JP6087142B2 - 発光素子 - Google Patents

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Description

本発明は、発光素子、発光素子の製造方法、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（Light Emitting Device）は、電気エネルギーが光エネルギーに変換される特性の素子であって、例えば化合物半導体の組成比を調節することによって多様な色相具現が可能である。
発光素子は、順方向電圧印加時、ｎ層の電子とｐ層の正孔（hole）とが結合して伝導帯（Conduction band）と価電子帯（Valance band）のエネルギーギャップに該当するだけのエネルギーを発散するが、このエネルギーは、主として熱や光の形態に放出され、光の形態に発散されれば発光素子になるものである。
例えば、窒化物半導体は、高い熱的安定性と幅広いバンドギャップエネルギーにより光素子及び高出力電子素子開発分野で大いなる関心を受けている。特に、窒化物半導体を用いた青色（Blue）発光素子、緑色（Green）発光素子、紫外線（ＵＶ）発光素子などは商用化されて広く使われている。
従来の技術によるＧａＮをベースにしたＬＥＤは、発光効率を改善するためには活性層のデザイン（design）を通じて、より多い光効率を改善し、以後に抽出効率を改善する作業が入って最適化段階に達する。
従来の技術によれば、光抽出効率を改善するために、発光素子チップの下部には基板にパターン（pattern）を用いたＰＳＳが用いられ、上部にはラフニング（Roughening）を用いて光抽出効率を改善しているが、高出力発光素子の需要によって光抽出効率の改善が要求されている。
本発明の実施形態の目的は、光抽出効率が改善できる発光素子、発光素子の製造方法、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。
本発明の実施形態他の目的は、光学的効率を増大させることができる発光素子、発光素子の製造方法、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。
本発明に従う発光素子は、基板、上記基板の上にある第１導電型半導体層、上記第１導電型半導体層の上にある活性層、上記活性層の上にある第２導電型半導体層、及び上記第２導電型半導体層の上にあって上記第２導電型半導体層より小さな屈折率を有する窒化物半導体層を含む。
本発明の実施形態に従う発光素子、発光素子の製造方法、発光素子パッケージ、及び照明システムによれば、光抽出効率を増大させることができる。
また、本発明の実施形態によれば、光学的効率を増大させることができる。
本発明の第１実施形態に従う発光素子の断面図である。 本発明の第１実施形態に従う発光素子の部分拡大図である。 本発明の第２実施形態に従う発光素子の断面図である。 本発明の第３実施形態に従う発光素子の断面図である。 本発明の実施形態に従う発光素子の製造方法の工程断面図である。 本発明の実施形態に従う発光素子の製造方法の工程断面図である。 本発明の実施形態に従う発光素子の製造方法の工程断面図である。 本発明の実施形態に従う発光素子の製造方法の工程断面図である。 本発明の実施形態に従う発光素子パッケージの断面図である。 本発明の実施形態に従う発光素子が備えられた照明システムの実施形態を示す分解斜視図である。
以下、実施形態に従う発光素子、発光素子パッケージ、及び照明システムを添付した図面を参照して説明する。
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必ずしも実際のサイズを完全に反映するものではない。
（実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に従う発光素子１００の断面図であり、図２は本発明の第１実施形態に従う発光素子における窒化物半導体層１３０の部分拡大図である。
実施形態に従う発光素子１００は、基板１０５、上記基板１０５の上に第１導電型半導体層１１２、上記第１導電型半導体層１１２の上に活性層１１４、上記活性層１１４の上に第２導電型半導体層１１６、及び上記第２導電型半導体層１１６の上に上記第２導電型半導体層１１６より小さな屈折率を有する窒化物半導体層１３０を含むことができる。
上記窒化物半導体層１３０は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）を含むことができる。
実施形態は光抽出効率が改善できる発光素子、発光素子の製造方法、発光素子パッケージ、及び照明システムを提供しようとする。
