KR102182020B1 - 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

실시 예의 발광 소자는, 제1 전극과, 제1 전극 위에 배치되며 제1 도전형 반도체층, 제1 도전형 반도체층 위에 활성층 및 활성층 위에 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물과, 제2 도전형 반도체층 위에 배치된 질화물 반도체층과, 질화물 반도체층 위에 배치된 제2 전극을 포함한다.

Description

발광 소자{Light Emitting Device}
실시 예는 발광 소자에 관한 것이다.
발광 다이오드(LED:Light Emitting Diode)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전기를 적외선 또는 빛으로 변환시켜서 신호를 주고 받거나, 광원으로 사용되는 반도체 소자의 일종이다.
Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체(group Ⅲ-Ⅴ nitride semiconductor)는 물리적 및 화학적 특성으로 인해 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD:Laser Diode) 등 발광소자의 핵심 소재로 각광을 받고 있다.
이러한 발광 다이오드는 백열등과 형광등 등의 기존 조명기구에 사용되는 수은(Hg)과 같은 환경 유해물질이 포함되어 있지 않아 우수한 친환경성을 가지며, 긴 수명과 저전력 소비특성 등과 같은 장점이 있기 때문에 기존의 광원들을 대체하고 있다.
도 1은 기존의 발광 소자의 단면도를 나타낸다.
도 1에 도시된 기존의 발광 소자는 지지 기판(30), 반도체층(20) 및 전극(42, 44)으로 구성된다. 여기서, 반도체층(20)은 n형 반도체층(22), 활성층(24) 및 p형 반도체층(26)으로 구성된다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1에 도시된 발광 소자의 제조를 설명하기 위한 기존의 공정 단면도를 나타낸다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판(10) 위에 반도체층(20)을 형성한다.
이후, 도 2b에 도시된 바와 같이, 반도체층(20) 위에 지지 기판(30)을 형성한다. 이후, 레이저 리프트 오프(LLO:Laser Lift Off) 공정에 의해 발광 구조물(20)로부터 기판(10)을 제거한다. LLO 공정에 의하면, 사파이어 기판(10) 방향으로 일정 영역의 파장을 가지는 엑시머 레이저 광을 포커싱(focusing)하여 조사하면, 사파이어 기판(10)과 n형 반도체층(22)의 경계면에 열 에너지가 집중되어 경계면이 갈륨과 질소 분자로 분리되면서 레이저 광이 지나가는 부분에서 순간적으로 사파이어 기판(10)이 분리될 수 있다. 지지 기판(30)은 Au나 Sn 등과 같은 고가의 본딩(bonding) 금속층 물질을 이용하여 두껍게 형성해야 한다. 왜냐하면, 사파이어 기판(10)을 LLO 공정에 의해 제거하고자 할 경우, 에피층인 발광 구조물(20)이 지지될 수 있도록 하기 위해서이다.
이후, 도 2c에 도시된 바와 같이, 기판(10)을 제거한 결과물을 뒤집는다.
이후, 도 2d에 도시된 바와 같이, 지지 기판(30) 위의 반도체층(20)을 서로 분리시킨 후, 분리된 반도체층(20) 위에 n형 전극(42, 44)을 각각 형성한다.
전술한 바와 같이 기존의 수직형 발광 소자를 형성할 때, 사파이어 기판(10)이 LLO 공정에 의해 제거되는 과정에서, LLO 공정의 불완전성 및 레이져 소스의 근본적인 한계로 인해 발광 소자에 크랙이 야기되고 결정이 손상될 수 있어, 발광 소자의 전기적 및 광학적 특성이 저하되고 수율이 감소될 수 있다.
실시 예는 개선된 전기적 및 광학적 특성을 갖는 발광 소자를 제공한다.
실시 예의 발광 소자는, 제1 전극; 상기 제1 전극 위에 배치되며, 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층 위에 활성층 및 상기 활성층 위에 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 상기 제2 도전형 반도체층 위에 배치된 질화물 반도체층; 상기 질화물 반도체층 위에 배치된 제2 전극을 포함할 수 있다.
상기 질화물 반도체층의 두께는 0.6 ㎛ 내지 0.8 ㎛일 수 있다.
상기 제2 전극은 상기 질화물 반도체층을 관통하여 상기 제2 도전형 반도체층과 연결될 수 있다. 이때, 상기 질화물 반도체층은 전기적 비전도성을 갖는 물질을 포함할 수 있다.
또는, 상기 질화물 반도체층은 상기 제2 전극을 상기 제2 도전형 반도체층에 전기적으로 연결할 수 있다. 이때, 상기 질화물 반도체층은 전기적 전도성을 갖는 물질을 포함할 수 있다.
상기 발광 소자는, 상기 발광 구조물의 측부와, 상기 질화물 반도체층의 측부와 상부 및 상기 제2 전극의 측부와 상부를 덮는 패시베이션층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 전극은, 금속층; 상기 금속층의 내부에 배치된 반사층; 및 상기 반사층 내부에 배치된 오믹층을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 금속층은 상기 반사층을 감싸도록 배치되고, 상기 반사층은 상기 오믹층을 감싸도록 배치될 수 있다.
