KR102050407B1 - 수직 적층형 다중 파장 발광 소자 - Google Patents

수직 적층형 다중 파장 발광 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중 파장의 광을 출력하는 수직 적층형 다중 파장 발광 소자에 관한 것이다. 본 발명에 따른 수직 적층형 다중 파장 발광 소자는 메인 기판, 메인 기판 위에 수직 방향으로 적층되며 적어도 두 개는 서로 다른 파장의 광을 출력하는 복수의 단위 발광 소자, 및 복수의 단위 발광 소자에 각각 수직으로 연결되어 복수의 단위 발광 소자에서 각각 출력되는 광을 외부로 출력하는 복수의 광도파로를 포함한다. 이때 복수의 단위 발광 소자는 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED) 또는 레이저 다이오드(Laser Diode; LD)이다.

Description

수직 적층형 다중 파장 발광 소자{Vertically stacked multi-wavelength light emitting device}
본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다중 파장의 광을 출력하는 수직 적층형 다중 파장 발광 소자에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED) 또는 레이저 다이오드(Laser Diode; LD) 등의 발광 소자는 주입형 전자발광(injection electroluminescence) 현상을 이용한 것이다. 즉 직접 천이형 반도체로 된 p-n 접합에 순방향 전압을 인가함으로써, 캐리어 주입에 따른 전자-정공의 재결합으로 인해 광자(photon)가 발생하여 빛을 발하게 된다. 따라서 주입형 전자발광 현상을 이용하여 원하는 파장의 빛을 얻기 위해서는, 그 파장에 해당하는 에너지 밴드갭 또는 양자 상태를 갖는 직접 천이형 반도체가 필요하다.
이러한 발광 소자는 Ⅲ-Ⅴ족 질화물(Nitride)계 화합물 반도체를 사용하며 점차 그 용도가 여러 분야로 넓혀지고 있다. 예컨대 발광 소자는 총 천연색 전광판, 신호등과 같은 디스플레이, 고밀도 광 기록 매체의 개발 등에 사용되고 있다.
최근 질화물계 발광 다이오드의 급속한 발전에 따라 고휘도 발광 다이오드에 대한 필요성이 증대되고 있다. 예를 들면, 고휘도 발광 다이오드를 이용하여 휴대폰 배면 광원, 지시등, 실외간판 등에 필요한 고효율, 고휘도 백색 광원이 요구되고 있는 실정이다.
발광 소자의 활용도를 높이기 위해서, 다중 파장의 광을 출력하는 다중 파장 발광 소자에 대한 요구가 증대하고 있다. 이러한 다중 파장 발광 소자는 수평 방향으로 다중 파장에 대응되는 복수의 단위 발광 소자를 일체로 형성하거나 어레이 배열하여 구현할 수 있다.
이와 같이 다중 파장 발광 소자를 수평 방향으로 형성할 경우 소자의 크기가 크고, 인쇄회로기판에 실장 시 차지하는 면적이 증가할 수 있다. 더욱이 단위 발광 소자를 일체로 형성할 경우, 활성층 및 활성층의 상하 및 수평 방향으로 어래이 배열되는 다중 반사층으로 인해 구조가 복잡하기 때문에, 제조 공정이 복잡하고 제조가 쉽지 않은 문제점을 안고 있다.
한국공개특허 제2011-0131801호 (2011.12.07. 등록) 한국등록특허 제10-0690568호 (2007.02.27. 등록)
따라서 본 발명의 목적은 복수의 단위 발광 소자를 수직으로 적층하여 다중 파장의 광을 출력하는 수직 적층형 다중 파장 발광 소자를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 크기를 줄일 수 있는 수직 적층형 다중 파장 발광 소자를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 제조 공정을 간소화할 수 있는 수직 적층형 다중 파장 발광 소자를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 메인 기판; 상기 메인 기판 위에 수직 방향으로 적층되며, 적어도 두 개는 서로 다른 파장의 광을 출력하는 복수의 단위 발광 소자; 및 상기 복수의 단위 발광 소자에 각각 수직으로 연결되어 상기 복수의 단위 발광 소자에서 각각 출력되는 광을 외부로 출력하는 복수의 광도파로;를 포함하는 수직 적층형 다중 파장 발광 소자를 제공한다.
상기 복수의 단위 발광 소자는 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED)일 수 있다.
본 발명에 따른 수직 적층형 다중 파장 발광 소자는, 상기 메인 기판과 상기 복수의 단위 발광 소자 사이에 개재된 베이스 기판;을 더 포함한다. 상기 복수의 단위 발광 소자는 상기 복수의 단위 발광 소자 중 최상부의 단위 발광 소자의 상부로 광을 출력한다.
