KR100732921B1 - 발광 다이오드의 전극 구조 - Google Patents

Abstract

발광 다이오드의 전극구조가 개시된다. 본 발명에 따른 발광 다이오드의 전극구조는 폐 루프 형태의 n-전극에서 가지가 뻗어 나와 발광 다이오드를 소정 영역으로 균등분하는 형태를 가진다. 또한, n-전극과 n-전극 사이에는 투명 전극이 형성되며, n-전극과 n-전극 사이의 가운데 부분에 p-전극이 형성된다. 이로써, 발광 다이오드 전극구조는 등가 회로 분석으로 p-n 접합부로 흐르는 전류가 n-전극에 몰리는 현상을 최소화함으로써 발광 다이오드의 발광 특성을 개선할 수 있게 된다.

발광 다이오드, 전극 구조, 전류 분포, 질화 갈륨

Description

발광 다이오드의 전극 구조{Electrodes structure of light emitting device}

도 1은 일반적인 질화 갈륨계 발광 다이오드의 구조를 나타낸 도면,

도 2는 도 1의 질화 갈륨계 발광 다이오드의 등가회로를 나타낸 도면,

도 3은 n-전극과 p-전극이 서로 가깝도록 등간격으로 배치된 경우의 등가회로를 나타낸 도면,

도 4는 도 2 및 도 3의 경우에 대한 각각의 전류분포를 나타낸 도면,

도 5는 일반적인 발광 다이오드의 전극구조를 나타낸 도면으로서, 도 5a는 평면도, 그리고 도 5b는 A-A' 단면도,

도 6은 2차원 평면 전극을 분석하기 위한 저항-다이오드 등가회로,

도 7a는 도 5a의 A-A' 단면에 대한 전류 밀도 분포를 나타낸 도면, 그리고 도 7b는 도 5a의 B-B' 단면에 대한 전류 밀도 분포를 나타낸 도면,

도 8은 본 발명에 따른 발광 다이오드 전극구조의 실시 예를 나타낸 도면으로서, 도 8a는 평면도, 그리고 도 8b는 C-C' 단면도,

도 9는 도 8a의 평면에 대한 전류 밀도 분포를 나타낸 도면,

도 10a는 도 8a의 C-C' 단면에 대한 전류 밀도 분포를 나타낸 도면, 그리고 도 10b는 도 8a의 D-D' 단면에 대한 전류 밀도 분포를 나타낸 도면,

도 11은 본 발명에 따른 발광 다이오드 전극구조의 다른 실시 예를 나타낸 도면으로서, 도 11a는 평면도, 그리고 도 11b는 E-E' 단면도,

도 12는 도 11a의 평면에 대한 전류 밀도 분포를 나타낸 도면,

도 13a는 도 11a의 E-E' 단면에 대한 전류 밀도 분포를 나타낸 도면, 그리고 도 13b는 도 11a의 F-F' 단면에 대한 전류 밀도 분포를 나타낸 도면,

도 14는 본 발명에 따른 발광 다이오드 전극구조의 또 다른 실시 예를 나타낸 도면으로서, 도 14a는 평면도, 그리고 도 14b는 G-G' 단면도,

도 15는 도 14a의 평면에 대한 전류 밀도 분포를 나타낸 도면,

도 16a는 도 14a의 G-G' 단면에 대한 전류 밀도 분포를 나타낸 도면, 그리고 도 14b는 H-H' 단면에 대한 전류 밀도 분포를 나타낸 도면이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

11 : 기판 13 : n형 질화 갈륨층

15 : 활성층 17 : p형 질화 갈륨층

19 : 투명전극 21 : n-전극

23 : p-전극 25 : n 전극용 패드

27 : p 전극용 패드

본 발명은 발광 다이오드의 전극구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 균 일한 전류 분포를 유도하여 고출력 및 고휘도를 구현할 수 있는 발광 다이오드의 전극구조에 관한 것이다.

발광 다이오드의 고휘도를 구현하기 위해서는 몇 가지 기술적인 문제가 있는데, 그 중에 하나가 전류 분포의 불균일성이다. 특히 청색의 광원으로 가장 널리 사용되는 질화 갈륨계 발광 다이오드는 전극의 구조상 전류 분포의 불균일성이 다른 발광 다이오드에 비해 높다. 이는 소자 표면에서 발광세기와 파장의 균일도가 떨어짐을 의미한다.

전자 정공의 농도가 상대적으로 높은 부분에서 전자 정공의 결합에 의한 발광의 세기가 크고 band filling 현상에 의하여 파장이 짧아지며, 전자 정공의 농도가 상대적으로 낮은 부분에서 전자 정공의 결합에 의한 발광의 세기가 작고 파장이 상대적으로 짧아지게 된다. 전자 정공의 농도가 상대적으로 높은 부분에서 생성된 파장이 짧은 빛은, 발광 파장이 상대적으로 낮은 저 전류 밀도 지역으로 일부 흡수가 되어, 소자의 발광 내부양자 효율을 저하시킨다.

