KR20080112312A

KR20080112312A - 발광 소자

Info

Publication number: KR20080112312A
Application number: KR1020087025420A
Authority: KR
Inventors: 사다노리 야마나카; 요시노부 오노; 카주마사 우에다
Original assignee: 스미또모 가가꾸 가부시키가이샤
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2008-12-24
Also published as: US20100059772A1; US8097887B2; GB2451365A; DE112007000750T5; TWI424586B; CN101449398B; KR101348470B1; JP2007273506A; TW200746470A; WO2007119633A1; CN101449398A; GB0818659D0

Abstract

본 발명은 발광 소자를 제공한다. 발광 소자는 발광 소자의 칩으로부터 방출되는 빛을 직접 측정하였을 때의 배광 분포(I)(θ, φ)가, φ 방향에 의존하지 않고, I(θ, φ)=I(θ)로 거의 나타내어지는 배광 분포를 갖는다. I(θ, φ)는 (θ, φ) 방향의 광강도 분포, θ는 발광 소자의 광추출면의 법선 방향으로부터의 각도(0≤θ≤90°), φ는 법선 둘레의 회전각(0≤φ≤360°), I(θ)는 θ=90°로 제로에 근접한 단조 감소 함수를 나타낸다. 발광 소자는, 발광 소자의 칩을 구성하는 구조체 중, 발광층으로부터 방출되는 빛에 대하여 투명한 구조체 부분의 크기에 관하여, 가로 방향의 크기와 두께 방향의 크기의 비[애스팩트비(aspect ratio)]가 5 이상이며, 또한 발광 소자 칩의 표면 혹은 이 투명한 구조체 부분의 내부에, 광산란 기능을 갖는 구조를 구비하고 있다.

Description

발광 소자{LIGHT EMITTING ELEMENT}

본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 특히 조명 등에 이용되는 백색 다이오드용의 화합물 반도체 발광 소자에 관한 것이다.

화합물 반도체 발광 소자, 특히 발광 다이오드(LED)는, 최근 발광 효율, 광출력이 향상하여, 대형 디스플레이, 백라이트 등에 이용되고 있다. 또한 광출력·효율이 향상하면 일반 조명에도 이용 가능하기 때문에 이를 목표로 한 개발이 행해지고 있다.

LED는 형광등이나 백열 램프 등의 종래 광원에 비하면 훨씬 소형의 점광원이며, 종래 광원에 비해서 지향성이 큰 특수한 배광 분포를 나타낸다.

원하는 배광 특성을 갖는 광원·표시기·발광 장치 등을 얻기 위해서는, 종래는 LED 칩 외부에 배광을 제어하는 구조체를 만듬으로써 대응하여 왔다. 예컨대, 수지 렌즈, 반사경, 광확산판 등의 구조체를 외부에 설치하여, 집광 혹은 광확산시켜 원하는 배광 특성을 갖는 각종 광원·표시기·발광 장치를 얻고 있다. 이 경우, 원하는 배광 특성을 얻기 위해서는, 렌즈나 반사경과 LED 칩의 정밀한 축 맞춤, 위치 맞춤이 필요하며, 제조 상은 배광 특성 변동이 커지는 문제가 있었다.

또, 예컨대 배광 특성 제어를 위한 구조체의 축 맞춤, 위치 맞춤을 정밀히 행할 수 있었던 경우에도, 발광 다이오드 칩으로부터 방출되는 빛은, 칩 형상, 전극 형상, 단면의 완성 상태 등을 반영한 복잡하며 불균일한 배광 분포를 나타내고 있기 때문에, 여전히 배광 특성의 변동이 크다고 하는 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 외부의 배광 특성 제어용의 구조체를 붙이기 전의 단계, 즉 발광 소자 칩으로부터의 직접광의 단계에서의 복잡하며 불균일한 배광 특성을 해소하고, 배광 특성의 변동을 저감할 수 있는 발광 소자 칩을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 또 하나의 목적은, 어떤 방향에서 광원을 보아도 동일한 밝기를 느낄 수 있으며, 특정 방향에서 특이적으로 밝다고 하는 부자연성이 없는 발광 소자, 특히 조명 용도의 발광 소자를 제공하는 것에 있다.

본 발명자들은, 예의 검토한 결과, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

즉 본 발명은, [1] 발광 소자의 칩으로부터 방출되는 빛을 직접 측정하였을 때의 배광 분포(I)(θ, φ)가 φ 방향에 의존하지 않고, I(θ, φ)=I(θ)로 거의 나타내어지는 배광 분포를 갖는 발광 소자를 제공한다.

I(θ, φ)는 (θ, φ) 방향의 광강도 분포,

θ는 발광 소자의 광추출면의 법선 방향으로부터의 각도(0≤θ≤90°),

φ는 법선 둘레의 회전각(0≤φ≤360°),

I(θ)는 θ=90°로 제로에 근접한 단조 감소 함수를 나타낸다.

