KR20170064503A - 고전압 구동 발광소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 인접한 활성영역 사이에 전압 강하층이 협지되는 반도체 발광소자에 관한 것으로, 상기 전압 강하층은 전체 활성영역 중 어느 하나의 활성영역만을 활성화시키기에 충분한 인가전압 하에서는 전자 또는 정공이 이동할 수 없는 반도체층으로, 인접한 두 활성영역을 독립적으로 분리시켜, 반도체 발광소자는 단일 칩 내에서 수직방향으로 복수의 독립적인 활성영역을 포함하여, 고전압 구동이 가능한 것을 특징으로 한다.

Description

고전압 구동 발광소자 및 그 제조 방법 {Light Emitting Diode With A High Operating Voltage And Method Of Manufacturing The Same}
본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단일 칩 내에 수직으로 구성되는 복수의 활성영역을 구동시키는 고전압 구동 발광소자에 관한 것이다.
반도체 발광소자는, n형 반도체층을 통하여 공급되는 전자와 p형 반도체층을 통하여 공급되는 정공이 활성층에서 재결합하면서 광이 발생되는 원리를 이용한 반도체 소자이다.
반도체 발광소자의 발광 파장은 사용된 반도체 물질의 에너지 밴드갭에 의해 결정되어, 청색, 녹색 또는 자외선 영역의 발광을 위해서는 GaN계 물질이 이용되고, 적색 또는 적외선 영역의 발광을 위해서는 GaAs계(또는 AlGaInP계) 물질이 선택된다.
최근 반도체 발광소자는 조명 또는 고휘도 광원으로 응용되고 있으며, 이를 위하여 활성영역을 복수개 포함하는 다중 활성영역을 구성하여, 고전압 전원을 인가하여 반도체 발광소자를 구동하고 있다.
특히, 적색/녹색/청색의 3원색을 하나의 칩에 함께 패키징하는 3 in 1 패키징에 있어, 녹색 및 청색에 비해 상대적으로 구동전압이 낮은 적색 LED 칩에는 적색 LED 칩에서 필요로 하는 구동전압 이상의 전압이 인가되어 전체적인 반도체 발광소자의 구동효율을 저하시키는 문제점이 발생한다.
한국등록특허공보 제10-1651923호 미국특허공보 제2008-0251799A호 미국특허공보 제2005-0067627A호 미국특허공보 제2005-0253151A호
본 발명의 하나의 목적은, GaN계 물질에 비해 발광소자의 구동전압이 상대적으로 낮은 GaAs계(또는 AlGaInP계) 발광소자에서 복수개의 활성영역을 수직 위치 상에 형성하여 고전압 구동 가능한 GaAs계(또는 AlGaInP계) 발광소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 목적은, 복수개의 활성영역을 수직 배치함에 있어, 활성영역 사이에 전압 강하층을 형성하여 활성영역 사이의 분리 거리를 단축시켜 컴팩트한 발광구조체를 제공하는 것이다.
청색 또는 녹색 발광을 위한 GaN계 물질에 비해 발광소자의 구동전압이 상대적으로 낮은 적색 발광을 위한 GaAs계(또는 AlGaInP계) 발광소자 내에 전압 강하층을 포함시켜, 적색 LED 칩 외부에 별도의 저항을 결합시키지 않고도 적색 LED 칩으로의 과잉 공급 전압을 강하시킬 수 있는 적색 LED 발광소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 상기의 고전압 구동 발광소자를 이용하여 구동효율 및 신뢰성이 개선되는 발광소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 상기의 고전압 구동 발광소자를 구동하는 구동회로가 간략해 지는 컬러 디스플레이를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 상기의 발광소자, 상기 발광소자를 포함하는 모듈 및 이를 채용한 컬러 디스플레이를 제조하는 적합한 방법을 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 고전압 구동 반도체 발광소자는 하나의 활성영역 상에 전압 강하층을 형성하고 전압 강하층 상에 다른 하나 이상의 활성영역을 형성시켜, 상기 하나의 활성영역을 구동시킬 수 있는 구동전압과 상기 다른 하나 이상의 활성영역을 구동시킬 수 있는 구동전압 및 전압 강하층에서의 전압 강하되는 전압을 합하여 전체 구동전압을 인가할 수 있는 고전압 구동 발광소자를 마련하는 것이다.
