KR20130058303A - 발광소자 - Google Patents

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Abstract

적어도 두 개의 발광다이오드가 직렬 연결된 실시예에 따른 발광소자는 상기 발광 다이오드는, 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물과, 상기 제1 도전형 반도체층 상의 제1 전극과, 상기 제2 도전형 반도체층 상의 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 전극은, 둘 이상의 브릿지 전극에 의해, 인접한 발광 다이오드의 제2 전극과 전기적으로 연결된다.

Description

발광소자{LIGHT EMITTING DEVICE}
실시예는 발광소자에 관한 것이다.
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.
고출력 발광 다이오드를 제작하기 위하여 2~4V의 구동 전압을 갖는 일반적인 발광 다이오드를 여러 개 직렬 연결하여 사용하는데, 이때 동일한 발광 다이오드 내에서, 그리고 인접한 발광 다이오드 간에 전류 퍼짐(current spreading)이 원활하지 못해 발광소자에 열적 데미지(damage)가 가해지고 신뢰성이 저하되는 문제점이 존재한다.
실시예는 발광소자의 신뢰성을 향상시키고자 한다.
적어도 두 개의 발광다이오드가 직렬 연결된 실시예에 따른 발광소자는 상기 발광 다이오드는, 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물과, 상기 제1 도전형 반도체층 상의 제1 전극과, 상기 제2 도전형 반도체층 상의 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 전극은, 적어도 두 개의 브릿지 전극에 의해, 인접한 발광 다이오드의 제2 전극과 전기적으로 연결된다.
상기 제1 전극은 제1 주전극 및 상기 제1 주전극으로부터 분기되어 형성된 둘 이상의 제1 분기 전극을 포함할 수 있다.
상기 제2 전극은 제2 주전극 및 상기 제2 주전극으로부터 분기되어 형성된 둘 이상의 제2 분기 전극을 포함할 수 있다.
상기 브릿지 전극은 상기 제1 전극의 제1 주전극과, 인접한 발광 다이오드의 제2 전극의 제2 주전극 사이를 전기적으로 연결할 수 있다.
상기 제1 전극의 적어도 하나의 제1 분기 전극은, 동일한 발광 다이오드의 제2 전극의 인접한 두 개의 제2 분기 전극 사이에 위치할 수 있다.
상기 제2 전극의 적어도 하나의 제2 분기 전극은, 동일한 발광 다이오드의 제1 전극의 인접한 두 개의 제1 분기 전극 사이에 위치할 수 있다.
상기 발광 다이오드는, 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층의 적어도 일부의 측면에 형성된 절연층을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층과 상기 제2 전극 사이에 오믹층을 더 포함할 수 있다.
상기 발광 구조물은 기판 상에 형성되고, 상기 발광 구조물이 인접하여 위치하는 기판의 표면에 광 추출 구조가 형성될 수 있다.
상기 둘 이상의 발광 다이오드 중 발광소자의 제1 단부에 위치한 발광 다이오드의 제2 전극 상에 제2 전극 패드가 형성될 수 있다.
상기 둘 이상의 발광 다이오드 중 발광소자의 상기 제1 단부와 반대되는 제2 단부에 위치한 발광 다이오드의 제1 전극 상에 제1 전극 패드가 형성될 수 있다.
상기 제1 전극의 둘 이상의 제1 분기 전극은 서로 대칭 구조를 가질 수 있다.
상기 제2 전극의 둘 이상의 제2 분기 전극은 서로 대칭 구조를 가질 수 있다.
상기 절연층은, 인접한 두 발광 다이오드 사이, 및 상기 브릿지 전극과 상기 발광 구조물 사이를 전기적으로 차단할 수 있다.
상기 제1 전극의 제1 분기 전극과 상기 제2 전극의 제2 분기 전극은 서로 번갈아 배치될 수 있다.
상기 제1 전극의 제1 분기 전극과 상기 제2 전극의 제2 분기 전극은 적어도 일부가 서로 수평적으로 중첩될 수 있다.
상기 제1 전극의 제1 주전극과 상기 제2 전극의 제2 주전극은 서로 마주보도록 배치될 수 있다.
상기 브릿지 전극은 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 백금(Pt), 바나듐(V), 텅스텐(W), 납(Pd), 구리(Cu), 로듐(Rh) 또는 이리듐(Ir) 중에서 선택된 어느 하나의 금속 또는 상기 금속들의 합금을 포함할 수 있다.
실시예에 의하면 동일한 발광 다이오드 내의 전류 퍼짐뿐만 아니라, 인접한 발광 다이오드 간의 전류 퍼짐이 개선되어 발광소자의 발광 특성과 신뢰성이 향상될 수 있다.
