KR101781051B1 - 발광소자 - Google Patents

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Abstract

실시예는 발광소자에 관한 것이다. 실시예에 따른 발광소자는 지지기판, 상기 지지기판 상에 위치하고, 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 활성층을 포함하는 발광구조물 상기 발광구조물의 일부가 제거된 캐버티(Cavity) 상에 위치하는 DBR(Distributed Bragg reflector)층 및 상기 발광구조물상에 위치하는 제1 전극을 포함하는 발광소자를 제공한다. 이에 의해, 발광소자의 전류집중현상과 광 손실을 방지하고, 발광소자의 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Description

발광소자 {Light emitting device}
실시예는 발광소자 및 발광소자패키지에 관한 것으로 더욱 상세하게는 DBR층을 구비하여 광손실을 방지함으로써 광도가 향상된 발광소자에 관한 것이다.
형광등은 흑점 현상, 짧은 수명 등으로 잦은 교체와 형광물질 사용으로 친환경을 지향하는 미래 조명시장의 흐름에 반하므로 점차 타 광원으로 대치되고 있는 추세이다.
이에 타 광원으로 가장 주목받고 있는 것은 LED(Light Emitting Diode)로써, 반도체의 빠른 처리 속도와 낮은 전력 소모 등의 장점과 함께, 환경 친화적이면서도 에너지 절약 효과가 높아서 차세대 광원으로 꼽히고 있다. 따라서, 기존의 형광등을 대체하기 위한 LED의 활용은 활발히 진행 중에 있다.
현재, LED와 같은 반도체 발광 소자는 텔레비전, 모니터, 노트북, 휴대폰, 및 기타 디스플레이장치를 구비하는 다양한 장치에 적용되고 있으며, 특히 기존의 CCFL을 대체하여 백 라이트 유닛으로도 널리 사용되고 있다.
최근에는 발광소자를 조명광원으로 이용하기 위해서 고휘도화가 요구되고 있으며, 이러한 고휘도화를 달성하기 위해 광손실을 방지하여 발광 효율을 증가시킬 수 있는 발광소자를 제작하기 위한 연구가 진행 중에 있다.
실시예는 새로운 구조를 갖는 발광소자를 제공한다.
실시예는 DBR층을 구비하여 광손실을 방지함으로써 광도가 향상되고, 전류의 집중을 방지하여 안정성 및 신뢰성이 향상된 발광소자 및 발광소자를 제공한다.
실시예에 따른 발광소자는 지지기판, 상기 지지기판 상에 위치하고, 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 활성층을 포함하는 발광구조물, 상기 발광구조물의 일부가 제거된 캐버티(Cavity) 상에 위치하는 DBR(Distributed Bragg reflector)층 및 상기 발광구조물상에 위치하는 제1 전극을 포함할 수 있다.
실시예의 발광소자는 전류집중현상을 방지할 수 있다.
실시예의 발광소자는 광 손실을 방지하여 발광 효율을 증가시키고 광확산 특성을 향상시킬 수 있다.
따라서, 발광소자의 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 실시예에 따른 발광소자의 단면을 나타내는 단면도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 발광소자의 단면을 나타내는 단면도이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 발광소자의 단면을 나타내는 단면도이다.
도 4 내지 도 9는 도 3의 발광소자의 제조공정을 도시한 도이다.
도 10은 실시예에 따른 발광소자를 포함하는 발광소자패키지의 단면을 도시한 단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작 시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기와 면적은 실제크기나 면적을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
또한, 실시예에서 발광소자의 구조를 설명하는 과정에서 언급하는 각도와 방향은 도면에 기재된 것을 기준으로 한다. 명세서에서 발광소자를 이루는 구조에 대한 설명에서, 각도에 대한 기준점과 위치관계를 명확히 언급하지 않은 경우, 관련 도면을 참조하도록 한다.
도 1은 실시예에 따른 발광소자의 단면을 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 발광소자(100)는 지지기판(110), 제1 도전형 반도체층(131), 활성층(132), 제2 도전형 반도체층(133)을 포함하는 발광구조물(130), 제2 전극층(120), DBR층(150), 전류확산층(160), 결합층(180) 및 제1 전극(140)을 포함할 수 있다.
