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KR102076242B1 - 발광 소자 - Google Patents

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KR102076242B1
KR102076242B1 KR1020130102976A KR20130102976A KR102076242B1 KR 102076242 B1 KR102076242 B1 KR 102076242B1 KR 1020130102976 A KR1020130102976 A KR 1020130102976A KR 20130102976 A KR20130102976 A KR 20130102976A KR 102076242 B1 KR102076242 B1 KR 102076242B1
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KR
South Korea
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layer
semiconductor layer
light emitting
conductive semiconductor
energy band
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박찬근
윤형선
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

실시 예는 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되는 제2 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되고, 우물층들 및 장벽층들을 포함하는 활성층, 및 상기 활성층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되고, 제2 도전형 도펀트가 도핑된 캐리어 주입층을 포함하며, 상기 장벽층들 중 상기 캐리어 주입층에 가장 인접하는 마지막 장벽층은 상기 장벽층들 중 나머지 장벽층의 에너지 밴드 갭보다 큰 에너지 밴드 갭을 갖는 적어도 일 부분을 포함한다.

Description

발광 소자{A LIGHT EMITTING DEVICE}
실시 예는 발광 소자에 관한 것이다.
발광 다이오드(light emitting diode)의 구조는 기판 상에 p형 반도체층, 활성층(active layer), n형 반도체층이 순차적으로 적층되고, 구동 전류를 공급하기 위하여 p형 반도체층에는 p형 전극이 배치되고, n형 반도체층에는 n형 전극이 배치될 수 있다.
전극을 통하여 p형 반도체층과 n형 반도체층에 구동 전류가 공급되면, p형 반도체층으로부터 활성층으로 정공(+)이 방출될 수 있고, n형 반도체층으로부터 활성층으로 전자(-)가 방출될 수 있다. 이로 인하여 활성층에서 정공과 전자가 결합하여 에너지 준위가 낮아지고, 에너지 준위가 낮아짐과 동시에 방출되는 에너지가 빛의 형태로 발산될 수 있다.
실시 예는 백 디퓨젼에 기인하는 광 출력 저하, 동작 전압의 증가, 및 결정성 악화를 방지할 수 있는 발광 소자를 제공한다.
실시 예에 따른 발광 소자는 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되는 제2 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되고, 우물층들 및 장벽층들을 포함하는 활성층; 및 상기 활성층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되고, 제2 도전형 도펀트가 도핑된 캐리어 주입층을 포함하며, 상기 장벽층들 중 상기 캐리어 주입층에 가장 인접하는 마지막 장벽층은 상기 장벽층들 중 나머지 장벽층의 에너지 밴드 갭보다 큰 에너지 밴드 갭을 갖는 적어도 일 부분을 포함한다.
상기 마지막 장벽층의 적어도 일 부분은 알루미늄을 포함할 수 있다.
상기 마지막 장벽층의 적어도 일부분의 조성은 AlaInbGa(1-a-b)N(0.03≤a≤0.05, 0≤b≤0.15)이고, 상기 마지막 장벽층의 적어도 일부분을 제외한 상기 마지막 장벽층의 나머지 부분의 조성은 InxGa(1-x)N(0≤x≤0.05)일 수 있다.
상기 마지막 장벽층은 상기 우물층들 중 상기 캐리어 주입층에 가장 인접한 마지막 우물층에 인접하는 제1 부분; 상기 캐리어 주입층에 인접하는 제3 부분; 및
상기 제1 부분과 상기 제3 부분 사이에 위치하는 제2 부분을 포함할 수 있으며, 상기 제2 부분의 에너지 밴드 갭은 상기 제1 부분 및 상기 제3 부분 각각의 에너지 밴드 갭보다 클 수 있다.
상기 마지막 장벽층의 적어도 일부분의 에너지 밴드 갭은 상기 활성층에서 상기 제2 도전형 반도체층 방향으로 갈수록 점차 증가하거나, 또는 점차 감소할 수 있다.
실시 예는 백 디퓨젼에 기인하는 광 출력 저하, 동작 전압의 증가, 및 결정성 악화를 방지할 수 있다.
도 1은 실시 예에 따른 발광 소자의 단면도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 활성층의 구조를 나타낸다.
도 3은 도 1에 도시된 발광 구조물의 에너지 밴드 갭의 일 실시 예를 나타낸다.
도 4는 도 1에 도시된 발광 구조물의 에너지 밴드 갭의 다른 실시 예를 나타낸다.
도 5는 도 1에 도시된 발광 구조물의 에너지 밴드 갭의 또 다른 실시 예를 나타낸다.
도 6은 다른 실시 예에 따른 발광 소자의 단면도를 나타낸다.
도 7은 실시 예에 따른 발광 소자 패키지를 나타낸다.
도 8은 실시 예에 따른 발광 소자를 포함하는 조명 장치를 나타낸다.
도 9는 실시 예에 따른 발광 소자를 포함하는 표시 장치를 나타낸다.
이하, 실시 예들은 첨부된 도면 및 실시 예들에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다. 실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on)"에 또는 "하/아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on)"와 "하/아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 또한 동일한 참조번호는 도면의 설명을 통하여 동일한 요소를 나타낸다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예에 따른 발광 소자를 설명한다.
도 1은 실시 예에 따른 발광 소자(100)의 단면도를 나타내고, 도 2는 도 1에 도시된 활성층(124)의 구조를 나타내고, 도 3은 도 1에 도시된 발광 구조물(120)의 에너지 밴드 갭의 일 실시 예를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 발광 소자(100)는 기판(110), 버퍼층(115), 발광 구조물(120), 전도층(130), 제1 전극(142), 및 제2 전극(144)을 포함한다.
