발광소자(LIGHT EMITTING DEVICE)

(19) 대한민국특허청(KR)
(12) 공개특허공보(A)
(11) 공개번호 10-2013-0019276
(43) 공개일자 2013년02월26일
(51) 국제특허분류(Int. Cl.)
H01L 33/04 (2010.01)
(21) 출원번호 10-2011-0081343
(22) 출원일자 2011년08월16일
심사청구일자 없음
(71) 출원인
엘지이노텍 주식회사
서울특별시 중구 한강대로 416 (남대문로5가, 서
울스퀘어)
대구가톨릭대학교산학협력단
경북 경산시 하양읍 금락리 330
(72) 발명자
문용태
서울특별시 중구 한강대로 416 (남대문로5가, 서
울스퀘어)
박승환
대구광역시 수성구 고산로12길 34, 에덴타운 251
동 1401호 (신매동)
(74) 대리인
서교준
전체 청구항 수 : 총 10 항
(54) 발명의 명칭 발광소자
(57) 요 약
실시예는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템에 관한 것이다.
실시예에 따른 발광소자는 제1 도전형 반도체층; 제2 도전형 반도체층; 및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2
도전형 반도체층 사이에 양자우물과 양자벽을 구비하는 활성층을 포함하고, 상기 양자우물의 에너지 밴드갭은 상
기 양자우물의 중심부분으로 갈수록 포물선형(parabolic)으로 변할 수 있다.
대 표 도 - 도1
공개특허 10-2013-0019276
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특허청구의 범위
청구항 1
제1 도전형 반도체층;
제2 도전형 반도체층; 및
상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 양자우물과 양자벽을 구비하는 활성층을 포함하
고,
상기 양자우물의 에너지 밴드갭은,
상기 양자우물의 중심부분으로 갈수록 포물선형(parabolic)으로 변하는 발광소자.
청구항 2
제1 항에 있어서,
상기 양자우물의 에너지 밴드갭은,
상기 양자우물의 중심부분으로 갈수록 에너지 밴드갭이 점진적으로 작아진 후 중심부분에서 멀어질수록 에너지
밴드갭이 점진적으로 커지는 발광소자.
청구항 3
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 양자우물은 InxGa1-xN(단, 0〈x〈1)를 포함하며,
상기 인듐(In)의 조성은 상기 양자우물의 중심부분으로 갈수록 증가하고, 상기 양자우물의 중심부분으로부터 멀
어질수록 감소하는 발광소자.
청구항 4
지지기판; 및
상기 지지기판 상에 배치되는 발광구조물;을 포함하고,
상기 발광구조물은 양자우물과 양자벽을 구비하는 활성층을 포함하고,
상기 양자우물은 인듐(In)을 포함하고, 상기 인듐 조성은 상기 양자벽에 가까워질수록 비선형적으로 감소하는
발광소자.
청구항 5
제2 항 또는 제4 항에 있어서,
상기 양자우물은 소정의 두께를 가지며, 상기 소정의 두께의 1/2부분에서 상기 인듐의 함량이 가장 많은 발광소
자.
청구항 6
제2 항 또는 제4 항에 있어서,
상기 양자우물은 InxGa1-xN(단, 0 ≤ x ≤ 1)를 포함하며, 상기 인듐의 조성은 0 내지 0.25인 발광소자.
청구항 7
제6 항에 있어서,
상기 활성층의 발광 파장이 400~500nm이면서, 상기 양자우물의 중심부분의 인듐(In)의 조성은 0.25인 발광소자.
공개특허 10-2013-0019276
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청구항 8
제1 항 또는 제4 항에 있어서,
상기 활성층은 상기 양자우물과 상기 양자벽이 반복 적층되며,
상기 양자우물은 인듐을 포함하고, 상기 인듐의 조성은 비선형적으로 증가 및 감소를 반복하는 발광소자.
청구항 9
제1 항 또는 제4 항에 있어서,
상기 활성층은 상기 양자우물과 상기 양자벽이 반복 적층되며,
상기 양자우물은 알루미늄(Al)을 포함하며, 상기 알루미늄의 조성은 비선형적으로 증가 및 감소를 반복하는 발
광소자.
