KR20140046163A - 발광소자 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 발광소자는 제1 도전형 반도체층; 제2 도전형 반도체층; 및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 위치하며 서로 번갈아 위치하는 복수 개의 우물층 및 복수 개의 장벽층을 포함하는 활성층;을 포함하고, 상기 활성층은 상기 제1 도전형 반도체층에 인접한 제1 영역, 상기 제2 도전형 반도체층에 인접한 제2 영역, 및 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이의 제3 영역을 포함하며, 상기 제1 영역에 속하는 우물층의 두께가 상기 제3 영역에 속하는 우물층의 두께보다 두껍고, 상기 제2 영역에 속하는 우물층의 두께가 상기 제3 영역에 속하는 우물층의 두께보다 두껍다.
Description
실시예는 발광소자에 관한 것이다.
반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Light 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.
일반적인 발광소자는 n-GaN층에서 주입된 전자와 p-GaN층에서 주입된 정공이 다중 우물 구조로 이루어진 활성층에서 재결합함으로써 빛을 방출한다. 그러나, 전자에 비해 정공의 이동도가 떨어지므로 p-GaN층에 근접한 활성층의 우물 영역에서 대부분의 발광이 이루어지고, 때문에 전체적인 발광 효율은 낮아지게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 우물층의 두께를 두껍게 하여 발광 효율을 증대시키는 방법이 있으나, 두꺼운 우물층은 결정성 품질을 저하시키는 문제점이 있다.
실시예는 반도체층의 결정성 품질을 개선하는 동시에 발광 효율을 향상시키고자 한다.
실시예에 따른 발광소자는 제1 도전형 반도체층; 제2 도전형 반도체층; 및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 위치하며 서로 번갈아 위치하는 복수 개의 우물층 및 복수 개의 장벽층을 포함하는 활성층;을 포함하고, 상기 활성층은 상기 제1 도전형 반도체층에 인접한 제1 영역, 상기 제2 도전형 반도체층에 인접한 제2 영역, 및 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이의 제3 영역을 포함하며, 상기 제1 영역에 속하는 우물층의 두께가 상기 제3 영역에 속하는 우물층의 두께보다 두껍고, 상기 제2 영역에 속하는 우물층의 두께가 상기 제3 영역에 속하는 우물층의 두께보다 두껍다.
상기 제2 영역은 복수 개의 우물층을 포함하고, 상기 제2 영역에 속하는 복수 개의 우물층은 상기 제2 도전형 반도체층 방향으로 갈수록 두께가 증가할 수 있다.
상기 제3 영역은 복수 개의 우물층을 포함하고, 상기 제3 영역에 속하는 복수 개의 우물층은 상기 제2 도전형 반도체층 방향으로 갈수록 두께가 증가할 수 있다.
상기 제1 영역에 속하는 우물층의 두께와 상기 제2 영역에 속하는 우물층의 두께가 동일할 수 있다.
상기 제3 영역은 상기 제2 영역의 두께와 동일하거나, 상기 제2 영역의 두께보다 두꺼울 수 있다.
상기 제1 영역, 제2 영역 및 제3 영역은 서로 번갈아 위치하는 우물층 및 장벽층의 페어 구조를 각각 적어도 하나 포함할 수 있다.
상기 제1 영역에 속하는 우물층의 두께를 d1 -1, 상기 제3 영역에 속하는 우물층의 두께를 d3 -1, 상기 제2 영역에 속하는 우물층의 두께를 d2 - 1라 할 때, d1 -1:d3 -1:d2-1=1.2~1.5:1:1.2~1.5일 수 있다.
상기 제1 영역 및 상기 제2 영역에 속하는 장벽층은 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역에 속하는 우물층보다 두께가 얇을 수 있다.
상기 복수 개의 장벽층은 두께가 일정할 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층은 상기 활성층에 인접하여 위치하는 전자 차단층을 포함할 수 있다.
상기 제1 영역에 속하는 우물층은 에너지 밴드갭이 상기 제2 영역에 속하는 우물층의 에너지 밴드갭과 동일할 수 있다.
상기 제1 영역, 상기 제2 영역 및 상기 제3 영역 중에서 제1 영역의 두께가 가장 얇을 수 있다.
실시예에 따르면 활성층의 우물층의 두께를 다양하게 조합함으로써 결정성 품질을 개선하는 동시에 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 발광소자의 측단면도.
도 2는 다른 실시예에 따른 발광소자의 측단면도.
도 3은 제1 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면.
도 4는 제2 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면.
도 5는 제3 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면.
도 6은 제4 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면.
도 7 내지 도 9는 발광소자의 제작 과정의 일실시예를 간략히 도시한 도면.
도 10은 전류 밀도에 따른 외부 양자 효율을 나타낸 그래프.
도 11은 파장에 따른 발광소자의 파워를 나타낸 그래프.
도 12는 실시예들에 따른 발광소자를 포함한 발광소자 패키지의 일실시예를 도시한 도면.
도 13은 실시예들에 따른 발광소자 또는 발광소자 패키지가 배치된 헤드램프의 일실시예를 도시한 도면.
도 14는 실시예에 따른 발광소자 패키지가 배치된 표시장치의 일실시예를 도시한 도면.
도 2는 다른 실시예에 따른 발광소자의 측단면도.
도 3은 제1 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면.
도 4는 제2 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면.
도 5는 제3 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면.
도 6은 제4 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면.
도 7 내지 도 9는 발광소자의 제작 과정의 일실시예를 간략히 도시한 도면.
도 10은 전류 밀도에 따른 외부 양자 효율을 나타낸 그래프.
도 11은 파장에 따른 발광소자의 파워를 나타낸 그래프.
도 12는 실시예들에 따른 발광소자를 포함한 발광소자 패키지의 일실시예를 도시한 도면.
도 13은 실시예들에 따른 발광소자 또는 발광소자 패키지가 배치된 헤드램프의 일실시예를 도시한 도면.
도 14는 실시예에 따른 발광소자 패키지가 배치된 표시장치의 일실시예를 도시한 도면.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)(on or under)”으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 1은 일실시예에 따른 발광소자의 측단면도다.
도 1을 참조하면, 일실시예에 따른 발광소자(100)는 제1 도전형 반도체층(122), 제2 도전형 반도체층(126), 및 상기 제1 도전형 반도체층(122)과 제2 도전형 반도체층(126) 사이의 활성층(124)을 포함한다.
제1 도전형 반도체층(122)과 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)을 합하여 발광 구조물(120)이라 칭할 수 있다.
발광소자(100)는 복수의 화합물 반도체층, 예를 들어 3족-5족 또는 2족-6족 원소의 반도체층을 이용한 LED(Light Emitting Diode)를 포함하며, LED는 청색, 녹색 또는 적색 등과 같은 광을 방출하는 유색 LED이거나, 백색 LED 또는 UV LED일 수 있다. LED의 방출 광은 다양한 반도체를 이용하여 구현될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
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.
제1 도전형 반도체층(122)은 반도체 화합물로 형성될 수 있으며, 예를 들어 3족-5족 또는 2족-6족 등의 화합물 반도체로 형성될 수 있다. 또한 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(122)이 n형 반도체층인 경우, 상기 제1 도전형 도펀트는 n형 도펀트로서 Si, Ge, Sn, Se, Te 등을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 상기 제2 도전형 반도체층(122)이 p형 반도체층인 경우, 상기 제1 도전형 도펀트는 p형 도펀트로서 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 수 있으나 이에 한정하지 않는다.
