KR101823681B1 - 발광소자 - Google Patents

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Abstract

실시예는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템에 관한 것이다.
실시예에 따른 발광소자는 제1 도전형 반도체층; 양자우물과 양자벽을 포함하여 상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 전자차단층; 상기 전자차단층 상에 제2 도전형 반도체층;을 포함하며, 상기 전자차단층은, 상기 활성층 상에 InN를 포함하는 제1 전자차단층; 상기 제1 전자차단층 상에 AlN를 포함하는 제2 전자차단층; 및 상기 제2 전자차단층 상에 GaN를 포함하는 제3 전자차단층;을 포함할 수 있다.

Description

발광소자{LIGHT EMITTING DEVICE}
실시예는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템에 관한 것이다.
발광소자(Light Emitting Device)는 전기에너지를 빛에너지로 변환시키는 소자이다. 예를 들어, LED는 화합물 반도체의 조성비를 조절함으로써 다양한 색상구현이 가능하다.
질화물반도체 박막기반의 발광소자는 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경친화성의 장점을 갖고 있다. 따라서, LCD(Liquid Crystal Display) 표시장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 발광소자 백라이트, 형광등이나 백열전구를 대체할 수 있는 백색 발광소자 조명장치 및 자동차 헤드라이트 및 신호 등에까지 응용이 확대되고 있다.
질화물반도체 발광소자 응용범위의 확대는 근본적으로 발광소자의 고출력, 고효율화 기술개발을 요구한다.
한편, 종래기술에 의하면 다중양자우물구조 활성층을 구비하는 질화물반도체 발광소자에서는, 활성층 내의 양자우물층들이 주입된 캐리어들을 균일하게 분산하여 수용하지 못하고, 정공주입층에 인접한 소수의 양자우물층만이 주로 발광에 기여하는 문제점이 있다. 따라서, 주입전류량이 충분히 많을 경우, 활성층 내에 효과적으로 속박되지 않는 잉여의 전자가 발생하게 된다.
이러한 잉여의 전자들은 빛을 발생시키는 데 참여하지 않고 활성층내에서 자체 소멸되거나 혹은 활성층 외부로 누설된다.
활성층 외부로의 누설은 주로 주입 캐리어의 양자벽 오버플로우(quantum barrier overflow of injected carrier)형태로 발생한다.
또한, 종래의 질화물반도체 발광소자에서 활성층에 주입되는 전자가 핫 캐리어 성질(hot carrier property)을 갖고 있기 때문에 심각한 캐리어 오버플로우(carrier overflow) 문제점을 갖는다.
결국, 주입되는 전류가 증가하게 되면 전자와 정공의 비발광 손실이 증가하게 되어 활성층의 발광효율, 예를 들어 내부양자효율(internal quantum efficiency)이 심각하게 감소하게 된다.
이에 종래기술에 의하면 P-GaN층과 활성층 사이에 전자차단층(Eglectron blocking layer)을 형성한다. 상기 전자차단층은 활성층의 양자벽보다 에너지 밴드갭이 충분히 커서 N-GaN 층에서 공급된 전자가 활성층을 지나서 발광에 참여하지 않고 P-GaN층로 넘어가는 것을 차단한다.
한편, 종래기술에 의하면 전자차단층이 P-GaN층으로부터 활성층으로 주입되어야 하는 정공에도 에너지 장벽으로 작용하여 정공의 주입효율을 크게 저하시키는 문제점을 갖는다.
또한, 다른 한편으로 종래기술에서 전자차단층은 활성층으로부터 P-GaN층 방향으로의 전자의 누설을 효과적으로 차단하지 못하게 되는 문제점이 발생하고 있다.
실시예는 고출력의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 발광소자는 제1 도전형 반도체층; 양자우물과 양자벽을 포함하여 상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 전자차단층; 상기 전자차단층 상에 제2 도전형 반도체층;을 포함하며, 상기 전자차단층은, 상기 활성층 상에 InN를 포함하는 제1 전자차단층; 상기 제1 전자차단층 상에 AlN를 포함하는 제2 전자차단층; 및 상기 제2 전자차단층 상에 GaN를 포함하는 제3 전자차단층;을 포함할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 발광소자는 제1 도전형 반도체층; 양자우물과 양자벽을 포함하여 상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 전자차단층; 상기 전자차단층 상에 제2 도전형 반도체층;을 포함하며, 상기 전자차단층은, 상기 활성층 상에 InN 전자차단층; 상기 InN 전자차단층 상에 적어도 하나 이상의 AlN 전자차단층; 및 상기 AlN 전자차단층 상에 적어도 하나 이상의 GaN 전자차단층;을 포함할 수 있다.
