KR101700792B1

KR101700792B1 - 발광 소자

Info

Publication number: KR101700792B1
Application number: KR1020100106455A
Authority: KR
Inventors: 한대섭
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2017-01-31
Also published as: KR20120045120A

Abstract

발광 소자는 기판, 상기 기판 상의 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층 상의 활성층, 상기 활성층 상의 제2 도전형 반도체층을 포함하며, 상기 활성층은 제1 양자 우물층, 제1 터널링 장벽층, 복수의 양자점들을 갖는 양자점층, 제2 터널링 장벽층, 및 제2 양자 우물층을 포함하며, 상기 제1 양자 우물층, 상기 양자점층, 및 상기 제2 양자 우물층은 서로 다른 에너지 밴드 갭을 가진다.

Description

발광 소자{Light emitting device}

실시예는 발광 소자에 관한 것이다.

반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Ligit Emitting Diode)나 레이저 다이오드와 같은 발광소자는 박막 성장 기술 및 소자 재료의 개발로 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광 물질을 이용하거나 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색 광선도 구현이 가능하며, 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경친화성의 장점을 가진다.

따라서, 광 통신 수단의 송신 모듈, LCD(Liquid Crystal Display) 표시 장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 발광 다이오드 백라이트, 형광등이나 백열 전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드 조명 장치, 자동차 헤드 라이트 및 신호등에까지 응용이 확대되고 있다.

실시예는 백색 발광을 용이하게 할 수 있는 발광 소자를 제공한다.

실시예는 발광 소자는 기판, 상기 기판 상의 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층 상의 활성층, 상기 활성층 상의 제2 도전형 반도체층을 포함하며, 상기 활성층은 제1 양자 우물층, 제1 터널링 장벽층, 복수의 양자점들을 갖는 양자점층, 제2 터널링 장벽층, 및 제2 양자 우물층을 포함하며, 상기 제1 양자 우물층, 상기 양자점층, 및 상기 제2 양자 우물층은 서로 다른 에너지 밴드 갭을 가진다.

다른 실시예는 기판, 상기 기판 상의 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층 상의 활성층, 상기 활성층 상의 제2 도전형 반도체층을 포함하며, 상기 활성층은 제1 양자 우물층, 제1 터널링 장벽층, 복수의 양자점들을 갖는 양자점층, 제2 터널링 장벽층, 및 제2 양자 우물층을 포함하며, 상기 제1 양자 우물층의 조성은 In_xAl_yGa₁ _-x- _yN(0.3≤x≤1, 0≤y≤0.2, 0≤x+y≤1)이고, 상기 양자점층의 조성은 In_xAl_yGa₁ _-x- _yN(0.15≤x≤1, 0≤y≤0.3, 0≤x+y≤1)이고, 상기 제2 양자 우물층의 조성은 In_xAl_yGa₁ _-x- _yN(0.5≤x≤1, 0≤y≤0.1, 0≤x+y≤1)이다.

실시예는 백색 발광을 용이하게 할 수 있다.

도 1은 실시예에 따른 발광 소자를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 활성층의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸다.
도 3 내지 6은 양자점들의 수와 제1 및 제2 터널링 장벽층들의 두께의 변화에 따른 청색광, 적색광, 및 녹색광의 발광 파워를 나타낸다.
도 7은 다른 실시예에 따른 발광 소자를 나타낸다.
도 8은 실시예에 따른 발광 소자 패키지를 나타낸다.
도 9는 다른 실시예에 따른 발광 소자 패키지를 나타낸다.

이하 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.

동일한 참조번호는 도면의 설명을 통하여 동일한 요소를 나타낸다. 도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다.

도 1은 실시예에 따른 발광 소자(100)를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 발광 소자(100)는 기판(110), 발광 구조물(120), 전도층(130), 제1 전극(142), 및 제2 전극(144)을 포함한다.

기판(110)은 사파이어 기판, 실리콘(Si) 기판, 산화아연(ZnO) 기판, 및 질화물 반도체 기판 중 어느 하나 또는 GaN, InGaN, AlGaN, AlInGaN 중에서 적어도 어느 하나가 적층된 템플레이트(Template) 기판일 수 있다.

발광 구조물(120)은 기판(110) 상에 배치되며, 제1 도전형 반도체층(122), 활성층(124), 및 제2 도전형 반도체층(126)이 적층된 구조이다. 또한 발광 구조물(120)은 제1 도전형 반도체층(122)의 일부를 노출하도록 제2 도전형 반도체층(126), 활성층(124) 그리고 제1 도전형 반도체층(122)의 일부가 식각된다.

