KR101462464B1 - 도넛 모양의 홀 배열을 갖는 발광다이오드 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발광다이오드의 n형 전극과 p형 전극 사이에서의 전류분포의 균일도(UNIFORMITY)를 개선하고, 발광다이오드의 내부 반사 및 재흡수 현상을 감소시킴으로써, 발광효율(LUMINOUS EFFICIENCY)을 더욱 향상시킬 수 있는 발광다이오드에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 베이스 기판(110)과, 상기 베이스 기판(110)의 상부에 형성되어 반도체의 p-n 접합구조를 이루며, 외부 전원과 연결되는 n형 전극패드(150)와 p형 전극패드(160)가 형성된 메인 기판층과, 상기 메인 기판층의 상부를 이루는 투명전극(170)을 포함하고, 상기 n형 전극패드(150)로부터 연장되는 n형 전극핑거(152)와 상기 p형 전극패드(160)로부터 연장되는 p형 전극핑거(162) 사이인 상기 투명전극(170)상에 도넛모양의 홀(400)이 다수 형성된 것을 특징으로 하는 발광다이오드가 제공된다.
이를 위해 본 발명은 베이스 기판(110)과, 상기 베이스 기판(110)의 상부에 형성되어 반도체의 p-n 접합구조를 이루며, 외부 전원과 연결되는 n형 전극패드(150)와 p형 전극패드(160)가 형성된 메인 기판층과, 상기 메인 기판층의 상부를 이루는 투명전극(170)을 포함하고, 상기 n형 전극패드(150)로부터 연장되는 n형 전극핑거(152)와 상기 p형 전극패드(160)로부터 연장되는 p형 전극핑거(162) 사이인 상기 투명전극(170)상에 도넛모양의 홀(400)이 다수 형성된 것을 특징으로 하는 발광다이오드가 제공된다.
Description
본 발명은 발광다이오드에 관한 것으로, 투명전극에 형성된 도넛모양의 홀에 의해 발광효율을 향상시킬 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 발광다이오드에 관한 것이다.
일반적으로 발광다이오드(LIGHT EMITTING DIODE)는 전자와 홀의 재결합을 기초로 발생하는 반도체 소자로서, 광통신, 전자기기를 비롯하여, 휴대폰, 카메라 플래시, LCD 백라이트 등 다양한 기기의 광원으로 널리 사용되고 있다.
예를 들면, 발광다이오드를 사용한 조명기기는 종래의 백열전구나 형광등과 비교하여 저소비전력이고 또한 저발열성이기 때문에 장래에 있어서 이들을 대체하기 위한 차세대 조명으로 각광받고 있다.
이러한 발광다이오드는 기본적으로 단방향 수직구조의 P-N 접합구조를 가지는 발광다이오드가 널리 사용되고 있다.
도 1은 일반적인 발광다이오드의 단면도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 발광다이오드(100)는 하부에 형성된 베이스 기판(110) 상에 N형 반도체층을 이루는 n-GaN층(120)과, P형 반도체층을 형성하는 p-GaN층(130) 및 이들 사이에 게재되는 활성층(140; QUANTUM WELL ACTIVE LAYER)을 포함한다.
그리고, 상기 n-GaN층(120)과, p-GaN층(130)은 외부 전원에 각각 전기적으로 연결되는 N형 전극(150)과, P형 전극(160)을 각각 구비한다.
이를 통해, 발광다이오드(100)는 p-GaN층(130)에서 활성층(140)을 거쳐 n-GaN층(120)으로 전류가 흐른다. 따라서, 발광다이오드(100)의 P형 전극(160)에 양의 부하를, N형 전극(150)에 음의 부하를 가하게 되면, p-GaN층(130)과 n-GaN층(120)으로부터 각각 정공과 전자들이 활성층(140)으로 모여 재결합함으로써 발광을 하게 된다.
이러한, 일반적인 발광다이오드(100)는 활성층(140)의 내부 양자효율(INTERNAL QUANTUM EFFICIENCY)과, 구조적인 특성의 한계에 의해 광추출효율(OPTICAL EXTRACTION EFFICIENCY)이 처음부터 결정되는 제약이 따르므로, 이러한 활성층에 다중양자우물(MULTIPLE QUNTUM-WELL) 구조를 형성하여 발광다이오드(1000)의 전광변환효율 및 광방출효율에 제약을 주는 문제점을 해결하고 있다.
