KR20070050215A - 광 결정 구조체를 갖는 교류용 발광소자 및 그것을제조하는 방법 - Google Patents

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Abstract

광 결정 구조체를 갖는 교류용 발광소자 및 그것을 제조하는 방법이 개시된다. 이 발광소자는 복수개의 발광셀들 및 발광셀들을 전기적으로 연결하는 금속배선들을 포함한다. 한편, 각 발광셀은 제1 도전형 반도체층, 제1 도전형 반도체층의 일영역 상에 위치하는 제2 도전형 반도체층, 및 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함한다. 이에 더하여, 광 결정 구조체가 제2 도전형 반도체층에 형성되어 위치한다. 광 결정 구조체는 활성층에서 방출된 광이 광 결정 구조체의 주기적인 배열에 의해 측면전파되는 것을 방지하여 발광소자의 광 추출효율을 높인다. 또한, 금속배선들을 통해 복수개의 발광셀들을 전기적으로 연결함으로써 교류구동이 가능한 발광소자를 제공할 수 있다.
발광소자, 발광셀, 광 결정(photonic crystal), 광 밴드갭(photonic band gap), 질화갈륨, 교류

Description

광 결정 구조체를 갖는 교류용 발광소자 및 그것을 제조하는 방법{LIGHT EMITTING DEVICE FOR AC POWER OPERATION HAVING PHOTONIC CRYSTAL STRUCTURE AND METHOD OF FBBRICATING THE SAME}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 결정 구조체를 갖는 교류용 발광소자를 설명하기 위한 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 결정 구조체를 갖는 교류용 발광소자를 설명하기 위해 도 1의 절취선 A-A'를 따라 취해진 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 광 결정 구조체를 설명하기 위한 사시도들이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 실시에에 따른 교류용 발광소자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 교류용 발광소자의 교류동작을 설명하기 위한 회로도들이다.
본 발명은 발광소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광 결정 구조체를 갖는 교류용 발광소자에 관한 것이다.
최근, 발광소자로는 질화갈륨(GaN) 계열의 발광 다이오드(LED)가 주로 사용되고 있다. GaN 계열의 LED는 LED 기술을 상당히 변화시켰으며, 현재 천연색 LED 표시소자, LED 교통 신호기, 백색 LED 등 다양한 응용에 사용되고 있다.
최근, 고효율 백색 LED는 형광 램프를 대체할 것으로 기대되고 있으며, 특히 백색 LED의 효율(efficiency)은 통상의 형광램프의 효율에 유사한 수준에 도달하고 있다. 그러나, LED효율은 더욱 개선될 여지가 있으며, 따라서 지속적인 효율 개선이 더욱 요구되고 있다.
LED 효율을 개선하기 위해 두 가지의 주요한 접근이 시도되고 있다. 첫째는 결정질(crystal quality) 및 에피층 구조에 의해 결정되는 내부 양자 효율(interna quantum efficiency)을 증가시키는 것이고, 둘째는 광추출 효율(light extraction efficiency)을 증가시키는 것이다.
내부 양자 효율은 현재 70~80%에 이르고 있어 개선의 여지가 많지 않으나, 광추출 효율은 개선의 여지가 많다. 광추출 효율을 개선시키는 기술은 주로 "탈출 콘(escape cone)"을 증가시키는 것과 관련된다. 그러나, 탈출콘의 증가는 전반사에 의한 광손실을 완전히 제거하지 못한다. 또한, 탈출콘 내로 방사된 광에 대해서도 LED와 주변 매질(surrounding media) 사이의 굴절률 차이에 기인하여 반사 손실이 발생한다.
