KR20140032691A - 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판의 일 면 상에 형성되며, 복수의 반도체층을 포함하여 소정 파장의 광을 방출하는 발광 셀과, 기판의 타 면 및 측면의 일부 높이까지 형성되어 발광 셀로부터 방출되는 광의 파장을 변환시키는 파장 변환층을 포함하는 발광 소자를 제시한다.

Description

발광 소자 및 그 제조 방법{Light emitting device and method of manufacturing the same}
본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 특히 광 추출 효율을 향상시켜 휘도를 향상시킬 수 있는 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 GaN, AlN, InGaN 등과 같은 질화물은 열적 안정성이 우수하고 직접 천이형의 에너지 밴드(band)를 가지고 있어 최근 광전소자용 물질로 많은 각광을 받고 있다. 특히, 에너지 밴드갭은 상온에서 GaN가 3.4eV이고, InGaN이 In, Ga의 조성에 따라 1.9eV∼2.8eV로 크기 때문에 고온 고출력 소자에 사용될 수 있다.
GaN, InGaN 등의 질화물 반도체를 이용한 발광 소자는 일반적으로 기판 상부에 N형 반도체층, 활성층, P형 반도체층이 적층 형성되고, N형 반도체층과 P형 반도체층에 각각 접속된 N형 전극 및 P형 전극으로 구성된다. 발광 소자는 N형 전극 및 P형 전극에 소정의 전류가 인가되면, N형 반도체층으로부터 제공되는 전자와 P형 반도체층으로부터 제공되는 홀이 활성층에서 재결합되어 에너지 갭에 해당하는 파장의 광이 방출하게 된다. 이러한 발광 소자가 한국공개특허 제2008-0050904호에 제시되어 있다.
그런데, 일반적인 백색 발광 소자의 경우 사파이어 등의 기판 상에 활성층을 포함한 반도체층들이 형성되고 반도체층 상에 형광층이 형성된다. 이 경우 반도체층에서 발생되는 열에 의해 형광층은 변성 또는 파손되어 휘도 저하를 초래하는 문제가 발생된다.
또한, 활성층에서 방출되는 광은 출사면 이외의 다양한 방향으로 방출된다. 즉, 활성층에서 방출되는 광은 예를 들어 P형 전극 측의 출사면으로 방출될 뿐만 아니라 그와 반대 방향의 기판 방향으로 방출된다. 따라서, 활성층에서 방출되는 광은 N형 반도체층, P형 반도체층을 수차례 통과한 후 출사면 방향으로 방출되며, 출사면 방향의 상측에 형성된 형광체를 통하여 파장이 변환된 후 방출된다.
그런데, 광은 그 자신보다 낮은 밴드갭을 갖는 물질에 흡수되기 때문에 예를 들어 2.8eV의 밴드갭을 가지는 InGaN을 이용한 반도체층을 통과하는 광이 이보다 높은 밴드갭을 가지면 반도체층에 흡수된다. 즉, 활성층에서 방출되는 약 2.9eV의 밴드갭을 가지는 청색광이 N형 반도체층, P형 반도체층 등을 수차례 통과하므로 이들보다 밴드갭이 높은 광은 이들에 흡수되고, 그에 따라 광 추출 효율이 떨어지고 휘도가 저하되는 문제가 발생된다.
본 발명은 광 추출 효율을 향상시킬 수 있고, 그에 따라 휘도를 향상시킬 수 있는 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 반도체층들과 이격되어 파장 변환층을 형성함으로써 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 소망하는 출사면 이외의 방향으로 방출되는 광의 파장을 변화시켜 반도체층보다 낮은 밴드갭을 갖도록 함으로써 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 소망하는 출사면 이외의 면에 파장 변환층을 마련하여 소망하는 출사면 이외의 방향으로 방출되는 광의 파장을 변화시키는 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 양태에 따른 발광 소자는 복수의 반도체층을 포함하고 소정 파장의 광을 방출하는 복수의 발광 셀이 일면에 형성된 기판; 상기 기판의 타 면에 소정 깊이로 형성된 복수의 절개부; 상기 기판의 타면 및 복수의 절개부 상에 형성되어 상기 발광 셀로부터 방출되는 광의 파장을 변환시키는 파장 변환층을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따른 발광 소자는 기판의 일 면 상에 형성되며, 복수의 반도체층을 포함하여 소정 파장의 광을 방출하는 발광 셀; 상기 기판의 타 면 및 측면의 일부 높이까지 형성되어 상기 발광 셀로부터 방출되는 광의 파장을 변환시키는 파장 변환층을 포함할 수 있다.
본 발명의 또다른 양태에 따른 발광 소자는 기판의 일 면 상에 형성되며, 복수의 반도체층을 포함하여 소정 파장의 광을 방출하는 발광 셀; 상기 기판의 타 면 상에 형성되어 상기 발광 셀로부터 방출되는 광의 파장을 변환시키는 파장 변환층; 상기 파장 변환층 상에 형성되어 상기 파장 변환층에 의해 파장이 변환된 광을 반사시키는 반사층을 포함할 수 있다.
본 발명의 양태들에 따른 발광 소자는 상기 기판이 투광성 기판일 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 발광 소자는 상기 절개부가 적어도 하나의 발광 셀을 분리하기 위한 스크라이브 라인과 중첩 형성될 수 있다.
