KR20140084621A - 발광소자 및 이를 포함하는 발광소자 패키지 - Google Patents

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KR20140084621A
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Abstract

실시예는 기판; 상기 기판 상에 배치되고, 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층, 및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 형성되는 활성층을 포함하는 발광 구조물; 및 상기 발광 구조물과 상기 기판 사이에 중간층을 포함하고, 상기 중간층과 상기 발광 구조물 사이에 복수 개의 에어 보이드(air void)가 배치된 발광소자를 제공한다.

Description

발광소자 및 이를 포함하는 발광소자 패키지{LIGHT EMITTNG DEVICE AND LIGHT EMITTING DEVICE INCLUDING THE SAME}
실시예는 발광소자 및 이를 포함하는 발광소자 패키지에 관한 것이다.
GaN, AlGaN 등의 3-5 족 화합물 반도체는 넓고 조정이 용이한 밴드 갭 에너지를 가지는 등의 많은 장점으로 인해 광 전자 공학 분야(optoelectronics)와 전자 소자를 위해 등에 널리 사용된다.
특히, 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.
종래의 발광소자는 사파이어 등으로 이루어진 기판 위에 버퍼층과 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물이 형성되고, 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 상에 각각 제1 전극과 제2 전극이 배치된다.
발광소자는 제1 도전형 반도체층을 통해서 주입되는 전자와 제2 도전형 반도체층을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 활성층을 이루는 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출한다. 활성층에서 방출되는 빛은 활성층을 이루는 물질의 조성에 따라 다를 수 있으며, 청색광이나 자외선(UV) 또는 심자외선(Deep UV) 등일 수 있다.
상술한 발광소자 특히, 수평형 발광소자가 패키지 내에서 플립 칩(flip chip) 타입으로 배치될 때, 활성층에서 방출된 빛이 도전형 반도체층과 버퍼층과 기판을 차례로 통과하여 외부로 방출될 수 있다.
이때, 이종 물질 사이를 통과하며 빛이 활성층 방향으로 다시 반사되어 발광소자 패키지의 광추출 효율이 저하될 수 있고, 이종 물질 사이에서 발생한 전위(dislocation)는 발광소자의 제조공정에서 발광 구조물의 품질을 저하시킬 수 있다.
실시예는 발광소자의 광효율을 향상시키고, 이종 물질 간에 발생한 전위에 의하여 발광소자의 품질이 저하되는 것을 방지하고자 한다.
실시예는 기판; 상기 기판 상에 배치되고, 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층, 및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 형성되는 활성층을 포함하는 발광 구조물; 및 상기 발광 구조물과 상기 기판 사이에 중간층을 포함하고, 상기 중간층과 상기 발광 구조물 사이에 복수 개의 에어 보이드(air void)가 배치된 발광소자를 제공한다.
발광 구조물과 상기 중간층은 이종 물질일 수 있고, 활성층은 자외선, 근자외선 및 심자외선 중 어느 하나를 방출할 수 있다.
에어 보이드는 상기 중간층의 내부로부터 상기 발광 구조물의 내부에까지 배치될 수 있다.
제1 도전형 반도체층은 n형 도펀트로 도핑된 AlGaN층이고, 상기 에어 보이드는 상기 AlGaN층의 내부에까지 배치될 수 있다.
중간층은 AlN층일 수 있고, 중간층은 제1 AlN층과 제2 AlN층을 포함하고, 상기 에어 보이드는 상기 제2 AlN층의 내부로부터 배치가 시작될 수 있다.
제1 AlN층과 제2 AlN층은 성장 조건을 달리하여 형성될 수 있다.
에어 보이드의 폭이 최대인 영역은, 상기 중간층과 상기 발광 구조물의 경계에 배치될 수 있고, 각각의 에어 보이드의 주변 영역에서 상기 중간층과 발광 구조물의 경계면으로부터 전위(dislocation)가 발생할 수 있다.
전위는, 상기 에어 보이드 위의 상기 발광 구조물 내에서 수렴할 수 있다.
