KR20130065096A - 발광 소자 - Google Patents
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Abstract
실시 예는 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되는 제2 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층 및 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되고 양자 우물층들 및 양자 장벽층들을 포함하는 활성층, 및 상기 활성층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되는 전자 차단층을 포함하며, 상기 양자 장벽층들 각각의 조성은 InxAlyGa(1-x-y)N(0.1≤x≤1, 0.1≤y≤1, 0<x+y≤1)이다.
Description
실시 예는 발광 소자에 관한 것이다.
반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Ligit Emitting Diode, LED)는 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. 이러한 발광 소자의 구조에 대해서는 공개특허 10-2009-0002241호를 참조할 수 있다.
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.
실시 예는 발광 효율을 향상시킬 수 있는 발광 소자를 제공한다.
실시 예에 따른 발광 소자는 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되는 제2 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층 및 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되고, 양자 우물층들 및 양자 장벽층들을 포함하는 활성층, 및 상기 활성층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되는 전자 차단층을 포함하며, 상기 양자 장벽층들 각각의 조성은 InxAlyGa(1-x-y)N(0.1≤x≤1, 0.1≤y≤1, 0<x+y≤1)이다.
상기 양자 장벽층들 각각의 에너지 밴드 갭은 상기 양자 우물층들의 에너지 밴드 갭보다 크고, 상기 제1 도전형 반도체층 또는 상기 제2 도전형 반도체층의 에너지 밴드 갭보다 작을 수 있다.
상기 양자 장벽층들 각각에 포함되는 알루미늄과 인듐의 함유량은 서로 동일할 수 있다. 상기 양자 장벽층들과 상기 양자 우물층들의 두께는 서로 동일할 수 있다. 상기 양자 장벽층들 각각의 조성은 InxAlyGa(1-x-y)N(x=0.3, y=0.3)일 수 있다.
상기 양자 우물층들의 조성은 InaAlbGa(1-a-b)N(0≤a≤1, 0≤b≤1)일 수 있다.
상기 양자 장벽층들 각각의 에너지 밴드 갭은 2.75eV보다 크고, 3.45eV보다 작을 수 있다.
상기 발광 소자는 상기 제1 도전형 반도체층 아래에 배치되는 기판, 상기 제2 도전형 반도체층 상에 배치되는 전도층, 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되는 제1 전극, 및 상기 전도층 상에 배치되는 제2 전극을 더 포함할 수 있다.
또는 상기 발광 소자는 상기 제2 도전형 반도체층 아래에 배치되는 오믹층, 상기 오믹층 아래에 배치되는 반사층, 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되는 제1 전극, 및 상기 발광 구조물 측면 상에 배치되는 패시베이션층을 더 포함할 수 있다.
실시 예는 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 실시 예에 따른 발광 소자의 단면도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 활성층의 에너지 밴드 갭을 나타낸다.
도 3은 InGaN 조성을 갖는 양자 우물층과 GaN 조성을 갖는 양자 장벽층을 포함하는 일반적인 활성층의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸다.
도 4는 도 3에 도시된 일반적인 활성층의 에너지 밴드의 시뮬레이션 결과를 나타내다.
도 5는 실시 예에 따른 활성층의 에너지 밴드의 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 6은 전류 주입시 활성층 내의 홀 분포를 나타낸다.
도 7은 일반적인 활성층의 발광 재결합을 나타낸다.
도 8은 실시 예에 따른 활성층의 발광 재결합을 나타낸다.
도 9는 전류 주입에 따른 발광 소자의 광출력을 나타낸다.
도 10은 전류 주입에 따른 내부 양자 효율을 나타낸다.
도 11은 알루미늄과 인듐 조성에 따른 발광 소자의 내부 양자 효율을 나타낸다.
도 12는 다른 실시 예에 따른 발광 소자를 나타낸다.
도 13은 실시 예에 따른 발광 소자 패키지를 나타낸다.
도 14는 실시 예에 따른 발광 소자 패키지를 포함하는 조명 장치의 분해 사시도이다.
도 15는 실시 예에 따른 발광 소자 패키지를 포함하는 표시 장치를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 활성층의 에너지 밴드 갭을 나타낸다.
도 3은 InGaN 조성을 갖는 양자 우물층과 GaN 조성을 갖는 양자 장벽층을 포함하는 일반적인 활성층의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸다.
도 4는 도 3에 도시된 일반적인 활성층의 에너지 밴드의 시뮬레이션 결과를 나타내다.
도 5는 실시 예에 따른 활성층의 에너지 밴드의 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 6은 전류 주입시 활성층 내의 홀 분포를 나타낸다.
도 7은 일반적인 활성층의 발광 재결합을 나타낸다.
도 8은 실시 예에 따른 활성층의 발광 재결합을 나타낸다.
도 9는 전류 주입에 따른 발광 소자의 광출력을 나타낸다.
도 10은 전류 주입에 따른 내부 양자 효율을 나타낸다.
도 11은 알루미늄과 인듐 조성에 따른 발광 소자의 내부 양자 효율을 나타낸다.
