KR101916032B1 - 발광소자 - Google Patents

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; 및 상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층;을 포함하며, 상기 활성층은 In_xGa_{1 - x}N 양자벽(0＜x＜1); 및 상기 In_xGa_1-xN 양자벽 상에 In_yAl_zGa_(1-y-z)N 양자우물(단, 0.2＜y＜0.35, 0.05＜z＜0.3, 0＜y+z＜1);을 포함한다.

Description

발광소자{LIGHT EMITTING DEVICE}

실시예는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템에 관한 것이다.

발광소자(Light Emitting Device)는 전기에너지를 빛에너지로 변환되는 특성의 소자로서, 예를 들어 화합물 반도체의 조성비를 조절함으로써 다양한 색상구현이 가능하다.

종래기술에 의한 발광소자는 사파이어 기판 상에 N형 GaN층, InGaN 양자우물과 GaN 양자벽으로 이루어지는 다중양자우물구조와, P형 GaN층으로 구성되며, N형 GaN층에서 공급된 전자와 P형 GaN층에서 공급된 정공이 활성층 내에서 서로 결합하여 빛을 방출한다.

종래기술에 의하면 C축에 (001) 방향으로 성장된 우르차이트(Wurtzite) GaN 기반 양자 우물(Quantum well) 구조는 자발 분극(spontaneous polarization)과 압전 분극(piezoelectric polarization)에 의해서 큰 내부장 (internal field)을 가지게 된다.

이러한 분극 현상은 양자 우물의 에너지 밴드 구조를 변형시켜, 전자와 홀의 파동함수(wave function, 전자와 홀의 존재 확률)을 공간적으로 서로 분리시키는 결과를 초래하고, 전자와 홀을 효과적으로 우물에 속박시키지 못함으로써, 결과적으로 재발광 결합율(radiative recombination rate)을 상당 부분 감소시키기게 된다.

압전분극(Piezoelectric polarization)은 구조적인 변형(strain)에 의해 발생한다. GaN 기반 LED 구조는 다수의 성장층으로 구성되어 있고, Al, In의 첨가에 의해 각각의 층(layer)의 특성이 변형된다.

Al, In의 합금에 의해 각 층의 격자 상수(lattice constant)나 열팽창 계수 (thermal coefficient)의 불일치를 초래하며, 이로 인해 구조적인 변형(strain)을 갖게 된다. 따라서, 각각 층들은 서로 응력을 받게 되며, 이는 압전분극(polarization)의 원인이 된다.

압전분극(Piezoelectric polarization)에 따라 전자의 파동함수와 정공의 파동함수는 양자양자우물 내에서 서로 반대쪽에 위치하게 됨에 따라, 전자와 정공의 발광재결합 효율이 두 파동함수가 겹치는 중첩 면적에 비례하는 특성에 의해, 전자와 정공의 발광 재결합 효율은 감소하게 되어 발광량 또한 감소하게 된다.

이와 같이 재결합을 하지 못한 전자와 정공은 양자장벽을 넘어 전자는 p측 전극 쪽으로, 정공은 n측 전극 쪽으로 누설되는데, 이러한 현상은 종래의 GaN계 질화물 반도체 발광소자의 전형적인 약점인, 전류 밀도가 증가할수록 고전류에서 발광 효율이 감소하는 문제점(소위 "Droop 현상") 중의 하나이다. 그러므로, 격자 상수 및 열팽창 계수의 차이로 인한 압전 분극 현상의 해소는 고출력 고효율 발광소자를 제조하기 위한 필수적인 요건이 된다.

이러한 구조적인 변형(strain)에 의해서 발생되는 압전 분극(piezoelectric polarization)은 성장되는 각 물질의 조성(composition)에 의해서 변화하게 되며, 따라서 In과 Al의 조성 첨가에 의해서 변형 되게 된다. 따라서 LED의 성능을 저하시키는 분극 현상(polarization)을 개선하기 위해서는 각 에피 성장층의 조성 변화와 조합으로 인해서 압전 분극(piezoelectric polarization)은 어느 정도 개선할 수 있다.