전반사 및 반사 손실을 감소시켜 광추출 효율을 개선하기 위한 새로운 시도가 미국특허 제5,955,749호에 "주기적인 유전 구조체"(Light emitting device utilizing a periodic dielectric structure)라는 제목으로 조안노포울로스 등(Joannopoulos et al.)에 의해 기재된 바 있다. 상기 미국특허 제5,955,749호에 따르면, 발광 다이오드의 반도체층들에 홀들의 격자(lattice)를 형성함으로써 광 결정(photonic crystal)이 생성된다. 상기 격자는 유전상수가 주기적으로 변하는 매체를 생성하여, 상기 매체를 통해 전파하는 광 경로에 영향을 준다. 이러한 격자는 광 밴드 갭(photonic band gap; PBG)을 형성하며, PBG 내의 에너지를 갖는 광자들은 광 결정 내에서 전파되지 못한다. 따라서, LED에 의해 방출된 특정한 에너지를 갖는 광자들이 PBG 내에 있도록 광 결정이 형성되면, 광자들이 측면전파되는 것이 방지되어 모든 광자들이 LED로부터 외부로 방출되므로 광추출 효율이 개선된다.
그러나, 상기 미국특허 제5,955,749호는 GaAs 계열의 n층, p층 및 활성층을 포함하는 LED를 개시하고 있으며, 이들 층들에 홀들의 격자가 형성된다. 따라서, 상기 GaAs 계열의 층들을 식각하여 홀들을 형성하는 동안, 이들 층들이 식각 손상을 받기 쉽다. 또한, GaAs은 표면에서 홀과 전자가 재결합하는 표면재결합율이 상당히 크다. 표면에서 발생되는 홀과 전자의 재결합은 요구되는 파장의 광을 방출하지 못한다. 따라서, 상기 홀들의 격자를 형성함에 따라, 활성층의 표면이 증가하므로, 광 양자 효율이 감소하는 문제가 심각해진다.
한편, 발광 다이오드는 반도체의 p-n 접합구조로 형성되어, 전자와 홀의 재결합에 의해 광을 방출하는 반도체 소자로, 일반적으로 일방향의 전류에 의해 구동된다. 따라서, 교류전원을 사용하여 발광 다이오드를 구동할 경우, 교류 전류를 직류 전류로 변환하는 교류-직류 변환기가 요구된다. 교류-직류 변환기를 발광다이오 드와 함께 사용함에 따라, 발광다이오드의 설치비용이 증가하며, 특히 발광다이오드를 일반 조명용으로 가정에서 사용하는 것을 어렵게 한다. 따라서, 기존의 형광등을 대체하기 위해서는, 교류-직류 변환기 없이, 교류전원을 사용하여 직접 구동할 수 있는 발광 다이오드가 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 광 결정 구조체를 채택하여 광 추출 효율을 높이고, 교류-직류 변환기 없이 교류전원을 사용하여 직접 구동할 수 있는 발광소자를 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 일 태양은 광 결정 구조체를 갖는 교류용 발광소자를 제공한다. 이 발광소자는 복수개의 발광셀들 및 상기 발광셀들을 전기적으로 연결하는 금속배선들을 포함한다. 한편, 상기 각 발광셀은 1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층의 일영역 상에 위치하는 제2 도전형 반도체층, 및 상기 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함한다. 이에 더하여, 광 결정 구조체가 상기 제2 도전형 반도체층에 형성되어 위치한다. 상기 광 결정 구조체는 상기 활성층에서 방출된 광이 측면전파되는 것을 방지하여 발광소자의 광 추출효율을 높인다. 또한, 금속배선들을 통해 복수개의 발광셀들을 전기적으로 연결함으로써 교류구동이 가능한 발광소자를 제공할 수 있다.
상기 광 결정 구조체는 다양한 형상을 가질 수 있으며, 2차원으로 규칙적으 로 배열된다. 예컨대, 상기 광 결정 구조체는 상기 제2 도전형 반도체층에 형성되어 2차원으로 배열된 홀들의 격자를 포함할 수 있다. 또는, 상기 광 결정 구조체는 상기 제2 도전형 반도체층을 부분식각하여 형성된 주기적인 요철들 또는 상기 제2 도전형 반도체층을 식각하여 형성된 제2 도전형 반도체 막대들의 격자를 포함할 수 있다. 상기 광 결정 구조체들은 주기적으로 배열되어 광 밴드갭(photonic band gap; PBG)을 형성하며, 광이 측면전파되는 것을 방지한다. 따라서, 상기 활성층에서 방출된 광이 상기 광결정 구조체들에 의해 측면전파되지 못하고 외부로 방출되어, 발광소자의 광추출 효율이 개선된다.
