KR101171325B1 - Light emitting device having a plurality of light emitting cells and method of fabricating the same - Google Patents
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복수개의 발광셀들을 갖는 발광소자가 개시된다. 상기 발광소자는 사파이어 기판 보다 열전도율이 높은 열전도성 기판, 예컨대 SiC 기판을 포함한다. 상기 열전도성 기판 상부에 복수개의 발광셀들이 직렬 연결된다. 한편, 상기 열전도성 기판과 상기 발광셀들 사이에 반절연(semi-insulating) 버퍼층 개재된다. 상기 반절연 버퍼층은 예컨대 AlN 또는 반절연 GaN일 수 있다. 사파이어 기판 보다 열전도율이 높은 열전도성 기판을 채택함에 따라, 종래의 사파이어 기판에 비해 열방출 성능을 개선할 수 있어, 고전압 교류 전원하에서 구동되는 발광소자의 최대 광출력을 증가시킬 수 있다. 또한, 반절연 버퍼층을 채택하여 상기 열전도성 기판을 통한 누설전류 및 발광셀들 사이의 누설전류 증가를 방지할 수 있다.A light emitting device having a plurality of light emitting cells is disclosed. The light emitting device includes a thermally conductive substrate having a higher thermal conductivity than a sapphire substrate, such as a SiC substrate. A plurality of light emitting cells are connected in series on the thermally conductive substrate. Meanwhile, a semi-insulating buffer layer is interposed between the thermally conductive substrate and the light emitting cells. The semi-insulating buffer layer may be, for example, AlN or semi-insulating GaN. By adopting a thermally conductive substrate having a higher thermal conductivity than that of the sapphire substrate, the heat dissipation performance can be improved as compared with the conventional sapphire substrate, so that the maximum light output of the light emitting device driven under a high voltage AC power source can be increased. In addition, the anti-insulation buffer layer may be employed to prevent leakage current through the thermally conductive substrate and increase of leakage current between the light emitting cells.
발광 다이오드, 교류전원, 반절연 탄화규소, 반절연 버퍼층, 반절연 질화갈륨 Light-emitting diodes, ac power, semi-insulated silicon carbide, semi-insulated buffer layers, semi-insulated gallium nitride
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수개의 발광셀들을 갖는 발광소자를 설명하기 위한 단면도이다.1 is a cross-sectional view for describing a light emitting device having a plurality of light emitting cells according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 브리지 정류기를 포함하는 발광소자를 설명하기 위한 회로도이다.2 is a circuit diagram illustrating a light emitting device including a bridge rectifier according to an embodiment of the present invention.
도 3 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수개의 발광셀들을 갖는 발광소자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.3 to 7 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a light emitting device having a plurality of light emitting cells according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 발광 소자 및 그것을 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단일칩 내에 직렬연결된 복수개의 발광셀들을 갖는 발광소자 및 그것을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a light emitting device and a method of manufacturing the same, and more particularly to a light emitting device having a plurality of light emitting cells connected in series in a single chip and a method of manufacturing the same.
발광 다이오드는 N형 반도체와 P형 반도체가 서로 접합된 구조를 가지는 광전변환 반도체 소자로서, 전자와 정공의 재결합에 의하여 빛을 발산한다. 이러한 발광 다이오드는 표시소자 및 백라이트로 널리 이용되고 있다. 또한, 발광 다이오드는 기존의 전구 또는 형광등에 비해 소모 전력이 작고 수명이 길어, 백열전구 및 형광등을 대체하여 일반 조명 용도로 그 사용 영역을 넓히고 있다.A light emitting diode is a photoelectric conversion semiconductor device having a structure in which an N-type semiconductor and a P-type semiconductor are bonded to each other, and emit light by recombination of electrons and holes. Such light emitting diodes are widely used as display devices and backlights. In addition, the light emitting diode consumes less power and has a longer lifespan than existing light bulbs or fluorescent lamps, thereby replacing its incandescent lamps and fluorescent lamps, thereby expanding its use area for general lighting.
발광 다이오드는 교류전원하에서 전류의 방향에 따라 온/오프를 반복한다. 따라서, 발광 다이오드를 교류전원에 직접 연결하여 사용할 경우, 발광 다이오드가 연속적으로 빛을 방출하지 못하며, 역방향 전류에 의해 쉽게 파손되는 문제점이 있다.The light emitting diode is repeatedly turned on and off in accordance with the direction of the current under AC power. Therefore, when the light emitting diode is directly connected to an AC power source, the light emitting diode does not emit light continuously and is easily damaged by reverse current.
이러한 발광 다이오드의 문제점을 해결하여, 고전압 교류전원에 직접 연결하여 사용할 수 있는 발광 다이오드가 국제공개번호 WO 2004/023568(Al)호에 "발광 성분들을 갖는 발광소자"(LIGHT-EMITTING DEVICE HAVING LIGHT-EMITTING ELEMENTS)라는 제목으로 사카이 등(SAKAI et. al.)에 의해 개시된 바 있다.In order to solve the problem of the light emitting diode, a light emitting diode that can be directly connected to a high voltage AC power source is disclosed in International Publication No. WO 2004/023568 (Al) "Light-Emitting Device Having Light-Emitting Components". EMITTING ELEMENTS, which was disclosed by SAKAI et. Al.
