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KR101836122B1 - 발광소자 - Google Patents

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KR101836122B1
KR101836122B1 KR1020110084721A KR20110084721A KR101836122B1 KR 101836122 B1 KR101836122 B1 KR 101836122B1 KR 1020110084721 A KR1020110084721 A KR 1020110084721A KR 20110084721 A KR20110084721 A KR 20110084721A KR 101836122 B1 KR101836122 B1 KR 101836122B1
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KR
South Korea
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quantum well
light emitting
quantum
emitting device
semiconductor layer
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KR1020110084721A
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원종학
나종호
윤재인
홍훈기
심세환
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

실시예는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템에 관한 것이다.
실시예에 따른 발광소자는 제 1 도전형 반도체층; 상기 제 1 도전형 반도체층상에 배치된 다중 양자 우물 구조의 활성층; 및 상기 활성층상에 배치된 제 2 도전형 반도체층을 포함하며, 상기 활성층은 상기 제 2 도전형 반도체층에 가장 가까운 제 1 양자우물, 및 상기 제 1 양자우물과 가장 가까운 제 2 양자우물을 포함하고, 상기 제 2 양자우물의 전자정공 재결합율이 상기 제 1 양자우물의 전자정공 재결합율보다 높을 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 양자양자우물들이 주입된 캐리어들을 균일하게 분산하여 수용하지 못하고, 정공주입층에 인접한 소수의 양자양자우물만이 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.
또한, 종래기술에 의하면 정공주입층에 인접한 라스트 양자양자우물에서 전자와 정공의 재결합이 많이 이루어지는데, 이러한 라스트 양자양자우물은 발광효율이 낮음에 따라 발광소자의 전체적인 발광효율이 저하되는 문제가 있다.
실시예는 발광효율이 향상된 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 발광소자는 제 1 도전형 반도체층; 양자우물과 양자벽을 포함하며 상기 제 1 도전형 반도체층상에 형성된 활성층; 및 상기 활성층 상에 형성된 제 2 도전형 반도체층을 포함하며, 상기 활성층은 상기 제 2 도전형 반도체층에 인접한 제 1 양자우물, 및 상기 제 1 양자우물과 인접한 제 2 양자우물을 포함하고, 상기 제 2 양자우물의 전자정공 재결합율이 상기 제 1 양자우물의 전자정공 재결합율보다 높을 수 있다.
실시예에 따른 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템에 의하면, 높은 발광 효율을 얻을 수 있어, 전체 LED의 광 특성을 개선할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 발광 소자의 단면도.
도 2는 제1 실시예에 따른 발광 소자의 에너지 밴드 다이어 그램.
도 3은 제2 실시예에 따른 발광 소자에서 에너지 밴드 다이어 그램.
도 4는 실시예에 따른 발광소자에서 재결합율을 도시한 도면,
도 5는 실시예에 따른 발광소자의 발광 스펙트럼을 도시한 도면,
도 6은 실시예에 따른 발광소자를 구비한 발광소자 패키지 단면도.
도 7은 실시예에 따른 발광소자 패키지를 구비한 발광 유닛.
도 8은 실시예에 따른 발광소자 패키지를 구비한 백라이트 유닛.
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.
(실시예)
도 1은 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 배치된 패시베이션층(140), 발광구조물(110) 상에 배치된 제1 전극(150)을 포함할 수 있다.
실시예는 상기 활성층(114)과 상기 제2 도전형 반도체층(116) 사이에 전자차단층(130)을 포함할 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 양자우물/양자벽은 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 배치될 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.
실시예는 발광효율이 향상된 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공하고자 한다.
이를 위해, 실시예에 따른 발광소자(100)는 제 1 도전형 반도체층(112)과, 양자우물과 양자벽을 포함하며 상기 제 1 도전형 반도체층(112) 상에 배치된 활성층(114) 및 상기 활성층(114) 상에 배치된 제 2 도전형 반도체층(116)을 포함하며, 상기 활성층(114)은 상기 제 2 도전형 반도체층(116)에 가장 가까운 제 1 양자우물(114w1), 및 상기 제 1 양자우물(114w1)과 가장 가까운 제 2 양자우물(114w2)을 포함하고, 상기 제 2 양자우물(114w2)의 전자정공 재결합율이 상기 제 1 양자우물(114w1)의 전자정공 재결합율보다 높을 수 있다.