격자 상수 및 열 팽창 계수의 차이를 완화시키기 위하여 기판(110)과 발광 구조물(120) 사이에는 버퍼층(미도시)이 개재될 수 있으며, 또한 제1 도전형 반도체층(122)의 결정성 향상을 위하여 언도프트 반도체층(미도시)이 개재될 수 있다.

이때 버퍼층은 저온 성장된 GaN층 또는 AlN층일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 언도프트 반도체층은 n형 도펀트가 도핑되지 않아 제1 도전형 반도체층(122)에 비하여 낮은 전기 전도성을 갖는 것을 제외하고는 제1 도전형 반도체층(122)과 동일할 수 있다.

전도층(130)은 활성층(124)으로부터 제2 도전형 반도체층(126)으로 방출되는 빛의 추출 효율을 증가시키기 위하여 제2 도전형 반도체층(126) 상에 배치된다. 전도층은 투과율이 높은 투명한 산화물계 물질, 예컨대, ITO(Indium Tin Oxide), TO(Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), ITZO(Indium Tin Zinc Oxide) 및 ZnO(Zinc Oxide) 등으로 이루어질 수 있다.

제1 전극(142)은 식각에 의하여 노출되는 제1 도전형 반도체층(122) 상에 배치되며, 제2 전극(144)은 전도층(130) 상에 배치된다. 제1 전극(142) 및 제2 전극(144)은 Ti, Al, Al alloy, In, Ta, Pd, Co, Ni, Si, Ge, Ag, Ag alloy, Au, Hf, Pt, Ru 및 Au 등 중에서 하나 이상의 물질 또는 합금을 이용하여 단층 또는 다층으로 형성될 수 있다

제1 도전형 반도체층(122)은 기판(110) 상에 배치되며, n형 반도체층일 수 있다. 예컨대, 제1 도전형 반도체층(122)은 In_xAl_yGa₁ _-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, Si, Ge, Sn, Se, Te 등의 n형 도펀트가 도핑될 수 있다.

활성층(124)은 제1 도전형 반도체층(122) 상에 배치된다.

제2 도전형 반도체층(126)은 활성층(124) 상에 배치되며, p형 반도체층일 수 있다. 예컨대, 제2 도전형 반도체층(126)은 In_xAl_yGa₁ _-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.

활성층(124)은 n형 반도체층(122)으로부터 제공되는 전자(electron)와 p형 반도체층(126)으로부터 제공되는 정공(hole)의 결합(recombination) 과정에서 발생하는 에너지에 의해 광을 생성할 수 있다.

활성층(124)은 In_xAl_yGa₁ _-x- _yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 가지는 반도체 재료를 포함할 수 있으며, 활성층(124)은 양자 우물층, 양자점층, 양자 장벽층이 적층되는 구조일 수 있다.

활성층(124)은 제1 장벽층(B1), 제1 양자 우물층(QW1), 제1 터널링 장벽층(QB1), 양자점층(QD), 제2 터널링 장벽층(QB2), 제2 양자 우물층(QW2), 및 제2 장벽층(B2)이 순차로 적층된 구조이다.

도 2는 도 1에 도시된 활성층(124)의 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸다. 도 2를 참조하면, 제1 장벽층(B1)은 제1 도전형 반도체층(122)과 제1 양자 우물층(QW1) 사이에 배치되며, 제1 도전형 반도체층(122)의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지 밴드 갭(E1)을 갖는다.

제1 양자 우물층(QW1)은 제1 장벽층(B1) 상에 배치되며, 제1 장벽층(B1)의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지 밴드 갭(E2)을 갖는다.

제1 양자 우물층(QW1)의 두께는 제1 장벽층(B1)의 두께보다 작다. 예컨대. 제1 양자 우물층(QW1)의 두께는 10nm이하일 수 있으며, 제1 장벽층(B1)의 두께는 10nm이상일 수 있다.

양자점층(QD)은 제1 터널링 장벽층(QB1)과 제2 터널링 장벽층(QW2) 사이에 배치되며, 복수의 양자점들을 포함한다. 이때 양자점층(QD)은 자발형성 양자점층일 수 있다. 양자점층(QD)은 복수의 양자점(Quantum dot, QD) 및 캐핑층(capping layer, CL)을 포함할 수 있다. 캐핑층(CL)은 양자점(QD)의 형상을 그대로 유지시켜 주기 위한 층으로 질소 함유량이 많은 GaN(N-rich GaN) 또는 갈륨 함유량이 많은 GaN(Ga-rich GaN)일 수 있다. 예컨대, 캐핑층(CL)에 포함된 질소 또는 갈륨의 함유량은 활성층 및 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층에 포함된 질소 또는 갈륨의 함유량보다 많을 수 있다.

