以下、本発明を具体的に説明するために実施例を挙げて説明し、発明に対する理解を助けるために、添付の図面を参照して詳細に説明する。しかし、本発明に係る実施例は、様々な形態に変形可能であり、本発明の範囲が、以下に詳述する実施例に限定されるものと解釈されてはならない。本発明の実施例は、当業界で平均的な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。
本発明に係る実施例の説明において、各構成要素(element)の「上(上部)又は下(下部)(on or under)」に形成されると記載される場合において、上(上部)又は下(下部)は、2つの構成要素が互いに直接(directly)接触したり、1つ以上の他の構成要素が前記2つの構成要素の間に配置されて(indirectly)形成されることを全て含む。また、「上(上部)」又は「下(下部)」と表現される場合、一つの構成要素を基準にして上側方向のみならず、下側方向の意味も含むことができる。
また、以下で使用される「第1」及び「第2」、「上/上部/上方」及び「下/下部/下方」などのような関係的用語は、かかる実体または要素間のいかなる物理的又は論理的関係、または順序を必ず要求したり、内包したりすることなく、ある一つの実体又は要素を他の実体又は要素と区別するためにのみ利用することもできる。
図面において、各層の厚さや大きさは、説明の便宜及び明確性のために誇張されたり、省略されたり、又は概略的に図示されている。また、各構成要素の大きさは実際の大きさを全的に反映するものではない。
図1は、一実施例に係る発光素子100の平面図を示し、図2は、図1に示されたA−A’線に沿って切断した発光素子100の断面図を示す。
図1及び図2を参照すると、発光素子100は、基板110、N(ここで、Nは、2以上の正の整数)個の発光セル(又は、発光領域)P1〜PN、M(ここで、1≦M≦N−1)個の接続電極150−1〜150−M、第1絶縁層162−1,162−2,164,166−1,166−2,168−1,168−2、第1電極部172、第2電極部174、金属電極180及び第2絶縁層190を含む。
以下、実施例の理解を助けるために、図1及び図2に例示したように、N=3であると仮定して説明する。
複数の発光セルP1,P2,P3は基板110上に配置される。
基板110は、半導体物質の成長に適した物質、キャリアウエハで形成することができる。また、基板110は、熱伝導性に優れた物質で形成することができ、伝導性基板又は絶縁性基板であってもよい。例えば、基板110は、サファイア(Al2O3)、GaN、SiC、ZnO、Si、GaP、InP、Ga2O3、GaAsのうち少なくとも1つを含む物質であってもよい。このような基板110の上面には凹凸パターン112を形成することができる。すなわち、基板110は、凹凸パターンを有するPSS(Patterned Sapphire Substrate)であってもよい。このように、基板110の上面が凹凸パターン112を有する場合、光抽出効率を改善することができる。
図2に図示してはいないが、バッファ層が、基板110と発光構造物120との間に配置され、3族−5族元素の化合物半導体を用いて形成されてもよい。バッファ層は、基板110と発光構造物120との間の格子定数の差を減少させる役割を担う。
複数の発光セルP1,P2,P3は、図1及び図2に例示したように直列形態で電気的に接続されてもよいが、実施例はこれに限定されない。すなわち、他の実施例によれば、複数の発光セルP1,P2,P3は並列形態で電気的に接続されてもよい。以下、電気的に互いに接続される複数の発光セルP1,P2,P3を順にそれぞれ第1、第2及び第3発光セルと呼ぶ。
図1及び図2を参照すると、第1〜第3発光セルP1,P2,P3は、境界領域Sによって互いに区分することができる。したがって、境界領域Sは、第1〜第3発光セルP1,P2,P3同士の間及び第1〜第3発光セルP1,P2,P3の周りに位置する領域であってもよい。境界領域Sは、発光構造物120をメサエッチング(mesa etching)して基板110の一部が露出する領域を含むことができる。
第1、第2及び第3発光セルP1,P2,P3のそれぞれの面積は同一であってもよいが、実施例はこれに限定されない。
第1、第2及び第3発光セルP1,P2,P3のそれぞれは、発光構造物120、反射層132,134及び伝導層142,144を含むことができる。
まず、発光構造物120は、光を発生する半導体層であってもよく、第1導電型半導体層122、活性層124及び第2導電型半導体層126を含む。基板110上に第1導電型半導体層122、活性層124及び第2導電型半導体層126が順次積層されてもよい。
第1導電型半導体層122は、3族−5族又は2族−6族などの化合物半導体で具現することができ、第1導電型ドーパントがドープされてもよい。例えば、第1導電型半導体層122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であってもよい。例えば、第1導電型半導体層122は、InAlGaN、GaN、AlGaN、InGaN、AlN、InNのいずれか1つを含むことができ、n型ドーパント(例:Si,Ge,Snなど)がドープされてもよい。
もし、図11に例示したように、図1及び図2に例示した発光素子100がフリップチップボンディング構造を有する発光素子パッケージ200に適用される場合、基板110及び第1導電型半導体層122は、透光性を有する物質を含むことができる。
活性層124は、第1導電型半導体層122と第2導電型半導体層126との間に配置され、第1導電型半導体層122及び第2導電型半導体層126からそれぞれ提供される電子(electron)と正孔(hole)の再結合(recombination)過程で発生するエネルギーによって光を生成することができる。
活性層124は、半導体化合物、例えば、3族−5族又は2族−6族の化合物半導体であってもよく、二重接合構造、単一井戸構造、多重井戸構造、量子線(Quantum−Wire)構造、または量子点(Quantum Dot)構造などで形成することができる。
活性層124が量子井戸構造である場合、例えば、InxAlyGa1−x−yN(0≦x≦1,0≦y≦1,0≦x+y≦1)の組成式を有する井戸層とInaAlbGa1−a−bN(0≦a≦1,0≦b≦1,0≦a+b≦1)の組成式を有する障壁層を有する単一または量子井戸構造を有することができる。井戸層は、障壁層のエネルギーバンドギャップよりも低いバンドギャップを有する物質であってもよい。
第2導電型半導体層126は、3族−5族又は2族−6族などの化合物半導体で具現することができ、第2導電型ドーパントがドープされてもよい。例えば、第2導電型半導体層126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であってもよい。例えば、第2導電型半導体層126は、GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InN、InAlGaN、AlInN、AlGaAs、GaP、GaAs、GaAsP、AlGaInPのいずれか1つを含むことができ、p型ドーパント(例えば、Mg,Zn,Ca,Sr,Ba)がドープされてもよい。
活性層124と第1導電型半導体層122との間、または、活性層124と第2導電型半導体層126との間には導電型クラッド層(clad layer)(図示せず)が配置されてもよく、導電型クラッド層は、窒化物半導体(例えば、AlGaN)で形成することができる。
実施例によれば、第1導電型半導体層122はn型半導体層であり、第2導電型半導体層はp型半導体層であってもよい。これによって、発光構造物120は、n−p接合、p−n接合、n−p−n接合、及びp−n−p接合構造のうち少なくとも1つを含むことができる。
一方、反射層132,134は、発光構造物120の第2導電型半導体層126上に配置され、単層構造又は多層構造を有することができる。例えば、反射層132,134は、第1層/第2層/第3層の3重多層構造を有することができる。反射層132,134において、第1層は光反射の役割を担い、第1層の上に配置された第2層は障壁層の役割を担い、第2層の上に配置された第3層はパッシベーション接着強化層の役割を担うことができる。第1〜第3層のうちの第1層は、第2導電型半導体層126と最も近くに配置することができる。
また、反射層132,134は、高い反射率を有するほど好ましく、例えば、70%以上の反射率を有することができる。すなわち、反射層132,134は、70%以上の反射率を有する物質を含むことができる。
また、反射層132,134は、伝導層142,144との接着力(adhesion)に優れた物質を含むことができる。
もし、伝導層142,144が省略される場合、反射層132,134は第2導電型半導体層126と直接接触することができる。この場合、反射層132,134は、第2導電型半導体層126とオーミック接触可能な物質を含むことができ、第2導電型半導体層126との接着力に優れた物質を含むことができる。
例えば、反射層132,134は、高い電気伝導度を有する反射金属またはこれらの合金、例えば、Ni,Pd,Ru,Mg,Zn,Hf,Ag,Al,Au,Pt,CuまたはRhのうち少なくとも1つを含むことができる。
また、反射層132,134の第2厚さt2が厚いほど高電流動作に有利であり得る。また、反射層132,134の第2厚さt2が0.5nmよりも小さい場合、反射層132,134の反射率が低下することがある。例えば、反射層132,134は、0.5nm〜4μm、例えば、50nm以上の第2厚さt2を有することができる。
