KR20140018535A - 발광 소자 - Google Patents
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Abstract
실시예의 발광 소자는 기판과, 기판 상에 순차적으로 적층된 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 갖는 발광 구조물과, 기판과 발광 구조물 사이에 배치되어, 광을 반사시키는 광 반사 구조층 및 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층의 상부에 각각 배치된 제1 및 제2 전극을 포함한다.
Description
실시예는 발광 소자에 관한 것이다.
반도체의 Ⅲ-Ⅴ 족 또는 Ⅱ-Ⅵ 족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Ligit Emitting Diode)나 레이저 다이오드와 같은 발광 소자는 박막 성장 기술 및 소자 재료의 개발로 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있다. 또한, 발광 소자는 형광 물질을 이용하여 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색 광선도 구현할 수 있으며, 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경친화성의 장점을 가진다.
따라서, 광 통신 수단의 송신 모듈, 액정 표시 장치(LCD:Liquid Crystal Display)의 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 발광 소자의 응용이 확대되고 있다.
도 1은 일반적인 발광 소자의 단면도로서, 기판(10), 제1 도전형 반도체층(22), 활성층(24), 제2 도전형 반도체층(26)으로 구성된 발광 구조물(20), 제1 전극(32) 및 제2 전극(36)으로 구성된다.
도 1에 도시된 기판(10)의 소재가 사파이어일 때보다 실리콘일 때, 전류가 증가할수록 추출 양자 효율(EQE:Extraction Quantum Efficiency)가 더 작아진다. 이는 활성층(24)에서 방출된 가시광선이 평평한 실리콘 기판(10)에 쉽게 흡수되어 광 손실이 발생하기 때문이다. 이와 같이, 실리콘 기판(10)을 갖는 일반적인 발광 소자의 광 추출 효율(LEE:Light Extraction Efficiency)의 개선이 요구된다.
또한, 도 1에 도시된 기판(10)의 소재가 사파이어일 경우에도, 활성층(24)으로부터 방출된 광이 기판(10)에서 반사되지 않고 흡수되어, 광 손실이 발생할 수 있으므로 이의 개선이 요구된다.
실시예는 추출 양자 효율 및 광 추출 효율이 개선된 발광 소자를 제공한다.
실시예의 발광 소자는, 기판; 상기 기판 상에 순차적으로 적층된 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 갖는 발광 구조물; 상기 기판과 상기 발광 구조물 사이에 배치되어, 광을 반사시키는 광 반사 구조층; 및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층의 상부에 각각 배치된 제1 및 제2 전극을 포함한다.
상기 광 반사 구조층은 광 반사 특성을 갖는 금속층을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 광 반사 구조층은 상기 발광 구조물과 상기 금속층 사이에 배치된 적어도 하나의 유전층을 더 포함할 수도 있다.
만일, 광 반사 구조층이 금속층과 유전층을 모두 포함할 경우, 상기 적어도 하나의 유전층은 복수의 유전층을 포함하고, 상기 복수의 유전층의 굴절율은 상기 금속층에 가까울수록 작다. 이 경우, 상기 적어도 하나의 유전층은 전도성을 갖는 산화물, 전이금속원소 중 어느 하나 이상을 원소로 갖는 산화물 및 질화물 중 적어도 하나 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 또한, 상기 적어도 하나의 유전층의 굴절율은 공기의 굴절율 이상이고 상기 제1 도전형 반도체층의 굴절율 이하일 수 있다. 예를 들어, 상기 적어도 하나의 유전층의 굴절율은 1 이상이고 2.4 이하일 수 있다. 또한, 상기 적어도 하나의 유전층의 두께(D)는 아래와 같을 수 있다.
여기서, λ는 상기 활성층으로부터 발한 광의 파장을 나타내고, n은 상기 적어도 하나의 유전층의 굴절율을 나타내고, N > 2일 수 있다.
또한, 상기 적어도 하나의 유전층은 복수의 유전층을 포함하고, 상기 복수의 유전층은 2중 이상의 페어 구조로 반복되어 적층될 수 있다.
또한, 금속층은 Ag, Al 및 Ph 중 적어도 하나 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
또한, 상기 광 반사 구조층에서 상기 발광 구조물과 대향하는 상면은 광 반사 패턴을 가질 수 있다.
상기 광 반사 패턴의 형상은 주기적이거나 비주기적일 수 있다.
또한, 광 반사 패턴은 반구 형태, 원뿔 형태, 2차 프리즘 형태, 트런케이티드 형태, 육면체 형태, 원통 형태, 양각 형태, 음각 형태, 바 형태 및 격자 형태 중 어느 하나의 형태 또는 이들이 조합된 형태를 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 광 반사 패턴의 높이는 40 ㎚ 내지 3500 ㎚일 수 있다.
예를 들어, 상기 광 반사 패턴은 장방형이고, 상기 광 반사 패턴의 충전 인자는 0.20Λ 내지 0.6Λ일 수 있다. 여기서, Λ는 상기 장방형 광 반사 패턴의 주기이다..
예를 들어, 상기 광 반사 패턴은 요철 모양의 장방형이고, 상기 철부의 폭은 0.25h 내지 3.2h일 수 있다. 여기서, h는 상기 광 반사 패턴의 높이이다.
또는, 상기 광 반사 구조층이 금속층을 갖지 않고 적어도 하나의 유전층만을 가질 경우, 적어도 하나의 유전층은 광 반사 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 적어도 하나의 유전층은 SiO2, TiO2, Al2O3 및 Z2O2 중 적어도 하나 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
또한, 상기 기판은 (111) 결정면을 주면으로 갖는 실리콘 기판일 수 있다.
실시예에 따른 발광 소자는 기판이 실리콘 기판일 경우 활성층으로부터 방출된 가시광선이 기판에서 흡수되지 않고 광 반사 구조층에서 반사되어 발광 구조물로 다시 되돌아가도록 하여, 내부 전 반사 효율을 증가시켜 광 추출 효율을 높이고,
불규칙한 비주기적인 광 반사 패턴을 광 반사 구조층에 마련하여 전(all) 파장 영역에 대해 동등한 광 추출 효율을 제공할 수 있다.
도 1은 일반적인 발광 소자의 단면도이다.
도 2는 실시예에 의한 발광 소자의 단면도를 나타낸다.
도 3은 다른 실시예에 의한 발광 소자의 단면도를 나타낸다.
도 4는 도 3에 예시된 유전층의 굴절율을 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 3에 예시된 발광 소자의 반사 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 또 다른 실시예에 의한 발광 소자의 단면도를 나타낸다.
도 7은 또 다른 실시예에 의한 발광 소자의 단면도를 나타낸다.