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. 상기 제1 도전형 반도체층(122)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(126)은 반도체 화합물로 형성될 수 있으며, 예를 들어 3족-5족 또는 2족-6족 등의 화합물 반도체로 형성될 수 있다. 또한 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(126)은 예를 들어, 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 제2 도전형 도펀트는 p형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 수 있으나 이에 한정하지 않는다. 상기 제2 도전형 반도체층(126)이 n형 반도체층인 경우, 상기 제2 도전형 도펀트는 n형 도펀트로서 Si, Ge, Sn, Se, Te 등을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
이하에서는, 제1 도전형 반도체층(122)이 n형 반도체층, 제2 도전형 반도체층(126)이 p형 반도체층인 경우를 예로 들어 설명한다.
상기 제2 도전형 반도체층(126) 상에는 상기 제2 도전형과 반대의 극성을 갖는 반도체, 예컨대 상기 제2 도전형 반도체층이 p형 반도체층일 경우 n형 반도체층(미도시)을 형성할 수 있다. 이에 따라 발광 구조물은 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.
제1 도전형 반도체층(122)과 제2 도전형 반도체층(126) 사이에 활성층(124)이 위치한다.
활성층(124)은 전자와 정공이 서로 만나서 활성층(발광층) 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다. 제1 도전형 반도체층(122)이 n형 반도체층이고 제2 도전형 반도체층(126)이 p형 반도체층인 경우, 상기 제1 도전형 반도체층(122)으로부터 전자가 주입되고 상기 제2 도전형 반도체층(126)으로부터 정공이 주입될 수 있다.
활성층(124)은 다중 우물 구조로 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 양자 우물 구조가 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
활성층(124)은 서로 번갈아 위치하는 복수 개의 우물층(124a)과 장벽층(124b)을 포함하며, 활성층(124)의 우물층(124a)/장벽층(124b)은 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. 우물층(124a)은 장벽층(124b)의 밴드갭보다 작은 밴드갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
활성층(124)은 제1 도전형 반도체층(122)에 인접한 제1 영역(124-1), 제2 도전형 반도체층(126)에 인접한 제2 영역(124-2), 및 상기 제1 영역(124-1)과 상기 제2 영역(124-2) 사이의 제3 영역(124-3)을 포함한다.
그리고, 제1 영역(124-1)에 속하는 우물층(124a)의 두께가 제3 영역(124-3)에 속하는 우물층(124a)의 두께보다 두껍고, 제2 영역(124-2)에 속하는 우물층(124a)의 두께가 제3 영역(124-3)에 속하는 우물층(124a)이 두께보다 두껍다.
활성층(124)의 제1 영역(124-1), 제2 영역(124-2) 및 제3 영역(124-3)에 대해서는 도 3 내지 도 6을 참조하여 좀 더 자세히 후술하기로 한다.
활성층(124)의 위 또는/및 아래에는 도전형 클래드층(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 도전형 클래드층은 활성층의 장벽층의 밴드갭보다 더 넓은 밴드갭을 갖는 반도체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도전형 클래드층은 GaN, AlGaN, InAlGaN 또는 초격자 구조를 포함할 수 있다. 또한, 도전형 클래드층은 n형 또는 p형으로 도핑될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(126)은 활성층(124)에 인접하여 위치하는 전자 차단층(EBL, 126a)을 포함할 수 있다.
전자 차단층(126a)은 제1 도전형 반도체층(122)에서 제공되는 전자의 이동도(mobility)가 높기 때문에, 전자가 발광에 기여하지 못하고 활성층(124)을 넘어 제2 도전형 반도체층(126)으로 빠져나가 누설 전류의 원인이 되는 것을 방지하는 전위 장벽의 역할을 한다.
전자 차단층(126a)은 활성층(124)의 장벽층(124b)보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 물질로 형성되며, InxAlyGaN1 -x-y(0≤x<1, 0<y<1)의 조성을 가질 수 있다.
발광 구조물(120)은 기판(110) 상에 위치한다.
기판(110)은 반도체 물질 성장에 적합한 재료, 열전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있다. 기판(110)은 예를 들어, 사파이어(Al2O3), SiC, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP, Ge, and Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 기판(110)에 대해 습식세척을 하여 표면의 불순물을 제거할 수 있다.
발광 구조물(120)과 기판(110) 사이에는 버퍼층(115)이 위치할 수 있다. 버퍼층(115)은 발광 구조물(120)과 기판(110)의 재료의 격자 부정합 및 열팽창 계수의 차이를 완화하기 위한 것이다. 버퍼층(115)의 재료는 3족-5족 화합물 반도체, 예컨대, GaN, InN, AlN, InGaN, InAlGaN, AlInN 중 적어도 하나로 형성될 수 있다.
기판(110)과 제1 도전형 반도체층(122) 사이에 언도프트 반도체층(미도시)이 위치할 수도 있다. 언도프트 반도체층은 제1 도전형 반도체층(122)의 결정성 향상을 위해 형성되는 층으로, n형 도펀트가 도핑되지 않아 제1 도전형 반도체층에 비해 낮은 전기전도성을 갖는 것을 제외하고는 상기 제1 도전형 반도체층(122)과 같을 수 있다.
제1 도전형 반도체층(122)은 제2 도전형 반도체층(126)과 활성층(124)의 적어도 일부가 선택적으로 식각되어 노출된 노출면(S)을 갖는다. 상기 노출면(S) 상에 제1 전극(130)이 위치하고, 식각되지 않은 제2 도전형 반도체층(126) 상에 제2 전극(140)이 위치한다.
제1 전극(130) 및 제2 전극(140)은 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 백금(Pt), 바나듐(V), 텅스텐(W), 납(Pd), 구리(Cu), 로듐(Rh) 또는 이리듐(Ir) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
제2 전극(140)이 형성되기 전 제2 도전형 반도체층(126) 상에는 도전층(150)이 형성될 수 있다.
실시예에 따라, 제2 도전형 반도체층(126)이 노출되도록 도전층(150)의 일부가 오픈되어 제2 도전형 반도체층(126)과 제2 전극(140)이 접할 수 있다.
또는, 도 1에 도시된 바와 같이, 도전층(150)을 사이에 두고 제2 도전형 반도체층(126)과 제2 전극(140)이 전기적으로 연결될 수도 있다.
도전층(150)은 제2 도전형 반도체층(126)의 전기적 특성을 향상시키고 제2 전극(140)과의 전기적 접촉을 개선하기 위한 것으로, 층 또는 복수의 패턴으로 형성될 수 있다. 도전층(150)은 투과성을 갖는 투명 전극층으로 형성될 수 있다.
도전층(150)에는 투광성 전도층과 금속이 선택적으로 사용될 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, 또는 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 있으나, 이러한 재료에 한정되지 않는다.
도 1에 따른 발광소자(100)는 수평형(Lateral) 구조일 수 있다. 수평형 구조란, 발광 구조물(120)에서 제1 전극(130)과 제2 전극(140)이 동일한 방향을 향해 형성되는 구조를 의미한다. 일 예로서, 도 1을 참조하면, 제1 전극(130)과 제2 전극(140)이 발광 구조물(120)의 상부 방향으로 형성되어 있다.
