KR20120017937A - 발광소자 - Google Patents
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Abstract
실시 예에 따른 발광소자는 양자효율을 향상시키기 용이한 구조를 갖도록, 실시 예는, 기판, 상기 기판 상에 버퍼층 및 상기 버퍼층 상에 배치되고, 제1 반도체층, 제2 반도체층 및 상기 제1, 2 반도체층 사이에 활성층을 포함하는 발광구조물을 포함하고, 상기 버퍼층은, 복수의 반사막을 포함하며, 상기 복수의 반사막 중 상기 기판 측에 배치되는 제1 반사막과 상기 발광구조물 측에 배치되는 제2 반사막은, 서로 다른 굴절율을 갖는 발광소자를 제공한다.
Description
실시 예는 발광소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 양자효율을 향상시키기 용이한 구조를 갖는 발광소자에 관한 것이다.
일반적으로, 발광소자의 하나인 LED(Light Emitting Diode; 발광 다이오드)는 화합물 반도체의 특성을 이용해 전기 신호를 적외선, 가시광선 또는 빛의 형태로 변환시키는 소자로, 가정용 가전제품, 리모콘, 전광판, 표시기, 각종 자동화 기기 등에 사용되고, 점차 LED의 사용 영역이 넓어지고 있는 추세이다.
보통, 소형화된 LED는 PCB(Printed Circuit Board) 기판에 직접 장착하기 위해서 표면실장소자(Surface Mount Device)형으로 만들어지고 있고, 이에 따라 표시소자로 사용되고 있는 LED 램프도 표면실장소자 형으로 개발되고 있다. 이러한 표면실장소자는 기존의 단순한 점등 램프를 대체할 수 있으며, 이것은 다양한 칼라를 내는 점등표시기용, 문자표시기 및 영상표시기 등으로 사용된다.
이와 같이 LED의 사용 영역이 넓어지면서, 생활에 사용되는 전등, 구조 신호용 전등 등에 요구되는 휘도가 높이지는 바, LED의 발광휘도를 증가시키는 것이 중요하다. 또한, 일반적으로 사파이어 기판 등의 이종 기판상에 성장되는 GaN 등의 반도체층은 이종 기판과의 격자 부정합으로 인하여 많은 결정 결함을 가지고 있으며, 이러한 결함은 발광 다이오드의 신뢰성에 악영향을 미치고, 빛을 흡수하여 발광 다이오드의 휘도를 감소시킬 수 있다.
실시 예의 목적은, 양자효율을 향상시키기 용이한 구조를 갖는 발광소자를 제공함에 있다.
실시 예에 따른 발광소자는, 기판, 상기 기판 상에 버퍼층 및 상기 버퍼층 상에 배치되고, 제1 반도체층, 제2 반도체층 및 상기 제1, 2 반도체층 사이에 활성층을 포함하는 발광구조물을 포함하고, 상기 버퍼층은, 복수의 반사막을 포함하며, 상기 복수의 반사막 중 상기 기판 측에 배치되는 제1 반사막과 상기 발광구조물 측에 배치되는 제2 반사막은, 서로 다른 굴절율을 갖을수 있다.
실시 예에 따른 발광소자는, 발광구조물에서 발광된 광을 외부로 유도하기 위하여 버퍼층에 굴절율이 서로 다른 복수의 반사막을 적층하거나, 또는 초격자 구조로 형성함에 따라, 광을 외부로 유도할 수 있으므로, 양자효율을 증가시킬 수 있으며, 신뢰성이 향상되는 이점이 있다.
도 1은 실시 예에 따른 발광소자의 단면을 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 발광소자에 포함되는 버퍼층의 구조를 확대한 확대도이다.
도 3은 도 2에서 설명된 내용은 생략하거나, 또는 간략하게 설명하기로 한다.
도 2는 도 1에 나타낸 발광소자에 포함되는 버퍼층의 구조를 확대한 확대도이다.
도 3은 도 2에서 설명된 내용은 생략하거나, 또는 간략하게 설명하기로 한다.
