JP2011233893A - 発光素子、発光素子パッケージ、及び照明システム - Google Patents

発光素子、発光素子パッケージ、及び照明システム Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、光抽出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ためのものである。
【解決手段】本発明による発光素子は、電極層と、上記電極層の上に電流密度調節パターンと、上記電極層及び上記電流密度調節パターンの上に配置された発光構造物とを含み、上記発光構造物の上部領域に柱パターンまたは孔パターンの共振器構造が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子及びその製造方法、発光素子パッケージ、照明システムに関するものである。
窒化物半導体は、高い熱的安全性と幅広いバンドギャップエネルギーにより光素子及び高出力電子素子の開発分野で大きな関心を受けている。特に、窒化物半導体を用いた青色、緑色、ＵＶ発光素子は商用化されて広く使われている。
発光素子の効率は、外部発光効率と内部発光効率とに大別される。このうち、外部発光効率は活性層で発生した光が素子の外部に出る確率を意味するものであって、主に半導体層と空気またはエポキシのような背景物質の屈折率の差による全反射過程により制限された値を有する。
外部発光効率を向上させる方策は、次の２つの概念に分けて考えることができるが、第１に、半導体層境界面に粗さまたは周期的な凹凸構造を導入するものと、第２に、共振器型発光ダイオード（Resonant Cavity LED）のように共振器効果を用いるものである。
半導体層境界面に粗さまたは周期的な凹凸構造を通じて変形を与える方法は、本来全反射過程により束縛されている光を外部に抽出できる役割を遂行する。これに反して、共振器効果は活性層で発生する光の方向を共振器の固有モードを通じて調節する方式であって、抽出効率の向上だけでなく、光の方向性も調節することができる利点がある。
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、及び照明システムを提供することを目的とする。
本発明は、光抽出効率が向上した発光素子を提供することを目的とする。
本発明は、垂直方向に集中した発光パターンを示す発光素子を提供することを目的とする。
本発明による発光素子は、電極層と、上記電極層の上に電流密度調節パターンと、上記電極層及び上記電流密度調節パターンの上に配置された発光構造物とを含み、上記発光構造物の上部領域に柱パターンまたは孔パターンの共振器構造が提供される。
本発明による発光素子パッケージは、胴体と、上記胴体の上に配置された少なくとも１つのリード電極と、上記リード電極に電気的に連結された発光素子と、を含み、上記発光素子は、電極層と、上記電極層の上に電流密度調節パターンと、上記電極層及び上記電流密度調節パターンの上に配置された発光構造物と、を含み、上記発光構造物の上部領域に柱パターンまたは孔パターンの共振器構造が提供される。
本発明による照明システムは、基板と、上記基板の上に配置され、発光素子を含む発光モジュールと、を含み、上記発光素子は、電極層と、上記電極層の上に電流密度調節パターンと、上記電極層及び上記電流密度調節パターンの上に配置された発光構造物と、を含み、上記発光構造物の上部領域に柱パターンまたは孔パターンの共振器構造が提供される。
本発明による発光素子及びその製造方法によれば、電流密度調節による共振器効果により光抽出効率の向上を得ることができる。
また、本発明は電流密度調節による共振器発光素子として光抽出効率の向上が共振器構造の内に存在する垂直方向の振動モードとの結合によりなされるので、垂直方向に集中した発光パターンを得ることができるという長所がある。
本発明の実施形態による発光素子の側断面図である。 本発明の実施形態による発光素子の側断面図である。 共振器構造を導入していない場合の発光分布図である。 本発明の実施形態による発光素子における共振器構造が導入された場合の発光分布図である。 １８００ｎｍ及び２５００ｎｍの周期を有する共振器構造である柱パターンの下に光源を印加した場合（Resonant）と、活性層の全体に光源を印加するか、または共振器構造を持たない場合（Average）とにおける、図１の活性層から柱パターンの底に至る厚さに対する光抽出効率の変化のシミュレーション結果を示す図である。 １８００ｎｍの周期を有する共振器構造である柱パターンの下に光源を印加した場合に、図１の上記活性層から柱パターンの底に至る厚さに従う光抽出効率の変化に対するシミュレーション結果を示す図である。 本発明の実施形態による発光素子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表示装置を示す図である。 本発明の実施形態による表示装置の他の例を示す図である。 本発明の実施形態によるライトユニットを示す図である。
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、及び発光素子パッケージについて説明する。
図１及び図２は、本発明の実施形態による発光素子の側断面図である。
実施形態による発光素子は、発光構造物１１０、電流密度調節パターン１２０、及び電極層１３０を含む。上記発光構造物１１０は共振器構造を含むことができる。上記発光構造物１１０に配置された共振器構造について以下に詳細に説明する。
