KR100723230B1 - 질화물 반도체 발광 다이오드 및 발광 다이오드 패키지 - Google Patents

질화물 반도체 발광 다이오드 및 발광 다이오드 패키지 Download PDF

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송상엽
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Abstract

질화물 반도체 발광 다이오드 및 이를 이용한 발광 다이오드 패키지를 제공한다. 본 발명의 따른 질화물 반도체 발광 다이오드는 원통형 구조를 갖는 기판과; 상기 원통형 기판의 외주면 상에 형성된 제1 도전형 반도체층과; 상기 제1 도전형 반도체층의 외주면 상에 형성된 활성층과; 상기 활성층의 외주면 상에 형성된 제2 도전형 반도체층을 포함한다.
질화물 반도체 발광 다이오드, LED, 광추출효율, 내부양자효율

Description

질화물 반도체 발광 다이오드 및 발광 다이오드 패키지{NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DIODE AND LIGHT EMITTING DIODE PACKAGE}
도 1과 도 2는 각각 종래의 질화물 반도체 발광 다이오드를 도시한 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 각각 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드를 도시한 사시도, 단면사시도 및 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드에서의 전자 이동을 나타내는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 발광 다이오드 패키지를 도시한 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
101: 기판 102: 제1 도전형 반도체층
103: 활성층 104: 제2 도전형 반도체층
105: 제1 전극 106: 제2 전극
108, 109: 리드프레임 110: 실장기판
본 발명은 질화물 반도체 발광 다이오드 및 이를 이용한 발광 다이오드 패키지에 관한 것으로서, 특히 원통형 구조를 갖는 고효율 질화물 반도체 발광 다이오드에 관한 것이며, 또한 상기 반도체 발광 다이오드의 전면을 봉지하는 구형상의 수지포장부를 갖는 발광 다이오드 패키지에 관한 것이다.
질화물 반도체 발광 다이오드는 고효율과 고 색재현성, 반영구적이라는 이유로 휴대폰, 카메라, LCD TV등에 사용되고 있다. 더 나아가 조명용으로까지 그 영역을 확대하기 위해 활발한 연구가 진행되고 있다. 조명용으로 사용되기 위해서는 조명효율이 80 Im/W(lumen/watt) 정도(형광등 기준)가 되어야하며, 이를 위해서는 질화물 반도체 발광 다이오드의 효율을 높일 필요가 있다. 질화물 반도체 발광 다이오드의 효율은 내부양자효율(IQE, Internal Quantum Efficiency)과 광추출효율(EXE, Extraction efficiency)로 구분된다.
내부양자효율은 에피택셜 측면 성장 (ELOG, Epitaxial lateral overgrowth)을 이용하여 에피택셜층의 결함등을 줄이거나 또는 활성층의 면적을 넓힘으로써 전자와 정공의 재조합(recombination) 확률을 높아지게 하여 향상시킬 수 있다. 내부양자효율을 높이기 위해 종래의 기술은 기판의 형상을 3차원으로 변형시키고 그 위 에 활성층을 성장시켜 그 면적을 증가시켰다. 이 경우 활성층의 면적이 증가하여 전자와 정공의 재조합 확률이 높아지게 되어 내부양자효율이 증가하게 된다. 그러나, 3차원으로 성장시키는 기술이 매우 어렵고 에피택셜의 품질을 보장할 수 없기 때문에 한계가 있다.
도 1은 종래의 반도체 발광다이오드의 일례를 나타내는 단면도이다. 도 1을 참조하면, 반도체 발광 다이오드(10)는 사파이어 기판(11) 상에 형성된 GaN층(13)과 그 위에 형성된 피라미드형의 3차원 구조를 갖는 발광 적층물(14)을 포함한다. 이러한 피라미드형 발광 적층물(14)은 피라미드형 n형 GaN층(17)을 얻도록 SiO2 등의 마스크(15)로 n형 GaN 결정을 선택적으로 성장시키고 그 위에 활성층(18) 및 p형 GaN층(19)을 성장시킴으로써 제조될 수 있다. 이와 같이 3차원 구조의 발광 적층물을 형성함으로써(특히, 3차원 구조의 활성층(19)을 형성함으로써), 칩 크기 변화 없이 발광다이오드 활성층(19)의 면적은 증대된다.
