JP5778466B2 - 発光素子、発光素子パッケージ、及び照明システム - Google Patents

Description

本発明は、発光素子、発光素子製造方法、発光素子パッケージ、及び照明システムに関するものである。

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、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、及び環境親和性の長所を有する。ここに、既存の光源を発光ダイオードに取り替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使われる各種ランプ、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趨勢である。

本発明の目的は、新たな構造を有する発光素子、発光素子製造方法、発光素子パッケージ、及び照明システムを提供することにある。

本発明の他の目的は、発光効率が向上した発光素子、発光素子製造方法、発光素子パッケージ、及び照明システムを提供することにある。

本発明による発光素子は、第１半導体層と、上記第１半導体層の上に形成されて光を生成する活性層と、上記活性層の上に第２導電型半導体層と、上記第２導電型半導体層の上に透明電極層と、上記透明電極層の上に形成され、第１屈折率を有する第１薄膜層と、上記第１屈折率と相異する第２屈折率を有する第２薄膜層が少なくとも１回反復的に積層された多重薄膜ミラーを含み、上記第２導電型半導体層の厚さ（ｄ）は、２・Φ１＋Φ２＝Ｎ・２π±Δ、（０≦Δ≦π／２）から導出され、ここで、上記Φ１は垂直方向の光が上記第２導電型半導体層を通過する時に発生する位相変化であって、Φ１＝２πｎｄ／λ（ｎは上記光の屈折率、λは上記光の波長、ｄは上記第２導電型半導体層の厚さ）であり、上記Φ２は上記光が上記透明電極層または上記多重薄膜ミラーのうち、いずれか１つにより反射される時に発生する位相変化であり、上記Ｎは自然数である。

本発明による発光素子パッケージは、胴体と、上記胴体に設置された第１電極層及び第２電極層と、上記胴体に設置されて上記第１電極層及び第２電極層と電気的に連結される発光素子と、上記発光素子を囲むモールディング部材とを含み、上記発光素子は、第１半導体層と、上記第１半導体層の上に形成されて光を生成する活性層と、上記活性層の上に第２導電型半導体層と、上記第２導電型半導体層の上に透明電極層と、上記透明電極層の上に形成され、第１屈折率を有する第１薄膜層及び上記第１屈折率と相異する第２屈折率を有する第２薄膜層が少なくとも１回反復的に積層された多重薄膜ミラーを含み、上記第２導電型半導体層の厚さ（ｄ）は２・Φ１＋Φ２＝Ｎ・２π±Δ、（０≦Δ≦π／２）から導出され、ここで、上記Φ１は垂直方向の光が上記第２導電型半導体層を通過する時に発生する位相変化であって、Φ１＝２πｎｄ／λ（ｎは上記光の屈折率、λは上記光の波長、ｄは上記第２導電型半導体層の厚さ）であり、上記Φ２は上記光が上記透明電極層または上記多重薄膜ミラーのうち、いずれか１つにより反射される時に発生する位相変化であり、上記Ｎは自然数である。

本発明による照明システムは、基板と、上記基板の上に設置された少なくとも１つの発光素子を含み、上記発光素子は、第１半導体層と、上記第１半導体層の上に形成されて光を生成する活性層と、上記活性層の上に第２導電型半導体層と、上記第２導電型半導体層の上に透明電極層と、上記透明電極層の上に形成され、第１屈折率を有する第１薄膜層及び上記第１屈折率と相異する第２屈折率を有する第２薄膜層が少なくとも１回反復的に積層された多重薄膜ミラーを含み、上記第２導電型半導体層の厚さ（ｄ）は２・Φ１＋Φ２＝Ｎ・２π±Δ、（０≦Δ≦π／２）から導出され、ここで、上記Φ１は垂直方向の光が上記第２導電型半導体層を通過する時に発生する位相変化であって、Φ１＝２πｎｄ／λ（ｎは上記光の屈折率、λは上記光の波長、ｄは上記第２導電型半導体層の厚さ）であり、上記Φ２は上記光が上記透明電極層または上記多重薄膜ミラーのうち、いずれか１つにより反射される時に発生する位相変化であり、上記Ｎは自然数である。

本発明によれば、新たな構造を有する発光素子、発光素子製造方法、発光素子パッケージ、及び照明システムを得ることができる。

本発明によれば、発光効率が向上した発光素子、発光素子製造方法、発光素子パッケージ、及び照明システムを得ることができる。

本発明の実施形態による発光素子の側断面図である。 図１の発光素子の多重薄膜ミラーの拡大図である。 本発明の実施形態による発光素子の製造方法を説明する図である。 本発明の実施形態による発光素子の製造方法を説明する図である。 本発明の実施形態による発光素子の製造方法を説明する図である。 本発明の実施形態による発光素子の製造方法を説明する図である。 本発明の実施形態による発光素子を含む発光素子パッケージの断面図である。 本発明の実施形態による発光素子また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。 本発明の実施形態による発光素子また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。

