JP2011119734A - 発光素子、発光素子製造方法、発光素子パッケージ、及び照明システム - Google Patents
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Abstract
【課題】光効率が増加した発光素子、発光素子製造方法、発光素子パッケージ、及び照明システムを提供すること。
【解決手段】本発明に従う発光素子は、第１導電型のドーパントを含む第１導電型半導体層と、上記第１導電型のドーパントと異なる第２導電型のドーパントを含む第２導電型半導体層と、上記第１導電型半導体層と上記第２導電型半導体層との間に配置される活性層と、上記活性層と上記第２導電型半導体層との間に配置されて上記活性層及び上記第２導電型半導体層と接し、上記第２導電型のドーパントが含まれたＡｌＩｎＮ系半導体層と、を含む。
【選択図】図１
【解決手段】本発明に従う発光素子は、第１導電型のドーパントを含む第１導電型半導体層と、上記第１導電型のドーパントと異なる第２導電型のドーパントを含む第２導電型半導体層と、上記第１導電型半導体層と上記第２導電型半導体層との間に配置される活性層と、上記活性層と上記第２導電型半導体層との間に配置されて上記活性層及び上記第２導電型半導体層と接し、上記第２導電型のドーパントが含まれたＡｌＩｎＮ系半導体層と、を含む。
【選択図】図１
Description
本発明は、発光素子、発光素子製造方法、発光素子パッケージ、及び照明システムに関するものである。
発光素子として発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）が多く使われている。発光ダイオードは、化合物半導体の特性を用いて電気信号を赤外線または可視光のような光の形態に変換する。
最近、発光ダイオードの光効率が増加されるにつれて、ディスプレイ機器、照明機器を始めとする多様な電子電気装置に使われている。
本発明の目的は、新たな構造を有する発光素子、発光素子製造方法、発光素子パッケージ、及び照明システムを提供することにある。
本発明の他の目的は、内部量子効率が増加した発光素子、発光素子製造方法、発光素子パッケージ、及び照明システムを提供することにある。
本発明の更に他の目的は、光効率が増加した発光素子、発光素子製造方法、発光素子パッケージ、及び照明システムを提供することにある。
本発明の実施形態に従う発光素子は、第１導電型のドーパントを含む第１導電型半導体層と、上記第１導電型のドーパントと異なる第２導電型のドーパントを含む第２導電型半導体層と、上記第１導電型半導体層と上記第２導電型半導体層との間に配置される活性層と、上記活性層と上記第２導電型半導体層との間に配置されて上記活性層及び上記第２導電型半導体層と接し、上記第２導電型のドーパントが含まれたＡｌＩｎＮ系半導体層を含む。
本発明の実施形態に従う発光素子製造方法は、第１導電型半導体層を形成するステップと、上記第１導電型半導体層の上に活性層を形成するステップと、上記活性層の上に第２導電型のドーパントが含まれたＡｌＩｎＮ系半導体層を形成するステップと、上記ＡｌＩｎＮ系半導体層の上に第２導電型半導体層を形成するステップと、を含む。
本発明によれば、新たな構造を有し、内部量子効率及び光効率が増加した発光素子、発光素子製造方法、発光素子パッケージ、及び照明システムを得ることができる。
本発明を説明するに当たって、各層（膜）、領域、パターン、または構造物が、基板、各層（膜）、領域、パッド、またはパターンの“上（on）”に、または“下（under）”に形成されることと記載される場合において、“上（on）”と“下（under）”は、“直接（directly）”または“他の層を介して（indirectly）”形成されることを全て含む。また、各層の上または下に対する基準は、図面を基準として説明する。
図面において、各層の厚さやサイズは説明の便宜及び明確性のために誇張、省略、または概略的に図示された。また、各構成要素のサイズは実際のサイズを全的に反映するのではない。
以下、添付の図面を参照しつつ実施形態に従う発光素子、発光素子パッケージ、及び発光素子製造方法について詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に従う発光素子を説明する図である。図１には水平型構造の発光素子が例示されている。
図１を参照すると、第１実施形態に従う発光素子１００は、基板１０、上記基板１０の上にバッファ層（図示せず）を含むアンドープド（Undoped）窒化物層２０、上記アンドープド窒化物層２０の上に第１導電型半導体層３０、上記第１導電型半導体層３０の上に活性層４０、上記活性層４０の上に電子障壁層５０、及び上記電子障壁層５０の上に第２導電型半導体層６０を含む。また、上記第１導電型半導体層３０の上には第１電極層７０が形成され、上記第２導電型半導体層６０の上には第２電極層８０が形成される。
