KR20150111052A - 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법 - Google Patents

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KR20150111052A KR1020140034382A KR20140034382A KR20150111052A KR 20150111052 A KR20150111052 A KR 20150111052A KR 1020140034382 A KR1020140034382 A KR 1020140034382A KR 20140034382 A KR20140034382 A KR 20140034382A KR 20150111052 A KR20150111052 A KR 20150111052A
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한유대
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Abstract

발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법이 개시된다. 이 발광 다이오드는, 기판 상에 서로 이격되어 배치된 제1 발광셀 및 제2 발광셀; 및 제1 발광셀과 제2 발광셀을 전기적으로 연결하는 커넥터를 포함한다. 나아가, 제1 발광셀 및 제2 발광셀 각각은, 제1 도전형 콘택층 및 제1 도전형 콘택층 상에 서로 이격되어 배치된 복수의 서브 발광셀들을 포함하고, 복수의 서브 발광셀들 각각은, 제1 도전형 콘택층으로부터 돌출되며, 상부면 및 측면을 포함하는 제1 도전형 반도체층; 제1 도전형 반도체층의 상부면 및 상기 제1 도전형 반도체층의 측면을 덮는 제2 도전형 반도체층; 및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치된 활성층을 포함한다. 상기 활성층이 제1 도전형 반도체층의 상부면 및 측면에 배치됨에 따라 발광 면적을 증가시킬 수 있다. 나아가, 서브 발광셀들을 채택함에 따라, 활성층에서 생성된 광이 서브 발광셀 내에서 진행하는 경로를 줄일 수 있어 광 손실을 방지할 수 있다.

Description

발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법{LIGHT EMITTING DIODE AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
본 발명은 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단일 기판 상에서 복수의 발광셀들이 배선들에 의해 서로 연결된 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법에 관한 것이다.
GaN 계열의 LED는 현재 천연색 LED 표시소자, LED 교통 신호기, 백색 LED 등 다양한 응용에 사용되고 있다. 최근, 고효율 백색 LED의 발광 효율은(luminous efficiency)은 통상의 형광램프의 효율보다 우수하여 일반 조명 분야에서도 형광 램프를 대체할 것으로 기대되고 있다.
일반적으로, 발광 다이오드는 순방향 전류에 의해 광을 방출하며, 직류전류의 공급을 필요로 한다. 따라서, 발광 다이오드는, 교류전원에 직접 연결하여 사용할 경우, 전류의 방향에 따라 온/오프를 반복하며, 그 결과 연속적으로 빛을 방출하지 못하고, 역방향 전류에 의해 쉽게 파손되는 문제점이 있다.
이러한 발광 다이오드의 문제점을 해결하여, 고전압 교류전원에 직접 연결하여 사용할 수 있는 발광 다이오드가 국제공개번호 WO 2004/023568(Al)호에 "발광 성분들을 갖는 발광소자"(LIGHT-EMITTING DEVICE HAVING LIGHT-EMITTING ELEMENTS)라는 제목으로 사카이 등(SAKAI et. al.)에 의해 개시된 바 있다.
상기 WO 2004/023568(Al)호에 따른 교류용 발광 다이오드는 에어 브리지 배선으로 복수의 발광 요소들을 역병렬 연결하여 교류 전원에서 구동된다. 이러한 에어브리지 배선은 외압에 의해 단선되기 쉬우며, 또한 외압에 의한 변형에 의해 단락을 유발하기 쉽다.
한편, 에어 브리지 배선의 단점을 해결하기 위한 교류용 발광 다이오드가 예를 들어 대한민국 등록특허 10-069023호 등에 개시된 바 있다. 상기 대한민국 등록특허 10-0690323호는 발광셀들의 측벽을 기판의 상부면에 대해 소정 각도로 경사지게 형성하고, 에어브리지 대신, 절연층 상에 배선들을 형성함으로써 배선의 단선이나 단락을 방지한다.
그러나, 상기 종래기술들에 따르면, 복수의 발광셀들은 건식 식각을 통해 분리된다. 이에 따라, 발광셀들의 측벽은 건식 식각을 통해 형성되며 따라서 상대적으로 거친 표면이 형성된다. 상기 측벽을 덮는 절연층은 거친 표면상에 형성되며, 따라서, 절연층의 품질이 떨어져 신뢰성 불량을 초래할 수 있다. 특히, 고압 구동을 할 경우, 측벽에 형성된 배선이 단선되는 문제가 발생되기 쉽다.
나아가, 건식 식각을 통해 발광셀들을 분리할 경우, 발광셀들을 절연시키기 위해 발광셀들 간의 충분한 이격 거리가 요구된다. 이에 따라, 동일 면적의 발광 다이오드 칩 내에 동일 개수의 발광셀들을 형성할 경우, 발광 면적이 감소한다. 더욱이, 발광셀들의 측벽을 경사지게 형성함에 따라, 발광 면적은 더욱 감소한다.
한편, 복수의 발광셀들을 형성하더라도, 전극 구조나 식각 기술의 한계에 기인하여 발광셀들의 크기는 대체로 한 변의 길이가 100~500㎛의 크기를 가진다. 발광셀들의 크기는 활성층 내에서 생성된 광이 발광셀들 내에서 손실될 가능성을 증가시킨다. 따라서, 발광셀들의 크기를 감소시켜 활성층 내에서 형성된 광의 손실을 방지할 필요가 있다.
