KR20120014341A - 발광다이오드 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 기판 상에 제1도전층, 활성층 및 제2도전층이 순차적으로 적층된 LED 소자에 관한 것으로서, 제 1도전층 또는 제 2도전층 상에 형성되는 투명전극층, 투명전극층 상에 형성되는 전극 패드; 및 전극 패드의 하부에서 투명전극층과 제1도전층 또는 제2도전층 사이에 형성되는 절연층을 포함한다.
이에 따르면, 전극을 통하여 유입되는 전류가 소자의 전체 면으로 분산유입됨으로써, 전류 집중에 의한 열화 문제를 개선할 수 있으며, 높은 휘도 특성, 낮은 전압에 의한 우수한 동작 특성 및 정전기에도 강한 특성이 제공된다..

Description

발광다이오드 소자{LED}
본 발명은 발광다이오드 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극을 통하여 유입되는 전류가 반도체층 전체 면으로 분산되어 유입되도록 함으로써, 전류의 집중을 방지하여 소자의 내구성을 향상시키는 발광다이오드 소자에 관한 것이다.
최근 질화갈륨(GaN)계 Ⅲ-Ⅴ족 혼합물의 연구 개발에 힘입어, 청색 및 자외선 광을 발광하는 소자가 상용화됨으로써 표시장치, 광원용 장치, 환경 응용장치 등의 소자로 널리 이용되고 있다. 이러한 질화갈륨(GaN)계 혼합물을 사용한 종래의 LED 소자는, 도 1에 도시된 바와 같이, 성장 기판(1) 상에 n형 반도체층(2, n-GaN), 활성층(3, MQW) 및 p형 반도체층(4, p-GaN)이 순차적으로 적층되어 반도체층을 형성하는 구조를 이룬다.
성장용 기판으로는 사파이어(sapphire)가 주로 사용된다. 사파이어 기판(1)은 절연성 물질이기 때문에, 활성층(3)에 전류를 주입하기 위해 반도체층의 일부는 메사(Mesa) 식각된다. 메사 식각되어 외부로 돌출된 n형 반도체층(2) 상부에는 n형 전극(6)이, p형 반도체층(4) 상부에는 p형 전극(5)이 각각 형성된다. 이러한 LED 소자는 n형 전극(6)에 음의 부하를, p형 전극(5)에 양의 부하를 가하게 되면, n형 반도체층(2)과 p형 반도체층(4)으로부터 각각 전자와 정공들이 활성층(3)으로 모여 재결합함으로써, 발광하게 된다. 서로 수평한 위치에 배치된 p측 및 n측 전극(20, 30)에 동작 전압을 인가하면, GaN계 반도체의 p-n 접합을 통하여 전류가 흐르고 활성층에서 발광이 일어난다.
그런데, 이러한 종래의 LED소자에서는, 2개의 전극이 기판(1)의 동일측 상에 배치되어 있기 때문에, 전류의 흐름이, 도 1에 화살표로서 나타낸 바와 같은 경로를 따라 상대적으로 많아져서 전류가 집중되는 현상이 있다. 이는 양측 전극을 최단으로 통과하는 거리가 다른 경로에 비하여 상대적으로 저항률이 작기 때문에, 결국 보다 낮은 저항을 갖는 화살표의 경로로 전류의 흐름이 집중되는 것이다. 이와 같이 전류가 특정 경로 즉, 양측 전극의 가장 짧은 거리를 따라 집중되면, 활성층을 전체적으로 균일하게 이용하지 못하게 되므로 동작 전압의 상승과 휘도 감소를 초래하게 된다. 또한, 특정 부위에서 전류가 집중되면, 그 부위에서 열이 특히 많이 발생하게 되고 소자의 ESD(Electrostatic Discharge; 정전기 방전) 특성도 악화된다. 이에 따라 소자 신뢰성이 약화된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 전극을 통하여 유입되는 전류가 소자의 전체 면으로 분산되어 유입되도록 함으로써, 특정 경로 또는 부위에서 전류 집중현상이 억제시킬 수 있는 LED 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은, 동작 전압이 낮고 휘도가 높으며, 특히, 정전기 특성도 우수한 LED 소자를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기판 상에 제1도전층, 활성층 및 제2도전층이 순차적으로 적층된 LED 소자에 있어서, 상기 제1도전층 또는 제2도전층 상에 형성되는 투명전극층; 상기 투명전극층 상에 형성되는 전극 패드; 및 상기 전극 패드의 하부에서 상기 투명전극층과 상기 제 1도전층 또는 상기 제2도전층 사이에 형성되는 절연층;을 포함하는 LED 소자에 의하여 달성된다.
