KR20170044316A - 발광소자 및 이를 포함하는 발광소자 패키지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물, 상기 발광 구조물의 표면 중 적어도 일부에 배치된 패시베이션층 및 상기 패시베이션층 내에 배치되는 복수 개의 양자점을 포함하는 발광소자에 관한 것이다.

Description

발광소자 및 이를 포함하는 발광소자 패키지{LIGHT EMITTIMNG DEVICE AND LIGHT EMITTING DEVICE INCLUDING THE SAME}
실시예는 발광소자 및 이를 포함하는 발광소자 패키지에 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(Light Emitting Diode)나 레이저 다이오드와 같은 발광 소자는 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.
발광 소자는 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물이 형성되고, 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 상에 각각 제1 전극과 제2 전극이 배치된다. 발광 소자는 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.
도 1은 종래의 발광소자를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 수직형 발광소자는 제2 전극(136) 위에, 제1 도전형 반도체층(122)과 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)을 포함하는 발광 구조물(120)이 배치되고, 상기 제1 도전형 반도체층(122) 상에 제1 전극(132)이 배치된다.
양자점을 이용한 FRET-기반 발광소자의 경우, 특정 파장대의 빛을 방출하는 형광 물질인 도너와 도너로부터 방출되는 에너지와 공명을 일으켜 에너지를 흡수할 수 있는 형광물질인 어셉터가 소정의 거리 이내로 근접하면, 외부에서 도너를 여기시키기 위하여 조사된 빛 에너지가 도너로부터 어셉터로 비복사 전이되어 도너의 고유 파장대의 발광이 감소하고, 도너로부터 에너지를 전달받은 어셉터의 고유 파장대의 빛이 방출되는 현상을 이용한다.
일반적으로 발광소자의 활성층(124)이 도너 역할을 하게 되고, 양자점이 어셉터의 역할을 하게 되는데, 상기 양자점이 배치되는 위치에 따라 광 추출 효율이 달라지게 된다.
종래의 발광소자는 발광구조물(120)의 일부를 제거하여 양자점을 배치하거나 양자점을 배치하기 위하여 발광소자의 발광 효율을 저하시키는 층을 구비하여 광 추출 효율이 감소되는 문제가 있었다.
또한, 종래의 발광구조에서 공명 에너지를 전달받는 어셉터(Acceptor)의 발광파장을 조절하기 위하여 어셉터(Acceptor)의 조성을 조절하였는데, 발광파장을 자유롭게 조절하기 위하여 II-IV종의 원소로 이루어진 화합물 반도체의 조성이 정확히 제어되어야 하여 소재 제조가 까다로움과 동시에 공정 온도가 높은 상태에서 서로 상이한 여러 종류의 가스 유량 비율이 제어되어야 하여 공정 조절이 어려운 문제가 있었다.
또한, 종래의 KSF형광체는 재결합 잔광시간이 다른 형광체에 비해 상대적으로 길어 반응속도가 낮아 발광소자에 사용하기 어려운 문제가 있었다.
실시 예의 발광소자는 발광구조물의 일부를 제거하여 양자점을 배치하거나 양자점을 배치하기 위하여 발광소자의 발광 효율을 저하시키는 층을 구비하여 광 추출 효율이 감소되는 문제를 방지하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 실시 예의 발광소자는 발광 파장을 자유롭게 조절함과 동시에 생산공정이 용이한 발광소자를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 실시 예의 발광소자는 상대적으로 반응속도가 낮아 사용이 제한적이었던 KSF형광체를 활용하여 넓은 색영역을 구현 할 수 있는 발광소자를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위하여, 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물, 상기 발광 구조물의 표면 중 적어도 일부에 배치된 패시베이션층 및 상기 패시베이션층 내에 배치되는 복수 개의 양자점을 포함하는 발광소자를 제공하는 것을 과제의 해결 수단으로 한다.
또한, 상기 복수 개의 양자점은 상기 패시베이션층과 동일한 물질인 발광소자를 제공하는 것을 과제의 해결 수단으로 한다.
