KR20140142534A - 발광소자 - Google Patents

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KR20140142534A
KR20140142534A KR1020130064082A KR20130064082A KR20140142534A KR 20140142534 A KR20140142534 A KR 20140142534A KR 1020130064082 A KR1020130064082 A KR 1020130064082A KR 20130064082 A KR20130064082 A KR 20130064082A KR 20140142534 A KR20140142534 A KR 20140142534A
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semiconductor layer
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light emitting
layer
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한영훈
김형준
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

실시예는 제1 도전형 반도체층과, 제2 도전형 반도체층과, 상기 제1도전형 반도체층과 상기 제2도전형 반도체층 사이에 형성되는 활성층을 포함하는 자외선 발광 구조물을 포함하고, 상기 활성층은 다중양자우물 구조를 포함하고, 상기 다중양자우물 구조는 AlxGa(1-x)N (0<x<1)을 포함하는 양자벽과 InyGa(1-y)N (0≤y<1)을 포함하는 양자우물층의 페어 구조를 적어도 1주기 이상 포함하고, 상기 제2 도전형 반도체층에 인접한 상기 양자벽의 Al조성은 상기 제2 도전형 반도체층 방향으로 감소하는 발광소자를 제공한다.

Description

발광소자{LIGHT EMITTNG DEVICE}
실시예는 발광소자에 관한 것이다.
GaN, AlGaN 등의 3-5 족 화합물 반도체는 넓고 조정이 용이한 밴드 갭 에너지를 가지는 등의 많은 장점으로 인해 광 전자 공학 분야(optoelectronics)와 전자 소자를 위해 등에 널리 사용된다.
특히, 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Ligit 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.
종래의 발광소자는 사파이어 등으로 이루어진 기판 위에 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물이 형성되고, 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 상에 각각 제1 전극과 제2 전극이 배치된다.
발광소자는 제1 도전형 반도체층을 통해서 주입되는 전자와 제2 도전형 반도체층을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 활성층을 이루는 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출한다. 활성층에서 방출되는 빛은 활성층을 이루는 물질의 조성에 따라 다를 수 있으며, 청색광이나 자외선(UV) 또는 심자외선(Deep UV) 등일 수 있다.
활성층은 이중 접합 구조(Double Hetero Junction Structure), 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 구조(MQW: Multi Quantum Well), 양자 선(Quantum-Wire) 구조, 또는 양자 점(Quantum Dot) 구조 등으로 형성될 수 있다.
도 1은 종래의 발광소자의 활성층 내의 에너지 밴드 갭을 나타낸 도면이다.
다중 양자 우물 구조로 이루어진 활성층은 양자우물/양자벽이 AlGaN/AlGaN 등의 조성으로 하나 이상의 페어 구조를 가지고 형성될 수 있다. 발광소자의 광효율은 활성층 내에서의 전자와 정공의 재결합확률, 즉 내부양자효율에 의해 결정된다.
그러나, 상술한 종래의 발광소자는 다음과 같은 문제점이 있다.
정공에 비하여 전자의 이동성(mobility)가 우수하여 전자와 정공의 결합은, 도 1에서 1차 양자 우물 즉 p형 도전형 반도체층(p-type AlGaN)에 가장 인접한 양자 우물에서 집중될 수 있다. 그리고, 이동성이 우수한 전자 중 일부가 양자벽을 넘어서 p형 도전형 반도체층으로 오버플로우(overflow)하여 광손실이 발생하여 발광소자의 효율이 저하될 수 있다.
실시예는 발광소자의 발광효율을 향상시키고자 한다.
실시예는 제1 도전형 반도체층과, 제2 도전형 반도체층과, 상기 제1도전형 반도체층과 상기 제2도전형 반도체층 사이에 형성되는 활성층을 포함하는 자외선 발광 구조물을 포함하고, 상기 활성층은 다중양자우물 구조를 포함하고, 상기 다중양자우물 구조는 AlxGa(1-x)N (0<x<1)을 포함하는 양자벽과 InyGa(1-y)N (0≤y<1)을 포함하는 양자우물층의 페어 구조를 적어도 1주기 이상 포함하고, 상기 제2 도전형 반도체층에 인접한 상기 양자벽의 Al조성은 상기 제2 도전형 반도체층 방향으로 감소하는 발광소자를 제공한다.
제2 도전형 반도체층에 인접한 상기 양자벽의 Al조성은, 적어도 2개의 계단식으로 감소할 수 있다.
제2 도전형 반도체층에 인접한 상기 양자벽의 Al조성은, 적어도 2개의 서로 다른 선형의 기울기로 감소할 수 있다.
활성층의 두께는 100 옴스트롱 내지 200 옴스트롱일 수 있다.