이때, 상기 절연층은 상기 투명전극층과 제 2도전층 사이에 상기 전극 패드보다 넓게 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 절연층은 그 두께를1 ㎚ 내지 1000 ㎚로 형성하여 절연 특성의 저하 또는 휘도 특성이 저하될 우려를 방지하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 구성의 본 발명은, 전극을 통하여 유입되는 전류가 소자의 전체 면으로 분산유입됨으로써, 전류 집중에 의한 열화 문제를 개선할 수 있으며, 높은 휘도 특성, 낮은 전압에 의한 우수한 동작 특성 및 정전기에도 강한 특성의 LED소자가 제공된다.
도 1은 종래의 기술에 따른 LED 소자를 나타낸 종 단면도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LED 소자의 종 단면도, 및
도 3은 도 2의 평면도이다.
본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 바람직한 실시예들에 의해 명확해질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 살펴보기로 한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수평 구조형 LED 소자를 나타낸 단면도와 평면도이다. 이들 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 LED 소자는, 기판(10) 상에 제1도전층(20), 활성층(30) 및 제2도전층(40)이 순차적으로 적층되어 반도체층을 형성하고 있다. 제2도전층(40) 상에는 투명전극층(70)이 형성되어 있다. 제1도전층(20) 상부와 제2도전층(40) 상부에는 각각 제1전극(60) 및 제2전극(50)이 형성되어 있다. 그리고, 제2전극(50)이 형성되는 하부에는, 투명전극층(70)과 제2도전층(40) 사이에 절연층(80)이 형성되어 있다.
구체적으로 살펴보면, 기판(10)은 갈륨나이트라이드(GaN), 징크 옥사이드(ZnO), 실리콘 카바이드(SiC) 및 알루미늄 나이트라이드(AlN) 등이 이용될 수 있다. 이 들중에서 방위의 정도가 높고, 정밀한 폴리싱으로 흠이나 자국이 없는 사파이어(sapphire)를 포함하는 투명 재질의 재료를 주로 이용한다.
반도체층(20,30,40)은, 전극을 통하여 전계를 인가하였을 때, 전자와 정공의 결합에 의하여 빛을 발생시키는 구성이다. 이러한 반도체층(20, 30, 40)은, 기판(10)을 습식 또는 건식 공정을 통하여 표면을 처리한 후, 그 위에 반도체 박막 성장 장치를 이용하여 제1도전층(20), 활성층(30) 및 제2도전층(40) 순차적으로 형성하여 제공가능하다.
여기서 제1도전층(20)은 n형 질화갈륨계 반도체층(n-GaN), 제2도전층(40)은 p형 질화갈륨계 반도체층(p-GaN)으로 이루어진다. 그리고, 활성층(30)은 InGaN/GaN나 AlGaN, AlInGaN 등의 물질이 이용될 수 있다. 여기서, 다중 양자 우물(Multi quantum Well:MQW) 구조로 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 기판(10)과 제1도전층(20) 사이에는, 도시않은 버퍼층이 더 형성될 수 있다. 이러한 버퍼층은, 제1도전층(20)이 사파이어(sapphire)와 같은 이종의 물질을 이용한 기판(10) 상에 형성되는 경우, 두 물질간의 격자 상수 차이에 의한 결함을 방지하기 위한 구성이다.
제1전극(60) 및 제2전극(50)은 반도체층으로 전계를 인가하기 위한 구성으로, 제1전극(60)은 제1도전층(20) 상에 형성되고 제2전극(50)은 제2도전층(40) 상에 형성된다. 이 때, 수평 구조형 LED 소자에서는, 제1전극(60)을 형성하기 위하여, 도 1 및 2에서 도시된 바와 같이, 반도체층의 일부를 메사(Mesa) 식각하여 제1도전층(20)의 일부를 외부로 노출시킨다.
이와 같은 구성에 따르면, 각각의 전극(50,60)을 통하여 전압이 인가된다. 그러면, n형 반도체층(n-GaN)인 제1도전층(20)으로부터 전자가 이동하고, p형 반도체층(p-GaN)인 제2도전층(40)으로부터 정공이 이동한다. 이 때, 활성층(30)에서 전자 및 정공의 재결합이 일어나 빛의 발광이 이루어지게 된다.