상기 질화물 반도체층은 광 결정 구조를 가질 수 있다.
상기 광 결정 구조는 상기 질화물 반도체층의 상부에 형성될 수 있다.
상기 광 결정 구조는 상기 질화물 반도체층과 상기 발광 구조물에 배치된 발광 소자.
상기 광 결정 구조는 상기 질화물 반도체층의 상부 및 측부와 상기 발광 구조물의 측부에 배치된다.
상기 광 결정 구조는 상기 질화물 반도체층을 관통하여 상기 발광 구조물의 상부에 형성될 수 있다.
상기 제2 전극의 폭은 상기 오믹층의 폭보다 클 수 있다.
실시 예에 따른 발광 소자는 개선된 전기적 및 광학적 특성을 갖는다.
도 1은 기존의 발광 소자의 단면도를 나타낸다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1에 도시된 발광 소자의 제조를 설명하기 위한 기존의 공정 단면도를 나타낸다.
도 3은 일 실시 예에 의한 발광 소자의 단면도를 나타낸다.
도 4는 다른 실시 예에 의한 발광 소자의 단면도를 나타낸다.
도 5는 또 다른 실시 예에 의한 발광 소자의 단면도를 나타낸다.
도 6은 또 다른 실시 예에 의한 발광 소자의 단면도를 나타낸다.
도 7은 또 다른 실시 예에 의한 발광 소자의 단면도를 나타낸다.
도 8a 내지 도 8i는 도 3 및 도 4에 도시된 발광 소자의 공정 단면도를 나타낸다.
도 9는 일 실시예에 따른 발광소자 패키지의 단면도이다.
도 10은 다른 실시 예에 따른 발광 소자 패키지의 단면도이다.
도 11은 실시예들에 따른 발광소자 패키지를 포함하는 조명장치의 일 실시예를 나타낸 분해 사시도이다.
도 12는 실시 예에 따른 발광소자 패키지가 배치된 표시장치의 일 실시예를 나타낸 분해 사시도이다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 실시예의 설명에 있어서, 각 구성요소(element)의 "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 구성요소(element)가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 구성요소(element)가 상기 두 구성요소(element) 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한 "상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"로 표현되는 경우 하나의 구성요소(element)를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상/상부/위" 및 "하/하부/아래" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서만 이용될 수도 있다.
도 3은 일 실시 예에 의한 발광 소자(100A)의 단면도를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 발광 소자(100A)는 제1 전극(110), 발광 구조물(120), 질화물 반도체층(130A), 제2 전극(140A) 및 패시베이션(passivation)층(150)을 포함한다.
제1 전극(110) 위에 발광 구조물(120)이 배치되며, 제1 전극(110)은 전기 전도도가 우수한 물질을 사용할 수 있다. 또한, 발광 소자(100A)의 작동시 발생하는 열을 충분히 발산시킬 수 있어야 하므로, 제1 전극(110)은 열전도도가 높은 금속으로 구현될 수 있다. 또는, 제1 전극(110)은 전기 전도도 및 열 전도도가 우수한 반도체 물질에 의해 구현될 수도 있다.
또한, 제1 전극(110)은 금속층(112), 반사층(114) 및 오믹층(116)을 포함할 수 있다.
만일, 제1 도전형 반도체층(122)은 불순물 도핑 농도가 낮아 접촉 저항이 높으며 그로 인해 오믹 특성이 좋지 못할 수 있다. 오믹층(116)은 이러한 오믹 특성을 개선하는 역할을 수행하며, 금속일 수 있으며, 예를 들어, 은(Ag), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 티탄(Ti), 알루미늄(Al), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 주석(Sn), 인듐(In), 루테늄(Ru), 마스네슘(Mg), 아연(Zn), 백금(Pt), 금(Au), 하프늄(Hf) 및 이들 중 둘 이상의 합금으로 구성된 물질 중에서 한 층 또는 복수의 층으로 형성될 수 있으며, 이러한 재료에 한정되는 않는다.
또는, 오믹층(116)은 투명 전극 등으로 이루어질 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 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 이러한 재료에 한정되는 않는다. 또한, 오믹층(116)은 제1 도전형 반도체 화합물로 구현될 수도 있다.
반사층(114)은 오믹층(116)을 감싸도록, 오믹층(116)과 금속층(112) 사이에 사이에 배치되고, 예를 들어 은(Ag), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 마스네슘(Mg), 아연(Zn), 백금(Pt), 금(Au), 하프늄(Hf) 및 이들 중 둘 이상의 합금으로 구성된 물질 중에서 한 층 또는 복수의 층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 알루미늄(Al)이나 은(Ag) 등의 반사층(114)은 활성층(124)에서 방출되어 제1 전극(110)으로 진행하는 빛을 효과적으로 반사시켜 발광 소자(100A)의 광 추출 효율을 크게 개선하는 데 기여할 수 있다.
