KR102182018B1 - 발광소자 - Google Patents
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Abstract
실시예는 기판; 상기 기판 상에 배치되고 제1 도전형 반도체층을 포함하는 복수 개의 돌출 구조물; 상기 각각의 돌출 구조물 중 적어도 일부의 상부에 형성된 언도프드 반도체층; 및 상기 각각의 돌출 구조물의 측면과 상부면에 배치된 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광소자를 제공한다.
Description
실시예는 발광소자에 관한 것으로 보다 상세하게는, 발광 구조물의 품질이 향상되고 활성층의 전면적에서 빛이 방출되는 발광소자에 관한 것이다.
GaN, AlGaN 등의 3-5 족 화합물 반도체는 넓고 조정이 용이한 밴드 갭 에너지를 가지는 등의 많은 장점으로 인해 광 전자 공학 분야(optoelectronics)와 전자 소자를 위해 등에 널리 사용된다.
특히, 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Ligit Emitting Diode)나 레이저 다이오드와 같은 발광소자는 박막 성장 기술 및 소자 재료의 개발로 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광 물질을 이용하거나 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색 광선도 구현이 가능하며, 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경친화성의 장점을 가진다.
따라서, 광 통신 수단의 송신 모듈, 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.
도 1은 종래의 발광소자를 나타낸 도면이다.
종래의 발광소자(100)는 사파이어 등으로 이루어진 기판(110) 위에 제1 도전형 반도체층(122)과 활성층(124) 및 제2 도전형 반도체층(126)을 포함하는 발광구조물(120)이 형성되고, 제1 도전형 반도체층(122)과 제2 도전형 반도체층(126) 상에 각각 제1 전극(150)과 제2 전극(160)이 배치되되, 제2 도전형 반도체층(126) 상에는 투광성 도전층(140)이 배치될 수 있다.
발광소자(100)는 제1 도전형 반도체층(122)을 통해서 주입되는 전자와 제2 도전형 반도체층(126)을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 활성층(124)을 이루는 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출한다. 활성층(124)에서 방출되는 빛은 활성층(124)을 이루는 물질의 조성에 따라 다를 수 있으며, 청색광이나 자외선(UV) 또는 심자외선(Deep UV) 또는 다른 파장 영역의 광일 수 있다.
활성층(124)은 이중 접합 구조(Double Hetero Junction Structure), 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 구조(MQW: Multi Quantum Well), 양자 선(Quantum-Wire) 구조, 또는 양자 점(Quantum Dot) 구조 등으로 형성될 수 있다.
상술한 종래의 발광소자는 다음과 같은 문제점이 있다.
기판과 발광 구조물은 이종의 재료이므로 격자 상수 부정합(lattice mismatch)이 매우 크고 이들 사이에 열 팽창 계수 차이도 매우 크기 때문에, 결정성을 악화시키는 전위(dislocation), 멜트 백(melt-back), 크랙(crack), 피트(pit), 표면 모폴로지(surface morphology) 불량 등이 발생할 수 있다.
상술한 문제점을 해결하고자 도 1에 도시된 바와 같이 버퍼층(115)을 형성할 수도 있으나, 전위가 여전히 형성되어 발광 구조물의 품질을 악화시킬 수도 있으며, 활성층에서 빛에너지가 아닌 발광 구조물에서 열에너지가 방출되어 발광소자 자체의 효율을 저하시킬 수 있다. 또한, 제1 전극(150)에서 방출되는 전자와 제2 전극(160)에서 방출되는 정공이 활성층(124)의 일부 영역에 집중되므로, 활성층(124)의 전영역에서 빛이 방출되지 않을 수 있다.
실시예는 품질을 향상시키고, 광효율도 증가시키고자 한다.
실시예는 기판; 상기 기판 상에 배치되고 제1 도전형 반도체층을 포함하는 복수 개의 돌출 구조물; 상기 각각의 돌출 구조물 중 적어도 일부의 상부에 형성된 언도프드 반도체층; 및 상기 각각의 돌출 구조물의 측면과 상부면에 배치된 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광소자를 제공한다.
언도프드 반도체층의 두께는 적어도 100 옴스트롱 내지 100 나노미터일 수 있다.
발광소자는 제2 도전형 반도체층의 둘레에 배치된 도전층을 더 포함할 수 있다.
다른 실시예는 기판; 상기 기판 상에 배치되고 제1 도전형 반도체층을 포함하는 복수 개의 돌출 구조물; 상기 각각의 돌출 구조물의 측면과 상부면에 배치된 활성층 및 제2 도전형 반도체층; 및 상기 제2 도전형 반도체층의 상부에 배치된 절연층을 포함하는 발광소자를 제공한다.
절연층의 두께는 100 옴스트롱 내지 100 나노미터일 수 있다.
발광소자는 절연층의 상부와 상기 제2 도전형 반도체층의 둘레에 배치된 도전층을 더 포함할 수 있다.
발광소자는 도전층의 둘레에 배치된 반사층을 더 포함할 수 있고, 반사층은 제2 도전형 반도체층과 상기 도전층의 사이에 배치될 수도 있다.
발광소자는 각각의 제2 도전형 반도체층 사이의 갭을 채우는 갭 필링(gap filling)층을 더 포함할 수 있다.
발광소자는 기판 상에 배치되고, 상기 복수 개의 돌출 구조물을 나누는 마스크를 더 포함할 수 있다.
