KR20130017329A - 발광소자 - Google Patents

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KR20130017329A
KR20130017329A KR1020110079700A KR20110079700A KR20130017329A KR 20130017329 A KR20130017329 A KR 20130017329A KR 1020110079700 A KR1020110079700 A KR 1020110079700A KR 20110079700 A KR20110079700 A KR 20110079700A KR 20130017329 A KR20130017329 A KR 20130017329A
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Abstract

실시예는 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물을 포함하고, 상기 활성층은 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 형성되며, 복수의 우물층과 적어도 하나 이상의 장벽층을 포함하고, 상기 우물층은 적어도 하나 이상의 삽입층을 포함하고, 상기 삽입층은 상기 우물층보다 에너지 밴드갭이 크고, 두께가 10Å이하로 설정되는 발광 소자를 제공한다.

Description

발광소자{Light emitting diode }
실시예는 활성층의 스트레인(strain)을 완화시켜 발광 효율을 개선하는 발광소자 및 그 발광 소자의 제조 방법에 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 활성층의 스트레인(strain)을 완화시켜 발광 효율을 개선시키고자 하는 것이다.
실시예는 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물을 포함하고, 상기 활성층은 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 형성되며, 복수의 우물층과 적어도 하나 이상의 장벽층을 포함하고, 상기 우물층은 적어도 하나 이상의 삽입층을 포함하고, 상기 삽입층은 상기 우물층보다 에너지 밴드갭이 크고, 두께가 10Å이하로 설정되는 발광 소자를 제공한다.
이 때, 상기 삽입층의 조성은 Inx1Ga(1-x1)N(0≤x1≤0.02)로 설정될 수 있다.
또한, 상기 우물층 및 장벽층은 InGaN/GaN 페어 구조로 형성될 수 있다.
또한, 상기 우물층은 제1 우물층, 상기 삽입층, 및 제2 우물층 순으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 우물층은 제1 우물층, 제1 삽입층, 제2 우물층, 제2 삽입층, 제3우물층 순으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 삽입층은 상기 제2 도전형 반도체층에 근접할수록 에너지 밴드갭이 좁아질 수 있다.
또한, 상기 우물층의 조성은 Inx2Ga(1-x2)N(0.13≤x2≤0.15) 로 설정될 수 있다.
또한, 상기 발광 구조물의 하부에 형성되는 오믹층 및 반사층을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 도전형 반도체층의 적어도 일부 상에 형성되는 제1 전극을 더 포함할 수 있다.
실시예에 따른 발광소자는 활성층과 도전형 반도체층간의 격자 상수 차이로 인한 스트레인(strain)을 완화시켜 발광 소자의 광효율이 증가한다.
도 1a 내지 도 1g는 발광소자의 일실시예의 제조방법을 나타낸 도면이고,
도 2는 발광소자의 활성층의 에너지 밴드 다이어그램의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 3은 발광 소자의 활성층의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 4는 발광소자의 활성층의 에너지 밴드 다이어그램의 다른 실시예를 나타낸 도면이고,
도 5는 발광 소자의 활성층의 다른 실시예를 나타낸 도면이고,
도 6은 발광 소자 패키지의 일실시예를 도시한 도면
도 7은 실시예들에 따른 발광소자를 포함하는 표시장치를 나타낸 도면이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
상기의 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 내지 도 1g는 발광소자의 일실시예의 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 1a에 도시된 바와 같이 기판(100)을 준비한다. 상기 기판(100)은 전도성 기판 또는 절연성 기판으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP, Ge, 그리고 Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 상기 기판(100) 위에는 요철 구조가 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 기판(100)에 대해 습식세척을 하여 표면의 불순물을 제거할 수 있다.
그리고, 상기 기판(100) 상에 제1도전형 반도체층(122)과 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)을 포함하는 발광 구조물(120)을 형성할 수 있다.
