JP2012099788A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、半導体発光素子に関する。
【解決手段】本発明は、第１の導電型半導体層と活性層と第２の導電型半導体層とを含む発光構造物と、当該発光構造物の光放出面の少なくとも一部領域に形成され蛍光体粒子を含む透光性材料からなり内部にボイドを有する波長変換層とを含む半導体発光素子、及び、一面に形成された溝を含む基板と、当該基板のうち当該溝が形成されていない他面に形成され第１の導電型半導体層と活性層と第２の導電型半導体層とを含む発光構造物と、上記基板の溝に形成され蛍光体粒子又は量子点を含む透光性材料からなる波長変換層とを含む半導体発光素子を提供する。
【選択図】図１
【解決手段】本発明は、第１の導電型半導体層と活性層と第２の導電型半導体層とを含む発光構造物と、当該発光構造物の光放出面の少なくとも一部領域に形成され蛍光体粒子を含む透光性材料からなり内部にボイドを有する波長変換層とを含む半導体発光素子、及び、一面に形成された溝を含む基板と、当該基板のうち当該溝が形成されていない他面に形成され第１の導電型半導体層と活性層と第２の導電型半導体層とを含む発光構造物と、上記基板の溝に形成され蛍光体粒子又は量子点を含む透光性材料からなる波長変換層とを含む半導体発光素子を提供する。
【選択図】図１
Description
本発明は、半導体発光素子に関する。
近年、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｉｇｎ Ｄｉｏｄｅ；ＬＥＤ）等の発光素子は、輝度が次第に増加するにつれ、ディスプレイ用光源、照明及び自動車の光源として用いられており、蛍光物質を利用したり色を組み合わせたりすることで、効率の良い白色光も具現可能である。このような目的でＬＥＤを応用するためには、素子の動作電圧が低く且つ発光効率と輝度が高くなければならない。
この際の発光効率は、内部発光効率と外部発光効率とに分けられ、内部発光効率は発光素子を構成する半導体物質の欠陥と関連し、外部発光効率は半導体物質から発光された光が半導体物質の外部環境に出る効率であり、半導体物質と発光素子を取り囲む環境を構成する物質の屈折率の差による全反射と関連する。
白色発光ダイオードを具現する方法のうち最も一般的なものは、青色発光ダイオードに黄色蛍光体を用いて波長変換を図ることで青色光と黄色光とが組み合わされて白色光源を具現するものであって、このような方法は白色を具現する上で蛍光体層の効率に大きな影響を与えることになる。
一般的な蛍光体層を用いる白色発光ダイオードは、パッケージからなる構造に製作され、導電性金属からなるリードフレーム（ｌｅａｄ ｆｒａｍｅ）構造物に接合樹脂を利用してＬＥＤをダイボンディングし、ＬＥＤの上側をシリコン、エポキシ等の複合樹脂からなる充填材でモールディングするものである。この際、白色を具現するために、蛍光体粉末をモールディング用充填材に混合してＬＥＤが接合されたリードフレームパッケージにモールディングする。
このような白色発光ダイオードパッケージは、青色ＬＥＤから放射された一部の青色光は透過し、それ以外の光は充填材に含まれた蛍光体と衝突して蛍光体を励起（ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）して黄色の光を放射し、青色と黄色の光は混合されて白色の光を放射する。このような構造には、光がパッケージの外部表面に到達する上で生じる経路差 によって均一な光を具現できないという短所があり、充填材内に含まれた蛍光体の不均一によって色の再現性が低下することがある。
本発明は、外部光抽出効率が向上した半導体発光素子を提供する。
本発明の一側面は、第１の導電型半導体層と活性層と第２の導電型半導体層とを含む発光構造物と、当該発光構造物の光放出面の少なくとも一部領域に形成され蛍光体粒子又は量子点を含む透光性材料からなり内部にボイドを有する波長変換層とを含む半導体発光素子を提供する。
本発明の一実施形態において、上記波長変換層の内部に形成されたボイドは、球、円柱及び多面体の少なくとも一つの形状からなることができる。
本発明の一実施形態において、上記波長変換層の内部に形成されたボイドは、複数が相互に離隔されて規則的に配列されることで一定のパターンを形成することができる。
この場合、上記パターンは、一方向に相互に離隔されて配置された複数の直方体状のボイドと、他方向に相互に離隔されて配置された複数の長方形のボイドとを含み、格子パターンを形成することができる。
この場合、上記一方向に配置されたボイドと上記他方向に配置されたボイドとは、異なる面に配置されることができる。
本発明の一実施形態において、上記ボイドの少なくとも一部は、外部に露出されることができる。
本発明の一実施形態において、上記ボイドのうち少なくとも一部は、その内部が上記波長変換層と相違する屈折率を有する物質で充填されることができる。
この場合、上記ボイドを充填する物質は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２及びＡｌ２Ｏ３の少なくとも一つを含むことができる。
本発明の一実施形態において、上記波長変換層の内部に形成されたボイドは、複数であり、不規則的なパターンを形成することができる。