도 1은 일반적인 질화 갈륨계 발광 다이오드의 구조를 나타낸 도면이다. 도면을 참조하면, 발광 다이오드는 사파이어 기판(11), n형 질화 갈륨층(13), 활성층(active layer)(15), p형 질화 갈륨층(17), 투명 전극(19), n-전극(21), 및 p-전극(23)으로 구성되어 있다.

발광 다이오드의 제조 공정은, 사파이어 기판(11) 위에 질화 갈륨 박막을 성장시키기 위해 보통 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 장치를 이용한다. 먼저 사파이어 기판(11) 위에 질화 갈륨층의 성장을 돕기 위한 완충층 (buffer layer)을 형성하고 n형 질화 갈륨층(13), 활성층(active layer)(15), 및 p형 질화 갈륨층(17)을 차례대로 성장시킨다. n-전극(21)과 p-전극(23)을 통해 전류를 흘리면 활성층(15)에서 전자와 홀의 재결합이 일어나면서 빛이 방출된다.

일반적인 다이오드는 p-n 접합으로 전류를 흘리기 위해 p층 상부와 n층과 연결된 기판 하부에 전극을 형성하지만 질화 갈륨계 다이오드의 기판으로 사용되는 사파이어는 절연체이므로 전기가 통하지 않아 사파이어 기판(11)에 전극을 형성할 수 없다. 따라서 n형 질화 갈륨층(13)에 직접 전극을 형성해야 한다. 이를 위해 전극이 형성될 부분의 p형 질화 갈륨층(17)을 식각해 제거하고 드러난 n층 위에 n-전극(21)을 형성한다. p-n 접합부에서 빛이 나오기 때문에 전극에 의해 빛이 가려지지 않도록 p-전극(23)은 p층의 모서리에 형성한다.

이와 같이 n-전극(21)과 p-전극(23)이 모두 상부에 위치한 경우 n-전극(21)과 p-전극(23)이 서로 다른 면에 평행하게 위치한 일반적인 다이오드 구조에 비해 전류 분포가 균일하지 못하다는 단점이 있다. 또한, 일반적으로 p형 질화 갈륨층(17)은 n형 질화 갈륨층(13)에 비해 저항이 커서 p형 질화 갈륨층(17) 전체로 전류가 균일하게 흐르기가 더욱 어렵다. 이를 막기 위해 p형 질화 갈륨층(17) 상부 전면에 얇은 투명 전극(19)을 형성하여 p형 질화 갈륨층(17) 전면으로 전류가 전달될 수 있도록 한다. 하지만 투명 전극(19)은 빛이 투과될 수 있도록 하기 위해 약 10 나노미터 두께의 매우 얇은 금속 박막으로 형성되므로 저항이 높아 p층 전면으로 전류가 골고루 전달하는데 한계가 있다. 또한 p형 질화 갈륨층(17)과의 접촉 저항도 높아 다이오드 특성이 저하되며 열을 발생시키는 요인이 되기도 한다. 투명 전 극(19)의 두께를 두껍게 하여 저항을 낮출 수 있지만 이 경우 전극에 의한 빛의 흡수와 반사율이 높아져 빛이 외부로 방출되기 어려워진다.

저항이 큰 투명 전극(19) 대신에 ITO(Indium-Tin-Oxide)를 사용하기도 한다. ITO는 투명하기 때문에 200 나노미터 이상 두껍게 형성해도 되므로 저항이 낮아 투명 전극에 비해 전류를 잘 전달하고 다이오드의 전기적 특성도 비교적 뛰어나다. 하지만 n형 질화 갈륨층(13)과의 저항 차이에 의해 n-전극 부위에 전류가 몰리는 전류 몰림(current crowding) 현상이 발생할 수 있다. 전류 몰림 현상은 다이오드 전면에 걸쳐 전류가 고르게 분포하지 못하고 국부적으로 몰리는 현상을 말하는데, ITO의 저항과 n형 질화 갈륨층(13) 사이의 저항 차가 클수록 크게 일어난다.

도 2는 도 1의 질화 갈륨계 발광 다이오드의 등가회로를 나타낸 도면이다. Guo 등이 Applied Physics Letters Vol. 78, 3337 페이지에 발표한 논문과 김현수 등이 Applied Physics Letters Vol. 81, 1326 페이지에 발표한 논문에 따르면 도 1의 질화 갈륨계 발광 다이오드는, 도 2에 도시된 바와 같이 저항과 다이오드로 구성된 등가 회로로 해석할 수 있다. 여기서, Rt는 p-투명 전극(19) 또는 ITO를 흐르는 전류가 느끼는 저항으로서, p-투명 전극(19)의 비저항에 비례하고 p-투명 전극(19)의 두께에 반비례한다. 또한, Rv는 p-n 접합면(15)을 통과하는 전류가 느끼는 저항으로서, p-투명 전극(19)과 p형 질화 갈륨층(17) 사이의 접촉 저항과 p 질화 갈륨층(17)의 비저항에 비례하고 p 질화 갈륨층(17)의 두께에 비례한다. 또한, Rn은 n형 질화 갈륨층(13)을 흐르는 전류가 느끼는 저항으로서, n형 질화 갈륨층(13)의 비저항에 비례하고 n형 질화 갈륨층(13)의 두께에 반비례한다.