그러나, 상기한 선택적 성장을 통해 3차원 구조(예컨대, 피라미드형)의 발광 적층물을 형성하면, 성장된 3차원 구조의 크기(d)는 수㎛이하로 매우 작을 뿐만 아니라 피라미드의 꼭지점 부분(A)과 골 부분(B)에서 격자결함이 매우 심해지는 문제가 발생한다. 피라미드의 크기(d)가 매우 작기 때문에 꼭지점 부분(A)과 골부분의 격자결함은 다른 부분에 영향을 미치기가 쉽다. 이에 따라 발광 파장이 불균일해지 고 의도했던 파장을 구현하기가 어렵게 된다. 또한, 피라미드의 크기(d)가 너무 작아서, 꼭지점이나 골부분(A, B)에 발생된 격자결함으로 인한 악영향을 공정기술로 처리하기가 어렵다.
광추출효율은 소자 제조 공정과 패키지 공정을 통해 향상시킬 수 있다. 소자 제조 공정에서 발광 다이오드의 상면을 처리하거나 외곽의 모양을 변형시켜서 내부전반사를 줄어들게 하여 광추출효율을 높일 수 있다. 패키지 공정에서 고굴절률의 투명 수지포장부를 사용하여 질화물 반도체 발광 다이오드 내부와 외부의 굴절률 차이를 최소화함으로써 내부 전반사를 줄어들게 하여 광추출효율을 높일 수 있다. 또한 패키지 공정에서 고굴절률의 렌즈의 높이, 모양 등을 조절함으로써 질화물 반도체 발광 다이오드의 활성층에서 발생한 빛이 렌즈 면의 수직방향으로 입사하도록 하여 광추출효율을 높일 수 있다.
광추출효율을 높이기 위해, 종래의 기술은 고굴절 투명 수지포장부를 사용하였다. 이 경우 발광 다이오드의 기판과 외부의 굴절률 차이가 줄어들어 빛의 경로는 최소화된다. 이와 더불어, 외부와 맞닿은 방출면에 수직으로 빛이 입사되도록 반구형태의 렌즈를 사용하는 방법이 동시에 사용되었다. 그러나 현재 개발된 굴절률이 가장 큰 투명 수지도 굴절률이 1.54 이상을 넘지 못하고 있기 때문에 굴절률이 2.4인 GaN기판과는 굴절률 차이가 있어 내부 전반사되는 빛의 손실을 줄이는데 한계가 있다.
도 2은 종래의 질화물 반도체 발광 다이오드 패키지를 도시하는 단면도이다. 도 2를 참조하면, 질화물 반도체 발광 다이오드 패키지(20)는 GaN기판(21) 하면에 제1 도전형 반도체층(22), 활성층(23), 제2 도전형 반도체층(24), 반사층(25)이 순차적으로 적층된 발광 다이오드와 이 발광 다이오드를 봉지하는 수지포장부(26)를 가진다. 활성층(23)은 하나 이상의 양자우물층과 양자장벽층을 포함하며, 활성층(23)에서 전자(elecron)와 정공(hole)의 재결합(recombination)을 의해 빛이 발생한다. 수지포장부(26)는 위로 볼록한 곡면 구조를 형성함으로써, 활성층(23)에서 발생한 빛이 외부(대기)와 수지포장부(26)의 계면에 수직으로 방출되도록 하여 광추출 효율을 높인다.
이와 같은 구조를 갖는 종래의 질화물 반도체 발광 다이오드 패키지의 경우, GaN기판(21)의 굴절률(n1=2.4)이 수지포장부(26)의 굴절률(n2=1.54)에 비해 상대적으로 크므로 활성층(23)에서 발생하는 빛이 GaN기판(21)과 수지포장부(26)의 계면에 임계각보다 크게 입사할 때에는 전반사가 일어나게 되어 광추출효율이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 격자결함의 증가없이 넓은 활성층 면적과 높은 내부양자효율을 가질 뿐만 아니라 광추출효율이 보다 개선된 질화물 반도체 발광 다이오드 및 이를 구비한 발광 다이오드 패키지를 제공하는데 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드는, 원통형 구조를 갖는 기판과; 상기 원통형 기판의 외주면 상에 형성된 제1 도전형 반도체층과; 상기 제1 도전형 반도체층의 외주면 상에 형성된 활성층과; 상기 활성층의 외주면 상에 형성된 제2 도전형 반도체층을 포함한다. 상기 기판은 GaN기판 또는 실리콘 카바이드(SiC)기판이 사용될 수 있다.
