KR20130006843A - 발광소자 - Google Patents

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Abstract

실시예는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템에 관한 것이다.
실시예에 따른 발광소자는 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 발광층; 상기 발광층 상에 전자차단층; 및 상기 전자차단층 상에 제2 도전형 반도체층;을 포함하며, 상기 전자차단층은 두께의 높낮이 차가 있는 패턴을 포함한다.

Description

발광소자{LIGHT EMITTING DEVICE}
실시예는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템에 관한 것이다.
발광소자(Light Emitting Device)는 전기에너지를 빛에너지로 변환시키는 화합물 반도체이며, 화합물 반도체의 조성비를 조절함으로써 다양한 색상구현이 가능하다.
최근 LED BLU(Back Light Unit) 시장은 저전압 /고출력(High Power) 구동소자가 보편화하고 있다. 동작전압을 개선하면서 광도를 유지하기 위해 에피(Epi)단에서 많은 개발은 하고 있는데, 동작전압(VF) 개선을 위해 여러가지 방안이 시도되고 있다.
실시예는 광도를 높임과 함께 동작전압(VF)을 개선할 수 있는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 발광소자는 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 발광층; 상기 발광층 상에 전자차단층; 및 상기 전자차단층 상에 제2 도전형 반도체층;을 포함하며, 상기 전자차단층은 두께의 높낮이 차가 있는 패턴을 포함한다.
실시예에 따른 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템에 의하면, 광도를 높임과 함께 동작전압(VF)을 개선할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 발광소자의 단면도.
도 2는 실시예에 따른 발광소자의 동작전압 개선 예시도.
도 3 내지 도 5는 실예에 따른 발광소자의 제조방법의 공정 단면도.
도 6은 실시예에 따른 발광소자 패키지의 단면도.
도 7은 실시예에 따른 조명 유닛의 사시도.
도 8은 실시예에 따른 백라이트 유닛의 사시도.
실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on/over)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on/over)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/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.
(실시예)
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광소자(100)의 단면도로서, 수평형 발광소자를 예시로 하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
발광소자(100)는 제1 도전형 반도체층(110), 제2 도전형 반도체층(140), 및 제1 도전형 반도체층(110)과 제2 도전형 반도체층(140) 사이에 발광층(120)을 포함한다.
여기서, 제1 도전형 반도체층(110)은 n형 불순물(예를 들어 Si)이 도핑된 반도체층일 수 있고, 제2 도전형 반도체층(140)은 p형 불순물(예를 들어 Mg)이 도핑된 반도체층 일 수 있다. 이하, 명세서에서는 이를 전제로 기술하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 도전형 반도체층(140)과 발광층(120) 사이에는 전자차단층(130)이 더 형성될 수 있다.
전자차단층(130)은 발광층(120)에서 전자와 홀의 재결합 확률을 높이고, 누설전류를 방지할 수 있다. 전자차단층(130)은 고 전류 인가시 제1 도전형 반도체층(110)으로부터 발광층(120)으로 주입되는 전자가 발광층(120)에서 재결합되지 않고, 제2 반도체층(140)으로 흐르는 현상을 방지한다.
전자차단층(130)은 발광층(120)보다 상대적으로 큰 밴드 갭을 가짐으로써, 제1 도전형 반도체층(110)으로부터 주입된 전자가 발광층(120)에서 재결합되지 않고, 제2 도전형 반도체층(140)으로 주입되는 현상을 방지할 수 있다.
전자차단층(130)이 두꺼울수록, 재결합 효율을 높일 수 있어, 발광 효율을 높일 수 있으나, 두꺼운 전자차단층(130)은 제2 도전형 반도체층(140)에서 공급되는 홀의 이동을 방해하여 결과적으로, 동작전압(Vf)을 높아지는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전자차단층(130)은 두께의 높낮이차가 있는 패턴을 갖도록 형성된다. 일 예로, 도 1에 도시된 바와 같이, 전자차단층(130)은 상대적으로 두께가 두꺼운 봉우리(131b)와 상대적으로 두께가 얇은 골(131a)을 갖는 형태일 수 있다.
