KR20140062947A

KR20140062947A - 발광소자

Info

Publication number: KR20140062947A
Application number: KR1020120129278A
Authority: KR
Inventors: 문용태; 한대섭; 백광선; 조아라
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2012-11-15
Filing date: 2012-11-15
Publication date: 2014-05-27
Also published as: KR101983292B1

Abstract

실시예는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템에 관한 것이다.
실시예에 따른 발광소자는 제1 도전형 반도체층(112); 상기 제1 도전형 반도체층(112) 상에 활성층(114); 상기 활성층(114) 상에 제2 도전형 질화갈륨계열층(128); 상기 제2 도전형 질화갈륨계열층(128) 상에 제2 도전형 반도체층(116);을 포함하며, 상기 제2 도전형 질화갈륨계열층(128)은, 상기 활성층(114) 상에 제1 농도의 제2 도전형 Al_xGa_(1-x)N층(단, 0＜x＜1)(128a); 상기 제2 도전형 Al_xGa_(1-x)N층(128a) 상에 상기 제1 농도보다 높은 제2 농도의 제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층(단, 0≤y＜1, 0≤z＜1)(128b); 및 상기 제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층(128b) 상에 제2 도전형 GaN층(128c);을 포함할 수 있다.

Description

발광소자{LIGHT EMITTING DEVICE}

실시예는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템에 관한 것이다.

발광소자(Light Emitting Device)는 전기에너지가 빛에너지로 변환되는 특성의 p-n 접합 다이오드를 주기율표상에서 Ⅲ족과 Ⅴ족의 원소가 화합하여 생성될 수 있다. LED는 화합물 반도체의 조성비를 조절함으로써 다양한 색상구현이 가능하다.

발광소자는 순방향전압 인가 시 n층의 전자와 p층의 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.

예를 들어, 질화물 반도체는 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.

최근 고효율 LED 수요가 증가함에 광도 개선이 이슈가 되고 있다.

광도를 개선하는 방안으로 활성층(MQW) 구조 개선, 전자차단층(EBL)의 개선, 활성층 하부 층의 개선 등의 시도가 있으나 큰 효과를 보지 못하는 상황이다.

실시예는 광도를 향상시킬 수 있는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공하고자 한다.

실시예에 따른 발광소자는 제1 도전형 반도체층(112); 상기 제1 도전형 반도체층(112) 상에 활성층(114); 상기 활성층(114) 상에 제2 도전형 질화갈륨계열층(128); 상기 제2 도전형 질화갈륨계열층(128) 상에 제2 도전형 반도체층(116);을 포함하며, 상기 제2 도전형 질화갈륨계열층(128)은, 상기 활성층(114) 상에 제1 농도의 제2 도전형 Al_xGa_(1-x)N층(단, 0＜x＜1)(128a); 상기 제2 도전형 Al_xGa_(1-x)N층(128a) 상에 상기 제1 농도보다 높은 제2 농도의 제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층(단, 0≤y＜1, 0≤z＜1)(128b); 및 상기 제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층(128b) 상에 제2 도전형 GaN층(128c);을 포함할 수 있다.

실시예에 의하면 광도를 향상시킬 수 있는 최적의 구조를 구비한 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.

또한, 실시예에 의하면 정공주입효율이 우수하면서 동시에 전자의 누설을 효과적으로 차단할 수 있는 이상적인 전자차단층 구조를 구비함으로써 고효율의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 실시예에 따른 발광소자의 단면도.
도 2는 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램의 부분 예시도.
도 3 내지 도 6은 실시예에 따른 발광소자의 제조방법 예시도.
도 7은 실시예에 따른 발광소자 패키지의 단면도.
도 8은 실시예에 따른 조명장치를 나타낸 도면.

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)

도 1은 실시예에 따른 발광소자(100)의 단면도이다.