특허문헌1: 국제공개번호 WO 2004/023568(Al)호 특허문헌2: 대한민국 등록특허공보 10-0690323호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 복수의 발광셀들을 갖는 발광 다이오드에서, 발광셀의 유효 발광 면적을 증가시킬 수 있는 발광 다이오드 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 신뢰성을 향상시킬 수 있는 발광 다이오드 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 발광셀들의 측벽에서 유발되는 배선들의 단선을 방지할 수 있는 발광 다이오드 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 활성층에서 생성된 광이 발광셀 내부에서 진행하는 경로를 감소시킬 수 있는 발광 다이오드 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드는, 기판 상에 서로 이격되어 배치된 제1 발광셀 및 제2 발광셀; 및 상기 제1 발광셀과 제2 발광셀을 전기적으로 연결하는 커넥터를 포함한다. 나아가, 상기 제1 발광셀 및 제2 발광셀 각각은, 제1 도전형 콘택층 및 상기 제1 도전형 콘택층 상에 서로 이격되어 배치된 복수의 서브 발광셀들을 포함하고, 상기 복수의 서브 발광셀들 각각은, 상기 제1 도전형 콘택층으로부터 돌출되며, 상부면 및 측면을 포함하는 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층의 상부면 및 상기 제1 도전형 반도체층의 측면을 덮는 제2 도전형 반도체층; 및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치된 활성층을 포함한다.
이에 따라, 상기 활성층이 제1 도전형 반도체층의 측면에도 배치될 수 있어, 발광 면적을 증가시킬 수 있다. 나아가, 서브 발광셀들을 채택함에 따라, 활성층에서 생성된 광이 서브 발광셀 내에서 진행하는 경로를 줄일 수 있어 광 손실을 방지할 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층의 측면은 상기 상부면에 수직한 면에 대해 기울어진 경사면을 포함할 수 있다. 나아가, 상기 제1 도전형 콘택층의 측면은 상기 상부면에 수직한 면에 대해 기울어진 경사면을 포함할 수 있다.
한편, 상기 발광 다이오드는, 상기 제1 발광셀과 제2 발광셀 사이에 배치된 제1 절연층을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 발광셀의 제1 도전형 콘택층 및 제2 발광셀의 제1 도전형 콘택층의 서로 마주보는 가장자리들은 상기 제1 절연층 상에 배치될 수 있다.
또한, 상기 발광 다이오드는, 상기 서브 발광셀들 사이에 배치된 제2 절연층을 더 포함할 수 있다. 나아가, 상기 제1 도전형 반도체층들의 서로 마주보는 가장자리들은 상기 제2 절연층 상에 배치될 수 있다. 또한, 상기 제2 절연층은 상기 제1 도전형 콘택층의 측면을 덮을 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 발광 다이오드는, 상기 제1 절연층과 상기 기판 사이에 배치된 반절연층을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 발광셀들은 상기 반절연층 상에 배치된다.
또한, 상기 발광 다이오드는, 상기 제1 및 제2 발광셀들과 상기 반절연층 사이에 각각 배치된 질화갈륨계의 전류 블록층을 더 포함할 수 있다. 상기 전류 블록층은 제1 발광셀 및 제2 발광셀로부터 상기 반절연층으로 전류가 흐르는 것을 차단하여 제1 발광셀과 제2 발광셀 사이에서 상기 반절연층을 통한 전류 누설을 방지한다.
상기 커넥터는 상기 제1 발광셀의 제1 도전형 콘택층과 상기 제2 발광셀의 서브 발광셀들의 제2 도전형 반도체층들을 전기적으로 연결할 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 커넥터의 일 단부는 상기 제1 발광셀의 제1 도전형 콘택층 상에 접속할 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 커넥터의 일 단부는 상기 제1 발광셀의 제1 도전형 콘택층의 측면에 접속할 수 있다.
한편, 상기 발광 다이오드는, 상기 제2 발광셀의 제2 도전형 반도체층들에 오믹 콘택하는 오믹 전극층을 더 포함할 수 있다. 상기 커넥터는 상기 오믹 전극층을 통해 상기 서브 발광셀들의 제2 도전형 반도체층들에 전기적으로 접속할 수 있다.
나아가, 상기 오믹 전극층은 제1 도전형 반도체층의 상부면 및 측면 상에서 상기 제2 도전형 반도체층에 접속할 수 있다.
또한, 상기 발광 다이오드는, 상기 오믹 전극층을 덮는 제3 절연층을 더 포함할 수 있다. 상기 제3 절연층은 상기 오믹 전극층을 노출시키는 복수의 개구부들을 가질 수 있으며, 상기 커넥터는 상기 개구부들을 통해 상기 오믹 전극층에 접속할 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 각 발광셀들은 규칙적으로 배열된 복수의 서브 발광셀들을 포함할 수 있다. 상기 개구부들은 각각 서브 발광셀들 사이의 영역에 형성될 수 있다. 나아가, 상기 개구부들 각각은 적어도 3개의 서브 발광셀들로 둘러싸일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드 제조 방법은, 기판 상에 제1 개구부들을 갖는 제1 절연층을 형성하되, 상기 제1 개구부들은 각각 반도체층을 성장하기 위한 성장면을 노출시키고, 상기 성장면들을 이용하여 반도체층을 성장시켜 상기 개구부들에 대응하여 서로 이격된 제1 도전형 콘택층들을 성장시키고, 상기 제1 도전형 콘택층들 상에 제2 개구부들을 갖는 제2 절연층을 형성하되, 상기 제2 개구부들은 각각 반도체층을 성장하기 위한 성장면을 노출시키고, 상기 성장면들을 이용하여 복수의 반도체층들을 성장시켜 서로 이격된 서브 발광셀들을 형성하고, 이웃하는 제1 도전형 콘택층들 및 서브 발광셀들을 전기적으로 연결하는 커넥터를 형성하는 것을 포함한다. 나아가, 상기 서브 발광셀들 각각은, 상부면 및 측면을 포함하는 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되되, 상기 제1 도전형 반도체층의 상부면의 적어도 일부 및 상기 제1 도전형 반도체층의 측면의 적어도 일부를 덮는 제2 도전형 반도체층; 및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치된 활성층을 포함한다.