한편, 제1 전극패드들이 상기 제1 도전형 반도체층들의 다른 영역들 상에 위치할 수 있다. 또한, 투명전극들이 상기 제2 도전형 반도체층들을 덮는다. 이에 더하여, 제2 전극패드들이 상기 투명전극들 상에 위치할 수 있다. 이 경우, 상기 금속배선들은 이웃하는 발광셀들의 제1 전극패드들과 제2 전극패드들을 연결한다.
상기 다른 기술적 과제를 이루기 위하여, 본 발명의 다른 태양은 광 결정 구조체를 갖는 교류용 발광소자를 제조하는 방법을 제공한다. 이 방법은 기판 상에 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 형성하는 것을 포함한다. 상기 제2 도전형 반도체층, 활성층 및 제1 도전형 반도체층을 패터닝하여 복수개의 발광셀들을 형성한다. 상기 복수개의 발광셀들 각각은 분리된(isolated) 제1 도전형 반도체층, 상기 분리된 제1 도전형 반도체층의 일영역 상에 위치하는 제2 도전형 반도체층, 상기 분리된 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층 및 상기 제2 도전형 반도체층에 형성된 광 결정 구조체를 포함한다. 그 후, 상기 광 결정 구조체를 갖는 발광셀들을 전기적으로 연결하는 금속배선들을 형성한다. 본 태양에 따르면, 제2 도전형 반도체층에 광 결정 구조체가 형성되므로, 공정을 단순화할 수 있으며, 활성층 및 제1 도전형 반도체층을 식각할 필요가 없어 식각 시간을 단축할 수 있고, 식각 시간이 단축됨에 따라 상기 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층에 발생될 수 있는 식각손상을 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 금속배선들을 통해 발광셀들을 전기적으로 연결함으로써 교류전원에 의해 구동될 수 있는 발광소자를 제공할 수 있다.
상기 광 결정 구조체는 사진 및 식각 공정을 사용하여 상기 제2 도전형 반도체층을 식각하여 형성될 수 있으며, 예컨대 전자빔 리소그라피(e-beam lithography) 또는 홀로그램(hologram) 기술을 사용하여 형성될 수 있다.
한편, 상기 광 결정 구조체를 갖는 제2 도전형 반도체층들 상에 투명전극들이 형성된다. 이에 더하여, 제1 전극패드들이 상기 제1 도전형 반도체층들의 다른 영역들 상에 형성되고, 제2 전극패들이 상기 투명전극들 상에 형성될 수 있다. 상기 금속배선들은 이웃하는 발광셀들의 상기 제1 전극패드들과 제2 전극패드들을 연결한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 결정 구조체를 갖는 교류용 발광소자를 설명하기 위한 평면도이고, 도 2는 도 1의 절취선 A-A'를 따라 취해진 단면도이고, 도 3 (a) 및 (b)는 상기 광 결정 구조체의 다양한 예들을 설명하기 위한 사시도들이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 기판(21) 상에 복수개의 발광셀들(28)이 위치한다. 상기 기판(21)은 절연 또는 도전성 기판일 수 있다.
상기 발광셀들(28) 각각은 제1 도전형 반도체층(25), 상기 제1 도전형 반도체층의 일영역 상에 위치하는 제2 도전형 반도체층(29), 상기 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층(27)을 포함한다. 여기서, 상기 제1 도전형 및 제2 도전형은 각각 n형 및 p형, 또는 p형 및 n형이다.
제1 도전형 반도체층(25), 활성층(27) 및 제2 도전형 반도체층(29)은 각각 질화갈륨 계열의 반도체 물질 즉, (B, Al, In, Ga)N으로 형성될 수 있다. 상기 활성층(27)은 요구되는 파장의 광 예컨대 자외선 또는 청색광을 방출하도록 조성 원소 및 조성비가 결정되며, 제1 도전형 반도체층(25) 및 제2 도전형 반도체층(29)은 상기 활성층(27)에 비해 밴드갭이 큰 물질로 형성된다.