실시 예에 대한 설명에 앞서, 실시 예에서 언급하는 각 층(막), 영역, 패턴, 또는 구조물들의 기판, 각 층(막) 영역, 패드, 또는 패턴들의 "위(on)", "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와, "아래(under)"는 직접(directly)", 또는 "다른 층을 개재하여(indirectly)" 형성되는 모든것을 포함한다. 또한, 각 층의 위, 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서, 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의, 및 명확성을 위하여 과장되거나, 생략되거나, 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
또한, 실시 예에서 발광소자의 구조를 설명하는 과정에서 언급하는 각도와 방향은 도면에 기재된 것을 기준으로 한다. 명세서에서 발광소자를 이루는 구조에 대한 설명에서, 각도에 대한 기준점과 위치관계를 명확히 언급하지 않은 경우, 관련 도면을 참조하도록 한다.
도 1은 실시 예에 따른 발광소자의 단면을 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 발광소자(100)는, 기판(110), 버퍼층(112) 및 제1 반도체층(120), 제2 반도체층(140) 및 제1, 2 반도체층(120, 140) 사이에 활성층(130)을 포함하는 발광구조물(B)를 포함할 수 있다.
기판(110)은 질화물 반도체 단결정을 성장시키기에 적합한 기판으로서, 바람직하게, 사파이어(Al2O3) 또는 실리콘(Si) 웨이퍼로 형성될 수 있다. 또한, 사파이어 이외에, 기판(110)은 열전도성이 우수한 물질을 이용하여 형성할 수 있으며, 또한 전도성 물질로 형성할 수 있는데, 금속 물질 또는 전도성 세라믹을 이용하여 형성할 수도 있다.
기판(110)은 단일층으로 형성될 수 있고, 이중 구조 또는 그 이상의 다중 구조로 형성될 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
즉, 기판(110)은 징크 옥사이드(zinc oxide, ZnO), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC) 및 알루미늄 나이트라이드(AlN) 등으로 형성될 수 있다.
기판(110) 상에는 기판(110)과 제2 반도체층(120) 간의 격자 부정합을 완화하는 버퍼층(112)이 위치할 수 있다. 버퍼층(112)은 저온 분위기에서 형성할 수 있으며, AlGaN, GaN, InN, AlN, AlInN, InGaN 및 InAlGaN 과 같은 재질 중 선택할 수 있다.
버퍼층(112)은 제1, 2 반도체층(120, 140) 및 활성층(130)에서 발생한 광 중 일부가 기판(110)으로 향하는 경우, 이를 반사하는 복수의 반사막(112_1 ~ 112_n)이 순차적으로 적층되는 초격자구조를 이룰 수 있다.
따라서, 복수의 반사막(112_1 ~ 112_n)은 은(Ag), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 금(Au), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 로듐(Rh) 등의 광반사도가 높은 r금속 재질로 형성하는 것이 바람직하며, 기판(110)과 동일한 재질의 금속을 사용하는 것이 더욱 바람직할 것이다.
또한, 복수의 반사막(112_1 ~ 112_n)은 발광소자(100)의 제조과정 중 약 1050℃ 이상의 고온 분위기에서 안정화된 상태를 유지하도록 하기 위해 금속으로 형성하는 것이 더욱 바람직하다.
이하, 버퍼층(112)의 자세한 설명은 하기의 도 2에서 설명하기로 한다.
버퍼층(112) 상에는 제1 반도체층(120)이 형성될 수 있다. 제1 반도체층(120)은 n형 반도체층을 포함하여 형성되어 활성층(130)에 전자를 제공할 수 있으며, 제1 반도체층(120)은 제1 도전형 반도체층으로만 형성되거나, 제1 도전형 반도체층 아래에 언도프트 반도체층(미도시)을 더 포함할 수 있으나, 이에 대해 한정을 두지 않는다.
제1 도전형 반도체층은 예를 들어, n형 반도체층은 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 등의 n형 도펀트가 도핑될 수 있다.