실시예에 따른 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템에 의하면, 정공주입효율이 우수하도록 하면서 전자의 누설을 효과적으로 차단하여 고출력의 발광소자를 구현할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드갭 개략도.
도 2는 실시예에 따른 발광소자의 전자차단층의 개념도.
도 3은 실시예에 따른 발광소자의 전자차단층 형성을 위한 타이밍 다이어 그램 예시도.
도 4는 실시예에 따른 발광소자의 단면도.
도 5는 실시예에 따른 발광소자 패키지의 단면도.
도 6은 실시예에 따른 조명 유닛의 사시도.
도 7은 실시예에 따른 백라이트 유닛의 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.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
(실시예)
도 1은 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드갭의 개략도이며, 도 2는 실시예에 따른 발광소자의 전자차단층의 개념도이다.
실시예에 따른 발광소자(100)(도 4 참조)는 제1 도전형 반도체층(112)과, 양자우물(114w)과 양자벽(114b)을 포함하여 상기 제1 도전형 반도체층(112) 상에 형성된 활성층(114)과, 상기 활성층(114) 상에 형성된 전자차단층(130) 및 상기 전자차단층(130) 상에 형성된 제2 도전형 반도체층(116)을 포함한다.
실시예에서, 상기 전자차단층(130)은 상기 활성층(114) 상에 형성된 InN 전자차단층과, 상기 InN 전자차단층 상에 형성된 적어도 하나 이상의 AlN 전자차단층 및 상기 AlN 전자차단층 상에 형성된 적어도 하나 이상의 GaN 전자차단층을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 전자차단층(130)은 상기 활성층(114) 상에 형성된 InN를 포함하는 제1 전자차단층(131)과, 상기 제1 전자차단층(131) 상에 형성된 AlN를 포함하는 제2 전자차단층(132) 및 상기 제2 전자차단층(132) 상에 형성된 GaN를 포함하는 제3 전자차단층(133)을 포함할 수 있다.
실시예에 의하면 활성층(114) 상에 양자우물의 에너지 밴드갭(Egw) 이하의 제1 에너지 밴드갭(Eg1)을 가지는 제1 전자차단층(131)을 형성하여 에너지 준위를 낮춤으로써 전자의 오버플로우를 방지하고, 이후 형성되는 제2 전자차단층(132)과의 상대적인 에너지 장벽을 크게 함으로써 전자의 오버플로우를 방지하여 전자의 누설을 효과적으로 차단할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 전자차단층(131)은 InN를 포함할 수 있고, 상기 InN가 활성층(114) 상에 형성됨에 따라 에너지 준위를 낮춤으로써 전자의 오버플로우를 방지하고, 이후 형성되는 전자차단층과의 상대적인 에너지 장벽을 크게 함으로써 전자의 오버플로우를 방지하여 전자의 누설을 효과적으로 차단할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 상기 제1 전자차단층(131) 상에 양자벽의 에너지 밴드갭(Egb) 이상의 제2 에너지 밴드갭(Eg2)을 가지는 제2 전자차단층(132)을 형성하여 전자의 누설을 차단할 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 전자차단층(132)은 AlN를 포함하여, 양자벽의 에너지 밴드갭(Egb) 이상의 제2 에너지 밴드갭(Eg2)을 가지는 제2 전자차단층(132)을 형성하여 전자의 누설을 차단할 수 있다. 상기 제2 전자차단층(132)은 AlN를 포함하는 경우 종래 AlGaN을 채용하는 전자차단층에 비해 에너지 장벽이 증가하여 전자의 오버플로우를 더 효과적으로 차단할 수 있다.
또한, 실시예는 상기 제2 전자차단층(132) 상에 GaN를 포함하는 제3 전자차단층(133)을 형성할 수 있고, 상기 제3 전자차단층(133)은 P형으로 도핑된 p-GaN를 포함할 수 있다. 상기 제3 전자차단층(133)은 상기 제2 에너지 밴드갭(Eg2) 이하이며, 상기 양자벽의 에너지 밴드갭(Egb) 이상의 제3 에너지 밴드갭(Eg3)을 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 제3 전자차단층(133)은 Mg이 약 1018~1020/cm3 농도 범위로 이온주입되어 오버플로우되는 전자를 효율적으로 차단하고, 홀의 주입효율을 증대시킬 수 있다.