また、実施形態は光学的効率を増大させることができる発光素子、発光素子の製造方法、発光素子パッケージ、及び照明システムを提供しようとする。
上記の課題を解決するために、ＬＥＤ成長中にインシトゥー（in-situ）で低屈折率（low index）物質を成長して光抽出効率を改善することができる。
例えば、上記窒化物半導体層１３０の屈折率（ｎ）は上記活性層１１４から第２導電型半導体層１１６の方向に減少する。
上記窒化物半導体層１３０は、上記第２導電型半導体層１１６と接する。
実施形態は、上記窒化物半導体層１３０のＡｌの組成（ｘ）を制御して窒化物半導体層の屈折率を制御することができる。例えば、上記窒化物半導体層１３０のＡｌの組成（ｘ）は、上記活性層１１４から第２導電型半導体層１１６の方向に増加する。
これによって、上記窒化物半導体層の屈折率（ｎ）は上記活性層１１４から第２導電型半導体層１１６の方向に徐々に減少するようになって、活性層で発光した光が側方よりは上方に光抽出効率を高めることができる。
例えば、上記窒化物半導体層１３０は、第１窒化物半導体層１３１、第２窒化物半導体層１３２、第３窒化物半導体層１３３、第４窒化物半導体層１３４、第５窒化物半導体層１３５、第６窒化物半導体層１３６、第７窒化物半導体層１３７、第８窒化物半導体層１３８、及び第９窒化物半導体層１３９を含むことができ、上記第１窒化物半導体層１３１はＧａＮであり、上記第９窒化物半導体層１３９はＡｌNであることがあるが、これに限定されるものではない。
これによって、上記窒化物半導体層の屈折率（ｎ）は上記活性層１１４から第２導電型半導体層１１６の方向に、約２．４の屈折率から約２．０の屈折率に徐々に減少するが、これに限定されるものではない。
また、実施形態において、上記窒化物半導体層１３０はn型にドーピングされたｎ型窒化物半導体層でありうる。例えば、上記窒化物半導体層１３０はＳｉでドーピングされるが、これに限定されるものではない。
上記窒化物半導体層１３０がｎ型にドーピングされることによって、第２電極１５２が上記第２導電型半導体層１１６と接しないで、上記窒化物半導体層１３０の上に形成されてもキャリアの注入に問題のないことがある。
上記窒化物半導体層１３０は、キャリアのトンネリングが可能な厚さで形成されるが、これに限定されるものではない。
また、実施形態は、上記窒化物半導体層１３０の上に上記窒化物半導体層より小さい屈折率を有する透光性オーミック層１４０をさらに含むことができる。上記第２電極１５２は、上記透光性オーミック層１４０の上に形成される。
上記第１透光性オーミック層１４０の水平幅は上記窒化物半導体層１３０の水平幅と実質的に同一に形成されて、上記窒化物半導体層１３０で均一な電流拡散が可能である。一方、上記第１透光性オーミック層１４０の水平幅は上記窒化物半導体層１３０の水平幅より小さく形成されることもできる。
上記透光性オーミック層１４０は、キャリアを効率的に注入できる金属酸化物の単一または多層構造でありうる。例えば、上記透光性オーミック層１４０は、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、及びＮｉ／ＩｒＯｘ／Ａｕ／ＩＴＯのうち、少なくとも１つを含んで形成されることができ、このような材料に限定されるものではない。
これにより、上記窒化物半導体層の屈折率（ｎ）が、上記活性層１１４から第２導電型半導体層１１６の方向に、約２．４の屈折率から約２．０の屈折率に減少する。上記窒化物半導体層の屈折率（ｎ）が、上記活性層１１４から第２導電型半導体層１１６の方向に、約２．４の屈折率から約２．０の屈折率に徐々に減少する。
上記透光性オーミック層１４０で屈折率が約２．０から約１．０超過程度に制御されることによって、上記第２導電型半導体層１１６、上記窒化物半導体層１３０、及び上記透光性オーミック層１４０の方向に屈折率が徐々に減少するにつれて、活性層で発光した光が上方（Ｌ２）に一層効率的に抽出できる。
図３は、本発明の第２実施形態に従う発光素子１０２の断面図である。
第２実施形態は第１実施形態の技術的な特徴を採用することができる。
第２実施形態において、第２電極１５２は上記窒化物半導体層１３０を貫通して上記第２導電型半導体層１１６と接することができる。
第２実施形態の場合、窒化物半導体層１３０がキャリアのトンネリングが可能な厚さの制限がないことがある。
また、第２実施形態で上記窒化物半導体層１３０は、ｐ型元素がドーピングされたｐ型窒化物半導体層を含むことができる。例えば、第２導電型半導体層１１６の形成後、インシトゥーに進行してｐ型元素がドーピングされたｐ型窒化物半導体層を含む窒化物半導体層１３０を形成することができる。
また、上記窒化物半導体層１３０はドーピングされていないアンドープド窒化物半導体層を含むことができる。例えば、上記窒化物半導体層１３０の形成工程時、ｎ型またはｐ型導電型元素のドーピング無しで工程を進行してアンドープド窒化物半導体層を含む窒化物半導体層１３０を形成することができる。
