KR20140059512A - 발광 소자 - Google Patents
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Abstract
실시예의 발광 소자는 기판 및 기판 상에 배치되며, 제1 및 제2 도전형 반도체층과 제1 및 제2 도전형 반도체층의 사이에 배치된 활성층을 갖는 발광 구조물을 포함하고, 제2 도전형 반도체층은 제2 도전형 도펀트가 도핑된 도핑층 및 도핑층과 접하며 제2 도전형 캐리어를 생성하는 캐리어 생성층을 포함한다.
Description
실시예는 발광 소자에 관한 것이다.
발광 다이오드(LED:Light Emitting Diode)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전기를 적외선 또는 빛으로 변환시켜서 신호를 주고 받거나, 광원으로 사용되는 반도체 소자의 일종이다.
Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체(group Ⅲ-Ⅴ nitride semiconductor)는 물리적 및 화학적 특성으로 인해 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD) 등의 발광소자의 핵심 소재로 각광을 받고 있다. 즉, Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체인 GaN 및 AlN은 밴드 갭 에너지가 매우 크기 때문에, 청색 LED, 자외선 LED 및 LD 소자의 핵심 물질로 이용되고 있다.
이러한 발광 다이오드는 백열등과 형광등 등의 기존 조명기구에 사용되는 수은(Hg)과 같은 환경 유해물질이 포함되어 있지 않아 우수한 친환경성을 가지며, 긴 수명과 저전력 소비특성 등과 같은 장점이 있기 때문에 기존의 광원들을 대체하고 있다.
도 1은 기존의 발광 소자의 단면도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 발광소자는 기판(10), n형 GaN층(20), 다중 양자 우물(MQW:Multi Quantum Well)층(30) 및 p형 GaN층(40)으로 구성된다. MQW층(30)은 p형 GaN층(40)을 통해서 주입되는 정공(hole)과 n형 GaN층(20)을 통해 주입되는 전자가 서로 만나서, MQW층(30)을 이루는 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다.
이러한 기존의 발광 소자의 경우, 마그네슘(Mg)과 같은 불순물을 GaN층에 주입하여 p형 GaN층(40)을 구현한다. 그러나, 주입된 Mg의 도펀트 량의 일부만 이온화되어 대략 1E17 ㎝-3 정도의 정공이 형성된다. 이는, Mg 도펀트의 이온화 에너지가 높기 때문이며 전위(dislocation) 등 결함에 의한 보상(compensation)에 기인한다. 정공의 농도는 LED의 발광 효율과 직접적으로 관련되기 때문에 작은 저항을 갖는 p형 GaN(40)을 구현하는 것은 매우 중요하다. 이에, 내부 조성을 바꾸어 이온화 에너지를 낮추기 위한 시도가 있지만, p형 GaN층(40)의 c축 방향의 전기 전도도가 낮아 실제 제품에 활용되기 어렵다.
실시예는 정공이나 전자 같은 캐리어를 더 많이 생성할 수 있는 발광 소자를 제공한다.
실시예에 의한 발광 소자는, 기판; 및 상기 기판 상에 배치되며, 제1 및 제2 도전형 반도체층과 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층의 사이에 배치된 활성층을 갖는 발광 구조물을 포함하고, 상기 제2 도전형 반도체층은 제2 도전형 도펀트가 도핑된 도핑층; 및 상기 도핑층과 접하며 제2 도전형 캐리어를 생성하는 캐리어 생성층을 포함한다.
상기 도핑층 및 상기 캐리어 생성층은 상기 발광 구조물의 성장 방향과 나란한 방향으로 적층되어 배치되거나, 성장 방향과 수직한 방향으로 적층되어 배치될 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층은 상기 도핑층과 상기 캐리어 생성층으로 이루어진 페어 구조를 적어도 하나 포함할 수 있다.
상기 캐리어 생성층은 상기 제2 도전형 도펀트가 도핑되지 않은 층이다.
상기 제2 도전형 캐리어의 도핑 농도는 상기 도핑층으로부터 상기 캐리어 생성층으로 갈수록 감소할 수 있다. 제2 도전형 도펀트는 p형 또는 n형 도펀트일 수 있다.
상기 도핑층에 도핑된 상기 제2 도전형 도펀트의 농도는 1E19 내지 1E20 개/㎝-3일 수 있다.
상기 도핑층의 밴드 갭 에너지는 상기 캐리어 생성층의 밴드 갭 에너지보다 클 수 있고, 상기 활성층의 밴드 갭 에너지는 상기 캐리어 생성층의 밴드 갭 에너지보다 작을 수 있다.
상기 도핑층은 InaAlbGa1 -a- bN (0≤a≤1, 0≤b≤1, 0≤a+b≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함하고, 상기 캐리어 생성층은 IncAldGa1 -c- dN (0≤c≤1, 0≤d≤1, 0≤c+d≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 여기서, b는 d보다 크고, a는 c보다 작을 수 있다.
상기 도핑층의 반도체 물질과 상기 캐리어 생성층의 반도체 물질은 서로 동일하거나 서로 다를 수 있다. 상기 도핑층의 두께는 상기 캐리어 생성층의 두께보다 작을 수 있다. 상기 도핑층은 0.2 ㎚ 내지 1.8 ㎚의 두께를 갖고, 상기 캐리어 생성층은 2 ㎚ 내지 10 ㎚의 두께를 갖고, 상기 제2 도전형 반도체층은 2.2 ㎚ 내지 100 ㎚의 두께를 갖고, 상기 도핑층은 델타 도핑된 상기 제2 도전형 도펀트를 갖고, 상기 제2 도전형 도펀트는 상기 도핑층 내에서 캐리어 생성층로부터 수 원자층 이내로 가깝게 도핑될 수 있다.
다른 실시예에 의한 발광 소자는, 기판; 및 상기 기판 상에 배치되며, 제1 및 제2 도전형 반도체층과 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층의 사이에 배치된 활성층을 갖는 발광 구조물을 포함하고, 상기 제2 도전형 반도체층은 상기 기판 상에 상기 발광 구조물의 성장 방향과 나란한 방향으로 배치되며 제2 도전형 도펀트가 도핑된 도핑층; 및 상기 성장 방향과 나란한 방향으로 상기 도핑층 상에 배치되며, 제2 도전형 캐리어를 생성하며 상기 제2 도전형 도펀트가 도핑되지 않은 캐리어 생성층을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 의한 발광 소자는, 기판; 및 상기 기판 상에 배치되며, 제1 및 제2 도전형 반도체층과 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층의 사이에 배치된 활성층을 갖는 발광 구조물을 포함하고, 상기 제2 도전형 반도체층은 상기 기판 상에 상기 발광 구조물의 성장 방향과 수직한 방향으로 배치되며, 제2 도전형 도펀트가 도핑된 도핑층; 및 상기 성장 방향과 수직한 방향으로 상기 도핑층에 인접하여 배치되며, 제2 도전형 캐리어를 생성하며 상기 제2 도전형 도펀트가 도핑되지 않은 캐리어 생성층을 포함할 수 있다.
