KR20150119752A - 발광소자 및 조명시스템 - Google Patents
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Abstract
실시예는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템에 관한 것이다.
실시예에 따른 발광소자는 제1 도전형 반도체층과, 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층 사이에 배치된 활성층을 포함하는 발광구조층; 상기 제2 도전형 반도체층의 저면으로부터 상기 제2 도전형 반도체층과 상기 활성층층층기 제1 도전형 반도체층의 일부를 노출하는 복수의 홀; 상기 제2 도전형 반도체층의 저면으로부터 상기 복수의 홀을 통해 상기 제1 도전형 반도체층에 전기적으로 연결된 제1 컨택 전극; 상기 제1 컨택 전극과 상기 복수의 홀 사이에 배치된 절연층; 상기 제1 컨택 전극과 전기적으로 연결된 제1 전극층층층형 반도체층과 전기적으로 연결된 제2 컨택 전극; 및 상기 발광구조층을 복수의 셀로 분리하는 분리층;을 포함할 수 있다.
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Description
실시예는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템에 관한 것이다.
발광소자(Light Emitting Device)는 전기에너지가 빛 에너지로 변환되는 특성의 p-n 접합 다이오드로서, 주기율표상에서 Ⅲ족과 Ⅴ족 등의 화합물 반도체로 생성될 수 있고 화합물 반도체의 조성비를 조절함으로써 다양한 색상구현이 가능하다.
발광소자는 순방향전압 인가 시 n층의 전자와 p층의 정공(hole)이 결합하여 전도대(Conduction band)와 가전대(Valance band)의 밴드갭 에너지에 해당하는 만큼의 에너지를 발산하는데, 이 에너지는 주로 열이나 빛의 형태로 방출되며, 빛의 형태로 발산되면 발광소자가 되는 것이다.
예를 들어, 질화물 반도체는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭 에너지에 의해 광소자 및 고출력 전자소자 개발 분야에서 큰 관심을 받고 있다. 특히, 질화물 반도체를 이용한 청색(Blue) 발광소자, 녹색(Green) 발광소자, 자외선(UV) 발광소자 등은 상용화되어 널리 사용되고 있다.
종래기술에 의한 발광소자 중에 전극층이 에피층의 한쪽 방향에 배치되는 수평형 타입(Lateral Type) 발광소자가 있는데, 이러한 수평형 타입 발광소자는 협소한 전류 흐름으로 인해, 발광소자의 동작 전압(Vf)이 증가하여 전류효율이 저하되며, 정전기 방전(Electrostatic discharge)에 취약한 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 종래에는 에피층 하측에 비아홀을 형성하여 전극을 배치하는 비아홀 타입 수직형 발광소자가 개발되고 있다.
한편, 이러한 비아홀 타입 수직형 발광소자는 대면적 발광소자로 채용될 수 있으나, 고전류 인가시 전류밀도(Current Density)에 따른 발광효율 저하(Efficiency Droop)이 발생하는 문제가 있다.
실시예는 저전류에서 높은 광효율을 나타내는 대면적 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 발광소자는 제1 도전형 반도체층(112)과, 제2 도전형 반도체층(116) 및 상기 제1 도전형 반도체층(112) 및 제2 도전형 반도체층(116) 사이에 배치된 활성층(114)을 포함하는 발광구조층(110); 상기 제2 도전형 반도체층(116)의 저면으로부터 상기 제2 도전형 반도체층(116)과 상기 활성층(114)의 관통하여 상기 제1 도전형 반도체층(112)의 일부를 노출하는 복수의 홀(H); 상기 제2 도전형 반도체층(116)의 저면으로부터 상기 복수의 홀(H)을 통해 상기 제1 도전형 반도체층(112)에 전기적으로 연결된 제1 컨택 전극(160); 상기 제1 컨택 전극(160)과 상기 복수의 홀(H) 사이에 배치된 절연층(140); 상기 제1 컨택 전극(160)과 전기적으로 연결된 제1 전극층(150); 상기 제2 도전형 반도체층(116)과 전기적으로 연결된 제2 컨택 전극(132); 및 상기 발광구조층(110)을 복수의 셀로 분리하는 분리층(190);을 포함할 수 있다.
또한 실시예에 따른 조명시스템은 상기 발광소자를 구비하는 발광유닛을 포함할 수 있다.
실시예에 의하면, 저전류에서 높은 광효율을 나타내는 대면적 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
도 1a은 실시예에 따른 발광소자의 평면 투영도.
도 1b는 실시예에 따른 발광소자의 확대 단면도.
도 2는 실시예에 따른 발광소자의 발광효율 그래프.
도 3 내지 도 16은 실시예에 따른 발광소자의 제조방법의 공정 단면도.
도 17은 실시예에 따른 발광소자 패키지 단면도.
도 18은 실시예에 따른 조명장치의 분해 사시도.
도 1b는 실시예에 따른 발광소자의 확대 단면도.
도 2는 실시예에 따른 발광소자의 발광효율 그래프.
도 3 내지 도 16은 실시예에 따른 발광소자의 제조방법의 공정 단면도.
도 17은 실시예에 따른 발광소자 패키지 단면도.
