JP5619546B2 - 発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
実施例は、発光素子及びその製造方法に関するものである。
発光ダイオード(Light Emitting Diode:ＬＥＤ)は、電流を光に変換させる半導体発光素子である。最近発光ダイオードは、輝度が徐徐に増加するようになって、ディスプレイ用光源、自動車用光源及び照明用光源として使用が増加している。
最近には、青色または緑色などの短波長光を生成して、フルカラー具現が可能な高出力発光素子チップが開発されたことがある。これに、発光素子チップから出力される光の一部を吸収して、光の波長と異なる波長を出力する蛍光体を発光素子チップ上に塗布することで、多様な色の発光ダイオードを組み合わせることができるし、白色光を発光する発光ダイオードも具現が可能である。
実施例は、発光素子上で蛍光体の分布位置と分布度を容易で正確に調節することができるし、工程時に蛍光体物質が無駄使いされることを防止することができる発光素子及びその製造方法を提供する。
また、実施例は、発光素子チップ(chip)表面の光効率を向上させることができるし、全反射を妨害する空気(air)層を除去することができる発光素子及びその製造方法を提供する。
実施例による発光素子は、第１導電型半導体層;該第１導電型半導体層上に形成された活性層;該活性層上に形成された第２導電型半導体層;該第２導電型半導体層上に形成された蛍光体層を含んで;前記蛍光体層は多数個のホールが形成された蛍光体収納部及び前記ホールに固定される蛍光体粒子を含む。
実施例による発光素子の製造方法は、基板上に第１導電型半導体層を形成する段階;前記第１導電型半導体層上に活性層を形成する段階;前記活性層上に第２導電型半導体層を形成する段階;前記第２導電型半導体層の上に多数個のホールが形成された蛍光体収納部を形成する段階;前記蛍光体収納部の前記多数個のホールに蛍光体粒子を固定して蛍光体層を形成する段階、を含む。
実施例によれば、発光素子上で蛍光体の分布位置と分布度を容易で正確に調節することができるし、工程時に蛍光体物質が無駄使いされることを防止することができる発光素子及びその製造方法を提供することができる。
また、実施例は、発光素子チップ(chip)の表面に光効率を向上させることができるホールを形成して、全反射を妨害する空気(air)層を除去することができる発光素子及びその製造方法を提供する。
以下では添付した図面を参照して、実施例による発光素子及びその製造方法に対して詳細に説明する。実施例の説明において、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/うえ(on)”にまたは“下(under)”に形成されることで記載する場合において、“上/うえ(on)”と“下(under)”は“直接(directly)”または“他の層を介して(indirectly)”形成されることをすべて含む。また、各層の上/うえまたは下に対する基準は、図面を基準で説明する。図面で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るか、または省略されるか、または概略的に示された。また、各構成要素の大きさは実際の大きさを全面的に反映するものではない。
図１は、実施例による発光素子の斜視図である。
図１に示されたように、発光素子１００は、基板１１０と、基板１１０上に形成された第１導電型半導体層１２０と、第１導電型半導体層１２０上に形成される活性層１３０と、活性層１３０上に形成された第２導電型半導体層１４０と、第２導電型半導体層１４０上に形成された蛍光体層１５０を含む。
基板１１０は、サファイア(Ａｌ２Ｏ３)、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＺｎＯ、ＧａＰ、ＩｎＰ、Ｇｅのうちで少なくとも一つを利用することができるし、導電特性を有する基板１１０として利用することもできる。また、Ｅｐｉ成長後基板をとり除いて、垂直型チップ(Vertical Chip)にも適用が可能であり、このような場合、基板は物理的研磨、Laser Lift Off(ＬＬＯ)、Chemical Wet Etchingなどの方法で除去されることができる。
第１導電型半導体層１２０は、基板１１０上に第１導電ドーパントがドーピングされた少なくとも一層のｎ型半導体層に形成されることができる。第１導電型半導体層１２０は、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＧａＰ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＩｎＰのうちで少なくとも一つに形成されることができる。第１導電型半導体層１２０を電子注入層で設定した場合、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。このような第１導電型半導体層１２０は以後、電極接触層に機能することができる。