도 2는 다른 실시예에 따른 발광소자의 측단면도다. 상술한 내용과 중복되는 내용은 다시 설명하지 않는다.
도 2를 참조하면, 다른 실시예에 따른 발광소자(100)는 제1 도전형 반도체층(122), 제2 도전형 반도체층(126), 및 상기 제1 도전형 반도체층(122)과 제2 도전형 반도체층(126) 사이의 활성층(124)을 포함한다.
제1 도전형 반도체층(122)과 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)을 합하여 발광 구조물(120)이라 칭할 수 있다.
활성층(124)은 제1 도전형 반도체층(122)에 인접한 제1 영역(124-1), 제2 도전형 반도체층(126)에 인접한 제2 영역(124-2), 및 상기 제1 영역(124-1)과 상기 제2 영역(124-2) 사이의 제3 영역(124-3)을 포함한다.
그리고, 제1 영역(124-1)에 속하는 우물층(124a)의 두께가 제3 영역(124-3)에 속하는 우물층(124a)의 두께보다 두껍고, 제2 영역(124-2)에 속하는 우물층(124a)의 두께가 제3 영역(124-3)에 속하는 우물층(124a)이 두께보다 두껍다.
활성층(124)의 제1 영역(124-1), 제2 영역(124-2) 및 제3 영역(124-3)에 대해서는 도 3 내지 도 6을 참조하여 좀 더 자세히 후술하기로 한다.
발광 구조물(120)의 상부, 즉 제1 도전형 반도체층(122)의 일면에 제1 전극(130)이 위치하고, 발광 구조물(120)의 하부, 즉 제2 도전형 반도체층(126)의 일면에 제2 전극층(220)이 위치한다.
일 예로서, 제2 전극층(220)은 도전층(220a) 또는 반사층(220b) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
도전층(220a)은 제2 도전형 반도체층(126)의 전기적 특성을 개선하기 위한 것으로, 제2 도전형 반도체층(126)과 접하여 위치할 수 있다.
도전층(220a)은 투명 전극층 또는 불투명 전극층으로 형성될 수 있으며, 예를 들어, ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), IZTO(indium zinc tin oxide), IAZO(indium aluminum zinc oxide), IGZO(indium gallium zinc oxide), IGTO(indium gallium tin oxide), AZO(aluminum zinc oxide), ATO(antimony tin oxide), GZO(gallium zinc oxide), IZON(IZO Nitride), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), ZnO, IrOx, RuOx, NiO, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, 또는 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 한정되지는 않는다.
반사층(220b)은 활성층(124)에서 생성된 빛을 반사시켜 발광소자(100)의 내부에서 소멸되는 빛의 양을 줄임으로써, 발광소자(100)의 외부양자효율을 향상시킬 수 있다.
반사층(220b)은 Ag, Ti, Ni, Cr 또는 AgCu 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정하지 않는다.
반사층(220b)이 제2 도전형 반도체층(126)과 오믹 접촉하는 물질로 이루어진 경우, 도전층(220a)은 별도로 형성하지 않을 수 있다.
발광 구조물(120)은 지지기판(210)에 의해 지지된다.
지지기판(210)은 전기 전도성과 열 전도성이 높을 물질로 형성되며, 예를 들어, 소정의 두께를 갖는 베이스 기판(substrate)으로서, 몰리브덴(Mo), 실리콘(Si), 텅스텐(W), 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al)로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있으며, 또한, 금(Au), 구리합금(Cu Alloy), 니켈(Ni), 구리-텅스텐(Cu-W), 캐리어 웨이퍼(예: GaN, Si, Ge, GaAs, ZnO, SiGe, SiC, SiGe, Ga2O3 등) 또는 전도성 시트 등을 선택적으로 포함할 수 있다.
발광 구조물(120)은 본딩층(215)에 의해 지지기판(210)에 본딩될 수 있다. 이때, 발광 구조물(120) 하부에 위치하는 제2 전극층(220)과 본딩층(215)이 접할 수 있다.
본딩층(215)은 베리어 금속 또는 본딩 금속 등을 포함하며, 예를 들어, Ti, Au, Sn, Ni, Cr, Ga, In, Bi, Cu, Ag 또는 Ta 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
본딩층(215)은 발광 구조물(120)에 인접하여 확산 방지층(미도시)을 포함하여, 본딩층(215)에 사용된 금속 등이 상부의 발광 구조물(120) 내부로 확산되는 것을 방지할 수도 있다.
발광 구조물(120)의 하부 둘레에 채널층(230)이 위치할 수 있다. 채널층(230)은 발광 구조물(120)을 보호하며, 발광소자(100)의 제조 과정 중 아이솔레이션 에칭시 에칭의 스톱 레이어(stop layer)로서 기능할 수 있다.
채널층(180)은 발광 구조물(120)의 제2 도전형 반도체층(126) 하부 둘레에 루프 형상, 고리 형상 또는 프레임 형상 등의 패턴으로 형성될 수 있다.
채널층(180)은 발광 구조물의 외벽이 습기에 노출되더라도 서로 쇼트가 발생하는 것을 방지하여 고습에 강한 발광소자를 제공할 수 있다.
채널층(180)은 산화물, 질화물 또는 절연층의 재질 중에서 선택될 수 있으며, 예컨대 ITO(indium tinoxide), 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), SiO2, SiOx, SiOxNy, Si3N4, Al2O3, TiO2 등에서 선택적으로 형성될 수 있으나, 이에 한정하지 않는다.
발광 구조물(120) 상의 적어도 일부, 측면, 그리고 발광 구조물(120)의 외부로 노출된 채널층(230)의 상부에 패시베이션층(240)이 위치할 수도 있다.
패시베이션층(240)은 산화물 또는 질화물로 이루어져 발광 구조물(120)을 보호할 수 있다. 일 예로서, 패시베이션층(240)은 실리콘 산화물(SiO2)층, 실리콘 질화물층, 산화 질화물층, 또는 산화 알루미늄층으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정하지 않는다.
발광 구조물(120)의 제1 도전형 반도체층(122) 상에는 러프니스 패턴(R)이 형성될 수 있다. 발광 구조물(120)의 상부에 패시베이션층(240)이 존재하는 경우, 상기 패시베이션층(240)에 러프니스 패턴(R)이 위치할 수도 있다. 러프니스 패턴(R)은 PEC(Photo enhanced chemical) 식각 방법이나 마스크 패턴을 이용한 에칭 공정 수행하여 형성할 수 있다. 러프니스 패턴(R)은 활성층(124)에서 생성된 광의 외부 추출 효율을 증가시키기 위한 것으로서, 규칙적인 주기를 갖거나 불규칙적인 주기를 가질 수 있다.
도 2에 따른 발광소자(100)는 수직형(Vertical) 구조일 수 있다. 수직형 구조란, 발광소자(100)에서 제1 전극(130)과 제2 전극층(220)이 서로 다른 방향에 각각 형성되는 구조를 의미한다. 일 예로서, 도 2를 참조하면, 발광 구조물(120)의 상부 방향으로 제1 전극(130)이 형성되고 발광 구조물(120)의 하부 방향으로 제2 전극층(220)이 형성되어 있다.