상기 복수의 단위 발광 소자는, 상기 베이스 기판 위에 적층되며, 제1 파장의 광을 출력하는 제1 단위 발광 소자; 상기 제1 단위 발광 소자의 상부에 적층되며, 제2 파장의 광을 출력하는 제2 단위 발광 소자; 및 상기 제 2 단위 발광 소자의 상부에 적층되며, 제3 파장의 광을 출력하는 제3 단위 발광 소자;를 포함할 수 있다.
상기 제1 파장의 광이 출력되는 상기 제1 단위 발광 소자의 영역이 노출되게 상기 제1 내지 제3 단위 발광 소자에 수직으로 제1 광 출력 홈이 형성된다.
상기 제2 파장의 광이 출력되는 상기 제2 단위 발광 소자의 영역이 노출되게 상기 제2 및 제3 단위 발광 소자에 수직으로 제2 광 출력 홈이 형성된다.
상기 제3 파장의 광이 출력되는 상기 제3 단위 발광 소자의 영역이 노출되게 상기 제3 단위 발광 소자에 수직으로 제3 광 출력 홈이 형성된다.
상기 제1 내지 제3 단위 발광 소자는 각각, 제1 반도체층; 상기 제1 반도체층 위에 형성되며 광을 출력하는 활성층; 및 상기 활성층 위에 형성되는 제2 반도체층;을 포함한다. 상기 제1 내지 제3 광 출력 홈은 상기 제1 내지 제3 단위 발광 소자의 활성층이 노출되게 형성된다.
상기 복수의 광도파로는, 상기 제1 광 출력 홈에 결합되는 제1 광도파로; 상기 제2 광 출력 홈에 결합되는 제2 광도파로; 및 상기 제3 광 출력 홈에 결합되는 제3 광도파로;를 포함한다.
상기 제1 내지 제3 광도파로에서 출력되는 제1 내지 제3 파장의 광은 청색, 녹색 및 적색일 수 있다.
상기 복수의 광도파로 중 적어도 하나는 파이버 브래그 그레이팅(fiber bragg grating; FBG) 구조를 갖는 광도파로일 수 있다.
상기 복수의 단위 발광 소자는 레이저 다이오드(Laser Diode; LD) 일 수 있다.
본 발명에 따른 수직 적층형 다중 파장 발광 소자는, 상기 복수의 단위 발광 소자의 상부에 적층되는 베이스 기판;을 더 포함한다. 상기 복수의 단위 발광 소자는 상기 베이스 기판의 상부로 광을 출력한다.
상기 복수의 단위 발광 소자는, 상기 베이스 기판 위에 적층되며, 제1 파장의 광을 출력하는 제1 단위 발광 소자; 상기 제1 단위 발광 소자의 상부에 적층되며, 제2 파장의 광을 출력하는 제2 단위 발광 소자; 및 일면은 상기 제 2 단위 발광 소자의 상부에 적층되며, 상기 일면에 반대되는 타면은 상기 메인 기판에 적층되며, 제3 파장의 광을 출력하는 제3 단위 발광 소자;를 포함한다.
상기 제1 파장의 광이 출력되는 상기 제1 단위 발광 소자의 영역이 노출되게 상기 베이스 기판 및 제1 단위 발광 소자에 수직으로 제1 광 출력 홈이 형성된다.
상기 제2 파장의 광이 출력되는 상기 제2 단위 발광 소자의 영역이 노출되게 상기 베이스 기판, 상기 제1 및 제2 단위 발광 소자에 수직으로 제2 광 출력 홈이 형성된다.
상기 제3 파장의 광이 출력되는 상기 제1 단위 발광 소자의 영역이 노출되게 상기 베이스 기판, 상기 제1 내지 제3 단위 발광 소자에 수직으로 제3 광 출력 홈이 형성된다.
본 발명에 따른 수직 적층형 다중 파장 발광 소자는, 상기 메인 기판, 제1 내지 제3 단위 발광 소자 및 베이스 기판 사이에 각각 형성된 DBR(Distributed Bragg Reflector)층;을 더 포함한다.
그리고 상기 제1 내지 제3 광 출력 홈은 상기 제1 내지 제3 단위 발광 소자 상부의 DBR층이 노출되게 형성된다.
본 발명에 따른 다중 파장 발광 소자는 복수의 단위 발광 소자가 수직으로 적층된 구조로 다중 파장의 광을 출력하기 때문에, 소자를 수평 방향으로 배열하는 것과 비교하여 크기를 줄일 수 있다.
본 발명에 따른 다중 파장 발광 소자는 에피 성장 공정을 이용하여 수직으로 단위 발광 소자를 순차적으로 적층하여 형성할 수 있기 때문에, 제조 공정을 간소화할 수 있다.
