KR102261727B1 - 발광 소자 및 이를 포함하는 발광 소자 패키지 - Google Patents

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Abstract

실시예의 발광 소자는 기판; 기판 상에 배치되는 적어도 하나의 반도체층; 적어도 하나의 반도체층 상에 배치되고 복수의 관통홀을 포함하는 마스크층; 및 마스크층 상에 배치되는 복수의 발광 구조물; 을 포함하고, 복수의 발광 구조물은 수평 단면적의 크기에 따라 제1 내지 제N(여기서, N은 2 이상의 양의 정수) 발광 그룹으로 구분되도록 하여, 형광체를 사용하지 않고 광 효율이 개선된 백색광을 구현할 수 있다.

Description

발광 소자 및 이를 포함하는 발광 소자 패키지{LIGHT EMITTING DEVICE AND LIGHT EMITTING DEVICE PACKAGE INCLUDING THE SAME}
실시예는 백색광을 구현하는 발광 소자 및 이를 포함하는 발광 소자 패키지에 대한 것이다.
GaN, AlGaN 등의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체는 넓고 조정이 용이한 밴드 갭 에너지를 가지는 등의 많은 장점으로 인해 광 전자(Optoelectronics) 공학 분야와 전자 소자 등에 널리 사용된다.
반도체의 Ⅲ-Ⅴ족 또는 Ⅱ-Ⅵ족 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 백색광도 구현이 가능하며 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저 소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경친화성의 장점을 가진다.
발광 소자를 이용하여 백색광을 구현하는 방법에 있어서는 단일 칩 형태의 방법으로 청색이나 자외선(UV: Ultra Violet) 발광 다이오드 칩 위에 형광물질을 결합하는 것과 멀티 칩 형태로 제조하여 이를 서로 조합하여 백색광을 얻는 방법으로 나누어진다.
멀티 칩 형태의 경우 대표적으로 RGB(Red, Green, Blue)의 3종류의 칩을 조합하여 제작하는 방법이 있으며, 이 방법은 각각의 칩마다 동작전압이 불균일하거나, 주변 환경에 의한 각각의 칩의 출력의 차이로 인하여 색좌표가 달라지는 문제점을 가진다.
또한, 단일칩으로 백색광을 구현하는 경우에 있어서, 청색 발광 소자로부터 발광하는 빛과 청색광에 의하여 여기 되는 적어도 하나의 형광체들을 이용하여 백색광을 얻는 방법이 사용되고 있으나, 형광체 여기 등의 과정에서 발광 칩의 효율이 감소하고 백색광을 구현하는 적절한 형광체를 구하는 것이 쉽지 않은 문제가 있다.
실시예는 형광체를 사용하지 않고 발광 구조물의 배치 및 크기 조절만으로 광 출력이 증가 된 백색광을 방출하는 발광 소자를 제공하고자 한다.
실시예는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 적어도 하나의 반도체층; 상기 적어도 하나의 반도체층 상에 배치되고 복수의 관통홀을 포함하는 마스크층; 및 상기 마스크층 상에 배치되는 복수의 발광 구조물; 을 포함하고, 상기 복수의 발광 구조물은 수평 단면적의 크기에 따라 제1 내지 제N(여기서, N은 2이상의 양의 정수) 발광 그룹으로 구분되는 발광 소자를 제공한다.
상기 복수의 발광 구조물은 상기 복수의 관통홀로부터 수직 방향으로 돌출되어 형성된 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층을 둘러싸고 배치되는 활성층; 및 상기 활성층을 둘러싸며 배치되는 제2 도전형 반도체층; 을 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층의 수평 방향의 최대 폭은 상기 관통홀의 수평 방향의 폭과 동일할 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층의 수평 방향의 최대 폭은 상기 관통홀의 수평 방향의 폭보다 클 수 있다.
상기 복수의 발광 구조물은 발광 중심 파장이 350nm 내지 450nm인 광을 방출하는 제1 발광 구조물; 발광 중심 파장이 480nm 내지 580nm인 광을 방출하는 제2 발광 구조물; 및 발광 중심 파장이 600nm 내지 700nm인 광을 방출하는 제3 발광 구조물; 을 포함할 수 있다.
상기 제1 내지 제N 발광 그룹은 상기 제1 발광 구조물을 포함하는 제1 발광 그룹; 상기 제2 발광 구조물을 포함하는 제2 발광 그룹; 및 상기 제3 발광 구조물을 포함하는 제3 발광 그룹; 을 포함할 수 있다.
