KR20170038439A - 발광소자 - Google Patents

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Abstract

실시 예는 일면과 타면을 포함하는 질화갈륨 기판; 및 상기 기판의 타면에 배치되는 발광 구조물을 포함하고, 상기 기판은 일면에 형성된 복수 개의 광 추출 구조를 포함하고, 상기 기판의 두께는 80㎛이상이고, 상기 복수 개의 광 추출 구조의 평균 높이는 10㎛이상인 발광소자를 개시한다.

Description

발광소자{LIGHT EMITTING DEVICE}
실시 예는 발광소자에 관한 것이다.
발광소자(Light Emitting Device, LED)는 전기에너지를 빛 에너지로 변환하는 화합물 반도체 소자로서, 화합물반도체의 조성비를 조절함으로써 다양한 색상구현이 가능하다.
질화물반도체 발광소자는 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저소비 전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경친화성의 장점을 갖고 있다. 따라서, 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.
일반적으로, 질화갈륨계 발광소자는 사파이어 기판 위에 성장하지만, 사파이어 기판은 단단하고 전기적으로 부도체이며 열전도 특성이 좋지 않아 질화갈륨계 발광소자의 크기를 줄여 제조원가를 절감하거나, 광 출력 및 칩의 특성을 개선시키는데 한계가 있다.
종래의 사파이어, 실리콘 탄화물, 실리콘 같은 기판에서 성장한 InGaN 발광소자들은 전류 밀도가 증가함에 따라 내부 양자 효율이 감소하는 드루프(Droop) 현상이 발생하며, 전류 집중(Current crowding)과 같은 신뢰성 문제들이 발생할 수 있다.
고효율 고전류 발광소자를 개발하기 위해 격자 부정합(Lattice mismatch)이 작으며, 전위밀도가 작은 GaN 벌크 기판을 이용한 발광소자 개발이 필요하다.
실시 예는 GaN 기판을 이용한 발광소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자는, 일면과 타면을 포함하는 질화갈륨 기판; 및 상기 기판의 타면에 배치되는 발광 구조물을 포함하고, 상기 기판은 일면에 형성된 복수 개의 광 추출 구조를 포함하고, 상기 기판의 두께는 80㎛이상이고, 상기 복수 개의 광 추출 구조의 평균 높이는 10㎛이상이다.
상기 기판은 상기 복수 개의 광 추출 구조가 형성된 제1영역, 및 복수 개의 광 추출 구조 사이의 제2영역을 포함할 수 있다.
상기 제2영역은 평탄면을 포함할 수 있다.
상기 제1영역의 면적은 기판 전체 면적의 60%이상일 수 있다.
상기 제1영역의 면적은 기판의 전체 면적의 90%이상일 수 있다.
상기 복수 개의 광 추출 구조는 육각 피라미드 형상(Hexagonal shape)일 수 있다.
상기 복수 개의 광 추출 구조의 밑변과 측면의 경사각은 모두 동일할 수 있다.
상기 복수 개의 광 추출 구조의 평균 높이는 30㎛이하일 수 있다.
상기 기판은 측면에 두께 방향으로 형성된 복수 개의 서브 광 추출 구조를 포함할 수 있다.
상기 기판은 상기 발광 구조물에서 측면에 형성되는 단차부를 포함하고, 상기 단차부의 상면에 상기 서브 광 추출 구조가 형성될 수 있다.
상기 기판은 상기 발광 구조물과 마주보는 제1층과, 상기 광 추출 구조를 포함하는 제2층, 및 상기 제1층과 제2층 사이에 배치되는 제3층을 포함하고, 상기 제3층의 도핑 농도가 가장 낮을 수 있다.
상기 제1층의 도핑 농도는 1×1018cm-3 내지 5×1019cm-3일 수 있다.
상기 제2층의 도핑 농도는 1×1018cm-3 내지 5×1019cm-3일 수 있다.
상기 제3층의 도핑 농도는 1×1016cm-3 이하일 수 있다.
실시 예에 따르면, 질화갈륨(GaN) 기판을 이용하여 격자 부정합을 해소할 수 있다.
