KR101259482B1 - 고효율 발광다이오드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고효율 발광다이오드에 관한 것으로, 기판 및 전극패드에 광반사 구조를 형성하여 기판 내부에서의 반사효율을 향상시키는 동시에 전극패드에 의한 광흡수를 최소화하여 발광효율을 향상시킬 수 있는 고효율 발광다이오드를 제공한다. 이를 위한 본 발명은 기판, n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층, 투명전극층을 포함하는 발광 다이오드에 있어서, 상기 기판은 그 하면에 테이퍼 형상의 다수의 홈이 형성되고, 상기 홈에 광반사 필러가 충진되는 것을 특징으로 한다. 상기와 같은 구성에 의해 본 발명은 전극패드에 의한 광흡수율을 최소화하고 기판 내부에서의 반사효율을 극대화하여 기판내에서 외부로 방출되지 못하는 광의 양을 최소함으로써 발광효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

고효율 발광다이오드{Light Emitting Diode with high efficiency}
본 발명은 고효율 발광다이오드에 관한 것으로, 특히, 기판 및 전극패드에 광반사 구조를 형성하여 기판 내부에서의 반사효율을 향상시키는 동시에 전극패드에 의한 광흡수를 최소화하여 발광효율을 향상시킬 수 있는 고효율 발광다이오드에 관한 것이다.
질화물 반도체 발광 소자(예컨대, 3족 질화물계 화합물 반도체 LED 또는 레이저 다이오드 등)가 개발된 후, 디스플레이용 백라이트, 카메라용 플래쉬, 조명 등 다양한 분야에서 질화물 반도체 발광소자가 차세대의 주요 광원으로 주목받고 있다. 질화물 반도체 발광소자의 적용 분야가 확대됨에 따라, 휘도와 발광 효율을 증대시키기 위한 노력이 진행되고 있다.
GaN, InGaN, AlGaN 또는 AlInGaN 등의 질화물계 화합물 반도체를 이용한 청색 LED는 총천연색(full colors) 구현이 가능하다는 장점이 있으나 통상 절연체인 사파이어 기판 위에 성장되기 때문에, 기존의 전도성 기판을 사용한 발광다이오드와 달리 n-전극과 p-전극이 같은 쪽에(결정 성장된 질화물 반도체 상에) 배치되며 이에 따라 발광 면적이 작아지는 단점이 있다. 또한 p-GaN 등의 p형 질화물 반도체는 큰 일함수와 높은 저항을 갖고 있기 때문에 p형 질화물 반도체 상에 직접 p-전극(본딩 패드 또는 전극 패드) 금속을 사용할 수 없고 오믹 콘택 및 전류 확산(current spreading) 목적의 투명 전극을 p형 질화물 반도체층 상에 증착한다.
한편, 성장기판으로 사용되는 사파이어 기판은 그 위에 형성되는 발광층으로부터 방출되는 광에 대하여 투명하며 단단한 성질을 갖고 있다. 이러한 사파이어 기판은 100㎛ 이하로 얇게 가공되며 레이저나 다이아몬드팁을 이용하여 칩을 분리한다. 사파이어 기판의 재질이 단단하기 때문에 사파이어 기판을 분리하기 위하여 사파이어 기판을 얇게 가공하고 얇게 가공된 사파이어 기판을 통과한 빛이 바닥면에 코팅된 반사물질을 통하여 반사한다.
그러나 종래의 발광다이오드는 발광층으로부터 방출되어 사파이어 기판의 내부로 진입된 광의 반사효율이 불량하여 광의 일부가 외부로 방출되지 못하고 사파이어 기판 내부에 갇히게 되며 이는 발광다이오드의 발광효율을 악화시킬 뿐만 아니라 이에 의해 열이 발생하는 문제점이 있다.
발광다이오드의 발광효율을 개선하기 위한 사파이어 기판에 패턴을 형성하는 방법이 제안되었다.
도 5는 종래의 발광다이오드의 단면도이다.
발광다이오드(50)는 진입되는 광을 반사시키도록 그 상측에 요철 패턴이 형성되는 기판(510)과, 격자 정합을 위해 기판(510) 상에 형성되는 버퍼층(520)과, 버퍼층(520) 상에 형성되는 n형 반도체층(530)과, n형 반도체층(530) 상에 형성되는 활성층(540)과, 활성층(540) 상에 형성되는 p형 반도체층(550)과, p형 반도체층(550) 상에 형성되는 투명전극층(560)과, 투명전극층(560) 상에 형성되는 전극패드(570) 및 n형 반도체층(530) 상에 형성되는 전극패드(580)를 포함한다.
