KR20140092958A - 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자는 제1 반도체층; 제1 반도체층 상에 배치되며, 제1 반도체층보다 에너지 밴드갭이 작은 복수의 주입우물층을 포함하는 전류주입층; 전류주입층 상에 배치되는 활성층; 활성층 상에 배치되는 제2 반도체층; 및 제1 반도체층과 전류주입층 사이에 배치되며, 제1 반도체층의 에너지 밴드갭보다 작은 에너지밴드갭을 가지는 분산우물층 및 제1 반도체층의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지밴드갭을 가지는 분산장벽층을 포함하는 전류분산층;을 포함한다.

Description

발광 소자 {Light emitting device}
실시예는 발광 소자에 관한 것이다.
LED(Light Emitting Diode; 발광 다이오드)는 화합물 반도체의 특성을 이용해 전기 신호를 적외선, 가시광선 또는 빛의 형태로 변환시키는 소자로, 가정용 가전제품, 리모콘, 전광판, 표시기, 각종 자동화 기기 등에 사용되고, 점차 LED의 사용 영역이 넓어지고 있는 추세이다.
보통, 소형화된 LED는 PCB(Printed Circuit Board) 기판에 직접 장착하기 위해서 표면실장소자(Surface Mount Device)형으로 만들어지고 있고, 이에 따라 표시소자로 사용되고 있는 LED 램프도 표면실장소자 형으로 개발되고 있다. 이러한 표면실장소자는 기존의 단순한 점등 램프를 대체할 수 있으며, 이것은 다양한 칼라를 내는 점등표시기용, 문자표시기 및 영상표시기 등으로 사용된다.
LED 반도체는 육방 정계의 구조를 갖는 사파이어(Sapphire)나 실리콘카바이드(SiC)등의 이종 기판에서 금속유기화학기상증착법(MOCVD) 또는 분자선 증착법(molecular beam epitaxy; MBE) 등의 공정을 통해 성장된다.
LED는 활성층에서 p형 반도체층에서 제공된 정공과 n형 반도체층에서 제공된 전자가 재결합하여 빛을 발생시킨다. LED는 활성층에서 정공과 전자의 재결합 확률을 향상시키는 것이 광효율향상을 위하여 중요한 문제이므로 이를 위한 연구가 필요하다. 특히 상용화된 제품의 구동범위 내인 10 내지 60A/cm2에서 광효율이 최대가 될 수 있도록 하는 것이 중요하다. 또한 제품의 구동 전류 밀도 증가에 의한 광효율 저하현상(efficiency droop)을 개선하는 것이 필요하다.
LED는 활성층에서 p형 반도체층에서 제공된 정공과 n형 반도체층에서 제공된 전자가 재결합하여 빛을 발생시킨다. LED는 활성층에서 정공과 전자의 재결합 확률을 향상시키는 것이 광효율향상을 위하여 중요한 문제이므로 이를 위한 연구가 필요하다.
실시예는 광효율이 개선된 발광소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자는 제1 반도체층; 제1 반도체층 상에 배치되며, 제1 반도체층보다 에너지 밴드갭이 작은 복수의 주입우물층을 포함하는 전류주입층; 전류주입층 상에 배치되는 활성층; 활성층 상에 배치되는 제2 반도체층; 및 제1 반도체층과 전류주입층 사이에 배치되며, 제1 반도체층의 에너지 밴드갭보다 작은 에너지밴드갭을 가지는 분산우물층 및 제1 반도체층의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지밴드갭을 가지는 분산장벽층을 포함하는 전류분산층;을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자는 제1 반도체층과 전류주입층 사이에 전류분산층을 배치하여, 전류를 반도체층의 전반으로 확산시켜, 정공과 전자의 재결합률을 극대화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자는 분산우물층과 분산장벽층을 교대로 적층하여, 분산우물층에서 전자를 수평적으로 분산하여 활성층의 더 넓은 면적에서 정공과 전자가 재결합하도록 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자는 분산우물층과 분산장벽층 사이에 분산중간층을 배치하여, 전류분산층 내부의 에너지 밴드갭의 순간적인 변화량을 줄여, 층간의 스트레스를 완화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자는 분산장벽층의 전류주입층과 접하는 위치에 분산중간층을 배치하여, 분산장벽층과 전류주입층 사이의 에너지 밴드갭의 순간적인 변화량을 줄여, 층간의 스트레스를 완화할 수 있다.
도 1 은 실시예에 따른 발광소자의 구조를 도시한 단면도,
도 2 는 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드갭을 도시한 도면,
도 3 은 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드갭을 도시한 도면,
도 4 는 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드갭을 도시한 도면,
도 5 는 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드갭을 도시한 도면,
도 6 은 실시예에 따른 발광소자의 분산장벽층의 알루미늄과 인듐의 함량을 나타내는 그래프,
도 7a 는 실시예의 발광 소자를 포함한 발광소자 패키지를 나타낸 사시도,
도 7b 는 실시예의 발광 소자를 포함한 발광소자 패키지를 나타낸 단면도,
도 8a 는 실시예에 따른 발광소자 모듈을 포함하는 조명장치를 도시한 사시도,
도 8b 는 실시예에 따른 발광소자 모듈을 포함하는 조명장치를 도시한 단면도,
도 9 는 실시예에 따른 발광소자 모듈을 포함하는 백라이트 유닛을 도시한 분해 사시도, 그리고
도 10 은 실시예에 따른 발광소자 모듈을 포함하는 백라이트 유닛을 도시한 분해 사시도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기와 면적은 실제크기나 면적을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
또한, 실시예에서 발광소자의 구조를 설명하는 과정에서 언급하는 각도와 방향은 도면에 기재된 것을 기준으로 한다. 명세서에서 발광소자를 이루는 구조에 대한 설명에서, 각도에 대한 기준점과 위치관계를 명확히 언급하지 않은 경우, 관련 도면을 참조하도록 한다.
