KR20140145369A - 발광 소자 - Google Patents

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KR20140145369A
KR20140145369A KR1020130067720A KR20130067720A KR20140145369A KR 20140145369 A KR20140145369 A KR 20140145369A KR 1020130067720 A KR1020130067720 A KR 1020130067720A KR 20130067720 A KR20130067720 A KR 20130067720A KR 20140145369 A KR20140145369 A KR 20140145369A
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박귀진
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명에 따른 일 실시예에 따른 발광 소자는 비극성 면이 위로 노출되는 기판, 상기 기판 상에 형성되고 내부에 SiN층이 포함된 버퍼층,상기 기판 상에 형성되는 제1도전성 반도체층, 상기 제1도전성 반도체층 상에 형성되는 활성층, 상기 활성층 상에 형성되는 제2도전성 반도체층을 포함하는 발광 소자를 포함한다.

Description

발광 소자{Light Emitting Device}
본 발명은 발광 소자에 관한 것이다.
Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체(group Ⅲ-Ⅴ nitride semiconductor)는 물리적, 화학적 특성으로 인해 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD) 등의 발광 소자의 핵심 소재로 각광을 받고 있다. 질화물 발광 소자는 n형 GaN 반도체층과 p형 GaN 반도체층 사이에 위치하는 활성층의 에너지 밴드갭을 이용하여 빛을 생성한다. 현재, 녹색, 적색, 및 청색의 파장의 질화물 발광 소자가 구현되고 있으며, 적당한 형광체를 선택하여 백색광을 구현하고 있다.
기존 c-면 질화물 반도체 박막 성장 방법에 있어 제기되는 문제점으로 , 기존의 질화물계 LED 박막은 분극 방향인 c-면으로 주로 성장이 이루어지기 때문에 압전 현상에 기하여 내부 전기장이 발생하게 되고, 이로 인해 발광에 필요한 전자와 전공의 파동함수의 분리에 의한 재결합 효율 저하가 나타나게 된다. 이와 같은 문제는 극성 질화물계 LED 소자에 있어서 고효율을 구현하는데 큰 문제 중의 하나로 지적되고 있다.
따라서, 현재 사용되고 있는 극성 c-면 질화물계 반도체의 문제점을 보완할 수 있는 반극성 질화물계 반도체 제작에 대한 연구가 끊임없이 진행되고 있으며, 이를 통한 질화물계 LED소자의 효율 향상이 가장 중요한 이슈 중 하나로 떠오르고 있다.
실시예는 비극성 면이 위로 노출되는 기판, 특히 사파이어의 m-평면이 위로 노출되어 버퍼층과 접하고 버퍼층에 SiN층을 포함하는 발광 소자를 제공한다.
실시예에 따른 발광 소자는 비극성 면이 위로 노출되는 기판, 상기 기판 상에 형성되고 내부에 SiN층이 포함된 버퍼층, 상기 기판 상에 형성되는 제1도전성 반도체층, 상기 제1도전성 반도체층 상에 형성되는 활성층, 상기 활성층 상에 형성되는 제2도전성 반도체층을 포함하는 발광 소자를 포함한다.
실시예에 따른 발광 소자는 질화물계 LED의 고효율을 구현하고, 발광 소자의 평탄성 결함 및 결정 결함을 개선하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자의 평면도이다.
도 4 내지 도 7은 기판 및 질화물 반도체층의 결정 구조를 설명하기 위한 참조도면으로서 육방결정구조의 각 면을 도시한 도면이다.
도 8a는 사파이어의 m-평면의 기판이 위로 노출되어 버퍼층에 접하는 경우 버퍼층의 방향성이 벗어난 성장을 도시한 도면이다.
도 8b는 원자간력현미경(atomic force microscopy)에 의해 촬영된 사파이어의 m-평면의 기판이 위로 노출되어 버퍼층에 접하는 경우 버퍼층 (반극성(11-22) GaN층) 의 도면이다.
도 9a는 사파이어의 m-평면 기판이 위로 노출되어 반극성(11-22) GaN층과 접하는 경우 버퍼층의 방향성이 벗어난 성장을 도시한 도면이다.
