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KR20110085961A - 분포 브래그 반사기를 갖는 발광 다이오드 칩 및 발광 다이오드 패키지 - Google Patents

분포 브래그 반사기를 갖는 발광 다이오드 칩 및 발광 다이오드 패키지 Download PDF

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KR20110085961A
KR20110085961A KR1020110067711A KR20110067711A KR20110085961A KR 20110085961 A KR20110085961 A KR 20110085961A KR 1020110067711 A KR1020110067711 A KR 1020110067711A KR 20110067711 A KR20110067711 A KR 20110067711A KR 20110085961 A KR20110085961 A KR 20110085961A
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KR
South Korea
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light emitting
bragg reflector
light
emitting diode
material layer
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KR1020110067711A
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KR101562375B1 (ko
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이정훈
이섬근
신진철
이소라
김종규
진상기
Original Assignee
서울옵토디바이스주식회사
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Abstract

분포 브래그 반사기를 갖는 발광 다이오드 칩 및 발광 다이오드 패키지가 개시된다. 이 발광 다이오드 칩은 기판, 기판 상부에 위치하고, 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함하는 발광 구조체, 발광 구조체에서 방출된 광을 반사하는 분포 브래그 반사기, 분포 브래그 반사기의 하부에 형성된 금속 반사층 및 금속 반사층 하부에 형성된 보호 금속층을를 포함한다. 이 분포 브래그 반사기는 청색 파장 영역의 제1 파장의 광, 녹색 파장 영역의 제2 파장의 광 및 적색 파장 영역의 제3 파장의 광에 대해 90% 이상의 반사율을 갖는다.

Description

분포 브래그 반사기를 갖는 발광 다이오드 칩 및 발광 다이오드 패키지{LIGHT EMITTING DIODE CHIP AND LIGHT EMITTING DIODE PACKAGE EACH HAVING DISTRIBUTED BRAGG REFLECTOR}
본 발명은 발광 다이오드 칩 및 발광 다이오드 패키지에 관한 것으로, 분포 브래그 반사기를 갖는 발광 다이오드 칩 및 발광 다이오드 패키지에 관한 것이다.
청색 또는 자외선을 방출하는 질화갈륨 계열의 발광 다이오드 칩이 다양한 응용에 적용되고 있으며, 특히, 백라이트 유닛 또는 일반 조명 등에 요구되는 혼색광, 예컨대 백색광을 방출하는 다양한 종류의 발광 다이오드 패키지가 시판되고 있다.
발광 다이오드 패키지의 광 출력은 주로 발광 다이오드 칩의 광 효율에 의존하기 때문에 발광 다이오드 칩의 광 효율을 개선하려는 노력이 계속되고 있다. 특히, 발광 다이오드 칩의 광 추출 효율을 개선하려는 노력이 계속되고 있으며, 이러한 노력의 하나로, 사파이어와 같은 투명기판의 하부면에 금속 반사기 또는 분포 브래그 반사기를 형성하는 기술이 알려져 있다.
도 1은 종래 사파이어 기판의 하부면에 알루미늄층을 형성하여 측정한 반사율을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 알루미늄층을 형성하지 않은 사파이어 기판의 경우 약 20%의 반사율을 나타내지만, 알루미늄층을 형성한 경우, 가시광선 영역의 전 파장에 걸쳐 약 80%의 반사율을 나타내는 것을 알 수 있다.
도 2는 종래 사파이어 기판의 하부면에 TiO2/SiO2를 주기적으로 반복하여 분포 브래그 반사기를 형성하여 측정한 반사율을 나타낸다.
알루미늄층 대신에, 발광 다이오드 칩에서 방출되는 광, 예컨대 460nm의 피크 파장의 광에 대한 분포 브래그 반사기(DBR)를 설치한 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 청색 파장 영역, 예컨대 400~500nm의 파장 영역에서 반사율이 거의 100%에 도달함을 알 수 있다.