실시예에 따른 발광소자(100)는 제1 도전형 반도체층(112)과, 상기 제1 도전형 반도체층(112) 상에 질화갈륨 계열의 초격자층(124)과, 상기 질화갈륨 계열의 초격자층(124) 상에 활성층(114)과, 상기 활성층(114) 상에 제2 도전형 질화갈륨계열층(128) 및 상기 제2 도전형 질화갈륨계열층(128) 상에 제2 도전형 반도체층(116);을 포함한다.

이건 발명의 관련기술('관련기술'은 이건발명의 출원시 명백히 공지된 기술은 아님을 의미함)에 의하면 이동도가 높은 전자를 차단하기 위해 활성층 상에 소위 전자차단층(Electron Blocking Layer)을 형성하며, 전자차단층은 마지막(last) GaN 양자벽보다 에너지 밴드갭이 충분히 커서 n-GaN 층에서 공급된 전자가 발광층을 지나서 발광에 참여하지 않고 p-GaN로 넘어가는 것을 차단한다.

관련기술의 전자차단층의 구성은 두꺼운 p-AlGaN 단일층(single layer)이거나 p-AlGaN/p-GaN이 반복적으로 적층되는 초격자(superlattice) 구조 등이 있다.

그런데, 관련기술에서 두꺼운 p-AlGaN 단일층(single layer)의 경우 p-AlGaN 전자차단층이 얇으면 전자가 양자역학적 터널링을 통해서 p-GaN쪽으로 넘어가는 문제를 해결하기 위해, 전자의 터널링 현상이 일어나지 않도록 p-AlGaN 전자차단층은 충분히 두껍게 형성하는 기술인데, 두꺼운 p-AlGaN 전자차단층은 p-GaN로부터 발광층으로 주입되어야 하는 정공에게도 에너지 장벽으로 작용하여 정공의 주입효율을 크게 저하시키는 문제점이 있다.

한편, p-AlGaN/p-GaN이 반복되는 초격자 구조의 경우, 얇은 p-AlGaN층과 얇은 p-GaN층을 교대로 적층하여 이루어지는 구조인데, p-AlGaN층이 얇아서 p-GaN로부터 발광층으로 주입되는 정공들이 양자역학적 터널링을 통하여서 초격자 층을 통과할 수 있으므로, 두꺼운 p-AlGaN 단일층의 전자차단층이 갖는 낮은 정공주입효율 문제를 개선하고자 하는 기술이다. 그러나, 전자(electron) 역시 얇은 p-AlGaN층을 양자역학적 터널링을 통하여서 통과할 수 있으므로 발광층으로부터 p-GaN 방향으로의 전자의 누설을 효과적으로 차단하지 못하게 되는 문제점을 갖게 된다.

따라서, 종래의 p-AlGaN 기반의 전자차단층 구조기술에서 전자의 누설을 효과적으로 차단하는 구조는 정공주입효율이 매우 낮고, 정공주입효율을 개선한 전자차단층 구조는 전자 누설차단기능이 저하되는 기술적 모순이 존재하였다.

결국, 정공주입효율이 우수하면서 동시에 전자의 누설을 효과적으로 차단할 수 있는 이상적인 전자차단층 구조의 개발이 요구된다.

도 1은 실시예에 따른 발광소자(100)의 단면도이며, 도 2는 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램의 부분 예시도이다.

이때, 실시예에서 상기 제2 도전형 질화갈륨계열층(128)은 상기 활성층(114) 상에 제2 도전형 Al_xGa_(1-x)N층(단, 0＜x＜1)(128a)과, 상기 제2 도전형 Al_xGa_(1-x)N층(단, 0＜x＜1)(128a) 상에 제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층(단, 0≤y＜1, 0≤z＜1)(128b) 및 상기 제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층(128b) 상에 제2 도전형 GaN층(128c)을 포함할 수 있다.

