発光素子
【課題】全注入電流領域で高効率の発光特性を備えることができる発光素子、発光素子パッケージ及び照明システムを提供すること。
【達成手段】本発明の実施形態による発光素子は、第１導電型半導体層、第２導電型半導体層及び前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間に活性層を含めて、前記活性層は、前記第２導電型半導体層に隣接する第１活性層と前記第１導電型半導体層に隣接する第２活性層及び第１活性層と前記第２活性層との間にゲート量子壁を含む。
【達成手段】本発明の実施形態による発光素子は、第１導電型半導体層、第２導電型半導体層及び前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間に活性層を含めて、前記活性層は、前記第２導電型半導体層に隣接する第１活性層と前記第１導電型半導体層に隣接する第２活性層及び第１活性層と前記第２活性層との間にゲート量子壁を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、発光素子、発光素子パッケージ及び照明システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体の薄膜基盤の発光素子は、電気エネルギーを光エネルギーに変換する機能を有する。周期律表上で３族と５族の元素が化合して形成される窒化物半導体物質を用いる発光素子は、薄膜成長技術及び素子材料の開発に従って赤色、緑色、青色及び紫外線など多様な波長（色）の光を具現することができ、蛍光物質を用いることや色を組み合わせることでよい効率の白色光を具現することができる。また、窒化物半導体薄膜基盤の発光素子は、蛍光灯、白熱灯など既存の光源に比べ低消費電力、半永久的な寿命、速い応答速度、安全性、環境に優しい所などの長所を有している。よって、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｒａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）表示装置のバックライトを構成する冷陰極蛍光ランプ（ＣＣＦＬ：Ｃｏｌｄ Ｃａｔｈｏｄｅ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ Ｌａｍｐ）の代わりの発光ダイオードバックライト、蛍光灯や白熱電球の代わりの役割を果たすことができる白色発光ダイオード照明装置、自動車のヘッドライト及び信号灯にまでその応用が拡大されている。窒化物半導体の発光素子の応用範囲の拡大は、根本的に発光素子の高効率化の技術開発を要求する。
【０００３】
従来技術による窒化物半導体の発光素子は、高電流注入のときに著しい非発光損失プロセスによる発光効率低下の問題を有しており、その原因はまだ明確に究明されていない実情で、全世界的に大勢の学者と専門家たちがその原因究明のために活発な研究を行っている。また、従来技術による窒化物半導体の発光素子は、低電流注入のときに結晶欠陥に応じた非発光損失プロセスによる発光効率低下の問題を有している。
【０００４】
特に、青色及び緑色の光を放出する窒化物半導体の発光素子において、高電流の印加のときに発生する発光効率減少の問題は、高出力、高効率の照明用発光素子の具現において最も重要な技術的な問題の一つである。
【０００５】
よって、注入電流量が小さい領域から注入電流量が大きい領域まで至る全注入電流領域で優れた発光量子効率を提供することができる理想的な窒化物半導体の発光素子構造の開発の要求が高まっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の実施形態は、従来の窒化物半導体の発光素子が有している本質的な問題である高電流注入のときに発生する非発光損失による発光効率の低下の問題を克服するともに、低電流注入のときに発生する結晶欠陥に応じる非発光損失による発光効率低下の問題を画期的に克服することで、全注入電流領域で高効率の発光特性を備えることができる発光素子、発光素子パッケージ及び照明システムを提供しようとすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態による発光素子は、第１導電型半導体層、第２導電型半導体層及び前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層の間に活性層を含めて、前記活性層は、前記第２導電型半導体層に隣接する第１活性層と前記第１導電型半導体層に隣接する第２活性層及び前記第１活性層と前記第２活性層との間にゲート量子壁を含む。
【０００８】
また、本発明の実施形態による発光素子は、第１導電型半導体層と、第２導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間に活性層と、を含めて、前記活性層は、前記第１導電型半導体層に隣接する多重量子井戸構造の第３活性層と前記第２導電型半導体層に隣接する単一量子井戸構造の第４活性層及び前記第３活性層と前記第４活性層との間にゲート量子壁を含むことができる。
【０００９】
また、本発明の実施形態による発光素子パッケージは、前記発光素子と、前記発光素子が配置されるパッケージ本体と、前記発光素子と前記パッケージ本体を電気的に接続する一つ以上の電極と、を含む。
【００１０】
また、本発明の実施形態による照明システムは、前記発光素子パッケージを備える発光ユニットを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】従来技術の多重量子井戸構造の活性層を備える窒化物半導体の発光素子においての活性層に対するエネルギーバンドの概略図である。
【図２】従来技術の多重量子井戸構造の活性層（図１参照）を備える窒化物半導体の発光素子においての注入電流量の増加による内部発光量子効率の特性を示す図である。
【図３】従来技術の幅の広い単一量子井戸構造基盤の活性層を備える窒化物半導体の発光素子においての活性層に対するエネルギーバンドの概略図である。
【図４】従来技術の幅の広い単一量子井戸構造の活性層（図３参照）を備える窒化物半導体の発光素子においての注入電流量の増加による内部発光量子効率の特性を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る発光素子チップの断面例示図である。
【図６】第１実施形態に係る発光素子において、第１活性層と第２活性層の二重活性層を備える発光素子の活性層に対するエネルギーバンドギャップの概略図である。
【図７】第１実施形態に従って製造された二重活性層を備える窒化物半導体の発光素子においての注入電流による発光効率の特性を示す図である。
【図８】第２実施形態に係る発光素子において、第１活性層は多重量子井戸構造で、第２活性層は超格子構造で形成される二重活性層を備える発光素子の活性層に対するエネルギーバンドギャップの概略図である。
【図９】第３実施形態に係る発光素子において、第２活性層は広い単一量子井戸構造で、第１活性層は狭い単一量子井戸構造で形成される二重活性層を備える発光素子の活性層に対するエネルギーバンドギャップの概略図である。
【図１０】第３実施形態に係る発光素子において、二重活性層を備える窒化物半導体の青色発光素子においての注入電流による光出力の特性を示す図である。
【図１１】第４実施形態に係る発光素子において、第１活性層と第２活性層との二重活性層を備える窒化物半導体の発光素子に対するエネルギーバンドギャップの概略図である。
【図１２】第４実施形態に係る発光素子において、二重活性層を備える発光素子に低電流が注入されるときに二重活性層の内部においての電子と正孔の分布度を示す図である。
【図１３】第４実施形態に係る発光素子において、二重活性層を備える発光素子に高電流が注入されるときに二重活性層の内部においての電子と正孔の分布度を示す図である。
【図１４】第４実施形態に係る発光素子において、二重活性層構造を備える窒化物半導体の青色発光素子においての注入電流密度による内部発光量子効率の変化を示す図である。
【図１５】第５実施形態に係る発光素子において、一つの第１活性層は多重量子井戸構造で、電子注入層と正孔注入層に各々隣接配置される二つの第２活性層は広い単一量子井戸構造で形成される多重活性層を備える発光素子の活性層に対するエネルギーバンドギャップの概略図である。
【図１６】第５実施形態に係る発光素子において、多重活性層構造を備える窒化物半導体の青色発光素子においての注入電流に対する光出力の変化を示す図である。
【図１７】本発明の実施形態による発光素子パッケージの断面図である。
【図１８】本発明の実施形態による照明ユニットの斜視図である。
【図１９】本発明の実施形態によるバックライトユニットの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態による発光素子、発光素子パッケージ及び照明システムを添付の図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は、従来技術の多重量子井戸構造の活性層を備える窒化物半導体の発光素子においての活性層に対するエネルギーバンドの概略図である。図２は、従来の多重量子井戸構造の活性層（図１参照）を備える窒化物半導体の発光素子においての注入電流量の増加による内部発光量子効率の特性を示す図である。
【００１４】
図２に示すように、従来の多重量子井戸構造基盤の窒化物半導体の発光素子製造技術は、注入電流が増加することによって著しい発光量子効率低下の問題を有する。従来の窒化物半導体の多重量子井戸構造の活性層において、ｎ型ＧａＮ基盤の電子注入層から注入される電子は、量子井戸伝導帯（Ｅｃ）の上に形成されている量子化エネルギー準位に位置して、ｐ型ＧａＮ基盤の正孔注入層から注入される正孔は、量子井戸価電子帯（Ｅｖ）の下に形成されている量子化エネルギー準位に位置する。量子井戸内の基底状態の量子化エネルギー準位に各々位置した電子と正孔は、量子力学的な結合条件が満足されれば互いに結合して光を放出する。
【００１５】
しかし、一つの量子井戸内において最低のエネルギー状態である基底状態（ｑｕａｎｔｕｍ ｎｕｍｂｅｒ，ｎ＝１）の量子化エネルギー準位は、量子力学的に一定量の電子または正孔だけを保有することができる。また、より高い量子化エネルギー準位に位置する電子と正孔は、そのエネルギー状態が基底状態に位置する電子と正孔とに比べ高い。よって、注入される電子または正孔の量が十分である場合、一つの量子井戸内で高い量子化エネルギー準位に位置するキャリア（電子及び正孔）は、隣の他の量子井戸内の基底状態へ移り込んで発光に寄与する。
【００１６】
ところで、従来の多重量子井戸構造の活性層（発光層）を備える窒化物半導体の発光素子においては、活性層内のすべての量子井戸層が注入されたキャリアを均一に分散受容することができず、正孔注入層に隣接した少数の量子井戸層のみが主に発光に寄与する問題を有している。よって、注入電流量が十分である場合、活性層内に効果的に束縛されない残りの電子または正孔が生じることになる。
【００１７】
この残りの電子または正孔は、光を発生させることに寄与しなく、活性層内でオージェ非発光プロセス（Ａｕｇｅｒ ｎｏｎｒａｄｉａｔｉｖｅ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ）により自体消滅されるかまたは活性層の外に漏洩される。
【００１８】
オージェ非発光プロセスは、Ｃｎ３（Ｃ：Ａｕｇｅｒ ｃｏｎｓｔａｎｔ， ｎ：ｉｎｊｅｃｔｅｄ ｃａｒｒｉｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ）に表すことができ、量子力学的に発生する物質の本質的な属性である。活性層の外への漏洩は、主に注入キャリアの量子壁オーバーフロの形態で発生する。
【００１９】
従来の窒化物半導体の発光素子は、物質の本来の極性に基づいて本質的に活性層の内部に非常に大きい内部フィールドが存在して、また、活性層に注入される電子がホットキャリア性質を有しているため著しいキャリアオーバーフローの問題を有する。
【００２０】
結局、注入される電流が増加すると電子と正孔の非発光損失が増加することになって活性層の発光効率、例えば、内部量子効率が著しく減少することになる。
【００２１】
従来の多重量子井戸構造の活性層基盤の窒化物半導体の発光素子において、上述の高電流の印加のときに発生する発光効率減少の問題は、高出力照明用発光素子の具現で最も重要な技術的な問題の一つである。
【００２２】
図３は、従来技術で幅の広い単一量子井戸構造基盤の活性層を備える窒化物半導体の発光素子においての活性層に対するエネルギーバンドの概略図である。
【００２３】
図４は、従来技術で幅の広い単一量子井戸構造の活性層（図３参照）を備える窒化物半導体の発光素子においての注入電流量の増加による内部発光量子効率の特性を示す図である。図４に示すように、従来の幅の広い単一量子井戸構造基盤の窒化物半導体の発光素子製造技術は、低電流領域において結晶欠陥に応じた非発光損失による著しい発光量子効率低下の問題を有する。
【００２４】
従来技術によれば、前記高電流注入のときに発生する非発光損失の問題を解決するために活性層の厚さが相対的に厚いＩｎＧａＮ単一量子井戸構造層を活性層として備える。
【００２５】
相対的に幅の広いＩｎＧａＮ単一量子井戸構造の活性層（図３参照）は、前記従来多重量子井戸構造の活性層（図１参照）に比べ、相対的に大量の電子と正孔を効果的に受容することができる。よって、注入電流量が大きいとき、活性層の発光効率が優れるという長所を有する。
【００２６】
しかし、半導体薄膜を用いる発光素子は、本質的に活性層内部に存在する結晶欠陥に応じる非発光損失の属性を有する。この結晶欠陥ＳＲＨ非発光プロセスは、Ａｎ（Ａ：Ｓｈｏｃｋｌｅｙ−Ｒｅａｄ−Ｈａｌｌ ｃｏｎｓｔａｎｔ， ｎ：ｉｎｊｅｃｔｅｄ ｃａｒｒｉｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ）に表すことができ、低注入電流領域において主たるキャリア再結合である。
【００２７】
結果的に、厚さが相対的に厚い単一量子井戸構造の活性層を備える窒化物半導体の発光素子は、活性層内に存在する結晶欠陥の総数が相対的に増加することになり、結晶欠陥に応じる非発光損失効果が増加することになる。よって、厚さが相対的に厚い単一量子井戸構造の活性層を備える窒化物半導体の発光素子は、低電流注入領域において素子の内部量子効率（発光効率）が非常に低いという問題を有する。
【００２８】
結果的に、従来の多重量子井戸構造の活性層基盤の窒化物半導体の発光素子は、低電流注入領域において効果的な量子束縛効果によって優れた発光効率を有するが、高電流注入領域において非常に低い発光効率を有する問題がある。一方、従来の相対的に厚い単一量子井戸構造の活性層基盤の発光素子は、高電流注入領域において優れた発光効率を有するが、低電流注入領域において非常に低い発光効率を有する問題がある。よって、本発明の実施形態では低電流と高電流の全注入領域で優れた発光効率を有する理想的な窒化物半導体の発光素子構造を提案しようとする。
【００２９】
窒化物半導体の発光素子において、キャリア注入層から活性層に注入されるキャリアは以下のように大別に四つのプロセスのうちから一つを行う。
【００３０】
全体キャリア再結合、Ｒ＝Ａｎ＋Ｂｎ２＋Ｃｎ３＋Ｌ（ｎ），式中、ｎ：ｉｎｊｅｃｔｅｄ ｃａｒｒｉｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ， Ａ：Ｓｈｏｃｋｌｅｙ−Ｒｅａｄ−Ｈａｌｌ ｃｏｎｓｔａｎｔ， Ｂ：ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔａｎｔ， Ｃ：Ａｕｇｅｒ ｃｏｎｓｔａｎｔ， Ｌ：ｃａｒｒｉｅｒ ｌｅａｋａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｄｅｐｅｎｄｉｎｇ ｏｎ ｈｉｇｈｅｒ ｏｒｄｅｒｓ ｏｆ ｎ。
【００３１】
前記四つのキャリア再結合プロセスのうちから発光プロセスは、Ｂｎ２項の一つであって、残りの三つのプロセスは各々、結晶欠陥非発光プロセス、オージェ非発光プロセス、キャリア漏洩非発光プロセスである。
【００３２】
よって、窒化物半導体の発光素子の内部量子効率を極大化させるためには、低電流注入のときに主たる非発光プロセスであるＳＲＨプロセス効果を最小化させることが好ましく、高電流注入のときに主たる非発光プロセスであるオージェプロセスとキャリア漏洩プロセスを最小化することが好ましい。
【００３３】
本発明の実施形態によれば、これを具現するための接近法としては、低電流注入のときは発光面積を最小化させて量子束縛効果を極大化させることが好ましく、高電流注入のときは発光面積を最大化させることが好ましい。
【００３４】
本発明の実施形態によれば、一つの発光素子の内部に備えられる活性層構造が注入電流領域に応じて可変的な多機能性構造であることが好ましい。本発明の実施形態によれば、可変的な多機能性の活性層構造を具現する一つの実施形態として二重活性層の概念を以下に提示する。
【００３５】
本発明の実施形態によれば、二重（または多重）活性層の概念は、低電流領域において主として作動する第１活性層と高電流領域において主として作動する第２活性層、そして第１活性層と第２活性層との間にゲート量子壁を備えることで低電流から高電流まで全注入領域において高いＬＥＤ発光効率を具現するということである。本発明の実施形態によれば、主たる構成要素の機能は以下のようである。
【００３６】
第１活性層は、量子井戸構造にすることで発光面積制限と量子束縛効果により低電流領域において発光効率を極大化する。第１活性層は、相対的に薄い厚さの量子井戸層を備えて、少数の量子井戸層が発光に寄与するようにすることで結晶欠陥に応じるＳＲＨ非発光プロセスを最小化させる特徴を有する。
【００３７】
ゲート量子壁は、一定の注入電量以上においてキャリアの量子力学的トンネリングとドリフトトランスポート属性を制御して第２活性層が発光に主に寄与するよう調節する機能を備える。本発明の実施形態によれば、ゲート量子壁は、量子井戸構造の第１活性層と第２活性層との間に配置され、ゲート量子壁の厚さとエネルギーバンドギャップの大きさを調節して第２活性層が発光に主に寄与し始める臨界注入電流量を制御することができる。
【００３８】
第２活性層は、相対的に大量のキャリアを受容することができる構造にすることで高電流領域において発光効率が優れた主活性層として作動する機能を備える。
【００３９】
本発明の実施形態によれば、好ましい第２活性層構造としては、例えば、薄い量子壁を備えることで量子力学的トンネリングによるミニエネルギーバンドを形成することができる超格子構造もしくは相対的に広い幅の単一または多重量子井戸構造などが可能である。
【００４０】
超格子構造もしくは幅の広い単一または多重量子井戸構造などは、高電流注入のときに大量のキャリアを効果的に受容して発光に寄与しようにすることで高電流領域において優れた発光効率特性を具現することができる。
【００４１】