또, 본 발명은, [2] 발광 소자의 칩을 구성하는 구조체 중, 발광층으로부터 방출되는 빛에 대하여 투명한 구조체 부분의 크기에 관하여, 가로 방향의 크기와 두께 방향의 크기의 비(애스팩트비)가 5 이상이며, 또한 발광 소자 칩의 표면 혹은 이 투명한 구조체 부분의 내부에, 광산란 기능을 갖는 구조를 구비하고 있는 발광 소자를 제공한다.

도 1은 배광 분포의 설명도이다.

도 2는 실시예 1의 소자 구조의 단면 모식도이다.

도 3은 실시예 2의 소자 구조의 단면 모식도이다.

도 4는 실시예 1의 배광 분포를 도시한다.

도 5는 비교예 1의 배광 분포를 도시한다.

도 6은 비교예 2의 배광 분포를 도시한다.

도 7은 실시예 2의 배광 분포를 도시한다.

도 8은 실시예 3의 배광 분포를 도시한다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 사파이어 기판

2: 빛을 산란하는 구조

3: 화합물 반도체층

4: 발광층

5: 투명 구조체

6: p 전극

7: n 전극

8: 접착층

9: 금속 기판

본 발명의 발광 소자는, 발광 소자의 칩으로부터 방출되는 빛을 직접 측정하였을 때의 배광 분포(이후, 「직접광의 배광 분포」라고 한다.) (I)(θ, φ)가, φ 방향에 의존하지 않고, I(θ, φ)=I(θ)로 거의 나타내어지는 배광 분포를 갖는다. 다만, I(θ, φ)는 (θ, φ) 방향의 광강도 분포, θ는 발광 소자의 광추출면의 법선 방향으로부터의 각도(0≤θ≤90°), φ는 법선 둘레의 회전각(0≤φ≤360°), I(θ)는 θ=90°로 제로에 근접한 단조 감소 함수를 나타낸다.

배광 분포란, 발광 소자의 광추출면으로부터 나오는 광강도의 방향에 의한 분포이며, 도 1에 도시하는 2개의 각도(θ, φ)에 의해 일률적으로 결정되는 방향에서의 광강도(I)(θ, φ)로 나타내어진다.

본 발명에서 얻어지는 발광 소자에서는, 배광 특성을 제어시키기 위한 구조체를 발광 소자 칩의 외부에 배치하지 않아도, 발광 소자 칩으로부터의 직접광이 어떤 방향에서 광원면을 보아도 거의 동일한 밝기로 보이는 것이 특징이다. 본 발명에서 얻어지는 배광 분포는, φ 방향에 의한 변동이 매우 작은 것, θ 방향의 의존성으로서는 θ에 관하여 단조 감소하는 함수로 나타낸다.

발광 소자 칩의 직접광의 배광 분포는, I(θ, φ)=I(θ)로 나타내어진다. I(θ)는 θ=90°로 제로에 근접한 단조 감소 함수이다. 여기서, θ 방향의 배광 특성을 일반적으로, 이하의 식으로 나타낼 수 있다.

I(θ, φ) = A cosⁿαθ + B sin^mβθ

식 중, A, B는 정수(定數), n, m은 양의 수, α, β는 양의 수이다. cosⁿαθ의 항은 광추출면의 법선 방향에 최대값을 갖는 성분, sin^mβθ의 항은 가로 방향, 즉 광추출면의 면내 방향에 최대값을 갖는 성분을 나타낸다. n, m은 각각의 성분의 지향성을 나타내며, 1의 경우에 극좌표 표시로 원형의 배광 분포를 나타내고, 1보다 커지면 지향성이 강한 배광 분포가, 1보다 작으면 지향성이 약해진 배광 분포가 된다. 또 α, β는 θ=0° 또는 90°에만 피크가 있는 경우에는 α=β=1이며, 이 이외의 위치에 피크가 오는 경우에는, 1 이외의 값이 된다.

발광 소자 칩의 직접광의 배광 분포에서는, 상기 식에서의 sinθ의 항은 없으며, cosθ의 항만으로 표현된다. 또, θ의 0°에서 90°의 범위에서 단조 감소하며, 90°방향에서 제로에 근접하기 때문에, α=1이다.

발광 소자 칩의 직접광의 배광 분포는, 구체적으로는, I(θ)가, I(θ)=I₀cosⁿθ로 거의 나타내어진다. I₀은 θ=0°방향의 광강도, n은 양의 수를 나타낸다. 여기서 n의 값은 O.5≤n≤2가 바람직하다.

발광 소자에서는, 배광 특성을 제어시키기 위한 구조체를 발광 소자 칩의 외부에 배치하지 않아도, 발광 소자 칩으로부터의 직접광이 어떤 방향에서 광원면을 보아도 거의 동일한 밝기로 보이는 것이지만, 여기서 말하는, 「외부에 배치하는 배광 특성을 제어시키기 위한 구조체」란, 수지 렌즈, 반사경, 광확산판 등의, 발 광 소자 칩의 외부에 마련되는, 발광 소자 칩보다도 충분히 큰 구조체이며, 발광 소자 칩과 일체라고는 말할 수 없는 것을 의미한다.

