KR102455225B1 - 발광소자 - Google Patents

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KR102455225B1
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Abstract

발광소자의 일 실시예는, 제1도전형 반도체층; 상기 제1도전형 반도체층 상에 배치되고, 복수의 양자우물층과 복수의 양자장벽층이 교대로 적층되어 구비되는 활성층; 상기 활성층 상에 배치되는 제2도전형 반도체층; 상기 활성층과 상기 제2도전형 반도체층 사이에 배치되고, 정공이 터널링되는 터널링층을 포함할 수 있다.

Description

발광소자{Light emitting device}
실시예는, 정공의 이동이 원활하게 진행되는 구조를 가진 발광소자에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
GaN, AlGaN 등의 3-5 족 화합물 반도체는 넓고 조정이 용이한 에너지 밴드갭을 가지는 등의 많은 장점으로 인해 광 전자공학 분야(optoelectronics)와 전자 소자를 위해 등에 널리 사용된다.
특히, 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Light Emitting Diode)나 레이저 다이오드와 같은 발광소자는 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.
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.
발광소자는 전자와 정공(hole)의 재결합(recombination) 과정에서 발생하는 에너지에 의해 광을 생성하는 구조로 구비될 수 있다.
그러나, 일반적으로 정공의 이동도는 정공보다 낮고, 이러한 이유로 인해 발광소자의 발광효율 및 광출력이 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 실시예는, 정공의 이동이 원활하게 진행되는 구조를 가진 발광소자에 관한 것이다.
실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 실시예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
발광소자의 일 실시예는, 제1도전형 반도체층; 상기 제1도전형 반도체층 상에 배치되고, 복수의 양자우물층과 복수의 양자장벽층이 교대로 적층되어 구비되는 활성층; 상기 활성층 상에 배치되는 제2도전형 반도체층; 상기 활성층과 상기 제2도전형 반도체층 사이에 배치되고, 정공이 터널링되는 터널링층을 포함할 수 있다.
상기 터널링층은, 상기 제2도전형 반도체층에 인접하여 배치되고, 정공이 주입되는 제1정공주입층; 상기 활성층에 인접하여 배치되고, 정공이 주입되는 제2정공주입층; 및 상기 제1정공주입층과 상기 제2정공주입층 사이에 배치되는 제1장벽층을 포함하는 것일 수 있다.
상기 정공은, 상기 제1정공주입층으로부터 상기 제2정공주입층으로 이동하는 것일 수 있다.
상기 제1장벽층은, 상기 제1정공주입층으로부터 상기 제2정공주입층으로 이동하는 상기 정공이 터널링되는 것일 수 있다.
상기 제2정공주입층은 상기 제1정공주입층보다 두껍게 형성되는 것일 수 있다.
상기 제1정공주입층의 에너지 밴드갭은 상기 제2정공주입층의 에너지 밴드갭보다 크고, 상기 제2정공주입층의 에너지 밴드갭은 상기 양자우물층의 에너지 밴드갭보다 큰 것일 수 있다.
상기 제1정공주입층의 In 도핑농도는 상기 양자우물층의 In 도핑농도의 절반보다 작은 것일 수 있다.
상기 제1정공주입층은, 조성이 InxGa1 - xN(0.005≤x≤0.01) 인 것일 수 있다.
상기 제2정공주입층은, 조성이 InxGa1 - xN(0.02≤x≤0.04) 인 것일 수 있다.
상기 제1정공주입층 및 상기 제2정공주입층은 p형 도펀트가 도핑되는 것일 수 있다.
상기 p형 도펀트는 Mg이고, 상기 Mg는 도핑농도가 1cm3 당 1x1020개 내지 5x1020개 인 것일 수 있다.
상기 제1정공주입층의 두께는 10Å 내지 30Å인 것일 수 있다.
상기 제2정공주입층의 두께는 50Å 내지 100Å인 것일 수 있다.
상기 제1장벽층의 두께는 20Å 내지 30Å인 것일 수 있다.
발광소자의 다른 실시예는, 제1도전형 반도체층; 상기 제1도전형 반도체층 상에 배치되고, 복수의 양자우물층과 복수의 양자장벽층이 교대로 적층되어 구비되는 활성층; 상기 활성층 상에 배치되고, 정공이 주입되는 제2정공주입층; 상기 제2정공주입층 상에 배치되고, 정공이 터널링되는 제1장벽층; 상기 제1장벽층 상에 배치되고, 정공이 주입되는 제1정공주입층; 상기 제1정공주입층 상에 배치되는 제2장벽층; 상기 제2장벽층 상에 배치되는 전자차단층; 및 상기 전자차단층 상에 배치되는 제2도전형 반도체층을 포함할 수 있다.
