KR20120014750A - 분포 브래그 반사기를 갖는 발광 다이오드 - Google Patents

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Abstract

분포 브래그 반사기를 갖는 발광 다이오드가 개시된다. 이 발광 다이오드는 기판과, 기판 상부에 위치하고, 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함하는 발광 구조체와, 발광 구조체를 덮는 상부 절연층과, 기판 하부에 위치하고, 발광 구조체에서 방출된 광을 반사하는 분포 브래그 반사기와, 분포 브래그 반사기 하부에 위치하는 금속 반사층을 포함한다. 여기서, 분포 브래그 반사기는 청색 파장 영역의 제1 파장의 광, 녹색 파장 영역의 제2 파장의 광 및 적색 파장 영역의 제3 파장의 광에 대해 90% 이상의 반사율을 갖는다. 이에 따라, 백색광을 구현하는 발광 다이오드 패키지의 광 추출 효율을 개선할 수 있는 발광 다이오드를 제공할 수 있다.

Description

분포 브래그 반사기를 갖는 발광 다이오드{LIGHT EMITTING DIODE HAVING DISTRIBUTED BRAGG REFLECTOR}
본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분포 브래그 반사기를 갖는 발광 다이오드에 관한 것이다.
청색 또는 자외선을 방출하는 질화갈륨 계열의 발광 다이오드가 다양한 응용에 적용되고 있으며, 특히, 백라이트 유닛 또는 일반 조명 등에 요구되는 혼색광, 예컨대 백색광을 방출하는 다양한 종류의 발광 다이오드 패키지가 시판되고 있다.
발광 다이오드 패키지의 광 출력은 주로 발광 다이오드의 광 효율에 의존하기 때문에 발광 다이오드의 광 효율을 개선하려는 노력이 계속되고 있다. 특히, 발광 다이오드의 광 추출 효율을 개선하려는 노력이 계속되고 있으며, 이러한 노력의 하나로, 사파이어와 같은 투명기판의 하부면에 금속 반사기를 형성하는 기술이 알려져 있다.
도 1은 종래 사파이어 기판의 하부면에 알루미늄층을 형성하여 측정한 반사율을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 알루미늄층을 형성하지 않은 사파이어 기판의 경우 약 20%의 반사율을 나타내지만, 알루미늄층을 형성한 경우, 가시광선 영역의 전 파장에 걸쳐 약 80%의 반사율을 나타내는 것을 알 수 있다.
한편, 도 2는 사파이어 기판의 하부면에 TiO2/SiO2를 주기적으로 반복하여 분포 브래그 반사기를 형성하여 측정한 반사율을 나타낸다.
알루미늄층 대신에, 발광 다이오드에서 방출되는 광, 예컨대 460nm의 피크 파장의 광에 대한 분포 브래그 반사기(DBR)를 설치한 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 청색 파장 영역, 예컨대 400~500nm의 파장 영역에서 반사율이 거의 100%에 도달함을 알 수 있다.
그러나 상기 DBR은 가시광선 영역 중 일부 영역에 대해 반사율을 높일 수 있을 뿐이며 다른 영역에 대한 반사율은 상당히 낮다. 즉, 도 2에 보이듯이, 약 520nm 이상의 파장에 대해 반사율이 급격히 감소하며, 550nm 이상에서는 대부분 반사율이 50% 미만이 된다.
따라서 DBR을 적용한 발광 다이오드를 백색광을 구현하는 발광 다이오드 패키지에 실장할 경우, 발광 다이오드에서 방출된 청색 파장 영역의 광에 대해서는 높은 반사율을 나타내지만, 녹색 및/또는 적색 파장 영역의 광에 대해서는 DBR이 효과적인 반사 특성을 나타내지 못하며 따라서 패키지에서의 광 효율 개선에 한계가 있다.
한편, 질화갈륨 계열의 반도체는 약 2.4 정도의 굴절률을 갖는다. 따라서 외부의 공기 또는 몰딩 수지에 대한 굴절률 차이가 상대적으로 크기 때문에, 이들과의 계면에서 내부 전반사에 의해 활성층에서 생성된 광의 상당 부분이 반도체층 내에 갇혀 외부로 방출되지 못한다. 따라서, 내부 전반사에 의한 광 손실을 감소시켜 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 기술이 요구된다.