이하에서는 도면을 참조하여 실시예를 보다 상세하게 설명한다.
도 1 은 실시예에 따른 발광소자의 구조를 도시한 단면도이다.
도 1 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예의 발광소자(100)는 제1 반도체층(110), 제1 반도체층(110) 상에 배치되며, 제1 반도체층(110)보다 에너지 밴드갭이 작은 복수의 주입우물층(132)을 포함하는 전류주입층(130), 전류주입층(130) 상에 배치되는 활성층(140), 활성층(140) 상에 배치되는 제2 반도체층(150) 및 제1 반도체층(110)과 전류주입층(130) 사이에 배치되며, 제1 반도체층(110)의 에너지 밴드갭보다 작은 에너지밴드갭을 가지는 분산우물층(122) 및 제1 반도체층(110)의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지밴드갭을 가지는 분산장벽층(124)을 포함하는 전류분산층(120)을 포함할 수 있다.
기판(미도시)은 제1 반도체층(110) 하부 또는 제2 반도체층(150)의 상부에 배치될 수 있다. 기판(미도시)은 제1 반도체층(110) 또는 제2 반도체층(150)을 지지할 수 있다. 기판(미도시)은 제1 반도체층(110) 또는 제2 반도체층(150)에서 열을 전달받을 수 있다.
기판(미도시)은 광 투과적 성질을 가질 수 있다. 예를 들어, 기판(미도시)은 사파이어(Al2O3)를 포함할 수 있으나, 이에 한정하지 아니한다. 기판(미도시)은 광 투과적 물질을 사용하거나, 일정두께 이하로 형성하는 경우 광 투과적 성질을 가질 수 있으나, 이에 한정하지 아니한다. 기판(미도시)의 굴절율은 광 추출 효율을 위해 제1 반도체층(110)의 굴절율보다 작은 것이 바람직하나, 이에 한정하지 아니한다.
기판(미도시)은 실시예에 따라 반도체 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 규소(Si), 게르마늄(Ge), 비소화갈륨(GaAs), 산화아연(ZnO), 실리콘카바이드(SiC), 실리콘게르마늄(SiGe), 질화갈륨(GaN), 갈륨(Ⅲ)옥사이드(Ga2O3)와 같은 캐리어 웨이퍼로 구현될 수 있다.
기판(미도시)은 전도성 물질로 형성될 수 있다. 실시예에 따라서 금속으로 형성될 수 있으며, 예를 들어 금(Au), 니켈(Ni), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 탄탈륨(Ta), 은(Ag), 백금(Pt), 크롬(Cr)중에서 선택된 어느 하나로 형성하거나 둘 이상의 합금으로 형성할 수 있으며, 위 물질 중 둘 이상의 물질을 적층하여 형성할 수 있다. 기판(미도시)이 금속으로 형성된 경우 발광 소자에서 발생하는 열의 방출을 용이하게 하여 발광 소자의 열적 안정성을 향상시킬 수 있다.
기판(미도시)은 광 추출 효율을 높이기 위해서, 상면에 PSS(Patterned Substrate) 구조를 구비할 수 있으나, 이에 한정하지 아니한다. 기판(미도시)은 발광소자(100)에서 발생하는 열의 방출을 용이하게 하여 발광소자(100)의 열적 안정성을 향상시킬 수 있다.
제1 반도체층(110)은 기판(미도시) 상에 배치될 수 있다. 제1 반도체층(110)은 기판(미도시)과의 격자상수 차이를 정합시키기 위해 버퍼층(미도시) 상에 배치될 수 있으나, 이에 한정하지 아니한다. 제1 반도체층(110)은 기판(미도시) 상에서 성장될 수 있으나, 본 발명의 실시예의 발광소자는 수평형 발광소자에만 한정되는 것은 아니며 수직형 발광소자에도 적용될 수 있다.
제1 반도체층(110)은 n형 반도체층으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 발광소자(100)가 파란색 파장의 빛을 발광하는 경우, 상기 n형 반도체층은 예컨데, InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 GaN(Gallium nitride), AlN(Aluminium nitride), AlGaN(Aluminium gallium nitride), InGaN(Indium gallium nitride), InN(Indium nitride), InAlGaN, AlInN 등에서 선택될 수 있다. 제1 반도체층(110)은 예를 들어, 규소(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 셀레늄(Se), 텔루늄(Te)와 같은 n형 도펀트가 도핑될 수 있다.
