KR20120045541A

KR20120045541A - 발광소자

Info

Publication number: KR20120045541A
Application number: KR1020100107148A
Authority: KR
Inventors: 최운경; 원종학
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2012-05-09

Abstract

실시예에 따른 발광소자는, 제1 반도체층과 제2 반도체층 및 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 형성된 활성층을 포함한 발광구조물, 및 제1 반도체층 하부에 위치하며 제1 반도체층과 전기적으로 연결되고 활성층으로부터 방출된 광을 반사하는 반사 전극층을 포함하며, 반사 전극층은 반사 전극 물질 및 반사 전극 물질의 열처리 과정에서의 응집 현상을 방지하기 위해서 응집 억제 물질을 포함하며, 응집 억제 물질은 Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra 중 어느 하나의 물질을 포함한다.

Description

발광소자{Light Emitting device}

실시 예는 반사 전극층을 포함한 발광소자에 관한 것이다.

발광소자의 대표적인 예로, LED(Light Emitting Diode; 발광 다이오드)는 발광 구조물의 특성을 이용해 전기 신호를 적외선, 가시광선 또는 빛의 형태로 변환시키는 소자로, 가정용 가전제품, 리모콘, 전광판, 표시기, 각종 자동화 기기 등에 사용되고, 점차 LED의 사용 영역이 넓어지고 있는 추세이다.

또한 최근 발광 다이오드 칩이 대면적화 고출력화 되면서 광추출효율이 높아져 타 발광소자를 대체할 수 있을 정도의 효율(efficency)에 도달하고 있으며, 발광 효율을 더욱 개선하기 위한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다.

한편, 기존의 측면형 발광 다이오드를 뒤집어 조립하는 플립칩(Flip Chip) 방식의 발광 다이오드와 N형 전극 및 P형 전극이 위, 아래로 배치된 수직형 발광 다이오드가 개발되고 있다.

이러한 수직형 LED 에 있어서, P-GaN 과 접촉하며 hole 을 제공하는 P 형 전극과 p-GaN 사이의 접촉저항을 낮추기 위해서, P 형 전극과 P-GaN 사이에 신뢰성있는 오믹접합을 형성하는 것은 매우 중요한 문제이다.

아울러, 발광소자의 활성층으로부터 생성된 광의 절반은 하부로 향하여 하부의 P 형 전극에 의해서 반사되기 때문에, P 형 전극의 반사율의 확보 또한 매우 중요한 문제이다.

따라서 이러한 플립칩 방식의 발광 다이오드와 수직형 발광 다이오드의 경우 전극이 오믹 접촉(Ohmic Contact)의 기능 뿐만 아니라 반사층의 기능을 동시에 수행할 수 있도록 전극의 재료로 반사율이 75% 이상인 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)과 같은 금속 재료를 사용하는 방안이 고려되고 있다.

그러나 이러한 금속 재료는 오믹 접촉을 형성하기 위한 열처리 과정 중 산소(O₂)와의 반응으로 인한 응집현상(agglomeration)이 발생하여 반사 전극층의 반사율이 저하되고 접촉 저항이 증가함으로써, 발광소자의 발광 효율이 저하되는 문제점이 있다.

실시예의 목적은, 발광소자에 포함된 반사 전극을 형성하기 위해서 반사 전극 물질을 열처리하는 과정 중 발생하는 반사 전극 물질의 응집 현상을 억제함으로써, 반사율이 향상되고 접촉 저항이 낮아진 반사 전극층을 포함한 발광소자를 제공하는 데 있다.

또한, 반사 전극층은 Ag, Al, Rh, Sn 중 하나 이상의 물질을 포함한다.

실시예에 따른 발광소자는, 반사 전극층이 1족 및 2족 원소 중 적어도 하나의 원소를 포함함으로써, 열처리 과정에서 반사 전극 물질의 응집 현상이 억제될 수 있다. 따라서 반사율이 향상되고 접촉 저항이 저하된 반사 전극층을 제공하여 발광소자의 수율이 개선되며 신뢰성이 향상될 수 있다.

도 1은 실시예에 따른 발광소자의 단면을 나타내는 단면도,
도 2a 는 실시예에 따른 발광소자 패키지를 포함하는 조명장치를 도시한 사시도,
도 2b 는 실시예에 따른 발광소자 패키지를 포함하는 조명장치를 도시한 단면도,
도 3은 실시예에 따른 발광소자 패키지를 포함하는 액정표시장치를 도시한 분해 사시도, 그리고
도 4는 실시예에 따른 발광소자 패키지를 포함하는 액정표시장치를 도시한 분해 사시도이다.