본 발명이 해결하려는 과제는, 혼색광, 특히 백색광을 구현하는 패키지에 적합한 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는, 패키지에서의 광 효율을 개선할 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는, 내부 전반사에 의한 광 손실을 감소시킬 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예들에 따른 발광 다이오드는, 기판; 상기 기판 상부에 위치하고, 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함하는 발광 구조체; 상기 발광 구조체를 덮는 상부 절연층; 상기 기판 하부에 위치하고, 상기 발광 구조체에서 방출된 광을 반사하는 분포 브래그 반사기(distributed bragg reflector); 및 상기 분포 브래그 반사기 하부에 위치하는 금속 반사층을 포함한다. 여기서, 상기 분포 브래그 반사기는 청색 파장 영역의 제1 파장의 광, 녹색 파장 영역의 제2 파장의 광 및 적색 파장 영역의 제3 파장의 광에 대해 90% 이상의 반사율을 갖는다.
상기 상부 절연층은 상기 발광 구조체를 덮어 발광 구조체를 보호한다. 또한, 상기 금속 반사층은 다양한 입사각으로 입사되어 상기 분포 브래그 반사기를 투과하는 광을 반사시킴으로써 광 반사율을 높여 광 추출 효율을 개선한다. 상기 금속 반사층은, 예컨대 알루미늄층 또는 은(Ag)층을 포함할 수 있다.
한편, 상기 분포 브래그 반사기는 굴절률이 서로 다른 적어도 두개의 층을 교대로 반복하여 적층한 구조를 갖는다. 예컨대, 상기 분포 브래그 반사기는 SiO2층과, TiO2층 또는 Nb2O5층 중 적어도 하나의 층을 교대로 반복하여 적층한 구조를 가질 수 있다.
본 출원인의 2009년 11월 13일자 출원한 출원번호 제10-2009-0109870호는 청색, 녹색 및 적색 영역의 파장의 광에 대해 반사율이 90% 이상인 분포 브래그 반사기를 갖는 발광 다이오드를 개시하고 있다. 상기 출원은 굴절률이 서로 다른 층, 예컨대 TiO2/SiO2를 반복하여 적층함으로써 청색 영역뿐만 아니라 녹색 또는 적색 영역의 파장의 광에 대해서도 높은 반사율을 갖는 분포 브래그 반사기를 제공하고 있다. 본 발명자들은 TiO2/SiO2의 반복 적층(41층)에 의해 형성된 분포 브래그 반사기에 Ag 에폭시 페이스트를 도포하여 경화시킬 경우, 분포 브래그 반사기의 반사율이 Ag 에폭시 페이스트 경화전에 비해 감소되는 것을 발견하였다. 이는 분포 브래그 반사기를 이루는 층의 적층수가 상대적으로 적어 분포 브래그 반사기와 Ag 에폭시 계면에서의 광 산란 또는 Ag 에폭시에 의한 광 흡수에 의해 반사율이 떨어지기 때문으로 예상된다. 이를 방지하기 위해, 분포 브래그 반사기의 적층수를 더 증가시킬 필요가 있다. 한편, 분포 브래그 반사기의 적층수 증가는 분포 브래그 반사기와 Ag 에폭시 계면의 상태에 의한 영향을 줄일 수는 있으나, 분포 브래그 반사기를 이루는 각 층의 광 흡수율에 의해 광 손실이 유발되어 반사율이 감소될 수 있다.
따라서, TiO2보다 광 흡수율이 낮은 Nb2O5를 채택하여 SiO2/Nb2O5의 분포 브래그 반사기를 형성함으로써 적층 수 증가에 따른 광 손실을 방지할 수 있다.
바람직하게, 상기 분포 브래그 반사기는 적어도 25쌍의 굴절률이 서로 다른 층, 예컨대, SiO2/Nb2O5를 포함할 수 있다.
상기 분포 브래그 반사기는 상기 기판의 하부면과 접촉할 수 있으며, 바람직하게 SiO2가 상기 기판의 하부면에 접촉할 수 있다. 기판 하부면에 SiO2를 먼저 형성함으로써 분포 브래그 반사기의 접착력을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 분포 브래그 반사기의 마지막층은 SiO2일 수 있다. 상기 마지막층은 분포 브래그 반사기를 보호하는 보호층의 기능을 수행한다.
