KR101746004B1 - 발광소자 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 발광소자는 DBR층을 사용하여 발광구조물을 패시베이션하여서 전극의 박피현상을 방지하고, 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
Description
실시예는 발광소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 방열이 용이한 플립칩 방식의 발광소자의 경우 광추출 효율을 향상시키고, 전극의 박피 및 이탈을 방지하는 발광소자에 관한 것이다.
형광등은 흑점 현상, 짧은 수명 등으로 잦은 교체와 형광물질 사용으로 친환경을 지향하는 미래 조명시장의 흐름에 반하므로 점차 타 광원으로 대치되고 있는 추세이다.
이에 타 광원으로 가장 주목받고 있는 것은 LED(Light Emitting Diode)로써, 반도체의 빠른 처리 속도와 낮은 전력 소모 등의 장점과 함께, 환경 친화적이면서도 에너지 절약 효과가 높아서 차세대 광원으로 꼽히고 있다. 따라서, 기존의 형광등을 대체하기 위한 LED의 활용은 활발히 진행 중에 있다.
현재, LED와 같은 반도체 발광 소자는 텔레비전, 모니터, 노트북, 휴대폰, 및 기타 디스플레이장치를 구비하는 다양한 장치에 적용되고 있으며, 특히 기존의 CCFL을 대체하여 백 라이트 유닛으로도 널리 사용되고 있다.
이와 같이 LED의 사용 영역이 넓어지면서, 생활에 사용되는 전등, 구조 신호용 전등 등에 요구되는 휘도가 높이지는 바, LED의 발광휘도를 증가시키는 것이 중요하다.
발광소자를 보호하는 동시에 발광 효율이 향상된 발광 다이오드 및 이를 포함하는 발광 소자 패키지를 제공함에 있다.
실시예에 따른 발광소자는 기판, 상기 기판상에 순차적으로 형성된 제1 반도체층, 제2 반도체층 및 상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층 사이에 활성층을 포함하는 발광구조물, 상기 발광구조물상에 형성되는 DBR(Distributed Bragg Reflector)층, 상기 제1 반도체층의 상면 일부가 노출되고, 상기 노출된 상면에 위치하는 제1 전극 및 상기 제2 반도체층 상의 일측에 배치되는 제 2전극을 포함하고, 상기 DBR층은 상기 제2 전극의 일부가 노출되도록 형성될 수 있다.
여기서, 상기 제2 전극은 제2 전극패드와 상기 제2 전극패드에 연결되어 상기 제1 전극 방향으로 확장되는 적어도 하나 이상의 제2 전극윙을 포함할 수 있다.
또한, 상기 DBR층은 제1 굴절률을 갖는 제1 층 및 상기 제1 굴절률과 상이한 제2 굴절률을 갖는 제2 층이 교번하여 반복 적층될 수 있다.
발광소자의 외측면에 DBR층이 형성됨으로써, 발광소자가 플립칩 형으로 사용되는 경우 발광 효율 및 방열 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, DBR층이 전극의 상면 일부 영역까지 형성되어 전극의 박피현상 및 이탈현상을 방지할 수 있다.
또한, DBR층이 제2 반도체층, 활성층 및 투광성전극층을 덮게 되므로 발광소자가 보호된다.
도 1은 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 평면도이다.
도 2a는 도 1에 도시된 발광소자를 A-A′따라 절단한 단면도이다.
도 2b는 도 2a의 D부분을 확대한 확대도이다.
도3은 도 1에 도시된 발광소자를 B-B′따라 절단한 단면도이다.
도 4는 실시예에 따른 발광소자가 패키지 기판에 플립칩 본딩된 형태를 도시하는 도면이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 발광소자를 도시한 단면도이다.
도 6는 다른 실시예에 따른 발광소자를 도시한 평면도이다.
도 7은 실시예에 따른 발광소자를 포함하는 발광 소자 패키지의 단면도이다.
도 2a는 도 1에 도시된 발광소자를 A-A′따라 절단한 단면도이다.
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도3은 도 1에 도시된 발광소자를 B-B′따라 절단한 단면도이다.
도 4는 실시예에 따른 발광소자가 패키지 기판에 플립칩 본딩된 형태를 도시하는 도면이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 발광소자를 도시한 단면도이다.
도 6는 다른 실시예에 따른 발광소자를 도시한 평면도이다.
