JP5788210B2 - 発光素子、発光素子パッケージ - Google Patents
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Description
実施の形態は、発光素子、発光素子の製造方法、発光素子パッケージ及び照明システムに関する。
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、電気エネルギーを光に変換する半導体素子の一種である。発光ダイオードは、蛍光灯、白熱灯などの既存の光源に比べて低消費電力、半永久的な寿命、速い応答速度、安全性、環境親和性の長所を有する。そのため、既存の光源を発光ダイオードに置き換えるための多くの研究が進められており、発光ダイオードは、室内外で用いられる各種ランプ、液晶表示装置、電光板、街灯などの照明装置の光源として使用が増加している傾向にある。
実施の形態は、新しい構造を有する発光素子、発光素子の製造方法、発光素子パッケージ及び照明システムを提供する。
実施の形態は、発光効率が向上した発光素子、発光素子の製造方法、発光素子パッケージ及び照明システムを提供する。
実施の形態に係る発光素子は、第１電極層と、前記第１電極層上に形成されて、主ピーク波長領域が４３０ｎｍ〜４７０ｎｍである青色系の光を発光し、光抽出構造を含む発光構造物と、前記光抽出構造上にプラズモン振動数が前記青色系の光の波長と異なる金属材質から形成される第１層を備える第２電極層とを備える。
実施の形態に係る発光素子パッケージは、ボディー部と、前記ボディー部に設置された第１導電層及び第２導電層と、前記ボディー部に設置されて前記第１導電層及び第２導電層と電気的に接続する発光素子と、前記発光素子を取り囲むモールディング部材とを備え、前記発光素子は、第１電極層と、前記第１電極層上に形成されて主ピーク波長領域が４３０ｎｍ〜４７０ｎｍである青色系の光を発光し、光抽出構造を含む発光構造物と、前記光抽出構造上にプラズモン振動数が前記青色系の光の波長と異なる金属材質から形成される第１層を備える第２電極層とを備える。
本発明の照明システムによれば、前記発光モジュールから放出される光の進行経路上に光ガイド部材、拡散シート、集光シート、輝度上昇シート及び蛍光シートのうち、少なくとも何れか一つが配置されて、所望の光学的効果を得ることができる。
また、本発明の照明システムによれば、発光効率が優秀な実施の形態に係る発光素子又は発光素子パッケージを備えることによって、優秀な光効率を有することができる。
本発明についての説明に先立ち、本明細書で言及するそれぞれの層（膜）、領域、パターン、または構造物の基板、各層（膜）の領域、パッド、またはパターンの「上（ｏｎ）」、「下（ｕｎｄｅｒ）」に形成されると記載される場合において、「上（ｏｎ）」及び「下（ｕｎｄｅｒ）」は「直接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ）」または「他の層を介して（ｉｎｄｉｒｅｃｔｌｙ）」形成されるすべての物を含む。また、それぞれの層の上または下に対する基準は図面に基づいて説明する。
図面においてそれぞれの層の厚さやサイズは、説明の便宜性及び明確性のために誇張、省略または概略的に示した。したがって、それぞれの構成要素のサイズは、実際のサイズを全面的に反映するものではない。
以下、添付された図面を参照して、実施の形態に係る発光素子、発光素子の製造方法、発光素子パッケージ及び照明システムについて説明する。
図１は、第１の実施の形態に係る発光素子１００の側断面図で、図２は、図１の発光素子１００の上面図であり、図３は、図１のＡ領域の拡大図である。
図１〜図３に示すように、第１の実施の形態に係る発光素子１００は、第１電極層１１０と、前記第１電極層１１０上に形成された発光構造物１２０と、前記発光構造物１２０の上面の一部領域に形成された第２電極層１３０を備えることができる。
前記第１電極層１１０は、導電性支持部材１１２と、前記導電性支持部材１１２上に反射層１１４と、前記反射層１１４上にオーミック層１１６を備えることができる。前記反射層１１４とオーミック層１１６は、そのうち何れか一つだけ形成されることができ、この場合、反射特性に優れたオーミック層が形成されることができる。
前記発光構造物１２０は、３族〜５族化合物半導体からなって電子と正孔との再結合過程により光を生成することができ、例えば、第２導電型半導体層１２２と、前記第２導電型半導体層１２２上に活性層１２４と、前記活性層１２４上に第１導電型半導体層１２６とを備えることができる。
また、前記発光構造物１２０の上面には、発光構造物内に全反射により束縛された光を外部に抽出させて光抽出効率を向上させるための光抽出構造１２８が形成されることができる。
前記第２電極層１３０は、単層又は多層の金属層から形成されることができ、前記第１電極層１１０と共に前記発光構造物１２０に電源を提供できる。前記第２電極層１３０は、ワイヤボンディングのための電極パッド１３０ａと電流拡散のための枝（ｂｒａｎｃｈ）１３０ｂを備えることができ、前記枝１３０ｂは、前記電極パッド１３０ａから分岐できる。
図３に示すように、例えば、前記第２電極層１３０の最下層である第１層１３１は、高い反射率を有する金属から形成し、最上層である第３層１３３は、高い接着力を有してワイヤボンディングが容易な金属から形成し、前記第１層１３１及び第３層１３３間の第２層１３２は、前記第１、３層１３１、１３３間の層間拡散を防止するための金属から形成されることができる。