상기 제1 도전형 콘택층들은 제1 개구부들을 통해 반도체층을 성장시켜 형성된다. 따라서, 제1 도전형 콘택층들 사이의 이격 거리, 즉 발광셀들 사이의 이격 거리는 반도체층들의 성장 조건에 의해 제어되며 따라서 이격 거리를 대폭 줄일 수 있다. 나아가, 상기 서브 발광셀들은 제2 개구부들을 통해 반도체층들을 성장시켜 형성된다. 이에 따라, 서브 발광셀들 사이의 이격 거리를 최소한으로 제어할 수 있으며, 따라서, 다수의 상대적으로 작은 크기의 서브 발광셀들을 쉽게 형성할 수 있다.
상기 서브 발광셀들을 형성하는 것은, 상기 제2 개구부들에 대응하여 서로 이격된 제1 도전형 반도체층들을 성장하되, 상기 제1 도전형 반도체층들은 각각 상부면 및 측면을 갖고, 상기 제1 도전형 반도체층들 상에 각각 활성층들을 성장하고, 상기 활성층들 상에 각각 제2 도전형 반도체층들을 성장하는 것을 포함할 수 있다.
한편, 상기 발광 다이오드 제조 방법은, 상기 각 제1 도전형 콘택층 상에서 상기 서브 발광셀들을 덮는 오믹 전극층을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다.
나아가, 상기 발광 다이오드 제조 방법은, 상기 오믹 전극층을 덮되 오믹 전극층을 노출시키는 제3 개구부들을 갖는 제3 절연층을 형성하는 것을 더 포함할 수 있다. 상기 커넥터는 상기 제3 개구부들을 통해 상기 오믹 전극층에 접속할 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 커넥터의 일 단부는 상기 제1 발광셀의 제1 도전형 콘택층 상에 접속할 수 있다. 다른 실시예들에 있어서, 상기 커넥터의 일 단부는 상기 제1 발광셀의 제1 도전형 콘택층의 측면에 접속할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 활성층이 제1 도전형 반도체층의 상부면 뿐만 아니라 측면에 배치된 서브 발광셀들을 제공하며, 따라서, 발광셀의 발광 면적을 증가시킬 수 있다. 나아가, 발광셀들을 건식 식각을 통해 분리하지 않고 성장 방법을 통해 서로 분리된 상태로 형성함으로써 발광셀들 간의 이격거리 및 서브 발광셀들 간의 이격거리를 줄일 수 있으며, 결과적으로, 동일 발광 다이오드 칩 내에서 발광셀들의 개수를 증가시키거나 또는 발광 면적을 증가시킬 수 있다.
나아가, 서브 발광셀들을 채택함으로써 광 손실을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 개략적인 평면도를 나타낸다.
도 2(a) 및 도 2(b)는 각각 도 1의 절취선 A-A 및 B-B를 따라 취해진 단면도들이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 제조 방법의 다양한 변형예들을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 6(a) 및 (b)는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 개략적인 단면도들이다.
도 7(a) 및 도 7(b)는 서브 발광셀들(SL)과 개구부들(39a)의 배치를 설명하기 위한 개략적인 평면도들이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 개략적인 평면도이고, 도 2(a) 및 도 2(b)는 각각 도 1의 절취선 A-A 및 B-B를 따라 취해진 단면도들이다.
도 1, 도 2(a) 및 도 2(b)를 참조하면, 상기 발광 다이오드는 기판(21), 제 절연층(23), 발광셀들(L1, L2), 제2 절연층(27), 오믹 전극층(37), 제3 절연층 및 커넥터(41)를 포함한다.
상기 기판(21)은 예를 들어, 사파이어(Al2O3), 탄화실리콘(SiC), 산화아연(ZnO), 실리콘(Si), 리튬-알루미나(LiAl2O3), 질화알루미늄(AlN) 또는 질화갈륨(GaN) 기판일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 기판(21)은 절연 기판일 수 있으며, 나아가, 패터닝된 사파이어 기판과 같이 상면에 요철 패턴(도시하지 않음)을 갖는 기판일 수 있다.
단일 기판(21) 상에 제1 발광셀(L1) 및 제2 발광셀(L2)이 이격되어 위치한다. 상기 제1 및 제2 발광셀들(L1, L2) 각각은 제1 도전형 콘택층(25)과 서브 발광셀들들(SL)을 포함하며, 각 서브 발광셀(SL)은 제1 도전형 반도체층(31), 활성층(33) 및 제2 도전형 반도체층(35)을 포함한다. 여기서, 제1 도전형 및 제2 도전형은 각각 n형 및 p형인 것으로 설명하지만, 그 반대일 수도 있다.
제1 도전형 콘택층(25)은 하부면, 상부면 및 측면을 가진다. 하부면이 상부면에 비해 기판(21)에 가깝게 위치한다. 한편, 측면은 상부면에 수직한 면에 대해 기울어진 경사면을 가진다. 측면의 경사각은 기판(21) 상부면에 대해 예컨대 45도 내지 80도 범위 내일 수 있다. 측면은 또한 상부면에 수직한 면을 포함할 수도 있다.
서브 발광셀들(SL)은 제1 도전형 콘택층(25) 상에 위치한다. 도 1에 하나의 제1 도전형 콘택층(25) 상에 9개의 서브 발광셀들(SL)이 위치하는 것으로 도시하였으나, 이것은 하나의 예에 불과하며, 더 많은 수의 서브 발광셀들(SL)이 제1 도전형 콘택층(25) 상에 위치할 수 있다. 예를 들어, 제1 도전형 콘택층(25)은 대략 100~500㎛의 폭을 가질 수 있으며, 서브 발광셀들(SL)은 대략 50nm ~ 5㎛의 폭을 가질 수 있다.