이때, 상기 발광 구조물(120)과 기판(100) 사이에는 버퍼층(미도시)을 성장시킬 수 있는데, 재료의 격자 부정합 및 열 팽창 계수의 차이를 완화하기 위한 것이다. 상기 버퍼층의 재료는 3족-5족 화합물 반도체로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 상기 버퍼층 위에는 언도프드(undoped) 반도체층이 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
또한, 상기 발광 구조물(120)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.
상기 제1 도전형 반도체층(122)은 제1 도전형 도펀트가 도핑된 3족-5족 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 상기 제1 도전형 반도체층(122)이 N형 반도체층인 경우, 상기 제1도전형 도펀트는 N형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se, Te를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기 제1 도전형 반도체층(122)은 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 예를들어, 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(122)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.
상기 활성층(124)은 제1 도전형 반도체층(122)과 제2 도전형 반도체층(126)을 통해서 주입되는 캐리어(Carrier)가 서로 만나서 활성층(발광층) 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다.
상기 활성층(124)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 활성층(124)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 활성층(124)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.
실시예의 활성층(124)은 다중 양자 우물 구조로 생성될 수 있으며, 복수의 우물층 과 적어도 하나 이상의 장벽층을 포함할 수 있다.
또한, 실시예에 따라 발광구조물에 포함된 활성층(124)의 우물층은 적어도 하나 이상의 삽입층을 포함할 수 있다. 상기 삽입층은 상기 우물층보다 에너지 밴드갭이 클 수 있다.
이 때, 삽입층의 두께는 10Å이하로 충분히 얇게 설정되어, 전자 및 정공이 터널링을 통해 이동할 수 있도록 한다.
또한, 상기 삽입층의 조성은 Inx1Ga(1-x1)N(0≤x1≤0.02)일 수 있다. 삽입층은 우물층 성장 중에 삽입되는 In의 양을 조절함으로써, 형성할 수 있다. 또한, 온도를 조절하여 우물층 성장 속도를 조절하면서, 삽입되는 In의 양을 조절하여 충분히 얇으면서, In 조성이 0~2% 범위인 삽입층을 형성할 수 있다.
상술한 바와 같이 삽입층의 에너지 밴드갭은 우물층의 에너지 밴드갭보다 클 수 있는데, 따라서, 삽입층 중의 In의 양보다, 우물층의 In의 양이 더 많이 포함되도록 삽입층을 형성할 수 있다.
예를 들어, 우물층의 조성은 Inx2Ga(1-x2)N(0.13≤x2≤0.15) 이고, 삽입층의 조성은 Inx1Ga(1-x1)N(0≤x1≤0.02)로 설정될 수 있다.
또한, 삽입층의 에너지 밴드갭은 장벽층의 에너지 밴드갭 이하로 설정될 수 있다. 즉, 삽입층의 조성은 Inx1Ga(1-x1)N(0≤x1≤0.02)로 설정되고, 장벽층은 GaN으로 설정될 수 있다.
실시예에 따라, 삽입층은 우물층에 복수로 포함될 수 있는데, 예를 들어, 삽입층이 우물층에 하나 포함된 경우, 상기 우물층은 제1 우물층, 상기 삽입층, 및 제2 우물층 순으로 적층될 수 있으며, 삽입층에 우물층이 두 개 포함된 경우, 상기 우물층은 제1 우물층, 제1 삽입층, 제2 우물층, 제2 삽입층, 제2 우물층으로 형성될 수 있다.
이 때, 삽입층들은 제2 도전형 반도체층에 근접할수록 에너지 밴드갭이 점차 좁아지도록 형성될 수도 있다.
상기 삽입층은 활성층(124)의 격자 상수차이에 의한 스트레인을 완화시켜 발광 효율을 증가시키는 효과가 있다.
예를 들어, 우물층/장벽층이 InGaN/GaN 으로 형성되는 경우, InGaN과 GaN의 격자 상수 차이로 인해, a축 방향(면방향)으로는 압축 변형(compressive strain)이 발생하고, c축 방향(성장 방향)에는 인장 변형(tensile strain)이 발생할 수 있다.
이러한 변형이 커지면, 분극(polarization)에 의한 압전 필드(piezoelectric field)가 증가하여 전자 및 정공의 결합 확률이 적어져 발광 효율이 저하되는 문제점이 발생한다.
