KR20110128711A - 발광 소자 및 발광 소자 패키지 - Google Patents
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Abstract
발광 소자 및 발광 소자 패키지에 관한 것으로, 제 1 도전형 반도체층과, 제 1 도전형 반도체층 위에 형성되는 발광층과, 발광층 위에 형성되는 제 2 도전형 반도체층과, 발광층은 양자우물층과 양자장벽층을 포함하고, 제 1 도전형 반도체층 또는 제 2 도전형 반도체층의 면방향 격자상수는 양자장벽층의 면방향 격자상수보다 크고 양자우물층의 면방향 격자상수보다 작은 발광소자를 제공한다.
Description
실시예는 발광 소자 및 발광 소자 패키지에 관한 것이다.
반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Ligit 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.
실시예는 발광층 내 양자우물층에 가해지는 압축응력을 효과적으로 완화하여 양자우물층의 자발발광 효율을 획기적으로 개선함으로써, 고효율의 발광 소자 및 발광소자 패키지를 제공하고자 한다.
실시예는 제 1 도전형 반도체층과, 제 1 도전형 반도체층 위에 형성되는 발광층과, 발광층 위에 형성되는 제 2 도전형 반도체층과, 발광층은 양자우물층과 양자장벽층을 포함하고, 제 1 도전형 반도체층 또는 제 2 도전형 반도체층의 면방향 격자상수는 양자장벽층의 면방향 격자상수보다 크고 양자우물층의 면방향 격자상수보다 작은 발광소자를 제공한다.
여기서, 제 1 도전형 반도체층, 제 2 도전형 반도체층, 양자우물층, 양자장벽층 중 적어도 어느 하나는 인듐(In)을 포함하고, 제 1 도전형 반도체층 또는 제 2 도전형 반도체층의 인듐 함유량은 양자장벽층의 인듐 함유량보다 크고 양자우물층의 인듐 함유량보다 작을 수 있다.
이때, 양자우물층은 InxGa1-xN, 양자장벽층은 InyGa1-yN, 제 1 도전형 반도체층 또는 제 2 도전형 반도체층은 InzGa1-zN으로 이루어지고, 인듐(In) x, y, z의 조성은 x > z > y일 수 있다.
또한, 제 1 도전형 반도체층 또는 제 2 도전형 반도체층은 마그네슘(Mg)을 포함하고, 양자우물층 및 양자장벽층 중 적어도 어느 하나는 인듐(In)을 포함하며, 양자장벽층의 인듐 함유량은 양자우물층의 인듐 함유량보다 작을 수 있다.
여기서, 양자우물층은 InxGa1-xN, 양자장벽층은 InyGa1-yN, 제 1 도전형 반도체층 또는 제 2 도전형 반도체층은 MgzZn1-zO으로 이루어지고, 인듐(In) x, y의 조성은 x > y일 수 있다.
그리고, 제 1, 제 2 도전형 반도체층 중 어느 하나, 양자우물층, 양자장벽층은 서로 다른 에너지밴드갭을 가질 수 있다.
여기서, 양자장벽층의 에너지밴드갭은 양자우물층의 에너지밴드갭보다 크고, 제 1 도전형 반도체층 또는 제 2 도전형 반도체층의 에너지밴드갭은 양자장벽층의 에너지밴드갭보다 크거나 작을 수 있다.
또한, 발광층은 양자우물층과 양자장벽층이 반복적층된 다중 양자 우물 구조일 수 있으며, 이때, 양자장벽층 및 양자우물층 중 적어도 어느 하나의 면방향 격자상수는 제 1, 제 2 도전형 반도체층 중 어느 하나로부터 멀어질수록 점차 커질 수 있다.
그리고, 양자장벽층 및 양자우물층 중 적어도 어느 하나의 면방향 격자상수는 두께방향으로 그레디언트(gradient)하게 가변할 수도 있다.
다른 실시예는 제 1 도전형 반도체층과, 제 1 도전형 반도체층 위에 형성되는 발광층과, 발광층 위에 형성되는 제 2 도전형 반도체층과, 발광층은 양자우물층과 양자장벽층을 포함하고, 양자장벽층은 제 1 도전형 반도체층 또는 제 2 도전형 반도체층에 대해 인장응력을 가지고, 양자우물층은 제 1 도전형 반도체층 또는 제 2 도전형 반도체층에 대해 압축응력을 갖는 발광소자를 제공한다.
여기서, 제 1 도전형 반도체층 또는 제 2 도전형 반도체층의 면방향 격자상수는 양자장벽층의 면방향 격자상수보다 크고 양자우물층의 면방향 격자상수보다 작을 수 있다.
실시예들은 반도체층의 면방향 격자상수를 양자장벽층의 면방향 격자상수보다 크고 양자우물층의 면방향 격자상수보다 작도록 형성함으로써, 양자장벽층은 반도체층에 대해 인장응력을 가지고, 양자우물층은 반도체층에 대해 압축응력을 가져 서로 상쇄된다.
즉, 양자우물층과 양자장벽층 사이의 격자상수를 갖는 반도체층으로 인해, 인장응력을 갖는 양자장벽층이 양자우물층의 압축응력을 완충시켜주는 응력완충층 역할을 수행하게 된다.
따라서, 이러한 내부응력완화는 양자우물층에 작용하는 내부응력장을 감소시키고, 결국 양자우물층 내에서 전자와 정공의 파동함수의 공간 분리를 줄여줌으로써, 발광소자의 자발발광효율을 증대시키게 된다.
또한, 양자장벽층과 양자우물층의 면방향 격자상수를 두께방향으로 그레디언트(gradient)하게 가변되도록 형성함으로써, 전자와 양자의 주입이 원할한 에너지 밴드 구조가 형성되어 발광효율이 개선된 고효율의 발광소자를 제작할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 발광소자를 보여주는 구조단면도
도 2 및 도 3은 격자상수 차이에 따른 각 층의 응력상태를 보여주는 도면
도 4는 InGaN 반도체층의 면방향 격자상수에 따른 밴드갭 에너지를 보여주는 도면
도 5는 MgZnO 반도체층의 면방향 격자상수에 따른 밴드갭 에너지를 보여주는 도면
도 6a 및 도 6b는 도 1b에 따른 발광소자의 에너지밴드 다이어그램
도 7 내지 도 9는 다른 실시예에 따른 발광소자의 각 층의 격자상수 차를 보여주는 도면
도 10 내지 도 14는 도 7 내지 도 9에 따른 에너지밴드 다이어그램
도 15 내지 도 17는 또 다른 실시예에 따른 발광소자의 각 층의 격자상수 차를 보여주는 도면
도 18 내지 도 20은 도 15 내지 도 17에 따른 에너지밴드 다이어그램
도 21 내지 도 23은 또 다른 실시예에 따른 발광소자의 각 층의 격자상수 차를 보여주는 도면
도 24 내지 도 26은 도 21 내지 도 23에 따른 에너지밴드 다이어그램
도 27 내지 도 29는 또 다른 실시예에 따른 발광소자의 각 층의 격자상수 차를 보여주는 도면
도 30 내지 도 32는 도 27 내지 도 29에 따른 에너지밴드 다이어그램
도 33a 및 도 33b는 일반적인 양자우물구조와 본 발명에 따른 응력완충형 양자우물구조의 압축응력을 비교한 그래프
도 34는 일반적인 양자우물구조와 본 발명에 따른 응력완충형 양자우물구조의 면방향 파동벡터 함수로 나타내어지는 광학 매트릭스 원소량을 비교한 그래프
도 35는 일반적인 양자우물구조와 본 발명에 따른 응력완충형 양자우물구조에 대한 자발발광속도를 비교한 그래프
도 36 및 도 37은 MgZnO 반도체층의 Mg 비율에 따른 양자우물에 걸리는 압축응력 정도를 보여주는 그래프
도 38은 응력완충형 양자우물구조를 갖는 수평형 발광소자를 보여주는 도면
도 39는 응력완충형 양자우물구조를 갖는 수직형 발광소자를 보여주는 도면
