KR100701975B1 - 발광 소자 - Google Patents

Abstract

균일한 전류 분포를 유도하는 전극 구조를 가진 발광 소자가 개시된다. 발광 소자는 기판, 제1 질화갈륨층, 제2 질화갈륨층, 투명 전극층, 제1 전극 및 제2 전극을 포함한다. 제1 질화갈륨층은 기판 위에 형성된다. 제2 질화갈륨층은 제1 질화갈륨층 위에 형성된다. 투명 전극층은 제2 질화갈륨층 위에 전면적으로 형성된다. 제1 전극은 제1 질화갈륨층의 가장자리 영역에 형성된다. 제2 전극은 중앙 영역에 제1 전극과 평행하게 형성된다. 이에 따라, 제1 질화갈륨층과 제2 질화갈륨층이 접하는 p-n 접합부로 흐르는 전류가 제1 전극에 몰리는 현상을 최소화하는 전극 구조를 제공함으로써, p-n 접합면으로 흐르는 전류 분포를 균일하고, 발광 면적을 넓게 유지시킬 수 있다.

질화갈륨, 발광 다이오드, 전류 분포, 전극 구조, 폐루프

Description

발광 소자{LIGHT EMITTING ELEMENT}

도 1은 질화갈륨계 발광 다이오드의 구조를 개략적으로 나타내는 사시도이다.

도 2는 도 1에 도시된 질화갈륨계 발광 다이오드의 등가 회로도이다.

도 3a 내지 도 3c는 전극들의 위치에 따른 전류밀도를 설명하는 도면들이다.

도 4는 도 1에 도시된 2차원 평면 전극을 분석하기 위한 저항-발광 다이오드의 등가 회로도이다.

도 5는 비교예에 따른 발광 다이오드의 전극 구조를 나타낸 평면도이다.

도 6a는 도 5에 도시된 전류 분포를 나타내는 평면도이고, 도 6b는 도 6a에서 절단선 I-I'으로 절단한 단면부의 전류밀도 분포이다.

도 7a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 다이오드의 전극 구조를 나타낸 평면도이고, 도 7b는 도 7a를 절단선 II-II'으로 절단한 단면도이다.

도 8a 및 도 8b는 도 7a에 도시된 발광 다이오드의 전류 분포를 나타낸 도면들이다.

도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광 다이오드의 전극 구조를 나타낸 평면도이다.

도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 발광 다이오드의 전극 구조를 나타낸 평면도이다.

도 11a는 본 발명의 제4 실시예에 따른 발광 다이오드의 전극 구조를 나타낸 평면도이고, 도 11b는 도 11a에 도시된 전극 구조에서 p-n 접합면에 흐르는 전류밀도 분포를 나타낸 평면도이다.

도 12a는 본 발명의 제5 실시예에 따른 발광 다이오드의 전극 구조를 나타낸 평면도이고, 도 12b는 도 12a에 도시된 전극 구조에서 p-n 접합면에 흐르는 전류밀도 분포를 나타낸 평면도이다.

도 13a는 본 발명의 제6 실시예에 따른 발광 다이오드의 전극 구조를 나타낸 평면도이고, 도 13b는 도 13a를 절단선 IV-IV'으로 절단한 단면도이다.

도 14a는 등가 회로를 이용해 도 13a의 전극 구조에서 p-n 접합면으로 흐르는 전류의 분포를 등고선으로 나타낸 것이고, 도 14b는 도 14a에서 V-V' 단면의 전류 분포를 도시한 것이다.

도 15a는 본 발명의 제7 실시예에 따른 발광 다이오드의 전극 구조를 나타낸 평면도이고, 도 15b는 도 15a의 전극 구조에서 전류 분포를 나타낸 평면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10, 110 : 기판 11, 111 : n형 질화갈륨층

12 : 활성층 13, 113 : p형 질화갈륨층

142 : p-전극 패드부 144 : p-전극 가지부

146 : p-전극 종단부 20, 120, 220 : n-전극층

21, 140, 240 : p-전극층 22, 130, 230 : p형 투명 전극층

524 : n-전극 패드부 526 : n-전극 가지부

528 : n-전극 종단부

본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 균일한 전류 분포를 유도하는 전극 구조를 가진 발광 소자에 관한 것이다.

일반적으로 발광 소자인 발광 다이오드는 백열 전구나 형광등을 대체하는 차세대 조명으로 각광받고 있다. 특히, 긴 수명을 가진 대면적 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 세기뿐만 아니라, 파장의 균일도까지 낮아진다.

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

이때, 전자-정공의 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 것으로, 본 발명의 목적은 고출력, 고휘도의 발광 다이오드를 구현하기 위해 균일한 전류 분포를 유도하는 전극 구조를 가진 발광 소자를 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위하여 일실시예에 따른 발광 소자는 기판, 제1 질화갈륨층, 제2 질화갈륨층, 투명 전극층, 제1 전극 및 제2 전극을 포함한다. 상기 제1 질화갈륨층은 상기 기판 위에 형성된다. 상기 제2 질화갈륨층은 상기 제1 질화갈륨층의 위에 형성된다. 상기 투명 전극층은 상기 제2 질화갈륨층 위에 전면적으로 형성된다. 상기 제1 전극은 상기 제1 질화갈륨층의 가장자리 영역에 형성된다. 상기 제2 전극은 상기 중앙 영역에 상기 제1 전극과 평행하게 형성된다.

상기 제1 질화갈륨층은 n형 질화갈륨층이고, 상기 제2 질화갈륨층은 p형 질화갈륨층인 것을 하나의 특징으로 한다. 상기 제1 질화갈륨층은 p형 질화갈륨층이고, 상기 제2 질화갈륨층은 n형 질화갈륨층인 것을 다른 하나의 특징으로 한다.

상기 제1 전극과 제2 전극간의 간격은 상기 발광 소자의 폭의 1/4 미만인 것을 특징으로 한다. 상기 제2 전극의 길이는 발광 소자의 한 변 길이의 1/4 이상인 것을 특징으로 한다. 상기 제2 전극의 폭은 5~20㎛인 것을 특징으로 한다.

상기 제1 전극은 가장자리 영역에 폐루프 형태로 형성된 제1 전극부와, 상기 제1 전극부와 연결되면서 와이어 본딩을 위해 원형 형상으로 형성된 제1 전극 패드부를 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 제1 전극 패드부는 사각 형상을 정의하는 제1 전극부의 꼭지점에 대응하는 영역 또는 일변에 대응하는 영역에 형성된다.

상기 제2 전극은 와이어 본딩을 위해 중앙부에 원형 형상으로 형성된 제2 전극 패드부와, 상기 제2 전극 패드부에서 십자 형상으로 연장된 제2 전극 가지부와, 상기 제2 전극 가지부에서 상기 제1 전극과 평행한 방향으로 연장된 제2 전극 종단부를 포함한다.