本発明の一実施形態において、上記波長変換層は、上記発光構造物の上面及び側面の少なくとも一つに形成されることができる。
本発明の他の側面は、一面に形成された溝を含む基板と、当該基板のうち当該溝が形成されていない他面に形成され第１の導電型半導体層と活性層と第２の導電型半導体層とを含む発光構造物と、上記基板の溝に形成され蛍光体粒子又は量子点を含む透光性材料からなる波長変換層とを含む半導体発光素子を提供する。
本発明の他の実施形態において、上記波長変換層は、内部にボイドが形成されることができる。
この場合、上記波長変換層の内部に形成されたボイドは、球、円柱及び多面体の少なくとも一つの形状からなることができる。
本発明の他の実施形態において、上記ボイドの少なくとも一部が外部に露出されることができる。
本発明の他の実施形態において、上記ボイドのうち少なくとも一部は、その内部が上記波長変換層と相違する屈折率を有する物質で充填されることができる。
この場合、上記ボイドを充填する物質は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２及びＡｌ２Ｏ３の少なくとも一つを含むことができる。
本発明の他の実施形態において、上記波長変換層の内部に形成されたボイドは、複数であり、不規則的なパターンを形成することができる。
本発明の他の実施形態において、上記基板に形成された溝は、３次元形状のパターンを含むことができる。
この場合、上記３次元形状のパターンは、円柱状又は多角柱状からなることができる。
本発明の他の実施形態において、上記基板に形成された溝は、複数が相互に離隔されて形成されることができる。
本発明の他の実施形態において、上記溝は、内部に形成された凹凸構造をさらに含むことができる。
この場合、上記溝の内部に形成された凹凸構造は、複数の円柱状又は多角柱状からなることができる。
本発明の他の実施形態において、上記発光構造物は、上記基板上に第１の導電型半導体層、活性層及び第２の導電型半導体層が順次積層されて形成され、上記第２の導電型半導体層、活性層及び第１の導電型半導体層の一部がエッチングされて露出された第１の導電型半導体層上に形成された第１の導電型電極と、上記第２の導電型半導体層上に形成された第２の導電型電極とをさらに含むことができる。
本発明の他の実施形態において、上記基板は、サファイア基板であることができる。
本発明の他の実施形態において、上記基板の溝に形成された波長変換層は、上記基板と共面をなすことができる。
本発明は、波長変換層の有効面積を増加させ、発光構造物から放出された光の外部光抽出効率を向上させることができる。
さらに、本発明は、狭い光指向角が求められる場合により適しており、色ムラが減少し、パッケージの小型化に有利な半導体発光素子を提供することができる。
以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳述する。しかしながら、本発明の実施形態は、多様な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲が後述する実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態は、当該技術分野において通常の知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。したがって、図面における要素の形状及びサイズなどは、より明確な説明のために誇張されることがある。なお、図面上において同一の符号で表示される要素は、同一の要素である。
図１は、本発明の第１の実施形態による半導体発光素子を概略的に示す斜視図である。図１を参照すると、本実施形態による半導体発光素子１００は、基板１１０上に形成され、第１の導電型半導体層１２１と活性層１２２と第２の導電型半導体層１２３とを含む発光構造物１２０と、当該発光構造物１２０の光放出面の少なくとも一部領域に形成され、蛍光体粒子を含む透光性材料からなり、内部にボイド１３０ａを有する波長変換層１３０とを含む。上記発光構造物１２０の上面に形成された波長変換層１３０は、パッケージの内部で樹脂と共にＬＥＤチップを封止する形態で塗布される場合とは異なり、発光構造物１２０の光放出面に均一な厚さを有するように塗布されて光の均一度を確保することができる。また、上記波長変換層１３０の内部にボイド１３０ａを含むことによって波長変換層１３０の有効面積を増加させ、発光構造物１２０から放出された光が波長変換層１３０の内部に形成されたボイド１３０ａによって屈折又は散乱されることによって外部光抽出効率を向上させることができる。
本明細書上のボイド（ｖｏｉｄ）は、ある層の内部に空間を有する形態を意味するものであって、層の内部に形成された空間が外部に露出されないように外部と完全に遮断された形態のみならず、層の内部に形成された空間が伸びてその一部が外部に露出される形態も含む。