도 8은 또 다른 실시예에 의한 발광 소자의 단면도를 나타낸다.
도 9는 실시예에 의한 광 반사 패턴의 사시도를 나타낸다.
도 10은 다른 실시예에 의한 광 반사 패턴의 사시도를 나타낸다.
도 11은 또 다른 실시예에 의한 광 반사 패턴의 사시도를 나타낸다.
도 12는 또 다른 실시예에 의한 광 반사 패턴의 사시도를 나타낸다.
도 13은 또 다른 실시예에 의한 광 반사 패턴의 사시도를 나타낸다.
도 14는 또 다른 실시예에 의한 광 반사 패턴의 사시도를 나타낸다.
도 15는 또 다른 실시예에 의한 광 반사 패턴의 사시도를 나타낸다.
도 16은 또 다른 실시예에 의한 광 반사 패턴의 사시도를 나타낸다.
도 17은 또 다른 실시예에 의한 광 반사 패턴의 사시도를 나타낸다.
도 18은 도 6 내지 도 8에 예시된 광 반사 패턴의 부분적인 확대도이다.
도 19a 내지 도 19c는 전술한 발광 소자의 특성을 나타내는 그래프들이다.
도 20a 내지 도 20g는 도 6에 예시된 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
도 21은 실시예에 따른 발광소자 패키지의 단면도이다.
도 22는 실시예에 따른 조명 유닛의 사시도이다.
도 23은 실시예에 따른 백라이트 유닛의 분해 사시도이다.
도 2는 실시예에 의한 발광 소자의 단면도를 나타낸다.
도 3은 다른 실시예에 의한 발광 소자의 단면도를 나타낸다.
도 4는 도 3에 예시된 유전층의 굴절율을 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 3에 예시된 발광 소자의 반사 특성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 또 다른 실시예에 의한 발광 소자의 단면도를 나타낸다.
도 7은 또 다른 실시예에 의한 발광 소자의 단면도를 나타낸다.
도 8은 또 다른 실시예에 의한 발광 소자의 단면도를 나타낸다.
도 9는 실시예에 의한 광 반사 패턴의 사시도를 나타낸다.
도 10은 다른 실시예에 의한 광 반사 패턴의 사시도를 나타낸다.
도 11은 또 다른 실시예에 의한 광 반사 패턴의 사시도를 나타낸다.
도 12는 또 다른 실시예에 의한 광 반사 패턴의 사시도를 나타낸다.
도 13은 또 다른 실시예에 의한 광 반사 패턴의 사시도를 나타낸다.
도 14는 또 다른 실시예에 의한 광 반사 패턴의 사시도를 나타낸다.
도 15는 또 다른 실시예에 의한 광 반사 패턴의 사시도를 나타낸다.
도 16은 또 다른 실시예에 의한 광 반사 패턴의 사시도를 나타낸다.
도 17은 또 다른 실시예에 의한 광 반사 패턴의 사시도를 나타낸다.
도 18은 도 6 내지 도 8에 예시된 광 반사 패턴의 부분적인 확대도이다.
도 19a 내지 도 19c는 전술한 발광 소자의 특성을 나타내는 그래프들이다.
도 20a 내지 도 20g는 도 6에 예시된 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
도 21은 실시예에 따른 발광소자 패키지의 단면도이다.
도 22는 실시예에 따른 조명 유닛의 사시도이다.
도 23은 실시예에 따른 백라이트 유닛의 분해 사시도이다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
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)”로 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 2는 실시예에 의한 발광 소자(100A)의 단면도를 나타낸다.
도 2에 예시된 발광 소자(100A)는 기판(110), 제1 도전형 반도체층(122), 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)을 포함하여 구성되는 발광 구조물(120), 제1 전극(132), 오믹층(134) 및 제2 전극(136) 및 광 반사 구조층(140A)을 포함한다.
기판(110)은 도전형 물질 또는 비도전형 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(110)은 사파이어(Al203), GaN, SiC, ZnO, GaP, InP, Ga203 및 GaAs 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또는, 기판(110)은 실리콘 기판일 수도 있다. 예를 들어, 기판(110)이 실리콘 기판일 경우, 주면으로서 (111) 결정면을 가질 수도 있다.
발광 구조물(120)은 기판(110) 상에 순차적으로 배치되는 제1 도전형 반도체층(122), 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)을 포함한다.
제1 도전형 반도체층(122)은 제1 도전형 도펀트가 도핑된 Ⅲ-Ⅴ 족 또는 Ⅱ-Ⅵ 족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(122)이 n형 반도체층인 경우, 제1 도전형 도펀트는 n형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se, Te를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
예를 들어, 제1 도전형 반도체층(122)은 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(122)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
활성층(124)은 제1 도전형 반도체층(122)을 통해서 주입되는 전자(또는, 정공)와 제2 도전형 반도체층(126)을 통해서 주입되는 정공(또는, 전자)이 서로 만나서, 활성층(124)을 이루는 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다.
활성층(124)은 단일 우물 구조(Double Hetero Structure), 다중 우물 구조, 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, 활성층(124)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(124)의 우물층/장벽층은 InGaN/GaN, InGaN/InGaN, GaN/AlGaN, InAlGaN/GaN, GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어(pair) 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 우물층은 장벽층의 밴드갭 에너지보다 낮은 밴드갭 에너지를 갖는 물질로 형성될 수 있다.
활성층(124)의 위 또는/및 아래에는 도전형 클래드층(미도시)이 형성될 수 있다. 도전형 클래드층은 활성층(124)의 장벽층의 밴드갭 에너지보다 더 높은 밴드갭 에너지를 갖는 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(126)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. Ⅲ-Ⅴ 족 또는 Ⅱ-Ⅵ 족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있다. 예컨대, 제2 도전형 반도체층(126)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 제2 도전형 반도체층(126)에는 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(126)이 p형 반도체층인 경우, 제2 도전형 도펀트는 p형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(122)은 p형 반도체층으로, 제2 도전형 반도체층(126)은 n형 반도체층으로 구현할 수 있다. 또는, 제1 도전형 반도체층(122)은 n형 반도체층으로, 제2 도전형 반도체층(126)은 p형 반도체층으로 구현할 수도 있다.
발광 구조물(120)은 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.
한편, 광 반사 구조층(140A)은 기판(110)과 발광 구조물(120) 사이에 배치되어 광을 반사시킨다. 즉, 광 반사 구조층(140A)은 활성층(124)으로부터 방출된 빛과 활성층(124)으로부터 방출된 후 발광 구조물(120) 내부에서 반사된 빛이 기판(110)에서 흡수되지 않고 발광 구조물(120) 쪽으로 되돌아 가도록 반사시키는 역할을 한다.
