KR20080013364A

KR20080013364A - 모노리식 백색 발광소자

Info

Publication number: KR20080013364A
Application number: KR20060074795A
Authority: KR
Inventors: 김범준; 마사요시 코이케
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2006-08-08
Filing date: 2006-08-08
Publication date: 2008-02-13
Also published as: KR100826379B1

Abstract

본 발명은 LED에 의해 방사되는 빛을 다른 파장의 빛으로 변환시키는 파장 변환층을 기판과 LED 사이에 포함하여 고품질의 백색광을 생성하도록 하는 모노리식(monolithic) 백색 발광소자에 관한 것으로, 광투과성을 갖는 기판; 상기 기판 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 갖는 발광 구조물; 및 상기 기판과 상기 발광 구조물의 제1 도전형 반도체층 사이에 개재되며, 상기 활성층으로부터 생성된 파장광의 적어도 일부를 다른 파장의 광으로 변환하는 파장 변환층을 포함하여 최종 출력광을 백색광으로 방출시키는 것을 특징으로 한다.

모놀리식, 백색광, 파장변환, 광투과, LED

Description

모노리식 백색 발광소자{monolithic white light emitting device}

도 1은 본 발명의 일실시 형태에 따른 모놀리식 백색 발광소자의 적층 구조를 보여주는 도면이다.

도 2 및 도 3은 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 파장 변환층을 포함하는 모놀리식 백색 발광소자를 나타낸 도면이다.

도 4 및 도 5는 각각 본 발명의 또다른 실시예에 따른 파장 변환층을 포함하는 모놀리식 백색 발광소자를 나타낸 도면이다.

도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 파장 변환층을 포함하는 모놀리식 백색 발광소자를 나타낸 도면이다.

<도면의 주요 부분의 부호의 설명>

10 : 기판 20 : 파장 변환층

30 : 발광 구조물 32 : 제1 도전형 반도체층

34 : 활성층 36 : 제2 도전형 반도체층

본 발명은 백색 발광소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 파장 변환층을 이용하여 고품질의 백색광을 생성하는 모노리식(monolithic) 백색 발광소자에 관한 것이다.

일반적으로, LED는 탁월한 고휘도 및 고효율이 가능하므로 조명장치 또는 디스플레이 장치의 백라이트로 널리 사용되고 있으며, 이러한 용도로 사용되어지는 LED는 주로 질화물계 반도체 소자이다.

종래 기술에 따른 백색 발광소자를 구현하는 방법으로는 청색 LED와 황색 형광체를 조합한 형태, 적색, 녹색, 청색의 삼색 LED를 조합한 형태, 및 UV LED와 R/G/B 형광체를 조합한 형태 등이 있다.

백색 발광소자의 일례를 살펴보면, 미국특허 제6,069,440호 및 미국특허 제5,998,925호에는 반도체 발광 및 형광체 발광에 의해 백색광을 생성하는 백색 발광소자를 개시하고 있다. 이러한 백색 발광소자는 반도체 발광에 의해 얻어진 빛을 형광체에 흡수시킴으로써 백색에 가까운 빛을 발현한다.

