KR20120039411A - 발광 소자, 발광 소자 제조방법, 발광 소자 패키지 및 조명 시스템 - Google Patents

발광 소자, 발광 소자 제조방법, 발광 소자 패키지 및 조명 시스템 Download PDF

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Abstract

실시예에 따른 발광소자는 전도성 지지기판; 상기 전도성 지지기판 상에 형성되는 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조층; 상기 발광 구조층의 측면과, 상기 제1 도전형 반도체층의 상부에 형성되고 상기 제1 도전형 반도체층이 일부 노출되도록 홀을 구비하는 볼륨층; 및, 상기 홀의 하부에서 상기 제1 도전형 반도체층과 접촉하고 상기 홀의 높이보다 낮은 높이로 형성되는 전극;을 포함한다.

Description

발광 소자, 발광 소자 제조방법, 발광 소자 패키지 및 조명 시스템{LIGHT EMITTING DEVICE, METHOD FOR FABRICATING THE LIGHT EMITTING DEVICE, LIGHT EMITTING DEVICE PACKAGE AND LIGHTING SYSTEM}
본 발명은 발광 소자, 발광 소자 제조방법, 발광 소자 패키지 및 조명 시스템에 관한 것이다.
Ⅲ?Ⅴ족 도전형 반도체(group Ⅲ?Ⅴ nitride semiconductor)는 물리적, 화학적 특성으로 인해 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD) 등의 발광 소자의 핵심 소재로 각광을 받고 있다. Ⅲ?Ⅴ족 도전형 반도체는 통상 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어져 있다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전기를 적외선 또는 빛으로 변환시켜서 신호를 주고 받거나, 광원으로 사용되는 반도체 소자의 일종이다.
이러한 도전형 반도체 재료를 이용한 발광 다이오드 혹은 레이저 다이오드의 광을 얻기 위한 발광 소자에 많이 사용되고 있으며, 핸드폰의 키패드 발광부, 전광판, 조명 장치 등 각종 제품의 광원으로 응용되고 있다.
실시예는 새로운 구조를 갖는 발광 소자 및 그 제조방법, 발광 소자 패키지, 조명 시스템을 제공한다.
실시예는 광추출 효율이 향상된 반도체 발광 소자 및 그 제조방법, 발광 소자 패키지, 조명 시스템을 제공한다.
실시예에 따른 발광 소자는 전도성 지지기판; 상기 전도성 지지기판 상에 형성되는 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조층; 상기 발광 구조층의 측면과, 상기 제1 도전형 반도체층의 상부에 형성되고 상기 제1 도전형 반도체층이 일부 노출되도록 홀을 구비하는 볼륨층; 및, 상기 홀의 하부에서 상기 제1 도전형 반도체층과 접촉하고 상기 홀의 높이보다 낮은 높이로 형성되는 전극;을 포함한다.
실시예에 따른 발광 소자 제조방법은 전도성 지지기판을 형성하는 단계; 상기 전도성 지지기판 상에 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조층을 형성하는 단계; 상기 발광 구조층의 측면과, 상기 제1 도전형 반도체층의 상부에 형성되고 상기 제1 도전형 반도체층이 일부 노출되도록 홀을 구비하는 볼륨층을 형성하는 단계; 및, 상기 홀의 하부에서 상기 제1 도전형 반도체층과 접촉하고 상기 홀의 높이보다 낮은 높이로 전극을 형성하는 단계;를 포함한다.
실시예에 따른 발광 소자 패키지는 패키지 몸체; 상기 패키지 몸체에 설치된 제1 전극층 및 제2 전극층; 및 상기 제1 전극층 및 제2 전극층에 전기적으로 연결된 발광 소자를 포함하고 상기 발광 소자는 전도성 지지기판; 상기 전도성 지지기판 상에 형성되는 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조층; 상기 발광 구조층의 측면과, 상기 제1 도전형 반도체층의 상부에 형성되고 상기 제1 도전형 반도체층이 일부 노출되도록 홀을 구비하는 볼륨층; 및, 상기 홀의 하부에서 상기 제1 도전형 반도체층과 접촉하고 상기 홀의 높이보다 낮은 높이로 형성되는 전극;을 포함한다.
실시예에 따른 조명 시스템은 조명 시스템에 있어서, 상기 조명 시스템은 기판과, 상기 기판 상에 설치된 발광 소자 패키지를 포함하는 발광 모듈을 포함하고, 상기 발광 소자 패키지는 패키지 몸체와, 상기 패키지 몸체에 설치된 제1 전극층 및 제2 전극층과, 상기 제1 전극층 및 제2 전극층에 전기적으로 연결된 발광 소자를 포함하고 상기 발광 소자는 전도성 지지기판; 상기 전도성 지지기판 상에 형성되는 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조층; 상기 발광 구조층의 측면과, 상기 제1 도전형 반도체층의 상부에 형성되고 상기 제1 도전형 반도체층이 일부 노출되도록 홀을 구비하는 볼륨층; 및, 상기 홀의 하부에서 상기 제1 도전형 반도체층과 접촉하고 상기 홀의 높이보다 낮은 높이로 형성되는 전극;을 포함한다.
