KR20140090801A - 발광소자 - Google Patents
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Abstract
광 효율이 향상된 발광소자가 개시된다.
실시예에 따른 발광소자는 400nm 이하의 파장 영역의 광을 방출하는 수직형 발광소자에서, 지지기판; 상기 지지기판 상에 배치되며, 제1 반도체층과 활성층 및 제2 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 및 상기 제1 반도체층과 상기 활성층 사이에 배치되는 응력 완화층;을 포함하고, 상기 응력 완화층은 AlxInaGa1 -x- aN 물질의 제1층 및 AlyInbGa1 -y- bN 물질의 제2층의 페어 구조(0<y<x<1, 0<a<b<1)를 복수 개 포함하는 초격자 구조로 이루어진다.
실시예에 따른 발광소자는 400nm 이하의 파장 영역의 광을 방출하는 수직형 발광소자에서, 지지기판; 상기 지지기판 상에 배치되며, 제1 반도체층과 활성층 및 제2 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 및 상기 제1 반도체층과 상기 활성층 사이에 배치되는 응력 완화층;을 포함하고, 상기 응력 완화층은 AlxInaGa1 -x- aN 물질의 제1층 및 AlyInbGa1 -y- bN 물질의 제2층의 페어 구조(0<y<x<1, 0<a<b<1)를 복수 개 포함하는 초격자 구조로 이루어진다.
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 제1 도전형 도펀트로 도핑된 제1 반도체층, 다중 양자 우물 구조로 이루어진 활성층 및 제2 도전형 도펀트로 도핑된 제2 반도체층을 포함하는 발광 구조물을 포함한다. 이때, 제1 반도체층과 활성층의 격자 부정합에 의한 응력을 완화하기 위하여 제1 반도체층과 활성층 사이에 응력 완화층이 배치될 수 있다. 응력 완화층은 GaN/InGaN이 교대로 적층된 초격자 구조로 이루어질 수 있다.
그러나, 자외선 파장 영역의 광을 방출하는 자외선 발광소자의 경우 GaN/InGaN에 의해 광 흡수가 발생하기 때문에 광추출 효율이 저하되는 문제점이 존재한다.
실시예는 발광소자의 광효율을 향상시키고자 한다.
실시예에 따른 발광소자는 400nm 이하의 파장 영역의 광을 방출하는 수직형 발광소자에서, 지지기판; 상기 지지기판 상에 배치되며, 제1 반도체층과 활성층 및 제2 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 및 상기 제1 반도체층과 상기 활성층 사이에 배치되는 응력 완화층;을 포함하고, 상기 응력 완화층은 AlxInaGa1 -x- aN 물질의 제1층 및 AlyInbGa1 -y- bN 물질의 제2층의 페어 구조(0<y<x<1, 0<a<b<1)를 복수 개 포함하는 초격자 구조로 이루어진다.
상기 제1층 및 제2층의 Al 함량이 0<y<x≤0.10 범위를 만족하고, 상기 제1층 및 제2층의 In 함량이 0<a<b≤0.02 범위를 만족할 수 있다.
상기 응력 완화층은 60nm 내지 240nm의 두께를 가질 수 있다.
상기 제1 반도체층은 상기 응력 완화층의 제1층과 접할 수 있다.
상기 활성층은 상기 응력 완화층의 제1층과 접할 수 있다.
상기 제1 반도체층 또는 상기 활성층은 상기 응력 완화층의 제2층과 접할 수 있다.
상기 제1층 또는 제2층은 2nm 내지 15nm의 두께를 가질 수 있다.
상기 활성층과 상기 제2 반도체층 사이에 전자 차단층이 더 배치될 수 있다.
실시예에 따르면 응력 완화층의 전 구간에서 Al을 포함하므로 응력 완화층에 의한 광 흡수를 줄임과 동시에, 제1 반도체층과 활성층 사이의 응력을 완화할 수 있고, 이로 인해 발광소자의 광효율이 향상될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 발광소자의 일 예시를 나타낸 측단면도.