지지기판(110)은 발광구조물(130)을 지지하며 열전도성이 우수한 물질, 또는 전도성 물질로 형성 될 수 있으며, 예를 들어, 금(Au), 니켈(Ni), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 탄탈(Ta), 은(Ag), 백금(Pt), 크롬(Cr), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), GaAs, ZnO, GaN, Ga2O3 또는 SiC, SiGe, CuW 중에서 선택된 어느 하나로 형성하거나 둘 이상의 합금으로 형성할 수 있으며, 서로 다른 둘 이상의 물질을 적층하여 형성할 수 있다.
이와 같은 지지기판(110)은 발광소자(100)에서 발생하는 열의 방출을 용이하게 하여 발광소자(100)의 열적 안정성을 향상시킬 수 있다.
지지기판(110) 상에는 하부 물질과의 접착력이 우수한 금속 물질을 이용하여 결합층(180)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 금(Au), 주석(Sn), 인듐(In), 은(Ag), 니켈(Ni), 니오브(Nb) 및 구리(Cu)로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있다.
결합층(180) 상부에는 전도층(미도시)을 더 형성할 수 있다.
전도층(미도시)은 니켈(Ni-nickel), 백금(Pt), 티탄(Ti), 텅스텐(W), 바나듐(V), 철(Fe), 몰리브덴(Mo)로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들이 선택적으로 포함된 합금으로 이루어질 수 있다.
전도층(미도시)은 스퍼터링 증착 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 스퍼터링 증착 방법을 사용할 경우, 이온화된 원자를 전기장에 의해 가속시켜, 전도층(미도시)의 소스 재료(source material)에 충돌시키면, 소스 재료의 원자들이 튀어나와 증착된다. 또한, 실시예에 따라 전기 화학적인 금속 증착 방법이나, 유테틱 메탈을 이용한 본딩 방법 등을 사용할 수도 있다. 실시예에 따라 전도층(미도시)은 복수의 레이어로 형성될 수도 있다.
전도층(미도시)은 발광 소자의 제조 공정상 발생할 수 있는 기계적 손상(깨짐 또는 박리 등)을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 전도층(미도시)은 지지기판(110) 또는 결합층(180)을 구성하는 금속 물질이 발광 구조물(130)으로 확산되는 것을 방지하는 효과가 있다.
전도층(미도시) 상으로는 제2 전극층(120)이 형성될 수 있다.
제2 전극층(120) 은 금속과 투광성 전도층을 선택적으로 사용할 수 있으며, 발광구조물(130)에 전원을 제공한다. 제2 전극층(120)은 전도성 재질을 포함하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 니켈(Ni), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 탄탈(Ta), 몰리브덴(Mo), 티탄(Ti), 은(Ag), 텅스텐(W), 구리(Cu), 크롬(Cr), 팔라듐(Pd), 바나듐(V), 코발트(Co), 니오브(Nb), 지르코늄(Zr), 산화인듐주석(ITO, Indium Tin Oxide), 알루미늄산화아연(AZO, aluminum zinc oxide), 인듐 아연 산화물(IZO, Indium Zinc Oxide), IZTO(indium zinc tin oxide), IAZO(indium aluminum zinc oxide), IGZO(indium gallium zinc oxide), IGTO(indium gallium tin oxide), ATO(antimony tin oxide), GZO(gallium zinc oxide) ), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, 또는 Ni/IrOx/Au/ITO 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 제2 전극층(120)은 오믹 특성을 갖는 반사 전극 재료로 단층 또는 다층으로 형성될 수 있다.
제2 전극층(120)은 오믹층(121)/반사층(122)/본딩층(미도시)의 구조이거나, 오믹층(121)/반사층(122)의 적층 구조이거나, 반사층(오믹 포함)(122)/본딩층(미도시)의 구조일 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다.