한편, 상기 발광셀들(28)과 상기 기판(21) 사이에 버퍼층(23)이 개재될 수 있다. 버퍼층(23)은 기판(21)과 그 위에 형성될 제1 도전형 반도체층(25)의 격자부정합을 완화한다.
한편, 상기 제2 도전형 반도체층(29)에 광 결정 구조체가 형성된다. 광 결정 구조체는, 도 3 (a)에 도시한 바와 같이, 제2 도전형 반도체층(29)을 식각하여 형성된 홀들(29a)의 격자이거나, 도 3 (b)에 도시한 바와 같이, 제2 도전형 반도체층(29)을 식각하여 형성된 제2 도전형 반도체의 막대들(rods, 29b)의 격자일 수 있다. 또한, 상기 광 결정 구조체는 상기 제2 도전형 반도체층(29)을 부분식각하여 형성된 주기적인 요철들일 수 있다. 상기 광 결정 구조체의 격자 상수 및 홀들 또는 로드들의 직경은 활성층(27)에서 방출되는 광의 에너지가 광 밴드갭 내에 들어가도록 결정되며, 주로 광의 파장과 제2 도전형 반도체층의 굴절률에 의해 결정된다.
상기 광 결정 구조체는 제2 도전형 반도체층(29)에 형성되므로, 활성층(27) 및 제1 도전형 반도체층(25)을 식각할 필요가 없다. 따라서, 상기 활성층(27) 및 제1 도전형 반도체층(25)은 식각손상을 거의 받지 않으며, 식각시간이 단축되어, 상기 제2 도전형 반도체층(29) 또한 식각손상을 적게 받는다.
상기 광 결정 구조체는 유전상수의 주기적인 변화를 초래하며, 그 결과 광 밴드 갭을 형성한다. 상기 홀들(29a) 또는 막대들(29b)은, 도 1에 도시한 바와 같이, 삼각형 배열 또는 육각형 배열일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 행렬 배열 등 다양하게 배열될 수 있다. 또한, 상기 홀들(29a) 또는 막대들(29b)의 단면은, 도시한 바와 같이, 원형일 수 있으나, 그 외에 사각형, 육각형 등 다양한 단면 형상을 가질 수 있다.
한편, 투명전극(31)이 상기 광 결정 구조체를 갖는 제2 도전형 반도체층(29) 상에 형성된다. 상기 투명전극(31)은 활성층(27)에서 방출된 광을 투과시키는 물질 로 형성되며, 상기 제2 도전형 반도체층(29)에 오믹콘택된다. 이때, 상기 홀들(29a) 또는 막대들(29b) 사이의 빈 공간은 제2 도전형 반도체층(29)과 다른 굴절률을 갖는 절연물질로 채워질 수 있다. 상기 절연물질은 투명전극(31)이 활성층(27)에 직접 접촉하는 것을 방지하기 위해 채택된다. 그러나, 상기 절연물질은 생략될 수 있으며, 상기 홀들(29a) 또는 막대들(29b) 사이의 빈 공간은 공기(air)로 채워질 수도 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(25)의 다른 영역 상에 제1 전극패드(33)가 형성될 수 있다. 상기 제1 전극패드(33)는 제1 도전형 반도체층(25)에 오믹콘택된다. 한편, 투명전극(31) 상에 제2 전극패드(35)가 형성될 수 있다.
상기 제1 전극패드들(33)과 상기 제2 전극패드들(35)은 금속배선들(37)에 의해 연결된다. 상기 금속배선들(37)은 이웃하는 발광셀들(28)을 서로 전기적으로 연결하여, 직렬 연결된 발광셀들(28)의 어레이들을 형성한다. 이러한 직렬 어레이들이 서로 역병렬로 연결되어 교류전원에 연결됨으로써 교류구동이 가능한 발광소자가 제공된다. 또는, 상기 직렬 어레이에 브리지 정류기가 개재되어 상기 직렬 어레이가 교류전원에 의해 구동될 수도 있다. 발광셀들의 어레이를 교류전원에 연결하여 구동하는 동작은 도 8 및 도 9를 참조하여 후술한다.