또한, 보호층이 상기 금속 반사층 하부에 위치할 수 있다. 상기 보호층은 금속 반사층을 덮어 금속 반사층이 산화되거나 확산되는 것을 방지한다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 상부 절연층은 상기 발광 구조체측으로부터 굴절률이 점진적으로 또는 단계적으로 감소하는 굴절률 그레이딩층일 수 있다. 이에 따라, 상기 상부 절연층을 통해 광 추출 효율을 개선할 수 있다. 상기 상부 절연층은 SiO2일 수 있다.
한편, 상기 발광 다이오드는 상기 제2 도전형 반도체층과 상기 상부 절연층 사이에 개재된 투명 도전층을 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 투명 도전층은 상기 제2 도전형 반도체층측으로부터 굴절률이 점진적으로 또는 단계적으로 감소하는 굴절률 그레이딩층일 수 있다. 따라서, 제2 도전형 반도체층과 상기 투명 도전층 사이의 계면에서 굴절률 차이에 의한 내부 전반사를 감소시킬 수 있으며, 나아가, 상기 투명 도전층과 공기 또는 투명 도전층과 상부 절연층 사이의 계면에서 굴절률 차이에 의한 내부 전반사를 감소시킬 수 있다. 상기 투명 도전층은 ITO 또는 ZnO일 수 있다.
한편, 상기 투명 도전층은 종래의 통상적으로 형성된 투명 도전층에 비해 상대적으로 굴절률이 낮은 층일 수 있다. 예컨대, 상기 투명 도전층은 열증착법, 전자빔 증착법, 이온빔 보조 증착법 또는 스퍼터링법에 의해 형성될 수 있으며, 이때, 상기 투명 도전층은 소스 또는 타겟에 대해 기판면을 경사 배치하여 증착함으로써 소스 또는 타겟에 대해 기판면을 정상 위치로 배치하여 증착한 경우에 비해 상대적으로 낮은 굴절률을 가질 수 있다. 또한, 투명 도전층을 증착하는 동안 기판을 회전시키는 경우, 기판 회전 속도를 시간에 따라 변화하거나 기판 회전을 중지시킴으로써 투명 도전층이 기판 상에서 비대칭적으로 형성되도록 하여 전체적으로 낮은 굴절률을 갖는 투명 도전층을 증착할 수 있다. 이러한 투명 도전층은 광의 방출을 도와 발광 다이오드의 광추출 효율을 개선한다.
본 발명은 또한 혼색광 예컨대 백색광을 구현하기 위한 발광 다이오드 패키지를 제공한다. 이 발광 다이오드 패키지는 발광 다이오드를 실장하기 위한 실장면을 가지며, 앞에서 설명한 발광 다이오드가 상기 실장면 상에 실장된다. 상기 패키지는 또한 발광 다이오드에서 방출된 광을 파장변환시키는 형광체를 포함하며, 상기 발광 다이오드를 실장면에 부착하기 위한 접착제, 예컨대 Ag 에폭시를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 가시광선의 넓은 파장 영역에 걸쳐 높은 반사율을 갖는 분포 브래그 반사기를 채택함으로써 혼색광, 예컨대 백색광을 구현하는 발광 다이오드 패키지의 광 효율을 향상시킬 수 있다. 나아가, SiO2/Nb2O5를 반복 적층한 분포 브래그 반사기를 채택함으로써 분포 브래그 반사기에 의한 광 흡수를 줄일 수 있어 분포 브래그 반사기의 적층 수를 더욱 증가시킬 수 있으며, 발광 다이오드 패키지에 실장한 후에도 높은 반사율을 유지할 수 있다. 더욱이, 분포 브래그 반사기의 하부에 금속 반사층과 함께 보호층을 형성함으로써 패키지에 실장할 때 분포 브래그 반사기 및 금속 반사층이 변형되는 것을 방지할 수 있다. 더욱이, 상부 절연층 및/또는 투명 도전층을 굴절률 그레이딩층으로 형성함으로써 발광 다이오드의 광 추출 효율을 개선할 수 있다.
