KR20060028920A

KR20060028920A - 발광 다이오드

Info

Publication number: KR20060028920A
Application number: KR20040077828A
Authority: KR
Inventors: 추성호; 장자순; 정환희
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2006-04-04
Also published as: KR101154706B1

Abstract

본 발명은 발광 다이오드의 P형 반사 전극과 P형 반도체층 사이에 굴절율이 높고, 에너지 밴드 갭이 낮은 고굴절층을 삽입함으로써, 광효율을 향상시킬 수 있는 발광 다이오드를 개시한다. 개시된 본 발명은 제 1 질화물 반도체층; 상기 제 1 질화물 반도체층 위에 형성되는 활성층; 상기 활성층 위에 형성되는 제 2 질화물 반도체층; 상기 제 2 질화물 반도체층 위에 형성되는 고굴절층; 및 상기 고굴절층 위에 형성된 반사전극과 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제 1 질화물 반도체층은 질화물계 물질로된 버퍼층, 도핑되지 않은 질화물 반도체층 및 N형 도핑된 질화물 반도체층으로 구성되고, 상기 고굴절층은 질화갈륨계 물질에 인(P) 또는 비소(As) 성분이 포함되며, 상기 고굴절층은 굴절율이 제 2 질화물 반도체층의 굴절율보다 큰 것을 특징으로 한다.

LED, 굴절, 전반사, 광효율, 반사전극

Description

발광 다이오드{LIGHT EMITTING DIODE}

도 1은 종래 기술에 따른 발광 다이오드를 플립칩 본딩한 모습을 도시한 도면.

도 2는 본 발명에 따른 발광 다이오드를 플립칩 본딩한 모습을 도시한 도면.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 도면.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100: 발광 다이오드 101: 사파이어 기판

103: N형 질화갈륨층 105: 활성층

106: P형 질화갈륨층 108: P형 반사전극

120: 고굴절층

본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 발광 다이오드의 P형 반사 전극과 P형 반도체층 사이에 굴절율이 높고, 에너지 밴드 갭이 낮은 고굴절층을 삽입함으로써, 광효율을 향상시킬 수 있는 발광 다이오드에 관한 것이다.

일반적으로, 발광다이오드(Light Emitting Diode: 이하 LED라고 함)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전기를 적외선 또는 빛으로 변환시켜 신호를 보내고 받는데 사용되는 반도체의 일종으로 가정용 가전제품, 리모콘, 전광판, 표시기, 각종 자동화 기기 등에 사용된다.

상기 LED의 동작원리는 특정 원소의 반도체에 순방향 전압을 가하면 양극과 음극(Positive-negative)의 접합(junction) 부분을 통해 전자와 정공이 이동하면서 서로 재결합하는데, 전자와 정공의 결합에 의하여 에너지 준위가 떨어지게 되는데 이 에너지 준위가 빛으로 방출되는 것이다.

또한, LED는 보편적으로 작은 크기로 제작되며, 엑폭시 몰드와 리드 프레임 및 PCB에 실장된 구조를 하고 있다. 현재 가장 보편적으로 사용하는 LED는 5㎜(T 1 3/4) 플라스틱 패키지(Package)나 특정 응용 분야에 따라 새로운 형태의 패키지를 개발하고 있다. LED에서 방출하는 빛의 파장은 반도체 칩 구성원소의 배합에 따라 달라지며 이러한 파장이 빛의 색깔을 결정 짓는다.

특히, LED는 정보 통신 기기의 소형화, 슬림화(slim) 추세에 따라 기기의 각종 부품인 저항, 콘덴서, 노이즈 필터 등은 더욱 소형화되고 있으며 PCB(Printed Circuit Board: 이하 PCB라고 함) 기판에 직접 장착하기 위하여 표면실장소자(Surface Mount Device)형으로 만들어지고 있다.

이에 따라 표시소자로 사용되고 있는 LED 램프도 SMD 형으로 개발되고 있다. 이러한 SMD는 기존의 단순한 점등 램프를 대체할 수 있으며, 이것은 다양한 칼라를 내는 점등표시기용, 문자표시기 및 영상표시기 등으로 사용된다.