또한, 광 추출 효율 및 발광 효율이 증가할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자의 개념도이고,
도 2는 종래 GaN 기판의 개념도이고,
도 3a 내지 도3c는 종래 다양한 형상의 광 추출 구조를 보여주는 사진이고,
도 4는 도 1의 광 추출 구조를 보여주는 사진이고,
도 5는 광 추출 구조의 면적이 기판 전체 면적의 60%미만인 사진이고,
도 6은 광 추출 구조의 면적이 기판 전체 면적의 60%이상 90%미만인 사진이고,
도 7은 광 추출 구조의 면적이 기판 전체 면적의 90%이상인 사진이고,
도 8은 도 1의 기판의 도핑 농도를 설명하기 위한 도면이고,
도 9는 도 1의 기판의 측면에 형성된 서브 광 추출 구조를 보여주는 도면이고,
도 10은 광 추출 구조의 크기에 따른 광 파워(PO) 변화를 보여주는 그래프이고,
도 11a와 도 11b는 광 추출 구조의 크기에 따라 지향각의 변화를 보여주는 그래프이고,
도 12는 도 1의 발광소자를 설명하기 위한 도면이고,
도 13은 도 12의 발광소자에 파장 변환층이 배치된 구조를 보여주는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예를 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명 실시 예를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 실시 예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 실시 예의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 2 구성 요소는 제 1 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 1 구성 요소도 제 2 구성 요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명 실시 예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
실시 예의 설명에 있어서, 어느 한 element가 다른 element의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자의 개념도이고, 도 2는 종래 GaN 기판의 개념도이고, 도 3a 내지 도3c는 종래 다양한 형상의 광 추출 구조를 보여주는 사진이고, 도 4는 도 1의 광 추출 구조를 보여주는 사진이다.
도 1을 참고하면, 실시 예에 따른 발광소자는, 일면(110b)과 타면(110a)을 포함하는 질화갈륨 기판(110), 및 상기 기판(110)의 타면(110a)에 배치되는 발광구조물(120)을 포함한다.
기판(110)은 질화갈륨(GaN)을 성장시켜 제작할 수 있다. 일반적으로 사용되는 사파이어 기판은 질화갈륨계 반도체층과 격자 상수가 일치하지 않아 격자 부정합이 발생한다. 이러한 격자 부정합에 의해 발광구조물(120)에 강한 압전 자기장이 걸려 양자 효율이 감소하는 문제가 있다.
실시 예는 질화갈륨 기판(110)을 사용함으로써 격자 부정합에 의해 야기되는 문제를 해소할 수 있다. 또한, 격자 부정합을 해소하기 위한 버퍼층을 생략할 수도 있다. 이하에서는 질화갈륨 기판을 편의상 기판으로 정의한다.
기판(110)은 일면(110b)과 타면(110a)을 포함한다. 일면(110b)은 N 면일 수 있고 타면(110a)은 Ga 면일 수 있다. 기판(110)은 일면에 형성된 복수 개의 광 추출 구조(111)를 포함한다. 기판(110)은 두께가 80㎛ 내지 300㎛일 수 있다. 광 추출 구조(111)의 높이는 10㎛ 내지 30㎛일 수 있다. 복수 개의 광 추출 구조(111)는 높이가 상이할 수 있다.
광 추출 구조(111)는 KOH 혹은 NaOH의 염기성 용액을 이용하여 형성할 수 있다. 일 예로 45% KOH를 이용하여 70 내지 80℃온도에서 중탕 가열한 뒤, 가열된 KOH 용액에 기판(110)을 침지하여 요철을 형성할 수 있다. 그러나, 광 추출 구조(111)의 형성 방법은 특별히 한정하지 않는다.
도 2를 참조하면, GaN 기판(10)은 두께가 약 10㎛인 경우 광 추출 구조(11)의 높이는 약 1㎛ 내지 5㎛일 수 있다. 광 추출 구조(11)는 도 3a와 같이 랜덤 형상(11a), 도 3b와 같이 상면이 평평한 마이크로 로드 형상(11b), 및 도 3c와 같은 나노 로드 형상(11c)으로 다양하다. 그러나, 이러한 형상의 광 추출 구조는 모두 높이가 약 0.6㎛ 내지 3.0㎛에 불과하므로 기판의 두께가 80㎛를 초과하는 경우에는 광 추출 효과를 갖지 못할 수 있다.