기판(110)은 발광 구조물(120)을 지지한다. 기판(110)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질일 수 있다. 또한 기판(110)은 열전도성이 뛰어난 물질일 수 있으며, 전도성 기판 또는 절연성 기판일 수 있다. 예를 들어 기판(110)은 사파이어(Al203)이거나 또는 GaN, SiC, ZnO, Si, GaP, InP, Ga203, GaAs 중 적어도 하나를 포함하는 물질일 수 있다. 이러한 기판(110)의 상면에는 광 추출을 향상시키기 위하여 요철이 형성될 수 있다.
버퍼층(115)은 기판(110)과 발광 구조물(120) 사이에 배치되며, 기판(110)과 발광 구조물(120) 사이의 격자 상수의 차이에 의한 격자 부정합을 완화하여 발광 구조물(120)의 결정성을 향상시킬 수 있다.
버퍼층(115)은 3족 원소 및 5족 원소를 포함하는 질화물 반도체일 수 있다.
예컨대 버퍼층(115)은 InAlGaN, GaN, AlN, AlGaN, InGaN 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 버퍼층(115)은 단일층 또는 다층 구조일 수 있으며, 2족 원소 또는 4족 원소가 불순물로 도핑될 수도 있다.
또한 제1 도전형 반도체층(122)의 결정성 향상을 위하여 언도프트 반도체층(미도시)이 제1 도전형 반도체층(122)과 버퍼층(115) 사이에 개재될 수 있다. 언도프트 반도체층은 n형 도펀트가 도핑되지 않아 제1 도전형 반도체층(122)에 비하여 낮은 전기 전도성을 갖는 것을 제외하고는 제1 도전형 반도체층(122)과 그 조성이 동일할 수 있다.
발광 구조물(120)은 기판(110) 상에 배치되며, 빛을 발생할 수 있다. 발광 구조물(120)은 제1 도전형 반도체층(122), 활성층(124), 캐리어(carrier) 주입층(125), 전자 저지층(Electron blocking layer, 126), 및 제2 도전형 반도체층(127)을 포함한다.
제1 도전형 반도체층(122)은 버퍼층(115) 상에 배치될 수 있으며, 질화물 반도체층일 수 있고, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(122)은 InxAlyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN 등에서 선택될 수 있으며, Si, Ge, Sn, Se, Te 등의 n형 도펀트가 도핑될 수 있다.
활성층(124)은 제1 도전형 반도체층(122)과 제2 도전형 반도체층(127) 사이에 배치된다. 활성층(124)은 제1 도전형 반도체층(122)으로부터 제공되는 전자(electron)와 제2 도전형 반도체층(127)으로부터 제공되는 정공(hole)의 결합(recombination) 과정에서 발생하는 에너지에 의해 광을 생성할 수 있다.
활성층(124)은 InxAlyGa1 -x-yN(0<x≤1, 0≤y<1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 가지는 반도체일 수 있다. 활성층(124)은 1회 이상 교대로 배치되는 양자 우물층(QW1 내지 QWn, n≥1인 자연수, 도 2 참조) 및 양자 장벽층(QB1 내지 QBn, n≥1인 자연수, 도 2 참조)을 포함하는 양자 우물 구조일 수 있다.
예컨대, 활성층(124)은 다중 양자 우물(MQW: Multi Quantum Well) 구조일 수 있다. 양자 장벽층(QB1 내지 QBm, m≥1인 자연수)의 에너지 밴드 갭(E1,E3,E4,E5)은 양자 우물층(QW1 내지 QWn, n≥1인 자연수)의 에너지 밴드 갭(E2)보다 클 수 있다.
제2 도전형 반도체층(127)은 활성층(124) 상에 배치되며, 질화물 반도체층일 수 있고, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(127)은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN 등에서 선택될 수 있으며, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등의 p형 도펀트가 도핑될 수 있다.
전자 저지층(126)은 활성층(124)과 제2 도전형 반도체층(127) 사이에 배치되며, 제1 도전형 반도체층(122)으로부터 활성층(124)으로 주입되는 전자가 제2 도전형 반도체층(127)으로 넘어가는(overflow) 것을 저지하여 누설 전류를 방지할 수 있다. 따라서 전자 저지층(126)의 에너지 밴드 갭(E7)은 양자 장벽층(QB1 내지 QBn, n>1인 자연수)의 에너지 밴드 갭(E1,E3,E4,E5)보다 크다.
전자 저지층(126)은 알루미늄(Al)을 포함하는 질화물 반도체층(예컨대, AlxGa(1-x)N, 0.12≤x≤0.2)일 수 있으며, 전자 저지층(126)의 일부 영역에 포함되는 알루미늄의 함유량이 나머지 다른 영역에 포함되는 알루미늄 함유량보다 클 수 있다. 또한 전자 저지층(126)은 알루미늄 및 인듐을 포함하는 질화물 반도체층(예컨대, InAlGaN)일 수 있다.
전자 저지층(126)은 홀의 원활한 이동을 위하여 제2 도전형 도펀트(예컨대, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba)가 도핑될 수 있다. 전자 저지층(126)의 두께는 30nm ~ 50nm일 수 있다.
전도층(130)은 제2 도전형 반도체층(127) 상에 배치될 수 있으며, 전반사를 감소시킬 뿐만 아니라, 투광성이 좋기 때문에 활성층(124)으로부터 방출되는 빛의 추출 효율을 증가시킬 수 있다.
전도층(130)은 투명 전도성 산화물, 예컨대, ITO(Indium Tin Oxide), TO(Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), ITZO(Indium Tin Zinc 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), IrOx, RuOx,RuOx/ITO, Ni, Ag, Ni/IrOx/Au, 또는 Ni/IrOx/Au/ITO 중 하나 이상을 이용하여 단층 또는 다층으로 이루어질 수 있다.