도 2는 제1 실시예에 따른 발광소자의 일부분을 확대하여 나타낸 도면.
도 3은 제1 실시예에 따른 발광소자의 일부분의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면.
도 4는 제2 실시예에 따른 발광소자의 일부분을 확대하여 나타낸 도면.
도 5는 제3 실시예에 따른 발광소자의 일부분을 확대하여 나타낸 도면.
도 6은 실시예들에 따른 발광소자를 포함한 발광소자 패키지의 일 실시예를 나타낸 도면.
도 7은 실시예들에 따른 발광소자를 포함한 발광소자 패키지의 다른 실시예를 나타낸 도면.
도 8은 실시예들에 따른 발광소자 패키지를 포함하는 조명장치의 일 실시예를 나타낸 분해 사시도.
도 9는 실시예들에 따른 발광소자 패키지가 배치된 표시장치의 일 실시예를 나타낸 분해 사시도.
도 2는 제1 실시예에 따른 발광소자의 일부분을 확대하여 나타낸 도면.
도 3은 제1 실시예에 따른 발광소자의 일부분의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면.
도 4는 제2 실시예에 따른 발광소자의 일부분을 확대하여 나타낸 도면.
도 5는 제3 실시예에 따른 발광소자의 일부분을 확대하여 나타낸 도면.
도 6은 실시예들에 따른 발광소자를 포함한 발광소자 패키지의 일 실시예를 나타낸 도면.
도 7은 실시예들에 따른 발광소자를 포함한 발광소자 패키지의 다른 실시예를 나타낸 도면.
도 8은 실시예들에 따른 발광소자 패키지를 포함하는 조명장치의 일 실시예를 나타낸 분해 사시도.
도 9는 실시예들에 따른 발광소자 패키지가 배치된 표시장치의 일 실시예를 나타낸 분해 사시도.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 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 두 개의 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 실시예에 따른 발광소자의 일 예시를 나타낸 측단면도이다.
실시예에 따른 발광소자(100)는 지지기판(110), 제1 반도체층(122)과 활성층(124) 및 제2 반도체층(126)을 포함하는 발광 구조물; 및 상기 제1 반도체층(122)과 활성층(124) 사이의 응력 완화층(130)을 포함한다.
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. 발광소자(100)가 자외선을 방출하는 UV LED인 경우, UV-A(Ultraviolet-A) 영역의 광을 방출할 수 있고, 이때 방출되는 광은 약 400nm 이하의 파장을 가지며, 구체적으로는 약 315~400nm의 파장을 가질 수 있다.
발광 구조물(120)은 지지기판(160)에 가까워지는 방향으로 제1 반도체층(122)과 활성층(124) 및 제2 반도체층(124)을 포함한다.
제1 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. 제1 반도체층(122)이 n형 반도체층인 경우, 상기 제1 도전형 도펀트는 n형 도펀트로서 Si, Ge, Sn, Se, Te 등을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 제1 반도체층(122)이 p형 반도체층인 경우, 상기 제1 도전형 도펀트는 p형 도펀트로서 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
제1 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. 제1 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. 발광소자(100)가 자외선 영역의 빛을 방출하는 자외선 발광소자인 경우, 제1 반도체층(122)은 Al을 반드시 포함하여 이루어질 수 있다.
제2 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 반도체층(126)이 p형 반도체층인 경우, 상기 제2 도전형 도펀트는 p형 도펀트로서 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 제2 반도체층(126)이 n형 반도체층인 경우, 상기 제2 도전형 도펀트는 n형 도펀트로서 Si, Ge, Sn, Se, Te 등을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
제2 반도체층(126)은 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 제2 반도체층(126)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다. 발광소자(100)가 자외선 영역의 빛을 방출하는 자외선 발광소자인 경우, 제2 반도체층(126)은 Al을 반드시 포함하여 이루어질 수 있다.
이하에서는, 제1 반도체층(122)이 n형 반도체층, 제2 반도체층(126)이 p현 반도체층인 경우를 예로 들어 설명한다.
