KR20170109899A - 발광소자 및 조명장치 - Google Patents

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KR20170109899A
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light emitting
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백광선
황정현
한대섭
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

실시예는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명장치에 관한 것이다.
실시예는 제1 도전형 반도체층과, 양자우물과 양자벽을 포함하여 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되는 활성층 및 상기 활성층 상에 배치되는 제2 도전형 반도체층을 포함할 수 있다. 상기 양자우물은 상기 제2 도전형 반도체층에 비해 상기 제1 도전형 반도체층에 인접하게 배치되는 제1 양자우물과, 상기 제1 도전형 반도체층에 비해 상기 제2 도전형 반도체층에 인접하게 배치되는 제2 양자우물을 포함할 수 있다. 상기 제1 양자우물은 제1 깊이와 제1 너비를 가지며, 상기 제2 양자우물은 상기 제1 깊이보다 얕은 제2 깊이와 상기 제1 너비보다 큰 제2 너비를 구비할 수 있다.

Description

발광소자 및 조명장치{LIGHT EMITTING DEVICE AND LIGHTING APPARATUS}
실시예는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명장치에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전류가 인가되면 광을 방출하는 발광 소자 중 하나이며, 저 전압으로 고효율의 광을 방출할 수 있어 에너지 절감 효과가 뛰어나다. 최근, 발광 다이오드의 휘도 문제가 크게 개선되어, 액정표시장치의 백라이트 유닛(Backlight Unit), 전광판, 표시기, 가전 제품 등과 같은 각종 기기에 적용되고 있다.
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 청색(Blue) 발광소자, 녹색(Green) 발광소자, 자외선(UV) 발광소자, 적색(RED) 발광소자 등은 상용화되어 널리 사용되고 있다.
종래기술에 의한 발광소자는 전극층이 에피층의 한쪽 방향에 배치되는 수평형 (Lateral Type) 발광소자와 전극층이 에피층의 저면과 상면에 배치되는 수직형(Vertical type) 발광소자가 있다.
종래기술에서 발광소자는 n형 반도체층에서 주입되는 전자와 p형 반도체층에서 주입되는 홀이 활성층의 양자우물(Quantum Well)에서 재결합(recombination)되고, 양자우물의 밴드갭 에너지에 해당하는 빛이 발광되므로, 양자우물(Quantum Well)은 LED의 특성을 좌우하는 중요한 인자이다.
한편 종래기술에 의하면 양자우물(Quantum Well)이 넓을 수록 전체적인 발광영역이 넓어지는 장점이 있으나, 양자우물을 형성하기 위해 채용되는 인듐(In)의 양이 증가함에 따라 격자상수 차이가 커져서 박막 품질의 저하가 발생하여 실질적인 발광재결합(radiation recombination) 효율이 저하되는 기술적 모순이 있다.
또한 종래기술에서 전자(electron)에 비하여 정공(hole)의 주입량이 적고, 이동도(Mobility)가 낮기 때문에, 상대적으로 p형 반도체층에 근접한 양자우물에서 재결합(recombination) 효율이 높고 n형 반도체층에 인접한 양자우물에서는 발광 재결합 효율이 낮아 전체적으로 고른 발광효율이 되지 않는 문제가 있다.
실시예는 양자우물(Quantum Well)이 넓어서 전체적인 발광영역이 넓으면서도, 활성층의 박막 품질이 높아 발광재결합(radiation recombination) 효율이 향상된 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명장치를 제공하고자 한다.
또한 실시예는 p형 반도체층에 근접한 양자우물에서 재결합(recombination) 효율이 높을 뿐만 아니라, n형 반도체층에 인접한 양자우물에서도 발광 재결합 효율이 높아 전체적으로 고른 발광재결합 효율에 의해 광 특성이 향상된 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명장치를 제공하고자 한다.
