WO2017057978A1 - 발광소자 - Google Patents

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WO2017057978A1
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layer
semiconductor layer
light emitting
substrate
electrode
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정성달
송현돈
강기만
김승환
이종섭
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엘지이노텍 주식회사
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Definitions

  • the embodiment relates to a light emitting device.
  • a light emitting device is a compound semiconductor device that converts electrical energy into light energy, and various colors can be realized by adjusting the composition ratio of the compound semiconductor.
  • the nitride semiconductor light emitting device has advantages of low power consumption, semi-permanent life, fast response speed, safety and environmental friendliness compared to conventional light sources such as fluorescent lamps and incandescent lamps. Therefore, LED backlights that replace the Cold Cathode Fluorescence Lamps (CCFLs) that make up the backlight of liquid crystal display (LCD) displays, white LED lighting devices that can replace fluorescent or incandescent bulbs, and automotive headlights. And the application is expanding to traffic lights.
  • CCFLs Cold Cathode Fluorescence Lamps
  • LCD liquid crystal display
  • the gallium nitride-based light emitting device is grown on the sapphire substrate, but the sapphire substrate is a hard, electrically non-conducting and poor thermal conductivity, reducing the size of the gallium nitride-based light emitting device to reduce the manufacturing cost, or improve the light output and chip characteristics There is a limit to improvement.
  • InGaN light emitting devices which are grown on substrates such as sapphire, silicon carbide, and silicon, have a droop phenomenon in which internal quantum efficiency decreases as current density increases, and reliability problems such as current crowding may occur. Can be.
  • the embodiment provides a light emitting device using a gallium nitride (GaN) substrate.
  • GaN gallium nitride
  • the present invention also provides a light emitting device having improved light extraction efficiency.
  • a light emitting device includes a light emitting structure including a first semiconductor layer, an active layer, and a second semiconductor layer, and a first groove penetrating the second semiconductor layer and the active layer on one surface thereof; A gallium nitride substrate disposed on the other surface of the light emitting structure; A reflective electrode layer covering one surface of the light emitting structure and sidewalls of the first groove; A first ohmic electrode electrically connected to the first semiconductor layer through the first groove; And a first insulating layer electrically insulating the first ohmic electrode and the reflective electrode layer.
  • the first insulating layer may be disposed between the reflective electrode layer and the light emitting structure.
  • the area becomes larger, and as the first electrode pad gets closer to the substrate, the area becomes smaller.
  • the reflective electrode layer may be electrically connected to the second semiconductor layer.
  • An area where the first ohmic electrode contacts the first semiconductor layer may be 1% or more and 10% or less of the total area of the active layer.
  • the substrate may include a first layer in contact with the first semiconductor layer.
  • the dopant concentration of the first layer may be higher than the dopant concentration of the third layer adjacent to the first layer.
  • the dopant concentration of the first layer may be 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 to 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • the thickness of the first layer may be 40% to 50% of the entire thickness of the substrate.
  • the thickness of the first layer may be thicker than the thickness of the first semiconductor layer.
  • the substrate may have a thickness of 80 ⁇ m to 300 ⁇ m, and the height of the light extracting structure may be 10 ⁇ m to 30 ⁇ m.
  • the lattice mismatch can be solved using the GaN substrate.
  • the reflection efficiency may be increased by the reflective electrode layer formed on the light emitting structure as a whole.
  • the light extraction efficiency may be improved by reducing the contact area between the first semiconductor layer and the electrode.
  • FIG. 1 is a plan view of a light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the light emitting device according to FIG. 1;
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a current spreading function of a substrate according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating the reflective electrode layer of FIG. 2;
  • FIG. 5 is a conceptual diagram of a conventional light emitting device
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the B-B direction of FIG.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the C-C direction of FIG.
  • FIG. 8 is a view illustrating a wavelength conversion layer disposed on the light emitting device of FIG. 1;
  • 9A to 9H are views for explaining a method of manufacturing a light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • first and second may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • the second component may be referred to as the first component, and similarly, the first component may also be referred to as the second component.
  • FIG. 1 is a plan view of a light emitting device according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a cross-sectional view of the light emitting device according to FIG.
  • FIG. 2 may be a cross-sectional view of the light emitting device of FIG. 1 viewed from the A-A direction, but the A-A direction may be adjusted in an appropriate direction to represent the cross section of FIG. 2.
  • a light emitting device includes a light emitting structure 120 including a first semiconductor layer 121, an active layer 122, and a second semiconductor layer 123; A reflective electrode layer 132 disposed on the other surface 120a of the light emitting structure 120 and including a substrate 110 including gallium nitride, and covering one surface of the light emitting structure 120 and the sidewall S of the first groove H1. ) And electrically insulating the first ohmic electrode 151 and the first ohmic electrode 151 and the reflective electrode layer 132 electrically connected to the first semiconductor layer 121 through the first groove H1.
  • the first insulating layer 141 is included.
  • the substrate 110 may be manufactured by growing gallium nitride (GaN).
  • GaN gallium nitride
  • a sapphire substrate that is used generally does not match the lattice constant with the gallium nitride-based semiconductor layer, and lattice mismatch occurs. Due to such lattice mismatch, a strong piezoelectric magnetic field is applied to the light emitting structure 120, thereby reducing the quantum efficiency.