실시예는 새로운 구조를 갖는 발광 소자 및 그 제조방법, 발광 소자 패키지, 조명 시스템을 제공할 수 있다.
실시예는 광추출 효율이 향상된 반도체 발광 소자 및 그 제조방법, 발광 소자 패키지, 조명 시스템을 제공한다.
도 1은 실시예에 따른 발광 소자의 측단면도
도 2 내지 도 14는 실시예에 따른 발광 소자의 제조방법을 설명하는 도면
도 15는 실시예에 따른 발광 소자를 포함하는 발광 소자 패키지의 단면도
도 16은 실시예에 따른 발광 소자 패키지를 포함하는 백라이트 유닛을 도시하는 도면
도 17은 실시예에 따른 발광 소자 패키지를 포함하는 조명 유닛의 사시도.
실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조층들이 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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예에 따른 발광 소자 및 발광 소자 제조방법, 발광 소자 패키지 및 조명 시스템에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자(100)의 측단면도이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 발광 소자(100)는 전도성 지지부재(175), 상기 전도성 지지부재(175) 상에 형성되어 빛을 생성하며, 상면의 일부 영역에 광추출패턴(112)이 형성된 발광 구조층(135)과, 상기 발광 구조층(135) 상에 형성된 전극(115)과, 상기 발광 구조층(135)의 상면 및 측면에 형성된 볼륨층(180)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전도성 지지부재(175) 및 상기 발광 구조층(135) 사이에는 보호부재(140), 오믹층(150), 반사층(160), 접합층(170) 및 전류 차단층(145)이 형성될 수 있다.
상기 발광 구조층(135)은 제1 도전형 반도체층(110), 활성층(120) 및 제2 도전형 반도체층(130)을 포함하며, 상기 제1,2 도전형 반도체층(110,130)으로부터 제공되는 전자 및 정공이 상기 활성층(120)에서 재결합(Recombination)됨으로써 빛을 생성할 수 있다.
상기 전도성 지지부재(175)는 상기 발광 구조층(135)을 지지하며 상기 전극(115)과 함께 상기 발광 구조층(135)에 전원을 제공할 수 있다. 상기 전도성 지지부재(175)는 예를 들어, Cu, Au, W, Al, Ni, Mo, Si, Ge, GaAs, ZnO, SiC 또는 SiGe 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 전도성 지지부재(175)의 두께는 상기 발광 소자(100)의 설계에 따라 달라질 수 있으나, 예를 들어, 30μm 내지 500μm의 두께를 가질 수 있다.
상기 전도성 지지부재(175) 상에는 상기 접합층(170)이 형성될 수 있다. 상기 접합층(170)은 본딩층으로서, 상기 반사층(160)과 상기 보호부재(140) 아래에 형성된다. 상기 접합층(170)은 외측면이 노출되며, 상기 반사층(160), 상기 오믹층(150)의 단부 및 상기 보호부재(140)에 접촉되어, 상기 층들 사이의 접착력을 강화시켜 줄 수 있다.
상기 접합층(170)은 베리어 금속 또는 본딩 금속 등을 포함하며, 예를 들어, Ti, Au, Sn, Ni, Cr, Ga, In, Bi, Cu, Al, Si, Ag 또는 Ta 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 접합층(170) 상에는 상기 반사층(160)이 형성될 수 있다. 상기 반사층(160)은 상기 발광 구조층(135)로부터 입사되는 빛을 반사시켜 주어, 상기 발광 소자(100)의 발광 효율을 개선시켜 줄 수 있다.
상기 반사층(160)은 예를 들어, Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 또는 Hf 중 적어도 하나를 포함하는 금속 또는 합금으로 형성될 수 있다. 또는, 상기 금속 또는 합금과 ITO, IZO, IZTO, IAZO, IGZO, IGTO, AZO, ATO 등의 투광성 전도성 물질을 이용하여 다층으로 형성할 수 있으며, 구체적으로는, IZO/Ni, AZO/Ag, IZO/Ag/Ni, AZO/Ag/Ni, Ag/Cu, Ag/Pd/Cu 등으로 적층될 수 있다
상기 반사층(160) 상에는 상기 오믹층(150)이 형성될 수 있다. 상기 오믹층(150)은 상기 제2 도전형 반도체층(130)에 오믹 접촉되어 상기 발광 구조층(135)에 전원이 원활히 공급되도록 한다.
상기 오믹층(150)은 투광성 전도층과 금속을 선택적으로 사용할 수 있으며, ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), IZTO(indium zinc tin oxide), IAZO(indium aluminum zinc oxide), IGZO(indium gallium zinc oxide), IGTO(indium gallium tin oxide), AZO(aluminum zinc oxide), ATO(antimony tin oxide), GZO(gallium zinc oxide), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni, Ag, Pt, Ni/IrOx/Au, 또는 Ni/IrOx/Au/ITO 중 적어도 하나를 이용하여 단층 또는 다층으로 구현할 수 있다.
