KR100635920B1

KR100635920B1 - 발광 소자

Info

Publication number: KR100635920B1
Application number: KR1020050051950A
Authority: KR
Inventors: 진용성
Original assignee: (주)더리즈
Priority date: 2005-06-16
Filing date: 2005-06-16
Publication date: 2006-10-18

Abstract

고효율 발광을 위한 전극 구조를 갖는 발광 소자가 개시된다. 제1 질화갈륨층은 기판 위에서 일부 영역들이 개구되어 서로 다른 높이로 형성되되, 개구된 영역들이 평면상에서 육각형상을 정의하도록 배열된다. 제1 전극은 제1 질화갈륨층의 개구된 영역 각각에 형성된다. 활성층은 상대적으로 높은 제1 질화갈륨층 위에 형성된다. 제2 질화갈륨층은 활성층 위에 형성된다. 제2 전극은 제2 질화갈륨층 위에 전면적으로 형성된다. 이에 따라, 전극들 간의 간격을 균일하면서, 서로 가깝게 구현하기 위해 평면상에서 육각 형상을 정의하도록 배열함으로써, 전류 분포를 균일하게 할 수 있어 발광 다이오드의 고출력 및 고휘도를 달성할 수 있다.

발광 다이오드, 질화갈륨, 전류 분포, 전극 구조, 육각형

Description

발광 소자{LIGHT EMITTING ELEMENT}

도 1은 일반적인 질화갈륨계 발광 다이오드의 구조를 나타내는 사시도이다.

도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 발광 다이오드 칩의 본딩 방식을 설명하는 단면도들이다.

도 3은 도 1에 도시된 발광 다이오드의 등가 회로도이다.

도 4a 내지 도 4c는 전극들의 위치에 따른 전류밀도를 설명하는 도면들이다.

도 5a 내지 도 5c는 3차원 전극 구조의 발광 다이오드를 설명하는 도면들이다.

도 6은 비교 예에 따른 질화갈륨계 발광 다이오드의 전극 구조를 나타내는 평면도이다.

도 7a는 도 6의 전극 구조에서 등가 회로를 이용하여 p-n 접합부로 흐르는 전류 분포를 계산한 뒤 이를 등고선 형태로 나타낸 그래프이고, 도 7b는 도 7a의 I-I' 단면과 II-II' 단면의 전류 밀도 분포를 나타낸 그래프이이다.

도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 다이오드의 전극 구조를 각각 설명하는 사시도, 평면도 및 단면도이다.

도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 도면들이다.

도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 다이오드의 조립 구조도이다.

도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 다이오드의 단위 셀 구조를 도시한 개략도이다.

도 12a는 단위 셀에서 계산한 전류 밀도 분포를 등고선 형태로 나타낸 그래프이고, 도 12b는 도 12a의 단위 셀을 절단선 VI-VI' 및 VII-VII'으로 각각 절단한 단면에 대응하는 전류 밀도를 나타낸 그래프이다.

도 13은 서로 인접하는 n-전극들 간격에 따른 발광 면적 비율과 유효 발광 면적 비율의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광 다이오드의 전극 구조를 설명하는 평면도이다.

도 15는 본 발명의 제3 실시예에 따른 발광 다이오드의 전극 구조를 설명하는 평면도이다.

도 16은 본 발명의 제4 실시예에 따른 발광 다이오드의 전극 구조를 설명하는 평면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

105 : 사파이어 기판 110 : n-타입 질화갈륨층

120 : 활성층 130 : p-타입 질화갈륨층

140 : p-전극 150 : n-전극

본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고효율 발광을 위한 전극 구조를 갖는 발광 소자에 관한 것이다.

일반적으로 발광 소자인 발광 다이오드는 백열전구나 형광등을 대체하는 차세대 조명으로 각광받고 있다. 특히, 긴 수명을 가진 대 면적 액정표시장치의 조명에 활용되면서 수요가 크게 증가할 것으로 예상된다. 하지만, 발광 다이오드의 고휘도를 위해서는 전류 분포의 불균일성은 해결되어야 한다. 특히, 청색 광원으로 사용되는 질화갈륨(GaN)계 발광 다이오드는 전극 구조상 다른 발광 다이오드에 비해 전류 분포의 불균일성이 높다.

전류가 발광 다이오드의 전면에 걸쳐 고르게 분포하지 못하고, 국부적으로 집중되면, 소자 표면에서 발광의 세기 뿐만 아니라, 파장의 균일도까지 낮아진다.

구체적으로, 전자-홀의 농도가 상대적으로 낮은 영역에서는 전자-홀 결합에 의한 발광의 세기가 작고, 파장이 상대적으로 길어지게 된다. 반면에, 전자-홀의 농도가 상대적으로 높은 영역에서는 전자-홀 결합에 의한 발광의 세기가 크고, 밴드 충진(band filling) 현상에 의하여 파장이 짧아진다.

이때, 전자-홀의 농도가 상대적으로 높은 영역에서 생성된 짧은 파장의 광은 발광 파장이 상대적으로 낮은 저 전류밀도 지역으로 일부 흡수되어, 소자의 발광 내부 양자 효율을 저하시키는 문제점이 있다.

이에 본 발명의 기술적 과제는 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으 로, 본 발명의 목적은 고출력, 고휘도의 발광 다이오드를 구현하기 위해 균일한 전류 분포를 유도하는 전극 구조를 갖는 발광 소자를 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위하여 일실시예에 따른 발광 소자는 기판, 제1 질화갈륨층, 제1 전극, 활성층, 제2 질화갈륨층 및 제2 전극을 포함한다. 상기 제1 질화갈륨층은 상기 기판 위에서 일부 영역들이 개구되어 서로 다른 높이로 형성되되, 상기 개구된 영역들이 평면상에서 육각형상을 정의하도록 배열된다. 상기 제1 전극은 상기 제1 질화갈륨층의 개구된 영역 각각에 형성된다. 상기 활성층은 상대적으로 높은 상기 제1 질화갈륨층 위에 형성된다. 상기 제2 질화갈륨층은 상기 활성층 위에 형성된다. 상기 제2 전극은 상기 제2 질화갈륨층 위에 전면적으로 형성된다.

서로 분리된 제1 전극들을 전기적으로 연결시키는 전면 금속층을 더 포함하는 것이 바람직하고, 이때 상기 제2 전극과 전면 금속층간에 개재된 절연층을 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 제2 전극과 전기적으로 연결되면서 와이어 본딩을 위해 원형 형상으로 형성된 제2 전극 패드를 더 포함하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 제2 전극 패드는 사각 형상을 정의하는 제2 전극부의 꼭지점에 대응하는 영역 또는 일변에 대응하는 영역에 형성된다.

상기 제1 질화갈륨층의 개구부는 원형 형상이고, 상기 원형 형상의 개구부들은 평면상에서 육각 형상을 정의하면서 배열되는 것이 바람직하다.

상기 제1 질화갈륨층의 개구부는 다각형 형상이고, 상기 다각형 형상의 개구부들은 평면상에서 육각 형상을 정의하면서 배열된 것이 바람직하다.

