KR20130089343A - 발광소자 및 발광소자의 제조방법 - Google Patents

발광소자 및 발광소자의 제조방법 Download PDF

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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 우물층 및 장벽층을 포함하는 활성층; 상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층;을 포함하며, 상기 우물층은 상기 제1 도전형 반도체층에 가장 인접하며 제1 에너지 밴드갭을 가지는 제1 우물층; 상기 제2 도전형 반도체층에 가장 인접하며 제3 에너지 밴드갭을 가지는 제3 우물층; 및 상기 제1 우물층과 상기 제3 우물층 사이에 위치하며 제2 에너지 밴드갭을 가지는 제2 우물층;을 포함하고, 상기 제3 우물층의 제3 에너지 밴드갭은 상기 제2 우물층의 제2 에너지 밴드갭보다 클 수 있다.

Description

발광소자 및 발광소자의 제조방법{LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
실시예는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템에 관한 것이다.
발광소자(Light Emitting Device, LED)는 전기에너지를 빛 에너지로 변환하는 화합물 반도체 소자로서, 화합물 반도체의 조성비를 조절함으로써 다양한 색상구현이 가능하다.
예를 들어, 질화물 반도체 발광소자는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭 에너지에 의해 광소자 및 고출력 전자소자 개발 분야에서 큰 관심을 받고 있다. 특히, 질화물 반도체를 이용한 청색(Blue) 발광소자, 녹색(Green) 발광소자, 자외선(UV) 발광소자 등은 상용화되어 널리 사용되고 있다.
또한, 질화물반도체 발광소자는 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경친화성의 장점을 갖고 있다. 따라서, 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.
질화물반도체 발광소자의 응용범위 확대는 근본적으로 발광소자의 고효율화 기술개발을 요구한다.
종래기술에 의한 발광소자는 순방향전압 인가 시 n-형 GaN 기반의 전자주입층으로부터 주입되는 전자와 P-형 GaN기반의 정공주입층에서 주입되는 정공(hole)이 결합하여 전도대(Conduction band)와 가전대(Valance band)의 에너지 갭에 해당하는 만큼의 에너지를 발산하는데, 이 에너지는 주로 열이나 빛의 형태로 방출되며, 빛의 형태로 발산되면 발광소자가 되는 것이다.
종래기술에 의하면 정공(Hole)이 전자(Electron)에 비해 큰 유효질량을 가짐으로 인해 정공의 이동도(mobility)가 전자(Electron)의 이동도에 비해 현저히 낮다.
또한, 종래기술에 의하면 전자에 비해 활성화되는 정공의 농도가 낮다.
이에 따라 종래기술에 의하면 P-GaN과 인접한 우물층에 국한되어 발광이 일어남으로써 발광효율이 낮아 광특성이 저하되는 문제가 있다.
또한, 종래기술에 의하면 P-GaN과 인접한 활성층의 우물층 외의 다른 우물층에서는 캐리어의 분산(distribution)이 낮아 정공과 전자의 재결합에 의한 광도 기여율이 낮은 문제가 있다.
실시예는 광도를 향상시킬 수 있는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 발광되는 빛의 파장변화를 최소화하면서 광도를 개선할 수 있는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 발광소자는 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 우물층 및 장벽층을 포함하는 활성층; 상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층;을 포함하며, 상기 우물층은 상기 제1 도전형 반도체층에 가장 인접하며 제1 에너지 밴드갭을 가지는 제1 우물층; 상기 제2 도전형 반도체층에 가장 인접하며 제3 에너지 밴드갭을 가지는 제3 우물층; 및 상기 제1 우물층과 상기 제3 우물층 사이에 위치하며 제2 에너지 밴드갭을 가지는 제2 우물층;을 포함하고, 상기 제3 우물층의 제3 에너지 밴드갭은 상기 제2 우물층의 제2 에너지 밴드갭보다 클 수 있다.
또한, 실시예에 따른 발광소자의 제조방법은 제1 도전형 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계; 및 상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 활성층을 형성하는 단계는, 상기 제1 도전형 반도체층에 가장 인접하며 제1 에너지 밴드갭을 가지는 제1 우물층을 형성하는 단계; 상기 제2 도전형 반도체층에 가장 인접하며 제3 에너지 밴드갭을 가지는 제3 우물층을 형성하는 단계; 및 상기 제1 우물층과 상기 제3 우물층 사이에 위치하며 제2 에너지 밴드갭을 가지는 제2 우물층을 형성하는 단계;포함하고, 상기 제2 우물층 형성 단계는 제3 성장 온도(C3)를 갖고, 상기 제3 우물층 형성 단계는 제4 성장 온도(C4)를 가지며, 상기 제4 성장 온도(C4)는 상기 제3 성장 온도(C3)보다 높을 수 있다.
실시예는 활성층에 주입되는 캐리어의 총량을 증대시켜 광도를 향상시킬 수 있는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
또한, 실시예는 활성층에 주입된 캐리어의 분산(distribution)을 증가시켜 광도를 증가시킬 수 있는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
또한, 실시예는 발광되는 빛의 파장변화를 최소화하면서 광도를 개선할 수 있는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
또한, 실시예는 P형 반도체층 또는 N형 반도체층에 가장 인접한 우물층의 성장 온도가 높게 형성됨으로써, 캐리어(정공과 전자)의 재결합률이 향상되고 박막특성이 개선된 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 발광소자의 단면도.
도 2는 실시예에 따른 발광소자의 부분 단면도,
도 3은 제1 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면,
도 4는 제1 실시예에 따른 발광소자의 성장온도를 시간에 따라 나타낸 도면,
도 5a는 제1 실시예에 따른 발광소자의 출력 변화를 나타낸 도면,
도 5b는 제1 실시예에 따른 발광소자의 동작전압의 변화를 나타낸 도면,
도 5c는 제1 실시예에 따른 발광소자의 역방향 전압의 변화를 나타낸 도면,
도 5d는 제1 실시예에 따른 발광소자의 내부발광효율의 변화를 나타낸 도면,
도 6은 제2 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면,
도 7은 제2 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 다른 도면,
도 8은 제2 실시예에 따른 발광소자의 성장온도를 시간에 따라 나타낸 도면,
도 9는 제2 실시예에 따른 발광소자의 출력 변화를 나타낸 도면,
도 10은 제3 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면,
도 11a는 제3 실시예에 따른 발광소자의 광학 특성에 대한 예시도.
도 11b는 제3 실시예에 따른 발광소자의 광학 특성에 대한 다른 예시도.
도 12는 제4 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면,
도 13은 제5 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면,
도 14는 다른 실시예에 따른 발광소자의 단면도.
도 15는 실시예에 따른 발광소자 패키지의 단면도.
도 16은 실시예에 따른 조명 유닛의 사시도.
도 17은 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)
종래 다중우물층구조 기반의 질화물반도체 발광소자 제조기술은 주입전류가 증가함에 따라서 내부양자효율이 저하되는 Droop 현상이 발생한다.
종래의 질화물반도체 다중우물층구조 활성층에서, n-형 GaN 기반의 전자주입층으로부터 주입되는 전자는 우물층 전도대(conduction band) 위에 형성되어 있는 양자화 에너지준위들에 위치하게 되고, P-형 GaN기반의 정공주입층에서 주입되는 정공은 우물층 가전대(valence band) 아래에 형성되어 있는 양자화 에너지준위들에 위치하게 된다.
우물층내의 그라운드 상태(ground state) 양자화 에너지준위들에 각각 위치한 전자와 정공들은 양자역학적 결합조건이 만족되면 서로 결합하여 빛을 방출한다.
그런데, 하나의 우물층 내에서 에너지 상태가 가장 낮은 그라운드 상태(ground state) (quantum number, n=1)의 양자화 에너지준위는 양자역학적으로 일정량의 전자 혹은 정공만을 보유할 수 있다. 또한, 더 높은 양자화 에너지 준위(higher quantum number of quantized energy level)에 위치하게 되는 전자와 정공은 그 에너지 상태가 그라운드 상태에 위치하고 있는 전자와 정공 대비 높다.
따라서, 주입되는 전자 혹은 정공 수량이 충분히 많을 경우, 하나의 우물층 내에서 높은 양자화 에너지준위에 위치하고 있는 캐리어(전자 및 정공)들은 이웃하고 있는 다른 우물층내의 그라운드 상태로 이동하여 발광에 참여하게 된다.