이하에서는 도 3 내지 도 6을 참조하여 활성층(124)의 제1 영역(124-1), 제2 영역(124-2) 및 제3 영역(124-3)에 대하여 좀 더 자세히 설명한다. 도 3 내지 도 6에 따른 발광소자는 상술한 수평형 구조 또는 수직형 구조로 형성될 수 있다.
도 3은 제1 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 제1 실시예에 따른 발광소자(100A)는 제1 도전형 반도체층(122)과 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)을 포함하고, 상기 활성층(124)은 서로 번갈아 위치하는 복수 개의 우물층(124a) 및 복수 개의 장벽층(124b)을 포함한다.
활성층(124)은 제1 도전형 반도체층(122)에 인접한 제1 영역(124-1), 제2 도전형 반도체층(126)에 인접한 제2 영역(124-2), 및 상기 제1 영역(124-1)과 상기 제2 영역(124-2) 사이의 제3 영역(124-3)을 포함한다.
활성층(124)의 제1 영역(124-1), 제2 영역(124-2) 및 제3 영역(124-3)은 서로 번갈아 위치하는 우물층(124a)과 장벽층(124b)의 페어 구조를 적어도 하나 포함한다.
도 3에는 제1 영역(124-1)이 한 개의 우물층/장벽층 페어 구조를 포함하고, 제2 영역(124-2)이 세 개의 우물층/장벽층 페어 구조를 포함하고, 제3 영역(124-3)이 네 개의 우물층/장벽층 페어 구조를 포함하는 것으로 도시하였으나, 이에 한정하지 않는다.
그리고, 제1 영역(124-1)에 속하는 우물층(124a)의 두께(d1 -1)가 제3 영역(124-3)에 속하는 우물층(124a)의 두께(d3 -1)보다 두껍고, 제2 영역(124-2)에 속하는 우물층(124a)의 두께(d2 -1)가 제3 영역(124-3)에 속하는 우물층(124a)의 두께(d3-1)보다 두껍다(d1 -1>d3 -1, d2 -1>d3 -1).
우물층(124a)의 두께 d1 -1이란, 제1 영역(124-1)에 속하는 우물층들(124a) 각각의 두께를 의미하고, 우물층(124a)의 두께 d2 - 1란 제2 영역(124-2)에 속하는 우물층들(124a) 각각의 두께를 의미하고, 우물층(124a)의 두께 d3 - 1란 제3 영역(124-3)에 속하는 우물층들(124a) 각각의 두께를 의미한다.
즉, 활성층(124)에 포함된 복수 개의 우물층(124a)은, 제1 도전형 반도체층(122)에서 제2 도전형 반도체층(126)의 방향으로, 제1 두께, 상기 제1 두께보다 얇은 제2 두께, 그리고 상기 제2 두께보다 두꺼운 제3 두께를 갖도록 형성된다. 상기 제1 두께는 제1 도전형 반도체층(122)에 인접한 제1 영역(124-1)에 속하는 적어도 하나의 우물층(124a)의 두께(d1 -1)이고, 상기 제2 두께는 상기 제1 영역(124-1) 상에 위치하는 제3 영역(124-3)에 속하는 우물층(124a)의 두께(d3 -1)이며, 상기 제3 두께는 상기 제3 영역(124-3) 상에 제2 도전형 반도체층(126)에 인접하여 위치하는 제2 영역(124-2)에 속하는 우물층(124a)의 두께(d2 -1)이다.
제1 영역(124-1)은 제1 도전형 반도체층(122)에 인접하여 위치하면서 활성층(124)의 응력을 완화시키는 응력 완화층(Stress Relaxation layer)의 역할을 할 수 있다. 또한, 제1 영역(124-1)은 에너지 밴드갭이 그 밖의 다른 활성층(124) 영역에 속하는 우물층(124a)의 에너지 밴드갭과 동일하므로, 응력 완화층(Stress Relaxation layer)의 역할을 하는 동시에 발광 영역으로서도 작용할 수 있다.
제2 영역(124-2)은 제2 도전형 반도체층(126)에 인접하여 위치하며, 우물층(124a)의 두께가 두껍고 제2 도전형 반도체층(126)으로부터 제공된 정공이 가장 많이 속박되는 영역이므로 실질적인 발광층의 역할을 할 수 있다.
제3 영역(124-3)은 제1 영역(124-1)과 제2 영역(124-2) 사이에 위치하며, 제3 영역(124-3)에 속하는 우물층(124a)의 두께(d3 -1)가 제1 영역(124-1)에 속하는 우물층(124a)의 두께(d1 -1)보다 얇고 제2 영역(124-2)에 속하는 우물층(124a)의 두께(d2-1)보다 얇으므로, 활성층(124)의 결정성 품질을 개선하는 역할을 할 수 있다. 결정 격자가 큰 In의 함량이 많은 우물층(124a)은 성장되는 두께가 두꺼울수록 결정성 품질이 저하되는데, 제3 영역(124-3)에서 다른 영역보다 두께가 얇은 우물층(124a)을 형성함으로써 그 이후 제2 영역(124-2)에서 우물층(124a)이 두껍게 형성되더라도 활성층(124)의 결정성 품질이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
즉, 실시예에 따르면, 활성층(124)의 제1 영역(124-1)에 속하는 우물층(124a)을 두껍게 형성하여 활성층(124)의 응력을 완화하고, 제3 영역(124-3)에서 상기 제1 영역(124-1)에 속한 우물층(124a)보다 얇게 우물층들(124a)을 형성하여 활성층(124)의 결정성 품질을 개선하며, 제2 도전형 반도체층(126)에 인접한 제2 영역(124-2)에서 상기 제3 영역(124-3)에 속한 우물층(124a)보다 두껍게 우물층들(124a)을 형성하여 전자와 정공의 재결합률을 높임으로써 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
제1 영역(124-1)에 속하는 우물층(124a)의 두께(d1 -1)와 제2 영역(124-2)에 속하는 우물층(124a)의 두께(d2 -1)는 동일할 수도 있고, 서로 다를 수도 있다. 일 예로서, 제1 영역(124-1)에 속하는 우물층(124a)의 두께(d1 -1), 제2 영역(124-2)에 속하는 우물층(124a)의 두께(d2 -1), 제3 영역(124-3)에 속하는 우물층(124a)의 두께(d3 -1)는 d1 -1:d3 -1:d2 -1=1.2~1.5:1:1.2~1.5의 관계식을 만족할 수 있다. 제1 영역(124-1)에 속하는 우물층(124a)과 제2 영역(124-2)에 속하는 우물층(124a)의 두께가 너무 두꺼운 경우 반도체층의 결정성 품질이 저하될 수 있고, 두께가 너무 얇은 경우 각각 응력 완화층의 효과나 실질절인 발광층의 효과가 미비할 수 있다. 제3 영역(124-3)에 속하는 우물층(124a)의 두께가 너무 두꺼운 경우 결정성 품질이 저하될 수 있고, 두께가 너무 얇을 경우 결정성 품질은 향상되나 전자와 정공이 속박될 공간이 줄어들어 발광 효율이 저하될 수 있다.