상기 제1 질화갈륨층은 n-타입 또는 p-타입으로 도핑되고, p-n 접합면을 정의하기 위해 상기 제2 질화갈륨층은 상기 제1 질화갈륨층의 반대 극성으로 도핑된 것이 바람직하다.

상기 제1 전극의 지름은 5㎛ 내지 30㎛이고, 서로 인접하는 제1 전극들 간의 간격은 5 내지 40㎛인 것이 바람직하다.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위하여 다른 실시예에 따른 발광 소자는 기판, n-타입 질화갈륨층, 복수의 n-전극들, 활성층, p-타입 질화갈륨층, p-전극, 절연층 및 전면 금속층을 포함한다. 상기 n-타입 질화갈륨층은 상기 기판 위에서 일부 영역들이 개구되어 서로 다른 높이로 형성되되, 상기 개구된 영역들이 평면상에서 육각형상을 정의하도록 배열된다. 상기 복수의 n-전극들은 상기 n-타입 질화갈륨층의 개구된 영역 각각에 형성된다. 상기 활성층은 상대적으로 높은 상기 n-타입 질화갈륨층 위에 형성된다. 상기 p-타입 질화갈륨층은 상기 활성층 위에 형성된다. 상기 p-전극은 상기 p-타입 질화갈륨층 위에 전면적으로 형성된다. 상기 절연층은 상기 n-전극을 노출시키면서, 상기 p-전극을 커버한다. 상기 전면 금속층은 상기 절연층 위에 형성되고, 상기 절연층에 의해 노출된 상기 n-전극들을 전기적으로 연결시킨다.

이러한 발광 소자에 의하면, 발광 다이오드의 제1 전극들 간의 간격을 균일하고, 서로 가깝게 구현하기 위해 평면상에서 육각 형상을 정의하도록 배열함으로써, 전류 분포를 균일하게 할 수 있어 발광 다이오드의 고출력 및 고휘도를 달성할 수 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면에서 여러 층(또는 막) 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 배선들의 폭이나 두께를 확대하여 나타내었다. 전체적으로 도면 설명시 관찰자 관점에서 설명하였고, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 　위에　 있다고 할 때, 이는 다른 부분 　바로 위에　 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 　바로 위에　 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 의미한다.

도 1을 참조하면, 질화갈륨계 발광 다이오드는 기판(10), 질화갈륨 완충층(buffer layer), n-타입 질화갈륨층(11), 활성층(active layer)(12), p-타입 질화갈륨층(13), n-전극(20), p-전극(21) 및 p-타입 투명 전극층(22)으로 이루어진다. 동작시, 상기 n-전극(20)과 p-전극(21)을 통해 전류를 흘리면 상기 활성층(12)에서 전자-홀 재결합이 발생하면서 광이 방출된다.

상기 기판(10) 위에 상기 질화갈륨층(11)을 성장시키기 위해 보통 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 분자선 에피탁시(Molecular Beam Epitaxy, MBE) 또는 (Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE) 등의 장치를 이용한다. 상기 기판(10)은 사파이어 기판 또는 실리콘 카바이드 기판이다.

먼저, 상기 기판(10) 위에 질화갈륨층(11)의 성장을 돕기 위한 완충층(buffer layer)(미도시)을 형성하고, 상기 n-타입 질화갈륨층(11), 활성층(active layer)(12) 및 p-타입 질화갈륨층(13)을 차례대로 성장시킨다.

통상적으로, 발광 다이오드는 p-n 접합으로 전류를 흘리기 위해 p-타입 질화갈륨층 상부와 n-타입 질화갈륨층과 연결된 기판 하부에 형성된 전극층을 구비한다. 하지만, 절연체인 사파이어를 기판으로 사용하는 사파이어 기판(10)에는 전극층을 형성할 수 없다. 따라서, 상기 n-타입 질화갈륨층(11)에 직접 전극층을 형성해야 한다.

이를 위해 전극층이 형성될 영역의 p-타입 질화갈륨층(13), 활성층(12) 및 n-타입 질화갈륨층(11)의 일부 영역을 제거하고, 노출된 n-타입 질화갈륨층(11) 위에 상기 n-전극(20)을 형성한다. p-n 접합면에서 광이 나오기 때문에 전극층에 의해 광이 가려지지 않도록 상기 p-전극(21)은 상기 p-타입 투명 전극층(22)의 모서리에 형성한다.

이처럼, 상기 p-전극(21)과 n-전극(20)이 모두 상부에 위치한 경우, 상기 p-전극(21)과 n-전극(20)이 서로 다른 면에 평행하게 위치한 일반적인 발광 다이오드 구조에 비해 전류 분포가 균일하지 못하다.

또한, 일반적으로 상기 p-타입 질화갈륨층(13)은 상기 n-타입 질화갈륨층(11)에 비해 저항이 커서 상기 p-타입 질화갈륨층(13) 전체로 전류가 균일하게 흐 르기가 더욱 어렵다. 이를 막기 위해 상기 p-타입 질화갈륨층(13) 상부 전면에 얇은 투명 전극층을 형성하여 상기 p-타입 질화갈륨층(13) 전면으로 전류가 전달될 수 있도록 한다.

하지만, 투명 전극층은 광이 투과될 수 있도록 하기 위해 약 10㎚ 두께의 매우 얇은 금속층으로 형성되므로 저항이 높다. 상기한 고저항의 투명 전극층을 이용하여 p-타입 질화갈륨층 전면으로 균일하게 전류가 전달하는데 한계가 있다.

또한, 상기 p-타입 질화갈륨층(13)과의 접촉 저항도 높아 발광 다이오드 특성이 저하되며 열을 발생시키는 요인이 되기도 한다. 상기 투명 전극층의 두께를 후박하게 하여 저항을 낮출 수 있지만 이 경우 전극층에 의한 광의 흡수와 반사율이 높아져 광이 외부로 방출되기 어려워진다.

이와 같은 단점을 줄이기 위해 플립-칩 본딩(flip chip bonding) 기법을 이용해 발광 다이오드의 발광 효율을 높이는 방법이 제안되었다. p층 전면에 두꺼운 전극을 형성하고 발광 다이오드를 뒤집어서 플립-칩 본딩(flip chip bonding) 기법으로 패키지에 실장할 수 있다.

도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 발광 다이오드 칩의 본딩 방식을 설명하는 단면도들이다. 특히 도 2는 와이어 본딩 방식으로 조립된 질화갈륨계 발광 다이오드 칩을 도시하는 단면도이고, 도 2b는 플립 칩 본딩 방식으로 조립된 질화갈륨계 발광 다이오드 칩을 도시하는 단면도이다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 발광 다이오드 칩을 담고 있는 패키지에는 전류를 공급하기 위한 리드 프레임이 마련되어 있다. 상기 리드 프레임 위에 발광 다이 오드 칩을 부착하고, 상기 리드 프레임과 상기 발광 다이오드 칩의 n-전극(20) 및 p-전극(21)을 가는 금속 와이어(30a, 30b)로 전기적으로 연결한다. 이 경우 p-타입 질화갈륨층 상부를 통해 광이 나올 수 있도록 투명 전극을 얇게 형성한다.

