KR20150101669A - 발광 소자 - Google Patents
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Abstract
실시예는 기판; 상기 기판 상에 배치되고, 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 상기 활성층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이의 전자 차단층; 및 상기 전자 차단층 내에 배치되는 정공 주입층을 포함하는 발광 소자를 제공한다.
Description
실시예는 발광 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발광 소자에 발광효율 향상에 관한 것이다.
GaN, AlGaN 등의 3-5 족 화합물 반도체는 넓고 조정이 용이한 밴드 갭 에너지를 가지는 등의 많은 장점으로 인해 광 전자 공학 분야(optoelectronics)와 전자 소자를 위해 등에 널리 사용된다.
특히, 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Light Emitting Diode)나 레이저 다이오드와 같은 발광 소자는 박막 성장 기술 및 소자 재료의 개발로 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광 물질을 이용하거나 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색 광선도 구현이 가능하며, 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경친화성의 장점을 가진다.
따라서, 광 통신 수단의 송신 모듈, LCD(Liquid Crystal Display) 표시 장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 발광 다이오드 백라이트, 형광등이나 백열 전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드 조명 장치, 자동차 헤드 라이트 및 신호등에까지 응용이 확대되고 있다.
종래의 발광 소자는 사파이어(Sapphire) 등으로 이루어진 기판 위에 언도프드 반도체층(un-GaN)과 제1 도전형 반도체층(n-GaN)과 활성층(MQW) 및 제2 도전형 반도체층(p-GaN)을 포함하는 발광구조물이 형성되고, 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 상에 각각 제1 전극과 제2 전극이 배치될 수 있다.
발광 소자는 제1 도전형 반도체층을 통해서 주입되는 전자와 제2 도전형 반도체층을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 활성층을 이루는 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출한다. 활성층에서 방출되는 빛은 활성층을 이루는 물질의 조성에 따라 다를 수 있으며, 청색광이나 자외선(UV) 또는 심자외선(Deep UV) 또는 다른 파장 영역의 광일 수 있다.
정공에 비하여 전자의 이동성(mobiluty)가 높아서 활성층에서 제2 도전형 반도체층으로 전자가 주입될 수 있는데, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 활성층과 제2 도전형 반도체층의 사이에는 전자 차단층(Electron blocking layer)이 배치될 수 있다.
전자 차단층은 예를 들어 제2 도전형 도펀트로 도핑된 AlGaN이 배치될 수 있다. 그러나, p형 AlGaN은 전자의 이동을 차단하는 외에 정공의 이동도 방해할 수 있어서, 제2 도전형 반도체층으로부터 활성층 방향으로의 정공의 주입량이 감소하고, 따라서 활성층 내에서 전자와 결합하는 정공의 개수가 줄어들고 이는 발광 소자에서 방출되는 광량의 감소로 줄어들 수 있다.
실시예는 발광 소자의 발광 효율을 향상시키고자 한다.
실시예는 기판; 상기 기판 상에 배치되고, 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 상기 활성층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이의 전자 차단층; 및 상기 전자 차단층 내에 배치되는 정공 주입층을 포함하는 발광 소자를 제공한다.
전자 차단층은 AlGaN을 포함하고, 상기 정공 주입층은 InGaN을 포함할 수 있다.
정공 주입층의 인듐 함량은 1% 내지 10%일 수 있다.
정공 주입층은, 제1 정공 주입층과, 상기 제1 정공 주입층을 사이에 두고 배치되는 한 쌍의 제2 정공 주입층을 포함할 수 있다.
제1 정공 주입층의 인듐 함량은 상기 제2 정공 주입층의 인듐 함량보다 클 수 있다.
제1 정공 주입층의 에너지 밴드 갭은 상기 제2 정공 주입층의 에너지 밴드 갭보다 작을 수 있다.
제1 정공 주입층의 두께는, 상기 제2 정공 주입층의 두께와 동일할 수 있다.
제1 정공 주입층과 상기 제2 정공 주입층의 두께는 각각 0.5 나노미터 내지 5 나노미터일 수 있다.
전자 차단층은, 상기 정공 주입층과 상기 활성층 사이의 제1 전자 차단층과, 상기 정공 주입층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이의 제2 전자 차단층을 포함할 수 있다.
제1 전자 차단층의 두께는 상기 제2 전자 차단층의 두께보다 작을 수 있다.
실시예에 따른 발광 소자는 에너지 밴드 갭이 전공 주입층이 형성된 영역에서 작아져서, 활성층에서 발광소자의 홀농도가 증가하여 발광 효율이 향상될 수 있다.