본 발명의 양태들에 따른 발광 소자는 상기 파장 변환층이 형광체층, 양자점층의 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 또다른 양태에 따른 발광 소자는 상기 파장 변환층은 상기 발광 셀로부터 방출되는 광을 낮은 밴드갭을 가지는 광으로 변환시킬 수 있다.
본 발명의 또다른 양태에 따른 발광 소자는 상기 반사층 상에 형성된 지지층을 더 포함할 수 있고, 상기 지지층은 금속으로 형성될 수 있으며, 상기 지지층은 히트 싱크를 포함할 수 있다.
본 발명의 또다른 양태에 따른 발광 소자는 상기 발광 셀 상에 형성된 제 2 파장 변환층을 더 포함할 수 있고, 상기 제 2 파장 변환층은 상기 발광 셀과 이격된 거리에 형성되어 균일한 두께로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 양태에 따른 발광 소자의 제조 방법은 기판의 일 면 상에 각각 복수의 반도체층을 적층하여 복수의 발광 셀을 형성하는 단계; 상기 기판의 타 면에 소정 깊이로 복수의 절개부를 형성하는 단계; 및 상기 복수의 절개부를 포함한 상기 기판의 타 면 및 복수의 절개부 상에 파장 변환층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 파장 변환층 상에 반사층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 반사층 상에 지지층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 양태는 발광 셀로부터 방출되는 광의 파장을 변환시키는 파장 변환층이 발광 셀의 반도체층들과 이격되어 기판의 후면 및 측면에 형성된다. 또한, 파장 변환층을 웨이퍼 레벨에서 형성할 수 있는데, 복수의 발광 셀이 형성된 기판의 후면에 절개부를 형성한 후 절개부를 포함한 기판 후면에 파장 변환층을 형성할 수 있다.
따라서, 파장 변환층이 발광 셀과 이격되어 형성됨으로써 형광체가 발광 셀의 반도체층과 접촉하여 형성되는 경우 반도체층에서 발생되는 열에 의한 형광체의 변성 또는 파손을 방지할 수 있고, 그에 따라 발광 소자의 휘도 저하를 방지할 수 있다. 또한, 파장 변환층이 웨이퍼 레벨에서 형성되므로 공정 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 양태는 발광 셀의 소망하는 출사면 방향 이외의 영역에 파장 변환층을 형성하여 발광 셀로부터 발생되어 출사면 이외의 방향으로 방출되는 광의 파장을 변환시킨 후 출사면 방향으로 방출되도록 한다. 즉, 파장 변환층은 발광 셀로부터 발생되는 광보다 높은 파장을 갖도록 변환시키고 그에 따라 밴드갭이 낮아지도록 한다.
이렇게 소망하는 출사면 이외의 방향으로 방출되는 광의 밴드갭이 발광 셀의 반도체층들의 밴드갭보다 낮도록 변환시켜 소망하는 출사면 방향으로 반사시킴으로써 광이 발광 셀의 반도체층에 흡수되지 않고 출사면으로 방출된다. 따라서, 광 추출 효율을 향상시킬 수 있고, 그에 따라 휘도를 향상시킬 수 있다.
또한, 파장 변환층이 발광 셀의 측면에 반도체층들의 높이와 같거나 그보다 낮게 형성됨으로써 파장 변환 영역을 증가시킬 수 있고, 그에 따라 광 추출 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자의 평면도 및 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 발광 소자의 단면도.
도 4 및 도 5는 본 발명의 또다른 실시 예에 따른 발광 소자의 평면도 및 단면도.
도 6은 본 발명의 또다른 실시 예에 따른 발광 소자의 광 경로를 설명하기 위한 개략도.
도 7은 본 발명의 또다른 실시 예에 따른 발광 소자의 단면도.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시 예들에 따른 발광 소자를 적용한 패키지의 단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 여러 층 및 각 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 표현하였으며 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭하도록 하였다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자의 평면도 및 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자는 기판(110)과, 기판(110)의 일면 상에 형성된 복수의 반도체층들을 각각 포함하여 소정 파장의 광을 방출하고 서로 이격된 복수의 발광 셀(100)과, 발광 셀(100)이 형성되지 않은 기판(110) 후면의 소정 영역에 소정 깊이로 형성된 절개부(170)와, 기판(100) 후면과 절개부(170)를 통해 기판(110) 측면에 형성되어 발광 셀(100)로부터 방출된 광의 파장을 변환시키는 파장 변환층(200)을 포함할 수 있다. 또한, 복수의 발광 셀(100) 각각은 기판(110) 상에 순차적으로 형성된 제 1 반도체층(120), 활성층(130) 및 제 2 반도체층(140)과, 활성층(130) 및 제 2 반도체층(140)이 일부 식각되어 노출된 제 1 반도체층(120) 및 제 2 반도체층(140) 상에 각각 형성된 제 1 및 제 2 전극(150, 160)을 포함할 수 있다. 여기서, 복수의 발광 셀(100)은 직렬, 병렬 또는 직병렬 연결될 수도 있다. 즉, 일 발광 셀(100)의 제 1 전극(150)으로부터 타 발광 셀의 제 1 또는 제 2 전극(150, 160)이 예를 들어 배선(미도시)을 이용하여 연결되어 직렬, 병렬 또는 직병렬 연결될 수 있다.
