KR20160088095A - 자외선 발광소자 및 조명시스템 - Google Patents
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Abstract
실시예는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템에 관한 것이다.
실시예에 따른 자외선 발광소자는 제1 도전형 반도체층(112); 양자우물(114W)과 양자벽(114B)을 포함하여 상기 제1 도전형 반도체층(112) 상에 배치된 활성층(114); 상기 활성층(114) 상에 배치된 제2 도전형 반도체층(116);을 포함할 수 있다. 상기 양자벽(114B)은 상기 제1 도전형 반도체층(112) 상에 n형 AlxGaN층(0≤x≤ 1)(114BB)과 상기 n형 AlxGaN층(114BB) 상에 언도프트 AlyGaN층(0≤y≤1)(114BA)을 포함할 수 있다.
실시예에 따른 자외선 발광소자는 제1 도전형 반도체층(112); 양자우물(114W)과 양자벽(114B)을 포함하여 상기 제1 도전형 반도체층(112) 상에 배치된 활성층(114); 상기 활성층(114) 상에 배치된 제2 도전형 반도체층(116);을 포함할 수 있다. 상기 양자벽(114B)은 상기 제1 도전형 반도체층(112) 상에 n형 AlxGaN층(0≤x≤ 1)(114BB)과 상기 n형 AlxGaN층(114BB) 상에 언도프트 AlyGaN층(0≤y≤1)(114BA)을 포함할 수 있다.
Description
실시예는 자외선 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템에 관한 것이다.
발광소자(Light Emitting Device)는 전기에너지가 빛 에너지로 변환되는 특성의 p-n 접합 다이오드를 주기율표상에서 3족-5족 원소 또는 2족-6족 원소가 화합되어 생성될 수 있고, 화합물 반도체의 조성비를 조절함으로써 다양한 색상구현이 가능하다.
예를 들어, 질화물 반도체는 높은 열적 안정성과 폭 넓은 밴드갭 에너지에 의해 광소자 및 고출력 전자소자 개발 분야에서 큰 관심을 받고 있다. 특히, 질화물 반도체를 이용한 자외선(UV) 발광소자, 청색(Blue) 발광소자, 녹색(Green) 발광소자, 적색(RED) 발광소자 등은 상용화되어 널리 사용되고 있다.
예를 들어, 자외선 발광소자(UV LED)의 경우, 200nm~400nm의 파장대에 분포되어 있는 빛을 발생하는 발광소자로서, 상기 파장대에서, 단파장의 경우, 살균, 정화 등에 사용되며, 장파장의 경우 노광기 또는 경화기 등에 사용될 수 있다.
예를 들어, 근자외선 발광소자(Near UV LED)는 위폐감식, 수지 경화, 또는 자외선 치료 등에 사용되고 있고, 형광체와 조합되어 다양한 색상의 가시광선을 구현하는 조명 장치에서도 사용되고 있다.
한편, 자외선 발광소자는 청색 발광소자에 비해, 광 취득 효율 및 광 출력이 떨어진다는 문제가 있다. 이는 자외선 발광소자의 실용화에 장벽으로 작용하고 있다.
또한 종래기술에 의하면, 자외선 발광소자는 광흡수를 방지하기 위해, AlGaN층을 도입하는데, 이러한 AlGaN층과 GaN층 사이의 격자상수 차이에 의해 인장응력(Tensile Stress)이 발생하여 크랙(Crack)이 발생함에 따라 결정품질이 저하되어 광도가 저하되는 문제가 있다.
실시예는 품질이 우수한 자외선 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 자외선 발광소자는 제1 도전형 반도체층(112); 양자우물(114W)과 양자벽(114B)을 포함하여 상기 제1 도전형 반도체층(112) 상에 배치된 활성층(114); 상기 활성층(114) 상에 배치된 제2 도전형 반도체층(116);을 포함할 수 있다. 상기 양자벽(114B)은 상기 제1 도전형 반도체층(112) 상에 n형 AlxGaN층(0≤x≤ 1)(114BB)과 상기 n형 AlxGaN층(114BB) 상에 언도프트 AlyGaN층(0≤y≤1)(114BA)을 포함할 수 있다.
실시예에 따른 조명시스템은 상기 발광소자를 구비하는 발광 유닛을 포함할 수 있다.
실시예는 품질이 우수한 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 발광소자의 단면도.
도 2는 제1 실시예에 따른 발광소자의 밴드갭 다이어그램 예시도.
도 3은 제2 실시예에 따른 발광소자의 밴드갭 다이어그램 예시도.
도 4 내지 도 7은 실시예에 따른 발광소자의 제조방법 공정 단면도.
도 8은 실시예에 따른 발광소자 패키지의 단면도.