また、上記第１導電型半導体層３０と上記活性層４０との間には第１導電型のドーパントが注入されたＩｎＧａＮ／ＧａＮスーパーラティス構造、またはＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮスーパーラティス構造が形成される。
上記基板１０は、例えば、サファイア基板（Ａｌ２Ｏ３）、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＰ、ＩｎＰ、Ｇｅのうち、少なくとも１つで形成されることができ、これに対して限定するのではない。上記基板１０の上面には複数の突出パターンが形成され、上記突出パターンは上記活性層４０から放出された光を散乱させて光効率を増加させることができる。例えば、上記突出パターンは、半球形状、多角形状、三角錐形状、ナノ柱形状のうち、いずれか１つの形状で形成される。
上記バッファ層（図示せず）は上記基板１０の上に形成され、例えばＧａＮ基盤物質で形成されるか、ＡｌＩｎＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮのような積層構造で形成される。
上記バッファ層（図示せず）は上記基板１０の上に形成され、例えばＧａＮ基盤物質で形成されるか、ＡｌＩｎＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮのような積層構造で形成される。
上記アンドープド窒化物層２０は上記バッファ層（図示せず）の上に形成され、例えばアンドープドＧａＮ層で形成できる。
上記第１導電型半導体層３０は第１導電型のドーパントを含むことができ、例えば、ｎ型半導体層を含むことができる。上記第１導電型半導体層３０は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式を有する半導体材料、例えばＩｎＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなどから選択されることができ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎなどのｎ型ドーパントがドーピングできる。
上記第１導電型半導体層３０は、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）ガス、アンモニア（ＮＨ３）ガス、シラン（ＳｉＨ４）ガスを水素ガスと共にチャンバーに注入して形成することもできる。
上記活性層４０は、上記第１導電型半導体層３０を通じて注入される電子（または、正孔）と上記第２導電型半導体層５０を通じて注入される正孔（または、電子）とが互いに会って、上記活性層４０の形成物質に従うエネルギーバンド（Energy Band）のバンドギャップ（Band Gap）の差によって光を放出する層である。上記活性層４０は、単一量子井戸構造、多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）、量子点構造、または量子線構造のうち、いずれか１つで形成できるが、これに限定されるのではない。
上記活性層４０は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式を有する半導体材料で形成できる。上記活性層４０が上記多重量子井戸構造で形成された場合、上記活性層４０は複数の井戸層と複数の障壁層が積層されて形成されることができ、例えば、ＩｎＧａＮ井戸層／ＧａＮ障壁層の周期で形成できる。
上記活性層４０は、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）ガス、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）ガス、及びアンモニア（ＮＨ３）ガスを水素ガスと共にチャンバーに注入して形成することもできる。
上記電子障壁層５０は上記活性層４０の上に形成され、上記活性層４０及び上記第２導電型半導体層６０と接触して配置されることもできる。
上記電子障壁層５０は、例えば、Ｍｇのようなｐ型ドーパントを含むＡｌＩｎＮ系半導体層で形成できる。上記電子障壁層５０は、上記活性層４０の真上に形成されることもでき、他の半導体層を挟んで上記活性層４０の上に形成することも可能である。
上記電子障壁層５０は、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）ガス、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）ガス、アンモニア（ＮＨ３）ガス、ビセチルサイクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ２Ｍｇ）｛Ｍｇ（Ｃ２Ｈ５Ｃ５Ｈ４）２｝ガスを水素ガスと共にチャンバーに注入して形成することもできる。