상기 원통형 기판의 내부에 형성된, 바(bar)형상의 구조를 갖는 제1 전극; 및 상기 제2 도전형 반도체층의 외주면 상에 형성된 제2 전극을 더 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기 바형상의 구조를 갖는 제1 전극은 원통형 구조를 가질 수 있다. 상기 제2 전극은 상기 원통형 기판의 축 방향으로 연장된 복수의 라인부와 상기 복수의 라인부를 연결하는 환형부를 가질 수 있다. 상기 복수의 라인부는 서로 평행하게 같은 간격으로 배치되는 것이 바람직하다. 상기 제1 전극은 Ti/Al을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제2 전극은 Ni/Au을 포함할 수 있다.
바람직한 실시형태에 따르면, 상기 제1 도전형 반도체층은 n형 반도체이고, 상기 제2 도전형 반도체층은 p형 반도체이다.
본 발명에 따른 발광 다이오드 패키지는, 원통형 구조를 갖는 기판의 내부에 형성된 바형상의 제1 전극과 상기 기판의 외주면 상에 순차로 형성된 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층, 제2 전극을 포함하는 질화물 반도체 발광 다이오드와; 상기 질화물 반도체 발광 다이오드의 전면을 봉지하는 수지포장부와; 상기 질화물 반도체 발광 다이오드의 상기 제1 전극과 제2 전극에 각각 연결된 리드프레임과; 상기 리드프레임과 연결된 실장기판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 수지포장부는 구형일 수 있으며, 상기 질화물 반도체 발광 다이오드는 상기 실장기판과 이격되어 상기 리드프레임에 의해 연결될 수 있다.
본 명세서에서, '질화물 반도체'란, AlxGayIn(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 표현되는 2성분계(bianary), 3성분계(ternary) 또는 4성분계(quaternary) 화합물 반도체를 의미한다. 또한, '질화물 반도체 발광 소자'란, 발광 구조물을 구성하는 n형 및 p형 반도체층과, 활성층이 질화물 반도체로 되어 있다는 것을 의미한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평 균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드의 단면도 및 평면도이다. 도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드(100)는 중심부가 비어있는 원통형 기판(101)의 외주면 상에 제1 도전형 반도체층(102), 활성층(103), 제2 도전형 반도체층(104)이 순차적으로 형성되어 있다. 제1 전극(105)은 원통형 기판(101)의 중심에 바(bar)형, 더 구체적으로는 원통형상의 바형 구조로 형성되어 있다. 또한 제2 전극(106)은 상기 원통형 기판(101)의 축 방향으로 연장된 복수의 라인부(106a)와 상기 복수의 라인부(106a)를 연결하는 환형부(106b)를 가지며, 상기 복수의 라인부(106a)는 서로 평행하게 같은 간격으로 배치되어 있다.
상기 기판(101)은 투명하며 전기전도성이 있는 GaN기판이나 실리콘 카바이드(SiC)기판이 사용될 수 있다. GaN기판은 이 기판에 성장하는 질화물 반도체 물질과 결정구조가 동일하면서 격자정합을 이루어 질화물 반도체 물질의 성장이 용이하다. 상기 기판(101)은 원통형 구조를 형성한다.
상기 제1 도전형 반도체층(102)은 n 도핑된 질화물 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 제1 도전형 반도체층(102)의 도핑에 사용되는 불순물은 Si, Ge, Se, Te 또는 C 등이 있다. 제1 도전형 반도체층(102)은 기판(101)의 외주면 상에 형성된다.