이를 위하여, 기판 상에 형성되는 하부 반도체층; 상기 하부 반도체층 상에 전자와 홀이 결합되어 광을 방출하는 제1 활성영역; 상기 제1 활성영역 상에 제1 전압 강하층; 상기 제1 전압 강하층 상에 제2 활성영역; 상기 제2 활성영역 상에 상부 반도체층; 상기 하부 반도체층의 노출된 영역 또는 하부 반도체층과 연결된 전도성 기판의 일부 영역 및 상부 반도체층에 형성되는 각각의 하부 전극 및 상부 전극을 포함하는 반도체 발광소자를 마련하되, 상기 제1 전압 강하층과 제2 활성영역은 반복하여 복수 개 포함될 수 있고, 상기 제1 전압 강하층은 종래의 터널링 방지층에 비하여 두께가 얇고 저항이 큰 반도체층으로, 제1 활성영역과 제2 활성영역을 분리시키는 역할을 한다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 고전압 구동 반도체 발광소자의 제조방법은, 기판 상에 하부 반도체층을 형성하는 단계; 상기 하부 반도체층 상에 전자와 홀이 결합되어 광을 방출하는 제1 활성영역을 형성하는 단계; 상기 제1 활성영역 상에 제1 전압 강하층을 형성하는 단계; 상기 제1 전압 강하층 상에 제2 활성영역을 형성하는 단계; 상기 제2 활성영역 상에 상부 반도체층을 형성하는 단계; 상기 하부 반도체층이 절연체 기판과 결합된 경우, 상기 하부 반도체층의 일부 영역을 노출시키고 상기 노출된 영역 및 상기 상부 반도체층에 각각의 하부 전극 및 상부 전극을 형성하는 단계, 또는 상기 하부 반도체층이 도전성 기판과 결합된 경우, 상기 도전성 기판 하부의 일부 영역 및 상기 상부 반도체층에 각각의 하부 전극 및 상부 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 반도체 발광소자를 마련하되, 상기 제1 전압 강하층과 제2 활성영역을 형성하는 단계 반복하여 형성될 수 있고, 상기 제1 전압 강하층은 제1 활성영역과 제2 활성영역 중 어느 하나의 활성영역만을 활성화시키기에 충분한 인가전압 하에서는 전자 또는 정공이 이동할 수 없는 반도체층으로, 종래의 터널링 방지층에 비하여 저항이 크고 두께가 얇은반도체층으로 양자영역에서 제1 활성영역과 제2 활성영역을 분리시키는 역할을 한다.
본 발명에 따른 고전압 구동 반도체 발광소자는 반도체 발광소자에 인가되는 구동전압에 보다 많은 활성영역을 제공할 수 있어 발광소자에서 발생되는 잉여전압을 저감시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따른 전압 강하층은 종래의 터널 방지층에 의한 제1 활성영역과 제2 활성영역 분리를 더 얇은 반도체층을 통해 구현 가능할 수 있어, 소자 구성 및 제조의 간략화를 실현할 수 있다.
이를 통하여 발광소자에서의 발열을 저감할 수 있어, 구동 효율을 높이고 소자 신뢰성을 개선시킬 수 있다.
또한 패키징 시, 패키지 캐비티 내 여유 공간 제공이 가능하여, 패키징 효율을 증가시킬 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 고전압 구동 반도체 발광소자를 채용한 컬러 디스플레이 구성에서, 구동전압에 보다 많은 활성영역 제공에 따른 잉여전압 저감으로 시스템 내의 발열량이 감소되어, 공냉시 발생되는 외부 먼지 유입이 현저히 감소되어 시스템의 신뢰성을 증가시킬 수 있다.
또한, 구동전압에 보다 많은 활성영역이 제공되고 잉여전압이 저감되어, 시스템에 채용되는 SMPS의 필요 수량을 저감시킬 수 있다.
또한, 고전압 구동에 따른 모듈 내 전기배선 간소화로 회로 구성을 위한 PCB 사용에 고가의 다층 기판 사용을 저감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고전압 구동 반도체 발광소자를 나타내는 간략도이다.
도 2와 3은 도 1의 반도체 발광소자에 대응되는 전기 회로도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 대표적인 고전압 구동 반도체 발광소자를 나타내는 간략도이다.
도 5와 6은 도 4의 반도체 발광소자에 대응되는 전기 회로도를 나타낸 것이다.
도 7은 종래의 터널 방지층을 포함하는 복수 활성영역을 갖는 반도체 발광소자를 나타낸 것이다.
도 8과 9는 종래의 터널 방지층을 복수의 활성영역을 갖는 반도체 발광소자에 대응되는 전기 회로도를 나타낸 것이다.
도 10과 11은 종래의 단일 활성층 영역을 갖는 반도체 발광소자의 전기회로도를 나타낸 것이다.
본 발명의 장점 및 특징, 및 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
*먼저, 본 발명의 고전압 구동 반도체 발광소자와 비교되는 종래의 복수 활성영역을 갖는 반도체 발광소자에 대해 살펴보면, 도 4에는 종래의 복수 활성영역을 갖는 반도체 발광소자가 나타나 있다.
종래의 복수 활성영역을 갖는 발광소자는 복수의 활성영역이 주로 제1 활성영역, 제2 활성영역, 제3 활성영역으로 구성되어 각각의 활성영역에서 방출되는 광이 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 중에 어느 하나에 대응하도록 설계되어, 형광체를 사용하지 않고 백색 발광이 가능한 모노리식 발광소자가 보고된 바 있다.
이때, 적색(R) 발광과, 녹색(G) 및 청색(B) 발광은 각각 GaAs계(또는 AlGaInP계) 물질과 GaN계(또는 ZnO계) 물질로 구현이 가능하여, MOCVD 또는 MBE와 같은 통상의 반도체 성장에서 성장의 중단없이 연속적으로 이종물질간의 복수의 활성영역을 성장하기 극히 어렵게 된다. 이러한 이유로, 각각의 활성영역 사이에는 활성영역을 성장 챔버 외부에서 접합(본딩)시켜 주는 결합층이 존재한다. 이러한 경우 각각의 활성영역은 서로 양자영역의 관점에서 서로 독립적인 활성영역에 해당하며, 구동전압은 각각의 활성영역을 구동할 수 있도록 고전압을 필요로 한다. 그러나, 이러한 구성은 앞서 언급한 바와 같이, 이종물질의 활성층을 성장 챔버 밖에서 접합(본딩)하고 이종물질의 서로 다른 파장을 결합하여 백색 광을 구현하는 것을 발명의 목적으로 한다.
