KR20140027656A - 발광소자 - Google Patents
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Abstract
실시예는 기판; 상기 기판 상에 배치되고, 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 상기 발광 구조물 상에 배치되는 Al계 버퍼층; 및 상기 Al계 버퍼층 상에 배치되고, 표면에 요철이 형성된 광추출 구조물을 포함하고, 상기 광추출 구조물은 복수 개의 층을 포함하고, 상기 복수 개의 층은 상기 Al계 버퍼층에 인접한 순서대로 제1 층과 제n층을 포함하며(n은 2이상의 정수), 상기 제n층의 굴절률은 제n-1 층의 굴절률보다 큰 발광소자를 제공한다.
Description
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.
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.
도 1은 종래의 발광소자를 나타낸 도면이다.
종래의 발광소자(100)는 실리콘 등을 포함하는 기판(180) 등에 버퍼층(미도시)을 사이에 두고, 제1 도전형 반도체층(162)과 활성층(164) 및 제2 도전형 반도체층(266)을 포함하는 발광 구조물(260)이 배치되고, 제1 도전형 반도체층(262)의 표면에는 제1 전극(270)이 배치될 수 있다.
발광소자의 광효율을 증가시키기 위하여는 발광 구조물 내에서 내부 양자 효율(Internal quantum efficiency)를 증가시키거나, 발광 구조물의 표면에서의 광추출 효율(Light extraction efficiency)를 향상시킬 필요가 있다.
이때, 제1 도전형 반도체층(262)의 표면에는 요철 형상으로 광추출 패턴이 배치되어 GaN 등으로 이루어지는 발광 구조물(260)의 표면에서의 광추출 효율을 증가시키고 있다. 즉, 발광 구조물의 경계면에서 외부와의 굴절률 차이에 의하여, 발광 구조물의 내부에서 임계각 이상의 각도로 상술한 경계면으로 진입하는 빛은 스넬의 법칙(Snell's law)에 따라 전반사되어 광추출 효율이 감소할 수 있으므로, 발광 구조물의 경계면에 요철을 형성하여 전반사를 줄이고 있다.
그러나, 상술한 종래의 발광소자는 다음과 같은 문제점이 있다.
특히, 수직형 발광소자에서 GaN으로 발광 구조물을 성장시키기 전에 버퍼층이나 AlN층 등의 하부 구조물을 성장시키는데, 상술한 하부 구조물을 모두 제거한 후 발광 구조물의 표면에만 요철을 형성시켜야 한다. 만일, AlN층이 잔존하면 GaN보다 작은 굴절률로 인하여 발광소자 표면에서 빛의 전반사가 발생할 수 있다.
따라서, 상술한 AlN층 등을 잔존시키고 스넬의 법칙에 따라 발광소자의 광추출 효율을 향상시킬 방법이 필요하다.
실시예는 발광소자의 광추출 효율을 개선하고자 한다.
실시예는 기판; 상기 기판 상에 배치되고, 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 상기 발광 구조물 상에 배치되는 Al계 버퍼층층; 및 상기 Al계 버퍼층 층 상에 배치되고, 표면에 요철이 형성된 광추출 구조물을 포함하고 상기 광추출 구조물은 복수 개의 층을 포함하고, 상기 복수 개의 층은 상기 Al계 버퍼층에 인접한 순서대로 제1 층과 제n층을 포함하며(n은 2이상의 정수), 상기 제n층의 굴절률은 제n-1 층의 굴절률보다 큰 발광소자를 제공한다.
광추출 구조물은 u-GaN 또는 n-GaN을 포함할 수 있다.
광추출 구조물은 TiO2 또는 MgF6를 포함할 수 있다.
Al계 버퍼층의 두께는 10 나노미터 내지 1,000 나노미터일 수 있다.
광추출 구조물의 두께는 10 나노미터 내지 500 나노미터일 수 있다.
광추출 구조물 내의 요철은 평균 주기가 500 나노미터 내지 1,000 나노미터일 수 있다.
광추출 구조물 내의 요철은, 상기 복수 개의 층 중 적어도 하나의 층에 형성될 수 있다.
제1 층의 굴절률은 상기 Al계 버퍼층의 굴절률보다 클 수 있다.
