KR100847847B1 - 백색 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR100847847B1
KR100847847B1 KR20070006767A KR20070006767A KR100847847B1 KR 100847847 B1 KR100847847 B1 KR 100847847B1 KR 20070006767 A KR20070006767 A KR 20070006767A KR 20070006767 A KR20070006767 A KR 20070006767A KR 100847847 B1 KR100847847 B1 KR 100847847B1
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정명구
곽창훈
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명은 백색 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히, 기판; 상기 기판 상에 형성된 제1 도전형 질화물 반도체층; 상기 제1 도전형 질화물 반도체층 상의 일부분에 형성되고, 파장이 서로 다른 제1 활성층 및 제2 활성층을 포함하는 활성층; 상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형 질화물 반도체층; 및 상기 제1 도전형 질화물 반도체층 및 상기 제2 도전형 질화물 반도체층 상에 각각 형성된 제1 전극 및 제2 전극;을 포함하는 LED 칩; 및 상기 LED 칩의 상기 제1 활성층 및 제2 활성층의 방출광에 의해 여기되는 형광체;를 포함하는 백색 발광소자를 제공한다. 또한, 본 발명은 상기 백색 발광소자의 제조방법을 제공한다.
백색 발광소자, 청색 활성층, 녹색 활성층, 적색 형광체

Description

백색 발광소자 및 그 제조방법{White light emitting device and method of manufacturing the same}
도 1은 종래의 YAG 형광체를 이용한 백색 발광소자의 구조를 나타낸 단면도.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 백색 발광소자의 구조를 나타낸 단면도.
도 4a 내지 도 4g는 도 2에 도시한 백색 발광소자의 제조방법을 순차적으로 나타낸 공정단면도.
도 5 내지 도 7은 도 4b에 도시한 제1 활성층의 패턴 형상을 나타낸 평면도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
210a: 제1 리드 프레임 210b: 제2 리드 프레임
210: 리드 프레임 220: 패키지 몰드
240: 본딩 와이어 250: 형광체
260: 몰딩재 300: LED 칩
310: 기판 320: 버퍼층
330: 제1 도전형 질화물 반도체층 340: 활성층
340a: 제1 활성층 340b: 제2 활성층
350: 제2 도전형 질화물 반도체층 360: 제1 전극
370: 제2 전극
본 발명은 백색 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 색재현성을 높일 수 있고 자연광에 가까운 백색광을 방출할 수 있도록 한 백색 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 백색 발광소자는 조명장치 또는 디스플레이 장치의 백라이트로 널리 사용된다. 이러한 백색 발광소자는 형광체를 이용하는 방식과 개별 LED로 제조된 청색, 적색 및 녹색 LED를 단순 조합하는 방식이 알려져 있다.
이 중에서, 형광체를 이용하여 백색 발광소자를 제조하는 방법으로는, 청색 LED 칩 위에 YAG(Yittrium Aluminum Garnet) 계열의 황색(yellow) 형광체(이하, "YAG 형광체"라 칭함)를 도포하는 방법과, 청색 LED 칩 위에 적색(red)/녹색(green) 형광체를 함께 도포하는 방법 등이 널리 이용되고 있다.
도 1은 종래의 YAG 형광체를 이용한 백색 발광소자의 구조를 나타낸 단면도이다.
종래의 백색 발광소자는, 도 1에 도시한 바와 같이, 제1 리드 프레임(110a) 및 제2 리드 프레임(110b)으로 이루어진 한 쌍의 리드 프레임(110)과, 상기 리드 프레임(110)의 일부를 내측에 수용하면서 몰딩재 충진 공간을 정의하도록 형성된 패키지 몰드(120)와, 상기 패키지 몰드(120) 내부의 리드 프레임(110) 중 어느 하나의 리드 프레임(110a) 상에 실장된 청색 LED 칩(130), 및 상기 리드 프레임(110)과 상기 청색 LED 칩(130)의 전기적 연결을 위한 본딩 와이어(140)를 포함한다.
그리고, 상기 패키지 몰드(120) 내부에는 상기 청색 LED 칩(130) 및 본딩 와이어(140)를 보호하는 몰딩재(160)가 충진되어 있다. 상기 몰딩재(160) 내에는 YAG 형광체(150)가 포함되어 있다.
