KR20200034425A - 발광 소자 및 이를 포함하는 백라이트 유닛 - Google Patents

발광 소자 및 이를 포함하는 백라이트 유닛 Download PDF

Info

Publication number
KR20200034425A
KR20200034425A KR1020180114188A KR20180114188A KR20200034425A KR 20200034425 A KR20200034425 A KR 20200034425A KR 1020180114188 A KR1020180114188 A KR 1020180114188A KR 20180114188 A KR20180114188 A KR 20180114188A KR 20200034425 A KR20200034425 A KR 20200034425A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
substrate
light emitting
layer
semiconductor layer
light
Prior art date
Application number
KR1020180114188A
Other languages
English (en)
Inventor
허진우
채종현
조성룡
Original Assignee
서울바이오시스 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서울바이오시스 주식회사 filed Critical 서울바이오시스 주식회사
Priority to KR1020180114188A priority Critical patent/KR20200034425A/ko
Publication of KR20200034425A publication Critical patent/KR20200034425A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/20—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate
    • H01L33/22—Roughened surfaces, e.g. at the interface between epitaxial layers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0066—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form characterised by the light source being coupled to the light guide
    • G02B6/0073—Light emitting diode [LED]
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/1336—Illuminating devices
    • G02F1/133602—Direct backlight
    • G02F1/133603—Direct backlight with LEDs
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/005—Processes
    • H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
    • H01L33/0075—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds comprising nitride compounds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/10—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a light reflecting structure, e.g. semiconductor Bragg reflector
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/62—Arrangements for conducting electric current to or from the semiconductor body, e.g. lead-frames, wire-bonds or solder balls

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Led Devices (AREA)

Abstract

발광 소자 및 백라이트 유닛을 제공한다. 발광 소자는 일 면으로부터 내부로 연장하는 복수의 요철 패턴들을 갖는 기판, 및 기판의 일 면에서 기판의 가장자리를 노출시키며 배치되는 발광부를 포함하되, 요철 패턴들은 상기 발광부와 중첩되고 질화갈륨을 포함하는 제1 요철 패턴들과 기판의 가장자리에 형성되며 반사물질을 포함하는 제2 요철 패턴들을 포함한다.