그런데, 종래의 다중우물층구조 활성층(발광층)을 구비하는 질화물반도체 발광소자에서는, 활성층내의 모든 우물층층들이 주입된 캐리어들을 균일하게 분산하여 수용하지 못하고, 정공주입층인 p-GaN에 인접한 소수의 우물층층만이 주로 발광에 기여하는 문제점이 있다. 따라서, 주입전류량이 충분히 많을 경우, 활성층내에 효과적으로 속박되지 않는 잉여의 전자 혹은 정공들이 발생하게 된다.
이러한 잉여의 전자 혹은 정공들은 빛을 발생시키는 데 참여하지 않고 활성층내에서 비발광 프로세스(nonradiative recombination process)에 의해 자체 소멸되거나 혹은 활성층 외부로 누설된다.
종래의 질화물반도체 발광소자는 물질 본연의 극성(polar property)에 기인하여 본질적으로 활성층 내부에 매우 큰 내부필드(internal field)가 존재하고 또한, 활성층에 주입되는 전자가 핫 캐리어 성질(hot carrier property)을 갖고 있기 때문에 심각한 캐리어오버플로우(carrier overflow) 문제점을 갖는다.
결국, 주입되는 전류가 증가하게 되면 전자와 정공의 비발광 손실이 증가하게 되어 활성층의 발광효율, 예를 들어 내부양자효율(internal quantum efficiency)이 심각하게 감소하게 된다.
종래의 다중우물층구조 활성층 기반의 질화물반도체 발광소자에 있어서, 상술한 바와 같은, 고 전류 인가 시 발생하는 발광효율감소 문제는 고출력 조명용 발광소자 구현에 있어서 중요한 기술적 문제 중의 하나이다.
한편, 종래기술에 의하면 정공(Hole)의 이동도(mobility)가 전자(Electron)의 이동도에 비해 현저히 낮음으로써 P-GaN과 인접한 활성층의 우물층에 국한되어 발광이 일어남으로써 발광효율이 낮아 광특성이 저하되는 문제가 있다.
이에 따라 실시예는 광도를 향상시킬 수 있는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 발광되는 빛의 파장변화를 최소화하면서 광도를 개선할 수 있는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공하고자 한다.
도 1은 실시예에 따른 발광소자(100)의 단면도이며, 도 2는 실시예에 따른 발광소자의 부분(A) 확대 단면도이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 발광소자(100)는 지지부재(110), 지지부재(110) 상에 배치되는 발광구조물(160)을 포함할 수 있으며, 발광구조물(160)은 제1 도전형 반도체층(120), 활성층(130), 중간층(140), 및 제2 도전형 반도체층(150)을 포함할 수 있다.
상기 지지부재(110)는 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함하며, 예컨대 상기 지지부재(110)는 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, and Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 상기 지지부재(110)의 굴절율은 광 추출 효율을 위해 제1 도전형 반도체층(120)의 굴절율보다 작을 수 있다.
한편, 상기 지지부재(110)의 상측 면에는 광 추출 효율을 높이기 위해 PSS(PSS : Patterned SubStrate) 구조를 구비할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예는 지지부재(110) 상에 지지부재(110)와 제1 도전형 반도체층(120) 사이의 격자 부정합을 완화하고 반도체층이 용이하게 성장될 수 있도록 하는 버퍼층(미도시)이 위치할 수 있다. 상기 버퍼층(미도시)은 저온 분위기에서 형성할 수 있으며, 반도체층과 지지부재와의 격자상수 차이를 완화시켜 줄 수 있는 물질로 이루어 질 수 있다. 예를 들어, 상기 버퍼층은 GaN, InN, AlN, AlInN, InGaN, AlGaN, 및 InAlGaN 과 같은 재질 중 선택할 수 있으며 이에 한정되지 않는다.
상기 버퍼층(미도시)은 지지부재(110)상에 단결정으로 성장할 수 있으며, 단결정으로 성장한 버퍼층은 버퍼층상에 성장하는 제1 도전형 반도체층(120)의 결정성을 향상시킬 수 있다.
상기 버퍼층 상에는 제1 도전형 반도체층(120), 활성층(130), 및 제2 도전형 반도체층(150)을 포함한 발광 구조물(160)이 형성될 수 있다.
상기 버퍼층 상에는 제1 도전형 반도체층(120)이 위치할 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(120)은 n형 반도체층으로 구현될 수 있으며, 활성층(130)에 캐리어, 예를 들어 전자를 제공할 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(120)은 예를 들어, 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 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 제1 도전형 반도체층(120) 아래에 언도프트 반도체층(미도시)을 더 포함할 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 언도프트 반도체층은 제1 도전형 반도체층(120)의 결정성 향상을 위해 형성되는 층으로, n형 도펀트가 도핑되지 않아 제1 도전형 반도체층(120)에 비해 낮은 전기전도성을 갖는 것을 제외하고는 제1 도전형 반도체층(120)과 같을 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(120) 상에는 활성층(130)이 형성될 수 있다. 상기 활성층(130)은 3족-5족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 단일 또는 다중 양자 우물 구조, 양자 선(Quantum-Wire) 구조, 또는 양자 점(Quantum Dot) 구조 등으로 형성될 수 있다.
상기 활성층(130)이 우물층구조로 형성된 경우 예컨데, InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 우물층과 InaAlbGa1 -a- bN (0≤a≤1, 0≤b≤1, 0≤a+b≤1)의 조성식을 갖는 장벽층을 갖는 단일 또는 다중 우물층구조를 갖을 수 있다. 상기 우물층은 상기 장벽층의 에느지 밴드 갭보다 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 활성층(130)이 다중 우물층구조를 가질 경우, 각각의 우물층은 서로 상이한 In 함유량 및 서로 상이한 에너지 밴드갭을 가질 수 있으며, 이에 대해서는 도 2 내지 도 3을 참조하여 후술한다.
상기 활성층(130)의 위 또는/및 아래에는 도전성 클래드층(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 도전성 클래드층(미도시)은 AlGaN계 반도체로 형성될 수 있으며, 상기 활성층(130)의 에너지 밴드 갭보다는 큰 에너지 밴드 갭을 가질 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(150)은 활성층(130)에 정공을 주입하도록 p형 반도체층으로 구현될 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(150)은 예를 들어, 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 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 활성층(130)과 상기 제2 도전형 반도체층(150) 사이에 중간층(140)이 형성될 수 있으며, 상기 중간층(140)은 고 전류 인가시 상기 제1 도전형 반도체층(120)으로부터 상기 활성층(130)으로 주입되는 캐리어, 예를 들어 전자가 상기 활성층(130)에서 재결합되지 않고 상기 제2 도전형 반도체층(150)으로 흐르는 현상을 방지하는 전자 차단층(Electron blocking layer)일 수 있다.
상기 중간층(140)은 상기 활성층(130)보다 상대적으로 큰 에너지 밴드갭을 가짐으로써, 상기 제1 도전형 반도체층(130)으로부터 주입된 전자가 상기 활성층(130)에서 재결합되지 않고 상기 제2 도전형 반도체층(150)으로 주입되는 현상을 방지할 수 있다. 이에 따라 상기 중간층(140)은 상기 활성층(140)에서 전자와 정공의 재결합 확률을 높이고 누설전류를 방지할 수 있다.
한편, 상술한 상기 중간층(140)은 상기 활성층(130)에 포함된 장벽층의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지 밴드갭을 가질 수 있으며, 예를 들어, AlGaN과 같은 Al 을 포함한 반도체층으로 형성될 수 있으나 이에 한정하지 아니한다.
상술한 상기 제1 도전형 반도체층(120), 상기 활성층(130) , 상기 중간층(140) 및 상기 제2 도전형 반도체층(150)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), 스퍼터링(Sputtering) 등의 방법을 이용하여 형성될 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다.
또한, 상기 제1 도전형 반도체층(120) 및 상기 제2 도전형 반도체층(150) 내의 도전형 도펀트의 도핑 농도는 균일 또는 불균일하게 형성될 수 있다. 즉, 복수의 반도체층은 다양한 도핑 농도 분포를 갖도록 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
한편 앞서 기술한 바와 달리, 상기 제1 도전형 반도체층(120)이 p형 반도체층으로 구현되고, 상기 제2 도전형 반도체층(150)이 n형 반도체층으로 구현될 수 있으며, 상기 제2 도전형 반도체층(150) 상에는 n형 또는 p형 반도체층을 포함하는 제3 반도체층(미도시)이 형성될 수도 있다. 이에 따라, 발광 소자(100)는 np, pn, npn, pnp 접합 구조 중 적어도 어느 하나를 가질 수 있다.