一方、伝導層142,144は、反射層132,134と第2導電型半導体層126との間に配置され、透光性を有することができる。伝導層142,144は、全反射を減少させるだけでなく、透光性が良い。
伝導層142,144は、発光波長に対して透過率の高い透明な酸化物系物質、例えば、ITO(Indium Tin Oxide)、TO(Tin Oxide)、IZO(Indium Zinc Oxide)、IZTO(Indium Zinc Tin Oxide)、IAZO(Indium Aluminium Zinc Oxide)、IGZO(Indium Gallium Zinc Oxide)、IGTO(Indium Gallium Tin Oxide)、AZO(Aluminium Zinc Oxide)、ATO(Aluminium Tin Oxide)、GZO(Gallium Zinc Oxide)、IrOx、RuOx、RuOx/ITO、Ni、Ag、Ni/IrOx/Au、またはNi/IrOx/Au/ITOのうちの1つ以上を用いて単層又は多層で具現することができる。
実施例によれば、伝導層142,144上に反射層132,134が配置されるので、伝導層142,144の第1厚さt1を薄く形成することができる。すなわち、反射層132,134の第2厚さt2が厚いほど伝導層142,144の第1厚さt1を薄く形成することができる。伝導層142,144の第1厚さt1が厚いほど伝導層142,144での光吸収が増加し、薄いほど伝導層142,144での光吸収が減少する。したがって、実施例によれば、伝導層142,144上に反射層132,134が配置されることによって、伝導層142,144の第1厚さt1を薄く形成できるので、発光素子100の光学的特性を改善することができる。
または、伝導層142,144の第1厚さt1は、反射層132,134の第2厚さt2と相関性がなくてもよい。
伝導層142,144の第1厚さt1が1nmよりも大きい場合、伝導層142,144において光の吸収が増加することがある。第1厚さt1は、0.5nm〜4μm、好ましくは0.5nm〜80nm、例えば、1nmであってもよいが、実施例はこれに限定されない。
また、反射層132,134が、第2導電型半導体層126とオーミック接触可能な物質を含む場合、第1、第2及び第3発光セルP1,P2,P3のそれぞれにおいて伝導層142,144は省略してもよい。しかし、反射層132,134が、第2導電型半導体層126とオーミック接触できる物質を含むとしても、発光素子100が伝導層142,144を含む場合、発光素子100の信頼性が向上することができる。なぜなら、反射層132,134から第2導電型半導体層126に向かうキャリアの浸透を伝導層142,144が防止することで、伝導層142,144が一種のキャリア障壁層の役割を行うことができるからである。
また、場合によって、第1、第2及び第3発光セルP1,P2,P3のそれぞれにおいて、反射層132,134及び伝導層142,144を全て省略してもよい。
また、反射層132,134が配置された第2導電型半導体層126の上部面126Aの第1方向Xへの第1幅W1、伝導層142,144の第1方向Xへの第2幅W2、及び反射層132,134の第1方向Xへの第3幅W3は、次の数式1のように、互いに同一であってもよい。
ここで、図1を参照すると、第1方向Xは第2方向Yと異なり、第1及び第2方向X,Yは互いに垂直であってもよい。また、図2を参照すると、第1方向Xは、発光構造物120の厚さ方向である第3方向Zと異なり、第1及び第3方向X,Zは互いに垂直であってもよい。第1及び第2方向X,Yは、第3方向Zと異なり、第3方向Zに対して垂直な方向であってもよい。すなわち、デカルト座標系を基準として、第1、第2及び第3方向のそれぞれはX軸、Y軸及びZ軸方向にそれぞれ該当することができる。
または、第1幅、第2幅又は第3幅(W1,W2,W3)のうち少なくとも1つは互いに異なっていてもよい。
もし、発光素子100が伝導層142,144を含まない場合、次の数式2のように、第1幅W1は第3幅W3以上であってもよい。
または、発光素子100が伝導層142,144を含む場合、次の数式3のように、第2幅W2は第3幅W3以上であってもよい。
また、次の数式4のように、第1幅W1は第2幅W2以上であり、第2幅W2は第3幅W3以上であってもよい。
または、次の数式5のように、第1幅Wは第2幅W2よりも大きく、第2幅W2は第3幅W3以上であってもよい。
第1〜第3幅W1,W2,W3が、数式1のような関係を有するときより、前述した数式5のような関係を有するとき、発光素子100を製造する工程マージン及び信頼性の観点から有利であり得る。
工程設備に応じて、W1からW2を差し引いた第1差分値またはW2からW3を差し引いた第2差分値は変わり得る。第1及び第2差分値のそれぞれは、0より大きく40μm以下、好ましくは10μm〜30μm、例えば、1μm〜2μmであってもよい。
また、第1〜第3幅W1〜W3は、前述した反射層132,134の第2厚さt2と相関性がなくてもよい。
一方、M個の接続電極150−1〜150−Mは、複数の発光セルP1〜PNを電気的に接続する役割をする。接続電極150−1〜150−Mのそれぞれ150−m(ここで、1≦m≦M)は、第m発光セルPmの反射層134と第m+1発光セルPm+1の第1導電型半導体層122とを電気的に接続する。
前述したように、N=3であると仮定して説明したので、以下、M=2であると仮定して説明し、2つの接続電極150−1,150−2が第1、第2及び第3発光セルP1,P2,P3を接続する順にそれぞれ第1及び第2接続電極と呼ぶ。
具体的に、第1接続電極150−1は、隣接する第1及び第2発光セルP1,P2のいずれか一方である第1発光セルP1の反射層134と、隣接する第1及び第2発光セルP1,P2のうちの他方である第2発光セルP2の第1導電型半導体層122とを電気的に接続する。
第2接続電極150−2は、隣接する第2及び第3発光セルP2,P3のいずれか一方である第2発光セルP2の反射層134と、隣接する第2及び第3発光セルP2,P3のうちの他方である第3発光セルP3の第1導電型半導体層122とを電気的に接続する。
第1及び第2接続電極150−1,150−2のそれぞれは、反射層134と伝導層144を経由して第2導電型半導体層126に接続される。結局、第1及び第2接続電極150−1,150−2のそれぞれは、隣接する発光セルのうちの一方の第1導電型半導体層122と、他方の第2導電型半導体層126とを電気的に接続する役割をする。
もし、第1、第2及び第3発光セルP1,P2,P3のそれぞれにおいて反射層132,134と伝導層142,144が省略されれば、第1及び第2接続電極150−1,150−2のそれぞれは、隣接する発光セルのいずれか一方の第1導電型半導体層122と、他方の第2導電型半導体層126とを電気的に直接接続することができる。
図1及び図2に例示した実施例の場合、第1及び第2接続電極150−1,150−2は、第1電極部172が位置する第1発光セルP1を始点とし、第2電極部174が位置する第3発光セルP3を終点として、第1、第2及び第3発光セルP1,P2,P3を電気的に互いに直列接続する。
また、第1及び第2接続電極150−1,150−2は、第1導電型半導体層122とオーミック接触できる物質を含むことができる。例えば、オーミック接触できる物質として、AuBeまたはAuZnのうち少なくとも1つを含むことができるが、実施例は、第1及び第2接続電極150−1,150−2に含まれた物質の種類に限定されない。
もし、第1及び第2接続電極150−1,150−2が、第1導電型半導体層122とオーミック接触する物質を含まない場合、第1及び第2接続電極150−1,150−2のそれぞれと第1導電型半導体層122との間に別途のオーミック層(図示せず)を配置してもよい。
また、第1及び第2接続電極150−1,150−2は反射性物質を含むことができる。特に、後述する第1絶縁層(即ち、第1絶縁セグメント)162−1,162−2が低い反射率を有する物質を含む場合、第1絶縁層162−1,162−2の反射率よりも高い反射率を有する物質で第1及び第2接続電極150−1,150−2を形成することによって、発光素子100が、図11に例示した発光素子パッケージ200に適用されるとき、より多い光を基板110に向かう負(−)の第3方向Zに反射させることができる。
また、隣接する第1及び第2接続電極150−1,150−2間の最も近い第1水平離隔距離sd1は5μm以上であってもよい。ここで、第1水平離隔距離sd1とは、隣接する第1及び第2接続電極150−1,150−2が第1方向Xに離隔した最短距離を意味する。
一方、実施例によれば、第1、第2及び第3発光セルP1,P2,P3のそれぞれの第1方向Xの幅の中央に、第1導電型半導体層122の一部を露出させる少なくとも1つの電極孔(又は、接触孔)が配置されてもよい。以下、第1、第2及び第3発光セルP1,P2,P3に配置される電極孔を、それぞれ、第1、第2及び第3電極孔H1,H2,H3と呼ぶ。すなわち、図2を参照すると、第1発光セルP1に第1電極孔H1を配置し、第2発光セルP2に第2電極孔H2を配置し、第3発光セルP3に第3電極孔H3を配置することができる。図1において‘H’は、第1、第2及び第3電極孔H1,H2,H3のそれぞれを意味する。
第1、第2及び第3電極孔H1,H2,H3は、第1、第2及び第3発光セルP1,P2,P3のそれぞれにおいて、第2導電型半導体層126、活性層124及び第1導電型半導体層122の一部をメサエッチングして第1導電型半導体層122の一部を露出させることによって形成することができる。