제1 영역(124-1)에서, 장벽층(124b)의 두께(d1 -2)는 우물층(124a)의 두께(d1 -1)보다 얇을 수 있다. 마찬가지로, 제2 영역(124-2)에서, 장벽층(124b)의 두께(d2 -2)는 우물층(124a)의 두께(d2 -1)보다 얇을 수 있다. 제3 영역(124-3)에서, 장벽층(124b)의 두께(d3 -2)는 우물층(124a)의 두께(d3 -1)와 동일하거나, 이와 서로 다를 수 있다.
장벽층(124b)의 두께 d1 -2란, 제1 영역(124-1)에 속하는 장벽층들(124b) 각각의 두께를 의미하고, 장벽층(124b)의 두께 d2 -2란 제2 영역(124-2)에 속하는 장벽층들(124b) 각각의 두께를 의미하고, 장벽층(124b)의 두께 d3 -2란 제3 영역(124-3)에 속하는 장벽층들(124b) 각각의 두께를 의미한다.
활성층(124)의 전 영역에서 장벽층(124b)의 두께는 일정할 수 있으나, 이에 한정하지 않는다. 장벽층(124b)의 두께가 너무 얇으면 우물층(124a)의 성장으로 인하여 저하된 결정성 품질을 개선하기 어렵고, 장벽층(124b)의 두께가 너무 두꺼우면 발광소자(100)의 동작 전압이 상승할 수 있다.
제1 영역(124-1)의 두께(D1)는 제2 영역(124-2)의 두께(D2)보다 얇고, 제3 영역(124-3)의 두께(D3)보다 얇을 수 있다. 즉, 제1 영역(124-1), 제2 영역(124-2) 및 제3 영역(124-3) 중에서 제1 영역(124-1)의 두께(D1)가 가장 얇을 수 있다.
제3 영역(124-3)의 두께(D3)는 제2 영역(124-2)의 두께(D2)와 동일하거나, 제2 영역(124-2)의 두께(D2)보다 두꺼울 수 있다. 또는, 실시예에 따라 제3 영역(124-3)의 두께(D3)가 제2 영역(124-2)의 두께(D2)보다 얇을 수도 있다. 제3 영역(124-3)의 두께(D3)와 제2 영역(124-2)의 두께(D2)는 결정성 품질 개선과 발광 효율의 향상 측면을 고려하여 조절될 수 있다.
일 예로서, 제1 영역(124-1)의 두께(D1)는 활성층(124)의 전체 두께의 10~20%, 제2 영역(124-2)의 두께(D2)는 활성층(124)의 전체 두께의 30~40%, 제3 영역(124-3)의 두께(D3)는 활성층(124)의 전체 두께의 40~50%일 수 있다.
도 4는 제2 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면이다. 상술한 실시예들과 중복되는 내용은 다시 설명하지 않으며, 이하에서는 차이점을 중심으로 설명한다.
도 4를 참조하면, 제2 실시예에 따른 발광소자(100B)는 제1 도전형 반도체층(122)과 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)을 포함하고, 상기 활성층(124)은 서로 번갈아 위치하는 복수 개의 우물층(124a) 및 복수 개의 장벽층(124b)을 포함한다.
활성층(124)은 제1 도전형 반도체층(122)에 인접한 제1 영역(124-1), 제2 도전형 반도체층(126)에 인접한 제2 영역(124-2), 및 상기 제1 영역(124-1)과 상기 제2 영역(124-2) 사이의 제3 영역(124-3)을 포함한다.
활성층(124)의 제1 영역(124-1), 제2 영역(124-2) 및 제3 영역(124-3)은 서로 번갈아 위치하는 우물층(124a)과 장벽층(124b)의 페어 구조를 적어도 하나 포함한다.
도 4에는 제1 영역(124-1)이 한 개의 우물층/장벽층 페어 구조를 포함하고, 제2 영역(124-2)이 세 개의 우물층/장벽층 페어 구조를 포함하고, 제3 영역(124-3)이 네 개의 우물층/장벽층 페어 구조를 포함하는 것으로 도시하였으나, 이에 한정하지 않는다.
그리고, 제1 영역(124-1)에 속하는 우물층(124a)의 두께(d1 -1)가 제3 영역(124-3)에 속하는 우물층(124a)의 두께(d3 -1)보다 두껍고, 제2 영역(124-2)에 속하는 우물층(124a)의 두께(d2 -1)가 제3 영역(124-3)에 속하는 우물층(124a)의 두께(d3-1)보다 두껍다(d1 -1>d3 -1, d2 -1>d3 -1).
제3 영역(124-3)에 속하는 복수 개의 우물층(124a)은 제2 도전형 반도체층(126) 방향으로 갈수록 두께(d3 -1)가 증가할 수 있다. 이 경우, 가장 두꺼운 우물층(124a)이라도 제2 영역(124-2)에 속하는 우물층(124a)보다는 두께가 얇을 수 있다. 제2 도전형 반도체층(126) 방향으로 갈수록 우물층(124a)의 두께(d3 -1)가 점차 증가함에 따라, 제1 영역(124-1)에 인접한 두께가 얇은 우물층들(124a)은 결정성 품질을 개선하는 역할을 하고 제2 영역(124-2)에 인접한 두께가 두꺼운 우물층들(124a)은 전자와 정공의 재결합률을 향상시킬 수 있다.
도 4에는 제3 영역(124-3)에 속하는 네 개의 우물층(124a) 모두에서 계속적으로 두께(d3 -1)의 변화가 있는 것으로 도시하였으나, 실시예에 따라, 제2 도전형 반도체층(126)의 방향으로 갈수록 두께(d3 -1)가 증가하되 인접한 적어도 두 개의 우물층(124a)의 두께(d3 -1)는 일정할 수도 있다.
그 밖에, 우물층(124a) 및 장벽층(124b)의 두께, 제1 영역(124-1), 제2 영역(124-2) 및 제3 영역(124-3)의 두께 등에 관한 내용은 도 3과 관련하여 상술한 바와 같으므로 설명을 생략한다.
도 5는 제3 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면이다. 상술한 실시예들과 중복되는 내용은 다시 설명하지 않으며, 이하에서는 차이점을 중심으로 설명한다.
도 5를 참조하면, 제3 실시예에 따른 발광소자(100C)는 제1 도전형 반도체층(122)과 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)을 포함하고, 상기 활성층(124)은 서로 번갈아 위치하는 복수 개의 우물층(124a) 및 복수 개의 장벽층(124b)을 포함한다.
활성층(124)은 제1 도전형 반도체층(122)에 인접한 제1 영역(124-1), 제2 도전형 반도체층(126)에 인접한 제2 영역(124-2), 및 상기 제1 영역(124-1)과 상기 제2 영역(124-2) 사이의 제3 영역(124-3)을 포함한다.
활성층(124)의 제1 영역(124-1), 제2 영역(124-2) 및 제3 영역(124-3)은 서로 번갈아 위치하는 우물층(124a)과 장벽층(124b)의 페어 구조를 적어도 하나 포함한다.
도 5에는 제1 영역(124-1)이 한 개의 우물층/장벽층 페어 구조를 포함하고, 제2 영역(124-2)이 세 개의 우물층/장벽층 페어 구조를 포함하고, 제3 영역(124-3)이 네 개의 우물층/장벽층 페어 구조를 포함하는 것으로 도시하였으나, 이에 한정하지 않는다.