도 4를 참고하면, 실시 예에 따른 광 추출 구조(111)는 높이가 10㎛ 내지 30㎛일 수 있다. 광 추출 구조의 높이는 경사면의 최하부와 최상부의 수직 거리로 정의할 수 있다. 복수 개의 광 추출 구조(111)의 높이는 서로 상이할 수 있다.
복수 개의 광 추출 구조(111)는 육각 피라미드 형상(Hexagonal shape)일 수 있고, 복수 개의 광 추출 구조(111)의 밑변(111b)과 측면(111a)의 경사각(θ)은 모두 동일한 각도를 가질 수 있다. 경사 각도(θ)는 50도 내지 60도일 수 있으나 반드시 이에 한정하지는 않는다.
도 5는 광 추출 구조의 면적이 기판 전체 면적의 60%미만인 사진이고, 도 6은 광 추출 구조의 면적이 기판 전체 면적의 60%이상 90%미만인 사진이고, 도 7은 광 추출 구조의 면적이 기판 전체 면적의 90%이상인 사진이다.
도 5를 참고하면, 기판(110)은 복수 개의 광 추출 구조가 형성된 제1영역(P1), 및 복수 개의 광 추출 구조 사이의 제2영역(P2)을 포함할 수 있다. 제2영역(P2)은 상대적으로 평탄면일 수 있다. 평탄면은 발광구조물(120)에서 방출된 광을 전반사시킬 수 있다.
도 5를 참고하면, 광 추출 구조의 높이가 10㎛미만인 경우 면적이 큰 제2영역을 관찰할 수 있다. 도 5의 경우 제1영역(P1)이 기판 전체 면적에서 차지하는 비율은 60%미만이다. 제1영역(P1)의 면적이 60%미만인 경우에는 광 추출 효율이 감소하는 문제가 있다. 여기서 광 추출 구조의 평균 높이는 가로 세로 100㎛×100㎛의 면적 내에 위치한 복수 개의 광 추출 구조의 높이를 평균한 값일 수 있다.
도 6을 참고하면, 광 추출 구조(111)의 평균 높이는 약 12㎛인 경우에는 제2영역의 면적이 상대적으로 줄어든 것을 확인할 수 있다. 도 6의 경우 제1영역(P1)이 기판 전체 면적에서 차지하는 비율은 60% 이상이다. 면적은 60%이상 90미만일 수 있다. 이 경우 도 5에 비해 제2영역(P2)이 줄어 광 추출 효율이 증가할 수 있다.
도 7을 참고하면, 광 추출 구조가 최대한 성장하여 제2영역(P2)이 거의 제거되었음을 알 수 있다. 제1영역(P1)가 기판(110) 전체 면적에서 차지하는 비율은 90%이상일 수 있다. 광 추출 구조(111)의 평균 높이는 27㎛로 측정되었다. 광 추출 구조는 높이가 증가할수록 밑면이 넓어져 제2영역(P2)을 메우게 된다.
그러나, 이 이상 식각 시간을 늘려도 더 이상의 광 추출 구조의 높이는 증가하지 않는 것으로 확인되었다. 습식 식각을 통해 형성되는 요철은 특정한 각도/방향성을 가지고 식각되며, 시간이 증가할수록 면적이 증가하나 이웃한 광 추출 구조와 접하면 더 이상 식각이 진행되지 않았다. 따라서, 최대 광 추출 구조의 높이는 30㎛일 수 있다.
도 8은 도 1의 기판의 도핑 농도를 설명하기 위한 도면이고, 도 9는 도 1의 기판의 측면에 형성된 서브 광 추출 구조를 보여주는 도면이다.
도 8을 참고하면, 기판(110)은 발광구조물(120)과 마주보는 제1층(114)과, 광 추출 구조(111)를 포함하는 제2층(112), 및 제1층(114)과 제2층(112) 사이에 배치되는 제3층(113)을 포함할 수 있다.
제1층(114)은 전류가 제1반도체층(121)에 인가된 경우 전류 분산 경로를 형성할 수 있다. 제1층(114)을 통해 전류는 효과적으로 분산될 수 있다. 따라서, 제1반도체층(121)의 접촉하는 전극의 면적을 줄여도 동작 전압을 유지할 수 있다. 이를 위해 제1층(114)의 도핑 농도는 상대적으로 높아질 수 있다. 구체적으로 제1층(114)의 도핑 농도는 1×1018cm-3 내지 5×1019cm-3일 수 있다.
