KR20140069487A - 발광소자 - Google Patents

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KR20140069487A
KR20140069487A KR1020120136784A KR20120136784A KR20140069487A KR 20140069487 A KR20140069487 A KR 20140069487A KR 1020120136784 A KR1020120136784 A KR 1020120136784A KR 20120136784 A KR20120136784 A KR 20120136784A KR 20140069487 A KR20140069487 A KR 20140069487A
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gallium nitride
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한대섭
백광선
조아라
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

실시예는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템에 관한 것이다.
실시예에 따른 발광소자는 제1 도전형 반도체층(112); 상기 제1 도전형 반도체층(112) 상에 질화갈륨 계열의 초격자층(124); 상기 질화갈륨 계열의 초격자층(124) 상에 활성층(114); 상기 활성층(114) 상에 제2 도전형 AlxGa(1-x)N/AlyGa(1-y)N 초격자층(단, 0＜x＜1, 0＜y＜1)(128); 및 상기 제2 도전형 AlxGa(1-x)N/AlyGa(1-y)N 초격자층(128) 상에 제2 도전형 반도체층(116);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 질화갈륨 계열의 초격자층(124); 상기 질화갈륨 계열의 초격자층(124) 상에 활성층(114); 상기 활성층(114) 상에 제2 도전형 AlxGa(1-x)N/AlyGa(1-y)N 초격자층(단, 0＜x＜1, 0＜y＜1)(128); 및 상기 제2 도전형 AlxGa(1-x)N/AlyGa(1-y)N 초격자층(128) 상에 제2 도전형 반도체층(116);을 포함할 수 있다.
실시예에 의하면 광도를 향상시킬 수 있는 최적의 구조를 구비한 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 발광소자의 단면도.
도 2는 제1 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램의 예시도.
도 3은 제1 실시예에 따른 발광소자의 파장(WD)에 따른 광도(E)와 비교예의 파장에 따른 광도(R) 변화 예시도.
도 4는 제1 실시예에 따른 발광소자의 효과 예시도.
도 5는 제2 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램의 예시도.
도 6은 제1 실시예와 제2 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램 예시도.
도 7은 제2 실시예에 따른 발광소자의 효과 예시도.
도 8은 제1 실시예와 제2 실시예의 따른 발광소자의 내부 양자효율 예시도.
도 9는 제1 실시예와 제2 실시예의 따른 발광소자의 리키지 특성 예시도.
도 10은 제1 실시예와 제2 실시예의 따른 발광소자의 홀 주입효율 특성 예시도.
도 11은 제3 실시예에 따른 발광소자에서 질화갈륨 계열의 초격자층의 밴드 다이어그램 예시도.
도 12는 실시예에 따른 발광소자 패키지의 단면도.
도 13은 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 제1 실시예에 따른 발광소자(100)의 단면도이며, 도 2는 제1 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램의 예시도이다.
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 질화갈륨계열층과, 상기 제2 도전형 질화갈륨계열층 상에 제2 도전형 반도체층(116)을 포함할 수 있다.
상기 기판(105)은 열전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있으며, 전도성 기판 또는 절연성 기판일 수 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.
실시예는 광반사 패턴(P)을 구비하여 광추출 효율을 증대시킬 수 있다. 예를 들어, 기판(105)에 PSS(Patterned Sapphire Substrate)를 형성하여 광 추출효율을 증대할 수 있다.
또한, 실시예는 기판(105) 상에 버퍼층(107), 언도프드(undoped) 반도체층(108)을 구비하여 상기 발광구조물(110)의 재료와 기판(105)의 격자 부정합을 완화시켜 줄 수 있다. 예를 들어, 상기 버퍼층(107)의 재료는 3족-5족 화합물 반도체 예컨대, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중 적어도 하나로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 상기 언도프드(undoped) 반도체층(108) 상에 제1 도전형 반도체층(112)을 형성한다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 반도체층(112)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
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 기인한 응력을 효과적으로 완화시킬 수 있다.
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.
상기 활성층(114)의 우물층(114w)/배리어층(114b)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. 상기 우물층은 상기 장벽층의 밴드 갭보다 낮은 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
실시예에 의하면 광도를 향상시킬 수 있는 최적의 구조를 구비한 발광소자를 제공하고자 한다.