실시예는 제1 도전형 반도체층과, 양자우물과 양자벽을 포함하여 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되는 활성층 및 상기 활성층 상에 배치되는 제2 도전형 반도체층을 포함할 수 있다. 상기 양자우물은 상기 제2 도전형 반도체층에 비해 상기 제1 도전형 반도체층에 인접하게 배치되는 제1 양자우물과, 상기 제1 도전형 반도체층에 비해 상기 제2 도전형 반도체층에 인접하게 배치되는 제2 양자우물을 포함할 수 있다. 상기 제1 양자우물은 제1 깊이와 제1 너비를 가지며, 상기 제2 양자우물은 상기 제1 깊이보다 얕은 제2 깊이와 상기 제1 너비보다 큰 제2 너비를 구비할 수 있다.
실시예에 따른 조명장치는 상기 발광소자를 구비하는 발광유닛을 포함할 수 있다.
실시예는 양자우물(Quantum Well)이 넓어서 전체적인 발광영역이 넓어면서, 활성층의 박막 품질이 높아 발광재결합(radiation recombination) 효율이 향상된 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명장치를 제공할 수 있다.
또한 실시예는 p형 반도체층에 근접한 양자우물에서 재결합(recombination) 효율이 높을 뿐만 아니라, n형 반도체층에 인접한 양자우물에서도 발광 재결합 효율이 높아 전체적으로 고른 발광재결합 효율에 의해 광 특성이 향상된 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명장치를 제공할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 발광소자의 단면도.
도 2는 제1 실시예에 따른 발광소자의 밴드갭 다이어 그램 예시도.
도 3은 실시예에 따른 발광소자와 비교예의 발광특성 데이터.
도 4는 제2 실시예에 따른 발광소자의 밴드갭 다이어 그램 예시도.
도 5 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 단면도이며, 도 2는 제1 실시예에 따른 발광소자의 밴드갭 다이어그램의 예시도이다.
도 1은 수평형 발광소자를 기준으로 도시되어 있으나, 실시예에 이에 한정되는 것은 아니며, 수직형 발광소자 등에도 적용이 가능하다.
실시예에 따른 발광소자는 기판(105), 버퍼층(113), 발광구조층(110), 전자차단층(118), 투광성 전극층(140), 전류확산층(130), 제1 전극(151), 제2 전극(152) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 기판(105)에는 요철구조(P)가 형성될 수 있다.
상기 발광구조층(110)은 제1 도전형 반도체층(112), 활성층(114), 제2 도전형 반도체층(116)을 포함할 수 있다.
실시예는 양자우물(Quantum Well)이 넓어서 전체적인 발광영역이 넓어지면서도, 활성층의 박막 품질이 높아 발광재결합(radiation recombination) 효율이 향상된 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명장치를 제공하고자 한다.
또한 실시예는 p형 반도체층에 근접한 양자우물에서 재결합(recombination) 효율이 높을 뿐만 아니라, n형 반도체층에 인접한 양자우물에서도 발광 재결합 효율이 높아 전체적으로 고른 발광재결합 효율에 의해 광 특성이 향상된 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명장치를 제공하고자 한다.
이러한 기술적 과제를 해결하기 위해, 실시예에 따른 발광소자는 제1 도전형 반도체층(112)과, 양자우물(114W)과 양자벽(114B)을 포함하여 상기 제1 도전형 반도체층(112) 상에 배치되는 활성층(114) 및 상기 활성층(114) 상에 배치되는 제2 도전형 반도체층(116)을 포함할 수 있다.
도 2와 같이, 실시예에서 상기 양자우물(114W)은 상기 제2 도전형 반도체층(116)에 비해 상기 제1 도전형 반도체층(112)에 인접하게 배치되는 제1 양자우물(114W1)과 상기 제1 도전형 반도체층(112)에 비해 상기 제2 도전형 반도체층(116)에 인접하게 배치되는 제2 양자우물(114W2)을 포함할 수 있다.