봉우리(131b)에서는 제1 도전형 반도체층(110)으로부터 주입되는 전자를 보다 많이 차단할 수 있게 되어 발광효율을 극대화할 수 있다.
그리고, 골(131a)에서는 제2 도전형 반도체층(140)으로부터 주입되는 홀의 이동방해를 최소화하여, 동작전압(Vf) 상승을 최소화시킬 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광소자(100)는 두꺼운 두께의 전자차단층(130)을 형성하여 전자차단의 효과를 극대화하면서도, 홀이 쉽게 이동할 수 있는 얇은 두께의 골(131a) 부분을 제공함으로써, 동작전압(Vf)이 높아지는 문제점을 해결할 수 있다.
이러한, 전자차단층(130)의 두께는 약 100Å~ 약 600Å 일 수 있다. 전자차단층(130)의 효과를 극대화하기 위하여 약 300Å~ 약 500Å의 두께로 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전자차단층(130)은 p형불순물을 포함할 수 있다. 일 예로, 전자차단층(130)에는 Mg이 약 1018~1020/cm3 농도 범위로 도핑될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
전자차단층(130)은 하부에 형성되는 제1 전자차단층(131)과 제1 전자차단층(131) 상부의 제2 전자차단층(132)로 구성될 수 있다.
여기서, 제1 전자차단층(131)은 높낮이차 패턴이 없는 부분일 수 있다. 제1 전자차단층(131)은 전자차단의 역할뿐만 아니라, 발광층(120)의 클래딩(cladding) 역할을 할 수 있으며, 발광층(120)과 상부층의 격자일치(lattice matching) 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 제1 전자차단층(131)에 의해 기판(105)과 발광구조물의 격자불일치로 인해 발생한 전위(dislocations)(D)(도 3 참조, 후술)의 전파를 차단할 수 있다.
제1 전자차단층(131)은 얇은 층 형태로 형성될 수 있으며, 최소 한 개 이상의 단일층(mono layer)을 포함할 수 있고, 약 5Å 이상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 전자차단층(131)은 약 5Å 내지 10Å으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 전자차단층(131)은 AlxInyGa(1-x-y)N(0≤x+y≤1)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 전자차단층(131)에서 Al의 함량은 10%이상일 수 있다.(0.1≤x≤1), 그리고, In의 함량은 30%이하 일 수 있다.(0≤y≤0.3)
제2 전자차단층(132)은 높낮이 차가 있는 패턴을 포함하는 부분일 수 있다. 제2 전자차단층(132)은 AlxInyGa(1-x-y)N(0≤x+y≤1)을 포함할 수 있다. 여기서, 제2 전자차단층(132)에서 Al의 함량은 10%이상일 수 있다.(0.1≤x≤1), 일 실시 예로, Al의 함량은 15%~19%(0.15≤x≤0.19) 일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 실시예에 따른 발광소자의 동작전압 개선 예시도이다.
도 2를 참조하면, 실시예에 의하면 종래 평평한 전자차단층(Flat EBL)을 채용한 것에 비해, 단차가 있는 전자차단층(Rough EBL)을 구비함으로써 광도가 향상됨과 함께 동작전압이 약 0.12V 이상 감소하는 효과가 있다. 예를 들어, 약 95mA/cm2에서 동작전류에서 동작전압이 기존 약 3.25V에서 약 3.15V로 개선되었다.
다시, 도 1을 참조하면, 제1 도전형 반도체층(110)과 발광층(120) 사이에는 전자주입층(116), 전류확산층(114)을 더 포함할 수 있다.
그리고, 전류확산층(114)과 접하는 제1 도전형 반도체층(110)면은 쇄기형의 만입부 형상으로 형성될 수 있고, 쇄기형의 만입부면에는 클래딩층(112)이 더 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 도전형 반도체층(110)의 상면은 성장 시 온도 또는 압력 조절에 의해 쇄기형의 만입부가 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(120)은 InxAlyGa1 -x- yN의 조성식을 갖는 반도체 재료로 성장할 수 있으며, 오목부(A)의 단면은 삼각형을 형상을 가질 수 있고, 이를 상면에서 보면 육각형의 모양을 가지며 형성될 수 있다. 예를 들어, 오목부(A)는 육각뿔의 형상을 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같은 요철부는 전위(D)가 형성된 부분에 선택적으로 형성될 수 있으며, 요철부 중 오목부의 저항이 돌출부의 저항보다 크므로 전위(D)가 발생한 부위의 저항을 높혀 고저항 영역(R)을 형성할 수 있다.
