KR20090002192A - 발광 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발광 시스템에 관한 것이다.
본 발명 실시 예에 따른 발광 시스템은, 기판; 기판 위에 형성된 제 1N형 반도체층; 상기 제 1N형 반도체층 위에 형성된 태양 전지부; 상기 제 1N형 반도체층 위에 형성된 캐패시터부; 상기 기판 위에 형성되며, 상기 캐패시터부에 전기적으로 연결된 발광소자를 포함한다.
수광, 충전, 발광, LED
Description
도 1은 종래 발광 다이오드 패키지를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명 실시 예에 따른 발광 시스템을 나타낸 평면도.
도 3은 본 발명 실시 예에 따른 발광 시스템의 단면도.
도 4는 본 발명 실시 예에 따른 발광 시스템의 동작 상태를 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 발광 시스템 101 : 기판
103,113,131 : N형 GaN층 110 : 태양 전지부
111,133 : P형 GaN층 120 : 캐패시터부
121 : 외부 전극 123 : 내부 전극
122 : 캐패시터 절연막 130 : 발광소자
132 : 활성층 134 : P형 전극
135 : N형 전극
본 발명은 발광 시스템에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode)는 GaAs, AlGaAs, GaN, InGaN 및 AlGaInP 등의 화합물 반도체 재료를 이용하여 발광 원을 구성함으로써 다양한 색을 구현할 수 있는 반도체 소자이다.
이러한 발광 다이오드는 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)에 직접 장착된 표면실장(SMD: Surface Mount Device)형으로 만들어지고 있다. 이에 따라 표시소자로 사용되고 있는 발광 다이오드 램프도 SMD 형으로 개발되고 있다. 이러한 SMD형의 발광 다이오드 램프는 기존의 점등 램프를 대체할 수 있으며, 이것은 다양한 칼라를 내는 점등 표시기, 문자 표시기 및 영상 표시기 등으로 사용된다.
도 1은 종래 기술에 따른 발광 다이오드 패키지의 구조를 예시적으로 도시한 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 발광 다이오드 패키지(40)는 발광소자(10), 반사컵(21)이 형성된 패키지 몸체(20), 전극패드(31,32)를 포함한다.
상기 패키지 몸체(20) 위에는 한 쌍의 전극 패드(31,32)가 형성되며, 반사컵(21)의 바닥면에 형성된 어느 하나의 전극 패드(31,32)에는 발광 소자(10)가 도전성 접착제에 의해 실장되며, 상기 발광 소자(10)는 한 쌍의 전극 패드(31,32)와 와이어(30)로 각각 연결된다.
상기 발광 소자(10)는 기판 상에 순차적으로 버퍼층, N형 반도체층, 활성층, P형 반도체층으로 성장되며, N형 반도체층과 P형 반도체층 위에 N형 전극 및 P형 전극을 각각 형성해 주어, 발광소자 칩이 완성된다.
이러한 발광 소자(10)는 패키지 몸체(20) 내에 하나 이상이 실장되는데, 예컨대 청색 LED 칩 또는 Red/Blue/Green LED 칩으로 구성될 수 있으며, 외부에서 상기 전극 패드를 통해 전류를 공급함으로써 발광소자가 발광하게 된다.
상기 반사컵(21)은 발광 소자(10)에서 방출되는 광을 목적하는 방향으로 반사해 주어 광도를 개선시켜 준다. 그리고 반사컵(21) 내부에는 투명 수지와 같은 충진제가 충진된다. 이러한 충진제는 에폭시나 실리콘 재료를 주로 쓰며, 경우에 따라 형광체 분말을 첨가하기도 한다.
이러한 발광 다이오드 패키지는 외부에서 전류를 공급받아 발광하게 되는 것으로, 자체 발광은 불가능한 구조이다.
본 발명은 자체 발광이 가능한 발광 시스템을 제공한다.
본 발명은 기판 위에 수광소자, 캐패시터 및 발광 소자를 실장하여, 수광된 에너지를 저장한 후, 영구 발광이 가능한 발광 시스템을 제공한다.
본 발명 실시 예에 따른 발광 시스템은, 기판; 기판 위에 형성된 제 1N형 반도체층; 상기 제 1N형 반도체층 위에 형성된 태양 전지부; 상기 제 1N형 반도체층 위에 형성된 캐패시터부; 상기 기판 위에 형성되며, 상기 캐패시터부에 전기적으로 연결된 발광소자를 포함한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 실시 예에 따른 발광 시스템에 대하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명 실시 예에 따른 발광 시스템을 나타낸 정면도이며, 도 3은 도 2의 구성 요소를 기판상에 전개한 단면도이며, 도 4는 동작 상태를 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 발광 시스템(100)은 기판(101), 제 1N형 반도체층(103), 태양전지부(110), 캐패시터부(120), 발광소자(130)를 포함한다.