また、第２実施形態は上記窒化物半導体層１３０の上に上記窒化物半導体層１３０より小さな屈折率を有する透明絶縁層１４２をさらに含むことができる。
上記透明絶縁層１４２は、シリコン酸化物またはシリコン窒化物などであるが、これに限定されるものではない。
第２実施形態によれば、上記窒化物半導体層の屈折率（ｎ）が上記活性層１１４から第２導電型半導体層１１６の方向に、約２．４の屈折率から約２．０の屈折率に徐々に減少し、上記透明絶縁層１４２で屈折率が約２．０から約１．０超過程度に制御されることによって、上記第２導電型半導体層１１６、上記窒化物半導体層１３０、及び上記透明絶縁層１４２の方向に屈折率が徐々に減少するにすれて、活性層で発光した光が側方よりは上方に一層効率的に抽出できる。
図４は、本発明の第３実施形態に従う発光素子１０３の断面図である。
第３実施形態は第１実施形態及び第２実施形態の技術的な特徴を採用することができる。
第３実施形態は、上記第２導電型半導体層１１６と上記窒化物半導体層１３０との間に第２透光性オーミック層１４０ｂをさらに含むことができる。
上記第２透光性オーミック層１４０ｂは、上記第２導電型半導体層１１６の屈折率と上記窒化物半導体層１３０の屈折率との間の値を有する屈折率を備えて光抽出効率を極大化することができる。
上記第２導電型半導体層１１６の上に形成される第２電極１５２は、上記第２透光性オーミック層１４０ｂの上に形成される。
図１乃至図４で、説明されていない図面符号に関する構成要件は、以下の製造方法で説明される。
実施形態によれば、Ａｌ％を制御して光のスプレッディング（spreading）を改善することができ、製品への適用が容易である。
実施形態に従う発光素子、発光素子の製造方法、発光素子パッケージ、及び照明システムによれば、光抽出効率を増大させることができる。また、実施形態によれば、光学的効率を増大させることができる。
以下、図５乃至図８を参照して実施形態に従う発光素子の製造方法を説明する。
まず、図５のように基板１０５を準備する。上記基板１０５は、伝導性基板または絶縁性基板を含み、例えば、上記基板１０５はサファイア（Ａｌ２Ｏ３）、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＺｎＯ、ＧａＰ、ＩｎＰ、Ｇｅ、及びＧａ２Ｏ３のうち、少なくとも１つを使用することができる。上記基板１０５の上には凹凸構造が形成され、これに対して限定するものではない。上記基板１０５に対して湿式洗浄を行って表面の不純物を除去することができる。
上記基板１０５には光抽出構造、例えば、ＰＳＳ（図示せず）が形成されるが、これに限定されるものではない。
以後、上記基板１０５の上に第１導電型半導体層１１２、活性層１１４、及び第２導電型半導体層１１６を含む発光構造物１１０を形成することができる。
上記基板１０５の上にはバッファ層（図示せず）が形成される。上記バッファ層は、上記発光構造物１１０の材料と基板１０５の格子不整合を緩和させることができ、バッファ層の材料は３族−５族化合物半導体、例えば、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮのうち、少なくとも１つで形成される。
上記バッファ層の上にはアンドープド（undoped）半導体層（図示せず）が形成され、これに対して限定するものではない。
実施形態は、上記基板１０５またはアンドープド半導体層の上に第１導電型半導体層１１２を形成することができる。
上記第１導電型半導体層１１２は、第１導電型ドーパントがドーピングされた３族−５族化合物半導体で具現されることができ、上記第１導電型半導体層１１２がｎ型半導体層の場合、上記第１導電型ドーパントはｎ型ドーパントとして、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｅ、Ｔｅを含むことができるが、これに限定されるものではない。
上記第１導電型半導体層１１２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物質を含むことができる。
上記第１導電型半導体層１１２は、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＧａＰ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＩｎＰのうち、いずれか１つ以上で形成される。