양자점층(QD)의 에너지 밴드 갭(E3)은 제1 양자 우물층(QW1)의 에너지 밴드 갭(E2)보다 크고, 제1 장벽층(B1)의 에너지 밴드 갭(E2)보다 작다(E2<E3<E1). 또한 양자점층(QD)의 두께는 제1 양자 우물층(QW1)의 두께보다 크며, 제1 장벽층(B1)의 두께보다 작을 수 있다.

제1 터널링 장벽층(QB1)의 에너지 밴드 갭은 제1 장벽층(B1)의 에너지 밴드 갭(E2)보다 크다. 제1 터널링 장벽층(QB1)은 제1 양자 우물층(QW1)에서 양자점층(QD)으로 터널링(tunneling)이 일어날 수 있을 정도의 두께를 갖는다. 예컨대, 제1 터널링 장벽층(QB1)의 두께는 5nm이하 일 수 있다.

제2 터널링 장벽층(QB2)의 에너지 밴드 갭은 제1 터널링 장벽층(QB1)의 에너지 밴드 갭과 동일할 수 있으며, 제2 터널링 장벽층(QB2)의 두께는 제1 터널링 장벽층(QB1)의 두께와 동일할 수 있다.

제2 양자 우물층(QW2)은 제2 터널링 장벽층(QB2) 상에 배치되며, 제2 장벽층(QB2)은 제2 양자 우물층(QW2)과 제2 도전형 반도체층(126) 사이에 배치된다.

제2 양자 우물층(QW2)의 에너지 밴드 갭(E4)은 제2 장벽층(B2)의 에너지 밴드 갭(E5)보다 작다. 이때 제2 양자 우물층(QW2)의 두께는 제1 양자 우물층(QW1)의 두께보다 작거나 같을 수 있다. 예컨대, 제2 양자 우물층(QW2)의 두께는 10nm이하일 수 있다. 또한 제2 장벽층(B2)의 에너지 밴드 갭(E5)은 제1 장벽층(B1)의 에너지 밴드 갭(E1)과 동일할 수 있으며, 제2 장벽층(B2)의 두께는 제1 장벽층(B1)의 두께와 동일할 수 있다.

또한 제2 양자 우물층(QW2)의 에너지 밴드 갭(E4)은 제1 양자 우물층(QW1)의 에너지 밴드 갭(E2)보다 작거나 같을 수 있다. 그리고 양자점층(QD)의 에너지 밴드 갭(E3)은 제2 양자 우물층(QW2)의 에너지 밴드 갭(E4)보다 크고, 제2 장벽층(QB2)의 에너지 밴드 갭(E5)보다 작을 수 있다(E4<E3<E5).

제2 터널링 장벽층(QB2)은 양자점층(QD)에서 제2 양자 우물층(QW2)으로 터널링(tunneling)이 일어날 수 있을 정도의 두께를 갖는다. 예컨대, 제2 터널링 장벽층(QB2)의 두께는 5nm이하 일 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 제1 양자 우물층(QW1), 양자점층(QD), 및 제2 양자 우물층(QW2)은 서로 다른 에너지 밴드 갭(E2,E3,E4)을 가질 수 있다.

제1 양자 우물층(QW1) 및 제2 양자 우물층(QW2)은 전자와 홀들을 우선적으로 모아서 양자점층(QD)으로 효율적인 터널링을 할 수 있도록 캐리어(carrier)의 저장고 역할을 한다.

먼저 전자(electron)는 제1 도전형 반도체층(122)에서 제1 장벽층(B1)을 거쳐 제1 양자 우물층(QW1)에 저장되고, 정공은 제2 도전형 반도체층(126)에서 제2 w장벽층(B2)을 거쳐 제2 양자 우물층(QW2)에 저장된다.

제1 양자 우물층(QW1)에 저장된 전자는 터널링 현상에 의해서 제1 터널링 장벽층(QB1)을 통과하여 양자점층(QD)으로 주입되고, 제2 양자 우물층(QW2)에 저장된 홀은 터널링 현상에 의해서 제2 터널링 장벽층(QB2)을 통과하여 양자점층(QD)으로 주입된다.