活性層１３０は、第１導電型半導体層１２０上に単一量子井戸または多重量子井戸(ＭＱＷ)構造に形成される。活性層１３０は有色の光(例:青色、緑色、赤色など)または紫外線光を発生させることができる。このような活性層１３０を形成するにはＩｎＧａＮ/ＧａＮ、ＡｌＧａＮ/ＧａＮ、または、ＩｎＡｌＧａＮ/ＧａＮＧａＡｓ、/ＡｌＧａＡｓ（ＩｎＧａＡｓ）、ＧａＰ/ＡｌＧａＰ（ＩｎＧａＰ）などを利用することが可能であり、井戸層と障壁層を形成する物質のバンドギャップエネルギーによって発光させる光の波長を調節することができる。例えば、波長が４６０〜４７０ｎｍの青色発光の場合、ＩｎＧａＮ井戸層/ＧａＮ障壁層を一周期に形成することができる。
第２導電型半導体層１４０は、活性層１３０上に第２導電型ドーパントがドーピングされたｐ型半導体層に具現されることができる。第２導電型半導体層１４０は、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡs、ＡｌＩｎＧａＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＧａＰ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＩｎＰなどのような化合物半導体のうちでいずれか一つでなされることができる。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などから少なくとも一つが添加されることができる。
蛍光体層１５０は、第２導電型半導体層１４０の上面に形成されることができる。蛍光体層１５０には粒子状態である蛍光体が均一に固定された形態に形成されることができる。蛍光体層１５０は蛍光体の固定のための多数個のホール１５５が形成された蛍光体収納部１５２と、ホール１５５に固定される蛍光体粒子２００を含む。
蛍光体粒子２００は、ホール１５５の形状と対応される形状を有して、蛍光体収納部１５２のホール１５５内に挿入固定されることで、蛍光体層１５０を形成する。これに、蛍光体の分布を均一に維持することができるし、ホール１５５形成時に光結晶(photonic Crystal)形態を形成して、発光効率を向上させることができる。また、蛍光体層１５０が第２導電型半導体層１４０の光が発光される領域に整合されるように形成されることで、屈折率の差がある空気層をなくして、全反射を減らすことができて色分布を狭く持って行くことができる効果がある。このような実施例によって、活性層１３０で放出された光は、第２導電型半導体層１４０と蛍光体層１５０を通じて外部に放出される。これに、活性層１３０から放出された光は、蛍光体層で他の波長を有する光に変換されて、所定の色相を有する有色光や白色光の形態に発光されて、蛍光体層１５０の光結晶形状によって光抽出効率が改善されることができる。
一方、前述した説明ではＧａＮ系列物質を基本構成にして電子注入層としてｎ-型ＧａＮに形成された第１導電型半導体層１２０と正孔注入層としてp-型ＧａＮに形成された第２導電型半導体層１４０の間に量子井戸構造(quantum well)を有する活性層１３０が位置する場合を例示しているが、第１導電型半導体層１２０をp-型に形成して、第２導電型半導体層１４０をn-型に形成して積層手順を異にすることができる。
図２ないし図４は、実施例による発光素子の製造状態図であり、蛍光体層１５０を形成する過程を示したものである。
図２に示されたところのように、蛍光体粒子２００を形成するためには所望の蛍光体粒子２００の形状を倣った成形枠３００に蛍光体混合液３２０を注入する。
成形枠３００には蛍光体粒子２００の形状が凹部３１０に形成されて、蛍光体混合液３２０を収容する。凹部３１０は形成しようとする蛍光体粒子２００の形状によって球形や、卵円形、あるいは、六面体、四面体、八面体などの多角形形態に形成されることができる。また、蛍光体粒子２００の大きさによって、数μｍから１ｍｍ以上の大きさまで多様な大きさに形成されることができる。ここで、成形枠３００は蛍光体粒子２００の形状によって、一対の成形枠３００が相互整合されて蛍光体粒子２００の形状を完成する形態で構成することも可能である。
