KR100721150B1 - 수직 구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수직 구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자에 관한 것으로서, n형 본딩 패드와, 상기 n형 본딩 패드 하면에 형성된 n형 전극과, 상기 n형 전극 하면에 n형 질화갈륨층과, 활성층 및 p형 질화갈륨층이 아래로 순차 적층되어 형성된 발광 구조물과, 상기 발광 구조물 하면에 형성된 p 형 전극 및 상기 p형 전극 하면에 형성된 구조지지층을 포함하고, 상기 발광 구조물은, 상기 발광 구조물의 최외각 변으로부터 상기 n형 전극과 소정 간격 이격되어 있으며 상기 발광 구조물의 활성층이 제거된 하나 이상의 트렌치를 가지는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자를 제공한다.
수직구조, LED, 트렌치, 전반사, 발광효율
Description
도 1은 종래 기술에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 구조를 나타낸 사시도.
도 2는 도 1의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 구조를 상세히 나타낸 평면도.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ'선을 따라 잘라 도시한 도면으로서, 종래 기술에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 구조를 상세히 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 구조를 나타낸 사시도.
도 5는 도 4의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 구조를 상세히 나타낸 평면도.
도 6은 도 5에 도시된 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 Ⅵ-Ⅵ'선을 따라 잘라 나타낸 단면도.
도 7은 도 5에 도시된 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 Ⅶ-Ⅶ'선을 따라 잘라 나타낸 단면도.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 구조 를 나타낸 사시도.
도 9는 도 8의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 구조를 상세히 나타낸 평면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : n형 본딩 패드 120 : n형 전극
130 : n형 질화갈륨층 140 : 활성층
150 : p형 질화갈륨층 160 : p형 전극
170 : 구조지지층 200 : 트렌치
본 발명은 수직 구조(수직전극형) 질화갈륨계(GaN) 발광 다이오드(Light Emitting Diode; 이하, 'LED'라 칭함) 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 활성층에서 생성된 광자의 손실을 최소화하여 광 추출 효율을 높여 외부양자효율을 증대시킬 수 있는 수직 구조 질화갈륨계 LED 소자에 관한 것이다.
일반적으로 질화갈륨계 LED는 사파이어 기판 상에 성장하지만, 이러한 사파이어 기판은 단단하고 전기적으로 부도체이며 열전도 특성이 좋지 않아 질화갈륨계 LED의 크기를 줄여 제조원가를 절감하거나, 광출력 및 칩의 특성을 개선시키는데 한계가 있다. 특히, LED의 고출력화를 위해서는 대전류 인가가 필수이기 때문에 LED의 열 방출 문제를 해결하는 것이 중요하다. 이러한 문제를 해결하기 위한 수단으로, 종래에는 레이저 리프트 오프(Laser Lift-Off: LLO; 이하, 'LLO' 라 칭함)를 이용하여 사파이어 기판을 제거한 수직구조 질화갈륨계 LED 소자가 제안되었다.
그러나, 종래의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자에 있어서, 활성층에서 생성된 광자가 LED 외부로 방출되는 효율(이하, '외부양자효율'이라 칭함)이 저하되는 문제점이 있었다.
그러면, 이하 도 1 내지 도 3을 참조하여 종래 기술에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 문제점에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 구조를 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 구조를 상세히 나타낸 평면도이고, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ'선을 따라 잘라 도시한 도면으로서, 종래 기술에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 구조를 상세히 나타낸 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 종래 기술에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자는, n형 본딩 패드(110)와, 상기 n형 본딩 패드(110) 하면에 형성된 n형 전극(120)과, 상기 n형 전극(120) 하면에 형성된 n형 질화갈륨층(130)과, 상기 n형 질화갈륨층(130) 하면에 형성된 활성층(140)과, 상기 활성층(150) 하면에 형성된 p형 질화갈륨층(150)과, 상기 p형 질화갈륨층(150) 하면에 형성된 p형 전극(160) 및 상기 p형 전극(160) 하면에 형성된 구조지지층(170)을 포함하여 이루어진다.
이때, 상기 n형 전극(120)과 상기 p형 전극(160)은 전극 역할뿐만 아니라 반사 역할까지 가능하도록 반사율이 높은 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다.
한편, 종래 기술에 따른 수직 구조 질화갈륨계 LED 소자는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 활성층(130)에서 생성된 광자가 발광면으로 바로 방출되거나, 상기 활성층(130) 하부에 위치하여 반사 역할을 하는 p형 전극(160)에 의해 발광면으로 전반사되어 방출된다.