Al계 버퍼층은 AlN 또는 AlGaN일 수 있다.
Al계 버퍼층은 복수 개의 층으로 이루어지고, 상기 복수 개의 층 사이에 u-GaN 또는 n-GaN이 배치될 수 있다.
Al계 버퍼층 내의 각각의 층의 두께는 5 나노미터 내지 10 나노미터 미만일 수 있다.
본 실시예에 따른 발광소자는, 발광 구조물 위에 Al계 버퍼층이 배치되고, Al계 버퍼층 위에 보다 저굴절률의 광추출 구조물이 패터닝되어 배치되므로, Al계 버퍼층에서 광추출 구조물로 진행하는 빛의 전반사를 방지하여, 광효율이 향상될 수 있다. 또한, 복수 개의 Al계 버퍼층과 복수 개의 언도프드 GaN층이 배치되어, 발광 구조물의 성장 공정에서 발생하는 전위(dislocation)를 효과적으로 차단할 수 있다.
도 1은 종래의 발광소자를 나타낸 도면이고,
도 2 내지 도 6은 발광소자의 일실시예들을 나타낸 도면이고,
도 7a 내지 도 7g는 발광소자의 제조방법의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 8은 발광 소자가 배치된 발광소자 패키지의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 9는 발광 소자가 배치된 조명장치의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 10은 발광 소자가 배치된 영상표시장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 6은 발광소자의 일실시예들을 나타낸 도면이고,
도 7a 내지 도 7g는 발광소자의 제조방법의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 8은 발광 소자가 배치된 발광소자 패키지의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 9는 발광 소자가 배치된 조명장치의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 10은 발광 소자가 배치된 영상표시장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
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 방향 뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 2 내지 도 6은 발광소자의 일실시예들을 나타낸 도면이다.
발광 구조물(260)이 제1 도전형 반도체층(262)과 활성층(264) 및 제2 도전형 반도체층(266)을 포함하며 배치되고, 제1 도전형 반도체층(262)의 표면에는 AlN층(240)과 광추출 구조물(230)이 배치된다.
제1 도전형 반도체층(262)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(262)이 n형 반도체층인 경우, 상기 제1도전형 도펀트는 n형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se, Te를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
제1 도전형 반도체층(262)은 InxAlyGa(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(262)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
활성층(264)은 제1 도전형 반도체층(262)을 통해서 주입되는 전자와 제2 도전형 반도체층(266)을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 활성층(264)을 이루는 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다.
활성층(264)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(264)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(264)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(264)의 위 또는/및 아래에는 도전형 클래드층(미도시)이 형성될 수 있다. 도전형 클래드층은 활성층(264)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.
활성층(264) 위에는 제2 도전형 반도체층(266)이 배치된다. 제2 도전형 반도체층(266)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(266)이 p형 반도체층인 경우, 상기 제2도전형 도펀트는 p형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 수 있다.
AlN층(240)은 AlN을 포함하며 배치되고, 그 두께(t1)는 10 나노미터 내지 1,000 나노미터일 수 있고, 광추출 구조물(230)은 u-GaN(언도프드 GaN) 또는 n-GaN을 포함할 수 있으며, 그 두께(t2)는 10 나노미터 이상일 수 있다.
광추출 구조물(230)의 표면에는 요철이 배치될 수 있는데, 요철은 비주기적이거나 도시된 바와 같이 주기적일 수 있다. 요철이 주기적으로 배치될 때 그 주기(P)는 500 나노미터 내지 1,000 나노미터일 수 있고, PEC(Photoelectrochemical etching)이 아닌 다른 방법으로 요철을 배치하면 주기가 500 나노미터 이하나 1,000 나노미터 이상일 수 있으며 이때에도 광추출 효과를 기대할 수 있다.
발광 구조물(260) 내의 활성층(262)에서 전자와 정공이 결합하여 방출된 빛은 AlN층(240)과 광추출 구조물(230)을 통과하여 외부로 방출될 수 있다. 이때, AlN층(240)의 굴절률은 2.18이고 언도프드 GaN이나 n-GaN으로 이루어지는 광추출 구조물(230)의 굴절률은 2.4 정도이므로, AlN층(240)으로부터 광추출 구조물(230)으로 입사하는 빛의 전반사를 방지할 수 있다. AlN층의 두께(t1)가 10 나노미터 이하이면 굴절률 차이에 의한 전반사 방지 효과가 충분하지 않을 수 있다.
