KR20090038193A - 발광 장치 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광 장치 및 그 제조방법에 관한 것으로 특히, 각 발광 소자 셀이 수직형 발광 소자 구조를 가지며 교류 전원으로 구동이 가능한 발광 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 금속층과; 상기 금속층 상에 배열되며, 제1전도성 반도체층, 활성층, 및 제2전도성 반도체층을 포함하여 이루어지는 다수의 발광 소자 셀과; 상기 다수의 발광 소자 셀을 직렬로 연결하는 연결부와; 상기 금속층과 다수의 발광 소자 셀 사이에 위치하는 절연층과; 상기 발광 소자 셀의 제2전도성 반도체층 상에 위치하는 전극과; 상기 발광 소자 셀 중 적어도 하나의 제1전도성 반도체층과 상기 금속층을 연결하며, 제1노드를 구성하는 컨택부와; 상기 전극 중 적어도 하나에 위치하여 제2노드를 구성하는 패드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
발광 장치, 발광 소자, 절연층, 금속층, 연결부.

Description

발광 장치 및 그 제조방법{Light emitting apparatus and method of making the same}
본 발명은 발광 장치 및 그 제조방법에 관한 것으로 특히, 각 발광 소자 셀이 수직형 발광 소자 구조를 가지며 교류 전원으로 구동이 가능한 발광 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 잘 알려진 반도체 발광 소자로서, 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화 된 것을 시작으로 GaP:N 계열의 녹색 LED와 함께 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 화상용 광원으로 이용되어 왔다.
이러한 LED에 의해 방출되는 광의 파장은 LED를 제조하는데 사용되는 반도체 재료에 따른다. 이는 방출된 광의 파장이 가전자대(valence band) 전자들과 전도대(conduction band) 전자들 사이의 에너지 차를 나타내는 반도체 재료의 밴드갭(band-gap)에 따르기 때문이다.
질화 갈륨 화합물 반도체(Gallium Nitride: GaN)는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭(0.8 ~ 6.2eV)을 가지고 있어, LED를 포함한 고출력 전자부품 소자 개발 분야에서 많은 주목을 받아왔다.
이에 대한 이유 중 하나는 GaN이 타 원소들(인듐(In), 알루미늄(Al) 등)과 조합되어 녹색, 청색 및 백색광을 방출하는 반도체 층들을 제조할 수 있기 때문이다.
이와 같이 방출 파장을 조절할 수 있기 때문에 특정 장치 특성에 맞추어 재료의 특징들에 맞출 수 있다. 예를 들어, GaN를 이용하여 광기록에 유익한 청색 LED와 백열등을 대치할 수 있는 백색 LED를 만들 수 있다.
이러한 GaN 계열 물질의 이점들로 인해, GaN 계열의 LED 시장이 급속히 성장하고 있다. 따라서, 1994년에 상업적으로 도입한 이래로 GaN 계열의 광전자장치 기술도 급격히 발달하였다.
상술한 바와 같은 GaN 계열 물질을 이용한 LED의 휘도 또는 출력은 크게, 활성층의 구조, 빛을 외부로 추출할 수 있는 광추출 효율, LED 칩의 크기, 램프 패키지 조립 시 몰드(mold)의 종류 및 각도, 형광물질 등에 의해서 좌우된다.