도 40은 응력완충형 양자우물구조를 갖는 하이브리드형 발광소자를 보여주는 도면
도 41은 발광 소자 패키지의 일실시예의 단면도
도 42는 발광소자를 갖는 조명장치의 일실시예를 보여주는 도면
도 2 및 도 3은 격자상수 차이에 따른 각 층의 응력상태를 보여주는 도면
도 4는 InGaN 반도체층의 면방향 격자상수에 따른 밴드갭 에너지를 보여주는 도면
도 5는 MgZnO 반도체층의 면방향 격자상수에 따른 밴드갭 에너지를 보여주는 도면
도 6a 및 도 6b는 도 1b에 따른 발광소자의 에너지밴드 다이어그램
도 7 내지 도 9는 다른 실시예에 따른 발광소자의 각 층의 격자상수 차를 보여주는 도면
도 10 내지 도 14는 도 7 내지 도 9에 따른 에너지밴드 다이어그램
도 15 내지 도 17는 또 다른 실시예에 따른 발광소자의 각 층의 격자상수 차를 보여주는 도면
도 18 내지 도 20은 도 15 내지 도 17에 따른 에너지밴드 다이어그램
도 21 내지 도 23은 또 다른 실시예에 따른 발광소자의 각 층의 격자상수 차를 보여주는 도면
도 24 내지 도 26은 도 21 내지 도 23에 따른 에너지밴드 다이어그램
도 27 내지 도 29는 또 다른 실시예에 따른 발광소자의 각 층의 격자상수 차를 보여주는 도면
도 30 내지 도 32는 도 27 내지 도 29에 따른 에너지밴드 다이어그램
도 33a 및 도 33b는 일반적인 양자우물구조와 본 발명에 따른 응력완충형 양자우물구조의 압축응력을 비교한 그래프
도 34는 일반적인 양자우물구조와 본 발명에 따른 응력완충형 양자우물구조의 면방향 파동벡터 함수로 나타내어지는 광학 매트릭스 원소량을 비교한 그래프
도 35는 일반적인 양자우물구조와 본 발명에 따른 응력완충형 양자우물구조에 대한 자발발광속도를 비교한 그래프
도 36 및 도 37은 MgZnO 반도체층의 Mg 비율에 따른 양자우물에 걸리는 압축응력 정도를 보여주는 그래프
도 38은 응력완충형 양자우물구조를 갖는 수평형 발광소자를 보여주는 도면
도 39는 응력완충형 양자우물구조를 갖는 수직형 발광소자를 보여주는 도면
도 40은 응력완충형 양자우물구조를 갖는 하이브리드형 발광소자를 보여주는 도면
도 41은 발광 소자 패키지의 일실시예의 단면도
도 42는 발광소자를 갖는 조명장치의 일실시예를 보여주는 도면
이하 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 발광소자를 보여주는 구조단면도로서, 도 1a는 단일양자우물구조의 발광층을 갖는 발광소자이고, 도 1b는 다중양자우물구조를 갖는 발광소자이다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 발광소자는 제 1 도전형 반도체층(10), 발광층(30), 제 2 도전형 반도체층(50)으로 구성되고, 발광층(30)은 양자우물층(33)과 양자장벽층(31)을 포함한다.
발광층(30)은 도 1a와 같이 하나의 양자우물층(33)을 갖는 단일양자우물구조(single quantum well)로 이루어질 수도 있고, 도 1b와 같이 다수의 양자우물층(33)을 갖는 다중양자우물구조(multi-quantum well)로 이루어질 수도 있다.
여기서, 제 1 도전형 반도체층(10)은 전자주입층으로서의 n형 반도체층, 제 2 도전형 반도체층(50)은 정공주입층으로서의 p형 반도체일 수 있으며, 반대로 제 1 도전형 반도체층(10)은 정공주입층으로서의 p형 반도체, 제 2 도전형 반도체층(50)은 전자주입층으로서의 n형 반도체일 수도 있다.
양자장벽층(31)의 두께는 약 5 - 15nm, 양자우물층(33)의 두께는 약 1.5 - 5nm, 제 1 도전형 반도체층(10) 또는 제 2 도전형 반도체층(50)의 두께는 약 10nm - 200um인 것이 바람직하다.
그 이유는 양자장벽층(31) 및 양자우물층(33)의 두께가 상기 범위를 벗어나면 전자와 정공의 주입 및 결합이 어려워 발광효율이 저하될 수 있기 때문이다.
그리고, 제 1 도전형 반도체층(10) 또는 제 2 도전형 반도체층(50)의 면방향 격자상수는 양자장벽층(31)의 면방향 격자상수보다 크고 양자우물층(33)의 면방향 격자상수보다 작은 것이 바람직하다.
또한, 양자장벽층(31)의 면방향 격자상수는 양자우물층(33)의 격자상수보다 작은 것이 좋다.
여기서, 양자장벽층(31)의 면방향 격자상수는 약 3.12 - 3.25Å이고, 양자우물층(33)의 면방향 격자상수는 약 3.2 - 3.55Å이며, 제 1, 제 2 도전형 반도체층(10, 50)은 약 3.2 - 3.4Å일 수 있다.
이와 같이, 제 1 도전형 반도체층(10) 또는 제 2 도전형 반도체층(50)의 면방향 격자상수를 양자장벽층(31) 및 양자우물층(33)의 면방향 격자상수와 다르게 형성하는 이유는 다음과 같다.
도 2 및 도 3은 격자상수 차이에 따른 각 층의 응력상태를 보여주는 도면으로서, 도 2는 제 1 도전형 반도체층(10) 또는 제 2 도전형 반도체층(50)의 면방향 격자상수와 양자장벽층(31)의 면방향 격자상수가 동일한 경우의 응력상태를 보여주는 도면이고, 도 3은 제 1 도전형 반도체층(10) 또는 제 2 도전형 반도체층(50)의 면방향 격자상수가 양자장벽층(31)의 면방향 격자상수보다 크고 양자우물층(33)의 면방향 격자상수보다 작은 경우의 응력상태를 보여주는 도면이다.
도 2와 같이, 양자장벽층(31)과 양자우물층(33)을 포함하는 발광층에서, 양자장벽층(31)의 면방향 격자상수가 양자우물층(33)의 면방향 격자상수보다 작은 경우, 양자우물층(33)은 응력을 받게 된다.
예를 들어, 질화물 반도체 물질인 GaN와 InN는 이종벌크 기판 위에 동일한 결정학적 방위를 가지고 박막 형태로 성장하는 경우, 그들 면방향 격자상수의 차이가 약 10%로 매우 크게 나타난다.
즉, InN의 면방향 격자상수가 GaN의 면방향 격자상수보다 약 10% 크게 나타난다.
따라서, GaN와 InN를 일정비율로 혼합하여 이루어지는 InGaN 양자우물층의 면방향 격자상수는 GaN 양자장벽층의 면방향 격자상수보다 커지게 된다.
그러므로, 제 1, 제 2 도전형 GaN 반도체층 위에 형성되는 InGaN 양자우물층/GaN 양자장벽층 구조의 발광층에서, InGaN 양자우물층은 심하게 압축응력을 받게 된다.
이와 같이, InGaN 양자우물층에 작용하는 심한 압축응력은 큰 내부장(internal field)을 발생시키고, InGaN 양자우물층의 에너지 밴드 구조를 변형시키고, 이로 인해, InGaN 양자우물층 내의 전자와 정공은 공간적으로 분리되어 자발발광 속도가 현저하게 낮아지는 문제점을 갖는다.
따라서, InGaN 양자우물층의 압축응력을 효과적으로 완화시키기 위해서는 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 도전형 반도체층(10) 또는 제 2 도전형 반도체층(50)의 면방향 격자상수가 양자장벽층(31)의 면방향 격자상수보다 크고 양자우물층(33)의 면방향 격자상수보다 작게 하는 것이 바람직하다.