또한, 상기 복수 개의 양자점은 비정질 실리콘인 발광소자를 제공하는 것을 과제의 해결 수단으로 한다.
또한, 상기 복수 개의 양자점은 KSF형광체인 발광소자를 제공하는 것을 과제의 해결 수단으로 한다.
또한, 상기 복수 개의 양자점은 서로 다른 직경을 가지는 발광소자를 제공하는 것을 과제의 해결 수단으로 한다.
또한, 상기 복수 개의 양자점의 직경은 상기 패시베이션층의 하부에서 상기 패시베이션층의 상부로 갈수록 커지도록 구비되는 발광소자를 제공하는 것을 과제의 해결 수단으로 한다.
또한, 상기 제1 도전형 반도체층의 두께는 1nm 내지 10nm인 발광소자를 제공하는 것을 과제의 해결 수단으로 한다.
또한, 상기 복수 개의 양자점의 직경은 1nm 내지 10nm인 발광소자를 제공하는 것을 과제의 해결 수단으로 한다.
또한, 패키지몸체, 상기 패키지몸체에 배치된 제1 전극층과 제2 전극층 및 상기 패키지몸체상에 배치되고, 상기 제1 전극층과 제2 전극층에 전기적으로 연결되는 제1 항 내지 제8항 중 어느 한 항의 발광소자를 포함하는 발광소자 패키지를 제공하는 것을 과제의 해결 수단으로 한다.
실시 예의 발광소자는 양자점을 발광구조물의 일부를 제거하거나 발광 효율을 저하시키는 층을 구비하지 않고 발광소자의 패시베이션층에 배치하여, 광 추출 효율의 손실 없이 공명 에너지 전달 현상을 이용하여 광효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 실시 예의 발광소자는 다양한 크기를 갖는 양자점을 구비하여 다양한 발광 파장을 방출할 수 있다.
또한, 실시 예의 발광소자는 KSF형광체를 패시베이션층에 배치하여 공명 에너지 전달에 의해 상대적으로 길었던 KSF형광체의 잔광시간을 감소시켜 넓은 색영역을 구현 할 수 있다.
도 1은 종래의 발광소자를 나타낸 도면이다.
도 2는 발광소자의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 3은 발광소자의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 발광 구조물의 일 실시 예를 상세히 나타낸 도면이다.
도 5는 도 3의 발광 구조물의 다른 실시 예를 상세히 나타낸 도면이다.
도 6은 실시 예의 발광소자에 배치되는 패시베이션층에 구비되는 양자점을 자세히 나타낸 도면이다.
도 7은 실시 예의 발광소자가 배치된 발광소자 패키지의 일 실시예를 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.
실시예들에 따른 발광소자는 수직형 발광소자이되, 제1 도전형 반도체층에 전류를 공급하는 제1 전극이 발광 구조물의 하부로부터 제2 도전형 반도체층과 활성층을 관통하여 제1 도전형 반도체층에 전기적으로 연결될 수 있다.
실시 예의 발광소자는 양자점을 이용한 FRET-기반 발광소자이다.
보다 자세하게는, 발광소자 내부의 활성층을 도너로 하고 양자점을 어셉터로 하여 활성층(224) 영역에서 발출되는 광이 양자점으로 비발광 전달되어 발광하는 형광공명에너지전달(Fluorescence Resonance Energy Transfer; FRET) 현상을 기반으로 한다.
양자점은 나노 사이즈의 결정으로서, 광학적으로 넓은 흡수 스펙트럼, 좁은 발광 밴드, 우수한 여기 계수, 광표백(Photo Bleaching)에 대한 우수한 안정성, 사이즈에 따른 스펙트럼 변화(즉, 사이즈 변화에 따라 다른 파장의 빛을 방출하는 특성) 등과 같은 특유의 광학 특성을 갖고 있다.
이와 같이, 양자점의 넓은 흡수 스펙트럼 및 좁은 방출 스펙트럼으로 인하여 FRET 형상을 기반으로 하는 기술분야로서 이용되고 있다.