실시예에서. 에너지 밴드갭의 크기를 순차적으로 구성함으로써 정공이 에너지 밴드갭이 낮은 부위에서 높은 부위로 원활하게 이동할 수 있도록하여 양자우물층에 정공주입효율을 높일 수 있다.
실시예에서, 제2도전형 반도체층으로부터 제2정공주입층까지 에너지 밴드갭은 순차적으로 낮아지고, 급격한 에너지 밴드갭의 크기 변화가 작으므로 밴드 스파이크의 발생을 방지하거나 완화하여 정공이 원활하게 이동할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 발광소자를 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1의 A부분을 나타낸 확대도이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 발광소자의 에너지 밴드갭을 나타내는 다이어그램이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드갭을 나타내는 다이어그램이다.
도 5는 일 실시예에 따른 발광소자 패키지를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 실시예를 상세히 설명한다. 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 실시예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 실시예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다.
"제1", "제2" 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 또한, 실시예의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것일 뿐이고, 실시예의 범위를 한정하는 것이 아니다.
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 두개의 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)”로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
또한, 이하에서 이용되는 "상/상부/위" 및 "하/하부/아래" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서만 이용될 수도 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 발광소자를 나타낸 단면도이다. 도 2는 도 1의 A부분을 나타낸 확대도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 실시예의 발광소자는 기판(400), 제1도전형 반도체층(100), 활성층(200), 제2도전형 반도체층(300), 터널링층(500), 제1전극(810)층 및 제2전극(820)층을 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1도전형 반도체층(100), 활성층(200), 제2도전형 반도체층(300) 및 터널링층(500)은 발광구조물을 형성할 수 있다.
기판(400)은 상기 발광구조물을 지지할 수 있다. 상기 기판(400)은 사파이어 기판(400), 실리콘(Si), 산화아연(ZnO), 질화물 반도체 중 어느 하나 또는 GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN 중에서 적어도 어느 하나가 적층된 템플레이트(Template)로 형성되는 것일 수 있다.
발광구조물은 상기 기판(400) 상에 배치되고, 빛을 발생시키는 역할을 할 수 있다. 이때, 기판(400)과 발광구조물의 격자상수, 열팽창 계수 등의 차이로 인해 기판(400)과 발광구조물의 경계면 부위에 응력(stress)이 발생할 수 있다.
이러한 응력발생을 완화하기 위해 기판(400)과 발광구조물 사이에는 버퍼층(미도시)이 개재될 수 있다. 또한, 상기 제1도전형 반도체층(100)의 결정성 향상을 위하여 언도프트 반도체층(미도시)이 개재될 수 있다. 다만, 제조과정에서 의도하지 않은 불순물이 소량 도핑될 수도 있다.
이때, 버퍼층은 저온 성장될 수 있으며, 그 물질은 GaN층 또는 AlN층일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 언도프트 반도체층은 n형 도펀트가 도핑되지 않아 제1도전형 반도체층(100)에 비하여 낮은 전기 전도성을 갖는 것을 제외하고는 제1도전형 반도체층(100)과 동일할 수 있다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1전극(810)은 상기 제1도전형 반도체층(100)의 노출되는 단차부위 상에 배치될 수 있고, 제2전극(820)은 상기 제2도전형 반도체층(300)의 상측 노출부위 상에 배치될 수 있다. 상기 제1전극(810)과 상기 제2전극(820)을 통해 전류가 인가되면 실시예의 발광소자는 발광할 수 있다.
한편, 도 1에서는 수평형 발광소자를 도시하고 있으나, 수직형 발광소자 또는 플립 칩 발광소자의 구조로 구비될 수도 있다.
상기한 바와 같이, 상기 발광구조물은 상기 제1도전형 반도체층(100), 활성층(200), 제2도전형 반도체층(300) 및 터널링층(500)을 포함할 수 있다.
제1도전형 반도체층(100)은 상기 기판(400) 상에 배치되고, 예를 들어, 질화물 반도체로 형성될 수 있다.
즉, 상기 제1도전형 반도체층(100)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN 등에서 선택될 수 있으며, Si, Ge, Sn, Se, Te 등의 n형 도펀트가 도핑될 수 있다.