상기 WO 2004/023568(Al)호에 따르면, LED들이 사파이어 기판과 같은 절연성 기판 상에 2차원적으로 직렬연결되어 LED 어레이를 형성한다. 이러한 두개의 LED 어레이들이 상기 사파이어 기판 상에서 역병렬로 연결된다. 그 결과, AC 파워 서플라이에 의해 구동될 수 있는 단일칩 발광소자가 제공된다.According to WO 2004/023568 (Al), the LEDs are two-dimensionally connected in series on an insulating substrate such as a sapphire substrate to form an LED array. These two LED arrays are connected in anti-parallel on the sapphire substrate. As a result, a single chip light emitting device that can be driven by an AC power supply is provided.
그러나, 사파이어 기판은 열전도율이 상대적으로 낮아 열 방출이 원활하지 못하다. 이러한 열방출의 한계는 상기 발광장치의 최대 광출력의 한계로 이어진다. 따라서, 고전압 교류전원하에서 최대 광출력을 증가시키기 위해 상기 발광 소자에 대한 지속적인 개선이 요구된다.However, the sapphire substrate has a relatively low thermal conductivity, which leads to poor heat dissipation. This limit of heat dissipation leads to a limit of the maximum light output of the light emitting device. Therefore, continuous improvement on the light emitting device is required to increase the maximum light output under high voltage AC power supply.
본 발명의 기술적 과제는, 고전압 교류 전원하에서 최대 광출력을 증가시킬 수 있는 개선된 발광소자를 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide an improved light emitting device capable of increasing maximum light output under high voltage AC power.
본 발명의 다른 기술적 과제는, 전기전도성 기판을 사용할 경우에도 기판을 통한 누설전류의 증가를 방지할 수 있는 직렬 연결된 복수개의 발광셀들을 갖는 발광소자를 제공하는 것이다.Another technical problem of the present invention is to provide a light emitting device having a plurality of light emitting cells connected in series that can prevent an increase in leakage current through the substrate even when using an electrically conductive substrate.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는, 기판을 통한 누설전류의 증가없이, 고전압 교류 전원하에서 최대 광출력을 증가시킬 수 있는 개선된 발광소자 제조방법을 제공하는 것이다.Another technical problem of the present invention is to provide an improved light emitting device manufacturing method capable of increasing the maximum light output under a high voltage AC power supply, without increasing the leakage current through the substrate.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 복수개의 발광셀들을 갖는 발광소자를 개시한다. 본 발명의 일 태양에 따른 상기 발광소자는 사파이어 기판 보다 열전도율이 높은 열전도성 기판을 포함한다. 상기 열전도성 기판 상부에 복수개의 발광셀들이 직렬 연결된다. 한편, 상기 열전도성 기판과 상기 발광셀들 사이에 반절연(semi-insulating) 버퍼층이 개재된다. 사파이어 기판 보다 열전도율이 높은 열전도성 기판을 채택함에 따라, 종래의 사파이어 기판에 비해 열방출 성능을 개선할 수 있어, 고전압 교류전원 하에서 구동되는 발광소자의 최대 광출력을 증가시킬 수 있다. 또한, 반절연 버퍼층을 채택하여 상기 열전도성 기판을 통한 누설전류 및 발광셀들 사이의 누설전류 증가를 방지할 수 있다.In order to solve the above technical problem, the present invention discloses a light emitting device having a plurality of light emitting cells. The light emitting device according to an aspect of the present invention includes a thermally conductive substrate having a higher thermal conductivity than a sapphire substrate. A plurality of light emitting cells are connected in series on the thermally conductive substrate. Meanwhile, a semi-insulating buffer layer is interposed between the thermally conductive substrate and the light emitting cells. By adopting a thermally conductive substrate having a higher thermal conductivity than that of the sapphire substrate, the heat dissipation performance can be improved as compared with the conventional sapphire substrate, so that the maximum light output of the light emitting device driven under a high voltage AC power source can be increased. In addition, the anti-insulation buffer layer may be employed to prevent leakage current through the thermally conductive substrate and increase of leakage current between the light emitting cells.
여기서, 열전도성 기판은 사파이어 기판에 비해 상대적으로 열전도율이 높은 물질의 기판을 의미한다. 또한, "반절연"(semi-insulating)은 일반적으로 비저항이 상온에서 대략 105Ω?㎝ 이상인 고저항 물질을 나타내며, 특별한 언급이 없는 한 절연성 물질도 포함하는 것으로 사용된다.Here, the thermally conductive substrate means a substrate of a material having a relatively high thermal conductivity compared to the sapphire substrate. In addition, "semi-insulating" generally refers to a high resistance material having a specific resistance of approximately 10 5 Ω · cm or more at room temperature, and is used to include an insulating material unless otherwise specified.