上記発光構造物１１０は、第１導電型半導体層１１２、活性層１１４、及び第２導電型半導体層１１６を含むことができる。上記電流密度調節パターン１２０は、上記第２導電型半導体層１１６の下に配置される。上記発光構造物１１０は、第２導電型半導体層１１６、上記第２導電型半導体層の上に配置された活性層１１４、及び上記活性層１１４の上に配置された上記第１導電型半導体層１１２を含むことができる。上記共振器構造は、上記発光構造物１１０の上部領域に形成される。
上記電極層１３０は、伝導性支持部材１３６、反射層１３４、及びオーミック層１３２を含むことができ、上記発光構造物１１０に電源を提供することができる。また、上記反射層１３４は、上記活性層１１４から入射される光を上部に反射させることで、発光素子の光抽出効率を向上させることができる。
図１は本発明の第１実施形態による発光素子の断面図であって、共振器構造が柱パターン（Ｂ）の例である。ここで、上記第１導電型半導体層１１２は、上記柱パターン（Ｂ）を提供する第１厚さと上記柱パターン（Ｂ）の下部に提供された第２厚さとを含むことができる。図２は本発明の第２実施形態による発光素子の断面図であって、共振器構造が孔パターン（Ｈ）の例である。ここで、上記第１導電型半導体層１１２は、上記孔パターン（Ｈ）を提供する第１厚さと上記孔パターン（Ｈ）の下部に提供された第２厚さとを含むことができる。
上記電流密度調節パターン１２０は、柱パターン（Ｂ）（図１参照）、または孔パターン（Ｈ）（図２参照）の下に位置した活性層１１４の領域にキャリア（電流）が流れるようにして、光がその活性層１１４の領域のみで発生するようにする。これによって、上記柱パターン（Ｂ）または孔パターン（Ｈ）の下領域の活性層１１４の領域で発生した光は、上記柱パターン（Ｂ）または孔パターン（Ｈ）を単一共振器と認識して、共振器効果により光抽出効率を向上させることができる。
実施形態によれば、柱（または、孔）パターン、及び電流密度調節パターンが素子の全体の領域を詰めながらパターン形態に位置するので、これはあたかも多数の共振器発光素子が分離されている構造と見ることができる。
実施形態では、柱（または、孔）パターンのような共振器構造の有無に従う発光分布の変化を電磁気学方程式を基礎にしてシミュレーションすることができる。
図３は、共振器構造を導入していない場合の発光分布図である。図３を参照すると、共振器構造が導入されていない場合、方向性のない球面波が媒質に沿って進行することが分かる。
一方、図４は本発明の実施形態による発光素子における共振器構造が導入された場合の発光分布図である。図４を参照すると、柱（または、孔）パターン構造が活性層領域に近接すれば発光分布の変化が発生し、主に柱（または、孔）パターンの内部に沿って垂直方向に光が放出されることが分かる。図４のシミュレーションでは、上記電流密度調節パターン１２０による局所的な電流を表すために、柱パターン（Ｂ）の中央の下に光源（light source）を印加した。
図５は、１８００ｎｍ及び２５００ｎｍの周期（ａ）を有する共振器構造である柱パターン（Ｂ）の下に光源を印加した場合（Resonant）と、活性層の全体に光源を印加するか、または上記共振器構造を持たない場合（Average）とにおける、図１の上記活性層１１４から柱パターン（Ｂ）の底に至る厚さ（ｈ１; Distance to MQWs）に対する光抽出効率(Extraction Efficiency)の変化のシミュレーション結果を示すグラフである。
この際、上記発光構造物１１０の厚さ（ｈ２）は３μｍにしたが、ｈ２が２μｍを超過し、１０μｍ以下の値の範囲にある場合、シミュレーション結果は類似するように表れた。また、上記活性層１１４から放出される光は青色系列の光であって、略４６０ｎｍの主波長領域を有する。
図１及び図５を参照すると、活性層の全体に光源を印加するか、または上記共振器構造が導入されていない発光素子の場合（Average）、光抽出効率が比較的一定に維持されることが分かる。
一方、実施形態によって上記共振器構造が導入された発光素子の場合（Resonant）、上記活性層１１４から柱パターン（Ｂ）の底に至る厚さ（ｈ１）が短くなるほど、光抽出効率が上昇する傾向を表す。
特に、上記の厚さ（ｈ１）が上記活性層１１４で生成される光の波長（λ≒４６０ｎｍ）に相当するか、それよりも小さな値、即ち、２００ｎｍ乃至４００ｎｍの値を有すれば、急激に光抽出効率が上昇することが分かる。また、このような現象は上記共振器構造の周期（ａ）が大きい場合、即ち、上記周期（ａ）が１８００ｎｍの場合より２５００ｎｍの場合に一層顕著であることが分かる。
しかしながら、上記の厚さ（ｈ１）が２００ｎｍ乃至４００ｎｍの場合、上記発光構造物１１０を上記活性層１１４に極めて隣接した位置までエッチングして除去しなければならないので、エッチング深さの正確な制御が困難であるので、上記活性層１１４が除去される等の問題が発生して、製造工程の信頼性及び歩留まりを確保し難いという難点がある。
したがって、他の実施形態では、上記活性層１１４から柱パターン（Ｂ）の底に至る厚さ（ｈ１）をより大きく確保し、かつ共振器構造の導入を通じた光抽出効率の上昇効果を得るために、上記発光構造物１１０の全体の厚さ（ｈ２）を２μｍ以下、好ましくは、１μｍ乃至２μｍ、より好ましくは１．３μｍ乃至１．８μｍに形成することができる。