제1 전극(142)은 제1 도전형 반도체층(142) 상에 배치될 수 있으며, 제2 전극(144)은 전도층(130) 상에 배치될 수 있다. 발광 구조물(120)은 일부가 식각되어 제1 도전형 반도체층(142)의 일 영역이 노출될 수 있으며, 제1 전극(142)은 노출되는 제1 도전형 반도체층(142)의 일 영역 상에 배치될 수 있다.
제1 전극(142), 및 제2 전극(144)은 도전성 물질, 예컨대, Ti, Al, Al alloy, In, Ta, Pd, Co, Ni, Si, Ge, Ag, Ag alloy, Au, Hf, Pt, Ru 또는 Au 중에서 적어도 하나를 포함하여 형성하거나, 또는 적어도 하나를 포함하는 합금으로 형성될 수 있으며, 그 형태는 단층 또는 다층일 수 있다.
캐리어(carrier) 주입층(125)은 활성층(124)과 전자 저지층(126) 사이에 배치될 수 있으며, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 캐리어 주입층(125)은 활성층(124)으로 캐리어(예컨대, 홀(hole))를 주입하여 발광 소자(100)의 광 출력을 향상시킬 수 있다.
캐리어 주입층(125)은 활성층(124)으로 홀(hole)을 주입할 수 있도록 p형 도펀트(예컨대, Mg)가 도핑된 층일 수 있다. 캐리어 주입층(125)의 조성은 InxAlyGa(1-x-y)N, 0≤x≤1, 0≤y≤1)일 수 있으며, 그 두께는 4nm ~8nm일 수 있다. 캐리어 주입층(125)의 두께가 4nm미만일 경우에는 캐리어 주입 역할을 수행할 수 없고, 8nm 초과일 경우에는 발광 소자의 결정성이 나빠질 수 있다.
캐리어 주입층(125)의 에너지 밴드 갭(E6)은 활성층(124)으로부터 제2 도전형 반도체층(127) 방향으로 감소할 수 있다. 캐리어 주입층(125)의 에너지 밴드 갭의 최소값은 활성층(124)의 우물층(QW1 내지 QWn, n>1인 자연수)의 에너지 밴드 갭(E1)보다 클 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 활성층(124)의 장벽층들(QB1 내지 QBn, n>1인 자연수) 중 캐리어 주입층(125)에 가장 인접하는 장벽층(QBn, 이하 "마지막 장벽층"이라 한다)의 두께는 나머지 장벽층들(QB1 내지 QB(n-1))의 두께보다 두꺼울 수 있다.
이는 마지막 장벽층(Qn)의 두께를 두껍게 함으로써, 캐리어 주입층(125)의 p형 도펀트(예컨대, Mg)가 활성층(124)의 우물층들 중 캐리어 주입층(125)에 가장 인접하는 우물층(QWn, 이하 "마지막 우물층"이라 한다)으로 확산하는 것을 저지하기 위함이다.
예컨대, 캐리어 주입층(125)에 가장 인접하는 장벽층(Qn)의 두께(t1)는 5nm ~ 9nm일 있고, 나머지 장벽층들의 두께(t2)는 3nm ~ 4nm일 수 있다.
일반적으로 캐리어 주입층의 p형 도펀트(예컨대, Mg)가 마지막 우물층으로 확산될 경우(이하 "백 디퓨젼(back diffusion)"이라 한다)에는, 발광 소자의 광 출력이 떨어질 수 있고, 동작 전압이 올라갈 수 있으며, 발광 구조물의 결정성을 나쁘게 하여 발광 소자의 신뢰성을 악화시킬 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 활성층(124)의 마지막 장벽층(QBn)의 적어도 일부분(예컨대, B2)의 에너지 밴드 갭(E4)은 나머지 부분(예컨대, B1,B3)의 에너지 밴드 갭(E3,E5)보다 클 수 있다.
마지막 장벽층(QBn)의 적어도 일부분(예컨대, B2)은 알루미늄(Al)을 포함하는 질화물 반도체층, 예컨대, AlGaN, 또는 InAlGaN일 수 있다. 마지막 장벽층(QBn)의 나머지 부분(예컨대, B1,B3)은 알루미늄(Al)을 포함하지 않는 질화물 반도체층, 예컨대. GaN 또는 InGaN일 수 있다.
이와 같이 마지막 장벽층(QBn)의 적어도 일 부분(B2)에 알루미늄을 포함하도록 하는 것은 알루미늄(Al)이 백 디퓨젼을 저지하는 역할을 하기 때문이다.
즉 GaN보다는 AlGaN이 캐리어 주입층(125)의 도펀트(Mg)가 마지막 우물층으로의 확산을 저지하는 능력이 클 수 있다.
마지막 장벽층(QBn)의 적어도 일부분(예컨대, B2)의 조성은 AlaInbGa(1-a-b)N, 0.03≤a≤0.05, 0≤b≤0.15)일 수 있고, 마지막 장벽층(QBn)의 나머지 부분(예컨대, B1,B3)의 조성은 InxGa(1-x)N, 0≤x≤0.05일 수 있다.
마지막 장벽층(QBn)의 적어도 일부분(예컨대, B2)의 알루미늄의 함유량이 5%를 초과할 경우에는 발광 소자(100)의 동작 전압이 증가할 수 있고, 3% 미만인 경우에는 백 디퓨젼을 저지할 수 없다.
마지막 장벽층(QBn)의 적어도 일부분(예컨대, B2)의 두께(t3)는 3nm ~ 6nm일 수 있다. 마지막 장벽층(QBn)의 적어도 일부분(예컨대, B2)의 두께(t3)가 6nm 초과일 경우에는 발광 소자(100)의 동작 전압이 증가할 수 있고, 3nm미만일 경우에는 백 디퓨젼을 저지할 수 없다.