기판(110)은 발광 소자를 제작하기 위한 통상의 웨이퍼를 지칭하며, 바람직하게는 질화물 반도체 단결정을 성장시키기에 적합한 재질을 이용할 수 있다. 예를 들면, 기판(110)은 Al2O3, SiC, ZnO, Si, GaAs, GaP, LiAl2O3, BN, AlN 및 GaN 중 어느 하나를 이용할 수 있다. 또한, 광의 출사 방향에 따라 투명 기판을 이용할 수 있고, 불투명 기판을 이용할 수도 있다. 즉, 기판(110) 측으로 광이 출사되어 기판(110)을 통과하여 광이 방출되는 경우 투명 기판을 이용하고, 기판(110)과 반대측으로 출사되는 경우 불투명 기판을 이용할 수 있다.
제 1 반도체층(120)은 N형 불순물이 도핑된 N형 반도체일 수 있고, 그에 따라 활성층(130)에 전자를 공급할 수 있다. 예를 들어, 제 1 반도체층(120)은 Si가 도핑된 InGaN층을 이용할 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고 다양한 반도체 물질이 가능하다. 즉, GaN, InN, AlN(Ⅲ-Ⅴ족) 등과 같은 질화물과 이러한 질화물을 일정한 비율로 혼합한 화합물이 이용될 수 있다. 한편, 발광 셀(200)은 기판(110) 상에 제 1 반도체층(120)을 형성하기 전에 기판(110)과의 격자 부정합을 완화하기 위하여 AlN 또는 GaN을 포함하는 버퍼층(미도시)을 형성할 수도 있다. 또한, 버퍼층 상에 언도프트층(미도시)을 형성할 수 있는데, 언도프트층은 불순물이 도핑되지 않은 층으로 형성할 수 있고, 예를 들어 언도프트 GaN층으로 형성할 수 있다.
활성층(130)은 소정의 밴드 갭을 가지며 양자 우물이 만들어져 전자 및 홀이 재결합되는 영역이다. 활성층(130)은 양자 우물층과 장벽층이 반복적으로 복수 적층된 다중 양자 우물 구조(MQW)로 형성할 수 있다. 예를 들어, 다중 양자 우물 구조의 활성층(130)은 InGaN과 GaN이 반복적으로 적층되어 형성될 수 있고, AlGaN과 GaN이 반복적으로 적층되어 형성될 수도 있다. 여기서, 활성층(130)을 이루는 물질의 종류에 따라 전자 및 홀이 결합하여 발생하는 발광 파장이 변화되기 때문에 목표로 하는 파장에 따라 활성층(130)에 포함되는 반도체 재료를 조절하는 것이 바람직하다. 즉, 활성층(130)에서 생성되는 광의 파장은 양자 우물층에서 In의 양을 조절함으로써 다양하게 조절할 수 있다. 예를 들어, InGaN 양자 우물층중 In 함량을 증가시킴에 따라 밴드갭이 작아져 발광 파장이 길어지는 현상을 이용하여 자외선 영역에서부터 청색, 녹색, 적색 등 모든 가시광 영역까지의 광을 방출할 수 있다. 또한, 발광 파장은 양자 우물층의 두께를 조절함으로써 변화시킬 수 있는데, 예를 들어 InGaN 양자 우물층의 두께를 증가시키면 밴드갭이 작아져 적색쪽의 광을 방출할 수 있다. 뿐만 아니라, 양자 우물층의 다층 구조를 이용하여 백색광을 얻을 수도 있다. 즉, 다층 InGaN 양자 우물층의 적어도 하나의 층마다 In 함량을 다르게 조절하여, 청색 발광, 녹색 발광 및 적색 발광을 구성하면 전체로서 백색광을 얻을 수 있다. 그러나, 본 실시 예는 활성층(130)이 청색광을 방출하는 경우를 예시한다. 한편, 활성층(130)은 제 1 전극(150)이 형성될 영역이 제거되어 형성된다.
제 2 반도체층(140)은 P형 불순물이 도핑된 반도체층일 수 있으며, 그에 따라 활성층(130)에 홀을 공급할 수 있다. 예를 들어, 제 2 반도체층(140)은 Mg가 도핑된 InGaN층을 이용할 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고 다양한 반도체 물질이 가능하다. 즉, GaN, InN, AlN(Ⅲ-Ⅴ족) 등과 같은 질화물과 이러한 질화물을 일정한 비율로 혼합한 화합물이 이용될 수 있다. 또한, 제 2 반도체층(140)은 단일층으로 형성할 수도 있고, 다층으로 형성할 수도 있다. 한편, 제 2 반도체층(140)은 제 1 전극(150)이 형성될 영역이 제거되어 형성된다.
제 1 및 제 2 전극(150, 160)은 도전성 물질을 이용하여 형성할 수 있는데, 예를 들어 Ti, Cr, Au, Al, Ni, Ag 등의 금속 물질 또는 이들의 합금을 이용하여 단일층 또는 다층으로 형성할 수 있다. 여기서, 제 2 전극(160)은 전류의 확산을 위한 전극 패턴에 따라 복수 개 형성될 수 있다. 한편, 제 2 반도체층(140) 상부에 제 2 전극(160)을 통해 인가되는 전원이 제 2 반도체층(140)에 고르게 공급되도록 하고 제 2 전극(160) 측으로 방출되는 광을 반사하기 위해 반사 전극(미도시)이 형성될 수 있다. 즉, 제 2 반도체층(140)은 예컨데 수Ω 내지 수십Ω의 저항을 갖고 수평으로 예컨데 수㏀ 내지 수㏁의 저항을 갖기 때문에 수평 방향으로는 전류가 흐르지 않고 수직 방향으로만 전류가 흐르게 된다. 따라서, 제 2 반도체층(140)에 국부적으로 전원을 인가하게 되면 제 2 반도체층(140) 전체적으로 전류가 흐르지 않으므로 제 2 반도체층(140)에 전체적으로 전류가 흐를 수 있도록 제 2 반도체층(140) 상에 도전층을 형성할 수 있다. 이때, 도전층은 활성층(130)에서 발생되어 제 2 전극(160) 측으로 방출되는 광을 반사시키기 위해 반사율이 높은 물질로 형성할 수 있다. 즉, 제 2 반도체층(140) 상에 높은 도전율과 반사율을 갖는 반사 전극을 형성할 수 있다. 반사 전극은 예를 들어 Ag, Ni, Al, Ph, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 및 그 합금으로 형성될 수 있으며, 90% 이상의 반사율을 갖는 것이 바람직하다.
