KR101883842B1 - 발광소자 및 이를 포함하는 조명시스템 - Google Patents

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Abstract

실시예는 제1 도전형 반도체층과 활성층과 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 상기 제2 도전형 반도체층 상에 배치되고 복수의 오픈 영역을 구비하는 투광성 도전층; 상기 제1 도전형 반도체층과 연결되는 제1 전극; 및 상기 투광성 도전층 상에 상기 오픈 영역을 적어도 하나 이상 지나가도록 연장되어 배치되는 제2전극을 포함하고, 상기 제2전극은 상기 오픈 영역과 상기 투광성 도전층과 접촉하는 발광소자를 제공한다.

Description

발광소자 및 이를 포함하는 조명시스템{LIGHT EMITTING DEVICE AND ILLUMINATING SYSTEM INCLUDING THE SAME}
실시예는 발광소자 및 이를 포함하는 조명시스템에 관한 것이다.
반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Ligit Emitting Diode)나 레이저 다이오드와 같은 발광소자는 박막 성장 기술 및 소자 재료의 개발로 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광 물질을 이용하거나 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색 광선도 구현이 가능하며, 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경친화성의 장점을 가진다.
따라서, 광 통신 수단의 송신 모듈, LCD(Liquid Crystal Display) 표시 장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 발광 다이오드 백라이트, 형광등이나 백열 전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드 조명 장치, 자동차 헤드 라이트 및 신호등에까지 응용이 확대되고 있다.
발광소자는 제1 도전형 반도체층을 통해서 주입되는 전자와 제2 도전형 반도체층을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 활성층(발광층)을 이루는 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출한다. 발광소자 패키지에는 발광소자에서 방출된 빛에 의하여 형광체가 여기되어 활성층에서 방출된 빛보다 장파장 영역의 빛을 방출할 수 있다.
도 1은 종래의 발광소자를 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 발광소자의 전극 구조를 나타낸 도면이다.
도 1은 종래의 발광소자를 나타낸 도면이다.
발광소자(100)는 기판(110)에 버퍼층(115)을 사이에 두고, 제1 도전형 반도체층(122)과 활성층(124)과 제2 도전형 반도체층(126)을 포함하는 발광 구조물(120)이 배치된다.
기판(110)이 비도전성 물질로 이루어질 경우 제1 도전형 반도체층(122)의 일부가 노출되고, 노출된 면에 제1 전극(150)이 배치된다. 그리고, 제2 도전형 반도체층(126)에 정공 등을 고르게 주입하기 위하여 제2 도전형 반도체층(126) 위에 투광성 도전층이 배치될 수 있고, 투광성 도전층(130) 위에 제2 전극(160)이 배치될 수 있다.
도 2에서 제1 전극과 제2 전극의 구조가 도시되어 있다. 각각의 도전형 반도체층에 전자와 정공을 고르게 주입하고, 전자와 정공이 만나는 개수를 늘리기 위하여 도시된 바와 같이 제1 전극(150)은 제1 전극 패드(152)로부터 제1 가지 전극(154)이 분기되고, 제2 전극(160)은 제2 전극 패드(162)로부터 제2 가지 전극(164)이 분기되고 있다.
그러나, 종래의 발광소자는 다음과 같은 문제점이 있다.
제2 도전형 반도체층(126)에 상술한 제2 가지 전극(165)이 배치되더라고, 제2 가지 전극(165)과 대응하는 제2 도전형 반도체층(126)의 영역 주위에만 정공 등이 집중될 수 있으므로, 활성층(124)의 전면적에서 전자와 정공의 결합을 기대하기 어렵다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 정공의 분산 효과가 큰 투광성 도전층(130)을 제2 도전형 반도체층(126) 위에 배치할 수 있으나, 투광성 도전층(130)은 전극 재료와의 접촉특성이 좋지 않아서 제2 전극(160)과 제2 가지 전극(165)의 안정적인 배치에 문제점이 있다.
실시예는 발광소자의 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층에 전자와 정공을 고루 주입하고, 제2 전극과 제2 가지 전극의 접촉 특성을 향상하고자 한다.
실시예는 제1 도전형 반도체층과 활성층과 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 상기 제2 도전형 반도체층 상에 배치되고 복수의 오픈 영역을 구비하는 투광성 도전층; 상기 제1 도전형 반도체층과 연결되는 제1 전극; 및 상기 투광성 도전층 상에 상기 오픈 영역을 적어도 하나 이상 지나가도록 연장되어 배치되는 제2전극을 포함하고, 상기 제2전극은 상기 오픈 영역과 상기 투광성 도전층과 접촉하는 발광소자를 제공한다.
제2 전극과 상기 투광성 도전층은 오믹 접촉(ohmic contact)으로 연결되고, 상기 제2 전극과 상기 오픈 영역은 쇼트키 접촉(schottky contact)으로 연결될 수 있다.
오픈 영역은 상기 제2 도전형 반도체층 표면의 노출부일 수 있다.
복수의 오픈 영역은 상기 제1전극을 따라 일정한 간격으로 배치될 수 있다.
발광소자는 투광성 도전층 상에 배치되는 투광성 절연층을 더 포함하고, 상기 제1 전극의 일부는 상기 투광성 절연층으로부터 상기 투광성 도전층과 상기 제2 도전형 반도체층과 상기 활성층을 관통하여, 상기 제 1도전형 반도체층에 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 도전형 반도체층은 n형 반도체층이고, 제2 도전형 반도체층은 p형 반도체층일 수 있다.