발광 소자의 둘레는 에폭시 수지 등으로 몰딩될 수 있는데, 에폭시의 굴절률은 1.4 정도이므로 임계각 이상의 각도로 광추출 구조물(230)의 표면으로 진행하는 빛은 전반사될 수 있다. 따라서, 광추출 구조물(230)의 표면에 요철이 형성되어 진행하는 빛의 입사각을 줄여서 전반사를 최소화할 수 있다. 또한, 광추출 구조물(230)의 표면에서 외부로 진행하는 빛의 회절 효과에 따른 광출사각 증가를 기대할 수 있다.
광추출 구조물(230)의 두께(t2)가 10 나노미터 이하이면 AlN층(240)과의 상호 작용에 의한 전반사 방지에 충분하지 않고, 500 나노미터를 초과하면 광추출 구조물(230)에 의한 빛의 흡수량이 증가할 수 있다. 광추출 구조물(230) 내에서 요철이 형성된 부분의 높이(h1)는 상술한 두께(t2)보다 작을 수 있다.
AlN층(240)은 굴절률이 언도프드 GaN이나 n-GaN보다 작은 다른 물질로 대체할 수 있으며, 일 예로서 AlGaN을 사용할 수 있다.
상술한 주기(P)는 요철의 마루와 마루 사이의 거리 또는 골과 골 사이의 거리일 수 있으며, 활성층(264)에서 청색광이 방출될 경우 500 나노미터 내지 1,000 나노미터일 수 있다.
광추출 구조물(230)의 표면에는 제1 전극(270)이 배치되고 있다. 제1 전극(270)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
발광 구조물(260)의 둘레에는 패시베이션층(290)이 배치되고 있다. 패시베이션층(290)은 절연물질로 이루어질 수 있으며, 절연물질은 비전도성인 산화물이나 질화물로 이루어질 수 있다. 일 예로서, 상기 패시베이션층(290)은 실리콘 산화물(SiO2)층, 산화 질화물층, 산화 알루미늄층으로 이루어질 수 있다.
발광 구조물(260)의 하부에 도시된 오믹층(282)과 반사층(284)과 접합층(286) 및 도전성 지지기판(288)이 제2 전극으로 작용할 수 있다.
오믹층(282)은 약 200 옹스트롱의 두께일 수 있다. 오믹층(282)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.
반사층(284)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(264)에서 발생된 빛을 효과적으로 반사하여 발광소자의 광추출 효율을 크게 개선할 수 있다.
도전성 지지기판(metal support, 288)은 전기 전도도가 우수한 금속을 사용할 수 있고, 발광소자 작동시 발생하는 열을 충분히 발산시킬 수 있어야 하므로 열전도도가 높은 금속을 사용할 수 있다.
도전성 지지기판(288)은 금속 또는 반도체 물질등으로 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.
상기 도전성 지지기판(888)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(286)은 반사층(284)과 도전성 지지기판(288)을 결합하는데, 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.
도 3에 도시된 발광 소자(200)는 도 2의 실시예와 유사하나, 광추출 구조물(230)의 일부 영역(A)의 표면에 요철이 배치되지 않는 점에서 상이하다. 상술한 일부 영역(A)에 제1 전극(270)이 배치되고 있으며, 후술하는 다른 실시예들에서도 이러한 구조는 적용될 수 있다.
도 4에 도시된 발광소자(200)는 도 2의 실시예와 유사하나, 광추출 구조물(230)이 복수 개의 층(230-1 내지 230-n)으로 이루어져 있다. 즉, AlN층(240)과 인접한 순서대로 복수 개의 층(230-1 내지 230-n)이 배치되는데, 적어도 2개의 층이 배치될 수 있다.
