KR102056619B1 - 반도체 발광소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층이 순차적으로 적층된 발광구조물; 및 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층과 각각 전기적으로 연결된 제1 및 제2 전극;을 포함하며, 상기 제2 전극은, 상기 제2 도전형 반도체층의 상면 중 일 영역에 형성된 패드 반사부; 상기 패드 반사부와 닿지 않는 범위 내에서 상기 패드 반사부를 둘러싸는 개구부를 가지며 상기 제2 도전형 반도체층 상에 형성되는 투명전극층; 상기 패드 반사부에 연장되어 형성되며 적어도 일부는 상기 투명전극층 상에 형성되는 핑거 반사부; 상기 패드 반사부를 덮으며 상기 투명전극층과 접하는 패드 전극부; 및 상기 핑거 반사부를 덮으며 상기 투명전극층과 접하는 핑거 전극부; 를 포함하여, 반도체 발광소자의 광추출 효율이 더욱 향상되는 효과가 있다.

Description

반도체 발광소자{Semiconductor Light Emitting Device}
본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것이다.
발광 다이오드는 전기에너지를 이용하여 소자 내에 포함되어 있는 물질이 빛을 발광하는 소자로서, 접합된 반도체의 전자와 정공이 재결합하며 발생하는 에너지를 광으로 변환하여 방출한다. 이러한 발광 다이오드는 현재 조명, 표시장치 및 광원으로서 널리 이용되며 그 개발이 가속화되고 있는 추세이다.
특히, 최근 그 개발 및 사용이 활성화된 질화갈륨(GaN)계 발광 다이오드를 이용한 휴대폰 키패드, 턴 시그널 램프, 카메라 플래쉬 등의 상용화에 힘입어, 최근 발광 다이오드를 이용한 일반 조명 개발이 활기를 띠고 있다. 대형 TV의 백라이트 유닛 및 자동차 전조등, 일반 조명 등 그의 응용제품과 같이, 발광소자의 용도가 점차 대형화, 고출력화, 고효율화된 제품으로 진행하고 있으므로 이와 같은 용도에 사용되는 발광소자의 광추출 효율을 향상시키기 위한 방법이 요청되고 있다.
당 기술분야에서는, 광추출 효율이 더욱 향상된 반도체 발광소자가 요청되고 있다.
본 발명의 일 실시형태에 의한 반도체 발광소자는 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층이 순차적으로 적층된 발광구조물; 및 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층과 각각 전기적으로 연결된 제1 및 제2 전극;을 포함하며, 상기 제2 전극은, 상기 제2 도전형 반도체층의 상면 중 일 영역에 형성된 패드 반사부; 상기 패드 반사부와 닿지 않는 범위 내에서 상기 패드 반사부를 둘러싸는 개구부를 갖으며 상기 제2 도전형 반도체층 상에 형성되는 투명전극층; 상기 패드 반사부에 연장되어 형성되며 적어도 일부는 상기 투명전극층 상에 형성되는 핑거 반사부; 상기 패드 반사부를 덮으며 상기 투명전극층과 접하는 패드 전극부; 및 상기 핑거 반사부를 덮으며 상기 투명전극층과 접하는 핑거 전극부;를 포함한다.
상기 제2 도전형 반도체층의 상면 중 상기 패드 및 핑거 전극부의 하부에 대응되는 영역에는 전류차단층이 더 형성될 수 있다.
상기 전류차단층은 SiO2, SiOxNy, SixNy 및 Al2O3으로 구성된 그룹 중에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.
상기 패드 반사부는 상기 개구부의 측면과 일정간격 이격되어 형성될 수 있다.
상기 핑거 반사부와 상기 투명전극층의 계면에는 Cr, Ti 및 Ni로 구성된 그룹 중에서 적어도 하나 선택된 저반응층이 더 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에 의한 반도체 발광소자는 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층이 순차적으로 적층된 발광구조물; 및 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층과 각각 전기적으로 연결된 제1 및 제2 전극;을 포함하며, 상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나는 측면 중 일부에 형성된 돌출부를 구비하는 반사부, 및 상기 반사부와 닿지 않는 범위에서 상기 반사부를 둘러싸도록 개구부를 갖되 상기 개구부를 정의하는 내주면에는 상기 돌출부에 대응하는 형상의 음각 패턴이 형성된 투명전극층을 포함한다.
상기 개구부에 충진되어 상기 반사부를 덮으며 상기 투명전극층과 접하는 영역을 갖는 패드 전극부를 더 포함할 수 있다.
상기 음각패턴은 상기 개구부를 정의하는 내주면에 일정한 간격을 두고 상기 돌출부에 대응하는 형상이 반복적으로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
상기 돌출부는 상기 반사부의 측면에 형성되되, 복수의 사다리꼴 형상, 톱니 형상, 사각 형상 또는 정현파 형상으로 형성될 수 있다.
상기 패드 전극부는 상기 돌출부에 대응되는 영역에 핑거가 형성될 수 있다.