도 9는 실시예에 따른 조명 장치의 사시도.
도 2는 제1 실시예에 따른 발광소자의 밴드갭 다이어그램 예시도.
도 3은 제2 실시예에 따른 발광소자의 밴드갭 다이어그램 예시도.
도 4 내지 도 7은 실시예에 따른 발광소자의 제조방법 공정 단면도.
도 8은 실시예에 따른 발광소자 패키지의 단면도.
도 9는 실시예에 따른 조명 장치의 사시도.
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.
(실시예)
도 1은 실시예에 따른 발광소자(100)의 단면도이다.
실시예에 따른 발광소자(100)는 제1 도전형 반도체층(112)과, 양자우물(114W)과 양자벽(114B)을 포함하여 상기 제1 도전형 반도체층(112) 상에 배치된 활성층(114)과, 상기 활성층(114) 상에 배치된 제2 도전형 반도체층(116)을 포함할 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(112), 활성층(114) 및 제2 도전형 반도체층(116)은 발광구조물(110)을 구성할 수 있다. 도 1에 도시된 구성 중 미설명 부호는 하기 제조방법에서 설명하기로 한다. 종래기술에서 자외선 발광소자는 청색 발광소자에 비해, 광 취득 효율 및 광 출력이 떨어진다는 문제가 있다. 이는 자외선 발광소자의 실용화에 장벽으로 작용하고 있다.
예를 들어, 자외선 발광소자에 사용되는 Ⅲ족 질화물은 가시광선에서 자외선까지 광범위하게 활용될 수 있으나, 가시광선 대비 자외선의 효율이 떨어지는 문제가 있다. 그 이유는 자외선의 파장으로 갈수록 Ⅲ족 질화물이 자외선을 흡수한다는 것과, 낮은 결정성에 의한 내부 양자효율의 저하가 원인이다.
예를 들어, 종래기술에서 약 365nm UV LED의 경우 GaN에 의한 광 흡수를 줄이기 위해 N-side는 n-GaN이 아닌 그보다 밴드갭 에너지(Bandgap E)가 더 큰 nAlGaN을 사용하게 된다.
구체적으로, 종래기술에 의하면 Ⅲ족 질화물에서의 자외선 흡수를 방지하기 위해, 성장기판, GaN층, AlGaN층, 활성층 등을 순차적으로 성장한 후에, 자외선 흡수 가능성이 있는 GaN층을 제거하고 AlGaN층을 노출시키고 있으나, AlGaN층의 낮은 결정성에 의해 내부 양자효율 저하의 문제는 해결하기 어려운 실정이다.
즉, 종래기술에 의하면 GaN층에 AlGaN층 성장시, AlGaN층이 GaN층에 비해 격자(Lattice)가 작고, 열 팽창률이 크기 때문에 성장 중에 AlGaN층에 인장응력(Tensile Stress)이 발생하여 크랙(Crack)이 발생함에 따라 결정품질이 저하되어 광도가 저하되는 문제가 있다.
또한 종래기술에서 Al의 조성비가 높아 질 경우 Si이 Si 이온(Si-)으로 되는 이온화 에너지(Ionization E)가 증가하게 되어 캐리어 농도(Carrier concentration)가 줄어들기 때문에 높은 농도의 도핑(Heavily doping)을 해야 하는데, Si 또한 GaN과 격자상수 차이가 있기 때문에 크랙(Crack)이 발생할 수 있어 품질(Quality)이 저하될 수 있는 문제가 있다.
이에 실시예는 결정 품질이 향상된 자외선 발광소자를 제공하고자 한다.
도 2는 제1 실시예에 따른 발광소자의 밴드갭 다이어그램 예시도이다.
제1 실시예에서 상기 양자벽(114B)은 상기 제1 도전형 반도체층(112) 상에 n형 AlxGaN층(0≤x≤ 1)(114BB)과 상기 n형 AlxGaN층(114BB) 상에 언도프트 AlyGaN층(0≤y≤1)(114BA)을 포함할 수 있다.
상기 양자벽(114B)에서 n형 AlxGaN층(114BB)은 언도프트 AlyGaN층(114BA) 사이에 개재될 수 있다.
또한 실시예에서 상기 양자벽(114B)은 언도프트 AlyGaN층(114BA)/n형 AlxGaN층(114BB)/언도프트 AlyGaN층(114BA) 구조를 구비할 수 있고, 상기 언도프트 AlyGaN층(114BA)/n형 AlxGaN층(114BB)/언도프트 AlyGaN층(114BA) 구조는 적어도 하나 또는 복수의 주기로 형성될 수 있다. 상기 양자벽(114B)은 복수의 언도프트 AlyGaN층(114BA) 사이 n형 AlxGaN층(114BB)이 샌드위치 구조로 개재되는 언도프트 AlyGaN층(114BA)/n형 AlxGaN층(114BB)/언도프트 AlyGaN층(114BA) 샌드위치 구조를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서 상기 n형 AlxGaN층(0≤x≤1)(114BB)에서의 Al 조성(x)은 상기 언도프트 AlyGaN층(0≤y≤1)(114BA)에서의 Al 조성(y)보다 클 수 있다.
