부에서 인가되는 스트레스가 발구조물의 스트레인을 상쇄시킬 수 있다.
도 4는 도 1의 발광구조물의 개념도이다.
버퍼층(110)은 Ⅲ족과 Ⅴ족 원소가 결합된 형태이거나 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중에서 어느 하나를 포함할 수 있다. 버퍼층(110)에는 도펀트가 도핑될 수도 있으나, 이에 한정하지 않는다.
버퍼층(110)은 제2층(210) 상에 단결정으로 성장할 수 있으며, 단결정으로 성장한 버퍼층(110)은 버퍼층(110)상에 성장하는 제1반도체층(120)의 결정성을 향상시킬 수 있다.
제1반도체층(120)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체일 수 있으며, 제1반도체층(120)에 제1도펀트가 도핑될 수 있다. 제1반도체층(120)은 Inx1Aly1Ga1 -x1-y1N(0≤x1≤1, 0≤y1≤1, 0≤x1+y1≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 GaN, AlGaN, InGaN, InAlGaN 등에서 선택될 수 있다. 그리고, 제1도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te와 같은 n형 도펀트일 수 있다. 제1도펀트가 n형 도펀트인 경우, 제1도펀트가 도핑된 제1반도체층(120)은 n형 반도체층일 수 있다.
활성층(130)은 제1반도체층(120)을 통해서 주입되는 전자(또는 정공)과 제2반도체층(150)을 통해서 주입되는 정공(또는 전자)이 만나는 층이다. 활성층(130)은 전자와 정공이 재결합함에 따라 낮은 에너지 준위로 천이하며, 그에 상응하는 파장을 가지는 빛을 생성할 수 있다. 본 실시 예에서 발광 파장에는 제한이 없다.
활성층(130)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(130)의 구조는 이에 한정하지 않는다.
활성층(130)은 복수 개의 우물층(131) 및 장벽층(132)이 교대로 배치되는 구조를 가질 수 있다. 우물층(131)과 장벽층(132)은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 가질 수 있고, 장벽층(132)의 에너지 밴드갭은 우물층(131)의 에너지 밴드갭보다 클 수 있다.
장벽층(132)은 p형 도펀트와 n형 도펀트를 포함한다. P형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, 및 Ba으로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있고, n형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, 및 Te로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다. 활성층(130)이 복수 개의 우물층(131)과 장벽층(132)을 포함하는 경우 적어도 하나 이상의 장벽층(132)은 p형 도펀트와 n형 도펀트를 포함할 수 있다. 따라서, 실시 예에 따른 장벽층(132)은 P/N 접합 장벽층(P/N junction barrier)일 수 있다.
제2반도체층(150)은 활성층(130) 상에 형성되며, Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2반도체층(150)에 제2도펀트가 도핑될 수 있다. 제2반도체층(150)은 Inx5Aly2Ga1 -x5- y2N (0≤x5≤1, 0≤y2≤1, 0≤x5+y2≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질 또는 AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 선택된 물질로 형성될 수 있다. 제2도펀트가 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트인 경우, 제2도펀트가 도핑된 제2반도체층(150)은 p형 반도체층일 수 있다.
활성층(130)과 제2반도체층(150) 사이에는 전자 차단층(EBL, 140)이 배치될 수 있다. 전자 차단층(140)은 제1반도체층(120)에서 공급된 전자가 제2반도체층(150)으로 빠져나가는 흐름을 차단하여, 활성층(130) 내에서 전자와 정공이 재결합할 확률을 높일 수 있다. 전자 차단층(140)의 에너지 밴드갭은 활성층(130) 및/또는 제2반도체층(150)의 에너지 밴드갭보다 클 수 있다.
전자 차단층(140)은 Inx1Aly1Ga1 -x1-y1N(0≤x1≤1, 0≤y1≤1, 0≤x1+y1≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 AlGaN, InGaN, InAlGaN 등에서 선택될 수 있으나 이에 한정하지 않는다.
도 5는 도 1의 발광소자에 외부 스트레스가 인가되지 전의 에너지 밴드 다이어그램이고, 도 6은 도 1의 발광소자에 외부 스트레스가 인가된 후의 에너지 밴드 다이어그램이다.
도 5를 참고하면 성장방향(D)으로 갈수록 하나의 장벽층(132)내에서 에너지 밴드는 점차 높아지고, 우물층(131)의 에너지 밴드는 낮아짐을 알 수 있다. 즉, 장벽층(132)과 우물층(131)은 각각 좌우 비대칭 형상을 갖게 된다. 이러한 비대칭 형상은 격자 상수 부정합에 의해 유발될 수 있다.