도 7은 실시예에 따른 발광소자를 포함하는 발광 소자 패키지의 단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 공정 단계들, 잘 알려진 소자 구조 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작 시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기와 면적은 실제크기나 면적을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
또한, 실시 예에서 발광소자의 구조를 설명하는 과정에서 언급하는 각도와 방향은 도면에 기재된 것을 기준으로 한다. 명세서에서 발광소자를 이루는 구조에 대한 설명에서, 각도에 대한 기준점과 위치관계를 명확히 언급하지 않은 경우, 관련 도면을 참조하도록 한다.
도 1은 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 평면도이고, 도 2a는 도 1에 도시된 발광소자를 A-A′따라 절단한 단면도이며, 도 2b는 도 2a의 D부분을 확대한 확대도이고, 도 3은 도 1에 도시된 발광소자를 B-B′따라 절단한 단면도이며, 도 4는 실시예에 따른 발광소자가 패키지 기판에 플립칩 본딩된 형태를 도시하는 도면이다.
도 1내지 도 3을 참조하여 설명하면, 실시예에 따른 발광소자(100)는 기판(110), 제1 반도체층(120), 활성층(130), 제2 반도체층(140) 및 제2 반도체층(140) 상에 형성되는 DBR(Distributed Bragg Reflector)층(160)을 포함할 수 있다.
특히 도 2a를 참조하면, 기판(110)은 광 투과적 성질을 가지는 것으로 사파이어(Al2O3)와 같은 반도체층과는 다른 이종기판 또는 GaN과 같은 동종기판일 수 있다. 또한, 사파이어(Al2O3) 기판에 비해 열전도성이 큰 SiC 기판일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
기판(110)의 하면에는 광추출 효율을 향상시키는 요철패턴(112)이 형성될 수 있다.
요철패턴(112)은 발광 구조물이 형성되는 면에 반대되면 면에 형성되는데, 그 형성방법은 식각방법으로 형성될 수 있고 바람직하게는 건식 식각, 습식 식각 등을 방법이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 즉, 표면 요철구조로 인해 발광되는 빛의 전반사를 방지하여 광추출 효율을 증가시킨다.
한편, 기판(110)의 하면에는 도시되지는 않았으나, 광추출 효율을 향상시키는 반사 방지층이 더 포함될 수 있다. 반사 방지층은 AR 코트(Anti-Reflective Coating)층이라고 불리는 것으로, 기본적으로 복수의 계면으로부터의 반사광끼리의 간섭 현상을 이용한다. 즉, 다른 계면으로부터 반사되어 오는 광의 위상을 180도 어긋나도록 해서, 서로 상쇄되도록 하여, 반사광의 강도를 약하게 하고자 하는 것이다. 다만 이에 한정되는 것은 아니다.
도시하지는 않았으나, 기판(110) 상에는 기판(110)과 제1 반도체층(120)간의 격자 부정합을 완화하고 반도체층들이 용이하게 성장될 수 있도록 버퍼층을 형성할 수 있다.
버퍼층은 AlN, GaN를 포함하여 AlInN/GaN 적층 구조, InxGa1 - xN/GaN 적층 구조, AlxInyGa1 -x- yN/InxGa1 - xN/GaN의 적층 구조 등의 구조로 형성될 수 있다.
제1 반도체층(120)은 n형 반도체층을 포함하여 형성되어 활성층(130)에 전자를 제공할 수 있으며, 제1 반도체층(120)은 제1 도전형 반도체층으로만 형성되거나, 제1 도전형 반도체층 아래에 언도프트 반도체층을 더 포함할 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다.
제1 도전형 반도체층은 예를 들어, n형 반도체층은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN 등에서 선택될 수 있으며, Si, Ge, Sn 등의 n형 도펀트가 도핑될 수 있다.
언도프트 반도체층은 제1 도전형 반도체층의 결정성 향상을 위해 형성되는 층으로, n형 도펀트가 도핑되지 않아 제1 도전형 반도체층에 비해 현저히 낮은 전기전도성을 갖는 것을 제외하고는 제1 도전형 반도체층과 같다.
또한, 제1 반도체층(120)은 NH3, TMGa, Si와 같은 제1 도펀트를 포함한 사일렌(SiH4) 가스를 공급하여 형성할 수 있으며, 다층막으로 형성할 수 있고, 클래드층이 더 포함될 수 있다.