수지 중에 분산된 형광체를 외부의 구조체로 간주할지 여부에 관해서는, 발광 소자 칩을 제작한 후에, 이를 형광체 분산 수지 중에 매립한 것은, 수지 부분의 체적이 발광 소자 칩보다도 충분히 커, 제조 공정에서 일단 발광 소자 칩을 제작한 후에 형광체 분산 수지 중에 매립하는 등, 발광 소자와 형광체 분산 수지가 일체라고는 말할 수 없기 때문에, 외부의 구조체로 간주한다.

그러나, 형광체를 분산된 수지의 박층이 발광 소자 칩의 표면에 형성되어 있는 경우 등은 형광체층의 체적은 발광 소자 칩에 비해서 충분히 크다고는 말할 수 없다. 또, 칩에 분산되기 전의 웨이퍼 단계에서 형광체층을 형성하며, 후에 칩에 분할하는 경우 등은 발광 소자 칩과 형광체층이 일체라고 말할 수 있다. 따라서, 이들의 경우는 외부의 구조체라고는 간주되지 않는다.

발광 소자 칩으로부터의 직접광이 어떤 방향에서 광원면을 보아도 거의 동일한 밝기로 보이도록 하기 위해서는, 방출되는 빛에 대하여 투명한 구조체 부분의 형상이 중요하다. 본 발명에서, 방출되는 빛에 대하여 투명한 구조체 부분이란, 발광 소자 칩을 구성하는 기판, 반도체 결정, 보호막 등의 구성 요소 중 투명한 부분 전체를 말한다. 예컨대, 사파이어 상에 성장한 InGaN계 청색 발광 다이오드에서는 질화물 반도체와 사파이어를 일괄한 구조체를 가리키며, 다른 예로서, 웨이퍼 본딩에 의해 금속 기판 상에 형성한 InGaN계 청색 발광 다이오드의 경우에는, 투명한 구조체 부분이란 질화물 반도체 부분만이 된다.

발광하는 빛에 대하여 투명한 구조체 부분의 형상의 가로 방향(즉 면내 방향)과 층 두께 방향의 비가 중요하다. 가로 방향은(즉 면내 방향)의 크기란, 2차원 형상의 크기를 나타내는 대표적 지표를 말하며, 일반적으로는 2개의 지표가 있지만, 본 발명에서는 그 작은 쪽을 말한다.

예를 들면, 원의 경우는 직경, 정사각형의 경우는 변의 길이, 직사각형의 경우에는 짧은 변의 길이, 타원의 경우에는 짧은 직경으로 대표한다. 가로 방향의 크기와 층 두께 방향의 크기의 비(애스팩트비)의 적합한 범위는 5 이상이다. 보다 바람직하게는, 10 이상이며, 더 바람직하게는 15 이상이다. 애스팩트비가 5보다 작은 경우는, 광추출면 이외의 측면으로부터 방사되는 빛의 비율이 증가하기 때문에, 람베르트 배광 분포를 실현할 수 없다.

상기한 바와 같이 애스팩트비를 크게 하면, 측면으로부터의 추출되는 빛의 기여를 작게 할 수 있기 때문에, 어떤 방향에서 광원면을 보아도 거의 동일한 밝기로 보이도록 할 수 있다. 애스팩트비를 크게 하며, 발광 소자 칩의 표면 혹은 투명한 구조체의 내부에, 방출되는 빛을 산란하는 기능을 갖는 구조를 형성하는 것이 더 바람직하다.

빛을 산란하는 기능을 갖는 구조로서는, 미립자를 발광 소자 칩 표면에 배열한 구조, 또는 투명한 구조체의 내부에 미립자를 분산한 구조를 들 수 있다. 그 외에 발광 소자 칩의 표면, 혹은 투명한 구조체 내부의 광추출면에 대략 평행한 굴절률이 다른 재료 간 계면에 형성된, 표면 혹은 계면에 대하여 경사한 측면을 갖는 다수의 요철 구조를 들 수 있다.

빛을 산란하는 기능을 갖는 구조를 형성하는 것은, 전술한 대로 어떤 방향에서 광원면을 보아도 거의 동일한 밝기로 보이도록 하는 데 유효하지만, 이와는 별도로, 빛의 추출 효율을 향상하여 발광 소자의 광출력, 발광 효율을 향상시키는 효과도 있다.

즉, 빛을 산란하는 기능을 갖는 구조를 발광 소자 칩에 형성하지 않는 경우에는, 주로 가로 방향으로 진행하는 빛은 화합물 반도체 결정 표면에서의 전(全) 반사의 반복(다중 반사)에 의해 감쇠하며, 유효하게 추출되지 않는다. 이에 대하여, 빛을 산란하는 기능을 갖는 구조를 형성한 경우에는, 전(全) 반사의 효과가 감소하며, 빛이 추출면으로부터 유효하게 추출되기 때문에 광추출 효율이 향상된다.