제2층(112)의 도핑 농도는 제1층(114)의 도핑 농도와 동일할 수 있다. 전술한 바와 같이 제2층(112)은 습식 식각에 의해 광 추출 구조(111)를 형성할 수 있다. 도핑 농도가 높아질수록 Ga와 N의 분리가 용이해져 식각 성능을 높일 수 있다.
제3층(113)의 도핑 농도는 제1층(114) 및 제2층(112)보다 낮을 수 있다. 기판(110)의 두께 전체에서 도핑 농도가 1×1018cm-3 내지 5×1019cm-3인 경우에는 원하는 투광성 및 결정성을 확보하기 어렵다. 따라서, 제3층(113)은 도핑 농도를 상대적으로 낮추어 기판(110)에서 원하는 투명성 및 결정성을 확보할 수 있다. 일 예로, 제3층(113)의 도핑 농도는 1×1016cm-3 이하이거나 n형 도펀트가 도핑되지 않을 수 있다. n형 도펀트는 n형 반도체층에 도핑되는 다양한 종류의 도펀트가 모두 선택될 수 있다.
기판(110)의 전체 두께를 기준으로 제1층(114)의 두께는 약 40% 내지 50%이고, 제3층(113)의 두께는 40% 내지 50%이고, 제2층(112)의 두께는 10% 내지 20%일 수 있다. 일 예로, 기판(110)의 두께가 100㎛인 경우 제1층(114)과 제3층(113)은 각각 40㎛이고, 제2층(112)은 20㎛일 수 있다.
도 9를 참고하면, 기판(110)은 측면에 두께 방향으로 형성된 복수 개의 서브 광 추출 구조(115a)를 포함할 수 있다. 이러한 구조는 기판(110)의 측면으로 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
그러나, 습식 식각은 기판(110)의 특정 방향의 면에서만 가능하다. 따라서, 실시 예의 기판(110)은 측면에 형성되는 단차부(115)를 포함하고, 단차부(115)의 상면(m면)에 서브 광 추출 구조(115a)가 형성될 수 있다. 단차부(114)는 복수 개일 수 있고 기판(110)의 일면에서 타면까지 연속적으로 형성될 수도 있다. 단차부(114)의 폭, 높이 등은 추출 효율을 고려하여 적절히 변형할 수 있다. 발광구조물(120)에 가까운 경우 단차부(114)에 형성된 서브 광 추출 구조(115a)의 높이가 작아도 광 추출 효과를 가질 수 있다. 따라서, 서브 광 추출 구조(115a)의 크기는 발광구조물(120)에 가까워질수록 작아질 수 있다.
도 10은 광 추출 구조의 크기에 따른 광 파워(PO) 변화를 보여주는 그래프이고, 도 11a와 도 11b는 광 추출 구조의 크기에 따라 지향각의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 10을 참고하면, 기판(110)에 광 추출 구조(111)가 없는 경우에는 주입 전류가 400A이상이되면 그 이상 전류를 증가하여도 발광 특성이 개선되지 않는 것을 확인할 수 있다. 이에 비해 약 12㎛ 높이의 광 추출 구조(small texture)를 적용한 경우 발광 효율이 향상되었으며, 27㎛ 높이의 광 추출구조(large texture)를 적용한 경우 발광 효율이 더욱 향상되었음을 확인할 수 있다.
도 11a와 도 11b를 참고하면, 광 추출 구조(111)의 크기가 커질수록 지향각이 좁아지는 것을 알 수 있다. 도 11a은 Radial plot이고 도 11b는 Cartesian Plot이다. 도 11을 참고하면 광 추출 구조(111)가 없는 경우 지향각은 154.6도이나, 약 1212㎛ 높이의 광 추출 구조(111)가 형성된 경우 지향각은 146.85도로 좁아졌으며, 27㎛ 높이의 광 추출구조의 경우 142.7도로 지향각이 좁아졌다. 따라서, 광 추출 구조(111)의 높이와 지향각은 반비례 관계에 있음을 알 수 있다. 이는 수직 방향으로 빛 출사 효율이 증가하였음을 의미한다.