도 18은 실시예에 따른 조명장치의 분해 사시도.
실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on/over)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on/over)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
(실시예)
도 1a는 실시예에 따른 발광소자(100)의 평면 투영도이며, 도 1b는 도 1의 A-A'선을 따른 확대 단면도이다.
실시예에 따른 발광소자(100)는 제1 도전형 반도체층(112)과, 상기 제1 도전형 반도체층(112) 아래에 배치된 제2 도전형 반도체층(116)과, 상기 제1 도전형 반도체층(112) 및 제2 도전형 반도체층(116) 사이에 배치된 활성층(114)과, 상기 제2 도전형 반도체층(116)의 저면으로부터 상기 제2 도전형 반도체층(116)과 상기 활성층(114)의 관통하여 상기 제1 도전형 반도체층(112)의 일부를 노출하는 복수의 홀(H)과, 상기 제2 도전형 반도체층(116)의 저면으로부터 상기 복수의 홀(H)을 통해 상기 제1 도전형 반도체층(112)에 전기적으로 연결된 제1 컨택 전극(160)과, 상기 제1 컨택 전극(160)과 상기 복수의 홀(H) 사이에 배치된 절연층(140)과, 상기 제1 컨택 전극(160)과 전기적으로 연결된 제1 전극층(150) 및 상기 제2 도전형 반도체층(116)과 전기적으로 연결된 제2 컨택 전극(132);을 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(112)과, 제2 도전형 반도체층(116) 및 활성층(114)을 포함하여 발광구조층(110)으로 칭할 수 있다.
실시예는 고효율 저전류(Low Current) 발광소자 칩(LED Chip) 구조를 제공할 수 있다.
이를 위해, 실시예는 상기 발광구조층(110)을 복수의 셀(C)로 분리하는 분리층(190)을 포함할 수 있다.
상기 분리층(190)은 절연물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 분리층(190)은 SiOx, SiOxNy, Al2O3, TiO2 중에서 선택된 물질로 형성될 수 있으며, 이러한 절연물질에 반사물질이 혼합된 형태로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 분리층(190)은 절연물질에 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, 또는 Hf 중 어느 하나 이상의 물질이 혼합된 형태로 형성될 수 있다.
실시예에 의하면, 발광구조층(110)을 절연물질 등의 분리층(190)을 이용하여 각 셀(Cell)(C)을 전기적으로 분리할 수 있으며, 상기 분리층(190)의 높이는 제2 도전형 반도체층(116)에서 시작하여 활성층(114)과, 제1 도전형 반도체층(112)을 관통할 수 있고, 언도프트 반도체층(미도시) 등이 있는 경우 언도프트 반도체층을 관통하여 패시베이션층(170)에 접할 수 있다.
도 2는 실시예에 따른 발광소자의 발광효율 그래프이다.
실시예에 의하면, 각 셀(Cell)(C)은 에피구조(Epi-structure)의 부피가 감소하기에 낮은 저항을 갖게 되며, 각 셀은 전기적으로 병렬연결되기에 동일 전압(Voltage)에서 저전류(Low Current) 작동이 가능하다.
예를 들어, 실시예에 의하면 약 18A/cm2에서 작동이 가능하며, 고전류 주입이 수반되지 않으므로 외부양자효유율이 증대되는 효과가 있다.
따라서 실시예에 의하면, 전류밀도(Current Density) 증가에 따른 발광효율저하(Efficiency Droop) 저하를 방지할 수 있다.
뿐만 아니라 각 Cell 면적당 디펙트(Defect) 개수가 감소하기에 대면적 칩(Chip) 제작수율 저하를 방지할 수 있다.
실시예에 의하면, 저전류에서 높은 광효율을 나타내는 대면적 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 16을 참조하여 실시예에 따른 발광소자의 제조방법을 설명한다.
우선, 도 3과 같이 성장 기판(105) 상에 발광구조층(110)이 형성될 수 있다. 상기 발광구조층(110)은 제1 도전형 반도체층(112), 활성층(114), 및 제2 도전형 반도체층(116)을 포함할 수 있다.
성장 기판(105)은 성장 장비에 로딩되고, 그 위에 II족 내지 VI족 원소의 화합물 반도체를 이용하여 층 또는 패턴 형태로 형성될 수 있다.
상기 성장 장비는 전자빔 증착기, PVD(physical vapor deposition), CVD(chemical vapor deposition), PLD(plasma laser deposition), 이중형의 열증착기(dual-type thermal evaporator) 스퍼터링(sputtering), MOCVD(metal organic chemical vapor deposition) 등이 채용될 수 있으며, 이러한 장비로 한정되지는 않는다.
상기 성장 기판(105)은 도전성 기판 또는 절연성 기판 등일 수 있다. 예를 들어, 상기 성장 기판(105)은 사파이어 기판(Al203), GaN, SiC, ZnO, Si, GaP, InP, Ga203, 그리고 GaAs 등으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 성장 기판(105) 위에는 버퍼층(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 버퍼층은 상기 성장 기판(105)과 질화물 반도체층 사이의 격자 상수의 차이를 줄여주게 되며, 그 물질은 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중에서 선택될 수 있다.
