KR100683924B1 - 반도체 발광소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 성장용 기판, n형 클래드층, 활성층, p형 클래드층의 적층으로 이루어지고 플립칩 방식으로 외부지지기판에 접착되는 반도체 발광소자에서, 상기 활성층 및 클래드층을 적어도 하나 이상의 마이크로디스크 내지는 기둥의 형태로 형성하고 상기 발광층 및 클래드층으로 이루어진 기둥의 둘레를 유전체로 코팅하여 활성층에서 발생한 광자가 특정 방향으로 전반사되도록 하여 발광효율이 향상된 반도체 발광소자에 관한 것이다.
발광소자, 전반사, 굴절률, 유전체
Description
도 1은 종래의 반도체 발광소자의 일 예를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 반도체 발광소자의 일 실시예를 나타낸 것이다.
도 3은 도 2에 나타난 본 발명의 반도체 발광소자의 일 실시예에서 n형층에 형성된 돌기, 활성층 및 p형층으로 형성된 반도체 클래드층 기둥 부분을 따로 도시한 것이다.
도 4는 도 2에 나타난 본 발명의 반도체 발광소자의 일 실시예에서 n형층에 형성된 돌기, 활성층 및 p형층으로 형성된 반도체 클래드층 기둥 부분에서 빛이 반사되는 모습을 나타낸 것이다.
{도면의 주요부분에 대한 설명}
11, 21 : 기판 12, 22 : n형층
13, 23 : 활성층 14, 24 : p형층
15, 16, 25, 26 : 전극 17, 27 : solder ball
28 : 유전체 절연층 29 : 반도체 클래드층 기둥
본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 발광소자의 발광층 및 클래드층을 플립칩(filp chip) 방식으로 기판에 접착되는 적어도 하나 이상의 마이크로디스크 내지는 기둥의 형태로 형성하고, 상기 발광층 및 클래드층을 유전체로 코팅하여 발광층으로부터 광자를 특정 방향으로 전반사시켜 발광효율이 향상된 반도체 발광소자에 관한 것이다.
반도체 발광 소자는 전자와 홀의 재결합에 기초하여 발광하는 반도체소자로서, 반응속도, 전력소모, 발열 등의 제반특성이 종래의 광원에 비해 매우 우수하여 광통신, 전자기기에서 여러 형태의 광원으로 널리 사용되고 있다.
종래의 반도체 발광소자는 기판에 n형 클래드층(n형층), 활성층(발광층), p형 클래드층(p형층)이 순차적으로 적층되는 다층구조로 형성되며, 상기 n형층과 p형층에는 각각 전극이 부착된다.
도 1은 종래의 반도체 발광소자의 일 예를 나타낸 것이다.
도 1의 예에서 기판(11)의 아래에는 n형층(12), 활성층(13) 및 p형층(14)이 순차적으로 형성되며, 상기 n형층(12)의 아래에 활성층(13) 및 p형층(14)이 형성되지 않은 일부분의 아래와 상기 p형층(14)의 아래에는 각각 금속전극(15, 16)이 부 착된다. 상기 반도체 발광소자는 하부의 기판에 플립칩 본딩되는 것으로 상기 금속전극(15, 16)의 아래에는 플립칩 본딩을 위한 솔더 볼(solder ball, 17)이 부착된다.
상기 예에서, 전자와 홀의 재결합이 이루어지면서 빛을 발광하는 활성층(13)은 양쪽의 n형층(12)과 p형층(14)으로부터 각각 전자와 홀을 공급받으며, 상기 n형층(12)과 p형층(14)은 각각에 부착된 전극(15, 16)으로부터 전압을 인가받는다.
상기 예에서 활성층(13)의 아래쪽에 형성되는 p형층(14)은 그 아래에 기판과 플립칩 본딩되는 솔더 볼(17)이 부착되어 있고 상기 솔더 볼(17)은 광을 거의 투과시키지 않으므로, 활성층(13)에서 발생한 광자는 대부분 위쪽의 n형층(12)을 통해서 방출된다.