FRET형상은 2가지 형광 물질의 상호작용을 이용한 것으로, 1964년 Forster에 의하여 처음 소개되었다. FRET 형상은 장거리 쌍극자-쌍극자 상호작용에 의하여 하나의 여기된 형광분자에서 다른 형광분자로 비발광 또는 비복사 과정을 통해 에너지가 전이되는 물리적인 현상이다. 이따 에너지를 주는 분자를 “도너(Doner)”라 하고, 에너지를 받는 분자를 어셉터(Acceptor)라고 한다.
특정 파장대의 빛을 방출하는 형광 물질인 도너와 도너로부터 방출되는 에너지와 공명을 일으켜 에너지를 흡수할 수 있는 형광물질인 어셉터가 소정의 거리 이내로 근접하면, 외부에서 도너를 여기시키기 위하여 조사된 빛 에너지가 도너로부터 어셉터로 비복사 전이되어 도너의 고유 파장대의 발광이 감소하고, 도너로부터 에너지를 전달받은 어셉터의 고유 파장대의 빛이 방출된다.
따라서, 전술한 바와 같이 도너와 어셉터를 소정 거리 이내로 근겁시키기 위하여 종래의 발광소자는 발광구조물(120)의 일부를 제거하여 양자점을 배치하거나 양자점을 배치하기 위하여 발광소자의 발광 효율을 저하시키는 층을 구비하여 광 추출 효율이 감소되는 문제가 있었다.
따라서, 이하 도 2 내지 도 6을 참고하여 발광 효율을 증가시키기 위한 실시 예의 발광소자를 제시하도록 한다.
도 2는 발광소자의 제1 실시예를 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 발광소자(200a)는 발광 구조물(220)의 하부에 제2 도전층(236)이 배치되고, 제2 전극의 하부에는 절연층(285)과 제1 도전층(232)이 배치되며, 제1 도전층(232)으로부터 연장된 관통 전극(233)이 발광 구조물(220) 내의 제1 도전형 반도체층(222)과 전기적으로 접촉할 수 있다. 그리고, 제2 도전층(236)의 가장 자리 영역에서 제2 전극(236a, 236b)이 발광 구조물(220)의 가장 자리와 대응하여 배치될 수 있다.
발광 구조물(220)은 제1 도전형 반도체층(222)과 활성층(224) 및 제2 도전형 반도체층(226)을 포함하여 이루어진다.
제1 도전형 반도체층(222)은 제1높이(H1)을 갖도록 구비될 수 있다.
제1높이(H1)이 1nm이하로 구비된다면 전류 스프레딩 특성이 저하되어 상기 활성층(224)에서 광을 발광하기 어렵고, 제1높이(H1)가 10nm이상이라면 활성층(224)에서 발생한 에너지가 후술할 패시베이션층(285)내에 배치된 양자점(281, 도 4)에 전달하기 어려워 공명에너지를 전달받을 수 없어 광 효율의 손실이 발생하게 된다.
따라서, 상기 제1높이(H1)는 1nm 내지 10nm로 구비될 수 있다.
다만, 이는 일 실시 예를 설명한 것이지 발광구조물(220)의 특성 및 기타 구조의 특성에 따라 상기 제1높이(H1)는 변형 가능하며, 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니다.
제1 도전형 반도체층(222)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(222)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 있다.
제1 도전형 반도체층(222)이 n형 반도체층인 경우, 제1 도전형도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(222)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
활성층(224)은 제1 도전형 반도체층(222)과 제2 도전형 반도체층(226) 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(224)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. 이때, 우물층은 장벽층의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(226)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(226)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(226)은 예컨대, InxAlyGa1 -x- yN (0≤≤x≤≤1, 0≤≤y≤≤1, 0≤≤x+y≤≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질, AlGaN, GaNAlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(226)이 p형 반도체층인 경우, 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트일 수 있다. 제2 도전형 반도체층(226)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
도시되지는 않았으나, 활성층(224)과 제2 도전형 반도체층(226)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.