また、第1、第2及び第3電極孔H1,H2,H3のそれぞれは、第3方向Zにブラインドホール(blind hole)の形態で形成することができる。
以下、図2に例示した第1、第2及び第3電極孔H1,H2,H3についてより具体的に添付の図面を参照して、次のように説明する。このとき、第1、第2及び第3発光セルP1,P2,P3のうちの第2発光セルP2に含まれた第2電極孔H2についてのみ図3A乃至図6を参照して説明するが、第1及び第3発光セルP1,P3にそれぞれに含まれた第1及び第3電極孔H1,H3に対しても、以下の説明は同一に適用することができる。
図3Aは、図1に示された第2発光セルP2の平面図を示し、図3Bは、図3Aに示された第2発光セルP2をB−B’線に沿って切断した断面図を示す。
第2発光セルP2の平面形状における第2電極孔H2の配置及び大きさを重点的に説明するために、説明の便宜上、図1に示された反射層134の図示は図3Aにおいて省略し、図3Bに示された第1絶縁層162−1、第2絶縁層190及び第1接続電極150−1の図示は図3Aにおいて省略した。
また、図3Bにおいて、参照符号‘136’は、図2に示した反射層132,134に該当し、参照符号‘146’は、図2に示した伝導層142,144に該当する。図1及び図3Aに表記した参照符号‘130’の内部は、反射層132,134間の離隔空間に該当することで、後述する第7幅W7を有する。
実施例によれば、第2発光セルP2において、第2電極孔H2の数と大きさ、第2電極孔H2が複数のときの複数の第2電極孔H2間の間隔、または複数の第2電極孔H2が配列される方向のうち少なくとも1つは、第2発光セルP2の平面形状、平面の大きさ、または所望の電流密度のうち少なくとも1つによって決定されてもよい。これについて詳細に説明すると、次のようである。
第2発光セルP2に含まれた電極孔の数は単数または複数であってもよい。例えば、図1、図2、図3A及び図3Bに例示したように、第2発光セルP2は、複数(例えば、2個)の第2−1及び第2−2電極孔H21,H22を含むことができる。
第2発光セルP2の第1方向Xへの幅を‘横幅’と呼び、‘WX’と表記し、第2方向Yへの幅を‘縦幅’と呼び、‘WY’と表記する。第2発光セルP2に含まれた第2−1及び第2−2電極孔H21,H22のそれぞれは、第2発光セルP2の横幅WXの中央に配置されていることがわかる。しかし、他の実施例によれば、複数の第2−1及び第2−2電極孔H21,H22のそれぞれは、第2発光セルP2の縦幅WYの中央に配置されてもよい。
図3A及び図3Bを参照すると、第2発光セルP2の横幅WX及び縦幅WYは、次の数式6及び7のようにそれぞれ表現することができる。
図3Aを参照すると、第2発光セルP2において横幅WXの中央に配置された第2−1及び第2−2電極孔H21,H22は、第2方向Yに互いに離隔して等間隔に配列してもよいが、実施例はこれに限定されない。他の実施例によれば、第2−1及び第2−2電極孔H21,H22は、第1又は第2方向X,Yのうち少なくとも1つの方向に互いに離隔して等間隔に配置してもよい。
図3Aに例示したように、横軸WXの中央に第2−1及び第2−2電極孔H21,H22が配置される場合、第2発光セルP2の平面は、第2−1及び第2−2電極孔H21,H22を中心として第1方向Xにおいて第1及び第2領域A1,A2に分けられてもよい。また、図3Bに例示したように、第2−1及び第2−2電極孔H21,H22が第2方向Yに互いに離隔して配置される場合、発光セルP2の断面は、第2−1及び第2−2電極孔H21,H22を中心として第2方向Yにおいて第3、第4及び第5領域A3,A4,A5に分けられてもよい。
第2発光セルP2において、第2−1及び第2−2電極孔H21,H22が横幅WXの中央に配置されるので、第2−1及び第2−2電極孔H21,H22の左側に位置した第1領域A1の第1方向Xへの第4幅W4と、第2−1及び第2−2電極孔H21,H22の右側に位置した第2領域A2の第1方向Xへの第5幅W5とは互いに同一であってもよい。
前述したように、第2−1及び第2−2電極孔H21,H22を第2発光セルP2の横幅WXの中央に配列させる理由は、図2を参照すると、第2電極孔H2を介して第1接続電極150−1によって第1導電型半導体層122に供給されたキャリア(例えば、電子)が、第1領域A1の発光構造物120と第2領域A2の発光構造物120に均一にスプレッディングされるようにするためである。図示してはいないが、他の実施例によれば、同じ理由で、第2−1及び第2−2電極孔H21,H22を第2発光セルP2の縦幅WYの中央に配列させてもよい。
以下、第2発光セルP2において互いに最も近くに隣接する第2電極孔間の最短離隔距離を‘第1距離’と呼ぶ。例えば、第2発光セルP2において互いに最も近くに隣接する第2−1及び第2−2電極孔H21,H22間の最短離隔距離d11が第1距離に該当することができる。図3Aの場合、第1距離d11は、隣接する第2−1電極孔H21の境界と第2−2電極孔H22の境界との間の最短離隔距離であるものと示されている。しかし、図3Aの示したものとは異なり、第1距離d11は、第2−1電極孔H21の中心と第2−2電極孔H22の中心との離隔距離に該当してもよい。
また、第2発光セルP2の縁部ET,ESと、第2−1及び第2−2電極孔H21,H22のいずれかの電極孔との最短距離を‘第2距離’と定義する。
図3A及び図3Bに例示したように、四角形の平面形状を有する第2発光セルP2は、第1方向Xに互いに対向する2つの縁部ES、及び第2方向Yに互いに対向する2つの縁部ETを有する。
例えば、第2発光セルP2の縁部ES,ETと、第2−1及び第2−2電極孔H21,H22との間の最短距離d12,d13が第2距離に該当することができる。図3A及び図3Bの場合、第2距離d12は、縁部ETと第2−1電極孔H21の境界との最短距離であるものと示されている。しかし、図3A及び図3Bに示したものとは異なり、第2距離d12は、縁部ETと第2−1電極孔H21の中心との最短距離に該当してもよい。同様に、第2距離d13は、縁部ETと第2−2電極孔H22の境界との最短距離であるものと示されているが、縁部ETと第2−2電極孔H22の中心との最短距離に該当してもよい。
また、第2発光セルP2の大きさ及び形状などに応じて、縁部ESと、第2−1又は第2−2電極孔H21,H22との第1方向Xへの最短離隔距離である第4幅W4または第5幅W5が第2距離となってもよい。
第4幅W4や第5幅W5は、第2距離d12,d13と異なっていてもよい。
また、第2距離であるd12とd13は互いに同一であっても異なっていてもよい。
また、第2距離d12,d13のそれぞれは、第1距離d11の半分よりも大きくしてもよく、第1距離d11の半分は、第2距離d12,d13のそれぞれに該当してもよい。
もし、第1距離d11の半分が第2距離d12,d13のそれぞれに該当する場合、第3領域A3、第4領域A4、第5領域A5にキャリア(例えば、電子)が均一にスプレッディングされ得る。すなわち、図3Bを参照すると、第2−2電極孔H22を介して第1導電型半導体層122に接続された第1接続電極150−1から第3領域A3にキャリアが供給される量だけ、第4領域A4の左側にもキャリアが同じ量で供給される。また、第2−1電極孔H21を介して第1導電型半導体層122に接続された第1接続電極150−1から第5領域A5にキャリアが供給される量だけ、第4領域A4の右側にもキャリアが同じ量で供給される。したがって、第1距離d11の半分が第2距離d12,d13に該当する場合、キャリアのスプレッディングが均一になり得る。
結局、横軸WXの中央において第2方向Yに、前述したように第2−1及び第2−2電極孔H21,H22が配置される場合、図3Aに示したように、第2−1及び第2−2電極孔H21,H22を中心とする電流拡散範囲HS1,HS2は均一になり得る。
また、第2発光セルP2の平面形状、平面の大きさ、または所望の電流密度に応じて、第2電極孔H2は、2個よりも多くても少なくてもよく、様々な形態で配置することができる。これについて説明すると、次の通りである。
図4A乃至図4Hは、他の実施例に係る第2発光セルP2の平面図を示す。各図面において、説明の便宜上、第2電極孔のみを実線で表示して示し、反射層132,134間の第7幅W7を有する離隔空間130及び第8幅W8を有する接続電極の図示は省略した。また、図4A乃至図4Hのそれぞれにおいて点線で表示した部分は電流拡散範囲を示す。
第2発光セルP2の同じ平面積において第2電極孔の数が増加するほど、第2電極孔の平面の大きさは小さくなり得る。図4Aを参照すると、第2発光セルP2は、3つの第2−1、第2−2及び第2−3電極孔H21,H22,H23を含むことができる。もし、図3Aに示した第2発光セルP2と図4Aに示した第2発光セルP2の平面の大きさ(横幅x縦幅)が互いに同一であれば、図4Aに示した第2電極孔H21,H22,H23の大きさは、図3Aに示した第2電極孔H21,H22の大きさよりも小さくなり得る。
また、図3Aに示した第2発光セルP2と同様に、図4Aに例示した第2発光セルP2において、第2−1、第2−2及び第2−3電極孔H21,H22,H23は横幅WXの中央に配置することができる。したがって、第4幅W4と第5幅W5は互いに同一であり得る。
また、第2−1、第2−2及び第2−3電極孔H21,H22,H23の第1距離は等間隔であってもよい。すなわち、第2−1及び第2−2電極孔H21,H22の第1距離d22と、第2−2及び第2−3電極孔H22,H23の第1距離d23とは同一であってもよい。しかし、他の実施例によれば、d22とd23は実質的に同一であってもよい。