실시예에 따른 발광 소자는 에피층 내부에서 정공(또는, 전자)의 농도가 개선되어 정공(또는, 전자)을 더 많이 생성할 수 있으므로 활성층에서 전자(또는, 정공)와 재결합하는 정공(또는, 전자)의 량이 늘어나 더 많은 광이 발생되기 때문에 내부 양자 효율이 개선되는 등, 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 기존의 발광 소자의 단면도를 나타낸다.
도 2는 실시예에 의한 발광 소자의 단면도를 나타낸다.
도 3은 도 2에 예시된 캐리어 생성층과 도핑층의 농도 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 2에 도시된 발광 소자에 전압이 가해지지 않았을 때 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸다.
도 5는 GaN에 InGaN을 얇게 성장시킨 필름의 원자 구조 모식도이다.
도 6은 Mg 도펀트의 위치에 따른 이온화 에너지의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7a 내지 도 7d는 도 2에 예시된 발광 소자의 실시예에 의한 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
도 8은 다른 실시예에 의한 발광 소자의 단면도를 나타낸다.
도 9a 내지 도 9f는 도 8에 예시된 발광 소자의 실시예에 의한 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
도 10은 실시예에 따른 발광소자 패키지의 단면도이다.
도 11은 실시예에 따른 조명 유닛의 사시도이다.
도 12는 실시예에 따른 백라이트 유닛의 분해 사시도이다.
도 2는 실시예에 의한 발광 소자의 단면도를 나타낸다.
도 3은 도 2에 예시된 캐리어 생성층과 도핑층의 농도 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 2에 도시된 발광 소자에 전압이 가해지지 않았을 때 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸다.
도 5는 GaN에 InGaN을 얇게 성장시킨 필름의 원자 구조 모식도이다.
도 6은 Mg 도펀트의 위치에 따른 이온화 에너지의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7a 내지 도 7d는 도 2에 예시된 발광 소자의 실시예에 의한 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
도 8은 다른 실시예에 의한 발광 소자의 단면도를 나타낸다.
도 9a 내지 도 9f는 도 8에 예시된 발광 소자의 실시예에 의한 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
도 10은 실시예에 따른 발광소자 패키지의 단면도이다.
도 11은 실시예에 따른 조명 유닛의 사시도이다.
도 12는 실시예에 따른 백라이트 유닛의 분해 사시도이다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 발명에 따른 실시 예의 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)”로 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 2는 실시예에 의한 발광 소자(100A)의 단면도를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 발광 소자(100A)는 기판(110), 제1 도전형 반도체층(120), 활성층(130) 및 제2 도전형 반도체층(140A)을 포함한다.
발광소자(100A)는 복수의 화합물 반도체층을 이용한 LED를 포함하며, LED는 청색, 녹색, 또는 적색 등과 같은 광을 방출하는 유색 LED, 자외선(UV:UltraViolet) LED, 심자외선 LED 또는 무분극 LED일 수 있다.
기판(110)은 사파이어(Al2O3), SiC, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP, Ge 중 적어도 하나로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 또한, 기판(110)은 전체 질화물 반도체에 휨을 가져오지 않으면서, 스크라이빙(scribing) 공정 및 브레이킹(breaking) 공정을 통하여 별개의 칩으로 잘 분리시키기 위한 정도의 기계적 강도를 가질 수 있다.
발광 구조물은 기판(110) 상에 배치되며, 기판(110) 상에 순차로 적층된 제1 도전형 반도체층(120), 활성층(130) 및 제2 도전형 반도체층(140A)을 포함할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(120)은 기판(110)과 활성층(130) 사이에 배치되며, 반도체 화합물로 형성될 수 있다. Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 예를 들어, 제1 도전형 반도체층(120)은 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질 또는 AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(120)이 n형 반도체층인 경우, 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(120)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
활성층(130)은 제1 도전형 반도체층(120)과 제2 도전형 반도체층(140A) 사이에 배치되며, 단일 우물 구조(Double Hetero Structure), 다중 우물 구조, 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물(MQW:Multi Quantum Well) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 활성층(130)은 Ⅲ-Ⅴ족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 우물층과 장벽층, 예를 들면 InGaN/GaN, InGaN/InGaN, GaN/AlGaN, InAlGaN/GaN, GaAs(InGaAs),/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 우물층은 장벽층의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(140A)은 활성층(130)의 상부에 배치될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(140A)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며 반도체 화합물로 형성될 수 있으며, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(140A)이 p형 반도체층인 경우, 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트일 수 있다. 제2 도전형 반도체층(140)은 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
비록 도시되지는 않았지만, 버퍼층(미도시)이 기판(110) 상에 배치될 수 있다. 버퍼층은 기판(110)과 발광 구조물(120 ~ 140A)의 사이에 배치되어 기판(110)과 발광 구조물(120 ~ 140A) 사이의 격자 부정합을 개선시키는 역할을 한다. 예를 들어, 버퍼층은 AlN을 포함하거나 언도프드 질화물을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 버퍼층은 기판(110)의 종류와 발광 구조물(120 ~ 140A)의 종류에 따라 생략될 수도 있다.
이하, 실시예에 의한 제2 도전형 반도체층(140A)의 세부 구조 및 그 특징에 대해 다음과 같이 살펴본다. 이때, 제1 도전형은 n형이고 제2 도전형은 p형이며, 제1 도전형 캐리어는 전자이고 제2 도전형 캐리어는 정공인 것으로 설명하지만, 제1 도전형이 p형이고 제2 도전형은 n형이며, 제1 도전형 캐리어는 정공이고 제2 도전형 캐리어는 전자인 경우에도 이하의 설명은 동일하게 적용될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(140A)은 캐리어 생성층(142A-1, ..., 142A-N) 및 도핑층(144A-1, ..., 144A-N)을 포함한다. 여기서, N은 1 이상의 자연수이다. 캐리어 생성층(142A-n)은 도핑층(144A-n)과 접하며 제2 도전형 캐리어인 정공을 생성한다. 여기서, 1 ≤ n ≤ N. 또한, 도핑층(144A-n)은 캐리어 생성층(142A-n)과 접하며, 제2 도전형 도펀트인 p형 도펀트가 도핑된 층이다. 또한, 도핑층(144A-n)에는 제2 도전형 도펀트 이외에 다른 불순물 예를 들어, 제1 도전형 도펀트가 더 포함될 수도 있다(즉, co-doping). 이 경우, 제1 도전형 도펀츠의 도핑량은 제2 도전형 도펀트의 도핑량보다 작다. 예를 들어, 도핑층(144A-n)에 도핑된 제2 도전형 도펀트의 농도는 1E19 내지 1E20 개/㎝-3일 수 있다. 도핑층(144A-n)은 델타(δ) 도핑된 제2 도전형 도펀트를 가질 수 있다. 이와 같이, 제2 도전형 도펀트가 도피층(144A-n)으로 델타 도핑될 경우, 제2 도전형 반도체층(140A) 내의 결함 농도가 감소될 수 있다.