상기의 예와 같은 반도체 발광소자에서 광자는 활성층에서 발생하고 n형층을 통과해서 방출되며, 상기 n형층을 통한 광자의 방출효율을 높이기 위해 p형층에는 광자를 n형층 쪽으로 반사시키는 금속반사막이 부착되기도 한다.
그러나 광자는 넓은 영역에 걸친 활성층에서 발생하여 상하의 n형층 또는 p형층 이외의 모든 방향으로 발산되며, p형층 쪽으로 진행한 광자가 반사되는 경우에도 광자가 금속 반사막에 수직인 방향의 n형층 쪽 이외의 방향으로도 반사될 수 있는 등, 광자가 n형층 이외의 방향으로 산란되거나 발산할 수 있다.
이 경우 광자가 n형층을 통해 방출되는 확률이 낮아져 반도체 발광소자의 발광효율이 저하된다. 이에 따라 활성층에서 발생하는 광자의 수직방향으로의 방출효 율을 높일 수 있도록 반도체 발광소자의 구조를 개선할 필요가 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은 광자가 특정 방향으로 방출되는 효율을 높이도록 구조가 개선된 반도체 발광소자를 제공하는 데 있다.
특히 플립칩 본딩되는 반도체 발광소자에서 활성층을 포함한 반도체층을 마이크로디스크의 형태로 세분화하여 광자의 특정 방향으로의 방출 효율을 높이도록 구조가 개선된 반도체 발광소자를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 반도체 발광소자는 기판; 상기 기판의 아래에 부착되고 아랫면에 종단이 면의 형상인 돌기가 적어도 하나 이상 형성되는 n형 클래드층; 상기 n형 클래드층에 형성된 적어도 하나 이상의 돌기의 아래에 각각 적층되는 활성층; 상기 활성층의 아래에 각각 적층되는 p형 클래드층; 상기 n형 클래드층에 부착되는 금속전극; 및 상기 p형 클래드층에 각각 부착되는 적어도 하나 이상의 금속전극을 포함하고, 상기 n형 클래드층의 돌기, 상기 돌기의 아래에 적층된 활성층 및 상기 활성층의 아래에 적층된 p형 클래드층은 일체로 기둥의 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 n형 클래드층 및 상기 p형 클래드층은 질화갈륨계 반도체 로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서, 상기 n형 클래드층의 돌기, 상기 돌기의 아래에 적층된 활성층 및 상기 활성층의 아래에 적층된 p형 클래드층이 일체로 형성된 기둥의 둘레에는 유전체 절연층이 코팅되는 것이 바람직하다.
본 발명에서, 상기 유전체 절연층은 질화갈륨보다 굴절률이 작은 산화물 유전체로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서, 상기 유전체 절연층은 질화규소(Si3N4) 또는 산화규소(SiO2) 중에서 선택되는 한 가지 이상으로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서, 상기 n형 클래드층의 돌기, 상기 돌기의 아래에 적층된 활성층 및 상기 활성층의 아래에 적층된 p형 클래드층이 일체로 형성된 기둥은 높이가 1~300마이크로미터인 것이 바람직하다.
본 발명에서, 상기 n형 클래드층의 돌기, 상기 돌기의 아래에 적층된 활성층 및 상기 활성층의 아래에 적층된 p형 클래드층이 일체로 형성된 기둥은 단면이 원 또는 다각형인 것이 바람직하다.
본 발명에서, 상기 p형 클래드층의 아래에는 금속 반사막이 증착되는 것이 바람직하다.
본 발명에서, 상기 금속 반사막은 금, 알루미늄, 은, 팔라듐 및 그 합금 중에서 선택되는 한 가지 이상으로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에서, 상기 p형 클래드층의 두께는 상기 활성층에서 발생하는 빛의 1/4 파장의 정수 배인 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 반도체 발광소자의 일 실시예를 나타낸 것이다.