그러나 DBR은 가시광선 영역 중 일부 영역에 대해 반사율을 높일 수 있을 뿐이며 다른 영역에 대한 반사율은 상당히 낮다. 즉, 도 2에 보이듯이, 약 520nm 이상의 파장에 대해 반사율이 급격히 감소하며, 550nm 이상에서는 대부분 반사율이 50% 미만이 된다.
따라서 DBR을 적용한 발광 다이오드 칩을 백색광을 구현하는 발광 다이오드 패키지에 실장할 경우, 발광 다이오드 칩에서 방출된 청색 파장 영역의 광에 대해서는 높은 반사율을 나타내지만, 녹색 및/또는 적색 파장 영역의 광에 대해서는 DBR이 효과적인 반사 특성을 나타내지 못하며 따라서 패키지에서의 광 효율 개선에 한계가 있다.
한편, 발광 다이오드 패키지의 반사면에 DBR을 적용하려는 시도가 있지만, 종래의 DBR 증착 기술의 한계, 예컨대 증착 온도, 플라즈마 온도 등의 문제로 실현되지 못하고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 혼색광, 예컨대 백색광을 구현하는 발광 다이오드 패키지의 광 효율을 증가시킬 수 있는 발광 다이오드 칩을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 광 효율을 증가시킬 수 있는 발광 다이오드 패키지를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 넓은 파장 영역에 걸쳐 높은 반사율을 갖는 분포 브래그 반사기, 그것을 채택한 발광 다이오드 칩 및 발광 다이오드 패키지를 제공하는 것이다.
일 태양에 따르면, 분포 브래그 반사기를 갖는 발광 다이오드 칩이 개시된다. 이 발광 다이오드 칩은 기판, 상기 기판 상부에 위치하고, 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함하는 발광 구조체 및 상기 발광 구조체에서 방출된 광을 반사하는 분포 브래그 반사기를 포함한다. 상기 분포 브래그 반사기는 청색 파장 영역의 제1 파장의 광, 녹색 파장 영역의 제2 파장의 광 및 적색 파장 영역의 제3 파장의 광에 대해 90% 이상의 반사율을 갖는다.
상기 분포 브래그 반사기를 채택함에 따라, 상기 발광 다이오드 칩이 혼색광, 예컨대 백색광을 구현하는 발광 다이오드 패키지에 적용될 경우, 청색광, 녹색광 및 적색광을 효과적으로 반사시킬 수 있어 상기 발광 다이오드 패키지의 광 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 분포 브래그 반사기는 상기 기판의 하부에 위치할 수 있다. 특히, 상기 분포 브래그 반사기는 상기 기판의 하부면상에 형성되어 상기 기판의 하부면과 접촉할 수 있다. 이 경우, 상기 상기 기판의 하부면은 그 표면 거칠기가 3㎛ 이하인 것이 바람직하다.
또한, 상기 기판은 그 상부면에 소정의 패턴을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 기판은 패터닝된 사파이어 기판일 수 있다.
한편, 상기 기판은 그 면적이 90,000㎛2 이상일 수 있다. 예컨대, 상기 기판 면적은 300×300㎛2 이상, 또는 1×1㎜2 이상일 수 있다. 상대적으로 큰 기판 면적을 갖는 발광 다이오드 칩에서 넓은 면적에 걸쳐 상기 분포 브래그 반사기가 형성됨으로써 본 발명은 특히 유용하다.
또한, 상기 발광 다이오드 칩은 상기 기판 상에 복수개의 발광셀들을 포함할 수 있다. 나아가, 상기 발광 다이오드 칩은 상기 복수개의 발광셀들이 직렬연결된 적어도 하나의 발광셀 어레이를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 분포 브래그 반사기는 제1 분포 브래그 반사기 및 제2 분포 브래그 반사기를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 제1 분포 브래그 반사기는 적색 파장 영역의 광에 비해 청색 파장 영역의 광에 대한 반사율이 높고, 상기 제2 분포 브래그 반사기는 청색 파장 영역의 광에 비해 녹색 파장 영역 또는 적색 파장 영역의 광에 대한 반사율이 높을 수 있다.