마지막 장벽층(QBn)의 적어도 일 부분(B2)은 마지막 우물층(QWn)과 이격되도록 위치할 수 있다. 마지막 장벽층(QBn)의 적어도 일 부분(B2)은 알루미늄을 포함하고 있기 때문에, 마지막 우물층(QWn)과는 격자 상수의 차이가 클 수 있다. 따라서 마지막 장벽층(QBn)의 적어도 일 부분(B2)이 마지막 우물층(QWn)과 접할 경우에는 발광 구조물의 결정성이 나빠져서 발광 소자의 신뢰성이 악화될 수 있다.
예컨대, 마지막 장벽층(QBn)은 마지막 우물층(QWn)에 인접하는 제1 부분(B1), 캐리어 주입층(125)에 인접하는 제3 부분(B3), 제1 부분(B1)과 제3 부분(B3) 사이에 위치하는 제2 부분(B2)을 포함할 수 있다.
제2 부분(B2)의 에너지 밴드 갭(E4)은 제1 부분(B1)의 에너지 밴드 갭(E3) 및 제3 부분(B3)의 에너지 밴드 갭(E5)보다 클 수 있다. 제2 부분(B2)의 에너지 밴드 갭(E4)은 일정할 수 있다.
제2 부분(B2)의 에너지 밴드 갭(B4)은 전자 저지층(126)의 에너지 밴드 갭(E7)보다 작을 수 있다.
제2 부분(B2)의 조성은 AlaInbGa(1-a-b)N, 0.03≤a≤0.05, 0≤b≤0.15)일 수 있고, 제1 부분(B1)과 제3 부분(B3)의 조성은 InxGa(1-x)N, 0≤x≤0.05일 수 있다. 제2 부분(B2)의 두께(t3)는 3nm ~ 6nm일 수 있다.
도 1 내지 도 3에 도시된 마지막 장벽층(QBn)은 1개의 제2 부분(B2)만을 포함하지만, 다른 실시 예의 마지막 장벽층(QBn)은 서로 이격하는 2개 이상의 제2 부분들을 포함할 수 있다. 2개 이상의 제2 부분들을 제외한 마지막 장벽층(QBn)의 나머지 부분들의 조성, 및 에너지 밴드 갭은 도 1 내지 도 3에서 설명한 바와 동일할 수 있다.
실시 예는 알루미늄을 포함하는 마지막 장벽층(QBn)의 적어도 일부분에 의하여 백 디퓨젼을 방지할 수 있으며, 백 디퓨젼에 기인하는 발광 소자(100)의 광 출력 저하, 동작 전압의 증가, 및 결정성 악화를 방지할 수 있다.
또한 실시 예는 백 디퓨젼을 저지할 수 있기 때문에, 캐리어 주입층(125)의 도펀트(예컨대, Mg)의 농도를 증가시킬 수 있고, 이로 인하여 활성층(124)으로의 홀의 주입량을 증가시킬 수 있어, 발광 소자(100)의 광 출력을 향상시킬 수 있다.
또한 실시 예는 마지막 장벽층(QBn)의 적어도 일부분의 에너지 밴드 갭이 나머지 부분의 에너지 밴드 갭보다 크기 때문에, 활성층(124)으로부터 전자가 제2 도전형 반도체층으로 범람(overflow)하는 것을 억제할 수 있으며, 전류의 증가에 따른 발광 소자(100)의 효율 저하(Efficiency Droop)를 완화할 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 발광 구조물(120)의 에너지 밴드 갭의 다른 실시 예를 나타낸다. 도 3과 동일한 도면 부호는 동일한 구성을 나타내며, 동일한 구성에 대해서는 설명을 간단히 하거나 또는 생략한다.
도 4를 참조하면, 제1 도전형 반도체층(122)으로부터 제2 도전형 반도체층(127) 방향으로 갈수록, 마지막 장벽층(QBn)의 적어도 일부분(B2')의 에너지 밴드 갭(E4')은 점차 증가할 수 있다.
마지막 장벽층(QBn)의 적어도 일부분(예컨대, B2')은 알루미늄(Al)을 포함하는 질화물 반도체층, 예컨대, AlGaN, 또는 InAlGaN일 수 있다. 마지막 장벽층(QBn)의 나머지 부분(예컨대, B1,B3)은 알루미늄(Al)을 포함하지 않는 질화물 반도체층, 예컨대. GaN 또는 InGaN일 수 있다.
제1 도전형 반도체층(122)으로부터 제2 도전형 반도체층(127) 방향으로 갈수록 마지막 장벽층(QBn)의 적어도 일부분(예컨대, B2')의 알루미늄(Al) 함유량은 점차 감소할 수 있다. 이는 마지막 장벽층(QBn)의 적어도 일부분(예컨대, B2')과 나머지 부분(예컨대, B1,B2) 사이의 계면 저항을 줄임으로써 동작 전압을 낮추기 위함이다.
마지막 장벽층(QBn)의 적어도 일부분(예컨대, B2')의 알루미늄(Al) 함유량을 점차로 감소시키는 이유는 캐리어 주입층(125)으로부터 홀이 마지막 우물층(QWn)으로 용이하게 넘어가도록 하기 위함이다.
도 5는 도 1에 도시된 발광 구조물(120)의 에너지 밴드 갭의 또 다른 실시 예를 나타낸다. 도 3과 동일한 도면 부호는 동일한 구성을 나타내며, 동일한 구성에 대해서는 설명을 간단히 하거나 또는 생략한다.