상기 제1 양자우물(114W1)은 제1 깊이(D1)와 제1 너비(W1)를 가지며, 상기 제2 양자우물(114W2)은 상기 제1 깊이(D1)보다 얕은 제2 깊이(D2)와 상기 제1 너비(W1)보다 큰 제2 너비(W2)를 구비할 수 있다.
상기 제1 양자우물(114W1)의 에너지 준위는 상기 제2 양자우물의 에너지 준위보다 낮을 수 있다.
종래기술에 의하면, LED의 광특성은 양자우물(Quantum Well)이 넓을 수록 전자와 정공을 많이 보유(confining) 할 수 있어 재결합 효율을 늘릴 수 있으나, 양자우물이 넓을수록 인듐(In)의 %가 높아지는데, 이러한 양자우물에 채용되는 인듐(In)은 저온 성장층이며 인듐 %가 높을 수록 갈륨(Ga)과 인듐(In) 간의 격자상수 차이에 의해 박막의 품질이 저하 되고, 디펙트(defect)가 형성되어 재결합 효율을 떨어뜨려 광특성을 저하 시키는 문제가 있다.
또한 종개기술에서 전자에 비해 정공(hole)은 농도(concentration)가 낮아 주입량이 적고, 이동도(Mobility) 또한 낮기 때문에, 상대적으로 p형 반도체층에 근접한 양자우물에서는 발광 재결합(recombination) 효율이 높고, n형 반도체층에 인접한 양자우물일수록 홀(hole)이 부족하여 발광재결합 효율이 낮아지는 결과를 초래한다.
실시예에 따른 발광소자는 양자우물에서의 전자(electron)와 홀(hloe)의 재결합율과 홀의 주입 효율 및 양자우물의 박막 특성을 고품질로 극대화 하기 위해 양자우물의 깊이와 너비를 최적의 구조로 설계함으로써, 양자우물(Quantum Well)이 넓어서 전체적인 발광영역이 넓어지면서도, 활성층의 박막 품질이 높아 발광재결합(radiation recombination) 효율이 향상된 발광소자를 제공할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 제1 도전형 반도체층(112)에서 제2 도전형 반도체층(116)으로 갈수록 양자우물(114W)에 In % 량이 낮으면, 즉 양자우물의 깊이가 얕으면 상대적으로 좋은 품질을 유지 할 수 있으며, 동시에 양자우물(114W)의 에너지 준위(energy state)가 높기 때문에 홀(hole)이 더 잘 주입 될 수 있다.
한편, 실시예에서 In%량이 낮으면 밴드갭 에너지가 크기 때문에 파장이 단파장으로 쉬프트(shift)되어 여러 개의 양자우물에서의 In % 량이 각각 다르면 단일 색깔의 빛이 나오지 않을 수 있다. 이에 실시예는 양자우물의 두께를 최적화하여 각각의 양자우물에서의 두께와 깊이가 다르지만 하나의 색깔을 나타내는 빛을 발광하면서도 광특성이 매우 우수한 발광소자를 제공할 수 있다. 예를 들어, In%가 낮아 높은 에너지 준위인 양자우물에서는 양자우물의 너비를 두껍게 하여 발광하는 빛의 에너지 준위를 낮추어 상대적으로 장파장의 빛이 나오도록 하여 전체적은 같은 색깔의 빛을 발광하는 발광소자를 제공할 수 있다.
또한 실시예는 p형 반도체층에 근접한 양자우물에서 재결합(recombination) 효율이 높을 뿐만 아니라, n형 반도체층에 인접한 양자우물에서도 발광 재결합 효율이 높아 전체적으로 고른 발광재결합 효율에 의해 광 특성이 향상된 발광소자를 제공할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 제2 도전형 반도체층(116)에 인접한 제2 양자우물(114W2)의 제2 너비(W2)를 제1 양자우물(114W1)의 제1 너비(W1) 보다 넓게 하여, 이동도(mobility)가 낮은 홀이 주 발광이 이루어지는 제2 도전형 반도체층(116)에 인접한 제2 양자우물(114W2)이 넓을수록 많은 홀(hole)/전자(electron)를 보유하여 재결합 효율을 개선 시킬 수 있다.