활성층(200)은 상기 제1도전형 반도체층(100) 상에 배치되고, 상기 제1도전형 반도체층(100) 및 상기 제2도전형 반도체층(300)으로부터 제공되는 전자와 정공(hole)의 재결합(recombination) 과정에서 발생하는 에너지에 의해 광을 생성할 수 있다.
상기 활성층(200)은 반도체 화합물, 예컨대, 3족-5족, 2족-6족의 화합물 반도체일 수 있으며, 단일 양자우물 구조, 다중 양자우물 구조, 양자선(Quantum-Wire) 구조, 양자 점(Quantum Dot) 구조 등으로 형성될 수 있다.
활성층(200)이 양자우물 구조인 경우 예를 들어, InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 양자우물층(210)과 InaAlbGa1 -a- bN (0≤a≤1, 0≤b≤1, 0≤a+b≤1)의 조성식을 갖는 양자장벽층(220)을 구비하는 단일 또는 다중 양자우물 구조를 가질 수 있다.
이때, 상기 양자우물층(210)은 양자장벽층(220)의 에너지 밴드갭보다 낮은 에너지 밴드갭을 갖도록 구비될 수 있다.
도 2에 도시된 실시예에서는, 상기 활성층(200)은 복수의 양자우물층(210)과 복수의 양자장벽층(220)이 교대로 적층되어 구비되는 다중 양자우물(Multi Quantum Well, MQW) 구조를 가진 발광소자가 개시되었다.
양자우물층(210)들은 상기 제1도전형 반도체층(100)으로부터 상기 제2도전형 반도체층(300) 방향으로 배치될 수 있고, 인접하는 상기 양자우물층(210)들 사이에는 양자장벽층(220)들이 배치될 수 있다. 이하에서는 간략한 설명을 위해 다중 양자우물 구조를 가진 발광소자에 대해서만 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 실시예의 활성층(200)은 복수의 양자우물층(210) 및 복수의 양자장벽층(220)이 교대로 배치되는 구조로 구비될 수 있다. 도 2에서는 2개의 양자우물층(210)과 하나의 양자장벽층(220)만 도시되었으나, 이는 도면을 간략히 하기 위한 것일 뿐 상기 양자우물층(210)과 상기 양자장벽층(220)은 복수로 구비될 수 있음은 당연하다.
터널링층(500)은 활성층(200)과 상기 제2도전형 반도체층(300) 사이에 배치되고, 정공이 터널링될 수 있다. 터널링층(500)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1정공주입층(510), 제2정공주입층(520) 및 제1장벽층(530)을 포함할 수 있다.
상기 제1정공주입층(510)은 상기 제2도전형 반도체층(300)에 인접하여 배치되고, 정공이 주입될 수 있다. 상기 제2정공주입층(520)은 상기 활성층(200)에 인접하여 배치되고 상기 제1정공주입층(510)으로부터 들어오는 정공이 주입될 수 있다.
상기 제1장벽층(530)은 상기 제1정공주입층(510)과 상기 제2정공주입층(520) 사이에 배치되고, 상기 제1정공주입층(510)으로부터 상기 제2정공주입층(520)으로 이동하는 정공이 터널링될 수 있다.
상기 터널링층(500)에 대해서는 하기 도 3 및 도 4를 참조하여 구체적으로 설명한다.
제2도전형 반도체층(300)은 상기 활성층(200) 상에 배치될 수 있다. 즉, 상기 제2도전형 반도체층(300)은 상기 양자우물층(210)과 상기 터널링층(500) 상부에 배치될 수 있다. 이때, 상기 제2도전형 반도체층(300)은 예를 들어, 질화물 반도체로 형성될 수 있다.
즉, 상기 제2도전형 반도체층(300)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN 등에서 선택될 수 있으며, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등의 p형 도펀트가 도핑될 수 있다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 발광소자의 에너지 밴드갭을 나타내는 다이어그램이다. 도 3에서, 전자는 상기 제1도전형 반도체층(100)으로부터 주입되고, 정공은 상기 제2도전형 반도체층(300)으로부터 주입되며, 활성층(200)은 상기 제1도전형 반도체층(100)과 상기 제2도전형 반도체층(300) 사이에 배치될 수 있다.
다중 양자우물 구조에서, 상기 활성층(200)은 2이상의 양자우물층(210)과 1이상의 양자장벽층(220)을 포함할 수 있다. 도 3에서는 각각 3개의 양자우물층(210)과 양자장벽층(220)이 도시되었으나, 이에 한정되지 않음은 당연하다.