본 발명의 일실시 형태에 의한 반도체 발광소자는 반도체 발광소자의 광추출 효율이 더욱 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 의한 반도체 발광소자의 평면도이다.
도 2는 도 1의 반도체 발광소자를 I-I'축을 따라 절개한 측단면도이다.
도 3는 도 1의 반도체 발광소자를 II-II'축을 따라 절개한 측단면도이다.
도 4는 도 1의 제2 전극부를 부분절개한 사시도이다.
도 5는 도 1의 반도체 발광소자의 변형예이다.
도 6a, 도 7a, 도 8a, 도 9a는 도 5의 반도체 발광소자의 제조공정을 I-I'축을 기준으로 도시한 단면도이다.
도 6b, 도 7b, 도 8b, 도 9b는 도 5의 반도체 발광소자의 제조공정을 II-II'축을 기준으로 도시한 단면도이다.
도 10은 다른 실시형태에 의한 반도체 발광소자의 평면도이다.
도 11은 또 다른 실시형태에 의한 반도체 발광소자의 평면도이다.
도 12는 도 11의 반도체 발광소자의 변형예이다.
도 13a 내지 도 13c는 도 11의 반도체 발광소자의 반사부의 변형예이다.
도 14는 일 실시형태의 반도체 발광소자가 패키지에 실장된 상태를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 15는 도 14의 패키지를 채용한 백라이트의 일 예를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 16은 도 14의 패키지를 채용한 백라이트의 다른 예를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 17은 일 실시형태의 반도체 발광소자를 조명장치에 적용한 예이다.
도 18은 일 실시형태의 반도체 발광소자를 헤드 램프에 적용한 예이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 의한 반도체 발광소자의 평면도이고, 도 2는 도 1의 반도체 발광소자를 I-I'축을 따라 절개한 측단면도이며, 도 3는 도 1의 반도체 발광소자를 II-II'축을 따라 절개한 측단면도이고, 도 4는 도 1의 제2 전극부를 부분절개한 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 일 실시형태에 의한 반도체 발광소자(100)는 발광구조물(120) 및, 제1 및 제2 전극(130, 140)을 포함한다.
상기 발광구조물(120)은 제1 및 제2 도전형 반도체층(122, 126) 및 활성층(124)을 포함한다. 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(122, 126)에 전원이 인가되면 활성층(124)에서 빛이 방출된다.
구체적으로, 상기 발광구조물(120)은 질화물 반도체층일 수 있으며, 상기 제1 도전형 반도체층(122)은 n형 반도체층을, 상기 제2 도전형 반도체층(126)은 p형 반도체층을 포함할 수 있다.
상기 n형 반도체층 및 p형 반도체층은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식을 갖는 n형 불순물 및 p형 불순물이 도핑된 반도체 물질로 형성될 수 있으며, 대표적으로, GaN, AlGaN, InGaN이 사용될 수 있다. 이때, 상기 x, y 값은 각각 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1 의 범위 내로 할 수 있다.
또한, 상기 n형 불순물로 Si, Ge, Se, Te 또는 C 등이 사용될 수 있으며, 상기 p형 불순물로는 Mg, Zn 또는 Be 등이 대표적이다.
본 실시형태에서는 제1 및 제2 도전형 반도체층(122, 126)으로 GaN층을 사용할 수 있으며, 상기 제1 도전형 반도체층(122)으로 n-GaN을, 상기 제2 도전형 반도체층(126)으로 p-GaN을 사용할 수 있다.
상기 발광 구조물(120)은 기판(101) 상에 유기금속 기상증착법(metal organic chemical vapor deposition ; MOCVD), 분자빔성장법(molecular beam epitaxy ; MBE) 및 수소 기상증착법(hydride vapor phase epitaxy ; HVPE)등으로 성장될 수 있다. 상기 기판(101)으로는 사파이어, 실리콘 카바이드(SiC), 실리콘(Si), MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2 또는 GaN 중의 어느 하나가 사용될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 본 실시형태에서는 사파이어 기판이 사용될 수 있다.
사파이어는 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 및 a축 방향의 격자상수가 각각 13.001Å과 4.758Å이며, C(0001)면, A(1120)면, R(1102)면 등을 갖는다. 이 경우, 상기 C면은 비교적 질화물 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 질화물 성장용 기판으로 주로 사용된다.
또한, 상기 제1 도전형 반도체층(122)의 하부에는 버퍼(buffer)층(110)이 더 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(110)은, 상기 기판(101) 상에 성장되는 발광구조물(120)의 격자 결함 완화를 위한 것으로, 질화물 등으로 이루어진 언도프 반도체층으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 기판(101)으로 이용되는 사파이어 기판과, 그 상면에 적층되는 GaN으로 이루어진 발광구조물(120)과의 격자상수 차이를 완화하여, GaN층의 결정성을 증대시킬 수 있다. 이때 버퍼층(110)은 언도프 GaN, AlN, InGaN 등이 적용될 수 있으며, 500 내지 600℃의 저온에서 수십 내지 수백 Å의 두께로 성장할 수 있다. 이 경우, 언도프라 함은 반도체층에 불순물 도핑 공정을 따로 거치지 않은 것을 의미하며, 반도체층에 본래 존재하던 수준의 불순물 농도, 예컨대, 질화갈륨 반도체를 MOCVD를 이용하여 성장시킬 경우, 도펀트로 사용되는 Si 등이 의도하지 않더라도 약 1014~ 1018/㎤인 수준으로 포함될 수 있다.