  • Embodiments can solve the problems caused by lattice mismatch by using the gallium nitride substrate 110. Further, the buffer layer for eliminating lattice mismatch can be omitted.
  • a gallium nitride substrate is defined as a substrate for convenience.
  • the substrate 110 includes a plurality of light extraction structures 112a formed on one surface.
  • the plurality of light extracting structures 112a may have different heights.
  • the substrate 110 may have a thickness of 80 ⁇ m to 300 ⁇ m. If the thickness is smaller than 80 ⁇ m, the warpage may occur to cause a defect of the device. If the thickness is larger than 300 ⁇ m, it may be difficult to uniformly control the dopant on the substrate.
  • the height T1 of the light extraction structure 112a may be 10 ⁇ m to 30 ⁇ m. As will be described later, when the height is smaller than 10 ⁇ m, light extraction structures are not formed in some regions, and thus light is not extracted. Even when the height is larger than 30 ⁇ m, the light extraction efficiency may not increase any more.
  • the light emitting structure 120 is disposed under the substrate 110 with reference to the drawings and includes a first semiconductor layer 121, an active layer 122, and a second semiconductor layer 123.
  • the light emitting structure 120 as described above may be separated into a plurality by cutting the substrate 110.
  • the first semiconductor layer 121 may be a compound semiconductor such as a III-V group or a II-VI group, and a first dopant may be doped into the first semiconductor layer 121.
  • the first semiconductor layer 121 is a semiconductor material having a composition formula of In x1 Al y1 Ga 1 -x1 -y1 N (0 ⁇ x1 ⁇ 1, 0 ⁇ y1 ⁇ 1, 0 ⁇ x1 + y1 ⁇ 1), for example GaN, AlGaN, InGaN, InAlGaN and the like can be selected.
  • the first dopant may be an n-type dopant such as Si, Ge, Sn, Se, or Te. When the first dopant is an n-type dopant, the first semiconductor layer 121 doped with the first dopant may be an n-type semiconductor layer.
  • the active layer 122 is a layer where electrons (or holes) injected through the first semiconductor layer 121 and holes (or electrons) injected through the second semiconductor layer 123 meet.
  • the active layer 122 may transition to a low energy level as electrons and holes recombine, and may generate light having a corresponding wavelength. There is no restriction on the emission wavelength in this embodiment.
  • the active layer 122 may have any one of a single well structure, a multi well structure, a single quantum well structure, a multi quantum well (MQW) structure, a quantum dot structure, or a quantum line structure, and the active layer 122
  • the structure of is not limited to this.
  • the second semiconductor layer 123 may be formed of a compound semiconductor such as a group III-V group or a group II-VI, and a second dopant may be doped into the second semiconductor layer 123.
  • the second semiconductor layer 123 is a semiconductor material having a composition formula of In x5 Al y2 Ga 1-x5-y2 N (0 ⁇ x5 ⁇ 1, 0 ⁇ y2 ⁇ 1, 0 ⁇ x5 + y2 ⁇ 1) or AlInN, AlGaAs It may be formed of a material selected from GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP.
  • the second dopant is a p-type dopant such as Mg, Zn, Ca, Sr, or Ba
  • the second semiconductor layer 123 doped with the second dopant may be a p-type semiconductor layer.
  • an electron blocking layer EBL may be disposed between the active layer 122 and the second semiconductor layer 123.
  • the electron blocking layer may block the flow of electrons supplied from the first semiconductor layer 121 to the second semiconductor layer 123 to increase the probability of recombination of electrons and holes in the active layer 122.
  • the light emitting structure 120 may have a first groove H1 through which the first semiconductor layer 121 is exposed through the second semiconductor layer 123 and the active layer 122.
  • the first semiconductor layer 121 may also be partially etched by the first groove H1.
  • the first ohmic electrode 151 may be disposed in the first groove H1 to be electrically connected to the first semiconductor layer 121.
  • the second ohmic electrode 131 may be disposed under the second semiconductor layer 123.
  • the first ohmic electrode 151 and the second ohmic electrode 131 are indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), indium zinc tin oxide (IZTO), indium aluminum zinc oxide (IZO), and indium gallium (IGZO). zinc oxide), indium gallium tin oxide (IGTO), aluminum zinc oxide (AZO), antimony tin oxide (ATO), gallium zinc oxide (GZO), SnO, InO, INZnO, ZnO, IrOx, RuOx, NiO, Ti, Al , Ni, Cr, and optional compounds or alloys thereof, and may be formed in at least one layer.
  • the thickness of the ohmic electrode is not particularly limited.
  • the first insulating layer 141 may cover one surface of the light emitting structure 120 and the sidewall S of the first groove H1.
  • the first insulating layer 141 may cover the light emitting structure 120 and the first ohmic electrode 151 except for the point where the first ohmic electrode 151 is connected to the first electrode pad 150. .
  • the first insulating layer 141 may include an insulating material or an insulating resin formed of at least one of an oxide, nitride, fluoride, and sulfide having at least one of Al, Cr, Si, Ti, Zn, and Zr.
  • the first insulating layer 141 may be selectively formed of, for example, SiO 2 , Si 3 N 4 , Al 2 O 3 , or TiO 2 .