도 5를 참조하면, 제1 도전형 반도체층(122)으로부터 제2 도전형 반도체층(127) 방향으로 갈수록 마지막 장벽층(QBn)의 적어도 일부분(B2")의 에너지 밴드 갭(E4")은 점차 감소할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(122)으로부터 제2 도전형 반도체층(127) 방향으로 갈수록 마지막 장벽층(QBn)의 적어도 일부분(예컨대, B2")의 알루미늄(Al) 함유량은 점차 증가할 수 있다. 이는 마지막 장벽층(QBn)의 적어도 일부분(예컨대, B2")과 나머지 부분(예컨대, B1,B2) 사이의 계면 저항을 줄임으로써 동작 전압을 낮추기 위함이다.
마지막 장벽층(QBn)의 적어도 일부분(예컨대, B2")의 알루미늄(Al) 함유량을 점차로 증가시키는 이유는 캐리어 주입층(125)으로부터 홀이 마지막 우물층(QWn)으로 용이하게 넘어가도록 하기 위함이다.
도 6은 다른 실시 예에 따른 발광 소자(200)의 단면도를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 발광 소자(200)는 제2 전극(405), 보호층(440), 전류 차단층(Current Blocking Layer; 445), 발광 구조물(120), 패시베이션층(465), 및 제1 전극(470)를 포함한다.
제2 전극(405)는 제1 전극(470)와 함께 발광 구조물(120)에 전원을 제공한다. 제2 전극(405)는 지지층(support, 410), 접합층(bonding layer, 415), 배리어층(barrier layer, 420), 반사층(reflective layer, 425), 및 오믹 영역(ohmic layer, 430)을 포함할 수 있다.
지지 기판(410)는 발광 구조물(120)을 지지한다. 지지 기판(410)은 금속 또는 반도체 물질로 형성될 수 있다. 또한 지지 기판(410)은 전기 전도성과 열 전도성이 높은 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 지지 기판(410)는 구리(Cu), 구리 합금(Cu alloy), 금(Au), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 및 구리-텅스텐(Cu-W) 중 적어도 하나를 포함하는 금속 물질이거나, 또는 Si, Ge, GaAs, ZnO, SiC 중 적어도 하나를 포함하는 반도체일 수 있다.
접합층(415)은 지지 기판(410)와 배리어층(420) 사이에 배치될 수 있으며, 지지 기판(410)과 배리어층(420)을 접합시키는 본딩층(bonding layer)의 역할을 할 수 있다. 접합층(415)은 금속 물질, 예를 들어, In,Sn, Ag, Nb, Pd, Ni, Au, Cu 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 접합층(415)은 지지 기판(410)을 본딩 방식으로 접합하기 위해 형성하는 것이므로 지지 기판(410)을 도금이나 증착 방법으로 형성하는 경우에는 접합층(215)은 생략될 수 있다.
배리어층(420)은 반사층(425), 오믹 영역(430), 및 보호층(440)의 아래에 배치되며, 접합층(415) 및 지지 기판(410)의 금속 이온이 반사층(425), 및 오믹 영역(430)을 통과하여 발광 구조물(120)로 확산하는 것을 방지할 수 있다. 예컨대, 배리어층(420)은 Ni, Pt, Ti,W,V, Fe, Mo 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 단층 또는 다층으로 이루어질 수 있다.
반사층(425)은 배리어층(420) 상에 배치될 수 있으며, 발광 구조물(120)로부터 입사되는 광을 반사시켜 주어, 광 추출 효율을 개선할 수 있다. 반사층(425)은 광 반사 물질, 예컨대, Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 중 적어도 하나를 포함하는 금속 또는 합금으로 형성될 수 있다.
반사층(425)은 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 형성할 수 있다.
오믹 영역(430)은 반사층(425)과 제2 도전형 반도체층(127) 사이에 배치될 수 있으며,제2 도전형 반도체층(127)에 오믹 접촉(ohmic contact)되어 발광 구조물(120)에 전원이 원활히 공급되도록 할 수 있다.
투광성 전도층과 금속을 선택적으로 사용하여 오믹 영역(430)을 형성할 수 있다. 예컨대 오믹 영역(430)은 제2 도전형 반도체층(127)과 오믹 접촉하는 금속 물질, 예컨대, Ag, Ni,Cr,Ti,Pd,Ir, Sn, Ru, Pt, Au, Hf 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
보호층(440)은 제2 전극(405)의 가장 자리 영역 상에 배치될 수 있다. 예컨대, 보호층(440)은 오믹 영역(430)의 가장 자리 영역, 또는 반사층(425)의 가장 자리 영역, 또는 배리어층(420)의 가장 자리 영역, 또는 지지 기판(410)의 가장 자리 영역 상에 배치될 수 있다.
보호층(440)은 발광 구조물(120)과 제2 전극(405) 사이의 계면이 박리되어 발광 소자(200)의 신뢰성이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 보호층(440)은 전기 절연성 물질, 예를 들어, ZnO, SiO2, Si3N4, TiOx(x는 양의 실수), 또는 Al2O3 등으로 형성될 수 있다.
전류 차단층(445)은 오믹 영역(430)과 발광 구조물(120) 사이에 배치될 수 있다. 전류 차단층(445)의 상면은 제2 도전형 반도체층(127)과 접촉하고, 전류 차단층(445)의 하면, 또는 하면과 측면은 오믹 영역(430)과 접촉할 수 있다. 전류 차단층(445)은 수직 방향으로 제1 전극(470)와 적어도 일부가 오버랩되도록 배치될 수 있다.
전류 차단층(445)은 오믹 영역(430)과 제2 도전형 반도체층(127) 사이에 형성되거나, 반사층(425)과 오믹 영역(430) 사이에 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
발광 구조물(120)은 오믹 영역(430) 및 보호층(440) 상에 배치될 수 있으며, 도 1 내지 도 3에서 설명한 바와 동일할 수 있다.