본 발명에 따른 다중 파장 발광 소자는 단일 소자 기반의 다중 파장 광원으로 구현되기 때문에, RGB 또는 원하는 파장의 LED 또는 LD로 구현이 가능하다. 즉 본 발명에 따른 다중 파장 발광 소자는 풀 컬러(full color)로 구현이 가능하기 때문에, 디스플레이, 통신, 홀로그램기술에 광원으로 활용할 수 있다.
본 발명에 따른 다중 파장 발광 소자는 복수의 단위 발광 소자에 각각 수직 방향으로 광도로파를 연결하여 외부로 다중 파장의 광을 출력하기 때문에, 복수의 단위 발광 소자의 적층 순서에 무관하게 소자를 제조할 수 있는 이점이 있다. 예컨대 단순히 수직 적층으로 RGB 파장을 구현하기 위해서는 적색, 녹색, 청색 순으로 적층해야 하지만, 본 발명에서는 광도파로를 통하여 단위 발광 소자로부터 광을 출력하기 때문에, 이러한 적층 순서에 무관하게 소자를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수직 적층형 다중 파장 발광 소자를 보여주는 단면도이다.
도 2는 도 1의 A 부분의 확대도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수직 적층형 다중 파장 발광 소자를 보여주는 단면도이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
[제1 실시예]
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수직 적층형 다중 파장 발광 소자을 보여주는 단면도이다. 그리고 도 2는 도 1의 A 부분의 확대도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 실시예에 따른 수직 적층형 다중 파장 발광 소자(100)는 복수의 단위 발광 소자(20)를 수직으로 적층하여 다중 파장의 광을 출력하는 소자이다. 이러한 제1 실시예에 따른 수직 적층형 다중 파장 발광 소자(100)는 메인 기판(10), 복수의 단위 발광 소자(20) 및 복수의 광도파로(80)를 포함한다. 복수의 단위 발광 소자(20)는 메인 기판(10) 위에 수직 방향으로 적층되며, 적어도 두 개는 서로 다른 파장의 광을 출력한다. 그리고 복수의 광도파로(80)는 복수의 단위 발광 소자(20)에 각각 수직으로 연결되어 복수의 단위 발광 소자(20)에서 각각 출력되는 광을 외부로 출력한다. 이때 복수의 단위 발광 소자(20)로 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드가 사용될 수 있으며, 제1 실시예에서는 복수의 단위 발광 소자(20)로 발광 다이오드를 사용하는 예를 개시하였다.
제1 실시예에 따른 수직 적층형 다중 파장 발광 소자(100)는 베이스 기판(70)과 보호층(90)을 더 포함할 수 있다.
메인 기판(10)은 상부에 적층되는 복수의 단위 발광 소자(20)의 구동을 제어한다. 메인 기판(10)으로는 실리콘 소재의 CMOS 드라이버 매트릭스(Si CMOS driver matrix)가 사용될 수 있다.
베이스 기판(70)은 메인 기판(10)과 복수의 단위 발광 소자(20) 사이에 개재된다. 베이스 기판(70)은 메인 기판(10)의 상부면에 부착된다. 베이스 기판(70)은 에피 성장 공정을 통하여 질화물계 반도체 단결정을 성장시키기에 적합한 소재로 이루어질 수 있다. 이때 베이스 기판(70)은 사파이어, 실리콘(Si), 징크 옥사이드(zinc oxide, ZnO), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 갈륨 비소(GaAs), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC), 알루미늄 나이트라이드(AlN), 산화 마그네슘(MgO) 등의 원소 혹은 화합물로 제조될 수 있다.
복수의 단위 발광 소자(20)는 베이스 기판(70) 위에 순차적으로 적층된다. 복수의 단위 발광 소자(20)는 복수의 단위 발광 소자(20) 중 최상부의 단위 발광 소자의 상부로 광을 출력한다.
복수의 단위 발광 소자(20)는 제1 단위 발광 소자(30), 제2 단위 발광 소자(40) 및 제3 단위 발광 소자(50)를 포함할 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
제1 단위 발광 소자(30)는 베이스 기판(70) 위에 적층되며, 제1 파장의 광을 출력한다. 제1 단위 발광 소자(30)는 메인 기판(10)에 접속될 수 있도록 베이스 기판(70) 보다는 크며, 베이스 기판(70)의 외측에 노출되는 제1 단위 발광 소자(30)의 하부면에 제1 전극이 형성되어 있다.
제2 단위 발광 소자(40)는 제1 단위 발광 소자(30)의 상부에 적층되며, 제2 파장의 광을 출력한다. 제2 단위 발광 소자(40)는 메인 기판(10)에 접속될 수 있도록 제1 단위 발광 소자(30) 보다는 크며, 제1 단위 발광 소자(30)의 외측에 노출되는 제2 단위 발광 소자(40)의 하부면에 제2 전극이 형성되어 있다.