상기 제2 전극은 와이어 본딩을 위해 중앙부에 원형 형상으로 형성된 제2 전극 패드부와, 상기 제2 전극 패드부에서 x-자 형상으로 연장된 제2 전극 가지부와, 상기 제2 전극 가지부에서 상기 제1 전극과 평행한 방향으로 연장된 제2 전극 종단부를 포함한다.

상기 제1 전극은 상기 제1 전극부의 중앙부에서 내측 방향으로 연장된 제1 전극 가지부와, 상기 제1 전극 가지부의 종단에서 연장도면서 상기 제1 전극부와 평행한 제1 전극 종단부를 더 포함한다.

상기 제1 전극은 가장자리 영역에 ㄷ-자 형상의 개루프 형태로 형성된 제1 전극부와, 상기 제1 전극부와 연결되면서 와이어 본딩을 위해 원형 형상으로 형성된 제1 전극 패드부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 제2 전극은 와이어 본딩을 위해 일측 중앙부에 원형 형상으로 형성된 제2 전극 패드부와, 상기 제2 전극 패드부에서 3시 방향을 향해 연장된 수평 제2 전극 가지부와, 상기 수평 제2 전극 가지부의 종단에서 세로로 연장된 수직 제2 전극 가지부와, 상기 수직 제2 전극 가지부의 종단에서 각각 연장된 제2 전극 종단부들을 포함한다.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위하여 다른 실시예에 따른 발광 소자는 기판, 제1 질화갈륨층, 제2 질화갈륨층, 투명 전극층, 제1 전극 및 제2 전극을 포함한다. 상기 제1 질화갈륨층은 상기 기판 위에 형성된다. 상기 제2 질화갈륨층은 상기 제1 질화갈륨층 위에 형성된다. 상기 투명 전극층은 상기 제2 질화갈륨층 위에 전면적으로 형성된다. 상기 제1 전극은 상기 제2 질화갈륨층 또는 상기 투명 전극층의 가장자리 영역 위에 형성된다. 상기 제2 전극은 상기 제2 질화갈륨층의 일부를 벗겨내어 상기 제1 질화갈륨층이 노출된 영역 위에 형성되고, 상기 제1 전극을 향해 신장된 제2 전극 가지부와, 상기 제2 전극 가지부 종단에 상기 제1 전극과 평행하게 형성된 제2 전극 종단부를 구비한다.

이러한 발광 소자에 의하면, 상기 제1 질화갈륨층과 제2 질화갈륨층이 접하는 p-n 접합부로 흐르는 전류가 제1 전극에 몰리는 현상을 최소화하는 전극 구조를 제공함으로써, 상기 p-n 접합면으로 흐르는 전류 분포를 균일하고, 발광 면적을 넓게 유지시킬 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 전달 될 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 1은 질화갈륨계 발광 다이오드의 구조를 개략적으로 나타내는 사시도이다.

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

상기 기판(10) 위에 상기 질화갈륨층(11)을 성장시키기 위해 보통 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 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 n형 질화갈륨층(11), 활성층(active layer)(12) 및 p형 질화갈륨층(13)을 차례대로 성장시킨다.

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

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

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

또한, 일반적으로 상기 p형 질화갈륨층(13)은 상기 n형 질화갈륨층(11)에 비해 저항이 커서 상기 p형 질화갈륨층(13) 전체로 전류가 균일하게 흐르기가 더욱 어렵다. 이를 막기 위해 상기 p형 질화갈륨층(13) 상부 전면에 얇은 투명 전극층을 형성하여 상기 p형 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 p형 질화갈륨층 전면으로 균일하게 전류가 전달하는데 한계가 있다.

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

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 2는 도 1에 도시된 질화갈륨계 발광 다이오드의 등가 회로도이다. 도 2에서 Rt는 p형 투명 전극층(22)을 흐르는 전류가 느끼는 저항으로, p형 투명 전극층(22)의 비저항에 비례하고 p형 투명 전극층(22)의 두께에 반비례한다. Rv는 p-n 접합면을 통과하는 전류가 느끼는 저항으로, p형 투명 전극층(22) 및 p형 투명 전극층(22)과 p형 질화갈륨층 사이 접촉 저항과 p형 질화갈륨층의 비저항에 비례하고 p형 질화갈륨층의 두께에 비례한다. Rn은 n형 질화갈륨층(11)을 흐르는 전류가 느끼는 저항으로, n형 질화갈륨층(11)의 비저항에 비례하고 n형 질화갈륨층(11)의 두께에 반비례한다.

도 2에 도시된 바와 같이, p형 투명 전극층(22)에서 n-전극층(20)까지 흐를 수 있는 전류의 경로는 크게 두 개로 분류된다.

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

통상적으로, 상기 p형 투명 전극층(22)의 저항보다 상기 n형 질화갈륨층(11)의 저항이 더 크기 때문에 상기 n형 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-전극층(20)에서 먼 곳보다는 상기 n-전극층(20)과 가까운 곳에서 p-n 접합면으로 흐르는 전류의 양이 많다.

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

여기서, t_n은 n형 질화갈륨층의 두께, t_p는 p형 질화갈륨층의 두께, t_t는 p형 투명 전극층의 두께, r_n은 n형 질화갈륨층의 비저항, r_p는 p형 질화갈륨층의 비저항(resistivity), r_t는 p형 투명 전극층의 비저항(resistivity)이며, r_c는 p형 투명 전극층과 p형 질화갈륨층간의 접촉 저항이다.

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

상기의 수학식 1에 의하면 n-전극층(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-정공의 농도가 상대적으로 높은 영역에서 전자-정공 결합에 의한 발광의 세기가 크고 밴드 필링(band filling) 현상에 의하여 파장이 짧아지며, 전자-정공의 농도가 상대적으로 낮은 영역에서는 전자-정공 결합에 의한 발광의 세기가 작고 파장이 상대적으로 길어지게 된다.

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

한편, 상기 p형 투명 전극층(22)은 광 투과율을 높이기 위해 매우 얇게 형성될 수 있으나, 이때 상기 p형 투명 전극층(22)의 저항이 급격히 증가하여 상기 n형 질화갈륨층의 저항보다 더 커질 수 있다.