도 12는 다른 실시 예에 따른 발광 소자를 나타낸다.
도 13은 실시 예에 따른 발광 소자 패키지를 나타낸다.
도 14는 실시 예에 따른 발광 소자 패키지를 포함하는 조명 장치의 분해 사시도이다.
도 15는 실시 예에 따른 발광 소자 패키지를 포함하는 표시 장치를 나타낸다.
이하 실시 예들을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
실시 예들의 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 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 이하 첨부된 도면을 참고로 실시 예에 따른 발광 소자를 설명한다.
도 1은 실시 예에 따른 발광 소자(100)의 단면도를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 발광 소자(100)는 기판(110), 발광 구조물(120), 전도층(130), 제1 전극(142), 및 제2 전극(144)을 포함한다.
기판(110)은 발광 구조물(120)을 지지한다. 기판(110)은 사파이어 기판, 실리콘(Si) 기판, 산화아연(ZnO) 기판, 및 질화물 반도체 기판 중 어느 하나 또는 GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN 중에서 적어도 어느 하나가 적층된 템플레이트(Template) 기판일 수 있다.
발광 구조물(120)은 기판(110) 상에 배치되며, 빛을 발생시킨다.
발광 구조물(120)은 제1 도전형 반도체층(122), 활성층(124), 전자 차단층(125, Electron Blocking Layer, EBL), 및 제2 도전형 반도체층(126)이 적층된 구조일 수 있다. 또한 발광 구조물(120)은 제1 도전형 반도체층(122)의 일부를 노출하도록 제2 도전형 반도체층(126), 활성층(124) 그리고 제1 도전형 반도체층(122)의 일부가 식각될 수 있다.
격자 상수 및 열 팽창 계수의 차이를 완화시키기 위하여 기판(110)과 발광 구조물(120) 사이에는 버퍼층(미도시)이 개재될 수 있으며, 또한 제1 도전형 반도체층(122)의 결정성 향상을 위하여 언도프트 반도체층(미도시)이 개재될 수 있다.
이때 버퍼층은 저온 성장될 수 있으며, 그 물질은 GaN층 또는 AlN층일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 언도프트 반도체층은 n형 도펀트가 도핑되지 않아 제1 도전형 반도체층(122)에 비하여 낮은 전기 전도성을 갖는 것을 제외하고는 제1 도전형 반도체층(122)과 동일할 수 있다.
전도층(130)은 전반사를 감소시킬 뿐만 아니라, 투광성이 좋기 때문에 활성층(124)으로부터 제2 도전형 반도체층(126)으로 방출되는 빛의 추출 효율을 증가시킬 수 있다.
전도층(130)은 투명 전도성 산화물, 예컨대, ITO(Indium Tin Oxide), TO(Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), ITZO(Indium Tin Zinc 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 이루어질 수 있다.
제1 전극(142)은 노출되는 제1 도전형 반도체층(122) 상에 배치되며, 제2 전극(144)은 전도층(130) 상에 배치된다.
제1 도전형 반도체층(122)은 기판(110) 상에 배치되며, 질화물 반도체층일 수 있다. 예컨대, 제1 도전형 반도체층(122)은 InxAlyGa(1-x-y)N (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, Se, Te 등의 n형 도펀트가 도핑될 수 있다.
활성층(124)은 제1 도전형 반도체층(122) 상에 배치된다.
제2 도전형 반도체층(126)은 활성층(124) 상에 배치되며, 질화물 반도체층일 수 있다. 제2 도전형 반도체층(126)은 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.
전자 차단층(125)은 활성층(124)과 제2 도전형 반도체층(126) 사이에 배치되며, 제1 도전형 반도체층(122)으로부터 활성층(124)으로 주입되는 전자가 제2 도전형 반도체층으로 넘어가는(overflow) 것을 차단한다. 전자 차단층(125)은 InxAlyGa1 -x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료일 수 있다. 예컨대, 전자 차단층(125)은 AlGaN일 수 있다.
전자 차단층(125)의 에너지 밴드 갭(E3)은 양자 장벽층(B1 내지 B4)의 에너지 밴드 갭(E21 내지 E23) 및 제2 도전형 반도체층(126)의 에너지 밴드 갭(E02)보다 클 수 있다.
활성층(124)은 n형 반도체층(122)으로부터 제공되는 전자(electron)와 p형 반도체층(126)으로부터 제공되는 정공(hole)의 결합(recombination) 과정에서 발생하는 에너지에 의해 광을 생성할 수 있다.
활성층(124)은 InxAlyGa1 -x- yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 가지는 반도체 재료일 수 있으며, 활성층(124)은 1회 이상 교대로 배치되는 양자 우물층(QW1 내지 QWn, n≥1인 자연수) 및 양자 장벽층(B1 내지 Bm, m≥1인 자연수)을 포함하는 양자 우물 구조일 수 있다. 예컨대, 활성층(124)은 다중 양자 우물(MQW: Multi Quantum Well) 구조일 수 있다.