上記第２導電型半導体層６０は上記電子障壁層５０の上に形成され、例えば、ｐ型半導体層で具現できる。上記第２導電型半導体層６０は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式を有する半導体材料、例えばＩｎＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなどから選択されることができ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａなどのｐ型ドーパントがドーピングできる。
上記第２導電型半導体層６０は、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）ガス、アンモニア（ＮＨ３）ガス、ビセチルサイクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ２Ｍｇ）｛Ｍｇ（Ｃ２Ｈ５Ｃ５Ｈ４）２｝ガスを水素ガスと共にチャンバーに注入して形成することもできる。
一方、上記第１導電型半導体層３０がｐ型半導体層を含み、上記第２導電型半導体層６０がｎ型半導体層を含むこともできる。また、上記第２導電型半導体層６０の上にはｎ型またはｐ型半導体層を含む第３導電型半導体層（図示せず）が形成されることもでき、これによって、上記第１導電型半導体層３０、活性層４０、及び第２導電型半導体層６０を含む発光構造層はｎｐ、ｐｎ、ｎｐｎ、ｐｎｐ接合構造のうち、少なくともいずれか１つを有することができる。また、上記第１導電型半導体層３０及び上記第２導電型半導体層６０の内のドーパントのドーピング濃度は均一または不均一に形成できる。即ち、上記発光構造層の構造は多様に形成されることができ、これに対して限定するのではない。
上記のような発光素子１００は、４５０ｎｍ乃至４８０ｎｍ帯域の波長領域、好ましくは４６５ｎｍの波長領域で中心波長を有し、半値幅が１５−４０ｎｍの青色光を放出するＧａＮ基盤の発光ダイオードとなることができる。
上記のような発光素子１００の製造方法は、まず、上記基板１０の上にアンドープド窒化物層２０、第１導電型半導体層３０、活性層４０、電子障壁層５０、及び第２導電型半導体層６０を形成し、上記第１導電型半導体層３０、活性層４０、電子障壁層５０、及び第２導電型半導体層６０を選択的に除去するメサエッチングを進行する。そして、上記第１導電型半導体層３０の上に第１電極層７０を形成し、上記第２導電型半導体層６０の上に第２電極層８０を形成する。
一方、第１実施形態に従う発光素子１００では内部量子効率を向上させるために上記活性層４０と第２導電型半導体層６０との間に上記電子障壁層５０を形成する。
発光素子１００の光を放出する性能を向上させるためには、上記活性層４０に電子と正孔を最大限効率的に注入し、上記電子と正孔とが他の個所に漏洩されず、全て再結合できるようにして、光に転換させることが重要である。
上記活性層４０に注入された電子と正孔のうち、電子は移動速度が正孔に比べて極めて速く、上記活性層４０で発生する熱エネルギーによる熱電子離脱により上記活性層４０を通過して上記第２導電型半導体層６０に漏洩される確率が高いが、上記電子が上記第２導電型半導体層６０に漏洩されることを防止するために、上記活性層４０よりバンドギャップ（Band gap）の大きい上記電子障壁層５０を形成して上記電子の障壁として活用する。
第１実施形態に従う発光素子１００において、上記電子障壁層５０はＡｌ１−ｘＩｎｘＮ：Ｍｇ（０＜ｘ＜０．３５）で形成されることができ、ｘの範囲が０．１５＜ｘ＜０．１９の時、より効果が良い。特に、ｘが０．１７の値を有する時、上記電子障壁層５０はＧａＮと格子が整合される。
従来には上記電子障壁層５０にＡｌＧａＮ物質が使われたが、ＡｌＧａＮ物質は上記活性層４０との格子定数の差により発生した格子欠陥によりｐ型ドーピングが困難であるという問題があり、格子定数の差により発生した格子欠陥とドーパントの大きい活性化エネルギーのため、良質の伝導性及び結晶性を有する結晶成長が困難である。これは価電子帯域のエネルギー障壁層を形成して正孔が上記活性層４０の多重量子井戸層に移動することを妨害する。正孔障壁層はドーピングにより形成されたフェルミレベルが価電子帯域を基準に高まるほど大きくなる。
したがって、第１実施形態に従う発光素子１００は、上記電子障壁層５０でＡｌＩｎＮ３元系混晶化合物を形成してＧａＮ層と格子定数が一致するようにし、ＡｌＩｎＮ３元系混晶化合物の間に存在する局部的なエネルギーサイトを用いた正孔移動度の増加、ＡｌＧａＮより低いドーパントの活性化エネルギーを通じてキャリヤ濃度を増加させることができる。結果的に、構造的特性及び電気的特性の向上を通じて上記活性層４０の発光効率が向上できる。
図３は、本発明の第１実施形態に従う発光素子１００のバンドギャップエネルギーを示す図である。