상기 활성층(103)은 빛을 발광하기 위한 층으로서, 단일 또는 다중 양자우물를 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어, 활성층(103)은 InGaN 또는 GaN 등의 질화물 반도체층으로 구성된다. 활성층(103)에서는 전자와 정공의 재조합에 의해서 빛이 발생한다. 활성층의 면적이 넓을수록 전자와 정공의 재조합 확률이 증가하여 내부양자효율이 증가한다. 도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같이, 본 발명은 원통형 구조를 가지고 있어 원통의 높이가 윗면의 반지름의 1/2 이상이 되면 활성층의 넓이가 종래의 구조보다 넓게 된다. 종래의 하이 파워 칩(high power chip)은 통상적으로 1㎟의 활성층 영역을 가지고 있다. 따라서, 본 발명에 따른 원통형 질화물 반도체 발광 다이오드(100)의 높이가 300 ㎛ 이상이 되면 칩 크기의 증가없이 상기 원통형 발광 다이오드의 활성층의 면적이 종래의 하이 파워 칩의 활성층의 면적보다 더 크게 된다고 할 수 있다. 이에 따라, 활성층(103)에서 재조합되는 광양자의 수는 더욱 증가한다. 따라서, 격자결함의 증대 문제를 야기시키지 않고서도 내부양자효율이 높아지게 된다.
또한 활성층(103)에서 발생한 빛이 외부로 방출될 때 질화물 반도체 발광 다이오드(100)의 표면이 평면이 아닌 원통형이므로 제2 반도체층(104)과 외부(대기 또는 수지)와의 계면에서 전반사가 일어날 확률이 감소하게 된다. 따라서, 본 발명 은 종래의 수직구조나 수평구조의 발광 다이오드에 비해 광추출효율도 높다는 장점이 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(104)은 p 도핑된 질화물 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 제2 도전형 반도체층(104)의 도핑에 사용되는 불순물은 Mg, Zn, 또는 Be 등이 있다. 제2 도전형 반도체층(104)은 활성층(103)의 외주면 상에 형성된다.
제1 전극(105)은 원통형 기판(101)의 중심부를 에칭한 후 그 중심부에 바(bar) 형태로 형성될 수 있다. 바람직하게는 원통형 구조를 형성할 수 있다. 제1 전극(105)은 투명성이 있는 Ti/Al인 물질로 이루어질 수 있다.
제2 전극(106)은 제2 도전형 반도체층(104)의 외주면 상에 형성된다. 바람직하게는 제2 전극(106)은 상기 원통형 기판(101)의 축 방향으로 연장된 복수의 라인부(106a)와 상기 복수의 라인부(106a)를 연결하는 환형부(106b)를 갖는다. 상기 복수의 라인부(106a)는 제2 도전형 반도체층(104)의 외주면 상에 서로 평행하게 같은 간격으로 배치될 수 있다. 이에 따라 제1 전극(105)에서 나온 전자들은 제2 전극(106)의 라인부(106a)로 균일하게 분배되어 이동하게 되므로 전류분산 효과를 얻을 수 있다. 이와 더불어 전류의 흐름이 각 계면 상에 수직이 되므로 계면 상에서의 저항이 감소되어 동작전류에 대한 동작전압(Vf)이 줄어들게 된다.
또한, 제2 전극(106)의 복수의 라인부(106a)가 제2 도전형 반도체층(104)의 넓은 외주면 상에 형성되므로 종래 발광 다이오드의 전극보다 넓은 면적을 차지할 수 있다. 따라서, 질화물 반도체 발광 다이오드(100)를 동작하는데 필요한 동작전압(Vf)이 낮아지게 되어 소자 신뢰성과 발광 효율은 더욱 높아지게 된다.
제2 전극(106)의 재료는 제2 도전형 반도체층(104)과 오믹 접촉을 형성하면서도 우수한 접촉성을 갖는 것이 바람직하다. 또한 본 발명의 질화물 반도체 발광 다이오드(100)의 원통면에서 방출되는 빛을 효율적으로 이용하기 위해 제2 전극(106)은 투명도가 큰 금속재료가 사용되는 것이 바람직하다. 예를 들면, Ni/Au 과 같은 재료가 제2 전극(106)에 사용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광 다이오드에서의 전자 이동(A)을 나타내는 개념도이다. 전자가 제1 전극(105)에서 제2 전극(106)으로 이동하게 된다. 일반적으로 질화물 반도체 발광 다이오드에서 누설전류는 활성층과 반도체층의 계면에서 가장 크다. 본 발명의 원통형 질화물 반도체 발광 다이오드는 전류가 각 계면에서 수직으로 흐르기 때문에 누설전류가 적게 발생되므로 높은 발광 효율을 갖는다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 발광 다이오드 패키지(200)를 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 질화물 반도체 발광 다이오드(100)를 수지포장부(201)로 몰딩할 수 있다. 수지포장부(201)를 구형으로 형성함으로써 수지포장부(201)와 외부(대기)의 계면에서 발생하는 전반사를 억제하여 광추출효율을 높일 수 있다.