백색 발광을 얻기 위해, 발광 다이오드로부터의 빛으로 여기되며 파장 변환에 의해 다른 파장의 빛을 발하는 형광체 입자를 발광 다이오드의 주위에 분산시키는 것이 행하여진다. 이러한 형광체 입자 분산층을 이용함으로써, 광산란 기능을 갖는 구조를 형성하는 경우와 마찬가지로 발광 소자 칩 표면이 평탄하지 않게 되며, 어떤 방향에서 광원면을 보아도 거의 동일한 밝기로 보이는 효과가 발생한다. 또한, 형광체 입자 분산층을 형성하는 것과, 발광 소자 칩의 투명한 구조체 부분의 애스팩트비를 크게 하는 것을 조합하는 것이, 바람직하다.

형광층이 비입자성의 것인 경우에는, 통상은 빛을 산란하는 기능을 갖고 있지 않기 때문에, 어떤 방향에서 광원면을 보아도 거의 동일한 밝기로 보이는 효과는 적다. 이러한 비입자성의 형광층을 이용하는 경우에는, 그 표면 혹은 발광 소자와의 계면에 빛을 산란하는 기능을 갖는 구조를 형성해 두는 것이 바람직하다. 이 경우에도, 발광 소자 칩의 투명한 구조체 부분의 애스팩트비를 크게하는 것과 조합하는 것이 바람직하다.

비입자성 형광층의 예로서는, 스퍼터법이나 레이저 박리법 등의 박막 제작법에 의해 형성되는 입자형 형광체와 동일한 조성의 박막, 발광 다이오드의 발광층에 이용되는 화합물 반도체 박막의 적층 구조, 혹은 방출되는 빛의 파장에 비해서 입자 직경이 충분히 작아 빛을 산란하는 기능을 거의 갖지 않는 초미립자 형광체를 포함하는 박막층 등을 들 수 있다.

빛을 산란시키기 위한 미립자에 관해서는, 그 크기, 형상, 재료, 밀도의 제어가 어떤 방향에서 광원면을 보아도 거의 동일한 밝기로 보이기 위해 중요하다. 빛을 산란시키는 미립자의 형상에 관해서는, 구 형상, 판 형상, 바늘 형상, 부정형 등 각종 형상의 것이 이용 가능하지만, 구 형상의 것을 적합하게 이용할 수 있다.

빛을 산란시키는 미립자의 크기로서는, 방출되는 빛의 파장 정도 이상의 크기가 필요하며, 대체로 평균 입자 직경이 10 ㎚ 이상 10000 ㎚ 이하인 것이 바람직하다. 10 ㎚ 이상이면 산란의 효과가 보다 우수하기 때문에 바람직하며, 10000 ㎚ 이하에서는 발광 소자 칩에 포함되는 미립자의 수가 많아짐으로써 전체의 산란 효과가 강해져 균일한 배광 분포를 쉽게 얻을 수 있기 때문에 바람직하다.

빛을 산란시키는 미립자의 재료로서는, 발광 소자로부터 방출되는 빛에 대하여 광투과성 또는 광반사성을 갖는 재료가 바람직하며, 산화물, 질화물, 탄화물, 붕화물, 칼코겐화물 등을 이용할 수 있다.

그 중에서도, 실리카, 알루미나, 지르코니아, 티타니아, 산화세륨, 마그네시 아, 산화아연, 산화주석 및 이트륨알루미늄 가넷의 입자가 바람직하다. 더 바람직한 것은 구 형상으로, 광투과성이 높은 것을 쉽게 얻을 수 있는 실리카이다.

빛을 산란시키는 미립자의 분산 상태에 관해서는, 발광 소자 칩의 투명 구조체 내부의 3차원 공간에 분산시켜도 좋지만, 투명 구조 내부의 특정 평면 내에만 2차원적으로 배치시켜도 좋다. 2차원적으로 배치하는 경우의 바람직한 면 밀도는, 평균 입자 직경에도 의존하지만, 대체로 2×10⁵/㎠ 이상 2×10¹⁰/㎠ 이하가 바람직하다. 2×10⁶/㎠ 이하에서는 광산란 기능이 약해진다.

빛을 산란시키는 미립자를 발광 소자 내부에 도입하는 방법으로서는, 결정 성장용 기판 상에 스핀 코트나 디프법 등에 의해 입자를 배치시킨 후에 결정 성장을 행하여, 광산란 입자를 매립하는 방법이나, 결정 성장을 도중에 일단 멈추고, 스핀 코트나 디프법 등에 의해 입자를 결정 표면에 배치시킨 후에 재차 결정 성장을 행하여 광산란 입자를 매립하는 방법 등이 있다.

또 발광 소자 표면에 광산란 입자를 배치하는 방법으로서는, 결정 성장한 후에, 그 표면 혹은 이면에 스핀 코트나 디프법 등에 의해 입자를 도포하는 방법 등이 있다.