図６は、１８００ｎｍの周期を有する共振器構造である柱パターン（Ｂ）の下に光源を印加した場合に、図１の上記活性層１１４から柱パターン（Ｂ）の底に至る厚さ（ｈ１; Distance to MQWs）に対する光抽出効率(Extraction Efficiency)の変化のシミュレーション結果を示すグラフである。
上記シミュレーションは、上記発光構造物１１０の厚さ（ｈ２）を１．５μｍにして実施した結果を表したが、上記厚さ（ｈ２）を１μｍ乃至２μｍに形成してもシミュレーション結果は似るように表れた。また、上記活性層１１４から放出される光は青色系列の光であって、略４６０ｎｍの主波長を有する。
図１及び図６を参照すると、上記発光構造物１１０の厚さ（ｈ２）が１．５μｍの場合、上記活性層１１４から上記柱パターン（Ｂ）の底に至る厚さ（ｈ１）が図５のシミュレーション結果より大きい値である５００ｎｍ乃至１０００ｎｍ、好ましくは５００ｎｍ乃至７００ｎｍの場合にも比較的高い光抽出効率（Extraction Efficiency）が表れることが分かる。
即ち、上記発光構造物１１０の厚さ（ｈ２）を薄く形成することで、薄膜の特性が発現される。これによって、共振器効果が表れるために求められる上記活性層１１４から上記柱パターン（Ｂ）の底に至る厚さ（ｈ１）が相対的に大きくなるようになって、共振器効果による光抽出効率の上昇効果を得ると共に、発光素子の製造工程の信頼性が確保される。
これは、上記発光構造物１１０の厚さ（ｈ２）が薄くなることによって、上記発光構造物１１０の内に全反射により束縛される光量が減るようになる一方、垂直方向に振動モードにより干渉現象を起こす光量が増えるためであることがある。
また、図１及び図２を参照すると、実施形態において、共振器効果が発生するには上記共振器構造である上記柱パターン（Ｂ）または孔パターン（ｈ）は、上記電流密度調節パターン１２０と互いに対応しない位置に交互に（out-of-phase）形成されるか、あるいは互いに対応する位置に（in-phase）形成される。
一方、実施形態において、上記共振器構造である上記柱パターン（Ｂ）または上記孔パターン（ｈ）は、上記電流密度調節パターン１２０と完全に対応する位置に配列されるか、あるいは完全には対応しない位置に配列されないことがあり、上記電流密度調節パターン１２０の幅は上記柱パターン（Ｂ）の幅（Ｗ１）または孔パターン（ｈ）の幅（Ｗ２）より小さいか大きいことがある。
即ち、実施形態において、電流密度調節の役割をする上記電流密度調節パターン１２０が適切な位置に配列される場合に共振器効果が発生することができ、これに対して限定するものではない。
また、前述したように、上記柱パターン（Ｂ）または孔パターン（ｈ）の底と上記活性層１１４との間の厚さ（ｈ１）が遠過ぎれば活性層１１４が共振器効果を享受することができず、近過ぎれば第１導電型半導体層１１２、例えば、ｎ−ＧａＮ層の厚さの減少によって電流拡散に問題が発生することがある。
これによって、上記柱パターン（Ｂ）または上記孔パターン（ｈ）の底と上記活性層１１４との間の厚さ（ｈ１）の下限線は約１０ｎｍでありうる。また、上記柱パターン（Ｂ）または上記孔パターン（ｈ）のエッチング深さは少なくともλ／ｎ以上のものが好ましい（但し、λは上記活性層から放出される光の主波長、ｎは上記発光構造物の屈折率）。
実施形態は、電流が特定の領域のみに流れて、該当領域内の活性層が共振器効果を得ることができるように設計するものである。仮に、電流が全体発光領域に均一に流れれば、図５の平均値（Average）のデータのように、エッチング深さに関わらず発光効率が一定に維持される結果を表す。
電流の局所化の程度を算術的に表現すると、上記電流密度調節パターン１２０の上の活性層１１４の内に電流が全く流れない時を理想的な場合と考える時、電流密度調節パターン１２０の下段の活性層１１４の垂直断面積の約５０％程度を電流が流れる場合が上限線でありうる。
以下、図７乃至図１５を参照して実施形態による発光素子の製造方法を説明する。以下の説明では第１実施形態による発光素子の製造方法を説明するが、これに限定されるものでなく、例えば第２実施形態にも適用可能である。
図７を参照すると、基板１００の上に第１導電型半導体層１１２、活性層１１４、及び第２導電型半導体層１１６を含む上記発光構造物１１０を形成する。上記基板１００と上記第１導電型半導体層１１２との間にはアンドープド（undoped）半導体層またはバッファ層がさらに形成されることもできる。
上記基板１００は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）単結晶基板、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＺｎＯ、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１００に対して湿式洗浄を行って表面の不純物を除去することができる。また、基板１００の上部面には上記半導体層の成長を促進させるために多様なパターンが形成されたり、傾斜が存在することができる。
上記発光構造物１１０、上記アンドープド半導体層、及び上記バッファ層は、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）、または水素化物気相成長法（ＨＶＰＥ：Hydride Vapor Phase Epitaxy）のうち、少なくとも１つの方法を用いて上記基板１００の上に形成することができ、これに対して限定するものではない。