전류 차단층(Current Blocking Layer, CBL)(145)은 상기 오믹층(150) 및 상기 제2 도전형 반도체층(130) 사이에 형성될 수 있다. 상기 전류 차단층(145)은 상기 전극(115)과 수직 방향으로 적어도 일부가 중첩되도록 형성될 수 있으며, 이에 따라 상기 전극(115)과 상기 전도성 지지부재(175) 사이의 최단 거리로 전류가 집중되는 현상을 완화하여 상기 발광 소자(100)의 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 전류 차단층(145)은 전기 절연성을 갖는 재질, 상기 반사층(160) 또는 상기 접합층(170)보다 전기 전도성이 낮은 재질 및 상기 제2 도전형 반도체층(130)과 쇼트키 접촉을 형성하는 재질 중 적어도 하나를 이용하여 형성될 수 있으며, 예를 들어, ITO, IZO, IZTO, IAZO, IGZO, IGTO, AZO, ATO, ZnO, SiO2, SiOx, SiOxNy, Si3N4, Al2O3, TiOx, TiO2, Ti, Al 또는 Cr 중 적어도 하나를 포함한다.
한편, 상기 전류 차단층(145)은 상기 반사층(160)과 상기 오믹층(150) 사이에 형성될 수도 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 접합층(170) 상면의 둘레 영역에는 상기 보호부재(140)가 형성될 수 있다.
상기 보호부재(140)는 상기 제2 도전형 반도체층(130)과 접하고 상기 발광 소자(100) 내에서 링 형상, 루프 형상, 프레임 형상 등으로 형성될 수 있다.
상기 보호부재(140)는 상기 발광 구조물(135) 및 상기 전도성 지지부재(175)가 전기적 쇼트를 일으키는 것을 최소화할 수 있으며, 상기 발광 구조물(135) 및 상기 전도성 지지부재(175) 사이의 틈새로 수분 등이 침투되는 것을 방지할 수 있다.
상기 보호부재(140)는 전기 절연성을 갖는 재질, 상기 반사층(160) 또는 상기 접합층(170)보다 전기 전도성이 낮은 재질 및 상기 제2 도전형 반도체층(130)과 쇼트키 접촉을 형성하는 재질 중 적어도 하나를 이용하여 형성될 수 있으며, 예를 들어, ITO, IZO, IZTO, IAZO, IGZO, IGTO, AZO, ATO, ZnO, SiO2, SiOx, SiOxNy, Si3N4, Al2O3, TiOx, TiO2 , Ti, Al 또는 Cr 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 오믹층(150) 및 상기 보호부재(140) 상에는 상기 발광 구조층(135)이 형성될 수 있다.
상기 발광 구조층(135)은 복수의 Ⅲ?Ⅴ족 원소의 화합물 반도체층을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 제1 도전형 반도체층(110), 상기 제1 도전형 반도체층(110) 아래에 활성층(120), 상기 활성층(120) 아래에 상기 제2 도전형 반도체층(130)을 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(110)은 제1 도전형 도펀트가 도핑된 Ⅲ?Ⅴ족 원소의 화합물 반도체로 화학식은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)이고, 예를 들어, GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 등에서 선택될 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(110)이 N형 반도체층인 경우, 상기 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 N형 도펀트를 포함한다. 상기 제1 도전형 반도체층(110)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 활성층(120)은 상기 제1 도전형 반도체층(110) 아래에 형성되며, 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 구조(MQW), 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 활성층(120)은 Ⅲ?Ⅴ족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 우물층과 장벽층의 주기, 예를 들면 InGaN 우물층/GaN 장벽층 또는 InGaN 우물층/AlGaN 장벽층의 주기로 형성될 수 있다.
상기 활성층(120)의 위 또는/및 아래에는 도전형 클래드층(미도시)이 형성될 수도 있으며, 상기 도전형 클래드층은 AlGaN계 반도체로 형성될 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(130)은 상기 활성층(120) 아래에 형성되며, 제2 도전형 도펀트가 도핑된 Ⅲ?Ⅴ족 원소의 화합물 반도체로 화학식은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)이고, 예컨대, GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 등에서 선택될 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(130)이 P형 반도체층인 경우, 상기 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn 등과 같은 P형 도펀트를 포함할 수 있다.
한편, 상기 발광 구조층(135)은 상기 제2 도전형 반도체층(130) 아래에 상기 제2도전형 반도체층과 극성이 반대인 반도체층을 포함할 수 있다. 또한 상기 제1 도전형 반도체층(110)이 P형 반도체층이고, 상기 제2 도전형 반도체층(130)이 N형 반도체층으로 구현될 수도 있다. 이에 따라 상기 발광 구조층(135)은 N-P 접합, P-N 접합, N-P-N 접합 및 P-N-P 접합 구조 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 발광 구조층(135)의 측면은 복수개의 칩을 개별 칩 단위로 구분하는 아이솔레이션(isolation) 에칭에 의해 경사를 가질 수 있다.