前記第１層１３１は、前記発光構造物１２０から入射される光を反射することによって、前記第２電極層１３０に入射される光が光吸収により損失されるのを防止できる。
前記第１層１３１は、高反射率を有する銀（Ａｇ）を含んで形成されることができるが、銀（Ａｇ）は、前記第１層１３１と前記第１導電型半導体層１２６との間の界面に前記光抽出構造１２８の凸部（ｃｏｎｖｅｘ ｐｏｒｔｉｏｎ）、及び凸部に対応する凹部（ｃｏｎｃａｖｅ ｐｏｒｔｉｏｎ）が形成される場合、その反射率が顕著に低下する。
図４は、前記第１層１３１と前記第１導電型半導体層１２６との間の界面の前記第１導電型半導体層１２６上に周期的なパターンの光抽出構造１２８が形成される場合に、前記第１層１３１が銀（Ａｇ）から形成された場合とアルミニウム（Ａｌ）から形成された場合の反射率を比較したシミュレーション結果を示したグラフである。図４のｘ軸は、前記光抽出構造１２８の周期（Ｌａｔｔｉｃｅ Ｃｏｎｓｔａｎｔ）を示し、ｙ軸は、反射率（Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ）を示し、実験に使用された光は、４３０ｎｍ〜４７０ｎｍの主ピーク波長領域を有する青色系の光である。
図４に示すように、前記第１層１３１が銀（Ａｇ）から形成された場合、前記光抽出構造１２８の周期が０に近い滑らかな面の場合には、高い反射率を示すが、前記光抽出構造１２８の周期が大きくなると、反射率が急激に低下する特性を示す。
反面に、前記第１層１３１がアルミニウム（Ａｌ）から形成された場合、前記光抽出構造１２８の周期が０の場合には、銀（Ａｇ）より低い反射率を示すが、前記光抽出構造１２８の周期が大きくなる場合、銀（Ａｇ）よりむしろ大きな反射率を示すことが分かる。
このような現象は、銀（Ａｇ）のプラズモン（ｐｌａｓｍｏｎ）振動数が青色系の波長の近くに位置するために現れる。換言すれば、銀（Ａｇ）の表面に入射される青色系の光の一部は、表面プラズモン（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ）状態に転移されて、熱エネルギーとして消えるようになり、光が熱エネルギーに転移された分だけ反射率が低下するようになる。
したがって、第１の実施の形態では、前記第１層１３１を銀（Ａｇ）の代りに、前記プラズモン振動数が青色系の波長と異なる金属材質、例えば、アルミニウム（Ａｌ）を含むように形成できる。
前記シミュレーション結果から分かるように、前記第１層１３１をアルミニウム（Ａｌ）を含む金属材質から形成する場合、前記第１層１３１と前記第１導電型半導体層１２６との間の界面の反射率が向上して、結果的には、実施の形態に係る発光素子１００の発光効率を向上させることができる。
以下、第１の実施の形態に係る発光素子１００の各構成要素について詳細に説明する。
前記第１電極層１１０は、導電性支持部材１１２と、前記導電性支持部材１１２上に反射層１１４と、前記反射層１１４上にオーミック層１１６とを備えることができる。
前記導電性支持部材１１２は、前記発光構造物１２０を支持する機能を果たし、例えば、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅−タングステン（Ｃｕ−Ｗ）、キャリアウエハ（例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＺｎＯ、ＳｉＣ、ＧａＮ、Ｇａ２Ｏ３）又は不純物が注入された半導体基板のうち、少なくとも何れか一つから形成されることができる。
前記反射層１１４は、前記発光構造物１２０から入射される光を上に反射させ光抽出効率を向上させることができる。前記反射層１１４は、例えば、高い反射率を有するＡｇ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕ又はＣｕのうち、少なくとも一つを含んで形成されることができる。また、前記反射層１１４は、前記金属又は合金とＩＺＯ、ＩＺＴＯ、ＩＡＺＯ、ＩＧＺＯ、ＩＧＴＯ、ＡＺＯ、ＡＴＯなどの透光性導電性物質を利用して多層を有するように形成でき、例えば、ＩＺＯ／Ｎｉ、ＡＺＯ／Ａｇ、ＩＺＯ／Ａｇ／Ｎｉ、ＡＺＯ／Ａｇ／Ｎｉなどから積層できる。
前記オーミック層１１６は、前記発光構造物１２０の第２導電型半導体層１２２とオーミックコンタクト（接触）を形成し、前記発光構造物１２０に電源を円滑に供給する機能を果たす。前記オーミック層１１６は、例えば、ＩＴＯ、ＩＺＯ（Ｉｎ−ＺｎＯ）、ＧＺＯ（Ｇａ−ＺｎＯ）、ＡＺＯ（Ａｌ−ＺｎＯ）、ＡＧＺＯ（Ａｌ−ＧａＺｎＯ）、ＩＧＺＯ（Ｉｎ−ＧａＺｎＯ）、ＩｒＯｘ、ＲｕＯｘ、ＲｕＯｘ／ＩＴＯ、Ｎｉ／ＩｒＯｘ／Ａｕ又はＮｉ／ＩｒＯｘ／Ａｕ／ＩＴＯのうち、少なくとも一つを含んで形成されることができ、本発明はこのような材料に限定されるものではない。
前記発光構造物１２０は、３族〜５族化合物半導体からなることができ、例えば第２導電型半導体層１２２と、前記第２導電型半導体層１２２上に活性層１２４と、前記活性層１２４上に第１導電型半導体層１２６とを備えることができる。
前記第２導電型半導体層１２２は、例えば、ｐ型半導体層で具現されることができるが、前記ｐ型半導体層は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式を有する半導体材料、例えばＩｎＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなどから選択されることができ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａなどのｐ型ドーパントがドープ（注入）されうる。