한편, 도 2b에 도시된 바와 같이, 플립-칩 본딩 방식은 리드 프레임과 연결된 또 다른 기판(40)이 마련되고, 상기 기판(40) 상에 발광 다이오드의 전극과 대응되는 위치에 솔더 범퍼(solder bump)(31b)가 형성된다. 상기 발광 다이오드를 뒤집어서 발광 다이오드의 전극과 상기 솔더 범퍼(31b)가 서로 연결되도록 발광 다이오드 칩을 부착한다.

질화갈륨계 발광 다이오드의 기판으로 사용되는 사파이어는 발광 파장에 대해 투명하므로 발광 다이오드를 뒤집어도 기판을 통해 광이 방출될 수 있다. 발광 파장에 대해 불투명한 기판을 사용한 경우는 기판을 제거하여 광이 기판 방향으로 방출될 수 있도록 만들 수도 있다. 이때 방출된 광은 p-타입 질화갈륨층 상부를 통해 방출되지 않고, 발광 다이오드 기판을 통해 방출되므로 굳이 p-타입 질화갈륨층의 전면이 투명할 필요가 없다.

따라서, p-타입 전면에 약 100nm 이상 두꺼운 전극을 형성하여 투명 전극을 사용한 경우보다 전극의 저항과 p-타입 질화갈륨층과의 접촉 저항을 줄일 수 있기 때문에 더욱 향상된 다이오드 특성을 얻을 수 있다.

또한, p-전극이 반사판 역할을 하여 p-타입 질화갈륨층 쪽으로 방출되는 광도 반사시켜 기판 쪽으로 나갈 수 있게 해주므로 발광 효율이 더욱 높아질 수 있다.

하지만 상기한 방법 역시 전류 분포를 균일하게 만드는데 한계가 있다. 특히, n-전극 주변으로 전류가 몰리는 전류 몰림 현상(current crowding effect)이 발생하여 휘도 감소와 국부적인 열 증가에 따른 수명 감소를 초래하게 된다.

한편, 구오(Guo) 등이 Applied Physics Letters Vol. 78, 3337 페이지에 발표한 논문과 김현수 등이 Applied Physics Letters Vol. 81, 1326 페이지에 발표한 논문에 따르면 질화갈륨계 발광 다이오드는 하기하는 도 2와 같이 저항과 발광 다이오드로 구성된 등가 회로로 해석된다.

도 3은 도 1에 도시된 발광 다이오드의 등가 회로도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, p-전극(21)에서 p-타입 투명 전극층(22)을 경유하여 n-전극(20)까지 흐를 수 있는 전류의 경로는 크게 두 개로 분류된다.

즉, 제1 경로(Path 1)는 상기 p-타입 투명 전극층(22)을 통해 상기 n-전극(20) 근처까지 전류가 흐르고, 상기 n전극층(20) 근처에서 발광 다이오드의 p-n 접합면을 통해 전류가 흐른 뒤 상기 n-전극(20)에 도달하는 경로이다. 또한, 제2 경로(Path 2)는 상기 n-전극(20)에서 멀리 떨어진 곳에서 p-n 접합면을 통해 전류가 흐른 뒤 n-타입 질화갈륨층(11)을 따라 전류가 흘러 상기 n-전극(20)에 도달하는 경로이다.

통상적으로, 상기 p-타입 투명 전극층(22)의 저항보다 상기 n-타입 질화갈륨층(11)의 저항이 더 크기 때문에 상기 n-타입 질화갈륨층(11)을 통해 전류가 흐르기가 쉽지 않다. 즉, 상기 제2 경로(Path 2)보다는 상기 제1 경로(Path 1)로 전류가 흐르는 경향이 더 크다. 이러한 해석에 따라, 상기 n-전극(20)에서 먼 곳보다는 상기 n-전극(20)과 가까운 곳에서 p-n 접합면으로 흐르는 전류의 양이 많다.

상기한 김현수의 논문에 의하면, 상기 n-전극(20)에서부터 거리(x)에 따른 p-n 접합면으로 흐르는 전류밀도는 하기하는 수학식 1과 같다.

여기서, t_n은 n-타입 질화갈륨층의 두께, t_p는 p-타입 질화갈륨층의 두께, t_t는 p-타입 투명 전극층의 두께, r_n은 n-타입 질화갈륨층의 비저항, r_p는 p-타입 질화갈륨층의 비저항(resistivity), r_t는 p-타입 투명 전극층의 비저항(resistivity)이며, r_c는 p-타입 투명 전극층과 p-타입 질화갈륨층간의 접촉 저항이다.

(r_n/t_n-r_t/t_t)가 0보다 크면, n-전극이 있는 곳이 x=0이고, n-전극에서 멀어질수록 x가 커진다. 반대로 (r_n/t_n-r_t/t_t)가 0보다 작으면, p-전극이 있는 곳이 x=0이고, p-전극에서 멀어질수록 x가 커진다.

상기의 수학식 1에 의하면 n-전극(20)에서부터 멀어질수록 전류 밀도가 작아지는 것을 알 수 있다.

이와 같이, 발광 다이오드 전면에 걸쳐 전류가 고르게 분포하지 못하고 국부적으로 몰리는 현상을 전류 몰림 현상(current crowding effect)이라고 한다. 이는 소자 표면에서 발광의 세기와 파장의 균일도가 떨어짐을 의미한다. 즉, 전자-홀의 농도가 상대적으로 높은 영역에서 전자-홀 결합에 의한 발광의 세기가 크고 밴드 필링(band filling) 현상에 의하여 파장이 짧아지며, 전자-홀의 농도가 상대적으로 낮은 영역에서는 전자-홀 결합에 의한 발광의 세기가 작고 파장이 상대적으로 길어지게 된다.

전자-홀의 농도가 상대적으로 높은 영역에서 생성된 짧은 파장의 광은 발광 파장이 상대적으로 낮은 저 전류밀도 지역으로 일부 흡수가 되어, 소자의 발광 내부 양자 효율을 저하시킨다.

n층의 저항보다 p-투명 전극의 저항이 작으면 작을수록 제1 경로(path1)로 전류가 몰리게 되며 결과적으로 n-전극과 가까운 곳에서 p-n 접합부로 흐르는 전류의 양이 많아지는 전류 몰림 현상이 커지게 된다. 따라서 p-투명 전극을 사용할 때보다 두꺼운 p-전극을 사용하는 플립-칩 본딩 방식에서 전류 몰림 현상이 더 커지는 것을 예상할 수 있다.

한편, 전류 몰림을 줄이기 위해 또 다른 n-전극을 더 배치할 수 있다.

n-전극이 하나만 있을 경우 n-전극 주변에만 전류 밀도가 높고 n-전극에서 멀어질수록 전류 밀도가 낮아진다. 그러나, p-전극을 사이에 두고 두 개의 n-전극들이 가깝게 나란히 배치되면, 전류가 다른 n-전극으로도 몰리게 되고, 두 개의 n-전극이 전류 몰림을 서로 상쇄하는 효과를 가져온다.