따라서, 정전기가 인가될 때 고저항 영역은 전위(D)를 통해 집중되는 전류를 차단하고, 전위(D)에 의한 누설전류를 감소시켜, 발광소자(100)의 ESD 내성이 향상될 수 있다. 이때, 캐리어인 전자는 저항이 낮고 결정성이 우수한 돌출부(B) 영역을 통해 이동할 수 있다.
실시예는 상기 제1 도전형 반도체층(110)의 돌출부 상에 질화물반도체 초격자층(112)을 더 포함할 수 있고, 상기 질화물반도체 초격자층(112)은 N형 도핑원소로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 반도체층(110) 상에 10 내지 1000Å의 두께의 AlGaN/GaN 초격자층(112)을 더 포함할 수 있고, 상기 AlGaN/GaN 초격자층(112)은 N형 도핑원소로 도핑될 수 있다.
상기 질화물반도체 초격자층(112)에 의해 전위(D)가 발광층(120) 쪽으로 전달되는 것을 차단하여 발광층(120)의 결정성이 향상되어, 발광소자(100)의 발광효율이 향상될 수 있다.
또한, 실시예는 상기 제1 도전형 반도체층(110) 상에 언도프트 질화물반도체층(114)과, 전자주입층(116)을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 실시예는 상기 제1 도전형 반도체층(110) 상에 undoped GaN층(114)과, 전자주입층(116)을 더 포함할 수 있다. 상기 언도프트 질화물반도체층(114)은 요철부를 메우고 상면이 평탄한 면을 가질 수 있다.
또한, 상기 전자주입층(116)은 제1 도전형 질화갈륨층일 수 있다. 예를 들어, 상기 전자주입층(116)은 n형 도핑원소가 6.0x1018atoms/cm3~8.0x1018atoms/cm3의 농도로 도핑 됨으로써 효율적으로 전자주입을 할 수 있다. 상기 전자주입층(116)은 약 1000Å 이하의 두께로 형성할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 발광소자의 효율과 제조공정 등을 고려하면, 언도프트 질화물반도체층(114)과, 전자주입층(116)의 두께의 합이 약 1㎛ 이하일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에 의하면 상기 제1 도전형 반도체층(110)의 돌출부(B) 영역에서는 전자의 공급이 원활하여 광도를 향상시킬 수 있으며, 상기 제1 도전형 반도체층(110)의 오목부(A) 영역은 고저항 영역(R)으로서 전위(dislocations)의 확장을 차단할 수 있어 누설전류(leakage current)를 방지하여 동작전압이 증가하는 것을 방지할 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(140) 상에 형성된 오믹층(150)을 더 포함할 수 있고, 상기 제1 도전형 반도체층(110)은 메사 식각에 의해 노출되어 제1 전극(161)이 형성되고, 상기 제2 도전형 반도체층(140) 상에는 제2 전극(162)이 형성될 수 있다.
실시예에 따른 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템에 의하면, 광도를 높임과 함께 동작전압(VF)을 개선할 수 있다.
이하, 도 3 내지 5를 참조하여 실시예에 따른 발광소자의 제조방법을 설명한다.
우선, 기판(105)을 준비한다. 상기 제1 기판(105)은 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함하며, 예컨대 상기 제1 기판(105)은 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, and Ga203. 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 상기 기판(105) 위에는 요철 구조가 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 제1 기판(105)에 대해 습식세척을 하여 표면의 불순물을 제거할 수 있다.
실시예는 상기 기판(105) 위에 버퍼층(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 버퍼층은 상기 발광구조물의 재료와 기판(105)의 격자 부정합을 완화시켜 줄 수 있으며, 버퍼층의 재료는 3족-5족 화합물 반도체 예컨대, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중 적어도 하나로 형성될 수 있다.