제1 반도체층(110)은 외부에서 전원을 공급받을 수 있다. 제1 반도체층(110)은 활성층(140)에 전자를 제공할 수 있다.
활성층(140)은 제1 반도체층(110) 상에 배치될 수 있다. 활성층(140)은 제2 반도체층(150)과 제1 반도체층(110)의 사이에 배치될 수 있다.
활성층(140)은 반도체 물질로 형성될 수 있다. 활성층(140)은 3족-5족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 단일 또는 다중 우물 구조 등으로 형성될 수 있다. 활성층(140)은 질화물 반도체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 활성층(140)은 갈륨나이트라이드(GaN), 인듐갈륨나이트라이드(InGaN), 및 인듐갈륨나이트라이드(InAlGaN) 등을 포함할 수 있다.
활성층(140)은 파란색 빛을 발광하는 경우, 예를 들어, InxAlyGa1 -x- yN (0=x=1, 0=y=1, 0=x+y=1)의 조성식을 갖는 우물층(142, 146)과 InaAlbGa1 -a- bN (0=a=1, 0=b=1, 0=a+b=1)의 조성식을 갖는 장벽층(144)을 갖는 단일 또는 다중 우물구조를 가질 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다. 상기 우물층(142, 146)은 상기 장벽층(144)의 밴드 갭보다 작은 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
활성층(140)은 복수의 우물층(142, 146)과 장벽층(144)이 교대로 적층되어 형성될 수 있다. 활성층(140)은 복수의 우물층(142, 146)을 포함하여 광효율을 극대화할 수 있다.
우물층(142, 146)은 장벽층(144)보다 에너지 밴드갭이 작을 수 있다. 우물층(142, 146)은 제1 반도체층(110)보다 에너지 밴드갭이 작을 수 있다. 우물층(142, 146)은 캐리어의 에너지 준위가 연속적일 수 있다.
제2 반도체층(150)은 활성층(140) 상에 형성될 수 있다. 제2 반도체층(150)은 p형 도펀트가 도핑된 p형 반도체층으로 구현될 수 있다. 발광소자가 파란색의 파장의 빛을 발광하는 경우, 제2 반도체층(150)은 InxAlyGa1 -x- yN (0=x=1, 0=y=1, 0=x+y=1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 GaN(Gallium nitride), AlN(Aluminium nitride), AlGaN(Aluminium gallium nitride), InGaN(Indium gallium nitride), InN(Indium nitride), InAlGaN, AlInN 등에서 선택될 수 있으며 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba) 등의 p형 도펀트가 도핑될 수 있다.
제1 반도체층(110), 활성층(140) 및 제2 반도체층(150)은 예를 들어, 유기금속 화학 증착법(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 화학 증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 화학 증착법(PECVD; Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition), 분자선 성장법(MBE; Molecular Beam Epitaxy), 수소화물 기상 성장법(HVPE; Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등의 방법을 이용하여 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
제1 반도체층(110) 및 제2 반도체층(150) 내의 도전형 도펀트의 도핑 농도는 균일 또는 불균일하게 형성될 수 있으나, 이에 한정하지 아니한다.
발광소자(100)가 수평형 발광다이오드인 경우, 제1 전극(미도시)은 제1 반도체층(110)의 일 영역에 배치될 수 있다. 제1 전극(미도시)은 제1 반도체층(110)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 전극(미도시)은 외부에서 연결된 전원을 제1 반도체층(110)에 전달할 수 있다.
발광소자(100)가 수평형 발광다이오드인 경우, 제2 전극(미도시)은 제2 반도체층(150)의 일 영역에 배치될 수 있다. 발광소자(100)가 수직형 다이오드인 경우, 제2 전극(미도시)은 반도체물질로 형성될 수 있으나, 발광소자(100)의 전극배치에 관해서는 한정하지 아니한다.
제2 전극(미도시)은 제2 반도체층(150)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 전극(미도시)은 외부에서 제공되는 전원을 제2 반도체층(150)에 제공할 수 있다.
제1 전극(미도시) 및 제2 전극(미도시)은 전도성 물질 예를 들어, 인듐(In), 코발트(Co), 규소(Si), 게르마늄(Ge), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 레늄(Re), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 하프늄(Hf), 탄탈(Ta), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 은(Ag), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 나이오븀(Nb), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 구리(Cu), 및 티타늄 텅스텐 합금(WTi) 중에서 선택된 금속 또는 합금을 이용하여 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으나, 이에 한정하지 아니한다.
제1 반도체층(110)과 활성층(140) 사이에는 전류주입층(130)이 배치될 수 있다. 전류주입층(130)은 복수개의 주입우물층(132, 136)과 복수개의 주입장벽층(134, 138)이 교대로 적층된 형태일 수 있다. 전류주입층(130)은 초격자구조(Superlattice)일 수 있다.
주입우물층(132, 136)의 에너지 밴드갭은 주입장벽층(134, 138)의 에너지 밴드갭보다 작을 수 있다. 주입우물층(132, 136)은 인듐(In) 함량이 주입장벽층(134, 138)의 인듐(In) 함량보다 높을 수 있다.
주입우물층(132, 136)의 에너지 밴드갭은 활성층(140)의 우물층(142, 146) 보다 크고, 활성층(140)의 장벽층(144)보다 작을 수 있다.