도 1은 사파이어 기판 상의 알루미늄의 반사율을 보여주는 그래프이다.
도 2는 사파이어 기판 상의 분포 브래그 반사기의 반사율을 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분포 브래그 반사기를 갖는 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 TiO2와 Nb2O5의 광 흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 상대적으로 낮은 굴절률을 갖는 투명 도전층을 형성하는 방법을 설명하기 위한 전자빔 증착 장치의 개략적인 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 경사 굴절률을 갖는 투명 도전층을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 발광 다이오드를 실장한 발광 다이오드 패키지를 설명하기 위한 단면도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분포 브래그 반사기(40)를 갖는 발광 다이오드(20)를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 발광 다이오드(20)는 기판(21), 발광 구조체(30), 분포 브래그 반사기(40), 상부 절연층(37) 및 금속 반사층(41)을 포함한다. 또한, 상기 발광 다이오드(20)는 버퍼층(23), 투명 전극(31), 제1 전극 패드(33) 및 제2 전극 패드(35)를 포함할 수 있다.
상기 기판(21)은 투명 기판이면 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 사파이어 또는 SiC 기판일 수 있다. 상기 기판(21)은 또한, 상부면에 패터닝된 사파이어 기판(PSS)과 같이 소정의 패턴을 가질 수 있다. 한편, 상기 기판(21)의 면적은 칩의 전체 면적을 결정한다. 상기 기판(21)의 면적은 90,000㎛2 이상일 수 있으며, 1㎜2 이상일 수 있다.
상기 기판(21) 상부에 발광 구조체(30)가 위치한다. 상기 발광 구조체(30)는 제1 도전형 반도체층(25), 제2 도전형 반도체층(29) 및 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층들(25, 29) 사이에 개재된 활성층(27)을 포함한다. 여기서, 제1 도전형과 제2 도전형은 서로 반대의 도전형으로, 제1 도전형이 n형이고, 제2 도전형이 p형일 수 있으며, 또는 그 반대일 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(25), 활성층(27) 및 제2 도전형 반도체층(29)은 질화갈륨 계열의 화합물 반도체 물질, 즉, (Al, In, Ga)N으로 형성될 수 있다. 상기 활성층(27)은 요구되는 파장의 광 예컨대 자외선 또는 청색광을 방출하도록 조성 원소 및 조성비가 결정된다. 상기 제1 도전형 반도체층(25) 및/또는 제2 도전형 반도체층(29)은, 도시한 바와 같이, 단일층으로 형성될 수 있으나, 다층 구조로 형성될 수도 있다. 또한, 활성층(27)은 단일 양자웰 또는 다중 양자웰 구조로 형성될 수 있다. 또한, 상기 기판(21)과 제1 도전형 반도체층(25) 사이에 버퍼층(23)이 개재될 수 있다.
상기 반도체층들(25, 27, 29)은 MOCVD 또는 MBE 기술을 사용하여 형성될 수 있으며, 사진 및 식각 공정을 사용하여 상기 제1 도전형 반도체층(25)의 일부 영역이 노출되도록 패터닝될 수 있다.
한편, 상기 기판(21)의 하부에 분포 브래그 반사기(40)가 위치한다. 상기 분포 브래그 반사기(40)는 굴절률이 서로 다른 층들을 교대로 반복 적층함으로써 형성되며, 청색 파장 영역의 광, 예컨대 활성층(27)에서 생성된 광뿐만 아니라, 황색 파장 영역의 광 혹은 녹색 및/또는 적색 파장 영역의 광에 대해서도 상대적으로 높은, 바람직하게 90% 이상의 반사율을 갖는다. 나아가, 상기 분포 브래그 반사기(40)는 예컨대 400~700nm의 파장 범위에 걸쳐 전체적으로 90% 이상의 반사율을 가질 수도 있다.
넓은 파장 영역에 걸쳐 상대적으로 높은 반사율을 갖는 분포 브래그 반사기(40)는 반복 적층되는 재료층들의 각 광학 두께를 제어함으로써 형성된다. 상기 분포 브래그 반사기(40)는 예컨대, SiO2의 제1층과 TiO2의 제2층을 교대로 적층하여 형성될 수 있으나, 바람직하게 SiO2의 제1층과 Nb2O5의 제2층을 교대로 적층하여 형성한다.