상기 열전도성 기판은 질화알루미늄(AlN) 또는 탄화규소(SiC) 기판일 수 있다. 또한, 상기 SiC 기판은 반절연(semi-insulating) 또는 N형 탄화실리콘(SiC) 기판일 수 있다. AlN 및 SiC 기판은 사파이어 기판에 비해 약 10배 이상의 열전도율을 갖는다. 따라서, AlN 또는 SiC 기판을 채택함으로써, 사파이어 기판을 채택한 발광소자에 비해, 열방출 성능이 개선된 발광소자를 제공할 수 있다.The thermally conductive substrate may be an aluminum nitride (AlN) or silicon carbide (SiC) substrate. In addition, the SiC substrate may be a semi-insulating or N-type silicon carbide (SiC) substrate. AlN and SiC substrates have about 10 times more thermal conductivity than sapphire substrates. Therefore, by adopting an AlN or SiC substrate, it is possible to provide a light emitting device having improved heat dissipation performance as compared with a light emitting device employing a sapphire substrate.
상기 반절연 버퍼층은 언도프트(undoped) 질화알루미늄(AlN)일 수 있다. AlN은 상기 SiC기판과 III족 질화물 사이에 적당한 결정구조를 갖는다.The semi-insulating buffer layer may be undoped aluminum nitride (AlN). AlN has a suitable crystal structure between the SiC substrate and the group III nitride.
이와 달리, 상기 반절연 버퍼층은 반절연 질화갈륨(GaN)일 수 있다. 상기 반절연 질화갈륨(GaN)은 언도프트 질화갈륨(GaN) 또는 전자수용체가 도우핑된 질화갈륨일 수 있다. 일반적으로 언도프트 GaN는 상기 기판의 종류에 따라 반절연 또는 N형 반도체 특성을 나타낸다. 언도프트 GaN가 N형 반도체 특성을 나타낼 경우, 상기 GaN에 전자수용체(acceptor)를 도우핑하여 반절연 GaN를 제공할 수 있다.Alternatively, the semi-insulated buffer layer may be semi-insulated gallium nitride (GaN). The semi-insulating gallium nitride (GaN) may be undoped gallium nitride (GaN) or gallium nitride doped with an electron acceptor. In general, undoped GaN exhibits semi-insulating or N-type semiconductor characteristics depending on the type of the substrate. When the undoped GaN exhibits N-type semiconductor characteristics, the GaN may be doped with an electron acceptor to provide semi-insulated GaN.
상기 전자수용체는 알칼리금속, 알칼리 토금속 또는 전이금속일 수 있으며, 특히, Fe일 수 있다. Fe는 GaN의 구조적인 특성들에 영향을 미치지 않으면서 반절연 GaN 버퍼층을 성장시키기 위해 채택될 수 있다.The electron acceptor may be an alkali metal, an alkaline earth metal or a transition metal, and in particular, may be Fe. Fe can be employed to grow a semi-insulating GaN buffer layer without affecting the structural properties of GaN.
상기 발광셀들 각각은 N형 반도체층, 활성층 및 P형 반도체층을 포함한다. 상기 발광셀들은 인접합 발광셀들의 N형 반도체층들과 P형 반도체층들이 금속배선 들에 의해 각각 전기적으로 연결된다.Each of the light emitting cells includes an N-type semiconductor layer, an active layer, and a P-type semiconductor layer. The light emitting cells are electrically connected to the N-type semiconductor layers and the P-type semiconductor layers of adjacent light emitting cells by metal wires, respectively.
본 발명의 다른 태양에 따른 상기 발광소자는 반절연 기판을 포함한다. 상기 반절연 기판은 AlN 또는 SiC 기판일 수 있다. 상기 반절연 기판 상에 복수개의 발광셀들이 직렬 연결된다. 본 태양에 따르면, AlN 또는 반절연 SiC 기판 상에 직접 복수개의 발광셀들을 형성하므로, 제조공정을 단순화시킬 수 있다.The light emitting device according to another aspect of the present invention includes a semi-insulating substrate. The semi-insulating substrate may be an AlN or SiC substrate. A plurality of light emitting cells are connected in series on the semi-insulating substrate. According to this aspect, since a plurality of light emitting cells are formed directly on an AlN or semi-insulating SiC substrate, the manufacturing process can be simplified.
본 발명은 또한 복수개의 발광셀들을 갖는 발광소자를 제조하는 방법을 개시한다. 상기 발광소자 제조방법은 사파이어 기판 보다 열전도율이 높은 열전도성 기판을 준비하는 것을 포함한다. 상기 열전도성 기판 상에 반절연 버퍼층이 형성되고, 상기 반절연 버퍼층 상에 N형 반도체층, 활성층 및 P형 반도체층이 형성된다. 그 후, 상기 N형 반도체층, 활성층 및 P형 반도체층을 패터닝하여 각각 N형 반도체층의 일부가 노출된 복수개의 발광셀들을 형성한다. 이어서, 상기 각 발광셀의 N형 반도체층과 그것에 인접한 발광셀의 P형 반도체층을 연결하여 상기 발광셀들을 직렬연결하는 금속배선들을 형성한다. 이에 따라, 고전압 교류 전원하에서 최대 광출력을 증가시킬 수 있는 개선된 발광소자가 제조될 수 있다.The present invention also discloses a method of manufacturing a light emitting device having a plurality of light emitting cells. The light emitting device manufacturing method includes preparing a thermally conductive substrate having a higher thermal conductivity than a sapphire substrate. A semi-insulating buffer layer is formed on the thermally conductive substrate, and an N-type semiconductor layer, an active layer, and a P-type semiconductor layer are formed on the semi-insulating buffer layer. Thereafter, the N-type semiconductor layer, the active layer, and the P-type semiconductor layer are patterned to form a plurality of light emitting cells each of which a portion of the N-type semiconductor layer is exposed. Subsequently, the N-type semiconductor layer of each light emitting cell and the P-type semiconductor layer of the light emitting cell adjacent thereto are connected to form metal wires for connecting the light emitting cells in series. Accordingly, an improved light emitting device capable of increasing the maximum light output under a high voltage AC power supply can be manufactured.