이에 따라 상기 제3 전자차단층(133)은 전자의 누설을 차단함과 아울러 정공주입층으로부터 활성층으로의 정공의 주입을 효율적으로 할 수 있다.
실시예에 의하면, 상기 전자차단층(130)은 InN/AlN/p-GaN을 포함할 수 있고, AlN/p-GaN는 복수의 주기로 형성될 수 있다. 실시예에서 AlN/p-GaN의 형성공정에 대해서는 후술하기로 한다.
실시예에 의하면 InN/AlN/p-GaN를 이용하여 InN층으로 낮은 에너지로 만들어주고 AlN층을 통해 전자의 오버플로우를 차단하고, p-GaN층을 통해 활성층에 홀을 주입하여 활성층에서 재결합(recombination)을 촉진하는 역할을 하여 광효율을 높이는데 기여할 수 있다.
이에 따라 실시예에 따른 발광소자에 의하면, 정공주입효율이 우수하면서 동시에 전자의 누설을 효과적으로 차단할 수 있다.
또한, 실시예는 상기 제3 전자차단층(133) 상에 AlN를 포함하는 제4 전자차단층(134)을 형성할 수 있고, 상기 제4 전자차단층(134) 상에 p-GaN를 포함하는 제5 전자차단층(135)을 형성할 수 있다.
실시예에서 상기 제4 전자차단층(134)의 AlN는 상기 제2 전자차단층(132)의 AlN 보다 얇을 수 있으며, 상기 제5 전자차단층(135)의 p-GaN는 상기 제3 전자차단층(133)의 p-GaN 보다 두꺼울 수 있다.
이에 따라 실시예에 의하면 활성층으로부터 오버플로우되는 전자에 대해서는 상대적으로 두꺼운 AlN층인 제2 전자차단층(132)에서 에너지 장벽의 기능을 하며, 정공주입층으로부터 주입되는 홀에 대해서는 상대적으로 두꺼운 p-GaN층인 제5 전자차단층(135)에서 홀의 주입을 도울 수 있다.
즉, 실시예에 의하면 활성층에 인접한 AlN의 전자차단층의 두께는 정공주입층인 제2 도전형 반도체층(116)에 인접한 AlN의 전자차단층에 비해 두꺼울 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 정공주입층인 제2 도전형 반도체층(116)에 인접한 p-GaN 전자차단층의 두께는 활성층(114)에 인접한 p-GaN 전자차단층에 비해 두꺼울 수 있다.
이에 따라 활성층(114)에 인접한 AlN 전차차단층은 활성층으로부터 오버플로우되는 전자를 효율적으로 차단할 수 있고, 제2 도전형 반도체층(116)에 인접한 p-GaN 전자차단층은 정공주입층인 제2 도전형 반도체층(116)으로부터 주입되는 홀을 효율적으로 활성층에 주입해줄 수 있다.
또한, 실시예는 상기 제5 전자차단층(135) 상에 AlN를 포함하는 제6 전자차단층(136)을 형성할 수 있고, 상기 제6 전자차단층(136) 상에 p-GaN를 포함하는 제7 전자차단층(137)을 형성할 수 있다.
실시예에서 상기 제6 전자차단층(136)의 AlN는 상기 제4 전자차단층(134)의 AlN 보다 얇을 수 있으며, 상기 제7 전자차단층(137)의 p-GaN는 상기 제5 전자차단층(135)의 p-GaN 보다 두꺼울 수 있다.
이에 따라 활성층(114)에 인접한 AlN 전차차단층은 활성층으로부터 오버플로우되는 전자를 효율적으로 차단할 수 있고, 제2 도전형 반도체층(116)에 인접한 p-GaN 전자차단층은 정공주입층인 제2 도전형 반도체층(116)으로부터 주입되는 홀을 효율적으로 활성층에 주입해줄 수 있다.
실시예에 따른 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템에 의하면, 정공주입효율이 우수하면서 동시에 전자의 누설을 효과적으로 차단할 수 있다.
도 3은 실시예에 따른 발광소자의 전자차단층 형성을 위한 타이밍 다이어그램 예시도이다.
우선, 활성층(114) 상에 InN를 포함하는 제1 전자차단층(131)을 형성하는 단계를 진행한다.