상기 제1 내지 제N 발광 그룹은 상기 마스크층에 대하여 동일한 면적 비율로 배치될 수 있다.
상기 제1 내지 제N 발광 그룹 중 적어도 하나는 상기 마스크층에 대하여 서로 다른 면적 비율로 배치될 수 있다.
상기 제1 내지 제3 발광 그룹 중 상기 마스크층에 배치된 면적 비율은 상기 제2 발광 그룹이 가장 클 수 있다.
상기 제1 발광 구조물의 수평 단면적이 S1, 상기 제2 발광 구조물의 수평 단면적이 S2, 상기 제3 발광 구조물의 수평 단면적이 S3이고, 상기 S1, 상기 S2 및 상기 S3는 서로 다를 수 있다. 또한, 상기 S1, 상기 S2 및 상기 S3는 아래와 같을 수 있다.
S1<S2<S3
상기 복수의 발광 구조물의 수평 단면은 원형, 타원형 또는 다각형일 수 있다.
상기 복수의 발광 구조물의 수평 단면적은 상부로 갈수록 작아질 수 있다.
발광 소자의 실시예는 상기 복수의 발광 구조물 사이를 채우며, 상기 마스크층 상에 배치되는 충진층; 및 상기 충진층 상에 배치되는 도전층; 을 더 포함할 수 있다.
상기 도전층 상의 적어도 일부 영역에 배치되며, 상기 제1 내지 제N 발광 그룹 중 이웃하는 발광 그룹 사이에 배치되는 전극층을 포함할 수 있다.
상기 전극층은 상기 이웃하는 발광 그룹 중 적어도 하나의 발광 그룹과 전기적으로 연결될 수 있다.
다른 실시예는 상술한 실시예의 발광 소자를 적어도 하나 포함하는 발광 소자 패키지를 제공할 수 있다.
실시예는 발광 그룹별로 포함되는 발광 구조물의 크기를 조절하여 서로 다른 크기를 갖는 복수의 발광 구조물에서 서로 다른 파장의 빛을 방출하도록 함으로써, 형광체를 사용하지 않고 백색광을 방출하는 발광 소자 및 발광 소자 패키지를 구현하고자 한다.
도 1은 일 실시예의 발광 소자를 나타낸 도면이고,
도 2는 일 실시예의 발광 소자의 평면도이고,
도 3 내지 도 4는 일 실시예의 발광 소자의 평면도이고,
도 5는 발광 구조물의 일 실시예에 대한 단면을 나타낸 도면이고,
도 6은 발광 구조물의 실시예들을 나타낸 도면이고,
도 7은 일 실시예의 발광 구조물의 단면을 상세히 나타낸 도면이고,
도 8은 일 실시예의 발광 구조물의 수평 단면을 나타낸 도면이고,
도 9는 일 실시예의 발광 소자의 사시도이고,
도 10은 발광 소자의 일 실시예를 나타낸 도면이고,
도 11 내지 도 12는 일 실시예의 발광 소자의 평면도이고,
도 13은 일 실시예의 발광 소자 패키지에 대한 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 싱(위) 또는 하(아래)(on or under)로 표현되는 경우 하나의 element를 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.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 1 내지 도 2는 발광 소자의 일 실시예를 나타낸 도면으로, 도 1은 단면도를 나타낸 것이며, 도 2는 도 1에 도시된 실시예에 대한 평면도를 나타낸 것이다.
도 1은 도 2에서 AA`선으로 절단하여 나타낸 단면도일 수 있다.
일 실시예의 발광 소자는 기판(210), 적어도 하나의 반도체층(222a), 반도체층(222a) 상에 형성된 마스크층(250) 및 복수의 발광 구조물(220)을 포함할 수 있다.
복수의 발광 구조물(220)은 마스크층(250) 상에 배치될 수 있으며, 수평 방향의 단면적의 크기에 따라 제1 내지 제N(여기서, N은 2 이상의 양의 정수이다) 발광 그룹으로 구분될 수 있다.
도 1에서, 반도체층(222a)이 배치되는 기판(210)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질이나 캐리어 웨이퍼로 형성될 수 있다. 또한, 기판(210)은 열 전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있고, 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함할 수 있다.
예를 들어, 기판(210)은 사파이어(Al2O3), SiO2, SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
도 1에서 반도체층(222a)은 하나의 층 또는 복수의 반도체층을 포함할 수 있으며, 기판(210) 상에 배치될 수 있다.
예를 들어, 적어도 하나의 반도체층(222a)은 질화물 반도체층일 수 있다.