청구항 10
제1 항 또는 제4 항에 있어서,
상기 양자우물의 에너지 밴드갭은 상기 양자우물의 중심부분과 가까워질수록 에너지 밴드갭이 비선형적으로 작
아지는 발광소자.
명 세 서
기 술 분 야
실시예는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템에 관한 것이다.[0001]
배 경 기 술
발광소자(Light Emitting Device)는 전기에너지를 빛에너지로 변환시키는 소자이며, 예를 들어 LED는 화합물 반[0002]
도체의 조성비를 조절함으로써 다양한 색상구현이 가능하다.
종래기술에 의한 발광소자는 N형 GaN층과 P형 GaN층 및 그 사이에 활성층을 포함하며, 활성층을 구성하는 다중[0003]
양자우물(MQW)은 InGaN 양자우물(quantum well)과 GaN 양자벽(quantum barrier)의 복수의 주기로 형성될 수 있
고, N형 GaN층을 통하여 활성층으로 주입되는 전자와 P형 GaN층을 통하여 활성층으로 주입되는 정공이 InGaN 양
자우물에 속박되어 서로 결합하여 빛을 발생시킨다.
한편, 질화물 반도체 물질인 GaN와 InN는 이종벌크 기판 위에 동일한 결정학적 방위를 갖고 박막형태로 성장시[0004]
그 면방향 격자상수 차이가 약 10%로 매우 크다. 즉, InN의 면방향 격자상수가 GaN의 면방향 격자상수보다 약
10% 정도 크다.
따라서, GaN와 InN의 일정비율 혼합으로 이루어지는 양자우물은 InGaN의 조성을 갖게 되는데, InGaN 양자우물[0005]
의 면방향 격자상수는 양자벽을 구성하는 GaN보다 크게 된다. 따라서, N형 GaN 기판상에 형성되는 InGaN 양자우
물/GaN 양자벽 구조의 활성층 내에서 InGaN 양자우물은 심하게 압축응력(compressive stress)을 받게 된다.
InGaN 양자우물에 작용하는 심한 압축응력은 큰 내부장(internal field)을 발생시켜 피에조-일렉트릭 필드[0006]
(piezo electric field)를 발생시키고 InGaN 양자우물의 에너지 밴드 구조를 변형시킨다.
이로 말미암아, 종래 직사각형 모양(square-potential) 양자우물 내의 전자와 정공은 공간적으로 분리되어 재결[0007]
합효율이 떨어지게 되어 자발발광 속도가 현저하게 낮아지는 QCSE(quantum-confined Stark effect) 현상이 발생
하는 문제가 있다.
발명의 내용
해결하려는 과제
실시예는 고효율의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공하고자 한다.[0008]
공개특허 10-2013-0019276
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과제의 해결 수단
실시예에 따른 발광소자는 제1 도전형 반도체층; 제2 도전형 반도체층; 및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제[0009]
2 도전형 반도체층 사이에 양자우물과 양자벽을 구비하는 활성층을 포함하고, 상기 양자우물의 에너지 밴드갭은
상기 양자우물의 중심부분으로 갈수록 포물선형(parabolic)으로 변할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 발광소자는 지지기판; 및 상기 지지기판 상에 배치되는 발광구조물;을 포함하고, 상기 발[0010]
광구조물은 양자우물과 양자벽을 구비하는 활성층을 포함하고, 상기 양자우물은 인듐(In)을 포함하고, 상기 인
듐 조성은 상기 양자벽에 가까워질수록 비선형적으로 감소할 수 있다.
발명의 효과
실시예는 활성층 내에서 존재하는 내부장에 의한 활성층 내 전자와 정공의 공간적 분리 현상을 효과적으로 완화[0011]
함으로써 양자우물의 자발발광 효율을 개선하여 고효율의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및
조명시스템을 제공할 수 있다.
도면의 간단한 설명
도 1은 실시예에 따른 발광소자의 단면도.[0012]
도 2는 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드 다이어그램 예시도.
도 3은 종래기술과 실시예에 따른 발광소자의 포텐셜(Potential) 프로필과 파동함수 분포 예시도.
도 4는 종래기술과 실시예에 따른 발광소자에서 자발발광 속도에 대한 예시도.
도 5는 실시예에 따른 발광소자 패키지 단면도.
도 6은 실시예에 따른 조명 유닛의 사시도.
도 7은 실시예에 따른 백라이트 유닛의 분해 사시도.
