KR20090032631A - 발광다이오드 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광다이오드 소자에 관한 것으로서, 특히, 기판과, 상기 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층의 일부분 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성되되, 전극 형성 영역과 발광 영역으로 구분된 p형 질화물 반도체층과, 상기 p형 질화물 반도체층의 전극 형성 영역 상에 형성된 p형 전극과, 상기 p형 질화물 반도체층의 발광 영역 상에 형성된 탄소나노튜브와, 상기 탄소나노튜브 상에 형성된 형광체층 및 상기 활성층이 형성되지 않은 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 n형 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자를 제공한다.

발광다이오드, 형광체, 탄소나노튜브

Description

발광다이오드 소자{Light Emitting Diode device}

본 발명은 발광다이오드 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 형광체 분말을 이용하여 고유 발광색의 파장을 변환시켜 원하는 발광색을 얻는 발광다이오드 소자에 관한 것이다.

일반적으로 발광다이오드(Light Emitting Diode)는 반도체의 p-n 접합구조를 이용하여 주입된 소수캐리어(전자 또는 정공)를 만들어내고, 이들의 재결합에 의하여 발광시키는 전자부품이다. 즉, 특정 원소의 반도체에 순방향 전압을 가하면 양극과 음극의 접합 부분을 통해 전자와 정공이 이동하면서 서로 재결합하는데 전자와 정공이 떨어져 있을 때 보다 작은 에너지가 되므로 이때 발생하는 에너지의 차이로 인해 빛을 방출한다.

이러한 발광다이오드 중 형광체 분말을 이용하여 고유 발광색의 파장을 변환시켜 원하는 발광색을 얻는 파장변환형 발광다이오드라 하며, 특히 백색 구현을 위한 파장변환형 발광다이오드는, 조명장치 또는 디스플레이 장치의 백라이트를 대체 할 수 있는 고출력, 고효율 광원으로서 적극적으로 개발되고 있다.

그러면, 이하 도 1 및 도 2를 참조하여 종래 기술에 따른 발광다이오드 소자에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 발광다이오드 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

우선, 도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 발광다이오드 소자는, 한 쌍의 리드 단자로 형성된 리드 프레임(150)과, 상기 리드 프레임(150)의 일부를 내측에 수용하도록 합성수지재로 형성된 패키지(110)와, 상기 패키지(110) 내부의 위치하는 리드 프레임(150) 상에 실장된 LED 칩(130)과, 상기 LED 칩(130)과 상기 리드 프레임(150)의 통전을 위한 전극 연결부(140)와, 상기 패키지(110) 내부에 충진되어 LED 칩(130) 및 전극 연결부(140)를 보호하는 형광체 분말을 함유한 몰딩재(120)로 이루어진다.

한편, 일반적으로 LED 칩의 특성을 결정하는 일반적인 기준은 색(color), 휘도, 휘도의 세기 범위 등이며, 이러한 LED 칩의 특성은 1차적으로 LED 칩에 사용되는 화합물 반도체의 재료에 의해 결정되지만, 부수적으로 LED 칩을 실장하기 위한 패키지의 구조 및 그에 채워진 형광체 분말을 함유한 몰딩재에 영향을 받는다. 특히, 이러한 LED 패키지 구조의 내부에 충진된 몰딩재의 형광체 분말은 휘도와 휘도의 각 분포에 큰 영향을 미치게 된다.

이에 따라, 종래 기술에 따른 형광체 분말을 함유한 상기 몰딩재(120)는 광 원의 발광 효율 및 지향각에 대한 색의 균일도를 높이기 위하여 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 LED 칩(130) 주변부에만 얇은 형태로 도포된 컨포멀(conformal) 형태를 가진다.

그러나, 상기 LED 칩(130) 주변부에만 형광체 분말을 함유한 몰딩재를 균일한 두께를 가지게 도포하는 데 있어서 한계가 있다.

