KR20100095834A

KR20100095834A - 발광다이오드

Info

Publication number: KR20100095834A
Application number: KR1020090014841A
Authority: KR
Inventors: 신흥수; 강필근; 송근만; 김창주
Original assignee: (재)나노소자특화팹센터
Priority date: 2009-02-23
Filing date: 2009-02-23
Publication date: 2010-09-01

Abstract

본 발명은 열방출 효율이 우수한 고휘도 발광다이오드에 관한 것이다. 본 발명에 따른 발광 다이오드는 후면에 하나 이상의 기판-홀(hole)이 형성되어 있는 기판과 기판-홀의 내부에 형성되며 전도성 물질로 이루어진 열방출막을 구비한다. 그리고 기판 상에 n형 클래드층, 활성층 및 p형 클래드층이 순차적으로 적층된다.

Description

발광다이오드{Light emitting diode}

본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열방출을 용이하게 할 수 있는 발광 다이오드에 관한 것이다.

발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전류를 광으로 변환시키는 반도체 소자로서, 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화된 것을 시작으로 GaP:N 계열의 녹색 LED와 함께 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 화상용 광원으로 이용되어 왔다. LED에 의해 방출되는 광의 파장은 LED를 제조하는데 사용되는 반도체 재료에 의해 결정된다. 이는 방출되는 광의 파장이 반도체 재료의 가전자대(valence band)와 전도대(conduction band)의 에너지 차이인 밴드갭(band-gap)에 따르기 때문이다.

최근, LED에 사용되는 반도체 재료로 질화갈륨 화합물 반도체(Gallium Nitride: GaN)가 많은 주목을 받고 있다. 이는 GaN이 다른 원소들(인듐(In), 알루미늄(Al) 등)과 조합되어 녹색, 청색 및 백색광을 방출하는 반도체 층들을 제조하기에 용이하기 때문이다. 따라서 질화갈륨 화합물 반도체를 이용하면, 특정 장치 특성에 적합하도록 LED를 제조할 수 있게 된다. 예를 들어, GaN을 이용하면, 광기 록장치에 이용하기에 적합한 청색 LED나 백열등을 대체할 수 있는 백색 LED를 용이하게 제조할 수 있다. 또한, 종래의 녹색 LED는 GaP로 구현하였는데, GaP는 간접 천이형 재료로서 효율이 떨어져서 실용적인 순녹색 발광을 얻을 수 없었으나, InGaN을 이용하게 되면 고휘도 녹색 LED를 구현하는 것이 가능하게 된다. 이러한 장점들로 인해, GaN 계열의 LED 시장이 급속히 성장하고 있다. 그리고 GaN 발광 다이오드의 효율은 백열등의 효율을 능가하였고, 현재는 형광등의 효율에 필적하기 때문에, GaN 계열의 LED 시장은 계속해서 급속한 성장을 계속할 것으로 예상된다.

GaN 계열의 반도체 소자들은 일반적으로 사파이어(Al₂O₃) 기판상에 제조된다. 이는 사파이어 기판이 GaN 계열의 반도체 소자들을 대량 생산하는데 적합한 크기를 가지고, 비교적 고품질의 GaN 박막 성장을 지지하며, 광범위한 온도처리 능력 때문이다. 또한, 사파이어는 화학적으로 그리고 열적으로 안정적이며, 고온 제조공정을 가능하게 하는 고융점을 가지고, 높은 결합 에너지(122.4 kcal/mole)와 높은 유전상수를 갖는 장점이 있다.

한편, LED의 광출력은 대체로 입력전력(input power)에 비례하므로, LED에 입력되는 전력을 증가시키게 되면, 높은 광출력을 얻을 수 있다. 그러나 입력되는 전력의 증가는 LED의 접합 온도(junction temperature)를 증가시킨다. LED의 접합 온도 증가는, 입력 에너지가 가시광으로 변환되는 정도를 나타내는, 발광 효율(photometric efficiency)의 감소를 야기하게 된다. 그런데 사파이어 기판은 절연체로, 열저항(열전도도가 약 27 W/mK)이 매우 크기 때문에 사파이어 기판을 통해 열이 방출되는 효율이 그다지 높지 않다는 문제점이 있다. 따라서 LED는 고전류 주입에 따른 열방출 문제를 개선하는 것이 요구되고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 간단한 공정을 통해 구현 가능하며 열방출 효율이 우수한 발광 다이오드를 제공하는 데에 있다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 발광 다이오드는 후면에 하나 이상의 기판-홀(hole)이 형성되어 있는 기판; 상기 기판-홀의 내부에 형성되며, 전도성 물질로 이루어진 열방출막; 상기 기판 상에 형성된 n형 클래드층; 상기 n형 클래드층 상에 형성된 활성층; 및 상기 활성층 상에 형성된 p형 클래드층;을 구비한다.