  • the first insulating layer 141 may be formed as a single layer or a multilayer, but is not limited thereto.
  • the reflective electrode layer 132 may be disposed under the first insulating layer 141 to cover one surface of the light emitting structure 120 and the sidewall S of the first groove H1.
  • the reflective electrode layer 132 may be formed entirely on the light emitting structure 120 except for a portion where the first ohmic electrode 151 is connected to the first electrode pad 150.
  • the reflective electrode layer 132 may be formed of a metallic or non-metallic material.
  • the metallic reflective electrode layer 132 is formed of In, Co, Si, Ge, Au, Pd, Pt, Ru, Re, Mg, Zn, Hf, Ta, Rh, Ir, W, Ti, Ag, Cr, Mo, Nb, Al It may include any one of a metal selected from Ni, Cu, and WTi.
  • the non-metallic reflective layer includes a structure in which a first layer having a first refractive index and a second layer having a second refractive index are alternately stacked by two or more pairs, and the first and second refractive indices are different from each other, and the first and second refractive indices are different.
  • the layer may be formed of a conductive or insulating material having a refractive index between 1.5 and 2.4.
  • This structure may be a distributed bragg reflection (DBR) structure.
  • DBR distributed bragg reflection
  • it may be a structure in which a dielectric layer having a low refractive index and a metal layer are stacked.
  • a light extraction structure such as roughness may be formed on a surface of at least one of the second semiconductor layer 123 and the reflective electrode layer 132, and the light extraction structure may change the critical angle of incident light to improve light extraction efficiency. can do.
  • the light extraction structure may include an uneven pattern or a plurality of protrusions.
  • the capping electrode 133 may be disposed under the reflective electrode layer 132.
  • the capping electrode 133 may perform at least one of protecting the diffusion barrier layer, the current spreading layer, and the reflective electrode layer 132.
  • the capping electrode 133 may be selected from Au, Cu, Hf, Ni, Mo, V, W, Rh, Ru, Pt, Pd, La, Ta, Ti, and two or more alloys thereof.
  • the second insulating layer 142 is disposed under the capping electrode 133.
  • the second insulating layer 142 may include an insulating material or an insulating resin formed of at least one of an oxide, nitride, fluoride, and sulfide having at least one of Al, Cr, Si, Ti, Zn, and Zr.
  • the second insulating layer 142 may be selectively formed of, for example, SiO 2 , Si 3 N 4 , Al 2 O 3 , or TiO 2 .
  • the second insulating layer 142 may be formed as a single layer or a multilayer, but is not limited thereto.
  • the first electrode pad 150 may be electrically connected to the first ohmic electrode 151 through the second insulating layer 142.
  • the area of the first ohmic electrode 151 increases as the closer to the substrate 110, whereas the area of the first electrode pad 150 decreases as the closer to the substrate 110.
  • the second electrode pad 160 may be electrically connected to the second ohmic electrode 131 and the reflective electrode layer 132 through the second insulating layer 142.
  • the first electrode pad 150 and the second electrode pad 160 are formed of In, Co, Si, Ge, Au, Pd, Pt, Ru, Re, Mg, Zn, Hf, Ta, Rh, Ir, W, Ti, Ag, Cr, Mo, Nb, Al, Ni, Cu, and may include any one of the metal selected from WTi.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a current dispersing function of a substrate according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating the reflective electrode layer of FIG. 2
  • FIG. 5 is a conceptual diagram of a conventional light emitting device.
  • the substrate 110 may include a first layer 111 facing the first semiconductor layer 121 and a second layer 112 and a first layer 111 and a second light emitted to the outside. And a third layer 113 disposed between the layers 112.
  • the first layer 111 may form a current dispersion path C when a current is applied to the first semiconductor layer 121 through the first ohmic electrode 151.
  • the current may be effectively distributed through the first layer 111. Therefore, even if the contact area 151a of the first ohmic electrode 151 and the first semiconductor layer 121 is reduced, the operating voltage Vf can be maintained.
  • the dopant concentration of the first layer 111 may be relatively high. In detail, the dopant concentration of the first layer 111 may be 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 to 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 .
  • the dopant concentration of the second layer 112 may be the same as the dopant concentration of the first layer 111.
  • the second layer 112 may form the light extraction structure 112a through wet etching.
  • the light extracting structure may be hexagonal irregularities. As the dopant concentration increases, Ga and N can be easily separated.
  • the height of the light extraction structure 112a may be 10 ⁇ m to 30 ⁇ m.
  • a flat surface (unetched region) may be formed between the plurality of light extracting structures.
  • An area occupied by the light extraction structure 112a in the entire area of the substrate may be 60% or more. If it is less than 60%, the area where the light extraction structure is not formed is widened, which may reduce the light extraction efficiency.
  • the dopant concentration of the third layer 113 may be lower than that of the first layer 111 and the second layer 112.
  • the dopant concentration in the thickness direction of the substrate 110 is 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 to 5 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 , it is difficult to secure desired light transmittance and crystallinity. Therefore, the third layer 113 may lower the dopant concentration to secure desired transparency and crystallinity in the substrate 110.
  • the dopant concentration of the third layer 113 may be 1 ⁇ 10 16 cm ⁇ 3 or less or the n-type dopant may not be doped.
