KR100450514B1 - 백색 발광 다이오드 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 백색 발광 다이오드에 관한 것으로, 기판의 일면에 n타입 제 1 질화갈륨층, 청색광을 방출하는 제 1 양자 우물(quantum well) 적층 구조와 p 타입 제 1 질화갈륨층이 순차적으로 적층되어 있으며, 수직선상으로 상기 p 타입 제 1 질화갈륨층에서 n 타입 제 1 질화갈륨층의 일 부분까지 메사(Mesa) 식각되어 제거된 상기 n 타입 제 1 질화갈륨층의 상부에 n-전극을, p 타입 제 1 질화갈륨층의 상부에 각각 p-전극들이 형성되어 있는 청색 발광 다이오드와;상기 기판의 타면에 n타입 제 2 질화갈륨층, 노란색 광을 방출하는 제 2 양자 우물 적층 구조와 p 타입 제 2 질화갈륨층이 순차적으로 적층되어 있으며, 수직선상으로 상기 p 타입 제 2 질화갈륨층에서 n 타입 제 2 질화갈륨층의 일 부분까지 메사 식각되어 제거된 상기 n 타입 제 2 질화갈륨층의 하부에 n-전극을, p 타입 제 2 질화갈륨층의 하부에 n-전극이 각각 형성되어 있는 노란색 발광 다이오드로 구성함으로써, 양면 연마된(Double side polished) 사파이어 기판을 사용하여, 기판의 상부와 하부면에 청색과 노란색 발광다이오드 구조를 성장하여 백색광을 방출할 수 있어, 광 출력을 증가시키고, 제조 경비를 낮출 수 있으며, 조립을 간단히 할 수 있는 효과가 발생한다.
Description
본 발명은 백색 발광 다이오드(LED, Light emitting diode)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양면 연마된(Double side polished) 사파이어 기판을 사용하여, 기판의 상부와 하부면에 청색과 노란색 발광다이오드 구조를 성장하여 백색광을 방출할 수 있는 백색 발광 다이오드에 관한 것이다.
일반적으로, Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체를 이용한 발광다이오드 기술의 발전으로 현재, 청색, 녹색, 적색과 황색 등 전 가시광 영역뿐만 아니라, 자외선(UV, Ultra Violet)과 백색(White) 발광다이오드의 개발도 진행되고 있다.
최근, 모든 발광다이오드에 적용되는 동향은 저소비 전력과 고 휘도의 제품을 요구하고 있다.
특히, 선진 각국에서 에너지 절약 문제가 대두되면서 일반 조명으로 사용될 수 있는 백색 발광다이오드의 개발에 초점이 모아지고 있다.
도 1은 일반적인 발광 다이오드가 패키징된 부분 단면도로써, 발광 다이오드가 접시 모양의 반사도가 높은 제 1 리드프레임(40)에 솔더(30)로 부착되어 있고, 발광 다이오드의 전극 패드들(22,23)은 제 1 리드프레임(40)과 제 2 리드프레임(41)에 와이어(35)로 본딩되어 있다.
발광다이오드와 본딩 부위를 외부로부터 보호하고자, 투명 에폭시(50)로 밀봉되고, 상기 제 1, 2 리드프레임(40,41)과 연결된 제 1,2 리드(10.11)만 외부에노출된다.
상기 발광다이오드는 사파이어 기판(28)의 상부에 N-GaN층(27),활성층(26),P-GaN층(25)이 적층되어 있고, 상기 P-GaN층(25)의 상부에는 투명전극(21)이 형성되어 있으며, 상기 투명전극(21)의 상부에 P전극패드(22)가 형성되어 있고, 상기 N-GaN층(27)의 상부에는 N전극패드(23)가 형성되어 있다.
상기 P,N 전극패드(22,23)를 통하여 전류가 주입되면, 상기 활성층(26)에서는 광이 발생되고, 이 광은 투명전극(21)을 통하여 외부로 방출된다.
이러한, 발광 다이오드로 백색 발광 다이오드의 제조하기 위해서는 여러 가지 방법이 사용되고 있지만, 먼저, 청색 발광다이오드에 YAG((Y3Al5O12가넷(Garnet), 이하 'YAG'라 약칭함)) 포스퍼(Phosphor)가 포함된 노란색 형광물질(60)을 도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 리드프레임(40)상의 접시모양의 반사판에 청색 발광다이오드를 감싸며 도포하면, 백색 발광 다이오드가 구현된다.
즉, 청색 발광 다이오드의 청색광이 노란색 형광물질을 투과하여 백색광으로 외부로 방출되는 방법이다.
또 다른 방법으로는, 자외선 발광 다이오드에는 R.G.B(Red.Green.Blue) 포스퍼가 포함된 형광물질로 백색광을 구현하는 방식이 있다.