투명전극(170)은 전반사를 감소시킬 뿐만 아니라, 투광성이 좋기 때문에, p-GaN층(130) 쪽으로 방출되는 빛의 추출 효율을 증가시킬 수 있다.
하지만, 투명전극(170)은 전도도가 높지 않기 때문에, 전류의 확산이 잘 이루어지지 않아, 전류 주입 면적이 작다는 문제점이 있으며, 이러한 작은 전류 주입 면적은 발광다이오드(100)의 발광 효율을 저하시키는 주원인으로 알려져 있다.
따라서, 투명전극(170)의 계면에서 발생되는 전반사를 줄이기 위하여, 투명전극(170)의 표면에 홀이나, 홈 또는 요철 형상의 미세패턴을 형성하거나, 거칠기를 주는 방법이 널리 사용되고 있다.
이러한 발광다이오드의 전반사를 줄이기 위한 종래기술은 일례로, Optics express 21, 7125에서는 발광다이오드에 주기적인 마이크로 사이즈의 홀을 형성하여 광추출 효율을 증가시키고, 마이크로 사이즈의 홀 내부에 나노기둥을 형성하여 광추출 효율을 증가시키도록 하는 기술이 기재되어 있다.
또한, Applied physics letters 76, 631 / applied physics letters 77, 3236에서는 마이크로 디스크 형태를 적용하여 발광다이오드의 광도를 향상시키는 기술이 기재되어 있다.
또한, Photonics technology letters, 16, 33 에서는 마이크로 링 형태를 적용하여 발광다이오드의 발광영역 증가 및 내부 반사와 재흡수 감소에 의해 광도를 향상시키는 기술이 기재되어 있다.
또한, 상기한 발광다이오드의 투명전극에 미세패턴을 형성한 종래기술의 일례로써, 국내공개 제10-2013-0067014호 발광다이오드에서는 제1형 반도체층 또는 제2형 반도체층의 일 표면인 광 추출 면에 복수 개의 마이크로 콘형 홈을 형성하여, 발광 다이오드의 광 추출 효율을 높이는 기술이 기재되어 있다.
또한, 국내등록 제10-1106138호 "개선된 발광 효율을 갖는 발광다이오드 및 제조방법"에서는 제 1 도전형 하부 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 상부 반도체층을 포함하는 발광 구조체에서, 제2 도전형 상부 반도체층의 상부에 위치하는 투명전극에 복수의 오목부를 형성하고, 오목부를 덮는 마이크로 렌즈를 포함하여 구성된 기술이 기재되어 있다.
하지만, 상기 종래기술들에 의하면, 투명전극의 저항 증가로 forward bias voltage가 증가할 우려가 있으며, 발광 영역 감소에 의해 광추출 효율이 저하될 수 있다.
이는 STRAIN INDUCED PIEZOELECTRIC 감소에 의한 양자우물 왜곡(DISTORTION)을 감소시킬 수 있기 때문에 고출력 발광다이오드의 효율 떨어뜨릴 수 밖에 없다.
특히, applied physics letters 76, 631 / applied physics letters 77, 3236에 기재된 기술은 마이크로 디스크 간의 전극연결이 어려운 문제점이 있다.
이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 발광다이오드의 n형 전극과 p형 전극 사이에서의 전류분포의 균일도(UNIFORMITY)를 개선하여 발광효율(LUMINOUS EFFICIENCY)을 더욱 향상시킬 수 있는 넛 모양의 홀 배열을 갖는 발광다이오드를 제공하는 것을 목적으로 한다.
베이스 기판, 상기 베이스 기판의 상부에 형성되어 반도체의 p-n 접합구조를 이루며, 외부 전원과 연결되는 p형 전극패드와, n형 전극패드가 형성된 메인 기판층, 상기 메인 기판층의 상부를 이루는 투명전극을 포함하고, 상기 n형 전극패드로부터 연장되는 n형 전극핑거와 상기 p형 전극패드로부터 연장되는 p형 전극핑거 사이인 상기 투명전극에 도넛모양의 홀이 다수 형성될 수 있다.