상기 활성층(124)은 가시광(약 350㎚∼680㎚ 파장범위)을 발광하기 위한 층일 수 있으며, 단일 또는 다중 양자 우물(multiple quantum well ; MQW )구조를 갖는 언도프된 질화물 반도체층으로 구성될 수 있다. 상기 활성층(124)은 양자우물층과 양자장벽층이 교대로 적층된 다중양자우물구조로　이루어지되, 예를 들어 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 양자장벽층과 양자우물층이 교대로 적층된 다중양자우물구조로서　형성되어 소정의 밴드 갭을 가지며, 이와 같은 양자 우물에 의해 전자 및 정공이 재결합되어 발광한다.
상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(122, 126)에는 각각 제1 및 제2 전극(130, 140)이 형성된다. 상기 제1 및 제2 전극(130, 140)은 각각 제1 및 제2 도전형 반도체층(122, 126)에 전기적으로 연결되어, 전원을 인가하면 상기 발광구조물(120)의 활성층(124)에서 빛이 방출되게 한다.
또한, 상기 제1 및 제2 전극(130, 140)은 외부 전기 신호 인가를 위하여 도전성 와이어나 솔더 범프 등과 접촉하는 영역으로 제공된다. 상기 제1 전극(130)은 발광구조물(120)에서 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)이 일부 제거되어 노출된 제1 도전형 반도체층(122)의 일부 상면에 형성될 수 있으며, 제2 전극(140)은 제2 도전형 반도체층(126) 상에 형성될 수 있다.
상기 제2 전극(140)은 투명전극층(142), 반사부(144) 및 전극부(146)을 포함한다.
상기 투명전극층(142)은 전류확산층으로서, 상기 제2 도전형 반도체층(126)의 상면에 형성된다. 상기 투명전극층(142)은 투명 전도성 산화물층으로 형성할 수 있으며, ITO(Indium Tin Oxide), ZITO(Zinc-doped Indium Tin Oxide), ZIO(Zinc Indium Oxide), GIO(Gallium Indium Oxide), ZTO(Zinc TinOxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), AZO(Aluminium-doped Zinc Oxide), GZO(Gallium-doped Zinc Oxide), In4Sn3O12 및 Zn(1-x)MgxO(Zinc Magnesium Oxide, 0≤x≤1)으로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다.
상기 투명전극층(142)의 적어도 일 영역에는 개구부(OP)가 형성되며, 상기 개구부(OP)에 노출된 제2 도전형 반도체층(126)의 상면에는 상기 반사부(144) 중 패드 반사부(144P)가 형성된다. 상기 개구부(OP)는 상면에서 보아 원형으로 보이도록 형성할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며, 다양한 형상으로 변형할 수도 있다.
상기 반사부(144)는 패드 반사부(144P)와 핑거 반사부(144F)로 구성되며, 각각 상기 패드 전극부(146P)와 상기 핑거 전극부(146F)의 하부에 형성되어 상기 활성층(124)에서 방출되는 광이 흡수되지 않도록 반사한다. 상기 반사부(144)는 표면 반사율이 향상되도록, 그 표면이 매끈하게 가공될 수 있다. 상기 반사부(144)는 고반사형 금속인 Al, Ag, Pt, Rh, Ru, Ni, Pd, Ir, Mg, Zn 및 Au로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다. 또한, 상기 반사부(144)는 약 2000Å의 두께(t1)로 형성할 수 있다. 또한, 상기 반사부(144)의 상부에는 Ti을 증착하여 상기 반사부(144)의 산화를 방지할 수도 있다.
상기 패드 반사부(144P)는 상기 투명전극층(142)의 개구부(OP) 내에 형성되되, 상기 개구부(OP)의 측면과 소정의 간격을 두고 형성된다. 상기 패드 반사부(144P)와 상기 투명전극층(142)이 접하게 되면, 상기 투명전극층(142)이 변색되어 상기 활성층(124)에서 방출되는 광의 외부 광추출효율이 저하될 수 있다. 따라서, 상기 패드 반사부(144P)는 상기 투명전극층(142)와 접하지 않도록 상기 개구부(OP) 내에 형성된다.