前記第２導電型半導体層１２２は、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）ガス、アンモニア（ＮＨ３）ガス、ビセチルシクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ２Ｍｇ）｛Ｍｇ（Ｃ２Ｈ５Ｃ５Ｈ４）２｝ガスを水素ガスと共にチャンバーに注入して形成できる。
前記第２導電型半導体層１２２上には、前記活性層１２４が形成されることができる。前記活性層１２４は、前記第１導電型半導体層１２６及び第２導電型半導体層１２２から提供される電子及び正孔の再結合（ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）過程から生じるエネルギーギャップ差により光を生成できる。
前記活性層１２４は、例えば、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式を有する半導体材料を含んで形成でき、単一量子井戸構造、多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）、量子点構造又は量子線構造のうち、少なくとも一つから形成されることができる。前記活性層１２４が前記多重量子井戸構造から形成された場合、前記活性層１２４は、複数の井戸層と複数のバリア層が積層されて形成されることができ、例えば、ＩｎＧａＮ井戸層／ＧａＮバリア層の周期をもって形成されることができる。
前記活性層１２４は、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）ガス、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）ガス、アンモニア（ＮＨ３）ガスを水素ガスと共にチャンバーに注入して形成できる。
また、前記活性層１４０の上又は／及び下には、導電型クラッド（Ｃｌａｄ）層が形成されることができ、前記導電型クラッド層は、ＡｌＧａＮ系半導体から形成されることができる。
前記第１導電型半導体層１２６は、例えば、ｎ型半導体層を備えることができるが、前記ｎ型半導体層は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式を有する半導体材料、例えばＩｎＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮなどから選択されることができ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎなどのｎ型ドーパントがドープされることができる。
前記第１導電型半導体層１２６は、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）ガス、アンモニア（ＮＨ３）ガス、シラン（ＳｉＨ４）ガスを水素ガスと共にチャンバーに注入して形成されることができる。また、前記第１導電型半導体層１２６は、単層又は多層から形成されることができる。
一方、前記第１導電型半導体層１２６がｐ型半導体層を含み、前記第２導電型半導体層１２２がｎ型半導体層を備えることもできる。また、前記第２導電型半導体層１２２上には、ｎ型又はｐ型半導体層を備える第３導電型の半導体層（図示せず）が形成されることができ、これにより、前記発光構造物１２０は、ｎｐ、ｐｎ、ｎｐｎ、ｐｎｐ接合構造のうち、少なくとも何れか一つを有することができる。また、前記第１導電型半導体層１２６及び前記第２導電型半導体層１２２内の不純物のドーピング濃度は、均一又は不均一に形成されることができる。すなわち、前記発光構造物１２０の構造は、多様に形成されることができ、本発明はこれに限定されるものではない。
前記第１導電型半導体層１２６の上面には、発光構造物１２０内に全反射により束縛される光を外部に抽出させて光抽出効率を向上させるための光抽出構造１２８が形成されることができる。
前記光抽出構造１２８は、ウェットエッチングによりランダムな表面粗さ（ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ）又はパターニング工程により形成された周期的なパターンをもって形成されることができる。
このとき、前記光抽出構造１２８は、平均的な周期が２００ｎｍ〜３０００ｎｍを有するように形成される。すなわち、前記光抽出構造１２８が表面粗さである場合、前記粗さを構成する個別構造間の平均距離が２００ｎｍ〜３０００ｎｍを有するように形成されることができる。また、前記光抽出構造１２８は、２００ｎｍ〜３０００ｎｍの周期を有する周期的なパターンをもって形成されることもできる。
前記光抽出構造１２８の周期が２００ｎｍ〜３０００ｎｍより小さいか、又は大きいと、前記発光構造物１２０から放出される可視光線、紫外線系の光を効率的に抽出できなくなりうる。
また、上述したように、前記光抽出構造１２８の周期は、前記第２電極層１３０の第１層１３１の反射率とも関連がある。すなわち、前記第１層１３１の材質によって前記光抽出構造１２８の周期も選択的に決定されることができる。
前記第２電極層１３０は、単層又は多層の金属層から形成されることができ、前記第１電極層１１０と共に前記発光構造物１２０に電源を提供できる。前記第２電極層１３０は、ワイヤボンディングのための電極パッド１３０ａと電流拡散のための枝１３０ｂを備えることができる。