상기 버퍼층 상에는 언도프드 반도체층(미도시)이 형성될 수 있으며, 상기 언도프드 반도체층은 도핑하지 않는 GaN계 반도체로 형성될 수 있으며, n형 반도체층보다 저 전도성의 반도체층으로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층 또는 언도프트 반도체층 상에 제1 도전형 반도체층(112)이 형성될 수 있다. 이후, 상기 제1 도전형 반도체층(112) 상에 활성층(114)이 형성되며, 상기 활성층(114) 상에 제2 도전형 반도체층(116)이 순차적으로 적층될 수 있다.
상기의 각 반도체층의 위 또는 아래에는 다른 층이 더 배치될 수 있으며, 예컨대 III족-V족 화합물 반도체층을 이용하여 초격자 구조로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 제1 도전형 반도체층(112)은 제1 도전형 도펀트가 도핑된 III족-V족 원소의 화합물 반도체 예컨대, GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 등에서 선택될 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 도전형 반도체층(112)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체층으로 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(112)은 n형 반도체층일 수 있으며, 상기 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(112)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 서로 다른 두 층을 교대로 배치된 초격자 구조를 포함할 수 있다.
상기 활성층(114)은 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 구조, 양자선(Quantum wire)구조 또는 양자점(Quantum dot)구조를 포함할 수 있다. 상기 활성층(114)은 III족-V족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 우물층과 장벽층의 주기로 형성될 수 있다. 상기 우물층은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체층을 포함하며, 상기 장벽층은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체층으로 형성될 수 있다. 상기 장벽층은 상기 우물층의 밴드 갭보다 높은 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
상기 활성층(114)은, 예를 들면 InGaN 우물층/GaN 장벽층의 주기, InGaN 우물층/AlGaN 장벽층의 주기, 및 InGaN 우물층/InGaN 장벽층의 주기 중 적어도 하나의 주기를 포함할 수 있다.
상기 활성층(114) 위에는 상기 제2 도전형 반도체층(116)이 형성되며, 상기 제2 도전형 반도체층(116)은 제2 도전형 도펀트가 도핑된 III족-V족 원소의 화합물 반도체 예컨대, GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 등에서 선택될 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(116)은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체층으로 형성될 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(116)은 p형 반도체층일 수 있으며, 상기 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn 등과 같은 p형 도펀트를 포함한다. 상기 제2 도전형 반도체층(116)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있고, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 제2 도전형 반도체층(116)은 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 서로 다른 두 층을 교대로 배치된 초격자 구조를 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(112), 상기 활성층(114) 및 상기 제2 도전형 반도체층(116)은 발광구조층(110)으로 정의될 수 있다. 또한 상기 제2 도전형 반도체층(116) 위에는 제3 도전형 반도체층(미도시) 예컨대, 제2 도전형과 반대의 극성을 갖는 반도체층이 형성될 수 있다.
이에 따라 상기 발광구조층(110)은 n-p 접합, p-n 접합, n-p-n 접합, p-n-p 접합 구조 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이하의 설명에서는 발광구조층(110)의 최상층에는 제2 도전형 반도체층(116)이 배치된 구조를 일 예로 설명하기로 한다.
다음으로, 도 4와 같이, 상기 발광구조물의 일부를 제거하는 메사 에칭공정이 진행될 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 도전형 반도체층(116)과 상기 활성층(114)의 관통하여 상기 제1 도전형 반도체층(112)의 일부를 노출하는 복수의 홀(H)이 형성될 수 있다.
실시예에서 상기 복수의 홀(H)은 상기 제1 도전형 반도체층(112)에서 제2 도전형 반도체층(116)의 상면까지 소정의 각도 예컨대, 상기 발광구조층(110)의 상면에 대해 둔각의 각도로 형성될 수 있다.
실시예에서 상기 복수의 홀(H)의 수평폭은 하측으로 갈수록 감소할 수 있다. 한편, 도 2에서, 제1 항에 있어서, 상기 복수의 홀(H)의 수평폭은 상측으로 갈수록 감소할 수 있다.
도 2를 기준으로 할 때, 실시예에 의하면, 복수의 홀(H)의 수평폭이 상측으로 갈수록 감소함으로써 제거되는 활성층(114) 및 제1 도전형 반도체층(112) 영역을 절감하여 발광효율에 기여할 수 있다.
다음으로, 도 5와 같이, 복수의 홀(H) 상에 채널층(120)이 형성될 수 있다. 상기 채널층(120)은 이후 형성될 제1 컨택 전극(160)이 형성될 영역에는 형성되지 않을 수 있다. 이를 통해, 제1 도전형 반도체층(112)의 일부는 노출될 수 있다.
상기 채널층(120)은 이후 형성되는 제1 컨택 전극(160)과 활성층(114), 제2 도전형 반도체층(116)과의 전기적 절연층 기능을 한다.
상기 채널층(120)은 SiOx, SiOxNy, Al2O3, TiO2 중에서 선택된 어느 하나 이상의 물질로 형성될 수 있다.