상기 메인 기판층은 상기 P형 전극패드가 연결된 p형 기판층, 상기 n형 전극패드가 연결된 n형 기판층, 및 상기 p형 기판층과 n형 기판층 사이에 게재되는 활성층으로 이루어질 수 있다.
상기 도넛모양의 홀은 타원형일 수 있다.
상기 도넛모양의 홀 외경의 크기는 범위가 1~10μm일 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 도넛 모양의 홀 배열을 갖는 발광다이오드에 의하면, 투명전극 상의 저항을 점진적으로 증가 또는 감소가 가능하여, 발광다이오드의 제원에 따른 최적의 배열을 이룸으로써, 균일한 전류분포를 형성할 수 있다.
도 1은 일반적인 발광다이오드 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 도넛 모양의 홀 배열을 갖는 발광다이오드를 나타낸 사시도이다.
도 3는 본 발명의 일실시예에 따른 도넛 모양의 홀 배열을 갖는 발광다이오드를 나타낸 사시도이다.
도 4(a) 및 (b)는 본 발명의 요부인 도 2의 도넛모양의 홀을 확대하여 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 도넛모양의 홀에서 타원형 구조를 나타내는 사시도이다.
도 6은 도넛모양의 홀이 배열된 구조를 보여주는 일 예이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 도넛 모양의 홀 배열을 갖는 발광다이오드를 나타낸 사시도이다.
도 3는 본 발명의 일실시예에 따른 도넛 모양의 홀 배열을 갖는 발광다이오드를 나타낸 사시도이다.
도 4(a) 및 (b)는 본 발명의 요부인 도 2의 도넛모양의 홀을 확대하여 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 도넛모양의 홀에서 타원형 구조를 나타내는 사시도이다.
도 6은 도넛모양의 홀이 배열된 구조를 보여주는 일 예이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 도넛 모양의 홀 배열을 갖는 발광다이오드를 나타낸 사시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 발광다이오드(200)는 베이스 기판(110)과, 베이스 기판(110)의 상부에 형성되는 메인 기판층과, 메인 기판층의 상부에 형성되는 투명전극(170) 및 투명전극(170)에 다수 형성된 도넛모양의 홀이 포함된다.
메인 기판층은 발광다이오드(200)의 하부를 이루는 베이스 기판(110)의 상부에 적층되어 n형 전극패드(150)가 연결 및 설치되는 n형 기판층(120)과, 발광다이오드(200)의 상부에 적층되어 p형 전극패드(160)가 연결 및 설치되는 p형 기판층(130) 및 n형 기판층(120)과 p형 기판층(130) 사이에 게재되는 활성층(140)으로 구성된다.
메인 기판층(25)을 이루는 n형 기판층(220), 활성층(240) 및 p형 기판층(230)은 질화갈륨(GaN)계열의 화합물 반도체 물질 즉, (Al, In, Ga)N으로 형성될 수 있으며, 활성층(240)은 요구되는 파장의 광, 예컨데, 자외선 또는 가시광을 방출하도록 조성 원소 및 조성비가 결정된다.
그리고, 베이스 기판(110)은 예컨데, 사파이어 기판, 질화칼륨 기판, 탄화실리콘 기판 또는 실리콘 기판과 같이, 질화갈륨(GaN)계 화합물 반도체층을 성장시키기 위한 성장기판으로 구성될 수 있다.
또한, p형 기판층(130)과 n형 기판층(120)은 도 2에 도시된 바와 같이 p형 기판층(130)이 발광다이오드(200)의 상부에 적층되고, n형 기판층(120)이 하부에 적층된 구성으로 한정되는 것이 아니라, 상하 반대로 이루어진 구성일 수도 있다.
또한, p형 기판층(130)과 n형 기판층(120)은 도시된 바와 같이, 단일층으로 형성될 수 있으나, 다층 구조로 형성될 수도 있으며, 베이스 기판(21000)이 성장기판인 경우, 베이스 기판(110)과 n형 기판층(120) 사이에 GaN 또는 AlN 와 같은 버퍼층(미도시함)이 형성될 수 있다.