따라서, 종래 기술에 따른 발광다이오드 소자는 발광 효율 및 지향각에 대한 색의 균일도를 증가시키는 데 여전히 어려운 문제가 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 질화물계 반도체로 이루어진 발광다이오드 소자의 발광면 상에 광의 투과도가 높은 탄소나노튜브를 위치시키고, 그의 일면 또는 내부에 형광체를 위치시켜 광의 발광효율 및 지향각에 대한 색의 균일도를 향상시킬 수 있는 발광다이오드 소자를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 기판과, 상기 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층의 일부분 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성되되, 전극 형성 영역과 발광 영역으로 구분된 p형 질화물 반도체층과, 상기 p형 질화물 반도체층의 전극 형성 영역 상에 형성된 p형 전극과, 상기 p형 질화물 반도체층의 발광 영역 상에 형성된 탄소나노튜브와, 상기 탄소나노튜브 상에 형성된 형광체층 및 상기 활성층이 형성되지 않은 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 n형 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자를 제공한다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 다른 본 발명은 기판과, 상기 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층의 일부분 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성되되, 전극 형성 영역과 발광 영역으로 구분된 p형 질화물 반도체층과, 상기 p형 질화물 반도체층의 전극 형성 영역 상에 형성된 p형 전극과, 상기 p형 질화물 반도체층의 발광 영역 상에 형성된 탄소나노튜브와, 상기 탄소나노튜브 내부에 형성된 형광체층 및 상기 활성층이 형성되지 않은 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 n형 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자를 제공한다.

또한, 상기 본 발명의 발광다이오드 소자에서, 상기 p형 질화물 반도체층과 탄소나노튜브 계면에 형성된 투명전도층을 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 또 다른 본 발명은 발광면을 갖는 기판과, 상기 기판의 발광면 반대면 상에 형성된 n형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층의 일부분 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층과, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 p형 전극과, 상기 활성층이 형성되지 않은 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 n형 전극과, 상기 기판의 발광면 상에 형성된 탄소나노튜브 및 상기 탄소나노튜브 상에 형성된 형광체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자를 제공한다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 또 다른 본 발명은 발광면을 갖는 기판과, 상기 기판의 발광면 반대면 상에 형성된 n형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층의 일부분 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도 체층과, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 p형 전극과, 상기 활성층이 형성되지 않은 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 n형 전극과, 상기 기판의 발광면 상에 형성된 탄소나노튜브 및 상기 탄소나노튜브 내부에 형성된 형광체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자를 제공한다.

또한, 상기 본 발명의 발광다이오드 소자에서, 상기 기판은 투명 기판인 것이 바람직하다.

또한, 상기 본 발명의 발광다이오드 소자에서, 상기 p형 전극이 위치하는 상기 p형 질화물 반도체층 전면 또는 일부면 상에 형성된 투명전도층을 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 본 발명의 발광다이오드 소자에서, 상기 탄소나노튜브는 상기 기판의 발광면에서 상기 기판의 측면 및 상기 n형 질화물 반도체층의 측면을 감싸도록 연장 형성된 것이 바람직하다.

본 발명은 질화물계 반도체로 이루어진 발광다이오드 소자의 발광면 상에 광의 투과도가 높은 탄소나노튜브를 위치시키고, 그의 일면 또는 내부에 형광체를 위치시켜 광의 발광효율 및 지향각에 대한 색의 균일도를 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 탄소나노튜브 내부에 형광체를 위치시킴으로써, 나노 입자 크기의 형광체에서 일반적으로 발생되는 aglomerization을 방지할 수 있다.

본 발명의 발광다이오드 소자에 대한 구체적인 기술적 구성에 관한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예가 도시된 도면을 참조하여 아래의 상세한 설명에 의해서 명확하게 이해될 것이다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

실시예 1

도 3을 참고하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광다이오드 소자의 구조에 대하여 상세히 설명한다. 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광다이오드 소자의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광다이오드 소자는, 기판(210) 상에 버퍼층(도시하지 않음), n형 질화물 반도체층(220), 활성층(230) 및 p형 질화물 반도체층(240)이 순차 적층되어 있다.