파장 변환층(200)은 발광 셀(100)로부터 발생되어 기판(110) 방향으로 방출되는 광의 파장을 변화시키기 위해 마련된다. 즉, 본 발명에 따른 발광 소자는 파장 변환층(200)이 발광 셀(100)의 반도체층들과 이격되어 형성된다. 종래에는 발광 셀(100)의 반도체층과 접촉하여 형광체가 형성되는 경우 반도체층에서 발생되는 열에 의해 형광체가 변성 또는 파손되어 휘도 저하를 초래하였지만, 본 발명은 파장 변환층(200)이 발광 셀(100)의 반도체층들과 이격되어 형성되므로 파장 변환층(200)의 변성 또는 파손을 방지할 수 있고, 그에 따라 휘도 저하를 방지할 수 있다. 또한, 파장 변환층(200)은 기판(110)의 측면에도 형성됨으로써 파장 변환 영역이 넓어질 수 있다. 그리고, 파장 변환층(200)이 기판(110) 측면의 일부 높이까지 형성되고 제 1 반도체층(120)의 측면에는 형성되지 않기 때문에 파장 변환층(200)의 열적 변성 또는 파손을 방지할 수 있다. 이러한 파장 변환층(200)은 예를 들어 발광 셀(100)로부터 발생되는 420㎚∼480㎚의 파장을 갖는 청색광을 그보다 높은 파장, 즉 490㎚∼550㎚의 파장을 갖는 녹색광, 560㎚∼580㎚의 파장을 갖는 황색광, 590㎚∼630㎚의 파장을 갖는 적색광 또는 그 혼색광으로 변환시킨다. 이때, 복수의 파장의 광을 혼합하여 백색 광을 방출할 수 있다. 이러한 파장 변환층(200)은 기판(110)의 후면 및 측면에 형성될 수 있는데, 이를 위해 웨이퍼 레벨에서 파장 변환층(200)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 서로 이격된 복수의 발광 셀(100)이 형성된 기판(110)의 후면에 절개부(170)를 형성한 후 절개부(170)를 포함한 기판(110) 후면에 파장 변환층(200)을 형성할 수 있다. 여기서, 절개부(170)는 복수의 발광 셀(100)을 분할하기 위해 기판(110)을 절단하는 스크라이브 라인일 수 있다. 또한, 파장 변환층(200)은 입사되는 광의 파장을 변화시키는 다양한 물질로 형성할 수 있는데, 예를 들어 형광체층, 양자점(quantum dot)층 등을 이용하여 형성할 수 있다. 즉, 파장 변환층(200)으로 형광체가 함유된 페이스트를 도포하여 형광체층을 형성할 수도 있고, 양자점이 함유된 페이스트를 도포하여 양자점층을 형성할 수도 있다. 형광체 페이스트를 이용하여 형광체층을 형성하는 경우 형광체층의 균일한 형성과 공정 중에 형광체 분말의 불균일한 분포를 방지하기 위해 형광체 페이스트는 예를 들어 형광체 분말과 투명한 경화성 폴리머 수지를 혼합하여 500∼10000cps의 점도를 갖도록 할 수 있다. 여기서, 경화성 폴리머 수지는 실리콘계 폴리머 수지 또는 에폭시계 폴리머 수지일 수 있다. 또한, 경화성 폴리머 수지에 대한 형광체 분말의 중량비가 0.5∼10 범위인 형광체 페이스트를 제조하여 이용할 수 있다. 형광체층을 이용한 파장 변환층(200)은 발광 셀(100)로부터 예를 들어 청색광이 방출되는 경우 이보다 파장이 긴 녹색광, 황색광, 적색광 및 이들의 혼색광의 적어도 어느 하나로 변환시킬 수 있다. 청색광을 녹색광으로 변화시키는 녹색 형광체로 YBO3:Ce, Tb;BaMgAl10O17:Eu, Mn;(SrCaBa)(Al, Ga)2S4:Eu 등의 물질을 이용할 수 있다. 또한, 청색광을 황색광으로 변화시키는 황색 형광체로는 Y, Lu, Sc, La, Gd, Sm 중 한 개 이상의 원소와 Al, Ga, In 중 한 개 이상의 원소를 포함하고, Ce으로 활성화된 가넷(garnet)계 형광체를 포함하는 물질을 이용할 수 있다. 그리고, 청색광을 적색광으로 변화시키는 적색 형광체로 Y2O2S:Eu, Bi;YVO4:Eu, Bi;Srs:Eu, SrY2S4:Eu, CaLa2S4:Ce.(Ca, Sr)S:Eu 등을 이용할 수 있다. 그러나, 상기 물질 이외에 청색광을 황색광, 적색광 및 녹색광의 적어도 어느 하나로 변환하는 어떠한 형광체도 모두 이용할 수 있다. 물론, 이러한 형광체를 혼합하여 혼색광, 특히 백색광을 방출할 수 있다. 또한, 양자점층은 양자점과 유기 바인더를 포함하여 이루어질 수 있다. 양자점층 또한 청색광을 그보다 파장이 긴 황색광, 적색광, 녹색광 및 이들의 혼색광의 어느 하나로 변환시킬 수 있다. 