발광소자는 활성층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치된 전자 차단층을 더 포함할 수 있다.
다른 실시예는 제1 도전형 반도체층과, 제2 도전형 반도체층과, 상기 제1도전형 반도체층과 상기 제2도전형 반도체층 사이에 형성되는 활성층을 포함하는 자외선 발광 구조물을 포함하고, 상기 활성층은 다중양자우물 구조를 포함하고, 상기 다중양자우물 구조는 AlxGa(1-x)N (0<x<1)을 포함하는 양자벽과 InyGa(1-y)N (0≤y<1)을 포함하는 양자우물층의 페어 구조를 적어도 1주기 이상 포함하고, 상기 제2 도전형 반도체층에 인접한 상기 양자벽의 에너지 밴드 갭은 상기 제2 도전형 반도체층 방향으로 감소하는 발광소자를 제공한다.
제2 도전형 반도체층에 인접한 상기 양자벽의 에너지 밴드 갭은, 적어도 2개의 계단식으로 감소할 수 있다.
제2 도전형 반도체층에 인접한 상기 양자벽의 에너지 밴드 갭은, 적어도 2개의 서로 다른 선형의 기울기로 감소할 수 있다.
본 실시예에 따른 발광소자는 활성층 내에서 전자 차단층 방향으로 오버플로우(overflow)되는 전자가 감소되어 활성층 내에서 전자와 정공의 결합에 따른 자외선이나 심자외선 또는 가시광선의 방출량이 증가되어 발광소자의 광효율이 증가할 수 있다.
도 1은 종래의 발광소자의 활성층 내의 에너지 밴드 갭을 나타낸 도면이고,
도 2는 발광소자의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 3은 발광소자의 다른 실시예를 나타낸 도면이고,
도 4a 내지 도 4d는 실시예들에 따른 발광소자의 활성층 내의 에너지 밴드 갭을 나타낸 도면들이고,
도 4e는 종래의 전자 차단층이 형성된 발광소자의 활성층 내의 에너지 밴드 갭을 나타낸 도면이고,
도 5는 발광소자를 포함하는 발광소자 패키지의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 6은 발광소자가 배치된 살균장치의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 7은 발광소자가 배치된 조명장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
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 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 방향 뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 2는 발광소자의 일실시예를 나타낸 도면이다.
발광 구조물(120)은 제1 도전형 반도체층(122)과 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)을 포함하여 이루어진다.
제1 도전형 반도체층(122)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(122)은 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질, AlGaN, GaN, InAlGaN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 제1 도전형 반도체층(242)은 Al0 .55Ga0 .45N을 이루어질 수 있다.
제1 도전형 반도체층(122)이 n형 반도체층인 경우, 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(1222)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
도 2에 예시된 발광 소자(100)가 자외선(UV) 또는 심자외선(Deep UV) 발광 소자일 경우, 제1 도전형 반도체층(142)은 InAlGaN 및 AlGaN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
활성층(124)은 제1 도전형 반도체층(122)과 제2 도전형 반도체층(126) 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(124)은 Ⅲ-Ⅴ족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 우물층과 장벽층, 예를 들면 AlGaN/AlGaN, InGaN/GaN, InGaN/InGaN, AlGaN/GaN, 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. 활성층(124)이 심자외선(deep UV) 파장의 빛을 생성할 때, 활성층(124)은 다중양자우물 구조로 이루어질 수 있고, 상세하게는 AlxGa(1-x)N (0<x<1)을 포함하는 양자벽과 AlyGa(1-y)N (0<x<y<1)을 포함하는 양자우물층의페어 구조가 1주기 이상인 다중 양자 우물 구조일 수 있고, 양자 우물층은 후술하는 제2 도전형의도펀트를 포함할 수 있다. 여기서, 심자외선의 파장은 300 나노미터 미만일 수 있다.
활성층이 근자외선(near UV) 파장의 빛을 생성할 때 활성층은 다중 양자우물구조로 이루어질 수 있고, 상세하게는 AlxGa(1-x)N (0<x<1)을 포함하는 양자벽과InyGa(1-y)N (0≤y<1)을 포함하는 양자우물층의페어 구조가 1주기 이상인 다중양자우물 구조일 수 있고, 여기서 양자우물층은 후술하는 제2 도전형의 도펀트를 포함할 수 있다.근자외선의 파장은 350 나노미터 내지 395 나노미터일 수 있다.
제2 도전형 반도체층(126)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(126)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(126)은 예컨대, InxAlyGa1 -x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질, AlGaN, GaN AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있으며, 예를 들어 제2 도전형 반도체층(126)이 AlxGa(1-x)N으로 이루어질 수 있다.