발명을 실시하기 위한 구체적인 내용
실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의[0013]
"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 도시[0014]
되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
(실시예)[0015]
도 1은 실시예에 따른 발광소자(100)의 단면도이며, 도 2는 실시예에 따른 발광소자(100)의 에너지 밴드 다이어[0016]
그램 예시도이다. 도 1은 수직형 발광소자를 예시하고 있으나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에 따른 발광소자(100)는 제1 도전형 반도체층(112), 제2 도전형 반도체층(116); 및 상기 제1 도전형 반[0017]
도체층(112)과 상기 제2 도전형 반도체층(116) 사이에 양자우물(114w)과 양자벽(114b)을 구비하는 활성층(114)
을 포함하고, 상기 양자우물(114w)의 에너지 밴드갭이 점진적으로 변할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 발광소자(100)는 지지기판 및 상기 지지기판 상에 배치되는 발광구조물(110)을 포함하고,[0018]
상기 발광구조물(110)은 양자우물(114w)과 양자벽(114b)을 구비하는 활성층(114)을 포함하고, 상기 양자우물
(114w)은 인듐(In)을 포함하고, 상기 인듐 조성은 상기 양자벽(114b)에 가까워질수록 비선형적으로 감소할 수
있다. 상기 지지기판은 제2 전극층(120)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 양자우물(114w)의 에너지 밴드갭은 상기 양자우물의 중심부분으로 갈수록 포물선형(paraboli[0019]
c)으로 변할 수 있다.
또한, 상기 양자우물(114w)은 소정의 두께를 가지며, 상기 소정의 두께의 1/2부분에서 상기 인듐의 함량이 가장[0020]
많을 수 있다.
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예를 들어, 실시예에서 400~500nm의 파장을 갖는 발광구조물 제작 시, 포물선형 양자우물(parabolic potential[0021]
well) 구조는 InxGa1-xN의 In(인듐) 함량이 0~25%일 수 있다. 양자벽(114b)은 In(인듐) 함량이 0%인, 즉 GaN일
수 있고, 양자우물(114w)의 중간 영역으로 갈수록 In(인듐)의 양이 점진적으로 증가하여, 중간영역에서는 In(인
듐) 함량이 25%가 될 수 있다. 이때 발광소자(100)의 발광 파장은 443nm일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니
다.
또한, 상기 활성층(114)은 상기 양자우물(114w)과 상기 양자벽(114b)이 반복 적층되며, 상기 양자우물(114w)은[0022]
인듐을 포함하고, 상기 인듐의 조성은 비선형적으로 증가 및 감소를 반복할 수 있다.
또한, 상기 발광소자가 UV 용 발광소자인 경우, 상기 활성층(114)은 상기 양자우물(114w)과 상기 양자벽(114b)[0023]
이 반복 적층되며, 상기 양자우물(114w)은 알루미늄(Al)을 포함하며, 상기 알루미늄의 조성은 비선형적으로 증
가 및 감소를 반복할 수 있다.
또한, 상기 양자우물(114w)의 에너지 밴드갭은 상기 양자우물(114w)의 중심부분과 가까워질수록 에너지 밴드갭[0024]
이 비선형적으로 작아질 수 있다.
실시예에서 제1 도전형 반도체층(112), 활성층(114), 제2 도전형 반도체층(116)은 발광구조물(110)을 형성할 수[0025]
있고, 실시예는 발광구조물(110) 상면 일부에 형성된 패시베이션층(140), 발광구조물(110) 상에 형성된 제1 전
극(150)을 포함할 수 있다.
이하, 도 1을 참조하여 실시예에 따른 발광소자(100)의 전체적인 구조에 대해 설명 후, 도 2를 참조하여 실시예[0026]
에 따른 발광소자에서 활성층의 에너지 밴드 구조에 대해 상술하기로 한다.