本発明を説明するに当たって、各層（膜）、領域、パターン、または構造物が、基板、各層（膜）、領域、パッド、またはパターンの“上（on）”に、または“下（under）”に形成されることと記載される場合において、“上（on）”と“下（under）”は、“直接（directly）”または“他の層を介して（indirectly）”形成されることを全て含む。また、各層の上または下に対する基準は、図面を基準として説明する。

図面において、各層の厚さやサイズは説明の便宜及び明確性のために誇張、省略、または概略的に図示された。また、各構成要素のサイズは実際のサイズを全的に反映するのではない。

以下、添付した図面を参照して実施形態による発光素子、発光素子製造方法、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、本発明の実施形態による発光素子１００の側断面図である。

図１を参照すると、実施形態による発光素子１００は、基板１１０と、上記基板１１０の上に第１半導体層１３０と、上記第１半導体層１３０の上に活性層１４０と、上記活性層１４０の上に第２導電型半導体層１５０と、上記第２導電型半導体層１５０の上に透明電極層１６０と、上記透明電極層１６０の上に多重薄膜ミラー１７０と、上記第１半導体層１３０の上に第１電極１３１と、上記透明電極層１６０の上に第２電極１６１とを含むことができる。

上記第２導電型半導体層１５０の厚さ（ｄ）は、２・Φ１＋Φ２＝Ｎ・２π±Δ、（０≦Δ≦π／２）を満たすことができる。ここで、上記Φ１は上記活性層１４０で発生されて垂直方向に進行する光が上記第２導電型半導体層１５０を通過する時に発生する位相変化であり、上記Φ２は上記活性層１４０で発生されて垂直方向に進行する光が上記透明電極層１６０または上記多重薄膜ミラー１７０のうちのいずれか１つにより反射される時に発生する位相変化であり、上記Ｎは自然数である。

上記第２導電型半導体層１５０の厚さ（ｄ）は上記活性層１４０で生成された光と、上記透明電極層１６０により反射された光が強め合う干渉（Constructive Interference; 以下、「補強干渉」という。）を起こす条件を満たすように形成され、この場合、上記発光素子１００の発光効率が向上することができる。

また、上記多重薄膜ミラー１７０は相異する屈折率を有する少なくとも２層以上の薄膜層を積層して形成され、入射される光を反射させることによって、実施形態による発光素子１００で光の補強干渉効果を極大化することができる。

以下、実施形態による発光素子１００について構成要素を中心として詳細に説明する。

上記基板１１０は透光性を有する材質、例えば、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、単結晶基板、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＺｎＯ、ＡｌＮ、Ｓｉ、ＧａＰ、ＩｎＰ、Ｇｅのうちの少なくとも１つで形成され、これに対して限定するものではない。上記基板１１０は、発光構造物１４５が成長される成長基板となることができる。

上記基板１１０の屈折率は光抽出効率のために上記第１半導体層１３０の屈折率より小さいものが好ましい。

上記基板１１０の上面は上記発光構造物１４５を円滑に成長し、上記発光素子１００の光抽出効率を向上させるために傾斜して形成されたり、複数の突出パターンが形成されることができる。例えば、上記突出パターンは、半球形状、多角形形状、三角錐形状、ナノ柱形状のうち、いずれか１つの形状に形成されることもできる。

上記基板１１０の上には発光構造物１４５が形成される。上記発光構造物１４５は、少なくとも上記第１半導体層１３０、活性層１４０、及び第２導電型半導体層１５０を含んで光を生成することができる。

上記第１半導体層１３０は第１導電型半導体層のみで形成されたり、上記第１導電型半導体層の下にアンドープド半導体層をさらに含むことができ、これに対して限定するものではない。また、上記発光構造物１４５及び上記基板１０５の間には格子定数差を緩和するためにバッファ層（図示せず）がさらに形成されることもできる。

上記第１導電型半導体層は、例えば、ｎ型半導体層を含むことができるが、上記ｎ型半導体層は、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（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ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮなどから選択され、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎなどのｎ型ドーパントがドーピングされる。

上記アンドープド半導体層は、上記第１導電型半導体層の結晶性の向上のために形成される層であって、上記ｎ型ドーパントがドーピングされず、上記第１導電型半導体層に比べて格段に低い電気伝導性を有することを除いては、上記第１導電型半導体層と同一である。

上記第１半導体層１３０はトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）ガス、アンモニア（ＮＨ_３）ガス、サイレン（ＳｉＨ_４）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。また、上記第１半導体層１３０は単層または多層で形成される。