도 12는 도 1의 발광소자를 설명하기 위한 도면이고, 도 13은 도 12의 발광소자에 파장 변환층이 배치된 구조를 보여주는 도면이다.
도 12를 참고하면, 발광구조물(120)은 제1반도체층(121), 활성층(122), 및 제2반도체층(123)을 포함한다. 제1반도체층(121)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체일 수 있으며, 제1반도체층(121)에 제1도펀트가 도핑될 수 있다. 제1반도체층(121)은 Inx1Aly1Ga1 -x1-y1N(0≤x1≤1, 0≤y1≤1, 0≤x1+y1≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 GaN, AlGaN, InGaN, InAlGaN 등에서 선택될 수 있다. 그리고, 제1도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te와 같은 n형 도펀트일 수 있다. 제1도펀트가 n형 도펀트인 경우, 제1도펀트가 도핑된 제1반도체층(121)은 n형 반도체층일 수 있다.
활성층(122)은 제1반도체층(121)을 통해서 주입되는 전자(또는 정공)과 제2반도체층(123)을 통해서 주입되는 정공(또는 전자)이 만나는 층이다. 활성층(122)은 전자와 정공이 재결합함에 따라 낮은 에너지 준위로 천이하며, 그에 상응하는 파장을 가지는 빛을 생성할 수 있다. 본 실시 예에서 발광 파장에는 제한이 없다.
활성층(122)은 단일 우물 구조, 다중 우물 구조, 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물(Multi Quantum Well; MQW) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있으며, 활성층(122)의 구조는 이에 한정하지 않는다.
제2반도체층(123)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2반도체층(123)에 제2도펀트가 도핑될 수 있다. 제2반도체층(123)은 Inx5Aly2Ga1-x5-y2N (0≤x5≤1, 0≤y2≤1, 0≤x5+y2≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질 또는 AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 선택된 물질로 형성될 수 있다. 제2도펀트가 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트인 경우, 제2도펀트가 도핑된 제2반도체층(123)은 p형 반도체층일 수 있다.
도시되지는 않았으나 활성층(122)과 제2반도체층(123) 사이에는 전자 차단층(EBL)이 배치될 수 있다. 전자 차단층은 제1반도체층(121)에서 공급된 전자가 제2반도체층(123)으로 빠져나가는 흐름을 차단하여, 활성층(122) 내에서 전자와 정공이 재결합할 확률을 높일 수 있다.
발광구조물(120)은 제2반도체층(123)과 활성층(122)을 관통하여 제1반도체층(121)이 노출되는 제1홈(H1)이 형성될 수 있다. 제1홈(H1)에 의해 제1반도체층(121)도 일부 식각될 수 있다. 제1홈(H1)은 복수 개일 수도 있다. 제1홈(H1)에는 제1오믹전극(151)이 배치되어 제1반도체층(121)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제2반도체층(123)의 하부에는 제2오믹전극(131)이 배치될 수 있다.
제1오믹전극(151)과 제2오믹전극(131)은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), 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), SnO, InO, INZnO, ZnO, IrOx, RuOx, NiO, Ti, Al, Ni, Cr 및 이들의 선택적인 화합물 또는 합금 중에서 선택되며, 적어도 한 층으로 형성될 수 있다. 오믹전극의 두께는 특별히 제한하지 않는다.
제1절연층(141)은 발광구조물(120)의 일면과 제1홈(H1)의 측벽(S)을 커버할 수 있다. 제1절연층(141)은 제1오믹전극(151)이 제1전극패드(150)와 연결되는 지점을 제외하고는 발광구조물(120) 및 제1오믹전극(151)에 전체적으로 커버할 수 있다.
제1절연층(141)은 Al, Cr, Si, Ti, Zn, Zr 중 적어도 하나를 갖는 산화물, 질화물, 불화물, 및 황화물 중 적어도 하나로 형성된 절연물질 또는 절연성 수지를 포함할 수 있다. 제1절연층(141)은 예컨대, SiO2, Si3N4, Al2O3, TiO2 중에서 선택적으로 형성될 수 있다. 제1절연층(141)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
반사전극층(132)은 제1절연층(141)상에 배치되어 발광구조물(120)의 일면과 제1홈(H1)의 측벽(S)을 커버할 수 있다. 반사층은 제1오믹전극(151)이 제1전극패드(150)와 연결되는 부분을 제외하고는 발광구조물(120)에 전체적으로 형성될 수 있다. 이러한 구성에 의하여 활성층(122)에서 제2반도체층(123) 방향으로 방출된 광은 대부분 기판(110)측으로 반사될 수 있다. 따라서, 반사 효율이 증가하고, 외부 양자 효율이 개선될 수 있다.