이 경우에는 반대로 상기 n-전극층(20)에서 멀리 떨어질수록 p-n 접합면을 흐르는 전류의 양이 더 커지게 된다. 만일, 상기 p형 투명 전극층(22)의 저항과 n형 질화갈륨층(11)의 저항이 같아지면 제1 경로(path 1)를 통해 흐르는 전류가 느끼는 저항이나, 제2 경로(path 2)를 통해 흐르는 전류가 느끼는 저항이 동일해진 다. 따라서, 전체 영역에 걸쳐 균일하게 p-n 접합면으로 전류가 흐르며 전류 몰림 현상이 크게 개선될 수 있다. 즉, 상기 p형 투명 전극층(22)의 저항과 n형 질화갈륨층(11)의 저항이 같아진다는 것은 상기한 수학식 1에서 (r_n/t_n-r_t/t_t)가 0이 되는 것을 의미한다. 이때, 전류 밀도는 위치에 관계없이 모두 동일하다는 것을 알 수 있다.

그러나, 상기 p형 투명 전극층(22)의 저항을 n형 질화갈륨층(11)의 저항과 동일하게 만들기 위해서는 상기 p형 투명 전극층(22)의 두께가 제한적일 수밖에 없다. 상기 p형 투명 전극층(22)의 저항은 상기 p형 투명 전극층(22)의 비저항에 비례하고 두께에 반비례한다.

상기 비저항은 물질의 고유 성질로서 쉽게 변경하기 어려우므로 상기 p형 투명 전극층(22)의 두께를 변경하여 상기 p형 투명 전극층(22)의 저항을 조절하는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 p형 투명 전극층(22)의 저항이 n형 질화갈륨층(11)의 저항과 동일하게 하는 두께를 유지해야 전류 몰림 현상을 개선할 수 있다.

하지만, 상기 p형 투명 전극층(22)의 저항을 n형 질화갈륨층(11)의 저항과 동일하게 매칭시키면, p형 투명 전극층(22)의 두께가 지나치게 두꺼워져 광이 p형 투명 전극층(22)을 통해 빠져나가지 못할 수도 있고, 반대로 p형 투명 전극층(22)의 두께가 지나치게 얇아짐에 따라, p형 투명 전극층(22)의 저항이 지나치게 커져 전극층 역할을 제대로 못할 수도 있을 뿐만 아니라, 저항 증가에 따른 발열도 증가할 수 있다. 광을 충분히 방출시키면서 저항도 적당하게 작은 적절한 두께의 p형 투명 전극을 형성하다 보면 p형 투명 전극층(22)의 저항과 n형 질화갈륨층(11)의 저항이 차이 나게 되고 전류 몰림 현상이 심해질 수밖에 없다.

따라서, 임의의 두께와 저항을 가진 p형 투명 전극층(22)에서 전류 몰림 현상을 줄일 수 있는 방법이 필요하다.

상기 p형 투명 전극층(22)의 저항이 작으면 발광 다이오드로 흘릴 수 있는 전류의 양을 높일 수 있고 발열 현상도 줄일 수 있어 p형 투명 전극층의 저항을 가급적 줄이는 것이 바람직하다. 그러나, p형 투명 전극층(22)의 저항이 n형 질화갈륨층(11)의 저항보다 작은 경우, 전류가 p형 투명 전극층(22)을 따라 흐르다가 n-전극층(20) 주변에서 p-n 접합면으로 흐르는 경향이 더 크다. 즉, n-전극층(20)에서 가까울수록 전류가 많이 흐르며 n-전극층(20)에서 멀어질수록 전류가 적게 흐른다. 그런데 n-전극층(20) 근처에 또 다른 n-전극층(20)이 있으면 이 새로운 n-전극층(20)으로도 전류가 몰리므로 n-전극층(20)이 하나만 있을 때보다는 전류의 분포가 균일해지는 효과를 얻을 수 있다. 두 개의 n-전극층(20)이 서로 가까이 있고 등간격을 유지할수록 전류 분포가 균일해지는 현상이 더 두드러진다.

한편, p형 투명 전극층(22) 상에 형성된 p-전극층(21)은 p형 투명 전극층(22)에 비해 매우 후박하기 때문에 저항이 낮아 p형 투명 전극층(22)보다 p-전극층(21)을 통해 전류가 잘 전달되므로 p-전극층(21) 근처에서도 전류가 몰리는 현상이 발생된다. 따라서, n-전극층(20)과 p-전극층(21)이 서로 가깝게 등간격으로 형성되어도 서로 인접하는 n-전극층(20)이 가깝게 형성되어 전류 분포가 균일해지는 현상과 유사한 현상을 기대할 수 있다.

도 3a 내지 도 3c는 전극들의 위치에 따른 전류밀도를 설명하는 도면들이다. 특히, 도 3a는 n-전극층(20)과 p-전극층(21)이 서로 멀리 떨어져 있는 제1 유형의 발광 다이오드(A)의 단면도이고, 도 3b는 n-전극층(20)과 p-전극층(21)이 서로 가깝게 배열된 제2 유형에 따른 발광 다이오드(B)의 단면도이며, 도 3c는 n-전극층과 p-전극층(21)의 위치에 따른 p-n 접합면으로 흐르는 전류밀도를 나타낸 그래프이다.

도 3c에 도시된 바에 의하면, 제1 유형의 발광 다이오드(A)는 n-전극층(20)과 p-전극층(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-전극층(20)과 p-전극층(21)을 적절하게 배열함으로써, p형 투명 전극층(22)의 저항과 무관하게 전류 몰림 현상을 개선할 수 있다.

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

도 4는 도 1에 도시된 2차원 평면 전극을 분석하기 위한 저항-발광 다이오드 의 등가 회로도이다.

도 4에서, Rt는 p형 투명 전극층(22)의 저항이다. 이때, 전류는 2차원 평면으로 배열된 Rt들을 통해 흐른다. Rv는 p형 투명 전극층(22)과 p형 질화갈륨층간의 접촉 저항 및 p형 질화갈륨층의 저항이다. 이때, p형 투명 전극층(22)을 통해 전달된 전류는 Rv를 통해 p-n 접합면으로 흐른다. 발광 다이오드는 p-n 접합면을 나타낸다. 2차원 평면으로 배열된 Rn은 n형 질화갈륨층의 저항을 나타낸다. 이때, p-n 접합면을 통과한 전류는 n형 질화갈륨층을 통해 n-전극층으로 흐른다.

전류 몰림 현상은 각 층의 저항 성분에 의해 크게 좌우되므로, 도 4에서 발광 다이오드는 생략될 수 있다.

도 4에서 Rt는 30Ω, Rv는 10㏀, Rn은 100Ω으로 하였다. 키르히호프(Kirchhoff)의 전압 원리 및 전류 원리를 이용하면 도 4에서 각 저항에 흐르는 전류를 구할 수 있다. 각각의 Rv에 흐르는 전류는 p-n 접합면을 흐르는 전류밀도이다.

<비교예>

도 5는 비교예에 따른 발광 다이오드의 전극 구조를 나타낸 평면도이다. 설명의 편의를 위해 도 1에서 설명한 발광 소자를 도시하고, 그 상세한 설명은 생략한다.