도면에서, 각 구성요소의 두께나 크기는 설명의 편의, 및 명확성을 위하여 과장되거나, 생략되거나, 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.

또한, 실시예에서 발광소자의 구조를 설명하는 과정에서 언급하는 각도와 방향은 도면에 기재된 것을 기준으로 한다. 명세서에서 발광소자를 이루는 구조에 대한 설명에서, 각도에 대한 기준점과 위치관계를 명확히 언급하지 않은 경우, 관련 도면을 참조하도록 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광소자를 설명하기 위한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 발광 구조물(50) 하부에 반사 전극층(40)이 형성될 수 있다.

이하, 발광 구조물(50)은 제1 반도체층(30), 제2 반도체층(10) 및 그 사이에 게재되어 광을 생성하는 활성층(20)을 포함하여 발광 다이오드를 형성하는 반도체층들을 포함하는 것으로 설명하나, 이에 한정되지 않으며 예를 들면 실리콘 또는 세라믹 웨이퍼와 같은 다양한 종류의 기판 또는 구조물을 포함하여 이러한 기판 또는 구조물 상부에 본 발명의 일 실시예 및 후술하는 실시예들에 따른 반사 전극층(40)이 형성될 수도 있다.

제1 반도체층(30)은 P형 반도체층으로 구현되어, 활성층(20)에 정공을 주입할 수 있다. 예를 들어 제1 반도체층(30)은 In_xAl_yGa_(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN 등에서 선택될 수 있으며, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등의 p형 도펀트가 도핑될 수 있다.

제1 반도체층(30)의 상부에는 활성층(20)이 형성될 수 있다.

활성층(20)은 전자와 정공이 재결합되는 영역으로, 전자와 정공이 재결합함에 따라 낮은 에너지 준위로 천이하며, 그에 상응하는 파장을 가지는 빛을 생성할 수 있다.

활성층(20)이 양자우물구조로 형성된 경우 예컨데, In_xAl_yGa₁ _-x- _yN (0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 우물층과 In_aAl_bGa₁ _-a- _bN (0≤a≤1, 0 ≤b≤1, 0≤a+b≤1)의 조성식을 갖는 장벽층을 갖는 단일 또는 양자우물구조를 갖을 수 있다. 상기 우물층은 상기 장벽층의 밴드 갭보다 낮은 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.

상기 활성층(20)의 위 또는/및 아래에는 도전형 클래드층이 형성될 수 있다. 상기 도전형 클래드층은 AlGaN계 반도체로 형성될 수 있으며, 상기 활성층(20)의 밴드 갭보다는 높은 밴드 갭을 갖을 수 있다.

활성층(20)의 상부에는 제2 반도체층(10)이 형성될 수 있다.

제2 반도체층(10)은 n형 반도체층으로 구현될 수 있다.

제2 반도체층(10)은 예를 들어, In_xAl_yGa_(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 InAlGaN, GaN, AlGaN, InGaN, AlN, InN, AlInN 등에서 선택될 수 있으며, Si, Ge, Sn 등의 n형 도펀트가 도핑될 수 있다.

반사 전극층(40)은 본 발명에 따라 응집 현상을 억제하기 위해 합금으로 형성되며, P 형 전극(30) 하부에 형성되어 반사 전극으로 기능할 수 있다.

실시예에서는 반사 전극 물질과 반사 전극 물질의 응집 현상을 억제하는 응집 억제 물질을 사용하여 합금으로 형성한 합금 반사 전극을 반사 전극층(40)으로 적용한다.

바람직하게는, 반사 전극층(40)을 형성하는 반사 전극 물질은 Ag, Al, Rh, Sn 중 어느 하나, 또는 상기 물질의 합금을 포함할 수 있으며, 이에 한정하지 아니한다.

또한, 반사 전극층(40)은 주기율표상의 1족 원소 및 2족 원소 중 어느 하나에 해당하는 물질을 응집 억제 물질로서 포함할 수 있다. 즉, 반사 전극층(40)은 반사 전극 물질의 응집 현상을 억제하기 위해서 Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra 중 어느 하나의 물질을 응집 억제 물질로서 포함할 수 있다.

반사 전극층(40)에 포함된 응집 억제 물질은 반사 전극 물질에 비해서 산소와의 결합력이 크기 때문에, 반사 전극 물질보다 우선적으로 산소와 반응할 수 있다. 따라서, 응집 억제 물질이 포함된 반사 전극 물질을 증착하여 반사 전극층(40)을 형성할 경우 응집 억제 물질이 반사 전극 물질보다 먼저 산소와 반응함으로써, 반사 전극 물질의 응집 현상을 억제할 수 있다. 따라서, 반사 전극 물질의 응집 현상이 억제됨으로써, 반사율이 개선되고 접촉 저항이 낮아지는 반사 전극층(40)이 안출될 수 있으며, 발광효율이 향상된 발광소자(100)가 제공될 수 있다.