도핑층(144A-n)이 제2 도전형 도펀트에 의해 도핑된 영역인 반면, 캐리어 생성층(142A-n)은 제2 도전형 도펀트가 도핑되지 않은 층이다. 따라서, 캐리어 생성층(142A-n)은 제2 도전형 도펀트에 의해 도핑되지 않기 때문에 더 낮은 결함 농도를 갖는다.
도 3은 도 2에 예시된 캐리어 생성층(142A-n)과 도핑층(144A-n)의 농도 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 3에서, 횡축은 발광 구조물(120 ~ 140A)의 성장 방향인 x축 방향의 위치를 나타내고 종축은 도핑 농도를 나타낸다. 따라서, 0 ~ x1의 영역에 도핑층(144A-n)이 위치하고, x1 ~ x2의 영역에 캐리어 생성층(142A-n)이 위치한다.
도 3을 참조하면, 캐리어 생성층(142A-n)은 도핑되지 않은 반면, 도핑층(144A-n)은 제2 도전형 도펀트로 도핑되어 있으므로, 제2 도전형 캐리어의 도핑 농도는 도핑층(144A-n)으로부터 캐리어 생성층(142A-n)으로 갈수록 작아진다.
한편, 도핑층(144A-n)은 캐리어 생성층(142A-n) 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, N=1인 경우, 제2 도전형 반도체층(140A)은 활성층(130) 상에 배치되는 캐리어 생성층(142A-1)과, 캐리어 생성층(142A-1) 상에 배치되는 도핑층(144A-1)을 포함한다.
또한, 도 2에 예시된 바와 같이, 제2 도전형 반도체층(140A)은 N개의 페어(pair) 구조를 가질 수 있다. 여기서, 단위 페어(140A-n)는 캐리어 생성층(142A-n)과 도핑층(144A-n)으로 이루어질 수 있다. 즉, 단위 페어(140A-n)는 발광 구조물(120 ~ 140A)의 성장 방향과 나란한 방향으로 주기적으로 적층되어 배치될 수 있다.
만일, N=2인 경우, 제2 도전형 반도체층(140A)은 제1 및 제2 단위 페어(140A-1, 140A-2)를 포함한다. 제1 단위 페어(140A-1)는 캐리어 생성층(142A-1) 및 도핑층(144A-1)으로 이루어지고, 제2 단위 페어(140A-2)는 캐리어 생성층(142A-2) 및 도핑층(144A-2)으로 이루어진다. 제1 단위 페어(140A-1)와 제2 단위 페어(140A-2)의 구조는 서로 동일하다.
또한, 도핑층(144A-n)은 InaAlbGa1 -a- bN (0≤a≤1, 0≤b≤1, 0≤a+b≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함하고, 캐리어 생성층(142A-n)은 IncAldGa1 -c- dN (0≤c≤1, 0≤d≤1, 0≤c+d≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 여기서, a, b, c 및 d는 특정한 값으로 정할 수도 있지만, 발광 소자에서 방출하고자 하는 광의 파장에 따라 결정될 수도 있다. 또한, 도핑층(144A-n)과 캐리어 생성층(142A-n)의 금속 원자(Al 또는 In)의 비율은 계면에서 급격하게 변할 수 있다.
이와 같이, 도핑층(144A-n)과 캐리어 생성층(142A-n)은 2원계, 3원계 또는 4원계의 조성들을 포함할 수 있다. 이때, 도핑층(144A-n)에 포함된 반도체 물질과 캐리어 생성층(142A-n)에 포함된 반도체 물질은 서로 동일하거나 서로 다를 수 있다.
만일, 도핑층(144A-n)과 캐리어 생성층(142A-n) 각각이 서로 동일하게 AlGaN으로 이루어진 경우, 도핑층(144A-n)에 함유된 알루미늄의 함량비(b)는 캐리어 생성층(142A-n)에 함유된 알루미늄의 함량비(c)보다 클 수 있다.
또는, 도핑층(144A-n)과 캐리어 생성층(142A-n) 각각이 서로 동일하게 InGaN으로 이루어진 경우, 도핑층(144A-n)에 함유된 인듐의 함량비(a)는 캐리어 생성층(142A-n)에 함유된 인듐의 함량비(c)보다 작을 수 있다.
또한, 도핑층(144A-n)에 포함된 반도체 물질의 밴드 갭 에너지(Egd)는 캐리어 생성층(142A-n)에 포함된 반도체 물질의 밴드 갭 에너지(Egc)보다 크다. 또한, Egc는 활성층(130)의 밴드 갭 에너지(Ega)보다 클 수 있다. 즉, Ega < Egc < Egd.
도 4는 도 2에 도시된 발광 소자(100A)에 전압이 가해지지 않았을 때 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸다. 여기서, Ec는 전도 대역(conduction band)을 나타내고, Ev는 원자가 대역(valence band)을 나타내고, EL은 p형 도펀트의 어셉터 레벨을 나타내고, P는 제2 도전형 반도체층(140A)을 나타내고, I는 활성층(130)을 나타내고, N은 제1 도전형 반도체층(120)을 나타낸다.
도 4를 참조하면 정공이 생성되는 캐리어 생성층(142A-n)의 Ev의 가장 자리가 제2 도전형 도펀트(예를 들어, Mg)이 도핑된 도핑층(144A-n)의 Ev의 가장 자리에 비해 높기 때문에 Mg의 이온화 에너지를 낮춰 정공 밀도를 높일 수 있음을 알 수 있다.
또한, 도핑층(144A-n)과 캐리어 생성층(142A-n)은 초격자 구조를 가질 수 있으며, 도핑층(144A-n)의 제1 두께(t1)와 캐리어 생성층(142A-n)의 제2 두께(t2)가 작을수록 도핑 효율이 증대된다. 이때, 도핑층(144A-n)의 제1 두께(t1)는 캐리어 생성층(142A-n)의 제2 두께(t2)보다 작을 수 있다. 밴드 갭 에너지가 큰 도핑층(144A-n)의 두께가 매우 얇기 때문에 정공이 성장 방향(x축 방향)으로 쉽게 흐를 수 있다.