그리고, 제1 영역(124-1)에 속하는 우물층(124a)의 두께(d1 -1)가 제3 영역(124-3)에 속하는 우물층(124a)의 두께(d3 -1)보다 두껍고, 제2 영역(124-2)에 속하는 우물층(124a)의 두께(d2 -1)가 제3 영역(124-3)에 속하는 우물층(124a)의 두께(d3-1)보다 두껍다(d1 -1>d3 -1, d2 -1>d3 -1).
제2 영역(124-2)에 속하는 복수 개의 우물층(124a)은 제2 도전형 반도체층(126) 방향으로 갈수록 두께(d2 -1)가 증가할 수 있다. 이 경우, 가장 얇은 우물층(124a)이라도 제3 영역(124-3)에 속하는 우물층(124a)보다는 두께가 두꺼울 수 있다. 제2 도전형 반도체층(126) 방향으로 갈수록 우물층(124a)의 두께(d2 -1)가 점차 증가함에 따라, 제3 영역(124-3)에 인접한 두께가 얇은 우물층들(124a)은 결정성 품질을 개선하는 역할을 하고 제2 도전형 반도체층(126)에 인접한 두께가 두꺼운 우물층들(124a)은 전자와 정공의 재결합률을 향상시킬 수 있다.
도 5에는 제2 영역(124-2)에 속하는 세 개의 우물층(124a) 모두에서 계속적으로 두께(d3 -1)의 변화가 있는 것으로 도시하였으나, 실시예에 따라, 제2 도전형 반도체층(126)의 방향으로 갈수록 두께(d2 -1)가 증가하되 인접한 적어도 두 개의 우물층(124a)의 두께(d2 -1)는 일정할 수도 있다.
그 밖에, 우물층(124a) 및 장벽층(124b)의 두께, 제1 영역(124-1), 제2 영역(124-2) 및 제3 영역(124-3)의 두께 등에 관한 내용은 도 3 및 도 4와 관련하여 상술한 바와 같으므로 설명을 생략한다.
도 6은 제4 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면이다. 상술한 실시예들과 중복되는 내용은 다시 설명하지 않으며, 이하에서는 차이점을 중심으로 설명한다.
도 6을 참조하면, 제4 실시예에 따른 발광소자(100D)는 제1 도전형 반도체층(122)과 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)을 포함하고, 상기 활성층(124)은 서로 번갈아 위치하는 복수 개의 우물층(124a) 및 복수 개의 장벽층(124b)을 포함한다.
활성층(124)은 제1 도전형 반도체층(122)에 인접한 제1 영역(124-1), 제2 도전형 반도체층(126)에 인접한 제2 영역(124-2), 및 상기 제1 영역(124-1)과 상기 제2 영역(124-2) 사이의 제3 영역(124-3)을 포함한다.
활성층(124)의 제1 영역(124-1), 제2 영역(124-2) 및 제3 영역(124-3)은 서로 번갈아 위치하는 우물층(124a)과 장벽층(124b)의 페어 구조를 적어도 하나 포함한다.
도 6에는 제1 영역(124-1)이 한 개의 우물층/장벽층 페어 구조를 포함하고, 제2 영역(124-2)이 세 개의 우물층/장벽층 페어 구조를 포함하고, 제3 영역(124-3)이 네 개의 우물층/장벽층 페어 구조를 포함하는 것으로 도시하였으나, 이에 한정하지 않는다.
그리고, 제1 영역(124-1)에 속하는 우물층(124a)의 두께(d1 -1)가 제3 영역(124-3)에 속하는 우물층(124a)의 두께(d3 -1)보다 두껍고, 제2 영역(124-2)에 속하는 우물층(124a)의 두께(d2 -1)가 제3 영역(124-3)에 속하는 우물층(124a)의 두께(d3-1)보다 두껍다(d1 -1>d3 -1, d2 -1>d3 -1).
제3 영역(124-3) 및 제2 영역(124-2)에 속하는 복수 개의 우물층(124a)은 제2 도전형 반도체층(126) 방향으로 갈수록 두께(d3 -1, d2 -1)가 증가할 수 있다. 즉, 제3 영역(124-3)에서 제2 영역(124-2)으로 갈수록 우물층(124a)의 두께가 증가하되, 제3 영역(124-3) 및 제2 영역(124-2) 내에서도 제2 도전형 반도체층(126) 방향으로 갈수록 우물층(124a)의 두께에 각각 변화가 있을 수 있다.
제2 도전형 반도체층(126) 방향으로 갈수록 우물층(124a)의 두께(d3 -1, d2 -1)가 점차 증가함에 따라, 제1 영역(124-1)에 인접한 두께가 얇은 우물층들(124a)은 결정성 품질을 개선하는 역할을 하고 제2 도전형 반도체층(126)에 인접한 두께가 두꺼운 우물층들(124a)은 전자와 정공의 재결합률을 향상시킬 수 있다.
도 6에는 제3 영역(124-3) 및 제2 영역(124-2)에 속하는 일곱 개의 우물층(124a) 모두에서 계속적으로 두께의 변화가 있는 것으로 도시하였으나, 실시예에 따라, 제2 도전형 반도체층(126)의 방향으로 갈수록 두께가 증가하되 인접한 적어도 두 개의 우물층(124a)의 두께(d2 -1)는 일정할 수도 있다.
그 밖에, 우물층(124a) 및 장벽층(124b)의 두께, 제1 영역(124-1), 제2 영역(124-2) 및 제3 영역(124-3)의 두께 등에 관한 내용은 도 3 내지 도 5와 관련하여 상술한 바와 같으므로 설명을 생략한다.
도 7 내지 도 9는 발광소자의 제작 과정의 일실시예를 간략히 도시한 도면이다.
먼저, 도 7을 참조하면, 기판(110) 상에 제1 도전형 반도체층(122)과 활성층(124)을 성장시킨다. 이때, 발광 구조물(120)의 결정성 향상을 위하여 기판(110) 상에 버퍼층(115)을 성장시킨 후 제1 도전형 반도체층(122)을 성장시킬 수 있다.
제1 도전형 반도체층(122)과 활성층(124) 및 그 이후의 반도체층들은 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 성장될 수 있으나, 이에 대해 한정하지 않는다.
활성층(124)은 복수 개의 우물층(124a)과 장벽층(124b)을 번갈아 포함하는 다중 우물 구조로 형성할 수 있다. 이때, 제1 도전형 반도체층(122)에 인접한 부분에는 우물층(124a)을 다소 두껍게 성장하여 제1 영역(124-1)을 형성하고, 그 이후에 제1 영역(124-1)에 속하는 우물층(124a)보다 두께가 얇은 우물층(124a)을 성장하여 제3 영역(124-3)을 형성하고, 그 이후에 제3 영역(124-3)에 속하는 우물층(124a)보다 두께가 두꺼운 우물층(124a)을 성장하여 제2 영역(124-2)을 형성한다.
활성층(124)의 제1 영역(124-1) 및 제2 영역(124-2)에서, 장벽층(124b)은 우물층(124a)보다 두께가 얇게 형성될 수 있다. 장벽층(124b)의 두께를 얇게 형성할 경우 반도체층의 품질이 저하될 수 있으나, 우물층(124a)의 성장 온도보다 고온에서 장벽층(124b)을 성장함으로써 고품질의 장벽층(124b)을 형성할 수 있다.