그리고, 최근 들어 반도체 소자에 대한 고밀도 집적화 기술이 발전되고 수요자들이 보다 컴팩트한 전자제품을 선호함에 따라 표면실장기술(SMT)이 널리 사용되고, 반도체 소자의 패키징 기술도 BGA(Ball Grid Arrary), 와이어 본딩, 플립칩 본딩 등 설치 공간을 최소화하는 기술이 채택되고 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 발광 다이오드를 플립칩 본딩한 모습을 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 발광 다이오드(1)의 구조는 다음과 같다.

Al₂O₃ 계열의 성분으로 되어있는 사파이어 기판(1) 상에 질화갈륨(GaN)으로된 버퍼층(GaN buffer layer), 도핑되지 않은(Undoped) GaN 층 및 N형 GaN 층으로 구성된 N형 질화갈륨층(3)을 형성한다.

상기에서와 같이, 상기 사파이어 기판(1) 상에 3족 계열의 원소를 박막 성장하기 위해서는 일반적으로 금속유기화학기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition: MOCVD)을 사용하고, 성장 압력은 200 토르(torr)~ 650 토르(torr)를 유지하면서 레이어(layer)를 형성한다.

그리고, 상기 N형 GaN 층은 사수소화 실리콘(Si:H4) 또는 이수소화 실리콘(Si2H6)가스를 이용한 실리콘이 사용된다.

상기 N형 질화갈륨층(3)이 성장되면 상기 N형 질화갈륨층(3) 상에 활성층(5)을 성장시킨다. 상기 활성층(5)은 발광 영역으로서 질화인듐갈륨(InGaN)으로된 발광체 물질을 첨가한 반도체 층이다. 상기 활성층(5)이 성장되면 계속해서 P형 질화 갈륨층(6)을 형성한다. 상기 P형 질화갈륨층(6)은 P-AlGaN(Mg) 또는 P-InGaN 성분으로 이루어진다.

상기 P형 질화갈륨층(6)은 상기 N형 질화갈륨층(3)과 대조되는 층으로써, 상기 N형 질화갈륨층(3)은 외부로부터 인가되는 전압에 의하여 전자들을 상기 활성층(5)에 공급한다.

그리고 상대적으로 상기 P형 질화갈륨층(6)은 외부에 인가되는 전압에 의하여 정공(hole)들을 상기 활성층(5)에 공급함으로써, 상기 활성층(5)에서 정공(hole)과 전자가 서로 결합하여 광을 발생시키도록 한다.

그리고 상기 P형 질화갈륨층(6) 상에 이후 형성될 P형 전극은 상기 발광 다이오드(10)를 와이어 본딩할 때에는 투명 금속으로된 투과층을 형성한 다음, 와이어와 전기적으로 본딩된 P형 전극을 형성한다. N형 전극도 마찬가지로 상기 N형 질화갈륨층(3) 까지 오픈 시킨 다음, 상기 N형 질화갈륨층(3) 상에 N형 전극을 형성한다.

그러나, 상기 사파이어 기판(1)이 광을 투과할 수 있는 기판이므로, 발광 다이오드(10)를 뒤집어 본딩하는 플립칩 본딩을 할 경우에는 상기 P형 질화갈륨층(6) 형성 후에 가장자리 영역을 식각하여 상기 N형 질화갈륨층(3)이 오픈될 수 있도록 하였다.

그런 다음, 상기 P형 질화갈륨층(6) 상에 반사율이 높은 금속을 형성하여 P형 전극겸 반사판 역할을 하는 P형 반사전극(8)을 형성한다. N형 전극의 경우에는 광을 발생시키는 활성층(5)이 없으므로 일반적인 금속을 사용하여 전극을 형성한 다.

이와 같이 발광 다이오드(10)가 완성되면, 인쇄회로기판(11) 상에 실장을 하는데, 상기 발광 다이오드(10)가 플립칩 본딩되기 때문에 상기 발광 다이오드(10)가 실장되는 영역의 인쇄회로기판(11) 상에 반사층(12)이 형성되어 있다.

상기 발광 다이오드(10)는 플립칩 형태로 상기 인쇄회로기판(11) 상에 실장되는데, 상기 인쇄회로기판(11) 상의 실장될 영역에 언더범퍼금속(Under Bumper Metal: UBM, 15)을 상기 발광 다이오드(10)와 인쇄회로기판(11) 상에 형성한 다음, 솔더(solder:16)를 사이에 두고 전기적으로 본딩한다.

상기와 같은 구조로 플립칩 본딩된 발광 다이오드(10)는 인쇄회로기판(11)을 통하여 전원이 발광 다이오드(10)에 인가되면, 상기 활성층(5)에서 전자와 정공이 결합하여 광을 발생한다.