제2 도전형 반도체층(126)이 p형 반도체층인 경우, 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트일 수 있다. 제2 도전형 반도체층(126)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 만일, 발광 소자(100)가 자외선(UV) 또는 심자외선(Deep UV) 발광 소자일 경우, 제2 도전형 반도체층(126)은 InAlGaN 및 AlGaN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도시되지는 않았으나, 활성층(124)과 제2 도전형 반도체층(126)의 사이에는 전자 차단층(Electron blocking layer)가 배치될 수 있다. 전자 차단층은 초격자(superlattice) 구조로 이루어질 수 있는데, 초격자는 예를 들어 제2 도전형 도펀트로 도핑된 AlGaN이 배치될 수 있고, 알루미늄의 조성비를 달리하는 GaN이 층(layer)을 이루어 복수 개 서로 교번하여 배치될 수도 있다.
제1 도전형 반도체층(122)의 표면이 패턴을 이루어 광추출 효율을 향상시킬 수 있고, 제1 도전형 반도체층(122)의 표면에는 제1 전극(180)이 배치되는데 도시되지는 않았으나 제1 전극(180)이 배치되는 제1 도전형 반도체층(122)의 표면은 패턴을 이루지 않을 수 있다. 제1 전극(180)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
발광 구조물(120)의 둘레에는 패시베이션층(190)이 형성될 수 있는데, 패시베이션층(190)은 절연물질로 이루어질 수 있으며, 절연물질은 비전도성인 산화물이나 질화물로 이루어질 수 있다. 일 예로서, 상기 패시베이션층(190)은 실리콘 산화물(SiO2)층, 산화 질화물층, 산화 알루미늄층으로 이루어질 수 있다.
발광 구조물(120)의 하부에는 제2 전극이 배치되어야 하는데, 오믹층(140)과 반사층(150)이 제2 전극으로 작용할 수 있다. 도 2에서 제2 도전형 반도체층(126)의 하부에는 GaN이 배치되어 제2 도전형 반도체층(126)으로의 전류 내지 정공 공급을 원활히 할 수 있다.
오믹층(140)은 약 200 옹스트롱의 두께일 수 있다. 오믹층(140)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, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, 및 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 한정되는 않는다.
반사층(150)은 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 은(Ag), 니켈(Ni), 백금(Pt), 로듐(Rh), 혹은 Al이나 Ag이나 Pt나 Rh를 포함하는 합금을 포함하는 금속층으로 이루어질 수 있다. 알루미늄이나 은 등은 활성층(124)에서 발생된 빛을 효과적으로 반사하여 반도체 소자의 광추출 효율을 크게 개선할 수 있고, 몰리브덴은 후술하는 돌출부의 도금 성장에 유리할 수 있다.
지지기판(support substrate, 170)은 금속 또는 반도체 물질 등 도전성 물질로 형성될 수 있다. 전기 전도도 내지 열전도도가 우수한 금속을 사용할 수 있고, 반도체 소자 작동시 발생하는 열을 충분히 발산시킬 수 있어야 하므로 열 전도도가 높은 물질(ex. 금속 등)로 형성될 수 있다. 예를 들어, 몰리브덴(Mo), 실리콘(Si), 텅스텐(W), 구리(Cu) 및 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) 등을 선택적으로 포함할 수 있다.
상기 지지기판(170)은 전체 질화물 반도체에 휨을 가져오지 않으면서, 스크라이빙(scribing) 공정 및 브레이킹(breaking) 공정을 통하여 별개의 칩으로 잘 분리시키기 위한 정도의 기계적 강도를 가지기 위하여 50 내지 200 마이크로 미터의 두께로 이루어질 수 있다.
접합층(160)은 반사층(150)과 지지기판(170)을 결합하는데, 금(Au), 주석(Sn), 인듐(In), 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 은(Ag), 니켈(Ni) 및 구리(Cu)로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들의 합금으로 형성할 수 있다.
도 3은 발광소자의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 발광소자(200)는 기판(210)에 버퍼층(215)과 발광구조물(220)이 배치된다.
기판(210)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질이나 캐리어 웨이퍼로 형성될 수 있으며, 열 전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있고, 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함할 수 있다. 예컨대, 사파이어(Al2O3), SiO2, SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
사파이어 등으로 기판(210)을 형성하고, 기판(210) 상에 GaN이나 AlGaN 등을 포함하는 발광구조물(220)이 배치될 때, GaN이나 AlGaN과 사파이어 사이의 격자 부정합(lattice mismatch)이 매우 크고 이들 사이에 열 팽창 계수 차이도 매우 크기 때문에, 결정성을 악화시키는 전위(dislocation), 멜트 백(melt-back), 크랙(crack), 피트(pit), 표면 모폴로지(surface morphology) 불량 등이 발생할 수 있으므로, AlN 등으로 버퍼층(215)을 형성할 수 있다.