양자 우물층들(QW1 내지 QWn, n≥1인 자연수)은 제1 도전형 반도체층(122)으로부터 제2 도전형 반도체층(126) 방향으로 이격하여 배치되며, 양자 우물층(예컨대, QW1, QW2, QW3)과 양자 장벽층(예컨대, B1 내지 B4)은 서로 교대로 배치될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 활성층(124)의 에너지 밴드 갭(energy bandgap)을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 활성층(124)은 양자 우물층들(QW1 내지 QWn, n≥1이 자연수) 및 양자 장벽층들(B1 내지 Bm, m≥1인 자연수)을 포함한다. 양자 장벽층들(B1 내지 Bm, m≥1인 자연수)의 에너지 밴드 갭(E21, E22)은 양자 우물층들(QW1 내지 QWn, n≥1이 자연수)의 에너지 밴드 갭(E11,E12,E13)보다 크다. 예컨대, 양자 우물층들(QW1 내지 QWn, n≥1이 자연수) 각각의 에너지 밴드 갭은 2.75eV일 수 있다.
예컨대, 활성층(124)은 제1 내지 제3 양자 우물층들(QW1 내지 QWn, n=3) 및 제1 내지 제4 양자 장벽층들(B1 내지 Bm, m=4)을 포함할 수 있다. 제1 양자 우물층(QW1), 제2 양자 우물층(QW2), 및 제3 양자 우물층(QW3)의 순서대로 전자 주입층에 인접할 수 있다.
양자 장벽층들(B1 내지 Bm, m≥1인 자연수) 각각의 에너지 밴드 갭은 양자 우물층들(QW1 내지 QWn, n≥1이 자연수)의 에너지 밴드 갭보다 크고, 제1 도전형 반도체층(122) 또는 제2 도전형 반도체층(126)의 에너지 밴드 갭보다 작다.
예컨대, 양자 장벽층들(B1 내지 Bm, m≥1인 자연수) 각각의 에너지 밴드 갭(E21,내지 E24)은 제1 도전형 반도체층(122)의 에너지 밴드 갭(E01) 또는 제2 도전형 반도체층(126)의 에너지 밴드 갭(E02)의 5분 1보다 작을 수 있다.
예컨대, 제1 도전형 반도체층(122) 및 제2 도전형 반도체층(126)의 조성은 GaN일 수 있으며, 제1 도전형 반도체층(122) 및 제2 도전형 반도체층(126) 각각의 에너지 밴드 갭은 3.45eV일 수 있다.
예컨대, 양자 장벽층들(B1 내지 Bm, m≥1인 자연수) 각각의 에너지 밴드 갭은 양자 우물층(QW1 내지 QWn, n≥1이 자연수) 각각의 에너지 밴드 갭인 2.75eV보다 크고, 제1 도전형 반도체층(122) 및 제2 도전형 반도체층(126) 각각의 에너지 밴드 갭인 3.45eV보다 작을 수 있다.
또한 제1 양자 장벽층(B1)은 제1 도전형 반도체층(122)과 격자 상수의 차이가 크기 때문에 분극에 의한 에너지 밴드 갭의 휨 현상이 상대적으로 크게 나타날 수 있다. 또한 제4 양자 장벽층(B4)은 전자 차단층(125)과 격자 상수의 차이가 크기 때문에 분극에 의한 에너지 밴드 갭의 휨 현상이 상대적으로 크게 나타날 수 있다.
양자 장벽층들(B1 내지 Bm, m≥1인 자연수) 각각은 알루미늄(Al), 인듐(In), 갈륨(Ga), 및 질소(N)의 4개의 조성(Quaternary 조성)을 갖는 질화물 반도체일 수 있다. 양자 우물층들(QW1 내지 QWn, n=3) 각각의 조성은 InxAlyGa1 -x- yN(0≤x≤1)일 수 있다. 양자 장벽층들(B1 내지 Bm, m≥1인 자연수)의 두께와 양자 우물층들(QW1 내지 QWn, n=3)의 두께는 서로 동일할 수 있다.
예컨대, 양자 장벽층들(B1 내지 Bm, m≥1인 자연수) 각각의 조성은 InxAlyGa1-x-yN(0.1≤x≤1, 0.1≤y≤1, 0<x+y≤1)일 수 있다.
양자 장벽층들(B1 내지 Bm, m≥1인 자연수) 각각에 포함되는 알루미늄(Al)과 인듐(In)의 함유량은 서로 동일할 수 있다. 예컨대, 양자 장벽층들(B1 내지 Bm, m≥1인 자연수) 각각의 조성은 InxAlyGa1 -x- yN(x=0.1, y=0.1)일 수 있다. 또는 양자 장벽층들(B1 내지 Bm, m≥1인 자연수) 각각의 조성은 InxAlyGa1 -x- yN(x=0.3, y=0.3)일 수 있다. 그러나 실시 예는 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 실시 예에서는 양자 장벽층들(B1 내지 Bm, m≥1인 자연수) 각각에 포함되는 알루미늄(Al)과 인듐(In)의 함유량은 서로 다를 수 있다.