제1 반도체층(120)상에는 활성층(130)이 형성될 수 있다. 활성층(130)은 전자와 정공이 재결합되는 영역으로, 전자와 정공이 재결합함에 따라 낮은 에너지 준위로 천이하며, 그에 상응하는 파장을 가지는 빛을 생성할 수 있다.
활성층(130)은 예를 들어, InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 가지는 반도체 재료를 포함하여 형성할 수 있으며, 단일 양자 우물 구조 또는 다중 양자 우물 구조(MQW: Multi Quantum Well)로 형성될 수 있다. 또한, 양자선(Quantum wire)구조 또는 양자점(Quantum dot)구조를 포함할 수도 있다.
제2 반도체층(140)은 상술한 활성층(130)에 정공을 주입하며, 제2 반도체층(140)은 예를 들어, p형 반도체층으로 구현될 수 있는데, p형 반도체층은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN 등에서 선택될 수 있으며, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등의 p형 도펀트가 도핑될 수 있다.
상술한 제1 반도체층(120), 활성층(130) 및 제2 반도체층(140)은 예를 들어, 유기금속 화학 증착법(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 화학 증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 화학 증착법(PECVD; Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition), 분자선 성장법(MBE; Molecular Beam Epitaxy), 수소화물 기상 성장법(HVPE; Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등의 방법을 이용하여 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
또한, 제1 2 반도체층(120,140) 상에는 n형 또는 p형 반도체층을 포함하는 제3 도전형 반도체층(미도시)이 형성될 수도 있으며 이에 따라, 발광소자(100)는 np, pn, npn, pnp 접합 구조 중 적어도 어느 하나를 가질 수 있다.
또한, 제1 반도체층(120) 및 제2 반도체층(140) 내의 도전형 도펀트의 도핑 농도는 균일 또는 불균일하게 형성될 수 있다. 즉, 복수의 반도체층의 구조는 다양하게 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
또한, 상술한 바와는 달리 제1 반도체층(120)이 p형 반도체층을 포함하고, 제2 반도체층(140)이 n형 반도체층을 포함할 수도 있다. 즉, 제1 반도체층(120)과 제2 반도체층(140)은 활성층(130)을 중심으로 서로 형성되는 위치가 바뀌어도 무방하나, 하기에서는 제1 반도체층(120)이 n형 반도체층을 포함하여 형성되고 기판(110)에 근접하는 것으로 기술한다.
다시 도 2a를 참조하면, 활성층(130)과 제2 반도체층(140)은 일부가 제거되어 제1 반도체층(120)의 일부가 노출되고, 노출된 제1 반도체층(120) 상면에는 티탄(Ti) 등으로 이루어지는 제1 전극(170)이 형성될 수 있다.
제1 전극(170)은 제2 전극패드(182)의 타측에 배치되는 제1 전극패드(172) 및 제1 전극패드(172)에 연결되어 타측 방향으로 배치되는 적어도 하나의 제 1전극윙(174)을 포함할 수 있다. 제 1전극윙(174)의 배치형상과 개수는 발광소자의 면적과 전류확산 등을 고려하여 결정하며 다양한 배치형상이 형성될 수 있다.
또한, 제1 반도체층(120)의 일부가 노출되도록 하는 방법은 소정의 식각방법을 사용할 수 있다.
제2 반도체층(140) 상에는 니켈(Ni) 등으로 이루어진 제 2전극(180)이 형성될 수 있다.
제 2전극(180)은 제2 반도체층(140)상의 일측에 배치되는 제2 전극패드(182) 및 제2 전극패드(182)에 연결되어 제1 전극(170) 방향으로 확장되는 적어도 하나의 제 2전극윙(184)을 포함할 수 있다.
제 2전극윙(184)은 전류 확산을 향상시키기 위한 것으로 발광소자의 크기, 면적에 따라 다양하게 형성되고, 형상도 제한이 없다.
제2 전극패드(182)와 제 2전극윙(184)은 단차가 형성될 수도 있고, 단차가 형성되지 않을 수도 있으나, 바람직하게는 제2 전극패드(182)는 제 2전극윙(184)보다 높은 단차를 가지고 형성될 것이다. 즉, DBR층(160)의 외부로 제2 전극패드(182)가 노출될 수 있는 단차를 가질 것이나, 제2 전극패드(182)가 DBR층(160)보다 낮은 높이를 가지더라도 DBR층(160)이 노출영역을 가지기 때문에 아무런 문제는 없다.