제1층과 제2층의 적층수가 증가할수록 분포 브래그 반사기(40)의 하부면에 접하는 다른 재료층의 영향을 감소시킬 수 있다. 적층수가 적을 경우, 예컨대 Ag 에폭시 페이스트와 같은 접착층을 경화시킨 후, 분포 브래그 반사기(40)의 반사율이 감소될 수 있다. 따라서, 분포 브래그 반사기(40)의 적층수는 50층 이상, 즉 25쌍이 바람직하다.
또한, 적층수가 증가함에 따라, 분포 브래그 반사기(40) 내의 재료층들에 의한 광 흡수율이 증가되어 반사율이 감소될 수 있다. 도 4는 TiO2와 Nb2O5의 파장에 따른 흡수 계수(K)의 변화를 나타낸다. TiO2의 경우, 약 600nm 이상에서 흡수계수가 0으로 되며, 활성층(27)에서 생성되는 광, 예컨대 청색 파장의 광에 대해 약 0.2 정도의 흡수 계수를 나타낸다. 이에 반해, Nb2O5는 가시광선 영역에 걸쳐 흡수계수가 거의 0이다. 따라서, 상기 분포 브래그 반사기(40)는 SiO2/Nb2O5를 반복 적층하여 형성함으로써 적층수를 증가시키더라도 광 흡수에 의한 손실을 방지할 수 있다.
교대로 적층되는 제1층들 또는 제2층들이 모두 동일한 두께를 가질 필요는 없으며, 활성층(27)에서 생성된 광의 파장뿐만 아니라 가시영역의 다른 파장에 대해서도 상대적으로 높은 반사율을 갖도록 제1층들 및 제2층들의 두께가 선택된다. 또한, 특정 파장 대역에 대해 반사율이 높은 복수의 분포 브래그 반사기들을 적층하여 상기 분포 브래그 반사기를 형성할 수도 있다.
예컨대, 본 발명에 따른 발광 다이오드를 실장하여 백색광을 구현하는 패키지의 경우, 상기 발광 다이오드에서 방출되는 광 이외의 다른 파장의 광이 상기 발광 다이오드로 입사될 수 있으며, 이때 상기 다른 파장의 광을 상기 분포 브래그 반사기를 이용하여 다시 반사시킬 수 있어 패키지의 광추출 효율을 개선할 수 있다.
한편, 상기 분포 브래그 반사기(40)의 첫째층 및 마지막층은 SiO2일 수 있다. SiO2를 분포 브래그 반사기(40)의 첫째층 및 마지막층에 배치함으로써 분포 브래그 반사기(40)를 기판(21)에 안정하게 부착할 수 있고, 또한, 상기 마지막 SiO2층을 이용하여 분포 브래그 반사기(40)를 보호할 수 있다.
다시, 도 3을 참조하면, 상기 분포 브래그 반사기(40)의 하부에 금속 반사층(41)이 위치한다. 상기 금속 반사층(41)은 반사율이 높은 금속 반사층으로 예컨대, 알루미늄층 또는 은(Ag)층일 수 있다. 금속 반사층(41)은 입사각이 커서 상기 분포 브래그 반사기(40)를 투과한 광을 반사시킨다.
또한, 상기 금속 반사층(41) 하부에 보호층(43)이 위치할 수 있다. 보호층(43)은 금속 반사층(41)을 덮어 금속 반사층(41)이 산화 또는 확산에 의해 변형되는 것을 방지한다. 보호층(43)은 금속층 또는 절연층으로 형성될 수 있으나, 발광 다이오드의 열방출 특성을 개선하기 위해 금속층으로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 발광 구조체(30) 상부에 상부 절연층(37)이 위치할 수 있다. 상기 상부 절연층(37)은 발광 구조체(30)를 덮어 외부 환경으로부터 발광 구조체(30)를 보호한다. 상기 상부 절연층(37)은 도시된 바와 같이, 투명 전극층(31)을 덮을 수 있으며, 또한, 메사 식각에 의해 형성된 메사의 측면 및 제1 도전형 반도체층(25)의 노출면을 덮을 수 있다.