도 6a는 도 5에 도시된 전류 분포를 나타내는 평면도이고, 도 6b는 도 6a에서 절단선 I-I'으로 절단한 단면부의 전류밀도 분포이다. 특히, 도 6a는 도 4의 등가 회로를 이용해 도 5에 도시된 발광 다이오드에 흐르는 전류의 분포를 계산하여 그 결과를 등고선 형태로 나타낸 것이다. 설명의 편의를 위해 전류밀도의 최대값을 1로 정규화(normalized)하였다. 따라서, 최소 전류값이 1에 가까울수록 전류 분포가 균일함을 의미한다.

도 6a 및 도 6b에 나타낸 바와 같이, p-전극층(21) 근방에서는 전류밀도가 약 0.25이고, n-전극층(20)으로 이동할수록 점진적으로 증가하고 n-전극층(20)의 가장자리에서 최대가 된다.

최소 전류는 0.25밖에 안되며, n-전극층(20)에 가까울수록 전류밀도가 급격하게 높아지고 있다. 전류 분포가 균일하지 않고 전류 몰림 현상이 심한 것을 알 수 있다. 이에 따라, 발광 다이오드의 소자 표면에서 발광의 세기와 파장의 균일도가 떨어지는 단점이 발생된다.

<실시예 1>

도 7a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 다이오드의 전극 구조를 나타낸 평면도이고, 도 7b는 도 7a를 절단선 II-II'으로 절단한 단면도이다.

도 7a 및 도 7b를 참조하면, 제1 실시예에 따른 질화갈륨계 발광 다이오드(100)는 기판(110), n형 질화갈륨층(111), p형 질화갈륨층(113), n-전극층(120), p형 투명 전극층(130), p-전극층(140)을 포함한다. 동작시, 상기 n-전극층(120)과 p-전극층(140)을 통해 전류를 흘리면 활성층(미도시)에서 전자-정공의 재결합이 발생하면서 광이 방출된다. 도면에서는 상기 기판(110)과 n형 질화갈륨층(111)간에 개재되는 질화갈륨 완충층(buffer layer)과, 상기 n형 질화갈륨층(111)과 p형 질화 갈륨층(113)간에 개재되는 활성층(active layer)의 도시는 생략한다.

상기 n-전극층(120)은 가장자리 영역에 폐루프 형태로 형성된 n-전극부(122) 및 와이어 본딩을 위해 원형 형상으로 형성된 n-전극 패드부(124)를 포함한다. 상기 n-전극 패드부(124)는 사각 형상을 정의하는 발광 다이오드(100)의 꼭지점 영역들중 하나의 영역에 형성된다.

상기 p-전극층(140)은 상기 발광 다이오드(100)의 중앙부에 후박하게 형성된다. 상기 p-전극층(140)은 와이어 본딩을 위해 중앙부에 원형 형상으로 형성된 p-전극 패드부(142), 상기 p-전극 패드부(142)에서 십자 형상으로 연장된 4개의 p-전극 가지부들(144), 상기 p-전극 가지부들(144)에서 상기 n-전극층(120)과 평행한 방향으로 연장된 p-전극 종단부(146)를 포함한다. 상기 p-전극 패드부(142)에 근접하는 2개의 p-전극 가지부(144)와 이에 연결된 p-전극 종단부(146)는 각각 L 자 형상 및 역-L 자 형상을 정의한다. 상기 p-전극 패드부(142)에 근접하는 2개의 p-전극 가지부(144)와 이에 연결된 p-전극 종단부(146)는 각각 T-자 형상을 정의한다.

상기 n-전극층(120)이 형성된 영역에는 p-n 접합면이 없으므로 광이 방출되지 않고, 상기 p-전극층(140)이 형성된 영역에는 p-n 접합면이 있으나, 두꺼운 p-전극층(140)에 의해 커버되어 광이 방출되지 않는다. 즉, 상기 p형 투명 전극(130)이 형성된 영역으로만 상부로 광이 방출될 수 있다. 따라서, 상기 p형 투명 전극(130)의 면적을 크게 해야 한다.

상기 발광 다이오드(100)의 한 변의 길이(L1)는 300㎛ 내지 500 ㎛ 이고, 형상은 정사각형 또는 직사각형이다. 상기 n-전극부(122)와 p-전극 가지부(144) 빛 p-전극 종단부(146)의 폭은 5㎛ 내지 20 ㎛ 이고, 상기 n-전극 패드(124)와 p-전극 패드(142)의 지름은 80 ㎛ 내지 100 ㎛ 이다.

상기 n-전극부(122)와 나란하게 형성된 p-전극 종단부(146)와 상기 n-전극부(122)의 간격(D1)은 발광 다이오드(100)의 한 변 길이(L1)의 1/4 미만이고, 상기 n-전극부(122)와 나란하게 형성된 상기 p-전극 종단부(146)의 길이(L2)는 발광 다이오드(100)의 한 변 길이의 1/4 이상이다.

통상적으로 등간격으로 배열된 두 개의 n-전극들을 갖는 발광 다이오드는 하나의 n-전극층을 갖는 발광 다이오드에 비해 높은 전류 균일도를 갖는다.

그런데 도 7a와 같이, 발광 다이오드(100)의 가장자리 영역을 따라 n-전극부(122)가 폐루프 형태로 형성되고, 어느 한 변의 n-전극층에 대해 마주보는 변에 또 다른 n-전극층이 형성된 형태이므로 두 개의 n-전극층이 등간격으로 배열된 효과를 우발한다. 이에 따라, 전류 균일도는 높아질 수 있고, 전류의 분포 역시 일반적인 발광 다이오드의 전극 구조보다 더욱 대칭적이다.

또한, 상기 n-전극층(120)과 p-전극층(140)이 근접하면서 평행하게 형성되어있기 때문에 p-전극 종단부(146)가 없는 경우에 비해 n-전극층(120)과 p-전극층(140) 사이의 거리가 줄어드는 효과가 있다. 즉, 상기 p-전극층(140)에서 상기 n-전극층(120)으로 전류가 흐를 때 느끼는 저항이 더 작아지므로 전체적인 저항이 감소하고, 이로 인해 발광 다이오드의 전기적 특성 및 열적 특성이 향상된다.

도 8a 및 도 8b는 도 7a에 도시된 발광 다이오드의 전류 분포를 나타낸 도면들이다. 특히, 도 8a는 도 4의 등가 회로를 이용하여 도 7a에 도시된 발광 다이오 드에서 전류밀도의 분포를 계산하여 등고선 형태로 나타낸 평면도이고, 도 8b는 도 8a에서 III-III'으로 절단한 단면도이다.