제2 전극패드(182)는 니켈(Ni), 크롬(Cr), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 티타늄(Ti), 텅스텐(W) 등의 금속재질 또는 탄소나노튜브을 이용하여 형성할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
제 1전극윙(174) 또는 제 2전극윙(184)은 절곡부를 포함할 수 있다. 즉, 발광소자의 형상 및 크기 등에 따라 다양하게 굽어져서 형성될 수 있을 것이다. 또한 상술한 절곡부는 곡률을 가질 수 있다.
또한, 제2 반도체층(140) 상에는 투광성전극층(150)이 형성될 수 있으며, 이때 제 2전극(180)은 상기 제2 반도체층(140)과 연결되거나, 투광성전극층(150)과 연결되어 형성될 수 있다.
투광성전극층(150)은 ITO, IZO(In-ZnO), GZO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au 및 Ni/IrOx/Au/ITO 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 제2 반도체층(140)의 외측 일면 전체에 형성됨으로써, 전류군집현상을 방지할 수 있다.
한편 제2 반도체층(140) 상에는 제2 전극패드(182)가 형성된 위치와 적어도 일부분이 공간상 중첩되도록 전류제한층(190)이 형성될 수 있다.
전류제한층(190)(CBL)은 비전도성 또는 약전도성의 물질을 포함하는데, 바람직하게는 이산화규소(SiO2), 또는 이산화규소(SiO2)를 포함하는 산화알루미늄(Al2O3)으로 구성될 수도 있다.
전류제한층(190)은 전자가 전극의 하부에 밀집되는 전류군집현상을 방지하기 위해 마련된다.
또한, 전류제한층(190)의 폭은 제한이 없지만, 바람직하게는 제2 전극패드(182)의 폭보다 넓게 형성될 수 있다. 따라서, 전류군집현상을 방지할 수 있다.
한편, 실시예에 따르면 발광소자(100)의 외면(상면)에는 DBR(Distributed Bragg Reflector)층(161)이 형성될 수 있다. 즉, 제2 반도체층(140)의 상면에 형성될 수 있다. 발광소자(100)의 외측면에 DBR층(160)이 형성됨으로써, 실시예의 발광소자(100)가 플립칩형으로 사용되는 경우 DBR층(160)의 큰 반사도로 인하여 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
도 2b을 참조하면, DBR층(160)은 제1 굴절률을 갖는 제1 층(162) 및 제1 굴절률과 상이한 제2 굴절률을 갖는 제2 층(164)을 포함하여 형성할 수 있다. 즉, DBR층(160)은 굴절율이 서로 다른 층들(162,164)이 교번하여 반복 적층된 구조를 이룰 수 있다. 일 예로 제1 층(162)은 저굴절율층일 수 있으며, 제2 층(164)은 고굴절율층일 수 있으나, 이에 한정하지는 않는다.
한편, λ가 활성층(130)에서 발생한 광의 파장이고 n이 매질의 굴절율이고, m을 홀수라 할 때, DBR층(160)은, mλ/4n의 두께로 저굴절율을 가지는 제1 층 (162)과 고굴절율을 가지는 제2 층(164)을 교대로 반복 적층하여 특정 파장대(λ)의 광에서 95% 이상의 반사율을 얻을 수 있는 반도체 적층 구조로 이루어진다.
따라서, 저굴절율을 가지는 제1 층(162)과 고굴절율을 가지는 제2 층(164)은 기준 파장의 λ/4배의 두께를 가질 수 있으며, 이때 각 층(163,164)의 두께는 2Å 내지 10um로 형성할 수 있다.
또한, DBR층(160)을 형성하는 각 층(163,164)은 MxOy 또는 MxOyNz (M: Metal or Ceramics, O: Oxide, N: Nitride, X, Y, Z: 상수)로 구성될 수 있다.
일 예로 저굴절율을 가지는 제1 층(162)은 굴절율 1.4의 SiO2 또는 굴절율 1.6의 Al2O3가 이용될 수 있으며, 고굴절율을 가지는 제2 층(164)은 굴절율 2 이상의 TiO2 등을 이용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 저굴절율을 가지는 제1 층(162)과 고굴절율을 가지는 제2 층(164)들 사이의 매질의 굴절율을 크게 하는 것에 의해 반사율을 보다 크게 할 수 있다.
