KR102170214B1 - 발광 소자 - Google Patents

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KR102170214B1
KR102170214B1 KR1020140009054A KR20140009054A KR102170214B1 KR 102170214 B1 KR102170214 B1 KR 102170214B1 KR 1020140009054 A KR1020140009054 A KR 1020140009054A KR 20140009054 A KR20140009054 A KR 20140009054A KR 102170214 B1 KR102170214 B1 KR 102170214B1
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음정현
이호준
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

실시예는 기판 상에 형성되며 적어도 하나 이상의 캐비티를 가지는 에피층; 상기 캐비티의 바닥면에 형성되며, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하여 이루어지는 발광 구조물; 및 상기 캐비티의 측벽과 상부면에 형성되는 광추출층을 포함하는 발광 소자를 제공하여 발광 각도의 조절 및 발광 효율을 개선할 수 있다.

Description

발광 소자{LIGHT EMITTNG DEVICE}
실시예는 발광소자에 관한 것이다.
반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광다이오드 (Light Emitting Diode)나 레이저다이오드와 같은 발광 소자는 박막 성장기술 및 소자 재료의 개발로 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광물질을 이용하거나 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색광선도 구현이 가능하며 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경친화성의 장점을 가진다.
따라서, 광통신수단의 송신모듈, LCD(Liquid Crystal Display) 표시장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 발광다이오드 백라이트, 형광등이나 백열전구를 대체할 수 있는 백색 발광다이오드 조명장치, 자동차 헤드라이트 및 신호등에까지 응용이 확대되고 있다.
질화물 기반의 반도체 재료를 이용한 발광다이오드 소자는 질화갈륨 (GaN)층과 공기층 사이의 굴절률 차이로 인하여 발광 소자의 활성층에서 생성된 광의 일부가 발광 소자의 반도체층들 및 활성층에서 재흡수되거나, GaN층과 공기층의 계면에서 발광 소자 내부로 회귀되는 내부전반사를 일으켜 광효율이 저하되는 문제가 있다.
이러한 광학 특성의 문제점을 해결하고, 광 효율이 우수한 발광 소자를 구현하기 위하여 플립칩 구조, Chip Shaping, 표면 요철 형성, 요철이 형성된 광사파이어 기판, 광결정 기술 등을 이용한 발광 소자를 개발하여 적용하고 있으나, 이러한 기술들은 표면 조화(Surface Roughening) 공정 수행으로 인하여 발광 다이오드(LED) 칩을 심각하게 손상시킬 수 있고, 칩 표면의 요철로 인한 빛의 스캐터링 효과 때문에 지향성을 가지는 광을 얻기가 힘들다는 문제가 여전히 존재한다.
도1은 종래의 발광 소자의 구조를 나타낸 것이며, 도2는 도1의 구조에서의 발광 현상을 개략적으로 나타낸 것이다.
도1에서 종래의 발광소자는 기판(10) 위에 복수 개의 발광 구조물(30)이 배치될 수 있고, 각각의 발광 구조물(30)은 제1 도전형 반도체층(31)과 활성층(32) 및 제2 도전형 반도체층(33)을 포함하여 이루어진다.
도2에서 도시된 바와 같이 종래의 발광소자의 활성층(32)에서 방출된 빛 중 일부는 발광 구조물(30)의 표면에서 전반사되어 발광소자의 내부로 재입사할 수 있어 발광된 빛의 손실이 있을 수 있다.
실시예는 발광 소자의 광효율을 향상시키고자 한다.
실시예는 기판 상에 형성되며 적어도 하나의 캐비티를 가지는 에피층; 상기 캐비티의 바닥 면에 형성되며, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하여 이루어지는 발광 구조물; 및 상기 캐비티의 측벽과 상부면에 형성되는 광추출층을 포함하는 발광 소자를 제공한다.
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광추출층의 굴절률(n)은 1<n<2.5일 수 있다.
상기 광추출층은 적어도 2개 이상의 층으로 이루어질 수 있고, 상기 광추출층이 2개 이상의 층으로 된 경우 서로 굴절률이 다른 층으로 이루어질 수 있다.
상기 광추출층을 이루는 2개 이상의 층은 에피층에 인접하는 제1층과 상기 제1층 상에 배치되는 제2층을 포함하고, 상기 제1층의 굴절률이 제2층의 굴절률보다 더 큰 값을 가질 수 있다.