도 7a 내지 도 8b에 나타낸 바와 같이, 제1 실시예에 따른 발광 다이오드(100)의 전류밀도 분포는 대칭적이고, 균일함을 확인할 수 있다. 즉, 발광 다이오드의 가장자리 영역의 전류밀도는 정규화된 값인 1에 근접하고, 발광 다이오드의 중앙부로 이동할수록 전류밀도가 0.939, 0.903, 0.855, 0.806, 0.758 및 0.697로 순차적으로 감소한다. 가장자리 영역의 전류밀도의 등고선은 사각 형상을 그리다가 중앙부로 이동할수록 전류밀도의 등고선은 원형 형상을 그린다.

한편, 전류 분포는 균일해졌으나, 상기 n-전극층(120)의 면적 증가에 의해 발광 면적이 감소할 수 있다. 상기 n-전극층(120)이 형성된 영역에는 p-n 접합면의 부재에 의해 광이 발생하지 않는다. 또한, 상기 p-전극층(140)이 형성된 영역에서는 p-n 접합면이 있으나, 두꺼운 p-전극층(140) 때문에 광이 상부로 방출되지 못할 수 있다.

따라서, 실제 발광량(총 발광 효율(S))을 계산하기 위해 등가 회로를 통해 계산한 전류값을 정규화하고 모두 더하였다. 전류가 균일하다면 정규화된 전류값은 발광 다이오드 전체에 걸쳐 동일하게 1이 될 것이므로 전체 전류량은 발광 다이오드 전체 면적(A)이 될 것이다.

그러나, 실제 전류는 발광 다이오드의 표면의 위치에 따라, 서로 다르므로 전체 전류량은 발광 다이오드의 각 부위의 전류밀도에 각 부위의 면적을 승산한 값이 된다. 따라서, 전류 분포가 불균일할 때, 총 전류량과 전류 분포가 완벽하게 균 일할 때 총 발광 효율(S)은 다음과 같은 수학식 3으로 정의된다.

여기서, n-전극층과 p-전극층이 형성된 영역은 제외하였다.

상기한 수학식 2를 이용해서 도 5에 도시된 비교예에 따른 발광 다이오드에서 총 발광 효율(S)을 계산하면 36.5%이다. 하지만, 도 7a에 도시된 제1 실시예에 따른 발광 다이오드에서 총 발광 효율(S)을 계산하면 67.4%에 달한다.

<실시예 2>

도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광 다이오드의 전극 구조를 나타낸 평면도이다.

도 9를 참조하면, 제2 실시예에 따른 질화갈륨계 발광 다이오드(200)는 기판(미도시), n형 질화갈륨층(미도시), p형 질화갈륨층(미도시), n-전극층(220), p형 투명 전극층(230) 및 p-전극층(240)을 포함한다. 동작시, 상기 n-전극층(220)과 p-전극층(240)을 통해 전류를 흘리면 활성층(미도시)에서 전자-정공의 재결합이 발생하면서 광이 방출된다.

상기 n-전극층(220)은 가장자리 영역에 폐루프 형태로 형성된 n-전극부(222) 및 와이어 본딩을 위해 원형 형상으로 형성된 n-전극 패드부(224)를 포함한다. 상 기 n-전극 패드부(224)는 사각 형상을 정의하는 발광 다이오드(200)의 꼭지점 영역들중 하나에 형성된다.

상기 p-전극층(240)은 상기 발광 다이오드(200)의 중앙부에 후박하게 형성된다. 상기 p-전극층(240)은 와이어 본딩을 위해 중앙부에 원형 형상으로 형성된 p-전극 패드부(242), 상기 p-전극 패드부(242)에서 x-자 방향(또는 대각선 방향)으로 연장된 3개의 p-전극 가지부들(244), 상기 p-전극 가지부들(244)에서 상기 n-전극(220)과 평행한 방향으로 연장된 p-전극 종단부(246)를 포함한다. 특히, 상기 p-전극 가지부들(244)은 n-전극 패드부(224)가 미형성된 꼭지점 영역을 향해서만 형성된다.

상기 p-전극 종단부(246)는 p-전극 가지부(244)에서 ㄱ자 형상을 정의하면서 형성된다. 이에 따라, 상기 p-전극 가지부(244)와 p-전극 종단부(246)는 화살표 형상을 정의한다.

상기 n-전극층(220)이 형성된 영역에는 p-n 접합면이 없으므로 광이 방출되지 않고, 상기 p-전극층(240)이 형성된 영역에는 p-n 접합면이 있으나, 두꺼운 p-전극층(240)에 의해 커버되어 광이 방출되지 않는다. 즉, 상기 p형 투명 전극층(230)이 형성된 영역으로만 상부로 광이 방출될 수 있다. 따라서, 상기 p형 투명 전극층(230)의 면적을 크게 해야 한다.

상기 n-전극부(222)와 나란하게 형성된 p-전극 종단부(246)와 상기 n-전극부(222)의 간격은 발광 다이오드(200)의 한 변 길이의 1/4 미만이고, 상기 n-전극부(222)와 나란하게 형성된 상기 p-전극 종단부(246)의 길이는 발광 다이오드(200)의 한 변 길이의 1/8 이상이다.

상기 발광 다이오드(200)의 한 변의 길이는 300 ㎛ 내지 500 ㎛ 이고, 형상은 정사각형 또는 직사각형이다. 상기 p-전극 종단부(246) 및 p-전극 가지부(244)와 n-전극층(220)의 폭은 5㎛ 내지 20㎛ 이고, 상기 p-전극 패드(242)와 n-전극 패드(224)의 지름은 80 ㎛ 내지 100 ㎛ 이다.

<실시예 3>

도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 발광 다이오드의 전극 구조를 나타낸 평면도이다.

도 10을 참조하면, 제3 실시예에 따른 질화갈륨계 발광 다이오드(300)는 기판(미도시), n형 질화갈륨층(미도시), p형 질화갈륨층(미도시), n-전극층(320), p형 투명 전극층(330) 및 p-전극층(340)을 포함한다. 동작시, 상기 n-전극층(320)과 p-전극층(330)을 통해 전류를 흘리면 활성층(미도시)에서 전자-정공의 재결합이 발생하면서 광이 방출된다. 도면에서는 상기 기판(310)과 n형 질화갈륨층(311)간에 개재되는 질화갈륨 완충층(buffer layer)과, 상기 n형 질화갈륨층(311)과 p형 질화갈륨층(313)간에 개재되는 활성층(active layer)의 도시는 생략한다.