도 1은 실시예에 따라 직렬 연결된 둘 이상의 발광 다이오드를 포함하는 발광소자의 평면도이고,
도 2는 도 1에 도시된 발광 다이오드들의 등가 회로도이며,
도 3은 도 1에서 AA' 방향으로 절단한 발광소자의 단면도이고,
도 4는 도 1에서 BB' 방향으로 절단한 발광소자의 단면도이고,
도 5는 인접한 두 발광 다이오드를 연결하는 브릿지 전극의 개수가 한 개일 때와 여섯 개일 때의 발광 빛의 세기를 비교하여 나타낸 발광소자의 이미지 프로파일이고,
도 6은 발광소자의 길이 방향에 따른 발광 빛의 세기를 비교하여 나타낸 그래프이고,
도 7은 실시예에 따른 발광소자를 포함한 발광소자 패키지의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 8은 실시예에 따른 발광소자가 배치된 헤드램프의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 9는 실시예에 따른 발광소자 패키지가 배치된 표시장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 실시예의 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 방향뿐만 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.
도 1은 실시예에 따라 직렬 연결된 둘 이상의 발광 다이오드를 포함하는 발광소자의 평면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 발광 다이오드들의 등가 회로도이며, 도 3은 도 1에서 AA' 방향으로 절단한 발광소자의 단면도이고, 도 4는 도 1에서 BB' 방향으로 절단한 발광소자의 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 실시예에 따른 발광소자(100)는 직렬 연결된 둘 이상의 발광 다이오드(110a~110d)를 포함하며, 상기 발광 다이오드(110a~110d) 각각은 제1 도전형 반도체층(142)과 활성층(144) 및 제2 도전형 반도체층(146)을 포함하는 발광 구조물(140)과, 상기 제1 도전형 반도체층(142) 상의 제1 전극(150a~150d)과, 상기 제2 도전형 반도체층(146) 상의 제2 전극(160a~160d)을 포함한다.
도 1 내지 도 4는 일 예시로서 발광소자(100)가 직렬 연결된 네 개의 발광 다이오드(110a~110d)를 포함하는 것으로 도시하였으나, 원하는 구동 전압 및 제작 방법에 따라 발광 다이오드의 개수에는 제한이 없으며, 직렬과 병렬이 조합된 방식으로 발광 다이오드들이 연결될 수도 있다.
도 2는 도 1에 도시된 발광 다이오드들의 등가 회로도의 일실시예를 나타낸 것이다.
상술한 바와 같이, 더 적거나 더 많은 둘 이상의 발광 다이오드들이 직렬 또는 직렬과 병렬의 조합 방식으로 연결되어 하나의 발광소자에 포함될 수 있다.
발광 다이오드(110a~110d)는 복수의 화합물 반도체층, 예를 들어 3족-5족 원소의 반도체층을 이용한 LED(Light Emitting Diode)를 포함하며, LED는 청색, 녹색 또는 적색 등과 같은 광을 방출하는 유색 LED이거나 UV LED일 수 있다. LED의 방출 광은 다양한 반도체를 이용하여 구현될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
발광 구조물(140)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.
제1 도전형 반도체층(142)은 반도체 화합물로 형성될 수 있으며, 예를 들어 3족-5족 또는 2족-6족 등의 화합물 반도체로 형성될 수 있다. 또한 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(146)이 n형 반도체층인 경우, 상기 제1 도전형 도펀트는 n형 도펀트로서 Si, Ge, Sn, Se, Te를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한, 상기 제1 도전형 반도체층이 p형 반도체층인 경우, 상기 제1 도전형 도펀트는 p형 도펀트로서 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
제1 도전형 반도체층(142)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(122)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN,AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
제1 도전형 반도체층(142)의 상면에는 광 추출 효율을 향상시키기 위해 러프니스(roughness) 또는 패턴이 형성될 수 있다.
활성층(144)은 전자와 정공이 서로 만나서 활성층(발광층) 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다.
활성층(144)은 단일 우물 구조, 다중 우물 구조, 양자선(Quantum-Wire) 구조, 또는 양자 점(Quantum Dot) 구조 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 활성층(144)은 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 트리메틸 인듐 가스(TMIn)가 주입되어 다중 양자 우물 구조가 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
활성층(144)의 우물층/장벽층은 InGaN/GaN, InGaN/InGaN, GaN/AlGaN, InAlGaN/GaN, 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.
