KR100870592B1

KR100870592B1 - 반도체 발광 장치

Info

Publication number: KR100870592B1
Application number: KR1020060076616A
Authority: KR
Inventors: 다까요시 후지이; 준이찌 도노따니; 데쯔로 고마쯔; 다까히로 소오고오; 도모히로 이구찌
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 2005-08-15
Filing date: 2006-08-14
Publication date: 2008-11-25
Also published as: KR20070020348A

Abstract

본 발명의 LED 칩은 상부 바닥면측 쪽으로 그 외형이 좁아지는 테이퍼부가 외벽면에 형성된 원주형 GaP 기판(columnar GaP substrate)과; GaP 기판의 상부 바닥면에 설치된 상측면 전극과; GaP 기판의 하부 바닥면에 설치된 발광층과; 발광층의 GaP 기판과는 반대측의 면에 설치되는 동시에, 상측면 전극에 대향한 영역 외측의 환상 영역에 배치되는 하측면 전극을 포함한다.

LED 칩, GaP 기판, 발광층, 하측면 전극, 상측면 전극, 반사 필름

Description

반도체 발광 장치{SEMICONDUCTOR LIGHT-EMITTING DEVICE}

도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 LED 칩을 개략적으로 도시하는 측면도.

도2는 LED 칩의 발광 강도 분포를 도시하는 그래프.

도3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 LED 칩을 개략적으로 도시하는 측면도.

도4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 LED 칩을 개략적으로 도시하는 측면도.

도5는 종래의 반도체 발광 장치를 개략적으로 도시하는 측면도.

도6은 종래의 반도체 발광 장치의 발광 강도 분포를 도시하는 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : LED 칩(반도체 발광 장치)

11 : GaP 기판

12 : 발광층

13 : 하측면 전극

14 : 상측면 전극

15 : 반사 필름

본 발명은 반도체 발광 장치에 관한 것으로, 특히 광 취출 효율의 개선 및 발광 장치의 전체 광 출력 증대를 도모할 수 있는 구조를 갖는 반도체 발광 장치에 관한 것이다.

도5는 종래의 정션 다운형 LED 칩(junction down-mounted LED chip)(반도체 발광 장치)(100)의 구조를 개략적으로 나타내는 측면도이다. LED 칩(1OO)은 각뿔대형(truncated pyramid-shape) GaP 기판(101), GaP 기판(101)의 하측면에 설치된 발광층(102), 발광층(102)의 하측면에 설치된 하측면 전극(103), 및 GaP 기판(101)의 상측면에 설치된 상측면 전극(104)을 포함한다. GaP 기판(1O1)은 발광 파장에 대해서 투명한 특성을 갖는다. GaP 기판(101)은 방출된 광이 칩 외측으로 용이하게 취출되도록 테이퍼져 있다.

표면 내에서 광을 균일하게 방출시키기 위해, 전극이 하측면 전극(103)의 전체 하측면에 형성되거나, 또는 하측면 전극(103)은 복수의 세선 전극(103b 내지 103d)으로 형성된다. 와이어 본딩을 실시하기 위해, 상측면 전극(104)은 GaP 기판(101)의 상측면의 중앙부에 형성된다.

LED 칩(100)에 있어서, 도5에 도시된 바와 같이, 하측면 전극(103)과 상측면 전극(104) 사이에 전류를 통전시킴으로써 발광층(102)은 광을 방출시킨다. 도6은 LED 칩(100)의 발광 강도 분포를 나타낸다. 발광층(102)으로부터 발광한 광 빔 중, GaP 기판(101)의 각 면에 대해서 전반사각 내에 위치된 광 빔(α1 및 α2)은 칩 외측으로 취출될 수 있지만, 전반사각을 넘게 위치된 광 빔(α3)은 칩 내에 갇힌다. 상측면 전극(104)으로 향하는 광 빔(α4)은 상측면 전극(104)에 흡수된다. 따라서, 광 취출 효율이 낮아진다고 하는 문제점이 있다.

발광층이 상측면 전극의 바로 아래에 위치된 부분을 제외한 영역에 선택적으로 형성되어, 발광된 광이 상측면 전극 바로 아래에 위치된 부분을 통과하게 됨으로써, 광 취출 효율을 향상시키는 LED 칩이 개시되어 있다(예를 들면, 일본 특허 제2792781호 참조).