양자점층(QD)으로 주입된 전자 및 정공은 양자점층(QD) 내에서 재결합한다. 이때 재결합하지 않은 전자는 터널링 현상에 의해서 제2 터널링 장벽층(QB2)을 통과하여 제2 양자 우물층(QW2)으로 주입된다. 또한 재결합하지 않은 홀은 터널링 현상에 의해서 제1 터널링 장벽층(QB1)을 통과하여 제1 양자 우물층(QW1)으로 주입된다. 따라서 전자와 홀의 재결합은 제1 양자 우물층(QW1) 및 제2 양자 우물층(QW2) 내에서도 발생한다.

이때 제1 양자 우물층(QW1)에서 전자 및 정공의 재결합에 의하여 발생하는 빛은 녹색광이며, 양자점층에서 전자 및 정공의 재결합에 의하여 발생하는 빛은 청색광이며, 제2 양자 우물층(QW2)에서 전자 및 정공의 재결합에 의하여 발생하는 빛은 적색광이다.

예컨대, 발광 소자(100)에 바이어스(bias)를 인가하지 않았을 때, 양자점층(QD)에서는 청색광을, 제1 양자 우물층(QW1)에서는 녹색광을, 제2 양자 우물층(QW2)에서는 적색광을 발광할 수 있으며, 이러한 발광 배치로 인하여 공명 터널링(resonant tunneling)이 향상될 수 있다.

제1 양자 우물층(QW1)에서는 녹색광을, 양자점층(QD)에서는 청색광을, 그리고 제2 양자 우물층(QW2)에서는 적색광을 발생하기 위하여 제1 양자 우물층(QW1), 양자점층(QD), 및 제2 양자 우물층(QW2)의 조성비는 서로 다르다. 즉 조성비가 다름으로 인하여 서로 다른 파장의 빛을 발생한다.

예컨대, 제1 양자 우물층(QW1)은 490nm ~ 577nm의 파장을 갖는 빛을 발생하며, 양자점층(QD)은 440nm ~ 490nm의 파장을 갖는 빛을 발생하며, 제2 양자 우물층(QW2)은 600nm ~ 760nm의 파장을 갖는 빛을 발생할 수 있다.

녹색광을 발생하는 제1 양자 우물층(QW1)의 조성은 In_xAl_yGa₁ _-x- _yN(0.3≤x≤1, 0≤y≤0.2, 0≤x+y≤1)일 수 있고, 청색광을 발생하는 양자점층(QD)의 조성은 In_xAl_yGa_1-x-yN(0.15≤x≤1, 0≤y≤0.3, 0≤x+y≤1)일 수 있고, 적색광을 발생하는 제2 양자 우물층(QW2)의 조성은 In_xAl_yGa₁ _-x- _yN(0.5≤x≤1, 0≤y≤0.1, 0≤x+y≤1)일 수 있다.

또한 제1 장벽층(B1) 및 제2 장벽층(B2)의 조성은 In_xAl_yGa₁ _-x- _yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)일 수 있다. 이때, 제1 장벽층(B1)의 인듐 함유량은 제1 양자 우물층(QW1)의 인듐 함유량보다 작고, 제1 도전형 반도체층(122)의 인듐 함유량보다 크다. 그리고 제2 장벽층(B2)의 인듐 함유량은 제2 양자 우물층(QW2)의 인듐 함유량보다 작고, 제2 도전형 반도체층(126)의 인듐 함유량보다 크다.

양자점은 캐리어(carrier)인 전자와 정공 모두의 움직임을 3차원적으로 속박할 수 있으며, 한정된 상태 밀도(density of state)를 가진다. 따라서 하나의 양자점에 위치할 수 있는 전자나 홀의 양은 제한적이므로 단순히 양자점의 수를 증가시킴으로써 양자점층에서 전자와 홀의 재결합율을 증가시킬 수 있다. 결국 양자점층(QD)의 양자점의 수를 조절함으로써 양자점층(QD)에서 발생하는 청색광의 발광량을 조절할 수 있다.

또한 제1 양자 우물층(QW1) 및 제2 양자 우물층(QW2) 각각과 양자점층(QD) 사이의 터널링 현상은 제1 및 제2 터널링 장벽층(QB1,QB2)의 두께에 의존하며, 제1 및 제2 양자 우물층들(QW1,QW2)의 사이즈(size)와 그에 따른 에너지 준위의 위치와 관련이 있다. 예컨대, 제1 및 제2 터널링 장벽층(QB1 및 QB2)의 두께를 증가시키면 터널링 양이 감소하며, 반대로 두께를 감소시키면 터널링 양이 증가할 수 있다.