한편, 상기 활성층(130)과 상기 제2 도전형 반도체층(150)은 일부가 제거되어 상기 제1 도전형 반도체층(120)의 일부가 노출될 수 있고, 노출된 제1 도전형 반도체층(120) 상에는 제1 전극(174)이 형성될 수 있다. 즉, 상기 제1 도전형 반도체층(120)은 상기 활성층(130)을 향하는 상면과 상기 지지부재(110)을 향하는 하면을 포함하고, 상면은 적어도 일 영역이 노출된 영역을 포함하며, 상기 제1 전극(174)은 상면의 노출된 영역상에 배치될 수 있다.
한편, 상기 제1 도전형 반도체층(120)의 일부가 노출되게 하는 방법은 소정의 식각 방법을 사용할 수 있으며, 이에 한정하지 아니한다. 또한, 식각방법은 습식 식각, 건식 식각방법을 사용할 수 있다.
또한, 상기 제2 도전형 반도체층(150) 상에는 제2 전극(172)이 형성될 수 있다.
한편, 상기 제1 전극(174) 및 2 전극(172)은 전도성 물질, 예를 들어 In, Co, Si, Ge, Au, Pd, Pt, Ru, Re, Mg, Zn, Hf, Ta, Rh, Ir, W, Ti, Ag, Cr, Mo, Nb, Al, Ni, Cu, 및 WTi 중에서 선택된 금속을 포함할 수 있으며, 또는 이들의 합금을 포함할 수 있고, 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며 이에 한정하지 아니한다.
도 2는 도 1의 A 영역을 확대 도시한 확대 단면도이다.
도 2를 참조하면, 발광소자(100)의 활성층(130)은 다중 우물층 구조를 가질 수 있으며, 따라서 상기 활성층(130)은 우물층(Q) 및 장벽층(B)을 포함할 수 있고(도 3 참조), 상기 우물층(Q)은 제1 우물층(Q1), 제2 우물층(Q2) 및 제3 우물층(Q3)을 포함할 수 있고, 상기 장벽층(B)은 제1 장벽층(B1), 제2 장벽층(B2) 및 제3 장벽층(B3)을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 제1 우물층 내지 제3 우물층(Q1, Q2, Q3) 및 제1 장벽층 내지 제3 장벽층(B1, B2, B3)은 도 2에 도시된 바와 같이 서로 교대로 적층되는 구조를 가질 수 있다.
한편, 도 2에서는 각각 제1 우물층 내지 제3 우물층(Q1, Q2, Q3) 및 제1 장벽층 내지 제3 장벽층(B1, B2, B3,)이 형성되고, 제1 장벽층 내지 제3 장벽층(B1, B2, B3)과 제1 우물층 내지 제3 우물층(Q1, Q2, Q3)이 교대로 적층되게 형성되도록 도시되었으나, 이에 한정하지 아니하며, 우물층(Q) 및 장벽층(B)은 임의의 수를 갖도록 형성될 수 있으며, 배치 또한 임의의 배치를 가질 수 있다. 아울러, 상술한 바와 같이 각각의 우물층(Q), 및 각각의 장벽층(B)을 형성하는 재질의 조성비 및 에너지 밴드갭, 및 두께는 서로 상이할 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이 한정하지 아니한다.
(제1 실시예)
도 3은 제1 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램(101)을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 제3 우물층(Q3)의 에너지 밴드갭은 제1 우물층(Q1) 및 제2 우물층(Q2)의 에너지 밴드갭보다 크게 형성될 수 있다.
상기 활성층(130)에 캐리어, 예를 들어 정공을 제공하는 제2 도전형 반도체층(150)에 인접한 제3 우물층(Q3)의 에너지 밴드갭이 제1 우물층(Q1) 및 제2 우물층( Q2)의 에너지 밴드갭에 비해서 크게 형성됨에 따라서, 정공의 이동이 용이해질 수 있다. 이에 따라서, 제2 도전형 반도체층(150) 또는 중간층(140)을 넘어온 정공이 제3 우물층(Q3)으로 더욱 용이하게 주입될 수 있으며, 따라서 정공의 주입 효율이 더욱 증대되고, 아울러 제1 우물층(Q1) 및 제2 우물층(Q2)으로 정공이 주입되는 효율 또한 증대될 수 있다.
아울러, 상기 제3 우물층(Q3)의 에너지 밴드갭은 제1 우물층(Q1) 및 제2 우물층(Q2)의 에너지 밴드갭보다 크고 장벽층(B)의 에너지 밴드갭 보다 작으므로, 에너지 밴드갭이 큰 장벽층(B) 및 제2 도전형 반도체층(150)과 에너지 밴드갭이 작은 우물층(Q) 사이의 에너지 밴드갭 차이로 인한 층간 응력 발생을 완화함으로써, 발광소자(100)의 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다.
실시예에서 상술한 제3 우물층(Q3)은 상기 제1 도전형 반도체층(120)을 기준으로 가장 멀게 형성된 우물층을 칭할 수 있으며, 제2 도전형 반도체층(150) 기준시 가장 가깝게 형성된 우물층일 수 있다. 또한, 상기 제1 우물층(Q1) 및 제2 우물층(Q2)은 에너지 밴드갭이 동일할 수 있으며, 제3 우물층(Q3)의 에너지 밴드갭보다 작은 에너지 밴드갭을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 활성층(130)에서 발광되는 빛이 블루(Blue) 빛인 경우, 제3 우물층(Q3)의 제3 에너지 밴드갭은 약 2.8eV 내지 3.08eV일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 제3 우물층(Q3)의 제3 에너지 밴드갭의 에너지 갭 차이(energy gap difference)는 약 0.1eV 이내일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 제3 우물층(Q3)의 제3 에너지 밴드갭과 상기 제2 우물층(Q2)의 제2 에너지 밴드갭 또는 상기 제1 우물층(Q1)의 제1 에너지 밴드갭과의 에너지 갭 차이(energy gap difference)는 0.1eV 이내일 수 있다.
또한, 실시예에서 제3 우물층(Q3)은 제2 우물층(Q2)에 비해 에너지 밴드갭이 약 2.5% 이상 클 수 있다. 예를 들어, 상기 제3 우물층(Q3)에서 발광되는 빛의 파장은 제2 우물층(Q2)에서 발광되는 빛의 파장보다 약 20nm 이내에서 짧을 수 있다.
실시예에서 상기 제3 우물층(Q3)에서 발광되는 빛의 파장은 제2 우물층(Q2)에서 발광되는 빛의 파장보다 약 2nm 내지 20nm 이내에서 짧을 수 있다.
상기 제3 우물층(Q3)에서 발광되는 빛의 파장이 제2 우물층(Q2)에서 발광되는 빛의 파장보다 2nm 미만으로 짧을 경우 캐리어 주입 증대 효과 크지 않게 되며, 20nm 초과하여 짧은 경우 다른 색깔의 빛의 발생으로 인해 연색성 저하 등의 문제가 발생할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이, 우물층(Q)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 가질 수 있다. 상기 우물층(Q)의 In 함유량이 높을수록 에너지 밴드갭은 작아지며, 반대로 우물층(Q)의 In 함율량이 작을수록 에너지 밴드갭은 커질 수 있다.
상기 제3 우물층(Q3)의 In 함유량은 제1 우물층(Q1) 및 제2 우물층(Q2)의 In 함유량의 90% 내지 99% 일 수 있다. 상기 비율은 에너지 밴드갭과 격자상수에 따른 발광소자(100)의 안정성 및 신뢰성에 영향을 주지 않고, 결정성 및 전공 주입 효율을 높일 수 있는 범위일 수 있다. 한편, 상기 비율은 몰비, 부피비, 질량비 중 어느 하나일 수 있으며, 이에 한정하지 아니한다.
예를 들어, 상기 우물층(Q)의 조성식이 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)인 경우, 상기 제3 우물층(Q3)의 In의 조성(x3)이 상기 제2 우물층(Q2)의 In의 조성(x2) 대비 0.02 이내의 범위에서 작을 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 반도체층에는 반도체층 간의 격자상수 차이 및 배향성에 의한 응력이 발생하여 생기는 압전분극(piezoelectric polariziton)이 발생할 수 있다. 발광소자를 형성하는 반도체 재료는 큰 값의 압전계수를 가지므로 작은 변형(strain)에도 매우 큰 분극을 초래할 수 있다.