상기 열전도성 기판은 AlN 기판이거나, 반절연 또는 N형 SiC 기판일 수 있다.The thermally conductive substrate may be an AlN substrate, a semi-insulated or N-type SiC substrate.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following embodiments are provided as examples to ensure that the spirit of the present invention to those skilled in the art will fully convey. Therefore, the present invention is not limited to the embodiments described below, but may be embodied in other forms. And, in the drawings, the width, length, thickness, etc. of the components may be exaggerated for convenience. Like numbers refer to like elements throughout.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수개의 발광셀들이 직렬 연결된 발광소자를 설명하기 위한 단면도이다. 1 is a cross-sectional view illustrating a light emitting device in which a plurality of light emitting cells are connected in series according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 발광소자는 열전도성 기판(110)과, 기판(110) 상에 형성된 버퍼층(120)과, 버퍼층(120) 상에 패터닝된 복수개의 발광셀들(100-1 내지 100-n)과, 상기 복수개의 발광셀들(100-1 내지 100-n)을 직렬 연결하기 위한 금속배선들(170-1 내지 170-n)을 포함한다. Referring to FIG. 1, the light emitting device of the present invention includes a thermally
상기 열전도성 기판(110)은 사파이어 기판에 비해 상대적으로 열전도율이 높은 물질의 기판이다. 상기 열전도성 기판(110)은 AlN 기판이거나, 반절연 또는 N형 SiC 기판일 수 있다.The thermally
상기 버퍼층(120)은 그 상부에 형성될 반도체층들과 상기 기판(110) 사이의 격자 불일치를 완화하기 위해 사용된다. 이에 더하여, 본 발명의 몇몇 실시예들에 있어서, 상기 버퍼층(120)은 상기 발광셀들(100-1 내지 100-n)과 상기 기판(110)을 절연시키기 위해 사용된다. 또한, 상기 발광셀들은 서로 전기적으로 분리되어야 한다. 따라서, 상기 버퍼층(120)은 반절연 물질막으로 형성된다. 상기 기판(110)이 반절연 AlN 또는 반절연 SiC 기판인 경우, 상기 버퍼층(120)은 생략될 수 있다.The
본 실시예에서, 상기 반절연 버퍼층(120)은 AlN 또는 반절연 질화갈륨(GaN)층일 수 있다. 언도프트 AlN은 일반적으로 절연특성을 나타내므로, 상기 AlN은 언도프트 AlN일 수 있다. 한편, 언도프트 GaN은 성장 방법 및 기판 물질에 의존하여 일반적으로 N형 반도체 또는 반절연 성질을 나타낸다. 따라서, 언도프트 GaN가 반절연 성질을 갖는 경우, 상기 반절연 GaN은 언도프트 GaN이다. 한편, 언도프트 GaN가 N형 반도체 특성을 나타낼 경우, 이를 상쇄하기 위해 전자수용체가 도우핑된다. 상기 전자수용체는 알칼리금속, 알칼리토금속 또는 전이금속일 수 있으며, 특히 철(Fe) 또는 크롬(Cr)일 수 있다.In this embodiment, the
사파이어 기판 상에 반절연 GaN층을 형성하는 방법은, 헤이크만 등(Heikman et al.)에 의해 "금속유기 화학기상증착법에 의한 Fe 도우핑된 반절연 GaN의 성장"(Growth of Fe doped semi-insulating GaN by metalorganic chemical vapor deposition)이라는 제목으로 2002년 7월 15일에 반포된(published) 어플라이트 피직스 레터스(Applied Physics Letters)에 개재되어 있다. 헤이크만 등은, 페로신(ferrocene, Cp2Fe)을 전구체로 한 MOCVD 기술을 사용하여 사파이어 기판 상에 반절연 GaN층을 형성하였다.A method of forming a semi-insulating GaN layer on a sapphire substrate is described by Heikman et al. "Growth of Fe doped semi-insulated GaN by metal organic chemical vapor deposition" (Growth of Fe doped semi It is published in Applied Physics Letters, published July 15, 2002 under the title -insulating GaN by metalorganic chemical vapor deposition. Hakeman et al. Formed a semi-insulating GaN layer on a sapphire substrate using a MOCVD technique using ferrocene (ferrocene, Cp 2 Fe) as a precursor.
일반적으로, 사파이어 기판 상에 MOCVD 기술을 사용하여 형성된 언도우프트 GaN는 N형 GaN가 된다. 이는 잔여 산소원자들이 GaN 층에서 전자공여체(donor)로 작용하기 때문이다. 따라서, Fe와 같이, 전자수용체로 작용하는 금속물질들을 도우핑하여 상기 전자공여체와 상쇄시키므로써, 반절연 GaN를 형성할 수 있다.Generally, undoped GaN formed using MOCVD techniques on a sapphire substrate becomes N-type GaN. This is because residual oxygen atoms act as donors in the GaN layer. Therefore, by doping the metal materials acting as the electron acceptor, such as Fe to offset the electron donor, it is possible to form a semi-insulated GaN.