이와 함께 제2 양자우물(114W2)의 에너지 준위가 제1 양자우물(114W1)의 에너지 준위보다 높으므로 제2 양자우물(114W2)에서 제1 양자우물(114W1) 방향으로 홀의 주입이 더욱 원활이 진행될 수 있다.
상기 제2 양자우물(114W2)의 제2 너비(W2)는 제1 양자우물(114W1)의 제1 너비(W1)에 비해 약 1.1~1.3배일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 너비 비율이 하한의 미만의 경우 너비 차이에 따른 에너지 준위 차이가 미비할 수 있고, 너비 비율이 상항을 초과하는 경우 에너지 준위 차이가 너무 커서 파장 스펙트럼이 단일 빛의 스펙트럼이 되지 않을 수 있다.
상기 제2 양자우물(114W2)의 제2 깊이(D2)는 제1 양자우물(114W1)의 제1 깊이(D1)에 비해 약 0.6~0.8배일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 깊이 비율이 하한의 미만의 경우 에너지 준위 차이가 너무 커서 파장 스펙트럼이 단일 빛의 스펙트럼이 되지 않을 수 있으며, 상한 이상의 경우 깊이 차이에 따른 에너지 준위 차이가 미비할 수 있다.
실시예에 의하면 p형 반도체층에 근접한 양자우물에서 재결합(recombination) 효율이 높을 뿐만 아니라, n형 반도체층에 인접한 양자우물에서도 발광 재결합 효율이 높아 전체적으로 고른 발광재결합 효율에 의해 광 특성이 향상된 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명장치를 제공할 수 있다.
도 3은 실시예에 따른 발광소자와 비교예의 발광특성 데이터이다.
실시예에 따른 발광소자는 활성층의 결정품질의 향상, 발광 재결합 효율의 향상, 홀주입 효율 향상의 복합적인 효과에 의해, 실시예의 발광효율(E)은 비교예의 발광효율(R)에 비해 현저히 상승되었다.
도 4는 제2 실시예에 따른 발광소자의 밴드갭 다이어 그램 예시도이다.
제2 실시예는 제1 실시예의 기술적인 특징을 채용할 수 있으며, 이하 제2 실시예의 기술적인 특징을 중심으로 설명하기로 한다.
도 4를 참조하면, 제2 실시예는 상기 제1 양자우물(114W1)과 상기 제2 양자우물(114W2) 사이에 제3 양자우물(114W3)을 구비할 수 있고, 상기 제3 양자우물(114W3)은 상기 제1 양자우물(114W1)보다 높은 에너지 준위를 구비하며, 상기 제2 양자우물(114W2)보다 낮은 에너지 준위를 구비할 수 있다.
실시예에서 상기 제3 양자우물(114W3)은 상기 제1 깊이(D1)보다 얕은 제3 깊이(D3)와 상기 제1 너비(W1)보다 큰 제3 너비(W3)를 구비할 수 있다.
또한 상기 제3 양자우물(114W3)은 상기 제2 깊이(D2)보다 깊은 제3 깊이(D3)와 상기 제2 너비(W2)보다 작은 제3 너비(W3)를 구비할 수 있다.
실시예에 의하면, 양자우물의 깊이와 너비를 최적으로 설계함으로써 활성층(114)에서의 전자(electron)와 홀(hole)의 재결합율(recombination rate)과 홀주입 효율(hole injection efficiency) 및 활성층(active layer)의 고품질를 동시에 충족시킬 수 있는 발광소자를 제공할 수 있다.