오믹층(121)은 발광 구조물(예컨대, 제 2도전형 반도체층(133))의 하면에 오믹 접촉되며, 층 또는 복수의 패턴으로 형성될 수 있다. 오믹층(121)은 투광성 전도층과 금속이 선택적으로 사용될 수 있다. 상기 오믹층(121)은 투광성 전도층과 금속을 선택적으로 사용할 수 있으며, 예를 들어, ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), IZTO(indium zinc tin oxide), IAZO(indium aluminum zinc oxide), IGZO(indium gallium zinc oxide), IGTO(indium gallium tin oxide), AZO(aluminum zinc oxide), ATO(antimony tin oxide), GZO(gallium zinc oxide), IZON(IZO Nitride), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), ZnO, IrOx, RuOx, NiO, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, 및 Ni/IrOx/Au/ITO, Ag, Ni, Cr, Ti, Al, Rh, Pd, Ir, Sn, In, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 이러한 재료에 한정되는 않는다. 그리고, 상기 오믹층(121)은 스퍼터링법이나 전자빔 증착법에 의하여 형성될 수 있다.반사층(122)은 발광구조물(130)의 활성층(132)에서 발생된 광 중 일부가 지지기판(110) 방향으로 향하는 경우, 발광소자(100)의 상부 방향으로 향하도록 광을 반사시켜 발광소자(100)의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
반사층(122)은 알루미늄(Al), 은(Ag), 니켈(Ni), 백금(Pt), 로듐(Rh), 혹은 Al이나 Ag이나 Pt나 Rh를 포함하는 합금을 포함하는 금속층으로 이루어지거나, 상기 금속 물질과 IZO, IZTO, IAZO, IGZO, IGTO, AZO, ATO 등의 투광성 전도성 물질을 이용하여 다층으로 형성할 수 있다. 또한 반사층(122)은 IZO/Ni, AZO/Ag, IZO/Ag/Ni, AZO/Ag/Ni 등으로 적층할 수 있다. 또한 반사층(122)을 발광 구조물(예컨대, 제 2도전형 반도체층(133))과 오믹 접촉하는 물질로 형성할 경우, 오믹층(121)은 별도로 형성하지 않을 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
반사층(122)과 오믹층(121)은 폭 및 길이가 동일한 것으로 설명하지만, 폭 및 길이 중 적어도 하나가 상이할 수 있으며 이에 한정을 두지 않는다.
본딩층(미도시)은 배리어 금속(barrier metal), 또는 본딩 금속, 예를 들어, 티탄(Ti), 금(Au), 주석(Sn), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 갈륨(Ga), 인듐(In), 비스무트(Bi), 구리(Cu), 은(Ag) 또는 탄탈(Ta) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 후술하는 제1 전극(140)과 수직적으로 중첩되는 영역에는 전류확산층(160)이 추가로 형성될 수 있다. 전류확산층(160)은 오믹층(121)과 발광 구조물(130) 사이에 형성될 수 있다. 전류확산층(160)은 금속 물질, 오믹층(121) 보다 전기 전도성이 낮은 물질, 제2 도전형 반도체층(133)과 쇼트키 접촉(Schottky contact)을 형성하는 물질, 또는 전기 절연성 물질을 이용하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 전류확산층(160)은 ZnO, SiO2, SiON, Si3N4, Al2O3 , TiO2, Ti, Al, Cr 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전류확산층(160)은 발광 구조물(130)로 흐르는 전류의 흐름을 수평방향으로 분산하여, 과전류에 의한 발광 소자의 오작동을 방지하여 발광 소자의 안정성 및 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.
발광구조물(130)은 제2 전극층(120)상에 위치하며, 제1 도전형 반도체층(131), 활성층(132) 및 제2 도전형 반도체층(133)을 포함할 수 있고, 제1 도전형 반도체층(131)과 제2 도전형 반도체층(133) 사이에 활성층(132)이 개재된 구성으로 이루어질 수 있다.
제1 도전형 반도체층(131)은 AlxInyGa(1-x-y)N (0=x=1, 0=y=1, 0=x+y=1)의 조성식을 갖는 반도체 물질, 예를 들어, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN,AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP 및 InP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다. 또한, 제1 도전형 반도체층(131)이 일 예로, N형 도전형 반도체층인 경우는, N형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se, Te 등을 포함할 수 있다.
한편, 제1 도전형 반도체층(131)의 표면 일부 영역 또는 전체 영역에 대해 소정의 식각 방법으로 광 추출효율을 향상시키기 위한 요철(148)을 형성해 줄 수 있다.
제1 도전형 반도체층(131) 아래에는 활성층(132)이 형성될 수 있다. 활성층(132)은 전자와 정공이 재결합되는 영역으로, 전자와 정공이 재결합함에 따라 낮은 에너지 준위로 천이하며, 그에 상응하는 파장을 가지는 빛을 생성할 수 있다.