또한 종래기술의 다른 실시에서는 동종물질 간의 복수 활성영역을 in-situ (성장챔버 밖으로 에피층을 빼내는 것 없는 프로세싱) 형성한 것들이 보고된 바 있으나, 이러한 in-site 성장된 복수의 활성영역은 활성영역 사이의 결합층의 두께가 통상의 양자 장벽 또는 캐리어의 확산거리 미만으로 형성되어, 복수의 활성영역이 실제적으로는 하나의 다중 양자우물 구조와 유사하여, 상기의 발광소자를 구동하기 위해서는 하나의 활성영역을 구동하는데 상응하는 인가전압과 추가된 에피층의 저항에서의 전압강하 보상을 포함하여, 고전압의 인가 없이도 낮은 구동이 가능하다.
이러한 종래의 복수의 활성영역을 갖는 반도체 발광소자의 전기 회로도가 도10과 11에 나타나 있다. 여기서 주목할 것은 복수의 활성영역을 갖음에도, 하나의 다이오드로 나타나 있다는 점이다. 이것은 인접한 활성영역 간의 이격 거리가 캐리어 확산 거리보다 짧아 복수의 활성영역이 형성되어 있음에도 불구하고, 하나의 활성영역을 구동시킬 수 있는 구동전압에 의해 복수의 활성영역이 모두 구동되는 것을 의미하며, 이러한 현상은 다중 양자 장벽에 의해 구분되는 다중 우물 구조에서도 동일하게 나타날 수 있다. 이러한 구조에서는 고전압 구동이 불가하다.
도 10과 11은 종래 복수의 활성영역을 갖는 발광소자의 상부 반도체가 각각 p형 도펀트로 도핑되거나 또는 n형 도펀트로 도핑된 것에 대응되는 전기 회로도로서, 도 10과 11에서의 R1은 발광소자 내부의 모든 저항 성분의 총합을 나타낸다.
또한 도 7은 종래의 터널 방지층을 포함하는 복수 활성영역 포함 고전압 구동 발광소자를 나타낸다. 터널 방지층(72, 70)이 활성영역(64, 62, 60) 사이에 배치되어, 각각의 활성영역에 대응되는 구동전압이 각각 인가되므로 고전압 구동이 가능한 발광소자를 개시하고 있으나, 종래의 터널 방지층을 포함하는 고전압 구동 발광소자는 캐리어의 터널 방지를 위해서는 통상 수 마이크로 미터 이상의 두꺼운 반도체층을 성장시켜야 하므로, 반도체 성장 시간이 증가되는 손실이 발생될 수 있고, 3 in 1 패키지시 청색 또는 녹색 단파장 발광소자에 비해 상대적으로 두꺼운 소자 높이로 인하여 봉지재 결합시의 곤란성 및 색 얼룩이 발생될 수 있는 문제점이 있다.
도 7에서의 종래의 터널 방지층을 포함하는 복수 활성영역 포함 고전압 구동 발광소자에 대응되는 전기 회로도가 도 8과 9에 나타나 있다.
도 7 및 도 8, 9에서 주목해야 할 점은, 인접한 활성영역 사이에 형성된 터널 방지층의 두께(L1)가 캐리어 확산 거리를 커버할 수 있도록 충분히 두꺼워야 인접한 활성영역을 분리하여 고전압 구동이 가능하다는 것이다. 이러한 터널 방지층의 두께(L1) 확보는 상술한 반도체 성장 시간이 증가되는 손실 및 3 in 1 패키지시 청색 또는 녹색 단파장 발광소자에 비해 상대적으로 두꺼운 소자 높이로 인하여 봉지재 결합시의 곤란성 및 색 얼룩이 발생될 수 있는 문제점을 발생시키게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 고전압 구동 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 대표적인 실시예에 따른 고전압 구동 반도체 발광소자를 나타내는 간략도를 나타낸 것이고, 도 3과 4는 도 1의 반도체 소자에 따른 전기 회로도를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따르는 고전압 구동 반도체 발광소자를 제조하는 방법은, 도전성 기판(510)을 준비하는 단계; 상기 도전성 기판(510) 상에 제1 도전형으로 도핑된 하부 반도체층(550)을 성장시키는 단계; 상기 하부 반도체층(550) 상에 제1 활성영역(560)을 성장시키는 단계; 상기 제1 활성영역(560) 상에 제1 전압 강하층(570)을 성장시키는 단계; 상기 제1 전압 강하층(570) 상에 제2 활성영역(562)을 성장시키는 단계; 상기 제2 활성영역(562) 상에 제2 전압 강하층(572)를 성장시키는 단계; 상기 제2 전압 강하층(572) 상에 제3 활성영역(564)을 성장시키는 단계; 상기 제3 활성영역(564) 상에 상부 반도체층(552)를 성장시키는 단계; 상기 도전성 기판(510) 및 상기 상부 반도체층(552)에 각각 하부 전극(580) 및 상부 전극(582)를 형성하는 단계; 를 포함한다.