따라서, 하나의 n-전극이 있을 때보다는 두 개의 n-전극이 마주 보고 있을 때 전류가 보다 더 균일하게 퍼질 수 있다. 두 n-전극들 간의 거리가 가까울수록 전류가 더 균일하게 퍼지게 되므로 전극의 개수를 늘여 n-전극들 간의 거리를 줄일수록 전류 몰림이 줄어든다.

한편, 빛은 p-n 접합면에서 나오므로 많은 양의 빛을 방출시키기 위해서는 p-n 접합면이 넓어야 한다. n-전극이 있는 부분은 p-n 접합면이 없으므로 n-전극의 개수가 늘어날수록 p-n 접합면이 줄어들게 된다.

따라서 n-전극의 개수를 너무 많이 늘여서도 안 된다. 전류를 균일하게 흐르게 하면서 동시에 발광 면적을 크게 줄이지 않기 위해서는 n-전극이 특별한 구조를 가져야 한다.

가장 효율적인 n-전극의 구조를 찾기 위해 n-전극의 형태에 따라 p-n 접합면으로 흐르는 전류가 어떤 분포를 가지는지 알아야 한다. 2차원 전극 구조를 가진 발광 다이오드를 여러 개의 작은 조각으로 나누고 각 조각이 저항과 다이오드로 구성된 등가 회로로 나타낼 수 있다.

도 4a 내지 도 4c는 전극들의 위치에 따른 전류밀도를 설명하는 도면들이다. 특히, 도 4a는 n-전극(20)과 p-전극(21)이 서로 멀리 떨어져 있는 제1 유형의 발광 다이오드(A)의 단면도이고, 도 4b는 n-전극(20)과 p-전극(21)이 서로 가깝게 배열된 제2 유형에 따른 발광 다이오드(B)의 단면도이며, 도 4c는 n-전극과 p-전극(21)의 위치에 따른 p-n 접합면으로 흐르는 전류밀도를 나타낸 그래프이다.

도 4c에 도시된 바에 의하면, 제1 유형의 발광 다이오드(A)는 n-전극(20)과 p-전극(21) 주변에서 상대적으로 전류밀도가 높고, 중앙부 영역에서 상대적으로 전류밀도가 낮음을 확인할 수 있다.

한편, 제2 유형의 발광 다이오드(B)는 제1 유형의 발광 다이오드(A)에 비해 매우 균일한 전류밀도를 갖는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 전체적인 전류량의 증가도 기대할 수 있다. 즉, 발광 다이오드에 형성되는 n-전극(20)과 p-전극(21)을 적절하게 배열함으로써, p-타입 투명 전극층(22)의 저항과 무관하게 전류 몰림 현상을 개선할 수 있다.

도 4a 및 도 4b에서는 전류 분포를 계산하기 위해 여러 개의 작은 저항들이 배열된 등가 회로를 이용하였다. 즉, 도 4a 및 도 4b에서는 발광 다이오드의 전극이 2차원으로 배열된 경우를 도시하였으나, 실제 발광 다이오드의 전극은 3차원 평면 형태이므로, 보다 효율적인 전극 구조를 만들기 위해 3차원 평면 형태로 등가 회로를 확장할 수 있다.

도 5a 내지 도 5c는 3차원 전극 구조의 발광 다이오드를 설명하는 도면들이다. 특히, 도 5a는 발광 다이오드의 사시도이고, 도 5b는 등가 회로도이며, 도 5c는 도 5b의 A 영역의 확대 등가 회로도이다.

도 5a 내지 도 5c에 나타낸 바와 같이, p-n 접합면으로 흐르는 전류가 느끼는 저항(Rv)과 n-타입 질화갈륨층에서 수평 방향으로 n-전극을 향해 흐르는 전류가 느끼는 저항(Rn)이 존재한다.

여기서, 상기 Rv는 p-타입 질화갈륨층의 저항과 p-전극과 p-타입 질화갈륨층 사이의 접촉 저항의 합으로 p-타입 질화갈륨층의 비저항, p-전극과 p-타입 질화갈륨층 사이 접촉 저항, p-타입 질화갈륨층의 두께에 비례한다. 상기 Rn은 n-타입 질화갈륨층의 저항으로 n-타입 질화갈륨층의 비저항이 비례하며 n-타입 질화갈륨층의 두께에 반비례한다.

상기의 3차원 전극 구조를 나타내는 등가 회로는 크르히호프(Kirchhoff)의 전류 법칙(KCL)과 크르히호프(Kirchhoff)의 전압 법칙(KVL)을 이용해 해석이 가능하고, 등가 회로에서 각각의 다이오드와 저항에 흐르는 전류를 구할 수 있다. 이를 통해 n-전극의 구조에 따라 발광 다이오드의 각 지점에서 전류가 어떻게 분포하는지 알 수 있다. 이를 토대로 전류 분포가 균일하도록 만드는 최적의 전극 구조를 찾을 수 있다.

상기의 등가 회로의 해석을 위해 n-타입 질화갈륨층의 비저항은 0.02[Ohm-cm], p-타입 질화갈륨층의 비저항은 4[Ohm-cm], p-전극과 p-타입 질화갈륨층간의 접촉 저항은 0.02[Ohm- cm²], n-타입 질화갈륨층의 두께는 2㎛, p층의 두께는 0.3㎛ 및 발광 다이오드의 크기를 1 ㎜ x 1 ㎜로 하였다.

이상에서 설명한 바와 같이, 일반적인 발광 다이오드에 구비되는 p-타입 질화갈륨층(13)과의 접촉 저항이 줄어듦에 따라 제1 경로(path 1)로 더 많은 전류가 흐르기 때문에 전류 몰림이 커진 것이다.

따라서, p-타입 질화갈륨층(13) 전면에 두꺼운 전극을 형성하여 접촉 저항을 줄이면 다이오드 특성이 좋아져 전자 및 홀의 공급 효율 향상에 의한 소자 발광 효율은 높아질 수 있으나, 전류 몰림 역시 커져 발광 효율 증가가 제한될 수 있다.

상기한 전류 몰림을 줄이기 위해 또 다른 n-전극을 둘 수 있다. 이에 따라, p-전극을 사이에 두고 n-전극의 반대편에 새로운 n-전극을 두면 전류가 새로운 n- 전극으로도 몰리게 되므로 두 개의 n-전극이 전류 몰림을 서로 상쇄하는 효과를 가져온다.

한편, 광은 p-n 접합면에서 나오므로 많은 양의 광을 방출시키기 위해서는 p-n 접합면이 넓어야 하는데 n-전극이 있는 부분은 p-n 접합면이 없으므로 n-전극의 개수가 늘어날수록 p-n 접합면이 줄어들게 된다. 따라서 n-전극의 개수를 너무 많이 늘여서도 안 된다.

이처럼, 질화갈륨계 발광 다이오드에서 효율적으로 많은 양의 광을 방출시키기 위해서는 n-전극의 개수와 거리는 적절히 조정되어야 한다.