다른 실시예는 상술한 발광 소자의 에피층 하부에 반사층을 더 포함하는 발광 소자를 제공한다.
실시예에 따른 발광소자는 광추출층을 이용하여 광도 향상의 효과를 가질 수 있으며, 에피층에 형성된 캐비티 구조로 인하여 발광 각도의 제어가 가능하며, 발광 소자의 크기에 비하여 높은 발광 효율을 나타낼 수 있다.
도 1은 종래의 발광 소자를 나타낸 도면이고,
도 2는 종래 발광 소자에서의 발광 현상을 나타낸 도면이고,
도 3은 발광소자의 일 실시예를 나타낸 도면이고,
도 4는 캐비티의 형상을 상세히 나타낸 도면이고,
도 5a 내지 5b는 캐비티와 발광 구조물의 배열의 실시예들을 나타낸 도면이고,
도 6은 2개 이상의 층으로 이루어진 광추출층을 나타낸 도면이고,
도 7a 내지 7c는 캐비티 측벽의 경사 각도에 따른 발광각 조절의 실시예를 나타낸 도면이고,
도 8은 반사층을 포함한 실시예를 나타낸 도면이고
도 9a 내지 9c는 반사층 패턴의 실시예를 나타낸 도면이고,
도 10a 내지 10e는 발광소자 제조방법의 일 실시예를 나타낸 도면이고,
도 11은 발광소자가 배치된 발광소자 패키지의 일 실시예를 나타낸 도면이고,
도 12는 발광소자가 배치된 백라이트 유닛의 일 실시예를 나타낸 도면이고,
도 13은 발광소자가 배치된 조명장치의 일 실시예를 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 두 개의 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)"로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 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 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도3은 일 실시예에 따른 발광 소자의 단면도를 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 발광 소자는 기판(110), 에피층(120), 발광 구조물(130) 및 광추출층(140)을 포함할 수 있다.
상기 기판(110)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질, 캐리어 웨이퍼로 형성될 수 있고, 열 전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있으며, 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함할 수 있다. 예컨대, 기판은 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP, Ge, Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
에피층(120)은 적어도 하나 이상의 캐비티를 가질 수 있으며, 에피층(120)은 질화갈륨(GaN) 에피층일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 상기 기판(110)과 발광 구조물(130)에 따라 그 종류가 달라질 수 있다.
도4에 도시된 바와 같이, 에피층에 형성되는 캐비티는 일정한 형상으로 반복되어 형성될 수 있고, 각각의 캐비티는 바닥면(120a)과 측벽(120b)을 가지며, 상기 캐비티의 측벽(120b)은 상기 캐비티의 바닥면(120a)으로부터 90도 내지 135도의 각도를 가질 수 있다.
상기 캐비티 측벽의 경사면 각도가 90도 보다 작은 경우에는 각 발광 구조물로부터 방출되는 광의 출사각이 너무 좁아져서 핫 스팟이 생길 수 있으며, 경사면의 각도가 135도가 클 경우 광의 출사각이 넓어져 넓은 면적에서 발광효과를 가질 수 있으나, 이웃하는 발광 구조물에서 방출된 빛이 서로 겹쳐지면서 발광된 빛이 겹쳐진 부분에서 얼룩으로 보이는 문제점이 생길 수도 있다.
상기 캐비티는 그 높이와 폭이 발광 구조물의 크기에 따라 변동될 수 있으며, 캐비티 상부면(120c)의 폭(w)은 10nm(나노미터)내지 50nm일 수 있고, 바닥면으로부터 상부면(120c)까지의 높이(h)는 20nm 내지 200nm 일 수 있다. 상술한 캐비티 상부면(120c)의 폭(w)이 10nm보다 좁으면 인접한 발광 구조물(130)에서 방출되는 빛의 간섭이 발생할 수 있고, 50nm보다 넓으면 인접한 발광 구조물(130) 사이의 거리가 너무 커서 그 사이에 암부가 발생할 수 있다. 바닥면으로부터 상부면(120c)까지의 높이(h)가 20nm보다 커야 발광 구조물(130)사이의 격벽으로 작용할 수 있고, 200nm보다 크면 발광 구조물(130)로부터 상부면(120c)까지의 광경로가 증가하여 광효율이 저하될 수 있다. 또한, 경우에 따라서, 캐비티의 높이(h)는 수 마이크로미터(㎛)까지 두껍게 형성될 수 있다.