도 7에는 일 예로서, 우물층(124a)과 장벽층(124b)의 페어 구조를 여덟 개 형성하고, 그 중에서 한 개의 페어 구조는 제1 영역(124-1)이 되고, 네 개의 페어 구조는 제3 영역(124-3)이 되고, 나머지 세 개의 페어 구조는 제2 영역(124-2)이 되도록 형성하였다.
활성층(124) 상에는 제2 도전형 반도체층(126)을 성장시켜 발광 구조물(120)을 완성할 수 있다.
그 후, 도 8을 참조하면, 발광 구조물(120)을 선택적으로 식각하여 수평형 구조의 발광소자를 제작할 수 있다.
다시 설명하면, 도 7에서와 같이 제2 도전형 반도체층(126)을 성장한 후, 제2 도전형 반도체층(126)과 활성층(124) 및 제1 도전형 반도체층(122)의 일부를 선택적으로 식각하여 노출면(S)을 형성한다. 그리고, 제1 도전형 반도체층(122)의 노출면(S)에 제1 전극(130)을 형성하고, 식각되지 않은 제2 도전형 반도체층(126) 상에 제2 전극(140)을 형성한다. 제조 방법에 따라, 제2 도전형 반도체층(126)과 제2 전극(140) 사이에 도전층(150)을 증착할 수도 있다.
또는, 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이, 수직형 구조의 발광소자를 제작할 수도 있다.
도 9a를 참조하면, 도 7에서와 같이 제2 도전형 반도체층(126)을 성장한 후, 제2 전극층(220)을 형성한다. 그리고, 후에 개별적인 발광소자로 다이싱될 영역에 제2 전극층(220)의 일부를 제거하여 채널층(230)을 형성한다.
그 후, 제2 전극층(220)의 상부에 지지기판(210)을 배치한다. 지지기판(210)은 본딩 방식, 도금 방식 또는 증착 방식으로 형성할 수 있다. 지지기판(210)을 본딩 방식으로 형성하는 경우, 본딩층(215)을 통해 제2 전극층(220)과 지지기판(210)을 본딩할 수 있다.
그리고, 도 9a에 도시된 바와 같이, 기판(110)을 분리한다. 기판(110)의 분리는 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(110) 방향으로 일정 영역의 파장을 가지는 엑시머 레이저 광을 포커싱(focusing)하여 조사하면, 상기 기판(110)과 발광 구조물(120)의 경계면에 열 에너지가 집중되어 경계면이 갈륨과 질소 분자로 분리되면서 레이저 광이 지나가는 부분에서 순간적으로 기판(110)의 분리가 일어난다. 기판(110) 분리 후 별도의 식각 공정을 통해 버퍼층(115)을 제거할 수 있다.
그 후, 도 9b를 참조하면, 채널층(230)이 위치하는 영역에서 아이솔레이션 에칭을 실시하여 각각의 발광소자 단위로 분리한다. 아이솔레이션 에칭은, 예를 들어, ICP(Inductively Coupled Plasma)와 같은 건식 식각 방법에 의해 실시될 수 있다.
각각의 발광소자 단위로 분리한 후, 발광 구조물(120)의 제1 도전형 반도체층(122) 상에 제1 전극(130)을 형성한다. 그리고, 발광 구조물(120)의 상면과 측면의 적어도 일부에 패시베이션층(240)을 형성한다.
상술한 발광소자(100)의 제작 과정은 일 예시에 불과하며, 실시예에 따라 구체적인 제작 과정의 순서나 방법은 달라질 수 있다.
도 10은 전류 밀도에 따른 외부 양자 효율을 나타낸 그래프이다.
비교예는 활성층 전체에 걸쳐서 우물층의 두께가 일정한 경우를 의미하고, 실시예는 상술한 제1 실시예에 따라 우물층의 두께를 변화시킨 경우를 의미한다.
도 10을 참조하면, 실시예에 따를 때, 전류 밀도가 증가함에 따라 외부 양자 효율(External Quantum Efficiency: EQE)이 향상되어 높은 전류 밀도에서 효율이 저하되는 현상(Efficiency Droop)을 개선할 수 있다.
도 11은 파장에 따른 발광소자의 파워를 나타낸 그래프이다.
제1 비교예는 활성층 전체에 걸쳐서 우물층의 두께가 일정한 경우를 의미하고, 제2 비교예는 제2 도전형 반도체층에 인접한 활성층 부분의 우물층의 두께를 증가시킨 경우이고, 제1 실시예는 상술한 제1 실시예에 따라 우물층의 두께를 변화시킨 경우를 의미한다.
도 11을 참조하면, 실시예에 따를 때, 제1 비교예와 비교하여 발광소자의 파워가 상승하였으며, 제2 비교예와 비교하여 장파장 영역에서도 높은 파워를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
도 12는 실시예들에 따른 발광소자를 포함한 발광소자 패키지의 일실시예를 도시한 도면이다.
일실시예에 따른 발광소자 패키지(300)는 몸체(310)와, 상기 몸체(310)에 배치된 제1 리드 프레임(321) 및 제2 리드 프레임(322)과, 상기 몸체(310)에 배치되어 상기 제1 리드 프레임(321) 및 제2 리드 프레임(322)과 전기적으로 연결되는 상술한 실시예들에 따른 발광소자(100)와, 상기 캐비티에 형성된 몰딩부(340)를 포함한다. 상기 몸체(310)에는 캐비티가 형성될 수 있다.
상기 몸체(310)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있다. 상기 몸체(310)가 금속 재질 등 도전성 물질로 이루어지면, 도시되지는 않았으나 상기 몸체(310)의 표면에 절연층이 코팅되어 상기 제1,2 리드 프레임(321, 322) 간의 전기적 단락을 방지할 수 있다.
상기 제1 리드 프레임(321) 및 제2 리드 프레임(322)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광소자(100)에 전류를 공급한다. 또한, 상기 제1 리드 프레임(321) 및 제2 리드 프레임(322)은 상기 발광소자(100)에서 발생된 광을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있으며, 상기 발광소자(100)에서 발생된 열을 외부로 배출시킬 수도 있다.
상기 발광소자(100)는 상기 몸체(310) 상에 배치되거나 상기 제1 리드 프레임(321) 또는 제2 리드 프레임(322) 상에 배치될 수 있다. 본 실시예에서는 제1 리드 프레임(321)과 발광소자(100)가 직접 통전되고, 제2 리드 프레임(322)과 상기 발광소자(100)는 와이어(330)를 통하여 연결되어 있다. 발광소자(100)는 와이어 본딩 방식 외에 플립칩 방식 또는 다이 본딩 방식 등에 의하여 리드 프레임(321, 322)과 연결될 수 있다.
상기 몰딩부(340)는 상기 발광소자(100)를 포위하여 보호할 수 있다. 또한, 상기 몰딩부(340) 상에는 형광체(350)가 포함되어, 상기 발광소자(100)로부터 방출되는 빛의 파장을 변화시킬 수 있다.
