KR20100095211A

KR20100095211A - 발광소자 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20100095211A
Application number: KR1020090014380A
Authority: KR
Inventors: 최정현; 강정모; 김두현; 김재욱
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2009-02-20
Filing date: 2009-02-20
Publication date: 2010-08-30

Abstract

실시예는 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

실시예에 따른 발광소자는 육각기둥 형태의 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 활성층; 상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층; 및 상기 제2 도전형 반도체층 상에 도전성 제2 전극층;을 포함한다.

발광소자, 전반사

Description

발광소자 및 그 제조방법{LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}

실시예는 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

질화물 반도체는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭 에너지에 의해 광소자 및 고출력 전자소자 개발 분야에서 큰 관심을 받고 있다. 특히, GaN계 물질은 다양한 광소자 제조에 사용되는 가장 보편화된 소재이다. 그 중 LED의 비중은 휴대폰, 차량, 신호등의 다양한 어플리케이션을 제공하고, 현재 고출력, 고휘도의 LED 개발에 따라 일반 백색 전등이 차지하고 있는 조명 시장의 혁명을 가져오고 있는 상황이다. 최근 시장 상품화와 가장 근접하여 LCD 백라이트 유닛(Back Light Unit: BLU)의 램프 타입을 고출력 LED 어레이로 대체하여 고화질의 디스플레이 어플리케이션이 가능토록 진행 중이다.

이러한 고출력 LED 적용의 조건에는 고휘도, 저전력, 효율적인 열 방출과 같은 보편적인 요구가 만족되어야 하므로 여러 업체들간 기술적 기반를 축적하여 시장 선점에 박차를 가하고 있다.

고출력 LED 시장의 확대에 따라 최근 개발되고 있는 수직형(Vertical type) LED소자는 일반적인 수평형(Lateral) LED 칩과 달리 전극의 형태가 위쪽과 아래쪽에 형성되어 전류가 위에서 아래로 가는 형태이므로 전류 주입이 전 면적으로 고르게 분포하여 동작전압을 감소시킬 수 있고, 활성층(Active layer)영역에서의 전류의 균일도가 좋은 특성을 가진다.

다만, 종래기술에 의한 LED는 칩 내부에서의 전반사 되는 빛에 의해 내부 열이 증가하고, 광추출 효율이 떨어지는 문제가 있다.

실시예는 LED 칩 측면에서의 전반사 확률을 감소시킬수 있는 발광소자 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

또한, 실시예는 LED 칩 측면에서 전반사된 광에 의해 발생하는 내부 열 감소를 통해 신뢰성을 개선할 수 있는 발광소자 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

또한, 실시예는 6개의 측면으로의 외부 광 추출 증가시킬 수 있는 발광소자 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

또한, 실시예는 LED 칩과 패키징 충진용 겔(encapsulation gel)간의 굴절률 차이에도 불구하고 광추출 효율을 개선할 수 있는 발광소자 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

또한, 실시예에 따른 발광소자의 제조방법은 제1 기판 상에 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계; 상기 제2 도전형 반도체층에 제2 전극층을 형성시키는 단계; 및 상기 제1 도전형 반도체층, 상기 활성층, 상기 제2 도전형 반도체층 및 상기 제2 전극층을 육각기둥의 형태로 형성하는 단계;를 포함한다.

실시예에 따른 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, 수직형 LED 칩의 형태로 바꿈으로써 LED 칩 측면에서의 전반사 확률을 감소시킬수 있다.

또한, 실시예는 수직형 LED 칩을 육각기둥 형태로 바꿈으로써 LED 칩 측면 전반사에 의해 변환된 내부 열을 줄임으로써 발광소자의 열화문제를 개선할 수 있다.

또한, 실시예는 수직형 LED 칩을 육각기둥 형태로 바꿈으로써 외부 광 추출 증가시킬 수 있다.

또한, 실시예는 고출력 LED 제작 과정 중 렌즈와 칩 사이 주입하게 되는 충진용 겔(encapsulation gel)의 굴절률은 칩에 비해 상당히 작으므로 굴절률 차이가 발생함에도 불구하고, LED 칩을 육각기둥 형태로 바꿈으로써 광 추출효율이 떨어지는 문제를 개선할 수 있다.