本実施形態において、第１及び第２の導電型半導体層１２１、１２３は、ｎ型又はｐ型半導体層となり、窒化物半導体からなることができる。したがって、これに制限されるものではないが、本実施形態による第１及び第２の導電型はそれぞれｎ型及びｐ型を意味するものとして理解されることができる。第１及び第２の導電型半導体層１２１、１２３は、ＡｌｘＩｎｙＧａ（１−ｘ−ｙ）Ｎ組成式（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１である。）を有し、例えば、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等の物質がこれに該当されることができる。第１及び第２の導電型半導体層１２１、１２３の間に形成される活性層１２２は、電子と正孔との再結合によって所定のエネルギーを有する光を放出し、量子井戸層と量子障壁層とが交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造からなることができる。多重量子井戸構造の場合、例えば、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ構造を用いることができる。
上記発光構造物１２０の一面に形成された上記基板１１０は、半導体成長用基板であるか又はレーザーリフトオフ等の工程で上記発光構造物１２０を支持する導電性基板であることができる。本実施形態による上記基板１１０は、第１の導電型半導体層１２１、活性層１２２及び第２の導電型半導体層１２３が順次積層されるための半導体成長用基板であることができるが、これに制限されるものではない。この場合、サファイア、ＳｉＣ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＭｇＯ、ＬｉＡｌＯ２、ＬｉＧａＯ２、ＧａＮ等の物質からなる成長用基板を用いることができる。サファイアは、六角−菱型（Ｈｅｘａ−Ｒｈｏｍｂｏ Ｒ３ｃ）の対称性を有する結晶体であって、ｃ軸及びａ軸方向の格子定数がそれぞれ１３．００１Å及び４．７５８Åであり、Ｃ（０００１）面、Ａ（１１２０）面、Ｒ（１１０２）面等を有する。この場合、上記Ｃ面は、窒化物薄膜の成長が比較的容易であり、高温で安定するため窒化物成長用基板として主に用いられる。
上記発光構造物１２０の光放出面の一部に形成された波長変換層１３０は、上記発光構造物１２０の活性層１２２から放出された光の波長を変換させる波長変換用蛍光体粒子を含むことができる。上記蛍光体は、黄色（ｙｅｌｌｏｗ）、赤色（ｒｅｄ）及び緑色（ｇｒｅｅｎ）のいずれか一つに波長を変換させる蛍光体からなることができ、当該蛍光体の種類は、上記発光構造物１２０の活性層１２２から放出される波長によって決定されることができる。具体的には、上記波長変換層１３０は、ＹＡＧ系、ＴＡＧ系、Ｓｉｌｉｃａｔｅ系、Ｓｕｌｆｉｄｅ系又はＮｉｔｒｉｄｅ系のいずれか一つの蛍光物質を含むことができる。例えば、青色発光ＬＥＤチップに黄色に波長変換させる蛍光体を適用する場合、白色発光半導体発光素子を得ることができる。
また、上記波長変換層１３０は、量子点（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ）を含むことができる。量子点は、約１〜１０ｎｍの直径を有する半導体物質のナノ結晶（ｎａｎｏ ｃｒｙｓｔａｌ）であって、量子制限（Ｑｕａｎｔｕｍ ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ）効果を示す物質である。量子点は、発光構造物１２０から放出される光の波長を変換して波長変換光、即ち、蛍光を発生させる。量子点としては、例えば、Ｓｉ系ナノ結晶、II−ＶＩ族系化合物半導体ナノ結晶、III−Ｖ族系化合物半導体ナノ結晶、ＩＶ−ＶＩ族系化合物半導体ナノ結晶等があり、本実施形態ではこれらをそれぞれ単独で用いるか又はこれらの混合物を用いることができる。
量子点物質をより詳細に説明すると、II−ＶＩ族系化合物半導体ナノ結晶は、例えば、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＣｄＳｅＳ、ＣｄＳｅＴｅ、ＣｄＳＴｅ、ＺｎＳｅＳ、ＺｎＳｅＴｅ、ＺｎＳＴｅ、ＨｇＳｅＳ、ＨｇＳｅＴｅ、ＨｇＳＴｅ、ＣｄＺｎＳ、ＣｄＺｎＳｅ、ＣｄＺｎＴｅ、ＣｄＨｇＳ、ＣｄＨｇＳｅ、ＣｄＨｇＴｅ、ＨｇＺｎＳ、ＨｇＺｎＳｅ、ＨｇｇＺｎＴｅ、ＣｄＺｎＳｅＳ、ＣｄＺｎＳｅＴｅ、ＣｄＺｎＳＴｅ、ＣｄＨｇＳｅＳ、ＣｄＨｇＳｅＴｅ、ＣｄＨｇＳＴｅ、ＨｇＺｎＳｅＳ、ＨｇＺｎＳｅＴｅ及びＨｇＺｎＳＴｅからなる群から選択されたいずれかであることができる。III−Ｖ族系化合物半導体ナノ結晶は、例えば、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＧａＮＰ、ＧａＮＡｓ、ＧａＰＡｓ、ＡｌＮＰ、ＡｌＮＡｓ、ＡｌＰＡｓ、ＩｎＮＰ、ＩｎＮＡｓ、ＩｎＰＡｓ、ＧａＡｌＮＰ、ＧａＡｌＮＡｓ、ＧａＡｌＰＡｓ、ＧａＩｎＮＰ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＩｎＡｌＮＰ、ＩｎＡｌＮＡｓ及びＩｎＡｌＰＡｓからなる群から選択されたいずれかであることができる。ＩＶ−ＶＩ族系化合物半導体ナノ結晶は、例えば、ＳｂＴｅであることができる。
量子点は、有機溶媒又は高分子樹脂等の分散媒質に自然に配位された形態で分散されることができ、上記波長変換層１３０の分散媒質としては、量子点の波長変換性能に影響を与えず、且つ光によって変質されたり光を反射させたりせず、且つ光吸収を引き起こさないようにする透明な媒質であれば、いずれも用いることができる。例えば、有機溶媒は、トルエン（ｔｏｌｕｅｎｅ）、クロロホルム（ｃｈｌｏｒｏｆｏｒｍ）及びエタノール（ｅｔｈａｎｏｌ）の少なくとも一つを含み、高分子樹脂は、エポキシ（ｅｐｏｘｙ）、シリコン（ｓｉｌｉｃｏｎｅ）、ポリスチレン（ｐｏｌｙｓｔｈｙｌｅｎｅ）及びアクリレート（ａｃｒｙｌａｔｅ）の少なくとも一つを含むことができる。