도면을 참조하면, 전류가 p-전극(23)에서 n-전극(23)까지 흐를 수 있는 방법은 크게 두 가지로 볼 수 있다. 경로1(Path 1)은 p-전극(23)으로부터 p-투명전극(19)을 통해 n-전극(21) 근처까지 전류가 흐르고 n-전극(21) 근처에서 다이오드의 p-n 접합부(15)를 통해 전류가 흐른 뒤 n-전극(21)에 도달하는 방법이고, 경로2(Path 2)는 n-전극(21)에서 멀리 떨어진 p-n 접합부(15)를 통해 전류가 흐른 뒤 n형 질화 갈륨층(13)을 따라 흘러 n-전극(21)에 도달하는 방법이다. 보통 p-투명 전극(19)의 저항이 n형 질화 갈륨층(13)의 저항 보다 작은 경우 n형 질화 갈륨층(13)을 통해 전류가 흐르기가 쉽지 않다. 이 경우, 전류는 경로 2 보다는 경로 1로 흐르는 경향이 더 크다. 이와 같은 해석에 따라 n-전극(21)에서 먼 곳보다는 n-전극(21)과 가까운 곳에서 p-n 접합면(15)으로 흐르는 전류의 양이 많을 것으로 예상할 수 있다. 이와 같이 다이오드 전면에 걸쳐 전류가 고르게 분포하지 못하고 국부적으로 몰리는 전류 몰림 현상이 발생하게 된다. 이는 소자표면에서 발광 세기와 파장의 균일도가 떨어짐을 의미한다.

전자-정공의 농도가 상대적으로 높은 부분에서 전자-정공 결합에 의한 발광의 세기가 크고 band filling현상에 의하여 파장이 짧아지며, 전자-정공의 농도가 상대적으로 낮은 부분에서는 전자-정공 결합에 의한 발광의 세기가 작고 파장이 상대적으로 길어지게 된다. 전자-정공의 농도가 상대적으로 높은 부분에서 생성된 파장이 짧은 빛은, 발광 파장이 상대적으로 낮은 저 전류 밀도 지역으로 일부 흡수가 되어, 소자의 발광 내부양자효율을 저하시킨다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 균일한 전류 분포를 유도하여 고출력 및 고휘도를 구현할 수 있는 발광 다이오드의 전극구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 발광 다이오드 전극구조의 실시 예는, 발광 다이오드의 외곽을 따라 폐루프를 이루고, 상기 폐루프의 서로 대향되는 양측에서 내측을 향해 뻗어 나온 복수의 가지를 구비하며, 상기 발광 다이오드를 소정 개수의 영역으로 균등분하는 형태를 이루는 n-전극; 상기 n-전극과 n-전극의 사이에 상기 폐루프의 내부를 채워 형성된 투명전극; 및 상기 n-전극과 n-전극 사이의 가운데 부분에 선상으로 연장되어 형성된 p-전극을 포함하며, 상기 p-전극은 상기 폐루프의 양측으로부터 뻗어 나온 가지 사이의 중앙선을 따라 각각이 서로 연결된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 n-전극은 상기 폐루프의 서로 대향되는 양측에서 각각 두 개의 가지가 뻗어 나오며, 상기 발광 다이오드를 3등분하는 형태로 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 n-전극과 n-전극 사이에 형성된 상기 p-전극은, 상기 폐루프로부터 뻗어 나온 각각의 가지와 평행하게 형성되는 것이 바람직하다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 발광 다이오드 전극구조의 다 른 실시 예는, 발광 다이오드의 외곽을 따라 폐루프를 이루고, 상기 폐루프의 일측에서 대향되는 측을 향해 뻗어 나온 적어도 하나의 가지를 구비하며, 상기 발광 다이오드를 소정 개수의 영역으로 균등분하는 형태를 이루는 n-전극; 상기 n-전극과 n-전극의 사이에 상기 폐루프의 내부를 채워 형성된 투명전극; 및 상기 n-전극과 n-전극 사이의 가운데 부분에 선상으로 연장되어 형성된 p-전극을 포함하며, 상기 n-전극은 상기 가지와 수직방향으로 뻗어 나온 복수의 제2의 가지를 구비한 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 n-전극은 상기 폐루프의 일측 중앙에서 하나의 가지가 뻗어 나오며, 상기 발광 다이오드를 이등분하는 형태로 형성될 수 있다.