이와 같은 DBR층(160)은 발진 파장보다 밴드갭 에너지가 커서 광의 흡수가 잘 일어나지 않아, 광의 반사도가 크다.
특히 도 2a를 참조하면, DBR층(161)은 제1 전극패드(172) 및 제2 전극패드(182)가 형성된 영역을 제외한 모든 영역에 형성될 수 있다. 즉, DBR층(161)은 제2 전극패드(182)가 노출되도록 노출영역을 가지게 형성될 수 있다.
제1 전극패드(172) 및 제2 전극패드(182)가 외부에 노출되는 방법은 제한은 없으나 바람직하게는 DBR층(160)을 형성시킨 후, 노출영역이 형성될 자리를 제외한 부분을 PR(photo resist)로 가린 후, 노출영역에 상응하는 부분을 제거하는 식각 공정이 수행되며, 그 식각 공정은 습식 또는 건식 식각일 수 있다. 그리고, 노출영역에 제1 전극패드(172) 및 제2 전극패드(182)를 형성시킨다. 따라서, 패드의 이탈 및 박피를 방지할 수 있는 동시에 광추출 효율도 향상시킬 수 있다.
도 1, 도 2a, 도 3을 참조하여 다시 설명하면, 특히 도 3을 참조하면, 제1 전극패드(172) 및 제2 전극패드(182)는 외부에 노출되고, 제 2전극윙(184)은 DBR층(161)에 의해 덮이게 되므로 제 2전극윙(184)에 의한 전류확산 효과를 가진다. 또한, 제2 반도체층(140) 상에 형성되는 제 2전극윙(184)의 경우 발광소자의 광추출 효율 향상에 방해가 되는데 DBR층(160)에 의해 광추출 효율이 향상되고, 제 2전극윙(184)의 박피현상을 DBR층(160)으로 방지할 수 있는 효과를 가진다.
또한, 특히 도 2a 및 도 3을 참조하면, DBR층(160)은 발광구조물의 상면으로부터 제2 반도체층(140) 및 활성층(130)의 측면을 따라 제1 반도체층(120)의 상면으로 연장되어 형성될 수 있다.
다시 설명하면, 소정의 식각방법으로 발광 구조물의 상면으로부터 제1 전극패드(172)와 제 1전극윙(174)이 위치할 영역을 식각하게 되는데 패드노출영역(126)과 윙노출영역(124)이다. 상술한 노출영역(124. 126)의 측면과 제1 반도체층(120)의 상면에 DBR층(160)이 형성되는 것이다. 또한, 발광구조물 상에 투광성전극층(150)이 형성되는 경우 투광성전극층(150)의 상면으로부터 투광성전극층(150), 제2 반도체층(140), 활성층(130)의 측면 및 제1 반도체층(120)의 상면에 DBR층(160)이 형성될 수 있다. 따라서, 활성층(130)에서 발생한 빛이 발광소자(100)의 측면으로 향하는 경우 DBR층(160)에 반사되어 외부로 추출되므로 광추출 효율이 향상되고, DBR층(160)이 패시베이션(Passivation)의 역할을 수행하므로 투광성전극층(150), 제2 반도체층(140) 및 활성층(130)이 보호되고, 이탈이 방지된다.
또한, DBR층(160)은 제1 반도체층(120)의 상면으로부터 제 1전극윙(174)의 측면 및 제 1전극윙(174)의 상면 외각부의 일부 영역까지 연장되어 형성될 수 있다. 따라서, 광추출 효율을 좀 더 증가시킬 수 있고, 제 1전극윙(174)의 박피 및 이탈을 방지하고 보호효과를 갖는다. 형성방법은 DBR층(161)의 두께를 성장시간 또는 적층수로 조절하여 발광소자 상면 전체에 성장시키고, 제 1전극윙(174)의 일부 영역만을 식각하는 방법으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 않는 것은 당연하다.
또한, 패드의 경우도 상술한 바와 같이 DBR층(160)이 형성될 수 있으나 이에 대해서는 후술한다.