그러나, 상기와 같이, 상기 p형 전극(160)을 통해 발광면으로 전반사 시, 전반사 과정에서 활성층에서 생성된 광의 손실이 발생하는 문제가 있다. 보다 상세하게, 종래 기술에 따른 수직 구조 질화갈륨계 LED 소자는 활성층에서 생성된 광이 발광면으로 방출되는 경로에 있어서, 수직방향에 비해 수평 방향의 경로가 더 길기 때문에, 소자의 측면으로 방출되는 광자는 상기 p형 전극과 발광면 사이에서 전반사되는 동안 소자 내부에 흡수 또는 산란되어 거의 대부분이 손실된다.
다시 말해서, 종래 기술에 따른 수직 구조 질화갈륨계 LED 소자는 상기 활성층과 p형 및 n형 질화갈륨층의 수평 경로가 길기 때문에, 측면으로 광이 방출되는 임계각(α)이 작아 상기 p형 전극과 발광면 사이에서 전반사에 의한 광자의 손실이 불가피하여 외부양자효율이 낮아지는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 활성층에서 생성된 광자가 측면으로 방출하는 수평 경로를 단축하여 p형 전극과 발광면 사 이에서 광자의 전반사 횟수를 감소시키고, 임계각을 크게 하여 외부양자효율의 개선효과를 극대화하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 n형 본딩 패드와, 상기 n형 본딩 패드 하면에 형성된 n형 전극과, 상기 n형 전극 하면에 n형 질화갈륨층과, 활성층 및 p형 질화갈륨층이 아래로 순차 적층되어 형성된 발광 구조물과, 상기 발광 구조물 하면에 형성된 p형 전극 및 상기 p형 전극 하면에 형성된 구조지지층을 포함하고, 상기 발광 구조물은, 상기 발광 구조물의 최외각 변으로부터 상기 n형 전극과 소정 간격 이격되어 있으며, 상기 발광 구조물의 활성층이 제거된 하나 이상의 트렌치를 가지는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자를 제공한다.
또한, 상기 본 발명의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자에서, 상기 n형 전극은, 상기 트렌치에 인접하는 상기 발광 구조물 상에 트렌치와 중첩하지 않는 방향으로 뻗어 있는 하나 이상의 n형 가지 전극을 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 n형 가지 전극은, 상기 트렌치로 인해 발광 구조물의 끝단부에 전류의 확산 효율이 떨어지는 것을 보완하는 역할을 한다.
또한, 상기 본 발명의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자에서, 상기 발광 구조물이 두 개 이상의 트렌치를 가지는 경우, 전류 확산 효율을 향상시키기 위하여 상기 n형 전극을 중심으로 서로 인접하는 트렌치를 균일한 간격만큼 이격되게 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 본 발명의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자에서, 상기 트렌치는, 상기 발광 구조물의 n형 질화갈륨층과 활성층이 메사 식각되어 형성되거나, 상기 발광 구조물의 n형 질화갈륨층과 활성층 및 p형 질화갈륨층이 메사 식각되어 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 본 발명의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자에서, 상기 n형 전극 및 상기 p형 전극은, 반사성 도전체로 이루어지거나, 투명 전극 및 반사 전극이 순차 적층된 구조로 이루어지는 것이 바람직하다.
이하 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 병기하였다.
이제 본 발명의 일 실시예에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
실시예
1
우선, 도 4 내지 도 7을 참고하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자에 대하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 구조를 나타낸 사시도이고, 도 5는 도 4의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 구조를 상세히 나타낸 평면도이고, 도 6은 도 5에 도시된 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 Ⅵ-Ⅵ'선을 따라 잘라 나타낸 단면도이며, 도 7은 도 5에 도시된 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 Ⅶ-Ⅶ'선을 따라 잘라 나타낸 단면도이다.
도 4 내지 도 7을 참고하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 최상부에는 외부 소자와 전기적으로 연결하기 위한 n형 본딩 패드(110)가 형성되어 있다.