상기 제1 도전형 반도체층(112)은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을[0027]
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-[0028]
Wire) 구조, 또는 양자 점(Quantum Dot) 구조 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 활성층(114)은 양자우물(114w)/양자벽(114b)을 포함할 수 있고, 상기 양자우물(114w)/양자벽(114b)은[0029]
InxGa1-xN/GaN(0〈x〈1)의 조성식을 구비할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 활성층(11
4)은 InGaN/GaN, InGaN/InGaN, GaN/AlGaN, InAlGaN/GaN, GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하
나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 양자우물은 양자벽의 에너지 밴드 갭보다 작은
에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
실시예는 상기 활성층(114) 상에 전자차단층(115)(도 2 참조)이 형성되어 전자 차단(electron blocking) 및 활[0030]
성층의 클래딩(MQW cladding) 역할을 해줌으로써 발광효율을 개선할 수 있다. 상기 전자차단층(115)은 상기 활
성층(114)의 에너지 밴드 갭보다 큰 에너지 밴드 갭을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 전자차단층(115)은 Al(알
루미늄)을 포함하여 형성될 수 있다. 즉, AlxInyGa(1-x-y)N(0≤x≤1,0≤y≤1)계 반도체로 형성될 수 있으나 이에
한정되지 않는다. 상기 전자차단층(115)은 약 100Å~ 약 600Å의 두께로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은
아니다.
또한, 상기 전자차단층(115)은 AlzGa(1-z)N/GaN(0≤z≤1) 초격자(superlattice)로 형성될 수 있으나 이에 한정되[0031]
는 것은 아니다.
상기 전자차단층(115)은 활성층(114)에서 재결합되지 않고, p형 반도체층으로 오버플로우되는 전자를 효율적으[0032]
로 차단하고, 홀의 주입효율을 증대시킬 수 있다. 또한, 상기 전자차단층(115)은 p형 또는 n형 불순물로 도핑
될 수 있다. 예를 들어, 상기 전자차단층(115)은 Mg이 약 10
18
~10
20
/cm
3
농도 범위로 이온주입 등의 방법을 사용
하여 도핑되어 오버플로우되는 전자를 효율적으로 차단하고, 홀의 주입효율을 증대시킬 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(116)은 제2 도전형 도펀트가 도핑된 3족-5족 원소의 화합물 반도체, 예컨대,[0033]
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.
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실시예에서 상기 제1 도전형 반도체층(112)은 N형 반도체층, 상기 제2 도전형 반도체층(116)은 P형 반도체층으[0034]
로 구현할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한 상기 제2 도전형 반도체층(116) 위에는 상기 제2 도전형과 반
대의 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 접
합 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.[0035]
상기 발광구조물(110) 하측에는 제2 전극층(120)이 형성되며, 상기 제2 전극층(120)은 오믹층(122), 반사층[0036]
(124), 결합층(125), 지지기판(126) 등을 포함할 수 있다.
상기 오믹층(122)은 반도체와 전기적인 접촉이 우수한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 오믹층(122)은[0037]
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 반사성이 우수하고, 전기적인 접촉이 우수한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상[0038]
기 반사층(124)는 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 중 적어도 하나를 포함하는 금속 또는 합
금으로 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 결합력이 우수한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어 상기 결합층(125)은 Ti, Au, Sn,[0039]
Ni, Cr, Ga, In, Bi, Cu, Ag 또는 Ta 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전도성 지지기판(126)은 금속 또는 반도체 물질등으로 형성될 수 있다. 또한 전기전도성과 열 전도[0040]
성이 높은 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 전도성 지지기판(126)은 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[0041]
(122) 사이에는 전류 차단층(current blocking layer, CBL)(130)이 형성될 수 있다.
상기 보호 부재(190)는 상기 발광구조물(110)과 결합층(125) 사이의 둘레 영역에 형성될 수 있으며, 링 형상,[0042]
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)[0043]
과 활성층(114) 사이의 전기적 단락의 발생 가능성을 줄일 수 있고, 칩 분리 공정에서 전기적 단락이 발생하는
것을 방지할 수 있다.
상기 보호 부재(190)는 전기 절연성을 가지는 물질이거나, 반사층(124) 또는 결합층(125)보다 전기 전도성이 낮[0044]
은 물질, 또는 제2 도전형의 반도체층(116)과 쇼트키 접촉을 형성하는 물질을 이용하여 형성될 수 있다. 예를
들어, 보호 부재(190)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.
이하, 도 2를 참조하여 실시예에 따른 발광소자에서 에너지 밴드 다이어그램을 상술한다.[0045]
실시예는 활성층 내에서 존재하는 내부장에 의한 활성층 내 전자와 정공의 공간적 분리 현상을 효과적으로 완화[0046]
함으로써 양자우물의 자발발광 효율을 개선하여 고효율의 발광소자를 제공하고자 한다.