도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 SiN층(210)이 포함된 발광 소자의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자를 포함하는 발광소자 패키지를 나타낸 사시도이다.
도 11는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자를 포함하는 발광소자 패키지를 나타낸 단면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자를 갖는 조명장치의 분해 사시도이다.
실시예에 대한 설명에서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴이나 타 구조물의 "위(on)"에, "아래(under)"에, 상측(upper)에, 또는 하측(lower)에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)", "아래(under)", 상측(upper), 및 하측(lower)은 "직접(directly)" 또는 "다른 층, 또는 구조물을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한 각 층, 또는 구조물들간의 위치관계에 대한 설명은 본 명세서, 또는 본 명세서에 첨부되는 도면을 참조하도록 한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기와 면적은 실제크기나 면적을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하, 첨부되는 도면을 참조하여 실시예에 따른 발광 소자에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 발광 소자(100)는 기판(110), 버퍼층(120), 언도프드 GaN층(130), 제1도전성 반도체층(140), 패드(150,170), 활성층(160), 제2도전성 반도체층(180), 투광성 전극층(190) 을 포함할 수 있다.
기판(110)은 사파이어 기판(Al2O3), GaN, SiC, ZnO, Si, GaP 그리고 GaAs 등의 재질 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 기판(110)은, 발광 소자를 제조 후, 플립칩 본딩 방식과 같은 공정에 의해 열 전도성이 우수한 실리콘 재질로 대체될 수 있다. 기판(110)은 비극성 면이 위로 노출될 수 있다. 기판(110)은 사파이어의 육방정계에서의 m-평면이 위로 노출되어 버퍼층(120)과 접할 수 있다. 본 발명의 실시예에서 m-평면의 사파이어 기판 또는 m-면 사파이어 기판은 사파이어의 육방정계에서의 m-평면이 위로 노출되어 버퍼층(120)과 접한 기판을 의미한다. 본 발명의 실시예에서는 m-평면 사파이어 기판을 기준으로 설명하도록 한다. 여기서, 기판(110)의 굴절률은 광 추출 효율을 증가시키기 위해, 제1도전성 반도체층(140)의 굴절률보다는 작은 것이 바람직하다.
이하 도 4 내지 도 7을 참조하여서 질화물 반도체의 육방결정구조를 설명한다. 도 4 내지 도 7에서는 육방결정구조의 C-면{0001}, A-면{11-20}, R-면{1-102}, M-면{1-100}을 도시한다.
질화물 반도체층 및 그의 합금들은 육방정계 결정구조(특히, hexagonal wurzite structure)에서 가장 안정적이다. 이러한 결정구조는 도 4 내지 도 7에서 도시하는 바와 같이, 서로에 대하여 120도 회전 대칭을 가지고, 수직방향인 C-축[0001]에 대하여 모두 수직인 세 개의 기본 축[a1, a2, a3]들로 표시된다.
결정방향지수는 [0000], 한 결정방향지수와 등가인 결정방향지수의 Family지수는 <0000>로 표시하고, 면방향지수는 (0000), 한 면방향지수와 등가인 면방향지수의 Family지수는 {0000}로 표시한다.
따라서, 위에서 설명한 A-면{11-20}은 (11-20)면 뿐만 아니라, 육방정계 결정구조를 C-축[0001]을 축으로 60도씩 회전시켰을 때 나오는 결정면, 즉 (-1-120), (-12-10), (1-210), (-2110), (2-1-10) 면도 A-면{11-20}에 속한다.
마찬가지로, R-면{1-102}은 (1-102)면 뿐만 아니라, 육방정계 결정구조를 C-축[0001]을 축으로 60도씩 회전시켰을 때 나오는 결정면, 즉 (-1102), (10-12),(-1012), (01-12),(0-112) 면도 R-면{1-102} 에 속한다.
마찬가지로, M-면{1-100}은 (1-100)면 뿐만 아니라, 육방정계 결정구조를 C-축[0001]을 축으로 60도씩 회전시켰을 때 나오는 결정면, 즉 (-1100), (10-10),(-1010), (01-10),(0-110) 면도 M-면{1-100} 에 속한다.