질화물 반도체 발광 다이오드(100)는 실장기판(110)과 이격되어 리드프레임(108, 109)으로 연결되어 있다. 즉, 리드프레임(108)은 제1 전극(105)과 실장기판(110)을 연결한다. 또한 다른 리드프레임(109)은 제2 전극(106) 중 라인부(106a)와 실장기판(110)을 연결한다.리드프레임은 전기전도도와 열 전도성이 좋은 금속재료, 예를 들면 Al이 사용될 수 있다. 실장기판(110)은 열전달이 좋은 금속재료가 사용되어 열방사판(heat sink)으로써의 역활도 할 수 있다.
도 5를 참조하면, 질화물 반도체 발광 다이오드(100)는 전면이 수지포장부(201)로 봉지되어 있으며 실장기판(110)과는 이격되어 리드프레임(108,109)으로 연결되어 있다. 따라서, 발광 다이오드(100)의 전체 면을 발광면으로 이용할 수 있어서 패키징시에 발광 다이오드의 한 면을 실장기판에 접착하는 종래의 발광 다이오드 패키지에 비해 높은 발광 효율을 얻을 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 원통형 구조를 형성함으로써 누설전류의 발생을 감소시키고 활성층에서 발생한 빛의 내부 전반사를 억제시킬 수 있다. 또한 활성층의 면적을 넓게 하여 전자와 정공의 재조합되는 확률을 증가시키고 이에 따라 내부양자효율을 증가시킬 수 있다. 또한 제2 전극은 제2 도전형 반도체층의 넓은 외주면 상에 형성되므로 그 면적이 넓어지게 되어 질화물 반도체 발광 다이오드의 동작전압이 감소하게 되고 발광 효율이 더욱 증가한다.

Claims (12)

  1. 원통형 구조를 갖는 기판;
    상기 원통형 기판의 외주면 상에 형성된 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층의 외주면 상에 형성된 활성층;
    상기 활성층의 외주면 상에 형성된 제2 도전형 반도체층을 포함하는 질화물 반도체 발광 다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 GaN기판 또는 실리콘 카바이드(SiC)기판인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 원통형 기판의 내부에 형성된, 바형상의 구조를 갖는 제1 전극; 및 상기 제2 도전형 반도체층의 외주면 상에 형성된 제2 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 바형상의 구조를 갖는 제1 전극은 원통형 구조를 갖는 제1 전극인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제2 전극은, 상기 원통형 기판의 축 방향으로 연장된 복수의 라인부와 상기 복수의 라인부를 연결하는 환형부를 갖는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 라인부는 서로 평행하게 같은 간격으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제1 전극은 Ti/Al을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 제2 전극은 Ni/Au을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층은 n형 반도체이고,
    상기 제2 도전형 반도체층은 p형 반도체인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광 다이오드.
  10. 원통형 구조를 갖는 기판의 내부에 형성된 바형상의 제1 전극과 상기 기판의 외주면 상에 순차로 형성된 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층, 제2 전극을 포함하는 질화물 반도체 발광 다이오드;
    상기 질화물 반도체 발광 다이오드의 전면을 봉지하는 수지포장부;
    상기 질화물 반도체 발광 다이오드의 상기 제1 전극과 제2 전극에 각각 연결된 리드프레임; 및
    상기 리드프레임과 연결된 실장기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 패키지.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 수지포장부는 구형인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 패키지.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 질화물 반도체 발광 다이오드는 상기 실장기판과 이격되어 상기 리드프레임에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드 패키지.
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