또한 실시예에서 상기 채널층(120)은 반사율이 50% 초과일 수 있다. 예를 들어, 상기 채널층(120)은 SiO2, SiOx, SiOxNy, Si3N4, Al2O3, TiO2 중에서 선택된 물질로 형성될 수 있으며, 이러한 절연물질에 반사물질이 혼합된 형태로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 채널층(120)은 절연물질에 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, 또는 Hf 중 어느 하나 이상의 물질이 혼합된 형태로 형성될 수 있다.
실시예에 의하면, 발광된 빛이 하측으로 이돌할 때, 채널층(120)에서도 반사시켜 줌으로써 광흡수를 최소화함과 아울러 광효율을 증대할 수 있다.
다음으로, 도 6과 같이, 상기 제2 도전형 반도체층(116) 상에 제2 컨택 전극(132)이 형성될 수 있다.
상기 제2 컨택 전극(132)은 상기 제2 도전형 반도체층(116)과 오믹 접촉되며, 적어도 하나의 전도성 물질을 포함하며, 단층 또는 다층으로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 상기 제2 컨택 전극(132)은 금속, 금속 산화물 및 금속 질화물 재질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2 컨택 전극(132)은 투광성의 물질을 포함하며, 예컨대, ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), IZON(IZO nitride), 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), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, Ni/IrOx/Au/ITO, Pt, Ni, Au, Rh 또는 Pd 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다음으로, 도 7과 같이, 상기 노출된 제1 도전형 반도체층(112) 상에 제1 컨택 전극(160)이 형성될 수 있다.
상기 제1 컨택 전극(160)은 상기 노출된 제1 도전형 반도체층(112)과 오믹 접촉될 수 있다. 상기 제1 컨택 전극(160)은 위에서 볼 때, 원형 또는 다각형 형상일 수 있으며, 이에 대해 한정되지 않는다.
상기 제1 컨택 전극(160)의 상면은 상기 활성층(114)의 상면과 상기 제1 도전형 반도체층(112)의 상면 사이에 배치될 수 있다.
상기 제1 컨택 전극(160)이 접촉되는 상기 제1 도전형 반도체층(112)의 면은 Ga-face로서, 플랫한 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
도 7을 기준으로, 실시예에서 상기 제1 컨택 전극(160)은 저면에서 상면으로 폭이 증가할 수 있다. 한편 도 2를 기준으로 상기 제1 컨택 전극(160)은 상면에서 저면으로 폭이 감소할 수 있다.
이를 통해, 제1 컨택 전극(160)이 이후 형성되는 제2 전극층(130) 물질과의 쇼트 가능성을 낮추고, 제1 컨택 전극(160)이 제1 도전형 반도체층(112)과 접하는 영역은 최대화하면서 제1 컨택 전극(160)이 차지하는 영역은 감소시켜 광 효율을 높일 수 있다.
한편, 도 2를 기준으로 설명할 때, 상기 제1 컨택 전극(160)의 저면의 수평폭과 상기 제1 컨택 전극(160)과 접하는 상기 확산방지층(154)의 수평폭은 일치하도록 함으로써 확산방지층(154), 제1 컨택 전극(160)이 차지하는 영역을 최소화하면서도 전기적인 특성이 저하되지 않을 수 있다.
다음으로, 도 8과 같이, 상기 제2 컨택 전극(132) 상에 반사층(134)이 형성될 수 있다.
상기 반사층(134)은 상기 제2 컨택 전극(132) 상에 배치되며, 제2 컨택 전극(132)을 통해 입사된 광을 반사시켜 줄 수 있다.
상기 반사층(134)은 금속을 포함하며, 예컨대 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 및 이들 중 둘 이상의 합금으로 구성된 물질 중에서 한 층 또는 복수의 층으로 형성될 수 있다.
다음으로, 도 9과 같이, 상기 반사층(134) 상에 캡핑층(136)이 형성될 수 있다.
상기 제2 컨택 전극(132), 반사층(134), 및 캡핑층(136)을 포함하여 제2 전극층(130)으로 칭할 수 있으며, 제2 전극층(130)은 패드 전극(180)로부터 공급되는 전원을 제2 도전형 반도체층(116)에 공급할 수 있다.
상기 캡핑층(136)은 상기 반사층(134) 상에 배치되며 패드 전극(180)로부터 공급되는 전원을 반사층(134)에 공급할 수 있다. 상기 캡핑층(136)은 전류 확산층으로 기능할 수 있다.
상기 캡핑층(136)은 금속을 포함하며, 전기 전도성이 높은 물질로서, 예컨대 Sn, Ga, In, Bi, Cu, Ni, Ag, Mo, Al, Au, Nb, W, Ti, Cr, Ta, Al, Pd, Pt, Si와 이들의 선택적인 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다음으로, 도 10과 같이, 상기 캡핑층(136)과 상기 채널층(120) 상에 절연층(140)이 형성될 수 있다.
상기 절연층(140)은 상기 제1 컨택 전극(160)을 노출하도록 형성될 수 있다.
상기 절연층(140)은 상기 제1 컨택 전극(160)과 다른 반도체층 사이를 전기적으로 절연시켜 준다.
또한 상기 절연층(140)은 이후 형성되는 제1 전극층(150)과 채널층(120) 사이에 배치되어, 전기적인 접촉을 차단할 수 있다.