기판(110)과 질화물 반도체층은 육방결정구조를 갖는다. 즉, 기판(110)은 육방결정구조를 갖는 물질, 예를 들어 사파이어(Al2O3), SiC, GaAs, GaN, ZnO 등의 물질로 형성될 수 있다.
도시된 결정 구조의 기판(110)에서 질화물 반도체층을 성장할 때, 질화물 반도체층을 C-면{0001} 방향으로 성장 시 질화물 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 질화물 성장용 기판으로 주로 사용된다. 하지만 C-면{0001} 방향으로 성장되는 질화물 반도체층은 분극효과(polarization effect)가 발생한다. 이러한 분극효과에는 갈륨층과 질소층이 반복되게 적층되면서 결정구조 내에 포함된 대칭 요소들이 C축을 따라서 생성되는 자발분극(spontaneous polarizaion)과 이종접합 구조를 형성할 때 질화물 간의 격자상수 차이 및 같은 C축 배향성을 가진다는 특성으로 인한 응력이 발생하여 생기는 압전분극(piezoelectric polariziton)이 있다. 질화물의 압전계수는 거의 모든 반도체 재료에 비하여 큰 값을 가지므로 작은 변형(strain)에도 매우 큰 분극을 초래할 수 있다. 두 개의 분극으로 유발된 정전기장(electric field)은 양자우물 구조의 에너지 밴드 구조를 변화시켜 이에 따른 전자와 정공의 분포를 왜곡시키게 된다. 이러한 효과를 양자 구속 스타크 효과(quantum confined stark effect, QCSE)라고 하는데 이는 전자와 정공의 재결합으로 빛을 방생시키는 발광소자에 있어서 낮은 내부양자효율을 유발하고 발광 스펙트럼의 적색 편이(red shift) 등 발광소자의 전기적, 광학적 특성에 악영향을 끼칠 수 있다. 또한, C-면{0001}의 빠른 성장 속도는 질화물 반도체층의 결정 결함을 증가시키는 경향이 있다.
육방 결정구조에서 A-면{11-20}, R-면{1-102}, 및 M-면{1-100}은 비극성 또는 반극성의 특징을 가지는 면으로서, C-면{0001}에 비해 질화물 반도체층의 성장이 어려우나, C-면{0001}에서 발생하는 분극 효과에 의한 정전기장을 생성하지 않거나 정전기장의 생성이 감소하는 특징이 있다.
한편, 갈륨나이트라이드(GaN) 결정구조에서 비극성 면은 C-축[0001]에 평행한 M-면{1-100}이고, 반극성 면은 A-면{11-20}과, C-축[0001]과 경사를 갖는 R-면{1-102}이다.
상술한 이론대로, 질화물 반도체층을 C-면{0001} 방향으로 성장 시키면, 발광구조물(120)의 상면은 C-면{0001}이 되고, 발광구조물(120)의 측면은 M-면{1-100}이 된다. 여기서, M-면{1-100}은 비극성 면으로써, 식각용액으로 식각을 하더라도 요철구조의 형성이 어렵게 된다. 그리고, 발광구조물(120)의 측면이 평평한 형상을 가지면, 활성층(124)에서 발생한 광을 전반사시키므로, 발광소자(100)의 광추출 효율도 저하되게 된다.
따라서, 발광구조물(120)의 측면이 육방결정 구조의 반극성 면을 가지게 아이솔레이션 작업을 하고, 발광구조물(120)의 측면에 식각용액 등으로 에칭을 하면, 요철부(170)가 용이하게 형성될 수 있다. 이때, 요철부(170)는 삼각형 형상을 가질 수 있고, 삼각형 형상의 일면은 비극성 면인 M-면{1-100} 일 수 있다. 그리고, 발광구조물(120)의 측면에 요철부(170)가 형성되면, 활성층(124)에서 발생한 광의 전반사를 줄여서 발광소자(100)의 발광효율을 향상시킬 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 버퍼층(120)은 기판(110) 위에 형성될 수 있으며, 버퍼층(120)은 GaN, InN, AlN, AlInN, InGaN, AlGaN, 및 InAlGaN 과 같은 재질들 중 하나로 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 반극성(11-22) GaN층으로 형성된 버퍼층(120)을 기준으로 설명하도록 한다.