특히 다중 양자우물(MQW)구조에서는 홀과 전자의 파동 함수(wave function)의 분리를 어느 정도 개선하기 위해서 다양한 조성의 양자우물과 양자벽의 조합을 통해 개선하는 시도가 있어 왔다.

따라서 분극 현상과 관련된 LED 성능 개선을 위해서는 정확한 에너지 밴드 갭(energy band gap)과 분극 전하(polarization charge) 계산 및 예측이 필요하다.

또한, 고출력, 고효율의 발광소자의 개발을 위해서는 발광소자의 신뢰성의 확보가 필요하다.

실시예는 압전분극 현상을 해소하여 고효율의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공하고자 한다.

또한, 실시예는 신뢰성이 개선된 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; 및 상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층;을 포함하며, 상기 활성층은 In_xGa_{1 - x}N 양자벽(0＜x＜1); 및 상기 In_xGa_1-xN 양자벽 상에 In_yAl_zGa_(1-y-z)N 양자우물(단, 0.2＜y＜0.35, 0.05＜z＜0.3, 0＜y+z＜1);을 포함한다.

또한, 실시예에 따른 발광소자는 3원계 물질로 구성되는 양자벽; 4원계 물질로 구성되며 상기 양자벽과 분극 전하가 다른 양자우물; 상기 양자벽과 상기 양자우물이 복수로 적층되는 활성층; 상기 활성층과 질화물 반도체층을 포함하는 발광구조물;을 포함하며, 상기 발광구조물은 내부장(Internal Field)이 0이 아니며, 주 발광 파장(Dominant output wavelength)은 블루컬러 파장일 수 있다.

실시예에 의하면 압전분극 현상을 해소하여 고효율의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.

또한, 실시예에 의하면 분극현상과 관련된 LED 성능 개선을 위해서 에너지 밴드 갭(energy band gap)과 분극 전하(polarization charge) 계산 등을 통해 고효율의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.

또한, 실시예는 신뢰성이 개선된 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 실시예에 따른 발광소자의 단면도.
도 2는 실시예에 따른 발광소자의 부분 확대도.
도 3은 실시예에 따른 발광소자에서 에너지 밴드 갭의 실험값과 계산 값의 비교도.
도 4는 실시예에 따른 발광소자에서 Al과 In 조성에 따른 에너지 밴드 갭 과 내부장 분포도.
도 5는 실시예에 따른 발광소자에서 Al과 In 조성에 따른 발광 상수 예시도.
도 6은 실시예에 따른 발광소자에서 주입전류에 따른 내부 양자 효율 예시도.
도 7은 실시예에 따른 발광소자 패키지의 단면도.
도 8은 실시예에 따른 조명 유닛의 사시도.
도 9는 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 발광소자(100)의 단면도이며, 도 2는 실시예에 따른 발광소자의 부분(A) 확대도이다.

실시예에 따른 발광소자(100)는 제1 도전형 반도체층(112)과, 양자우물(114W)과 양자벽(114B)을 포함하여 상기 제1 도전형 반도체층(112) 상에 형성된 F활성층(114) 및 상기 활성층(114) 상에 제2 도전형 반도체층(116)을 포함할 수 있다.

상기 제1 도전형 반도체층(112), 상기 활성층(114) 및 상기 제2 도전형 반도체층(116)은 발광구조물(110)을 구성할 수 있다.

상기 발광구조물(110)은 기판(105) 상에 형성될 수 있으며, 상기 기판(105)은 열전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어 전도성 기판 또는 절연성 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(105)은 사파이어(Al₂O₃), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, and Ga₂0₃ 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.

상기 제1 도전형 반도체층(112)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(112)이 N형 반도체층인 경우, 상기 제1 도전형 도펀트는 N형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se, Te를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 상기 제1 도전형 반도체층(112)은 In_xAl_yGa_{1 -x- y}N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 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. 활성층(114)에 대해서는 후에 상술하기로 한다.

상기 제2 도전형 반도체층(116)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 예를 들어, 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 반도체층(116)은 In_xAl_yGa_{1 -x- y}N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(116)이 P형 반도체층인 경우, 상기 제2 도전형 도펀트는 P형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 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 반도체 예컨대 N형 반도체층(미도시)을 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.

실시예는 고효율의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공하고자 한다.