그러나, 이와 같은 종래의 발광다이오드(50)는 사파이어 기판(510)에 대한 광추출을 향상시키기 위하여 수 ㎛의 표면요철(512)구조를 기판의 상면에 형성하지만 이러한 구조에 의한 광추출 효과는 한계가 있는 문제점이 있다.
한편, 종래의 발광다이오드(50)는, 활성층(540)으로부터 방출된 광이 투명전극층(560)을 투과하여 외부로 방출되는데, 투명전극층(560) 상에 형성되는 전극패드(570)는 금속층으로 광이 투과되지 못하고 흡수하게 되며 그에 따라 광 손실이 발생하는 문제점 있다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 전극패드에 의해 흡수되는 광과 기판내에서 외부로 방출되지 못하는 광의 양을 최소화할 수 있는 고효율 발광다이오드를 제공하고자 한다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은 기판, n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층, 투명전극층을 포함하는 발광 다이오드에 있어서, 상기 기판은 그 하면에 테이퍼 형상의 다수의 홈이 형성되고, 상기 홈에 광반사 필러가 충진되는 것을 특징으로 하는 고효율 발광다이오드를 제공한다.
바람직하게는 상기 홈의 깊이는 상기 기판의 두께에 1/3 내지 1/2배일 수 있다.
바람직하게는 상기 기판의 두께는 150~250㎛일 수 있다.
바람직하게는 상기 광반사 필러는 이산화 티탄(TiO2), 탄산납(PbCO3), 실리카(SiO2), 지르코니아(ZrO2), 산화납(PbO), 알루미나(Al2O3), 산화아연(ZnO), 안티몬(Sb2O3) 중 어느 하나 또는 이들의 조합일 수 있다.
바람직하게는 상기 테이퍼 형상의 홈은 상기 테이퍼 형상의 홈은 그 측면이 상기 기판의 하면이 형성하는 수평면과 40~70°의 경사를 이룰 수 있다.
바람직하게는 상기 기판은 그 상측에 요철 패턴이 형성될 수 있다.
바람직하게는 상기 기판은 사파이어 기판일 수 있다.
바람직하게는 본 발명의 고효율 발광다이오드는, 상기 투명전극층 상에 형성된 전극패드 및 상기 전극패드의 하측에 형성된 반사층을 더 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 반사층은 상기 투명전극층과 상기 전극패드 사이에 형성될 수 있다.
바람직하게는 상기 투명전극층은 상기 전극패드의 하측에서 요철형상으로 형성될 수 있다.
바람직하게는 상기 반사층은 상기 p형 반도체층 상의 상기 전극패드에 대응하는 영역에 형성되고, 상기 투명전극층은 상기 반사층을 덮도록 형성될 수 있다.
바람직하게는 상기 전극패드는 수평방향의 양측으로 연장부가 형성되고, 상기 반사층은 상기 연장부의 하측에 형성될 수 있다.
바람직하게는 상기 반사층은 DBR(Distributed Bragg Reflector)일 수 있다.
본 발명에 따른 고효율 발광다이오드는 기판 및 전극패드에 광반사 구조를 형성하여 전극패드에 의한 광흡수율을 최소화하고 기판 내부에서의 반사효율을 극대화하여 기판내에서 외부로 방출되지 못하는 광의 양을 최소함으로써 발광효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고효율 발광다이오드의 단면도이고,
도 2는 도 1의 전극패드 형성부분(A)의 확대 단면도이며,
도 3은 도 1의 고효율 발광다이오드의 평면도이고,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고효율 발광다이오드의 단면도이며,
도 5는 종래의 발광다이오드의 단면도이다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예와 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 한 실시예에 따른 고효율 발광다이오드를 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고효율 발광다이오드의 단면도이고, 도 2는 도 1의 전극패드 형성부분(A)의 확대 단면도이며, 도 3은 도 1의 고효율 발광다이오드의 평면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 발광다이오드(10)는 하면에 홈(112)이 형성되는 기판(110)과, 격자 정합을 위해 기판(110) 상에 형성되는 버퍼층(120)과, 버퍼층(120) 상에 형성되는 n형 반도체층(130)과, n형 반도체층(130) 상에 형성되는 활성층(140)과, 활성층(140) 상에 형성되는 p형 반도체층(150)과, p형 반도체층(150) 상에 형성되는 투명전극층(160)과, 투명전극층(160) 상에 형성되는 전극패드(170) 및 n형 반도체층(130) 상에 형성되는 전극패드(180)를 포함한다.