이와 같은 방법에 의하여 제작한 발광 소자는 직류 전원에 의하여 구동하게 되는데, 한 개의 발광 소자를 구동하는데 필요한 동작전압은 수 V정도의 전압이 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 일반적인 발광 소자의 구동 전압보다 더 높은 피크 전압을 갖는 교류 전원에서도 구동이 가능하고, 특히, 각 발광 소자 셀을 수직형 구조로 구성하여 발광 효율을 향상시킬 수 있는 발광 장치 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 금속층과; 상기 금속층 상에 배열되며, 제1전도성 반도체층, 활성층, 및 제2전도성 반도체층을 포함하여 이루어지는 다수의 발광 소자 셀과; 상기 다수의 발광 소자 셀을 직렬로 연결하는 연결부와; 상기 금속층과 다수의 발광 소자 셀 사이에 위치하는 절연층과; 상기 발광 소자 셀의 제2전도성 반도체층 상에 위치하는 전극과; 상기 발광 소자 셀 중 적어도 하나의 제1전도성 반도체층과 상기 금속층을 연결하며, 제1노드를 구성하는 컨택부와; 상기 전극 중 적어도 하나에 위치하여 제2노드를 구성하는 패드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제2관점으로서, 본 발명은, 절연성 기판 상에 제1전도성 반도체층, 활성층, 및 제2전도성 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계와; 상기 단위 발광 소자 셀의 구분영역을 식각하여 다수의 발광 소자 셀을 정의하는 단계와; 상기 발광 소자 셀의 제1전도성 반도체층과 이웃하는 발광 소자 셀의 제2전도성 반도체층을 전기적으로 서로 연결하는 연결부를 형성하는 단계와; 상기 다수의 발광 소자 셀 상에 절연층을 형성하는 단계와; 상기 절연층 상에 적어도 하나의 상기 발광 소자 셀과 전기적으로 연결되는 금속층을 형성하는 단계와; 상기 절연성 기판을 제거하는 단계와; 상기 기판이 제거되어 드러나는 각 발광 소자 셀의 제1전도성 반도체층에 전극을 형성하는 단계와; 상기 적어도 하나의 전극에 패드를 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 교류를 직류로 바꾸어 주는 컨버터 없이 구동이 가능하고, 발광 소자 반도체 박막을 형성하는 단계에서 각 발광 소자 셀을 전기적으로 분리되도록 하고, 소자 특성이 우수한 수직형 발광 소자 구조를 적용함으로써 양산성과 발광 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
동일한 참조번호는 도면의 설명을 통하여 동일한 요소를 나타낸다. 도면들에서 층들 및 영역들의 치수는 명료성을 위해 과장되어있다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으 로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 표면과 같은 구성 요소의 일부가 '내부(inner)'라고 표현된다면 이것은 그 요소의 다른 부분들 보다도 소자의 외측으로부터 더 멀리 있다는 것을 의미한다고 이해할 수 있을 것이다.
나아가 '아래(beneath)' 또는 '중첩(overlies)'과 같은 상대적인 용어는 여기에서는 도면에서 도시된 바와 같이 기판 또는 기준층과 관련하여 한 층 또는 영역과 다른 층 또는 영역에 대한 한 층 또는 영역의 관계를 설명하기 위해 사용될 수 있다.
이러한 용어들은 도면들에서 묘사된 방향에 더하여 소자의 다른 방향들을 포함하려는 의도라는 것을 이해할 수 있을 것이다. 마지막으로 '직접(directly)'라는 용어는 중간에 개입되는 어떠한 요소가 없다는 것을 의미한다. 여기에서 사용되는 바와 같이 '및/또는'이라는 용어는 기록된 관련 항목 중의 하나 또는 그 이상의 어느 조합 및 모든 조합을 포함한다.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.
이러한 용어들은 단지 다른 영역, 층 또는 지역으로부터 어느 하나의 요소, 성분, 영역, 층 또는 지역들을 구분하기 위해 사용되는 것이다. 따라서 아래에서 논의된 제1 영역, 층 또는 지역은 제2 영역, 층 또는 지역이라는 명칭으로 될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 예를 들어, 사파이어(Al2O3)계 기판과 같은 비도전성 기판상에 형성된 질화갈륨(GaN)계 발광 소자를 참조하여 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 이러한 구조에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예들은 도전성 기판을 포함하여 다른 기판을 사용할 수 있다. 따라서 GaP 기판상의 AlGaInP 다이오드, SiC 기판상의 GaN 다이오드, SiC 기판상의 SiC 다이오드, 사파이어 기판상의 SiC 다이오드, 및/또는 GaN, SiC, AlN, ZnO 및/또는 다른 기판상의 질화물계 다이오드 등의 조합이 포함될 수 있다. 더구나 본 발명은 활성영역은 다이오드 영역의 사용에 한정되는 것은 아니다. 또한 활성영역의 다른 형태들이 본 발명의 일부 실시예들에 따라서 사용될 수도 있다.
본 발명은 발광 소자 칩을 전기적인 절연이 이루어지도록 복수 개의 셀로 나누어 구성하는 발광 장치와, 이를 이용하여 교류 전원에 의하여 구동 가능한 발광 소자 칩에 관한 것이다.
