KR20130058234A - 발광소자 및 이를 포함하는 발광소자 패키지 - Google Patents

발광소자 및 이를 포함하는 발광소자 패키지 Download PDF

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KR20130058234A
KR20130058234A KR1020110124135A KR20110124135A KR20130058234A KR 20130058234 A KR20130058234 A KR 20130058234A KR 1020110124135 A KR1020110124135 A KR 1020110124135A KR 20110124135 A KR20110124135 A KR 20110124135A KR 20130058234 A KR20130058234 A KR 20130058234A
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Abstract

실시예는 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치된 활성층; 및 상기 활성층 상에 배치된 전자 차단층과 상기 제2 도전형 반도체층을 포함하고, 상기 전자 차단층과 상기 제2 도전형 반도체층의 경계면에 복수 개의 리세스(recess)가 형성된 발광소자를 제공한다.

Description

발광소자 및 이를 포함하는 발광소자 패키지{Light emitting device amd light emitting device package including the same}
실시예는 발광소자 및 이를 포함하는 발광소자 패키지를 제공한다.
반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Ligit Emitting Diode)나 레이저 다이오드와 같은 발광소자는 박막 성장 기술 및 소자 재료의 개발로 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광 물질을 이용하거나 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색 광선도 구현이 가능하며, 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경친화성의 장점을 가진다.
따라서, 광 통신 수단의 송신 모듈, LCD(Liquid Crystal Display) 표시 장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 발광 다이오드 백라이트, 형광등이나 백열 전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드 조명 장치, 자동차 헤드 라이트 및 신호등에까지 응용이 확대되고 있다.
발광소자는 제1 도전형 반도체층을 통해서 주입되는 전자와 제2 도전형 반도체층을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 활성층(발광층)을 이루는 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출한다. 발광소자 패키지에는 발광소자에서 방출된 빛에 의하여 형광체가 여기되어 활성층에서 방출된 빛보다 장파장 영역의 빛을 방출할 수 있다.
전자는 정공에 비하여 이동성(mobility)이 우수하여 제1 도전형 반도체층으로부터 활성층에 주입된 전자가 제2 도전형 반도체층으로 이동할 수 있으므로, 활성층과 제2 도전형 반도체층 사이에 전자 차단층(Electron Blocking Layer)를 형성할 수 있다. 이때, 전자 차단층에 의하여 제2 도전형 반도체층으로부터 활성층 방향으로 진행하는 정공의 이동을 방해할 수 있는 문제점이 있다.
실시예는 발광소자 내에서 제2 도전형 반도체층으로부터 활성층 방향으로 전자의 이동성을 증가시켜서, 발광소자의 광효율을 향상시키고자 한다.
실시예는 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치된 활성층; 및 상기 활성층 상에 배치된 전자 차단층과 상기 제2 도전형 반도체층을 포함하고, 상기 전자 차단층과 상기 제2 도전형 반도체층의 경계면에 복수 개의 리세스(recess)가 형성된 발광소자를 제공한다.
리세스는 상기 전자 차단층의 표면에 홈이 형성될 수 있다.
전자 차단층의 표면의 홈에 상기 제2 도전형 반도체층이 삽입되어 배치될 수있다.
리세스는 V-피트(pit) 형상, 원뿔 형상, 다각형뿔 형상 및 피라미드 형상 중 적어도 하나의 형상을 가질 수 있다.
전자 차단층은 40 내지 60 나노미터의 두께를 가질 수 있다.
리세스의 높이는 10 내지 15 나노미터일 수 있고, 리세스의 크기는 10 내지 15 나노미터일 수 있다.
리세스는 상기 전자 차단층의 결정 성장 속도를 조절하여 형성될 수 있다.
전자 차단층은 AlGaN을 포함할 수 있다.
다른 실시예는 제1 리드 프레임과 제2 리드 프레임; 상기 제1 리드 프레임과 제2 리드 프레임에 각각 전기적으로 연결된 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항의 발광소자; 및 상기 발광소자에서 방출된 제1 파장 영역의 빛에 의하여 여기되어 제2 파장 영역의 빛을 방출하는 형광체를 포함하는 발광소자 패키지를 제공한다.