이에 따라, n형 AlxGaN층(0≤x≤1)(114BB)의 밴드갭 에너지 준위는 언도프트 AlyGaN층(0≤y≤1)(114BA)보다 클 수 있다.
실시예에서 상기 n형 AlxGaN층(0≤x≤ 1)(114BB)은 양자우물(114W)에서 발광된 빛의 반사층 기능을 할 수 있다.
이에 따라, 실시예에서 반사층(Reflector) 역할을 하는 양자벽을 사용함으로써 양자우물(114W)에서 발광된 빛이 발광소자 칩의 하측(Bottom Side)로 이동되지 않고 상측(Top side)으로 이동시켜, 하측으로 이동되는 빛을 줄이거나 없앰으로써 GaN층에서 빛의 흡수문제를 해결하기 위해 채용되었던 n-side의 AlGaN층의 필요성이 낮아지므로, AlGaN층에서 Al 조성을 줄이거나 아예 GaN으로 대체 할 수 있다.
실시예에서 상기 n형 AlxGaN층(0≤x≤ 1)(114BB)의 밴드갭 에너지 준위는 상기 언도프트 AlyGaN층(0≤y≤1)(114BA) 보다 0.7eV 이상 크게 설정됨으로써 상대적인 굴절률의 차이에 의해 빛의 반사 기능을 확보할 수 있다.
상기 n형 AlxGaN층(0≤x≤ 1)(114BB)에서의 Al 조성(x)은 0.3 내지 1일 수 있다. 상기 n형 AlxGaN층(0≤x≤ 1)(114BB)에서의 Al 조성(x)이 0.3 미만의 경우에는 굴절률 차이가 미비하여 반사성능이 낮을 수 있다.
실시예예서 상기 n형 AlxGaN층(0≤x≤ 1)(114BB)에는 n형 도펀트가 도핑되어 캐리어 주입(Carrier Injection) 효율을 높일 수 있다.
또한 실시예에 의하면, 양자벽(114B)이 n형 AlxGaN층(0≤x≤ 1)(114BB)을 구비함으로써 2DEG(tow-dimensional electron gas)효과에 의해 전류확산(Current Spreading) 효과가 있다.
실시예에서 상기 n형 AlxGaN층(114BB)의 두께는 약 1nm 내지 약 3nm일 수 있다. 상기 n형 AlxGaN층(114BB)의 두께가 1nm 보다 얇으면 반사효과 약할 수 있고, 3nm 초과의 경우 양자우물(114W)에로의 전자주입(Electron Injection)에 악영향을 줄 수 있다.
다름으로, 실시예에서 상기 언도프트 AlyGaN층(0≤y≤1)(114BA)에서 Al 조성(y)은 0 내지 0.15일 수 있다. 상기 언도프트 AlyGaN층(0≤y≤1)(114BA)에서 Al 조성(y)이 0.15 초과의 경우, 캐리어 주입(Carrier Injection)에 장애를 줄 수 있다.
실시예에서 상기 언도프트 AlyGaN층(0≤y≤1)(114BA)의 두께는 약 1nm 내지 약 3nm일 수 있다. 상기 언도프트 AlyGaN층(114BA)의 두께가 1nm 미만의 경우 반사기능이 약할 수 있으며, 3nm 초과시 캐리어 주입에 악영향을 줄 수 있다.
실시예에서 양자벽(114B)은 언도프트 AlyGaN층(114BA)/n형 AlxGaN층(114BB) 초격자 구조를 구비할 수 있으며, 격자상수가 다른 두 층의 초격자 형태로 인하여 전위(Dislocation)가 벤딩(bending) 되어 대부분의 발광이 일어나는 라스트 양자우물(114W)의 결정 품질(quality) 매우 향상될 수 있다.
실시예에서 언도프트 AlyGaN층(114BA)/n형 AlxGaN층(114BB) 초격자 구조를 포함하는 양자벽(114B)의 두께는 약 10nm 내지 약 25nm일 수 있다.
