KR101420214B1 - 질화물계 발광 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물계 발광 소자에 관한 것으로 특히, 다양한 색상을 발광하는 발광 소자를 제공할 수 있고, 발광 소자의 색 변환 효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광 소자에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 질화물계 발광 소자에 있어서, 반사층과; 상기 반사층 상에 위치하는 제1전극과; 상기 제1전극 상에 위치하는 반도체층과; 상기 반도체층 상에 위치하는 제2전극과; 상기 반도체층 상에, 상기 제2전극 이외의 부분에 위치하여, 상기 반도체층에서 발광된 빛의 파장을 변환시키는 형광체층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

형광체, 반도체, 발광 소자, 전극, 색 변환.

Description

질화물계 발광 소자{Nitride light emitting device}

본 발명은 질화물계 발광 소자에 관한 것으로 특히, 다양한 색상을 발광하는 발광 소자를 제공할 수 있고, 발광 소자의 색 변환 효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광 소자에 관한 것이다.

발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 잘 알려진 반도체 발광 소자로서, 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화 된 것을 시작으로 GaP:N 계열의 녹색 LED와 함께 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 화상용 광원으로 이용되어 왔다.

이러한 LED에 의해 방출되는 광의 파장은 LED를 제조하는데 사용되는 반도체 재료에 따른다. 이는 방출된 광의 파장이 가전자대(valence band) 전자들과 전도대(conduction band) 전자들 사이의 에너지 차를 나타내는 반도체 재료의 밴드갭(band-gap)에 따르기 때문이다.

질화 갈륨 화합물 반도체(Gallium Nitride: GaN)는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭(0.8 ~ 6.2eV)을 가지고 있어, LED를 포함한 고출력 전자부품 소자 개발 분야에서 많은 주목을 받아왔다.

이에 대한 이유 중 하나는 GaN이 타 원소들(인듐(In), 알루미늄(Al) 등)과 조합되어 녹색, 청색 및 백색광을 방출하는 반도체 층들을 제조할 수 있기 때문이다.

이와 같이 방출 파장을 조절할 수 있기 때문에 특정 장치 특성에 맞추어 재료의 특징들에 맞출 수 있다. 예를 들어, GaN를 이용하여 광기록에 유익한 청색 LED와 백열등을 대치할 수 있는 백색 LED를 만들 수 있다.

이러한 GaN 계열 물질의 이점들로 인해, GaN 계열의 LED 시장이 급속히 성장하고 있다. 따라서, 1994년에 상업적으로 도입한 이래로 GaN 계열의 광전자장치 기술도 급격히 발달하였다.

상술한 바와 같은 GaN 계열 물질을 이용한 LED의 휘도 또는 출력은 크게, 활성층의 구조, 빛을 외부로 추출할 수 있는 광 추출 효율, LED 칩의 크기, 램프 패키지 조립 시 몰드(mold)의 종류 및 각도, 형광물질 등에 의해서 좌우된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 칩 단위에서 형광체에 의한 색 변환이 효율적으로 이루어질 수 있는 발광 소자를 제공할 수 있는 질화물계 발광 소자를 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 질화물계 발광 소자에 있어서, 반사층과; 상기 반사층 상에 위치하는 제1전극과; 상기 제1전극 상에 위치하는 반도체층과; 상기 반도체층 상에 위치하는 제2전극과; 상기 반도체층 상에, 상기 제2전극 이외의 부분에 위치하여, 상기 반도체층에서 발광된 빛의 파장을 변환시키는 형광체층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 제2관점으로서, 본 발명은, 질화물계 발광 소자에 있어서, 반사층과; 상기 반사층 상에 위치하는 제1형광체층과; 상기 제1형광체층 상에 위치하는 기판과; 상기 기판 상에 위치하며, 제1노출면 및 제2노출면을 가지는 반도체층과; 상기 반도체층의 제1노출면 상에 위치하는 제1전극과; 상기 반도체층의 제2노출면 상에 위치하는 제2전극과; 상기 제1노출면 및/또는 제2노출면 상에 상기 제1전극 및/또는 제2전극을 제외한 부분에 위치하는 제2형광체층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 패키징 공정이 아닌 칩 제조 단계에서 형광체층을 포함한 색 변환 이 가능한 발광 소자를 제공할 수 있고, 따라서 다양한 색의 빛을 발광하는 발광 소자 패키지를 용이하게 제작할 수 있으며, 이 과정에서 발광되는 색이 효과적으로 변환되어, 순도가 높은 색을 발광할 수 있고, 이러한 색의 변환을 다양하게 할 수 있다. 또한, 형광체층과 전극이 패턴을 이루어 형성되어 광 추출 효과를 향상시킬 수 있는 효과가 있는 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.

