KR20150073468A - 발광소자 및 이를 포함하는 발광소자 패키지 - Google Patents

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KR20150073468A
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Abstract

실시예는 서브 마운트; 상기 서브 마운트 상에 배치되고 제1 도전형 반도체층으로 이루어진 복수 개의 돌출 구조물; 상기 각각의 돌출 구조물의 측면과 상부면에 배치된 활성층 및 제2 도전형 반도체층; 상기 제2 도전형 반도체층 상에 배치되고, 상기 각각의 돌출 구조물 사이의 갭(gap)을 채우는 금속층; 및 상기 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층과 각각 전기적로 연결되는 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 발광소자를 제공한다.

Description

발광소자 및 이를 포함하는 발광소자 패키지{LIGHT EMITTNG DEVICE AND LIGHT EMITTING DEVICE PACKAGE 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.
도 1은 종래의 발광소자를 나타낸 도면이다.
종래의 발광소자(100)는 사파이어 등으로 이루어진 기판(110) 위에 제1 도전형 반도체층(122)과 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)을 포함하는 발광구조물(120)이 형성되고, 제1 도전형 반도체층(122)과 제2 도전형 반도체층(126) 상에 각각 제1 전극(150)과 제2 전극(160)이 배치된다.
발광소자(100)는 제1 도전형 반도체층(122)을 통해서 주입되는 전자와 제2 도전형 반도체층(126)을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 활성층(124)을 이루는 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출한다. 활성층(124)에서 방출되는 빛은 활성층(124)을 이루는 물질의 조성에 따라 다를 수 있으며, 청색광이나 자외선(UV) 또는 심자외선(Deep UV) 또는 다른 파장 영역의 광일 수 있다.
활성층(124)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 등으로 형성될 수 있다.
상술한 종래의 발광소자는 다음과 같은 문제점이 있다.
기판과 발광 구조물은 이종의 재료이므로 격자 상수 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 있다.
상술한 문제점을 해결하고자 도 1에 도시된 바와 같이 버퍼층(115)을 형성할 수도 있으나, 전위가 여전히 형성되어 발광 구조물의 품질을 악화시킬 수도 있으며, 활성층에서 빛에너지가 아닌 발광 구조물에서 열에너지가 방출되어 발광소자 자체의 효율을 저하시킬 수 있다.
실시예는 발광소자의 품질을 향상시키고, 광효율도 증가시키고자 한다.
실시예는 서브 마운트; 상기 서브 마운트 상에 배치되고 제1 도전형 반도체층으로 이루어진 복수 개의 돌출 구조물; 상기 각각의 돌출 구조물의 측면과 상부면에 배치된 활성층 및 제2 도전형 반도체층; 상기 제2 도전형 반도체층 상에 배치되고, 상기 각각의 돌출 구조물 사이의 갭(gap)을 채우는 금속층; 및 상기 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층과 각각 전기적로 연결되는 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 발광소자를 제공한다.
발광소자는 제2 도전형 반도체층의 표면에 배치된 도전층 및 상기 도전층의 표면에 배치된 반사층을 더 포함하고, 상기 금속층은 상기 반사층과 접촉할 수 있다.
발광소자는 서브 마운트 상에 배치되고, 상기 복수 개의 돌출 구조물을 나누는 마스크를 더 포함할 수 있다.
제1 도전형 반도체층은, 상기 서브 마운트의 전면에 배치된 베이스층과 상기 마스크에 의하여 서로 분리되는 상기 돌출 구조물을 포함할 수 있다.
금속층은 전기적으로 서로 분리된 2개의 영역으로 나뉘고, 제1 영역과 제2 영역에 각각 상기 제1 전극과 제2 전극이 배치될 수 있다.
돌출 구조물의 상부면은 상기 측면과 둔각으로 기울어질 수 있다.
도전층은, 투명 전도성 산화물 또는 혼합 금속 산화물일 수 있다.
제2 도전형 반도체층 상에 배치되고 상기 각각의 돌출 구조물 사이의 갭을 채우는 절연층을 더 포함하고, 상기 돌출 구조물의 상부면이 상기 절연층의 외곽으로 노출되며, 상기 노출된 돌출 구조물의 상부면을 상기 금속층이 채울 수 있다.
금속층은 electroplating법으로 형성될 수 있다.