상기 활성층(144)의 위 또는/및 아래에는 도전형 클래드층(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 도전형 클래드층은 활성층의 장벽층의 밴드갭보다 더 넓은 밴드갭을 갖는 반도체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도전형 클래드층은 GaN, AlGaN, InAlGaN 또는 초격자 구조를 포함할 수 있다. 또한, 도전형 클래드층은 n형 또는 p형으로 도핑될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(146)은 반도체 화합물로 형성될 수 있으며, 예를 들어 제2 도전형 도펀트가 도핑된 3족-5족 화합물 반도체로 형성될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(142)은 예를 들어, InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(146)이 p형 반도체층인 경우, 상기 제2도전형 도펀트는 p형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr 또는 Ba 등을 포함할 수 있으나 이에 한정하지 않는다. 또한, 상기 제2 도전형 반도체층(146)이 n형 반도체층인 경우, 상기 제2 도전형 도펀트는 n형 도펀트로서 Si, Ge, Sn, Se, 또는 Te를 포함할 수 있으나 이에 한정하지 않는다.
본 실시예에서, 상기 제1 도전형 반도체층(142)은 n형 반도체층, 상기 제2 도전형 반도체층(146)은 p형 반도체층으로 구현할 수 있다. 또는, 상기 제1 도전형 반도체층(142)은 p형 반도체층으로 상기 제2 도전형 반도체층(146)은 n형 반도체층으로 구현할 수 있다. 또한 상기 제2 도전형 반도체층(146) 상에는 상기 제2 도전형과 반대의 극성을 갖는 반도체, 예컨대 상기 제2 도전형 반도체층이 p형 반도체층일 경우 n형 반도체층(미도시)을 형성할 수 있다. 이에 따라 발광 구조물은 n-p 접합 구조, p-n 접합 구조, n-p-n 접합 구조, p-n-p 접합 구조 중 어느 한 구조로 구현할 수 있다.
상기 발광 구조물(140)은 기판(120) 상에 성장된다.
기판(120)은 발광 구조물(140)을 지지하며, 전도성 기판 또는 절연성 기판일 수 있다. 또한, 전기 전도성과 열 전도성이 높은 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 기판(120)은 소정의 두께를 갖는 베이스 기판(substrate)으로서, 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) 또는 전도성 시트 등을 선택적으로 포함할 수 있다.
상기 발광 구조물(140)이 위치하는 기판(120)의 표면에는 요철 구조 등의 광 추출 구조(미도시)가 형성될 수 있다.
발광 구조물(140)에서 발생된 빛이 광 추출 구조에서 난반사되어 발광 다이오드의 외부로 방출되므로 발광소자의 광 추출 효율이 향상될 수 있다.
발광 구조물(140)과 기판(120) 사이에는 버퍼층(130)을 성장시킬 수 있는데, 재료의 격자 부정합 및 열 팽창 계수의 차이를 완화하기 위한 것이다. 상기 버퍼층의 재료는 3족-5족 화합물 반도체 예컨대, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 상기 버퍼층 위에는 언도프드(undoped) 반도체층이 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
제2 도전형 반도체층(146)과 활성층(144) 및 제1 도전형 반도체층(142)의 일부가 메사식각되어 노출된 제1 도전형 반도체층(142) 상에 제1 전극(150a~150d)이 형성된다.
또한, 제2 도전형 반도체층(146) 상에 제2 전극(160a~160b)이 형성된다.
상기 제1 전극(150a~150d)과 제2 전극(160a~160b)은 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 백금(Pt), 바나듐(V), 텅스텐(W), 납(Pd), 구리(Cu), 로듐(Rh) 또는 이리듐(Ir) 중에서 선택된 어느 하나의 금속 또는 상기 금속들의 합금으로 이루어질 수 있으며, 단층 또는 다층으로 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(146)과 제2 전극(160a~160b) 사이에 오믹층(170)이 형성될 수도 있다. 제2 도전형 반도체층(146)이 p형 반도체층인 경우, 불순물 도핑 농도가 낮아 접촉 저항이 높으며 그로 인해 금속과의 오믹 특성이 좋지 못할 수 있으므로, 오믹층(170)은 이러한 오믹 특성을 개선하기 위한 것으로 반드시 형성되어야 하는 것은 아니다.
오믹층(170)은 투광성 전도층과 금속이 선택적으로 사용될 수 있으며, 예를 들어, 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, 또는 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.