층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 표면과 같은 구성 요소의 일부가 '내부(inner)'라고 표현된다면 이것은 그 요소의 다른 부분들 보다도 소자의 외측으로부터 더 멀리 있다는 것을 의미한다고 이해할 수 있을 것이다.

나아가 '아래(beneath)' 또는 '중첩(overlies)'과 같은 상대적인 용어는 여기에서는 도면에서 도시된 바와 같이 기판 또는 기준층과 관련하여 한 층 또는 영역과 다른 층 또는 영역에 대한 한 층 또는 영역의 관계를 설명하기 위해 사용될 수 있다.

이러한 용어들은 도면들에서 묘사된 방향에 더하여 소자의 다른 방향들을 포함하려는 의도라는 것을 이해할 수 있을 것이다. 마지막으로 '직접(directly)'라는 용어는 중간에 개입되는 어떠한 요소가 없다는 것을 의미한다. 여기에서 사용되는 바와 같이 '및/또는'이라는 용어는 기록된 관련 항목 중의 하나 또는 그 이상의 어느 조합 및 모든 조합을 포함한다.

비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.

본 발명의 실시예들은 예를 들어, 사파이어(Al₂O₃)계 기판과 같은 비도전성 기판상에 형성된 질화갈륨(GaN)계 발광 소자를 참조하여 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 이러한 구조에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 실시예들은 도전성 기판을 포함하여 다른 기판을 사용할 수 있다. 따라서 GaP 기판상의 AlGaInP 다이오드, SiC 기판상의 GaN 다이오드, SiC 기판상의 SiC 다이오드, 사파이어 기판상의 SiC 다이오드, 및/또는 GaN, SiC, AlN, ZnO 및/또는 다른 기판상의 질화물계 다이오드 등의 조합이 포함될 수 있다. 더구나 본 발명은 활성영역은 다이오드 영역의 사용에 한정되는 것은 아니다. 또한 활성영역의 다른 형태들이 본 발명의 일부 실시예들에 따라서 사용될 수도 있다.

본 발명은 발광 소자를 이루는 반도체층 상에 반도체층에서 발광된 빛의 파장을 변화시키는 형광체층이 적층된 칩 단위의 발광 소자를 제공할 수 있다. 이러한 발광 소자는 형광체층이 패키지 공정에서 몰딩으로 채워지는 것이 아니라 발광 소자 칩 제작 공정 중 칩 구조의 한 층으로서 적층될 수 있는 것이다.

이러한 발광 소자와 형광체층은 구현하려는 빛의 색상에 따라 다양하게 조합될 수 있다. 즉, 백색 발광을 위해서는 청색 발광 소자와 황색 형광체층, UV 발광 소자와 적색, 녹색, 및 청색 형광체층 등의 조합으로 제작이 가능하고, 기타 다양한 색을 발광하는 발광 소자와 형광체층의 조합이 가능하고, 현실적으로 모든 색상을 발광하는 발광 소자 칩을 제작할 수 있다.

따라서, 다양한 색의 빛을 발광하는 발광 소자 패키지를 용이하게 제작할 수 있으며, 이 과정에서 발광되는 색이 효과적으로 변환되어, 순도가 높은 색을 발광할 수 있고, 이러한 색의 변환을 다양하게 할 수 있다.