또한, 상기 분포 브래그 반사기의 위치는 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 상기 분포 브래그 반사기는 상기 기판의 하부에 위치할 수 있으며, 이 경우, 상기 제1 분포 브래그 반사기가 상기 제2 분포 브래그 반사기보다 상기 기판에 더 가깝게 위치할 수 있다. 또는, 상기 분포 브래그 반사기는 상기 기판과 상기 발광 구조체 사이에 위치할 수 있으며, 이 경우, 상기 제1 분포 브래그 반사기가 상기 제2 분포 브래그 반사기보다 상기 발광 구조체에 더 가깝게 위치할 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 분포 브래그 반사기는 제1 광학 두께를 갖는 제1 재료층과 제2 광학 두께를 갖는 제2 재료층의 복수개의 쌍들과, 제3 광학 두께를 갖는 제3 재료층과 제4 광학 두께를 갖는 제4 재료층의 복수개의 쌍들을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제1 재료층의 굴절률은 상기 제2 재료층의 굴절률과 다르고, 상기 제3 재료층의 굴절률은 상기 제4 재료층의 굴절률과 다르다.
또한, 상기 제1 재료층 및 제2 재료층의 복수개의 쌍들이 상기 제3 재료층 및 제4 재료층의 복수개의 쌍들에 비해 상기 발광 구조체에 더 가깝에 위치할 수 있다. 나아가, 상기 제1 재료층 및 제2 재료층은 각각 상기 제3 재료층 및 제4 재료층과 동일한 굴절률을 가질 수 있다. 또한, 상기 제1 광학 두께가 상기 제3 광학 두께에 비해 더 얇고, 상기 제2 광학 두께가 상기 제4 광학 두께에 비해 더 얇을 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 제1 재료층 및 제2 재료층의 복수개의 쌍들과 상기 제3 재료층 및 제4 재료층의 복수개의 쌍들이 서로 섞여 있을 수 있다.
한편, 상기 제1 광학 두께와 상기 제2 광학 두께는 정수배의 관계를 만족할 수 있으며, 또한, 상기 제3 광학 두께와 상기 제4 광학 두께는 정수배의 관계를 만족할 수 있다. 특히, 상기 제1 광학 두께와 제2 광학 두께는 서로 동일하고, 상기 제3 광학 두께와 제4 광학 두께는 서로 동일할 수 있다.
다른 태양에 따르면, 분포 브래그 반사기를 갖는 발광 다이오드 패키지가 제공된다. 이 발광 다이오드 패키지는, 발광 다이오드 칩을 실장하기 위한 실장면과, 상기 실장면 상에 실장된 발광 다이오드 칩과, 상기 발광 다이오드 칩에서 방출된 광의 적어도 일부를 반사시키는 반사면을 포함한다. 상기 반사면의 적어도 일부에는 청색 파장 영역의 제1 파장의 광, 녹색 파장 영역의 제2 파장의 광 및 적색 파장 영역의 제3 파장의 광에 대해 90% 이상의 반사율을 갖는 분포 브래그 반사기가 설치되어 있다.
상기 분포 브래그 반사기는 예컨대 이온 보조 증착(ion assisted deposion) 기술을 사용하여 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 가시광선의 넓은 영역에 걸쳐 반사율이 높은 분포 브래그 반사기가 제공되며, 이에 따라 혼색광, 예컨대 백색광을 구현하는 발광 다이오드 패키지의 광 효율을 향상시킬 수 있다. 나아가, 발광 다이오드의 패키지를 손상시키지 않고 패키지 상에 분포 브래그 반사기를 형성할 수 있는 기술을 채택함으로써 광 효율이 개선된 발광 다이오드 패키지가 제공될 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 사파이어 기판 상의 알루미늄의 반사율을 보여주는 그래프이다.
도 2는 종래 기술에 따른 사파이어 기판 상의 분포 브래그 반사기의 반사율을 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분포 브래그 반사기를 갖는 발광 다이오드 칩을 보여주는 단면도이다.