상기 n-전극층(320)은 가장자리 영역에 폐루프 형태로 형성된 n-전극부(322) 및 와이어 본딩을 위해 원형 형상으로 형성된 n-전극 패드부(324)를 포함한다. 상기 n-전극 패드부(324)는 사각 형상을 정의하는 발광 다이오드(300)의 변들 중 하나의 변에 대응되는 영역에 형성된다.

상기 p-전극층(340)은 상기 발광 다이오드(300)의 중앙부에 후박하게 형성된다. 상기 p-전극층(340)은 와이어 본딩을 위해 중앙부에 원형 형상으로 형성된 p-전극 패드부(342), 상기 p-전극 패드부(342)에서 십자 형상으로 연장된 3개의 p-전극 가지부들(344), 상기 p-전극 가지부들(344)에서 상기 n-전극층(320)과 평행한 방향으로 연장된 p-전극 종단부(346)를 포함한다. 상기 p-전극 가지부(344)와 p-전극 종단부(346)는 T-자 형상을 정의한다.

<실시예 4>

도 11a는 본 발명의 제4 실시예에 따른 발광 다이오드의 전극 구조를 나타낸 평면도이고, 도 11b는 도 11a에 도시된 전극 구조에서 p-n 접합면에 흐르는 전류밀도 분포를 나타낸 평면도이다.

도 11a를 참조하면, 제4 실시예에 따른 질화갈륨계 발광 다이오드(400)는 질화갈륨계 발광 다이오드(200)는 기판(미도시), n형 질화갈륨층(미도시), p형 질화갈륨층(미도시), n-전극층(420), p형 투명 전극층(430) 및 p-전극층(440)을 포함한다. 동작시, 상기 n-전극층(420)과 p-전극층(440)을 통해 전류를 흘리면 활성층(미도시)에서 전자-정공의 재결합이 발생하면서 광이 방출된다.

상기 n-전극층(420)은 가장자리 영역에 폐루프 형태로 형성된 n-전극부(422) 및 와이어 본딩을 위해 원형 형상으로 형성된 n-전극 패드부(424)를 포함한다. 상기 n-전극 패드부(424)는 사각 형상을 정의하는 발광 다이오드(400)의 꼭지점 영역에 형성된다.

상기 p-전극층(440)은 상기 발광 다이오드(400)의 중앙부에 후박하게 형성된다. 상기 p-전극층(440)은 와이어 본딩을 위해 중앙부에 원형 형상으로 형성된 p-전극 패드부(442), 상기 p-전극 패드부(442)에서 십자 형상으로 연장된 4개의 p-전극 가지부들(444), 상기 p-전극 가지부들(444)에서 상기 n-전극층(420)과 평행한 방향으로 연장되면서 폐루프 형태로 형성된 p-전극 종단부(446)를 포함한다.

이처럼 본 발명의 제4 실시예에 따른 발광 다이오드(400)는 p-전극 종단부(446)가 폐루프 형태로 되어 있고, p-전극 종단부(446)와 n-전극부(422) 간의 거리가 매우 가깝다.

도 11b에 나타낸 바와 같이, 제4 실시예에 따른 발광 다이오드(400)의 전류밀도 분포는 대칭적이고, 균일함을 확인할 수 있다. 즉, 발광 다이오드의 가장자리 영역의 전류밀도는 정규화된 값인 1에 근접하고, 발광 다이오드의 중앙부로 이동할수록 전류밀도가 0.921, 0.868, 0.8828 0.802, 0.762, 0.709 및 0.67로 순차적으로 감소한다. 가장자리 영역의 전류밀도의 등고선은 사각 형상을 그리다가 중앙부로 이동할수록 전류밀도의 등고선은 원형 형상을 그린다. 즉, 도 7에 도시된 발광 다이오드의 전극 구조에서 p-n 접합면에 흐르는 전류밀도 분포와 유사함을 알 수 있다. 여기서, 본 발명의 제4 실시예에 따른 발광 다이오드의 계산된 총 발광 효율(S)은 60.1%이다.

<실시예 5>

도 12a는 본 발명의 제5 실시예에 따른 발광 다이오드의 전극 구조를 나타낸 평면도이고, 도 12b는 도 12a에 도시된 전극 구조에서 p-n 접합면에 흐르는 전류밀도 분포를 나타낸 평면도이다.

도 12a를 참조하면, 제5 실시예에 따른 질화갈륨계 발광 다이오드(500)는 기판(미도시), n형 질화갈륨층(미도시), p형 질화갈륨층(미도시), n-전극층(520), p형 투명 전극층(530), p-전극층(540)을 포함한다. 동작시, 상기 n-전극층(520)과 p-전극층(540)을 통해 전류를 흘리면 활성층(미도시)에서 전자-정공의 재결합이 일어나면서 광이 방출된다. 도면에서는 상기 기판(510)과 n형 질화갈륨층(511)간에 개재되는 질화갈륨 완충층(buffer layer)과, 상기 n형 질화갈륨층(511)과 p형 질화갈륨층(513)간에 개재되는 활성층(active layer)의 도시는 생략한다.

상기 n-전극층(520)은 가장자리 영역에 폐루프 형태로 형성된 n-전극부(522), 와이어 본딩을 위해 원형 형상으로 형성된 n-전극 패드부(524), 상기 n-전극부(522)의 중앙부에서 내측 방향으로 연장된 n-전극 가지부(526) 및 상기 n-전극 가지부(526)의 종단에서 연장되면서 n-전극부(522)와 평행한 n-전극 종단부(528)를 포함한다. 상기 n-전극 패드부(524)는 사각 형상을 정의하는 발광 다이오드(500)의 꼭지점 영역에 형성된다. 상기 n-전극 가지부들(526) 각각은 관찰자 관점에서 12시 방향 및 6시 방향에 형성된다.

상기 p-전극층(540)은 상기 발광 다이오드(500)의 중앙부에 후박하게 형성된다. 상기 p-전극층(540)은 와이어 본딩을 위해 중앙부에 원형 형상으로 형성된 p-전극 패드부(542), 상기 p-전극 패드부(542)에서 3시 방향 및 9시 방향을 향해 각각 연장된 2개의 p-전극 가지부들(544), 상기 p-전극 가지부들(544)에서 상기 n-전 극층(520)과 평행한 방향으로 연장된 p-전극 종단부(546)를 포함한다.

이처럼, 발광 다이오드의 가장자리 영역을 따라 형성된 n-전극층의 중앙부 영역에 n-전극 가지부를 형성하면 전류밀도 분포를 더욱 균일하게 할 수 있다.

도 12b에 나타낸 바와 같이, 제5 실시예에 따른 발광 다이오드(500)의 전류밀도 분포는 대칭적이고, 균일함을 확인할 수 있다. 즉, 발광 다이오드(500)의 가장자리 영역, 즉 상기 n-전극층(520)에 근접하는 영역의 전류밀도는 정규화된 값인 1에 근접하고, 발광 다이오드의 중앙부로 이동할수록, 즉 상기 n-전극층(520)에서 멀어질수록 전류밀도가 0.9476, 0.908, 0.87 및 0.809로 순차적으로 감소한다.