그러나, 이러한 하이브리드 구조의 백색 발광소자는 기존의 반도체 제조공정에 의한 집적회로를 구현하기 용이하지 않으며, 따라서 그 응용분야가 제한된다는 단점을 가진다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 제작이 용이하고 높은 발광효율 및 백색도의 구현이 가능한 모노리식 백색 발광소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 LED에 의해 방사되는 빛을 다른 파장의 빛으로 변환 시키는 파장 변환층을 기판과 LED 사이에 포함하여 고품질의 백색광을 생성하도록 하는 모노리식 백색 발광소자를 제공하는 것이다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 모놀리식 백색 발광소자는, 광투과성을 갖는 기판; 상기 기판 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 갖는 발광 구조물; 및 상기 기판과 상기 발광 구조물의 제1 도전형 반도체층 사이에 개재되며, 상기 활성층으로부터 생성된 파장광의 적어도 일부를 다른 파장의 광으로 변환하는 파장 변환층을 포함하여 최종 출력광을 백색광으로 방출시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 모놀리식 백색 발광소자는, 반도체 결정을 성장시키기 위한 기판; 상기 기판 상에 형성된 질화물 단결정 기저층; 상기 질화물 단결정 기저층 상에 그 일부 영역을 노출하는 복수의 오픈영역을 갖도록 형성되며, 그 표면에서 결정성장이 억제되는 비결정성 물질로 이루어진 파장 변환층 패턴; 및 상기 파장 변환층 패턴이 형성된 상기 질화물 단결정 기저층 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 질화물층, 활성층 및 제2 도전형 질화물층을 갖는 발광 구조물을 포함하며, 상기 파장 변환층 패턴은 상기 활성층으로부터 생성된 파장광의 적어도 일부를 다른 파장의 광으로 변환하여 최종 출력광을 백색광으로 방출시키는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 발광 구조물은 질화물 반도체로 이루어진다.

상기 파장변환층은 Al, Ga, In, Si, Be, Sc, C, B, H, N, V, P 및 Ti로 이루 어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 불순물이 도프된 반도체 결정이며, 상기 파장 변환층의 반도체 결정은 Al_xIn_YGa_zN(0 ≤x ≤1, 0 ≤y ≤ 1, 0≤z≤1) 또는 SiC 중 어느 하나로 이루어진다.

바람직하게, 상기 파장 변환층은 0.5 내지 100㎛ 범위의 두께를 가진다.

상기 파장변환층 및 기판은 전기적 전도성을 가지며, 상기 기판의 하면과 상기 제2 도전형 반도체층의 상면에 각각 형성된 제1 및 제2 전극을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 기판은 사파이어(Al₂O₃), GaN, SiC, ZnO, 및 LiAlO₂ 중 어느 하나로 이루어진다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 다양한 실시형태를 보다 상세히 설명한다.

도 1를 참조하면, 모놀리식 백색 발광소자는 광투과성을 갖는 기판(10), 및 발광 구조물(30)을 포함하며, 상기 기판(10)과 상기 발광 구조물(30) 사이에는 파장 변환층(20)이 개재된 구조를 갖는다.

상기 기판(10)은 광투과성을 가지며, 사파이어(Al₂O₃), GaN, SiC, ZnO, 및 LiAlO₂중 어느 하나로 이루어진다. 예를들어, 사파이어 기판은 비교적 저렴하고, 고온에서 안정하기 때문에 청색 또는 녹색 발광소자용 기판으로 많이 사용된다.

일실시예에서는, 기판(10)은 래핑(Lapping)과 연마(polishing) 공정을 통하여 두께를 얇게 하거나 또는 제거할 수 있으며, 광추출 효율을 높이도록 빛의 방출면이 에칭 공정을 통해 거칠기(Roughening)를 갖도록 가공될 수 있다.

상기 파장변환층(20)은 발광 구조물(30)로부터 생성된 파장광의 적어도 일부를 다른 파장의 광으로 변환하여 최종 출력광을 백색광으로 방출시킨다.

즉, 파장 변환층(20)은 기판(10)과 발광 구조물(30)의 중간에 위치하며, 발광 구조물(30)로부터 방사되는 빛이 기판(10) 쪽으로 방출되는 구조를 제공한다.

본 실시예에서, 파장 변환층(20)은 Al, Ga, In, Si, Be, Sc, C, B, H, N, V, P 및 Ti로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 불순물이 도프된 반도체 결정이며, 상기 파장 변환층(20)의 반도체 결정은 Al_xIn_YGa_zN(0 ≤x ≤1, 0 ≤y ≤ 1, 0≤z≤1) 또는 SiC 중 어느 하나로 이루어진다.

파장 변환층(20)의 두께는 0.5 내지 100㎛인 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 파장 변환층(20)은 스퍼터링, 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD), 플라즈마 화학 기상 증착(Plasma Enhanced CVD), 금속 유기 화학 기상 증착(Metal Organic CVD) 등 기존의 증착 또는 성장 장비를 이용하여 박막 형태로 형성된다.