또한, 상기 발광 구조층(135)의 상면에는 상기 광추출패턴 (112)이 형성될 수 있다. 상기 광추출패턴(112)은 표면에서 전반사되는 빛의 양을 최소화하여 상기 발광 소자(100)의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 광추출패턴(112)과 상기 볼륨층(180)은 적어도 일부 영역이 수직 방향으로 중첩될 수 있다. 이에 따라, 상기 발광 소자(100)의 광 추출 효율이 극대화되는 한편, 상기 볼륨층(180)과 상기 제1 도전형 반도체층(110) 사이가 쉽게 박리되는 것이 방지되어 상기 발광 소자(100)의 신뢰성이 향상될 수 있다.
상기 광추출패턴(112)은 랜덤한 형상 및 배열을 갖거나, 원하는 형상 및 배열을 갖도록 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 광추출패턴(112)은 50nm 내지 3000nm의 주기를 갖는 광 결정(Photonic Crystal) 구조로 배열되어 형성될 수 있다. 상기 광 결정 구조는 간섭 효과 등에 의해 특정 파장 영역의 빛을 외부로 효율적으로 추출할 수 있다.
또한, 상기 광추출패턴(112)은 원기둥, 다각기둥, 원뿔, 다각뿔, 원뿔대, 다각뿔대 등 다양한 형상을 갖도록 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 발광 구조층(135)의 상면에는 상기 전극(115)이 형성될 수 있다. 상기 전극(115)은 소정의 패턴 형상으로 분기될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
이때, 상기 제1 도전형 반도체층(110)의 상면에 상기 광추출패턴(112)이 형성되므로, 제조 공정에 의해 상기 전극(115)의 상면에도 상기 광추출패턴(112)에 대응하는 패턴이 자연스럽게 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 전극(115)은 상기 제1 도전형 반도체층(110)의 상면 즉, N-face 면에 접촉될 수 있다. 또한, 상기 전극(115)은 적어도 하나의 패드, 상기 패드에 연결된 적어도 한 가지 형상의 전극 패턴이 동일 또는 상이한 적층 구조로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 발광 구조층(135)의 상면 및 측면에는 상기 볼륨층(180)이 형성될 수 있다.
또한 상기 볼륨층(180)은 상기 발광 구조층(135)이 외부 전극 등과 전기적 쇼트를 일으키는 것을 방지할 수 있으며, 전기 절연성 및 투광성을 갖는 재질, 예를 들어, SiO2, SiOx, SiOxNy, Si3N4, TiO2 또는 Al2O3 중 적어도 하나의 재질로 형성될 수 있다.
상기 볼륨층(180)은 상기 제1 도전형 반도체층의 상부에서 상기 전극(115)이 형성된 영역을 제외한 영역에 형성될 수 있다.
수직형 발광소자의 경우 상기 볼륨층(180)의 측면에도 전극(115)이 형성되므로 상기 발광 구조층(135)에서 생성된 빛이 상기 전극(115)에 의해 흡수되는 문제점이 존재한다. 이를 보완하기 위해서 상기 전극(115)이 상기 볼륨층(180) 보다 낮은 높이로 형성되어 빛의 흡수를 최소화할 수 있다.
실시예에 따른 발광 소자(100)는 색편차를 감소시킬 수 있고, 발광 구조층(135)에서 생성된 빛이 전극(115)에 흡수되는 현상을 개선하여 그에 따라 광 효율이 우수한 장점이 있다.
이하, 실시예에 따른 발광 소자(100)의 제조방법에 대해 상세히 설명한다. 다만, 앞에서 설명한 것과 중복되는 내용은 생략하거나 간략히 설명한다.
도 2 내지 도 14는 실시예에 따른 발광 소자(100)의 제조방법을 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 성장기판(101) 상에 상기 발광 구조층(135)을 형성할 수 있다.
상기 성장기판(101)은 예를 들어, 사파이어(Al2O3), SiC, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP 또는 Ge 중 적어도 하나로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 발광 구조층(135)은 상기 성장기판(101) 상에 상기 제1 도전형 반도체층(110), 활성층(120) 및 제2 도전형 반도체층(130)을 순차적으로 성장함으로써 형성될 수 있다.
상기 발광 구조층(135)은 예를 들어, 유기금속 화학 증착법(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 화학 증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 화학 증착법(PECVD; Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition), 분자선 성장법(MBE; Molecular Beam Epitaxy), 수소화물 기상 성장법(HVPE; Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등의 방법을 이용하여 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
한편, 상기 발광 구조층(135) 및 상기 성장기판(101) 사이에는 둘 사이의 격자 상수 차이를 완화하기 위해 버퍼층(미도시)이 형성될 수도 있다.
도 3을 참조하면, 상기 발광 구조층(135) 상에 칩 경계 영역을 따라 상기 보호부재(140)를 형성할 수 있다.