예를 들어, T1의 시간동안 In 소스와 N 소스를 주입하여 InN 제1 전자차단층(131)을 형성할 수 있다. 예를 들어, In 소스는 트리메틸 인듐 가스(TMIn)일 수 있고, N 소스는 암모니아 가스(NH3) 또는 디메틸히드라진 (DMHy) 일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 상기 제1 전자차단층(131) 상에 AlN를 포함하는 제2 전자차단층(132)을 형성한다.
실시예에서 AlN를 포함하는 제2 전자차단층(132)을 형성하는 단계에 있어서, AlN층의 결정성을 높이기 위해 AlN층 성장시 N 소스와 Al 소스를 교대로 on, off 하는 방식인 펄스모드(pulse mode)로 구현할 수 있다.
예를 들어, T2 시간 동안 In 소스와 N 소스를 주입을 중단한 한 후, T3 시간 동안 Al 소스만을 공급하고, T4 시간 동안은 N 소스만을 공급하여 고품질의 AlN층을 형성할 수 있다. 상기 Al 소스는 트리메틸알루미늄(trimethyl aluminum; TMAl)을 사용할 수 있고, N 소스는 암모니아 가스(NH3) 또는 디메틸히드라진 (DMHy) 일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 상기 제2 전자차단층(132) 상에 GaN를 포함하는 제3 전자차단층(133)을 형성한다. 상기 제3 전자차단층(133)은 P형으로 도핑된 p-GaN를 포함할 수 있다.
예를 들어, T5 시간동안 Al 소스 및 N 소스를 중단하고, T6 시간동안 N 소스, Ga 소스 및 P형 도펀트를 공급하여 p-GaN층을 형성할 수 있다. Ga 소스는 트리메틸갈륨(TMGa) 또는 트리에틸갈륨(TEGa)을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. P형 도펀트는 Mg 또는 Zn일 수 있고, 도펀트가 Mg인 경우 Cp2Mg 가스를 사용할 수 있고, 도펀트가 Zn인경우 DMZn을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이에 따라 상기 전자차단층(130)은 InN/AlN/p-GaN을 포함할 수 있고, AlN/p-GaN는 복수의 주기로 형성될 수 있다.
예를 들어, 제3 전자차단층(133) 형성 공정 후 제4 전자차단층(134), 제5 전자차단층(135), 제6 전자차단층(136) 및 제7 전자차단층(137)이 순차적으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 제3 전자차단층(133) 상에 AlN를 포함하는 제4 전자차단층(134)을 형성한다.
예를 들어, T7 시간 동안 Ga 소스, N 소스 및 P형 도펀트 주입을 중단한 한 후, T8 시간 동안 Al 소스만을 공급하고, T9 시간 동안은 N 소스만을 공급하여 고품질의 AlN층을 형성할 수 있다.
이때, AlN의 제4 전자차단층(134)은 상기 AlN의 제2 전자차단층(132) 보다 얇게 형성될 수 있다. 이에 따라, 제4 전자차단층(134)을 형성하기 위한 시간(T7 및 T8)은 제2 전자차단층(132)을 형성하기 위한 시간(T3 및 T4)보다 짧을 수 있다.
다음으로, 상기 제4 전자차단층(134) 상에 GaN를 포함하는 제5 전자차단층(135)을 형성한다. 상기 제5 전자차단층(135)은 P형으로 도핑된 p-GaN를 포함할 수 있다.
예를 들어, T10 시간동안 Al 소스 및 N 소스를 중단하고, T11 시간동안 N 소스, Ga 소스 및 P형 도펀트를 공급하여 p-GaN층을 형성할 수 있다.
이때, p-GaN의 제5 전자차단층(135)은 상기 p-GaN의 제3 전자차단층(133)보다 두껍게 형성될 수 있다. 이에 따라, 제5 전자차단층(135)을 형성하기 위한 시간(T11)은 제3 전자차단층(133)을 형성하기 위한 시간(T6)보다 길 수 있다.
이후, 상기 제5 전자차단층(135) 상에 AlN를 포함하는 제6 전자차단층(136)을 펄스모드로 형성하고, 상기 제6 전자차단층(136) 상에 p-GaN 제7 전자차단층(137)을 형성할 수 있다.
상기 AlN의 제6 전자차단층(136)은 상기 AlN의 제4 전자차단층(134)보다 얇게 형성될 수 있고, 상기 p-GaN의 제7 전자차단층(137)은 상기 p-GaN의 제5 전자차단층(135)보다 두껍게 형성될 수 있다.