이후, 상기 기판(105) 또는 버퍼층 상에 제1 도전형 반도체층(110)을 형성한다.
상기 제1 도전형 반도체층(110)은 제1 도전형 도펀트가 도핑된 3족-5족 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 상기 제1 도전형 반도체층(110)이 N형 반도체층인 경우, 상기 제1 도전형 도펀트는 N형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se, Te를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기 제1 도전형 반도체층(110)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(110)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN,AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(110)은 화학증착방법(CVD) 혹은 분자선 에피택시 (MBE) 혹은 스퍼터링 혹은 수산화물 증기상 에피택시(HVPE) 등의 방법을 사용하여 N형 GaN층을 형성할 수 있다. 또한, 상기 제1 도전형 반도체층(110)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 실리콘(Si)와 같은 n 형 불순물을 포함하는 실란 가스(SiH4)가 주입되어 형성될 수 있다.
실시예에서 상기 제1 도전형 반도체층(110)의 상면에는 쇄기형의 만입부가 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 도전형 반도체층(110)의 상면은 성장 시 온도 또는 압력 조절에 의해 쇄기형의 만입부가 형성될 수 있다.
예를 들어, 제1 도전형 반도체층(110)을 약 550~약 940℃의 온도와 약 100~ 약 500 torr의 압력에서 성장시키면, 상면에 쇄기형의 만입부가 포함되도록 할 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(120)은 InxAlyGa1 -x- yN의 조성식을 갖는 반도체 재료로 성장할 수 있으며, 오목부(A)의 단면은 삼각형을 형상을 가질 수 있고, 이를 상면에서 보면 육각형의 모양을 가지며 형성될 수 있다. 예를 들어, 오목부(A)는 육각뿔의 형상을 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같은 요철부는 전위(D)가 형성된 부분에 선택적으로 형성될 수 있으며, 요철부 중 오목부의 저항이 돌출부의 저항보다 크므로 전위(D)가 발생한 부위의 저항을 높혀 고저항 영역(R)을 형성할 수 있다.
따라서, 정전기가 인가될 때 고저항 영역은 전위(D)를 통해 집중되는 전류를 차단하고, 전위(D)에 의한 누설전류를 감소시켜, 발광소자(100)의 ESD 내성이 향상될 수 있다. 이때, 캐리어인 전자는 저항이 낮고 결정성이 우수한 돌출부(B) 영역을 통해 이동할 수 있다.
다음으로, 실시예는 상기 제1 도전형 반도체층(110)의 돌출부 상에 질화물반도체 초격자층(112)을 더 형성할 수 있고, 상기 질화물반도체 초격자층(112)은 N형 도핑원소로 도핑될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 반도체층(110) 상에 10 내지 1000Å의 두께의 AlGaN/GaN 초격자층(112)을 형성할 수 있고, 상기 AlGaN/GaN 초격자층(112)은 Si과 같은 N형 도핑원소로 도핑될 수 있다.
상기 질화물 반도체 초격자층(112)에 의해 전위(D)가 발광층(120) 쪽으로 전달되는 것을 차단하여 발광층(120)의 결정성이 향상되어, 발광소자(100)의 발광효율이 향상될 수 있다.
실시예에 의하면 상기 제1 도전형 반도체층(110)의 돌출부(B) 영역에서는 전자의 공급이 원활하여 광도를 향상시킬 수 있으며, 상기 제1 도전형 반도체층(110)의 오목부(A) 영역은 고저항 영역(R)으로서 전위(dislocations)의 확장을 차단할 수 있어 누설전류(leakage current)를 방지하여 동작전압이 증가하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 실시예는 상기 제1 도전형 반도체층(110) 또는 질화물 반도체 초격자층(112) 상에 언도프트 질화물반도체층(114)을 더 형성할 할 수 있다.
예를 들어, 상기 언도프트 질화물반도체층(114)은 약 1000~1100℃의 온도와, 약 150~250 torr의 압력에서 약 3000~5000Å 정도의 두께로 형성할 수 있다.