상기 보호부재(140)는 패터닝된 마스크를 이용하여 개별 칩 영역의 둘레에 형성될 수 있으며, 링 형상, 루프 형상, 프레임 형상 등으로 형성될 수 있다. 상기 보호부재(140)는 예를 들어, 전자빔(E-beam) 증착, 스퍼터링(Sputtering), PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 등의 방법을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 보호부재(140)는 예를 들어, ITO, IZO, IZTO, IAZO, IGZO, IGTO, AZO, ATO, ZnO, SiO2, SiOx, SiOxNy, Si3N4, Al2O3, TiOx, TiO2 , Ti, Al 또는 Cr 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 제2 도전형 반도체층(130) 상에 상기 전류 차단층(145)을 형성할 수 있다. 상기 전류 차단층(145)은 패터닝된 마스크를 이용하여 형성될 수 있다.
상기 전류 차단층(145)은 상기 전극(115)과 수직 방향으로 적어도 일부가 중첩되는 위치에 형성되어, 전류가 상기 발광 구조층(135) 내의 특정 영역으로 편중되는 현상을 완화할 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 제2 도전형 반도체층(130) 및 상기 전류 차단층(145) 상에 상기 오믹층(150)을 형성하고, 상기 오믹층(150) 상에 상기 반사층(160)을 형성할 수 있다.
상기 오믹층(150) 및 상기 반사층(160)은 예를 들어, 전자빔(E-beam) 증착, 스퍼터링(Sputtering), PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 중 어느 하나의 방법에 의해 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 상기 제2 보호부재(142) 상에 접합층(170)을 형성하고, 상기 접합층(170) 상에 전도성 지지부재(175)를 형성할 수 있다.
상기 접합층(170)은 상기 제2 보호부재(140) 및 상기 전도성 지지부재(175) 사이에 형성되어, 상기 층들 사이의 접착력을 강화시켜 줄 수 있다.
상기 전도성 지지부재(175)는 별도의 시트(sheet)로 준비되어 상기 접합층(170) 상에 부착되는 본딩 방식에 의해 형성되거나, 도금 방식, 증착 방식 등에 의해 형성될 수도 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 도 7의 발광 소자를 180도 뒤집은 후에, 상기 성장기판(101)을 제거할 수 있다.
상기 성장기판(101)은 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off) 또는 에칭 중 적어도 하나의 방법에 의해 제거될 수 있다.
상기 성장기판(101)을 제거함에 따라, 상기 제1 도전형 반도체층(110)의 표면이 노출될 수 있다.
도 9를 참조하면, 상기 발광 구조층(135)을 단위 칩 영역에 따라 아이솔레이션 에칭을 실시하여 복수개의 발광 구조층(135)으로 분리한다. 상기 아이솔레이션 에칭은 예를 들어, ICP(Inductively Coupled Plasma)와 같은 드라이 에칭 또는 KOH, H2SO4, H3PO4와 같은 에천트를 사용한 웨트 에칭을 사용하여 실시될 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 발광 구조층(135)의 측면은 상기 아이솔레이션 에칭에 의해 도시된 것처럼 경사진 측면을 가질 수 있다. 또한, 상기 아이솔레이션 에칭에 의해 상기 보호부재(140)의 상면이 일부 노출될 수 있다.
도 10을 참조하면, 상기 제1 도전형 반도체층(110)의 상면에 상기 광추출패턴(112)을 형성한다. 상기 광추출패턴(112)은 랜덤한 형상 및 배열을 갖거나, 원하는 형상 및 배열을 갖도록 형성될 수 있다.
랜덤한 형상을 갖는 광추출패턴(112)은, 상기 발광 구조층(135)의 상면에 웨트 에칭을 실시하거나, 표면을 연마하는 등의 물리적 방법을 통해 형성될 수 있다.
원하는 형상 및 배열을 갖는 광추출패턴(112)은, 상기 제1 도전형 반도체층(110)의 상면에 원하는 상기 광추출패턴(112)의 형상에 대응하는 패턴을 포함하는 패턴 마스크를 형성하고, 상기 패턴 마스크를 따라 에칭 공정을 실시함으로써 형성될 수 있다.
도 11을 참조하면, 도 10의 발광 소자를 개별 발광 소자 단위로 분리시키는 칩 분리 공정을 실시한다. 상기 칩 분리 공정은 예를 들어, 블레이드(blade) 등을 이용해 물리적인 힘을 가하여 칩을 분리시키는 브레이킹 공정, 칩 경계에 레이저를 조사하여 칩을 분리시키는 레이저 스크리빙 공정, 습식 또는 건식 식각을 포함하는 에칭 공정 등을 포함할 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다.
도 12를 참조하면, 상기 발광 구조층(135)의 측면과 상기 제1 도전형 반도체층(110) 위에 볼륨층(180)이 형성될 수 있다. 상기 볼륨층(180)은 전기 절연성 및 투광성을 갖는 재질, 예를 들어, SiO2, SiOx, SiOxNy, Si3N4, Al2O3 등으로 형성될 수 있다.
상기 볼륨층(180)의 높이(H1)는 상기 제1 도전형 반도체층(110)의 상면에서부터 1 내지 200의 μm의 범위로 형성될 수 있다. 수직형 발광 소자의 경우, 전극(115)과 제2 도전형 반도체층(130)의 수직으로 형성되므로 빛이 수직방향으로 집중되는 현상이 있는데 상기와 같이 볼륨층(180)을 두껍게 형성함으로써 상기 발광 구조층(135)에서 생성된 빛이 상기 광추출패턴(112)을 통과하고 상기 볼륨층(180) 내부에서 수평 방향으로 반사될 수 있으므로, 색 편차를 감소시킬 수 있다.