본 실시예에 따르면, 제2 도전형 반도체층(29)에 광 결정 구조체를 형성하여, 광 추출효율이 향상된 발광소자를 제공할 수 있다. 또한, 금속배선들(37)을 통해 발광셀들(28)을 전기적으로 연결함으로써, 교류구동이 가능한 발광소자를 제공할 수 있다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 교류용 발광소자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 4를 참조하면, 기판(21) 상에 제1 도전형 반도체층(25), 활성층(27) 및 제2 도전형 반도체층(29)을 형성한다. 또한, 상기 제1 도전형 반도체층(25)을 형성하기 전, 상기 기판(21) 상에 버퍼층(23)을 형성할 수 있다.
상기 기판(21)은 사파이어(Al2O3), 탄화실리콘(SiC), 산화아연(ZnO), 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs), 갈륨인(GaP), 리튬-알루미나(LiAl2O3), 질화붕소(BN), 질화알루미늄(AlN) 또는 질화갈륨(GaN) 기판일 수 있으며, 기판(21) 상에 형성될 반도체층의 물질에 따라 선택될 수 있다. 질화갈륨계 반도체층을 형성할 경우, 상기 기판(21)은 사파이어 또는 탄화실리콘(SiC) 기판이 주로 사용되고 있다.
버퍼층(23)은 기판(21)과 그 위에 형성될 반도체층(25)의 격자부정합을 완화하기 위해 형성되며, 예컨대 질화갈륨(GaN) 또는 질화알루미늄(AlN)으로 형성될 수 있다. 상기 기판(21)이 전도성 기판인 경우, 상기 버퍼층(23)은 절연층 또는 반절연층으로 형성되는 것이 바람직하며, AlN 또는 반절연 GaN로 형성될 수 있다.
제1 도전형 반도체층(25), 활성층(27) 및 제2 도전형 반도체층(29)은 각각 질화갈륨 계열의 반도체 물질 즉, (B, Al, In, Ga)N으로 형성될 수 있다. 상기 활성층(27)은 요구되는 파장의 광을 방출하도록 조성 원소 및 조성비가 결정되며, 제1 도전형 반도체층(25) 및 제2 도전형 반도체층(29)은 상기 활성층(27)에 비해 밴드갭이 큰 물질로 형성된다. 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(25, 29) 및 활성층 (27)은 금속유기화학 기상증착(MOCVD), 분자선 성장(molecular beam epitaxy) 또는 수소화물 기상 성장(hydride vapor phase epitaxy; HVPE) 기술을 사용하여 단속적으로 또는 연속적으로 성장될 수 있다.
여기서, 상기 제1 도전형 및 제2 도전형은 각각 n형 및 p형, 또는 p형 및 n형일 수 있다. 질화갈륨 계열의 화합물 반도체층에서, n형 반도체층은 불순물로 실리콘(Si)을 도핑하여 형성될 수 있으며, p형 반도체층은 불순물로 마그네슘(Mg)을 도핑하여 형성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 상기 제2 도전형 반도체층(29), 활성층(27) 및 제1 도전형 반도체층(25)을 패터닝하여 제1 도전형 반도체층(25)을 분리한다. 이때, 상기 버퍼층(23)도 함께 패터닝되어 분리될 수 있다. 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층들(25, 29) 및 활성층(27)은 사진 및 식각 공정을 사용하여 패터닝될 수 있다.
한편, 제2 도전형 반도체층(29) 및 활성층(27)은, 도시한 바와 같이, 분리된 제1 도전형 반도체층(25)의 일영역 상에 위치하도록 패터닝된다. 이에 따라, 상기 분리된 제1 도전형 반도체층(25)의 일부 영역이 노출된다.