또는, 상기 n-전극은 상기 폐루프의 일측에서 두 개의 가지가 뻗어 나오며, 상기 발광 다이오드를 3등분하는 형태로 형성될 수도 있다.

또한, 상기 제2의 가지는 상기 가지와 수직인 방향으로 상기 발광 다이오드를 3등분하는 형태로 뻗어 나오는 것이 바람직하다.

또한, 상기 발광 다이오드를 3등분하는 형태의 각각의 상기 제2 가지는, 방향이 서로 반대로 뻗어 나오는 것이 바람직하다.

또한, 상기 p-전극은 상기 n-전극과의 거리가 일정하도록 연장되어 형성되는 것이 바람직하다.

이로써, 발광 다이오드의 p-n 접합부로 흐르는 전류가 n-전극에 몰리는 현상을 최소화할 수 있게 되어 결과적으로 발광 다이오드의 고출력 및 고휘도를 구현할 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 발광 다이오드의 전극구조를 상세하게 설명한다.

도 1과 같은 일반적인 질화 갈륨계 발광 다이오드의 구조에서, p-투명 전극(19)은 빛이 잘 투과될 수 있게 하기 위해 매우 얇게 형성되는 것이 바람직하다. 이 경우 p-투명 전극(19)의 저항이 급격히 증가하여 n형 질화 갈륨층(13)의 저항보다 더 커질 수 있다. p-투명 전극(19)의 저항이 n형 질화 갈륨층(13)의 저항보다 커지게 되면, n-전극(21)에서 멀리 떨어질수록 p-n 접합면(15)을 흐르는 전류의 양이 더 커지게 된다.

만일 p-투명 전극(19)의 저항과 n형 질화 갈륨층(13)의 저항이 같아지면 도 2의 경로 1로 흐르는 전류가 느끼는 저항이나 경로 2로 흐르는 전류가 느끼는 저항이 동일해지므로 전 영역에 걸쳐 균일하게 p-n 접합면으로 전류가 흐르며 전류 몰림 현상이 크게 개선될 수 있다. 도 2에서 J는 전류 밀도를 나타낸다.

그러나 p-투명전극(19)의 저항을 n형 질화 갈륨층(13)의 저항과 동일하게 만들기 위해서는 p-투명 전극(19)의 두께가 제한적일 수밖에 없다. p-투명 전극(19)의 저항은 p-투명 전극(19)의 비저항에 비례하고 두께에 반비례하는데 비저항은 물질의 고유 성질로 쉽게 변경하기 어려우므로 p-투명 전극(19)의 두께를 변경하여 p-투명 전극(19)의 저항을 조절하는 것이 바람직하다. 따라서 p-투명 전극(19)의 저항이 n형 질화 갈륨층(13)의 저항과 동일하게 하는 두께를 유지해야 전류 몰림 현상을 개선할 수 있다. 하지만 p-투명 전극(19)의 저항을 n형 질화 갈륨층(13) 저항과 동일하게 하는 것이 최선의 선택은 아니다. p-투명 전극(19)의 저항을 n형 질 화 갈륨층(19)의 저항에 맞추다 보면 p-투명 전극(19)의 두께가 지나치게 두꺼워져 빛이 p-투명 전극(19)을 통해 빠져나가지 못할 수 있으며, p-투명 전극(19)의 두께가 지나치게 얇아져 p-투명 전극(19)의 저항이 지나치게 커지면 전극으로의 역할을 제대로 못할 수도 있고 저항 증가에 따른 발열이 증가할 수도 있다. 따라서 p-투명 전극(19)의 두께와 저항을 자유로이 변화시키면서 전류 몰림 현상을 줄일 수 있는 방법이 필요하다.

p-투명 전극(19)의 저항을 줄이는 것이 다이오드로 흘릴 수 있는 전류의 양을 높일 수 있고 발열 현상도 줄일 수 있다. 따라서 일반적인 발광 다이오드는 p-투명 전극(19)의 저항이 n형 질화 갈륨층(13)의 저항보다 작도록 함으로써 전류를 p-투명 전극(19)을 따라 흐르다가 n-전극(21) 주변에서 p-n 접합면(15)으로 흐르도록 하는 경향이 더 크다. 즉, 일반적인 발광 다이오드는 n-전극(21) 주변에서 전류 몰림 현상이 높고 전류가 많이 흐르며 n-전극(21)에서 멀어질수록 전류가 적게 흐른다. 그런데 n-전극(21) 근처에 또 다른 n-전극(21)이 있으면 이 새로운 n-전극(21)으로도 전류가 몰리므로 n전극(21)이 하나만 있을 때보다는 전류의 분포가 균일해지는 효과를 얻을 수 있다. 두 개의 n-전극(21)이 서로 가까이 있고 등간격을 유지할수록 전류 분포가 균일해지는 현상이 더 두드러진다.