상기 핑거 반사부(144F)는 상기 패드 반사부(144P)에 연장되어 형성되며, 적어도 일부는 상기 투명전극층(142) 상에 형성된다. 상기 핑거 반사부(144F)는 상기 패드 반사부(144P) 보다 좁고 길게 형성하여 전류의 흐름을 향상시키는 데 유리한 형상으로 형성될 수 있다. 상기 핑거 반사부(144F)는 상기 패드 반사부(144P)에 비해 좁고 길게 형성되므로, 상기 투명전극층(142)과 접하여 변색되더라도 외부 광추출 효율에 미치는 영향이 상대적으로 적다. 그러나, 상기 투명전극층(142)이 핑거 반사부(144F)와 접하여 변색되는 것을 방지하기 위하여, 상기 투명전극층(142)과 핑거 반사부(144F)의 계면에 저반응층을 더 형성할 수도 있다.
상기 전극부(146)는 상기 반사부(144)를 덮으며, 상기 투명전극층(142)과 접하도록 형성된다. 상기 전극부(146)는 Au, Al 및 Ag 등과 같은그룹에서 선택된 전도성 물질을 포함할 수 있으며, 다층 구조를 이룰 수도 있다. 상기 전극부(146)는 상기 반사부(144)와 마찬가지로, 패드 전극부(146P)와 핑거 전극부(146F)로 구성되며, 각각 패드 반사부(144P)와 핑거 반사부(144F) 상에 배치된다.
도 1을 참조하여, 상기 투명전극층(142)의 개구부(OP), 반사부(144) 및 전극부(146)의 일 실시예를 구체적으로 설명한다. 상기 투명전극층(142)의 개구부(OP)는 지름이 D2인 원형으로 형성될 수 있으며, 상기 패드 반사부(144P)는 상기 D2 보다 작은 지름(D1)을 가지는 원형으로 형성될 수 있다. 상기 핑거 반사부(144F)는 상기 패드 반사부(144P)보다 좁고 긴 형상으로 형성하되, 상기 핑거 반사부(144F)의 일단은 상기 패드 반사부(144P)에 연장되며, 타단은 투명전극층(142) 상에 배치되도록 형성한다.
또한, 패드 전극부(146P)는 상기 개구부(OP)를 덮도록 상기 개구부(OP)보다 큰 지름(D3)으로 형성하고, 상기 패드 전극부(146P)에서 연장되는 핑거 전극부(146F)는 상기 핑거 반사부(144F)를 덮도록 상기 패드 전극부(146P) 보다 좁고 긴 형상으로 형성될 수 있다.
이와 같은 구성의 상기 반도체 발광소자(100)는 상기 전극부(146)의 하부에 반사부(144)가 배치되므로, 상기 전극부(146)에 흡수되는 광을 반사하여, 외부 광추출 효율이 향상되는 효과가 있다. 특히 핑거 전극부(146F)의 하부에도 핑거 반사부(144F)가 배치되므로, 외부 광추출 효율이 더욱 향상된다. 아래의 표1의 실험 데이터를 참조할때, 반사부(144)가 형성된 실시예(반사부)는 대비군(Ref)에 비해 약 2~4%의 광량이 향상되는 효과를 확인할 수 있다.
PKG1 PKG2 PKG3 PKG4
Ref 반사부 Ref 반사부 Ref 반사부 Ref 반사부
광속비 100.00% 102.62% 100.00% 103.84% 100.00% 101.25% 100.00% 103.46%
실측비 104.40% 102.90% 101.00% 101.50%
도 5는 도 1의 반도체 발광소자(100)의 변형예를 나타낸 도면이다. 도 5의 반도체 발광소자(200)의 경우, 제2 도전형 반도체층(226)의 상면 중 패드 전극부(246P) 및 핑거 전극부(246F)의 하부에 대응되는 영역에 전류차단층(241)이 더 형성되고, 상기 투명전극층(242)과 핑거반사부(244F)의 계면에는 저반응층(244)이 더 형성된 것을 특징으로 한다. 이와 같이, 전류차단층(241)을 더 형성하면, 상기 패드 전극부(246P) 및 상기 핑거 전극부(246F)에서 유입되는 전류가 상기 전류차단층(241)에 의해 차단되어 분산되게 되므로, 전류가 상기 패드 전극부(246P) 및 상기 핑거 전극부(246F)의 하부에 집중되는 현상을 완화시킬 수 있다. 상기 전류차단층(241)은 SiO2, SiOxNy, SixNy 및 Al2O3으로 구성된 그룹 중에서 선택된 투명한 절연물질로 형성될 수 있으며, 본 실시예에서는 SiO2를 사용하여 형성될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 저반응층(244)는 상기 투명전극층(242)이 핑거 반사부(244F)와 접하여 변색되는 것을 방지하기 위하여 형성된다. 상기 저반응층(244)은 Cr, Ti 및 Ni과 같은 반응성이 낮은 금속으로 형성될 수 있으며, 약 5 ~ 50Å의 두께(t2)로 형성하여 광의 흡수가 최소한도로 제한될 수 있도록 한다.