도핑층(144A-n)은 0.2 ㎚ 내지 1.8 ㎚ 예를 들어, 1 ㎚ 이하의 제1 두께(t1)를 가질 수 있고, 캐리어 생성층(142A-n)은 2 ㎚ 내지 10 ㎚ 예를 들어, 2 ㎚ 내지 5 ㎚의 제2 두께(t2)를 가질 수 있다. 제1 두께(t1)와 제2 두께(t2) 합(또는, 제2 도전형 반도체층(140A))은 2.2 ㎚ 내지 100 ㎚의 두께를 가질 수 있다. 또한, 제1 및/또는 제2 두께(t1, t2)에 따라 Mg 및 Al의 량이 조절될 수 있다.
이하, 제2 도전형 도펀트가 Mg인 경우, 도핑층(144A-n)과 캐리어 생성층(142A-n)을 이루는 물질의 종류에 따른 Mg의 이온화 에너지를 비교하면 다음과 같다.
먼저, 본 출원인은 Mg의 이온화 에너지를 계산하기 위해 전자밀도함수이론(density functional theory)에 기초한 제일원리 계산을 VASP(Vienna Ab-initio Simulation Package) 코드를 이용하여 수행하였다. 평면파를 기반(basis)으로 이용하였고, 총에너지 및 Hellman-Feymann 힘을 계산하여 최적화된 원자구조를 찾고, 각 원자구조에 대한 전자구조를 조사하였다. 이때, exchange-correlation 에너지는 Perdew, Burke, Ernzerhof에 의해 제안된 기울기 보정 근사법(generalized gradient approximation)으로 표현된 함수(functional)를 이용하였다. 전자-이온(electron-ion) 쿨롱 퍼텐셜은 PAW(Projector Augmented Wave) 방법으로 구한 퍼텐셜을 사용하였다.
도 5는 GaN에 InGaN을 얇게 성장시킨 필름의 원자 구조 모식도이다. 여기서, 숫자는 각 원자층을 의미한다.
이온화 에너지의 계산에서 사용한 제2 도전형 반도체층(140A)의 질화물 원자 구조는 도 5에 예시된 바와 같다. 도 5의 경우, 초격자 셀(supercell) 내에 240 개의 원자를 포함한다. 질화물은 주로 조밀 육방 격자 구조 상태에서 안정하며, 이 격자 구조는 두 개의 격자 상수 a'와 c'를 갖는다. 여기서 경자 상수 a' 및 c'는 계산을 통해 최적화하였다. InGaN 대신에 AlGaN을 얇게 성장시킨 경우에도 도 5와 유사한 원자 구조가 나타날 수 있다.
또한, 제2 도전형 도펀트는 도핑층(144A-n) 내에서 캐리어 생성층(142A-n)으로부터 수 원자층 이내, 예를 들어, 도 5의 원자층 3번부터 10번 사이의 어느 원자층에 도핑될 수 있다.
도 6은 Mg 도펀트의 위치에 따른 이온화 에너지의 변화를 나타내는 그래프이다. 여기서, 각 원자 층의 값은 평균값을 의미한다.
도 6에서 ●은 도핑층(144A-n)이 GaN을 포함하고 캐리어 생성층(142A-n)이 InGaN을 포함할 때, Mg 도펀트를 GaN에 도핑할 때와 InGaN에 도핑할 때의 이온화 에너지를 나타낸다. 이 경우, Mg 도펀트를 다섯 번째 원자 층에 도핑할 때 이온화 에너지가 최소 -0.07eV가 되고, Mg 도펀트를 InGaN의 첫 번째 원자층에 도핑할 때 이온화 에너지가 최대 0.2eV가 됨을 알 수 있다. 음의 이온화 에너지는 페르미 에너지 준위가 Ev 가장자리에 가까워져도 Mg이 전자를 빼앗아 정공을 내주는 상태가 안정함을 뜻한다. 정공을 더 잘 생성할 수 있는 이유는 InGaN의 원자가 Ev 가장자리가 GaN에 비해 높기 때문이다. 이는 Mg을 밴드 갭이 작은 InGaN 영역이 아닌 GaN 영역에 도핑하면 Mg의 도핑 효율이 개선될 수 있음을 뜻한다. 생성된 정공은 높은 Ev 가장자리 준위에서 안정하기 때문에 InGaN 층에 몰리게 된다. 계면에 형성된 분극 전하(polarization charge)에 의해 질화물 내의 밴드가 휘게 된다. 따라서 이온화 에너지도 GaN 영역 내에서 일정한 기울기를 갖고 바뀌게 된다.
이와 같이 GaN과 InGaN 중 어느 물질에 Mg 도펀트를 도핑하는가에 따라, 이온화 에너지가 0.27 eV 가량 차이짐을 알 수 있다. 따라서, 도핑층(144A-n)은 GaN을 포함하고, 캐리어 생성층(142A-n)은 InGaN을 포함할 수 있다. 또는, 캐리어 생성층(142A-n)이 InGaN이 아니라 InN을 포함한 경우에도 이와 비슷하게 이온화 에너지가 낮아질 수 있다. 따라서, 도핑층(144A-n)의 구성 물질이 GaN일 때, 캐리어 생성층(142A-n)의 구성 물질은 InGaN 또는 InN일 수 있다.
도 6에서 ▲는 도핑층(144A-n)이 AlGaN을 포함하고 캐리어 생성층(142A-n)이 GaN을 포함할 때, Mg 도펀트를 AlGaN에 도핑할 때와 GaN에 도핑할 때의 이온화 에너지를 나타낸다. 이 경우, Mg 도펀트를 AlGaN의 첫 번째 원자층에 도핑할 때 이온화 에너지가 최소 0.10이 되고, Mg 도펀트를 GaN에 도핑할 때 GaN 영역에서의 이온화 에너지 평균값은 벌크(bulk) GaN에서의 값인 0.2 eV와 같다. AlGaN의 Ev 가장자리의 에너지가 GaN에 비해서 낮기 때문에, Mg이 AlGaN 층에 위치하면 Mg의 준위도 같이 낮아지게 된다. Mg의 준위가 낮아짐에 따라 GaN에 정공이 더 잘 생성될 수 있게 된다. 따라서 Mg을 밴드 갭이 큰 AlGaN 층에 도핑하면 Mg의 도핑 효율이 개선됨을 알 수 있다. GaN 영역의 밴드가 기울어져 있기 때문에 이온화 에너지 역시 일정한 기울기로 변한다.