에어 보이드의 상부에서, 상기 에어 보이드의 주변에서 측면 성장된 제1 도전형 반도체층의 재료가 합쳐질 수 있고, 에어 보이드는 크기와 형상 및 배치 중 적어도 하나가 랜덤할 수 있다.
다른 실시예는 상술한 발광소자가 플립 칩 타입으로 배치된 발광소자 패키지를 제공한다.
본 실시예에 따른 발광소자는 성장 공정에서 이종 물질 사이에서 형성되는 에어 보이드에 의하여 전위가 수렴되어 품질이 향상되고, 발광소자 패키지에서 이종 물질 사이에 배치된 에어 보이드가 빛을 굴절시켜서 외부로 방출하여 광효율이 향상될 수 있다. 또한, 에어 보이드가 이중 물질의 경계면에 형성되어 이종 물질의 접촉면적이 감소하여 격자 부정합(lattice mismatch)에 의한 스트레인(strain)을 완화시킬 수 있다.
도 1은 발광소자의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 2는 발광소자 패키지의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 3은 도 2의 'A' 영역에서의 빛의 전달을 나타낸 도면이고,
도 4a 내지 도 4e는 도 1의 발광소자의 제조공정의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 5는 발광소자가 배치된 조명장치의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 6은 발광소자가 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 1은 발광소자의 일실시예를 나타낸 도면이다.
발광소자(100)는 기판(110)에 중간층(120)과 발광구조물(140)이 배치된다.
기판(110)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, 사파이어(Al2O3), SiO2, SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
중간층(120)은 본 실시예에서 기판(110)과 발광구조물(140) 사이의 재료의 격자 부정합 및 열 팽창 계수의 차이를 완화하기 위한 것이며, 상술한 역할의 중간층 외에 기판(110)과 발광구조물(140)의 사이에 배치되는 다른 중간층일 수 있다. 중간층(120)의 재료는 3족-5족 화합물 반도체 예컨대, AlN 외에 AlAs, GaN, InN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중 적어도 하나로 형성될 수 있다.
사파이어 등으로 기판(110)을 형성하고, 기판(110) 상에 GaN이나 AlGaN을 포함하는 발광구조물(140)이 배치될 때, GaN이나 AlGaN과 사파이어 사이의 격자 부정합(lattice mismatch)이 매우 크고 이들 사이에 열 팽창 계수 차이도 매우 크기 때문에, 결정성을 악화시키는 전위(dislocation), 멜트 백(melt-back), 크랙(crack), 피트(pit), 표면 모폴로지(surface morphology) 불량 등이 발생할 수 있으므로, 중간층(120)으로 AlN을 사용할 수 있다.
도시되지는 않았으나, 중간층(120)과 발광구조물(140)의 사이에는 언도프드 GaN층이 배치되어, 발광구조물(140) 내로 상술한 전위 등이 전달되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 중간층(120) 내에서도 전위가 차단되어 고품질/고결정성의 중간층의 성장이 가능하다.
중간층(120)과 발광 구조물(140)의 사이에는 에어 보이드(130)가 복수 개 배치될 수 있다. 에어 보이드(130)는 중간층(120)의 내부로부터 형성되어 발광 구조물(140) 특히 제1 도전형 반도체층(142)의 내부까지 배치될 수 있는데, 구체적으로는 후술한다.
발광 구조물(140)은 제1 도전형 반도체층(142)과 활성층(144) 및 제2 도전형 반도체층(146)을 포함하여 이루어진다.
제1 도전형 반도체층(142)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(142)은 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질, AlGaN, GaN, InAlGaN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
제1 도전형 반도체층(142)이 n형 반도체층인 경우, 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(142)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
도 1에 예시된 발광 소자(100)가 근자외선(NUV), 자외선(UV), 심자외선(Deep UV) 또는 무분극 발광 소자일 경우, 제1 도전형 반도체층(142)은 InAlGaN 및 AlGaN 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 제1 도전형 반도체층(142)이 AlGaN으로 이루어질 경우 Al의 함량은 50 %일 수 있다. 기판이나 중간층에서 발생한 전위가 활성층에까지 전달되면, 심자외선 발광소자의 경우 활성층 내에 In을 사용하지 않을 수 있으므로 전위에 의한 결함을 완충할 수가 없으므로, 상술한 에어 보이드의 작용이 특히 중요하다. 또한, 심자외선 발광소자의 경우 GaN에서 심자외선의 흡수가 많이 이루어지므로, 발광 구조물의 재료로 AlGaN을 사용할 수 있다.