도 4는 도 3의 분포 브래그 반사기를 확대한 단면도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분포 브래그 반사기를 설명하기 위한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 사파이어 기판 상의 분포 브래그 반사기의 반사율을 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 복수개의 발광셀들을 갖는 발광 다이오드 칩을 설명하기 위한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 분포 브래그 반사기를 갖는 발광 다이오드 칩을 실장한 발광 다이오드 패키지를 나타내는 단면도이다.
도 9은 본 발명의 다른 실시예에 따른 분포 브래그 반사기를 갖는 발광 다이오드 패키지를 설명하기 위한 단면도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 분포 브래그 반사기(45)를 갖는 다이오드 칩(20)을 설명하기 위한 단면도이고, 도 4는 도 3의 분포 브래그 반사기(45)를 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 3을 참조하면, 발광 다이오드 칩(20)은 기판(21), 발광 구조체(30), 분포 브래그 반사기(45)를 포함한다. 또한, 상기 발광 다이오드 칩(20)은 버퍼층(23), 투명 전극(31), p-전극 패드(33), n-전극 패드(35), 반사 금속층(51) 및 보호층(53)을 포함할 수 있다.
상기 기판(21)은 투명 기판이면 특별히 한정되지 않으며, 예컨대 사파이어 또는 SiC 기판일 수 있다. 상기 기판(21)은 또한, 상부면에 패터닝된 사파이어 기판(PSS)과 같이, 소정의 패턴을 가질 수 있다. 한편, 상기 기판(21)의 면적은 칩의 전체 면적으로 결정한다. 본 발명의 실시예들은 상기 발광 다이오드 칩의 면적이 상대적으로 클 수록 반사 효과가 증가한다. 따라서, 상기 기판(21)은 90,000㎛2 이상인 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 1㎜2 이상이다.
상기 기판(21) 상부에 발광 구조체(30)가 위치한다. 상기 발광 구조체(30)는 제1 도전형 반도체층(25), 제2 도전형 반도체층(29) 및 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층들(25, 29) 사이에 개재된 활성층(27)을 포함한다. 여기서, 제1 도전형과 제2 도전형은 서로 반대의 도전형으로, 제1 도전형이 n형이고, 제2 도전형이 p형일 수 있으며, 또는 그 반대일 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(25), 활성층(27) 및 제2 도전형 반도체층(29)은 질화갈륨 계열의 화합물 반도체 물질, 즉, (Al, In, Ga)N으로 형성될 수 있다. 상기 활성층(27)은 요구되는 파장의 광 예컨대 자외선 또는 청색광을 방출하도록 조성 원소 및 조성비가 결정된다. 상기 제1 도전형 반도체층(25) 및/또는 제2 도전형 반도체층(29)은, 도시한 바와 같이, 단일층으로 형성될 수 있으나, 다층 구조로 형성될 수도 있다. 또한, 활성층(27)은 단일 양자웰 또는 다중 양자웰 구조로 형성될 수 있다. 또한, 상기 기판(21)과 제1 도전형 반도체층(25) 사이에 버퍼층(23)이 개재될 수 있다.
상기 반도체층들(25, 27, 29)은 MOCVD 또는 MBE 기술을 사용하여 형성될 수 있으며, 사진 및 식각 공정을 사용하여 상기 제1 도전형 반도체층(25)의 일부 영역이 노출되도록 패터닝될 수 있다.
한편, 투명전극층(31)이 제2 도전형 반도체층(29) 상에, 예컨대, ITO 또는 Ni/Au로 형성될 수 있다. 투명전극층(31)은 제2 도전형 반도체층(29)에 비해 비저항이 낮아 전류를 분산시키는 역할을 한다. 상기 투명전극층(31) 상에 p-전극 패드(33)가 형성되고, 제1 도전형 반도체층(25) 상에 n-전극 패드(35)가 형성된다. 상기 p-전극 패드(33)는 도시한 바와 같이, 투명전극층(31)을 통해 제2 도전형 반도체층(29)에 접할 수 있다.
한편, 상기 기판(21)의 하부에 분포 브래그 반사기(45)가 위치한다. 상기 분포 브래그 반사기(45)는 제1 분포 브래그 반사기(40) 및 제2 분포 브래그 반사기(50)를 포함한다.