도 1을 참조하면, 상기 제1 전극(150a~150d)은 제1 주전극(152) 및 상기 제1 주전극(152)으로부터 분기되어 형성된 둘 이상의 제1 분기 전극(154)을 포함할 수 있다. 상기 둘 이상의 제1 분기 전극(154)은 서로 대칭 구조를 갖도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 전극(160a~160d)은 제2 주전극(162) 및 상기 제2 주전극(162)으로부터 분기되어 형성된 둘 이상의 제2 분기 전극(164)을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 상기 둘 이상의 제2 분기 전극(164)은 서로 대칭 구조를 갖도록 형성될 수 있다.
동일한 발광 다이오드에서, 상기 제1 전극의 제1 주전극(152)과 상기 제2 전극의 제2 주전극(162)은 서로 마주보도록 배치될 수 있다.
그리고, 제1 전극의 제1 분기 전극(154)과 제2 전극의 제2 분기 전극(164)은 적어도 일부가 서로 수평적으로 중첩될 수 있다. 도 1에는 일 예시로서 W로 표시된 일정 폭만큼 제1 분기 전극(154)과 제2 분기 전극(164)이 수평적으로 중첩되는 것으로 도시하였다.
동일한 발광 다이오드에서, 상기 제1 전극의 제1 분기 전극(154)과 상기 제2 전극의 제2 분기 전극(164)은 서로 번갈아 배치될 수 있다.
도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 동일한 발광 다이오드에서, 제1 전극의 적어도 하나의 제1 분기 전극(154)은 제2 전극의 인접한 두 개의 제2 분기 전극(164) 사이에 위치할 수 있다. 마찬가지로, 제2 전극의 적어도 하나의 제2 분기 전극(164)은 제1 전극의 인접한 두 개의 제1 분기 전극(154) 사이에 위치할 수 있다.
도 1은 일 예시로서, 제2 전극(160a~160d)이 제1 전극(150a~150d)을 감싸는 구조로 되어 있기 때문에, 가장 외곽에 존재하는 두 개의 제2 분기 전극(164)은 제1 분기 전극(154) 사이에 위치하지 않는 것으로 도시되어 있다.
하나의 발광 다이오드에서, 제1 주전극(152) 및 둘 이상의 제1 분기 전극(154)을 포함하는 제1 전극(150a~150d)과, 제2 주전극(162) 및 둘 이상의 제2 분기 전극(164)을 포함하는 제2 전극(160a~160d)을 배치함으로써, 분기 전극이 없는 종래의 전극 패턴에 비하여 발광 다이오드의 전면에 걸쳐 전류를 고르게 분산시킬 수 있고 이로써 발광 다이오드의 동작 전압을 낮추고 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
상기 제1 전극(150a~150d)은 브릿지 전극(175)에 의해, 인접한 발광 다이오드의 제2 전극(160a~160d)과 전기적으로 연결된다.
도 1을 참조하면, 예를 들어, 발광 다이오드(110a)의 제1 전극(150a)은 브릿지 전극(175)에 의해 인접한 발광 다이오드(110b)의 제2 전극(160b)과 전기적으로 연결되고, 발광 다이오드(110b)의 제1 전극(150b)은 브릿지 전극(175)에 의해 인접한 발광 다이오드(110c)의 제2 전극(160c)과 전기적으로 연결되고, 발광 다이오드(110c)의 제1 전극(150c)은 인접한 발광 다이오드(110d)의 제2 전극(160d)과 전기적으로 연결될 수 있다.
발광 다이오드의 제1 전극과, 인접한 발광 다이오드의 제2 전극은, 둘 이상의 브릿지 전극(175)에 의하여 서로 전기적으로 연결될 수도 있다.
도 1에는 일 예시로서 인접한 두 개의 발광 다이오드가 여섯 개의 브릿지 전극에 의하여 서로 전기적으로 연결되는 것으로 도시하였다.
브릿지 전극(175)은 발광 다이오드의 제1 전극의 제1 주전극(152)과, 인접한 발광 다이오드의 제2 전극의 제2 주전극(162) 사이를 전기적으로 연결할 수 있다.
예를 들어, 브릿지 전극(175)은 발광 다이오드(110a)의 제1 전극(150a)의 제1 주전극(152)과 인접한 발광 다이오드(110b)의 제2 전극(160b)의 제2 주전극(162) 사이를, 발광 다이오드(110b)의 제1 전극(150b)의 제1 주전극(152)과 인접한 발광 다이오드(110c)의 제2 전극(160c)의 제2 주전극(162) 사이를, 그리고 발광 다이오드(110c)의 제1 전극(150c)의 제1 주전극(152)과 인접한 발광 다이오드(110d)의 제2 전극(160d)의 제2 주전극(162) 사이를 전기적으로 연결할 수 있다.