上記第１半導体層１３０の上には上記活性層１４０が形成される。上記活性層１４０は、上記第１半導体層１３０及び第２導電型半導体層１５０から提供される電子及び正孔の再結合（recombination）過程で発生するエネルギーギャップの差により光を生成することができる。

上記活性層１４０は、例えば、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（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することができ、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、または量子線構造のうち、少なくともいずれか１つで形成される。上記活性層１４０が上記多重量子井戸構造で形成された場合、上記活性層１４０は複数の井戸層と複数の障壁層が積層されて形成され、例えば、ＩｎＧａＮ井戸層／ＧａＮ障壁層の周期で形成される。

上記活性層１４０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、及びアンモニア（ＮＨ_３）ガスを水素ガスと共にチャンバーに注入して形成することができる。

また、上記活性層１４０の上または／及び下には導電型クラッド（Clad）層が形成されることもでき、上記導電型クラッド層はＡｌＧａＮ系半導体で形成されることもできる。

上記活性層１４０の上には上記第２導電型半導体層１５０が形成される。上記第２導電型半導体層１５０は、例えば、ｐ型半導体層で具現できるが、上記ｐ型半導体層はＩｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（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ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮなどから選択され、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａなどのｐ型ドーパントがドーピングされる。

上記第２導電型半導体層１５０は、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）ガス、アンモニア（ＮＨ_３）ガス、ビセチルサイクロペンタジエニルマグネシウム（ＥｔＣｐ_２Ｍｇ）｛Ｍｇ（Ｃ_２Ｈ_５Ｃ_５Ｈ_４）_２｝ガスを水素ガスと共にチャンバーに注入して形成することができる。

一方、上記第１半導体層１３０がｐ型半導体層を含み、上記第２導電型半導体層１５０がｎ型半導体層を含むこともできる。また、上記第２導電型半導体層１５０の上にはｎ型またはｐ型半導体層を含む第３導電型の半導体層（図示せず）が形成されることもでき、これによって、上記発光構造物１４５は、ｎｐ、ｐｎ、ｎｐｎ、ｐｎｐ接合構造のうち、少なくともいずれか１つを有することができる。また、上記第１半導体層１３０及び上記第２導電型半導体層１５０の内の不純物のドーピング濃度は均一または不均一に形成される。即ち、上記発光構造物１４５の構造は多様に形成されることができ、これに対して限定するものではない。

上記第１半導体層１３０、活性層１４０、及び第２導電型半導体層１５０を含む発光構造物１４５は、多様な変形された構造で形成され、実施形態で例示した上記発光構造物１４５の構造に限定されるものではない。

上記第２導電型半導体層１５０の上には上記透明電極層１６０が形成される。上記透明電極層１６０は、上記第２導電型半導体層１５０に電流を均等にスプレッディング（拡散）させることができる。

上記透明電極層１６０は、例えば、ＩＴＯ、ＩＺＯ（Ｉｎ−ＺｎＯ）、ＧＺＯ（Ｇａ−ＺｎＯ）、ＡＺＯ（Ａｌ−ＺｎＯ）、ＡＧＺＯ（Ａｌ−Ｇａ ＺｎＯ）、ＩＧＺＯ（Ｉｎ−Ｇａ ＺｎＯ）、ＩｒＯ_ｘ、ＲｕＯ_ｘ、ＲｕＯ_ｘ／ＩＴＯ、Ｎｉ／ＩｒＯ_ｘ／Ａｕ、及びＮｉ／ＩｒＯ_ｘ／Ａｕ／ＩＴＯのうち、少なくとも１つを含むことができる。

上記透明電極層１６０の上には上記多重薄膜ミラー１７０が形成される。上記多重薄膜ミラー１７０は相異する屈折率を有する少なくとも２層以上の薄膜層を反復的に積層して形成される。上記多重薄膜ミラー１７０は、上記第２導電型半導体層１５０及び上記透明電極層１６０を通過して所定の入射角度に入射される光を反射させることによって、実施形態による発光素子１００の補強干渉効果を極大化することができる。

図２は、本発明の実施形態による発光素子の多重薄膜ミラー１７０を拡大した図である。

図２を参照すると、上記多重薄膜ミラー１７０は、第１屈折率（ｎ１）を有する第１薄膜層１７０ａと、上記第１屈折率（ｎ１）と相異する第２屈折率（ｎ２）を有する第２薄膜層１７０ｂが少なくとも１回反復的に積層して形成される。

上記第１薄膜層１７０ａ及び第２薄膜層１７０ｂの各々は、下記の＜数式１＞と同一な厚さを有するように形成される。

薄膜層の厚さ＝（２ｍ＋１）・λ／４ｎ±Δ、（λ：光の波長、ｎ：屈折率、ｍ：自然数、Δ≦λ／８ｎ） …＜数式１＞

即ち、上記第１薄膜層１７０ａの厚さは（２ｍ＋１）・λ／４ｎ１±Δ１（Δ１＝λ／８ｎ１）であり、上記第２薄膜層１７０ｂの厚さは（２ｍ＋１）・λ／４ｎ２±Δ２（Δ２＝λ／８ｎ２）でありうる。