도시되지는 않았으나, 제1 도전형 반도체층(222)의 표면이 요철을 이루어 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
제2 도전형 반도체층(226)의 하부에는 제2 도전층(236)이 배치될 수 있다. 제2 도전층(236)은 제2 도전형 반도체층(226)과 면접촉하며 배치되되, 관통 전극(233)이 형성된 영역에서는 그러하지 않을 수 있다. 그리고, 제2 도전층(236)의 가장 자리는 제2 도전형 반도체층(226)의 가장 자리보다 더 외곽에 배치될 수 있는데, 제2 전극 패드(236a, 236b)가 배치될 영역을 확보하기 위함이다.
제2 전극 패드(236a, 236b)는 도전성 물질로 이루어질 수 있고, 상세하게는 금속으로 이루어질 수 있으며, 보다 상세하게는 은(Ag), 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(220)의 둘레에는 패시베이션층(280)이 형성될 수 있는데, 패시베이션층(280)은 절연물질로 이루어질 수 있으며, 절연물질은 비전도성인 산화물이나 질화물로 이루어질 수 있다. 일 예로서, 패시베이션층(280)은 실리콘 산화물(SiO2)층, 산화 질화물층, 산화 알루미늄층으로 이루어질 수 있다.
패시베이션층(280)은 발광 구조물(200)의 둘레와, 상술한 제2 도전형 반도체층(226)의 가장 자리보다 더 외곽에 배치된 제2 도전층(236)의 가장 자리 상에도 배치될 수 있다. 제2 도전층(236)의 가장 자리 상에 배치된 패시베이션층(280)은 제2 전극 패드(236a, 236b)가 형성된 영역에서는 오픈(open)될 수 있다.
제2 도전층(236)의 하부에는 절연층(285)을 사이에 두고 제1 도전층(232)이 배치될 수 있으며, 제1 도전층(232)은 도전성 물질로 이루어질 수 있고, 상세하게는 금속으로 이루어질 수 있으며, 보다 상세하게는 은(Ag), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
제1 전극(232)으로부터 상부로 연장되어 복수 개의 관통 전극(233)들이 배치되는데, 관통 전극(233)들은 절연층(285)과 제2 전극(236)과 제2 도전형 반도체층(226)과 활성층(234)을 관통하고, 제1 도전형 반도체층(222)의 일부에까지 연장되어, 관통 전극(233)의 상부면이 제1 도전형 반도체층(222)과 면접촉할 수 있다.
각각의 관통 전극(233)의 단면은 원형이거나 다각형일 수 있다. 상술한 절연층(285)은 관통 전극(233)의 둘레에 연장되어 배치되어, 관통 전극(233)을 제2 도전층(226), 제2 도전형 반도체층(226) 및 활성층(224)과 전기적으로 절연시킬 수 있다.
제1 도전층(232)의 하부에는 오믹층(240)이 배치될 수 있다.
오믹층(240)은 약 200 옹스트롱의 두께일 수 있다. 오믹층(240)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-GaZnO), IGZO(In-GaZnO), 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.
오믹층의 하부에는 반사 전극으로 작용할 수 있는 반사층(250)이 배치될 수 있다. 반사층(250)은 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 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(224)에서 도 2의 하부 방향으로 진행한 빛을 효과적으로 반사하여 반도체 소자의 광추출 효율을 크게 개선할 수 있다.
반사층(250)의 폭은 오믹층(240)의 폭보다 좁을 수 있으며, 반사층(250)의 하부에는 채널층(260)이 배치될 수 있다. 채널층(260)의 폭은 반사층(250)의 폭보다 커서 반사층(250)을 감싸며 배치될 수 있다. 채널층(260)은 도전성 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들면 금(Au)이나 주석(Sn)으로 이루어질 수 있다.
도전성 지지 기판(support substrate, 270)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), 캐리어웨이퍼(예: GaN, Si, Ge, GaAs, ZnO, SiGe, SiC, SiGe, Ga2O3 등) 등을 선택적으로 포함할 수 있다.
상기 지지 기판(270)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.
도시되지는 않았으나, 접합층이 채널층(260)과 도전성 지지 기판(270)을 결합하며 배치될 수 있는데, 접합층은 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.