상기 언도프트 반도체층은 제1 도전형 반도체층의 결정성 향상을 위해 형성되는 층으로, n형 도펀트가 도핑되지 않아 제1 도전형 반도체층에 비해 낮은 전기전도성을 갖는 것을 제외하고는 제1 도전형 반도체층과 같을 수 있다.
따라서, 제1 반도체층(120)에는 활성층(130) 및 제2 반도체층(140)이 순차적으로 적층될 수 있다.
먼저, 활성층(130)은 전자와 정공이 재결합되는 영역으로, 전자와 정공이 재결합함에 따라 낮은 에너지 준위로 천이하며, 그에 상응하는 파장을 가지는 빛을 생성할 수 있다.
활성층(130)은 예를 들어, InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 가지는 반도체 재료를 포함하여 형성할 수 있으며, 단일 양자 우물 구조 또는 다중 양자 우물 구조(MQW : Multi Quantum Well)로 형성될 수 있다. 따라서, 더 많은 전자가 양자우물층의 낮은 에너지 준위로 모이게 되며, 그 결과 전자와 정공의 재결합 확률이 증가 되어 발광효과가 향상될 수 있다. 또한, 양자선(Quantum wire)구조 또는 양자점(Quantum dot)구조를 포함할 수도 있다.
제2 반도체층(140)은 상술한 활성층(130)에 정공을 주입하며, 제2 반도체층(140)은 예를 들어, p형 반도체층으로 구현될 수 있는데, p형 반도체층은 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.
상술한 제1 반도체층(120), 활성층(130) 및 제2 반도체층(140)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.
또한, 제1 반도체층(120) 및 제2 반도체층(140) 내의 도전형 도펀트의 도핑 농도는 균일 또는 불균일하게 형성될 수 있다. 즉, 복수의 반도체층의 구조는 다양하게 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
또한, 상술한 바와는 달리 제1 반도체층(120)이 p형 반도체층을 포함하고, 제2 반도체층(140)이 n형 반도체층을 포함할 수도 있다. 즉, 제1 반도체층(120)과 제2 반도체층(140)은 활성층(130)을 중심으로 서로 형성되는 위치가 바뀌어도 무방하나, 하기에서는 제1 반도체층(120)이 n형 반도체층을 포함하여 형성되고 기판(110) 상에 적층되는 것으로 기술한다.
다시 도 1을 참조하면, 활성층(130)과 제2 반도체층(140)의 일부는 메사식각되어, 제1 반도체층(120)의 일부가 노출될 수 있으며, 노출된 제1 반도체층(140) 상면에는 티탄(Ti) 등으로 이루어지는 제1 전극층(160)가 형성될 수 있다.
제2 반도체층(140) 상에는 투광성전극층(150)이 형성될 수 있으며, 투광성전극층(150)의 외측 일면는 니켈(Ni) 등으로 이루어진 p형 전극(170)가 형성될 수 있다.
투광성전극층(150)은 ITO, IZO(In-ZnO), GZO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au 및 Ni/IrOx/Au/ITO 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있다. 따라서, 활성층(130)에서 발생한 광을 외부로 발산할 수 있으며, 제2 반도체층(140)의 외측일면 전체 또는 일부에 형성됨으로써, 전류군집현상을 방지할 수 있다.
도 2는 도 1에 나타낸 발광소자에 포함되는 버퍼층의 구조를 확대한 확대도이다.
도 2를 참조하면, 버퍼층(112)은 복수의 반사막(112_1 ~ 112_n)이 순차적으로 적층되어 형성될 수 있다.
복수의 반사막(112_1 ~ 112_n)은 동일한 재질로 이루어지며, 농도가 다르게 형성될 수 있으며, 각각 초격자층이 반복 적층될 수 있을 것이다.
여기서, 복수의 반사막(112_1 ~ 112_n) 각각은 금속과 GaN 의 결합으로 이루어질 수 있을 것이다. 이때, 복수의 반사막(112_1 ~ 112_n)은 기판(110)의 재질과 동일한 상기 금속을 사용하는 것이 바람직할 것이며, 이에 한정을 두지 않는다.