상기의 제조방법에서, 상기 도전성 기판은 제1 도핑된 GaAs, Si, SiC 이 선택될 수 있으며, 본 발명의 적색 발광소자 에피층과의 격자정합을 고려하여 상기 도전성 기판 중 GaAs가 바람직하며, 격자정합되지 않은 헤테로 성장에 있어서는 버퍼층을(530)을 도전성 기판 상에 형성하고, 상기 버퍼층 상에 하부 반도체층(550)을 성장시킬 수도 있다.
상기 하부 반도체층(550) 및 상부 반도체층(552)으로는 서로 반대 타입으로 도핑된 GaAs계 또는 AlGaInP계 클래드층이 선택될 수 있으나, 하부 반도체층(550)으로는 제1 도핑된 (AlxGa1 -x)0.5In0 .5P, 상부 반도체층(552)으로는 제2 도핑된 (AlxGa1-x)0.5In0.5P 이 바람직하다.
상기 제1 활성영역(560), 제2 활성영역(562) 및 제3 활성영역(564)은 더블헤테로 구조(DH), 단일 양자우물 구조(SQW), 다중 양자우물 구조(MQW) 중 하나로 구성될 수 있으며 AlGaInP계 또는 GaAs계 물질로 구성될 수 있다. 상기 활성영역이 더블헤테로 구조인 경우에 제1 도핑된 (AlxGa1 -x)0.5In0 .5P 하부 반도체층(550)과 제2 도핑된 (AlxGa1 -x)0.5In0 .5P 상부 반도체층(552)의 Al 조성 x는, 0.5 ≤ x ≤ 1.0 의 범위를 갖고, 상기 제1 내지 제3의 활성영역(560, 562 , 564)는 Al 조성 x가, 0 ≤ x ≤ 0.45 의 범위를 갖는 (AlxGa1 -x)0.5In0 . 5P 으로 구성된다. 또한 양자 우물구조인 경우에는 Al 조성 x가, 0.5 ≤ x ≤ 1.0 인 (AlxGa1 -x)0.5In0 .5P 양자 장벽층과 Al 조성 x가, 0 ≤ x ≤ 0.45 인 (AlxGa1-x)0.5In0.5P 양자 우물층으로 구성될 수 있다.
각 활성영역 사이에 형성되는 전압 강하층은 인접한 두 활성영역을 독립적으로 분리시키기 위한 것으로, 상기 제1 전압 강하층(570) 및 제2 전압 강하층(572)은 전압 강하층의 적어도 일부가 비정질 또는 다결정으로 구성될 수 있으며, 각 전압 강하층은 전체 활성영역 중 어느 하나의 활성영역만을 활성화시키기에 충분한 인가전압 하에서는 전자 또는 정공이 이동할 수 없는 반도체층으로, 종래의 터널 방지층에 비해 얇은 3㎛ 이하의 두께를 가질 수 있고, 인접한 두 활성영역을 분리시키는 역할을 한다. 또한 상기 제2 전압 강하층(572)과 제1 전압 강하층(570)은 저항을 증가시키기 위하여 언도프되거나 n형 및 p형 도펀트가 모두 코도핑될 수 있고, 외부로부터의 고전압 인가에 의해 소자 상부 방향으로부터 PNPN 접합 또는 NPNP 접합의 직렬접합 및 활성영역 사이에 저항(R21, R22)이 형성되어 도 2 또는 도 3과 같은 전기 회로도로 표시될 수 있다.
통상의 발광소자는 활성영역이 PN 접합으로 발생되거나 상부 반도체층과 하부 반도체층 사이에 협지된 활성층을 포함하는 경우, 상부 및 하부 반도체층은 활성층으로 캐리어를 공급하여 공급된 캐리어들간의 재결합에 의하여 발광하게 된다. 이때 발생된 광은 활성층의 에너지 밴드갭이 E1(단위 eV)의 크기를 갖는 경우, 1,239.8nm/E1의 파장을 갖게 된다. 즉, 활성층의 에너지 밴드갭이 2eV인 경우, 1,239.8nm/2(eV)인 약 620nm의 적색 파장을 방출하게 된다. 또한 PN 접합에 의해 발생된 built-in 전위차를 상쇄시켜 캐리어가 이동 및 재결합하여 발광할 수 있게되므로, 발광소자가 동작하는 전압을 구동전압으로 정의하고 있으며, 발광소자의 구동전압은 통상적으로 활성층의 에너지 밴드 갭 크기(단위 eV)에 대응하는 전압(단위 V)를 구동전압으로 취급한다. 예를 들어 적색 발광하는 GaAs계 또는 AlGaAsP계 활성층의 에너지 밴드갭이 2eV인 경우, 2V의 구동전압 하에서 약 620nm의 적색 파장을 발생시키게 된다.