전술한 빛을 산란시키는 미립자를 도입하는 방법 외에도, 발광 소자 칩의 표면, 혹은 투명한 구조체 내부의 광추출면에 대략 평행한 굴절률이 다른 재료 간 계면에, 표면 혹은 계면에 대하여 경사한 측면을 갖는 다수의 요철 구조를 형성하는 방법이, 어떤 방향에서 광원면을 보아도 거의 동일한 밝기로 보이기 때문에 유효하 다. 이 요철 구조의 형상으로서는, 뿔체 형상 또는 피라미드 형상과 같이, 측면이 경사한 돌기 형상의 형태의 것이 특히 바람직하다.

요철의 높이로서는, 50 ㎚ 이상 2000 ㎚ 이하가 바람직하다. 이 범위이면, 본 발명의 효과가 보다 쉽게 얻어지기 때문에 바람직하다.

요철 측면의 경사 각도로서는, 15°이상 75°이하가 바람직하다. 측면 경사 각도는 일정하여도 좋지만, 돌기의 높이 방향의 위치에 의해 변화되어 있어도 좋다.

경사 측면을 갖는 돌기 형상의 요철의 밀도는, 대체로 2×10⁶/㎠ 이상 2×10¹⁰/㎠ 이하가 바람직하다. 2×10⁶/㎠ 이하의 밀도에서는 광산란 기능이 약해진다.

상기 경사 측면을 갖는 돌기 형상의 요철의 형성 방법으로서는, 반도체의 결정 성장 조건의 조정에 의해 결정 표면에 요철을 형성하는 방법, 통상의 포토리소그래피법에 의해 마스크를 형성하며 에칭에 의해 요철을 형성하는 방법, 나노 임프린트법에 의해 보다 미세한 요철을 형성하는 방법, 결정 표면에 미립자를 스핀 코트법이나 디프법 등에 의해 캐스팅하며, 이를 마스크로 하여 에칭을 행하는 방법 등을 들 수 있다.

또, 경사 측면을 갖는 돌기 형상의 요철은, (1) 결정 성장용 기판의 표면, (2) 결정 성장 도중의 표면, 혹은 (3) 결정 성장 후의 결정 표면이나 성장용 기판의 이면에 형성할 수 있다.

(1) 및 (2)의 경우에는, 발광 소자 칩의 내부의 굴절률이 다른 계면에 요철 이 형성되게 된다. (3)의 경우에는 발광 소자 표면에 요철이 형성된다.

이하에, 본 발명의 일실시예를 도 2를 이용하여 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니다.

<실시예 1>

기판으로서 두께 430 ㎛의 2인치 사파이어(1)의 C면을 경면 연마한 것을 이용하였다. 무기 입자로서 콜로이달 실리카[후소카가쿠코교(주) 제조, PL-20(상품명), 1차 입자 직경 370 ㎚, 입자 농도 24 중량％]에 포함되어 있는 실리카 입자를 이용하였다. 스피너에 기판을 셋트하며, 그 위에 10 중량％로 희석한 콜로이달 실리카를 도포하고, 스핀 건조를 행하였다. SEM으로 관찰한 바, 실리카 입자에 의한 기판 표면의 피복률은 약 39％였다.

기판 상에 질화물 반도체층을 에피택셜 성장시키며, 실리카 입자를 질화물 반도체층에 매몰시켰다. 에피택셜 성장은 상압 MOVPE법으로 행하였다. 1기압에서, 서셉터의 온도를 485℃, 캐리어 가스를 수소로 하며, 캐리어 가스, 암모니아 및 TMG를 공급하여, 두께가 500 Å인 GaN 버퍼층을 성장시켰다. 서셉터의 온도를 900℃로 한 후, 캐리어 가스, 암모니아, TMG를 공급하여, 언도프 GaN층을 성장시켰다. 서셉터 온도를 1040℃로 하여 화로 내 압력을 1/4기압으로 하며, 캐리어 가스, 암모니아 및 TMG를 공급하여 두께 5 ㎛의 언도프 GaN층을 성장시켜, GaN 결정 중에, 실리카 입자로 이루어지는 층을 함유하는 적층 기판을 얻었다.

적층 기판에, n형 반도체층, InGaN 발광층(MQW 구조), p형 반도체층을 차례 대로 성장시켜, 발광 파장 440 ㎚의 청색 LED용 질화물 반도체 적층 기판을 얻었다.

청색 LED용 질화물 반도체 적층 기판을 8분할하여, 그 중 1개에 n형 콘택트층을 표출시키기 위한 에칭 가공, 반투명 p전극 및 n전극을 형성하여, 질화물 반도체로 이루어지는 발광 소자(LED 웨이퍼)를 얻었다. LED 웨이퍼의 투명 부분의 크기는 25 ㎜×13 ㎜×0.43 ㎜이며, 애스팩트비는 30(=13/0.43)이었다. 질화물 반도체 결정의 두께는 10 ㎛ 이하이며, 사파이어 기판의 두께에 비교하여 작기 때문에, LED 웨이퍼의 투명 부분의 두께는 약 0.43 ㎛였다.