발광소자는 기판 상에 배치되고, 상기 마스크 상에 배치된 보호층을 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 발광소자는 미세한 크기의 돌출 구조물의 상부에 언도프드 반도체층 또는 절연층이 배치되어, 돌출 구조물의 상부에 배치된 활성층보다 측면에 배치된 활성층에서 전자와 정공의 결합이 활발하게 이루어져서 빛이 방출될 수 있어서, 종래에 돌출 구조물의 상부 영역에 발광이 집중된 문제점을 해결할 수 있다.
도 1은 종래의 발광소자를 나타낸 도면이고,
도 2a는 발광소자의 제1 실시예를 나타낸 도면이고,
도 2b는 도 2a의 'A' 영역을 상세히 나타낸 도면이고,
도 3a는 발광소자의 제2 실시예를 나타낸 도면이고,
도 3b는 도 3a의 'B' 영역을 상세히 나타낸 도면이고,
도 4a 내지 도 4d는 발광소자의 제3 실시예 내지 제6 실시예를 나타낸 도면이고,
도 5는 발광소자의 제7 실시예를 나타낸 도면이고,
도 6은 발광소자가 배치된 발광소자 패키지의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 7은 발광소자가 배치된 영상표시장치의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 8은 발광소자가 배치된 조명장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도 2a는 발광소자의 제1 실시예를 나타낸 도면이고,
도 2b는 도 2a의 'A' 영역을 상세히 나타낸 도면이고,
도 3a는 발광소자의 제2 실시예를 나타낸 도면이고,
도 3b는 도 3a의 'B' 영역을 상세히 나타낸 도면이고,
도 4a 내지 도 4d는 발광소자의 제3 실시예 내지 제6 실시예를 나타낸 도면이고,
도 5는 발광소자의 제7 실시예를 나타낸 도면이고,
도 6은 발광소자가 배치된 발광소자 패키지의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 7은 발광소자가 배치된 영상표시장치의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 8은 발광소자가 배치된 조명장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)(on or under)”으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향 뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 2a는 발광소자의 제1 실시예를 나타낸 도면이고, 도 2b는 도 2a의 'A' 영역을 상세히 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 발광소자(200a)는, 기판(210), 기판(210) 상의 발광 구조물(220), 각각의 돌출 구조물(220b)의 상부에 배치되는 언도프드(undoped) 반도체층(230), 각각의 돌출 구조물(222b) 사이에 배치된 마스크(280)와 보호층(285), 보호층(285)의 상부와 각각의 돌출 구조물(220b)의 둘레의 제2 도전형 반도체층(226)의 둘레에 배치된 도전층(240)과, 도전층(240) 사이의 갭(gap)을 채우는 갭 필링층(filling layer, 260), 상기 갭 필링층(260) 상에 배치되는 투명 도전층(270)과, 제1 전극(290)과 제2 전극(295)를 포함할 수 있다.
기판(210)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질이나 캐리어 웨이퍼로 형성될 수 있으며, 열 전도성이 뛰어난 물질로 형성될 수 있고, 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함할 수 있다. 예컨대, 사파이어(Al2O3), SiO2, SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
사파이어 등으로 기판(210)을 형성하고, 기판(210) 상에 GaN이나 AlGaN 등을 포함하는 발광구조물(220)이 배치될 때, GaN이나 AlGaN과 사파이어 사이의 격자 부정합(lattice mismatch)이 매우 크고 이들 사이에 열 팽창 계수 차이도 매우 크기 때문에, 결정성을 악화시키는 전위(dislocation), 멜트 백(melt-back), 크랙(crack), 피트(pit), 표면 모폴로지(surface morphology) 불량 등이 발생할 수 있으므로, AlN 등으로 버퍼층(미도시)을 형성할 수 있다.
도시되지는 않았으나, 버퍼층(미도시)과 발광구조물(220)의 사이에는 언도프드 GaN층이나 AlGaN층이 배치되어, 발광구조물(220) 내로 상술한 전위 등이 전달되는 것을 방지할 수 있다.
발광 구조물(220)은 제1 도전형 반도체층(222)과 활성층(224) 및 제2 도전형 반도체층(226)을 포함하여 이루어진다.
제1 도전형 반도체층(222)은 베이스층(222a)과 돌출 구조물(222b)을 포함하는데, 베이스층(222a)은 기판(210)의 전면 상에 얇은 박막으로 형성될 수 있고, 돌출 구조물(222b)은 베이스층(222a) 상에 복수 개의 돌출 구조물이 성장되어 이루어진다.
돌출 구조물(222b)은 도시된 바와 같이 베이스층(222a)으로부터 수직한 방향으로 측면이 배치되고, 상부면은 상기 측면과 둔각을 이루며 배치되고 있다. 또한, 후술하는 바와같이 돌출 구조물(222b)의 상부면은 플랫하여 상기 측면과 직각으로 구비될 수도 있다.
돌출 구조물(222b)은 수평 방향의 크기(R)이 나노 스케일이나, 경우에 따라서 10 마이크로 미터 내외의 스케일을 가질 수 있다. 돌출 구조물(222b)의 수평 방향의 크기(R)은 인접한 마스크(280) 사이의 거리(d)보다 클 수 있으며, 예를 들면 R은 d의 2배 이상일 수 있다. 상술한 거리(d)는 베이스층(222a)으로부터 돌출 구조물(222b)이 성장될 수 있는, 인접한 마스크(280) 사이의 개구부의 직경일 수 있다.