상기 제2 반도체층(126) 상에는 제2 도전형과 반대의 극성을 갖는 반도체, 예컨대 상기 상기 제2 반도체층(126)이 p형 반도체층일 경우 n형 반도체층(미도시)을 형성할 수 있다. 이에 따라 발광 구조물(120)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.
제1 반도체층(122)과 제2 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 반도체층(122)이 n형 반도체층이고 제2 반도체층(126)이 p형 반도체층인 경우, 상기 제1 반도체층(122)으로부터 전자가 주입되고 상기 제2 반도체층(126)으로부터 정공이 주입될 수 있다. 발광소자(100)가 UV-A(Ultraviolet-A) LED인 경우, 활성층(124)은 광은 약 400nm 이하의 파장을 갖는 빛을 방출하며, 구체적으로는 약 315~400nm의 파장을 갖는 빛을 방출할 수 있다.
활성층(124)은 다중 우물 구조로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 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)이 다중 우물 구조로 형성되는 경우, 활성층(124)의 우물층/장벽층은 InGaN/GaN, InGaN/InGaN, GaN/AlGaN, InAlGaN/GaN, InGaN/AlGaN, GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 상기 우물층은 상기 장벽층보다 에너지 밴드갭이 작은 물질로 형성된다.
제1 반도체층(122)과 활성층(124) 사이에 응력 완화층(130)이 위치한다. 응력 완화층(130)은 제1 반도체층(122)과 활성층(124) 사이의 격자 부정합에 의한 응력을 완화하기 위한 것이다. 응력 완화층(130)은 AlxInaGa1 -x- aN 물질의 제1층 및 AlyInbGa1-y-bN 물질의 제2층의 페어 구조(0<y<x<1, 0<a<b<1)를 복수 개 포함한다. 응력 완화층(130)은 복수 개의 제1층 및 제2층의 초격자 구조로 이루어질 수 있다. 응력 완화층(130)에 대해서는 도 2 내지 도 5를 참조하여 좀 더 자세히 후술하기로 한다.
제2 반도체층(126)과 활성층(124) 사이에 전자 차단층(Electron Blocking Layer, 135)이 배치될 수 있다. 실시예에 따라, 전자 차단층(135)은 제2 반도체층(126) 내에서 활성층(124)에 인접하여 배치될 수도 있다. 전자 차단층(135)은 제1 반도체층(122)에서 제공되는 전자의 이동도(mobility)가 높기 때문에, 전자가 발광에 기여하지 못하고 활성층(124)을 넘어 제2 반도체층(126)으로 빠져나가 누설 전류의 원인이 되는 것을 방지하는 전위 장벽의 역할을 한다. 전자 차단층(135)은 활성층(124)보다 큰 에너지 밴드갭을 갖는 물질로 형성되며, InxAlyGa1 -x-yN(0≤x<y<1)의 조성을 갖는 반도체 물질로 형성될 수 있다. 전자 차단층(135)에 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다.
발광 구조물(120)의 상부, 즉 제1 반도체층(122)의 일면에 광추출 패턴(R)이 위치할 수 있다. 광추출 패턴(R)은 PEC(Photo enhanced chemical) 식각 방법이나 마스크 패턴을 이용한 에칭 공정을 수행하여 형성할 수 있다. 광추출 패턴(R)은 활성층(124)에서 생성된 광의 외부 추출 효율을 증가시키기 위한 것으로서, 규칙적인 주기로 형성되거나 불규칙적으로 형성될 수 있다.
제1 반도체층(122)의 일면에 제1 전극(140)이 위치하고, 제2 반도체층(126)의 일면에 제2 전극(150)이 위치한다.
제1 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(150)은 도전층(150a) 또는 반사층(150b) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 도전층(150a)은 제2 반도체층(126)의 전기적 특성을 개선하기 위한 것으로, 제2 반도체층(126)과 접하여 위치할 수 있다.
도전층(150a)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(150b)은 활성층(124)에서 생성된 빛을 반사시켜 발광소자의 내부에서 소멸되는 빛의 양을 줄임으로써, 발광소자의 외부양자효율을 향상시킬 수 있다.