다른 실시예는 기판; 상기 기판 상에 배치되는 제1 전극 패드와 제2 전극 패드; 및 상기 기판 상에 배치되는 상술한 발광소자를 포함하고, 상기 제 전극 패드와 제2 전극 패드는, 상기 발광소자의 제1 전극 및 제2 전극과 각각 직접 접촉하는 발광소자 패키지를 제공한다.
본 실시예에 따른 발광소자는 미세한 크기의 돌출 구조물 사이에 금속층이 전기 도금법으로 갭 필링층으로 형성되어 나노 구조체를 안정적으로 지지하고, 또한 전기 도금법으로 형성된 금속층은 플랫한 표면을 가져서 발광소자를 발광소자 패키지에 배치할 때 범프를 사용하지 않고 기판 상의 전극 패드에 발광소자의 제1 전극과 제2 전극을 직접 본딩할 수 있다.
도 1은 종래의 발광소자를 나타낸 도면이고,
도 2는 발광소자의 제1 실시예를 나타낸 도면이고,
도 3a 내지 도 3e는 발광소자의 제조방법의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 4는 발광소자의 제2 실시예를 나타낸 도면이고,
도 5는 도 2의 발광소자가 플립 칩 타입으로 배치된 발광소자 패키지를 나타낸 도면이고,
도 6은 발광소자가 배치된 백라이트 유닛의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 7은 발광소자가 배치된 조명장치의 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 2는 발광소자의 제1 실시예를 나타낸 도면이다.
발광소자(200)는 서브 마운트(210)와, 서브 마운트 상의 발광 구조물(220)과, 각각의 돌출 구조물(222b) 사이의 갭(gap)을 채우는 금속층(260, 270)과, 제1 전극(265)과 제2 전극(275)을 포함할 수 있다.
서브 마운트(210)는 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.
사파이어 등으로 서브 마운트(210)를 형성하고, 서브 마운트(210) 상에 GaN이나 AlGaN 등을 포함하는 발광구조물(220)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, AlN 등으로 버퍼층(미도시)을 형성할 수 있다.
도시되지는 않았으나, 버퍼층(미도시)과 발광구조물(220)의 사이에는 언도프드 GaN층이나 AlGaN층이 배치되어, 발광구조물(220) 내로 상술한 전위 등이 전달되는 것을 방지할 수 있다.
발광 구조물(220)은 제1 도전형 반도체층(222)과 활성층(224) 및 제2 도전형 반도체층(226)을 포함하여 이루어진다. 발광 구조물(220)은 복수 개의 나노 로드(nano rod) 형상을 포함할 수 있다.
보다 상세하게는, 제1 도전형 반도체층(222)은 베이스층(222a)과 돌출 구조물(222b)을 포함하는데, 베이스층(222a)은 서브 마운트(210)의 전면 상에 얇은 박막으로 형성될 수 있고, 돌출 구조물(222b)은 베이스층(222a) 상에 복수 개의 돌출 구조물이 성장되어 이루어진다.
돌출 구조물(222b)은 도시된 바와 같이 베이스층(222a)으로부터 수직한 방향으로 측면이 배치되고, 상부면은 상기 측면과 둔각을 이루며 배치되고 있다. 또한, 돌출 구조물(222b)의 상부면은 플랫하여 상기 측면과 직각으로 구비될 수 있으며 후술하는 실시예들에서도 동일하다.
돌출 구조물(222b)은 수평 방향의 크기(R)이 나노 스케일이나, 경우에 따라서 10 마이크로 미터 내외의 스케일을 가질 수 있다. 돌출 구조물(222b)의 수평 방향의 크기(R)은 인접한 마스크(280) 사이의 거리(d)보다 클 수 있으며, 예를 들면 R은 d의 2배 이상일 수 있다. 상술한 거리(d)는 베이스층(222a)으로부터 돌출 구조물(222b)이 성장될 수 있는, 인접한 마스크(280) 사이의 개구부의 직경일 수 있다.
제1 도전형 반도체층(222)에서 베이스층(222a)의 높이(h1)는 100 나노미터 내지 10 마이크로 미터일 수 있는데, 100 나노미터보다 작으면 제1 도전형 반도체층(222)의 성장에 충분하지 않을 수 있고, 10 마이크로 미터보다 크면 발광 구조물(220)의 두께가 너무 증가할 수 있다.
