KR101028220B1 - 발광 소자, 발광 소자 제조방법 및 발광 소자 패키지 - Google Patents

발광 소자, 발광 소자 제조방법 및 발광 소자 패키지 Download PDF

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Abstract

실시예에 따른 발광 소자는 반사층; 상기 반사층 상에 형성된 제2 도전형 반도체층, 상기 제2 도전형 반도체층 상에 활성층 및 상기 활성층 상에 형성된 제1 도전형 반도체층을 포함하여 빛을 생성하는 발광구조물; 및 상기 제1 도전형 반도체층 상에 전극을 포함하며, 상기 활성층과 상기 반사층 사이의 거리는 2·Φ1+Φ3 = N·2π±Δ, (0≤Δ≤π/2)을 만족하도록 형성되고, 여기서, 상기 Φ1는 수직 방향의 빛이 상기 제2 도전형 반도체층을 통과할 때의 위상 변화를 나타내고, 상기 Φ3는 상기 빛이 상기 반사층에 의해 반사될 때의 위상 변화를 나타내고, 상기 N은 자연수이다.

Description

발광 소자, 발광 소자 제조방법 및 발광 소자 패키지{LIGHT EMITTING DEVICE, METHOD FOR FABRICATING THE LIGHT EMITTING DEVICE AND LIGHT EMITTING DEVICE PACKAGE}
실시예는 발광 소자, 발광 소자 제조방법 및 발광 소자 패키지에 관한 것이다.
발광 다이오드(LED)는 전기 에너지를 빛으로 변환하는 반도체 소자의 일종이다. 발광 다이오드는 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경친화성의 장점을 가진다. 이에 기존의 광원을 발광 다이오드로 대체하기 위한 많은 연구가 진행되고 있으며, 발광 다이오드는 실내외에서 사용되는 각종 램프, 액정표시장치, 전광판, 가로등 등의 조명 장치의 광원으로서 사용이 증가되고 있는 추세이다.
실시예는 광 추출 효율이 향상된 발광 소자를 제공한다.
실시예에 따른 발광 소자는 반사층; 상기 반사층 상에 형성된 제2 도전형 반도체층, 상기 제2 도전형 반도체층 상에 활성층 및 상기 활성층 상에 형성된 제1 도전형 반도체층을 포함하여 빛을 생성하는 발광구조물; 및 상기 제1 도전형 반도체층 상에 전극을 포함하며, 상기 활성층과 상기 반사층 사이의 거리는 2·Φ1+Φ3 = N·2π±Δ, (0≤Δ≤π/2)을 만족하도록 형성되고, 여기서, 상기 Φ1는 수직 방향의 빛이 상기 제2 도전형 반도체층을 통과할 때의 위상 변화를 나타내고, 상기 Φ3는 상기 빛이 상기 반사층에 의해 반사될 때의 위상 변화를 나타내고, 상기 N은 자연수이다.
다른 실시예에 따른 발광 소자는 반사층; 상기 반사층 상에 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 빛을 생성하는 활성층; 상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층; 및 상기 제2 도전형 반도체층 상에 전극을 포함하며, 상기 반사층과 상기 활성층 사이의 영역의 거리는, 상기 전극과 수직 방향으로 중첩되는 제1 영역의 제1 거리와, 상기 제1 영역을 제외한 제2 영역의 제2 거리가 상이하다.
실시예는 광 추출 효율이 향상된 발광 소자를 제공할 수 있다.
도 1은 제1 실시예에 따른 발광 소자의 측단면도
도 2는 도 1의 발광 소자의 활성층과 반사층 사이의 거리를 보강 간섭의 조건을 따르도록 형성한 경우의 빛의 발광 패턴을 나타내는 도면
도 3은 도 1의 발광 소자의 활성층과 반사층 사이의 거리를 상쇄 간섭의 조건을 따르도록 형성한 경우의 빛의 발광 패턴을 나타내는 도면
도 4는 제2 실시예예 따른 발광 소자(100B)의 측단면도
도 5는 실시예에 따른 발광 소자를 포함하는 발광 소자 패키지의 단면도
실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예에 따른 발광 소자, 발광 소자 제조방법 및 발광 소자 패키지에 대해 설명한다.