두 개의 분극으로 유발된 정전기장(electric field)은 우물층 구조의 에너지 밴드 구조를 변화시켜 이에 따른 전자와 정공의 분포를 왜곡시키게 된다. 이러한 효과를 QCSE(quantum confined stark effect)라고 하는데 이는 전자와 정공의 재결합으로 빛을 발생시키는 발광소자에 있어서 낮은 내부양자효율을 유발하고 발광 스펙트럼의 적색 편이(red shift) 등 발광소자의 전기적, 광학적 특성에 악영향을 끼칠 수 있다.
상술한 바와 같이, 우물층(Q)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖고, 장벽층(B)은 InaAlbGa1 -a- bN (0≤a≤1, 0≤b≤1, 0≤a+b≤1)의 조성식을 가질 수 있다.
InN 의 격자상수가 GaN 보다 크고, 우물층(Q)에 포함된 In 함량이 커질수록 우물층(Q)의 격자상수가 커져서 장벽층(B)과 우물층(Q) 사이의 격자상수 차이가 증가하고 따라서 층 간의 스트레인(strain)이 더욱 크게 발생하게 된다.
이러한 스트레인에 의해서 상술한 바와 같은 분극 효과가 더욱 증대되어 내부 전기장이 강화되고, 이에 따라서 에너지 밴드가 전기장에 따라서 휘어서 뾰족한 형태의 삼각 포텐셜(triangle potential) 우물이 생기며, 이러한 삼각 포텐셜(triangle potential) 우물에 전자나 정공이 집중되는 형상이 발생할 수 있다. 따라서 전자와 정공의 재결합율이 저하될 수 있다.
실시예에 따라서, 제3 우물층(Q3)의 In 함량이 감소하여 격자상수가 작아짐에 따라서, 장벽층(B)과 제3 우물층(Q3) 사이의 격자상수 차이가 작아질 수 있다. 따라서, 상술한 삼각 포텐셜(triangle potential) 우물의 발생이 감소할 수 있으며, 따라서 전자와 정공의 재결합율이 증가할 수 있고, 발광소자(100)의 발광 효율이 개선될 수 있다.
아울러, 제2 도전형 반도체층(150)에 인접한 제3 우물층(Q3)의 에너지 밴드갭이 크게 형성되고, 높은 전위 장벽을 가짐으로써, 제2 도전형 반도체층(150)에서 제공되는 캐리어(예컨대, 정공)에 대해서 저항성을 가짐으로써 정공의 경로 확산을 가져올 수 있다.
또한, 제3 우물층(Q3)의 웰의 깊이가 작아져서 상대적으로 다른 우물층으로의 정공 주입량이 증대될 수 있다. 정공의 경로 확산을 통해 활성층(130)의 전체 면적에 걸쳐 더욱 넓은 범위에서 전자와 정공의 재결합이 발생하여 전자와 정공의 결합률을 향상시킬 수 있고, 따라서 발광소자(100)의 발광 효율이 향상될 수 있다.
한편, 실시예에서 지지부재(110)와 지지부재(110)상에 형성되는 발광 구조물(160)간의 격자 상수 차이에 기인하는 결정결함은 성장방향에 따라 증가하는 경향이 있으므로, 지지부재(110)로부터 가장 이격된 위치에 형성된 제2 도전형 반도체층(150)이 가장 큰 결정결함을 가질 수 있다.
정공이동도(hole mobility)가 전자이동도(electron mobility)보다 낮다는 사실을 감안하면, 제2 도전형 반도체층(150)의 결정성 저하로 인한 정공 주입효율의 저하는 발광소자(100)의 발광 효율을 저하시킬 수 있다.
그런데 실시예와 같이 활성층(130)의 제3 우물층(Q3)의 에너지 밴드갭이 크게 형성됨으로써 결정결함의 전파를 차단할 수 있으므로, 제2 도전형 반도체층(150)의 결정결함이 개선될 수 있고, 발광소자(100)의 발광 효율이 개선될 수 있다.
또한, 실시예에서 상기 활성층(130)에서는 실질적으로 같은 색깔의 빛이 발광될 수 있다. 예를 들어, 상기 활성층(130)은 제1 우물층(Q1), 제2 우물층(Q2), 제3 우물층(Q3)을 포함하고, 각 에너지 밴드갭이 서로 다를 수 있어 같은 파장의 빛이 발광되지 않더라고 실질적으로 같은 색깔의 빛을 발광할 수 있다.
실시예에서 우물층(Q)은 도핑되지(undoped) 않을 수 있다. 우물층에 도핑되는 경우 비발광의 문제가 발생할 수 있다.
실시예는 활성층에 주입되는 캐리어의 총량을 증대시켜 광도를 향상시킬 수 있는 발광소자 및 발광소자의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 실시예는 활성층에 주입된 캐리어의 분산(distribution)을 증가시켜 광도를 증가시킬 수 있는 발광소자 및 발광소자의 제조방법을 제공할 수 있다.
도 4는 제1 실시예에 따른 발광소자의 성장 과정을 성장 시간(time) 및 성장 온도(Temp)에 따라서 나타낸 도면이다.
먼저, 성장 시간 t1 동안 제1 성장 온도(C1)으로 제1 도전형 반도체층(120)을 성장시킨 후, 성장 온도를 낮춰서 성장 시간 t2동안 제2 성장 온도(C2)로 제1 도전형 반도체층(120)과 활성층(130) 사이에 형성될 수 있는 하부 보조층(미도시)을 성장시킬 수 있다. 이어서, 성장온도를 더욱 낮춰서, 성장 시간 t3 동안 제3 성장 온도(C3)로 활성층(130)의 성장이 이루어진다. 이후, 활성층(130) 성장 단계 중 제3 우물층(Q3)이 성장되기 전에, 제4 성장 온도(C4)에 도달할 때 까지 성장 온도를 높여서, 제4 성장 온도(C4)에서 t4 동안 제3 우물층(Q3)을 성장할 수 있다.
실시예에서 제4 성장온도(C4는)는 제3 성장온도(C3)에 비해서 약 100.4% 내지 103%의 값을 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 비율은 In의 조성을 조정하여, 발광소자의 안정성 및 신뢰성에 영향을 주지 않고, 결정성 및 전공 주입 효율을 높일 수 있는 조건일 수 있다.
제3 우물층(Q3)의 제4 성장 온도(C4)가 제1 우물층(Q1) 및 제2 우물층(Q2)의 제3 성장 온도(C3) 보다 높은 온도를 가짐에 따라서, 제3 우물층(Q3)의 In 함량이 감소할 수 있다. 따라서, 상술한 바와 같이 제3 우물층(Q3)의 에너지 밴드갭이 커질 수 있으며, 제3 우물층(Q3), 및 제1 우물층(Q1) 및 제2 우물층(Q2)으로 주입되는 정공의 주입 효율이 증대되어 발광소자의 발광 효율이 개선될 수 있다.
또한, 제3 우물층(Q3)의 제4 성장 온도(C4)가 증가함에 따라서, 활성층(130)보다 고온에서 성장되는 제1 도전형 반도체층(120) 및 제2 도전형 반도체층(150)의 성장 온도와 활성층(130)의 성장 온도간의 차이가 감소할 수 있다. 따라서 박막 특성이 개선되어 발광소자(100)의 신뢰성이 향상될 수 있다.
실시예에서 제1 우물층(Q1) 또는 제2 우물층(Q2)의 형성 시간 t3는 제3 우물층(Q3)의 형성시간인 t4와 실질적으로 동일하여, 제1 우물층(Q1) 또는 제2 우물층(Q2)의 두께와 제3 우물층(Q3)의 두께는 실질적으로 같을 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
도 5a은 제1 실시예에 따른 발광소자의 출력 변화를 나타낸 도면이며, 도 5b는 제1 실시예에 따른 발광소자의 동작전압의 변화를 나타낸 도면이며, 도 5c는 제1 실시예에 따른 발광소자의 역방향 전압(reverse voltage)을 나타낸 도면이고, 도 5d는 제1 실시예에 따른 발광소자의 내부발광효율의 변화를 나타낸 도면이다.
도 5a를 참조하면, 제1 실시예에 따라 p 형 반도체층에 인접한 우물층의 에너지 밴드갭을 크게 형성한 발광 소자(wdT)의 출력이 비교 예(wodT)에 비해서 향상되었음을 확인할 수 있다.
도 5b를 참조하면, 제1 실시예에 따라 p 형 반도체층에 인접한 우물층의 에너지 밴드갭을 크게 형성한 발광 소자(wdT)의 동작 전압이 비교 예(wodT)와 실질적으로 동일함을 확인할 수 있다. 따라서, 발광소자의 출력이 향상되었음에도 불구하고 동작전압의 상승이 수반되지 아니하여 결과적으로 같은 출력을 가지면서 동작전압이 감소하는 효과를 달성할 수 있으며, 같은 동작전압을 가지면서 더욱 향상된 발광 효율을 달성할 수 있음을 확인할 수 있다.