즉, 상기 금속은 은(Ag), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 금(Au), 알루미늄(Al), 백금(Pt) 및 로듐(Rh) 중 어느 하나이며, 기판(110)의 종류가 사파이어(Al2O3) 기판인 경우, 복수의 반사막(112_1 ~ 112_n)은 AlXGa(1-Z)N(0< X <1)로 이루어지는 것이 바람직할 것이다.
실시 예에서, 상기 금속은 알루미늄(Al)인 것으로 설명하며, 이에 한정을 두지 않는다.
여기서, 복수의 반사막(112_1 ~ 112_n)에 포함된 알루미늄(Al)의 농도는 제1 반사막(112_1)부터 제n 반사막(112_n)까지 선형적으로 감소시킴으로써, 제1 반사막(112_1)에서 제n 반사막(112_n)까지 일정하게 증가하는 굴절율을 가지도록 할 수 있을 것이다.
이때, 복수의 반사막(112_1 ~ 112_n) 중 제1 반사막(112_1)은 기판(110) 상에 형성되며 순차적으로 제n 반사막(112_n)까지 반복 적층될 수 있다.
여기서, 제1 반사막(112_1)은 제2 반사막(112_2) 보다 알루미늄(Al)의 도핑 농도가 높게 되며, 제n 반사막(112_n)에서 알루미늄(Al)의 도핑 농도가 가장 낮게 형성된다.
따라서, 복수의 반사막(112_1 ~ 112_n)은 활성층(130)에서 발생하는 광을 기판(110)에서 흡수되지 않도록 굴절율에 따라 광이 발광소자(100)의 측면 또는 상부면으로 굴절시킬 수 있다.
이와 같이, 버퍼층(112)은 활성층(130)에서 발생하는 광을 굴절시킴으로써, 발광소자(100)의 광 효율을 증가시킬 수 있을 것이다.
실시 예에서, 복수의 반사막(112_1 ~ 112_n)은 초격자 구조로 형성된 것으로 설명하였으나, 초격자 구조로 이루어진 복수의 반사막(112_1 ~ 112_n) 이외에 단일층으로 굴절율이 기판(110)의 굴절율과 제2 반도체층(120)의 굴절율 사이의 값을 갖는 굴절율을 이룰 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
도 3은 도 2에 나타낸 버퍼층의 동작을 나타내는 동작도이다.
도 3은 도 2에서 설명된 내용은 생략하거나, 또는 간략하게 설명하기로 한다.
도 3을 참조하면, 버퍼층(112)은 복수의 반사막(112_1 ~ 112_n)이 순차적으로 적층됨을 알수 있다.
여기서, 제1 반도체층(120)의 굴절율은 약 2.4 이며, 기판(110)은 약 2.1 인 것으로 설명하지만, 이에 한정을 두지 않으며, 복수의 반사막(112_1 ~ 112_n)의 굴절율은 제1 반도체층(120)의 굴절율과 기판(110)의 굴절율 사이의 값을 가지면 될 것이다.
즉, 복수의 반사막(112_1 ~ 112_n)은 굴절율이 2.4 보다 낮고 2.1 보다 높게 형성될 수 있다.
여기서, 복수의 반사막(112_1 ~ 112_n) 중 기판(110)의 상부면에 적층되는 제1 반사막(112_1)의 굴절율은 제1 반사막(112_1)에 적층되는 제2 반사막(112_2) 보다 낮으며, 제n 반사막(112_n)의 굴절율이 가장 크게 형성될 수 있다.
즉, 활성층(130)에서 발생되는 광은 제n 반사막(112_n)에서 입사각보다 크게 굴절되며, 제1 반사막(112_1)으로 갈수록 발광소자(100)의 측면 또는 상부로 굴절됨을 알 수 있다.
여기서, 제n 반사막(112_n)과 제n-1 반사막(112_n-1) 간의 굴절율 차는 제1 반사막(112_1)과 제2 반사막(112_2) 간의 굴절율 차와 서로 동일하게 형성될 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
즉, 복수의 반사막(112_1 ~ 112_n)은 서로 간의 굴절율 차가 서로 동일하게 형성함으로써, 광의 굴절각이 일정하게 가변되어 결과적으로 광이 발광소자(100)의 측면 또는 상부로 굴절되는 것을 알수 있다.