일반적으로 InGaN으로 이루어진 양자 우물층과 GaN으로 이루진 양자 장벽층으로 구성되는 다중 양자 우물 구조를 갖는 활성층의 에너지 밴드는 양자 우물층과 양자 장벽층의 분극 차이로 인하여 에너지 밴드가 휘어지게 된다.
도 3은 InGaN 조성을 갖는 양자 우물층과 GaN 조성을 갖는 양자 장벽층을 포함하는 일반적인 활성층(301)의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 양자 우물층(QW11 내지 QW13)과 양자 장벽층(B11 및 B12)의 분극 차이로 인하여 에너지 밴드가 휘어짐을 알 수 있다. 여기서 분극은 자발 분극(spontaneous polarization)과 압전 분극(Piezoeletric polarization)을 포함할 수 있다.
그리고 이러한 분극으로 인한 QCSE(Quantum Cofinement Stark Effect) 효과에 의하여 전자와 홀의 파동 함수(wave function)의 분리가 심해져 발광 효율을 감소시킬 수 있다. 또한 활성층으로의 홀 주입 관점에서, 양자 장벽층(B11,B12,B13)의 에너지 밴드 갭이 상대적으로 크게 되어 홀 주입 효율이 감소할 수 있다.
그러나 도 2에 도시된 바와 같이, 실시 예는 알루미늄(Al), 인듐(In), 갈륨(Ga), 및 질소(N)를 포함하도록 양자 장벽층(B1 내지 B4)을 조성하고, 인듐의 함유량(0.1≤x<1)과 알루미늄(Al)의 함유량(0.1≤y<1)을 적절히 조절하여 양자 장벽층(B1 내지 B4)의 에너지 밴드 갭을 감소시키고, 양자 장벽층(B1 내지 B4)과 양자 우물층(QW1 내지 QW3) 사이의 전하 분극 차이를 감소시켜 QCSE(Quantum Cofinement Stark Effect) 효과를 감소시킬 수 있다. 그리고 실시 예는 분극에 기인하는 QCSE 효과를 감소시킴에 따라 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
일반적인 발광 소자에서는 우물층과 장벽층의 격자상수 불일치가 크며, 이로 인해, 우물층과 장벽층 사이에 분극 전하량(polarization charge) 차이가 크기 때문에, 그 계면에서 상쇄되지 못하는 양전하(bounded positive charge)가 형성되며, 이러한 상쇄되지 못하는 양전하로 인하여 자유롭게 움직일 수 있는 전자(free mobile electron)를 그 계면에 모이게 된다.
이로 인하여 양자 장벽층의 에너지 밴드 갭이 증가하게 되고, 이는 홀 주입 측면에서 양자 장벽층의 장벽 높이가 높아지는 결과를 가져올 수 있다. 따라서, 제2 도전형 반도체층으로부터 활성층으로 주입되는 홀들이 높아진 장벽층의 장벽 높이로 인해, 제1 도전형 반도체층에 인접하는 우물층(QW11, 또는 QW12)까지 효율적으로 주입이 되지 않으며, 대부분이 제2 도전형 반도체층에 가장 인접하는 우물층(QW13)에만 주입되어 발광 효율이 감소할 수 있다(도 6 참조).
그러나 실시 예는 양자 장벽층(B1 내지 B4)과 양자 우물층(QW1 내지 QW3)과의 격자 상수의 차이가 감소하여 분극에 기인하는 QCSE 효과를 감소한다. 또한 양자 장벽층(B1 내지 B4)의 에너지 밴드 갭(E21 내지 E24)이 작기 때문에 홀이 제1 도전형 반도체층(122)에 인접하는 우물층(QW1, 또는 QW2)까지도 용이하게 이동하여 분배될 수 있다. 따라서, 실시 예는 전체 우물층 (QW1, QW2, QW3)에 균일하게 홀 주입이 이루어지게 되어 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 일반적인 활성층(301)의 에너지 밴드의 시뮬레이션 결과를 나타내고, 도 5는 실시 예에 따른 활성층(124)의 에너지 밴드의 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 양자 장벽층(B1 내지 B2)의 양자 장벽의 높이가 낮아지고, 전하 분극이 감소함을 알 수 있다. 분극 감소함에 따라 QCSE 효과를 감소하기 때문에 실시 예의 양자 장벽층(B1 내지 B4)의 에너지 밴드는 휘어짐 또는 왜곡의 정도가 거의 없음을 알 수 있다.
도 6은 전류 주입시 활성층 내의 홀 분포를 나타낸다. f1은 InGaN 조성을 갖는 양자 우물층과 GaN 조성을 갖는 양자 장벽층을 포함하는 활성층(301) 내의 홀 분포를 나타내고, g1은 실시 예에 따른 활성층(124) 내의 홀 분포를 나타낸다.