발광 구조물(120)의 측면은 단위 칩으로 구분하는 아이솔레이션(isolation) 에칭 과정에서 경사면이 될 수 있다.
패시베이션층(465)은 발광 구조물(120)을 전기적으로 보호하기 위하여 발광 구조물(120)의 측면에 배치될 수 있다. 패시베이션층(465)은 제1 도전형 반도체층(122)의 상면 일부 또는 보호층(440)의 상면에도 배치될 수 있다. 패시베이션층(465)은 절연 물질, 예컨대, SiO2, SiOx, SiOxNy, Si3N4, 또는 Al2O3 로 형성될 수 있다.
제1 전극(470)는 제1 도전형 반도체층(122) 상에 배치될 수 있고, 소정의 패턴 형상일 수 있다. 제1 도전형 반도체층(122)의 상면은 광 추출 효율을 증가시키기 위해 러프니스 패턴(미도시)이 형성될 수 있다. 또한 광 추출 효율을 증가시키기 위하여 제1 전극(470)의 상면에도 러프니스 패턴(미도시)이 형성될 수 있다.
실시 예에 따른 발광 소자(200)는 알루미늄을 포함하는 마지막 장벽층(QBn)의 적어도 일부분에 의하여 백 디퓨젼을 방지할 수 있으며, 백 디퓨젼에 기인하는 발광 소자(100)의 광 출력 저하, 동작 전압의 증가, 및 결정성 악화를 방지할 수 있다.
또한 실시 예는 캐리어 주입층(125)의 도펀트(예컨대, Mg)의 농도를 증가시킬 수 있고, 발광 소자(100)의 광 출력을 향상시킬 수 있다. 또한 실시 예는 전류의 증가에 따른 발광 소자(100)의 효율 저하(Efficiency Droop)를 완화할 수 있다.
도 7은 실시 예에 따른 발광 소자 패키지를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 발광 소자 패키지는 패키지 몸체(510), 제1 금속층(512), 제2 금속층(514), 발광 소자(520), 반사판(530), 와이어(530), 및 수지층(540)을 포함한다.
패키지 몸체(510)는 실리콘 기반의 웨이퍼 레벨 패키지(wafer level package), 실리콘 기판, 실리콘 카바이드(SiC), 질화알루미늄(aluminum nitride, AlN) 등과 같이 절연성 또는 열전도도가 좋은 기판으로 형성될 수 있으며, 복수 개의 기판이 적층되는 구조일 수 있다. 실시 예는 상술한 몸체의 재질, 구조, 및 형상으로 한정되지 않는다.
패키지 몸체(510)는 상부면의 일측 영역에 측면 및 바닥으로 이루어지는 캐비티(cavity)를 가질 수 있다. 이때 캐비티의 측벽은 경사지게 형성될 수 있다.
제1 도전층(512) 및 제2 도전층(514)은 열 배출이나 발광 소자의 장착을 고려하여 서로 전기적으로 분리되도록 패키지 몸체(510)의 표면에 배치된다. 발광 소자(520)는 제1 도전층(512) 및 제2 도전층(514)과 전기적으로 연결된다. 이때 발광 소자(520)는 실시 예(100, 200)일 수 있다.
반사판(530)은 발광 소자(520)에서 방출된 빛을 소정의 방향으로 지향하도록 패키지 몸체(510)의 캐비티 측벽에 배치될 수 있다. 반사판(530)은 광반사 물질로 이루어지며, 예컨대, 금속 코팅이거나 금속 박편일 수 있다.
수지층(540)은 패키지 몸체(510)의 캐비티 내에 위치하는 발광 소자(520)를 포위하여 발광 소자(520)를 외부 환경으로부터 보호한다. 수지층(540)은 에폭시 또는 실리콘과 같은 무색 투명한 고분자 수지 재질로 이루어질 수 있다. 수지층(540)은 발광 소자(520)에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있도록 형광체를 포함할 수 있다.
실시 예에 따른 발광 소자 패키지는 복수 개가 기판 상에 어레이될 수 있고, 발광 소자 패키지의 광 경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트 등이 배치될 수 있다. 이러한 발광 소자 패키지, 기판, 광학 부재는 백라이트 유닛으로 기능할 수 있다.
또 다른 실시 예는 상술한 실시 예들에 기재된 발광 소자 또는 발광 소자 패키지를 포함하는 표시 장치, 지시 장치, 조명 시스템으로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 조명 시스템은 램프, 가로등을 포함할 수 있다.
도 8은 실시 예에 따른 발광 소자를 포함하는 조명 장치를 나타낸다.
도 8을 참조하면, 조명 장치는 커버(1100), 광원 모듈(1200), 방열체(1400), 전원 제공부(1600), 내부 케이스(1700), 및 소켓(1800)을 포함할 수 있다. 또한, 실시 예에 따른 조명 장치는 부재(1300)와 홀더(1500) 중 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
광원 모듈(1200)은 실시 예에 따른 발광 소자(100, 200), 또는 도 7에 도시된 발광 소자 패키지를 포함할 수 있다.
커버(1100)는 벌브(bulb) 또는 반구의 형상일 수 있으며, 속이 비어 있고, 일 부분이 개구된 형상일 수 있다. 커버(1100)는 광원 모듈(1200)과 광학적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 커버(1100)는 광원 모듈(1200)로부터 제공되는 빛을 확산, 산란 또는 여기시킬 수 있다. 커버(1100)는 일종의 광학 부재일 수 있다. 커버(1100)는 방열체(1400)와 결합될 수 있다. 커버(1100)는 방열체(1400)와 결합하는 결합부를 가질 수 있다.