또한, 도 5c를 참조하면, 제1 실시예에 따라 p 형 반도체층에 인접한 우물층의 에너지 밴드갭을 크게 형성한 발광 소자(wdT)의 역방향 전압이 비교 예(wodT)에 비해서 향상되었음을 확인할 수 있다.
또한, 도 5d를 참조하면, 제1 실시예에 따라 p 형 반도체층에 인접한 우물층의 에너지 밴드갭을 크게 형성한 발광 소자(E1)의 내부 양자효율(IQE)이 비교 예(R1)에 비해 향상됨을 확인할 수 있다. 이에 따라 실시예에 의하면 주입전류가 증가함에 따라서 내부양자효율이 저하되는 Droop 현상이 현저히 개선될 수 있다.
실시예는 활성층에 주입되는 캐리어의 총량을 증대시켜 광도를 향상시킬 수 있는 발광소자 및 발광소자의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 실시예는 활성층에 주입된 캐리어의 분산(distribution)을 증가시켜 광도를 증가시킬 수 있는 발광소자 및 발광소자의 제조방법을 제공할 수 있다.
(제2 실시예)
도 6은 제2 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램(102)을 나타낸 도면이며, 도 7은 제2 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램(102a)을 나타낸 다른 도면이다.
제2 실시예는 상기 제1 실시예의 기술적인 특징을 채용할 수 있다.
이에 따라 제2 실시예에서의 활성층(130)은 다중 우물층 구조를 가질 수 있으며, 따라서 활성층(130)은 제1 우물층 내지 제3 우물층(Q1, Q2, Q3a) 및 제1 장벽층 내지 제3 장벽층(B1, B2. B3)을 포함할 수 있다.
제2 실시예에서 상기 제3 우물층(Q3a)의 두께(d1)는 상기 제2 우물층(Q2)의 두께(d2)보다 두꺼울 수 있다. 또한, 제2 실시예에서 상기 제3 우물층(Q3a)의 두께(d1)는 상기 제1 우물층(Q1)의 두께보다 두꺼울 수 있다.
예를 들어, 제2 도전형 반도체층(150)에 인접하게 형성된 제3 우물층(Q3a)은 두께 d1을 가지며, 제2 우물층(Q2)은 두께 d2를 가질 수 있으며, d1은 d2 보다 큰 값을 가질 수 있다. 예를 들어 d1은 d2 대비 약 110 % 내지 130%의 두께를 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 제3 우물층(Q3a)의 두께(d1)는 상기 제1 우물층(Q1)의 두께 대비 약 110 % 내지 130%의 두께를 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 활성층(130)에서 발광되는 빛이 블루(Blue) 빛인 경우 상기 제3 우물층(Q3a)의 두께는 약 3.9nm일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제2 실시예에서 제3 우물층(Q3a)의 에너지 밴드갭은 제1 우물층(Q1) 및 제2 우물층(Q2)의 에너지 밴드갭보다 크게 형성될 수 있다.
상기 활성층(130)에 정공을 제공하는 제2 도전형 반도체층(150)에 인접한 제3 우물층(Q3a)의 에너지 밴드갭이 제1 우물층(Q1) 및 제2 우물층(Q2)의 에너지 밴드갭에 비해서 크게 형성됨에 따라서, 정공의 이동이 용이해질 수 있다. 이에 따라서, 제2 도전형 반도체층(150), 또는 중간층(140)을 넘어온 정공이 제3 우물층(Q3a)으로 더욱 용이하게 주입될 수 있으며, 따라서 정공의 주입 효율이 더욱 증대되고, 아울러 제1 우물층(Q1) 및 제2 우물층(Q2)으로 정공이 주입되는 효율 또한 증대될 수 있다.
한편, 제3 우물층(Q3a)의 In 함유량은 제1 우물층(Q1) 및 제2 우물층(Q2)의 In 함유량의 90% 내지 99% 일 수 있다.
실시예에서 제3 우물층(Q3a)이 제2 우물층(Q2)보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 경우, 우물층 간 에너지 밴드갭이 상이해짐에 따라서 각 우물층에서 발생하는 빛의 에너지도 상이해지게 된다. 이는 각 우물층에서 생성되는 빛의 파장도 상이하게 됨을 의미한다. 따라서, 제3 우물층(Q3a)은 제2 우물층(Q2)보다 에너지 밴드갭이 크므로 더 큰 에너지를 갖는 빛을 생성하게 되고 이에 따라 더 짧은 파장의 빛을 발생시킨다.
따라서 도 9와 같이, 발광소자의 발광 스펙트럼의 확장(broadening)이 단파장 방향으로 넓어질 수 있으며(점선), 발광소자(100)의 광 루미네선스(photoluminescence) 스펙트럼에서 숄더(shoulder)(P)가 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이 제2 도전형 반도체층(150)에 인접하게 형성된 제3 우물층(Q3a)은 두께 d1을 가지며, 제 2 우물층(Q2)은 두께 d2를 가질 수 있고, d1은 d2 보다 큰 값을 가질 수 있다.
실시예에서 우물층(Q) 내에서 발생하는 빛의 에너지 준위 공식은 하기 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
이때, L은 우물층의 두께(d1, d2)에 대응한다. 따라서, 우물층(Q)의 두께가 두꺼워질수록 우물층(Q)에서 발생하는 빛의 에너지 준위는 낮아지게 된다. 제3 우물층(Q3a)이 제2 우물층(Q2)보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 경우, 우물층 간의 에너지 준위가 상이하게 될 수 있다. 따라서 발광소자의 발광 스펙트럼의 확장(broadening)이 커질 수 있으며, 발광소자(100)의 광 루미네선스(photoluminescence) 스펙트럼에서 숄더(shoulder)(P)가 형성될 수 있다.
제2 실시예에 따라서, 제3 우물층(Q3a)의 두께가 제2 우물층(Q2)의 두께보다 두껍게 형성됨으로써, 우물층(Q) 간의 에너지 밴드갭이 상이함에도 각 우물층(Q1, Q2, Q3a)에서 발생하는 빛의 에너지 준위가 균일해질 수 있으며, 따라서 발광소자(100)의 발광 스펙트럼의 확장(broadening)이 줄어들 수 있고, 광 루미네선스 스펙트럼의 숄더(P) 발생이 줄어들 수 있다. 따라서 양질의 우물 구조가 형성되며 발광소자(100)의 발광 효율이 개선되고, 단파장으로의 쉬프트(shift)도 일어나지 않을 수 있다.
실시예에서 d1이 d2 대비 110% 이상 크지 않으면, 제3 우물층(Q3a)에서 발생하는 빛의 에너지의 감소가 작아 여전히 단파장 쉬프트(Shift) 현상이 존재하고, 130%이상 커지게 되면 제3 우물층(Q3a)에서 발생하는 빛의 에너지가 너무 작아져, 오히려 장파장 쉬프트(Shift)를 하게 될 가능성이 있다.
한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 우물층 내지 제3 우물층(Q1, Q2a,Q3a)의 에너지 밴드갭은 순차적으로 크게 형성될 수 있으며, 순차적으로 두꺼운 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
즉, 제1 우물층 내지 제3 우물층(Q1, Q2a, Q3a)에 포함된 In의 함유량은 제1 우물층(Q1)에서 제3 우물층(Q3a)으로 갈수록 순차적으로 적게 형성되며 순차적으로 두꺼운 두께를 갖도록 될 수 있다.
예를 들어, 제3 우물층(Q3)의 두께(d1)가 제2 우물층(Q2)의 두께(d2) 보다 두껍고, 상기 제2 우물층(Q2)의 두께(d2)가 상기 제1 우물층(Q1)의 두께(d3)보가 두꺼울 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
정공을 주입하는 제2 도전형 반도체층(150)에 인접할수록 우물층(Q)이 더욱 큰 에너지 밴드갭을 갖게 형성됨에 따라 제1 우물층 내지 제3 우물층(Q1, Q2a, Q3a)의 정공 주입 효율이 향상될 수 있으며, 따라서 발광소자(100)의 발광 효율이 개선될 수 있다.