본 발명에 따르면, 기판의 후면에 기판-홀을 형성하고 기판-홀 내부를 전도성 물질로 이루어진 열방출막으로 갭-필하므로, 열방출 효율이 개선된다. 그리고 기존의 수평형 구조의 LED 제조 공정을 그대로 이용할 수 있고 간단한 공정만을 통해 열방출 효율이 개선된 LED의 제조가 가능하므로, 생산 비용이 크게 절감된다. 그리고 열방출막을 리플렉터(reflector) 금속으로 형성하게 되면, 반사율 증가로 인한 휘도 향상을 기대할 수 있게 된다.

이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 발광 다이오드의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예 에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 발광 다이오드에 대한 바람직한 일 실시예의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 발광 다이오드(100)는 기판(110), 버퍼층(120), n형 클래드층(130), 활성층(140), p형 클래드층(150), p-금속층(160), n-금속층(165), 제1결합 금속층(170), 제2결합 금속층(175) 및 열방출막(180)을 구비한다.

기판(110)은 사파이어(Al₂O₃) 또는 GaN으로 이루어질 수 있다. 그리고 기판(110)의 후면에는 기판-홀(hole)(115)이 하나 이상 형성된다. 기판-홀(115)은 기판(110)을 관통하는 관통홀일 수 있다. 기판-홀(115)이 기판(110)을 관통하는 관통홀 형태로 형성된다면, 열방출 효율이 더욱 개선된다. 기판-홀(115)은 deep RIE(Reactive Ion Etching) 등을 이용하여 손쉽게 형성할 수 있다. 기판-홀(115)의 개수는 제한이 없으며, 기판-홀(115)의 크기는 수십 nm 내지 수백 mm 정도일 수 있다. 그리고 기판-홀(115)은 원통형, 삼각뿔형, 사면체, 육면체, 팔면체 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다.

열방출막(180)은 기판-홀(115)의 내부에 형성되며, 바람직하게는 기판-홀(115) 내부가 갭-필되도록 형성된다. 열방출막(180)은 전도성 물질로 이루어지 며, 바람직하게는 리플렉터(reflector) 금속으로 이루어질 수 있다. 이를 위해, 열방출막(180)은 Ag, Al, Pt, Pd, Rh 및 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 이와 같이, 기판-홀(115)의 내부를 리플렉터 금속으로 갭-필하게 되면, 열방출 효율이 개선되어 발광 다이오드의 신뢰성이 개선될 뿐만 아니라, 반사율 증가로 휘도가 향상되어 고휘도 발광 다이오드의 구현이 가능하게 된다.

버퍼층(120)은 기판(110) 상에 형성되며, 일반적으로 기판(110)이 사파이어로 이루어진 경우에 형성된다. 버퍼층(120)은 n형 클래드층(130)과 기판(110)의 격자 상수(lattice parameter) 차이로부터 발생하는 격자 부정합(lattice mismatch)을 완화시키고 결정성이 우수한 n형 클래드층(130)이 성장될 수 있도록 하는 역할을 한다. 이를 위해, 버퍼층(120)은 GaN, AlN 또는 InGaN으로 이루어질 수 있으며, 수십 ~ 수백 Å 정도의 두께로 500 ~ 600 ℃ 정도의 저온에서 형성시킬 수 있다.

n형 클래드층(130)은 버퍼층(120) 상에 형성되며, In_xAl_yGa₁ _-x- _yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1) 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루질 수 있다. 일반적으로 n형 클래드층(130)은 수 μm 정도의 n형 도펀트가 도핑된 GaN 또는 GaN/AlGaN으로 이루어진다. 이때 n형 도펀트는 주로 4족 원소가 사용되며, 실리콘(Si)이 사용될 수 있다. n형 클래드층(130)은 p형 클래드층(150)과 접촉하여 p-n 결합(junction)을 형성하며, 전자를 활성층(140)에 공급하는 역할을 한다. 그리고 n형 클래드층(130)은 n-금속층(165)과 오믹(ohmic) 접합하여 외부 단자와 연결된다.