반사층(150b)은 Ag, Ti, Ni, Cr 또는 AgCu 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정하지 않는다. 반사층(150b)이 제2 반도체층(126)과 오믹 접촉하는 물질로 이루어진 경우, 도전층(150a)은 별도로 형성하지 않을 수 있다.
실시예에 따른 발광소자(100)는 수직형 발광소자일 수 있다. 수직형(Vertical) 발광소자란, 발광 구조물(120)에서 제1 전극(140)과 제2 전극(150)이 서로 다른 방향에 각각 형성되는 구조를 의미한다. 일 예로서, 도 1을 참조하면, 발광 구조물(120)의 상부 방향으로 제1 전극(140)이 형성되고 발광 구조물(120)의 하부 방향으로 제2 전극(150)이 형성되어 있다.
발광 구조물(120)은 지지기판(110)에 의해 지지된다.
지지기판(110)은 전기 전도성과 열 전도성이 높은 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(115)에 의해 지지기판(110)에 본딩될 수 있다. 이 때, 발광 구조물(120)의 하부에 위치하는 제2 전극(150)과 본딩층(115)이 접할 수 있다.
본딩층(115)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(115)은 발광 구조물(120)에 인접하여 확산 방지층(미도시)을 포함하여, 본딩층(115)에 사용된 금속 등이 상부의 발광 구조물(120) 내부로 확산되는 것을 방지할 수도 있다.
발광 구조물(120)의 측면 및 상부면의 적어도 일부에 패시베이션층(160)이 배치될 수 있다.
패시베이션층(160)은 산화물 또는 질화물로 이루어져 발광 구조물(120)을 보호할 수 있다. 일 예로서, 패시베이션층(160)은 실리콘 산화물(SiO2)층, 실리콘 질화물층, 산화 질화물층, 또는 산화 알루미늄층으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정하지 않는다.
도시하지는 않았으나, 발광 구조물(120)의 상부면에도 패시베이션층(160)이 위치하는 경우, 상기 패시베이션층(160)에 광추출 패턴(R)이 위치할 수도 있다.
도 2는 제1 실시예에 따른 발광소자의 일부분을 확대하여 나타낸 도면이고, 도 3은 제1 실시예에 따른 발광소자의 일부분의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 제1 실시예에 따른 발광소자(100A)는 제1 반도체층(122)과 활성층(124) 및 제2 반도체층(126)을 포함하는 발광 구조물(120)과, 상기 제1 반도체층(122)과 활성층(124) 사이의 응력 완화층(130)을 포함한다.
활성층(124)은 장벽층(124a)/우물층(124b)의 페어 구조를 복수 개 포함할 수 있다. 우물층(124b)은 장벽층(124a)보다 작은 에너지 밴드갭을 갖는 물질로 형성된다. 장벽층(124a)은 Al을 포함하여 이루어지며, 실시예에 따라 제1 반도체층(122) 또는 제2 반도체층(126)보다 에너지 밴드갭이 큰 물질로 형성될 수도 있다. 도 3에는 일 예로서, 응력 완화층(130)과 장벽층(124a)이 접하는 것으로 도시하였으나, 응력 완화층(130)과 우물층(124b)이 접할 수도 있다.
응력 완화층(130)은 AlxInaGa1 -x- aN 물질의 제1층(131) 및 AlyInbGa1 -y- bN 물질의 제2층(132)의 페어 구조(0<y<x<1, 0<a<b<1)를 복수 개 포함하는 초격자 구조로 이루어진다. 응력 완화층(130)은 제1 반도체층(122)과 활성층(124) 사이의 격자 부정합에 의한 응력을 완화하기 위한 것이다.
제1층(131)은 제2층(132)보다 에너지 밴드갭이 크며, 실시예에 따라, 활성층(124)의 장벽층(124a)과 에너지 밴드갭이 동일하거나 활성층(124)의 장벽층(124a)보다 에너지 밴드갭이 작을 수 있다.
제2층(132)은 제1층(131)보다 에너지 밴드갭이 작으며, 활성층(124)의 우물층(124b)보다는 에너지 밴드갭이 크다.