이러한 비대칭 형상에 의해 전자(electron)의 파동함수와 정공(hole)의 파동함수는 서로 반대방향으로 편향될 수 있다. 활성층 내에서 발광 재결합 효율은 두 파동함수가 중첩되는 면적에 비례하므로 파동함수의 중첩 영역이 감소하여 내부 양자 효율은 감소한다.
이에 반해, 도 6을 참고하면 실시 예에 따른 발광장치는 성장방향(D)으로 갈수록 장벽층(132)의 에너지 밴드는 상대적으로 평탄해지고, 우물층(131)의 에너지 밴드 역시 상대적으로 평탄해졌음을 알 수 있다. 즉, 장벽층(132)과 우물층(131)은 각각 좌우 대칭 형상을 갖게 된다. 이는 외부에서 인가되는 스트레스에 의해 내부의 압전 자기장이 상쇄되었기 때문이다. 이러한 구조에 의하면 발광소자는 전류 밀도가 높아져도 상대적으로 감소폭이 적어 드루프 현상도 개선될 수 있다.
실시 예의 발광 소자는 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트 등의 광학 부재를 더 포함하여 이루어져 백라이트 유닛으로 기능할 수 있다. 또한, 실시 예의 발광 소자는 표시 장치, 조명 장치, 지시 장치에 더 적용될 수 있다.
이 때, 표시 장치는 바텀 커버, 반사판, 발광 모듈, 도광판, 광학 시트, 디스플레이 패널, 화상 신호 출력 회로 및 컬러 필터를 포함할 수 있다. 바텀 커버, 반사판, 발광 모듈, 도광판 및 광학 시트는 백라이트 유닛(Backlight Unit)을 이룰 수 있다.
반사판은 바텀 커버 상에 배치되고, 발광 모듈은 광을 방출한다. 도광판은 반사판의 전방에 배치되어 발광 모듈에서 발산되는 빛을 전방으로 안내하고, 광학 시트는 프리즘 시트 등을 포함하여 이루어져 도광판의 전방에 배치된다. 디스플레이 패널은 광학 시트 전방에 배치되고, 화상 신호 출력 회로는 디스플레이 패널에 화상 신호를 공급하며, 컬러 필터는 디스플레이 패널의 전방에 배치된다.
그리고, 조명 장치는 기판과 실시 예의 발광 소자를 포함하는 광원 모듈, 광원 모듈의 열을 발산시키는 방열부 및 외부로부터 제공받은 전기적 신호를 처리 또는 변환하여 광원 모듈로 제공하는 전원 제공부를 포함할 수 있다. 더욱이 조명 장치는, 램프, 해드 램프, 또는 가로등 등을 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명 실시 예는 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 실시 예의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명 실시 예가 속하는 기술분야에서 종래의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
100: 발광구조물
210: 제1기판
211: 제1층
212: 제2층
220: 제2기판
230: 전원 연결부

Claims (7)

  1. 제1층 및 제2층을 포함하는 제1기판;
    상기 제1기판의 일단이 고정되는 제2기판;
    상기 제2층 상에 배치되는 제1반도체층, 활성층, 및 제2반도체층을 포함하는 발광구조물; 및
    상기 제1기판에 전원을 인가하는 전원 연결부를 포함하고,
    상기 제1층과 상기 제2층의 열팽창 계수 차이에 의해 상기 제1기판은 전원 인가시 휘어지는 발광장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1층과 제2층은 실리콘 재질이고,
    상기 제1층과 제2층은 상기 실리콘의 산화량이 상이하고,
    상기 제2층의 산화량은 상기 제1층의 산화량보다 높은 발광장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전원 연결부는 상기 제1층에 전원을 인가하는 제1전극부, 상기 제2층에 전원을 인가하는 제2전극부, 상기 발광구조물의 제1반도체층에 전원을 인가하는 제3전극부, 및 상기 발광구조물의 제2반도체층에 전원을 인가하는 제4전극부를 포함하고,
    상기 제1전극부와 상기 제2전극부에 인가되는 전원에 의해 상기 제1기판이 휘어지고,
    상기 제2전극부와 상기 제4전극부에 인가되는 전원에 의해 상기 발광구조물이 발광하는 발광장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1전극부 내지 제4전극부 사이에 각각 배치되는 절연층을 포함하는 발광장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1층의 열팽창 계수는 상기 제2층의 열팽창 계수보다 크고,
    상기 발광구조물은 상기 제2층 상에서 성장한 발광장치.
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