이때, 상기 양자장벽층(220)의 에너지 밴드갭은 상기 양자우물층(210)의 에너지 밴드갭(E3)보다 크다.
발광소자에 전류가 인가되는 경우, 일반적으로 전자보다 정공의 이동도가 낮기 때문에 다중 양자우물 전체에 상기 정공의 주입이 원활하고 균일하게 이루어지지 않을 수 있다.
따라서, 정공이 주입되는 상기 제2도전형 반도체층(300)에 가장 인접하는 마지막 양자우물 즉, 도 3에서 가장 오른쪽에 위치하는 양자우물층(210)에서 주로 발광이 일어날 수 있다.
이러한 이유로, 상기 활성층(200)의 전 영역에서 균일한 발광이 일어나지 않게 되어 발광소자의 발광효율 및 광출력이 감소할 수 있다. 실시예에서는 이러한 문제점을 개선하기 위해 터널링층(500)이 구비된다. 이하 터널링층(500)에 대해 구체적으로 설명한다.
정공은 제2도전형 반도체층(300)으로부터 활성층(200)으로 이동할 수 있다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1정공주입층(510)은 제2도전형 반도체층(300)에 인접하여 배치되고, 제2정공주입층(520)은 상기 활성층(200)에 인접하여 배치될 수 있다.
따라서, 정공은 상기 제1정공주입층(510)으로부터 상기 제2정공주입층(520)으로 이동할 수 있다. 상기 제1정공주입층(510)과 제2정공주입층(520)은 상기 양자우물층(210)에 정공을 주입하는 역할을 할 수 있다.
제1정공주입층(510), 제2정공주입층(520) 및 양자우물층(210)의 에너지 밴드갭(E1, E2, E3)의 크기는 각 층에 도펀트를 첨가하여 조절할 수 있다. 이때 사용되는 도펀트는 예를 들어, In(인듐)일 수 있다. In의 도핑농도가 클수록 에너지 밴드갭의 크기는 작아질 수 있다.
실시예에서, 제1정공주입층(510)의 에너지 밴드갭(E1), 제2정공주입층(520)의 에너지 밴드갭(E2), 양자우물층(210)의 에너지 밴드갭(E3) 순서로 에너지 밴드갭의 크기를 조절할 수 있다. 즉, E1>E2>E3의 관계가 성립할 수 있다.
이러한 에너지 밴드갭의 구조를 형성하기 위해, In의 도핑농도는 양자우물층(210), 제2정공주입층(520), 제1정공주입층(510) 순서로 조절할 수 있다. 즉, In의 도핑농도는 양자우물층(210)이 가장 크고, 제1정공주입층(510)이 가장 작다.
예를 들어, 상기 제1정공주입층(510)의 In 도핑농도는 상기 양자우물층(210)의 In 도핑농도의 절반보다 작을 수 있다.
또한, 예를 들어, 상기 제1정공주입층(510)은 조성이 InxGa1 - xN(0.005≤x≤0.01)로 구비되고, 상기 제2정공주입층(520)은 조성이 InxGa1-xN(0.02≤x≤0.04)로 구비될 수 있다.
이러한 구조로 인해, 제2도전형 반도체층(300)으로부터 이동하는 정공은 상기 제1정공주입층(510)과 상기 제2정공주입층(520)을 통과하여 상기 양자우물층(210)에 원활하게 주입될 수 있다.
즉, 정공은 에너지 밴드갭이 큰 부위에서 에너지 밴드갭으로 원활하게 이동하므로, 상기 정공은 에너지 밴드갭이 높은 부위에서 낮은 부위로 즉, 제1정공주입층(510)에서 제2정공주입층(520)을 거쳐 양자우물층(210)으로 원활하게 이동할 수 있다.
특히, 제2정공주입층(520)에는 후술하는 제1장벽층(530)의 터널링패스(tunneling path)를 통해 정공이 다량으로 유입될 수 있고, 이러한 정공들은 상기 양자우물층(210)으로 이동하여 복수의 양자우물층(210) 각각에 균일하게 분포하여 활성층(200) 전체에 걸쳐 균일한 광을 발생시킬 수 있다.
실시예에서. 에너지 밴드갭의 크기를 순차적으로 구성함으로써 정공이 에너지 밴드갭이 낮은 부위에서 높은 부위로 원활하게 이동할 수 있도록 하여 양자우물층(210)에 정공주입효율을 높일 수 있다.