제1 도전형 반도체층들(31)은 각각 제1 도전형 콘택층(25)으로부터 돌출되며, 상부면 및 측면을 가진다. 제1 도전형 반도체층들(31)은 제1 도전형 콘택층(25)과 동일한 질화갈륨계열로 형성될 수 있으며, 따라서, 이들 사이의 계면은 명확하게 관찰되지 않을 수도 있다. 한편, 제1 도전형 반도체층들(31)의 측면은 상부면에 수직한 면에 대해 기울어진 경사면(25a)을 가진다. 측면의 경사각은 기판(21) 상부면에 대해 예컨대 45도 내지 80도 범위 내일 수 있다. 제1 도전형 반도체층들(31)의 측면은 또한 상부면에 수직한 면을 포함할 수 있다.
한편, 제2 도전형 반도체층(35)은 제1 도전형 반도체층(31)의 상부면을 덮음과 아울러, 제1 도전형 반도체층(31)의 측면을 덮는다. 제1 도전형 반도체층(31)의 측면을 덮는 제2 도전형 반도체층(35)은 제1 도전형 반도체층(31)의 측면과 유사하게 경사진다. 제2 도전형 반도체층(35)은 제1 도전형 반도체층(31)의 상부면의 전부를 덮으며 또한 측면의 대부분을 덮을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
활성층(33)은 제1 도전형 반도체층(31)과 제2 도전형 반도체층(35)이 중첩되는 전 영역에 배치된다. 따라서, 활성층(33)의 일부는 제1 도전형 반도체층(31)의 측면을 덮는다. 통상, 활성층은 제1 도전형 반도체층의 상부면 상에만 배치된다. 이에 반해, 본 실시예에 따른 활성층(33)은 제1 도전형 반도체층(31)의 상부면 뿐만 아니라 측면 상에도 배치되므로, 발광 면적을 증대시킬 수 있다.
제1 도전형 콘택층(25), 제1 도전형 반도체층(31), 활성층(33) 및 제2 도전형 반도체층(35)은 각각 질화갈륨 계열의 반도체 물질 즉, (Al, In, Ga)N으로 형성될 수 있다. 상기 활성층(33)은 요구되는 파장의 광 예컨대 자외선, 청색광 또는 녹색광을 방출하도록 조성 원소 및 조성비가 결정되며, 제1 도전형 반도체층(31) 및 제2 도전형 반도체층(35)은 상기 활성층(33)에 비해 밴드갭이 큰 물질로 형성된다.
상기 제1 도전형 콘택층(25)은 도시한 바와 같이 단일층으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 다층 구조로 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1 도전형 반도체층(31) 및/또는 제2 도전형 반도체층(35)은, 도시한 바와 같이, 단일층으로 형성될 수 있으나, 다층 구조로 형성될 수도 있다. 또한, 활성층(33)은 단일 양자웰 또는 다중 양자웰 구조를 가질 수 있다.
상기 제1 및 제2 발광셀들(L1, L2)은 도 1에 도시한 바와 같이 유사하거나 동일한 구조를 가질 수 있다. 즉, 제1 발광셀(L1)과 제2 발광셀(L2)은 동일한 구조의 제1 도전형 콘택층(25)과 동일한 구조의 서브 발광셀들(SL)을 가질 수 있다.
한편, 제1 절연층(23)은 상기 제1 발광셀(L1)의 제1 도전형 콘택층(25)과 제2 발광셀(L2)의 제1 도전형 콘택층(25) 사이에 배치된다. 제1 발광셀(L1)의 제1 도전형 콘택층(25) 및 제2 발광셀(L2)의 제1 도전형 콘택층(25)의 서로 마주보는 가장자리들은 제1 절연층(23) 상에 위치한다. 나아가, 제1 도전형 콘택층들(25)의 모든 가장자리들이 절연층(23) 상에 위치할 수도 있다.
한편, 제2 절연층(27)은 서브 발광셀들(SL) 사이에 배치된다. 서브 발광셀들(SL)의 서로 마주보는 가장자리들은 제2 절연층(27) 상에 위치한다. 나아가. 서브 발광셀들(SL)의 모든 가장자리들이 제2 절연층(27) 상에 위치할 수 있다. 특히, 상기 제1 도전형 반도체층들(31)의 가장자리들이 제2 절연층(27) 상에 위치할 수 있다. 또한, 제2 절연층(27)은 제1 도전형 콘택층(25)의 측면을 덮을 수 있으며, 나아가, 제1 절연층(23)을 덮을 수 있다.
한편, 오믹 전극층(37)은 각 제1 도전형 콘택층(25) 상에 서브 발광셀들(SL)을 덮는다. 오믹 전극층(37)은 제2 도전형 반도체층(35)에 오믹 콘택한다. 또한, 오믹 전극층(37)은 서브 발광셀들(SL)을 완전히 덮을 수 있으며, 나아가, 서브 발광셀들(SL) 사이의 영역을 덮을 수 있다. 상기 오믹 전극층(37)은 투명 전극층 및/또는 반사 전극층으로 형성될 수 있다. 제1 발광셀(L1) 내의 서브 발광셀들(SL)은 모두 하나의 오믹 전극층(37)에 의해 전기적으로 접속될 수 있으며, 제2 발광셀(L2) 내의 서브 발광셀들(SL)은 모두 다른 하나의 오믹 전극층(37)에 의해 전기적으로 접속될 수 있다.