반사전극층(132)은 금속성 또는 비금속성 재질로 형성될 수 있다. 금속성 반사전극층(132)은 In, Co, Si, Ge, Au, Pd, Pt, Ru, Re, Mg, Zn, Hf, Ta, Rh, Ir, W, Ti, Ag, Cr, Mo, Nb, Al, Ni, Cu, 및 WTi 중에서 선택된 금속 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
비금속성의 반사층은 제1굴절률을 갖는 제1층과 제2굴절률을 갖는 제2층이 교대로 2페어 이상 적층된 구조를 포함하며, 제1 및 제2굴절률은 서로 다르고, 제1층과 제2층은 굴절률이 1.5~2.4 사이인 전도성 또는 절연성 물질로 형성될 수 있다. 이러한 구조는 DBR(distributed bragg reflection) 구조일 수 있다. 또한, 낮은 굴절률을 갖는 유전체층과 금속층이 적층된 구조(Omnidirectional Reflector)일 수도 있다.
제2반도체층(123) 및 반사전극층(132) 중 적어도 한 층의 표면에는 러프니스와 같은 광 추출구조가 형성될 수 있으며, 이러한 광 추출 구조는 입사되는 광의 임계각을 변화시켜 광 추출 효율을 개선할 수 있다. 광 추출 구조는 요철 패턴, 또는 복수의 돌기들을 포함할 수 있다.
반사전극층(132)의 하부에는 캡핑 전극(133)이 배치될 수 있다. 캡핑 전극(133)은 확산 방지층, 전류 분산층 및 반사전극층(132)을 보호하는 역할 중 적어도 하나를 수행할 수 있다. 캡핑 전극(133)은 Au, Cu, Hf, Ni, Mo, V, W, Rh, Ru, Pt, Pd, La, Ta, Ti 및 이들 중에서 2 이상의 합금 중에서 선택될 수 있다.
캡핑 전극(133)의 하부에는 제2절연층(142)이 배치된다. 제2절연층(142)은 Al, Cr, Si, Ti, Zn, Zr 중 적어도 하나를 갖는 산화물, 질화물, 불화물, 및 황화물 중 적어도 하나로 형성된 절연물질 또는 절연성 수지를 포할 수 있다. 제2절연층(142)은 예컨대, SiO2, Si3N4, Al2O3, TiO2 중에서 선택적으로 형성될 수 있다. 제2절연층(142)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
제1전극패드(150)는 제2절연층(142)을 관통하여 제1오믹전극(151)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제1오믹전극(151)은 기판(110)에 가까워질수록 면적이 커지는데 반해, 제1전극패드(150)는 기판(110)에 가까워질수록 면적이 작아진다.
제2전극패드(160)는 제2절연층(142)을 관통하여 제2오믹전극(131) 및 반사전극층(132)과 전기적으로 연결될 수 있다.
제1전극패드(150)와 제2전극패드(160)는 In, Co, Si, Ge, Au, Pd, Pt, Ru, Re, Mg, Zn, Hf, Ta, Rh, Ir, W, Ti, Ag, Cr, Mo, Nb, Al, Ni, Cu, 및 WTi 중에서 선택된 금속 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 13을 참고하면, 기판상에는 파장변환층(180)이 배치될 수 있다. 파장변환층(180)에 의해 활성층(122)에서 발광된 청색 파장대의 광은 백색광으로 변환될 수 있다. 파장변환층(180)은 기판의 측면 및 발광구조물의 측면까지 배치될 수 있다. 이러한 구조의 패키지는 칩 스케일 패키지(CSP)일 수 있다.
파장변환층(180)은 고분자 수지에 형광체 또는 양자점 등이 분산될 수 있다. 형광체의 종류는 특별히 제한하지 않는다. YAG계, TAG계, Silicate계, Sulfide계 또는 Nitride계 중 어느 하나의 형광물질이 포함될 수 있다.