활성층(144)은 제1 도전형 반도체층(142)과 제2 도전형 반도체층(146) 사이에 배치되며, 단일 우물 구조(Double Hetero Structure), 다중 우물 구조, 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물(MQW:Multi Quantum Well) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
활성층(144)은 Ⅲ-Ⅴ족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 우물층과 장벽층, 예를 들면 AlGaN/AlGaN, InGaN/GaN, InGaN/InGaN, AlGaN/GaN, InAlGaN/GaN, GaAs(InGaAs),/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 우물층은 장벽층의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 특히, 실시예에 의한 활성층(144)은 자외선 또는 심자외선 파장의 빛을 생성할 수 있으며, 이때 활성층(144)은 다중양자우물 구조로 이루어질 수 있고, 상세하게는 AlxGa(1-x)N (0<x<1)을 포함하는 양자벽층과 AlyGa(1-y)N (0<x<y<1)을 포함하는 양자우물층의 페어 구조가 1주기 이상인 다중양자우물 구조일 수 있고, 여기서 양자우물층은 후술하는 제2 도전형의 도펀트를 포함할 수 있다.
제2 도전형 반도체층(146)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(146)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(146)은 예컨대, InxAlyGa1 -x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질, AlGaN, GaN AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있으며, 예를 들어 제2 도전형 반도체층(146)이 AlxGa(1-x)N으로 이루어질 때 Al의 조성은 활성층(244)과 인접한 영역에서부터 멀어질수록 감소할 수 있고, Ga의 조성은 증가할 수 있다.
제2 도전형 반도체층(146)이 p형 반도체층인 경우, 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트일 수 있다. 제2 도전형 반도체층(146)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 만일, 발광 소자(100)가 자외선(UV), 심자외선(Deep UV) 또는 무분극 발광 소자일 경우, 제2 도전형 반도체층(146)은 InAlGaN 및 AlGaN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도시되지는 않았으나, 활성층(144)과 제2 도전형 반도체층(146)의 사이에는 전자 차단층(Electron blocking layer)가 배치될 수 있는데 초격자(superlattice) 구조의 전자 차단층이 배치될 수 있다. 초격자는 예를 들어 제2 도전형 도펀트로 도핑된 AlGaN이 배치될 수 있는데, 알루미늄의 조성비를 달리하는 GaN이 층(layer)을 이루어 복수 개 서로 교변하여 배치될 수 있다.
기판(110)이 절연성 기판일 경우 제1 도전형 반도체층(142)에 전류를 공급하기 위하여, 제2 도전형 반도체층(146)으로부터 제1 도전형 반도체층(142)의 일부까지 메사 식각되어 제1 도전형 반도체층(142)의 일부가 노출될 수 있다.
노출된 제1 도전형 반도체층(142) 상에 제1 전극(170)이 배치되고, 제2 도전형 반도체층(146) 상에 제2 전극(180)이 배치될 수 있다.
상술한 구조의 발광소자(100)는 중간층(120)과 발광 구조물(140)의 경계면에서 복수 개의 에어 보이드(130)가 랜덤한 크기와 형상과 배열로 배치되어, 중간층(120)과 발광 구조물(140)의 경계면에서 발생할 수 있는 전위가 에어 보이드(130)의 상부에서 수렴되어 발광 구조물(140)의 품질이 향상될 수 있으며, 활성층(144)으로부터 도 1에서 아래 방향으로 방출된 빛이 에어 보이드(130)에 의하여 산란 내지 굴절되어 빛의 반사량이 줄어들어 광추출이 저하되는 것을 방지할 수 있는데, 도 3 등에서 후술한다.
도 2는 발광소자 패키지의 일실시예를 나타낸 도면이다.
