KR20120051205A - 발광 소자 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 발광 소자는 제1 도전형의 불순물을 포함하는 제1 도전형의 반도체층; 상기 제1 도전형의 불순물과 다른 제2 도전형의 불순물을 포함하는 제2 도전형의 반도체층; 상기 제1 도전형의 반도체층과 상기 제2 도전형의 반도체층 사이에 배치되는 활성층; 및 상기 활성층과 상기 제2 도전형의 반도체층 사이에 배치되고, 상기 제2 도전형의 불순물을 포함하는 제1 전자 장벽층 및 제2 전자 장벽층을 포함하고, 상기 제1 전자 장벽층은 상기 제2 전자 장벽층보다 상기 활성층에 인접하고 InAlGaN을 포함하며, 상기 제2 전자 장벽층은 상기 제1 전자 장벽층보다 상기 제2 도전형의 반도체층에 인접하고, 상기 제1 전자 장벽층에 포함된 Al 조성보다 많은 Al 조성을 가진 InAlGaN을 포함한다.
Description
실시예는 발광 소자에 관한 것이다.
발광 소자로서 발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode)가 많이 사용되고 있다. 발광 다이오드는 화합물 반도체의 특성을 이용해 전기 신호를 적외선 또는 가시광선과 같은 빛의 형태로 변환한다.
최근, 발광 다이오드의 광 효율이 증가됨에 따라 디스플레이 기기, 조명기기를 비롯한 다양한 전자 전기 장치에 사용되고 있다.
실시예는 새로운 구조를 갖는 발광 소자를 제공한다.
실시예는 내부 양자 효율이 증가된 발광 소자를 제공한다.
실시예는 광 효율이 증가된 발광 소자를 제공한다.
실시예에 따른 발광 소자는 제1 도전형의 불순물을 포함하는 제1 도전형의 반도체층; 상기 제1 도전형의 불순물과 다른 제2 도전형의 불순물을 포함하는 제2 도전형의 반도체층; 상기 제1 도전형의 반도체층과 상기 제2 도전형의 반도체층 사이에 배치되는 활성층; 및 상기 활성층과 상기 제2 도전형의 반도체층 사이에 배치되고, 상기 제2 도전형의 불순물을 포함하는 제1 전자 장벽층 및 제2 전자 장벽층을 포함하고, 상기 제1 전자 장벽층은 상기 제2 전자 장벽층보다 상기 활성층에 인접하고 InAlGaN을 포함하며, 상기 제2 전자 장벽층은 상기 제1 전자 장벽층보다 상기 제2 도전형의 반도체층에 인접하고, 상기 제1 전자 장벽층에 포함된 Al 조성보다 많은 Al 조성을 가진 InAlGaN을 포함한다.
실시예는 새로운 구조를 갖는 발광 소자를 제공할 수 있다.
실시예는 내부 양자 효율이 증가된 발광 소자를 제공할 수 있다.
실시예는 광 효율이 증가된 발광 소자를 제공할 수 있다.
도 1은 제1 실시예에 따른 발광 소자를 설명하는 도면.
도 2는 제2 실시예에 따른 발광 소자를 설명하는 도면.
도 3은 실시예들에 따른 발광 소자의 에너지 밴드갭을 도시한 도면.
도 4는 실시예들에 따른 발광 소자에서 전자 장벽층을 형성한 경우 비교예와의 발광 효율의 차이를 설명하는 도면.
도 5는 실시예들에 따른 발광 소자가 설치된 발광 소자 패키지를 설명하는 도면.
도 6은 실시예에 따른 발광 소자 또는 발광 소자 패키지를 사용한 백라이트 유닛을 도시하는 도면.
도 7은 실시예에 따른 발광 소자 또는 발광 소자 패키지를 사용한 조명 유닛의 사시도.
도 2는 제2 실시예에 따른 발광 소자를 설명하는 도면.
도 3은 실시예들에 따른 발광 소자의 에너지 밴드갭을 도시한 도면.
도 4는 실시예들에 따른 발광 소자에서 전자 장벽층을 형성한 경우 비교예와의 발광 효율의 차이를 설명하는 도면.
도 5는 실시예들에 따른 발광 소자가 설치된 발광 소자 패키지를 설명하는 도면.
도 6은 실시예에 따른 발광 소자 또는 발광 소자 패키지를 사용한 백라이트 유닛을 도시하는 도면.
도 7은 실시예에 따른 발광 소자 또는 발광 소자 패키지를 사용한 조명 유닛의 사시도.
본 발명에 따른 실시예의 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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들에 따른 발광 소자 및 발광 소자 제조방법에 대해 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 제1 실시예에 따른 발광 소자를 설명하는 도면이다. 도 1에는 수평형 구조의 발광 소자가 예시되어 있다.