제1 도전형 반도체층(222)에서 베이스층(222a)의 높이(h1)는 100 나노미터 내지 10 마이크로 미터일 수 있는데, 100 나노미터보다 작으면 제1 도전형 반도체층(222)의 성장에 충분하지 않을 수 있고, 10 마이크로 미터보다 크면 발광 구조물(220)의 두께가 너무 증가할 수 있다.
돌출 구조물(222b)의 높이(h2)와 돌출 구조물(222b) 사이의 피치(pitch. P)은, 발광 구조물(220)에서 방출되는 빛의 파장과 광량에 따라 다를 수 있다.
돌출 구조물은 단면이 6각 기둥이거나 원형 또는 다각형일 수 있고, 각각의 돌출 구조물은 규칙적인 배열 외에 불규칙하게도 배치될 수 있으며, 각각의 돌출 구조물의 크기나 형상은 서로 같을 수 있으나 다를 수도 있다.
도 2a에서, 베이스층(222a)과 돌출 구조물(222b)을 점선으로 구획하고 있으나 동일한 재료로 이루어질 수 있고, 마스크(280)과 보호층(285)을 사용하기 이전과 이후에 각각 성장될 수 있다.
마스크(280)와 보호층(285)는 각각 절연물질로 이루어질 수 있으며, 서로 하나의 층(layer)으로 형성될 수 있다. 마스크(280)와 보호층(285)은 베이스층(222a)과 돌출 구조물(222b)를 나눌 수 있고, 또한 각각의 돌출 구조물(222b)을 나눌 수도 있다. 마스크(280)와 보호층(285)는 전류가 도전층(240)을 흐를 때 다른 곳으로 전류가 누출되는 것을 방지할 수 있다. 또한 마스크(280)와 보호층(285)은, 언도프드 반도체층(230)을 돌출 구조물(222b)에 증착한 후 측면에 형성된 재료를 제거할 때 또는 후술하는 다른 실시예에서 절연층(235)을 제2 도전형 반도체층(226)에 증착한 후 측면에 형성된 재료를 제거할 때, 제거되는 언도프드 반도체층(230) 또는 절연층(235) 재료로부터 아래의 구조물, 즉 베이스층(222a) 등을 보호할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(222)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(222)은 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질, AlGaN, GaN, InAlGaN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다.
제1 도전형 반도체층(222)이 n형 반도체층인 경우, 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 n형 도펀트를 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(222)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
발광 소자(200a)가 자외선(UV) 또는 심자외선(Deep UV) 발광 소자일 경우, 제1 도전형 반도체층(222)은 InAlGaN 및 AlGaN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
돌출 구조물(222a)의 상부에는 언도프드 반도체층(230)이 배치될 수 있는데, 적어도 100 옴스트롱의 두께로 배치될 수 있다. 언도프드 반도체층(230)은 돌출 구조물(222a)의 상부에 전류가 흐르는 것을 차단하여, 돌출 구조물(222a)의 측면을 통하여 전류가 고루 공급될 수 있도록 할 수 있다. 언도프드 반도체층(230)의 두께(t1)는 적어도 100 옴스트롱 이상이어야 상술한 전류 차단의 효과를 이룰 수 있으며, 돌출 구조물(222b)의 크기를 고려하면 두께가 100 나노미터를 넘지 않을 수 있다.
활성층(224)과 제2 도전형 반도체층(226)은 돌출 구조물(222b)의 둘레,즉 측면과 상부면과, 보호층(285) 상에 얇은 박막으로 각각 형성될 수 있다.
활성층(224)은 제1 도전형 반도체층(222)과 제2 도전형 반도체층(226) 사이에 배치되며, 단일 우물 구조(Double Hetero Structure), 다중 우물 구조, 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물(MQW:Multi Quantum Well) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
활성층(224)은 Ⅲ-Ⅴ족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 우물층과 장벽층, 예를 들면 AlGaN/AlGaN, InGaN/GaN, InGaN/InGaN, AlGaN/GaN, InAlGaN/GaN, GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
우물층은 장벽층의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 활성층(224)이 심자외선(deep UV) 파장의 빛을 생성할 때, 활성층(224)은 다중양자우물 구조로 이루어질 수 있고, 상세하게는 AlxGa(1-x)N (0<x<1)을 포함하는 양자벽과 AlyGa(1-y)N (0<x<y<1)을 포함하는 양자우물층의페어 구조가 1주기 이상인 다중 양자 우물 구조일 수 있고, 양자 우물층은 후술하는 제2 도전형의도펀트를 포함할 수 있다.
제2 도전형 반도체층(226)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(226)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(226)은 예컨대, InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질, AlGaN, GaN AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있으며, 예를 들어 제2 도전형 반도체층(226)이 AlxGa(1-x)N으로 이루어질 수 있다.