상기 기판(210)은 바람직하게, 사파이어를 포함하는 투명한 재료를 이용하여 형성되며. 사파이어 이외에, 기판(110)은 징크 옥사이드(zinc oxide, ZnO), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC) 및 알루미늄 나이트라이드(AlN)로 형성될 수 있다.

상기 버퍼층은, 상기 n형 질화물 반도체층(220)을 성장하기 전에 상기 기판(110)과의 격자정합을 향상시키기 위한 층으로, 일반적으로 GaN 또는 Ga을 포함 한 질화물로 형성되어 있으며, 이는 소자의 특성 및 공정 조건에 따라 생략 가능하다.

상기 n형 및 p형 질화물 반도체층(220, 240)과 활성층(230)은, In_XAl_YGa_{1 -X- Y}N 조성식(여기서, 0≤X, 0≤Y, X+Y≤1)을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 n형 질화물 반도체층(220)은 n형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 이루어질 수 있으며, n형 도전형 불순물로는 예를 들어, Si, Ge, Sn 등을 사용하고, 바람직하게는 Si를 주로 사용한다. 또한, 상기 p형 질화물 반도체층(240)은 p형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 이루어질 수 있으며, p형 도전형 불순물로는 예를 들어, Mg, Zn, Be 등을 사용하고, 바람직하게는 Mg를 주로 사용한다.

그리고, 상기 활성층(230)은 InGaN/GaN층으로 구성된 다중우물 구조(Multi-Quantum Well)로 형성된다.

한편, 상기 활성층(230)은 하나의 양자우물층 또는 더블헤테로 구조로 형성될 수 있다. 또한, 상기 활성층(230)은 이를 구성하고 있는 인듐(In)의 양으로 다이오드가 녹색 발광소자인지 청색 발광소자인지를 결정한다. 보다 상세하게는 청색빛을 갖는 발광소자에 대해서는, 약 22% 범위의 인듐이 사용되며, 녹색빛을 갖는 발광소자에 대해서는, 약 40% 범위의 인듐이 사용된다. 즉, 상기 활성층(230)을 형성하는데 사용되는 인듐의 양은 필요로 하는 청색 또는 녹색 파장에 따라 변한다.

상기 활성층(230)과 p형 질화물 반도체층(240)의 일부는 메사 식각(mesa etching)으로 제거되어, 저면에 n형 질화물 반도체층(220)의 일부를 노출하고 있다. 이때, 상기 p형 질화물 반도체층(240)은 전극 형성 영역과 발광 영역으로 구분된다.

상기 메사 식각에 의해 노출된 n형 질화물 반도체층(220) 상의 소정 부분에는 반사 역할 및 전극 역할을 동시에 하는 n형 전극(250)이 형성되어 있다.

그리고, 상기 p형 질화물 반도체층(240)의 전극 형성 영역 상에는 p형 전극(260)이 형성되어 있으며, 발광 영역 상에는 탄소나노튜브(270)가 형성되어 있다. 이는 탄소 6개로 이루어진 육각형들이 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있는 신소재로 전기적 전도성 및 열전도도가 높은 특성이 있다. 이에 따라, 고출력을 요구하는 발광다이오드 소자에서 전극에 집중되는 전류를 상기 탄소나노튜브(270)을 통해 효율적으로 확산시켜 발광 영역 전체에 있어서 휘도를 균일하게 할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 탄소나노튜브(270) 상에는 나노 입자 크기의 형광체 분말로 이루어진 형광체층(280)이 형성되어 있다.

즉, 본 발명에 따른 발광다이오드 소자는 상기 활성층(230)으로부터 발생되는 광이 상기 탄소나노튜브(270)와 상기 형광체층(280)을 순차적으로 거쳐 외부로 방출되게 함으로써, 파장변환을 일으킬 수 있는 구조를 갖는다.