기판(110)은 그 위에 성장되는 질화물 반도체 물질과의 격자정합을 고려하여 사파이어 기판이 주로 사용된다. 이러한 사파이어 기판은 비교적 질화물 반도체 물질의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하여 주로 사용된다.
이러한 기판(110)은 그 하면에 테이퍼 형상의 다수의 홈(112)이 형성되고, 활성층(140)으로부터 방출된 광의 반사를 용이하게 하도록 홈(112)에 광반사 필러(114)가 충진된다. 여기서, 광반사 필러(114)는 이산화 티탄(TiO2), 탄산납(PbCO3), 실리카(SiO2), 지르코니아(ZrO2), 산화납(PbO), 알루미나(Al2O3), 산화아연(ZnO), 안티몬(Sb2O3) 중 어느 하나 또는 이들의 조합일 수 있다.
기판(110)은 하면에 홈(112)을 형성하기 충분한 두께를 가지며, 바람직하게는 150~250㎛이며, 더욱 바람직하게는 200㎛로 형성된다.
홈(112)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(110)의 하면에서 중심측으로 갈수록 좁아지는 테이퍼 형상으로 형성되며, 그 깊이(t2)가 기판(110)의 두께(t1)에 비하여 1/3 내지 1/2배가 되도록 형성된다.
홈(112)은 테이퍼 형상에 의해 이루어지는 측면의 경사면에 의해 내부로부터 방출되는 광이 효율적으로 반사되는데 측면의 경사도가 높을수록 반사효율이 우수하며, 바람직하게는 40~70° 경사로 이루어질 수 있다.
이와 같이 기판(110)의 하면에 테이퍼 형상의 홈(112)을 형성하고 이 홈(112)에 광반사 필러(114)가 충진됨으로써, 활성층(140)에서 방출된 광이 기판(110)에서 반사되어 다시 투명전극층(160)을 통하여 외부로 방출되므로, 발광다이오드(10)의 발광효율을 향상시킬 수 있다.
버퍼층(120)은 그 상부에 형성될 질화물 반도체층과 기판(110) 사이의 격자 정합을 위하여 형성되며, 통상 수십 ㎚의 두께를 갖는 GaN 또는 AlN 등의 질화물 저온핵성장층이 사용된다.
n형 반도체층(130)은 n형의 AlxInyGa1 -x- yN(0≤x,y,x+y≤1)으로 형성될 수 있으며, N형 클래드층을 포함할 수 있다. 즉, n형 반도체층(130)은 n형 도펀트로 도핑된 질화물 반도체로 이루어질 수 있으며, 예를 들면 질화물 반도체는 GaN, AlGaN, InGaN가 있고, n형 반도체층(3)의 도핑에 사용되는 도펀트는 Si, Ge, Se, Te 또는 C 등이 있으며, 바람직하게는 Si 이다.
활성층(140)은 전자 및 정공이 재결합되어 광이 방출되는 영역으로서, 활성층(140)을 이루는 물질의 종류에 따라 추출되는 광의 파장이 결정된다. 이러한 활성층(140)은 2이상의 양자우물과 양자장벽이 적층된 다중양자우물(MQW) 구조를 갖거나 단일 양자우물 구조를 가질 수 있는데, 장벽층과 우물층은 일반식 AlxInyGa1 -x-yN(0≤x,y,x+y≤1)으로 표현되는 2원 내지 4원 화합물 반도체층들일 수 있다.