LED 웨이퍼의 거의 중심부에 있는, 직경 200 ㎛의 p전극부와 그 주위의 n전극부에 순방향 전압을 인가하여 발광시킨 상태로, θ, φ 방향에 수광 소자인 포토 다이오드를 주사시켜 배광 특성을 측정하였다. θ 방향에 관해서는 0°∼90°범위를 1.5°스텝으로, φ 방향에 관해서는 0°∼360°범위를 10°스텝으로 측정하였다. 그 결과를 도 4에 도시한다. 도 4는 θ 방향의 발광 강도를 극좌표 표시로 나타낸 것으로, 모든 φ 방향의 데이터를 거듭하여 한번에 표시하고 있다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 원점에서 표면에 접하는 원의 형태를 하고 있다. 이는, 배광 분포가 cosθ의 분포(람베르트 배광 분포)인 것을 나타낸다.

<비교예 1>

콜로이달 실리카를 사파이어 상에 도포하는 것을 행하지 않고, 사파이어 기판 상에 버퍼층, n형 반도체층, InGaN 발광층(MQW 구조), p형 반도체층을 차례대로 성장시켜, 발광 파장 440 ㎚의 청색 LED용 질화물 반도체 적층 기판을 얻었다. 실 시예 1과 마찬가지로, 8분할편 중 1개에 에칭 가공, 반투명 p전극 및 n전극을 형성하여, 질화물 반도체로 이루어지는 발광 소자(LED 웨이퍼)를 얻었다. LED 웨이퍼 중심부에 있는 p전극을 이용하여 배광 측정을 행하였다. 배광 측정의 결과를 도 5에 도시한다. 도 5의 분포는, 도 4의 원에 비해서 편평한 형태를 하고 있으며, cosθ 분포로부터 벗어나 있다. 또 φ 방향의 변동이 매우 커져있다.

<비교예 2>

실시예 1에서 얻어진 청색 LED용 질화물 반도체 적층 기판의 다른 8분할편 중 1개를 이용하여 LED 제작한 후, 스크라이버를 이용하여 2 ㎜×2 ㎜ 크기의 칩을 추출하였다.

칩의 투명 부분의 애스팩트비는 4.7이다(가로:두께=2 ㎜:0.43 ㎜). 칩의 배광 특성 측정 결과를 도 6에 도시한다. 도 6의 분포는, 도 2에 비해서 가로 방향(θ=45°부근)의 강도가 법선 방향보다도 상대적으로 크며, cosθ 분포로부터 벗어나 있다. 또 φ 방향의 변동도 크다.

이와 같이, 미립자를 도입하여 빛을 산란하는 구조를 만든 LED라도, 투명한 구조체 부분의 애스팩트비가 작은 경우에는, 측면으로부터 방출되는 빛의 영향이 나타나, 람베르트 배광을 얻을 수 없다.

<실시예 2>

다른 실시예로서, 도 3에 도시하는 바와 같은, 사파이어 기판을 박리하여 투명한 구조체가 거의 반도체 결정만으로 이루어지는 발광 소자의 예(애스팩트비가 매우 큰 경우의 예)를 나타낸다.

콜로이달 실리카를 사파이어 기판에 도포하는 일 없이, 비교예 1과 동일하게 하여 청색 LED용 질화물 반도체 적층을 성장시켰다. 층의 전(全) 두께는 4.5 ㎛였다.

소자 분리를 행하기 위해 드라이 에칭을 행하여 사파이어 기판까지 달하는 분리홈을 형성한 후, 전기적으로 분리한 메사 부분의 상면 거의 전면에 반투명 p전극 패턴을 형성하였다. p전극 상에 접착층인 AuSn 합금막(Au 80％, Sn 20％)을 증착법에 의해 5000 Å 형성하였다. p전극과 AuSn 합금층 사이에 양자의 밀착성 향상을 위해, Ti/Pt층을 형성하였다(Ti 500 Å, Pt 500 Å). 이후 이 상태의 기판을 소자 분리 기판이라고 부른다.

두께 100 ㎛, 2인치 φ로 표면 연마한 몰리브덴(Mo) 기판 표면에 접착층인 AuSn 합금막(Au 80％, Sn 20％)을 증착법에 의해 5000 Å 형성하였다. Mo 기판과 AuSn 합금층 사이에 양자의 밀착성 향상을 위해 Ti/Pt층을 형성하였다(Ti 500 Å, Pt 500 Å).

앞의 소자 분리 기판과 AuSn 접착층을 형성한 Mo 기판을, 웨이퍼 본딩 장치로써, AuSn층끼리가 접하도록 접합을 행하였다. 접합은, 진공 중 250℃에서, 5000 N의 하중을 30분간 걸어 행하였다. 이 상태의 기판을 이후, 접합 기판이라고 부른다.