도 1은 발광 소자의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 2a는 도 1의 전자 차단층의 제1 실시예의 구조를 나타낸 도면이고,
도 2b은 도 1의 전자 차단층의 제2 실시예의 구조를 나타낸 도면이고,
도 3은 발광 소자의 다른 일실시예의 단면도이고,
도 4는 실시예에 따른 발광 소자의 에너지 밴드 구조를 종래와 비교한 도면이고,
도 5는 실시예에 따른 발광 소자의 홀 농도를 종래와 비교한 도면이고,
도 6은 실시예에 따른 발광 소자의 발광 스펙트럼을 종래와 비교한 도면이고,
도 7은 발광 소자를 포함하는 발광 소자 패키지의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 8은 발광 소자를 포함하는 영상표시장치의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 9는 발광 소자를 포함하는 조명장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도 2a는 도 1의 전자 차단층의 제1 실시예의 구조를 나타낸 도면이고,
도 2b은 도 1의 전자 차단층의 제2 실시예의 구조를 나타낸 도면이고,
도 3은 발광 소자의 다른 일실시예의 단면도이고,
도 4는 실시예에 따른 발광 소자의 에너지 밴드 구조를 종래와 비교한 도면이고,
도 5는 실시예에 따른 발광 소자의 홀 농도를 종래와 비교한 도면이고,
도 6은 실시예에 따른 발광 소자의 발광 스펙트럼을 종래와 비교한 도면이고,
도 7은 발광 소자를 포함하는 발광 소자 패키지의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 8은 발광 소자를 포함하는 영상표시장치의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 9는 발광 소자를 포함하는 조명장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)(on or under)”으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향 뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 1은 발광 소자의 일실시예를 나타낸 도면이다.
발광 소자(100)는, 기판(110)과 버퍼층(115), 버퍼층(115) 상에 배치되고, 제1 도전형 반도체층(122)과 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)을 포함하는 발광 구조물(120)과, 제2 도전형 반도체층(122) 상의 투광성 도전층(150)과, 제1 도전형 반도체층(122)과 제2 도전형 반도체층(126) 상에 각각 배치된 제1 전극(162)과 제2 전극(164)를 포함하고, 활성층(124)과 제2 도전형 반도체층(126)의 사이에 전자 차단층(130)이 배치될 수 있다.
기판(110)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질이나 캐리어 웨이퍼로 형성될 수 있으며, 열 전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있고, 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함할 수 있다. 예컨대, 사파이어(Al2O3), SiO2, SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
사파이어 등으로 기판(110)을 형성하고, 기판(110) 상에 GaN이나 AlGaN 등을 포함하는 발광구조물(120)이 배치될 때, GaN이나 AlGaN과 사파이어 사이의 격자 부정합(lattice mismatch)이 매우 크고 이들 사이에 열 팽창 계수 차이도 매우 크기 때문에, 결정성을 악화시키는 전위(dislocation), 멜트 백(melt-back), 크랙(crack), 피트(pit), 표면 모폴로지(surface morphology) 불량 등이 발생할 수 있으므로, AlN 등으로 버퍼층(115)을 형성하거나 언도프드 반도체층(미도시)을 형성할 수 있다.
도시되지는 않았으나 기판(110)의 표면에는 요철 구조가 형성되어, 발광 구조물(120)에서 방출되어 기판(110)으로 진행하는 빛을 굴절시킬 수도 있다.
제1 도전형 반도체층(122)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑되어 제1 도전형의 반도체층일 수 있다. 제1 도전형 반도체층(122)은 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어지거나, 예를 들면 AlGaN, GaN, InAlGaN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
제1 도전형 반도체층(122)이 n형 반도체층인 경우, 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(122)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
활성층(124)은 제1 도전형 반도체층(122)의 상부면에 배치되며, 단일 우물 구조(Double Hetero Structure), 다중 우물 구조, 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물(MQW:Multi Quantum Well) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
활성층(124)은 Ⅲ-Ⅴ족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 우물층과 장벽층, 예를 들면 AlGaN/AlGaN, InGaN/GaN, InGaN/InGaN, AlGaN/GaN, InAlGaN/GaN, GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 우물층은 장벽층의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(126)은 활성층(124)의 표면에 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(126)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(126)은 예컨대, InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어지거나, 예를 들면 AlGaN, GaN AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(126)은 제2 도전형 도펀트가 도핑되어 제2 도전형의 반도체층일 수 있는데, 제2 도전형 반도체층(126)이 p형 반도체층일 경우 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트일 수 있다. 제2 도전형 반도체층(126)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 제2 도전형 반도체층(126) 상에는 제2 도전형과 반대의 극성을 갖는 제3 도전형 반도체층을 형성할 수 있다. 이에 따라 발광 구조물은 n-p 접합 구조, p-n 접합 구조, n-p-n 접합 구조, p-n-p 접합 구조 등의 한 구조로 구현할 수 있다.
활성층(124)과 제2 도전형 반도체층(126)의 사이에는 전자 차단층(Electron blocking layer, 130)이 배치될 수 있는데, 전자 차단층은 상술한 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있고, 조성비를 달리하는 GaN이 층(layer)을 이루어 복수 개 서로 교번하여 배치되는 초격자(superlattice)가 될 수 있다.
전자 차단층은 정공의 주입 효율을 개선하기 위하여 정공 주입층(140)을 포함할 수 있는데, 도 2a와 도 2b를 사용하여 후술한다.