本発明の実施形態によれば、第１活性層と第２活性層の主たる違いは、第１活性層に比べ第２活性層が量子力学的に量子化された状態密度がより大きいことである。第２活性層は、状態密度が相対的により大きいので第１活性層よりさらに大量のキャリアを効果的に発光層内部に受容することができる。
【００４２】
発光素子の活性層から放出される波長は、量子力学的に量子井戸層の幅（厚さ）とエネルギーバンドギャップの大きさに応じて決定される。よって、第２活性層が、第１活性層に比べ、同一であるか類似な波長の光を放出するためには、量子井戸層のエネルギーバンドギャップの大きさは適切に調節されることが好ましい。
【００４３】
色の純度がよい単一色相または同じ波長の光を放出する一つの発光素子を具現するためには、二個の活性層（第１活性層と第２活性層）の各々の波長は同一するかまたは類似であることが好ましい。
【００４４】
例えば、第１活性層と第２活性層の光を色座標に表したとき第１活性層の色座標と第２活性層の色座標を繋ぐ直線は両活性層の色座標と同じ色領域にあることができる。また、各活性層から放出された光は、色純度が８０％以上であることができる。
【００４５】
本発明の実施形態によれば、低電流領域において主に作動する第１活性層が正孔注入層に隣接するように備えられる場合、第１活性層内の量子井戸のエネルギーバンドギャップの大きさは、第２活性層内の量子井戸層のエネルギーバンドギャップの大きさと同一であるかまたはより大きいことが好ましい。図５は、本発明の実施形態による発光素子１００の断面例示図である。
【００４６】
本発明の実施形態は、垂直型発光素子を中心に説明しているが、これは例に過ぎず、水平型発光素子、フリップチップ型発光素子、ビアを含むハイブリッド型発光素子などに適用されてもよい。
【００４７】
図５に示すように、本発明の実施形態による発光素子１００は、第１導電型半導体層１１０、活性層１２０、第２導電型半導体層１１６を含む発光構造物と、前記第２導電型半導体層１１６の下に形成された第２電極層１４０と、前記第１導電型半導体層１１０の上に第１電極１５０を含むことができる。
【００４８】
前記第１導電型半導体層１１０は、第１導電型ドーパントがドーピングされた３族―５族化合物半導体で具現されることができ、前記第１導電型半導体層１１０がｎ型半導体層である場合、前記第１導電型ドーパントはｎ型ドーパントとして、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｅ、Ｔｅを含むことができるが、これに限定されるものではない。
【００４９】
前記第１導電型半導体層１１０は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式を有する半導体物質を含むことができる。
【００５０】
前記第１導電型半導体層１１０は、ＧａＮ，ＩｎＮ，ＡｌＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＡｌＧａＮ，ＡｌＩｎＮ，ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＡｌＩｎＧａＡｓ，ＧａＰ，ＡｌＧａＰ，ＩｎＧａＰ，ＡｌＩｎＧａＰ，ＩｎＰのうち何れか一つ以上で形成されることができる。
【００５１】
前記活性層１２０は、低電流領域において効果的に作動する第１活性層１２１と高電流領域において効果的に作動する第２活性層１２２を共に備えて、第１活性層１２１と第２活性層１２２との間にゲート量子壁１２５を備えることができるが、これに限定されるものではない。活性層１２０に対しては下記の実施形態で具体的に述べる。
【００５２】
前記第２導電型半導体層１３０は、第２導電型ドーパントがドーピングされた３族―５族元素の化合物半導体、例えば、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式を有する半導体物質を含むことができる。前記第２導電型半導体層１３０は、例えば、ＧａＮ，ＡｌＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＩｎＮ，ＩｎＡｌＧａＮ，ＡｌＩｎＮ，ＡｌＧａＡｓ，ＧａＰ，ＧａＡｓ，ＧａＡｓＰ，ＡｌＧａＩｎＰのうちから選択されることができる。前記第２導電型半導体層１１６は、ｐ型半導体層である場合、前記第２導電型ドーパントは、ｐ型ドーパントとして、Ｍｇ，Ｚｎ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａなどを含むことができる。前記第２導電型半導体層１１６は、単層または多層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。
【００５３】
本発明の実施形態で前記第１導電型半導体層１１０は、ｎ型半導体層、前記第２導電型半導体層１３０は、ｐ型半導体層で具現することができるが、これに限定されるものではない。また、前記第２導電型半導体層１３０の上には、前記第２導電型と反対の極性を有する半導体、例えば、ｎ型半導体層（図示せず）を形成することができる。これによって発光構造物は、Ｎ−Ｐ接合構造、Ｐ−Ｎ接合構造、Ｎ−Ｐ−Ｎ接合構造、Ｐ−Ｎ−Ｐ接合構造のうち何れか一つの構造で具現することができる。
【００５４】
前記第２電極層１４０は、結合層１４２、オミック層１４４、反射層１４６、伝導性支持基板１４８などを含むことができる。
【００５５】
例えば、前記結合層１４２は、Ｔｉ，Ａｕ，Ｓｎ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｂｉ，Ｃｕ，ＡｇまたはＴａのうち何れか一つを含むことができる。
【００５６】
例えば、前記オミック層１４４は、ＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ），ＩＺＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ），ＩＺＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｚｉｎｃ ｔｉｎ ｏｘｉｄ），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及びＮｉ／ＩｒＯｘ／Ａｕ／ＩＴＯ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｈｆのうち少なくとも一つを含めて形成されることができ、この材料に限定するものではない。
【００５７】
また、前記反射層１４６は、前記発光構造物から入射する光を反射させて、光抽出効率を改善することができる。
【００５８】
前記反射層１４６は、Ａｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｒｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｈｆのうち少なくとも一つを含む金属または合金で形成されることができる。また、前記反射層１４６は、前記金属または合金とＩＺＯ、ＩＺＴＯ、ＩＡＺＯ、ＩＧＺＯ、ＩＧＴＯ、ＡＺＯ、ＡＴＯなどの透光性の伝導性物質を用いて多層に形成されることができ、例えば、ＩＺＯ／Ｎｉ、ＡＺＯ／Ａｇ、ＩＺＯ／Ａｇ／Ｎｉ、ＡＺＯ／Ａｇ／Ｎｉなどで積層することができる。
【００５９】
また、前記伝導性支持基板１４８は、前記発光構造物を支持し前記発光構造物に電源を提供することができる。前記伝導性支持基板１４８は、電気伝導性が優れた金属、金属合金、もしくは伝導性半導体物質で形成されることができる。
【００６０】
例えば、前記伝導性支持基板は、銅（Ｃｕ）、銅合金（Ｃｕ Ａｌｌｏｙ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅−トングステン（Ｃｕ−Ｗ）、キャリアウエハ（例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＺｎＯ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣなど）のうち少なくとも一つを含むことができる。
【００６１】
前記伝導性支持基板を形成させる方法は、電気化学的な金属蒸着方法、メッキ方法や共晶金属を用いた結合方法などを採用することができる。
【００６２】
以下、本発明の実施形態でエピタキシャル構造のうち主たる構成要素らの相互有機的作動原理は、以下のように幾つかの構造の例を通じてより詳しく説明する。
【００６３】
（第１エピタキシャル構造）
第１構造例によるエピタキシャル構造は、電子注入層／第２活性層／ゲート量子壁／第１活性層／正孔注入層の順に形成されることを特徴とする。
【００６４】
第１構造例で低電流注入のときにキャリアは、主に第１活性層に流入されて発光することになる。第１活性層のエネルギーバンドギャップは、第２活性層のエネルギーバンドギャップとその大きさが同じであるかまたはより大きいことが好ましい。注入電流量が増加して一定注入電流量以上が注入されると、正孔はゲート量子壁を乗り越えて第２活性層まで満ち始める。よって、高電流注入のときに第１活性層と第２活性層の両方が発光に寄与することになり、キャリア受容容量がより大きい第２活性層が主たる発光源になる。
【００６５】
（第２エピタキシャル構造）
第２構造例による他のエピタキシャル構造は、電子注入層／第３活性層／ゲート量子壁／第４活性層／正孔注入層の順に形成されることを特徴とする。
【００６６】
第２エピタキシャル構造例で低電流注入のときにキャリアは、主に第３活性層に流入されて発光することになる。第４活性層のエネルギーバンドギャップは、第３活性層のエネルギーバンドギャップより大きいことが好ましい。ゲート量子壁は、低電流注入のときに正孔が第３活性層に効果的に注入されることができるようにゲート量子壁のエネルギーバンドギャップは、その大きさが正孔注入層のエネルギーバンドギャップの大きさより小さいことが好ましい。高電流注入のとき、電子はエネルギーバンドギャップが小さい第３活性層を満ちて、ゲート量子壁を乗り越えて第４活性層に注入されて発光に寄与する。
【００６７】
（第３エピタキシャル構造）
第３構造例によるエピタキシャル構造は、電子注入層／第４活性層／ゲート量子壁／第３活性層／ゲート量子壁／第４活性層／正孔注入層の順に形成されることを特徴とする。第３エピタキシャル構造で低電流注入のときにキャリアは、主に第３活性層に流入されて発光することになる。第４活性層のエネルギーバンドギャップは、第３活性層のエネルギーバンドギャップより大きいことが好ましい。ゲート量子壁は、低電流注入のときに正孔が第３活性層に効果的に注入されることができるようにゲート量子壁のエネルギーバンドギャップは、その大きさが正孔注入層のエネルギーバンドギャップの大きさより小さいことが好ましい。
【００６８】
高電流注入のとき、電子はエネルギーバンドギャップが小さい第３活性層を満ちて、ゲート量子壁をドリフトトランスポートして正孔注入層に隣接する第４活性層に注入されて発光に寄与する。高電流注入のとき、正孔は第３活性層を満ちて、ゲート量子壁をドリフトトランスポートして電子注入層に隣接の第４活性層に注入されて発光に寄与する。
【００６９】
本発明の実施形態の革新ポイントは単一活性層を備える従来の窒化物半導体の発光素子が有している本質的／構造的限界を克服する知能型スマート発光層構造を提案するということである。
【００７０】
従来に単一色（単一波長）を放出する窒化物半導体の薄膜基板の発光素子は、薄膜内部に一つの活性層を備える。従来に二重もしくは三重色（多波長）を放出する窒化物半導体の薄膜基盤の発光素子は、薄膜内部に二もしくは三個の活性層を備えることがある。
【００７１】
しかし、このような多波長発光素子は、青色と緑色、もしくは青色と緑色と赤色を同時に放出することで蛍光体物質の使用なしで白色ＬＥＤを具現しようとする技術である。本発明の実施形態による多重活性層を備える知能型活性層構造は、単一色（単一波長）を放出する窒化物半導体の発光素子が低注入電流領域から高注入電流領域までの全注入領域において優れた発光効率を具現することができるようにすることで、従来の窒化物半導体の発光素子技術が有している本質的な限界を克服することができる概念を提供することにそのポイントがある。
【００７２】
以下、本発明の実施形態による発光素子、発光素子パッケージ及び照明システムを実施形態別に説明する。
【００７３】
（第１実施形態）
図６は、第１実施形態に係る発光素子において、第１エピタキシャル構造による二重活性層を備える発光素子の活性層に対するエネルギーバンドギャップの概略図である。第１実施形態において、第２活性層が長格子構造形態を備え、第１活性層は単一量子井戸構造を備えることができる。
【００７４】
本発明の実施形態に係る発光素子１００は、第１導電型半導体層１１０、第２導電型半導体層１３０、及び前記第１導電型半導体層１１０と前記第２導電型半導体総１３０との間に活性層１２０を含む。前記第１導電型半導体層１１０は電子注入層であり、前記第２導電型半導体総１３０は正孔注入層であることができるが、これに限定されるものではない。
【００７５】
前記活性層１２０は、前記第２導電型半導体層１３０に隣接した第１活性層１２１と、前記第１導電型半導体層１１０に隣接した第２活性層１２２及び前記第１活性層１２１と前記第２活性層１２２との間に備えられたゲート量子壁１２５を含む。
【００７６】
第１実施形態による発光素子において、活性層１２０は、低電流領域において効果的に作動する単一量子井戸構造、第１活性層１２１と高電流領域において効果的に作動する超格子構造、第２活性層１２２を共に備えて、第１活性層１２１と第２活性層１２２との間にゲート量子壁１２５を備える。
【００７７】
本発明の実施形態による発光素子において、活性層１２０の具現は、低電流注入のときは活性層の結晶欠陥に応じる発光効率減少の問題を克服するように量子井戸構造を活用して発光に関与する発光層領域を最小に設計して、高電流注入のときは超格子構造を活用して発光に関与する発光層領域を最大に設計することができる。
【００７８】
本発明の実施形態において、低電流は５Ａ／ｃｍ２以下、高電流は３５Ａ／ｃｍ２以上を意味することができるが、これに限定されるものではない。
【００７９】
前記第１活性層１２１は、量子力学的に形成される量子化エネルギー準位を備える量子井戸を含む。第１活性層１２１において、ｎは量子効果を示す量子井戸の内で電子と正孔が位置することができる量子化エネルギー準位の数を説明の便利のために概略的に表示する。
【００８０】
前記第２活性層１２２は、超格子構造を備える発光層である。第２活性層１２２の多重量子井戸構造で量子壁の厚さが十分に薄く形成されると量子壁はその以上の量子束縛効果を表すことができず、量子井戸の内に束縛されていた電子もしくは正孔は薄い量子壁を量子力学的トンネル効果によって通過して超格子全体に広げて特定のミニエネルギーバンドを形成することができる。本発明の実施形態において、このバンド構造を超格子ミニバンドと称することができるが、これに限定するものはない。
【００８１】
一方、本発明の実施形態において第２活性層１２２の超格子構造は、光が発生する発光領域であり、これは従来の応力緩衝用もしくはキャリア注入用超格子構造が発光領域でないこととは区別される。
【００８２】
前記第２活性層１２２は、多重量子井戸１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ、１２２ｄ及び多重量子（図示せず）構造を含め、前記第２活性層の量子壁はキャリア（電子または正孔）の量子力学的トンネリングが可能である。
【００８３】
例えば、前記第２活性層の量子壁は、０．２〜７ｎｍの厚さｄ２を有することができる。例えば、前記第２活性層１２２内の超格子構造において量子壁の厚さが７ｎｍ以下でなければ効果的なミニバンドを形成することができず、注入された正孔が効果的に超格子全体に分布することができない。
【００８４】
前記第２活性層１２２の量子井戸１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ、１２２ｄの各々の厚さは２〜１０ｎｍであることができるが、これに限定されるものではない。
【００８５】
本実施形態において、前記ゲート量子壁１２５は、低電流印加のとき第２導電型半導体層１３０を介して第１活性層１２１に注入される正孔が第２活性層１２２へ通り過ぎないように束縛することができ、一定注入電流以上の高電流印加のとき第２導電型半導体層１３０を介して第１活性層１２１に注入される正孔が第２活性層１２２にドリフトトランスポートして効果的に通り過ぎられるようにことができる。
【００８６】
例えば、前記ゲート量子壁１２５の厚さｄｇは、０．３〜１５ｎｍであることができる。前記ゲート量子壁１２５が３ｎｍ未満である場合、低電流注入のとき第１活性層１２１内の量子井戸中に正孔を効果的に束縛することができなく、前記ゲート量子壁１２５が１５ｎｍを超える場合、高電流注入のときに正孔がゲート量子壁１２５を効果的に通り過ぎることができなくなる。
【００８７】
また、前記ゲート量子壁１２５の厚さｄｇは、０．４〜１２ｎｍであることができるが、これに限定されるものではない。前記ゲート量子壁１２５が４ｎｍ以上である場合、低電流注入のとき第１活性層１２１内の量子井戸中に正孔をより効果的に束縛することができ、前記ゲート量子壁１２５が１２ｎｍ以下である場合、高電流注入のときに正孔がゲート量子壁１２５をより効果的に通り過ぎて第２活性層１２２に注入されることができる。
【００８８】
前記ゲート量子壁１２５のエネルギーバンドギャップの大きさは、前記第１活性層の量子井戸１２１のエネルギーバンドギャップの大きさより大きく、前記第２導電型半導体層１３０のエネルギーバンドギャップの大きさと同様であるかまたはより小さいことが好ましい。低電流注入のとき、正孔が第１活性層の量子井戸１２１に効果的に束縛されるためには、前記ゲート量子壁１２５のエネルギーバンドギャップが第１活性層の量子井戸のエネルギーバンドギャップの大きさより大きいことが必要である。
【００８９】
注入電流が増加することによって、第１活性層１２１の量子井戸に累積される正孔量が増加することになって、正孔の一部は、注入された電子と結合して光を生成させて消える。
【００９０】
高電流注入のとき、第１活性層の量子井戸１２１に注入される正孔が効果的に前記ゲート量子壁１２５を通り過ぎて第２活性層１２２に注入されるためには、前記ゲート量子壁１２５のエネルギーバンドギャップが前記第２導電型半導体層１３０のエネルギーバンドギャップよりその大きさが小さいことが好ましい。前記ゲート量子壁１２５のエネルギーバンドギャップは、窒化物半導体（ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ、ｙ≦１）のゲート量子壁の組成を調節することで制御することができる。
【００９１】
本発明の実施形態に置いて、理想的な活性層１２０の主たる作動原理は、窒化物半導体の活性層１２０内で電子は、有効質量が小さくて移動度が高く、正孔は有効質量が相対的に大きくて移動度が非常に低いという窒化物半導体物質の固有な属性を用いる。
【００９２】