도 1은 제1 실시예에 따른 발광 소자(100)의 측단면도이다.
도 1을 참조하면, 제1 실시예에 따른 발광 소자(100)는 전도성 지지부재(160)와, 상기 전도성 지지부재(160) 상에 반사층(158)과, 상기 반사층(158) 상에 오믹층(157)과, 상기 오믹층(157) 상에 제1 도전형 반도체층(130), 활성층(140) 및 제2 도전형 반도체층(150)을 포함하여 빛을 생성하는 발광 구조물(145)과, 상기 발광 구조물(145) 상에 전극(170)을 포함할 수 있으며, 상기 활성층(140)과 상기 반사층(158) 사이의 거리(h)는 2·(Φ1+Φ2)+Φ3 = N·2π±Δ, (0≤Δ≤π/2) 을 만족할 수 있다.
여기서, Φ1는 수직 방향의 빛이 상기 제2 도전형 반도체층(150)을 통과할 때의 위상 변화를 나타내고, Φ2는 상기 빛이 상기 오믹층(157)을 통과할 때의 위상 변화를 나타내고, Φ3는 상기 빛이 상기 반사층(158)에 의해 반사될 때의 위상 변화를 나타내고, N은 자연수이고, Δ은 0 내지 π/2의 값을 나타낸다.
상기 거리(h)는 상기 활성층(140)에서 생성된 빛과, 상기 반사층(158)에 수직 방향으로 입사되어 반사된 빛이 서로 보강 간섭을 일으키는 거리이다. 즉, 제1 실시예에 따른 발광 소자(100)는 빛의 보강 간섭 현상을 이용해 광 추출 효율을 개선시킬 수 있다.
이하에서는, 상기 발광 소자(100)의 각 구성 요소 및 그 작용에 대해 상세히 설명한다.
상기 전도성 지지부재(160) 및 상기 전극(170)은 외부 전원으로부터 전원을 제공받아 상기 발광 구조물(145)에 전원을 전달할 수 있다. 상기 전도성 지지부재(160)와 상기 전극(170)은 서로 수직 방향으로 일부 영역이 중첩되도록 배치되는 수직형 전극 구조를 이룬다.
상기 전도성 지지부재(160)는 상기 발광 구조물(145)을 지지할 수 있으며, 예를 들어, 티탄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금(Au), 텅스텐(W), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo) 또는 캐리어 웨이퍼(예: Si, Ge, GaAs, ZnO, SiC, SiGe, GaN 등) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 전극(170)은 상기 발광 구조물(145)에 전류를 효과적으로 스프레딩 시킬 수 있도록 다양한 형상을 가질 수 있으며, 와이어 등이 용이하게 본딩될 수 있도록 패드(pad)를 포함할 수 있다. 상기 전극(170)은 예를 들어, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
상기 반사층(158)은 상기 전도성 지지부재(160) 상에 형성될 수 있다. 상기 반사층(158)은 상기 발광 구조물(145)로부터 입사되는 빛을 반사시킴으로써 상기 발광 소자의 광 추출 효율을 향상시키는 역할을 한다.
상기 반사층(158)은 고 반사율의 재질, 예를 들어, 은(Ag), 알루미늄(Al), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 중 적어도 하나를 포함하는 금속 또는 합금으로 형성될 수 있다.
상기 오믹층(157)은 화합물 반도체층인 상기 발광 구조물(145)과 상기 반사층(158) 사이의 오믹 접촉을 형성하기 위해서 형성될 수 있다. 다만, 상기 반사층(158)이 상기 발광 구조물(145)과 오믹 접촉을 형성하는 경우, 상기 오믹층(157)은 형성되지 않을 수도 있다. 이 경우, 상기 반사층(158)과 상기 활성층(140) 사이의 거리는 2·Φ1+Φ3 = N·2π±Δ, (0≤Δ≤π/2)을 만족하도록 형성될 수 있다.