활성층(132)은 예를 들어, InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 가지는 반도체 재료를 포함하여 형성할 수 있으며, 단일 양자 우물 구조 또는 다중 양자 우물 구조(MQW: Multi Quantum Well)로 형성될 수 있다.
따라서, 더 많은 전자가 양자우물층의 낮은 에너지 준위로 모이게 되며, 그 결과 전자와 정공의 재결합 확률이 증가 되어 발광효과가 향상될 수 있다. 또한, 양자선(Quantum wire)구조 또는 양자점(Quantum dot)구조를 포함할 수도 있다.
활성층(132) 아래에는 제2 도전형 반도체층(133)이 형성될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(133)은 p형 도전형 반도체층으로 구현되어, 활성층(132)에 정공을 주입할 수 있다. 예를 들어 p형 도전형 반도체층은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN 등에서 선택될 수 있으며, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등의 p형 도펀트가 도핑될 수 있다.
또한 제1 도전형 반도체층(131)상에는 제3 도전형 반도체층(미도시)을 형성할 수도 있다. 여기서 제3 도전형 반도체층은 제2 도전형 반도체층과 극성이 반대인 도전형 반도체층으로 구현될 수 있다.
한편, 상술한 제1 도전형 반도체층(131), 활성층(132) 및 제2 도전형 반도체층(133)은 유기금속 화학 증착법(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 화학 증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 화학 증착법(PECVD; Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition), 분자선 성장법(MBE; Molecular Beam Epitaxy), 수소화물 기상 성장법(HVPE; Hydride Vapor Phase Epitaxy), 스퍼터링(Sputtering) 등의 방법을 이용하여 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
또한, 상술한 바와는 달리 실시예에서 제1 도전형 반도체층(131)이 p형 도전형 반도체층으로 구현되고, 제2 도전형 반도체층(133)이 n형 도전형 반도체층으로 구현될 수 있으며, 이에 한정하지 않는다.
또한, 발광구조물(130)의 외주면 중 일부 영역 또는 전체 영역은 외부의 충격 등으로부터 보호하고, 전기적 쇼트를 방지할 수 있도록 패시베이션(170)이 형성될 수도 있다.
제1 도전형 반도체층(131)상에는 제1 전극(140)이 형성될 수 있다.
제1 전극(140)은 제2 전극층(120)과 마찬가지로 금속과 투광성 전도층을 선택적으로 사용할 수 있으며, 발광구조물(130)과 전기적으로 연결되어 발광구조물(130)에 전원을 제공한다. 제1 전극(140)은 전도성 재질을 포함하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 니켈(Ni), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 탄탈(Ta), 몰리브덴(Mo), 티탄(Ti), 은(Ag), 텅스텐(W), 구리(Cu), 크롬(Cr), 팔라듐(Pd), 바나듐(V), 코발트(Co), 니오브(Nb), 지르코늄(Zr), 산화인듐주석(ITO, Indium Tin Oxide), 알루미늄산화아연(AZO, aluminum zinc oxide), 인듐 아연 산화물(IZO, Indium Zinc Oxide), IZTO(indium zinc tin oxide), IAZO(indium aluminum zinc oxide), IGZO(indium gallium zinc oxide), IGTO(indium gallium tin oxide), ATO(antimony tin oxide), GZO(gallium zinc oxide), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, 또는 Ni/IrOx/Au/ITO 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 제1 전극(140)은 요철(148)이 형성된 제1 도전형 반도체층의 상부면에 형성된 것으로 설명하나, 요철(148)이 형성되지 않은 평탄한 면에 형성될 수 있으며 이에 한정을 두지 않는다.
DBR(Distributed Bragg reflector)층(150)은 발광구조물(130)의 일부가 제거된 캐버티(T1, T2)상에 위치할 수 있다. DBR층(150)은 제1 도전형 반도체층(131), 활성층(132), 제2 도전형 반도체층(133)이 순차적으로 위치한 발광구조물(130)에서 제2 도전형 반도체층(133)의 일부가 제거된 캐버티(T2)상에 위치하거나, 제2 도전형 반도체층(133)부터 제1 도전형 반도체층(131)의 일부가 노출될때까지 제거된 캐버티(T1)상에 위치할 수 있다. 여기서 캐버티(T1, T2)는 캐버티 또는 호와 같은 형상을 의미하며, 다양한 형태로 구현될 수 있다. 이에 따라 상기 캐버티는 상측과 하측의 폭이 다르게 형성될 수 있다. 활성층에서 발생하는 빛이 발광구조물(130) 상부로 향할 수 있도록 제2 도전형 반도체층에서 제1 도전형 반도체층의 방향으로 폭이 넓어지게 형성될 수 있다.