종래의 질화물계 화합물 반도체에 있어서, 전자의 이동도가 홀의 이동도에 비해 큰 것으로 알려져 있으며, 전자가 홀에 비해 빠르게 다중양자우물 구조 내를 이동하여 p형 질화물반도체층에 도달하고, 이러한 전자들이 홀과 재결합하지 않고 p형 반도체층으로 흘러들어갈 수 있다. 이를 방지하고 전자를 다중양자우물 구조 내에 가두기 위해 AlGaN 계열의 전자 차단층(EBL)이 일반적으로 사용된다.
그러나, AlGaN 계열의 전자 차단층은 에너지 밴드갭이 상대적으로 크기 때문에, 홀이 다중양자우물 구조 내로 유입되는 것을 방해하여, 순방향 전압을 높이는 문제점이 있다.
상기 종래기술의 문제를 해결하기 위해 실시예에 따른 발광소자(100)에서 상기 제2 도전형 질화갈륨계열층은 상기 활성층(114) 상에 제2 도전형 AlxGa(1-x)N/AlyGa(1-y)N 초격자층(단, 0＜x＜1, 0＜y＜1)(128)을 포함할 수 있다.
실시예에서 상기 제2 도전형 AlxGa(1-x)N/AlyGa(1-y)N 초격자층(128) 중 AlxGa(1-x)N에서의 Al의 농도(x)는 AlyGa(1-y)N에서의 Al의 농도(y)보다 클 수 있으며, 상기 제2 도전형 AlxGa(1-x)N/AlyGa(1-y)N 초격자층(128)은 상기 활성층의 양자벽(114b)의 에너지 밴드갭 이상의 에너지 밴드갭을 구비할 수 있다.
상기 제2 도전형 AlxGa(1-x)N/AlyGa(1-y)N 초격자층(128)은 복수의 주기로 형성되며, 상기 AlxGa(1-x)N에서의 Al의 농도(x)와 상기 AlyGa(1-y)N에서의 Al의 농도(y)는 일정할 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 도전형 AlxGa(1-x)N/AlyGa(1-y)N 초격자층(128)은 약 3주기 내지 5주기로 형성될 수 있으며, 상기 AlxGa(1-x)N에서의 Al의 농도(x)는 0.20≤x≤0.30이고, 상기 AlyGa(1-y)N에서의 Al의 농도(y)는 0.05≤x≤0.10 범위일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 제2 도전형 AlxGa(1-x)N/AlyGa(1-y)N 초격자층(128)에서 상기 AlxGa(1-x)N층과 상기 AlyGa(1-y)N층은 각각 약 5nm 내지 7nm의 두께로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3은 제1 실시예에 따른 발광소자의 파장(WD)에 따른 광도(E)와 비교예의 파장에 따른 광도(R) 변화 예시도이다.
도 3에서 실시예에 따른 발광소자는 활성층(114)의 양자우물(114w)과 양자벽(114b)의 주기는 7주기 MQWs를 채용하였으며, 상기 제2 도전형 AlxGa(1-x)N/AlyGa(1-y)N 초격자층(128)은 4주기로 형성하였으나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3에서 비교예는 활성층의 양자우물과 양자벽의 주기를 7주기 MQWs를 채용하되, 전자차단층으로는 종래의 AlGaN 계열의 전자차단층을 채용하였다.
실시예에 따른 발광소자에 의하면 제2 도전형 AlxGa(1-x)N/AlyGa(1-y)N 초격자층(128)을 구비함으로써 광도를 개선할 수 있다. 구체적으로, 제2 도전형 AlxGa(1-x)N/AlyGa(1-y)N 초격자층(128)에서 활성층의 디펙트 머징(defect merging)이 가능하여 스트레인 완화(strain relaxing)를 통해 장파장 광도가 향상된다.
또한, 실시예에 의하면 나아가 활성층의 주기가 기존 5 pair에서 7 pair로 증대되어 액티브 볼륨(active vol)이 증가되어 발광효율이 증가하는 경우에도 시리즈(series) 저항을 효과적으로 감축하여 광도를 향상시킬 수 있다.
도 4는 제1 실시예에 따른 발광소자의 효과 예시도이며, X 축은 제2 도전형 반도체층(116)으로부터의 거리(distance, 단위: ㎛)를 나타낸다.