<비교예>

도 6은 비교예에 따른 질화갈륨계 발광 다이오드의 전극 구조를 나타내는 평면도이다.

도 6을 참조하면, 질화갈륨계 발광 다이오드(50) 전면에 두꺼운 p-전극(54)을 형성하고 전류 몰림 현상을 줄이기 위해 테두리 부분에 n-전극(52)을 형성하였다. 상기 발광 다이오드(50)에서 고출력을 발생하기 위한 가장 쉬운 방법은 발광 다이오드의 크기를 키우는 것이다. 그러나, 상기한 크기를 키우는 방식은 서로 인접하는 n-전극들 간의 거리가 멀어져 전류 몰림 현상을 크게 줄이지 못하게 된다.

고출력의 발광 다이오드를 구현하기 위해, 발광 다이오드의 크기를 1㎜ x 1㎜로 크게 하는데 구오(Guo)의 논문에 의하면 전류가 퍼지는 길이는 100㎛에 불과하다. 따라서 상기 n-전극(52) 근처에서만 강하게 광이 방출되고, n-전극(52)과 먼 곳에서는 거의 광이 방출되지 않는다. 발광 다이오드의 테두리에 n-전극(52)을 형성하여 n-전극(52)이 서로 마주보게 하여도 n-전극(52)들간의 거리가 너무 멀어 전류가 퍼지는 길이는 약 200㎛ 정도로 밖에 증가하지 않는다.

전류가 퍼지는 길이를 증가시키기 위해서는 도 6과 같이 여러 개의 n-전극(52)들을 두어 서로 인접하는 n-전극(52)들간의 간격을 줄여야 한다. 그러나, n-전극(52)들의 수가 많아지면 p-n 접합면이 줄어들고, 이에 따라 발광 면적이 줄어듦으로 상기 n-전극(52)의 개수가 지나치게 많아지는 것은 바람직하지 않다.

도 7a는 도 6의 전극 구조에서 등가 회로를 이용하여 p-n 접합부로 흐르는 전류 분포를 계산한 뒤 이를 등고선 형태로 나타낸 그래프이고, 도 7b는 도 7a의 I-I' 단면과 II-II' 단면의 전류 밀도 분포를 나타낸 그래프이이다. 여기서, 전류 밀도는 최대값을 1로 정규화(normalized)하였다. 즉, 전류의 최소값이 1에 가까울수록 전류는 균일하게 분포함을 의미한다. 발광 다이오드의 크기는 1㎜ x 1㎜로 하였고 n-전극의 폭은 약 25㎛로 하였다.

도 7a 및 도 7b를 참조하면, n-전극 주변에서 전류가 가장 크게 흐르는 것을 알 수 있다. 전극의 형태를 따라서 전류의 분포가 매우 비대칭적이고 균일하지 않다. 즉, 전류의 양이 n-전극 근처에서만 크고, p-전극의 가운데 부분에서는 전류의 양이 작게 나타나고 있다.

발광 다이오드에서 빛이 나오는 곳은 p-n 접합면이 있는 부분이므로 전체 발광 다이오드 면적 대비 p-n 접합면의 면적(p-전극의 면적)이 큰 것이 유리하다. 도 6에 도시된 전극에서 전체 발광 다이오드 면적 대비 p-전극의 면적을 계산하면 약 83.5%에 달하지만 p-전극이 있는 부위에서 전류가 균일하게 흐르는 것이 아니므로 전류 분포 값을 곱해주어야 한다. 즉, 유효한 발광 면적 비율 S는 하기하는 수학식 2와 같이 계산될 수 있다.

Jxy는 각 부위에서 전류 밀도이고, dx dy는 등가 회로를 구성할 때 분할한 각 조각의 면적이고, A는 발광 다이오드 전체 면적이다. 수학식 2를 이용해 유효 발광 면적 비율(S)를 계산하면 36%에 불과하다.

그러면, 이하에서는 n-전극의 간격을 최대한 줄임으로 해서 전류 밀도 분포를 매우 균일하게 하는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 설명한다. 특히, 전류 밀도 분포를 균일하게 하기 위해서는 n-전극들 간의 간격은 균일하면서, 서로 가까운 것이 바람직하다. 육각형의 각 꼭지점과 중심에 n-전극이 형성될 경우 n-전극들 간의 거리가 어느 방향으로나 동일하므로 매우 균일한 전류 분포를 기대할 수 있다.

또한 육각 구조의 n-전극을 이용하면 p-전극의 면적을 크게 줄이지 않고도 기존의 전극에 비해 n-전극들 간의 간격을 매우 가깝게(기존 전극 간격의 약 1/10 수준) 할 수 있어 전류 분포가 더욱 균일해진다.

<실시예-1>

도 8a 내지 도 8c를 참조하면, 상기 기판(105) 위에는 n-타입 질화갈륨층(110), 활성층(120) 및 p-타입 질화갈륨층(130)이 차례로 형성된다. 상기 기판(105)은 수정(Quartz), 갈륨 아세나이드, 알루미늄 갈륨 아세나이드, 징크옥사이드, 질화 금속, 인듐 포스파이드, 인듐 아세나이드, 실리콘, 저마늄, 질화갈륨, 질화 알루미늄 갈륨, 사파이어 기판 , 실리콘 카바이드 기판 중 어느 하나이다.

n-전극(150)이 형성될 영역에 대해서는 상기 p-타입 질화갈륨층(130)과 상기 활성층(120)이 식각되어, 상기 n-타입 질화갈륨층(110)이 노출된다. 상기 기판(105)과 n-타입 질화갈륨층(110)간에는 버퍼층이 더 형성될 수 있다.

상기 기판(105) 위에 n-타입 질화갈륨층(110)이나 p-타입 질화갈륨층(130)을 성장시키기 위해 보통 MOCVD(Metal Organic Chemical Vappor Deposition), 분자선 에피탁시(Molecular Beam Epitaxy, MBE) 또는 (Hydride Vappor Phase Epitaxy, HVPE) 등의 장치를 이용한다.

본 실시예에서 설명되는 각종 질화갈륨계는 (AlxGa1-x)InyN (여기서, 0=x=1, 0=y=1)의 조건을 만족하는 혼합물이면 무방하다.

상기 n-전극(150)은 평면상에서 관찰할 때, 원형형상을 갖고서 육각형의 각 꼭지점과 중심에 대응하도록 형성된다. n-타입 질화갈륨층(110)이 노출된 영역에는 n-전극(150)이 형성되고, 상기 n-전극(150) 위에는 두꺼운 p-전극(140)이 형성된다.

상기 활성층(120)에서 발생되는 빛은 사파이어 기판(105) 방향으로 방출된다. 상기 활성층(120)은 (Al_xGa_1-x)_yIn_1-yN, (Al_xGa_1-x)yIn_1-yP, In_xGa_1-xAs_yP_1-y, (Al_xGa_1-x)yIn_1-yAs_wP_zN_1-w-z, In_xGa_1-xAs_ySb_1-y, ZnS_xSe_1-x, Hg_xCd_1-xTe 중 어느 하나의 물질로 이루어진다.