도 6을 참조하면, f1의 경우 제3 양자 우물층(QW13)으로부터 제1 양자 우물층(QW11)으로 갈수록 홀의 분포 밀도가 감소하나, g1의 경우는 제2 도전형 반도체층(126)으로부터 넘어온 홀은 제1 내지 제3 양자 우물층(QW1 내지 QW3) 각각에 거의 균일하게 분포하는 것을 알 수 있다. 결국 실시 예는 우물층들(QW1 내지 QW3)에 균일하게 홀이 분포하기 때문에 전자와의 재결합률이 증가하여 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
도 7은 일반적인 활성층(301)의 발광 재결합을 나타내고, 도 8은 실시 예에 따른 활성층(124)의 발광 재결합을 나타낸다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 일반적인 활성층(301)의 경우, 홀 주입 효율이 낮기 때문에 정공 주입층(126)에 가장 인접하는 제3 양자 우물층(QW13)에서 주로 전자 및 정공의 재결합이 발생한다. 반면에 실시 예는 홀 주입 효율의 개선과 분극 전하의 감소를 통하여 제1 내지 제3 양자 우물층(QW1 내지 QW3) 모두에서 전자 및 정공의 재결합이 발생할 수 있다. 따라서 실시 예는 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
도 9는 전류 주입에 따른 발광 소자의 광 출력을 나타내고, 도 10은 전류 주입에 따른 내부 양자 효율을 나타낸다.
f2는 일반적인 활성층(301)을 포함하는 발광 소자의 광 출력을 나타내고, g2는 실시 예에 따른 활성층(124)을 포함하는 발광 소자(100)의 광 출력을 나타내고, f3는 일반적인 활성층(301)을 포함하는 발광 소자의 내부양자효율을 나타내고, g3는 실시 예에 따른 활성층(124)을 포함하는 발광 소자(100)의 내부양자효율을 나타낸다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 실시 예는 전류 주입에 따라 광 출력 및 내부양자효율이 향상됨을 알 수 있다.
도 11은 알루미늄과 인듐 조성에 따른 발광 소자의 내부 양자 효율을 나타낸다. f4는 GaN 조성을 갖는 양자 장벽층을 포함하는 일반적인 발광 소자의 내부 양자 효율을 나타내고, g4는 InxAlyGa1 -x- yN(x=0.1, y=0.1)의 조성을 갖는 양자 장벽층을 포함하는 실시 예에 따른 발광 소자의 내부 양자 효율을 나타내고, g5는 InxAlyGa1-x-yN(x=0.3, y=0.3)의 조성을 갖는 실시 예에 따른 양자 장벽층을 포함하는 발광 소자의 내부 양자 효율을 나타낸다.
도 11을 참조하면, 실시 예에 따른 발광 소자의 경우(g4 및 g5)는 일반적인 발과 소자(f4)의 경우보다 내부 양자 효율이 크다. 그리고 실시 예는 인듐과 알루미늄의 조성을 각각 30%로 할 경우, 내부 양자 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 12는 다른 실시 예에 따른 발광 소자(200)를 나타낸다. 도 12를 참조하면, 발광 소자(200)는 제2 전극층(205), 보호층(235), 발광 구조물(120), 패시베이션층(250), 및 제1 전극(260)을 포함한다.
제2 전극층(205)은 지지 기판(210), 접합층(215), 배리어층(barrier layer, 220), 반사층(225), 및 오믹층(230)을 포함한다. 지지 기판(210)은 발광 구조물(120)을 지지하며, 제1 전극(260)과 함께 발광 구조물(120)에 전원을 제공한다. 지지 기판(210)은 전도성 물질로 형성할 수 있으며, 예를 들어, 구리(Cu), 금(Au), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 구리-텅스텐(Cu-W), 캐리어 웨이퍼(예를 들어, Si, Ge, GaAs, ZnO, SiC) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
배리어층(220)은 지지 기판(210) 상에 배치되며, 지지 기판(110)의 금속 이온이 반사층(225)과 오믹층(230)으로 확산하는 것을 차단한다. 예컨대, 배리어층(220)은 Ni, Pt, Ti, W, V, Fe, Mo 중 적어도 하나를 포함하며, 단일층(single layer) 또는 멀티층(multilayer)일 수 있다.
접합층(215)은 지지 기판(210)과 배리어층(220) 사이에 배치된다. 접합층(215)은 본딩층으로서, 반사층(225)과 오믹층(230)이 지지 기판(210)에 접합될 수 있도록 한다. 접합층(215)은 본딩 금속, 예를 들어, Ti, Au, Sn, Ni, Cr, Ga, In, Bi, Cu, Ag 또는 Ta 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
반사층(225)은 배리어층(220) 상에 배치된다. 반사층(225)은 발광 구조물(120)로부터 입사되는 광을 반사시켜 주어, 광 추출 효율을 개선시켜 줄 수 있다. 반사층(225)은 반사 물질, 예를 들어, Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 중 적어도 하나를 포함하는 금속 또는 합금으로 형성될 수 있다. 또한 반사층(225)은 금속 또는 합금과 IZO, IZTO, IAZO, IGZO, IGTO, AZO, ATO 등의 투광성 전도성 물질을 이용하여 다층으로 형성할 수 있다. 예를 들어, 반사층(225)은 IZO/Ni, AZO/Ag, IZO/Ag/Ni, AZO/Ag/Ni 등으로 형성할 수 있다.