구체적으로, 제1 실시예에 따른 발광소자에 의하면 2D 홀 가스(2D hole gas)(A)에 의해 홀 커런트 스프레딩(Hole current spreading)이 현저히 개선될 수 있다.
또한, 제1 실시예에 의하면 홀 농도(hole concentration) 증가에 따라 마그네슘 이온화 에너지(Mg ionization energy)가 감소하게 된다.
또한, 실시예에 의하면 수평(Lateral) 방향 전자 차단(Electron blocking) 특성 강화로 수평(Lateral) 방향 전류 확산(current spreading)이 개선된다.
다만, 제1 실시예에 의하면 홀 배리어(hole barrier)(B) 영역이 존재하여 수직방향(Vertical) 캐리어 전달(transport)은 개선이 필요할 수 있다. 도 4에서 Q는 Quasi Fermi energy를 나타낸다.
도 5는 제2 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램의 예시도이다.
제2 실시예에서 상기 제2 도전형 AlxGa(1-x)N/AlyGa(1-y)N 초격자층(128)은 복수의 주기로 형성되며, 상기 각 AlxGa(1-x)N에서의 각 Al의 농도(x)는 상기 활성층(114)에서 상기 제2 도전형 반도체층(116) 방향으로 제1 농도로 일정한 제1 영역(128a1) 및 상기 제1 농도에서 상기 AlyGa(1-y)N의 Al 농도(y)로 감소하는 제2 영역(128a2)을 포함하며, 상기 AlyGa(1-y)N에서의 Al의 농도(y)는 일정할 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 영역(128a2)은 Al의 농도가 약 25%에서 약 8%로 그레이딩될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
즉, 실시예에 의하면 제1 영역의 AlxGa(1-x)N(128a1)과 AlyGa(1-y)N(128b) 계면에 Al의 농도가 그레이딩되는 제2 영역의 AlxGa(1-x)N(128a2)를 구비함으로써 홀(hole) 주입 효율을 개선할 수 있다.
도 6은 제1 실시예와 제2 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램 예시도이며, 도 7은 제2 실시예에 따른 발광소자의 효과 예시도이다.
제2 실시예에 따른 발광소자는 제1 실시예에 의해 개선된 수평방향 전류확산(lateral current spreading)은 유지하면서, 수직 방향 캐리어 전달(Vertical transport)을 개선할 수 있다.
예를 들어, 제2 실시예에 의하면 Al 농도가 그레이딩(grading)된 층인 제2 영역(128a2)을 추가하여, 밴드 다이어그램(Band diagram) 상에 홀 배리어(Hole barrier)로 작용하는 밴드 스파이크(band spike)를 제거함(도 7의 C 참조)으로써, 2D 홀 가스(2D hole gas)(A)에 의한 홀 커런트 스프레딩(Hole current spreading) 개선 효율을 보유하면서, 홀의 수직 전달(vertical transport) 효율도 동시에 개선한 고광도 질화물계 발광소자를 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 층간 경계에서 Al 농도의 감소로 인해 경계면의 품질(interface quality)이 강화되어 홀의 수직 전달(vertical transport) 효율에 기여할 수 있다.
도 8은 제1 실시예와 제2 실시예의 따른 발광소자의 내부 양자효율 예시도이다.
도 8과 같이, 제2 실시예에 의하면 제1 실시예에 비해 내부 양자효율(IQE)도 현저히 개선되어 Droop 현상도 개선됨을 알 수 있다.
도 9는 제1 실시예와 제2 실시예의 따른 발광소자의 리키지 특성 예시도로서, 제2 실시예의 경우 제1 실시예에 비해 리키지 커런트가 감소하여 리키지 특성이 개선됨을 알 수 있다.
도 10은 제1 실시예와 제2 실시예의 따른 발광소자의 홀 주입효율 특성 예시도로서, 제2 실시예는 제1 실시예에 비해 홀 농도의 증가로 홀 주입 효율이 개선됨을 알 수 있다.
다음으로, 다시 도 1을 참조하면, 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 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(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, 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, 상기 투광성 전극(130) 상에 제2 전극(132)을 형성하고, 상기 노출된 제1 도전형 반도체층(112) 상에 제1 전극(131)을 형성한다.