언도프드 GaN층(130)은 버퍼층(120)위에 형성된다. 언도프트 GaN층(30)은 제1 도전성 반도체층(150)의 결정성 향상을 위해 형성되는 층으로, n형 도펀트가 도핑되지 않아 제1 도전성 반도체층(150)에 비해 낮은 전기 전도성을 갖는 것을 제외하고는 제1 도전성 반도체층(150)과 동일할 수 있다.
제1도전성 반도체층(140)은 언도프드 GaN층(130)위에 형성될 수 있다. 제1도전성 반도체층(140)은 활성층(160)에 캐리어(예컨대 전자)를 제공할 수 있다.
예컨대, 제1도전성 반도체층(140)은 n형 반도체층을 포함할 수 있으며, n형 반도체층은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN 등에서 선택될 수 있고, Si, Ge, Sn 등의 n형 도펀트가 도핑될 수 있다.
패드(150, 170)는 각각 제1도전성 반도체층(140)과 제2도전성 반도체층(180)에 캐리어를 제공하기 위해 마련되며, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
활성층(160)은 제1도전성 반도체층(140)위에 형성된다. 활성층(1600)은 전자와 정공이 재결합되는 영역으로, 전자와 정공이 재결합함에 따라 낮은 에너지 준위로 천이하며, 그에 상응하는 파장을 가지는 빛을 생성할 수 있다.
활성층(160)은 예를 들어, InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 가지는 반도체 재료를 포함하여 형성할 수 있으며, 단일 양자 우물 구조 또는 다중 양자 우물 구조(MQW : Multi Quantum Well)로 형성될 수 있다. 따라서, 더 많은 전자가 양자우물층의 낮은 에너지 준위로 모이게 되며, 그 결과 전자와 정공의 재결합 확률이 증가 되어 발광효과가 향상될 수 있다. 또한, 양자선(Quantum wire)구조 또는 양자점(Quantum dot)구조를 포함할 수도 있다.
제2도전성 반도체층(180)은 활성층(160) 위에 형성될 수 있다. 제2도전성 반도체층(180)은 활성층(160)에 캐리어(예컨대 정공)를 제공 할 수 있다. 제2도전성 반도체층(180)은 P형 GaN층으로 형성될 수 있으며, 외부에서 인가되는 전압에 의해 정공을 활성층(160)에 공급하여 활성층에서 정공과 전자가 결합하여 빛을 발생하도록 한다.
예컨대, 제2 도전성 반도체층(180)은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN 등에서 선택될 수 있으며, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등의 p형 도펀트가 도핑될 수 있다.
투광성 전극층(190)은 제2도전성 반도체층(180) 위에 형성될 수 있다. 투광성 전극층(190)은 활성층(160)에서 발생한 광을 외부로 발산한다.
투광성 전극층(190)은 ITO, IZO(In-ZnO), GZO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au 및 Ni/IrOx/Au/ITO 중 하나로 형성될 수 있으며, 제2도전성 반도체층(180)와 패드(미도시) 사이의 접촉 저항을 줄이고 전류를 스프레딩 시키는 역할을 할 수 있다.
또한, 투광성 전극층(190)은 활성층(160)에서 방출되는 빛이 외부로 용이하게 향할 수 있도록 투명, 또는 반투명 재질인 것이 바람직하며, 상부 영역에는 활성층(160)에서 생성된 빛이 외부로 잘 방출될 수 있도록 하는 광 추출구조가 형성될 수 있다. 광 추출구조는 투광성 전극층(190)의 상부 표면에 러프니스를 주거나, 프리즘 구조를 주어 활성층(160)에서 생성된 빛이 효율적으로 방출되도록 한다.