따라서 제1 및 제2 터널링 장벽층(QB1,QB2)의 두께를 조절하면, 터널링 양(tunneling flux)을 조절할 수 있다. 예컨대, 제1 양자 우물층(QW1), 양자점층(QD), 및 제2 양자 우물층(QW2)의 두께는 3nm이고, 제1 터널링 장벽층(QB1) 및 제2 터널링 장벽층(QB2)의 두께는 5nm일 수 있다.

제1 및 제2 터널링 장벽층(QB1,QB2)의 두께를 조절함으로써 제1 양자 우물층(QW1)에서 발생하는 녹색광 및 제2 양자 우물층(QW2)에서 발생하는 적색광의 발광량을 조절할 수 있다. 결국 활성층(124)에서 발생하는 녹색광, 청색광, 및 적색광의 발광량은 양자점층(QD) 내의 양자점들의 수와 제1 및 제2 터널링 장벽층(QB1,QB2)의 두께에 따라 각각 조절될 수 있다.

도 3 내지 6은 양자점들의 수와 제1 및 제2 터널링 장벽층들의 두께의 변화에 따른 청색광, 적색광, 및 녹색광의 발광 파워를 나타낸다. 여기서 Ns는 단위 면적당 양자점의 밀도를 나타내며, 단위는 10¹¹cm^-2이다. W1은 정공의 터널링 양(tunneling flux)을 나타내고, W2는 전자의 터널링 양을 나타내며, 단위는 cm²/s이다. P는 발광 파워를 나타내며, 단위는 mW(밀리와트)이다. 양자점의 밀도는 1 ~ 2× 10¹¹cm^-2범위 내일 수 있다

도 3 내지 도 6을 참조하면, Ns가 클수록 청색광의 발광량이 크며, W1이 클수록 녹색광의 발광량이 크며, W2가 클수록 적색광의 발광량이 큰 것을 알 수 있다. 따라서 Ns, W1, 및 W2를 조절하여 녹색광, 청색광, 및 적색광의 파워(power)가 조절될 수 있으며, 이를 통하여 용이하게 발광 소자는 백색 발광이 가능하다.

제1 양자 우물층(QW1), 양자점층(QD), 및 제2 양자 우물층(QW2)의 두께가 3nm이고, 제1 터널링 장벽층(QB1) 및 제2 터널링 장벽층(QB2)의 두께가 5nm이며, Ns가 1.8 × 10¹¹cm^-2이고, W1이 0.004 cm²/s이고, W2가 0.04 cm²/s일 때, 활성층에서 발생하는 녹색광, 청색광, 및 적색광의 발광 파워는 거의 동일하여 백색광 구현이 용이하다.

도 7은 다른 실시예에 따른 발광 소자(200)를 나타낸다. 도 7을 참조하면, 발광 소자(200)는 제2 전극층(205), 보호층(230), 발광 구조물(240), 패시베이션층(250), 및 제1 전극(255)을 포함한다.

제2 전극층(205)은 지지 기판(210), 접합층(215), 반사층(220), 및 오믹층(225)을 포함한다. 지지 기판(210)은 발광 구조물(240)을 지지하며, 제1 전극(255)과 함께 발광 구조물(240)에 전원을 제공한다. 지지 기판(210)은 전도성이며, 예를 들어, 구리(Cu), 금(Au), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 구리-텅스텐(Cu-W), 캐리어 웨이퍼(예를 들어, Si, Ge, GaAs, ZnO, SiC) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

접합층(215)은 지지 기판(210) 상에 형성된다. 접합층(215)은 본딩층으로서, 반사층(220) 아래에 형성된다. 접합층(215)은 반사층(220) 및 오믹층(225)에 접촉되어 반사층(220)과 오믹층(225)이 지지 기판(210)에 접합될 수 있도록 한다. 접합층(215)은 베리어 금속 또는 본딩 금속 등을 포함하며, 예를 들어, Ti, Au, Sn, Ni, Cr, Ga, In, Bi, Cu, Ag 또는 Ta 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

반사층(220)은 접합층(215) 상에 형성된다. 반사층(220)은 발광 구조물(240)로부터 입사되는 광을 반사시켜 주어, 광 추출 효율을 개선시켜 줄 수 있다. 반사층(220)은 예를 들어, Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 중 적어도 하나를 포함하는 금속 또는 합금으로 형성될 수 있다. 또한 반사층(220)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 적층할 수 있다. 반사층(220)은 광 효율을 증가시키기 위한 것으로 반드시 형성되어야 하는 것은 아니다.