한편, 이러한 순차적인 크기의 에너지 밴드갭이 구비되는 경우, 정공의 이동시 발생하는 밴드 스파이크(band spike)를 방지하거나 완화하여 정공의 원활한 이동을 도모할 수 있다.
밴드 스파이크란 에너지 밴드갭이 순간적으로 치솟는 현상인데, 이는 에너지 밴드갭의 크기 변화가 현저한 부위에서 발생할 수 있다. 이러한 밴드 스파이크는 정공의 이동을 방해하는 장애(barrier)가 될 수 있으므로 이를 방지하거나 완화하는 것이 적절하다.
실시예에서, 제2도전형 반도체층(300)으로부터 제2정공주입층(520)까지 에너지 밴드갭은 순차적으로 낮아지고, 급격한 에너지 밴드갭의 크기 변화가 작으므로 밴드 스파이크의 발생을 방지하거나 완화하여 정공이 원활하게 이동할 수 있다.
한편, 상기 제2정공주입층(520)은 상기 제1정공주입층(510)보다 두껍게 형성될 수 있다. 이는 에너지 밴드갭의 크기와 각 층의 두께는 반비례하는 경향이 있기 때문이다.
즉, 이는 동일한 도펀트를 사용하여 에너지 밴드갭의 크기를 조절할 경우, 에너지 밴드갭의 크기가 작을수록 두께는 두꺼워질 수 있기 때문이다.
이로 인해 에너지 밴드갭이 작은 제2정공주입층(520)은 에너지 밴드갭이 큰 제1정공주입층(510)보다 두께가 두꺼워 질 수 있다.
이때, 상기 제1정공주입층(510)의 두께(T1)는 예를 들어, 10Å 내지 30Å로 구비될 수 있고, 상기 제2정공주입층(520)의 두께(T2)는 예를 들어, 50Å 내지 100Å로 구비될 수 있다.
한편, 제1정공주입층(510) 및 제2정공주입층(520)보다 에너지 밴드갭이 작은 양자우물층(210)의 두께는 상기 제1정공주입층(510) 및 제2정공주입층(520)과 동일하거나 이보다 작거나 클 수도 있다.
이는 제1정공주입층(510) 및 제2정공주입층(520)은 하나의 동일한 도펀트, 예를 들어, In 만을 사용하지만, 양자우물층(210)은 In 이외에, 예를 들어, Al 등을 사용하여 그 두께 및 에너지 밴드갭의 크기를 조절할 수 있기 때문이다.
상기 제1장벽층(530)에서는 상기 제1정공주입층(510)으로부터 상기 제2정공주입층(520)으로 이동하는 상기 정공이 터널링될 수 있다. 이때, 상기 제1장벽층(530)은 GaN으로 형성될 수 있다. 다만, 제조과정에서 의도하지 않은 불순물이 소량 도핑될 수도 있다.
상기 제1장벽층(530)에 형성되는 터널링패스(tunneling path)를 통해, 상기 정공은 제1정공주입층(510)으로부터 제2정공주입층(520)으로 원활하게 이동할 수 있다.
만약, 상기 제1장벽층(530)에 정공의 이동을 위한 터널링 효과가 발생하지 않는다면 상기 제1장벽층(530)은 정공의 이동을 방해하는 장애만 될 뿐이다. 따라서, 상기 제1장벽층(530)이 터널링되기 위해서는, 터널링 현상이 발생하는 두께로 구비되는 것이 적절할 수 있다.
이를 만족하는 상기 제1장벽층(530)의 두께(T3)는, 예를 들어, 20Å 내지 30Å로 구비될 수 있다. 이는 터널링이 발생하는 GaN 재질의 제1장벽층(530)의 두께(T3)는 실험적으로 30Å이하이기 때문이다.
한편, 상기 제1정공주입층(510) 및 상기 제2정공주입층(520)은 p형 도펀트가 도핑될 수 있다. 이는 상기 제1정공주입층(510) 및 상기 제2정공주입층(520)에서 상기 양자우물층(210)으로 정공주입효율을 높이기 위함이다.
즉, 상기 제1정공주입층(510) 및 상기 제2정공주입층(520)에 p형 도펀트가 도핑되면, 이들 자체에서도 정공이 발생할 수 있고, 상기 정공은 상기 양자우물층(210)으로 주입될 수 있으므로, 결과적으로 양자우물층(210)으로 정공주입효율이 높아질 수 있다.