실시예는 삽입층이 우물층 내에 형성되어, 우물층/장벽층의 격자 상수 차이에 의한 스트레인을 완화시켜, 발광 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
즉, 활성층이 다중 양자 우물 구조(MQW: Multi Quantum Well)로 형성될 때 발생할 수 있는 스트레인을 완화시켜 발광효율을 높일 수 있다.
상기 활성층(124)의 위 또는/및 아래에는 도전형 클래드층(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 도전형 클래드층은 AlGaN계 반도체로 형성될 수 있으며, 상기 활성층(124)의 밴드 갭보다는 높은 밴드 갭을 가질 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(126)은 제2 도전형 도펀트가 도핑된 3족-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(126)이 P형 반도체층인 경우, 상기 제2도전형 도펀트는 P형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(126)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(122)은 P형 반도체층, 상기 제2 도전형 반도체층(126)은 N형 반도체층으로 구현할 수 있다. 또한 상기 제2 도전형 반도체층(126) 위에는 상기 제2 도전형과 반대의 극성을 갖는 반도체 예컨대 상기 제 2도전형 반도체층이 P형 반도체층일 경우 N형 반도체층(미도시)을 형성할 수 있다. 이에 따라 발광 구조물(120)은 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.
그리고, 도 1b에 도시된 바와 같이 제2 도전형 반도체층(126) 상에 오믹층(130)을 약 200 옹스트롱의 두께로 적층한다.
상기 오믹층(130)은 투광성 전도층과 금속을 선택적으로 사용할 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), 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, Sn, In, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 이러한 재료에 한정되는 않는다. 그리고, 상기 오믹층(130)은 스퍼터링법이나 전자빔 증착법에 의하여 형성될 수 있다.
그리고, 상기 오믹층(130) 상에 반사층(140)을 약 2500 옹스르통의 두께로 형성할 수 있다. 상기 반사층(140)은, 예를 들어, Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 또는 Hf 중 적어도 하나를 포함하는 금속 또는 합금으로 형성될 수 있다. 또는, 상기 금속 또는 합금과 ITO, IZO, IZTO, IAZO, IGZO, IGTO, AZO, ATO 등의 투광성 전도성 물질을 이용하여 다층으로 형성할 수 있으며, 구체적으로는, IZO/Ni, AZO/Ag, IZO/Ag/Ni, AZO/Ag/Ni, Ag/Cu, Ag/Pd/Cu 등으로 적층될 수 있다. 알루미늄이나 은 등은 상기 활성층(124)에서 발생된 빛을 효과적으로 반사하여 발광소자의 광추출 효율을 크게 개선할 수 있다. 또한 반사층(140)을 발광구조물과 오믹 접촉하는 물질로 형성할 경우, 오믹층(130)은 별도로 형성하지 않을 수 있으며, 이에 대해 한정하지 않는다.
그리고, 도 1c에 도시된 바와 같이 상기 반사층 상에 도전성 지지기판(160)을 형성할 수 있다.
상기 도전성 지지기판(160)은 몰리브덴(Mo), 실리콘(Si), 텅스텐(W), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al)로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있으며, 또한, 금(Au), 구리합금(Cu Alloy), 니켈(Ni-nickel), 구리-텅스텐(Cu-W), 캐리어 웨이퍼(예: GaN, Si, Ge, GaAs, ZnO, SiGe, SiC, SiGe, Ga2O3 등) 등을 선택적으로 포함할 수 있다. 상기 도전성 지지기판(160)을 형성시키는 방법은 전기화학적인 금속증착방법이나 유테틱 메탈을 이용한 본딩 방법 등을 사용할 수 있다.
여기서, 상기 반사층(140)과 상기 도전성 지지기판(160)과의 결합을 위하여, 상기 반사층(140)이 결합층의 역할을 기능을 수행하거나, 금(Au), 주석(Sn), 인듐(In), 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 은(Ag), 니켈(Ni) 및 구리(Cu)로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들의 합금으로 결합층(150)을 형성할 수 있다.