이를 위해, 실시예에 따른 발광소자(100)는 제1 도전형 반도체층(112), 제2 도전형 반도체층(116) 및 상기 제1[0047]
도전형 반도체층(112)과 상기 제2 도전형 반도체층(116) 사이에 양자우물(114w)과 양자벽(114b)을 구비하는 활
성층(114)을 포함하고, 상기 양자우물의 에너지 밴드갭이 점진적으로 변할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 전자주입용 n형 반도체층(112)과 정공주입용 p형 반도체층(116) 사이에 다중 양자[0048]
공개특허 10-2013-0019276
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우물구조 활성층(114)을 구비하고, 상기 활성층(114)은 에너지 밴드갭이 점진적으로 변하는 양자우물을 포함할
수 있다.
예를 들어, 실시예에서 에너지 밴드갭이 점진적으로 변하는 양자우물(114w)은 양자우물 중심부분으로 갈수록 에[0049]
너지 밴드갭이 포물선형(parabolic)으로 변할 수 있다.
이에 따라, 실시예에서 상기 양자우물(114w)의 중심부분으로 갈수록 에너지 밴드갭이 점진적으로 작아진 후 중[0050]
심부분에서 멀어질수록 에너지 밴드갭이 점진적으로 커질 수 있다.
실시예에서 상기 양자우물(114w)은 InxGa1-xN(단, 0〈x〈1)를 포함하며, 상기 인듐(In)의 조성은 상기 양자우물[0051]
(114w)의 중심부분으로 갈수록 증가하고, 상기 양자우물(114w)의 중심부분으로부터 멀어질수록 감소할 수 있다.
실시예에서 상기 양자우물(114w)의 양자우물 구조는 비직사각형 양자우물(non square-potential well) 구조를[0052]
포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 양자우물의 에너지 밴드갭은 상기 양자우물의 중심부분으로 갈수록 포물선형(parabolic)으로[0053]
에너지 밴드갭이 점진적으로 작아질 수 있다.
실시예에 의하면 InxGa1-xN 양자우물(114w) 내에서 양자우물 중심부분으로 갈수록 In의 조성을 점진적으로 증가[0054]
시킴으로써 양자우물 중심부분으로 갈수록 에너지 밴드갭이 포물선형으로 작아질 수 있으나 이에 한정되는 것은
아니다.
실시예에 의하면 양자우물 중심부분으로 갈수록 In 조성이 점진적으로 증가함으로써 GaN 양자벽(114b)과[0055]
InxGa1-xN 양자우물 사이의 격자 불일치에 의해 양자우물에 가해지는 압축응력이 점진적으로 완충되어 내부장을
감소시킬 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 에너지 밴드갭이 양자우물 중심부로 갈수록 작아짐으로써 양자우물 내에 주입되는 전자[0056]
와 정공은 양자역학적으로 에너지 상태가 가장 낮은 양자우물 중심부 주위에 위치하게 된다.
이에 따라 실시예에 의하면 포물선형 양자우물 구조의 경우, InxGa1-xN 양자우물에 작용하는 내부장(internal[0057]
field)에 의한 양자우물의 에너지 밴드 구조 변형에 따른 양자우물 내의 전자와 정공의 공간적 분리정도가 획기
적으로 줄어들게 된다.
결국 전자와 정공의 파동함수가 서로 결합할 확률이 증가함으로써 발광소자의 자발발광효율을 증대되게 된다.[0058]
실시예는 활성층 내에서 존재하는 내부장에 의한 활성층 내 전자와 정공의 공간적 분리 현상을 효과적으로 완화[0059]
함으로써 양자우물의 자발발광 효율을 개선하여 고효율의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및
조명시스템을 제공할 수 있다.
예를 들어, 실시예에서 400~500nm의 파장을 갖는 발광구조물 제작 시, 포물선형 양자우물(parabolic potential[0060]
well) 구조는 InxGa1-xN의 In(인듐) 함량이 0~25%일 수 있다. 양자벽(114b)은 In(인듐) 함량이 0%인, 즉 GaN일
수 있고, 양자우물(114w)의 중간 영역으로 갈수록 In(인듐)의 양이 점진적으로 증가하여, 중간영역에서는 In(인
듐) 함량이 25%가 될 수 있다. 이때 발광소자(100)의 발광 파장은 443nm일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니
다.