그리고 제3 단위 발광 소자(50)는 제 2 단위 발광 소자(40)의 상부에 적층되며, 제3 파장의 광을 출력한다. 제3 단위 발광 소자(50)는 메인 기판(10)에 접속될 수 있도록 제2 단위 발광 소자(40) 보다는 크며, 제2 단위 발광 소자(40)의 외측에 노출되는 제3 단위 발광 소자(50)의 하부면에 제3 전극이 형성되어 있다.
한편 메인 기판(10)에는 제1 내지 제3 전극(58)에 대응되게 제1 내지 제3 기판 패드(13)가 형성되어 있다. 제1 내지 제3 전극(58)과 제1 내지 제3 기판 패드(13)는 제1 내지 제3 연결 단자(59)에 의해 전기적으로 연결된다.
제1 내지 제3 단위 발광 소자(30,40,50)는 동일한 구조를 갖기 때문에, 제3 단위 발광 소자(50)를 중심으로 설명하면 다음과 같다.
제3 단위 발광 소자(50)는 제1 반도체층(53), 활성층(55) 및 제2 반도체층(57)을 포함하며, 제3 전극을 포함할 수 있다.
제1 반도체층(53)은 p형 반도체층일 수 있다. 이 경우 제1 반도체층(53)은 Mg, Zn, Be등과 같은 p형 도전형 불순물이 도핑된 질화물계 소재의 반도체층으로 형성될 수 있다. 예컨대 제1 반도체층(53)은 p형 AlGaN계로 형성될 수 있다.
활성층(55)은 제1 반도체층(53) 위에 형성되며 제3 파장의 광을 출력한다. 활성층(55)은 MOCVD, HVPE, MBE 등의 방법을 이용하여 양자우물구조로 형성될 수 있다. 활성층(55)에서는 제1 반도체층(53)을 통하여 흐르는 정공과 제2 반도체층(57)을 통하여 흐르는 전자가 결합됨으로써 제3 파장의 광이 발생되는데, 이때 양자우물의 여기 준위 또는 에너지 밴드갭 차이에 해당되는 에너지의 광이 출력된다.
제2 반도체층(57)은 활성층(55) 위에 형성된다. 이때 제2 반도체층(57)은 n형 반도체층일 수 있다. 이 경우 제2 반도체층(57)은 AlGaN계로 형성되며, n형으로 도핑을 하기 위해 실리콘이 도핑될 수 있다.
그리고 제3 전극은 제1 반도체층(53) 및 제2 반도체층(57)에 각각 연결된다. 제3 전극은 제3 연결 단자를 매개로 메인 기판(10)의 제3 기판 패드에 전기적으로 연결된다.
제1 내지 제3 단위 발광 소자(30,40,50)에는 각각 제1 내지 제3 광 출력 홈(31,41,51)이 형성된다. 제1 내지 제3 광 출력 홈(31,41,51)은 수직 방향으로 일정한 내경을 갖도록 형성할 수도 있고, 입구에서 아래로 내려갈수록 내경이 좁게 고깔 형태로 형성될 수 있다. 제1 실시예에서는 제1 내지 제3 광 출력 홈(31,41,51)은 수직 방향으로 일정한 내경을 갖도록 형성된 예를 개시하였다.
제1 파장의 광이 출력되는 제1 단위 발광 소자(30)의 영역이 노출되게 제1 내지 제3 단위 발광 소자(30,40,50)에 수직으로 제1 광 출력 홈(31)이 형성된다.
제2 파장의 광이 출력되는 제2 단위 발광 소자(40)의 영역이 노출되게 제2 및 제3 단위 발광 소자(40,50)에 수직으로 제2 광 출력 홈(41)이 형성된다.
그리고 제3 파장의 광이 출력되는 제3 단위 발광 소자(50)의 영역이 노출되게 제3 단위 발광 소자(50)에 수직으로 제3 광 출력 홈(51)이 형성된다.
제1 내지 제3 광 출력 홈(31,41,51)을 통하여 제1 내지 제3 단위 발광 소자(30,40,50)의 활성층이 노출된다. 도 2에서는 제3 단위 발광 소자(50)의 활성층(55)이 제3 광 출력 홈(51)에 의해 노출된 상태를 도시하였다.
복수의 광도파로(80)는 제1 광 출력 홈(31)에 결합되는 제1 광도파로(81), 제2 광 출력 홈(41)에 결합되는 제2 광도파로(83), 및 제3 광 출력 홈(51)에 결합되는 제3 광도파로(85)를 포함한다. 예컨대 제1 내지 제3 광도파로(81,83,85)에서 출력되는 제1 내지 제3 파장의 광은 청색, 녹색 및 적색일 수 있다. 즉 복수의 광도파로(80)를 통하여 RGB 색상의 광을 출력할 수 있다. 한편 제1 실시예에서는 RGB 색상의 광을 출력하는 예를 개시하였지만 이것에 한정되지 않으며, 복수의 단위 발광 소자(20)에서 출력되는 파장을 기반으로 원하는 파장의 광을 출력할 수 있음은 물론이다.