실시예에 따르면, 발광소자의 내에서 전자 차단층에 형성된 리세스가 제2 도전형 반도체층으로부터 활성층 방향으로 정공의 이동성을 증가시켜서, 활성층 내에서 전자와 정공의 결합이 증가하고 휘도가 향상된다.
도 1은 발광소자의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 2는 도 1의 'A'를 확대한 도면이고,
도 3 내지 도 6은 발광소자의 제조방법의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 7은 발광소자의 다른 실시예를 나타낸 도면이고,
도 8 내지 도 13은 발광소자의 제조방법의 다른 실시예를 나타낸 도면이고,
도 14는 발광소자를 포함하는 발광소자 패키지의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 15는 발광소자 패키지를 포함하는 헤드 램프의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 16은 발광소자 패키지를 포함하는 영상 표시장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)(on or under)”으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향 뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 발광소자의 일실시예를 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 'A'를 확대한 도면이다.
도 1의 발광소자(100)는 기판(110)과, 버퍼층(120)과, 발광 구조물과 전자 차단층(150)과 제1 전극(180) 및 제2 전극(185)를 포함하여 이루어진다.
기판(110)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질, 캐리어 웨이퍼로 형성될 수있다. 열 전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있으며, 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함할 수 있다. 예컨대 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP, Ge 및 Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
버퍼층(120)은, 기판(110)과 발광 구조물 사이의 재료의 격자 부정합 및 열 팽창 계수의 차이를 완화하기 위한 것이다. 상기 버퍼층(120)의 재료는 3족-5족 화합물 반도체 예컨대, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 상기 버퍼층(120) 위에는 언도프드(undoped) 반도체층이 형성될 수도 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
발광 구조물은 제1 도전형 반도체층(132)과 활성층(134) 및 제2 도전형 반도체층(136)를 포함하여 이루어진다. 제1 도전형 반도체층(132)의 일부 영역이 메사 식각되어 있는데, 사파이어 기판과 같이 절연성 기판의 하부에 전극을 형성할 수 없기 때문에, 상술한 식각된 영역에 제1 전극(180)을 배치할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(132)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(132)이 n형 반도체층인 경우, 상기 제1도전형 도펀트는 n형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se, Te를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
제1 도전형 반도체층(132)은 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(132)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN,AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
활성층(134)은 제1 도전형 반도체층(132)을 통해서 주입되는 전자와 이후 형성되는 제2 도전형 반도체층(136)을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 활성층(134)을 이루는 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다.
활성층(134)은 이중 접합 구조(Double Hetero Junction Structure), 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 구조(MQW: Multi Quantum Well), 양자 선(Quantum-Wire) 구조, 또는 양자 점(Quantum Dot) 구조 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 활성층(120)은 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 트리메틸 인듐 가스(TMIn)가 주입되어 다중 양자우물구조가 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
활성층(134)의 우물층/장벽층은 예를 들어 InGaN/GaN, InGaN/InGaN, GaN/AlGaN, InAlGaN/GaN, InAlGaN/InAlGaN, GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 상기 우물층은 상기 장벽층의 밴드 갭보다 낮은 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
활성층(134)의 위 또는/및 아래에는 도전형 클래드층(미도시)이 형성될 수 있다. 도전형 클래드층은 활성층(134)의 장벽층이나 밴드갭보다 더 넓은 밴드갭을 가지는 반도체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도전형 클래드층은 GaN, AlGaN, InAlGaN 또는 초격자 구조 등을 포함할 수 있다. 또한, 도전형 클래드층은 n형 또는 p형으로 도핑될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(136)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 예컨대, InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 제2 도전형 반도체층(134)이 p형 반도체층인 경우, 상기 제2도전형 도펀트는 p형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 수 있다.
활성층(134)과 제2 도전형 반도체층(136)의 사이에는 전자 차단층(150)이 배치되어, 활성층(134)으로부터 제2 도전형 반도체층(136) 방향으로 전자가 이동하는 것을 방지할 수 있다.