오믹층(230)은 반사층(225) 상에 배치된다. 오믹층(230)은 발광 구조물(120)의 제2 도전형 반도체층(126)에 오믹 접촉되어 발광 구조물(120)에 전원이 원활히 공급되도록 한다. 오믹층(230)은 투광성 전도층과 금속을 선택적으로 사용할 수 있다. 예컨대, 오믹층(230)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), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni, Ag, Ni/IrOx/Au, 및 Ni/IrOx/Au/ITO 중 하나 이상을 이용하여 단층 또는 다층으로 구현할 수 있다.
보호층(235)은 제2 전극층(205) 상에 배치된다. 보호층(235)은 발광 구조물(120)과 배리어층(220) 사이의 계면이 박리되어 발광 소자(200)의 신뢰성이 저하되는 현상을 감소시킬 수 있다. 보호층(235)은 전도성을 갖는 물질 또는 비전도성을 갖는 물질일 수 있다. 예컨대, 전도성 보호층은 투명 전도성 산화막으로 형성되거나 금속 물질, 예컨대, Ti, Ni, Pt, Pd, Rh, Ir, W 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한 비전도성 보호층은 반사층(225) 또는 오믹층(230)보다 전기 전도성이 낮은 물질, 제2 도전형의 반도체층(126)과 쇼트키 접촉을 형성하는 물질, 또는 전기 절연성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 비전도성 보호층은 ZnO 또는 SiO2로 형성될 수 있다.
발광 구조물(120)은 제2 전극층(205) 상에 배치된다. 발광 구조물은 도 1에서 설명한 바와 동일할 수 있으며, 중복을 피하기 위하여 설명을 생략한다.
패시베이션층(250)은 발광 구조물(120)을 전기적으로 보호하기 위하여 발광 구조물(120)의 측면 상에 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 패시베이션층(250)은 절연 물질, 예컨대, SiO2, SiOx, SiOxNy, Si3N4, Al2O3 로 형성될 수 있다. 제1 도전형의 반도체층(122)의 상면은 광 추출 효율을 증가시키기 위해 러프니스(미도시)가 형성될 수 있다. 제1 전극(260)은 발광 구조물(120) 상면에 배치된다.
도 13은 실시 예에 따른 발광 소자 패키지를 나타낸다. 도 13을 참조하면, 발광 소자 패키지는 패키지 몸체(510), 제1 금속층(512), 제2 금속층(514), 발광 소자(520), 반사판(525), 와이어(530), 및 수지층(540)을 포함한다.
패키지 몸체(510)는 일측 영역에 측면 및 바닥으로 이루어지는 캐비티(cavity)가 형성된 구조이다. 이때 캐비티의 측벽은 경사지게 형성될 수 있다. 패키지 몸체(510)는 실리콘 기반의 웨이퍼 레벨 패키지(wafer level package), 실리콘 기판, 실리콘 카바이드(SiC), 질화알루미늄(aluminum nitride, AlN) 등과 같이 절연성 또는 열전도도가 좋은 기판으로 형성될 수 있으며, 복수 개의 기판이 적층되는 구조일 수 있다. 실시 예는 상술한 몸체의 재질, 구조, 및 형상으로 한정되지 않는다.
제1 금속층(512) 및 제2 금속층(514)은 열 배출이나 발광 소자의 장착을 고려하여 서로 전기적으로 분리되도록 패키지 몸체(510)의 표면에 배치된다. 발광 소자(520)는 제1 금속층(512) 및 제2 금속층(514)과 전기적으로 연결된다. 이때 발광 소자(520)는 도 1 및 도 12에 도시된 발광 소자(100 또는 200)일 수 있다.
반사판(525)은 발광 소자(520)에서 방출된 빛을 소정의 방향으로 지향하도록 패키지 몸체(510)의 캐비티 측벽에 형성된다. 반사판(525)은 광반사 물질로 이루어지며, 예컨대, 금속 코팅이거나 금속 박편일 수 있다.
수지층(540)은 패키지 몸체(510)의 캐비티 내에 위치하는 발광 소자(520)를 포위하여 발광 소자(520)를 외부 환경으로부터 보호한다. 수지층(540)은 에폭시 또는 실리콘과 같은 무색 투명한 고분자 수지 재질로 이루어진다. 수지층(540)은 발광 소자(520)에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있도록 형광체가 포함될 수 있다. 발광 소자 패키지는 상기에 개시된 실시 예에 따른 발과 소자들 중 적어도 하나를 탑재할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
실시 예에 따른 발광 소자 패키지는 복수 개가 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 백라이트 유닛으로 기능할 수 있다.
또 다른 실시 예는 상술한 실시 예들에 기재된 발광 소자 또는 발광 소자 패키지를 포함하는 표시 장치, 지시 장치, 조명 시스템으로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 조명 시스템은 램프, 가로등을 포함할 수 있다.
도 14는 실시 예에 따른 발광 소자 패키지를 포함하는 조명 장치의 분해 사시도이다. 도 14를 참조하면, 실시 예에 따른 조명 장치는 광을 투사하는 광원(750)과 광원(750)이 내장되는 하우징(700)과 광원(750)의 열을 방출하는 방열부(740) 및 광원(750)과 방열부(740)를 하우징(700)에 결합하는 홀더(760)를 포함한다.