도 4는 실시예에 따른 발광소자가 패키지 기판에 플립칩 본딩된 형태를 도시하는 도면이다. 이하 실시예에 따른 발광소자가 플립칩 본딩되어 DBR층(160)에 의해 광추출 효율이 향상되는 원리를 상세히 설명한다.
도 4를 참조하면, 패키지기판(390)상에 플립칩 본딩된 발광소자(100)가 도시되어 있다. 한편, 패키지기판(390)상에는 도체패턴(392,394)이 형성되며, 도체패턴(392,394)은 솔더(396,398)를 통해 플립칩형 발광소자의 제2 전극패드(182)와 제1 전극패드(172)와 전기적으로 접속된다.
플립칩형 발광소자의 경우 발광소자의 휘도가 증가할수록 방열이 가장 큰 문제인데 방열이 효율적이어서 고휘도 발광소자에 적합하다.
한편, 플립칩 패키지 제조 공정 중 다이본딩 공정에서는 충격이 발생될 수 있으며, 이를 방지하기 위해 DBR층(160) 외면에는 충격완화층(미도시)이 추가적으로 형성될 수 있다. 충격완화층은 텅스텐(W) 또는 그 합금으로 형성될 수 있다. 또한 텅스텐(W) 또는 그 합금은 열전도성이 우수하므로, 충격완화층은 열싱크로서 작용할 수도 있다.
이와 같이 형성된 DBR층(160)은 투광성전극층(150) 또는 제1 반도체층(120)을 보호하는 보호층으로서의 역할뿐 아니라, 광 흡수를 방지하고, 기판(110) 쪽으로 광을 배출하게 함으로써, 발광소자의 광 추출효율을 향상시킬 수 있다.
즉, 도 4에 도시된 바와 같이 활성층(130)에서 발생한 광은 DBR층(160)에 의해 반사되어 전체적으로 기판(110) 쪽으로 진행하게 되는데, 대략 사파이어(Al2O3)로 형성된 기판(110)의 굴절율이 2.4이고, 제1 반도체층(120)의 굴절율이 2.0이며, 활성층(130)의 굴절율이 1.8정도 이므로, 스넬의 법칙에 의하면, 굴절율이 작은 매질에서 굴절율이 큰 매질로 광이 진행하면 매질간의 경계면에서 전반사가 일어나지 않으므로, 결과적으로 광 추출 효율이 향상될 수 있다.
도 5는 다른 실시예에 따른 발광소자를 도시한 단면도이다.
도 5를 참조하면, 실시예에 따른 발광소자(100)은 도 2a의 실시예와 다른 구성요소는 동일하나, 전극패드의 형상과 DBR층(160)이 전극패드의 상면 일부 영역까지 형성되는 것에 차이가 있다, 동일한 구성요소의 설명은 생략한다.
DBR층(160)은 발광구조물의 상면으로부터 제2 전극패드(182)의 측면 및 상면의 일부 영역까지 연장되어 형성될 수 있다. 또한, 제1 전극패드(172)도 제2 전극패드(182)와 동일하게 DBR층(160)이 형성될 수 있다.
즉, 발광구조물의 상면에 DBR층(160)을 성장시키고 제1 전극패드(172) 또는 제2 전극패드(182)를 전부 덮을 수 있는 두께로 형성하고, 제1 전극패드(172) 또는 제2 전극패드(182)의 상면 중 일부만 노출되도록 소정의 식각방법으로 식각하여 형성될 수 있다. 따라서, 제1 전극패드(172) 또는 제2 전극패드(182)의 이탈 및 박피를 방지할 수 있다.
또한, 제2 전극패드(182)의 측면은 경사지게 형성되어 DBR층(160)에 의한 고정효과를 극대화 할 수 있다.
제1 전극패드(181)의 경우는 차후에 플립칩 본딩을 고려해 제1 전극패드(172)상에 연장전극 등을 연결할 수 도 있다.
도 6는 다른 실시예에 따른 발광소자를 도시한 평면도이다.
도 6을 참조하면, 실시예에 따른 발광소자(100)는 도 1에서 도시한 발광소자(100)와 비교하여 발광구조물 상면에 배치되는 전극의 배치가 상이하다.
즉, 실시예에 따른 발광소자(100)는 발광구조물의 상면 중심부에 배치되는 제2 전극패드(182), 제2 전극패드(182)와 일정거리를 이격하여 제2 전극패드(182)를 감싸게 복수 개로 배치되는 제1 전극패드(172) 및 제1 전극패드(172) 중 하나에 연결되고 인접하는 다른 제1 전극패드(172)와 연결되는 제 1전극윙(174)을 포함할 수 있다.