전자 차단층(150)은 질소를 포함하는 반도체로 형성될 수 있으며, AlGaN을 포함하여 이루어질 수 있다.
그리고, 제2 도전형 반도체층(136)의 표면에는 패턴 내지 요철이 형성되어, 발광소자(100)의 광추출 효율을 높일 수 있다. 제1,2 전극(180, 185)는 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
전자 차단층(150)과 제2 도전형 반도체층(136)의 경계면에는 복수 개의 리세스(recess, P)가 형성되어 있다. 리세스(P)는 전자 차단층(150)의 표면에 홈이 형성되어 이루어질 수 있고, 상기 홈에 제2 도전형 반도체층(136)이 삽입되어 형성될 수 있다.
도 1 및 도 2에서 리세스(P)가 V-피트(pit) 형상으로 도시되어 있으나, 입체적으로는 원뿔 형상, 다각형뿔 형상 및 피라미드 형상 등으로 배치될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이 제2 도전형 반도체층(136)과 접촉하는 전자 차단층(150)의 표면에 리세스(P)가 형성되면, 리세스(P)를 통하여 정공(H)이 전자 차단층(150)을 통하여 활성층(134)으로 진행하는 횟수가 증가할 수 있다. 즉, 리세스(P) 내로 진입한 정공(H)은 활성층(134)까지의 사이에 배치된 전자 차단층(150)의 두께가 얇으므로 이동이 용이할 수 있다.
전자 차단층(150) 전체의 두께(t)는 40 내지 60 나노미터일 수 있는데, 두께(t)가 너무 얇으면 활성층(134)으로부터 진입하는 전자의 차단이 어렵고, 두께(t)가 너무 두꺼우면 제2 도전형 반도체층(136)으로부터 진입하는 정공의 이동에 장애가 될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(136)은 약 40 나노미터의 두께로 형성될 수 있다.
리세스(P)는 전자 차단층의 결정 성장 속도를 조절하여 형성될 수 있는데, 높이(h)가 10 내지 15 나노미터이고, 크기(w)가 10 내지 15 나노미터일 수 있다. 리세스(P)의 높이(h)가 너무 크면 전자 차단층(150)의 두께가 일부 영역에서 너무 얇아질 수 있고, 높이(h)가 너무 작으면 리세스(P)의 형성에 의한 정공(H)의 이동성 향상에 충분하지 않을 수 있다.
리세스(P)의 크기는 리세스(P)의 단면이 원형이면 지름을 뜻하고 다각형이면 한 변의 길이를 뜻하는데, 리세스(P)의 크기가 너무 작으면 정공(H)의 주입에 충분하지 않을 수 있고 리세스(P)의 크기가 너무 크면 전자 차단층(150) 자체의 두께가 얇아지는 것과 같아서 활성층(134)으로부터 전자가 주입될 수 있다.
도 3 내지 도 6은 발광소자의 제조방법의 일실시예를 나타낸 도면이다.
먼저, 도 3에 도시된 바와 같이, 기판(110) 상에 버퍼층(120) 및 제1 도전형 반도체층(132) 및 활성층(134)을 성장시킨다.
제1 도전형 반도체층(132)과 활성층(134) 및 후술하는 제2 도전형 반도체층(136)을 포함하는 발광 구조물(130)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.
기판(110)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질, 캐리어 웨이퍼로 형성될 수 있다. 기판(110)은 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함하며, 예컨대 사파이어(Al2O3), SiC, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP, Ge, and Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 기판(110) 위에는 요철 구조가 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 기판(110)에 대해 습식세척을 하여 표면의 불순물을 제거할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(132)과 기판(110) 사이에는 버퍼층(120)을 성장시킬 수 있는데, 재료의 격자 부정합 및 열 팽창 계수의 차이를 완화하기 위한 것이다. 버퍼층(120)의 재료는 도 1에서 설명한 바와 같다.
제1 도전형 반도체층(132)의 조성은 상술한 바와 동일하며, 화학증착방법(CVD) 혹은 분자선 에피택시 (MBE) 혹은 스퍼터링 혹은 수산화물 증기상 에피택시(HVPE) 등의 방법을 사용하여 N형 GaN층을 형성할 수 있다. 또한, 제1 도전형 반도체층(132)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 실리콘(Si)와 같은 n 형 불순물을 포함하는 실란 가스(SiH4)가 주입되어 형성될 수 있다.