도 1을 참조하면, 제1 실시예에 따른 발광 소자(100)는 기판(10), 상기 기판(10) 상에 버퍼층(미도시)을 포함하는 언도프트(Undoped) 질화물층(20), 상기 언도프트 질화물층(20) 상에 제1 도전형의 반도체층(30), 상기 제1 도전형의 반도체층(30) 상에 활성층(40), 상기 활성층(40) 상에 제1 전자 장벽층(91) 및 제2 전자 장벽층(92), 상기 제1,2 전자 장벽층(91,92) 상에 제2 도전형의 반도체층(50)을 포함한다. 또한, 상기 제2 도전형의 반도체층(50) 상에는 오믹 접촉층(60)이 형성될 수도 있다.
또한, 상기 제1 도전형의 반도체층(30) 상에는 제1 전극층(70)이 형성되고, 상기 오믹 접촉층(60) 상에는 제2 전극층(80)이 형성된다.
또한, 상기 제1 도전형의 반도체층(30)과 상기 활성층(40) 사이에는 제1 도전형의 불순물이 주입된 InGaN/GaN 슈퍼래티스 구조 또는 InGaN/InGaN 슈퍼래티스 구조(30a)가 형성될 수도 있다.
상기 기판(10)은 예를 들어, 사파이어 기판(Al2O3), SiC, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP, Ge, SiGe 중 적어도 하나로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 기판(10)의 상면에는 복수의 돌출 패턴(10a)이 형성될 수 있으며, 상기 돌출 패턴(10a)은 상기 활성층(40)에서 방출된 광을 산란시켜 광 효율을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 돌출 패턴(10a)은 반구 형상, 다각형 형상, 삼각뿔 형상, 나노 기둥 형상 중 어느 하나의 형상으로 형성될 수도 있다.
상기 버퍼층(미도시)은 상기 기판(10) 상에 형성되며, 예를 들어 GaN 기반 물질로 형성되거나, AlInN/GaN, InGaN/GaN, AlInGaN/InGaN/GaN 등과 같은 적층 구조로 형성될 수도 있다.
상기 언도프트 질화물층(20)은 상기 버퍼층(미도시) 상에 형성되며, 예를 들어 언도프트 GaN층으로 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형의 반도체층(30)은 제1 도전형의 불순물을 포함할 수 있으며, 예를 들어, n형 불순물이 포함된 반도체층을 포함할 수 있다. 상기 제1 도전형의 반도체층(30)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 InAlGaN, GaN, AlGaN, AlInN, InGaN, AlN, InN 등에서 선택될 수 있으며, Si, Ge, Sn 등의 n형 불순물이 도핑될 수 있다.
상기 제1 도전형의 반도체층(30)은 트리메틸 갈륨(TMGa) 가스, 암모니아(NH3) 가스, 실란(SiH4) 가스를 수소 가스와 함께 챔버에 주입하여 형성할 수도 있다.
상기 활성층(40)은 상기 제1 도전형의 반도체층(30)을 통해서 주입되는 전자(또는 정공)와 상기 제2 도전형의 반도체층(50)을 통해서 주입되는 정공(또는 전자)이 서로 만나서, 상기 활성층(40)의 형성 물질에 따른 에너지 밴드(Energy Band)의 밴드갭(Band Gap) 차이에 의해서 빛을 방출하는 층이다. 상기 활성층(40)은 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 구조(MQW : Multi Quantum Well), 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 활성층(40)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료로 형성될 수 있다. 상기 활성층(40)이 상기 다중 양자 우물 구조로 형성된 경우, 상기 활성층(40)은 복수의 우물층과 복수의 장벽층이 적층되어 형성될 수 있으며, InGaN 우물층/GaN 장벽층의 주기로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 InGaN 우물층은 In0 .15Ga0 .85N의 조성을 가질 수 있다.
상기 복수의 우물층의 에너지 밴드갭은 상기 복수의 장벽층의 에너지 밴드갭보다 낮을 수 있다.
상기 활성층(40)은 트리메틸 갈륨(TMGa) 가스, 트리메틸 인듐(TMIn) 가스, 암모니아(NH3) 가스를 수소 가스와 함께 챔버에 주입하여 형성할 수도 있다.
상기 제1,2 전자 장벽층(91,92)은 상기 활성층(40)과 상기 제2 도전형의 반도체층(50) 사이에 배치될 수 있다. 상기 제1 전자 장벽층(91)은 상기 활성층(40)과 접촉하고 상기 제2 전자 장벽층(92)은 상기 제2 도전형의 반도체층(50)과 접촉할 수 있다.