상기 리드 프레임(110)을 통해 전원이 인가되어 청색 LED 칩(130)으로부터 청색광이 발광되면, 그 일부의 청색광은 YAG 형광체(150)를 여기시킨다. 이 때에 YAG 형광체(150)는 청색 LED 칩(130)의 피크파장인 460㎚에서 여기되는 특성을 가지므로, 황록색의 형광으로 발광한다. 이와 같이 YAG 형광체(150)를 통해 얻어진 황록색의 형광은 청색 LED 칩(130)으로부터 직접 발산되는 다른 일부의 청색광과 합성되어, 최종적으로 백색광을 발광하게 된다.
그러나, 이와 같이 청색 LED 칩과 함께 YAG 형광체를 사용하는 경우 적색(red)쪽의 강도(intensity)가 약해 LCD의 백라이트로 사용시 색재현성이 떨어지는 단점이 있다.
또한, 상기한 바와 같이 청색 LED 칩과 함께 적색(red)/녹색(green) 형광체를 사용하는 경우에는 적색 및 녹색 형광체의 열화율이 달라 시간이 지남에 따라 색재현성이 떨어지거나 균일도가 맞지 않게 되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은, 색재현성을 높일 수 있으며 자연광에 가까운 백색광을 방출할 수 있는 백색 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 백색 발광소자는, 기판; 상기 기판 상에 형성된 제1 도전형 질화물 반도체층; 상기 제1 도전형 질화물 반도체층 상의 일부분에 형성되고, 파장이 서로 다른 제1 활성층 및 제2 활성층을 포함하는 활성층; 상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형 질화물 반도체층; 및 상기 제1 도전형 질화물 반도체층 및 상기 제2 도전형 질화물 반도체층 상에 각각 형성된 제1 전극 및 제2 전극;을 포함하는 LED 칩; 및 상기 LED 칩의 상기 제1 활성층 및 제2 활성층의 방출광에 의해 여기되는 형광체;를 포함한다.
또한, 상기 제1 활성층은 420㎚ 내지 480㎚의 피크 파장을 갖는 청색 활성층이고, 상기 제2 활성층은 500㎚ 내지 580㎚의 피크 파장을 갖는 녹색 활성층인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 형광체는 580㎚ 내지 700㎚의 피크 파장을 갖는 적색 형광체인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 활성층은 상기 제1 활성층 및 제2 활성층이 적어도 하나 이상씩 교대로 병렬 배열된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 활성층은 구형, 다각형, 스트립(strip)형 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나의 평면 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 활성층은 상기 제1 활성층 및 제2 활성층이 적어도 하나 이상씩 교대로 직렬 배열된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 활성층 및 제2 활성층은 양자우물층 및 양자장벽층이 교대로 1∼50회 적층된 양자 우물 구조로 이루어지고, 상기 양자장벽층은 상기 양자우물층의 1∼20배의 두께를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 형광체는 몰딩재 내에 함유되어 있는 것을 특징으로 하며, 상기 몰딩재는 실리콘(silicone), 하이브리드(hybrid), 에폭시(epoxy) 및 폴리비닐(polyvinyl)계 레진으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층은 n형 질화물 반도체층인 것을 특징으로 하며, 상기 n형 질화물 반도체층은 AlxInyGa(1-x-y)N(x+y=1, 0≤x,y≤1)로 GaN 보다 밴드갭이 크거나 낮은층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 도전형 질화물 반도체층은 p형 질화물 반도체층인 것을 특징으로 하며, 상기 p형 질화물 반도체층은 AlxInyGa(1-x-y)N(x+y=1, 0≤x,y≤1)로 GaN 보다 밴드갭이 크거나 낮은층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 전극은 n형 전극이고, 상기 제2 전극은 p형 전극인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기판은 사파이어, ZnO, GaN, SiC 및 AlN로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기판과 상기 제1 도전형 질화물 반도체층의 사이에 형성된 버퍼층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 백색 발광소자의 제조방법은, 기판 상에 제1 도전형 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제1 도전형 질화물 반도체층 상에 제1 활성층을 형성하는 단계; 상기 제1 활성층을 선택적으로 식각하여, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층의 소정 영역을 노출시키는 복수의 패턴을 형성하는 단계; 상기 패턴 사이의 공간을 상기 제1 활성층과 파장이 서로 다른 제2 활성층으로 매립하여 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 상에 제2 도전형 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제2 도전형 질화물 반도체층 및 상기 활성층의 일부를 메사 식각하여 상기 제1 도전형 질화물 반도체층의 일부를 드러내는 단계; 상기 드러난 제1 도전형 질화물 반도체층과 상기 제2 도전형 질화물 반도체층 상에 제1 전극 및 제2 전극을 각각 형성하여 LED 칩을 형성하는 단계; 및 상기 LED 칩 상부에, 상기 LED 칩의 상기 제1 활성층 및 제2 활성층의 방출광에 의해 여기되는 형광체를 도포하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 제1 활성층은 420㎚ 내지 480㎚의 피크 