상기 절연층(140)은 SiO2, SiOx, SiOxNy, Si3N4, Al2O3, TiO2 중에서 선택된 물질로 형성될 수 있다.
앞서 기술한 바와 같이, 상기 절연층(140)은 반사율이 50% 초과일 수 있다. 예를 들어, 상기 절연층(140)은 SiO2, SiOx, SiOxNy, Si3N4, Al2O3, TiO2 중에서 선택된 물질로 형성될 수 있으며, 이러한 절연물질에 반사물질이 혼합된 형태로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 절연층(140)은 절연물질에 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, 또는 Hf 중 어느 하나 이상의 물질이 혼합된 형태로 형성될 수 있다.
실시예에 의하면, 제1 컨택 전극(160)과 복수의 홀(H) 사이에 형성되는 절연층(140)의 물성을 반사층 물질로 형성하여, 패시베이션 기능하는 절연층(140)에서의 광흡수를 최소화하여 광효율을 증대할 수 있다.
또한 상기 절연층(140)의 두께는 1㎛ 내지 2㎛일 수 있다.
실시예에 의하면, 제1 컨택 전극(160)과 복수의 홀(H) 사이에 형성되는 절연층(140)의 두께 비율의 최적으로 제어하여 쇼트 방지 기능하면서도 광효율의 저하를 막을 수 있다.
실시예에 따른 발광소자에 의하면, 패시베이션층의 두께 비율이나 물성을 제어하여 광효율을 증대할 수 있다.
다음으로, 도 11과 같이, 상기 절연층(140)과 상기 제1 컨택 전극(160) 상에 확산방지층(154)이 형성되고, 상기 확산방지층(154) 상에 접합층(156)이 형성될 수 있다.
상기 확산방지층(154) 및/또는 상기 접합층(156)은 Ti, Au, Sn, Ni, Cr, Ga, In, Bi, Cu, Ag 또는 Ta 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 확산방지층(154) 및/또는 상기 접합층(156)은 증착 방식, 스퍼터링 방식, 도금 방식 중 적어도 하나로 형성되거나, 전도성 시트로 부착될 수 있다.
상기 접합층(156)은 형성하지 않을 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
다음으로, 도 12와 같이, 상기 접합층(156) 상에 지지부재(158)가 형성될 수 있다.
상기 확산방지층(154), 접합층(156) 및 지지부재(158)을 포함하여 제1 전극층(150)으로 칭할 수 있으며, 제1 전극층(150)은 하부전극(159)로부터 공급되는 전원을 제1 도전형 반도체층(112)에 공급할 수 있다.
상기 지지부재(158)은 접합층(156)과 본딩될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 지지부재(158)는 전도성 지지부재일 수 있으며, 베이스 기판으로서, 구리(Cu), 금(Au), 니켈(Ni), 몰리브데늄(Mo), 구리-텅스텐(Cu-W) 등 중에서 적어도 하나일 수 있다.
또한 상기 지지부재(158)는 캐리어 웨이퍼(예: Si, Ge, GaAs, ZnO, SiC, SiGe, Ga203, GaN 등) 등으로 구현될 수 있고, 보드의 회로 패턴이나 패키지의 리드 프레임 상에 솔더로 접착될 수 있다.
다음으로, 도 13과 같이, 성장 기판(105)이 제거될 수 있다. 이때, 성장 기판(105) 제거후 잔존하는 언도프트 반도체층(미도시) 등을 제거하여 제1 도전형 반도체층(112) 표면이 노출될 수 있다.
상기 성장 기판(105)은 물리적 또는/및 화학적 방법으로 제거될 수 있다. 예를 들어, 상기 성장 기판(105)의 제거 방법은 레이저 리프트 오프(LLO: Laser Lift Off) 과정으로 제거될 수 있다. 예를 들어, 상기 성장 기판(105)에 일정 영역의 파장을 가지는 레이저를 조사하는 방식으로 상기 성장 기판(105)을 리프트 오프하게 된다.
또는 상기 성장 기판(105)과 상기 제1 도전형 반도체층(112) 사이에 배치된 버퍼층(미도시)을 습식식각 액을 이용하여 제거하여, 상기 성장 기판(105)을 분리할 수도 있다.
상기 성장 기판(105)이 제거되고 상기 버퍼층을 에칭하거나 폴리싱하여 제거함으로써, 상기 제1 도전형 반도체층(112)의 상면이 노출될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(112)의 상면은 N-face로서, 상기 성장 기판에 더 가까운 면일 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(112)의 상면은 ICP/RIE(Inductively coupled Plasma/Reactive Ion Etching) 등의 방식으로 에칭하거나, 폴리싱 장비로 연마할 수 있다.
다음으로, 도 14와 같이, 상기 발광구조층(110)의 일부가 제거되어 채널층(120)의 일부가 노출될 수 있다.
예를 들어, 패드 전극(180)이 형성될 영역의 제1 도전형 반도체층(112), 활성층(114), 제2 도전형 반도체층(116)의 일부가 제거될 수 있다.