상술한 제1도전성 반도체층(140), 활성층(160) 및 제2도전성 반도체층(180)은 예를 들어 유기금속 화학 증착법(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 화학 증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 화학 증착법(PECVD; Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition), 분자선 성장법(MBE; Molecular Beam Epitaxy), 수소화물 기상 성장법(HVPE; Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등의 방법을 이용하여 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
또한, 제1도전성 반도체층(140) 및 제2도전성 반도체층(180) 내의 도전형 도펀트의 도핑 농도는 균일 또는 불균일하게 형성될 수 있다. 즉, 복수의 반도체층의 구조는 다양하게 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
또한, 상술한 바와는 달리 제1도전성 반도체층(140)이 p형 반도체층을 포함하고, 제2도전성 반도체층(180)이 n형 반도체층을 포함할 수도 있다. 즉 제1도전성 반도체층(140)과 제2도전성 반도체층(180)은 활성층(160)을 중심으로 서로 형성되는 위치가 바뀌어도 무방하나, 하기에서는 제1도전성 반도체층(140)이 n형 반도체층을 포함하여 형성되고 제2도전성 반도체층(180)이 p형 반도체층을 포함하여 형성되는 것으로 기술한다.
도 8a는 사파이어의 m-평면의 기판이 위로 노출되어 버퍼층에 접하는 경우 버퍼층의 방향성이 벗어난 성장을 도시한 도면이다.
도 8b는 원자간력현미경(atomic force microscopy)에 의해 촬영된 사파이어의 m-평면의 기판이 위로 노출되어 버퍼층에 접하는 경우 버퍼층 (반극성(11-22) GaN층) 의 도면이다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 사파이어의 m-평면의 기판이 위로 노출되게 하여 반극성(11-22) GaN층을 성장함에 있어서 반극성(11-22) GaN층이 방향성이 벗어나 성장하게 된다. 즉, 사파이어의 m-평면 기판으로부터 0.6°차이가 발생되게 방향성이 벗어나 성장하게 된다. 이런 현상은 사파이어의 m-평면 기판과 반극성(11-22) GaN 간의 결정학적 이방성에서 기인하며, 이로 인해 표면 평탄성 및 결정성에 결함이 발생한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자의 단면도이고 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자의 평면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자는 기판(110), 버퍼층(120), SiN층(210), 언도프드 GaN층(130), 제1도전성 반도체층(140), 초격자층(150), 활성층(160), 제2도전성 반도체층(180), 투광성 전극층(190)을 포함할 수 있다.
기판(110), 버퍼층(120), 언도프드 GaN층(130), 제1도전성 반도체층(140), 초격자층(150), 활성층(160), 제2도전성 반도체층(180), 투광성 전극층(190)에 대한 설명은 도1을 참조하여 상술한 바와 같다.
도 3을 참조하면, SiN층(210)은 버퍼층(120)이 일부 형성된 후 형성될 수 있다. SiN층(210)이 형성된 후 다시 버퍼층(120)이 형성될 수 있다. 즉, SiN층(210)은 버퍼층(120) 내에 형성될 수 있다. 사파이어의 m-평면의 기판 이 위로 노출되어 반극성(11-22) GaN층이 성장하는 경우 반극성(11-22) GaN층의 성장 초기에는 상기 도 8a 및 도 8b를 참조하여 설명한 바와 같이 반극성(11-22) GaN층이 m-면 사파이어 기판에 0.6°방향성이 벗어나게 성장한다. SiN층(210)을 삽입하고 GaN층이 재성장 하는 경우 결정구조의 재배열이 일어난다. 결정구조의 재배열로 인해 평탄성과 결정성이 개선되고 그로 인해 광 효율도 높아지게 된다. SiN층(210)은 버퍼층(120) 상에 또는 버퍼층(120) 내에 형성될 때 임의의 위치에 아일랜드 형상으로 형성될 수 있다. SiN층(210)은 도 5를 기준으로 m-평면 사파이어 기판의 전체면적의 40 내지 60%의 면적에 형성될 수 있으며, m-평면 사파이어 기판의 전체면적의 57%의 면적에 형성되는 것이 바람직하다. SiN층(210)이 도 5를 기준으로 m-평면 사파이어 기판의 전체면적의 40% 미만의 면적에 형성되는 경우에는 GaN층의 재성장 시 결정구조의 재배열이 평탄성과 결정성이 개선될 수 있을만큼 이루어지지 않는다. 그에 따라 광 효율 개선의 효과도 높아지지 않는다. 또한 SiN층(210)이 도 5를 기준으로 m-평면 사파이어 기판의 전체면적의 60% 초과의 면적에 형성되는 경우에는 다이오드 크기를 증가시키거나 전류의 흐름에 방해될 수 있다. 그에 따라 발광 효율 및 신뢰성이 떨어지는 문제가 있을 수 있다.