또한, DBR층(150)은 제2 전극층(120)까지 연장되어 위치할 수 있으며, 제2 전극층(120)의 하면일부와 접하도록 연장되어 위치할 수 있다.
DBR층(150)은 활성층에서 발생하는 광을 반사시켜 광의 방향을 바꾸고, 활성층에서 발생한 광이 측면의 패시베이션(170)에서 흡수되어 손실되는 것을 방지하여 광추출효율을 증가시킬수 있다.
A 부분을 확대하여 보면, DBR층(150)은 제1 굴절율을 갖는 제 1굴절층(152)과 제1 굴절율보다 큰 제2 굴절율을 갖는 제2 굴절층(151)을 교대로 1쌍이상 적층하여 형성한다. 이 때, 발광구조물(130)과 접하는 면에 제2 굴절층(151)을 형성할 수 있으며, 제1 굴절층(152)의 두께(d1)는 제2 굴절층(151)의 두께(d2)보다 크게 형성될 수 있다. DBR층(150)의 반사효과는 광 파동들의 보강간섭에 의해 일어나게 되는데 굴절율이 큰 제2 굴절층(151)을 광이 들어오는 최외각 층에 위치하고, 굴절율이 큰 제2 굴절층(151)의 두께(d2)를 굴절율이 작은 제1 굴절층(152)의 두께(d1)보다 얇게하는 것이 보강간섭을 더 크게 할 수 있어 반사효과도 더 커지게 되고 광추출효율을 증가시킬 수 있다.
DBR층(150)은 타이타늄 나이트라이드(TiN), 알루미늄 나이트라이드(AlN), 사파이어(Al2O3), 이산화주석(SnO2) 및 이산화지르코늄(ZrO2) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 2는 다른 실시예에 따른 발광소자의 단면을 나타내는 단면도이다.
도 2를 참조하면, DBR층(250)은 제2 전극층(220) 및 제2 도전형 반도체층(233)의 일부를 제거하여 캐버티를 형성하고 캐버티의 저면 및 내측면에 위치하도록 형성할 수 있다.
도 1의 실시예에 따른 발광소자는 DBR층(150)이 활성층(132)의 일부에도 형성되어 광을 생성하는 면적이 줄어들게 되나, 도 2의 실시예에 따른 발광소자는 DBR층(250)이 활성층(232)에는 형성되지 않으므로 발광면적을 증가시킬 수 있다.
도 3은 다른 실시예에 따른 발광소자의 단면을 나타내는 단면도이다. 이하 도 1의 구성요소와 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략한다.
도 3을 참조하면, DBR층(350)은 제1 전극과 수직적으로 중첩되도록 형성할 수 있다. 제1 전극 DBR층(350)은 절연성 물질로 이루어지기 때문에 DBR층(350)을 제1 전극(340)과 수직적으로 중첩되는 위치에 형성하면 전류가 제1 전극(340) 하부에만 집중되는 현상을 방지할 수 있어 전류확산층을 별도로 형성하지 않을 수 있다. 이에 따라 발광소자(300)의 제조 공정을 단순화 할 수 있다.
따라서, DBR층(350)은 높은 반사 효과뿐만 아니라 전류 확산으로 인해 ESD등 소자 신뢰성이 향상되고 동작 전류가 낮아지며 전체적인 발광효율을 개선시킨다.
도 4 내지 도 9는 도 3의 실시예에 따른 발광소자의 제조공정을 나타내는 순서도이다.
도 4를 참조하면, 먼저, 성장기판(101) 상에 순차적으로 제1 도전형 반도체층(131), 활성층(132) 및 제2 도전형 반도체층(133)을 포함하는 발광구조물(130)이 형성된다.
성장기판(101)은 사파이어 기판(Al203), GaN, SiC, ZnO, Si, GaP, InP, 그리고 GaAs 등으로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며, 도면에 나타내지는 않았으나 성장기판(101)과 발광구조물(130) 사이에는 버퍼층(미도시)이 형성될 수 있다.