상기 제1,2 전자 장벽층(91,92)은 예를 들어, Mg와 같은 p형 불순물을 포함하는 InAlGaN계 반도체층으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 전자 장벽층(91)은 InxAlyGa1 -x- yN (0.02≤x≤0.05, 0.1≤y≤0.14, 0.12≤x+y≤0.19)의 조성식을 갖는 반도체 재료로 형성될 수 있다. 상기 제1 전자 장벽층(91)은 20~40Å의 두께로 형성될 수 있다. 또한, 상기 제2 전자 장벽층(92)은 InxAlyGa1 -x- yN (0.02≤x≤0.05, 0.16≤y≤0.20, 0.18≤x+y≤0.25)의 조성식을 갖는 반도체 재료로 형성될 수 있다. 상기 제2 전자 장벽층(92)은 10~30Å의 두께로 형성될 수 있고, 상기 제1 전자 장벽층(91)보다 얇은 두께로 형성될 수 있다. 상기 제1,2 전자 장벽층(91,92)에 포함된 In의 조성은 상기 활성층(40)의 InGaN 우물층에 포함된 In의 조성보다 적다.
실시예에서 상기 제1 전자 장벽층(91)은 In0 .02Al0 .12Ga0 .86N의 조성식을 갖는 반도체 재료로 30Å의 두께로 형성하고, 상기 제2 전자 장벽층(92)은 In0.02Al0.18Ga0.80N의 조성식을 갖는 반도체 재료로 20Å의 두께로 형성하였다.
상기 제1,2 전자 장벽층(91,92)은 트리메틸 알루미늄(TMAl) 가스, 트리메틸 인듐(TMIn) 가스, 암모니아(NH3) 가스, 비세틸 사이클로 펜타디에닐 마그네슘(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2} 가스를 수소 가스와 함께 챔버에 주입하여 형성할 수도 있다.
상기 제2 도전형의 반도체층(50)은 상기 제1,2 전자 장벽층(91,92) 상에 형성되며, 예를 들어, p형 불순물이 포함된 반도체층으로 구현될 수 있다. 상기 제2 도전형의 반도체층(50)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 InAlGaN, GaN, AlGaN, InGaN, AlInN, AlN, InN 등에서 선택될 수 있으며, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등의 p형 도펀트가 도핑될 수 있다.
상기 제2 도전형의 반도체층(50)은 트리메틸 갈륨(TMGa) 가스, 암모니아(NH3) 가스, 비세틸 사이클로 펜타디에닐 마그네슘(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2} 가스를 수소 가스와 함께 챔버에 주입하여 형성할 수도 있다.
한편, 상기 제1 도전형의 반도체층(30)이 p형 반도체층을 포함하고 상기 제2 도전형의 반도체층(50)이 n형 반도체층을 포함할 수도 있다. 또한, 상기 제2 도전형의 반도체층(50) 상에는 n형 또는 p형 반도체층을 포함하는 제3 도전형의 반도체층(미도시)이 형성될 수도 있으며, 이에 따라, 상기 제1 도전형의 반도체층(30), 활성층(40), 제2 도전형의 반도체층(50)을 포함하는 발광 구조층은 np, pn, npn, pnp 접합 구조 중 적어도 어느 하나를 가질 수 있다. 또한, 상기 제1 도전형의 반도체층(30) 및 상기 제2 도전형의 반도체층(50) 내의 불순물의 도핑 농도는 균일 또는 불균일하게 형성될 수 있다. 즉, 상기 발광 구조층의 구조는 다양하게 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 오믹 접촉층(60)은 투명 금속 산화물로 형성될 수 있으며, 예를 들어, ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), IZTO(indium zinc tin oxide), IAZO(indium aluminum zinc oxide), IGZO(indium gallium zinc oxide), IGTO(indium gallium tin oxide), AZO(aluminum zinc oxide), ATO(antimony tin oxide), GZO(gallium zinc oxide), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni, Ag, Ni/IrOx/Au, 또는 Ni/IrOx/Au/ITO 중 하나 이상을 이용하여 단층 또는 다층으로 형성될 수 있다.
상기와 같은 발광 소자(100)는 450nm 내지 480nm 대역의 파장 영역, 바람직하게 465nm의 파장영역에서 중심 파장을 갖고 반치폭이 15-40nm인 청색광을 방출하는 GaN 기반 발광 다이오드가 될 수 있다.
상기와 같은 발광 소자(100)의 제조방법은 먼저, 상기 기판(10) 상에 언도프트 질화물층(20), 제1 도전형의 반도체층(30), 활성층(40), 제1,2 전자 장벽층(91,92), 제2 도전형의 반도체층(50)을 형성하고, 상기 제1 도전형의 반도체층(30), 활성층(40), 제1,2 전자 장벽층(91,92), 제2 도전형의 반도체층(50)을 선택적으로 제거하는 메사 에칭을 진행한다. 그리고, 상기 제2 도전형의 반도체층(50) 상에 상기 오믹 접촉층(60)을 형성한다. 그리고, 상기 제1 도전형의 반도체층(30) 상에 제1 전극층(70)을 형성하고, 상기 오믹 접촉층(60) 상에 제2 전극층(80)을 형성한다.
한편, 제1 실시예에 따른 발광 소자(100)에서는 내부 양자 효율을 향상시키기 위해 상기 활성층(40)과 제2 도전형의 반도체층(50) 사이에 상기 제1,2 전자 장벽층(91,92)을 형성한다.