상기 활성층(114)은 상기 제 1 양자우물(114w1)과 상기 제 2 양자우물(114w2) 사이에 제1 양자벽(114b1)을 포함하며, 상기 제 1 양자벽은 다른 양자벽, 예를 들어 제2 양자벽(114b2)보다 캐리어 전달력이 높을 수 있다.
상기 제 1 양자우물(114w1)은 상기 제 2 양자우물(114w2)보다 에너지 준위가 높을 수 있다.
상기 제 1 양자우물(114w1)과 상기 제 2 양자우물(114w2)은 서로 조성비가 다를 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 양자우물(114w1)은 상기 제 2 양자우물(114w2)보다 인듐(In)의 조성비가 낮을 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 양자우물(114w1)은 인듐(In)의 조성비가 약 9~10%이고, 상기 제 2 양자우물(114w2)의 인듐(In)의 조성비는 약 12%일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 제 1 양자우물(114w1)은 상기 제 2 양자우물(114w2)의 성장온도보다 높은 성장온도에서 성장될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 양자우물(114w1) 성장시 통상의 양자우물 형성온도보다 약 6℃~9℃ 올려서 성장이 진행됨으로써 제1 양자우물(114w1)의 결정성이 개선될 수 있다.
도 2는 제1 실시예에 따른 발광 소자의 에너지 밴드 다이어 그램이다.
일반적으로 전자와 정공이 재결합하는 확률이 가장 큰 곳은 정공주입층과 접하는 마지막 양자우물이다. 그 이유는 홀(hole)의 낮은 이동도(mobility)가 주요 원인이다.
그런데, 마지막 양자우물은 p-AlGaN/p-GaN층을 고온에서 성장하는 동안 열적 손상을 받거나, p형 불순물인 Mg의 확산 등에 의한 손상으로, 재결합 효율이 다른 양자우물에 비해서 낮다.
따라서 캐리어, 특히 홀(hole)을 마지막 웰(last well)이 아닌 다른 웰(well)로 주입되도록 설계하는 것이, 고효율 발광소자를 제작하는 주요 인자이다.
실시예에 의하면 마지막 양자 우물인 제1 양자우물(114w1)을 성장하면서 통상의 성장온도를 올려서, 다른 양자우물과 조성을 다르게 할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 양자우물(114w1) 성장시 통상의 양자우물 형성온도보다 약 6℃~9℃ 올려서 성장을 진행할 수 있다.
실시예에 의하면 제1 양자우물(114w1)의 성장에 있어서 성장온도를 올려서 진행함으로써 재결합이 많이 일어나는 마지막 양자 우물의 결정성 개선할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 제1 양자우물(114w1)의 깊이를 얕게 함으로써, 홀(hole)의 탈출이 용이하여 발광효율이 더 좋은 다른 양자우물로의 정공 주입을 유도할 수 있다.
이에 따라 실시예에 의하면 LED소자의 광도를 증대시킬 수 있다.
실시예에 의하면 발광 소자 전체의 발광 효율을 높이기 위하여, 발광 효율이 상대적으로 낮은 마지막 웰(last well)에서의 재결합을 방지하기 위하여 라스트 웰의 바로 아래의 웰(well)간의 양자벽의 두께를 얇게 할 수 있다.
실시예에 의하면 마지막 웰(last well)인 제1 양자우물(114w1)과 그 다음 웰인 제2 양자우물(114w2)간의 배리어(barrier)의 두께가 감소함에 따라 얕은 마지막 웰(last well)인 제1 양자우물(114w1)에서 재결합하지 않고 탈출한 홀(hole)이 바로 아래의 제2 양자우물(114w2)로 저항없이 쉽게 이동할 수 있게 유도함으로써, 실제 발광효율이 더 좋은 제2 양자우물(114w2)에 더 많은 양의 홀(hole)이 주입되어 총 발광량이 증가된다.