一方、上記多重薄膜ミラー１７０の最下層に上記第１薄膜層１７０ａが形成される場合、上記第１薄膜層１７０ａの屈折率は上記第２薄膜層１７０ｂ及び上記透明電極層１６０の屈折率より大きく、または小さく形成されることが好ましい。多数の薄膜層を積層して得る反射効果を極大化するためには、高い屈折率と低い屈折率を有する層が交互に形成されることが好ましいためである。

例えば、上記第１薄膜層１７０ａは２．４４の第１屈折率（ｎ１）を有するＴｉＯ_２で形成され、上記第２薄膜層１７０ｂは１．４６の第２屈折率（ｎ２）を有するＳｉＯ_２で形成され、上記透明電極層１６０は２．０の屈折率を有するＩＴＯで形成される。但し、上記第１及び第２薄膜層１７０ａ、１７０ｂの材質はこれに限定されず、例えば、酸化物（Oxide）、窒化物（Nitride）、または弗化物（Flouride）系列の化合物のうち、いずれか１つで形成される。

また、上記第１薄膜層１７０ａ及び第２薄膜層１７０ｂは少なくとも１回反復的に積層される。上記第１薄膜層１７０ａ及び第２薄膜層１７０ｂの積層回数が多い過ぎる場合には上記多重薄膜ミラー１７０を透過して外部に抽出される光量が減って、むしろ発光素子の発光効率を落とすことがあり、積層回数が少ない場合には上記多重薄膜ミラー１７０の反射効果が微小なことがある。したがって、上記第１薄膜層１７０ａ及び第２薄膜層１７０ｂの積層回数は実施形態による発光素子１００の設計によって多様に変化される。

また、図１を参照すると、上記第１半導体層１３０の上には上記第１電極１３１が形成され、上記透明電極層１６０の上には上記第２電極１６１が形成される。

上記第１電極１３１は上記第１半導体層１３０の上方に配置され、上記第２電極１６１は上記第２導電型の半導体層１５０の上方に配置され、外部電源から提供を受けた電源を上記発光素子１００に提供することができる。

例えば、上記第１電極１３１及び第２電極１６１は、アルミニウム（Ａｌ）、チタニウム（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）のうち、少なくとも１つを含んで単層または多層構造で形成される。

上記多重薄膜ミラー１７０は上記第１電極１３１及び第２電極１６１と垂直方向でオーバーラップしないように形成され、上記多重薄膜ミラー１７０は上記第２電極１６１と水平方向でオーバーラップするように形成されることもできる。上記多重薄膜ミラー１７０は全体面積が上記活性層１４０の面積より小さく形成されることもでき、上記多重薄膜ミラー１７０は全体が上記活性層１４０と垂直方向でオーバーラップするように配置されることもできる。

実施形態による発光素子１００において、上記第２導電型半導体層１５０の厚さ（ｄ）は光の補強干渉条件である下記の＜数式２＞を満たすことができる。

２・Φ１＋Φ２＝Ｎ・２π±Δ、（０≦Δ≦π／２） …＜数式２＞

ここで、上記Φ１は垂直方向の光が上記第２導電型半導体層１５０を通過する時に発生する位相変化であり、上記Φ２は上記光が上記透明電極層１６０または上記多重薄膜ミラー１７０のうち、いずれか１つにより反射される時に発生する位相変化であり、上記Ｎは自然数である。

上記位相変化Φ１は光が上記第２導電型半導体層１５０のような媒質を通過する時の位相変化を表し、光の波長、上記光が過ぎる媒質の屈折率及び厚さなどによって変わることができる。具体的には、位相変化Φ１＝２πｎｄ／λであり、ここでｎは光の屈折率、λは光の波長、ｄは光が通過する媒質の厚さ、即ち第２導電型半導体層の厚さ（ｄ）を表す。

また、上記位相変化Φ２は光が上記透明電極層１６０または上記多重薄膜ミラー１７０により反射される時の位相変化を表す。

上記透明電極層１６０は上記第２導電型半導体層１５０より密度の小さい材質で形成されるので、上記透明電極層１６０で反射される光は自由端反射するようになり、したがって位相が変化しなかったり、０゜に近い値に変化するようになる。

上記多重薄膜ミラー１７０は光の入射角度によって全反射過程により光を反射させるので、上記多重薄膜ミラー１７０で光が反射される場合に位相は変化しなかったり、０゜に近い値に変化するようになる。

