KR100902378B1 - 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자에 관한 것으로서, 특히 복수의 n형 본딩 패드를 갖는 대면적 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 칩에 있어서, 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 복수의 n형 본딩 패드는 각 n형 본딩 패드와 칩의 모서리까지의 거리가 서로 인접한 n형 본딩 패드 간의 거리의 10% 이상이 되도록 배치된 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자를 제공한다.

수직구조, LED, 본딩패드, 대면적

Description

수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자{VERTICALLY STRUCTURED GaN TYPE LED DEVICE}

본 발명은 수직구조(수직전극형) 질화갈륨계(GaN) 발광 다이오드(Light Emitting Diode; 이하, 'LED'라 칭함) 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전류확산 효율을 향상시켜 낮은 구동전압 및 고휘도를 구현할 수 있는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자에 관한 것이다.

일반적으로 질화갈륨계 LED 소자는 사파이어 기판 상에 성장하지만, 이러한 사파이어 기판은 단단하고 전기적으로 부도체이며 열전도 특성이 좋지 않아 질화갈륨계 LED 소자의 크기를 줄여 제조원가를 절감하거나, 광출력 및 칩의 특성을 개선시키는데 한계가 있다. 특히, LED 소자의 고출력화를 위해서는 대전류 인가가 필수이기 때문에 LED 소자의 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 수직구 조 질화갈륨계 LED 소자가 제안되었다.

최근 이러한 수직구조를 가지는 질화갈륨계 LED 소자를 조명광원으로 이용하기 위해서 고휘도화가 요구되며, 이러한 고휘도화를 달성하기 위해서 대전류에서 동작 할 수 있는 대면적 수직구조 질화갈륨계 LED 소자를 제작하고 있다.

그러면, 이하 도 1 및 도 2를 참조하여 종래 기술에 따른 대면적 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 문제점에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 종래 기술에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 구조를 나타낸 평면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 잘라 나타낸 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 종래 기술에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자는, 두 개의 n형 본딩 패드(110)와, 상기 n형 본딩 패드(110) 하면에 형성되어 있으며, 이웃하는 n형 본딩 패드(110)를 향하여 뻗어나간 복수의 n형 가지 전극(120a)을 갖는 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(140) 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, 대면적 수직구조 질화갈륨계 LED 소자는 대전류에서 동작할 수 있도록 적어도 두 개 이상의 n형 본딩 패드를 갖고 있으며, 상기 n형 본딩 패드는 최소한 90㎛ 내지 130㎛의 직경 정도의 원형 또는 다각형 형태의 접촉 면적을 필요로 한다.

그런데, 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 경우, p형 질화갈륨층과 접촉된 p형 전극이 칩 면적의 전면에 분포하고 있고, p형 전극 저항이 거의 "0"에 가깝기 때문에 n형 질화갈륨층의 면 저항과 n형 전극 및 n형 본딩 패드의 저항/배치에 따라 전류확산의 정도가 결정된다.

그러나, 종래 기술에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자는 그의 제조 공정 중 본딩 공정의 작업 편이성으로 인해 상기 n형 본딩 패드가 도 1에 도시된 바와 같이, 칩의 최외곽변에 인접하게 배치 즉, 모서리 부분에 배치되어 있으며, 이를 통해 많은 양의 전류가 전달되기 때문에 상기 n형 본딩 패드가 배치된 모서리 부분에 전류가 집중되는 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 복수의 n형 본딩 패드를 각 n형 본딩 패드와 칩의 인접한 최외각변까지의 거리가 서로 인접한 n형 본딩 패드 간의 거리의 10% 이상이 되도록 배치함으로써, 전류확산 효율을 향상시켜 낮은 구동전압 및 고휘도를 구현할 수 있는 수직구조 질화갈륨계 LED 소자를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 복수의 n형 본딩 패드를 갖는 대면적 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 칩에 있어서, 상기 n형 본딩 패드 하면에 형 성된 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 복수의 n형 본딩 패드는 각 n형 본딩 패드와 칩의 인접한 최외각변까지의 거리가 서로 인접한 n형 본딩 패드 간의 거리의 10% 이상이 되도록 배치된 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자를 제공한다.

또한, 상기 본 발명의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자에서, 상기 n형 전극은, 전류확산을 향상시키기 위해 인접한 n형 전극을 향하여 뻗어 있는 하나 이상의 n형 가지 전극을 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 본 발명의 수직구조 질화갈륨계 LED 소자에서, 상기 대면적 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 칩은, 발광면이 정사각형 또는 직사각형으로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명은 복수의 n형 본딩 패드를 각 n형 본딩 패드와 칩의 인접한 최외각변까지의 거리가 서로 인접한 n형 본딩 패드 간의 거리의 10% 이상이 되도록 배치함으로써, 전류확산 효율을 향상시켜 낮은 구동전압 및 고휘도를 구현할 수 있다.

따라서, 본 발명은 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 전류확산 효율을 향상시켜 휘도를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자에 대한 구체적인 기술적 구성에 관한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예가 도시된 도면을 참조하여 아래의 상세한 설명에 의해서 명확하게 이해될 것이다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 병기하였다.

실시예

도 3 내지 도 5를 참고하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자에 대하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자를 나타낸 평면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 Ⅳ-Ⅳ'선을 따라 잘라 나타낸 단면도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 변형예를 나타낸 평면도이다.