그리고, 도 1d에 도시된 바와 같이, 상기 기판(100)을 분리한다.
상기 기판(100)의 제거는 엑시머 레이저 등을 이용한 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off: LLO)의 방법으로 할 수도 있으며, 건식 및 습식 식각의 방법으로 할 수도 있다.
레이저 리프트 오프법을 예로 들면, 상기 기판(100) 방향으로 일정 영역의 파장을 가지는 엑시머 레이저 광을 포커싱(focusing)하여 조사하면, 상기 기판(100)과 발광 구조물(120)의 경계면에 열 에너지가 집중되어 경계면이 갈륨과 질소 분자로 분리되면서 레이저 광이 지나가는 부분에서 순간적으로 기판(100)의 분리가 일어난다.
그리고, 도 1e에 도시된 바와 같이 상기 발광 구조물(120)의 측면을 식각한다.
그리고, 도 1f에 도시된 바와 같이 상기 제1 도전형 반도체층(122) 상에 요철 구조를 형성한다. 이 때, 요철 구조는, PEC 방법이나 마스크를 형성한 후 에칭을 통하여 형성할 수 있다
상기 PEC 방법에서, 식각액(가령, KOH)의 양과 GaN 결정성에 의한 식각 속도 차이 등을 조절함으로써, 미세 크기의 요철의 형상을 조절할 수 있다. 상기 요철 구조는 주기적 도는 비주기적으로 형성될 수 있다. 실시예에 따라, 높은 광반사율을 위해 제1 전극이 형성될 영역은 마스크를 이용하여 PEC 식각하지 않음으로써, 요철이 형성되지 않도록 할 수 있다.
그리고, 도 1g에 도시된 바와 같이 상기 제1 도전형 반도체층 표면에 제1 전극(170)을 형성할 수 있다. 상기 제1 전극(170)은 예를 들어, 몰리브덴, 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 백금(Pt), 바나듐(V), 텅스텐(W), 납(Pd), 구리(Cu), 로듐(Rh) 및 이리듐(Ir) 중에서 선택된 어느 하나의 금속 또는 상기 금속들의 합금으로 이루어진다. 상기 제1 전극(170)도 상기 제1 도전형 반도체층(122)의 일부 상에 구비되게, 마스크를 이용하여 형성할 수 있다.
도 2는 발광소자의 활성층의 에너지 밴드 다이어그램의 일실시예를 나타낸 도면이고, 도 3은 발광 소자의 활성층의 구조의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 발광 소자는 제1 도전형 반도체층(122), 활성층(124), 제2 도전형 반도체층(126)을 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 장벽층 및 우물층은 복수로 구성될 수 있으며, 그 개수에 제한받지는 않는다. 예를 들어, 활성층(124)은 우물층(201, 203, 205)과 장벽층(202, 204)으로 구성될 수 있다
각 우물층(201, 203, 205)는 적어도 하나 이상의 삽입층(210, 220, 230)을 포함할 수 있다. 상기 삽입층(210, 220, 230)은 상기 우물층보다 에너지 밴드갭이 클 수 있다.
이 때, 삽입층(210, 220, 230)의 두께는 10Å이하로 충분히 얇게 설정되어, 전자 및 정공이 터널링을 통해 이동할 수 있도록 한다. 예를 들어, 우물층의 두께가 30~45Å으로 설정될 때, 삽입층(210, 220, 230)의 두께는 5~10 Å으로 설정될 수 있다.
또한, 상기 삽입층(210, 220, 230)의 조성은 Inx1Ga(1-x1)N(0≤x1≤0.02)일 수 있다. 삽입층(210, 220, 230)은 우물층(201, 203, 205) 성장 중에 삽입되는 In의 양을 조절함으로써, 형성할 수 있다.
또한, 에피 성장 시 온도를 조절하여 우물층(201, 203, 205) 성장 속도를 조절하면서, 삽입되는 In의 양을 조절하여 충분히 얇으면서, In 조성이 0~2% 범위인 삽입층(210, 220, 230)을 형성할 수 있다.