上記第１導電型半導体層１１２は、化学蒸着方法（ＣＶＤ）、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）、スパッタリング、または水酸化物蒸気相エピタキシ（ＨＶＰＥ）などの方法を使用してｎ型ＧａＮ層を形成することができる。また、上記第１導電型半導体層１１２は、チャンバーにトリメチルガリウムガス（ＴＭＧａ）、アンモニアガス（ＮＨ３）、窒素ガス（Ｎ２）、及びシリコン（Ｓｉ）のようなｎ型不純物を含むシランガス（ＳｉＨ４）が注入されて形成される。
次に、上記第１導電型半導体層１１２の上に電流拡散層１２２を形成する。上記電流拡散層１２２は、アンドープド窒化ガリウム層（undoped GaN layer）であることがあるが、これに限定されるものではない。
次に、実施形態は上記電流拡散層１２２の上に電子注入層１２４を形成することができる。上記電子注入層１２４は、第１導電型窒化ガリウム層でありうる。例えば、上記電子注入層１２４はｎ型ドーピング元素が６．０×１０１８atoms／cm3〜８．０×１０１８atoms／cm3の濃度でドーピングされることで、効率的に電子注入を行うことができる。
また、実施形態は電子注入層１２４の上にストレイン制御層（図示せず）を形成することができる。例えば、電子注入層１２４の上にＩｎｙＡｌｘＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）／ＧａＮなどで形成されたストレイン制御層を形成することができる。
上記ストレイン制御層は、第１導電型半導体層１１２と活性層１１４との間の格子不一致による応力を効果的に緩和させることができる。
また、上記ストレイン制御層は、第１のＩｎｘ１ＧａＮ及び第２のＩｎｘ２ＧａＮなどの組成を有する少なくとも６周期で反復積層されることによって、より多い電子が活性層１１４の低いエネルギー準位に集まるようになり、結果的に、電子と正孔との再結合確率が増加して発光効率が向上する。
次に、上記第１導電型半導体層１１２の上に活性層１１４を形成する。
上記活性層１１４は、単一量子井戸構造、多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）、量子線（Quantum-Wire）構造、または量子点（Quantum Dot）構造のうち、少なくともいずれか１つで形成される。例えば、上記活性層１１４は、トリメチルガリウムガス（ＴＭＧａ）、アンモニアガス（ＮＨ３）、窒素ガス（Ｎ２）、及びトリメチルインジウムガス（ＴＭＩｎ）が注入されて多重量子井戸構造が形成されるが、これに限定されるものではない。
上記活性層１１４の井戸層／障壁層は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＧａＡｓ（ＩｎＧａＡｓ）／ＡｌＧａＡｓ、ＧａＰ（ＩｎＧａＰ）／ＡｌＧａＰのうち、いずれか１つ以上のペア構造で形成されるが、これに限定されるものではない。上記井戸層は、上記障壁層のバンドギャップより低いバンドギャップを有する物質で形成される。
実施形態において、上記活性層１１４の上には電子遮断層１２６が形成されて電子遮断（electron blocking）及び活性層のクラッディング（MQW cladding）の役割をすることによって、発光効率を改善することができる。例えば、上記電子遮断層１２６は、ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）系半導体で形成され、上記活性層１１４のエネルギーバンドギャップよりは高いエネルギーバンドギャップを有することができ、約１００Å〜約６００Åの厚さで形成されるが、これに限定されるものではない。
また、上記電子遮断層１２６は、ＡｌｚＧａ（１−ｚ）Ｎ／ＧａＮ（０≦ｚ≦１）超格子（superlattice）で形成されるが、これに限定されるものではない。
上記電子遮断層１２６はｐ型でイオン注入されてオーバーフローされる電子を効率的に遮断し、ホールの注入効率を増大させることができる。例えば、上記電子遮断層１２６は、Ｍｇが約１０１８〜１０２０／cm3濃度範囲でイオン注入されてオーバーフローされる電子を効率的に遮断し、ホールの注入効率を増大させることができる。
次に、上記電子遮断層１２６の上に第２導電型半導体層１１６を形成する。
上記第２導電型半導体層１１６は、第２導電型ドーパントがドーピングされた３族−５族化合物半導体、例えば、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式を有する半導体物質を含むことができる。上記第２導電型半導体層１１６がＰ型半導体層の場合、上記第２導電型ドーパントはＰ型ドーパントとして、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａなどを含むことができる。