도시되지는 않았으나, 버퍼층(215)과 발광구조물(220)의 사이에는 언도프드 GaN층이나 AlGaN층이 배치되어, 발광구조물(220) 내로 상술한 전위 등이 전달되는 것을 방지할 수 있다.
발광 구조물(220)은 제1 도전형 반도체층(222)과 활성층(224) 및 제2 도전형 반도체층(226)을 포함하여 이루어지고, 구체적인 구성 내지 조성은 도 2에 도시된 실시예와 동일하다.
발광 구조물(220)이 GaN 등으로 이루어지고 청색 영역의 가시광선을 방출하는 경우, 발광 구조물(220) 상에는 투명 도전층(230)이 배치되어 제2 전극(285)으로부터 제2 도전형 반도체층(226)으로 넓은 면적에 고르게 전류가 공급되게 할 수 있다. 발광 구조물(220)이 AlGaN 등으로 이루어지고 자외선 내지 심자외선 영역의 광을 방출하는 경우, 발광 구조물(220) GaN층이 배치될 수도 있고, GaN층은 제2 도전형 도펀트로 도핑될 수 있다.
기판(210)이 절연성 기판일 경우 제1 도전형 반도체층(222)에 전류를 공급하기 위하여, 투명 도전층(230)으로부터 제1 도전형 반도체층(222)의 일부까지 메사 식각되어 제1 도전형 반도체층(222)의 일부가 노출될 수 있다.
노출된 제1 도전형 반도체층(222) 상에 제1 전극(280)이 배치되고, 투명 도전층(230) 상에 제2 전극(285)이 배치될 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는 실시예들에 따른 발광소자의 활성층 내의 에너지 밴드 갭을 나타낸 도면들이다.
본 실시예에 따른 발광소자들은 활성층에서 자외선 영역의 광을 방출하는 자외선 발광 구조물을 포함하고, 활성층은 다중양자우물 구조를 포함하고 활성층의 두께는 100 옴스트롱 내지 200 옴스트롱일 수 있다.
근자외선 영역의 빛을 방출하는 활성층의 경우, 다중양자우물 구조는 AlxGa(1-x)N (0<x<1)을 포함하는 양자벽과 InyGa(1-y)N (0≤y<1)을 포함하는 양자우물층의 페어 구조를 적어도 1주기 이상 포함할 수 있다. 그리고, 활성층과 제2 도전형 반도체층(p-type AlGaN)의 사이에는 전자 차단층이 배치될 수 있다.
양자우물층 내에서 인듐은 2%이하의 조성비로 포함될 수 있는데, 인듐의 조성이 너무 많으면 방출되는 빛의 파장이 달라질 수 있다. 양자벽의 알루미늄 조성은 0%보다 클 수 있고, 상세하게는 10% 내지 15%일 수 있는데, 알루미늄 조성비가 너무 작으면 양자벽의 에너지 밴드 갭이 양자우물층의 에너지 밴드 갭과 유사해질 수 있고, 알루미늄 조성비가 너무 크면 양자벽의 성장 과정에서 품질이 저하될 수 있다.
활성층을 이루는 양자벽 중 제2 도전형 반도체층에 인접한 양자벽의 알루미늄(Al)조성은 제2 도전형 반도체층 방향으로 감소할 수 있다. 또한, 활성층을 이루는 양자벽 중 제2 도전형 반도체층에 인접한 양자벽의 에너지 밴드 갭은 제2 도전형 반도체층 방향으로 감소할 수 있다.
이때, 알루미늄 조성의 감소는 도 4a에 도시된 바와 같이 일정한 기울기를 가지고 감소하거나, 도 4b에 도시된 바와 같이 계단식으로 감소하거나, 도 4c에 도시된 바와 같이 적어도 2개의 계단식으로 감소하거나, 도 4d에 도시된 바와 같이 적어도 2개의 서로 다른 선형의 기울기로 감소할 수 있다. 알루미늄의 조성의 감소는, 3개 이상의 계단식 또는 3개 이상의 서로 다른 선형의 기울기로 감소할 수 있으며, 선형의 기울기 및 계단식이 혼합되어 감소될 수 있다.
그리고, 에너지 밴드 갭의 감소는 도 4a에 도시된 바와 같이 일정한 기울기를 가지고 감소하거나, 도 4b에 도시된 바와 같이 계단식으로 감소하거나, 도 4c에 도시된 바와 같이 적어도 2개의 계단식으로 감소하거나, 도 4d에 도시된 바와 같이 적어도 서로 다른 2개의 선형의 기울기로 감소할 수 있다.에너지 밴드 갭의 감소는, 3개 이상의 계단식 또는 서로 다른 3개 이상의 선형의 기울기로 감소할 수 있으며, 선형의 기울기 및 계단식이 혼합되어 감소될 수 있다.