또한, 반도체층(222a)이 기판(210)에 형성되기 전에 버퍼층(미도시)이 더 포함될 수 있으며, 버퍼층(미도시)은 기판(210)과 반도체층(222a) 사이의 부정합(lattice mismatch)에 기인한 불량의 발생을 방지할 수 있다.
반도체층(222a) 상에는 복수의 관통홀을 포함하는 마스크층(250)이 배치될 수 있다.
마스크층(250)의 복수의 관통홀 패턴은 리소그래피 공정에 의해 원하는 형태로 식각하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 관통홀은 원형, 타원형 또는 다각형 등의 단면 형상을 가질 수 있다.
마스크층(250)은 절연 물질로 이루어질 수 있으며, 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물이 포함될 수 있다. 예를 들어, 마스크층은 SiO2, TiO2, Si3N4 등으로 이루어질 수 있다.
마스크층(250)에 형성된 복수의 관통홀을 통하여 하부의 반도체층(222a)의 일부가 노출될 수 있다.
복수의 관통홀의 크기는 서로 다를 수 있다.
또한, 복수의 관통홀 중 크기가 동일한 복수의 관통홀들이 서로 이웃하여 배치되어 일 군(群)을 이룰 수 있으며, 동일한 크기를 갖는 복수의 관통홀들이 모여 이루어진 서로 다른 관통홀 군(群)들 간에는 관통홀의 크기가 다를 수 있다.
예를 들어, 제1군에 포함되는 관통홀의 수평 폭이 d1이고, 제2군에 포함되는 관통홀의 수평 폭이 d2일 때, d1과 d2는 다를 수 있다.
서로 다른 크기를 갖는 관통홀들은 그 크기에 따라 마스크층(250) 상에서 영역이 구분되어 배치될 수 있다.
도 1에서 복수의 발광 구조물(220)은 마스크층(250)의 복수의 관통홀로부터 수직 방향을 돌출되어 형성된 제1 도전형 반도체층(222), 제1 도전형 반도체층(222)의 측면과 상부면에 배치된 활성층(224) 및 활성층(224) 상에 배치되는 제2 도전형 반도체층(226)을 포함할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(222)은 마스크층(250)에 형성된 관통홀로부터 돌출되어 기판(210)에 수직 방향으로 성장할 수 있다.
또한, 도 1을 참조하면 기판(210)과 마스크층(250) 상에 배치되는 반도체층(222a)을 베이스부로 하고, 베이스부인 반도체층(222a)에서부터 관통홀을 지나 수직 방향으로 성장된 부분을 돌출부(222b)로 하여 일체의 제1 도전형 반도체층(222)이 형성될 수 있다. 이때, 반도체층(222a)과 돌출되어 형성된 제1 도전형 반도체층(222b)은 동일한 물질로 이루어질 수 있다.
관통홀로부터 돌출되어 형성되는 제1 도전형 반도체층(222)의 수평 방향의 최대 폭은 관통홀의 수평 방향의 폭과 동일할 수 있으나, 이에 한정하지 않으며, 제1 도전형 반도체층(222)의 수평 방향의 최대 폭은 관통홀의 수평 방향의 폭 보다 클 수 있다.
도 1의 실시예에서 제1 도전형 반도체층(222)의 수평 폭이 D1이고, 관통홀의 폭이 d1일 때 D1=d1 일 수 있다.
제1 도전형 반도체층(222)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(222)은 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질, AlGaN, GaN, InAlGaN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있다.
제1 도전형 반도체층(222)이 n형 반도체층인 경우, 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(222)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
활성층(224)은 제1 도전형 반도체층(222)의 측면과 상부면을 둘러싸고 배치될 수 있다.
예를 들어, 활성층(224)은 돌출되어 형성된 제1 도전형 반도체층의 돌출부(222b)를 둘러싸고 배치될 수 있다.
활성층(224)은 제1 도전형 반도체층(222)과 제2 도전형 반도체층(226) 사이에 배치되며, 단일 우물 구조(Double Hetero Structure), 다중 우물 구조, 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물(MQW: Multi Quantum Well) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
활성층(224)은 Ⅲ-Ⅴ족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 우물층과 장벽층, 예를 들면 AlGaN/AlGaN, InGaN/GaN, InGaN/InGaN, AlGaN/GaN, InAlGaN/GaN, GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 우물층은 장벽층의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(226)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(226)은 활성층(224) 상에 배치될 수 있으며, 활성층(224)의 측면 및 상부면을 둘러싸고 배치될 수 있다.