종래 발광소자는 주입되는 에너지 효율을 향상시키기 위하여 발광소자 내에서의 저저항화를 목적으로 설계되어진다. 풀컬러 구현을 위해 청색/녹색/적색의 3원색 LED 칩을 포함하는 디스플레이 장치에서는 전원 공급장치(SMPS)를 통하여 전압이 공급되고, 이때 에너지 밴드갭이 가장 큰 청색 LED 칩을 구동하기에 충분한 5V를 공급전압으로 설정할 수 있으므로, 이로인해 적색 LED 칩은 앞에서 논의된 2V의 구동전압 보다 큰 5V의 공급전압이 공급되어 약 3V의 과잉 전압이 발생하게 된다.
이러한 과잉 전압에 대응하기 위하여, 종래의 발광소자를 포함하는 패키지 또는 상기 패키지를 포함하는 PCB에서는 상기 과잉 전압을 소모(강하)시키기 위한 저항이 결합되고, 이로 인하여 패키지 내 LED 배치 효율 또는 PCB 설계 효율이 제약되는 문제점이 있었으나, 본 발명의 전압 강하층이 포함된 발광소자는 전압 강하층의 저항 성분으로 인접한 활성영역을 분리할 수 있고, 복수의 활성영역 구동에 대응되는 전압(예를 들어, 2개의 적색 활성영역인 경우에는 4V, 3의 적색 활성영역인 경우에는 6V)과 전압 강하층의 저항 및 발광소자 내부 저항에서 강하(소모)되는 전압의 합에 해당하는 고전압 인가가 가능하게 된다.
본 발명의 전압 강하층을 포함하는 고전압 구동 발광소자는 SMPS로부터 청색 LED 칩에 대응되는 5V 전원이 공급되는 경우에도, 적색 파장을 방출하는 제1 및 제2 활성영역을 구동하는 데에 각각 2V의 전압을 소모하고 나머지 1V의 과잉 전압이 전압 강하층 및 발광소자 내부 저항에서 소모될 수 있어, 별도의 외부 저항 없이도 간략하게 고전압 구동이 가능한 발광소자를 제공할 수 있게 된다. 이는 종래의 적색 발광소자에 SMPS로부터 5V 전원이 공급시에 오직 하나의 활성영역에서 2V의 구동전압이 이용되고 나머지 약 3V 전압이 불필요하게 외부 저항으로 통해 낭비되는 것을 획기적으로 개선한 것으로, 본 발명의 경우, 제1 활성영역을 구동하는 데 필요한 2V 이외의 3V 과잉 공급 전원 중 일부가 제2 활성영역을 구동하는데 이용되어, 고전압 대응뿐 아니라 광 출력을 증가시키는 현저한 효과를 제공하게 된다.
도 2 및 3은 도 1의 고전압 발광소자에 대응되는 전기 회로도로 고전압 공급전원에 대한 실시예에서의 회로도를 나타낸다. 도 2와 3에 나타난 바와 같이 3개의 직렬 다이오드를 갖는 회로의 구동에 있어서는 각각의 다이오드를 구동하는데 필요한 전압의 합계만큼의 인가 전압을 필요로 한다. 본 실시예와 같이 (AlxGa1-x)0.5In0.5P 적색 발광 다이오드의 구동전압은 대략 2V 이며, 도1 및 도2와 3에서와 같이 독립적인 3개의 활성영역이 포함된 발광소자에서는 각각의 발광 다이오드를 구동하기 위하여 2V × 3개인 6V의 구동전압 및 전압 강하층의 저항(R21, R22) 및 발광소자 내부 저항(R1)에서의 소모되는 전압을 필요로 한다.
본 발명 실시예의 상기 6V 이상의 적색 반도체 발광소자의 구동전압은 단일 칩 내에서 서로 독립적으로 직렬인 3개의 활성영역을 포함하는 반도체 발광소자를 구동하기 위한 전압으로, 이는 통상의 적색 발광소자의 구동 전압인 대략 2V에 비해 3배 이상 높은 고전압에 해당한다.
또한 본 발명의 고전압 구동 발도소자의 활성영역은 종래의 1개의 활성영역을 갖는 발광소자에 비교하여, 2개 이상의 활성영역 및 1개 이상의 전압 강하층을 포함하여 구성될 수 있으며, 활성영역 및 전압 강하층은 선택되는 인가전압에 대응하여 적절히 선택될 수 있는 것으로, 예를 들어 12V의 인가전압 하에서는 5개 내지 6개의 활성영역을 포함하는 고전압 구동 발광소자가 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 다른 실시예에서는 앞서 기술된 고전압 구동 반도체 발광소자 에피층이 성장된 도전성 기판이 제거되고, 상기 고전압 구동 반도체 발광소자의 에피층을 트렌스퍼 기판에 접합시킨 것으로, 상기 트렌스퍼 기판은 발생된 광을 트렌스퍼 기판을 통해서도 소자 외부로 방출시킬 수 있는 투명한 기판 또는 발생된 광을 반사시키고 발열 기능을 강화시킨 금속 기판 중 선택될 수 있다. 투명한 트렌스퍼 기판으로는 GaP, AlGaAs, AlGaInP, SiC, AlN, GaN 중에서 선택되거나 이들의 합성물질일 수 있고, 금속 기판은 Al, Ag, TiW, W, Mo, Ta, TaN, Cu 중 어느 하나의 원소를 포함하는 물질로 구성될 수 있다. 금속 기판이 선택된 경우, 연결층 내에는 접합층 뿐 아니라 반사층이 포함될 수 있다.