활성층(134)의 조성은 상술한 바와 동일하며, 예를 들어 상기 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 트리메틸 인듐 가스(TMIn)가 주입되어 다중 양자우물구조가 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
그리고, 도 4에 도시된 바와 같이 활성층(134) 상에 전자 차단층(150)을 성장시킨다. 전자 차단층(150)은 상술한 AlGaN으로 이루어질 수 있으며, 화학증착방법(CVD) 혹은 분자선 에피택시 (MBE) 혹은 스퍼터링 혹은 수산화물 증기상 에피택시(HVPE) 등의 방법으로 성장될 수 있다.
발광 구조물의 성장이 950℃ 내지 1050℃의 온도에서 이루어질 수 있는데, 상술한 리세스(P)를 형성하기 위하여 전자 차단층(150)의 성장 온도를 상술한 온도 보다 100℃ 내지 150℃ 낮게 설정할 수 있다.
전자 차단층(150)의 성장 온도를 낮게 진행하여 전자 차단층(150)의 성장이 충분하지 않아 표면에 리세스(P)가 형성될 수 있으며, 상술한 리세스(P)의 형성은 전자 차단층(150)의 성장 속도를 발광 구조물의 통상적인 성장보다 느리게 진행하여서도 이룰 수 있다.
그리고, 도 5에 도시된 바와 같이 전자 차단층(15)의 표면에 제2 도전형 반도체층(136)을 성장시킨다. 제2 도전형 반도체층(136)의 조성은 상술한 바와 동일하며, 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 마그네슘(Mg)과 같은 p 형 불순물을 포함하는 비세틸 사이클로 펜타디에닐 마그네슘(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2}가 주입되어 p형 GaN층이 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
그리고, 도 6에 도시된 바와 같이 제2 도전형 반도체층(136)으로부터 전자 차단층(150)과 활성층(134), 그리고 제1 도전형 반도체층(132)의 일부까지 메사식각하여 전극이 형성될 공간을 확보한다.
도 6에 도시된 구조에 제1,2 전극을 형성하면 도 1에 도시된 수평형 발광소자가 완성된다.
도 7은 발광소자의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 발광소자(200)는 도전성 지지기판(metal support, 275) 상에 접합층(270)과 반사층(265)과 오믹층(260)과 발광 구조물(230)과 전자 차단층(250)을 포함하여 이루어진다.
도전성 지지기판(275)은 제2 전극의 역할을 할 수 있으므로 전기 전도도가 우수한 금속을 사용할 수 있고, 발광 소자 작동시 발생하는 열을 충분히 발산시킬 수 있어야 하므로 열전도도가 높은 금속을 사용할 수 있다.
도전성 지지기판(275)은 금속 또는 반도체 물질로 형성될 수 있다. 또한 전기전도성과 열 전도성이 높은 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 몰리브덴(Mo), 실리콘(Si), 텅스텐(W), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al)로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있으며, 또한, 금(Au), 구리합금(Cu Alloy), 니켈(Ni), 구리-텅스텐(Cu-W), 캐리어 웨이퍼(예: GaN, Si, Ge, GaAs, ZnO, SiGe, SiC, SiGe, Ga2O3 등) 등을 선택적으로 포함할 수 있다.
또한, 상기 도전성 지지기판(275)은 전체 질화물 반도체에 휨을 가져오지 않으면서, 스크라이빙(scribing) 공정 및 브레이킹(breaking) 공정을 통하여 별개의 칩으로 잘 분리시키기 위한 정도의 기계적 강도를 가질 수 있다.
접합층(270)은 반사층(265)과 도전성 지지기판(275)을 결합하며, 반사층(265)이 결합층(adhesion layer)의 기능을 수행할 수도 있다. 접합층은(270) 금(Au), 주석(Sn), 인듐(In), 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 은(Ag), 니켈(Ni) 및 구리(Cu)로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들의 합금으로 형성할 수 있다.