전류주입층(130)은 주입우물층과 주입장벽층이 양자구속효과를 잃을 정도로 얇게 형성되어, 전자 또는 정공들이 양자역학적 터널효과에 의하여 전류주입층(130)전체에 퍼져 에너지 밴드를 형성하도록 할 수 있다.
전류주입층(130)은 전자 또는 정공들이 전류주입층(130) 전체에 퍼지도록 하고, 제1 반도체층(110)보다 낮은 에너지 밴드갭을 가지는 주입우물층을 포함하여, 활성층(140)에서의 전자와 정공의 재결합율을 높일 수 있다.
제1 반도체층(110)과 전류주입층(130) 사이에는 전류분산층(120)이 배치될 수 있다. 전류분산층(120)은 분산우물층(122) 및 분산장벽층(124)을 포함할 수 있다. 전류분산층(120)은 분산우물층(122)과 분산장벽층(124)이 적층된 구조일 수 있다. 전류분산층(120)은 제1 반도체층(110)에서 공급받은 전자를 수평적으로 분포시킬 수 있다.
분산우물층(122)의 두께(h1)는 1.5nm 내지 50nm 일 수 있다. 분산우물층(122)은 두께가 1.5nm 이하인 경우, 양자역학적으로 전자를 구속하기 어려워질 수 있으며, 두께가 50nm 이상인 경우, 발광소자의 결정품질을 저하하여 광효율을 저하시킬 수 있다.
분산장벽층(124)은 알루미늄인듐갈륨나이트라이드 (AlxInyGaN)를 포함할 수 있다. 분산장벽층(124)은 알루미늄함량인 x 가 0.05 내지 0.25 일 수 있다.
분산장벽층(124)은 알루미늄함량인 x 가 0.05 이하인 경우, 에너지밴드갭이 너무 작아져서 분산우물층(122)에 전자를 가두는 제 기능을 하지 못할 수 있고, 알루미늄함량인 x가 0.25 이상인 경우, 에너지 밴드갭이 과다함으로 인하여 전자를 활성층(140)에 공급하는 전자주입효율이 저하될 수 있다.
분산장벽층(124)은 인듐함량인 y가 0.02 내지 0.1 일 수 있다. 분산장벽층(124)은 인듐함량인 y가 0.02 이하인 경우, 인듐함량이 너무 적어지면 알루미늄의 함량이 올라가면서 압축응력이 증대되고, 제1 반도체층(110)과 면방향 격자상수 불일치가 증대되어 층간의 스트레스가 증가될 수 있고, 인듐함량인 y가 0.1 이상인 경우, 에너지 밴드갭 감소에 따라 전자를 분산우물층(122)에 가두는 기능이 저하될 수 있다.
분산우물층(122)은 인듐갈륨나이트라이드(InzGaN)를 포함할 수 있다 분산우물층(122)의 인듐(In)함량인 z는 0.01 내지 0.06 일 수 있다. 분산우물층(122)의 인듐 함량인 z 가 0.01 이하인 경우, 에너지 밴드갭이 과도하게 작아져 전자가 활성층(140)으로 공급되는 전자주입효율이 저하될 수 있고, z가 0.06 이상인 경우, 에너지 밴드갭이 과도하게 커져서, 전자의 수평적인 분포도 개선이 어려워지고, 활성층(140)의 더 넓은 면으로 전자를 공급하기 어려워질 수 있다.
도 2 는 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드갭을 도시한 도면이다.
도 2 를 참조하면, 분산우물층(122)은 제1 반도체층(110)보다 에너지 밴드갭이 작을 수 있다. 분산우물층(122)은 분산장벽층(124)보다 에너지 밴드갭이 작을 수 있다. 분산우물층(122)은 인듐(In)함량이 제1 반도체층(110) 또는 분산장벽층(124)보다 높을 수 있다.
분산장벽층(124)은 분산우물층(122) 및 제1 반도체층(110)보다 에너지 밴드갭이 클 수 있다. 분산장벽층(124)은 알루미늄(Al)함량이 제1 반도체층(110) 또는 분산장벽층(124)보다 높을 수 있다.
일 실시예의 발광소자는, 분산장벽층(124)이 주입우물층(132)과 접할 수 있다. 분산장벽층(124)은 제1 반도체층(110)에서 공급된 전자를 분산우물층(122)에 구속되도록 할 수 있다.
분산우물층(122)은 에너지 밴드갭이 제1 반도체층(110)의 에너지 밴드갭보다 작을 수 있다. 도 2 에서는 분산우물층(122)과 분산장벽층(124)은 하나로 도시되었으나, 이에 한정하지 아니하고, 분산우물층(122) 및 분산장벽층(124)은 복수개가 교대로 적층될 수 있다.
분산우물층(122)은 제1 반도체층(110) 및 분산장벽층(124)보다 인듐(In) 함량이 높을 수 있다. 분산우물층(122)은 에너지 밴드갭이 주입우물층(132, 136)의 에너지 밴드갭보다 클 수 있다.
도 3 은 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드갭을 도시한 도면이다.