Description

발광 소자 및 이를 포함하는 백라이트 유닛{LIGHT EMITTING DEVICE AND BACKLIGHT UNIT INCLUDING THE SAME}
본 발명은 발광 소자 및 백라이트 유닛에 관한 것으로, 보다 상세하게는 질화물계 발광 소자 및 이를 포함하는 백라이트 유닛에 관한 것이다.
발광 다이오드는 무기 광원으로서, 디스플레이 장치, 차량용 램프, 일반 조명과 같은 여러 분야에 다양하게 이용되고 있다. 발광 다이오드는 수명이 길고, 소비 전력이 낮으며, 응답속도가 빠른 장점이 있어 기존 광원을 빠르게 대체하고 있다.
현재, 복수의 LED 소자를 물리적으로 연결해 회로를 구성했던 기존 방식과 달리 하나의 LED 소자 내에 복수의 칩들을 직렬 연결하여 고전압에서 구동하는 LED 소자가 개발되고 있다.
본원 발명이 해결하고자 하는 과제는 균일한 휘도를 갖는 발광 소자 및 이를 포함하는 백라이트 유닛을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 실시예들에 따른 발광 소자는, 일 면으로부터 내부로 연장하는 복수의 요철 패턴들을 갖는 기판, 상기 기판의 일 면에서 상기 기판의 가장자리를 노출시키며 배치되는 발광부를 포함하되, 상기 요철 패턴들은 상기 발광부와 중첩되고 질화갈륨을 포함하는 제1 요철 패턴들과 상기 기판의 가장자리에 형성되며 반사물질을 포함하는 제2 요철 패턴들을 포함한다.
실시예들에 따르면, 상기 반사물질은 DBR(Distributed Bragg Reflector)를 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 제1 요철 패턴들 각각은 단결정 질화갈륨 및 다결정 질화갈륨 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 발광 소자는, 상기 기판 및 제1 요철 패턴들 사이에 배치되는 버퍼층을 더 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 제2 요철 패턴들 각각은 상기 제1 요철 패턴들의 질화갈륨을 더 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 제2 요철 패턴들 각각은 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화물을 더 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 요철 패턴들 각각은 상기 기판의 일 면에서 내부로 갈수록 작아지는 폭을 갖는 원뿔대 구조를 가질 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 요철 패턴들 각각은 상기 기판의 일 면에서 내부로 갈수록 작아지는 폭을 갖는 원뿔 구조를 가질 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 발광 소자는 150 내지 180도의 지향각을 가질 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 발광부는, 상기 기판의 가장자리를 노출시키는 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층의 가장자리를 노출시키는 활성층, 제2 도전형 반도체층, 및 오믹층을 포함하는 메사 구조물, 상기 제1 도전형 반도체층과 전기적으로 연결되는 제1 금속 패턴, 상기 오믹층과 전기적으로 연결되는 제2 금속 패턴, 및 상기 제1 및 제2 금속 패턴들을 덮으며 상기 기판의 가장자리로 연장하는 반사층을 포함하되, 상기 제2 요철 패턴들의 반사물질은 상기 반사층의 반사물질과 동일할 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 발광 소자는, 상기 기판의 일 면에 대향하는 타 면에 배치되는 반사층을 더 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 반사층은 금속, DBR, 또는 ODR(Omni-Directional Reflector)를 포함할 수 있다.
백라이트 유닛은, 실장 기판, 상기 실장 기판 상에 배치되는 발광 소자들, 및 상기 발광 소자들과 이격되어 배치되는 광변환 소자를 포함하되, 상기 발광 소자들은, 일 면으로부터 내부로 연장하는 복수의 요철 패턴들을 갖는 기판, 및 상기 기판의 일 면에서 상기 기판의 가장자리를 노출시키며 배치되는 발광부를 포함한다.
실시예들에 따르면, 상기 요철 패턴들은 상기 발광부와 중첩되고 질화갈륨을 포함하는 제1 요철 패턴들과 상기 기판의 가장자리에 형성되며 반사물질을 포함하는 제2 요철 패턴들을 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 광변환 소자와 상기 발광 소자들 사이 거리는, 상기 발광 소자들 각각의 두께의 3 내지 5배일 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 발광 소자들 사이 간격은, 상기 발광 소자의 폭의 20 내지 30배일 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 발광 소자들 각각은 150 내지 180도의 지향각을 가질 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 발광부는, 상기 기판의 가장자리를 노출시키는 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층의 가장자리를 노출시키는 활성층, 제2 도전형 반도체층, 및 오믹층을 포함하는 메사 구조물, 상기 제1 도전형 반도체층과 전기적으로 연결되는 제1 금속 패턴, 상기 오믹층과 전기적으로 연결되는 제2 금속 패턴, 및 상기 제1 및 제2 금속 패턴들을 덮으며 상기 기판의 가장자리로 연장하는 제1 반사층을 포함하되, 상기 제2 요철 패턴들의 반사물질은 상기 제1 반사층의 반사물질과 동일할 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 백라이트 유닛은, 상기 발광 소자는, 상기 기판의 일 면에 대향하는 타 면에 배치되는 제2 반사층을 더 포함할 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 백라이트 유닛은, 상기 실장 기판 상에서, 상기 발광 소자들 사이에 배치되는 반사층을 더 포함할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 발광 소자에서, 기판의 일 면에 제1 반사층과 일 면에 대향하는 타 면에 제2 반사층이 배치되고, 기판 내부로 연장되는 복수의 요철 패턴들을 포함하고, 발광부에 의해 중첩되는 요철 패턴은 질화갈륨을 포함하는 발광부에 의해 노출되는 요철 패턴은 반사물질을 포함함으로써, 기판의 표면으로부터 수직으로 발광하는 광의 양보다 수평으로 발광하는 광의 양이 많을 수 있다. 따라서, 균일한 휘도를 필요로 하는 백라이트 유닛에 사용되며 렌즈 없이 넓은 지향각을 가질 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 평면도이다.
도 1b는 도 1a의 발광 소자를 A-A'으로 절단한 단면도이다.
도 2a 내지 도 2c, 및 도 3a 내지 도 3c는 도 1b에 도시된 발광 소자의 요철 패턴의 구조를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 4a 내지 도 13a는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 평면도들이다.
도 4b 내지 도 13b는 도 4a 내지 도 13a의 발광 소자를 A-A'으로 절단한 단면도들이다.
도 14a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 평면도이다.
도 14b는 도 14a의 발광 소자를 A-A'으로 절단된 단면도이다.
도 15a 내지 도 19a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 평면도들이다.
도 15b 내지 19b는 도 15a 내지 도 19a의 발광 소자를 A-A'으로 절단한 단면도들이다.
도 20은 비교예 1 및 비교예 2의 발광부들에서 발생된 광의 수직 광량 및 수평 광량을 측정한 그래프이다.
도 21은 비교예 2와 실시예 1 내지 실시예 4의 발광부들에서 발생된 광의 수직 광량 및 수평 광량을 측정한 그래프이다.
도 22a은 본 발명의 일 실시예에 따른 백라이트 유닛을 설명하기 위한 평면도이다.
도 22b는 도 22a을 A-A'으로 절단한 단면도이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명한다. 그러나 본 발명은, 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러 가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에서 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 발광 소자를 상세히 설명한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 평면도이고, 도 1b는 도 1a의 발광 소자를 A-A'으로 절단한 단면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 발광 소자는 기판(100) 및 기판(100) 제1 면(102)에 배치되는 발광부를 포함할 수 있다.
기판(100)은 질화갈륨계 반도체층을 성장시킬 수 있는 기판(100)으로, 사파이어(Al2O3), 실리콘 카바이드(SiC), 질화갈륨(GaN), 질화인듐갈륨(InGaN), 질화알루미늄갈륨(AlGaN), 질화알미늄(AlN), 갈륨산화물(Ga2O3), 또는 실리콘(Si)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 기판(100)은 패터닝된 사파이어 기판(100)(patterned sapphire substrate)일 수 있다. 기판(100)은 발광부가 배치되는 제1 면(102)과, 제1 면(102)에 대향하는 제2 면(104)을 가질 수 있다. 기판(100)은 제1 면(102)으로부터 기판(100)의 내부로 연장하는 다수의 홀들(H1, H2)을 가질 수 있다. 복수의 홀들(H1, H2)은 규칙적으로 이격되어 배치될 수 있다. 일 예로, 제1 열의 홀들(H1, H2)이 이격되고, 제2 열의 홀들(H1, H2)이 제1 열의 홀들(H1, H2) 사이에 교차하며 배치될 수 있다. 예컨대, 서로 이웃하는 두 개의 제1 열의 홀들(H1, H2) 사이에 하나의 제2 열의 홀(H1, H2)이 배치될 수 있다. 제1 열 및 제2 열도 이격되어 배치될 수 있다. 이웃하는 두 개의 홀들(H1, H2) 사이 거리는 홀의 깊이의 0.7 내지 1.5배일 수 있다. 한편, 홀들(H1, H2)의 구조는 다양하며 홀들(H1, H2) 내부를 채우는 물질도 다양할 수 있으며, 이에 대한 설명은 후속하여 상세하게 하기로 한다.
기판(100)의 제1 면(102)은 발광부가 배치되는 제1 영역(AR1)과 제1 영역(AR1)을 제외한 제2 영역(AR2)을 포함할 수 있다. 일 예로, 발광부가 기판(100)의 중심 영역에 배치될 때, 기판(100)의 제1 영역(AR1)은 기판(100)의 중심 영역이고 기판(100)의 제2 영역(AR2)은 제1 영역(AR1)을 감싸는 기판(100)의 가장자리 영역일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 기판(100)에 형성된 홀들(H1, H2)은 제1 영역(AR1)에 형성된 제1 홀들(H1)과 제2 영역(AR2)에 형성된 제2 홀들(H2)을 포함할 수 있다.
기판(100)은 요철 패턴들(CP1, CP2)을 포함할 수 있다. 예컨대, 기판(100)은 제1 홀들(H1)을 채우는 제1 요철 패턴들(CP1)과 제2 홀들(H2)을 채우는 제2 요철 패턴들(CP2)을 포함할 수 있다. 제1 요철 패턴들(CP1)은 발광부에 의해 중첩될 수 있다. 제2 요철 패턴들(CP2) 각각은 발광부에 의해 노출될 수 있다.
기판(100)은 평면적 관점에서 직사각형 구조를 가지며, 기판(100)의 제1 면(102)에 상에 배치되는 발광부도 직사각형 구조를 가질 수 있다. 발광부가 기판(100)의 중심 영역(제1 영역, AR1)에 배치되는 경우, 발광부에 의해 노출되는 기판(100)의 가장자리 영역(제2 영역, AR2)이 노출될 수 있다.