본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.

도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.

(제1 실시예)

도 1은 종래기술에 따른 발광소자의 사시도 예시이다. 도 2는 종래기술에 따른 발광소자의 사시도의 다른 예시이다.

도 1은 종래기술에 따른 사각기둥 타입 LED 칩(10)의 사시도 예시로서 일반적으로 널리 사용되고 있는 형태인데 측면 부는 4개의 동일한 사각형으로 구성되어 있다. 따라서 내부 활성층(Active layer)의 EHP(Electronic Hole Pair) 재결합으로 인해 발생되는 빛이 각 측면을 통과할 확률은 중심 기준 면당 90°의 방사 각을 범위를 가지게 된다.

실제 각 면의 수직한 법선을 기준으로 그 각도가 좁을 수록 외부 광 추출은 높아지게 되는데 이는 가시광 영역에서 칩의 GaN 물질 자체의 굴절률이 상대적으로 외부의 공기(Air)나 충진용 겔(encapsulation gel) 등의 물질에 비해 크기 때문이다.

도 2는 제1 실시예에 따른 발광소자의 사시도의 예시이다.

도 2와 같이 실시예에 따른 발광소자는 발광소자간 소모 면적 없이 마스크 설계가 가능하고, 동일 6개의 측면을 만들 수 있으므로 최적이라고 할 수 있다. 각 6개 측면과 수직 법선 기준으로 60°의 방사 범위를 가지므로 4각 형태보다 전반사의 확률을 감소시킬 수 있다. 전반사의 확률 감소는 외부로의 광 출력을 증가시킬 수 있을 뿐 아니라, 전반사로 인한 내부 광의 열변환을 억제하게 되어 LED 칩 내부의 열로 인한 신뢰성 특성에도 이점을 가질 수 있다.

도 3은 제1 실시예에 따른 발광소자의 사시도이며, 도 4는 제1 실시예에 따른 발광소자의 평면도이고, 도 5는 제1 실시예에 따른 발광소자의 단면도이다.

도 3은 6개의 동일 측면을 가지는 육각형 LED 칩(100)에 대해 외부로의 광 추출을 개략적으로 나타낸 것이다. 내부 광은 굴절률이 약 2.5~2.7을 가지고 있는 LED GaN층으로부터 한 측면으로 입사하여 외부 물질인 충진용 겔(encapsulation gel)을 만나게 된다. LED 패키지에 많이 사용되는 충진용 겔(encapsulation gel)은 고출력 제품용으로 굴절율이 높고 열 팽창계수가 상대적으로 낮은 실리콘 겔 등과 같은 종류가 쓰이고 있으나, 그 굴절률 수치도 1.5~1.6사이에 있어 LED 칩 내부에서 비스듬히 입사되는 광들은 다시 내부로 전반사가 일어나게 되어 내부 열화를 촉진시킬 수 있다.

따라서 측면 부 계면의 굴절률 차이로 인한 전반사는 도 4와 같이 LED 칩을 육각 형태로 바꾸어 측면을 동일 6개의 사각 면(B)으로 수를 늘리고 그 면적은 줄이게 되어 비스듬히 입사되는 확률 감소와 그로 인한 외부 광 추출을 증가시킬 수 있다.

도 3은 실제 개선된 육각형태 수직형 LED 칩(100)을 보여주고 있다. 기존 널리 보편화된 수평형 LED와 비교하여 전류 주입(A)이 상, 하부 전극 형성으로 인해 칩 전체를 통해 고르게 분포하고 또한 광을 발생시키는 유효 활성층(active layer)(120)의 면적도 크게 되어 내부 발생 광이 칩 측면과 만나 외부로 추출될 빈도가 높아지게 되어 수직형 LED 구조에 보다 효과적이다.

실시예에 따른 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, 종래의 사각기둥 형태의 수직형 LED 칩을 육각기둥 형태로 바꿈으로써 LED 칩 측면에서의 전반사 확률을 감소시킬수 있고, LED 칩 측면 전반사에 의해 변환된 내부 열을 줄임으로써 발광소자의 열화문제를 개선할 수 있다.