또한, 에피층의 캐비티 형상은 크기 및 형태가 다양할 수 있으며 그 배열이 불규칙적일 수도 있다.
도5a 내지 도5b는 캐비티와 발광 구조물(130)의 배치 형태의 일 실시예를 나타낸 것으로서, 도5a는 캐비티가 일렬로 배치되어 발광 구조물(130)이 캐비티의 바닥면에 스트라이프 타입으로 배열되는 경우를 개략적으로 나타낸 것이며, 도5b는 캐비티의 바닥면과 상부면이 서로 교차되어 이웃하도록 형성하여 발광 구조물(130)의 배열이 메쉬 타입으로 되는 경우를 개략적으로 나타낸 것이다.
상기 캐비티의 바닥면(120a) 상에는 발광 구조물(130)이 형성될 수 있다.
상기 발광 구조물(130)은 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하며, 제1 도전형 반도체층은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑 될 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층이 n형 반도체층인 경우, 상기 제1도전형 도펀트는 n형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se, Te를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
제1 도전형 반도체층은 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 반도체층은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
활성층은 제1 도전형 반도체층을 통해서 주입되는 전자와 제2 도전형 반도체층을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 활성층을 이루는 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다.
활성층은 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 활성층은 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.
활성층의 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.
활성층의 위 또는/및 아래에는 도전형 클래드층(미도시)이 형성될 수 있다. 도전형 클래드층은 활성층의 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 위에는 제2 도전형 반도체층이 배치된다. 제2 도전형 반도체층은 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(33)이 p형 반도체층인 경우, 상기 제2 도전형 도펀트는 p형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 수 있다.
상기 캐비티의 측벽과 상부면에는 광추출층(140)이 형성될 수 있다.
상기 광추출층(140)은 입사된 빛이 일정한 각도를 가지고 발광 소자의 외부로 방출될 수 있는 효과를 가지기 위하여, 공기와 에피층의 굴절률(n) 값의 사이에 존재하는 굴절률을 가질 수 있다. 이 경우 에피층 내부로 입사되었던 빛은 에피층과 광추출층의 계면, 그리고 광추출층과 공기의 계면에서 각각 굴절하게 되어 외부로 방출될 수 있으며, 발광 구조물로부터 방사하여 에피층의 측벽면의 광추출층으로 입사한 빛은 광추출층과 에피층의 경계면에서 굴절하여 캐비티 측벽의 경사면 각도에 따라 일정한 각도로 다시 공기층으로 굴절되어 방사될 수 있다.
이 때 광추출층(140)의 굴절률(n)은 1<n<2.5 일 수 있다.
상기 광추출층(140)은 도6에서와 같이 2개 이상의 층(140a, 140b)으로 구성될 수 있으며, 상기 2개 이상의 층(140a, 140b)에서 각 층의 굴절률은 서로 다를 수 있고, 에피층(120)에 인접하는 층을 제1층(140a)이라고 하고 상기 제1층 상에 배치되는 층을 제2층(140b)이라고 할 때, 상기 제1층(140a)의 굴절률이 상기 제2층(140b)의 굴절률보다 더 크게 되도록 배치할 수 있다.
상기 광추출층(140)은 3개 이상의 층으로 형성될 수 있으며, 상기 3개 이상의 층은 에피층과 이격될수록 각 층의 굴절률이 점차적으로 작아지도록 배치될 수 있다.
상기와 같이 광추출층을 이루는 각 층의 굴절률이 에피층에서 멀어질수록 더 작아지도록 형성할 경우 발광 소자의 내부로 재입사 된 빛이 외부로 다시 방출될 수 있는 효과를 개선시킬 수 있으며, 광추출층의 측면으로 입사된 빛은 광추출층을 이루는 굴절률이 서로 다른 각 층 사이의 계면들 각각에서 빛의 굴절이 일어날 수 있어 빛이 발광 소자의 외부로 방출될 수 있는 영역을 더 넓힐 수 있다.
광추출층(140)을 이루는 물질은 SiO2, ZnO, Si3N4, MgF2일 수 있으나, 제시된 물질에 한정되지는 않는다.
도7a 내지 도7c는 캐비티 측벽의 경사각도에 따른 발광 구조물에서 발광된 빛의 경로를 도식적으로 나타낸 것이다.