도 9a는 사파이어의 m-평면 기판이 위로 노출되어 반극성(11-22) GaN층과 접하는 경우 버퍼층의 방향성이 벗어난 성장을 도시한 도면이다.
도 9b는 본 발명의 일 실시예에 따른 SiN층(210)이 포함된 발광 소자의 단면도이다.
도 9a를 참조하면, m-평면 사파이어 기판에 반극성(11-22) GaN층이 성장할 때 표면 결정 구조 차이로 방향성이 벗어난 상태에서 성장하게 된다. GaN층의 두께가 두꺼워짐에 따라 일정 정도의 GaN층이 쌓이면 반극성(11-22) GaN층의 표면과 m-평면 사파이어 기판의 표면이 평행해 진다. GaN층 내부에 평탄성과 결정성은 결함이 발생한다.
도 9b를 참조하면, m-평면 사파이어 기판에 반극성(11-22) GaN층을 일부 성장시키고 SiN층(210)을 삽입한다. SiN층(210) 위에 반극성(11-22) GaN층을 재성장 시킨다. 이 경우 결정구조의 재배열이 일어나게 되어 GaN층의 표면과 m-평면 사파이어 기판의 표면이 평평해진다. GaN층 내부에 평탄성과 결정성도 개선되게 된다.
도 10은 실시예에 따른 발광소자를 포함하는 발광소자 패키지를 나타낸 사시도이고, 도 11는 실시예에 따른 발광소자를 포함하는 발광소자 패키지를 나타낸 단면도이다.
도 10 및 도 11를 참조하면, 발광소자 패키지(500)는 캐비티(520)가 형성된 몸체(510), 몸체(510)에 실장되는 제1 및 제2 리드 프레임(540, 550)과, 제1 및 제2 리드 프레임(540, 550)과 전기적으로 연결되는 발광소자(530), 및 발광소자(530)를 덮도록 캐비티(520)에 충진되는 봉지재(미도시)를 포함할 수 있다.
몸체(510)는 폴리프탈아미드(PPA:Polyphthalamide)와 같은 수지 재질, 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 알루미늄 나이트라이드(AlN), 액정폴리머(PSG, photo sensitive glass), 폴리아미드9T(PA9T), 신지오택틱폴리스티렌(SPS), 금속 재질, 사파이어(Al2O3), 베릴륨 옥사이드(BeO), 인쇄회로기판(PCB, Printed Circuit Board) 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 몸체(510)는 사출 성형, 에칭 공정 등에 의해 형성될 수 있으나 이에 대해 한정하지는 않는다.
몸체(510)의 내면은 경사면이 형성될 수 있다. 이러한 경사면의 각도에 따라 발광소자(530)에서 방출되는 광의 반사각이 달라질 수 있으며, 이에 따라 외부로 방출되는 광의 지향각을 조절할 수 있다.
광의 지향각이 줄어들수록 발광소자(530)에서 외부로 방출되는 광의 집중성은 증가하고, 반대로 광의 지향각이 클수록 발광소자(530)에서 외부로 방출되는 광의 집중성은 감소한다.