복수 개의 층(230-1 내지 230-n) 내에서 각각의 층의 굴절률은 AlN층(240)으로부터 멀어질수록 증가할 수 있다. 즉, 제1층(230-1)의 굴절률보다 제2층(230-2)의 굴절률이 크며, 제2층(230-2)의 굴절률보다 제3층(230-3)의 굴절률이 크며, 제n층(230-n)의 굴절률은 제n-1층(230-(n-1))의 굴절률보다 클 수 있다. 그리고, 제1층(230-1)의 굴절률은 AlN층(240)의 굴절률보다 클 수 있다.
상술한 복수 개의 층(230-1 내지 230-n)의 배치는 발광소자(200) 내부에서의 빛의 전반사에 의한 광추출 효율의 저하를 방지할 수 있다. 즉, 스넬의 법칙에 따라 밀한 매질로부터 소한 매질로 진행하는 빛은 임계각 이상의 각도로 진행할 때 전반사될 수 있는데, 도 4에 도시된 발광소자에서 AlN층(240)으로부터 윗 방향의 제1층(230-1)으로 갈수록 굴절률이 증가하며, 광추출 구조물(230) 내에서도 제1층(230-1)으로부터 제n층(230-n)으로 진행할수록 굴절률이 증가하므로 상술한 빛의 전반사를 방지할 수 있다.
도 4에서 광추출 구조물(230) 내에서 요철 구조는 가장 위에 배치된, 즉 표면의 제n층(230-n)에만 형성되고 있다. 도 5에 도시된 실시예는 도 4의 발광소자(200)와 유사하나, 광추출 구조물(230) 내의 요철 구조는 가장 아래에 배치된 제1층(230-1)에까지 형성되고 있다. 즉, 광추출 구조물(230) 내에서의 요철은 적어도 표면에 배치된 하나의 층 이상에 형성되어, 광추출 구조물(230)로부터 외부의 에폭시 수지 등으로 진행하는 빛의 진행 각도를 줄여서 전반사를 줄일 수 있다.
도 6에 도시된 발광소자(200)는, 도 2에 도시된 발광소자와 유사하나 AlN층(240)이 3개의 층(240-1, 240-2, 240-3)으로 이루어져 있다. 그리고, AlN층(240) 내의 3개의 층(240-1, 240-2, 240-3) 사이에 언도프드 GaN층 또는 n-GaN층(250)이 배치될 수 있다
즉, 본 실시예에서는 제3 AlN층(240-3) 위에 제2 언도프드 GaN층(250-2)이 배치되고, 제2 언도프드 GaN층(250-2) 위에 제2 AlN층(240-2)이 배치되고, 제2 AlN층(240-2) 위에 제1 언도프드 GaN층(250-1)이 배치되고, 제2 언도프드 GaN층(250-1) 위에 제1 AlN층(240-1)이 배치되고 있다. 여기서, 언도프드 GaN을 대신하여 n-GaN이 배치될 수 있으며, AlN층(240)의 개수와 언도프드 GaN층(250)의 개수는 도 6에 도시된 것보다 더 많을 수 있다.
도 6에 도시된 구조는, 발광 구조물(260)의 성장 이전에 언도프드 GaN 내에 또는 n-GaN의 하부에 인터레이어(interlayer)로 복수개의 층으로 AlN을 성장시켜서, 기판이나 버퍼층과의 경계면에서 발생한 전위(dislocation)이 성장하는 것을 방지할 수 있다. 그리고, 상술한 인터레이어로 성장된 AlN 등의 일부가 잔존하여서 도 6에 도시된 바와 같은 구조를 이룰 수 있다.
제1 언도프드 GaN층(250-1)과 제2 언도프드 GaN층(250-2)의 두께(t3, t4)는 각각의 AlN층(240-1, 240-2, 240-3)의 두께보다 두꺼울 수 있다.
그리고, 각각의 AlN층(240-1, 240-2, 240-3)의 두께는 5 옹스트롬(Angstrom) 내지 10 옹스트롬일 수 있는데, 너무 얇으면 전위의 차단에 충분하지 않고 너무 두꺼우면 전위의 차단 효과는 상승하나 이종 재료의 두께 증가에 따라 GaN 등의 품질이 저하될 수 있다. 또한, 각각의 AlN층(240-1, 240-2, 240-3)의 두께가 너무 두꺼우면 그 사이에 배치된 AlN층과의 사이에서 굴절률 차이에 의한 전반사가 발생할 수 있다.