또한, 실시예는 드룹(Droop) 현상이 개선된 고출력 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공하고자 한다.

이를 위해, 실시예는 활성층의 구조를 최적화하여 양자우물과 양자벽 사이의 격자불일치를 최소화하여 신뢰성을 개선하고 내부양자 효율을 향상시킬 수 있다.

도 2는 실시예에 따른 발광소자의 부분(A) 확대도이다.

실시예에 따른 발광소자(100)는 활성층(114) 및 질화물 반도체층을 포함하는 발광구조물(110)을 포함하며, 상기 활성층(114)은 3원계 물질로 구성되는 양자벽(114)과 4원계 물질로 구성될 수 있다. 상기 양자우물(114W)은 상기 양자벽(114B)과 분극 전하가 다를 수 있고, 상기 양자벽(114B)과 상기 양자우물(114W)이 복수로 적층될 수 있다.

상기 발광구조물(110)은 내부장(Internal Field)이 0이 아니며, 주 발광 파장(Dominant output wavelength)은 블루컬러 파장일 수 있다. 상기 주 발광 파장은 약 440nm일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

예를 들어, 실시예에서 활성층(114)은 In_xGa_{1 - x}N 양자벽(114B)(0＜x＜1) 및 상기 In_xGa_{1 - x}N 양자벽(114B) 상에 In_yAl_zGa_(1-y-z)N 양자우물(단, 0＜y＜1, 0＜z＜1, 0＜y+z＜1)(114W)을 포함할 수 있다.

실시예는 압전분극 현상을 해소하여 고효율의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공하고자 한다.

상기 과제를 해결하기 위해 실시예에 의하면 3원계 In_xGa_{1 - x}N 양자벽(114B)의 인듐(In)의 조성(x)은 0.05＜x＜0.2의 범위일 수 있고, 4원계 In_yAl_zGa_(1-y-z)N 양자우물(114W)에서 인듐(In)의 조성(y) 및 알루미늄(Al)의 조성(z)은 0.2＜y＜0.35, 0.05＜z＜0.3, 0＜y+z＜1의 범위로 설정될 수 있다.

실시예에 의하면 압전분극 현상을 해소하여 고효율의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.

또한, 실시예에 의하면 분극현상과 관련된 LED 성능 개선을 위해서 에너지 밴드 갭(energy band gap)과 분극 전하(polarization charge) 계산 등을 통해 고효율의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.

예를 들어, 실시예에 의하면 이론적인 공식에 의해 계산된 에너지 밴드 갭을 실험치에 의해 근거하여, 에너지 밴드갭을 계산하고, 이를 통해 기존에 제시되던 양자우물과 양자벽 조성에서 분극전하가 동일한 경우, 즉 내부장(Internal field)이 0 을 만드는 조건인 아닌, 내부장이 작지만 존재하는 새로운 조성에서 LED의 광효율이 더욱 개선될 수 있다.

예를 들어, 상기 발광구조물(110)은 내부장(Fz)의 절대값이 1 이하일 수 있다. 예를 들어, 상기 발광구조물(110)은 내부장(Fz)이 약 -0.62MV/cm일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

도 3은 실시예에 따른 발광소자에서 에너지 밴드 갭의 실험값(Exp)과 계산 값(C)의 비교도이며, 도 4는 실시예에 따른 발광소자에서 Al과 In 조성에 따른 에너지 밴드 갭과 내부장 분포도이다.

실시예에 의하면 실험치에 가까운 에너지 밴드 갭을 계산하기 위해서 기존의 실험값(Exp)을 가지고 데이터를 피팅(fitting)하여 소정의 보잉 파라미터(bowing parameter)를 계산하였다.

그 보잉 파라미터를 이용하여 Al과 In 조성에 따른 에너지 밴드 갭(Energy Band Gap)을 도 4와 같이 계산하였다.

또한, Al과 In 조성에 따른 내부장의 효과를 검증하기 위하여 일반적인 분극 전하의 계산을 통해 조성에 따른 내부장(Internal Field) 분포를 도 4와 계산하였다.