한편, 제3 절연층(39)은 오믹 전극층(37)을 덮는다. 제3 절연층(39)은 오믹 전극층(37)을 노출시키는 개구부들(39a)을 가진다. 상기 개구부들(39a)은 서브 발광셀들(SL) 상에 위치할 수도 있으나, 도 1에 도시한 바와 같이, 서브 발광셀들(SL)이 사이의 영역에 위치할 수 있다. 특히, 개구부들(39a)은, 도 1에 도시한 바와 같이, 복수의 서브 발광셀들(SL)로 둘러싸인 영역 내에 위치할 수 있다. 이에 따라, 특정 서브 발광셀(SL)에 전류가 집중되는 것을 방지할 수 있다.
커넥터(41)는 제1 발광셀(L1)과 제2 발광셀(L2)을 직렬 또는 병렬 연결한다. 예컨대, 커넥터(41)의 제1 접속부(41a)는 제1 발광셀(L1)의 제1 도전형 콘택층(25)에 접속하고, 제2 접속부(41b)는 제2 발광셀(L2)의 서브 발광셀들(SL)에 접속할 수 있다. 특히 상기 제2 접속부(41b)는 제3 절연층(39)의 개구부들(39a)을 통해 오믹 전극층(37)에 접속할 수 있으며, 오믹 전극층(37)을 통해 서브 발광셀들(SL)의 제2 도전형 반도체층(35)에 접속할 수 있다. 커넥터(41)는 제1 도전형 콘택층(25)에 오믹 콘택하는 금속 물질, 예컨대 Ti/Al 등으로 형성될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 복수의 발광셀들이 커넥터(41)를 통해 직렬 또는 병렬 연결된 발광 다이오드가 제공될 수 있다. 더욱이, 각 발광셀들이 복수의 서브 발광셀들(SL)을 가지며, 이에 따라, 활성층(33)에서 생성된 광이 발광셀들(L1, L2) 내에서 손실되는 것을 방지할 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 도 3의 도면들은 도 1의 절취선 A-A를 따라 취해진 단면도들이고, 도 4는 도 1의 절취선 B-B를 따라 취해진 단면도들이다. 또한, 각 도면들은 하나의 발광셀(L1 또는 L2)의 단면을 도시하고 있으나, 제1 및 제2 발광셀들(L1, L2)에 동일하게 적용되는 것을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
도 3(a)를 참조하면, 우선, 기판(21) 상에 제1 절연층(23)이 형성된다. 제1 절연층(23)은 성장면(21a)을 노출시키는 개구부들을 가진다. 도 3(a)에 하나의 성장면(21a)이 도시되어 있으나, 도 1의 제1 및 제2 발광셀들(L1, L2)을 포함하는 복수의 발광셀들에 대응하여 동일 또는 유사한 개구부들이 기판(21) 상에 복수개 형성된다. 개구부들의 폭은 예컨대 약 100~500㎛ 범위 내일 수 있다. 이 개구부들은 대체로 직사각형 형상일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며 다른 다각형 형상 또는 원형일 수도 있다. 제1 절연층(23)은 예를 들어 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막으로 형성될 수 있다.
이어서, 상기 개구부를 통해 노출된 성장면(21a)에 각각 제1 도전형 콘택층(25)을 성장시킨다. 제1 도전형 콘택층(25)은 성장면(21a)에서 성장을 시작하여 두께가 증가하며, 일부는 측면 성장에 의해 제1 절연층(23)을 덮는다. 복수의 개구부들에 대응하여 제1 도전형 콘택층들(25)이 서로 이격되어 형성되며, 각각 도 3(a)에 도시한 바와 같이, 하부면, 상부면 및 측면을 갖는다.
도시한 바와 같이, 측면은 하부면에서 상부면으로 갈수록 제1 도전형 콘택층(25)의 폭이 좁아지도록 경사진다. 제1 도전형 콘택층(25)의 측면의 형상은 제1 도전형 콘택층(25)의 성장 압력 및 성장 온도를 조절하여 제어할 수 있다. 이에 따라, 제1 도전형 콘택층(25)은 경사진 측면을 가지며, 몇몇 실시예에서, 상부면에 수직한 측면을 포함할 수도 있다.
복수의 개구부들에 대응하여 복수의 제1 도전형 콘택층들(25)이 건식 식각을 수행함이 없이 성장 기술을 이용하여 형성되며, 따라서, 이들 사이의 이격거리는 매우 정밀하게 제어될 수 있다. 더욱이, 제1 절연층(23) 상에서 제1 도전형 콘택층(25)의 성장이 차단되므로, 제1 도전형 콘택층들(25) 간의 절연 특성이 개선된다.
도 3(b)를 참조하면, 제1 도전형 콘택층(25) 상에 제2 절연층(27)이 형성된다. 제2 절연층(27)은 성장면(25a)을 노출시키는 개구부들을 가진다. 개구부들의 폭은 예컨대 약 50nm ~ 5㎛ 범위 내일 수 있다. 이 개구부들은 대체로 직사각형 형상일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며 다른 다각형 형상, 예컨대 6각형 또는 원형일 수도 있다. 제2 절연층(27)은 또한 제1 도전형 콘택층(25)의 측면을 덮도록 형성될 수 있다. 제2 절연층(27)은 예를 들어 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막으로 형성될 수 있다.
도 3(c)를 참조하면, 이어서, 상기 개구부를 통해 노출된 성장면(25a)에 각각 제1 도전형 반도체층(31)을 성장시킨다. 제1 도전형 반도체층(31)은 성장면(25a)에서 성장을 시작하여 두께가 증가하며, 일부는 측면 성장에 의해 제2 절연층(27)을 덮는다. 복수의 개구부들에 대응하여 제1 도전형 반도체층들(31)이 서로 이격되어 형성되며, 각각 도 3(c)에 도시한 바와 같이, 하부면, 상부면 및 측면을 갖는다.