다른 실시예로서, 상기 언급한 파장 변환층(20)은 리소그래피 공정을 통해 패턴 형태로 형성할 수 있다.

상기 발광 구조물(30)은 다양한 타입의 물질로 구성될 수 있으며, 특정 타입의 발광 구조물에 한정되지 않는다.

바람직하게, 발광 구조물(30)은 질화물 반도체로 이루어질 수 있으며, 자외선광, 청색광, 및 청색광과 녹색광의 조합으로 이루어지는 광을 방사하는 발광소자가 될 수 있다.

질화물 반도체의 발광 구조물(30)은, 예를 들어 유기 금속 기상증착법(MOCVD, Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 분자빔 성장법(MBE, Molecular Beam Epitaxy) 또는 하이드라이드 기상증착법(HVPE, Hydride Vapor Phase Epitaxy)과 같은 증착공정을 사용하여 형성될 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 발광 구조물(30)이 기판(10)과 파장 변환층(20)이 형성된 이후에 순차적으로 형성되는 것으로 설명하고 있으나, 별도로 제조되어 소정의 후속 접착공정을 통해 결합가능하다.

도 2는 버티컬(vertical) 형태의 반도체 발광소자에 적용된 경우이고, 도 3은 플립 칩(flip chip) 형태의 반도체 발광소자에 적용된 경우로서, 이와 같은 구조는 선택적으로 형성시킬 수 있으며, 공통적으로 광투과성을 갖는 기판(10)과 발광 구조물(30) 사이에 파장 변환층(20)이 제공되어 있다.

도 2를 참조하면, 발광 구조물(30)은 상기 기판(10) 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 반도체층(32), 활성층(34) 및 제2 도전형 반도체층(36)을 구비하며, 기판(10)의 하면과 제2 도전형 반도체층(36)의 상면에 각각 제1 전극(42a) 및 제2 전극(42b)을 포함한다

상기 파장변환층(20)은 활성층(34)으로부터 생성된 파장광의 적어도 일부를 다른 파장의 광으로 변환하여 최종 출력광을 백색광으로 방출시킨다. 예를 들면, 활성층(34)으로부터 생성된 청색광의 일부는 파장 변환층(20)을 그대로 통과하게 되고 청색광의 일부는 파장 변환층(20)에 의해 황색광으로 변환하며, 그결과 청색광 및 황색광은 결합하여 백색광을 생성하게 된다.

상기 각 층을 형성시키는 물질들을 예시적으로 서술하면 다음과 같다.

기판(10)은 일반적으로 널리 사용되는 사파이어(Al₂O₃) 기판을 사용할 수 있고, 제1 도전형 반도체층(32)과 제2 도전형 반도체층(36)은 n형 또는 p형으로 도프된 In_xAl_yGaN₁ _-x-y(0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1)로 형성될 수 있다. 그리고, 활성층(34)은 전자-정공의 재결합에 의해 빛을 발광하는 층으로서, 단일 또는 다중 양자우물구조를 갖는 것이 바람직하다.

여기서, 제1 도전형 반도체층(32)이 n형 물질인 경우 제2 도전형 반도체층(36)은 p형 물질로 형성된다. 그리고, 제 1전극(25)은 n형 또는 p형 전도성 물질로 형성시키고, 제 2전극(28)은 상기 제 1전극(25)과 반대 극성의 전도성 물질로 형성시킬 수 있다.

도 3은 플립 칩(flip chip) 형태의 반도체 발광소자에 관한 도면으로, 도 2의 버티컬 형태의 반도체 발광소자와 비교할 때, 제2 도전형 반도체층(36)의 상면에는 제1 전극(52a)이 형성되어 있다. 그리고, 제1 도전형 반도체층(32)의 활성층이 형성되지 않은 영역에는 제2 전극(52b)이 형성되어 있다는 점에서만 차이를 가지므로 동일한 부분에 대한 설명은 생략하기로 한다.