이와 같이, 복수의 반사막(112_1 ~ 112_n)은 공통적으로 포함된 동일한 금속의 도핑 농도에 따라 굴절율이 결정될 수 있다.
또한, 기판(110)은 소정 패턴의 돌출부(110_1)를 갖으며, 활성층(130)에서 발생되는 빛이 돌출부(110_1)에 의해 반사되어 복수의 반사막(112_1 ~ 112_n)으로 전달될 수 있으므로, 전체적으로 발광소자(100)의 광 효율을 향상시킬 수 있을 것이다.
기판(110) 상의 돌출부(110_1)와 복수의 반사막(112_1 ~112_n) 구조의 결합을 통하여 발광소자(100)의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 돌출부(110_1)는 삼각형 형상으로 형성된 것으로 설명하였으나, 이외에 다른 형상을 형성될 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
한편, 실시예에서는 수평형 발광소자를 중심으로 설명하고 있으나, 이에 대해 한정하는 것은 아니며 수직형 발광소자 및 플립형 발광소자에 대해서도 적용될 수 있다.
실시 예에 따른 발광소자(100)는 패키지 내에 실장될 수 있으며, 발광 다이오드가 실장된 발광소자 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 발광 다이오드 또는 발광 소자 패키지를 포함하는 표시 장치, 지시 장치, 조명 시스템으로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 조명 시스템은 램프, 가로등을 포함할 수 있다.
이상에서 실시 예들에 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 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러가지의 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 실시 예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (11)
- 기판;
상기 기판 상에 버퍼층; 및
상기 버퍼층 상에 배치되고, 제1 반도체층, 제2 반도체층 및 상기 제1, 2 반도체층 사이에 활성층을 포함하는 발광구조물;을 포함하고,
상기 버퍼층은, 복수의 반사막을 포함하며,
상기 복수의 반사막 중 상기 기판 측에 배치되는 제1 반사막과 상기 발광구조물 측에 배치되는 제2 반사막은, 서로 다른 굴절율을 갖는 발광소자. - 제 1 항에 있어서, 상기 제1 반사막은,
상기 제2 반사막 보다 굴절률이 낮은 발광소자. - 제 1 항에 있어서, 상기 제1, 2 반사막은,
서로 다른 도핑 농도를 갖는 금속을 포함하는 발광소자. - 제 3 항에 있어서, 상기 제1 반사막에 포함된 금속은,
상기 제2 반사막에 포함된 금속의 농도보다 높은 발광소자. - 제 3 항에 있어서, 상기 금속은,
은(Ag), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 금(Au), 알루미늄(Al), 백금(Pt) 및 로듐(Rh) 중 어느 하나를 포함하는 발광소자. - 제 1 항에 있어서, 상기 제1, 2 반사막은,
동일한 두께를 갖는 발광소자. - 제 1 항에 있어서, 상기 제1, 2 반사막의 굴절율은,
상기 발광구조물의 굴절율 보다 낮고 상기 기판의 굴절율 보다 큰 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 버퍼층은, 상기 제2 반사막보다 상기 발광구조물에 더 가까운 제3 반사막;을 더 포함하고,
상기 제3 반사막의 굴절율은, 상기 제2 반사막의 굴절율보다 크며,
상기 제1, 2 반사막의 굴절율차는,
상기 제2, 3 반사막의 굴절율차와 동일한 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 반도체층의 노출된 상부 일측에 배치되는 제1 전극; 및
상기 제2 반도체층의 상부 일측에 배치되는 제2 전극;을 포함하는 발광소자. - 제 9 항에 있어서,
상기 제2 전극과 상기 제2 반도체층 사이에 배치된 투광성전극층;을 포함하는 발광소자. - 제 1 항에 있어서, 상기 기판은,
소정 패턴의 돌출부를 포함하는 발광소자.
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