삽입층(210, 220, 230)의 에너지 밴드갭은 우물층의 에너지 밴드갭보다 클 수 있는데, 따라서, 삽입층(210, 220, 230) 중의 In의 양보다, 우물층(201, 203, 205)의 In의 양이 더 많이 포함되도록 삽입층(210, 220, 230)을 형성할 수 있다.
예를 들어, 우물층(201, 203, 205)의 조성은 Inx2Ga(1-x2)N(0.13≤x2≤0.15) 이고, 삽입층(210, 220, 230)의 조성은 Inx1Ga(1-x1)N(0≤x1≤0.02)로 설정될 수 있다.
또한, 삽입층(210, 220, 230)의 에너지 밴드갭은 장벽층(202, 204)의 에너지 밴드갭 이하로 설정될 수 있다. 즉, 삽입층(210, 220, 230)의 조성은 Inx1Ga(1-x1)N(0≤x1≤0.02)로 설정되고, 장벽층(202, 204)은 GaN으로 설정될 수 있다.
상기 삽입층은 활성층(124)의 격자 상수차이에 의한 스트레인을 완화시켜 발광 효율을 증가시키는 효과가 있다.
예를 들어, 상기 우물층/장벽층이 InGaN/GaN 으로 형성되는 경우, InGaN과 GaN의 격자 상수 차이로 인해, a축 방향(면방향)으로는 압축 변형(compressive strain)이 발생하고, c축 방향(성장 방향)에는 인장 변형(tensile strain)이 발생할 수 있다.
이러한 변형이 커지면, 분극(polarization)에 의한 압전 필드(piezoelectric field)가 증가하여 전자 및 정공의 결합 확률이 적어져 발광 효율이 저하되는 문제점이 발생한다.
실시예는 삽입층(210, 220, 230)이 우물층(201, 203, 205)내에 형성되어, 우물층/장벽층의 격자 상수 차이에 의한 스트레인을 완화시켜, 발광 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
즉, 활성층이 다중 양자 우물 구조(MQW: Multi Quantum Well)로 형성될 때 발생할 수 있는 스트레인을 완화시켜 발광효율을 높일 수 있다.
도 3은 발광 소자의 활성층의 구조의 일실시예를 나타낸 도면이며, 상술한 바와 같이 활성층(124)은 우물층(201, 203, 205)과 장벽층(202, 204)으로 구성될 수 있다
각 우물층(201, 203, 205)는 적어도 하나 이상의 삽입층(210, 220, 230)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 삽입층 삽입층(210, 220, 230)이 각 우물층(201, 203, 205)에 하나씩 포함된 경우, 상기 우물층은 제1 우물층, 상기 삽입층, 및 제2 우물층 순으로 적층될 수 있다.
도 4는 발광소자의 활성층의 에너지 밴드 다이어그램의 다른 일실시예를 나타낸 도면이고, 도 5는 발광 소자의 활성층의 구조의 다른 일실시예를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 발광 소자는 제1 도전형 반도체층(122), 활성층(124), 제2 도전형 반도체층(126)을 포함할 수 있으며, 활성층(124)은 우물층(201, 203, 205)과 장벽층(202, 204)으로 구성될 수 있다
각 우물층(201, 203, 205)는 두 개의 이상의 삽입층들(310, 320, 330, 340, 350, 360)을 포함할 수 있다. 상기 삽입층들(310, 320, 330, 340, 350, 360)은 상기 우물층보다 에너지 밴드갭이 클 수 있다.
이 때, 삽입층(310, 320, 330, 340, 350, 360) 의 두께는 10Å이하로 충분히 얇게 설정되어, 전자 및 정공이 터널링을 통해 이동할 수 있도록 한다.
또한, 상기 삽입층(310, 320, 330, 340, 350, 360)의 조성은 Inx1Ga(1-x1)N(0≤x1≤0.15)일 수 있다. 삽입층(310, 320, 330, 340, 350, 360)은 우물층(201, 203, 205) 성장 중에 삽입되는 In의 양을 조절함으로써, 형성할 수 있다.