일 실시예에 의하면, 광 반사 구조층(140A)은 금속층 또는 광 반사 특성을 갖는 유전층(dielectric layer)을 포함할 수 있다. 광 반사 구조층(140A)은 기판(110) 상에 순차적으로 적층된 복수의 금속층을 포함할 수도 있고, 기판(110) 상에 순차적으로 적층된 복수의 유전층을 포함할 수도 있다.
예를 들어, 금속층(140A)은 Ag, Al 및 Ph 중 적어도 하나 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 국한되지 않고 광 반사 특성을 갖는 어떠한 금속 물질이라도 금속층(140A)이 될 수 있다. 유전층(140A)은 SiO2, TiO2, Al2O3 및 Z2O2 중 적어도 하나 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 국한되지 않고 광 반사 특성을 갖는 어떠한 유전 물질이라도 유전층(140A)이 될 수 있다.
복수의 금속층(140A) 또는 복수의 유전층(140A)은 2중 이상의 페어(pair) 구조로 반복되어 적층될 수 있다. 예를 들어, 광 반사 구조층(140A)은 기판(110) 상에 제1 하부 금속층/제1 상부 금속층 페어 구조가 여러 번 반복적으로 적층된 형태를 가질 수 있다. 제1 상부 금속층 및 제1 하부 금속층 각각은 Ag, Al 및 Ph 중 적어도 하나 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 국한되지 않고 광 반사 특성을 갖는 어떠한 금속 물질이라도 제1 상부 및 제1 하부 금속층이 될 수 있다. 또는, 광 반사 구조층(140A)은 기판(110) 상에 제1 하부 유전층/제1 상부 유전층 페어 구조가 여러 번 반복적으로 적층된 형태를 가질 수 있다. 제1 상부 유전층 및 제1 하부 유전층 각각은 SiO2, TiO2, Al2O3 및 Z2O2 중 적어도 하나 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 국한되지 않고 광 반사 특성을 갖는 어떠한 유전 물질이라도 제1 상부 및 제1 하부 유전층이 될 수 있다.
도 3은 다른 실시예에 의한 발광 소자(100B)의 단면도를 나타낸다.
도 2에 예시된 발광 소자(100A)는 금속층 및 유전층 중 한가지 종류의 층만을 포함하지만, 실시예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 도 3에 예시된 발광 소자(100B)의 광 반사 구조층(140B)은 금속층(142A)과 유전층(144A)을 모두 포함할 수 있다. 이와 같이 광 반사 구조층(140B)이 다른 것을 제외하면, 도 3에 예시된 발광 소자(100B)는 도 2에 예시된 발광 소자(100A)와 동일하므로, 동일한 부분에 대한 상세한 설명을 생략한다.
광 반사 구조층(140B)에서, 금속층(142A)은 기판(110) 상에 배치되고, 유전층(144A)은 금속층(142A)과 발광 구조물(120)의 제1 도전형 반도체층(122) 사이에 배치된다. 예를 들어, 금속층(142A)은 Ag, Al 및 Ph 중 적어도 하나 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으나, 이에 국한되지 않고 광 반사 특성을 갖는 어떠한 금속 물질이라도 금속층(142A)이 될 수 있다.
도 2에 예시된 유전층(140A)과 달리, 도 3에 예시된 유전층(144A)은 광 반사 특성을 갖지 않을 수 있다. 왜냐하면, 하부에 배치된 금속층(142A)이 광을 반사하기 때문이다. 예를 들어, 유전층(144A)은 ITO, IZO, IGO, AZO, ZGO 등 전도성을 갖는 산화물일 수도 있고, 전이 금속원소 중 어느 하나 이상을 원소로 갖는 산화물 및 질화물을 포함할 수도 있으며, 이들의 조합을 포함할 수도 있으나 이에 국한되지 않는다.
또한, 도 3에 예시된 금속층(142A)은 복수 개일 수도 있고, 유전층(144A) 또한 복수 개 일 수 있다. 복수의 유전층(144A)의 굴절율은 금속층(142A)에 가까워질수록 작아질 수 있다. 또한, 복수의 유전층(144A)의 굴절율은 금속층(142A)에 가까워질수록 서서히 변할 수 있다. 왜냐하면, 굴절율이 급격하게 변할 때보다 서서히 변할 때 금속층(142A)에서 광의 반사가 쉬워지기 때문이다.
또한, 복수의 금속층(142A) 또는 복수의 유전층(144A)은 2중 이상의 페어(pair) 구조가 반복되어 적층된 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 복수의 금속층(142A)은 기판(110) 상에 제2 하부 금속층/제2 상부 금속층 페어 구조가 여러 번 반복적으로 적층된 형태를 가질 수 있다. 제2 상부 금속층 및 제2 하부 금속층 각각은 Ag, Al 및 Ph 중 적어도 하나 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 국한되지 않고 광 반사 특성을 갖는 어떠한 금속 물질이라도 제2 상부 및 제2 하부 금속층이 될 수 있다. 또는, 복수의 유전층(144A)은 금속층(142A) 상에 제2 하부 유전층/제2 상부 유전층 페어 구조가 여러 번 반복적으로 적층된 형태를 가질 수 있다. 제2 상부 유전층 및 제2 하부 유전층 각각은 ITO, IZO, IGO, AZO, ZGO 등 전도성을 갖는 산화물일 수도 있고, 전이 금속원소 중 어느 하나 이상을 원소로 갖는 산화물 및 질화물을 포함할 수도 있으며, 이들의 조합을 포함할 수도 있으나 이에 국한되지 않는다.
또한, 광 반사 구조층(140B)은 2중 이상의 페어(pair) 구조가 반복되어 적층된 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 광 반사 구조층(140B)은 기판(110) 상에 제3 하부 금속층/제3 상부 유전층 페어 구조가 여러 번 반복적으로 적층된 형태를 가질 수 있다. 제3 하부 금속층은 Ag, Al 및 Ph 중 적어도 하나 또는 이들의 조합일 수 있으나, 이에 국한되지 않고 광 반사 특성을 갖는 어떠한 금속 물질이라도 제3 하부 금속층이 될 수 있다. 또는, 제3 상부 유전층은 ITO, IZO, IGO, AZO, ZGO 등 전도성을 갖는 산화물일 수도 있고, 전이 금속원소 중 어느 하나 이상을 원소로 갖는 산화물 및 질화물을 포함할 수도 있으며, 이들의 조합을 포함할 수도 있으나 이에 국한되지 않는다.