도시한 바와 같이, 측면은 하부면에서 상부면으로 갈수록 제1 도전형 반도체층(31)의 폭이 좁아지도록 경사진다. 제1 도전형 반도체층(31)의 측면의 형상은 제1 도전형 반도체층(31)의 성장 압력 및 성장 온도를 조절하여 제어할 수 있다. 이에 따라, 제1 도전형 반도체층(31)은 경사진 측면을 가지며, 몇몇 실시예에서, 상부면에 수직한 측면을 포함할 수도 있다.
그 후, 상기 제1 도전형 반도체층(31) 상에 활성층(33)이 성장되고, 이어서, 제2 도전형 반도체층(35)이 성장된다. 활성층(33) 및 제2 도전형 반도체층(35)은 제1 도전형 반도체층(31) 상에 연속적으로 형성되어, 제1 도전형 반도체층(31)의 상부면 및 측면을 덮는다.
제1 도전형 콘택층(25), 제1 도전형 반도체층(31), 활성층(33) 및 제2 도전형 반도체층(35)은 각각 질화갈륨 계열의 반도체 물질 즉, (Al, In, Ga)N로 형성될 수 있다. 또한, 제1 도전형 반도체층(31), 활성층(33) 및 제2 도전형 반도체층(35)은 금속유기화학기상증착(MOCVD), 분자선 성장(molecular beam epitaxy) 또는 수소화물 기상 성장(hydride vapor phase epitaxy; HVPE) 기술 등을 사용하여 단속적으로 또는 연속적으로 성장될 수 있다.
여기서, 상기 제1 및 제2 도전형은 각각 n형 및 p형인 것으로 설명하지만, 그 반대일 수도 있다. 질화갈륨 계열의 화합물 반도체층에서, n형 반도체층은 불순물로 예컨대 실리콘(Si)을 도핑하여 형성될 수 있으며, p형 반도체층은 불순물로 예컨대 마그네슘(Mg)을 도핑하여 형성될 수 있다.
도 3(c)에 도시된 바와 같이, 제2 절연층(25)의 개구부들에 대응하여 서브 발광셀들(SL)이 형성된다. 서브 발광셀들(SL)은 건식 식각을 수행함이 없이 성장 기술을 이용하여 형성되며, 따라서, 이들 사이의 이격거리는 매우 정밀하게 제어될 수 있다.
도 3(d)를 참조하면, 서브 발광셀들(SL)을 덮는 오믹 전극층(37)이 형성된다. 오믹 전극층(37)은 반사금속을 포함하는 반사 전극층이거나 또는 투명 전극층일 수 있다. 또한, 오믹 전극층(37)은 투명 전극층과 반사 전극층을 포함할 수도 있다. 한편, 제2 절연층(27)의 일부를 제거하여 제1 도전형 콘택층(25)을 노출시키는 개구부(27a)가 형성될 수 있다.
도 3(e) 및 도 4를 참조하면, 오믹 전극층(37)을 덮는 제3 절연층(39)이 형성된다. 제3 절연층(39)은 또한 오믹 전극층(37)을 노출시키는 개구부들(39a)을 가진다. 나아가, 제3 절연층(39)은 제2 절연층(27)의 개구부(27a)를 노출시킨다.
상기 제2 절연층(27)의 개구부(27a)는 제3 절연층(39)의 개구부들(39a)을 형성할 때, 함께 형성될 수도 있다.
이어서, 제1 발광셀 및 제2 발광셀(L1, L2)을 연결하는 커넥터(41)를 형성함으로써 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같은 발광 다이오드가 형성된다. 예를 들어, 커넥터(41)의 제1 접속부(41a)는 개구부(27a)를 통해 제1 발광셀(L1)의 제1 도전형 콘택층(25)에 접속하고, 제2 접속부(41b)는 개구부들(39a)을 통해 오믹 전극층(37)에 접속할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 제1 및 제2 발광셀(L1, L2)에 더하여 더 많은 수의 발광셀들이 복수의 커넥터들에 의해 서로 직렬 또는 병렬 연결될 수 있다. 또한, 상기 발광 다이오드는 기판(21)을 통해 광을 방출하는 플립칩형 발광 다이오드로 제작될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 제1 절연층(23)의 개구부들에 대응하여 성장 기법에 의해 제1 도전형 콘택층들(25)을 서로 분리되도록 형성할 수 있어, 발광셀들의 발광 면적을 증가시킬 수 있다. 나아가, 제2 절연층(27)의 개구부들에 대응하여 성장 기법에 의해 서브 발광셀들(SL)을 서로 분리되도록 형성할 수 있어, 미세한 크기의 서브 발광셀들(SL)을 형성할 수 있다. 더욱이, 활성층(33)이 제1 도전형 반도체층(31)의 측면에도 형성되므로, 발광면적을 증가시킬 수 있다. 나아가, 반도체층들을 식각하는 공정이 없으므로, 커넥터(41)의 접착 안정성이 향상된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드의 제조 방법의 다양한 변형예들을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 5(a)를 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 다이오드 제조 방법은 절연층(23)을 형성하기 전에 기판(21) 상에 질화갈륨계 층(22)을 성장시킨다. 이어서, 질화갈륨계 층(22) 상에 성장면들(22a)을 노출시키는 개구부들을 갖는 제1 절연층(23)이 형성된다.