실시예에서 상기 제2 도전형 질화갈륨계열층(128)은 상기 제2 도전형 Al_xGa_(1-x)N층(128a)과, 상기 제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층(128b) 및 상기 제2 도전형 GaN층(128c)이 하나의 주기를 이루어 복수의 주기로 반복적층하여 형성될 수 있다.

실시예에서 제2 도전형 Al_xGa_(1-x)N층(128a)은 제1 농도의 제2 도전형 원소의 농도를 구비할 수 있고, 상기 제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층(128b)은 상기 제1 농도보다 높은 제2 농도의 제2 도전형 원소의 농도를 구비할 수 있다.

또한, 실시예에서 상기 제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층(128b)의 평균 에너지밴드갭의 크기는 상기 제2 도전형 Al_xGa_(1-x)N층(128a)의 평균 에너지밴드갭의 크기보다 작고, 상기 제2 도전형 GaN층(128c)의 평균 에너지밴드갭의 크기보다 클 수 있다.

실시예에서 상기 제2 도전형 Al_xGa_(1-x)N층(128a)에서 상기 제2 도전형 GaN층(128c) 방향으로 에너지 밴드갭이 감소할 수 있다.

종래 단순 초격자 구조 대비, 실시예에서 따른 제2 도전형 질화갈륨계열층(128)의 경우, 활성층(114)으로부터 제2 도전형 반도체층(116) 방향으로 누설되는 전자들은 제2 도전형 원소, 예를 들어 Mg이 상대적으로 더 많이 도핑된 고품질의 계면층인 제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층(128b)을 넘어가는데 상대적으로 더 높은 계면 에너지장벽을 갖게 된다.

따라서, 활성층(114)에서 제2 도전형 질화갈륨계열층(128) 방향으로의 전자의 누설을 효과적으로 차단할 수 있게 된다.

또한, 실시예에서 상기 제2 도전형 GaN층(128c)에서 상기 제2 도전형 Al_xGa_(1-x)N층(128a) 방향으로 에너지 밴드갭이 증가할 수 있다.

예를 들어, 제2 도전형 반도체층(116)에서 활성층(114)으로 주입되는 정공의 경우, 상기 제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층(128b)의 에너지 밴드갭이 상기 제2 도전형 Al_xGa_(1-x)N층(128a)과 상기 제2 도전형 GaN층(128c)의 에너지 밴드갭의 사이값을 가지므로 정공이 제2 도전형 GaN층(128c)에서 단계적으로 제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층(128b)을 지나 제2 도전형 Al_xGa_(1-x)N층(128a)을 상대적으로 수월하게 넘어가게 되므로 정공주입이 용이하게 된다.

또한, 실시예에 의하면, 제2 도전형 반도체층(116)에서 활성층(114)으로 주입되는 정공의 경우, 에너지 밴드갭이 상대적으로 작은 제2 도전형 GaN층(128c)에서 에너지 밴드갭이 상대적으로 더 큰 제2 도전형 Al_xGa_(1-x)N층(128a)으로 정공이 넘어갈 때, 제2 도전형 GaN층(128c)과 제2 도전형 Al_xGa_(1-x)N층(128a)의 사이의 에너지 밴드갭의 차이로 큰 계면에너지 장벽을 갖게 되며, 이런 계면에너지 장벽은 정공주입효율을 저하시킨다.

실시예는 이러한 계면에너지 장벽을 낮추기 위해 제2 도전형 GaN층(128c)과 제2 도전형 Al_xGa_(1-x)N층(128a) 사이에 제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층(128b)을 구비시키고, 상기 제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층(128b)은 상기 제2 도전형 Al_xGa_(1-x)N층(128a)의 제1 농도보다 높은 제2 농도의 제2 도전형 원소의 농도를 구비할 수 있다.

실시예에 의하면 제2 도전형 원소, 예를 들어 Mg이 상대적으로 더 많이 도핑된 고품질의 제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층(128b)으로 말미암아 상대적으로 더 낮은 계면 에너지장벽을 갖게 된다.