제2 도전형 반도체층(226)이 p형 반도체층인 경우, 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트일 수 있다. 제2 도전형 반도체층(226)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 만일, 발광 소자(200a)가 자외선(UV) 또는 심자외선(Deep UV) 발광 소자일 경우, 제2 도전형 반도체층(226)은 InAlGaN 및 AlGaN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도시되지는 않았으나, 활성층(224)과 제2 도전형 반도체층(226)의 사이에는 전자 차단층(Electron blocking layer)이 배치될 수 있다. 전자 차단층은 초격자(superlattice) 구조로 이루어질 수 있는데, 초격자는 예를 들어 제2 도전형 도펀트로 도핑된 AlGaN이 배치될 수 있고, 알루미늄의 조성비를 달리하는 GaN이 층(layer)을 이루어 복수 개 서로 교번하여 배치될 수도 있다.
보호층(285)의 상부와 각각의 제2 도전형 반도체층(226)의 둘레에 도전층(240)이 배치될 수 있고, 도전층(240)은 투명 도전성 물질, 예를 들면 ITO(Indium-Tin-Oxide) 등으로 이루어질 수 있다.
각각의 돌출 구조물(222b) 주변에 배치된 도전층(240) 사이의 갭(gap)을 채우며 갭 필링층(filling layer, 260)이 배치되는데, 갭 필링층(260)은 절연성 물질 또는 도전성 물질로 이루어질 수 있고, 갭 필링층(260)이 절연성 물질로 이루어질 경우 절연물질은 비전도성인 산화물이나 질화물로 이루어질 수 있고, 보다 상세하게는 실리콘 산화물(SiO2)층, 산화 질화물층, 산화 알루미늄층으로 이루어질 수 있으며, 이때 제2 전극(295)으로부터 공급된 전류가 도전층(240)을 통하여 제2 도전형 반도체층(226)의 표면으로 집중될 수 있다.
갭 필링층(260) 상에는 투명 도전층(270)이 배치되는데, 투명 도전층(270)의 일부는 돌출 구조물(222b) 상에 배치된 도전층(240)과 접촉할 수 있다. 즉, 도전층(240)의 측면은 갭 필링층(260)과 접촉하되, 도전층(240)의 일부 특히 상부 영역은 투명 도전층(270)과 접촉할 수 있다.
미세한 크기의 돌출 구조물(222b) 사이에 갭 필링층(260)이 형성되어 돌출 구조물를 안정적으로 지지하고, 돌출 구조물(222b)과 갭 필링층(260)의 상부에 투명 도전층(270)이 형성되어 제2 전극(295)을 안정적으로 지지할 수 있다.
제1 전극(290)은 제1 도전형 반도체층(222) 중 베이스층(222a)의 일부가 노출된 영역에 형성될 수 있다. 제1 전극(290)과 제2 전극(295)은 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 금(Au) 중 적어도 하나를 포함하여 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있으며, 각각 와이어(미도시)에 연결될 수 있다.
돌출 구조물에 전극을 형성할 때 돌출 구조물의 종횡비로 인하여, 특히 제2 전극으로부터 돌출 구조물의 상부에 전류가 집중되어 돌출 구조물의 전면적에 전류를 공급하기 어려웠다.
본 실시예에 따른 발광소자는 미세한 크기의 돌출 구조물의 상부에 언도프드 반도체층이 배치되어, 돌출 구조물의 상부에 배치된 활성층보다 측면에 배치된 활성층에서 전자와 정공의 결합이 활발하게 이루어져서 빛이 방출될 수 있다. 따라서, 종래에 돌출 구조물의 상부 영역에 발광이 집중된 문제점을 해결할 수 있다.
도 3a는 발광소자의 제2 실시예를 나타낸 도면이고, 도 3b는 도 3a의 'B' 영역을 상세히 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 발광소자(200b)는 도 2a 등에 도시된 발광소자(200a)와 유사하나, 언도프드 반도체층(230)이 생략되고 절연층(235)이 제2 도전형 반도체층(226)의 상부에 형성된 차이점이 있다. 돌출 구조물(222b)의 상부에 대응하는 영역에서 경사를 이루고 배치된 제2 도전형 반도체층(226) 상에 절연층(235)도 경사를 이루고 배치될 수 있다.
절연층(235)은 비전도성의 산화물이나 질화물로 이루어질 수 있고, 보다 상세하게는 실리콘 산화물(SiO2)층, 산화 질화물층, 산화 알루미늄층으로 이루어질 수 있다. 절연층(235)의 두께(t2)는 적어도 100 옴스트롱 이상이어야 제2 도전형 반도체층(226) 상부에 전류가 흐르는 것을 차단할 수 있고, 돌출 구조물(222b)의 스케일(scale)을 고려하면 100 나노미터를 넘지 않을 수 있다.
본 실시예에 따른 발광소자는 돌출 구조물의 상부의 제2 도전형 반도체층 상에 절연층이 배치되어, 돌출 구조물의 상부에 배치된 활성층보다 측면에 배치된 활성층에서 전자와 정공의 결합이 활발하게 이루어져서 빛이 방출될 수 있다. 따라서, 종래에 돌출 구조물의 상부 영역에 발광이 집중된 문제점을 해결할 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는 발광소자의 제3 실시예 내지 제6 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4a에 도시된 발광소자(200c)는 도 2a에 도시된 발광소자와 유사하나, 도전층(240)의 둘레에 반사층(250)이 배치된 차이점이 있다. 반사층(250)은 도전성 금속으로 이루어질 수 있고, 상세하게는 고반사율의 금속으로 이루어질 수 있고, 보다 상세하게는 은(Ag), 알루미늄(Al) 및 로듐(Rh) 중 어느 하나이거나 이들의 합금일 수 있다.