도 3 을 참조하면, 전류분산층(120)은 분산우물층(122)의 에너지 밴드갭과 분산장벽층(124)의 에너지 밴드갭 사이의 에너지 밴드갭을 가지는 분산중간층(126)을 더 포함할 수 있다.
분산중간층(126)은 제1 반도체층(110)과 에너지 밴드갭이 같을 수 있다. 분산중간층(126)은 전류분산층(120)의 전류주입층(130)과 접하는 부분에 배치될 수 있다. 분산중간층(126)은 층간의 계면에서 에너지 밴드갭의 순간적인 큰 변화로 인하여 발생하는 층간 스트레스를 완화할 수 있다.
분산중간층(126)은 주입우물층(132)과 접하도록 배치될 수 있다. 분산중간층(126)은 에너지 밴드갭이 주입우물층(132)의 에너지 밴드갭과 분산장벽층(124)의 에너지 밴드갭의 사이에 있을 수 있다.
주입우물층(132)은 분산우물층(122)보다 에너지 밴드갭이 작을 수 있다. 전류주입층(130)은 주입우물층(132, 136)과 주입장벽층(134, 138)이 교대로 적층될 수 있다.
주입우물층(132, 136)은 에너지 밴드갭이 활성층(140)의 우물층(142, 146)보다 클 수 있다. 주입장벽층(134, 138)은 에너지 밴드갭이 활성층(140)의 장벽층(144)보다 클 수 있다.
도 4 는 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드갭을 도시한 도면이다.
도 4 를 참조하면, 분산중간층(128)은 분산우물층(122)과 분산장벽층(124)의 사이에 배치될 수 있다.
분산중간층(128)은 분산우물층(122)과 분산장벽층(124) 사이의 에너지 밴드갭의 변화를 완만하게 할 수 있다. 분산중간층(128)은 분산우물층(122)과 분산장벽층(124) 사이의 층간 스트레스를 완화시킬 수 있다. 분산중간층(128)은 인듐함량이 분산우물층(122)과 분산장벽층(124)의 인듐(In) 함량의 사이에 있을 수 있다.
분산중간층(126, 128)은 복수개일 수 있다. 분산중간층은 분산우물층(122)과 분산장벽층(124)사이에 배치될 수 있고, 분산장벽층(124)과 주입우물층(132) 사이에 배치될 수 있다. 분산장벽층(124)은 에너지 밴드갭이 그 위에 있는 층과 그 밑에 있는 층 각각의 에너지 밴드갭의 사이에 있을 수 있다.
도 5 는 실시예에 따른 발광소자의 에너지 밴드갭을 도시한 도면이다.
도 5 를 참조하면, 분산중간층(126)은 분산장벽층(124)과 전류주입층(130) 사이에 배치될 수 있다.
분산중간층(126)은 전류주입층(130)에 가까워질수록 에너지 밴드갭이 작아지는 발광소자. 분산중간층(126)은 에너지 밴드갭이 전류주입층(130)에 가까워질수록 주입우물층(132)의 에너지 밴드갭과 가까워질 수 있다. 분산중간층(126)은 전류주입층(130)에 가까워질수록 인듐(In) 함량이 높아질 수 있다.
도 6 은 실시예에 따른 발광소자의 분산장벽층의 알루미늄과 인듐의 함량을 나타내는 그래프이다.
도 6 을 참조하면, 분산장벽층은 알루미늄인듐갈륨나이트라이드 (AlxInyGaN)를 포함할 수 있다. 분산장벽층의 알루미늄의 함량이 높아질수록 분산장벽층의 에너지 밴드갭은 커지고, 면방향 격자상수는 작아질 수 있다. 분산장벽층의 인듐 함량이 증가할수록 에너지 밴드갭은 작아지고 면방향 격자상수는 커질 수 있다.
분산장벽층의 적정한 알루미늄 및 인듐의 함량을 고려한 최적화값은 도 6 에 도시된 그래프의 삼각형 안에 분포되어 있다.
도 7a 는 실시예의 발광 소자를 포함한 발광소자 패키지(300)를 나타낸 사시도이고, 도 7b 는 실시예의 발광 소자를 포함한 발광소자 패키지(300)를 나타낸 단면도이다.
도 7a 및 도 7b 를 참조하면, 실시예에 따른 발광소자 패키지(300)는 캐비티가 형성된 몸체(310), 몸체(310)에 실장된 제1 및 제2 전극(340, 350) 제1 및 제2 전극과 전기적으로 연결되는 발광소자(320) 및 캐비티에 형성되는 봉지재(330)를 포함할 수 있고, 봉지재(330)는 형광체(미도시)를 포함할 수 있다.
몸체(310)는 폴리프탈아미드(PPA:Polyphthalamide)와 같은 수지 재질, 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 알루미늄 나이트라이드(AlN), 액정폴리머(PSG, photo sensitive glass), 폴리아미드9T(PA9T), 신지오택틱폴리스티렌(SPS), 금속 재질, 사파이어(Al2O3), 베릴륨 옥사이드(BeO), 인쇄회로기판(PCB, Printed Circuit Board), 세라믹 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 몸체(310)는 사출 성형, 에칭 공정 등에 의해 형성될 수 있으나 이에 대해 한정하지는 않는다.