한편 p-투명 전극(19) 상에 형성된 p-전극(23)은 p-투명 전극(21)에 비해 매우 두껍기 때문에 저항이 낮아 p-투명 전극(19)보다 p-전극(23)을 통해 전류가 잘 전달되므로 p-전극(23) 근처에서도 전류가 몰리는 현상이 다소 일어난다. 따라서 n-전극(21)과 p-전극(23)이 서로 가깝게 등간격으로 놓여도 두 n-전극이 가깝게 놓 여 전류 분포가 균일해지는 현상과 비슷한 현상을 기대할 수 있다.

도 3은 n-전극(21)과 p-전극(23)이 서로 가깝도록 등간격으로 배치된 경우의 등가회로를 나타낸 도면이며, 도 4는 도 2 및 도 3에서의 n-전극(21)과 p-전극(23)의 분포에 따른 p-n 접합면(15)으로 흐르는 전류의 분포를 나타낸 도면이다.

도 4에서 A는 도 2와 같이, n-전극(21)과 p-전극(23)이 서로 멀리 떨어져 있는 경우의 전류분포이고 B는 도 3과 같이, n-전극(21)과 p-전극(23)이 서로 가깝게 배열된 경우의 전류분포이다. A의 경우 n-전극(21)과 p-전극(23) 주변의 전류가 높고 한 가운데 부분의 전류는 낮아지지만 B의 경우는 A의 경우에 비해 전류 분포가 매우 균일해졌음을 알 수 있다. 이로 인해 전체 전류량의 증가도 기대할 수 있다.

그래서 도 5와 같이 긴 전극을 여러 개 형성하여 전류 분포를 균일하게 만든다. 도면을 참조하면, ㄷ자 모양으로 발광 다이오드 외각에 n-전극(21)이 형성되어 있고 n-전극(21)의 일부분에 n-전극용 패드(25)가 놓여 있다. n-전극용 패드(25)는 발광 다이오드를 금속 리드가 마련된 패키지에 조립할 때 금속 리드와 n전극을 연결하기 위한 가는 금속 와이어가 접착되는 곳이다. 마찬가지로 n-전극(21)과 n-전극(21) 사이에 투명 전극(19)이 형성되어 있고 그 위에 ㄷ자 모양으로 p-전극(23)이 형성되어 있다. p-전극(23)의 일부분에는 금속 리드와 n-전극(21)을 연결하기 위한 금속 와이어가 접착되는 p-전극용 패드(27)가 마련되어 있다.

그런데, 도 5와 같은 전극 구조는 가로 방향의 전류 분포는 비교적 균일하게 만들어 주지만 세로 방향의 전류 분포는 여전히 균일하지 않은 단점이 있다. 가로 방향(A-A'단면)으로는 전극과 전극 사이 거리가 가깝지만 세로 방향(B-B'단면)으로 는 전극과 전극 사이 거리가 멀어서 n-전극(21) 부위에만 전류가 몰리는 현상이 심하다.

본 발명은 n-전극(21)과 p-전극(23)을 적절하게 배열하여 p-투명 전극(19)의 저항 값에 관계없이 전류 몰림 현상을 개선하는 것이다.

도 4에서는 전류 분포를 계산하기 위해 여러 개의 작은 저항들이 배열된 등가 회로를 이용하였다. 그러나 도 4의 경우는 전극이 1차원으로 배열된 경우에 대한 전류 분포이지만, 실제 다이오드의 전극은 2차원 평면 형태이며 보다 효율적인 전극 구조를 만들기 위해서는 도 6과 같이 2차원 평면 형태로 등가 회로를 확장할 수 있다.

즉, 저항 Rt는 p-투명 전극(19)의 저항을 나타내며 전류가 2차원 평면으로 배열된 Rt 저항들을 통해 흐르게 된다. Rv는 p-투명 전극(19)과 p형 질화 갈륨층(17) 간의 접촉 저항, 및 p형 질화 갈륨층(17)의 저항을 나타내며, p-투명 전극(19)을 통해 전달된 전류가 Rv 저항을 통해 p-n 접합면(15)으로 흐르게 된다. 다이오드는 p-n 접합면(15)을 나타낸다. 2차원 평면으로 배열된 Rn은 n형 질화 갈륨층(13)의 저항을 나타내며 p-n 접합면(15)을 통과한 전류는 n형 질화 갈륨층(13)을 통해 n-전극(21)까지 흐르게 된다. 전류 몰림 현상은 각 층의 저항 성분에 의해 크게 좌우되므로 이 등가 회로에서 다이오드는 생략될 수 있다. 도 5의 등가 회로에서 Rt는 5 ohm, p-투명 전극(19) 위에 두꺼운 p-전극(23)이 있는 부위에서 Rv는 894 ohm, p-투명 전극(19)만 있는 부위에서 Rv는 472 ohm, Rn은 50 ohm으로 하였다. 그리고 n형 질화 갈륨층(13)에서 n-전극(21)으로 전류가 흐를 때 느끼는 저항 Rnv을 추가로 고려하였다. Rnv는 n형 질화 갈륨층(13)과 n-전극(21) 사이의 접촉 저항에 의해 결정된다. Rnv는 422 ohm으로 하였다. 키르히호프(Kirchhoff)의 전압 원리 및 전류 원리를 이용하여 도 5의 등가회로의 각 저항에 흐르는 전류를 구할 수 있다. 각각의 Rv에 흐르는 전류가 p-n 접합면(15)을 흐르는 전류 밀도가 된다. 발광 다이오드의 크기는 600 ㎛ x 600 ㎛로 하였다. 전극의 폭은 15 ㎛, 전극 패드의 지름은 100 ㎛이다.