다시 설명하면, 높은 휘도가 요구되는 경우 발광소자(100)를 설계 시에 전기적 안정성을 위해 다수의 제1 전극패드(172)가 배치될 수 있고, 플립칩 본딩 시 구조적 안정을 위해 도 6에 보는 바와 같이 4개의 제1 전극패드(172)가 배치될 수 있다.
또한, 전류 확산을 위해 발광소자(100)의 외주면에서 일정거리 이격하며 외주면을 따라 배치되는 하나의 제 2전극윙(184)과 제2 전극패드(182)에 연결되고 상술한 하나의 제 2전극윙(184)과 연결하는 다른 제 2전극윙(184)을 포함할 수 있다.
다만, 전극패드와 전극윙을 배치는 이에 한정되지 않고, 요구되는 휘도, 발광소자의 크기 등에 따라 자유롭게 배치 가능하다.
DBR층(160)을 사용하면, 제 2전극윙(184)의 배치가 자유로우면서, 전류확산효과를 향상시키고, 발광소자의 광추출 효율을 증가시킨다.
도 7은 실시예에 따른 발광소자를 포함하는 발광 소자 패키지의 단면도이다.
도 7을 참조하면, 실시예에 따른 발광 소자 패키지(500)는 몸체(531)와, 몸체(531)에 설치된 제1 전극층(538), 제2 전극층(539) 및 몸체(531)에 설치되어 제1 전극층(538) 및 제2 전극층(539)과 전기적으로 연결되는 실시예에 따른 발광소자(536)를 포함할 수 있다. 발광소자(536)는 플립칩 방식에 의해 솔더(535)를 통해 제1 전극층(538) 및 제2 전극층(539)과 연결될 수 있다.
몸체(531)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있으며, 발광소자(536)의 주위에 경사면이 형성될 수 있다.
제1 전극층(538) 및 제2 전극층(539)은 서로 전기적으로 분리되어 형성되며, 발광소자(536)에 전원을 제공한다. 또한, 제1 전극층(538) 및 제2 전극층(539)은 발광소자(536)에서 발생된 빛을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있으며, 발광소자(536)에서 발생된 열을 외부로 배출시키는 역할을 할 수도 있다.
한편, 보다 효과적으로 발광소자(536)의 광 방출을 전면 방향으로 집중시키기 위해 몸체(531)상에 반사층(532)을 형성할 수 있다. 일반적으로 이러한 반사층(532)은 반사계수가 높은 은(Ag)이나 알루미늄(Al) 등의 금속을 사용할 수 있으며, 이때, 전극층(538,539)과의 전기적인 접촉을 방지하기 위해 반사층(532) 상부에는 절연층(533)을 더 형성해 주는 것이 바람직하다.
또한, 몸체(531)에는 캐비티(537)가 형성되어 발광다이오드(536)를 실장할 수 있으며, 캐비티(537)에는 몰딩부재를 충진하여 발광다이오드(536)를 포위하여 보호할 수 있다. 한편, 몰딩부재는 형광체가 포함되어 발광소자(536)에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있다.
본 실시예는 플립 칩 타입의 발광 소자를 중심으로 기술하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 수평형 구조 또는 수직형 구조에 적용될 수도 있다.