図３を参照すると、上記電子障壁層（Electron Blocking Layer）５０はＡｌＩｎＮ層で形成されることができ、上記ＡｌＩｎＮ層はＩｎを含む物質であって、Ｉｎの小さい固溶量（Solubility）により固体状態でスピノーダル（Spinodal）現象のような相分離が発生し、相分離によりＡｌＩｎＮ層の内に局部的にＩｎがたくさん含まれた結晶体が形成される。このような結晶体のエネルギーバンドギャップは、意図されたＡｌＩｎＮバンドギャップエネルギーより小さく形成され、ＡｌＩｎＮ層の内に局部的なエネルギーサイトが形成される。したがって、このような局部的なエネルギーサイトに電子（Localized electrons）と正孔（Localized holes）とが蓄積された電気的特性を有する化合物半導体が形成される。
上記ＡｌＩｎＮ層はＩｎの成分が１７％が含まれる時、ＧａＮ層と格子整合されるため、発光素子の内に格子欠陥の発生を抑制し、高いドーピング効率を得ることに有用な役割をすることができる。上記Ａｌ１−ｘＩｎｘＮ：Ｍｇは、ｘの範囲が０＜ｘ＜０．１７の時、バンドギャップエネルギーが６．２ｅＶ乃至４．９２ｅＶを有することができる。ｘが０．１７の時、理論的に４．９２ｅＶのバンドギャップエネルギーを有するが、実際のＩｎの混晶によるバンドギャップエネルギーはボウイング（Bowing）現象により３．７ｅＶと測定できる。
図３に示すように、順方向電圧が作動される場合、バンドギャップエネルギーが電圧方向に対して歪まれる。したがって、上記活性層（MQW active layer）４０と上記第２導電型半導体層６０との間に上記ＡｌＩｎＮ層が配置された場合、電子に対する充分なエネルギー障壁と価電子帯域の局部的なエネルギーサイトに蓄積されている正孔が量子力学効果（Kronig-Penny model）により容易に上記活性層４０に正孔が供給できる。このような効果を通じて上記活性層４０の内部量子効率が増加する。
図２は、本発明の第２実施形態に従う発光素子１００を説明する図である。図２には垂直型構造の発光素子１００が開示されており、第２実施形態に従う発光素子を説明するに当たって、第１実施形態に従う発光素子の説明と重複する説明を省略する。
図２を参照すると、第２実施形態に従う発光素子１００は、第２電極層８０、上記第２電極層８０の上に第２導電型半導体層６０、上記第２導電型半導体層６０の上に電子障壁層５０、上記電子障壁層５０の上に活性層４０、上記活性層４０の上に第１導電型半導体層３０、及び上記第１導電型半導体層３０の上に第１電極層７０を含む。
また、上記第１導電型半導体層３０と上記活性層４０との間には第１導電型のドーパントが含まれたＩｎＧａＮ／ＧａＮスーパーラティス構造またはＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮスーパーラティス構造が形成される。
上記第１導電型半導体層３０上には、柱またはホール形態の光抽出構造３１が形成され、上記光抽出構造３１は上記活性層４０から放出された光が効果的に外部に抽出できるようにする。例えば、上記光抽出構造３１は、半球形状、多角形形状、三角錐形状、ナノ柱形状のうち、いずれか１つの形状で形成されることができ、上記光抽出構造は光結晶（photonic crystal）で形成される。
上記第２電極層８０は、伝導性支持基板１３０、上記伝導性支持基板１３０の上に反射層１２０、及び上記反射層１２０の上にオーミック接触層１１０を含む。上記伝導性支持基板１３０は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｂ、Ｗ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＺｎＯ、ＳｉＣのうち、少なくともいずれか１つを含むことができ、上記反射層１２０は、Ａｇ、Ａｇを含む合金、Ａｌ、Ａｌを含む合金のうち、少なくともいずれか１つを含むことができる。上記伝導性支持基板１３０と上記反射層１２０との間には界面接合力を強化させることができるように、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｍｏ、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｂ、Ｗ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｔａ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｉ、Ａｌ−Ｓｉ、Ａｇ−Ｃｄ、Ａｕ−Ｓｂ、Ａｌ−Ｚｎ、Ａｌ−Ｍｇ、Ａｌ−Ｇｅ、Ｐｄ−Ｐｂ、Ａｇ−Ｓｂ、Ａｕ−Ｉｎ、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ、Ａｇ−Ｃｄ−Ｃｕ、Ｃｕ−Ｓｂ、Ｃｄ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ、Ａｇ−Ｃｕ、Ａｇ−Ｚｎ、Ａｇ−Ｃｕ−Ｚｎ、Ａｇ−Ｃｄ−Ｃｕ−Ｚｎ、Ａｕ−Ｓｉ、Ａｕ−Ｇｅ、Ａｕ−Ｎｉ、Ａｕ−Ｃｕ、Ａｕ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｃｕ−Ｃｕ２Ｏ、Ｃｕ−Ｚｎ、Ｃｕ−Ｐ、Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｐｄ、Ｎｉ−Ｐ、Ｐｄ−Ｎｉのうち、いずれか１つまたは２つ以上を含む層で形成される接合金属層が形成される。上記オーミック接触層１１０は透明金属酸化物で形成されることができ、例えば、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）、ＩｒＯｘ、ＲｕＯｘ、ＲｕＯｘ／ＩＴＯ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｎｉ／ＩｒＯｘ／Ａｕ、またはＮｉ／ＩｒＯｘ／Ａｕ／ＩＴＯのうち、１つ以上を用いて単層または多層で形成できる。上記反射層１２０及びオーミック接触層１１０は、いずれか１つのみ形成されることも可能である。