도 4c에서 활성층을 이루는 양자벽 중 제2 도전형 반도체층에 인접한 양자벽의 알루미늄 조성의 기울기는 제2 도전형 반도체층에 인접한 영역에서 더 작으나, 이와 다르게 즉 제2 도전형 반도체층에 인접한 영역에서 더 클 수도 있다.
도 4a 내지 도 4d에 도시된 각각의 실시예에서 제2 도전형 반도체층에 인접한 상기 양자벽에서 Al 조성의 최소값은, 양자우물층의 Al 조성보다 클 수 있다.
그리고, 도 4a 내지 도 4d에 도시된 각각의 실시예에서 제2 도전형 반도체층에 인접한 상기 양자벽에서 에너지 밴드 갭의 최소값은, 양자우물층의 Al 조성보다 클 수 있다.
도 4e는 종래의 전자 차단층이 형성된 발광소자의 활성층 내의 에너지 밴드 갭을 나타낸 도면이다.
활성층을 이루는 양자벽 중 제2 도전형 반도체층에 인접한 양자벽의 알루미늄(Al)조성이나 에너지 밴드 갭이 일정하게 배치되고 있으며, 전자 차단층(EBL)의 에너지 밴드 갭보다 낮다.
따라서, 도 4a 내지 도 4d에 도시된 구조의 에너지 밴드 갭 또는 알루미늄 조성을 갖는 활성층을 포함하는 발광소자는, 활성층 내에서 전자 차단층 방향으로 오버플로우(overflow)되는 전자가 감소되어 활성층 내에서 전자와 정공의 결합에 따른 자외선이나 심자외선 또는 가시광선의 방출량이 증가되어 발광소자의 광효율이 증가할 수 있다.
도 5는 발광소자를 포함하는 발광소자 패키지의 일실시예를 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 발광소자 패키지(300)는 플립 칩 타입의 발광소자 패키지로서, 캐비티를 포함하는 몸체(310)와, 상기 몸체(310)에 설치된 제1 리드 프레임(Lead Frame, 321) 및 제2 리드 프레임(322)과, 상기 몸체(310)에 설치되어 상기 제1 리드 프레임(321) 및 제2 리드 프레임(322)과 전기적으로 연결되는 상술한 실시예들에 따른 발광소자(200)와, 상기 캐비티에 형성된 몰딩부(350)를 포함한다.
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.
제1 리드 프레임(321) 및 제2 리드 프레임(322)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광소자(200)에 전류를 공급한다. 또한, 제1 리드 프레임(321) 및 제2 리드 프레임(322)은 발광소자(200)에서 발생된 광을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있으며, 발광소자(200)에서 발생된 열을 외부로 배출시킬 수도 있다.
발광소자(200)는 볼 형상의 솔더(340)에 의하여 제1 리드 프레임(321) 및 제2 리드 프레임(322)에 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 몰딩부(350)는 상기 발광소자(200)를 포위하여 보호할 수 있다. 또한, 상기 몰딩부(350) 상에는 형광체(360)가 몰딩부(350)와 별개의 층으로 컨포멀(Conformal) 코팅되어 있다. 이러한 구조는 형광체(360)가 분포되어, 발광소자(200)로부터 방출되는 빛의 파장을 발광소자 패키지(300)의 빛이 출사되는 전 영역에서 변환시킬 수 있다.
발광소자(200)에서 방출된 제1 파장 영역의 광이 상기 형광체(360)에 의하여 여기되어 제2 파장 영역의 광으로 변환되고, 상기 제2 파장 영역의 광은 렌즈(미도시)를 통과하면서 광경로가 변경될 수 있다.
상술한 발광소자 패키지(300)는 내부에 배치된 발광소자(200)는 활성층 내에서 전자 차단층 방향으로 오버플로우(overflow)되는 전자가 감소되어 활성층 내에서 전자와 정공의 결합에 따른 자외선이나 심자외선 또는 가시광선의 방출량이 증가되어 발광소자의 광효율이 증가할 수 있다.
발광소자 패키지(300)는 상술한 실시예들에 따른 발광소자 중 하나 또는 복수 개로 탑재할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
이하에서는 상술한 발광소자 패키지가 배치된 조명 시스템의 일실시예로서, 살균장치와 조명장치를 설명한다.
도 6은 발광소자가 배치된 살균장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 살균장치(500)는, 하우징(501)의 일면에 실장된 발광 모듈부(510)와, 방출된 심자외선 파장 대역의 광을 난반사시키는 난반사 반사 부재(530a, 530b)와, 발광 모듈부(510)에서 필요한 가용전력을 공급하는 전원 공급부(520)를 포함한다.