한편 단순히 복수의 단위 발광 소자를 적층하여 RGB 파장을 구현하는 경우, 낮은 온도에서 구현된 적색 파장층을 보호하기 위해서는 적색, 녹색 및 청색 순으로 단위 발광 소자를 적층할 필요가 있다. 하지만 제1 실시예에서는 광도파로(80)를 통하여 단위 발광 소자(20)로부터 광을 출력하기 때문에, 이러한 적층 순서에 무관하게 복수의 단위 발광 소자(20)를 적층하여 수직 적층형 다중 파장 발광 소자(100)를 제조할 수 있다.
복수의 광도파로(80)는 일반적인 광 파이버가 사용될 수 있고, 파이버 브래그 그레이팅(fiber bragg grating; FBG) 구조를 갖는 광도파로가 사용될 수도 있다.
그리고 보호층(90)은 메인 기판(10)과 복수의 단위 발광 소자(20) 사이의 영역을 외부 환경으로부터 보호한다.
한편 제1 실시예에 따른 수직 적층형 다중 파장 발광 소자(100)에는 도시하진 않았지만, 복수의 단위 발광 소자(20)는 최상부에 위치하는 단위 발광 소자를 통하여 광이 외부로 출력된다. 따라서 광도파로(80)가 삽입된 부분을 제외한 최상부에 위치하는 단위 발광 소자, 즉 제3 단위 발광 소자(50)의 상부면에는 광이 외부로 출력되지 않도록 광 흡수층 또는 반스층이 형성할 수 있다.
[제2 실시예]
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수직 적층형 다중 파장 발광 소자(200)를 보여주는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 제2 실시예에 따른 수직 적층형 다중 파장 발광 소자(200)는 메인 기판(110), 복수의 단위 발광 소자(120) 및 복수의 광도파로(180)를 포함하며, 베이스 기판(170), 복수의 DBR(Distributed Bragg Reflector)층(160) 및 보호층(190)을 더 포함할 수 있다. 제2 실시예에서는 복수의 단위 발광 소자(120)로 레이저 다이오드를 사용하는 예를 개시하였다.
복수의 단위 발광 소자(120)는 메인 기판(110)의 상부에 적층된다. 베이스 기판(170)은 복수의 단위 발광 소자(120)의 상부에 형성된다. 즉 제2 실시예에 따른 수직 적층형 다중 파장 발광 소자(200)는 베이스 기판(170)의 일면에 복수의 단위 발광 소자(120)를 형성한 이후에, 복수의 단위 발광 소자(120)가 메인 기판(110)의 상부면을 향하도록 적층하여 형성한다. 이때 복수의 단위 발광 소자(120)는 베이스 기판(170)의 상부로 광을 출력한다.
복수의 단위 발광 소자(120)는 베이스 기판(170) 위에 순차적으로 적층된다. 복수의 단위 발광 소자(120)는 복수의 단위 발광 소자(120) 중 최하부의 단위 발광 소자의 상부로 광을 출력한다. 즉 베이스 기판(170)이 위를 향하도록 메인 기판(110)에 복수의 단위 발광 소자(120)가 적층되기 때문에, 복수의 단위 발광 소자(120)는 베이스 기판(170)의 상부로 광을 출력한다.
복수의 단위 발광 소자(120)는 제1 단위 발광 소자(130), 제2 단위 발광 소자(140) 및 제3 단위 발광 소자(150)를 포함할 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
제1 단위 발광 소자(130)는 베이스 기판(170) 위에 적층되며, 제1 파장의 광을 출력한다.
제2 단위 발광 소자(140)는 제1 단위 발광 소자(130)의 상부에 적층되며, 제2 파장의 광을 출력한다.
그리고 제3 단위 발광 소자(150)는 일면은 제 2 단위 발광 소자(140)의 상부에 적층되며, 일면에 반대되는 타면은 메인 기판(110)의 상부면에 적층되며, 제3 파장의 광을 출력한다.
제1 내지 제3 단위 발광 소자(130,140,150)는 메인 기판(110)에 전기적으로 연결될 수 있도록 순차적으로 작게 형성된다. 즉 제1 내지 제3 단위 발광 소자(130,140,150) 중 제1 단위 발광 소자(130)가 가장 크고 제3 단위 발광 소자(150)가 가장 작다.
제1 내지 제3 단위 발광 소자(130,140,150)에는 각각 제1 내지 제3 광 출력 홈(131,141,151)이 형성된다. 제1 내지 제3 광 출력 홈(131,141,151)은 수직 방향으로 일정한 내경을 갖도록 형성할 수도 있고, 입구에서 아래로 내려갈수록 내경이 좁게 고깔 형태로 형성될 수 있다. 제2 실시예에서는 제1 내지 제3 광 출력 홈(131,141,151)은 고깔 형태로 형성된 예를 개시하였다.