본 실시예에 따른 발광소자는 미세한 크기의 돌출 구조물의 상부에 언도프드 반도체층이 배치되어, 돌출 구조물의 상부에 배치된 활성층보다 측면에 배치된 활성층에서 전자와 정공의 결합이 활발하게 이루어져서 빛이 방출될 수 있다. 또한, 도 4a에서 반사층의 각각의 돌출 구조물의 측면과 상부에 배치되어, 활성층에서 방출된 빛이 반사층에서 반사되어 돌출 구조물의 하부로 진행하게 되어 플립 칩 타입의 발광소자에 사용될 수 있다.
도 4b에 도시된 발광소자(200d)는 반사층(250)이 형성된 점에서 도 2a에 도시된 발광소자(200a)와 상이하고, 반사층(250)의 형성 위치가 도 4a에 도시된 발광소자(200c)와 상이하다.
본 실시예에서 반사층(250)은 제2 도전형 반도체층(226)과 도전층(240)의 사이에 형성되고 있고, 반사층(250)은 도전성 물질 예를 들면 금속으로 이루어져서 도전층(240)으로부터 공급되는 전류를 제2 도전형 반도체층(226)으로 공급할 수 있다. 본 실시예에 따른 발광소자(200d)도 도 4a에 도시된 발광소자(200c)와 동일하게 플립 칩 타입으로 배치될 수 있다.
도 4c에 도시된 발광소자(200e)는 도 3a에 도시된 발광소자와 유사하나, 도전층(240)의 둘레에 반사층(250)이 배치된 차이점이 있다. 반사층(250)은 도전성 금속으로 이루어질 수 있고, 보다 상세하게는 고반사율의 금속으로 이루어질 수 있다.
본 실시예에 따른 발광소자는 미세한 크기의 돌출 구조물의 상부에 언도프드 반도체층이 배치되어, 돌출 구조물의 상부에 배치된 활성층보다 측면에 배치된 활성층에서 전자와 정공의 결합이 활발하게 이루어져서 빛이 방출될 수 있다. 또한, 도 4c에서 반사층의 각각의 돌출 구조물의 측면과 상부에 배치되어, 활성층에서 방출된 빛이 반사층에서 반사되어 돌출 구조물의 하부로 진행하게 되어 플립 칩 타입의 발광소자에 사용될 수 있다.
도 4d에 도시된 발광소자(200f)는 반사층(250)이 형성된 점에서 도 3a에 도시된 발광소자(200b)와 상이하고, 반사층(250)의 형성 위치가 도 4c에 도시된 발광소자(200e)와 상이하다.본 실시예에 따른 발광소자(200f)도 도 4c에 도시된 발광소자(200e)와 동일하게 플립 칩 타입으로 배치될 수 있다.
도 5는 발광소자의 제7 실시예를 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 발광소자(200g)는 도 2a에 도시된 발광소자(200a)와 유사하나, 돌출 구조물(222b)이 도시된 바와 같이 베이스층(222a)으로부터 수직한 방향으로 측면이 배치되고, 상부면은 상기 측면과 수직하게 배치되고 있다. 그리고, 돌출 구조물(222b)의 상부 영역에서 언도프드 반도체층(230)과 활성층(224)과 제2 도전형 반도체층(226)과 도전층(240)도 일정한 두께를 가지고 플랫(flat)하게 배치되고 있다.
도시되지는 않았으나, 도 3a에 도시된 발광소자에서도 돌출 구조물(222b)이 베이스층(222a)으로부터 수직한 방향으로 측면이 배치되고, 상부면은 상기 측면과 수직하게 배치될 수도 있다. 이때, 돌출 구조물(222b)의 상부 영역에서 언도프드 반도체층(230)과 활성층(224)과 제2 도전형 반도체층(226)과 도전층(240)도 일정한 두께를 가지고 플랫(flat)하게 배치될 수 있다.
상술한 돌출 구조물(222b) 등의 형상은, 도 4a 내지 도 4d에 도시된 발광소자에도 적용될 수 있다.
상술한 실시예들에서 돌출 구조물은 단면이 6각 기둥이거나 원형 또는 다각형일 수 있고, 각각의 돌출 구조물은 규칙적인 배열 외에 불규칙하게도 배치될 수 있으며, 각각의 돌출 구조물의 크기나 형상은 서로 같을 수 있으나 다를 수도 있다.
도 6은 발광소자가 배치된 발광소자 패키지의 일실시예를 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 발광소자 패키지(400)는 캐비티를 포함하는 몸체(410)와, 상기 몸체(410)에 설치된 제1 리드 프레임(Lead Frame, 421) 및 제2 리드 프레임(422)과, 상기 몸체(410)에 설치되어 상기 제1 리드 프레임(421) 및 제2 리드 프레임(422)과 전기적으로 연결되는 상술한 실시예들에 따른 발광소자(200a)와, 상기 캐비티에 형성된 몰딩부(470)를 포함한다.
몸체(410)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있다. 상기 몸체(410)가 금속 재질 등 도전성 물질로 이루어지면, 도시되지는 않았으나 상기 몸체(410)의 표면에 절연층이 코팅되어 상기 제1,2 리드 프레임(421, 422) 간의 전기적 단락을 방지할 수 있다.