파장을 갖는 청색 활성층 이고, 상기 제2 활성층은 500㎚ 내지 580㎚의 피크 파장을 갖는 녹색 활성층인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 형광체는 580㎚ 내지 700㎚의 피크 파장을 갖는 적색 형광체인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 활성층의 식각은, 건식 식각 또는 습식 식각으로 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 패턴 사이의 공간을 상기 제1 활성층과 파장이 서로 다른 제2 활성층으로 매립하여 활성층을 형성하는 단계에서, 상기 패턴 사이의 공간을 완전히 매립하도록, 상기 패턴을 포함한 상기 제1 도전형 질화물 반도체층 상에 상기 패턴보다 높게 상기 제2 활성층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 패턴보다 높게 상기 제2 활성층을 형성한 후, 상기 패턴의 표면이 드러날 때까지 상기 제2활성층을 식각하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 패턴은 구형, 다각형, 스트립(strip)형 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나의 평면 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 활성층 및 제2 활성층은 양자우물층 및 양자장벽층이 교대로 1∼50회 적층된 양자 우물 구조로 이루어지고, 상기 양자장벽층은 상기 양자우물층의 1∼20배의 두께를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 형광체는 몰딩재와 함께 혼합하여 도포하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 몰딩재는 실리콘(silicone), 하이브리드(hybrid), 에폭시(epoxy) 및 폴리비닐(polyvinyl)계 레진으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층은 n형 질화물 반도체층인 것을 특징으로 하며, 상기 n형 질화물 반도체층은 AlxInyGa(1-x-y)N(x+y=1, 0≤x,y≤1)로 GaN 보다 밴드갭이 크거나 낮은층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 도전형 질화물 반도체층은 p형 질화물 반도체층인 것을 특징으로 하며, 상기 p형 질화물 반도체층은 AlxInyGa(1-x-y)N(x+y=1, 0≤x,y≤1)로 GaN 보다 밴드갭이 크거나 낮은층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 전극은 n형 전극이고, 상기 제2 전극은 p형 전극인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기판은 사파이어, ZnO, GaN, SiC 및 AlN로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기판 상에 제1 도전형 질화물 반도체층을 형성하는 단계 전에, 상기 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 백색 발광소자의 다른 제조방법은, 기판 상에 제1 도전형 질화물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제1 도전형 질화물 반도체층 상에, 파장이 서로 다른 제1 활성층 및 제2 활성층을 적어도 하나 이상씩 적층시켜 활성층을 형성하는 단계; 상기 활성층 상에 제2 도전형 질화 물 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제2 도전형 질화물 반도체층 및 상기 활성층의 일부를 메사 식각하여 상기 제1 도전형 질화물 반도체층의 일부를 드러내는 단계; 상기 드러난 제1 도전형 질화물 반도체층과 상기 제2 도전형 질화물 반도체층 상에 제1 전극 및 제2 전극을 각각 형성하여 LED 칩을 형성하는 단계; 및 상기 LED 칩 상부에, 상기 LED 칩의 상기 제1 활성층 및 제2 활성층의 방출광에 의해 여기되는 형광체를 도포하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 제1 활성층은 420㎚ 내지 480㎚의 피크 파장을 갖는 청색 활성층이고, 상기 제2 활성층은 500㎚ 내지 580㎚의 피크 파장을 갖는 녹색 활성층인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 형광체는 580㎚ 내지 700㎚의 피크 파장을 갖는 적색 형광체인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 백색 발광소자 및 그 제조방법의 상기 목적에 대한 기술적 구성을 비롯한 작용효과에 관한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예가 도시된 도면을 참조한 아래의 상세한 설명에 의해서 명확하게 이해될 것이다.
백색 발광소자의 구조
도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 백색 발광소자에 대하여 상세히 설명한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 백색 발광소자의 구조를 나타낸 단 면도이다.
우선, 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 백색 발광소자는, 제1 리드 프레임(210a) 및 제2 리드 프레임(210b)으로 이루어진 한 쌍의 리드 프레임(210)과, 상기 리드 프레임(210)의 일부를 내측에 수용하면서 몰딩재 충진 공간을 정의하도록 형성된 패키지 몰드(220)와, 상기 패키지 몰드(220) 내부의 리드 프레임(210) 중 어느 하나의 리드 프레임(210a) 상에 실장된 LED 칩(300)과, 상기 리드 프레임(210)과 상기 LED 칩(300)의 전기적 연결을 위한 본딩 와이어(240), 및 상기 패키지 몰드(220) 내부에 충진되어 상기 LED 칩(300) 및 본딩 와이어(240)를 보호하는 몰딩재(260)를 포함한다.