また、第1距離d22の半分は第2距離d21に該当し、第1距離d23の半分は第2距離d24に該当することができる。また、第2距離d21,d24は互いに同一であっても異なっていてもよい。また、第2距離d21,d24は、第4幅W4又は第5幅W5と互いに異なっていてもよい。
図4Aに例示したように、第2−1、第2−2及び第2−3電極孔H21,H22,H23が横幅WXの中央に配置され、第1距離d22,d23の半分が第2距離d21,d24に該当する場合、発光構造物120にキャリア(例えば、電子)が均一にスプレッディングされて供給され得る。したがって、第2−1、第2−2及び第2−3電極孔H21,H22,H23を中心とする電流拡散範囲HS1,HS2,HS3は均一になることがわかる。
更に他の実施例によれば、図4B乃至図4D及び図4F乃至図4Hに例示したように、第2発光セルP2は、第2方向だけでなく第1方向にも複数配列された第2電極孔を含むことができる。
図4B乃至図4D及び図4F乃至図4Hに例示した第2発光セルP2において、複数の第2電極孔間の第1及び第2方向X,Yへの最短離隔距離である第1距離は互いに同一である。
また、図4B乃至図4D及び図4F乃至図4Hに例示した第2発光セルP2において、縁部ES,STと第2電極孔との最短距離である第2距離は第1距離の半分であってもよい。
また、図1、図3A、図4A乃至図4Dに例示した第2発光セルP2の平面形状は長方形である一方、図4E乃至図4Hに例示した第2発光セルP2の平面形状は正方形である。したがって、図1、図3A及び図4A乃至図4Dに例示した第2発光セルP2における第2電極孔は、横幅の中央に配置することができるが、図4E乃至図4Hに例示した第2発光セルP2における第2電極孔は、横幅及び縦幅の中央に配置することができる。
図4B乃至図4Hに例示した第2発光セルP2において、第1距離、第2距離、第3距離、第4幅、第5幅、第6幅間の関係を例示的に説明すると、次のようである。しかし、実施例はこれに限定されず、電流スプレッディングが均一且つ稠密に行われることが可能であれば、第1〜第3距離及び第4〜第6幅は多様に設定することができる。ここで、‘第3距離’は、第2発光セルP2の縁部ET,ESと複数の第2電極孔との距離のうち第2距離を除外した距離のことをいう。
まず、図4Bに例示した第2発光セルP2において第1距離d31,d34、第2距離[第4幅W41,第5幅W51]、及び第3距離d32,d33は、次の数式8のように表現することができるが、実施例はこれに限定されない。
また、図4Cに例示した第2発光セルP2において第1距離d41,d42,d43及び第2距離[第4幅W42,第5幅W52,d44,d45」は、次の数式9のように表現することができるが、実施例はこれに限定されない。
また、図4Dに例示した第2発光セルP2において第1距離d51,d52,d53、第2距離[第4幅W43,第5幅W53]、及び第3距離d54,d55は、次の数式10のように表現することができるが、実施例はこれに限定されない。
もし、図4B乃至図4Dに例示した第2発光セルP2の平面積が同一である場合、図4Cに例示したように第2電極孔を配置するとき、図4B又は図4Dに例示したように第2電極孔を配置するときよりも、電流スプレッディングがさらに稠密且つ均一であることがわかる。
図4B乃至図4Dにそれぞれ例示した第2発光セルP2の平面積と、図4Aに例示した第2発光セルP2の平面積とが同一である場合、図4B乃至図4Dにそれぞれ例示した第6幅、例えば、図4Bに示した第6幅W61は、図4Aに例示した第6幅W6よりも小さくなり得る。
また、図4Eに例示した第2発光セルP2において第2距離[第4幅W44,第5幅W54,d61,d62」は、次の数式11のように表現することができるが、実施例はこれに限定されない。
数式11によれば、図4Eに例示した第2発光セルP2において横幅WXの中央と縦幅WYの中央に第2電極孔が配置されることがわかる。
また、図4Fに例示した第2発光セルP2において第1距離d71,d74及び第2距離[第4幅W45,第5幅W55,d71,d73」は、次の数式12のように表現することができるが、実施例はこれに限定されない。
また、図4Gに例示した第2発光セルP2において第1距離d85,d86,d87,d88及び第2距離[第4幅W46,第5幅W56,d82,d83」は、次の数式13のように表現することができるが、実施例はこれに限定されない。
図4Gに例示した第2発光セルP2は、図4Fに示した第2発光セルP2の中心に位置した第2電極孔をさらに含む平面形状を有する。前述した数式13でのように、四隅に近接して配置された4つの第2電極孔と中心に位置した第2電極孔との最短離隔距離である第1距離d85,d86,d87,d88は互いに同一である。
また、中心に位置した第2電極孔を除外した4つの第2電極孔間の最短距離d81,d84は、互いに同一であってもよい。ここで、第1距離d85はd81の半分であってもよい。
図4Gの場合、第1距離d85,d86,d87,d88のそれぞれは、第2距離[第4幅W46,第5幅W56,d82,d83]と同一であってもよい。
また、図4Hに例示した第2発光セルP2において第1距離d96,d97,d98,d99及び第2距離[第4幅W47,第5幅W57,d93,d94」は、次の数式14のように表現することができるが、実施例はこれに限定されない。
もし、図4E乃至図4Hに示した第2発光セルP2の平面積が同一である場合、図4Eに示した第2電極孔の第6幅W62は、図4F乃至図4Hに示した第2電極孔の第6幅(例えば、図4Fに示したW63)よりも大きくなり得る。
図5は、更に他の実施例に係る第2発光セルP2の平面図を示し、図6は、更に他の実施例に係る第2発光セルP2の平面図を示す。図5及び図6のそれぞれにおいて、実線は第2電極孔を示し、点線は電流拡散範囲を示す。
前述したように、第2発光セルP2の平面形状は、長方形または正方形であってもよいが、実施例はこれに限定されない。更に他の実施例によれば、第2発光セルP2の平面形状は、四角形以外の多角形または円形の形状を有することができる。
すなわち、図1、図3A、図4A乃至図4Dに例示したように、第2発光セルP2の平面形状は長方形であってもよく、図4E乃至図4Hに例示したように、第2発光セルP2の平面形状は正方形であってもよい。
または、図5に例示したように、第2発光セルP2の平面形状は正六角形であってもよい。図5に例示した第2発光セルP2において第1距離d101,d102,d103,d104,d105,d107,d108及び第2距離d106は、次の数式15のように表現することができるが、実施例はこれに限定されない。
または、図6に例示したように、第2発光セルP2の平面形状は正三角形であってもよい。この場合、第1及び第4方向のそれぞれへ離隔した第2電極孔間の最短離隔距離である第1距離d111,d112は、互いに同一である。
第2発光セルP2の平面形状が、図3A及び図4A乃至図4Dに例示したように長方形の時よりも、図4E乃至図4Hに例示したように正方形であるか、または図5に例示したように正六面体であるか、または図6に例示したように正三角形である時に、各図面において点線で表記した電流拡散範囲が稠密且つ均一に形成され得る。このように、電流拡散範囲が稠密且つ均一な場合、第2発光セルP2の面積利用率が高まるので、限定された面積で光抽出効率の改善を極大化させることができる。
また、第1距離は、発光素子100の電流密度によって決定することができる。例えば、発光素子100の所望の電流密度が低いほど第1距離を増加させ、所望の電流密度が高いほど第1距離を減少させて決定することができる。
また、メサエッチングされた第2電極孔H2の第1方向Xへの第6幅W6、反射層132,134間の第1方向Xへの離隔距離である第7幅W7、及び第2電極孔H2に配置された第1接続電極150−1の第1方向Xへの第8幅W8は、半導体素子100の製造工程マージンを考慮して決定することができる。
また、前述したように、図1、図3A、図4A乃至図4Hに例示した第2電極孔は、円形の平面形状を有するが、実施例はこれに限定されない。他の実施例によれば、第2電極孔は、様々な平面形状を有することができる。
一方、図2を再び参照すると、第1絶縁層は、第1絶縁セグメント162−1,162−2、第2絶縁セグメント164、第3絶縁セグメント166−1,166−2及び第4絶縁セグメント168−1,168−2を含むことができる。
第1絶縁セグメントは、第1−1絶縁セグメント162−1及び第1−2絶縁セグメント162−2を含む。
第1−1絶縁セグメント162−1は、第1接続電極150−1によって接続された隣接する第1及び第2発光セルP1,P2と、第1接続電極150−1との間に配置される。例えば、図2を参照すると、第1−1絶縁セグメント162−1は、第1発光セルP1において第1接続電極150−1によって接続されずに露出された反射層134の上部面及び側部面のそれぞれと第1接続電極150−1との間、第3幅W3が第2幅W2よりも小さいときに露出される伝導層144の上部面及び側部面のそれぞれと第1接続電極150−1との間、及び発光構造物120の上部面及び側部面のそれぞれと第1接続電極150−1との間に配置される。また、第1−1絶縁セグメント162−1は、基板110と第1接続電極150−1との間にも配置される。
また、第1−1絶縁セグメント162−1は、第2発光セルP2において反射層132の上部面及び側部面のそれぞれと第1接続電極150−1との間、第3幅W3が第2幅W2よりも小さいときに露出される伝導層142の上部面及び側部面のそれぞれと第1接続電極150−1との間、及び発光構造物120の上部面及び側部面のそれぞれと第1接続電極150−1との間に配置される。