또한, 유전층(144A)의 굴절율은 공기의 굴절율 이상이고 제1 도전형 반도체층(122)의 굴절율 이하일 수 있다. 예를 들어, 제1 도전형 반도체층이 GaN으로 이루어진 경우, 제1 유전층(144A)의 굴절율은 1 이상이고 2.4 이하일 수 있다. 즉, 유전층(144A)은 공기(air)일 수도 있다.
또한, 유전층(144A)의 두께(D)는 다음 수학식 1과 같을 수 있다.
여기서, λ는 활성층(124)으로부터 방출된 광의 파장을 나타내고, n은 유전층(144A)의 굴절율을 나타낸다. N(λ/n) 값이 800 ㎚ 이상인 경우 수렴하므로 N > 2 이상일 수 있다.
또한, 제1 도전형 반도체층(122), 유전층(144A) 및 금속층(142A)의 굴절율과 파장은 다음 수학식 2와 같은 관계를 가질 수 있다.
여기서, φ는 2πn/λ를 나타내고, △는 π/2를 나타낸다.
도 4는 도 3에 예시된 유전층(144A)의 굴절율(refractive index)을 나타내는 그래프로서, 횡축은 유전층(144A)의 두께를 나타내고, 종축은 상대 반사도(relative reflectivity)을 각각 나타낸다. 여기서, 실선은 계산값을 나타내며, 점선은 제1 및 제2 도전형 반도체층(122, 126)이 GaN인 경우의 측정값을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 유전층(144A)의 두께가 1200 ㎚일 때 실측된 상대 반사도가 최대일 수 있다.
도 5는 도 3에 예시된 발광 소자(100B)의 반사 특성을 나타내는 그래프로서, 횡축은 유전층(144A)의 굴절율(refractive index)(nd)을 나타내고 종축은 반사도(reflectivity)를 각각 나타낸다. 여기서, n 및 k는 금속층(142A)(Al, Ag)의 굴절율 및 유전율을 각각 나타낸다.
도 5를 참조하면, 도 3의 유전층(144A)의 굴절율(nd)에 대한 반사도를 알 수 있다. 이때, 유전층(144A)의 두께는 440/(4nd)이다. 점선은 금속층(142A)이 Ag로 이루어진 경우를 나타내고, 실선은 금속층(142A)이 Al로 이루어진 경우를 각각 나타낸다. 발광 소자(100B)는 TE(Transverse) 및 TM(Transverse Magnetic) 모드에 복합적으로 적용될 수도 있으며, 총 반사도는 다음 수학식 3과 같을 수 있다.
도 2 및 도 3의 광 반사 구조층(140A, 140B)의 반사도를 정리하면 다음 표 1과 같을 수 있다.
| - | ITO | ITO-SiO2 | ITO-TiO2-SiO2 | ITO-SiO2-TiO2-SiO2 | ITO-SiNx-SiO2 | ITO-SiO2-SiNx-SiO2 | ITO-SiO2-SiNx | |
| Ag | 88.03% | 89.05% | 89.63% | 94.13% | 94.51% | 92.74% | 92.62% | 88.85% |
| Al | 84.59% | 89.23% | 89.63% | 95.46% | 95.58% | 93.87% | 93.85% | 84.42% |
표 1에서, 도 2의 광 반사 구조층(140A)가 Ag로 이루어진 경우 반사도는 88.03%이고, Al로 이루어진 경우 84.59%이다. 또한, 도 3의 금속층(142A)이 Ag로 이루어진 경우 유전층(144A)이 ITO-SiO2-TiO2-SiO2로 이루어질 때 반사도가 94.51%로 가장 높고, 금속층(142A)이 Al로 이루어진 경우 유전층(144A)이 ITO-SiO2-TiO2-SiO2로 이루어질 때 반사도가 95.58%로 가장 높음을 알 수 있다.
한편, 도 2 및 도 3에 예시된 발광 소자(100A, 100B)에서 광 반사 구조층(140A, 140B)의 상면은 광 반사 패턴을 가질 수도 있다. 이에 대해 다음과 같이 살펴본다.
도 6은 또 다른 실시예에 의한 발광 소자(100C)의 단면도를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 광 반사 구조층(140C)에서 발광 구조물(120)과 대향하는 상면은 광 반사 패턴(182)을 가질 수 있다. 광 반사 패턴(182)을 갖는 것을 제외하면, 광 반사 구조층(140C)은 도 2의 광 반사 구조층(140A)과 동일하다. 또한, 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하였으며 이들에 대한 상세한 설명을 생략한다.
도 7은 또 다른 실시예에 의한 발광 소자(100D)의 단면도를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 광 반사 구조층(140D)에서 발광 구조물(120)과 대향하는 상면은 광 반사 패턴(184)을 가질 수 있다. 광 반사 패턴(184)을 갖는 것을 제외하면, 광 반사 구조층(140D)은 도 3의 광 반사 구조층(140B)과 동일하다. 즉, 유전층(144B)은 도 3의 유전층(144B)과 동일하다. 또한, 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하였으며 이들에 대한 상세한 설명을 생략한다.
도 8은 또 다른 실시예에 의한 발광 소자(100E)의 단면도를 나타낸다.
도 8을 참조하면, 광 반사 구조층(140E)의 금속층(142B) 및 유전층(144C) 각각에서 발광 구조물(120)과 대향하는 상면은 광 반사 패턴(186, 188)을 가질 수 있다. 광 반사 패턴(186)을 갖는 것을 제외하면 유전층(144C)은 도 3의 유전층(144C)과 동일하고, 광 반사 패턴(188)을 갖는 것을 제외하면 금속층(142B)은 도 3의 금속층(142A)과 동일하다. 따라서, 동일한 부분에 대한 중복된 설명을 생략한다.
유전층(144C) 및 금속층(142B)은 복수 개일 수 있다. 이 경우, 복수의 유전층(144C) 및 복수의 금속층(142B) 각각에서, 발광 구조물(120)과 대향하는 상면은 광 반사 패턴(186, 188)을 가질 수 있다. 그러나, 실시예는 이에 국한되지 않고, 복수의 유전층(144C) 중 일부 만이 광 반사 패턴(186)을 가질 수도 있고, 복수의 금속층(142B) 중 일부 만이 광 반사 패턴(188)을 가질 수 있다.
도 6 내지 도 8에 예시된 발광 소자(100C, 100D, 100E)에서 광 반사 패턴(182 ~ 188)은 비주기적 또는 주기적인 다양한 형상을 가질 수 있다.
이하, 전술한 광 반사 패턴(182 ~ 188)의 실시예에 따른 다양한 형상을 다음과 같이 설명한다.