실시예에서 상기 제 1 양자우물(114w1)과 상기 제 2 양자우물(114w2) 사이에 제1 양자벽(114b1)을 포함하며, 상기 제1 양자벽(114b1)은 다른 양자벽들보다 캐리어 전달력이 높을 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 양자벽(114b1)이 4nm의 두께를 가짐으로써 다른 양자벽의 두께가 약 6nm의 두께를 갖는 것에 비해 두께가 얇으며, 마지막 웰(last well)인 제1 양자우물(114w1)과 그 다음 웰인 제2 양자우물(114w2)간의 배리어(barrier)의 두께가 감소함에 따라 얕은 마지막 웰(last well)인 제1 양자우물(114w1)에서 재결합하지 않고 탈출한 홀(hole)이 바로 아래의 제2 양자우물(114w2)로 저항없이 쉽게 이동할 수 있게 유도함으로써, 실제 발광효율이 더 좋은 제2 양자우물(114w2)에 더 많은 양의 홀(hole)이 주입되어 총 발광량이 증가된다.
실시예에서 상기 제 1 양자우물(114w1)의 에너지 준위가 상기 제 2 양자우물(114w2)의 에너지 준위보다 높을 경우 상기 제1 양자벽(114b1)의 두께는 상기 제 2 도전형 반도체층(116)에서 주입되는 캐리어가 상기 제1 양자벽(114b1)을 터널링(tunneling)하지 못하는 정도의 두께일 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 양자벽(114b1)은 GaN 양자벽일 수 있으며, 이는 약 3nm~약 4nm의 두께를 가짐으로써 다른 양자벽의 두께가 약 6nm의 두께를 갖는 것에 비해 두께가 얇으나 상기 제1 양자벽(114b1)에서 캐리어의 터널링(tunneling)이 발생하지 않을 수 있다.
실시예에서 제2 도전형 반도체층(116)의 p형 반도체층인 경우 P형 반도체층의 성장 온도는 약 900℃~1000℃로서 활성층(114)의 성장온도인 약 700℃~800℃에 비해 매우 높기 때문에, 활성층 성장 후 p형 반도체층 성장 온도로 온도를 상승시키면, 활성층의 계면이 고온상태에 노출된다.
또한, p형 반도체층 성장시 p형 도펀트가 인접한 활성층 내부로 확산해 들어갈 수 있다. 따라서, 일반적으로 p형 반도체층에 인접한 활성층은 열에 의한 계면 손상 혹은 p형 도펀트 침입에 의한 손상으로, 발광 효율이 다른 활성층 보다 낮게 된다.
그러므로, 본 발명은 활성층(140) 위에 p형 반도체층(150)을 형성할 때 p형 반도체층(150)의 성장 온도로 인해 손상된 활성층(140)의 양자우물(140w1) 즉, p형 반도체층(150)에 가장 가까운 제 1 양자우물(140w1)에서의 전자, 정공의 재결합율을 감소시키고, 다음 양자우물 즉, 제 1 양자우물(140w1)과 가장 가까운 제 2 양자우물(140w2))에서 전자 정공 재결합율을 증가시켜, 발광 소자의 전체 발광효율을 높일 수 있다.
도 3은 제2 실시예에 따른 발광 소자에서 에너지 밴드 다이어 그램이다.
제2 실시예에 따른 발광 소자는 상기 제1 실시예에 따른 발광소자의 기술적인 특징을 채용할 수 있다.
제2 실시예에서 상기 제 1 양자우물(114w1')의 에너지 준위가 상기 제2 양자우물(114w2)의 전자정공의 재결합 에너지 준위보다 높을 경우, 상기 제 1 양자벽(114b1')의 두께는 상기 제 2 도전형 반도체층(116)에서 주입되는 캐리어가 상기 제 1 양자벽을 터널링할 수 있는 정도의 두께일 수 있다.