예를 들어, 활성층(224)과 제2 도전형 반도체층(226)은 돌출된 제1 도전형 반도체층(222)의 형상을 따라 제1 도전형 반도체층(222)의 외곽에 순차적으로 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(226)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(226)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질, AlGaN, GaN, AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 예를 들어 제2 도전형 반도체층(226)이 AlxGa(1-x)N으로 이루어질 수 있다.
제2 도전형 반도체층(226)이 p형 반도체층인 경우, 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트일 수 있다. 제2 도전형 반도체층(226)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으나 이에 한정하지 않는다.
복수의 발광 구조물은 발광 중심 파장이 350nm 내지 450nm인 광을 방출하는 제1 발광 구조물, 발광 중심 파장이 480nm 내지 580nm인 광을 방출하는 제2 발광 구조물 및 발광 중심 파장이 600nm 내지 700nm인 광을 방출하는 제3 발광 구조물을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제1 발광 구조물은 청색광을 방출할 수 있으며, 제2 발광 구조물은 녹색광을 방출하고, 제3 발광 구조물은 적색광을 방출할 수 있다.
따라서, 도 1 내지 도 2의 실시예의 발광 소자는 청색, 녹색, 적색광을 각각 발광 하는 복수의 발광 구조물(220a 내지 220c)을 포함함으로써 별도의 형광체 구성을 포함하지 않고 백색광을 방출할 수 있다.
복수의 발광 구조물은 수평 단면적의 크기에 따라 제1 내지 제N(N은 2 이상의 자연수이다)의 복수의 발광 그룹으로 각각 구분될 수 있다.
또한, 도 2에서 제1 발광 구조물(220a)은 폭이 W1이고, 제2 발광 구조물(220b)의 폭은 W2, 제3 발광 구조물(220c)의 폭은 W3이며, W1<W2<W3 일 수 있다.
한편, 제1 내지 제3 발광 구조물(220a 내지 220c)에서 제1 도전형 반도체층(222)의 직경이 서로 다를 수 있다.
예를 들어, 제1 발광 구조물(220a)의 제1 도전형 반도체층의 직경이 D1, 제2 발광 구조물(220b)의 제1 도전형 반도체층의 직경이 D2, 제3 발광 구조물(220c)의 제1 도전형 반도체층의 직경이 D3일 때, D1<D2<D3 일 수 있다.
또한, 제1 내지 제N 발광 그룹은 제1 발광 구조물을 포함하는 제1 발광 그룹, 제2 발광 구조물을 포함하는 제2 발광 그룹 및 제3 발광 구조물을 포함하는 제3 발광 그룹을 포함할 수 있다.
예를 들어, 도 2를 참조하면 마스크층(150) 상에 제1 발광 구조물(220a), 제2 발광 구조물(220b) 및 제3 발광 구조물(220c)이 배치될 수 있으며, 복수의 제1 발광 구조물(220a)은 제1 발광 그룹(Z1)을 이루고, 복수의 제2 발광 구조물(220b)은 제2 발광 그룹(Z2)을 이루며, 복수의 제3 발광 구조물(220c)은 제3 발광 그룹(Z3)이 될 수 있다.
따라서, 제1 발광 그룹(Z1)은 청색광을 발광하는 영역일 수 있으며, 제2 발광 그룹(Z2)은 녹색광을 발광하는 영역이고, 제3 발광 그룹(Z3)은 적색광을 발광하는 영역일 수 있다.
제1 내지 제N으로 구분되는 복수의 발광 그룹은 마스크층에 대하여 모두 동일한 면적 비율로 배치될 수 있다.
또한, 제1 내지 제N의 복수의 발광 그룹 중 적어도 하나의 발광 그룹은 마스크층에 대하여 나머지 발광 그룹과 다른 면적 비율로 배치될 수 있다.
예를 들어, 복수의 발광 그룹이 제1 내지 제3 발광 그룹(Z1 내지 Z3)을 포함하는 경우, 제2 발광 그룹(Z2)이 마스크층(250) 전체에서 차지하는 면적 비율이 나머지 제1 발광 그룹(Z1) 또는 제3 발광 그룹(Z3)과 비교하여 가장 클 수 있다.
도 2는 발광 소자가 직사각형 형상인 경우의 실시예를 나타낸 것으로, 제1 발광 그룹(Z1)과 제3 발광 그룹(Z3)은 마스크층 상에 동일한 면적 비율로 배치되고, 제2 발광 그룹(Z2)은 다른 발광 그룹과 비교하여 상대적으로 넓은 면적 비율로 배치될 수 있다.