한편, 응집 억제 물질은 반사 전극층(40)의 20 wt% 내지 0.1 wt% 포함될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1wt% 내지 0.1 wt% 포함될 수 있다. 응집 억제 물질이 20 wt% 보다 많이 포함되면 반사 전극층(40)의 반사율이 저하될 수 있으며, 응집 억제 물질이 0.1 wt% 보다 적게 포함되면 반사 전극 물질의 응집 억제가 확보되지 않을 수 있다.

(제1 실시예 )

본 실시예에서는 전술한 첨가 물질 중 Mg 를 첨가 물질로서 포함하고, Ag 를 반사 전극 물질로서 포함한 Ag-Mg 합금 반사 전극층(40)에 대하여 검토하기로 한다.

0.1 중량% 의 Mg 를 포함한 Ag-Mg 합금 반사 전극층(40)이 3 × 10^-7 Torr 의 압력하에서 전자빔 증착(electron-beam evaporation)에 의해서 200 nm 두께를 갖는 발광 구조물 상에 형성되었다. 한편, 실시예에서는 전자빔 증착에 의해서 반사 전극층(40)이 형성되었으나, 반사 전극층(40)의 형성은 전자빔 증착뿐 아니라 스퍼터링(sputtering) 공정에 의해서 이루어질 수도 있으며, 이에 한정하지 아니한다. 또한, 실시예에서는 1, 2 족 원소 중 Mg 가 응집 억제 물질로서 포함되었으나, 이에 한정하지 아니하며 1, 2 족 원소 중 임의 원소가 응집 억제 물질로서 포함될 수 있다. 아울러, 반사 전극층 물질 또한 Ag 외에 Al, Rh, Sn 을 포함할 수 있으며, 이에 한정하지 아니함은 자명하다.

400℃ 하에서 MgO 의 형성 및 AgO 의 형성을 위한 깁스 자유 에너지(Gibb's free-energy)는 각각 525.5 kJ/mol, 5.63 kJ/mol 이므로, MgO 의 형성이 에너지적으로 더욱 안정적이다. 따라서, 열처리 중 Ag 보다 Mg 가 먼저 산소와 반응하여 MgO 를 형성할 수 있다.

표 1은 열처리 중 Ag 반사 전극층(40)과 Ag-Mg 합금 반사 전극층(40)의 접촉 저항 및 반사율의 변화를 측정하여 온도에 관한 함수로 나타낸 데이터이다.

표 1)Ag 반사 전극층과 Ag-Mg 합금 반사 전극층의 접촉 저항 및 반사율 비교

표 1 을 참조하면, Mg 가 포함되지 않은 반사 전극층(40)은 열처리 과정 중 열처리 온도가 높아짐에 따라서 반사율이 약 45% 만큼 감소하였음에 비해, Ag-Mg 합금 반사 전극층(40)은 약 15% 만큼 감소하여 반사율의 감소폭이 월등히 작음을 알 수 있다. 아울러, 접촉 저항의 경우에도 Mg 가 포함되지 않은 반사 전극층(40)은 열처리 과정 중 열처리 온도가 높아짐에 따라서 초기 접촉 저항의 175% 로 증가하였으나, Ag-Mg 합금 반사 전극층(40)은 초기 접촉 저항의 약 2% 로 크게 감소하였음을 알 수 있다.

이는, Ag 에 Mg 가 첨가되어서 Ag 보다 Mg 가 산소와 먼저 반응함으로써, 열처리 중 Ag 의 응집 현상이 방지되기 때문이다. 따라서, Mg 가 포함된 Ag-Mg 합금을 사용하여 반사율이 증가하고 접촉 저항이 저하된 반사 전극층(40)을 안출할 수 있으며, 발광 효율 및 신뢰성이 개선된 발광소자(100)가 제공될 수 있다.

도 2a는 실시예에 따른 발광소자 패키지를 포함하는 조명장치를 도시한 사시도이며, 도 2b는 도 2a의 조명장치의 C-C' 단면을 도시한 단면도이다.

이하에서는, 실시예에 따른 조명장치(200)의 형상을 보다 상세히 설명하기 위해, 조명장치(200)의 길이방향(Z)과, 길이방향(Z)과 수직인 수평방향(Y), 그리고 길이방향(Z) 및 수평방향(Y)과 수직인 높이방향(X)으로 설명하기로 한다.