상기 오믹층(157)은 빛을 투과하면서 상기 제2 도전형 반도체층(150)과 오믹 접촉을 형성하는 금속 산화물 또는/및 금속 질화물을 포함할 수 있으며, 예를 들어, ITO(Indium-Tin-Oxide),IZO(Indium-Zinc-Oxide), AZO(Aluminum-Zinc-Oxide), MZO(Magnesium-Zinc-Oxide), GZO(Gallium-Zinc-Oxide), ZnO 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 오믹층(157)은 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 전자빔(E-beam) 증착, 스퍼터링 등의 증착 방식에 형성되므로, 용이하게 두께 조절이 가능하다. 따라서, 상기 오믹층(157)의 두께를 조절함으로써, 상기 활성층(140)과 상기 반사층(158) 사이의 상기 거리(h)를 용이하게 조절할 수 있다.
한편, 상기 오믹층(157) 및 상기 발광 구조물(145) 사이에는 전류 차단층(CBL : Current Blocking Layer)(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 전류 차단층(미도시)는 상기 전극(170)과 적어도 일부가 수직 방향으로 중첩되도록 형성될 수 있다. 상기 전류 차단층(미도시)은 상기 전극(170)과 상기 전도성 지지부재(160) 사이의 최단 거리로 전류가 편중되는 현상을 방지하여 상기 발광 소자(100)의 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 오믹층(157) 상에는 상기 발광 구조물(145)이 형성될 수 있다. 상기 발광 구조물(145)은 예를 들어, 제2 도전형 반도체층(150), 상기 제2 도전형 반도체층(150) 상에 활성층(140), 상기 활성층(140) 상에 제1 도전형 반도체층(130)을 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(130)은 예를 들어, n형 반도체층을 포함할 수 있는데, 상기 n형 반도체층은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 InAlGaN, GaN, AlGaN, AlInN, InGaN, AlN, InN 등에서 선택될 수 있으며, Si, Ge, Sn 등의 n형 도펀트가 도핑될 수 있다.
상기 활성층(140)은 상기 제1 도전형 반도체층(130)을 통해서 주입되는 전자(또는 정공)와 상기 제2 도전형 반도체층(150)을 통해서 주입되는 정공(또는 전자)이 서로 만나서, 상기 활성층(140)의 형성 물질에 따른 에너지 밴드(Energy Band)의 밴드갭(Band Gap) 차이에 의해서 빛을 방출하는 층이다.
상기 활성층(140)은 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 구조(MQW : Multi Quantum Well), 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 활성층(140)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료로 형성될 수 있다. 상기 활성층(140)이 상기 다중 양자 우물 구조로 형성된 경우, 상기 활성층(140)은 복수의 우물층과 복수의 장벽층이 적층되어 형성될 수 있으며, 예를 들어, InGaN 우물층/GaN 장벽층의 주기로 형성될 수 있다.
상기 활성층(140)의 위 및/또는 아래에는 n형 또는 p형 도펀트가 도핑된 클래드층(미도시)이 형성될 수도 있으며, 상기 클래드층(미도시)은 AlGaN층 또는 InAlGaN층으로 구현될 수 있다.
상기 활성층(140) 아래에는 상기 제2 도전형 반도체층(150)이 형성될 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(150)은 예를 들어, p형 반도체층으로 구현될 수 있는데, 상기 p형 반도체층은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 InAlGaN, GaN, AlGaN, InGaN, AlInN, AlN, InN 등에서 선택될 수 있으며, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등의 p형 도펀트가 도핑될 수 있다.