이러한 양자점 물질로서 예를 들어 적색 양자점 물질로는 CdS, CdSe, CdTe, ZnS, ZnSe, ZnTe, HgS, HgSe, HgTe과 같은 Ⅱ-Ⅳ족 화합물 반도체 나노 결정, GaN, GaP, GaAs, InP, InAs와 같은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 나노 결정 또는 상기 물질의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자는 발광 셀(100)로부터 방출되는 광의 파장을 변환시키는 파장 변환층(200)이 발광 셀(100)의 반도체층들과 이격되어 기판(110)의 후면 및 측면에 형성된다. 또한, 파장 변환층(200)을 웨이퍼 레벨에서 형성하기 위해 복수의 발광 셀(100)이 형성된 기판(110)의 후면에 절개부(170)를 형성한 후 절개부(170)를 포함한 기판(110) 후면에 파장 변환층(200)을 형성할 수 있다. 따라서, 발광 셀(100)의 반도체층과 이격되어 파장 변환층(200)이 형성되어 반도체층에서 발생되는 열에 의한 형광체의 변성 또는 파손을 방지할 수 있고, 그에 따라 발광 소자의 휘도 저하를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들에 따른 발광 소자는 발광 셀(100) 단위로 제작할 수도 있다. 즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자는 상면에 복수의 발광 셀(100)이 형성된 기판(110)의 후면 및 측면에 파장 변환층(200)이 형성되었으나, 도 3에 도시된 바와 같이 일 발광 셀(100)이 형성된 기판(110)의 후면 및 측면에 파장 변환층(200)이 형성될 수도 있다. 이러한 일 발광 셀(100) 단위의 발광 소자는 도 1 및 도 2에서 설명된 복수의 발광 셀(100)이 형성된 발광 소자를 발광 셀(100) 단위로 스크라이빙함으로써 제조될 수 있다. 또한, 이러한 발광 소자는 소정의 패드가 형성된 서브 마운트 기판에 범프를 이용하여 접합될 수 있다.
한편, 발광 소자로부터 방출되는 광은 소망하는 출사면 이외의 다양한 방향으로 방출된다. 즉, 활성층(130)에서 방출되는 광은 예를 들어 제 2 전극(160) 측의 출사면으로 방출될 뿐만 아니라 그와 반대 방향의 기판(110) 방향으로 방출된다. 따라서, 활성층에서 방출되는 광은 반도체층들을 수차례 통과한 후 출사면 방향으로 방출된다. 이때, 광은 반도체층들에 흡수되기 때문에 광 추출 효율이 떨어지고 휘도가 저하되는 문제가 발생된다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 또다른 실시 예에 따른 발광 소자를 도 4 내지 도 6을 이용하여 설명하면 다음과 같다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 또다른 실시 예에 따른 발광 소자의 평면도 및 단면도이고, 도 6은 본 발명의 또다른 실시 예에 따른 발광 소자의 광 경로를 설명하기 위한 개략도이다. 이하의 설명에서는 위에서 설명된 내용과 중복되는 내용은 생략하기로 한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 또다른 실시 예에 따른 발광 소자는 기판(110) 상에 복수의 반도체층들이 형성되어 소정 파장의 광을 방출하는 발광 셀(100)과, 기판(100) 후면 및 측면에 형성되어 발광 셀(100)로부터 방출된 광의 밴드갭을 변환시키기 위해 광의 파장을 변환시키는 파장 변환층(200)과, 파장 변환층(200) 상에 형성되어 발광 셀(100)로부터 방출된 광을 반사시키는 반사층(300)을 포함할 수 있다. 또한, 발광 셀(100)은 기판(110) 상에 순차적으로 형성된 제 1 반도체층(120), 활성층(130) 및 제 2 반도체층(140)과, 활성층(130) 및 제 2 반도체층(140)이 일부 식각되어 노출된 제 1 반도체층(120) 및 제 2 반도체층(140) 상에 각각 형성된 제 1 및 제 2 전극(150, 160)을 포함할 수 있다. 또한, 제 2 반도체층(140) 상에는 제 2 전극(160)을 통해 인가되는 전원이 제 2 반도체층(140)에 고르게 공급되도록 하고, 활성층(130)에서 발생된 광이 잘 투과될 수 있도록 투명 전극(미도시)이 형성될 수 있다. 투명 전극은 투명 도전성 물질로 형성될 수 있는데, 예를 들어 ITO, IZO, ZnO, RuOx, TiOx, IrOx 등을 이용하여 형성할 수 있다.