  • the dopant various kinds of dopants doped in the n-type semiconductor layer may be selected.
  • the thickness of the first layer 111 is about 40% to 50%
  • the thickness of the third layer 113 is 40% to 50%
  • the first layer 111 and the third layer 113 may be 40 ⁇ m
  • the second layer 112 may be 20 ⁇ m.
  • the reflective electrode layer 132 is formed on one surface of the light emitting structure 120 and the sidewall S of the first groove, most of the light emitted from the active layer 122 is upwardly reflected by the reflective electrode layer 132. Can be reflected. Thus, external quantum efficiency can be increased.
  • the side surface of the light emitting structure and the reflective electrode layer 132 may be insulated by the first insulating layer 141.
  • the reflective electrode 16 is formed only below the second semiconductor layer 14 as shown in FIG. 5, the light L1 emitted to the side of the light emitting structure is lost.
  • the first ohmic electrode 17 has a problem of absorbing light L2, it is important to reduce the contact area of the first ohmic electrode 17.
  • Table 1 below is a table measuring changes in operating voltage when the ratio of the first ohmic electrode is changed.
  • the contact area ratio (n-contact ratio) was 12% of the total active layer area and the operating voltage was 3.37V (based on 350mA current).
  • the operating voltage was measured to be about the same even though the n-contact ratio was about 4% smaller to 8.17% of the total active layer area.
  • the operating voltage was measured to be almost similar, although the n-contact ratio was 2.26% of the total active layer area, which was about 10% smaller than in the first experimental example. Therefore, it is judged that the surface layer of the substrate formed a sufficient current dispersion path.
  • the area where the first ohmic electrode contacts the first semiconductor layer may be 1% to 10% of the total active layer area, or may be 2% to 3% of the total active layer area. In this case, the contact area can be reduced to prevent light loss.
  • the reflection area can be increased.
  • the reflection area is 93.9% of the total active layer area, so that most of the light can be reflected. Therefore, the external quantum efficiency can be improved.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the B-B direction of FIG. 1
  • FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the C-C direction of FIG. 1
  • FIG. 8 is a modified example of FIG.
  • the first insulating layer 141 formed on one surface of the light emitting structure 120 may be partially spaced so that the second ohmic electrode 131 and the reflective electrode layer 132 may be electrically connected to each other.
  • the second electrode pad 160 may be electrically connected to the reflective electrode layer 132 through the second insulating layer 142.
  • the first ohmic electrode 151 electrically connected to the first semiconductor layer 121 through the first groove H1 passes through the second insulating layer 142. And may be electrically connected to 150.
  • the wavelength conversion layer 180 may be disposed on the substrate 110. Light of the blue wavelength band emitted from the active layer 122 by the wavelength conversion layer 180 may be converted into white light.
  • the wavelength conversion layer 180 may be disposed up to the side of the substrate 110 and the side of the light emitting structure.
  • the package of this structure may be a chip scale package (CSP).
  • the wavelength conversion layer 180 may have a phosphor or a quantum dot dispersed in the polymer resin.
  • the kind of the phosphor is not particularly limited.
  • the fluorescent material of any one of YAG-based, TAG-based, Silicate-based, Sulfide-based or Nitride-based may be included.
  • the reflective electrode 171 may be disposed under the second ohmic electrode 131, and light scattering particles such as TiO 2 may be dispersed in the first insulating layer 172 to serve as a reflective layer.
  • the first semiconductor layer 121, the active layer 122, and the second semiconductor layer 123 are sequentially formed on the substrate 110. Since the substrate 110 is a GaN substrate, lattice mismatch with the semiconductor layer may be eliminated. Therefore, the buffer layer can be omitted.
  • the light emitting structure 120 may be grown on the Ga surface of the substrate 110.
  • the second ohmic electrode 131 may be formed on the second semiconductor layer 123 of the light emitting structure 120.
  • at least one first groove H1 exposing the first semiconductor layer 121 may be formed by etching the second semiconductor layer 123 and the active layer 122.
  • the first ohmic electrode 151 is formed in the first groove H1.
  • a mask pattern may be used or a photoresist may be used.
  • the first ohmic electrode 151 may be narrower as it moves away from the substrate 110.
  • the first ohmic electrode 151 may be formed of indium tin oxide (ITO), indium zinc oxide (IZO), indium zinc tin oxide (IZTO), indium aluminum zinc oxide (IZAZO), indium gallium zinc oxide (IGZO), or indium gallium (IGTO).
  • tin oxide aluminum zinc oxide (AZO), antimony tin oxide (ATO), gallium zinc oxide (GZO), SnO, InO, INZnO, ZnO, IrOx, RuOx, NiO, Ti, Al, Ni, Cr and their selection It is selected from the compound or alloy, and may be formed in at least one layer.
  • a first insulating layer 141 is formed on the light emitting structure 120 and the first ohmic electrode 151.
  • the first insulating layer 141 may be continuously formed on one surface of the light emitting structure 120, the sidewall S of the first groove H1, and the side surface of the first ohmic electrode 151. That is, the first insulating layer 141 may be formed entirely on the remaining regions except for the upper surface 151b of the first ohmic electrode.