활성층(140)은 n형 클래드층(130) 상에 형성되며, 광이 생성 및 방출되는 층 이다. n형 클래드층(130)으로부터 주입된 전자와 p형 클래드층(150)으로부터 주입된 정공이 결합되어 전기적 에너지가 빛 에너지로 전환되어 방출된다. 활성층(140)은 양자 우물층과 배리어층이 교번적으로 적층된 양자우물(quantum well) 구조를 형성할 수 있다. 양자 우물층에 전하들이 모이는 감금(confinement) 효율을 증대시키기 위하여, 활성층(140)은 복수의 배리어층과 복수의 양자 우물층이 교번적으로 적층되어 있는 다중양자우물(Multi Quantum Well, MQW) 구조를 가질 수 있다. 이때 양자 우물층은 InGaN과 같이 상대적으로 에너지 밴드갭이 작은 물질로 이루어지며, 배리어층은 GaN과 같이 상대적으로 에너지 밴드갭이 큰 물질로 이루어질 수 있다. 활성층(140)으로부터 방출되는 광의 파장은 In의 조성에 따라 결정된다.

p형 클래드층(150)은 활성층(140) 상에 형성되며, In_xAl_yGa₁ _-x- _yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1) 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루질 수 있다. 일반적으로 p형 클래드층(150)은 수천 Å 정도의 p형 도펀트가 도핑된 GaN 또는 GaN/AlGaN으로 이루어진다. 이때 p형 도펀트는 주로 2족 원소가 사용되며, 마그네슘(Mg)이 사용될 수 있다. p형 클래드층(150)은 n형 클래드층(130)과 접촉하여 p-n 결합을 형성하며, 정공을 활성층(140)에 공급한다. 그리고 p형 클래드층(150)은 p-금속층(160)과 오믹 접합하여 외부단자와 연결된다.

p-금속층(160)은 p형 클래드층(150) 상에 형성되며, p형 클래드층(150)과 오믹 접합을 형성한다. 그리고 p-금속층(160)은 전류 스프레딩(current spreading) 역할을 한다. 고휘도 LED의 경우 p-금속층(160)은 ITO(indium tin oxide)로 이루어 질 수 있다.

n-금속층(165)은 n형 클래드층(130) 상에 형성되며, n형 클래드층(130)과 오믹 접합을 형성한다. 그리고 n-금속층(165)은 리플렉터(reflector) 역할을 한다. 고휘도 LED의 경우 n-금속층(165)은 Ag, Al, Pt, Pd, Rh와 같은 리플렉터 금속으로 이루어질 수 있다.

제1결합 금속층(170)은 p-금속층(160) 상에 형성되며, 외부로부터 전류를 공급하는 역할을 한다. 후속공정인 와이어 결합(wire bonding) 등을 하기 위하여 제1결합 금속층(170)은 Au로 이루어질 수 있다.

제2결합 금속층(175)은 n-금속층(165) 상에 형성되며, 외부로부터 전류를 공급하는 역할을 한다. 제2결합 금속층(175)은 제1결합 금속층(170)과 마찬가지로, 후속공정인 와이어 결합 등을 하기 위하여, Au로 이루어질 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 발광 다이오드에 대한 바람직한 다른 실시예의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 발광 다이오드(200)는 기판(210), 버퍼층(220), n형 클래드층(230), 활성층(240), p형 클래드층(250), p-금속층(260), n-금속층(265), 제1결합 금속층(270), 제2결합 금속층(275) 및 열방출막(280)을 구비한다.