도 6을 참조하면, 상기 패터닝된 제2 도전형 반도체층(29)에 광 결정 구조체를 형성한다. 상기 광 결정 구조체는 상기 패터닝된 제2 도전형 반도체층(29)을 사진 및 식각기술을 사용하여 패터닝하여 형성되며, 도 3 (a)에 도시한 바와 같이, 2차원으로 배열된 홀들(29a)의 격자이거나, 도 3 (b)에 도시한 바와 같이, 2차원으로 배열된 막대들(29b)의 격자일 수 있다. 또한, 상기 광 결정 구조체는 주기적으로 상기 제2 도전형 반도체층(29)을 부분식각하여 형성된 요철들일 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(29)을 식각하여 홀들(29a) 또는 막대들(29b)을 형성하는 동안, 활성층(27) 및 제1 도전형 반도체층(25)도 식각될 수 있다. 그러나, 활성층(27) 및 제1 도전형 반도체층(25)이 식각될 것을 요하지 않으므로, 종래기술에 비해 식각 시간을 단축할 수 있다. 또한, 광 결정 구조체가 제2 도전형 반도체층(29) 내에 한정될 경우, 광 결정 구조체에 기인한 표면적 증가를 감소시킬 수 있어 홀과 전자가 표면에서 재결합하는 표면재결합을 감소시킬 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층은 예컨대, 전자빔 리소그라피(e-beam lithography) 또는 홀로그램(hologram) 기술 및 다양한 식각 기술, 예컨대 건식 식각 기술을 사용하여 패터닝될 수 있다.
여기서, 상기 광 결정 구조체는 발광셀들(28)을 분리한 후 형성되는 것으로 설명하였으나, 발광셀들(28)을 분리하기 전 미리 형성될 수도 있다. 즉, 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이, 기판(21) 상에 제1 도전형 반도체층(25), 활성층(27) 및 제2 도전형 반도체층(29)을 형성한 후, 상기 제2 도전형 반도체층(29)을 패터닝하여 광 결정 구조체를 형성할 수도 있다.
도 7을 참조하면, 상기 광 결정 구조체를 갖는 제2 도전형 반도체층(29) 상에 투명전극(31)이 형성된다. 투명전극(31)은 리프트-오프(lift-off) 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 상기 투명전극(31)은, 활성층(27)에서 방출된 광을 투과시킬 수 있는 전극 물질이면 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 Ni/Au 또는 인디움-틴 산화막(ITO)으로 형성될 수 있다. 한편, 상기 투명전극(31)을 형성하기 전, 절연물질로 상기 홀들(29a) 또는 막대들(29b) 사이의 빈 공간을 채울수 있다. 상기 절연물 질은 제2 도전형 반도체층(29)과 다른 굴절률을 갖는 물질로, 투명전극(31)이 활성층(27)에 전기적으로 연결되는 것을 방지하기 위해 채택되며, 투명전극(31)이 활성층(27)과 직접 접촉되지 않을 경우, 생략될 수 있다.
한편, 상기 분리된 제1 도전형 반도체층(25)의 다른 영역 상에 제1 전극패드(33)가 형성된다. 상기 제1 전극패드(33)는 리프트 오프 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 또한, 투명전극(31)의 일부 영역 상에 제2 전극패드(35)가 형성된다. 제2 전극패드(35) 또한 리프트-오프 기술을 사용하여 형성될 수 있다, 상기 제2 전극패드(35)는 광을 흡수하므로, 제2 전극패드(35)가 형성될 영역 내에는 상기 광 결정 구조체를 형성할 필요가 없다. 제1 전극패드(33) 및 제2 전극패드(35)는 동시에 형성될 수도 있다. 제1 전극패드(33) 및/또는 제2 전극패드(33)는 Ti/Au로 형성될 수 있다.
그 후, 인접한 발광셀들(28) 상의 상기 제1 및 제2 전극 패드들(33, 35)을 전기적으로 연결하는 금속배선들(37)을 형성하면, 도 2의 발광소자가 완성된다. 금속배선들(37)은 통상의 에어브리지(air-bridge) 공정 또는 스텝커버(step-cover) 공정을 사용하여 형성될 수 있다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 발광 다이오드 칩의 교류 동작을 설명하기 위한 회로도들이다. 여기서, 도 8은 직렬연결된 발광셀들의 두개의 어레이들이 서로 역병렬되어 구동되는 것을 설명하기 위한 회로도이고, 도 9는 직렬연결된 발광셀들의 어레이에 브리지 정류기를 연결하여 구동되는 것을 설명하기 위한 회로도이다.