  • the reflective electrode layer 132 may be formed on the first insulating layer 141 as it is. That is, except for the upper surface 151b of the first ohmic electrode, the entire region may be formed.
  • the reflective electrode layer 132 may be formed by repeatedly stacking a dielectric layer and a metal layer.
  • a capping electrode 133 is formed on the reflective electrode layer 132.
  • the capping electrode 133 may perform at least one of a role of preventing diffusion, dispersing a current, or protecting the reflective electrode layer 132.
  • the capping electrode 133 may be selected from Au, Cu, Hf, Ni, Mo, V, W, Rh, Ru, Pt, Pd, La, Ta, Ti, Al, and two or more alloys thereof.
  • a second insulating layer 142 is formed on the capping electrode 133, and the first electrode pad 150 and the second electrode pad 160 are respectively formed on the second insulating layer 142. Can be electrically connected to the ohmic electrode.
  • the light emitting device may further include an optical member such as a light guide plate, a prism sheet, and a diffusion sheet to function as a backlight unit.
  • an optical member such as a light guide plate, a prism sheet, and a diffusion sheet to function as a backlight unit.
  • the light emitting device of the embodiment may be further applied to a display device, a lighting device, and a pointing device.
  • the display device may include a bottom cover, a reflector, a light emitting module, a light guide plate, an optical sheet, a display panel, an image signal output circuit, and a color filter.
  • the bottom cover, the reflector, the light emitting module, the light guide plate, and the optical sheet may form a backlight unit.
  • the reflecting plate is disposed on the bottom cover, and the light emitting module emits light.
  • the light guide plate is disposed in front of the reflective plate to guide light emitted from the light emitting module to the front, and the optical sheet includes a prism sheet or the like and is disposed in front of the light guide plate.
  • the display panel is disposed in front of the optical sheet, the image signal output circuit supplies the image signal to the display panel, and the color filter is disposed in front of the display panel.
  • the lighting apparatus may include a light source module including a substrate and a light emitting device according to an embodiment, a heat dissipation unit for dissipating heat of the light source module, and a power supply unit for processing or converting an electrical signal provided from the outside and providing the light source module to the light source module.
  • the lighting device may include a lamp, a head lamp, a street lamp or the like.

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Abstract

실시 예는, 기판; 제1반도체층, 활성층, 및 제2반도체층을 포함하고, 상기 제2반도체층 및 활성층을 관통하고 상기 제1반도체층의 일부 영역까지 배치되는 제1홈을 포함하는 발광구조물; 상기 제2반도체층의 하부 및 제1홈의 측벽을 커버하는 반사전극층; 상기 제1홈의 내부에 배치되어 상기 제1반도체층과 전기적으로 연결되는 제1오믹전극; 및 상기 제1오믹전극과 상기 반사전극층을 전기적으로 절연하는 제1절연층을 포함하는 발광소자를 개시한다.

Description

발광소자
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 질화갈륨(GaN) 기판을 이용한 발광소자를 제공한다.
또한, 광 추출 효율이 향상된 발광소자를 제공한다.
실시 예에 따른 발광소자는, 제1반도체층, 활성층, 및 제2반도체층을 포함하고, 일면에 상기 제2반도체층 및 활성층을 관통하는 제1홈을 포함하는 발광구조물; 상기 발광 구조물의 타면에 배치되는 질화갈륨 기판; 상기 발광구조물의 일면 및 제1홈의 측벽을 커버하는 반사전극층; 상기 제1홈을 통해 상기 제1반도체층과 전기적으로 연결되는 제1오믹전극; 및 상기 제1오믹전극과 상기 반사전극층을 전기적으로 절연하는 제1절연층을 포함한다.
상기 제1절연층은 상기 반사전극층과 발광구조물 사이에 배치될 수 있다.
상기 반사전극층을 커버하는 제2절연층; 상기 제2절연층을 관통하여 상기 제1오믹전극과 전기적으로 연결되는 제1전극패드; 및 상기 제2절연층을 관통하여 상기 반사전극층과 전기적으로 연결되는 제2전극패드를 포함할 수 있다.
상기 제1오믹전극은 상기 기판에 가까워질수록 면적이 커지고, 상기 제1전극패드는 상기 기판에 가까워질수록 면적이 작아질 수 있다.
상기 반사전극층은 상기 제2반도체층과 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 제1오믹전극이 상기 제1반도체층과 접촉하는 면적은 상기 활성층의 전체 면적의 1% 이상 10%이하일 수 있다.
상기 기판은 상기 제1반도체층과 접촉하는 제1층을 포함할 수 있다.
상기 제1층의 도펀트 농도는 상기 제1층과 인접한 제3층의 도펀트 농도보다 높을 수 있다.
상기 제1층의 도펀트 농도는 1×1018cm-3 내지 5×1019cm-3일 수 있다.
상기 제1층의 두께는 상기 기판 전체 두께의 40% 내지 50%일 수 있다.
상기 제1층의 두께는 상기 제1반도체층의 두께보다 두꺼울 수 있다.
상기 기판의 두께는 80㎛ 내지 300㎛이고, 광 추출 구조의 높이는 10㎛ 내지 30㎛일 수 있다.
실시 예에 따르면, GaN 기판을 이용하여 격자 부정합을 해소할 수 있다.