상기 전자수용체를 도우핑하여 반절연 GaN를 형성하는 기술은 본 발명의 실시예들에서 동일하게 적용될 수 있다. 예컨대, SiC 기판 상에 형성된 언도우프트 GaN는 Si 등의 불순물들에 의해 N형 GaN가 될 수 있으며, 따라서 Fe와 같은 금속물 질을 도우핑하여 반절연 GaN 버퍼층(120)을 형성할 수 있다. 이때, 상기 반절연 버퍼층(120)의 모든 두께에 걸쳐 전자수용체를 도우핑할 필요는 없으며, 버퍼층(120)의 일부 두께에 한정하여 Fe와 같은 전자수용체를 도우핑할 수 있다.The technique of forming the semi-insulated GaN by doping the electron acceptor can be equally applied in the embodiments of the present invention. For example, the undoped GaN formed on the SiC substrate may be N-type GaN by impurities such as Si, and thus, the semi-insulated
상기 전자수용체는 이온 임플랜테이션(ion implantation) 기술을 사용하여 도우핑될 수도 있다.The electron acceptor may be doped using ion implantation techniques.
상기 반절연 버퍼층(120)은, 도시된 바와 같이, 상기 발광셀들(100-1 내지 100-n) 사이에서 연속적일 수 있으나, 분리될 수도 있다.As illustrated, the
한편, 상기 복수개의 발광셀들(100-1 내지 100-n) 각각은 PN접합된 질화물 반도체층을 포함한다. Meanwhile, each of the plurality of light emitting cells 100-1 to 100-n includes a nitride semiconductor layer PN bonded.
본 실시예에서, 상기 발광셀들 각각은 N형 반도체층(130)과, 상기 N형 반도체층(130) 상의 소정영역에 형성된 활성층(140)과, 상기 활성층(140) 상에 형성된 P형 반도체층(150)을 포함한다. 상기 N형 반도체층(130) 상부면의 적어도 일부가 노출된다. 상기 N형 반도체층(130) 및 P형 반도체층(150) 상에 오믹금속층(160, 165)이 형성될 수 있다. 또한, N형 반도체층(130) 또는 P형 반도체층(150) 상에 1x 1019~1 x 1022/cm3 농도의 고농도 N형 반도체 터널링층이나 세미메탈(semi-metal)층이 형성되고 그 위에 투명전극층(미도시)이 더 형성될 수도 있다. In the present embodiment, each of the light emitting cells includes an N-
상기의 N형 반도체층(130)은 N형 AlxInyGa1-x-yN(0≤x, y≤1)막이며, N형 클래드층을 포함할 수 있다. 또한, P형 반도체층(150)은 P형 AlxInyGa1-x-yN(0≤x, y≤1)이며, P형 클래드층을 포함할 수 있다.The N-
상기 N형 반도체층(130)은 실리콘(Si)을 도우핑하여 형성할 수 있으며, P형 반도체층(150)은 아연(Zn) 또는 마그네슘(Mg)을 도우핑하여 형성할 수 있다.The N-
활성층(140)은 전자 및 정공이 재결합되는 영역으로서, InGaN을 포함하여 이루어진다. 상기 활성층(140)을 이루는 물질의 종류에 따라 발광셀에서 방출되는 발광 파장이 결정된다. 상기 활성층(140)은 양자우물층과 장벽층이 반복적으로 형성된 다층막일 수 있다. 상기 장벽층과 우물층은 일반식 AlxInyGa1-x-yN(0≤x,y,x+y≤1)으로 표현되는 2원 내지 4원 화합물 반도체층들일 수 있다.The
상기 발광셀들은 금속배선들(170-1 내지 170-n-1)을 통해 직렬 연결된다. 본 실시예에서, 상기 금속배선들은 AC 파워 서플라이에 의해 구동될 수 있는 개수의 발광셀들(100-1 내지 100-n)이 직렬 연결된다. 즉, 발광소자에 인가되는 교류 구동전압/전류와 단일의 발광셀을 구동하기 위해 필요한 전압에 의해 직렬 연결될 발광셀들(100)의 개수가 한정된다. 예를 들어, 220V 교류 전압하에서 3.3V 구동용 발광셀들은 약 67 개가 직렬로 연결될 수 있다. 또한, 110V 교류 전압에서, 3.3V 구동용 발광셀들은 대략 34개가 직렬로 연결될 수 있다.The light emitting cells are connected in series through metal wires 170-1 to 170-n-1. In the present embodiment, the metal wires are connected in series with the number of light emitting cells 100-1 to 100-n that can be driven by an AC power supply. That is, the number of light emitting