도 4 및 도 5는 각각 본 발명의 또다른 실시예에 따른 파장 변환층을 포함하는 모놀리식 백색 발광소자를 나타낸 도면으로서, 도 4는 버티컬 형태의 반도체 발광소자에 관한 도면이고 도 5는 플립 칩 형태의 반도체 발광소자에 관한 도면이다.

즉, 도 4 및 도 5의 모놀리식 백색 발광소자는 도 2 및 도 3과 같은 발광소자 구조에서 기판(10)을 제거한 구조도 가능함을 보여주고 있으며, 예를 들면 파장 변환층(20)이 충분히 두꺼운 경우(예를 들어, 50~100㎛)에는 기판(10)을 래핑과 연마 공정 또는 레이저 리프트-오프(laser lift-off) 공정을 통하여 제거할 수 있다.

도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 파장 변환층을 포함하는 모놀리식 백색 발광소자를 나타낸 도면으로서, 종래의 질화물 단결정 후막을 성장시키는 선택 성장법(Epitaxial Lateral Overgrowth; ELO)이 적용되고 있다.

도 6을 참조하면, 버티컬 형태의 모놀리식 백색 발광소자는 기판(100), 상기 기판(100) 상에 순차적으로 형성되는 질화물 단결정 기저층(102), 파장 변환층 패턴(200), 및 발광 구조물(400)을 포함하여 구성된다.

상기 기판(100)은 반도체 결정을 성장시키기 위한 것으로, 바람직하게 광투과성 기판이고 전기적 전도성을 가지며, 사파이어(Al₂O₃), GaN, SiC, ZnO, 및 LiAlO₂ 중 어느 하나로 이루어진다.

상기 파장 변환층 패턴(200)은 질화물 단결정 기저층(102) 상에 그 일부 영역을 노출하는 복수의 오픈영역(203)을 갖도록 형성되며, 그 표면에서 결정성장이 억제되는 비결정성 물질로 이루어진다.

상기 파장 변환층 패턴(200)은 파장 변환층을 증착한 후 선택적으로 에칭함으로써 제작할 수 있으며, 파장 변환층 패턴(200)의 면적과 오픈영역(203)의 면적의 상대적인 비율을 변화시킴으로써 컬러 밸런스 조절 및 색조합이 가능하다.

또한, 상기 파장 변환층 패턴(200)은 활성층(304)으로부터 생성된 파장광의 적어도 일부를 다른 파장의 광으로 변환하여 최종 출력광을 백색광으로 방출시키며, Al, Ga, In, Si, Be, Sc, C, B, H, N, V, P 및 Ti로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 불순물이 도프된 금속산화물로 형성된다.

상기 발광 구조물(400)은 파장 변환층 패턴(200)이 형성된 질화물 단결정 기저층(102) 상에 순차적으로 형성되는 제1 도전형 질화물층(302), 활성층(304) 및 제2 도전형 질화물층(306)을 갖는다.

상기 기판(100)의 하면과 상기 제2 도전형 질화물층(306)의 상면에는 각각 전극(402a) 및 전극(402b)이 형성되어 있다.

이와 같이 파장 변환층 패턴을 사용함으로써, 형광체를 담는 패키지 없이도 백색광을 얻을 수 있어 백색 발광소자를 소형화할 수 있다. 또한, 파장 변환층 패턴의 면적과 오픈된 영역의 면적의 상대적인 비율을 변화시킴으로써 컬러 밸런스 조절이 용이하고 색조합을 맞추는데 유리하다. 더불어, 파장 변환층 패턴은 파장 변환층을 증착한 후 선택적으로 에칭함으로써 제작할 수 있어, 제조공정이 비교적 단순하고 제조비용이 절감되는 장점이 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 백색발광이 반도체층에서 이루어지는 모노리식 백색 발광소자를 제공한다. 이러한 백색 발광소자는 형광체를 포함하는 몰드 수지 없이도 백색광을 구현할 수 있어 소형화할 수 있으며, 제작이 용이하다는 장점을 가진다. 특히, 전체 구조가 하나의 단일구조를 가지기 때문에 응용분야가 매우 넓고 제작 비용 또한 저렴하다.