본 발명의 고전압 구동 반도체 발광소자는 패키징, 모듈 및 모듈들을 결합한 컬러 디스플레이에 응용될 수 있다. 특히 모듈의 공간 활용에 적합한 3 in 1 패키징의 경우 각각 하나의 적색, 녹색, 청색 칩이 하나의 패키징 속에 폭함되는 구조에 해당한다.
3 in 1 패키징에서 본 발명의 고전압 구동 적색 발광 칩을 사용함으로써, 하나의 적색 칩으로 여러 개의 적색 칩을 대체하여 패키징 공정을 간소화시킬 수 있고, 녹색 및 청색 칩에 보다 많은 패키징 공간을 제공할 수 있어, 패키징 작업 효율을 개선시킬 수 있다.
또한 3 in 1 패키징 또는 상기 패키징을 포함하는 PCB에서 과잉 공급 전원이 복수의 활성영역을 포함하는 하나의 적색 칩에서 구동 전압으로 이용되어, 통상의 단일 활성영역을 포함하는 적색 칩에 비하여 고휘도 구현이 가능할 뿐 아니라, 통상의 단일 활성영역을 포함하는 적색 칩에 과잉 전압이 인가되는 경우, 과잉 전압 소모를 위하여 적색 칩 외부에서 적색 칩과 결합되는 저항을 사용할 필요가 없어 패키지 또는 패키지를 포함하는 PCB의 구성이 간략해지고 공간 배치 활용에서 자유도가 증가되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 고전압 구동 반도체 발광소자를 포함한 패키징을 포함한 모듈, 디스플레이 장치에서는 고전압 인가가 가능하여, SMPS에서 각각의 모듈로 공급되는 배선 선택에 있어, 전압강하를 고려하여 짧고 두꺼운 종래 배선에 비해 상대적으로 더 길고 얇은 배선이 가능하여 설계의 자유도가 증가할 수 있게 된다.
또한 모듈 구동을 위한 PCB 설계에 있어서도, 고전압에 따른 저전류가 가능하여 PCB 내 배선패턴을 얇게 설계할 수 있게 되어, PCB 내 배선패턴 집적이 향상되어 PCB 사용량이 저감되고 간소화가 가능하게 된다.
다음은 도 4의 본 발명의 고전압 구동 적색 반도체 발광소자로 아래를 포함한다.
도전성 기판(510);
상기 도전성 기판(510) 상에 형성된 하부 반도체층(550);
상기 하부 반도체층(550) 상에 형성된 제1 활성영역(560);
상기 제1 활성영역(560) 상에 형성된 제1 전압 강하층(570);
상기 제1 전압 강하층(570) 상에 형성된 제2 활성영역(562);
상기 제2 활성영역(562) 상에 형성된 상부 반도체층(552);
상기 도전성 기판(510) 및 상기 상부 반도체층(552)에 각각 형성된 하부 전극(580) 및 상부 전극(582); 를 포함하는 반도체 발광소자로써,
상기 제1 ,제2 및 제3 활성영역(560)은 AlGaInP계 또는 GaAs계 물질로 구성될 수 있고, 바람직하게는 Al 조성 x가, 0 ≤ x ≤ 0.45 의 범위를 갖는 (AlxGa1 -x)0.5In0.5P 로 구성될 수 있고,
상기 제1 전압 강하층(570)은 전체 활성영역 중 어느 하나의 활성영역만을 활성화시키기에 충분한 인가전압 하에서는 전자 또는 정공이 이동할 수 없는 반도체층으로, 인접한 두 활성영역을 독립적으로 분리시키고,
상기 제1 전압 강하층(570)은 전압 강하층의 적어도 일부가 비정질 또는 다결정으로 구성될 수 있고,
또한 상기 제1 전압 강하층(570)은 언도프되거나 n형과 p형 도펀트가 모두 도핑되는 코도프될 수 있다.
또한 상기 제1 전압 강하층(570)은 3 마이크로 미터 이하의 두께를 가질 수 있다.
또한 상기 제1 전압 강하층(570)은 에너지 밴드 옵셋을 증가시켜 캐리어의 흐름을 방해할 수 있다.
또한 상기 제1 전압 강하층은 도 3에 개시된 발광소자 내에서 저항이 가장 큰 영역에 해당될 수 있다.
또한 상기 활성영역은 적색 광을 방출할 수 있다.
도 5 및 6는 도 4의 고전압 발광소자에 대응되는 전기 회로도이다.
발광소자의 내부 저항 R1은 전압 강하층을 제외한 발광소자 내부의 모든 저항 요소의 합으로 정의할 수 있고, 전압 강하층은 R2의 저항을 가져, 상기 발광소자는 총 R1+R2의 저항을 갖게 된다. 도 5 및 6에서와 동일한 파장, 예를 들어 적색 파장을 방출하는 2개의 독립적인 활성영역이 존재하고, 각각의 활성영역의 구동 전압이 V1이고, 외부 전원인 SMPS로부터 V인 전압이 인가되는 경우, V = (2×V1) + I(R1+R2)의 관계를 만족하고, 이때 I는 도 5 또는 6을 흐르는 전류이다.