인접한 두 발광 다이오드 사이에 둘 이상의 브릿지 전극을 배치함으로써, 하나의 브릿지 전극으로 연결하는 것에 비해, 발광소자 전체에 걸쳐 고르게 전류가 퍼지도록 할 수 있고, 이로써 발광소자의 동작 전압이 감소할 수 있다.
발광소자의 동작 전압이 감소하기 때문에, 발광소자에 가해준 전기 에너지의 입력 파워와 방출된 빛 에너지의 출력 파워의 비로 나타내는 WPE(Wall Plug Efficiency)가 증가할 수 있다. 또한, 발광소자의 열적 데미지가 줄어들어 발광소자 전체의 신뢰성이 향상될 수 있다.
상기 브릿지 전극(175)은 제1 전극(150a~150d) 또는 제2 전극(160a~160d)과 동일한 물질, 즉, 예를 들어 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 백금(Pt), 바나듐(V), 텅스텐(W), 납(Pd), 구리(Cu), 로듐(Rh) 또는 이리듐(Ir) 중에서 선택된 어느 하나의 금속 또는 상기 금속들의 합금을 포함할 수 있다.
도 4를 참조하면, 발광 다이오드(110a~110d)의 제1 도전형 반도체층(142)과 활성층(144) 및 제2 도전형 반도체층(146)의 측면에 형성된 절연층(180)이 형성될 수 있다.
도 4는 일 예시로서, 발광 다이오드의 제1 도전형 반도체층(142)의 상면의 일부에서 시작하여 측면을 감싸면서 인접한 발광 다이오드의 제1 도전형 반도체층(142)과 활성층(144) 및 제2 도전형 반도체층(146)의 측면까지 연장 형성된 절연층(180)을 도시하고 있다.
절연층(180)은 발광 다이오드를 보호하고 인접한 두 발광 다이오드 사이를 전기적으로 차단하여 전기적 단락을 방지하며, 또한, 상기 브릿지 전극(175)과 발광 구조물(140) 사이의 전기적 단락을 방지할 수 있다.
상기 절연층(180)은 비전도성 산화물 또는 질화물로 이루어질 수 있으며, 일 예로서, 실리콘 산화물(SiO2)층, 산화 질화물층, 산화 알루미늄층으로 이루어질 수 있다.
발광소자(100)는 직렬 연결된 둘 이상의 발광 다이오드(110a~110d)를 포함하며, 상기 둘 이상의 발광 다이오드 중 발광소자(100)의 제1 단부(100a)에 위치한 발광 다이오드(110a)의 제2 전극(160a) 상에 제2 전극 패드(168)가 위치할 수 있고, 발광소자(100)의 제1 단부(100a)와 반대되는 제2 단부(100d)에 위치한 발광 다이오드(110d)의 제1 전극(150d) 상에 제1 전극 패드(158)가 위치할 수 있다.
예를 들어, 도 1을 참조하면, 둘 이상의 발광 다이오드 중 발광소자(100)의 제1 단부(100a)에 위치한 발광 다이오드(110a)의 제2 전극(160a)의 제2 주전극(162) 상에 제2 전극 패드(168)가 위치할 수 있고, 발광소자(100)의 제1 단부(100a)와 반대되는 제2 단부(100d)에 위치한 발광 다이오드(110d)의 제1 전극(150d)의 제1 주전극(152) 상에 제1 전극 패드(158)가 위치할 수 있다.
즉, 발광소자의 한쪽 외곽에 존재하는 발광 다이오드의 제1 전극과, 다른쪽 외곽에 존재하는 발광 다이오드의 제2 전극 상에 각각 제1 전극 패드와 제2 전극 패드가 위치하며, 상기 제1 전극 패드와 제2 전극 패드는 와이어를 통해 외부 전극(미도시)와 연결되어 발광소자에 전류를 공급할 수 있다.
아래 표 1은 일 예로서, 인접한 두 발광 다이오드를 연결하는 브릿지 전극의 개수가 한 개일 때와 여섯 개일 때의 적분구 평가 결과를 비교하여 나타낸 것이다.
Chip Size(브릿지 개수) IF(mA) VF(V) Po(mW) WPE(%) △Po △VF
1500*1500(6) 80 11.94 366.5 38.37% 100.37% -0.23
1500*1500(1) 80 12.17 365.1 37.50% 100.00% -
인접한 두 발광 다이오드를 연결하는 브릿지 전극의 개수만 다르고 크기는 동일한 두 개의 발광소자에 80mA의 전류를 인가한 결과, 상기 표 1에 나타난 바와 같이, 여섯 개의 브릿지 전극을 사용한 발광소자에서 동작 전압(VF)이 0.23V만큼 작게 측정되었고, 파워는 0.37% 상승하였으며, 이에 따라 WPE도 0.87% 상승하였다.