예를 들어, 습식에칭 또는 건식에칭을 수행하여 상기 발광구조층(110)의 둘레 즉, 칩과 칩 사이의 경계 영역인 채널 영역 또는 아이솔레이션 영역이 제거될 수 있고, 상기 채널층(120)이 노출될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(112)의 상면은 광 추출 구조가 형성될 수 있으며, 상기 광 추출 구조는 러프니스 또는 패턴으로 형성될 수 있다. 상기 광 추출 구조는 습식 또는 건식 에칭 방식에 의해 형성될 수 있다.
실시예는 상기 발광구조층(110)을 복수의 셀(C)로 분리하는 분리층(190)을 포함할 수 있다. 이를 통해, 실시예는 고효율 저전류(Low Current) 발광소자 칩(LED Chip) 구조를 제공할 수 있다.
실시예에 의하면, 발광구조층(110)을 절연물질 등의 분리층(190)을 이용하여 각 셀(Cell)(C)을 전기적으로 분리할 수 있으며, 상기 분리층(190)의 높이는 제2 도전형 반도체층(116)에서 시작하여 활성층(114)과, 제1 도전형 반도체층(112)을 관통할 수 있고, 언도프트 반도체층(미도시) 등이 있는 경우 언도프트 반도체층을 관통하여 패시베이션층(170)에 접할 수 있다.
상기 분리층(190)은 절연물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 분리층(190)은 SiO2, SiOx, SiOxNy, Si3N4, Al2O3, TiO2 중에서 선택된 물질로 형성될 수 있으며, 이러한 절연물질에 반사물질이 혼합된 형태로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 분리층(190)은 절연물질에 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, 또는 Hf 중 어느 하나 이상의 물질이 혼합된 형태로 형성될 수 있다.
실시예에 의하면, 각 셀(Cell)(C)은 에피구조(Epi-structure)의 부피가 감소하기에 낮은 저항을 갖게 되며, 각 셀은 전기적으로 병렬연결되기에 동일 전압(Voltage)에서 저전류(Low Current) 작동이 가능하다.
따라서 실시예에 의하면, 전류밀도(Current Density) 증가에 따른 효율저하(Efficiency Droop) 저하를 방지할 수 있다.
뿐만 아니라 각 Cell 면적당 디펙트(Defect) 개수가 감소하기에 대면적 칩(Chip) 제작수율 저하를 방지할 수 있다.
실시예에 의하면, 저전류에서 높은 광효율을 나타내는 대면적 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
다음으로, 도 15와 같이, 상기 노출된 채널층(120)과 발광구조층(110) 상에 패시베이션층(170)이 형성될 수 있다.
이후, 패드 전극(180)이 형성될 영역의 패시베이션층(170)과 채널층(120)의 일부가 제거되어 캡핑층(136)의 일부가 노출될 수 있다.
상기 패시베이션층(170)은 SiOxNy, Si3N4, Al2O3, TiO2 중에서 선택된 물질로 형성될 수 있다.
다음으로, 도 16과 같이, 노출된 캡핑층(136) 상에 패드 전극(180)이 형성될 수 있다.
상기 패드 전극(180)는 Ti/Au 등의 물질로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 패드 전극(180)는 와이어로 본딩될 부분으로서, 발광구조층(110)의 소정 부분에 배치될 수 있으며, 하나 또는 복수로 형성될 수 있다.
또한 도 2와 같이, 제1 전극층(150) 하측에 제1 전극(159)이 형성될 수 있으며, 상기 제1 전극(159)은 전도성이 높은 물질, 예를 들어, Ti, Al, Ni 등의 물질을 채용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에 따른 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템에 의하면, 패시베이션층의 두께 비율이나 물성을 제어하여 광효율을 증대할 수 있다.
도 17은 실시 예에 따른 발광소자가 적용된 발광소자 패키지를 나타낸 도면이다.
도 17을 참조하면, 실시 예에 따른 발광소자 패키지는 몸체(205)와, 상기 몸체(205)에 배치된 제1 리드전극(213) 및 제2 리드전극(214)과, 상기 몸체(205)에 제공되어 상기 제1 리드전극(213) 및 제2 리드전극(214)과 전기적으로 연결되는 발광소자(100)와, 상기 발광소자(100)를 포위하는 몰딩부재(240)를 포함할 수 있다.
상기 몸체(205)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 발광소자(100)의 주위에 경사면이 형성될 수 있다.
상기 제1 리드전극(213) 및 제2 리드전극(214)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광소자(100)에 전원을 제공한다. 또한, 상기 제1 리드전극(213) 및 제2 리드전극(214)은 상기 발광소자(100)에서 발생된 빛을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있으며, 상기 발광소자(100)에서 발생된 열을 외부로 배출시키는 역할을 할 수도 있다.
상기 발광소자(100)는 상기 몸체(205) 위에 배치되거나 상기 제1 리드전극(213) 또는 제2 리드전극(214) 위에 배치될 수 있다.
상기 발광소자(100)는 상기 제1 리드전극(213) 및 제2 리드전극(214)과 와이어 방식, 플립칩 방식 또는 다이 본딩 방식 중 어느 하나에 의해 전기적으로 연결될 수도 있다.