상기 몰딩재(160) 내에는 형광체(250)가 함유되어 있다. 상기 몰딩재(150)는 실리콘(silicone), 하이브리드(hybrid), 에폭시(epoxy) 및 폴리비닐(polyvinyl)계 레진으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.
이러한 백색 발광소자에 있어서, 도 3에 상세히 도시된 상기 LED 칩(300)은, 기판(310) 상에 버퍼층(320), 제1 도전형 질화물 반도체층(330), 활성층(340) 및 제2 도전형 질화물 반도체층(350)이 순차 적층되어 있다.
상기 기판(310)은, 질화물 반도체 단결정을 성장시키기에 적합한 기판으로서, 바람직하게는 사파이어를 포함하는 투명한 재료를 이용하여 형성되며. 사파이어 이외에, 기판(310)은 징크 옥사이드(zinc oxide, ZnO), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC) 및 알루미늄 나이트라이드(AlN) 등으로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(320)은 상기 기판(310) 상에 제1 도전형 질화물 반도체층(330)을 성장시키기 전에 상기 기판(310)과의 격자정합을 향상시키기 위한 층으로서, GaN 등으로 이루어질 수 있으며, 공정 조건 및 소자 특성에 따라 생략 가능하다.
상기 제1 도전형 질화물 반도체층(330)은 n형 질화물 반도체층인 것이 바람직하다. 상기 n형 질화물 반도체층은 AlxInyGa(1-x-y)N(x+y=1, 0≤x,y≤1) 조성식을 갖는 반도체 물질로서, GaN 보다 밴드갭이 크거나 낮은층을 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 상기 n형 질화물 반도체층 내의 n형 불순물 농도는 약 1×1016∼ 5×1019㎝-3 인 것이 바람직하며, 상기 n형 불순물의 농도가 두께에 따라 일정하거나 달라질 수 있다. 여기서, 상기 n형 불순물로는 Si, Ge 및 Sn 등을 사용할 수 있다.
그리고, 상기 제2 도전형 질화물 반도체층(350)은 p형 질화물 반도체층인 것이 바람직하다. 상기 p형 질화물 반도체층은 AlxInyGa(1-x-y)N(x+y=1, 0≤x,y≤1) 조성식을 갖는 반도체 물질로서, GaN 보다 밴드갭이 크거나 낮은층을 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 p형 질화물 반도체층에는 Mg, Zn 및 Be 등과 같은 p형 불순물이 도핑되어 있다.
상기 제2 도전형 질화물 반도체층(350) 및 상기 활성층(340)의 일부는 메사 식각(mesa etching)으로 제거되어, 저면에 제1 도전형 질화물 반도체층(330)의 일부를 드러내고 있다.
상기 메사 식각에 의해 드러난 제1 도전형 질화물 반도체층(330) 상에는 제1 전극(360)이 형성되어 있고, 상기 제2 도전형 질화물 반도체층(350) 상에는 제2 전극(370)이 형성되어 있다.
상기 제1 전극(360)은 n형 전극인 것이 바람직하고, 상기 제2 전극(370)은 p형 전극인 것이 바람직하다. 상기 제1 및 제2 전극(360,370)은 Cr/Au 등으로 이루어질 수 있다.
특히, 본 발명에 있어서, 상기 활성층(340)은 파장이 서로 다른 제1 활성층(340a) 및 제2 활성층(340b)을 포함한다.
이 때, 상기 제1 활성층(340a)은 420㎚ 내지 480㎚의 피크 파장을 갖는 청색 활성층인 것이 바람직하고, 상기 제2 활성층(340b)은 500㎚ 내지 580㎚의 피크 파장을 갖는 녹색 활성층인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 몰딩재(260) 내에 함유된 상기 형광체(250)는, 상기 LED 칩(300)의 제1 활성층(340a) 및 제2 활성층(340b)의 방출광에 의해 여기되는 형광체로서, 580㎚ 내지 700㎚의 피크 파장을 갖는 적색 형광체인 것이 바람직하다.
상기 적색 형광체는, 상기 제1 활성층(340a)의 청색광, 제2 활성층(340b)의 녹색광, 또는 이들의 혼합광에 의해 여기되어 적색광을 방출한다. 이와 같이 방출되는 적색광은 상기 LED 칩(300)에서 방출되는 청색광, 녹색광 및 이들의 혼합광과 다시 합성되어 최종적으로 백색광을 방출한다.