실시예에 의하면 활성층(114)에 인접한 AlN 전차차단층은 활성층으로부터 오버플로우되는 전자를 효율적으로 차단할 수 있고, 제2 도전형 반도체층(116)에 인접한 p-GaN 전자차단층은 정공주입층인 제2 도전형 반도체층(116)으로부터 주입되는 홀을 효율적으로 활성층에 주입해줄 수 있다.
실시예에 따른 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템에 의하면, 정공주입효율이 우수하면서 동시에 전자의 누설을 효과적으로 차단할 수 있다.
이하, 도 4는 실시예에 따른 발광소자(100)에 대해 개략적으로 구조를 설명한다.
실시예는 수직형 발광소자를 중심으로 설명하고 있으나 이는 예시에 불과한 것으로서, 수평형 발광소자, 플립칩형 발광소자, 비아홀을 포함하는 하이브리드형 발광소자 등에도 적용될 수 있다.
실시예에 따른 발광소자는 제1 도전형 반도체층(112), 활성층(114), 제2 도전형 반도체층(116)을 포함하는 발광구조물(110)과, 상기 발광구조물(110) 상면 일부에 형성된 패시베이션층(140), 발광구조물(110) 상에 형성된 제1 전극(150)을 포함할 수 있다.
실시예는 상기 활성층(114)과 상기 제2 도전형 반도체층(116) 사이에 전자차단층(130)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 전자차단층(130)은 상기 활성층(114) 상에 형성된 InN를 포함하는 제1 전자차단층(131)과, 상기 제1 전자차단층(131) 상에 형성된 AlN를 포함하는 제2 전자차단층(132) 및 상기 제2 전자차단층(132) 상에 형성된 GaN를 포함하는 제3 전자차단층(133)을 포함할 수 있다.
실시예에 의하면 활성층(114) 상에 양자우물의 에너지 밴드갭(Egw) 이하의 제1 에너지 밴드갭(Eg1)을 가지는 제1 전자차단층(131)을 형성하여 에너지 준위를 낮춤으로써 전자의 오버플로우를 방지하고, 이후 형성되는 제2 전자차단층(132)과의 상대적인 에너지 장벽을 크게 함으로써 전자의 오버플로우를 방지하여 전자의 누설을 효과적으로 차단할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 활성층(114)에 인접한 AlN의 전자차단층의 두께는 정공주입층인 제2 도전형 반도체층(116)에 인접한 AlN의 전자차단층에 비해 두꺼울 수 있으며, 정공주입층인 제2 도전형 반도체층(116)에 인접한 p-GaN 전자차단층의 두께는 활성층(114)에 인접한 p-GaN 전자차단층에 비해 두꺼울 수 있다.
이에 따라 실시예에 의하면 활성층(114)에 인접한 AlN 전차차단층은 활성층으로부터 오버플로우되는 전자를 효율적으로 차단할 수 있고, 제2 도전형 반도체층(116)에 인접한 p-GaN 전자차단층은 정공주입층인 제2 도전형 반도체층(116)으로부터 주입되는 홀을 효율적으로 활성층에 주입해줄 수 있다.
실시예에서, 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, 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 활성층(114)은 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 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)의 우물층(114w)/장벽층(114b)은 InGaN/GaN, InGaN/InGaN, GaN/AlGaN, InAlGaN/GaN, GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 우물층은 장벽층의 밴드 갭보다 낮은 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(116)은 제2 도전형 도펀트가 도핑된 3족-5족 원소의 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)은 예컨대, GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 등에서 선택될 수 있다.
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 갖는 반도체 예컨대, 제2 도전형 반도체층(116)이 P형 반도체층인 경우, N형 반도체층(미도시)을 더 형성할 수 있다. 이에 따라 발광구조물(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.
상기 발광구조물(110) 상면에는 요철(R)이 형성되어 광추출 효율을 높일 수 있다.
상기 발광구조물(110) 하측에는 제2 전극층(120)이 형성되며, 상기 제2 전극층(120)은 오믹층(122), 반사층(124), 결합층(125), 지지기판(126) 등을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 오믹층(122)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.
또한, 상기 반사층(124)은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 중 적어도 하나를 포함하는 금속 또는 합금으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 반사층(124)은 상기 금속 또는 합금과 IZO, IZTO, IAZO, IGZO, IGTO, AZO, ATO 등의 투광성 전도성 물질을 이용하여 다층으로 형성할 수 있으며, 예를 들어, IZO/Ni, AZO/Ag, IZO/Ag/Ni, AZO/Ag/Ni 등으로 적층할 수 있다.