한편, 몸체(510)에 형성되는 캐비티(520)를 위에서 바라본 형상은 원형, 사각형, 다각형, 타원형 등의 형상일 수 있으며, 모서리가 곡선인 형상일 수도 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
발광소자(530)는 제1 리드 프레임(540) 상에 실장되며, 예를 들어, 적색, 녹색, 청색, 백색 등의 빛을 방출하는 발광소자 또는 자외선을 방출하는 UV(Ultra Violet) 발광소자일 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다. 또한, 발광소자(530)는 한 개 이상 실장될 수 있다.
또한, 발광소자(530)는 그 전기 단자들이 모두 상부 면에 형성된 수평형 타입(Horizontal type)이거나, 또는 상, 하부 면에 형성된 수직형 타입(Vertical type), 또는 플립 칩(flip chip) 모두에 적용 가능하다.
봉지재(미도시)는 발광소자(530)를 덮도록 캐비티(520)에 충진될 수 있다.
봉지재(미도시)는 실리콘, 에폭시, 및 기타 수지 재질로 형성될 수 있으며, 캐비티(520) 내에 충진한 후, 이를 자외선 또는 열 경화하는 방식으로 형성될 수 있다.
또한 봉지재(미도시)는 형광체를 포함할 수 있으며, 형광체는 발광소자(530)에서 방출되는 광의 파장에 종류가 선택되어 발광소자 패키지(500)가 백색광을 구현하도록 할 수 있다.
이러한 형광체는 발광소자(530)에서 방출되는 광의 파장에 따라 청색 발광 형광체, 청록색 발광 형광체, 녹색 발광 형광체, 황녹색 발광 형광체, 황색 발광 형광체, 황적색 발광 형광체, 오렌지색 발광 형광체, 및 적색 발광 형광체중 하나가 적용될 수 있다.
즉, 형광체는 발광소자(530)에서 방출되는 제1 빛을 가지는 광에 의해 여기 되어 제2 빛을 생성할 수 있다. 예를 들어, 발광소자(530)가 청색 발광 다이오드이고 형광체가 황색 형광체인 경우, 황색 형광체는 청색 빛에 의해 여기되어 황색 빛을 방출할 수 있으며, 청색 발광 다이오드에서 발생한 청색 빛 및 청색 빛에 의해 여기 되어 발생한 황색 빛이 혼색됨에 따라 발광소자 패키지(500)는 백색 빛을 제공할 수 있다.
이와 유사하게, 발광소자(530)가 녹색 발광 다이오드인 경우는 magenta 형광체 또는 청색과 적색의 형광체를 혼용하는 경우, 발광소자(530)가 적색 발광 다이오드인 경우는 Cyan형광체 또는 청색과 녹색 형광체를 혼용하는 경우를 예로 들 수 있다.
이러한 형광체는 YAG계, TAG계, 황화물계, 실리케이트계, 알루미네이트계, 질화물계, 카바이드계, 니트리도실리케이트계, 붕산염계, 불화물계, 인산염계 등의 공지된 형광체일 수 있다.
제1 및 제2 리드 프레임(540, 550)은 금속 재질, 예를 들어, 티타늄(Ti), 구리(Cu), 니켈(Ni), 금(Au), 크롬(Cr), 탄탈늄(Ta), 백금(Pt), 주석(Sn), 은(Ag), 인(P), 알루미늄(Al), 인듐(In), 팔라듐(Pd), 코발트(Co), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 하프늄(Hf), 루테늄(Ru), 철(Fe) 중에서 하나 이상의 물질 또는 합금을 포함할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 리드 프레임(540, 550)은 단층 또는 다층 구조를 가지도록 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
제1 제2 리드 프레임(540, 550)은 서로 이격되어 서로 전기적으로 분리된다. 발광소자(530)는 제1 및 제2 리드 프레임(540, 550)상에 실장되며, 제1 및 제2 리드 프레임(540, 550)은 발광소자(530)와 직접 접촉하거나 또는 솔더링 부재(미도시)와 같은 전도성을 갖는 재료를 통해서 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 발광소자(530)는 와이어 본딩을 통해 제1 및 제2 리드 프레임(540, 550)과 전기적으로 연결될 수 있으며, 이에 한정하지 아니한다. 따라서 제1 및 제2 리드 프레임(540, 550)에 전원이 연결되면 발광소자(530)에 전원이 인가될 수 있다. 한편, 수개의 리드 프레임(미도시)이 몸체(510)내에 실장되고 각각의 리드 프레임(미도시)이 발광소자(530)와 전기적으로 연결될 수 있으며, 이에 한정하지 아니한다.