이때, 상기 제1정공주입층(510) 및 상기 제2정공주입층(520)에 도핑되는 p형 도펀트는 예를 들어 Mg일 수 있다. 이때 상기 Mg 도핑농도는 예를 들어, cm3 당 1x1020개 내지 5x1020개, 더욱 적절하게는 약 1.5x1020 개일 수 있다.
도 4는 다른 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드갭을 나타내는 다이어그램이다. 도 4에 도시된 실시예의 발광소자는 제2장벽층(600) 및 전자차단층(700)을 더 포함할 수 있다.
제2장벽층(600)은 상기 제1정공주입층(510) 상에 배치되고, 전자차단층(700)은 상기 제2장벽층(600) 상에 배치될 수 있다.
전자차단층(700)은 제2장벽층(600)과 제2도전형 반도체층(300) 사이에 배치될 수 있다. 전자차단층(700)은 전자차단(electron blocking) 및 활성층(200)의 클래딩(MQW cladding) 역할을 하며, 이로 인해 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
즉, 상기 전자차단층(700)은 제2도전형 반도체층(300)으로 전자의 유입을 차단하고, 양자우물층(210)에 전자를 가두어 두는 역할을 할 수 있다.
전자차단층(700)은 예를 들어, AlxInyGa1 -x- yN(0≤x≤1,0≤y≤1)계 반도체로 형성될 수 있으며, 상기 활성층(200), 터널링층(500)의 에너지 밴드갭보다 높은 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.
다른 실시예로, 상기 전자차단층(700)은 AlzGa1 - zN/GaN(0≤z≤1) 초격자(superlattice)로 형성될 수도 있다. 또 다른 실시예로, 상기 전자차단층(700)은 InAIN/GaN 층을 이루도록 형성될 수도 있다.
제2장벽층(600)은 상기 제1정공주입층(510)과 상기 전자차단층(700) 사이에 배치되고, 상기 제1정공주입층(510)보다 크고 상기 전자차단층(700)보다 작은 에너지 밴드갭을 가질 수 있다. 상기 제2장벽층(600)은 GaN으로 형성될 수 있다. 다만, 제조과정에서 의도하지 않은 불순물이 소량 도핑될 수도 있다.
상기 제2장벽층(600)은 특히, 상기한 밴드 스파이크를 방지할 수 있다. 즉, 상기 제1정공주입층(510)과 상기 전자차단층(700)은 에너지 밴드갭의 차이가 크므로, 이로 인해 밴드 스파이크가 발생할 수 있다.
상기 제2장벽층(600)은 에너지 밴드갭이 상기 제1정공주입층(510)보다 크고 상기 전자차단층(700)보다 작으므로 에너지 밴드갭의 크기의 급격한 변화를 방지하여 밴드 스파이크의 발생을 방지하거나 완화하는 역할을 할 수 있다.
상기한 것 이외에는 도 3과 도 4에 개시된 실시예의 구조는 서로 동일하거나 유사하므로, 이에대한 설명은 생략한다.
실시예에서, 제2장벽층(600)은 에너지 밴드갭의 크기의 급격한 변화를 줄임으로써, 밴드 스파이크의 발생을 방지하거나 완화할 수 있는 효과가 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 발광소자 패키지(10)를 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 발광소자 패키지(10)는 캐비티를 포함하는 몸체(11)와, 상기 몸체(11)에 설치된 제1 리드 프레임(12)(lead frame) 및 제2 리드 프레임(13)과, 상기 몸체(11)에 설치되어 상기 제1 리드 프레임(12) 및 제2 리드 프레임(13)과 전기적으로 연결되는 상술한 실시예에 따른 발광소자(20)와, 상기 캐비티에 형성된 몰딩부(16)를 포함한다.
몸체(11)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있다. 상기 몸체(11)가 금속 재질 등 도전성 물질로 이루어지면, 도시되지는 않았으나 상기 몸체(11)의 표면에 절연층이 코팅되어 상기 제1,2 리드 프레임(12, 13) 간의 전기적 단락을 방지할 수 있다. 패키지 몸체(11)에는 캐비티가 형성되고, 캐비티의 바닥면에 발광소자(20)가 배치될 수 있다.
제1 리드 프레임(12) 및 제2 리드 프레임(13)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광소자(20)에 전류를 공급한다. 또한, 제1 리드 프레임(12) 및 제2 리드 프레임(13)은 발광소자(20)에서 발생된 광을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있으며, 발광소자(20)에서 발생된 열을 외부로 배출시킬 수도 있다.