본 실시예에서 발광소자(100)는 플립 칩 타입으로 배치되고 있으며, 방출되는 빛의 파장 영역에 따라 청색 발광 다이오드 또는 자외선이나 심자외선을 방출하는 발광 다이오드일 수 있고, 형상이나 전극 배치에 따라 플립 칩 타입 외에 수평형 발광소자나 수직형 발광소자일 수 있다.
발광소자 패키지(200)는 서브 마운트(210)에 제1 전극(221)과 제2 전극(222)이 배치되고, 발광소자(100)가 제1 전극(221)과 제2 전극(222)에 솔더(231, 232)를 통하여 전기적으로 결합되고 있다.
활성층(142)에서 방출된 빛은 도 2의 하부로 진행할 때 제1 반사율이 뛰어난 구리나 은 또는 알루미늄 등으로 이루어진 제1 전극(221)과 제2 전극(222)에서 반사되어 상부로 향할 수 있다. 그리고, 활성층(142)에서 방출되어 도 2에서 상부로 진행하는 빛은 이종 물질 사이의 경계면에서 굴절될 수 있고, 특히 에어 보이드(130)로 진행하는 빛은 반사되지 않고 굴절 내지 산란될 수 있다.
도 3은 도 2의 'A' 영역에서의 빛의 전달을 나타낸 도면이다.
AlN 등으로 이루어진 중간층(120)과 n형 도펀트로 도핑된 AlGaN 등으로 이루어진 제1 도전형 반도체층(142)은 이종의 물질이고, 에어 보이드(130)는 내부에 에어(air)가 채워지거나 진공일 수 있으며 화살표로 도시된 바와 같이 제1 도전형 반도체층(142)에서 중간층(120)으로 진행하는 빛 중 일부가 반사될 수 있으나, 에어 보이드(130)로 진행하는 빛은 경계면에서 굴절되거나 또는 산란되어 계속 진행할 수 있다.
도 3에서 에어 보이드(130)의 폭이 최대인 영역은 중간층(120)과 제1 도전형 반도체층(142)의 경계에 배치되고 있는데, 후술하는 공정에서와 같이 중간층(120)에 v-pit 구조를 형성한 후 제1 도전형 반도체층(142)에서 상술한 v-pit 구조를 수렴시키므로 이러한 구조가 형성될 수 있다.
에어 보이드(130)의 형상은 도시된 사다리꼴과 유사한 구조 외에 다양한 형상을 가지나 도 3에서 상,하 방향이 긴 형상을 가지며, 따라서 빛의 입사각이 임계각보다 작아서 전반사는 거의 발생하지 않는다.
도 4a 내지 도 4e는 도 1의 발광소자의 제조공정을 나타낸 도면이다.
먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이 기판(110) 위에 복수 개의 층(120a, 120b, 120c)로 이루어진 중간층을 형성하는데, 이때 도 4a에서 상부에 형성되는 중간층(120c)에 v-pit 구조가 형성될 수 있다.
즉, 아래로부터 제1 중간층(120a) 또는 제1 AlN층, 제2 중간층(120b) 또는 제2 AlN층, 제3 중간층(120c) 또는 제3 AlN층이라 할 때, v-pit 구조는 제일 위의 제3 중간층(120c)에서 형성될 수 있다. 중간층은 도 4a의 3층 구조가 아닌 4층 이상의 구조로 이루어질 수 있으며, 이때 아래에 배치되고 v-pit이 형성되지 않는 중간층을 제1 중간층 또는 제1 AlN층이라 할 수 있으며, 상대적으로 위에 배치되고 v-pit이 형성되는 중간층 즉 제일 위에 배치되는 중간층을 제2 중간층 또는 제2 AlN층이라 할 수 있다.
v-pit은 도 4a에서 제3 중간층(120c)의 성장 조건을 하부의 제1 중간층(120a) 또는 제2 중간층(120b)과 달리하여 형성될 수 있다. 중간층이 AlN으로 성장될 경우, 제1 중간층(120a) 또는 제2 중간층(120b)은 섭씨 1200 도 내지 1400 도의 온도에서 TMAl(Tri-methyl Aluminum)과 NH3를 각각 10 내지 100 마이크로 몰/분(umol/min)과 50 내지 500 마이크로 몰/분을 공급할 수 있고, 3족 원소에 대한 5족 원소의 몰비율은 50이하로 공급하여 형성할 수 있다.