또한, 본 발명에서는 LED에 의해 방사되는 빛을 다른 파장의 빛으로 변환시키는 파장 변환층을 사용함으로써 고품질의 백색광을 구현가능하다.

또한, 파장 변환층 패턴의 면적과 오픈된 영역의 면적의 상대적인 비율을 변 화시킴으로써 컬러 밸런스 조절이 용이하고 색조합을 맞추는데 유리하다.

Claims

광투과성을 갖는 기판;

상기 기판 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 갖는 발광 구조물; 및

상기 기판과 상기 발광 구조물의 제1 도전형 반도체층 사이에 개재되며, 상기 활성층으로부터 생성된 파장광의 적어도 일부를 다른 파장의 광으로 변환하는 파장 변환층을 포함하여 최종 출력광을 백색광으로 방출시키는 모노리식 백색 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 파장변환층은 Al, Ga, In, Si, Be, Sc, C, B, H, N, V, P 및 Ti로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 불순물이 도프된 반도체 결정인 것을 특징으로 하는 모노리식 백색 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 발광 구조물은 질화물 반도체로 이루어진 것을 특징으로 하는 모노리식 백색 발광소자.
제3항에 있어서,

상기 파장변환층은 Al, Ga, In, Si, Be, Sc, C, B, H, N, V, P 및 Ti로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 불순물이 도프된 반도체 결정이며,

상기 파장 변환층의 반도체 결정은 Al_xIn_YGa_zN(0 ≤x ≤1, 0 ≤y ≤ 1, 0≤z≤1) 또는 SiC 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 모노리식 백색 발광소자.
제4항에 있어서,

상기 파장 변환층은 0.5 내지 100㎛ 범위의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 모노리식 백색 발광소자.
제3항에 있어서,

상기 파장변환층 및 상기 기판은 전기적 전도성을 가지며,

상기 기판의 하면과 상기 제2 도전형 반도체층의 상면에 각각 형성된 제1 및 제2 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모노리식 백색 발광소자.
제3항에 있어서,

상기 기판은 사파이어(Al₂O₃), GaN, SiC, ZnO, 및 LiAlO₂ 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 모노리식 백색 발광소자.
반도체 결정을 성장시키기 위한 기판;

상기 기판 상에 형성된 질화물 단결정 기저층;

상기 질화물 단결정 기저층 상에 그 일부 영역을 노출하는 복수의 오픈영역을 갖도록 형성되며, 그 표면에서 결정성장이 억제되는 비결정성 물질로 이루어진 파장 변환층 패턴; 및

상기 파장 변환층 패턴이 형성된 상기 질화물 단결정 기저층 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 질화물층, 활성층 및 제2 도전형 질화물층을 갖는 발광 구조물을 포함하며,

상기 파장 변환층 패턴은 상기 활성층으로부터 생성된 파장광의 적어도 일부를 다른 파장의 광으로 변환하여 최종 출력광을 백색광으로 방출시키는 것을 특징으로 하는 모노리식 백색 발광소자.
제8항에 있어서,

상기 파장변환층은 Al, Ga, In, Si, Be, Sc, C, B, H, N, V, P 및 Ti로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 불순물이 도프된 금속산화물인 것을 특징으로 하는 모노리식 백색 발광소자.
제8항에 있어서,

상기 기판은 광투과성 기판인 것을 특징으로 하는 모노리식 백색 발광소자.
제8항에 있어서,

상기 기판은 전기적 전도성을 가지며,

상기 기판의 하면과 상기 제2 도전형 질화물층의 상면에 각각 형성된 제1 및 제2 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모노리식 백색 발광소자.
제8항에 있어서,

상기 기판은 사파이어(Al₂O₃), GaN, SiC, ZnO, 및 LiAlO₂ 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 모노리식 백색 발광소자.