돌출 구조물(222b)의 높이(h2)와 돌출 구조물(222b) 사이의 피치(pitch. P)은, 발광 구조물(220)에서 방출되는 빛의 파장과 광량에 따라 다를 수 있다.
돌출 구조물은 단면이 6각 기둥이거나 원형 또는 다각형일 수 있고, 각각의 돌출 구조물은 규칙적인 배열 외에 불규칙하게도 배치될 수 있으며, 각각의 돌출 구조물의 크기나 형상은 서로 같을 수 있으나 다를 수도 있다.
도 2에서, 베이스층(222a)과 돌출 구조물(222b)을 점선으로 구획하고 있으나 동일한 재료로 이루어질 수 있고, 마스크(280)를 사용하기 이전과 이후에 각각 성장될 수 있다. 마스크(280)는 베이스층(222a)과 돌출 구조물(222b)를 나눌 수 있고, 또한 각각의 돌출 구조물(222b)을 나눌 수도 있다.
제1 도전형 반도체층(222)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(222)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(222)이 n형 반도체층인 경우, 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(222)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
발광 소자(200)가 자외선(UV) 또는 심자외선(Deep UV) 발광 소자일 경우, 제1 도전형 반도체층(222)은 InAlGaN 및 AlGaN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
활성층(224)과 제2 도전형 반도체층(226)은 돌출 구조물(222b)의 둘레,즉 측면과 상부면과, 마스크(280) 상에 얇은 박막으로 각각 형성될 수 있다.
활성층(224)은 제1 도전형 반도체층(222)과 제2 도전형 반도체층(226) 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(224)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. 활성층(224)이 심자외선(deep UV) 파장의 빛을 생성할 때, 활성층(224)은 다중양자우물 구조로 이루어질 수 있고, 상세하게는 AlxGa(1-x)N (0<x<1)을 포함하는 양자벽과 AlyGa(1-y)N (0<x<y<1)을 포함하는 양자우물층의페어 구조가 1주기 이상인 다중 양자 우물 구조일 수 있고, 양자 우물층은 후술하는 제2 도전형의도펀트를 포함할 수 있다.
제2 도전형 반도체층(226)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(226)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(226)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(226)이 AlxGa(1-x)N으로 이루어질 수 있다.
제2 도전형 반도체층(226)이 p형 반도체층인 경우, 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트일 수 있다. 제2 도전형 반도체층(226)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 만일, 발광 소자(200)가 자외선(UV) 또는 심자외선(Deep UV) 발광 소자일 경우, 제2 도전형 반도체층(226)은 InAlGaN 및 AlGaN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도시되지는 않았으나, 활성층(224)과 제2 도전형 반도체층(226)의 사이에는 전자 차단층(Electron blocking layer)이 배치될 수 있다. 전자 차단층은 초격자(superlattice) 구조로 이루어질 수 있는데, 초격자는 예를 들어 제2 도전형 도펀트로 도핑된 AlGaN이 배치될 수 있고, 알루미늄의 조성비를 달리하는 GaN이 층(layer)을 이루어 복수 개 서로 교번하여 배치될 수도 있다.
활성층(224)과 제2 도전형 반도체층(226)은 얇은 박막 형상이므로, 활성층(224)과 제2 도전형 반도체층(226)이 성장된 각각의 돌출 구조물(222b) 사이에는 갭(gap)이 존재하고, 각각의 갭에는 갭 필링층(gap filling layer)으로 금속층(270)이 전기도금(electroplating)으로 형성될 수 있다.
금속층(270)은 도전성 금속으로 이루어져서, 각각의 돌출 구조물(222b)을 안정적으로 지지하고 또한 제2 도전형 반도체층(226)의 전영역에 고루 정공 내지 전자를 공급할 수 있다.
그리고 제2 도전형 반도체층(226)의 표면에는 도전층(240) 및 반사층(250)이 배치되어, 도전층(240)은 제2 도전형 반도체층(240)과 접촉하고, 반사층(250)은 금속층(270)과 접촉할 수 있다.
도전층(240)은 오믹 특성을 가지면서 광투과율이 높을 수 있고, 상세하게는 투명 전도성 산화물 또는 혼합 금속 산화물을 포함할 수 있고, 보다 상세하게는 투명 도전성 산화물은 ITO, IZO, AZO, ZnO, SnOx일 수 있고, 혼합 금속 산화물은 RuOx, IrOx, PtOx일 수 있다.