도 3의 과정을 통해 얻어진 계산방법에 의거하여 기본적으로 양자벽의 조성은 In_{0 .1}Ga_{0 .9}N로 고정시켰고, 이때 양자우물의 4원계 In_yAl_zGa_(1-y-z)N의 내부장을 조성에 따라 계산하였다.

따라서 도 4에서 내부장이 0인 조건과 동시에 원하는 에너지 밴드 갭 (energy band gap)의 조성을 찾을 수 있다. 예를 들면, Al 조성이 0.1인 경우 In의 조성이 0.16이 되어야 내부장이 0 이 될 수 있으며, 에너지 밴드 갭(energy band gap)은 약 2.9 eV가 된다.

실시예에 의하면 분극현상과 관련된 LED 성능 개선을 위해서 에너지 밴드 갭(energy band gap)과 분극 전하(polarization charge) 계산 등을 통해 고효율의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.

예를 들어, 실시예에 의하면 이론적인 공식에 의해 계산된 에너지 밴드 갭을 실험치에 의해 근거하여, 에너지 밴드갭을 계산하고, 이를 통해 기존에 제시되던 양자우물과 양자벽 조성에서 분극전하가 동일한 경우, 즉 내부장(Internal field)이 0 을 만드는 조건인 아닌, 내부장이 작지만 존재하는 새로운 조성에서 LED의 광효율이 더욱 개선될 수 있다.

도 5는 실시예에 따른 발광소자에서 Al과 In 조성에 따른 발광 상수 예시도이다.

도 5에서는 일반적(Conventional)으로 LED 구조인 440 nm(에너지 밴드 갭 2.54 eV)인 청색 영역의 조성인 In_{0 .24}Ga_{0 .76}N/GaN 구조의 내부장(internal field, F_z) 및 발광 상수(spontaneous emission coefficient)를 계산하였다. 일반적인 구조에서 F_z = 2.0 MV/cm 로 계산되었고, 이때 발광상수는 약 6000(1/cm)로 계산되었다.

또한, 내부장이 “0” 이 되고 파장이 440 nm 인 양자우물과 양자벽 조성을 도 4와 비슷한 분포도를 통하여 계산하였고, 그 양자우물과 양자벽의 조성은 Al_0.27In_0.34 Ga0_.39N/ In_{0 .15}Ga_{0 .55}N로 계산되었다. 이때 발광상수(spontaneous coefficient)는 약 7000(1/cm)로 내부장이 존재하는 일반적인 구조인 In_0.24Ga_0.76N/GaN보다 개선됨을 보였다.

한편, 내부장인 “0”인 조성은 발광상수가 개선이 되었으나, 양자벽에 In 조성이 증가함에 따라 양자우물과 양자벽의 사이의 에너지 준위 차이인 밴드 오프셋(band offset)이 감소함을 보였기 때문에, 이를 기반으로 내부장이 “ 0”이 아니지만, 충분히 작은 내부장의 값을 갖고, 밴드 오프셋(band offset)의 감소 또한 작은 최적의 양자우물, 양자벽의 조성 조건이 존재함이 예측되며 계산되었다.

예를 들어, 상기 발광구조물(110)은 내부장(Fz)의 절대값이 1 이하일 수 있다. 예를 들어, 상기 발광구조물(110)은 내부장(Fz)이 약 -0.62MV/cm인 경우 밴드 오프셋(band offset)의 감소 또한 작은 최적의 양자우물, 양자벽의 조성 조건을 제공할 수 있다.

이를 통해, 실시예에 의하면 3원계 In_xGa_{1 - x}N 양자벽(114B)의 인듐(In)의 조성(x)은 0.05＜x＜0.2의 범위일 수 있고, 4원계 In_yAl_zGa_(1-y-z)N 양자우물(114W)에서 인듐(In)의 조성(y) 및 알루미늄(Al)의 조성(z)은 0.2＜y＜0.35, 0.05＜z＜0.3, 0＜y+z＜1의 범위로 설정될 수 있다.

예를 들어, 실시예에 의하면 Al_{0 .1}In_{0 .27}Ga_{0 .63}N/In_{0 .12}Ga_{0 .88}N의 조성을 갖는 양자우물과 양자벽이 밴드 오프셋(band offset)을 고려함과 동시에, 내부장 최소화의 측면에서 최적 조건으로 계산되었고, 발광 상수(spontaneous emission coefficient) 또한 약 8300 (1/cm)으로 개선됨을 보였으나 실시예가 상기 조성에 한정된는 것은 아니다.