이로부터, 도핑층(144A-n)이 AlGaN을 포함하고 캐리어 생성층(142A-n)이 GaN을 포함할 때 이온화 에너지가 낮아짐을 있음을 알 수 있다. 또는, 캐리어 생성층(142A-n)이 GaN 대신에 AlGaN 또는 InGaN으로 이루어진 경우에도 이와 비슷하게 이온화 에너지가 낮아질 수 있다. 따라서, 도핑층(144A-n)의 구성 물질이 AlGaN일 때, 캐리어 생성층(142A-n)의 구성 물질은 GaN, AlGaN 또는 InGaN일 수 있다. 이온화 에너지는 도핑층(144A-n)이 AlGaN으로 이루어지고 캐리어 생성층(142A-n)이 InGaN으로 이루어진 경우에 매우 낮아질 수 있다.
결국, 밴드 갭 에너지가 작은 층보다는 큰 층에 제2 도전형 도펀트를 도핑하여 도핑층(144A-n)으로서 형성할 경우, 이온화 에너지가 감소될 수 있다.
이하, 도 2에 예시된 발광 소자(100A)의 제조 방법에 대해 다음과 같이 살펴본다. 그러나, 발광 소자(100A)는 이에 국한되지 않고 다른 방법에 의해서도 제조될 수 있음은 물론이다.
도 7a 내지 도 7d는 도 2에 예시된 발광 소자(100A)의 실시예에 의한 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
도 7a를 참조하면, 기판(110) 상에 제1 도전형 반도체층(120)을 형성하고, 제1 도전형 반도체층(120) 상에 활성층(130)을 형성한다. 다음으로, 도 7b를 참조하면, 활성층(130) 상에 제2 도전형 도펀트에 의해 도핑되지 않은 캐리어 생성층(142A-1)을 형성한다. 다음으로, 도 7c를 참조하면, 캐리어 생성층(142A-1) 상에 제2 도전형 도펀트에 의해 도핑된 도핑층(144A-1)을 형성한다. 이때, 도핑층(144A-n)의 두께(t1)는 성장 시간을 변경하여 원하는 만큼 조절될 수 있다.
다음으로, 도 7b 및 도 7c에 예시된 바와 같은 방법을 주기적으로 반복하여, 도 7d에 예시된 바와 같이 N개의 페어 구조(140A-1, ..., 140A-N)를 형성할 수 있다.
예를 들어, 사파이어 기판(110)을 준비하고, 가열로 안에서 금속 유기 화확 증착(MOCVD:Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) 방법 혹은 분자선 에피텍셜(MBE:Molecular Beam Epitaxy) 방법 등에 의해 에피텍셜 구조를 성장한다. 예를 들어 MOCVD 방법의 경우, 기판(110)을 800 ℃ 내지 1000℃에서 가열하면서 원료 가스를 캐리어 가스와 함께 선택적으로 공급하고, 기판(110) 위에 각 층(120, 130)을 성장시킨다. 예컨대, 알루미늄의 원료 가스로 트리메틸 알루미늄 가스(trimethyl aluminium), 갈륨의 원료 가스로 트리메틸갈륨(trimethyl Gallium) 가스, 질소의 원료 가스로 암모니아 가스, 마그네슘의 원료 가스로 비스-메틸시클로팬타디에닐마그네슘 가스 (CH3C5H4)2Mg를 이용한다. 캐리어 가스로 수소 가스(H2)나 질소 가스(N2) 등을 이용한다. AlGaN 층을 얇게 성장시킬 때는 원료 가스 중 알루미늄과 질소의 원료 가스를 선택적으로 짧은 시간 공급하며, Mg을 동시에 주입한다. 공정에 따라 알루미늄과 질소를 동시에 주입하거나, 알루미늄 성장 후에 질소를 주입할 수도 있다. GaN층을 성장시킬 때는 갈륨 및 질소의 원료 가스를 선택적으로 공급한다. 주기적으로 Al과 Mg을 주입하여 AlGaN 층을 성장시킨다. Al과 Mg이 성장되는 두께는 아주 얇게는 원자 한 층에 해당하며, 1.8 ㎚ 이내로 성장한다. 가열로 안에 남아있는 Ga 원료 가스에 의한 Ga 주입과, 성장된 질화물 내 Ga 원자의 확산으로 인해 AlGaN이 형성된다. GaN의 두께는 10 ㎚ 정도로 한다. 마지막으로 성장 환경, 특히 수소 가스의 유무에 따라 선택적으로 800 ℃ 정도에서 10분 이상 가열한다.
도 8은 다른 실시예에 의한 발광 소자(100B)의 단면도를 나타낸다.
도 2에 예시된 일 실시예의 경우, 캐리어 생성층(142A-n)과 도핑층(144A-n)은 발광 구조물(120 ~ 140A)의 성장 방향과 나란한 방향 즉, x축 방향으로 적층되어 배치될 수 있다.
다른 실시예에 의하면, 도 8에 예시된 바와 같이, 캐리어 생성층(142A-n)과 도핑층(144A-n)은 발광 구조물(120 ~ 140A)의 성장 방향과 수직한 방향 즉, y축 방향으로 적층되어 배치될 수 있다. 이를 제외하면, 도 8에 예시된 발광 소자(100B)는 도 2에 예시된 발광 소자(100A)와 동일하므로 이에 대한 상세한 설명을 생략한다.
전술한 바와 같이, 실시예에 따라, 밴드 갭 에너지가 더 큰 영역에 제2 도전형 도펀트(예를 들어, Mg)을 도핑하여 도핑층(144A-n, 144B-n)을 구현하고, 밴드 갭 에너지가 작은 영역에서 제2 도전형 캐리어(예를 들어, 정공)이 생성되도록 캐리어 생성층(142A-n, 142B-n)을 구현하면, 이온화 에너지가 낮아 동일한 온도, 동일한 제2 도전형 도펀트의 도핑 농도에서 더 많은 제2 도전형 캐리어를 생성하게 되고, 결과적으로 제2 도전형의 도핑 효율이 개선되어 발광 소자의 성능이 향상될 수 있다. 도 2의 경우, 얇은 InGaN 혹은 AlGaN 층이 c축 방향에 평행한 방향으로 주기적으로 분포한 경우를 고려하였다. 제2 도전형 도펀트(예를 들어, Mg)의 이온화 에너지가 낮아진 원리는 방향이 바뀌어도 변함없으므로, Mg을 밴드 갭이 큰 영역에 도핑하면 이온화 에너지가 감소되어 Mg의 도핑 효율이 높아질 수 있다. 따라서, 도 2에 예시된 발광 소자(100A) 뿐만 아니라 도 8에 예시된 바와 같이 도핑층(144B-n)과 캐리어 생성층(142B-n)을 구현해도 증대된 도핑 효율을 얻을 수 있다.