低電流注入のときに第１導電型半導体層１１０、例えば電子注入層から活性層１２０に注入される電子は、活性層１２０内で移動度が相対的に高く、超格子構造である第２活性層１２２とゲート量子壁１２５をたやすく通り過ぎて第１活性層１２１内の量子井戸層に着く。
【００９３】
一方、低電流注入のときに第２導電型半導体層１３０、例えば正孔注入層から活性層１２０に注入される正孔は有効質量が大きいため、移動度が低く、正孔注入層に隣接した第１活性層１２１内の量子井戸に量子力学的に束縛されてゲート量子壁１２５を効果的に通過することができない。
【００９４】
一方で、高電流注入のときは正孔注入層から活性層に注入される正孔は最初に第１活性層１２１内の量子井戸を全て満ちて残りの正孔はゲート量子壁１２５を通過して超格子構造第２活性層１２２に着くことができる。第２活性層１２２は、多量の残り正孔を効果的に受容することができ発光に寄与することで高電流注入のときに主たる活性層になる。高電流注入のとき、電子注入層から活性層へ注入される電子は、活性層全体にやすく分布することができる。
【００９５】
本実施形態の作動原理を図６を参照してより詳しく説明する。
【００９６】
低電流注入のときに第２導電型半導体層１３０、例えば、正孔注入層から活性層に注入される正孔は、第１活性層１２１量子井戸に注入される。前記第１活性層１２１の量子井戸に注入される正孔は、エネルギー状態が最低の量子化エネルギー順位ｎ＝１に位置することになる。ｎ＝１の量子化エネルギー順位に位置した正孔は量子力学的に量子井戸内に束縛されて、電子対比相対的に有効質量が大きく移動度が低くてゲート量子壁１２５を透過して第２活性層１２２に移動しない。本実施形態によれば、第１活性層１２１の量子井戸の厚さは、２〜１６ｎｍであることが好ましい。例えば、第１活性層１２１の量子井戸の厚さは、２〜１０ｎｍであることがより好ましい。一方、第１導電型半導体層１１０、例えば電子注入層から活性層に注入される電子は、正孔対比量子力学的有効質量が小さく移動度が高くて第２活性層１２２とゲート量子壁１２５を効果的に通過して第１活性層１２１の量子井戸に着く。
【００９７】
前記第１活性層１２１の量子井戸に注入された電子は、エネルギー状態が最低のｎ＝１の量子化エネルギー順位に位置することになる。結局、低電流注入のとき注入された電子と正孔は、第１活性層１２１の量子井戸内で互いに結合して光を放出する。
【００９８】
一方で、高電流注入のとき、第２導電型半導体層１３０、例えば、正孔注入層から活性層に注入される正孔は最初に第１活性層１２１の量子井戸内のすべての量子化エネルギー準位を満ちて残りの正孔はゲート量子壁１２５を通り過ぎて第２活性層１２２の中に流入される。第２活性層１２２は、超格子ミニバンドを備えているので第１活性層１２１の量子井戸対比相対的に大量の正孔をミニバンド内に量子力学的に受容することができる。
【００９９】
本実施形態によれば、前記第２活性層１２２は、エネルギーバンドギャップが小さい量子井戸とエネルギーバンドギャップが大きい量子壁が交代に少なくとも２回以上反復積層されて、電子と正孔が量子力学的にトンネリングが可能な超格子構造を備えることができる。本実施形態によれば、第２活性層１２２の量子井戸の個数は、２〜２０個を備えることができる。
【０１００】
本実施形態によれば、第１活性層１２１の量子井戸のエネルギーバンドギャップの大きさは第２活性層内の量子井戸１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ、１２２ｄのエネルギーバンドギャップの大きさと同一であるかより大きいことが好ましい。これは注入電流が一定値以上であるとき、正孔が第１活性層１２１においてゲート量子壁１２５を通り過ぎて第２活性層１２２に効果的に送ることができるためである。正孔注入効率は、エネルギー状態が高い位置から低い位置に注入されるとき本質的に増大する。
【０１０１】
第２活性層１２２に注入される正孔は、超格子全体に効果的に分散されて電子注入層から注入される電子と量子力学的に結合して効果的に光を放出する。結局、高電流注入のとき、注入された電子と正孔は、第１活性層１２１と第２活性層１２２に分散されて両発光層で効果的に結合して光を放出することができる。
【０１０２】
本実施形態によれば、素子作動に要する注入電流量は、低電流領域と高電流領域とに明らかに区分されることではなくて、具現しようとする発光素子製品の使用用度に応じて可変的に選択及び調節されることができる。
【０１０３】
本実施形態によれば、前記第１活性層１２１で前記第２活性層１２２に注入される正孔の注入効率は、ゲート量子壁１２５のエネルギー障壁の高さ及びゲート量子壁１２５の厚さによって効果的に制御することができる。さらに、本実施形態によれば、第１活性層１２１から第２活性層１２２に注入される正孔の注入効率は、第１活性層１２１のエネルギーバンドギャップの大きさと第２活性層１２２のエネルギーバンドギャップの大きさを相対的に調節することで効果的に制御されることができる。
【０１０４】
本実施形態によれば、前記第１活性層１２１のエネルギーバンドギャップが前記第２活性層１２２のエネルギーバンドギャップとその大きさが同一であるかより大きいとき、一定注入電流以上で、正孔が効果的に第１活性層１２１から第２活性層１２２に移送されることができる。
【０１０５】
図７は、第１実施形態によって製造された二重活性層を備える窒化物半導体発光素子の注入電流による発光効率特性を示す。素子製造のために薄膜成長は、ＬＰＭＯＣＶＤを使用したが、これに限定されるものではない。基板はサファイアを用い、レーザリフトオフ方式を採用して基板を除去した後、垂直型のＬＥＤチップを製造した。
【０１０６】
効果比較のため、従来５個の量子井戸層を備える青色発光素子を製造した。図７によれば、従来の多重量子井戸構造基板の窒化物半導体の青色発光素子の内部発光効率対比、実施形態によって製造された二重活性層を備える発光素子が注入電流の全領域において優れた発光効率特性を示している。
【０１０７】
第１実施形態によれば、従来の発光素子対比、注入電流１０００ｍＡにおいて、実施形態による発光素子は３０％以上の発光効率の改善効果を示す（図６参照）。
【０１０８】
（第２実施形態）
図８は、第２実施形態による二重活性層を備える発光素子（構造例１）の活性層に対するエネルギーバンドギャップの概略図である。第２実施形態においては、第２活性層が超格子構造の形態を備えて、第１活性層は、２個の量子井戸層を備える多重量子井戸構造を備えている。第２実施形態は前記第１実施形態の技術的な特徴を採用することができる。
【０１０９】
第２実施形態による発光素子１００ｂは、第１活性層１２１が多重量子井戸構造であってもよく、これによって複数個の量子井戸１２１ａ、１２１ｂと量子壁１２１ｃを含むことができる。
【０１１０】
第２実施形態において第１活性層１２１が多重量子井戸構造を備える場合、単一量子井戸を備える場合対比、低電流領域だけではなく中間領域の電流注入のときにも第１活性層１２１が主たる活性層として効果的に作動することができる。
【０１１１】
例えば、低電流注入のとき、第２導電型半導体層１３０、例えば、正孔注入層から注入される正孔は、最初に第１活性層１２１内の第１量子井戸１２１ａに束縛されて電子と結合して発光することになる。
【０１１２】
一方、中間領域の電流注入のとき、正孔注入層から注入される正孔は、最初に第１活性層１２１内の第１量子井戸１２１ａの量子化エネルギー順位を満ちて、残りの正孔は第１活性層内の量子壁１２１ｃを通り過ぎて第２量子井戸１２１ｂに注入された後電子と結合して発光することができる。
【０１１３】
第２実施形態において、前記第１活性層１２１の量子井戸の個数は２個または３個であることができる。
【０１１４】
第２実施形態において第１活性層１２１内の多重量子井戸構造に量子井戸の数が３個を超える場合、高電流注入のとき、正孔注入層から第２活性層１２２へ注入される正孔は多重量子井戸構造の第１活性層を通過するときに相対的に大きい直列抵抗を経て第２活性層１２２への正孔注入効率が低くなる。よって、第１活性層１２１内の多重量子井戸構造に量子井戸の数が３個を超える場合、高電流注入のとき、第２活性層１２２が効果的に主たる活性層として作動することができなくなる。
【０１１５】
第２実施例において第１活性層１２１の量子壁１２１ｃは、前記ゲート量子壁１２５の厚さｄｇ以下であることができる。例えば、第２実施形態において第１活性層１２１の量子壁１２１ｃは、０．２〜７ｎｍであることができる。
【０１１６】
第２実施形態において、第１活性層１２１内の量子壁１２１ｃの厚さｄ１が７ｎｍを超える場合、中間電流及び高電流注入のとき、正孔注入層から活性層へ注入される正孔は最初に第１活性層１２１内の第１量子井戸１２１ａを満ちて、残りの正孔は相対的に厚い量子壁１２１ｃを通過するときに高い直列抵抗を受けることになって非発光損失が発生して第１活性層１２１内の第２量子井戸１２１ｂと第２活性層１２２への正孔注入効率が低くなる。
【０１１７】
よって、第１活性層１２１内の量子壁１２１ｃの厚さｄ１が７ｎｍを超える場合、中間電流及び高電流注入のとき、第１活性層１２１内の第２量子井戸１２１ｂと第２活性層１２２が効果的に発光に寄与することができなりうる。
【０１１８】
本実施形態によれば、第２実施形態に置いて、第１活性層１２１の量子井戸の厚さは、２〜１０ｎｍであることが好ましい。実施形態によれば、前記第１活性層１２１内の量子壁１２１ｃのエネルギーバンドギャップの大きさは、前記ゲート量子壁１２５のエネルギーバンドギャップの大きさと同様であるかより小さいことが好ましい。実施形態によれば、第２実施形態において、注入電流の増加のとき、第１活性層１２１から第２活性層１２２への正孔の注入効率は、第１活性層内の量子壁１２１ｃのエネルギー障壁の高さが低くて厚さが薄ければ薄いほど増大することができる。
【０１１９】
前記中間電流は、５〜３５Ａ／ｃｍ２以下を意味することができるが、これに限定されるものではない。
【０１２０】
以下、第１、第２実施形態による発光素子の製造方法を説明する。
【０１２１】
例えば、サファイアなどの基板（図示せず）の上に第１導電型半導体層１１０、活性層１２０、第２導電型半導体層１３０を形成する。例えば、基板（図示せず）上に窒化物半導体電子注入層を成長して窒化物半導体層及び正孔注入層を成長製造する。
【０１２２】
窒化物半導体の電子注入層薄膜上に超格子構造を備える第２活性層１２２を製造して第２活性層１２２と第１活性層１２１との間には、ゲート量子壁１２５を製造することができる。
【０１２３】
前記第２活性層１２２の超格子構造は、エネルギーバンドギャップが互いに異なる複数個の窒化物半導体層を積層して製造されることができる。前記第２活性層１２２の超格子構造は、エネルギーバンドギャップが互いに異なる複数個の窒化物半導体層を積層して製造される場合、反復回数は少なくとも２回以上であることができる。第２活性層１２２の超格子構造内のエネルギーバンドギャップが大きい窒化物半導体層の厚さは、０．２〜７ｎｍであることができるが、これに限定されるものではない。
【０１２４】
前記第２活性層１２２の超格子構造内のエネルギーバンドギャップが小さい窒化物半導体層の厚さは、２〜１０ｎｍであることができるが、これに限定されるものではない。前記第２活性層１２２と第１活性層１２１との間に位置するゲート量子壁１２５は、その厚さは３〜１５ｎｍであることができるが、これに限定されるものではない。
【０１２５】
前記第２活性層１２２と第１活性層１２１との間に位置するゲート量子壁１２５は、その厚さは３〜１５ｎｍであることができるが、これに限定されるものではない。前記第１活性層１２１内の量子井戸は、１〜３個程度であることができる。前記第１活性層１２１内の量子井戸層の厚さは、２〜１０ｎｍであることができるが、これに限定されるものではない。前記第１活性層１２１が多重量子井戸構造を備える場合、量子壁の厚さｄ２は、０．２〜７ｎｍであることができるが、これに限定されるものではない。
【０１２６】
（第３実施形態）
図９は、第３実施形態による二重活性層を備える発光素子（前記第１エピタキシャル構造例参照）の活性層に対するエネルギーバンドギャップの概略図である。第３実施形態においては、第２活性層１２４が相対的に幅の広い単一量子井戸構造の形態を備えて、第１活性層１２１は相対的に幅の狭い単一量子井戸構造を備える。
【０１２７】
第３実施形態は、第１実施形態及び第２実施形態の技術的な特徴を採用することができる。
【０１２８】
第３実施形態による発光素子において、活性層１２０は、低電流領域において効果的に作動する単一量子井戸構造、第１活性層１２４と高電流領域において効果的に作動する超格子構造、第２活性層１２２を共に備えて、第１活性層１２１と第２活性層１２２との間にゲート量子壁１２５を備える。
【０１２９】
また、本実施形態によれば、第３実施形態による第１活性層１２１は一つ、または二つ以上の量子井戸層で構成されることができる。
【０１３０】
本実施形態によれば、第１活性層１２１は第２活性層１２４に比べ厚さが相対的に薄く形成されて量子力学的な量子井戸の束縛効果がさらに優れる。
【０１３１】
第２導電型半導体層１３０と隣の位置する第１活性層１２１の厚さは、１〜１０ｎｍであることが好ましい。前記第１活性層の厚さが１ｎｍより小さい場合、量子力学的に十分な量のエネルギー準位を活性層（発光層）内に形成することができなくなる。
【０１３２】
前記第１活性層の厚さが１０ｎｍより大きい場合、量子力学的に量子井戸の束縛効果が相対的に小さくなるという問題を有する。前記第１活性層は、量子束縛効果によって低電流注入のときに優れた発光効率を提供することができる。本実施形態によれば、第２活性層１２４はその厚さが３〜３００ｎｍであることが好ましい。前記第２活性層１２４の厚さが３００ｎｍ以上である場合、結晶欠陥に応じる非発光損失効果が著しく増加して結果的に発光素子の発光効率を著しく低下させる。前記第２活性層１２４の厚さが３ｎｍより小さく形成される場合、注入されるキャリアの量が大量である場合、効果的にキャリアを第２活性層内に受容することができなくて、結局、素子の発光効率を低下させることができる。
【０１３３】
本実施形態によれば、第２活性層はその厚さが第１活性層の厚さ対比相対的により厚いことを特徴とする。本実施形態によれば、電子注入層である第１導電型半導体層１１０に隣接に配置される第２活性層１２４は、ｎ型ドーピングされることが可能である。例えば、ｎ型にドーピングされる第２活性層１２４は、注入される電子は、第２活性層１２４を通り過ぎて効果的に第１活性層１２１に注入されることができる。
【０１３４】
実施形態による発光素子は、低電流注入のとき、第１活性層１２１が主たる活性層として作動して、高電流注入のときは第２活性層１２４が主たる活性層として作動することができる。
【０１３５】
本実施形態によれば、ｎ型半導体層である第１導電型半導体層１１０の周辺に位置する第２活性層１２４のエネルギーバンドギャップは、ｐ型半導体層である第２導電型半導体層１３０の周辺に位置する第１活性層１２１のエネルギーバンドギャップ対比その大きさが同じであるかより小さいことが好ましい。
【０１３６】
実施形態によれば、発光素子に低電流が注入されるとき、正孔が量子化エネルギー準位が低い第１活性層１２１に十分に満ちた後に束縛されて第１活性層１２１にて発光を行った後、第２活性層１２４へ移動するようにすることができる。この際、第２活性層１２４と第１活性層１２１との間にゲート量子壁１２５が位置し、３〜８ｎｍの厚さで形成されることが好ましい。
【０１３７】
本実施形態によれば、第１活性層１２１は一つであることが例示されているが、第１活性層１２１は二つまたは三つ以上に形成されることは勿論である。図１０は、第３実施形態によって製造された二重活性層を備える窒化物半導体の青色発光素子の注入電流による光出力の特性を示す図である。
【０１３８】
第３実施形態によれば、第１０は低電流領域において幅の狭い井戸を備える第１活性層が作動して、高電流領域においては幅の広い井戸を備える第２活性層が主として作動していることを示している。
【０１３９】
（第４実施形態）
図１１は、第４実施形態に係る発光素子において、第３活性層は多重量子井戸構造で、第４活性層は広い単一量子井戸構造である二重活性層（ｄｕａｌ ａｃｔｉｖｅ ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ ｌａｙｅｒｓ）を備える窒化物半導体の発光素子に対するエネルギーバンドギャップの概略図である。
【０１４０】
第４実施形態は、前記第１実施形態乃至第３実施形態の技術的な特徴を採用することができる。
【０１４１】
第４実施形態による電子注入層である第１導電型半導体層１１０に隣接した第３活性層１２３は、多重量子井戸構造であることができ、正孔注入層である第２導電型半導体層１３０に隣接した第４活性層１２６は、広い単一量子井戸構造であることができる。
【０１４２】
前記第３活性層１２３内の各々の量子井戸は、厚さが１〜１０ｎｍであることができ、前記第４活性層１２６は、厚さが少なくとも３〜３００ｎｍであることができる。第４実施形態によれば、前記第４活性層１２６の厚さは、前記第３活性層１２３内の各々の量子井戸の厚さより大きいことを主要な特徴とする。
【０１４３】
第４実施形態において、前記第４活性層１２６は、ｐ−型ドーピングされることができる。第４実施形態によれば、前記広い井戸構造の第４活性層のエネルギーバンドギャップは、前記第３活性層内の量子井戸のエネルギーバンドギャップ対比、その大きさが同一であるか大きいことが好ましい。
【０１４４】
上述の発光素子に低電流が注入されるとき、前記第４活性層１２６は相対的にエネルギーバンドギャップが大きくて、例えば、ｐ型ドーピングされているので注入される正孔は、第４活性層を通り過ぎて効果的に第３活性層に注入されることができる。そして、前記第１導電型半導体層１１０から注入される電子は、主として前記第３活性層にて前記正孔と結合して光を放出することになる。
【０１４５】
第４実施形態によれば、正孔注入層である第２導電型半導体層１３０に隣接した第４活性層１２６のエネルギーバンドギャップが電子注入層である第１導電型半導体層１１０のエネルギーバンドギャップと同一であるかより大きいことが正孔注入効率の側面から好ましい。
【０１４６】
ここで、前記第１エピタキシャル構造例（第１実施形態乃至第３実施形態）との違いは、ｐ型導電型半導体層に隣接した第４活性層１２６が高電流用、つまり、広い幅の井戸であるので、もし、第３活性層１２３と第４活性層１２６のエネルギーバンドギャップの大きさが互いに同一であれば、第４活性層１２６の厚さが厚いのでより厚い量子井戸に量子化されるエネルギー順位は厚さが薄い第３活性層１２３内の基底状態（ｎ＝１）エネルギー順位よりエネルギー状態が量子力学的にさらに低くなる。
【０１４７】
よって、第１エピタキシャル構造例と同一の作動原理の側面から、つまり、正孔注入効率の増大観点から見ると、ｐ型導電型半導体層に隣接する厚い第４活性層１２６は、少なくもエネルギーバンドギャップが第３活性層１２３と比較して、少しでもより大きいことが好ましい。
【０１４８】