도 1에 도시된 바와 같이, n개의 발광셀들(100-1 내지 100-n)이 직렬 연결된 발광소자에 있어서, 제1 발광셀(100-1)의 N형 반도체층(130)과 제2 발광셀(100-2)의 P형 반도체층(150)이 제 1 금속배선(170-1)을 통해 접속되고, 제2 발광셀(100-2)의 N형 반도체층(130)과 제3 발광셀(미도시)의 P형 반도체층(미도시)이 제2 금속배선(170-2)을 통해 접속된다. 그리고, 제 n-2 발광셀(미도시)의 N형 반도체층(미 도시)과 제 n-1 발광셀(100-n-1)의 P형 반도체층(150)이 제n-2 금속배선(170-n-2)을 통해 접속되고, 제n-1 발광셀(100-n-1)의 N형 반도체층(130)과 제n 발광셀(100-n)의 P형 반도체층(150)이 제n-1 금속배선(170-n-1)을 통해 접속된다.As shown in FIG. 1, in the light emitting device in which n light emitting cells 100-1 to 100-n are connected in series, the N-
상기 직렬연결된 발광셀들은, 국제공개번호 WO 2004/023568(Al)호에 개시된 바와 같이, LED 어레이를 구성한다. 한편, 상기 발광소자는 서로 역병렬로 연결된 두개의 LED 어레이들을 가지어, 교류전원하에서 조명용으로 사용될 수 있다. 상기 제1 발광셀(100-1)의 P형 반도체층(150) 및 제n 발광셀(100-n)의 N형 반도체층(130)에 각각 교류전원에 전기적으로 연결하기 위한 P형 패드 및 N형 패드(미도시)가 형성될 수 있다.The series-connected light emitting cells constitute an LED array, as disclosed in WO 2004/023568 (Al). On the other hand, the light emitting device has two LED arrays connected in parallel to each other, can be used for illumination under AC power. A P-type pad for electrically connecting an AC power source to the P-
이와 달리, 상기 발광소자는 교류 전류를 정류하기 위해 다이오드들로 구성된 브리지 정류기를 포함할 수 있다. 브리지 정류기를 포함하는 발광소자의 회로도를 도 2에 나타내었다.Alternatively, the light emitting device may include a bridge rectifier composed of diodes for rectifying an alternating current. The circuit diagram of the light emitting device including the bridge rectifier is shown in FIG.
도 2를 참조하면, 발광셀들(41a, 41b, 41c, 41d, 41e, 41f)이 직렬연결된 LED 어레이(41)를 구성한다. 한편, 교류전원(45)과 LED 어레이(41) 및 접지와 LED 어레이(41) 사이에 다이오드들(D1, D2, D3, D4)을 포함하는 브리지 정류기가 배치된다. 상기 다이오드들 (D1, D2, D3, D4)은 상기 발광셀들과 동일한 공정에 의해 형성된다. 즉, 발광셀들로 브지지 정류기를 제작할 수 있다.Referring to FIG. 2, the
상기 LED 어레이(41)의 애노드 단자는 상기 다이오드들(D1, D2) 사이의 노드에 연결되고, 캐소드 단자는 다이오드들(D3, D4) 사이의 노드에 연결된다. 한편, 교류전원(45)의 단자는 다이오드들(D1, D4) 사이의 노드에 연결되고, 접지는 다이 오드들(D2, D3) 사이의 노드에 연결된다.The anode terminal of the
상기 교류전원(45)이 양의 위상을 갖는 경우, 브리지 정류기의 다이오드들(D1, D3)이 턴온되고, 다이오드들(D2, D4)이 턴오프된다. 따라서, 전류는 브리지 정류기의 다이오드(D1), 상기 LED 어레이(41) 및 브리지 정류기의 다이오드(D3)를 거쳐 접지로 흐른다.When the
한편, 상기 교류전원(45)이 음의 위상을 갖는 경우, 브리지 정류기의 다이오드들(D1, D3)이 턴오프되고, 다이오드들(D2, D4)이 턴온된다. 따라서, 전류는 브리지 정류기의 다이오드(D2), 상기 LED 어레이(41) 및 브리지 정류기의 다이오드(D4)를 거쳐 교류전원으로 흐른다.On the other hand, when the
결과적으로, LED 어레이(41)에 브리지 정류기를 연결하므로써, 교류전원(45)을 사용하여 LED 어레이(41)를 계속적으로 구동시킬 수 있다. 여기서, 브리지 정류기의 단자들이 교류전원(45) 및 접지에 연결되도록 구성하였으나, 상기 양단부들이 교류전원의 양 단자에 연결되도록 구성할 수도 있다.As a result, by connecting the bridge rectifier to the
본 실시예에 따르면, 하나의 LED 어레이를 교류전원에 전기적으로 연결하여 구동시킬 수 있어 LED 어레이의 사용효율을 높일 수 있다.According to the present embodiment, one LED array may be electrically connected to and driven by an AC power source, thereby increasing the use efficiency of the LED array.
이하 복수개의 발광셀들을 갖는 발광소자의 제조방법을 설명한다. Hereinafter, a method of manufacturing a light emitting device having a plurality of light emitting cells will be described.