상기 언도프트 질화물반도체층(114)은 상기 제1 도전형 반도체층(110)의 성장온도 보다 높은 온도에서 성장하므로, 요철부를 메우고, 그 상면이 평탄한 면을 가질 수 있다. 따라서, 언도프트 질화물반도체층(114) 상에 형성되는 이후의 층들은 우수한 결정성을 가지고 형성될 수 있다.
이후, 상기 언도프트 질화물반도체층(114) 상에 전자주입층(116)을 형성할 수 있다. 상기 전자주입층(116)은 제1 도전형 질화갈륨 반도체층일 수 있다. 예를 들어, 전자주입층(116)은 Si과 같은 N-형 도핑원소로 도핑될 수 있으며, 약 1000Å 이하의 두께로 형성할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 전자주입층(116)은 n형 도핑원소가 6.0x1018atoms/cm3~8.0x1018atoms/cm3의 농도로 도핑 됨으로써 효율적으로 전자주입을 할 수 있다.
한편, 발광소자의 효율과 제조공정 등을 고려하면, 언도프트 질화물반도체층(114)과, 전자주입층(116)의 두께의 합이 약 1㎛ 이하일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이후, 상기 제1 도전형 반도체층(110) 또는 전자주입층(116) 상에 발광층(120)을 형성한다.
상기 발광층(120)은 제1 도전형 반도체층(110)을 통해서 주입되는 전자와 이후 형성되는 제2 도전형 반도체층(140)을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 발광층(발광층) 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다.
상기 발광층(120)은 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 구조(MQW: Multi Quantum Well), 양자 선(Quantum-Wire) 구조, 또는 양자 점(Quantum Dot) 구조 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 발광층(120)은 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 트리메틸 인듐 가스(TMIn)가 주입되어 다중 양자우물구조가 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 발광층(120)의 우물층/장벽층은 InGaN/GaN, InGaN/InGaN, GaN/AlGaN, InAlGaN/GaN , GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 상기 우물층은 상기 장벽층의 밴드 갭보다 낮은 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
다음으로, 도 4와 같이 상기 발광층(120) 상에 전자차단층(130)을 형성한다.
전자차단층(130)은 발광층(120)보다 상대적으로 큰 밴드 갭을 가짐으로써, 제1 도전형 반도체층(110)으로부터 주입된 전자가 발광층(120)에서 재결합되지 않고, 제2 도전형 반도체층(140)으로 주입되는 현상을 방지할 수 있다.
전자차단층(130)은 발광층(120) 상에 형성되는 제1 전자차단층(131)과 제1 전자차단층(131) 상에 형성되는 제2 전자차단층(132)을 포함할 수 있다.
여기서, 제1 전자차단층(131)은 높낮이차 패턴이 없는 부분일 수 있다. 제1 전자차단층(131)은 전자차단의 역할뿐만 아니라, 발광층(120)의 클래딩(cladding) 역할을 할 수 있으며, 발광층(120)과 상부층의 격자일치(lattice matching) 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 제1 전자차단층(131)에 의해 기판(105)과 발광구조물의 격자불일치로 인해 발생한 전위(dislocations)(D)의 전파를 차단할 수 있다.
제1 전자차단층(131)은 얇은 층 형태로 형성될 수 있으며, 최소 한 개 이상의 단일층(mono layer)을 포함할 수 있고, 약 5Å 이상으로 형성될 수 있다.
제1 전자차단층(131)은 AlxInyGa(1-x-y)N(0≤x+y≤1)을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 전자차단층(131)에서 Al의 함량은 10%이상일 수 있다.(0.1≤x≤1), 그리고, In의 함량은 30%이하 일 수 있다.(0≤y≤0.3)
제2 전자차단층(132)은 높낮이 차가 있는 패턴을 포함하는 부분일 수 있다. 제2 전자차단층(132)은 AlxInyGa(1-x-y)N(0≤x+y≤1)을 포함할 수 있다. 여기서, 제2 전자차단층(132)에서 Al의 함량은 10%이상일 수 있다.(0.1≤x≤1), 일 실시 예로, Al의 함량은 15%~19%(0.15≤x≤0.19) 일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이에 따라 실시예에 따른 전자차단층(130)은 전체적으로 두께의 높낮이차가 있는 패턴을 갖도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 전자차단층(130)은 상대적으로 두께가 두꺼운 봉우리(131b)와 상대적으로 두께가 얇은 골(131a)을 갖는 형태일 수 있다.