반사층(265)은 약 2500 옹스르통의 두께일 수 있다. 반사층(265)은 알루미늄(Al), 은(Ag), 니켈(Ni), 백금(Pt), 로듐(Rh), 혹은 Al이나 Ag이나 Pt나 Rh를 포함하는 합금을 포함하는 금속층으로 이루어질 수 있다. 알루미늄이나 은 등은 활성층(234)에서 발생된 빛을 효과적으로 반사하여 발광소자의 광추출 효율을 크게 개선할 수 있다.
발광 구조물(230), 특히 상기 제2 도전형 반도체층(2336)은 불순물 도핑 농도가 낮아 접촉 저항이 높으며 그로 인해 오믹 특성이 좋지 못할 수 있으므로, 이러한 오믹 특성을 개선하기 위해 오믹층(260)으로 투명 전극 등을 형성할 수 있다.
오믹층(260)은 약 200 옹스트롱의 두께일 수 있다. 오믹층(260)은 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), IZON(IZO Nitride), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), ZnO, IrOx, RuOx, NiO, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, 및 Ni/IrOx/Au/ITO, Ag, Ni, Cr, Ti, Al, Rh, Pd, Ir, Sn, In, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 이러한 재료에 한정되는 않는다.
발광 구조물(230)과 전자 차단층(250)의 구성은 도 1 등에서 설명한 것과 같다. 다만, 본 실시예에서는 제1 도전형 반도체층(232)의 표면에 요철이 형성되어 광추출 효율을 향상시킬 수 있다. 그리고, 전자 차단층(250)이 활성층(234)과 제2 도전형 반도체층(236)의 사이에 형성되며, 전자 차단층(250)과 제2 도전형 반도체층(236)과의 경계면에서 리세스(P)가 형성되어 활성층(234)과 제2 도전형 반도체층(236)과의 거리를 줄이고 있으므로, 리세스(P)의 형상이 도 1에 도시된 것과 상하가 역전되어 있다.
제1 도전형 반도체층(232)의 상부에는 제1 전극(280)이 배치되고 있고, 발광 구조물(230)의 측면에는 패시베이션층(passivation layer, 290)이 형성될 수 있다. 패시베이션층(290)은 절연물질로 이루어질 수 있으며, 상기 절연물질은 비전도성인 산화물이나 질화물로 이루어질 수 있으며, 일 예로서 실리콘 산화물(SiO2)층, 산화 질화물층, 산화 알루미늄층으로 이루어질 수 있다.
본 실시예에 따른 발광소자(200)는 전자 차단층(250)에 형성된 리세스(P)가 제2 도전형 반도체층(236)으로부터 활성층(234) 방향으로 정공의 이동성을 증가시켜서, 활성층(234) 내에서 전자와 정공의 결합을 증가시켜서 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
도 8 내지 도 13은 발광소자의 제조방법의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 기판(210) 상에 버퍼층(220) 및 제1 도전형 반도체층(232) 및 활성층(234)을 성장시키며, 구체적인 방법은 도 3에서 설명한 바와 같다.
그리고, 도 9에 도시된 바와 같이 활성층(234) 상에 전자 차단층(250)을 성장시키며, 구체적인 방법은 도 4에서 설명한 바와 같다.
그리고, 도 10에 도시된 바와 같이 전자 차단층(250)의 표면에 제2 도전형 반도체층(236)을 성장시키는데, 구체적인 방법은 도 5에서 설명한 바와 같다.
그리고, 도 11에 도시된 바와 같이 상기 제2 도전형 반도체층(236) 위에 오믹층(260)과 반사층(265)과 접합층(270) 및 도전성 지지기판(275)을 형성한다. 오믹층(260)과 반사층(265)의 조성은 상술한 바와 같으며, 스퍼터링법이나 전자빔 증착법에 의하여 형성될 수 있다. 도전성 지지기판(275)을 형성하는 방법은 전기화학적인 금속증착방법이나 유테틱(Eutetic) 메탈을 이용한 본딩 방법 등을 사용하거나, 별도의 접합층(270)을 형성할 수 있다.