3 in 1 패키지에 상기 도 4의 고전압 발광소자가 적색 칩으로 사용되고 SMPS로부터 5V의 전압이 인가되는 경우, 인가된 5V 전압은 각각 구동전압이 2V인 적색 칩을 구동시켜 4V의 전압이 소모되고 나머지 1V의 과잉 전압은 상기 전압 강하층과 발광소자 내부 저항으로부터 소모되어 고전압 구동이 가능한 패키지를 제공하게 된다. 이는 종래의 적색 발광소자에 SMPS로부터 5V 전원이 공급시에 오직 하나의 활성영역에서 2V의 구동전압이 이용되고 나머지 약 3V 전압이 불필요하게 외부 저항으로 통해 낭비되는 것을 획기적으로 개선한 것으로, 본 발명의 경우, 제1 활성영역을 구동하는 데 필요한 2V 이외의 3V 과잉 공급 전원 중 일부가 제2 활성영역을 구동하는데 이용되어, 고전압 대응뿐 아니라 광 출력을 증가시키는 현저한 효과를 제공하게 된다.
(실시예 1)
본 발명 따른 고전압 구동 반도체 발광소자는 아래를 포함한다.
도전성 기판(510);
상기 도전성 기판(510) 상에 형성된 하부 반도체층(550);
상기 하부 반도체층(550) 상에 형성된 n개의 활성영역과 상기 활성영역 사이에 협지되는 n-1개의 전압 강하층 (이때, n은 2 이상의 자연수);
마지막 n번째 활성영역 상에 형성된 상부 반도체층(552);
상기 도전성 기판(510) 및 상기 상부 반도체층(552)에 각각 형성된 하부 전극(580) 및 상부 전극(582); 를 포함하는 반도체 발광소자로써,
상기 n개의 활성영역은 AlGaInP계 또는 GaAs계 물질로 구성될 수 있고, 바람직하게는 Al 조성 x가, 0 ≤ x ≤ 0.45 의 범위를 갖는 (AlxGa1 -x)0.5In0 . 5P 로 구성될 수 있고,
상기 n-1개의 전압 강하층은 전압 강하층의 적어도 일부가 비정질 또는 다결정 반도체층으로 구성되어 인접한 활성영역을 분리시키는 고전압 구동 반도체 발광소자.
(실시예 2)
본 발명 따른 고전압 구동 반도체 발광소자는 아래를 포함한다.
도전성 기판(510);
상기 도전성 기판(510) 상에 형성된 하부 반도체층(550);
상기 하부 반도체층(550) 상에 형성된 n개의 활성영역과 상기 활성영역 사이에 협지되는 n-1개의 전압 강하층 (이때, n은 2 이상의 자연수);
마지막 n번째 활성영역 상에 형성된 상부 반도체층(552);
상기 도전성 기판(510) 및 상기 상부 반도체층(552)에 각각 형성된 하부 전극(580) 및 상부 전극(582); 를 포함하는 반도체 발광소자로써,
상기 n개의 활성영역은 AlGaInP계 또는 GaAs계 물질로 구성될 수 있고, 바람직하게는 Al 조성 x가, 0 ≤ x ≤ 0.45 의 범위를 갖는 (AlxGa1 -x)0.5In0 . 5P 로 구성될 수 있고,
상기 n-1개의 전압 강하층은 에너지 밴드 옵셋을 가져 캐리어 이동을 방해하는 고전압 구동 반도체 발광소자.
(실시예 3)
본 발명 따른 고전압 구동 반도체 발광소자는 아래를 포함한다.
도전성 기판(510);
상기 도전성 기판(510) 상에 형성된 하부 반도체층(550);
상기 하부 반도체층(550) 상에 형성된 n개의 활성영역과 상기 활성영역 사이에 협지되는 n-1개의 전압 강하층 (이때, n은 2 이상의 자연수);
마지막 n번째 활성영역 상에 형성된 상부 반도체층(552);
상기 도전성 기판(510) 및 상기 상부 반도체층(552)에 각각 형성된 하부 전극(580) 및 상부 전극(582); 를 포함하는 반도체 발광소자로써,
상기 n-1개의 전압 강하층은 각각 3 마이크로 미터 이하의 두께를 갖는 고전압 구동 반도체 발광소자.
(실시예 4)
본 발명 따른 고전압 구동 반도체 발광소자는 아래를 포함한다.
도전성 기판(510);
상기 도전성 기판(510) 상에 형성된 하부 반도체층(550);
상기 하부 반도체층(550) 상에 형성된 n개의 활성영역과 상기 활성영역 사이에 협지되는 n-1개의 전압 강하층 (이때, n은 2 이상의 자연수);
마지막 n번째 활성영역 상에 형성된 상부 반도체층(552);
상기 도전성 기판(510) 및 상기 상부 반도체층(552)에 각각 형성된 하부 전극(580) 및 상부 전극(582); 를 포함하는 반도체 발광소자로써,
상기 n개의 활성영역은 AlGaInP계 또는 GaAs계 물질로 구성될 수 있고, 바람직하게는 Al 조성 x가, 0 ≤ x ≤ 0.45 의 범위를 갖는 (AlxGa1 -x)0.5In0 . 5P 로 구성될 수 있고,
상기 n-1개의 전압 강하층은 상부 반도체층 및 하부 반도체층 중 도펀트 양이 더 적은 반도체층의 도펀트 량보다 적은 도펀트 량을 포함하거나 언도프될 수 있고, 또는 n형 도펀트와 p형 도펀트가 코도핑되는 고전압 구동 반도체 발광소자
(실시예 5)
본 발명 따른 고전압 구동 적색 반도체 발광소자는 아래를 포함한다.