특히, 상기 탄소나노튜브(270)와 형광체층(280)은 상기 탄소나노튜브(270)의 일면과 상기 형광체층(280)의 형광체 분말 입자 표면에 존재하는 작용기(functional group)를 통해 상기 탄소나노튜브(270)와 상기 형광체층(280) 계면 에서 화학적으로 결합할 수 있다.

이에 따라, 본 발명은 질화물계 반도체로 이루어진 LED 칩 주변부에 형광체 분말이 함유된 몰딩재를 위치시키던 종래 기술에 따른 발광다이오드 소자(도 1 및 도 2 참조) 보다 발광 효율 및 지향각에 대한 색의 균일도를 증가시킬 수 있으며, 형광체층 또한 일반적인 증착 공정을 통해 용이하게 형성할 수 있기 때문에 소자의 제조 수율을 향상시킬 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 상기 형광체층(280)이 상기 탄소나노튜브(270) 상에 형성된 상태를 도 3을 참조하여 설명하였으나, 이는 이에 한정되지 않고, 상기 형광체층은 상기 탄소나노튜브(270) 내부에 형성될 수 있다.

또한, 상술한 본 발명의 제1 실시예는 도 4에 도시한 바와 같이 상기 p형 질화물 반도체층(240)과 상기 탄소나노튜브(270) 계면에 형성된 투명전도층(300)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광다이오드 소자의 변형예를 나타낸 단면도이다.

상기 투명전도층(300)은 ITO 등과 같은 투명 재질로 이루어질 수 있다.

실시예 2

도 5를 참고하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광다이오드 소자에 대하여 상세히 설명한다. 다만, 제2 실시예의 구성 중 제1 실시예와 동일한 부분에 대한 설명은 생략하고, 제2 실시예에서 달라지는 구성에 대해서만 상술하기로 한다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광다이오드 소자의 구조를 나타낸 단 면도이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 제2 실시예에 따른 발광다이오드 소자는 제1 실시예에 따른 발광다이오드 소자와 구성이 동일하고, 다만, 탄소나노튜브(270)와 형광체층(280)이 p형 질화물 반도체층(240)이 아닌 발광면을 갖는 기판(210)의 발광면 상에 형성되어 있다는 점에서만 제1 실시예와 다르다.

따라서, 제2 실시예 또한, 제1 실시예와 마찬가지로, 질화물계 반도체로 이루어진 발광다이오드 소자의 발광면 상에 작용기를 갖는 탄소나노튜브와 형광체층이 적층된 구조를 가지고 있기 때문에 제1 실시예에서와 동일한 작용 및 효과를 얻을 수 있다.

즉, 제2 실시예는 수평 구조를 가지는 발광다이오드 소자 중 p형 질화물 반도체층을 통해 광이 출사되는 탑-에미트형 LED(Top-Emitting Light Emitting Diodes)를 예시한 것이며, 실시예 2는 기판을 통해 광이 출사되는 플립칩용 LED(Flip-Chip Light Emitting Diodes)를 예시한 것이다.

따라서, 제2 실시예에 따른 상기 기판(210)은 사파이어와 같은 투명 기판으로 형성되는 것이 바람직하고, 상기 탄소나노튜브(270)는 도 6에 도시한 바와 같이 상기 기판(210)의 발광면에서 상기 기판(210)의 측면 및 상기 n형 질화물 반도체층(220)의 측면을 감싸도록 연장 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 제2 실시예는 도 7에 도시한 바와 같이 제1 실시예의 변형예(도 4 참조)와 마찬가지로 상기 p형 전극(260)이 위치하는 상기 p형 질화물 반도체층(240) 전면 또는 일부면 상에 형성된 투명전도층(300)을 더 포함할 수 있다.

여기서, 도 6 및 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광다이오드 소자의 변형예를 나타낸 단면도이다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 발광다이오드 소자를 개략적으로 나타낸 단면도.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광다이오드 소자를 개략적으로 나타낸 단면도.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광다이오드 소자의 변형예를 나타낸 단면도.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광다이오드 소자를 개략적으로 나타낸 단면도.