몸체(310)의 내측면은 경사면이 형성될 수 있다. 이러한 경사면의 각도에 따라 발광소자(320)에서 방출되는 광의 반사각이 달라질 수 있으며, 이에 따라 외부로 방출되는 광의 지향각을 조절할 수 있다.
몸체(310)에 형성되는 캐비티를 위에서 바라본 형상은 원형, 사각형, 다각형, 타원형 등의 형상일 수 있으며, 특히 모서리가 곡선인 형상일 수도 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
봉지재(330)는 캐비티에 충진될 수 있으며, 형광체(미도시)를 포함할 수 있다. 봉지재(330)는 투명한 실리콘, 에폭시, 및 기타 수지 재질로 형성될 수 있다. 봉지재(330)는 캐비티 내에 충진한 후, 이를 자외선 또는 열 경화하는 방식으로 형성될 수 있다.
형광체(미도시)는 발광소자(320)에서 방출되는 광의 파장에 따라 종류가 선택되어 발광소자 패키지(300)가 백색광을 구현하도록 할 수 있다.
봉지재(330)에 포함되어 있는 형광체(미도시)는 발광소자(320)에서 방출되는 광의 파장에 따라 청색 발광 형광체, 청록색 발광 형광체, 녹색 발광 형광체, 황녹색 발광 형광체, 황색 발광 형광체, 황적색 발광 형광체, 오렌지색 발광 형광체, 및 적색 발광 형광체중 하나가 적용될 수 있다.
형광체(미도시)는 발광소자(320)에서 방출되는 제1 빛을 가지는 광에 의해 여기 되어 제2 빛을 생성할 수 있다. 예를 들어, 발광소자(320)가 청색 발광 다이오드이고 형광체(미도시)가 황색 형광체인 경우, 황색 형광체는 청색 빛에 의해 여기되어 황색 빛을 방출할 수 있으며, 청색 발광 다이오드에서 발생한 청색 빛 및 청색 빛에 의해 여기 되어 발생한 황색 빛이 혼색됨에 따라 발광소자 패키지(300)는 백색 빛을 제공할 수 있다.
발광소자(320)가 녹색 발광 다이오드인 경우는 magenta 형광체 또는 청색과 적색의 형광체(미도시)를 혼용하는 경우, 발광소자(320)가 적색 발광 다이오드인 경우는 Cyan형광체 또는 청색과 녹색 형광체를 혼용하는 경우를 예로 들 수 있다.
형광체(미도시)는 YAG계, TAG계, 황화물계, 실리케이트계, 알루미네이트계, 질화물계, 카바이드계, 니트리도실리케이트계, 붕산염계, 불화물계, 인산염계 등의 공지된 것일 수 있다.
몸체(310)에는 제1 전극(340) 및 제2 전극(350)이 실장될 수 있다. 제1 전극(340) 및 제2 전극(350)은 발광소자(320)와 전기적으로 연결되어 발광소자(320)에 전원을 공급할 수 있다.
제1 전극(340) 및 제2 전극(350)은 서로 전기적으로 분리되며, 발광소자(320)에서 발생된 빛을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있다. 제1 전극(340) 및 제2 전극(350)은 발광소자(320)에서 발생된 열을 외부로 배출시킬 수 있다.
도 7b에서는 발광소자(320)가 제1 전극(340) 상에 실장되었으나, 이에 한정되지 않으며, 발광소자(320)와 제1 전극(340) 및 제2 전극(350)은 와이어 본딩(wire bonding) 방식, 플립 칩(flip chip) 방식 또는 다이 본딩 방식 중 어느 하나에 의해 전기적으로 연결될 수도 있다.
제1 전극(340) 및 제2 전극(350)은 금속 재질, 예를 들어, 티타늄(Ti), 구리(Cu), 니켈(Ni), 금(Au), 크롬(Cr), 탄탈늄(Ta), 백금(Pt), 주석(Sn), 은(Ag), 인(P), 알루미늄(Al), 인듐(In), 팔라듐(Pd), 코발트(Co), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 하프늄(Hf), 루테늄(Ru), 철(Fe) 중에서 하나 이상의 물질 또는 합금을 포함할 수 있다. 제1 전극(340) 및 제2 전극(350)은 단층 또는 다층 구조를 가지도록 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
발광소자(320)는 제1 전극(340) 상에 실장되며, 예를 들어, 적색, 녹색, 청색, 백색 등의 빛을 방출하는 발광 소자 또는 자외선을 방출하는 UV(Ultra Violet) 발광 소자일 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다. 발광 소자(320)는 한 개 이상 실장될 수 있다.
발광소자(320)는 그 전기 단자들이 모두 상부 면에 형성된 수평형 타입(Horizontal type)이거나, 또는 상, 하부 면에 형성된 수직형 타입(Vertical type), 또는 플립 칩 모두에 적용 가능하다.
발광소자 패키지(300)는 발광소자를 포함할 수 있다.
실시예에 따른 발광소자 패키지(300)는 복수개가 기판 상에 어레이되며, 발광소자 패키지(300)의 광 경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트 등이 배치될 수 있다.