통상, 발광 소자를 이용하여 일반 조명이나 신호등 또는 비 발광 소자의 백라이트로 사용되는 경우, 컨버터를 이용하여 외부 회로로부터 공급되는 교류 전압을 직류로 바꾸어 발광 소자를 구동하게 되므로 단가가 올라가게 되고, 조명용으로 사용하는 경우에는 기존의 필라멘트 전구형 등과는 호환이 이루어지지 않으므로 필라멘트 전구를 발광 다이오드로 대체하는 경우 점등 장치 전체를 교환하게 되는 문제점을 안고 있다.
도 1에서 도시하는 바와 같이, 가정용 교류 전원에서 구동이 가능한 발광 소자를 제작하려면 교류 구동 발광 장치(100)를 전기적으로 절연된 발광 소자 셀(101)로 나누고, 이 발광 소자 셀(101)들을 직렬로 연결하여 두 개의 어레이 블록(110, 120)으로 만들며, 이 어레이 블록(110, 120)은 병렬로 구성하여 교류 전원(130)의 양극(+)과 음극(-)에서 각각 구동될 수 있도록 반대 극성으로 배치한다.
이러한 교류 전원(130)에 의하여 구동되는 발광 장치(100)는 다수의 개별 발광 소자 셀(101)로 이루어지는데, 특히, 발광 소자 셀(101)을 이루는 GaN 반도체 박막의 성장 단계에서 개별 발광 소자 셀(101)들을 전기적으로 분리시키게 된다.
또한, 이러한 발광 장치(100)와 교류 전원(130)에는 전류 제한 수동 소자로 캐패시터(140) 외에 저항(미도시) 또는 인덕터(미도시)와 같은 소자가 구비될 수 있다.
이러한 발광 장치(100)는 다음과 같은 단계 및 구조로 제작될 수 있다.
즉, 도 2에서 도시하는 바와 같이, 절연성 기판(200) 상에 n-형 반도체층(310), 발광층(320), 및 p-형 반도체층(330)을 순차적으로 형성한 후, 각 발광 소자 셀(300)의 구분영역(301)을 식각하여 발광 소자 셀(300)을 정의한다. 이때, p-형 반도체층(330) 상에는 TCO(transparent conducting oxide)층(331)이 더 형성될 수도 있다. 한편, 반도체층(310, 320, 330)의 적층 순서는 달라질 수 있다.
이러한 TCO층(331)이 없이도 본 발명의 작용을 이룰 수 있으나, 이하에는 TCO층(331)을 포함하는 실시예를 설명한다.
이와 같이 발광 소자 셀(300)을 정의하기 위한 식각을 수행할 때, 1차적으로 발광 소자 셀(300)의 구분영역을 식각한 후, 2차적으로 정의된 각 발광 소자 셀(300)의 n-형 반도체층(310)이 드러나도록 식각할 수 있다.
도 3에서와 같이, 이와 같이 정의된 발광 소자 셀(300)에는 제1절연층(340)을 형성할 수 있다. 이러한 제1절연층(340)은 패시베이션층으로 작용할 수 있으며, 상술한 식각 과정에서 드러난 n-형 반도체층(310)을 덮는 부분과 p-형 반도체층(330)을 덮는 부분의 일부에는 관통홀(341)이 형성되도록 할 수 있다.
이후, 이러한 관통홀(341)을 통하여, 각 발광 소자 셀(300)을 직렬로 연결하는 연결부(400)를 형성한다. 이러한 연결부(400)는 금속을 이용하여 형성하며, 하나의 발광 소자 셀(300)의 p-형 반도체층(330)과 그 이웃하는 발광 소자 셀(300)의 n-형 반도체층(310)을 서로 연결하여 직렬로 연결되도록 할 수 있다.
도 4에서는 이와 같이 형성된 상태의 발광 장치(100)의 평면을 도시하고 있다. 도시하는 바와 같이, 이웃하는 발광 소자 셀(300)이 도 1에 나타난 발광 장치(100)의 회로와 같은 배열로 배치될 수 있다.
다음에는, 도 5에서와 같이, 이와 같이 제1절연층(340)과 연결부(400) 상에 제2절연층(350)이 형성되며, 이러한 제2절연층(350)은 각 발광 소자 셀(300) 상의 구조를 평탄화할 수 있다.
이와 같이 형성된 제2절연층(350) 상에는, 도 6에서 도시하는 바와 같이, 금속층(500)이 형성된다. 이때, 이 금속층(500)은 발광 소자 셀(300) 중 어느 하나에 컨택부(510)를 통하여 전기적으로 연결되어 교류 전원에 의하여 구동될 수 있도록 하는 제1노드를 이루도록 한다.