이와 같이, 본 발명에서는 하나의 LED 칩(300)에 파장이 서로 다른 청색 및 녹색 활성층을 형성하고, 상기 LED 칩(300)과 함께 적색 형광체를 사용함으로써, 기존의 청색 LED 칩과 황색 형광체를 사용하는 경우보다 적색쪽의 강도를 보완하여 색재현성을 높일 수 있고, 자연광에 가까운 백색광을 방출할 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 기존에 청색 LED 칩과 적색/녹색 형광체를 혼합하여 사용하는 경우와는 달리, 적색 형광체만을 단독으로 사용하는 바, 열화율이 다른 복합 형광체를 사용할 필요가 없어 장시간 사용시에도 색균일도 및 색재현성을 유지할 수 있는 장점이 있다.
상기 활성층(340)은 청색광 및 녹색광을 균일하게 방출할 수 있도록, 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 제1 활성층(340a) 및 제2 활성층(340b)이 적어도 하나 이상씩 교대로 병렬 배열(수평 배열)된 것이 보다 바람직하다. 이 때, 상기 제1 활성층(340a)은 도 5에 도시한 바와 같은 구형, 도 6에 도시한 바와 같은 다각형, 도 7에 도시한 바와 같은 스트립(strip)형, 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나의 평면 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 활성층(340)을 구성하는 제1 활성층(340a) 및 제2 활성층(340b)은 상기한 바와 같이 병렬 배열되는 대신에, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 제1 활성층(340a) 및 제2 활성층(340b)이 적어도 하나 이상씩 교대로 직렬 배열(수직 배열)될 수도 있다.
이러한 활성층(340)을 구성하는 상기 제1 및 제2 활성층(340a,340b)은 양자우물층 및 양자장벽층이 교대로 1∼50회 적층된 양자 우물 구조로 이루어질 수 있으며, 이 때 양자장벽층은 양자우물층 두께의 1∼20배의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
백색 발광소자의 제조방법
도 4a 내지 도 4g를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 백색 발광소자의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 4a 내지 도 4g는 도 2에 도시한 백색 발광소자의 제조방법을 순차적으로 나타낸 공정단면도이다.
도 4a에 도시한 바와 같이, 기판(310) 상에 버퍼층(320)과, 제1 도전형 질화물 반도체층(330), 및 제1 활성층(340a)을 순차적으로 형성한다.
상기 기판(310)은, 사파이어, 징크 옥사이드(zinc oxide, ZnO), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC) 및 알루미늄 나이트라이드(AlN) 등으로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(320)은, 상기 기판(310) 상에 제1 도전형 질화물 반도체층(330)을 성장시키기 전에 상기 기판(310)과의 격자정합을 향상시키기 위한 층으로, 공정 조건 및 소자 특성에 따라 생략 가능하다.
상기 제1 도전형 질화물 반도체층(330)은 n형 질화물 반도체층인 것이 바람직하다. 상기 n형 질화물 반도체층은 AlxInyGa(1-x-y)N(x+y=1, 0≤x,y≤1) 조성식을 갖는 반도체 물질로서, GaN 보다 밴드갭이 크거나 낮은층을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 제1 활성층(340a)은 420㎚ 내지 480㎚의 피크 파장을 갖는 청색 활성층 으로 형성하거나, 또는 500㎚ 내지 580㎚의 피크 파장을 갖는 녹색 활성층으로 형성하는 것이 바람직하다.
그 다음에, 도 4b에 도시한 바와 같이, 상기 제1 활성층(340a)을 선택적으로 식각하여, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층(330)의 소정 영역을 노출시키는 복수의 패턴을 형성한다. 상기 제1 활성층(340a)의 식각은, 건식 식각 또는 습식 식각으로 수행할 수 있다.
여기서, 도 5 내지 도 7은 도 4b에 도시한 제1 활성층의 패턴 형상을 나타낸 평면도로서, 상기 제1 활성층(340a) 패턴은 도 5에 도시한 바와 같은 구형, 도 6에 도시한 바와 같은 다각형, 도 7에 도시한 바와 같은 스트립(strip)형, 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나의 평면 형상을 가질 수 있다.