실시예에서 발광소자(100)는 제2 리드전극(214)에 실장되고, 제1 리드전극(213)과 와이어(250)에 의해 연결될 수 있으나, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 몰딩부재(240)는 상기 발광소자(100)를 포위하여 상기 발광소자(100)를 보호할 수 있다. 또한, 상기 몰딩부재(240)에는 형광체(232)가 포함되어 상기 발광소자(100)에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있다.
실시 예에 따른 발광소자 또는 발광소자 패키지는 복수 개가 기판 위에 어레이될 수 있으며, 상기 발광소자 패키지의 광 경로 상에 광학 부재인 렌즈, 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트 등이 배치될 수 있다. 이러한 발광소자 패키지, 기판, 광학 부재는 라이트 유닛으로 기능할 수 있다. 상기 라이트 유닛은 탑뷰 또는 사이드 뷰 타입으로 구현되어, 휴대 단말기 및 노트북 컴퓨터 등의 표시 장치에 제공되거나, 조명장치 및 지시 장치 등에 다양하게 적용될 수 있다. 또 다른 실시 예는 상술한 실시 예들에 기재된 발광소자 또는 발광소자 패키지를 포함하는 조명 장치로 구현될 수 있다. 예를 들어, 조명 장치는 램프, 가로등, 전광판, 전조등을 포함할 수 있다.
도 18은 실시예에 따른 조명장치의 분해 사시도이다.
도 18을 참조하면, 실시 예에 따른 조명 장치는 커버(2100), 광원 모듈(2200), 방열체(2400), 전원 제공부(2600), 내부 케이스(2700), 소켓(2800)을 포함할 수 있다. 또한, 실시 예에 따른 조명 장치는 부재(2300)와 홀더(2500) 중 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 상기 광원 모듈(2200)은 실시 예에 따른 발광소자 패키지를 포함할 수 있다.
예컨대, 상기 커버(2100)는 벌브(bulb) 또는 반구의 형상을 가지며, 속이 비어 있고, 일 부분이 개구된 형상으로 제공될 수 있다. 상기 커버(2100)는 상기 광원 모듈(2200)과 광학적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 커버(2100)는 상기 광원 모듈(2200)로부터 제공되는 빛을 확산, 산란 또는 여기 시킬 수 있다. 상기 커버(2100)는 일종의 광학 부재일 수 있다. 상기 커버(2100)는 상기 방열체(2400)와 결합될 수 있다. 상기 커버(2100)는 상기 방열체(2400)와 결합하는 결합부를 가질 수 있다.
상기 커버(2100)의 내면에는 유백색 도료가 코팅될 수 있다. 유백색의 도료는 빛을 확산시키는 확산재를 포함할 수 있다. 상기 커버(2100)의 내면의 표면 거칠기는 상기 커버(2100)의 외면의 표면 거칠기보다 크게 형성될 수 있다. 이는 상기 광원 모듈(2200)로부터의 빛이 충분히 산란 및 확산되어 외부로 방출시키기 위함이다.
상기 커버(2100)의 재질은 유리(glass), 플라스틱, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리카보네이트(PC) 등일 수 있다. 여기서, 폴리카보네이트는 내광성, 내열성, 강도가 뛰어나다. 상기 커버(2100)는 외부에서 상기 광원 모듈(2200)이 보이도록 투명할 수 있고, 불투명할 수 있다. 상기 커버(2100)는 블로우(blow) 성형을 통해 형성될 수 있다.
상기 광원 모듈(2200)은 상기 방열체(2400)의 일 면에 배치될 수 있다. 따라서, 상기 광원 모듈(2200)로부터의 열은 상기 방열체(2400)로 전도된다. 상기 광원 모듈(2200)은 광원부(2210), 연결 플레이트(2230), 커넥터(2250)를 포함할 수 있다.
상기 부재(2300)는 상기 방열체(2400)의 상면 위에 배치되고, 복수의 광원부(2210)들과 커넥터(2250)이 삽입되는 가이드홈(2310)들을 갖는다. 상기 가이드홈(2310)은 상기 광원부(2210)의 기판 및 커넥터(2250)와 대응된다.
상기 부재(2300)의 표면은 빛 반사 물질로 도포 또는 코팅된 것일 수 있다. 예를 들면, 상기 부재(2300)의 표면은 백색의 도료로 도포 또는 코팅된 것일 수 있다. 이러한 상기 부재(2300)는 상기 커버(2100)의 내면에 반사되어 상기 광원 모듈(2200)측 방향으로 되돌아오는 빛을 다시 상기 커버(2100) 방향으로 반사한다. 따라서, 실시 예에 따른 조명 장치의 광 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 부재(2300)는 예로서 절연 물질로 이루어질 수 있다. 상기 광원 모듈(2200)의 연결 플레이트(2230)는 전기 전도성의 물질을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 방열체(2400)와 상기 연결 플레이트(2230) 사이에 전기적인 접촉이 이루어질 수 있다. 상기 부재(2300)는 절연 물질로 구성되어 상기 연결 플레이트(2230)와 상기 방열체(2400)의 전기적 단락을 차단할 수 있다. 상기 방열체(2400)는 상기 광원 모듈(2200)로부터의 열과 상기 전원 제공부(2600)로부터의 열을 전달받아 방열한다.