도 3은 종래기술과 실시예에 따른 발광소자의 포텐셜(Potential) 프로필과 파동함수 분포 예시도이다.[0061]
도 3(a) 내지 도 3(c)는 종래기술에서 양자우물 구조의 예시이다.[0062]
예를 들어, 도 3(a)는 직사각형 양자우물(square-potential well) 구조이며, 도 3(b)는 비대칭(linearly[0063]
graded asymmetric) 양자우물구조이며, 도 3(c)는 삼각형(triangular) 양자우물구조이다.
도 3(d)는 실시예에 따른 발광소자에 있어서 전자와 정공의 파동함수 공간적 분리 최소화하기 위한 포물선형 양[0064]
자우물(parabolic potential well) 구조이다.
구체적으로, 도 3(a) 내지 도 3(d)는 각 양자우물 구조에서 첫째 전도대 서브밴드(C1)와 첫째 가전대 서브밴드[0065]
(HH1)의 포텐셜 프로필과 전자/정공 파동함수 분포도이다.
도 3(a)는 InGaN 양자우물과 GaN 양자벽으로 구성되는 활성층 내에 본질적으로 존재하는 내부장에 의한 에너지[0066]
밴드구조의 변형을 보여준다. 내부장(internal field)에 의한 에너지 밴드구조의 변형은 양자우물에 속박되는
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전자와 정공을 공간적으로 분리시킴으로써 서로 발광결합할 확률을 낮게 만든다.
한편, 종래기술에서 도 3(b) 및 도 3(c)와 같이 양자우물의 구조를 개선한 기술이 있기는 하나 그 효과는 미미[0067]
한 상태이다.
실시예에 따른 포물선형 양자우물구조는 양자우물 내에서 전자와 정공의 공간적 분리를 최소화시켜주는 것을 보[0068]
여준다.
실시예에 의하면 양자우물 중심부분으로 갈수록 In 조성이 점진적으로 증가함으로써 GaN 양자벽(114b)과[0069]
InxGa1-xN 양자우물 사이의 격자 불일치에 의해 양자우물에 가해지는 압축응력이 점진적으로 완충되어 내부장을
감소시킬 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 에너지 밴드갭이 양자우물 중심부로 갈수록 작아짐으로써 양자우물 내에 주입되는 전자[0070]
와 정공은 양자역학적으로 에너지 상태가 가장 낮은 양자우물 중심부 주위에 위치하게 된다.
이에 따라 실시예에 의하면 포물선형 양자우물 구조의 경우, InxGa1-xN 양자우물에 작용하는 내부장(internal[0071]
field)에 의한 양자우물의 에너지 밴드 구조 변형에 따른 양자우물 내의 전자와 정공의 공간적 분리정도가 획기
적으로 줄어들게 된다.
결국 전자와 정공의 파동함수가 서로 결합할 확률이 증가함으로써 발광소자의 자발발광효율을 증대되게 된다.[0072]
실시예에 의하면 QCSE(quantum-confined Stark effect) 현상을 해소하여 전자의 파동함수(wave function)와 정[0073]
공의 파동함수의 오버랩(overlap) 비율을 넓힘으로써 발광 재결합률(radiative recombination rate)을 향상시
켜 내부 발광효율을 증대시킬 수 있다.
실시예는 활성층 내에서 존재하는 내부장에 의한 활성층 내 전자와 정공의 공간적 분리 현상을 효과적으로 완화[0074]
함으로써 양자우물의 자발발광 효율을 개선하여 고효율의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및
조명시스템을 제공할 수 있다.
도 4는 종래기술과 실시예에 따른 발광소자에서 자발발광 속도에 대한 예시도이다.[0075]
도 4(a) 내지 도 4(c)는 종래기술에서 양자우물 구조의 자발발광 속도에 대한 예시도이다.[0076]
예를 들어, 도 4(a)는 직사각형 양자우물(square-potential well) 구조이며, 도 4(b)는 비대칭(linearly[0077]
graded asymmetric) 양자우물구조이며, 도 4(c)는 삼각형(triangular) 양자우물구조이다.