형광체(350)는 가넷(Garnet)계 형광체, 실리케이트(Silicate)계 형광체, 니트라이드(Nitride)계 형광체, 또는 옥시니트라이드(Oxynitride)계 형광체를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 가넷계 형광체는 YAG(Y3Al5O12:Ce3 +) 또는 TAG(Tb3Al5O12:Ce3 +)일 수 있고, 상기 실리케이트계 형광체는 (Sr,Ba,Mg,Ca)2SiO4:Eu2 +일 수 있고, 상기 니트라이드계 형광체는 SiN을 포함하는 CaAlSiN3:Eu2 +일 수 있고, 상기 옥시니트라이드계 형광체는 SiON을 포함하는 Si6 - xAlxOxN8 -x:Eu2 +(0<x<6)일 수 있다.
상기 발광소자(100)에서 방출된 제1 파장 영역의 광이 상기 형광체(350)에 의하여 여기되어 제2 파장 영역의 광으로 변환되고, 상기 제2 파장 영역의 광은 렌즈(미도시)를 통과하면서 광경로가 변경될 수 있다.
실시예에 따른 발광소자 패키지는 복수 개가 기판 상에 어레이되며, 상기 발광소자 패키지의 광 경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트 등이 배치될 수 있다. 이러한 발광소자 패키지, 기판, 광학 부재는 라이트 유닛으로 기능할 수 있다. 또 다른 실시 예는 상술한 실시 예들에 기재된 반도체 발광소자 또는 발광소자 패키지를 포함하는 표시 장치, 지시 장치, 조명 시스템으로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 조명 시스템은 램프, 가로등을 포함할 수 있다.
이하에서는 상술한 발광소자 또는 발광소자 패키지가 배치된 조명 시스템의 일실시예로서, 헤드램프와 백라이트 유닛을 설명한다.
도 13은 실시예들에 따른 발광소자 또는 발광소자 패키지가 배치된 헤드램프의 일실시예를 도시한 도면이다.
도 13을 참조하면, 실시예들에 따른 발광소자 또는 발광소자 패키지가 배치된 발광 모듈(710)에서 방출된 빛이 리플렉터(720)와 쉐이드(730)에서 반사된 후 렌즈(740)를 투과하여 차체 전방을 향할 수 있다.
상기 발광 모듈(710)은 회로기판 상에 발광소자가 복수 개로 탑재될 수 있으며, 이에 대해 한정하지 않는다.
도 14는 실시예에 따른 발광소자 패키지가 배치된 표시장치의 일실시예를 도시한 도면이다.
도 14를 참조하면, 실시예에 따른 표시장치(800)는 발광 모듈(830, 835)과, 바텀 커버(810) 상의 반사판(820)과, 상기 반사판(820)의 전방에 배치되며 상기 발광 모듈에서 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.
발광 모듈은 회로 기판(830) 상의 상술한 발광소자 패키지(835)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 회로 기판(830)은 PCB 등이 사용될 수 있고, 발광소자 패키지(835)는 도 12에서 설명한 바와 같다.
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(830)은 굴절률과 투과율이 좋은 재료로 이루어지는데, 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate; PMMA), 폴리카보네이트(PolyCarbonate; PC), 또는 폴리에틸렌(PolyEthylene; PE) 등으로 형성될 수 있다. 그리고, 도광판이 생략되어 반사시트(820) 위의 공간에서 빛이 전달되는 에어 가이드 방식도 가능하다.
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 발광 모듈과 반사시트로부터 전달된 빛을 상기 패널(870)의 전방향으로 고르게 분산하기 위함이다.
본 실시예에서 상기 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.
이상과 같이 실시예는 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 발광소자 110: 기판
120: 발광 구조물 122: 제1 도전형 반도체층
124: 활성층 124a: 우물층
124b: 장벽층 124-1: 제1 영역
124-2: 제2 영역 124-3: 제3 영역
126: 제2 도전형 반도체층 210: 지지기판
220: 제2 전극층 240: 패시베이션층
310: 패키지 몸체 321, 322: 제1,2 리드 프레임
330: 와이어 340: 몰딩부
350: 형광체 710: 발광 모듈
720: 리플렉터 730: 쉐이드
800: 표시장치 810: 바텀 커버
820: 반사판 840: 도광판
850: 제1 프리즘시트 860: 제2 프리즘시트
870: 패널 880: 컬러필터
120: 발광 구조물 122: 제1 도전형 반도체층
124: 활성층 124a: 우물층
124b: 장벽층 124-1: 제1 영역
124-2: 제2 영역 124-3: 제3 영역
126: 제2 도전형 반도체층 210: 지지기판
220: 제2 전극층 240: 패시베이션층
310: 패키지 몸체 321, 322: 제1,2 리드 프레임
330: 와이어 340: 몰딩부
350: 형광체 710: 발광 모듈
720: 리플렉터 730: 쉐이드
800: 표시장치 810: 바텀 커버
820: 반사판 840: 도광판
850: 제1 프리즘시트 860: 제2 프리즘시트
870: 패널 880: 컬러필터
Claims (12)
- 제1 도전형 반도체층;
제2 도전형 반도체층; 및
상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 위치하며 서로 번갈아 위치하는 복수 개의 우물층 및 복수 개의 장벽층을 포함하는 활성층;을 포함하고,
상기 활성층은 상기 제1 도전형 반도체층에 인접한 제1 영역, 상기 제2 도전형 반도체층에 인접한 제2 영역, 및 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 사이의 제3 영역을 포함하며,
상기 제1 영역에 속하는 우물층의 두께가 상기 제3 영역에 속하는 우물층의 두께보다 두껍고, 상기 제2 영역에 속하는 우물층의 두께가 상기 제3 영역에 속하는 우물층의 두께보다 두꺼운 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제2 영역은 복수 개의 우물층을 포함하고, 상기 제2 영역에 속하는 복수 개의 우물층은 상기 제2 도전형 반도체층 방향으로 갈수록 두께가 증가하는 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제3 영역은 복수 개의 우물층을 포함하고, 상기 제3 영역에 속하는 복수 개의 우물층은 상기 제2 도전형 반도체층 방향으로 갈수록 두께가 증가하는 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 영역에 속하는 우물층의 두께와 상기 제2 영역에 속하는 우물층의 두께가 동일한 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제3 영역은 상기 제2 영역의 두께와 동일하거나, 상기 제2 영역의 두께보다 두꺼운 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 영역, 제2 영역 및 제3 영역은 서로 번갈아 위치하는 우물층 및 장벽층의 페어 구조를 각각 적어도 하나 포함하는 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 영역에 속하는 우물층의 두께를 d1 -1, 상기 제3 영역에 속하는 우물층의 두께를 d3 -1, 상기 제2 영역에 속하는 우물층의 두께를 d2 - 1라 할 때, d1 -1:d3 -1:d2-1=1.2~1.5:1:1.2~1.5인 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 영역 및 상기 제2 영역에 속하는 장벽층은 상기 제1 영역 및 상기 제2 영역에 속하는 우물층보다 두께가 얇은 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 복수 개의 장벽층은 두께가 일정한 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제2 도전형 반도체층은 상기 활성층에 인접하여 위치하는 전자 차단층을 포함하는 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 영역에 속하는 우물층은 에너지 밴드갭이 상기 제2 영역에 속하는 우물층의 에너지 밴드갭과 동일한 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 영역, 상기 제2 영역 및 상기 제3 영역 중에서 제1 영역의 두께가 가장 얇은 발광소자.
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