또한, 상기 결합층(125)은 Ti, Au, Sn, Ni, Cr, Ga, In, Bi, Cu, Ag 또는 Ta 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전도성 지지기판(126)는 구리(Cu), 구리합금(Cu Alloy), 금(Au), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 구리-텅스텐(Cu-W), 캐리어 웨이퍼(예를 들어, Si, Ge, GaAs, GaN, ZnO, SiGe, SiC 등) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 발광구조물(110)의 하측 외곽에는 보호 부재(190)가 형성될 수 있고, 상기 발광구조물(110)과 상기 오믹층(122) 사이에는 전류 차단층(current blocking layer, CBL)(129)이 형성될 수 있다.
상기 보호 부재(190)는 상기 발광구조물(110)과 결합층(125) 사이의 둘레 영역에 형성될 수 있으며, 링 형상, 루프 형상, 사각 프레임 형상 등으로 형성될 수 있다. 상기 보호 부재(190)는 일부분이 상기 발광구조물(110)과 수직 방향에서 중첩될 수 있다.
상기 보호 부재(190)는 상기 결합층(125)과 활성층(114) 사이의 측면에서의 거리를 증가시켜 상기 결합층(125)과 활성층(114) 사이의 전기적 단락의 발생 가능성을 줄일 수 있고, 칩 분리 공정에서 전기적 단락이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
상기 보호 부재(140)는 전기 절연성을 가지는 물질이거나, 반사층(124) 또는 결합층(1125)보다 전기 전도성이 낮은 물질, 또는 제2 도전형의 반도체층(116)과 쇼트키 접촉을 형성하는 물질을 이용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 보호 부재(140)는 ITO, IZO, IZTO, IAZO, IGZO, IGTO, AZO, ATO, ZnO, SiO2, SiOx, SiOxNy, Si3N4, Al2O3, TiOx, TiO2, Ti, Al 또는 Cr 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
실시예에 따른 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템에 의하면, 정공주입효율이 우수하면서 동시에 전자의 누설을 효과적으로 차단하여 고출력의 발광소자를 구현할 수 있다.
도 5는 실시예들에 따른 발광소자가 설치된 발광소자 패키지(200)를 설명하는 도면이다.
실시예에 따른 발광 소자 패키지는 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 발광 소자(100)와, 상기 발광 소자(100)를 포위하는 몰딩부재(240)가 포함된다.
상기 패키지 몸체부(205)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 발광 소자(100)의 주위에 경사면이 형성될 수 있다.
상기 제3 전극층(213) 및 제4 전극층(214)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광 소자(100)에 전원을 제공하는 역할을 한다. 또한, 상기 제3 전극층(213) 및 제4 전극층(214)은 상기 발광 소자(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 수직형 타입의 발광 소자가 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 수평형 발광소자도 적용될 수 있다.
상기 발광 소자(100)는 상기 패키지 몸체부(205) 상에 설치되거나 상기 제3 전극층(213) 또는 제4 전극층(214) 상에 설치될 수 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. 실시예에서는 상기 발광 소자(100)가 상기 제3 전극층(213)과 와이어(230)를 통해 전기적으로 연결되고 상기 제4 전극층(214)과 직접 접촉하여 전기적으로 연결된 것이 예시되어 있다.
상기 몰딩부재(240)는 상기 발광 소자(100)를 포위하여 상기 발광 소자(100)를 보호할 수 있다. 또한, 상기 몰딩부재(240)에는 형광체가 포함되어 상기 발광 소자(100)에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있다.
실시예에 따른 발광소자 패키지는 복수개가 기판 상에 어레이되며, 상기 발광 소자 패키지에서 방출되는 광의 경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트, 형광 시트 등이 배치될 수 있다. 이러한 발광 소자 패키지, 기판, 광학 부재는 백라이트 유닛으로 기능하거나 조명 유닛으로 기능할 수 있으며, 예를 들어, 조명 시스템은 백라이트 유닛, 조명 유닛, 지시 장치, 램프, 가로등을 포함할 수 있다.
도 6은 실시예에 따른 조명 유닛의 사시도(1100)이다. 다만, 도 6의 조명 유닛(1100)은 조명 시스템의 한 예이며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
실시예에서 상기 조명 유닛(1100)은 케이스몸체(1110)와, 상기 케이스몸체(1110)에 설치된 발광모듈부(1130)과, 상기 케이스몸체(1110)에 설치되며 외부 전원으로부터 전원을 제공받는 연결 단자(1120)를 포함할 수 있다.