また、上記第２導電型半導体層６０と上記第２電極層８０の間には電流遮断層１４０を形成することができ、上記電流遮断層１４０は少なくとも一部分が上記第１電極層７０と垂直方向にオーバーラップされる。上記電流遮断層１４０は絶縁物質、または上記第２導電型半導体層６０とショットキー接触をなす物質からなることができる。上記電流遮断層１４０は、電流が上記第１電極層７０の下にのみ集中して流れることを防止することができる。
また、上記第２導電型半導体層６０と上記第２電極層８０の間には保護層１５０が形成される。上記保護層１５０は上記第２電極層８０の上面周辺部に配置されて、一部分が上記第２導電型半導体層６０と上記第２電極層８０の間に配置され、他の部分は上側方向に露出される。上記保護層１５０は、アイソレーション・エッチングの際上記第２電極層８０がエッチングされて破片が発生することを防止することができる。
また、上記第１導電型半導体層３０、活性層４０、電子障壁層５０、および第２導電型半導体層６０の側面にはパッシベーション層９０が形成され、上記パッシベーション層９０は、上記第１導電型半導体層３０、活性層４０、電子障壁層５０、および第２導電型半導体層６０を物理的または電気的に保護することができる。
図２に示すような第２実施形態に従う発光素子１００の製造方法は、図１に示すように、上記基板１０の上にアンドープド窒化物層２０、第１導電型半導体層３０、活性層４０、電子障壁層５０、及び第２導電型半導体層６０を形成する工程を進行した後、図２に示すように、上記第２導電型半導体層６０の下に上記第２電極層８０を形成する。この時、上記第２電極層８０を形成する前に上記電流遮断層１４０および保護層９０を形成することができる。そして、上記アンドープド窒化物層２０、第１導電型半導体層３０、活性層４０、電子障壁層５０、第２導電型半導体層６０にアイソレーション・エッチングを行い、上記基板１０及びアンドープド窒化物層２０をレーザリフトオフまたはエッチング方法により除去した後、上記第１導電型半導体層３０の上に第１電極層７０を形成する。
一方、第２実施形態に従う発光素子における上記電子障壁層５０の特性などは、前述した第１実施形態に従う発光素子と同一である。
図４は、本発明の実施形態に従う発光素子において、電子障壁層にＡｌＩｎＮ層を使用した場合と、従来のＡｌＧａＮ層を使用した場合の電流密度変化に従う発光効率を説明する図である。図４に示すように、Ａｌが１５％含まれたＡｌＧａＮ層とＩｎが２５％含まれたＡｌＩｎＮ層とを各々活性層と第２導電型半導体層との間に配置して発光効率を測定した結果、ＡｌＩｎＮ層を電子障壁層に使用した場合、発光効率が向上することが分かる。
図５は、本発明の実施形態に従う発光素子において、電子障壁層にＩｎの含有量の異なるＡｌＩｎＮ層を使用した場合、電流密度変化に従う発光効率を説明する図である。図５に示すように、電子障壁層にＡｌＩｎＮ層を使用した場合、Ｉｎの含有量が１７％の時に発光効率が良いことが分かり、Ｉｎの含有量が２５％の時に発光効率が良好なことが分かる。また、Ｉｎの含有量が３０％、３５％の時も発光素子の発光効率は向上する。
図６は、本発明の実施形態に従う発光素子において、活性層とｐ−ＧａＮ層との間にＩｎが１７％含まれたＡｌＩｎＮ層を形成した場合と、活性層とＩｎが１７％含まれたＡｌＩｎＮ層との間に４０ｎｍ厚さのｐ−ＧａＮを配置した場合の電流密度変化に従う発光効率を説明する図である。図６に示すように、活性層とＡｌＩｎＮ層との間に第２導電型半導体層、即ち、ｐ−ＧａＮ層が配置される場合、ｐ−ＧａＮ層の影響により上記ＡｌＩｎＮ層が電子障壁層としての機能を十分に遂行できず、それによって発光効率が格段に向上しないことが分かる。一方、活性層とｐ−ＧａＮ層との間にＡｌＩｎＮ層が配置される場合、発光効率が格段に向上することが分かる。
図７は、本発明の実施形態に従う発光素子が設けられた発光素子パッケージを説明する図である。
図７を参照すると、実施形態に従う発光素子パッケージは、パッケージ胴体２００、上記パッケージ胴体２００に設けられた第１電極２１０及び第２電極２２０、上記パッケージ胴体２００に設けられて上記第１電極２１０及び第２電極２２０と電気的に連結される発光素子１００、及び上記発光素子１００を囲むモールディング部材４００が含まれる。