제2 전극은 제2 전극 패드로부터 분기된 적어도 2개의 제2 가지 전극을 포함할 수 있고, 2개의 제2 가지 전극은 서로 마주보며 배치될 수 있다.
오픈 영역에서 상기 제2 가지 전극과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 상기 투광성 도전층이 연결되는 영역이 적어도 하나 배치될 수 있다.
제2 가지 전극과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 상기 투광성 도전층이 연결되는 영역은, 상기 하나의 제2 가지 전극마다 적어도 2개 배치될 수 있다.
제2 도전형 반도체층과 접촉하는 제2 가지 전극의 면적은, 상기 투광성 도전층과 연결되는 상기 제2 가지 전극의 면적보다 넓을 수 있다.
투광성 도전층이 연결되는 영역에서의 상기 제2 가지 전극의 높이는, 상기 제2 도전형 반도체층과 접촉하는 제2 가지 전극의 높이보다 높을 수 있다.
오픈 영역에서 상기 제2 가지 전극과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 상기 투광성 도전층이 연결되는 영역은, 상기 2개의 가지 전극에서 서로 대응하며 배치될 수 있다.
제1 전극은 제1 전극 패드로부터 분기되고 상기 2개의 제2 가지 전극 사이에 배치되는 제1 가지 전극을 포함할 수 있다.
제1 가지 전극은 상기 투광성 절연층 상에 배치될 수 있다.
제1 전극은 상기 제1 가지 전극으로부터 상기 제1 도전형 반도체층과 전기적으로 접촉하는 관통 전극을 적어도 하나 포함하고, 상기 관통 전극은 상기 투광성 절연층과 상기 투광성 도전층과 상기 제2 도전형 반도체층과 상기 활성층을 관통하여 형성될 수 있다.
관통 전극은 적어도 2개 배치될 수 있다.
오픈 영역에서 상기 제2 가지 전극과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 상기 투광성 도전층이 연결되는 영역은, 상기 관통 전극과 비중첩될 수 있다.
투광성 절연층은, 상기 투광성 도전층부터 제2 도전형 반도체층 및 상기 활성층에서 상기 관통 전극의 둘레에 배치될 수 있다.
제2 도전형 반도체층 상에 배치되는 오픈 영역의 폭은 3 내지 5 마이크로 미터일 수 있고, 제2 가지 전극의 폭은 2 내지 4 마이크로 미터일 수 있다.
투광성 절연층은 SiO2 또는 Si3N4를 포함할 수 있다.
제2 전극의 높이는 상기 투광성 절연층보다 높게 배치될 수 있다.
다른 실시예는 제1 도전형 반도체층과 활성층과 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 상기 발광구조물상에 배치되고 상기 발광구조물을 오픈하는 제1 오픈부 및 교량부를 포함하는 제1 패턴을 구비하는 투광성 도전층; 상기 제1 패턴 내에 배치되고, 상기 교량부를 접촉하며 연장되는 제2 전극; 상기 투광성 도전층을 덮으면서, 상기 투광성 도전층과 제2 도전형 반도체층과 활성층을 관통하여 상기 제1 도전형 반도체층을 오픈하는 제2 오픈부를 포함하는 제2 패턴을 구비하는 투광성 절연막; 및 상기 제2 오픈부를 통하여 상기 제1 도전형 반도체층과 접촉하면서, 상기 투광성 절연막 상에 연장되도록 배치되는 제 1전극을 포함하는 발광소자를 제공한다.
또 다른 실시예는 상술한 발광소자가 배치된 조명시스템을 제공한다.
실시예에 따른 발광소자는 제2 전극이 제2 도전형 반도체층과 접촉하여 컨택 특성이 우수하며, 일부 영역에서 투광성 도전층과 제2 전극이 접촉하여 투광성 도전층을 통하여 제2 도전형 반도체층의 전면적으로 정공이 공급되고, 상술한 투광성 도전층과 비중첩되어 제1 전극이 관통홀 형상으로 배치되어, 활성층의 전영역에서 전자와 정공이 결합하여 발광효율이 상승될 수 있다.
도 1은 종래의 발광소자를 나타낸 도면이고,
도 2는 도 1의 발광소자의 전극 구조를 나타낸 도면이고,
도 3은 발광소자의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 4는 도 3의 전극 구조를 나타낸 도면이고,
도 5a 및 도 5b는 도 4의 'A' 영역을 상세히 나타낸 도면이고,
도 6은 도 4의 'B' 영역을 상세히 나타낸 도면이고,
도 7은 도 3의 제1 전극과 제2 전극의 위치 관계를 나타낸 도면이고,
도 8a 내지 도 8e는 발광소자의 제조방법의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 9는 발광소자가 배치된 발광소자 패키지의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 10은 발광소자가 배치된 조명장치의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 11은 발광소자가 배치된 영상표시장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)(on or under)”으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향 뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 3은 발광소자의 일실시예를 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3의 전극 구조를 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 발광소자(200)는 기판(210) 위에 버퍼층(215)을 사이에 두고 제1 도전형 반도체층(222)과 활성층(224)과 제2 도전형 반도체층(226)을 포함하는 발광 구조물(220)이 배치되고, 발광 구조물(220)의 상부에 투광성 도전층(230)과 투광성 절연층(240)이 배치되어 있다.