したがって、上記位相変化Φ２は理想的には０であり、この場合、上記＜数式２＞にΦ２≒０を代入すれば、上記補強干渉条件は下記の＜数式３＞の通り整理される。

２・Φ１≒Ｎ・２π±Δ、（０≦Δ≦π／２） …＜数式３＞

そして、上記＜数式３＞に上記Φ１＝２πｎｄ／λを代入すれば、上記補強干渉条件は下記の＜数式４＞の通り整理される。

４πｎｄ／λ≒Ｎ・２π±Δ、（０≦Δ≦π／２） …＜数式４＞

ここで、上記ｄは第２導電型半導体層の厚さであるので、上記＜数式４＞を上記ｄに基づいて再度整理すれば、下記の＜数式５＞の通りである。

ｄ≒λ／４πｎ・（Ｎ・２π±Δ）、（０≦Δ≦π／２） …＜数式５＞

したがって、上記補強干渉条件を満たす第２導電型半導体層の厚さ（ｄ）は、上記の＜数式５＞の通りである。

上記厚さ（ｄ）は上記活性層１４０で生成された光と、上記透明電極層１６０または上記多重薄膜ミラー１７０により反射された光が補強干渉（Constructive Interference）を起こす条件を満たして上記発光素子１００の光抽出効率を向上させる。

具体的に説明すれば、上記活性層１４０で生成されて上に向ける光のうちの一部は上記透明電極層１６０及び上記多重薄膜ミラー１７０を透過して外部に抽出されるが、他の一部は上記透明電極層１６０または上記多重薄膜ミラー１７０により反射される。

そして、上記透明電極層１６０または上記多重薄膜ミラー１７０により反射された光はまた上記活性層１４０に向けるようになって、上記活性層１４０で生成された光などと干渉現象を起こすようになるが、この際、上記干渉現象が補強干渉（Constructive Interference）になるか、弱め合う干渉（Destructive Interference；以下、「相殺干渉」という。）になるかは、上記第２導電型半導体層１５０の厚さ（ｄ）により相当部分左右される。

したがって、実施形態では上記第２導電型半導体層１５０の厚さ（ｄ）を上記のように形成することによって、補強干渉効果により光の強さを増幅させて上記発光素子１００の光抽出効率を向上させることができる。

また、このように補強干渉された光は干渉効果によって周期の大きい高次モードの光に変化するが、これによって、補強干渉された光は上記多重薄膜ミラー１７０により反射されず、上記多重薄膜ミラー１７０を透過して外部に抽出できるようになる。

一方、上記のような補強干渉効果を得るためには、上記活性層１４０の厚さがλ／ｎ（ｎ：光の屈折率、λ：光の波長）の以下のものが好ましい。上記活性層１４０の厚さがλ／ｎより大きい場合、上記活性層１４０の一領域で生成される光は補強干渉を起こし、他の領域で生成される光は相殺干渉を起こすことができるので、上記第２導電型半導体層１５０の厚さ（ｄ）を調節することが無意味になりえるためである。

また、上記厚さ（ｄ）は垂直方向の光が補強干渉を起こす条件を中心として決定されるが、これは上記第２導電型半導体層１５０の厚さが数百ｎｍ単位に薄く形成されるので、垂直方向の光の成分が優勢に作用し、量子干渉現象が発生する可能性も大きいためである。

また、上記厚さ（ｄ）には上記Δの範囲が存在するが、０≦Δ≦π／２の範囲は補強干渉効果が相殺干渉効果より優勢な範囲を表す。

以下、実施形態による発光素子１００の製造方法について詳細に説明する。但し、前述した内容と重複する内容は省略または簡略に説明する。

図３乃至図６は、本発明の実施形態による発光素子１００の製造方法を説明する図である。

図３を参照すると、上記基板１１０の上に上記第１半導体層１３０、活性層１４０、及び第２導電型半導体層１５０を順次に成長して上記発光構造物１４５を形成することができる。

上記基板１１０は透光性を有する材質、例えば、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＺｎＯ、ＡｌＮ、Ｓｉ、ＧａＰ、ＩｎＰ、Ｇｅのうちの少なくとも１つで形成され、これに対して限定するものではない。

上記発光構造物１４５は、例えば、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）、水素化物気相成長法（ＨＶＰＥ：Hydride Vapor Phase Epitaxy）などの方法を用いて形成され、これに対して限定するものではない。

図４及び図５を参照すると、上記第２導電型半導体層１５０の上に上記透明電極層１６０を形成し、上記透明電極層１６０の上に上記多重薄膜ミラー１７０を形成することができる。

上記透明電極層１６０及び上記多重薄膜ミラー１７０はスパッタリング（Sputtering）、電子ビーム（E-beam）蒸着、ＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）などの蒸着方法により形成されるが、これに対して限定するものではない。

図６を参照すると、上記第１半導体層１３０の上に上記第１電極１３１を形成し、上記透明電極層１６０の上に上記第２電極１６１を形成することによって、実施形態による発光素子１００を提供することができる。