上記パッケージ胴体２００は、シリコン材質、合成樹脂材質、または金属材質を含んで形成されることができ、上記発光素子１００の周囲に傾斜面が形成できる。
上記第１電極２１０及び第２電極２２０は互いに電気的に分離され、上記発光素子１００に電源を提供する役割をする。また、上記第１電極２１０及び第２電極２２０は、上記発光素子１００で発生した光を反射させて光効率を増加させる役割をすることができ、上記発光素子１００で発生した熱を外部に排出させる役割をすることもできる。
上記発光素子１００は、図１に例示された水平型タイプの発光素子、または図２に例示された垂直型タイプの発光素子が適用されることができ、上記発光素子１００は上記パッケージ胴体２００の上に設けられるか、上記第１電極２１０または第２電極２２０の上に設けられることができる。
上記発光素子１００は、ワイヤ３００を介して上記第１電極２１０及び／または第２電極２２０と電気的に連結されることができ、実施形態では垂直型タイプの発光素子１００が例示されているので、１つのワイヤ３００が使われたものが例示されている。他の例として、上記発光素子１００が水平型タイプの発光素子の場合、２つのワイヤ３００が使われることができ、上記発光素子１００がフリップチップ方式の発光素子の場合、ワイヤ３００が使われないこともある。
上記モールディング部材４００は、上記発光素子１００を囲んで上記発光素子１００を保護することができる。また、上記モールディング部材４００には蛍光体が含まれて上記発光素子１００から放出された光の波長を変化させることができる。
前述したように、実施形態に従う発光素子は、活性層と第２導電型半導体層との間に電子障壁層としてＡｌＩｎＮ層を配置することによって、発光素子の発光効率を向上させることができる。
実施形態に従う発光素子パッケージは、複数個が基板の上にアレイされ、上記発光素子パッケージから放出される光の経路上に光学部材である導光板、プリズムシート、拡散シート、蛍光シートなどが配置できる。このような発光素子パッケージ、基板、及び光学部材は、バックライトユニットとして機能するか、照明ユニットとして機能することができ、例えば、照明システムは、バックライトユニット、照明ユニット、指示装置、ランプ、及び街灯を含むことができる。
図８は、本発明の実施形態に従う発光素子、または発光素子パッケージを使用したバックライトユニットを示す図である。但し、図８のバックライトユニット１１００は照明システムの一例であり、これに対して限定するのではない。
図８を参照すると、上記バックライトユニット１１００は、ボトムフレーム１１４０、上記ボトムフレーム１１４０の内に配置された光ガイド部材１１２０、及び上記光ガイド部材１１２０の少なくとも一側面または下面に配置された発光モジュール１１１０を含むことができる。また、上記光ガイド部材１１２０の下には反射シート１１３０が配置できる。
上記ボトムフレーム１１４０は、上記光ガイド部材１１２０、上記発光モジュール１１１０、及び上記反射シート１１３０が収納できるように上面が開口されたボックス（box）形状で形成されることができ、金属材質または樹脂材質で形成できるが、これに対して限定するのではない。
上記発光モジュール１１１０は、基板７００、及び上記基板７００に搭載された複数個の発光素子パッケージ６００を含むことができる。上記複数個の発光素子パッケージ６００は、上記光ガイド部材１１２０に光を提供することができる。実施形態において、上記発光モジュール１１１０は、上記基板７００の上に発光素子パッケージ６００が設けられたものが例示されているが、実施形態に従う発光素子２００が直接設けられることも可能である。
図示したように、上記発光モジュール１１１０は、上記ボトムフレーム１１４０の内側面のうち、少なくともいずれか１つに配置されることができ、これによって上記光ガイド部材１１２０の少なくとも１つの側面に向けて光を提供することができる。
但し、上記発光モジュール１１１０は上記ボトムフレーム１１４０の下に配置されて、上記光ガイド部材１１２０の底面に向けて光を提供することができ、これは上記バックライトユニット１１００の設計によって多様に変形可能であるので、これに対して限定するのではない。
上記光ガイド部材１１２０は、上記ボトムフレーム１１４０の内に配置できる。上記光ガイド部材１１２０は、上記発光モジュール１１１０から提供を受けた光を面光源化して、表示パネル（図示せず）にガイドすることができる。
上記光ガイド部材１１２０は、例えば、導光板（ＬＧＰ；Light Guide Panel）でありうる。上記導光板は、例えばＰＭＭＡ（polymethyl metaacrylate）のようなアクリル樹脂系列、ＰＥＴ（polyethylene terephthlate）、ＰＣ（poly carbonate）、ＣＯＣ、及びＰＥＮ（polyethylene naphthalate）樹脂のうちの１つで形成できる。
上記光ガイド部材１１２０の上側には光学シート１１５０が配置されることもできる。