실시예에 의하면, 도 4와 같이 제1 도전형 반도체층(112)에서 제2 도전형 반도체층(116)으로 갈수록 양자우물(114W)의 너비(width)는 넓게 하여 전자(electron)와 홀(hole)의 재결합율(recombination rate)을 극대화시키고, 양자우물의 깊이(depth)는 얇게 하여 에너지 준위(energy state)를 높여, 홀(hole)의 주입효율(injection efficiency)을 를 극대화 할 수 있다. 또한 양자우물의 깊이가 낮다는 것은 상대적으로 In %가 낮은 것으로 양자우물의 품질 또한 개선되어 디펙트가 감소됨에 따라 발광효율이 매우 증대되었다.
제2 실시예에서 상기 제1 양자우물(114W1): 제2 양자우물(114W2): 제3 양자우물(114W3)의 두께비는 0.75~0.85: 1: 1.15~1.25일 수 있다.
실시예에 상기 상대적 두께 비율을 벗어나게 되면 파장을 하나의 스펙트럼(spectrum)으로 만들기 어려우며, 백색 패키지(white PKG)를 제작 했을 때의 광속이 저하될 수 있다. 통상 백색광은 청색 LED와 형광체 조합에 의해 만들어 지는데, 형광체는 특정 파장에서 여기 효율이 가장 좋아 파장 스펙트럼(spectrum)이 좁을수록 효율을 극대화 할 수 있다.
이하, 도 5 내지 도 7을 참조하여 실시예에 따른 발광소자의 제조방법을 설명하기로 한다.
먼저, 도 5와 같이 기판(105)이 준비될 수 있다. 상기 기판(105)은 열전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있으며, 전도성 기판 또는 절연성 기판일수 있다.
예를 들어, 상기 기판(105)은 GaAs, 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, 및 Ga203 중 적어도 하나가 사용될 수 있다. 상기 기판(105) 위에는 요철 구조(P)가 형성되어 광추출 효율을 향상시킬 수 있으나, 요철 구조(P)가 필수적인 구성은 아니다. 상기 기판(105)에 대해 습식세척을 하여 표면의 불순물을 제거할 수 있다.
상기 기판(105) 위에는 버퍼층(113)이 형성될 수 있다. 상기 버퍼층(113)은 이후 형성되는 발광구조층(110)와 상기 기판(105)간의 격자 부정합을 완화시켜 줄 수 있다.
상기 버퍼층(113)은 3족-5족 화합물 반도체 예컨대, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 상기 버퍼층 위에는 언도프드(undoped) 반도체층(미도시)이 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정되지는 않는다.
이후, 상기 기판(105) 또는 상기 버퍼층 상에 제1 도전형 반도체층(112), 활성층(114) 및 제2 도전형 반도체층(116)을 포함하는 발광구조층(110)가 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(112)은 반도체 화합물, 예를 들어 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 도전형 반도체층(112)이 n형 반도체층인 경우, 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.
상기 제1 도전형 반도체층(112)은 화학증착방법(CVD) 혹은 분자선 에피택시 (MBE) 혹은 스퍼터링 혹은 수산화물 증기상 에피택시(HVPE) 등의 방법을 사용하여 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 제1 도전형 반도체층(112) 상에 활성층(114)이 형성될 수 있다.
상기 활성층(114)은 제1 도전형 반도체층(112)을 통해서 주입되는 전자와 이후 형성되는 제2 도전형 반도체층(116)을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 활성층(발광층) 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다.
상기 활성층(114)은 단일 양자우물 구조, 다중 양자우물 구조(MQW: Multi Quantum Well), 양자 선(Quantum-Wire) 구조, 또는 양자 점(Quantum Dot) 구조 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 활성층(114)은 양자우물(114W)/양자벽(114B) 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 활성층(114)은 InGaN/GaN, InGaN/InGaN, GaN/AlGaN, InAlGaN/GaN, GaAs/AlGaAs, InGaP/AlGaP, GaP/AlGaP중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
이하, 도 2 및 도 4를 참조하여 실시예에 따른 활성층(114)의 기술적인 특징을 상술하기로 한다.