정규화된 전류의 최소치가 0.81로 전체 면적에 걸쳐 정규화된 전류값이 1에 가깝다. 이는 전류 분포가 매우 균일함을 의미한다. 여기서, 발광 다이오드의 계산된 총 발광 효율(S)은 68.1%이다.

이상에서는 n-전극층이 발광 다이오드의 가장자리 영역을 따라 폐루프를 형성하도록 하여 전류밀도 분포를 균일하게 하였다. 하지만, 당업자라면 p-전극층이 발광 다이오드의 가장자리 영역을 따라 폐루프를 형성하도록 하여 전류밀도 분포를 균일하게 할 수도 있다. 이 경우 n-전극 패드가 발광 다이오드의 중앙부에 위치하고, 상기 n-전극 패드로부터 십자 방향으로 가는 가지 형태의 n-전극층이 나오며, 상기 가지 형태의 n-전극층 끝에서 발광 다이오드 가장자리 영역을 둘러싼 p-전극층과 평행하게 띠 형상의 n-전극층이 형성되어 있다.

<실시예 6>

도 13a는 본 발명의 제6 실시예에 따른 발광 다이오드의 전극 구조를 나타낸 평면도이고, 도 13b는 도 13a를 절단선 IV-IV'으로 절단한 단면도이다. 특히, p-전극층이 발광 다이오드의 가장자리 영역을 따라 폐루프를 형성하고 발광 다이오드 중앙부에 n-전극층이 형성된 예이다.

도 13a 및 도 13b를 참조하면, 제6 실시예에 따른 질화갈륨계 발광 다이오드(600)는 기판(610), n형 질화갈륨층(611), p형 질화갈륨층(613), n-전극층(620), p형 투명 전극층(630) 및 p-전극층(640)을 포함한다. 동작시, 상기 n-전극층(620)과 p-전극층(640)을 통해 전류를 흘리면 활성층(미도시)에서 전자-정공의 재결합이 일어나면서 광이 방출된다. 도면에서는 상기 기판(610)과 n형 질화갈륨층(611)간에 개재되는 질화갈륨 완충층(buffer layer)과, 상기 n형 질화갈륨층(611)과 p형 질화갈륨층(613)간에 개재되는 활성층(active layer)의 도시는 생략한다.

상기 n-전극층(620)은 상기 발광 다이오드(600)의 중앙부에 후박하게 형성된다. 상기 n-전극층(620)은 와이어 본딩을 위해 중앙부에 원형 형상으로 형성된 n-전극 패드부(622), 상기 n-전극 패드부(622)에서 십자 형상으로 연장된 4개의 n-전극 가지부들(624), 상기 n-전극 가지부들(624)에서 상기 p-전극층(640)과 평행한 방향으로 연장된 n-전극 종단부(626)를 포함한다.

상기 p-전극층(640)은 가장자리 영역에 폐루프 형태로 형성된 p-전극부(642) 및 와이어 본딩을 위해 원형 형상으로 형성된 p-전극 패드부(644)를 포함한다. 상기 p-전극부(642)는 상기 n-전극 종단부(626)와 평행하게 형성된다. 상기 p-전극 패드부(644)는 사각 형상을 정의하는 발광 다이오드(600)의 꼭지점 영역에 형성된 다.

인접한 두 개의 n-전극층 사이 거리가 가까울수록 전류밀도의 분포는 균일해진다. 상기 n-전극층이 발광 다이오드의 가장자리 영역을 따라 폐루프 형태로 형성된 경우에는 인접한 n-전극층들간의 평균 거리가 발광 다이오드의 한 변의 길이가 된다.

하지만, 도 13a에 나타낸 바와 같이, n-전극층이 발광 다이오드의 중앙부에 형성되고, 십자 방향으로 n-전극 가지부들이 형성된 경우에는 인접하는 n-전극층들간의 평균 거리가 발광 다이오드의 한 변 길이의 반이 되므로 전류밀도의 분포가 더욱 균일해진다.

도 14a는 등가 회로를 이용해 도 13a의 전극 구조에서 p-n 접합면으로 흐르는 전류의 분포를 등고선으로 나타낸 것이고, 도 14b는 도 14a에서 V-V' 단면의 전류 분포를 도시한 것이다.

도 14b에 나타낸 바와 같이, 제6 실시예에 따른 발광 다이오드(600)의 전류밀도 분포는 대칭적이고, 균일함을 확인할 수 있다. 즉, 발광 다이오드(600)의 중앙부, 즉 상기 n-전극층(620)에 근접하는 영역의 전류밀도는 정규화된 값인 1에 근접하고, 발광 다이오드의 가장자리 영역으로 이동할수록, 즉 상기 n-전극층(620)에서 멀어질수록 전류밀도가 0.939, 0.893, 0.831, 0.755 및 0.678로 순차적으로 감소한다. 여기서, 발광 다이오드의 계산된 총 발광 효율(S)은 65.4%이다.

<실시예 7>

도 15a는 본 발명의 제7 실시예에 따른 발광 다이오드의 전극 구조를 나타낸 평면도이고, 도 15b는 도 15a의 전극 구조에서 전류 분포를 나타낸 평면도이다. 특히, 발광 다이오드의 내측에 n-전극이 형성되고, 발광 다이오드의 가장자리 영역에 n-전극 패드부가 형성된 예이다.

도 15a를 참조하면, 제7 실시예에 따른 질화갈륨계 발광 다이오드(700)는 기판(미도시), n형 질화갈륨층(미도시), p형 질화갈륨층(미도시), n-전극층(720), p형 투명 전극층(730) 및 p-전극층(740)을 포함한다. 동작시, 상기 n-전극층(720)과 p-전극층(740)을 통해 전류를 흘리면 활성층(미도시)에서 전자-정공의 재결합이 일어나면서 광이 방출된다. 도면에서는 질화갈륨 완충층 및 활성층의 도시는 생략한다.

상기 n-전극층(720)은 상기 발광 다이오드(700)의 중앙부에 후박하게 형성된다. 상기 n-전극층(720)은 와이어 본딩을 위해 좌측 중앙부에 원형 형상으로 형성된 n-전극 패드부(722), 상기 n-전극 패드부(722)에서 3시 방향을 향해 연장된 수평 n-전극 가지부(724), 상기 수평 n-전극 가지부(724)의 종단에서 세로로 연장된 수직 n-전극 가지부(726), 상기 수직 n-전극 가지부(726)의 종단에서 각각 연장된 n-전극 종단부들(728)을 포함한다.