금속층(112)은 전기적 전도성을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 금속층(112)은 반사층(114)을 감싸도록 배치된다. 금속층(112)은 예를 들어, 몰리브덴(Mo), 실리콘(Si), 텅스텐(W), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al)로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다. 또한, 금속층(112)은 주석(Sn), 금(Au), 구리합금(Cu Alloy), 니켈(Ni), 구리-텅스텐(Cu-W), 캐리어 웨이퍼(예: GaN, Si, Ge, GaAs, ZnO, SiGe, SiC, SiGe, Ga2O3 등) 등을 선택적으로 포함할 수 있다.
또는, 제1 전극(110)은 금속층(112)과 반사층(114)의 기능과 오믹층(116)의 기능을 모두 수행하는 한 층 또는 복수의 층으로 형성될 수 있으며, 이러한 재료에 한정되지 않는다.
발광 구조물(120)은 제1 전극(110) 위에 배치되며, 제1 질화물 반도체층(122), 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)을 포함한다.
제1 도전형 반도체층(122)은 제1 전극(110) 위에 배치된다. 제1 도전형 반도체층(122)은 Ⅲ족-Ⅳ족, Ⅱ족-Ⅴ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 예를 들어, 제1 도전형 반도체층(122)은 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질, InAlGaN, AlGaAs, AlGaInP 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(122)이 p형 반도체층인 경우, 제1 도전형 도펀트는 p형 도펀트로서, 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 칼슘(Ca), 스트론듐(Sr), 바륨(Ba) 등을 포함할 수 있다.
활성층(124)은 제1 도전형 반도체층(122) 위에 배치된다. 활성층(124)은 제1 도전형 반도체층(122)을 통해서 주입되는 정공(또는, 전자)과 제2 도전형 반도체층(126)을 통해서 주입되는 전자(또는, 정공)가 서로 만나서, 활성층(124)을 이루는 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다.
활성층(124)은 단일 우물 구조, 다중 우물 구조, 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.
활성층(124)은 복수 개의 우물층과 장벽층이 교대로 적층된 구조로 이루어질 수 있다. 활성층(124)의 우물층/장벽층은 InGaN/GaN, InGaN/InGaN, GaN/AlGaN, InAlGaN/GaN, GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
활성층(124)과 제2 도전형 반도체층(126) 사이에는 도전형 클래드층(미도시)이 배치될 수 있다. 도전형 클래드층은 활성층(124)의 장벽층의 밴드 갭 에너지보다 더 넓은 밴드 갭 에너지를 갖는 반도체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도전형 클래드층은 GaN, AlGaN, InAlGaN 또는 초격자(SL:Super Lattice) 구조 등을 포함할 수 있다. 또한, 도전형 클래드층은 n형 또는 p형으로 도핑될 수 있다. 경우에 따라, 도전형 클래드층은 생략될 수도 있다.
제2 도전형 반도체층(126)은 활성층(124) 위에 배치된다. 제2 도전형 반도체층(126)은 Ⅲ-Ⅴ, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 예를 들어, 제2 도전형 반도체층(126)은 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질, InAlGaN, AlGaAs, AlGaInP 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 만일, 제2 도전형 반도체층(126)이 n형 반도체층인 경우, 제2 도전형 도펀트는 n형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se, Te를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
질화물 반도체층(130A)은 제2 도전형 반도체층(126) 위에 배치되며, 예를 들어, 도핑된 질화물을 포함할 수 있으며, 예를 들어, p형으로 도핑된 GaN을 포함할 수 있다. 질화물 반도체층(130A)의 두께(t)는 0.6 ㎛ 내지 0.8 ㎛일 수 있다.
제2 전극(140A)은 질화물 반도체층(130A) 위에 배치된다. 이 경우, 질화물 반도체층(130A)은 제2 전극(140A)을 제2 도전형 반도체층(126)에 전기적으로 연결한다. 전술한 바와 같이, 질화물 반도체층(130A)이 도핑된 질화물로 구현될 경우, 질화물 반도체층(130A)은 전기적 전도성을 가질 수 있다.
또한, 제2 전극(140A)의 제1 폭(W1)은 오믹층(116)의 제2 폭(W2)보다 클 수 있다. 제2 전극(140A)은 금속으로 형성될 수 있으며, 또한 오믹 특성을 갖는 반사 전극 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 전극(140A)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
한편, 패시베이션층(150)은 발광 구조물(120)의 측부, 질화물 반도체층(130A)의 상부와 측부 및 제2 전극(140A)의 측부와 상부를 덮는다. 패시베이션층(150)은 발광 구조물(120)과 제2 전극(140A)의 산화를 방지하고 수분이 침투되는 것을 방지하는 역할을 한다. 패시베이션층(150)은 SiNx, MgO, Sc2O3, SiO2, SOG 또는 SOD 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나 이에 한정하지 않는다.
도 4는 다른 실시 예에 의한 발광 소자(100B)의 단면도를 나타낸다.