질화갈륨계 층(22)은 필요에 따라 반절연층, 언도프트층 또는 고농도 도핑층일 수 있다. 예를 들어, 도 1의 실시예의 경우, 반절연층이 발광셀들(L1, L2)과 기판(21) 사이에 위치하여 발광셀들(L1, L2)로부터 질화갈륨계 층(22)을 통해 전류가 누설되는 것을 방지한다. 반절연층은 예컨대, Fe, C, O, H 중 어느 하나 또는 이들 중 둘 이상의 조합이 도핑된 GaN층일 수 있다. 한편, 고농도 도핑층은 제1 도전형 콘택층(25)보다 전기전도도가 낮을 수 있다.
그 후, 도 3(a)을 참조하여 설명한 바와 같이, 제1 도전형 콘택층(25)이 성장될 수 있다.
도 3(a)의 경우, 기판(21) 상에서 제1 도전형 콘택층(25)을 양호한 결정 품질을 갖도록 성장시키기 위해서는 제1 도전형 콘택층(25)을 충분히 두껍게 성장시켜야 한다. 이에 따라, 제1 절연층(23) 상으로 측면 성장하는 제1 도전형 콘택층(25)의 폭이 증가한다.
이에 반해, 본 실시예의 경우, 질화갈륨계 층(22) 상에 제1 도전형 콘택층(25)을 성장시키기 때문에, 제1 도전형 콘택층(25)을 상대적으로 얇게 성장시킬 수 있으며, 따라서, 제1 절연층(23) 상에 형성되는 제1 도전형 콘택층(25)의 폭을 감소시킬 수 있다.
그 후, 도 3(b) 내지 도 3(e)를 참조하여 설명한 바와 같은 공정을 통해 발광 다이오드가 제조될 수 있다.
도 5(b)를 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 다이오드 제조 방법은, 도 5(a)를 참조하여 설명한 바와 유사하나, 제1 도전형 콘택층(25)을 성장하기 전에, 성장면(22a) 상에 전류 블록층(24)을 먼저 형성하는 것에 차이가 있다. 전류 블록층(24)은 예컨대 AlGaN와 같이 밴드갭이 큰 질화갈륨계 층으로 형성될 수 있다. 전류 블록층(24)은 발광셀들(L1, L2)로부터 질화갈륨계 층(22)으로 전류가 누설되는 것을 방지하여 발광 다이오드의 신뢰성을 강화한다.
도 6(a) 및 도 6(b)는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 개략적인 단면도들이다.
도 6(a) 및 도 6(b)를 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 다이오드는 도 1, 도 2(a) 및 도 2(b)를 참조하여 설명한 방광 다이오드와 대체로 유사하나, 커넥터(41)의 제1 접속부(41a)가 제1 도전형 콘택층(25)의 측면에 접속하는 것에 차이가 있다.
즉, 도 1의 실시예에서는 커넥터(41)의 제1 접속부(41a)가 제1 도전형 콘택층(25) 상에 접속하지만, 본 실시예에서는 제1 접속부(31a)가 제1 도전형 콘택층(25)의 측면에 접속한다. 본 실시예에서, 단일의 지점에서 제1 접속부(31a)가 제1 도전형 콘택층(25)에 접속하는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 접속부(31a)는 복수의 서로 분리된 지점에서 제1 도전형 콘택층(25)에 접속할 수도 있다.
본 실시예에 따르면, 제1 접속부(41a)가 제1 도전형 콘택층(25)의 측면에 접속하므로, 도 1의 실시예에 비해, 제1 도전형 콘택층(25)의 크기를 감소시키거나 또는 서브 발광셀들(SL)의 수를 증가시킬 수 있다.
도 7(a) 및 도 7(b)는 서브 발광셀들(SL)과 개구부들(39a)의 배치를 설명하기 위한 개략적인 평면도들이다.
도 7(a)를 참조하면, 사각형 형상을 갖는 네 개의 서브 발광셀들(SL)이 하나의 개구부(39a)를 둘러싸도록 서브 발광셀들(SL)과 개구부들(39a)이 배치될 수 있다. 도시한 바와 같이, 각각의 서브 발광셀들(SL)은 어느 하나의 개구부(39a)에 인접하여 배치된다. 나아가, 어느 하나의 서브 발광셀(SL)은 오직 하나의 개구부(39a)에 인접하여 배치되며, 다른 개구부들(39a)로부터 상대적으로 떨어져 배치된다. 이에 따라, 커넥터(도 1의 41)의 제2 접속부(도 1의 41b)를 통해 전달되는 전류가 서브 발광셀들(SL)에 고르게 분산될 수 있다.
도 7(b)를 참조하면, 육각형 형상을 갖는 3개의 발광셀들(SL)이 하나의 개구부(39a)를 둘러싸도록 서브 발광셀들(SL)과 개구부들(39a)이 배치될 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 각각의 서브 발광셀들(SL)은 어느 하나의 개구부(39a)에 인접하여 배치된다. 나아가, 어느 하나의 서브 발광셀(SL)은 오직 하나의 개구부(39a)에 인접하여 배치되며, 다른 개구부들(39a)로부터 상대적으로 떨어져 배치된다. 이에 따라, 커넥터(도 1의 41)의 제2 접속부(도 1의 41b)를 통해 전달되는 전류가 서브 발광셀들(SL)에 고르게 분산될 수 있다.
앞서, 본 발명의 다양한 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이들 실시예들에 한정되는 것은 아니다. 또한, 특정 실시예에서 설명한 사항은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한, 다른 실시예들에도 적용될 수 있음을 이해해야 한다.