발광 구조물(120)의 일부 영역에서 제2 도전형 반도체층(126)으로부터 활성층(124)과 제1 도전형 반도체층(122)의 일부가 메사 식각되어, 제1 도전형 반도체층(122)의 표면이 노출된다.
제2 도전형 반도체층(126) 상에는 투광성 도전층(150)이 배치될 수 있는데, 투광성 도전층(150)은 ITO(Indium-Tin-Oxide) 등으로 이루어질 수 있는데, 제2 도전형 반도체층(126)의 전류 스프레딩(spreading) 특성이 좋지 않아 투광성 도전층(150)이 제2 전극(185)으로부터 전류를 공급받을 수 있다.
노출된 제1 도전형 반도체층(122)의 표면과 투광성 도전층(150) 상에는 각각 제1 전극(162)과 제2 전극(164)이 배치되는데, 제1 전극(162)과 제2 전극(163)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있으며, 각각 와이어(미도시)에 연결될 수 있다.
도시되지는 않았으나, 발광 구조물(120)의 둘레에는 패시베이션층이 형성될 수 있는데, 패시베이션층은 절연성 물질로 이루어질 수 있고, 상세하게는 산화물이나 질화물로 이루어질 수 있고, 보다 상세하게는 실리콘 산화물(SiO2)층, 산화 질화물층, 산화 알루미늄층으로 이루어질 수 있다.
도 2a는 도 1의 전자 차단층의 제1 실시예의 구조를 나타낸 도면이고, 도 2b은 도 1의 전자 차단층의 제2 실시예의 구조를 나타낸 도면이다.
전자 차단층(130)의 사이에는 정공 주입층(140)이 포함될 수 있는데, 전자 차단층(130)과 정공 주입층(140)은 모두 p형 도펀트가 도핑될 수 있다. 그리고, 전자 차단층(130)은 정공 주입층(140)을 사이에 두고 양쪽에 한 쌍이 배치될 수 있는데, 전자 차단층(130)은 정공 주입층(140)과 활성층 사이의 제1 전자 차단층(130a)과 정공 주입층(140)과 제2 도전형 반도체층 사이의 제2 전자 차단층(130b)을 포함할 수 있으며, 제1 전자 차단층(130a)과 제2 전자 차단층(130b)의 에너지 밴드 갭은 동일할 수 있다.
전자 차단층(130)은 AlGaN으로 이루어지고, 정공 주입층(140)은 InGaN으로 이루어져서, 전자 차단층(130)의 에너지 밴드 갭이 정공 주입층(140)의 에너지 밴드 갭보다 클 수 있다.
도 2a에서, 정공 주입층(140)은 3개의 층(layer)으로 이루어지는데, 상세하게는 제1 정공 주입층(141)과 한 쌍의 제2 정공 주입층(142a, 142b)로 이루어진다. 그리고, 제1 정공 주입층(141)의 인듐 함량은 제2 정공 주입층(142)의 인듐 함량보다 커서, 제1 정공 주입층(141)의 에너지 밴드 갭은 제2 정공 주입층(142a, 142b)의 에너지 밴드 갭보다 작을 수 있으며, 한 쌍의 제2 정공 주입층(142a, 142b)의 에너지 밴드 갭은 서로 동일할 수 있다.
따라서, 제2 도전형 반도층의 에너지 밴드 갭보다 전자 차단층(130)의 에너지 밴드 갭이 에너지 밴드 갭이 작을 수 있고, 전자 차단층(130)의 에너지 밴드 갭보다 정공 주입층(140)의 에너지 밴드 갭이 작을 수 있으며, 정공 주입층(140) 내에서 한 쌍의 제2 정공 주입층(142a, 142b)의 에너지 밴드 갭은 서로 동일할 수 있고, 제1 정공 주입층(141)의 에너지 밴드 갭은 제2 정공 주입층(142a, 142b)의 에너지 밴드 갭보다 작을 수 있다.
도 2b에서 정공 주입층(140)이 도 2a보다 더 많은 개수가 구비되고 있다.
즉, 제1 정공 주입층(141)의 양측에 한 쌍의 제2 정공 주입층(142a, 142b)이 배치되고, 한 쌍의 제2 정공 주입층(142a, 142b)에 대하여 전자 차단층(130a, 130b) 방향으로 각각 하나의 제3 정공 주입층(143a, 143b)이 배치될 수 있다.
그리고, 점선으로 생략하여 표시한 바와 같이 제3 정공 주입층(143a, 143b)과 전자 차단층(130a, 130b)의 사이에도 제4 정공 주입층, 제5 정공 주입층 등이 각각 한 쌍씩 배치될 수 있다.
이때, 복수 개의 정공 주입층 중 제1 정공 주입층(141)의 에너지 밴드 갭이 가장 작고, 제2 정공 주입층(142a, 142b)의 에너지 밴드 갭은 이보다 크며, 전자 차단층(130a, 130b)에 인접한 정공 주입층으로 갈수록 에너지 밴드 갭이 더 커지되 전자 차단층(130a, 130b)의 에너지 밴드 갭보다는 작을 수 있다.