また、第１エピタキシャル構造例対比、第２エピタキシャル構造例（第４実施形態）は、第４活性層１２６がｐ型導電型半導体層１３０に隣接する。よって、低電流注入のときに正孔が第３活性層１２３まで注入されて１次発光を行うべきなので、第１エピタキシャル構造例対比、第２エピタキシャル構造例では、ゲート量子壁１２５が低電流注入のときに効果的にトンネリングが発生するように厚さがより薄く設計されることができる。
【０１４９】
第４実施形態によれば、図１２に示すように、前記発光素子に低電流が注入されるときに前記第１導電型半導体層１１０から注入される電子は、主に第３活性層に束縛されて、第４活性層では、相対的に電子濃度の低下が発生する。
【０１５０】
図１２は、第４実施形態によって製造される二重活性層を備える発光素子に低電流が注入されるときに二重活性層の内部においての電子と正孔の分布度を示す図である。
【０１５１】
そして、前記発光素子に高電流が注入されるとき、第１導電型半導体層１１０から前記活性層に注入される電子のうち一部は、前記第３活性層１２３内の多重量子井戸内のすべての量子化エネルギー準位を満ちて、残りの電子はトンネリングもしくはドリフトトランスポートプロセスなどでゲート量子壁１２５を通り過ぎて前記第４活性層１２６に注入される。
【０１５２】
第４実施形態によれば、図１３に示すように、前記発光素子に高電流が注入されるときに前記第１導電型半導体層１１０から注入される電子は、主に第４活性層１２６で相対的に電子濃度の増加が発生する。
【０１５３】
図１３は、第４実施形態によって製造される二重活性層を備える発光素子に高電流が注入されるときに二重活性層の内部においての電子と正孔の分布度を示す図である。
【０１５４】
すなわち、第１２に示すように、前記発光素子に低電流が注入されるときに前記第４活性層で電子濃度の低下によって主に第３活性層で発生するか、図１３に示すように、高電流が注入されるときは、第３活性層と第４活性層の両方で均一に発光することをわかる。
【０１５５】
前記第４活性層１２６は、前記第３活性層１２３内の多重量子井戸より厚くて相対的に多くの電子を効果的に受容することができて、前記電子が正孔と結合して光を出す。
【０１５６】
よって、第４実施形態によれば、高電流注入のときに活性層の内へ注入された電子と正孔は、第３活性層と第４活性層とに分散されて両活性層に互いに効果的に結合して光を放出することで広い注入電流領域において高い発光量子効率を提供することができる。
【０１５７】
図１４は、第４実施形態によって製造される二重活性層構造を備える窒化物半導体の青色発光素子の注入電流密度による内部発光量子効率の動きを示す。図１４に示すように、多重量子井戸構造の第１活性層だけを備える発光素子と広い単一量子井戸構造の第２活性層だけを備える発光素子などと比較するとき、第４実施形態による二重活性層を備える発光素子は、相対的に広い注入電流領域において優れた内部量子効率を提供する。
【０１５８】
（第５実施形態）
図１５は、第５実施形態に係る発光素子において、多重活性層を備える発光素子の活性層に対するエネルギーバンドギャップの概略図である。
【０１５９】
例えば、図１５は、前記第３エピタキシャル構造例によって、一個の第３活性層１２３の多重量子井戸構造であり、正孔注入層と電子注入層に各々隣接して配置される第４活性層１２６及び第５活性層１２８は、幅の広い単一量子井戸構造である多重活性層を備える発光素子の活性層に対するエネルギーバンドギャップの概略図である。
【０１６０】
第５実施形態は、前記第５実施形態の技術的な特徴を採用することができる。
【０１６１】
第５実施形態においては、二つの広い単一量子井戸である第４、第５活性層１２６、１２８の間に多重量子井戸構造の第３活性層１２３が配置される構造を備えることを特徴とする。
【０１６２】
第５実施形態による発光素子で、低電流領域においては、多重活性層の中心部に位置する多重量子井戸構造の第３活性層が主に発光に寄与して、高電流領域においては二個の広い単一量子井戸の第４、第５活性層が主に効果的に発光に寄与する。
【０１６３】
第５実施形態において第３活性層と第４活性層との間及び前記第３活性層と前記第５活性層との間には、前記の実施形態のようにゲート量子壁を備える。
【０１６４】
第５実施形態による発光素子で、電流が注入されるときの発光作動原理も、前記の実施形態で説明した発光作動原理と類似に作動する。第５実施形態による発光素子の作動原理を、図１５を基により詳しく説明すると以下のようである。
【０１６５】
低電流注入のとき、正孔注入層から活性層に注入される正孔は、最初に第４活性層１２６を通り過ぎて第１ゲート量子壁１２５ａを通り過ぎて第３活性層１２３内の量子井戸層に注入される。
【０１６６】
第５実施形態によれば、第４活性層１２６のエネルギーバンドギャップは、第３活性層１２３内の量子井戸層のエネルギーバンドギャップよりその大きさが大きいことが正孔注入効率増大させることができるので好ましい。
【０１６７】
一方、低電流注入のとき、正孔注入層から活性層に注入される電子は、最初に第５活性層１２８を通り過ぎて第２ゲート量子壁１２５ｂを通り過ぎて第１活性層内の量子井戸層に注入される。
【０１６８】
第５実施形態によれば、第５活性層のエネルギーバンドギャップは、第３活性層内の量子井戸層のエネルギーバンドギャップよりその大きさが大きいことが電子注入効率を増大させることができるので好ましい。
【０１６９】
結局、低電流注入のとき電子と正孔は、効果的に、多重活性層の中心部に位置している第３活性層に注入されて互いに結合して光を放出する。
【０１７０】
一方、高電流注入のとき、電子注入層から活性層に注入される電子は、中心部に位置する第３活性層１２３内部の量子化エネルギー順位をすべて満ちて、残りの電子はゲート量子壁１２５ａ、１２５ｂを通り過ぎて正孔注入層に隣接している第４活性層１２６及び電子注入層に隣接している第５活性層１２８までに効率的に注入される。
【０１７１】
よって、高電流注入のときに第４活性層１２６及び第５活性層１２８は、多量のキャリアを効果的に受容して発光に主に寄与するようにする。
【０１７２】
図１６は、第５実施形態によって製造された多重活性層を備えている窒化物半導体の青色発光素子の注入電流に対する光出力の動きを示す図である。従来の多重量子井戸構造の単一活性層を備えている窒化物半導体の窒化物半導体の青色発光素子の光出力と比較して、第５実施形態による多重活性層の発光効率が非常に優れることをよく示している。
【０１７３】
図１７は、実施形態による発光素子のパッケージの断面図である。
【０１７４】
図１７を参照すると、実施形態による発光素子パッケージ２００は、パッケージ本体部２０５と、前記パッケージ本体部２０５に取り付けられた第３電極層２１３及び第４電極層２１４と、前記パッケージ本体部２０５に取り付けられて前記第３電極層２１３及び第４電極層２１４と電気的に接続される発光素子１００と、前記発光素子１００を囲む成型部材２４０が含む。
【０１７５】
前記パッケージ本体部２０５は、シリコーン材質、合成樹脂材質、または金属材質を含めて形成されることができ、前記発光素子１００の周りに傾斜面が形成されることができる。
【０１７６】
前記第３電極層２１３及び第４電極層２１４は、互いに電気的に分離され、前記発光素子１００に電源を提供する役割を果たす。また、前記第３電極層２１３及び第４電極層２１４は、前記発光素子１００から発生された光を反射させて光効率を増加させる役割を果たすことができ、前記発光素子１００から発生された熱を外部へ排出させる役割を果たすこともできる。
【０１７７】
前記発光素子１００は、実施形態による前記実施形態で例示された発光素子１００が適用されることができるが、これに限定されるものではなく、水平型発光素子、フリップチップ型発光素子などに採用されることができる。
【０１７８】
前記発光素子１００は、前記パッケージ本体部２０５上に取り付けられるか、前記第３電極層２１３または第４電極層２１４上に取り付けられることができる。
【０１７９】
前記発光素子１００は、ワイヤ２３０を介して前記第３電極層２１３及び／または第４電極層２１４と電気的に接続されることができ、実施形態では、垂直型の発光素子１００が例示されて、一個のワイヤ２３０が用いられることが例示されているが、これに限定されるものはない。
【０１８０】
前記成型部材２４０は、前記発光素子１００を囲んで前記発光素子１００を保護することができる。また、前記成型部材２４０には、蛍光体が含められて前記発光素子１００から放出された光の波長を変化させることができる。
【０１８１】
実施形態による発光素子パッケージは、照明システムに適用されることができる。前記照明システムは、図１８に示す照明ユニット、図１９に示すバックライトユニットを含めて、信号灯、車両のヘッドライト、看板などが含まれることができる。
【０１８２】
図１８は、実施形態による照明ユニット１１００の斜視図である。
【０１８３】
図１８に示すように、前記照明ユニット１１００は、ケース本体１１１０と、前記ケース本体１１１０に取り付けられた発光モジュール部１１３０と、前記ケース本体１１１０に取り付けられ外部電源から電源を提供される接続端子１１２０を含むことができる。
【０１８４】
前記ケース本体１１１０は、放熱特性が良好な材質から形成されることが好ましく、例えば金属材質又は樹脂材質から形成されることができる。
【０１８５】
前記発光モジュール部１１３０は、基板１１３２と、前記基板１１３２に搭載される少なくとも一つの発光素子パッケージ２００とを含むことができる。
【０１８６】
前記基板１１３２は、絶縁体に回路パターンが印刷されたものであってもよく、例えば、一般の印刷回路ボード（ＰＣＢ：Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）、メタルコアＰＣＢ、フレキシブルＰＣＢ、セラミックＰＣＢなどがありうる。
【０１８７】
また、前記基板１１３２は、光を効率的に反射する材質から形成されるか、表面の色を、光を効率的に反射する色、例えば白色、銀色などに形成されることができる。
【０１８８】
前記基板１１３２上には、少なくとも一つの発光素子パッケージ２００が搭載されることができる。前記発光素子パッケージ２００の各々は、少なくとも一つの発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）１００を含むことができる。前記発光ダイオード１００は、赤色、緑色、青色または白色の有色の光を各々発光する有色の発光ダイオード及び紫外線を発光するＵＶ発光ダイオードを含むことができる。
【０１８９】
前記発光素子１００は、実施形態による前記実施形態で例示された発光素子１００が適用される。
【０１９０】
前記発光モジュール部１１３０は、色感及び輝度を得るために多様な発光素子パッケージ２００の組合わせを有するように配置されることができる。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み合わせて配置できる。
【０１９１】
前記接続端子１１２０は、前記発光モジュール部１１３０と電気的に接続されて電源を供給できる。図１８に示すように、前記接続端子１１２０は、ソケット方式で外部電源にまわし挟まれて結合されるが、これに対して限定されるものではない。例えば、前記接続端子１１２０は、ピン（ｐｉｎ）状に形成されて外部電源に挿入されるか、配線により外部電源に接続されることもできる。
【０１９２】
図１９は、実施形態による照明ユニット１２００の分解斜視図である。
【０１９３】
実施形態による照明ユニット１２００は、導光板１２１０と、前記導光板１２１０に光を提供する発光モジュール部１２４０と、前記導光板１２１０の下に反射部材１２２０と前記導光板１２１０、発光モジュール部１２４０及び反射部材１２２０を格納するボトムカバー１２３０を含むことができるが、これに限定されるものではない。
【０１９４】
前記導光板１２１０は、光を拡散させて面光源化させる機能を果たす。前記導光板１２１０は、透明な材質からなり、例えば、ＰＭＭＡ（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔａａｃｒｙｌａｔｅ）のようなアクリル樹脂系、ＰＥＴ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｔｅｒｅｐｈｔｈｌａｔｅ）、ＰＣ（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）、ＣＯＣ（ｃｙｃｌｏｏｌｅｆｉｎ ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ）及びＰＥＮ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｎａｐｈｔｈａｌａｔｅ）樹脂のうち、何れか一つを含むことができる。
【０１９５】
前記発光モジュール１２４０は、前記導光板１２１０の少なくとも一側面に光を提供し、最終的には、前記照明ユニットが取り付けられる表示装置の光源として作用するようになる。
【０１９６】
前記発光モジュール部１２４０は、前記導光板１２１０と接することができるが、これに限定されるものではない。具体的に、前記発光モジュール部１２４０は、基板１２４２と、前記基板１２４２に搭載される多数の発光素子パッケージ２００を含むが、前記基板１２４２が前記導光板１２１０と接することができるが、これに限定されるものではない。
【０１９７】
前記基板１２４２は、回路パターン（図示せず）を含む印刷回路ボード（ＰＣＢ）でありうる。ただし、前記基板１２４２は、一般ＰＣＢのみだけでなく、メタルコアＰＣＢ（ＭＣＰＣＢ）、フレキシブルＰＣＢなどを含むこともでき、これに対して限定するものではない。
【０１９８】
そして、前記複数の発光素子パッケージ２００は、前記基板１２４２上に光が放出される発光面が前記導光板１２１０と所定距離が離隔されるように搭載されることができる。
【０１９９】
前記導光板１２１０下には、前記反射部材１２２０が形成されることができる。前記反射部材１２２０は、前記導光板１２１０の下面に入射された光を反射させて上に向かうようにすることによって、前記ライトユニット１０５０の輝度を向上させることができる。前記反射部材１２２０は、例えば、ＰＥＴ、ＰＣ、ＰＶＣレジンなどから形成されることができるが、これに対して限定するものではない。
【０２００】
前記ボトムカバー１２３０は、前記導光板１２１０、発光モジュール部１２４０及び反射部材１２２０などを収納できる。このために、前記ボトムカバー１２３０は、上面が開口したボックス形状を有することができるが、これに対して限定しない。
【０２０１】
前記ボトムカバー１２３０は、金属材質または樹脂材質で形成されることができ、プレス成型または圧出成型などの工程を用いて製造されることができる。実施形態によれば、従来の窒化物半導体の発光素子が有している本質的な問題である高電流注入のときに発生する非発光損失の問題を克服するともに、低電流注入のときに発生する結晶欠陥に応じる非発光損失の問題を画期的に克服することで全注入電流領域で高効率の発光特性を備えることができる理想的な窒化物半導体の発光素子、発光素子パッケージ及び照明システムを提供すると期待される。
【０２０２】
また、実施形態によれば、窒化物半導体の発光素子の応用分野を画期的に増大すると期待される。
【０２０３】
また、実施形態によれば、作動の注入電流が低電流領域から高電流領域まで可変するスマート照明製品開発に大活躍すると期待される。
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、発光素子、発光素子パッケージ及び照明システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体の薄膜基盤の発光素子は、電気エネルギーを光エネルギーに変換する機能を有する。周期律表上で３族と５族の元素が化合して形成される窒化物半導体物質を用いる発光素子は、薄膜成長技術及び素子材料の開発に従って赤色、緑色、青色及び紫外線など多様な波長（色）の光を具現することができ、蛍光物質を用いることや色を組み合わせることでよい効率の白色光を具現することができる。また、窒化物半導体薄膜基盤の発光素子は、蛍光灯、白熱灯など既存の光源に比べ低消費電力、半永久的な寿命、速い応答速度、安全性、環境に優しい所などの長所を有している。よって、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｒａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）表示装置のバックライトを構成する冷陰極蛍光ランプ（ＣＣＦＬ：Ｃｏｌｄ Ｃａｔｈｏｄｅ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ Ｌａｍｐ）の代わりの発光ダイオードバックライト、蛍光灯や白熱電球の代わりの役割を果たすことができる白色発光ダイオード照明装置、自動車のヘッドライト及び信号灯にまでその応用が拡大されている。窒化物半導体の発光素子の応用範囲の拡大は、根本的に発光素子の高効率化の技術開発を要求する。
【０００３】
従来技術による窒化物半導体の発光素子は、高電流注入のときに著しい非発光損失プロセスによる発光効率低下の問題を有しており、その原因はまだ明確に究明されていない実情で、全世界的に大勢の学者と専門家たちがその原因究明のために活発な研究を行っている。また、従来技術による窒化物半導体の発光素子は、低電流注入のときに結晶欠陥に応じた非発光損失プロセスによる発光効率低下の問題を有している。
【０００４】
特に、青色及び緑色の光を放出する窒化物半導体の発光素子において、高電流の印加のときに発生する発光効率減少の問題は、高出力、高効率の照明用発光素子の具現において最も重要な技術的な問題の一つである。
【０００５】
よって、注入電流量が小さい領域から注入電流量が大きい領域まで至る全注入電流領域で優れた発光量子効率を提供することができる理想的な窒化物半導体の発光素子構造の開発の要求が高まっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の実施形態は、従来の窒化物半導体の発光素子が有している本質的な問題である高電流注入のときに発生する非発光損失による発光効率の低下の問題を克服するともに、低電流注入のときに発生する結晶欠陥に応じる非発光損失による発光効率低下の問題を画期的に克服することで、全注入電流領域で高効率の発光特性を備えることができる発光素子、発光素子パッケージ及び照明システムを提供しようとすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態による発光素子は、第１導電型半導体層、第２導電型半導体層及び前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層の間に活性層を含めて、前記活性層は、前記第２導電型半導体層に隣接する第１活性層と前記第１導電型半導体層に隣接する第２活性層及び前記第１活性層と前記第２活性層との間にゲート量子壁を含む。
【０００８】