한편, 과량의 Mg 도핑은 계면 결정품질을 저하시킬 수 있으므로, 이를 극복하기 위해 제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층(128b) 형성시 성장표면 활성제 기능을 하는 In을 첨가할 수 있다.

이를 통해, 결국, 결정성이 우수하고 Mg이 충분히 많이 도핑된 제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층(128b)을 제2 도전형 GaN층(128c)과 제2 도전형 Al_xGa_(1-x)N층(128a) 사이에 구비함으로써, 정공은 효율적으로 제2 도전형 질화갈륨계열층(128)을 지나서 활성층에 상대적으로 수월하게 넘어가게 되므로 정공주입효율이 크게 개선될 수 있다.

또한, 실시예에 의하면 제2 도전형 원소, 예를 들어 Mg이 상대적으로 많이 도핑된 고품질의 제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층(128b)에서 정공들이 2차원적 전류퍼짐(Current spreading)이 효과적으로 잘 되도록 하여 활성층 전체에 균일하게 전류를 주입시킬 수 있게 되므로 발광층내 내부양자효율을 증대시킬 수 있게 된다.

또한, 실시예에서 상기 제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층(128b)의 면방향 평균격자상수 크기가 상기 제2 도전형 Al_xGa_(1-x)N층(128a)의 면방향 평균격자상수보다 작고, 상기 제2 도전형 GaN층(128c)의 면방향 평균격자상수보다 클 수 있다.

실시예에서 제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층(128b)의 평균 면방향 격자상수가 상기 제2 도전형 Al_xGa_(1-x)N층(128a)와 상기 제2 도전형 GaN층(128c)의 면방향 평균격자상수 사이값을 가지므로 제2 도전형 Al_xGa_(1-x)N층(128a)와 상기 제2 도전형 GaN층(128c)의 격자불일치에 의해 생기는 계면응력을 완화시키고 계면결함 형성을 억제하게 된다.

따라서, 주입되는 정공들이 제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층(128b)에서 2차원적 전류퍼짐(Current spreading)이 효과적으로 잘 되어 활성층 전체에 균일하게 전류를 주입시킬 수 있게 되므로 활광층의 내부양자효율을 증대시킬 수 있게 된다.

실시예에서 제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층(128b)은 약 0.25 nm 내지 2.0nm의 두께로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층(128b)이 2.0nm를 초과하는 경우 격자상수가 큰 In의 비중이 높아져 계면 불일치가 발생할 수 있으므로, 2.0nm 이하의 두께가 될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 응력 완화 계면층으로 기능하기 위해 약 0.25nm 이상의 두께의 확보가 필요하다.

시편 ID	실험 내역	동작접압(V)	중심파장(nm)	광출력(mW)
S001(비교예)	제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층(128b)이 없는 경우	3.17	450.1	109
S003(제1 실시예)	제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층(128b)이 제2 도전형 Al_xGa_(1-x)N층(128a)의 일측에 구비된 경우	3.17	450.4	116
S004(제2 실시예)	제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층(128b)이 제2 도전형 Al_xGa_(1-x)N층(128a)의 양측에 구비된 경우	3.17	450.3	121

표 1은 비교예와 실시예에 대한 LED 소자 특성 실험 데이터이다.

제1 실시예는 제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층(128b)이 상기 제2 도전형 Al_xGa_(1-x)N층(128a)의 일측에 구비된 경우이며, 제2 실시예는 상기 제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층(128b)이 상기 제2 도전형 Al_xGa_(1-x)N층(128a)의 양측에 구비된 경우이고, 비교예는 제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층(128b)을 구비하지 않은 경우로서 일반적인 초격자 구조의 전자차단층의 실험 데이터이다.

실시예에 의하면 비교예에 비하여 동작전압의 증가없이 광출력이 최소 약 5% 이상(제1 실시예)에서 최대 약 10%까지 현저히 증가하였다.