그러나, 이러한 종래의 방식으로 백색 발광다이오드를 만들 경우, 청색 발광 다이오드 또는 자외선 발광다이오드에서 발광한 빛이 포스퍼를 형광시켜 백색광을 만들기 때문에, 효율이 많이 저하되게 되며, 또한 조립에도 많은 어려움이 있다.
더욱이 형광물질을 어떻게 적절히 조절하는 가에 따라, 최종 방출되는 빛의 색깔이 변경될 소지가 많으며, 휘도와 광출력에도 영향을 주게 된다.
따라서, 대량 생산시 이러한 변수를 줄이고, 일정한 특성의 백색 발광다이오드의 제작이 어려우며, 높은 생산 수율도 얻기가 어렵다.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 양면 연마된(Double side polished) 사파이어 기판을 사용하여, 기판의 상부와 하부면에 청색과 노란색 발광다이오드 구조를 성장하여 백색광을 방출할 수 있으며, 광 출력을 증가시키고, 제조 경비를 낮출 수 있으며, 조립을 간단히 할 수 있어 대량생산을 할 수 있는 백색 발광 다이오드를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 기판의 일면에 n타입 제 1 질화갈륨층, 청색광을 방출하는 제 1 양자 우물(quantum well) 적층 구조와 p 타입 제 1 질화갈륨층이 순차적으로 적층되어 있으며, 수직선상으로 상기 p 타입 제 1 질화갈륨층에서 n 타입 제 1 질화갈륨층의 일 부분까지 메사(Mesa) 식각되어 제거된 상기 n 타입 제 1 질화갈륨층의 상부에 n-전극을, p 타입 제 1 질화갈륨층의 상부에 각각 p-전극들이 형성되어 있는 청색 발광 다이오드와;
상기 기판의 타면에 n타입 제 2 질화갈륨층, 노란색 광을 방출하는 제 2 양자 우물 적층 구조와 p 타입 제 2 질화갈륨층이 순차적으로 적층되어 있으며, 수직선상으로 상기 p 타입 제 2 질화갈륨층에서 n 타입 제 2 질화갈륨층의 일 부분까지 메사 식각되어 제거된 상기 n 타입 제 2 질화갈륨층의 하부에 n-전극을, p 타입 제 2 질화갈륨층의 하부에 n-전극이 각각 형성되어 있는 노란색 발광 다이오드로 구성된 것을 특징으로 하는 백색 발광 다이오드가 제공된다.
도 1은 일반적인 발광 다이오드가 패키징된 부분 단면도이다.
도 2a 내지 2g는 본 발명에 따른 백색광 발광 다이오드의 제조 공정도이다.
도 3은 본 발명에 따른 백색 발광 다이오드에서 구현된 백색광이 출력되는 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 청색 발광 다이오드의 양자 우물 적층 구조를 도시한 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
40 : 반도체 레이저 다이오드 어레이 71,72 : n 타입 제 1과 2 질화갈륨층
73,75 : 양자 우물 적층 구조 74,76 : p 타입 제 1과 2 질화갈륨층
83,84,111,121 : n-전극 81,82,111,122 : p-전극
91,93,95 : 양자우물층 92,94 : 배리어층
110 : 노란색 발광다이오드 120 : 청색 발광다이오드
125 : 절연성 접착제 130 : 청색광
140 : 노란색광 150 : 백색광
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 사파이어(Al2O3)기판, 실리콘 카바이드(SiC)기판과 질화갈륨 기판 등 중 어느 하나의 기판의 상, 하면을 연마하여, 상면에는 노란색(Yellow) 발광다이오드를 제조하고, 하면에는 청색(Blue) 발광다이오드를 제조하여, 노란색 광과 청색 광이 합쳐져 백색광을 구현하는 것을 특징으로 한다.
도 2a 내지 2g는 본 발명에 따른 백색광 발광 다이오드의 제조 공정도로서, 기판(70)의 상, 하부에 실리콘으로 n 타입 도핑된 n타입 제 1과 2 질화갈륨층(71,72)을 각각 성장시킨다.(도 2a) 이때, 성장되는 n타입 제 1과 2 질화갈륨층(71,72)의 두께는 1 ~ 4 ㎛이다.
그 후에, 상기 n 타입 제 1 질화갈륨층(71)의 상부에 청색광을 방출하는 양자 우물적층 구조(73)를 성장시키고, 상기 양자 우물(quantum well: QW) 적층 구조(73)의 상부에 마그네슘(Mg)으로 p 타입 도핑된 p 타입 제 1 질화갈륨층(74)을성장시켜 청색 발광다이오드의 기본적인 구조 완성시킨다.(도 2b)
그런 다음, 온도를 내리고, n 타입 제 2 질화갈륨층(72)의 하부에 노란색 광을 방출하는 양자 우물 적층 구조(75)를 성장시키고, 상기 노란색 광을 방출하는 양자 우물 적층 구조(75)의 하부에 마그네슘(Mg)으로 p 타입 도핑된 p 타입 제 2 질화갈륨층(76)을 성장시켜 노란색 발광다이오드의 기본적인 구조 완성시킨다.(도 2c)
여기서, 상기 도 2b에 도시된 공정 후, n 타입 제 2 질화갈륨층(72)이 상부에 위치하도록 제조된 소자를 180° 회전시켜, 도 2c의 노란색 발광다이오드를 제조하는 것이 공정 상 수월하다.