したがって、第1−1絶縁セグメント162−1は、隣接する第1及び第2発光セルP1,P2と第1接続電極150−1とを互いに電気的に絶縁させることができる。
これと同様に、第1−2絶縁セグメント162−2は、第2接続電極150−2によって接続された隣接する第2及び第3発光セルP2,P3と第2接続電極150−2との間に配置される。したがって、第1−2絶縁セグメント162−2は、隣接する第2及び第3発光セルP2,P3と第2接続電極150−2とを互いに電気的に絶縁させることができる。
また、第2絶縁セグメント164は、第1、第2及び第3発光セルP1,P2,P3のうち第1及び第2電極部172,174が配置されてない第2発光セルP2において、隣接する第1及び第2接続電極150−1,150−2の間に配置される。すなわち、第2絶縁セグメント164は、隣接する第1及び第2接続電極150−1,150−2を互いに電気的に絶縁させる役割をする。
発光セルP2において、第1接続電極150−1は、第2電極孔H2に埋め込まれた第1−1絶縁セグメント162−1及び第2絶縁セグメント164を貫通して、第1導電型半導体層122と電気的に接続された形態を有する。このように、第1−1絶縁セグメント162−1及び第2絶縁セグメント164は、第2電極孔H2内に埋め込まれて、第1接続電極150−1をメサエッチングされた発光構造物120と電気的に絶縁させる役割をする。
また、第3絶縁セグメントは、第3−1絶縁セグメント166−1及び第3−2絶縁セグメント166−2を含む。
第3−1絶縁セグメント166−1は、後述するように、工程上形成される部分であって、省略してもよい。第3−2絶縁セグメント166−2は、第1、第2及び第3発光セルP1,P2,P3のうち第1電極部172が配置された第1発光セルP1において、第1電極部172と第1接続電極150−1との間に配置される。
また、図2に示したように、発光素子100は金属電極180をさらに含むことができる。金属電極180は、第3絶縁セグメント166−1,166−2を貫通し、第1電極部172と第1導電型半導体層122との間に配置され、第1電極孔H1を経由して第1電極部172を第1導電型半導体層122に電気的に接続させる。金属電極180と第1接続電極150−1との最も近い第2水平離隔距離sd2は5μm以上であってもよい。また、金属電極180の構成物質と第1及び第2接続電極150−1,150−2の構成物質とは互いに同一であってもよく、互いに異なっていてもよい。
発光素子100が金属電極180を含む場合、第3−2絶縁セグメント166−2は、第1、第2及び第3発光セルP1,P2,P3のうち第1電極部172が配置された第1発光セルP1において、第1方向Xに金属電極180と第1接続電極150−1との間に配置され、これら180,150−1を電気的に絶縁させる。
また、第3−1及び第3−2絶縁セグメント166−1,166−2は、第1電極孔H1の形成時に露出された発光構造物120、反射層132,134、及び伝導層142,144のそれぞれと、金属電極180[又は、金属電極180が省略される場合、第1電極部172]との間に配置される。したがって、第1発光セルP1において、第3−1及び第3−2絶縁セグメント166−1,166−2は、発光構造物120、反射層132,134及び伝導層142,144のそれぞれと、金属電極180[又は、金属電極180が省略される場合、第1電極部172]とを電気的に絶縁させることができる。
また、第4絶縁セグメントは、第4−1絶縁セグメント168−1及び第4−2絶縁セグメント168−2を含む。第4−1絶縁セグメント168−1は、後述するように、工程上形成される部分であって、省略可能である。
第4−2絶縁セグメント168−2は、第1、第2及び第3発光セルP1,P2,P3のうち第2電極部174が配置された第3発光セルP3において、第2電極部174と第2接続電極150−2との間に配置され、これら174,150−2を互いに電気的に絶縁させる役割をする。
また、第4−2絶縁セグメント168−2は、第3発光セルP3の反射層134、伝導層144及び発光構造物120のそれぞれと、第2接続電極150−2との間に配置される。したがって、第3発光セルP3において、第3電極孔H3の形成時に露出された発光構造物120、反射層132,134及び伝導層142,144のそれぞれは、第1−2絶縁セグメント162−2及び第4−2絶縁セグメント168−2によって第2接続電極150−2と電気的に絶縁可能である。
第2接続電極150−2は、第3電極孔H3に埋め込まれた第1−2絶縁セグメント162−2及び第4−2絶縁セグメント168−2を貫通して第1導電型半導体層122に接続される形態を有する。
一方、第2絶縁層190は、第1及び第2接続電極150−1,150−2の上、第2絶縁セグメント164の上、第3絶縁セグメント166−1,166−2の上、及び第4絶縁セグメント168−1,168−2の上にそれぞれ配置される。図1を参照すると、領域192,194の内側には第2絶縁層190が配置されない。
第2絶縁層190は、第3発光セルP3の第4−1絶縁セグメント168−1の役割をすることができる。すなわち、第4−1絶縁セグメント168−1は省略され、第2絶縁層190に代替されてもよい。
第2絶縁層190の第3厚さt3が厚いほど、ダイボンディング(die bonding)時の衝撃に耐えられる能力が改善される。第2絶縁層190の第3厚さt3は、最小1nm〜80nmであってもよく、例えば、1μmであってもよい。
第1絶縁層162−1,162−2,164,166−1,166−2,168−1,168−2及び第2絶縁層190のそれぞれは、電気的絶縁性を有する物質を含むことができ、光透過度と光吸収が少ないほど有利である。なぜなら、図1及び図2に例示した発光素子100が、図11に例示したように、フリップチップ形態の発光素子パッケージ200として具現される場合、基板110側に多くの光が出射できるようにするためである。
第1絶縁層162−1,162−2,164,166−1,166−2,168−1,168−2と第2絶縁層190のそれぞれは、互いに同じ材質からなってもよく、互いに異なる材質からなってもよい。
第1絶縁層162−1,162−2,164,166−1,166−2,168−1,168−2及び第2絶縁層190のそれぞれは、Al2O3、SiO2、Si3N4、TiO2、またはAlNのうち少なくとも1つで形成することができ、単層又は多層であってもよい。
また、図1及び図2に例示した発光素子100が、図11に示したように、発光素子パッケージ200に適用される場合、第1絶縁層162−1,162−2,164,166−1,166−2,168−1,168−2または第2絶縁層190のうち少なくとも1つは、分散ブラッグ反射層(DBR:Distributed Bragg Reflector)を含むことができる。この場合、分散ブラッグ反射層は絶縁機能を行ってもよく、反射機能を行ってもよい。
第1絶縁層162−1,162−2,164,166−1,166−2,168−1,168−2が第1分散ブラッグ反射層として具現される場合、第1分散ブラッグ反射層は、第1、第2及び第3発光セルP1,P2,P3から入射される光を反射させて基板110に向かって進行するようにすることができる。したがって、第1分散ブラッグ反射層は、第1、第2及び第3発光セルP1,P2,P3から入射される光が第2絶縁層190と第1及び第2接続電極150−1,150−2に吸収されることを遮断するので、発光効率を改善することができる。
また、第2絶縁層190が第2分散ブラッグ反射層として具現される場合、第2分散ブラッグ反射層は、第1、第2及び第3発光セルP1,P2,P3から入射される光を反射させる。したがって、第2分散ブラッグ反射層は、第1、第2及び第3発光セルP1,P2,P3から入射される光が第1及び第2電極部172,174に吸収されることを遮断するので、発光効率を改善することができる。
第1及び第2分散ブラッグ反射層のそれぞれは、屈折率が互いに異なる第1層及び第2層が交互に少なくとも1回以上積層された構造であってもよい。第1及び第2分散ブラッグ反射層のそれぞれは電気絶縁物質であってもよい。
例えば、第1層はTiO2のような第1誘電体層であり、第2層はSiO2のような第2誘電体層を含むことができる。例えば、第1分散ブラッグ反射層は、TiO2/SiO2層が少なくとも1回以上積層された構造であってもよい。第1層及び第2層のそれぞれの厚さはλ/4であり、λは、発光セルから発生する光の波長であってもよい。
もし、第2絶縁層190がDBRとして具現される場合、反射層132,134が省略されたり、多層構造の反射層132,134の役割をする第1層のみが省略されてもよく、第1絶縁層162−1,162−2,164,166−1,166−2,168−1,168−2がDBRとして具現されなくてもよい。
一方、第1電極部172は、第1、第2及び第3発光セルP1,P2,P3のいずれか1つの第1導電型半導体層122と接続され、第2電極部174は、第1、第2及び第3発光セルP1,P2,P3のうちの他の1つの反射層(又は、反射層と伝導層が省略される場合、第2導電型半導体層)と接続される。すなわち、第2電極部174は、反射層134と伝導層144を経由して第2導電型半導体層126と電気的に接続される。
図1及び図2を参照すると、例えば、第1電極部172は、第1発光セルP1に配置されて第1導電型半導体層122と接続されてもよく、第2電極部174は、第3発光セルP3に配置されて反射層134[もし、反射層134と伝導層144が省略される場合、第2導電型半導体層126]と接続されてもよい。