상기 볼륨층(180)은 전자빔(E-beam) 증착, 스퍼터링(Sputtering), PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 등의 방법을 이용하여 형성할 수 있다.
도 13을 참조하면, 상기 볼륨층(180)의 일부가 식각되어 상기 제1 도전형 반도체층(110)이 노출되도록 홀(107)을 형성할 수 있다. 상기 홀(107)의 폭(W1)은 수 μm 내지 수백 μm의 범위로 형성될 수 있고 상기 제1 도전형 반도체층(110)에 인접할수록 상기 홀(107)의 폭은 감소할 수 있다.
상기 홀(107)은 예를 들어, ICP(Inductively Coupled Plasma) 장비를 이용한 드라이 에칭 또는 KOH, H2SO4, H3PO4와 같은 에천트를 사용한 웨트 에칭을 사용하여 형성될 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다.
도 14를 참조하면, 상기 홀(107)이 형성되어 노출된 제1 도전형 반도체층(110) 위에 전극(115)을 형성할 수 있다. 상기 전극(115)은 전자빔(E-beam) 증착, 스퍼터링(Sputtering), PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 등의 방법을 이용하여 형성할 수 있다.
상기 전극(115)은 Cr, Al, V 또는 Ti 중 적어도 하나를 이용하여 형성된 N-face 오믹 접촉층과, 중간층에 Ni, Cu 또는 Al 중 적어도 하나를 이용하여 형성된 배리어층과, 상부에 금속을 이용하여 형성된 메탈층을 포함할 수 있다.
상기 전극(115)의 높이(H2)는 0.5nm 내지 50nm의 범위로 형성될 수 있다. 상기 전극(115)의 높이(H2)를 상기와 같이 낮게 형성함으로써, 상기 발광 구조층(135)에서 형성된 빛이 상기 전극(115)에 의해 흡수되는 양을 감소시킬 수 있다. 그리고 상기 전극(115)의 폭(W2)은 상기 홀(107)의 폭(W1)과 같거나 바람직하게는 작게 형성할 수 있다.
상기 전극(115) 위에는 반사특성이 우수한 Ag, Al, Rh 또는 Pt 중 적어도 하나의 물질을 형성하여 빛이 반사되도록 할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 상기 볼륨층(180)이 두껍게 형성되어 수직형 발광소자에서 빛이 수직방향으로 집중되는 현상을 개선하고, 상기 발광 구조층(135)에서 형성된 빛이 상기 전극(115)에 흡수되는 양을 감소시켜 광추출 효율을 개선할 수 있다.
도 15는 실시예에 따른 발광 소자를 포함하는 발광 소자 패키지의 단면도이다.
도 15를 참조하면, 실시예에 따른 발광 소자 패키지는 몸체(20)와, 상기 몸체(20)에 설치된 제1 전극층(31) 및 제2 전극층(32)과, 상기 몸체(20)에 설치되어 상기 제1 전극층(31) 및 제2 전극층(32)과 전기적으로 연결되는 실시예에 따른 발광 소자(100)와, 상기 발광 소자(100)를 포위하는 몰딩부재(40)를 포함한다.
상기 몸체(20)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 발광 소자(100)의 주위에 경사면이 형성될 수 있다.
상기 제1 전극층(31) 및 제2 전극층(32)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광 소자(100)에 전원을 제공한다. 또한, 상기 제1 전극층(31) 및 제2 전극층(32)은 상기 발광 소자(100)에서 발생된 빛을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있으며, 상기 발광 소자(100)에서 발생된 열을 외부로 배출시키는 역할을 할 수도 있다.
상기 발광 소자(100)는 상기 몸체(20) 상에 설치되거나 상기 제1 전극층(31) 또는 제2 전극층(32) 상에 설치될 수 있다.
상기 발광 소자(100)는 상기 제1 전극층(31) 및 제2 전극층(32)과 와이어 방식, 플립칩 방식 또는 다이 본딩 방식 중 어느 하나에 의해 전기적으로 연결될 수도 있다.
상기 몰딩부재(40)는 상기 발광 소자(100)를 포위하여 상기 발광 소자(100)를 보호할 수 있다. 또한, 상기 몰딩부재(40)에는 형광체가 포함되어 상기 발광 소자(100)에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있다.
실시예에 따른 발광 소자 패키지는 복수개가 기판 상에 어레이되며, 상기 발광 소자 패키지에서 방출되는 광의 경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트, 형광 시트 등이 배치될 수 있다. 이러한 발광 소자 패키지, 기판, 광학 부재는 백라이트 유닛으로 기능하거나 조명 유닛으로 기능할 수 있으며, 예를 들어, 조명 시스템은 백라이트 유닛, 조명 유닛, 지시 장치, 램프, 가로등을 포함할 수 있다.