상기 상부 절연층(37)은 활성층(27)에서 생성된 광을 투과시키는 투명한 절연층, 예컨대 SiO2로 형성될 수 있다. 나아가, 상기 상부 절연층(37)은 발광 구조체(30)측으로부터 굴절률이 점진적으로 또는 단계적으로 감소하는 굴절률 그레이딩층일 수 있다. 예컨대, 상부 절연층(37)을 화학기상성장법을 이용하여 형성하는 동안, 증착률, 온도, 압력, 반응 가스 유량 또는 플라즈마 파워 등의 공정 변수를 변화시켜 밀도가 높은 층을 우선 증착하고 이어서 점차적으로 밀도가 낮은 층을 증착시킴으로써 굴절률 그레이딩 층을 형성할 수 있다. 상부 절연층(37)의 굴절률이 발광 구조체층(30)측으로부터 바깥쪽으로 향해 낮아지기 때문에, 상부 절연층(37)을 통해 방출되는 광의 내부 전반사를 감소시킬 수 있다.
한편, 투명전극층(31)이 제2 도전형 반도체층(29) 상에, 예컨대, ITO 또는 ZnO로 형성될 수 있다. 투명전극층(31)은 제2 도전형 반도체층(29)과 상부 절연층(37) 사이에 개재될 수 있다. 투명 전극층(31)은 제2 도전형 반도체층(29)에 비해 비저항이 낮아 전류를 분산시킨다. 한편, 제1 도전형 반도체층(25) 상에 제1 전극 패드(33), 예컨대 n-전극 패드(33)가 형성되고, 상기 투명전극층(31) 상에 제2 전극 패드(35), 예컨대 p-전극 패드(35)가 형성된다. 상기 p-전극 패드(35)는 도시한 바와 같이, 투명전극층(31)을 통해 제2 도전형 반도체층(29)에 전기적으로 접속될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 제2 도전형 반도체층(29)에 직접 접할 수 있다.
상기 투명 전극층(31)은 열 증착법, 전자빔 증착법, 이온빔 보조 증착법 또는 스퍼터링법 등을 이용하여 형성될 수 있다. 이때, 상기 투명 전극층(31)은 굴절률이 상대적으로 낮은 저굴절률층 또는 굴절률이 제2 도전형 반도체층(29)측으로부터 점진적으로 또는 단계적으로 감소하는 굴절률 그레이딩층일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극층(31)의 일 예로서 굴절률이 상대적으로 낮은 투명 전극층(31)을 형성하는 방법을 설명하기 위해 전자빔 증착 장치(50)를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 5를 참조하면, 전자빔 증착 장치는 진공 챔버(51), 기판 지지대(55), 회전기(rotator, 52), 샤프트(53), 전자빔 증발기(57) 및 소스(59)를 포함하며 가스 주입구(51a) 및 배기구(51b)를 포함한다.
기판(10)은 통상 사파이어와 같은 기판(21) 상에 반도체층들이 성장되어 제2 도전형 반도체층(29)을 상부에 갖는다. 상기 기판(10)이 기판 지지대(55) 상에 배치된다. 일반적으로 복수개의 기판(10)이 기판 지지대(55) 상에 배열되며, 각각의 기판(10)은 그 상부면이 소스(59)를 향하도록 배열된다. 즉, 기판(10)면에 수직하며 기판(10) 중심을 지나는 선 상에 소스(59)가 배치된다. 복수개의 기판(10) 각각이 소스에 대해 정상 위치(점선으로 표시)로 배치하기 위해 기판 지지대(55)는 오목한 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 기판 지지대(55)는 회전기(52)에 의해 회전될 수 있다. 즉, 회전기(52)는 샤프트(53)를 회전시키고, 상기 샤프트(53)에 의해 기판 지지대(55)가 회전될 수 있다. 상기 회전에 의해 기판(10) 특히 복수의 기판(10)에 균일한 투명 전극층(31)을 증착할 수 있다.