도 9 내지 도 17은 실시예에 의한 광 반사 패턴(210A ~ 210I)의 사시도를 나타낸다. 여기서, 광 반사 패턴(210A ~ 210I)은 도 6 내지 도 8에 예시된 광 반사 패턴(182 ~ 188) 각각의 실시예에 해당한다.
광 반사 패턴(210A ~ 210I)은 베이스층(210)과 일체일 수 있다. 베이스층(210)은 도 6 내지 도 8의 금속층(140C, 142B)이나 유전층(140C, 144B, 144C)일 수도 있다.
실시예에 의하면, 광 반사 패턴은 도 9에 예시된 바와 같이 반구 형태(210A)일 수도 있고, 도 10에 예시된 바와 같이 2차 프리즘(prism) 형태(210B)일 수도 있고, 도 11에 예시된 바와 같이 원뿔(cone) 형태(210C)일 수도 있고, 도 12에 예시된 바와 같이 트런케이티드(truncated) 형태(210D)일 수도 있고, 도 13에 예시된 바와 같이 원통 형태(210E)일 수도 있고, 도 14에 예시된 바와 같이 육면체 형태(210F)일 수도 있으며 이에 국한되지 않고 다양한 형태일 수 있다.
또한, 광 반사 패턴은 바(bar) 형태일 수도 있다. 예를 들어, 도 15에 예시된 광 반사 패턴은 2차 프리즘 바 형태(210G)일 수 있으며, 이에 국한되지 않고 육면체 바 형태, 트런케이드 바 형태 등 다양한 모습의 바 형태일 수 있다.
또한, 광 반사 패턴은 격자 형태를 가질 수도 있다. 예를 들어, 도 16에 예시된 광 반사 패턴은 2차 프리즘 격자 형태(210H)일 수 있으며, 이에 국한되지 않고 육면체 격자 형태, 트런케이드 격자 형태 등 다양한 모습의 격자 형태일 수 있다.
또한, 전술한 도 9 내지 도 16에 예시된 광 반사 패턴(210A 내지 210H)은 양각 형태이지만, 광 반사 패턴은 음각 형태일 수도 있다. 예를 들어, 도 17에 예시된 바와 같이, 광 반사 패턴은 원통 음각 형태(210I)일 수도 있다.
또한, 광 반사 패턴은 도 9, 도 10, 도 13 내지 도 17과 같이 일정한 간격으로 서로 이격되어 주기적인 모습을 보일수 도 있지만, 도 11 또는 도 12에 예시된 바와 같이 불규칙한 간격으로 서로 이격되어 비주기적인 모습을 보일 수도 있다.
또한, 비록 도시되지는 않았지만, 광 반사 패턴은 도 9 내지 도 17에 예시된 반구 형태(210A), 2차 프리즘(prism) 형태(210B), 원뿔(cone) 형태(210C), 트런케이티드(truncated) 형태(210D), 원통 형태(210E), 육면체 (210F)의 조합일 수도 있다.
도 18은 도 6 내지 도 8에 예시된 광 반사 패턴(182 ~ 188)의 부분적인 확대도이다.
도 18에 예시된 광 반사 패턴은 도 13 또는 도 14의 18-18' 선을 따라 절취한 단면도일 수 있다. 이와 같이, 광 반사 패턴(182 ~ 188)의 단면은 철부(212)와 요부(214)를 갖는 주기적인 장방형(rectangle)일 수 있다.
도 18을 참조하면, 광 반사 패턴의 높이(h) 40 ㎚ 내지 3500 ㎚일 수 있고, 철부(212)의 폭(W)은 0.25h 내지 3.2h일 수 있다. 예를 들어, 폭(W)은 200 ㎚ 내지 1200 ㎚일 수 있다. 또한, 광 반사 패턴의 충전 인자(filling factor)는 0.20Λ 내지 0.6Λ일 수 있다. 여기서, Λ는 광 반사 패턴의 주기를 나타낸다. 충전 인자란, W/Λ를 의미한다.
도 19a 내지 도 19c는 전술한 발광 소자(100A ~ 100E)의 특성을 나타내는 그래프들이다. 도 19a 및 도 19c는 격자 상수(lattice constant)에 대한 광 추출 효율을 보이는 그래프이고, 도 19b는 광 반사 패턴의 높이에 대한 상대적 개선비(Relative enhancement)를 보이는 그래프이다. 여기서, 상대적 개선비란, 광 반사 패턴이 없는 광 반사 구조층(140A, 140B)의 광효율을 '1'로 가정했을 때, 광 반사 패턴(182 ~ 188)을 갖는 광 반사 구조층(140C ~ 140E)의 광효율을 나타낸다.
도 19a 및 도 19c에서 격자 상수란, 전술한 발광 소자(100A ~ 100E)에서 활성층(124)으로부터 광 반사 구조층(140A, 140C) 또는 금속층(142A, 142B)까지의 거리를 의미한다. 도 19a를 참조하면, 광 반사 패턴의 높이(h)가 40 ㎚ 또는 80 ㎚로 작을 때 격자 상수가 증가할수록 광 추출 효율은 높진다. 또한, 도 19c를 참조하면, 광 반사 패턴의 높이(h)가 450 ㎚ 또는 3600 ㎚로 클 때 격자 상수가 증가함에 따라 광 추출 효율은 커지거나 작아진다. 대략, 격자 상수가 2000 ㎚일 때, 광 추출 효율은 최대가 된다. 또한, 도 19b를 참조하면, 주기(Λ)가 400 ㎚ 및 1200 ㎚ 일 경우, 광 반사 패턴의 높이(h)가 대략 80 ㎚일 때 상대적 개선비가 가장 클 수 있다.
한편, 도 2, 도 3, 도 6 내지 도 8에 예시된 제1 전극(132)은 제1 도전형 반도체층(122)과 전기적으로 접촉되고, 제2 전극(136)은 제2 도전형 반도체층(126)과 전기적으로 접촉한다.
제1 및 제2 전극(132, 136) 각각은 금속으로 형성될 수 있다. 또한 오믹 특성을 갖는 반사 전극 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 전극(132, 136) 각각은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
또한, 도 2, 도 3, 도 6 내지 도 8에 예시된 발광 소자(100A ~ 100E)는 제2 전극(136)과 제2 도전형 반도체층(126) 사이에 오믹층(134)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어 제2 도전형 반도체층(126)이 p형 반도체층일 때, 제2 도전형 반도체층(126)의 불순물 도핑 농도가 낮아 접촉 저항이 높으며 그로 인해 오믹 특성이 좋지 못할 수 있으므로, 오믹층(134)은 이러한 오믹 특성을 개선하는 역할을 하며, 투명 전극 등으로 형성될 수 있다.