도 2와 같이, 실시예에서 상기 양자우물(114W)은 상기 제2 도전형 반도체층(116)에 비해 상기 제1 도전형 반도체층(112)에 인접하게 배치되는 제1 양자우물(114W1)과 상기 제1 도전형 반도체층(112)에 비해 상기 제2 도전형 반도체층(116)에 인접하게 배치되는 제2 양자우물(114W2)을 포함할 수 있다.
상기 제1 양자우물(114W1)은 제1 깊이(D1)와 제1 너비(W1)를 가지며, 상기 제2 양자우물(114W2)은 상기 제1 깊이(D1)보다 얕은 제2 깊이(D2)와 상기 제1 너비(W1)보다 큰 제2 너비(W2)를 구비할 수 있다.
상기 제1 양자우물(114W1)의 에너지 준위는 상기 제2 양자우물의 에너지 준위보다 낮을 수 있다.
실시예에 따른 발광소자는 양자우물에서의 전자(electron)와 홀(hloe)의 재결합율과 홀의 주입 효율 및 양자우물의 박막 특성을 고품질로 극대화 하기 위해 양자우물의 깊이와 너비를 최적의 구조로 설계함으로써, 양자우물(Quantum Well)이 넓어서 전체적인 발광영역이 넓어지면서도, 활성층의 박막 품질이 높아 발광재결합(radiation recombination) 효율이 향상된 발광소자를 제공할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 제1 도전형 반도체층(112)에서 제2 도전형 반도체층(116)으로 갈수록 양자우물(114W)에 In % 량이 낮으면, 즉 양자우물의 깊이가 얕으면 상대적으로 좋은 품질을 유지 할 수 있으며, 동시에 양자우물(114W)의 에너지 준위(energy state)가 높기 때문에 홀(hole)이 더 잘 주입 될 수 있다.
한편, 실시예에서 In%량이 낮으면 밴드갭 에너지가 크기 때문에 파장이 단파장으로 쉬프트(shift)되어 여러 개의 양자우물에서의 In % 량이 각각 다르면 단일 색깔의 빛이 나오지 않을 수 있다. 이에 실시예는 양자우물의 두께를 최적화하여 각각의 양자우물에서의 두께와 깊이가 다르지만 하나의 색깔을 나타내는 빛을 발광하면서도 광특성이 매우 우수한 발광소자를 제공할 수 있다. 예를 들어, In%가 낮아 높은 에너지 준위인 양자우물에서는 양자우물의 너비를 두껍게 하여 발광하는 빛의 에너지 준위를 낮추어 상대적으로 장파장의 빛이 나오도록 하여 전체적은 같은 색깔의 빛을 발광하는 발광소자를 제공할 수 있다.
또한 실시예는 p형 반도체층에 근접한 양자우물에서 재결합(recombination) 효율이 높을 뿐만 아니라, n형 반도체층에 인접한 양자우물에서도 발광 재결합 효율이 높아 전체적으로 고른 발광재결합 효율에 의해 광 특성이 향상된 발광소자를 제공할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 제2 도전형 반도체층(116)에 인접한 제2 양자우물(114W2)의 제2 너비(W2)를 제1 양자우물(114W1)의 제1 너비(W1) 보다 넓게 하여, 이동도(mobility)가 낮은 홀이 주 발광이 이루어지는 제2 도전형 반도체층(116)에 인접한 제2 양자우물(114W2)이 넓을수록 많은 홀(hole)/전자(electron)를 보유하여 재결합 효율을 개선 시킬 수 있으며, 동시에 제2 양자우물(114W2)의 에너지 준위가 제1 양자우물(114W1)의 에너지 준위보다 높으므로 제2 양자우물(114W2)에서 제1 양자우물(114W1) 방향으로 홀의 주입이 더욱 원활이 진행될 수 있다.