前記電極パッド１３０ａは、一つ又は複数形成されることができ、これにより、ワイヤボンディングも一つ又は複数形成されることができる。
また、前記枝１３０ｂは、前記電極パッド１３０ａから分岐して前記第１導電型半導体層１２６の上面に形成されることによって、前記電極パッド１３０ａの周辺に電流が偏る現象を防止できる。
一方、前記第２電極層１３０は、多層構造を有するように形成されることが好ましいが、例えば、図３に示すように、最下層である第１層１３１は高い反射率を有する金属から形成され、最上層である第３層１３３は、高い接着力を有してワイヤボンディングが容易な金属から形成され、前記第１層１３１及び第３層１３３間の第２層１３２は、前記第１、３層１３１、１３３間の層間拡散を防止するための金属から形成されることができる。
前記第１層１３１は、上述したように、前記発光構造物１２０が青色系の光を生成し、前記第１導電型半導体層１２６上に前記光抽出構造１２８が形成された場合には、アルミニウム（Ａｌ）を含む金属から形成されることが好ましい。ただし、これに対して限定せず、前記第１層１３１は、Ａｇ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｐｄ又はＣｕのうち、少なくとも一つの金属を含むように形成されることができる。
前記第２層１３２は、層間拡散防止のための材質、例えば、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｔａ又はＲｈのうち、少なくとも一つを含むように形成されることができる。前記第２層１３２は、多数の互いに異なる材質の層からなる多層構造を有することができる。
前記第３層１３３は、高い接着力を有する材質、例えば、Ｔｉ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ａｇ又はＴａのうち、少なくとも一つを含むように形成できる。前記第３層１３３は、多数の互いに異なる材質の層からなる多層構造を有することができる。
以下、第１の実施の形態に係る発光素子の製造方法を詳細に説明する。ただし、前で説明した内容と重複する内容に対しては省略又は簡略に説明する。
図５〜図９は、第１の実施の形態に係る発光素子１００の製造方法を説明する図である。
図５に示すように、成長基板１０５上に第１導電型半導体層１２６、活性層１２４及び第２導電型半導体層１２２を備える前記発光構造物１２０を形成できる。前記成長基板１０５と前記第１導電型半導体層１２６との間には、アンドープ（Ｕｎｄｏｐｅｄ）半導体層（図示せず）又はバッファ層（図示せず）がさらに形成されることができる。
前記成長基板１０５は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）単結晶基板、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＺｎＯ、Ｓｉ、ＧａＰ、ＩｎＰ、Ｇｅ、ＡｌＮのうち、少なくとも一つから形成されることができ、本発明はこれに限定されるものではない。
前記成長基板１０５に対しウェット洗浄を実施して、表面の不純物を除去できる。また、成長基板１０５の上面は、前記発光構造物１２０を円滑に成長し、前記発光素子１００の光抽出効率を向上させるために傾斜するように形成されるか、又は複数の突出パターンが形成されることができる。例えば、前記突出パターンは、半球形状、多角形形状、三角錐形状、ナノ柱形状のうち、何れか一つの形状から形成されることができる。
前記発光構造物１２０、前記アンドープ半導体層（図示せず）及び前記バッファ層（図示せず）は、有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ；Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、化学蒸着法（ＣＶＤ；Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、プラズマ化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ；Ｐｌａｓｍａ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、分子線成長法（ＭＢＥ；Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）又は水素化物気相成長法（ＨＶＰＥ；Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）のうち、少なくとも一つの方法を利用して前記成長基板１０５上に形成されることができ、本発明はこれに限定されるものではない。
図６に示すように、前記発光構造物１２０上に前記第１電極層１１０を形成できる。
前記第１電極層１１０は、導電性支持部材１１２と、前記導電性支持部材１１２上に反射層１１４と、前記反射層１１４上にオーミック層１１６とを備えることができる。
前記反射層１１４及び前記オーミック層１１６は、例えば、電子ビーム（Ｅ−ｂｅａｍ）蒸着、スパッタリング（Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）、ＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）のうち、何れか一つの方法により形成されることができる。ただし、前記反射層１１４及び前記オーミック層１１６は、少なくとも一つのみ形成されても良く、形成されなくても良く、本発明はこれに限定されるものではない。