오믹층(225)은 반사층(220) 상에 형성된다. 오믹층(225)은 발광 구조물(240)의 제2 도전형 반도체층(242)에 오믹 접촉되어 발광 구조물(240)에 전원이 원활히 공급되도록 한다. 오믹층(225)은 투광성 전도층과 금속을 선택적으로 사용할 수 있으며, 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), IrO_x, RuO_x, RuO_x/ITO, Ni, Ag, Ni/IrO_x/Au, 및 Ni/IrO_x/Au/ITO 중 하나 이상을 이용하여 단층 또는 다층으로 구현할 수 있다.

오믹층(225)은 제2 도전형 반도체층(242)에 캐리어의 주입을 원활히 하기 위한 것으로, 반드시 형성되어야 하는 것은 아니다. 예를 들어, 오믹층(225)을 따로 형성하지 않고, 반사층(220)으로 사용되는 물질은 제2 도전형 반도체층(242)과 오믹 접촉을 하는 물질로 선택하여 오믹 접촉을 이룰 수 있다.

보호층(230)은 제2 전극층(205) 상에 형성된다. 보호층(135)은 발광 구조물(240)과 접합층(215) 사이의 계면이 박리되어 발광 소자(200)의 신뢰성이 저하되는 현상을 감소시킬 수 있다. 보호층(135)은 전도성을 갖는 물질로 형성된 전도성 보호층 또는 비전도성을 갖는 물질로 형성된 비전도성 보호층일 수 있다.

발광 구조물(240)은 제2 전극층(205) 상에 형성된다. 발광 구조물(240)은 제2 전극층(205) 상에 제2 도전형 반도체층(242), 활성층(244), 및 제1 도전형 반도체층(246)이 순차로 적층된 구조일 수 있다.

활성층(244)은 도 2에서 설명한 도 1에서 설명한 제1 장벽층(B1), 제1 양자 우물층(QW1), 제1 터널링 장벽층(QB1), 양자점층(QD), 캐핑층(CL), 제2 터널링 장벽층(QB2), 제2 양자 우물층(QW2), 제2 장벽층(QB2)을 포함한다. 활성층(244)은 도 1에 도시된 활성층(124)과 그 조성이 동일할 수 있으며, 활성층(244)을 구성하는 층들의 에너지 밴드 갭은 도 2에 도시된 바와 동일할 수 있다.

따라서 제1 양자 우물층(QW1)은 녹색광을 발생하며, 양자점층(QD)은 청색광을 발생하고, 제2 양자 우물층(QW2)은 적색광을 발생할 수 있으며, 제1 터널링 장벽층(QB1) 및 제2 터널링 장벽층(QB2)의 두께 및 양자점층(QD) 내의 양자점들의 수에 기초하여, 발생하는 녹색광, 청색광, 및 적색광의 세기를 조절할 수 있어, 용이한 백색광 구현이 가능할 수 있다.

패시베이션층(250)은 발광 구조물(240)을 전기적으로 보호하기 위하여 발광 구조물(240)의 측면 상에 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 패시베이션층(250)은 SiO₂, SiO_x, SiO_xN_y,Si₃N₄, Al₂O₃로 형성될수 있다.

제1 도전형의 반도체층(246)의 상면은 광 추출 효율을 증가시키기 위해 러프니스 패턴(260)이 형성될 수 있다. 제1 전극(255)은 발광 구조물(240) 상면과 접촉하도록 형성된다. 제1 전극(255) 하부의 제1 도전형 반도체층(246) 부분에 러프니스 패턴(260)이 형성되거나 또는 형성되지 않을 수도 있다.

도 8은 실시예에 따른 발광 소자 패키지를 나타낸다. 도 8을 참조하면, 발광 소자 패키지는 패키지 몸체(510), 제1 금속층(514), 제2 금속층(512), 발광 소자(520), 제1 와이어(524), 제2 와이어(522), 반사판(525), 및 봉지층(540)을 포함한다.

패키지 몸체(510)는 일측 영역에 캐버티(cavity)가 형성된 구조이다. 이때 캐버티의 측벽은 경사지게 형성될 수 있다. 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.