도7a의 경우 캐비티 측벽의 경사면은 상기 캐비티의 바닥면으로부터 90도 각도의 경사를 가진 경우의 실시예로서, 발광 구조물로부터 발생하는 무질서한 빛의 방향을 광추출층과 에피층의 굴절률 차이의 특성 및 에피층에 형성된 캐비티의 형상으로 인하여 특정 범위 내로 집중시킬 수 있어 발광 각도의 제어 및 집광 효과를 기대할 수 있다.
도7b의 경우 측벽의 경사 각도가 캐비티의 바닥면으로부터 90도 보다 큰 각도를 가진 경우의 실시예로서, 발광 구조물로부터 직진성을 가지고 방사되는 빛은 발광 소자의 상부로 직접적으로 발광 되며, 캐비티의 측벽 방향으로 방사되는 빛은 캐비티 상부의 광추출층의 영향으로 내부로 재입사되지 않고 일정한 각도로 굴절되어 빛이 분산되게 되어 발광 구조물의 크기에 비하여 넓은 면적의 발광을 얻을 수 있다.
또한 도7c의 경우 캐비티 측벽의 경사 각도가 상대적으로 완만한 경우, 즉 캐비티 바닥면으로부터 측벽의 각도가 120도 이상의 경사각을 가지는 경우의 발광 특성을 나타낸 것으로서, 집광 특성 보다는 발광 구조물에서 발생한 빛을 분산시키는 기능을 기대할 수 있다.
상술한 바와 같이 에피층에 형성되는 캐비티 측벽의 경사 각도를 조절 함으로써, 발광소자에서 발생하는 빛의 발광 각도를 특정한 방향으로 조절할 수 있으며, 발광 소자에서 방사되는 빛의 발광 범위를 조절할 수 있다. 이러한 캐비티 측벽 경사 각도의 조절은 완성된 발광 소자에 대하여 별도의 외부 기구 없이 발광 각도 및 발광 범위의 조절이 가능한 바 다양한 조명형태로 이용될 수 있다.
한편, 발광 소자로부터 발광하는 빛이 캐비티의 측면에 입사하는 경우 광추출층의 광학적 특성에 의하여 에피층 내부로 흡수되지 않고 빛이 외부로 다시 추출될 수 있으므로, 상대적으로 작은 크기의 발광 구조물을 이용하여서도 넓은 범위의 발광 효과를 가질 수 있는 바, 기존 발광 구조물에 비하여 높은 광 효율을 기대할 수 있다.
또한, 외부로 방출되지 못하고 전반사 되어 에피층의 내부로 산란이 일어난 빛의 경우도 광추출층으로 인하여 빛의 굴절이 일어남으로써 빛을 외부로 추출할 수 있도록 하여, 발광 영역 내의 광도 향상의 효과를 기대할 수 있다.
도8은 또 다른 실시예에 따른 발광 소자 구조를 나타낸 것이다.
도8의 실시예에서는 상기 상술한 도3의 실시예와 마찬가지로, 기판(110), 에피층(120), 발광 구조물(130), 광추출층(140)을 포함하고 있으며, 상기 에피층(120)의 하부에 반사층(150)이 형성되고 있다.
상기 반사층(150)은 상기 에피층(120)과 기판(110) 사이에 형성될 수 있으며, 도9a 내지 도9c에 도시된 바와 같이 에피층과 인접한 면의 반사층(150) 표면은 규칙적이거나 불규칙적인 패턴을 가질 수 있다. 이는 반사되는 빛의 방향을 조절하기 위하여 반사층(150)의 상부면이 도9a와 같이 일정한 각도를 가지는 패턴일 수 있으며, 도9b에서와 같이 반사패턴의 상부면이 곡면을 가진 돔 형태일 수 있다. 또한 난반사 유도를 위하여 도9c에서 도시한 바와 같이 일정한 규칙이 없이 패턴의 크기가 상이한 형상이 동시에 사용될 수 있다. 상기 반사층(150)은 금속층 또는 금속산화물층일 수 있다.
이러한 반사층(150)은 발광 구조물로부터 기판 방향으로 향하는 빛을 반사시켜 발광 소자의 상부면으로 향하게 함으로써 광효율을 향상시키는 효과를 기대할 수 있다.
도10a 내지 10e는 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자의 제조방법을 나타낸 도면들이다.
도10a는 기판(110)상에 에피층(120)을 형성하고, 에피층(120) 상부에 캐비티 형성을 위한 마스크층(160)을 배치하고 있다.