<제1실시예>

도 1에서 도시하는 바와 같이, 지지층(50) 상에 반사층(40)이 위치하고, 이 반사층(40) 상에는 제1전극(20)과 반도체층(10)이 위치한다. 이러한 반도체층(10)은 p-형 반도체층(11), 활성층(12), 및 n-형 반도체층(13)으로 이루어질 수 있다. 즉, n-형 반도체층(13)이 광추출면을 이루게 된다. 그러나 반대로 p-형 반도체층(11)이 광추출면을 이루도록 적층될 수 있음은 물론이다.

경우에 따라 반사층(40)과 제1전극(20; 이 경우 p-형 전극)은 반사형 오믹 전극으로서 하나의 층으로 형성될 수도 있다.

지지층(50)은 금속 또는 반도체로 이루어지며, 도금 또는 본딩과 같은 방법으로 반사층(40)에 결합되며, 이때, 반사층(40)과 지지층(50) 사이에 결합금속층(도시되지 않음) 및/또는 확산방지층(도시되지 않음)이 더 포함될 수 있다.

n-형 반도체층(13) 상에는 제2전극(30; 이 경우 n-형 전극)이 위치하게 되며, 광추출면을 이루는 n-형 반도체층(13) 상의 제2전극(30) 주변부에는 형광체층(60)이 위치하게 된다(도 2 참고).

상술한 바와 같이, 형광체층(60)은 반도체층(10)의 활성층(12)에서 발광된 빛을 흡수하여 파장이 변경된 빛을 방출하게 되며, 이와 같이 파장이 변경된 빛은 활성층(12)에서 발광된 빛과 혼합되어 다른 색의 광, 예를 들면 백색광이 만들어질 수 있다.

이러한 형광체층(60)은 CVD(chemical vapor deposition), PVD(sputtering, e-beam evaporation 등) 등의 방법으로 증착하여 형성할 수 있고, YAG, TAG, Silicate 계열, SAM 계열 등의 물질이 이용될 수 있다. 또한, 이러한 형광체층(60)은 전도성을 띨 수도 있다.

이때, 박막을 10 ㎛ 두께 이하의 막으로 정의한다면, 상술한 형광체층(60)은 형광체 박막으로서 진공 증착되는 것이다.

한편, 도 3에서와 같이, 형광체층(62)은 제2전극(30)보다 높게 형성될 수 있고, 또한, 제2전극(30)의 일부를 덮을 수 있다.

또한, 도 4에서와 같이, 제1전극(20)과 반사층(40) 사이에도 형광체층(63)이 더 위치할 수 있다. 이와 같이, 제2전극(30)을 일부 덮는 형광체층(62)나 제1전 극(20)과 반사층(40) 사이에 위치하는 형광체층(63)은 빛의 파장 변환 효율을 향상시킬 수 있다.

<제2실시예>

도 5에서와 같이, 지지층(50) 상에 순차적으로 반사층(40), 제1전극(20), 및 n-형 반도체층(11), 활성층(12), 및 p-형 반도체층(13)을 포함하는 반도체층(10)이 위치한다.

이때, p-형 반도체층(13) 상에 위치하는 제2전극(31)은 다수개로 분할되어 형성될 수 있으며, 이러한 다수개의 제2전극(31)은 도 6에서와 같이, 격자 패턴을 이룰 수 있다. 이러한 제2전극(31)의 패턴은 도 6에서 도시된 사각 격자 패턴 이외에 삼각 격자 패턴 등 다양한 패턴을 이룰 수 있다.

이때, 이러한 패턴을 이루는 제2전극(31) 사이의 반도체층(10) 상의 면에는 형광체층(61)이 채워질 수 있다. 이러한 형광체층(61)의 특성은 제1실시예와 동일할 수 있다. 이와 같이, 패턴을 형성하는 제2전극(31) 및 형광체층(61)은 광결정과 같은 역할을 수행하여 반도체층(10)에서 발광되는 광의 추출 효율을 향상시킬 수 있다.

경우에 따라, 이러한 제2전극(31)과 형광체층(61)이 형성된 면 상에는 투명 전극(70)이 더 위치할 수 있다.

한편, 도 7에서 도시하는 바와 같이, 제2전극(32)은 서로 연결된 격벽 구조를 이룰 수 있다. 즉, 반도체층(10) 상에서 도 8에서 도시하는 상태로 구획되어 형성될 수 있으며, 이와 같이 구획되어 형성된 제2전극(32) 사이의 반도체층(10) 상 의 면에는 형광체층(64)이 채워질 수 있다.