상기 발광 소자(100)의 빛을 방출하는 성능을 향상시키기 위해서는 상기 활성층(40)에 전자와 정공을 최대한 효율적으로 주입하고, 상기 전자와 정공이 다른 곳으로 누설되지 않고 모두 재결합되도록 하여 빛으로 전환시키는 것이 중요하다.
상기 활성층(40)에 주입된 전자와 정공 중에서 전자는 이동 속도가 정공에 비해 매우 빠르고 상기 활성층(40)에서 발생되는 열에너지에 의한 열전자 이탈에 의해 상기 활성층(40)을 통과하여 상기 제2 도전형의 반도체층(50)으로 누설될 확률이 높은데, 상기 전자가 상기 제2 도전형의 반도체층(50)으로 누설되는 것을 방지하기 위해 상기 활성층(40) 보다 밴드 갭(Band gap)이 큰 상기 제1,2 전자 장벽층(91,92)을 형성하여 상기 전자의 장벽으로 활용한다.
제1 실시예에 따른 발광 소자(100)에서 상기 제1,2 전자 장벽층(91,92)은 p형 불순물을 포함하는 InAlGaN계 반도체층으로 형성되며, 상기 제1 전자 장벽층(91)에 포함되는 Al의 조성보다 상기 제2 전자 장벽층(92)에 포함되는 Al의 조성을 증가시켜 상기 제1,2 전자 장벽층(91,92)에 포함되는 Al의 조성에 변화를 준다.
상기 활성층(40) 상에 상기 제1,2 전자 장벽층(91,92)을 형성하지 않고 바로 상기 제2 도전형의 반도체층(50)을 형성하는 경우, 즉, 800℃ 이하의 저온에서 형성되는 InGaN과 같은 우물층 위에 1000℃ 이상의 고온에서 형성되는 AlGaN과 같은 제2 도전형의 반도체층(50)을 성장시키는 경우, 열에 의해 InGaN과 같은 우물층에 포함된 In이 증발되면서 상기 활성층(40) 내부의 In 조성이 불균일해지는 문제가 발생된다. 따라서, 상기 제1,2 전자 장벽층(91,92)을 형성함으로써 전자의 장벽 역할 뿐만 아니라 완충층으로서의 역할을 수행할 수 있다.
종래에는 전자 장벽층으로 AlGaN 물질이 사용되었으나, AlGaN 물질은 상기 활성층(40)과의 격자 상수 차이에 의해 발생된 격자 결함에 의해 p형 도핑이 어려운 문제가 있고, 격자 상수 차이에 의해 발생된 격자 결함과 도펀트의 큰 활성화 에너지 때문에 양질의 전도성 및 결정성을 갖는 결정 성장이 어렵다. 이것은 가전자 대역의 에너지 장벽층을 형성하여 정공이 상기 활성층(40)의 다중 양자 우물층으로 이동하는 것을 방해한다. 정공 장벽층은 도핑에 의해 형성된 페르미 레벨이 가전자대역을 기준으로 높아질수록 커지게 된다.
따라서, 제1 실시예에 따른 발광 소자(100)는 상기 제1,2 전자 장벽층(91,92)으로 InAlGaN계 반도체층을 형성하여 GaN층과 격자상수가 일치되도록 하고, InAlGaN계 반도체층 사이에 존재하는 국부적인 에너지 사이트를 이용한 정공 이동도 증가, AlGaN 보다 낮은 도펀트의 활성화 에너지를 통해 캐리어 농도를 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 제1,2 전자 장벽층(91,92)은 상기 활성층(40)에 발생되는 스트레인을 완화시켜 상기 활성층(40)의 결정성을 증대시키고, 캐리어 구속 효율(Low carrier confinement efficiency)을 향상시킬 수 있다.
결과적으로, 구조적 특성 및 전기적 특성 향상을 통해 상기 활성층(40)의 발광 효율이 향상될 수 있다.
도 2는 제2 실시예에 따른 발광 소자(100)를 설명하는 도면이다. 도 2에는 수직형 구조의 발광 소자(100)가 개시되어 있으며, 제2 실시예에 따른 발광 소자를 설명함에 있어서 제1 실시예에 따른 발광 소자의 설명과 중복되는 설명을 생략하도록 한다.
도 2를 참조하면, 제2 실시예에 따른 발광 소자(100)는 제2 전극층(80), 상기 제2 전극층(80) 상에 제2 도전형의 반도체층(50), 상기 제2 도전형의 반도체층(50) 상에 제1,2 전자 장벽층(91,92), 상기 제1,2 전자 장벽층(91,92) 상에 활성층(40), 상기 활성층(40) 상에 제1 도전형의 반도체층(30)과, 상기 제1 도전형의 반도체층(30) 상에 제1 전극층(70)을 포함한다.
또한, 상기 제1 도전형의 반도체층(30)과 상기 활성층(40) 사이에는 제1 도전형의 불순물이 포함된 InGaN/GaN 슈퍼래티스 구조 또는 InGaN/InGaN 슈퍼래티스 구조(30a)가 형성될 수도 있다.