그리고, 도 12에 도시된 바와 같이 상기 기판(210)을 분리한다. 상기 기판(210)의 제거는 엑시머 레이저 등을 이용한 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off: LLO)의 방법으로 할 수도 있으며, 건식 및 습식 식각의 방법으로 할 수도 있다.
레이저 리프트 오프법을 예로 들면, 상기 기판(210) 방향으로 일정 영역의 파장을 가지는 엑시머 레이저 광을 포커싱(focusing)하여 조사하면, 상기 기판(210)과 발광 구조물의 경계면에 열 에너지가 집중되어 경계면이 갈륨과 질소 분자로 분리되면서 레이저 광이 지나가는 부분에서 순간적으로 기판(210)의 분리가 일어나며, 버퍼층(220)도 함께 분리될 수 있다.
그리고, 도 13에 도시된 바와 같이 각각의 발광 구조물(230)을 소자 단위로 다이싱(dicing)한다. 이후에 각각의 발광 구조물(230)의 측면에 패시베이션층을 형성하고, 제1 도전형 반도체층(232) 상에 전극을 배치하면 도 7에 도시된 발광소자(200)가 형성된다.
도 14는 발광소자를 포함하는 발광소자 패키지의 일실시예를 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 발광소자 패키지(300)는 패키지 몸체(310)와, 상기 패키지 몸체(310)에 설치된 제1 리드 프레임(321) 및 제2 리드 프레임(322)과, 상기 패키지 몸체(310)에 설치되어 상기 제1 리드 프레임(321) 및 제2 리드 프레임(322)과 전기적으로 연결되는 상술한 발광소자(100)와, 상기 발광소자(100)의 표면 또는 측면을 덮는 몰딩부(350)를 포함한다.
상기 패키지 몸체(310)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 발광소자(100)의 주위에 경사면이 형성되어 광추출 효율을 높일 수 있다.
상기 제1 리드 프레임(321) 및 제2 리드 프레임(322)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광소자(100)에 전원을 제공한다. 또한, 상기 제1 리드 프레임(321) 및 제2 리드 프레임(322)은 상기 발광소자(100)에서 발생된 광을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있으며, 상기 발광소자(100)에서 발생된 열을 외부로 배출시키는 역할을 할 수도 있다.
상기 발광소자(100)는 수평형 발광소자나 수직형 발광소자일 수 있으며, 상기 패키지 몸체(310) 상에 배치되거나 상기 제1 리드 프레임(321) 또는 제2 리드 프레임(322) 상에 배치될 수 있다. 상기 발광소자(100)는 상기 제1 리드 프레임(321) 및 제2 리드 프레임(322)과 와이어 방식, 플립칩 방식 또는 다이 본딩 방식 중 어느 하나에 의해 전기적으로 연결될 수도 있다. 본 실시예에서 발광소자(100)는 제1 리드 프레임(321)과 도전성 접착층(330)으로 연결되고 제2 리드 프레임(322)과 와이어(340) 본딩되고 있다.
몰딩부(350)는 상기 발광소자(100)를 둘러싸며 보호할 수 있다. 또한, 몰딩부(350)에는 형광체(360)가 포함되어 상기 발광소자(100)에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있다.
실시예에 따른 발광소자 패키지(300)는 내부에 배치된 발광소자(100) 내에서 전자 차단층에 형성된 리세스가 제2 도전형 반도체층으로부터 활성층 방향으로 정공의 이동성을 증가시켜서, 활성층 내에서 전자와 정공의 결합이 증가하고 발광 효율을 향상된다.
발광소자 패키지(300)는 상술한 실시예들에 따른 발광소자 중 하나 또는 복수 개로 탑재할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
실시 예에 따른 발광소자 패키지는 복수 개가 기판 상에 어레이되며, 상기 발광소자 패키지의 광 경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트 등이 배치될 수 있다. 이러한 발광소자 패키지, 기판, 광학 부재는 라이트 유닛으로 기능할 수 있다. 또 다른 실시 예는 상술한 실시 예들에 기재된 반도체 발광소자 또는 발광소자 패키지를 포함하는 표시 장치, 지시 장치, 조명 시스템으로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 조명 시스템은 램프, 가로등을 포함할 수 있다. 이하에서는 상술한 발광소자 패키지가 배치된 조명 시스템의 일실시예로서, 헤드 램프와 백라이트 유닛을 설명한다.