실시 예에 따른 발광 소자 패키지는 복수개가 기판 상에 어레이되며, 발광 소자 패키지의 광 경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트 등이 배치될 수 있다. 이러한 발광 소자 패키지, 기판, 광학 부재는 라이트 유닛으로 기능할 수 있다. 또 다른 실시 예는 상술한 실시 예들에 기재된 발광소자 또는 발광 소자 패키지를 포함하는 표시 장치, 지시 장치, 조명 시스템으로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 조명 시스템은 램프, 가로등을 포함할 수 있다.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 기판 120: 제1 반도체층
130: 활성층 140: 제2 반도체층
150: 투광성전극층 160: DBR층
172: 제1 전극패드 174: 제 1전극윙
182: 제2 전극패드 184: 제 2전극윙
130: 활성층 140: 제2 반도체층
150: 투광성전극층 160: DBR층
172: 제1 전극패드 174: 제 1전극윙
182: 제2 전극패드 184: 제 2전극윙
Claims (18)
- 기판;
상기 기판상에 순차적으로 형성된 제1 반도체층, 제2 반도체층 및 상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층 사이에 활성층을 포함하는 발광구조물;
상기 발광구조물상에서 상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층 일부를 노출하도록 형성되는 DBR(Distributed Bragg Reflector)층;
노출된 상기 제1 반도체층에 전기적으로 연결되는 제1 전극;노출된 상기 제2 반도체층에 전기적으로 연결되는 제 2전극;을 포함하고,
상기 DBR(Distributed Bragg Reflector)층은,
제1 굴절률을 갖는 제1 층 및 상기 제1 굴절률과 상이한 제2 굴절률을 갖는 제2 층이 교번하여 반복 적층되어 있고,
상기 제1 전극은 제1 전극 패드와 상기 제1 전극 패드에 연결되어 상기 제2 전극 방향으로 배치되는 적어도 하나의 제1 전극윙을 포함하고,
상기 제2 전극은 상기 제2 반도체층의 한 쪽 측면에 배치되는 제2 전극 패드와, 상기 제2 전극 패드에 연결되며 상기 제2 전극 패드에서 상기 제1 전극 패드를 향하도록 연장된 적어도 하나의 제2 전극 윙을 포함하고,
상기 제1 전극 패드와 상기 제2 전극 패드는 적어도 하나의 경사면을 가지며,
상기 DBR층은 상기 제1 전극 패드와 상기 제2 전극 패드의 경사면 및 상면의 일부 영역까지 연장되어 형성되며,
상기 DBR층은 상기 제1 전극윙의 측면 및 상기 제1 전극윙의 상면 외각부의 일부 영역까지 연장되어 형성되며,
상기 제 2전극윙은 상기 DBR층에 의해 덮이게 형성되는 발광소자. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 DBR층과 상기 발광구조물 사이에 형성되는 투광성전극층을 포함하는 발광소자. - 제1항에 있어서,
상기 DBR층은,
상기 발광구조물의 상면으로부터 상기 제2 반도체층 및 활성층의 측면을 따라 상기 제1 반도체층의 상면으로 연장되는 발광소자. - 제1항에 있어서,
상기 제2 전극패드가 형성된 위치와 적어도 일부분이 공간상 중첩되도록 상기 제2 반도체층 상에 형성되는 전류제한층을 더 포함하는 발광소자. - 제6항에 있어서,
상기 전류제한층의 폭은 상기 제2 전극패드의 폭보다 넓은 발광소자. - 제1항에 있어서,
상기 제1 층은 1.4 또는 1.6의 굴절율을 갖는 물질로 구성되고, 상기 제2층은 2 이상의 굴절율을 갖는 물질로 구성되며,
상기 DBR층 외면에는 충격완화층을 더 포함하는 발광소자. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 기판의 하면에는 광추출 효율을 향상시키는 요철패턴이 형성되는 발광소자. - 제1항에 있어서,
상기 기판의 하면에는 광추출 효율을 향상시키는 반사 방지층이 형성되는 발광소자. - 삭제
- 제8항에 있어서,
상기 충격완화층은 텅스텐 또는 그 합금으로 형성되는 발광소자. - 상기 제1항에 있어서,
상기 제2 전극패드는 발광구조물의 상면 중심부에 배치되고,
상기 제1 전극 패드는상기 제2 전극패드와 일정거리를 이격하여 상기 제2 전극패드를 감싸게 복수 개로 배치되고,
상기 제1 전극패드 중 하나에 연결되고 인접하는 다른 제1 전극패드와 연결되는 제1 전극윙을 포함하는 발광소자. - 상기 제14항에 있어서,
상기 제 1전극윙 또는 제 2전극윙은 절곡부를 포함하는 발광소자. - 상기 제15항에 있어서,
상기 절곡부는 곡률을 갖는 발광소자. - 상기 제1항에 있어서,
상기 제1 층 또는 제 2층의 두께는 2Å 내지 10um인 발광소자. - 상기 제1항, 제5 내지 제8항, 제10항, 제11항, 제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 기재된 적어도 하나의 플립칩형 발광소자와,
상기 플립칩형 발광소자가 어레이된 기판,
를 포함하는 조명 시스템.
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