봉우리(131b)에서는 제1 도전형 반도체층(110)으로부터 주입되는 전자를 보다 많이 차단할 수 있게 되어 발광효율을 극대화할 수 있다.
그리고, 골(131a)에서는 제2 도전형 반도체층(140)으로부터 주입되는 홀의 이동방해를 최소화하여, 동작전압(Vf) 상승을 최소화시킬 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광소자(100)는 두꺼운 두께의 전자차단층(130)을 형성하여 전자차단의 효과를 극대화하면서도, 홀이 쉽게 이동할 수 있는 얇은 두께의 골(131a) 부분을 제공함으로써, 동작전압(Vf)이 높아지는 문제점을 해결할 수 있다.
이러한, 전자차단층(130)의 두께는 약 100Å~ 약 600Å 일 수 있다. 전자차단층(130)의 효과를 극대화하기 위하여 약 300Å~ 약 500Å의 두께로 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전자차단층(130)은 p형불순물을 포함할 수 있다. 일 예로, 전자차단층(130)에는 Mg이 약 1018~1020/cm3 농도 범위로 도핑될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에 의하면 거친 p형 알류미늄 질화물층(rough pAlGaN layer) 기법을 이용하여 동작전압을 개선하여 고효율의 소자(Device) 제작이 가능하다.
실시예에 의하면 종래 평평한 전자차단층(Flat EBL)을 채용한 것에 비해, 단차가 있는 전자차단층(Rough EBL)을 구비함으로써 광도가 향상됨과 함께 동작전압이 약 0.12V 이상 감소하는 효과가 있다.
다음으로, 상기 전자차단층(130) 상에 제2 도전형 반도체층(140)을 형성한다.
상기 제2 도전형 반도체층(140)은 제2 도전형 도펀트가 도핑된 3-족-5족 화합물 반도체 예컨대, InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(140)이 P형 반도체층인 경우, 상기 제2도전형 도펀트는 P형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(140)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 마그네슘(Mg)과 같은 p 형 불순물을 포함하는 비세틸 사이클로 펜타디에닐 마그네슘(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2}가 주입되어 p형 GaN층이 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서 상기 제1 도전형 반도체층(110)은 N형 반도체층, 상기 제2 도전형 반도체층(140)은 P형 반도체층으로 구현할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한 상기 제2 도전형 반도체층(140) 위에는 상기 제2 도전형과 반대의 극성을 갖는 반도체 예컨대 N형 반도체층(미도시)을 형성할 수 있다. 이에 따라 발광구조물은 N-P 접합 구조, P-N 접합 구조, N-P-N 접합 구조, P-N-P 접합 구조 중 어느 한 구조로 구현할 수 있다.
다음으로, 상기 제2 도전형 반도체층(140) 상에 오믹층(150)을 형성한다.
예를 들어, 상기 오믹층(150)은 캐리어 주입을 효율적으로 할 수 있도록 단일 금속 혹은 금속합금, 금속산화물 등을 다중으로 적층하여 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 오믹층(150)은 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), IZON(IZO Nitride), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), ZnO, IrOx, RuOx, NiO, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, 및 Ni/IrOx/Au/ITO, Ag, Ni, Cr, Ti, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 이러한 재료에 한정되는 않는다.
이후, 상기 제1 도전형 반도체층(110)의 일부가 노출되도록 메사 식각 후 상기 노출된 제1 도전형 반도체층(110) 상에 제1 전극(161)을 형성하고, 상기 제2 도전형 반도체층(140) 또는 상기 오믹층(150) 상에 제2 전극(162)을 형성할 수 있다.
실시예에 따른 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, 광도를 높임과 함께 동작전압(VF)을 개선할 수 있다.
도 6은 실시예들에 따른 발광소자가 설치된 발광소자 패키지(200)를 설명하는 도면이다.