이와 같이 상기 활성층(5)에서 발생된 광의 일부는 상기 사파이어 기판(1)을 통하여 외부로 방출되고, 일부의 광은 상기 P형 질화갈륨층(6)과 P형 반사전극(8) 및 상기 인쇄회로기판(11) 상에 형성되어 있는 반사층(12)에서 반사된 후 외부로 방출된다.

특히, 발광 다이오드(10)가 플립칩 본딩된 경우에는 활성층(5)에서 발생된 광이 직접 또는 반사된 후 사파이어 기판(1)을 통하여 외부로 방출되므로, 와이어 본딩에 의하여 실장되는 발광 다이오드에 비해서 광효율이 증가하는 장점이 있다.

또한, 와이어 본딩에 의해 실장되는 발광 다이오드의 경우에는 와이어에 의해 본딩되는 영역에 P형 전극, N형 전극을 불투명 금속으로 형성하기 때문에 광효 율이 저하되는 문제가 있었지만, 플립칩 본딩 발광 다이오드는 이와 같은 광저하 요인이 없다.

하지만, 상기와 같이 플립칩 본딩을 하기 위하여 제조된 발광 다이오드는 P형 반사전극 및 인쇄회로기판 상에 형성된 반사층에서 반사되는 50% 광이 굴절율이 낮은 P형 질화갈륨층에 의해 저하되는 문제가 있다.

상기 P형 질화갈륨층의 굴절율 2.5 이상이 되어야만, 활성층에서 발생되는 광의 대부분이 P형 반사전극 또는 반사층 등에 의해 반사되는데, P형 질화갈륨층의 경우에는 2 정도의 굴절율을 가지고 있어 광효율을 저하시키는 원인이 된다.

본 발명은, 플립칩 본딩을 위한 발광 다이오드의 P형 반사전극과 P형 질화갈륨층 사이에 P형 질화갈륨층과 격자 조합이 유사하고, 밴드 갭 에너지가 낮은 고굴절층을 삽입함으로써, 광반사 효율을 향상시킨 발광 다이오드를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 발광 다이오드는,

제 1 질화물 반도체층;

상기 제 1 질화물 반도체층 위에 형성되는 활성층;

상기 활성층 위에 형성되는 제 2 질화물 반도체층;

상기 제 2 질화물 반도체층 위에 형성되는 고굴절층; 및

상기 고굴절층 위에 형성된 반사전극과 전극을 포함하는 것을 특징으로 한 다.

그리고 상기 고굴절층의 굴절율은 2.5~3의 범위 값을 갖고, 상기 고굴절층의 에너지 밴드 갭은 상기 제 2 질화물 반도체층의 에너지 밴드 갭보다 낮은 값을 갖으며, 상기 전극은 상기 활성층에서 발생하는 광을 반사시키기 위한 반사판 역할과 전원을 공급하는 전극 역할을 하고, 상기 제 2 질화물 반도체층과 고굴절층 사이에는 제 3 질화물 반도체층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 3 질화물 반도체층은 N형으로 고농도 도핑된 질화물 반도체층인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 플립칩 본딩을 위한 발광 다이오드의 P형 반사전극과 P형 질화갈륨층 사이에 P형 질화갈륨층과 격자 조합이 유사하고, 밴드 갭 에너지가 낮은 고굴절층을 삽입함으로써, 광반사 효율을 향상시킨 효과가 있다.

이하, 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 자세히 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명에 따른 발광 다이오드를 플립칩 본딩한 모습을 도시한 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 발광 다이오드(100)의 구조는 Al₂O₃ 계열의 성분으로 되어있는 사파이어 기판(100) 상에 질화갈륨(GaN)으로된 버퍼층(GaN buffer layer), 도핑되지 않은(Undoped) GaN 층 및 N형 GaN 층으로 구성된 N형 질화갈륨층(103)을 형성한다.

상기에서와 같이, 상기 사파이어 기판(101) 상에 3족 계열의 원소를 박막 성장하기 위해서는 일반적으로 금속유기화학기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition: MOCVD)을 사용하고, 성장 압력은 200 토르(torr)~ 650 토르(torr)를 유지하면서 레이어(layer)를 형성한다.

