KR20140009692A - 발광소자 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 발광소자는 기판; 상기 기판 상에 위치하는 광추출 패턴층; 및 상기 광추출 패턴층 상에 위치하며, 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물;을 포함하고, 상기 광추출 패턴층은 서로 이격된 복수 개의 서브 패턴을 포함하며, 상기 서브 패턴 각각은 육방정계(Hexagonal)의 기둥구조를 갖는 발광소자.

Description

발광소자{LIGHT EMITTING DEVICE}
실시예는 발광소자에 관한 것이다.
반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Light 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.
도 1은 종래의 발광소자를 간략히 도시한 측단면도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 발광소자는 상면에 패턴(10a)이 형성된 기판(10) 상에 MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition)법을 이용하여 n-GaN층(32)과 활성층(34) 및 p-GaN층(36)의 발광 구조물(30)을 성장시킨 구조이다. 기판(10)과 n-GaN층(32)을 구성하는 재료의 격자상수 부정합 및 열팽창 계수의 차이를 완화하기 위하여 이들 사이에 버퍼층(15)과 un-GaN층(20)이 위치할 수 있다.
상기 패턴(10a)은 활성층(34)에서 생성된 빛이 발광소자 내에서 소멸되지 않고 패턴(10a)에서 반사되어 발광소자 외부로 진행하게 하기 위한 것으로, 발광소자의 외부양자효율을 향상시키기 위한 것이다.
그러나 패턴(10a)을 포함하는 기판(10) 상에 발광 구조물(30)을 성장시킬 경우 다음과 같은 문제점이 있다.
도 2는 종래의 발광소자의 제작 과정 중 일부를 도시한 도면이고, 도 3은 상부에서 바라본 도 2의 A 부분을 확대하여 나타낸 이미지이다.
도 2를 참조하면, 먼저 기판(10)에 포토 리소그래피(photo-lithography), 전자빔 리소그래피(e-beam lithography), 레이저 홀로그램 리소그래피(laser hologram lithography), 나노 임프린트 리소그래피(nano-imprinted lithography), 또는 건식 에칭 등의 방법으로 패턴(10a)을 형성한다.
그 후, 패턴(10a)이 형성된 기판(10)의 일면에 버퍼층(15)을 성장한 후, 러프층(20a)을 성장한다. 러프층(20a)은 GaN을 포함하는 질화갈륨계 반도체층일 수 있다.
이때, GaN은 C-면{0001} 성장이 우세하기 때문에 패턴(10a)이 형성되지 않은 기판(10) 상에서 성장이 잘 이루어진다. 그러나, 도 3에 도시된 바와 같이, 일부의 경우 패턴(10a) 상에 GaN이 부분적으로 성장하게 되는데, 이렇게 패턴(10a) 상에 원치 않는 GaN의 성장이 이루어지면서 후에 성장되는 발광 구조물(30)의 결정성 품질에 좋지 않은 영향을 끼치게 된다.
또한, 패턴(10a)이 형성된 기판(10) 상에 발광 구조물(30)을 성장하는 경우, 패턴(10a)의 형태 및 MOCVD 성장 조건에 따라 발광 구조물(30)의 특성이 결정되기 때문에 패턴의 구조나 기판이 변경됨에 따라 실험 공정을 다시 잡아야 하는 번거로움이 있다.
실시예는 성장조건의 변화에 영향이 적은 광추출 패턴을 형성하고, 광추출 패턴 간의 에어갭(air-gap)에 의해 발광소자의 광추출 효율을 향상시키고자 한다.
실시예에 따른 발광소자는 기판; 상기 기판 상에 위치하는 광추출 패턴층; 및 상기 광추출 패턴층 상에 위치하며, 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물;을 포함하고, 상기 광추출 패턴층은 서로 이격된 복수 개의 서브 패턴을 포함하며, 상기 서브 패턴 각각은 육방정계(Hexagonal)의 기둥구조를 갖는 발광소자.