면방향 격자상수의 조정을 위한 실시예로서, 제 1 도전형 반도체층(10), 제 2 도전형 반도체층(50), 양자우물층(33), 양자장벽층(31) 중 적어도 어느 하나는 인듐(In)을 포함하고, 제 1 도전형 반도체층(10) 또는 상기 제 2 도전형 반도체층(50)의 인듐 함유량은 양자장벽층(31)의 인듐 함유량보다 크고 양자우물층(33)의 인듐 함유량보다 작게 형성할 수 있다.
여기서, 양자우물층(33)은 InxGa1-xN, 양자장벽층(31)은 InyGa1-yN, 제 1 도전형 반도체층(10) 또는 제 2 도전형 반도체층(50)은 InzGa1-zN으로 이루어질 수 있는데, 인듐(In) x, y, z의 조성은 x > z > y인 것이 바람직하다.
또한, 인듐(In) x, y, z의 조성범위는 0 ≤ x, y, z ≤ 0.3으로 조정할 수 있으며, 인듐(In) x의 조성범위는 0 < x ≤ 0.3이고, 인듐(In) y의 조성범위는 0 ≤ y ≤ 0.1이며, 인듐(In) z의 조성범위는 0 < z < 0.3일 수 있다.
도 4는 InGaN 반도체층의 면방향 격자상수에 따른 밴드갭 에너지를 보여주는 도면으로서, 도 4에 도시된 바와 같이, InGaN 의 인듐(In)의 함유량을 일정 범위 내에서 조정함으로써, 면방향 격자상수를 조정할 수 있다.
따라서, InGaN 반도체층의 면방향 격자상수는 InGaN 양자장벽층의 면방향 격자상수보다 더 크게 형성되므로, InGaN 양자장벽층은 인장응력을 받게 되고, InGaN 양자우물층의 면방향 격자상수는 InGaN 반도체층의 면방향 격자상수보다 더 크게 형성되므로, InGaN 양자우물층은 압축응력을 받게 된다.
이때, 양자장벽층에 작용하는 인장응력은 양자우물층에 작용하는 압축응력을 일부 상쇄하여 완충시키게 된다.
이러한 내부응력완화는 양자우물층에 작용하는 내부응력장을 감소시키고, 결국 양자우물층 내에서 전자와 정공의 파동함수의 공간 분리를 줄여줌으로써, 발광소자의 자발발광효율을 증대시키게 된다.
다른 실시예로서, 제 1 도전형 반도체층(10) 또는 제 2 도전형 반도체층(50)은 마그네슘(Mg)을 포함하고, 양자우물층(33) 및 양자장벽층(31) 중 적어도 어느 하나는 인듐(In)을 포함하며, 양자장벽층(31)의 인듐 함유량은 양자우물층(33)의 인듐 함유량보다 작은 것이 바람직하다.
여기서, 양자우물층(33)은 InxGa1-xN, 양자장벽층(31)은 InyGa1-yN, 제 1 도전형 반도체층(10) 또는 제 2 도전형 반도체층(50)은 MgzZn1-zO으로 이루어지고, 인듐(In) x, y의 조성은 x > y인 것이 바람직하다.
또한, 인듐(In) x의 조성범위는 0 < x ≤ 0.3이고, 인듐(In) y의 조성범위는 0 ≤ y ≤ 0.1이며, 마그네슘(Mg) z의 조성범위는 0 < z ≤ 0.3일 수 있다.
도 5는 MgZnO 반도체층의 면방향 격자상수에 따른 밴드갭 에너지를 보여주는 도면으로서, 도 5에 도시된 바와 같이, MgZnO 의 마그네슘(Mg)의 함유량을 일정 범위 내에서 조정함으로써, 면방향 격자상수를 조정할 수 있다.
따라서, MgZnO 반도체층의 면방향 격자상수는 InGaN 양자장벽층의 면방향 격자상수보다 더 크게 형성되므로, InGaN 양자장벽층은 인장응력을 받게 되고, InGaN 양자우물층의 면방향 격자상수는 InGaN 반도체층의 면방향 격자상수보다 더 크게 형성되므로, InGaN 양자우물층은 압축응력을 받게 된다.
이때, 양자장벽층에 작용하는 인장응력은 양자우물층에 작용하는 압축응력을 일부 상쇄하여 완충시키게 된다.
이러한 내부응력완화는 양자우물층에 작용하는 내부응력장을 감소시키고, 결국 양자우물층 내에서 전자와 정공의 파동함수의 공간 분리를 줄여줌으로써, 발광소자의 자발발광효율을 증대시키게 된다.
본 발명은 또 다른 실시예로서, 제 1 도전형 반도체층, 제 2 도전형 반도체층, 양자우물층, 양자장벽층 중 적어도 어느 하나는 인듐(In)을 포함하고, 제 1 도전형 반도체층 또는 제 2 도전형 반도체층은 알루미늄(Al)을 포함할 수 있도록 구성될 수도 있다.
여기서, 제 1 도전형 반도체층 또는 제 2 도전형 반도체층의 인듐 함유량은 양자장벽층의 인듐 함유량보다 크고 양자우물층의 인듐 함유량보다 작을 수 있다.
경우에 따라서는, 제 1 도전형 반도체층 또는 제 2 도전형 반도체층의 인듐 함유량은 양자장벽층의 인듐 함유량과 양자우물층의 인듐 함유량보다도 작을 수 있다.
예를 들면, 양자우물층은 InxGa1-xN, 양자장벽층은 InyGa1-yN, 제 1 도전형 반도체층 또는 제 2 도전형 반도체층은 InzAlaGa1-z-aN으로 이루어질 수 있으며, 인듐(In) x, y, z의 조성은 x > z > y일 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 도 1b에 따른 발광소자의 에너지밴드 다이어그램으로서, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 제 1, 제 2 도전형 반도체층(10, 50) 중 어느 하나, 양자우물층(33), 양자장벽층(31)은 서로 다른 에너지밴드갭을 갖는 것을 알 수 있다.
즉, 양자장벽층(31)의 에너지밴드갭은 양자우물층(33)의 에너지밴드갭보다 크고, 제 1 도전형 반도체층(10) 또는 제 2 도전형 반도체층(50)의 에너지밴드갭은 양자장벽층(31)의 에너지밴드갭보다 크거나 작을 수 있다.
여기서, 양자장벽층(31)의 에너지밴드갭은 약 3.0 - 5.0eV, 양자우물층(33)의 에너지밴드갭은 약 0.65 - 3.2eV, 제 1 도전형 반도체층(10) 또는 제 2 도전형 반도체층(50)의 에너지밴드갭은 약 2.0 - 8.0eV일 수 있다.
도 7 내지 도 9는 다른 실시예에 따른 발광소자의 각 층의 격자상수 차를 보여주는 도면이다.
도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 제 1 도전형 반도체층(10) 또는 제 2 도전형 반도체층(50)의 면방향 격자상수는 양자장벽층(31)의 면방향 격자상수보다 크고 양자우물층(33)의 면방향 격자상수보다 작다.
또한, 양자장벽층(31) 및 양자우물층(33) 중 적어도 어느 하나의 면방향 격자상수는 제 1, 제 2 도전형 반도체층(10, 50) 중 어느 하나로부터 멀어질수록 점차 커질 수 있다.
여기서, 도 7은 양자장벽층(31)의 면방향 격자상수가 제 1, 제 2 도전형 반도체층(10, 50) 중 어느 하나로부터 멀어질수록 점차 커지는 것을 보여주는 도면으로서, 모든 양자우물층(33)은 인듐 함유량이 서로 동일하지만, 양자장벽층(31)은 제 1, 제 2 도전형 반도체층(10, 50) 중 어느 하나로부터 멀어질수록 인듐 함유량이 점차 증가한다.
즉, 제 1, 제 2 도전형 반도체층(10, 50)에 인접한 양자장벽층(31)의 인듐 함유량보다 제 1, 제 2 도전형 반도체층(10, 50)으로부터 멀어진 양자장벽층(31)의 인듐 함유량이 더 많으며, 서로 인접하는 양자장벽층(31)은 서로 인듐 함유량이 다를 수 있다.