이와 같이, 청색 광을 방출하는 양자 우물 적층 구조(73)는 In을 18 ~ 25%로 하고, Ga을 82 ~ 75%의 조성을 갖는 통상 사용되는 InGaN의 반도체 화합물의 적층 구조로 제조하면 청색 광이 방출된다.
그리고, 노란색 광을 방출하는 양자 우물 적층 구조(75)는 In을 65 ~ 70%로 하고, Ga을 35 ~ 30%의 조성을 갖는 InGaN의 반도체 화합물의 적층 구조로 제조하면 노란색 광이 방출된다.
상기 기본적인 청색 및 노란색 발광다이오드의 구조를 제조한 후, 청색 발광 다이오드의 구조에서 수직선상으로 p 타입 제 1 질화갈륨층(74)에서 n 타입 제 1 질화갈륨층(71)의 일 부분까지 메사(Mesa) 식각하여 제거하고, 노란색 발광 다이오드의 구조에서도 수직선상으로 p 타입 제 2 질화갈륨층(76)에서 n 타입 제 2 질화갈륨층(72)의 일 부분까지 메사(Mesa) 식각하여 제거한다.(도 2d)
마지막으로, 청색 및 노란색 발광 다이오드의 구조에서 메사 식각된 상기 n 타입 제 1 질화갈륨층(71)의 상부와 n 타입 제 2 질화갈륨층(72)의 하부에 각각 n-전극들(83,84)을 형성하고, 상기 p 타입 제 1 질화갈륨층(74)의 상부와 p 타입 제 2 질화갈륨층(76)의 하부에 각각 p-전극들(81,82)을 형성하면, 본 발명의 백색 발광 다이오드의 제조는 완료된다.(도 2e)
이렇게 청색 양자 우물 적층 구조를 먼저 성장시키고, 노란색 양자 우물 적층 구조를 나중에 성장시키는 것은 노란색 양자 우물 적층 구조의 조성이 In의 함유량이 많고, 성장 온도가 상대적으로 낮기 때문에, 노란색 양자 우물 적층 구조를 나중에 성장시키는 것이 바람직하다.
여기에, 백색 발광 다이오드를 패키징하기 위해서는, 도 2f에 도시된 바와 같이, 청색 발광 다이오드의 전극들(82,84)이 패키징되는 접착면과 수평을 유지하기 위하여, 벌크(Bulk) 금속(90,91)을 상기 전극들(82)과 전기적 접속 및 접착시켜 패키징하는 것이 바람직하다.
도 3은 본 발명에 따른 백색 발광 다이오드에서 구현된 백색광이 출력되는 상태를 도시한 도면으로서, 기판(70)의 양면에 제조된 노란색 발광 다이오드(110)와 청색 발광 다이오드(120)의 p 전극들(112,122)과 n 전극들(111,121)은 각각 외부의 전원과 전기적으로 접속되어 있고, 청색 발광 다이오드(120)의 전극들(121,122)은 절연성 접착제(125)에 의해 리드프레임(40)의 접시모양의 광 반사판에 접착되어 있다.
노란색 발광 다이오드(110)와 청색 발광 다이오드(120)가 동작되어, 노란색광(140)과 청색 광(130)을 방출되는데, 노란색 광(140)과 청색 광(130)은 합쳐져 백색광(150)으로 패키징 외부로 방출된다.
물론, 상기 절연성 접착제(125)는 청색 발광 다이오드(120)에서 방출되는 청색광(130)을 투과할 수 있는 물질이어야 하며, 이렇게 투과된 청색광(130)은 리드프레임(40)의 접시모양의 광 반사판에서 반사되어, 노란색광(140)과 합쳐져 백색광(150)으로 외부로 방출된다.
이와 같이, 본 발명은 청색 및 노란색 발광 다이오드를 기판의 양면에 제조하여, 백색 발광다이오드로 구현하기 위해서는, 실제로 청색광과 노란색광의 휘도 조절이 필요하다.
두 광의 휘도를 조절하는 방법은 하기와 같이 여러 가지 방법이 있다.
1. 각 광의 웰(Well) 수를 조절한다.