다만, 본 실시예에 있어서, 기판(10)은 정상 위치(점선으로 표시)로 배치되지 않고 소스(59)에 대해 경사지게 배치될 수 있다. 즉, 소스(59)는 기판(10)면에 대해 수직하고 기판(10)의 중심을 지나는 직선에서 벗어나 있다. 복수의 기판(10)을 배치하는 경우, 각 기판(10)은 동일한 정도로 소스에 대해 경사지게 배치될 수 있다.
전자빔에 의해 소스를 증발시켜 투명 전극층을 기판(10) 상에 증착할 경우, 투명 전극층(31)이 기판(10)면에 대해 수직 방향으로 증착이 진행되지 않고 경사진 방향으로 증착이 진행된다. 그 결과, 기판(10)을 정상 위치에 배치하고 증착한 경우에 비해, 투명 전극층(31)의 밀도를 상대적으로 낮출 수 있어, 투명 전극층(31)의 굴절률을 상대적으로 낮출 수 있다. 따라서, 투명 전극층(31)과 공기 사이의 계면 또는 투명 전극층(31)과 상부 절연층(37) 사이의 계면에서 내부 전반사에 의한 광 손실을 감소시킬 수 있다.
더욱이, 본 실시예에 있어서, 회전기(52)에 의한 기판(10)의 회전을 의도적으로 중지하거나, 회전 상태를 변화시킴으로써 기판(10)에 증착되는 투명 전극층(31)을 비대칭적으로 증착시킬 수 있다. 이에 따라, 전체적으로 굴절률이 낮은 투명 전극층(31)을 증착할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 전자빔 증착 장치를 예로서 설명하였지만, 열 증착법, 이온빔 보조 증착법에서도 기판을 경사지게 배치하거나 기판의 회전을 조절하는 것을 동일하게 채택할 수 있다. 나아가, 스퍼터링법을 이용한 투명 전극층 증착 기술에서도 기판을 타겟에 대해 경사지게 배치함으로써 저굴절률의 투명 전극층을 증착할 수 있다.
한편, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 전극층(31)의 또 다른 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6을 참조하면, 도 1을 참조하여 설명한 발광 다이오드와 대체로 유사하나, 투명 전극층(31a)이 굴절률 그레이딩층인 것에 차이가 있다. 즉, 투명 전극층(31a)은 제2 도전형 반도체층(29)측으로부터 굴절률이 점진적 또는 단계적으로 감소하는 굴절률 그레이딩층이다.
상기 투명 전극층(31a)은 열 증착법, 전자빔 증착법, 이온빔 보조 증착법 또는 스퍼터링법을 사용하여 형성될 수 있으며, 이때, 증착률, 온도, 압력, 반응 가스 유량 또는 플라즈마 파워 등의 공정 변수를 변화시켜 밀도가 높은 층을 우선 증착하고 이어서 점차적으로 밀도가 낮은 층을 증착시킴으로써 굴절률 그레이딩 층을 형성할 수 있다. 투명 전극층(31a)의 굴절률이 제2 도전형 반도체층(29)측으로부터 바깥쪽을 향해 낮아지기 때문에, 투명 전극층(31a)을 통해 방출되는 광의 내부 전반사를 감소시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드(20)를 실장한 발광 다이오드 패키지를 나타내는 단면도이다.
도 7을 참조하면, 상기 발광 다이오드 패키지는 패키지 본체(60), 리드들(61a, 61b), 발광 다이오드(20) 및 몰딩부(63)를 포함한다. 상기 패키지 본체(60)는 플라스틱 수지로 형성될 수 있다.
상기 패키지 본체(60)는 발광 다이오드(20)를 실장하기 위한 실장면(M)을 가지며 또한 발광 다이오드(20)에서 방출된 광이 반사되는 반사면(R)을 가질 수 있다. 한편, 상기 발광 다이오드(20)는 실장면(M) 상에 실장되며, 본딩 와이어들을 통해 리드들(61a, 61b)에 전기적으로 연결된다. 상기 발광 다이오드(20)는 접착제(62)에 의해 실장면(M)에 부착될 수 있으며, 상기 접착제는 예컨대 Ag 에폭시 페이스트를 경화시켜 형성될 수 있다.
상기 발광 다이오드는(20)는 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 분포 브래그 반사기(40)를 가지며, 금속 반사층(41) 및 상부 절연층(37)을 갖는다.