도 8은 양자우물층(33)의 면방향 격자상수가 제 1, 제 2 도전형 반도체층(10, 50) 중 어느 하나로부터 멀어질수록 점차 커지는 것을 보여주는 도면으로서, 모든 양자장벽층(31)은 인듐 함유량이 서로 동일하지만, 양자우물층(33)은 제 1, 제 2 도전형 반도체층(10, 50) 중 어느 하나로부터 멀어질수록 인듐 함유량이 점차 증가한다.
즉, 제 1, 제 2 도전형 반도체층(10, 50)에 인접한 양자우물층(33)의 인듐 함유량보다 제 1, 제 2 도전형 반도체층(10, 50)으로부터 멀어진 양자우물층(33)의 인듐 함유량이 더 많으며, 서로 인접하는 양자우물층(33)은 서로 인듐 함유량이 다를 수 있다.
이어, 도 9는 양자장벽층(31) 및 양자우물층(33)의 면방향 격자상수가 제 1, 제 2 도전형 반도체층(10, 50) 중 어느 하나로부터 멀어질수록 점차 커지는 것을 보여주는 도면으로서, 양자우물층(33) 및 양자장벽층(31)은 제 1, 제 2 도전형 반도체층(10, 50) 중 어느 하나로부터 멀어질수록 인듐 함유량이 점차 증가한다.
즉, 제 1, 제 2 도전형 반도체층(10, 50)에 인접한 양자우물층(33) 및 양자장벽층(31)의 인듐 함유량보다 제 1, 제 2 도전형 반도체층(10, 50)으로부터 멀어진 양자우물층(33) 및 양자장벽층(31)의 인듐 함유량이 더 많으며, 서로 인접하는 양자우물층(33) 또는 서로 인접하는 양자장벽층(31)은 서로 인듐 함유량이 다를 수 있다.
도시되지는 않았지만, 경우에 따라서는, 제 1, 제 2 도전형 반도체층(10, 50)에 인접한 첫 번째 양자우물층(33)을 제외한 나머지 양자우물층(33)들 중 적어도 어느 하나만 다른 격자상수를 가질 수도 있다.
또는, 제 1, 제 2 도전형 반도체층(10, 50)에 인접한 첫 번째 양자장벽층(31)을 제외한 나머지 양자장벽층(31)들 중 적어도 어느 하나만 다른 격자상수를 가질 수도 있다.
도 10 내지 도 14는 도 7 내지 도 9에 따른 에너지밴드 다이어그램이다.
도 10은 도 7의 격자상수 차에 따른 에너지밴드 다이어그램으로서, 도 10에 도시된 바와 같이, 양자장벽층(31)의 에너지밴드갭이 제 1, 제 2 도전형 반도체층(10, 50) 중 어느 하나로부터 멀어질수록 점차 작아지는 것을 알 수 있다.
도 11은 도 8의 격자상수 차에 따른 에너지밴드 다이어그램으로서, 도 11에 도시된 바와 같이, 양자우물층(33)의 에너지밴드갭이 제 1, 제 2 도전형 반도체층(10, 50) 중 어느 하나로부터 멀어질수록 점차 작아지는 것을 알 수 있다.
도 12는 도 9의 격자상수 차에 따른 에너지밴드 다이어그램으로서, 도 12에 도시된 바와 같이, 양자장벽층(31) 및 양자우물층(33)의 에너지밴드갭이 제 1, 제 2 도전형 반도체층(10, 50) 중 어느 하나로부터 멀어질수록 점차 작아지는 것을 알 수 있다.
도 13 및 도 14는 다른 실시예에 따른 에너지밴드 다이어그램으로서, 도 13은 제 1, 제 2 도전형 반도체층(10, 50)에 인접한 첫 번째 양자장벽층(31)을 제외한 나머지 양자장벽층(31)들 중 적어도 어느 하나의 에너지밴드갭이 다를 수 있는 것을 보여주는 도면이고,
도 14는 제 1, 제 2 도전형 반도체층(10, 50)에 인접한 첫 번째 양자우물층(33)을 제외한 나머지 양자우물층(33)들 중 적어도 어느 하나의 에너지밴드갭이 다를 수 있는 것을 보여주는 도면이다.
도 15 내지 도 17는 또 다른 실시예에 따른 발광소자의 각 층의 격자상수 차를 보여주는 도면이다.
도 15 내지 도 17에 도시된 바와 같이, 제 1 도전형 반도체층(10) 또는 제 2 도전형 반도체층(50)의 면방향 격자상수는 양자장벽층(31)의 면방향 격자상수보다 크고 양자우물층(33)의 면방향 격자상수보다 작다.
또한, 양자장벽층(31) 및 양자우물층(33) 중 적어도 어느 하나의 면방향 격자상수는 두께방향으로 그레디언트(gradient)하게 변하도록 형성될 수 있다.
여기서, 도 15는 첫 번째 양자장벽층(31a)이 제 1 도전형 반도체층(10) 또는 제 2 도전형 반도체층(50)으로부터 양자우물층(33a)으로 향하는 두께방향으로 면방향 격자상수가 점차 커지고, 두 번째 양자장벽층(31b)이 가장자리영역에서 중심영역으로 향하는 두께방향으로 면방향 격자상수가 점차 작아지는 것을 보여주는 도면으로서, 모든 양자우물층(33)은 인듐 함유량이 서로 동일하지만, 양자장벽층(31)은 두께방향으로 인듐 함유량이 점차 가변한다.
즉, 제 1 도전형 반도체층(10) 또는 제 2 도전형 반도체층(50)과 양자우물층(33a) 사이에 위치한 첫 번째 양자장벽층(31a)의 경우, 제 1, 제 2 도전형 반도체층(10, 50)에서 양자우물층(33a)으로 향하는 두께방향으로 인듐 함유량이 점차 증가한다.
그리고, 첫 번째 양자우물층(33a)과 두 번째 양자우물층(33b) 사이에 위치한 두 번째 양자장벽층(31b)의 경우, 두 번째 양자장벽층(31b)의 가장자리영역에서 중심영역으로 향하는 두께방향으로 인듐 함유량이 점차 감소한다.
도 16은 양자우물층(33)이 양자우물층(33)의 가장자리영역에서 중심영역으로 향하는 두께방향으로 면방향 격자상수가 점차 증가하는 것을 보여주는 도면으로서, 모든 양자장벽층(31)은 인듐 함유량이 서로 동일하지만, 양자우물층(31)은 두께방향으로 인듐 함유량이 점차 가변한다.
즉, 첫 번째 양자장벽층(31a)과 두 번째 양자장벽층(31b) 사이에 위치한 양자우물층(33)의 경우, 양자우물층(33)의 가장자리영역에서 중심영역으로 향하는 두께방향으로 인듐 함유량이 점차 증가한다.
도 17은 도 15의 양자장벽층(31)과 도 16의 양자우물층(33)을 모두 포함하는 면방향 격자상수의 차를 보여주는 도면으로서, 양자장벽층(31) 및 양자우물층(33) 모두 두께방향으로 인듐 함유량이 점차 가변한다.
도 18 내지 도 20은 도 15 내지 도 17에 따른 에너지밴드 다이어그램이다.
도 18은 도 15의 격자상수 차에 따른 에너지밴드 다이어그램이고, 도 19는 도 16의 격자상수 차에 따른 에너지밴드 다이어그램이며, 도 20은 도 17의 격자상수 차에 따른 에너지밴드 다이어그램이다.
도 18 내지 도 20에 도시된 바와 같이, 양자장벽층(31) 및 양자우물층(33)의 에너지밴드갭이 두께방향으로 점차적으로 가변하는 것을 알 수 있다.
도 21 내지 도 23은 또 다른 실시예에 따른 발광소자의 각 층의 격자상수 차를 보여주는 도면이다.
도 21 내지 도 23에 도시된 바와 같이, 제 1 도전형 반도체층(10) 또는 제 2 도전형 반도체층(50)의 면방향 격자상수는 양자장벽층(31)의 면방향 격자상수보다 크고 양자우물층(33)의 면방향 격자상수보다 작다.