상기 p-전극층(740)은 가장자리 영역에 ㄷ-자 형태로 형성된 p-전극부(742) 및 와이어 본딩을 위해 원형 형상으로 형성된 p-전극 패드부(744)를 포함한다. 상기 p-전극부(742)는 상기 n-전극 종단부(728)와 평행하게 형성된다. 상기 p-전극 패드부(744)는 ㄷ-자 형태를 정의하는 발광 다이오드(600)의 3개의 변들중 가운데 변에 대응하는 영역에 형성된다.

이처럼, n-전극 패드부(722)와 p-전극 패드부(744)가 이격되어 있으므로 와이어 본딩이 용이하고, 와이어가 발광 다이오드(700)의 상부를 가리지 않으므로 방출되는 광이 차단되는 것을 방지할 수 있다.

도 15b에 나타낸 바와 같이, 제7 실시예에 따른 발광 다이오드(700)의 전류밀도 분포는 대칭적이고, 균일함을 확인할 수 있다. 여기서, 발광 다이오드의 계산된 총 발광 효율(S)은 66.7%이다.

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

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 (27)

1. 기판;

   상기 기판 위에 형성된 제1 질화갈륨층;

   상기 제1 질화갈륨층의 위에 형성된 제2 질화갈륨층;

   상기 제2 질화갈륨층 위에 전면적으로 형성된 투명 전극층;

   상기 제2 질화갈륨층의 가장자리 영역을 벗겨내어 상기 제1 질화갈륨층이 노출된 영역 위에 형성된 제1 전극; 및

   상기 제2 질화갈륨층 또는 상기 투명 전극층 위에 상기 제1 전극을 향해 신장된 제2 전극 가지부와, 상기 제2 전극 가지부 종단에 상기 제1 전극과 평행하게 형성된 제2 전극 종단부를 구비한 제2 전극을 포함하는 발광 소자.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 질화갈륨층은 n형 질화갈륨층이고, 상기 제2 질화갈륨층은 p형 질화갈륨층인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 질화갈륨층은 p형 질화갈륨층이고, 상기 제2 질화갈륨층은 n형 질화갈륨층인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
4. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극과 제2 전극 종단부간의 간격은 상기 발광 소자의 폭의 1/4 미만인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
5. 제1항에 있어서, 상기 제2 전극 종단부의 길이는 상기 발광 소자의 한 변 길이의 1/4 이상인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
6. 제1항에 있어서, 상기 제2 전극 가지부와 종단부의 폭은 5~20㎛인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
7. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극은,

   가장자리 영역에 폐루프 형태로 형성된 제1 전극부; 및

   상기 제1 전극부와 연결되면서 와이어 본딩을 위해 원형 형상으로 형성된 제1 전극 패드부를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
8. 제7항에 있어서, 상기 제1 전극 패드부는 사각 형상을 정의하는 제1 전극부의 꼭지점에 대응하는 영역 또는 일변에 대응하는 영역에 형성된 것을 특징으로 하는 발광 소자.
9. 제1항에 있어서, 상기 제2 전극은,

   와이어 본딩을 위해 중앙부에 원형 형상으로 형성된 제2 전극 패드부;

   상기 제2 전극 패드부에서 십자 형상으로 연장된 제2 전극 가지부; 및

   상기 제2 전극 가지부에서 상기 제1 전극과 평행한 방향으로 연장된 제2 전 극 종단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
10. 제1항에 있어서, 상기 제2 전극은,

    와이어 본딩을 위해 중앙부에 원형 형상으로 형성된 제2 전극 패드부;

    상기 제2 전극 패드부에서 x-자 형상으로 연장된 제2 전극 가지부; 및

    상기 제2 전극 가지부에서 상기 제1 전극과 평행한 방향으로 연장된 제2 전극 종단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
11. 제9항에 있어서, 상기 제2 전극 종단부는 서로 연결되어 폐루프를 정의하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
12. 제10항에 있어서, 상기 제2 전극 종단부는 서로 연결되어 폐루프를 정의하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
13. 제7항에 있어서, 상기 제1 전극은,

    상기 제1 전극부의 중앙부에서 내측 방향으로 연장된 제1 전극 가지부; 및

    상기 제1 전극 가지부의 종단에서 연장되면서 상기 제1 전극부와 평행한 제1 전극 종단부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
14. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극은,

    가장자리 영역에 ㄷ-자 형상의 개루프 형태로 형성된 제1 전극부; 및

    상기 제1 전극부와 연결되면서 와이어 본딩을 위해 원형 형상으로 형성된 제1 전극 패드부를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
15. 제13항에 있어서, 상기 제2 전극은,

    와이어 본딩을 위해 일측 중앙부에 원형 형상으로 형성된 제2 전극 패드부;

    상기 제2 전극 패드부에서 3시 방향을 향해 연장된 수평 제2 전극 가지부;

    상기 수평 제2 전극 가지부의 종단에서 세로로 연장된 수직 제2 전극 가지부; 및

    상기 수직 제2 전극 가지부의 종단에서 가로로 각각 연장된 제2 전극 종단부들을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제
21. 삭제
22. 삭제
23. 삭제
24. 삭제
25. 삭제
26. 기판;

    상기 기판 위에 형성된 제1 질화갈륨층;

    상기 제1 질화갈륨층 위에 형성된 제2 질화갈륨층;

    상기 제2 질화갈륨층 위에 전면적으로 형성된 투명 전극층;

    상기 제2 질화갈륨층 또는 상기 투명 전극층의 가장자리 영역 위에 형성된 제1 전극; 및

    상기 제2 질화갈륨층의 일부를 벗겨내어 상기 제1 질화갈륨층이 노출된 영역 위에 형성되고, 상기 제1 전극을 향해 신장된 제2 전극 가지부와, 상기 제2 전극 가지부 종단에 상기 제1 전극과 평행하게 형성된 제2 전극 종단부를 구비한 제2 전극을 포함하며,

    상기 제1 전극은 가장자리 영역에 ㄷ-자 형상의 개루프 형태로 형성된 제1 전극부, 및 상기 제1 전극부와 연결되면서 와이어 본딩을 위해 원형 형상으로 형성된 제1 전극 패드부를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
27. 제26항에 있어서, 상기 제2 전극은,

    와이어 본딩을 위해 일측 중앙부에 원형 형상으로 형성된 제2 전극 패드부;

    상기 제2 전극 패드부에서 3시 방향을 향해 연장된 수평 제2 전극 가지부;

    상기 수평 제2 전극 가지부의 종단에서 세로로 연장된 수직 제2 전극 가지부; 및

    상기 수직 제2 전극 가지부의 종단에서 각각 가로로 연장된 제2 전극 종단부들을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.

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