우선, 도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 최상부에는 외부 소자와 전기적으로 연결하기 위한 n형 본딩 패드(110)가 복수개 형성되어 있다. 상기 복수의 n형 본딩 패드(110)는 대전류를 요구하는 대면적 수직구조 질화갈륨계 LED 소자를 위한 것으로, 최소한 90㎛ 내지 130㎛의 직경 정도의 원형 또는 다각형 형태의 접촉 면적을 필요로 한다.

한편, 일반적으로 대면적 수직구조 질화가륨계 LED 소자의 p형 질화갈륨층과 접촉된 p형 전극은 칩 면적의 전면에 분포하고 있고, p형 전극의 저항이 거의 "0"에 가깝기 때문에 n형 질화갈륨층의 면 저항과 n형 전극 및 n형 본딩 패드의 저항/배치에 따라 전류확산의 정도가 결정된다.

그러나, 종래 기술에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자는 그의 제조 공정 중 본딩 공정의 작업 편이성으로 인해 상기 n형 본딩 패드가 도 1에 도시된 바와 같이, 칩의 최외곽변에 인접하게 배치 즉, 모서리 부분에 배치되어 있으며, 이를 통해 많은 양의 전류가 전달되기 때문에 상기 n형 본딩 패드가 배치된 모서리 부분에 집중되는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명에 따른 상기 복수의 n형 본딩 패드(110)는 칩의 모서리 부분 또는 칩의 최외각변 인접 부분에 배치되지 않고 칩의 중심방향으로 소정 거리만큼 이동된 상태 즉, 도 3에 도시한 바와 같이 각 n형 본딩 패드(110)와 칩의 인접한 모서리 부분 및 최외각변까지의 거리 중 최단거리(가)가 서로 인접한 n형 본딩 패드(110) 간의 거리 중 최단거리(나)의 10% 이상이 되도록 배치되어 있다. 보다 바람직하게는, 상기 n형 본딩 패드(110)를 거리(가)가 거리(나)의 10% 내지 100%를 갖도록 배치하는 것이 좋으며 본 실시예에서는 50%를 갖도록 배치하였다.

또한, 본 발명에 따른 복수의 n형 본딩 패드(110)는 칩 면적에 대하여 균형되게 배치되어 있다.

상기와 같이 복수의 n형 본딩 패드(110)를 동일한 면적을 갖는 1000㎛*1000㎛ 크기의 정사각형 칩 상에 배치하게 되면, 종래 모서리에 배치(도 1 참조)되던 소자보다 도 4의 화살표처럼 전류확산 효과를 향상시킬 수 있는 바, 동작전압을 감소시킬 수 있는 동시에 광출력 특성 또한 향상시킬 수 있다.

한편, 본 실시예의 도 3에서는 상기 복수의 n형 본딩 패드(110)를 정사각형의 칩에 배치된 상태를 도시하였으나, 이는 이에 한정되지 않고 동일한 면적의 칩, 예를 들어 1000㎛*1000㎛ 크기의 정사각형 칩일 경우 700㎛*1420㎛ 크키의 직사각형 칩에 적용 가능(도 5 참조)하다.

여기서, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 변형예를 나타낸 평면도이다.

그리고, 상기 복수의 n형 본딩 패드(110)는 광 효율을 향상시키기 위해 n형 전극(120)과 전기적으로 연결되어 있다. 상기 n형 전극(120)은, 도 3에 도시한 바와 같이 그로부터 뻗어 있는 하나 이상의 n형 가지 전극(120a)을 더 포함하고 있다.

상기 n형 가지 전극(120a)은, 이웃하는 상기 n형 전극(120)을 향하여 뻗어 있는 것이 바람직하며, 이는 서로 이웃하는 상기 n형 전극(120) 사이에 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 반사율이 높은 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.

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 반사율이 높은 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.

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.

도 1은 종래 기술에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자를 나타낸 평면도.

도 2는 도 1에 도시된 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 잘라 나타낸 단면도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자를 나타낸 평면도.

도 4는 도 3에 도시된 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 Ⅳ-Ⅳ'선을 따라 잘라 나타낸 단면도.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직구조 질화갈륨계 LED 소자의 변형예를 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

Claims (3)

1. 복수의 n형 본딩 패드를 갖는 대면적 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 칩에 있어서,

   구조지지층;

   상기 구조지지층 상에 형성된 p형 전극;

   상기 p형 전극 상에 p형 질화갈륨층, 활성층 및 n형 질화갈륨층이 순차로 적층되어 형성된 발광 구조물;

   상기 발광 구조물 상의 일부분에 형성된 n형 전극; 및

   상기 n형 전극과 전기적으로 연결된 복수의 n형 본딩 패드;를 포함하고,

   상기 복수의 n형 본딩 패드는 각 n형 본딩 패드와 칩의 인접한 모서리 부분 및 최외각변까지의 거리 중 최단거리가 서로 인접한 n형 본딩 패드 간의 거리 중 최단거리의 10% 이상이 되도록 배치된 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 n형 전극은, 인접한 n형 전극을 향하여 뻗어 있는 하나 이상의 n형 가지 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자.
3. 제1항에 있어서,

   상기 대면적 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 칩은, 발광면이 정사각형 또는 직사각형으로 형성된 것을 특징으로 수직구조 질화갈륨계 발광다이오드 소자.

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