상기 케이스몸체(1110)는 방열 특성이 양호한 재질로 형성되는 것이 바람직하며, 예를 들어 금속 재질 또는 수지 재질로 형성될 수 있다.
상기 발광모듈부(1130)은 기판(1132)과, 상기 기판(1132)에 탑재되는 적어도 하나의 발광소자 패키지(200)를 포함할 수 있다.
상기 기판(1132)은 절연체에 회로 패턴이 인쇄된 것일 수 있으며, 예를 들어, 일반 인쇄회로기판(PCB: Printed Circuit Board), 메탈 코아(Metal Core) PCB, 연성(Flexible) PCB, 세라믹 PCB 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 기판(1132)은 빛을 효율적으로 반사하는 재질로 형성되거나, 표면이 빛이 효율적으로 반사되는 컬러, 예를 들어 백색, 은색 등으로 형성될 수 있다.
상기 기판(1132) 상에는 상기 적어도 하나의 발광소자 패키지(200)가 탑재될 수 있다. 상기 발광소자 패키지(200) 각각은 적어도 하나의 발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode)(100)를 포함할 수 있다. 상기 발광 다이오드(100)는 적색, 녹색, 청색 또는 백색의 유색 빛을 각각 발광하는 유색 발광 다이오드 및 자외선(UV, UltraViolet)을 발광하는 UV 발광 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 발광모듈부(1130)는 색감 및 휘도를 얻기 위해 다양한 발광소자 패키지(200)의 조합을 가지도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 고 연색성(CRI)을 확보하기 위해 백색 발광 다이오드, 적색 발광 다이오드 및 녹색 발광 다이오드를 조합하여 배치할 수 있다.
상기 연결 단자(1120)는 상기 발광모듈부(1130)와 전기적으로 연결되어 전원을 공급할 수 있다. 실시예에서 상기 연결 단자(1120)는 소켓 방식으로 외부 전원에 돌려 끼워져 결합되지만, 이에 대해 한정하지는 않는다. 예를 들어, 상기 연결 단자(1120)는 핀(pin) 형태로 형성되어 외부 전원에 삽입되거나, 배선에 의해 외부 전원에 연결될 수도 있는 것이다.
도 7은 실시예에 따른 백라이트 유닛의 분해 사시도(1200)이다. 다만, 도 7의 백라이트 유닛(1200)은 조명 시스템의 한 예이며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
실시예에 따른 백라이트 유닛(1200)은 도광판(1210)과, 상기 도광판(1210)에 빛을 제공하는 발광모듈부(1240)와, 상기 도광판(1210) 아래에 반사 부재(1220)와, 상기 도광판(1210), 발광모듈부(1240) 및 반사 부재(1220)를 수납하는 바텀 커버(1230)를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기 도광판(1210)은 빛을 확산시켜 면광원화 시키는 역할을 한다. 상기 도광판(1210)은 투명한 재질로 이루어지며, 예를 들어, PMMA(polymethyl metaacrylate)와 같은 아크릴 수지 계열, PET(polyethylene terephthlate), PC(poly carbonate), COC(cycloolefin copolymer) 및 PEN(polyethylene naphthalate) 수지 중 하나를 포함할 수 있다.
상기 발광모듈부(1240)은 상기 도광판(1210)의 적어도 일 측면에 빛을 제공하며, 궁극적으로는 상기 백라이트 유닛이 설치되는 디스플레이 장치의 광원으로써 작용하게 된다.
상기 발광모듈부(1240)은 상기 도광판(1210)과 접할 수 있으나 이에 한정되지 않는). 구체적으로는, 상기 발광모듈부(1240)은 기판(1242)과, 상기 기판(1242)에 탑재된 다수의 발광소자 패키지(200)를 포함하는데, 상기 기판(1242)이 상기 도광판(1210)과 접할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기 기판(1242)은 회로패턴(미도시)을 포함하는 인쇄회로기판(PCB, Printed Circuit Board)일 수 있다. 다만, 상기 기판(1242)은 일반 PCB 뿐 아니라, 메탈 코어 PCB(MCPCB, Metal Core PCB), 연성 PCB(FPCB, Flexible PCB) 등을 포함할 수도 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
그리고, 상기 다수의 발광소자 패키지(200)는 상기 기판(1242) 상에 빛이 방출되는 발광면이 상기 도광판(1210)과 소정 거리 이격되도록 탑재될 수 있다.