발광부는 제1 도전형 반도체층(110), 활성층(112), 제2 도전형 반도체층(114), 오믹층(116), 및 제1 반사층(120)을 포함할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(110)은 n형 불순물, 예컨대 실리콘(Si)이 도핑된 질화갈륨계 반도체층일 수 있다. 제2 도전형 반도체층(114)은 p형 불순물, 예컨대 마그네슘(Mg)이 도핑된 질화갈륨계 반도체층일 수 있다. 이와는 다르게, 제1 도전형 반도체층(110)이 p형 반도체층이며, 제2 도전형 반도체층(114)이 n형 반도체층일 수 있다. 한편, 제1 도전형 반도체층(110) 및 제2 도전형 반도체층(114) 각각은 단일층일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다중층일 수도 있으며, 초격자층을 포함할 수도 있다. 활성층(112)은 다중양자우물구조(MQW, multi quantum well)을 포함할 수 있고, 원하는 피크 파장의 광을 방출하도록 그 조성비가 결정될 수 있다. 예를 들어, 활성층(112)은 UV 파장 대역의 피크 파장을 갖는 광 또는 청색 파장 대역의 피크 파장을 갖는 광을 방출할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 발광부는 제2 도전형 반도체층(114) 및 활성층(112)의 일부가 제거되어 제1 도전형 반도체층(110)의 가장자리가 노출된 메사(mesa) 구조를 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 기판(100)의 제1 영역(AR1)에 형성된 제1 홀들(H1)은 제1 도전형 반도체층(110)을 이루는 물질과 동일한 물질로 채워져 제1 요철 패턴들(CP1)을 형성할 수 있다. 일 예로, 제1 요철 패턴들(CP1) 각각을 채우는 제1 도전형 반도체층(110)은 단결정 질화갈륨(single crystalline GaN)을 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 기판(100) 및 제1 도전형 반도체층(110) 사이에 도펀트가 도핑되지 않은 반도체층(도시되지 않음)이 더 배치될 수 있다. 이 경우, 기판(100)의 제1 영역(AR1)에 형성된 제1 홀들(H1)의 적어도 일부는 도펀트가 도핑되지 않은 반도체층을 이루는 물질과 동일한 물질로 채워져 제1 요철 패턴들(CP1) 각각의 적어도 일부를 구성할 수 있다. 일 예로, 도펀트가 도핑되지 않은 반도체층은 기판(100)의 제1 홀들(H1)을 완전하게 매립하지 않아 제1 요철 패턴(CP1)의 일부를 구성할 수 있다. 다른 예로, 도펀트가 도핑되지 않은 반도체층은 기판(100)의 제1 홀들(H1)을 채워 제1 요철 패턴들(CP1)을 구성하고, 도펀트가 도핑되지 않은 반도체층은 기판(100)의 제1 면(102) 상부를 덮을 수도 있다. 한편, 제1 요철 패턴들(CP1)을 채우는 도펀트가 도핑되지 않는 반도체층은 단결정 질화갈륨을 포함할 수 있다. 또는 제1 요철 패턴들(CP1) 각각을 채우는 도펀트가 도핑되지 않은 반도체층은 단결정 질화갈륨 및 다결정 질화갈륨이 혼합된 상태일 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 기판(100) 및 제1 도전형 반도체층(110) 사이에 버퍼층(BFL, 도 5a 및 도 5b 참조)이 더 배치될 수 있다. 버퍼층(BFL)은 질화알루미늄(AlN)과 같은 물질을 포함할 수 있다. 이 경우, 기판(100)의 제1 영역(AR1)에 형성된 제1 홀들(H1)의 적어도 일부는 버퍼층(BFL)을 이루는 물질과 동일한 물질로 채워져 제1 요철 패턴들(CP1) 각각의 적어도 일부를 구성할 수 있다. 일 예로, 버퍼층(BFL)은 기판(100)의 제1 홀들(H1)을 매립하지 않으며, 기판(100)의 표면을 따라 연속적으로 일정한 두께를 가지며 형성되어, 제1 요철 패턴(CP1)의 일부를 구성할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 기판(100) 및 제1 도전형 반도체층(110) 사이에, 버퍼층(BFL, 도 5a 및 도 5b) 및 도펀트가 도핑되지 않은 반도체층이 더 배치될 수 있다. 이 경우, 기판(100)의 제1 홀들(H1)을 채우는 제1 요철 패턴들(CP1) 각각은 버퍼층(BFL) 및 도펀트가 도핑되지 않은 반도체층을 포함할 수 있다. 일 예로, 버퍼층이 기판(100)의 제1 홀들(H1)을 매립하지 않으며 기판(100)의 표면을 따라 연속적으로 일정한 두께를 가지며 형성되고 도펀트가 도핑되지 않은 반도체층이 버퍼층이 형성된 제1 홀들(H1)은 채우며 제1 요철 패턴들(CP1)을 형성할 수 있다. 또한, 도펀트가 도핑되지 않은 반도체층은 제1 기판(100)의 제1 면(102) 상부를 덮는 구조를 가질 수도 있다. 제1 홀들(H1)을 채우는 도펀트가 도핑되지 않은 반도체층은 단결정 질화갈륨 및/또는 다결정 질화갈륨을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 제1 홀들(H1)을 채우는 제1 요철 패턴들(CP1) 각각은 제1 도전형 반도체층(110) 사이에, 버퍼층(BFL, 도 5a 및 도 5b), 도펀트가 도핑되지 않은 반도체층, 및 제1 도전형 반도체층(110)을 포함할 수 있다. 일 예로, 버퍼층(BFL)이 기판(100)의 제1 홀들(H1)을 매립하지 않으며 기판(100) 표면을 따라 연속적으로 일정한 두께를 가지며 형성되고 도펀트가 도핑되지 않은 반도체층 및 제1 도전형 반도체층(110)이 버퍼층이 형성된 제1 홀들(H1)을 채우며 제1 요철 패턴들(CP1)을 형성할 수 있다. 제1 홀들(H1)을 채우는 도펀트가 도핑되지 않은 반도체층 및 제1 도전형 반도체층(110) 각각은 단결정 질화갈륨 및/또는 다결정 질화갈륨을 포함할 수 있다.
오믹층(116)은 제2 도전형 반도체층(114)과 전기적으로 접촉할 수 있다. 오믹층(116)은 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 ZnO(Zinc Oxide)와 같은 투명 산화물층(Transparent Conductive Oxide: TCO)이 사용될 수 있다.
발광부는, 메사 구조물(MS)에 의해 노출된 제1 도전형 반도체층(110) 상에 배치되어, 제1 도전형 반도체층(110)과 전기적으로 연결되는 제1 금속 패턴(MP1)과 오믹층(116) 상에 배치되어 오믹층(116)과 전기적으로 연결되는 제2 금속 패턴(MP2)을 더 포함할 수 있다. 제1 금속 패턴(MP1) 및 제2 금속 패턴(MP2) 각각은 Ni, Ti, Cr, Al, Au, 및 Ti으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 금속 패턴(MP1) 및 제2 금속 패턴(MP2) 각각은 다층 구조를 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 도 1a에 도시된 바와 같이 제2 금속 패턴(MP2)은 제1 금속 패턴(MP1) 방향으로 연장하는 제1 연장부(EP1)와, 제1 연장부(EP1)로부터 연장하며 제2 금속 패턴(MP2) 방향과 수직인 방향으로 연장하는 제2 연장부(EP2)를 포함할 수 있다. 일 예로, 제2 연장부(EP2)는 제1 금속 패턴(MP1) 방향으로 가장자리가 꺾인 구조를 가질 수 있다. 제1 연장부(EP1) 및 제2 연장부(EP2)를 포함하는 제2 금속 패턴(MP2)을 이용함으로써 발광부의 전류 스프레딩(current spreading) 특성을 향상시킬 수 있다.
제1 반사층(120)은 제1 금속 패턴(MP1), 제2 금속 패턴(MP2), 오믹층(116) 및 제1 도전형 반도체층(110)을 덮으며 배치될 수 있다. 제1 반사층(120)은 제1 금속 패턴(MP1) 및 제2 금속 패턴(MP2) 각각을 노출시키는 제1 비아 홀(VA1) 및 제2 비아 홀(VA2)을 가질 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제1 반사층(120)은 분사 브래그 반사층(Distributed Bragg Reflector: DBR)를 포함할 수 있다. 분사 브래그 반사층은 티탄 산화물층(TiO2) 및 실리콘 산화물층(SiO2)이 교번되어 적층된 구조로, 활성층(112)으로부터 발광되는 광의 종류에 따라 티탄 산화물층 및 실리콘 산화물층 각각의 두께 및 적층 수량이 변경되어, 활성층(112)에서 발생된 광이 제1 반사층(120)에 의해 기판(100) 방향으로 반사될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 반사층(120)은 제1 영역(AR1)의 오믹층(116) 및 제1 도전형 반도체층(110)을 덮고 연장되어 제2 영역(AR2)(즉, 기판(100)의 가장자리 영역)을 덮을 수 있다. 또한, 제1 반사층(120)은 기판(100)의 제2 영역(AR2)에 배치된 제2 홀들(H2)을 채울 수 있다. 따라서, 제2 홀들(H2)은 제1 반사층(120)을 이루는 물질, 예컨대 DBR과 동일한 물질로 채워져 제2 요철 패턴들(CP2)을 형성할 수 있다. 제2 요철 패턴들(CP2)은 제2 홀들(H2)을 매립하고 제1 반사층(120)과 연결되는 구조를 가질 수 있다. 다른 예에 따르면, 제2 요철 패턴들(CP2) 각각은 질화갈륨을 더 포함할 수 있다.
발광부는, 제1 비아 홀(VA1)에 의해 노출된 제1 금속 패턴(MP1)과 전기적으로 연결되는 제1 패드(PD1)와, 제2 비아 홀(VA2)에 의해 노출된 제2 금속 패턴(MP2)과 전기적으로 연결되는 제2 패드(PD2)를 더 포함할 수 있다. 제1 패드(PD1) 및 제2 패드(PD2) 각각은 Al, Ni, Ti, 및 Au으로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 패드(PD1) 및 제2 패드(PD2) 각각은 다층 구조를 가질 수 있다.
발광부는, 기판(100)의 제2 면(104) 배치되는 제2 반사층(130)을 더 포함할 수 있다. 제2 반사층(130)은 Ag 또는 Al과 같은 금속을 포함하거나, DBR 또는 ODR(Omni-Directional Reflector)를 포함할 수 있다.
제2 반사층(130)에 의해 활성층(112)으로부터 발생된 광은 기판(100)의 제1 면(102) 방향으로 반사될 수 있다. 전술한 바와 같이 활성층(112)에서 발생된 광은 제1 반사층(120)에 의해 기판(100) 방향으로 반사되고 제2 반사층(130)에 의해 기판(100)의 제1 면(102) 방향으로 반사될 수 있다. 따라서, 활성층(112)에서 발생된 광은 기판(100) 방향으로 모이게 되며, 기판(100)의 제1 면(102)에 인접하게 형성된 요철 패턴들에 의해 광이 산란 또는 굴절되어 기판(100)의 양측면 방향으로 출광할 수 있다. 예컨대, 발광 소자는 150 내지 180도의 지향각을 가질 수 있다. 150 내지 180도의 지향을 갖는 발광 소자들은 균일한 휘도를 필요로 하는 백라이트 유닛(Back Light Unit: BLU)에 사용될 수 있다.
이하, 홀들(H1, H2)의 구조에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 홀들(H1, H2)의 구조를 설명하기 위하여, 홀들(H1, H2) 각각을 제1 도전형 반도체층(110)을 이루는 물질, 예컨대 질화갈륨으로 채워 형성된 제1 요철 패턴(CP1) 구조를 예시적으로 설명하기로 한다.
도 2a 내지 도 2c, 및 도 3a 내지 도 3c는 도 1b에 도시된 발광 소자의 요철 패턴의 구조를 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2a 내지 도2c를 참조하면, 요철 패턴은 기판(100)의 제1 면(102)으로부터 기판(100) 내부로 연장되며, 기판(100) 내부로 갈수록 좁아지는 폭을 갖는 원뿔대(truncated cone) 구조를 가질 수 있다. 요철 패턴은 사다리꼴 단면 구조를 가질 수 있다.
요철 패턴은 기판(100)의 제1 면(102)과 동일 평면의 제1 변(LN1), 제1 변(LN1)에 대향하는 제2 변(LN2), 제1 변(LN1) 및 제2 변(LN2) 사이에 마주하는 제3 변(LN3), 및 제4 변(LN4)을 가질 수 있다. 제1 변(LN1)의 길이가 제2 변(LN2)의 길이보다 클 수 있다. 또한, 제1 변(LN1) 및 제3 변(LN3)(또는 제4 변, LN4) 사이의 각도, 즉 측면 각도(θ)는 70 내지 80도일 수 있다.
도 2a를 참조하면, 제3 변(LN3) 및 제4 변(LN4)은 직선일 수 있다.
도 2b를 참조하면, 제3 변(LN3) 및 제4 변(LN4)은 외측으로 볼록한 곡선 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 측면 각도(θ)는 제1 변(LN1)과 제3 변(LN3)이 만나는 꼭지점과 제2 변(LN2)과 제3 변(LN3)이 만나는 꼭지점 사이를 연결하는 가상의 직선(VLN)과 제1 변(LN1) 사이의 각도일 수 있다.
곡면의 측면을 갖는 요철 패턴일 경우, 측면 각도(θ)를 하기의 식 1을 이용하여 계산될 수 있다.
식 1
Y=k/(x-a)+b
식 1에서, Y는 요철 패턴의 측면 각도이고, a는 하기의 식 2에의해 계산되고, b는 하기의 식 3에 의해 계산되며, k는 식 4에 의해 계산될 수 있다.
식 2
a= (Rt-Rm)/(Rb+Rt-2Rm)*H
식 3
b= (2Rt*Rb-Rm*Rt-Rm*Rb)/(Rb+Rt-2Rm)
식 4
k= (b-Rb)*a
식 2 내지 식 4에서, Rt는 요철 패턴의 최단 반지름이고, Rb는 요철 패턴의 최장 반지름이고, H는 요철 패턴의 높이고, Rm은 요철 패턴의 H/2 높이에서의 반지름이다.
도 2c를 참조하면, 요철 패턴은 제3 변(LN3) 및 제4 변(LN4)이 내측으로 오목한 곡선을 가질 수 있다. 이 경우, 측면 각도(θ)는 제1 변(LN1)과 제3 변(LN3)이 만나는 꼭지점과 제2 변(LN2)과 제3 변(LN3)이 만나는 꼭지점 사이를 연결하는 가상의 직선(VLN)과 제1 변(LN1) 사이의 각도일 수 있다. 곡면의 측면을 갖는 요철 패턴일 경우, 측면 각도(θ)를 상기의 식 1을 이용하여 계산될 수 있다.