도 7a 내지 도 7g는 발광소자의 제조방법의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도 7a에 도시된 바와 같이 기판(210) 위에 버퍼층(220)과 광추출 구조물(230) 및 AlN층(240)을 성장시킨다.
기판(210)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질이나 캐리어 웨이퍼로 형성될 수 있으며, 열 전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있고, 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함할 수 있다. 예컨대, SiO2, 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
버퍼층(220)은 AlN을 성장시킬 수 있으며, 기판(210)과의 재료의 격자 부정합 및 열팽창 계수의 차이를 완화하기 위한 물질, 예를 들면 GaN, InN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN을 성장시킬 수 있다. 버퍼층(220)은 150 나노미터 내지 250 나노미터의 두께로 성장시킬 수 있다.
그리고, 버퍼층(220) 위에 광추출 구조물(230)을 성장시키는데, 상술한 요철 구조는 후술하는 공정에서 형성한다. 광추출 구조물(230)은 언도프드 GaN이나 n-GaN으로 성장시킬 수 있으며, AlN보다 굴절률이 큰 물질 예를 들면, TiO2나 MgF2를 이용하여 성장시킬 수 있다. 상술한 TiO2나 MgF2로 광추출 구조물(230)을 성장시킬 때, 그 두께는 10 나노미터 내지 500 나노미터일 수 있는데, 10 나노미터 이하로 성장시키기 어렵고, 너무 두꺼우면 광흡수가 증가하거나 AlN층(240) 내에 결함이 많이 생길 수 있다.
광추출 구조물(230) 위에 AlN층(240)은 버퍼층(220)과 광추출 구조물(230)의 경계면에서 성장된 전위를 차단할 수 있다. 상술한 AlN층(240)은 얇은 두께로 여러번 성장시킬 수 있으며, 도 6에 도시된 바와 같이 다른 층 사이에 인터레이어로 성장시킬 수도 있다.
도 7b에 도시된 바와 같이, AlN층(240) 상에 발광 구조물(260)을 성장시킬 수 있다.
제1 도전형 반도체층(262)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, 상기 제1 도전형 반도체층(162)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(264)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.
제2 도전형 반도체층(266)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 7c에 도시된 바와 같이 발광 구조물(260) 위에 오믹층(282)과 반사층(284)과 접합층(286) 및 도전성 지지기판(288)을 배치할 수 있다. 오믹층(282)과 반사층(284)의 조성은 상술한 바와 같으며, 스퍼터링법이나 전자빔 증착법에 의하여 형성될 수 있다.
도전성 지지기판(288)을 형성시키는 방법은 전기화학적인 금속증착방법이나 유테틱(Eutetic) 메탈을 이용한 본딩 방법 등을 사용하거나, 별도의 접합층(286)을 형성할 수 있다.
그리고, 상기 기판(210)을 분리하다. 상기 기판(210)의 제거는 사파이어 기판의 경우 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 구조물(220)의 경계면에 열 에너지가 집중되어 경계면이 갈륨과 질소 분자로 분리되면서 레이저 광이 지나가는 부분에서 순간적으로 기판(210)의 분리가 일어나며, 이때 버퍼층(215)도 건식 식각 공정으로 분리할 수 있다.
실리콘 기판의 경우 습식 식각 공정을 통하여 기판(210)을 분리할 수 있고, 버퍼층(220)도 건식 식각 공정으로 분리할 수 있다.
그리고, 기판이 분리된 발광 구조물(260)을 소자 단위로 다이싱(dicing)한다. 이때, 마스크(미도시)를 사용하여 각 발광 구조물(260)을 식각할 수도 있다.
그리고, 도 7d에 도시된 바와 같이 광추출 구조물(230)을 마스크(295)를 사용하여 선택적으로 식각하여 요철 구조를 형성할 수 있다. 언도프드 GaN 등으로 이루어진 광추출 구조물(230)을 제거하고, AlN층(240)이나 발광 구조물(260)의 표면을 패터닝할 수도 있으나, AlN보다 굴절률이 높은 언도프드 GaN 등으로 이루어진 광추출 구조물(230)을 남기고 패터닝할 수 있다.