또한, 제1 우물층(Q1)으로부터 제3 우물층(Q3a)으로 순차적으로 에너지 밴드갭이 커짐에 따라서, 우물층(Q)과 장벽층(B) 및 제1 도전형 반도체층(120), 제2 도전형 반도체층(150) 사이의 격자상수 차이가 완화되어 삼각 포텐셜(triangle potential) 우물의 발생이 감소할 수 있고, 따라서 전자와 정공의 재결합율이 증가할 수 있고, 발광소자(100)의 발광 효율이 개선될 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 우물층(Q)이 큰 에너지 밴드갭을 가질수록 두꺼운 두께를 갖게 형성되어, 우물층(Q) 간의 에너지 준위가 균일해짐으로써, 우물층(Q)간의 에너지 밴드갭이 상이함에도 발광소자(100)의 발광 스펙트럼의 확장(broadening)이 줄어들 수 있고, 광 루미네선스 스펙트럼의 숄더 발생이 줄어들 수 있다. 따라서 양질의 우물 구조가 형성되며 발광소자(100)의 발광 효율이 개선될 수 있다.
도 8은 제2 실시예에 따른 발광소자의 성장온도를 시간에 따라 나타낸 도면이다.
제2 실시예의 성정 조건은 상기 제1 실시예의 기술적인 특징을 채용할 수 있다.
예를 들어, 활성층(130) 성장 단계 중 제3 우물층(Q3a)이 성장되기 전에, 제4 성장 온도(C4)에 도달할 때까지 성장 온도를 높여서, 제4 성장 온도(C4)에서 제3 우물층(Q3a)을 성장할 수 있다.
예를 들어, 제4 성정온도(C4)는 제3 성장온도(C3)에 비해서 약 100.4% 내지 103%의 값을 가질 수 있다.
제2 실시예에서 제3 우물층(Q3a)의 성장 시간(t4a)을 제1 우물층(Q1) 또는 제2 우물층(Q2)의 성장 시간보다 길게 하여 제3 우물층(Q3a)이 제1 우물층(Q1) 및 제2 우물층(Q2)보다 두껍게 형성되게 함으로써, 우물층(Q) 간의 에너지 밴드갭이 상이함에도 우물층(Q) 간의 에너지 준위가 균일해질 수 있으며 발광소자(100)의 발광 스펙트럼의 확장(broadening)이 줄어들 수 있고, 광 루미네선스 스펙트럼의 숄더 발생이 줄어들 수 있다. 따라서 양질의 우물 구조가 형성되며 발광소자(100)의 발광 효율이 개선될 수 있다.
도 9는 제2 실시예에 따른 발광소자의 출력 변화를 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 제2 실시예에 따라 p 형 반도체층에 인접한 제3 우물층(Q3a)의 두께를 두껍게 형성한 발광소자의 광 루미네선스 스펙트럼은 실선으로 표시되며, 각 우물층의 두께가 균일한 발광소자의 광 루미네선스 스펙트럼은 점선으로 표시된다.
도 9에서, 각 우물층의 에너지 밴드갭이 상이하면서 각 우물층의 두께가 균일하게 형성된 발광소자의 광 루미네선스 스펙트럼의 경우 숄더(P)가 형성되었으나, 제2 실시예에 따라 p 형 반도체층에 인접한 제3 우물층(Q3a)의 두께를 두껍게 형성한 발광소자의 광 루미네선스 스펙트럼은 숄더(P)의 발생이 줄어들고 스펙트럼의 확장(broadening)이 감소하였음을 확인할 수 있다.
실시예는 활성층에 주입되는 캐리어의 총량을 증대시켜 광도를 향상시킬 수 있는 발광소자 및 발광소자의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 실시예는 활성층에 주입된 캐리어의 분산(distribution)을 증가시켜 광도를 증가시킬 수 있는 발광소자 및 발광소자의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 실시예는 발광되는 빛의 파장변화를 최소화하면서 광도를 개선할 수 있는 발광소자 및 발광소자의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 실시예는 P형 반도체층 또는 N형 반도체층에 가장 인접한 우물층의 성장 온도가 높게 형성됨으로써, 캐리어(정공과 전자)의 재결합률이 향상되고 박막특성이 개선된 발광소자 및 발광소자의 제조방법을 제공할 수 있다.
(제3 실시예)
도 10은 제3 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램(103)을 나타낸 도면이다.
제3 실시예는 제1 실시예 내지 제2 실시예의 기술적인 특징을 채용할 수 있다. 예를 들어, 제3 실시예에서 상기 제3 우물층(Q3)의 에너지 밴드갭은 상기 제2 우물층(Q2)의 에너지 밴드갭보다 클 수 있다.
한편, 제3 실시예에서 제1 우물층(Q1a)의 제1 에너지 밴드갭은 제2 우물층(Q2)의 제2 에너지 밴드갭보다 클 수 있다.
또한, 상기 제1 우물층(Q1a)의 제1 에너지 밴드갭과 상기 제3 우물층(Q3)의 제3 에너지 밴드갭은 서로 같을 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에 의하면 제1 도전형 반도체층(120)과 가장 근접한 제1 우물층(Q1a)의 에너지 밴드갭(Bandgap)을 크게 하여, 전자(Electron)가 더욱 쉽게 그 다음 우물층으로 주입되도록 하여 전자캐리어(Electron carrier)의 주입 효율을 높일 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 제1 도전형 반도체층(120) 상에 첫번째로 형성되는 제1 우물층(Q1a)의 에너지 밴드갭이 크게 됨으로써 결정품질(crystal quality)이 개선되기 때문에, 그 위에 형성되는 이후의 우물층들의 결정품질(crystal quality)이 더 좋아질 수 있다. 이는 광학적 특성뿐만 아니라, 신뢰성 개선의 효과가 있다.
도 11a는 제3 실시예에 따른 발광소자의 광학 특성에 대한 예시도이며, 도 11b는 제3 실시예에 따른 발광소자의 광학 특성에 대한 다른 예시도이다.
실시예에 따른 발광소자의 발광특성은 제2 도전형 반도체층(150)에 인접한 제3 우물층(Q3)에서 발광되는 빛(e1)과 그 외의 우물층에서 발광되는 빛(e2)으로 나눌 수 있다.
도 11a와 같이 실시예에 의하면 제3 우물층(Q3)의 에너지 밴드갭이 커짐에 따라 홀 캐리어 농도(hole carrier density)가 높아지고, 제1 우물층(Q1a)의 에너지 밴드갭이 커짐에 따라 전자 캐리어의 농도(Electron carrier concentration)도 높아져 도 11b와 같이 실시예의 전체적인 발광효율(E2)이 종래기술의 발광효율(R2)에 비해 현저히 개선될 수 있다.
실시예에 의하면 제3 우물층(Q3)의 에너지 밴드갭이 커짐에 따라 홀 캐리어 농도가 높아진 상태에서 제1 우물층(Q1a)의 에너지 밴드갭이 커짐에 따라 전자 캐리어의 농도도 높아져 실제 전자 캐리어(electron carrier) 주입의 개선은 발광특성 향상에 효과가 더 크게 된다.
실시예에서 상기 제1 우물층(Q1a)과 상기 다른 우물층의 에너지 밴드갭 차이는 약 2.5% 이상일 수 있다. 에너지 밴드갭 차이가 약 2.5% 미만인 경우 캐리어 주입 증대효과가 크지 않을 수 있다.
실시예에서 우물층(Q)의 에너지 밴드갭은 우물층 내의 In의 양을 제어하거나, 우물층의 두께를 제어하여 에너지 밴드갭을 제어할 수 있다.
(제4 실시예)
도 12는 제4 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램(104)을 나타낸 도면이다.
제4 실시예는 제1 실시예 내지 제3 실시예의 기술적인 특징을 채용할 수 있다.
예를 들어, 제4 실시예는 상기 제3 우물층(Q3a)의 에너지 밴드갭은 상기 제2 우물층(Q2)의 에너지 밴드갭보다 클 수 있다. 이에 따라 상기 활성층(130)에 캐리어, 예를 들어 정공을 제공하는 제2 도전형 반도체층(150)에 인접한 제3 우물층(Q3a)의 에너지 밴드갭이 제1 우물층(Q1a) 및 제2 우물층(Q2)의 에너지 밴드갭에 비해서 크게 형성됨에 따라서, 정공의 이동이 용이해질 수 있다.
따라서, 제2 도전형 반도체층(150) 또는 중간층(140)을 넘어온 정공이 제3 우물층(Q3a)으로 더욱 용이하게 주입될 수 있으며, 따라서 정공의 주입 효율이 더욱 증대되고, 아울러 제1 우물층(Q1a) 및 제2 우물층(Q2)으로 정공이 주입되는 효율 또한 증대될 수 있다.