상기 서브 패턴은 상기 기판의 결정구조와 동일한 형상을 가질 수 있다.
상기 기판은 A-면 및 M-면의 결정면을 가질 수 있다.
상기 서브 패턴의 측면은 상기 기판의 A-면과 -15도 내지 +15도의 각도를 이룰 수 있다.
상기 서브 패턴의 측면은 상기 기판의 M-면과 -15도 내지 +15도의 각도를 이룰 수 있다.
상기 광추출 패턴층의 서브 패턴은 상기 제1 도전형 반도체층은 동일한 조성의 물질을 포함할 수 있다.
상기 광추출 패턴층과 상기 제1 도전형 반도체층 사이에 평탄화층이 위치할 수 있다.
상기 평탄화층은 언도프트(undoped) 반도체층일 수 있다.
상기 서브 패턴은 각각 1um 내지 20um의 폭으로 형성될 수 있다.
상기 서브 패턴은 인접하는 서브 패턴과 1um 내지 15um 이격될 수 있다.
상기 광추출 패턴층은 500nm 내지 10um의 두께로 형성될 수 있다.
상기 광추출 패턴층은 상기 복수 개의 서브 패턴들 사이에 형성된 에어갭(air-gap)을 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층 상의 제1 전극 및 상기 제2 도전형 반도체층 상의 제2 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층과 상기 제2 전극 사이에 투명 전극층이 위치할 수 있다.
실시예에 따르면, 질화물 반도체층의 성장이 둔한 방향으로 마스크를 패터닝하여 광추출 패턴층을 형성함으로써, 성장조건의 변화에 영향을 덜 받는 환경에서 고품질의 발광 구조물을 성장시킬 수 있다.
또한, 실시예에 따르면, 빛의 굴절률 차이가 큰 에어갭(air-gap)에 의해 발광소자의 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 발광소자를 간략히 도시한 측단면도.
도 2는 종래의 발광소자의 제작 과정 중 일부를 도시한 도면.
도 3은 상부에서 바라본 도 2의 A 부분을 확대하여 나타낸 이미지.
도 4는 실시예에 따른 발광소자의 측단면도.
도 5는 도 4에서 기판 상에 위치하는 광추출 패턴층의 서브 패턴을 도시한 사시도.
도 6은 일부의 서브 패턴을 확대하여 도시한 상면도.
도 7 내지 도 12는 실시예에 따른 발광소자의 제조 방법의 일실시예를 나타낸 도면.
도 13은 실시예들에 따른 발광소자를 포함한 발광소자 패키지의 일실시예를 도시한 도면.
도 14는 실시예들에 따른 발광소자가 배치된 헤드램프의 일실시예를 도시한 도면.
도 15는 실시예에 따른 발광소자 패키지가 배치된 표시장치의 일실시예를 도시한 도면.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 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 4는 실시예에 따른 발광소자의 측단면도이다.
도 4를 참조하면, 실시예에 따른 발광소자(100)는 기판(110), 상기 기판(110) 상에 위치하는 광추출 패턴층(120), 상기 광추출 패턴층(120) 상에 위치하며 제1 도전형 반도체층(142)과 활성층(144) 및 제2 도전형 반도체층(144)을 포함하는 발광 구조물(140)을 포함한다.
발광소자(100)는 복수의 화합물 반도체층, 예를 들어 3족-5족 또는 2족-6족 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(122)이 n형 반도체층인 경우, 상기 제1 도전형 도펀트는 n형 도펀트로서 Si, Ge, Sn, Se, Te 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(142)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(146)은 반도체 화합물로 형성될 수 있으며, 예를 들어 제2 도전형 도펀트가 도핑된 3족-5족 또는 2족-6족 화합물 반도체로 형성될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(146)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, Ba 등을 포함할 수 있으나 이에 한정하지 않는다.
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.
제1 도전형 반도체층(142)과 제2 도전형 반도체층(146) 사이에 활성층(144)이 위치한다.