하우징(700)은 전기 소켓(미도시)에 결합되는 소켓 결합부(710)와, 소켓 결합부(710)와 연결되고 광원(750)이 내장되는 몸체부(730)를 포함한다. 몸체부(730)에는 하나의 공기 유동구(720)가 관통하여 형성될 수 있다.
하우징(700)의 몸체부(730) 상에 복수 개의 공기 유동구(720)가 구비되며, 공기 유동구(720)는 하나이거나, 복수 개일 수 있다. 공기 유동구(720)는 몸체부(730)에 방사상으로 배치되거나 다양한 형태로 배치될 수 있다.
광원(750)은 기판(754) 상에 구비되는 복수 개의 발광 소자 패키지(752)를 포함한다. 기판(754)은 하우징(700)의 개구부에 삽입될 수 있는 형상일 수 있으며, 후술하는 바와 같이 방열부(740)로 열을 전달하기 위하여 열전도율이 높은 물질로 이루어질 수 있다. 복수 개의 발광 소자 패키지는 상술한 실시 예일 수 있다.
광원(750)의 하부에는 홀더(760)가 구비되며, 홀더(760)는 프레임 및 다른 공기 유동구를 포함할 수 있다. 또한, 도시되지는 않았으나 광원(750)의 하부에는 광학 부재가 구비되어 광원(750)의 발광 소자 패키지(752)에서 투사되는 빛을 확산, 산란 또는 수렴시킬 수 있다.
도 15는 실시 예에 따른 발광 소자 패키지를 포함하는 표시 장치를 나타낸다. 도 15를 참조하면, 표시 장치(800)는 바텀 커버(810)와, 바텀 커버(810) 상에 배치되는 반사판(820)과, 광을 방출하는 발광 모듈(830, 835)과, 반사판(820)의 전방에 배치되며 상기 발광 모듈(830,835)에서 발산되는 빛을 표시 장치 전방으로 안내하는 도광판(840)과, 도광판(840)의 전방에 배치되는 프리즘 시트들(850,860)을 포함하는 광학 시트와, 광학 시트 전방에 배치되는 디스플레이 패널(870)과, 디스플레이 패널(870)과 연결되고 디스플레이 패널(870)에 화상 신호를 공급하는 화상 신호 출력 회로(872)와, 디스플레이 패널(870)의 전방에 배치되는 컬러 필터(880)를 포함할 수 있다. 여기서 바텀 커버(810), 반사판(820), 발광 모듈(830,835), 도광판(840), 및 광학 시트는 백라이트 유닛(Backlight Unit)을 이룰 수 있다.
발광 모듈은 기판(830) 상의 발광 소자 패키지(835)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 기판(830)은 PCB 등이 사용될 수 있다. 발광 소자 패키지(835)는 실시 예에 따른 발광 소자 패키지일 수 있다.
바텀 커버(810)는 표시 장치(800) 내의 구성 요소들을 수납할 수 있다. 그리고, 반사판(820)은 본 도면처럼 별도의 구성요소로 마련될 수도 있으며, 도광판(840)의 후면이나, 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.
그리고, 도광판(830)은 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate; PMMA), 폴리카보네이트(PolyCarbonate; PC), 또는 폴리에틸렌(PolyEthylene; PE) 등으로 형성될 수 있다.
그리고, 제1 프리즘 시트(850)는 지지 필름의 일면에, 투광성이면서 탄성을 갖는 중합체 재료로 형성될 수 있으며, 중합체는 복수 개의 입체구조가 반복적으로 형성된 프리즘층을 가질 수 있다. 여기서, 복수 개의 패턴은 도시된 바와 같이 마루와 골이 반복적으로 스트라이프 타입으로 구비될 수 있다.
그리고, 제2 프리즘 시트(860)에서 지지 필름 일면의 마루와 골의 방향은, 제1 프리즘 시트(850) 내의 지지필름 일면의 마루와 골의 방향과 수직할 수 있다. 이는 발광 모듈과 반사 시트로부터 전달된 빛을 디스플레이 패널(1870)의 전면으로 고르게 분산하기 위함이다.
그리고, 도시되지는 않았으나, 도광판(840)과 제1 프리즘 시트(850) 사이에 확산 시트가 배치될 수 있다. 확산 시트는 폴리에스터와 폴리카보네이트 계열의 재료로 이루어질 수 있으며, 백라이트 유닛으로부터 입사된 빛을 굴절과 산란을 통하여 광 투사각을 최대로 넓힐 수 있다. 그리고, 확산 시트는 광확산제를 포함하는 지지층과, 광출사면(제1 프리즘 시트 방향)과 광입사면(반사시트 방향)에 형성되며 광확산제를 포함하지 않는 제1 레이어와 제2 레이어를 포함할 수 있다.