上記第１導電型半導体層１１２は、例えば、ｎ型半導体層を含むことができる。上記ｎ型半導体層は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の造成式を有する半導体材料、例えばＩｎＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ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。
上記活性層１１４は単一量子井戸構造、多重量子井戸構造、量子線（Ｗire）構造、量子点（dot）構造のうちから選択的に形成される。上記活性層１１４は、３族−５族化合物半導体材料を用いて井戸層／障壁層の周期で形成され、例えばＩｎＧａＮ／ＧａＮ構造、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ構造、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ構造のうち、少なくとも１つを含むことができる。上記障壁層は、上記井戸層のバンドギャップより大きい物質で形成され、これに対して限定するものではない。また、上記活性層１１４は、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材料を含んで形成することができる。上記活性層１１４は、上記第１導電型半導体層１１２及び第２導電型半導体層１１６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により光を生成することができる。
上記第２導電型半導体層１１６は、例えば、ｐ型半導体層で具現できる。上記ｐ型半導体層は、ＩｎｘＡｌｙＧａ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式を有する半導体材料、例えばＩｎＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ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。
上記アンドープド半導体層は、導電性ドーパントがドーピングされないで、上記第１及び第２導電型半導体層１１２、１１６に比べて格段に低い電気伝導性を有する層であって、上記発光構造物１１０の結晶性の向上及び格子定数差の緩和のために形成される。上記バッファ層の格子定数値は上記発光構造物１１０の格子定数と上記基板１００の格子定数との中間値を有することができ、両者間の格子定数差の緩和のために形成される。
図８を参照すると、上記第２導電型半導体層１１６の上に上記電流密度調節パターン１２０を形成することができる。例えば、誘電体層または非オーミック（non-ohmic）金属層を形成した後、第１マスクパターンを形成してエッチングすることで、上記電流密度調節パターン１２０を形成することができる。
上記電流密度調節パターン１２０は電流が流れない非導電性物質で形成される。例えば、上記電流密度調節パターンは酸化膜、窒化膜等で形成される。
または、上記電流密度調節パターン１２０は、上記第２導電型半導体層１１６と非オーミック接触を形成する金属材質で形成されることもできる。但し、上記電流密度調節パターン１２０の材質に対して限定するものではない。例えば、上記電流密度調節パターン１２０は、上記第２導電型半導体層１１６に電流の流入を防ぐために非オーミック金属層によるショットキー（Schottky）接触を活用した電流遮断層で形成される。
一方、このような電流密度調節パターン１２０は、以後に形成される柱パターン（Ｂ）と互いに対応しない位置か、または対応する位置に形成されるが、これに限定されるものではない。
図９乃至図１１を参照すると、上記第２導電型半導体層１１６及び上記電流密度調節パターン１２０の上に上記電極層１３０を形成することができる。
上記電極層１３０は、オーミック層１３２、反射層１３４、接着層、及び伝導性支持部材１３６などを含むことができる。
まず、図９のように、上記電流密度調節パターン１２０及び上記第２導電型半導体層１１６の上に上記オーミック層１３２を形成することができる。
上記オーミック層１３２は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）、ＡＺＯ（Aluminum Zinc Oxide）、ＡＧＺＯ（Aluminum Gallium Zinc Oxide）、ＩＺＴＯ（Indium Zinc Tin Oxide）、ＩＡＺＯ（Indium Aluminum Zinc Oxide）、ＩＧＺＯ（Indium Gallium Zinc Oxide）、ＩＧＴＯ（Indium Gallium Tin Oxide）、ＡＴＯ（Antimony Tin Oxide）、ＧＺＯ（Gallium Zinc Oxide）、ＩＺＯＮ（IZO Nitride）、ＺｎＯ、ＩｒＯｘ、ＲｕＯｘ、ＮｉＯのうちから選択される。また、上記オーミック層１３２は、Ａｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｈｆ、及びこれらの選択的な組合により構成された物質の中で形成される。
次に、図１０のように、上記オーミック層１３２の上に反射機能をすることができる上記反射層１３４をさらに形成することができる。上記反射層１３４は、Ａｌ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄ、またはＣｕのうち、少なくとも１つを含む金属または合金で形成されるが、これに対して限定するものではない。