실시예의 제2 도전형 질화갈륨계열층(128)에서 제2 도전형 Al_xGa_(1-x)N층(128a)과, 상기 제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층(128b) 및 상기 제2 도전형 GaN층(128c)을 유기적으로 결합함으로써 정공주입효율이 우수하면서 동시에 전자의 누설을 효과적으로 차단할 수 있는 이상적인 전자차단층 구조를 구비한 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.

이하, 도 3 내지 도 6을 참조하여 실시예에 따른 발광소자의 제조방법을 설명한다.

먼저, 도 3과 같이 기판(105)을 준비한다. 상기 기판(105)은 열전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있으며, 전도성 기판 또는 절연성 기판일수 있다. 예를 들어, 상기 기판(105)은 사파이어(Al₂O₃), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, and Ga₂0₃ 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 상기 기판(105) 위에는 PSS(Patterned Sapphire Substrate)(P)가 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.

상기 기판(105)에 대해 습식세척을 하여 표면의 불순물을 제거할 수 있다.

이후, 상기 기판(105) 상에 제1 도전형 반도체층(112), 활성층(114) 및 제2 도전형 반도체층(116)을 포함하는 발광구조물(110)을 형성할 수 있다.

이때, 상기 기판(105) 위에는 버퍼층(107)이 형성될 수 있다. 상기 버퍼층(107)은 상기 발광구조물(110)의 재료와 기판(105)의 격자 부정합을 완화시켜 줄 수 있으며, 버퍼층(107)의 재료는 3족-5족 화합물 반도체 예컨대, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중 적어도 하나로 형성될 수 있다.

상기 버퍼층(107) 위에는 언도프드(undoped) 반도체층(108)이 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.

상기 제1 도전형 반도체층(112)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(112)이 N형 반도체층인 경우, 상기 제1도전형 도펀트는 N형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se, Te를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.

상기 제1 도전형 반도체층(112)은 In_xAl_yGa₁ _-x- _yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다.

상기 제1 도전형 반도체층(112)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN,AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.

상기 제1 도전형 반도체층(112)은 화학증착방법(CVD) 혹은 분자선 에피택시 (MBE) 혹은 스퍼터링 혹은 수산화물 증기상 에피택시(HVPE) 등의 방법을 사용하여 N형 GaN층을 형성할 수 있다. 또한, 상기 제1 도전형 반도체층(112)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH₃), 질소 가스(N₂), 및 실리콘(Si)와 같은 n 형 불순물을 포함하는 실란 가스(SiH₄)가 주입되어 형성될 수 있다.

다음으로, 실시예는 제1 도전형 반도체층(112) 상에 질화갈륨계열 초격자층(124)을 형성할 수 있다. 상기 질화갈륨계열 초격자층(124)은 제1 도전형 반도체층(112)과 활성층(114) 사이의 격자 불일치에 기이한 응력을 효과적으로 완화시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 질화갈륨계열 초격자층(124)은 In_yAl_xGa_(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1)/GaN 등으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

이후, 상기 질화갈륨계열 초격자층(124) 상에 활성층(114)을 형성한다.

상기 활성층(114)은 제1 도전형 반도체층(112)을 통해서 주입되는 전자와 이후 형성되는 제2 도전형 반도체층(116)을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 활성층(발광층) 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다.

상기 활성층(114)은 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 구조(MQW: Multi Quantum Well), 양자 선(Quantum-Wire) 구조, 또는 양자 점(Quantum Dot) 구조 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 활성층(114)은 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH₃), 질소 가스(N₂), 및 트리메틸 인듐 가스(TMIn)가 주입되어 다중 양자우물구조가 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 활성층(114)의 우물층/장벽층은 InGaN/GaN, InGaN/InGaN, GaN/AlGaN, InAlGaN/GaN, GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 상기 우물층은 상기 장벽층의 밴드 갭보다 낮은 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.