도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 요철 패턴은 기판(100)의 제1 면(102)으로부터 기판(100)의 내부로 연장하며, 기판(100) 내부로 갈수록 좁아지는 폭을 갖는 원뿔 구조를 가질 수 있다. 요철 패턴은 삼각형의 단면 구조를 가질 수 있다.
요철 패턴은 기판(100)의 제1 면(102)과 동일 평면에 배치되는 제1 변(LN1)과 기판(100)의 내부에서 제1 변(LN1)과 마주하는 꼭지점으로 수렴하는 제2 변(LN2) 및 제3 변(LN3)을 포함할 수 있다.
요철 패턴에서 제1 변(LN1) 및 제2 변(LN2)(또는 제3 변, LN3) 사이의 각도, 즉 측변 각도(θ)는 40 내지 70도일 수 있다.
도 3a를 참조하면, 제2 변(LN2) 및 제3 변(LN3)은 직선일 수 있다.
도 3b를 참조하면, 제2 변(LN2) 및 제3 변(LN3)은 외측으로 볼록한 곡선 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 측면 각도(θ)는 제1 변(LN1)과 제2 변(LN2)이 만나는 꼭지점과 제2 변(LN2)과 제3 변(LN3)이 만나는 꼭지점 사이를 연결하는 가상의 직선(VLN)과 제1 변(LN1) 사이의 각도일 수 있다.
도 3c를 참조하면, 제2 변(LN2) 및 제3 변(LN3)은 내측으로 오목한 곡선 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 측면 각도(θ)는 제1 변(LN1)과 제2 변(LN2)이 만나는 꼭지점과 제2 변(LN2)과 제3 변(LN3)이 만나는 꼭지점 사이를 연결하는 가상의 직선(VLN)과 제1 변(LN1) 사이의 각도일 수 있다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 활성층(112)에서 발생된 광은 제1 반사층(120) 및 제2 반사층(130)에 의해 기판(100) 방향으로 반사되고, 기판(100)으로 반사된 광은 복수의 요철 패턴들(CP1, CP2)을 통해 산란 및 난반사되어 기판(100)의 양측면으로 출광되는 광의 양을 증가시킬 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예들에 따른 요철 패턴들 각각은 기판(100)의 제1 면(102)으로부터 내부로 연장하며, 사파이어가 아닌 질화갈륨을 포함함으로써, 기판(100)의 제1 면(102)에 대하여 수직 방향으로 출광하는 광의 양보다 수평 방향으로 출광하는 광의 양이 많을 수 있다.
제1 반사층(120), 제2 반사층(130), 및 기판(100)에 형성된 요철 패턴들(CP1, CP2)에 의해 활성층(112)에서 발생된 광은 150 내지 180도의 지향각을 가질 수 있다. 이처럼 넓은 지향각을 갖는 발광 소자들은 균일한 휘도를 갖는 모듈 예를 들면, 백라이트 유닛 모듈에 사용될 수 있다.
그리고, 렌즈 없이 목적하는 지향각 예를 들면, 150 내지 180도로 광을 출광시킬 수 있어, 더 경박한 발광 소자를 제공할 수 있다.
도 4a 내지 도 13a는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 평면도들이고, 도 4b 내지 도 13b는 도 4a 내지 도 13a의 발광 소자를 A-A'으로 절단한 단면도들이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 기판(100)을 식각하여 복수의 홀들(H1, H2)을 형성할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 기판(100)은 사파이어를 포함할 수 있다. 기판(100)은 후속하여 발광부가 배치되는 제1 영역(AR1)과, 발광부가 배치되지 않는 제2 영역(AR2)을 포함할 수 있다. 일 예로, 제2 영역(AR2)은 제1 영역(AR1)을 감싸는 구조를 가질 수 있다.
사파이어 기판(100) 상에 마스크 패턴(도시되지 않음)을 형성하고 마스크 패턴을 식각 마스크로 사용하여 기판(100)을 식각하여, 제1 면(102)의 표면으로부터 기판(100) 내부로 연장된 복수의 홀들(H1, H2)을 형성할 수 있다. 식각 공정은 건식 식각 및 습식 식각 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
일 예로, 복수의 홀들(H1, H2) 각각은 기판(100)의 내부로 갈수록 폭이 좁아지는 원뿔대 구조를 가질 수 있다. 다른 예로, 복수의 홀들(H1, H2) 각각은 기판(100)의 내부로 갈수록 폭이 좁아지는 원뿔 구조를 가질 수 있다.
또한, 복수의 홀들(H1, H2)은 서로 등간격 이격될 수 있다. 예를 들면, 제1 열의 복수의 홀들(H1, H2)이 서로 이격되어 배치되고, 제2 열의 복수의 홀들(H1, H2)이 제1 열의 복수의 홀들(H1, H2)과 서로 이격되어 배치될 수 있다. 이웃하는 제1 열의 복수의 홀들(H1, H2) 사이에 하나의 제2 열의 홀(H1, H2)이 배치될 수 있다.
일 예로, 복수의 홀들(H1, H2)은 제1 영역(AR1)에 형성된 제1 홀들(H1) 및 제2 영역(AR2)에 형성된 제2 홀들(H2)을 포함할 수 있다.
홀들(H1, H2)을 형성한 후, 마스크 패턴은 제거될 수 있다.
도 5a, 도 5b, 도 6a, 및 도 6b를 참조하면, 홀들(H1, H2)이 형성된 기판(100)의 제1 면(102) 상에 제1 요철 패턴들(CP1)을 형성할 수 있다. 제1 요철 패턴들(CP1)은 질화갈륨(GaN) 또는 질화알루미늄(AlN)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 홀들(H1, H2)이 형성된 기판(100)의 제1 면(102) 상에 동일한 두께를 갖도록 연속적으로 제1 요철 패턴들(CP1)을 스퍼터링(sputtering) 공정을 이용하여 형성할 수 있다. 제1 요철 패턴(CP1)은 홀들(H1, H2)을 완전하게 매립하지 않을 수 있다.
다른 실시예에서, 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 기판(100)에 형성된 제1 홀들(H1) 및 제2 홀들(H2) 내부를 채우는 제1 요철 패턴들(CP1)을 형성할 수 있다. 일 예로, 제1 홀들(H1) 및 제2 홀들(H2)이 형성된 기판(100)으로 스퍼터링 공정을 이용하여 질화갈륨 또는 질화알루미늄을 채워 제1 요철 패턴들(CP1)을 형성할 수 있다. 일 예로, 질화갈륨은 제1 홀들(H1) 및 제2 홀들(H2)을 완전하게 매립하지 않을 수 있다. 즉, 제1 홀들(H1) 및 제2 홀들(H2)의 적어도 일부를 채워 제1 요철 패턴들(CP1)을 형성할 수 있다. 다른 예로, 질화갈륨은 제1 홀들(H1) 및 제2 홀들(H2)을 완전하게 매립할 수 있다.
도 5a, 도 5b, 도 6a, 및 도 6b을 참조하면, 제1 요철 패턴들(CP1)은 사파이어 기판(100)과 후속하여 형성되는 질화갈륨 사이의 격자 구조 차이에 의한 스트레스를 감소시키는 버퍼(buffer)로 기능할 수 있다.
또한, 제1 요철 패턴들(CP1)의 질화갈륨은 다결정 및/또는 단결정일 수 있다. 후속하여 설명되겠지만, 제1 요철 패턴들(CP1)내 질화갈륨은 결정화(crystalized)될 수 있다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 제1 요철 패턴들(CP1)이 형성된 기판(100) 상에 제1 도전형 반도체층(110), 활성층(112), 및 제2 도전형 반도체층(114)을 금속유기화학기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition: MOCVD) 또는 분자선 증착법(Molecular Beam Epitaxy: MBE) 등의 공정을 통해 차례로 성장시킬 수 있다.
제1 도전형 반도체층(110)은 실리콘이 도핑된 질화갈륨을 포함하고 제2 도전형 반도체층(114)은 마그네슘이 도핑된 질화갈륨을 포함하며, 활성층(112)은 MQW를 포함할 수 있다.
도 6a 및 도 6b에서 제1 홀들(H1) 및 제2 홀들(H2)이 스퍼터링 공정을 이용하여 형성된 질화갈륨이 완전하게 채워지지 않는 경우, 제1 홀들(H1) 및 제2 홀들(H2)은 제1 도전형 반도체층(110)이 채워질 수 있다. 이 경우, 채워지는 제1 도전형 반도체층(110)은 도펀트가 도핑되지 않은 질화갈륨층을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 도전형 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형 반도체층 각각은 1,000 내지 1,100℃의 고온에서 성장되는데, 이 동안 제1 요철 패턴들은 결정화될 수 있다. 예컨대, 다결정의 질화갈륨은 단결정의 질화갈륨으로 결정화될 수 있다.
이어서, 제2 도전형 반도체층(114) 상에 오믹층(116)을 화학기상증착(Chemical Vapor Deposition: CVD) 공정을 이용하여 형성할 수 있다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 오믹층(116), 제2 도전형 반도체층(114), 활성층(112), 및 제1 도전형 반도체층(110)을 식각하여 기판(100)의 가장자리를 노출시킬 수 있다.
일 예로, 오믹층(116) 상에 마스크 패턴(도시되지 않음)을 형성하고, 마스크 패턴을 식각 마스크로 사용하여 오믹층(116), 제2 도전형 반도체층(114), 활성층(112), 및 제1 도전형 반도체층(110)을 식각하여, 기판(100)의 가장자리 영역을 노출시킬 수 있다. 식각 공정 후, 마스크 패턴을 제거할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 노출된 기판(100)의 가장자리, 즉 기판(100)의 제2 영역(AR2)에 형성된 제1 요철 패턴들(CP1) 각각은 식각 공정에 의해, 적어도 일부가 제거되어 제2 홀들(H2)의 적어도 일부가 노출될 수 있다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 오믹층(116), 제2 도전형 반도체층(114), 및 활성층(112)을 식각하여 제1 도전형 반도체층(110)의 가장자리를 노출시키는 메사 구조물(MS)을 형성할 수 있다. 메사 구조물(MS)을 형성한 후, 리플로우(reflow) 공정을 통해 메사 구조물(MS)은 경사진 측면을 가질 수 있다.
일 예로, 노출된 기판(100)의 제2 영역(AR2)에 형성된 잔류하는 제1 요철 패턴들(CP1) 각각은 식각 공정에 의해, 적어도 일부가 제거되어 제2 홀들(H2)의 적어도 일부가 노출될 수 있다.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, 메사 구조물(MS)에 의해 노출된 제1 도전형 반도체층(110)과 전기적으로 연결되는 제1 금속 패턴(MP1)과, 오믹층(116)과 전기적으로 연결되는 제2 금속 패턴(MP2)을 형성할 수 있다.
제1 금속 패턴(MP1) 및 제2 금속 패턴(MP2)은 도시된 바와 같이 다층 구조를 가질 수 있다. 제1 금속 패턴(MP1) 및 제2 금속 패턴(MP2)은 Ni, Ti, Cr, Al, Au, 및 Ti으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 제1 금속 패턴(MP1) 및 제2 금속 패턴(MP2) 상에 제1 도전형 반도체층(110) 및 메사 구조물(MS)을 덮으며, 기판(100)의 가장자리로 연장되는 제1 반사층(120)을 형성할 수 있다. 제1 반사층(120)은 SiO2/TiO2가 교번 적층된 DBR를 가질 수 있다. 예컨대, 제1 반사층(120)은 SiO2/TiO2가 20 내지 28회 교번되어 적층될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 반사층(120)은, 기판(100)의 제2 영역(AR2)에 형성되고 제1 요철 패턴들(CP1)의 적어도 일부가 제거된 제2 홀들(H2)을 채워 제2 요철 패턴들(CP2)을 형성할 수 있다.
일 예로, 기판(100)의 제2 영역(AR2)에 의해 노출된 제2 홀들(H2) 내 제1 요철 패턴들(CP1)이 완전하게 제거되지 않는 경우, 제2 요철 패턴들(CP2) 각각의 적어도 일부는 질화갈륨을 포함할 수 있다.
도 12a 및 도 12b를 참조하면, 제1 반사층(120)을 식각하여, 제1 금속 패턴(MP1) 및 제2 금속 패턴(MP2)을 각각 노출시키는 제1 비아 홀(VA1) 및 제2 비아 홀(VA2)을 형성할 수 있다.
도 13a 및 도 13b를 참조하면, 제1 비아 홀(VA1) 및 제2 비아 홀(VA2)을 매립하여, 제1 금속 패턴(MP1) 및 제2 금속 패턴(MP2)과 전기적으로 연결되는 제1 패드(PD1) 및 제2 패드(PD2)를 각각 형성할 수 있다. 일 예로, 제1 패드(PD1) 및 제2 패드(PD2)는 Au, Ti, Al, 및 Pt으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다시 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 기판(100)의 제2 면(104)에 제2 반사층(130)을 형성할 수 있다. 제2 반사층(130)은 SiO2/TiO2가 교번 적층된 구조의 DBR, 또는 Ag, Al, Cr 등을 포함하는 금속, 또는 ODR를 가질 수 있다.