한편, 앞에서 설명한 것과는 달리, 상기 제1 도전형 반도체층(130)이 p형 반도체층을 포함하고 상기 제2 도전형 반도체층(150)이 n형 반도체층을 포함할 수도 있다. 또한, 상기 제1 도전형 반도체층(130) 상에는 n형 또는 p형 반도체층을 포함하는 제3 도전형 반도체층(미도시)이 형성될 수도 있으며 이에 따라, 상기 발광 소자(100)는 np, pn, npn, pnp 접합 구조 중 적어도 어느 하나를 가질 수 있다. 또한, 상기 제1 도전형 반도체층 및 상기 제2 도전형 반도체층(150) 내의 도전형 도펀트의 도핑 농도는 균일 또는 불균일하게 형성될 수 있다. 즉, 상기 발광 구조물(145)의 구조는 다양하게 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 발광 구조물(145)의 제1 도전형 반도체층(130) 상면에는 광 추출 구조(132)가 형성될 수 있다. 상기 광 추출 구조(132)는 상기 활성층(140)에서 생성된 빛을 효율적으로 추출시키기 위해 형성될 수 있으며, 랜덤한 형상이거나 규칙적인 패턴 형상을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 광 추출 구조(132)는 특정 파장 영역의 빛을 효과적으로 추출할 수 있는 광 결정(photonic crystal) 구조를 가질 수 있으며, 상기 광 결정 구조는 50nm 내지 3000nm의 주기를 가지도록 형성될 수 있다.
한편, 상기 활성층(140)에서 생성된 빛은 전방향성(omni-directional)을 가지게 된다. 따라서, 상기 활성층(140)에서 생성된 빛은 상기 발광 구조물(145)의 상면 또는 측면으로 향하거나 상기 발광 구조물(145) 아래로 향하여 상기 반사층(158)에 의해 반사된 후 상기 발광 구조물(145)의 상면 또는 측면으로 향할 수 있다.
이때, 다양한 방향성을 갖는 빛들은 서로 간섭(interference) 현상을 일으키기도 하는데, 이러한 간섭 현상은 빛의 세기가 커지는 보강(constructive) 간섭으로 나타날 수도 있고, 빛의 세기가 작아지는 상쇄(destructive) 간섭으로 나타날 수도 있다. 광 추출 효율을 향상시키기 위해서는 발광 소자 내에 보강 간섭이 일어날 수 있는 조건들을 구비하는 것이 바람직하다.
따라서, 실시예에서는, 상기 활성층(140) 및 상기 반사층(158) 사이의 상기 거리(h), 즉, 상기 오믹층(157) 및 상기 제2 도전형 반도체층(150)의 두께를 보강 간섭이 일어나기에 적합하게 조절하였다.
구체적으로 설명하면, 실시예에서는 상기 활성층(140)에서 생성된 빛이 수직 방향으로 상기 반사층(158)으로 입사되는 경우, 상기 반사층(158)에 의해 반사된 빛이 상기 활성층(140)에서 생성된 빛과 보강 간섭을 일으키도록 상기 활성층(140)과 상기 반사층(158) 사이의 거리(h)를 조절하게 된다.
이때, 상기 거리(h)를 수직 방향의 빛들이 보강 간섭을 일으키는 조건을 중심으로 결정한 것은, 상기 오믹층(157) 및 상기 제2 도전형 반도체층(150)의 두께가 수백 nm 단위를 갖는 얇은 두께이므로, 이들을 투과하는 빛은 근사적으로 수직 방향에 가깝게 되기 때문이다.
상기 활성층(140)과 상기 반사층(158) 사이의 상기 거리(h)는 보강 간섭을 위한 조건을 나타내는 아래의 수학식 (1)을 만족하도록 형성될 수 있다.
2·(Φ1+Φ2)+Φ3 = N·2π±Δ, (0≤Δ≤π/2) .... 수학식 (1)
여기서, Φ1는 수직 방향의 빛이 상기 제2 도전형 반도체층(150)을 통과할 때의 위상 변화를 나타내고, Φ2는 상기 빛이 상기 오믹층(157)을 통과할 때의 위상 변화를 나타내고, Φ3는 상기 빛이 상기 반사층(158)에 의해 반사될 때의 위상 변화를 나타내고, N은 자연수이고, Δ은 0 내지 π/2의 값을 나타낸다.