상기 도광판(1210) 아래에는 상기 반사 부재(1220)가 형성될 수 있다. 상기 반사 부재(1220)는 상기 도광판(1210)의 하면으로 입사된 빛을 반사시켜 위로 향하게 함으로써, 상기 백라이트 유닛의 휘도를 향상시킬 수 있다. 상기 반사 부재(1220)는 예를 들어, PET, PC, PVC 레진 등으로 형성될 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 바텀 커버(1230)는 상기 도광판(1210), 발광모듈부(1240) 및 반사 부재(1220) 등을 수납할 수 있다. 이를 위해, 상기 바텀 커버(1230)는 상면이 개구된 박스(box) 형상으로 형성될 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 바텀 커버(1230)는 금속 재질 또는 수지 재질로 형성될 수 있으며, 프레스 성형 또는 압출 성형 등의 공정을 이용하여 제조될 수 있다.
실시예에 의하면 고출력 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
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.

Claims (12)

  1. 제1 도전형 반도체층;
    양자우물과 양자벽을 포함하여 상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성된 활성층;
    상기 활성층 상에 전자차단층;
    상기 전자차단층 상에 제2 도전형 반도체층;을 포함하며,
    상기 전자차단층은,
    상기 활성층 상에 InN를 포함하는 제1 전자차단층;
    상기 제1 전자차단층 상에 AlN를 포함하는 제2 전자차단층;
    상기 제2 전자차단층 상에 GaN를 포함하는 제3 전자차단층;
    상기 제3 전자차단층 상에 AlN를 포함하는 제4 전자차단층; 및
    상기 제4 전자차단층 상에 GaN를 포함하는 제5 전자차단층을 포함하고,
    상기 제4 전자차단층의 두께는 상기 제2 전자차단층의 두께보다 얇고,
    상기 제5 전자차단층의 두께는 상기 제3 전자차단층의 두께보다 두꺼운 발광소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 전자차단층은 P형으로 도핑된 p-GaN이며,
    상기 제1 전자차단층은
    상기 양자우물의 에너지 밴드갭 이하의 제1 에너지 밴드갭을 가지는 발광소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제5 전자차단층 상에 AlN을 포함하는 제6전자차단층과 상기 제6전자차단층 상에 p-GaN을 포함하는 제7 전자차단층을 더 포함하는 발광소자.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제6 전자차단층의 두께는 상기 제4 전자차단층의 두께보다 얇으며,
    상기 제7 전자차단층의 두께는 상기 제5 전자차단층의 두께보다 두꺼운 발광소자.
  5. 삭제
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 전자차단층은,
    상기 양자벽의 에너지 밴드갭 이상의 제2 에너지 밴드갭을 가지고,
    상기 제3 전자차단층은 상기 제2 에너지 밴드갭 이하이면서 상기 양자벽의 에너지 밴드갭 이상의 제3 에너지 밴드갭을 가지는 발광소자.
  7. 제1 도전형 반도체층;
    양자우물과 양자벽을 포함하여 상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성된 활성층;
    상기 활성층 상에 전자차단층;
    상기 전자차단층 상에 제2 도전형 반도체층;을 포함하며,
    상기 전자차단층은,
    상기 활성층 상에 InN 전자차단층;
    상기 InN 전자차단층 상에 적어도 하나 이상의 AlN 전자차단층; 및
    상기 AlN 전자차단층 상에 적어도 하나 이상의 GaN 전자차단층을 포함하고,
    상기 활성층에 인접한 AlN 전자차단층의 두께는 상기 제2 도전형 반도체층에 인접한 AlN 전자차단층에 비해 두꺼우며,
    상기 제2 도전형 반도체층에 인접한 GaN 전자차단층의 두께는 상기 활성층에 인접한 GaN 전자차단층에 비해 두꺼운 발광소자.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 GaN 전자차단층은 P형으로 도핑된 p-GaN이며,
    상기 InN 전자차단층은,
    상기 양자우물의 에너지 밴드갭 이하의 제1 에너지 밴드갭을 가지는 발광소자.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 AlN 전자차단층은
    상기 양자벽의 에너지 밴드갭 이상의 제2 에너지 밴드갭을 가지고,
    상기 GaN 전자차단층은 상기 제2 에너지 밴드갭 이하이면서 상기 양자벽의 에너지 밴드갭 이상의 제3 에너지 밴드갭을 가지는 발광소자.
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