前記導電性支持部材１１２は、蒸着又はメッキ方法により形成されたり、別途のシート（ｓｈｅｅｔ）として用意されてボンディング方式により形成されることができる。前記導電性支持部材１１２がボンディング方式により形成される場合、前記導電性支持部材１１２と前記反射層１１４との間には、接着層（図示せず）がさらに形成されることができる。
図７に示すように、前記成長基板１０５を除去して前記第１導電型半導体層１２６を露出させることができる。このとき、前記成長基板１０５の容易な除去のために、図６の発光素子を上下反転させることができる。
前記成長基板１０５は、高出力のレーザーを利用するレーザーリフトオフ（ＬＬＯ、Ｌａｓｅｒ Ｌｉｆｔ Ｏｆｆ）工程又は化学的エッチング方法（ＣＬＯ、Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｌｉｆｔ Ｏｆｆ）を使用して除去できる。又は、前記成長基板１００は、物理的に削ることによって除去することもできる。
また、露出した前記第１導電型半導体層１２６には、前記成長基板１０５を除去するに伴って表面欠陥層が発生できる。このような表面欠陥層は、ウェットあるいはドライエッチング方法により除去できる。
図８に示すように、前記第１導電型半導体層１２６の上面に前記光抽出構造１２８を形成する。
上述したように、前記光抽出構造１２８は、ウェットエッチングによりランダムな表面粗さを有するように形成したり、パターニング工程により周期的なパターンをもって形成できる。
図９に示すように、前記発光構造物１２０の第１導電型半導体層１２６上に前記第２電極層１３０を形成することによって、第１の実施の形態に係る発光素子１００を提供できる。
前記第２電極層１３０は、前記電極パッド１３０ａと、前記電極パッド１３０ａから分岐した前記枝１３０ｂとを備えることができる。
前記第２電極層１３０は、マスクパターンを形成した後、前記マスクパターンに沿ってメッキ又は蒸着工程を実施して形成されることができるが、本発明は、これに限定されるものではない。
また、前記電極パッド１３０ａの積層構造と、前記枝１３０ｂの積層構造とが同一であるか、又は異なりうる。
例えば、前記電極パッド１３０ａは、ワイヤボンディングのために最上層に接着力の良い前記第３層１３３が形成されなければならないが、前記枝１３０ｂには、前記第３層１３３が形成されなくても良い。また、前記枝１３０ｂは、透明電極材質から形成されることもできる。
以下、第２の実施の形態に係る発光素子１００Ｂについて説明する。ただし、第２の実施の形態に対する説明において、第１の実施の形態と重複する内容は省略又は簡略に説明する。
図１０は、第２の実施の形態に係る発光素子１００Ｂの側断面図で、図１１及び図１２は、図１０のＢ領域の拡大図である。
図１０、図１１及び図１２に示すように、前記発光素子１００Ｂは、第１電極層１１０と、前記第１電極層１１０上に形成された発光構造物１２０と、前記発光構造物１２０上面の一部領域に形成された第２電極層１３０と、前記発光構造物１２０及び前記第２電極層１３０の間に前記発光構造物１２０より低い屈折率を有する低屈折層１４０とを備えることができる。
また、前記発光構造物１２０の上面には、発光構造物内に全反射により束縛される光を外部に抽出させて光抽出効率を向上させるための光抽出構造１２８が形成されることができる。
第２の実施の形態に係る発光素子１００Ｂは、第１の実施の形態に係る発光素子１００とは異なり、前記低屈折層１４０が形成され、これを除いては第１の実施の形態に係る発光素子１００と同一である。
前記低屈折層１４０は、透光性を有しつつ、前記発光構造物１２０より低い屈折率を有する材質から形成されることができる。
前記低屈折層１４０を形成することによって、前記低屈折層１４０と前記第１導電型半導体層１２６との間の界面から全反射される光の量を増加させて、前記第２電極層１３０の最下層である第１層１３１ａに入射される光の量を減らすことができるためである。
換言すれば、前記第１層１３１ａに入射された光の量が減るようになるので、表面プラズモン状態に転移されて、熱エネルギーとして消える光の量をその分だけ減らすことができ、これは前記第２電極層１３０の反射効率の上昇につながるようになる。
また、前記低屈折層１４０は、光の入射角を変化させることによって、屈折及び散乱により光抽出効率の向上に寄与することもできる。
また、前記低屈折層１４０は、光の入射角を変化させることによって、屈折及び散乱により光抽出効率の向上に寄与することもできる。
このような前記低屈折層１４０の効果は、実験結果からも確認することができる。
図１３は、第１の実施の形態に係る発光素子１００と第２の実施の形態に係る発光素子１００の前記第２電極層１３０の反射効率を測定した実験結果を示すグラフである。
図１３において、ｘ軸は、前記光抽出パターン１２８の周期（Ｌａｔｔｉｃｅ Ｃｏｎｓｔａｎｔ）で、ｙ軸は、前記第２電極層１３０による反射効率（Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ）である。