상기 제1 도전형의 반도체층(30)의 상면에는 기둥 또는 홀 형태의 광 추출 구조가 형성될 수 있으며, 상기 광 추출 구조는 상기 활성층(40)에서 방출된 광이 효과적으로 외부로 추출될 수 있도록 한다. 예를 들어, 상기 광 추출 구조는 반구 형상, 다각형 형상, 삼각뿔 형상, 나노 기둥 형상 중 어느 하나의 형상으로 형성될 수 있으며, 상기 광 추출 구조는 광 결정(photonic crystal)으로 형성될 수도 있다.
상기 제2 전극층(80)은 전도성 지지기판(130)과, 상기 전도성 지지기판(130) 상에 반사층(120)과, 상기 반사층(120) 상에 오믹 접촉층(110)을 포함한다. 상기 전도성 지지기판(130)은 금속 또는 캐리어 웨이퍼를 포함할 수 있으며, 예를 들어, Cu, Ni, Mo, Al, Au, Nb, W, Ti, Cr, Ta, Pd, Pt, Si, Ge, GaAs, ZnO, SiC, SiGe 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, 상기 반사층(120)은 Ag, Ag를 포함하는 합금, Al, Al을 포함하는 합금 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 전도성 지지기판(130)과 상기 반사층(120) 사이에는 계면 접합력을 강화시킬 수 있도록 Cu, Ni, Ag, Mo, Al, Au, Nb, W, Ti, Cr, Ta, Al, Pd, Pt, Si, Al-Si, Ag-Cd, Au-Sb, Al-Zn, Al-Mg, Al-Ge, Pd-Pb, Ag-Sb, Au-In, Al-Cu- Si, Ag-Cd-Cu, Cu-Sb, Cd-Cu, Al-Si-Cu, Ag-Cu, Ag-Zn, Ag-Cu-Zn, Ag-Cd-Cu-Zn, Au-Si, Au-Ge, Au-Ni, Au-Cu, Au-Ag-Cu, Cu-Cu2O, Cu-Zn, Cu-P, Ni-P, Ni-Mn-Pd, Ni-P, Pd-Ni 중 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 층으로 형성되는 접합 금속층이 형성될 수도 있다. 상기 오믹 접촉층(110)은 투명 금속 산화물로 형성될 수 있으며, 예를 들어, ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), IZTO(indium zinc tin oxide), IAZO(indium aluminum zinc oxide), IGZO(indium gallium zinc oxide), IGTO(indium gallium tin oxide), AZO(aluminum zinc oxide), ATO(antimony tin oxide), GZO(gallium zinc oxide), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni, Ag, Ni/IrOx/Au, 또는 Ni/IrOx/Au/ITO 중 하나 이상을 이용하여 단층 또는 다층으로 형성될 수 있다. 상기 반사층(120) 및 오믹 접촉층(110)은 어느 하나만 형성되는 것도 가능하다.
도 2에 도시된 바와 같은 제2 실시예에 따른 발광 소자(100)의 제조방법은 도 1에 도시된 바와 같이 상기 기판(10) 상에 언도프트 질화물층(20), 제1 도전형의 반도체층(30), 활성층(40), 제1,2 전자 장벽층(91,92), 제2 도전형의 반도체층(50)을 형성하는 공정을 진행한 후, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 제2 도전형의 반도체층(50) 아래에 상기 제2 전극층(80)을 형성한다. 그리고, 상기 기판(10) 및 언도프트 질화물층(20)을 레이저 리프트 오프 또는 식각 방법으로 제거한 후 상기 제1 도전형의 반도체층(30) 상에 제1 전극층(70)을 형성한다.
한편, 제2 실시예에 따른 발광 소자에서 상기 제1,2 전자 장벽층(91,92)의 특성 등은 앞서 설명한 제1 실시예에 따른 발광 소자와 동일하다.
도 3은 실시예들에 따른 발광 소자(100)의 에너지 밴드갭을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 상기 제1,2 전자 장벽층(91,92)은 Al 조성이 다른 InAlGaN계 반도체층으로 형성될 수 있으며, 도 3에서 A로 표시된 부분과 같이 단계적으로 증가하는 에너지 밴드갭을 가지며, 이는 캐리어 구속 효율을 증대시켜 발광 효율을 향상시킨다.
도 4는 실시예들에 따른 발광 소자에서 전자 장벽층을 형성한 경우 비교예와의 발광 효율의 차이를 설명하는 도면이다.
도 4에서 실시예는 전자 장벽층의 구조만 다르게 한 후 시뮬레이션을 실시한 결과이다.
도 4에서 실시예는 제1 전자 장벽층과 제2 전자 장벽층을 포함하고, 상기 제1 전자 장벽층은 In0 .02Al0 .12Ga0 .86N의 조성식을 갖는 반도체 재료로 30Å의 두께로 형성하고, 상기 제2 전자 장벽층은 In0 .02Al0 .18Ga0 .80N의 조성식을 갖는 반도체 재료로 20Å의 두께로 형성하였다.