도 15는 발광소자 패키지를 포함하는 헤드 램프의 일실시예를 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 헤드 램프(400)는 발광소자 패키지가 배치된 발광소자 모듈(401)에서 방출된 빛이 리플렉터(402)와 쉐이드(403)에서 반사된 후 렌즈(404)를 투과하여 차체 전방을 향할 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 발광소자 모듈(401)에 사용되는 발광소자의 내에서 전자 차단층에 형성된 리세스가 제2 도전형 반도체층으로부터 활성층 방향으로 정공의 이동성을 증가시켜서, 활성층 내에서 전자와 정공의 결합이 증가하고 휘도가 향상된다.
도 16은 발광소자 패키지를 포함하는 영상 표시장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 영상표시장치(500)는 광원 모듈과, 바텀 커버(510) 상의 반사판(520)과, 상기 반사판(520)의 전방에 배치되며 상기 광원모듈에서 방출되는 빛을 영상표시장치 전방으로 가이드하는 도광판(540)과, 상기 도광판(540)의 전방에 배치되는 제1 프리즘시트(550)와 제2 프리즘시트(560)와, 상기 제2 프리즘시트(560)의 전방에 배치되는 패널(570)과 상기 패널(570)의 전방에 배치되는 컬러필터(580)를 포함하여 이루어진다.
광원 모듈은 회로 기판(530) 상의 발광소자 패키지(535)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 회로 기판(530)은 PCB 등이 사용될 수 있고, 발광소자 패키지(535)는 도 1에서 설명한 바와 같다.
바텀 커버(510)는 영상표시장치(500) 내의 구성 요소들을 수납할 수 있다. 반사판(520)은 본 도면처럼 별도의 구성요소로 마련될 수도 있고, 도광판(540)의 후면이나, 상기 바텀 커버(510)의 전면에 반사도가 높은 물질로 코팅되는 형태로 마련되는 것도 가능하다.
반사판(520)은 반사율이 높고 초박형으로 사용 가능한 소재를 사용할 수 있고, 예를 들어 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PolyEthylene Terephtalate; PET)를 사용할 수 있다.
도광판(540)은 발광소자 패키지 모듈에서 방출되는 빛을 산란시켜 그 빛이 액정 표시 장치의 화면 전영역에 걸쳐 균일하게 분포되도록 한다. 따라서, 도광판(540)은 굴절률과 투과율이 좋은 재료로 이루어지는데, 예를 들어 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate; PMMA), 폴리카보네이트(PolyCarbonate; PC), 또는 폴리에틸렌(PolyEthylene; PE) 등으로 형성될 수 있다. 또한, 도광판(540)이 생략되면 에어 가이드 방식의 표시장치가 구현될 수 있다.
상기 제1 프리즘 시트(550)는 지지필름의 일면에, 투광성이면서 탄성을 갖는 중합체 재료로 형성되는데, 상기 중합체는 복수 개의 입체구조가 반복적으로 형성된 프리즘층을 가질 수 있다. 여기서, 상기 복수 개의 패턴은 도시된 바와 같이 마루와 골이 반복적으로 스트라이프 타입으로 구비될 수 있다.
상기 제2 프리즘 시트(560)에서 지지필름 일면의 마루와 골의 방향은, 상기 제1 프리즘 시트(550) 내의 지지필름 일면의 마루와 골의 방향과 수직할 수 있다. 이는 광원 모듈과 반사시트로부터 전달된 빛을 상기 패널(570)의 전방향으로 고르게 분산하기 위함이다.
본 실시예에서 상기 제1 프리즘시트(550)과 제2 프리즘시트(560)가 광학시트를 이루는데, 상기 광학시트는 다른 조합 예를 들어, 마이크로 렌즈 어레이로 이루어지거나 확산시트와 마이크로 렌즈 어레이의 조합 또는 하나의 프리즘 시트와 마이크로 렌즈 어레이의 조합 등으로 이루어질 수 있다.