그리고, 제3 중간층(120c)은 섭씨 1100도 이하의 온도에서 TMAl(Tri-methyl Aluminum)과 NH3를 각각 10 내지 100 마이크로 몰/분(umol/min)과 50 내지 500 마이크로 몰/분을 공급할 수 있고, 3족 원소에 대한 5족 원소의 몰비율은 50 이상으로 공급하여 형성할 수 있다.
상술한 공정 조건의 차이, 특히 아래의 형성되는 중간층보다 고온에서 5족 원소의 몰비율을 높게 공급하여 제3 중간층(120c)에서 v-pit 구조가 형성될 수 있는데, 중간층 내에서 알루미늄과 질소의 비율은 1 대 1 일 수 있으며 갈륨이나 인듐 등의 다른 원소는 포함되지 않을 수 있다.
그리고, 도 4b에 도시된 바와 같이 중간층(120) 위에 제1 도전형 반도체층(142)을 성장시킬 수 있다. 제1 도전형 반도체층(142)은, 화학증착방법(CVD) 혹은 분자선 에피택시 (MBE) 혹은 스퍼터링 혹은 수산화물 증기상 에피택시(HVPE) 등의 방법을 사용하여 n형 도펀트가 도핑된 AlGaN층을 형성할 수 있다.
또한, 상기 제1 도전형 반도체층(142)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 실리콘(Si)와 같은 n형 불순물을 포함하는 실란 가스(SiH4)가 주입되어 형성될 수 있다.
이때, 중간층(120)과 제1 도전형 반도체층(142)의 경계면, 특히 v-pit이 형성된 주변에서 전위(dislocation)이 발생할 수 있으며 v-pit이 제1 도전형 반도체층(142) 내에서 수렴(merge)하여 에어 보이드(130)를 이룰 수 있다.
점선(g)으로 도시된 것이 제1 도전형 반도체층(142)을 이루는 AlGaN의 성장 방향을 나타내는데, AlGaN이 수직 방향의 성장 외에 수평 방향으로도 성장하므로 에어 보이드(130)의 주변에서 수평 성장 내지 측면 성장한 AlGaN이 합쳐지고 있다. 그리고, 중간층(120)과 제1 도전형 반도체층(142)의 경계면 등에서 성장된 전위는 일점 쇄선(d)으로 도시되고 있으며, AlGaN이 측면 성장하며 수렴됨에 따라 전위도 수렴(merge)하여 더 이상 성장하지 않게 될 수 있다.
에어 보이드(130)는 중간층(120)에서 v-pit 구조로 성장하여 폭이 증가하다가, 제1 도전형 반도체층(142)과의 경계면에서부터 폭이 점차 감소하며 수렴할 수 있다. 이때, 에어 보이드(130) 중 중간층(120) 내부의 영역, 즉 본래 v-pit 구조에 제1 도전형 반도체층(142a)이 일부 성장될 수도 있다.
그리고, S1으로 도시된 영역과 달리 S2로 도시된 영역에서는 제1도전형 반도체층(142)이 v-pit 구조의 윗부분 일부에서도 성장될 수 있다.
그리고, 도 4c에 도시된 바와 같이 제1 도전형 반도체층(142) 위에 활성층(144)과 제2 도전형 반도체층(146)을 성장시킨다.
활성층(144)은, 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(146)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 4d에 도시된 바와 같이 제1 도전현 반도체층(146)의 측면으로부터 활성층(144), 그리고 제1 도전형 반도체층(142)의 일부까지를 메사 식각하여 제1 도전형 반도체층(142)의 일부가 노출될 수 있도록 한다.