본 실시예에서는 600㎛ ~ 1200㎛ 정도 크기를 갖는 발광다이오드(200)의 구성을 도시하여, n형 기판층(120) 및 p형 기판층(130)으로부터 적어도 1 개 이상 연장되는 n형 전극핑거(152) 및 p형 전극핑거(162)가 형성된 구성을 나타내고 있다.
즉, 발광다이오드(200)의 중앙의 일측 끝부인 n형 기판층(120)의 상부에 n형 전극패드(150)를 형성하고, n형 전극패드(150)로부터 발광다이오드(200)의 반대쪽 끝부를 향해 연장되는 n형 전극핑거(152)가 형성된다.
n형 기판층(120)의 상부에 적층되는 활성층(140)과, p형 기판층(130) 및 투명전극(270)은 n형 전극패드(150) 및 n형 전극핑거(152)의 양측의 바깥쪽으로 U자 형상을 이루도록 적층됨으로써, n형 전극패드(150) 및 n형 전극패드(150)를 상부로 노출시키도록 한다.
그리고, p형 전극패드(160)는 p형 기판층(130)의 상부에 형성되는 투명전극(170)의 상부로 노출되도록 설치되고, p형 전극패드(160)로부터 n형 전극핑거(152)의 양측으로 수평하게 위치되도록 연장되는 2 개의 p형 전극핑거(162)가 형성된다.
이때, n형 전극패드(150)로부터 연장된 n형 전극핑거(152)와 p형 전극패드(160)로부터 연장된 p형 전극핑거(162) 사이인 투명전극(170)의 상부에 다수의 도넛모양의 홀이 형성된다.
다수 형성된 도넛모양의 홀(400)은 적어도 2 이상의 다양한 크기로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 다수 형성된 도넛모양의 홀(400)은 균일 또는 불균일한 배열로 배치되어 있을 수 있다.
도넛모양의 홀(400)은, n형 전극핑거(152)에서 p형 전극핑거(162)로 갈수록 점차 크기가 증가하는 패턴을 갖도록 구성될 수도 있다. 상기 점차 크기가 증가하는 도넛모양의 홀(400)의 패턴을 갖는 투명전극은 n형 전극핑거(152)에서 p형 전극핑거(162)로 갈수록 점차 저항값이 커질 수 있다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 도넛 모양의 홀 배열을 갖는 발광다이오드를 나타낸 사시도이다.
도 3을 참조하면, 도넛모양의 홀(400)은, n형 전극핑거(152)에서 p형 전극핑거(162)로 갈수록 점차 크기가 감소하는 패턴을 갖도록 구성될 수도 있다. 상기 점차 크기가 감소하는 도넛모양의 홀(400)의 패턴을 갖는 투명전극은 n형 전극핑거(152)에서 p형 전극핑거(162)로 갈수록 점차 저항값이 작아질 수 있다.
도 4(a) 및 (b)는 본 발명의 요부인 도 2의 도넛모양의 홀을 확대하여 나타낸 사시도이다. 도 4(a)는 도넛모양의 홀(400) 하나를 확대하여 나타내었고, 도 4(b)는 도넛모양의 홀(400)의 단면을 나타낸 사시도이다.
도 4를 참조하면, 도넛모양의 홀(192, 193)은 원형의 형태(400)를 가질 수 있다. 상기 원형형태의 홀(400)의 외경(440)의 크기는 1~10μm의 범위가 될 수 있다. 또한 상기 원형형태의 홀(400)의 내경(420)의 크기는 외경(440)의 크기의 1/10 ~ 1/2까지의 범위가 되거나 내경(420)의 크기는 100nm 이상 2μm이내의 범위가 될 수 있다.
도 5는 본 발명의 도넛모양의 홀에서 타원형 구조를 나타내는 사시도이다.
도 5를 참조하면, 도넛모양의 홀(192, 193)은 타원형의 형태(500)를 가질 수 있다. 또한, 도넛모양의 홀(500)의 단축(520)(minor axis)이 장축(540)(major axis)의 크기에 비해 1/2 내지 1까지의 범위를 가질 수 있다.
도 6은 도넛모양의 홀들이 배열된 구조를 보여주는 일 예이다.