투광성 도전층(230)과 투광성 절연층(240)의 일부가 패터닝되어 제2 도전형 반도체층(226)이 노출되고, 노출된 제2 도전형 반도체층(226)의 표면에 제2 전극(260)이 배치되는데, 제2 전극(260)의 높이는 투광성 절연층(240)의 높이보다 높게 배치되면 와이어(wire) 본딩 공정에 유리할 수 있다.
제2 전극(260)과 대응하는 위치에서 투광성 도전층(230)과 제2 도전형 반도체층(226)과 활성층(224)을 관통하여 제1 도전형 반도체층(222)에 관통 전극(256)이 배치되고 있다. 관통 전극(256)의 둘레에는 투광성 절연층(240)이 연장되어 배치되어, 관통 전극(256)이 투광성 도전층(230)이나 제2 도전형 반도체층(226)이나 활성층(224)과 전기적으로 연결되는 것을 방지할 수 있다.
관통 전극(256)은 투광성 절연층(240)보다 깊게 제1 도전형 반도체층(222) 내로 삽입될 수 있다.
기판(210)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질, 캐리어 웨이퍼로 형성될 수있다. 열 전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있으며, 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함할 수 있다. 예컨대 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP, Ge, Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 본 실시예에서는 관통 전극(256)이 배치되므로, 기판(210)은 절연성 기판일 수 있다. 기판(210)의 표면에는 패턴이 형성되어, 활성층(224)으로부터 전달되는 빛의 반사효율을 높일 수 있다.
버퍼층(215)은, 기판(210)과 도전형 반도체층 사이의 재료의 격자 부정합 및 열 팽창 계수의 차이를 완화하기 위한 것이다. 상기 버퍼층(215)의 재료는 3족-5족 화합물 반도체 예컨대, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중 적어도 하나로 형성될 수 있다.
제1 도전형 반도체층(222)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(222)이 n형 반도체층인 경우, 상기 제1도전형 도펀트는 n형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se, Te를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
제1 도전형 반도체층(222)은 InxAlyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(222)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
활성층(224)은 제1 도전형 반도체층(222)을 통해서 주입되는 전자와 제2 도전형 반도체층(226)을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 활성층(224)을 이루는 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다.
활성층(224)은 이중 접합 구조(Double Hetero Junction Structure), 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. 예를 들어, 상기 활성층(224)은 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 트리메틸 인듐 가스(TMIn)가 주입되어 다중 양자우물구조가 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
활성층(224)의 우물층/장벽층은 예를 들어, InGaN/GaN, InGaN/InGaN, GaN/AlGaN, InAlGaN/GaN, InAlGaN/InAlGaN, GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 상기 우물층은 상기 장벽층의 밴드 갭보다 낮은 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
활성층(224)의 위 또는/및 아래에는 도전형 클래드층(미도시)이 형성될 수 있다. 도전형 클래드층은 활성층(224)의 장벽층이나 밴드갭보다 더 넓은 밴드갭을 가지는 반도체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도전형 클래드층은 GaN, AlGaN, InAlGaN 또는 초격자 구조 등을 포함할 수 있다. 또한, 도전형 클래드층은 n형 또는 p형으로 도핑될 수 있다.
활성층(224) 위에는 제2 도전형 반도체층(226)이 배치된다. 제2 도전형 반도체층(226)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 예컨대, InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 제2 도전형 반도체층(226)이 p형 반도체층인 경우, 상기 제2도전형 도펀트는 p형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 수 있다.
투광성 도전층(230)은 ITO 등으로 이루어질 수 있고, 투광성 절연층(240)은 SiO2 또는 Si3N4으로 이루어질 수 있다.
본 실시예에서는 절연성의 기판(210)을 사용하나, 제1 도전형 반도체층(222)에 전자를 공급하기 위하여 관통 전극(256)이 배치되므로, 제1 도전형 반도체층(222)의 일부를 노출시키지 않을 수 있다.
제1 전극(250)은 제1 전극 패드(252)와 제1 가지 전극(254) 및 관통 전극(256)을 포함하여 이루어지고, 제2 전극(260)은 제2 전극 패드(262)와 제2 가지 전극(264)을 포함하여 이루어질 수 있다. 제1 전극(250)과 제2 전극(260)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
제1 전극(250)은 제1 도전형 반도체층(222)에 전류를 공급하여, 제1 도전형 반도체층(222)이 n형 반도체층일 경우 전자를 공급한다. 제1 전극 패드(252)는 발광 구조물(222)의 가장 자리 영역에 배치되어, 발광 구조물(220)에서 방출되는 빛의 광특성을 저하시키지 않을 수 있다.
본 실시예에서 제1전극 패드(252)는 종래와 같이 활성층(224)을 식각하여 제1 도전형 반도체층(222) 위에 배치되는 것이 아니라, 투광성 절연층(240) 위에 배치되므로, 종래에 활성층(224)의 식각으로 인한 발광영역 손실의 문제점을 해결할 수 있다.
제1 전극 패드(252)는 투광성 절연층(240)위에 배치되므로, 투광성 도전층(230)이나 제2 도전형 반도체층(226)과 전기적으로 차단될 수 있다.