발광소자(20)는 상술한 실시예에 따를 수 있으며, 제1 리드 프레임(12)과 제2 리드 프레임(13)에 와이어(14)를 통하여 전기적으로 연결될 수 있다.
발광소자(20)는 패키지 몸체(11)의 바닥면에 도전성 페이스트(미도시) 등으로 고정될 수 있고, 상기 몰딩부(16)는 상기 발광소자(20)를 포위하여 보호할 수 있으며, 몰딩부(16) 내에는 형광체(17)가 포함되어 발광소자(20)에서 방출된 제1 파장 영역의 광에 의하여 형광체(17)가 여기되어 제2 파장 영역의 광을 방출할 수 있다.
발광소자 패키지(10)는 상술한 실시예들에 따른 발광소자 중 하나 또는 복수 개를 탑재할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상술한 발광소자 내지 발광소자 패키지는 조명 시스템의 광원으로 사용될 수 있는데, 예를 들어 영상표시장치의 영상표시장치와 조명 장치 등의 발광 장치에 사용될 수 있다.
영상표시장치의 백라이트 유닛으로 사용될 때 에지 타입의 백라이트 유닛으로 사용되거나 직하 타입의 백라이트 유닛으로 사용될 수 있고, 조명 장치에 사용될 때 등기구나 빌트인(built-in) 타입의 광원에 사용될 수도 있다.
실시예와 관련하여 전술한 바와 같이 몇 가지만을 기술하였지만, 이외에도 다양한 형태의 실시가 가능하다. 앞서 설명한 실시예들의 기술적 내용들은 서로 양립할 수 없는 기술이 아닌 이상은 다양한 형태로 조합될 수 있으며, 이를 통해 새로운 실시형태로 구현될 수도 있다.
100: 제1도전형 반도체층
200: 활성층
210: 양자우물층
220: 양자장벽층
300: 제2도전형 반도체층
400: 기판
500: 터널링층
510: 제1정공주입층
520; 제2정공주입층
530: 제1장벽층
600: 제2장벽층
700: 전자차단층

Claims (18)

  1. 제1도전형 반도체층;
    상기 제1도전형 반도체층 상에 배치되고, 복수의 양자우물층과 복수의 양자장벽층이 교대로 적층되어 구비되는 활성층;
    상기 활성층 상에 배치되는 제2도전형 반도체층; 및
    상기 활성층과 상기 제2도전형 반도체층 사이에 배치되고, 정공이 터널링되는 터널링층을 포함하고,
    상기 터널링층은,
    상기 제2도전형 반도체층에 인접하여 배치되고, 정공이 주입되는 제1정공주입층;
    상기 활성층에 인접하여 배치되고, 정공이 주입되는 제2정공주입층; 및
    상기 제1정공주입층과 상기 제2정공주입층 사이에 배치되는 제1장벽층을 포함하고,
    상기 정공은 상기 제1정공주입층으로부터 상기 제2정공주입층으로 이동하고,
    상기 제1정공주입층의 에너지 밴드갭은 상기 제2정공주입층의 에너지 밴드갭보다 크고, 상기 제2정공주입층의 에너지 밴드갭은 상기 양자우물층의 에너지 밴드갭보다 크고,
    상기 제2정공주입층은 상기 제1정공주입층보다 두껍게 형성된 발광소자.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1도전형 반도체층;
    상기 제1도전형 반도체층 상에 배치되고, 복수의 양자우물층과 복수의 양자장벽층이 교대로 적층되어 구비되는 활성층;
    상기 활성층 상에 배치되는 제2도전형 반도체층; 및
    상기 활성층과 상기 제2도전형 반도체층 사이에 배치되고, 정공이 터널링되는 터널링층을 포함하고,
    상기 터널링층은,
    상기 제2도전형 반도체층에 인접하여 배치되고, 정공이 주입되는 제1정공주입층;
    상기 활성층에 인접하여 배치되고, 정공이 주입되는 제2정공주입층; 및
    상기 제1정공주입층과 상기 제2정공주입층 사이에 배치되는 제1장벽층을 포함하고,
    상기 정공은 상기 제1정공주입층으로부터 상기 제2정공주입층으로 이동하고,
    상기 제1정공주입층의 에너지 밴드갭은 상기 제2정공주입층의 에너지 밴드갭보다 크고, 상기 제2정공주입층의 에너지 밴드갭은 상기 양자우물층의 에너지 밴드갭보다 크고,
    상기 제1정공주입층의 In 도핑농도는 상기 양자우물층의 In 도핑농도의 절반보다 작고,