이와 같이, 제1 반사층(120)이 기판(100)의 제1 면(102) 상에 배치되고, 제2 반사층(130)은 기판(100)의 제2 면(104) 상에 배치되어, 활성층(112)에서 발생된 광이 기판(100) 방향으로 반사될 수 있다. 반사되어 모이게 된 광은 질화갈륨을 포함하는 제1 요철 패턴들(CP1)과, 반사물질을 포함하는 제2 요철 패턴들(CP2)에 의해 기판(100)의 측면을 통해 외부로 방출될 수 있다.
도 14a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 평면도이고, 도 14b는 도 14a의 발광 소자를 A-A'으로 절단된 단면도이다.
도 14a 및 도 14b를 참조하면, 발광 소자는 기판(100) 상에 배치된 발광부를 포함할 수 있다.
기판(100)은 발광부가 배치되는 제1 면(102)과, 제1 면(102)에 대향하는 제2 면(104)을 포함할 수 있다. 기판(100)은 제1 면(102)에, 제1 면(102)으로부터 내부로 연장하는 요철 패턴들을 가질 수 있다. 기판(100) 및 요철 패턴들 각각은 도 1a, 도 1b, 도 2a 내지 도 2c, 및 도 3a 내지 도3c에서 설명된 것과 동일하여 상세한 설명을 생략하기로 한다.
발광부는 제1 도전형 반도체층(110), 활성층(112), 제2 도전형 반도체층(114), 오믹층(116), 제1 금속 패턴(MP1), 제2 금속 패턴(MP2), 제1 반사층(120), 및 제2 반사층(130)을 포함할 수 있다.
발광부는 기판(100)의 제1 면(102) 상에 배치되고, 기판(100)의 중심 영역(제1 영역(AR1))에 배치되고, 기판(100)의 가장자리 영역(제2 영역(AR2))을 노출시킬 수 있다. 일 예로, 제1 도전형 반도체층(110)은 기판(100)의 제2 영역(AR2)을 노출시킬 수 있다.
활성층(112), 제2 도전형 반도체층(114), 및 오믹층(116)은 제1 도전형 반도체층(110) 상에 배치되며, 제1 도전형 반도체층(110)의 가장자리를 노출시키도록 일부가 식각되어 메사 구조물(MS)을 형성할 수 있다. 일 예로, 메사 구조물(MS)은 경사진 측면을 가질 수 있다. 메사 구조물(MS)은 활성층(112), 제2 도전형 반도체층(114), 및 오믹층(116)을 관통하며 제1 도전형 반도체층(110)을 노출시키는 제1 비아 홀(VA1)을 포함할 수 있다. 제1 비아 홀(VA1)은 복수 개일 수 있으며, 본 실시예에서는 세 개의 제1 비아 홀들(VA1)을 예시적으로 도시하였으나, 본 발명에서 제1 비아 홀(VA1)의 개수를 이로 한정하지 않는다.
일 실시예에 따르면, 메사 구조물(MS)의 가장자리에, 메사 구조물(MS)의 내부로 들어간 오목부들(CC)이 형성될 수 있다. 오목부들(CC) 각각은 서로 동일한 구조 및 크기를 가질 수도 있고, 상이할 수도 있다. 본 실시예에서는 6개의 오목부들(CC)을 포함하나, 본 발명은 오목부들(CC)의 수량을 이로 한정하지는 않는다.
발광부는, 제1 도전형 반도체층(110) 및 메사 구조물(MS) 상부를 덮는 패시베이션막(PV)을 더 포함할 수 있다. 패시베이션막(PV)은 실리콘 산화물(SiO2) 또는 실리콘 질화물(SiN)을 포함할 수 있다. 패시베이션막(PV)은 제1 비아 홀(VA1)의 내측벽에 배치되며 메사 구조물(MS) 및 제1 도전형 반도체층(110) 각각의 표면으로 연장될 수 있다. 패시베이션막(PV)은 메사 구조물(MS)에 의해 노출된 제1 도전형 반도체층(110)의 일부를 노출시키는 제2 비아 홀(VA2)과, 메사 구조물(MS)의 오믹층(116)의 일부를 노출시키는 제3 비아 홀(VA3)을 가질 수 있다. 일 예로, 제2 비아 홀들(VA2)은 메사 구조물(MS)의 오목부들(CC)에 대응하는 위치의 제1 도전형 반도체층(110)을 노출시킬 수 있다.
제1 금속 패턴(MP1)은 패시베이션막(PV) 상에 배치되며, 제1 비아 홀들(VA1) 및 제2 비아 홀들(VA2)을 채우며, 제1 도전형 반도체층(110)과 전기적으로 연결될 수 있다. 평면적 관점에서, 제2 비아 홀들(VA2)이 메사 구조물(MS)의 오목부들(CC)에 배치됨으로써, 제1 금속 패턴(MP1)은 오목부들(CC)을 덮도록, 오목부들(CC)에 대응하는 위치에서 제1 금속 패턴(MP1)의 가장자리로부터 돌출된 볼록부들(CV)을 가질 수 있다.
제2 금속 패턴(MP2)은 제1 금속 패턴(MP1)과 이격되며, 패시베이션막(PV)의 제3 비아 홀들(VA3)을 채우며 오믹층(116)과 전기적으로 연결될 수 있다. 본 실시예에서는 세 개의 제3 비아 홀들(VA3)을 예시적으로 설명하나, 본 발명에서 제3 비아 홀들(VA3)의 수량을 이로 한정하지 않는다.
제1 반사층(120)은 제1 금속 패턴(MP1), 제2 금속 패턴(MP2), 및 패시베이션막(PV) 상에 배치될 수 있다. 제1 반사층(120)은 활성층(112)에서 발생된 광을 기판(100) 방향으로 반사시킬 수 있다. 제1 반사층(120)은 DBR를 포함할 수 있다.
발광부는, 제1 금속 패턴(MP1)과 전기적으로 연결되는 제1 패드(PD1) 및 제2 금속 패턴(MP2)과 전기적으로 연결되는 제2 패드(PD2)를 더 포함할 수 있다. 제1 패드(PD1)는 제1 반사층(120) 상에 배치되고 제1 콘택 패턴(CT1)을 통해 제1 금속 패턴(MP1)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 패드(PD2)는 제1 반사층(120) 상에 배치되고 제2 콘택 패턴(CT2)을 통해 제2 금속 패턴(MP2)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 패드(PD1) 및 제2 패드(PD2) 각각은 제1 패드(PD1) 및 제2 패드(PD2) 각각은 Al, Ni, Ti, 및 Au으로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제2 반사층(130)은 기판(100)의 제2 면(104)에 배치될 수 있다. 제2 반사층(130)은 제2 반사층(130)은 Ag 또는 Al과 같은 금속을 포함하거나, DBR 또는 ODR(Omni-Directional Reflector)를 포함할 수 있다.
이와 같이, 제1 반사층(120)이 기판(100)의 제1 면(102) 상에 배치되고, 제2 반사층(130)은 기판(100)의 제2 면(104) 상에 배치되어, 활성층(112)에서 발생된 광이 기판(100) 방향으로 반사될 수 있다. 반사되어 모이게 된 광은 질화갈륨을 포함하는 제1 요철 패턴들(CP1)과, 반사물질을 포함하는 제2 요철 패턴들(CP2)에 의해 기판(100)의 측면을 통해 외부로 방출될 수 있다.
도 15a 내지 도 19a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 평면도들이고, 도 15b 내지 19b는 도 15a 내지 도 19a의 발광 소자를 A-A'으로 절단한 단면도들이다.
도 15a 및 도 15b를 참조하면, 기판(100)의 제1 면(102)으로부터 내부로 연장하는 제1 요철 패턴들(CP1), 제1 도전형 반도체층(110), 활성층(112), 제2 도전형 반도체층(114), 및 오믹층(116)을 형성할 수 있다.
제1 요철 패턴들(CP1), 제1 도전형 반도체층(110), 활성층(112), 제2 도전형 반도체층(114), 및 오믹층(116)은 도 4a, 도 5a, 도 6a, 도 7a, 도 8a, 도 4b, 도 5b, 도 6b, 도 7b, 도 8b에서 설명된 것과 실질적으로 동일하여 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 도 8a 및 도 8b에서 설명된 바와 같이, 오믹층(116), 제2 도전형 반도체층(114), 활성층(112), 및 제1 도전형 반도체층(110)을 식각하여, 기판(100)의 가장자리 영역을 노출시킬 수 있다. 이 동안 기판(100)의 가장자리에 노출된 제1 요철 패턴들(CP1)의 적어도 일부가 제거되어 제2 홀들(H2)의 적어도 일부가 노출될 수 있다.
이어서, 오믹층(116), 제2 도전형 반도체층(114), 및 활성층(112)을 식각하여, 제1 도전형 반도체층(110)의 가장자리를 노출시키는 메사 구조물(MS)을 형성할 수 있다. 또한, 메사 구조물(MS)을 식각하여 기판(100)의 제1 영역(AR1)의 제1 도전형 반도체층(110)의 일부를 노출시키는 제1 비아 홀들(VA1)을 형성할 수 있다. 메사 구조물(MS)을 형성하는 공정과, 제1 비아 홀들(VA1)을 형성하는 공정은 동시에 수행될 수 있다.
도 16a 및 도 16b를 참조하면, 제1 도전형 반도체층(110) 및 메사 구조물(MS) 상에 연속적으로 패시베이션막(PV)을 형성할 수 있다. 패시베이션막(PV)은 제1 비아 홀(VA1)을 완전하게 매립하지 않고 연속적으로 일정한 두께를 가지며 형성될 수 있다. 일 예로, 패시베이션막(PV)은 실리콘 산화물(SiO2) 또는 실리콘 질화물(SiN)을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 패시베이션막(PV)은 제1 도전형 반도체층(110)에 의해 노출된 기판(100)의 가장자리까지 덮으며 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 도 15a 및 도 15b에서 설명된 바와 같이, 오믹층(116), 제2 도전형 반도체층(114), 활성층(112), 및 제1 도전형 반도체층(110)을 식각하는 동안 기판(100) 가장자리에 형성되었던 제1 요철 패턴들(CP1)의 적어도 일부가 식각되어 제2 홀들(H2)의 적어도 일부가 노출되는 경우, 패시베이션막(PV)이 제2 홀들(H2)의 적어도 일부를 채울 수 있다.
이어서, 패시베이션막(PV)을 식각하여, 메사 구조물(MS)의 제1 비아 홀들(VA1)의 저면의 제1 도전형 반도체층(110)을 노출시키고, 메사 구조물(MS)의 가장자리에 형성된 제1 도전형 반도체층(110)을 부분적으로 노출시키는 제2 비아 홀들(VA2) 및 오믹층(116)의 일부를 노출시키는 제3 비아 홀들(VA3)을 형성할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 패시베시션막을 식각하는 동안 기판(100)의 제2 영역(AR2)의 제2 홀들(H2)에 채워진 패시베이션막(PV)의 적어도 일부가 제거될 수 있다.
도 17a 및 도 17b를 참조하면, 제1 비아 홀들(VA1), 제2 비아 홀들(VA2), 및 제3 비아 홀들(VA3)이 형성된 패시베이션막(PV) 상에 제1 금속 패턴(MP1) 및 제2 금속 패턴(MP2)을 형성할 수 있다.
제1 비아 홀들(VA1) 및 제2 비아 홀들(VA2), 및 제3 비아 홀들(VA3)이 형성된 패시베이션막(PV) 상에 연속적으로 금속막(도시되지 않음)을 형성할 수 있다. 금속막은 Ni, Ti, Cr, Al, Au, 및 Ti으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
금속막을 식각하여 제1 비아 홀들(VA1)의 적어도 일부를 채우며 제1 비아 홀들(VA1) 저면에 노출된 제1 도전형 반도체층(110), 및 제2 비아 홀들(VA2)을 채우며 메사 구조물(MS)에 의해 노출된 제1 도전형 반도체층(110)과 전기적으로 연결되는 제1 금속 패턴(MP1)을 형성하고, 제3 비아 홀들(VA3)을 채우며 오믹층(116)과 전기적으로 연결되는 제2 금속 패턴(MP2)을 형성할 수 있다.
도 18a 및 도 18b를 참조하면, 제1 금속 패턴(MP1) 및 제2 금속 패턴(MP2)을 덮으며, 기판(100)의 제2 영역(AR2)으로 연장되는 제1 반사층(120)을 형성할 수 있다. 제1 반사층(120)은 SiO2/TiO2가 교번 적층된 구조의 DBR를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 반사층(120)이 형성되는 동안, 기판(100)의 제2 영역(AR2)에 형성된 제2 홀들(H2)이 제1 반사층(120)에 의해 채워져 제2 요철 패턴들(CP2)을 형성할 수 있다. 제2 요철 패턴들(CP2)은 DBR를 포함할 수 있다.
다른 예로, 기판(100)의 제2 영역(AR2)에 제2 홀들(H2) 내 제1 요철 패턴들(CP1)이 완전하게 제거되지 않은 경우, 제2 요철 패턴들(CP2) 각각의 적어도 일부는 질화갈륨을 포함할 수 있다.
또 다른 예로, 기판(100)의 가장자리에 의해 노출된 제2 홀들(H2) 내 패시베이션막(PV)이 완전하게 제거되지 않은 경우, 제2 요철 패턴들(CP2) 각각의 적어도 일부는 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.
도 19a 및 도 19b를 참조하면, 제1 반사층(120)을 식각하여, 제1 금속 패턴(MP1) 및 제2 금속 패턴(MP2)을 각각 노출시키는 제1 콘택 홀(CH1) 및 제2 콘택 홀(CH2)을 형성할 수 있다.