도 10은 다른 실시형태의 반도체 발광소자(300)을 도시한 도면이다. 도 10의 반도체 발광소자(300)는 제1 전극(330)이 반도체 발광소자(300)의 중앙부분에 배치되는 차이점이 있으며, 제2 전극(340)에 복수개의 핑거가 연장된 점에서 차이점이 있다. 따라서, 도 1에 도시된 반도체 발광소자(100)에 비하여 전류의 확산에 더욱 유리한 장점이 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시형태에 의한 반도체 발광소자(400)의 평면도이다.
본 실시 형태의 경우, 앞서 설명한 일 실시 형태와 비교하여, 제2 전극(440)의 구조가 다르다. 그 외의 구성은 일 실시 형태와 같으므로, 일 실시형태와 다른 구성을 중심으로 설명한다.
도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시 형태에 의한 반도체 발광소자(400)는, 앞서 설명한 일 실시형태의 제1 및 제2 도전형 반도체층(122, 126), 활성층(124) 및 제1 전극(430)을 포함하며, 돌출부(444a)를 구비하는 반사부(444) 및 이에 대응하는 음각패턴(442a)를 구비하는 투명전극층(420)을 포함한다.
상기 투명전극층(442)의 적어도 일 영역에는 개구부(OP)가 형성되며, 상기 개구부(OP)에는 반사부(444)가 형성된다.
상기 반사부(444)는 둘레에 돌출부(444a)가 형성되며, 상기 반사부(444)의 표면 반사율이 향상되도록, 그 표면이 매끈하게 가공될 수 있다. 상기 반사부(444)는 고반사형 금속인 Al, Ag, Pt, Rh, Ru, Ni, Pd, Ir, Mg, Zn 또는 Au로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나로 형성될 수 있다.
상기 돌출부(444a)는 상기 반사부(444)의 측면에 연장하여 형성된다. 상기 돌출부(444a)는 상기 개구부(OP)에 노출된 상기 제2 도전형 반도체층과 접하도록 형성되며, 다양한 형상을 갖도록 형성될 수 있다.
이때, 상기 돌출부(444a)는 반사부(444)의 중심부를 기준으로 일정한 각도마다 반복된 형상을 갖도록 형성될 수도 있다. 구체적으로, 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 반사부(444)의 중심부를 기준으로 120°마다 반복된 형상이 형성되도록 할 수 있다. 또한, 도 13에 도시된 바와 같이, 사다리꼴 형상이 반복하여 형성되게 할 수 있으며(도 13(a)), 톱니형상이 반복하여 형성되게도 할 수 있으며(도 13(b)), 정현파 형상이 반복하여 형성되게 할 수도 있다(도 13(c)).
앞서 설명한 바와 같이, 상기 반사부(444)는 상기 투명전극층(442)에 접하여 형성될 경우, 상기 투명전극층(442)이 변색되어 광투광율이 저하되는 문제점이 발생하므로, 상기 반사부(444)는 상기 투명전극층(442)과 닿지 않도록 간격을 두고 형성된다.
이때, 상기 반사부(444)와 상기 투명전극층(442)과의 간격(D6)이 너무 넓으면, 상기 반사부(444)를 덮는 전극부(446)와 상기 투명전극층(442)이 접하는 영역이 넓어지게 되어, 반도체 발광소자(400)의 발광영역이 감소되는 문제점이 발생한다.
반면에, 상기 반사부(444)과 상기 투명전극층(442)과의 간격(D6)이 너무 좁으면, 제조공정 상의 오차에 의해 상기 반사부(444)와 상기 투명전극층(442)이 접하여 형성되기 쉬우므로, 적절한 간격으로 형성되는 것이 바람직하다. 본 발명의 실시형태에서 상기 반사부(444)과 상기 투명전극층(442)은 3 ~ 6㎛의 간격을 두고 형성될 수 있다.
상기 투명전극층(442)은 상기 반사부(444)와 닿지 않는 범위에서 상기 반사부(444)을 둘러싸는 형상의 개구부(OP)를 갖되, 상기 개구부(OP)를 정의하는 내주면에는 상기 돌출부(444a)에 대응하는 형상의 음각 패턴(442a)이 형성된다.
상기 투명전극층(442)의 개구부(OP)에는 상기 반사부(444)를 덮도록 전극부(446)가 형성된다. 상기 전극부(446)는 상기 개구부(OP)에 충진되되 상기 투명전극층(442)과 접하는 영역을 갖도록 형성된다.
상기 전극부(446)는 Au, Al 및 Ag로 구성된 그룹 중에서 선택된 적어도 하나로 형성될 수 있다.
이와 같은 구성의 반도체 발광소자(400)는 제한된 전극부(446)의 하부에 더욱 넓은 면적의 반사부(444)가 형성될 수 있으므로, 기존의 반도체 발광소자에 비해 광추출 효율이 향상된다.
도 11를 참조하여 구체적으로 설명하면, 기존의 반도체 발광소자의 전극부 하부에는 직경(D4)이 85㎛인 반사부가 형성되었다면, 본 발명의 경우, 종래의 반사부에 비하여 6㎛의 폭(D5)을 가진 돌출부(444a)가 더 형성될 수 있다.