정공 주입층(140)의 인듐 함량은 1% 내지 10%일 수 있는데, 인듐이 1%보다 적게 포함되면 전자 차단층(130)과 에너지 밴드 갭 차이가 너무 작을 수 있고, 인듐이 10% 보다 많이 포함되면 에너지 밴드 갭이 너무 작아져서 전자가 터널링(tenneling)하여 제2 도전형 반도체층으로 진행할 수 있다.
도 2a에서 제1 정공 주입층(141)의 두께(th1)는 제2 정공 주입층(142a, 142b)의 두께(th1, th2)와 동일할 수 있고, 각각 0.5 나노미터 내지 5 나노미터일 수 있다.
제1 정공 주입층(141)의 두께(th1)와 제2 정공 주입층(142a, 142b)의 두께(th1, th2)가 0.5 나노미터보다 작으면 정공의 터널링을 통한 주입 효과가 저하될 수 있고, 5 나노미터보다 크면 전자의 터널링이 발생하여 전자가 제2 도전형 반도체층 방향으로 진행할 수도 있다.
그리고, 제1 전자 차단층(130a)의 두께(tn1)과 제2 전자 차단층(130b)의 두께(tn2)는 서로 다를 수 있는데, 제1 전자 차단층(130a)의 두께(tn1)가 제2 전자 차단층(130b)의 두께(tn2)보다 작을 수 있다.
도 3은 발광 소자의 다른 일실시예의 단면도이다.
본 실시예에 따른 발광소자(200)는 도전성 지지기판(278)과 접합층(276)과 반사층(274)과 오믹층(272)과 발광 구조물(220) 및 패시베이션층(280)을 포함하여 이루어지고, 발광 구조물(220)의 표면에는 광추출 구조가 형성되며, 제2 도전형 반도체층(226)에는 전자 차단층(230)이 배치되고, 전자 차단층(230)의 사이에는 정공 주입층(240)이 배치될 수 있다.
발광 구조물(220)은 제1 도전형 반도체층(222)과 활성층(224) 및 제2 도전형 반도체층(226)을 포함하여 이루어지고, 광추출 구조(200)는 제1 도전형 반도체층(222) 상에 형성될 수 있으며, 제1 도전형 반도체층(222)과 활성층(224) 및 제2 도전형 반도체층(226)은 도 2에서 설명한 실시예와 동일하다.
전자 차단층(230)과 정공 주입층(240)의 구성은 도 1의 실시예와 동일할 수 있다.
발광 구조물(220)의 하부에 도시된 오믹층(272)과 반사층(274)과 접합층(276) 및 도전성 지지기판(278)이 제2 전극으로 작용할 수 있다.
오믹층(272)은 약 200 옹스트롱의 두께일 수 있다. 오믹층(272)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, Sn, In, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 이러한 재료에 한정되는 않는다.
반사층(274)은 알루미늄(Al), 은(Ag), 니켈(Ni), 백금(Pt), 로듐(Rh), 혹은 Al이나 Ag이나 Pt나 Rh를 포함하는 합금을 포함하는 금속층으로 이루어질 수 있다. 알루미늄이나 은 등은 활성층(224)에서 발생된 빛을 효과적으로 반사하여 발광소자의 광추출 효율을 크게 개선할 수 있다.
도전성 지지기판(metal support, 278)은 전기 전도도가 우수한 금속을 사용할 수 있고, 발광소자 작동시 발생하는 열을 충분히 발산시킬 수 있어야 하므로 열전도도가 높은 금속을 사용할 수 있다.
도전성 지지기판(278)은 금속 또는 반도체 물질등으로 형성될 수 있다. 또한 전기전도성과 열 전도성이 높은 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 몰리브덴(Mo), 실리콘(Si), 텅스텐(W), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al)로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있으며, 또한, 금(Au), 구리합금(Cu Alloy), 니켈(Ni), 구리-텅스텐(Cu-W), 캐리어 웨이퍼(예: GaN, Si, Ge, GaAs, ZnO, SiGe, SiC, SiGe, Ga2O3 등) 등을 선택적으로 포함할 수 있다.
상기 도전성 지지기판(278)은 전체 질화물 반도체에 휨을 가져오지 않으면서, 스크라이빙(scribing) 공정 및 브레이킹(breaking) 공정을 통하여 별개의 칩으로 잘 분리시키기 위한 정도의 기계적 강도를 가질 수 있다.
접합층(276)은 반사층(274)과 도전성 지지기판(278)을 결합하는데, 금(Au), 주석(Sn), 인듐(In), 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 은(Ag), 니켈(Ni) 및 구리(Cu)로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들의 합금으로 형성할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(222)의 상부에는 제1 전극(262)이 배치될 수 있고, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
발광 구조물(220)의 둘레에는 패시베이션층(280)이 배치되고 있다. 패시베이션층(280)은 절연물질로 이루어질 수 있으며, 절연물질은 비전도성인 산화물이나 질화물로 이루어질 수 있다. 일 예로서, 상기 패시베이션층(280)은 실리콘 산화물(SiO2)층, 산화 질화물층, 산화 알루미늄층으로 이루어질 수 있다.