제1 가지 전극(254)은 제1 전극 패드(252)로부터 분기하여 투광성 절연층(240)에 배치될 수 있고, 제1 가지 전극(254)으로부터 소정 영역에서 관통 전극(256)이 형성된다. 관통 전극(256)의 크기(d1)는 5 내지 10 마이크로 미터일 수 있는데, '크기'는 관통 전극(256)의 단면이 원형이면 지름을 뜻하고 다각형이면 한 변의 길이를 의미한다. 제1 가지 전극(254)의 폭(d2)는 관통 전극(256)의 크기(d1)의 50%일 수 있다.
본 실시예에서 투광성 도전층(230)과 투광성 절연층(240)이 식각되어 제2 도전형 반도체층(226) 상에 형성된 오픈 영역에 제2 전극(260)이 배치된다. 제2 전극(260)은 오픈 영역을 적어도 하나 이상 지나가면서 제2 도전형 반도체층(226)과 전기적으로 접촉하고, 오픈 영역 이외에서 투광성 도전층(230)과 접촉할 수 있다.
상술한 '오픈 영역'은 제2 도전형 반도체층(226)의 표면이 노출되는 노출부일 수 있다. 그리고, '오픈 영역'은 제1 전극(250)을 따라서 일정한 간격으로 배치되면 발광구조물(220)의 전면적에 전류를 공급할 수 있다.
제2 전극 패드(262)는 제1 전극 패드(252)와 마주 보며 발광 구조물(220)의 가장 자리와 대응되는 위치에 배치되어, 발광 구조물(220)의 넓은 면적에 전류를 공급하며 광효율을 저하시키지 않을 수 있다.
제1 가지 전극(254)이 제1 전극 패드(252)로부터 제2 전극 패드(262)를 향하여 배치될 수 있다. 제2 가지 전극(264)은 제2 전극 패드(262)로부터 2 방향으로 분기되어 배치될 수 있는데, 본 실시예에서 제1 가지 전극(254)의 양측면에 각각 1개씩의 제2 가지 전극(264)이 서로 마주보며 배치될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 도 4의 'A' 영역을 상세히 나타낸 도면이고, 도 6은 도 4의 'B' 영역을 상세히 나타낸 도면이고, 도 7은 도 3의 제1 전극과 제2 전극의 위치 관계를 나타낸 도면이다.
상술한 오픈 영역에서 제2 가지 전극(264)과 제2 도전형 반도체층(226)은 직접 접촉하여 전기적인 컨택 특성이 향상될 수 있으나, 제2 도전형 반도체층(226) 위에 제2 가지 전극(264)이 2개의 곡선 형상으로 배치되어 제2 가지 전극(264)과 접촉하는 제2 도전형 반도체층(226)에만 정공 등의 주입이 집중될 수 있다.
본 실시예에서는 상술한 오픈 영역에서 투광성 도전층(230)이 일부 배치되고 있다. 즉, 투광성 도전층(230)은 상술한 오픈 영역에서 제거되나, 일부가 도 4 및 도 5a에 도시된 바와 같이 라인 형태로 배치될 수 있다.
상술한 오픈 영역에서 투광성 도전층(230)이 배치되면, 투광성 도전층(230)은 제2 도전형 반도체층(226)과 제2 가지 전극(264)의 사이에 배치될 수 있다. 그리고, 오픈 영역에서 투광성 도전층(230)이 연결되는 영역은 각각의 제2 가지 전극(264)에서 적어도 하나 배치될 수 있다.
도 5a에 도시된 바와 같이 제2 가지 전극(264)은 제2 도전형 반도체층(226)과 접촉하여 컨택 특성이 우수하며, 일부 영역에서 투광성 도전층(230)과 접촉하는데 점선으로 도시된 바와 같이 정공 등이 투광성 도전층(230)을 통하여 제2 도전형 반도체층(226)의 전면적으로 공급될 수 있다. 여기서, 상술한 컨택 특성으로 인하여 제2 전극(260)과 투광성 도전층(230)은 오믹 접촉(ohmic contact)으로 연결되고, 제2전극(260)과 오픈 영역은 쇼트키 접촉(schottky contact)으로 연결될 수 있다.
도 5a에서 오픈 영역의 폭(d3)은 3 마이크로 미터 내지 5 마이크로 미터일 수 있는데, 폭(d3)이 너무 좁으면 제2 전극(260)의 배치가 쉽지 않고, 폭(d3)이 너무 넓으면 투광성 도전층(230)의 면적이 좁아져서 제2 도전형 반도체층(226)에의 정공 공급 효율이 저하될 수 있다.
제2 가지 전극(264)의 폭(d4)는 2 마이크로 미터 내지 4 마이크로 미터일 수 있는데, 폭(d4)이 너무 넓으면 활성층(224)에서 방출되는 빛을 차단 내지 흡수하는 면적이 증가할 수 있고, 폭(d4)이 너무 좁으면 제2 가지 전극(264)의 형성이 용이하지 않을 수 있다.
도 5b는 도 5a의 H-H' 방향에서의 단면도이며, 투광성 도전층(230)이 제2 도전형 반도체층(226) 위의 일부 영역에서 배치되므로, 투광성 도전층(230)이 배치되는 영역에서는 제2 가지 전극(264)의 높이가 좀 더 높게 배치되고 있다.