도 6은 실시예에 따른 발광소자에서 주입전류에 따른 내부 양자 효율 예시도로서, 실시예에 따른 양자우물/양자벽 구조인 Al_{0 .1}In_{0 .27}Ga_{0 .63}N/In_{0 .12}Ga_{0 .88}N의 구조가 내부장 “0” 조건인 Al_{0 .27}In_{0 .34} Ga0_.39N/ In_{0 .15}Ga_{0 .55}N 보다 개선되었고, 일반구조인 In_0.24Ga_0.76N/GaN 구조보다 상당히 개선됨을 보인다.

실시예에 의하면 분극현상과 관련된 LED 성능 개선을 위해서 에너지 밴드 갭(energy band gap)과 분극 전하(polarization charge) 계산 등을 통해 고효율의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.

예를 들어, 실시예에 의하면 이론적인 공식에 의해 계산된 에너지 밴드 갭을 실험치에 의해 근거하여, 에너지 밴드갭을 계산하고, 이를 통해 기존에 제시되던 양자우물과 양자벽 조성에서 분극전하가 동일한 경우, 즉 내부장(Internal field)이 0 을 만드는 조건인 아닌, 내부장이 작지만 존재하는 새로운 조성에서 LED의 광효율이 더욱 개선될 수 있다.

또한, 실시예는 신뢰성이 개선된 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공하고자 한다.

이를 위해, 실시예는 상기 제1 도전형 반도체층(112) 상에 전류확산층(122), 전자주입층(미도시) 및 스트레인 제어층(124)을 형성한 후 활성층(114)을 형성함으로써 발광소자의 신뢰성을 개선하여 고효율의 발광소자를 제공할 수 있다.

상기 전류확산층(122)은 상기 제1 도전형 반도체층(112) 상에 형성된다. 상기 전류확산층(122)은 언도프트 질화갈륨층(undoped GaN layer)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 전류확산층(122)은 50nm ~ 200nm의 두께일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

이후, 상기 전류확산층(122) 상에 전자주입층(미도시)이 형성될 수 있다.

상기 전자주입층(미도시)은 제1 도전형 질화갈륨층일 수 있다. 예를 들어, 상기 전자주입층은 n형 도핑원소가 6.0x10¹⁸atoms/cm³~8.0x10¹⁸atoms/cm³의 농도로 도핑 됨으로써 효율적으로 전자주입을 할 수 있다.

또한, 실시예는 전자주입층(미도시) 상에 스트레인 제어층(124)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 전자주입층 상에 In_yAl_xGa_(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1)/GaN 등으로 형성된 스트레인 제어층(124)을 형성할 수 있다.

상기 스트레인 제어층(124)은 제1 도전형 반도체층(112)과 활성층(114) 사이의 격자 불일치에 기이한 응력을 효과적으로 완화시킬 수 있다.

또한, 상기 스트레인 제어층(124)은 제1 In_x1GaN 및 제2 In_x2GaN 등의 조성을 갖는 적어도 6주기로 반복 적층됨에 따라, 더 많은 전자가 활성층(114)의 낮은 에너지 준위로 모이게 되며, 결과적으로 전자와 정공의 재결합 확률이 증가되어 발광효율이 향상될 수 있다.

또한, 실시예는 상기 활성층(114)과 상기 제2 도전형 반도체층(116) 사이에 전자차단층(126)이 형성되어 전자 차단(electron blocking) 및 활성층의 클래딩(MQW cladding) 역할을 해줌으로써 발광효율을 개선할 수 있다.