제1 반사층 상에 금속막을 형성하여, 제1 콘택 홀(CH1) 및 제2 콘택 홀(CH2)을 매립하는 제1 금속 패턴(MP1) 및 제2 금속 패턴(MP2) 각각과 전기적으로 연결되는 제1 콘택 패턴(CT1) 및 제2 콘택 패턴(CT2)을 각각 형성하고, 금속막을 식각하여, 제1 콘택 패턴(CT1) 및 제2 콘택 패턴(CT2)을 각각과 전기적으로 연결되는 제1 패드(PD1) 및 제2 패드(PD2)를 각각 형성할 수 있다. 일 예로, 제1 콘택 패턴(CT1), 제2 콘택 패턴(CT2), 제1 패드(PD1), 및 제2 패드(PD2)는 Au, Ti, Al, 및 Pt으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다시 도 14a 및 도 14b를 참조하면, 기판(100)의 제2 면(104)에 제2 반사층(130)을 형성할 수 있다. 제2 반사층(130)은 Ag 또는 Al과 같은 금속을 포함하거나, DBR 또는 ODR를 포함할 수 있다.
이와 같이, 제1 반사층(120)이 기판(100)의 제1 면(102) 상에 배치되고, 제2 반사층(130)은 기판(100)의 제2 면(104) 상에 배치되어, 활성층(112)에서 발생된 광이 기판(100) 방향으로 반사될 수 있다. 반사되어 기판(100)으로 조사된 광은 질화갈륨을 포함하는 제1 요철 패턴들(CP1)과, 반사물질을 포함하는 제2 요철 패턴들(CP2)에 의해 기판(100)의 측면을 통해 외부로 방출될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예들에 따른 요철 패턴들을 갖는 기판 및 반사층을 포함하는 발광부의 수직발광량에 대한 측면 발광량을 시뮬레이션을 통해 알아보기로 한다.
비교예 1
사파이어 기판에, 사파이어 기판의 제1 면으로부터 돌출된 원뿔 형태의 요철 패턴들을 형성한다. 요철 패턴들 각각은 사파이어를 포함한다. 요철 패턴의 피치(pitch)는 3.0um이고, 요철 패턴의 최대 지름은 2.8um이고, 요철 패턴의 높이는 1.8um이다.
요철 패턴이 형성된 사파이어 기판 제1 면 상에 GaN층을 성장한다. 사파이어 기판의 제1 면에 대향하는 제2 면에 Ag을 포함하는 반사막을 형성한다.
사파이어 기판이 접하는 면에 대향하는 GaN층 일 면에서 다이폴 광원(dipole light source)으로 광을 발광시켜 FDTD 시뮬레이션(Finite-Difference Time-Domain simulation)하여, 광원으로부터 발생된 광에서, 기판의 제1 면에 대하여 수직인 방향으로 방출되는 광의 양과 기판의 제1 면에 대하여 수평인 방향으로 방출되는 광의 양을 측정한다. 이때, Ag 반사막의 두께를 0, 50nm, 100nm, 150nm, 및 200nm로 변경하며 측정한다.
비교예 2
비교예 2의 발광부는 반사막을 Ag를 대신하여 DBR를 사용하는 것을 제외하고는 비교예 1의 발광부와 동일한 구조이며 동일한 방법으로 수직 광 및 수평 광을 측정한다. DBR은 사파이어 기판의 제2 면에서 SiO2 및 TiO2가 41회 교번되어 적층된다.
실시예 1
사파이어 기판에, 사파이어 기판의 제1 면으로부터 내부로 연장되며 내부로 갈수록 작은 폭을 갖는 원뿔대 형태의 요철 패턴들을 형성한다. 요철 패턴들 각각은 GaN으로 채워진다. 요철 패턴의 피치는 3.0um이고, 요철 패턴의 최소 지름은 0.95um이고, 요철 패턴의 최대 지름은 3.0um이고, 요철 패턴의 전체 높이의 1/2 지점에서의 지름이 1.6um이고, 요철 패턴의 높이는 1.76um이다. 또한 요철 패턴은 내측으로 들어간 곡면의 측벽을 갖는다.
요철 패턴의 제1 면 상에 GaN층을 성장한다. 사파이어 기판의 제1 면에 대향하는 제2 면에 DBR을 형성한다. DBR은 사파이어 기판의 제2 면에서 SiO2 및 TiO2가 41회 교번되어 적층된다. 사파이어 기판이 접하는 면에 대향하는 GaN층 일 면에서 다이폴 광원으로 광을 발광시켜, FDTD 시뮬레이션하여 광원으로부터 발생된 광에서, 기판의 제1 면에 대하여 수직인 방향으로 방출되는 광의 양과 기판의 제1 면에 대하여 수평인 방향으로 방출되는 광의 양을 측정한다.
실시예 2
실시예 2의 발광부는 요철 패턴들의 구조를 제외하고는 실시예 1과 동일한 구조이며 동일한 방법으로 수직 광 및 수평 광을 측정한다. 실시예 2의 요철 패턴들 각각은 원뿔대 형태를 가지며 직선의 측벽을 갖는다. 요철 패턴의 피치는 3.0um이고, 요철 패턴의 최소 지름은 1.2um이고, 요철 패턴의 최대 지름은 2.3um이고, 요철 패턴의 전체 높이는 2.0um이고, 요철 패턴은 75도의 측면 각도를 가질 수 있다.
실시예 3
실시예 3의 발광부는 요철 패턴들의 구조를 제외하고는 실시예 1과 동일한 구조이며 동일한 방법으로 수직 광 및 수평 광을 측정한다. 실시예 3의 요철 패턴들 각각은 원뿔대 형태를 가지며 직선의 측벽을 갖는다. 요철 패턴의 피치는 3.0um이고, 요철 패턴의 최소 지름은 1.3um이고, 요철 패턴의 최대 지름은 2.0um이고, 요철 패턴의 전체 높이는 1.2um이고, 요철 패턴은 74도의 측면 각도를 가질 수 있다.
실시예 4
실시예 4의 발광부는 요철 패턴들의 구조를 제외하고는 실시예 1과 동일한 구조이며 동일한 방법으로 수직 광 및 수평 광을 측정한다. 실시예 4의 요철 패턴들 각각은 원뿔 형태를 가지며 직선의 측벽을 갖는다. 요철 패턴의 피치는 3.0um이고, 요철 패턴의 최대 지름은 2.8um이고, 요철 패턴의 높이는 1.8um이고, 요철 패턴은 52도의 측면 각도를 갖는다.
이하, 비교예 1 및 2, 실시예 1 내지 4의 발광부들에 대한 수직 광량 및 수평 광량의 측정 결과에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 20은 비교예 1 및 비교예 2의 발광부들에서 발생된 광의 수직 광량 및 수평 광량을 측정한 그래프이다. 도 20의 그래프에서, x축은 반사막의 두께 및 종류를 나타내고, y축은 Ag 반사막의 두께에 따른 광량과 DBR 반사막의 광량 변화를 나타낸다. 광량은 전기장 제곱근의 절대값(
Figure pat00001
)으로 나타낸다.
도 20을 참조하면, 비교예 1에서 Ag 반사막의 두께를 0, 50nm, 100nm, 150nm, 및 200nm으로 증가시킬수록 수직 광량이 감소하는 것을 볼 수 있다. 특히, 100nm이상의 Ag 빈사막을 사용하는 경우, 수직 방향으로 출사되는 광의 양이 거의 없다는 것을 알 수 있다.
비교예 1에서 Ag의 두께가 증가하더라도 수평 광량은 증가 또는 감소하지 않는 것을 볼 수 있다. 한편, DBR를 반사막으로 사용하는 비교예 2에서는 수직 방향으로 출사되는 광의 양은 거의 없지만 수평 방향으로 출사되는 광의 양은 Ag 반사막에 비하여 크다는 것을 알 수 있다.
도 21는 비교예 2와 실시예 1 내지 실시예 4의 발광부들에서 발생된 광의 수직 광량 및 수평 광량을 측정한 그래프이다. 도 21의 그래프에서, y축은 광량을 나타낸다. 광량은 전기장 제곱근의 절대값(
Figure pat00002
)으로 나타낸다.
비교예 2와 실시예 1 내지 실시예 4의 발광부들 각각은 DBR 반사막을 사용한다. 비교예 2와 비교할 때 실시예 1 내지 4의 발광부들의 수평 광량이 매우 큰 것을 볼 수 있다. 이는, 비교예 2는 기판의 표면으로부터 돌출되고 그 내부가 사파이어로 채워진 것인 반면, 실시예 1 내지 4의 발광부들 각각은 기판의 내부로 연장되어 질화 갈륨으로 채워진 것으로, DBR 반사막에 의해 수평 광량이 증가한다기 보다는 요철 패턴의 구조 및 물질이 수평 광량을 좌우한다는 것을 알 수 있다.
도 21에서, 실시예 1, 실시예 2, 및 실시예 4를 비교할 때, 요철 패턴은 원뿔대 형태 또는 원뿔 형태 모두 높은 수평 광량을 나타낸다. 다만, 실시예 2 및 실시예 3에서 보는 바와 같이, 요철 패턴의 높이가 크면 수평 광량이 큰 것을 알 수 있다.
도 22a은 본 발명의 일 실시예에 따른 백라이트 유닛을 설명하기 위한 평면도이고, 도 22b는 도 22a을 A-A'으로 절단한 단면도이다.
도 22a 및 도 22b를 참조하면, 백라이트 유닛은, 실장 기판(MB), 실장 기판(MB) 일 면 배치되는 복수의 발광 소자들(LED), 발광 소자들(LED)과 이격되어 배치되는 광변환층(LCL) 및 광학시트(OTL)를 포함할 수 있다. 도 22a는 광변환층(LCL) 및 광학시트(OTL) 없이 실장 기판(MB) 상에 실장된 발광 소자들(LED)을 도시한다.
실장 기판(MB)에는 복수의 발광 소자들(LED) 각각과 전기적으로 연결되는 기판 패드들이 배치될 수 있다. 일 예로, 발광 소자(LED)의 제1 패드(PD1)는 제1 기판 패드(PD1_M)와 전기적으로 접촉하고, 제2 패드(PD2)는 제2 기판 패드(PD2_M)와 전기적으로 접촉하도록 발광 소자들(LED)은 실장 기판(MB) 상에 플립(filp) 구조로 실장될 수 있다. 실장 기판(MB) 상부에는 발광 소자들(LED)의 제2 반사층들(130)이 노출될 수 있다.
발광 소자(LED)는 도 1a, 도 1b, 도 2a 내지 도 2c, 및 도 3a 내지 도3c에서 설명된 것과 동일하여 상세한 설명을 생략하기로 한다.
광변환층(LCL)은 복수의 변환 필터들을 포함할 수 있다.
변환 필터들은 광변환층(LCL)으로 입사되는 광의 에너지에 따라 색상을 변환시키거나 그대로 투과시킬 수 있다. 광은 광변환층(LCL)에 의해 다양한 색의 광들로 변환되어 영상으로 구현될 수 있다.
변환 필터들은 복수의 광변환 입자들을 포함할 수 있다. 광변환 입자들 각각은 입사되는 광의 적어도 일부를 흡수하여 특정 색상을 지닌 광을 방출하거나, 그대로 투과시킬 수 있다. 변환 필터들로 입사되는 광이 광변환 입자를 여기시키기에 충분한 에너지를 가진 경우, 광변환 입자는 입사되는 광의 적어도 일부를 흡수하여 들뜬 상태가 된 후, 안정화되면서 특정 색상의 광을 방출할 수 있다. 이와 달리, 입사되는 광이 광변환 입자를 여기시키기에 불충분한 에너지를 가진 경우, 입사되는 광은 변환 필터들을 그대로 통과하여 외부에서 시인될 수 있다.
광변환 입자는 입자 크기에 따라 방사시키는 광의 색상이 결정될 수 있다. 대체적으로, 입자 크기가 클수록 긴 파장의 광이 생성되고, 입자 크기가 작을수록 짧은 파장의 광이 생성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 광변환 입자는 양자점(quantum dot, QD)일 수 있다.
다른 예에 따르면, 광변환층(LCL)은 형광체를 포함할 수 있다.
광학시트(OTL)는 백라이트 유닛은 광변환층 상에 배치될 수 있다. 예컨대, 광학시트(OTL)는 확산층, 프리즘층, 및 보호층 등을 포함할 수 있다.
실장 기판(MB)의 일 면에는 복수의 발광 소자들(LED)과 이격되도록 배치된 반사층(RFL)이 배치될 수 있다. 반사층(RFL)은 Ag, Al, 및 Cr과 같은 금속을 포함하거나 DBR를 포함할 수 있다. 실장 기판(MB)의 반사층(RFL)은 발광 소자들(LED)로부터 조사된 광을 광변환층(LCL)으로 반사시킬 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 따른 발광 소자들(LED)은 제1 반사층(120, 도 1a 및 도 1b 참조), 제2 반사층(130), 및 기판(100, 도 1a 및 도 1b 참조)의 요철 패턴들(CP1, CP2, 도 1a 및 도 1b 참조)에 의해 광이 150 내지 180도의 넓은 지향각으로 방출될 수 있다. 넓은 지향각을 갖기 때문에 발광 소자들(LED) 사이 피치가 넓어질 수 있다. 예컨대, 발광 소자들(LED) 각각이 일 폭(WD)을 갖는 경우, 발광 소자들(LED) 간 피치(PT)는 발광 소자(LED)의 폭(WD)의 20 내지 30배일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 발광 소자들(LED)은 제1 반사층(120), 제2 반사층(130), 및 기판(100)의 요철 패턴들(CP1, CP2)에 의해 수평 방향으로 출광하는 광의 양이 수직 방향으로 출광하는 광의 양보다 많아, 균일한 휘도를 가질 수 있다. 이렇게 균일한 휘도를 나타내는 광을 백라이트 유닛 모듈에 이용하기 위하여 발광 소자들(LED)과 광변환층(LCL) 사이를 이격시켜야 한다. 예를 들면, 발광 소자들(LED) 각각의 일 두께(TH)를 갖는 경우, 발광 소자(LED)의 상부면 즉, 제2 반사층(130) 표면으로부터 광변환층(CLC) 사이 거리(OD)는 발광 소자(LED)의 두께(TH)의 3 내지 5배일 수 있다.
발광 소자(LED)의 상부면과 광변환층(CLC) 사이의 거리가 발광 소자(LED)의 두께(TH)의 3 내지 5배이더라도, 본 발명의 실시예들에 따른 발광 소자들(LED) 각각은 광의 지향각을 조절하기 위한 렌즈가 필요하지 않기 때문에, 통상적으로 렌즈가 설치된 발광 소자들(LED)을 포함하는 백라이트 유닛보다 얇은 두께를 가질 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 기판
102: 기판의 제1 면
104: 기판의 제2 면
110: 제1 도전형 반도체층
112: 활성층
114: 제2 도전형 반도체층
116: 오믹층
120: 제1 반사층
130: 제2 반사층
AR1, AR2: 제1 영역 및 제2 영역
H1, H2: 제1 홀 및 제2 홀
CP1, CP2: 제1 요철 패턴, 제2 요철 패턴