第１の実施の形態に係る発光素子１００は、ＧａＮからなる発光構造物上にアルミニウム（Ａｌ）材質からなる第２電極層の第１層が直接接触する構造を含み、第２の実施の形態に係る発光素子１００Ｂは、ＧａＮからなる発光構造物１２０とアルミニウム（Ａｌ）材質からなる前記第２電極層１３０の第１層１３１ａとの間に前記低屈折層１４０が形成された構造を備える。
図１３に示すように、前記低屈折層１４０が形成される場合が形成されない場合に比べて反射効率が高く現れるのが分かる。上述したように、前記低屈折層１４０により熱エネルギーとして損失される光の量を減らすことができるためである。
一方、前記低屈折層１４０は、電気伝導性材質及び電気絶縁性材質のうち、何れか一つから選択的に形成されることができる。
電気伝導性材質の前記低屈折層１４０は、電気伝導性酸化物、電気伝導性窒化物又は電気伝導性フッ化物、具体的には、ＩＴＯ、ＺｎＯ、ＩＺＯ（Ｉｎ−ＺｎＯ）、ＧＺＯ（Ｇａ−ＺｎＯ）、ＡＺＯ（Ａｌ−ＺｎＯ）、ＡＧＺＯ（Ａｌ−ＧａＺｎＯ）、ＩＧＺＯ（Ｉｎ−ＧａＺｎＯ）、ＩｒＯｘ、ＲｕＯｘのうち、少なくとも一つから形成されることができる。
また、電気絶縁性材質の前記低屈折層１４０は、例えば、ＳｉＯ２、ＳｉｘＯｙ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉｘＮｙ、ＳｉＯｘＮｙ、Ａｌ２Ｏ３又はＴｉＯ２のうち、少なくとも一つから形成されることができる。
ただし、前記低屈折層１４０が電気絶縁性材質から形成される場合、図１２に示すように、前記第２電極層１３０の少なくとも一部分が前記発光構造物１２０と電気的に接続されるように、前記低屈折層１４０の面積が前記第２電極層１３０下面の面積より小さくなるように形成されることが好ましい。
前記低屈折層１４０は、電子ビーム（Ｅ−Ｂｅａｍ）蒸着、スパッタリング（Ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ）、ＰＥＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）のような方法により形成されることができるが、本発明はこれに限定されるものではない。
上述したように、実施の形態に係る発光素子は、半導体層上に形成された電極の反射率を向上させることによって発光効率を向上させることができる。
図１４は、実施の形態に係る発光素子１００を備える発光素子パッケージの断面図である。
図１４に示すように、実施の形態に係る発光素子パッケージは、ボディー部２０と、前記ボディー部２０に設置された第１導電層３１及び第２導電層３２と、前記ボディー部２０に設置されて前記第１導電層３１及び第２導電層３２と電気的に接続される実施の形態に係る発光素子１００と、前記発光素子１００を取り囲むモールディング部材４０とを備える。
前記ボディー部２０は、シリコン材質、合成樹脂材質又は金属材質を含んで形成されることができ、前記発光素子１００の周囲に傾斜面が形成されることができる。
前記第１導電層３１及び第２導電層３２は、互いに電気的に分離され、前記発光素子１００に電源を提供する。また、前記第１導電層３１及び第２導電層３２は、前記発光素子１００から発生した光を反射させ光効率を増加させることができ、前記発光素子１００から発生した熱を外部に排出させる機能を果たすことができる。
前記発光素子１００は、前記ボディー部２０上に設置されるか、又は前記第１導電層３１又は第２導電層３２上に設置されることができる。
前記発光素子１００は、ワイヤーを介して前記第１導電層３１及び第２導電層３２と電気的に接続するワイヤー方式で示されたが、これに対して限定せず、例えば、前記発光素子１００は、前記第１導電層３１及び第２導電層３２とフリップチップ方式又はダイボンディング方式により電気的に接続されることもできる。
前記モールディング部材４０は、前記発光素子１００を取り囲んで前記発光素子１００を保護することができる。また、前記モールディング部材４０には蛍光体が含まれて、前記発光素子１００から放出された光の波長を変化させることができる。
前記モールディング部材４０又はボディー２０上には、少なくとも一つのレンズが形成されることができ、前記レンズは、凸形状のレンズ、凹形状のレンズ、又は凹と凸構造を有するレンズなどを備えることができる。
実施の形態に係る発光素子パッケージは、複数が基板上にアレイされ、前記発光素子パッケージから放出される光の経路上に光学部材である導光板、プリズムシート、拡散シート、蛍光シートなどが配置されることができる。このような発光素子パッケージ、基板、光学部材は、バックライトユニットとして機能するか、又は照明ユニットとして機能でき、例えば、照明システムは、バックライトユニット、照明ユニット、指示装置、ランプ、街灯を備えることができる。
図１５は、実施の形態に係る発光素子又は発光素子パッケージを使用したバックライトユニットを示す図である。ただし、図１５のバックライトユニット１１００は、照明システムの一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。
図１５に示すように、前記バックライトユニット１１００は、バータームフレーム１１４０と、前記バータームフレーム１１４０内に配置された光ガイド部材１１２０と、前記光ガイド部材１１２０の少なくとも一側面又は下面に配置された発光モジュール１１１０を備えることができる。また、前記光ガイド部材１１２０の下には反射シート１１３０が配置されることができる。
前記バータームフレーム１１４０は、前記光ガイド部材１１２０、前記発光モジュール１１１０及び前記反射シート１１３０が収納されうるように、上面が開口したボックス（ｂｏｘ）形状に形成されることができ、金属材質又は樹脂材質から形成されることができるが、本発明はこれに限定されるものではない。