후술할 제1 가지 전극(254)과의 배치 관계를 위하여, 각각의 제2 가지 전극(264)마다 투광성 도전층(230)과 연결되는 영역이 적어도 2개 배치될 수 있으다. 제2 가지 전극(264)과 제2 도전형 반도체층(226)의 접촉 특성을 고려하면, 제2 도전형 반도체층(226)과 접촉하는 제2 가지 전극(264)의 면적은, 투광성 도전층(230)과 연결되는 상기 제2 가지 전극(264)의 면적보다 넓을 수 있다.
그리고, 도 4에 도시된 바와 같이 상술한 오픈 영역에서 제2 가지 전극(264)과 제2 도전형 반도체층(226) 사이에 투광성 도전층(230)이 연결되는 영역은, 2개의 가지 전극(264)에서 서로 동일한 위치에 대응하며 배치되고 있는데, 관통 전극(256)의 배치와 관련하여 후술한다.
도 6에서 제1 가지 전극(254)과 관통 전극(256)의 배치가 상세히 도시되고 있다. 투광성 절연층(240) 위의 일부 영역에서 관통홀이 형성되는데, 관통홀은 투광성 도전층(230)과 제2 도전형 반도체층(226)과 활성층(224)을 관통하여 제1 도전형 반도체층(222)에 연결되고 있다.
상술한 관통홀 내에 전극 재료가 삽입되어 관통 전극을 이룰 수 있으며, 투광성 절연층(240) 위에 배치된 제1 가지 전극(254)과 연결되고 있다. 관통 전극(256)은 투광성 절연층(240)보다 깊게 제1 도전형 반도체층(222) 내로 삽입되어, 전자가 제1 도전형 반도체층(222) 내에 고루 주입될 수 있다. 그리고, 투광성 절연층(240)이 투광성 도전층(230)부터 제2 도전형 반도체층(226) 및 활성층(224)에서 관통 전극(256)의 둘레에 배치되어 전자가 제2 도전형 반도체층(226) 등으로 주입됨을 방지할 수 있다.
상술한 '오픈 영역'은 제2 도전형 반도체층(226)의 표면이 노출되는 노출부일 수 있다. 그리고, '오픈 영역'은 제1 전극(250)을 따라서 일정한 간격으로 배치되면 발광구조물(220)의 전면적에 전류를 공급할 수 있다.
도 4에서 투광성 절연층(240)에서 투광성 도전층(230)이 오픈되는 영역을 제1 패턴이라 할 수 있는데, 상기 제1 패턴은 상술한 '오픈 영역'에 해당하는 제1 오픈부와, 상기 제1 오픈부의 사이에 배치된 투광성 도전층(230)인 교량부를 포함할 수 있다. 이때, 상술한 제1 패턴 내에 제2 전극(260)이 교량부와 접촉하며 배치될 수 있다.
투광성 절연층(240)에서 제1 전극(250)이 배치되는 영역을 제2 패턴이라 할 수 있는데, 상기 제2 패턴은 투광성 절연층(240)으로부터 투광성 도전층(230)과 제2 도전형 반도체층(226)과 활성층(224)과 제1 도전형 반도체층(222)으로 관통홀이 형성되는 영역을 제2 오픈부를 포함할 수 있다. 이때, 제1 전극(250)은 상기 제2 오픈부를 통하여 투광성 절연층(240)으로부터 제1 도전형 반도체층(222)과 전기적으로 연결될 수 있다.
도 7에서 제1 가지 전극(254)과 관통전극(256)과 제2 가지 전극(264) 등의 위치 관계가 도시되고 있다. 제1 전극 패드(252)로부터 제1 가지 전극(252)이 하나의 라인 형상으로 배치되고, 제1 가지 전극(252)에 3개의 위치에 관통 전극(256)이 배치되고 있는데, 관통 적극(256)의 개수는 2개 이상일 수 있다.
제1 전극 패드(252)를 마주 보고 제2 전극 패드(262)가 배치되며, 제2 가지 전극(264)이 제2 전극 패드(262)로부터 분기하여 제1 가지 전극(254)의 양측으로 2개가 배치되고 있다.
제2 가지 전극(264)에서 'I'로 표시한 영역은 투광성 도전층(230)과 전기적으로 접촉하는 영역이다. 'I'로 표시한 영역, 즉, 제2 가지 전극(264)과 제2 도전형 반도체층(226) 사이에 투광성 도전층(230)이 연결되는 영역은 관통 전극(256)과 비중첩되게 배치된다.
이러한 배치는 제1 도전형 반도체층(222)에 주입된 전자와 제2 도전형 반도체층(226)에 주입된 정공이 서로 교차하는 영역에 주입되어, 활성층에서 전자와 정공의 결합이 정영역에서 고루 발생할 수 있다.
도 8a 내지 도 8f는 발광소자의 제조방법의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도 8a에 도시된 바와 같이, 기판(210) 위에 버퍼층(215)과 발광 구조물(220)과 투광성 도전층(230)을 성장시킨다. 기판(210) 위에는 요철 구조가 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 기판(210)에 대해 습식세척을 하여 표면의 불순물을 제거할 수 있다. 기판(210)과 버퍼층(215)의 조성은 상술한 바와 같다.
발광 구조물 내의 각 층의 조성은 상술한 바와 동일하며, 예를 들어 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) 등의 방법을 이용하여 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
투광성 도전층(230)은 스퍼터링 등의 방법으로 증착할 수 있다.