도 4는 실시예에 따른 발광 소자의 에너지 밴드 구조를 종래와 비교한 도면이고, 도 5는 실시예에 따른 발광 소자의 홀 농도를 종래와 비교한 도면이고, 도 6은 실시예에 따른 발광 소자의 발광 스펙트럼을 종래와 비교한 도면이다.
도 4 내지 도 6은, 도 2a와 같이 전자 차단층 내에 제1 정공 주입층과 한 쌍의 제2 정공 주입층이 배치된 경우이고, 제1 전자 차단층은 Al이 15% 포함된 AlGaN이 5 나노미터의 두께로 배치되고, 제2 전자 차단층은 Al이 15% 포함된 AlGaN이 22 나노미터의 두께로 배치되고, 제1 정공 주입층은 In이 5% 포함된 InGaN이 1 나노미터의 두께로 배치되고, 제2 정공 주입층은 Inl이 2% 포함된 InGaN이 1 나노미터의 두께로 배치된 발광소자이다. 이때, 활성층은 8 나노미터 두께의 GaN과 In이 17% 포함된 3 나노미터 두께의 InGaN이 다중 양자 우물 구조를 이루는데, GaN/InGaN 구조가 4쌍(pair) 포함될 수 있다. 그리고, n-GaN에는 2 나노미터 두께의 GaN과 In이 7% 도핑된 2나노미터 두께의 InGaN이 20쌍 포함된 초격자가 포함될 수 있다.
종래의 발광소자(Reference)에서 n-GaN에는 상술한 실시예와 동일한 초격자가 포함되고 활성층의 구조도 동일하나, 알루미늄이 15% 도핑된 p-AlGaN이 30 나노미터의 두께로 배치되고, p-GaN의 두께는 본 실시예와 동일한 90 나노미터이다.
도 4는 실시예에 따른 발광 소자의 에너지 밴드 구조를 종래와 비교한 도면이고, 도 5는 실시예에 따른 발광 소자의 홀 농도를 종래와 비교한 도면이고, 도 6은 실시예에 따른 발광 소자의 발광 스펙트럼을 종래와 비교한 도면이다.
도 4에서 검정색으로 도시된 종래의 발광소자의 에너지 밴드 갭보다 청색으로 도시된 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 갭이 전공 주입층이 형성된 영역에서 0.068 eV 정도 작아지고 있다.
그리고, 도 5에서 도시된 바와 같이 검정색으로 도시된 종래의 발광소자의 홀 농도보다 적색으로 도시된 실시예에 따른 발광소자의 홀농도가 증가하고 있으며, 따라서 도 6에서 도시된 바와 같이 검정색으로 도시된 종래의 발광소자의 발광 스펙트럼보다 적색으로 도시된 실시예에 따른 발광소자의 스펙트럼이 향상되고 있다.
도 7은 발광 소자를 포함하는 발광 소자 패키지의 일실시예를 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 발광 소자 패키지(400)는 캐비티를 포함하는 몸체(410)와, 상기 몸체(410)에 설치된 제1 리드 프레임(Lead Frame, 421) 및 제2 리드 프레임(422)과, 상기 몸체(410)에 설치되어 상기 제1 리드 프레임(421) 및 제2 리드 프레임(422)과 전기적으로 연결되는 상술한 실시예들에 따른 발광 소자(200a)와, 상기 캐비티에 형성된 몰딩부(470)를 포함한다.
몸체(410)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있다. 상기 몸체(410)가 금속 재질 등 도전성 물질로 이루어지면, 도시되지는 않았으나 상기 몸체(410)의 표면에 절연층이 코팅되어 상기 제1,2 리드 프레임(421, 422) 간의 전기적 단락을 방지할 수 있다.
제1 리드 프레임(421) 및 제2 리드 프레임(422)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광 소자(200a)에 전류를 공급한다. 또한, 제1 리드 프레임(421) 및 제2 리드 프레임(422)은 발광 소자(200a)에서 발생된 광을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있으며, 발광 소자(200a)에서 발생된 열을 외부로 배출시킬 수도 있다.
발광 소자(200a)는 상술한 실시예들에 따른 발광 소자일 수 있다.
발광 소자(200a)는 제1 리드 프레임(421)에 도전성 페이스트(미도시) 등으로 고정될 수 있고, 전극(430)은 제2 리드 프레임에 와이어(450)로 본딩될 수 있다.
상기 몰딩부(470)는 상기 발광 소자(200a)를 포위하여 보호할 수 있다. 또한, 상기 몰딩부(470) 상에는 형광체(480)가 포함될 수 있다. 이러한 구조는 형광체(480)가 분포되어, 발광 소자(200a)로부터 방출되는 빛의 파장을 발광 소자 패키지(400)의 빛이 출사되는 전 영역에서 변환시킬 수 있다.