前記発光モジュール１１１０は、基板７００と、前記基板７００に搭載された複数の発光素子パッケージ６００を備えることができる。前記複数の発光素子パッケージ６００は、前記光ガイド部材１１２０に光を提供できる。実施の形態において、前記発光モジュール１１１０は、前記基板７００上に発光素子パッケージ６００が設置されたことが例示されたが、実施の形態に係る発光素子２００が直接設置されることも可能である。
図１５に示すように、前記発光モジュール１１１０は前記バータームフレーム１１４０の内側面のうち、少なくとも何れか一つに配置されることができ、これにより、前記光ガイド部材１１２０の少なくとも一つの側面に向けて光を提供できる。
ただし、前記発光モジュール１１１０は、前記バータームフレーム１１４０の下に配置されて、前記光ガイド部材１１２０の下面に向けて光を提供することができ、これは前記バックライトユニット１１００の設計によって多様に変形可能なので、本発明はこれに限定されるものではない。
前記光ガイド部材１１２０は、前記バータームフレーム１１４０内に配置されることができる。前記光ガイド部材１１２０は、前記発光モジュール１１１０から提供された光を面光源化して、表示パネル（図示せず）にガイドできる。
前記光ガイド部材１１２０は、例えば、導光板（ＬＧＰ、Ｌｉｇｈｔ Ｇｕｉｄｅ Ｐａｎｅｌ）でありうる。前記導光板は、例えばＰＭＭＡ（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌ ｍｅｔａａｃｒｙｌａｔｅ）のようなアクリル樹脂系、ＰＥＴ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈｌａｔｅ）、ＰＣ（ｐｏｌｙ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）、ＣＯＣ及びＰＥＮ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｎａｐｈｔｈａｌａｔｅ）樹脂のうち、何れか一つから形成されることができる。
前記光ガイド部材１１２０の上側には、光学シート１１５０が配置されることもできる。
前記光学シート１１５０は、例えば拡散シート、集光シート、輝度上昇シート、及び蛍光シートのうち、少なくとも一つを備えることができる。例えば、前記光学シート１１５０は前記拡散シート、集光シート、輝度上昇シート及び蛍光シートが積層されて形成されることができる。この場合、前記拡散シート１１５０は、前記発光モジュール１１１０から出射された光を均一に拡散させることができ、前記拡散された光は、前記集光シートにより表示パネル（図示せず）に集光されうる。このとき、前記集光シートから出射された光は、ランダムに偏光された光であるが、前記輝度上昇シートは、前記集光シートから出射された光の偏光度を増加させることができる。前記集光シートは、例えば、水平又は／及び垂直プリズムシートでありうる。また、前記輝度上昇シートは、例えば、照度強化フィルム（Ｄｕａｌ Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｆｉｌｍ）でありうる。また、前記蛍光シートは、蛍光体が含まれた透光性プレート又はフィルムになりうる。
前記光ガイド部材１１２０の下には、前記反射シート１１３０が配置されることができる。前記反射シート１１３０は、前記光ガイド部材１１２０の下面を介して放出される光を前記光ガイド部材１１２０の出射面に向けて反射できる。
前記反射シート１１３０は、反射率の良い樹脂材質、例えば、ＰＥＴ、ＰＣ、ＰＶＣレジンなどから形成されることができるが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１６は、実施の形態に係る発光素子又は発光素子パッケージを使用した照明ユニットの斜視図である。ただし、図１６の照明ユニット１２００は、照明システムの一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。
図１６に示すように、前記照明ユニット１２００は、ケースボディー１２１０と、前記ケースボディー１２１０に設置された発光モジュール１２３０と、前記ケースボディー１２１０に設置されて外部電源から電源を提供される接続端子１２２０とを備えることができる。
前記ケースボディー１２１０は、放熱特性が良好な材質から形成されることが好ましく、例えば金属材質又は樹脂材質から形成されることができる。
前記発光モジュール１２３０は、基板７００と、前記基板７００に搭載される少なくとも一つの発光素子パッケージ６００とを備えることができる。実施の形態において、前記発光モジュール１１１０は、前記基板７００上に発光素子パッケージ６００が設置されたことが例示されているが、実施の形態に係る発光素子２００が直接設置されることも可能である。
前記基板７００は、絶縁体に回路パターンが印刷されたことでありえ、例えば、一般プリント回路基板（ＰＣＢ：Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）、メタルコア（Ｍｅｔａｌ Ｃｏｒｅ）ＰＣＢ、フレキシブル（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ）ＰＣＢ、セラミックＰＣＢなどを備えることができる。