또한, 양자장벽층(31) 및 양자우물층(33) 중 적어도 어느 하나의 면방향 격자상수는 두께방향으로 그레디언트(gradient)하게 변하도록 형성될 수 있다.
여기서, 도 21은 양자장벽층(31)이 제 1 도전형 반도체층(10) 또는 제 2 도전형 반도체층(50)으로부터 양자우물층(33)으로 향하는 두께방향으로 면방향 격자상수가 점차 커지는 것을 보여주는 도면으로서, 모든 양자우물층(33)은 인듐 함유량이 서로 동일하지만, 양자장벽층(31)은 제 1 도전형 반도체층(10) 또는 제 2 도전형 반도체층(50)으로부터 양자우물층(33)으로 향하는 두께방향으로 인듐 함유량이 점차 증가한다.
즉, 제 1 도전형 반도체층(10) 또는 제 2 도전형 반도체층(50)과 양자우물층(33) 사이에 위치한 첫 번째 양자장벽층(31)의 경우, 제 1, 제 2 도전형 반도체층(10, 50)에 인접한 양자장벽층(31) 계면에서의 인듐 함유량보다 양자우물층(33)에 인접한 양자장벽층(31) 계면에서의 인듐 함유량이 더 많도록 형성될 수 있다.
도 22는 양자우물층(33)이 첫 번째 양자장벽층(31a)에서 두 번째 양자장벽층(31b)로 향하는 두께방향으로 면방향 격자상수가 점차 커지는 것을 보여주는 도면으로서, 모든 양자장벽층(31)은 인듐 함유량이 서로 동일하지만, 양자우물층(33)은 첫 번째 양자장벽층(31a)에서 두 번째 양자장벽층(31b)로 향하는 두께방향으로 인듐 함유량이 점차 증가한다.
즉, 첫 번째 양자장벽층(31a)과 두 번째 양자장벽층(31b) 사이에 위치한 첫 번째 양자우물층(33)의 경우, 첫 번째 양자장벽층(31a)에 인접한 양자우물층(33) 계면에서의 인듐 함유량보다 두 번째 양자장벽층(31b)에 인접한 양자우물층(33) 계면에서의 인듐 함유량이 더 많도록 형성될 수 있다.
도 23은 양자장벽층(31) 및 양자우물층(33)이 제 1, 제 2 도전형 반도체층(10, 50)으로부터 멀어지는 두께방향으로 면방향 격자상수가 점차 커지는 것을 보여주는 도면으로서, 양자장벽층(31) 및 양자우물층(33)은 제 1, 제 2 도전형 반도체층(10, 50)으로부터 멀어지는 두께방향으로 인듐 함유량이 점차 증가한다.
도 24 내지 도 26은 도 21 내지 도 23에 따른 에너지밴드 다이어그램이다.
도 24은 도 21의 격자상수 차에 따른 에너지밴드 다이어그램이고, 도 25는 도 22의 격자상수 차에 따른 에너지밴드 다이어그램이며, 도 26은 도 23의 격자상수 차에 따른 에너지밴드 다이어그램이다.
도 24 내지 도 26에 도시된 바와 같이, 양자장벽층(31) 및 양자우물층(33)의 에너지밴드갭이 두께방향으로 점차적으로 가변하는 것을 알 수 있다.
도 27 내지 도 29는 또 다른 실시예에 따른 발광소자의 각 층의 격자상수 차를 보여주는 도면이다.
도 27 내지 도 29에 도시된 바와 같이, 제 1 도전형 반도체층(10) 또는 제 2 도전형 반도체층(50)의 면방향 격자상수는 양자장벽층(31)의 면방향 격자상수보다 크고 양자우물층(33)의 면방향 격자상수보다 작다.
또한, 양자장벽층(31) 및 양자우물층(33) 중 적어도 어느 하나의 면방향 격자상수는 두께방향으로 그레디언트(gradient)하게 변하도록 형성될 수 있다.
여기서, 도 27은 첫 번째 양자장벽층(31a)이 제 1 도전형 반도체층(10) 또는 제 2 도전형 반도체층(50)으로부터 첫 번째 양자우물층(33a)으로 향하는 두께방향으로 면방향 격자상수가 점차 커지고, 두 번째 양자장벽층(31b)이 첫 번째 양자우물층(33a)으로부터 두 번째 양자우물층(33b)으로 향하는 두께방향으로 면방향 격자상수가 점차 작아지는 것을 보여주는 도면으로서, 모든 양자우물층(33)은 인듐 함유량이 서로 동일하지만, 양자장벽층(31)은 두께방향으로 인듐 함유량이 점차 가변한다.
즉, 제 1 도전형 반도체층(10) 또는 제 2 도전형 반도체층(50)과 첫 번째 양자우물층(33a) 사이에 위치한 첫 번째 양자장벽층(31a)의 경우, 제 1, 제 2 도전형 반도체층(10, 50)에서 첫 번째 양자우물층(33a)으로 향하는 두께방향으로 인듐 함유량이 점차 증가한다.
그리고, 첫 번째 양자우물층(33a)과 두 번째 양자우물층(33b) 사이에 위치한 두 번째 양자장벽층(31b)의 경우, 첫 번째 양자우물층(33a)으로부터 두 번째 양자우물층(33b)으로 향하는 두께방향으로 인듐 함유량이 점차 감소한다.
도 28은 첫 번째 양자우물층(33a)이 첫 번째 양자장벽층(31a)로부터 두 번째 양자장벽층(31b)로 향하는 두께방향으로 면방향 격자상수가 점차 증가하고, 두 번째 양자우물층(33b)가 두께방향으로 면방향 격자상수가 점차 감소하는 것을 보여주는 도면으로서, 모든 양자장벽층(31)은 인듐 함유량이 서로 동일하지만, 양자우물층(33)은 두께방향으로 인듐 함유량이 점차 가변한다.
즉, 첫 번째 양자장벽층(31a)과 두 번째 양자장벽층(31b) 사이에 위치한 첫 번째 양자우물층(33a)의 경우, 두께방향으로 인듐 함유량이 점차 증가하고, 두 번째 양자장벽층(31b)과 세 번째 양자장벽층 사이에 위치한 두 번째 양자우물층(33b)의 경우, 두께방향으로 인듐 함유량이 점차 감소하고 있다.
도 29는 도 27의 양자장벽층(31)과 도 29의 양자우물층(33)을 모두 포함하는 면방향 격자상수의 차를 보여주는 도면으로서, 양자장벽층(31) 및 양자우물층(33) 모두 두께방향으로 인듐 함유량이 점차 가변한다.
도 30 내지 도 32는 도 27 내지 도 29에 따른 에너지밴드 다이어그램이다.
도 30은 도 27의 격자상수 차에 따른 에너지밴드 다이어그램이고, 도 31는 도 28의 격자상수 차에 따른 에너지밴드 다이어그램이며, 도 32은 도 29의 격자상수 차에 따른 에너지밴드 다이어그램이다.
도 30 내지 도 32에 도시된 바와 같이, 양자장벽층(31) 및 양자우물층(33)의 에너지밴드갭이 두께방향으로 점차적으로 가변하는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예들은 반도체층의 면방향 격자상수를 양자장벽층의 면방향 격자상수보다 크고 양자우물층의 면방향 격자상수보다 작도록 형성함으로써, 양자장벽층은 반도체층에 대해 인장응력을 가지고, 양자우물층은 반도체층에 대해 압축응력을 가져 서로 상쇄된다.
즉, 양자우물층과 양자장벽층 사이의 격자상수를 갖는 반도체층으로 인해, 인장응력을 갖는 양자장벽층이 양자우물층의 압축응력을 완충시켜주는 응력완충층 역할을 수행하게 된다.
따라서, 이러한 내부응력완화는 양자우물층에 작용하는 내부응력장을 감소시키고, 결국 양자우물층 내에서 전자와 정공의 파동함수의 공간 분리를 줄여줌으로써, 발광소자의 자발발광효율을 증대시키게 된다.