또한, 성장 온도를 조절하여 우물층(201, 203, 205) 성장 속도를 조절하면서, 삽입되는 In의 양을 조절하면 충분히 얇으면서, In 조성이 0~15% 범위인 삽입층(310, 320, 330, 340, 350, 360)을 형성할 수 있다.
상기 삽입층들(310, 320, 330, 340, 350, 360)은 활성층(124)의 장벽층/우물층간 격자 상수차이에 의한 스트레인을 완화시켜 발광 효율을 증가시키는 효과가 있다.
이 때, 삽입층들(310, 320, 330, 340, 350, 360)은 In 조성을 조절하여, 제2 도전형 반도체층에 근접할수록 에너지 밴드갭이 점차 작아지도록 형성함으로써, 전자 정공 재결합율을 높일 수도 있다.
도 5는 발광 소자의 활성층의 구조의 다른 일실시예를 나타낸 도면이며, 상술한 바와 같이 활성층(124)은 우물층(201, 203, 205)과 장벽층(202, 204)으로 구성될 수 있다.
각 우물층(201, 203, 205)는 두 개 이상의 삽입층들(310, 320, 330, 340, 350, 360) 을 포함할 수 있다. 예를 들어, 삽입층(310, 320, 330, 340, 350, 360)이 각 우물층(201, 203, 205)에 두 개씩 포함된 경우, 상기 우물층은 제1 우물층, 제1 삽입층, 제2 우물층, 제2 삽입층, 제3 우물층으로 적층될 수 있다.
따라서, 실시예는 활성층의 우물층에 복수의 삽입층을 형성함으로써, 활성층(124)의 장벽층/우물층간 격자 상수차이에 의한 스트레인을 완화시켜, 발광 효율을 증가시키는 효과가 있다.
즉, 실시예는 활성층의 우물층에 삽입층을 형성하여 활성층의 장벽층/우물층간 격자 상수 차이에 의한 스트레인을 완화시켜 결정성을 좋게 함으로써, 발광 효율을 증가시키는 효과가 있다.
도 6은 발광소자 패키지의 일실시예의 단면도이다.
도시된 바와 같이, 상술한 실시예들에 따른 발광 소자 패키지는 패키지 몸체(520)와, 상기 패키지 몸체(520)에 설치된 제1 전극층(511) 및 제2 전극층(512)과, 상기 패키지 몸체(520)에 설치되어 상기 제1 전극층(511) 및 제2 전극층(512)과 전기적으로 연결되는 실시예에 따른 발광 소자(500)와, 상기 발광 소자(500)를 포위하는 충진재(540)를 포함한다.
상기 패키지 몸체(520)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 발광 소자(500)의 주위에 경사면이 형성되어 광추출 효율을 높일 수 있다.
상기 제1 전극층(511) 및 제2 전극층(512)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광 소자(500)에 전원을 제공한다. 또한, 상기 제1 전극층(511) 및 제2 전극층(512)은 상기 발광 소자(500)에서 발생된 광을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있으며, 상기 발광 소자(500)에서 발생된 열을 외부로 배출시키는 역할을 할 수도 있다.
상기 발광 소자(500)는 상기 패키지 몸체(520) 상에 설치되거나 상기 제1 전극층(511) 또는 제2 전극층(512) 상에 설치될 수 있다.
상기 발광 소자(500)는 상기 제1 전극층(511) 및 제2 전극층(512)과 와이어 방식, 플립칩 방식 또는 다이 본딩 방식 중 어느 하나에 의해 전기적으로 연결될 수도 있다.
상기 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, 상기 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.
도 7은 실시예들에 따른 발광소자를 포함하는 표시장치를 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 표시장치(800)는 광원 모듈(830, 835)과, 바텀 커버(810) 상의 반사판(820)과, 상기 반사판(820)의 전방에 배치되며 상기 광원모듈에서 방출되는 빛을 표시장치 전방으로 가이드하는 도광판(840)과, 상기 도광판(840)의 전방에 배치되는 제1 프리즘시트(850)와 제2 프리즘시트(860)와, 상기 제2 프리즘시트(860)의 전방에 배치되는 패널(870)과 상기 패널(870)의 전반에 배치되는 컬러필터(880)를 포함하여 이루어진다.