다음으로, 도 4와 같이 활성층(114) 상에 제2 도전형 질화갈륨계열층(128)을 형성한다.

실시예에 의하면 정공주입효율이 우수하면서 동시에 전자의 누설을 효과적으로 차단할 수 있는 이상적인 전자차단층 구조를 구비한 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.

다음으로, 상기 제2 도전형 질화갈륨계열층(128) 상에 제2 도전형 반도체층(116)을 형성된다.

상기 제2 도전형 반도체층(116)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다.

예를 들어, 상기 제2 도전형 반도체층(116)은 In_xAl_yGa₁ _-x- _yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(116)이 p형 반도체층인 경우, 상기 제2도전형 도펀트는 p형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 수 있다.

다음으로, 상기 제2 도전형 반도체층(116) 상에 투광성 전극(130)을 형성되며, 상기 투광성 전극(130)은 투광성 오믹층을 포함할 수 있으며, 캐리어 주입을 효율적으로 할 수 있도록 단일 금속 혹은 금속합금, 금속산화물 등을 다중으로 적층하여 형성할 수 있다.

상기 투광성 전극(130)은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), IZTO(indium zinc tin oxide), IAZO(indium aluminum zinc oxide), IGZO(indium gallium zinc oxide), IGTO(indium gallium tin oxide), AZO(aluminum zinc oxide), ATO(antimony tin oxide), GZO(gallium zinc oxide), IZON(IZO Nitride), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), ZnO, IrOx, RuOx, NiO 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 이러한 재료에 한정되는 않는다.

실시예에서 상기 제1 도전형 반도체층(112)은 n형 반도체층, 상기 제2 도전형 반도체층(116)은 p형 반도체층으로 구현할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한 상기 제2 도전형 반도체층(116) 위에는 상기 제2 도전형과 반대의 극성을 갖는 반도체 예컨대 n형 반도체층(미도시)을 형성할 수 있다. 이에 따라 발광구조물(110)은 n-p 접합 구조, p-n 접합 구조, n-p-n 접합 구조, p-n-p 접합 구조 중 어느 한 구조로 구현할 수 있다.

다음으로, 도 5와 같이, 상기 제1 도전형 반도체층(112)이 노출되도록 투광성 전극(130), 제2 도전형 반도체층(116), 제2 도전형 질화갈륨계열층(128), 활성층(114) 및 질화갈륨계열의 초격자층(124)의 일부를 제거할 수 있다.

다음으로, 도 6과 같이 상기 투광성 전극(130) 상에 제2 전극(132)을 형성하고, 상기 노출된 제1 도전형 반도체층(112) 상에 제1 전극(131)을 형성한다.

도 7은 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(230)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 예시된 수평형 타입의 발광 소자가 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 수직형 발광소자, 플립칩 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. 실시예에서는 상기 발광 소자(100)가 상기 제3 전극층(213)과 와이어(230)를 통해 전기적으로 연결되고 상기 제4 전극층(214)과 직접 접촉하여 전기적으로 연결된 것이 예시되어 있다.

상기 몰딩부재(230)는 상기 발광 소자(100)를 포위하여 상기 발광 소자(100)를 보호할 수 있다. 또한, 상기 몰딩부재(230)에는 형광체(232)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, 조명시스템은 백라이트 유닛, 조명 유닛, 지시 장치, 램프, 가로등을 포함할 수 있다.

도 8은 실시예에 따른 발광소자를 구비하는 조명장치의 분해 사시도이다.

실시예에 따른 조명장치는 커버(2100), 광원 모듈(2200), 방열체(2400), 전원 제공부(2600), 내부 케이스(2700), 소켓(2800)을 포함할 수 있다. 또한, 실시 예에 따른 조명 장치는 부재(2300)와 홀더(2500) 중 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 상기 광원 모듈(2200)은 실시 예에 따른 발광소자 또는 발광 소자 패키지를 포함할 수 있다.