금속층(270)과 반사층(250)을 통하여 공급된 전류를 제2 도전형 반도체층(226)에 고루 전달할 수 있다. 반사층(250)은 은(Ag), 알루미늄(Al) 및 로듐(Rh) 중 어느 하나이거나 이들의 합금일 수 있다. 금속층(270)은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, PT 및 Au로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들의 합금일 수 있다.
금속층(260, 270)은 서로 전기적으로 분리된 2개의 영역으로 나뉘어, 제1 영역과 제2 영역에 각각 제1 전극(265)과 제2 전극(275)이 배치될 수 있다. 제1 영역의 금속층(260)은 제1 도전형 반도체층(222)과 전기적으로 연결되고, 제2 영역의 금속층(270)은 제2 도전형 반도체층(226)과 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 도전형 반도체층(222)의 베이스층(222a) 상에서 금속층(260, 270)이 제1 영역과 제2 영역으로 나뉘어질 수 있다.
제1 전극(250)과 제2 전극(260)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
나노 구조체에 전극을 형성할 때 나노 구조체의 종횡비로 인하여 안정적인 전극 배치가 어렵고, 나노 구조체의 상부면에 전극이 형성되면 나노 구조체의 전면적에 전류를 공급하기 어려웠다.
본 실시예에 따른 발광소자는 미세한 크기의 돌출 구조물 사이에 금속층이 전기 도금법으로 갭 필링층으로 형성되어 나노 구조체를 안정적으로 지지하고, 또한 전기 도금법으로 형성된 금속층은 플랫한 표면을 가져서 발광소자를 발광소자 패키지에 배치할 때 범프를 사용하지 않고 기판 상의 전극 패드에 발광소자의 제1 전극과 제2 전극을 직접 본딩할 수 있다.
또한, 투명 전도성 산화물(TCO)나 혼합 금속 산화물(MMO)이 돌출 구조물의 표면에 배치되어 제2 도전형 반도체층의 전면적에 전류 공급이 원활하고, 반사층이 배치되어 반사율을 향상시킬 수 있다. 그리고, 반사층과 제2 도전형 반도체층 사이에 투명 전도성 산화물이나 혼합 금속 산화물이 배치되어, 낮은 비접촉 저항을 나타낼 수 있다.
도 3a 내지 도 3e는 발광소자의 제조방법의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 서브 마운트(210) 상에 발광 구조물(220)을 성장시킬 수 있다. 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
서브 마운트(210) 상에 제1 도전형 반도체층 중 베이스층(222a)을 성장시키고, 마스크(280)를 선택적으로 배치한 후에 제1 도전형 반도체층 중 돌출 구조물(222b)을 성장시키는데, 돌출 구조물(222b)은 마스크(280)의 사이에서 선택적으로 성장된다.
제1 도전형 반도체층(222)이 도시된 바와 같이 돌출 구조물 형상으로 성장되어, 기판(210)과의 경계면에서 성장된 전위(dislocation)들이 도면의 윗 방향으로 성장하지 못하고 차단될 수 있다.
그리고, 돌출 구조물(222b) 상에 활성층(224)과 제2 도전형 반도체층(226)을 성장시킨다. 제1 도전형 반도체층(222)과 활성층(224)과 제2 도전형 반도체층(226) 등의 조성은 상술한 바와 동일할 수 있다.
도 3b에 도시된 바와 같이 제 2 도전형 반도체층(226)의 표면에 도전층(240)을 성장 내지 증착 등의 방법으로 형성한다. 도전층(240)은 돌출 구조물(222b)의 표면과 동일한 형상으로 형성될 수 있다.
도 3c에 도시된 바와 같이, 도전층(240)의 표면에 금속층(250)을 성장 내지 증착 등의 방법으로 형성한다. 금속층(250)은 돌출 구조물(222b) 및 도전층(240)의 표면과 동일한 형상으로 형성될 수 있다.
그리고, 도 3d에 도시된 바와 같이 각각의 돌출 구조물(222b) 사이의 갭(gap)에, 도전성 금속 등을 전기 도금 등의 방법으로 필링(filling)하여 금속층(260, 270)을 형성한다.