상기 위상 변화 Φ1, Φ2는 빛이 상기 제2 도전형 반도체층(150), 오믹층(157)과 같은 매질을 통과할 때의 위상 변화를 나타내며, 빛의 파장, 상기 빛이 지나는 매질의 굴절률 및 두께 등에 따라 달라질 수 있다. 구체적으로는, 위상변화 Φ = 2πnd/λ 이고, 여기서 n은 빛이 통과하는 매질의 굴절률, λ는 빛의 파장, d는 빛이 통과하는 매질의 두께를 나타낸다. 즉, 상기 Φ1 및 상기 Φ2 각각은 Φ1 = 2πn1d1/λ 및 Φ2 = 2πn2d2/λ을 만족하고, 여기서 상기 n1은 상기 제2 도전형 반도체층의 굴절률, 상기 n2은 상기 오믹층의 굴절률, 상기 d1은 상기 제2 도전형 반도체층의 두께, 상기 d2은 상기 오믹층의 두께 및 상기 λ는 상기 활성층에서 방출된 빛의 파장일 수 있다.
또한, 상기 위상 변화 Φ3는 빛이 상기 반사층(158)에 의해 반사될 때의 위상 변화를 나타낸다. 상기 반사층(158)은 상기 오믹층(157) 또는 제2 도전형 반도체층(150)보다 밀도가 큰 재질로 형성되므로, 상기 반사층(158)에서 반사되는 빛은 고정단 반사를 하게 되며, 이에 따라 위상이 π+α 변화하게 된다. 즉, 상기 위상 변화 Φ3은 이론적으로 π=180°일 수 있으나, 상기 반사층(158)의 재질 및 표면 형상에 따라 α=2πd3/λ의 편차를 가지고 변화할 수 있으며 상기 d3=1/(4πk/λ)일 수 있다. (여기서, d3는 상기 반사층(158)의 표면이 러프니스를 갖는 경우 실제로 빛이 반사되는 영역이 달라질 수 있다는 점이 반영된 것이며, 상기 k는 상기 반사층(158)의 굴절률의 허수부에 해당하는 값이다.)
또한, 상기 수학식 (1)에서 범위로 나타나는 Δ의 값은 0 내지 π/2일 수 있다. 보강 간섭 효과는 상기 Δ=0 일 때 가장 극대화되어 나타나지만, 0≤Δ≤π/2인 범위에서도 보강 간섭 효과가 일부 나타날 수 있으며, 반대로, π/2<Δ<π 인 범위에서는 오히려 수직 방향의 빛들이 상쇄 간섭에 의해 약해지는 결과를 초래할 수 있기 때문이다.
한편, 상기와 같은 보강 간섭 효과를 얻기 위해서는 상기 활성층(140)의 두께가 λ/n (n: 활성층의 굴절률, λ: 빛의 파장)보다 작거나 같은 것이 바람직하다. 상기 활성층(140)의 두께가 λ/n 보다 큰 경우, 상기 활성층(140)의 일 영역에서 생성되는 빛은 보강 간섭을 일으키고, 다른 영역에서 생성되는 빛은 상쇄 간섭을 일으킬 수 있기 때문이다.
이하에서는, 실시예에 따른 상기 활성층(140)과 상기 반사층(158) 사이의 거리(h)에 따라 나타나는 빛의 발광 패턴에 대해 설명한다.
도 2는 실시예에 따라 상기 활성층(140)과 상기 반사층(158) 사이의 상기 거리(h)를 보강 간섭의 조건을 따르도록 형성한 경우의 빛의 발광 패턴을 나타내는 도면이고, 도 3은 활성층과 반사층 사이의 거리를 상쇄 간섭의 조건을 따르도록 형성한 경우의 빛의 발광 패턴을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 상기 활성층(140)과 상기 반사층(158) 사이의 거리를 보강 간섭의 조건을 따르도록 형성한 경우, 보강 간섭 효과에 의해, 발광 소자의 수직 방향으로 추출되는 빛의 양이 측면 방향으로 추출되는 빛의 양에 비해 커지게 되는 것을 알 수 있다.