한편, 본 발명의 LED 소자에서는, 제2전극(50)이 제2도전층(40) 상에 직접 형성되지 않고, 도시된 바와 같이 투명전극층(70) 상에 형성되는 구조를 이룬다. 즉, 제2도전층(40) 상에는 전도성의 투명전극층(70)이 형성되고, 투명전극층(70) 상에 제2전극(50)이 형성되어 있다. 여기서 투명전극층(70) ITO 전극층으로 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 따르면, 제2전극(50)으로 유입되는 전류는 투명전극층(70)을 통하여 제2도전층(40)으로 흘러들게 된다. 여기서, ITO 투명전극층(70)은 제2전극(50)을 통해 유입되는 전류를 수평면 방향으로 확산시키는데 유리하다. ITO 투명전극층(70)은 또한, 활성층(30)에서 발광하는 빛을 투과시키는데 우수한 효과를 제공한다.
본 발명의 LED 소자에서는 한편, 제2전극(50)이 형성되는 하부의 제2도전층(40)과 투명전극층(70) 사이에는 절연층(80)이 형성되어 있다. 절연층(80)은 SiO2와 같은 절연체를 이용하여 제2도전층 상에 형성시킬 수 있다. 이러한 절연층(80)은 도 3에 도시된 바와 같이 제2전극(50)과 동일한 크기로 형성할 수 있지만 약간 큰 면적으로 형성되는 것이 바람직하다. 그러면, 제2전극(50)으로 유입되는 전류가 수직방향으로 이동하여 제2도전층(40)으로 직접 흘러들어가는 것을 효율적으로 방지하는데 유리하다.
이러한 절연층(80)은, 1 ㎚ 내지 1000 ㎚ 사이의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 1 ㎚ 미만으로 형성되는 경우 절연 특성이 저하될 수 있다. 그리고, 1000 ㎚ 를 초과하는 경우, 절연층(80)에 의한 휘도 특성을 저하시킬 우려가 있다. 즉, 활성층(30)에서 발광된 빛을 절연층(80)이 흡수하거나 또는 반사시킴으로써, LED 소자 전체를 통해 방출되는 빛의 효율을 저하시킬 수 있는 것이다.
이상에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 구성에 따르면, 제2전극(50)을 통하여 유입되는 전류는, 제2전극(50)의 수직 하방에 설치된 절연층(80)에 의하여 그 수직 하방으로의 이동이 제한된다. 반면, ITO 투명전극층(70)을 통하여 제2도전층(40)의 전체 면으로 전류가 분산되어, 특정 부분에서의 전류집중이 발생하지 않게 된다. 이에 의해, 전류 집중에 의한 열화 문제가 개선되어 소자의 내구성이 향상되게 된다. 그리고, 우수한 휘도 특성도 제공가능하다. 본 발명에 따른 LED 소자는, 또한, 전류집중 문제의 개선을 통하여 낮은 전압에 의해서도 우수한 동작 특성을 나타내며, 특히, 정전기에도 강한 효과를 제공한다.
한편, 도 2및 도 3과 관련하여 상술한 본 발명에 따른 실시예에서는, 투명전극층(70)과 절연층(80)을 제2도전층(40)에만 적용되는 것으로 예시하였으나, 이러한 제2도전층(40)은 p형 질화갈륨계(p-GaN)로 구성되는 도전층을 말하는 것으로, 제1도전층(20)이 p형 질화갈륨계(p-GaN)로 구성되는 경우 노출된 제1도전층(20) 상에 적용될 수 있다. 이러한 이유는 전류가 유입되는 측의 전극에서 열화 현상이 강하게 나타나기 때문인 것으로, 전류가 유입되는 전극 측에 적용되는 것이 바람직하며, 경우에 따라서는 양측 전극의 하부에 모두 적용될 수도 있다.
이상에서 본 발명에 있어서 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것을 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10 : 기판 20 : 제1도전층
30 : 활성층 40 : 제2도전층
50 : 제2전극 60 : 제1전극
70 : 투명전극층 80 : 절연층

Claims (3)

  1. 기판 상에 제1도전층, 활성층 및 제2도전층이 순차적으로 적층된 LED 소자에 있어서,
    상기 제 1도전층 또는 제 2도전층 상에 형성되는 투명전극층;
    상기 투명전극층 상에 형성되는 전극 패드; 및
    상기 전극 패드의 하부에서 상기 투명전극층과 상기 제1도전층 또는 상기 제2도전층 사이에 형성되는 절연층;을 포함하는 수평구조형 LED 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 절연층은,
    상기 투명전극층과 제2도전층 사이에서 상기 전극 패드보다 넓게 형성되는 것을 특징으로 하는 수평구조형 LED 소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 절연층은,
    1 ㎚ 내지 1000 ㎚의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 수평구조형 LED 소자.
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