상기 n형 본딩 패드(110)의 하면에는 광 효율을 향상시키기 위한 n형 전극(120)이 형성되어 있다. 특히, 본 실시예에 따른 n형 전극(120)은, 도 5에 도시한 바와 같이 그로부터 뻗어 있는 하나 이상의 n형 가지 전극(120a)을 더 포함하고 있다. 상기 n형 가지 전극(120a)은, 후술하는 트렌치(200)와 중첩하지 않는 방향으로 뻗어 있는 것이 바람직하며, 이는 상기 트렌치(200)로 인해 발광 구조물의 끝단부에 전류의 확산 효율이 떨어지는 것을 보완하는 역할을 한다.
또한, 상기 n형 전극(120)은, 전극 역할 및 반사 역할을 동시에 하는 것이 바람직하며, 이에 따라, 본 실시예에서는 반사성 도전체로 형성되거나, 투명 전극 및 반사 전극이 순차 적층된 구조(도시하지 않음)로 형성될 수 있다.
상기 n형 전극(120) 하면에는 n형 질화갈륨층(130)과, 활성층(140) 및 p형 질화갈륨층(150)이 아래로 순차 적층되어 발광 구조물을 이룬다.
이때, 상기 발광 구조물 중 상기 n형 질화갈륨층(130)은 n형 불순물이 도핑 된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 형성될 수 있고, 상기 활성층(140)은 InGaN/GaN층으로 구성된 다중양자우물 구조(Multi-Quantum Well)로 형성될 수 있으며, 상기 p형 질화갈륨층(150)은 상기 n형 질화갈륨층(130)과 마찬가지로 p형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 형성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 상기 발광 구조물은, 내부에 상기 활성층(140)에서 생성된 광자의 수평 경로를 단축시키기 위하여 상기 발광 구조물의 최외각 변으로부터 상기 n형 전극(120)과 소정 간격 이격되어 있으며 상기 발광 구조물의 활성층(140)이 제거된 하나 이상의 트렌치(200)를 가진다. 이때, 상기 발광 구조물의 활성층(140)이 제거된 트렌치(200)는, 상기 발광 구조물의 n형 질화갈륨층(130)과 활성층(140)이 메사(mesa) 식각되어 형성되거나, 상기 발광 구조물의 n형 질화갈륨층(130)과 활성층(140) 및 p형 질화갈륨층(150)이 메사 식각되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 발광 구조물이 두 개 이상의 트렌치(200)를 가지는 경우, 전류 확산 효율을 향상시키기 위하여 상기 n형 전극(120)을 중심으로 인접하는 트렌치(200) 간에 서로 균일한 간격만큼 이격되게 배치하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 5에 도시한 바와 같이, 두 개의 트렌치(200)를 가지는 경우에는, 상기 n형 전극(120)을 중심으로 양측에 대응되도록 트렌치(200)를 각각 배치하여 전류 확산 효율을 향상시키는 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 실시예에 따르면, 상기 발광 구조물은 내부에 형성된 트렌치(200)를 통해 활성층에서 생성된 광자가 측면으로 발광하기 위한 수평 경로가 종래 기술에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 수평 경로(도 3 참조)에 비해 트렌치 (200)의 폭만큼 단축된다. 따라서, 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 수평 경로를 통해 측면으로 발광하는 광자의 전반사 횟수는 종래 기술에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 전반사 횟수에 비해 더욱 감소시키고, 임계각(β) 또한 종래 기술에 따른 임계각(α)에 비해 더욱 크게 하여 측면으로 발광하는 광자의 외부양자효율을 극대화할 수 있는 이점이 있다.
한편, 본 실시예에서는 상기 트렌치(200)를 통해 상기 발광 구조물의 내부 측벽 전부, 즉, n형 질화갈륨층(130), 활성층(140) 및 p형 질화갈륨층(150)의 측벽을 전부 드러내고 있으나, 이는 반드시 이에 한정되는 것이 아니고 상기 발광 구조물 중 최소 n형 질화갈륨층(130)과 활성층(140)의 측벽만이 드러나도록 상기 트렌치(200)를 형성하는 것이 가능하다.
상기 발광 구조물의 p형 질화갈륨층(150) 하면에는 p형 전극(160)이 형성되어 있다. 이때, 상기 p형 전극(160)은, 상기 n형 전극(120)과 마찬가지로, 전극 역할 및 반사 역할을 동시에 하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 실시예에서는 반사성 도전체로 형성되거나, 투명 전극 및 반사 전극이 순차 적층된 구조(도시하지 않음)로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 p형 전극(160) 하면에는 실리콘(Si) 기판으로 이루어진 구조지지층(170)이 형성되어 있다.