광원 모듈은 기판(830) 상의 발광소자 패키지(835)를 포함하여 이루어진다. 상기 바텀 커버(810)는 표시 장치(800) 내의 구성 요소들을 수납할 수 있다.상기 반사판(820)은 본 도면처럼 별도의 구성요소로 마련될 수도 있고, 상기 도광판(840)의 후면이나, 상기 바텀 커버(810)의 전면에 반사도가 높은 물질로 코팅되는 형태로 마련되는 것도 가능하다.
여기서, 반사판(820)은 반사율이 높고 초박형으로 사용 가능한 소재를 사용할 수 있고, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PolyEthylene Terephtalate; PET)를 사용할 수 있다.
도광판(840)은 발광소자 패키지 모듈에서 방출되는 빛을 산란시켜 그 빛이 액정 표시 장치의 화면 전영역에 걸쳐 균일하게 분포되도록 한다. 따라서, 도광판(840)은 굴절률과 투과율이 좋은 재료로 이루어지는데, 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate; PMMA), 폴리카보네이트(PolyCarbonate; PC), 또는 폴리에틸렌(PolyEthylene; PE) 등으로 형성될 수 있다.
그리고, 도광판이 생략되어 반사판(820)과 제1 프리즘 시트(850) 사이의 공간에서 빛이 전달되는 에어 가이드(Air Guide) 방식으로 구성될 수도 있다.
상기 제1 프리즘 시트(850)는 지지필름의 일면에, 투광성이면서 탄성을 갖는 중합체 재료로 형성되는데, 상기 중합체는 복수 개의 입체구조가 반복적으로 형성된 프리즘층을 가질 수 있다. 여기서, 상기 복수 개의 패턴은 도시된 바와 같이 마루와 골이 반복적으로 스트라이프 타입으로 구비될 수 있다.
상기 제2 프리즘 시트(860)에서 지지필름 일면의 마루와 골의 방향은, 상기 제1 프리즘 시트(850) 내의 지지필름 일면의 마루와 골의 방향과 수직할 수 있다. 이는 광원 모듈과 반사시트로부터 전달된 빛을 상기 패널(870)의 전방향으로 고르게 분산하기 위함이다.
도시되지는 않았으나 상기 각각의 프리즘 시트 상에는 보호 시트가 구비될 수 있는데, 지지필름의 양면에 광확산성 입자와 바인더를 포함하는 보호층이 구비될 수 있다.
또한, 상기 프리즘층은 폴리우레탄, 스티렌부타디엔 공중합체, 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트 엘라스토머, 폴리이소프렌, 폴리실리콘으로 구성되는 군으로부터 선택되는 중합체 재료로 이루어질 수 있다.
도시되지는 않았으나, 상기 도광판(840)과 제1 프리즘 시트(850) 사이에 확산시트가 배치될 수 있다. 상기 확산시트는 폴리에스터와 폴리카보네이트 계열의 재료로 이루어질 수 있으며, 백라이트 유닛으로부터 입사된 빛을 굴절과 산란을 통하여 광 투사각을 최대로 넓힐 수 있다.
상기 확산시트는 광확산제를 포함하는 지지층과, 광출사면(제1 프리즘 시트 방향)과 광입사면(반사시트 방향)에 형성되며 광확산제를 포함하지 않는 제1 레이어와 제2 레이어를 포함할 수 있다.
상기 지지층은 메타크릴산-스틸렌 공중합체와 메타크릴산 메틸-스틸렌 공중합체가 혼합된 수지 100 중량부에 대하여, 1~10 마이크로 미터의 평균입경을 가진 실록산계 광확산제 0.1~10중량부, 1~10 마이크로 미터의 평균입경을 가진 아크릴계 광확산제 0.1~10중량부가 포함될 수 있다.