활성층(144)은 전자와 정공이 서로 만나서 활성층(발광층) 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다. 제1 도전형 반도체층(142)이 n형 반도체층이고 제2 도전형 반도체층(146)이 p형 반도체층인 경우, 상기 제1 도전형 반도체층(142)으로부터 전자가 주입되고 상기 제2 도전형 반도체층(146)으로부터 정공이 주입될 수 있다.
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)이 우물 구조로 형성되는 경우, 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 좁은 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
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.
제1 도전형 반도체층(142)과 활성층(144) 및 제2 도전형 반도체층(146)을 포함하는 발광 구조물(140)은 기판(110) 상에 성장된다.
기판(110)은 반도체 물질 성장에 적합한 재료, 열전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있다. 성장기판(110)은 예를 들어, 사파이어(Al2O3), SiC, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP, Ge, and Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 기판(110)에 대해 습식세척을 하여 표면의 불순물을 제거할 수 있다.
광추출 패턴층(120)과 발광 구조물(140) 사이에 평탄화층(130)이 위치할 수 있다.
평탄화층(130)은 발광 구조물(140)을 성장시키기 전에 광추출 패턴층(120)의 상면을 평탄화하기 위한 층으로, 언도프트(undoped) 반도체층으로 이루어질 수 있다.
언도프트 반도체층은 제1 도전형 반도체층(142)의 결정성 향상을 위해 형성되는 층으로, 제1 도전형 도펀트가 도핑되지 않아 제1 도전형 반도체층(142)에 비해 낮은 전기 전도성을 갖는 것을 제외하고는 제1 도전형 반도체층(142)과 같을 수 있다.
도 5는 도 4에서 기판 상에 위치하는 광추출 패턴층의 서브 패턴을 도시한 사시도이고, 도 6은 일부의 서브 패턴을 확대하여 도시한 상면도이다. 이하에서는 도 4 내지 도 6을 참조하여 광추출 패턴층(120)을 상세히 설명한다.
광추출 패턴층(120)은 서로 이격된 복수 개의 서브 패턴(122)을 포함하고, 상기 서브 패턴(122) 각각은 육방정계(Hexagonal)의 기둥구조를 갖는다.
도 5에는 서브 패턴(122)이 수평 절단면이 정육각형인 기둥구조를 갖는 것으로 도시하였으나, 이는 일 예시에 불과하며, 수평 절단면이 육각형인 육방정계의 기둥구조가 모두 포함될 수 있다. 실시예에 따라, 서브 패턴(122)은 기판(110)의 결정구조와 동일한 형상을 가질 수 있다.
서브 패턴(122)은 육방정계의 기둥구조를 가지므로 상면, 하면, 및 6개의 측면(122a)으로 이루질 수 있다.
기판(110)은 A-면(A-Plane) 및 M-면(M-Plane)의 결정면을 가지며, 서브 패턴(122)의 측면(122a)은 기판(110)의 A-면과 -15도 내지 +15도의 각도를 이룰 수 있다. 또는, 서브 패턴(122)의 측면은 기판(110)의 M-면과 -15도 내지 +15도의 각도를 이룰 수 있다.
서브 패턴(122)의 형상 및 기판(110)이 결정구조에 대해서는 도 8 및 도 9를 참조하여 자세히 후술하기로 한다.
도 5에는 35개의 서브 패턴(122)을 도시하였으나, 서브 패턴(122)의 개수는 실시예에 따라 얼마든지 달라질 수 있다.
광추출 패턴층(120)은 복수 개의 서브 패턴들(122) 사이에 형성된 에어갭(air-gap)(124)을 포함한다. 즉, 서로 이격된 복수 개의 서브 패턴들(122) 사이의 빈 공간에 에어갭(124)이 형성된다.
실시예에 따른 발광소자(100)는 활성층(144)에서 생성된 빛이 광추출 패턴층(120)의 서브 패턴(122)에서 반사되고 광추출 패턴층(120)의 에어갭(124)에서 굴절되어 발광소자(100)의 외부로 진행하므로, 발광소자(100)의 광추출 효율이 향상될 수 있다.