도 11은 제3 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램의 예시도이다.
제3 실시예에서 상기 질화갈륨 계열의 초격자층(124)은 상기 제1 도전형 반도체층(112)에서 상기 활성층(114) 방향으로 밴드갭 에너지 준위가 변할 수 있다.
예를 들어, 상기 질화갈륨 계열의 초격자층(124)은 상기 제1 도전형 반도체층(112)에서 상기 활성층(114) 방향으로 밴드갭 에너지 준위가 스텝을 두어 감소할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 질화갈륨 계열의 초격자층(124)은 제1 도전형 반도체층(112)과 인접하는 A 영역에 제1 밴드갭 에너지를 구비하는 제1 군의 질화갈륨 계열의 초격자층(121)과, 상기 제1 군의 질화갈륨 계열의 초격자층(121) 상에(B 영역에) 상기 제1 밴드갭 에너지보다 작은 제2 밴드갭 에너지를 구비하는 제2 군의 질화갈륨 계열의 초격자층(122)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 질화갈륨 계열의 초격자층(124)은 활성층(114)과 인접하는 C 영역에 상기 제2 군의 질화갈륨 계열의 초격자층(122) 상에 제3 밴드갭 에너지를 구비하는 제3 군의 질화갈륨 계열의 초격자층(123)을 더 포함할 수 있다.
상기 제3 밴드갭 에너지는 상기 제2 밴드갭 에너지와 같거나 작을 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이때 상기 제1 군의 질화갈륨 계열의 초격자층(121)은 제1 군의 웰(121w)과 제1 군의 배리어(121b)를 포함하고, 상기 제2 군의 질화갈륨 계열의 초격자층(122)은 제2 군의 웰(122w)과 제2 군의 배리어(122b)를 포함하고, 상기 제3 군의 질화갈륨 계열의 초격자층(123)은 제3 군의 웰(123w)과 제3 군의 배리어(123b)를 포함할 수 있다.
상기 질화갈륨 계열의 초격자층(124)은 InxGa1 - xN/GaN 초격자층(단, 0＜x＜1)을 포함할 수 있으며, 상기 제1 밴드갭 에너지 준위와 상기 제2 밴드갭 에너지의 준위의 차이(D)는 상기 질화갈륨 계열의 초격자층의 포톤에너지 준위 이상일 수 있다.
예를 들어, 상기 각 군의 질화갈륨 계열의 초격자층의 각 웰 간의 깊이(에너지 차이)는 InGaN의 포논에너지(약 88 meV) 이상이어야 핫 전자(Hot electron)의 에너지 중의 일부가 포논에너지 형태로 전달이 가능하다.
실시예에서의 질화갈륨 계열의 초격자층(124)은 2개 이상의 스텝이 가능하며, 활성층(114)의 양자 우물(MQW의 Well)(114w)의 깊이는 약 200 meV이므로 이를 최소 포논에너지로 나눈 만큼 복수의 스텝이 가능하다.
실시예에서 각 군의 에너지 준위는 각군의 웰의 인듐의 농도제어를 통해 조절이 가능하다.
예를 들어, 상기 제2 군의 질화갈륨 계열의 초격자층(122)의 인듐의 농도는 상기 제1 군의 질화갈륨 계열의 초격자층(121)의 인듐의 농도보다 높게 설정함으로써 제2 군의 웰(122w)의 에너지 준위는 제1 군의 웰(121w)의 에너지 준위보다 낮을 수 있다.
실시예에 의하면 핫 전자(Hot electron)를 복수의 스텝으로 구비되는 질화갈륨 계열의 초격자층에 의해 냉각(cooling)시킴으로써 효율적인 전자 주입층을 구비한 고출력 발광소자를 제공할 수 있다.
실시예는 핫 전자(Hot electron)를 보다 효율적으로 냉각(cooling)시켜 전자 주입 효율을 증대시키기 위해 각 군의 질화갈륨 계열의 초격자층의 두께를 제어할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 군의 질화갈륨 계열의 초격자층(121)의 두께는 상기 제2 군의 질화갈륨 계열의 초격자층보다 얇을 수 있다.