반대로, 도 3을 참조하면, 활성층과 반사층 사이의 거리를 상쇄 간섭의 조건을 따르도록 형성한 경우, 상쇄 간섭 효과에 의해, 발광 소자의 수직 방향으로 추출되는 빛의 양이 발광 소자의 측면 방향으로 추출되는 빛의 양보다 오히려 작은 것을 알 수 있다.
즉, 상기 활성층(140)과 상기 반사층(158) 사이의 거리에 따라 실시예에 따른 발광 소자(100)의 발광 패턴 및 광 추출 효율이 상이하게 나타날 수 있음을 알 수 있다.
따라서, 실시예는 발광 소자의 상기 활성층(140) 및 상기 반사층(158) 사이의 거리를 보강 간섭의 조건을 따르는 상기 거리(h)로 형성함으로써, 광 추출 효율이 향상된 발광 소자(100)를 제공할 수 있다.
이하에서는, 제2 실시예에 따른 발광 소자(100B)에 대해 상세히 설명한다. 다만, 제2 실시예에 대한 설명에 있어서 제1 실시예와 중복되는 내용에 대해서는 생략하거나 간략히 설명한다.
도 4는 제2 실시예예 따른 발광 소자(100B)의 측단면도이다.
도 4를 참조하면, 상기 발광 소자(100B)는 전도성 지지부재(160)와, 상기 전도성 지지부재(160) 상에 반사층(158b)과, 상기 반사층(158b) 상에 오믹층(157)과, 상기 오믹층(157) 상에 제1 도전형 반도체층(130), 활성층(140) 및 제2 도전형 반도체층(150)을 포함하여 빛을 생성하는 발광 구조물(145)과, 상기 발광 구조물(145) 상에 전극(170)을 포함할 수 있으며, 상기 반사층(158b)과 상기 활성층(140) 사이의 영역의 거리는 상기 전극(170)과 수직 방향으로 중첩되는 제1 영역(A)의 제1 거리(h1)와, 상기 제1 영역(A)을 제외한 제2 영역(B)의 제2 거리(h2)가 상이할 수 있다.
이때, 상기 제1 거리(h1)는 상기 활성층(140)에서 생성된 빛과 상기 반사층(158b)에서 반사된 빛이 상쇄 간섭을 일으키는 조건을 만족하고, 상기 제2 거리(h2)는 상기 활성층(140)에서 생성된 빛과 상기 반사층(158b)에서 반사된 빛이 보강 간섭을 일으키는 조건을 만족할 수 있다.
구체적으로는, 아래의 수학식 (2)와 같이, 상기 제1 거리(h1)는 2·(Φ1+Φ2)+Φ3 = N·2π±Δ1, (π/2<Δ1<π)을 만족하도록 형성될 수 있고, 상기 제2 거리(h2)는 2·(Φ1+Φ2)+Φ3 = N·2π±Δ2, (0≤Δ2≤π/2)를 만족하도록 형성될 수 있다.
h1 : 2·(Φ1+Φ2)+Φ3 = N·2π±Δ1, (π/2<Δ1<π)
h2 : 2·(Φ1+Φ2)+Φ3 = N·2π±Δ2, (0≤Δ2≤π/2) .... 수학식 (2)
여기서, Φ1는 수직 방향의 빛이 상기 제2 도전형 반도체층(150)을 통과할 때의 위상 변화를 나타내고, Φ2는 상기 빛이 상기 오믹층(157)을 통과할 때의 위상 변화를 나타내고, Φ3는 상기 빛이 상기 반사층(158b)에 의해 반사될 때의 위상 변화를 나타내고, N은 자연수를 나타낸다. 또한, Δ1과 Δ2는 각각 π/2<Δ1<π, 0≤Δ2≤π/2의 범위를 갖게 되는데, Δ1과 같은 범위에서는 상쇄 간섭이 우세한 반면, Δ2와 같은 범위에서는 보강 간섭이 우세하게 된다.