오믹층(134)은 약 200 옹스트롱(Å)의 두께일 수 있다. 예를 들어, 오믹층(134)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.
전술한 도 2, 도 3, 도 6 내지 도 8에 예시된 발광 소자(100A ~ 100E)에서 기판(110)이 실리콘 기판일 경우 활성층(124)으로부터 방출된 가시광선 및 활성층(124)으로부터 방출된 후 발광 구조물(120) 내에서 굴절되거나 반사된 빛은 광 반사 구조층(140A ~ 140E)에서 반사되므로 기판(110)에서 흡수되지 않고 발광 구조물(120) 쪽으로 다시 되돌아갈 수 있다. 그러므로, 내부 전 반사 효율이 증가되어 광 추출 효율이 높아질 수 있다.
또한, 도 6 내지 도 8에 예시된 광 반사 패턴(182 ~ 188)이 불규칙한 비주기적일 경우, 전(all) 파장 영역에 대해 동등한 광 추출 효율을 제공할 수도 있다.
이하, 도 6에 예시된 발광 소자(100C)의 제조 방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다. 그러나, 도 6에 예시된 발광 소자(100C)는 이에 국한되지 않고 다른 방법에 의해서도 제조될 수 있음은 물론이다. 또한, 다음에 설명되는 제조 방법은 도 2, 도 3, 도 7 및 도 8에 예시된 발광 소자(100A, 100B, 100D, 100E)에 대해서도 비슷하게 적용될 수 있음은 물론이다.
도 20a 내지 도 20g는 도 6에 예시된 발광 소자(100C)의 제조 방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
도 20a를 참조하면, 지지 기판(320) 상에 초기 버퍼층(322)을 형성한다. 여기서, 지지 기판(320)은 도전성 또는 비도전성 물질을 포함할 수 있다. 만일, 지지 기판(320)이 실리콘 기판일 경우, 대구경이 용이하며 열전도도가 우수하지만, 실리콘과 질화물계 발광 구조층(120A) 간의 열 팽창 계수의 차이 및 격자 부정합에 의해 발광 구조물(120A)에 크랙(crack)이 발생하는 등의 문제점이 발생할 수도 있다. 이를 방지하기 위해, 지지 기판(320) 상에 버퍼층(322)을 형성할 수 있다. 버퍼층(322)은 예를 들어 Al, In, N 및 Ga로 구성되는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있으나, 이에 국한되지 않는다. 또한, 버퍼층(322)은 단층 또는 다층 구조를 가질 수도 있다.
버퍼층(322)을 지지 기판(320) 상에 형성한 이후, 도 20b에 예시된 바와 같이 버퍼층(322) 상에 제1 도전형 반도체층(122A), 활성층(124A), 제2 도전형 반도체층(126A)을 순차적으로 적층하여 발광 구조층(120A)을 형성할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(122A)은 제1 도전형 도펀트가 도핑된 Ⅲ-Ⅴ족 또는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 반도체층(122A)이 n형 반도체층인 경우, 제1 도전형 도펀트는 n형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se, Te를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
제1 도전형 반도체층(122A)은 예를 들어, AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 이용하여 형성될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(122A)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
활성층(124A)은 단일 우물 구조, 다중 우물 구조, 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 구조, 양자 선 구조, 또는 양자 점 구조 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 예를 들어, 활성층(124A)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(124A)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. 우물층은 장벽층의 밴드 갭보다 작은 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
활성층(124A)의 위 또는/및 아래에 도전형 클래드층(미도시)이 더 형성될 수 있다. 도전형 클래드층은 활성층(124)의 장벽층의 밴드갭 에너지보다 더 높은 밴드갭 에너지를 갖는 반도체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도전형 클래드층은 GaN, AlGaN, InAlGaN 또는 초격자 구조 등으로 형성될 수 있다. 또한, 도전형 클래드층은 n형 또는 p형으로 도핑될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(126A)은 Ⅲ-Ⅴ 족 또는 Ⅱ-Ⅵ 족 등의 화합물 반도체를 이용하여 형성될 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 이용하여 제2 도전형 반도체층(126A)을 형성할 수 있다. 제2 도전형 반도체층(126A)이 p형 반도체층인 경우, 제2 도전형 도펀트는 p형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 수 있다.
이후, 도 20c에 예시된 바와 같이, 지지 기판(320)과 버퍼층(322)을 제거한다. 만일, 지지 기판(320)이 실리콘 기판인 경우, 습식 식각에 의해 실리콘 지지 기판(320)을 제거한다. 또한, 버퍼층(322)이 AlN으로 형성된 경우, 건식 식각에 의해 버퍼층(322)을 제거한다.
이후, 도 20d에 예시된 바와 같이, 노출된 제1 도전형 반도체층(122B)의 면을 패터닝하여 광 반사 패턴(182)을 형성한다. 제1 도전형 반도체층(122B)에 형성된 광 반사 패턴(182)은 주기적이거나 비주기적인 형태로 형성될 수 있으며, 도 9 내지 도 17에 예시된 바와 같이 반구 형태, 원뿔 형태, 2차 프리즘 형태, 트런케이티드 형태, 육면체 형태, 원통 형태, 양각 형태, 음각 형태, 바 형태 및 격자 형태 중 어느 하나의 형태 또는 이들이 조합된 형태로 형성될 수 있다.
이후, 도 20e에 예시된 바와 같이, 광 반사 패턴(182)이 형성된 제1 도전형 반도체층(122B) 상에 광 반사 구조층(140C)을 형성한다. 예를 들어, Ag, Al 및 Ph 중 적어도 하나의 금속 또는 이들의 조합을 포함하는 광 반사 특성을 갖는 금속 물질에 의해 광 반사 구조층(140C)이 형성될 수도 있고, SiO2, TiO2, Al2O3 및 Z2O2 중 적어도 하나 유전 물질 또는 이들의 조합을 포함하는 광 반사 특성을 갖는 유전 물질에 의해 광 반사 구조층(140C)이 형성될 수도 있으나, 이에 국한되지 않는다.
이후, 도 20f에 예시된 바와 같이, 광 반사 구조층(140C)의 상부에 기판(110)을 형성한다. 기판(110)은 절연성 기판일 수 있으며, 예컨대 사파이어(Al2O3), GaN, SiC, ZnO, GaP, InP, Ga203, GaAs 및 Si 중 적어도 하나를 사용하여 기판(110)을 형성할 수 있다.
이후, 도 20g에 예시된 바와 같이, 제1 도전형 반도체층(122B), 활성층(124A) 및 제2 도전형 반도체층(126A)을 메사 식각(Mesa etching)하여 제1 도전형 반도체층(122)을 노출시킨다.