상기 기판(101)은 사파이어, GaN, SiC, ZnO, GaAs 또는 Si으로 형성될 수 있다. 이러한 기판(101) 위에는 질화갈륨(GaN)계를 이용한 제 1N형 반도체층(103)이 형성된다.
상기 제 1N형 반도체층(103) 위에는 태양전지부(110)가 적층되는 데, 상기 태양전지부(110)는 제 1P형 반도체층(111), 제 2N형 반도체층(113)으로 이루어진다.
여기서, 제 1P형 반도체층(111)은 제 1N형 반도체층(103) 상에 질화갈륨계를 이용하여 500~1100℃의 온도에서 NH3, TMGa와 Mg 같은 P형 도펀트를 포함한 가스를 공급하여 1000~4um 두께로 성장된다.
상기 제 1P형 반도체층(111) 위에는 제 2N형 반도체층(113)이 성장되는 데, 상기 제 2N형 반도체층(113)은 질화갈륨계를 이용하여 500~1100℃온도에서 예를 들 어, NH3, 트리메탈 갈륨(TMGa)와 Si 같은 n형 도펀트를 포함한 실란가스를 공급하여 1000~0.5um 두께로 성장된다.
이때 상기 제 2N형 반도체층(113)이 성장되면 태양전지부 영역 이외의 영역에 대해 제 1N형 반도체층(103)까지 식각하여 캐패시터 영역으로 사용하며, 또한 제 1N형 반도체층(103)의 일부 영역에 대해 기판 표면까지 식각하여 발광 소자 영역으로 사용하게 된다.
그리고 상기 제 2N형 반도체층(113)의 표면에는 태양 광의 수광 면적을 증가시켜 주기 위해 요철 형상의 N형 러프니스(114)를 형성해 주게 된다. 예컨대, N형 러프니스(114)는 ICP 장비를 이용하여 500~3000Å정도로 식각하게 된다. 상기 N형 러프니스(114)의 상부에는 입사된 빛의 반사를 차단하는 반사방지 코팅(anti-reflective coating)이 증착될 수도 있다.
상기 제 1N형 반도체층의 상면 및 태양전지부(110)의 일측에는 캐패시터부(120)가 형성된다. 상기 캐패시터부(120)는 트랜치 구조로 형성될 수 있다. 상기 캐패시터부(120)는 외부 전극(121), 캐패시터 절연막(122), 내부 전극(123)을 포함하며, 외부 전극(121) 내측에는 캐패시터 절연막(예:SiO2)(122)이 형성되며, 상기 캐패시터 절연막(122) 내측에는 내부 전극(123)이 형성된다. 이러한 트랜치 캐패시터부(120)는 실리콘 기판 상측에 산화막을 이용하여 하드 마스크를 형성한 후, 상기 하드 마스크를 이용하여 실리콘 기판의 소정 부분을 식각 제거함으로써, 일정 깊이의 트렌치 구조를 형성한 후 상기 전극 및 절연막을 형성시켜 줄 수도 있다.
상기 캐패시터부(120)의 외부 전극(121)은 제 1N형 반도체층(103) 상면에 형성되므로, 제 1N형 반도체층(103)과 전기적으로 연결된다.
그리고 상기 기판(101) 일측에는 발광소자(130)가 형성되는 데, 상기 발광소자(130)는 제 3N형 반도체층(131), 활성층(132), 제 2P형 반도체층(133), P형 전극(134) 및 N형 전극(135)을 포함한다. 상기 제 3N형 반도체층(131)은 질화갈륨계를 이용하며, P형 도펀트로서 Si가 도핑되며, 제 2P형 반도체층(133)은 질화갈륨계를 이용하며, P형 도펀트로서 Mg가 도핑된다.
그리고 상기 활성층(132)은 예를 들어 780℃의 성장 온도에서 질소를 캐리어 가스로 사용하여 NH3, TMGa, 및 트리메틸인듐(TMIn)을 공급하여, InGaN로 이루어진 활성층을 120Å 내지 1200Å의 두께로 형성시킨다. 이때, 활성층(120)의은 우물층/장벽층을 한 주기로 하여 단일 또는 다중 양자 우물 구조로 형성될 수 있다.
그리고, 제 2P형 반도체층(133)의 일부분부터 제 3N형 반도체층(131)의 일부까지 제거한 후 제 3N형 반도체층(131)을 노출시켜 주고, 상기 제 2P형 반도체층(133) 위에 P형 전극(134), 제 3N형 반도체층(131) 위에 N형 전극(134)을 형성해 준다. 이러한 반도체 발광소자는 일반적인 화합물 반도체 발광소자로서, PN 접합 구조 또는 NPN 접합 구조를 갖고, 청색 LED(Blue LED), 녹색 LED(Green LED), 적색 LED(Red Led) 등으로 구현할 수 있다.