또한, 도면에 도시되지는 않았으나 발광 소자의 마스크층(250)은 사각형 형상의 4개의 영역으로 구분될 수 있으며, 제1 대각선 방향으로 마주보는 두 개의 사각형 영역에 제1 발광 그룹(Z1)과 제3 발광 그룹(Z3)이 배치되고, 제1 대각선과 교차하는 제2 대각선 방향으로 서로 마주보는 두 개의 사각형 영역에 제2 발광 그룹(Z2)이 배치될 수 있다.
즉, 제1 내지 제3 발광 그룹이 베이어 배열(Bayer Arrangement) 형태로 배치될 수 있다.
도 3 내지 도 4는 발광 그룹의 배치 형태를 달리하는 발광 소자의 실시예들에 대한 평면도이다.
도 3을 참조하면, 발광 소자는 서로 동일한 면적으로 구분되는 세 개의 발광 그룹(Z1 내지 Z3)을 포함하며, 상부에서 바라본 형상이 원형일 수 있다. 즉, 각 발광 그룹(Z1 내지 Z3)은 부채꼴 형상으로 배치될 수 있다.
도 4는 세 개의 발광 그룹(Z1 내지 Z3)으로 구분된 발광 소자의 평면도를 나타낸 것으로, 세 개의 발광 그룹(Z1 내지 Z3) 각각은 직사각형 형상일 수 있으며, 세 개의 발광 그룹(Z1 내지 Z3)이 차지하는 면적은 모두 동일할 수 있다.
도 2 내지 도 4에서 복수의 발광 구조물(220a 내지 220c)이 배치되는 복수의 발광 그룹(Z1 내지 Z3)의 배치를 달리하는 실시예들을 나타내었으나, 발광 그룹(Z1 내지 Z3)의 배치는 제시된 도면의 실시예에 한정하지 않으며 발광 소자에 포함되는 발광 그룹의 개수와 배치는 달라질 수 있다.
실시예에 포함되는 발광 구조물(220)은 3차원 나노 구조물일 수 있다.
예를 들어, 도 1을 참조하면, 발광 구조물(220)은 나노 로드 형상일 수 있다.
도 5는 도 1 내지 도 4의 실시예에 포함된 발광 구조물(220)의 수평 단면을 나타낸 도면으로, 도 5를 참조하면 나노 로드 형상을 갖는 복수의 발광 구조물의 수평 단면은 원형일 수 있다.
발광 구조물(220)이 나노 로드 형상을 가질 때, 나노 로드의 코어에 제1 도전형 반도체층(222)이 형성되고, 반경 방향으로 제1 도전형 반도체층(222)을 둘러싸고 활성층(224) 및 제2 도전형 반도체층(226)이 순차적으로 배치될 수 있다.
나노 로드 형상을 갖는 발광 구조물(220)에서 나노 코어인 제1 도전형 반도체층(222)에서 활성층(224)으로 전자가 공급되고, 제2 도전형 반도체층(226)에서 활성층(224)에 정공이 공급될 수 있으며, 활성층(224)에서 전자와 정공의 결합에 의해 빛이 방출될 수 있다. 여기서, 3차원 나노 구조를 갖는 발광 구조물의 표면적을 통해 빛이 방출되며, 3차원 나노 형상을 갖는 실시예의 발광 구조물은 빛의 방출 면적이 넓어져 발광 효율이 높을 수 있다.
또한, 도 5에서 제1 발광 구조물(220a)의 수평 단면적이 S1, 제2 발광 구조물(220b)의 수평 단면적이 S2이고 제3 발광 구조물(220c)의 수평 단면적이 S3일 때, S1, S2 및 S3는 서로 다를 수 있으며, 예를 들어 S1<S2<S3 일 수 있다.
도 6은 발광 구조물(220)의 다른 실시예들을 나타낸 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이 발광 구조물(220)은 다양한 형태로 구현될 수 있다.
예를 들어, 발광 구조물(220)은 원기둥 형상(a), 원기둥의 상부에 원뿔이 결합된 형상(b), 육각 기둥 형상(c) 또는 육각뿔 형상(d) 등일 수 있다.
또한, 도 6(e)에서와 같이 하나의 발광 구조물(220)에서도 상부, 몸체부, 하부의 형상이 모두 다를 수 있다.
발광 구조물(220)의 수평 방향의 단면은 원형, 타원형 또는 다각형일 수 있다.
발광 구조물의 수평 단면적은 발광 구조물의 수직 방향으로의 성장 정도에 관계 없이 동일할 수 있으나 이에 한정하지 않는다.
예를 들어, 발광 구조물의 수평 단면적은 상부로 갈수록 작아질 수 있다.