제1 리드 프레임(421) 및 제2 리드 프레임(422)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광소자(200a)에 전류를 공급한다. 또한, 제1 리드 프레임(421) 및 제2 리드 프레임(422)은 발광소자(200a)에서 발생된 광을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있으며, 발광소자(200a)에서 발생된 열을 외부로 배출시킬 수도 있다.
발광소자(200a)는 도 2a에 도시된 실시예 외에 상술한 다른 실시예에 따른 발광소자일 수 있다.
발광소자(200a)는 제1 리드 프레임(421)에 도전성 페이스트(미도시) 등으로 고정될 수 있고, 전극(430)은 제2 리드 프레임에 와이어(450)로 본딩될 수 있다.
상기 몰딩부(470)는 상기 발광소자(200a)를 포위하여 보호할 수 있다. 또한, 상기 몰딩부(470) 상에는 형광체(480)가 포함될 수 있다. 이러한 구조는 형광체(480)가 분포되어, 발광소자(200a)로부터 방출되는 빛의 파장을 발광소자 패키지(400)의 빛이 출사되는 전 영역에서 변환시킬 수 있다.
발광소자 패키지(400)는 상술한 실시예들에 따른 발광소자 중 하나 또는 복수 개로 탑재할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
이하에서는 상술한 발광소자 패키지가 배치된 조명 시스템의 일실시예로서, 영상표시장치와 조명장치를 설명한다.
도 7은 발광소자가 배치된 영상표시장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 영상표시장치(500)는 광원 모듈과, 바텀 커버(510) 상의 반사판(520)과, 상기 반사판(520)의 전방에 배치되며 상기 광원모듈에서 방출되는 빛을 영상표시장치 전방으로 가이드하는 도광판(540)과, 상기 도광판(540)의 전방에 배치되는 제1 프리즘시트(550)와 제2 프리즘시트(560)와, 상기 제2 프리즘시트(560)의 전방에 배치되는 패널(570)과 상기 패널(570)의 전반에 배치되는 컬러필터(580)를 포함하여 이루어진다.
광원 모듈은 회로 기판(530) 상의 발광소자 패키지(535)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 회로 기판(530)은 PCB 등이 사용될 수 있고, 발광소자 패키지(535)의 발광소자는 상술한 바와 같다.
바텀 커버(510)는 영상표시장치(500) 내의 구성 요소들을 수납할 수 있다. 반사판(520)은 본 도면처럼 별도의 구성요소로 마련될 수도 있고, 도광판(540)의 후면이나, 상기 바텀 커버(510)의 전면에 반사도가 높은 물질로 코팅되는 형태로 마련되는 것도 가능하다.
반사판(520)은 반사율이 높고 초박형으로 사용 가능한 소재를 사용할 수 있고, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PolyEthylene Terephtalate; PET)를 사용할 수 있다.
도광판(540)은 발광소자 패키지 모듈에서 방출되는 빛을 산란시켜 그 빛이 액정 표시 장치의 화면 전영역에 걸쳐 균일하게 분포되도록 한다. 따라서, 도광판(530)은 굴절률과 투과율이 좋은 재료로 이루어지는데, 폴리메틸메타크릴레이트(PolyMethylMethAcrylate; PMMA), 폴리카보네이트(PolyCarbonate; PC), 또는 폴리에틸렌(PolyEthylene; PE) 등으로 형성될 수 있다. 또한, 도광판(540)이 생략되면 에어 가이드 방식의 표시장치가 구현될 수 있다.
상기 제1 프리즘 시트(550)는 지지필름의 일면에, 투광성이면서 탄성을 갖는 중합체 재료로 형성되는데, 상기 중합체는 복수 개의 입체구조가 반복적으로 형성된 프리즘층을 가질 수 있다. 여기서, 상기 복수 개의 패턴은 도시된 바와 같이 마루와 골이 반복적으로 스트라이프 타입으로 구비될 수 있다.
상기 제2 프리즘 시트(560)에서 지지필름 일면의 마루와 골의 방향은, 상기 제1 프리즘 시트(550) 내의 지지필름 일면의 마루와 골의 방향과 수직할 수 있다. 이는 광원 모듈과 반사시트로부터 전달된 빛을 상기 패널(570)의 전방향으로 고르게 분산하기 위함이다.
본 실시예에서 상기 제1 프리즘시트(550)과 제2 프리즘시트(560)가 광학시트를 이루는데, 상기 광학시트는 다른 조합 예를 들어, 마이크로 렌즈 어레이로 이루어지거나 확산시트와 마이크로 렌즈 어레이의 조합 또는 하나의 프리즘 시트와 마이크로 렌즈 어레이의 조합 등으로 이루어질 수 있다.
상기 패널(570)은 액정 표시 패널(Liquid crystal display)가 배치될 수 있는데, 액정 표시 패널(560) 외에 광원을 필요로 하는 다른 종류의 디스플레이 장치가 구비될 수 있다.
상기 패널(570)은, 유리 바디 사이에 액정이 위치하고 빛의 편광성을 이용하기 위해 편광판을 양 유리바디에 올린 상태로 되어있다. 여기서, 액정은 액체와 고체의 중간적인 특성을 가지는데, 액체처럼 유동성을 갖는 유기분자인 액정이 결정처럼 규칙적으로 배열된 상태를 갖는 것으로, 상기 분자 배열이 외부 전계에 의해 변화되는 성질을 이용하여 화상을 표시한다.