도10b는 마스크층(160)이 배치된 에피층(120)을 마스크층(160)의 패턴에 따라 식각하여 에피층(120)에 적어도 하나 이상의 캐비티를 형성한다.
도10a 및 도10b에서, 캐비티 형성을 위하여 SiO2 마스크층(160)을 형성하여 캐비티 층을 식각할 수 있으며, 경우에 따라서 금속 마스크(160)를 이용하여 식각 공정을 진행할 수도 있다.
도10c는 캐비티의 바닥면에 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물(130)을 형성한다.
도10a 및 도10c에서, 발광 구조물(130) 내의 각 층은 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 한정되지는 않는다.
도10d는 캐비티 바닥면에 발광 구조물(130)을 형성한 후 캐비티의 측벽과 상부면에 잔류하는 마스크층(160)을 제거한다.
도10e는 마스크층(160)이 제거된 에피층의 캐비티 측벽과 상부면에 광추출층(140)을 형성하는데, 광추출층(140)은 상술한 재료를 증착 등의 방법으로 형성할 수 있다.
도11은 발광소자를 포함하는 발광소자 패키지의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 발광소자 패키지(400)는 캐비티를 포함하는 몸체와, 상기 몸체에 설치된 제1 리드 프레임(Lead Frame, 421) 및 제2 리드 프레임(422)과, 상기 몸체에 설치되어 상기 제1 리드 프레임(421) 및 제2 리드 프레임(422)과 전기적으로 연결되는 상술한 실시예들에 따른 발광소자(200a)와, 상기 캐비티에 형성된 몰딩부(470)를 포함한다.
몸체는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있다. 상기 몸체가 금속 재질 등 도전성 물질로 이루어지면, 도시되지는 않았으나 상기 몸체의 표면에 절연층이 코팅되어 상기 제1,2 리드 프레임(421, 422) 간의 전기적 단락을 방지할 수 있다.
제1 리드 프레임(421) 및 제2 리드 프레임(422)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광소자(200a)에 전류를 공급한다. 또한, 제1 리드 프레임(421) 및 제2 리드 프레임(422)은 발광소자(200a)에서 발생된 광을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있으며, 발광소자(200a)에서 발생된 열을 외부로 배출시킬 수도 있다.
발광소자(200a)는 상술한 실시예들에 따를 수 있어서, 발광 소자의 에피층에 형성된 적어도 하나의 캐비티가 발광 소자로부터 방출되는 빛을 일정한 각도로 방사되도록 조절할 수 있으며, 또한 실시예에 따라서는 발광되는 빛을 분산되도록 하여 제한된 발광 소자의 크기에서 넓은 면적의 발광효율을 나타낼 수 있다.
발광소자(200a)는 제1 리드 프레임(421)에 도전성 페이스트(미도시) 등으로 고정될 수 있고, 전극(430)은 제2 리드 프레임에 와이어(450)로 본딩될 수 있다.
상기 몰딩부(470)는 상기 발광소자(200a)를 포위하여 보호할 수 있다. 또한, 상기 몰딩부(470) 상에는 형광체(480)가 포함될 수 있다. 이러한 구조는 형광체(480)가 분포되어, 발광소자(200a)로부터 방출되는 빛의 파장을 발광소자 패키지(400)의 빛이 출사되는 전 영역에서 변환시킬 수 있다.
발광소자 패키지(400)는 상술한 실시예들에 따른 발광소자 중 하나 또는 복수 개로 탑재할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
이하에서는 상술한 발광소자 패키지가 배치된 조명 시스템의 일실시예로서, 영상표시장치와 조명장치를 설명한다.
도12는 발광소자 패키지를 포함하는 영상 표시장치의 일 실시예를 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) 내에 배치되는 발광소자는 상술한 실시예들에 따를 수 있으며, 실시예에 따르는 경우 발광 소자 내부로의 빛의 흡수를 줄일 수 있으며, 발광 소자의 크기에 비하여 넓은 면적의 발광효과를 가질 수 있어 영상 표시 장치의 광원 모듈에서 개선된 광효율을 기대할 수 있다.
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, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PolyEthylene Terephtalate; PET)를 사용할 수 있다.
도광판(540)은 발광소자 패키지 모듈에서 방출되는 빛을 산란시켜 그 빛이 액정 표시 장치의 화면 전 영역에 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.