또한, 제4 실시예에서 상기 제3 우물층(Q3a)의 두께는 상기 제2 우물층(Q2)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 제3 우물층(Q3a)의 두께가 제2 우물층(Q2)의 두께보다 두껍게 형성됨으로써, 우물층(Q) 간의 에너지 밴드갭이 상이함에도 각 우물층(Q1a, Q2, Q3a)에서 발생하는 빛의 에너지 준위가 균일해질 수 있으며, 따라서 발광소자(100)의 발광 스펙트럼의 확장(broadening)이 줄어들 수 있고, 광 루미네선스 스펙트럼의 숄더(P) 발생이 줄어들 수 있다. 따라서 양질의 우물 구조가 형성되며 발광소자(100)의 발광 효율이 개선되고, 단파장으로의 쉬프트(shift)도 일어나지 않을 수 있다.
또한, 제4 실시예에서 제1 우물층(Qa1)의 제1 에너지 밴드갭은 제2 우물층(Q2)의 제2 에너지 밴드갭보다 클 수 있다. 이에 따라 제4 실시예에 의하면 제1 도전형 반도체층(120)과 가장 근접한 제1 우물층(Q1a)의 에너지 밴드갭(Bandgap)을 크게 하여, 전자(Electron)가 더욱 쉽게 그 다음 우물층으로 주입되도록 하여 전자캐리어(Electron carrier)의 주입 효율을 높일 수 있다.
또한, 제4 실시예에 의하면 제3 우물층(Q3a)의 에너지 밴드갭이 커짐에 따라 홀 캐리어 농도가 높아진 상태에서 제1 우물층(Q1a)의 에너지 밴드갭이 커짐에 따라 전자 캐리어의 농도도 높아져 실제 전자 캐리어(electron carrier) 주입의 개선은 발광특성 향상에 효과가 더 크게 된다.
(제5 실시예)
도 13은 제5 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램(105)을 나타낸 도면이다.
제5 실시예는 제1 실시예 내지 제4 실시예의 기술적인 특징을 채용할 수 있다.
예를 들어, 제5 실시예는 상기 제3 우물층(Q3a)의 에너지 밴드갭은 상기 제2 우물층(Q2)의 에너지 밴드갭보다 클 수 있다. 또한, 제5 실시예에서 상기 제3 우물층(Q3a)의 두께(d1)는 상기 제2 우물층(Q2)의 두께(d2)보다 두꺼울 수 있다.
또한, 제5 실시예에서 제1 우물층(Q1b)의 제1 에너지 밴드갭은 제2 우물층(Q2)의 제2 에너지 밴드갭보다 클 수 있다. 또한, 제5 실시예에 의하면 제3 우물층(Q3a)의 에너지 밴드갭이 커짐에 따라 홀 캐리어 농도가 높아진 상태에서 제1 우물층(Q1b)의 에너지 밴드갭이 커짐에 따라 전자 캐리어의 농도도 높아져 실제 전자 캐리어(electron carrier) 주입의 개선은 발광특성 향상에 효과가 더 크게 된다.
제5 실시예에 의하면 상기 제1 우물층(Q1b)의 두께(d3)는 상기 제2 우물층(Q2)의 두께(d2)보다 두꺼울 수 있다. 제1 우물층(Q1b)의 두께(d3)가 제2 우물층(Q2)의 두께(d2)보다 두껍게 형성됨으로써, 우물층(Q) 간의 에너지 밴드갭이 상이함에도 각 우물층(Q1b, Q2, Q3a)에서 발생하는 빛의 에너지 준위가 균일해질 수 있으며, 따라서 발광소자(100)의 발광 스펙트럼의 확장(broadening)이 줄어들 수 있고, 광 루미네선스 스펙트럼의 숄더(P) 발생이 줄어들 수 있다. 따라서 양질의 우물 구조가 형성되며 발광소자(100)의 발광 효율이 개선되고, 단파장으로의 쉬프트(shift)도 일어나지 않을 수 있다.
실시예는 활성층에 주입되는 캐리어의 총량을 증대시켜 광도를 향상시킬 수 있는 발광소자 및 발광소자의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 실시예는 활성층에 주입된 캐리어의 분산(distribution)을 증가시켜 광도를 증가시킬 수 있는 발광소자 및 발광소자의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 실시예는 발광되는 빛의 파장변화를 최소화하면서 광도를 개선할 수 있는 발광소자 및 발광소자의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 실시예는 P형 반도체층 또는 N형 반도체층에 가장 인접한 우물층의 성장 온도가 높게 형성됨으로써, 캐리어(정공과 전자)의 재결합률이 향상되고 박막특성이 개선된 발광소자 및 발광소자의 제조방법을 제공할 수 있다.
도 14는 다른 실시예에 따른 발광소자(105)를 나타낸 도면이다.
도 14는 수직형 발광소자를 중심으로 설명하고 있으나 이는 예시에 불과한 것으로서, 수평형 발광소자, 플립칩형 발광소자, 비아홀을 포함하는 하이브리드형 발광소자 등에도 실시예가 적용될 수 있다.
다른 실시예에 따른 발광소자(105)는 발광구조물(160)과, 상기 발광구조물(160) 상면 일부에 형성된 패시베이션층(194), 발광구조물(160) 상에 형성된 제1 전극(176)을 포함할 수 있다.
상기 발광구조물(160)은 제1 도전형 반도체층(120), 활성층(130), 제2 도전형 반도체층(150)을 포함할 수 있다. 상기 발광구조물(160)은 도 1을 참조로 앞서 설명한 내용을 채용할 수 있다.
상기 발광구조물(160) 상면에는 요철(R)이 형성되어 광추출 효율을 높일 수 있다.
상기 발광구조물(160) 하측에는 제2 전극층(180)이 형성되며, 상기 제2 전극층(180)은 오믹층(182), 반사층(184), 결합층(185), 지지기판(186) 등을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 오믹층(182)은 투광성이 있으면서 전도성이 있는 물질, 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, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 이러한 재료에 한정되는 않는다.
또한, 상기 반사층(184)은 빛에 대해 반사성질이 있는 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, 상기 반사층(184)은 상기 금속 또는 합금과 IZO, IZTO, IAZO, IGZO, IGTO, AZO, ATO 등의 투광성 전도성 물질을 이용하여 다층으로 형성할 수 있으며, 예를 들어, IZO/Ni, AZO/Ag, IZO/Ag/Ni, AZO/Ag/Ni 등으로 적층할 수 있다.
또한, 상기 결합층(185)은 결합력이 우수한 물질, 예를 들어 Ti, Au, Sn, Ni, Cr, Ga, In, Bi, Cu, Ag 또는 Ta 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전도성 지지기판(186)은 구리(Cu), 구리합금(Cu Alloy), 금(Au), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 구리-텅스텐(Cu-W), 캐리어 웨이퍼(예를 들어, Si, Ge, GaAs, GaN, ZnO, SiGe, SiC 등) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 발광구조물(160)의 하측 외곽에는 채널층(190)이 형성될 수 있고, 상기 발광구조물(160)과 상기 오믹층(182) 사이에는 전류 차단층(current blocking layer, CBL)(192)이 형성될 수 있다.
상기 채널층(190)은 오믹층(182)과 제2 도전형 반도체층(150) 사이의 외측에 형성될 수 있다. 상기 채널층(190)의 상면은 제2 도전형 반도체층(150)과 패시베이션층(194)에 접촉하고, 상기 채널층(190)의 하면 및 측면은 오믹층(182)에 의해 둘러싸여 있다. 즉, 상기 오믹층(182)이 상기 채널층(190) 모두를 감싸는 구조를 형성한다.
따라서, 발광구조물(160)을 단위 칩 영역으로 분리하기 위하여 아이솔레이션 에칭(isolation etching)을 하는 경우, 상기 채널층(190)을 에칭하지 않기 때문에 상기 채널층(190)의 측면에서 발생하던 깨짐 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
상기 채널층(190)은 전기 절연성을 가지는 물질, 반사층(184) 또는 결합층(185) 보다 전기 전도성이 낮은 물질, 또는 제2 도전형 반도체층(150)과 쇼트키 접촉을 형성하는 물질을 이용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 채널층(190)은, ITO, IZO, IZTO, IAZO, IGZO, IGTO, AZO, ATO, ZnO, SiO2, SiOx, SiOxNy, Si3N4, Al2O3, TiOx, TiO2, Ti, Al 또는 Cr 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 채널층(190)은 일부분이 발광구조물(160)과 수직 방향에서 중첩될 수 있다. 이러한 채널층(190)은 오믹층(182)과 활성층(130) 사이의 측면에서의 거리를 증가시켜 오믹층(182)과 활성층(130) 사이의 전기적 단락의 발생 가능성을 줄일 수 있다. 또한, 상기 채널층(190)은 발광구조물(160)과 지지기판(186) 사이의 틈새로 수분 등이 침투되는 것도 방지할 수 있다.