이후, 도 6에 예시된 바와 같이, 노출된 제1 도전형 반도체층(122) 및 제2 도전형 반도체층(126) 각각의 상부에 제1 및 제2 전극(132, 136)을 형성한다. 예를 들어, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 제1 및 제2 전극(132, 136)을 형성할 수 있다.
이때, 제2 전극(136)을 형성하기 이전에, 제2 도전형 반도체층(126)의 상부에 오믹층(134)을 더 형성할 수도 있다. 오믹층(134)은 약 200 옹스트롱(Å)의 두께일 수 있다. 예를 들어, 오믹층(134)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.
이하, 발광 소자를 포함하는 발광 소자 패키지의 구성 및 동작을 설명한다.
도 21은 실시예에 따른 발광소자 패키지(400)의 단면도이다.
실시예에 따른 발광 소자 패키지(400)는 패키지 몸체부(405)와, 패키지 몸체부(405)에 설치된 제1 및 제2 리드 프레임(413, 414)과, 패키지 몸체부(405)에 배치되어 제1 및 제2 리드 프레임(413, 414)과 전기적으로 연결되는 발광 소자(420)와, 발광 소자(420)를 포위하는 몰딩 부재(440)를 포함한다.
패키지 몸체부(405)는 실리콘, 합성수지, 또는 금속을 포함하여 형성될 수 있으며, 발광 소자(420)의 주위에 경사면이 형성될 수 있다.
제1 및 제2 리드 프레임(413, 414)은 서로 전기적으로 분리되며, 발광 소자(420)에 전원을 제공하는 역할을 한다. 또한, 제1 및 제2 리드 프레임(413, 414)은 발광 소자(420)에서 발생된 빛을 반사시켜 광 효율을 증가시키는 역할을 할 수도 있으며, 발광 소자(420)에서 발생된 열을 외부로 배출시키는 역할을 할 수도 있다.
발광 소자(420)는 도 2, 도 3, 도 6 내지 도 8에 예시된 발광 소자(100A ~ 100E)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
발광 소자(420)는 도 21에 예시된 바와 같이 제1 또는 제2 리드 프레임(413, 414) 상에 배치되거나, 패키지 몸체부(405) 상에 배치될 수도 있다.
발광 소자(420)는 제1 및/또는 제2 리드 프레임(413, 414)과 와이어 방식, 플립칩 방식 또는 다이 본딩 방식 중 어느 하나에 의해 전기적으로 연결될 수도 있다. 도 21에 예시된 발광 소자(420)는 제1 리드 프레임(413)과 와이어(430)를 통해 전기적으로 연결되고 제2 리드 프레임(414)과 다른 와이어를 통해 전기적으로 연결되나 이에 국한되지 않는다.
몰딩 부재(440)는 발광 소자(420)를 포위하여 보호할 수 있다. 또한, 몰딩 부재(440)는 형광체를 포함하여, 발광 소자(420)에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있다.
실시예에 따른 발광 소자 패키지는 복수 개가 기판 상에 어레이되며, 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 22는 실시예에 따른 조명 유닛(500)의 사시도이다. 다만, 도 22의 조명 유닛(500)은 조명 시스템의 한 예이며, 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서 조명 유닛(500)은 케이스 몸체(510)와, 케이스 몸체(510)에 설치되며 외부 전원으로부터 전원을 제공받는 연결 단자(520)와, 케이스 몸체(510)에 설치된 발광 모듈부(530)를 포함할 수 있다.
케이스 몸체(510)는 방열 특성이 양호한 재질로 형성되며, 금속 또는 수지로 형성될 수 있다.
발광 모듈부(530)는 기판(532)과, 기판(532)에 탑재되는 적어도 하나의 발광소자 패키지(400)를 포함할 수 있다.
기판(532)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, 기판(532)은 빛을 효율적으로 반사하는 재질로 형성되거나, 표면이 빛이 효율적으로 반사되는 컬러, 예를 들어 백색, 은색 등으로 형성될 수 있다.
기판(532) 상에는 적어도 하나의 발광 소자 패키지(400)가 탑재될 수 있다. 발광 소자 패키지(400) 각각은 적어도 하나의 발광 소자(420) 예를 들면 발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode)를 포함할 수 있다. 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.
발광 모듈부(530)는 색감 및 휘도를 얻기 위해 다양한 발광 소자 패키지(300)의 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.
연결 단자(520)는 발광 모듈부(530)와 전기적으로 연결되어 전원을 공급할 수 있다. 실시예에서 연결 단자(520)는 소켓 방식으로 외부 전원에 돌려 끼워져 결합되지만, 이에 대해 한정하지는 않는다. 예를 들어, 연결 단자(520)는 핀(pin) 형태로 형성되어 외부 전원에 삽입되거나, 배선에 의해 외부 전원에 연결될 수도 있다.
도 23은 실시예에 따른 백라이트 유닛(600)의 분해 사시도이다. 다만, 도 23의 백라이트 유닛(600)은 조명 시스템의 한 예이며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
실시예에 따른 백라이트 유닛(600)은 도광판(610)과, 도광판(610) 아래의 반사 부재(620)와, 바텀 커버(630)와, 도광판(610)에 빛을 제공하는 발광 모듈부(640)를 포함한다. 바텀 커버(630)는 도광판(610), 반사 부재(620) 및 발광 모듈부(640)를 수납한다.
도광판(610)은 빛을 확산시켜 면광원화 시키는 역할을 한다. 도광판(610)은 투명한 재질로 이루어지며, 예를 들어, PMMA(polymethyl methacrylate)와 같은 아크릴 수지 계열, PET(polyethylene terephthlate), PC(poly carbonate), COC(cycloolefin copolymer) 및 PEN(polyethylene naphthalate) 수지 중 하나를 포함할 수 있다.
발광 모듈부(640)는 도광판(610)의 적어도 일 측면에 빛을 제공하며, 궁극적으로는 백라이트 유닛이 설치되는 디스플레이 장치의 광원으로써 작용하게 된다.
발광 모듈부(640)는 도광판(610)과 접할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 구체적으로, 발광 모듈부(640)는 기판(642)과, 기판(642)에 탑재된 다수의 발광 소자 패키지(400)를 포함한다. 기판(642)은 도광판(610)과 접할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
기판(642)은 회로 패턴(미도시)을 포함하는 PCB일 수 있다. 다만, 기판(642)은 일반 PCB 뿐 아니라, 메탈 코어 PCB(MCPCB, Metal Core PCB), 연성(flexible) PCB 등을 포함할 수도 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
그리고, 다수의 발광 소자 패키지(400)는 기판(642) 상에 빛이 방출되는 발광면이 도광판(610)과 소정 거리 이격되도록 탑재될 수 있다.