광 출사면과 대향하는 면에 반사 필름을 형성함으로써, 광 출사면에 대향하는 면쪽으로 발광한 광을 광 출사면쪽으로 반사시켜 광 취출 효율을 향상시키는 LED 칩이 개시되어 있다(예를 들면, 일본 특허 제3312049호 참조).

종래의 LED 칩에 있어서, 하기와 같은 문제점이 있었다. 즉, 일본 특허 제2792781호에 개시된 LED 칩에 있어서, 성장층(growth layer)에 레이저 빔을 선택적으로 조사함으로써 활성층을 부분적으로 형성할 필요가 있다. 그러나, 기술적인 관점에서, 부분적인 활성층을 형성하는 것은 어려우며, 이는 제조 공정수를 증가시켜 비용을 상승시키는 문제점을 초래한다.

일본 특허 제3312049호에 개시된 LED 칩은 반사층이 형성된 면과 발광층 사이의 거리가 서로 이격되어 있는 경우에는 효과가 있다. 하지만, 발광층 가까이에 전극 및 반사층이 형성된 경우에는, 발광층 상의 전극과 거의 동일한 형상으로 광이 방출되고, 이 광은 퍼지지 않고 전극쪽으로 전파된다. 따라서, 발광된 광이 반사층으로부터 반사되지 않고 전극에 의해 흡수된다고 하는 문제점이 있다.

전술한 바에 비추어, 본 발명의 목적은 전반사로 인해 칩 내에 갇히는 방출된 광을 감소시키거나 또는 대향 전극(counter electrode)에 흡수되는 방출된 광의 비율을 감소시킴으로써 고효율 발광을 실현할 수 있는 반도체 발광 장치를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 반도체 발광 장치는 하기와 같이 구성되어 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광 장치는, 외벽면에 테이퍼 부분이 형성되고, 테이퍼 부분의 외형이 상부 바닥면측 쪽으로 좁아지는 원주형 기판(columnar substrate)과; 기판의 상부 바닥면에 설치된 상측면 전극과; 기판의 하부 바닥면에 설치된 발광층과; 발광층의 기판과는 반대측의 면에 설치되는 동시에, 상측면 전극에 대향한 영역 외측의 환상 영역에 배치되는 하측면 전극을 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 발광 장치는 외벽면에 테이퍼 부분이 형성되고, 테이퍼 부분의 외형이 상부 바닥면측 쪽으로 좁아지는 원주형 기판(columnar substrate)과; 기판의 상부 바닥면에 설치된 상측면 전극과; 기판의 하부 바닥면에 설치된 발광층과; 발광층의 기판과는 반대측의 면에 설치된 하측면 전극을 포함하고, 발광층은 상측면 전극에 대향한 영역 외측의 환상 영역에 배치된다.

본 발명에 따르면, 전반사로 인해 칩 내에 갇히는 발광된 광을 감소시키거나 또는 대향하는 전극에 흡수되는 발광된 광의 비율을 감소시킴으로써, 고효율 발광이 실현될 수 있다.

본 발명의 장점은 하기의 상세한 설명에 설명되고, 부분적으로 상세한 설명을 통해 명백하거나, 또는 본 발명의 실시에 의해 알 수 있다. 본 발명의 장점은 하기에 기재된 수단 및 이들의 조합에 의해 실현되고 얻어질 수 있다.

본원 명세서와 결합되고 그의 일부를 구성하는 첨부도면은, 본 발명의 예를 도시하며, 전술된 일반적인 설명 및 하기의 실시예의 자세한 설명과 더불어 본 발명의 원리를 설명한다.

도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 LED 칩(반도체 발광 장치)(10)을 개략적으로 도시하는 측면도이고, 도2는 LED 칩(10)의 발광 강도 분포를 도시하는 그래프이다. LED 칩(10)은 각뿔대형 GaP 기판(11)과, GaP 기판(11)의 하측면에 제공된 발광층(12)과, 발광층(12)의 하측면에 제공된 하측면 전극(13)과, GaP 기판(11)의 상측면에 제공된 상측면 전극(14)과, 하측면 전극(13)의 하측면에 제공된 반사 필름(15)을 포함한다. GaP 기판(11)은 발광 파장에 대해 투명한 특성을 갖는다. 예를 들면, 발광층(12)은 InAIGaP로 제조된다.

GaP 기판(11)에는, 방출된 광이 칩의 외측으로 용이하게 취출될 수 있도록 각도(θ)를 갖는 테이퍼 부분(11a)이 제공되어 있다. GaP 기판(11)의 높이는 H로 한다.