상기 n-전극(150)의 크기는 지름 5㎛에서 30㎛이며, 인접한 n-전극(150)들간의 간격은 5에서 40㎛이다. 상기 n-전극(150)들 각각이 서로 전기적으로 분리되어 있기 때문에 각각의 n-전극(150)들에 전류를 주입하기 위해서는 별도의 전면 금속층을 이용하여 하나로 연결되어야 한다.

도 9a 내지 도 9c는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 도면들이다. 특히, 도 9a는 분리된 n-전극을 전면 금속층으로 연결한 발광 다이오드의 평면도이고, 도 9b는 전면 금속층과 절연층을 박리시킨 발광 다이오드의 평면도이고, 도 9c는 도 9a의 IV-IV'으로 절단한 단면도이다. 설명의 편의를 위해 도 9a에서는 절개선을 통해 전면 금속층 일부를 박리시켰다.

도 9a 내지 도 9c를 참조하면, 절연층(160)은 n-전극(150)의 일부와 p-전극(140)에 대응하는 p-본딩 패드(142)가 형성될 영역을 제외하고, 나머지 전면이 모 두 가려지도록 형성된다. 상기 절연층(160)은 전면 금속층(144)에 의해 상기 p-전극(140)과 상기 n-전극(150)이 서로 전기적으로 연결되는 것을 차단한다. 상기 절연층(160)은 유전체, 벤조사이클로부텐 폴리머(Benxo-Cyclo-Butene; BCB polymer) 및 폴리이미드(polyimide)중 어느 하나의 물질로 이루어진다.

상기 절연층(160) 위에 상기 p-본딩 패드(144)가 형성된 영역을 제외하고, 전체적으로 전면 금속층(144)을 증착하면 상기 분리된 n-전극(150)들은 하나로 연결된다.

상기 전면 금속층(144)은 열전도율이 높으므로 발광 다이오드에서 발생된 열을 용이하게 외부로 분산시킨다. 또한, 상기 전면 금속층(144)은 솔더 범퍼를 통해 서브 마운트로 열을 방출하는 역할도 한다.

상기 n-전극(150)만이 노출되고, 나머지는 상기 절연층(160)에 의해 커버되기 때문에 분리된 n-전극(150)이 전면 금속층(144)에 의해 서로 연결되면서 p-전극(140)과는 서로 전기적으로 절연되는 것을 알 수 있다.

상기 p-전극(140)은 전면에 걸쳐 하나로 연결되어 있으므로 별도의 전면 금속층이 불필요하다. 발광 다이오드 한쪽 변에는 p-본딩 패드(142)가 형성된다.

분리된 n-전극(150)들이 상기 전면 금속층(144)에 의해 모두 연결되어 있고, 상기 p-전극(140)과 전면 금속층(144)간에는 절연층(160)이 개재되어 상기 p-전극(140)과 n-전극(150)이 전기적으로 절연되어 있다.

상기 p-전극(140) 위에는 플립 칩 본딩용 p-전극 패드(142)가 형성되고, 상기 n-전극(150) 위에 플립 칩 본딩용 n-전극 패드(152)가 형성된다.

이상에서는 상기 p-전극 패드(142)가 발광 다이오드 한쪽 변에 형성되어 있고, 상기 n-전극 패드(152)가 상기 전면 금속층(144)을 거의 커버하도록 형성되어 있으나, 상기 n-전극 패드(152) 역시 발광 다이오드 한쪽 변에만 형성될 수 있다.

도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 다이오드의 조립 구조도이다. 특히, 발광 다이오드가 서브 마운트에 플립 칩 본딩 방식으로 조립된 것을 도시한다.

도 10을 참조하면, 도 9c에 도시된 발광 다이오드(100)를 뒤집어서 사파이어 기판(105)의 배면이 프론트측을 향하도록 정렬한다. 서브 마운트(40) 위에 형성된 n-솔더 패드(32a)와 발광 다이오드에 형성된 n-전극 패드(152)는 n-솔더 범퍼(31a)를 통해 전기적으로 서로 연결된다. 서브 마운트(40) 위에 마련된 p-솔더 패드(32b)와 발광 다이오드에 마련된 p-전극 패드(142)는 p-솔더 범퍼(31b)를 통해 전기적으로 서로 연결된다.

상기 n-솔더 범퍼(31a) 및 p-솔더 범퍼(31b)는 발광 다이오드를 서브 마운트(40)에 장착시키는 역할, 발광 다이오드에 전류를 공급하는 역할, 그리고 발광 다이오드에서 발생한 열을 서브 마운트로 방출시키는 역할을 수행한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 발광 다이오드 전면에 전면 금속층(144)이 형성되어 있으므로 n-솔더 패드(32a)나 p-솔더 패드(32b)를 크게 형성할 수 있어 발광 다이오드의 조립이 용이하고, 큰 사이즈의 n-솔더 범퍼(31a) 및 p-솔더 범퍼(31b)를 이용하므로 열방출 효율도 높일 수 있다.

물론, 발광 다이오드는 상기한 솔더 범퍼 외에 전기 전도도 및 열전도가 높은 도전성 접착제나, 솔더링, 용융(eutectic) 본딩 방법 등을 통해 서브 마운트에 부착될 수도 있다.

그러면, 이하에서는 본 발명에 따른 전극 구조에서 계산된 전류 분포의 균일도에 대해서 설명한다.

본 발명에 따른 발광 다이오드에는 복수의 n-전극(150)들이 형성되어 있으나, 상기 n-전극(150)의 구조가 규칙적이므로 발광 다이오드 구조 전체에 대해 분석할 필요없이 도 8b에 도시된 단위 셀에 대해서만 등가 회로를 적용해 전류 분포를 계산한다. 즉, 전체 발광 다이오드는 단위 셀의 반복이므로 단위 셀의 전류 분포가 곧 발광 다이오드 전체의 전류 분포와 동일하다.

도 11을 참조하면, 단위 셀의 Y-폭은 n-전극(150)의 지름(d)과 n-전극(150)들의 간격(g)의 합산치이고, 단위 셀의 X-폭은 단위 셀의 Y-폭과 tan(60도)/2 간의 승산치이다.

상기 n-전극(150)의 지름(d)과 n-전극(150)의 간격(g)에 따라 발광 면적이 달라진다. 예를들어, 상기 n-전극(150)의 지름(d)이 10 ㎛, n-전극(150)들의 간격(g)이 20 ㎛이면, 단위 셀의 Y-폭은 30 ㎛, 단위 셀의 X-폭은 25.98 ㎛이다. 단위 셀의 면적은 단위 셀의 X-폭과 단위 셀의 Y-폭의 승산치이므로, 30 x 25.98 = 779.4 ㎛² 이다.