먼저 하우징(501)은 장방형 구조로 이루어지며 발광 모듈부(510)와 난반사 반사부재(530a, 530b) 및 전원 공급부(520)를 모두 내장하는 일체형 즉 콤팩트한 구조로 형성될 수 있다. 또한, 하우징(501)은 살균장치(500) 내부에서 발생된 열을 외부로 방출시키기에 효과적인 재질 및 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 하우징(501)의 재질은 Al, Cu 및 이들의 합금 중 어느 하나의 재질로 이루어 질 수 있다. 따라서, 하우징(501)의 외기와의 열전달 효율이 향상되어, 방열 특성이 개선될 수 있다.
또는, 하우징(501)은 특유한 외부 표면 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 하우징(501)은 예를 들어 코러게이션(corrugation) 또는 메쉬(mesh) 또는 불특정 요철 무늬 형상으로 돌출 형성되는 외부 표면 형상을 가질 수 있다. 따라서, 하우징(501)의 외기와의 열전달 효율이 더욱 향상되어 방열 특성이 개선될 수 있다.
한편, 이러한 하우징(501)의 양단에는 부착판(550)이 더 배치될 수 있다. 부착판(550)은 도 6에 예시된 바와 같이 하우징(501)을 전체 설비 장치에 구속시켜 고정하는데 사용되는 브라켓 기능의 부재를 의미한다. 이러한 부착판(550)은 하우징(501)의 양단에서 일측 방향으로 돌출 형성될 수 있다. 여기서, 일측 방향은 심자외선이 방출되고 난반사가 일어나는 하우징(501)의 내측 방향일 수 있다.
따라서, 하우징(501)으로부터 양단 상에 구비된 부착판(550)은 전체 설비 장치와의 고정 영역을 제공하여, 하우징(501)이 보다 효과적으로 고정 설치될 수 있도록 한다.
부착판(550)은 나사 체결 수단, 리벳 체결 수단, 접착 수단 및 탈착 수단 중 어느 하나의 형태를 가질 수 있으며, 이들 다양한 결합 수단의 방식은 당업자의 수준에서 자명하므로, 여기서 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 발광 모듈부(510)는 전술한 하우징(501)의 일면 상에 실장 되는 형태로 배치된다. 발광 모듈부(510)는 공기 중의 미생물을 살균 처리하도록 심자외선을 방출하는 역할을 한다. 이를 위해, 발광 모듈부(510)는 기판(512)과, 기판(512)에 탑재된 다수의 발광 소자 패키지(100)를 포함한다. 여기서, 발광 소자 패키지는 상술한 발광 소자 패키지(100)에 해당하므로 동일한 참조부호를 사용한다.
기판(512)은 하우징(501)의 내면을 따라 단일 열로 배치되어 있으며, 회로 패턴(미도시)을 포함하는 PCB일 수 있다. 다만, 기판(512)은 일반 PCB 뿐 아니라, 메탈 코어 PCB(MCPCB, Metal Core PCB), 연성(flexible) PCB 등을 포함할 수도 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
다음으로, 난반사 반사부재(530a, 530b)는 전술한 발광 모듈부(510)에서 방출된 심자외선을 강제로 난반사시키도록 형성되는 반사판 형태의 부재를 의미한다. 이러한 난반사 반사부재(530a, 530b)의 전면 형상 및 배치 형상은 다양한 형상을 가질 수 있다. 난반사 반사부재(530a, 530b)의 면상 구조(예: 곡률반경 등)를 조금씩 변경하여 설계함에 따라, 난반사된 심자외선이 중첩되게 조사되어 조사 강도가 강해지거나, 또는 조사 영역되는 영역의 폭이 확장될 수 있다.
전원 공급부(520)는 전원을 도입 받아 전술된 발광 모듈부(510)에서 필요한 가용전력을 공급하는 역할을 한다. 이러한 전원 공급부(520)는 전술한 하우징(501) 내에 배치될 수 있다. 도 7에 예시된 바와 같이, 전원 공급부(520)는 난반사 반사부재(530a, 530b)와 발광 모듈부(510) 사이의 이격 공간의 내벽 쪽에 배치될 수 있다. 외부 전원을 전원 공급부(520) 측으로 도입시키기 위해 상호 간을 전기적으로 연결하는 전원 연결부(540)가 더 배치될 수 있다.
도 6에 예시된 바와 같이, 전원 연결부(540)의 형태는 면상일 수 있으나, 외부의 전원 케이블(미도시)이 전기적으로 접속될 수 있는 소켓 또는 케이블 슬롯의 형태를 가질 수 있다. 그리고 전원 케이블은 플렉시블한 연장 구조를 가져, 외부 전원과의 연결이 용이한 형태로 이루어질 수 있다.