上記第２導電型半導体層１１６はチャンバーに、トリメチルガリウムガス（ＴＭＧａ）、アンモニアガス（ＮＨ３）、窒素ガス（Ｎ２）、及びマグネシウム（Ｍｇ）のようなｐ型不純物を含む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}が注入されてｐ型ＧａＮ層が形成されるが、これに限定されるものではない。
実施形態において、上記第１導電型半導体層１１２はｎ型半導体層、上記第２導電型半導体層１１６はｐ型半導体層で具現できるが、これに限定されるものではない。また、上記第２導電型半導体層１１６の上には上記第２導電型と反対の極性を有する半導体、例えばｎ型半導体層（図示せず）を形成することができる。これによって、発光構造物１１０はｎ−ｐ接合構造、ｐ−ｎ接合構造、ｎ−ｐ−ｎ接合構造、ｐ−ｎ−ｐ接合構造のうち、いずれか１つの構造で具現できる。
次に、図６のように、第２導電型半導体層１１６の上に上記第２導電型半導体層１１６より小さな屈折率を有する窒化物半導体層１３０を形成する。上記窒化物半導体層１３０はＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）を含むことができる。
実施形態は、ＬＥＤ成長中にインシトゥー（in-situ）で低屈折率（low index）物質を成長して光抽出効率を改善することができる。例えば、上記窒化物半導体層の屈折率（ｎ）は上記活性層１１４から第２導電型半導体層１１６の方向に減少する。
実施形態は、上記窒化物半導体層１３０のＡｌの組成（ｘ）を制御して窒化物半導体層の屈折率を制御することができる。例えば、上記窒化物半導体層１３０のＡｌの組成（ｘ）は上記活性層１１４から第２導電型半導体層１１６の方向に増加する。
これによって、上記窒化物半導体層の屈折率（ｎ）は上記活性層１１４から第２導電型半導体層１１６の方向に徐々に減少するようになって、活性層で発光した光が側方よりは上方に光抽出効率を高めることができる。
例えば、上記窒化物半導体層の屈折率（ｎ）は上記活性層１１４から第２導電型半導体層１１６の方向に、約２．４の屈折率から約２．０の屈折率に徐々に減少するが、これに限定されるものではない。
また、実施形態において、上記窒化物半導体層１３０はｎ型にドーピングされたｎ型窒化物半導体層でありうる。例えば、上記窒化物半導体層１３０はＳｉでドーピングされるが、これに限定されるものではない。
上記窒化物半導体層１３０がｎ型にドーピングされることによって、第２電極１５２が上記第２導電型半導体層１１６と接しないで、上記窒化物半導体層１３０の上に形成されてもキャリアの注入に問題のないことがある。
上記窒化物半導体層１３０は、キャリアのトンネリングが可能な厚さで形成されるが、これに限定されるものではない。
また、第１実施形態は、図１のように上記窒化物半導体層１３０の上に上記窒化物半導体層より小さな屈折率を有する透光性オーミック層１４０をさらに含むことができる。上記第２電極１５２は上記透光性オーミック層１４０の上に形成される。上記透光性オーミック層１４０はキャリアを効率的に注入できる金属酸化物の単一または多層構造でありうる。例えば、上記透光性オーミック層１４０は、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、及びＮｉ／ＩｒＯｘ／Ａｕ／ＩＴＯのうち、少なくとも１つを含んで形成され、このような材料に限定されるものではない。
これを通じて、上記窒化物半導体層の屈折率（ｎ）が上記活性層１１４から第２導電型半導体層１１６の方向に、約２．４の屈折率から約２．０の屈折率に徐々に減少し、上記透光性オーミック層１４０で屈折率が約２．０から約１．０超過程度に制御されることによって、上記第２導電型半導体層１１６、上記窒化物半導体層１３０、及び上記透光性オーミック層１４０の方向に屈折率が徐々に減少するにつれて、活性層で発光した光が上方（Ｌ２）に一層効率的に抽出できる。
また、第２実施形態は、図６のように、上記窒化物半導体層１３０の上に上記窒化物半導体層１３０より小さな屈折率を有する透明絶縁層１４２をさらに含むことができる。上記透明絶縁層１４２は、シリコン酸化物またはシリコン窒化物などであるが、これに限定されるものではない。
第２実施形態によれば、上記窒化物半導体層の屈折率（ｎ）が上記活性層１１４から第２導電型半導体層１１６の方向に、約２．４の屈折率から約２．０の屈折率に徐々に減少し、上記透明絶縁層１４２で屈折率が約２．０から約１．０超過程度に制御されることによって、上記第２導電型半導体層１１６、上記窒化物半導体層１３０、及び上記透明絶縁層１４２の方向に屈折率が徐々に減少するにつれて、活性層で発光した光が側方よりは上方に一層効率的に抽出できる。
第２実施形態において、第２電極１５２は上記窒化物半導体層１３０を貫通して上記第２導電型半導体層１１６と接することができる。第２実施形態の場合、窒化物半導体層１３０がキャリアのトンネリングが可能な厚さの制限のないことがある。