즉, 도 2b는 도 2a의 조명장치(200)를 길이방향(Z)과 높이방향(X)의 면으로 자르고, 수평방향(Y)으로 바라본 단면도이다.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 조명장치(200)는 몸체(210), 몸체(210)와 체결되는 커버(230) 및 몸체(210)의 양단에 위치하는 마감캡(250)을 포함할 수 있다.

몸체(210)의 하부면에는 발광소자 모듈(240)이 체결되며, 몸체(210)는 발광소자 패키지(244)에서 발생된 열이 몸체(210)의 상부면을 통해 외부로 방출할 수 있도록 전도성 및 열발산 효과가 우수한 금속재질로 형성될 수 있다.

발광소자 패키지는(244)는 PCB(242) 상에 다색, 다열로 실장되어 어레이를 이룰 수 있으며, 동일한 간격으로 실장되거나 또는 필요에 따라 다양한 이격 거리를 가지고 실장될 수 있어 밝기 등을 조절할 수 있다. 이러한 PCB(242)로는 MCPCB(Metal Core PCB) 또는 FR4 재질의 PCB 등을 사용할 수 있다.

특히, 발광소자 패키지(244)는 1, 2 족 원소를 포함한 반사 전극층(미도시)를 포함하며, 발광효율이 개선될 수 있고, 따라서 발광소자 모듈(240)의 발광 효율이 개선될 수 있다.

커버(230)는 몸체(210)의 하부면을 감싸도록 원형의 형태로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않음은 물론이다.

커버(230)는 내부의 발광소자 모듈(240)을 외부의 이물질 등으로부터 보호한다. 또한, 커버(230)는 발광소자 패키지(244)에서 발생한 광의 눈부심을 방지하고, 외부로 광을 균일하게 방출할 수 있도록 확산입자를 포함할 수 있으며, 또한 커버(230)의 내면 및 외면 중 적어도 어느 한 면에는 프리즘 패턴 등이 형성될 수 있다. 또한 커버(230)의 내면 및 외면 중 적어도 어느 한 면에는 형광체가 도포될 수도 있다.

한편, 발광소자 패키지(244)에서 발생한 광은 커버(230)를 통해 외부로 방출되므로 커버(230)는 광 투과율이 우수하여야하며, 발광소자 패키지(244)에서 발생한 열에 견딜 수 있도록 충분한 내열성을 구비하고 있어야 하는바, 커버(230)는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylen Terephthalate; PET), 폴리카보네이트(Polycarbonate; PC) 또는 폴리메틸 메타크릴레이트(Polymethyl Methacrylate; PMMA) 등을 포함하는 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

마감캡(250)은 몸체(210)의 양단에 위치하며 전원장치(미도시)를 밀폐하는 용도로 사용될 수 있다. 또한 마감캡(250)에는 전원핀(252)이 형성되어 있어, 실시예에 따른 조명장치(200)는 기존의 형광등을 제거한 단자에 별도의 장치 없이 곧바로 사용할 수 있게 된다.

도 3은 실시예에 따른 광학시트를 포함하는 액정 표시 장치의 분해 사시도이다.

도 3은 에지-라이트 방식으로, 액정 표시 장치(300)는 액정 표시 패널(310)과 액정 표시 패널(310)로 빛을 제공하기 위한 백라이트 유닛(370)을 포함할 수 있다.

액정 표시 패널(310)은 백라이트 유닛(370)으로부터 제공되는 광을 이용하여 화상을 표시할 수 있다. 액정 표시 패널(310)은 액정을 사이에 두고 서로 대향하는 컬러 필터 기판(312) 및 박막 트랜지스터 기판(314)을 포함할 수 있다.

컬러 필터 기판(312)은 액정 표시 패널(310)을 통해 디스플레이되는 화상의 색을 구현할 수 있다.

박막 트랜지스터 기판(314)은 구동 필름(317)을 통해 다수의 회로부품이 실장되는 인쇄회로 기판(318)과 전기적으로 접속되어 있다. 박막 트랜지스터 기판(314)은 인쇄회로 기판(318)으로부터 제공되는 구동 신호에 응답하여 인쇄회로 기판(318)으로부터 제공되는 구동 전압을 액정에 인가할 수 있다.

박막 트랜지스터 기판(314)은 유리나 플라스틱 등과 같은 투명한 재질의 다른 기판상에 박막으로 형성된 박막 트랜지스터 및 화소 전극을 포함할 수 있다.