제1 금속층(514) 및 제2 금속층(512)은 열 배출이나 발광 소자의 장착을 고려하여 서로 전기적으로 분리되도록 패키지 몸체(510)의 표면에 배치된다. 발광 소자(520)는 제1 금속층(514) 및 제2 금속층(512)과 전기적으로 연결되도록 캐버티 바닥에 본딩된다. 이때 발광 소자(520)는 도 1에 도시된 발광 소자(100)일 수 있다.

예컨대, 발광 소자(100)의 제1 전극(142)은 제1 와이어(524)를 통하여 제1 금속층(514)에 전기적으로 연결되고, 제2 전극(144)은 제2 와이어(522)를 통하여 제2 금속층(512)에 전기적으로 연결될 수 있다.

반사판(525)은 발광 소자(100)에서 방출된 빛을 소정의 방향으로 지향하도록 패키지 몸체(510)의 캐버티 측벽에 형성된다. 반사판(525)은 광반사 물질로 이루어지며, 예컨대, Ag과 같은 금속 코팅이거나 금속 박편일 수 있다.

봉지층(540)은 패키지 몸체(510)의 캐버티 내에 위치하는 발광 소자(520)를 포위하여 발광 소자(520)를 외부 환경으로부터 보호한다. 봉지층(540)은 에폭시 또는 실리콘과 같은 무색 투명한 고분자 수지 재질로 이루어진다. 봉지층(540)은 발광 소자(520)에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있도록 형광체가 포함될 수 있다. 발광 소자 패키지는 상기에 개시된 실시예들의 발광 소자들 중 적어도 하나를 탑재할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.

도 9는 다른 실시예에 따른 발광 소자 패키지를 나타낸다. 도 9를 참조하면, 발광 소자 패키지는 패키지 몸체(710), 제1 금속층(712), 제2 금속층(714), 발광 소자(720), 와이어(530), 반사판(725), 및 봉지층(740)을 포함한다.

패키지 몸체(710)는 일측 영역에 캐버티(cavity)가 형성된 구조이다. 이때 캐버티의 측벽은 경사지게 형성될 수 있다.

제1 금속층(714) 및 제2 금속층(712)은 패키지 몸체(710)의 표면에 배치되며, 발광 소자(520)는 제1 금속층(712) 및 제2 금속층(714)과 전기적으로 연결되도록 배치된다. 이때 발광 소자(720)는 도 7에 도시된 발광 소자(200)일 수 있다.

예컨대, 발광 소자(200)의 제2 전극층(205)은 제2 금속층(714)에 전기적으로 연결되도록 본딩되고, 제1 전극(255)은 와이어(530)를 통하여 제1 금속층(712)에 전기적으로 연결될 수 있다.

반사판(725)은 패키지 몸체(710)의 캐버티 측벽에 형성되며, 봉지층(740)은 패키지 몸체(710)의 캐버티 내에 위치하는 발광 소자(720)를 포위하여 발광 소자(720)를 외부 환경으로부터 보호한다. 이때 반사판(725) 및 봉지층(740)은 도 8에서 설명한 바와 동일할 수 있다.

실시예에 따른 발광 소자 패키지는 복수 개가 기판 상에 어레이되며, 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 실시예는 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.

또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 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 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

110,210 : 기판 120,240 : 발광 구조물
122,246: 제1 도전형 반도체층 124, 244: 활성층
126,242: 제2 도전형 반도체층 130: 전도층
142,255: 제1 전극 144: 제2 전극
QW1: 제1 양자 우물층 QW2: 제2 양자 우물층
a1 내지 a4: 제1 내지 제4 우물층 QD: 양자점층
CL: 캐핑층 QB1: 제1 터널링 장벽층
QB2: 제2 터널링 장벽층 510, 710: 패키지 몸체
514, 712: 제1 금속층 512,712: 제2 금속층
520, 720: 발광 소자 525, 725: 반사판
524: 제1 와이어 522: 제2 와이어
540, 740: 봉지층.