본 실시예에 따른 발광소자(200a)에서 제1 도전층(236)으로부터 관통 전극(233)을 통하여 제1 도전형 반도체층(222)의 전체 영역에 고루 전류가 공급되며, 제2 전극(236)과 면접촉하는 제2 도전형 반도체층(226)에도 전류가 전체 영역에 전류가 고루 공급될 수 있다. 또한, 전극 패드(236a, 236b)가 발광 구조물(220)의 둘레에서 제2 도전층(236)의 상부에 배치되어, 제2 도전층(236)의 전체 영역에 고루 전류가 공급될 수 있다. 따라서, 제1 도전형 반도체층(222)을 통해서 주입되는 전자와 제2 도전형 반도체층(226)을 통해서 주입되는 정공이 활성층(224) 내에서 결합하는 빈도가 증가하여, 활성층(224)으로부터 방출되는 광량이 증가할 수 있다.
도 3은 발광소자의 제2 실시예를 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 발광소자(200b)는 도 2의 실시예와 유사하되, 제1 도전형 반도체층(222)에 패턴이 형성되는 차이점이 있다. 패턴은 제1 도전형 반도체층(222)의 표면에 요부(concave)와 철부(convex)가 형성되어 이루어지며, 철부들은 상술한 관통 전극(233)과 대응하며 배치되고, 요부들은 관통 전극(233) 사이의 영역과 대등하며 형성될 수 있다.
도 4는 도 3의 발광 구조물의 일 실시 예를 상세히 나타낸 도면이다.
도 4를 참고하면, 실시 예의 패시베이션층(280)은 내부에 복수 개의 양자점(281)을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 공명 에너지 전달을 하기 위하여 양자점(281)을 배치하기 위한 별도의 층을 구성하게 되면 발광소자의 발광효율을 저하시키게 되기 때문에 별도의 층을 구성 하지 않고 기존에 구비되는 상기 패시베이션층(280)의 내부에 복수 개의 양자점(281)을 배치함으로 인하여 발광소자의 발광효율을 증대시키는 효과가 있다.
패시베이션층(280)은 복수 개의 양자점(281)을 포함할 수 있는 제2높이(P)로 구비될 수 있다.
제2높이(P)는 복수 개의 양자점(281)을 포함하며, 패시베이션층(280)의 본래의 역할인 절연역할을 할 수 있도록 구비되면 족하며 사용자의 필요에 따라 변화할 수 있고 도면에 도시된 다른 층들과의 상대적 높이에 한정되지 않고, 본 발명의 권리범위를 제한하지 않는다.
상기 복수 개의 양자점(281)은 패시베이션층(280)을 형성하는 공정에서 동시에 형성될 수 있어 종래 양자점(281)을 도포하는 방식에 비하여 보다 균일한 위치에 양자점(281)을 형성할 수 있어 품질의 균일성이 증대되는 효과가 있다.
또한, 상기 복수 개의 양자점(281)은 패시베이션층(280)을 형성하는 공정에서 동시에 형성되기 때문에 상기 복수 개의 양자점(281)은 패시베이션층(280)과 같은 실리콘 산화물(SiO2)층, 산화 질화물층, 산화 알루미늄층으로 이루어질 수 있다.
다만, 상대적으로 저온인 200°C 내지 500°C에서 형성될 수 있으며, 저온에서 형성되는 비정질 실리콘(a-Si)으로 구비될 수 있다.
비정질 실리콘은 비 결정구조를 가지는 형태의 실리콘이다. 단결정 실리콘은 외곽 전자가 모두 이웃 실리콘과 공유 결합을 하고 있는 다이아몬드 구조로 구성되어 있지만, 비정질 실리콘에는 이웃원자와 결합을 하지 못하고 남은 미결합(Dangling Bond)상태로 존재하는 실리콘 원자가 상당수 존재한다. 따라서 비정질 실리콘은 결정의 주기성이 결여되어 장거리 질서가 없고, 단거리 질서만 유지하게 된다.