도 16은 실시예에 따른 발광 소자 패키지를 사용한 백라이트 유닛을 도시하는 도면이다. 다만, 도 16의 백라이트 유닛(1100)은 조명 시스템의 한 예이며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
도 16을 참조하면, 상기 백라이트 유닛(1100)은 바텀 프레임(1140)과, 상기 바텀 프레임(1140) 내에 배치된 광가이드 부재(1120)와, 상기 광가이드 부재(1120)의 적어도 일 측면 또는 하면에 배치된 발광 모듈(1110)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 광가이드 부재(1120) 아래에는 반사시트(1130)가 배치될 수 있다.
상기 바텀 프레임(1140)은 상기 광가이드 부재(1120), 상기 발광 모듈(1110) 및 상기 반사시트(1130)가 수납될 수 있도록 상면이 개구된 박스(box) 형성으로 형성될 수 있으며, 금속 재질 또는 수지 재질로 형성될 수 있으나 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 발광 모듈(1110)은 기판과, 상기 기판에 탑재된 복수개의 실시예들에 따른 발광 소자 패키지를 포함할 수 있다. 상기 복수개의 발광 소자 패키지는 상기 광가이드 부재(1120)에 빛을 제공할 수 있다.
도시된 것처럼, 상기 발광 모듈(1110)은 상기 바텀 프레임(1140)의 내측면들 중 적어도 어느 하나에 배치될 수 있으며, 이에 따라 상기 광가이드 부재(1120)의 적어도 하나의 측면을 향해 빛을 제공할 수 있다.
다만, 상기 발광 모듈(1110)은 상기 바텀 프레임(1140)의 아래에 배치되어, 상기 광가이드 부재(1120)의 밑면을 향해 빛을 제공할 수도 있으며, 이는 상기 백라이트 유닛(1100)의 설계에 따라 다양하게 변형 가능하므로 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 광가이드 부재(1120)는 상기 바텀 프레임(1140) 내에 배치될 수 있다. 상기 광가이드 부재(1120)는 상기 발광 모듈(1110)로부터 제공받은 빛을 면광원화 하여, 표시 패널(미도시)로 가이드할 수 있다.
상기 광가이드 부재(1120)는 예를 들어, 도광판(LGP, Light Guide Panel) 일 수 있다. 상기 도광판은 예를 들어 PMMA(polymethyl metaacrylate)와 같은 아크릴 수지 계열, PET(polyethylene terephthlate), PC(poly carbonate), COC 및 PEN(polyethylene naphthalate) 수지 중 하나로 형성될 수 있다.
상기 광가이드 부재(1120)의 상측에는 광학 시트(1150)가 배치될 수도 있다.
상기 광학 시트(1150)는 예를 들어 확산 시트, 집광 시트, 휘도상승 시트, 및 형광 시트 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 광학 시트(1150)는 상기 확산 시트, 집광 시트, 휘도상승 시트 및 형광 시트가 적층되어 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 확산 시트(1150)는 상기 발광 모듈(1110)에서 출사된 광을 고르게 확산시켜주고, 상기 확산된 광은 상기 집광 시트에 의해 표시 패널(미도시)로 집광될 수 있다. 이때 상기 집광 시트로부터 출사되는 광은 랜덤하게 편광된 광인데, 상기 휘도상승 시트는 상기 집광 시트로부터 출사된 광의 편광도를 증가시킬 수 있다. 상기 집광 시트는 예를 들어, 수평 또는/및 수직 프리즘 시트일 수 있다. 또한, 상기 휘도상승 시트는 예를 들어, 조도 강화 필름(Dual Brightness Enhancement film)일 수 있다. 또한, 상기 형광 시트는 형광체가 포함된 투광성 플레이트 또는 필름이 될 수도 있다.
상기 광가이드 부재(1120)의 아래에는 상기 반사시트(1130)가 배치될 수 있다. 상기 반사시트(1130)는 상기 광가이드 부재(1120)의 하면을 통해 방출되는 빛을 상기 광가이드 부재(1120)의 출사면을 향해 반사할 수 있다.
상기 반사시트(1130)는 반사율이 좋은 수지 재질, 예를 들어, PET, PC, PVC 레진 등으로 형성될 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다.
도 17은 실시예들에 따른 발광 소자 패키지를 사용한 조명 유닛의 사시도이다. 다만, 도 17의 조명 유닛(1200)은 조명 시스템의 한 예이며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
도 17을 참조하면, 상기 조명 유닛(1200)은 케이스 몸체(1210)와, 상기 케이스 몸체(1210)에 설치된 발광 모듈(1230)과, 상기 케이스 몸체(1210)에 설치되며 외부 전원으로부터 전원을 제공받는 연결 단자(1220)를 포함할 수 있다.
상기 케이스 몸체(1210)는 방열 특성이 양호한 재질로 형성되는 것이 바람직하며, 예를 들어 금속 재질 또는 수지 재질로 형성될 수 있다.
상기 발광 모듈(1230)은 기판(300)과, 상기 기판(300)에 탑재되는 적어도 하나의 실시예에 따른 발광 소자 패키지(200)를 포함할 수 있다.