예를 들면, InGaN층을 우물층로 하고, GaN층을 장벽층(barrier layer)으로 성장시켜 다중 양자 우물 구조(MQW)로 형성된다. 특히, 청색 발광다이오드에서는 InGaN/GaN 등의 다중 양자 우물 구조, 자외선 발광다이오드에서는 GaN/AlGaN, InAlGaN/InAlGaN 및 InGaN/AlGaN 등의 다중 양자 우물 구조가 사용되고 있다.
p형 반도체층(150)은 p형 AlxInyGa1 -x- yN(0≤x,y,x+y≤1)으로 형성될 수 있으며, p형 클래드층을 포함할 수 있다. 즉, p형 반도체층(150)은 p형 도펀트로 도핑된 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 대표적인 질화물 반도체 물질로는 GaN, AlGaN, InGaN가 있다. p형 반도체층(5)의 도핑에 사용되는 도펀트는 Mg, Zn 또는 Be 등이 있으며, 바람직하게는 Mg이다.
투명전극층(160)은 그 위에 형성되는 전극패드(170)와 함께 전극으로서 기능하며 활성층(140)으로부터 발생된 광을 외부로 방출하는 기능을 가지므로, 우수한 전기적 특성과 광 방출을 저해하지 않는 특성이 요구되며, Ni/Au, ZnO, 층 또는 ITO(인듐 주석 산화물)층일 수 있다.
전극패드(170)는 p형 전극으로서 p형 반도체층(150) 상에 형성된 투명전극층(160) 상의 일측에 형성되고, 전극패드(180)는 n형 전극으로서 n형 반도체층(130) 상의 일측에 형성된다.
투명전극층(160)과 전극패드(170) 사이에는 전극패드(170)에 의한 광흡수를 최소화하기 위해 반사층인 DBR((Distributed Bragg Reflector; 172)이 형성된다.
전극패드(170)의 하측에 형성되는 DBR(172)은 활성층(140)으로부터 발광된 광이 전극패드(170)에 의해 흡수되는 것을 방지하는 기능을 갖기 때문에 전극패드(170)의 하측에 다양한 형태로 형성될 수 있다.
예를 들면, DBR(172a)은, 도 2a에 도시된 바와 같이, 투명전극층(160)과 전극패드(170) 사이에 형성될 수 있는데, p형 반도체층(150) 상에 투명전극층(160)을 형성한 후 전극패드(170)를 형성하기 전에 전극패드(170)가 형성되는 영역의 일부에, 바람직하게는 전극패드(170)의 중심부분에 형성될 수 있다.
여기서, DBR(172a)은 서로 다른 굴절율을 갖는 유전체층이 다층(a~f)으로 형성되며 이는 전류를 차단하는 기능을 가지므로, DBR(172a)의 폭은 전극패드(170)의 폭보다 작게 형성하고, DBR(172a)의 양측을 통하여 전극패드(170)와 투명전극층(160)이 전기적으로 연결된다.
또한, DBR(172b)은, 도 2b에 도시된 바와 같이, p형 반도체층(150) 상에 형성될 수 있다. 즉, DBR(172b)은 p형 반도체층(150) 상에 전극패드(170)에 대응하는 영역에 먼저 형성되고, 투명전극층(160b)이 DBR(172b)을 덮도록 p형 반도체층(150) 상에 형성된다.
또한, DBR(172c)은 도 2c에 도시된 바와 같이, 투명전극층(160c)과 전극패드(170) 사이에 형성되되, 투명전극층(160c)이 DBR(172)의 반사율을 보다 향상시키기 위하여 전극패드(170)의 하측에서 요철형상으로 형성될 수 있다. 투명전극층(160)은 p형 반도체층(150) 상에 형성되되, 전극패드(170)가 형성되는 영역에서는, 예를 들어 톱니 형상을 갖는 요철로 형성되고, 톱니의 골 부분에 DBR(172)이 형성된다. 즉, 도 2c에 도시된 것과 같이, 전극패드(170)로 커버되는 전극패드(170) 하부의 투명전극층(160c) 영역의 적어도 일부는 요철형상으로 형성되며, DBR(172)은 요철형상의 요부를 충진하는 형태로 형성될 수 있다.
삭제
이와 같이 DBR(172)이 전극패드(170)의 하면에 형성됨으로써, 활성층(140)에서 방출된 광이 전극패드(170)가 형성되지 않은 투명전극층(160)을 통하여 외부로 방출되고, 전극패드(170)가 형성된 영역에서는 DBR(172)에 의해 기판(110)으로 반사되고, 따라서 전극패드(170)에 의한 광흡수율을 최소화하여 발광다이오드(10)의 발광효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
한편, DBR(172)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 전극패드(170)로부터 연장형성되는 전극 연장부(170a)의 하측에 형성될 수 있다. 즉, 전극 연장부(170a)는 전극패드(170)의 수평방향을 따라 양측으로 연장형성되어 전극패드(170)의 하면에서 발생하는 전류의 흐름의 편중을 감소시킨다. 이러한 전극 연장부(170a)는 전극패드(170)와 같이 활성층(140)으로부터 방출된 광을 흡수하게 되므로 전극 연장부(170a)의 일부에 DBR(172)이 형성된다.