도 7e에 도시된 바와 같이, 제1 전극(270)과 패시베이션층(290)을 증착 등의 공정으로 배치하여 발광소자(200)를 완성할 수 있다.
도 7f와 도 7g는 발광소자의 다른 실시예의 제조공정을 나타낸 도면이다.
도 7c의 공정 후에 기판(210)과 버퍼층(220) 및 광추출 구조물(230)까지 제거된 후의 공정을 나타낸 도면이다.
도 7f에 도시된 바와 같이 AlN층 위에 광추출 구조물(255)를 증착 등의 공정으로 배치하는데, AlN보다 굴절률이 큰 물질 예를 들면 TiO2나 MgF6를 배치할 수 있다. 그리고, 마스크(295)를 사용하여 광추출 구조물(255)을 선택적으로 식각하여 요철 구조를 형성한다. 상술한 TiO2나 MgF6 대신에 투광성이면서도 AlN보다 굴절률이 같거나 큰 다른 물질을 사용할 수도 있다.
즉, 도 7d에서는 발광 구조물(260)의 성장 이전에 배치된 언드프드 GaN이나 n-GaN으로 이루어진 광추출 구조물(260)을 패터닝하는데, 도 7f에서는 별도의 광추출 구조물(255)을 패터닝한다.
그리고, 도 7g에 도시된 바와 같이 제1 전극(270)과 패시베이션층(290)을 증착 등의 공정으로 배치하여 발광소자(200)를 완성할 수 있다. 도 7e에 도시된 발광소자와 도 7g에 도시된 발광소자 모두 AlN층(240)을 제거하지 않으며, 광추출 구조물(230, 255) 아래에 상대적으로 저굴절률의 AlN층(240)을 배치하여 전반사를 방지할 수 있다.
실시예에 따른 공정으로 제조된 발광소자는 발광 구조물 위에 AlN층이 배치되고, AlN층 위에 보다 저굴절률의 광추출 구조물이 패터닝되어 배치되므로, AlN층에서 광추출 구조물로 진행하는 빛의 전반사를 방지할 수 있다.
도 8은 발광소자를 포함하는 발광소자 패키지의 일실시예를 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 발광소자 패키지(300)는 캐비티를 포함하는 몸체(310)와, 상기 몸체(310)에 설치된 제1 리드 프레임(Lead Frame, 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(200)와, 상기 캐비티에 형성된 몰딩부(350)를 포함한다.
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.
제1 리드 프레임(321) 및 제2 리드 프레임(322)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광소자(200)에 전류를 공급한다. 또한, 제1 리드 프레임(321) 및 제2 리드 프레임(322)은 발광소자(200)에서 발생된 광을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있으며, 발광소자(200)에서 발생된 열을 외부로 배출시킬 수도 있다.
발광소자(200)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(200)가 직접 통전되고, 제2 리드 프레임(322)과 상기 발광소자(200)는 와이어(340)를 통하여 연결되어 있다. 발광소자(200)는 와이어 본딩 방식 외에 플립칩 방식 또는 다이 본딩 방식 등에 의하여 리드 프레임(321, 322)과 연결될 수 있다.
상기 몰딩부(350)는 상기 발광소자(200)를 포위하여 보호할 수 있다. 또한, 상기 몰딩부(350) 상에는 형광체(360)가 몰딩부(350)와 별개의 층으로 컨포멀(Conformal) 코팅되어 있다. 이러한 구조는 형광체(360)가 분포되어, 발광소자(200)로부터 방출되는 빛의 파장을 발광소자 패키지(300)의 빛이 출사되는 전 영역에서 변환시킬 수 있다.
발광소자(200)에서 방출된 제1 파장 영역의 광이 상기 형광체(360)에 의하여 여기되어 제2 파장 영역의 광으로 변환되고, 상기 제2 파장 영역의 광은 렌즈(미도시)를 통과하면서 광경로가 변경될 수 있다.
상술한 발광소자 패키지(300)는 내부에 배치된 발광소자(200)에서 발광 구조물 위에 AlN층이 배치되고, AlN층 위에 보다 저굴절률의 광추출 구조물이 패터닝되어 배치되므로, AlN층에서 광추출 구조물로 진행하는 빛의 전반사를 방지하여, 발광소자 패키지의 광효율이 향상될 수 있다.