제1층(131) 및 제2층(132)의 에너지 밴드갭은 Al의 함량(x, y) 및 In의 함량(a, b)에 의해 조절될 수 있다. Al의 함량(x, y)이 커지면 에너지 밴드갭이 커지고 In의 함량(a, b)이 작으면 에너지 밴드갭이 작아진다.
종래의 수직형 발광소자의 경우, 응력 완화층이 AlGaN/GaN의 초격자 구조로 이루어지므로 활성층에서 발생된 자외선 광이 활성층 상의 응력 완화층에서 흡수되어 광 효율이 저하되는 문제점이 있었다. 실시예에 따르면 응력 완화층(130)의 제1층(131) 및 제2층(132) 모두 Al을 포함하여 이루어지므로, 발광소자(100)가 자외선 영역의 광을 방출하는 UV LED인 경우 응력 완화 역할을 수행함과 동시에 응력 완화층(130)에 의한 광 흡수를 줄일 수 있으므로, 발광소자(100)의 광 효율이 향상될 수 있다. 또한, 제1층(131) 및 제2층(132) 모두 In을 포함하여 이루어지므로 응력 완화 및 전류 스프레딩 효과를 더욱 더 향상시킬 수 있다.
제1층(131)의 Al의 함량 x 및 제2층(132)의 Al의 함량 y는 0<y<x≤0.10 범위를 만족할 수 있다. 제2층(132)의 Al의 함량 y가 0보다 작을 경우 제2층(132)에 의해 광 흡수가 발생할 수 있고, 제1층(131)의 Al의 함량 x가 0.10보다 클 경우 응력 완화층(130)의 결정성 품질이 저하될 수 있다.
제1층(131)의 In의 함량 a 및 제2층(132)의 In의 함량 b는 0<a<b≤0.02 범위를 만족할 수 있다. 제2층(132)의 In의 함량 b가 0.02보다 클 경우 응력 완화층(130)의 결정성 품질이 저하될 수 있다.
응력 완화층(130)의 두께(D)는 응력 완화 및 전류 스프레딩 효과, 결정성 품질, 전자 주입 효율 등을 고려하여 정해질 수 있으며, 일 예로서, 60nm 내지 240nm의 두께(D)로 형성될 수 있다.
제1층(131)의 두께(d1)와 제2층(132)의 두께(d2)는 서로 같을 수도 있고 서로 다를 수도 있다. 제1층(131)의 두께(d1)는 결정성 품질을 고려하여 제2층(132)의 두께(d2)보다 클 수도 있고, 동작 전압을 고려하여 제2층(132)의 두께(d2)보다 작을 수도 있다. 제1층(131)의 두께(d1)가 제2층(132)의 두께(d2)보다 작은 경우, 결정성 품질을 개선하기 위하여 제1층(132)을 제2층(132)보다 높은 온도에서 성장시킬 수도 있다. 일 예로서, 제1층(132) 및 제2층(132) 각각은 2nm 내지 15nm의 두께(d1, d2)로 형성될 수 있다.
응력 완화층(130)은 제1 반도체층(122)과 접하는 부분에 제1층(131)이 위치하고, 활성층(124)과 접하는 부분에 제1층(131)이 위치할 수 있다. 즉, 수직형 발광소자(100)에서 응력 완화층(130)의 최상부 및 최하부에 제1층(131)이 각각 위치할 수 있다. 이 경우, 제1 반도체층(122)과 제1층(131) 및 활성층(124)의 장벽층(124a)과 제1층(131) 사이의 성장 온도의 차이가 작기 때문에 응력 완화층(130) 및 활성층(124)의 결정성 품질 개선에 기여할 수 있다. 접하는 제1 반도체층(122)과 제1층(131) 및 접하는 활성층(124)과 제1층(131)은 Al의 함량비, In의 함유 여부와 함량비 또는 에너지 밴드갭의 차이 등에 의해 구별할 수 있다.