도 7은 도 6에 도시된 발광 구조물의 단면도를 나타낸 것으로, 실시예 중 도 6(b) 또는 도 6(e)에 대한 단면도일 수 있다.
도 7은 발광 구조물(220)이 마스크층(250) 상에 배치된 부분을 자세히 나타낸 도면으로, 도 7을 참조하면 발광 구조물(220)은 상부로 갈수록 수평 단면적이 줄어드는 형상일 수 있다.
도 8은 도 7에서 BB`의 직선으로 절단한 경우의 수평 단면을 나타낸 것일 수 있다.
도 8의 (a)는 도 6(b)의 실시예에 대한 수평 단면으로 수평 단면의 형상이 원형일 수 있으며, 도 8의 (b)는 도 6(e)의 수평 단면으로 육각형의 수평 단면일 수 있다.
도 9는 도 4에 도시된 일 실시예의 발광 소자에 대한 사시도이다.
도 4 및 도 9를 참조하면, 각 발광 그룹(Z1 내지 Z3)에 속하는 복수의 발광 구조물(220a 내지 220c)은 일정한 간격으로 마스크층(250) 상에 배열될 수 있으나, 이에 한정하지 않으며 하나의 발광 그룹에 속하며 수평 단면적이 동일한 복수의 발광 구조물은 제한된 영역에서 랜덤(random)하게 배치될 수 있다.
따라서, 도 1 내지 도 9를 참조하여 설명한 실시예의 발광 소자는 수평 단면적의 크기를 달리하는 복수의 발광 구조물을 배치하여 발광 파장 영역을 달리하는 광을 동시에 구현함으로써 발광 소자 전체적으로 백색 광을 방출하도록 할 수 있다.
즉, 실시예의 경우 발광 구조물에 적합한 별도의 형광체의 선정 및 적용 없이 발광 소자의 구성만으로 광 효율이 우수한 백색광을 구현할 수 있다.
도 10은 발광 소자(200)의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
이하 발광 소자 실시예에 대한 설명에서는 상술한 실시예들과 중복되는 내용은 다시 설명하지 않으며, 차이점을 중심으로 설명한다.
도 10의 일 실시예의 발광 소자(200)는 기판(210), 반도체층(222a), 마스크층(250) 및 복수의 발광 구조물(220) 외에 충진층(260)과 도전층(270)을 더 포함할 수 있다.
또한, 도 10의 실시예에서는 상술한 도 1의 실시예와 달리 제1 도전형 반도체층(222)의 수평 방향의 폭(D1 또는 D3)이 마스크층(250)의 관통홀의 수평 폭(d1 또는 d3)보다 클 수 있다.
도 10을 참조하면, 충진층(260)은 복수의 발광 구조물(220) 사이를 채우며 마스크층(250) 상에 배치될 수 있으며, 도전층(270)은 충진층(260) 상에 배치될 수 있다.
충진층(260)의 발광 구조물(220)의 최상단부보다 낮은 높이로 형성될 수 있으며, 충진층(260)은 절연체로 형성될 수 있다.
충진층(260) 상에는 도전층(270)이 배치될 수 있으며, 도전층(270)은 투명 도전층일 수 있다. 예를 들어, 도전층(270)은 ITO, IZO, ZnO 또는 SnO2 등과 같은 투명 전극 물질로 형성될 수 있다.
도전층(270)을 통하여 복수의 발광 구조물(220)로 전기가 전달되도록 할 수 있다.
도전층(270)의 적어도 일부 영역에는 제1 내지 제N의 복수의 발광 그룹 사이에 배치되는 전극층(292)을 포함할 수 있다.
도 10에서 발광 소자는 제1 전극(290)과 전극 패턴을 갖는 제2 전극인 전극층(292)을 포함할 수 있다.
제1 전극(290)은 N형 전극 패드일 수 있으며, 전극층(292)은 P형 전극 패드와 전극 패턴을 포함하여 형성될 수 있다.
전극층(292)은 이웃하는 발광 그룹 중 적어도 하나의 발광 그룹과 전기적으로 연결될 수 있다.
도 11은 상술한 도 2의 발광 소자의 실시예에서와 동일한 발광 구조물의 배치를 갖는 경우이며, 도 12는 도 4에서와 동일한 발광 구조물의 배치를 갖는 경우의 발광 소자의 실시예에 대한 평면도이다.
또한, 도 11은 도 10의 평면도일 수 있다.