예를 들어, 상기 양자벽(114B)이 상기 제1 도전형 반도체층(112)과 가장 인접한 제1 양자벽(114B1)과, 상기 제2 도전형 반도체층(116)과 가장 인접한 라스트 양자벽(114BL) 및 상기 제1 양자벽(114B1)과 상기 라스트 양자벽(114BL) 사이에 제3 양자벽(114B3)을 포함할 수 있다. 또한 양자벽(114B)은 제3 양자벽(114B3)과 라스트 양자벽(114BL) 사이에 제2 양자벽(114B2)을 더 포함할 수 있다.
이때, 제1 양자벽(114B1)은 두께는 약 10nm 내지 약 25nm일 수 있다.
실시예에서 제1 양자벽(114B1)의 두께가 10nm 미만의 경우 배리어(barrier) 역할 및 반사 효과의 저하가 발생할 수 있으며, 그 두께가 25nm 초과시 보다 캐리어 주입에 장애가 될 수 있다.
실시예의 양자벽(114B)에서 라스트 양자벽(114BL)은 언도프트 AlzGaN 벌크층(bulk layer)일 수 있다. 상기 라스트 양자벽(114BL)의 Al의 조성(z)은 약 10% 내지 20%일 수 있으니 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 라스트 양자벽(114BL)에서 Al의 조성(z)은 n형 AlxGaN층(114BB)에서의 Al의 조성(x)보다 작게 설정되어 상기 라스트 양자벽(114BL)에서의 빛의 반사 기능을 억제할 수 있으며, 이를 통해 상측방향으로의 발광효율을 향상시킬 수 있다.
도 3은 제2 실시예에 따른 발광소자의 밴드갭 다이어그램 예시도이다.
제2 실시예는 제1 실시예의 기술적인 특징을 채용할 수 있다.
2 실시예에 따른 발광소자는 상기 제1 도전형 반도체층(112)과 가장 인접한 제1 양자벽(114B1)과, 상기 제2 도전형 반도체층(116)과 가장 인접한 라스트 양자벽(114BL) 및 상기 제1 양자벽(114B1)과 상기 라스트 양자벽(114BL) 사이에 제3 양자벽(114B3)을 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1 양자벽(114B1)에의 밴드갭 에너지 준위는 상기 제3 양자벽(114B3)에서의 밴드갭 에너지 준위보다 높을 수 있다.
또한, 실시예는 상기 제1 양자벽(114B1)과 상기 제3 양자벽(114B3) 사이에 배치되는 제2 양자벽(114B2)을 포함할 수 있다.
상기 제2 양자벽(114B2)에의 밴드갭 에너지 준위는 상기 제1 양자벽(114B1)에의 밴드갭 에너지 준위와 상기 제3 양자벽(114B3)에서의 밴드갭 에너지 준위 사이일 수 있다.
제2 실시에 의하며, 양자벽(114B)의 밴드갭 에너지 준위가 제1 도전형 반도체층(112)에서 제2 도전형 반도체층(116) 방향으로 감소함에 따라, 제1 도전형 반도체층(112)에 인접한 제1 양자벽(114B1)에서의 반사율을 높이고, 제2 도전형 반도체층(116)에 인접한 제3 양자벽(114B3)에서 반사율을 낮춤으로써 상측방향, 예를 들어 제2 도전형 반도체층(116) 방향으로의 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 도 4 내지 도 9을 참조하여 실시예에 따른 발광소자의 제조방법을 설명하기로 한다.
우선, 도 4와 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 요철 구조(P)가 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 기판(105) 위에는 버퍼층(113)이 형성될 수 있다. 상기 버퍼층(113)은 이후 형성되는 발광구조물(110)의 재료와 기판(105)의 격자 부정합을 완화시켜 줄 수 있으며, 상기 버퍼층(113)의 재료는 3족-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 예컨대, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중 적어도 하나로 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 제1 기판(105) 또는 버퍼층(113) 상에 제1 도전형 반도체층(112)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 반도체층(112)은 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있고, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(112)이 n형 반도체층인 경우, 상기 제1 도전형 도펀트는 n형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se, Te를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
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 있다. 예를 들어, 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.
실시예는 종래기술과 달리, 상기 제1 기판(105) 또는 버퍼층(113) 상에 AlGaN 층을 형성하지 않고 상기 제1 도전형 반도체층(112)이 형성될 수 있다.
다음으로 제1 도전형 반도체층(112) 상에 활성층(114)이 형성될 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.
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)은 양자우물(114W)과 양자벽(114B)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 활성층(114)은 AlGaN/GaN, AlGaN/AlGaN, InGaN/GaN, InGaN/InGaN, InAlGaN/GaN, GaAs/AlGaAs, InGaAs/AlGaAs, GaP/AlGaP, InGaP AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
이하 도 2 또는 도 3을 참조하여 실시예에 따른 발광소자의 특징을 좀 더 상술하기로 한다.