투광성 도전층(230)의 증착은 마스크(280)를 제2 도전형 반도체층(226) 위에 배치하고 이루어질 수 있는데, 마스크(280)가 배치된 영역에서 제2 도전형 반도체층(226) 위에 오픈 영역이 형성되어, 제2 전극(260)이 배치될 영역이다.
그리고, 도 8b에 도시된 바와 같이 관통홀을 형성하는데, 마스크(280)가 배치되지 않은 개구부에서 투광성 절연층(230)과 제2 도전형 반도체층(226)과 활성층(224)을 관통하여 제1 도전형 반도체층(222)의 일부 영역에까지 관통홀이 형성된다. 도 8b에서 1개의 관통홀을 식각하고 있으나, 형성하고자 하는 관통홀의 개수만큼 마스크(280)에 개구부를 형성할 수 있다.
그리고, 도 8c에 도시된 바와 같이 투광성 도전층(230) 상에 투광성 절연층(240)을 배치하는데, 스퍼터링 등의 방법으로 증착할 수 있다. 이때, 증착 재료가 상술한 관통홀의 내부에까지 증차될 수 있다. 그리고, 제2 도전형 반도체층(226) 상에서 투광성 도전층(230)이 배치되지 않은 오픈 영역에는 마스크(280)가 배치되어, 투광성 절연층(240)이 증착되지 않고 제2 도전형 반도체층(226)이 노출되도록 할 수 있다.
그리고, 도 8d에 도시된 바와 같이 관통홀의 바닥면에서 투광성 절연층(240)을 추가로 식각하여 제1 도전형 반도체층(222)의 일부가 노출되도록 한다.
그리고, 도 8e에 도시된 바와 같이 투광성 절연층(240)의 표면과 관통홀에 전극 재료를 주입하여 제1 가지 전극(254)과 관통전극(256)을 형성할 수 있다. 제1 가지 전극(254)과 접촉하게 제1 전극 패드(252)를 형성할 수 있다.
그리고, 제2 도전형 반도체층(226)이 노출된 영역에 제2 전극 패드(262)와 제2 가지 전극(264)을 형성할 수 있다.
도 9는 발광소자가 배치된 발광소자 패키지의 일실시예를 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 발광소자 패키지(300)는 패키지 몸체(310)와, 상기 패키지 몸체(310)에 설치된 제1 리드 프레임(321) 및 제2 리드 프레임(322)과, 상기 패키지 몸체(310)에 설치되어 상기 제1 리드 프레임(321) 및 제2 리드 프레임(322)과 전기적으로 연결되는 상술한 발광소자(200)와, 상기 발광소자(200)의 표면 또는 측면을 덮는 몰딩부(350)를 포함한다.
상기 패키지 몸체(310)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 발광소자(200)의 주위에 경사면이 형성되어 광추출 효율을 높일 수 있다.
상기 제1 리드 프레임(321) 및 제2 리드 프레임(322)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광소자(200)에 전원을 제공한다. 또한, 상기 제1 리드 프레임(321) 및 제2 리드 프레임(322)은 상기 발광소자(100)에서 발생된 광을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있으며, 상기 발광소자(100)에서 발생된 열을 외부로 배출시키는 역할을 할 수도 있다.
상기 발광소자(200)는 상술한 실시예에 따른 발광소자이고, 상기 패키지 몸체(310) 상에 설치될 수 있다. 상기 발광소자(200)는 상기 제1 리드 프레임(321) 및 제2 리드 프레임(322)과 와이어(340) 본딩되고 있으나, 플립칩 방식으로 전기적으로 연결될 수도 있다. 본 실시예에서 발광소자(200)는 패키지 몸체(310) 접착층(330)으로 고정되고 있다.
몰딩부(350)는 상기 발광소자(200)를 둘러싸며 보호할 수 있다. 또한, 몰딩부(350)에는 형광체(360)가 포함되어 상기 발광소자(200)에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있다.
실시예에 따른 발광소자 패키지(300)는 내부에 배치된 발광소자(200)는 제2 전극이 제2 도전형 반도체층과 접촉하여 컨택 특성이 우수하며, 일부 영역에서 투광성 도전층과 제2 전극이 접촉하여 투광성 도전층을 통하여 제2 도전형 반도체층의 전면적으로 정공이 공급되고, 상술한 투광성 도전층과 비중첩되어 제1 전극이 관통홀 형상으로 배치되어, 활성층의 전영역에서 전자와 정공이 결합하여 발광효율이 상승될 수 있다.
발광소자 패키지(300)는 상술한 실시예들에 따른 발광소자 중 하나 또는 복수 개로 탑재할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
실시 예에 따른 발광소자 패키지는 복수 개가 기판 상에 어레이되며, 상기 발광소자 패키지의 광 경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트 등이 배치될 수 있다. 이러한 발광소자 패키지, 기판, 광학 부재는 라이트 유닛으로 기능할 수 있다. 또 다른 실시 예는 상술한 실시 예들에 기재된 반도체 발광소자 또는 발광소자 패키지를 포함하는 표시 장치, 지시 장치, 조명 시스템으로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 조명 시스템은 램프, 가로등을 포함할 수 있다. 이하에서는 상술한 발광소자 패키지가 배치된 조명 시스템의 일실시예로서, 헤드 램프와 백라이트 유닛을 설명한다.
