KR101259122B1 - 수직형 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수직형 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 이 발광 소자는 지지층; 상기 지지층 상에 위치하는 제1전극; 상기 제1전극 상에 위치하는 제1반도체층; 상기 제1반도체층 상에 위치하는 발광층; 상기 발광층 상에 위치하는 제2반도체층; 상기 제2반도체층 상에 위치하며, 다수의 홈이 구비된 투명기판; 상기 투명기판의 홈에 위치하는 색변환 물질; 및 상기 제2반도체층과 전기적으로 연결되는 제2전극을 포함하여 구성될 수 있다.

발광 소자 패키지, 형광체, 수직형 발광 소자, 광추출부

Description

수직형 발광 소자 및 그 제조 방법{Light emitting device having vertical topology and method for manufacturing the same}

도 1은 본 발명에 의한 발광 소자의 일 실시예를 나타내는 평면도이다.

도 2는 본 발명에 의한 발광 소자의 일 실시예를 나타내는 단면도이다.

도 3a 내지 도 3g는 본 발명에 의한 발광 소자 제조 방법의 일 실시예의 제조 공정을 나타내는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 지지층 20 : 제1전극

22 : 반사전극 24 : 오믹전극

30 : 제1반도체층 40 : 발광층

50 : 제2반도체층 52 : 광추출부

60 : 제2전극 70 : 투명기판

72 : 홈 80 : 색변환 물질

90 : 충진재

본 발명은 수직형 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 백색광 발현에 관한 수직형 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

발광 다이오드(Light Emitting Diode; 이하 LED라 함)는 색조와 빛의 강도에 대한 조절이 용이하여 다양한 조명 용도로 활용되고 있다. 이에 따라, 전자제품의 디스플레이부에서부터 각종 표시 기구, 차량의 조명 장치등으로 사용되고 있다. 또한, LED를 일반 조명용 형광등으로 대체하기 위하여 백색광을 인위적으로 만들어 내기도 하며, LCD TV의 백라이트유닛(BLU)으로서 각광을 받고 있다. 일반적으로 대면적의 백색광을 얻기 위하여 각각 R(red), G(green), B(blue)의 색을 내는 LED 칩을 대량으로 배열하여 이들의 R, G, B 조합으로 백색광을 만들어 낸다. 이들의 배열(array) 방식과 각 칩의 특성에 따라 발현되는 백색광의 품질이 영향을 받게 되고 또한 각 칩의 물리적 변화에 의해 나타나는 색조의 변화로 인하여 백색광의 품위가 손실되는 문제가 발생한다.

다시 말해, 여러 개의 LED 칩을 배열하여 제조하는 방식의 발광 장치는 각 칩의 물리적 특성 변화에 의한 색조 변화에 대한 손실과 백라이트 유닛의 색 강도를 일정 수준 이상으로 높이기 위해 가급적 많은 수의 LED 칩을 실장하여야 하고, 이때 발생되는 발열과 칩 각각에 대한 전류 회로의 구성으로 인하여 색조변화가 없는 대면적의 발광 장치의 제조에 어려움이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, LED 칩의 구조를 개선하여 색조 변화 방지 및 발열에 우수한 수직형 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.

상기 과제를 이루기 위해, 본 발명에 의한 발광 소자는 복수의 반도체층의 일면에 광추출부가 형성된 발광 다이오드 칩과, 상기 발광 다이오드 칩 상에 위치하는 투명기판 및 상기 투명기판 상에 위치하는 색변환 물질로 구성된다.

또한, 상기 과제를 이루기 위해, 본 발명에 의한 발광 소자 제조 방법은 복수의 반도체층이 형성된 발광 다이오드 칩을 준비하는 단계와, 상기 반도체층의 일면에 복수의 광추출부를 형성하는 단계와, 상기 복수의 광추출부 상에 유리기판을 형성하는 단계와, 상기 유리기판에 상기 복수의 광추출부와 대응하는 위치의 홈을 형성하는 단계 및 상기 홈에 색변환 물질을 형성하는 단계로 이루어진다.

이하, 본 발명에 의한 발광 소자 및 그 제조 방법의 실시예들을 첨부한 도면들을 참조하여 다음과 같이 설명한다. 이때 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다. 또한, 동일한 참조번호는 도면의 설명을 통하여 동일한 요소를 나타낸다. 도면들에서 층들 및 영역들의 치수는 명료성을 위해 과장되어있다.