또한, 실시예는 수직형 LED 칩을 육각기둥 형태로 바꿈으로써 6개의 측면으로의 외부 광 추출 증가시킬 수 있고, 또한 고출력 LED 제작 과정 중 렌즈와 LED 칩 사이 주입하게 되는 충진용 겔(encapsulation gel)의 굴절률은 칩에 비해 상당히 작으므로 굴절률 차이가 발생함에도 불구하고, LED 칩을 육각기둥 형태로 바꿈으로써 광 추출효율이 떨어지는 문제를 개선할 수 있다.

이하, 도 6 내지 도 8을 참조하여 제1 실시예에 따른 발광소자의 제조방법을 설명한다.

도 5와 같이 제1 실시예에 따른 발광소자는 제1 전극(160), 제1 전극(160) 상에 제1 도전형 반도체층(110), 상기 제1 도전형 반도체층(110) 상에 형성된 활성층(120), 상기 활성층(120) 상에 형성된 제2 도전형 반도체층(130) 및 상기 제2 도전형 반도체층(130) 상에 형성된 도전성 제2 전극(200)을 포함한다. 상기 제1 실시예에 따른 발광소자는 정육각 기둥형태를 가질 수 있다.

먼저, 도 6과 같이 제1 기판(100)을 준비한다. 상기 제1 기판(100)은 사파이어(Al₂O₃) 단결정 기판일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 기판(100)에 대해 습식세척을 실시하여 표면의 불순물을 제거할 수 있다.

이후, 상기 제1 기판(100) 상에 제1 도전형 반도체층(110)을 형성한다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 반도체층(110)은 화학증착방법(CVD) 혹은 분자선 에피택시 (MBE) 혹은 스퍼터링 혹은 수산화물 증기상 에피택시(HVPE) 등의 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 또한, 상기 제1 도전형 반도체층(110)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH₃), 질소 가스(N₂), 및 실리콘(Si)와 같은 n 형 불순물을 포함하는 실란 가스(SiH₄)가 주입되어 형성될 수 있다.

다음으로, 상기 제1 도전형 반도체층(110) 상에 활성층(120)을 형성한다. 상기 활성층(120)은 제1 도전형 반도체층(110)을 통해서 주입되는 전자와 제2 도전형 반도체층(130)을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 활성층 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다. 활성층(120)은 에너지 밴드가 서로 다른 질화물 반도체 박막층을 교대로 한 번 혹은 여러 번 적층하여 이루어지는 단일 또는 다중 양자우물구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 활성층(120)은 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH₃), 질소 가스(N₂), 및 트리메틸 인듐 가스(TMIn)가 주입되어 InGaN/GaN 구조를 갖는 다중 양자우물구조가 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

이후, 상기 활성층(120) 상에 제2 도전형 반도체층(130)을 형성한다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 반도체층(130)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH₃), 질소 가스(N₂), 및 마그네슘(Mg)과 같은 p 형 불순물을 포함하는 비세틸 사이클로 펜타디에닐 마그네슘(EtCp₂Mg){Mg(C₂H₅C₅H₄)₂}가 주입되어 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

다음으로 상기 제 2 도전형 반도체층(130) 상에 상기 제2 전극층(200)이 티탄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금(Au), 텅스텐(W), 또는 불순물이 주입된 반도체 기판 중 적어도 어느 하나로 형성될 수도 있고, 상기 제2 전극층(140)은 오믹층, 반사층, 접착층, 제2 기판 등을 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 제2 전측층(140)은 오믹층을 포함할 수 있으며, 정공주입을 효율적으로 할 수 있도록 단일 금속 혹은 금속합금, 금속산화물 등을 다중으로 적층하여 형성할 수 있다. 또한, 상기 제2 전극층(140)은 반사층이나 접착층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 전극층(140)이 반사층을 포함하는 경우 Al, Ag, 혹은 Al이나 Ag를 포함하는 합금을 포함하는 금속층으로 이루어질 수 있다. 알루미늄이나 은등은 활성층에서 발생된 빛을 효과적으로 반사하여 발광소자의 광추출 효율을 크게 개선할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 전극층(140)이 접착층을 포함하는 경우 상기 반사층이 접착층의 기능을 할거나, 니켈(Ni), 금(Au) 등을 이용하여 접착층을 형성할 수 있다.