즉, 상술한 바와 같이 둘 이상의 브릿지 전극을 배치함으로써 발광소자 전체에 걸쳐 전류 퍼짐 정도가 개선되었음을 확인할 수 있다.
도 5는 인접한 두 발광 다이오드를 연결하는 브릿지 전극의 개수가 한 개일 때와 여섯 개일 때의 발광 빛의 세기를 비교하여 나타낸 발광소자의 이미지 프로파일이고, 도 6은 발광소자의 길이 방향에 따른 발광 빛의 세기를 비교하여 나타낸 그래프이다.
발광 빛의 세기는 도 5의 오른쪽 그림에 도시된 바와 같이 0에서 100까지의 수치로 나타낼 때, 이미지 프로파일이 자색(0)에 가까울 때는 빛의 세기가 약하고 적색(100)에 가까울 때는 빛의 세기가 세다고 볼 수 있다.
도 5를 참조하면, 20mA의 전류를 흘렸을 때 브릿지 전극의 개수가 여섯 개인 발광소자가 브릿지 전극의 개수가 한 개인 발광소자보다 적색에 가까운 이미지 프로파일을 나타내므로 발광 빛의 세기가 큰 것을 알 수 있고, 색의 분포가 고르게 나타난 것으로 보아 전류 퍼짐 정도도 개선되었음을 알 수 있다.
10uA의 저전류를 흘렸을 때 역시, 브릿지 전극의 개수가 여섯 개인 경우가 한 개인 경우보다 발광 빛의 세기가 크고 전류 퍼짐 정도도 개선되었음을 알 수 있다.
도 6을 참조하면, 그래프의 가로축이 발광소자의 길이이고 세로축이 발광 빛의 세기일 때, 브릿지 전극이 한 개인 발광소자의 경우 여섯 개인 발광소자보다 빛의 세기의 피크치가 큰 구간이 나타나지만 브릿지 전극이 여섯 개인 발광소자가 발광소자의 전체 길이에 걸쳐 전류를 고르게 퍼뜨릴 수 있음을 확인할 수 있다.
도 7은 실시예에 따른 발광소자를 포함한 발광소자 패키지의 일실시예를 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 발광소자 패키지(300)는 캐비티가 형성된 몸체(310)와, 상기 몸체(310)에 설치된 제1 리드 프레임(321) 및 제2 리드 프레임(322)과, 상기 몸체(310)에 설치되어 상기 제1 리드 프레임(321) 및 제2 리드 프레임(322)과 전기적으로 연결되는 상술한 실시예들에 따른 발광소자(100)와, 상기 캐비티에 형성된 몰딩부(340)를 포함한다.
상기 몸체(310)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있다. 상기 몸체(310)가 금속 재질 등 도전성 물질로 이루어지면, 도시되지는 않았으나 상기 몸체(310)의 표면에 절연층이 코팅되어 상기 제1,2 리드 프레임(321, 322) 간의 전기적 단락을 방지할 수 있다.
상기 제1 리드 프레임(321) 및 제2 리드 프레임(322)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광소자(100)에 전류를 공급한다. 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 배출시킬 수도 있다.
상기 발광소자(100)는 상기 몸체(310) 상에 설치되거나 상기 제1 리드 프레임(321) 또는 제2 리드 프레임(322) 상에 설치될 수 있다. 본 실시예에서는 제1 리드 프레임(321)과 발광소자(100)가 직접 통전되고, 제2 리드 프레임(322)과 상기 발광소자(100)는 와이어(330)를 통하여 연결되어 있다. 발광소자(100)는 와이어 본딩 방식 외에 플립칩 방식 또는 다이 본딩 방식 등에 의하여 리드 프레임(321, 322)과 연결될 수 있다.
상기 몰딩부(340)는 상기 발광소자(100)를 포위하여 보호할 수 있다. 또한, 상기 몰딩부(340) 상에는 형광체(350)가 포함되어, 상기 발광소자(100)로부터 방출되는 빛의 파장을 변화시킬 수 있다.