기판(210)은 사파이어(Al₂O₃) 또는 GaN으로 이루어질 수 있다. 그리고 기판(210)의 후면에는 기판-홀(215)이 하나 이상 형성된다. 이때 기판-홀(215)은 기 판(210)이 관통되도록 형성된다. 기판-홀(215)의 개수는 제한이 없으며, 기판-홀(215)의 크기는 수십 nm 내지 수백 mm 정도일 수 있다. 그리고 기판-홀(215)은 원통형, 삼각뿔형, 사면체, 육면체, 팔면체 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다.

버퍼층(220)은 기판(210) 상에 형성되며, 일반적으로 기판(210)이 사파이어로 이루어진 경우에 형성된다. 버퍼층(220)은 n형 클래드층(230)과 기판(210)의 격자 상수 차이로부터 발생하는 격자 부정합을 완화시키고 결정성이 우수한 n형 클래드층(230)이 성장될 수 있도록 하는 역할을 한다. 이를 위해, 버퍼층(220)은 GaN, AlN 또는 InGaN으로 이루어질 수 있으며, 수십 ~ 수백 Å 정도의 두께로 500 ~ 600 ℃ 정도의 저온에서 형성시킬 수 있다. 그리고 버퍼층(220)에는 기판-홀(215)과 연결되는 버퍼층-홀(225)이 형성된다. 이때 버퍼층-홀(225)은 버퍼층(220)을 관통하는 관통홀일 수 있다.

열방출막(280)은 기판-홀(215)과 버퍼층-홀(225)의 내부에 일체로 형성되며, 바람직하게는 기판-홀(215)과 버퍼층-홀(225)의 내부가 갭-필되도록 형성된다. 열방출막(280)은 전도성 물질로 이루어지며, 바람직하게는 리플렉터 금속으로 이루어질 수 있다. 이를 위해, 열방출막(280)은 Ag, Al, Pt, Pd, Rh 및 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 이와 같이, 기판-홀(215)과 버퍼층-홀(225)의 내부를 리플렉터 금속으로 갭-필하게 되면, 열방출 효율이 개선되어 발광 다이오드의 신뢰성이 개선될 뿐만 아니라, 반사율 증가로 휘도가 향상되어 고휘도 발광 다이오드의 구현이 가능하게 된다.

그리고 n형 클래드층(230), 활성층(240), p형 클래드층(250), p-금속 층(260), n-금속층(265), 제1결합 금속층(270) 및 제2결합 금속층(275)은 도 1에 도시된 발광 다이오드(100)에 구비된 n형 클래드층(130), 활성층(140), p형 클래드층(150), p-금속층(160), n-금속층(165), 제1결합 금속층(170) 및 제2결합 금속층(175)에 각각 대응된다.

도 3은 본 발명에 따른 발광 다이오드에 대한 바람직한 또 다른 실시예의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 발광 다이오드(300)는 기판(310), 버퍼층(320), n형 클래드층(330), 활성층(340), p형 클래드층(350), p-금속층(360), n-금속층(365), 제1결합 금속층(370), 제2결합 금속층(375) 및 열방출막(380)을 구비한다.

기판(310)은 사파이어(Al₂O₃) 또는 GaN으로 이루어질 수 있다. 그리고 기판(310)의 후면에는 기판-홀(315)이 하나 이상 형성된다. 이때 기판-홀(315)은 기판(310)이 관통되도록 형성된다. 기판-홀(215)의 개수는 제한이 없으며, 기판-홀(215)의 크기는 수십 nm 내지 수백 mm 정도일 수 있다. 그리고 기판-홀(215)은 원통형, 삼각뿔형, 사면체, 육면체, 팔면체 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다.

버퍼층(320)은 기판(310) 상에 형성되며, 일반적으로 기판(310)이 사파이어로 이루어진 경우에 형성된다. 버퍼층(320)은 n형 클래드층(330)과 기판(310)의 격자 상수 차이로부터 발생하는 격자 부정합을 완화시키고 결정성이 우수한 n형 클래드층(330)이 성장될 수 있도록 하는 역할을 한다. 이를 위해, 버퍼층(320)은 GaN, AlN 또는 InGaN으로 이루어질 수 있으며, 수십 ~ 수백 Å 정도의 두께로 500 ~ 600 ℃ 정도의 저온에서 형성시킬 수 있다. 그리고 버퍼층(320)에는 기판-홀(315)과 연결되는 버퍼층-홀(325)이 형성된다. 이때 버퍼층-홀(325)은 버퍼층(320)이 관통되도록 형성된다.