도 11 내지 도12를 참조하면, 전극층(292)은 복수의 발광 그룹(Z1 내지 Z3)으로 구분되는 영역 사이에 배치되어 각 발광 그룹(Z1 내지 Z3)에 전기 공급이 균일하게 이루어지도록 할 수 있다.
따라서, 도 10 내지 도 12에 도시된 실시예의 발광 소자의 경우 형광체 적용 없이 수평 단면적의 크기를 달리하는 복수의 발광 구조물의 배치를 통하여 백색광을 구현할 수 있을 뿐 아니라, 발광 그룹(Z1 내지 Z3)의 배치 형태에 따라 전극층(292)의 전극 패턴을 구성하여 균일한 발광 효율을 가지도록 할 수 있다.
다른 실시예는 상술한 실시예의 발광 소자(200)를 적어도 하나 포함하는 발광 소자 패키지일 수 있다.
도 13은 실시예의 발광 소자(200)가 배치된 발광소자 패키지의 일실시예를 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 발광소자 패키지(300)는 캐비티를 포함하는 몸체(310)와, 상기 몸체(310)에 설치된 제1 리드 프레임(Lead Frame, 321) 및 제2 리드 프레임(322)과, 상기 몸체(310)에 설치되어 상기 제1 리드 프레임(321) 및 제2 리드 프레임(322)과 각각 전기적으로 연결되는 상술한 실시예들에 따른 발광 소자(200)와, 상기 캐비티에 형성된 몰딩부(350)를 포함한다.
몸체(310)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있다. 상기 몸체(310)가 금속 재질 등 도전성 물질로 이루어지면, 도시되지는 않았으나 상기 몸체(310)의 표면에 절연층이 코팅되어 상기 제1,2 리드 프레임(321, 322) 간의 전기적 단락을 방지할 수 있다.
제1 리드 프레임(321) 및 제2 리드 프레임(322)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광소자(200)에 전류를 공급한다. 또한, 제1 리드 프레임(321) 및 제2 리드 프레임(322)은 발광소자(200)에서 발생 된 광을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있으며, 발광소자(200)에서 발생 된 열을 외부로 배출시킬 수도 있다.
발광소자(200)는 제1 리드 프레임(321)에 도전성 페이스트(330) 등으로 고정될 수 있고, 발광소자(200)의 전극은 제2 리드 프레임에 와이어(290)로 본딩될 수 있다.
상기 몰딩부(350)는 상기 발광소자(200)를 포위하여 보호할 수 있다. 또한, 상기 몰딩부(350)에는 형광체(360)가 포함되지 않으며, 발광 소자(200)에서 방출된 백색광이 투과되어 발광 소자 패키지로부터 방출될 수 있다.
발광소자 패키지(300)는 상술한 실시예들에 따른 발광 소자(200) 중 하나 또는 복수 개로 탑재할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
이하에서는 상술한 발광 소자 패키지(300)가 배치된 조명 시스템의 일 실시예로서 영상 표시장치 및 조명 장치를 설명한다.
실시예에 따른 발광 소자 패키지(300)는 복수 개가 기판 상에 어레이될 수 있고, 발광 소자 패키지(300)의 광 경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트 등이 배치될 수 있다. 이러한 발광 소자 패키지(300), 기판, 광학 부재는 백라이트 유닛으로 기능할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 발광 소자 패키지(300)를 포함하는 표시 장치, 지시 장치, 조명 장치로 구현될 수 있다.
여기서, 표시 장치는 바텀 커버와, 바텀 커버 상에 배치되는 반사판과, 광을 방출하는 발광 모듈과, 반사판의 전방에 배치되며 발광 모듈에서 발산되는 빛을 전방으로 안내하는 도광판과, 도광판의 전방에 배치되는 프리즘 시트들을 포함하는 광학 시트와, 광학 시트 전방에 배치되는 디스플레이 패널과, 디스플레이 패널과 연결되고 디스플레이 패널에 화상 신호를 공급하는 화상 신호 출력 회로와, 디스플레이 패널의 전방에 배치되는 컬러 필터를 포함할 수 있다. 여기서 바텀 커버, 반사판, 발광 모듈, 도광판, 및 광학 시트는 백라이트 유닛(Backlight Unit)을 이룰 수 있다.
또한, 조명 장치는 기판과 실시예에 따른 발광 소자 패키지(300)를 포함하는 광원 모듈, 광원 모듈의 열을 발산시키는 방열체, 및 외부로부터 제공받은 전기적 신호를 처리 또는 변환하여 광원 모듈로 제공하는 전원 제공부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 조명 장치는, 램프, 헤드 램프, 또는 가로등을 포함할 수 있다.