도전성 기판(510);
상기 도전성 기판(510) 상에 형성된 하부 반도체층(550);
상기 하부 반도체층(550) 상에 형성된 n개의 활성영역과 상기 활성영역 사이에 협지되는 n-1개의 전압 강하층 (이때, n은 2 이상의 자연수);
마지막 n번째 활성영역 상에 형성된 상부 반도체층(552);
상기 도전성 기판(510) 및 상기 상부 반도체층(552)에 각각 형성된 하부 전극(580) 및 상부 전극(582); 를 포함하는 반도체 발광소자로써,
상기 각 활성영역의 구동전압이 V1인 경우, 상기 반도체 발광소자에 인가되는 전압의 크기가 V는 n×V1 보다 크고 (n+1)×V1 보다 작거나 같은, 고전압 구동 반도체 발광소자.
(실시예 6)
실시예 1 내지 5의 고전압 구동 반도체 발광소자는 적색 발광소자이고,
상기 적색 발광소자와 청색 발광소자 및 녹색 발광소자가 더 포함되는 3 in 1 형태인 고전압 구동 패키지;
상기 고전압 구동 패키지를 포함하는 고전압 구동 모듈;
상기 모듈에 전원 및 제어 신호을 인가하기 위한 배선, PCB, SMPS 및 제어장치; 를 포함하는, 컬러 디스플레이 장치.
이상에서 본 발명에 대하여 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다.
510 : 도전성 기판
530 : 버퍼층
550 : 하부 반도체층
552 : 상부 반도체층
560 : 제1 활성영역
562 : 제2 활성영역
564 : 제3 활성영역
570 : 제1 전압 강하층
572 : 제2 전압 강하층
580 : 하부 전극

Claims (12)

  1. 도전성 기판(510);
    상기 도전성 기판(510) 상에 형성된 하부 반도체층(550);
    상기 하부 반도체층(550) 상에 형성된 n개의 활성영역과 상기 활성영역 사이에 협지되는 n-1개의 전압 강하층 (이때, n은 2 이상의 자연수);
    마지막 n번째 활성영역 상에 형성된 상부 반도체층(552);
    상기 도전성 기판(510) 및 상기 상부 반도체층(552)에 각각 형성된 하부 전극(580) 및 상부 전극(582); 를 포함하는 반도체 발광소자로써,
    상기 각 활성영역의 구동전압이 V1인 경우, 상기 반도체 발광소자에 인가되는 전압의 크기가 V는 n×V1 보다 크고 (n+1)×V1 보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 고전압 구동 반도체 발광소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 전압 강하층은 전압 강하층의 적어도 일부가 비정질 또는 다결정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고전압 구동 반도체 발광소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 전압 강하층은 상부 반도체층 및 하부 반도체층 중 도펀트 량이 더 적은 반도체층의 도펀트 량보다 적은 도펀트 량을 포함하거나 언도프될 수 있고, 또는 n형 도펀트와 p형 도펀트가 코도핑되는 고전압 구동 반도체 발광소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 활성영역은 AlGaInP계 또는 GaAs계 물질로 구성되어 적색 광을 방출하는 고전압 구동 발광소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전압 강하층은 에너지 밴드 옵셋을 가져 캐리어 이동을 방해하는 고전압 구동 반도체 발광소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전압 강하층은 각각 3 마이크로 미터 이하의 두께를 갖는 고전압 구동 반도체 발광소자.
  7. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 하부 반도체층;
    상기 하부 반도체층 상에 형성된 2개의 활성영역과 상기 활성영역 사이에 협지되는 전압 강하층; 및
    상기 활성영역 상에 형성된 상부 반도체층; 을 포함하는 발광소자로써,
    상기 2개의 활성영역을 구동시키기 위해 공급되는 외부 전원은 1개의 활성영역을 구동시키는 구동전압의 적어도 2배 이상인 것을 특징으로 하는 고전압 구동 반도체 발광소자.
  8. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    상기 발광소자는 적색 광을 방출하는 것을 특징으로 하는 고전압 구동 가능한 반도체 발광소자.
  9. 제8항에서의 적색 고전압 구동 발광소자를 포함하는, 고전압 구동 패키지.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 패키지에는 청색 발광소자와 녹색 발광소자가 더 포함되어, 3 in 1 형태인 고전압 구동 패키지.
  11. 제10항에서의 고전압 구동 패키지를 포함하는, 고전압 구동 모듈.
  12. 제11항에서의 고전압 구동 모듈;
    상기 모듈에 전원 및 제어 신호을 인가하기 위한 배선, PCB, SMPS 및 제어장치; 를 포함하는, 컬러 디스플레이 장치.
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