도 2와 같이, 제1 실시예에서 상기 양자벽(114B)은 상기 제1 도전형 반도체층(112) 상에 n형 AlxGaN층(0≤x≤ 1)(114BB)과 상기 n형 AlxGaN층(114BB) 상에 언도프트 AlyGaN층(0≤y≤1)(114BA)을 포함할 수 있다.
상기 양자벽(114B)에서 n형 AlxGaN층(114BB)은 언도프트 AlyGaN층(114BA) 사이에 개재될 수 있다.
또한 실시예에서 상기 양자벽(114B)은 언도프트 AlyGaN층(114BA)/n형 AlxGaN층(114BB)/언도프트 AlyGaN층(114BA) 구조를 구비할 수 있고, 상기 언도프트 AlyGaN층(114BA)/n형 AlxGaN층(114BB)/언도프트 AlyGaN층(114BA) 구조는 적어도 하나 또는 복수의 주기로 형성될 수 있다.
상기 양자벽(114B)은 복수의 언도프트 AlyGaN층(114BA) 사이 n형 AlxGaN층(114BB)이 샌드위치 구조로 개재되는 언도프트 AlyGaN층(114BA)/n형 AlxGaN층(114BB)/언도프트 AlyGaN층(114BA) 샌드위치 구조를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서 상기 n형 AlxGaN층(0≤x≤1)(114BB)에서의 Al 조성(x)은 상기 언도프트 AlyGaN층(0≤y≤1)(114BA)에서의 Al 조성(y)보다 클 수 있다. 이에 따라, n형 AlxGaN층(0≤x≤1)(114BB)의 밴드갭 에너지 준위는 언도프트 AlyGaN층(0≤y≤1)(114BA)보다 클 수 있다.
실시예에서 상기 n형 AlxGaN층(0≤x≤ 1)(114BB)은 양자우물(114W)에서 발광된 빛의 반사층 기능을 할 수 있다.
이에 따라, 실시예에서 반사층(Reflector) 역할을 하는 양자벽을 사용함으로써 양자우물(114W)에서 발광된 빛이 발광소자 칩의 하측(Bottom Side)로 이동되지 않고 상측(Top side)으로 이동시켜, 하측으로 이동되는 빛을 줄이거나 없앰으로써 GaN층에서 빛의 흡수문제를 해결하기 위해 채용되었던 n-side의 AlGaN층의 필요성이 낮아지므로, AlGaN층에서 Al 조성을 줄이거나 아예 GaN으로 대체 할 수 있다.
실시예에서 상기 n형 AlxGaN층(0≤x≤ 1)(114BB)의 밴드갭 에너지 준위는 상기 언도프트 AlyGaN층(0≤y≤1)(114BA) 보다 0.7eV 이상 크게 설정됨으로써 상대적인 굴절률의 차이에 의해 빛의 반사 기능을 확보할 수 있다.
상기 n형 AlxGaN층(0≤x≤ 1)(114BB)에서의 Al 조성(x)은 0.3 내지 1일 수 있다. 상기 n형 AlxGaN층(0≤x≤ 1)(114BB)에서의 Al 조성(x)이 0.3 미만의 경우에는 굴절률 차이가 미비하여 반사성능이 낮을 수 있다.
실시예예서 상기 n형 AlxGaN층(0≤x≤ 1)(114BB)에는 n형 도펀트가 도핑되어 캐리어 주입(Carrier Injection) 효율을 높일 수 있다.
또한 실시예에 의하면, 양자벽(114B)이 n형 AlxGaN층(0≤x≤ 1)(114BB)을 구비함으로써 2DEG(tow-dimensional electron gas)효과에 의해 전류확산(Current Spreading) 효과가 있다.
실시예에서 상기 n형 AlxGaN층(114BB)의 두께는 약 1nm 내지 약 3nm일 수 있다. 상기 n형 AlxGaN층(114BB)의 두께가 1nm 보다 얇으면 반사효과 약할 수 있고, 3nm 초과의 경우 양자우물(114W)에로의 전자주입(Electron Injection)에 악영향을 줄 수 있다.
다름으로, 실시예에서 상기 언도프트 AlyGaN층(0≤y≤1)(114BA)에서 Al 조성(y)은 0 내지 0.15일 수 있다. 상기 언도프트 AlyGaN층(0≤y≤1)(114BA)에서 Al 조성(y)이 0.15 초과의 경우, 캐리어 주입(Carrier Injection)에 장애를 줄 수 있다.
실시예에서 상기 언도프트 AlyGaN층(0≤y≤1)(114BA)의 두께는 약 1nm 내지 약 3nm일 수 있다. 상기 언도프트 AlyGaN층(114BA)의 두께가 1nm 미만의 경우 반사기능이 약할 수 있으며, 3nm 초과시 캐리어 주입에 악영향을 줄 수 있다.