커버(1100)의 내면에는 유백색 도료가 코팅될 수 있다. 유백색의 도료는 빛을 확산시키는 확산재를 포함할 수 있다. 커버(1100)의 내면의 표면 거칠기는 커버(1100)의 외면의 표면 거칠기보다 크게 형성될 수 있다. 이는 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, 폴리카보네이트는 내광성, 내열성, 강도가 뛰어나다. 커버(1100)는 외부에서 광원 모듈(1200)이 보이도록 투명할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 불투명할 수 있다. 커버(1100)는 블로우(blow) 성형을 통해 형성될 수 있다.
광원 모듈(1200)은 방열체(1400)의 일 면에 배치될 수 있으며, 광원 모듈(1200)로부터 발생한 열은 방열체(1400)로 전도될 수 있다. 광원 모듈(1200)은 광원부(1210), 연결 플레이트(1230), 및 커넥터(1250)를 포함할 수 있다.
부재(1300)는 방열체(1400)의 상면 위에 배치될 수 있고, 복수의 광원부(1210)들과 커넥터(1250)가 삽입되는 가이드홈(1310)을 갖는다. 가이드홈(1310)은 광원부(1210)의 기판 및 커넥터(1250)와 대응 또는 정렬될 수 있다.
부재(1300)의 표면은 광 반사 물질로 도포 또는 코팅된 것일 수 있다.
예를 들면, 부재(1300)의 표면은 백색의 도료로 도포 또는 코팅된 것일 수 있다. 이러한 부재(1300)는 커버(1100)의 내면에 반사되어 광원 모듈(1200)을 향하여 되돌아오는 빛을 다시 커버(1100) 방향으로 반사할 수 있다. 따라서, 실시 예에 따른 조명 장치의 광 효율을 향상시킬 수 있다.
부재(1300)는 예로서 절연 물질로 이루어질 수 있다. 광원 모듈(1200)의 연결 플레이트(1230)는 전기 전도성의 물질을 포함할 수 있다. 따라서, 방열체(1400)와 연결 플레이트(1230) 사이에 전기적인 접촉이 이루어질 수 있다. 부재(1300)는 절연 물질로 구성되어 연결 플레이트(1230)와 방열체(1400)의 전기적 단락을 차단할 수 있다. 방열체(1400)는 광원 모듈(1200)로부터의 열과 전원 제공부(1600)로부터의 열을 전달받아 방열할 수 있다.
홀더(1500)는 내부 케이스(1700)의 절연부(1710)의 수납홈(1719)을 막는다. 따라서, 내부 케이스(1700)의 절연부(1710)에 수납되는 전원 제공부(1600)는 밀폐될 수 있다. 홀더(1500)는 가이드 돌출부(1510)를 가질 수 있으며, 가이드 돌출부(1510)는 전원 제공부(1600)의 돌출부(1610)가 관통하는 홀을 가질 수 있다.
전원 제공부(1600)는 외부로부터 제공받은 전기적 신호를 처리 또는 변환하여 광원 모듈(1200)로 제공한다. 전원 제공부(1600)는 내부 케이스(1700)의 수납홈(1719)에 수납될 수 있고, 홀더(1500)에 의해 내부 케이스(1700)의 내부에 밀폐될 수 있다. 전원 제공부(1600)는 돌출부(1610), 가이드부(1630), 베이스(1650), 연장부(1670)를 포함할 수 있다.
가이드부(1630)는 베이스(1650)의 일 측에서 외부로 돌출된 형상을 가질 수 있다. 가이드부(1630)는 홀더(1500)에 삽입될 수 있다. 베이스(1650)의 일 면 위에는 다수의 부품이 배치될 수 있다. 다수의 부품은 예를 들어, 외부 전원으로부터 제공되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 직류변환장치, 광원 모듈(1200)의 구동을 제어하는 구동칩, 광원 모듈(1200)을 보호하기 위한 ESD(ElectroStatic discharge) 보호 소자 등을 포함할 수 있으나 이에 대해 한정하지는 않는다.
연장부(1670)는 베이스(1650)의 다른 일 측에서 외부로 돌출된 형상을 가질 수 있다. 연장부(1670)는 내부 케이스(1700)의 연결부(1750) 내부에 삽입될 수 있고, 외부로부터의 전기적 신호를 제공받을 수 있다. 예컨대, 연장부(1670)는 내부 케이스(1700)의 연결부(1750)와 폭이 같거나 작을 수 있다. 연장부(1670)에는 "+ 전선"과 "- 전선"의 각 일 단이 전기적으로 연결될 수 있고, "+ 전선"과 "- 전선"의 다른 일 단은 소켓(1800)에 전기적으로 연결될 수 있다.
내부 케이스(1700)는 내부에 전원 제공부(1600)와 함께 몰딩부를 포함할 수 있다. 몰딩부는 몰딩 액체가 굳어진 부분으로서, 전원 제공부(1600)가 내부 케이스(1700) 내부에 고정될 수 있도록 한다.
도 9는 실시 예에 따른 발광 소자를 포함하는 표시 장치를 나타낸다.
도 9를 참조하면, 표시 장치(800)는 바텀 커버(810)와, 바텀 커버(810) 상에 배치되는 반사판(820)과, 광을 방출하는 발광 모듈(830, 835)과, 반사판(820)의 전방에 배치되며 발광 모듈(830,835)에서 발산되는 빛을 표시 장치 전방으로 안내하는 도광판(840)과, 도광판(840)의 전방에 배치되는 프리즘 시트들(850,860)을 포함하는 광학 시트와, 광학 시트 전방에 배치되는 디스플레이 패널(870)과, 디스플레이 패널(870)과 연결되고 디스플레이 패널(870)에 화상 신호를 공급하는 화상 신호 출력 회로(872)와, 디스플레이 패널(870)의 전방에 배치되는 컬러 필터(880)를 포함할 수 있다. 여기서 바텀 커버(810), 반사판(820), 발광 모듈(830,835), 도광판(840), 및 광학 시트는 백라이트 유닛(Backlight Unit)을 이룰 수 있다.