상기 제1 레이어와 제2 레이어는 메타크릴산 메틸-스틸렌 공중합체 수지 100 중량부에 대하여, 자외선 흡수제 0.01 ~ 1 중량부, 대전 방지제 0.001 ~ 10중량부로 포함될 수 있다.
상기 확산시트에서 상기 지지층의 두께는 100~10000 마이크로 미터이고, 상기 각각의 레이어의 두께는 10~1000 마이크로 미터일 수 있다.
본 실시예에서 상기 확산시트와 제1 프리즘시트(850)과 제2 프리즘시트(860)가 광학시트를 이루는데, 상기 광학시트는 다른 조합 예를 들어, 마이크로 렌즈 어레이로 이루어지거나 확산시트와 마이크로 렌즈 어레이의 조합 또는 하나의 프리즘 시트와 마이크로 렌즈 어레이의 조합 등으로 이루어질 수 있다.
상기 패널(870)은 액정 표시 패널(Liquid crystal display)가 배치될 수 있는데, 액정 표시 패널(860) 외에 광원을 필요로 하는 다른 종류의 디스플레이 장치가 구비될 수 있다.
상기 패널(870)은, 유리 바디 사이에 액정이 위치하고 빛의 편광성을 이용하기 위해 편광판을 양 유리바디에 올린 상태로 되어있다. 여기서, 액정은 액체와 고체의 중간적인 특성을 가지는데, 액체처럼 유동성을 갖는 유기분자인 액정이 결정처럼 규칙적으로 배열된 상태를 갖는 것으로, 상기 분자 배열이 외부 전계에 의해 변화되는 성질을 이용하여 화상을 표시한다.
표시장치에 사용되는 액정 표시 패널은, 액티브 매트릭스(Active Matrix) 방식으로서, 각 화소에 공급되는 전압을 조절하는 스위치로서 트랜지스터를 사용한다.
상기 패널(870)의 전면에는 컬러 필터(880)가 구비되어 상기 패널(870)에서 투사된 빛을, 각각의 화소마다 적색과 녹색 및 청색의 빛만을 투과하므로 화상을 표현할 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.
100 : 기판 120 : 발광구조물
122 : 제1 도전형 반도체층 124 : 활성층
126 : 제2 도전형 반도체층 130 : 오믹층
140 : 반사층 150 : 결합층
160 : 도전성 지지기판 170 : 제1 전극
201, 203, 205 : 우물층 202, 203 : 장벽층
210, 220, 230, 310, 320, 330, 340, 350, 360 :삽입층
500 : 발광소자 511 : 제1 전극층
512 : 제2 전극층 520 : 패키지 몸체
540 : 충진재

Claims (10)

  1. 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물을 포함하고,
    상기 활성층은 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 형성되며, 복수의 우물층과 적어도 하나 이상의 장벽층을 포함하고, 상기 우물층은 적어도 하나 이상의 삽입층을 포함하고, 상기 삽입층은 상기 우물층보다 에너지 밴드갭이 크고, 두께가 10Å이하로 설정되는 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 삽입층의 조성은 Inx1Ga(1-x1)N(0≤x1≤0.02)로 설정되는 발광 소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 우물층 및 장벽층은 InGaN/GaN 페어 구조로 형성되는 발광 소자.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 우물층은 제1 우물층, 상기 삽입층, 및 제2 우물층 순으로 형성되는 발광 소자.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 우물층은 제1 우물층, 제1 삽입층, 제2 우물층, 제2 삽입층, 제3우물층 순으로 형성되는 발광 소자.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 삽입층은 상기 제2 도전형 반도체층에 근접할수록 에너지 밴드갭이 좁아지는 발광 소자.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 우물층의 조성은 Inx2Ga(1-x2)N(0.13≤x2≤0.15) 로 설정되는 발광 소자.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 발광 구조물의 하부에 형성되는 오믹층 및 반사층을 더 포함하는 발광 소자.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층의 적어도 일부 상에 형성되는 제1 전극을 더 포함하는 발광 소자.
  10. 제 1 항의 발광 소자로부터 출사된 광을 가이드하는 도광판을 포함하는 백라이트 유닛.
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