실시예에서 양자벽(114B)은 언도프트 AlyGaN층(114BA)/n형 AlxGaN층(114BB) 초격자 구조를 구비할 수 있으며, 격자상수가 다른 두 층의 초격자 형태로 인하여 전위(Dislocation)가 벤딩(bending) 되어 대부분의 발광이 일어나는 라스트 양자우물(114W)의 결정 품질(quality) 매우 향상될 수 있다.
실시예에서 언도프트 AlyGaN층(114BA)/n형 AlxGaN층(114BB) 초격자 구조를 포함하는 양자벽(114B)의 두께는 약 10nm 내지 약 25nm일 수 있다.
예를 들어, 상기 양자벽(114B)이 상기 제1 도전형 반도체층(112)과 가장 인접한 제1 양자벽(114B1)과, 상기 제2 도전형 반도체층(116)과 가장 인접한 라스트 양자벽(114BL) 및 상기 제1 양자벽(114B1)과 상기 라스트 양자벽(114BL) 사이에 제3 양자벽(114B3)을 포함할 수 있다. 또한 양자벽(114B)은 제3 양자벽(114B3)과 라스트 양자벽(114BL) 사이에 제2 양자벽(114B2)을 더 포함할 수 있다.
이때, 제1 양자벽(114B1)은 두께는 약 10nm 내지 약 25nm일 수 있다. 실시예에서 제1 양자벽(114B1)의 두께가 10nm 미만의 경우 배리어(barrier) 역할 및 반사 효과의 저하가 발생할 수 있으며, 그 두께가 25nm 초과시 보다 캐리어 주입에 장애가 될 수 있다.
실시예의 양자벽(114B)에서 라스트 양자벽(114BL)은 언도프트 AlzGaN 벌크층(bulk layer)일 수 있다. 상기 라스트 양자벽(114BL)의 Al의 조성(z)은 약 10% 내지 20%일 수 있으니 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 라스트 양자벽(114BL)에서 Al의 조성(z)은 n형 AlxGaN층(114BB)에서의 Al의 조성(x)보다 작게 설정되어 상기 라스트 양자벽(114BL)에서의 빛의 반사 기능을 억제할 수 있으며, 이를 통해 상측방향으로의 발광효율을 향상시킬 수 있다.
다름으로, 도 3과 같이 제2 실시예에 따른 발광소자는 상기 제1 도전형 반도체층(112)과 가장 인접한 제1 양자벽(114B1)과, 상기 제2 도전형 반도체층(116)과 가장 인접한 라스트 양자벽(114BL) 및 상기 제1 양자벽(114B1)과 상기 라스트 양자벽(114BL) 사이에 제3 양자벽(114B3)을 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1 양자벽(114B1)에의 밴드갭 에너지 준위는 상기 제3 양자벽(114B3)에서의 밴드갭 에너지 준위보다 높을 수 있다. 또한, 실시예는 상기 제1 양자벽(114B1)과 상기 제3 양자벽(114B3) 사이에 배치되는 제2 양자벽(114B2)을 포함할 수 있다.
상기 제2 양자벽(114B2)에의 밴드갭 에너지 준위는 상기 제1 양자벽(114B1)에의 밴드갭 에너지 준위와 상기 제3 양자벽(114B3)에서의 밴드갭 에너지 준위 사이일 수 있다.
제2 실시에 의하며, 양자벽(114B)의 밴드갭 에너지 준위가 제1 도전형 반도체층(112)에서 제2 도전형 반도체층(116) 방향으로 감소함에 따라, 제1 도전형 반도체층(112)에 인접한 제1 양자벽(114B1)에서의 반사율을 높이고, 제2 도전형 반도체층(116)에 인접한 제3 양자벽(114B3)에서 반사율을 낮춤으로써 상측방향, 예를 들어 제2 도전형 반도체층(116) 방향으로의 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
다음으로 도 4와 같이, 활성층(114) 상에 전자차단층(115)이 형성되어 전자 차단(electron blocking) 및 활성층의 클래딩(MQW cladding) 역할을 해줌으로써 발광효율을 개선할 수 있다. 예를 들어, 상기 전자차단층(115)은 AlxInyGa(1-x-y)N(0≤x≤1,0≤y≤1)계 반도체로 형성될 수 있으며, 상기 활성층(114)의 에너지 밴드 갭보다는 높은 에너지 밴드 갭을 가질 수 있다.
다음으로 상기 전자차단층(124) 상에 제2 도전형 반도체층(116)이 형성될 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(116)은 반도체 화합물, 예를 들어 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 도전형 반도체층(116) InpAlqGa1-p-qN (0≤p≤1, 0≤q≤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.