또한, 양자장벽층과 양자우물층의 면방향 격자상수를 두께방향으로 그레디언트(gradient)하게 가변되도록 형성함으로써, 전자와 양자의 주입이 원할한 에너지 밴드 구조가 형성되어 발광효율이 개선된 고효율의 발광소자를 제작할 수 있다.
도 33a 및 도 33b는 일반적인 양자우물구조와 본 발명에 따른 응력완충형 양자우물구조의 압축응력을 비교한 그래프이다.
도 33a는 일반적인 GaN 반도체층상의 InGaN/GaN 양자우물구조에 대한 첫째 전도대 서브밴드(C1)와 첫째 가전대 서브밴드(HH1)의 포텐셜 프로필(potential profile)과 파동함수 분포도이고, 도 33b는 본 발명에 따른 응력완충형 InGaN 반도체층상의 InGaN/InGaN 양자우물구조에 대한 첫째 전도대 서브밴드(C1)와 첫째 가전대 서브밴드(HH1)의 포텐셜 프로필(potential profile)과 파동함수 분포도이다.
일반적인 양자우물구조에서는 InGaN 양자우물층에 작용하는 심한 압축응력으로 인하여 큰 내부장(internal fieled)을 발생시켜 InGaN 양자우물층의 에너지 밴드 구조를 변형시킨다.
따라서, 도 33a에 도시된 바와 같이, 에너지 밴드 구조의 변형으로 인해, 에너지 밴드가 급경사를 갖는 기울기를 갖는 것을 볼 수 있으며, 일반적인 양자 우물 구조에서는 압축응력이 약 2.74%를 보여주고 있다.
반면에, 본 발명에 따른 응력완충형 양자우물구조에서는 InGaN 반도체층의 면방향 격자상수가 양자장벽층의 면방향 격자상수보다 크고, 양자우물층의 면방향 격자상수보다 작으므로, 양자장벽층에서 작용하는 인장응력이 양자우물층에 걸리는 압축응력을 일부 상쇄하여, 양자우물층에 작용하는 내부응력장을 감소시켜준다.
따라서, 도 33b에 도시된 바와 같이, 일반적인 양자우물구조에 비해, 에너지 밴드의 기울기 경사가 완화된 것을 볼 수 있으며, 압축응력이 약 1.18%로서, 일반적인 양자우물구조에 비해 압축응력이 작아짐을 알 수 있다.
도 34는 일반적인 양자우물구조와 본 발명에 따른 응력완충형 양자우물구조의 면방향 파동벡터 함수로 나타내어지는 광학 매트릭스 원소량을 비교한 그래프이고, 도 35는 일반적인 양자우물구조와 본 발명에 따른 응력완충형 양자우물구조에 대한 자발발광속도를 비교한 그래프이다.
도 34에 도시된 바와 같이, 일반적인 양자우물구조의 광학 매트릭스 원소보다 본 발명에 따른 응력완충형 양자우물구조의 광학 매트릭스 원소가 더욱 많은 것을 알 수 있다.
이러한 결과는 결정격자 불일치 정도의 감소에 따른 발광층 내의 내부응력장 감소에 기인한다.
결과적으로, 도 35에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 응력완충형 양자우물구조를 갖는 발광소자의 자발발광효율이 일반적인 양자우물구조를 갖는 발광소자의 자발발광효율에 비해 크게 증가되는 것을 알 수 있다.
도 36 및 도 37은 MgZnO 반도체층의 Mg 비율에 따른 양자우물에 걸리는 압축응력 정도를 보여주는 그래프이다.
도 36은 일정양자우물두께에서, MgZnO 반도체층의 Mg 비율에 따른 양자우물에 걸리는 압축응력 정도를 보여주는 그래프이고, 도 37은 양자우물내 인듐조성이 일정할 때, MgZnO 반도체층의 Mg 비율에 따른 양자우물에 걸리는 압축응력 정도를 보여주는 그래프이다.
도 36 및 도 37에 도시된 바와 같이, MgZnO 반도체층의 Mg 비율이 증가함에 따라서 양자우물에 걸리는 압축응력이 감소하는 것을 알 수 있다.
도 36 및 도 37은 실시예로서, 발광파장이 약 530nm인 녹색 LED를 고려한 경우이고, Mg의 분율이 약 0 - 0.1 범위에서 양자우물에 작용하는 응력을 계산한 결과를 보여준 그래프로서, 양자우물의 두께가 감소하고, 인듐의 유량이 증가할수록 양자우물에 작용하는 응력이 증가하는 것을 알 수 있다.
도 38은 응력완충형 양자우물구조를 갖는 수평형 발광소자를 보여주는 도면이다.
도 38에 도시된 바와 같이, 기판(1) 위에 제 1 도전형 반도체층(10), 발광층(30), 제 2 도전형 반도체층(50)이 형성되고, 발광층(30)은 양자우물층(33)과 양자장벽층(31)을 포함한다.
그리고, 제 1 도전형 반도체층(10) 위에는 제 1 전극(60)이 형성되고, 제 2 도전형 반도체층(50) 위에는 제 2 전극(70)이 형성된다.
여기서, 양자장벽층(31)은 제 1 도전형 반도체층(10) 또는 제 2 도전형 반도체층(50)에 대해 인장응력을 가지고, 양자우물층(33)은 제 1 도전형 반도체층(10) 또는 제 2 도전형 반도체층(50)에 대해 압축응력을 가진다.
그리고, 제 1 도전형 반도체층(10) 또는 제 2 도전형 반도체층(50)의 면방향 격자상수는 양자장벽층(31)의 면방향 격자상수보다 크고 양자우물층(33)의 면방향 격자상수보다 작은 것이 바람직하다.
또한, 기판(1)은 투광성을 갖는 재질, 예를 들어, 사파이어(Al203), GaN, SiC, ZnO, Si, GaP, InP, Ga203, 그리고 GaAs 등이 사용될 수 있다.
그리고, 제 1 도전형 반도체층(10) 아래에 언도프트 반도체층(도시하지 않음)을 더 포함할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
제 1 도전형 반도체층(10)은 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN 등에서 선택될 수 있으며, Si, Ge, Sn, Se, Te 등의 n형 도펀트가 도핑될 수 있다.
상기 언도프트 반도체층은 제 1 도전형 반도체층(10)의 결정성 향상을 위해 형성되는 층으로, 상기 n형 도펀트가 도핑되지 않아 제 1 도전형 반도체층(10)에 비해 낮은 전기전도성을 갖는 것을 제외하고는 제 1 도전형 반도체층(10)과 같을 수 있다.
그리고, 발광층(30)은 양자선(Quantum wire) 구조, 양자점(Quantum dot) 구조, 단일 양자 우물 구조 또는 다중 양자 우물 구조(MQW : Multi Quantum Well) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
발광층(30)은 제 1 도전형 반도체층(10) 및 제 2 도전형 반도체층(50)으로부터 제공되는 전자 및 정공의 재결합(recombination) 과정에서 발생되는 에너지에 의해 광을 생성할 수 있다.
이어, 제 2 도전형 반도체층(50)은 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN 등에서 선택될 수 있으며, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등의 p형 도펀트가 도핑될 수 있다.
여기서, 상술한 바와 다르게, 제 1 도전형 반도체층(10)이 p형 반도체층일 수 있고 제 2 도전형 반도체층(50)이 n형 반도체층일 수도 있다.
또한, 제 1 도전형 반도체층(10) 상에는 n형 또는 p형 반도체층을 포함하는 제 3 도전형 반도체층(미도시)이 형성될 수도 있는데, 이에 따라 본 실시예에 따른 발광 소자는 np, pn, npn, pnp 접합 구조 중 적어도 어느 하나를 가질 수 있다.
또한, 제 1 도전형 반도체층(10) 및 제 2 도전형 반도체층(50) 내의 도전형 도펀트의 도핑 농도는 균일 또는 불균일하게 형성될 수 있다.
즉, 상기 복수의 반도체층의 구조는 다양하게 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
그리고, 제 1 전극(60)과 제 2 전극(70))은 각각 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
도 39는 응력완충형 양자우물구조를 갖는 수직형 발광소자를 보여주는 도면이다.