도 6을 참조하면, 도넛모양의 홀들(611, 613, 615)은 투명전극(170)상에 삼각격자 구조(610)를 가지도록 배열될 수 있다. 이에 한정되지 않고 도넛모양의 홀들(661, 663, 665, 667)은 사각격자 구조(660)를 가지도록 배열될 수 있다. 또한, 도넛모양의 홀들은 투명전극(170)상에 불균일 혹은 균일한 도넛 모양의 홀 배열을 가질 수 있다.
100: 발광다이오드
110: 메인기판층
400: 도넛모양의 홀
110: 베이스 기판
120: n형 기판층
130: p형 기판층
140: 활성층
150: n형 전극패드
160: p형 전극패드
170: 투명전극
152: n형 전극핑거
162: p형 전극핑거
110: 메인기판층
400: 도넛모양의 홀
110: 베이스 기판
120: n형 기판층
130: p형 기판층
140: 활성층
150: n형 전극패드
160: p형 전극패드
170: 투명전극
152: n형 전극핑거
162: p형 전극핑거
Claims (4)
- 베이스 기판;
상기 베이스 기판의 상부에 형성되어 반도체의 p-n 접합구조를 이루며, 외부 전원과 연결되는 p형 전극패드와, n형 전극패드가 형성된 메인 기판층; 및
상기 메인 기판층의 상부를 이루는 투명전극; 을 포함하고,
상기 n형 전극패드로부터 연장되는 n형 전극핑거와 상기 p형 전극패드로부터 연장되는 p형 전극핑거 사이의 상기 투명전극에 도넛모양의 홀이 상기 p형 전극핑거에서 상기 n형 전극핑거로 갈수록 크기가 커지고, 간격이 좁아지는 형상으로 다수 형성되며,
상기 도넛모양의 홀은,
외경이 1 내지 10㎛이고, 내경이 상기 외경의 1/10 내지 1/2인 것을 특징으로 하는 도넛 모양의 홀 배열을 갖는 발광다이오드.
- 청구항 1에 있어서,
상기 메인 기판층은 상기 P형 전극패드가 연결된 p형 기판층;
상기 n형 전극패드가 연결된 n형 기판층; 및
상기 p형 기판층과 n형 기판층 사이에 게재되는 활성층;
으로 이루어진 것을 특징으로 하는 도넛 모양의 홀 배열을 갖는 발광다이오드.
- 청구항 1에 있어서,
상기 도넛모양의 홀은 타원형인 것을 특징으로 하는 도넛 모양의 홀 배열을 갖는 발광다이오드.
- 청구항 1에 있어서,
상기 도넛모양의 홀 외경의 크기는 범위가 1~10μm인 것을 특징으로 하는 도넛 모양의 홀 배열을 갖는 발광다이오드.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR20130088770A KR101462464B1 (ko) | 2013-07-26 | 2013-07-26 | 도넛 모양의 홀 배열을 갖는 발광다이오드 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR20130088770A KR101462464B1 (ko) | 2013-07-26 | 2013-07-26 | 도넛 모양의 홀 배열을 갖는 발광다이오드 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101462464B1 true KR101462464B1 (ko) | 2014-11-20 |
Family
ID=52290734
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR20130088770A KR101462464B1 (ko) | 2013-07-26 | 2013-07-26 | 도넛 모양의 홀 배열을 갖는 발광다이오드 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101462464B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2020021803A (ja) * | 2018-07-31 | 2020-02-06 | 日亜化学工業株式会社 | 発光素子 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20120081333A (ko) * | 2011-01-11 | 2012-07-19 | 삼성엘이디 주식회사 | 반도체 발광소자 및 이의 제조방법 |
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2013
- 2013-07-26 KR KR20130088770A patent/KR101462464B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20120081333A (ko) * | 2011-01-11 | 2012-07-19 | 삼성엘이디 주식회사 | 반도체 발광소자 및 이의 제조방법 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2020021803A (ja) * | 2018-07-31 | 2020-02-06 | 日亜化学工業株式会社 | 発光素子 |
| JP7219391B2 (ja) | 2018-07-31 | 2023-02-08 | 日亜化学工業株式会社 | 発光素子 |
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