一方、量子点の発光は、励起状態の電子が伝導帯から価電子帯へ遷移しながら発生されるが、同一の物質の場合にも粒子のサイズに応じて波長が変わる特性を示す。量子点のサイズが小さくなるほど、短い波長の光を発光するため、量子点のサイズを調節して所望の波長領域の光を得ることができる。この場合、量子点のサイズは、ナノ結晶の成長条件を適宜変更することで調節が可能である。
本実施形態において、上記波長変換層１３０は、発光構造物１２０の光放出面の少なくとも一部に形成されることができる。図１を参照すると、上記波長変換層１３０は、発光構造物１２０の第２の導電型半導体層１２３の上面にのみ形成されているが、本実施形態とは異なり、光放出面である発光構造物１２０の上面及び側面を覆うように形成されることができ、必要に応じて、上記基板１１０の裏面に形成されることもできる。一般的な波長変換層を利用した発光ダイオードは、パッケージからなる構造に製作され、パッケージの内部に実装された発光ダイオードをシリコン、エポキシ等の樹脂からなる充填材内に蛍光体粉末を混合したものを用いてモールディングする。この場合、発光ダイオードから放射された一部の光は樹脂を透過し、それ以外の光は充填材に含まれた蛍光体と衝突して蛍光体を励起（ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）して波長変換された光を放射し、最終的に、発光ダイオードパッケージは、発光ダイオードから放射された光と波長変換された光とが混合された光を放出する。しかしながら、このような構造には、光がパッケージの外部表面に到達する上で生じる経路差 によって均一な光を具現できないという短所があり、充填材内に混合された蛍光体の分布のばらつきによって色の再現性が低下することがある。
しかしながら、本実施形態によると、発光構造物１２０の光放出面上に波長変換層１３０が形成されることで、発光素子１００からパッケージ外部までの経路差による光のばらつきの問題を解決することができる。また、図１に示されるように、上記波長変換層１３０内に複数のボイド１３０ａが配列されたパターンを備えることによって波長変換層１５０の有効面積を増加させ、発光構造物１２０から放出されて波長変換層１３０に到達した光が散乱又は屈折されることによって波長変換層１３０の内部で吸収及び消滅される光の比率を減少させて外部光抽出効率を向上させることができる。また、パッケージ本体に塗布される充填材内に蛍光体を含むのではなく、チップの光放出面にのみ蛍光体を含む波長変換層を形成することができるため、狭い光指向角が求められる場合により適した発光素子を提供し、パッケージの小型化に有利であり、光源の色ムラを減少させる効果を得ることができる。
上記ボイド１３０ａを有する波長変換層１３０は、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、ＲＦ−ｓｐｕｔｔｅｒ、ｅ−ｂｅａｍｅｖａｐｏｒａｔｏｒ、ｔｈｅｒｍａｌ ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ等の方法を利用して形成されるが、フォトエッチング工程を利用して感光膜をパターニングした後、熱処理工程を利用して形成されることができ、ナノインプリンティング工程又はｅ−ｂｅａｍ工程等を利用することもできる。これに反し、ナノサイズの球（ｓｐｈｅｒｅ）又は殻（ｓｈｅｌｌ）の形態を有するフィラー粒子と蛍光体粒子とを透光性材料内に混合した後、発光構造物１２０の上面に塗布し、熱処理することで、図１に示された形態のボイド１３０ａを含む波長変換層１３０を形成することができる。また、ボイドの形態に応じて、多様なエッチング工程、例えば、ＨＦ、ＨＮＯ等のエッチング溶液を利用した湿式エッチング又はＲＩＥ（Ｒｅａｃｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）方法、ＩＣＰ−ＲＩＥ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ ＲＩＥ）方法等を利用した乾式エッチングが適用されることができる。この際、上記波長変換層１３０の内部に形成されるボイド１３０ａは、周期的又は非周期的なパターンを有するように形成されることができる。
上記波長変換層１３０の内部に形成されるボイド１３０ａの一部は、外部に露出される形態に形成されることができ、具体的には、上記波長変換層１３０の上面及び側面に上記ボイド１３０ａが露出されて凹凸パターンを形成することができる。また、上記ボイド１３０ａの内部は、上記波長変換層１３０と相違する屈折率を有する物質、例えば、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２及びＡｌ２Ｏ３の少なくとも一つを含む物質で充填されて外部光抽出効率を向上させることができる。