도 13은 발광소자가 배치된 조명장치의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 조명 장치는 커버(1100), 광원 모듈(1200), 방열체(1400), 전원 제공부(1600), 내부 케이스(1700), 소켓(1800)을 포함할 수 있다. 또한, 실시 예에 따른 조명 장치는 부재(1300)와 홀더(1500) 중 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있고, 광원 모듈(1200)은 상술한 실시예들에 따른 발광소자 패키지를 포함하여, 발광소자 내에 형성된 캐비티 구조에 의하여 발광의 각도를 조절할 수 있어, 특정 방향으로의 광집중 효과를 가질 수 있어 조명 장치 외부에 별도의 기구 없이도 발광 영역의 조절이 가능할 수 있다.
커버(1100)는 벌브(bulb) 또는 반구의 형상을 가지며, 속이 비어 있고, 일 부분이 개구된 형상으로 제공될 수 있다. 상기 커버(1100)는 상기 광원 모듈(1200)과 광학적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 커버(1100)는 상기 광원 모듈(1200)로부터 제공되는 빛을 확산, 산란 또는 여기시킬 수 있다. 상기 커버(1100)는 일종의 광학 부재일 수 있다. 상기 커버(1100)는 상기 방열체(1400)와 결합될 수 있다. 상기 커버(1100)는 상기 방열체(1400)와 결합하는 결합부를 가질 수 있다.
커버(1100)의 내면에는 유백색 도료가 코팅될 수 있다. 유백색의 도료는 빛을 확산시키는 확산재를 포함할 수 있다. 상기 커버(1100)의 내면의 표면 거칠기는 상기 커버(1100)의 외면의 표면 거칠기보다 크게 형성될 수 있다. 이는 상기 광원 모듈(1200)로부터의 빛이 충분히 산란 및 확산되어 외부로 방출시키기 위함이다.
커버(1100)의 재질은 유리(glass), 플라스틱, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리카보네이트(PC) 등일 수 있다. 여기서, 폴리카보네이트는 내광성, 내열성, 강도가 뛰어나다. 상기 커버(1100)는 외부에서 상기 광원 모듈(1200)이 보이도록 투명할 수 있고, 불투명할 수 있다. 상기 커버(1100)는 블로우(blow) 성형을 통해 형성될 수 있다.
광원 모듈(1200)은 상기 방열체(1400)의 일면에 배치될 수 있다. 따라서, 광원 모듈(1200)로부터의 열은 상기 방열체(1400)로 전도된다. 상기 광원 모듈(1200)은 발광소자 패키지(1210), 연결 플레이트(1230), 커넥터(1250)를 포함할 수 있다.
부재(1300)는 상기 방열체(1400)의 상면 위에 배치되고, 복수의 발광소자 패키지(1210)들과 커넥터(1250)가 삽입되는 가이드홈(1310)들을 갖는다. 가이드홈(1310)은 상기 발광소자 패키지(1210)의 기판 및 커넥터(1250)와 대응된다.
부재(1300)의 표면은 빛 반사 물질로 도포 또는 코팅된 것일 수 있다. 예를 들면, 부재(1300)의 표면은 백색의 도료로 도포 또는 코팅된 것일 수 있다. 이러한 상기 부재(1300)는 상기 커버(1100)의 내면에 반사되어 상기 광원 모듈(1200)측 방향으로 되돌아오는 빛을 다시 상기 커버(1100) 방향으로 반사한다. 따라서, 실시 예에 따른 조명 장치의 광 효율을 향상시킬 수 있다.
부재(1300)는 예로서 절연 물질로 이루어질 수 있다. 상기 광원 모듈(1200)의 연결 플레이트(1230)는 전기 전도성의 물질을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 방열체(1400)와 상기 연결 플레이트(1230) 사이에 전기적인 접촉이 이루어질 수 있다. 상기 부재(1300)는 절연 물질로 구성되어 상기 연결 플레이트(1230)와 상기 방열체(1400)의 전기적 단락을 차단할 수 있다. 상기 방열체(1400)는 상기 광원 모듈(1200)로부터의 열과 상기 전원 제공부(1600)로부터의 열을 전달받아 방열한다.