발광 소자 패키지(400)는 상술한 실시예들에 따른 발광 소자 중 하나 또는 복수 개로 탑재할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
이하에서는 상술한 발광 소자 패키지가 배치된 조명 시스템의 일실시예로서, 영상표시장치와 조명장치를 설명한다.
도 8은 발광 소자가 배치된 영상표시장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 영상표시장치(500)는 광원 모듈과, 바텀 커버(510) 상의 반사판(520)과, 상기 반사판(520)의 전방에 배치되며 상기 광원모듈에서 방출되는 빛을 영상표시장치 전방으로 가이드하는 도광판(540)과, 상기 도광판(540)의 전방에 배치되는 제1 프리즘시트(550)와 제2 프리즘시트(560)와, 상기 제2 프리즘시트(560)의 전방에 배치되는 패널(570)과 상기 패널(570)의 전반에 배치되는 컬러필터(580)를 포함하여 이루어진다.
광원 모듈은 회로 기판(530) 상의 발광 소자 패키지(535)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 회로 기판(530)은 PCB 등이 사용될 수 있고, 발광 소자 패키지(535)의 발광 소자는 상술한 바와 같다.
바텀 커버(510)는 영상표시장치(500) 내의 구성 요소들을 수납할 수 있다. 반사판(520)은 본 도면처럼 별도의 구성요소로 마련될 수도 있고, 도광판(540)의 후면이나, 상기 바텀 커버(510)의 전면에 반사도가 높은 물질로 코팅되는 형태로 마련되는 것도 가능하다.
반사판(520)은 반사율이 높고 초박형으로 사용 가능한 소재를 사용할 수 있고, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PolyEthylene Terephtalate; PET)를 사용할 수 있다.
도광판(540)은 발광 소자 패키지 모듈에서 방출되는 빛을 산란시켜 그 빛이 액정 표시 장치의 화면 전영역에 걸쳐 균일하게 분포되도록 한다. 따라서, 도광판(530)은 굴절률과 투과율이 좋은 재료로 이루어지는데, 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate; PMMA), 폴리카보네이트(PolyCarbonate; PC), 또는 폴리에틸렌(PolyEthylene; PE) 등으로 형성될 수 있다. 또한, 도광판(540)이 생략되면 에어 가이드 방식의 표시장치가 구현될 수 있다.
상기 제1 프리즘 시트(550)는 지지필름의 일면에, 투광성이면서 탄성을 갖는 중합체 재료로 형성되는데, 상기 중합체는 복수 개의 입체구조가 반복적으로 형성된 프리즘층을 가질 수 있다. 여기서, 상기 복수 개의 패턴은 도시된 바와 같이 마루와 골이 반복적으로 스트라이프 타입으로 구비될 수 있다.
상기 제2 프리즘 시트(560)에서 지지필름 일면의 마루와 골의 방향은, 상기 제1 프리즘 시트(550) 내의 지지필름 일면의 마루와 골의 방향과 수직할 수 있다. 이는 광원 모듈과 반사시트로부터 전달된 빛을 상기 패널(570)의 전방향으로 고르게 분산하기 위함이다.
본 실시예에서 상기 제1 프리즘시트(550)과 제2 프리즘시트(560)가 광학시트를 이루는데, 상기 광학시트는 다른 조합 예를 들어, 마이크로 렌즈 어레이로 이루어지거나 확산시트와 마이크로 렌즈 어레이의 조합 또는 하나의 프리즘 시트와 마이크로 렌즈 어레이의 조합 등으로 이루어질 수 있다.
상기 패널(570)은 액정 표시 패널(Liquid crystal display)가 배치될 수 있는데, 액정 표시 패널(560) 외에 광원을 필요로 하는 다른 종류의 디스플레이 장치가 구비될 수 있다.
상기 패널(570)은, 유리 바디 사이에 액정이 위치하고 빛의 편광성을 이용하기 위해 편광판을 양 유리바디에 올린 상태로 되어있다. 여기서, 액정은 액체와 고체의 중간적인 특성을 가지는데, 액체처럼 유동성을 갖는 유기분자인 액정이 결정처럼 규칙적으로 배열된 상태를 갖는 것으로, 상기 분자 배열이 외부 전계에 의해 변화되는 성질을 이용하여 화상을 표시한다.
표시장치에 사용되는 액정 표시 패널은, 액티브 매트릭스(Active Matrix) 방식으로서, 각 화소에 공급되는 전압을 조절하는 스위치로서 트랜지스터를 사용한다.
상기 패널(570)의 전면에는 컬러 필터(580)가 구비되어 상기 패널(570)에서 투사된 빛을, 각각의 화소마다 적색과 녹색 및 청색의 빛만을 투과하므로 화상을 표현할 수 있다.
도 9는 발광 소자가 배치된 조명장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 조명 장치는 커버(1100), 광원 모듈(1200), 방열체(1200), 전원 제공부(1600), 내부 케이스(1700), 소켓(1800)을 포함할 수 있다. 또한, 실시 예에 따른 조명 장치는 부재(1300)와 홀더(1500) 중 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있고, 광원 모듈(1200)은 상술한 실시예들에 따른 발광 소자 패키지를 포함할 수 있다.