발광소자 패키지(300), 기판, 광학 부재는 라이트 유닛으로 기능할 수 있다. 또 다른 실시 예는 발광소자(미도시) 또는 발광소자 패키지(300)를 포함하는 표시 장치, 지시 장치, 조명 시스템으로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 조명 시스템은 램프, 가로등을 포함할 수 있다.
도 8a는 일 실시예에 따른 발광소자를 포함하는 조명 시스템(400)을 도시한 사시도이며, 도 8b는 도 8a의 조명 시스템의 D-D' 단면을 도시한 단면도이다.
즉, 도 8b 는 도 8a의 조명 시스템(400)을 길이방향(Z)과 높이방향(X)의 면으로 자르고, 수평방향(Y)으로 바라본 단면도이다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 조명 시스템(400)은 몸체(410), 몸체(410)와 체결되는 커버(430) 및 몸체(410)의 양단에 위치하는 마감캡(450)을 포함할 수 있다.
몸체(410)의 하부면에는 발광소자 모듈(443)이 체결되며, 몸체(410)는 발광소자 패키지(444)에서 발생한 열이 몸체(410)의 상부면을 통해 외부로 방출할 수 있도록 전도성 및 열 발산 효과가 우수한 금속재질로 형성될 수 있고, 이에 한정하지 아니한다.
발광소자 패키지(444)는 발광소자(미도시)를 포함한다.
발광소자 패키지(444)는 기판(442) 상에 다색, 다열로 실장되어 모듈을 이룰 수 있으며, 동일한 간격으로 실장되거나 또는 필요에 따라서 다양한 이격 거리를 가지고 실장될 수 있어 밝기 등을 조절할 수 있다. 기판(442)으로 MCPCB(Metal Core PCB) 또는 FR4 재질의 PCB 를 사용할 수 있다.
커버(430)는 몸체(410)의 하부면을 감싸도록 원형의 형태로 형성될 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
커버(430)는 내부의 발광소자 모듈(443)을 외부의 이물질 등으로부터 보호할 수 있다. 커버(430)는 발광소자 패키지(444)에서 발생한 광의 눈부심을 방지하고, 외부로 광을 균일하게 방출할 수 있도록 확산입자를 포함할 수 있으며, 또한 커버(430)의 내면 및 외면 중 적어도 어느 한 면에는 프리즘 패턴 등이 형성될 수 있다. 또한 커버(430)의 내면 및 외면 중 적어도 어느 한 면에는 형광체가 도포될 수도 있다.
발광소자 패키지(444)에서 발생하는 광은 커버(430)를 통해 외부로 방출되므로, 커버(430)는 광투과율이 우수하여야 하며, 발광소자 패키지(444)에서 발생하는 열에 견딜 수 있도록 충분한 내열성을 구비하고 있어야 하는바, 커버(430)는 폴리에틸렌테레프탈레이트 (Polyethylen?Terephthalate;?PET), 폴리카보네이트(Polycarbonate;?PC), 또는 폴리메틸 메타크릴레이트(Polymethyl Methacrylate; PMMA) 등을 포함하는 재질로 형성될 수 있다.
마감캡(450)은 몸체(410)의 양단에 위치하며 전원장치(미도시)를 밀폐하는 용도로 사용될 수 있다. 마감캡(450)에는 전원 핀(452)이 형성되어 있어, 실시예에 따른 조명 시스템(400)은 기존의 형광등을 제거한 단자에 별도의 장치 없이 곧바로 사용할 수 있게 된다.
도 9 는 일 실시예에 따른 발광소자를 포함하는 액정표시장치의 분해 사시도이다.
도 9 는 에지-라이트 방식으로, 액정 표시 장치(500)는 액정표시패널(510)과 액정표시패널(510)로 빛을 제공하기 위한 백라이트 유닛(570)을 포함할 수 있다.
액정표시패널(510)은 백라이트 유닛(570)으로부터 제공되는 광을 이용하여 화상을 표시할 수 있다. 액정표시패널(510)은 액정을 사이에 두고 서로 대향하는 컬러 필터 기판(512) 및 박막 트랜지스터 기판(514)을 포함할 수 있다.
컬러 필터 기판(512)은 액정표시패널(510)을 통해 디스플레이되는 화상의 색을 구현할 수 있다.
박막 트랜지스터 기판(514)은 구동 필름(517)을 통해 다수의 회로부품이 실장되는 인쇄회로기판(518)과 전기적으로 접속되어 있다. 박막 트랜지스터 기판(514)은 인쇄회로기판(518)으로부터 제공되는 구동 신호에 응답하여 인쇄회로기판(518)으로부터 제공되는 구동 전압을 액정에 인가할 수 있다.
박막 트랜지스터 기판(514)은 유리나 플라스틱 등과 같은 투명한 재질의 다른 기판상에 박막으로 형성된 박막 트랜지스터 및 화소 전극을 포함할 수 있다.
백라이트 유닛(570)은 빛을 출력하는 발광소자 모듈(520), 발광소자 모듈(520)로부터 제공되는 빛을 면광원 형태로 변경시켜 액정표시패널(510)로 제공하는 도광판(530), 도광판(530)으로부터 제공된 빛의 휘도 분포를 균일하게 하고 수직 입사성을 향상시키는 다수의 필름(550, 560, 564) 및 도광판(530)의 후방으로 방출되는 빛을 도광판(530)으로 반사시키는 반사 시트(540)로 구성된다.