次に、図１１のように、上記反射層１３４の上に上記伝導性支持部材１３６を形成することができる。但し、上記第１導電型半導体層１１２が５０μｍ以上に十分に厚い場合には伝導性支持部材を形成する工程は省略される。
上記伝導性支持部材１３６は、効率的に正孔を注入できるように電気伝導性に優れる金属、金属合金、あるいは伝導性半導体物質からなる。例えば、上記伝導性支持部材１３６は、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）、モリブデニウム（Ｍｏ）、銅−タングステン（Ｃｕ−Ｗ）、または不純物が注入された半導体基板であるキャリアウエハ（例：Ｓｉ、Ｇｅ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＺｎＯ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ等）のうちの少なくともいずれか１つで形成される。上記伝導性支持部材１３６を形成させる方法は、電気化学的な金属蒸着方法や共融金属を用いたボンディング方法などを使用することができる。
一方、上記伝導性支持部材１３６及び上記反射層１３４の間には２層の間の界面接合力の向上のための接着層がさらに形成される。上記接着層は、Ｔｉ、Ａｕ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ａｇ、またはＴａのうち、少なくとも１つを含んで単層または多層構造に形成される。
図１２を参照すると、上記第１導電型半導体層１１２が露出されるように上記基板１００を除去することができる。
上記基板１００は、高出力のレーザーを用いるレーザーリフトオフ（ＬＬＯ：Laser Lift Off）工程または化学的エッチング方法（ＣＬＯ：Chemical Lift Off）を使用して除去することができる。または、上記基板１００は物理的に磨き出して除去することもできる。
図１３を参照すると、上記基板１００が除去されることによって、露出された上記第１導電型半導体層１１２に対し、その厚さを薄くする薄膜化（thinning）工程が実施される。前述したように、共振器効果を得るためには、上記発光構造物１１０の総厚さ（ｈ２）を薄くすることが有利であるためである。
上記第１導電型半導体層１１２に対する薄膜化工程は、化学的機械的研磨方法（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）などにより実施されるが、これに対して限定するものではない。
上記薄膜化工程により、上記発光構造物１１０の総厚さ（ｈ２）は２μｍ以下、好ましくは１μｍ乃至２μｍ、より好ましくは１．３μｍ乃至１．８μｍとなることができる。但し、これに対して限定するものではない。
図１４を参照すると、上記発光構造物１１０に共振器構造を形成する。
例えば、上記共振器構造は、上記第１導電型半導体層１１２の上部領域に形成されるが、これに限定されるものでない。例えば共振器構造は、アンドープド半導体層に形成されたり、アンドープド半導体層及び第１導電型半導体層１１２に形成される。
上記共振器構造は柱パターン（Ｂ）であるが、これに限定されるものでなく、第２実施形態のように孔パターン（ｈ）でありうる。
上記共振器構造を形成するために第２マスクパターンを形成し、これをマスクにして第１導電型半導体層１１２の一部を除去することができる。例えば、上記電流密度調節パターン１２０と行き違う第１導電型半導体層１１２が残るようにエッチング工程を進行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、第２実施形態のように上記電流密度調節パターン１２０と対応する第１導電型半導体層１１２が残るようにエッチング工程を進行することもできる。
一方、実施形態は、上記柱パターン（Ｂ）または上記孔パターン（ｈ）の側面に漏洩電流の抑制のために絶縁膜を形成するステップを含むことができる。上記絶縁膜は、酸化物、窒化物、フルオライド（Fluoride）系列の化合物、及び複合層などを含むことができる。
また、実施形態は、上記柱パターン（Ｂ）または上記孔パターン（ｈ）に粗さまたは周期的な凹凸構造を形成するステップを含むことができる。例えば、柱パターン（Ｂ）の上に、または柱パターンと柱パターンとの間の空間の表面に粗さまたは周期的な凹凸構造を形成することができるが、これに限定されるものではない。上記粗さまたは周期的な凹凸構造の平均サイズは柱パターンまたは柱パターンと柱パターンとの間の空間サイズより小さいことがある。
また、実施形態は、上記柱パターン（Ｂ）または上記孔パターン（ｈ）の側面に共振器効果を極大化するために、反射膜を形成するステップを含むことができる。上記反射膜は、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｐｄ、またはＣｕのうちの少なくとも１つで形成されるが、これに限定されるものではない。
図１５を参照すると、上記第１導電型半導体層１１２の上に電極１４０を形成することができる。
上記電極１４０は、ワイヤがボンディングされる電極パッド１４１と、上記電極パッド１４１から伝えられる電源を上記発光構造物１１０の全領域に均等に拡散させるスプレーパターン１４２を含むことができる。
上記電極パッド１４１は、接合力の良いＡｕ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒのうち、少なくとも１つを含む単層または多層構造に形成される。