도 4를 참조하면, 제1 분포 브래그 반사기(40)는 제1 재료층(40a)과 제2 재료층(40b)의 복수개의 쌍들이 반복하여 형성되고, 제2 분포 브래그 반사기(50)는 제3 재료층(50a)과 제4 재료층(50b)의 복수개의 쌍들이 반복하여 형성된다. 상기 제1 재료층(40a) 및 상기 제2 재료층(40b)의 복수개의 쌍들은 청색 파장 영역의 광에 비해 적색 파장 영역의 광, 예컨대 550nm 또는 630nm의 광에 대한 반사율이 상대적으로 높고, 상기 제2 분포 브래그 반사기(50)는 적색 또는 녹색 파장 영역의 광에 비해 청색 파장 영역의 광, 예컨대 460nm의 광에 대한 반사율이 상대적으로 높을 수 있다. 이때, 상기 제1 분포 브래그 반사기(40) 내의 재료층들(40a, 40b)의 광학 두께가 상기 제2 분포 브래그 반사기(50) 내의 재료층들(50a, 50b)의 광학 두께보다 두꺼우나, 이에 한정되는 것은 아니며 그 반대의 경우일 수도 있다.
상기 제1 재료층(40a)은 상기 제3 재료층(50a)과 동일한 재료, 즉 동일한 굴절률을 가질 수 있으며, 상기 제2 재료층(40b)은 상기 제4 재료층(50b)과 동일한 재료, 즉 동일한 굴절률을 가질 수 있다. 예컨대, 상기 제1 재료층(40a) 및 제3 재료층(50a)은 TiO2(n: 약 2.5)로 형성될 수 있으며, 상기 제2 재료층(40b) 및 제4 재료층(50b)은 SiO2(n: 약 1.5)로 형성될 수 있다.
한편, 상기 제1 재료층(40a)의 광학 두께(굴절률×두께)는 제2 재료층(40b)의 광학 두께와 실질적으로 정수배의 관계를 가지며, 바람직하게 이들의 광학 두께는 실질적으로 서로 동일할 수 있다. 또한, 상기 제3 재료층(50a)의 광학 두께는 제4 재료층(50b)의 광학 두께와 실질적으로 정수배의 관계를 가지며, 바람직하게 이들의 광학 두께는 실질적으로 서로 동일할 수 있다.
또한, 상기 제1 재료층(40a)의 광학 두께가 상기 제3 재료층(50a)의 광학 두께보다 더 두껍고, 상기 제2 재료층(40b)의 광학 두께가 상기 제4 재료층(50b)의 광학 두께보다 더 두껍다. 상기 제1 내지 제4 재료층들(40a, 40b, 50a, 50b)의 광학 두께는 각 재료층의 굴절률 및/또는 실제 두께를 조절하여 제어할 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 상기 분포 브래그 반사기(45)의 하부에 Al, Ag 또는 Rh 등의 금속 반사층(51)이 형성될 수 있으며, 상기 분포 브래그 반사기(45)를 보호하기 위한 보호층(53)이 형성될 수 있다. 상기 보호층(53)은 예컨대, Ti, Cr, Ni, Pt, Ta 및 Au에서 선택된 어느 하나의 금속층 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있다. 상기 보호층(53)은 분포 브래그 반사기(45)를 외부의 충격이나 오염으로부터 보호한다.
본 실시예에 따르면, 상대적으로 장파장의 가시광선에 대해 반사율이 높은 제1 분포 브래그 반사기(40)와 상대적으로 단파장의 가시광선에 대해 반사율이 높은 제2 분포 브래그 반사기(50)가 서로 적층된 구조의 분포 브래그 반사기(45)가 제공된다. 분포 브래그 반사기(45)는 이들 제1 분포 브래그 반사기(40)와 제2 분포 브래그 반사기(50)의 조합에 의해 가시광선 영역의 대부분의 영역에 걸쳐 광에 대한 반사율을 높일 수 있다.