실시예에 따른 발광 소자는 조명 시스템에 적용될 수 있다. 상기 조명 시스템은 복수의 발광 소자가 어레이된 구조를 포함하며, 도 12에 도시된 조명 장치를 포함하고, 조명등, 신호등, 차량 전조등, 전광판 등이 포함될 수 있다.
도 12는 실시 예에 따른 발광소자를 갖는 조명장치의 분해 사시도이다.
도 12를 참조하면, 실시 예에 따른 조명 장치는 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 발광소자를 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 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 커버(2100)는 상기 광원 모듈(2200)로부터 제공되는 빛을 확산, 산란 또는 여기 시킬 수 있다. 상기 커버(2100)는 일종의 광학 부재일 수 있다. 상기 커버(2100)는 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 유백색 도료가 코팅될 수 있다. 유백색의 도료는 빛을 확산시키는 확산재를 포함할 수 있다. 상기 커버(2100)의 내면의 표면 거칠기는 상기 커버(2100)의 외면의 표면 거칠기보다 크게 형성될 수 있다. 이는 상기 광원 모듈(2200)로부터의 빛이 충분히 산란 및 확산되어 외부로 방출시키기 위함이다.
상기 커버(2100)의 재질은 유리(glass), 플라스틱, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리카보네이트(PC) 등일 수 있다. 여기서, 폴리카보네이트는내광성, 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 발광소자(2210), 연결 플레이트(2230), 커넥터(2250)를 포함할 수 있다.
상기 부재(2300)는 상기 방열체(2400)의 상면 위에 배치되고, 복수의 발광소자(2210)들과 커넥터(2250)이 삽입되는 가이드홈(2310)들을 갖는다. 상기 가이드홈(2310)은 상기 발광소자(2210)의 기판 및 커넥터(2250)와 대응된다.
상기 부재(2300)의 표면은 빛 반사 물질로 도포 또는 코팅된 것일 수 있다. 예를 들면, 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), 돌출부(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, 외부 전원으로부터 제공되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 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 돌출부(2670)는 상기 베이스(2650)의 다른 일 측에서 외부로 돌출된 형상을 갖는다. 상기 돌출부(2670)는 상기 내부 케이스(2700)의 연결부(2750) 내부에 삽입되고, 외부로부터의 전기적 신호를 제공받는다. 예컨대, 상기 돌출부(2670)는 상기 내부 케이스(2700)의 연결부(2750)의 폭과 같거나 작게 제공될 수 있다. 상기 돌출부(2670)에는 "+ 전선"과 "- 전선"의 각 일 단이 전기적으로 연결되고, "+ 전선"과 "- 전선"의 다른 일 단은 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.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
110 : 기판층
120 : 버퍼층
130 : 언도프드 GaN층
140 : 제1도전성 반도체층
160 : 활성층
180 : 제2도전성 반도체층
190 : 투광성 전극층
210 : SiN층

Claims (8)

  1. 비극성 면이 위로 노출되는 기판;
    상기 기판 상에 형성되고 내부에 SiN층이 포함된 버퍼층;
    상기 기판 상에 형성되는 제1도전성 반도체층;
    상기 제1도전성 반도체층 상에 형성되는 활성층; 및
    상기 활성층 상에 형성되는 제2도전성 반도체층을 포함하는 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 m-평면이 상기 버퍼층과 접하고 사파이어인 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼층은 GaN층인 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 SiN층은 임의의 위치에 아일랜드 형상으로 형성되는 발광 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 SiN층은 상기 기판의 전체면적의 40 내지 60%의 면적에 형성되는 발광 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 SiN층은 상기 기판의 전체면적의 57%의 면적에 형성되는 발광 소자.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 발광 소자를 포함하는 발광 소자 패키지.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 발광 소자를 포함하는 조명 장치.
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