이하, 도 8에 예시된 발광 소자(100B)의 제조 방법에 대해 다음과 같이 살펴본다. 그러나, 발광 소자(100B)는 이에 국한되지 않고 다른 방법에 의해서도 제조될 수 있음은 물론이다.
도 9a 내지 도 9f는 도 8에 예시된 발광 소자(100B)의 실시예에 의한 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
도 9a를 참조하면, 기판(110) 상에 제1 도전형 반도체층(120)을 형성하고, 제1 도전형 반도체층(120) 상에 활성층(130)을 형성한다.
다음으로, 도 9b 내지 도 9e를 참조하면, 활성층(130) 상에 도핑층(144B-1, ..., 144B-N)을 형성한다. 예를 들어, 도 9b를 참조하면, 활성층(130) 상에 포토 레지스트 패턴(150)을 형성한다. 이후, 도 9c를 참조하면, 포토 레지스터 패턴(150)이 잔존하는 상태에서 제2 도전형 반도체층(142)을 성장시킨 후, 제2 도전형 도펀트를 화살표 방향(160)으로 주입한다. 따라서, 도 9d에 도시된 바와 같이, 제2 도전형 도펀트가 도핑된 도핑층(144B-1, ..., 144B-N)이 형성될 수 있다. 이후, 포토 레지스터 패턴(150)을 제거하면, 도 9e에 예시된 바와 같이 도핑층(144B-1, ..., 144B-N)만이 잔류하게 된다.
다음으로, 도 9f를 참조하면, 도핑층(144B-1, ..., 144B-N) 사이에 캐리어 생성층(142B-1, ..., 142B-N)을 성장시켜 형성한다.
도 2에 예시된 발광 소자(100A)의 제조 방법과 유사한 방법으로, InGaN 혹은 GaN을 성장시킨다. 즉, InGaN를 성장할 때는 인듐, 갈륨, 질소의 원료 가스를 공급하고, GaN를 성장시킬 때는 갈륨, 질소의 원료 가스를 공급한다. 이후, 도핑층(144A-n)과 캐리어 생성층(142A-n)으로 이루어진 단위 페어 구조를 주기적으로 배열한다. 1차원 단위 구조 페어는 인상(imprint) 리소그라피(lithography)로 올릴 수 있으며, 원료 물질로는 SiO2를 사용할 수 있다. 배열된 단위 페어 구조의 크기와 단위 페어 구조 사이의 간격은 100 ㎚이하로 한다. 단위 페어 구조가 올려진 상태로 식각(etching)하면 구조체가 없는 부분에만 흠이 생기게 된다. 파여진 영역에 GaN 혹은 AlGaN을 재성장(regrowth)시켜 질화물의 표면을 평평하게 만든다. 이때 Mg의 원료 가스를 같이 주입하여 질화물을 도핑한다. 식각 이후 재성장할 수도 있다. Mg 도펀트의 주입 시기를 바꿀 수 있으나, Mg 도펀트의 확산을 방지하기 위해 재성장할 때 주입하는 것이 유리할 수 있다. 마지막으로 성장 환경, 특히 수소 가스의 유무에 따라 선택적으로 800 ℃ 정도에서 10분 이상 가열한다
전술한 발광 소자(100A, 100B)에서 제2 도전형 반도체층(140A)의 특징에 대해 살펴보았다. 그러나, 제2 도전형 반도체층(140A)에 대한 특징은 제1 도전형 반도체층(120)에 대해서도 동일하게 적용될 수 있음은 물론이다.
이 경우, 제1 도전형 반도체층(120)과 제2 도전형 반도체층(140A, 140B) 각각은 도핑층과 캐리어 생성층의 페어 구조를 적어도 하나 이상 가질 수 있다. 또는, 제1 도전형 반도체층(120)만이 도핑층과 캐리어 생성층의 페어 구조를 적어도 하나 이상 가질 수 있다.
전술한 실시예에 의한 발광 소자(100A, 100B)의 경우, 제2 도전형 도펀트는 제2 도전형 반도체층(140A) 내에서 균일하게 분포하지 않고 예를 들어 알루미늄이있는 영역에만 도핑될 수 있다. 반도체 이론(예를 들어, bandgap theory)에 따르면 제2 도전형 도펀트와 Al의 분포를 조절하면 캐리어 생성층(142A-1 ~ 142A-N, 142B-1 ~ 142B-N)과 도핑층(144A-1 ~ 144A-N, 144B-1 ~ 144B-N)이 공간적으로 분리될 수 있다.
도핑층(144A-n)과 캐리어 생성층(142A-n)이 공간적으로 분리됨으로 인해, 밴드 갭 에너지가 도핑층(144A-n)보다 작은 캐리어 생성층(142A-n)에서 생성된 캐리어가 다중 양자 우물 영역인 활성층(130)으로 넘어가지 전까지 초격자 구조에서 나타나는 에너지 장벽이 없다. 또한, 캐리어와 도펀트가 충돌하지 않아, 기판(110)에 수직한 방향의 전기 전도도를 높일 수 있다. 도펀트를 단순히 델타 도핑한 경우와 비교할 때, 실시예에 의하면 도펀트의 이온화 에너지가 낮아질 수 있어 정공이나 전자 같은 캐리어의 농도가 더 높아진다. 그러므로, 실시예에 의한 발광 소자(100A, 100B)는 높은 정공 밀도나 높은 전자 밀도를 갖기 때문에 양자 효율을 증대시키고 발광 효율을 개선시켜 다양한 상업적인 제품들의 비용을 더 절감시킬 수 있다. 게다가, 실시예에 의하면, 캐리어의 농도가 높아짐으로 인해 저항이 작아져서 전류 스프레딩 층(미도시)이 별도로 요구되지도 않는다.
이하, 도 2 또는 도 8에 예시된 발광 소자(100A, 100B)를 포함하는 발광 소자 패키지의 구성 및 동작을 설명한다.
도 10은 실시예에 따른 발광소자 패키지(200)의 단면도이다.
실시예에 따른 발광 소자 패키지(200)는 패키지 몸체부(205)와, 패키지 몸체부(205)에 설치된 제1 및 제2 리드 프레임(213, 214)과, 패키지 몸체부(205)에 배치되어 제1 및 제2 리드 프레임(213, 214)과 전기적으로 연결되는 발광 소자(220)와, 발광 소자(220)를 포위하는 몰딩 부재(240)를 포함한다.
패키지 몸체부(205)는 실리콘, 합성수지, 또는 금속을 포함하여 형성될 수 있으며, 발광 소자(220)의 주위에 경사면이 형성될 수 있다.