도 7은 발광소자가 배치된 조명장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.본 실시예에 따른 조명 장치는 커버(1100), 광원 모듈(1200), 방열체(1400), 전원 제공부(1600), 내부 케이스(1700), 소켓(1800)을 포함할 수 있다. 또한, 실시 예에 따른 조명 장치는 부재(1300)와 홀더(1500) 중 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있고, 광원 모듈(1200)은 상술한 실시예들에 따른 발광소자 패키지를 포함할 수 있다.
커버(1100)는 벌브(bulb) 또는 반구의 형상을 가지며, 속이 비어 있고, 일 부분이 개구된 형상으로 제공될 수 있다. 상기 커버(1100)는 상기 광원 모듈(1200)과 광학적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 커버(1100)는 상기 광원 모듈(1200)로부터 제공되는 빛을 확산, 산란 또는 여기 시킬 수 있다. 상기 커버(1100)는 일종의 광학 부재일 수 있다. 상기 커버(1100)는 상기 방열체(1400)와 결합될 수 있다. 상기 커버(1100)는 상기 방열체(1400)와 결합하는 결합부를 가질 수 있다.
커버(1100)의 내면에는 유백색 도료가 코팅될 수 있다. 유백색의 도료는 빛을 확산시키는 확산재를 포함할 수 있다. 상기 커버(1100)의 내면의 표면 거칠기는 상기 커버(1100)의 외면의 표면 거칠기보다 크게 형성될 수 있다. 이는 상기 광원 모듈(1200)로부터의 빛이 충분히 산란 및 확산되어 외부로 방출시키기 위함이다.
커버(1100)의 재질은 유리(glass), 플라스틱, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리카보네이트(PC) 등일 수 있다. 여기서, 폴리카보네이트는내광성, 내열성, 강도가 뛰어나다. 상기 커버(1100)는 외부에서 상기 광원 모듈(1200)이 보이도록 투명할 수 있고, 불투명할 수 있다. 상기 커버(1100)는 블로우(blow) 성형을 통해 형성될 수 있다.
광원 모듈(1200)은 상기 방열체(1400)의 일 면에 배치될 수 있다. 따라서, 광원 모듈(1200)로부터의 열은 상기 방열체(1400)로 전도된다. 상기 광원 모듈(1200)은 발광소자 패키지(1210), 연결 플레이트(1230), 커넥터(1250)를 포함할 수 있다.
부재(1300)는 상기 방열체(1400)의 상면 위에 배치되고, 복수의 발광소자 패키지(1210)들과 커넥터(1250)이 삽입되는 가이드홈(1310)들을 갖는다. 가이드홈(1310)은 상기 발광소자 패키지(1210)의 기판 및 커넥터(1250)와 대응된다.
부재(1300)의 표면은 빛 반사 물질로 도포 또는 코팅된 것일 수 있다. 예를 들면, 부재(1300)의 표면은 백색의 도료로 도포 또는 코팅된 것일 수 있다. 이러한 상기 부재(1300)는 상기 커버(1100)의 내면에 반사되어 상기 광원 모듈(1200)측 방향으로 되돌아오는 빛을 다시 상기 커버(1100) 방향으로 반사한다. 따라서, 실시 예에 따른 조명 장치의 광 효율을 향상시킬 수 있다.
부재(1300)는 예로서 절연 물질로 이루어질 수 있다. 상기 광원 모듈(1200)의 연결 플레이트(1230)는 전기 전도성의 물질을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 방열체(1400)와 상기 연결 플레이트(1230) 사이에 전기적인 접촉이 이루어질 수 있다. 상기 부재(1300)는 절연 물질로 구성되어 상기 연결 플레이트(1230)와 상기 방열체(1400)의 전기적 단락을 차단할 수 있다. 상기 방열체(1400)는 상기 광원 모듈(1200)로부터의 열과 상기 전원 제공부(1600)로부터의 열을 전달받아 방열한다.
홀더(1500)는 내부 케이스(1700)의 절연부(1710)의 수납홈(1719)을 막는다. 따라서, 상기 내부 케이스(1700)의 상기 절연부(1710)에 수납되는 상기 전원 제공부(1600)는 밀폐된다. 홀더(1500)는 가이드 돌출부(1510)를 갖는다. 가이드 돌출부(1510)는 상기 전원 제공부(1600)의 돌출부(1610)가 관통하는 홀을 갖는다.