상기 기판(300)은 절연체에 회로 패턴이 인쇄된 것일 수 있으며, 예를 들어, 일반 인쇄회로기판(PCB: Printed Circuit Board), 메탈 코아(Metal Core) PCB, 연성(Flexible) PCB, 세라믹 PCB 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 기판(300)은 빛을 효율적으로 반사하는 재질로 형성되거나, 표면이 빛이 효율적으로 반사되는 컬러, 예를 들어 백색, 은색 등으로 형성될 수 있다.
상기 기판(300) 상에는 상기 적어도 하나의 실시예에 따른 발광 소자 패키지(200)가 탑재될 수 있다. 상기 발광 소자 패키지(200)는 각각 적어도 하나의 발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode)를 포함할 수 있다. 상기 발광 다이오드는 적색, 녹색, 청색 또는 백색의 유색 빛을 각각 발광하는 유색 발광 다이오드 및 자외선(UV, UltraViolet)을 발광하는 UV 발광 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 발광 모듈(1230)은 색감 및 휘도를 얻기 위해 다양한 발광 다이오드의 조합을 가지도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 고 연색성(CRI)을 확보하기 위해 백색 발광 다이오드, 적색 발광 다이오드 및 녹색 발광 다이오드를 조합하여 배치할 수 있다. 또한, 상기 발광 모듈(1230)에서 방출되는 광의 진행 경로 상에는 형광 시트가 더 배치될 수 있으며, 상기 형광 시트는 상기 발광 모듈(1230)에서 방출되는 광의 파장을 변화시킨다. 예를 들어, 상기 발광 모듈(1230)에서 방출되는 광이 청색 파장대를 갖는 경우 상기 형광 시트에는 황색 형광체가 포함될 수 있으며, 상기 발광 모듈(1230)에서 방출된 광은 상기 형광 시트를 지나 최종적으로 백색광으로 보여지게 된다.
상기 연결 단자(1220)는 상기 발광 모듈(1230)와 전기적으로 연결되어 전원을 공급할 수 있다. 도 17에 도시된 것에 따르면, 상기 연결 단자(1220)는 소켓 방식으로 외부 전원에 돌려 끼워져 결합되지만, 이에 대해 한정하지는 않는다. 예를 들어, 상기 연결 단자(1220)는 핀(pin) 형태로 형성되어 외부 전원에 삽입되거나, 배선에 의해 외부 전원에 연결될 수도 있는 것이다.
상술한 바와 같은 조명 시스템은 상기 발광 모듈에서 방출되는 광의 진행 경로 상에 광가이드 부재, 확산 시트, 집광 시트, 휘도상승 시트 및 형광 시트 중 적어도 어느 하나가 배치되어, 원하는 광학적 효과를 얻을 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 실시예들에 따른 조명 시스템은 실시예들에 따른 발광 소자 패키지를 포함함으로써 신뢰성이 향상될 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 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 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 전도성 지지기판;
    상기 전도성 지지기판 상에 형성되는 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조층;
    상기 발광 구조층의 측면과, 상기 제1 도전형 반도체층의 상부에 형성되고 상기 제1 도전형 반도체층이 일부 노출되도록 홀을 구비하는 볼륨층; 및,
    상기 홀의 하부에서 상기 제1 도전형 반도체층과 접촉하고 상기 홀의 높이보다 낮은 높이로 형성되는 전극;을 포함하는 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 볼륨층은 높이는 상기 제1 도전형 반도체층의 상면에서부터 1 내지 200μm의 범위로 형성되는 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 볼륨층은 SiO2, SiOx, SiOxNy, Si3N4, TiO2 또는 Al2O3 중 적어도 하나의 물질로 형성되는 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전극의 높이는 0.5 내지 50nm의 범위로 형성되는 발광 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 오믹 접촉층, 배리어층, 메탈층을 순서대로 적층하여 형성되는 발광 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 오믹 접촉층은 Cr, Al, V 또는 Ti 중 적어도 하나를 포함하여 형성되고, 상기 배리어층은 Ni, Cu 또는 Al 중 적어도 하나를 포함하여 형성되는 발광 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전극의 상부에는 Ag, Al, Rh 또는 Pt 중 적어도 하나의 물질을 형성하는 발광 소자.
  8. 패키지 몸체;
    상기 패키지 몸체에 설치된 제1 도전층층 및 제2 도전층층; 및
    상기 제1 도전층층 및 제2 도전층층에 전기적으로 연결된 청구항 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 발광 소자를 포함하는 발광 소자 패키지.
  9. 조명 시스템에 있어서,
    상기 조명 시스템은 기판과, 상기 기판 상에 설치된 발광 소자 패키지를 포함하는 발광 모듈을 포함하고,
    상기 발광 소자 패키지는 패키지 몸체와, 상기 패키지 몸체에 설치된 제1 도전층층 및 제2 도전층층과, 상기 제1 도전층층 및 제2 도전층층에 전기적으로 연결된 청구항 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 발광 소자를 포함하는 조명 시스템.
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