파장 변환층(200)은 발광 셀(100)로부터 발생되어 반사층(300) 방향으로 방출되는 광의 파장을 변환시키고, 그에 따라 밴드갭을 변화시키기 위해 마련된다. 발광 셀(100)의 활성층(130)으로부터 생성된 광은 제 2 반도체층(140)을 통과하여 상측으로 방출될 수 있고, 제 1 반도체층(120)을 통과하여 하측으로 방출될 수도 있다. 이때, 발광 셀(100)의 하측으로 방출되는 광은 예를 들어 금속 물질로 이루어진 반사층(200)에 의해 반사되어 다시 발광 셀(100)을 통과하여 상측으로 방출될 수 있다. 그런데, 광은 발광 셀(100)의 복수의 반도체층, 즉 제 1 반도체층(120), 활성층(130) 및 제 2 반도체층(140)을 통과하면서 이들 반도체층에 흡수되기 때문에 광 추출 효율이 떨어지게 된다. 즉, 광은 그보다 낮은 밴드갭을 갖는 물질에 흡수되는데, 광의 밴드갭이 반도체층들의 밴드갭보다 낮으면 반도체층들에 흡수된다. 예를 들어 발광 셀(100)로부터 420㎚∼480㎚ 범위의 파장을 갖는 청색광이 방출되면 청색광은 약 2.9eV의 밴드갭을 가지고, 반도체층들의 구성 물질이 InGaN의 경우 InGaN은 약 2.8eV의 밴드갭을 가지므로 청색광은 반도체층들을 통과하면서 반도체층들에 흡수된다. 따라서, 상측으로 방출되는 광에 비해 하측으로부터 반사되어 상측으로 방출되는 광은 반도체층들을 다수 통과하면서 광 손실이 발생된다. 그러나, 본 발명은 소망하는 출사면과 반대 방향의 기판(110)의 후면 및 측면에 파장 변환층(200)을 형성하고, 파장 변환층(200)을 통과하는 광의 파장을 변환시켜 반도체층들의 밴드갭보다 낮은 밴드갭을 갖도록 함으로써 상측으로 방출되는 광(A) 뿐만 아니라 하측에서 반사되어 상측으로 방출되는 광(B)이 손실되지 않아 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 파장 변환층(200)은 발광 셀(100)로부터 발생되는 420㎚∼480㎚의 파장을 갖는 청색광을 그보다 높은 파장, 즉 490㎚∼550㎚의 파장을 갖는 녹색광, 560㎚∼580㎚의 파장을 갖는 황색광, 590㎚∼630㎚의 파장을 갖는 적색광 또는 그 혼색광으로 변환시킨다. 이렇게 청색광이 그보다 파장이 높은 색의 광으로 변환되면 그에 따라 밴드갭은 낮아지게 된다. 이는 파장이 길수록 밴드갭이 낮아지기 때문이다. 예를 들어, 녹색광은 약 2.17eV∼2.5eV의 밴드갭을 갖고, 황색광은 약 2.11eV∼2.17eV의 밴드갭을 가지며, 적색광은 약 1.65eV∼2.01eV의 밴드갭을 가진다. 또한, 파장 변환층(200)은 입사되는 광의 파장을 변화시키는 다양한 물질로 형성할 수 있는데, 예를 들어 형광체층, 양자점(quantum dot)층 등을 이용하여 형성할 수 있다. 즉, 파장 변환층(200)으로 형광체가 함유된 페이스트를 도포하여 형광체층을 형성할 수도 있고, 양자점이 함유된 페이스트를 도포하여 양자점층을 형성할 수도 있으며, 두 개의 투명 판 사이에 양자점이 포함된 유기 물질이 형성된 양자점층을 형성할 수 있다.
반사층(300)은 발광 셀(100)로부터 발생되어 하측으로 방출되고 파장 변환층(200)에 의해 파장이 변환된 광을 상부로 반사하기 위해 높은 반사율을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 이러한 반사층(300)은 예를 들어 Ag, Ni, Al, Ph, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 및 그 합금으로 형성될 수 있으며, 90% 이상의 반사율을 갖는 것이 바람직하다. 반사층(300)은 웨이퍼 레벨에서 파장 변환층(200) 상에 증착하여 형성될 수 있고, 발광 셀(100)이 안착되는 패키지의 컵 바닥면일 수도 있다. 이때, 패키지의 컵 바닥면은 반사율이 높은 금속으로 이루어질 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이 반사층(300) 상에 지지층(400)을 형성할 수도 있다. 즉, 지지층(400) 상부에 반사층(300), 파장 변환층(200) 및 발광 셀(100)이 형성될 수 있는데, 지지층(400) 상에 에폭시 등의 접착제를 이용하여 반사층(300)을 접착할 수 있다. 이러한 지지층(400)은 발광 셀(100)을 지지할 수 있는 다양한 형태 및 재료를 이용하여 구현할 수 있는데, 예를 들어 금속 물질로 제작될 수 있다. 지지층(400)이 금속 물질로 제작되면 발광 셀(100)로부터 발생된 열의 방출을 용이하게 할 수 있다. 또한, 열의 방출을 더욱 용이하게 하기 위해 지지층(400)의 후면에는 돌기 구조 등의 히트 싱크가 형성될 수도 있다. 히트 싱크가 형성됨으로써 지지층(400)의 표면적이 넓어지고 그에 따라 대기와의 접촉 면적이 넓어지기 때문에 더욱 효과적인 방열이 가능하다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광 소자를 이용한 발광 소자 패키지의 단면도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 발광 소자 패키지는 패키지 본체(500)와, 패키지 본체(500)의 내측에서 노출되며 외측으로 돌출 형성된 리드 프레임(600)과, 리드 프레임(600) 상의 소정 영역에 형성된 파장 변환층(200)과, 파장 변환층(200) 상에 마련되어 광을 방출하기 위한 발광 셀(100)과, 발광 셀(100)을 리드 프레임(600)와 전기적으로 연결하기 위한 와이어(700)와, 발광 셀(100)을 봉지하는 몰딩부(800)와, 몰딩부(800) 내에 마련된 형광체(900)를 포함한다. 여기서, 발광 셀(100)이 부착되는 패키지 본체(500) 이외에도 슬러그, 기판 및 몰드 컵을 포함하는 몸체를 이용할 수 있는데, 이하에서는 패키지 본체(500)를 예를 들어 설명한다.