제2 실시예에 의하면 마지막 양자우물인 제1 양자우물(114w1')과 그에 인접한 제2 양자우물(114w2) 사이의 제1 양자벽(114b1')의 두께를 터널링(tunneling)이 가능한 정도로 얇게, 예를 들어 3nm 이하로 형성하여, 전하(특히 홀(hole))가 제1 양자우물(114w1')에서 이웃한 제2 양자우물(114w2)로 대부분 이동하게 한다. 즉, 양자효율이 좋은 제2 양자우물(114w2)에서 재결합이 발생하므로, 광출력의 증가가 가능하다.
또한, 제2 실시예에서 마지막 웰(last well)인 제1 양자우물(114w1')에서 단파장 광이 발생하지 않으므로, 스펙트럼(spectrum)폭의 증가 문제도 해결된다.
또한, 제2 실시예에서 마지막 양자우물인 제1 양자우물(114w1')의 에너지 밴드갭의 에너지 준위가 나머지 웰(well)의 재결합 에너지 준위보다 높아야 한다. 이러한 조건이 충족되지 않으면, 마치 2개의 웰(well)이 합쳐진 두꺼운 1개의 웰(well)로 작용하고, 두꺼운 웰(well)은 재결합 효율이 오히려 더 낮아진다.
제2 실시예에서 희생 마지막 웰(sacrified last well)인 제1 양자우물(114w1')의 두께는 공정온도를 올리거아 In의 조성을 높이거나 하여 제어가 가능하며, 웰 깊이(well depth) 또한 더 낮게 변경이 가능하다.
제2 실시예에서 제1 양자벽(114b1')에서 터널링(tunneling)이 발생하기 위한 두께는 소자 구조 및 구성 레이어(layer)의 조성, 결정성에 따라서 변화할 수 있다. 예를 들어, 제1 양자벽(114b1')이 GaN 계열 양자벽인 경우 약 3nm~4nm 이하의 두께일 수 있고, 제1 양자벽(114b1')이 AlGaN 계열 양자벽인 경우 GaN 계열 양자벽 보다 얇으며, Al% 조성이 증가할 수록 더 얇아질 수 있다.
제2 실시예에서 터널링(Tunneling)이 발생하는 제1 양자벽(114b1')은 양자 역학적으로는 배리어(barrier) 역할을 하지 않고, 단지, 희생 마지막 양자우물(sacrificed last well)과 주 발광웰인 제2 양자우물(114w2) 사이에서 웰(well)간의 불연속적이고, 샤프(sharp)한 계면을 형성 및 유지시켜주는 층으로 정의할 수 있다.
도 4는 실시예에 따른 발광소자에서 재결합율을 도시한 도면이며, 도 5는 실시예에 따른 발광소자의 발광 스펙트럼을 도시한 도면이다.
일반적으로 제 2 도전형 반도체층에 가장 가까운 양자우물에서의 전자와 정공의 재결합율이 활성층의 다른 양자우물보다 월등히 높은데 비해, 본 발명은 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 양자우물(114w1)에서의 전자와 정공의 재결합율이 상기 제 1 양자우물(114w1)에서 가장 가까운 상기 제 2 양자우물(114w2)의 재결합율보다 낮다.
또한, 도 5와 같이, 실시예에서 상기 제 1 양자우물(114w1)의 재결합율이 낮아질수록 활성층(110)에서 발광되는 빛은 단일 파장화 된다(D). 상기 제 1 양자우물(114w1)의 재결합율이 높아지면 활성층(110)의 발광 효율은 향상되어도, 빛이 단일 파장화 되지 않는 문제점이 발생한다(C).
도 5의 전제 조건은 도 4와 같이, 상기 제 1 양자우물(114w1)에서의 전자와 정공의 재결합율보다 상기 제 1 양자우물(114w1)에서 가장 가까운 상기 제 2 양자우물(114w2)의 재결합율이 높은 경우이다.