図２は、本発明の第１の実施形態による半導体発光素子の変形形態を概略的に示す斜視図である。本実施形態によると、図１に示された半導体発光素子とは異なり、上記発光構造物１２０の光放出面に形成された波長変換層１３１の内部には、格子状のボイド１３０ａを有するパターンが形成される。本実施形態によると、上記波長変換層１３１内に直方体状の複数のボイド１３０ａ、１３０ｂが相互に離隔されて形成され、その方向を異ならせて積層される格子パターンが形成されることができる。本実施形態では、前述したＭＯＣＶＤ方法等を利用して波長変換層１３１を積層した後、その上面に感光膜パターンを形成し、露光工程とエッチング工程を繰り返して行うことによって、図２に示された格子パターンを形成することができる。この場合、上記波長変換層１３１内に形成されるボイド１３０ａ、１３０ｂの単位をナノサイズに形成することで、発光構造物１２０の活性層１２２から放出された光を偏光させる機能を行うことができる。
本実施形態による上記基板１１０は、図１に示された実施形態とは異なり、導電性基板であることができる。具体的には、成長用基板（図示せず）に順次積層される第１の導電型半導体層１２１と活性層１２２と第２の導電型半導体層１２２とを含む発光構造物１２０の上面に形成されて、レーザーリフトオフ等の工程で当該発光構造物１２０を支持する支持体の役割を行うことができる。上記導電性基板１１０は、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、Ｓｉ、Ｓｅ及びＧａＡｓの一つ以上を含む物質、例えば、ＳｉにＡｌがドーピングされた形態の物質からなり、選択された物質に応じて、メッキ又はボンディング接合等の方法で形成されることができる。本実施形態による導電性基板１１０は、第２の導電型半導体層１２３と電気的に連結され、これにより、導電性基板１１０を介して第２の導電型半導体層１２３に電気的信号が印加されることができる。また、図２に示されるように、上記波長変換層１３１の一部が除去されて露出された第１の導電型半導体層１２１上に、当該第１の導電型半導体層１２１に電気的信号を印加するための第１の導電型電極１２１ａが形成されることができる。
図３は、本発明の第１の実施形態による半導体発光素子の他の変形形態を概略的に示す斜視図である。図３を参照すると、本実施形態による半導体発光素子１０２は、第１の導電型半導体層１２１と活性層１２２と第２の導電型半導体層１２３とを含む発光構造物１２０と、当該発光構造物１２０の光放出面の少なくとも一部に形成され、内部にボイド１３０ａを有する波長変換層１３２を含むことができる。上記波長変換層１３２の内部に形成されるボイド１３０ａは、円柱状からなり、複数のボイド１３０ａが波長変換層１３２内に離隔されて形成されることによって、外部光抽出効率を高めることができる。但し、本実施形態による上記複数のボイド１３０ａは、円柱状で一定間隔の周期的パターンを有する形態に形成されているが、これに制限されず、多角柱を含む多様な形態で周期的又は非周期的なパターンを有するように形成されることができる。
本実施形態では、上記波長変換層１３２の一部がエッチングされて露出された第２導電型半導体層１２３の上面に当該第２の導電型半導体層１２３に電気的信号を印加するための第２の導電型電極１２３ａが形成され、上記波長変換層１３０、第２の導電型半導体層１２３、活性層１２２及び第１の導電型半導体層１２１の一部がエッチングされて露出された第１の導電型半導体層１２１の上面に第１の導電型電極１２１ａを形成することができる。本実施形態の場合、上記第１及び第２の導電型電極１２１ａ、１２３ａを介して上記発光構造物１２０に電気的信号を印加することができ、これに制限されるものではないが、上記基板１１０としては、絶縁性の成長用基板、例えば、サファイア基板を用いることができる。
図４は、本発明の図１の第１の実施形態による半導体発光素子がパッケージ内に実装された形態を示す断面図である。図４を参照すると、基板１１０と、当該基板１１０上に形成された発光構造物１２０と、当該発光構造物１２０の光放出面に形成され内部にボイドを有するパターンが形成された波長変換層１３０とを含む半導体発光素子１００は、凹部を有するパッケージ本体１５０の内部に実装されることができる。具体的に示されてはいないが、上記発光構造物１２０は、順次積層された第１の導電型半導体層、活性層及び第２の導電型半導体層からなり、当該第２の導電型半導体層の上面には第２の導電型半導体層に電気的信号を印加するための第２の導電型電極１２３ａが形成されることができる。この際、上記基板１１０は、導電性基板であることができ、上記発光構造物１２０の第１の導電型半導体層１２１に電気的信号を印加するための第１の導電型電極として用いられることができる。上記導電性基板１１０と第２の導電型電極１２３ａは、第１及び第２のリードフレーム１４０ａ、１４０ｂと電気的に連結されて外部から電気的信号の印加を受けることができる。
本実施形態において、上記第１の導電型半導体層と連結された導電性基板１１０は、第１のリードフレーム１４０ａと接触することによって直接連結され、上記第２の導電型半導体層上に形成された第２の導電型電極１２３ａは、導電性ワイヤを介して第２のリードフレーム１４０ｂと電気的に連結されることができる。図４に示されるように、上記パッケージ本体１５０は、上記発光構造物の活性層から放出された光を上部へ誘導するための反射構造を含み、当該パッケージ本体１５０内に形成された凹部には上記半導体発光素子を外部から保護するための透光性樹脂１６０をさらに含むことができる。