また、図４のように第３実施形態によれば、上記第２導電型半導体層１１６と上記窒化物半導体層１３０との間に第２透光性オーミック層１４０ｂをさらに含むことができる。
上記第２透光性オーミック層１４０ｂは、上記第２導電型半導体層１１６の屈折率と上記窒化物半導体層１３０の屈折率との間の値を有する屈折率を備えて光抽出効率を極大化することができる。
実施形態によれば、Ａｌ％を制御して光のスプレッディング（spreading）を改善することができ、製品への適用が容易である。
このために、図７のように、実施形態は上記透明絶縁層１４２と窒化物半導体層１３０の一部を除去して第２導電型半導体層１１６を露出させることができる。
また、上記透明絶縁層１４２、窒化物半導体層１３０、第２導電型半導体層、電子遮断層、ストレイン制御層、電子注入層１２４、及び電流拡散層１２２の一部を除去して第１導電型半導体層１１２を除去することができる。
次に、図８のように、上記露出した第２導電型半導体層１１６の上に第２電極１５２を、上記露出した第１導電型半導体層１１２の上に第１電極１５１を各々形成することができる。
実施形態に従う発光素子、発光素子の製造方法、発光素子パッケージ、及び照明システムによれば、光抽出効率を増大させることができる。
また、実施形態によれば、光学的効率を増大させることができる。
図９は、本発明の実施形態に従う発光素子が設置された発光素子パッケージ２００を説明する図である。
実施形態に従う発光素子パッケージ２００は、パッケージ胴体部２０５と、上記パッケージ胴体部２０５に設置された第３電極層２１３及び第４電極層２１４と、上記パッケージ胴体部２０５に設置されて上記第３電極層２１３及び第４電極層２１４と電気的に連結される発光素子１００と、上記発光素子１００を囲むモールディング部材２３０とが含まれる。
上記パッケージ胴体部２０５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、上記発光素子１００の周囲に傾斜面が形成される。
上記第３電極層２１３及び第４電極層２１４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３電極層２１３及び第４電極層２１４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、図３、または図４に例示された水平型タイプの発光素子が適用できるが、これに限定されるものではない。
上記発光素子１００は、上記パッケージ胴体部２０５の上に設置されたり、上記第３電極層２１３または第４電極層２１４の上に設置される。
上記発光素子１００は、上記第３電極層２１３及び／または第４電極層２１４とワイヤー方式、フリップチップ方式、またはダイボンディング方式のうち、いずれか１つにより電気的に連結されることもできる。実施形態では、上記発光素子１００が上記第３電極層２１３、第４電極層２１４と各々ワイヤーを介して電気的に連結されるが、これに限定されるものではない。
上記モールディング部材２３０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２３０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。
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で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される。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したり、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１０は、本発明の実施形態に従う発光素子が備えられた照明システムの実施形態を示す分解斜視図である。
図１０に示すように、実施形態に従う照明装置は、カバー２１００、光源モジュール２２００、放熱体２４００、電源提供部２６００、内部ケース２７００、及びソケット２８００を含むことができる。また、実施形態に従う照明装置は、部材２３００とホルダー２５００のうち、いずれか１つ以上をさらに含むことができる。上記光源モジュール２２００は、本発明に従う発光素子１００または発光素子パッケージ２００を含むことができる。
例えば、上記カバー２１００は、バルブ（bulb）または半球の形状を有し、中が空いており、一部分が開口された形状に提供できる。上記カバー２１００は、上記光源モジュール２２００と光学的に結合できる。例えば、上記カバー２１００は、上記光源モジュール２２００から提供される光を拡散、散乱、または励起させることができる。上記カバー２１００は一種の光学部材でありうる。上記カバー２１００は、上記放熱体２４００と結合できる。上記カバー２１００は、上記放熱体２４００と結合する結合部を有することができる。