따라서, 기존의 반사부가 전극부 면적의 약 65% 정도를 가지는데 반해, 본 발명의 전극부(446)는 80 ~ 90%의 면적에 해당하는 반사부(444)를 가지게 되어, 반사부(444)의 면적이 증가된다. 따라서, 활성층에서 방출된 광이 상기 전극부(446)에 흡수되어 외부로 방출되지 못하는 영역(D7)이 감소된다.
일반적으로, 제2 전극(440)의 전극부(446)는 발광영역의 확보를 위해 제한된 면적을 갖도록 배치된다. 따라서, 전극부(446)의 하부에 형성된 반사부(444)의 크기를 과도하게 크게 하면, 투명전극층(442)과 전극부(446)가 접하는 면적이 감소되어 전류의 양이 감소되는 문제점이 발생한다.
본 발명은, 반사부(444)에 돌출부(444a)를 형성함으로써, 제한된 면적의 전극부(446)의 하부에, 면적이 증가된 반사부(444)를 형성하면서도 전극부(446)와 투명전극층(442)이 접하는 면적이 감소되는 것을 완화하였다. 따라서, 전류의 양이 감소되는 문제점을 완화된다.
따라서, 본 발명의 경우, 기존의 반도체 발광소자에 비해 출력이 향상되며, 구체적으로 기존의 반도체 발광소자와 대비하여 약 1%의 출력 향상을 가져올 수 있다.
또한, 본 발명의 경우 상기 돌출부(444a)가 형성됨으로써, 발광구조물(420)의 제2도전형 반도체층과 상기 반사부(444) 간의 접촉면적이 증가하게 된다. 따라서, 상기 반사부(444)가 제2 도전형 반도체층에 더욱 견고하게 부착되어 있을 수 있다. 따라서, 상기 반사부(444)가 제2 도전형 반도체층의 표면에서 박리되어 분리되는 현상이 감소되는 효과가 있다.
또한, 상기 반사부(444)와 상기 전극부(446)의 접촉면적도 증가하므로, 상기 반사부(444)와 상기 전극부(446)의 결합력이 더욱 상승하게 되어, 상기 반사부(444)와 상기 전극부(446)가 서로 분리되는 문제점이 감소되는 효과가 있다.
다음으로, 도 6 내지 도 9를 참조하여, 도 5에 도시된 반도체 발광소자(200)의 제조방법에 대해 설명한다.
도 6a, 도 7a, 도 8a, 도 9a는 도 5의 반도체 발광소자(200)의 제조공정을 I-I'축을 기준으로 도시한 단면도이고, 도 6b, 도 7b, 도 8b, 도 9b는 도 5의 반도체 발광소자(200)의 제조공정을 II-II'축을 기준으로 도시한 단면도이다.
먼저, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 준비된 기판(210)에 버퍼층(210), 발광구조물(220) 및 전류차단층(241)을 형성한다. 상기 버퍼층(210)은 경우에 따라서 형성하지 않을 수도 있다. 상기 버퍼층(210) 상에는 제1 및 제2 도전형 반도체층(222, 226) 및 그 사이의 활성층(224)으로 구성된 발광구조물(220)을 형성한다.
상기 발광구조물(220)은 유기금속 기상증착법(metal organic chemical vapor deposition ; MOCVD), 분자빔성장법(molecular beam epitaxy ; MBE) 및 하이브리드 기상증착법(hydride vapor phase epitaxy ; HVPE) 등으로 성장될 수 있다.
상기 전류 차단층(241)은 상기 제2 도전형 반도체층(226) 상에 제2 전극을 형성하려는 영역에 형성된다. 상기 전류차단층(241)은 절연물질로 형성될 수 있으며, 본 실시예에서는 SiO2를 사용하여 형성될 수 있다.
다음으로, 도7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 상기 전류차단층(241)을 덮도록 상기 제2 도전형 반도체층(226) 상에 투명전극층(242)을 형성하고, 상기 투명전극층(242) 중 제2 전극을 형성할 위치에 개구부(OP)를 형성한다. 또한, 상기 투명전극층(242), 제2 도전형 반도체층(226) 및 활성층(224)을 식각하여 메사면(M)을 형성한다.
다음으로, 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 상기 메사면(M)에 노출된 제1 도전형 반도체층(222) 및 상기 개구부(OP)에 각각 패드 반사부(234, 244P)가 형성된다. 상기 패드 반사부(244P)는 상기 투명전극층(242)의 개구부(OP)에 형성된다. 상기 패드 반사부(244P)와 상기 투명전극층(242)이 접하게 되면, 상기 투명전극층(242)이 변색되어 상기 활성층(224)에서 방출되는 광의 외부 광추출효율이 저하되므로, 상기 패드 반사부(244P)는 상기 투명전극층(242)와 접하지 않도록 상기 개구부(OP) 내에 형성한다.