도 7a 및 도 7b는 도 6의 등가 회로를 이용해 도 5의 발광 다이오드에 흐르는 전류의 분포를 계산한 결과이다. 전류 밀도는 최대값을 1로 정규화(normalized)하였다. 최대 전류 값을 1로 정규화하였으므로 최소 전류 값이 1에 가까울수록 전류 분포가 균일함을 의미한다. 도 7a는 도 5에서 A-A' 단면의 전류 밀도이고 도 7b는 도 5에서 B-B' 단면의 전류 밀도이다. 도 7에 의하면 n-전극(21) 가까이에서 전류 밀도가 가장 크고 p-전극(23)으로 갈수록 전류 밀도가 작아짐을 알 수 있다. 특히 도 7a의 경우 양쪽 끝과 한 가운데에 n-전극(21)이 있어서 n-전극(21)이 놓인 부위에서는 전류 밀도가 높으므로 전체적으로 전류 밀도 분포가 다소 균일해 졌다. 하지만 도 7b의 경우에는 한쪽 끝에만 n-전극(21)이 있어서 n-전극(21)이 있는 부위에만 전류 밀도가 높고 나머지 부위에서는 전류 밀도가 최대 전류 밀도의 14%에 불과하다.

전류 밀도를 균일하게 하는 가장 쉬운 방법은 전극과 전극 사이 간격을 줄이는 것이다. 하지만 n-전극(21)이 놓인 부분에는 p-n 접합면(15)이 없어서 빛이 발생하지 않고 p-전극(23)이 놓인 부분은 두꺼운 p-전극(23)에 의해 빛이 가려져 발 광 효율이 떨어질 수 있다. 전극과 전극 사이 간격을 줄이면 p-n 접합면(15)의 면적이 줄어들어 전류 밀도는 균일해질 수 있지만 발광양은 줄어든다. 따라서 발광 효율이 최적화된 전극 간격을 유지하는 것이 중요하다. 발광 효율을 계산하기 위해 등가 회로를 이용해 계산한 p-n 접합면(15)에서 정규화된 전류값을 모두 더하였다. n-전극(21)이 있는 곳은 p-n 접합면(23)이 없으므로 전류값이 정의되지 않는다. p-전극(23)이 있는 곳 바로 위로는 두꺼운 p-전극(23)에 가려져서 빛이 빠져 나오지 못하지만 p-전극(23)의 옆 부분을 통해 빛이 충분히 빠져나올 수 있으므로 p-전극(23) 부위에서의 전류값은 더해준다. 전류가 완벽하게 균일하다면 정규화된 전류값은 발광 다이오드 전체에 걸쳐 동일하게 1이 될 것이므로 전체 전류량은 다이오드 전체 면적의 전류량이 될 것이다. 그러나 실제 전류는 발광 다이오드 표면의 위치에 따라 서로 다르므로 전체 전류량은 다이오드 각 부위에서 전류 밀도 곱하기 각 부위의 면적이 된다. 따라서 전류 분포가 불균일할 때 총 전류량과 전류 분포가 완벽하게 균일할 때 총 발광 효율은 다음과 같이 정의된다.

(n-전극(21)이 있는 부위는 더하지 않는다)

J는 각 부위에서 전류 밀도이다. 수학식 1에 의해 도 5의 전극 구조의 발광 효율을 계산한 결과 발광 효율은 18.3%에 불과하다.

도 8은 본 발명에 따른 발광 다이오드 전극구조의 실시 예를 도시한 도면이다. 도면을 참조하면, 발광 다이오드 테두리를 따라서 n-전극(21)이 폐 루프 형태 로 형성되어 있으며, 폐 루프 형태의 n-전극(21)에서 가지처럼 n-전극(21)이 뻗어 나와 발광 다이오드를 3등분으로 나누는 형태를 가진다. 즉, 폐 루프 형태의 n-전극(21)의 서로 대향되는 양측에서 각각 두 개의 가지가 뻗어 나오며, 뻗어 나온 각각의 가지는 중앙선을 향해 진행되어 있다. 이때, 폐 루프 형태의 n-전극(21)에서 뻗어 나온 각각의 가지에 의해 발광 다이오드는 3등분되는 형태를 가진다.