제1 및 제2 리드 프레임(213, 214)은 서로 전기적으로 분리되며, 발광 소자(220)에 전원을 제공하는 역할을 한다. 또한, 제1 및 제2 리드 프레임(213, 214)은 발광 소자(220)에서 발생된 빛을 반사시켜 광 효율을 증가시키는 역할을 할 수도 있으며, 발광 소자(220)에서 발생된 열을 외부로 배출시키는 역할을 할 수도 있다.
발광 소자(220)는 도 2 또는 도 8에 예시된 발광 소자(100A, 100B)를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
발광 소자(220)는 도 10에 예시된 바와 같이 제1 또는 제2 리드 프레임(213, 214) 상에 배치되거나, 패키지 몸체부(205) 상에 배치될 수도 있다.
발광 소자(220)는 제1 및/또는 제2 리드 프레임(213, 214)과 와이어 방식, 플립칩 방식 또는 다이 본딩 방식 중 어느 하나에 의해 전기적으로 연결될 수도 있다. 도 10에 예시된 발광 소자(220)는 제1 리드 프레임(213)과 와이어(230)를 통해 전기적으로 연결되고 제2 리드 프레임(214)과 직접 접촉하여 전기적으로 연결되나 이에 국한되지 않는다.
몰딩 부재(240)는 발광 소자(220)를 포위하여 보호할 수 있다. 또한, 몰딩 부재(240)는 형광체를 포함하여, 발광 소자(220)에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있다.
실시예에 따른 발광 소자 패키지는 복수개가 기판 상에 어레이되며, 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, 조명시스템은 백라이트 유닛, 조명 유닛, 지시 장치, 램프, 가로등을 포함할 수 있다.
도 11은 실시예에 따른 조명 유닛(300)의 사시도이다. 다만, 도 11의 조명 유닛(300)은 조명 시스템의 한 예이며, 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서 조명 유닛(300)은 케이스 몸체(310)와, 케이스 몸체(310)에 설치되며 외부 전원으로부터 전원을 제공받는 연결 단자(320)와, 케이스 몸체(310)에 설치된 발광 모듈부(330)를 포함할 수 있다.
케이스 몸체(310)는 방열 특성이 양호한 재질로 형성되며, 금속 또는 수지로 형성될 수 있다.
발광 모듈부(330)는 기판(332)과, 기판(332)에 탑재되는 적어도 하나의 발광소자 패키지(200)를 포함할 수 있다.
기판(332)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, 기판(332)은 빛을 효율적으로 반사하는 재질로 형성되거나, 표면이 빛이 효율적으로 반사되는 컬러, 예를 들어 백색, 은색 등으로 형성될 수 있다.
기판(332) 상에는 적어도 하나의 발광 소자 패키지(200)가 탑재될 수 있다. 발광 소자 패키지(200) 각각은 적어도 하나의 발광 소자(220) 예를 들면 발광 다이오드(LED)를 포함할 수 있다. 발광 다이오드는 적색, 녹색, 청색 또는 백색의 유색 빛을 각각 발광하는 유색 발광 다이오드 및 자외선(UV, UltraViolet)을 발광하는 UV 발광 다이오드를 포함할 수 있다.
발광 모듈부(330)는 색감 및 휘도를 얻기 위해 다양한 발광 소자 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.
연결 단자(320)는 발광 모듈부(330)와 전기적으로 연결되어 전원을 공급할 수 있다. 실시예에서 연결 단자(320)는 소켓 방식으로 외부 전원에 돌려 끼워져 결합되지만, 이에 대해 한정하지는 않는다. 예를 들어, 연결 단자(320)는 핀(pin) 형태로 형성되어 외부 전원에 삽입되거나, 배선에 의해 외부 전원에 연결될 수도 있다.
도 12는 실시예에 따른 백라이트 유닛(400)의 분해 사시도이다. 다만, 도 12의 백라이트 유닛(400)은 조명 시스템의 한 예이며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
실시예에 따른 백라이트 유닛(400)은 도광판(410)과, 도광판(410) 아래의 반사 부재(420)와, 바텀 커버(430)와, 도광판(410)에 빛을 제공하는 발광 모듈부(440)를 포함한다. 바텀 커버(430)는 도광판(410), 반사 부재(420) 및 발광 모듈부(440)를 수납한다.
도광판(410)은 빛을 확산시켜 면광원화 시키는 역할을 한다. 도광판(410)은 투명한 재질로 이루어지며, 예를 들어, PMMA(polymethyl methacrylate)와 같은 아크릴 수지 계열, PET(polyethylene terephthlate), PC(poly carbonate), COC(cycloolefin copolymer) 및 PEN(polyethylene naphthalate) 수지 중 하나를 포함할 수 있다.
발광 모듈부(440)는 도광판(410)의 적어도 일 측면에 빛을 제공하며, 궁극적으로는 백라이트 유닛이 설치되는 디스플레이 장치의 광원으로써 작용하게 된다.
발광 모듈부(440)는 도광판(410)과 접할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 구체적으로, 발광 모듈부(440)는 기판(442)과, 기판(442)에 탑재된 다수의 발광 소자 패키지(200)를 포함한다. 기판(442)은 도광판(410)과 접할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
기판(442)은 회로 패턴(미도시)을 포함하는 PCB일 수 있다. 다만, 기판(442)은 일반 PCB 뿐 아니라, 메탈 코어 PCB(MCPCB, Metal Core PCB), 연성(flexible) PCB 등을 포함할 수도 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
그리고, 다수의 발광 소자 패키지(200)는 기판(442) 상에 빛이 방출되는 발광면이 도광판(410)과 소정 거리 이격되도록 탑재될 수 있다.
도광판(410) 아래에는 반사 부재(420)가 형성될 수 있다. 반사 부재(420)는 도광판(410)의 하면으로 입사된 빛을 반사시켜 위로 향하게 함으로써, 백라이트 유닛의 휘도를 향상시킬 수 있다. 반사 부재(420)는 예를 들어, PET, PC, PVC 레진 등으로 형성될 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다.
바텀 커버(430)는 도광판(410), 발광 모듈부(440) 및 반사 부재(420) 등을 수납할 수 있다. 이를 위해, 바텀 커버(430)는 상면이 개구된 박스(box) 형상으로 형성될 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다.