광추출 패턴층(120)의 서브 패턴(122)은 질화물로 이루어지며, 제1 도전형 반도체층(142)과 동일한 조성의 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광추출 패턴층(120)은 GaN, InGaN, AlGaN, InAlGaN 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
제1 도전형 반도체층(142)에 제1 도전형 도펀트가 도핑되어 있는 것을 제외하고는 제1 도전형 반도체층(142)과 서브 패턴(122)의 조성이 같을 수 있다. 즉, 서브 패턴(122)은 평탄화층(130)과 조성이 같을 수 있다.
일 예로서, 광추출 패턴층(120)은 500nm 내지 10um의 두께(D1)로 형성될 수 있다.
도 6을 참조하면, 일 예로서, 광추출 패턴층(120)의 서브 패턴(122) 각각은 1um 내지 20um의 폭(W1, W2)으로 형성될 수 있다.
여기서, 서브 패턴(122)의 폭이란, 서브 패턴(122)의 수평 절단면에서 가장 넓은 부분의 폭(W1)을 의미할 수도 있고, 서브 패턴(122)의 수평 절단면에서 가장 좁은 부분의 폭(W2)을 의미할 수도 있다.
일 예로서, 서브 패턴(122)이 수평 절단면이 정육각형인 기둥구조를 갖는 경우, 가장 넓은 부분의 폭(W1)은 서로 마주보는 두 개의 꼭지점을 이은 선의 폭을 의미하고, 가장 좁은 부분의 폭(W2)은 서로 마주보는 두 개의 변을 이은 선의 폭을 의미할 것이다.
일 예로서, 광추출 패턴층(120)의 서브 패턴(122)은 인접하는 서브 패턴(122)과 1um 내지 15um의 간격(D2)만큼 이격될 수 있다. 인접하는 서브 패턴(122) 간의 간격(D2)이 너무 넓으면, 후에 상면이 플랫(Flat)한 평탄화층(130)을 성장시키는 것이 어려울 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 제1 도전형 반도체층(142) 상에는 제1 전극(150)이 위치하고, 제2 도전형 반도체층(146) 상에는 제2 전극(160)이 위치한다.
도 4에 도시된 수평형 발광소자의 경우, 제2 도전형 반도체층(146)과 활성층(144) 및 제1 도전형 반도체층(142)의 일부가 선택적으로 에칭되어 노출된 제1 도전형 반도체층(142)의 상에 제1 전극(150)이 위치한다.
그리고, 에칭되지 않은 제2 도전형 반도체층(146) 상에 제2 전극(160)이 위치한다.
제1 전극(150) 및 제2 전극(160)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu) 또는 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(146)과 제2 전극(160) 사이에 투명 전극층(170)이 위치할 수 있다.
투명 전극층(170)은 제2 도전형 반도체층(146)과 제2 전극(160)의 전기적 접촉을 개선하기 위한 것으로, 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 7 내지 도 12는 실시예에 따른 발광소자의 제조 방법의 일실시예를 나타낸 도면이다. 이하에서, 도 7 내지 도 12를 참조하여 발광소자(100)의 제작 과정을 설명한다.
도 7a는 상면에 마스크가 위치한 기판의 측면도이고, 도 7a는 상면에 마스크가 위치한 기판의 상면도이다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 먼저 기판(110) 상에 마스크(200)를 위치시킨다. 마스크(200)에는 광추출 패턴층(120)을 형성하기 위한 노출 패턴(210)이 형성되어 있다.
마스크(200)는 SiOx 등의 실리콘 산화물 또는 SiNx 등의 실리콘 질화물로 이루어지나, 이에 한정하지 않는다.
마스크(200)는 서로 이격된 복수 개의 노출 패턴(210)을 포함하고, 노출 패턴(210) 각각은 광추출 패턴층(120)의 서브 패턴(122)을 구성하는 질화물의 성장이 둔한 방향으로 이루어진 형상을 가진다.