예를 들어, 도 2와 같이, 상기 제 1 양자우물(114w1)의 바닥 에너지 준위는 제 2 양자우물(114w2)의 바닥 에너지 준위보다 높고, 제 1 양자벽(114b1)은 정공이 터널링하지 못하는 정도의 두께일 경우, 상기 제 1 양자우물(114w1)의 재결합율은 상기 제 1 양자우물(114w1)에서 가장 가까운 제 2 양자우물(114w2)의 재결합율보다 낮아진다. 이때, 실시예의 발광 소자는 발광 효율이 가장 높아지며, 빛은 단일 파장화 된다.
또한, 도 3과 같이, 상기 제 1 양자우물(114w1')의 바닥 에너지 준위는 제 2 양자우물(114w2)의 전자 정공 재결합 에너지 준위보다 높고, 제 1 양자벽(114b1')의 두께는 정공이 상기 제 1 양자벽(114b1')을 터널링(tunneling)할 정도의 두께일 경우, 상기 제 1 양자우물(114w1')에서는 전자와 정공의 재결합이 최소화되고, 상기 제 1 양자우물(114w1')과 가장 가까운 제 2 양자우물(114w2)에서의 재결합이 최대가 된다. 이때, 활성층(110)에서 발광되는 빛 역시 단일 파장화 된다.
실시예는 수직형 발광소자 또는 수평형 발광소자를 구현함에 있어서, 활성층 다음에 형성되는 도전형 반도체층의 성장온도 및 도펀트가 활성층 계면에 손상을 주어도, 기존의 발광 소자보다 발광효율을 높일 수 있다. 또한 높은 발광 효율을 유지하면서도 단일 파장의 빛을 발생시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 발광소자가 설치된 발광소자 패키지(200)를 설명하는 도면이다.
실시예에 따른 발광 소자 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(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 도 1에 예시된 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 7은 본 발명의 실시예에 따른 조명 유닛의 사시도(1100)이다. 다만, 도 7의 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 8은 실시예에 따른 백라이트 유닛의 분해 사시도(1200)이다. 다만, 도 8의 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 않는다. 구체적으로는, 상기 발광모듈부(1240)는 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 따른 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템에 의하면, 높은 발광 효율을 얻을 수 있어, 전체 LED의 광 특성을 개선할 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 (9)

  1. 제 1 도전형 반도체층;
    양자우물과 양자벽을 포함하며 상기 제 1 도전형 반도체층상에 배치된 활성층; 및
    상기 활성층 상에 배치된 제 2 도전형 반도체층을 포함하며,
    상기 활성층은 상기 제 2 도전형 반도체층에 인접한 제 1 양자우물, 및 상기 제 1 양자우물과 인접한 제 2 양자우물을 포함하고, 상기 제 2 양자우물의 전자정공 재결합율이 상기 제 1 양자우물의 전자정공 재결합율보다 높으며, 상기 제1 양자우물이 상기 제2 양자우물보다 상기 제 2 도전형 반도체층에 더 인접하게 배치되며,
    상기 제 1 양자우물과 상기 제 2 양자우물 사이에 제 1 양자벽을 포함하며, 상기 제 1 양자우물의 에너지 준위가 상기 제 2 양자우물의 전자정공의 재결합 에너지 준위보다 높고, 상기 제 1 양자벽의 두께는 상기 제 2 도전형 반도체층에서 주입되는 캐리어가 상기 제 1 양자벽을 터널링(tunneling)하는 3nm 미만의 두께인 발광소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 양자벽은 상기 제 1 양자우물의 에너지 준위보다 높고, 상기 제 1 양자우물은 상기 제 2 양자우물보다 에너지 준위가 높은 발광소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 양자벽은 다른 양자벽들보다 캐리어 전달력이 높고, 상기 제 1 양자벽은 다른 양자벽들의 두께보다 얇은 발광소자.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 양자벽은 AlGaN 계열을 포함하고, 상기 제 1 양자벽의 두께는 Al% 조성을 증가시켜 제어하는 발광소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 양자우물은 상기 제 2 양자우물보다 인듐(In)의 조성비가 낮은 발광소자.
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