Claims (20)

  1. 기판 상에 서로 이격되어 배치된 제1 발광셀 및 제2 발광셀; 및
    상기 제1 발광셀과 제2 발광셀을 전기적으로 연결하는 커넥터를 포함하되,
    상기 제1 발광셀 및 제2 발광셀 각각은, 제1 도전형 콘택층 및 상기 제1 도전형 콘택층 상에 서로 이격되어 배치된 복수의 서브 발광셀들을 포함하고,
    상기 복수의 서브 발광셀들 각각은,
    상기 제1 도전형 콘택층으로부터 돌출되며, 상부면 및 측면을 포함하는 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층의 상부면 및 상기 제1 도전형 반도체층의 측면을 덮는 제2 도전형 반도체층;
    및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치된 활성층을 포함하는 발광 다이오드.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층의 측면은 상기 상부면에 수직한 면에 대해 기울어진 경사면을 포함하는 발광 다이오드.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 도전형 콘택층의 측면은 상기 상부면에 수직한 면에 대해 기울어진 경사면을 포함하는 발광 다이오드.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 발광셀과 제2 발광셀 사이에 배치된 제1 절연층을 더 포함하되,
    상기 제1 발광셀의 제1 도전형 콘택층 및 제2 발광셀의 제1 도전형 콘택층의 서로 마주보는 가장자리들은 상기 제1 절연층 상에 배치된 발광 다이오드.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 서브 발광셀들 사이에 배치된 제2 절연층을 더 포함하되,
    상기 제1 도전형 반도체층들의 서로 마주보는 가장자리들은 상기 제2 절연층 상에 배치된 발광 다이오드.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2 절연층은 상기 제1 도전형 콘택층의 측면을 덮는 발광 다이오드.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 절연층과 상기 기판 사이에 배치된 반절연층을 더 포함하고,
    상기 제1 및 제2 발광셀들은 상기 반절연층 상에 배치된 발광 다이오드.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 및 제2 발광셀들과 상기 반절연층 사이에 각각 배치된 질화갈륨계의 전류 블록층을 더 포함하는 발광 다이오드.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 커넥터는 상기 제1 발광셀의 제1 도전형 콘택층과 상기 제2 발광셀의 서브 발광셀들의 제2 도전형 반도체층들을 전기적으로 접속하는 발광 다이오드.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 커넥터의 일 단부는 상기 제1 발광셀의 제1 도전형 콘택층의 측면에 접속하는 발광 다이오드.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2 발광셀의 제2 도전형 반도체층들에 오믹 콘택하는 오믹 전극층을 더 포함하고,
    상기 커넥터는 상기 오믹 전극층을 통해 상기 서브 발광셀들의 제2 도전형 반도체층들에 전기적으로 연결된 발광 다이오드.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 오믹 전극층은 제1 도전형 반도체층의 상부면 및 측면 상에서 상기 제2 도전형 반도체층에 접속하는 발광 다이오드.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 오믹 전극층을 덮는 제3 절연층을 더 포함하되,
    상기 제3 절연층은 상기 오믹 전극층을 노출시키는 복수의 개구부들을 가지고,
    상기 커넥터는 상기 개구부들을 통해 상기 오믹 전극층에 접속하는 발광 다이오드.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 각 발광셀들은 규칙적으로 배열된 복수의 서브 발광셀들을 포함하며,
    상기 개구부들은 각각 서브 발광셀들 사이의 영역에 형성된 발광 다이오드.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 개구부들 각각은 적어도 3개의 서브 발광셀들로 둘러싸인 발광 다이오드.
  16. 기판 상에 제1 개구부들을 갖는 제1 절연층을 형성하되, 상기 제1 개구부들은 각각 반도체층을 성장하기 위한 성장면을 노출시키고,
    상기 성장면들을 이용하여 반도체층을 성장시켜 상기 개구부들에 대응하여 서로 이격된 제1 도전형 콘택층들을 성장시키고,
    상기 제1 도전형 콘택층들 상에 제2 개구부들을 갖는 제2 절연층을 형성하되, 상기 제2 개구부들은 각각 반도체층을 성장하기 위한 성장면을 노출시키고,
    상기 성장면들을 이용하여 복수의 반도체층들을 성장시켜 서로 이격된 서브 발광셀들을 형성하되, 상기 서브 발광셀들 각각은,
    상부면 및 측면을 포함하는 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되되, 상기 제1 도전형 반도체층의 상부면의 적어도 일부 및 상기 제1 도전형 반도체층의 측면의 적어도 일부를 덮는 제2 도전형 반도체층; 및
    상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치된 활성층을 포함하고,
    이웃하는 제1 도전형 콘택층들 및 서브 발광셀들을 전기적으로 연결하는 커넥터를 형성하는 것을 포함하는 발광 다이오드 제조 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 서브 발광셀들을 형성하는 것은,
    상기 제2 개구부들에 대응하여 서로 이격된 제1 도전형 반도체층들을 성장하되, 상기 제1 도전형 반도체층들은 각각 상부면 및 측면을 갖고,
    상기 제1 도전형 반도체층들 상에 각각 활성층들을 성장하고,
    상기 활성층들 상에 각각 제2 도전형 반도체층들을 성장하는 것을 포함하는 발광 다이오드 제조 방법.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 각 제1 도전형 콘택층 상에서 상기 서브 발광셀들을 덮는 오믹 전극층을 형성하는 것을 더 포함하는 발광 다이오드 제조 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 오믹 전극층을 덮되 오믹 전극층을 노출시키는 제3 개구부들을 갖는 제3 절연층을 형성하는 것을 더 포함하고,
    상기 커넥터는 상기 제3 개구부들을 통해 상기 오믹 전극층에 접속하는 발광 다이오드 제조 방법.
  20. 청구항 16에 있어서,
    상기 커넥터의 일단은 상기 제1 도전형 반도체층의 측면에 접속하는 발광 다이오드 제조 방법.
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