上記光学シート１１５０は、例えば、拡散シート、集光シート、輝度上昇シート、及び蛍光シートのうち、少なくとも１つを含むことができる。例えば、上記光学シート１１５０は、上記拡散シート、集光シート、輝度上昇シート、及び蛍光シートが積層されて形成できる。この場合、上記拡散シート１１５０は、上記発光モジュール１１１０から出射された光を均等に拡散させ、上記拡散された光は上記集光シートにより表示パネル（図示せず）に集光できる。この際、上記集光シートから出射される光はランダムに偏光された光であるが、上記輝度上昇シートは上記集光シートから出射された光の偏光度を増加させることができる。上記集光シートは、例えば、水平または／及び垂直プリズムシートでありうる。また、上記輝度上昇シートは、例えば、照度強化フィルム（Dual Brightness Enhancement film）でありうる。また、上記蛍光シートは蛍光体が含まれた透光性プレートまたはフィルムになることもできる。
上記光ガイド部材１１２０の下には上記反射シート１１３０が配置できる。上記反射シート１１３０は、上記光ガイド部材１１２０の下面を通じて放出される光を上記光ガイド部材１１２０の出射面に向けて反射できる。
上記反射シート１１３０は、反射率の良い樹脂材質、例えば、ＰＥＴ、ＰＣ、ＰＶＣレジンなどで形成できるが、これに対して限定するのではない。
図９は、本発明の実施形態に従う発光素子または発光素子パッケージを使用した照明ユニットの斜視図である。但し、図９の照明ユニット１２００は照明システムの一例であり、これに対して限定するのではない。
図９を参照すると、上記照明ユニット１２００は、ケース胴体１２１０、上記ケース胴体１２１０に設けられた発光モジュール１２３０、及び上記ケース胴体１２１０に設けられ、外部電源から電源の提供を受ける連結端子１２２０を含むことができる。
上記ケース胴体１２１０は、放熱特性が良好な材質で形成されることが好ましく、例えば金属材質または樹脂材質で形成できる。
上記発光モジュール１２３０は、基板７００、及び上記基板７００に載置される少なくとも１つの発光素子パッケージ６００を含むことができる。実施形態において、上記発光モジュール１１１０は上記基板７００の上に発光素子パッケージ６００が設けられたものが例示されているが、実施形態に従う発光素子２００が直接設けられることも可能である。
上記基板７００は、絶縁体に回路パターンが印刷されたものであることができ、例えば、一般印刷回路基板（ＰＣＢ：Printed Circuit Board）、メタルコア（Metal Core）ＰＣＢ、軟性（Flexible）ＰＣＢ、セラミックＰＣＢなどを含むことができる。
また、上記基板７００は光を効率的に反射する材質で形成されるか、表面が光が効率的に反射されるカラー、例えば白色、銀色などで形成できる。
上記基板７００の上には上記少なくとも１つの発光素子パッケージ６００が載置できる。上記発光素子パッケージ６００は、各々少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）を含むことができる。上記発光ダイオードは赤色、緑色、青色、または白色の有色光を各々発光する有色発光ダイオード、及び紫外線（ＵＶ；Ultra Violet）を発光するＵＶ発光ダイオードを含むことができる。
上記発光モジュール１２３０は、色感及び輝度を得るために多様な発光ダイオードの組合せを有するように配置できる。例えば、高演色性（ＣＲＩ）を確保するために、白色発光ダイオード、赤色発光ダイオード、及び緑色発光ダイオードを組合せて配置できる。また、上記発光モジュール１２３０から放出される光の進行経路上には蛍光シートがさらに配置されることができ、上記蛍光シートは上記発光モジュール１２３０から放出される光の波長を変化させる。例えば、上記発光モジュール１２３０から放出される光が青色波長帯を有する場合、上記蛍光シートには黄色蛍光体が含まれることができ、上記発光モジュール１２３０から放出された光は上記蛍光シートを過ぎて最終的に白色光と見られるようになる。
上記連結端子１２２０は、上記発光モジュール１２３０と電気的に連結されて電源を供給することができる。図９に示すように、上記連結端子１２２０はソケット方式により外部電源に螺合されるが、これに対して限定するのではない。例えば、上記連結端子１２２０はピン（pin）形態で形成されて外部電源に挿入されるか、配線により外部電源に連結されることもできる。
前述したような照明システムは、上記発光モジュールから放出される光の進行経路上に、光ガイド部材、拡散シート、集光シート、輝度上昇シート、及び蛍光シートのうち、少なくともいずれか１つが配置されて、希望する光学的効果を得ることができる。
以上、説明したように、照明システムは発光効率に優れる実施形態に従う発光素子または発光素子パッケージを含むことによって、優れる光効率を有することができる。