상측면 전극(14)은 와이어(도시되지 않음)를 본딩(bonding)하기 위해 중앙부에 형성된다.

한편, 하측면 전극(13)은 하기의 3가지 조건을 만족시키도록 배열된다. 첫째로, 하측면 전극(13)은 상측면 전극(14)과 대면하지 않는 위치에 배치된다. 이는 발광층(12)에서의 발광이 상측면 전극(14)에 의해 흡수되어 버리는 것을 방지하기 위해서이다.

둘째로, 하측면 전극(13)은 GaP 기판(11)의 외주로부터 수학식 1에서 정의된 L 만큼 이격된 위치에 배치된다. 즉, GaP 기판(11)의 하측 바닥면의 외주와 상측면 전극(14)의 외주 사이의 거리를 W, GaP 기판(11)의 굴절율을 n₁, GaP 기판(11) 외부의 굴절율을 n₂라고 하면, 하기의 수학식 1이 얻어진다.

[수학식 1]

(H/2)tanθ - (H/2)tan(θ + α - 90°) 〈 L

여기서, α = sin^-1(n₂/n₁)

수학식 1은 최외주측의 세선 전극(thin patterned electrode)(13e)으로부터의 발광이 GaP 기판(11)의 테이퍼면에 대해서 전반사각 이내에서 입사하는 조건을 기하학적으로 결정한 것이다.

세째로, 하측면 전극(13)은 GaP 기판(11)의 외주로부터 하기의 수학식 2에서 규정된 L 만큼 이격된 위치에 배치된다.

[수학식 2]

L 〈 (H/2)tanθ + (H/2)tan(-θ + α + 90°), 및 L 〈 W

수학식 2는 최내주측의 세선 전극(13a)으로부터의 발광이 GaP 기판(11)의 테 이퍼면에 대해서 전반사각 이내에서 입사하는지, 또는 하측면 전극(13)이 상측면 전극(14)에 대면하지 않는 조건을 기하학적으로 결정한 것이다.

상기 구성을 갖는 LED 칩(10)에 있어서, 상측면 전극(14)과 하측면 전극(13) 사이에 전류를 통전시킴으로써 발광층(12)내의 하측면 전극(13) 가까이에서 광이 발광된다. 이 때, 하측면 전극(13)이 세선 전극(13a)으로 구성되어 있기 때문에, 세선 전극(13a 내지 13e)에 대응하는 부분에서뿐만 아니라, 전극 사이에 위치된 부분에서도 발광한다. 결과적으로, 세선 전극(13a 내지 13e)이 전체적으로 설치된 영역이 거의 균일하게 발광하게 된다. 도2에서, 실선은 이때의 발광 강도 분포를 나타내고, 점선은 비교예로서 도5에 도시된 종래의 LED 칩의 발광 강도 분포를 나타낸다.

위의 3가지 조건을 만족시키는 위치에 세선 전극(13a 내지 13e)이 배치되어, 상측면 전극(14)에 의해 흡수된 발광은 최소한으로 억제될 수 있는 한편, GaP 기판(11)의 각각의 면에 대해 전반사각 내에서 입사한다.

반면에, 발광층(12)으로부터의 방출되는 광(light) 중, 도1의 하측으로 새는 광은 반사 필름(15)에 의해 반사해 GaP 기판(11)으로 복귀되어, 칩 외측으로 취출된다. 이 때, 하측면 전극(13)이 세선으로 형성되기 때문에, 상기 광은 반사 필름(15)으로부터 효과적으로 반사된다.

따라서, 제1 실시예의 LED 칩(10)에 의하면, 발광층(12)으로부터 발광된 광 중, 칩 내에 갇히는 광 또는 상측면 전극(11)에 의해 흡수되는 광은 최소한으로 억제되어 있어, 광 취출 효율이 향상될 수 있고, 발광 장치의 전체 광 출력이 증대될 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 전극 구조가 결정되며, 비용을 증가시키는 활성층을 선택적으로 형성할 필요가 없으므로, 제조 비용이 절감될 수 있다.

GaP 기판(11) 및 발광층(12)은 발광될 색상 및 목적에 따라서 다른 재료가 사용될 수 있다. 예를 들면, GaP 기판(11) 대신에 사파이어가 이용되는 경우, 발광층(12)으로서 GaN이 사용될 수 있다.