n형 클래드층(330)은 버퍼층(320) 상에 형성되며, In_xAl_yGa₁ _-x- _yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1) 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루질 수 있다. 일반적으로 n형 클래드층(330)은 수 μm 정도의 n형 도펀트가 도핑된 GaN 또는 GaN/AlGaN으로 이루어진다. 이때 n형 도펀트는 주로 4족 원소가 사용되며, 실리콘이 사용될 수 있다. n형 클래드층(330)은 p형 클래드층(350)과 접촉하여 p-n 결합을 형성하며, 전자를 활성층(340)에 공급하는 역할을 한다. n형 클래드층(330)은 n-금속층(365)과 오믹 접합하여 외부 단자와 연결된다. 그리고 n형 클래드층(330)에는 버퍼층-홀(325)과 연결되는 n형 클래드층-홀(335)이 형성된다.

열방출막(380)은 기판-홀(315), 버퍼층-홀(325) 및 n형 클래드층-홀(335)의 내부에 일체로 형성되며, 바람직하게는 기판-홀(315), 버퍼층-홀(325) 및 n형 클래드층-홀(335)의 내부가 갭-필되도록 형성된다. 열방출막(380)은 전도성 물질로 이루어지며, 바람직하게는 리플렉터 금속으로 이루어질 수 있다. 이를 위해, 열방출막(380)은 Ag, Al, Pt, Pd, Rh 및 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 이와 같이, 기판-홀(315), 버퍼층-홀(325) 및 n형 클래드층-홀(335)의 내부를 리플렉터 금속으로 갭-필하게 되면, 열방출 효율이 개선되어 발광 다이오드의 신뢰성이 개선될 뿐 만 아니라, 반사율 증가로 휘도가 향상되어 고휘도 발광 다이오드의 구현이 가능하게 된다.

그리고 활성층(340), p형 클래드층(350), p-금속층(360), n-금속층(365), 제1결합 금속층(370) 및 제2결합 금속층(375)은 도 1에 도시된 발광 다이오드(100)에 구비된 활성층(140), p형 클래드층(150), p-금속층(160), n-금속층(165), 제1결합 금속층(170) 및 제2결합 금속층(175)에 각각 대응된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

110, 210, 310...기판 120, 220, 320...버퍼층

130, 230, 330...n형 클래드층 140, 240, 340...활성층

150, 250, 350...p형 클래드층 180, 280, 380...열방출막

Claims

후면에 하나 이상의 기판-홀(hole)이 형성되어 있는 기판;

상기 기판-홀의 내부에 형성되며, 전도성 물질로 이루어진 열방출막;

상기 기판 상에 형성된 n형 클래드층;

상기 n형 클래드층 상에 형성된 활성층; 및

상기 활성층 상에 형성된 p형 클래드층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
제1항에 있어서,

상기 기판-홀은 상기 기판을 관통하는 관통홀인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
제2항에 있어서,

상기 기판과 상기 n형 클래드층 사이에 형성된 버퍼층을 더 포함하고,

상기 버퍼층에는 상기 기판-홀과 연결된 버퍼층-홀이 형성되어 있으며,

상기 열방출막은 상기 기판-홀과 버퍼층-홀 내부에 일체로 형성된 전도성 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
제3항에 있어서,

상기 버퍼층-홀은 상기 버퍼층을 관통하는 관통홀인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
제4항에 있어서,

상기 n형 클래드층에는 상기 버퍼층-홀과 연결된 n형 클래드층-홀이 형성되어 있으며,

상기 열방출막은 상기 기판-홀, 버퍼층-홀 및 n형 클래드층-홀 내부에 일체로 형성된 전도성 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 n형 클래드층, 활성층 및 p형 클래드층은 질화갈륨계 반도체 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 열방출막은 리플렉터(reflector) 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
제7항에 있어서,

상기 열방출막은 Ag, Al, Pt, Pd 및 Rh 중에서 선택된 1종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.