발광소자 모듈(520)은 복수의 발광소자 패키지(524)와 복수의 발광소자 패키지(524)가 실장되어 모듈을 이룰 수 있도록 PCB기판(522)을 포함할 수 있다.
발광소자 패키지(524)는 발광소자(미도시)를 포함한다.
백라이트유닛(570)은 도광판(530)으로부터 입사되는 빛을 액정 표시 패널(510) 방향으로 확산시키는 확산필름(566)과, 확산된 빛을 집광하여 수직 입사성을 향상시키는 프리즘필름(550)으로 구성될 수 있으며, 프리즘필름(550)를 보호하기 위한 보호필름(564)을 포함할 수 있다.
도 10 은 실시예에 따른 발광소자를 포함하는 액정표시장치의 분해 사시도이다. 다만, 도 9 에서 도시하고 설명한 부분에 대해서는 반복하여 상세히 설명하지 않는다.
도 10 은 실시예에 따른 직하 방식의 액정 표시 장치(600)이다. 액정 표시 장치(600)는 액정표시패널(610)과 액정표시패널(610)로 빛을 제공하기 위한 백라이트 유닛(670)을 포함할 수 있다. 액정표시패널(610)은 도 9 에서 설명한 바와 동일하므로, 상세한 설명은 생략한다.
백라이트 유닛(670)은 복수의 발광소자 모듈(623), 반사시트(624), 발광소자 모듈(623)과 반사시트(624)가 수납되는 하부 섀시(630), 발광소자 모듈(623)의 상부에 배치되는 확산판(640) 및 다수의 광학필름(660)을 포함할 수 있다.
발광소자 모듈(623)은 복수의 발광소자 패키지(622)와 복수의 발광소자 패키지(622)가 실장되어 모듈을 이룰 수 있도록 PCB기판(621)을 포함할 수 있다.
발광소자 패키지(622)는 발광소자(미도시)를 포함한다.
반사 시트(624)는 발광소자 패키지(622)에서 발생한 빛을 액정표시패널(610)이 위치한 방향으로 반사시켜 빛의 이용 효율을 향상시킨다.
발광소자 모듈(623)에서 발생한 빛은 확산판(640)에 입사하며, 확산판(640)의 상부에는 광학 필름(660)이 배치된다. 광학 필름(660)은 확산 필름(666), 프리즘필름(650) 및 보호필름(664)를 포함하여 구성된다.
실시예에 따른 발광소자는 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
이상에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다
110 : 제1 반도체층 120 : 전류분산층
130 : 전류주입층 140 : 활성층
150 : 제2 반도체층
300 : 발광소자 패키지.

Claims (17)

  1. 제1 반도체층;
    상기 제1 반도체층 상에 배치되며, 상기 제1 반도체층보다 에너지 밴드갭이 작은 복수의 주입우물층을 포함하는 전류주입층;
    상기 전류주입층 상에 배치되는 활성층;
    상기 활성층 상에 배치되는 제2 반도체층; 및
    상기 제1 반도체층과 상기 전류주입층 사이에 배치되며, 상기 제1 반도체층의 에너지 밴드갭보다 작은 에너지밴드갭을 가지는 분산우물층 및 상기 제1 반도체층의 에너지 밴드갭보다 큰 에너지밴드갭을 가지는 분산장벽층을 포함하는 전류분산층;을 포함하는 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전류분산층은 상기 분산우물층과 상기 분산장벽층이 교대로 적층되는 발광소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 분산우물층은 상기 제1 반도체층보다 인듐(In) 함량이 높은 발광소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분산우물층은 에너지 밴드갭이 상기 제1 반도체층의 에너지 밴드갭보다 작은 발광소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 분산우물층은 에너지 밴드갭이 상기 주입우물층의 에너지 밴드갭보다 큰 발광소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 주입장벽층은 상기 제1 반도체층보다 에너지 밴드갭이 큰 발광소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전류분산층은 상기 분산우물층의 에너지 밴드갭과 상기 분산장벽층의 에너지 밴드갭 사이의 에너지 밴드갭을 가지는 분산중간층을 더 포함하는 발광소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 분산중간층은 상기 분산우물층과 상기 분산장벽층의 사이에 배치되는 발광소자.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 분산중간층은 상기 분산장벽층과 상기 전류주입층 사이에 배치되는 발광소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 분산중간층은 상기 전류주입층에 가까워질수록 에너지 밴드갭이 작아지는 발광소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 분산장벽층은 알루미늄인듐갈륨나이트라이드(AlxInyGaN)를 포함하는 발광소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 분산장벽층은 알루미늄함량인 x 가 0.05 내지 0.25 인 발광소자.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 분산장벽층은 인듐함량인 y가 0.02 내지 0.1 인 발광소자.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 분산우물층은 인듐갈륨나이트라이드(InzGaN)를 포함하는 발광소자.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 분산우물층의 인듐함량인 z는 0.01 내지 0.06인 발광소자.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 분산우물층의 두께는 1.5nm 내지 50nm인 발광소자.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 분산우물층과 상기 분산장벽층은 복수개가 교대로 중복 적층되는 발광소자.
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