図５は、本発明の第２の実施形態による半導体発光素子２００を概略的に示す斜視図であり、図６は、図５の半導体発光素子２００をＡ−Ａ'線に沿って切断した概略断面図である。図５及び図６を参照すると、本実施形態による半導体発光素子２００は、一面に形成された溝２１０ａを含む基板２１０と、上記溝２１０が形成されていない基板２１０の他面に形成され第１の導電型半導体層２２１と活性層２２２と第２の導電型半導体層２２３とを含む発光構造物２２０と、上記基板２１０の溝２１０ａに形成された波長変換層２３０とを含む。本実施形態によると、上記基板２１０に形成された溝２１０ａの内部に蛍光体粒子を含み、透光性材料からなる波長変換層２３０を形成することによって波長変換層２３０の厚さ及び位置を容易に調節することができ、これにより、光の均一度が向上し色ムラを減少させる効果を得ることができ、基板２１０に形成された溝２１０ａの内部に波長変換層２３０を形成することによって半導体発光素子２００の小型化が可能になる。即ち、波長変換層２３０は、図５に示されるように、上記基板２１０の溝２１０ａの深さと同一の深さを有するように形成されることができ、これにより、上記基板２１０の溝２１０ａ形成面と共面（ｃｏｐｌａｎａｒ）をなすことができる。
前述したように、本実施形態による第１及び第２の導電型半導体層２２１、２２３は、ｎ型又はｐ型半導体層となり、窒化物半導体からなることができる。第１及び第２の導電型半導体層２２１、２２３の間に形成される活性層２２２は、電子と正孔との再結合によって所定のエネルギーを有する光を放出し、量子井戸層と量子障壁層とが交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造からなることができる。
また、上記発光構造物２２０の一面に形成された上記基板２１０は、半導体成長用基板であるか又はレーザーリフトオフ等の工程で上記発光構造物２２０を支持する導電性基板であることができる。本実施形態による上記基板２１０は、第１の導電型半導体層２２１、活性層２２２及び第２の導電型半導体層２２３が順次積層されるための半導体成長用基板であることができるが、これに制限されるものではない。この場合、サファイア、ＳｉＣ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、ＭｇＯ、ＬｉＡｌＯ２、ＬｉＧａＯ２、ＧａＮ等の物質からなる成長用基板を用いることができる。
上記基板２１０に形成された溝２１０ａの内部に形成された波長変換層２３０は、上記発光構造物２２０の活性層２２２から放出された光の波長を変換させる波長変換用蛍光体粒子又は量子点を含むことができる。前述したように、上記蛍光体は、黄色（ｙｅｌｌｏｗ）、赤色（ｒｅｄ）及び緑色（ｇｒｅｅｎ）のいずれか一つに波長を変換させる蛍光体又は量子点からなり、当該蛍光体及び量子点の種類は上記発光構造物２２０の活性層２２２から放出される波長によって決定されることができる。
上記基板２１０に形成された溝２１０ａは、当該基板２１０の上面に感光膜を塗布し、溝が形成されるべき位置をマスキングした後、露光と現像を経て当該基板２１０の一部をエッチングし、感光膜を除去する工程を経ることで形成されることができる。具体的に、上記感光膜は、光の照射によって感光部分が現像液に溶解されない（ネガティブ型）か又は溶解される（ポジティブ型）等の性質を有するものであって、感光液を構成する成分（一般的に、有機高分子）が有機溶剤中に溶解されたものである。上記感光膜に光を照射してパターンを形成し、当該パターンに対応する領域に溝を形成することができる。エッチング工程としては、ＣＦ４、ＳＦ６等のフッ素（Ｆｌｕｏｒｉｎｅ）系列、Ｃｌ２、ＢＣｌ３等の塩素（Ｃｈｌｏｒｉｎｅ）系列、アルゴン（Ａｒ）等のエッチングガスを利用した乾式エッチング工程を利用するか又はＫＯＨ等の溶液を利用した湿式エッチング工程を利用して、基板２１０の内部に溝２１０ａを形成することができる。
本実施形態では、波長変換層２３０が発光構造物２２０の上面に直接形成されることなく、基板２１０に形成された溝２１０ａの内部に形成されるため、その厚さ及び位置を容易に制御することができ、これにより、より均一で色ムラの少ない光を得ることができる。また、上記基板２１０の内部に波長変換層２３０を形成することによって、蛍光体粒子を含む樹脂を塗布するためのパッケージ本体を必要としないため、パッケージの小型化が可能になる。
図７は、本発明の第２の実施形態による半導体発光素子の変形形態を概略的に示す斜視図であり、図８は、図７の半導体発光素子２０１をＡ−Ａ'線に沿って切断した概略断面図である。図７及び図８を参照すると、本実施形態による半導体発光素子２０１は、一面に形成された溝２１１ａを含む基板２１０と、上記溝２１１ａが形成されていない基板２１０の他面に形成され第１の導電型半導体層２２１と活性層２２２と第２の導電型半導体層２２３とを含む発光構造物２２０と、上記基板２１０の溝２１１ａに形成され蛍光体粒子を含む透光性材料からなる波長変換層２３１とを含む。
本実施形態による上記基板２１０は、図５に示された実施形態とは異なり、相互に離隔されて形成された複数の溝２１１ａを含み、当該溝２１１ａの各内部には波長変換層２３１が形成されることができる。上記基板２１０と当該基板２１０の溝２１１ａの内部に形成された波長変換層２３１との屈折率の差によって、当該基板２１０に凹凸が形成されたことと類似する効果を得ることができ、これにより、上記溝２１１ａと波長変換層２３１との界面での光抽出効率を向上させることができる。さらに、基板２１０の内部に波長変換層２３１を形成するため、半導体発光素子２２１の小型化が可能になる。図７には上記基板２１０に形成された溝２１１ａが周期的パターンを有する円柱状のものとして示されているが、図９に示されるように、上記溝２１２ａは四角柱状を有し、当該溝２１２ａのサイズ、形状及び深さ等は必要に応じて多様に変形されることができる。