以上、実施形態に説明された特徴、構造、効果などは、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれ、必ず１つの実施形態のみに限定されるのではない。延いては、各実施形態で例示された特徴、構造、効果などは、実施形態が属する分野の通常の知識を有する者により他の実施形態に対しても組合または変形されて実施可能である。したがって、このような組合と変形に関連した内容は本発明の範囲に含まれることと解釈されるべきである。
以上、実施形態を中心として説明したが、これは単に例示であり、本発明を限定するのでなく、本発明が属する分野の通常の知識を有する者であれば、本実施形態の本質的な特性から外れない範囲で以上に例示されていない種々の変形及び応用が可能であることが分かる。例えば、実施形態に具体的に表れた各構成要素は変形して実施することができる。そして、このような変形及び応用に関連した差異点は特許請求範囲で規定する本発明の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。
Claims (15)
- 第１導電型のドーパントを含む第１導電型半導体層と、
前記第１導電型のドーパントと異なる第２導電型のドーパントを含む第２導電型半導体層と、
前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間に配置される活性層と、
前記活性層と前記第２導電型半導体層との間に配置されて前記活性層及び前記第２導電型半導体層と接し、前記第２導電型のドーパントが含まれたＡｌＩｎＮ系半導体層と、
を含むことを特徴とする、発光素子。 - 前記ＡｌＩｎＮ系半導体層は、Ａｌ１−ｘＩｎｘＮ：Ｍｇ（０＜ｘ＜０．３５）であることを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
- 前記ｘの範囲は、０．１５＜ｘ＜０．１９であることを特徴とする、請求項２に記載の発光素子。
- 前記第１導電型半導体層の下にアンドープド窒化物層と、前記アンドープド窒化物層の下に基板と、を含むことを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
- 前記第１導電型半導体層の上に第１電極層と、前記第２導電型半導体層の上に第２電極層と、を含むことを特徴とする、請求項４に記載の発光素子。
- 前記第２導電型半導体層の下に第２電極層と、前記第１導電型半導体層の上に第１電極層と、を含むことを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
- 前記第１導電型半導体層はｎ型ＧａＮ基盤半導体層であり、前記第２導電型半導体層はｐ型ＧａＮ基盤半導体層であることを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
- 前記第１導電型半導体層と前記活性層との間に前記第１導電型のドーパントが含まれたＩｎＧａＮ／ＧａＮスーパーラティス構造、またはＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮスーパーラティス構造を含むことを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
- 第１導電型半導体層を形成するステップと、
前記第１導電型半導体層の上に活性層を形成するステップと、
前記活性層の真上に第２導電型のドーパントが含まれたＡｌＩｎＮ系半導体層を形成するステップと、
前記ＡｌＩｎＮ系半導体層の上に第２導電型半導体層を形成するステップと、
を含むことを特徴とする、発光素子製造方法。 - 前記ＡｌＩｎＮ系半導体層は、Ａｌ１−ｘＩｎｘＮ：Ｍｇ（０＜ｘ＜０．３５）であることを特徴とする、請求項９に記載の発光素子製造方法。
- 前記ｘの範囲は、０．１５＜ｘ＜０．１９であることを特徴とする、請求項９に記載の発光素子製造方法。
- 前記第１導電型半導体層と前記活性層との間に前記第１導電型のドーパントが含まれたＩｎＧａＮ／ＧａＮスーパーラティス構造、またはＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮスーパーラティス構造を含むことを特徴とする、請求項９に記載の発光素子製造方法。
- 前記第２導電型半導体層は、前記ＡｌＩｎＮ系半導体層の真上に形成されることを特徴とする、請求項９に記載の発光素子製造方法。
- パッケージ胴体と、
前記パッケージ胴体の上に第１電極及び第２電極と、
前記パッケージ胴体の上に前記第１電極及び第２電極と電気的に連結される請求項１乃至１２のうちのいずれか１つに記載の発光素子と、
前記パッケージ胴体の上に発光素子を囲むモールディング部材と、
含むことを特徴とする、発光素子パッケージ。 - 発光素子を光源として使用する照明システムであって、
前記照明システムは、基板と、前記基板の上に設けられた少なくとも１つの発光素子とを含み、
前記発光素子は、請求項１乃至１２のうちのいずれか１つに記載されたことを特徴とする、照明システム。
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