비정질 실리콘은 규칙성이 없어 전기적 특성이 비교적 낮기 때문에 공명 에너지 전달의 어셉터 역할을 함과 동시에 실시 예의 패시베이션층(280)의 본질적인 역할인 절연층의 역할 또한 할 수 있다.
실시 예의 복수 개의 양자점(281)의 직경(R)은 1nm 내지 10nm로 구비될 수 있다.
이는, 상기 양자점(281)이 어셉터역할을 하여 가시광 영역을 발광하기 위함이다.
만약, 실시 예의 발광소자가 가시광영역 외의 영역, 예컨대 자외선 혹은 적외선을 발광하기 위해서는 상기 양자점(281)의 직경(R)은 1nm 미만 혹은 10nm이상으로 구비될 수도 있으며, 상기 양자점(281)의 직경(R)의 범위는 양자점(281)이 가시광영역의 광을 발광한다는 전제에서 예를 든 것이며 이는 사용자의 필요에 따라 변형될 수 있고 나아가 본 발명의 권리범위를 제한하는 것도 아니다.
전술한 바와 달리 실시 예의 양자점(281)은 KSF형광체로 구비될 수도 있다.
현재 일반적으로 쓰이는 적색 질화물 형광체의 대안으로 KSF형광체가 새로운 대안으로 제시되고 있는데, KSF형광체는 비희토류 적색 형광체로써 합성공정조건이 까다롭지만 빠른 합성과 낮은 단가로 생산성이 높이며, 높은 발광효율로 따뜻한 백색 발광소자용 형광체로서 제시되고 있다.
KSF형광체는 일반적으로 사용되는 적색 질화물 형광체에 비해 잔광시간이 길기 때문에 고출력 발광소자 또는 교류적용 발광소자에 사용될 경우 잔상이 발생하는 등 문제점이 있었다.
실시 예의 양자점(281)이 KSF형광체로 구비된다면 공명 에너지 전달현상에 의해 KSF형광체의 잔광시간을 단축시키는 것이 가능해져, 좁은 반치폭 스펙트럼을 가지고 있어 넓은 색영역 구현이 가능한 KSF형광체를 사용할 수 있는 효과가 있다.
실시 예의 제1 도전형 반도체층(222)은 제1높이(H1)을 갖도록 구비될 수 있다.
제1높이(H1)이 1nm이하로 구비된다면 전류 스프레딩 특성이 저하되어 상기 활성층(224)에서 광을 발광하기 어렵고, 제1높이(H1)가 10nm이상이라면 활성층(224)에서 발생한 에너지가 후술할 패시베이션층(285)내에 배치된 양자점(281)에 전달하기 어려워 공명에너지를 전달받을 수 없어 광 효율의 손실이 발생하게 되기 때문이다.
따라서, 상기 제1높이(H1)은 1nm 내지 10nm로 구비될 수 있다.
실시 예의 제2 도전형 반도체층(226)은 제3높이(H2)를 갖도록 구비될 수 있다.
제3높이(H2)가 500nm이하로 구비되는 경우, 제2 도전형 반도체층(226)은 제1 도전형 반도체층(222)에 비해 상대적으로 낮은 전류 스프레딩 특성을 갖기 때문에 활성층(224)에서 빛을 발광하는 것이 어렵다.
따라서, 상기 제3높이(H2)는 500nm로 구비될 수 있다.
다만, 전술한 제1높이(H1) 및 제3높이(H2)는 일 실시 예를 서술한 것이며, 사용자의 필요에 따라 상기 제1높이(H1) 및 제3높이(H2)는 변형될 수 있고, 나아가 이는 본 발명의 권리범위를 제한하지 아니한다.
도 5는 도 3의 발광 구조물의 다른 실시 예를 상세히 나타낸 도면이다.
도 5를 참고하면, 도 4에 도시된 바와 달리 실시 예의 패시베이션층(280)은 내부에 복수 개의 서로 다른 직경을 가지는 양자점(281)을 포함할 수 있다.
상기 패시베이션층(280)에 배치되는 복수 개의 양자점(281)들이 서로 다른 직경을 갖도록 구비되면, 양자점(281)에 의해 발광하는 빛의 파장대가 다양해지는 효과가 있다.