버퍼층(미도시)은 3족과 5족 원소가 결합된 형태이거나 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중에서 어느 하나로 이루어질 수 있으며, 도펀트가 도핑될 수도 있다.
이러한 성장기판(101) 또는 버퍼층(미도시) 위에는 언도프드 반도체(미도시)층이 형성될 수 있으며, 버퍼층(미도시)과 언도프드 도전형 반도체층(미도시) 중 어느 한 층 또는 두 층 모두 형성하거나 형성하지 않을 수도 있으며, 이러한 구조에 대해 한정되지는 않는다.
성장기판(101)상에 제1 도전형 반도체층(131), 활성층(132), 제2 도전형 반도체층(133)을 순차적으로 형성할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(131)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2) 및 실리콘(Si)와 같은 N형 불순물을 포함하는 실란 가스(SiH4)를 주입하여 형성할 수 있다.
활성층(132)은 트리메틸 갈륨 가스(TMGa) 및 트리메틸 인듐 가스(TMIn)를 주입하면서 질소 분위기에서 성장시킬 수 있으며, 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 구조(MQW: Multi Quantum Well), 양자 선(Quantum-Wire) 구조, 또는 양자 점(Quantum Dot) 구조 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(133)은 챔버에 960? 이상의 고온에서 수소를 캐리어 카스로 하여 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 트리메틸 알루미늄 가스(TMAl), 비세틸 사이클로 펜타디에닐 마그네슘(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2} 등을 주입하여 성장시킬 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
이후, 제2 도전형 반도체층(133)상에 오믹층(121) 및 반사층(122)을 포함하는 제2 전극층(120)이 형성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 제2 전극층(120)부터 제1 도전형 반도체층(131)의 일부가 노출될때까지 제거하여 캐버티(T3)를 형성할 수 있다.
예를 들어, 이후 형성될 제1 전극(340)과 수직 아래에 해당하는 일부분의 제2 전극층(120)에서 시작해서 제1 도전형 반도체층(131)의 일부가 나타날 때까지 식각을 진행할 수 있다. 캐버티(T3)를 형성하기 위한 식각은 건식식각 또는 습식식각으로 진행될 수 있다.
또한, 캐버티(T3)는 발광구조물(130)과 접하는 영역에서 상부의 폭이 하부의 폭보다 넓도록 경사지게 형성할 수 있다. 이에 따라 활성층(132)에서 발생하는 광이 효율적으로 반사될 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 캐버티(T3)상에 DBR층(350)을 형성한다. 실시예에서 DBR층(350)이 상기 캐버티(T3)의 내측면과 저면 외에, 제2 전극층(120)의 하면 일부와 접하도록 연장되어 형성될 수 있으며, 이에 따라 상기 DBR층(350)이 견고하게 유지될 수 있다.
도 7을 참조하면, 지지기판(110)에 결합층(180)과 전도층(미도시)을 차례로 형성한 후 본딩 접착된다. 이 때, 제1 도전형 반도체층(131) 상에 배치된 성장기판(101)을 분리시킬 수 있다.
이때, 성장기판(101)은 물리적 또는/및 화학적 방법으로 제거할 수 있으며, 물리적 방법은 일 예로 LLO(Laser Lift Off) 방식으로 제거할 수 있다.
도 8을 참조하면, 발광 구조물(130)의 외곽부 영역을 식각하여 일부를 제거할 수 있다. 제거방법은 습식식각, 건식식각, LLO방법 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
도 9를 참조하면, 발광구조물(130)의 외주면 일부 또는 전체 영역에 패시베이션(180)이 형성될 수 있다.
발광구조물(130)의 제1 도전형 반도체층(131) 표면 일부 영역 또는 전체 영역에 대해 소정의 식각 방법으로 요철(148)을 형성해 줄 수 있으며, 이러한 제1 도전형 반도체층(131)의 표면에 제1 전극(340)을 형성해 준다.
또한, 도 4내지 도 9에 나타낸 공정 순서에서 적어도 하나의 공정은 순서가 바뀔 수 있으며 이에 한정을 두지 않는다.
도 10은 실시예에 따른 발광소자를 포함하는 발광소자패키지의 단면을 도시한 단면도이다.