마스크(200)가 위치한 기판(110) 상에 광추출 패턴층(120)을 성장시키는 경우, 노출 패턴(210)이 없는 마스크(200) 위에는 질화물이 성장되지 않고, 노출 패턴(210)에 의해 노출된 기판(110) 상에만 질화물이 성장되어 서브 패턴(122)이 형성되어야 하므로, 노출 패턴(210)의 각 변(210a)은 질화물의 성장이 둔한 방향으로 형성되어야 한다.
상술한 바와 같이, 광추출 패턴층(120)의 서브 패턴(122) 각각이 육방정계의 기둥구조를 가지므로, 마스크(200)의 노출 패턴(210) 역시 육방정계의 형상을 가진다.
도 8은 광추출 패턴층의 서브 패턴을 구성하는 질화물 및 기판을 구성하는 물질의 결정구조를 도시한 도면이고, 도 9a는 질화물과 기판의 결정구조의 배열 형태를 도시한 도면이고, 도 9b는 질화물과 기판의 결정구조 일부를 확대하여 도시한 도면이고, 도 9c는 패턴이 형성된 종래의 사파이어 기판 상에 성장된 질화물을 나타낸 이미지이다. 도 8 및 도 9를 참조하여 마스크(200)의 노출 패턴(210)의 형상 및 광추출 패턴층(120)의 서브 패턴(122)의 형상에 대해 자세히 설명기로 한다.
광추출 패턴층(120)의 서브 패턴(122)을 구성하는 질화물은 도 8에 도시된 것과 같은 육방정계 기둥의 결정구조를 가진다. 기판(110)으로서 예를 들어 사파이어 기판을 사용하는 경우, 사파이어 기판 역시 도 8에 도시된 것과 같은 육방정계 기둥의 결정구조를 가진다. 그리고, 질화물과 사파이어 기판의 결정구조는 C-축과 수직인 C-면의 결정면과, 상기 C-면에 각각 수직인 M-면 및 A-면의 결정면을 가진다.
도 9a를 참조하면, 질화물과 사파이어 기판은 동일한 형상의 결정구조를 가지면서 배열형태만 달리함을 알 수 있다. 즉, 일반적으로 질화물은 사파이어 기판 결정의 배열구조를 기준으로 30도 틀어진 배열구조를 가진다. 도 9a에서 점선은 사파이어 기판의 결정구조를, 실선은 질화물의 결정구조를 나타낸다.
이는 질화물과 사파이어 기판의 결정구조에 각도를 표시한 도 9b를 참조하면 좀 더 명확히 알 수 있다. 질화물의 결정구조(실선)는 사파이어 기판의 결정구조(점선)와 동일한 형상을 가지면서, 사파이어 기판의 결정구조(점선)에서 임의의 가상선 C를 기준으로 +30도 혹은 -30도 틀어져서 성장된다.
도 9c는 패턴이 형성된 종래의 사파이어 기판 상에 성장된 질화물의 SEM 이미지를 나타낸 것이다. 도 9c에서 가운데 노출된 부분이 사파이어 기판(250)에 형성된 패턴(P)의 상부이다. 사파이어 기판(250)은 플랫면이 A-면인 기판을 사용하였고, 사파이어 기판(250)의 결정구조와 질화물의 결정구조를 알기 쉽도록 각각 점선과 실선으로 도시하였다.
도 9c의 B 부분을 참조하면, 질화물의 성장이 이루어지지 않은 방향(화살표로 나타냄)이 사파이어 기판(250)의 결정구조에서 A-면과 같은 방향임을 확인할 수 있다. 그리고, 질화물의 성장이 잘 이루어진 방향(화살표 이외의 방향)은 질화물의 결정구조(실선)과 유사한 양상을 나타냄을 확인할 수 있다.
따라서, 질화물의 성장이 둔한 방향으로 마스크(200)의 노출 패턴(210)을 형성하기 위해서는 노출 패턴(210)의 각 변(210a)이 질화물의 활발한 성장을 막는 형태가 되어야 하며, 노출 패턴(210)의 형상은 기판의 결정구조와 유사하게 육방정계의 형상을 가져야 한다.