도 3e에 도시된 바와 같이, 금속층(260, 270)을 2개의 영역으로 분리할 수 있다. 하나의 금속층(260)은 제1 도전형 반도체층(222)과 전기적으로 연결되고, 다른 금속층(270)은 제2 도전형 반도체층(226)과 전기적으로 연결될 수 있다.
그리고, 각각의 금속층(260, 270) 상에 제1 전극과 제2 전극을 형성하면 도 2의 발광소자가 완성될 수 있다.
도 4는 발광소자의 제2 실시예를 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 발광소자(200)는 도 2의 실시예와 유사하나, 절연층(290)이 돌출 구조물(222b) 사이의 갭을 채우고 있는 점에서 상이하다. 절연층(290)은 절연물질로 이루어질 수 있고, 예를 들면 비전도성인 산화물이나 질화물로 이루어질 수 있다. 일 예로서, 상기 절연층(290) 실리콘 산화물(SiO2)층, 산화 질화물층, 산화 알루미늄층으로 이루어질 수 있다.
절연층(290)의 높이는 돌출 구조물(222b)의 높이보다 낮아서 돌출 구조물(222b)의 상부면이 절연층(290) 위로 노출될 수 있다. 그리고 노출된 돌출 구조물(222b) 사이의 갭을 금속층(250)이 채우고 있다.
도 5는 도 2 등의 발광소자가 플립 칩 타입으로 배치된 발광소자 패키지를 나타낸 도면이고, 캐비티를 가지는 기판(300) 위에 제1 전극 패드(321)과 제2 전극 패드(322)가 접합층(310)을 통하여 고정될 수 있다. 도 5에서 기판(300)에 형성되는 캐비티의 측벽은 바닥면과 둔각으로 배치되나, 직각으로 배치될 수도 있다.
그리고, 발광소자(200)은 도 2에서 상/하가 역전되어 플립 칩 타입으로 배치될 수 있는데, 발광소자(200)의 제1 전극(265)과 제2 전극(275)이 각각 제1 전극 패드(321)와 제2 전극 패드(322)에 직접 본딩될 수 있다.
이러한 구조는 전극과 전극 패드 사이의 결합을 위한 별도의 범프(bump)가 필요 없고, 발광 구조물(220)에서 방출된 빛은 반사층(250)에서 도 4의 상부 방향으로 진행할 수 있다.
발광소자 패키지는 상술한 구성 외에 형광체나 몰딩부 등의 구성을 포함할 수 있다.
발광소자 패키지는 상술한 실시예들에 따른 발광소자 중 하나 또는 복수 개로 탑재할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
이하에서는 상술한 발광소자 패키지가 배치된 조명 시스템의 일실시예로서, 영상표시장치와 조명장치를 설명한다.
도 6는 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)의 발광소자는 상술한 바와 같이 미세한 크기의 돌출 구조물 사이에 금속층이 전기 도금법으로 갭 필링층으로 형성되어 나노 구조체를 안정적으로 지지하고, 또한 전기 도금법으로 형성된 금속층은 플랫한 표면을 가져서 발광소자를 발광소자 패키지에 배치할 때 범프를 사용하지 않고 기판 상의 전극 패드에 발광소자의 제1 전극과 제2 전극을 직접 본딩할 수 있다.
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.
도 7은 발광소자가 배치된 조명장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 조명 장치는 커버(1100), 광원 모듈(1200), 방열체(1400), 전원 제공부(1600), 내부 케이스(1700), 소켓(1800)을 포함할 수 있다. 또한, 실시 예에 따른 조명 장치는 부재(1300)와 홀더(1500) 중 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있고, 광원 모듈(1200)은 상술한 실시예들에 따른 발광소자 패키지를 포함하여, 발광소자는 미세한 크기의 돌출 구조물 사이에 금속층이 전기 도금법으로 갭 필링층으로 형성되어 나노 구조체를 안정적으로 지지하고, 또한 전기 도금법으로 형성된 금속층은 플랫한 표면을 가져서 발광소자를 발광소자 패키지에 배치할 때 범프를 사용하지 않고 기판 상의 전극 패드에 발광소자의 제1 전극과 제2 전극을 직접 본딩할 수 있다.