표시장치에 사용되는 액정 표시 패널은, 액티브 매트릭스(Active Matrix) 방식으로서, 각 화소에 공급되는 전압을 조절하는 스위치로서 트랜지스터를 사용한다.
상기 패널(570)의 전면에는 컬러 필터(580)가 구비되어 상기 패널(570)에서 투사된 빛을, 각각의 화소마다 적색과 녹색 및 청색의 빛만을 투과하므로 화상을 표현할 수 있다.
도 8은 발광소자가 배치된 조명장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 조명 장치는 커버(1100), 광원 모듈(1200), 방열체(1400), 전원 제공부(1600), 내부 케이스(1700), 소켓(1800)을 포함할 수 있다. 또한, 실시 예에 따른 조명 장치는 부재(1300)와 홀더(1500) 중 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있고, 광원 모듈(1200)은 상술한 실시예들에 따른 발광소자 패키지를 포함할 수 있다.
커버(1100)는 벌브(bulb) 또는 반구의 형상을 가지며, 속이 비어 있고, 일 부분이 개구된 형상으로 제공될 수 있다. 상기 커버(1100)는 상기 광원 모듈(1200)과 광학적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 커버(1100)는 상기 광원 모듈(1200)로부터 제공되는 빛을 확산, 산란 또는 여기 시킬 수 있다. 상기 커버(1100)는 일종의 광학 부재일 수 있다. 상기 커버(1100)는 상기 방열체(1400)와 결합될 수 있다. 상기 커버(1100)는 상기 방열체(1400)와 결합하는 결합부를 가질 수 있다.
커버(1100)의 내면에는 유백색 도료가 코팅될 수 있다. 유백색의 도료는 빛을 확산시키는 확산재를 포함할 수 있다. 상기 커버(1100)의 내면의 표면 거칠기는 상기 커버(1100)의 외면의 표면 거칠기보다 크게 형성될 수 있다. 이는 상기 광원 모듈(1200)로부터의 빛이 충분히 산란 및 확산되어 외부로 방출시키기 위함이다.
커버(1100)의 재질은 유리(glass), 플라스틱, 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리카보네이트(PC) 등일 수 있다. 여기서, 폴리카보네이트는내광성, 내열성, 강도가 뛰어나다. 상기 커버(1100)는 외부에서 상기 광원 모듈(1200)이 보이도록 투명할 수 있고, 불투명할 수 있다. 상기 커버(1100)는 블로우(blow) 성형을 통해 형성될 수 있다.
광원 모듈(1200)은 상기 방열체(1400)의 일 면에 배치될 수 있다. 따라서, 광원 모듈(1200)로부터의 열은 상기 방열체(1400)로 전도된다. 상기 광원 모듈(1200)은 발광소자 패키지(1210), 연결 플레이트(1230), 커넥터(1250)를 포함할 수 있다.
부재(1300)는 상기 방열체(1400)의 상면 위에 배치되고, 복수의 발광소자 패키지(1210)들과 커넥터(1250)이 삽입되는 가이드홈(1310)들을 갖는다. 가이드홈(1310)은 상기 발광소자 패키지(1210)의 기판 및 커넥터(1250)와 대응된다.
부재(1300)의 표면은 빛 반사 물질로 도포 또는 코팅된 것일 수 있다. 예를 들면, 부재(1300)의 표면은 백색의 도료로 도포 또는 코팅된 것일 수 있다. 이러한 상기 부재(1300)는 상기 커버(1100)의 내면에 반사되어 상기 광원 모듈(1200)측 방향으로 되돌아오는 빛을 다시 상기 커버(1100) 방향으로 반사한다. 따라서, 실시 예에 따른 조명 장치의 광 효율을 향상시킬 수 있다.
부재(1300)는 예로서 절연 물질로 이루어질 수 있다. 상기 광원 모듈(1200)의 연결 플레이트(1230)는 전기 전도성의 물질을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 방열체(1400)와 상기 연결 플레이트(1230) 사이에 전기적인 접촉이 이루어질 수 있다. 상기 부재(1300)는 절연 물질로 구성되어 상기 연결 플레이트(1230)와 상기 방열체(1400)의 전기적 단락을 차단할 수 있다. 상기 방열체(1400)는 상기 광원 모듈(1200)로부터의 열과 상기 전원 제공부(1600)로부터의 열을 전달받아 방열한다.
홀더(1500)는 내부 케이스(1700)의 절연부(1710)의 수납홈(1719)을 막는다. 따라서, 상기 내부 케이스(1700)의 상기 절연부(1710)에 수납되는 상기 전원 제공부(1600)는 밀폐된다. 홀더(1500)는 가이드 돌출부(1510)를 갖는다. 가이드 돌출부(1510)는 상기 전원 제공부(1600)의 돌출부(1610)가 관통하는 홀을 갖는다.
전원 제공부(1600)는 외부로부터 제공받은 전기적 신호를 처리 또는 변환하여 상기 광원 모듈(1200)로 제공한다. 전원 제공부(1600)는 상기 내부 케이스(1700)의 수납홈(1719)에 수납되고, 상기 홀더(1500)에 의해 상기 내부 케이스(1700)의 내부에 밀폐된다. 상기 전원 제공부(1600)는 돌출부(1610), 가이드부(1630), 베이스(1650), 연장부(1670)를 포함할 수 있다.