상기 패널(570)은 액정 표시 패널(Liquid crystal display)가 배치될 수 있는데, 액정 표시 패널 외에 광원을 필요로 하는 다른 종류의 디스플레이 장치가 구비될 수 있다.
상기 패널(570)은, 유리 바디 사이에 액정이 위치하고 빛의 편광성을 이용하기 위해 편광판을 양 유리바디에 올린 상태로 되어있다. 여기서, 액정은 액체와 고체의 중간적인 특성을 가지는데, 액체처럼 유동성을 갖는 유기분자인 액정이 결정처럼 규칙적으로 배열된 상태를 갖는 것으로, 상기 분자 배열이 외부 전계에 의해 변화되는 성질을 이용하여 화상을 표시한다.
표시장치에 사용되는 액정 표시 패널은, 액티브 매트릭스(Active Matrix) 방식으로서, 각 화소에 공급되는 전압을 조절하는 스위치로서 트랜지스터를 사용한다.
상기 패널(570)의 전면에는 컬러 필터(580)가 구비되어 상기 패널(570)에서 투사된 빛을, 각각의 화소마다 적색과 녹색 및 청색의 빛만을 투과하므로 화상을 표현할 수 있다.
본 실시예에 따른 영상표시장치에 배치된 발광소자의 내에서 전자 차단층에 형성된 리세스가 제2 도전형 반도체층으로부터 활성층 방향으로 정공의 이동성을 증가시켜서, 활성층 내에서 전자와 정공의 결합이 증가하고 휘도가 향상된다.
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.
100, 200 : 발광소자 120 : 버퍼층
130, 230 : 발광 구조물 132, 232 : 제1 도전형 반도체층
134, 234 : 활성층 136, 236 : 제2 도전형 반도체층
150, 250 : 전자 차단층 P : 리세스
180, 185 : 제1,2 전극 260 : 오믹층
265 : 반사층 270 : 접합층
275 : 도전성 지지기판 300 : 발광소자 패키지
310 : 패키지 몸체 321, 322 : 제1,2 리드 프레임
335 : 도전성 접착층 340 : 와이어
350 : 몰딩부 360 : 형광체
400 : 헤드 램프 410 : 발광소자 모듈
420 : 리플렉터 430 : 쉐이드
440 : 렌즈
800 : 표시장치 810 : 바텀 커버
820 : 반사판 830 : 회로 기판 모듈
840 : 도광판 850, 860 : 제1,2 프리즘 시트
870 : 패널 880 : 컬러필터

Claims (10)

  1. 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치된 활성층; 및
    상기 활성층 상에 배치된 전자 차단층과 상기 제2 도전형 반도체층을 포함하고,
    상기 전자 차단층과 상기 제2 도전형 반도체층의 경계면에 복수 개의 리세스(recess)가 형성된 발광소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 리세스는 상기 전자 차단층의 표면에 홈이 형성된 발광소자.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 전자 차단층의 표면의 홈에 상기 제2 도전형 반도체층이 삽입되어 배치된 발광소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 리세스는 V-피트(pit) 형상, 원뿔 형상, 다각형뿔 형상 및 피라미드 형상 중 적어도 하나의 형상을 갖는 발광소자.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 전자 차단층은 40 내지 60 나노미터의 두께를 가지는 발광소자.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 리세스의 높이는 10 내지 15 나노미터인 발광소자.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 리세스의 크기는 10 내지 15 나노미터인 발광소자.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 리세스는 상기 전자 차단층의 결정 성장 속도를 조절하여 형성되는 발광소자.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 전자 차단층은 AlGaN을 포함하는 발광소자.
  10. 제1 리드 프레임과 제2 리드 프레임;
    상기 제1 리드 프레임과 제2 리드 프레임에 각각 전기적으로 연결된 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항의 발광소자; 및
    상기 발광소자에서 방출된 제1 파장 영역의 빛에 의하여 여기되어 제2 파장 영역의 빛을 방출하는 형광체를 포함하는 발광소자 패키지.
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