그리고, 비교예는 단일층의 전자 장벽층을 포함하고, 상기 단일층의 전자 장벽층은 In0 .02Al0 .18Ga0 .80N의 조성식을 갖는 반도체 재료로 50Å의 두께로 형성하였다.
실험 결과, 실시예에 따른 구조, 즉, 제1 전자 장벽층과 제2 전자 장벽층에서 발생되는 빛의 강도는 비교예에 따른 구조, 즉, 단일층의 전자 장벽층에서 발생되는 빛의 강도에 비해 동일 파장에서 우수한 것을 확인할 수 있다.
도 4에서 B는 실시예에서 다수의 시뮬레이션을 실시한 결과 값들이고, C는 비교예에서 다수의 시뮬레이션을 실시한 결과 값들이다.
도 5는 실시예들에 따른 발광 소자가 설치된 발광 소자 패키지를 설명하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 실시예에 따른 발광 소자 패키지는 패키지 몸체(200)와, 상기 패키지 몸체(200)에 설치된 제1 전극(210) 및 제2 전극(220)과, 상기 패키지 몸체(200)에 설치되어 상기 제1 전극(210) 및 제2 전극(220)과 전기적으로 연결되는 발광 소자(100)와, 상기 발광 소자(100)를 포위하는 몰딩부재(400)가 포함된다.
상기 패키지 몸체(200)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 발광 소자(100)의 주위에 경사면이 형성될 수 있다.
상기 제1 전극(210) 및 제2 전극(220)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광 소자(100)에 전원을 제공하는 역할을 한다. 또한, 상기 제1 전극(210) 및 제2 전극(220)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 도 1에 예시된 수평형 타입의 발광 소자 또는 도 2에 예시된 수직형 타입의 발광 소자가 적용될 수 있으며, 상기 발광 소자(100)는 상기 패키지 몸체(200) 상에 설치되거나 상기 제1 전극(210) 또는 제2 전극(220) 상에 설치될 수 있다.
상기 발광 소자(100)는 와이어(300)를 통해 상기 제1 전극(210) 및/또는 제2 전극(220)과 전기적으로 연결될 수 있으며, 실시예에서는 수직형 타입의 발광 소자(100)가 예시되어 있기 때문에, 하나의 와이어(300)가 사용된 것이 예시되어 있다. 다른 예로서, 상기 발광 소자(100)가 수평형 타입의 발광 소자인 경우 두개의 와이어(300)가 사용될 수 있으며, 상기 발광 소자(100)가 플립칩 방식의 발광 소자의 경우 와이어(300)가 사용되지 않을 수도 있다.
상기 몰딩부재(400)는 상기 발광 소자(100)를 포위하여 상기 발광 소자(100)를 보호할 수 있다. 또한, 상기 몰딩부재(400)에는 형광체가 포함되어 상기 발광 소자(100)에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있다.
실시예에 따른 발광 소자 패키지는 복수개가 기판 상에 어레이되며, 상기 발광 소자 패키지에서 방출되는 광의 경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트, 형광 시트 등이 배치될 수 있다. 이러한 발광 소자 패키지, 기판, 광학 부재는 백라이트 유닛으로 기능하거나 조명 유닛으로 기능할 수 있으며, 예를 들어, 조명 시스템은 백라이트 유닛, 조명 유닛, 지시 장치, 램프, 가로등을 포함할 수 있다.
도 6은 실시예에 따른 발광 소자 또는 발광 소자 패키지를 사용한 백라이트 유닛을 도시하는 도면이다. 다만, 도 6의 백라이트 유닛(1100)은 조명 시스템의 한 예이며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
도 6을 참조하면, 상기 백라이트 유닛(1100)은 바텀 프레임(1140)과, 상기 바텀 프레임(1140) 내에 배치된 광가이드 부재(1120)와, 상기 광가이드 부재(1120)의 적어도 일 측면 또는 하면에 배치된 발광 모듈(1110)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 광가이드 부재(1120) 아래에는 반사시트(1130)가 배치될 수 있다.
상기 바텀 프레임(1140)은 상기 광가이드 부재(1120), 상기 발광 모듈(1110) 및 상기 반사시트(1130)가 수납될 수 있도록 상면이 개구된 박스(box) 형성으로 형성될 수 있으며, 금속 재질 또는 수지 재질로 형성될 수 있으나 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 발광 모듈(1110)은 기판(700)과, 상기 기판(700)에 탑재된 복수개의 발광 소자 패키지(600)를 포함할 수 있다. 상기 복수개의 발광 소자 패키지(600)는 상기 광가이드 부재(1120)에 빛을 제공할 수 있다. 실시예에서 상기 발광 모듈(1110)은 상기 기판(700) 상에 발광 소자 패키지(600)가 설치된 것이 예시되어 있으나, 실시예에 따른 발광 소자(200)가 직접 설치되는 것도 가능하다.