형광체(350)는 가넷(Garnet)계 형광체, 실리케이트(Silicate)계 형광체, 니트라이드(Nitride)계 형광체, 또는 옥시니트라이드(Oxynitride)계 형광체를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 가넷계 형광체는 YAG(Y3Al5O12:Ce3 +) 또는 TAG(Tb3Al5O12:Ce3 +)일 수 있고, 상기 실리케이트계 형광체는 (Sr,Ba,Mg,Ca)2SiO4:Eu2 +일 수 있고, 상기 니트라이드계 형광체는 SiN을 포함하는 CaAlSiN3:Eu2 +일 수 있고, 상기 옥시니트라이드계 형광체는 SiON을 포함하는 Si6 - xAlxOxN8 -x:Eu2 +(0<x<6)일 수 있다.
상기 발광소자(100)에서 방출된 제1 파장 영역의 광이 상기 형광체(250)에 의하여 여기되어 제2 파장 영역의 광으로 변환되고, 상기 제2 파장 영역의 광은 렌즈(미도시)를 통과하면서 광경로가 변경될 수 있다.
상기 발광소자(100)는 상술한 실시예에 따라 둘 이상의 발광 다이오드가 직렬 연결된 고출력 발광소자이며, 인접한 두 개의 발광 다이오드가 둘 이상의 브릿지 전극에 의해 서로 전기적으로 연결됨으로써 전류 퍼짐이 개선된 것일 수 있다.
실시예에 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 발광소자가 배치된 조명 시스템의 일실시예로서, 헤드램프와 백라이트 유닛을 설명한다.
도 8은 실시예에 따른 발광소자가 배치된 헤드램프의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 실시예에 따른 발광소자 패키지가 배치된 발광 모듈(710)에서 방출된 빛이 리플렉터(720)와 쉐이드(730)에서 반사된 후 렌즈(740)를 투과하여 차체 전방을 향할 수 있다.
상기 발광 모듈(710)에 포함된 발광소자 패키지는 발광소자를 복수 개로 탑재할 수 있으며, 이에 대해 한정하지 않는다.
도 9는 실시예에 따른 발광소자 패키지가 배치된 표시장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 실시예에 따른 표시장치(800)는 광원 모듈(830, 835)과, 바텀 커버(810) 상의 반사판(820)과, 상기 반사판(820)의 전방에 배치되며 상기 광원모듈에서 방출되는 빛을 표시장치 전방으로 가이드하는 도광판(840)과, 상기 도광판(840)의 전방에 배치되는 제1 프리즘시트(850)와 제2 프리즘시트(860)와, 상기 제2 프리즘시트(860)의 전방에 배치되는 패널(870)과 상기 패널(870)의 전반에 배치되는 컬러필터(880)를 포함하여 이루어진다.
광원 모듈은 회로 기판(830) 상의 상술한 발광소자 패키지(835)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 회로 기판(830)은 PCB 등이 사용될 수 있고, 발광소자 패키지(835)는 도 11에서 설명한 바와 같다.
상기 바텀 커버(810)는 표시 장치(800) 내의 구성 요소들을 수납할 수 있다. 상기 반사판(820)은 본 도면처럼 별도의 구성요소로 마련될 수도 있고, 상기 도광판(840)의 후면이나, 상기 바텀 커버(810)의 전면에 반사도가 높은 물질로 코팅되는 형태로 마련되는 것도 가능하다.
여기서, 반사판(820)은 반사율이 높고 초박형으로 사용 가능한 소재를 사용할 수 있고, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PolyEthylene Terephtalate; PET)를 사용할 수 있다.
도광판(840)은 발광소자 패키지 모듈에서 방출되는 빛을 산란시켜 그 빛이 액정 표시 장치의 화면 전영역에 걸쳐 균일하게 분포되도록 한다. 따라서, 도광판(830)은 굴절률과 투과율이 좋은 재료로 이루어지는데, 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate; PMMA), 폴리카보네이트(PolyCarbonate; PC), 또는 폴리에틸렌(PolyEthylene; PE) 등으로 형성될 수 있다. 그리고, 도광판이 생략되어 반사시트(820) 위의 공간에서 빛이 전달되는 에어 가이드 방식도 가능하다.
상기 제1 프리즘 시트(850)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(860)에서 지지필름 일면의 마루와 골의 방향은, 상기 제1 프리즘 시트(850) 내의 지지필름 일면의 마루와 골의 방향과 수직할 수 있다. 이는 광원 모듈과 반사시트로부터 전달된 빛을 상기 패널(870)의 전방향으로 고르게 분산하기 위함이다.
본 실시예에서 상기 제1 프리즘시트(850)과 제2 프리즘시트(860)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(870)은 액정 표시 패널(Liquid crystal display)가 배치될 수 있는데, 액정 표시 패널(860) 외에 광원을 필요로 하는 다른 종류의 디스플레이 장치가 구비될 수 있다.