発光素子100が金属電極180をさらに含む場合、第1電極部172は、第2絶縁層190を貫通した後、金属電極180を経由して第1導電型半導体層122と接続されてもよい。
しかし、図2に例示した金属電極180が省略され、金属電極180の位置に第1電極部172が配置される場合、第1、第2及び第3発光セルP1,P2,P3のうち第1電極部172が配置された第1発光セルP1において、第1電極部172は、第2絶縁層190と第3絶縁セグメント166−1,166−2を貫通する形状で第1導電型半導体層122に電気的に接続される。すなわち、第1電極部172は、第2絶縁層190を貫通した後、第1電極孔H1の内部に埋め込まれた第3絶縁セグメント166−1,166−2を貫通して第1導電型半導体層122に接続される。第1電極孔H1内で第1電極部172は第8幅W8を有する。
このように、発光素子100が金属電極180を含まない場合、第1電極部172は、第2絶縁層190と第3絶縁セグメント166−1,166−2を全て貫通しなければならないため、外形比が大きくなって製造工程が難しいことがある。しかし、金属電極180が第1電極部172と第1導電型半導体層122との間に配置される場合、外形比が小さくなって製造工程が容易になり得る。
第2電極部174は、第2絶縁層190と第4絶縁セグメント168−1,168−2を貫通する形状で反射層134[又は、反射層134と伝導層144が省略される場合、第2導電型半導体層126]に電気的に接続される。
第1及び第2電極部172,174を介して外部電源が発光素子100に供給され得る。第1及び第2電極部172,174は、外部電源が供給されるワイヤ(図示せず)がボンディングされるパッドを含むこともでき、自身がパッドの役割を担うこともできる。
また、第1及び第2電極部172,174のそれぞれは、共晶接合(eutectic bonding)物質の適用時に、ダイペースト(die paste)なしにダイボンディング機能を行うことができる。
図1及び図2に例示したように、第1電極部172は、発光素子100において1番目の発光セルP1に位置し、第2電極部174は、発光素子100において最後の発光セルPN(例:P3)に位置することができるが、実施例は、第1及び第2電極部172,174の配置位置に限定されない。
また、図1を参照すると、第1電極部172の平面形状は四角形である一方、第2電極部174の平面形状は、右側部分がリセス174Aを有する四角形である。このように、第1及び第2電極部172,174が互いに異なる平面形状を有する場合、第1及び第2電極部172,174は容易に区分することができる。
前述した第1及び第2接続電極150−1,150−2、第1及び第2電極部172,174、及び金属電極180のそれぞれは、電気的伝導性を有する金属物質、例えば、Pt(Platinum)、Ge(Germanium)、Cu(Copper)、Cr(Chromium)、Ni(Nickel)、Au(Gold)、Ti(Titanium)、Al(Aluminum)、Ta(Tantalum)、TaN(Tantalum Nitride)、TiN(Titanium Nitride)、Pd(Palladium)、W(tungsten)またはWSi2(Tungstem silicide)のうち少なくとも1つの物質を含むことができる。特に、第1及び第2接続電極150−1,150−2は、その厚さが厚いほど、伝導度に優れた物質を含むほど、そして、第1及び第2絶縁層162−1,162−2,164,166−1,166−2,168−1,168−2,190との優れた接着力を有する物質を含むほど、好ましい。
一方、前述した図1及び図2に例示した発光素子100が、後述する図11に例示したようにフリップチップ形態のパッケージとして具現される場合、第2絶縁層190上の第1及び第2電極部172,174の間において放熱部176がさらに配置されてもよい。放熱部176は、第1及び第2電極部172,174と同じ金属材質を含むことができる。このように放熱部176が配置される場合、発光素子100の各発光セルP1,P2,P3から発生した熱をより速く消散することができる。
図7は、図1及び図2に示した発光素子100の回路図を示す。
図1、図2及び図7を参照すると、発光素子100は、1つの(−)端子(又は、第1電極部または第1パッド172)を有し、1つの(+)端子(又は、第2電極部または第2パッド174)を有することができる。外部の駆動電圧が第1及び第2電極部172,174を介して供給されることで、第1、第2及び第3発光セルP1,P2,P3が駆動することができる。
以上では、実施例の理解を助けるために、発光素子100は、3個(N=3)の発光セルP1,P2,P3及び2個の接続電極150−1,150−2を有するものと説明した。しかし、発光素子100が、3個より多いまたは少ない発光セル及び2個より多いまたは少ない接続電極を有する場合にも、前述した説明は適用することができる。
例えば、発光素子100が3個より多いN個の発光セルを含む場合、N個の発光セルのうちの2個の発光セルは、図1、図2及び図7に示した第1及び第3発光セルP1,P3にそれぞれ該当し、残りのN−2個の発光セルは、図1、図2及び図7に示した第2発光セルP2に該当することができる。
以下、それぞれが様々な平面形状を有する複数(N>3)の発光セルを含む発光素子100の様々な実施例の平面図を、添付の図面を参照して、次のように説明する。
図8A乃至図8Cは、実施例に係る発光素子の平面図を示す。
図8Aを参照すると、発光素子は、9個(N=9)の四角平面形状の発光セルPを有する。複数の発光セルのそれぞれPは、図1、図3A、図4A乃至図4Hに例示した発光セルに該当することができる。
図8Bを参照すると、発光素子は、16個(N=16)の三角平面形状の発光セルPを有する。複数の発光セルのそれぞれPは、図6に例示した正三角形の平面形状を有する発光セルに該当することができる。
図8Cを参照すると、発光素子は、11個(N=11)の六角平面形状の発光セルPを有する。複数の発光セルのそれぞれPは、図5に例示した正六角形の平面形状を有する発光セルに該当することができる。
図8A乃至図8Cのそれぞれにおいて、矢印方向CPに電流が流れることができるようにM個の接続電極(図示せず)が各発光セルPを接続することは、図1及び図2を参照して前述した通りである。すなわち、M個の接続電極のそれぞれは、図1及び図2に示した第1及び第2接続電極150−1,150−2と同じ断面及び平面形状を有することができる。
図9は、比較例に係る発光素子の局部的な断面図を示す。
図9に示した比較例の発光素子は、基板10、3つの発光セルP1,P2,P3、絶縁層42,44及び接続電極50−1,50−2を含む。
各発光セルP1,P2,P3は、発光構造物20、第1及び第2電極部32,34を有する。発光構造物20は、第1導電型半導体層22、活性層24及び第2導電型半導体層26を含む。
図9において、第1発光セルP1の第2電極部34と第2発光セルP2の第1電極部32とは第1接続電極50−1によって互いに電気的に接続され、第2発光セルP2の第2電極部34と第3発光セルP3の第1電極部32とは第2接続電極50−2によって互いに電気的に接続される。
このとき、絶縁層42は、隣接する発光セルP1,P2と第1接続電極50−1との間に配置され、絶縁層44は、隣接する発光セルP2,P3と第2接続電極50−2との間に配置される。絶縁層42は、隣接する発光セルP1,P2と第1接続電極50−1とを互いに電気的に絶縁させる役割を担い、絶縁層44は、隣接する発光セルP2,P3と第2接続電極50−2とを互いに電気的に絶縁させる役割を担う。
第1電極部32を介して第1導電型半導体層22を経由して活性層24に電子が供給され、第2電極部34を介して第2導電型半導体層26を経由して活性層24に正孔が供給され得る。しかし、第1電極部32を介して供給された電子は、第1導電型半導体層22の高い抵抗により、第1電極部32から活性層24に繋がる最短コースでさらに多く移動する傾向がある。このようなキャリアの不均一なスプレッディングは、内部量子効率(Internal Quantum Efficiency)を低下させ、発光セルから局所加熱を誘発して、発光素子の信頼性を低下させることがある。
しかし、図2に例示した実施例に係る発光素子100の場合、第1、第2及び第3発光セルP1,P2,P3のそれぞれの横幅WXの中央に第1、第2及び第3電極孔H1,H2,H3をそれぞれ形成し、第1、第2及び第3電極孔H1,H2,H3を介して第1及び第2接続電極150−1,150−2が第1導電型半導体層122に接続される。したがって、図9に例示した比較例に係る発光素子とは異なり、図2に例示した実施例に係る発光素子100の場合、第1及び第2接続電極150−1,150−2を介して供給された電子は、第1、第2及び第3電極孔H1,H2,H3を基準として左側と右側に位置した活性層124に均一にスプレッディングされ得る。したがって、図9に例示した比較例と比較するとき、図1及び図2に例示した実施例に係る発光素子100の場合、内部量子効率が改善され、発光素子100の局所加熱が防止されることで、信頼性を極大化させることができる。
また、図9に示した比較例に係る発光素子の場合、第1及び第2接続電極50−1,50−2が互いにある程度の距離dcだけ離隔しなければならない。そうでない場合、第1及び第2接続電極50−1,50−2が互いに電気的に短絡して、発光素子の誤動作を誘発することがある。