도 8을 참조하면, 발광셀들(51a, 51b, 51c)이 직렬 연결되어 제1 직렬 발광셀 어레이(51)를 형성하고, 또 다른 발광셀들(53a, 53b, 53c)이 직렬 연결되어 제2 직렬 발광셀 어레이(53)를 형성한다. 여기서, "직렬 발광셀 어레이"는 직렬 연결된 발광셀들의 어레이를 의미한다.
상기 제1 및 제2 직렬 어레이들(51, 53)의 양 단부들은 각각 리드단자를 통해 교류전원(55) 및 접지에 연결된다. 상기 제1 및 제2 직렬 어레이들은 교류전원(55)과 접지 사이에서 역병렬로 연결된다. 즉, 상기 제1 및 제2 직렬 어레이들의 양 단부들은 서로 전기적으로 연결되며, 상기 제1 및 제2 직렬 어레이들(51, 53)은 서로 반대 방향으로 흐르는 전류에 의해 발광셀들이 구동되도록 배치된다. 즉, 도시한 바와 같이, 제1 직렬 어레이(51)에 포함된 발광셀들의 양극(anode) 및 음극(cathode)과 제2 직렬 어레이(53)에 포함된 발광셀들의 양극 및 음극은 서로 반대 방향으로 배치된다.
따라서, 교류전원(55)이 양의 위상일 경우, 상기 제1 직렬 어레이(51)에 포함된 발광셀들이 턴온되어 발광하며, 제2 직렬 어레이(53)에 포함된 발광셀들은 턴오프된다. 이와 반대로, 교류전원(55)이 음의 위상일 경우, 상기 제1 직렬 어레이(51)에 포함된 발광셀들이 턴오프되고, 제2 직렬 어레이(53)에 포함된 발광셀들이 턴온된다.
결과적으로, 상기 제1 및 제2 직렬 어레이들(51, 53)이 교류전원에 의해 턴온 및 턴오프를 교대로 반복함으로써, 상기 제1 및 제2 직렬 어레이들을 포함하는 발광다이오드 칩은 연속적으로 빛을 방출한다.
한편, 도 8의 회로는 상기 제1 및 제2 직렬 어레이들의 양단부들이 교류전원(55) 및 접지에 각각 연결되도록 구성하였으나, 상기 양단부들이 교류전원의 양 단자에 연결되도록 구성할 수도 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 직렬 어레이들은 각각 세 개의 발광셀들로 구성되어 있으나, 이는 설명을 돕기 위한 예시이고, 발광셀들의 수는 필요에 따라 더 증가될 수 있다. 그리고, 상기 직렬 어레이들의 수도 더 증가될 수 있다.
도 9를 참조하면, 발광셀들(61a, 61b, 61c, 61d, 61e, 61f)이 직렬 발광셀 어레이(61)를 구성한다. 한편, 교류전원(65)과 직렬 발광셀 어레이(61) 및 접지와 직렬 발광셀 어레이(61) 사이에 다이오드 셀들(D1, D2, D3, D4)을 포함하는 브리지 정류기가 배치된다. 상기 다이오드 셀들(D1, D2, D3, D4)은 발광셀들과 동일한 구조를 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 광을 방출하지 않을 수도 있다. 상기 직렬 발광셀 어레이(61)의 애노드 단자는 상기 다이오드 셀들(D1, D2) 사이의 노드에 연결되고, 캐소드 단자는 다이오드 셀들(D3, D4) 사이의 노드에 연결된다. 한편, 교류전원(65)의 단자는 다이오드 셀들(D1, D4) 사이의 노드에 연결되고, 접지는 다이오드 셀들(D2, D3) 사이의 노드에 연결된다.
상기 교류전원(65)이 양의 위상을 갖는 경우, 브리지 정류기의 다이오드 셀들(D1, D3)이 턴온되고, 다이오드 셀들(D2, D4)이 턴오프된다. 따라서, 전류는 브리지 정류기의 다이오드 셀(D1), 상기 직렬 발광셀 어레이(61) 및 브리지 정류기의 다이오드 셀(D3)을 거쳐 접지로 흐른다.