한편, 상기 발광 다이오드 패키지는 혼색광, 예컨대 백색광을 방출하며, 이를 위해 발광 다이오드(20)에서 방출된 광을 파장변환시키기 위한 형광체를 포함할 수 있다. 상기 형광체는 몰딩부(63) 내에 함유될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 발광 다이오드(20)는 분포 브래그 반사기(40)를 포함하기 때문에, 상기 형광체에서 파장 변환된 광이 발광 다이오드(20)를 통해 실장면(M)으로 향할 경우, 파장 변환된 광이 분포 브래그 반사기(40)에 의해 높은 반사율로 반사되어 외부로 방출된다. 이에 따라, 종래 발광 다이오드 패키지에 비해 광 효율이 높은 발광 다이오드 패키지가 제공될 수 있다.
나아가, 상부 절연층(37) 및/또는 투명 전극층(31)이 굴절률 그레이딩층일 경우, 발광 다이오드(20)에서 광 추출 효율을 더 높일 수 있어 발광 다이오드(20) 내부에서 광 손실을 더욱 감소시킬 수 있다.
본 실시예에 있어서, 백색광을 구현하기 위해 발광 다이오드(20)와 함께 형광체를 포함하는 패키지에 대해 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 백색광을 방출하기 위한 다양한 패키지가 공지되어 있으며, 상기 발광 다이오드(20)는 어느 패키지에도 적용가능하다.

Claims (13)

  1. 기판;
    상기 기판 상부에 위치하고, 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함하는 발광 구조체;
    상기 발광 구조체를 덮는 상부 절연층;
    상기 기판 하부에 위치하고, 상기 발광 구조체에서 방출된 광을 반사하는 분포 브래그 반사기(distributed bragg reflector); 및
    상기 분포 브래그 반사기 하부에 위치하는 금속 반사층을 포함하되,
    상기 분포 브래그 반사기는 청색 파장 영역의 제1 파장의 광, 녹색 파장 영역의 제2 파장의 광 및 적색 파장 영역의 제3 파장의 광에 대해 90% 이상의 반사율을 갖는 발광 다이오드.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 분포 브래그 반사기는 SiO2층과, TiO2층 또는 Nb2O5층 중 적어도 하나의 층을 교대로 반복하여 적층한 구조를 갖는 발광 다이오드.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 분포 브래그 반사기는 적어도 25쌍의 SiO2/Nb2O5를 포함하는 발광 다이오드.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 분포 브래그 반사기는 상기 기판의 하부면과 접촉하되, SiO2가 상기 기판의 하부면에 접촉하는 발광 다이오드.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 분포 브래그 반사기의 마지막층은 SiO2인 발광 다이오드.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 금속 반사층 하부에 위치하는 보호층을 더 포함하는 발광 다이오드.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 상부 절연층은 상기 발광 구조체측으로부터 굴절률이 점진적으로 또는 단계적으로 감소하는 굴절률 그레이딩층인 발광 다이오드.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 상부 절연층은 SiO2인 발광 다이오드.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 제2 도전형 반도체층과 상기 상부 절연층 사이에 개재된 투명 도전층을 더 포함하는 발광 다이오드.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 투명 도전층은 상기 제2 도전형 반도체층측으로부터 굴절률이 점진적으로 또는 단계적으로 감소하는 굴절률 그레이딩층인 발광 다이오드.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 투명 도전층은 ITO 또는 ZnO인 발광 다이오드.
  12. 청구항 9에 있어서, 상기 투명 도전층은 열증착법, 전자빔 증착법, 이온빔 보조 증착법 또는 스퍼터링법에 의해 형성되고,
    상기 투명 도전층은 소스 또는 타겟에 대해 기판면을 경사 배치하여 증착함으로써 소스 또는 타겟에 대해 기판면을 정상 위치로 배치하여 증착한 경우에 비해 상대적으로 낮은 굴절률을 갖는 발광 다이오드.
  13. 발광 다이오드를 실장하기 위한 실장면;
    상기 실장면 상에 실장된 청구항 1 내지 12의 어느 한 항에 기재된 발광 다이오드; 및
    상기 발광 다이오드에서 방출된 광을 파장변환시키는 형광체를 포함하는 발광 다이오드 패키지.
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