다만, 여기서 상기 오믹층(157)이 형성되지 않는 경우, 상기 h1은 2·Φ1+Φ3 = N·2π±Δ1, (π/2<Δ1<π)을 만족하고, 상기 h2은 2·Φ1+Φ3 = N·2π±Δ2, (0≤Δ2≤π/2)을 만족할 수 있다.
실시예와 같이, 상기 활성층(140)과 상기 반사층(158b) 사이의 거리(h1,h2)를 이와 같이 제1 영역(A)과 제2 영역(B)에 따라 상이하게 형성함으로써, 상기 활성층(140)으로부터 상기 전극(170)을 향해 입사되어 손실되는 빛의 양을 감소시킬 수 있다.
상세히 설명하면, 앞에서 도 2와 도 3을 참조하여 설명하였듯이, 상기 활성층(140)과 반사층(158b) 사이의 거리가 보강 간섭의 조건을 만족하면 수직 방향의 빛이 우세해지고, 상쇄 간섭의 조건을 만족하면 측면 방향의 빛이 우세해질 수 있다.
따라서, 상기 전극(170)과 중첩되는 상기 제1 영역(A)의 경우 측면 방향의 빛이 우세해지도록 상쇄 간섭 조건에 따르도록 상기 활성층(140)과 상기 반사층(158b) 사이의 거리를 상기 제1 거리(h1)로 형성하고, 상기 제2 영역(B)의 경우 보강 간섭 조건에 따라 상기 제2 거리(h2)로 형성함으로써, 상기 전극(170)에 의해 흡수, 산란 등이 되어 손실되는 빛의 양을 최소화하여 발광 소자의 광 추출 효율을 극대화시킬 수 있다.
도 5는 실시예에 따른 발광 소자를 포함하는 발광 소자 패키지의 단면도이다.
도 5를 참조하면, 실시예에 따른 발광 소자 패키지는 패키지 몸체(20)와, 상기 패키지 몸체(20)에 설치된 제1 전극층(31) 및 제2 전극층(32)과, 상기 패키지 몸체(20)에 설치되어 상기 제1 전극층(31) 및 제2 전극층(32)과 전기적으로 연결되는 실시예에 따른 발광 소자(100)와, 상기 발광 소자(100)를 포위하는 몰딩부재(40)를 포함한다.
상기 패키지 몸체(20)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 발광 소자(100)의 주위에 경사면이 형성될 수 있다.
상기 제1 전극층(31) 및 제2 전극층(32)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광 소자(100)에 전원을 제공한다. 또한, 상기 제1 전극층(31) 및 제2 전극층(32)은 상기 발광 소자(100)에서 발생된 빛을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있으며, 상기 발광 소자(100)에서 발생된 열을 외부로 배출시키는 역할을 할 수도 있다.
상기 발광 소자(100)는 상기 패키지 몸체(20) 상에 설치되거나 상기 제1 전극층(31) 또는 제2 전극층(32) 상에 설치될 수 있다.
상기 발광 소자(100)는 상기 제1 전극층(31) 및 제2 전극층(32)과 와이어 방식, 플립칩 방식 또는 다이 본딩 방식 중 어느 하나에 의해 전기적으로 연결될 수도 있다.
상기 몰딩부재(40)는 상기 발광 소자(100)를 포위하여 보호할 수 있다. 또한, 상기 몰딩부재(40)에는 형광체가 포함되어 상기 발광 소자(100)에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있다.