접합 기판의 사파이어측으로부터, 파장 355 ㎚의 YAG의 3배파 레이저를 조사하여, 레이저 리프트 오프를 행하여, 접합 기판으로부터 사파이어를 분리하였다. 이렇게 해서 Mo 기판에 AuSn 접착층을 통해 소자 분리된 청색 LED가 형성된 기판을 제작한 이후 이 상태의 기판을 Mo 상 청색 LED 기판이라고 부른다.

Mo 상 청색 LED 기판의 표면, 즉 레이저 리프트 오프에 의해 노출된 n형 GaN의 표면을, 희염산, BHF로 처리한 후, 실시예 1에서 이용한 것과 동일한 콜로이달 실리카 슬러리를 이용하여 스핀 코트를 행하여, LED 표면에 실리카를 도포하였다. 다음에 이 위에 포토리소그래피에 의해 메쉬 형상 패턴(메쉬 형상에 포토레지스트가 없는 부분이 생긴 패턴)을 제작하였다. 이 후 BHF(버퍼드 불산) 처리를 행하여, 메쉬 형상으로 실리카 입자가 없는 부분을 제작하였다.

포토레지스트를 남긴 채로 Al 전극 및 Ni 보호층을 증착한 후, 리프트 오프를 행한 후, 포토레지스트를 유기 용매로 제거함으로써, 메쉬 형상 전극과 그 메쉬 내부에 콜로이달 실리카가 배치된 구조의 표면을 형성하였다.

이렇게 해서 표면에 형성된 콜로이달 실리카 입자를 마스크로 하여 드라이 에칭을 행함으로써, 메쉬 내부의 표면에 요철을 형성하였다. 형성한 요철의 높이는 500 ㎚였다. 이렇게 해서 제작한 Mo 상 청색 LED의 애스팩트비는, 소자 가로 사이즈:두께=500 ㎛:4.5 ㎛, 애스팩트비 111(=500/4.5)이었다.

배선이 형성된 평탄한 세라믹제 패키지에 도전성 페이스트로 Mo 상 청색 LED를 적재한 후, 와이어 본딩에 의해 리드선을 접속하여, 서브마운트 상의 소자의 배광 특성을 측정한 바, 도 7을 얻었다. 도 7에서 배광 분포가 거의 cosθ의 분포를 나타내며, 변동도 작았다.

<실시예 3>

실시예 2와 동일하게 하여 Mo 상 청색 LED 기판을 제작하였지만, 다음 공정 의 콜로이달 실리카 마스크 에칭 처리에 의한 광산란 기능을 형성하는 일 없이, 입자형 형광체의 수지 분산층을 표면에 형성하였다.

실시예 2와 동일하게 하여 Mo 상 청색 LED 기판을 제작한 후, 통상의 포토리소그래피와 리프트 오프 프로세스에 의해 메쉬 형상의 Al 전극을 형성하였다. 이 Mo 상 청색 LED 기판을 배선이 형성된 평탄한 세라믹제 패키지에 도전성 페이스트로 적재한 후, 와이어 본딩에 의해 전극을 접속하였다. TAG:Ce 형광체를 실리콘 수지에 분산한 슬러리를 스핀 코트에 의해 상기 Mo 상 청색 LED 기판이 적재된 서브마운트 상에 도포하였다. 도포 막의 두께는 20 ㎛였다. 형광체층의 두께 20 ㎛는 Mo 상 청색 LED 기판의 두께 100 ㎛에 비해서 작기 때문에, 이 형광체층은 발광 소자 칩과 일체라고 간주하였다. 얻어진 발광 소자의 배광 특성을 측정한 바 도 8에 도시하는 배광 분포를 얻을 수 있었다. 도 8에서 배광이 거의 cosθ의 분포를 나타내며, 변동도 작았다.

본 발명의 화합물 반도체 발광 소자는, 칩 주위에, 배광 특성을 변화시키는 구조체를 일부러 만들지 않아도, 발광 소자 칩의 광추출면으로부터 방출되는 직접광의 배광이, I(θ, φ)=I₀cosθ로 거의 나타내어지는 배광 분포를 갖기 때문에, 그대로 일반 실내 조명에 적합하게 이용할 수 있으며, 또, 칩 사이의 배광 분포 변동도 현저히 작게 할 수 있다. 렌즈 등의 외부의 구조체와 조합한 경우에도, 종래의 발광 소자 칩을 이용한 경우보다도 고정밀도의 배광 제어가 가능하게 된다.