上記スプレーパターン１４２は、透明電極で形成されるが、このような材質は、例えば、ＩＴＯ、ＩＺＯ（Ｉｎ−ＺｎＯ）、ＧＺＯ（Ｇａ−ＺｎＯ）、ＡＺＯ（Ａｌ−ＺｎＯ）、ＡＧＺＯ（Ａｌ−Ｇａ ＺｎＯ）、ＩＧＺＯ（Ｉｎ−Ｇａ ＺｎＯ）、ＩｒＯｘ、ＲｕＯｘ、ＲｕＯｘ／ＩＴＯ、Ｎｉ／ＩｒＯｘ／Ａｕ、及びＮｉ／ＩｒＯｘ／Ａｕ／ＩＴＯのうち、少なくとも１つを含むことができる。
上記電極１４０は、上記発光構造物１１０上面に形成されるが、これに限定されるものではない。
実施形態による発光素子及びその製造方法によれば、電流密度調節による共振器効果により光抽出効率の向上を得ることができる。
また、実施形態は電流密度調節を通じた共振器発光素子であって、光抽出効率の向上が共振器構造の内に存在する垂直方向の振動モードとの結合によりなされるので、垂直方向に集中した発光パターンを得ることができるという長所がある。
図１６は、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。
図１６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と、上記胴体２０に配置された第１リード電極３１及び第２リード電極３２と、上記胴体２０に配置されて、上記第１リード電極３１及び第２リード電極３２と電気的に連結される実施形態による発光素子２００と、上記発光素子２００を囲むモルディング部材４０と、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２００の周囲に傾斜面が形成される。
上記第１リード電極３１及び第２リード電極３２は互いに電気的に分離され、上記発光素子２００に電源を提供する。また、上記第１リード電極３１及び第２リード電極３２は、上記発光素子２００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２００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２００は、上記胴体２０の上に配置されたり、上記第１リード電極３１または第２リード電極３２の上に設置される。
上記発光素子２００は、上記第１リード電極３１及び第２リード電極３２とワイヤ方式、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。
上記モルディング部材４０は、上記発光素子２００を囲んで保護することができる。また、上記モルディング部材４０には蛍光体が含まれて上記発光素子２００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。
上記の実施形態による発光素子は、ボード上でパッケージングされたり、発光素子パッケージに搭載されて、指示装置、照明装置、表示装置などの光源に使われる。実施形態による発光素子または発光素子パッケージは光源としてライトユニットに適用される。上記ライトユニットは、複数の発光素子パッケージがアレイされた構造を含み、サイドビュータイプの光源またはトップビュータイプの光源に使用され、このような光源は表示パネルにバックライト光を提供することができる。また、上記発光素子または発光素子パッケージは照明装置の光源に適用され、上記照明装置は、照明灯、信号灯、車両前照灯、電光板などを含むことができる。
上記の実施形態による半導体発光素子は、樹脂材質やシリコンのような半導体基板、絶縁基板、セラミック基板などにパッケージングされ、指示装置、照明装置、表示装置などの光源に使用される。また、上記各実施形態は、各実施形態に限定されず、上記に開示された他の実施形態に選択的に適用され、各実施形態に限定するものではない。
実施形態による発光素子パッケージは、ライトユニットに適用できる。上記ライトユニットは、複数の発光素子パッケージがアレイされた構造を含むことができる。
図１７は、本発明の実施形態による表示装置の分解斜視図である。
図１７を参照すると、実施形態による表示装置１０００は、導光板１０４１と、上記導光板１０４１に光を提供する発光モジュール１０３１と、上記導光板１０４１の下に反射部材１０２２と、上記導光板１０４１の上に光学シート１０５１と、上記光学シート１０５１の上に表示パネル１０６１と、上記導光板１０４１、発光モジュール１０３１、及び反射部材１０２２を収納するボトムカバー１０１１と、を含むことができるが、これに限定されるものではない。
上記ボトムカバー１０１１、反射部材１０２２、発光モジュール１０３１、導光板１０４１、及び光学シート１０５１は、ライトユニット１０５０と定義することができる。
上記導光板１０４１は、光を拡散させて面光源化させる役割をする。上記導光板１０４１は透明な材質からなり、 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（cycloolefin copolymer）、及びＰＥＮ（polyethylene naphthalate）樹脂のうちの１つを含むことができる。
上記発光モジュール１０３１は、上記導光板１０４１の少なくとも一側面に光を提供し、窮極的には表示装置の光源として作用する。
上記発光モジュール１０３１は少なくとも１つが含まれ、上記導光板１０４１の一側面で直接または間接的に光を提供することができる。上記発光モジュール１０３１は、基板１０３３と前述した実施形態による発光素子パッケージ３００を含み、上記発光素子または発光素子パッケージ３００は、上記基板１０３３の上に所定の間隔でアレイされる。即ち、上記基板１０３３の上には発光素子がチップまたはパッケージ形態にアレイ（配列）される。