도 3 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 3 to 7 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a light emitting device according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 열전도성 기판(110) 상에 반절연 버퍼층(120)을 형성한다. 상기 열전도성 기판(110)은 AlN 또는 SiC 기판일 수 있다. 또한, 상기 SiC는 반절 연 또는 N형일 수 있다.Referring to FIG. 3, a
일반적으로, SiC 단결정 기판은 N형 반도체의 특성을 갖는다. 이것은, SiC 기판 내에 함유된 질소(N)가 전자공여체(donor)로 작용하기 때문인 것으로 알려져 있다. 따라서, 전자수용체(acceptor), 예컨대 바나듐(Va)을 도우핑하여, 반절연 SiC 단결정을 성장시킬 수 있다. 한편, 바나듐을 도우핑하지 않으면서 반절연 SiC 결정을 성장시키는 방법이 US6,814,801호에 개시된 바 있다. 이러한 기술들을 사용하여 반절연 SiC 기판을 제공할 수 있다. 또한, SiC 기판 표면에 이온 임플랜테이션 기술을 사용하여 전자수용체, 예컨대 철, 바나듐, 탄소 또는 실리콘(Si)을 주입함으로써, SiC 상부의 일부를 반절연 SiC층으로 변환시킬 수 있다.In general, SiC single crystal substrates have the characteristics of N-type semiconductors. This is known to be because nitrogen (N) contained in the SiC substrate acts as an electron donor. Therefore, an electron acceptor such as vanadium (Va) can be doped to grow a semi-insulating SiC single crystal. Meanwhile, a method of growing semi-insulated SiC crystals without doping vanadium has been disclosed in US Pat. No. 6,814,801. These techniques can be used to provide semi-insulated SiC substrates. In addition, by implanting an electron acceptor such as iron, vanadium, carbon or silicon (Si) using an ion implantation technique on the surface of the SiC substrate, a portion of the top of the SiC can be converted into a semi-insulating SiC layer.
상기 반절연 버퍼층(120)은 금속유기 화학기상증착(MOCVD), 분자선 성장(MBE) 또는 수소화물 기상 성장(HVPE) 방법 등을 사용하여 형성된다. 상기 버퍼층(120)은 AlN 또는 반절연 GaN층일 수 있다. 상기 반절연 GaN층은 언도프트 GaN 또는 전자수용체(acceptor)가 도우핑된 GaN층일 수 있다. 상기 전자수용체는 알칼리금속, 알칼리토금속 또는 전이금속일 수 있으며, 특히 철(Fe) 또는 크롬(Cr)일 수 있다. 상기 전자수용체는 GaN층을 형성하는 동안 전구체를 사용하여 도우핑되거나, GaN 층을 형성한 후, 이온 임플랜테이션 기술을 사용하여 도우핑될 수 있다.The
N형 SiC 기판을 사용하는 경우, 상기 반절연 버퍼층(120)은 발광셀들과 N형 SiC 기판을 전기적으로 절연시키어 상기 기판을 통한 누설전류를 방지한다. 한편, 반절연 SiC 기판을 사용하는 경우, 상기 반절연 버퍼층(120)을 형성하는 공정은 생략될 수 있다.When using an N-type SiC substrate, the
도 4를 참조하면, 상기 반절연 버퍼층(120) 상에 N형 반도체층(130), 활성층(140) 및 P형 반도체층(150)을 형성한다. 이들 반도체층들(130, 140, 150)은 동일한 공정챔버에서 연속적으로 형성될 수 있다. 상기의 N형 반도체층(130), 활성층(140) 및 P형 반도체층(150)은 MOCVD, MBE 또는 HVPE 방법을 사용하여 형성될 수 있으며, 각각 다층으로 형성될 수 있다. N형 반도체층(130) 또는 P형 반도체 층(150) 상에 1x 1019~1 x 1022/cm3 농도의 고농도 N형 반도체 터널링층이나 세미메탈층이 형성될 수 있으며, 그 위에 투명전극층(미도시)이 더 형성될 수도 있다. Referring to FIG. 4, an N-
도 5를 참조하면, 상기 P형 반도체층(150), 활성층(140) 및 N형 반도체층(130)을 패터닝하여 분리된 발광셀들(100-1 내지 100-n)을 형성한다. 상기 각 층들은 사진 및 식각기술을 사용하여 패터닝될 수 있다. 예컨대, 상기 P형 반도체층(150) 상에 포토레지스트 패턴을 형성하고, 이를 식각 마스크로 사용하여 P형 반도체층(150), 활성층(140) 및 N형 반도체층(130)을 차례로 식각한다. 이에 따라, 분리된 발광셀들이 형성된다. 이때, 상기 반절연 버퍼층(120)을 식각하여 상기 기판(110)을 노출시킬 수 있다.Referring to FIG. 5, the light emitting cells 100-1 to 100-n are formed by patterning the P-
도 6을 참조하면, 상기 분리된 발광셀들(100-1 내지 100-n)의 P형 반도체층(150) 및 활성층(140)을 패터닝하여 N형 반도체층(130) 상부면의 일부를 노출시킨다. 상기 패터닝 공정은 사진 및 식각공정을 사용하여 수행될 수 있다. 즉, 상기 분리된 발광셀들(100-1 내지 100-n)을 갖는 기판(110) 상에 포토레지스트 패턴을 형성하고, 이를 식각마스크로 사용하여 상기 P형 반도체층(150) 및 활성층(140)의 일부를 식각한다. 그 결과, 상기 P형 반도체층 및 활성층이 식각된 부분에 상기 N형 반도체층(130)이 노출된다.Referring to FIG. 6, a portion of the upper surface of the N-
상기 식각 공정은 습식 또는 건식 식각공정에 의해 수행될 수 있다. 상기 건식 식각공정은 플라즈마를 이용한 건식 식각공정일 수 있다.The etching process may be performed by a wet or dry etching process. The dry etching process may be a dry etching process using plasma.