제1 파장의 광이 출력되는 제1 단위 발광 소자(130)의 영역이 노출되게 베이스 기판(170) 및 제1 단위 발광 소자(130)에 수직으로 제1 광 출력 홈(131)이 형성된다.
제2 파장의 광이 출력되는 제2 단위 발광 소자(140)의 영역이 노출되게 베이스 기판(170), 제1 및 제2 단위 발광 소자(130,140)에 수직으로 제2 광 출력 홈(141)이 형성된다.
그리고 제3 파장의 광이 출력되는 제1 단위 발광 소자(150)의 영역이 노출되게 베이스 기판(170), 제1 내지 제3 단위 발광 소자(130,140,150)에 수직으로 제3 광 출력 홈(151)이 형성된다.
복수의 DBR층(160)은 각각 메인 기판(110), 제1 내지 제3 단위 발광 소자(130,140,150) 및 베이스 기판(170) 사이에 각각 형성된다. DBR층(160)은 굴절율이 주기적으로 변하는 복수의 질화물층을 교대로 적층하여 형성한다. DBR층(160)은 아래에 위치하는 단위 발광 소자(120)의 활성층에서 발생되는 광을 반사하여 광효율을 향상시킨다.
복수의 DBR층(160)은 베이스 기판(150)과 제1 단위 발광 소자(130) 사이에 형성된 제1 DRR층(161), 제1 및 제2 단위 발광 소자(130,140) 사이에 형성된 제2 DBR층(163), 제2 및 제3 단위 발광 소자(140,150) 사이에 형성된 제3 DBR층(165), 및 제3 단위 발광 소자(150)와 메인 기판(110) 사이에 형성된 제4 DBR층(167)을 포함한다.
이때 복수의 DBR층(160)이 제1 내지 제3 단위 발광 소자(130,140,150)의 사이와 상부 및 하부에 적층된 구조를 갖고 수직 방향으로 공진하기 때문에, 이와 같은 적층 구조를 갖는다고 해서 베이스 기판(170)의 상부로 다중 파장의 레이저 광이 출력되는 것은 아니다.
하지만 제2 실시예에 따른 수직 적층형 다중 파장 발광 소자(200)는 제1 내지 제3 광 출력 홈(131,141,151)을 형성하고, 제1 내지 제3 광 출력 홈(131,141,151)에 각각 광도파로(180)를 삽입함으로써, 베이스 기판(170)의 상부로 다중 파장의 광을 출력시킬 수 있다.
제1 내지 제3 광 출력 홈(131,141,151)은 제1 내지 제3 단위 발광 소자(130,140,150) 상부의 DBR층(161,163,165)이 노출되게 형성된다. 즉 제1 광 출력 홈(131)으로 제1 DBR층(161)이 노출되고, 제2 광 출력 홈(141)으로 제2 DBR층(163)이 노출되고, 제3 광 출력 홈(151)으로 제3 DBR층(165)이 노출된다.
복수의 광도파로(180)는 제1 광 출력 홈(131)에 결합되는 제1 광도파로(181), 제2 광 출력 홈(141)에 결합되는 제2 광도파로(183), 및 제3 광 출력 홈(151)에 결합되는 제3 광도파로(185)를 포함한다. 예컨대 제1 내지 제3 광도파로(181,183,185)에서 출력되는 제1 내지 제3 파장의 광은 청색, 녹색 및 적색 레이저일 수 있다. 즉 광도파로를 광 출력 홈을 통하여 광 출력 홈에 노출된 DBR층에 접촉시킴으로써, 원하는 부분에서만 레이징된 특정 파장의 레이저 광을 인출할 수 있다.
복수의 광도파로(180)는 일반적인 광 파이버가 사용될 수 있고, 파이버 브래그 그레이팅(fiber bragg grating; FBG) 구조를 갖는 광도파로가 사용될 수도 있다.
광도파로(180)로 파이버 브래그 그레이팅 구조를 갖는 광도파로를 사용할 경우, 제1 내지 제3 DBR층(161,163,165)의 두께를 줄일 수 있다. 즉 파이버 브래그 그레이팅 구조를 갖는 광도파로는 광섬유 코어의 굴절율을 광섬유 축을 따라 ㎛ 단위로 주기적으로 변화시켜서 통과하는 여러 파장의 광 신호 중 특정 파장의 광 만을 투과 또는 반사시키기 때문이다. 파이버 브래그 그레이팅 구조를 갖는 광도파로는 DBR층(160)의 기능을 함께 수행하기 때문에, 광도파로가 연결되는 DBR층의 두께를 줄일 수 있다.