상기 실시예에서, 반도체 발광소자는 질화갈륨(GaN)계 물질로 이루어진 반도체 클래드층 사이에 활성층(발광층)을 형성하여 빛을 방출하는 것으로, 기판(21), 상기 기판의 아래에 부착되어 성장되고 아랫면에 종단이 면의 형상인 돌기가 적어도 하나 이상 형성되는 n형 클래드층(n형층, 22), 상기 n형층(22)에 형성된 적어도 하나 이상의 돌기의 아래에 각각 적층되는 활성층(23), 상기 활성층의 아래에 각각 적층되는 p형 클래드층(p형층, 24), 상기 n형층(22)에 부착되는 금속전극(25) 및 상기 p형층(24)에 각각 부착되는 적어도 하나 이상의 금속전극(26)을 포함한다.
상기 실시예에서 n형층(22)의 돌기, 상기 돌기의 아래에 적층된 활성층(23) 및 상기 활성층의 아래에 적층된 p형층(24)은 일체로 디스크 내지는 기둥의 형상으로 형성된다. 상기 기둥은 상기 n형층(22)에 형성된 돌기의 종단의 면을 윗면으로 갖는 것으로, 상기 기둥의 단면은 원형이고 상기 단면의 형상 및 크기는 기둥의 높이 방향을 따라 변하지 않고 일정하다.
상기 n형층(22)의 돌기, 활성층(23) 및 p형층(24)이 일체로 형성된 기둥(이 하 '반도체 클래드층 기둥', 29)의 둘레에는 유전체 절연층(28)이 코팅되어 있으며, 상기 금속전극(25, 26)은 하부의 기판에 솔더 볼(solder ball, 27)에 의해서 플립칩 본딩된다.
상기 실시예에서, 상기 n형층(22)의 돌기, 활성층(23) 및 p형층(24)으로 형성된 반도체 클래드층 기둥(29)에 각각 구비된 활성층(23)으로부터 광자가 발생하며, 상기 활성층(23)에서 발생한 광자는 상부의 n형층(22)을 통해서 방출된다.
상기 반도체 클래드층 기둥(29)의 주변에 코팅된 유전체 절연층(28)은 상기 활성층(23)에서 발생한 광자가 상부로 방출되는 효율을 높이기 위한 것이다. 상기 유전체 절연층(28)이 반도체 클래드층 기둥(29)의 클래드층을 구성하는 물질보다 굴절률이 작은 것으로 형성되면, 상기 활성층(23)에서 발생한 광자가 반도체 클래드층 기둥(29)과 유전체 절연층(28)의 경계면에서 전반사될 확률이 높아진다.
상기 유전체 절연층(28)은 상기 반도체 클래드층 기둥(29)의 클래드층을 형성하는 질화갈륨의 굴절률(2.4~2.5)보다 더 작은 값의 굴절률, 구체적으로 0.0001~2의 범위에 속하는 값만큼 더 작은 값의 굴절률을 갖는 산화물로 형성되는 것이 바람직하며, 질화규소(Si3N4), 산화규소(SiO2), 산화티타늄(TiO2) 또는 산화지르코늄(ZrO2) 중에서 선택되는 한 가지 이상으로 형성되는 것도 바람직하다.
상기 실시예에서, 상기 반도체 클래드층 기둥(29)의 밑면은 p형층(24)의 아 랫면으로 상기 p형층(24)의 아래에는 금속 반사막이 증착된다.