上記基板１０３３は回路パターンを含む印刷回路基板（ＰＣＢ：Printed Circuit Board）でありうる。但し、上記基板１０３３は一般ＰＣＢだけでなく、メタルコアＰＣＢ（ＭＣＰＣＢ：Metal Core PCB）、軟性ＰＣＢ（ＦＰＣＢ：Flexible 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。上記発光素子パッケージ３００は、上記ボトムカバー１０１１の側面または放熱プレートの上に搭載される場合、上記基板１０３３は除去される。ここで、上記放熱プレートの一部は上記ボトムカバー１０１１の上面に接触される。
そして、上記多数の発光素子パッケージ３００は上記基板１０３３の上に光が放出される出射面が上記導光板１０４１と所定距離離隔するように搭載され、これに対して限定するものではない。上記発光素子パッケージ３００は、上記導光板１０４１の一側面である入光部に光を直接または間接的に提供することができ、これに対して限定するものではない。
上記導光板１０４１の下には上記反射部材１０２２が配置される。上記反射部材１０２２は上記導光板１０４１の下面に入射された光を反射させて上方に向かうようにすることで、上記ライトユニット１０５０の輝度を向上させることができる。上記反射部材１０２２は、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。上記反射部材１０２２は、上記ボトムカバー１０１１の上面であることがあり、これに対して限定するものではない。
上記ボトムカバー１０１１は、上記導光板１０４１、発光モジュール１０３１、及び反射部材１０２２などを収納することができる。このために、上記ボトムカバー１０１１は上面が開口したボックス（box）形状を有する収納部１０１２が備えられ、これに対して限定するものではない。上記ボトムカバー１０１１はトップカバーと結合され、これに対して限定するものではない。
上記ボトムカバー１０１１は金属材質または樹脂材質で形成され、プレス成形または圧出成形などの工程を用いて製造される。また、上記ボトムカバー１０１１は熱伝導性の良い金属または非金属材料を含むことができ、これに対して限定するものではない。
上記表示パネル１０６１は、例えば、ＬＣＤパネルであって、互いに対向する透明な材質の第１及び第２基板、そして第１及び第２基板の間に介された液晶層を含む。上記表示パネル１０６１の少なくとも一面には偏光板が付着され、このような偏光板の付着構造に限定するものではない。上記表示パネル１０６１は光学シート１０５１を通過した光により情報を表示するようになる。このような表示装置１０００は、各種の携帯端末機、ノートブックコンピュータのモニター、ラップトップコンピュータのモニター、テレビなどに適用可能である。
上記光学シート１０５１は、上記表示パネル１０６１と上記導光板１０４１との間に配置され、少なくとも一枚の投光性シートを含むことができる。上記光学シート１０５１は、例えば拡散シート、水平及び垂直プリズムシート、及び輝度強化シートのようなシートのうち、少なくとも１つを含むことができる。上記拡散シートは入射される光を拡散させ、上記水平または／及び垂直プリズムシートは入射される光を表示領域に集光させ、上記輝度強化シートは損失される光を再使用して輝度を向上させる。また、上記表示パネル１０６１の上には保護シートが配置され、これに対して限定するものではない。
ここで、上記発光モジュール１０３１の光経路上には光学部材として、上記導光板１０４１、及び光学シート１０５１を含むことができ、これに対して限定するものではない。
図１８は、本発明の実施形態による表示装置を示す図である。図１８の説明に開示されたパッケージは、発光素子がチップまたはパッケージ形態にアレイされた構造を含む。
図１８を参照すると、表示装置１１００は、ボトムカバー１１５２、上記に開示された発光素子パッケージ３００がアレイされた基板１１２０、光学部材１１５４、及び表示パネル１１５５を含む。
上記基板１１２０及び上記発光素子パッケージ３００は、発光モジュール１０６０と定義することができる。上記ボトムカバー１１５２、少なくとも１つの発光モジュール１０６０、及び光学部材１１５４はライトユニットと定義することができる。上記基板１１２０の上には発光素子がチップまたはパッケージ形態にアレイされる。
上記ボトムカバー１１５２には収納部１１５３を具備することができ、これに対して限定するものではない。
ここで、上記光学部材１１５４は、レンズ、導光板、拡散シート、水平及び垂直プリズムシート、及び輝度強化シートのうち、少なくとも１つを含むことができる。上記導光板はＰＣ材質またはＰＭＭＡ（Polymethyl methacrylate）材質からなり、このような導光板は除去できる。上記拡散シートは入射される光を拡散させ、上記水平及び垂直プリズムシートは入射される光を表示領域に集光させ、上記輝度強化シートは損失される光を再使用して輝度を向上させる。
図１９は、本発明の実施形態による照明システムの斜視図である。
図１９を参照すると、照明装置１５００は、ケース１５１０と、上記ケース１５１０に設置された発光モジュール１５３０と、上記ケース１５１０に設置され、外部電源から電源が提供される連結端子１５２０と、を含むことができる。