실시 예에서 확산 시트, 제1 프리즘시트(850), 및 제2 프리즘시트(1860)가 광학 시트를 이루는데, 광학 시트는 다른 조합 예를 들어, 마이크로 렌즈 어레이로 이루어지거나 확산 시트와 마이크로 렌즈 어레이의 조합 또는 하나의 프리즘 시트와 마이크로 렌즈 어레이의 조합 등으로 이루어질 수 있다.
디스플레이 패널(870)은 액정 표시 패널(Liquid crystal display)가 배치될 수 있는데, 액정 표시 패널(860) 외에 광원을 필요로 하는 다른 종류의 표시 장치가 구비될 수 있다.
또한, 이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다.
110,210: 기판 120: 발광 구조물
122: 제1 도전형 반도체층 124: 활성층
126: 제2 도전형 반도체층 130 : 전도층
130,260: 제1 전극 140 : 제2 전극
205: 제2 전극층 215: 접합층
220: 배리어층 225: 반사층
230: 오믹층 235: 보호층
250: 패시베이션층 QW1 내지 QW3: 양자 우물층들
B1 내지 B2: 양자 장벽층들.
122: 제1 도전형 반도체층 124: 활성층
126: 제2 도전형 반도체층 130 : 전도층
130,260: 제1 전극 140 : 제2 전극
205: 제2 전극층 215: 접합층
220: 배리어층 225: 반사층
230: 오믹층 235: 보호층
250: 패시베이션층 QW1 내지 QW3: 양자 우물층들
B1 내지 B2: 양자 장벽층들.
Claims (9)
- 제1 도전형 반도체층;
상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되는 제2 도전형 반도체층;
상기 제1 도전형 반도체층 및 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되고, 양자 우물층들 및 양자 장벽층들을 포함하는 활성층; 및
상기 활성층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되는 전자 차단층을 포함하며,
상기 양자 장벽층들 각각의 조성은 InxAlyGa(1-x-y)N(0.1≤x≤1, 0.1≤y≤1, 0<x+y≤1)인 발광 소자. - 제1항에 있어서,
상기 양자 장벽층들 각각의 에너지 밴드 갭은 상기 양자 우물층들의 에너지 밴드 갭보다 크고, 상기 제1 도전형 반도체층 또는 상기 제2 도전형 반도체층의 에너지 밴드 갭보다 작은 발광 소자. - 제1항에 있어서,
상기 양자 장벽층들 각각에 포함되는 알루미늄과 인듐의 함유량은 서로 동일한 발광 소자. - 제1항에 있어서,
상기 양자 장벽층들과 상기 양자 우물층들의 두께는 서로 동일한 발광 소자. - 제3항에 있어서,
상기 양자 장벽층들 각각의 조성은 InxAlyGa(1-x-y)N(x=0.3, y=0.3)인 발광 소자. - 제1항에 있어서,
상기 양자 우물층들의 조성은 InaAlbGa(1-a-b)N(0≤a≤1, 0≤b≤1)인 발광 소자. - 제1항에 있어서,
상기 양자 장벽층들 각각의 에너지 밴드 갭은 2.75eV보다 크고, 3.45eV보다 작은 발광 소자. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 도전형 반도체층 아래에 배치되는 기판;
상기 제2 도전형 반도체층 상에 배치되는 전도층;
상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되는 제1 전극; 및
상기 전도층 상에 배치되는 제2 전극을 더 포함하는 발광 소자. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제2 도전형 반도체층 아래에 배치되는 오믹층;
상기 오믹층 아래에 배치되는 반사층;
상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되는 제1 전극; 및
상기 발광 구조물 측면 상에 배치되는 패시베이션층을 더 포함하는 발광 소자.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020110131815A KR20130065096A (ko) | 2011-12-09 | 2011-12-09 | 발광 소자 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020110131815A KR20130065096A (ko) | 2011-12-09 | 2011-12-09 | 발광 소자 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| KR20130065096A true KR20130065096A (ko) | 2013-06-19 |
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ID=48861810
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| KR1020110131815A KR20130065096A (ko) | 2011-12-09 | 2011-12-09 | 발광 소자 |
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| KR (1) | KR20130065096A (ko) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20180044496A (ko) | 2016-10-21 | 2018-05-03 | 현대자동차주식회사 | 스티어링 휠 냉각 시스템 |
| US10864797B2 (en) | 2016-11-23 | 2020-12-15 | Hyundai Motor Company | Air conditioning apparatus for vehicle |
| US20210343898A1 (en) * | 2017-10-25 | 2021-11-04 | Sensor Electronic Technology, Inc. | Semiconductor Heterostructure with Improved Light Emission |
-
2011
- 2011-12-09 KR KR1020110131815A patent/KR20130065096A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (4)
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|---|---|---|---|---|
| KR20180044496A (ko) | 2016-10-21 | 2018-05-03 | 현대자동차주식회사 | 스티어링 휠 냉각 시스템 |
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| US20210343898A1 (en) * | 2017-10-25 | 2021-11-04 | Sensor Electronic Technology, Inc. | Semiconductor Heterostructure with Improved Light Emission |
| US20210343899A1 (en) * | 2017-10-25 | 2021-11-04 | Sensor Electronic Technology, Inc. | Semiconductor Heterostructure with Improved Light Emission |
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