도 4는 제2 실시예에 따른 발광소자의 일부분을 확대하여 나타낸 도면이다. 상술한 실시예와 중복되는 내용은 다시 설명하지 않으며, 이하에서는 차이점을 중심으로 설명한다.
제2 실시예에 따른 발광소자(100B)에서, 응력 완화층(130)은 제1 반도체층(122)과 접하는 부분에 제1층(131)이 위치하고 활성층(124)과 접하는 부분에 제2층(132)이 위치할 수 있다. 즉, 수직형 발광소자(100)에서 응력 완화층(130)의 최상부에 제2층(132)이 위치하고 최하부에 제1층(131)이 위치할 수 있다. 이로써, 응력 완화층(130)은 제1층(131) 및 제2층(132)의 페어 구조만을 복수 개 포함할 수 있다. 접하는 제1 반도체층(122)과 제1층(131) 및 접하는 활성층(124)과 제2층(132)은 Al의 함량비, In의 함유 여부와 함량비 또는 에너지 밴드갭의 차이 등에 의해 구별할 수 있다.
도 5는 제3 실시예에 따른 발광소자의 일부분을 확대하여 나타낸 도면이다. 상술한 실시예와 중복되는 내용은 다시 설명하지 않으며, 이하에서는 차이점을 중심으로 설명한다.
제3 실시예에 따른 발광소자(100C)에서, 응력 완화층(130)은 제1 반도체층(122)과 접하는 부분에 제2층(132)이 위치하고 활성층(124)과 접하는 부분에 제1층(131)이 위치할 수 있다. 즉, 수직형 발광소자(100)에서 응력 완화층(130)의 최상부에 제1층(131)이 위치하고 최하부에 제2층(132)이 위치할 수 있다. 이로써, 응력 완화층(130)은 제1층(131) 및 제2층(132)의 페어 구조만을 복수 개 포함할 수 있다. 접하는 제1 반도체층(122)과 제2층(132) 및 접하는 활성층(124)과 제1층(131)은 Al의 함량비, In의 함유 여부와 함량비 또는 에너지 밴드갭의 차이 등에 의해 구별할 수 있다.
도 6은 실시예들에 따른 발광소자를 포함한 발광소자 패키지의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
일 실시예에 따른 발광소자 패키지(200)는 몸체(210), 상기 몸체(210) 내에 배치되는 방열 블록(220), 상기 방열 블록(200)의 상부에 배치되는 발광소자(100)를 포함한다.
몸체(210)는 복수 개의 층(211, 212, 213, 214)으로 구현될 수 있다. 몸체(210)를 이루는 층들의 개수는 실시예에 따라 달라질 수 있다.
발광소자(100)가 자외선을 방출하는 UV LED인 경우, 몸체(210)는 자외선에 의해 변질되지 않는 재질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 세라믹 재질로 이루어질 수 있다. 일 예로서, 몸체(210)는 저온 동시 소성 세라믹(LTCC: low temperature co-fired ceramic) 방법에 의하여 구현될 수 있다. 또한, 몸체(210)는 고온 동시 소성 세라믹(HTCC: high temperature co-fired ceramic) 방법에 의하여 구현될 수 있다. 또한, 몸체(210)는 Si02, SixOy, Si3N4, SixNy, SiOxNy, Al2O3, 또는 AlN를 포함하여 이루어질 수 있다.
몸체(210)는 각 층(211~214)을 관통하여 형성된 비아홀 및 각 층(211~214) 사이에 위치하는 도전성 패턴을 통해 발광소자(100)에 전류를 공급할 수 있다.
몸체(210) 내에 방열 블록(220)이 배치된다. 방열 블록(220)은 발광소자(100)에서 발생된 열을 효과적으로 외부로 전달한다. 방열 블록(220)은 Cu, 또는 Cu를 포함한 합금으로 형성될 수 있으나, 이에 한정하지 않는다.
도 7은 실시예들에 따른 발광소자를 포함한 발광소자 패키지의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 일 실시예에 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.
도 8은 실시예들에 따른 발광소자 패키지를 포함하는 조명장치의 일 실시예를 나타낸 분해 사시도이다.