폐 루프 형태의 n-전극(21) 또는 폐 루프 형태의 n-전극(21)으로부터 뻗어 나온 가지 형태의 n-전극(21)에 의한 n-전극(21)과 n-전극(21) 사이에는 투명 전극(19) 또는 ITO가 형성되어 있고 n-전극(21)과 n-전극(21) 사이의 가운데 부분에는 p-전극(23)이 형성되어 있다.

여기서, 발광 다이오드가 n-전극(21)에 의해 완전히 3등분될 수 있으나 이 경우 p-전극(23)이 서로 연결되어 있지 않으므로 각각의 p-전극(23)이 p-전극용 패드(27)를 가져야 한다. 따라서 발광 다이오드를 3등분하는 n-전극(21)은 발광 다이오드를 완전히 3등분하지 않고 가운데 부분이 열려 있어서 열린 부분을 통해 이웃하는 p-전극(23)과 서로 연결되는 것이 바람직하다.

도 9는 등가회로를 이용해 도 8의 전극 구조에서 전류 밀도 분포를 계산하여 등고선 형태로 나타낸 것이다. 또한, 도 10a는 도 8의 C-C'단면의 전류 밀도 분포를 나타낸 것이고, 도 10b는 도 8의 D-D'단면의 전류 밀도 분포를 나타낸 것이다.

도면을 참조하면, 기존의 전극에 비해 세로 방향으로도 전류 밀도가 보다 균일해진 것을 알 수 있다. 수학식 1을 이용해 발광 효율을 계산한 결과 26%로 향상되었다. 도 5와 같은 전극 구조는 n-전극(21)과 n-전극(21)의 간격이 발광 다이오 드 한 변 길이의 1/2이었으나 도 8에서의 n-전극(21)과 n-전극(21) 간의 간격은 발광 다이오드 한 변 길이의 1/3으로 줄어들어 전류 밀도 분포가 훨씬 균일해졌다. 또한 n-전극(21)이 발광 다이오드 외각을 따라 폐 루프의 형태로 모두 형성되어 있는 것도 전류 밀도 분포를 균일하게 만드는 요인이 된다.

도 11은 본 발명에 따른 발광 다이오드 전극구조의 또 다른 실시 예이다. 도면을 참조하면, 도 8의 예와 마찬가지로 n-전극(21)이 발광 다이오드 외각에 폐 루프로 형성되어 있고 세로 방향으로 가지처럼 n-전극(21)이 뻗어 나와 발광 다이오드를 세로 방향으로 3등분한다. 그리고 가로 방향으로도 n-전극(21)이 뻗어 나와 가로 방향으로도 발광 다이오드를 3등분한다. 세로 방향뿐 아니라 가로 방향으로도 n-전극(21)이 형성되어 있어서 가로 방향의 전류 밀도 분포의 균일해 지는 것을 기대할 수 있다.

도 12는 등가 회로를 이용해 도 10의 전극 구조에 대해 전류 밀도를 계산하여 그 결과를 등고선 형태로 나타낸 것이다. 마찬가지로 n-전극(21) 주변에서 전류 밀도가 다른 부위의 전류 밀도보다 높다. n-전극(21)의 길이가 앞의 다른 구조에 비해 길기 때문에 전체적인 전류 밀도가 높아지는 것을 기대할 수 있다.

도 13a는 도 11의 전극 구조에서 E-E' 단면의 전류 밀도 분포를 그래프로 나타낸 것이다. 도 7a의 전류 밀도 분포에 비해 전류 밀도가 크게 향상되었으며 도 10a의 전류 밀도 분포보다는 다소 균일해 진 것을 알 수 있다. 도 13b는 도 11의 전극 구조에서 F-F' 단면의 전류 밀도 분포를 그래프로 나타낸 것이다. 도 7b의 전류 밀도 분포는 물론이고 도 10b의 전류 밀도 분포에 비해서도 전류 밀도 분포가 크게 향상 되었다. 수학식 1을 이용해 발광 효율을 계산한 결과 발광 효율이 27.6%로 증가하였다.

그러나 도 13a, 도 13b의 전류 밀도 분포를 보면 전류 밀도 분포가 훨씬 균일해 진데 반하여, 발광 효율은 크게 증가하지 못했다. 그 이유는 n-전극(21)의 면적이 늘어나서 p-n 접합면(15)의 면적이 줄어들었기 때문이다. p-n 접합면(15)이 줄면 발광 면적이 줄어들어 전류 밀도 분포 증가에 따른 발광양의 증가가 상쇄되는 효과가 있다. 따라서 n-전극의 크기를 무한정 크게 할 수 없다.

도 14는 본 발명에 따른 발광 다이오드 전극구조의 또 다른 예로 n-전극(21)의 면적을 다소 줄인 것이다.