다시 도 9b를 참조하면, 질화물의 성장은 사파이어 기판의 결정구조의 방위를 기준으로 -30도 내지 +30도 사이에서 이루어지고, 30도를 향해 갈수록 질화물의 성장이 활발해진다. 따라서, 마스크(200)의 노출 패턴(210)은 사파이어 기판의 결정구조의 방위를 기준으로 질화물의 성장이 둔화되는 -15도 내지 +15도 사이의 방향을 갖도록 형성할 수 있다.
다시 말하면, 사파이어 기판의 결정면 중 A-면을 기준으로 할 때, 마스크(200)의 노출 패턴(210)은, 육방정계의 형상을 가지며, 노출 패턴(210)의 각 변(210a)이 사파이어 기판의 A-면과 -15도 내지 +15도의 각도를 이루도록 형성될 수 있다. 또는, 사파이어 기판의 결정면 중 M-면을 기준으로 할 때, 마스크(200)의 노출 패턴(210)은, 육방정계의 형상을 가지며, 노출 패턴(210)의 각 변(210a)이 사파이어 기판의 M-면과 -15도 내지 +15도의 각도를 이루도록 형성될 수 있다.
노출 패턴(210)이 형성된 마스크(200)를 기판(110)에 위치시킨 후, 광추출 패턴(120)의 서브 패턴(122) 형성을 위한 질화물층의 성장이 이루어진다. 상기 질화물층은 약 500nm 내지 10um의 두께로 성장될 수 있으나, 이에 한정하지 않는다.
마스크(200)의 노출 패턴(210)의 각 변(210a)이 질화물의 성장이 둔한 방향으로 이루어져 있기 때문에, 노출 패턴(210)에 의해 노출된 기판(110) 상에서 질화물의 성장이 우세하고, 노출 패턴(210)을 넘어서 노출 패턴(210)이 없는 마스크(200)의 영역에서는 질화물의 성장이 잘 이루어지지 않는다.
따라서, 마스크(200)의 노출 패턴(210)의 형상을 따라 질화물이 성장되어 육방정계의 기둥구조를 갖는 광추출 패턴층(120)의 서브 패턴(122)이 형성되며, 그 후 건식 에칭 또는 습식 에칭에 의해 마스크(200)를 제거하면 도 7c에 도시된 바와 같은 서브 패턴(122)이 남게 된다.
마스크(200)의 노출 패턴(210)의 형상에 따라 질화물의 성장이 이루어져 광추출 패턴층(120)의 서브 패턴(122)이 형성되므로, 서브 패턴(122)의 측면(122a, 도 5)은 사파이어 기판의 A-면과 -15도 내지 +15도의 각도를 이룰 수 있다. 또는, 서브 패턴(122)의 측면(122a, 도 5)은 사파이어 기판의 M-면과 -15도 내지 +15도의 각도를 이룰 수 있다.
실시예에 따르면, 질화물의 성장이 둔한 방향으로 마스크(200)의 노출 패턴(210)이 형성되므로, 성장조건의 변화에 영향을 덜 받는 환경에서 고품질의 발광 구조물을 성장시킬 수 있다.
질화물층의 성장은 약 200~760 torr의 고압에서 이루어지며, 압력이 높을수록 C-면의 성장이 우세하기 때문에 육방정계 기둥구조의 서브 패턴(122)이 형성될 수 있다.
다시 도 7b를 참조하면, 마스크(200)의 노출 패턴(210)은 각각 1um 내지 20um의 폭(W1, W2)으로 형성될 수 있다.
여기서, 노출 패턴(210)의 폭이란, 노출 패턴(210)에서 가장 넓은 부분의 폭(W1)을 의미할 수도 있고, 노출 패턴(210)에서 가장 좁은 부분의 폭(W2)을 의미할 수도 있다.