또한, 발광구조물에 전체적으로 형성된 반사전극층에 의해 반사 효율이 증가할 수 있다.
또한, 제1반도체층과 전극의 접촉 면적을 줄여 광 추출 효율을 향상시킬 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 평면도이고,
도 2는 도 1에 따른 발광소자의 단면도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판의 전류 분산 기능을 설명하기 위한 개념도이고,
도 4는 도 2의 반사전극층을 설명하기 위한 개념도이고,
도 5는 종래 발광소자의 개념도이고,
도 6은 도 1의 B-B 방향 단면도이고,
도 7은 도 1의 C-C 방향 단면도이고,
도 8은 도 1의 발광소자에 파장 변환층이 배치된 도면이고,
도 9a 내지 도 9h는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자 제조방법을 설명하기 위한 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 평면도이고, 도 2는 도 1에 따른 발광소자의 단면도이다. 도 2는 도 1의 발광소자를 A-A 방향에서 본 단면도일 수 있으나, A-A 방향은 도 2의 단면을 나타낼 수 있도록 적절한 방향으로 조절될 수 있다.
도 1과 도 2를 참고하면, 본 발명의 실시 예에 따른 발광소자는 제1반도체층(121), 활성층(122), 및 제2반도체층(123)을 포함하는 발광구조물(120)과, 발광구조물(120)의 타면(120a)에 배치되고 질화갈륨을 포함하는 기판(110)과, 발광구조물(120)의 일면 및 제1홈(H1)의 측벽(S)을 커버하는 반사전극층(132)과, 제1홈(H1)을 통해 제1반도체층(121)과 전기적으로 연결되는 제1오믹전극(151), 및 제1오믹전극(151)과 반사전극층(132)을 전기적으로 절연하는 제1절연층(141)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 일면에 형성된 복수 개의 광 추출 구조(112a)를 포함한다. 복수 개의 광 추출 구조(112a)는 높이가 상이할 수 있다. 기판(110)은 두께가 80㎛ 내지 300㎛일 수 있다. 두께가 80㎛보다 작은 경우 휘어짐이 발생하여 소자의 불량을 야기할 수 있으며, 두께가 300㎛보다 큰 경우에는 기판에 도펀트를 균일하게 제어하기 어려울 수 있다.
광 추출 구조(112a)의 높이(T1)는 10㎛ 내지 30㎛일 수 있다. 후술하는 바와 같이 높이가 10㎛보다 작은 경우 일부 영역에서 광 추출 구조가 형성되지 않아 광이 추출되지 않는 문제가 있으며 높이가 30㎛보다 커져도 더 이상 광 추출 효율은 증가하지 않을 수 있다.
발광구조물(120)은 도면을 기준으로 기판(110)의 하부에 배치되며, 제1반도체층(121), 활성층(122), 및 제2반도체층(123)을 포함한다. 일반적으로 상기와 같은 발광구조물(120)은 기판(110)을 절단하여 복수 개로 분리될 수 있다.
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)의 하부에 배치되어 발광구조물(120)의 일면과 제1홈(H1)의 측벽(S)을 커버할 수 있다. 반사전극층(132)은 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, 광 추출 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 2이상의 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 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판의 전류 분산 기능을 설명하기 위한 개념도이고, 도 4는 도 2의 반사전극층을 설명하기 위한 개념도이고, 도 5는 종래 발광소자의 개념도이다.
도 3을 참고하면, 기판(110)은 제1반도체층(121)과 마주보는 제1층(111) 및 광이 외부로 출사되는 제2층(112) 및 제1층(111)과 제2층(112) 사이에 배치되는 제3층(113)을 포함할 수 있다.
제1층(111)은 제1오믹전극(151)을 통해 전류가 제1반도체층(121)에 인가된 경우 전류 분산 경로(C)를 형성할 수 있다. 제1층(111)을 통해 전류는 효과적으로 분산될 수 있다. 따라서, 제1오믹전극(151)과 제1반도체층(121)의 접촉 면적(151a)을 줄여도 동작 전압(Vf)을 유지할 수 있다. 이를 위해 제1층(111)의 도펀트 농도는 상대적으로 높아질 수 있다. 구체적으로 제1층(111)의 도펀트 농도는 1×1018cm-3 내지 5×1019cm-3일 수 있다.
제2층(112)의 도펀트 농도는 제1층(111)의 도펀트 농도와 동일할 수 있다. 제2층(112)은 습식 식각을 통해 광 추출 구조(112a)를 형성할 수 있다. 광 추출 구조는 육각형 형상의 요철일 수 있다. 도펀트 농도가 높아질수록 Ga와 N을 쉽게 분리할 수 있다.
광 추출 구조(112a)의 높이는 10㎛ 내지 30㎛일 수 있다. 복수 개의 광 추출 구조 사이에는 평탄면(식각되지 않은 영역)이 형성될 수 있다. 기판 전체 면적에서 광 추출 구조(112a)가 차지하는 면적은 60%이상일 수 있다. 60%이하인 경우 광 추출 구조가 형성되지 않은 면적이 넓어져 광 추출 효율이 감소할 수 있다.