도광판(610) 아래에는 반사 부재(620)가 형성될 수 있다. 반사 부재(620)는 도광판(610)의 하면으로 입사된 빛을 반사시켜 위로 향하게 함으로써, 백라이트 유닛의 휘도를 향상시킬 수 있다. 반사 부재(620)는 예를 들어, PET, PC, PVC 레진 등으로 형성될 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다.
바텀 커버(630)는 도광판(610), 발광 모듈부(640) 및 반사 부재(620) 등을 수납할 수 있다. 이를 위해, 바텀 커버(630)는 상면이 개구된 박스(box) 형상으로 형성될 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다.
바텀 커버(630)는 금속 또는 수지로 형성될 수 있으며, 프레스 성형 또는 압출 성형 등의 공정을 이용하여 제조될 수 있다.
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.
10, 110: 기판 20, 120: 발광 구조물
22, 122: 제1 도전형 반도체층 24, 124: 활성층
26, 126: 제2 도전형 반도체층 32, 132: 제1 전극
36, 136: 제2 전극 100A ~ 100E, 420: 발광 소자
134: 오믹층 140A ~ 140E: 광 반사 구조층
142A, 142B: 금속층 144A, 144B, 144C: 유전층
182 ~ 188, 210A ~ 210I: 광 반사 패턴
210: 베이스층 320: 지지 기판
322: 버퍼층 400: 발광 소자 패키지
405: 패키지 몸체부 413, 414: 리드 프레임
440: 몰딩 부재 500: 조명 유닛
510: 케이스 몸체 520: 연결 단자
530, 640: 발광 모듈부 600: 백 라이트 유닛
610: 도광판 620: 반사 부재
630: 바텀 커버
22, 122: 제1 도전형 반도체층 24, 124: 활성층
26, 126: 제2 도전형 반도체층 32, 132: 제1 전극
36, 136: 제2 전극 100A ~ 100E, 420: 발광 소자
134: 오믹층 140A ~ 140E: 광 반사 구조층
142A, 142B: 금속층 144A, 144B, 144C: 유전층
182 ~ 188, 210A ~ 210I: 광 반사 패턴
210: 베이스층 320: 지지 기판
322: 버퍼층 400: 발광 소자 패키지
405: 패키지 몸체부 413, 414: 리드 프레임
440: 몰딩 부재 500: 조명 유닛
510: 케이스 몸체 520: 연결 단자
530, 640: 발광 모듈부 600: 백 라이트 유닛
610: 도광판 620: 반사 부재
630: 바텀 커버
Claims (13)
- 기판;
상기 기판 상에 순차적으로 적층된 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 갖는 발광 구조물;
상기 기판과 상기 발광 구조물 사이에 배치되어, 광을 반사시키는 광 반사 구조층; 및
상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층의 상부에 각각 배치된 제1 및 제2 전극을 포함하는 발광 소자. - 제1 항에 있어서, 상기 광 반사 구조층은 광 반사 특성을 갖는 금속층을 포함하는 발광 소자.
- 제1 항에 있어서, 상기 광 반사 구조층은 광 반사 특성을 갖는 적어도 하나의 유전층을 포함하는 발광 소자.
- 제2 항에 있어서, 상기 광 반사 구조층은
상기 발광 구조물과 상기 금속층 사이에 배치된 적어도 하나의 유전층을 더 포함하는 발광 소자. - 제4 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 유전층은 복수의 유전층을 포함하고,
상기 복수의 유전층의 굴절율은 상기 금속층에 가까울수록 작은 발광 소자. - 제2 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 반사 구조층에서 상기 발광 구조물과 대향하는 상면은 광 반사 패턴을 갖는 발광 소자.
- 제6 항에 있어서, 상기 광 반사 패턴의 형상은 주기적인 발광 소자.
- 제6 항에 있어서, 상기 광 반사 패턴의 형상은 비주기적인 발광 소자.
- 제6 항에 있어서, 상기 광 반사 패턴은 반구 형태, 원뿔 형태, 2차 프리즘 형태, 트런케이티드 형태, 육면체 형태, 원통 형태, 양각 형태, 음각 형태, 바 형태 및 격자 형태 중 어느 하나의 형태 또는 이들의 조합을 갖는 발광 소자.
- 제6 항에 있어서, 상기 광 반사 패턴의 높이는 40 ㎚ 내지 3500 ㎚인 발광 소자.
- 제7 항에 있어서, 상기 광 반사 패턴은 장방형이고, 상기 광 반사 패턴의 충전 인자는 0.20Λ 내지 0.6Λ (여기서, Λ는 상기 장방형 광 반사 패턴의 주기)인 발광 소자.
- 제7 항에 있어서, 상기 광 반사 패턴은 요철 모양의 장방형이고, 상기 철부의 폭은 0.25h 내지 3.2h (여기서, h는 상기 광 반사 패턴의 높이)인 발광 소자.
- 제4 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 유전층의 두께(D)는 아래와 같은 발광 소자.
(여기서, λ는 상기 활성층으로부터 발한 광의 파장을 나타내고, n은 상기 적어도 하나의 유전층의 굴절율을 나타내고, N > 2)
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| KR1020120084735A KR101984784B1 (ko) | 2012-08-02 | 2012-08-02 | 발광 소자 |
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|---|---|---|---|
| KR1020120084735A KR101984784B1 (ko) | 2012-08-02 | 2012-08-02 | 발광 소자 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20140018535A true KR20140018535A (ko) | 2014-02-13 |
| KR101984784B1 KR101984784B1 (ko) | 2019-05-31 |
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|---|---|---|---|
| KR1020120084735A KR101984784B1 (ko) | 2012-08-02 | 2012-08-02 | 발광 소자 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20200057448A (ko) * | 2018-11-16 | 2020-05-26 | 엘지이노텍 주식회사 | 마이크로 발광 소자 |
Citations (5)
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| JP2006128450A (ja) * | 2004-10-29 | 2006-05-18 | Toyoda Gosei Co Ltd | Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子 |
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| KR20090016051A (ko) * | 2007-08-10 | 2009-02-13 | 엘지이노텍 주식회사 | 반도체 발광소자 및 그 제조방법 |
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| KR20120017937A (ko) * | 2010-08-20 | 2012-02-29 | 엘지이노텍 주식회사 | 발광소자 |
-
2012
- 2012-08-02 KR KR1020120084735A patent/KR101984784B1/ko active IP Right Grant
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|---|---|
| KR101984784B1 (ko) | 2019-05-31 |
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