일 예로서, 노출 패턴(210)이 정육각형의 구조를 갖는 경우, 가장 넓은 부분의 폭(W1)은 서로 마주보는 두 개의 꼭지점을 이은 선의 폭을 의미하고, 가장 좁은 부분의 폭(W2)은 서로 마주보는 두 개의 변을 이은 선의 폭을 의미할 것이다.
노출 패턴(210)의 폭(W1, W2)이 너무 넓으면, 질화물의 성장이 둔화되는 방향의 영향을 덜 받아 성장이 둔한 방향으로도 질화물의 성장이 이루어져서 원하는 기능을 갖춘 광추출 패턴(120)의 서브 패턴(122) 및 에어갭(124)을 형성하지 못할 수 있다.
일 예로서, 노출 패턴(210)은 인접하는 노출 패턴(210)과 1um 내지 15um의 간격(D2)만큼 이격될 수 있다. 인접하는 노출 패턴(210) 간의 간격(D2)이 너무 넓으면, 광추출 패턴(120)의 서브 패턴(122)을 형성한 후에 상면이 플랫(Flat)한 평탄화층(130)을 성장하는 것이 어려울 수 있다.
기판(110) 상에 도 7c와 같은 서브 패턴(122)을 형성한 후에는, 도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이, 평탄화층(130)을 성장시킨다.
도 10a는 평탄화층(130)이 성장된 기판(110)의 측단면도이고, 도 10b는 평탄화층(130)이 성장된 기판(110)의 사시도이다.
평탄화층(130)은 후에 성장될 제1 도전형 반도체층(142)에서 제1 도전형 도펀트가 도핑되지 않은 것을 제외하고는 제1 도전형 반도체층(142)과 조성이 같을 수 있다.
평탄화층(130)은 광추출 패턴층(120)의 서브 패턴(122) 상에서 측면 성장에 의해 플랫한 면을 형성해야 하므로, 서브 패턴(122)을 위한 질화물 성장 조건보다 낮은 압력에서 성장이 이루어진다. 일 예로서, 평탄화층(130)은 약 50~250torr의 압력 조건에서 성장될 수 있다.
측면 성장에 의해 평탄화층(130)이 형성되므로 평탄화층(130)과 기판(110) 사이, 즉 광추출 패턴층(120)의 서브 패턴들(122) 사이의 빈 공간에 자연스럽게 에어갭(124)이 형성된다.
소정 두께의 평탄화층(130)이 성장되었으면, 도 11에 도시된 바와 같이, 평탄화층(130) 상에 제1 도전형 반도체층(142)과 활성층(144) 및 제2 도전형 반도체층(146)을 포함하는 발광 구조물(140)을 성장시킨다.
그리고, 제2 도전형 반도체층(146)과 활성층(144) 및 제1 도전형 반도체층(142)의 일부를 선택적으로 에칭하여 제1 도전형 반도체층(142)을 노출시킨다.
그 후, 도 12에 도시된 바와 같이, 노출된 제1 도전형 반도체층(142) 상에 제1 전극(150)을 형성하고, 에칭되지 않은 제2 도전형 반도체층(144) 상에 제2 전극(160)을 형성한다.
제2 도전형 반도체층(144)과 제2 전극(160) 사이에는 전기적 특성을 향상시키기 위하여 투명 전극층(170)을 형성할 수도 있다.
이렇게 성장된 발광소자(100)는 기판(110)과 제1 도전형 반도체층(142) 사이에 광추출 패턴층(120)을 포함하며, 활성층(144)에서 생성된 빛이 광추출 패턴층(120)의 서브 패턴(122)에서 반사되고 광추출 패턴층(120)의 에어갭(124)에서 굴절되어 발광소자(100)의 외부로 진행하므로, 발광소자(100)의 광추출 효율이 향상될 수 있다.