이와 같이 파이버 브래그 그레이팅 구조를 갖는 광도파로를 복수의 단위 발광 소자(120)의 파장에 맞추어 제작하고, 제2 실시예에 따른 수직 공진 구조의 복수의 단위 발광 소자(120)의 광 출력 홈(131,141,151)에 삽입하면 원하는 복수의 레이저 광을 출력할 수 있다.
한편 제1 내지 제3 단위 발광 소자(130,140,150)에는 제1 내지 제3 전극(158)이 형성되어 있다. 메인 기판(110)에는 제1 내지 제3 전극(158)에 대응되게 제1 내지 제3 기판 패드(113)가 형성되어 있다. 제1 내지 제3 전극(158)과 제1 내지 제3 기판 패드(113)는 제1 내지 제3 연결 단자(159)에 의해 전기적으로 연결된다.
그리고 보호층(190)은 메인 기판(110)과 복수의 단위 발광 소자(120) 사이의 영역을 외부 환경으로부터 보호한다.
이와 같이 본 실시예에 따른 다중 파장 발광 소자는 복수의 단위 발광 소자가 수직으로 적층된 구조로 다중 파장의 광을 출력하기 때문에, 소자를 수평 방향으로 배열하는 것과 비교하여 크기를 줄일 수 있다.
본 실시예에 따른 다중 파장 발광 소자는 에피 성장 공정을 이용하여 수직으로 단위 발광 소자를 순차적으로 적층하여 형성할 수 있기 때문에, 제조 공정을 간소화할 수 있다.
본 실시예에 따른 다중 파장 발광 소자는 단일 소자 기반의 다중 파장 광원으로 구현되기 때문에, RGB 또는 원하는 파장의 LED 또는 LD로 구현이 가능하다. 즉 본 발명에 따른 다중 파장 발광 소자는 풀 컬러(full color)로 구현이 가능하기 때문에, 디스플레이, 통신, 홀로그램기술에 광원으로 활용할 수 있다.
본 실시예에 따른 다중 파장 발광 소자는 복수의 단위 발광 소자에 각각 수직 방향으로 광도로파를 연결하여 외부로 다중 파장의 광을 출력하기 때문에, 복수의 단위 발광 소자의 적층 순서에 무관하게 소자를 제조할 수 있는 이점이 있다. 예컨대 단순히 수직 적층으로 RGB 파장을 구현하기 위해서는 적색, 녹색, 청색 순으로 적층해야 하지만, 본 실시예에서는 광도파로를 통하여 단위 발광 소자로부터 광을 출력하기 때문에, 이러한 적층 순서에 무관하게 소자를 제조할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10, 110 : 메인 기판
13, 113 : 기판 패드
20, 120 : 단위 발광 소자
30, 130 : 제1 단위 발광 소자
31, 131 : 제1 광 출력 홈
40, 140 : 제2 단위 발광 소자
41, 141 : 제2 광 출력 홈
50, 150 : 제3 단위 발광 소자
51, 151 : 제3 광 출력 홈
53 : 제1 반도체층
55 : 활성층
57 : 제2 반도체층
58, 158 : 전극
59, 159 : 연결 단자
160 : DBR층
161 : 제1 DBR층
163 : 제2 DBR층
165 : 제3 DBR층
167 : 제4 DBR층
70, 170 : 베이스 기판
80, 180 : 광도파로
81, 181 : 제1 광도파로
83, 183 : 제2 광도파로
85, 185 : 제3 광도파로
90, 190 : 보호층
100, 200 : 수직 적층형 다중 파장 발광 소자

Claims (13)

  1. 메인 기판;
    상기 메인 기판 위에 수직 방향으로 적층되며, 적어도 두 개는 서로 다른 파장의 광을 출력하는 복수의 단위 발광 소자;
    상기 복수의 단위 발광 소자에 각각 수직으로 연결되어 상기 복수의 단위 발광 소자에서 각각 출력되는 광을 외부로 출력하는 복수의 광도파로; 및
    상기 메인 기판과 상기 복수의 단위 발광 소자 사이에 개재된 베이스 기판;을 포함하고,
    상기 복수의 단위 발광 소자는 상기 복수의 단위 발광 소자 중 최상부의 단위 발광 소자의 상부로 광을 출력하고,
    상기 복수의 단위 발광 소자는,
    상기 베이스 기판 위에 적층되며, 제1 파장의 광을 출력하는 제1 단위 발광 소자;
    상기 제1 단위 발광 소자의 상부에 적층되며, 제2 파장의 광을 출력하는 제2 단위 발광 소자; 및
    상기 제 2 단위 발광 소자의 상부에 적층되며, 제3 파장의 광을 출력하는 제3 단위 발광 소자;를 포함하며,
    상기 제1 파장의 광이 출력되는 상기 제1 단위 발광 소자의 영역이 노출되게 상기 제1 내지 제3 단위 발광 소자에 수직으로 제1 광 출력 홈이 형성되고,
    상기 제2 파장의 광이 출력되는 상기 제2 단위 발광 소자의 영역이 노출되게 상기 제2 및 제3 단위 발광 소자에 수직으로 제2 광 출력 홈이 형성되고,
    상기 제3 파장의 광이 출력되는 상기 제3 단위 발광 소자의 영역이 노출되게 상기 제3 단위 발광 소자에 수직으로 제3 광 출력 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 수직 적층형 다중 파장 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 단위 발광 소자는 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED)인 것을 특징으로 하는 수직 적층형 다중 파장 발광 소자.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제2항에 있어서, 상기 제1 내지 제3 단위 발광 소자는 각각,
    제1 반도체층;
    상기 제1 반도체층 위에 형성되며 광을 출력하는 활성층; 및
    상기 활성층 위에 형성되는 제2 반도체층;을 포함하며,
    상기 제1 내지 제3 광 출력 홈은 상기 제1 내지 제3 단위 발광 소자의 활성층이 노출되게 형성되는 것을 특징으로 하는 수직 적층형 다중 파장 발광 소자.