상기 발광 소자 패키지는 상기에 개시된 실시 예들의 발광 소자 중 적어도 하나를 하나 또는 복수개로 탑재할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
실시 예에 따른 발광 소자 패키지는 복수개가 기판 상에 어레이되며, 상기 발광 소자 패키지의 광 경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트 등이 배치될 수 있다. 이러한 발광 소자 패키지, 기판, 광학 부재는 라이트 유닛으로 기능할 수 있다. 또 다른 실시 예는 상술한 실시 예들에 기재된 반도체 발광소자 또는 발광 소자 패키지를 포함하는 표시 장치, 지시 장치, 조명 시스템으로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 조명 시스템은 램프, 가로등을 포함할 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 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 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 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 : 발광 소자 130 : 제1 도전형 반도체층
140 : 활성층 145 : 발광 구조물
150 : 제2 도전형 반도체층 157 : 오믹층
158 : 반사층 160 : 전도성 지지부재
170 : 전극

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  12. 반사층;
    상기 반사층 상에 제2 도전형 반도체층;
    상기 제2 도전형 반도체층 상에 빛을 생성하는 활성층;
    상기 활성층 상에 제1 도전형 반도체층; 및
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 전극을 포함하며,
    상기 반사층과 상기 활성층 사이의 영역의 거리는, 상기 전극과 수직 방향으로 중첩되는 제1 영역의 제1 거리와, 상기 제1 영역을 제외한 제2 영역의 제2 거리가 상이하며,
    상기 제1 거리는 2·Φ1+Φ3 = N·2π±Δ1, (π/2<Δ1<π)를 만족하고, 상기 제2 거리는 2·Φ1+Φ3 = N·2π±Δ2, (0≤Δ2≤π/2)를 만족하며,
    여기서, 상기 Φ1는 수직 방향의 빛이 상기 제2 도전형 반도체층을 통과할 때의 위상 변화를 나타내고, 상기 Φ3는 상기 빛이 상기 반사층에 의해 반사될 때의 위상 변화를 나타내고, 상기 N은 자연수인 발광 소자.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 제1 거리는 상기 활성층에서 생성된 수직 방향의 빛과 상기 반사층에서 반사된 수직 방향의 빛이 상쇄 간섭을 일으키는 조건을 만족하고, 상기 제2 거리는 상기 빛들이 보강 간섭을 일으키는 조건을 만족하는 발광 소자.
  14. 삭제
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 반사층 및 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 오믹층을 포함하며,
    상기 오믹층은 빛을 투과하면서 상기 제2 도전형 반도체층과 오믹 접촉을 형성하는 재질을 포함하는 발광 소자.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 제1 거리는 2·(Φ1+Φ2)+Φ3 = N·2π±Δ1, (π/2<Δ1<π)를 만족하고, 상기 제2 거리는 2·(Φ1+Φ2)+Φ3 = N·2π±Δ2, (0≤Δ2≤π/2)를 만족하며,
    여기서, 상기 Φ1는 수직 방향의 빛이 상기 제2 도전형 반도체층을 통과할 때의 위상 변화를 나타내고, 상기 Φ2는 상기 빛이 상기 오믹층을 통과할 때의 위상 변화를 나타내고, 상기 Φ3는 상기 빛이 상기 반사층에 의해 반사될 때의 위상 변화를 나타내고, 상기 N은 자연수인 발광 소자.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 Φ1 및 상기 Φ2 각각은 Φ1 = 2πn1d1/λ 및 Φ2 = 2πn2d2/λ을 만족하고,
    상기 n1은 상기 제2 도전형 반도체층의 굴절률, 상기 n2은 상기 오믹층의 굴절률, 상기 d1은 상기 제2 도전형 반도체층의 두께, 상기 d2은 상기 오믹층의 두께 및 상기 λ는 상기 활성층에서 방출된 빛의 파장인 발광 소자.
  18. 제 12항 또는 제 16항에 있어서,
    상기 Φ3은 π인 발광 소자.
  19. 제 12항에 있어서,
    상기 반사층은 상기 제1 영역에서 제1 두께를 갖고 상기 제2 영역에서 상기 제1 두께보다 얇은 제2 두께를 갖고, 상기 반사층은 상기 제1 영역에서 상기 활성층이 배치된 방향으로 돌출된 발광 소자.
  20. 패키지 몸체;
    상기 패키지 몸체에 설치된 제1 전극층 및 제2 전극층;
    상기 패키지 몸체에 설치되어 상기 제1 전극층 및 제2 전극층과 전기적으로 연결되는 제 12항 내지 제 16항, 또는 제 19항 중 어느 한 항에 기재된 발광 소자; 및
    상기 발광 소자를 포위하는 몰딩부재를 포함하는 발광 소자 패키지.
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