발광 모듈은 기판(830) 상에 실장되는 발광 소자 패키지들(835)을 포함할 수 있다. 여기서, 기판(830)은 PCB 등이 사용될 수 있다. 발광 소자 패키지(835)는 도 7에 도시된 실시 예일 수 있다.
바텀 커버(810)는 표시 장치(800) 내의 구성 요소들을 수납할 수 있다. 그리고, 반사판(820)은 본 도면처럼 별도의 구성요소로 마련될 수도 있으며, 도광판(840)의 후면이나, 바텀 커버(810)의 전면에 반사도가 높은 물질로 코팅되는 형태로 마련되는 것도 가능하다.
여기서, 반사판(820)은 반사율이 높고 초박형으로 사용 가능한 소재를 사용할 수 있고, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PolyEthylene Terephtalate; PET)를 사용할 수 있다.
그리고, 도광판(830)은 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate; PMMA), 폴리카보네이트(PolyCarbonate; PC), 또는 폴리에틸렌(PolyEthylene; PE) 등으로 형성될 수 있다.
그리고, 제1 프리즘 시트(850)는 지지 필름의 일면에, 투광성이면서 탄성을 갖는 중합체 재료로 형성될 수 있으며, 중합체는 복수 개의 입체구조가 반복적으로 형성된 프리즘층을 가질 수 있다. 여기서, 복수 개의 패턴은 도시된 바와 같이 마루와 골이 반복적으로 스트라이프 타입으로 구비될 수 있다.
그리고, 제2 프리즘 시트(860)에서 지지 필름 일면의 마루와 골의 방향은, 제1 프리즘 시트(850) 내의 지지필름 일면의 마루와 골의 방향과 수직할 수 있다.
이는 발광 모듈과 반사 시트로부터 전달된 빛을 디스플레이 패널(1870)의 전면으로 고르게 분산하기 위함이다.
그리고, 도시되지는 않았으나, 도광판(840)과 제1 프리즘 시트(850) 사이에 확산 시트가 배치될 수 있다. 확산 시트는 폴리에스터와 폴리카보네이트 계열의 재료로 이루어질 수 있으며, 백라이트 유닛으로부터 입사된 빛을 굴절과 산란을 통하여 광 투사각을 최대로 넓힐 수 있다. 그리고, 확산 시트는 광확산제를 포함하는 지지층과, 광출사면(제1 프리즘 시트 방향)과 광입사면(반사시트 방향)에 형성되며 광확산제를 포함하지 않는 제1 레이어와 제2 레이어를 포함할 수 있다.
실시 예에서 확산 시트, 제1 프리즘시트(850), 및 제2 프리즘시트(860)가 광학 시트를 이루는데, 광학 시트는 다른 조합 예를 들어, 마이크로 렌즈 어레이로 이루어지거나 확산 시트와 마이크로 렌즈 어레이의 조합 또는 하나의 프리즘 시트와 마이크로 렌즈 어레이의 조합 등으로 이루어질 수 있다.
디스플레이 패널(870)은 액정 표시 패널(Liquid crystal display)가 배치될 수 있는데, 액정 표시 패널(860) 외에 광원을 필요로 하는 다른 종류의 표시 장치가 구비될 수 있다.
이상에서 실시 예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에 포함되며, 반드시 하나의 실시 예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 기판 115: 버퍼층
120: 발광 구조물 122: 제1 도전형 반도체층
124: 활성층 125: 캐리어 주입층
126: 전자 저지층 127: 제2 도전형 반도체층
130: 전도층 142: 제1 전극
144: 제2 전극 QW1 내지 QWn: 우물층
QB1 내지 QBn: 장벽층.

Claims (5)

  1. 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되는 제2 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되고, 우물층들 및 장벽층들을 포함하는 활성층; 및
    상기 활성층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되고, 제2 도전형 도펀트가 도핑된 캐리어 주입층을 포함하며,
    상기 캐리어 주입층의 에너지 밴드 갭은 상기 활성층으로부터 상기 제2 도전형 반도체층 방향으로 감소하고,
    상기 캐리어 주입층은 상기 우물층들로부터 이격되고,
    상기 장벽층들 중 상기 제2 도전형 반도체층에 가장 인접한 마지막 장벽층은 상기 캐리어 주입층과 상기 우물층들 중 상기 제2 도전형 반도체층에 가장 인접한 마지막 우물층에 접하고,
    상기 마지막 장벽층의 두께는 상기 장벽층들 중에서 상기 마지막 장벽층을 제외한 나머지 장벽층들 각각의 두께보다 두껍고,
    상기 마지막 장벽층은,
    상기 마지막 우물층에 접하는 제1 부분;
    상기 캐리어 주입층에 접하는 제3 부분; 및
    상기 제1 부분과 상기 제3 부분 사이에 위치하는 제2 부분을 포함하며,
    상기 제2 부분의 에너지 밴드 갭은 상기 나머지 장벽층들 각각의 에너지 밴드 갭보다 크고,
    상기 제2 부분은 알루미늄을 포함하고,
    상기 제2 부분의 에너지 밴드 갭은 상기 제1 부분 및 상기 제3 부분 각각의 에너지 밴드 갭보다 크고,
    상기 제2 부분의 에너지 밴드 갭은 균일하거나, 상기 활성층에서 상기 제2 도전형 반도체층 방향으로 갈수록 점차 증가하거나 또는 점차 감소하는 발광 소자.
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