커버(1100)는 벌브(bulb) 또는 반구의 형상을 가지며, 속이 비어 있고, 일 부분이 개구된 형상으로 제공될 수 있다. 상기 커버(1100)는 상기 광원 모듈(1200)과 광학적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 커버(1100)는 상기 광원 모듈(1200)로부터 제공되는 빛을 확산, 산란 또는 여기 시킬 수 있다. 상기 커버(1100)는 일종의 광학 부재일 수 있다. 상기 커버(1100)는 상기 방열체(1400)와 결합될 수 있다. 상기 커버(1100)는 상기 방열체(1400)와 결합하는 결합부를 가질 수 있다.
커버(1100)의 내면에는 유백색 도료가 코팅될 수 있다. 유백색의 도료는 빛을 확산시키는 확산재를 포함할 수 있다. 상기 커버(1100)의 내면의 표면 거칠기는 상기 커버(1100)의 외면의 표면 거칠기보다 크게 형성될 수 있다. 이는 상기 광원 모듈(1200)로부터의 빛이 충분히 산란 및 확산되어 외부로 방출시키기 위함이다.
커버(1100)의 재질은 유리(glass), 플라스틱, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리카보네이트(PC) 등일 수 있다. 여기서, 폴리카보네이트는내광성, 내열성, 강도가 뛰어나다. 상기 커버(1100)는 외부에서 상기 광원 모듈(1200)이 보이도록 투명할 수 있고, 불투명할 수 있다. 상기 커버(1100)는 블로우(blow) 성형을 통해 형성될 수 있다.
광원 모듈(1200)은 상기 방열체(1400)의 일 면에 배치될 수 있다. 따라서, 광원 모듈(1200)로부터의 열은 상기 방열체(1400)로 전도된다. 상기 광원 모듈(1200)은 발광소자 패키지(1210), 연결 플레이트(1230), 커넥터(1250)를 포함할 수 있다.
부재(1300)는 상기 방열체(1400)의 상면 위에 배치되고, 복수의 발광소자 패키지(1210)들과 커넥터(1250)이 삽입되는 가이드홈(1310)들을 갖는다. 가이드홈(1310)은 상기 발광소자 패키지(1210)의 기판 및 커넥터(1250)와 대응된다.
부재(1300)의 표면은 빛 반사 물질로 도포 또는 코팅된 것일 수 있다. 예를 들면, 부재(1300)의 표면은 백색의 도료로 도포 또는 코팅된 것일 수 있다. 이러한 상기 부재(1300)는 상기 커버(1100)의 내면에 반사되어 상기 광원 모듈(1200)측 방향으로 되돌아오는 빛을 다시 상기 커버(1100) 방향으로 반사한다. 따라서, 실시 예에 따른 조명 장치의 광 효율을 향상시킬 수 있다.
부재(1300)는 예로서 절연 물질로 이루어질 수 있다. 상기 광원 모듈(1200)의 연결 플레이트(1230)는 전기 전도성의 물질을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 방열체(1400)와 상기 연결 플레이트(1230) 사이에 전기적인 접촉이 이루어질 수 있다. 상기 부재(1300)는 절연 물질로 구성되어 상기 연결 플레이트(1230)와 상기 방열체(1400)의 전기적 단락을 차단할 수 있다. 상기 방열체(1400)는 상기 광원 모듈(1200)로부터의 열과 상기 전원 제공부(1600)로부터의 열을 전달받아 방열한다.
홀더(1500)는 내부 케이스(1700)의 절연부(1710)의 수납홈(1719)을 막는다. 따라서, 상기 내부 케이스(1700)의 상기 절연부(1710)에 수납되는 상기 전원 제공부(1600)는 밀폐된다. 홀더(1500)는 가이드 돌출부(1510)를 갖는다. 가이드 돌출부(1510)는 상기 전원 제공부(1600)의 돌출부(1610)가 관통하는 홀을 갖는다.
전원 제공부(1600)는 외부로부터 제공받은 전기적 신호를 처리 또는 변환하여 상기 광원 모듈(1200)로 제공한다. 전원 제공부(1600)는 상기 내부 케이스(1700)의 수납홈(1719)에 수납되고, 상기 홀더(1500)에 의해 상기 내부 케이스(1700)의 내부에 밀폐된다. 상기 전원 제공부(1600)는 돌출부(1610), 가이드부(1630), 베이스(1650), 연장부(1670)를 포함할 수 있다.