홀더(1500)는 내부 케이스(1700)의 절연부(1710)의 수납홈(1719)을 막는다. 따라서, 상기 내부 케이스(1700)의 상기 절연부(1710)에 수납되는 상기 전원 제공부(1600)는 밀폐된다. 홀더(1500)는 가이드 돌출부(1510)를 갖는다. 가이드 돌출부(1510)는 상기 전원 제공부(1600)의 돌출부(1610)가 관통하는 홀을 갖는다.
전원 제공부(1600)는 외부로부터 제공받은 전기적 신호를 처리 또는 변환하여 상기 광원 모듈(1200)로 제공한다. 전원 제공부(1600)는 상기 내부 케이스(1700)의 수납홈(1719)에 수납되고, 상기 홀더(1500)에 의해 상기 내부 케이스(1700)의 내부에 밀폐된다. 상기 전원 제공부(1600)는 돌출부(1610), 가이드부(1630), 베이스(1650), 연장부(1670)를 포함할 수 있다.
상기 가이드부(1630)는 상기 베이스(1650)의 일측에서 외부로 돌출된 형상을 갖는다. 상기 가이드부(1630)는 상기 홀더(1500)에 삽입될 수 있다. 상기 베이스(1650)의 일면 위에 다수의 부품이 배치될 수 있다. 다수의 부품은 예를 들어, 외부 전원으로부터 제공되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 직류변환장치, 상기 광원 모듈(1200)의 구동을 제어하는 구동칩, 상기 광원 모듈(1200)을 보호하기 위한 ESD(ElectroStatic discharge) 보호 소자 등을 포함할 수 있으나 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 연장부(1670)는 상기 베이스(1650)의 다른 일측에서 외부로 돌출된 형상을 갖는다. 상기 연장부(1670)는 상기 내부 케이스(1700)의 연결부(1750) 내부에 삽입되고, 외부로부터의 전기적 신호를 제공받는다. 예컨대, 상기 연장부(1670)는 상기 내부 케이스(1700)의 연결부(1750)의 폭과 같거나 작게 제공될 수 있다. 상기 연장부(1670)에는 "+ 전선"과 "- 전선"의 각 일단이 전기적으로 연결되고, "+ 전선"과 "- 전선"의 다른 일단은 소켓(1800)에 전기적으로 연결될 수 있다.
내부 케이스(1700)는 내부에 상기 전원 제공부(1600)와 함께 몰딩부를 포함할 수 있다. 몰딩부는 몰딩 액체가 굳어진 부분으로서, 상기 전원 제공부(1600)가 상기 내부 케이스(1700) 내부에 고정될 수 있도록 한다.
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.
10, 110: 기판 120 : 에피층
120a : 캐비티 바닥면 120b : 캐비티 측벽
30, 130: 발광 구조물 31 : 제1 도전형 반도체층
32: 활성층 33 : 제2 도전형 반도체층
140, 140a, 140b: 광추출층 150 : 반사층
150a, 150b, 150c : 반사층의 반사 패턴
400: 발광소자 패키지 500: 영상표시장치.

Claims (8)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성되는 반사층;
    상기 반사층 상에 형성되고, 복수의 캐비티들을 포함하는 에피층;
    상기 복수의 캐비티들 각각의 바닥면에 형성되고, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물;
    상기 캐비티들의 측벽들 및 상기 에피층의 상부면에 형성되는 광추출층을 포함하고,
    상기 에피층의 하부면과 인접하는 상기 반사층의 표면에는 빛을 반사시키기 위한 요철 패턴이 형성되고,
    상기 요철 패턴은,
    상기 캐비티들의 바닥면들과 수직 방향으로 중첩되는 제1 요철;
    상기 캐비티들의 측벽들과 수직 방향으로 중첩되는 제2 요철; 및
    상기 에피층의 상부면과 수직 방향으로 중첩되는 제3 요철을 포함하고,
    상기 캐비티 측벽의 경사면은 상기 캐비티의 바닥면으로부터 90도 내지 135도 각도의 경사를 갖고,
    상기 캐비티의 바닥면으로부터 상기 에피층의 상부면까지의 높이는 20nm 내지 200nm이고,
    상기 광추출층의 굴절률(n)은 1<n<2.5인 발광 소자.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광추출층은 적어도 2개 이상의 층으로 이루어지고,
    상기 광추출층의 상기 적어도 2개 이상의 층은 굴절률이 서로 다른 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 요철 패턴은 규칙적인 패턴인 발광 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 요철 패턴은 불규칙적인 패턴인 발광 소자.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
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