한편, 하나의 단위 셀에 존재하는 n-전극(150)의 면적은 하나의 1/2 원형상의 n-전극과 두 개의 1/4 원형상의 n-전극의 합이다. 따라서, 단위 셀에 존재하는 n-전극의 면적은 하나의 n-전극(150)의 면적과 동일하므로 지름 10㎛인 원의 면적이다. 즉, 단위 셀 안에서 n-전극(150)의 면적은 p x 52 = 78.5 ㎛²이다. p-전극(140)의 면적, 즉 발광 면적은 단위 셀의 전체 면적에서 n-전극(150)의 면적을 감산한 것이므로 700.9 ㎛²이며, 발광 면적 비율은 p-전극(140) 면적 / 단위 셀 전체 면적 = 89.9%이다.

도 6에 도시한 기존의 전극에서 발광 면적 비율이 83.5%인 것과 비교하면 본 발명에 따른 전극 구조에 의해 발광 면적 비율이 개선됨을 확인할 수 있다.

상기 n-전극(150)의 크기와 상기 n-전극(150)들간의 간격에 의해 발광 면적 비율은 변경된다. 즉, n-전극(150)의 크기가 클수록 발광 면적 비율은 작아지고, 상기 n-전극(150)들간의 간격이 넓을수록 발광 면적 비율은 커진다. 발광 면적 비율을 증가시키기 위해서는 n-전극(150)의 크기를 줄이고, n-전극(150)의 간격을 키우는 것이 바람직하다. 하지만, n-전극(150)의 간격이 커지면 전류 몰림 현상이 커지게 되므로 유효 발광 면적 비율이 낮아질 수 있다.

따라서, 등가 회로를 이용하여 n-전극(150)의 크기와 n-전극(150)의 간격을 선정하므로써, 발광 면적 비율과 유효 발광 면적 비율을 최대화하는 것이 바람직하다.

도 12a는 단위 셀에서 계산한 전류 밀도 분포를 등고선 형태로 나타낸 그래프이고, 도 12b는 도 12a의 단위 셀을 절단선 VI-VI' 및 VII-VII'으로 각각 절단한 단면에 대응하는 전류 밀도를 나타낸 그래프이다. 여기서, n-전극의 지름이 10 ㎛이고, n-전극들 간의 간격이 20 ㎛일 때, 단위 셀(Unit Cell)내에서 전류 밀도 분포를 계산하였다.

도 12a 및 도 12b를 참조하면, 단위 셀의 대부분에서 정규화 된 전류 밀도가 거의 1에 가깝다. 이는 단위 셀 전체에 걸쳐 전류 밀도가 매우 균일함을 의미한다. 유효 발광 면적 비율(S)을 계산해 보면 86.9%에 달한다.

발광 면적 비율이 89.9%이었으므로 발광 가능한 부분에서 전류 밀도가 매우 고르게 분포한다는 것을 알 수 있다.

도 6에 도시한 기존의 전극에서는 유효 발광 면적 비율(S)이 36%에 불과한 점과 비교하면 유효 발광 면적이 거의 2.5배가량 증가했다는 것을 알 수 있다.

도 13은 서로 인접하는 n-전극들 간격에 따른 발광 면적 비율과 유효 발광 면적 비율의 변화를 나타내는 그래프이다. 특히, n-전극의 지름을 5 ㎛로 가정하였고, 전류 균일도는 정규화 된 전류의 총합을 p-전극의 면적으로 나눈 것이다.

도 13을 참조하면, n-전극(150)들의 간격이 5 ㎛일 때, 전류 균일도는 거의 100%에 가까우나 n-전극(150) 간격이 점점 커짐에 따라 감소한다. 이는 n-전극(150)들이 서로 멀어짐에 따라 전류 몰림 현상이 커지기 때문이다. 그러나 n-전극(150)들의 간격이 멀어지면 단위 셀 내의 p-전극(140)의 면적이 증가하므로 발광 면적은 증가한다. 따라서 발광 면적과 전류 균일도의 곱으로 나타나는 유효 발광 면적은 n-전극(150)들의 간격이 커짐에 따라 점점 증가하다가 더 이상 증가하지 않고 오히려 작아지게 된다.

이상에서는 n-전극의 형상이 원형인 것을 설명하였으나, 사각형, 오각형, 육각형과 같은 다양한 형상이 가능하다. 본 발명에 따르면 육각형의 꼭지점과 중심에 n-전극을 두고 등가 회로 분석을 통해 n-전극의 크기와 간격을 최적화함으로써 고효율, 고출력의 발광 다이오드를 제작할 수 있다.

<실시예-2>

도 14를 참조하면, 베이스 기판 위에 순차적으로 형성되는 n-타입 질화갈륨층, 활성층 및 p-타입 질화갈륨층은 도 8a 내지 도 8c에서 설명된 본 발명의 제1 실시예와 유사하므로 그 설명은 생략한다.

n-전극(250)은 평면상에서 관찰할 때, 사각형상을 갖고서 육각형의 각 꼭지점과 중심에 대응하도록 형성된다. n-타입 질화갈륨층이 노출된 영역에는 n-전극(250)이 형성되고, 상기 n-전극(250) 위에는 두꺼운 p-전극(240)이 형성된다.

상기 n-전극(250)의 대각선의 길이는 5 ㎛ 내지 30 ㎛이며, 인접한 n-전극(250)들간의 간격은 5 ㎛ 내지 40 ㎛이다. 물론, 상기 n-전극(250)들 각각은 서로 전기적으로 분리되어 있기 때문에 각각의 n-전극(250)들에 전류를 주입하기 위해서는 별도의 전면 금속층을 이용하여 하나로 연결되어야 함은 자명하다. 상기한 전면 금속층에 대해서는 도 9a 내지 도 9c에서 설명하였으므로 그 설명을 생략한다.

<실시예-3>

도 15를 참조하면, 베이스 기판 위에 순차적으로 형성되는 n-타입 질화갈륨층, 활성층 및 p-타입 질화갈륨층은 도 8a 내지 도 8c에서 설명된 본 발명의 제1 실시예와 유사하므로 그 설명은 생략한다.

n-전극(350)은 평면상에서 관찰할 때, 오각형상을 갖고서 육각형의 각 꼭지점과 중심에 대응하도록 형성된다. n-타입 질화갈륨층이 노출된 영역에는 n-전극(350)이 형성되고, 상기 n-전극(350) 위에는 두꺼운 p-전극(340)이 형성된다.

상기 n-전극(350)의 대각선들의 평균 길이는 5 ㎛ 내지 30 ㎛이며, 인접한 n-전극(350)들간의 평균 간격은 5 ㎛ 내지 40 ㎛이다. 물론, 상기 n-전극(350)들 각각은 서로 전기적으로 분리되어 있기 때문에 각각의 n-전극(350)들에 전류를 주입하기 위해서는 별도의 전면 금속층을 이용하여 하나로 연결되어야 함은 자명하다. 상기한 전면 금속층에 대해서는 도 9a 내지 도 9c에서 설명하였으므로 그 설명을 생략한다.

<실시예-4>

도 16을 참조하면, 베이스 기판 위에 순차적으로 형성되는 n-타입 질화갈륨 층, 활성층 및 p-타입 질화갈륨층은 도 8a 내지 도 8c에서 설명된 본 발명의 제1 실시예와 유사하므로 그 설명은 생략한다.

n-전극(450)은 평면상에서 관찰할 때, 육각형상을 갖고서 육각형의 각 꼭지점과 중심에 대응하도록 형성된다. n-타입 질화갈륨층이 노출된 영역에는 n-전극(450)이 형성되고, 상기 n-전극(450) 위에는 두꺼운 p-전극(440)이 형성된다.