図１０は、本発明の第２の実施形態による半導体発光素子のさらに他の変形形態を概略的に示す斜視図である。図１０を参照すると、図７に示された実施形態とは異なり、上記基板２１０は、四角形の溝２１３ａの内部に形成された３次元パターンをさらに含むことができる。上記３次元パターンは、上記基板２１０の一面に溝２１３ａを形成する工程において、溝２１３ａが形成されるべき領域内にパターンを形成し、当該パターンが形成された領域を除外した領域を除去することで形成されることができる。具体的には、図９に示されたような上記円柱状のパターンを形成するために、上記溝の内部に円状の感光膜パターンを形成した後、当該パターンが形成された領域を除外した領域をエッチングすることによって、内部に３次元パターンを含む溝２１３ａを形成することができる。この場合、上記基板２１０の溝２１３ａの内部に凹凸が形成されたような構造を有する。上記溝２１３ａの内部に蛍光体を含む波長変換層２３３が形成される場合、上記発光構造物２２０の活性層２２２から放出された光が上記基板２１０に形成された溝２１３ａの内部に形成された波長変換層２３３で波長変換されると共に、上記基板２１０に形成された凹凸の表面で散乱又は屈折されることで、外部光抽出効率を増加させることができる。
図１１は、本発明の第２の実施形態による半導体発光素子のさらに他の変形形態を概略的に示す斜視図である。図１１を参照すると、本実施形態による半導体発光素子は、一面に形成された溝２１４ａを含む基板２１０と、上記溝２１４ａが形成されていない基板２１０の他面に形成され第１の導電型半導体層２２１と活性層２２２と第２の導電型半導体層２２３とを含む発光構造物２２０と、上記基板２１０の溝に形成された波長変換層２３４とを含み、当該波長変換層２３４の内部にはボイド２３０ａを有するパターンが形成されることができる。本実施形態によると、上記波長変換層２３４の内部にボイド２３０ａを有するパターンを備えることによって当該波長変換層２３４の有効面積を増加させ、発光構造物２２０から放出されて波長変換層２３４に到達した光が散乱又は屈折されることによって当該波長変換層２３４の内部で吸収及び消滅する光の比率が減少して外部光抽出効率を向上させることができる。
上記波長変換層２３４の内部に形成されるボイド２３０ａの一部は、外部に露出される形態に形成され、具体的には、上記波長変換層２３４の上面及び側面に上記ボイド２３０ａが露出されて凹凸パターンを形成することができる。また、上記ボイド２３０ａの内部は、上記波長変換層２３４と相違する屈折率を有する物質、例えば、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２及びＡｌ２Ｏ３の少なくとも一つを含む物質で充填されて外部光抽出効率を向上させることができる。
図１２は、本発明の図５の第２の実施形態による半導体発光素子がリードフレームに実装された形態を概略的に示す断面図である。図１２を参照すると、本実施形態による半導体発光素子は、一面に形成された溝２１０ａを含む基板２１０と、上記溝２１０ａが形成されていない他面に形成され第１の導電型半導体層２２１と活性層２２２と第２の導電型半導体層２２３とを含む発光構造物２２０と、上記基板２１０の溝２１０ａに形成された波長変換層２３０とを含む。上記第２の導電型半導体層２２３上には、第２の導電型半導体層２２３に電気的信号を印加するための第２の導電型電極２２３ａが形成され、上記第２の導電型半導体層２２３、活性層２２２及び第１の導電型半導体層２２１の一部をエッチングして露出された第１の導電型半導体層２２１上には、第１の導電型電極２２１ａが形成されることができる。上記第１及び第２の導電型電極２２１ａ、２２３ａのそれぞれは、電気的に分離された一対のリードフレーム２４０ｂ、２４０ａのそれぞれと連結されて、外部から電気的信号の供給を受けることができる。
本実施形態によると、上記発光構造物２２０の活性層２２２から放出された光の一部は、上記基板２１０の溝２１０ａに形成され蛍光体粒子を含む透光性材料からなる波長変換層２３０を介して波長変換されて放出され、上記活性層２２２からリードフレーム２４０ａ、２４０ｂへ放出された光の一部は、当該リードフレーム２４０ａ、２４０ｂで反射されて上部へ誘導されることができる。但し、本実施形態による半導体発光素子の実装形態は、図１２に示された形態に制限されず、必要に応じて、多様な形態に実装されることができることは言うまでもない。
本発明は、上述した実施形態及び添付の図面によって限定されることなく、添付の特許請求の範囲によって限定される。したがって、特許請求の範囲に記載された本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、当技術分野における通常の知識を有する者によって多様な形態の置換、変形及び変更が可能であり、これもまた本発明の範囲内に属する。
１００、２００ 半導体発光素子
１１０、２１０ 基板
２１０ａ 溝
１２０、２２０ 発光構造物