상기 N형 질화갈륨층(103)이 성장되면 상기 N형 질화갈륨층(103) 상에 활성층(105)을 성장시킨다. 상기 활성층(105)은 발광 영역으로서 질화인듐갈륨(InGaN)으로된 발광체 물질을 첨가한 반도체 층이다.

상기 활성층(105)이 성장되면 계속해서 P형 질화갈륨층(106)을 형성한다. 상기 P형 질화갈륨층(106)은 P-AlGaN(Mg) 또는 P-InGaN 성분으로 이루어진다.

상기 P형 질화갈륨층(106)은 상기 N형 질화갈륨층(103)과 대조되는 층으로써, 상기 N형 질화갈륨층(103)은 외부로부터 인가되는 전압에 의하여 전자들을 상기 활성층(105)에 공급한다.

그리고 상대적으로 상기 P형 질화갈륨층(106)은 외부에 인가되는 전압에 의 하여 정공(hole)들을 상기 활성층(105)에 공급함으로써, 상기 활성층(105)에서 정공(hole)과 전자가 서로 결합하여 광을 발생시키도록 한다.

상기 P형 질화갈륨층(106)이 형성되면, 상기 P형 질화갈륨층(106)을 형성하는 챔버 내에 인(P) 또는 비소(As) 성분 넣어 굴절율이 2.5 이상인 고굴절층(120)을 형성한다.

따라서, 상기 고굴절층(120)은 질화갈륨계 물질에 P 성분 또는 As 성분이 포함되어 굴절율이 2.5 이상 3 이하의 값을 갖도록 하였다.

상기와 같이 P형 질화갈륨층(106) 상에 고굴절층(120)이 형성되면, 가장자리 영역을 식각하여 상기 N형 질화갈륨층(103)이 오픈될 수 있도록 하였다.

그런 다음, 상기 고굴절층(120) 상에 반사율이 높은 금속을 사용하여 P형 질화갈륨층(106)과 전기적으로 연결되는 전극겸 반사판 역할을 하는 반사전극(108)을 형성한다. N형 전극의 경우에는 광을 발생시키는 활성층(105)이 없으므로 일반적인 금속을 사용하여 상기 N형 질화갈륨층(103) 상에 전극을 형성한다.

이와 같이, 발광 다이오드(100)가 완성되면, 인쇄회로기판(111) 상에 실장을 하는데, 상기 발광 다이오드(100)가 플립칩 본딩되기 때문에 상기 발광 다이오드(100)가 실장되는 영역의 인쇄회로기판(111) 상에 반사층(112)이 형성되어 있다.

상기 발광 다이오드(100)는 플립칩 형태로 상기 인쇄회로기판(111) 상에 실장되는데, 상기 인쇄회로기판(111) 상의 실장될 영역에 언더범퍼금속(Under Bumper Metal: UBM, 115)을 상기 발광 다이오드(100)와 인쇄회로기판(111) 상에 형성한 다 음, 솔더(solder:116)를 사이에 두고 인쇄회로기판(111)과 전기적으로 본딩한다.

상기와 같은 구조로 플립칩 본딩된 발광 다이오드(100)는 인쇄회로기판(111)을 통하여 전원이 발광 다이오드(100)에 인가되면, 상기 활성층(105)에서 전자와 정공이 결합하여 광을 발생한다.

이와 같이 상기 활성층(105)에서 발생된 광의 일부는 상기 사파이어 기판(101)을 통하여 외부로 방출되고, 일부의 광은 상기 P형 질화갈륨층(106), 고굴절층(120) 및 반사전극(108)에서 반사가 일어난다.

그리고, 상기 인쇄회로기판(111) 상에 형성되어 있는 반사층(112)을 통해서도 광반사가 일어난다.

본 발명에서는 P형 질화갈륨층(106)과 반사전극(108) 사이에 고굴절층(120)이 게재되어 있으므로, 상기 P형 질화갈륨층(106)을 통하여 진행한 광이 상기 고굴절층(120)에서 대부분 반사시키고 투과한 일부 광은 상기 반사전극(108)에서 반사된 후에 상기 고굴절층(120)에서 전반사가 일어나 반사효율을 향상시켰다.

또한, 반사전극(108)을 통하여 전원이 인가되면, 상기 P형 질화갈륨층(106)보다 에너지 밴드 갭이 낮고 결정구조가 비슷한 고굴절층(120)을 통하여 균일한 캐리어가 주입(injection)어 상기 활성층(105)에서의 발광효율을 향상시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 도면으로서, 도시된 바와 같이, 상기 도 2와 유사한 구조를 갖지만, 발광 다이오드의 구조에서 P형 질화갈륨층(106)과 반사전극(108) 사이에 N으로 도핑된 질화갈륨층(170)을 삽입하였다.