상기 홀더(2500)는 내부 케이스(2700)의 절연부(2710)의 수납홈(2719)을 막는다. 따라서, 상기 내부 케이스(2700)의 상기 절연부(2710)에 수납되는 상기 전원 제공부(2600)는 밀폐된다. 상기 홀더(2500)는 가이드 돌출부(2510)를 갖는다. 상기 가이드 돌출부(2510)는 상기 전원 제공부(2600)의 돌출부(2610)가 관통하는 홀을 갖는다.
상기 전원 제공부(2600)는 외부로부터 제공받은 전기적 신호를 처리 또는 변환하여 상기 광원 모듈(2200)로 제공한다. 상기 전원 제공부(2600)는 상기 내부 케이스(2700)의 수납홈(2719)에 수납되고, 상기 홀더(2500)에 의해 상기 내부 케이스(2700)의 내부에 밀폐된다.
상기 전원 제공부(2600)는 돌출부(2610), 가이드부(2630), 베이스(2650), 연장부(2670)를 포함할 수 있다.
상기 가이드부(2630)는 상기 베이스(2650)의 일 측에서 외부로 돌출된 형상을 갖는다. 상기 가이드부(2630)는 상기 홀더(2500)에 삽입될 수 있다. 상기 베이스(2650)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(2200)의 구동을 제어하는 구동칩, 상기 광원 모듈(2200)을 보호하기 위한 ESD(ElectroStatic discharge) 보호 소자 등을 포함할 수 있으나 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 연장부(2670)는 상기 베이스(2650)의 다른 일 측에서 외부로 돌출된 형상을 갖는다. 상기 연장부(2670)는 상기 내부 케이스(2700)의 연결부(2750) 내부에 삽입되고, 외부로부터의 전기적 신호를 제공받는다. 예컨대, 상기 연장부(2670)는 상기 내부 케이스(2700)의 연결부(2750)의 폭과 같거나 작게 제공될 수 있다. 상기 연장부(2670)에는 "+ 전선"과 "- 전선"의 각 일 단이 전기적으로 연결되고, "+ 전선"과 "- 전선"의 다른 일 단은 소켓(2800)에 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 내부 케이스(2700)는 내부에 상기 전원 제공부(2600)와 함께 몰딩부를 포함할 수 있다. 몰딩부는 몰딩 액체가 굳어진 부분으로서, 상기 전원 제공부(2600)가 상기 내부 케이스(2700) 내부에 고정될 수 있도록 한다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 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 설정하는 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
발광구조층(110), 제1 도전형 반도체층(112), 제2 도전형 반도체층(116),
활성층(114), 분리층(190), 복수의 홀(H),
제1 컨택 전극(160), 절연층(140),
제1 전극층(150), 제2 컨택 전극(132)
활성층(114), 분리층(190), 복수의 홀(H),
제1 컨택 전극(160), 절연층(140),
제1 전극층(150), 제2 컨택 전극(132)
Claims (10)
- 제1 도전형 반도체층과, 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층 사이에 배치된 활성층을 포함하는 발광구조층;
상기 제2 도전형 반도체층의 저면으로부터 상기 제2 도전형 반도체층과 상기 활성층의 관통하여 상기 제1 도전형 반도체층의 일부를 노출하는 복수의 홀;
상기 제2 도전형 반도체층의 저면으로부터 상기 복수의 홀을 통해 상기 제1 도전형 반도체층에 전기적으로 연결된 제1 컨택 전극;
상기 제1 컨택 전극과 상기 복수의 홀 사이에 배치된 절연층;
상기 제1 컨택 전극과 전기적으로 연결된 제1 전극층;
상기 제2 도전형 반도체층과 전기적으로 연결된 제2 컨택 전극; 및
상기 발광구조층을 복수의 셀로 분리하는 분리층;을 포함하는 발광소자. - 제1 항에 있어서,
상기 분리된 각 셀은 적어도 2개의 제1 컨택 전극을 포함하며,
상기 분리된 각 셀은 전기적으로 병렬로 연결된 발광소자. - 제1 항에 있어서,
상기 분리층은 절연물질을 포함하는 발광소자. - 제1 항에 있어서,
상기 분리층은 반사물질을 포함하는 발광소자. - 제1 항에 있어서,
상기 제1 컨택 전극을 둘러싸는 채널층을 더 포함하는 발광소자. - 제5 항에 있어서,
상기 채널층은 반사물질을 포함하는 발광소자 - 제1 항에 있어서,
상기 제1 전극층은
상기 제1 컨택 전극 상에 확산방지층과,
상기 확산방지층 상에 접합층;을 포함하는 발광소자. - 제7 항에 있어서,
상기 제1 컨택 전극은
상면에서 저면으로 폭이 감소하는 발광소자. - 제1 항에 있어서,
상기 복수의 홀의 수평폭은 상측으로 갈수록 감소하는 발광소자. - 제1 항 내지 제9 항에 중 어느 하나에 기재된 발광소자를 구비하는 발광유닛을 포함하는 조명시스템.
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