상기 가이드부(1630)는 상기 베이스(1650)의 일 측에서 외부로 돌출된 형상을 갖는다. 상기 가이드부(1630)는 상기 홀더(1500)에 삽입될 수 있다. 상기 베이스(1650)의 일 면 위에 다수의 부품이 배치될 수 있다. 다수의 부품은 예를 들어, 외부 전원으로부터 제공되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 직류변환장치, 상기 광원 모듈(1200)의 구동을 제어하는 구동칩, 상기 광원 모듈(1200)을 보호하기 위한 ESD(ElectroStatic discharge) 보호 소자 등을 포함할 수 있으나 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 연장부(1670)는 상기 베이스(1650)의 다른 일 측에서 외부로 돌출된 형상을 갖는다. 상기 연장부(1670)는 상기 내부 케이스(1700)의 연결부(1750) 내부에 삽입되고, 외부로부터의 전기적 신호를 제공받는다. 예컨대, 상기 연장부(1670)는 상기 내부 케이스(1700)의 연결부(1750)의 폭과 같거나 작게 제공될 수 있다. 상기 연장부(1670)에는 "+ 전선"과 "- 전선"의 각 일 단이 전기적으로 연결되고, "+ 전선"과 "- 전선"의 다른 일 단은 소켓(1800)에 전기적으로 연결될 수 있다.
내부 케이스(1700)는 내부에 상기 전원 제공부(1600)와 함께 몰딩부를 포함할 수 있다. 몰딩부는몰딩 액체가 굳어진 부분으로서, 상기 전원 제공부(1600)가 상기 내부 케이스(1700) 내부에 고정될 수 있도록 한다.
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.
100, 200a~200g: 발광소자 110, 210: 기판
115: 버퍼층 120, 220: 발광 구조물
122, 222: 제1 도전형 반도체층 124, 224: 활성층
126, 226: 제2 도전형 반도체층 140: 투광성 도전층
150, 290: 제1 전극 160, 295: 제2 전극
222a: 베이스층 222b: 돌출 구조물
230: 언도프드 반도체층 235: 절연층
240: 도전층 250: 반사층
260: 갭 필링층 270: 투명 도전층
280: 마스크 285: 보호층
400: 발광소자 패키지 500: 영상표시장치
115: 버퍼층 120, 220: 발광 구조물
122, 222: 제1 도전형 반도체층 124, 224: 활성층
126, 226: 제2 도전형 반도체층 140: 투광성 도전층
150, 290: 제1 전극 160, 295: 제2 전극
222a: 베이스층 222b: 돌출 구조물
230: 언도프드 반도체층 235: 절연층
240: 도전층 250: 반사층
260: 갭 필링층 270: 투명 도전층
280: 마스크 285: 보호층
400: 발광소자 패키지 500: 영상표시장치
Claims (11)
- 기판;
상기 기판 상에 배치되고 제1 도전형 반도체층을 포함하는 복수 개의 돌출 구조물;
상기 각각의 돌출 구조물 중 적어도 일부의 상부에 형성된 언도프드 반도체층;
상기 각각의 돌출 구조물의 측면과 상부면에 배치된 활성층 및 제2 도전형 반도체층;
상기 제2 도전형 반도체층의 둘레에 배치된 도전층;
상기 도전층 사이의 갭을 채우는 갭 필링(gap filling)층; 및
상기 제2 도전형 반도체층과 상기 도전층의 상부에 구비되는 투광성 도전층을 포함하고,
상기 투광성 도전층의 상면은 플랫(flat)하고,
상기 언도프드 반도체층은, 상기 갭 필링층과 상기 투광성 도전층 사이의 경계면과 중첩되는 높이에 배치되는 발광소자. - 제1 항에 있어서,
상기 언도프드 반도체층의 두께는 적어도 100 옴스트롱 내지 100 나노미터인 발광소자. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 도전층의 둘레에, 또는 상기 제2 도전형 반도체층과 상기 도전층의 사이에 배치된 반사층을 더 포함하는 발광소자. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 기판 상에 배치되고, 상기 복수 개의 돌출 구조물을 나누는 마스크; 및
상기 마스크 상에 배치된 보호층을 더 포함하고,
상기 돌출 구조물의 직경은 인접한 상기 마스크들 사이의 거리보다 큰 발광소자.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130161183A KR102182018B1 (ko) | 2013-12-23 | 2013-12-23 | 발광소자 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130161183A KR102182018B1 (ko) | 2013-12-23 | 2013-12-23 | 발광소자 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20150073469A KR20150073469A (ko) | 2015-07-01 |
| KR102182018B1 true KR102182018B1 (ko) | 2020-11-23 |
Family
ID=53786986
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020130161183A KR102182018B1 (ko) | 2013-12-23 | 2013-12-23 | 발광소자 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102182018B1 (ko) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102462994B1 (ko) * | 2015-07-06 | 2022-11-03 | 엘지이노텍 주식회사 | 발광소자 및 이를 포함하는 발광소자 패키지 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20120055390A (ko) * | 2010-11-23 | 2012-05-31 | 삼성엘이디 주식회사 | 발광소자 및 그 제조방법 |
-
2013
- 2013-12-23 KR KR1020130161183A patent/KR102182018B1/ko active IP Right Grant
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20150073469A (ko) | 2015-07-01 |
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