도 39에 도시된 바와 같이, 금속 또는 전도성 반도체층으로 형성되는 지지층(80) 상부에 제 2 도전형 반도체층(50), 발광층(30), 제 1 도전형 반도체층(10)이 형성되고, 발광층(30)은 양자우물층(33)과 양자장벽층(31)을 포함한다.
그리고, 제 1 도전형 반도체층(10) 위에는 제 1 전극(60)이 형성되고, 제 2 도전형 반도체층(50)과 지지층(80) 사이에 제 2 전극(70)이 형성된다.
제 2 전극(70)은 오믹전극(71)과 반사전극(72)으로 이루어질 수 있으며, 오믹전극(71)은 투명전극일 수 있다.
여기서, 양자장벽층(31)은 제 1 도전형 반도체층(10) 또는 제 2 도전형 반도체층(50)에 대해 인장응력을 가지고, 양자우물층(33)은 제 1 도전형 반도체층(10) 또는 제 2 도전형 반도체층(50)에 대해 압축응력을 가진다.
그리고, 제 1 도전형 반도체층(10) 또는 제 2 도전형 반도체층(50)의 면방향 격자상수는 양자장벽층(31)의 면방향 격자상수보다 크고 양자우물층(33)의 면방향 격자상수보다 작은 것이 바람직하다.
도 40은 응력완충형 양자우물구조를 갖는 하이브리드형 발광소자를 보여주는 도면이다.
도 40에 도시된 바와 같이, 기판(1) 위에 제 1 도전형 반도체층(10), 발광층(30), 제 2 도전형 반도체층(50)이 형성되고, 발광층(30)은 양자우물층(33)과 양자장벽층(31)을 포함한다.
그리고, 제 1 도전형 반도체층(10) 위에는 제 1 전극(60)이 형성되고, 제 2 전극(70)은 기판(1)과 제 1 도전형 반도체층(10) 사이에 형성되어 제 1 도전형 반도체층(10) 및 발광층(30)을 거쳐 제 2 도전형 반도체층(50)에 콘택된다.
즉, 제 2 전극(70)은 제 1 도전형 반도체층(10) 및 발광층(30)을 통과하도록 형성된 홀을 통해 제 2 도전형 반도체층(50)에 콘택된다.
그리고, 홀의 측면에는 절연막(80)이 코팅되어 제 2 전극(70)은 전기적으로 절연된다.
이어, 양자장벽층(31)은 제 1 도전형 반도체층(10) 또는 제 2 도전형 반도체층(50)에 대해 인장응력을 가지고, 양자우물층(33)은 제 1 도전형 반도체층(10) 또는 제 2 도전형 반도체층(50)에 대해 압축응력을 가진다.
그리고, 제 1 도전형 반도체층(10) 또는 제 2 도전형 반도체층(50)의 면방향 격자상수는 양자장벽층(31)의 면방향 격자상수보다 크고 양자우물층(33)의 면방향 격자상수보다 작은 것이 바람직하다.
또한, 기판(1)은 투광성을 갖는 재질, 예를 들어, 사파이어(Al203), GaN, SiC, ZnO, Si, GaP, InP, Ga203, 그리고 GaAs 등이 사용될 수 있으며, 금속 또는 전도성 반도체층으로 형성될 수도 있다.
다음, 제 1 도전형 반도체층(10)과 제 2 전극(70) 사이에는 언도프트 반도체층(도시하지 않음)을 더 포함할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
제 1 도전형 반도체층(10)은 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN 등에서 선택될 수 있으며, Si, Ge, Sn, Se, Te 등의 n형 도펀트가 도핑될 수 있다.
상기 언도프트 반도체층은 제 1 도전형 반도체층(10)의 결정성 향상을 위해 형성되는 층으로, 상기 n형 도펀트가 도핑되지 않아 제 1 도전형 반도체층(10)에 비해 낮은 전기전도성을 갖는 것을 제외하고는 제 1 도전형 반도체층(10)과 같을 수 있다.
그리고, 발광층(30)은 양자선(Quantum wire) 구조, 양자점(Quantum dot) 구조, 단일 양자 우물 구조 또는 다중 양자 우물 구조(MQW : Multi Quantum Well) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
발광층(30)은 제 1 도전형 반도체층(10) 및 제 2 도전형 반도체층(50)으로부터 제공되는 전자 및 정공의 재결합(recombination) 과정에서 발생되는 에너지에 의해 광을 생성할 수 있다.
이어, 제 2 도전형 반도체층(50)은 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN 등에서 선택될 수 있으며, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등의 p형 도펀트가 도핑될 수 있다.
여기서, 상술한 바와 다르게, 제 1 도전형 반도체층(10)이 p형 반도체층일 수 있고 제 2 도전형 반도체층(50)이 n형 반도체층일 수도 있다.
또한, 제 1 도전형 반도체층(10) 상에는 n형 또는 p형 반도체층을 포함하는 제 3 도전형 반도체층(미도시)이 형성될 수도 있는데, 이에 따라 본 실시예에 따른 발광 소자는 np, pn, npn, pnp 접합 구조 중 적어도 어느 하나를 가질 수 있다.
또한, 제 1 도전형 반도체층(10) 및 제 2 도전형 반도체층(50) 내의 도전형 도펀트의 도핑 농도는 균일 또는 불균일하게 형성될 수 있다.
즉, 상기 복수의 반도체층의 구조는 다양하게 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
그리고, 제 1 전극(60)과 제 2 전극(70))은 각각 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
이와 같이, 구성되는 실시예들은 발광층 내 양자우물층에 가해지는 압축응력을 효과적으로 완화하여 양자우물층의 자발발광 효율을 획기적으로 개선함으로써, 고효율의 발광 소자를 제공할 수 있다.
도 41은 발광 소자 패키지의 일실시예의 단면도이다.
도 41에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 발광 소자 패키지는 패키지 몸체(320)와, 패키지 몸체(320)에 설치된 제 1 전극층(311) 및 제 2 전극층(312)과, 패키지 몸체(320)에 설치되어 제 1 전극층(311) 및 제 2 전극층(312)과 전기적으로 연결되는 실시예에 따른 발광 소자(300)와, 발광 소자(300)를 포위하는 충진재(340)를 포함한다.
여기서, 패키지 몸체(320)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있으며, 발광 소자(300)의 주위에 경사면이 형성되어 광추출 효율을 높일 수 있다.
제 1 전극층(311) 및 제 2 전극층(312)은 서로 전기적으로 분리되며, 발광 소자(300)에 전원을 제공한다.
또한, 제 1 전극층(311) 및 제 2 전극층(312)은 발광 소자(300)에서 발생된 광을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있으며, 발광 소자(300)에서 발생된 열을 외부로 배출시키는 역할을 할 수도 있다.
발광 소자(300)는 패키지 몸체(320) 상에 설치되거나 제 1 전극층(311) 또는 제 2 전극층(312) 상에 설치될 수 있다.
발광 소자(300)는 제 1 전극층(311) 및 제 2 전극층(312)과 와이어 방식, 플립칩 방식 또는 다이 본딩 방식 중 어느 하나에 의해 전기적으로 연결될 수도 있다.
그리고, 충진재(340)는 발광 소자(300)를 포위하여 보호할 수 있다.
또한, 충진재(340)에는 형광체가 포함되어 발광 소자(300)에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있다.
발광 소자 패키지는 상기에 개시된 실시 예들의 발광 소자 중 적어도 하나를 하나 또는 복수개로 탑재할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
실시 예에 따른 발광 소자 패키지는 복수개가 기판 상에 어레이되며, 발광 소자 패키지의 광 경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트 등이 배치될 수 있다.
이러한 발광 소자 패키지, 기판, 광학 부재는 라이트 유닛으로 기능할 수 있다.
또 다른 실시 예는 상술한 실시 예들에 기재된 반도체 발광소자 또는 발광 소자 패키지를 포함하는 표시 장치, 지시 장치, 조명 시스템으로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 조명 시스템은 램프, 가로등을 포함할 수 있다.