도 3에 예시된 발광 소자(100A)의 경우 제2 전극(140A)은 질화물 반도체층(130A) 위에 배치된다. 반면에, 도 4에 예시된 제2 전극(140B)은 질화물 반도체층(130B)을 관통하여 제2 도전형 반도체층(126)과 연결된다. 따라서, 도 3에 예시된 질화물 반도체층(130A)은 제2 전극(140A)과 제2 도전형 반도체층(126)을 전기적으로 연결하기 위해, 도전형을 갖는 반면, 도 4에 예시된 제2 전극(140B)은 질화물 반도체층(130B)을 관통하여 제2 도전형 반도체층(126)에 연결되므로, 질화물 반도체층(130B)은 전기적으로 비전도성을 갖는 물질이나 전기적으로 전도성을 갖는 물질로 이루어질 수 있다.
전술한 바와 같이, 제2 전극(140B)이 질화물 반도체층(130B)을 관통하여 제2 도전형 반도체층(126)과 연결되는 점을 제외하면, 도 4에 예시된 발광 소자(100B)는 도 3에 예시된 발광 소자(100A)와 동일하므로 중복되는 설명을 생략한다.
도 3 및 도 4에 예시된 발광 소자(100A, 100B)에서 질화물 반도체층(130A, 130B)은 다음과 같이 광 결정 구조(photonic crystal structure)를 가질 수도 있다.
도 5는 또 다른 실시 예에 의한 발광 소자(100C)의 단면도를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 광 결정 구조(131)는 질화물 반도체층(130C)의 상부에 형성된다. 광 결정 구조(131)는 러프니스(roughness) 형태를 가질 수 있다. 질화물 반도체층(130C)의 상부에 광 결정 구조(131)가 형성됨으로 인해, 광 추출 효율이 개선될 수 있다.
전술한 바와 같이, 질화물 반도체층(130C)이 광 결정 구조(131)를 갖는 것을 제외하면, 도 5에 예시된 발광 소자(100C)는 도 3에 예시된 발광 소자(100A)와 동일하므로 중복되는 설명을 생략한다.
도 5의 경우, 광 결정 구조(131)는 질화물 반도체층(130C)의 상부에만 형성되어 있지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 이하에서 설명되는 바와 같이, 광 결정 구조는 질화물 반도체층(130C)의 상부뿐만 아니라 측부에도 형성될 수 있으며, 발광 구조물(120)에도 형성될 수 있다.
도 6은 또 다른 실시 예에 의한 발광 소자(100D)의 단면도를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 광 결정 구조(131)는 질화물 반도체층(130D)의 상부에 형성되고, 광 결정 구조(130-2)는 질화물 반도체층(130D)의 측부에 형성되고, 광 결정 구조(126-1, 124-1, 122-1)는 발광 구조물(120)의 측부에 형성된다. 즉, 광 결정 구조(126-1)는 제2 도전형 반도체층(126)의 측부에 형성되고, 광 결정 구조(124-1)는 활성층(124)의 측부에 형성되고, 광 결정 구조(122-1)은 제1 도전형 반도체층(122)의 측부에 형성된다.
이와 같이, 질화물 반도체층(130D)의 측부와 발광 구조물(120)의 측부에도 광 결정 구조(130-2, 126-1, 124-1, 122-1)가 형성되는 점을 제외하면, 도 6에 예시된 발광 소자(100D)는 도 5에 예시된 발광 소자(100C)와 동일하므로 중복되는 설명을 생략한다.
도 7은 또 다른 실시 예에 의한 발광 소자(100E)의 단면도를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 광 결정 구조(134)는 질화물 반도체층(130E)을 관통하여 발광 구조물(120)의 상부에 형성된다. 이와 같이, 광 결정 구조(134)를 더 갖는 점을 제외하면, 도 7에 예시된 발광 소자(100E)는 도 3에 예시된 발광 소자(100A)와 동일하므로, 중복되는 설명을 생략한다.
도 7에 예시된 광 결정 구조(134)는 주기적으로 배열되는 홀(hole)이나 기둥(rod) 모양을 가질 수 있다. 이때, 광 결정 구조(134)를 이루는 홀의 깊이(d)나 폭(W3)에 따라 발광 소자(100E)의 광 추출 효율이 개선될 수 있다.
이하, 도 3 및 도 4에 예시된 발광 소자(100A, 100B)의 제조 방법을 첨부된 도 8a 내지 도 8i를 참조하여 다음과 같이 설명하지만, 도 3 및 도 4에 예시된 발광 소자(100A, 100B)는 도 8a 내지 도 8i에 도시된 방법과 다른 방법에 의해서도 제조될 수 있음은 물론이다.
도 8a 내지 도 8i는 도 3 및 도 4에 도시된 발광 소자(100A, 100B)의 공정 단면도를 나타낸다.
도 8a를 참조하면, 기판(130)을 준비한다. 기판(130)은 도핑되거나 도핑되지 않은 질화물 반도체 물질로 준비될 수 있다. 예를 들어, 기판(130)은 p형으로 도핑된 GaN을 이용하여 형성될 수 있다.