제3층(113)의 도펀트 농도는 제1층(111) 및 제2층(112)보다 낮을 수 있다. 기판(110)의 두께 방향으로 도펀트 농도는 1×1018cm-3 내지 5×1019cm-3인 경우에는 원하는 투광성 및 결정성을 확보하기 어렵다. 따라서, 제3층(113)은 도펀트 농도를 낮추어 기판(110)에서 원하는 투명성 및 결정성을 확보할 수 있다.
일 예로, 제3층(113)의 도펀트 농도는 1×1016cm-3 이하이거나 n형 도펀트가 도핑되지 않을 수 있다. 도펀트는 n형 반도체층에 도핑되는 다양한 종류의 도펀트가 모두 선택될 수 있다.
기판(110) 전체 두께를 기준으로 제1층(111)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(111)과 제3층(113)은 각각 40㎛이고, 제2층(112)은 20㎛일 수 있다.
도 4를 참고하면, 반사전극층(132)이 발광구조물(120)의 일면 및 제1홈의 측벽(S)에 형성되므로, 활성층(122)에서 방출되는 광은 대부분 반사전극층(132)에 의해 상측으로 반사될 수 있다. 따라서, 외부 양자 효율이 증가할 수 있다. 발광구조물의 측면과 반사전극층(132)은 제1절연층(141)에 의해 절연될 수 있다.
이에 반해, 도 5과 같이 제2반도체층(14)의 하부에만 반사전극(16)이 형성되면 발광구조물의 측면으로 방출되는 광(L1)이 손실되는 문제가 있다. 또한, 제1오믹전극(17)이 광(L2)을 흡수하는 문제가 있으므로 제1오믹전극(17)의 접촉면적을 줄이는 것이 중요하다.
하기 표 1은 제1오믹전극의 비율이 달라지는 경우 동작 전압의 변화를 측정한 표이다.
제1실험예 제2실험예 제3실험예
Chip Area (um2) 640,000 640,000 1,000,000
Active Area (um2) 365,761 396,009 793,571
Active ratio (%) 57.2 61.9 79.4
n-contact Area (um2) 44,489 32,342 17,955
n-contact ratio(%/Active) 12.16 8.17 2.26
Reflector Area (um2) 317,213 364,266 744,748
Reflector ratio (%/Active) 86.7 92.0 93.9
동작전압(V) @ 350mA 3.37 3.3 3.15
표 1을 참고하면, 제1실험예의 경우 접촉 면적의 비율(n-contact ratio)이 전체 활성층 면적의 12%이고, 동작 전압은 3.37V임을 알 수 있다(350mA 전류 기준). 이에 비해 제2실험예의 경우 접촉 면적의 비율(n-contact ratio)이 전체 활성층 면적의 8.17%로 약 4%작아졌음에도 동작 전압은 거의 비슷하게 측정되었다. 또한, 제3실시예의 경우 접촉 면적의 비율(n-contact ratio)이 전체 활성층 면적의 2.26%로 제1실험예에 비해 약 10%작아졌음에도 동작 전압이 거의 비슷하게 측정되었다. 따라서, 기판의 표면층이 충분한 전류 분산 경로를 형성하였기 때문으로 판단된다.
제1오믹전극이 제1반도체층과 접촉하는 면적은 전체 활성층 면적의 1% 내지 10%이거나, 전체 활성층 면적의 2% 내지 3%일 수 있다. 이 경우 접촉 면적을 줄여 광 손실을 방지할 수 있다.
또한, 접촉 면적이 작아질수록 반사 면적을 늘릴 수 있다. 제3실시예의 경우 반사 면적이 전체 활성층 면적의 93.9%로 높아 대부분의 광을 반사할 수 있다. 따라서, 외부 양자 효율을 개선할 수 있다.
도 6은 도 1의 B-B 방향 단면도이고, 도 7은 도 1의 C-C 방향 단면도이고, 도 8은 도 2의 변형예이다.
도 6을 참고하면, 발광구조물(120)의 일면에 형성되는 제1절연층(141)은 부분적으로 이격되어 제2오믹전극(131)과 반사전극층(132)이 전기적으로 연결될 수 있다. 제2전극패드(160)는 제2절연층(142)을 관통하여 반사전극층(132)과 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 도 7을 참고하면, 제1홈(H1)을 통해 제1반도체층(121)과 전기적으로 연결되는 제1오믹전극(151)은 제2절연층(142)을 관통하는 제1전극패드(150)와 전기적으로 연결될 수 있다.
도 8을 참고하면, 기판(110)에는 파장변환층(180)이 배치될 수 있다. 파장변환층(180)에 의해 활성층(122)에서 발광된 청색 파장대의 광은 백색광으로 변환될 수 있다. 파장변환층(180)은 기판(110)의 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.
또한, 제2오믹전극(131)의 하부에 반사전극(171)이 배치되고, 제1절연층(172)에 TiO2와 같은 광 산란 입자 등을 분산시켜 반사층의 역할을 수행할 수도 있다.
도 9a를 참고하면, 기판(110) 상에 제1반도체층(121), 활성층(122), 제2반도체층(123)을 순차로 형성한다. 기판(110)은 GaN 기판이므로 반도체층과의 격자 부정합이 해소될 수 있다. 따라서, 버퍼층을 생략할 수도 있다. 발광구조물(120)은 기판(110)의 Ga면 상에 성장될 수 있다. 발광구조물(120)의 제2반도체층(123)상에는 제2오믹전극(131)을 형성할 수 있다. 이후, 도 9b와 같이 제2반도체층(123), 활성층(122)을 식각하여 제1반도체층(121)을 노출하는 제1홈(H1)을 적어도 하나 형성할 수 있다.