上記カバー２１００の内面には乳白色塗料がコーティングできる。乳白色の塗料は光を拡散させる拡散材を含むことができる。上記カバー２１００の内面の表面粗さは、上記カバー２１００の外面の表面粗さより大きく形成される。これは、上記光源モジュール２２００からの光が十分に散乱及び拡散されて外部に放出させるためのものである。
上記カバー２１００の材質は、ガラス（glass）、プラスチック、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリカーボネート（ＰＣ）などでありうる。ここで、ポリカーボネートは、耐光性、耐熱性、強度に優れる。上記カバー２１００は、外部から上記光源モジュール２２００が見えるように透明であることがあり、不透明であることがある。上記カバー２１００は、ブロー（blow）成形を通じて形成される。
上記光源モジュール２２００は、上記放熱体２４００の一面に配置される。したがって、上記光源モジュール２２００からの熱は上記放熱体２４００に伝導される。上記光源モジュール２２００は、光源部２２１０、連結プレート２２３０、及びコネクタ２２５０を含むことができる。
上記部材２３００は上記放熱体２４００の上面の上に配置され、複数の光源部２２１０とコネクタ２２５０とが挿入されるガイド溝２３１０を有する。上記ガイド溝２３１０は、上記光源部２２１０の基板及びコネクタ２２５０と対応する。
上記部材２３００の表面は光反射物質で塗布またはコーティングされたものであることがある。例えば、上記部材２３００の表面は白色の塗料で塗布またはコーティングされたものであることがある。このような上記部材２３００は、上記カバー２１００の内面に反射されて上記光源モジュール２２００側の方向に戻る光をまた上記カバー２１００の方向に反射する。したがって、実施形態に従う照明装置の光効率を向上させることができる。
上記部材２３００は、例として絶縁物質からなることができる。上記光源モジュール２２００の連結プレート２２３０は、電気伝導性の物質を含むことができる。したがって、上記放熱体２４００と上記連結プレート２２３０との間に電気的な接触がなされることができる。上記部材２３００は絶縁物質で構成されて上記連結プレート２２３０と上記放熱体２４００との電気的短絡を遮断することができる。上記放熱体２４００は、上記光源モジュール２２００からの熱と上記電源提供部２６００からの熱の伝達を受けて放熱する。
上記ホルダー２５００は、内部ケース２７００の絶縁部２７１０の収納溝２７１９を塞ぐ。したがって、上記内部ケース２７００の上記絶縁部２７１０に収納される上記電源提供部２６００は密閉される。上記ホルダー２５００は、ガイド突出部２５１０を有する。上記ガイド突出部２５１０は、上記電源提供部２６００の突出部２６１０が貫通するホールを有する。
上記電源提供部２６００は、外部から提供を受けた電気的信号を処理または変換して上記光源モジュール２２００に提供する。上記電源提供部２６００は、上記内部ケース２７００の収納溝２７１９に収納され、上記ホルダー２５００により上記内部ケース２７００の内部に密閉される。
上記電源提供部２６００は、突出部２６１０、ガイド部２６３０、ベース２６５０、及び延長部２６７０を含むことができる。
上記ガイド部２６３０は、上記ベース２６５０の一側から外部に突出した形状を有する。上記ガイド部２６３０は、上記ホルダー２５００に挿入できる。上記ベース２６５０の一面の上に多数の部品が配置される。多数の部品は、例えば、外部電源から提供される交流電源を直流電源に変換する直流変換装置、上記光源モジュール２２００の駆動を制御する駆動チップ、上記光源モジュール２２００を保護するためのＥＳＤ（Electro Static discharge）保護素子などを含むことができるが、これに対して限定するものではない。
上記延長部２６７０は、上記ベース２６５０の他の一側から外部に突出した形状を有する。上記延長部２６７０は、上記内部ケース２７００の連結部２７５０の内部に挿入され、外部からの電気的信号の提供を受ける。例えば、上記延長部２６７０は、上記内部ケース２７００の連結部２７５０の幅と等しいか小さく提供される。上記延長部２６７０には“＋電線”と“−電線”の各一端が電気的に連結され、“＋電線”と“−電線”の他の一端はソケット２８００に電気的に連結される。
上記内部ケース２７００は、内部に上記電源提供部２６００と共にモールディング部を含むことができる。モールディング部はモールディング液体が固まった部分であって、上記電源提供部２６００が上記内部ケース２７００の内部に固定できるようにする。
実施形態に従う発光素子、発光素子の製造方法、発光素子パッケージ、及び照明システムによれば、光抽出効率を増大させることができる。