도 1은 본 발명에 의한 발광 소자의 일 실시예를 나타내는 평면도이며, 도 2는 본 발명에 의한 발광 소자의 일 실시예를 나타내는 단면도이다. 특히, 도 2는 도 1의 A-A를 따라 절개한 단면도이다.

먼저, 본 발명에 의한 수직형 발광 소자에 대해 살펴 보기로 한다.

도 2를 참조하면, 사파이어와 같은 기판(미도시) 위에 화합물 반도체층(40,30,20)을 형성한다. 이와 같은 반도체층(40,30,20)은 기판 측으로부터 차례로, 제2반도체층(40), 발광층(30), 제1반도체층(20)의 순서로 이루어진다. 여기서, 상기 제2반도체층(40) 및 제1반도체층(20)은 n-형 반도체층 및 p-형 반도체층이 될 수 있으며, 또는 p-형 반도체층 및 n-형 반도체층이 될 수도 있다.

특히, 상기 반도체층은 질화갈륨(GaN) 계열 반도체가 이용될 수 있으며, 이때, 상기 발광층(30)은 InGaN/GaN 양자우물(quantum well:QW) 구조를 이룰 수 있다. 그 외에 AlGaN, AlInGaN 등의 물질도 발광층(30)으로 이용될 수 있음은 물론 이다. 이러한 발광층(30)에서는 전계를 인가하였을 때, 전자-정공 쌍의 결합에 의하여 빛이 발생하게 된다.

또한, 이러한 발광층(30)은 휘도 향상을 위하여 상술한 양자우물 구조(QW)가 복수로 형성되어 다중 양자우물(multi quantum well:MQW) 구조를 이룰 수 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 의한 발광 소자는 지지층(10), 제1전극(20), 제1반도체층(30), 발광층(40), 제2반도체층(50), 투명기판(70)과 제2전극(60) 및 색변환 물질(80)로 구성된다.

먼저, 지지층(10)은 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs), 게르마늄(Ge) 등의 반도체 기판이나 CuW 등의 금속 기판을 제1전극(20) 상에 본딩하여 형성할 수 있다. 또한, 상기 제1전극(20) 상에 니켈(Ni) 또는 구리(Cu)와 같은 금속을 도금하여 형성할 수 도 있다. 여기서, 지지층(10)은 상술한 기판(미도시)을 분리하는 경우 상술한 수직형 발광 소자를 지지하는 역할을 한다.

다음으로, 제1전극(20)은 상기 지지층(10) 상에 위치한다.

여기서, 본 발명에 의한 발광 소자에 있어서, 상기 제1전극(20)은 오믹전극(24)과 반사전극(22) 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 또한, 제1전극(20)의 물질의 선택에 따라 하나의 전극이 오믹전극(24)과 반사전극(22)의 역할을 겸할 수도 있다. 여기서, 반사전극(22)은 상기 발광층(40)에서 발생한 빛을 반사하여 외부로 방출시키는 역할을 한다.

다음으로, 제1반도체층(30)은 상기 제1전극(20) 상에 위치하며, 발광층(40)은 상기 제1반도체층(30) 상에 위치하며, 복수의 광추출부(52)가 형성된 제2반도체층(50)은 상기 발광층(40) 상에 위치한다.

여기서, 본 발명에 의한 발광 소자에 있어서, 상기 제1반도체층(30), 발광층(40) 및 제2반도체층(50)은 질화갈륨(GaN) 계열 반도체가 이용될 수 있으며, 상기 제2반도체층(40)은 n-형 질화물 반도체층인 것이 바람직하다.

또한, 상기 광추출부(52)의 형상은 원뿔 모양일 수 있으며, 또는 원기둥 등 다양한 형상일 수 있다.

이와 같이 광추출부(52)를 형성하는 이유는 상기 발광층(40)에서 발생한 빛의 직진성을 향상시켜 발광 소자 패키지의 출력을 향상시키기 위해서이다.

다음으로, 투명기판(70)과 적어도 하나의 제2전극(60)은 상기 제2반도체층(50) 상에 위치한다.

마지막으로, 색변환 물질(80)은 상기 투명기판(70) 상에 위치한다. 여기서, 색변환 물질(80)은 광추출부(52)에서 출력된 빛의 파장을 변환시키는 역할을 한다.

여기서, 본 발명에 의한 발광 소자에 있어서, 상기 투명기판(70)은 유리로 이루어진 것이 바람직하다. 이는 상기 광추출부(52)에서 출력된 빛이 통과되기 위해서 투명한 물질인 유리가 바람직하기 때문이다.