상기 핑거 반사부(244F)의 일단은 상기 패드 반사부(244P)에서 연장되어 형성되되, 일부분은 상기 투명전극층(242) 상에 형성된다. 또한, 상기 핑거 반사부(244F) 중 일부는 상기 투명전극층(242) 상에 형성된다. 이때, 앞서 설명한 바와 동일하게, 핑거 반사부(244F)와 상기 투명전극층(242)이 접하게 되면, 상기 투명전극층(242)이 변색되게 되므로, 상기 핑거 반사부(244F)와 상기 투명전극층(242)의 계면에는 저반응층(245)을 형성하여, 상기 투명전극층(242)이 변색되는 것을 방지할 수도 있다. 구체적으로, 상기 저반응층(245)은 약 5 ~ 50Å의 두께로 형성될 수 있다.
다음으로, 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이, 상기 패드 반사부(244P) 및 상기 핑거 반사부(244F)를 덮으며, 상기 투명전극층(244)과 접하도록, 패드 전극부(246P)와 핑거 전극부(246F)를 형성한다. 또한, 제1 도전형 반도체층(222) 상에 형성된 패드 반사부(234) 상에도 패드 전극부(236)을 형성한다.
이와 같은 과정을 거치면, 상기 반도체 발광소자(200)가 완성된다.
도 14는 본 발명의 실시예에 의한 반도체 발광소자(100)를 패키지에 적용한 예를 나타낸다. 도 14의 패키지(1000)는 반도체 발광소자(1001), 패키지 본체(1002) 및 한 쌍의 리드 프레임(1003)을 구비하며, 반도체 발광소자(1001)는 리드 프레임(1003)에 실장되어 와이어(W)를 통하여 리드 프레임(1003)과 전기적으로 연결될 수 있다. 물론, 반도체 발광소자(1001)는 리드 프레임(1003) 아닌 다른 영역, 예컨대, 패키지 본체(1002)에 실장될 수도 있을 것이다. 패키지 본체(1002)는 도 11에 도시된 것과 같이, 빛의 반사 효율이 향상되도록 컵 형상을 가질 수 있으며, 이러한 반사컵에는 반도체 발광소자(1001)와 와이어(W) 등을 봉지하도록 투광성 물질이 채워질 수 있다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 실시예에 의한 반도체 발광소자를 백라이트 유닛에 적용한 예를 나타낸다. 도 15을 참조하면, 백라이트 유닛(2000)은 기판(2002) 상에 광원(2001)이 실장되며, 그 상부에 배치된 하나 이상의 광학 시트(2003)를 구비한다. 광원(2001)은 앞서 설명한 구조 또는 이와 유사한 구조를 갖는 발광소자 패키지를 이용할 수 있으며, 또한, 반도체 발광소자를 직접 기판(2002)에 실장(소위 COB 타입)하여 이용할 수도 있다. 도 15의 백라이트 유닛(2000)에서 광원(2001)은 액정표시장치가 배치된 상부를 향하여 광을 방사하는 것과 달리, 도 16에 도시된 다른 예의 백라이트 유닛(3000)은 기판(3002) 위에 실장된 광원(3001)이 측 방향으로 광을 방사하며, 이렇게 방사된 광은 도광판(3003)에 입사되어 면광원의 형태로 전환될 수 있다. 도광판(3003)을 거친 광은 상부로 방출되며, 광 추출 효율을 향상시키기 위하여 도광판(3003)의 하면에는 반사부(3004)가 배치될 수 있다.
도 17은 본 발명의 실시예에 의한 반도체 발광소자를 조명 장치(4000)에 적용한 예를 나타낸다. 도 17의 분해사시도를 참조하면, 조명장치(4000)는 일 예로서 벌브형 램프로 도시되어 있으며, 발광모듈(4003)과 구동부(4008)와 외부접속부(4010)를 포함한다. 또한, 외부 및 내부 하우징(4006, 4009)과 커버부(4007)와 같은 외형구조물을 추가적으로 포함할 수 있다. 발광모듈(4003)은 상술된 반도체 발광소자(4001)와 그 발광소자(4001)가 탑재된 회로기판(4002)을 가질 수 있다. 본 실시형태에서는, 1개의 반도체 발광소자(4001)가 회로기판(4002) 상에 실장된 형태로 예시되어 있으나, 필요에 따라 복수 개로 장착될 수 있다. 또한, 반도체 발광소자(4001)가 직접 회로기판(4002)에 실장되지 않고, 패키지 형태로 제조된 후에 실장될 수도 있다.