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 제3 반도체층(125), 예컨대 n형 제3 반도체층(125)이 형성될 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, 제1 도전형 제1 반도체층(112)이 일부 노출되도록 그 상측에 배치된 구성을 일부 제거할 수 있다. 이러한 공정은 습식식각 또는 건식식각에 의할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로 도 6과 같이, 제2 전극(152)이 형성될 위치에 전류차단층(130)이 형성될 수 있다. 상기 전류차단층(130)은 비도전형 영역, 제1 도전형 이온주입층, 제1 도전형 확산층, 절연물, 비정질 영역 등을 포함하여 형성할 수 있다.
다음으로, 전류차단층(130)이 형성된 제2 도전형 반도체층(116) 상에 투광성 전극층(140)이 형성될 수 있다. 상기 투광성 전극층(140)은 오믹층을 포함할 수 있으며, 정공주입을 효율적으로 할 수 있도록 단일 금속 혹은 금속합금, 금속산화물 등을 다중으로 적층하여 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 투광성 전극층(140)은 반도체와 전기적인 접촉인 우수한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 투광성 전극층(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, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 이러한 재료에 한정되는 않는다.
이후, 발광구조물(110) 측면 및 투광성 전극층(140)의 일부에 절연층 등으로 패시베이션층(160)이 형성될 수 있다. 상기 패시베이션층(160)은 제1 전극(151)이 형성될 영역은 노출할 수 있다.
다음으로, 도 7과 같이 상기 전류차단층(130)과 중첩되도록 상기 투광성 전극층(140) 상에 제2 전극(152)을 형성하고, 노출된 제1 도전형 제1 반도체층(112) 상에 제1 전극(151)을 형성하여 실시예에 따른 적색 발광소자를 제조할 수 있다. 상기 제1 전극(151) 또는 제2 전극(152)은 티탄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금(Au), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 중 적어도 어느 하나로 형성될 수도 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
자외선 발광소자는 파장이 긴 순서대로 UV-A((315~400nm)), UV-B(280~315nm), UV-C(200~280nm) 세 가지고 나뉜다.
실시예에 따른 자와선 발광소자(UV LED)는 파장에 따라, UV-A(315~400nm) 영역은 산업용 UV경화, 인쇄 잉크경화, 노광기, 위폐감별, 광촉매 살균, 특수조명(수족관/농업용 등) 등의 다양하게 적용될 수 있고, UV-B (280~315nm) 영역은 의료용으로 사용될 수 있고, UV-C(200~280nm) 영역은 공기 정화, 정수, 살균 제품 등에 적용될 수 있다.
실시예에 따른 발광소자는 패키지 형태로 복수개가 기판 상에 어레이될 수 있으며, 발광소자 패키지에서 방출되는 광의 경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트, 형광 시트 등이 배치될 수 있다.
실시예에 따른 발광소자는 백라이트 유닛, 조명 유닛, 디스플레이 장치, 지시 장치, 램프, 가로등, 차량용 조명장치, 차량용 표시장치, 스마트 시계 등에 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
도 8은 실시예들에 따른 자외선 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 자외선 발광소자(100)와, 형광체(232)를 구비하여 상기 발광 소자(100)를 포위하는 몰딩부재(230)를 포함할 수 있다.
상기 제3 전극층(213) 및 제4 전극층(214)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 자외선 발광소자(100)에 전원을 제공하는 역할을 한다. 또한, 상기 제3 전극층(213) 및 제4 전극층(214)은 상기 자외선 발광소자(100)에서 발생된 빛을 반사시켜 광 효율을 증가시키는 역할을 할 수 있으며, 상기 자외선 발광 소자(100)에서 발생된 열을 외부로 배출시키는 역할을 할 수도 있다.
상기 자외선 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.
실시예에 따른 자외선 발광소자는 백라이트 유닛, 조명 유닛, 디스플레이 장치, 지시 장치, 램프, 가로등, 차량용 조명장치, 차량용 표시장치, 스마트 시계 등에 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
도 9는 실시예에 따른 조명시스템의 분해 사시도이다.
실시예에 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 발광소자 또는 발광소자 패키지를 포함할 수 있다.
상기 광원 모듈(2200)은 광원부(2210), 연결 플레이트(2230), 커넥터(2250)를 포함할 수 있다. 상기 부재(2300)는 상기 방열체(2400)의 상면 위에 배치되고, 복수의 광원부(2210)들과 커넥터(2250)이 삽입되는 가이드홈(2310)들을 갖는다.