실시예에 따른 조명 장치는 광을 투사하는 발광 모듈(600)과 상기 발광 모듈(600)이 내장되는 하우징(400)과 상기 발광 모듈(600)의 열을 방출하는 방열부(500) 및 상기 발광 모듈(600)과 방열부(500)를 상기 하우징(400)에 결합하는 홀더(700)를 포함하여 이루어진다.
상기 하우징(400)은 전기 소켓(미도시)에 결합되는 소켓 결합부(410)와, 상기 소켓결합부(410)와 연결되고 광원(600)이 내장되는 몸체부(420)를 포함한다. 몸체부(420)에는 하나의 공기유동구(430)가 관통하여 형성될 수 있다.
상기 하우징(400)의 몸체부(420) 상에 복수 개의 공기유동구(430)가 구비되어 있는데, 상기 공기유동구(430)는 하나의 공기유동구로 이루어지거나, 복수 개의 유동구를 도시된 바와 같은 방사상 배치 이외의 다양한 배치도 가능하다.
발광 모듈(600)은 회로 기판(610) 상에 배치된 복수 개의 발광소자 패키지(650)를 포함한다. 상기 발광소자 패키지(650)는 상술한 실시예에 따른 발광소자를 포함할 수 있다. 회로 기판(610)은 상기 하우징(400)의 개구부에 삽입될 수 있는 형상일 수 있으며, 후술하는 바와 같이 방열부(500)로 열을 전달하기 위하여 열전도율이 높은 물질로 이루어질 수 있다.
상기 발광 모듈의 하부에는 홀더(700)가 구비되는데 상기 홀더(700)는 프레임과 또 다른 공기 유동구를 포함할 수 있다. 또한, 도시되지는 않았으나 상기 발광 모듈(600)의 하부에는 광학 부재가 구비되어 상기 발광 모듈(600)의 발광소자 모듈(650)에서 투사되는 빛을 확산, 산란 또는 수렴시킬 수 있다.
도 9는 실시예들에 따른 발광소자 패키지가 배치된 표시장치의 일 실시예를 나타낸 분해 사시도이다.
도 9를 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 상술한 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: 지지기판
120: 발광 구조물 122: 제1 반도체층
124: 활성층 126: 제2 반도체층
130: 응력 완화층 135: 전자 차단층
140: 제1 전극 150: 제2 전극
160: 패시베이션층
120: 발광 구조물 122: 제1 반도체층
124: 활성층 126: 제2 반도체층
130: 응력 완화층 135: 전자 차단층
140: 제1 전극 150: 제2 전극
160: 패시베이션층
Claims (8)
- 400nm 이하의 파장 영역의 광을 방출하는 수직형 발광소자에서,
지지기판;
상기 지지기판 상에 배치되며, 제1 반도체층과 활성층 및 제2 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 및
상기 제1 반도체층과 상기 활성층 사이에 배치되는 응력 완화층;을 포함하고,
상기 응력 완화층은 AlxInaGa1 -x- aN 물질의 제1층 및 AlyInbGa1 -y- bN 물질의 제2층의 페어 구조(0<y<x<1, 0<a<b<1)를 복수 개 포함하는 초격자 구조로 이루어진 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1층 및 제2층의 Al 함량이 0<y<x≤0.10 범위를 만족하고, 상기 제1층 및 제2층의 In 함량이 0<a<b≤0.02 범위를 만족하는 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 응력 완화층은 60nm 내지 240nm의 두께를 갖는 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 반도체층은 상기 응력 완화층의 제1층과 접하는 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 활성층은 상기 응력 완화층의 제1층과 접하는 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1 반도체층 또는 상기 활성층은 상기 응력 완화층의 제2층과 접하는 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1층 또는 제2층은 2nm 내지 15nm의 두께를 갖는 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 활성층과 상기 제2 반도체층 사이에 전자 차단층이 더 배치되는 발광소자.
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-
2013
- 2013-01-10 KR KR1020130002846A patent/KR20140090801A/ko not_active Application Discontinuation
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