上記第１電極１３１は上記発光構造物１４５を上記第１半導体層１３０の上面の一部が露出するようにエッチングなどにより除去した後、上記第１半導体層１３０の上に形成される。

上記第２電極１６１は、上記多重薄膜ミラー１７０を選択的に除去して露出した上記透明電極層１６０の上に形成される。または、初めから上記多重薄膜ミラー１７０を上記第２電極１６１が形成される領域を除いて形成することもできる。

上記第１及び第２電極１３１、１６１は蒸着工程またはメッキ工程により形成されるが、これに対して限定するものではない。

前述したように、実施形態による発光素子は透明電極層１６０の上に多重薄膜ミラー１７０を配置し、第２導電型半導体層１５０の厚さを調節することで、発光素子の発光効率を向上させることができる。

図７は、本発明の実施形態による発光素子１００を含む発光素子パッケージの断面図である。

図７を参照すると、実施形態による発光素子パッケージは、胴体２０、上記胴体２０に設置された第１電極層３１及び第２電極層３２、上記胴体２０に設置されて上記第１電極層３１及び第２電極層３２と電気的に連結される実施形態による発光素子１００、及び上記発光素子１００を囲むモールディング部材４０を含む。

上記胴体２０は、シリコン材質、合成樹脂材質、または金属材質を含んで形成され、上記発光素子１００の周囲に傾斜面が形成される。

上記第１電極層３１及び第２電極層３２は互いに電気的に分離され、上記発光素子１００に電源を提供する。また、上記第１電極層３１及び第２電極層３２は、上記発光素子１００で発生した光を反射させて光効率を増加させることができ、上記発光素子１００で発生した熱を外部に排出させる役割をすることもできる。

上記発光素子１００は、上記胴体２０の上に設置されたり上記第１電極層３１または第２電極層３２の上に設置される。

上記発光素子１００は、上記第１電極層３１及び第２電極層３２とワイヤー方式、フリップチップ方式、またはダイボンディング方式のうち、いずれか１つにより電気的に連結されることもできる。

上記モールディング部材４０は、上記発光素子１００を囲んで保護することができる。また、上記モールディング部材４０には蛍光体が含まれて上記発光素子１００から放出された光の波長を変化させることができる。

上記モールディング部材４０または胴体２０の上には少なくとも１つのレンズ（図示せず）が形成され、上記レンズは凸形状のレンズ、凹形状のレンズ、または凹と凸構造を有するレンズなどを含むことができる。

実施形態による発光素子パッケージは複数個が基板の上にアレイ（配列）され、上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。このような発光素子パッケージ、基板、及び光学部材は、バックライトユニットとして機能したり、照明ユニットとして機能することができ、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、及び街灯を含むことができる。

図８は、本発明の実施形態による発光素子また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。但し、図８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、これに対して限定するものではない。

図８を参照すると、上記バックライトユニット１１００は、ボトムフレーム１１４０、上記ボトムフレーム１１４０の内に配置された光ガイド部材１１２０、及び上記光ガイド部材１１２０の少なくとも一側面または下面に配置された発光モジュール１１１０を含むことができる。また、上記光ガイド部材１１２０の下には反射シート１１３０が配置される。

上記ボトムフレーム１１４０は、上記光ガイド部材１１２０、上記発光モジュール１１１０、及び上記反射シート１１３０が収納できるように上面が開口されたボックス（box）形状に形成され、金属材質または樹脂材質で形成されるが、これに対して限定するものではない。

上記発光モジュール１１１０は、基板７００、及び上記基板７００に搭載された複数個の発光素子パッケージ６００を含むことができる。上記複数個の発光素子パッケージ６００は、上記光ガイド部材１１２０に光を提供することができる。実施形態において、上記発光モジュール１１１０は上記基板７００の上に発光素子パッケージ６００が設置されたものが例示されているが、実施形態による発光素子２００が直接設置されることも可能である。

図８に示すように、上記発光モジュール１１１０は、上記ボトムフレーム１１４０の内側面のうちの少なくともいずれか１つに配置され、これによって、上記光ガイド部材１１２０の少なくとも１つの側面に向けて光を提供することができる。

但し、上記発光モジュール１１１０は上記ボトムフレーム１１４０の下に配置されて、上記光ガイド部材１１２０の底面に向けて光を提供することもでき、これは上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であるので、これに対して限定するものではない。

上記光ガイド部材１１２０は、上記ボトムフレーム１１４０の内に配置される。上記光ガイド部材１１２０は、上記発光モジュール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）にガイドすることができる。