Claims

기판:
상기 기판 상의 제1 도전형 반도체층;
상기 제1 도전형 반도체층 상의 활성층;
상기 활성층 상의 제2 도전형 반도체층을 포함하며,
상기 활성층은 제1 양자 우물층, 제1 터널링 장벽층, 복수의 양자점들을 갖는 양자점층, 제2 터널링 장벽층, 및 제2 양자 우물층을 포함하며,
상기 제1 양자 우물층, 상기 양자점층, 및 상기 제2 양자 우물층은 서로 다른 에너지 밴드 갭을 가지며,
상기 제1 양자 우물층, 상기 양자점층, 및 상기 제2 양자 우물층에서 출력되는 발광량은 상기 양자점층 내의 양자점들의 수와 상기 제1 및 제2 터널링 장벽층들의 두께에 따라 조절되는 발광 소자.
제1항에 있어서,
상기 제1 양자 우물층은 녹색광을, 상기 양자점층은 청색광을, 그리고 상기 제2 양자 우물층은 적색광을 발생하는 에너지 밴드 갭을 가지는 발광 소자.
제1항에 있어서,
상기 제1 터널링 장벽층 및 상기 제2 터널링 장벽층은 두께가 다르며, 두께에 따라 광의 세기가 변화되는 발광 소자.
제1항에 있어서,
상기 양자점층은 상기 제1 터널링 장벽층과 상기 제2 터널링 장벽층 사이에 배치되는 발광 소자.
제1항에 있어서,
상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제1 양자 우물층 사이에 배치되며, 상기 제1 도전형 반도체층의 에너지 밴드 갭보다 작고 상기 제1 양자 우물층의 에너지 밴드 갭보다 큰 에너지 밴드 갭을 갖는 제1 장벽층; 및
상기 제2 양자 우물층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되며, 상기 제2 도전형 반도체층의 에너지 밴드 갭보다 작고 상기 제2 양자 우물층의 에너지 밴드 갭보다 큰 에너지 밴드 갭을 갖는 제2 장벽층을 더 포함하는 발광 소자.
제5항에 있어서,
상기 양자점층의 에너지 밴드 갭은 상기 제1 양자 우물층의 에너지 밴드 갭보다 크고, 상기 제1 장벽층의 에너지 밴드 갭보다 작은 발광 소자.
제5항에 있어서,
상기 제2 양자 우물층의 에너지 밴드 갭은 상기 제1 양자 우물층의 에너지 밴드 갭보다 작거나 같은 발광 소자.
제5항에 있어서,
상기 제1 장벽층의 에너지 밴드 갭은 상기 제1 도전형 반도체층의 에너지 밴드 갭보다 작은 발광 소자.
제5항에 있어서,
상기 양자점층의 에너지 밴드 갭은 상기 제2 양자 우물층의 에너지 밴드 갭보다 크고, 상기 제2 장벽층의 에너지 밴드 갭보다 작은 발광 소자.
기판:
상기 기판 상의 제1 도전형 반도체층;
상기 제1 도전형 반도체층 상의 활성층;
상기 활성층 상의 제2 도전형 반도체층을 포함하며,
상기 활성층은 제1 양자 우물층, 제1 터널링 장벽층, 복수의 양자점들을 갖는 양자점층, 제2 터널링 장벽층, 및 제2 양자 우물층을 포함하며,
상기 제1 양자 우물층의 조성은 In_xAl_yGa_1-x-yN(0.3≤x≤1, 0≤y≤0.2, 0≤x+y≤1)이고, 상기 양자점층의 조성은 In_xAl_yGa_1-x-yN(0.15≤x≤1, 0≤y≤0.3, 0≤x+y≤1)이고, 상기 제2 양자 우물층의 조성은 In_xAl_yGa_1-x-yN(0.5≤x≤1, 0≤y≤0.1, 0≤x+y≤1)이고,
상기 제1 양자 우물층, 상기 양자점층, 및 상기 제2 양자 우물층에서 출력되는 발광량은 상기 양자점층 내의 양자점들의 수와 상기 제1 및 제2 터널링 장벽층들의 두께에 따라 조절되는 발광 소자.
제10항에 있어서,
상기 제1 양자 우물층 및 상기 제2 양자 우물층 각각의 두께는 10nm이하이고, 상기 제1 터널링 장벽층 및 상기 제2 터널링 장벽층 각각의 두께는 5nm이하인 발광 소자.
제10항에 있어서,
상기 제1 양자 우물층, 상기 양자점층, 및 상기 제2 양자 우물층의 두께는 3nm이고, 상기 제1 터널링 장벽층 및 상기 제2 터널링 장벽층의 두께는 5nm이며, 상기 양자점의 단위 면적당 개수는 1.8 × 10¹¹cm^-2인 발광 소자.
제10항에 있어서,
상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제1 양자 우물층 사이에 배치되고, In_xAl_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성을 갖는 제1 장벽층 및
상기 제2 양자 우물층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되고, In_xAl_yGa_1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성을 갖는 제2 장벽층을 더 포함하는 발광 소자.