예컨대, 양자점(281)의 직경이 작은 경우에는 녹색 계열의 광을 발광할 수 있고, 양자점(281)의 직경이 큰 경우에는 붉은색 계열의 광을 발광할 수 있다.
동일한 직경을 갖는 양자점(281)보다 다양한 색상을 구현할 수 있는 효과가 발생하여 이른바 High CRI(Color Rendering Index) 발광소자를 구현할 수 있다.
CRI라 함은, 자연광과 비교하여 얼마나 다양한 색상의 광을 발광하는 척도이다.
즉, 일반적으로 다양한 색상의 광을 발광하기 위해서는 발광구조물(220)에 형광체 등을 구비하여야 하지만 실시 예의 발광소자와 같이 패시베이션층(280)에 서로 다른 직경을 갖는 복수 개의 양자점(281)을 구비함으로 인하여 별도의 색상 발광 구조 없이 다양한 색상의 광을 발광할 수 있는 효과가 있다.
상기 서로 다른 직경을 갖는 복수 개의 양자점(281)은 직경에 상관없이 무작위로 배치될 수 있다.
하지만, 상기 복수 개의 양자점(281)은 직경에 따라 일정한 규칙을 가지고 배치되도록 구비될 수 도 있다.
이는 이하 도 6을 통하여 자세히 설명하도록 한다.
도 6은 실시 예의 발광소자에 배치되는 패시베이션층에 구비되는 양자점을 자세히 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 상기 복수 개의 양자점(281)은 패시베이션층(280)의 하부에서부터 상부로 갈수록 직경이 커지도록 구비될 수 있다.
일반적으로 패시베이션층(280)은 상기 제1 도전형 반도체층(222)의 상부에서부터 순차적으로 형성되는데, 양자점(281)은 패시베이션층(280)을 형성하는 공정에서 상기 패시베이션층(280)과 일체로 형성되게 된다.
따라서, 하부에서는 비교적 작은 직경을 갖는 양자점(281)을 형성하고, 상부로 갈수록 비교적 큰 직경을 갖는 양자점(281)을 형성하도록 구비될 수 있다.
패시베이션층(280)의 성장 방향에 따라 일정한 규칙을 가지도록 양자점(281)이 형성됨으로 인하여 보다 균일한 색분포를 가지는 광을 발광할 수 있는 효과가 있다.
다만, 전술한 양자점(281)의 직경에 대한 경향성은 일 실시 예를 든 것이고, 사용자의 필요에 따라 다양하게 변형 가능하다.
예를 들자면, 양자점(281)의 직경은 패시베이션층(2801)의 하부에서 상부로 갈수록 감소하도록 구비될 수도 있고, 증가하다 감소하도록 구비될 수 도 있으며 다양한 프로파일(Profile)을 가질 수 있다.
따라서, 이는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니다.
도 7은 실시 예의 발광소자가 배치된 발광소자 패키지의 일실시예를 나타낸 도면이다.
발광소자 패키지(400)는 캐비티(cavity)를 가지는 패키지 몸체(410)에 제1 리드 프레임(421) 및 제2 리드 프레임(422)이 배치될 수 있으며, 제1 리드 프레임(421) 및 제2 리드 프레임(422)이 패키지 몸체(410)를 관통하며 배치되고 있으나 다른 형상으로 배치될 수도 있다.
발광 소자(200)는 제1 리드 프레임(421) 및 제2 리드 프레임(422)와 와이어(430)로 전기적으로 연결되며 배치되고, 캐비티 내에는 몰딩부(440)가 채워지며, 몰딩부(440)는 형광체(445)를 포함할 수 있다.