도 4(d)는 실시예에 따른 발광소자에 있어서 전자와 정공의 파동함수 공간적 분리 최소화하기 위한 포물선형 양[0078]
자우물(parabolic potential well) 구조에서의 자발발광 속도에 대한 예시도이다.
도 4에 의하면 실시예에 따른 포물선형 양자우물구조를 적용한 발광소자의 자발발광효율이 가장 우수한 특성을[0079]
보여준다.
실시예에 의하면 양자우물 중심부분으로 갈수록 In 조성이 점진적으로 증가함으로써 양자벽과 양자우물 사이[0080]
의 격자 불일치에 의해 양자우물에 가해지는 압축응력이 점진적으로 완충되어 내부장을 감소시킬 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 에너지 밴드갭이 양자우물 중심부로 갈수록 작아짐으로써 양자우물 내에 주입되는 전자[0081]
와 정공은 양자역학적으로 에너지 상태가 가장 낮은 양자우물 중심부 주위에 위치하게 된다.
이에 따라 실시예에 의하면 포물선형 양자우물 구조의 경우, 양자우물에 작용하는 내부장(internal field)에 의[0082]
한 양자우물의 에너지 밴드 구조 변형에 따른 양자우물 내의 전자와 정공의 공간적 분리정도가 획기적으로 줄어
들게 된다.
결국 전자와 정공의 파동함수가 서로 결합할 확률이 증가함으로써 발광소자의 자발발광효율을 증대되게 된다.[0083]
발광소자에서 자발발광스펙트럼(spontaneous emisson spectrum)(gsp(w)) 값은 유전체상수(dielectric[0084]
constant)(ε)에 반비례 관계로 표시될 수 있으며, 양자우물의 유전체상수(ε)가 작을수록 자발발광효율
(spontaneous emisson coefficient)이 높게 된다.
실시예에 따른 포물선형 양자우물(parabolic potential well)는 종래 비대칭(linearly graded asymmetric) 양[0085]
자우물구조 또는 삼각형(triangular) 양자우물구조에 비해 인듐(In)의 조성비가 낮을 수 있고, 이에 따라 유전
체상수(dielectric constant)가 작게 되고, 이는 자발발광효율(spontaneous emisson coefficient)을 높일 수
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있다.
실시예에 의하면 QCSE(quantum-confined Stark effect) 현상을 해소하여 전자의 파동함수(wave function)와 정[0086]
공의 파동함수의 오버랩(overlap) 비율을 넓힘으로써 발광 재결합률(radiative recombination rate)을 향상시
켜 내부 발광효율을 증대시킬 수 있다.
실시예는 활성층 내에서 존재하는 내부장에 의한 활성층 내 전자와 정공의 공간적 분리 현상을 효과적으로 완화[0087]
함으로써 양자우물의 자발발광 효율을 개선하여 고효율의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및
조명시스템을 제공할 수 있다.
도 5는 실시예에 따른 발광소자 패키지(200) 단면도이다.[0088]
도 5를 참조하면, 실시예에 따른 발광 소자 패키지(200)는 패키지 몸체부(205)와, 상기 패키지 몸체부(205)에[0089]
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)를
포함한다.
상기 패키지 몸체부(205)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있으며, 상기[0090]
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 제공하[0091]
는 역할을 한다. 또한, 상기 제3 전극층(213) 및 제4 전극층(214)은 상기 발광 소자(100)에서 발생된 빛을 반사
시켜 광 효율을 증가시키는 역할을 할 수 있으며, 상기 발광 소자(100)에서 발생된 열을 외부로 배출시키는 역
할을 할 수도 있다.
상기 발광 소자(100)는 도 1 에 예시된 수직형 타입의 발광 소자가 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니[0092]
다.
상기 발광 소자(100)는 상기 패키지 몸체부(205) 상에 설치되거나 상기 제3 전극층(213) 또는 제4 전극층(214)[0093]
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[0094]
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 연
결된 것이 예시되어 있다.
상기 몰딩부재(240)는 상기 발광 소자(100)를 포위하여 상기 발광 소자(100)를 보호할 수 있다. 또한, 상기 몰[0095]
딩부재(240)에는 형광체가 포함되어 상기 발광 소자(100)에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있다.