상기 금속 반사막은 상기 반도체 클래드층 기둥(29)의 밑면 쪽으로 방출되는 광자를 반도체 클래드층 기둥 내부로 반사시켜 되돌려보내는 것으로, 금, 알루미늄, 은, 팔라듐 및 그 합금 중에서 선택되는 한 가지 이상으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 실시예에서, 상기 활성층(23)에서 발생한 광자는 상기 반도체 클래드층 기둥(29)과 유전체 절연층(28)의 경계면에서 전반사되는 경우, 상기 반도체 클래드층 기둥 부분(29)의 측면으로는 방출되지 못하고 윗면 또는 밑면 쪽으로 방출된다. 상기 반도체 클래드층 기둥 부분(29)의 밑면에서는 p형층(24)의 아래에 증착되는 금속 반사막에 의해 광자의 방출이 제한되며, 광자는 상기 금속 반사막에 의해 반도체 클래드층 기둥의 내부로 반사된다.
따라서 광자가 반도체 클래드층 기둥(29)과 유전체 절연층(28)의 경계에서 전반사되는 확률이 커질수록, 광자가 상기 반도체 클래드층 기둥 부분(29)의 윗면 쪽으로 방출되는 효율이 상승한다.
도 3은 도 2에 나타난 본 발명의 반도체 발광소자의 일 실시예에서 n형층에 형성된 돌기, 활성층 및 p형층으로 형성된 기둥 부분(29)을 따로 도시한 것이다.
상기 반도체 클래드층 기둥 부분(29)은 위에서부터 아래로 n형층(22)의 돌기, 활성층(23) 및 p형층(24)이 순차적으로 적층되어 형성되는 것으로, 그 높이(H) 가 1~300마이크로미터인 것이 바람직하다.
도 4는 도 2에 나타난 본 발명의 반도체 발광소자의 일 실시예에서 n형층에 형성된 돌기, 활성층 및 p형층으로 형성된 기둥 부분(29)에서 빛이 반사되는 모습을 나타낸 것이다.
활성층(23)에서 발생한 광자는 위의 n형층(22) 또는 아래의 p형층(24)을 통해서 진행한다(40).
아래의 p형층(24)으로 진행하는 경우에는 p형층(24)의 아랫면, p형층(24)과 전극(26)의 사이에 증착된 금속 반사막에 의해 광자가 위쪽으로 반사된다. 특히, 상기 p형층(24)은 상기 금속 반사막에서의 광 반사 효율을 극대화하기 위해, 상기 활성층(23)에서 발생하는 빛의 1/4 파장의 정수 배 값의 두께로 형성되는 것이 바람직하며, 상기 금속 반사막은 상기 p형층(24)과 위상이 정합되도록 증착되는 것이 바람직하다.
광자가 n형층(22) 또는 p형층(24)의 클래드층을 통해서 진행하는 동안에 측면의 유전체 절연층(28)과 접촉되었을 때, 상기 클래드층과 유전체 절연층(28) 사이의 굴절률 차이로 인해 전반사되는 경우, 계속 클래드층을 통해서 진행한다. 상기 전반사는 상기 클래드층과 유전체 절연층(28) 사이의 굴절률 차이가 클수록, 유전체 절연층(28)의 복소굴절률이 클래드층의 그것에 대한 비가 작아질수록 높은 확률로 일어난다. 상기 전반사가 더 높은 확률로 일어날수록 클래드층에서 유전체 절연층(28)으로 굴절되어 방출되는 광자의 수가 줄어든다.
상기 광자는 클래드층의 측면에서는 유전체 절연층(28)에 의해서 전반사되고 아랫면에서는 p형층(24)에 증착된 금속 반사막에 의해서 반사되므로, 대부분 윗면 쪽으로 방출되며, 따라서 위쪽의 n형층(22)을 통해서 광자가 방출되는 효율이 향상된다.