실시 예의 발광소자는 다양한 디바이스의 광원으로 이용될 수 있다. 일 예로, 발광소자는 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트 등의 광학 부재를 더 포함하여 이루어져 백라이트 유닛으로 기능할 수 있다. 또한, 실시 예의 발광 소자는 표시 장치, 조명 장치, 지시 장치에 더 적용될 수 있다.
이 때, 표시 장치는 바텀 커버, 반사판, 발광 모듈, 도광판, 광학 시트, 디스플레이 패널, 화상 신호 출력 회로 및 컬러 필터를 포함할 수 있다. 바텀 커버, 반사판, 발광 모듈, 도광판 및 광학 시트는 백라이트 유닛(Backlight Unit)을 이룰 수 있다.
반사판은 바텀 커버 상에 배치되고, 발광 모듈은 광을 방출한다. 도광판은 반사판의 전방에 배치되어 발광 모듈에서 발산되는 빛을 전방으로 안내하고, 광학 시트는 프리즘 시트 등을 포함하여 이루어져 도광판의 전방에 배치된다. 디스플레이 패널은 광학 시트 전방에 배치되고, 화상 신호 출력 회로는 디스플레이 패널에 화상 신호를 공급하며, 컬러 필터는 디스플레이 패널의 전방에 배치된다.
그리고, 조명 장치는 기판과 실시 예의 발광 소자를 포함하는 광원 모듈, 광원 모듈의 열을 발산시키는 방열부 및 외부로부터 제공받은 전기적 신호를 처리 또는 변환하여 광원 모듈로 제공하는 전원 제공부를 포함할 수 있다. 더욱이 조명 장치는, 램프, 해드 램프, 또는 가로등 등을 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명 실시 예는 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 실시 예의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명 실시 예가 속하는 기술분야에서 종래의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
110: 기판
111: 광 추출 구조
120: 발광구조물
121: 제1반도체층
122: 활성층
123: 제2반도체층
131: 제2오믹전극
132: 반사전극층
141: 제1절연층
142: 제2절연층
150: 제1전극패드
151: 제1오믹전극
160: 제2전극패드

Claims (16)

  1. 일면과 타면을 포함하는 질화갈륨 기판; 및
    상기 기판의 타면에 배치되는 발광 구조물을 포함하고,
    상기 기판은 일면에 형성된 복수 개의 광 추출 구조를 포함하고,
    상기 기판의 두께는 80㎛이상이고, 상기 복수 개의 광 추출 구조의 평균 높이는 10㎛이상인 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 상기 복수 개의 광 추출 구조가 형성된 제1영역, 및 복수 개의 광 추출 구조 사이의 제2영역을 포함하는 발광소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2영역은 평탄면을 포함하는 발광소자.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1영역의 면적은 기판 전체 면적의 60%이상인 발광소자.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1영역의 면적은 기판의 전체 면적의 90%이상인 발광소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 광 추출 구조는 육각 피라미드 형상(Hexagonal shape)인 발광소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수 개의 광 추출 구조의 밑변과 측면의 경사각은 모두 동일한 발광소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 광 추출 구조의 평균 높이는 30㎛이하인 발광소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 측면에 형성된 복수 개의 서브 광 추출 구조를 포함하는 발광소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 기판은 상기 발광 구조물에서 측면에 형성되는 단차부를 포함하고, 상기 단차부의 상면에 상기 서브 광 추출 구조가 형성되는 발광소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 상기 발광 구조물과 마주보는 제1층과, 상기 광 추출 구조를 포함하는 제2층, 및 상기 제1층과 제2층 사이에 배치되는 제3층을 포함하고,
    상기 제3층의 도핑 농도가 가장 낮은 발광소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1층의 도핑 농도는 1×1018cm-3 내지 5×1019cm-3인 발광소자.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제2층의 도핑 농도는 1×1018cm-3 내지 5×1019cm-3인 발광소자.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제3층의 도핑 농도는 1×1016cm-3 이하인 발광소자.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 발광소자; 및
    상기 발광소자의 기판에서 방출된 광을 백색광으로 변환하는 파장변환층을 포함하는 발광소자 패키지.
  16. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 발광소자를 광원으로 사용하는 디바이스.
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