이후, 도 8b를 참조하면, 기판(130)에 불순물 이온(162)을 주입하여 이온 주입층(160)을 형성한다. 예를 들어, 불순물 이온은 산소일 수 있다. 즉 기판(130)의 소정 깊이(t)까지 산소 이온을 주입하여 이온 주입층(160)을 형성할 수 있다. 만일, 소정 깊이(t)가 0.6 ㎛보다 작다면 도 8g에 도시된 기판(130-1)이 에피층인 발광 구조물(122, 124, 126)과 제1 전극(110)을 지탱하기 어려울 수 있다. 또한, 소정 깊이(t)가 0.8 ㎛보다 크다면 이온 주입층(160)을 형성하기 쉽지 않을 수 있다. 따라서, 소정 깊이(t)는 0.6 ㎛ 내지 0.8 ㎛일 수 있다.
또한, 이온 주입층(160)을 형성하기 위한 이온 주입량은 예를 들어 1xE20 개/㎤ 이상일 수 있으며, 이온 주입 에너지는 50 KeV 내지 90 KeV일 수 있다.
이후, 도 8c를 참조하면, 기판(130-1)의 위에 발광 구조물(120)을 형성한다. 즉, 기판(130-1) 위에 제2 도전형 반도체층(126)을 형성한다. 제2 도전형 반도체층(126)은 Ⅲ-Ⅴ, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 형성될 수 있으며, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 예를 들어, 제2 도전형 반도체층(126)은 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질, InAlGaN, AlGaAs, AlGaInP 중 어느 하나 이상을 포함하도록 형성될 수 있다. 만일, 제2 도전형 반도체층(126)이 n형 반도체층인 경우, 제2 도전형 도펀트는 n형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se, Te를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
제2 도전형 반도체층(126) 위에 활성층(124)을 형성한다. 활성층(124)은 복수 개의 우물층과 장벽층이 교대로 적층된 구조로 이루어질 수 있다. 활성층(124)의 우물층/장벽층은 InGaN/GaN, InGaN/InGaN, GaN/AlGaN, InAlGaN/GaN, GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
활성층(124) 위에 제1 도전형 반도체층(122)을 형성한다. 제1 도전형 반도체층(122)은 Ⅲ족-Ⅳ족, Ⅱ족-Ⅴ족 등의 화합물 반도체로 형성될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 예를 들어, 제1 도전형 반도체층(122)은 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질, InAlGaN, AlGaAs, AlGaInP 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(122)이 p형 반도체층인 경우, 제1 도전형 도펀트는 p형 도펀트로서, 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 칼슘(Ca), 스트론듐(Sr), 바륨(Ba) 등을 포함할 수 있다.
전술한 제1 및 제2 도전형 반도체층(122, 126) 각각은 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.
또한, 전술한 활성층(124)은 예를 들어, 예를 들어 알루미늄, 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 트리메틸 인듐 가스(TMIn)가 주입되어 다중 양자 우물 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이후, 도 8d를 참조하면, 발광 구조물(120) 위에 오믹층(116)을 증착하여 형성한다. 오믹층(116)은 예를 들어, 은(Ag), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 티탄(Ti), 알루미늄(Al), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 주석(Sn), 인듐(In), 루테늄(Ru), 마스네슘(Mg), 아연(Zn), 백금(Pt), 금(Au), 하프늄(Hf) 및 이들 중 둘 이상의 합금으로 구성된 물질 중에서 한 층 또는 복수의 층으로 형성될 수 있으며, 이러한 재료에 한정되는 않는다.
또는, 오믹층(116)은 투명 전극 등으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, ITO, IZO, IZTO, IAZO, IGZO, IGTO, AZO, ATO, GZO, IZON, AGZO, IGZO, ZnO, IrOx, RuOx, NiO, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, 및 Ni/IrOx/Au/ITO 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 이러한 재료에 한정되는 않는다. 또한, 오믹층(116)은 반도체 화합물로 구현될 수도 있다.
이후, 오믹층(116)을 감싸도록 반사층(114)을 증착하여 형성한다. 반사층(114)은 예를 들어 은(Ag), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 마스네슘(Mg), 아연(Zn), 백금(Pt), 금(Au), 하프늄(Hf) 및 이들 중 둘 이상의 합금으로 구성된 물질 중에서 한 층 또는 복수의 층으로 형성될 수 있다.
이후, 도 8e를 참조하면, 반사층(114)을 감싸도록 제1 도전형 반도체층(122) 위에 금속층(112)을 증착하여 형성한다. 금속층(112)은 전기적 전도성을 갖는 물질로 형성될 수 있으며 예를 들어, 몰리브덴(Mo), 실리콘(Si), 텅스텐(W), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al)로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있다. 또한, 금속층(112)은 주석(Sn), 금(Au), 구리합금(Cu Alloy), 니켈(Ni), 구리-텅스텐(Cu-W), 캐리어 웨이퍼(예: GaN, Si, Ge, GaAs, ZnO, SiGe, SiC, SiGe, Ga2O3 등) 등을 선택적으로 포함하도록 형성될 수 있다. 전술한 제1 전극(110)은 스퍼터링법이나 전자빔 증착법에 의해 형성될 수 있다.