패키지 본체(500)는 리드 프레임(600)을 지지하며 발광 셀(100)이 안착되는 하우징(510)과, 하우징(510) 상에 형성되고 발광 셀(100)에서 발생된 광이 출사되는 개구부를 형성하는 리플렉터(520)를 포함한다. 이러한 패키지 본체(500)는 열경화성 수지, 예를 들어 에폭시 수지에 백색 안료가 첨가된 EMC(Epoxy mold compound)를 이용하여 트랜스퍼 성형(transfer molding)법으로 제작할 수 있고, 그에 따라 하우징(510)과 리플렉터(520)는 일체로 제작될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 발광 소자의 지지층(400)이 패키지 본체(500)의 하우징(510)이 될 수 있다. 다시 말하면, 하우징(510)이 지지층(400)으로 기능할 수 있다. 물론, 하우징(510)과 지지층(400)이 별도로 제작되어 지지층(300)을 포함하는 발광 소자가 하우징(510) 상에 안착될 수 있다. 한편, 리플렉터(520)는 하우징(510) 상면으로부터 상향 돌출된 반사면을 포함한다. 반사면에는 반사 물질이 도포될 수 있다. 이때, 리플렉터(520)의 적어도 일 영역의 반사면의 높이를 조절할 수 있는데, 이 경우 발광 셀(500)에서 발생되는 광의 출사 범위를 조절할 수도 있다. 또한, 반사면은 내측으로 소정 각도 기울어지게 형성될 수 있다. 한편, 리플렉터(520)의 형상은 원형, 사각형 뿐만 아니라 발광 장치의 용도에 따라 발광 셀(100)에서 방출되는 광의 출사 범위를 조절할 수 있도록 다양하게 변경될 수 있다.
리드 프레임(600)은 발광 셀(100)에 외부 전원을 인가하기 위한 것으로, 일측 및 타측에 각각 형성된 제 1 및 제 2 리드 프레임(610 및 620)을 포함한다. 리드 프레임(600)은 하우징(510)상에서 지지되며 하우징(510)과 리플렉터(520)의 사이에 서로 이격되어 구비될 수 있다. 즉, 제 1 및 제 2 리드 프레임(610 및 620)이 서로 이격되어 하우징(510) 상으로부터 패키지 본체(500)의 일측 및 타측으로 연장 형성된다. 여기서, 발광 셀(100)이 안착되는 예를 들어 제 1 리드 프레임(610)은 발광 소자의 반사층(400)으로 작용할 수 있다. 즉, 지지층(400), 반사층(300), 파장 변환층(200) 및 발광 셀(100)이 적층된 발광 소자에서 지지층(400) 및 반사층(300)을 별도로 형성하지 않고 하우징(510) 및 제 1 리드 프레임(610)을 각각 지지층(400) 및 반사층(300)으로 이용할 수 있다. 그러나, 리드 프레임(600)과 반사층(300)이 별도로 제작되어 반사층(300)을 포함하는 발광 소자가 리드 프레임(600) 상에 안착될 수 있다.
와이어(710, 720; 700)은 발광 셀(100)를 리드 프레임(600)과 전기적으로 연결한다. 와이어(700)은 금(Au) 또는 알루미늄(Al)으로 형성될 수 있다. 제 1 와이어(710)은 발광 셀(100)의 제 2 전극(160)과 제 1 리드 프레임(610)을 전기적으로 연결하고, 제 2 와이어(720)는 발광 셀(100)의 제 1 전극(150)과 제 2 리드 프레임(620)을 전기적으로 연결할 수 있다.
몰딩부(800)는 발광 셀(100)을 봉지하고, 발광 셀(100)과 연결된 와이어(700)을 고정시키는 역할을 한다. 또한, 몰딩부(800)는 발광 셀(100)에서 발생되는 광을 모아주는 렌즈의 역할도 할 수 있다. 이러한 몰딩부(800)는 발광 셀(100)에서 발생된 광을 외부로 투과시켜야 하므로, 에폭시 수지 또는 실리콘 수지 등과 같은 투명 수지로 형성된다. 또한, 몰딩부(800)에는 굴절률 조절제(미도시)가 더 포함될 수 있다. 굴절률 조절제는 사파이어 분말이 이용될 수 있다. 한편, 굴절률 조절제 이외에도 발광 셀(100)으로부터 방출된 광을 산란에 의해 더 확산시킴으로써 균일하게 발광시키기 위해 확산제(미도시)를 더 첨가할 수 있다. 확산제로는 BaTiO3, TiO2, Al2O3, SiO2 등이 사용될 수 있다. 또한, 몰딩부(800) 내에는 형광체(900)가 첨가된다.