도면을 참조하면, 발광 다이오드 외각을 따라 n-전극(21)이 폐 루프를 형성하고 발광 다이오드 한 가운데에 세로방향으로 n-전극(21) 가지가 나와 발광 다이오드를 2등분한다. 그리고 세로로 1/3, 2/3 지점에서 가로 방향으로 n-전극(21) 가지가 나와서 발광 다이오드를 3등분한다. 그러나 p 전극(23)이 지나갈 수 있도록 n-전극 가지가 발광 다이오드를 완전히 가로지르지 않고 일부 영역이 열려 있다. 도 11의 구조와 비슷하지만 세로 방향으로 발광 다이오드를 3등분 대신 2등분하여 n-전극의 면적이 도 11의 구조에 비해 줄어들었다.

도 15는 등가 회로를 이용해 도 14의 전극 구조에 대해 전류 밀도를 계산하여 그 결과를 등고선 형태로 나타낸 것이다. n-전극(21) 주변에서 전류 밀도가 다른 부위의 전류 밀도보다 높다. n-전극(21)의 길이가 도 5의 구조에 비해 길지만 도 8의 구조와 거의 비슷하고 도 11의 구조보다는 짧다. 따라서 도 5의 구조와 비 슷한 전류 밀도 분포를 기대할 수 있다.

도 16a는 도 14의 전극 구조에서 G-G' 단면의 전류 밀도 분포를 그래프로 나타낸 것이고 도 16b는 도 14의 전극 구조에서 H-H'단면의 전류 밀도 분포를 그래프로 나타낸 것이다. 도 7a, 도 7b의 전류 밀도 분포에 비해 향상되었음을 알 수 있다. 하지만 도 10a, 도 10b의 전류 밀도 분포와 비슷한 수준이며 도13a, 도 13b에 비해서는 다소 전류 밀도 분포가 덜 균일하다. 수학식 1을 이용해 발광 효율을 계산한 결과 24.7%의 값을 얻었다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해서 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

본 발명에 따른 발광 다이오드 전극구조는 등가 회로 분석으로 p-n 접합부로 흐르는 전류가 n-전극에 몰리는 현상을 최소화함으로써 발광 다이오드의 발광 특성을 개선할 수 있게 된다.

Claims (9)

1. 발광 다이오드의 외곽을 따라 폐루프를 이루고, 상기 폐루프의 서로 대향되는 양측에서 내측을 향해 뻗어 나온 복수의 가지를 구비하며, 상기 발광 다이오드를 소정 개수의 영역으로 균등분하는 형태를 이루는 n-전극;

   상기 n-전극과 n-전극의 사이에 상기 폐루프의 내부를 채워 형성된 투명전극; 및

   상기 n-전극과 n-전극 사이의 가운데 부분에 선상으로 연장되어 형성된 p-전극을 포함하며,

   상기 p-전극은 상기 폐루프의 양측으로부터 뻗어 나온 가지 사이의 중앙선을 따라 각각이 서로 연결되고, 상기 폐루프로부터 뻗어 나온 각각의 가지와 평행하게 형성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 전극구조.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 n-전극은 상기 폐루프의 서로 대향되는 양측에서 각각 두 개의 가지가 뻗어 나오며, 상기 발광 다이오드를 3등분하는 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 전극구조.
3. 삭제
4. 발광 다이오드의 외곽을 따라 폐루프를 이루고, 상기 폐루프의 일측에서 대향되는 측을 향해 뻗어 나온 적어도 하나의 가지를 구비하며, 상기 발광 다이오드를 소정 개수의 영역으로 균등분하는 형태를 이루는 n-전극;

   상기 n-전극과 n-전극의 사이에 상기 폐루프의 내부를 채워 형성된 투명전극; 및

   상기 n-전극과 n-전극 사이의 가운데 부분에 선상으로 연장되어 형성된 p-전극을 포함하며,

   상기 n-전극은 상기 가지와 수직방향으로 뻗어 나온 복수의 제2의 가지를 구비하며,

   상기 P-전극은 상기 n-전극과의 거리가 일정하도록 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 전극구조.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 n-전극은 상기 폐루프의 일측 중앙에서 하나의 가지가 뻗어 나오며, 상기 발광 다이오드를 이등분하는 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 전극구조.
6. 제 4항에 있어서,

   상기 n-전극은 상기 폐루프의 일측에서 두 개의 가지가 뻗어 나오며, 상기 발광 다이오드를 3등분하는 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 전극구조.
7. 제 4항 내지 제 6항 중의 어느 한 항에 있어서,

   상기 제2의 가지는 상기 가지와 수직인 방향으로 상기 발광 다이오드를 3등분하는 형태로 뻗어 나온 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 전극구조.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 발광 다이오드를 3등분하는 형태의 각각의 상기 제2 가지는, 방향이 서로 반대로 뻗어 나온 것을 특징으로 하는 발광 다이오드의 전극구조.
9. 삭제

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