종래 기술에 따른 분포 브래그 반사기는 특정 파장 범위의 광에 대한 반사율은 높지만, 다른 파장 범위의 광에 대한 반사율이 상대적으로 낮기 때문에, 백색광을 방출하는 발광 다이오드 패키지에서 광 효율 향상에 한계가 있다. 그러나, 본 실시예에 따르면, 분포 브래그 반사기(45)가 청색 파장 영역의 광뿐만 아니라 녹색 파장 영역의 광 및 적색 파장 영역의 광에 대해서도 높은 반사율을 가질 수 있으므로, 발광 다이오드 패키지의 광 효율을 개선할 수 있다.
더욱이, 상기 제1 분포 브래그 반사기(40)를 제2 분포 브래그 반사기(50)에 비해 기판(21)에 가깝게 배치함으로써, 그 역으로 배치할 경우에 비해, 분포 브래그 반사기(45) 내에서의 광 손실을 감소시킬 수 있다.
본 실시예에 있어서, 제1 분포 브래그 반사기(40)와 제2 분포 브래그 반사기(50)의 두개의 반사기들에 대해 설명하지만, 더 많은 수의 반사기들이 사용될 수도 있다. 이 경우, 상대적으로 장파장에 대해 반사율이 높은 반사기들이 발광 구조체(30)에 상대적으로 가깝게 위치하는 것이 바람직하다.
또한, 본 실시예에 있어서, 상기 제1 분포 브래그 반사기(40)내의 제1 재료층들(40a)의 두께는 서로 다를 수도 있으며, 또한, 제2 재료층들(40b)의 두께는 서로 다를 수도 있다. 또한, 상기 제2 분포 브래그 반사기(50) 내의 제1 재료층들(40a)의 두께는 서로 다를 수도 있으며, 또한, 제2 재료층들(50b)의 두께는 서로 다를 수 있다.
본 실시예에 있어서, 분포 브래그 반사기(45)가 기판(21)의 하부에 배치된 것으로 설명했지만, 상기 분포 브래그 반사기(45)는 기판(21)과 발광 구조체(30) 사이에 배치될 수도 있다. 이 경우, 제1 분포 브래그 반사기(40)가 제2 분포 브래그 반사기(50)에 비해 발광 구조체(30)측에 더 가깝게 배치되는 것이 바람직하다.
본 실시예에 있어서, 상기 재료층들(40a, 40b, 50a, 50b)이 SiO2 또는 TiO2로 형성되는 것으로 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 재료층들, 예컨대 Si3N4, 화합물 반도체 등으로 형성될 수도 있다. 다만, 상기 제1 재료층(40a)과 상기 제2 재료층(40b)의 굴절률 차이 및 상기 제3 재료층(50a)과 상기 제4 재료층(50b)의 굴절률 차이가 각각 0.5보다 큰 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 분포 브래그 반사기(40) 내의 제1 재료층과 제2 재료층의 쌍들의 수 및 상기 제2 분포 브래그 반사기(50) 내의 제3 재료층과 제4 재료층의 쌍들의 수는 많을 수록 반사율이 증가하며, 이들 쌍들의 총 수는 20 이상일 수 있다.
이하에서, 상기 분포 브래그 반사기(45)의 제조방법에 대해 설명한다.
우선, 분포 브래그 반사기(45)를 형성하기 전, 기판(21) 표면의 거칠기를 제어한다. 예컨대, 상기 기판(21)이 사파이어 기판인 경우, 1차로 그라인딩(grinding)으로 기판(21)의 얇게 한다. 이때, 상기 기판(21) 표면은 상대적으로 매우 거친 표면을 갖는다. 그 후, 상기 기판(21) 표면을 작은 입자들의 슬러리를 이용하여 갈아낸다(lapping). 상기 래핑 공정에서 상기 기판(21) 표면 내 스크래치 등의 홈의 깊이가 3um 이하가 되도록 기판 표면의 거칠기를 조절한다. 그 후, 상기 기판(21) 표면은 추가적으로 화학 물질에 의해 표면처리될 수도 있다.