여기서, DBR(172)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 전극 연장부(170a)의 일부에 형성될 수 있지만 이에 한정되지 않고 전극 연장부(170a) 전체에 대하여 형성될 수 있으며, DBR(172)의 형성 위치는 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이 투명전극층(160)과 전극패드(170)의 구조에 따라 변경될 수 있다.
이와 같이 DBR(172)이 전극패드(170) 뿐만 아니라 전극 연장부(170a)의 일부 또는 전체 영역에 형성됨으로써, 전극패드(170) 및 전극 연장부(170a)에 의한 광흡수율을 보다 감소시켜 발광다이오드(10)의 발광효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고효율 발광다이오드의 단면도이다.
본 실시예는 기판(410)에 형성되는 패턴을 제외한 구성이 실시예 1과 동일하므로 여기서는 그 설명을 생략한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 광반사 필러(114)가 충진된 홈(412)이 형성된 기판(410)은 기판(410)으로 진입되는 광을 반사시키도록 그 상측에 요철 패턴이 형성된다.
여기서, 기판(410)은 패턴이 형성된 PSS(Patterned Sapphire Substrate)일 수 있으며, 본 실시예에서는 요철 패턴을 예로 하였지만 이에 제한되지 않고 기판(410)을 식각하여 패턴을 형성될 수도 있고, 기판(410)의 상측에 금속층을 이용하여 패턴을 형성할 수도 있다.
이와 같이 기판(410)의 상측에 요철을 형성하여 활성층(440)에서 방출되어 기판(410)의 하면으로 향하는 광의 반사율을 보다 향상시켜 발광다이오드(40)의 발광효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 첨부된 특허 청구 범위에 속하는 것은 당연하다.
10 : 발광다이오드 110 : 기판
112 : 홈 114 : 광반사 필러
120 : 버퍼층 130 : n형 반도체층
140 : 활성층 150 : p형 반도체층
160 : 투명전극층 170 : 전극패드
170a: 전극 연장부 172 : DBR
180 : 전극패드 422 : 요철

Claims (13)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 n형 반도체층;
    상기 n형 반도체층 상에 형성된 활성층;
    상기 활성층 상에 형성된 p형 반도체층;
    상기 p형 반도체층 상에 형성된 투명전극층;
    상기 투명전극층 상에 형성되는 전극패드;
    상기 전극패드의 하측에 형성되는 반사층; 및
    상기 전극패드로부터 연장되어 상기 투명전극층 상에 형성되는 연장부를 포함하며,
    상기 기판은 그 하면에 테이퍼 형상의 다수의 홈이 형성되고, 상기 홈에 광반사 필러가 충진되며, 상기 광반사 필러는 이산화 티탄(TiO2), 탄산납(PbCO3), 지르코니아(ZrO2), 산화납(PbO), 알루미나(Al2O3), 산화아연(ZnO), 안티몬(Sb2O3) 중 어느 하나 또는 이들의 조합이며,
    상기 전극패드 및 상기 연장부로 커버되는 상기 전극패드 및 상기 연장부 하부의 상기 투명전극층 영역의 적어도 일부는 요철형상으로 형성되며, 상기 반사층은 상기 요철형상의 요부를 충진하는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 고효율 발광다이오드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 홈의 깊이는 상기 기판의 두께에 1/3 내지 1/2배인 것을 특징으로 하는
    고효율 발광다이오드.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판의 두께는 150~250㎛인 것을 특징으로 하는 고효율 발광다이오드.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 테이퍼 형상의 홈은 그 측면이 상기 기판의 하면이 형성하는 수평면과 40~70°의 경사를 이루는 것을 특징으로 하는 고효율 발광다이오드.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 그 상측에 요철 패턴이 형성되는 것을 특징으로 하는 고효율 발광다이오드.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 고효율 발광다이오드.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사층은 DBR(Distributed Bragg Reflector)인 것을 특징으로 하는 고효율 발광다이오드.
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