しかし、図1及び図2に例示した実施例に係る発光素子100の場合、第1、第2及び第3発光セルP1,P2,P3のそれぞれの中央に形成された第1、第2及び第3電極孔H1,H2,H3を介して第1導電型半導体層122と接続された第1及び第2接続電極150−1,150−2は、第2絶縁セグメント164によって互いに電気的に絶縁される。したがって、図2に例示した第1方向Xへの第1水平離隔距離sd1は、図9に例示した比較例の水平離隔距離dcよりも著しく小さくなり得る。したがって、発光素子100のために割り当てられた面積を効率的に使用できるようにして、発光素子100の水平方向である第1方向Xへの全幅が減少することができる。
以下、図1及び図2に例示した発光素子100の製造方法を、添付した図10A乃至図10Gを参照して説明するが、発光素子100は、このような製造方法に限定されず、他の製造方法によっても製造できることは勿論である。
図10A乃至図10Gは、図1及び図2に例示した発光素子100の製造方法を説明するための工程断面図である。
図10Aを参照すると、基板100上に凹凸パターン112を形成する。すなわち、PSSを形成する。その後、凹凸パターン112を有する基板PSS上に発光構造物120、伝導層140及び反射層130Aを順次形成する。
その後、図10Bを参照すると、反射層130A上に第1パターンマスクM1を形成する。第1パターンマスクM1は、図2に例示した境界領域Sと第1、第2及び第3電極孔H1,H2,H3が形成される部分をオープンさせる開口を有する。
その後、図10Cを参照すると、第1パターンマスクM1を用いて、第1導電型半導体層122が露出するまで反射層130A、伝導層140及び発光構造物120を順次にメサエッチングして、第1、第2及び第3電極孔H1,H2,H3を形成すると共に、境界領域Sの基板110が露出するまで第1導電型半導体層122をエッチングする。このとき、第1、第2及び第3電極孔H1,H2,H3の第6幅W6が所望の分だけ形成されるように、第1パターンマスクM1の開口の幅を調整することができる。また、第1〜第3幅W1,W2,W3が、前述した数式1乃至5に記載された値を有し、所望の程度に第7幅W7を確保するために、互いに異なるエッチング選択比を有する物質で反射層130A、伝導層140及び第2導電型半導体層126を具現することができる。その後、第1パターンマスクM1を除去する。
または、第1パターンマスクM1を用いて、前述したように、第1、第2及び第3電極孔H1,H2,H3を一次的に形成した後、第1パターンマスクM1を除去し、第1、第2及び第3電極孔H1,H2,H3を覆い、境界領域Sが形成される部分を露出させる開口を有する別途のパターンマスク(図示せず)をエッチングマスクとして用いて、境界領域Sの基板110が露出するまで第1導電型半導体層122をエッチングすることもできる。
次に、図10Dを参照すると、図10Cに示した結果物の上部に第1絶縁層160を形成する。その後、第2パターンマスクM2を第1絶縁層160の上部に形成する。第2パターンマスクM2は、図2に例示したように、第1及び第2接続電極150−1,150−2と金属電極180が接続される、反射層134及び第1導電型半導体層122の該当の部分を露出させる開口を有する。このとき、第1、第2及び第3電極孔H1,H2,H3に埋め込まれた第1絶縁層160をエッチングする部分の開口は、第8幅W8を有することができる。
その後、図10Eを参照すると、第2パターンマスクM2をエッチングマスクとして用いて、第1絶縁層160をエッチングすることで、第1絶縁セグメント162−1,162−2、第2絶縁セグメント164、第3絶縁セグメント166−1,166−2及び第4絶縁セグメント168を形成する。その後、第2パターンマスクM2を除去する。このように、第1絶縁セグメント162−1,162−2、第2絶縁セグメント164、第3絶縁セグメント166−1,166−2及び第4絶縁セグメント168は、1つの第1絶縁層160をエッチングして獲得されるので、同じ絶縁物質を含むことがわかる。
その後、図10Fを参照すると、図10Eでのように、第1、第2及び第3電極孔H1,H2,H3に埋め込まれた第1絶縁層160をエッチングすることで第1導電型半導体層122が露出した貫通孔を埋め込みながら、第1絶縁層162−1,162−2,164,166−1,166−2,168の上部に金属層(図示せず)を蒸着して形成する。その後、金属層上に第2絶縁セグメント164、第3絶縁セグメント166−1,166−2及び第4絶縁セグメント168を露出させる開口を有する第3パターンマスク(図示せず)を形成する。その後、第3パターンマスクをエッチングマスクとして用いて金属層をエッチングすることで、第1及び第2接続電極150−1,150−2と金属電極180を形成する。その後、第3パターンマスクを除去する。
または、図10Eに示したように、多数の第1〜第4絶縁セグメント162−1,162−2,164,166−1,166−2,168を形成した後、第2パターンマスクM2を除去する前に、第1、第2及び第3電極孔H1,H2,H3において第1導電型半導体層122を露出させる貫通孔を埋め込みながら第2パターンマスクM2の上部に金属層を蒸着して形成することができる。その後、第2パターンマスクM2とその上部に形成された金属層を共に除去すれば、図10Fに示した結果物を形成することができる。
その後、図10Gに示したように、第1及び第2接続電極150−1,150−2、第2絶縁セグメント164、第3絶縁セグメント166−1,166−2及び第4絶縁セグメント168上に第2絶縁層190を形成し、第2絶縁層190の上部に、第1及び第2電極部172,174が接続される金属電極180及び反射層134を露出させる開口を有する第4パターンマスクM4を形成する。その後、第4パターンマスクM4をエッチングマスクとして用いて第2絶縁層190をエッチングすることで、該当する反射層134及び金属電極180を露出させる。その後、第4パターンマスクM4を除去する。
その後、第4パターンマスクM4によるエッチングで露出された開口に金属物質を埋め込むことで、図2に示したように第1及び第2電極部172,174を形成する。
以下、図1及び図2に例示した発光素子100を含む発光素子パッケージ200について、添付した図11を参照して、次のように説明する。しかし、図1及び図2に例示した発光素子100は、図11に示したものと異なる形態で発光素子パッケージ200において使用されてもよい。
図11は、実施例に係る発光素子100を含む発光素子パッケージ200を示す。
図11を参照すると、発光素子パッケージ200は、発光素子100、第1バンプ部212、第2バンプ部214、第1金属層222、第2金属層224及びサブマウント(submount)230を含む。
サブマウント230は、発光素子100を実装する。サブマウント230は、パッケージボディー(package body)又は印刷回路基板(Printed Circuit Board)などとして具現することができ、発光素子100がフリップチップボンディング(flip chip bonding)可能であれば、様々な形態を有することができる。
発光素子100は、サブマウント230上に配置され、第1バンプ部212及び第2バンプ部214によって第1及び第2金属層222,224とそれぞれ電気的に接続される。図11に示した発光素子100は、図1及び図2に示した発光素子100に該当するが、実施例がこれに限定されるものではない。
サブマウント230は、ポリフタルアミド(PolyPhthal Amide,PPA)、液晶高分子(Liquid Crystal Polymer,LCP)、ポリアミド9T(PolyAmide9T,PA9T)などのような樹脂、金属、感光性ガラス(photo sensitive glass)、サファイア、セラミック、印刷回路基板(Printed Circuit Board)などを含むことができる。しかし、実施例に係るサブマウント230が、これらの物質に限定されるものではない。
第1金属層222及び第2金属層224は、サブマウント230の上面に第1方向に互いに離隔して配置される。ここで、サブマウント230の上面は、発光素子100に対向する面であってもよい。第1金属層222及び第2金属層224は、伝導性金属、例えば、アルミニウム(Al)又はロジウム(Rh)であってもよい。
第1バンプ部212及び第2バンプ部214は、第1金属層222及び第2金属層224と発光素子100との間にそれぞれ配置される。第1バンプ部212は、発光素子100の第1電極部172と第1金属層222とを電気的に接続することができる。第2バンプ部214は、発光素子100の第2電極部174と第2金属層224とを電気的に接続することができる。
発光素子パッケージ200が、図11に例示したように、フリップチップ形態で具現される場合、光は、伝導層142,144を通してサブマウント230側に下方に向かって正(+)の第3方向Zに出射される代わりに、基板110を通して負(−)の第3方向Zに出射される。したがって、このような発光素子パッケージ200の光抽出効率は、伝導層142,144の第1厚さt1に影響を受けず、伝導層142,144の光吸収特性や抵抗特性などによって影響を受けずに済む。さらに、第1及び第2電極部172,174及び第6幅W6を有するメサ領域の設計時に伝導層142,144の特性による制約を受けずに済む。
また、図11を参照すると、伝導層142,144の下に反射層132,134を配置することによって、キャリアのスプレッディングが改善されて電気的特性を改善することができるだけでなく、伝導層142,144の厚さを薄く形成することができて、反射率が向上することによって、発光素子パッケージ200の光学的特性を改善することができる。