また、本発明の実施形態による発光素子は、第１導電型半導体層と、第２導電型半導体層と、前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間に活性層と、を含めて、前記活性層は、前記第１導電型半導体層に隣接する多重量子井戸構造の第３活性層と前記第２導電型半導体層に隣接する単一量子井戸構造の第４活性層及び前記第３活性層と前記第４活性層との間にゲート量子壁を含むことができる。
【０００９】
また、本発明の実施形態による発光素子パッケージは、前記発光素子と、前記発光素子が配置されるパッケージ本体と、前記発光素子と前記パッケージ本体を電気的に接続する一つ以上の電極と、を含む。
【００１０】
また、本発明の実施形態による照明システムは、前記発光素子パッケージを備える発光ユニットを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】従来技術の多重量子井戸構造の活性層を備える窒化物半導体の発光素子においての活性層に対するエネルギーバンドの概略図である。
【図２】従来技術の多重量子井戸構造の活性層（図１参照）を備える窒化物半導体の発光素子においての注入電流量の増加による内部発光量子効率の特性を示す図である。
【図３】従来技術の幅の広い単一量子井戸構造基盤の活性層を備える窒化物半導体の発光素子においての活性層に対するエネルギーバンドの概略図である。
【図４】従来技術の幅の広い単一量子井戸構造の活性層（図３参照）を備える窒化物半導体の発光素子においての注入電流量の増加による内部発光量子効率の特性を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る発光素子チップの断面例示図である。
【図６】第１実施形態に係る発光素子において、第１活性層と第２活性層の二重活性層を備える発光素子の活性層に対するエネルギーバンドギャップの概略図である。
【図７】第１実施形態に従って製造された二重活性層を備える窒化物半導体の発光素子においての注入電流による発光効率の特性を示す図である。
【図８】第２実施形態に係る発光素子において、第１活性層は多重量子井戸構造で、第２活性層は超格子構造で形成される二重活性層を備える発光素子の活性層に対するエネルギーバンドギャップの概略図である。
【図９】第３実施形態に係る発光素子において、第２活性層は広い単一量子井戸構造で、第１活性層は狭い単一量子井戸構造で形成される二重活性層を備える発光素子の活性層に対するエネルギーバンドギャップの概略図である。
【図１０】第３実施形態に係る発光素子において、二重活性層を備える窒化物半導体の青色発光素子においての注入電流による光出力の特性を示す図である。
【図１１】第４実施形態に係る発光素子において、第１活性層と第２活性層との二重活性層を備える窒化物半導体の発光素子に対するエネルギーバンドギャップの概略図である。
【図１２】第４実施形態に係る発光素子において、二重活性層を備える発光素子に低電流が注入されるときに二重活性層の内部においての電子と正孔の分布度を示す図である。
【図１３】第４実施形態に係る発光素子において、二重活性層を備える発光素子に高電流が注入されるときに二重活性層の内部においての電子と正孔の分布度を示す図である。
【図１４】第４実施形態に係る発光素子において、二重活性層構造を備える窒化物半導体の青色発光素子においての注入電流密度による内部発光量子効率の変化を示す図である。
【図１５】第５実施形態に係る発光素子において、一つの第１活性層は多重量子井戸構造で、電子注入層と正孔注入層に各々隣接配置される二つの第２活性層は広い単一量子井戸構造で形成される多重活性層を備える発光素子の活性層に対するエネルギーバンドギャップの概略図である。
【図１６】第５実施形態に係る発光素子において、多重活性層構造を備える窒化物半導体の青色発光素子においての注入電流に対する光出力の変化を示す図である。
【図１７】本発明の実施形態による発光素子パッケージの断面図である。
【図１８】本発明の実施形態による照明ユニットの斜視図である。
【図１９】本発明の実施形態によるバックライトユニットの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態による発光素子、発光素子パッケージ及び照明システムを添付の図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は、従来技術の多重量子井戸構造の活性層を備える窒化物半導体の発光素子においての活性層に対するエネルギーバンドの概略図である。図２は、従来の多重量子井戸構造の活性層（図１参照）を備える窒化物半導体の発光素子においての注入電流量の増加による内部発光量子効率の特性を示す図である。
【００１４】
図２に示すように、従来の多重量子井戸構造基盤の窒化物半導体の発光素子製造技術は、注入電流が増加することによって著しい発光量子効率低下の問題を有する。従来の窒化物半導体の多重量子井戸構造の活性層において、ｎ型ＧａＮ基盤の電子注入層から注入される電子は、量子井戸伝導帯（Ｅｃ）の上に形成されている量子化エネルギー準位に位置して、ｐ型ＧａＮ基盤の正孔注入層から注入される正孔は、量子井戸価電子帯（Ｅｖ）の下に形成されている量子化エネルギー準位に位置する。量子井戸内の基底状態の量子化エネルギー準位に各々位置した電子と正孔は、量子力学的な結合条件が満足されれば互いに結合して光を放出する。
【００１５】
しかし、一つの量子井戸内において最低のエネルギー状態である基底状態（ｑｕａｎｔｕｍ ｎｕｍｂｅｒ，ｎ＝１）の量子化エネルギー準位は、量子力学的に一定量の電子または正孔だけを保有することができる。また、より高い量子化エネルギー準位に位置する電子と正孔は、そのエネルギー状態が基底状態に位置する電子と正孔とに比べ高い。よって、注入される電子または正孔の量が十分である場合、一つの量子井戸内で高い量子化エネルギー準位に位置するキャリア（電子及び正孔）は、隣の他の量子井戸内の基底状態へ移り込んで発光に寄与する。
【００１６】
ところで、従来の多重量子井戸構造の活性層（発光層）を備える窒化物半導体の発光素子においては、活性層内のすべての量子井戸層が注入されたキャリアを均一に分散受容することができず、正孔注入層に隣接した少数の量子井戸層のみが主に発光に寄与する問題を有している。よって、注入電流量が十分である場合、活性層内に効果的に束縛されない残りの電子または正孔が生じることになる。
【００１７】
この残りの電子または正孔は、光を発生させることに寄与しなく、活性層内でオージェ非発光プロセス（Ａｕｇｅｒ ｎｏｎｒａｄｉａｔｉｖｅ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ）により自体消滅されるかまたは活性層の外に漏洩される。
【００１８】
オージェ非発光プロセスは、Ｃｎ３（Ｃ：Ａｕｇｅｒ ｃｏｎｓｔａｎｔ， ｎ：ｉｎｊｅｃｔｅｄ ｃａｒｒｉｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ）に表すことができ、量子力学的に発生する物質の本質的な属性である。活性層の外への漏洩は、主に注入キャリアの量子壁オーバーフロの形態で発生する。
【００１９】
従来の窒化物半導体の発光素子は、物質の本来の極性に基づいて本質的に活性層の内部に非常に大きい内部フィールドが存在して、また、活性層に注入される電子がホットキャリア性質を有しているため著しいキャリアオーバーフローの問題を有する。
【００２０】
結局、注入される電流が増加すると電子と正孔の非発光損失が増加することになって活性層の発光効率、例えば、内部量子効率が著しく減少することになる。
【００２１】
従来の多重量子井戸構造の活性層基盤の窒化物半導体の発光素子において、上述の高電流の印加のときに発生する発光効率減少の問題は、高出力照明用発光素子の具現で最も重要な技術的な問題の一つである。
【００２２】
図３は、従来技術で幅の広い単一量子井戸構造基盤の活性層を備える窒化物半導体の発光素子においての活性層に対するエネルギーバンドの概略図である。
【００２３】
図４は、従来技術で幅の広い単一量子井戸構造の活性層（図３参照）を備える窒化物半導体の発光素子においての注入電流量の増加による内部発光量子効率の特性を示す図である。図４に示すように、従来の幅の広い単一量子井戸構造基盤の窒化物半導体の発光素子製造技術は、低電流領域において結晶欠陥に応じた非発光損失による著しい発光量子効率低下の問題を有する。
【００２４】
従来技術によれば、前記高電流注入のときに発生する非発光損失の問題を解決するために活性層の厚さが相対的に厚いＩｎＧａＮ単一量子井戸構造層を活性層として備える。
【００２５】
相対的に幅の広いＩｎＧａＮ単一量子井戸構造の活性層（図３参照）は、前記従来多重量子井戸構造の活性層（図１参照）に比べ、相対的に大量の電子と正孔を効果的に受容することができる。よって、注入電流量が大きいとき、活性層の発光効率が優れるという長所を有する。
【００２６】
しかし、半導体薄膜を用いる発光素子は、本質的に活性層内部に存在する結晶欠陥に応じる非発光損失の属性を有する。この結晶欠陥ＳＲＨ非発光プロセスは、Ａｎ（Ａ：Ｓｈｏｃｋｌｅｙ−Ｒｅａｄ−Ｈａｌｌ ｃｏｎｓｔａｎｔ， ｎ：ｉｎｊｅｃｔｅｄ ｃａｒｒｉｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ）に表すことができ、低注入電流領域において主たるキャリア再結合である。
【００２７】
結果的に、厚さが相対的に厚い単一量子井戸構造の活性層を備える窒化物半導体の発光素子は、活性層内に存在する結晶欠陥の総数が相対的に増加することになり、結晶欠陥に応じる非発光損失効果が増加することになる。よって、厚さが相対的に厚い単一量子井戸構造の活性層を備える窒化物半導体の発光素子は、低電流注入領域において素子の内部量子効率（発光効率）が非常に低いという問題を有する。
【００２８】
結果的に、従来の多重量子井戸構造の活性層基盤の窒化物半導体の発光素子は、低電流注入領域において効果的な量子束縛効果によって優れた発光効率を有するが、高電流注入領域において非常に低い発光効率を有する問題がある。一方、従来の相対的に厚い単一量子井戸構造の活性層基盤の発光素子は、高電流注入領域において優れた発光効率を有するが、低電流注入領域において非常に低い発光効率を有する問題がある。よって、本発明の実施形態では低電流と高電流の全注入領域で優れた発光効率を有する理想的な窒化物半導体の発光素子構造を提案しようとする。
【００２９】
窒化物半導体の発光素子において、キャリア注入層から活性層に注入されるキャリアは以下のように大別に四つのプロセスのうちから一つを行う。
【００３０】
全体キャリア再結合、Ｒ＝Ａｎ＋Ｂｎ２＋Ｃｎ３＋Ｌ（ｎ），式中、ｎ：ｉｎｊｅｃｔｅｄ ｃａｒｒｉｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ， Ａ：Ｓｈｏｃｋｌｅｙ−Ｒｅａｄ−Ｈａｌｌ ｃｏｎｓｔａｎｔ， Ｂ：ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔａｎｔ， Ｃ：Ａｕｇｅｒ ｃｏｎｓｔａｎｔ， Ｌ：ｃａｒｒｉｅｒ ｌｅａｋａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｄｅｐｅｎｄｉｎｇ ｏｎ ｈｉｇｈｅｒ ｏｒｄｅｒｓ ｏｆ ｎ。
【００３１】
前記四つのキャリア再結合プロセスのうちから発光プロセスは、Ｂｎ２項の一つであって、残りの三つのプロセスは各々、結晶欠陥非発光プロセス、オージェ非発光プロセス、キャリア漏洩非発光プロセスである。
【００３２】
よって、窒化物半導体の発光素子の内部量子効率を極大化させるためには、低電流注入のときに主たる非発光プロセスであるＳＲＨプロセス効果を最小化させることが好ましく、高電流注入のときに主たる非発光プロセスであるオージェプロセスとキャリア漏洩プロセスを最小化することが好ましい。
【００３３】
本発明の実施形態によれば、これを具現するための接近法としては、低電流注入のときは発光面積を最小化させて量子束縛効果を極大化させることが好ましく、高電流注入のときは発光面積を最大化させることが好ましい。
【００３４】
本発明の実施形態によれば、一つの発光素子の内部に備えられる活性層構造が注入電流領域に応じて可変的な多機能性構造であることが好ましい。本発明の実施形態によれば、可変的な多機能性の活性層構造を具現する一つの実施形態として二重活性層の概念を以下に提示する。
【００３５】
本発明の実施形態によれば、二重（または多重）活性層の概念は、低電流領域において主として作動する第１活性層と高電流領域において主として作動する第２活性層、そして第１活性層と第２活性層との間にゲート量子壁を備えることで低電流から高電流まで全注入領域において高いＬＥＤ発光効率を具現するということである。本発明の実施形態によれば、主たる構成要素の機能は以下のようである。
【００３６】
第１活性層は、量子井戸構造にすることで発光面積制限と量子束縛効果により低電流領域において発光効率を極大化する。第１活性層は、相対的に薄い厚さの量子井戸層を備えて、少数の量子井戸層が発光に寄与するようにすることで結晶欠陥に応じるＳＲＨ非発光プロセスを最小化させる特徴を有する。
【００３７】
ゲート量子壁は、一定の注入電量以上においてキャリアの量子力学的トンネリングとドリフトトランスポート属性を制御して第２活性層が発光に主に寄与するよう調節する機能を備える。本発明の実施形態によれば、ゲート量子壁は、量子井戸構造の第１活性層と第２活性層との間に配置され、ゲート量子壁の厚さとエネルギーバンドギャップの大きさを調節して第２活性層が発光に主に寄与し始める臨界注入電流量を制御することができる。
【００３８】
第２活性層は、相対的に大量のキャリアを受容することができる構造にすることで高電流領域において発光効率が優れた主活性層として作動する機能を備える。
【００３９】
本発明の実施形態によれば、好ましい第２活性層構造としては、例えば、薄い量子壁を備えることで量子力学的トンネリングによるミニエネルギーバンドを形成することができる超格子構造もしくは相対的に広い幅の単一または多重量子井戸構造などが可能である。
【００４０】
超格子構造もしくは幅の広い単一または多重量子井戸構造などは、高電流注入のときに大量のキャリアを効果的に受容して発光に寄与しようにすることで高電流領域において優れた発光効率特性を具現することができる。
【００４１】
本発明の実施形態によれば、第１活性層と第２活性層の主たる違いは、第１活性層に比べ第２活性層が量子力学的に量子化された状態密度がより大きいことである。第２活性層は、状態密度が相対的により大きいので第１活性層よりさらに大量のキャリアを効果的に発光層内部に受容することができる。
【００４２】
発光素子の活性層から放出される波長は、量子力学的に量子井戸層の幅（厚さ）とエネルギーバンドギャップの大きさに応じて決定される。よって、第２活性層が、第１活性層に比べ、同一であるか類似な波長の光を放出するためには、量子井戸層のエネルギーバンドギャップの大きさは適切に調節されることが好ましい。
【００４３】
色の純度がよい単一色相または同じ波長の光を放出する一つの発光素子を具現するためには、二個の活性層（第１活性層と第２活性層）の各々の波長は同一するかまたは類似であることが好ましい。
【００４４】
例えば、第１活性層と第２活性層の光を色座標に表したとき第１活性層の色座標と第２活性層の色座標を繋ぐ直線は両活性層の色座標と同じ色領域にあることができる。また、各活性層から放出された光は、色純度が８０％以上であることができる。
【００４５】
本発明の実施形態によれば、低電流領域において主に作動する第１活性層が正孔注入層に隣接するように備えられる場合、第１活性層内の量子井戸のエネルギーバンドギャップの大きさは、第２活性層内の量子井戸層のエネルギーバンドギャップの大きさと同一であるかまたはより大きいことが好ましい。図５は、本発明の実施形態による発光素子１００の断面例示図である。
【００４６】
本発明の実施形態は、垂直型発光素子を中心に説明しているが、これは例に過ぎず、水平型発光素子、フリップチップ型発光素子、ビアを含むハイブリッド型発光素子などに適用されてもよい。
【００４７】
図５に示すように、本発明の実施形態による発光素子１００は、第１導電型半導体層１１０、活性層１２０、第２導電型半導体層１１６を含む発光構造物と、前記第２導電型半導体層１１６の下に形成された第２電極層１４０と、前記第１導電型半導体層１１０の上に第１電極１５０を含むことができる。
【００４８】
前記第１導電型半導体層１１０は、第１導電型ドーパントがドーピングされた３族―５族化合物半導体で具現されることができ、前記第１導電型半導体層１１０がｎ型半導体層である場合、前記第１導電型ドーパントはｎ型ドーパントとして、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｅ、Ｔｅを含むことができるが、これに限定されるものではない。
【００４９】
前記第１導電型半導体層１１０は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式を有する半導体物質を含むことができる。
【００５０】
前記第１導電型半導体層１１０は、ＧａＮ，ＩｎＮ，ＡｌＮ，ＩｎＧａＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＡｌＧａＮ，ＡｌＩｎＮ，ＡｌＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＡｌＩｎＧａＡｓ，ＧａＰ，ＡｌＧａＰ，ＩｎＧａＰ，ＡｌＩｎＧａＰ，ＩｎＰのうち何れか一つ以上で形成されることができる。
【００５１】
前記活性層１２０は、低電流領域において効果的に作動する第１活性層１２１と高電流領域において効果的に作動する第２活性層１２２を共に備えて、第１活性層１２１と第２活性層１２２との間にゲート量子壁１２５を備えることができるが、これに限定されるものではない。活性層１２０に対しては下記の実施形態で具体的に述べる。
【００５２】
前記第２導電型半導体層１３０は、第２導電型ドーパントがドーピングされた３族―５族元素の化合物半導体、例えば、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式を有する半導体物質を含むことができる。前記第２導電型半導体層１３０は、例えば、ＧａＮ，ＡｌＮ，ＡｌＧａＮ，ＩｎＧａＮ，ＩｎＮ，ＩｎＡｌＧａＮ，ＡｌＩｎＮ，ＡｌＧａＡｓ，ＧａＰ，ＧａＡｓ，ＧａＡｓＰ，ＡｌＧａＩｎＰのうちから選択されることができる。前記第２導電型半導体層１１６は、ｐ型半導体層である場合、前記第２導電型ドーパントは、ｐ型ドーパントとして、Ｍｇ，Ｚｎ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａなどを含むことができる。前記第２導電型半導体層１１６は、単層または多層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。
【００５３】