백라이트 유닛(370)은 빛을 출력하는 발광소자 모듈(320), 발광소자 모듈(320)로부터 제공되는 빛을 면광원 형태로 변경시켜 액정 표시 패널(310)로 제공하는 도광판(330), 도광판(330)으로부터 제공된 빛의 휘도 분포를 균일하게 하고 수직 입사성을 향상시키는 다수의 필름(350, 366, 364) 및 도광판(330)의 후방으로 방출되는 빛을 도광판(330)으로 반사시키는 반사 시트(340)로 구성된다.

발광소자 모듈(320)은 복수의 발광소자 패키지(324)와 복수의 발광소자 패키지(324)가 실장되어 어레이를 이룰 수 있도록 PCB기판(322)을 포함할 수 있다.

특히, 발광소자 패키지(324)는 1, 2 족 원소를 포함한 반사 전극층(미도시)를 포함하며, 발광효율이 개선될 수 있고, 따라서 백라이트 유닛(370)의 발광 효율이 개선될 수 있다.

한편, 백라이트 유닛(370)은 도광판(330)으로부터 입사되는 빛을 액정 표시 패널(310) 방향으로 확산시키는 확산필름(366)과, 확산된 빛을 집광하여 수직 입사성을 향상시키는 프리즘 필름(350)으로 구성될 수 있으며, 프리즘 필름(350)를 보호하기 위한 보호 필름(364)을 포함할 수 있다.

도 4는 실시예에 따른 광학시트를 포함하는 액정 표시 장치의 분해 사시도이다. 다만, 도 3에서 도시하고 설명한 부분에 대해서는 반복하여 상세히 설명하지 않는다.

도 4는 직하 방식으로, 액정 표시 장치(400)는 액정 표시 패널(410)과 액정표시패널(410)로 빛을 제공하기 위한 백라이트 유닛(470)을 포함할 수 있다.

액정 표시 패널(410)은 도 3에서 설명한 바와 동일하므로, 상세한 설명은 생략한다.

백라이트 유닛(470)은 복수의 발광소자 모듈(423), 반사시트(424), 발광소자 모듈(423)과 반사시트(424)가 수납되는 하부 섀시(430), 발광소자 모듈(423)의 상부에 배치되는 확산판(440) 및 다수의 광학필름(460)을 포함할 수 있다.

발광소자 모듈(423) 복수의 발광소자 패키지(422)와 복수의 발광소자 패키지(422)가 실장되어 어레이를 이룰 수 있도록 PCB기판(421)을 포함할 수 있다.

특히, 발광소자 패키지(422)는 1, 2 족 원소를 포함한 반사 전극층(미도시)를 포함하며, 발광효율이 개선될 수 있고, 따라서 백라이트 유닛(470)의 발광 효율이 개선될 수 있다.

반사 시트(424)는 발광소자 패키지(422)에서 발생한 빛을 액정 표시 패널(410)이 위치한 방향으로 반사시켜 빛의 이용 효율을 향상시킨다.

한편, 발광소자 모듈(423)에서 발생한 빛은 확산판(440)에 입사하며, 확산판(440)의 상부에는 광학 필름(460)이 배치된다. 광학 필름(460)은 확산 필름(466), 프리즘 필름(450) 및 보호 필름(464)를 포함하여 구성된다.

이상에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

10 : 제2 반도체층 20 : 활성층
30 : 제1 반도체층 40 : 반사 전극층
100 : 발광소자

Claims

제1 반도체층과 제2 반도체층 및 상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층 사이에 형성된 활성층을 포함한 발광구조물; 및
상기 제1 반도체층 하부에 위치하며 상기 제1 반도체층과 전기적으로 연결되고 상기 활성층으로부터 방출된 광을 반사하는 반사 전극층;을 포함하며,
상기 반사 전극층은 반사 전극 물질 및 반사 전극 물질의 열처리 과정에서의 응집 현상을 방지하기 위해서 응집 억제 물질을 포함하며,
상기 응집 억제 물질은,
Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra 중 하나 이상의 물질을 포함하는 발광소자.
제1항에 있어서,
상기 제1 반도체층은 상기 활성층에 정공을 주입하는 P 형 반도체층인 발광소자.
제 1 항에 있어서,
상기 반사 전극 물질은,
Ag, Al, Rh, Sn 중 하나 이상의 물질을 포함하는 발광소자.
제 1 항에 있어서,
상기 응집 억제 물질은 상기 반사 전극층의 20 wt% 내지 0.1 wt% 인 발광소자.
제 1 항에 있어서,
상기 응집 억제 물질은 상기 반사 전극층의 1 wt% 내지 0.1 wt% 인 발광소자.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 발광소자를 포함하는 조명장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 발광소자를 포함하는 백라이트 유닛.