또한, 상기 제2전극(60)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 상기 제2반도체층 상에 하나의 전극이 형성될 수 있으며, 또는 상기 제2반도체층의 측면에 다수개 형성될 수도 있으며, 또는 제2반도체층의 가장자리를 따라 띠 모양(미도시)으로 형성될 수도 있다.

또한, 투명기판(70)은 상기 복수의 광추출부(52)에 대응하는 위치에 홈(72)이 형성되며, 상기 색변환 물질(80)은 상기 홈(72)에 형성된 것이 바람직하다. 다시 말해, 상기 광추출부(52)가 위치하는 투명기판(70)의 상부에 홈(72)을 형성하고, 여기에 색변환 물질(80)을 형성하는 것이다. 이는, 상기 광추출부(52)에서 출력된 빛의 파장을 효율적으로 변환하기 위해서이다.

또한, 상기 광추출부(52)가 형성된 제2반도체층(50)과 상기 투명기판(70) 사이의 공간에는 충진재(90)가 형성될 수 있으며, 상기 충진재(90)는 유리 또는 실리콘 또는 에폭시 중 어느 하나일 수 있다. 이와 같은 충진재(90)는 발광시 발열하는 열을 효과적으로 발산하고 외부에서 가해지는 충격 등을 흡수하는 역할을 한다.

또한, 상기 색변환 물질(90)은 레드, 그린, 블루 형광체 중 어느 하나일 수 있다. 이는 상기 광추출부(52)에서 출력된 빛을 레드, 그린, 블루 형광체를 각각 통과시켜 백색광으로 변환하기 위해서이다. 또한, 상기 레드, 그린, 블루 형광체는 그 조합을 다양하게 할 수 있다. 예를 들어, 레드, 그린, 블루 형광체를 번갈아 형성할 수 있으며, 또는 레드, 그린, 그린, 블루 형광체를 번갈아 형성할 수도 있다.

이와 같이, 본 발명에 의한 발광 소자는 기존의 백색광을 발현하기 위해 레드, 그린, 블루 각각의 LED 칩이 필요한 것을 대체하여 하나의 대형 칩에 백색광을 구현하므로 전류제어의 어려움과 LED 칩의 집적시 발생되는 발열의 문제를 해결할 수 있는 것이다.

또한, 본 발명에 의한 발광 소자로서, 도시되지는 않았지만, 기판 상에 위치하며 개구면을 가지는 제1반도체층과, 상기 제1반도체층 상에 위치하는 발광층과, 상기 발광층 상에 위치하는 제2반도체층과, 상기 제1반도체층의 개구면 상에 위치하는 제1전극 및 상기 제2반도체층 상에 위치하는 제2전극을 포함하는 수평형 발광 소자로서 상기 제2반도체층 상에 광추출부가 형성된 발광 다이오드 칩일 수 있다.

도 3a 내지 도 3g는 본 발명에 의한 발광 소자 제조 방법의 일 실시예의 제조 공정을 나타내는 도면이다.

먼저, 복수의 반도체층이 형성된 발광 다이오드 칩을 준비한다. 예를 들어, 본 발명에 의한 발광 소자 제조 방법에서 사용되는 발광 다이오드 칩은 상기에서 설명한 수평형 발광 소자(미도시)일 수 있으며, 도 3a에 도시된 바와 같이, 지지층(10)과, 상기 지지층(10) 상에 위치하는 제1전극(20)과, 상기 제1전극(20) 상에 위치하는 제1반도체층(30)과, 상기 제1반도체층(30) 상에 위치하는 발광층(40) 및 상기 발광층(40) 상에 위치하는 제2반도체층(50)을 포함하는 수직형 발광 소자일 수 있다.

다음으로, 상기 반도체층의 일면에 복수의 광추출부를 형성한다. 예를 들어, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 제2반도체층(50)을 식각하여 복수의 광추출부(52)를 형성한다. 여기서, 광추출부(52)의 형상은 원뿔 모양일 수 있으며, 또는 원기둥 등 다양한 형상일 수 있다.

다음으로, 도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 광추출부(52)가 형성된 제2반도체층(50) 상에 적어도 하나의 제2전극(60)을 형성한다.

다음으로, 도 3d에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 광추출부(52)가 형성된 상기 제2반도체층(50) 상에 충진재(90)를 형성한다. 여기서, 상기 충진재(90)는 유리 또는 실리콘 또는 에폭시 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.