도 10을 참조하면, 실시예에 따른 발광소자패키지(400)는 캐버티가 형성된 몸체(410), 몸체(410)의 캐버티에 실장된 광원부(420) 및 캐버티에 충진되는 봉지재(450)를 포함할 수 있다.
몸체(410)는 폴리프탈아미드(PPA:Polyphthalamide)와 같은 수지 재질, 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 알루미늄 나이트라이드(AlN), 액정폴리머(PSG, photo sensitive glass), 폴리아미드9T(PA9T), 신지오택틱폴리스티렌(SPS), 금속 재질, 사파이어(Al2O3), 베릴륨 옥사이드(BeO), 인쇄회로기판(PCB, Printed Circuit Board), 세라믹 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 몸체(410)는 사출 성형, 에칭 공정 등에 의해 형성될 수 있으나 이에 대해 한정하지는 않는다.
광원부(420)는 몸체(410)의 바닥면에 실장되며, 일 예로 광원부(420)는 도 1 내지 도 3에서 도시하고 설명한 발광소자 중 어느 하나일 수 있다. 발광소자는 예를 들어, 적색, 녹색, 청색, 백색 등의 빛을 방출하는 유색 발광 소자 또는 자외선을 방출하는 UV(Ultra Violet) 발광 소자일 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다. 또한, 발광 소자는 한 개 이상 실장될 수 있다.
몸체(410)는 제1 전극(430) 및 제2 전극(440)을 포함할 수 있다. 제1 전극(430) 및 제2 전극(440)은 광원부(420)와 전기적으로 연결되어 광원부(420)에 전원을 공급할 수 있다.
또한, 제1 전극(430) 및 제2 전극(440)은 서로 전기적으로 분리되며, 광원부(420)에서 발생된 빛을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있고, 또한 광원부(420)에서 발생된 열을 외부로 배출시킬 수 있다.
도 10에는 제1 전극(430)과 제2 전극(440) 모두가 와이어(460)에 의해 광원부(420)와 본딩된 것을 도시하나, 이에 한정하지 않으며, 특히 수직형 발광소자의 경우는 제1 전극(430) 및 제2 전극(440) 중 어느 하나가 와이어(460)에 의해 광원부(420)와 본딩될 수 있으며, 플립칩 방식에 의해 와이어(460) 없이 광원부(420)와 전기적으로 연결될 수도 있다.
이러한 제1 전극(430) 및 제2 전극(440)은 금속 재질, 예를 들어, 티타늄(Ti), 구리(Cu), 니켈(Ni), 금(Au), 크롬(Cr), 탄탈늄(Ta), 백금(Pt), 주석(Sn), 은(Ag), 인(P), 알루미늄(Al), 인듐(In), 팔라듐(Pd), 코발트(Co), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 하프늄(Hf), 루테늄(Ru), 철(Fe) 중에서 하나 이상의 물질 또는 합금을 포함할 수 있다. 또한, 제1 전극(430) 및 제2 전극(440)은 단층 또는 다층 구조를 가지도록 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
봉지재(450)는 캐버티에 충진될 수 있으며, 형광체(미도시)를 포함할 수 있다. 봉지재(450)는 투명한 실리콘, 에폭시, 및 기타 수지 재질로 형성될 수 있으며, 캐버티 내에 충진한 후, 이를 자외선 또는 열 경화하는 방식으로 형성될 수 있다.
형광체(미도시)는 광원부(420)에서 방출되는 광의 파장에 따라 종류가 선택되어 발광소자패키지(400)가 백색광을 구현하도록 할 수 있다.
봉지재(450)에 포함되어 있는 형광체(미도시)는 광원부(420)에서 방출되는 광의 파장에 따라 청색 발광 형광체, 청록색 발광 형광체, 녹색 발광 형광체, 황녹색 발광 형광체, 황색 발광 형광체, 황적색 발광 형광체, 오렌지색 발광 형광체, 및 적색 발광 형광체중 하나가 적용될 수 있다.
즉, 형광체(미도시)는 광원부(420)에서 방출되는 제1 빛을 가지는 광에 의해 여기 되어 제2 빛을 생성할 수 있다. 예를 들어, 광원부(420)가 청색 발광 다이오드이고 형광체(미도시)가 황색 형광체인 경우, 황색 형광체는 청색 빛에 의해 여기되어 황색 빛을 방출할 수 있으며, 청색 발광 다이오드에서 발생한 청색 빛 및 청색 빛에 의해 여기 되어 발생한 황색 빛이 혼색됨에 따라 발광소자패키지(400)는 백색 빛을 제공할 수 있다.