도 6을 참조하면, 실시예에 따른 발광 소자 패키지는 패키지 몸체부(205)와, 상기 패키지 몸체부(205)에 설치된 제3 전극층(213) 및 제4 전극층(214)과, 상기 패키지 몸체부(205)에 설치되어 상기 제3 전극층(213) 및 제4 전극층(214)과 전기적으로 연결되는 발광 소자(100)와, 상기 발광 소자(100)를 포위하는 몰딩부재(230)가 포함된다.
상기 패키지 몸체부(205)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 발광 소자(100)의 주위에 경사면이 형성될 수 있다.
상기 제3 전극층(213) 및 제4 전극층(214)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광 소자(100)에 전원을 제공하는 역할을 한다. 또한, 상기 제3 전극층(213) 및 제4 전극층(214)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 1 에 예시된 수평형 타입의 발광 소자가 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며 플립칩 발광소자에도 적용이 가능하다.
상기 발광 소자(100)는 상기 패키지 몸체부(205) 상에 설치되거나 상기 제3 전극층(213) 또는 제4 전극층(214) 상에 설치될 수 있다.
상기 발광 소자(100)는 상기 제3 전극층(213) 및/또는 제4 전극층(214)과 와이어 방식, 플립칩 방식 또는 다이 본딩 방식 중 어느 하나에 의해 전기적으로 연결될 수도 있다. 실시예에서는 상기 발광 소자(100)가 상기 제3 전극층(213) 및 제4 전극층(214)와 각각 와이어를 통해 전기적으로 연결되는 것을 예시하고 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 몰딩부재(230)는 상기 발광 소자(100)를 포위하여 상기 발광 소자(100)를 보호할 수 있다. 또한, 상기 몰딩부재(230)에는 형광체(232)가 포함되어 상기 발광 소자(100)에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있다.
실시예에 따른 발광소자 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 7은 실시예에 따른 조명 유닛의 사시도(1100)이다. 다만, 도 7의 조명 유닛(1100)은 조명 시스템의 한 예이며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
도 7을 참조하면, 상기 조명 유닛(1100)은 케이스몸체(1110)와, 상기 케이스몸체(1110)에 설치된 발광모듈부(1130)과, 상기 케이스몸체(1110)에 설치되며 외부 전원으로부터 전원을 제공받는 연결 단자(1120)를 포함할 수 있다.
상기 케이스몸체(1110)는 방열 특성이 양호한 재질로 형성되는 것이 바람직하며, 예를 들어 금속 재질 또는 수지 재질로 형성될 수 있다.
상기 발광모듈부(1130)은 기판(1132)과, 상기 기판(1132)에 탑재되는 적어도 하나의 발광소자 패키지(200)를 포함할 수 있다.
상기 기판(1132)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(1132)은 빛을 효율적으로 반사하는 재질로 형성되거나, 표면이 빛이 효율적으로 반사되는 컬러, 예를 들어 백색, 은색 등으로 형성될 수 있다.
상기 기판(1132) 상에는 상기 적어도 하나의 발광소자 패키지(200)가 탑재될 수 있다. 상기 발광소자 패키지(200) 각각은 적어도 하나의 발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode)(100)를 포함할 수 있다. 상기 발광 다이오드(100)는 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 발광모듈부(1130)는 색감 및 휘도를 얻기 위해 다양한 발광소자 패키지(200)의 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.
상기 연결 단자(1120)는 상기 발광모듈부(1130)와 전기적으로 연결되어 전원을 공급할 수 있다. 도 7에 도시된 것에 따르면, 상기 연결 단자(1120)는 소켓 방식으로 외부 전원에 돌려 끼워져 결합되지만, 이에 대해 한정하지는 않는다. 예를 들어, 상기 연결 단자(1120)는 핀(pin) 형태로 형성되어 외부 전원에 삽입되거나, 배선에 의해 외부 전원에 연결될 수도 있는 것이다.