Claims (20)

  1. 일 면으로부터 내부로 연장하는 복수의 요철 패턴들을 갖는 기판; 및
    상기 기판의 일 면에서 상기 기판의 가장자리를 노출시키며 배치되는 발광부를 포함하되,
    상기 요철 패턴들은 상기 발광부와 중첩되고 질화갈륨을 포함하는 제1 요철 패턴들과 상기 기판의 가장자리에 형성되며 반사물질을 포함하는 제2 요철 패턴들을 포함하는 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반사물질은 DBR(Distributed Bragg Reflector)를 포함하는 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 요철 패턴들 각각은 단결정 질화갈륨 및 다결정 질화갈륨 중 적어도 하나를 더 포함하는 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기판 및 제1 요철 패턴들 사이에 배치되는 버퍼층을 더 포함하는 발광 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 요철 패턴들 각각은 상기 제1 요철 패턴들의 질화갈륨을 더 포함하는 발광 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 요철 패턴들 각각은 실리콘 질화물 또는 실리콘 산화물을 더 포함하는 발광 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 요철 패턴들 각각은 상기 기판의 일 면에서 내부로 갈수록 작아지는 폭을 갖는 원뿔대 구조를 갖는 발광 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 요철 패턴들 각각은 상기 기판의 일 면에서 내부로 갈수록 작아지는 폭을 갖는 원뿔 구조를 갖는 발광 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 발광 소자는 150 내지 180도의 지향각을 갖는 발광 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 발광부는,
    상기 기판의 가장자리를 노출시키는 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층의 가장자리를 노출시키는 활성층, 제2 도전형 반도체층, 및 오믹층을 포함하는 메사 구조물;
    상기 제1 도전형 반도체층과 전기적으로 연결되는 제1 금속 패턴;
    상기 오믹층과 전기적으로 연결되는 제2 금속 패턴; 및
    상기 제1 및 제2 금속 패턴들을 덮으며 상기 기판의 가장자리로 연장하는 반사층을 포함하되,
    상기 제2 요철 패턴들의 반사물질은 상기 반사층의 반사물질과 동일한 발광 소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 일 면에 대향하는 타 면에 배치되는 반사층을 더 포함하는 발광 소자.
  12. 제12항에 있어서,
    상기 반사층은 금속, DBR, 또는 ODR(Omni-Directional Reflector)를 포함하는 발광 소자.
  13. 실장 기판;
    상기 실장 기판 상에 배치되는 발광 소자들; 및
    상기 발광 소자들과 이격되어 배치되는 광변환 소자를 포함하되,
    상기 발광 소자들은,
    일 면으로부터 내부로 연장하는 복수의 요철 패턴들을 갖는 기판; 및
    상기 기판의 일 면에서 상기 기판의 가장자리를 노출시키며 배치되는 발광부를 포함하는 백라이트 유닛(Back Light Unit: BLU).
  14. 제13항에 있어서,
    상기 요철 패턴들은 상기 발광부와 중첩되고 질화갈륨을 포함하는 제1 요철 패턴들과 상기 기판의 가장자리에 형성되며 반사물질을 포함하는 제2 요철 패턴들을 포함하는 백라이트 유닛.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 광변환 소자와 상기 발광 소자들 사이 거리는, 상기 발광 소자들 각각의 두께의 3 내지 5배인 발광 소자.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 발광 소자들 사이 간격은, 상기 발광 소자의 폭의 20 내지 30배인 발광 소자.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 발광 소자들 각각은 150 내지 180도의 지향각을 갖는 발광 소자.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 발광부는,
    상기 기판의 가장자리를 노출시키는 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층의 가장자리를 노출시키는 활성층, 제2 도전형 반도체층, 및 오믹층을 포함하는 메사 구조물;
    상기 제1 도전형 반도체층과 전기적으로 연결되는 제1 금속 패턴;
    상기 오믹층과 전기적으로 연결되는 제2 금속 패턴; 및
    상기 제1 및 제2 금속 패턴들을 덮으며 상기 기판의 가장자리로 연장하는 제1 반사층을 포함하되,
    상기 제2 요철 패턴들의 반사물질은 상기 제1 반사층의 반사물질과 동일한 발광 소자.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 발광 소자는, 상기 기판의 일 면에 대향하는 타 면에 배치되는 제2 반사층을 더 포함하는 발광 소자.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 실장 기판 상에서, 상기 발광 소자들 사이에 배치되는 반사층을 더 포함하는 발광 소자.
KR1020180114188A 2018-09-21 2018-09-21 발광 소자 및 이를 포함하는 백라이트 유닛 KR20200034425A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180114188A KR20200034425A (ko) 2018-09-21 2018-09-21 발광 소자 및 이를 포함하는 백라이트 유닛