Claims

발광 소자의 칩으로부터 방출되는 빛을 직접 측정하였을 때의 배광 분포(I)(θ, φ)가, φ 방향에 의존하지 않고, I(θ, φ)=I(θ)로 거의 나타내어지는 배광 분포를 갖는 발광 소자로서, 이때 I(θ, φ)는 (θ, φ) 방향의 광강도 분포, θ는 발광 소자의 광추출면의 법선 방향으로부터의 각도(0≤θ≤90°), φ는 법선 둘레의 회전각(0≤φ≤360°), I(θ)는 θ=90°로 제로에 근접한 단조 감소 함수를 나타내는 발광 소자.
제1항에 있어서, I(θ)가 I(θ)=I₀cosⁿθ로 거의 나타내어지는 배광 분포를 갖는 발광 소자로서, 이때 I₀는 θ=0° 방향의 광강도, n은 양의 수를 나타내는 발광 소자.
제2항에 있어서, n이 0.5 이상 2 이하인 발광 소자.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 발광 소자의 칩으로부터 방출되는 직접광의 배광 분포(I)(θ, φ)의, 동일 θ 방향에 있어서의 φ 방향 360°의 범위에서의 변동의 크기가, φ 방향의 360° 범위의 평균값(I)(θ)에 대하여 20％ 이하인 발광 소자.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 발광 소자의 칩을 구성하는 구조체 중, 발광층으로부터 방출되는 빛에 대하여 투명한 구조체 부분의 크기에 관하여, 가로 방향의 크기와 두께 방향의 크기의 비[애스팩트비(aspect ratio)]가 5 이상이며, 또한 발광 소자 칩의 표면 혹은 이 투명한 구조체 부분의 내부에, 광산란 기능을 갖는 구조를 구비하고 있는 발광 소자.
제5항에 있어서, 광산란 기능을 갖는 구조가, 미립자가 발광 소자 칩 표면 혹은 투명한 구조체 내부의 면 내에 배열된 구조, 또는 미립자가 반도체 결정 중에 분산된 구조인 발광 소자.
제5항에 있어서, 광산란 기능을 갖는 구조가, 칩 표면, 또는 칩 내부의 광추출면에 대략 평행한 굴절률이 다른 재료간 계면에 형성된, 이 칩 표면 또는 이 계면에 대하여 경사한 측면을 갖는 복수의 요철 구조인 발광 소자.
제7항에 있어서, 미립자의 평균 직경이 10 ㎚ 이상 10000 ㎚ 이하인 발광 소자.
제6항 또는 제8항에 있어서, 미립자의 주성분이 산화물, 질화물, 탄화물, 붕화물, 칼코겐화물 중 어느 하나인 발광 소자.
제6항, 제8항 또는 제9항에 있어서, 미립자가 실리카, 알루미나, 지르코니아, 티타니아, 산화세륨, 마그네시아, 산화아연, 산화주석, 이트륨알루미늄 가넷 중 어느 하나인 발광 소자.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 발광 소자의 칩을 구성하는 구조체 중, 발광층으로부터 방출되는 빛에 대하여 투명한 구조체 부분의 크기에 관하여, 가로 방향의 크기와 두께 방향의 크기의 비(애스팩트비)가 5 이상이며, 또한 발광 소자 칩의 표면, 혹은 이 투명한 구조체 부분의 내부에, 발광층으로부터 방출된 빛을 흡수하여 다른 파장의 빛을 발하는 입자형 형광체 분산층이 형성되어 있는 발광 소자.
발광 소자의 칩을 구성하는 구조체 중, 발광층으로부터 방출되는 빛에 대하여 투명한 구조체 부분의 크기에 관하여, 가로 방향의 크기와 두께 방향의 크기의 비(애스팩트비)가 5 이상이며, 또한 발광 소자 칩의 표면 혹은 이 투명한 구조체 부분의 내부에, 광산란 기능을 갖는 구조를 구비하고 있는 발광 소자.
제12항에 있어서, 광산란 기능을 갖는 구조가, 미립자가 발광 소자 칩 표면 혹은 투명한 구조체 내부의 면 내에 배열된 구조, 또는 미립자가 반도체 결정 중에 분산된 구조인 발광 소자.
제12항에 있어서, 광산란 기능을 갖는 구조가, 칩 표면, 또는 칩 내부의 광추출면에 대략 평행한 굴절률이 다른 재료 간 계면에 형성된, 이 칩 표면 또는 이 계면에 대하여 경사한 측면을 갖는 복수의 요철 구조인 발광 소자.
제13항에 있어서, 미립자의 평균 직경이 10 ㎚ 이상 10000 ㎚ 이하인 발광 소자.
제13항 또는 제15항에 있어서, 미립자의 주성분이 산화물, 질화물, 탄화물, 붕화물, 칼코겐화물 중 어느 하나인 발광 소자.
제13항, 제15항 또는 제16항에 있어서, 미립자가 실리카, 알루미나, 지르코니아, 티타니아, 산화세륨, 마그네시아, 산화아연, 산화주석, 이트륨알루미늄가넷 중 어느 하나인 발광 소자.
제12항에 있어서, 발광 소자의 칩을 구성하는 구조체 중, 발광층으로부터 방출되는 빛에 대하여 투명한 구조체 부분의 크기에 관하여, 가로 방향의 크기와 두께 방향의 크기의 비(애스팩트비)가 5 이상이며, 또한 발광 소자 칩의 표면, 혹은 이 투명한 구조체 부분의 내부에, 발광층으로부터 방출된 빛을 흡수하여 다른 파장의 빛을 발하는 입자형 형광체 분산층이 형성되어 있는 발광 소자.