도 8은 실시예에 따른 백라이트 유닛의 분해 사시도(1200)이다. 다만, 도 8의 백라이트 유닛(1200)은 조명 시스템의 한 예이며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
실시예에 따른 백라이트 유닛(1200)은 도광판(1210)과, 상기 도광판(1210)에 빛을 제공하는 발광모듈부(1240)와, 상기 도광판(1210) 아래에 반사 부재(1220)와, 상기 도광판(1210), 발광모듈부(1240) 및 반사 부재(1220)를 수납하는 바텀 커버(1230)를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기 도광판(1210)은 빛을 확산시켜 면광원화 시키는 역할을 한다. 상기 도광판(1210)은 투명한 재질로 이루어지며, 예를 들어, PMMA(polymethyl metaacrylate)와 같은 아크릴 수지 계열, PET(polyethylene terephthlate), PC(poly carbonate), COC(cycloolefin copolymer) 및 PEN(polyethylene naphthalate) 수지 중 하나를 포함할 수 있다.
상기 발광모듈부(1240)은 상기 도광판(1210)의 적어도 일 측면에 빛을 제공하며, 궁극적으로는 상기 백라이트 유닛이 설치되는 디스플레이 장치의 광원으로써 작용하게 된다.
상기 발광모듈부(1240)은 상기 도광판(1210)과 접할 수 있으나 이에 한정되지 않는). 구체적으로는, 상기 발광모듈부(1240)은 기판(1242)과, 상기 기판(1242)에 탑재된 다수의 발광소자 패키지(200)를 포함하는데, 상기 기판(1242)이 상기 도광판(1210)과 접할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기 기판(1242)은 회로패턴(미도시)을 포함하는 인쇄회로기판(PCB, Printed Circuit Board)일 수 있다. 다만, 상기 기판(1242)은 일반 PCB 뿐 아니라, 메탈 코어 PCB(MCPCB, Metal Core PCB), 연성 PCB(FPCB, Flexible PCB) 등을 포함할 수도 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
그리고, 상기 다수의 발광소자 패키지(200)는 상기 기판(1242) 상에 빛이 방출되는 발광면이 상기 도광판(1210)과 소정 거리 이격되도록 탑재될 수 있다.
상기 도광판(1210) 아래에는 상기 반사 부재(1220)가 형성될 수 있다. 상기 반사 부재(1220)는 상기 도광판(1210)의 하면으로 입사된 빛을 반사시켜 위로 향하게 함으로써, 상기 백라이트 유닛의 휘도를 향상시킬 수 있다. 상기 반사 부재(1220)는 예를 들어, PET, PC, PVC 레진 등으로 형성될 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 바텀 커버(1230)는 상기 도광판(1210), 발광모듈부(1240) 및 반사 부재(1220) 등을 수납할 수 있다. 이를 위해, 상기 바텀 커버(1230)는 상면이 개구된 박스(box) 형상으로 형성될 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 바텀 커버(1230)는 금속 재질 또는 수지 재질로 형성될 수 있으며, 프레스 성형 또는 압출 성형 등의 공정을 이용하여 제조될 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 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 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 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 설정하는 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 발광층;
    상기 발광층 상에 전자차단층; 및
    상기 전자차단층 상에 제2 도전형 반도체층;을 포함하며,
    상기 전자차단층은 두께의 높낮이 차가 있는 패턴을 포함하는 발광소자
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 전자차단층은,
    상기 패턴이 없는 제1 전자차단층; 및
    상기 제1 전자차단층 상에 상기 패턴을 갖는 제2 전자차단층;을 포함하는 발광소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 전자차단층은 AlxInyGa(1-x-y)N(0.1≤x≤1,0≤y≤0.3, 0≤x+y≤1)을 포함하는 발광소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 전자차단층은 100Å 내지 600Å 이내의 두께로 형성되는 발광소자.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 전자차단층은 5Å 내지 100Å의 두께로 형성되는 발광소자.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 전자차단층은 제2 도전형 불순물을 포함하는 발광소자.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 불순물은 Mg을 포함하는 발광소자.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층의 상면에는 쇄기형의 만입부가 형성되며,
    상기 제1 도전형 반도체층의 상에 질화물반도체 초격자층을 더 포함하는 발광소자.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 질화물반도체 초격자층은 N형 도핑원소로 도핑된 발광소자.
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