本発明の実施形態で前記第１導電型半導体層１１０は、ｎ型半導体層、前記第２導電型半導体層１３０は、ｐ型半導体層で具現することができるが、これに限定されるものではない。また、前記第２導電型半導体層１３０の上には、前記第２導電型と反対の極性を有する半導体、例えば、ｎ型半導体層（図示せず）を形成することができる。これによって発光構造物は、Ｎ−Ｐ接合構造、Ｐ−Ｎ接合構造、Ｎ−Ｐ−Ｎ接合構造、Ｐ−Ｎ−Ｐ接合構造のうち何れか一つの構造で具現することができる。
【００５４】
前記第２電極層１４０は、結合層１４２、オミック層１４４、反射層１４６、伝導性支持基板１４８などを含むことができる。
【００５５】
例えば、前記結合層１４２は、Ｔｉ，Ａｕ，Ｓｎ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｂｉ，Ｃｕ，ＡｇまたはＴａのうち何れか一つを含むことができる。
【００５６】
例えば、前記オミック層１４４は、ＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ），ＩＺＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｚｉｎｃ ｏｘｉｄｅ），ＩＺＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｚｉｎｃ ｔｉｎ ｏｘｉｄ），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及びＮｉ／ＩｒＯｘ／Ａｕ／ＩＴＯ，Ａｇ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｍｇ，Ｚｎ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｈｆのうち少なくとも一つを含めて形成されることができ、この材料に限定するものではない。
【００５７】
また、前記反射層１４６は、前記発光構造物から入射する光を反射させて、光抽出効率を改善することができる。
【００５８】
前記反射層１４６は、Ａｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｒｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｈｆのうち少なくとも一つを含む金属または合金で形成されることができる。また、前記反射層１４６は、前記金属または合金とＩＺＯ、ＩＺＴＯ、ＩＡＺＯ、ＩＧＺＯ、ＩＧＴＯ、ＡＺＯ、ＡＴＯなどの透光性の伝導性物質を用いて多層に形成されることができ、例えば、ＩＺＯ／Ｎｉ、ＡＺＯ／Ａｇ、ＩＺＯ／Ａｇ／Ｎｉ、ＡＺＯ／Ａｇ／Ｎｉなどで積層することができる。
【００５９】
また、前記伝導性支持基板１４８は、前記発光構造物を支持し前記発光構造物に電源を提供することができる。前記伝導性支持基板１４８は、電気伝導性が優れた金属、金属合金、もしくは伝導性半導体物質で形成されることができる。
【００６０】
例えば、前記伝導性支持基板は、銅（Ｃｕ）、銅合金（Ｃｕ Ａｌｌｏｙ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅−トングステン（Ｃｕ−Ｗ）、キャリアウエハ（例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＺｎＯ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣなど）のうち少なくとも一つを含むことができる。
【００６１】
前記伝導性支持基板を形成させる方法は、電気化学的な金属蒸着方法、メッキ方法や共晶金属を用いた結合方法などを採用することができる。
【００６２】
以下、本発明の実施形態でエピタキシャル構造のうち主たる構成要素らの相互有機的作動原理は、以下のように幾つかの構造の例を通じてより詳しく説明する。
【００６３】
（第１エピタキシャル構造）
第１構造例によるエピタキシャル構造は、電子注入層／第２活性層／ゲート量子壁／第１活性層／正孔注入層の順に形成されることを特徴とする。
【００６４】
第１構造例で低電流注入のときにキャリアは、主に第１活性層に流入されて発光することになる。第１活性層のエネルギーバンドギャップは、第２活性層のエネルギーバンドギャップとその大きさが同じであるかまたはより大きいことが好ましい。注入電流量が増加して一定注入電流量以上が注入されると、正孔はゲート量子壁を乗り越えて第２活性層まで満ち始める。よって、高電流注入のときに第１活性層と第２活性層の両方が発光に寄与することになり、キャリア受容容量がより大きい第２活性層が主たる発光源になる。
【００６５】
（第２エピタキシャル構造）
第２構造例による他のエピタキシャル構造は、電子注入層／第３活性層／ゲート量子壁／第４活性層／正孔注入層の順に形成されることを特徴とする。
【００６６】
第２エピタキシャル構造例で低電流注入のときにキャリアは、主に第３活性層に流入されて発光することになる。第４活性層のエネルギーバンドギャップは、第３活性層のエネルギーバンドギャップより大きいことが好ましい。ゲート量子壁は、低電流注入のときに正孔が第３活性層に効果的に注入されることができるようにゲート量子壁のエネルギーバンドギャップは、その大きさが正孔注入層のエネルギーバンドギャップの大きさより小さいことが好ましい。高電流注入のとき、電子はエネルギーバンドギャップが小さい第３活性層を満ちて、ゲート量子壁を乗り越えて第４活性層に注入されて発光に寄与する。
【００６７】
（第３エピタキシャル構造）
第３構造例によるエピタキシャル構造は、電子注入層／第４活性層／ゲート量子壁／第３活性層／ゲート量子壁／第４活性層／正孔注入層の順に形成されることを特徴とする。第３エピタキシャル構造で低電流注入のときにキャリアは、主に第３活性層に流入されて発光することになる。第４活性層のエネルギーバンドギャップは、第３活性層のエネルギーバンドギャップより大きいことが好ましい。ゲート量子壁は、低電流注入のときに正孔が第３活性層に効果的に注入されることができるようにゲート量子壁のエネルギーバンドギャップは、その大きさが正孔注入層のエネルギーバンドギャップの大きさより小さいことが好ましい。
【００６８】
高電流注入のとき、電子はエネルギーバンドギャップが小さい第３活性層を満ちて、ゲート量子壁をドリフトトランスポートして正孔注入層に隣接する第４活性層に注入されて発光に寄与する。高電流注入のとき、正孔は第３活性層を満ちて、ゲート量子壁をドリフトトランスポートして電子注入層に隣接の第４活性層に注入されて発光に寄与する。
【００６９】
本発明の実施形態の革新ポイントは単一活性層を備える従来の窒化物半導体の発光素子が有している本質的／構造的限界を克服する知能型スマート発光層構造を提案するということである。
【００７０】
従来に単一色（単一波長）を放出する窒化物半導体の薄膜基板の発光素子は、薄膜内部に一つの活性層を備える。従来に二重もしくは三重色（多波長）を放出する窒化物半導体の薄膜基盤の発光素子は、薄膜内部に二もしくは三個の活性層を備えることがある。
【００７１】
しかし、このような多波長発光素子は、青色と緑色、もしくは青色と緑色と赤色を同時に放出することで蛍光体物質の使用なしで白色ＬＥＤを具現しようとする技術である。本発明の実施形態による多重活性層を備える知能型活性層構造は、単一色（単一波長）を放出する窒化物半導体の発光素子が低注入電流領域から高注入電流領域までの全注入領域において優れた発光効率を具現することができるようにすることで、従来の窒化物半導体の発光素子技術が有している本質的な限界を克服することができる概念を提供することにそのポイントがある。
【００７２】
以下、本発明の実施形態による発光素子、発光素子パッケージ及び照明システムを実施形態別に説明する。
【００７３】
（第１実施形態）
図６は、第１実施形態に係る発光素子において、第１エピタキシャル構造による二重活性層を備える発光素子の活性層に対するエネルギーバンドギャップの概略図である。第１実施形態において、第２活性層が長格子構造形態を備え、第１活性層は単一量子井戸構造を備えることができる。
【００７４】
本発明の実施形態に係る発光素子１００は、第１導電型半導体層１１０、第２導電型半導体層１３０、及び前記第１導電型半導体層１１０と前記第２導電型半導体総１３０との間に活性層１２０を含む。前記第１導電型半導体層１１０は電子注入層であり、前記第２導電型半導体総１３０は正孔注入層であることができるが、これに限定されるものではない。
【００７５】
前記活性層１２０は、前記第２導電型半導体層１３０に隣接した第１活性層１２１と、前記第１導電型半導体層１１０に隣接した第２活性層１２２及び前記第１活性層１２１と前記第２活性層１２２との間に備えられたゲート量子壁１２５を含む。
【００７６】
第１実施形態による発光素子において、活性層１２０は、低電流領域において効果的に作動する単一量子井戸構造、第１活性層１２１と高電流領域において効果的に作動する超格子構造、第２活性層１２２を共に備えて、第１活性層１２１と第２活性層１２２との間にゲート量子壁１２５を備える。
【００７７】
本発明の実施形態による発光素子において、活性層１２０の具現は、低電流注入のときは活性層の結晶欠陥に応じる発光効率減少の問題を克服するように量子井戸構造を活用して発光に関与する発光層領域を最小に設計して、高電流注入のときは超格子構造を活用して発光に関与する発光層領域を最大に設計することができる。
【００７８】
本発明の実施形態において、低電流は５Ａ／ｃｍ２以下、高電流は３５Ａ／ｃｍ２以上を意味することができるが、これに限定されるものではない。
【００７９】
前記第１活性層１２１は、量子力学的に形成される量子化エネルギー準位を備える量子井戸を含む。第１活性層１２１において、ｎは量子効果を示す量子井戸の内で電子と正孔が位置することができる量子化エネルギー準位の数を説明の便利のために概略的に表示する。
【００８０】
前記第２活性層１２２は、超格子構造を備える発光層である。第２活性層１２２の多重量子井戸構造で量子壁の厚さが十分に薄く形成されると量子壁はその以上の量子束縛効果を表すことができず、量子井戸の内に束縛されていた電子もしくは正孔は薄い量子壁を量子力学的トンネル効果によって通過して超格子全体に広げて特定のミニエネルギーバンドを形成することができる。本発明の実施形態において、このバンド構造を超格子ミニバンドと称することができるが、これに限定するものはない。
【００８１】
一方、本発明の実施形態において第２活性層１２２の超格子構造は、光が発生する発光領域であり、これは従来の応力緩衝用もしくはキャリア注入用超格子構造が発光領域でないこととは区別される。
【００８２】
前記第２活性層１２２は、多重量子井戸１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ、１２２ｄ及び多重量子（図示せず）構造を含め、前記第２活性層の量子壁はキャリア（電子または正孔）の量子力学的トンネリングが可能である。
【００８３】
例えば、前記第２活性層の量子壁は、０．２〜７ｎｍの厚さｄ２を有することができる。例えば、前記第２活性層１２２内の超格子構造において量子壁の厚さが７ｎｍ以下でなければ効果的なミニバンドを形成することができず、注入された正孔が効果的に超格子全体に分布することができない。
【００８４】
前記第２活性層１２２の量子井戸１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ、１２２ｄの各々の厚さは２〜１０ｎｍであることができるが、これに限定されるものではない。
【００８５】
本実施形態において、前記ゲート量子壁１２５は、低電流印加のとき第２導電型半導体層１３０を介して第１活性層１２１に注入される正孔が第２活性層１２２へ通り過ぎないように束縛することができ、一定注入電流以上の高電流印加のとき第２導電型半導体層１３０を介して第１活性層１２１に注入される正孔が第２活性層１２２にドリフトトランスポートして効果的に通り過ぎられるようにことができる。
【００８６】
例えば、前記ゲート量子壁１２５の厚さｄｇは、０．３〜１５ｎｍであることができる。前記ゲート量子壁１２５が３ｎｍ未満である場合、低電流注入のとき第１活性層１２１内の量子井戸中に正孔を効果的に束縛することができなく、前記ゲート量子壁１２５が１５ｎｍを超える場合、高電流注入のときに正孔がゲート量子壁１２５を効果的に通り過ぎることができなくなる。
【００８７】
また、前記ゲート量子壁１２５の厚さｄｇは、０．４〜１２ｎｍであることができるが、これに限定されるものではない。前記ゲート量子壁１２５が４ｎｍ以上である場合、低電流注入のとき第１活性層１２１内の量子井戸中に正孔をより効果的に束縛することができ、前記ゲート量子壁１２５が１２ｎｍ以下である場合、高電流注入のときに正孔がゲート量子壁１２５をより効果的に通り過ぎて第２活性層１２２に注入されることができる。
【００８８】
前記ゲート量子壁１２５のエネルギーバンドギャップの大きさは、前記第１活性層の量子井戸１２１のエネルギーバンドギャップの大きさより大きく、前記第２導電型半導体層１３０のエネルギーバンドギャップの大きさと同様であるかまたはより小さいことが好ましい。低電流注入のとき、正孔が第１活性層の量子井戸１２１に効果的に束縛されるためには、前記ゲート量子壁１２５のエネルギーバンドギャップが第１活性層の量子井戸のエネルギーバンドギャップの大きさより大きいことが必要である。
【００８９】
注入電流が増加することによって、第１活性層１２１の量子井戸に累積される正孔量が増加することになって、正孔の一部は、注入された電子と結合して光を生成させて消える。
【００９０】
高電流注入のとき、第１活性層の量子井戸１２１に注入される正孔が効果的に前記ゲート量子壁１２５を通り過ぎて第２活性層１２２に注入されるためには、前記ゲート量子壁１２５のエネルギーバンドギャップが前記第２導電型半導体層１３０のエネルギーバンドギャップよりその大きさが小さいことが好ましい。前記ゲート量子壁１２５のエネルギーバンドギャップは、窒化物半導体（ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ、ｙ≦１）のゲート量子壁の組成を調節することで制御することができる。
【００９１】
本発明の実施形態に置いて、理想的な活性層１２０の主たる作動原理は、窒化物半導体の活性層１２０内で電子は、有効質量が小さくて移動度が高く、正孔は有効質量が相対的に大きくて移動度が非常に低いという窒化物半導体物質の固有な属性を用いる。
【００９２】
低電流注入のときに第１導電型半導体層１１０、例えば電子注入層から活性層１２０に注入される電子は、活性層１２０内で移動度が相対的に高く、超格子構造である第２活性層１２２とゲート量子壁１２５をたやすく通り過ぎて第１活性層１２１内の量子井戸層に着く。
【００９３】
一方、低電流注入のときに第２導電型半導体層１３０、例えば正孔注入層から活性層１２０に注入される正孔は有効質量が大きいため、移動度が低く、正孔注入層に隣接した第１活性層１２１内の量子井戸に量子力学的に束縛されてゲート量子壁１２５を効果的に通過することができない。
【００９４】
一方で、高電流注入のときは正孔注入層から活性層に注入される正孔は最初に第１活性層１２１内の量子井戸を全て満ちて残りの正孔はゲート量子壁１２５を通過して超格子構造第２活性層１２２に着くことができる。第２活性層１２２は、多量の残り正孔を効果的に受容することができ発光に寄与することで高電流注入のときに主たる活性層になる。高電流注入のとき、電子注入層から活性層へ注入される電子は、活性層全体にやすく分布することができる。
【００９５】
本実施形態の作動原理を図６を参照してより詳しく説明する。
【００９６】
低電流注入のときに第２導電型半導体層１３０、例えば、正孔注入層から活性層に注入される正孔は、第１活性層１２１量子井戸に注入される。前記第１活性層１２１の量子井戸に注入される正孔は、エネルギー状態が最低の量子化エネルギー順位ｎ＝１に位置することになる。ｎ＝１の量子化エネルギー順位に位置した正孔は量子力学的に量子井戸内に束縛されて、電子対比相対的に有効質量が大きく移動度が低くてゲート量子壁１２５を透過して第２活性層１２２に移動しない。本実施形態によれば、第１活性層１２１の量子井戸の厚さは、２〜１６ｎｍであることが好ましい。例えば、第１活性層１２１の量子井戸の厚さは、２〜１０ｎｍであることがより好ましい。一方、第１導電型半導体層１１０、例えば電子注入層から活性層に注入される電子は、正孔対比量子力学的有効質量が小さく移動度が高くて第２活性層１２２とゲート量子壁１２５を効果的に通過して第１活性層１２１の量子井戸に着く。
【００９７】
前記第１活性層１２１の量子井戸に注入された電子は、エネルギー状態が最低のｎ＝１の量子化エネルギー順位に位置することになる。結局、低電流注入のとき注入された電子と正孔は、第１活性層１２１の量子井戸内で互いに結合して光を放出する。
【００９８】
一方で、高電流注入のとき、第２導電型半導体層１３０、例えば、正孔注入層から活性層に注入される正孔は最初に第１活性層１２１の量子井戸内のすべての量子化エネルギー準位を満ちて残りの正孔はゲート量子壁１２５を通り過ぎて第２活性層１２２の中に流入される。第２活性層１２２は、超格子ミニバンドを備えているので第１活性層１２１の量子井戸対比相対的に大量の正孔をミニバンド内に量子力学的に受容することができる。
【００９９】
本実施形態によれば、前記第２活性層１２２は、エネルギーバンドギャップが小さい量子井戸とエネルギーバンドギャップが大きい量子壁が交代に少なくとも２回以上反復積層されて、電子と正孔が量子力学的にトンネリングが可能な超格子構造を備えることができる。本実施形態によれば、第２活性層１２２の量子井戸の個数は、２〜２０個を備えることができる。
【０１００】
本実施形態によれば、第１活性層１２１の量子井戸のエネルギーバンドギャップの大きさは第２活性層内の量子井戸１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ、１２２ｄのエネルギーバンドギャップの大きさと同一であるかより大きいことが好ましい。これは注入電流が一定値以上であるとき、正孔が第１活性層１２１においてゲート量子壁１２５を通り過ぎて第２活性層１２２に効果的に送ることができるためである。正孔注入効率は、エネルギー状態が高い位置から低い位置に注入されるとき本質的に増大する。
【０１０１】
第２活性層１２２に注入される正孔は、超格子全体に効果的に分散されて電子注入層から注入される電子と量子力学的に結合して効果的に光を放出する。結局、高電流注入のとき、注入された電子と正孔は、第１活性層１２１と第２活性層１２２に分散されて両発光層で効果的に結合して光を放出することができる。
【０１０２】
本実施形態によれば、素子作動に要する注入電流量は、低電流領域と高電流領域とに明らかに区分されることではなくて、具現しようとする発光素子製品の使用用度に応じて可変的に選択及び調節されることができる。
【０１０３】