도 10은 발광소자 패키지를 포함하는 헤드 램프의 일실시예를 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 헤드 램프(400)는 발광소자 패키지가 배치된 발광소자 모듈(401)에서 방출된 빛이 리플렉터(402)와 쉐이드(403)에서 반사된 후 렌즈(404)를 투과하여 차체 전방을 향할 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 발광소자 모듈(401)에 사용되는 발광소자는 제2 전극이 제2 도전형 반도체층과 접촉하여 컨택 특성이 우수하며, 일부 영역에서 투광성 도전층과 제2 전극이 접촉하여 투광성 도전층을 통하여 제2 도전형 반도체층의 전면적으로 정공이 공급되고, 상술한 투광성 도전층과 비중첩되어 제1 전극이 관통홀 형상으로 배치되어, 활성층의 전영역에서 전자와 정공이 결합하여 발광효율이 상승될 수 있다.
도 11은 발광소자 패키지를 포함하는 영상 표시장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 영상표시장치(500)는 광원 모듈과, 바텀 커버(510) 상의 반사판(520)과, 상기 반사판(520)의 전방에 배치되며 상기 광원모듈에서 방출되는 빛을 영상표시장치 전방으로 가이드하는 도광판(540)과, 상기 도광판(540)의 전방에 배치되는 제1 프리즘시트(550)와 제2 프리즘시트(560)와, 상기 제2 프리즘시트(560)의 전방에 배치되는 패널(570)과 상기 패널(570)의 전반에 배치되는 컬러필터(580)를 포함하여 이루어진다.
광원 모듈은 회로 기판(530) 상의 발광소자 패키지(535)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 회로 기판(530)은 PCB 등이 사용될 수 있고, 발광소자 패키지(535)는 도 1에서 설명한 바와 같다.
바텀 커버(510)는 영상표시장치(500) 내의 구성 요소들을 수납할 수 있다. 반사판(520)은 본 도면처럼 별도의 구성요소로 마련될 수도 있고, 도광판(540)의 후면이나, 상기 바텀 커버(510)의 전면에 반사도가 높은 물질로 코팅되는 형태로 마련되는 것도 가능하다.
반사판(520)은 반사율이 높고 초박형으로 사용 가능한 소재를 사용할 수 있고, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PolyEthylene Terephtalate; PET)를 사용할 수 있다.
도광판(540)은 발광소자 패키지 모듈에서 방출되는 빛을 산란시켜 그 빛이 액정 표시 장치의 화면 전영역에 걸쳐 균일하게 분포되도록 한다. 따라서, 도광판(530)은 굴절률과 투과율이 좋은 재료로 이루어지는데, 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate; PMMA), 폴리카보네이트(PolyCarbonate; PC), 또는 폴리에틸렌(PolyEthylene; PE) 등으로 형성될 수 있다. 또한, 도광판(540)이 생략되면 에어 가이드 방식의 표시장치가 구현될 수 있다.
상기 제1 프리즘 시트(550)는 지지필름의 일면에, 투광성이면서 탄성을 갖는 중합체 재료로 형성되는데, 상기 중합체는 복수 개의 입체구조가 반복적으로 형성된 프리즘층을 가질 수 있다. 여기서, 상기 복수 개의 패턴은 도시된 바와 같이 마루와 골이 반복적으로 스트라이프 타입으로 구비될 수 있다.
상기 제2 프리즘 시트(560)에서 지지필름 일면의 마루와 골의 방향은, 상기 제1 프리즘 시트(550) 내의 지지필름 일면의 마루와 골의 방향과 수직할 수 있다. 이는 광원 모듈과 반사시트로부터 전달된 빛을 상기 패널(570)의 전방향으로 고르게 분산하기 위함이다.
본 실시예에서 상기 제1 프리즘시트(550)과 제2 프리즘시트(560)가 광학시트를 이루는데, 상기 광학시트는 다른 조합 예를 들어, 마이크로 렌즈 어레이로 이루어지거나 확산시트와 마이크로 렌즈 어레이의 조합 또는 하나의 프리즘 시트와 마이크로 렌즈 어레이의 조합 등으로 이루어질 수 있다.
상기 패널(570)은 액정 표시 패널(Liquid crystal display)가 배치될 수 있는데, 액정 표시 패널(560) 외에 광원을 필요로 하는 다른 종류의 디스플레이 장치가 구비될 수 있다.
상기 패널(570)은, 유리 바디 사이에 액정이 위치하고 빛의 편광성을 이용하기 위해 편광판을 양 유리바디에 올린 상태로 되어있다. 여기서, 액정은 액체와 고체의 중간적인 특성을 가지는데, 액체처럼 유동성을 갖는 유기분자인 액정이 결정처럼 규칙적으로 배열된 상태를 갖는 것으로, 상기 분자 배열이 외부 전계에 의해 변화되는 성질을 이용하여 화상을 표시한다.
표시장치에 사용되는 액정 표시 패널은, 액티브 매트릭스(Active Matrix) 방식으로서, 각 화소에 공급되는 전압을 조절하는 스위치로서 트랜지스터를 사용한다.
상기 패널(570)의 전면에는 컬러 필터(580)가 구비되어 상기 패널(570)에서 투사된 빛을, 각각의 화소마다 적색과 녹색 및 청색의 빛만을 투과하므로 화상을 표현할 수 있다.