그리고 상기 P형 전극(135)은 캐패시터부(120)의 내부 전극(123)과 와이어 본딩되며, N형 전극(131)은 캐패시터부(120)의 외부 전극(121)과 와이어 본딩된다. 이에 따라 캐패시터에 충전된 에너지가 발광소자의 양 전극으로 흐르는 경로를 제공해 준다.
이러한 발광 시스템의 동작에 대하여 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 4를 참조하면, 태양 광이나 램프(LED) 등의 광이 태양 전지부(110)의 제 2N형 반도체층(113)에 입사되면, 상기 제 2N형 반도체층(113)과 제 1P형 반도체층(111) 사이의 밸런스 밴드(balance band)에서 전이 밴드(conduction band)로의 전자 전이가 발생하게 되며, 이러한 전자 전이에 의해 전류(I1)가 발생되어 제 2N형 반도체층(113) - P형 반도체층(111) - 제1N형 반도체층(103)으로 흐르게 된다.
상기 제 1N형 반도체층(103)의 전류(I2)는 캐패시터부(120)의 외부 전극(121)으로 전달되어, 캐패시터부 내부에 에너지로 충전되고, 상기 캐패시터부(120)에 충전된 에너지는 내부 전극(123)에 연결된 P형 전극(134)과, 외부 전극(121)에 연결된 N형 전극(135)을 통해 전류가 흐르게 됨으로써, 발광소자(130) 내의 활성층(132)에서 전자와 정공의 결합에 의해 광이 발생되고, 발생된 광은 방출된다. 여기서, 발광소자(130)의 파장 특성에 따라 발생된 광은 적색, 녹색, 청색 광이나 이들의 광을 조합하여 모든 색의 광이 발생될 수 있다.
이와 같이 태양 전지부(110)에서의 수광된 광을 전기적인 신호인 전류로 변환하여 캐패시터부(120)에 충전하고, 충전된 전류를 다시 발광소자(130)에서 광 에너지로 변환해 줌으로써, 자체 충전 및 발광이 가능한 시스템을 구현할 수 있다.
또한 캐패시터부(120)와 발광 소자(130) 사이에는 상기 발광 소자의 구동을 제어하는 수단(예: 스위치, 미도시)를 더 구비하여, 발광 소자의 온/오프 제어를 통해 발광 소자에서 광이 발생되는 시간, 주기 등을 제어할 수도 있다.
이와 같이 하나의 기판상에 자동 수광 및 충전, 그리고 발광하는 구성 요소를 패키지 형태로 구성함으로써, 별도의 전원 공급 없이 발광이 가능한 시스템을 제공할 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 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.
본 발명 실시 예에 따른 발광 시스템에 의하면, 자체 발광이 가능한 영구 발광 시스템을 제공할 수 있다.
Claims (9)
- 기판;기판 위에 형성된 제 1N형 반도체층;상기 제 1N형 반도체층 위에 형성된 태양 전지부;상기 제 1N형 반도체층 위에 형성된 캐패시터부;상기 기판 위에 형성되며, 상기 캐패시터부에 전기적으로 연결된 발광소자를 포함하는 발광 시스템.
- 제 1항에 있어서,상기 태양 전지부는 제 1N형 반도체층 위에 형성된 제 1P형 반도체층; 상기 제 1P형 반도체층 위에 형성된 제 2N형 반도체층을 포함하는 발광 시스템.
- 제 2항에 있어서,상기 제 2N형 반도체층의 표면은 러프니스 구조를 갖는 발광 시스템.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,상기 N형 및 P형 반도체층은 질화물 반도체층을 포함하는 발광 시스템.
- 제 1항에 있어서,상기 캐패시터부는 트렌치 구조를 가지는 발광 시스템.
- 제 1항에 있어서,상기 발광소자는 질화물반도체를 이용한 PN 접합 또는 NPN 구조를 포함하는 발광 시스템.
- 제 1항에 있어서,상기 발광소자는 적색, 녹색, 청색 발광소자 중 적어도 하나의 소자를 하나 이상 포함하는 발광 시스템.
- 제 1항에 있어서,상기 캐패시터부는 발광소자의 N형 및 P형 전극과 와이어로 연결되는 발광 시스템.
- 제 8항에 있어서,상기 캐패시터부와 발광 소자 사이에는 발광 소자의 구동을 제어하는 수단을 더 포함하는 발광 시스템.
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2007
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