１２１、２２１ 第１の導電型半導体層
１２１ａ、２２１ａ 第１の導電型電極
１２２、２２２ 活性層
１２３、２２３ 第２の導電型半導体層
１２３ａ、２２３ａ 第２の導電型電極
１３０、２３０ 波長変換層
１３０ａ、２３０ａ ボイド
１４０ａ、１４０ｂ、２４０ａ、２４０ｂ リードフレーム
１５０ パッケージ本体
１６０ 透光性樹脂
１１０、２１０ 基板
２１０ａ 溝
１２０、２２０ 発光構造物
１２１、２２１ 第１の導電型半導体層
１２１ａ、２２１ａ 第１の導電型電極
１２２、２２２ 活性層
１２３、２２３ 第２の導電型半導体層
１２３ａ、２２３ａ 第２の導電型電極
１３０、２３０ 波長変換層
１３０ａ、２３０ａ ボイド
１４０ａ、１４０ｂ、２４０ａ、２４０ｂ リードフレーム
１５０ パッケージ本体
１６０ 透光性樹脂
Claims (25)
- 第１の導電型半導体層と活性層と第２の導電型半導体層とを含む発光構造物と、
前記発光構造物の光放出面の少なくとも一部領域に形成され、蛍光体粒子又は量子点を含む透光性材料からなり、内部にボイドを有する波長変換層と
を含む、半導体発光素子。 - 前記波長変換層の内部に形成されたボイドは、球、円柱及び多面体の少なくとも一つの形状からなる、請求項１に記載の半導体発光素子。
- 前記波長変換層の内部に形成されたボイドは、複数が相互に離隔されて規則的に配列されることで一定のパターンを形成する、請求項１または２に記載の半導体発光素子。
- 前記パターンは、
一方向に相互に離隔されて配置された複数の直方体状のボイドと、他方向に相互に離隔されて配置された複数の長方形のボイドと、を含み、
格子パターンを形成する、請求項３に記載の半導体発光素子。 - 前記一方向に配置されたボイドと前記他方向に配置されたボイドとは、異なる面に配置される、請求項４に記載の半導体発光素子。
- 前記ボイドの少なくとも一部が外部に露出される、請求項１から５の何れか１項に記載の半導体発光素子。
- 前記ボイドのうち少なくとも一部は、その内部が前記波長変換層と相違する屈折率を有する物質で充填される、請求項１から６の何れか１項に記載の半導体発光素子。
- 前記ボイドを充填する物質は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２及びＡｌ２Ｏ３の少なくとも一つを含む、請求項７に記載の半導体発光素子。
- 前記波長変換層の内部に形成されたボイドは、複数であり、不規則的なパターンを形成する、請求項１または２に記載の半導体発光素子。
- 前記波長変換層は、前記発光構造物の上面及び側面の少なくとも一つに形成される、請求項１から９の何れか１項に記載の半導体発光素子。
- 一面に形成された溝を含む基板と、
前記基板のうち前記溝が形成されていない他面に形成され、第１の導電型半導体層と活性層と第２の導電型半導体層とを含む発光構造物と、
前記基板の溝に形成され、蛍光体粒子又は量子点を含む透光性材料からなる波長変換層と
を含む、半導体発光素子。 - 前記波長変換層は、内部にボイドが形成される、請求項１１に記載の半導体発光素子。
- 前記波長変換層の内部に形成されたボイドは、球、円柱及び多面体の少なくとも一つの形状からなる、請求項１２に記載の半導体発光素子。
- 前記ボイドの少なくとも一部が外部に露出される、請求項１２または１３に記載の半導体発光素子。
- 前記ボイドのうち少なくとも一部は、その内部が前記波長変換層と相違する屈折率を有する物質で充填される、請求項１２から１４の何れか１項に記載の半導体発光素子。
- 前記ボイドを充填する物質は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２及びＡｌ２Ｏ３の少なくとも一つを含む、請求項１５に記載の半導体発光素子。
- 前記波長変換層の内部に形成されたボイドは、複数であり、不規則的なパターンを形成する、請求項１２から１６の何れか１項に記載の半導体発光素子。
- 前記基板に形成された溝は、３次元形状のパターンを含む、請求項１１から１７の何れか１項に記載の半導体発光素子。
- 前記３次元形状のパターンは、円柱状又は多角柱状からなる、請求項１８に記載の半導体発光素子。
- 前記基板に形成された溝は、複数が相互に離隔されて形成される、請求項１１から１９の何れか１項に記載の半導体発光素子。
- 前記溝は、内部に形成された凹凸構造をさらに含む、請求項１１から２０の何れか１項に記載の半導体発光素子。
- 前記溝の内部に形成された凹凸構造は、複数の円柱状又は多角柱状からなる、請求項２１に記載の半導体発光素子。
- 前記発光構造物は、前記基板上に第１の導電型半導体層、活性層及び第２の導電型半導体層が順次積層されて形成され、
前記第２の導電型半導体層、活性層及び第１の導電型半導体層の一部がエッチングされて露出された第１の導電型半導体層上に形成された第１の導電型電極と、
前記第２の導電型半導体層上に形成された第２の導電型電極と
をさらに含む、請求項１１から２２の何れか１項に記載の半導体発光素子。 - 前記基板は、サファイア基板である、請求項１１から２３の何れか１項に記載の半導体発光素子。
- 前記基板の溝に形成された波長変換層は、前記基板と同一の平面をなす、請求項１１から２４の何れか１項に記載の半導体発光素子。
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