전원 제공부(1600)는 외부로부터 제공받은 전기적 신호를 처리 또는 변환하여 상기 광원 모듈(1200)로 제공한다. 전원 제공부(1600)는 상기 내부 케이스(1700)의 수납홈(1719)에 수납되고, 상기 홀더(1500)에 의해 상기 내부 케이스(1700)의 내부에 밀폐된다. 상기 전원 제공부(1600)는 돌출부(1610), 가이드부(1630), 베이스(1650), 연장부(1670)를 포함할 수 있다.
상기 가이드부(1630)는 상기 베이스(1650)의 일 측에서 외부로 돌출된 형상을 갖는다. 상기 가이드부(1630)는 상기 홀더(1500)에 삽입될 수 있다. 상기 베이스(1650)의 일 면 위에 다수의 부품이 배치될 수 있다. 다수의 부품은 예를 들어, 외부 전원으로부터 제공되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 직류변환장치, 상기 광원 모듈(1200)의 구동을 제어하는 구동칩, 상기 광원 모듈(1200)을 보호하기 위한 ESD(ElectroStatic discharge) 보호 소자 등을 포함할 수 있으나 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 연장부(1670)는 상기 베이스(1650)의 다른 일 측에서 외부로 돌출된 형상을 갖는다. 상기 연장부(1670)는 상기 내부 케이스(1700)의 연결부(1750) 내부에 삽입되고, 외부로부터의 전기적 신호를 제공받는다. 예컨대, 상기 연장부(1670)는 상기 내부 케이스(1700)의 연결부(1750)의 폭과 같거나 작게 제공될 수 있다. 상기 연장부(1670)에는 "+ 전선"과 "- 전선"의 각 일 단이 전기적으로 연결되고, "+ 전선"과 "- 전선"의 다른 일 단은 소켓(1800)에 전기적으로 연결될 수 있다.
내부 케이스(1700)는 내부에 상기 전원 제공부(1600)와 함께 몰딩부를 포함할 수 있다. 몰딩부는몰딩 액체가 굳어진 부분으로서, 상기 전원 제공부(1600)가 상기 내부 케이스(1700) 내부에 고정될 수 있도록 한다.
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.
100, 200: 발광소자 120, 220: 제1 도전형 반도체층
122, 222: 제1 도전형 반도체층 124: 활성층
126, 226: 제2 도전형 반도체층 140: 오믹층
150: 반사층 160: 접합층
170: 도전성 지지기판 180, 280: 제1 전극
285: 제2 전극 190: 패시베이션층
230: 투명 도전층 300 : 발광소자 패키지
310 : 몸체 321, 322 : 제1,2 리드 프레임
340 : 솔더 350 : 몰딩부
360 : 형광체 500: 살균장치
1000: 조명장치

Claims (8)

  1. 제1 도전형 반도체층과, 제2 도전형 반도체층과, 상기 제1도전형 반도체층과 상기 제2도전형 반도체층 사이에 형성되는 활성층을 포함하는 자외선 발광 구조물을 포함하고,
    상기 활성층은 다중양자우물 구조를 포함하고, 상기 다중양자우물 구조는 AlxGa(1-x)N (0<x<1)을 포함하는 양자벽과 InyGa(1-y)N (0≤y<1)을 포함하는 양자우물층의 페어 구조를 적어도 1주기 이상 포함하고, 상기 제2 도전형 반도체층에 인접한 상기 양자벽의 Al조성은 상기 제2 도전형 반도체층 방향으로 감소하는 발광소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층에 인접한 상기 양자벽의 Al조성은, 적어도 2개의 계단식으로 감소하는 발광소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층에 인접한 상기 양자벽의 Al조성은, 적어도 2개의서로 다른 선형의 기울기로 감소하는 발광소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 활성층의 두께는 100 옴스트롱 내지 200 옴스트롱인 발광소자.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 활성층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치된 전자 차단층을 더 포함하는 발광소자.
  6. 제1 도전형 반도체층과, 제2 도전형 반도체층과, 상기 제1도전형 반도체층과 상기 제2도전형 반도체층 사이에 형성되는 활성층을 포함하는 자외선 발광 구조물을 포함하고,
    상기 활성층은 다중양자우물 구조를 포함하고, 상기 다중양자우물 구조는 AlxGa(1-x)N (0<x<1)을 포함하는 양자벽과 InyGa(1-y)N (0≤y<1)을 포함하는 양자우물층의 페어 구조를 적어도 1주기 이상 포함하고, 상기 제2 도전형 반도체층에 인접한 상기 양자벽의 에너지 밴드 갭은 상기 제2 도전형 반도체층 방향으로 감소하는 발광소자.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층에 인접한 상기 양자벽의 에너지 밴드 갭은, 적어도 2개의 계단식으로 감소하는 발광소자.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층에 인접한 상기 양자벽의 에너지 밴드 갭은, 적어도 2개의 서로 다른 선형의 기울기로 감소하는 발광소자.
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