    상기 제1정공주입층은, 조성이 InxGa1-xN(0.005≤x≤0.01)이고,
    상기 제2정공주입층은, 조성이 InxGa1-xN(0.02≤x≤0.04)인 발광소자.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제1도전형 반도체층;
    상기 제1도전형 반도체층 상에 배치되고, 복수의 양자우물층과 복수의 양자장벽층이 교대로 적층되어 구비되는 활성층;
    상기 활성층 상에 배치되는 제2도전형 반도체층; 및
    상기 활성층과 상기 제2도전형 반도체층 사이에 배치되고, 정공이 터널링되는 터널링층을 포함하고,
    상기 터널링층은,
    상기 제2도전형 반도체층에 인접하여 배치되고, 정공이 주입되는 제1정공주입층;
    상기 활성층에 인접하여 배치되고, 정공이 주입되는 제2정공주입층; 및
    상기 제1정공주입층과 상기 제2정공주입층 사이에 배치되는 제1장벽층을 포함하고,
    상기 정공은 상기 제1정공주입층으로부터 상기 제2정공주입층으로 이동하고,
    상기 제1정공주입층의 에너지 밴드갭은 상기 제2정공주입층의 에너지 밴드갭보다 크고, 상기 제2정공주입층의 에너지 밴드갭은 상기 양자우물층의 에너지 밴드갭보다 크고,
    상기 제1정공주입층의 두께는 10Å 내지 30Å이고,
    상기 제2정공주입층의 두께는 50Å 내지 100Å이고,
    상기 제1장벽층의 두께는 20Å 내지 30Å인 발광소자.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제1도전형 반도체층;
    상기 제1도전형 반도체층 상에 배치되고, 복수의 양자우물층과 복수의 양자장벽층이 교대로 적층되어 구비되는 활성층;
    상기 활성층 상에 배치되고, 정공이 주입되는 제2정공주입층;
    상기 제2정공주입층 상에 배치되고, 정공이 터널링되는 제1장벽층;
    상기 제1장벽층 상에 배치되고, 정공이 주입되는 제1정공주입층;
    상기 제1정공주입층 상에 배치되는 전자차단층; 및
    상기 전자차단층 상에 배치되는 제2도전형 반도체층;을 포함하고,
    상기 제1정공주입층의 에너지 밴드갭은 상기 제2정공주입층의 에너지 밴드갭보다 크고, 상기 제2정공주입층의 에너지 밴드갭은 상기 양자우물층의 에너지 밴드갭보다 크고,
    상기 제1정공주입층 및 상기 제2정공주입층은 p형 도펀트가 도핑된 발광소자.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1정공주입층 상에 배치된 제2장벽층; 및
    상기 제2장벽층 상에 배치된 상기 전자차단층;을 더 포함하는 발광소자.
  17. 제1도전형 반도체층;
    상기 제1도전형 반도체층 상에 배치되고, 복수의 양자우물층과 복수의 양자장벽층이 교대로 적층되어 구비되는 활성층;
    상기 활성층 상에 배치되는 제2도전형 반도체층; 및
    상기 활성층과 상기 제2도전형 반도체층 사이에 배치되고, 정공이 터널링되는 터널링층을 포함하고,
    상기 터널링층은,
    상기 제2도전형 반도체층에 인접하여 배치되고, 정공이 주입되는 제1정공주입층;
    상기 활성층에 인접하여 배치되고, 정공이 주입되는 제2정공주입층; 및
    상기 제1정공주입층과 상기 제2정공주입층 사이에 배치되는 제1장벽층을 포함하고,
    상기 정공은 상기 제1정공주입층으로부터 상기 제2정공주입층으로 이동하고,
    상기 제1정공주입층의 에너지 밴드갭은 상기 제2정공주입층의 에너지 밴드갭보다 크고, 상기 제2정공주입층의 에너지 밴드갭은 상기 양자우물층의 에너지 밴드갭보다 크고,
    상기 제1정공주입층 및 상기 제2정공주입층은 p형 도펀트가 도핑된 발광소자.
  18. 제15항 또는 제17항에 있어서,
    상기 p형 도펀트는 Mg이고,
    상기 Mg는 도핑농도가 1cm3 당 1x1020개 내지 5x1020개인 발광소자.
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