이때, 상기 제1 군의 질화갈륨 계열의 초격자층(121)의 상기 제1 군의 웰(121w)의 두께와 상기 제1 군의 배리어(121b)의 두께가 동일할 수 있으며, 복수의 주기로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 군의 웰(121w)의 두께와 상기 제1 군의 배리어(121b)의 두께는 약 1nm 내지 약 3nm 범위 내에서 같도록 제어되고, 복수의 주기로 형성됨으로써 단일의 두꺼운 웰과 배리어가 존재하는 것에 비해 핫 캐리어의 냉각을 효율적으로 유도할 수 있다.
또한, 상기 제2 군의 질화갈륨 계열의 초격자층(122)에서도 상기 제2 군의 웰(122w)의 두께와 상기 제2 군의 배리어(122b)의 두께는 약 1nm 내지 약 3nm 범위 내에서 같게 제어되고, 복수의 주기로 형성됨으로써 단일의 두꺼운 웰과 배리어가 존재하는 것에 비해 핫 캐리어의 냉각을 효율적으로 유도할 수 있다.
이때, 상기 제2 군의 웰(122w)의 두께는 상기 제1 군의 웰(121w)의 두께와 동일할 수 있으며, 상기 제2 군의 배리어(122b)의 두께는 상기 제1 군의 배리어(121b)의 두께와 동일할 수 있다. 이를 통해, 캐리어가 질화갈륨 계열의 초격자층 내에서 소정의 에너지 배리어를 인식하더라도 규칙적인 두께의 웰과 배리어를 통해 질화갈륨 계열의 초격자층 내에 갇혀서 소멸하지 않도록 하여 캐리어 주입이 원활히 진행될 수 있다.
실시예에서 제2 군의 질화갈륨 계열의 초격자층(122)의 전체 두께는 제1 군의 질화갈륨 계열의 초격자층(121)의 전체 두께보다 두꺼울 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 군의 질화갈륨 계열의 초격자층(122)은 제2 군의 웰(122w)과 제2 군의 배리어(122b)가 약 8 내지 12 주기로 형성될 수 있으며, 상기 제1 군의 질화갈륨 계열의 초격자층(121)은 제1 군의 웰(121w)과 제1 군의 배리어(121b)가 약 3 내지 5 주기로 형성될 수 있다.
실시예에 의하면 핫 캐리어를 첫 번째 만나는 제1 군의 질화갈륨 계열의 초격자층(121) 보다는 일부 냉각된 핫 캐리어를 만나는 제2 군의 질화갈륨 계열의 초격자층(122)에서 더 오랫동안 안정된 상태에서 냉각시킴으로써 핫 캐리어의 냉각을 보다 효율적으로 진행할 수 있고, 핫 캐리어가 오버플로우 되는 현상을 막을 수 있다.
또한, 실시예에서 상기 제3 군의 질화갈륨 계열의 초격자층(123)의 상기 제3 군의 웰(123w)의 두께는 상기 제2 군의 웰(122w)의 두께와 동일할 수 있으며, 상기 제3 군의 배리어(123b)의 두께보다는 얇을 수 있다.
예를 들어, 상기 제3 군의 웰(123w)의 두께는 약 1nm 내지 3nm일 수 있으며, 상기 제3 군의 배리어(123b)의 두께는 약 7 내지 11 nm일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서 제3 군의 배리어(123b)는 활성층과 인접하게 배치될 수 있고, 마지막 배리어인 제3 군의 배리어(123b)를 다른 군의 배리어나 웰에 비해 두껍게 형성할 수 있다.
실시예에 의하면 상기 제3 군의 배리어(123b)에는 제1 도전형 원소가 도핑됨으로써 전자의 주입효율을 증대시킬 수 있다.
또한, 실시예는 상기 제3 군의 배리어(123b)와 상기 활성층(114)의 양자 우물(114w) 사이에 언도프트 질화갈륨층(125)을 더 포함함으로써 제3 군의 배리어(123b)에 도핑된 제1 도전형 원소가 활성층으로 확산하여 발광 재결합을 저지하는 것을 막을 수 있다.
실시예에 의하면 핫 전자(Hot electron)를 복수의 스텝으로 구비되는 질화갈륨 계열의 초격자층에 의해 냉각(cooling)시킴으로써 효율적인 전자 주입층을 구비한 고출력 발광소자를 제공할 수 있다.