헤드 램프는 기판 상에 배치되는 발광 소자 패키지들(300)을 포함하는 발광 모듈, 발광 모듈로부터 조사되는 빛을 일정 방향, 예컨대, 전방으로 반사시키는 리플렉터(reflector), 리플렉터에 의하여 반사되는 빛을 전방으로 굴절시키는 렌즈 및 리플렉터에 의하여 반사되어 렌즈로 향하는 빛의 일부분을 차단 또는 반사하여 설계자가 원하는 배광 패턴을 이루도록 하는 쉐이드(shade)를 포함할 수 있다.
상술한 영상 표시장치 및 조명 장치의 경우 복수의 발광 구조물을 갖는 실시예의 발광 소자 및 발광 소자 패키지를 사용함으로써, 광 효율을 개선할 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.
200: 발광 소자 210: 기판
220, 220a, 220b, 220c: 발광 구조물
250: 마스크층 292: 전극층
300: 발광 소자 패키지

Claims (17)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 배치되는 적어도 하나의 반도체층;
    상기 반도체층 상에 배치되고 복수의 관통홀을 포함하는 마스크층;
    상기 마스크층 상에 배치되는 복수의 발광 구조물;
    상기 복수의 발광 구조물 사이를 채우며 상기 마스크층 상에 배치되는 충진층;
    상기 충진층 상에 배치되는 도전층; 및
    상기 도전층 상의 적어도 일부 영역에 배치되는 전극층을 포함하고,
    상기 복수의 발광 구조물은 수평 단면적의 크기에 따라 제1 내지 제N(여기서, N은 2 이상의 양의 정수) 발광 그룹으로 구분되고,
    상기 복수의 발광 구조물은 수평 단면적의 크기는 서로 다르고,
    상기 복수의 발광 구조물에서 방출하는 광의 파장은 서로 다르고,
    상기 전극층은 상기 제1 내지 제N 발광 그룹 중 이웃하는 발광 그룹 사이에 배치된 발광 소자.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 복수의 발광 구조물은
    상기 복수의 관통홀로부터 수직 방향으로 돌출되어 형성된 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층의 측면과 상부면에 배치된 활성층; 및
    상기 활성층 상에 배치되는 제2 도전형 반도체층; 을 포함하는 발광 소자.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 제1 도전형 반도체층의 수평 방향의 최대 폭은 상기 관통홀의 수평 방향의 폭과 동일하거나 더 큰 발광 소자.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서, 상기 복수의 발광 구조물은
    발광 중심 파장이 350nm 내지 450nm인 광을 방출하는 제1 발광 구조물;
    발광 중심 파장이 480nm 내지 580nm인 광을 방출하는 제2 발광 구조물; 및
    발광 중심 파장이 600nm 내지 700nm인 광을 방출하는 제3 발광 구조물; 을 포함하고,
    상기 제1 내지 제N 발광 그룹은
    상기 제1 발광 구조물을 포함하는 제1 발광 그룹;
    상기 제2 발광 구조물을 포함하는 제2 발광 그룹; 및
    상기 제3 발광 구조물을 포함하는 제3 발광 그룹; 을 포함하는 발광 소자.
  6. 삭제
  7. 제1 항에 있어서, 상기 제1 내지 제N 발광 그룹은 상기 마스크층에 대하여 동일한 면적 비율로 배치되거나,
    상기 제1 내지 제N 발광 그룹 중 적어도 하나는 상기 마스크층에 대하여 서로 다른 면적 비율로 배치된 발광 소자.
  8. 삭제
  9. 제5 항에 있어서, 상기 마스크층에 배치된 면적 비율은 상기 제2 발광 그룹이 가장 큰 발광 소자.
  10. 제5 항에 있어서, 상기 제1 발광 구조물의 수평 단면적이 S1, 상기 제2 발과 구조물의 수평 단면적이 S2, 상기 제3 발광 구조물의 수평 단면적이 S3이고,
    상기 S1, 상기 S2 및 상기 S3는 아래와 같은 발광 소자.
    S1 < S2 < S3
  11. 삭제
  12. 제1 항에 있어서, 상기 복수의 발광 구조물의 수평 단면은 원형, 타원형 또는 다각형이고,
    상기 복수의 발광 구조물의 수평 단면적은 상부로 갈수록 작아지는 발광 소자.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제1 항 내지 제3 항, 제5 항, 제7 항, 제9 항, 제10 항 및 제12 항 중 어느 한 항의 발광 소자를 적어도 하나 포함하는 발광 소자 패키지.
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