도 7의 발광소자 패키지(400)에서, 발광소자(200)에서 제1 파장 영역의 광 예를 들면 청색 파장 영역의 광이 방출되고, 형광체(445)가 제1 파장 영역의 광에 의하여 여기되어 보다 장파장인 제2 파장 영역의 광을 방출할 수 있으며, 제1 파장 영역의 광과 제2 파장 영역의 광이 혼합되어 제3 파장 영역의 광 예를 들면 백색광을 구현할 수 있다
실시 예에 따른 발광 소자 패키지는 복수 개가 기판 상에 어레이될 수 있고, 발광 소자 패키지의 광 경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트 등이 배치될 수 있다. 이러한 발광 소자 패키지, 기판, 광학 부재는 백라이트 유닛으로 기능할 수 있다.
또한, 실시 예에 따른 발광 소자 패키지를 포함하는 표시 장치, 지시 장치, 조명 장치로 구현될 수 있다.
여기서, 표시 장치는 바텀 커버와, 바텀 커버 상에 배치되는 반사판과, 광을 방출하는 발광 모듈과, 반사판의 전방에 배치되며 발광 모듈에서 발산되는 빛을 전방으로 안내하는 도광판과, 도광판의 전방에 배치되는 프리즘 시트들을 포함하는 광학 시트와, 광학 시트 전방에 배치되는 디스플레이 패널과, 디스플레이 패널과 연결되고 디스플레이 패널에 화상 신호를 공급하는 화상 신호 출력 회로와, 디스플레이 패널의 전방에 배치되는 컬러 필터를 포함할 수 있다. 여기서 바텀 커버, 반사판, 발광 모듈, 도광판, 및 광학 시트는 백라이트 유닛(Backlight Unit)을 이룰 수 있다.
또한, 조명 장치는 기판과 실시 예에 따른 발광 소자 패키지를 포함하는 광원 모듈, 광원 모듈의 열을 발산시키는 방열체, 및 외부로부터 제공받은 전기적 신호를 처리 또는 변환하여 광원 모듈로 제공하는 전원 제공부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 조명 장치는, 램프, 해드 램프, 또는 가로등을 포함할 수 있다.
해드 램프는 기판 상에 배치되는 발광 소자 패키지들을 포함하는 발광 모듈, 발광 모듈로부터 조사되는 빛을 일정 방향, 예컨대, 전방으로 반사시키는 리플렉터(reflector), 리플렉터에 의하여 반사되는 빛을 전방으로 굴절시키는 렌즈, 및 리플렉터에 의하여 반사되어 렌즈로 향하는 빛의 일부분을 차단 또는 반사하여 설계자가 원하는 배광 패턴을 이루도록 하는 쉐이드(shade)를 포함할 수 있다.
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, 200a, 200b: 발광소자 120, 220: 발광 구조물
122, 222: 제1 도전형 반도체층 124, 224: 활성층
126, 226: 제2 도전형 반도체층 132: 제1 전극
136: 제2 극 232: 제1 도전층
233: 관통 전극 236: 제2 도전층
236a, 236b: 제2 전극 240: 오믹층
250: 반사층 260: 채널
270: 도전성 지지기판 280: 패시베이션층
285: 절연층 300: 도전성 기판
281: 양자점

Claims (9)

  1. 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물;
    상기 발광 구조물의 표면 중 적어도 일부에 배치된 패시베이션층; 및
    상기 패시베이션층 내에 배치되는 복수 개의 양자점을 포함하는 발광소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 양자점은 상기 패시베이션층과 동일한 물질인 발광소자.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 복수 개의 양자점은 비정질 실리콘인 발광소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 양자점은 KSF형광체인 발광소자.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 양자점은 서로 다른 직경을 가지는 발광소자.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 복수 개의 양자점의 직경은 상기 패시베이션층의 하부에서 상기 패시베이션층의 상부로 갈수록 커지도록 구비되는 발광소자.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층의 두께는 1nm 내지 10nm인 발광소자.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 양자점의 직경은 1nm 내지 10nm인 발광소자.
  9. 패키지몸체;
    상기 패키지몸체에 배치된 제1 전극층과 제2 전극층; 및
    상기 패키지몸체상에 배치되고, 상기 제1 전극층과 제2 전극층에 전기적으로 연결되는 제1 항 내지 제8항 중 어느 한 항의 발광소자를 포함하는 발광소자 패키지.
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