蛍光体混合液３２０は蛍光体と樹脂を混合して形成することができる。混合する蛍光体は、珪酸塩系列、硫化物系列、ガーネット系列、ナイトライド（窒化物）系列、イットリウム、アルミニウムなどの多様な種類のＲ、Ｇ、Ｂ蛍光体が選択的に適用されることができる。蛍光体混合液を構成する樹脂は蛍光体の混合と硬化が可能な物質として、シリコン(silicone)や、透明エポキシ樹脂などの多様な物質を適用することができる。蛍光体と樹脂の混合液には粘度調節のための所定の溶剤が添加されることができる。
図３は、蛍光体粒子２００を分離する過程を示したものである。
蛍光体混合液３２０を成形枠３００の凹部３１０に充填した後硬化させれば、凹部３１０の形状による蛍光体粒子２００が形成される。
成形枠３００から硬化された蛍光体粒子２００を分離すれば、一定な形状の蛍光体粒子２００を得ることができる。これに、必要な程度の蛍光体混合液３２０を設けて、凹部３１０に充填する方法で蛍光体粒子２００を形成することができることで、蛍光体が漏出されるか、または使用前に硬化されるなどの無駄使いを防止することができる。
図４は、発光素子に蛍光体層１５０を形成する方法を示したものである。
第２導電型半導体層１４０上には蛍光体粒子２００の固定のための多数個のホール１５５を含む蛍光体収納部１５２が形成される。ホール１５５が形成された蛍光体収納部１５２に蛍光体粒子２００を収容すれば、第２導電型半導体層１４０上に蛍光体層１５０が形成される。ホール１５５に収容された蛍光体粒子２００は樹脂を利用して固定させることができるし、硬化過程を通じて固定させることも可能である。ここで、蛍光体収納部１５２に塗布された蛍光体粒子２００のうちホール１５５に収容されて残った蛍光体粒子２００は、再使用ができることで蛍光体物質の無駄使いを防止することができる。
蛍光体収納部１５２に形成されるホール１５５は、フォトレジスターを利用したＲＩＥ(Reactive Ion Etching)方式や、ナノインプリント方式、テープ接着方式などが適用されることができる。ここで、ホール１５５の形状は、蛍光体粒子２００の形状と整合されるように形成することができるし、配列方式や配列間隔などを調節して発光素子１００の発光特性を調節することが可能である。
ホール１５５が形成された蛍光体収納部１５２に蛍光体粒子２００を塗布すればホール１５５に蛍光体粒子２００が収容される。１個のホール１５５には１個の蛍光体粒子２００が対応されて収容されて、光分布を一定に維持することができるが、ホール１５５と蛍光体粒子２００の大きさや形状によって１個のホール１５５内に複数個の蛍光体粒子２００が収容されるようにすることも可能である。
図５は、本実施例による発光素子の蛍光体粒子の例示図である。
蛍光体粒子２００の大きさと形状を調節することで発光素子１００の色度、発光特性、光効率などを調整することができることで、適用された蛍光体の特性と発光素子１００の設計条件などによって多様な大きさと形状の蛍光体粒子２００を適用することができる。
図５の(a)は、断面が正三角形である蛍光体粒子を例示したものであり、(b)は正六面体形状の蛍光体を例示している。(c)は、断面が八面体である蛍光体粒子を例示したものであり、(d)は断面が菱形である蛍光体粒子を例示している。(e)は、断面が台形である蛍光体粒子を例示したものであり、(f)は円筒状の蛍光体粒子を例示している。(g)は、断面が直角三角形である蛍光体粒子を例示したものであり、(h)は断面が平行四辺形である蛍光体粒子を例示している。
図５の(a)ないし(h)に示されたところのように、蛍光体粒子は多面体、角、柱などの多様な多角形形状に形成されることができるし、図面に示されている形状に限定されなくて、角台、球などの多様な形状の蛍光体粒子が適用されることができる。
図６は、他の実施例による発光素子の斜視図である。
発光素子５００は、金属層５１０と、金属層５１０上に形成された第１導電型半導体層５２０と、第１導電型半導体層５２０上に形成される活性層５３０と、活性層５３０上に形成された第２導電型半導体層５４０と、第２導電型半導体層５４０上に形成された蛍光体層５５０を含む。
金属層５１０は、Ａｌ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｐｔなどのうちから少なくとも一つまたはこれらの合金などに形成されることができる。
第１導電型半導体層５２０は、金属層５１０上に第１導電型ドーパントがドーピングされたｐ型半導体層に具現されることができる。第２導電型半導体層５４０はＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＩｎＧａＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＧａＰ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＩｎＰなどのような化合物半導体のうちでいずれか一つでなされることができる。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などで少なくとも一つが添加されることができる。