  6. 제2항에 있어서, 상기 복수의 광도파로는,
    상기 제1 광 출력 홈에 결합되는 제1 광도파로;
    상기 제2 광 출력 홈에 결합되는 제2 광도파로; 및
    상기 제3 광 출력 홈에 결합되는 제3 광도파로;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 적층형 다중 파장 발광 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 광도파로에서 출력되는 제1 내지 제3 파장의 광은 청색, 녹색 및 적색인 것을 특징으로 하는 수직 적층형 다중 파장 발광 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 광도파로 중 적어도 하나는 파이버 브래그 그레이팅(fiber bragg grating; FBG) 구조를 갖는 광도파로인 것을 특징으로 하는 수직 적층형 다중 파장 발광 소자.
  9. 삭제
  10. 메인 기판;
    상기 메인 기판 위에 수직 방향으로 적층되며, 적어도 두 개는 서로 다른 파장의 광을 출력하는 복수의 단위 발광 소자;
    상기 복수의 단위 발광 소자에 각각 수직으로 연결되어 상기 복수의 단위 발광 소자에서 각각 출력되는 광을 외부로 출력하는 복수의 광도파로; 및
    상기 복수의 단위 발광 소자의 상부에 적층되는 베이스 기판;을 포함하고,
    상기 복수의 단위 발광 소자는 상기 베이스 기판의 상부로 광을 출력하고,
    상기 복수의 단위 발광 소자는,
    상기 베이스 기판 위에 적층되며, 제1 파장의 광을 출력하는 제1 단위 발광 소자;
    상기 제1 단위 발광 소자의 상부에 적층되며, 제2 파장의 광을 출력하는 제2 단위 발광 소자; 및
    일면은 상기 제 2 단위 발광 소자의 상부에 적층되며, 상기 일면에 반대되는 타면은 상기 메인 기판에 적층되며, 제3 파장의 광을 출력하는 제3 단위 발광 소자;를 포함하며,
    상기 제1 파장의 광이 출력되는 상기 제1 단위 발광 소자의 영역이 노출되게 상기 베이스 기판 및 제1 단위 발광 소자에 수직으로 제1 광 출력 홈이 형성되고,
    상기 제2 파장의 광이 출력되는 상기 제2 단위 발광 소자의 영역이 노출되게 상기 베이스 기판, 상기 제1 및 제2 단위 발광 소자에 수직으로 제2 광 출력 홈이 형성되고,
    상기 제3 파장의 광이 출력되는 상기 제1 단위 발광 소자의 영역이 노출되게 상기 베이스 기판, 상기 제1 내지 제3 단위 발광 소자에 수직으로 제3 광 출력 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 수직 적층형 다중 파장 발광 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 단위 발광 소자는 레이저 다이오드(Laser Diode; LD)인 것을 특징으로 하는 수직 적층형 다중 파장 발광 소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 메인 기판, 제1 내지 제3 단위 발광 소자 및 베이스 기판 사이에 각각 형성된 DBR(Distributed Bragg Reflector)층;을 더 포함하며,
    상기 제1 내지 제3 광 출력 홈은 상기 제1 내지 제3 단위 발광 소자 상부의 DBR층이 노출되게 형성되는 것을 특징으로 하는 수직 적층형 다중 파장 발광 소자.
  13. 제11항에 있어서, 상기 복수의 광도파로는,
    상기 제1 광 출력 홈에 결합되는 제1 광도파로;
    상기 제2 광 출력 홈에 결합되는 제2 광도파로; 및
    상기 제3 광 출력 홈에 결하되는 제3 광도파로;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 적층형 다중 파장 발광 소자.
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