형광체(900)는 발광 셀(100)로부터 발생된 광의 적어도 일부를 흡수하여 흡수된 광과 상이한 파장의 광을 방출한다. 이때, 형광체(900)는 발광 셀(100)으로부터 출사면으로 방출되는 광의 파장을 변화시켜 방출하고, 발광 셀(100)의 출사면과 대향되는 방향, 즉 발광 셀(100) 하부에 마련된 파장 변환층(200)에 의해 파장이 변화되어 발광 셀(100)을 통해 방출되는 광은 선택적으로 파장을 변화시켜 방출한다. 본 발명의 실시 예에서는 형광체(900)가 발광 셀(100)로부터 발생된 청색광을 백색광으로 변화시킨다. 이를 위해 예를 들어 황색 형광체와 적색 형광체를 이용할 수 있다. 이때, 파장 변환층(200)을 통해 방출되는 광은 파장 변환층(200)에 의해 이미 파장이 변환되었으므로 이를 백색광으로 변화시키는 형광체(900)가 더 포함될 수 있다. 또한, 형광체(900)는 파장 변환층(200)으로 이용되는 형광체를 이용할 수도 있고, 이와는 다른 황색 형광체 및 적색 형광체를 이용할 수도 있다. 또한, 몰딩부(800) 내의 형광 농도와 파장 변환층(200)의 형광 농도를 적절히 다르게 하여 연색지수(CRT)를 향상시킬 수 있다.
도 9은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 발광 소자 패키지의 단면도로서, 제 2 파장 변환층(1000)이 몰딩부(800) 상부에 형성된다. 즉, 제 1 파장 변환층(200)이 발광 셀(100) 하부에 형성되고, 제 2 파장 변환층(1000)은 발광 셀(100)을 덮도록 형성된 몰딩부(800) 상부에 형성될 수 있다. 이때, 제 2 파장 변환층(1000)도 제 1 파장 변환층(200)과 마찬가지로 형광체 페이스트를 이용하여 형성할 수 있고, 양자점을 이용하여 형성할 수도 있다. 또한, 몰딩부(800) 내의 형광 농도와 파장 변환층(200)의 형광 농도를 적절히 다르게 하여 연색지수(CRT)를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 기술적 사상은 상기 실시 예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시 예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주지해야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야에서 당업자는 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 발광 셀 200 : 파장 변환층
300 : 반사 층 400 : 지지층
110 : 기판 120 : 제 1 반도체층
130 : 활성층 140 : 제 2 반도체층
150 : 제 1 전극 160 : 제 2 전극
170 : 절개부

Claims (16)

  1. 복수의 반도체층을 포함하고 소정 파장의 광을 방출하는 복수의 발광 셀이 일면에 형성된 기판;
    상기 기판의 타 면에 소정 깊이로 형성된 복수의 절개부;
    상기 기판의 타면 및 복수의 절개부 상에 형성되어 상기 발광 셀로부터 방출되는 광의 파장을 변환시키는 파장 변환층을 포함하는 발광 소자.
  2. 기판의 일 면 상에 형성되며, 복수의 반도체층을 포함하여 소정 파장의 광을 방출하는 발광 셀;
    상기 기판의 타 면 및 측면의 일부 높이까지 형성되어 상기 발광 셀로부터 방출되는 광의 파장을 변환시키는 파장 변환층을 포함하는 발광 소자.
  3. 기판의 일 면 상에 형성되며, 복수의 반도체층을 포함하여 소정 파장의 광을 방출하는 발광 셀;
    상기 기판의 타 면 상에 형성되어 상기 발광 셀로부터 방출되는 광의 파장을 변환시키는 파장 변환층;
    상기 파장 변환층 상에 형성되어 상기 파장 변환층에 의해 파장이 변환된 광을 반사시키는 반사층을 포함하는 발광 소자.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판은 투광성 기판인 발광 소자.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 절개부는 적어도 하나의 발광 셀을 분리하기 위한 스크라이브 라인과 중첩 형성되는 발광 소자.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파장 변환층은 형광체층, 양자점층의 적어도 어느 하나를 포함하는 발광 소자.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 파장 변환층은 상기 발광 셀로부터 방출되는 광을 낮은 밴드갭을 가지는 광으로 변환시키는 발광 소자.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 반사층 상에 형성된 지지층을 더 포함하는 발광 소자.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 지지층은 금속으로 형성된 발광 소자.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 지지층은 히트 싱크를 포함하는 발광 소자.
  11. 제 3 항에 있어서, 상기 발광 셀 상에 형성된 제 2 파장 변환층을 더 포함하는 발광 소자.
  12. 제 3 항에 있어서, 상기 발광 셀과 이격된 거리에 형성된 제 2 파장 변환층을 더 포함하는 발광 소자.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 제 2 파장 변환층은 균일한 두께로 형성되는 발광 소자.
  14. 기판의 일 면 상에 각각 복수의 반도체층을 적층하여 복수의 발광 셀을 형성하는 단계;
    상기 기판의 타 면에 소정 깊이로 복수의 절개부를 형성하는 단계; 및
    상기 복수의 절개부를 포함한 상기 기판의 타 면 및 복수의 절개부 상에 파장 변환층을 형성하는 단계를 포함하는 발광 소자의 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 파장 변환층 상에 반사층을 형성하는 단계를 더 포함하는 발광 소자의 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 반사층 상에 지지층을 형성하는 단계를 더 포함하는 발광 소자의 제조 방법.
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