그리고, 도 4e에 도시된 바와 같이 노출된 제1 도전형 반도체층(142)과 제2 도전형 반도체층(146) 상에 각각 제1 전극(170)과 제2 전극(180)을 배치할 수 있다. 제1 전극(170) 및/또는 제2 전극(180)은 도전성 물질 예를 들면 금속으로 형성될 수 있으며, 보다 상세하게는 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 및 이들의 선택적인 조합으로 이루어질 수 있고, 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
발광소자 패키지는 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 5는 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 성장 공정에서 이종 물질 사이에서 형성되는 에어 보이드에 의하여 전위가 수렴되어 품질이 향상되고, 발광소자 패키지에서 이종 물질 사이에 배치된 에어 보이드가 빛을 굴절시켜서 외부로 방출하여 광효율이 향상될 수 있다. 또한, 에어 보이드가 이중 물질의 경계면에 형성되어 이종 물질의 접촉면적이 감소하여 격자 부정합(lattice mismatch)에 의한 스트레인(strain)을 완화시킬 수 있다.
도 6은 발광소자 패키지를 포함하는 영상 표시장치의 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 9에서 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 성장 공정에서 이종 물질 사이에서 형성되는 에어 보이드에 의하여 전위가 수렴되어 품질이 향상되고, 발광소자 패키지에서 이종 물질 사이에 배치된 에어 보이드가 빛을 굴절시켜서 외부로 방출하여 광효율이 향상될 수 있다. 또한, 에어 보이드가 이중 물질의 경계면에 형성되어 이종 물질의 접촉면적이 감소하여 격자 부정합(lattice mismatch)에 의한 스트레인(strain)을 완화시킬 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: 발광소자 110: 기판
220: 중간층 130: 에어 보이드
140: 발광 구조물 142, 146: 제1,2 도전형 반도체층
144: 활성층 170, 180: 제1,2 전극
200: 발광소자 패키지 221, 222: 제1,2 전극
231, 232: 솔더
400 : 헤드 램프 410 : 발광소자 모듈
402 : 리플렉터 403 : 쉐이드
404 : 렌즈 500 : 표시장치
510 : 바텀 커버 520 : 반사판
530 : 회로 기판 모듈 540 : 도광판
550, 560 : 제1,2 프리즘 시트 570 : 패널
580 : 컬러필터

Claims (14)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 배치되고, 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층, 및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 형성되는 활성층을 포함하는 발광 구조물; 및
    상기 발광 구조물과 상기 기판 사이에 중간층을 포함하고,
    상기 중간층과 상기 발광 구조물 사이에 복수 개의 에어 보이드(air void)가 배치된 발광소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 발광 구조물과 상기 중간층은 이종 물질인 발광소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 활성층은 자외선, 근자외선 및 심자외선 중 어느 하나를 방출하는 발광소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 에어 보이드는 상기 중간층의 내부로부터 상기 발광 구조물의 내부에까지 배치된 발광소자.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층은 n형 도펀트로 도핑된 AlGaN층이고, 상기 에어 보이드는 상기 AlGaN층의 내부에까지 배치된 발광소자.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 중간층은 AlN층인 발광소자.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 중간층은 제1 AlN층과 제2 AlN층을 포함하고, 상기 에어 보이드는 상기 제2 AlN층의 내부로부터 배치가 시작되는 발광소자.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 AlN층과 제2 AlN층은 성장 조건을 달리하여 형성된 발광소자.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 에어 보이드의 폭이 최대인 영역은, 상기 중간층과 상기 발광 구조물의 경계에 배치되는 발광소자.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 각각의 에어 보이드의 주변 영역에서 상기 중간층과 발광 구조물의 경계면으로부터 전위(dislocation)가 발생한 발광소자.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 전위는, 상기 에어 보이드 위의 상기 발광 구조물 내에서 수렴하는 발광소자.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 에어 보이드의 상부에서, 상기 에어 보이드의 주변에서 측면 성장된 제1 도전형 반도체층의 재료가 합쳐지는 발광소자.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 에어 보이드는 크기와 형상 및 배치 중 적어도 하나가 랜덤(random)한 발광소자.
  14. 제1 항 내지 제13 항 중 어느 하나의 발광소자가 플립 칩 타입으로 배치된 발광소자 패키지.
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