또한, 수직형 발광소자를 제작할 때, 기존에는 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off: LLO) 방식에 의해 기판을 제거하였으나, 실시예에 의하면, 기판과 질화물의 유효 접촉 면적이 줄어들기 때문에, 비용이 많이 소비되는 레이저 리프트 오프 공정이 아닌 물리적 방법(예를 들어, Ultra Sonic 등) 또는 화학적 에칭 방법에 의해 기판을 제거하는 것이 가능하여 공정 비용을 절감할 수 있다. 또한, 분리한 기판에서 간단한 에칭 공정에 의해 질화물을 제거한 후 기판을 재사용할 수 있으므로 기판의 재생 횟수를 늘릴 수 있는 장점이 있다.
도 13은 실시예들에 따른 발광소자를 포함한 발광소자 패키지의 일실시예를 도시한 도면이다.
일실시예에 따른 발광소자 패키지(300)는 몸체(310)와, 상기 몸체(310)에 배치된 제1 리드 프레임(321) 및 제2 리드 프레임(322)과, 상기 몸체(310)에 배치되어 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)에는 캐비티가 형성될 수 있다.
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 배치되거나 상기 제1 리드 프레임(321) 또는 제2 리드 프레임(322) 상에 배치될 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(350)에 의하여 여기되어 제2 파장 영역의 광으로 변환되고, 상기 제2 파장 영역의 광은 렌즈(미도시)를 통과하면서 광경로가 변경될 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 발광소자 또는 발광소자 패키지가 배치된 조명 시스템의 일실시예로서, 헤드램프와 백라이트 유닛을 설명한다.
도 14는 실시예들에 따른 발광소자가 배치된 헤드램프의 일실시예를 도시한 도면이다.
도 14를 참조하면, 실시예들에 따른 발광소자가 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)은 회로기판 상에 발광소자가 복수 개로 탑재될 수 있으며, 이에 대해 한정하지 않는다.
도 15는 실시예에 따른 발광소자 패키지가 배치된 표시장치의 일실시예를 도시한 도면이다.
도 15를 참조하면, 실시예에 따른 표시장치(800)는 발광 모듈(830, 835)과, 바텀 커버(810) 상의 반사판(820)과, 상기 반사판(820)의 전방에 배치되며 상기 발광 모듈에서 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.
발광 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 발광 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 110: 기판
120: 광추출 패턴층 122: 서브 패턴
124: 에어갭 130: 평탄화층
140: 발광 구조물 142: 제1 도전형 반도체층
144: 활성층 146: 제2 도전형 반도체층
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 (14)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 위치하는 광추출 패턴층; 및
    상기 광추출 패턴층 상에 위치하며, 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물;을 포함하고,
    상기 광추출 패턴층은 서로 이격된 복수 개의 서브 패턴을 포함하고, 상기 서브 패턴 각각은 육방정계(Hexagonal)의 기둥구조를 갖는 발광소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 서브 패턴은 상기 기판의 결정구조와 동일한 형상을 갖는 발광소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 A-면 및 M-면의 결정면을 갖는 발광소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 서브 패턴의 측면은 상기 기판의 A-면과 -15도 내지 +15도의 각도를 이루는 발광소자.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 서브 패턴의 측면은 상기 기판의 M-면과 -15도 내지 +15도의 각도를 이루는 발광소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광추출 패턴층의 서브 패턴은 상기 제1 도전형 반도체층은 동일한 조성의 물질을 포함하는 발광소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광추출 패턴층과 상기 제1 도전형 반도체층 사이에 평탄화층이 위치하는 발광소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 평탄화층은 언도프트(undoped) 반도체층인 발광소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 서브 패턴은 각각 1um 내지 20um의 폭으로 형성된 발광소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 서브 패턴은 인접하는 서브 패턴과 1um 내지 15um 이격된 발광소자.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 광추출 패턴층은 500nm 내지 10um의 두께로 형성된 발광소자.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 광추출 패턴층은 상기 복수 개의 서브 패턴들 사이에 형성된 에어갭(air-gap)을 포함하는 발광소자.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층 상의 제1 전극 및 상기 제2 도전형 반도체층 상의 제2 전극을 더 포함하는 발광소자.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층과 상기 제2 전극 사이에 투명 전극층이 위치하는 발광소자.
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