また、前記基板７００は、光を効率的に反射する材質から形成されるか、表面が光が効率的に反射されるカラー、例えば白色、銀色などから形成されることができる。
前記基板７００上には、前記少なくとも一つの発光素子パッケージ６００が搭載されることができる。前記発光素子パッケージ６００は、各々少なくとも一つの発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を備えることができる。前記発光ダイオードは、赤色、緑色、青色又は白色の有色光を各々発光する有色発光ダイオード及び紫外線（ＵＶ、Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ）を発光するＵＶ発光ダイオードを含むことができる。
前記発光モジュール１２３０は、色感及び輝度を得るために、多様な発光ダイオードの組合を有するように配置されることができる。例えば、高演色性（ＣＲＩ）を確保するために、白色発光ダイオード、赤色発光ダイオード及び緑色発光ダイオードを組み合わせて配置できる。また、前記発光モジュール１２３０から放出される光の進行経路上には、蛍光シートがさらに配置されることができ、前記蛍光シートは、前記発光モジュール１２３０から放出される光の波長を変化させる。例えば、前記発光モジュール１２３０から放出される光が青色波長帯を有する場合、前記蛍光シートには、黄色蛍光体が含まれることができ、前記発光モジュール１２３０から放出された光は、前記蛍光シートを経て最終的に白色光に見えるようになる。
前記接続端子１２２０は、前記発光モジュール１２３０と電気的に接続されて電源を供給できる。図１６に示すように、前記接続端子１２２０は、ソケット方式で外部電源にまわし挟まれて結合されるが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、前記接続端子１２２０は、ピン（ｐｉｎ）状に形成されて外部電源に挿入されるか、又は配線により外部電源に接続されることもできる。
上述したような照明システムは、前記発光モジュールから放出される光の進行経路上に光ガイド部材、拡散シート、集光シート、輝度上昇シート及び蛍光シートのうち、少なくとも何れか一つが配置されて、所望の光学的効果を得ることができる。
以上説明したように、照明システムは、発光効率が優秀な実施の形態に係る発光素子又は発光素子パッケージを備えることによって、優秀な光効率を有することができる。
また、以上では実施形態を中心に説明したが、これは単に例示のためのものであり、本発明を限定するものではなく、当業者ならば本実施の形態の本質的な特性を逸脱しない範囲内で、以上で例示されていない多様な変形及び応用が可能であることが分かるであろう。例えば、実施形態に具体的に示すそれぞれの構成要素は変形させて実施することができる。そして、このような変形及び応用に関連する差異は特許請求の範囲で規定する本発明の範囲に含まれると解釈されねばならないであろう。
Claims (10)
- 第１電極層と、
前記第１電極層上に形成されて、主ピーク波長領域が４３０ｎｍ〜４７０ｎｍである青色系の光を発光し、光抽出構造を含む発光構造物と、
前記光抽出構造上にプラズモン振動数が前記青色系の光の波長と異なる金属材質から形成される第１層を備える第２電極層と、
前記発光構造物と前記第２電極層との間に前記発光構造物の屈折率より低い屈折率を有する低屈折層とを備え、
前記低屈折層は、電気絶縁性材質で形成され、前記光抽出構造に対応する凹凸を有し、
前記第２電極層の第１領域は、前記発光構造物と接触して電気的に接続され、
前記第２電極層の第２領域は、前記低屈折層と接触する発光素子。 - 前記光抽出構造は、ランダムな表面粗さを有するように形成されるか、又は周期的なパターンを有するように形成された請求項１に記載の発光素子。
- 前記光抽出構造は、周期的なパターンを有し、当該パターンが２００ｎｍ〜３０００ｎｍの周期を有する請求項１に記載の発光素子。
- 前記第１層は、アルミニウム（Ａｌ）から形成された請求項１〜３のいずれか一項に記載の発光素子。
- 前記第１電極層は、導電性支持部材、前記導電性支持部材上に反射層、前記反射層上にオーミック層を備える請求項１〜４のいずれか一項に記載の発光素子。
- 前記第１層は、前記光抽出構造に対応して形成される請求項１〜５のいずれか一項に記載の発光素子。
- 前記低屈折層は、ＳｉＯ２、ＳｉｘＯｙ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉｘＮｙ、ＳｉＯｘＮｙ、Ａｌ２Ｏ３又はＴｉＯ２のうち、少なくとも一つから形成された請求項１に記載の発光素子。
- 前記低屈折層の面積が前記第２電極層の下面の面積より小さな請求項１〜７のいずれか一項に記載の発光素子。
- 前記第２電極層は、前記第１層上に接着力を有する金属材質から形成された第３層と、前記第１層と前記第３層との間に層間拡散を防止する金属材質から形成された第２層とを備える請求項１〜８のいずれか一項に記載の発光素子。
- ボディー部と、
前記ボディー部に設置された第１導電層及び第２導電層と、
前記ボディー部に設置されて、前記第１導電層及び第２導電層と電気的に接続される請求項第１〜９のうち、何れか１項に記載された発光素子と、
前記ボディー部上に前記発光素子を取り囲むモールディング部材とを備える発光素子パッケージ。
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