상기 가이드부(1630)는 상기 베이스(1650)의 일 측에서 외부로 돌출된 형상을 갖는다. 상기 가이드부(1630)는 상기 홀더(1500)에 삽입될 수 있다. 상기 베이스(1650)의 일 면 위에 다수의 부품이 배치될 수 있다. 다수의 부품은 예를 들어, 외부 전원으로부터 제공되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 직류변환장치, 상기 광원 모듈(1200)의 구동을 제어하는 구동칩, 상기 광원 모듈(1200)을 보호하기 위한 ESD(ElectroStatic discharge) 보호 소자 등을 포함할 수 있으나 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 연장부(1670)는 상기 베이스(1650)의 다른 일 측에서 외부로 돌출된 형상을 갖는다. 상기 연장부(1670)는 상기 내부 케이스(1700)의 연결부(1750) 내부에 삽입되고, 외부로부터의 전기적 신호를 제공받는다. 예컨대, 상기 연장부(1670)는 상기 내부 케이스(1700)의 연결부(1750)의 폭과 같거나 작게 제공될 수 있다. 상기 연장부(1670)에는 "+ 전선"과 "- 전선"의 각 일 단이 전기적으로 연결되고, "+ 전선"과 "- 전선"의 다른 일 단은 소켓(1800)에 전기적으로 연결될 수 있다.
내부 케이스(1700)는 내부에 상기 전원 제공부(1600)와 함께 몰딩부를 포함할 수 있다. 몰딩부는몰딩 액체가 굳어진 부분으로서, 상기 전원 제공부(1600)가 상기 내부 케이스(1700) 내부에 고정될 수 있도록 한다.
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 115: 버퍼층
120, 220: 발광 구조물 120, 222: 제1 도전형 반도체층
124: 활성층 126, 226: 제2 도전형 반도체
150, 265: 제1 전극 169, 275: 제2 전극
222a: 베이스층 222b: 돌출 구조물
240: 도전층 250: 반사층
260, 270: 금속층 280: 마스크
290: 절연층 300: 기판
310: 접합층 321: 제1 전극 패드
322: 제2 전극 패드 400: 발광소자 패키지

Claims (10)

  1. 서브 마운트;
    상기 서브 마운트 상에 배치되고 제1 도전형 반도체층으로 이루어진 복수 개의 돌출 구조물;
    상기 각각의 돌출 구조물의 측면과 상부면에 배치된 활성층 및 제2 도전형 반도체층;
    상기 제2 도전형 반도체층 상에 배치되고, 상기 각각의 돌출 구조물 사이의 갭(gap)을 채우는 금속층; 및
    상기 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층과 각각 전기적로 연결되는 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 발광소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층의 표면에 배치된 도전층 및 상기 도전층의 표면에 배치된 반사층을 더 포함하고, 상기 금속층은 상기 반사층과 접촉하는 발광소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 서브 마운트 상에 배치되고, 상기 복수 개의 돌출 구조물을 나누는 마스크를 더 포함하는 발광소자.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 제1 도전형 반도체층은,
    상기 서브 마운트의 전면에 배치된 베이스층과 상기 마스크에 의하여 서로 분리되는 상기 돌출 구조물을 포함하는 발광소자.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 금속층은 전기적으로 서로 분리된 2개의 영역으로 나뉘고, 제1 영역과 제2 영역에 각각 상기 제1 전극과 제2 전극이 배치되는 발광소자.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 돌출 구조물의 상부면은 상기 측면과 둔각으로 기울어진 발광소자.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 도전층은, 투명 전도성 산화물 또는 혼합 금속 산화물인 발광소자.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층 상에 배치되고 상기 각각의 돌출 구조물 사이의 갭을 채우는 절연층을 더 포함하고, 상기 돌출 구조물의 상부면이 상기 절연층의 외곽으로 노출되며, 상기 노출된 돌출 구조물의 상부면을 상기 금속층이 채우는 발광소자.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 금속층은 electroplating법으로 형성된 발광소자.
  10. 기판;
    상기 기판 상에 배치되는 제1 전극 패드와 제2 전극 패드; 및
    상기 기판 상에 배치되는 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항의 발광소자를 포함하고,
    상기 제 전극 패드와 제2 전극 패드는, 상기 발광소자의 제1 전극 및 제2 전극과 각각 직접 접촉하는 발광소자 패키지.
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