이러한 조명 시스템은 다수의 LED를 집속하여 빛을 얻는 조명등으로 사용될 수 있는 것으로서, 특히 건물의 천장이나 벽체 내에 매입되어 셰이드의 개구부 측이 노출되게 장착 될 수 있도록 하는 매입등(다운라이트)으로 이용할 수 있다.
도 42는 발광소자를 갖는 조명장치의 일실시예를 보여주는 도면으로서, 도 42에 도시된 바와 같이, 조명장치는, LED(light emitting diode) 광원(20)과, LED 광원(20)에서 발광된 빛의 출사 지향각을 설정하는 셰이드(30)를 포함하여 구성된다.
LED 광원(20)은 회로 기판(printed circuit board; PCB; 21) 상에 구비되는 적어도 하나 이상의 LED(22)를 포함할 수 있으며, 다수의 LED(22)가 회로 기판(21) 상에 배열되어 구비될 수 있다.
셰이드(30)는 LED 광원(20)에서 발광되는 광을 집속하여 일정 지향각을 가지고 개구부를 통하여 출사될 수 있도록 하며, 내측면에는 미러면을 가질 수 있다.
여기서, LED 광원(20)과 셰이드는 일정거리 간격 d만큼 이격되어 설치될 수 있다.
이와 같은 조명장치는 상술한 바와 같이, 다수의 LED(22)를 집속하여 빛을 얻는 조명등으로 사용될 수 있는 것으로서, 특히 건물의 천장이나 벽체 내에 매입되어 셰이드(30)의 개구부 측이 노출되게 장착 될 수 있도록 하는 매입등(다운라이트)으로 이용할 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.
Claims (20)
- 제 1 도전형 반도체층;
상기 제 1 도전형 반도체층 위에 형성되는 발광층; 및
상기 발광층 위에 형성되는 제 2 도전형 반도체층을 포함하고,
상기 발광층은 양자우물층과 양자장벽층을 포함하고,
상기 제 1 도전형 반도체층 또는 상기 제 2 도전형 반도체층의 면방향 격자상수는 상기 양자장벽층의 면방향 격자상수보다 크고 상기 양자우물층의 면방향 격자상수보다 작은 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 양자장벽층의 면방향 격자상수는 3.12 - 3.25Å이고, 상기 양자우물층의 면방향 격자상수는 3.2 - 3.55Å이며, 상기 제 1, 제 2 도전형 반도체층은 3.2 - 3.4Å인 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 도전형 반도체층, 제 2 도전형 반도체층, 양자우물층, 양자장벽층 중 적어도 어느 하나는 인듐(In)을 포함하고,
상기 제 1 도전형 반도체층 또는 상기 제 2 도전형 반도체층의 인듐 함유량은 상기 양자장벽층의 인듐 함유량보다 크고 상기 양자우물층의 인듐 함유량보다 작은 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 양자우물층은 InxGa1-xN, 상기 양자장벽층은 InyGa1-yN, 상기 제 1 도전형 반도체층 또는 제 2 도전형 반도체층은 InzGa1-zN으로 이루어지고, 상기 인듐(In) x, y, z의 조성은 x > z > y인 발광소자. - 제 4 항에 있어서,
상기 인듐(In) x, y, z의 조성범위는 0 ≤ x, y, z ≤ 0.3인 발광소자. - 제 4 항에 있어서,
상기 인듐(In) x의 조성범위는 0 < x ≤ 0.3이고, 상기 인듐(In) y의 조성범위는 0 ≤ y ≤ 0.1이며, 상기 인듐(In) z의 조성범위는 0 < z < 0.3인 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 도전형 반도체층 또는 제 2 도전형 반도체층은 마그네슘(Mg)을 포함하고, 양자우물층 및 양자장벽층 중 적어도 어느 하나는 인듐(In)을 포함하며,
상기 양자장벽층의 인듐 함유량은 상기 양자우물층의 인듐 함유량보다 작은 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 양자우물층은 InxGa1-xN, 상기 양자장벽층은 InyGa1-yN, 상기 제 1 도전형 반도체층 또는 제 2 도전형 반도체층은 MgzZn1-zO으로 이루어지고, 상기 인듐(In) x, y의 조성은 x > y인 발광소자. - 제 8 항에 있어서,
상기 인듐(In) x의 조성범위는 0 < x ≤ 0.3이고, 상기 인듐(In) y의 조성범위는 0 ≤ y ≤ 0.1이며, 상기 마그네슘(Mg) z의 조성범위는 0 < z ≤ 0.3인 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 도전형 반도체층, 제 2 도전형 반도체층, 양자우물층, 양자장벽층 중 적어도 어느 하나는 인듐(In)을 포함하고,
상기 제 1 도전형 반도체층 또는 제 2 도전형 반도체층은 알루미늄(Al)을 포함하며,
상기 제 1 도전형 반도체층 또는 상기 제 2 도전형 반도체층의 인듐 함유량은 상기 양자장벽층의 인듐 함유량보다 크고 상기 양자우물층의 인듐 함유량보다 작은 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 양자우물층은 InxGa1-xN, 상기 양자장벽층은 InyGa1-yN, 상기 제 1 도전형 반도체층 또는 제 2 도전형 반도체층은 InzAlaGa1-z-aN으로 이루어지고, 상기 인듐(In) x, y, z의 조성은 x > z > y인 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 양자장벽층의 에너지밴드갭은 상기 양자우물층의 에너지밴드갭보다 크고, 상기 제 1 도전형 반도체층 또는 상기 제 2 도전형 반도체층의 에너지밴드갭은 상기 양자장벽층의 에너지밴드갭보다 크거나 작은 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 양자장벽층의 에너지밴드갭은 3.0 - 5.0eV, 상기 양자우물층의 에너지밴드갭은 0.65 - 3.2eV, 상기 제 1 도전형 반도체층 또는 상기 제 2 도전형 반도체층의 에너지밴드갭은 2.0 -8.0eV인 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 양자장벽층의 두께는 5 - 15nm, 상기 양자우물층의 두께는 1.5 - 5nm, 상기 제 1 도전형 반도체층 또는 상기 제 2 도전형 반도체층의 두께는 10nm - 200um인 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 발광층은 상기 양자우물층과 양자장벽층이 반복적층된 다중 양자 우물 구조인 발광소자. - 제 15 에 있어서,
상기 양자장벽층 및 양자우물층 중 적어도 하나의 면방향 격자상수는 상기 제 1, 제 2 도전형 반도체층 중 어느 하나로부터 멀어질수록 점차 커지는 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 양자장벽층 및 양자우물층 중 적어도 어느 하나의 면방향 격자상수는 두께방향으로 그레디언트(gradient)하게 가변하는 발광소자. - 제 1 도전형 반도체층;
상기 제 1 도전형 반도체층 위에 형성되는 발광층; 및
상기 발광층 위에 형성되는 제 2 도전형 반도체층을 포함하고,
상기 발광층은 양자우물층과 양자장벽층을 포함하고,
상기 양자장벽층은 상기 제 1 도전형 반도체층 또는 상기 제 2 도전형 반도체층에 대해 인장응력을 가지고, 상기 양자우물층은 상기 제 1 도전형 반도체층 또는 상기 제 2 도전형 반도체층에 대해 압축응력을 가지는 발광소자. - 제 18 항에 있어서,
상기 제 1 도전형 반도체층 또는 상기 제 2 도전형 반도체층의 면방향 격자상수는 상기 양자장벽층의 면방향 격자상수보다 크고 상기 양자우물층의 면방향 격자상수보다 작은 발광소자. - 패키지 몸체;
상기 패키지 몸체 상에 구비된 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항의 발광 소자;
상기 패키지 몸체 상에 구비되고, 상기 발광 소자와 각각 연결되는 제 1 전극과 제 2 전극; 및
상기 발광 소자를 포위하는 충진재를 포함하는 발광 소자 패키지.
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|---|---|---|---|---|
| KR20140055303A (ko) * | 2012-10-31 | 2014-05-09 | 엘지이노텍 주식회사 | 발광소자 |
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