실시예는 활성층 내에서 존재하는 내부장에 의한 활성층 내 전자와 정공의 공간적 분리 현상을 효과적으로 완화[0096]
함으로써 양자우물의 자발발광 효율을 개선하여 고효율의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지를
제공할 수 있다.
실시예에 따른 발광소자 패키지는 복수개가 기판 상에 어레이되며, 상기 발광 소자 패키지에서 방출되는 광의[0097]
경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트, 형광 시트 등이 배치될 수 있다. 이러한 발광 소자 패
키지, 기판, 광학 부재는 백라이트 유닛으로 기능하거나 조명 유닛으로 기능할 수 있으며, 예를 들어, 조명 시
스템은 백라이트 유닛, 조명 유닛, 지시 장치, 램프, 가로등을 포함할 수 있다.
도 6은 실시예에 따른 조명 유닛의 사시도(1100)이다.[0098]
도 6을 참조하면, 상기 조명 유닛(1100)은 케이스몸체(1110)와, 상기 케이스몸체(1110)에 설치된 발광모듈부[0099]
(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 수[0100]
지 재질로 형성될 수 있다.
상기 발광모듈부(1130)은 기판(1132)과, 상기 기판(1132)에 탑재되는 적어도 하나의 발광소자 패키지(200)를 포[0101]
함할 수 있다.
상기 기판(1132)은 절연체에 회로 패턴이 인쇄된 것일 수 있으며, 예를 들어, 일반 인쇄회로기판(PCB: Printed[0102]
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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[0103]
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[0104]
(200) 각각은 적어도 하나의 발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode)(100)를 포함할 수 있다. 상기 발광 다
이오드(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[0105]
있다. 예를 들어, 고 연색성(CRI)을 확보하기 위해 백색 발광 다이오드, 적색 발광 다이오드 및 녹색 발광 다이
오드를 조합하여 배치할 수 있다.
상기 연결 단자(1120)는 상기 발광모듈부(1130)와 전기적으로 연결되어 전원을 공급할 수 있다. 도 6에 도시된[0106]
것에 따르면, 상기 연결 단자(1120)는 소켓 방식으로 외부 전원에 돌려 끼워져 결합되지만, 이에 대해 한정하지
는 않는다. 예를 들어, 상기 연결 단자(1120)는 핀(pin) 형태로 형성되어 외부 전원에 삽입되거나, 배선에 의해
외부 전원에 연결될 수도 있는 것이다.
도 7은 실시예에 따른 백라이트 유닛의 분해 사시도(1200)이다. [0107]
실시예에 따른 백라이트 유닛(1200)은 도광판(1210)과, 상기 도광판(1210)에 빛을 제공하는[0108]
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 이루어[0109]
지며, 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[0110]
유닛이 설치되는 디스플레이 장치의 광원으로써 작용하게 된다.
상기 발광모듈부(1240)은 상기 도광판(1210)과 접할 수 있으나 이에 한정되지 않는). 구체적으로는, 상기 발광[0111]
모듈부(1240)은 기판(1242)과, 상기 기판(1242)에 탑재된 다수의 발광소자 패키지(200)를 포함하는데, 상기 기
판(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,[0112]
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(121[0113]
0)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[0114]
(1210)의 하면으로 입사된 빛을 반사시켜 위로 향하게 함으로써, 상기 백라이트 유닛의 휘도를 향상시킬 수 있
다. 상기 반사 부재(1220)는 예를 들어, PET, PC, PVC 레진 등으로 형성될 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않
는다.
상기 바텀 커버(1230)는 상기 도광판(1210), 발광모듈부(1240) 및 반사 부재(1220) 등을 수납할 수 있다. 이를[0115]
위해, 상기 바텀 커버(1230)는 상면이 개구된 박스(box) 형상으로 형성될 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않
는다.
상기 바텀 커버(1230)는 금속 재질 또는 수지 재질로 형성될 수 있으며, 프레스 성형 또는 압출 성형 등의 공정[0116]
을 이용하여 제조될 수 있다.
실시예는 활성층 내에서 존재하는 내부장에 의한 활성층 내 전자와 정공의 공간적 분리 현상을 효과적으로 완화[0117]
함으로써 양자우물의 자발발광 효율을 개선하여 고효율의 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및
조명시스템을 제공할 수 있다.
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이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에[0118]
만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통
상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조
합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 속하[0119]
는 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 범위에
서 설정하는 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도면
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