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 9는 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 발광소자는 발광 구조물 위에 AlN층이 배치되고, AlN층 위에 보다 저굴절률의 광추출 구조물이 패터닝되어 배치되므로, AlN층에서 광추출 구조물로 진행하는 빛의 전반사를 방지하여, 발광소자 모듈의 광효율이 향상될 수 있다.
도 10은 발광소자 패키지를 포함하는 영상표시장치의 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 전반에 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 7에서 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, 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(530)은 굴절률과 투과율이 좋은 재료로 이루어지는데, 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(560) 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 발광소자는 상술한 바와 같이, 발광 구조물 위에 AlN층이 배치되고, AlN층 위에 보다 저굴절률의 광추출 구조물이 패터닝되어 배치되므로, AlN층에서 광추출 구조물로 진행하는 빛의 전반사를 방지하여, 영상표시장치의 광효율이 향상될 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.
100, 200: 발광소자 160, 260: 발광 구조물
162,262: 제1 도전형 반도체층 164, 264: 활성층
166, 266: 제2 도전형 반도체층 170, 270: 제1 전극
180: 제2 전극 210: 기판
220: 버퍼층 230, 255: 광추출 구조물
240: AlN층 250: 언도프드 GaN층
282: 오믹층 284: 반사층
286: 접합층 288: 도전성 지지기판
290: 패시베이션층 300 : 발광소자 패키지
400 : 헤드 램프 500 : 영상표시장치
162,262: 제1 도전형 반도체층 164, 264: 활성층
166, 266: 제2 도전형 반도체층 170, 270: 제1 전극
180: 제2 전극 210: 기판
220: 버퍼층 230, 255: 광추출 구조물
240: AlN층 250: 언도프드 GaN층
282: 오믹층 284: 반사층
286: 접합층 288: 도전성 지지기판
290: 패시베이션층 300 : 발광소자 패키지
400 : 헤드 램프 500 : 영상표시장치
Claims (11)
- 기판;
상기 기판 상에 배치되고, 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물;
상기 발광 구조물 상에 배치되는 Al(알루미늄)계 버퍼층; 및
상기 Al계 버퍼층 상에 배치되고, 표면에 요철이 형성된 광추출 구조물을 포함하고, 상기 광추출 구조물은 복수 개의 층을 포함하고, 상기 복수 개의 층은 상기 Al계 버퍼층에 인접한 순서대로 제1 층과 제n층을 포함하며(n은 2이상의 정수), 상기 제n층의 굴절률은 제n-1 층의 굴절률보다 큰 발광소자. - 제1 항에 있어서,
상기 광추출 구조물은 u-GaN 또는 n-GaN을 포함하는 발광소자. - 제1 항에 있어서,
상기 광추출 구조물은 TiO2 또는 MgF6를 포함하는 발광소자. - 제1 항에 있어서,
상기 Al계 버퍼층의 두께는 10 나노미터 내지 1,000 나노미터인 발광소자. - 제3 항에 있어서,
상기 광추출 구조물의 두께는 10 나노미터 내지 500 나노미터인 발광소자. - 제1 항에 있어서,
상기 광추출 구조물 내의 요철은 평균 주기가 500 나노미터 내지 1,000 나노미터인 발광소자. - 제6 항에 있어서,
상기 광추출 구조물 내의 요철은, 상기 복수 개의 층 중 적어도 하나의 층에 형성된 발광소자. - 제1 항에 있어서,
상기 제1 층의 굴절률은 상기 AlN층의 굴절률보다 큰 발광소자. - 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 Al계 버퍼층은 AlN 또는 AlGaN인 발광소자. - 제1 항에 있어서,
상기 Al계 버퍼층은 복수 개의 층으로 이루어지고, 상기 복수 개의 층 사이에 u-GaN 또는 n-GaN이 배치되는 발광소자. - 제10 항에 있어서,
상기 Al계 버퍼층 내의 각각의 층의 두께는 5 나노미터 내지 10 나노미터 미만인 발광소자.
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-
2012
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