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180114188A KR20200034425A (ko) 2018-09-21 2018-09-21 발광 소자 및 이를 포함하는 백라이트 유닛

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20200034425A true KR20200034425A (ko) 2020-03-31

Family

ID=70002155

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180114188A KR20200034425A (ko) 2018-09-21 2018-09-21 발광 소자 및 이를 포함하는 백라이트 유닛

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20200034425A (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022039509A1 (ko) * 2020-08-19 2022-02-24 서울바이오시스주식회사 발광 다이오드 및 그것을 갖는 디스플레이 장치

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022039509A1 (ko) * 2020-08-19 2022-02-24 서울바이오시스주식회사 발광 다이오드 및 그것을 갖는 디스플레이 장치

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100659373B1 (ko) 패터닝된 발광다이오드용 기판 및 그것을 채택하는 발광다이오드
KR101269053B1 (ko) 나노 로드 발광 소자 및 그 제조 방법
KR100969100B1 (ko) 발광소자, 발광소자의 제조방법 및 발광소자 패키지
KR101125395B1 (ko) 발광소자 및 그 제조방법
KR101173376B1 (ko) 반도체 발광부재
KR102450150B1 (ko) 반도체 발광소자
KR20120045542A (ko) 발광소자
US10014442B2 (en) Method for manufacturing vertical type light emitting diode, vertical type light emitting diode, method for manufacturing ultraviolet ray light emitting diode, and ultraviolet ray light emitting diode
US11158762B2 (en) Light-emitting device and manufacturing method thereof
US20090315058A1 (en) Nitride semiconductor light emitting device and method of manufacturing the same
KR20130102341A (ko) 개선된 광 추출 효율을 갖는 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법
US20170179341A1 (en) Light-emitting device and manufacturing method thereof
JP5989318B2 (ja) 半導体発光素子及びその製造方法
KR101625132B1 (ko) 비극성 기판을 채택한 발광 다이오드
KR20200034425A (ko) 발광 소자 및 이를 포함하는 백라이트 유닛
KR20110093006A (ko) 질화물 반도체 발광소자
WO2023154738A1 (en) Contact structures of led chips for current injection
KR20180003916A (ko) 수평형 발광다이오드 소자 및 이의 제조방법
US10553756B2 (en) Light emitting device
KR101680852B1 (ko) 반도체 발광 소자 및 그 제조방법
KR20120133632A (ko) 발광 다이오드
KR100756842B1 (ko) 광추출용 컬럼들을 갖는 발광 다이오드 및 그것을 제조하는방법
KR20110084645A (ko) 반도체 발광소자
KR20200141305A (ko) 패터닝된 기판을 갖는 발광 다이오드
TWI545797B (zh) 發光二極體晶片

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application