また、実施形態によれば、光学的効率を増大させることができる。
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ものではない。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み合わせられまたは変形されて実施可能である。したがって、このような組み合わせ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、本発明を好ましい実施形態をもとに説明したが、これは、単なる例示であり、本発明を限定するのでない。本発明の本質的な特性を逸脱しない範囲内で、多様な変形及び応用が可能であることが当業者にとって明らかである。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、このような変形及び応用にかかわる差異点も、特許請求の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)

  1. 基板と、
    前記基板の上にある第１導電型半導体層と、
    前記第１導電型半導体層の上にある活性層と、
    前記活性層の上にある第２導電型半導体層と、
    前記第２導電型半導体層の上面に前記第２導電型半導体層より小さな屈折率を有する窒化物半導体層と、
    前記第２導電型半導体層と前記窒化物半導体層との間に配置された透光性オーミック層と、
    を含み、
    前記窒化物半導体層の屈折率は、前記第２導電型半導体層から遠いほど減少することを特徴とする、発光素子。
  2. 前記窒化物半導体層の屈折率が減少する方向は、前記活性層から前記第２導電型半導体層に向う方向と同一であることを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
  3. 前記窒化物半導体層の屈折率は、前記第２導電型半導体層と近い所が遠い所より大きいことを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
  4. 前記窒化物半導体層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（０≦ｘ≦１）を含むことを特徴とする、請求項１乃至３のうち、いずれか１項に記載の発光素子。
  5. 前記窒化物半導体層のＡｌの組成（ｘ）は、前記第２導電型半導体層から遠いほど増加することを特徴とする、請求項４に記載の発光素子。
  6. 前記窒化物半導体層は、ｎ型窒化物半導体層を含むことを特徴とする、請求項１乃至５のうち、いずれか１項に記載の発光素子。
  7. 前記窒化物半導体層の上にあって前記窒化物半導体層より小さな屈折率を有する透明絶縁層をさらに含むことを特徴とする、請求項１乃至６のうち、いずれか１項に記載の発光素子。
  8. 前記透光性オーミック層は、前記第２導電型半導体層の屈折率と前記窒化物半導体層の屈折率との間の値を有する屈折率を備えることを特徴とする、請求項１乃至７のうち、いずれか１項に記載の発光素子。
  9. 前記第２導電型半導体層の上に配置される第２電極をさらに含み、
    前記第２電極は前記透光性オーミック層の上に配置されることを特徴とする、請求項１乃至８のうち、いずれか１項に記載の発光素子。
  10. 前記第２電極は前記透光性オーミック層と接することを特徴とする、請求項９に記載の発光素子。
  11. 前記窒化物半導体層の屈折率（ｎ）は前記活性層から前記第２導電型半導体層の方向に、２．４の屈折率から２．０の屈折率に徐々に減少することを特徴とする、請求項１乃至１０のうち、いずれか１項に記載の発光素子。
  12. 前記窒化物半導体層は、第１窒化物半導体層、第２窒化物半導体層、第３窒化物半導体層、第４窒化物半導体層、第５窒化物半導体層、第６窒化物半導体層、第７窒化物半導体層、第８窒化物半導体層、及び第９窒化物半導体層を含み、
    前記第１窒化物半導体層はＧａＮであり、
    前記第９窒化物半導体層はＡｌＮであることを特徴とする、請求項１乃至１０のうち、いずれか１項に記載の発光素子。
  13. 前記透明絶縁層はシリコン酸化物またはシリコン窒化物を含むことを特徴とする、請求項７に記載の発光素子。
  14. 前記窒化物半導体層は、ｐ型窒化物半導体層を含むことを特徴とする、請求項１乃至５のうち、いずれか１項に記載の発光素子。
  15. 前記窒化物半導体層は、アンドープド窒化物半導体層を含むことを特徴とする、請求項１乃至５のうち、いずれか１項に記載の発光素子。
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