예컨대, 상기 커버(2100)는 벌브(bulb) 또는 반구의 형상을 가지며, 속이 비어 있고, 일 부분이 개구된 형상으로 제공될 수 있다. 상기 커버(2100)는 상기 광원 모듈(2200)과 광학적으로 결합되고, 상기 방열체(2400)와 결합될 수 있다. 상기 커버(2100)는 상기 방열체(2400)와 결합하는 결합부를 가질 수 있다.

상기 커버(2100)의 내면에는 확산재를 갖는 유백색 도료가 코팅될 수 있다. 이러한 유백색 재료를 이용하여 상기 광원 모듈(2200)로부터의 빛을 산란 및 확산되어 외부로 방출시킬 수 있다.

상기 커버(2100)의 재질은 유리(glass), 플라스틱, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리카보네이트(PC) 등일 수 있다. 여기서, 폴리카보네이트는 내광성, 내열성, 강도가 뛰어나다. 상기 커버(2100)는 외부에서 상기 광원 모듈(2200)이 보이도록 투명할 수 있고, 불투명할 수 있다. 상기 커버(2100)는 블로우(blow) 성형을 통해 형성될 수 있다.

상기 광원 모듈(2200)은 상기 방열체(2400)의 일 면에 배치될 수 있다. 따라서, 상기 광원 모듈(2200)로부터의 열은 상기 방열체(2400)로 전도된다. 상기 광원 모듈(2200)은 발광 소자(2210), 연결 플레이트(2230), 커넥터(2250)를 포함할 수 있다.

상기 부재(2300)는 상기 방열체(2400)의 상면 위에 배치되고, 복수의 조명소자(2210)들과 커넥터(2250)이 삽입되는 가이드홈(2310)들을 갖는다. 상기 가이드홈(2310)은 상기 조명소자(2210)의 기판 및 커넥터(2250)와 대응된다.

상기 부재(2300)의 표면은 백색의 도료로 도포 또는 코팅된 것일 수 있다. 이러한 상기 부재(2300)는 상기 커버(2100)의 내면에 반사되어 상기 광원 모듈(2200)측 방향으로 되돌아오는 빛을 다시 상기 커버(2100) 방향으로 반사한다. 따라서, 실시 예에 따른 조명 장치의 광 효율을 향상시킬 수 있다.

상기 부재(2300)는 예로서 절연 물질로 이루어질 수 있다. 상기 광원 모듈(2200)의 연결 플레이트(2230)는 전기 전도성의 물질을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 방열체(2400)와 상기 연결 플레이트(2230) 사이에 전기적인 접촉이 이루어질 수 있다. 상기 부재(2300)는 절연 물질로 구성되어 상기 연결 플레이트(2230)와 상기 방열체(2400)의 전기적 단락을 차단할 수 있다. 상기 방열체(2400)는 상기 광원 모듈(2200)로부터의 열과 상기 전원 제공부(2600)로부터의 열을 전달받아 방열한다.

상기 홀더(2500)는 내부 케이스(2700)의 절연부(2710)의 수납홈(2719)을 막는다. 따라서, 상기 내부 케이스(2700)의 상기 절연부(2710)에 수납되는 상기 전원 제공부(2600)는 밀폐된다. 상기 홀더(2500)는 가이드 돌출부(2510)를 갖는다. 상기 가이드 돌출부(2510)는 상기 전원 제공부(2600)의 돌출부(2610)가 관통하는 홀을 구비할 수 있다.

상기 전원 제공부(2600)는 외부로부터 제공받은 전기적 신호를 처리 또는 변환하여 상기 광원 모듈(2200)로 제공한다. 상기 전원 제공부(2600)는 상기 내부 케이스(2700)의 수납홈(2719)에 수납되고, 상기 홀더(2500)에 의해 상기 내부 케이스(2700)의 내부에 밀폐된다.

상기 전원 제공부(2600)는 돌출부(2610), 가이드부(2630), 베이스(2650), 연장부(2670)를 포함할 수 있다.