이후, 도 8f 및 도 8g를 참조하면, 식각 공정에 의해 이온 주입층(160) 아래의 기판(130-2)을 제거한다. 이때, 기판(130-2)이 제거될 때 이온 주입층(160)이 함께 제거될 수도 있다. 기판(130-2)과 이온 주입층(160)은 습식 식각 공정에 의해 제거될 수 있다. 기판(130-2)을 제거할 때, 이온 주입층(160)은 일종의 식각 저지층의 역할을 한다.
만일, 기판(130)이 GaN을 포함하고, 불순물로서 산소 이온이 주입될 경우, 이온 주입층(160)은 Ga2O3을 포함할 수 있다. Ga2O3는 화학적으로 안정한 산화물이며, 실온에서 산이나 알칼리 용액에 의해 식각되지 않는다. KOH 용액의 온도가 70℃에 도달하면 다결정 산화물인 Ga2O3는 식각되어 제거될 수 있다. 이러한 과정은 다음 화학식 1과 같이 정량적으로 표현될 수 있다.
Figure 112014043630746-pat00001
또는, 기판(130-2)과 이온 주입층(160)은 반응성 이온 식각(RIE:Reactive Ion Etching) 같은 건식 식각 공정에 의해 제거될 수도 있다.
이온 주입층(160)까지 제거된 후에 잔류하는 기판(130-1)은 도 3 및 도 4에 도시된 질화물 반도체층(130A, 130B)에 해당한다.
기존의 경우 도 2b에 도시된 바와 같이 LLO에 의해 기판(10)을 제거하기 때문에, 지지 기판(30)은 두껍게 형성된다. 그러나, 실시 예에 의하면, 기판(130-2)을 LLO가 아닌 식각 공정에 의해 제거하므로, 제1 전극(110)을 이루는 오믹층(116), 반사층(114) 및 금속층(112)을 두껍게 형성할 필요가 없다.
이후, 도 8h를 참조하면, 이온 주입층(160)이 제거된 도 8g에 도시된 결과물을 뒤집는다. 이후, 별개의 칩으로 소자를 분리하는 소자 분리 공정을 수행한다. 이후, 기판(130-1) 위에 제2 전극(140A)을 형성한다. 이후, 금속층(112)을 절개하여 도 3에 예시된 발광 소자(100A)를 완성한다.
또는, 도 8h를 참조하면, 이온 주입층(160)이 제거된 도 8g에 도시된 결과물을 뒤집는다. 이후, 별개의 칩으로 소자를 분리하는 칩 분리 공정을 수행한다. 이후, 기판(130-1)에 관통 홀을 형성하고, 형성된 관통 홀을 통해 제2 도전형 반도체층(126)과 접하도록 제2 전극(140A)을 형성한다. 이후, 금속층(112)을 절개하여 도 4에 예시된 발광 소자(100B)를 완성한다.
기존의 경우 도 1에 도시된 수직형 발광 소자를 형성할 때, 도 2b에 도시된 바와 같이 사파이어 기판(10)을 제거하는 LLO 공정으로 인해 발광 소자에 크랙이 야기되고 결정이 손상되어, 발광 소자의 전기적 및 광학적 특성이 저하되고 수율이 감소될 수 있다. 즉, 발광 소자에서 발광 효율을 결정하는 가장 중요한 인자 중 하나인 전위 밀도 같은 결정성 결함이 기판(130) 자체에 야기되어 활성층(124)으로 주입된 캐리어의 손실이 발생할 수 있다.
그러나, 실시 예에 의하면, 수직형 발광 소자를 형성할 때, 기판(130-2)을 LLO 공정 대신에 식각 공정에 의해 제거한다. 따라서, 크랙 및 결정 손상의 근본적인 원인인 LLO 공정을 식각 공정으로 대체할 수 있어, 제1 전극(110)이 얇게 형성될 수 있어, 광 경로 상에 이동 거리를 감소시켜 광 추출 효율을 증가시키고, 외부 양자 효율을 증가시킬 수 있다. 즉, 발광 소자(100A ~ 100E)는 개선된 전기적 및 광학적 특성을 가질 수 있다.
이하, 발광 소자를 포함하는 발광 소자 패키지의 구성 및 동작을 설명한다.
도 9는 일 실시예에 따른 발광소자 패키지(200)의 단면도이다.
실시 예에 따른 발광 소자 패키지(200)는 패키지 몸체부(205)와, 패키지 몸체부(205)에 설치된 제1 및 제2 리드 프레임(213, 214)과, 패키지 몸체부(205)에 배치되어 제1 및 제2 리드 프레임(213, 214)과 전기적으로 연결되는 발광 소자(220)와, 발광 소자(220)를 포위하는 몰딩 부재(240)를 포함한다.
패키지 몸체부(205)는 실리콘, 합성수지, 또는 금속을 포함하여 형성될 수 있으며, 발광 소자(220)의 주위에 경사면이 형성될 수 있다.