상기 제2 양자우물(114W2)의 제2 너비(W2)는 제1 양자우물(114W1)의 제1 너비(W1)에 비해 약 1.1~1.3배일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 너비 비율이 하한의 미만의 경우 너비 차이에 따른 에너지 준위 차이가 미비할 수 있고, 너비 비율이 상항을 초과하는 경우 에너지 준위 차이가 너무 커서 파장 스펙트럼이 단일 빛의 스펙트럼이 되지 않을 수 있다.
상기 제2 양자우물(114W2)의 제2 깊이(D2)는 제1 양자우물(114W1)의 제1 깊이(D1)에 비해 약 0.6~0.8배일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 깊이 비율이 하한의 미만의 경우 에너지 준위 차이가 너무 커서 파장 스펙트럼이 단일 빛의 스펙트럼이 되지 않을 수 있으며, 상한 이상의 경우 깊이 차이에 따른 에너지 준위 차이가 미비할 수 있다.
실시예에 의하면 p형 반도체층에 근접한 양자우물에서 재결합(recombination) 효율이 높을 뿐만 아니라, n형 반도체층에 인접한 양자우물에서도 발광 재결합 효율이 높아 전체적으로 고른 발광재결합 효율에 의해 광 특성이 향상된 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명장치를 제공할 수 있다.
또한 도 4를 참조하면, 제2 실시예는 상기 제1 양자우물(114W1)과 상기 제2 양자우물(114W2) 사이에 제3 양자우물(114W3)을 구비할 수 있고, 상기 제3 양자우물(114W3)은 상기 제1 양자우물(114W1)보다 높은 에너지 준위를 구비하며, 상기 제2 양자우물(114W2)보다 낮은 에너지 준위를 구비할 수 있다.
실시예에서 상기 제3 양자우물(114W3)은 상기 제1 깊이(D1)보다 얕은 제3 깊이(D3)와 상기 제1 너비(W1)보다 큰 제3 너비(W3)를 구비할 수 있다.
또한 상기 제3 양자우물(114W3)은 상기 제2 깊이(D2)보다 깊은 제3 깊이(D3)와 상기 제2 너비(W2)보다 작은 제3 너비(W3)를 구비할 수 있다.
실시예에 의하면, 양자우물의 깊이와 너비를 최적으로 설계함으로써 활성층(114)에서의 전자(electron)와 홀(hole)의 재결합율(recombination rate)과 홀주입 효율(hole injection efficiency) 및 활성층(active layer)의 고품질를 동시에 충족시킬 수 있는 발광소자를 제공할 수 있다.
제2 실시예에서 상기 제1 양자우물(114W1): 제2 양자우물(114W2): 제3 양자우물(114W3)의 두께비는 0.75~0.85: 1: 1.15~1.25일 수 있다.
실시예에 상기 상대적 두께 비율을 벗어나게 되면 파장을 하나의 스펙트럼(spectrum)으로 만들기 어려우며, 백색 패키지(white PKG)를 제작 했을 때의 광속이 저하될 수 있다. 통상 백색광은 청색 LED와 형광체 조합에 의해 만들어 지는데, 형광체는 특정 파장에서 여기 효율이 가장 좋아 파장 스펙트럼(spectrum)이 좁을수록 효율을 극대화 할 수 있다.
실시예에 의하면, 제1 도전형 반도체층(112)에서 제2 도전형 반도체층(116)으로 갈수록 양자우물(114W)의 너비(width)는 넓게 하여 전자(electron)와 홀(hole)의 재결합율(recombination rate)을 극대화시키고, 양자우물의 깊이(depth)는 얇게 하여 에너지 준위(energy state)를 높여, 홀(hole)의 주입효율(injection efficiency)을 를 극대화 할 수 있다. 또한 양자우물의 깊이가 낮다는 것은 상대적으로 In %가 낮은 것으로 양자우물의 품질 또한 개선되어 디펙트가 감소됨에 따라 발광효율이 매우 증대되었다.