本実施形態によれば、前記第１活性層１２１で前記第２活性層１２２に注入される正孔の注入効率は、ゲート量子壁１２５のエネルギー障壁の高さ及びゲート量子壁１２５の厚さによって効果的に制御することができる。さらに、本実施形態によれば、第１活性層１２１から第２活性層１２２に注入される正孔の注入効率は、第１活性層１２１のエネルギーバンドギャップの大きさと第２活性層１２２のエネルギーバンドギャップの大きさを相対的に調節することで効果的に制御されることができる。
【０１０４】
本実施形態によれば、前記第１活性層１２１のエネルギーバンドギャップが前記第２活性層１２２のエネルギーバンドギャップとその大きさが同一であるかより大きいとき、一定注入電流以上で、正孔が効果的に第１活性層１２１から第２活性層１２２に移送されることができる。
【０１０５】
図７は、第１実施形態によって製造された二重活性層を備える窒化物半導体発光素子の注入電流による発光効率特性を示す。素子製造のために薄膜成長は、ＬＰＭＯＣＶＤを使用したが、これに限定されるものではない。基板はサファイアを用い、レーザリフトオフ方式を採用して基板を除去した後、垂直型のＬＥＤチップを製造した。
【０１０６】
効果比較のため、従来５個の量子井戸層を備える青色発光素子を製造した。図７によれば、従来の多重量子井戸構造基板の窒化物半導体の青色発光素子の内部発光効率対比、実施形態によって製造された二重活性層を備える発光素子が注入電流の全領域において優れた発光効率特性を示している。
【０１０７】
第１実施形態によれば、従来の発光素子対比、注入電流１０００ｍＡにおいて、実施形態による発光素子は３０％以上の発光効率の改善効果を示す（図６参照）。
【０１０８】
（第２実施形態）
図８は、第２実施形態による二重活性層を備える発光素子（構造例１）の活性層に対するエネルギーバンドギャップの概略図である。第２実施形態においては、第２活性層が超格子構造の形態を備えて、第１活性層は、２個の量子井戸層を備える多重量子井戸構造を備えている。第２実施形態は前記第１実施形態の技術的な特徴を採用することができる。
【０１０９】
第２実施形態による発光素子１００ｂは、第１活性層１２１が多重量子井戸構造であってもよく、これによって複数個の量子井戸１２１ａ、１２１ｂと量子壁１２１ｃを含むことができる。
【０１１０】
第２実施形態において第１活性層１２１が多重量子井戸構造を備える場合、単一量子井戸を備える場合対比、低電流領域だけではなく中間領域の電流注入のときにも第１活性層１２１が主たる活性層として効果的に作動することができる。
【０１１１】
例えば、低電流注入のとき、第２導電型半導体層１３０、例えば、正孔注入層から注入される正孔は、最初に第１活性層１２１内の第１量子井戸１２１ａに束縛されて電子と結合して発光することになる。
【０１１２】
一方、中間領域の電流注入のとき、正孔注入層から注入される正孔は、最初に第１活性層１２１内の第１量子井戸１２１ａの量子化エネルギー順位を満ちて、残りの正孔は第１活性層内の量子壁１２１ｃを通り過ぎて第２量子井戸１２１ｂに注入された後電子と結合して発光することができる。
【０１１３】
第２実施形態において、前記第１活性層１２１の量子井戸の個数は２個または３個であることができる。
【０１１４】
第２実施形態において第１活性層１２１内の多重量子井戸構造に量子井戸の数が３個を超える場合、高電流注入のとき、正孔注入層から第２活性層１２２へ注入される正孔は多重量子井戸構造の第１活性層を通過するときに相対的に大きい直列抵抗を経て第２活性層１２２への正孔注入効率が低くなる。よって、第１活性層１２１内の多重量子井戸構造に量子井戸の数が３個を超える場合、高電流注入のとき、第２活性層１２２が効果的に主たる活性層として作動することができなくなる。
【０１１５】
第２実施例において第１活性層１２１の量子壁１２１ｃは、前記ゲート量子壁１２５の厚さｄｇ以下であることができる。例えば、第２実施形態において第１活性層１２１の量子壁１２１ｃは、０．２〜７ｎｍであることができる。
【０１１６】
第２実施形態において、第１活性層１２１内の量子壁１２１ｃの厚さｄ１が７ｎｍを超える場合、中間電流及び高電流注入のとき、正孔注入層から活性層へ注入される正孔は最初に第１活性層１２１内の第１量子井戸１２１ａを満ちて、残りの正孔は相対的に厚い量子壁１２１ｃを通過するときに高い直列抵抗を受けることになって非発光損失が発生して第１活性層１２１内の第２量子井戸１２１ｂと第２活性層１２２への正孔注入効率が低くなる。
【０１１７】
よって、第１活性層１２１内の量子壁１２１ｃの厚さｄ１が７ｎｍを超える場合、中間電流及び高電流注入のとき、第１活性層１２１内の第２量子井戸１２１ｂと第２活性層１２２が効果的に発光に寄与することができなりうる。
【０１１８】
本実施形態によれば、第２実施形態に置いて、第１活性層１２１の量子井戸の厚さは、２〜１０ｎｍであることが好ましい。実施形態によれば、前記第１活性層１２１内の量子壁１２１ｃのエネルギーバンドギャップの大きさは、前記ゲート量子壁１２５のエネルギーバンドギャップの大きさと同様であるかより小さいことが好ましい。実施形態によれば、第２実施形態において、注入電流の増加のとき、第１活性層１２１から第２活性層１２２への正孔の注入効率は、第１活性層内の量子壁１２１ｃのエネルギー障壁の高さが低くて厚さが薄ければ薄いほど増大することができる。
【０１１９】
前記中間電流は、５〜３５Ａ／ｃｍ２以下を意味することができるが、これに限定されるものではない。
【０１２０】
以下、第１、第２実施形態による発光素子の製造方法を説明する。
【０１２１】
例えば、サファイアなどの基板（図示せず）の上に第１導電型半導体層１１０、活性層１２０、第２導電型半導体層１３０を形成する。例えば、基板（図示せず）上に窒化物半導体電子注入層を成長して窒化物半導体層及び正孔注入層を成長製造する。
【０１２２】
窒化物半導体の電子注入層薄膜上に超格子構造を備える第２活性層１２２を製造して第２活性層１２２と第１活性層１２１との間には、ゲート量子壁１２５を製造することができる。
【０１２３】
前記第２活性層１２２の超格子構造は、エネルギーバンドギャップが互いに異なる複数個の窒化物半導体層を積層して製造されることができる。前記第２活性層１２２の超格子構造は、エネルギーバンドギャップが互いに異なる複数個の窒化物半導体層を積層して製造される場合、反復回数は少なくとも２回以上であることができる。第２活性層１２２の超格子構造内のエネルギーバンドギャップが大きい窒化物半導体層の厚さは、０．２〜７ｎｍであることができるが、これに限定されるものではない。
【０１２４】
前記第２活性層１２２の超格子構造内のエネルギーバンドギャップが小さい窒化物半導体層の厚さは、２〜１０ｎｍであることができるが、これに限定されるものではない。前記第２活性層１２２と第１活性層１２１との間に位置するゲート量子壁１２５は、その厚さは３〜１５ｎｍであることができるが、これに限定されるものではない。
【０１２５】
前記第２活性層１２２と第１活性層１２１との間に位置するゲート量子壁１２５は、その厚さは３〜１５ｎｍであることができるが、これに限定されるものではない。前記第１活性層１２１内の量子井戸は、１〜３個程度であることができる。前記第１活性層１２１内の量子井戸層の厚さは、２〜１０ｎｍであることができるが、これに限定されるものではない。前記第１活性層１２１が多重量子井戸構造を備える場合、量子壁の厚さｄ２は、０．２〜７ｎｍであることができるが、これに限定されるものではない。
【０１２６】
（第３実施形態）
図９は、第３実施形態による二重活性層を備える発光素子（前記第１エピタキシャル構造例参照）の活性層に対するエネルギーバンドギャップの概略図である。第３実施形態においては、第２活性層１２４が相対的に幅の広い単一量子井戸構造の形態を備えて、第１活性層１２１は相対的に幅の狭い単一量子井戸構造を備える。
【０１２７】
第３実施形態は、第１実施形態及び第２実施形態の技術的な特徴を採用することができる。
【０１２８】
第３実施形態による発光素子において、活性層１２０は、低電流領域において効果的に作動する単一量子井戸構造、第１活性層１２４と高電流領域において効果的に作動する超格子構造、第２活性層１２２を共に備えて、第１活性層１２１と第２活性層１２２との間にゲート量子壁１２５を備える。
【０１２９】
また、本実施形態によれば、第３実施形態による第１活性層１２１は一つ、または二つ以上の量子井戸層で構成されることができる。
【０１３０】
本実施形態によれば、第１活性層１２１は第２活性層１２４に比べ厚さが相対的に薄く形成されて量子力学的な量子井戸の束縛効果がさらに優れる。
【０１３１】
第２導電型半導体層１３０と隣の位置する第１活性層１２１の厚さは、１〜１０ｎｍであることが好ましい。前記第１活性層の厚さが１ｎｍより小さい場合、量子力学的に十分な量のエネルギー準位を活性層（発光層）内に形成することができなくなる。
【０１３２】
前記第１活性層の厚さが１０ｎｍより大きい場合、量子力学的に量子井戸の束縛効果が相対的に小さくなるという問題を有する。前記第１活性層は、量子束縛効果によって低電流注入のときに優れた発光効率を提供することができる。本実施形態によれば、第２活性層１２４はその厚さが３〜３００ｎｍであることが好ましい。前記第２活性層１２４の厚さが３００ｎｍ以上である場合、結晶欠陥に応じる非発光損失効果が著しく増加して結果的に発光素子の発光効率を著しく低下させる。前記第２活性層１２４の厚さが３ｎｍより小さく形成される場合、注入されるキャリアの量が大量である場合、効果的にキャリアを第２活性層内に受容することができなくて、結局、素子の発光効率を低下させることができる。
【０１３３】
本実施形態によれば、第２活性層はその厚さが第１活性層の厚さ対比相対的により厚いことを特徴とする。本実施形態によれば、電子注入層である第１導電型半導体層１１０に隣接に配置される第２活性層１２４は、ｎ型ドーピングされることが可能である。例えば、ｎ型にドーピングされる第２活性層１２４は、注入される電子は、第２活性層１２４を通り過ぎて効果的に第１活性層１２１に注入されることができる。
【０１３４】
実施形態による発光素子は、低電流注入のとき、第１活性層１２１が主たる活性層として作動して、高電流注入のときは第２活性層１２４が主たる活性層として作動することができる。
【０１３５】
本実施形態によれば、ｎ型半導体層である第１導電型半導体層１１０の周辺に位置する第２活性層１２４のエネルギーバンドギャップは、ｐ型半導体層である第２導電型半導体層１３０の周辺に位置する第１活性層１２１のエネルギーバンドギャップ対比その大きさが同じであるかより小さいことが好ましい。
【０１３６】
実施形態によれば、発光素子に低電流が注入されるとき、正孔が量子化エネルギー準位が低い第１活性層１２１に十分に満ちた後に束縛されて第１活性層１２１にて発光を行った後、第２活性層１２４へ移動するようにすることができる。この際、第２活性層１２４と第１活性層１２１との間にゲート量子壁１２５が位置し、３〜８ｎｍの厚さで形成されることが好ましい。
【０１３７】
本実施形態によれば、第１活性層１２１は一つであることが例示されているが、第１活性層１２１は二つまたは三つ以上に形成されることは勿論である。図１０は、第３実施形態によって製造された二重活性層を備える窒化物半導体の青色発光素子の注入電流による光出力の特性を示す図である。
【０１３８】
第３実施形態によれば、第１０は低電流領域において幅の狭い井戸を備える第１活性層が作動して、高電流領域においては幅の広い井戸を備える第２活性層が主として作動していることを示している。
【０１３９】
（第４実施形態）
図１１は、第４実施形態に係る発光素子において、第３活性層は多重量子井戸構造で、第４活性層は広い単一量子井戸構造である二重活性層（ｄｕａｌ ａｃｔｉｖｅ ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ ｌａｙｅｒｓ）を備える窒化物半導体の発光素子に対するエネルギーバンドギャップの概略図である。
【０１４０】
第４実施形態は、前記第１実施形態乃至第３実施形態の技術的な特徴を採用することができる。
【０１４１】
第４実施形態による電子注入層である第１導電型半導体層１１０に隣接した第３活性層１２３は、多重量子井戸構造であることができ、正孔注入層である第２導電型半導体層１３０に隣接した第４活性層１２６は、広い単一量子井戸構造であることができる。
【０１４２】
前記第３活性層１２３内の各々の量子井戸は、厚さが１〜１０ｎｍであることができ、前記第４活性層１２６は、厚さが少なくとも３〜３００ｎｍであることができる。第４実施形態によれば、前記第４活性層１２６の厚さは、前記第３活性層１２３内の各々の量子井戸の厚さより大きいことを主要な特徴とする。
【０１４３】
第４実施形態において、前記第４活性層１２６は、ｐ−型ドーピングされることができる。第４実施形態によれば、前記広い井戸構造の第４活性層のエネルギーバンドギャップは、前記第３活性層内の量子井戸のエネルギーバンドギャップ対比、その大きさが同一であるか大きいことが好ましい。
【０１４４】
上述の発光素子に低電流が注入されるとき、前記第４活性層１２６は相対的にエネルギーバンドギャップが大きくて、例えば、ｐ型ドーピングされているので注入される正孔は、第４活性層を通り過ぎて効果的に第３活性層に注入されることができる。そして、前記第１導電型半導体層１１０から注入される電子は、主として前記第３活性層にて前記正孔と結合して光を放出することになる。
【０１４５】
第４実施形態によれば、正孔注入層である第２導電型半導体層１３０に隣接した第４活性層１２６のエネルギーバンドギャップが電子注入層である第１導電型半導体層１１０のエネルギーバンドギャップと同一であるかより大きいことが正孔注入効率の側面から好ましい。
【０１４６】
ここで、前記第１エピタキシャル構造例（第１実施形態乃至第３実施形態）との違いは、ｐ型導電型半導体層に隣接した第４活性層１２６が高電流用、つまり、広い幅の井戸であるので、もし、第３活性層１２３と第４活性層１２６のエネルギーバンドギャップの大きさが互いに同一であれば、第４活性層１２６の厚さが厚いのでより厚い量子井戸に量子化されるエネルギー順位は厚さが薄い第３活性層１２３内の基底状態（ｎ＝１）エネルギー順位よりエネルギー状態が量子力学的にさらに低くなる。
【０１４７】
よって、第１エピタキシャル構造例と同一の作動原理の側面から、つまり、正孔注入効率の増大観点から見ると、ｐ型導電型半導体層に隣接する厚い第４活性層１２６は、少なくもエネルギーバンドギャップが第３活性層１２３と比較して、少しでもより大きいことが好ましい。
【０１４８】
また、第１エピタキシャル構造例対比、第２エピタキシャル構造例（第４実施形態）は、第４活性層１２６がｐ型導電型半導体層１３０に隣接する。よって、低電流注入のときに正孔が第３活性層１２３まで注入されて１次発光を行うべきなので、第１エピタキシャル構造例対比、第２エピタキシャル構造例では、ゲート量子壁１２５が低電流注入のときに効果的にトンネリングが発生するように厚さがより薄く設計されることができる。
【０１４９】
第４実施形態によれば、図１２に示すように、前記発光素子に低電流が注入されるときに前記第１導電型半導体層１１０から注入される電子は、主に第３活性層に束縛されて、第４活性層では、相対的に電子濃度の低下が発生する。
【０１５０】
図１２は、第４実施形態によって製造される二重活性層を備える発光素子に低電流が注入されるときに二重活性層の内部においての電子と正孔の分布度を示す図である。
【０１５１】
そして、前記発光素子に高電流が注入されるとき、第１導電型半導体層１１０から前記活性層に注入される電子のうち一部は、前記第３活性層１２３内の多重量子井戸内のすべての量子化エネルギー準位を満ちて、残りの電子はトンネリングもしくはドリフトトランスポートプロセスなどでゲート量子壁１２５を通り過ぎて前記第４活性層１２６に注入される。
【０１５２】
第４実施形態によれば、図１３に示すように、前記発光素子に高電流が注入されるときに前記第１導電型半導体層１１０から注入される電子は、主に第４活性層１２６で相対的に電子濃度の増加が発生する。
【０１５３】
図１３は、第４実施形態によって製造される二重活性層を備える発光素子に高電流が注入されるときに二重活性層の内部においての電子と正孔の分布度を示す図である。
【０１５４】
すなわち、第１２に示すように、前記発光素子に低電流が注入されるときに前記第４活性層で電子濃度の低下によって主に第３活性層で発生するか、図１３に示すように、高電流が注入されるときは、第３活性層と第４活性層の両方で均一に発光することをわかる。
【０１５５】
前記第４活性層１２６は、前記第３活性層１２３内の多重量子井戸より厚くて相対的に多くの電子を効果的に受容することができて、前記電子が正孔と結合して光を出す。
【０１５６】
よって、第４実施形態によれば、高電流注入のときに活性層の内へ注入された電子と正孔は、第３活性層と第４活性層とに分散されて両活性層に互いに効果的に結合して光を放出することで広い注入電流領域において高い発光量子効率を提供することができる。
【０１５７】
図１４は、第４実施形態によって製造される二重活性層構造を備える窒化物半導体の青色発光素子の注入電流密度による内部発光量子効率の動きを示す。図１４に示すように、多重量子井戸構造の第１活性層だけを備える発光素子と広い単一量子井戸構造の第２活性層だけを備える発光素子などと比較するとき、第４実施形態による二重活性層を備える発光素子は、相対的に広い注入電流領域において優れた内部量子効率を提供する。
【０１５８】
（第５実施形態）
図１５は、第５実施形態に係る発光素子において、多重活性層を備える発光素子の活性層に対するエネルギーバンドギャップの概略図である。
【０１５９】
例えば、図１５は、前記第３エピタキシャル構造例によって、一個の第３活性層１２３の多重量子井戸構造であり、正孔注入層と電子注入層に各々隣接して配置される第４活性層１２６及び第５活性層１２８は、幅の広い単一量子井戸構造である多重活性層を備える発光素子の活性層に対するエネルギーバンドギャップの概略図である。
【０１６０】
第５実施形態は、前記第５実施形態の技術的な特徴を採用することができる。
【０１６１】
第５実施形態においては、二つの広い単一量子井戸である第４、第５活性層１２６、１２８の間に多重量子井戸構造の第３活性層１２３が配置される構造を備えることを特徴とする。
【０１６２】
第５実施形態による発光素子で、低電流領域においては、多重活性層の中心部に位置する多重量子井戸構造の第３活性層が主に発光に寄与して、高電流領域においては二個の広い単一量子井戸の第４、第５活性層が主に効果的に発光に寄与する。
【０１６３】
第５実施形態において第３活性層と第４活性層との間及び前記第３活性層と前記第５活性層との間には、前記の実施形態のようにゲート量子壁を備える。
【０１６４】
第５実施形態による発光素子で、電流が注入されるときの発光作動原理も、前記の実施形態で説明した発光作動原理と類似に作動する。第５実施形態による発光素子の作動原理を、図１５を基により詳しく説明すると以下のようである。
【０１６５】
低電流注入のとき、正孔注入層から活性層に注入される正孔は、最初に第４活性層１２６を通り過ぎて第１ゲート量子壁１２５ａを通り過ぎて第３活性層１２３内の量子井戸層に注入される。
【０１６６】