본 실시예에 따른 영상표시장치에 배치된 발광소자는 제2 전극이 제2 도전형 반도체층과 접촉하여 컨택 특성이 우수하며, 일부 영역에서 투광성 도전층과 제2 전극이 접촉하여 투광성 도전층을 통하여 제2 도전형 반도체층의 전면적으로 정공이 공급되고, 상술한 투광성 도전층과 비중첩되어 제1 전극이 관통홀 형상으로 배치되어, 활성층의 전영역에서 전자와 정공이 결합하여 발광효율이 상승될 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 200: 발광소자 110, 210: 기판
115, 215: 버퍼층 120, 220 : 발광 구조물
122, 222: 제1 도전형 반도체층 124, 224: 활성층
126, 226: 제2 도전형 반도체층 130, 230: 투광성 도전층
150, 250: 제1 전극 152, 252: 제1 전극 패드
154, 254: 제1 가지 전극 160, 260: 제2 전극
162, 262: 제2 전극 패드 164, 264: 제2 가지 전극
240 : 투광성 절연층 256: 관통 전극
280: 마스크 300: 발광소자 패키지
310: 패키지 몸체 321: 제1 리드 프레임
322: 제2 리드 프레임 330: 접착층
340: 와이어 350: 몰딩부
360: 형광체 400 : 헤드 램프
410 : 발광소자 모듈 420 : 리플렉터
430 : 쉐이드 440 : 렌즈
800 : 표시장치 810 : 바텀 커버
820 : 반사판 830 : 회로 기판 모듈
840 : 도광판 850, 860 : 제1,2 프리즘 시트
870 : 패널 880 : 컬러필터

Claims (25)

  1. 제1 도전형 반도체층과 활성층과 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물;
    상기 제2 도전형 반도체층 상에 배치되고 복수의 오픈 영역을 구비하는 투광성 도전층;
    상기 투광성 도전층 상에 배치되는 투광성 절연층;
    상기 제1 도전형 반도체층과 연결되는 제1 전극; 및
    상기 투광성 도전층 상에 상기 오픈 영역을 적어도 하나 이상 지나가도록 연장되어 배치되는 제2전극을 포함하고,
    상기 제1 전극의 일부는 상기 투광성 절연층으로부터 상기 투광성 도전층과 상기 제2 도전형 반도체층과 상기 활성층을 관통하여, 상기 제 1도전형 반도체층에 전기적으로 연결되고,
    상기 제2전극은 상기 오픈 영역에서 상기 제2 도전형 반도체층과 접촉하고,
    상기 제2 전극은 제2 전극 패드와 상기 제2 전극 패드로부터 분기된 적어도 2개의 제2 가지 전극을 포함하고, 상기 2개의 제2 가지 전극은 서로 마주보며 배치되며, 상기 오픈 영역에서 상기 제2 가지 전극과 상기 제2 도전형 반도체층을 상기 투광성 도전층이 연결하는 영역이 적어도 하나 배치되고,
    상기 제1 전극은 제1 전극 패드와 상기 제1 전극 패드로부터 분기되고 상기 2개의 제2 가지 전극 사이에 배치되는 제1 가지 전극을 포함하고, 상기 제1 가지 전극은 상기 투광성 절연층 상에 배치되며, 상기 제1 전극은 상기 제1 도전형 반도체층과 전기적으로 접촉하는 관통 전극을 적어도 하나 포함하고, 상기 관통 전극은 상기 투광성 절연층과 상기 투광성 도전층과 상기 제2 도전형 반도체층과 상기 활성층을 관통하여 형성되며,
    상기 오픈 영역에서 상기 제2 가지 전극과 상기 투광성 도전층은 서로 교차하며 배치되고,
    상기 제2 가지 전극들의 상부면은, 일부 영역에서 요철을 가지는 발광소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 전극과 상기 투광성 도전층은 오믹 접촉(ohmic contact)으로 연결되고, 상기 제2 전극과 상기 오픈 영역은 쇼트키 접촉(schottky contact)으로 연결되는 발광소자.
  3. 삭제
  4. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 복수의 오픈 영역은 상기 제1전극을 사이에 두고 일정한 간격으로 배치되는 발광소자.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 제2 가지 전극과 상기 제2 도전형 반도체층을 상기 투광성 도전층이 연결하는 영역은, 상기 하나의 제2 가지 전극마다 적어도 2개 배치되는 발광소자.
  11. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층과 접촉하는 제2 가지 전극의 면적은, 상기 투광성 도전층과 연결되는 상기 제2 가지 전극의 면적보다 넓은 발광소자.
  12. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 투광성 도전층이 연결되는 영역에서의 상기 제2 가지 전극의 높이는, 상기 제2 도전형 반도체층과 접촉하는 제2 가지 전극의 높이보다 높은 발광소자.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 오픈 영역에서 상기 제2 가지 전극과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 상기 투광성 도전층이 연결되는 영역은, 상기 2개의 가지 전극에서 서로 마주보며 배치되는 발광소자.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 오픈 영역에서 상기 제2 가지 전극과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 상기 투광성 도전층이 연결되는 영역은, 상기 관통 전극과 비중첩되는 발광소자.
  19. 제1 항 또는 제2 항 있어서,
    상기 투광성 절연층은, 상기 투광성 도전층부터 제2 도전형 반도체층 및 상기 활성층에서 상기 관통 전극의 둘레에 배치되는 발광소자.
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 삭제
  25. 삭제
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