다시 도 5를 기준으로 설명하면, 활성층(114) 상에 전자차단층(118)이 형성되어 전자 차단(electron blocking) 및 활성층(114)의 클래딩(MQW cladding) 역할을 해줌으로써 발광효율을 개선할 수 있다.
예를 들어, 상기 전자차단층(118)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.
실시예에서 상기 전자차단층(118)은 p형으로 이온주입되어 오버플로우되는 전자를 효율적으로 차단하고, 홀의 주입효율을 증대시킬 수 있다.
다음으로, 상기 전자차단층(118) 상에 제2 도전형 반도체층(116)이 형성될 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(116)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 반도체층(116)은 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(116)은 제2 도전형 도펀트가 도핑된 3-족-5족 화합물 반도체 예컨대, InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤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.
상기 제2 도전형 반도체층(116)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 마그네슘(Mg)과 같은 p 형 불순물을 포함하는 비세틸 사이클로 펜타디에닐 마그네슘(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2}가 주입되어 p형 GaN층이 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
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 반도체 예컨대 n형 반도체층(미도시)을 형성할 수 있다. 이에 따라 발광구조층(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 6과 같이, 제1 도전형 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.
이후, 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, 발광구조층(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 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.
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.
도 8은 실시예에 따른 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 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 발광소자(100)에 전원을 제공하는 역할을 한다. 또한, 상기 제3 전극층(213) 및 제4 전극층(214)은 상기 발광소자(100)에서 발생된 빛을 반사시켜 광 효율을 증가시키는 역할을 할 수 있으며, 상기 발광 소자(100)에서 발생된 열을 외부로 배출시키는 역할을 할 수도 있다.
상기 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 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 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.
기판(105), 버퍼층(113), 발광구조층(110),
제1 도전형 반도체층(112), 활성층(114), 제2 도전형 반도체층(116),
전자차단층(118), 투광성 전극층(140), 전류확산층(130),
제1 전극(151), 제2 전극(152)

Claims (8)

  1. 제1 도전형 반도체층;
    양자우물과 양자벽을 포함하여 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되는 활성층; 및
    상기 활성층 상에 배치되는 제2 도전형 반도체층을 포함하고,
    상기 양자우물은,
    상기 제2 도전형 반도체층에 비해 상기 제1 도전형 반도체층에 인접하게 배치되는 제1 양자우물과,
    상기 제1 도전형 반도체층에 비해 상기 제2 도전형 반도체층에 인접하게 배치되는 제2 양자우물;을 포함하고,
    상기 제1 양자우물은 제1 깊이와 제1 너비를 가지며,
    상기 제2 양자우물은 상기 제1 깊이보다 얕은 제2 깊이와 상기 제1 너비보다 큰 제2 너비를 구비하는 발광소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 양자우물의 에너지 준위는 상기 제2 양자우물의 에너지 준위보다 낮은 발광소자.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 제1 양자우물에서 발광되는 제1 빛과 상기 제2 양자우물에서 발광되는 제2 빛은 같은 색깔인 발광소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 양자우물과 상기 제2 양자우물 사이에 제3 양자우물을 구비하며,
    상기 제3 양자우물은 상기 제1 양자우물보다 높은 에너지 준위를 구비하며, 상기 제2 양자우물보다 낮은 에너지 준위를 구비하는 발광소자.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제3 양자우물은 상기 제1 깊이보다 얕은 제3 깊이와 상기 제1 너비보다 큰 제3 너비를 구비하는 발광소자.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제3 양자우물은 상기 제2 깊이보다 깊은 제3 깊이와 상기 제2 너비보다 작은 제3 너비를 구비하는 발광소자.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제1 양자우물: 제2 양자우물: 제3 양자우물의 두께비는 0.75~0.85: 1: 1.15~1.25인 발광소자.
  8. 제1 항 내지 제7항 중 어느 하나에 기재된 발광소자를 구비하는 발광유닛을 포함하는 조명장치.
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