도3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 LED 칩(20)을 개략적으로 도시하는 측면도이다. 도3에서, 도1의 것과 동일한 기능 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고, 상세한 설명은 생략한다.

LED 칩(20)에 있어서, GaP 기판(11)의 하측면에 설치된 발광층(21a 내지 21e)은 세선 전극(13a 내지 13e)의 위치에 맞추어 형성된다. LED 칩(20)에 있어서, 제1 실시예와 동일한 효과가 얻어질 수 있다.

도4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 LED 칩(30)을 개략적으로 도시하는 측면도이다. 도4에서, 도1의 것과 동일한 기능 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고, 상세한 설명은 생략한다.

세선 전극(13a 내지 13e)의 위치에 설치된 발광층(21) 및 절연 부재(32)가 LED 칩(30)에 배치되고, 또한 평판형 하측면 전극(33)이 배치된다.

도4의 구성을 갖는 LED 칩(30)에 있어서, 하측면 전극(33)에 공급되는 전력은 발광층(21)이 설치된 부분에만 공급되어, 그 위치만이 발광하게 된다. 따라서, 제1 실시예와 동일한 효과가 얻어질 수 있다.

당업자에 의해 다른 장점 및 변형이 용이하게 이루어질 있다. 따라서, 본 발명은 보다 넓은 관점에서 본원에 도시되고 상술된 특정 실시예 및 대표적인 실시예에 한정되지 않는다. 따라서, 첨부된 특허청구범위 및 그의 동등물에 의해 규정되는 바와 같은 일반적인 발명 개념의 정신 및 범위를 벗어남이 없이 각종 변형이 이루어질 수 있다.

본 발명은 전반사로 인해 칩 내에 갇히는 방출된 광을 감소시키거나 또는 대향 전극에 흡수되는 방출된 광의 비율을 감소시킴으로써 고효율 발광을 실현하게 됩니다.

Claims

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반도체 발광 장치이며,

외벽면에 테이퍼 부분이 형성되고, 상기 테이퍼 부분의 외형은 상부면측 쪽으로 좁아지는 원주형 기판(columnar substrate)과,

상기 기판의 상부면에 접촉하여 설치된 상측면 전극과,

상기 기판의 하부면에 접촉하여 설치된 발광층과,

상기 발광층의 기판과는 반대측의 면에 접촉하여 설치되고, 상기 상측면 전극에 대향한 영역 외측의 환상 영역에 배치되는 하측면 전극을 포함하고,

상기 기판의 높이를 H, 상기 테이퍼 부분의 경사각을 θ, 상기 기판의 하부면의 외주와 상기 상측면 전극의 외주 사이의 거리를 W, 상기 기판의 굴절율을 n₁, 상기 기판 외부의 굴절율을 n₂, α는 sin^-1(n₂ / n₁ )이라 했을 때, 상기 하측면 전극은 상기 기판의 단부로부터 (H/2)tanθ+(H/2)tan(-θ+α+90°) 및 W의 내측에 위치되고 또한 상기 기판의 단부로부터 (H/2)tanθ-(H/2)tan(θ+α-90°)의 거리보다 외측에 배치되고,

상기 발광층은 상기 하측면 전극과 동일 영역에 형성되는 반도체 발광 장치.
반도체 발광 장치이며,

외벽면에 테이퍼 부분이 형성되고, 상기 테이퍼 부분의 외형이 상부면측 쪽으로 좁아지는 원주형 기판(columnar substrate)과,

상기 기판의 상부면에 접촉하여 설치된 상측면 전극과,

상기 기판의 하부면에 접촉하여 설치된 발광층과,

상기 발광층의 기판과는 반대측의 면에 접촉하여 설치된 하측면 전극을 포함하고,

상기 발광층은 상기 상측면 전극에 대향한 영역 외측의 환상 영역에 배치되고,

상기 기판의 높이를 H, 상기 테이퍼 부분의 경사각을 θ, 상기 기판의 하부면의 외주와 상기 상측면 전극의 외주 사이의 거리를 W, 상기 기판의 굴절율을 n₁, 상기 기판 외부의 굴절율을 n₂, α는 sin^-1(n₂ / n₁ )이라 했을 때, 상기 하측면 전극은 상기 기판의 단부로부터 (H/2)tanθ+(H/2)tan(-θ+α+90°) 및 W의 내측에 위치되고 또한 상기 기판의 단부로부터 (H/2)tanθ-(H/2)tan(θ+α-90°)의 거리보다 외측에 배치되는 반도체 발광 장치.