이때, 이러한 금속층(500)은 제2절연층(350) 상에 도금에 의하여 형성될 수 있다. 이와 같이 도금에 의하여 형성되는 경우에는 금속층(500)이 시드층 또는 결합금속층(도시되지 않음) 상에 형성될 수 있다.
한편, 금속층(500)은 제2절연층(350) 상에 본딩에 의하여 형성될 수도 있고, 이때, 금속층(500)과 제2절연층(350) 사이에 별도의 결합금속층(도시되지 않음)이 위치할 수 있다.
이러한 컨택부(510)를 통한 금속층(500)과 발광 소자 셀(300)의 연결은, 제2절연층(350)에 형성되는 컨택홀(511)을 통하여 금속층(500)과 발광 소자 셀(300)의 p-형 반도체층(330)이 연결되어 이루어진다. 이때, 이러한 컨택부(510)는 하나 이상 구성될 수 있다. 즉, 제1노드가 여러 개 구성될 수도 있다.
이후, 도 7에서와 같이, 절연성 기판(200)은 레이저를 조사하거나 화학적 방법을 통하여 제거되고, 발광 소자 셀(300)과 절연성 기판(200) 사이에 버퍼층(도시되지 않음)이 위치할 경우, 즉, n-형 반도체층(310)이 버퍼층 상에 형성된 경우에는 이 버퍼층도 제거되고 표면 처리를 수행한다.
이와 같이 기판(200)이 제거되어 드러난 각 발광 소자 셀(300)의 n-형 반도체층(310)에는, 도 8에서와 같이, 전극(520)을 형성한다. 이러한 전극(520)은 투명 물질을 이용하여 형성할 수 있고, 또한 금속을 얇게 형성하여 투명도를 유지할 수 있도록 할 수도 있다.
이후, 전극(520) 중 어느 하나에 교류 전원에 전기적으로 연결되어 구동될 수 있도록 하는 제2노드를 이루는 패드(530)를 형성한다. 이와 같이 제2노드를 이 루는 패드(530)는 상술한 컨택부(510)가 형성되는 발광 소자 셀(300)과는 다른 발광 소자 셀(300)에 형성되도록 한다.
바람직하게는, 상술한 컨택부(510)와 패드(530)는 도 1을 참고하여 설명한 두 개의 어레이 블록(110, 120)이 병렬로 구성되어 교류 전원(130)의 양극(+)과 음극(-)에서 각각 구동될 수 있도록 반대 극성으로 배치한다.
이때, 상술한 바와 같이, 제1노드와 같이, 제2노드는 하나 이상 구성될 수 있고, 제1노드와 제2노드는 동일한 개수로 구성된다.
도 9에서는 이와 같이 과정에 의하여 형성된 발광 장치(100)를 나타내고 있다. 도시하는 바와 같이, 이웃하는 발광 소자 셀(300)이 도 1에 나타난 발광 장치(100)의 회로와 같은 배열로 배열된 상태를 나타내고 있다.
도 9에서는 도 4에서와 같이 36개의 발광 소자 셀(300)을 구성한 것으로, 이러한 발광 소자 셀(300)의 개수는 발광 장치(100)에 흐르는 전류를 제한하기 위하여 사용되는 캐패시터 또는 저항과 구동 전압 및 발광 소자 셀(300)의 전기/광학적 특성에 따라 정하여지며, 캐패시터의 충전과 방전을 고려하여 짝수 개의 발광 소자 셀(300)로 구성하는 것이 바람직하다.
도 9에서 컨택부(510)가 연결되는 금속층(500)과 패드(530)는 외부 교류회로와 전기적으로 연결되어, 발광 장치(100)가 교류 회로에 의하여 구동될 수 있도록 한다.
이와 같은 제1노드와 제2노드를 이루는 패드(530)와 컨택부(510)의 위치는 입력과 출력 패드가 서로 점 대칭이 되어서 입력 단자(또는 출력 단자)로부터 출력 단자(또는 입력 단자)까지 양 방향으로의 발광 소자 셀(300)의 개수가 동일하게 선택될 수 있다.