상기와 같은 본 발명의 반도체 발광소자는 기판에 n형으로 도핑된 질화갈륨계 반도체 클래드층(n형층)을 성장시키고, 이어서 활성층과 p형으로 도핑된 질화갈륨계 반도체 클래드층(p층)을 순차적으로 적층시키며, 이어서 상기 n형층이 드러나도록 그리고 n형층, 활성층 및 p형층으로 이루어진 기둥 형상의 반도체층이 적어도 하나 남도록 p형층, 활성층 및 n형층을 부분적으로 식각하고, 이어서 상기 식각되지 않고 남은 기둥 형상의 반도체층을 유전체 절연층으로 코팅하며, 이어서 상기 식각되지 않고 남은 부분의 p형층 및 식각으로 드러난 n형층에 전극을 각각 부착하는 과정을 거쳐서 형성될 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 반도체 발광소자의 활성층이 절연성 유전체로 둘러싸인 하나 이상의 작은 크기의 디스크 또는 기둥 내에 각각 형성됨으로써, 활성층에서 발생한 광자가 n형층으로 방출되도록 반사, 전반사되어 반도체 발광소자의 발광 효율이 향상된다.
Claims (10)
- 기판;상기 기판의 아래에 부착되고 아랫면에 종단이 면의 형상인 돌기가 적어도 하나 이상 형성되는 n형 클래드층;상기 n형 클래드층에 형성된 적어도 하나 이상의 돌기의 아래에 각각 적층되는 활성층;상기 활성층의 아래에 각각 적층되는 p형 클래드층;상기 n형 클래드층에 부착되는 금속전극; 및상기 p형 클래드층에 각각 부착되는 적어도 하나 이상의 금속전극을 포함하고,상기 n형 클래드층의 돌기, 상기 돌기의 아래에 적층된 활성층 및 상기 활성층의 아래에 적층된 p형 클래드층은 일체로 기둥의 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제 1항에 있어서, 상기 n형 클래드층 및 상기 p형 클래드층은 질화갈륨계 반도체로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제 1항에 있어서, 상기 n형 클래드층의 돌기, 상기 돌기의 아래에 적층된 활성층 및 상기 활성층의 아래에 적층된 p형 클래드층이 일체로 형성된 기둥의 둘레 에는 유전체 절연층이 코팅되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제 3항에 있어서, 상기 유전체 절연층은 질화갈륨보다 굴절률이 작은 산화물 유전체로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제 3항에 있어서, 상기 유전체 절연층은 질화규소(Si3N4) 또는 산화규소(SiO2) 중에서 선택되는 한 가지 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제 1항에 있어서, 상기 n형 클래드층의 돌기, 상기 돌기의 아래에 적층된 활성층 및 상기 활성층의 아래에 적층된 p형 클래드층이 일체로 형성된 기둥은 높이가 1~300마이크로미터인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제 1항에 있어서, 상기 n형 클래드층의 돌기, 상기 돌기의 아래에 적층된 활성층 및 상기 활성층의 아래에 적층된 p형 클래드층이 일체로 형성된 기둥은 단면이 원 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제 1항에 있어서, 상기 p형 클래드층의 아래에는 금속 반사막이 증착되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제 8항에 있어서, 상기 금속 반사막은 금, 알루미늄, 은, 팔라듐 및 그 합금 중에서 선택되는 한 가지 이상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 제 1항에 있어서, 상기 p형 클래드층의 두께는 상기 활성층에서 발생하는 빛의 1/4 파장의 정수 배인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020050124685A KR100683924B1 (ko) | 2005-12-16 | 2005-12-16 | 반도체 발광소자 |
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| KR1020050124685A KR100683924B1 (ko) | 2005-12-16 | 2005-12-16 | 반도체 발광소자 |
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| KR100683924B1 true KR100683924B1 (ko) | 2007-02-16 |
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|---|---|---|---|
| KR1020050124685A KR100683924B1 (ko) | 2005-12-16 | 2005-12-16 | 반도체 발광소자 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100981275B1 (ko) | 2008-09-25 | 2010-09-10 | 주식회사 에피밸리 | 3족 질화물 반도체 발광소자 |
| US8436383B2 (en) | 2010-02-17 | 2013-05-07 | Lg Innotek Co., Ltd. | Light emitting device, light emitting device package, and lighting system |
-
2005
- 2005-12-16 KR KR1020050124685A patent/KR100683924B1/ko not_active IP Right Cessation
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