한편, 본 실시예에서는 상기 구조지지층(170)으로 실리콘 기판을 설명하고 있으나, 이는 이에 한정되지 않으며, 상기 구조지지층은 최종적인 LED 소자의 지지층 및 전극으로서의 역할을 수행하는 것으로서, GaAs 기판, Ge 기판, 도금층 또는 금속층 등으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 금속층은, 열증착(Thermal evaporator), 전자선증착(e-beam evaporator), 스퍼터(Sputter), 화학기상증착(CVD) 등의 방식을 통하여 형성된 것이 사용가능하다.
실시예
2
도 8 및 도 9를 참고로, 본 발명의 제2 실시예에 대해 설명하기로 한다. 다만, 제2 실시예의 구성 중 제1 실시예와 동일한 부분에 대한 설명은 생략하고, 제2 실시예에서 달라지는 구성에 대해서만 상술하기로 한다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 구조를 나타낸 사시도이고, 도 9는 도 8의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 구조를 상세히 나타낸 평면도이다.
도 8 및 도 9를 참고하면, 제2 실시예에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자는 제1 실시예에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자와 대부분의 구성이 동일하고, 다만, 발광 구조물 내에 그의 내부 측벽을 드러내는 트렌치(200)가 n형 전극(120)을 중심으로 양측 대응되도록 2개가 아닌, 4개가 형성되어 있다는 점과 이에 맞춰서 전류확산효율을 증가시키기 위해 n형 전극(120)으로부터 상기 트렌치(200)와 중첩하지 않는 방향으로 뻗어 있는 n형 가지전극(120a)이 4개 형성되어 있다는 점에서만 제1 실시예와 다르다.
따라서, 제2 실시예 또한, 제1 실시예와 마찬가지로, 접착층과 투명층을 포 함하고 있기 때문에 제1 실시예서와 동일한 작용 및 효과를 얻을 수 있다.
또한, 제2 실시예는, 발광 구조물 내에 각 변에 대응하게 즉, 4개의 트렌치가 형성되어 있으므로 활성층에서 생성된 광자가 측면으로 방출되는 수평 경로를 제1 실시예에 비해 발광 구조물의 어느 변에서라도 단축시킬 수 있으므로 외부양자효율을 더욱 극대화시킬 수 있는 이점이 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 발광 구조물 내에 형성된 트렌치를 통해 활성층에서 생성된 광자가 측면으로 방출하는 수평 경로를 단축함으로써, p형 전극과 발광면 사이에서 광자의 전반사 횟수를 감소시키고, 임계각을 크게 하여 광 방출 특성을 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명은 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 외부양자효율을 극대화하여 휘도를 향상시킬 수 있다.
Claims (7)
- n형 본딩 패드;상기 n형 본딩 패드 하면에 형성된 n형 전극;상기 n형 전극 하면에 n형 질화갈륨층과, 활성층 및 p형 질화갈륨층이 아래로 순차 적층되어 형성된 발광 구조물;상기 발광 구조물 하면에 형성된 p형 전극; 및상기 p형 전극 하면에 형성된 구조지지층;을 포함하고,상기 발광 구조물은, 상기 발광 구조물의 최외각 변으로부터 상기 n형 전극과 소정 간격 이격되어 있으며 상기 발광 구조물의 활성층이 제거된 하나 이상의 트렌치를 가지는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자.
- 제1항에 있어서,상기 n형 전극은, 상기 트렌치에 인접하는 상기 발광 구조물 상에 트렌치와 중첩하지 않는 방향으로 뻗어 있는 하나 이상의 n형 가지 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자.
- 제1항에 있어서,상기 발광 구조물이 두 개 이상의 트렌치를 가지는 경우, 상기 n형 전극을 중심으로 서로 인접하는 트렌치를 균일한 간격만큼 이격되게 배치된 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자.
- 제1항에 있어서,상기 트렌치는, 상기 발광 구조물의 n형 질화갈륨층과 활성층이 메사 식각되어 형성된 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자.
- 제1항에 있어서,상기 트렌치는, 상기 발광 구조물의 n형 질화갈륨층과 활성층 및 p형 질화갈륨층이 메사 식각되어 형성된 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자.
- 제1항에 있어서,상기 n형 전극 및 상기 p형 전극은, 반사성 도전체로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자.
- 제1항에 있어서,상기 n형 전극 또는 상기 p형 전극은, 투명 전극 및 반사 전극이 순차 적층된 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자.
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