다음으로, 도 4c에 도시한 바와 같이, 상기 제1 활성층(340a) 패턴 사이의 공간을 상기 제1 활성층(340a)과 파장이 서로 다른 제2 활성층(340b)으로 매립한다. 이 때, 상기 패턴 사이의 공간을 완전히 매립하도록, 상기 패턴을 포함한 제1 도전형 질화물 반도체층(330) 상에 상기 패턴보다 높게 상기 제2 활성층(340b)을 형성한다.
여기서, 먼저 형성된 상기 제1 활성층(340a)이 420㎚ 내지 480㎚의 피크 파장을 갖는 청색 활성층일 경우, 상기 제2 활성층(340b)은 500㎚ 내지 580㎚의 피크 파장을 갖는 녹색 활성층으로 형성하는 것이 바람직하고, 상기 제1 활성층(340a)이 녹색 활성층일 경우, 상기 제2 활성층(340b)은 청색 활성층으로 형성하는 것이 바람직하다.
이러한 제1 및 제2 활성층(340a,340b)은 양자우물층 및 양자장벽층이 교대로 1∼50회 적층된 양자 우물 구조로 이루어질 수 있으며, 이 때 양자장벽층은 양자우물층 두께의 1∼20배의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
그 다음에, 도 4d에 도시한 바와 같이, 상기 패턴의 표면이 드러날 때까지 상기 제2 활성층(340b)을 식각하여, 상기 제2 활성층(340b)의 표면이 상기 제1 활성층(340a) 패턴의 표면과 일직선을 이루도록 한다. 이 때, 상기 제2 활성층(340b)의 식각 공정은 생략할 수도 있다.
한편, 본 발명에 의한 백색 발광소자의 제조방법에 있어서, 상기 활성층(340)을 상술한 바와 같이 제1 활성층(340a)의 성장, 상기 제1 활성층(340a)의 식각, 및 제2 활성층(340b)의 성장 공정 등을 통해, 상기 제1 활성층(340a) 및 제2 활성층(340b)이 교대로 병렬 배열되도록 할 수도 있지만, 앞서의 도 3에 도시한 바와 같이, 제1 도전형 질화물 반도체층(330) 상에, 파장이 서로 다른 상기 제1 활성층(340a) 및 제2 활성층(340b)을 적어도 하나 이상씩 적층시켜, 이들이 교대로 직렬 배열된 활성층(340)을 형성할 수도 있다.
그런 다음, 도 4e에 도시한 바와 같이, 상기 활성층(340) 상에 제2 도전형 질화물 반도체층(350)을 형성한다. 상기 제2 도전형 질화물 반도체층(350)은 p형 질화물 반도체층인 것이 바람직하며, 상기 p형 질화물 반도체층은 AlxInyGa(1-x-y)N(x+y=1, 0≤x,y≤1) 조성식을 갖는 반도체 물질로서, GaN 보다 밴드갭이 크거나 낮은층을 포함하여 이루어질 수 있다.
다음으로, 도 4f에 도시한 바와 같이, 상기 제2 도전형 질화물 반도체층(350) 및 상기 활성층(340)의 일부를 메사 식각하여 상기 제1 도전형 질화물 반도체층(330)의 일부를 드러낸다.
그 다음에, 상기 드러난 제1 도전형 질화물 반도체층(330)과 상기 제2 도전형 질화물 반도체층(350) 상에 제1 전극(360) 및 제2 전극(370)을 각각 형성하여 LED 칩(300)을 형성한다. 상기 제1 전극(360)은 n형 전극인 것이 바람직하고, 상기 제2 전극(370)은 p형 전극인 것이 바람직하다.
그런 후에, 도 4g에 도시한 바와 같이, 제1 리드 프레임(210a) 및 제2 리드 프레임(210b)으로 이루어진 한 쌍의 리드 프레임(210)을 제공한 다음, 상기 리드 프레임(210)의 일부를 내측에 수용하면서 몰딩재 충진 공간을 정의하도록 프리 몰딩(pre-molding)에 의해 패키지 몰드(220)를 형성한다.
그리고, 상술한 바와 같이 형성된 LED 칩(300)을 상기 패키지 몰드(220) 내부의 리드 프레임(210) 중 어느 하나의 리드 프레임(210a) 상에 실장한 후, 본딩 와이어(240)를 이용하여 상기 리드 프레임(210)과 상기 LED 칩(300)을 전기적으로 연결한다.
그 다음에, 상기 LED 칩(300) 상에 형광체(250)를 도포한다. 상기 형광체(250)는 몰딩재(260)와 함께 혼합하여 도포하는 것이 바람직하며, 상기 몰딩재는 실리콘(silicone), 하이브리드(hybrid), 에폭시(epoxy) 및 폴리비닐(polyvinyl)계 레진으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있다.