活性層５３０は第１導電型半導体層５２０上に単一量子井戸または多重量子井戸(ＭＱＷ)構造に形成される。活性層５３０は有色の光(例:青色、緑色、赤色など)または紫外線光を発生させることができる。このような活性層５３０を形成するにはＩｎＧａＮ/ＧａＮ、ＡｌＧａＮ/ＧａＮまたは、ＩｎＡｌＧａＮ/ＧａＮＧａＡｓ、/ＡｌＧａＡｓ（ＩｎＧａＡｓ）、ＧａＰ/ＡｌＧａＰ（ＩｎＧａＰ）などを利用することが可能であり、井戸層と障壁層を形成する物質のバンドギャップエネルギーによって発光させる光の波長を調節することができる。例えば、波長が４６０〜４７０ｎｍの青色発光の場合、ＩｎＧａＮ井戸層/ＧａＮ障壁層を一周期に形成することができる。
第２導電型半導体層５４０は、活性層５３０上に第２導電型ドーパントがドーピングされた少なくとも一層のｎ型半導体層に形成されることができる。第１導電型半導体層５２０は、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡs、ＡｌＩｎＧａＡｓ、ＧａＰ、ＡｌＧａＰ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＰ、ＩｎＰのうちで少なくとも一つに形成されることができる。第１導電型半導体層５２０を電子注入層に設定した場合、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。
蛍光体層５５０は第２導電型半導体層５４０の上面に粒子状態である蛍光体が均一に固定された形態に形成されることができる。第２導電型半導体層５４０上には蛍光体の固定のための多数個のホール５５５が形成される。蛍光体粒子２５０はホール５５５の形状と対応される形状を有して、ホール５５５内に挿入固定されることで蛍光体層５５０を形成する。
図７は、他の実施例による発光素子５００の製造状態図として、図６の蛍光体層５５０の形成状態を示したものである。
図７に示されたところのように、第２導電型半導体層５４０上には断面が八角形の形態である多数個のホール５５５が形成された蛍光体収納部５５２が形成される。断面が八角形であるホール５５５は、ＲＩＥ(Reactive Ion Etching)方式や、Wet Etching方式、ナノインプリント方式などを適用して一定間隔を有するように形成されることができる。
蛍光体粒子２５０は、ホール５５５の断面のような八角形形態の断面を有する多面体粒子として、樹脂と蛍光体が硬化された形態に提供されることができる。
蛍光体粒子２５０をホール５５５が形成された蛍光体収納部５５２上に塗布すれば、各ホール５５５に蛍光体粒子２５０が収容される。ここで、ホール５５５に収容されることができずに残った蛍光体粒子２５０は、収去されて再使用することができる。
ホール５５５に蛍光体粒子２５０が収容されれば、これをそのまま硬化させるか、あるいは樹脂を利用して固定させることで、第２導電型半導体層５４０上に蛍光体層５５０を形成することができる。
このような実施例によって、蛍光体粒子２５０の大きさ及び配列間隔などを調節することで色度を容易で正確に調節することができるし、色分布を狭く持って行くことができる。また、蛍光体を蛍光体粒子２５０の形態で適用することで工程時に蛍光体物質が無駄使いされることを防止することができるし、ホール５５５形成時に光結晶(photonic Crystal)形態を形成して発光効率を向上させることができる。
以上で実施例に説明された特徴、構造、効果などは本発明の少なくとも一つの実施例に含まれて、必ず一つの実施例のみに限定されるものではない。延いては、各実施例で例示された特徴、構造、効果などは実施例が属する分野の通常の知識を有する者によって他の実施例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係る内容は、本発明の範囲に含まれるものとして解釈されなければならないであろう。
また、以上で実施例を中心に説明したが、これは単に例示であるだけで本発明を限定するものではなくて、本発明が属する分野の通常の知識を持った者なら本実施例の本質的な特性を脱しない範囲で以上に例示されないさまざまの変形と応用が可能であることが分かることができるであろう。例えば、実施例に具体的に現われた各構成要素は、変形して実施することができるものである。そして、このような変形と応用に係る差異は添付された請求範囲で規定する本発明の範囲に含まれるものとして解釈されなければならないであろう。