커버(1100)는 벌브(bulb) 또는 반구의 형상을 가지며, 속이 비어 있고, 일 부분이 개구된 형상으로 제공될 수 있다. 상기 커버(1100)는 상기 광원 모듈(1200)과 광학적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 커버(1100)는 상기 광원 모듈(1200)로부터 제공되는 빛을 확산, 산란 또는 여기 시킬 수 있다. 상기 커버(1100)는 일종의 광학 부재일 수 있다. 상기 커버(1100)는 상기 방열체(1200)와 결합될 수 있다. 상기 커버(1100)는 상기 방열체(1200)와 결합하는 결합부를 가질 수 있다.
커버(1100)의 내면에는 유백색 도료가 코팅될 수 있다. 유백색의 도료는 빛을 확산시키는 확산재를 포함할 수 있다. 상기 커버(1100)의 내면의 표면 거칠기는 상기 커버(1100)의 외면의 표면 거칠기보다 크게 형성될 수 있다. 이는 상기 광원 모듈(1200)로부터의 빛이 충분히 산란 및 확산되어 외부로 방출시키기 위함이다.
커버(1100)의 재질은 유리(glass), 플라스틱, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리카보네이트(PC) 등일 수 있다. 여기서, 폴리카보네이트는내광성, 내열성, 강도가 뛰어나다. 상기 커버(1100)는 외부에서 상기 광원 모듈(1200)이 보이도록 투명할 수 있고, 불투명할 수 있다. 상기 커버(1100)는 블로우(blow) 성형을 통해 형성될 수 있다.
광원 모듈(1200)은 상기 방열체(1200)의 일 면에 배치될 수 있다. 따라서, 광원 모듈(1200)로부터의 열은 상기 방열체(1200)로 전도된다. 상기 광원 모듈(1200)은 발광 소자 패키지(1210), 연결 플레이트(1230), 커넥터(1250)를 포함할 수 있다.
부재(1300)는 상기 방열체(1200)의 상면 위에 배치되고, 복수의 발광 소자 패키지(1210)들과 커넥터(1250)이 삽입되는 가이드홈(1310)들을 갖는다. 가이드홈(1310)은 상기 발광 소자 패키지(1210)의 기판 및 커넥터(1250)와 대응된다.
부재(1300)의 표면은 빛 반사 물질로 도포 또는 코팅된 것일 수 있다. 예를 들면, 부재(1300)의 표면은 백색의 도료로 도포 또는 코팅된 것일 수 있다. 이러한 상기 부재(1300)는 상기 커버(1100)의 내면에 반사되어 상기 광원 모듈(1200)측 방향으로 되돌아오는 빛을 다시 상기 커버(1100) 방향으로 반사한다. 따라서, 실시 예에 따른 조명 장치의 광 효율을 향상시킬 수 있다.
부재(1300)는 예로서 절연 물질로 이루어질 수 있다. 상기 광원 모듈(1200)의 연결 플레이트(1230)는 전기 전도성의 물질을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 방열체(1200)와 상기 연결 플레이트(1230) 사이에 전기적인 접촉이 이루어질 수 있다. 상기 부재(1300)는 절연 물질로 구성되어 상기 연결 플레이트(1230)와 상기 방열체(1200)의 전기적 단락을 차단할 수 있다. 상기 방열체(1200)는 상기 광원 모듈(1200)로부터의 열과 상기 전원 제공부(1600)로부터의 열을 전달받아 방열한다.
홀더(1500)는 내부 케이스(1700)의 절연부(1710)의 수납홈(1719)을 막는다. 따라서, 상기 내부 케이스(1700)의 상기 절연부(1710)에 수납되는 상기 전원 제공부(1600)는 밀폐된다. 홀더(1500)는 가이드 돌출부(1510)를 갖는다. 가이드 돌출부(1510)는 상기 전원 제공부(1600)의 돌출부(1610)가 관통하는 홀을 갖는다.
전원 제공부(1600)는 외부로부터 제공받은 전기적 신호를 처리 또는 변환하여 상기 광원 모듈(1200)로 제공한다. 전원 제공부(1600)는 상기 내부 케이스(1700)의 수납홈(1719)에 수납되고, 상기 홀더(1500)에 의해 상기 내부 케이스(1700)의 내부에 밀폐된다. 상기 전원 제공부(1600)는 돌출부(1610), 가이드부(1630), 베이스(1650), 연장부(1670)를 포함할 수 있다.