上記ケース１５１０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１５３０は、基板１５３２と、上記基板１５３２に搭載さ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３００を含むことができる。上記発光素子パッケージ３００は、複数個がマトリックス形態または所定の間隔で離隔してアレイされる。上記基板１５３２の上には発光素子がチップまたはパッケージ形態にアレイされる。
上記基板１５３２は絶縁体に回路パターンが印刷されたものであることがあり、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１５３２は光を効率的に反射する材質で形成されたり、表面が光が効率的に反射されるカラー、例えば白色、銀色などのコーティング層となることができる。
上記基板１５３２の上には少なくとも１つの発光素子パッケージ３００が搭載される。上記発光素子パッケージ３００の各々は少なくとも１つのＬＥＤ（Light Emitting Diode）チップを含むことができる。上記ＬＥＤチップは、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１５３０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３００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。
上記連結端子１５２０は、上記発光モジュール１５３０と電気的に連結されて電源を供給することができる。上記連結端子１５２０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１５２０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。
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 (15)

  1. 電極層と、
    前記電極層の上に電流密度調節パターンと、
    前記電極層及び前記電流密度調節パターンの上に配置された発光構造物と、を含み、
    前記発光構造物の上部領域に柱パターンまたは孔パターンの共振器構造が提供されたことを特徴とする、発光素子。
  2. 前記発光構造物は、第２導電型半導体層と、前記第２導電型半導体層の上に活性層と、前記活性層の上に第１導電型半導体層を含み、前記柱パターンまたは孔パターンは、前記第１導電型半導体層に形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
  3. 前記柱パターンまたは孔パターンは、前記電流密度調節パターンと対応して配置されたことを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
  4. 前記柱パターンまたは孔パターンは、前記電流密度調節パターンと互いに対応しない位置に配置されたことを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
  5. 前記電流密度調節パターンの幅は、前記柱パターンまたは孔パターンの幅と相異することを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
  6. 前記柱パターンまたは孔パターンの側面に反射膜が配置されたことを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
  7. 前記第１導電型半導体層は、前記柱パターンまたは孔パターンを提供する第１厚さと、前記柱パターンまたは孔パターンの下部に提供された第２厚さと、を含むことを特徴とする、請求項２に記載の発光素子。
  8. 前記第２厚さは５００〜１０００ｎｍであることを特徴とする、請求項７に記載の発光素子。
  9. 前記第１厚さは少なくともλ／ｎであり、ここで、前記λは前記活性層から放出される光の主波長であり、前記ｎは前記発光構造物の屈折率であることを特徴とする、請求項７に記載の発光素子。
  10. 前記発光構造物は１〜２μｍの厚さを有することを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
  11. 前記電流密度調節パターンは非導電性物質で提供されたり、前記第２導電型半導体層と非オーミック接触を形成する金属材質で提供されたことを特徴とする、請求項２に記載の発光素子。
  12. 前記電極層は、伝導性支持部材と、前記伝導性支持部材の上に反射層と、前記反射層の上にオーミック層と、を含むことを特徴とする、請求項１に記載の発光素子。
  13. 胴体と、
    前記胴体の上に配置された少なくとも１つのリード電極と、
    前記リード電極に電気的に連結され、前記請求項１乃至請求項１２のうちのいずれか１項による発光素子と、
    を含むことを特徴とする、発光素子パッケージ。
  14. 基板と、
    前記基板の上に配置され、前記請求項１乃至請求項１２のうちのいずれか１項による発光素子を含む発光モジュールと、
    を含むことを特徴とする、照明システム。
  15. 前記発光モジュールから放出される光の進行経路上に配置される光ガイド部材、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つをさらに含むことを特徴とする、請求項１４に記載の照明システム。
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