上記光ガイド部材１１２０は、例えば、導光板（ＬＧＰ：Light Guide Panel）でありうる。上記導光板は、例えばＰＭＭＡ（polymethyl metaacrylate）のようなアクリル樹脂系列、ＰＥＴ（polyethylene terephthlate）、ＰＣ（poly carbonate）、ＣＯＣ、及びＰＥＮ（polyethylene naphthalate）樹脂のうちの１つで形成される。

上記光ガイド部材１１２０の上側には光学シート１１５０が配置されることもできる。

上記光学シート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１つを含むことができる。例えば、上記光学シート１１５０は、上記拡散シート、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。この場合、上記拡散シート１１５０は、上記発光モジュール１１１０から出射された光を均等に拡散させ、上記拡散された光は上記集光シートにより表示パネル（図示せず）に集光される。この際、上記集光シートから出射される光はランダムに偏光された光であるが、上記輝度上昇シートは上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。上記集光シートは、例えば、水平または／及び垂直プリズムシートでありうる。また、上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、上記蛍光シートは、蛍光体が含まれた透光性プレートまたはフィルムとなることもできる。

上記光ガイド部材１１２０の下には上記反射シート１１３０が配置される。上記反射シート１１３０は、上記光ガイド部材１１２０の下面を通じて放出される光を上記光ガイド部材１１２０の出射面に向けて反射することができる。

上記反射シート１１３０は反射率の良い樹脂材質、例えば、ＰＥＴ、ＰＣ、ＰＶＣレジンなどで形成されるが、これに対して限定するものではない。

図９は、本発明の実施形態による発光素子また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。但し、図９の照明ユニット１２００は照明システムの一例であり、これに対して限定するものではない。

図９を参照すると、上記照明ユニット１２００は、ケース胴体１２１０、上記ケース胴体１２１０に設置された発光モジュール１２３０、及び上記ケース胴体１２１０に設置され、外部電源から電源の提供を受ける連結端子１２２０を含むことができる。

上記ケース胴体１２１０は放熱特性の良好な材質で形成されることが好ましく、例えば金属材質または樹脂材質で形成される。

上記発光モジュール１２３０は、基板７００、及び上記基板７００に搭載される少なくとも１つの発光素子パッケージ６００を含むことができる。実施形態において、上記発光モジュール１１１０は、上記基板７００の上に発光素子パッケージ６００が設置されたものが例示されているが、実施形態による発光素子２００が直接設置されることも可能である。

上記基板７００は絶縁体に回路パターンが印刷されたものであり、例えば、一般印刷回路基板（ＰＣＢ：Printed Circuit Board）、メタルコア（Metal Core）ＰＣＢ、軟性（Flexible）ＰＣＢ、セラミックＰＣＢなどを含むことができる。

また、上記基板７００は光を効率的に反射する材質で形成されるか、あるいはその表面は、光が効率的に反射されるカラー、例えば白色、銀色などで形成される。

上記基板７００の上には上記少なくとも１つの発光素子パッケージ６００が搭載される。上記発光素子パッケージ６００は、各々少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）を含むことができる。上記発光ダイオードは、赤色、緑色、青色、また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。

上記発光モジュール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。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合せて配置することができる。また、上記発光モジュール１２３０から放出される光の進行経路の上には蛍光シートがさらに配置され、上記蛍光シートは上記発光モジュール１２３０から放出される光の波長を変化させる。例えば、上記発光モジュール１２３０から放出される光が青色波長帯を有する場合、上記蛍光シートには黄色蛍光体が含まれ、上記発光モジュール１２３０から放出された光は上記蛍光シートを過ぎて最終的に白色光と見られるようになる。

上記連結端子１２２０は、上記発光モジュール１２３０と電気的に連結されて電源を供給することができる。図９の図示によると、上記連結端子１２２０はソケット方式により外部電源に螺合されるが、これに対して限定するものではない。例えば、上記連結端子１２２０はピン（pin）形態に形成されて外部電源に挿入されたり、配線により外部電源に連結されることもできる。

前述したような照明システムは、上記発光モジュールから放出される光の進行経路の上に、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、少なくともいずれか１つが配置されて、希望する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に優れる実施形態による発光素子または発光素子パッケージを含むことによって、優れる光効率を有することができる。

以上、実施形態に説明された特徴、構造、効果などは、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれ、必ず１つの実施形態のみに限定されるのではない。延いては、各実施形態で例示された特徴、構造、効果などは、実施形態が属する分野の通常の知識を有する者により他の実施形態に対しても組合または変形されて実施可能である。したがって、このような組合と変形に関連した内容は本発明の範囲に含まれることと解釈されるべきである。

以上、本発明を好ましい実施形態をもとに説明したが、これは単なる例示であり、本発明を限定するのでない。本発明の本質的な特性を逸脱しない範囲内で、多様な変形及び応用が可能であることが同業者にとって明らかである。例えば、実施形態に具体的に表れた各構成要素は変形して実施することができ、このような変形及び応用にかかわる差異点も、特許請求の範囲で規定する本発明の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。