상기 홀더(2500)는 내부 케이스(2700)의 절연부(2710)의 수납홈(2719)를 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 전원 제공부(2600)는 돌출부(2610), 가이드부(2630), 베이스(2650), 연장부(2670)를 포함할 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 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), 활성층(114), 양자우물(114W), 양자벽(114B),
n형 AlxGaN층(0≤x≤ 1)(114BB), 언도프트 AlyGaN층(0≤y≤1)(114BA)
제2 도전형 반도체층(116)
n형 AlxGaN층(0≤x≤ 1)(114BB), 언도프트 AlyGaN층(0≤y≤1)(114BA)
제2 도전형 반도체층(116)
Claims (12)
- 제1 도전형 반도체층;
양자우물과 양자벽을 포함하여 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치된 활성층;
상기 활성층 상에 배치된 제2 도전형 반도체층;을 포함하며,
상기 양자벽은,
상기 제1 도전형 반도체층 상에 n형 AlxGaN층(0≤x≤ 1)과
상기 n형 AlxGaN층 상에 언도프트 AlyGaN층(0≤y≤1)을 포함하는 자외선 발광소자. - 제1 항에 있어서,
상기 양자벽에서 상기 언도프트 AlyGaN층은 복수로 구비되며,
상기 n형 AlxGaN층은 상기 언도프트 AlyGaN층 사이에 개재되는 자외선 발광소자. - 제2 항에 있어서,
상기 양자벽은 언도프트 AlyGaN층/n형 AlxGaN층 초격자 구조를 구비하는 자외선 발광소자. - 제2 항에 있어서,
상기 양자벽은
언도프트 AlyGaN층/n형 AlxGaN층/언도프트 AlyGaN층의 샌드위치 구조를 구비하는 자외선 발광소자. - 제1 항에 있어서,
상기 n형 AlxGaN층(0≤x≤ 1)에서 Al 조성(x)은
상기 언도프트 AlyGaN층(0≤y≤1)에서 Al 조성(y)보다 큰 자외선 발광소자. - 제1 항에 있어서,
상기 n형 AlxGaN층(0≤x≤ 1)의 밴드갭 에너지 준위는
상기 언도프트 AlyGaN층(0≤y≤1) 보다 0.7eV 이상 큰 자외선 발광소자. - 제2 항에 있어서,
상기 n형 AlxGaN층(0≤x≤ 1)에서의 Al 조성(x)은
0.3 내지 1인 자외선 발광소자. - 제2 항에 있어서,
상기 언도프트 AlyGaN층(0≤y≤1)에서의 Al 조성(y)은
0 내지 0.15인 자외선 발광소자. - 제1 항에 있어서,
상기 n형 AlxGaN층의 두께는 1nm 내지 3nm인 자외선 발광소자. - 제1 항에 있어서,
상기 언도프트 AlyGaN층(0≤y≤1)의 두께는 1nm 내지 3nm인 자외선 발광소자. - 제1 항에 있어서,
상기 양자벽은,
상기 제1 도전형 반도체층과 가장 인접한 제1 양자벽과,
상기 제2 도전형 반도체층과 가장 인접한 라스트 양자벽; 및
상기 제1 양자벽과 상기 라스트 양자벽 사이에 제2 양자벽;을 포함하며,
상기 제1 양자벽에의 밴드갭 에너지 준위는
상기 제2 양자벽에서의 밴드갭 에너지 준위보다 높은 자외선 발광소자. - 제1 항 내지 제11항 중 어느 하나에 기재된 발광소자를 구비하는 발광유닛을 포함하는 조명시스템.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020150007348A KR102251238B1 (ko) | 2015-01-15 | 2015-01-15 | 자외선 발광소자 및 조명시스템 |
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|---|---|---|---|
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Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20160088095A true KR20160088095A (ko) | 2016-07-25 |
| KR102251238B1 KR102251238B1 (ko) | 2021-05-12 |
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ID=56616661
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| KR1020150007348A KR102251238B1 (ko) | 2015-01-15 | 2015-01-15 | 자외선 발광소자 및 조명시스템 |
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20120053190A (ko) * | 2010-11-17 | 2012-05-25 | 엘지이노텍 주식회사 | 발광 소자 |
| KR20130097362A (ko) * | 2012-02-24 | 2013-09-03 | 삼성전자주식회사 | 반도체 발광소자 |
| KR20140002910A (ko) * | 2012-06-28 | 2014-01-09 | 서울바이오시스 주식회사 | 근자외선 발광 소자 |
| KR20140004361A (ko) * | 2012-07-02 | 2014-01-13 | 전자부품연구원 | 초격자 구조를 이용한 질화물계 반도체 발광 소자의 제조 방법 |
-
2015
- 2015-01-15 KR KR1020150007348A patent/KR102251238B1/ko active IP Right Grant
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