한편, 상기 교류전원(65)이 음의 위상을 갖는 경우, 브리지 정류기의 다이오 드 셀들(D1, D3)이 턴오프되고, 다이오드 셀들(D2, D4)이 턴온된다. 따라서, 전류는 브리지 정류기의 다이오드 셀(D2), 상기 직렬 발광셀 어레이(61) 및 브리지 정류기의 다이오드 셀(D4)을 거쳐 교류전원으로 흐른다.
결과적으로, 직렬 발광셀 어레이(61)에 브리지 정류기를 연결하므로써, 교류전원(65)을 사용하여 직렬 발광셀 어레이(61)를 계속적으로 구동시킬 수 있다. 여기서, 브리지 정류기의 단자들이 교류전원(65) 및 접지에 연결되도록 구성하였으나, 브리지 정류기의 상기 단자들이 교류전원의 양 단자에 연결되도록 구성할 수도 있다. 한편, 교류전원을 사용하여 직렬 발광셀 어레이(61)를 구동함에 따라, 리플(ripple)이 발생할 수 있으며, 이를 방지하기 위해 RC 필터(도시하지 않음)를 연결하여 사용할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 하나의 직렬 발광셀 어레이를 교류전원에 전기적으로 연결하여 구동시킬 수 있으며, 도 8의 발광다이오드 칩에 비해 발광셀의 사용효율을 높일 수 있다.
도 8 및 도 9를 참조하여 설명한 발광셀들의 연결은 발광셀들의 교류동작을 설명하기 위한 실시예들일 뿐이며, 상기 발광셀들을 연결하는 방식은 다양하게 선택될 수 있다.
본 실시예들에 따르면, 광 결정 구조체를 채택하여 광 추출 효율을 크게 향상시킬 수 있고 교류동작이 가능한 교류(AC) 전용 발광소자를 제공할 수 있다.

Claims (9)

  1. 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층의 일영역 상에 위치하는 제2 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층 및 상기 제2 도전형 반도체층에 형성된 광 결정 구조체를 포함하는 복수개의 발광셀들; 및
    상기 복수개의 발광셀들을 전기적으로 연결하는 금속배선들을 포함하는 교류용 발광소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 광 결정 구조체는 2차원으로 배열된 홀들의 격자를 포함하는 교류용 발광소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 광 결정 구조체는 상기 제2 도전형 반도체층에 형성된 주기적인 요철들을 포함하는 교류용 발광소자.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 광 결정 구조체는 제2 도전형 반도체 막대들의 격자를 포함하는 교류용 발광소자.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층들의 다른 영역들 상에 형성된 제1 전극패드들
    상기 제2 도전형 반도체층들을 덮는 투명전극들; 및
    상기 투명전극들 상에 형성된 제2 전극패드들을 더 포함하되,
    상기 금속배선들은 이웃하는 발광셀들의 제1 전극패드들과 제2 전극패드들을 연결하는 교류용 발광소자.
  6. 기판 상에 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 형성하고,
    상기 제2 도전형 반도체층, 활성층 및 상기 제1 도전형 반도체층을 패터닝하여 복수개의 발광셀들을 형성하되, 상기 복수개의 발광셀들 각각은 분리된 제1 도전형 반도체층, 상기 분리된 제1 도전형 반도체층의 일영역 상에 위치하는 제2 도전형 반도체층, 상기 분리된 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층 및 상기 제2 도전형 반도체층에 형성된 광 결정 구조체를 포함하고,
    상기 광 결정 구조체를 갖는 발광셀들을 전기적으로 연결하는 금속배선들을 형성하는 것을 포함하는 교류용 발광소자 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 광 결정 구조체는 상기 제2 도전형 반도체층을 식각하여 형성된 교류용 발광소자 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 광 결정 구조체를 갖는 제2 도전형 반도체층들 상에 투명전극들을 형성하는 것을 더 포함하는 교류용 발광소자 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층들의 다른 영역들 상에 제1 전극패드들을 형성하고,
    상기 투명전극들 상에 제2 전극패드들을 형성하는 것을 더 포함하되,
    상기 금속배선들은 이웃하는 발광셀들의 상기 제1 전극패드들과 제2 전극패드들을 연결하는 교류용 발광소자 제조방법.
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