이때, 외부 하우징(4006)은 발광모듈(4003)과 직접 접촉되어 방열효과를 향상시키는 열방출판(4004) 및 상기 열방출판(4004)의 열을 공기 중으로 발산시키는 방열핀(4005)을 포함할 수 있다. 또한, 조명장치(4000)는 발광모듈(4003) 상에 장착되며 볼록한 렌즈형상을 갖는 커버부(4007)를 포함할 수 있다. 구동부(4008)는 내부 하우징(4009)에 장착되어 소켓구조와 같은 외부접속부(4010)을 통해 외부 전원으로부터 전원을 제공받을 수 있다. 또한, 구동부(4008)는 발광모듈(4003)의 반도체 발광소자(4001)를 구동시킬 수 있는 적정한 전류원으로 변환시켜 제공하는 역할을 한다. 예를 들어, 이러한 구동부(4008)는 AC-DC 컨버터 또는 정류회로부품 등으로 구성될 수 있다.
도 18은 본 발명의 실시예에 의한 반도체 발광소자를 헤드 램프에 적용한 예를 나타낸다. 도 18을 참조하면, 차량용 라이트 등으로 이용되는 헤드 램프(5000)는 광원(5001), 반사부(5005), 렌즈 커버부(5004)를 포함하며, 렌즈 커버부(5004)는 중공형의 가이드(5003) 및 렌즈(5002)를 포함할 수 있다. 또한, 헤드 램드(5000)는 광원(5001)에서 발생된 열을 외부로 방출하는 방열부(6012)를 더 포함할 수 있으며, 방열부(5012)는 효과적인 방열이 수행되도록 히트싱크(5010)와 냉각팬(5011)을 포함할 수 있다. 또한, 헤드 램프(5000)는 방열부(5012) 및 반사부(5005)를 고정시켜 지지하는 하우징(5009)을 더 포함할 수 있으며, 하우징(5009)은 일면에 방열부(5012)가 결합하여 장착되기 위한 중앙홀(5008)을 구비할 수 있다. 또한, 하우징(5009)은 상기 일면과 일체로 연결되어 직각방향으로 절곡되는 타면에 반사부(5005)가 광원(5001)의 상부측에 위치하도록 고정시키는 전방홀(5007)을 구비할 수 있다. 이에 따라, 반사부(5005)에 의하여 전방측은 개방되며, 개방된 전방이 전방홀(5007)과 대응되도록 반사부(5005)가 하우징(5009)에 고정되어 반사부(5005)를 통해 반사된 빛이 전방홀(5007)을 통과하여 외부로 출사될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
100: 반도체 발광소자
101: 기판
110: 버퍼층
120: 발광구조물
122: 제1 도전형 반도체층
124: 활성층
126: 제2 도전형 반도체층
130: 제1 전극
140: 제2 전극
142: 투명전극층
144: 반사부
146: 전극부

Claims (10)

  1. 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층이 순차적으로 적층된 발광구조물; 및
    상기 제1 및 제2 도전형 반도체층과 각각 전기적으로 연결된 제1 및 제2 전극;을 포함하며,
    상기 제2 전극은,
    상기 제2 도전형 반도체층의 상면 중 일 영역에 형성된 패드 반사부;
    상기 패드 반사부와 닿지 않는 범위 내에서 상기 패드 반사부를 둘러싸는 개구부를 갖으며 상기 제2 도전형 반도체층 상에 형성되는 투명전극층;
    상기 패드 반사부에 연장되어 형성되며 적어도 일부는 상기 투명전극층 상에 형성되는 핑거 반사부;
    상기 패드 반사부를 덮으며 상기 투명전극층과 접하는 패드 전극부; 및
    상기 핑거 반사부를 덮으며 상기 투명전극층과 접하는 핑거 전극부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층의 상면 중 상기 패드 및 핑거 전극부의 하부에 대응되는 영역에는 전류차단층이 더 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전류차단층은 SiO2, SiOxNy, SixNy 및 Al2O3으로 구성된 그룹 중에서 선택된 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 패드 반사부는 상기 개구부의 측면과 일정간격 이격되어 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 핑거 반사부와 상기 투명전극층의 계면에는 Cr, Ti 및 Ni로 구성된 그룹 중에서 적어도 하나 선택된 저반응층이 더 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  6. 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층이 순차적으로 적층된 발광구조물; 및
    상기 제1 및 제2 도전형 반도체층과 각각 전기적으로 연결된 제1 및 제2 전극;을 포함하며,
    상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나는 측면 중 일부에 형성된 돌출부를 구비하는 반사부, 상기 반사부와 닿지 않는 범위에서 상기 반사부를 둘러싸도록 개구부를 갖되 상기 개구부를 정의하는 내주면에는 상기 돌출부에 대응하는 형상의 음각패턴이 형성된 투명전극층, 및 상기 개구부에 충진되어 상기 반사부를 덮으며 상기 투명전극층과 접하는 영역을 갖는 패드 전극부를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 음각패턴은 상기 개구부를 정의하는 내주면에 일정한 간격을 두고 상기 돌출부에 대응하는 형상이 반복적으로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 돌출부는 상기 반사부의 측면에 형성되되, 복수의 사다리꼴 형상, 톱니 형상, 사각 형상 또는 정현파 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 패드 전극부는 상기 돌출부에 대응되는 영역에 핑거가 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
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