상기 패널(870)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(870)의 전면에는 컬러 필터(880)가 구비되어 상기 패널(870)에서 투사된 빛을, 각각의 화소마다 적색과 녹색 및 청색의 빛만을 투과하므로 화상을 표현할 수 있다.
이상과 같이 실시예는 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 발광소자 110a~110d: 발광 다이오드
120: 기판 130: 버퍼층
140: 발광 구조물 142: 제1 도전형 반도체층
144: 활성층 146: 제2 도전형 반도체층
150a~150d: 제1 전극 152: 제1 주전극
154: 제1 분기 전극 160a~160d: 제2 전극
162: 제2 주전극 164: 제2 분기 전극
170: 오믹층 175: 브릿지 전극
180: 절연층
310: 패키지 몸체 321, 322: 제1,2 리드 프레임
330: 와이어 340: 몰딩부
350: 형광체 710: 발광 모듈
720: 리플렉터 730: 쉐이드
800: 표시장치 810: 바텀 커버
820: 반사판 840: 도광판
850: 제1 프리즘시트 860: 제2 프리즘시트
870: 패널 880: 컬러필터

Claims (18)

  1. 적어도 두 개의 발광 다이오드가 직렬 연결된 발광소자에 있어서,
    상기 발광 다이오드는, 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물과, 상기 제1 도전형 반도체층 상의 제1 전극과, 상기 제2 도전형 반도체층 상의 제2 전극을 포함하고,
    상기 제1 전극은, 적어도 두 개의 브릿지 전극에 의해, 인접한 발광 다이오드의 제2 전극과 전기적으로 연결되는 발광소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극은 제1 주전극 및 상기 제1 주전극으로부터 분기되어 형성된 둘 이상의 제1 분기 전극을 포함하는 발광소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제2 전극은 제2 주전극 및 상기 제2 주전극으로부터 분기되어 형성된 둘 이상의 제2 분기 전극을 포함하는 발광소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 브릿지 전극은 상기 제1 전극의 제1 주전극과, 인접한 발광 다이오드의 제2 전극의 제2 주전극 사이를 전기적으로 연결하는 발광소자.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 전극의 적어도 하나의 제1 분기 전극은, 동일한 발광 다이오드의 제2 전극의 인접한 두 개의 제2 분기 전극 사이에 위치하는 발광소자.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제2 전극의 적어도 하나의 제2 분기 전극은, 동일한 발광 다이오드의 제1 전극의 인접한 두 개의 제1 분기 전극 사이에 위치하는 발광소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광 다이오드는, 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층의 적어도 일부의 측면에 형성된 절연층을 더 포함하는 발광소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층과 상기 제2 전극 사이에 오믹층을 더 포함하는 발광소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광 구조물은 기판 상에 형성되고, 상기 발광 구조물이 인접하여 위치하는 기판의 표면에 광 추출 구조가 형성된 발광소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 둘 이상의 발광 다이오드 중 발광소자의 제1 단부에 위치한 발광 다이오드의 제2 전극 상에 제2 전극 패드가 형성된 발광소자.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 둘 이상의 발광 다이오드 중 발광소자의 상기 제1 단부와 반대되는 제2 단부에 위치한 발광 다이오드의 제1 전극 상에 제1 전극 패드가 형성된 발광소자.
  12. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 전극의 둘 이상의 제1 분기 전극은 서로 대칭 구조를 갖는 발광소자.
  13. 제 3 항에 있어서,
    상기 제2 전극의 둘 이상의 제2 분기 전극은 서로 대칭 구조를 갖는 발광소자.
  14. 제 7 항에 있어서,
    상기 절연층은, 인접한 두 발광 다이오드 사이, 및 상기 브릿지 전극과 상기 발광 구조물 사이를 전기적으로 차단하는 발광소자.
  15. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 전극의 제1 분기 전극과 상기 제2 전극의 제2 분기 전극은 서로 번갈아 배치되는 발광소자.
  16. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 전극의 제1 분기 전극과 상기 제2 전극의 제2 분기 전극은 적어도 일부가 서로 수평적으로 중첩되는 발광소자.
  17. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 전극의 제1 주전극과 상기 제2 전극의 제2 주전극은 서로 마주보도록 배치되는 발광소자.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 브릿지 전극은 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 백금(Pt), 바나듐(V), 텅스텐(W), 납(Pd), 구리(Cu), 로듐(Rh) 또는 이리듐(Ir) 중에서 선택된 어느 하나의 금속 또는 상기 금속들의 합금을 포함하는 발광소자.
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