また、発光素子パッケージ200が、図11に例示したように、フリップチップ形態で具現され、第1電極部172を介して電子が供給され、第2電極部174を介して正孔が供給されると仮定する。この場合、前述したように、第1、第2及び第3幅W1,W2,W3が同一であれば、反射層132,134は、第7幅W7を有する領域を除外した全体を覆うことができ、第1、第2及び第3発光セルP1,P2,P3のそれぞれにおいて正孔のスプレッディングがより均一になり得るので、電気的特性、すなわち、電気伝導度を改善することができる。特に、第1、第2及び第3電極孔H1,H2,H3が、図示のように円形の平面形状を有する場合、放射状に均一にキャリアがスプレッディングされ得る。
また、発光素子100及び発光素子パッケージ200は、所望の電流密度に応じて、電極孔の数、電極孔の間隔や配列された姿を調整することができる。
また、単位発光セルに含まれた電極孔の数が増加すると、発光素子の電気的特性が改善され、電極孔の数が減少すると、発光素子の光学的特性が改善される。したがって、これを考慮して電極孔の数を決定することができる。
実施例に係る発光素子パッケージは、複数個が基板上にアレイされ、発光素子パッケージの光経路上に、光学部材である導光板、プリズムシート、拡散シートなどを配置することができる。このような発光素子パッケージ、基板、光学部材は、バックライトユニットとして機能することができる。
更に他の実施例は、上述した実施例に記載された発光素子又は発光素子パッケージを含む表示装置、指示装置、照明装置として具現することができ、例えば、照明装置は、ランプ、街灯を含むことができる。
図12は、実施例に係る発光素子パッケージを含むヘッドランプ(head lamp)900を示す。
図12を参照すると、ヘッドランプ900は、発光モジュール901、リフレクタ(reflector)902、シェード903及びレンズ904を含む。
発光モジュール901は、基板(図示せず)上に配置される複数の発光素子パッケージ(図示せず)を含むことができる。このとき、発光素子パッケージは、図11に示した実施例200であってもよい。
リフレクタ902は、発光モジュール901から照射される光911を一定の方向、例えば、前方912に反射させる。
シェード903は、リフレクタ902とレンズ904との間に配置され、リフレクタ902によって反射されてレンズ904に向かう光の一部を遮断または反射して、設計者の所望の配光パターンをなすようにする部材であって、シェード903の一側部903−1と他側部903−2は互いに異なる高さを有することができる。
発光モジュール901から照射される光は、リフレクタ902及びシェード903で反射された後、レンズ904を透過して車体の前方に向かうことができる。レンズ904は、リフレクタ902によって反射された光を前方に屈折させることができる。
図13は、実施例に係る発光素子又は発光素子パッケージを含む照明装置1000を示す。
図13を参照すると、照明装置1000は、カバー1100、光源モジュール1200、放熱体1400、電源提供部1600、内部ケース1700及びソケット1800を含むことができる。また、実施例に係る照明装置1000は、部材1300とホルダー1500のいずれか1つ以上をさらに含むことができる。
光源モジュール1200は、図2に例示した発光素子100、または図11に示した発光素子パッケージ200を含むことができる。
カバー1100は、バルブ(bulb)または半球の形状であってもよく、中空の内部を有し、一部分が開口した形状であってもよい。カバー1100は、光源モジュール1200と光学的に結合可能である。例えば、カバー1100は、光源モジュール1200から提供される光を拡散、散乱または励起させることができる。カバー1100は一種の光学部材であってもよい。カバー1100は放熱体1400と結合可能である。カバー1100は、放熱体1400と結合する結合部を有することができる。
カバー1100の内面には乳白色の塗料がコーティングされてもよい。乳白色の塗料は、光を拡散させる拡散材を含むことができる。カバー1100の内面の表面粗さは、カバー1100の外面の表面粗さよりも大きく形成することができる。これは、光源モジュール1200からの光を十分に散乱及び拡散させて外部に放出させるためである。
カバー1100の材質は、ガラス(glass)、プラスチック、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ポリカーボネート(PC)などであってもよい。ここで、ポリカーボネートは、耐光性、耐熱性及び強度に優れている。カバー1100は、外部から光源モジュール1200が見えるように透明であってもよいが、これに限定されるものではなく、不透明であってもよい。カバー1100は、ブロー(blow)成形により形成することができる。
光源モジュール1200は、放熱体1400の一面に配置することができ、光源モジュール1200から発生した熱は放熱体1400に伝導可能である。光源モジュール1200は、光源部1210、連結プレート1230及びコネクタ1250を含むことができる。
部材1300は、放熱体1400の上面上に配置することができ、複数の光源部1210及びコネクタ1250が挿入されるガイド溝1310を有する。ガイド溝1310は、光源部1210の基板及びコネクタ1250と対応または整列可能である。
部材1300の表面は、光反射物質で塗布又はコーティングされたものであってもよい。
例えば、部材1300の表面は、白色の塗料で塗布又はコーティングされたものであってもよい。このような部材1300は、カバー1100の内面で反射されて光源モジュール1200に向かって戻ってくる光を再びカバー1100の方向に反射することができる。したがって、実施例に係る照明装置の光効率を向上させることができる。
部材1300は、一例として、絶縁物質からなることができる。光源モジュール1200の連結プレート1230は電気伝導性の物質を含むことができる。したがって、放熱体1400と連結プレート1230との間に電気的な接触が可能になる。部材1300は、絶縁物質で構成されて、連結プレート1230と放熱体1400との電気的短絡を遮断することができる。放熱体1400は、光源モジュール1200からの熱及び電源提供部1600からの熱の伝達を受けて放熱することができる。
ホルダー1500は、内部ケース1700の絶縁部1710の収納溝1719を塞ぐ。したがって、内部ケース1700の絶縁部1710に収納される電源提供部1600は密閉することができる。ホルダー1500は、ガイド突出部1510を有することができ、ガイド突出部1510は、電源提供部1600の突出部1610が貫通するホールを有することができる。
電源提供部1600は、外部から提供された電気的信号を処理又は変換して光源モジュール1200に提供する。電源提供部1600は、内部ケース1700の収納溝1719に収納され、ホルダー1500によって内部ケース1700の内部に密閉され得る。電源提供部1600は、突出部1610、ガイド部1630、ベース1650及び延長部1670を含むことができる。
ガイド部1630は、ベース1650の一側から外部に突出した形状を有することができる。ガイド部1630はホルダー1500に挿入可能である。ベース1650の一面上には多数の部品を配置することができる。多数の部品は、例えば、外部電源から提供される交流電源を直流電源に変換する直流変換装置、光源モジュール1200の駆動を制御する駆動チップ、光源モジュール1200を保護するためのESD(ElectroStatic discharge)保護素子などを含むことができるが、これに限定されない。
延長部1670は、ベース1650の他側から外部に突出した形状を有することができる。延長部1670は、内部ケース1700の連結部1750の内部に挿入され、外部からの電気的信号を受けることができる。例えば、延長部1670は、内部ケース1700の連結部1750と幅が同一または小さくてもよい。延長部1670には“+電線”と“−電線”の各一端が電気的に接続され、“+電線”と“−電線”の他端はソケット1800に電気的に接続可能である。
内部ケース1700は、内部に電源提供部1600と共にモールディング部を含むことができる。モールディング部は、モールディング液体が硬化した部分であって、電源提供部1600を内部ケース1700の内部に固定できるようにする。
実施例に係る発光素子及びそれを含む発光素子パッケージは、伝導層の下に反射層を配置することによって、伝導層の厚さを薄く形成することができ、反射率が向上して光学的特性を改善することができ、フリップチップ形態のパッケージとして具現されることによって、光抽出効率は、伝導層の厚さに影響を受けず、伝導層の光吸収特性や抵抗特性などによって影響を受けずに済み、第1及び第2電極部及びメサ領域の設計時に伝導層の特性による制約を受けずに済む。
以上では、実施例を中心に説明したが、これは単なる例示であり、本発明を限定するものではなく、本発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、本実施例の本質的な特性を逸脱しない範囲内で、以上に例示していない種々の変形及び応用が可能であるということが理解されるであろう。例えば、実施例に具体的に示した各構成要素は変形実施が可能である。そして、このような変形及び応用に係る差異点は、添付の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しなければならない。