제2 전극층(200)이 제2 기판을 포함하는 경우, 제2 기판은 효율적으로 정공을 주입할 수 있도록 전기 전도성이 우수한 금속, 금속합금, 혹은 전도성 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 기판은 구리(Cu), 구리합금(Cu Alloy) 또는 Si, Mo, SiGe 등일 수 있다. 상기 제2 기판을 형성시키는 방법은 전기화학적인 금속증착방법이나 공융금속을 이용한 본딩 방법 등을 사용할 수 있다.

다음으로, 도 7과 같이 상기 제1 도전형 반도체층(110)이 노출되도록 상기 제1 기판을 제거한다. 상기 제1 기판을 제거하는 방법은 고출력의 레이저를 이용하여 제1 기판을 분리하거나 화학적 식각 방법을 사용할 수 있다. 또한, 상기 제1 기판은 물리적으로 갈아냄으로써 제거할 수도 있다. 상기 제1 기판의 제거는 제1 도전형 반도체층(110)을 노출시킨다. 상기 노출된 제1 도전형 반도체층(110)은 제1 기판 제거시 발생되는 표면 결함층을 갖을 수 있다. 이러한 표면 결함층은 습식 혹은 건식 식각 방법으로 제거할 수 있다.

이때, 실시예는 상기 제1 도전형 반도체층(110), 상기 활성층(120), 상기 제2 도전형 반도체층(130), 제2 전극(200)을 육각기둥 형태로 식각할 수 있다. 이에 따라 발광소자의 형태가 전체적으로 육각기둥의 형태가 될 수 있다. 예를 들어, 습식 또는 건식 식각에 의해 발광소자를 육각기둥 형태로 식각할 수 있다.

다음으로, 도 8과 같이 상기 제1 도전형 반도체층(110)의 상에 제1 전 극(150)을 형성한다. 예를 들어, 제1 전극(150)은 노출된 제1 도전형 반도체층(110) 상에 Al, Ag, 혹은 Al이나 Ag를 포함하는 합금을 포함하는 반사금속층으로 이루어질 수 있다. 또는 상기 제1 전극(150)은 투명 전극층으로 형성될 수도 있다.

이후, LED 칩 상에 충진용 겔(encapsulation gel)(미도시)을 형성할 수 있다. 상기 충진용 겔은 실리콘 겔 일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

(제2 실시예)

도 9 내지 도 10은 제2 실시예에 따른 발광소자의 제조방법의 공정단면도이다.

제2 실시예에 따른 발광소자는 제1 기판(100a); 상기 제1 기판(100a) 상에 형성된 제1 도전형 반도체층(110), 상기 제1 도전형 반도체층(110) 상에 형성된 활성층(120) 및 상기 활성층(120) 상에 형성된 제2 도전형 반도체층(130)을 포함한다.

이하, 제2 실시예에 따른 발광소자의 제조방법을 설명하되 상기 제1 실시예와 다른 점을 주로 설명한다. 제2 실시예는 상기 제1 실시예의 기술적인 특징을 채용할 수 있다.

우선, 도 10과 같이 제1 기판(100a)이 준비된다. 상기 제1 기판(100a)은 전기전도도가 우수하고 가시광선 영역에서 투명한 특성을 가질 수 있다. 상기

제1 기판(100a)으로는 갈륨질화물(예, GaN), 갈륨산화물(예, Ga₂O₃), 산화아연(ZnO), 실리콘 카바이드(SiC) 혹은 금속산화물 등으로 이루어진 단결정 기판일 수 있다.

이때, 상기 제1 기판(100a)이 육각형의 수평단면적으로 가지도록 육각기둥 형태로 식각할 수 있다. 상기 제1 기판(100a)은 수평단면적이 육각형으로서 이후 형성되는 층들이 육각형의 수평단면적을 가짐으로써 제조되는 LED 칩이 육각기둥의 형상을 가질 수 있다. 상기 육각기둥 형상은 정육각기둥일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 다른 예로 아래에 기술하는 바와 같이 전체적인 칩 형성 공정 후 육각기둥 형태로 식각될 수도 있다.