바텀 커버(430)는 금속 또는 수지로 형성될 수 있으며, 프레스 성형 또는 압출 성형 등의 공정을 이용하여 제조될 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 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 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100A, 100B, 220: 발광 소자 110: 기판
120: 제1 도전형 반도체층 130: 활성층
140A, 140B: 제2 도전형 반도체층
142A-1 ~ 142A-N, 142B-1 ~ 142B-N: 캐리어 생성층
144A-1 ~ 144A-N, 144B-1 ~ 144B-N: 도핑층
200: 발광 소자 패키지 205: 패키지 몸체부
213, 214: 리드 프레임 240: 몰딩 부재
300: 조명 유닛 310: 케이스 몸체
320: 연결 단자 330, 440: 발광 모듈부
400: 백라이트 유닛 410: 도광판
420: 반사 부재 430: 바텀 커버
120: 제1 도전형 반도체층 130: 활성층
140A, 140B: 제2 도전형 반도체층
142A-1 ~ 142A-N, 142B-1 ~ 142B-N: 캐리어 생성층
144A-1 ~ 144A-N, 144B-1 ~ 144B-N: 도핑층
200: 발광 소자 패키지 205: 패키지 몸체부
213, 214: 리드 프레임 240: 몰딩 부재
300: 조명 유닛 310: 케이스 몸체
320: 연결 단자 330, 440: 발광 모듈부
400: 백라이트 유닛 410: 도광판
420: 반사 부재 430: 바텀 커버
Claims (24)
- 기판; 및
상기 기판 상에 배치되며, 제1 및 제2 도전형 반도체층과 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층의 사이에 배치된 활성층을 갖는 발광 구조물을 포함하고,
상기 제2 도전형 반도체층은
제2 도전형 도펀트가 도핑된 도핑층; 및
상기 도핑층과 접하며 제2 도전형 캐리어를 생성하는 캐리어 생성층을 포함하는 발광 소자. - 제1 항에 있어서, 상기 도핑층 및 상기 캐리어 생성층은 상기 발광 구조물의 성장 방향과 나란한 방향으로 적층되어 배치된 발광 소자.
- 제1 항에 있어서, 상기 도핑층 및 상기 캐리어 생성층은 상기 발광 구조물의 성장 방향과 수직한 방향으로 적층되어 배치된 발광 소자.
- 제1 항에 있어서, 상기 제2 도전형 반도체층은 상기 도핑층과 상기 캐리어 생성층으로 이루어진 페어 구조를 적어도 하나 포함하는 발광 소자.
- 제1 항에 있어서, 상기 캐리어 생성층은 상기 제2 도전형 도펀트가 도핑되지 않은 층인 발광 소자.
- 제2 항에 있어서, 상기 제2 도전형 캐리어의 도핑 농도는 상기 도핑층으로부터 상기 캐리어 생성층으로 갈수록 감소하는 발광 소자.
- 제1 항에 있어서, 상기 제2 도전형 도펀트는 p형 도펀트인 발광 소자.
- 제1 항에 있어서, 상기 제2 도전형 도펀트는 n형 도펀트인 발광 소자.
- 제1 항에 있어서, 상기 도핑층에 도핑된 상기 제2 도전형 도펀트의 농도는 1E19 내지 1E20 개/㎝-3인 발광 소자.
- 제1 항에 있어서, 상기 도핑층의 밴드 갭 에너지는 상기 캐리어 생성층의 밴드 갭 에너지보다 큰 발광 소자.
- 제1 항 또는 제10 항에 있어서, 상기 활성층의 밴드 갭 에너지는 상기 캐리어 생성층의 밴드 갭 에너지보다 작은 발광 소자.
- 제11 항에 있어서, 상기 도핑층은 InaAlbGa1 -a- bN (0≤a≤1, 0≤b≤1, 0≤a+b≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함하고, 상기 캐리어 생성층은 IncAldGa1 -c- dN (0≤c≤1, 0≤d≤1, 0≤c+d≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함하는 발광 소자.
- 제12 항에 있어서, 상기 도핑층의 반도체 물질과 상기 캐리어 생성층의 반도체 물질은 서로 동일한 발광 소자.
- 제12 항에 있어서, 상기 도핑층의 반도체 물질과 상기 캐리어 생성층의 반도체 물질은 서로 다른 발광 소자.
- 제13 항에 있어서, b는 d보다 큰 발광 소자.
- 제13 항에 있어서, a는 c보다 작은 발광 소자.
- 제11 항에 있어서, 상기 도핑층의 두께는 상기 캐리어 생성층의 두께보다 작은 발광 소자.
- 제13 항에 있어서, 상기 도핑층은 0.2 ㎚ 내지 1.8 ㎚의 두께를 갖는 발광 소자.
- 제13 항에 있어서, 상기 캐리어 생성층은 2 ㎚ 내지 10 ㎚의 두께를 갖는 발광 소자.
- 제13 항에 있어서, 상기 제2 도전형 반도체층은 2.2 ㎚ 내지 100 ㎚의 두께를 갖는 발광 소자.
- 제1 항에 있어서, 상기 도핑층은 델타 도핑된 상기 제2 도전형 도펀트를 갖는 발광 소자.
- 제1 항에 있어서, 상기 제2 도전형 도펀트는 상기 도핑층 내에서 캐리어 생성층으로부터 수 원자층 이내의 영역에 도핑된 발광 소자.
- 기판; 및
상기 기판 상에 배치되며, 제1 및 제2 도전형 반도체층과 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층의 사이에 배치된 활성층을 갖는 발광 구조물을 포함하고,
상기 제2 도전형 반도체층은
상기 기판 상에 상기 발광 구조물의 성장 방향과 나란한 방향으로 배치되며 제2 도전형 도펀트가 도핑된 도핑층; 및
상기 성장 방향과 나란한 방향으로 상기 도핑층 상에 배치되며, 제2 도전형 캐리어를 생성하며 상기 제2 도전형 도펀트가 도핑되지 않은 캐리어 생성층을 포함하는 발광 소자. - 기판; 및
상기 기판 상에 배치되며, 제1 및 제2 도전형 반도체층과 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층의 사이에 배치된 활성층을 갖는 발광 구조물을 포함하고,
상기 제2 도전형 반도체층은
상기 기판 상에 상기 발광 구조물의 성장 방향과 수직한 방향으로 배치되며, 제2 도전형 도펀트가 도핑된 도핑층; 및
상기 성장 방향과 수직한 방향으로 상기 도핑층에 인접하여 배치되며, 제2 도전형 캐리어를 생성하며 상기 제2 도전형 도펀트가 도핑되지 않은 캐리어 생성층을 포함하는 발광 소자.
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| WO2016052997A1 (en) * | 2014-09-30 | 2016-04-07 | Seoul Viosys Co., Ltd. | Vertical ultraviolet light emitting device |
| US20210280739A1 (en) * | 2020-03-03 | 2021-09-09 | Korea Advanced Institute Of Science And Technology | Highly efficient micro led in low current range, method of fabricating the same, and display including the same |
| CN114447165A (zh) * | 2022-01-27 | 2022-05-06 | 厦门士兰明镓化合物半导体有限公司 | Led外延结构及其制备方法 |
-
2012
- 2012-11-08 KR KR1020120126048A patent/KR20140059512A/ko not_active Application Discontinuation
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application |