도 7을 참조하면, 상기 P형 반도체층(150) 및 상기 N형 반도체층(130) 상에 각기 P형 오믹 금속층(160) 및 N형 오믹 금속층(165)을 형성한다.Referring to FIG. 7, the P-type
상기 오믹 금속층들(160, 165)은 포토레지스트 패턴(미도시)을 사용하여 오믹 금속층들(160, 165)이 형성될 영역을 개방한 후, 금속 증착공정을 사용하여 형성될 수 있다. 상기 P형 오믹 금속층(160)과 N형 오믹 금속층(165)은 동일 공정에 의해 형성될 수도 있고, 각각 별개의 공정에 의해 형성될 수도 있다. 상기의 오믹 금속층(160, 165)은 Pb, Sn, Au, Ge, Cu, Bi, Cd, Zn, Ag, Ni 및 Ti 중 적어도 어느 하나의 물질층으로 형성될 수 있다.The
그 후, 인접한 발광셀의 N형 오믹 금속층들(165)과 P형 오믹 금속층들(160)을 금속 배선들(170-1 내지 170-n-1)로 연결한다. 상기 금속 배선들은 에어 브리지(air bridge) 공정 또는 스텝 커버(step-cover) 공정 등을 통해 형성될 수 있다.Thereafter, the N-type
상기 에어브리지(air bridge) 공정은 국제공개번호 WO 2004/023568(Al)호 에 개시되어 있으며, 이 공정에 대해 간단하게 설명한다. 우선, 상기 발광셀들 및 오믹 금속층들(160, 165)이 형성된 기판 상에 상기 오믹 금속층들(160, 165)을 노출시키는 개구부를 갖는 제1 포토레지스트 패턴을 형성한다. 그 후, 전자빔 증착(e-beam evaporation) 기술 등을 사용하여 금속물질층을 얇게 형성한다. 상기 금속물 질층은 상기 개구부 및 제1 포토레지스트 패턴 상부 전면에 형성된다. 이어서, 연결하고자 하는 인접한 발광셀들 사이 영역들 및 상기 개구부들의 상기 금속물질층을 노출시키는 제2 포토레지스트 패턴을 형성한다. 그 후, 금 등을 도금기술을 사용하여 형성한 후, 솔벤트 등의 용액으로 제1 및 제2 포토레지스트 패턴들을 제거한다. 그 결과, 인접한 발광셀들을 연결하는 배선만 남고, 다른 금속물질층 및 포토레지스트 패턴들은 모두 제거된다.The air bridge process is disclosed in International Publication No. WO 2004/023568 (Al), which is briefly described. First, a first photoresist pattern having an opening exposing the
한편, 스텝커버 공정은 발광셀들 및 오믹금속층을 갖는 기판 상에 절연층을 형성하는 것을 포함한다. 상기 절연층을 사진 및 식각 기술을 사용하여 패터닝하여 P형 반도체층 및 N형 반도체층 상부의 오믹 금속층들(160, 165)을 노출시키는 개구부를 형성한다. 이어서, 전자빔 증착기술 등을 사용하여 상기 개구부를 채우고 상기 절연층 상부를 덮는 금속층을 형성한다. 그 후, 상기 금속층을 사진 및 식각 기술을 사용하여 패터닝하여 서로 인접한 발광셀들을 연결하는 배선을 형성한다. 이러한, 스텝커버 공정은 다양한 변형예가 가능하다. 스텝커버 공정을 사용하면, 배선이 절연층에 의해 지지되므로 배선에 대한 신뢰성을 증가시킬 수 있다.Meanwhile, the step cover process includes forming an insulating layer on a substrate having light emitting cells and an ohmic metal layer. The insulating layer is patterned using photolithography and etching techniques to form openings that expose the
한편, 양끝단에 위치한 발광셀(100-1 및 100-n)에 교류전원에 접속하기 위한 P형 패드와 N형 패드를 형성한다.On the other hand, P-type pads and N-type pads are formed in the light emitting cells 100-1 and 100-n located at both ends to connect AC power.
도면들에서 상기 발광셀들이 일렬로 배열된 것으로 도시되어 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로, 상기 발광셀들은 국제공개번호 WO 2004/023568(Al)호에 도시된 바와 같이, 평면상에 다양한 형태로 배열될 수 있다.In the drawings, the light emitting cells are shown arranged in a row, but for convenience of description, the light emitting cells may have various shapes on a plane, as shown in International Publication No. WO 2004/023568 (Al). Can be arranged as.
본 발명에 따르면, 발광소자의 열방출 성능을 개선할 수 있어, 고전압 교류전원하에서 최대 출력이 증가된 발광소자를 제공할 수 있다. 또한, 반절연 기판 또는 반절연 버퍼층을 채택하여 기판을 통한 누설전류 증가를 방지할 수 있는 복수개의 발광셀들을 갖는 발광소자를 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to improve the heat dissipation performance of the light emitting device, it is possible to provide a light emitting device having an increased maximum output under a high voltage AC power supply. In addition, it is possible to provide a light emitting device having a plurality of light emitting cells which can prevent an increase in leakage current through the substrate by adopting a semi-insulating substrate or a semi-insulating buffer layer.
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