Claims (12)

1. 第１半導体層と、
   前記第１半導体層の上に形成されて光を生成する活性層と、
   前記活性層の上に形成された第２導電型半導体層と、
   前記第２導電型半導体層の上に形成された透明電極層と、
   前記透明電極層の上に形成され、第１屈折率を有する第１薄膜層と、前記第１屈折率と相異する第２屈折率を有する第２薄膜層が少なくとも１回反復的に積層された多重薄膜ミラーを含み、
   前記第２導電型半導体層の厚さ（ｄ）は下記の＜数式１＞から導出され、
   ２・Φ１＋Φ２＝Ｎ・２π±Δ、（０≦Δ≦π／２）…＜数式１＞
   ［ここで、前記Φ１は垂直方向の光が前記第２導電型半導体層を通過する時に発生する位相変化であって、Φ１＝２πｎｄ／λ（ｎは前記光の屈折率、λは前記光の波長、ｄは前記第２導電型半導体層の厚さ）であり、前記Φ２は前記光が前記透明電極層または前記多重薄膜ミラーのうち、いずれか１つにより反射される時に発生する位相変化であり、前記Ｎは自然数である。］
   前記光が前記透明電極層または前記多重薄膜ミラーのうち、いずれか１つにより反射される時に発生する前記位相変化（Φ２）は約０°であり、
   補強干渉を起こす条件を満たす前記第２導電型半導体層の前記厚さ（ｄ）は、下記の＜数式２＞により表される、ことを特徴とする、発光素子。
   ｄ≒λ／４πｎ・（Ｎ・２π±Δ）、（０≦Δ≦π／２）・・・＜数式２＞
2. 前記活性層の厚さはλ／ｎ以下であり、前記ｎは前記光の屈折率であり、前記λは前記光の波長であることを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
3. 前記透明電極層は、ＩＴＯ、ＩＺＯ（Ｉｎ−ＺｎＯ）、ＧＺＯ（Ｇａ−ＺｎＯ）、ＡＺＯ（Ａｌ−ＺｎＯ）、ＡＧＺＯ（Ａｌ−ＧａＺｎＯ）、ＩＧＺＯ（Ｉｎ−ＧａＺｎＯ）、ＩｒＯ_ｘ、ＲｕＯ_ｘ、ＲｕＯ_ｘ／ＩＴＯ、Ｎｉ／ＩｒＯ_ｘ／Ａｕ及びＮｉ／ＩｒＯ_ｘ／Ａｕ／ＩＴＯのうち、少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の発光素子。
4. 前記多重薄膜ミラーの前記第１薄膜層の厚さは（２ｍ＋１）・λ／４ｎ１±Δ１であり、Δ１≦λ／８ｎ１であり、前記第２薄膜層の厚さは（２ｍ＋１）・λ／４ｎ２±Δ２であり、Δ２≦λ／８ｎ２であり、
   ここで、前記ｎ１は前記第１薄膜層の第１屈折率であり、前記ｎ２は前記第２薄膜層の第２屈折率であり、前記λは光の波長であり、ｍは自然数であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の発光素子。
5. 前記第１薄膜層及び第２薄膜層は、酸化物、窒化物、または弗化物系列の化合物のうちのいずれか１つで形成されたことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の発光素子。
6. 前記第１薄膜層はＴｉＯ_２で形成され、前記第２薄膜層はＳｉＯ_２で形成されたことを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の発光素子。
7. 前記第１薄膜層の前記第１屈折率は前記透明電極層の屈折率及び前記第２薄膜層の第２屈折率より大きいか、前記透明電極層の屈折率及び前記第２薄膜層の第２屈折率より小さいことを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載の発光素子。
8. 前記第１半導体層は基板の上に形成されることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載の発光素子。
9. 前記第１半導体層の上に第１電極が形成され、前記透明電極層の上に第２電極が形成されたことを特徴とする、請求項１乃至８のいずれかに記載の発光素子。
10. 前記多重薄膜ミラーは前記第１電極及び第２電極と垂直方向でオーバーラップしないように形成されることを特徴とする、請求項９に記載の発光素子。
11. 胴体と、
    前記胴体に設置された第１電極層及び第２電極層と、
    前記胴体に設置されて前記第１電極層及び前記第２電極層に電気的に連結される請求項１乃至１０のうちのいずれか１つに記載された発光素子と、
    前記胴体の上に前記発光素子を囲むモールディング部材と、を含むことを特徴とする、発光素子パッケージ。
12. 発光素子を光源として使用する照明システムであって、
    前記照明システムは、基板と、前記基板の上に設置された少なくとも１つの発光素子を含み、
    前記発光素子は請求項１乃至１０のうちのいずれか１つに記載された照明システム。