다음으로, 제1 실시예와 같이 상기 제1 기판(100a) 상에 제1 도전형 반도체층(110), 활성층(120), 제2 도전형 반도체층(130)을 순차적으로 형성한다.

다음으로, 도 10과 같이 상기 제1 기판(100a)의 하측의 일부를 제거한다. 예를 들어, 상기 제1 기판(100a)의 하부층을 얇게 만드는 폴리싱(polishing) 처리를 실시한다. 폴리싱을 실시하여 얇아지는 제1 기판(100a)의 두께는 제조하고자 하는 소자의 응용 제품에 따라서 적절히 결정할 수 있다. 예를 들어, 약 400~500㎛로 형성된 제1 기판(100a)을 폴리싱하여 약 70~100㎛의 두께를 남길 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 제1 기판(100a) 위에 박막성장장비를 이용하여 고온에서 질화물 반도체 박막을 형성하게 되면 제1 기판(100a)의 하부면이 높은 박막성장 온도와 반응성 가스들에 의해서 표면 결정 품질이 저하된다. 따라서, 제1 기판(100a)의 하부층을 폴리싱하는 것이 소자의 전기적 특성을 개선할 수 있다.

이때, 다른 예로서 전체적인 칩 형성 공정 후인 제2 도전형 반도체층(130) 형성 후 또는 제1 기판(100a)의 일부 제거 후에 발광소자에 대해서 전체적으로 육각기둥 형태로 식각할 수도 있다.

다음으로, 상기 제1 기판(100a) 상에 반사층 또는 투명층으로 제1 전극(150)을 형성한다.

실시예에 따른 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, 종래의 사각기둥 형태의 수직형 LED 칩을 육각기둥 형태로 바꿈으로써 LED 칩 측면에서의 전반사 확률을 감소시킬수 있다. 또한, 실시예는 수직형 LED 칩을 육각기둥 형태로 바꿈으로써 LED 칩 측면 전반사에 의해 변환된 내부 열을 줄임으로써 발광소자의 열화문제를 개선할 수 있다.

또한, 실시예는 수직형 LED 칩을 육각기둥 형태로 바꿈으로써 6개의 측면으로의 외부 광 추출 증가시킬 수 있다. 또한, 실시예는 고출력 LED 제작 과정 중 렌즈와 칩 사이 주입하게 되는 충진용 겔(encapsulation gel)의 굴절률은 칩에 비해 상당히 작으므로 굴절률 차이가 발생함에도 불구하고, LED 칩을 육각기둥 형태로 바꿈으로써 광 추출효율이 떨어지는 문제를 개선할 수 있다.

이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되 는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 종래기술에 따른 발광소자의 사시도.

도 2는 제1 실시예에 따른 발광소자의 사시도의 예시도.

도 3은 제1 실시예에 따른 발광소자의 사시도.

도 4는 제1 실시예에 따른 발광소자의 평면도.

도 5는 제1 실시예에 따른 발광소자의 단면도.

도 6 내지 도 8은 제1 실시예에 따른 발광소자의 제조방법의 공정단면도.

도 9 내지 도 10은 제2 실시예에 따른 발광소자의 제조방법의 공정단면도.

Claims

육각기둥 형태의 제1 도전형 반도체층;

상기 제1 도전형 반도체층 상에 활성층;

상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층; 및

상기 제2 도전형 반도체층 상에 도전성 제2 전극층;을 포함하는 발광소자.
제1 항에 있어서,

상기 활성층, 상기 제2 도전형 반도체층 및 상기 제2 전극층은 육각기둥 형태를 가지는 발광소자.
제1 항에 있어서,

상기 발광소자는 정육각기둥 형상인 발광소자.
제1 기판 상에 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계;

상기 제2 도전형 반도체층에 제2 전극층을 형성시키는 단계; 및

상기 제1 도전형 반도체층, 상기 활성층, 상기 제2 도전형 반도체층 및 상기 제2 전극층을 육각기둥의 형태로 형성하는 단계;를 포함하는 발광소자의 제조방법.
제4 항에 있어서,

상기 제 2 전극층을 형성하는 단계 이후 상기 제 1기판을 제거하는 단계를 포함하는 발광소자의 제조방법.