실시예에 의하면 광도를 향상시킬 수 있는 최적의 구조를 구비한 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
도 12는 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 13은 실시예에 따른 형광체 조성물을 포함하는 발광장치의 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.
실시예에 의하면 광도를 향상시킬 수 있는 최적의 구조를 구비한 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.
제1 도전형 반도체층(112),
질화갈륨 계열의 초격자층(124),
제1 군의 질화갈륨 계열의 초격자층(121),
제1 군의 웰(121w), 제1 군의 배리어(121b),
제2 군의 질화갈륨 계열의 초격자층(122),
제2 군의 웰(122w), 제2 군의 배리어(122b),
제3 군의 질화갈륨 계열의 초격자층(123),
제3 군의 웰(123w), 제3 군의 배리어(123b),
활성층(114), 제2 도전형 반도체층(116),
제2 도전형 질화갈륨계열층(128),
AlxGa(1-x)N(128a), AlyGa(1-y)N(128b)

Claims (10)

  1. 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 질화갈륨 계열의 초격자층;
    상기 질화갈륨 계열의 초격자층 상에 활성층;
    상기 활성층 상에 제2 도전형 AlxGa(1-x)N/AlyGa(1-y)N 초격자층(단, 0＜x＜1, 0＜y＜1); 및
    상기 제2 도전형 AlxGa(1-x)N/AlyGa(1-y)N 초격자층 상에 제2 도전형 반도체층;을 포함하는 발광소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 도전형 AlxGa(1-x)N/AlyGa(1-y)N 초격자층 중 AlxGa(1-x)N에서의 Al의 농도(x)는 AlyGa(1-y)N에서의 Al의 농도(y)보다 큰 발광소자.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 도전형 AlxGa(1-x)N/AlyGa(1-y)N 초격자층은 복수의 주기로 형성되며,
    상기 AlxGa(1-x)N에서의 Al의 농도(x)와 상기 AlyGa(1-y)N에서의 Al의 농도(y)는 일정한 발광소자.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 제2 도전형 AlxGa(1-x)N/AlyGa(1-y)N 초격자층은 3주기 내지 5주기로 형성되며,
    상기 AlxGa(1-x)N에서의 Al의 농도(x)는 0.20≤x≤0.30이고, 상기 AlyGa(1-y)N에서의 Al의 농도(y)는 0.05≤x≤0.10 범위인 발광소자.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 도전형 AlxGa(1-x)N/AlyGa(1-y)N 초격자층은 복수의 주기로 형성되며,
    상기 각 AlxGa(1-x)N에서의 각 Al의 농도(x)는 상기 활성층에서 상기 제2 도전형 반도체층 방향으로 제1 농도로 일정한 제1 영역 및 상기 제1 농도에서 상기 AlyGa(1-y)N의 Al 농도(y)로 감소하는 제2 영역을 포함하며,
    상기 AlyGa(1-y)N에서의 Al의 농도(y)는 일정한 발광소자.
  6. 제2 항 또는 제5 항에 있어서,
    상기 제2 도전형 AlxGa(1-x)N/AlyGa(1-y)N 초격자층에서 상기 AlxGa(1-x)N층과 상기 AlyGa(1-y)N층은 각각 5nm 내지 7nm의 두께로 형성되는 발광소자.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 질화갈륨 계열의 초격자층은,
    상기 제1 도전형 반도체층에서 상기 활성층 방향으로 밴드갭 에너지 준위가 변하는 발광소자.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 질화갈륨 계열의 초격자층은,
    제1 밴드갭 에너지를 구비하는 제1 군의 질화갈륨 계열의 초격자층; 및
    상기 제1 군의 질화갈륨 계열의 초격자층 상에 상기 제1 밴드갭 에너지보다 작은 제2 밴드갭 에너지를 구비하는 제2 군의 질화갈륨 계열의 초격자층;을 포함하는 발광소자.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 밴드갭 에너지 준위와 상기 제2 밴드갭 에너지의 준위의 차이는 상기 질화갈륨 계열의 초격자층의 포톤에너지 준위 이상인 발광소자.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 질화갈륨 계열의 초격자층은,
    상기 제2 군의 질화갈륨 계열의 초격자층 상에 상기 제3 밴드갭 에너지를 구비하는 제3 군의 질화갈륨 계열의 초격자층;을 더 포함하는 발광소자.
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