도 9c를 참고하면, 제1홈(H1)에 제1오믹전극(151)을 형성한다. 제1오믹전극(151)을 형성하는 방법에는 제한이 없다. 마스크 패턴을 이용할 수도 있고 포토 레지스트를 이용할 수도 있다. 제1오믹전극(151)은 기판(110)에서 멀어질수록 폭이 좁아질 수 있다. 제1오믹전극(151)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.
도 9d를 참고하면, 발광구조물(120) 및 제1오믹전극(151)상에 제1절연층(141)을 형성한다. 제1절연층(141)은 발광구조물(120)의 일면, 제1홈(H1)의 측벽(S), 제1오믹전극(151)의 측면에 연속적으로 형성될 수 있다. 즉, 제1절연층(141)은 제1오믹전극의 상면(151b)만을 제외하고 나머지 영역에 전체적으로 형성할 수 있다.
도 9e를 참고하면, 반사전극층(132)은 제1절연층(141) 상에 그대로 형성될 수 있다. 즉, 제1오믹전극의 상면(151b)만을 제외하고 나머지 영역에 전체적으로 형성할 수 있다. 반사전극층(132)은 유전체층과 금속층을 반복 적층하여 형성할 수도 있다.
도 9f를 참고하면, 반사전극층(132) 상에 캡핑 전극(133)을 형성한다. 캡핑 전극(133)은 확산을 방지하거나, 전류를 분산시키거나, 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, Al 및 이들 중에서 2 이상의 합금 중에서 선택될 수 있다.
도 9g 및 도 9h를 참고하면, 캡핑 전극(133)상에 제2절연층(142)을 형성하고, 제1전극패드(150)와 제2전극패드(160)를 각각 제2절연층(142)을 관통시켜 오믹전극과 전기적으로 연결할 수 있다.
실시 예의 발광 소자는 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.

Claims (14)

  1. 기판;
    제1반도체층, 활성층, 및 제2반도체층을 포함하고, 상기 제2반도체층 및 활성층을 관통하고 상기 제1반도체층의 일부 영역까지 배치되는 제1홈을 포함하는 발광구조물;
    상기 제2반도체층의 하부 및 제1홈의 측벽을 커버하는 반사전극층;
    상기 제1홈의 내부에 배치되어 상기 제1반도체층과 전기적으로 연결되는 제1오믹전극; 및
    상기 제1오믹전극과 상기 반사전극층을 전기적으로 절연하는 제1절연층을 포함하는 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1절연층은 상기 반사전극층과 발광구조물 사이에 배치되는 발광소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반사전극층을 커버하는 제2절연층;
    상기 제2절연층을 관통하여 상기 제1오믹전극과 전기적으로 연결되는 제1전극패드; 및
    상기 제2절연층을 관통하여 상기 반사전극층과 전기적으로 연결되는 제2전극패드를 포함하는 발광소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1오믹전극은 상기 기판에 가까워질수록 면적이 커지고, 상기 제1전극패드는 상기 기판에 가까워질수록 면적이 작아지는 발광소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반사전극층은 상기 제2반도체층과 전기적으로 연결되는 발광소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1오믹전극이 상기 제1반도체층과 접촉하는 면적은 상기 활성층의 전체 면적의 1% 이상 10%이하인 발광소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 상기 제1반도체층과 접촉하는 제1층을 포함하고,
    상기 제1층은 도펀트를 포함하는 발광소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1층의 도펀트 농도는 상기 제1층과 인접한 제3층의 도펀트 농도보다 높은 발광소자.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1층의 도펀트 농도는 1×1018cm-3 내지 5×1019cm-3인 발광소자.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제1층의 두께는 상기 기판 전체 두께의 40% 내지 50%인 발광소자.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제1층의 두께는 상기 제1반도체층의 두께보다 두꺼운 발광소자.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 기판의 두께는 80㎛ 내지 300㎛이고, 광 추출 구조의 높이는 10㎛ 내지 30㎛인 발광소자.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1홈의 측벽에 배치된 반사전극층은 상기 활성층보다 높게 배치되는 발광소자.
  14. 발광소자; 및
    상기 발광소자에서 방출된 광을 변환하는 파장변환층을 포함하고,
    상기 발광소자는,
    제1반도체층, 활성층, 및 제2반도체층을 포함하고, 상기 제2반도체층 및 활성층을 관통하고 상기 제1반도체층의 일부 영역까지 배치되는 제1홈을 포함하는 발광구조물;
    상기 제1반도체층상에 배치되는 질화갈륨 기판;
    상기 제2반도체층의 하부 및 제1홈의 측벽을 커버하는 반사전극층;
    상기 제1홈의 내부에 배치되어 상기 제1반도체층과 전기적으로 연결되는 제1오믹전극; 및
    상기 제1오믹전극과 상기 반사전극층을 전기적으로 절연하는 제1절연층을 포함하는 발광소자 패키지.
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