상기 n-전극(450)의 대각선들의 평균 길이는 5 ㎛ 내지 30 ㎛이며, 인접한 n-전극(450)들간의 평균 간격은 5 ㎛ 내지 40 ㎛이다. 물론, 상기 n-전극(450)들 각각은 서로 전기적으로 분리되어 있기 때문에 각각의 n-전극(450)들에 전류를 주입하기 위해서는 별도의 전면 금속층을 이용하여 하나로 연결되어야 함은 자명하다. 상기한 전면 금속층에 대해서는 도 9a 내지 도 9c에서 설명하였으므로 그 설명을 생략한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 등가 회로 분석으로 p-n 접합부로 흐르는 전류가 n-전극에 몰리는 현상을 최소화하는 전극 구조를 제공함으로써, 발광 다이오드의 발광 특성과 열특성을 개선할 수 있다.

또한, 발광 다이오드의 크기에 관계없이 균일한 전류 분포를 유지하면서 동시에 발광 면적을 최대한 유지하는 구조이므로 쉽게 대면적 고출력 발광 다이오드를 제작할 수 있다.

또한, 전극들의 크기와 배열 간격만으로 발광 다이오드의 결함 밀도와 직렬 저항을 조절할 수 있으므로 간단하게 발광 다이오드의 특성을 제어할 수 있는 구조 이다.

이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

기판;

상기 기판 위에서 일부 영역들이 개구되어 서로 다른 높이로 형성되되, 상기 복수의 개구된 영역들이 평면상에서 원주방향으로 연결하였을 때 육각 형상을 정의하도록 배열된 제1 질화갈륨층;

상기 제1 질화갈륨층의 개구된 영역 각각에 형성된 제1 전극;

상대적으로 높은 상기 제1 질화갈륨층 위에 형성된 활성층;

상기 활성층 위에 형성된 제2 질화갈륨층; 및

상기 제2 질화갈륨층 위에 전면적으로 형성된 제2 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
제1항에 있어서, 서로 분리된 제1 전극들을 전기적으로 연결하기 위하여, 상기 제2 전극이 형성되는 영역을 제외한 발광 다이오드의 상부에 개재된 전면 금속층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
제2항에 있어서, 상기 제2 전극과 전면 금속층간에 개재된 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
제3항에 있어서, 상기 절연층은 유전체, 벤조사이클로부텐 폴리머(Benxo-Cyclo-Butene; BCB polymer), 폴리이미드(polyimide)를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
제2항에 있어서, 상기 전면 금속층 위에 형성된 제1 전극 패드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
제1항에 있어서, 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되면서 와이어 본딩을 위해 원형 형상으로 형성된 제2 전극 패드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
제6항에 있어서, 상기 제2 전극 패드는 사각 형상을 정의하는 제2 전극부의 꼭지점에 대응하는 영역 또는 일변에 대응하는 영역에 형성된 것을 특징으로 하는 발광 소자.
제1항에 있어서, 상기 제1 질화갈륨층의 개구부는 원형 형상이고, 상기 원형 형상의 개구부들은 평면상에서 원주방향으로 연결하였을 때 육각 형상을 정의하도록 배열된 것을 특징으로 하는 발광 소자.
제1항에 있어서, 상기 제1 질화갈륨층의 개구부는 다각형 형상이고, 상기 다각형 형상의 개구부들은 평면상에서 원주방향으로 연결하였을 때 육각 형상을 정의하도록 배열된 것을 특징으로 하는 발광 소자.
제1항에 있어서, 상기 기판은 수정(Quartz), 갈륨 아세나이드, 알루미늄 갈륨 아세나이드, 징크옥사이드, 질화 금속, 인듐 포스파이드, 인듐 아세나이드, 실리콘, 저마늄, 질화갈륨, 질화 인듐 갈륨, 질화 알루미늄 갈륨, 사파이어 기판 , 실리콘 카바이드 기판중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
제1항에 있어서, 상기 제1 질화갈륨층은 n-타입 또는 p-타입으로 도핑되고, p-n 접합면을 정의하기 위해 상기 제2 질화갈륨층은 상기 제1 질화갈륨층의 반대 극성으로 도핑된 것을 특징으로 하는 발광 소자.
제1항에 있어서, 상기 제1 전극의 지름은 5 내지 30 ㎛이고, 서로 인접하는 제1 전극들 간의 간격은 5 내지 40 ㎛인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
제1항에 있어서, 상기 제1 전극 및 제2 전극이 반사형 전극인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
제1항에 있어서, 상기 활성층은 (Al_xGa_1-x)_yIn_1-yN, (Al_xGa_1-x)yIn_1-yP, In_xGa_1-xAs_yP_1-y, (Al_xGa_1-x)yIn_1-yAs_wP_zN_1-w-z, In_xGa_1-xAs_ySb_1-y, ZnS_xSe_1-x, Hg_xCd_1-xTe 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
기판;

상기 기판 위에서 일부 영역들이 개구되어 서로 다른 높이로 형성되되, 상기 복수의 개구된 영역들이 평면상에서 원주방향으로 연결하였을 때 육각형상을 정의하도록 배열된 n-타입 질화갈륨층;

상기 n-타입 질화갈륨층의 개구된 영역 각각에 형성된 복수의 n-전극들;

상대적으로 높은 상기 n-타입 질화갈륨층 위에 형성된 활성층;

상기 활성층 위에 형성된 p-타입 질화갈륨층;

상기 p-타입 질화갈륨층 위에 전면적으로 형성된 p-전극;

상기 n-전극을 노출시키면서, 상기 p-전극을 커버하는 절연층; 및

상기 절연층 위에 형성되고, 상기 절연층에 의해 노출된 상기 n-전극들을 전기적으로 연결시키는 전면 금속층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
제15항에 있어서, 상기 전면 금속 박박 위에 형성된 제1 전극 패드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
제15항에 있어서, 상기 p-전극과 전기적으로 연결되면서 와이어 본딩을 위해 원형 형상으로 형성된 p-전극 패드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
제17항에 있어서, 상기 p-전극 패드는 사각 형상을 정의하는 p-전극부의 꼭지점에 대응하는 영역 또는 일변에 대응하는 영역에 형성된 것을 특징으로 하는 발광 소자.
제15항에 있어서, 상기 n-질화갈륨층의 개구부는 원형 형상이고, 상기 원형 형상의 개구부들은 평면상에서 원주방향으로 연결하였을 때 육각 형상을 정의하면서 배열된 것을 특징으로 하는 발광 소자.
제15항에 있어서, 상기 n-질화갈륨층의 개구부는 다각형 형상이고, 상기 다각형 형상의 개구부들은 평면상에서 원주방향으로 연결하였을 때 육각 형상을 정의하면서 배열된 것을 특징으로 하는 발광 소자.