특히, 본 발명에 있어서, 상기 형광체(250)는 상기 LED 칩(300)의 제1 활성 층(340a) 및 제2 활성층(340b)의 방출광에 의해 여기되는 것으로서, 580㎚ 내지 700㎚의 피크 파장을 갖는 적색 형광체인 것이 바람직하다.
즉, 상기 적색 형광체는, 상기 제1 및 제2 활성층(340a,340b)의 청색광, 녹색광, 또는 이들의 혼합광에 의해 여기되어 적색광을 방출하며, 이와 같이 방출된 적색광은 상기 제1 및 제2 활성층(340a,340b)에서 방출되는 청색광, 녹색광 및 이들의 혼합광과 다시 합성되어 최종적으로 백색광을 방출한다.
이와 같이, 하나의 LED 칩(300)에 청색 및 녹색 활성층을 형성하고, 상기 LED 칩(300)과 함께 적색 형광체를 사용하는 본 발명에 의한 백색 발광소자는 색재현성 및 색균일도가 우수할 뿐만 아니라, 자연광에 가까운 백색광을 구현할 수 있는 장점이 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 개시된 실시예에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 백색 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, 하나의 LED 칩에 파장이 서로 다른 청색 및 녹색 활성층을 형성하고, 상기 LED 칩과 함께 적색 형광체를 사용함으로써, 기존의 청색 LED 칩과 황색 형광체를 사용하는 경우에 비해 적색쪽의 강도를 보완하여 색재현성을 높일 수 있고, 자연광에 가까운 백색광을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에서는, 기존에 청색 LED 칩과 적색/녹색 형광체를 혼합하여 사용하는 경우와는 달리, 적색 형광체만을 단독으로 사용하는 바, 열화율이 다른 복합 형광체를 사용할 필요가 없어 장시간 사용시에도 색균일도 및 색재현성을 유지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (38)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 제1 도전형 질화물 반도체층;
    상기 제1 도전형 질화물 반도체층 상에 상기 제1도전형 질화물 반도체층의 소정 영역을 노출시키는 복수의 패턴으로 이루어진 제1활성층 및 상기 제1활성층의 패턴 사이의 공간에 상기 제1활성층과 파장이 서로 다른 제2활성층으로 매립된 제2 활성층을 포함하는 활성층;
    상기 활성층 상에 형성된 제2 도전형 질화물 반도체층; 및
    상기 제1 도전형 질화물 반도체층 및 상기 제2 도전형 질화물 반도체층 상에 각각 형성된 제1 전극 및 제2 전극;
    을 포함하는 LED 칩; 및
    상기 LED 칩 상에 상기 제1 활성층 및 제2 활성층의 방출광에 의해 여기되는 형광체를 포함하는 몰딩재;
    를 포함하는 백색 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 활성층은 420㎚ 내지 480㎚의 피크 파장을 갖는 청색 활성층이고, 상기 제2 활성층은 500㎚ 내지 580㎚의 피크 파장을 갖는 녹색 활성층인 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 형광체는 580㎚ 내지 700㎚의 피크 파장을 갖는 적색 형광체인 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 활성층은 구형, 다각형, 스트립(strip)형 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나의 평면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 활성층 및 제2 활성층은 양자우물층 및 양자장벽층이 교대로 1∼50회 적층된 양자 우물 구조로 이루어지고, 상기 양자장벽층은 상기 양자우물층의 1∼20배의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 몰딩재는 실리콘(silicone), 하이브리드(hybrid), 에폭시(epoxy) 및 폴리비닐(polyvinyl)계 레진으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전형 질화물 반도체층은 n형 질화물 반도체층인 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 n형 질화물 반도체층은 AlxInyGa(1-x-y)N(x+y=1, 0≤x,y≤1)로 GaN 보다 밴드갭이 크거나 낮은층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도전형 질화물 반도체층은 p형 질화물 반도체층인 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 p형 질화물 반도체층은 AlxInyGa(1-x-y)N(x+y=1, 0≤x,y≤1)로 GaN 보다 밴드갭이 크거나 낮은층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은 n형 전극인 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극은 p형 전극인 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 사파이어, ZnO, GaN, SiC 및 AlN로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 기판과 상기 제1 도전형 질화물 반도체층의 사이에 형성된 버퍼층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  18. 기판 상에 제1 도전형 질화물 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제1 도전형 질화물 반도체층 상에 제1 활성층을 형성하는 단계;