제1 및 제2 리드 프레임(213, 214)은 서로 전기적으로 분리되며, 발광 소자(220)에 전원을 제공하는 역할을 한다. 또한, 제1 및 제2 리드 프레임(213, 214)은 발광 소자(220)에서 발생된 빛을 반사시켜 광 효율을 증가시키는 역할을 할 수도 있으며, 발광 소자(220)에서 발생된 열을 외부로 배출시키는 역할을 할 수도 있다.
발광 소자(220)는 도 3 내지 도 7에 예시된 발광 소자(100A 내지 100E)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
발광 소자(220)는 도 9에 예시된 바와 같이 제2 리드 프레임(214) 상에 배치될 수 있으나, 이와 달리 제1 리드 프레임(213) 또는 패키지 몸체부(205) 상에 배치될 수도 있다.
발광 소자(220)는 제1 및/또는 제2 리드 프레임(213, 214)과 와이어 방식 또는 다이 본딩 방식 중 어느 하나에 의해 전기적으로 연결될 수도 있다. 도 9에 예시된 발광 소자(220)는 제1 리드 프레임(213)과 와이어(230)를 통해 전기적으로 연결되고 제2 리드 프레임(214)과 직접 전기적으로 연결될 수 있으나 이에 국한되지 않는다.
몰딩 부재(240)는 발광 소자(220)를 포위하여 보호할 수 있다. 또한, 몰딩 부재(240)는 형광체를 포함하여, 발광 소자(220)에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있다.
도 10은 다른 실시 예에 따른 발광 소자 패키지(300)의 단면도이다.
다른 실시 예에 따른 발광소자 패키지(300)는 몸체(310), 몸체(310) 내에 배치된 방열 블록(360), 방열 블록(360)의 상부에 배치되는 발광소자(100)를 포함한다. 여기서, 발광 소자(100)는 도 3 내지 도 7에 예시된 발광 소자(100A 내지 100E)일 수 있다.
몸체(310)는 복수 개의 층(311, 312, 313, 314)으로 구현될 수 있다. 몸체(310)를 이루는 층들의 개수는 실시 예에 따라 달라질 수 있다.
발광소자(100)가 자외선을 방출하는 UV LED인 경우, 몸체(310)는 자외선에 의해 변질되지 않는 재질로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 세라믹 재질로 이루어질 수 있다. 일 예로서, 몸체(310)는 저온 동시 소성 세라믹(LTCC: low temperature co-fired ceramic) 방법에 의하여 구현될 수 있다. 또한, 몸체(310)는 고온 동시 소성 세라믹(HTCC: high temperature co-fired ceramic) 방법에 의하여 구현될 수 있다. 또한, 몸체(310)는 Si02, SixOy, Si3N4, SixNy, SiOxNy, Al2O3, 또는 AlN를 포함하여 이루어질 수 있다.
몸체(310)는 각 층(311 ~ 314)을 관통하여 형성된 비아홀 및 각 층(311 ~ 314) 사이에 위치하는 도전성 패턴을 통해 발광소자(100)에 전류를 공급할 수 있다.
몸체(310) 내에 방열 블록(360)이 배치된다. 방열 블록(360)은 발광소자(100)에서 발생된 열을 효과적으로 외부로 전달한다. 방열 블록(360)은 Cu, 또는 Cu를 포함한 합금으로 형성될 수 있으나, 이에 한정하지 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.
도 11은 실시예들에 따른 발광소자 패키지를 포함하는 조명장치의 일 실시예를 나타낸 분해 사시도이다.
실시예에 따른 조명 장치는 광을 투사하는 발광 모듈(600)과 발광 모듈(600)이 내장되는 하우징(400)과 발광 모듈(600)의 열을 방출하는 방열부(500) 및 발광 모듈(600)과 방열부(500)를 하우징(400)에 결합하는 홀더(700)를 포함하여 이루어진다.
하우징(400)은 전기 소켓(미도시)에 결합되는 소켓 결합부(410)와, 소켓결합부(410)와 연결되고 광원(600)이 내장되는 몸체부(420)를 포함한다. 몸체부(420)에는 하나의 공기유동구(430)가 관통하여 형성될 수 있다.
하우징(400)의 몸체부(420) 상에 복수 개의 공기유동구(430)가 구비되어 있는데, 공기유동구(430)는 하나의 공기유동구로 이루어지거나, 복수 개의 유동구를 도시된 바와 같은 방사상 배치 이외의 다양한 배치도 가능하다.
발광 모듈(600)은 회로 기판(610) 상에 배치된 복수 개의 발광소자 패키지(650)를 포함한다. 발광소자 패키지(650)는 도 9 또는 도 10에 따른 발광 소자 패키지(200, 300)를 포함할 수 있다. 회로 기판(610)은 하우징(400)의 개구부에 삽입될 수 있는 형상일 수 있으며, 후술하는 바와 같이 방열부(500)로 열을 전달하기 위하여 열전도율이 높은 물질로 이루어질 수 있다.