이때, 격벽 구조의 제2전극(32)의 일부분에는 와이어 본딩을 위한 전극 패드를 형성하기 위한 패드부(32a)를 형성할 수 있다. 이는, 도 8에서 도시하는 바와 같이, 제2전극(32)이 격벽 구조를 이루는 경우에는 제2전극(32) 중 패드를 형성할 면적이 좁을 수 있기 때문이다.

이와 같이 패턴 또는 격벽 구조를 이루는 제2전극(31, 32)은 반도체층(10)에서 전류의 퍼짐이 효과적으로 이루어질 수 있도록 할 수 있다.

그 외에 설명되지 않은 부분은 제1실시예와 동일할 수 있다.

<제3실시예>

도 9에서와 같이, 지지층(500) 상에 반사층(400), 제1전극(200), 및 p-형 반도체층(110), 활성층(120), 및 n-형 반도체층(130)으로 이루어지는 반도체층(100)이 순차적으로 위치하는 구조에서, 형광체층(600)은 n-형 반도체층(130) 상의 발광면 뿐 아니라 반도체층(100)의 측면을 포함한 부분에 형성될 수 있다.

즉, 도시하는 바와 같이, 형광체층(600)이 발광면 상의 제2전극(300)의 외측과 반도체층(100)의 측면을 덮는 구조로 형성될 수 있고, 이러한 형광체층(600)은 제1전극(200)과 반사층(400)의 측면에 이르도록 형성될 수 있다.

이때, 형광체층(600)은 제2전극(300)보다 높은 위치로 형성되어, 이 제2전극(300)을 일부 덮는 구조로 형성될 수 있다.

한편, 도 10에서와 같이, 형광체층(610)이 반도체층(100)의 보다 넓은 면적을 덮는 구조로 형성될 수 있다.

즉, 반사층(410) 상에는 중앙측에 홈(411)으로 구분되는 접촉부가 위치하여, 이 접촉부 상에 제1전극(210)이 접촉되어 위치할 수 있다. 이때, 제1전극(210)은 홈(411)의 일부를 덮는 구조가 되어, 도 10에서와 같이, 반사층(410)의 측부에 공간이 형성된다. 이와 같이 형성된 반사층(410) 측면 위치까지 형광체층(610)이 형성될 수 있다.

이때, 반도체층(100)의 노출면, 즉, 반도체층(100)의 측면과 상면, 및 하부에 일부 드러난 부분에는 절연층(700)이 위치할 수 있다. 이와 같이 형성된 절연층(700) 상에 형광체층(610)이 감싸는 구조로 형성되는 것이다.

이러한 절연층(700)은 도시하는 바와 같이, 제2전극(300)의 측면 및 상면 일부를 덮을 수 있다.

그 외에 설명되지 않은 부분은 제1실시예 또는 제2실시예와 동일할 수 있다.

<제4실시예>

도 11에서 도시하는 바와 같이, 상술한 반도체층 상에 형광체층을 구비하는 구성은 수평형 발광 소자 구조에도 적용될 수 있다.

즉, 기판(80) 상에 n-형 반도체층(13), 활성층(12), 및 p-형 반도체층(11)으로 이루어지는 반도체층(10)이 위치하고, p-형 반도체층(11) 상에는 제1전극(21)이 위치하며, 이 제1전극(21)의 주변부에는 형광체층(65)이 위치한다.

또한, n-형 반도체층(13)이 개구된 부분에는 제2전극(33)이 위치한다. 이때, 형광체층은 이러한 제2전극(33)의 외측에도 위치할 수 있다(도시되지 않음).

이때, 기판(80)의 하측에는 반사층(41)이 위치할 수 있고, 이러한 반사 층(41)은 활성층(12)에서 발광되는 빛이 반사되어 상측으로 진행할 수 있도록 할 수 있다. 따라서, 이 과정에서 빛의 파장 변화가 일어날 수 있도록 기판(80)과 반사층(41) 사이에 형광체층(67)이 더 위치할 수 있다.