따라서, 발광 다이오드(100)는 사파이어 기판(101), N형 질화갈륨층(103), 활성층(105), P형 질화갈륨층(106), 도핑된 질화갈륨층(170), 고굴절층(120)), 반사전극(108)으로 구성되어 있다.

이하, 상기 도 2와 차별되는 부분을 중심으로 설명한다.

상기 본 발명의 발광 다이오드는 P형 질화갈륨층(106)과 반사전극(108) 사이에 N형으로 고농도 도핑된 질화갈륨층(170)이 형성되어 있는데, 상기 도핑된 질화갈륨층(170)의 두께는 Å단위로 얇은 두께를 가지고 있다.

여기서, 상기 반사전극(108)에 전원이 인가되면, 상기 P형 질화갈륨층과 도핑된 질화갈륨층 간에 슈퍼그레이딩(super grading) 효과가 발생하여 정공들이 상기 도핑된 질화갈륨층(170)을 통과하여 상기 P형 질화갈륨층(106)으로 정공이 유입된다.

상기 P형 질화갈륨층(106)으로부터 유입되는 정공과 N형 질화갈륨층(103)으로부터 유입되는 전자가 상기 활성층(105)에서 결합하여 광을 발생시키게 된다.

이렇게 상기 활성층(105)에서 발생되는 광은 상기 고굴절층(120)에서 대부분 반사되고 나머지 광은 상기 반사전극(108)에서 반사되는데, 이와 같이 반사된 광은 인(P) 또는 비소(As) 성분 넣어 굴절율이 2.5 이상, 정확하게는 2.5 이상 3 이하의 굴절율을 갖는 고굴절층(120)에서 투과율을 높여 광효율을 향상시켰다.

또한, 상기 반사전극(108)을 통하여 전원이 인가되면, 상기 P형 질화갈륨층(106)보다 에너지 밴드 갭이 낮고 결정구조가 비슷한 고굴절층(120)을 통하여 균일한 캐리어가 주입(injection)어 상기 활성층(105)에서의 발광효율을 향상시킬 수 있다.

이상에서 자세히 설명된 바와 같이, 본 발명은 플립칩 본딩을 위한 발광 다이오드의 반사전극과 P형 질화갈륨층 사이에 P형 질화갈륨층과 격자 조합이 유사하고, 밴드 갭 에너지가 낮은 고굴절층을 삽입함으로써, 광반사 효율을 향상시킨 효과가 있다.

본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 이하 청구 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

Claims

제 1 질화물 반도체층;

상기 제 1 질화물 반도체층 위에 형성되는 활성층;

상기 활성층 위에 형성되는 제 2 질화물 반도체층;

상기 제 2 질화물 반도체층 위에 형성되는 고굴절층; 및

상기 고굴절층 위에 형성된 반사전극과 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 질화물 반도체층은 질화물계 물질로된 버퍼층, 도핑되지 않은 질화물 반도체층 및 N형 도핑된 질화물 반도체층으로 구성된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
제 1 항에 있어서,

상기 고굴절층은 질화갈륨계 물질에 인(P) 또는 비소(As) 성분이 포함된 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
제 1 항에 있어서,

상기 고굴절층은 굴절율이 제 2 질화물 반도체층의 굴절율보다 큰 것을 특징 으로 하는 발광 다이오드.
제 1 항에 있어서,

상기 고굴절층의 굴절율은 2.5~3의 범위 값을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
제 1 항에 있어서,

상기 고굴절층의 에너지 밴드 갭은 상기 제 2 질화물 반도체층의 에너지 밴드 갭보다 낮은 값을 갖는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
제 1 항에 있어서,

상기 전극은 상기 활성층에서 발생하는 광을 반사시키기 위한 반사판 역할과 전원을 공급하는 전극 역할을 하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
제 1 항에 있어서,

상기 제 2 질화물 반도체층과 고굴절층 사이에는 제 3 질화물 반도체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
제 1 항에 있어서,

상기 제 3 질화물 반도체층은 N형으로 고농도 도핑된 질화물 반도체층인 것 을 특징으로 하는 발광 다이오드.