상기 가이드부(1630)는 상기 베이스(1650)의 일 측에서 외부로 돌출된 형상을 갖는다. 상기 가이드부(1630)는 상기 홀더(1500)에 삽입될 수 있다. 상기 베이스(1650)의 일 면 위에 다수의 부품이 배치될 수 있다. 다수의 부품은 예를 들어, 외부 전원으로부터 제공되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 직류변환장치, 상기 광원 모듈(1200)의 구동을 제어하는 구동칩, 상기 광원 모듈(1200)을 보호하기 위한 ESD(ElectroStatic discharge) 보호 소자 등을 포함할 수 있으나 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 연장부(1670)는 상기 베이스(1650)의 다른 일 측에서 외부로 돌출된 형상을 갖는다. 상기 연장부(1670)는 상기 내부 케이스(1700)의 연결부(1750) 내부에 삽입되고, 외부로부터의 전기적 신호를 제공받는다. 예컨대, 상기 연장부(1670)는 상기 내부 케이스(1700)의 연결부(1750)의 폭과 같거나 작게 제공될 수 있다. 상기 연장부(1670)에는 "+ 전선"과 "- 전선"의 각 일 단이 전기적으로 연결되고, "+ 전선"과 "- 전선"의 다른 일 단은 소켓(1800)에 전기적으로 연결될 수 있다.
내부 케이스(1700)는 내부에 상기 전원 제공부(1600)와 함께 몰딩부를 포함할 수 있다. 몰딩부는몰딩 액체가 굳어진 부분으로서, 상기 전원 제공부(1600)가 상기 내부 케이스(1700) 내부에 고정될 수 있도록 한다.
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, 200, 200a: 발광소자 110: 기판
115: 버퍼층 120, 220: 발광 구조물
122, 222: 제1 도전형 반도체층 124, 224: 활성층
126, 226: 제2 도전형 반도체층 130, 130a, 130b, 230: 전자 차단층
140, 240: 정공 주입층 141: 제1 정공 주입층
142a, 142b: 제2 정공 주입층 143a, 143b: 제3 정공 주입층
150: 투광성 도전층 162: 제1 전극
164: 제2 전극 272: 오믹층
274: 반사층 276: 접합층
278: 도전성 지지기판 280: 패시베이션층
400: 발광 소자 패키지
410: 몸체 421: 제1 리드 프레임
422: 제2 리드 프레임 450: 와이어
470: 몰딩부 480: 형광체
500: 영상표시장치
115: 버퍼층 120, 220: 발광 구조물
122, 222: 제1 도전형 반도체층 124, 224: 활성층
126, 226: 제2 도전형 반도체층 130, 130a, 130b, 230: 전자 차단층
140, 240: 정공 주입층 141: 제1 정공 주입층
142a, 142b: 제2 정공 주입층 143a, 143b: 제3 정공 주입층
150: 투광성 도전층 162: 제1 전극
164: 제2 전극 272: 오믹층
274: 반사층 276: 접합층
278: 도전성 지지기판 280: 패시베이션층
400: 발광 소자 패키지
410: 몸체 421: 제1 리드 프레임
422: 제2 리드 프레임 450: 와이어
470: 몰딩부 480: 형광체
500: 영상표시장치
Claims (10)
- 기판;
상기 기판 상에 배치되고, 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물;
상기 활성층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이의 전자 차단층; 및
상기 전자 차단층 내에 배치되는 정공 주입층을 포함하는 발광 소자. - 제1 항에 있어서,
상기 전자 차단층은 AlGaN을 포함하고, 상기 정공 주입층은 InGaN을 포함하는 발광 소자. - 제2 항에 있어서,
상기 정공 주입층의 인듐 함량은 1% 내지 10%인 발광 소자. - 제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 정공 주입층은,
제1 정공 주입층과, 상기 제1 정공 주입층을 사이에 두고 배치되는 한 쌍의 제2 정공 주입층을 포함하는 발광 소자. - 제4 항에 있어서,
상기 제1 정공 주입층의 인듐 함량은 상기 제2 정공 주입층의 인듐 함량보다 큰 발광 소자. - 제4 항에 있어서,
상기 제1 정공 주입층의 에너지 밴드 갭은 상기 제2 정공 주입층의 에너지 밴드 갭보다 작은 발광 소자. - 제4 항에 있어서,
상기 제1 정공 주입층의 두께는, 상기 제2 정공 주입층의 두께와 동일한 발광 소자. - 제4 항에 있어서,
상기 제1 정공 주입층과 상기 제2 정공 주입층의 두께는 각각 0.5 나노미터 내지 5 나노미터인 발광 소자. - 제1 항에 있어서, 상기 전자 차단층은,
상기 정공 주입층과 상기 활성층 사이의 제1 전자 차단층과, 상기 정공 주입층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이의 제2 전자 차단층을 포함하는 발광 소자. - 제9 항에 있어서,
상기 제1 전자 차단층의 두께는 상기 제2 전자 차단층의 두께보다 작은 발광 소자.
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|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|---|
| KR20200084636A (ko) * | 2019-01-03 | 2020-07-13 | 엘지이노텍 주식회사 | 반도체 소자 |
| CN114420812A (zh) * | 2022-01-21 | 2022-04-29 | 安徽格恩半导体有限公司 | 一种深紫外半导体发光元件 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20130021932A (ko) * | 2011-08-24 | 2013-03-06 | 삼성전자주식회사 | 질화물 반도체 소자 |
| KR20130067770A (ko) * | 2011-12-14 | 2013-06-25 | 엘지이노텍 주식회사 | 발광 소자 |
-
2014
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