상기 채널층(190)은 칩 분리 공정에서 전기적 단락이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 좀더 구체적으로 설명하면, 발광구조물(160)을 단위 칩 영역으로 분리하기 위하여 아이솔레이션 에칭(isolation etching)을 하는 경우, 오믹층(182)에서 발생된 파편이 제2 도전형 반도체층(150)과 활성층(130) 사이 또는 활성층(130)과 제1 도전형 반도체층(120) 사이에 부착되어 전기적 단락이 발생할 수 있는데, 상기 채널층(190)은 이러한 전기적 단락을 방지한다.
실시예는 활성층에 주입되는 캐리어의 총량을 증대시켜 광도를 향상시킬 수 있는 발광소자 및 발광소자의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 실시예는 활성층에 주입된 캐리어의 분산(distribution)을 증가시켜 광도를 증가시킬 수 있는 발광소자 및 발광소자의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 실시예는 발광되는 빛의 파장변화를 최소화하면서 광도를 개선할 수 있는 발광소자 및 발광소자의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 실시예는 P형 반도체층 또는 N형 반도체층에 가장 인접한 우물층의 성장 온도가 높게 형성됨으로써, 캐리어(정공과 전자)의 재결합률이 향상되고 박막특성이 개선된 발광소자 및 발광소자의 제조방법을 제공할 수 있다.
도 15는 실시예들에 따른 발광소자가 설치된 발광소자 패키지(200)를 설명하는 도면이다.
실시예에 따른 발광 소자 패키지(200)는 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(240)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 1에 도시된 수평형 타입의 발광 소자가 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 도 14에 예시된 수직형 발광소자도 적용될 수 있다.
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. 도 14에서 상기 발광 소자(100)가 상기 제3 전극층(213) 및 제4 전극층(214)과 와이어(230)를 통해 전기적으로 연결되는 것이 예시되어 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 몰딩부재(240)는 상기 발광 소자(100)를 포위하여 상기 발광 소자(100)를 보호할 수 있다. 또한, 상기 몰딩부재(240)에는 형광체(미도시)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 16은 실시예에 따른 조명 유닛의 사시도(1100)이다. 다만, 도 16의 조명 유닛(1100)은 조명 시스템의 한 예이며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
실시예에서 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. 실시예에서 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 17은 실시예에 따른 백라이트 유닛의 분해 사시도(1200)이다. 다만, 도 17의 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.
실시예는 활성층에 주입되는 캐리어의 총량을 증대시켜 광도를 향상시킬 수 있는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
또한, 실시예는 활성층에 주입된 캐리어의 분산(distribution)을 증가시켜 광도를 증가시킬 수 있는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
또한, 실시예는 발광되는 빛의 파장변화를 최소화하면서 광도를 개선할 수 있는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
또한, 실시예는 P형 반도체층 또는 N형 반도체층에 가장 인접한 우물층의 성장 온도가 높게 형성됨으로써, 캐리어(정공과 전자)의 재결합률이 향상되고 박막특성이 개선된 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 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.
100: 발광소자, 110: 지지부재(110)
160: 발광구조물, 120: 제1 도전형 반도체층
130: 활성층, 140: 중간층, 150: 제2 도전형 반도체층
Q : 우물층, B: 장벽층
Q1: 제1 우물층, Q2: 제2 우물층, Q3: 제3 우물층
B1: 제1 장벽층, B2: 제2 장벽층, B3: 제3 장벽층

Claims (17)

  1. 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 우물층 및 장벽층을 포함하는 활성층;
    상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층;을 포함하며,
    상기 우물층은
    상기 제1 도전형 반도체층에 가장 인접하며 제1 에너지 밴드갭을 가지는 제1 우물층;
    상기 제2 도전형 반도체층에 가장 인접하며 제3 에너지 밴드갭을 가지는 제3 우물층; 및
    상기 제1 우물층과 상기 제3 우물층 사이에 위치하며 제2 에너지 밴드갭을 가지는 제2 우물층;을 포함하고,
    상기 제3 우물층의 상기 제3 에너지 밴드갭은 상기 제2 우물층의 상기 제2 에너지 밴드갭보다 크며,
    상기 제1 우물층의 제1 에너지 밴드갭은 상기 제2 우물층의 제2 에너지 밴드갭보다 크고,
    상기 제3 우물층의 두께는 상기 제2 우물층의 두께보다 두꺼운 발광소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 우물층의 두께는
    상기 제2 우물층의 두께보다 두꺼운 발광소자.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 제3 에너지 밴드갭은,
    상기 제2 에너지 밴드갭 대비 101 % 내지 110 % 인 발광소자.
  4. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 활성층에서 발광되는 빛이 블루(Blue) 빛인 경우,
    상기 제3 에너지 밴드갭은 2.8eV 내지 3.08eV인 발광소자.
  5. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 제3 우물층의 제3 에너지 밴드갭과 상기 제2 우물층의 제2 에너지 밴드갭 또는 상기 제1 우물층의 제1 에너지 밴드갭과의 에너지 갭 차이(energy gap difference)는 0.1eV 이내인 발광소자.
  6. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 제3 우물층에서 발생하는 빛의 파장은 상기 제2 우물층에서 발생하는 빛의 파장보다 20nm 이내로 더 짧은 발광소자.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제3 우물층에서 발생하는 빛의 파장은 상기 제2 우물층에서 발생하는 빛의 파장보다 2nm 이상 20nm 이내로 더 짧은 발광소자.
  8. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 우물층은 In을 포함하며,
    상기 제3 우물층은,
    상기 제2 우물층보다 작은 In 함유량을 갖는 발광소자.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제3 우물층의 In 함량은,
    상기 제2 우물층의 In 함량 대비 90% 내지 99% 인 발광소자.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 우물층의 조성식이 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)인 경우,
    상기 제3 우물층의 In의 조성(x3)이 상기 제2 우물층의 In의 조성(x2) 대비 0.02 이내의 범위에서 작은 발광소자.
  11. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 활성층에서는
    실질적으로 같은 색깔의 빛이 발광되는 발광소자.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 제3 우물층, 제2 우물층에서 발광되는 빛의 파장은 다르되, 상기 활성층에서 발광되는 빛은 실질적으로 같은 색깔의 빛인 발광소자.
  13. 제1 도전형 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 활성층을 형성하는 단계; 및
    상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층을 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 활성층을 형성하는 단계는,
    상기 제1 도전형 반도체층에 가장 인접하며 제1 에너지 밴드갭을 가지는 제1 우물층을 형성하는 단계;
    상기 제2 도전형 반도체층에 가장 인접하며 제3 에너지 밴드갭을 가지는 제3 우물층을 형성하는 단계; 및
    상기 제1 우물층과 상기 제3 우물층 사이에 위치하며 제2 에너지 밴드갭을 가지는 제2 우물층을 형성하는 단계;포함하고,
    상기 제2 우물층 형성 단계는 제3 성장 온도(C3)를 갖고,
    상기 제3 우물층 형성 단계는 제4 성장 온도(C4)를 가지며,
    상기 제4 성장 온도(C4)는 상기 제3 성장 온도(C3)보다 높으며,
    상기 제3 우물층의 제3 에너지 밴드갭은 상기 제2 우물층의 제2 에너지 밴드갭보다 크고,
    상기 제1 우물층의 제1 에너지 밴드갭은 상기 제2 우물층의 제2 에너지 밴드갭보다 크며,
    상기 제3 우물층의 두께는 상기 제2 우물층의 두께보다 두꺼운 발광소자의 제조방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 제1 우물층의 두께는
    상기 제2 우물층의 두께보다 두꺼운 발광소자의 제조방법.
  15. 제13 항 또는 제14 항에 있어서,
    상기 제4 성장 온도(C4)는,
    상기 제3 성장 온도(C3) 대비 100.4 % 내지 103 % 인 발광소자 제조방법.
  16. 제13 항 또는 제14 항에 있어서,
    상기 제3 우물층 형성 단계의 성장시간은
    상기 제2 우물층 형성 단계는 성장시간보다 더 긴 발광소자의 제조방법.
  17. 제13 항 또는 제14 항에 있어서,
    상기 제3 우물층의 두께는
    상기 제2 우물층의 두께보다 두꺼운 발광소자의 제조방법
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