이러한 복수 개의 발광 소자 셀(300) 중 반 수는 직렬로 연결하여 정현파 교류 전원의 반 사이클에서 구동이 가능하도록 배치하고, 나머지 반 수의 발광 소자 셀(300)은 직렬로 연결하되, 위의 발광 소자 셀(300)과는 병렬로 연결되도록 하고 극성이 반대로 연결되도록 하여 교류 전원의 나머지 반 사이클에서 구동되도록 구성하여 외부 회로에 부착되는 캐패시터의 충전과 방전시 전류가 교번할 수 있도록 발광 소자 셀(300)을 배치하여 발광 장치(100)를 제작할 수 있다.
상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 변형이 가능하고, 이러한 기술적 사상의 여러 실시 형태는 모두 본 발명의 보호범위에 속함은 당연하다.
도 1은 본 발명의 발광 장치의 회로도이다.
도 2는 발광 소자 셀을 형성한 상태를 나타내는 단면도이다.
도 3은 제1절연층 및 연결부를 형성한 상태를 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 3의 평면도이다.
도 5는 제2절연층을 형성한 상태를 나타내는 단면도이다.
도 6은 금속층을 형성한 상태를 나타내는 단면도이다.
도 7은 기판을 제거한 상태를 나타내는 단면도이다.
도 8은 전극 및 패드를 형성한 상태를 나타내는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 발광 장치를 나타내는 평면도이다.

Claims (12)

  1. 금속층과;
    상기 금속층 상에 배열되며, 제1전도성 반도체층, 활성층, 및 제2전도성 반도체층을 포함하여 이루어지는 다수의 발광 소자 셀과;
    상기 다수의 발광 소자 셀을 직렬로 연결하는 연결부와;
    상기 금속층과 다수의 발광 소자 셀 사이에 위치하는 절연층과;
    상기 발광 소자 셀의 제2전도성 반도체층 상에 위치하는 전극과;
    상기 발광 소자 셀 중 적어도 하나의 제1전도성 반도체층과 상기 금속층을 연결하며, 제1노드를 구성하는 컨택부와;
    상기 전극 중 적어도 하나에 위치하여 제2노드를 구성하는 패드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 컨택부는, 상기 절연층 상에 형성된 컨택홀을 통하여 형성된 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제1노드 및 제2노드는, 제1방향으로 연결되는 발광 소자 셀과 제2방향으로 연결되는 발광 소자 셀의 수가 같도록 위치하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 절연층은,
    상기 각 발광 소자 셀을 전기적으로 절연하는 제1절연층과;
    상기 연결부와 상기 금속층 사이를 절연하는 제2절연층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 각 발광 소자 셀과 연결부는, 상기 제1절연층에 형성된 관통홀을 통하여 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 전극은, 투명 전극인 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 발광 소자 셀의 제1전도성 반도체층 상에는 TCO층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 제1노드와 상기 제2노드에는 교류 전원 및/또는 전류 제한 소자가 연결되는 것을 특징으로 하는 발광 장치.
  9. 절연성 기판 상에 제1전도성 반도체층, 활성층, 및 제2전도성 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계와;
    상기 단위 발광 소자 셀의 구분영역을 식각하여 다수의 발광 소자 셀을 정의하는 단계와;
    상기 발광 소자 셀의 제1전도성 반도체층과 이웃하는 발광 소자 셀의 제2전도성 반도체층을 전기적으로 서로 연결하는 연결부를 형성하는 단계와;
    상기 다수의 발광 소자 셀 상에 절연층을 형성하는 단계와;
    상기 절연층 상에 적어도 하나의 상기 발광 소자 셀과 전기적으로 연결되는 금속층을 형성하는 단계와;
    상기 절연성 기판을 제거하는 단계와;
    상기 기판이 제거되어 드러나는 각 발광 소자 셀의 제1전도성 반도체층에 전극을 형성하는 단계와;
    상기 적어도 하나의 전극에 패드를 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 발광 장치의 제조방법.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 절연층을 형성하는 단계는,
    상기 각 발광 소자 셀을 절연하는 제1절연층을 형성하는 단계와;
    상기 제1절연층 및 상기 연결부 상에 위치하는 제2절연층을 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 발광 장치의 제조방법.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 제2절연층은, 상면을 평탄하게 형성하는 것을 특징으로 하는 발광 장치의 제조방법.
  12. 제 10항에 있어서, 상기 금속층을 형성하는 단계는, 도금에 의하여 형성하는 것을 특징으로 하는 발광 장치의 제조방법.
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