즉, 청색광의 휘도가 높아 최종적으로 발광되는 색이 푸른빛을 나타내면, 청색 발광 다이오드의 웰 수를 줄이고, 노란색 광의 웰 수를 증가시킨다. 반대의 경우에도 역시, 두 광의 웰 수를 조절하여 백색광을 구현할 수 있는 것이다.
2. 청색 발광다이오드의 광이 강할 경우, 청색 발광다이오드의 칩 사이즈를 줄여 광 출력을 조절할 수 있다. 반대의 경우는, 노란색 발광다이오드의 칩 사이즈로 조절할 수 있다.
3. 청색 발광다이오드의 광이 강할 경우, 청색 발광다이오드의 광 출력 부분의 사이즈를 줄여 광을 조절할 수 있다.
4. 상기 1 ~ 3의 방법을 적절히 조합하여, 백색 발광다이오드의 광의 색깔을백색이 되도록 조절한다.
도 4는 청색 발광 다이오드의 양자 우물 적층 구조를 도시한 단면도로서, 양자 우물 적층 구조는 n 타입 질화갈륨층(71)의 상부에 제 1 양자 우물층(91), 제 1 배리어(Barrier)층(92), 제 2 양자 우물층(93), 제 2 배리어층(94)과 제 3 양자 우물(95)로 이루어져 있다.
이러한, 양자 우물층은 전술된 백색광을 구현하기 위하여, 조절되는 웰을 지칭하며, 도 4에서 하나의 웰을 증가시키려면, 배리어층을 성장시키고, 그 상부에 양자 우물층을 성장시키면 된다.
만약, 기존의 R.G.B 발광 다이오드를 사용하여, 본 발명의 사상을 적용하여 백색 발광 다이오드를 구현하면, 3개의 발광 다이오드를 동작시키기 위한 전원이 본 발명보다 더 많이 필요로 하게 되는 문제점이 있고, 기존의 형광 물질을 사용하는 경우, 형광 물질을 통하여 백색광이 출력되기 때문에, 본 발명에 따른 백색 발광 다이오드의 백색광 출력보다는 낮다.
더불어, 비용적인 측면에서도, 본 발명은 R.G.B 발광 다이오드 및 형광 물질을 사용한 기존의 백색 다이오드보다 저렴하여 제조 원가를 낮출 수 있는 장점이 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 양면 연마된(Double side polished) 사파이어 기판을 사용하여, 기판의 상부와 하부면에 청색과 노란색 발광다이오드 구조를 성장하여 백색광을 방출할 수 있어, 광 출력을 증가시키고, 제조 경비를 낮출 수 있으며, 조립을 간단히 할 수 있어 대량 생산을 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
Claims (4)
- 기판의 일면에 n타입 제 1 질화갈륨층, 청색광을 방출하는 제 1 양자 우물(quantum well) 적층 구조와 p 타입 제 1 질화갈륨층이 순차적으로 적층되어 있으며, 수직선상으로 상기 p 타입 제 1 질화갈륨층에서 n 타입 제 1 질화갈륨층의 일 부분까지 메사(Mesa) 식각되어 제거된 상기 n 타입 제 1 질화갈륨층의 상부에 n-전극을, p 타입 제 1 질화갈륨층의 상부에 각각 p-전극들이 형성되어 있는 청색 발광 다이오드와;상기 기판의 타면에 n타입 제 2 질화갈륨층, 노란색 광을 방출하는 제 2 양자 우물 적층 구조와 p 타입 제 2 질화갈륨층이 순차적으로 적층되어 있으며, 수직선상으로 상기 p 타입 제 2 질화갈륨층에서 n 타입 제 2 질화갈륨층의 일 부분까지 메사 식각되어 제거된 상기 n 타입 제 2 질화갈륨층의 하부에 n-전극을, p 타입 제 2 질화갈륨층의 하부에 n-전극이 각각 형성되어 있는 노란색 발광 다이오드로 구성된 것을 특징으로 하는 백색 발광 다이오드.
- 제 1 항에 있어서,상기 기판의 물질은 질화갈륨, 사파이어와 실리콘 카바이드 중 선택된 어느 하나 인 것을 특징으로 하는 백색 발광 다이오드.
- 제 1 항에 있어서,상기 n 타입 제 1과 2 질화갈륨층의 두께는 1 ~ 4 ㎛인 것을 특징으로 하는 백색 발광 다이오드.
- 제 1 항에 있어서,상기 청색 광을 방출하는 제 1 양자 우물 적층 구조는 In이 18 ~ 25% 이고, Ga이 82 ~ 75%의 조성을 갖는 InGaN의 적층 구조이고,상기 노란색 광을 방출하는 제 2 양자 우물 적층 구조는 In이 65 ~ 70% 이고, Ga이 35 ~ 30%의 조성을 갖는 InGaN의 적층 구조인 것을 특징으로 하는 백색 발광 다이오드.
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