도시된 것처럼, 상기 발광 모듈(1110)은 상기 바텀 프레임(1140)의 내측면들 중 적어도 어느 하나에 배치될 수 있으며, 이에 따라 상기 광가이드 부재(1120)의 적어도 하나의 측면을 향해 빛을 제공할 수 있다.
다만, 상기 발광 모듈(1110)은 상기 바텀 프레임(1140)의 아래에 배치되어, 상기 광가이드 부재(1120)의 밑면을 향해 빛을 제공할 수도 있으며, 이는 상기 백라이트 유닛(1100)의 설계에 따라 다양하게 변형 가능하므로 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 광가이드 부재(1120)는 상기 바텀 프레임(1140) 내에 배치될 수 있다. 상기 광가이드 부재(1120)는 상기 발광 모듈(1110)로부터 제공받은 빛을 면광원화 하여, 표시 패널(미도시)로 가이드할 수 있다.
상기 광가이드 부재(1120)는 예를 들어, 도광판(LGP, Light Guide Panel) 일 수 있다. 상기 도광판은 예를 들어 PMMA(polymethyl metaacrylate)와 같은 아크릴 수지 계열, PET(polyethylene terephthlate), PC(poly carbonate), COC 및 PEN(polyethylene naphthalate) 수지 중 하나로 형성될 수 있다.
상기 광가이드 부재(1120)의 상측에는 광학 시트(1150)가 배치될 수도 있다.
상기 광학 시트(1150)는 예를 들어 확산 시트, 집광 시트, 휘도상승 시트, 및 형광 시트 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 광학 시트(1150)는 상기 확산 시트, 집광 시트, 휘도상승 시트 및 형광 시트가 적층되어 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 확산 시트(1150)는 상기 발광 모듈(1110)에서 출사된 광을 고르게 확산시켜주고, 상기 확산된 광은 상기 집광 시트에 의해 표시 패널(미도시)로 집광될 수 있다. 이때 상기 집광 시트로부터 출사되는 광은 랜덤하게 편광된 광인데, 상기 휘도상승 시트는 상기 집광 시트로부터 출사된 광의 편광도를 증가시킬 수 있다. 상기 집광 시트는 예를 들어, 수평 또는/및 수직 프리즘 시트일 수 있다. 또한, 상기 휘도상승 시트는 예를 들어, 조도 강화 필름(Dual Brightness Enhancement film) 일 수 있다. 또한, 상기 형광 시트는 형광체가 포함된 투광성 플레이트 또는 필름이 될 수도 있다.
상기 광가이드 부재(1120)의 아래에는 상기 반사시트(1130)가 배치될 수 있다. 상기 반사시트(1130)는 상기 광가이드 부재(1120)의 하면을 통해 방출되는 빛을 상기 광가이드 부재(1120)의 출사면을 향해 반사할 수 있다.
상기 반사시트(1130)는 반사율이 좋은 수지 재질, 예를 들어, PET, PC, PVC 레진 등으로 형성될 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다.
도 7은 실시예에 따른 발광 소자 또는 발광 소자 패키지를 사용한 조명 유닛의 사시도이다. 다만, 도 7의 조명 유닛(1200)은 조명 시스템의 한 예이며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
도 7을 참조하면, 상기 조명 유닛(1200)은 케이스 몸체(1210)와, 상기 케이스 몸체(1210)에 설치된 발광 모듈(1230)과, 상기 케이스 몸체(1210)에 설치되며 외부 전원으로부터 전원을 제공받는 연결 단자(1220)를 포함할 수 있다.
상기 케이스 몸체(1210)는 방열 특성이 양호한 재질로 형성되는 것이 바람직하며, 예를 들어 금속 재질 또는 수지 재질로 형성될 수 있다.
상기 발광 모듈(1230)은 기판(700)과, 상기 기판(700)에 탑재되는 적어도 하나의 발광 소자 패키지(600)를 포함할 수 있다. 실시예에서 상기 발광 모듈(1110)은 상기 기판(700) 상에 발광 소자 패키지(600)가 설치된 것이 예시되어 있으나, 실시예에 따른 발광 소자(200)가 직접 설치되는 것도 가능하다.
상기 기판(700)은 절연체에 회로 패턴이 인쇄된 것일 수 있으며, 예를 들어, 일반 인쇄회로기판(PCB: Printed Circuit Board), 메탈 코아(Metal Core) PCB, 연성(Flexible) PCB, 세라믹 PCB 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 기판(700)은 빛을 효율적으로 반사하는 재질로 형성되거나, 표면이 빛이 효율적으로 반사되는 컬러, 예를 들어 백색, 은색 등으로 형성될 수 있다.