상기 가이드부(2630)는 상기 베이스(2650)의 일 측에서 외부로 돌출된 형상을 갖는다. 상기 가이드부(2630)는 상기 홀더(2500)에 삽입될 수 있다. 상기 베이스(2650)의 일 면 위에 다수의 부품이 배치될 수 있다. 다수의 부품은 예를 들어, 직류변환장치, 상기 광원 모듈(2200)의 구동을 제어하는 구동칩, 상기 광원 모듈(2200)을 보호하기 위한 ESD(ElectroStatic discharge) 보호 소자 등을 포함할 수 있으나 이에 대해 한정하지는 않는다.

상기 연장부(2670)는 상기 베이스(2650)의 다른 일 측에서 외부로 돌출된 형상을 갖는다. 상기 연장부(2670)는 상기 내부 케이스(2700)의 연결부(2750) 내부에 삽입되고, 외부로부터의 전기적 신호를 제공받는다. 예컨대, 상기 연장부(2670)는 상기 내부 케이스(2700)의 연결부(2750)의 폭과 같거나 작게 제공될 수 있다. 상기 연장부(2670)는 전선을 통해 소켓(2800)에 전기적으로 연결될 수 있다.

상기 내부 케이스(2700)는 내부에 상기 전원 제공부(2600)와 함께 몰딩부를 포함할 수 있다. 몰딩부는 몰딩 액체가 굳어진 부분으로서, 상기 전원 제공부(2600)가 상기 내부 케이스(2700) 내부에 고정될 수 있도록 한다.

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.

제1 도전형 반도체층(112),
질화갈륨 계열의 초격자층(124),
활성층(114), 제2 도전형 반도체층(116),
제2 도전형 질화갈륨계열층(128),
제2 도전형 Al_xGa_(1-x)N층(단, 0＜x＜1)(128a),
제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층(단, 0≤y＜1, 0≤z＜1)(128b),
제2 도전형 GaN층(128c)

Claims

제1 도전형 반도체층;
상기 제1 도전형 반도체층 상에 활성층;
상기 활성층 상에 제2 도전형 질화갈륨계열층;
상기 제2 도전형 질화갈륨계열층 상에 제2 도전형 반도체층;을 포함하며,
상기 제2 도전형 질화갈륨계열층은,
상기 활성층 상에 제1 농도의 제2 도전형 Al_xGa_(1-x)N층(단, 0＜x＜1);
상기 제2 도전형 Al_xGa_(1-x)N층 상에 상기 제1 농도보다 높은 제2 농도의 제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층(단, 0≤y＜1, 0≤z＜1); 및
상기 제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층 상에 제2 도전형 GaN층;을 포함하는 발광소자.
제1 항에 있어서,
상기 제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층은,
상기 제2 도전형 Al_xGa_(1-x)N층의 일측에 구비되는 발광소자.
제1 항에 있어서,
상기 제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층은,
상기 제2 도전형 Al_xGa_(1-x)N층의 양측에 구비되는 발광소자.
제1 항에 있어서,
상기 제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층의 평균 에너지밴드갭의 크기는 상기 제2 도전형 Al_xGa_(1-x)N층의 평균 에너지밴드갭의 크기보다 작고, 상기 제2 도전형 GaN층의 평균 에너지밴드갭의 크기보다 큰 발광소자.
제1 항에 있어서,
상기 제2 도전형 Al_xGa_(1-x)N층에서 상기 제2 도전형 GaN층 방향으로 에너지 밴드갭이 감소하는 발광소자.
제1 항에 있어서,
상기 제2 도전형 In_yAl_zGa_(1-y-z)N층의 면방향 평균격자상수 크기가 상기 제2 도전형 Al_xGa_(1-x)N층의 면방향 평균격자상수보다 작고, 상기 제2 도전형 GaN층의 면방향 평균격자상수보다 큰 발광소자.