또한, 도 12에서와 같이, 형광체층(68)은 반도체층(10)의 드러난 면을 모두 덮는 구조로 형성될 수 있다. 도시하는 바와 같이, 반도체층(10) 및 기판(80)은 형광체층(68)으로 모두 둘러싸인 구조가 될 수 있다.

즉, 제1전극(21)의 외측 및 제2전극(33)의 외측과, 반도체층(10) 및 기판(80)의 측면 상에 형광체층(68)이 위치하게 되어, 활성층(12)에서 발광되는 빛의 파장 변환을 야기시킬 수 있다.

한편, 도 13에서와 같이, 도 12와 같은 구조에서, 형광체층(69)과 반도체층(10) 사이에는 절연층(90)이 위치할 수 있다. 또한 이러한 절연층(90)은 형광체층(69)과 기판(80)의 사이에도 위치할 수 있다.

이와 같은 절연층(90)은 소자 구동시 누설전류를 방지하고 제조과정에서 반도체층(10)을 보호하는 역할을 수행할 수 있다.

그 외에 설명되지 않은 부분은 제1실시예 내지 제3실시예와 동일할 수 있다.

상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 변형이 가능하고, 이러한 기술적 사상의 여러 실시 형태는 모두 본 발명의 보호범위에 속함은 당연하다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 제1실시예를 도시하는 도이다.

도 5 내지 도 8은 본 발명의 제2실시예를 도시하는 도이다.

도 9 및 도 10은 본 발명의 제3실시예를 도시하는 도이다.

도 11 내지 도 13은 본 발명의 제4실시예를 도시하는 도이다.

Claims (13)

1. 질화물계 발광 소자에 있어서,

   반사층과;

   상기 반사층 상에 위치하는 전도성의 형광체층과;

   상기 전도성의 형광체층 상에 위치하는 제1전극과;

   상기 제1전극 상에 위치하는 반도체층과;

   상기 반도체층 상에 위치하는 제2전극과;

   상기 반도체층 상에, 상기 제2전극 이외의 부분에 위치하여, 상기 반도체층에서 발광된 빛의 파장을 변환시키는 형광체층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
2. 제 1항에 있어서, 상기 반사층은, 금속 또는 반도체로 이루어지는 지지층 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
3. 제 1항에 있어서, 상기 형광체층은, 상기 제2전극의 일부를 덮는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
4. 제 1항에 있어서, 상기 형광체층은, 상기 반도체층, 제1전극, 및 반사층 중 적어도 어느 하나의 측면에 더 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
5. 제 4항에 있어서, 상기 형광체층과 상기 반도체층의 사이에는 절연층이 위치하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
6. 삭제
7. 제 4항에 있어서, 상기 반사층 상의 중앙측에는 홈으로 구분된 접촉부가 위치하고, 상기 제1전극은 상기 접촉부에 접촉된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
8. 제 7항에 있어서, 상기 형광체층은, 상기 반사층의 홈에 연결되어 위치하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
9. 질화물계 발광 소자에 있어서,

   반사층과;

   상기 반사층 상에 위치하는 제1형광체층과;

   상기 제1형광체층 상에 위치하는 기판과;

   상기 기판 상에 위치하며, 제1노출면 및 제2노출면을 가지는 반도체층과;

   상기 반도체층의 제1노출면 상에 위치하는 제1전극과;

   상기 반도체층의 제2노출면 상에 위치하는 제2전극과;

   상기 제1노출면 상의 제1 전극을 제외한 부분과 상기 제2노출면 상의 제2전극을 제외한 부분에 위치하는 제2형광체층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
10. 제 9항에 있어서, 상기 제2형광체층은, 상기 반도체층 및/또는 기판의 측면에 더 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
11. 제 9항에 있어서, 상기 제2형광체층과, 상기 반도체층 및/또는 기판의 측면 사이에는 절연층이 위치하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
12. 제 1항 또는 9항에 있어서, 상기 제2전극은, 다수개의 격자 패턴을 이루는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
13. 제 1항 또는 9항에 있어서, 상기 제2전극은, 서로 연결된 격벽 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.

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