상기 기판(700) 상에는 상기 적어도 하나의 발광 소자 패키지(600)가 탑재될 수 있다. 상기 발광 소자 패키지(600)는 각각 적어도 하나의 발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode)를 포함할 수 있다. 상기 발광 다이오드는 적색, 녹색, 청색 또는 백색의 유색 빛을 각각 발광하는 유색 발광 다이오드 및 자외선(UV, UltraViolet)을 발광하는 UV 발광 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 발광 모듈(1230)은 색감 및 휘도를 얻기 위해 다양한 발광 다이오드의 조합을 가지도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 고 연색성(CRI)을 확보하기 위해 백색 발광 다이오드, 적색 발광 다이오드 및 녹색 발광 다이오드를 조합하여 배치할 수 있다. 또한, 상기 발광 모듈(1230)에서 방출되는 광의 진행 경로 상에는 형광 시트가 더 배치될 수 있으며, 상기 형광 시트는 상기 발광 모듈(1230)에서 방출되는 광의 파장을 변화시킨다. 예를 들어, 상기 발광 모듈(1230)에서 방출되는 광이 청색 파장대를 갖는 경우 상기 형광 시트에는 황색 형광체가 포함될 수 있으며, 상기 발광 모듈(1230)에서 방출된 광은 상기 형광 시트를 지나 최종적으로 백색광으로 보여지게 된다.
상기 연결 단자(1220)는 상기 발광 모듈(1230)와 전기적으로 연결되어 전원을 공급할 수 있다. 도 7에 도시된 것에 따르면, 상기 연결 단자(1220)는 소켓 방식으로 외부 전원에 돌려 끼워져 결합되지만, 이에 대해 한정하지는 않는다. 예를 들어, 상기 연결 단자(1220)는 핀(pin) 형태로 형성되어 외부 전원에 삽입되거나, 배선에 의해 외부 전원에 연결될 수도 있는 것이다.
상술한 바와 같은 조명 시스템은 상기 발광 모듈에서 방출되는 광의 진행 경로 상에 광가이드 부재, 확산 시트, 집광 시트, 휘도상승 시트 및 형광 시트 중 적어도 어느 하나가 배치되어, 원하는 광학적 효과를 얻을 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 조명 시스템은 발광 효율이 우수한 실시예에 따른 발광 소자 또는 발광 소자 패키지를 포함함으로써 우수한 광 효율을 가질 수 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.
Claims (9)
- 제1 도전형의 불순물을 포함하는 제1 도전형의 반도체층;
상기 제1 도전형의 불순물과 다른 제2 도전형의 불순물을 포함하는 제2 도전형의 반도체층;
상기 제1 도전형의 반도체층과 상기 제2 도전형의 반도체층 사이에 배치되는 활성층; 및
상기 활성층과 상기 제2 도전형의 반도체층 사이에 배치되고, 상기 제2 도전형의 불순물을 포함하는 제1 전자 장벽층 및 제2 전자 장벽층을 포함하고,
상기 제1 전자 장벽층은 상기 제2 전자 장벽층보다 상기 활성층에 인접하고 InAlGaN을 포함하며,
상기 제2 전자 장벽층은 상기 제1 전자 장벽층보다 상기 제2 도전형의 반도체층에 인접하고, 상기 제1 전자 장벽층에 포함된 Al 조성보다 많은 Al 조성을 가진 InAlGaN을 포함하는 발광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 제1 전자 장벽층은 InxAlyGa1 -x- yN (0.02≤x≤0.05, 0.1≤y≤0.14, 0.12≤x+y≤0.19)의 조성식을 가지며,
상기 제2 전자 장벽층은 InxAlyGa1 -x- yN (0.02≤x≤0.05, 0.16≤y≤0.20, 0.18≤x+y≤0.25)의 조성식을 갖는 발광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 제1 전자 장벽층은 20~40Å의 두께로 형성되고, 상기 제2 전자 장벽층은 10~30Å의 두께로 형성되는 발광 소자. - 제 3항에 있어서,
상기 제2 전자 장벽층은 상기 제1 전자 장벽층보다 얇은 두께로 형성되는 발광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 활성층은 우물층과 장벽층을 포함하고, 상기 우물층은 InGaN층을 포함하며, 상기 제1 전자 장벽층 및 제2 전자 장벽층 각각에 포함된 In의 조성은 상기 우물층에 포함된 In의 조성보다 적은 발광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 제2 도전형의 반도체층은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 발광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 제1 도전형의 반도체층은 n형 불순물을 포함하고, 상기 제2 도전형의 반도체층은 p형 불순물을 포함하는 발광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 제1 도전형의 반도체층 아래에 언도프트 질화물층과, 상기 언도프트 질화물층 아래에 기판을 포함하고,
상기 제1 도전형의 반도체층 상에 제1 전극층과, 상기 제2 도전형의 반도체층 상에 제2 전극층을 포함하는 발광 소자. - 제 1항에 있어서,
상기 제1 도전형의 반도체층 상에 제1 전극층과 상기 제2 도전형의 반도체층 아래에 제2 전극층을 포함하는 발광 소자.
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|---|---|---|---|---|
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