실시예는 상기 활성층(114) 상에 전자차단층(126)이 형성되어 전자 차단(electron blocking) 및 활성층의 클래딩(MQW cladding) 역할을 해줌으로써 발광효율을 개선할 수 있다. 예를 들어, 상기 전자차단층(126)은 Al_xIn_yGa_(1-x-y)N(0≤x≤1,0≤y≤1)계 반도체로 형성될 수 있으며, 상기 활성층(114)의 에너지 밴드 갭보다는 높은 에너지 밴드 갭을 가질 수 있으며, 약 100Å~ 약 600Å의 두께로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 상기 전자차단층(126)은 Al_zGa_(1-z)N/GaN(0≤z≤1) 초격자(superlattice)로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 전자차단층(126)은 오버플로우되는 전자를 효율적으로 차단하고, 홀의 주입효율을 증대시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 전자차단층(126)은 Mg이 약 10¹⁸~10²⁰/cm³ 농도 범위로 도핑되어 오버플로우되는 전자를 효율적으로 차단하고, 홀의 주입효율을 증대시킬 수 있다.

실시예에 의하면, 전류확산층, 전자주입층, 스트레인 제어층 또는 전자차단층 등을 구비하여 고 효율의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.

실시예는 메사식각에 의해 노출되는 제1 도전형 반도체층(112) 상에 제1 전극(140) 및 상기 투명전극층(129) 상에 제2 전극(130)을 포함할 수 있다. 상기 제1 전극(140), 제2 전극(130)은 전기 전도성이 우수한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극(140), 제2 전극(130)은 티탄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금(Au), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 중 적어도 어느 하나로 형성될 수도 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 투명전극층(129)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.

실시예에 의하면 압전분극 현상을 해소하여 고효율의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.

또한, 실시예에 의하면 분극현상과 관련된 LED 성능 개선을 위해서 에너지 밴드 갭(energy band gap)과 분극 전하(polarization charge) 계산 등을 통해 고효율의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.

또한, 실시예는 신뢰성이 개선된 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.

도 7은 실시예들에 따른 발광소자가 설치된 발광소자 패키지(200)를 설명하는 도면이다.

실시예에 따른 발광소자 패키지(200)는 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(230)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 도 1 에 예시된 수평형 타입의 발광 소자가 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 수직형 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) 및 제4 전극층(214)와 와이어를 통해 전기적으로 연결된 것이 예시되어 있다.

상기 몰딩부재(230)는 상기 발광 소자(100)를 포위하여 상기 발광 소자(100)를 보호할 수 있다. 또한, 상기 몰딩부재(230)에는 형광체(232)가 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 8은 실시예에 따른 조명 유닛의 사시도(1100)이다. 다만, 도 8의 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 9는 실시예에 따른 백라이트 유닛의 분해 사시도(1200)이다. 다만, 도 9의 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 압전분극 현상을 해소하여 고효율의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.

또한, 실시예에 의하면 분극현상과 관련된 LED 성능 개선을 위해서 에너지 밴드 갭(energy band gap)과 분극 전하(polarization charge) 계산 등을 통해 고효율의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.

또한, 실시예는 신뢰성이 개선된 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 (7)

1. 제1 도전형 반도체층;
   상기 제1도전형 반도체층 상에 50nm 내지 200nm의 두께인 전류확산층;
   상기 전류확산층 상에 In_yAl_xGa_(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1) 및 GaN을 포함하는 스트레인 제어층;
   상기 스트레인 제어층 상에 배치되며 양자우물과 양자벽을 포함하 활성층;
   상기 활성층 상에 Al_xIn_yGa_(1-x-y)N(0≤x≤1,0≤y≤1)계 반도체로 형성되며 100Å 내지 600Å의 두께인 전자차단층; 및
   상기 전자차단층 상에 제2도전형 반도체층을 포함하고,
   상기 활성층은,
   In_xGa_1-xN 양자벽(0＜x＜1); 및
   상기 In_xGa_1-xN 양자벽 상에 In_yAl_zGa_(1-y-z)N 양자우물(단, 0.2＜y＜0.35, 0.05＜z＜0.3, 0＜y+z＜1)을 포함하고,
   상기 In_xGa_1-xN 양자벽의 인듐(In)의 조성(x)은 0.05＜x＜0.2의 범위이며,
   상기 스트레인 제어층과 상기 전류확산층 사이에 배치되는 전자주입층을 포함하고,
   상기 전자주입층은 제1도전형 질화갈륨층이며,
   상기 전자주입층의 n형 도핑원소의 농도는 6.0x10¹⁸atoms/cm³~8.0x10¹⁸atoms/cm³인 발광소자.
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