발광 모듈의 하부에는 홀더(700)가 구비되는데 홀더(700)는 프레임과 또 다른 공기 유동구를 포함할 수 있다. 또한, 도시되지는 않았으나 발광 모듈(600)의 하부에는 광학 부재가 구비되어 발광 모듈(600)의 발광소자 모듈(650)에서 투사되는 빛을 확산, 산란 또는 수렴시킬 수 있다.
도 12는 실시 예에 따른 발광소자 패키지가 배치된 표시장치(800)의 일 실시예를 나타낸 분해 사시도이다.
도 12를 참조하면, 실시 예에 따른 표시장치(800)는 발광 모듈(830, 835)과, 바텀 커버(810) 상의 반사판(820)과, 반사판(820)의 전방에 배치되며 발광 모듈에서 방출되는 빛을 표시장치 전방으로 가이드하는 도광판(840)과, 도광판(840)의 전방에 배치되는 제1 프리즘시트(850) 및 제2 프리즘시트(860)와, 제2 프리즘시트(860)의 전방에 배치되는 패널(870)과 패널(870)의 전반에 배치되는 컬러필터(880)를 포함하여 이루어진다.
발광 모듈은 회로 기판(830) 상의 상술한 발광소자 패키지(835)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 회로 기판(830)은 PCB 등이 사용될 수 있고, 발광소자 패키지(835)는 예를 들어 도 9 또는 도 10에 예시된 발광 소자 패키지(200, 300)일 수 있다.
바텀 커버(810)는 표시 장치(800) 내의 구성 요소들을 수납할 수 있다. 반사판(820)은 본 도면처럼 별도의 구성요소로 마련될 수도 있고, 도광판(840)의 후면이나, 바텀 커버(810)의 전면에 반사도가 높은 물질로 코팅되는 형태로 마련되는 것도 가능하다.
여기서, 반사판(820)은 반사율이 높고 초박형으로 사용 가능한 소재를 사용할 수 있고, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PolyEthylene Terephtalate; PET)를 사용할 수 있다.
도광판(840)은 발광소자 패키지 모듈에서 방출되는 빛을 산란시켜 그 빛이 액정 표시 장치의 화면 전영역에 걸쳐 균일하게 분포되도록 한다. 따라서, 도광판(840)은 굴절률과 투과율이 좋은 재료로 이루어지는데, 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate; PMMA), 폴리카보네이트(PolyCarbonate; PC), 또는 폴리에틸렌(PolyEthylene; PE) 등으로 형성될 수 있다. 그리고, 도광판이 생략되어 반사시트(820) 위의 공간에서 빛이 전달되는 에어 가이드 방식도 가능하다.
제1 프리즘 시트(850)는 지지필름의 일면에, 투광성이면서 탄성을 갖는 중합체 재료로 형성되는데, 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.
제2 프리즘 시트(860)에서 지지필름 일면의 마루와 골의 방향은, 제1 프리즘 시트(850) 내의 지지필름 일면의 마루와 골의 방향과 수직할 수 있다. 이는 발광 모듈과 반사시트로부터 전달된 빛을 패널(870)의 전방향으로 고르게 분산하기 위함이다.
본 실시 예에서 제1 프리즘시트(850)과 제2 프리즘시트(860)가 광학시트를 이루는데, 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.
패널(870)은 액정 표시 패널(Liquid crystal display)가 배치될 수 있는데, 액정 표시 패널 외에 광원을 필요로 하는 다른 종류의 디스플레이 장치가 구비될 수 있다.
패널(870)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, 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.
패널(870)의 전면에는 컬러 필터(880)가 구비되어 패널(870)에서 투사된 빛을, 각각의 화소마다 적색과 녹색 및 청색의 빛만을 투과하므로 화상을 표현할 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, 100A ~ 100E: 발광 소자 110: 제1 전극
112: 금속층 114: 반사층
116: 오믹층 120: 발광 구조물
122: 제1 도전형 반도체층 124: 활성층
126: 제2 도전형 반도체층 130A ~ 130E: 질화물 반도체층
140A, 140B: 제2 전극 150: 패시베이션층

Claims (16)

  1. 제1 전극;
    상기 제1 전극 위에 배치되며, 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층 위에 활성층 및 상기 활성층 위에 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물;
    상기 제2 도전형 반도체층 위에 배치된 질화물 반도체층;
    상기 질화물 반도체층 위에 배치된 제2 전극; 및
    상기 발광 구조물의 측부와, 상기 질화물 반도체층의 측부와 상부 및 상기 제2 전극의 측부와 상부를 덮는 패시베이션층을 포함하고,
    소정 간격을 이루면서 상기 질화물 반도체층을 관통하여 상기 제2 도전형 반도체층의 상부까지 형성된 광 결정 구조를 갖는 발광 소자.
  2. 삭제
  3. 삭제
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  15. 제1항에 있어서, 상기 광 결정 구조는 주기적으로 배열되는 홀(hole)이나 기둥(rod) 모양으로 상기 발광 구조물의 상부에 배치된 발광 소자.
  16. 삭제
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