    상기 제1 활성층을 선택적으로 식각하여, 상기 제1 도전형 질화물 반도체층의 소정 영역을 노출시키는 복수의 패턴을 형성하는 단계;
    상기 패턴 사이의 공간을 상기 제1 활성층과 파장이 서로 다른 제2 활성층으로 매립하여 활성층을 형성하는 단계;
    상기 활성층 상에 제2 도전형 질화물 반도체층을 형성하는 단계;
    상기 제2 도전형 질화물 반도체층 및 상기 활성층의 일부를 메사 식각하여 상기 제1 도전형 질화물 반도체층의 일부를 드러내는 단계;
    상기 드러난 제1 도전형 질화물 반도체층과 상기 제2 도전형 질화물 반도체층 상에 제1 전극 및 제2 전극을 각각 형성하여 LED 칩을 형성하는 단계; 및
    상기 LED 칩 상부에, 상기 LED 칩의 상기 제1 활성층 및 제2 활성층의 방출광에 의해 여기되는 형광체를 포함하는 몰딩재를 도포하는 단계;
    를 포함하는 백색 발광소자의 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 활성층은 420㎚ 내지 480㎚의 피크 파장을 갖는 청색 활성층이고, 상기 제2 활성층은 500㎚ 내지 580㎚의 피크 파장을 갖는 녹색 활성층인 것을 특징으로 하는 백색 발광소자의 제조방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 형광체는 580㎚ 내지 700㎚의 피크 파장을 갖는 적색 형광체인 것을 특징으로 하는 백색 발광소자의 제조방법.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 제1 활성층의 식각은, 건식 식각 또는 습식 식각으로 수행하는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자의 제조방법.
  22. 제18항에 있어서,
    상기 패턴 사이의 공간을 상기 제1 활성층과 파장이 서로 다른 제2 활성층으로 매립하여 활성층을 형성하는 단계에서,
    상기 패턴 사이의 공간을 완전히 매립하도록, 상기 패턴을 포함한 상기 제1 도전형 질화물 반도체층 상에 상기 패턴보다 높게 상기 제2 활성층을 형성하는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자의 제조방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 패턴보다 높게 상기 제2 활성층을 형성한 후,
    상기 패턴의 표면이 드러날 때까지 상기 제2활성층을 식각하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자의 제조방법.
  24. 제18항에 있어서,
    상기 패턴은 구형, 다각형, 스트립(strip)형 및 이들의 조합으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나의 평면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자의 제조방법.
  25. 제18항에 있어서,
    상기 제1 활성층 및 제2 활성층은 양자우물층 및 양자장벽층이 교대로 1∼50회 적층된 양자 우물 구조로 이루어지고, 상기 양자장벽층은 상기 양자우물층의 1∼20배의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자의 제조방법.
  26. 삭제
  27. 제18항에 있어서,
    상기 몰딩재는 실리콘(silicone), 하이브리드(hybrid), 에폭시(epoxy) 및 폴리비닐(polyvinyl)계 레진으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 백색 발광소자의 제조방법.
  28. 제18항에 있어서,
    상기 제1 도전형 질화물 반도체층은 n형 질화물 반도체층인 것을 특징으로 하는 백색 발광소자의 제조방법.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 n형 질화물 반도체층은 AlxInyGa(1-x-y)N(x+y=1, 0≤x,y≤1)로 GaN 보다 밴드갭이 크거나 낮은층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 백색 발광소자의 제조방법.
  30. 제18항에 있어서,
    상기 제2 도전형 질화물 반도체층은 p형 질화물 반도체층인 것을 특징으로 하는 백색 발광소자의 제조방법.
  31. 제29항에 있어서,
    상기 p형 질화물 반도체층은 AlxInyGa(1-x-y)N(x+y=1, 0≤x,y≤1)로 GaN 보다 밴드갭이 크거나 낮은층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 백색 발광소자의 제조방법.
  32. 제18항에 있어서,
    상기 제1 전극은 n형 전극인 것을 특징으로 하는 백색 발광소자의 제조방법.
  33. 제18항에 있어서,
    상기 제2 전극은 p형 전극인 것을 특징으로 하는 백색 발광소자의 제조방법.
  34. 제18항에 있어서,
    상기 기판은 사파이어, ZnO, GaN, SiC 및 AlN로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 백색 발광소자의 제조방법.
  35. 제18항에 있어서,
    상기 기판 상에 제1 도전형 질화물 반도체층을 형성하는 단계 전에,
    상기 기판 상에 버퍼층을 형성하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자의 제조방법.
  36. 삭제
  37. 삭제
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