도 6 및 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광다이오드 소자의 변형예를 나타낸 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

210 : 기판 220 : n형 질화물 반도체층

230 : 활성층 240 : p형 질화물 반도체층

250 : n형 전극 260 : p형 전극

270 : 탄소나노튜브 280 : 형광체층

300 : 투명전도층

Claims (12)

1. 기판:

   상기 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층;

   상기 n형 질화물 반도체층의 일부분 상에 형성된 활성층;

   상기 활성층 상에 형성되되, 전극 형성 영역과 발광 영역으로 구분된 p형 질화물 반도체층;

   상기 p형 질화물 반도체층의 전극 형성 영역 상에 형성된 p형 전극;

   상기 p형 질화물 반도체층의 발광 영역 상에 형성된 탄소나노튜브;

   상기 탄소나노튜브 상에 형성된 형광체층; 및

   상기 활성층이 형성되지 않은 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 n형 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 p형 질화물 반도체층과 탄소나노튜브 계면에 형성된 투명전도층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자.
3. 기판:

   상기 기판 상에 형성된 n형 질화물 반도체층;

   상기 n형 질화물 반도체층의 일부분 상에 형성된 활성층;

   상기 활성층 상에 형성되되, 전극 형성 영역과 발광 영역으로 구분된 p형 질화물 반도체층;

   상기 p형 질화물 반도체층의 전극 형성 영역 상에 형성된 p형 전극;

   상기 p형 질화물 반도체층의 발광 영역 상에 형성된 탄소나노튜브;

   상기 탄소나노튜브 내부에 형성된 형광체층; 및

   상기 활성층이 형성되지 않은 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 n형 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자.
4. 제3항에 있어서,

   상기 p형 질화물 반도체층과 탄소나노튜브 계면에 형성된 투명전도층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자.
5. 발광면을 갖는 기판:

   상기 기판의 발광면 반대면 상에 형성된 n형 질화물 반도체층;

   상기 n형 질화물 반도체층의 일부분 상에 형성된 활성층;

   상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층;

   상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 p형 전극;

   상기 활성층이 형성되지 않은 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 n형 전극;

   상기 기판의 발광면 상에 형성된 탄소나노튜브; 및

   상기 탄소나노튜브 상에 형성된 형광체층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자.
6. 제5항에 있어서,

   상기 기판은 투명 기판인 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자.
7. 제5항에 있어서,

   상기 p형 전극이 위치하는 상기 p형 질화물 반도체층 전면 또는 일부면 상에 형성된 투명전도층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자.
8. 제5항에 있어서,

   상기 탄소나노튜브는 상기 기판의 발광면에서 상기 기판의 측면 및 상기 n형 질화물 반도체층의 측면을 감싸도록 연장 형성된 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자.
9. 발광면을 갖는 기판:

   상기 기판의 발광면 반대면 상에 형성된 n형 질화물 반도체층;

   상기 n형 질화물 반도체층의 일부분 상에 형성된 활성층;

   상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층;

   상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 p형 전극;

   상기 활성층이 형성되지 않은 n형 질화물 반도체층 상에 형성된 n형 전극;

   상기 기판의 발광면 상에 형성된 탄소나노튜브; 및

   상기 탄소나노튜브 내부에 형성된 형광체층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자.
10. 제9항에 있어서,

    상기 기판은 투명 기판인 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자.
11. 제9항에 있어서,

    상기 p형 전극이 위치하는 상기 p형 질화물 반도체층 전면 또는 일부면 상에 형성된 투명전도층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자.
12. 제9항에 있어서,

    상기 탄소나노튜브는 상기 기판의 발광면에서 상기 기판의 측면 및 상기 n형 질화물 반도체층의 측면을 감싸도록 연장 형성된 것을 특징으로 하는 발광다이오드 소자.

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