第５実施形態によれば、第４活性層１２６のエネルギーバンドギャップは、第３活性層１２３内の量子井戸層のエネルギーバンドギャップよりその大きさが大きいことが正孔注入効率増大させることができるので好ましい。
【０１６７】
一方、低電流注入のとき、正孔注入層から活性層に注入される電子は、最初に第５活性層１２８を通り過ぎて第２ゲート量子壁１２５ｂを通り過ぎて第１活性層内の量子井戸層に注入される。
【０１６８】
第５実施形態によれば、第５活性層のエネルギーバンドギャップは、第３活性層内の量子井戸層のエネルギーバンドギャップよりその大きさが大きいことが電子注入効率を増大させることができるので好ましい。
【０１６９】
結局、低電流注入のとき電子と正孔は、効果的に、多重活性層の中心部に位置している第３活性層に注入されて互いに結合して光を放出する。
【０１７０】
一方、高電流注入のとき、電子注入層から活性層に注入される電子は、中心部に位置する第３活性層１２３内部の量子化エネルギー順位をすべて満ちて、残りの電子はゲート量子壁１２５ａ、１２５ｂを通り過ぎて正孔注入層に隣接している第４活性層１２６及び電子注入層に隣接している第５活性層１２８までに効率的に注入される。
【０１７１】
よって、高電流注入のときに第４活性層１２６及び第５活性層１２８は、多量のキャリアを効果的に受容して発光に主に寄与するようにする。
【０１７２】
図１６は、第５実施形態によって製造された多重活性層を備えている窒化物半導体の青色発光素子の注入電流に対する光出力の動きを示す図である。従来の多重量子井戸構造の単一活性層を備えている窒化物半導体の窒化物半導体の青色発光素子の光出力と比較して、第５実施形態による多重活性層の発光効率が非常に優れることをよく示している。
【０１７３】
図１７は、実施形態による発光素子のパッケージの断面図である。
【０１７４】
図１７を参照すると、実施形態による発光素子パッケージ２００は、パッケージ本体部２０５と、前記パッケージ本体部２０５に取り付けられた第３電極層２１３及び第４電極層２１４と、前記パッケージ本体部２０５に取り付けられて前記第３電極層２１３及び第４電極層２１４と電気的に接続される発光素子１００と、前記発光素子１００を囲む成型部材２４０が含む。
【０１７５】
前記パッケージ本体部２０５は、シリコーン材質、合成樹脂材質、または金属材質を含めて形成されることができ、前記発光素子１００の周りに傾斜面が形成されることができる。
【０１７６】
前記第３電極層２１３及び第４電極層２１４は、互いに電気的に分離され、前記発光素子１００に電源を提供する役割を果たす。また、前記第３電極層２１３及び第４電極層２１４は、前記発光素子１００から発生された光を反射させて光効率を増加させる役割を果たすことができ、前記発光素子１００から発生された熱を外部へ排出させる役割を果たすこともできる。
【０１７７】
前記発光素子１００は、実施形態による前記実施形態で例示された発光素子１００が適用されることができるが、これに限定されるものではなく、水平型発光素子、フリップチップ型発光素子などに採用されることができる。
【０１７８】
前記発光素子１００は、前記パッケージ本体部２０５上に取り付けられるか、前記第３電極層２１３または第４電極層２１４上に取り付けられることができる。
【０１７９】
前記発光素子１００は、ワイヤ２３０を介して前記第３電極層２１３及び／または第４電極層２１４と電気的に接続されることができ、実施形態では、垂直型の発光素子１００が例示されて、一個のワイヤ２３０が用いられることが例示されているが、これに限定されるものはない。
【０１８０】
前記成型部材２４０は、前記発光素子１００を囲んで前記発光素子１００を保護することができる。また、前記成型部材２４０には、蛍光体が含められて前記発光素子１００から放出された光の波長を変化させることができる。
【０１８１】
実施形態による発光素子パッケージは、照明システムに適用されることができる。前記照明システムは、図１８に示す照明ユニット、図１９に示すバックライトユニットを含めて、信号灯、車両のヘッドライト、看板などが含まれることができる。
【０１８２】
図１８は、実施形態による照明ユニット１１００の斜視図である。
【０１８３】
図１８に示すように、前記照明ユニット１１００は、ケース本体１１１０と、前記ケース本体１１１０に取り付けられた発光モジュール部１１３０と、前記ケース本体１１１０に取り付けられ外部電源から電源を提供される接続端子１１２０を含むことができる。
【０１８４】
前記ケース本体１１１０は、放熱特性が良好な材質から形成されることが好ましく、例えば金属材質又は樹脂材質から形成されることができる。
【０１８５】
前記発光モジュール部１１３０は、基板１１３２と、前記基板１１３２に搭載される少なくとも一つの発光素子パッケージ２００とを含むことができる。
【０１８６】
前記基板１１３２は、絶縁体に回路パターンが印刷されたものであってもよく、例えば、一般の印刷回路ボード（ＰＣＢ：Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｂｏａｒｄ）、メタルコアＰＣＢ、フレキシブルＰＣＢ、セラミックＰＣＢなどがありうる。
【０１８７】
また、前記基板１１３２は、光を効率的に反射する材質から形成されるか、表面の色を、光を効率的に反射する色、例えば白色、銀色などに形成されることができる。
【０１８８】
前記基板１１３２上には、少なくとも一つの発光素子パッケージ２００が搭載されることができる。前記発光素子パッケージ２００の各々は、少なくとも一つの発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）１００を含むことができる。前記発光ダイオード１００は、赤色、緑色、青色または白色の有色の光を各々発光する有色の発光ダイオード及び紫外線を発光するＵＶ発光ダイオードを含むことができる。
【０１８９】
前記発光素子１００は、実施形態による前記実施形態で例示された発光素子１００が適用される。
【０１９０】
前記発光モジュール部１１３０は、色感及び輝度を得るために多様な発光素子パッケージ２００の組合わせを有するように配置されることができる。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み合わせて配置できる。
【０１９１】
前記接続端子１１２０は、前記発光モジュール部１１３０と電気的に接続されて電源を供給できる。図１８に示すように、前記接続端子１１２０は、ソケット方式で外部電源にまわし挟まれて結合されるが、これに対して限定されるものではない。例えば、前記接続端子１１２０は、ピン（ｐｉｎ）状に形成されて外部電源に挿入されるか、配線により外部電源に接続されることもできる。
【０１９２】
図１９は、実施形態による照明ユニット１２００の分解斜視図である。
【０１９３】
実施形態による照明ユニット１２００は、導光板１２１０と、前記導光板１２１０に光を提供する発光モジュール部１２４０と、前記導光板１２１０の下に反射部材１２２０と前記導光板１２１０、発光モジュール部１２４０及び反射部材１２２０を格納するボトムカバー１２３０を含むことができるが、これに限定されるものではない。
【０１９４】
前記導光板１２１０は、光を拡散させて面光源化させる機能を果たす。前記導光板１２１０は、透明な材質からなり、例えば、ＰＭＭＡ（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔａａｃｒｙｌａｔｅ）のようなアクリル樹脂系、ＰＥＴ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｔｅｒｅｐｈｔｈｌａｔｅ）、ＰＣ（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）、ＣＯＣ（ｃｙｃｌｏｏｌｅｆｉｎ ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ）及びＰＥＮ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｎａｐｈｔｈａｌａｔｅ）樹脂のうち、何れか一つを含むことができる。
【０１９５】
前記発光モジュール１２４０は、前記導光板１２１０の少なくとも一側面に光を提供し、最終的には、前記照明ユニットが取り付けられる表示装置の光源として作用するようになる。
【０１９６】
前記発光モジュール部１２４０は、前記導光板１２１０と接することができるが、これに限定されるものではない。具体的に、前記発光モジュール部１２４０は、基板１２４２と、前記基板１２４２に搭載される多数の発光素子パッケージ２００を含むが、前記基板１２４２が前記導光板１２１０と接することができるが、これに限定されるものではない。
【０１９７】
前記基板１２４２は、回路パターン（図示せず）を含む印刷回路ボード（ＰＣＢ）でありうる。ただし、前記基板１２４２は、一般ＰＣＢのみだけでなく、メタルコアＰＣＢ（ＭＣＰＣＢ）、フレキシブルＰＣＢなどを含むこともでき、これに対して限定するものではない。
【０１９８】
そして、前記複数の発光素子パッケージ２００は、前記基板１２４２上に光が放出される発光面が前記導光板１２１０と所定距離が離隔されるように搭載されることができる。
【０１９９】
前記導光板１２１０下には、前記反射部材１２２０が形成されることができる。前記反射部材１２２０は、前記導光板１２１０の下面に入射された光を反射させて上に向かうようにすることによって、前記ライトユニット１０５０の輝度を向上させることができる。前記反射部材１２２０は、例えば、ＰＥＴ、ＰＣ、ＰＶＣレジンなどから形成されることができるが、これに対して限定するものではない。
【０２００】
前記ボトムカバー１２３０は、前記導光板１２１０、発光モジュール部１２４０及び反射部材１２２０などを収納できる。このために、前記ボトムカバー１２３０は、上面が開口したボックス形状を有することができるが、これに対して限定しない。
【０２０１】
前記ボトムカバー１２３０は、金属材質または樹脂材質で形成されることができ、プレス成型または圧出成型などの工程を用いて製造されることができる。実施形態によれば、従来の窒化物半導体の発光素子が有している本質的な問題である高電流注入のときに発生する非発光損失の問題を克服するともに、低電流注入のときに発生する結晶欠陥に応じる非発光損失の問題を画期的に克服することで全注入電流領域で高効率の発光特性を備えることができる理想的な窒化物半導体の発光素子、発光素子パッケージ及び照明システムを提供すると期待される。
【０２０２】
また、実施形態によれば、窒化物半導体の発光素子の応用分野を画期的に増大すると期待される。
【０２０３】
また、実施形態によれば、作動の注入電流が低電流領域から高電流領域まで可変するスマート照明製品開発に大活躍すると期待される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型半導体層と、
第２導電型半導体層と、
前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間に活性層と、を含み、
前記活性層は、
前記第２導電型半導体層に隣接した第１活性層と前記第１導電型半導体に隣接した第２活性層及び前記第１活性層と前記第２活性層との間にゲート量子壁を含む発光素子。
【請求項２】
前記ゲート量子壁は、第１大きさの電流印加のときに前記第２導電型半導体層を介して前記第１活性層に注入される正孔が前記第２活性層に通り過ぎないように束縛することができ、
前記第１大きさより大きい第２大きさの電流印加のときに前記第２導電型半導体層を介して前記第１活性層に注入される正孔が前記第２活性層にドリフトトランスポートして効果的に通り過ぎるようにする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記第１大きさの電流は５Ａ／ｃｍ２以下の電流であり、前記第２大きさの電流は３５Ａ／ｃｍ２以上の電流である請求項６に記載の発光素子。
【請求項４】
前記ゲート量子壁のエネルギーバンドギャップの大きさは、前記第１活性層の量子井戸のエネルギーバンドギャップの大きさより大きくて、前記第２導電型半導体層のエネルギーバンドギャップの大きさと同じであるかまたはより小さい請求項１に記載の発光素子。
【請求項５】
前記第２活性層は、前記第１活性層に比べて量子力学的に量子化された状態密度がより大きいことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項６】
前記第１活性層と前記第２活性層から発光する光は、同じ色相の光または同じ波長の光であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項７】
前記第１導電型半導体層は電子注入層であり、前記第２導電型半導体層は正孔注入層であり、
前記第１活性層のエネルギーバンドギャップは、前記第２活性層のエネルギーバンドギャップの大きさ以上である請求項１に記載の発光素子。
【請求項８】
前記第２活性層が超格子構造の形態を備え、前記第１活性層は単一量子井戸構造を備える請求項１に記載の発光素子。
【請求項９】
前記第２活性層は、多重量子井戸及び多重量子壁構造を含み、
前記第２活性層の量子壁は、キャリアの量子力学的トンネリングが可能な請求項８に記載の発光素子。
【請求項１０】
前記第２活性層が超格子構造の形態を備え、前記第１活性層は二個の量子井戸層を備える多重量子井戸構造を備える請求項１に記載の発光素子。
【請求項１１】
前記第１活性層の量子壁は、前記ゲート量子壁の厚さ以下である請求項１０に記載の発光素子。
【請求項１２】
前記第１活性層内の量子壁のエネルギーバンドギャップの大きさは、前記ゲート量子壁のエネルギーバンドギャップの大きさ以下である請求項１０に記載の発光素子。
【請求項１３】
前記第２活性層は、第２幅を有する単一量子井戸構造の形態を備え、前記第１活性層は前記第２幅より狭い第１幅の量子井戸構造を含む請求項１に記載の発光素子。
【請求項１４】
前記第１活性層は、前記第１幅を有する単一量子井戸構造を含む請求項１３に記載の発光素子。
【請求項１５】
前記第１導電型半導体層は電子注入層であり、前記第２導電型半導体層は正孔注入層であり、
前記第２活性層のエネルギーバンドギャップは、前記第１活性層のエネルギーバンドギャップ対比その大きさが同じであるかまたはより小さい請求項１３に記載の発光素子。
【請求項１６】
前記第２活性層は、第１導電型にドーピングされる請求項１３に記載の発光素子。
【請求項１７】
前記第１活性層は、前記第１幅を有する多重量子井戸構造を含む請求項１３に記載の発光素子。
【請求項１】
第１導電型半導体層と、
第２導電型半導体層と、
前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間に活性層と、を含み、
前記活性層は、
前記第２導電型半導体層に隣接した第１活性層と前記第１導電型半導体に隣接した第２活性層及び前記第１活性層と前記第２活性層との間にゲート量子壁を含む発光素子。
【請求項２】
前記ゲート量子壁は、第１大きさの電流印加のときに前記第２導電型半導体層を介して前記第１活性層に注入される正孔が前記第２活性層に通り過ぎないように束縛することができ、
前記第１大きさより大きい第２大きさの電流印加のときに前記第２導電型半導体層を介して前記第１活性層に注入される正孔が前記第２活性層にドリフトトランスポートして効果的に通り過ぎるようにする請求項１に記載の発光素子。
【請求項３】
前記第１大きさの電流は５Ａ／ｃｍ２以下の電流であり、前記第２大きさの電流は３５Ａ／ｃｍ２以上の電流である請求項６に記載の発光素子。
【請求項４】
前記ゲート量子壁のエネルギーバンドギャップの大きさは、前記第１活性層の量子井戸のエネルギーバンドギャップの大きさより大きくて、前記第２導電型半導体層のエネルギーバンドギャップの大きさと同じであるかまたはより小さい請求項１に記載の発光素子。
【請求項５】
前記第２活性層は、前記第１活性層に比べて量子力学的に量子化された状態密度がより大きいことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項６】
前記第１活性層と前記第２活性層から発光する光は、同じ色相の光または同じ波長の光であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
【請求項７】
前記第１導電型半導体層は電子注入層であり、前記第２導電型半導体層は正孔注入層であり、
前記第１活性層のエネルギーバンドギャップは、前記第２活性層のエネルギーバンドギャップの大きさ以上である請求項１に記載の発光素子。
【請求項８】
前記第２活性層が超格子構造の形態を備え、前記第１活性層は単一量子井戸構造を備える請求項１に記載の発光素子。
【請求項９】
前記第２活性層は、多重量子井戸及び多重量子壁構造を含み、
前記第２活性層の量子壁は、キャリアの量子力学的トンネリングが可能な請求項８に記載の発光素子。
【請求項１０】
前記第２活性層が超格子構造の形態を備え、前記第１活性層は二個の量子井戸層を備える多重量子井戸構造を備える請求項１に記載の発光素子。
【請求項１１】
前記第１活性層の量子壁は、前記ゲート量子壁の厚さ以下である請求項１０に記載の発光素子。
【請求項１２】
前記第１活性層内の量子壁のエネルギーバンドギャップの大きさは、前記ゲート量子壁のエネルギーバンドギャップの大きさ以下である請求項１０に記載の発光素子。
【請求項１３】
前記第２活性層は、第２幅を有する単一量子井戸構造の形態を備え、前記第１活性層は前記第２幅より狭い第１幅の量子井戸構造を含む請求項１に記載の発光素子。
【請求項１４】
前記第１活性層は、前記第１幅を有する単一量子井戸構造を含む請求項１３に記載の発光素子。
【請求項１５】
前記第１導電型半導体層は電子注入層であり、前記第２導電型半導体層は正孔注入層であり、
前記第２活性層のエネルギーバンドギャップは、前記第１活性層のエネルギーバンドギャップ対比その大きさが同じであるかまたはより小さい請求項１３に記載の発光素子。
【請求項１６】
前記第２活性層は、第１導電型にドーピングされる請求項１３に記載の発光素子。
【請求項１７】
前記第１活性層は、前記第１幅を有する多重量子井戸構造を含む請求項１３に記載の発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１２−１９２１８（Ｐ２０１２−１９２１８Ａ）
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５１９５６（Ｐ２０１１−１５１９５６）
【出願日】平成２３年７月８日（２０１１．７．８）
【出願人】（５１０１１０３０１）エルジー イノテック カンパニー リミテッド (101)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月８日（２０１１．７．８）
【出願人】（５１０１１０３０１）エルジー イノテック カンパニー リミテッド (101)
【Ｆターム（参考）】
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