다음으로, 도 3e에 도시된 바와 같이, 상기 광추출부(52) 상에 투명기판(70)을 형성한다. 여기서, 상기 투명기판(70)은 유리기판일 수 있다.

다음으로, 도 3f에 도시된 바와 같이, 상기 투명기판(70)에 상기 복수의 광추출부(52)와 대응하는 위치의 홈(72)을 형성한다. 여기서, 상기 투명기판(70)이 유리기판인 경우 HF를 이용하여 홈을 식각할 수 있다.

마지막으로, 도 3g에 도시된 바와 같이, 상기 홈(72)에 색변환 물질(80)을 형성한다. 여기서, 상기 색변환 물질(80)은 레드, 그린, 블루 형광체일 수 있으며, 이 경우 잉크젯 프린팅(ink-jet printing) 방식 또는 임프린팅(imprinting) 방식으로 형광체를 형성할 수 있다.

이상, 전술한 본 발명의 바람직한 실시예는, 예시의 목적을 위해 개시된 것으로, 당업자라면 이하 첨부된 특허청구범위에 개시된 본 발명의 기술적 사상과 그 기술적 범위 내에서, 다양한 다른 실시예들을 개량, 변경, 대체 또는 부가 등이 가능할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 수직형 발광 소자 및 그 제조 방법은 수직형 발광 소자의 n-형 반도체층을 원뿔 또는 다른 모양으로 패터닝한 광추출부를 형성하여 빛의 방출 효율을 높이고, 상기 방출된 빛이 상기 광추출부의 상부에 위치하는 형광체와 반응하여 백색광을 출력함에 따라 하나의 대형 칩에 백색광을 구현할 수 있어 전류 제어가 용이하며, 색조 변화를 방지하고, 발열에 우수한 효과를 갖는다.

Claims (14)

1. 지지층;

   상기 지지층 상에 위치하는 제1전극;

   상기 제1전극 상에 위치하는 제1반도체층;

   상기 제1반도체층 상에 위치하는 발광층;

   상기 발광층 상에 위치하는 제2반도체층;

   상기 제2반도체층 상에 위치하며, 다수의 홈이 구비된 투명기판;

   상기 투명기판의 홈에 위치하는 색변환 물질; 및

   상기 제2반도체층과 전기적으로 연결되는 제2전극을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자.
2. 제 1항에 있어서, 상기 제2반도체층과 상기 투명기판 사이에는 복수의 광추출부가 구비된 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자.
3. 제 2항에 있어서, 상기 광추출부의 형상은 원뿔 형상인 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자.
4. 제 2항에 있어서, 상기 제2반도체층은 n-형 질화물 반도체층인 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자.
5. 제 2항에 있어서, 상기 광추출부와 상기 투명기판 사이에는, 충진재가 구비된 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자.
6. 제 5항에 있어서, 상기 충진재는 유리, 실리콘 및 에폭시 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자.
7. 제 1항에 있어서, 상기 투명기판은 유리로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자.
8. 제 2항에 있어서, 상기 투명기판의 홈은 상기 복수의 광추출부에 대응하는 위치에 위치하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자.
9. 지지층, 상기 지지층 상에 위치하는 제1전극, 상기 제1전극 상에 위치하는 제1반도체층, 상기 제1반도체층 상에 위치하는 발광층, 및 상기 발광층 상에 위치하며, 복수의 광추출부가 형성된 제2반도체층을 포함하는 발광 다이오드 칩을 준비하는 단계;

   상기 제2반도체층 상에 투명기판을 위치시키는 단계;

   상기 투명기판에 복수의 홈을 형성하는 단계;

   상기 홈에 색변환 물질을 위치시키는 단계; 및

   상기 제2반도체층과 전기적으로 연결되는 제2전극을 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자의 제조 방법.
10. 제 9항에 있어서, 상기 발광 다이오드 칩을 준비하는 단계 이후에는,

    상기 제2반도체층 상에 복수의 광추출부를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자의 제조 방법.
11. 제 10항에 있어서, 상기 광추출부의 형상은 원뿔 형상인 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자의 제조 방법.
12. 제 10항에 있어서, 상기 광추출부 상에, 충진재를 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자의 제조 방법.
13. 제 10항에 있어서, 상기 투명기판의 홈은 상기 복수의 광추출부에 대응하는 위치에 위치하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 소자의 제조 방법.
14. 삭제

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