１００ 発光素子
１１０ 基板
１２０ 第１導電型半導体層
１３０ 活性層
１４０ 第２導電型半導体層
１５０ 蛍光体層
１１０ 基板
１２０ 第１導電型半導体層
１３０ 活性層
１４０ 第２導電型半導体層
１５０ 蛍光体層
Claims (13)
- 基板；
前記基板上に形成された第１導電型半導体層;
前記第１導電型半導体層上に形成された活性層;
前記活性層上に形成された第２導電型半導体層;及び
前記第２導電型半導体層に直接接触する蛍光体層を含み;
前記蛍光体層は、複数のキャビティ及び複数の蛍光体粒子を含み、
前記複数のキャビティ及び前記複数の蛍光体粒子は互いに整合する形状を有し、前記複数の蛍光体粒子の各々は、前記複数のキャビティのうち該蛍光体粒子に対応する１つのキャビティに位置し、
前記複数の蛍光体粒子の各々は、
蛍光体と樹脂とを混合して形成された蛍光体混合液を、前記蛍光体粒子の形状に対応するように成形枠に形成された凹部に注入する段階と、
前記成形枠の前記凹部に注入された前記蛍光体混合液を硬化させる段階と、
前記成形枠の前記凹部から前記硬化された前記蛍光体混合液を分離する段階と、
を実行することにより形成されたものである、発光素子。 - 前記蛍光体層は、前記第２導電型半導体層上に直接的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。
- 前記複数の蛍光体粒子の各々は、前記複数のキャビティのうち該蛍光体粒子に対応する１つのキャビティに固定されたことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 前記複数の蛍光体粒子は、樹脂を用いて固定されることを特徴とする請求項３に記載の発光素子。
- 前記複数のキャビティ各々及び前記複数の蛍光体粒子各々は球形の形状であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 前記複数のキャビティはお互いに均等な距離に離れて位置することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 前記複数のキャビティの各々の幅は、１０μｍ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。
- 前記複数の蛍光体粒子の各々及び前記複数のキャビティの各々は、球形、卵円形、あるいは、六面体、四面体、八面体などの多角形形態のいずれかに形成されることを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 前記複数の蛍光体粒子は、蛍光体及び樹脂を含むことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
- 基板上に第１導電型半導体層を形成する段階;
前記第１導電型半導体層上に活性層を形成する段階;
前記活性層上に第２導電型半導体層を形成する段階;
前記第２導電型半導体層に直接接触させるように蛍光体層を形成する段階;及び
複数の蛍光体粒子を形成する段階；を含み、
前記蛍光体層は、複数のキャビティ及び前記複数の蛍光体粒子を含み、
前記複数のキャビティ及び前記複数の蛍光体粒子は、互いに整合する形状を有し、
前記複数の蛍光体粒子の各々は、前記複数のキャビティのうち該蛍光体粒子に対応する１つのキャビティに配置され、
前記複数の蛍光体粒子を形成する段階は、
蛍光体と樹脂を混合して蛍光体混合液を形成する段階;
前記蛍光体混合液を前記蛍光体粒子の形状に対応する凹部が形成された成形枠に注入する段階;
前記成形枠に注入された前記蛍光体混合液を硬化させる段階;及び
前記成形枠から前記硬化された蛍光体粒子を分離する段階を含むことを特徴とする発光素子製造方法。 - 前記蛍光体層を形成する段階は、前記複数の蛍光体粒子の各々を前記複数のキャビティのうち該蛍光体粒子に対応する１つのキャビティに固定する段階を含むことを特徴とする請求項１０に記載の発光素子製造方法。
- 前記蛍光体層を形成する段階は、前記複数の蛍光体粒子を樹脂を用いて固定する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載の発光素子製造方法。
- 前記蛍光体層を形成する段階は、ＲＩＥ(Reactive Ion Etching)方式や、ナノインプリント方式、テープ接着方式のうちで少なくとも一つを使って前記複数のキャビティを形成する段階を含むことを特徴とする請求項１０に記載の発光素子製造方法。
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