한편, 실시 예에 따른 발광소자 패키지(400)는 복수개가 기판 상에 어레이 될 수 있고, 발광소자 패키지(400)의 광 경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트 등이 배치될 수 있다.
이러한 발광소자 패키지(400), 기판, 광학 부재는 라이트 유닛으로 기능할 수 있다. 또 다른 실시 예는 상술한 실시 예들에 기재된 발광소자 또는 발광소자 패키지(400)를 포함하는 표시 장치, 지시 장치, 조명 시스템으로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 조명 시스템은 램프, 가로등을 포함할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 발광소자는 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
이상에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
100, 200, 300: 발광소자 101: 성장기판
110: 지지기판 120: 제2 전극층
121: 오믹층 122: 반사층
130: 발광구조물 131: 제1 도전형 반도체층
132, 232: 활성층 133: 제2 도전형 반도체층
140, 340: 제1 전극 150, 250, 350: DBR층
151: 제2 굴절층 152: 제1 굴절층
170: 패시베이션 180: 결합층

Claims (15)

  1. 지지기판;
    상기 지지기판 상에 위치하고, 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 활성층을 포함하는 발광구조물;
    상기 발광구조물의 일부가 제거된 캐버티(Cavity) 상에 위치하는 DBR(Distributed Bragg reflector)층;
    상기 발광구조물상에 위치하는 제1 전극;
    상기 제1 전극과 수직적으로 중첩되는 영역에 형성되는 전류확산층; 및
    상기 지지기판과 상기 발광구조물 사이에 제2 전극층을 포함하고,
    상기 캐버티는,
    상기 제2 전극층 사이에 형성되되, 상기 발광구조물과 접하는 영역에서 상부의 폭이 하부의 폭보다 넓도록 경사지게 형성되는 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층이 상기 지지기판과 접하고, 상기 제2 도전형 반도체층상에 상기 활성층 및 상기 제1 도전형 반도체층이 순차적으로 위치하며,
    상기 DBR층은 상기 제2 도전형 반도체층의 일부가 제거된 캐버티(Cavity) 상에 위치하거나, 상기 제2 도전형 반도체층부터 상기 제1 도전형 반도체층의 일부가 제거된 캐버티(Cavity) 상에 위치하는 발광소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 DBR층은 제1 굴절층과 제2 굴절층이 교대로 반복하여 적층되고,
    상기 제1 굴절층은 제1 굴절율을 갖고, 상기 제2 굴절층은 상기 제1 굴절율보다 큰 제2 굴절율을 갖는 발광소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 굴절층이 상기 DBR층에서 상기 발광구조물과 접하도록 위치하는 발광소자.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 굴절층의 두께는 상기 제2 굴절층의 두께보다 큰 발광소자.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 DBR층은 상기 제1 전극과 수직적으로 중첩되도록 위치하는 발광소자.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제2 전극층과 상기 지지기판 사이 및 상기 DBR층과 상기 지지기판 사이 중 적어도 어느 하나에 결합층을 더 포함하는 발광소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 DBR층은, 상기 제2 전극층까지 연장되어 위치하며,
    상기 DBR층은, 타이타늄 나이트라이드(TiN), 알루미늄 나이트라이드(AlN), 사파이어(Al2O3), 이산화주석(SnO2) 및 이산화지르코늄(ZrO2) 중 적어도 어느 하나를 포함하며,
    상기 DBR층은, 상기 제2 전극층의 하면의 일부와 접하도록 연장되어 위치하는 발광소자.
  11. 삭제
  12. 제6항에 있어서,
    상기 발광구조물의 외주면 일부 또는 전체에 패시베이션이 형성되며,
    상기 제1 도전형 반도체층의 상면은, 요철을 포함하고,
    상기 제1 전극은, 상기 제1 도전형 반도체층 상에 위치하며,
    상기 캐버티(Cavity)는, 상측과 하측의 폭이 다르고, 상기 제2 도전형 반도체층에서 상기 제1 도전형 반도체층의 방향으로 폭이 좁아지는 발광소자.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
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