이어서, 상기 기판(21) 표면에 TiO2, SiO2, Si3N4 등의 굴절률이 서로 다른 재료층들을 반복하여 증착한다. 상기 재료층들의 증착은 스퍼터링, 전자빔 증착, 플라즈마 강화 화학기상증착 등 공지의 다양한 방법이 사용될 수 있으며, 특히 이온 보조 증착법(ion assisted deposition)이 사용될 수 있다. 이온 보조 증착법은 기판(21)에 증착되는 재료층의 반사도를 측정하여 적합한 두께의 재료층을 형성하므로 분포 브래그 반사기의 재료층들을 형성하는데 특히 적합하다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분포 브래그 반사기(55)를 설명하기 위한 단면도이다. 앞서 도 3 및 도 4에서는, 분포 브래그 반사기(45)가 제1 분포 브래그 반사기(40)와 제2 분포 브래그 반사기(50)의 적층 구조로 도시 및 설명하였다. 이와 달리, 본 실시예에 따른 분포 브래그 반사기(55)에서는 제1 재료층(40a)과 제2 재료층(40b)의 복수개의 쌍들과 제3 재료층(50a)과 제4 재료층(50b)의 복수개의 쌍들이 서로 섞여 있다. 즉, 제3 재료층(50a)과 제4 재료층(50b)의 적어도 하나의 쌍이 제1 재료층(40a)과 제2 재료층(40b)의 복수개의 쌍들 사이에 위치하며, 또한, 제1 재료층(40a)과 제2 재료층(40b)의 적어도 하나의 쌍이 제3 재료층(50a)과 제4 재료층(50b)의 복수개의 쌍들 사이에 위치한다. 여기서, 상기 제1 내지 제4 재료층들(40a, 40b, 50a, 50b)의 광학 두께는 가시광선 영역의 넓은 범위에 걸쳐 광에 대한 높은 반사율을 갖도록 제어된다.
상기 분포 브래그 반사기(55)는 기판(21) 하부에 위치할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 기판(21)과 발광 구조체(도 3의 30) 사이에 위치할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 사파이어 기판 상의 분포 브래그 반사기의 반사율을 보여주는 그래프이다. 여기서, 상기 분포 브래그 반사기는 TiO2/SiO2를 이용하여 형성되었으며, 도 4에 도시한 바와 같이, 제1 분포 브래그 반사기(40)와 제2 분포 브래그 반사기(50)의 적층 구조를 갖도록 형성되었다. 또한, 가시광선의 전 파장 영역에 걸쳐 반사율을 측정하였으며, 동일한 샘플에 대해 7번 측정하였다. 상기 제1 분포 브래그 반사기(40)는 약 630nm의 중앙 파장을 갖고, 제2 분포 브래그 반사기(50)는 약 460nm의 중앙 파장을 갖는다. 도 6에 도시되듯이, 상기 분포 브래그 반사기를 채택함으로써 400~500nm의 청색 파장 영역의 광뿐만 아니라, 500~600nm의 녹색 파장 영역의 광 및 600~700nm의 적색 파장 영역의 광에 대해 90% 이상, 나아가 98% 이상의 반사율을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
한편, 도 6에서 400~700nm의 전 영역에 걸쳐 90% 이상의 높은 반사율을 얻었지만, 400~700nm의 영역 중 일부 중간 영역에서 90% 미만의 반사율이 얻어지는 경우에도, 두개 이상의 중앙 파장들을 갖는 분포 브래그 반사기를 채택하는 한 본 발명의 범위에 속한다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 복수개의 발광셀들을 갖는 발광 다이오드 칩(20a)을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7을 참조하면, 상기 발광 다이오드 칩(20a)은 기판(21) 상에 복수개의 발광셀들을 포함하며, 또한, 분포 브래그 반사기(45)를 포함한다.
상기 기판(21) 및 상기 분포 브래그 반사기(45)는 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명한 분포 브래그 반사기와 유사하므로 그 상세한 설명은 생략한다. 다만, 상기 기판(21)은 복수개의 발광셀들을 전기적으로 분리하기 위해 절연체인 것이 바람직하며, 예컨대 패터닝된 사파이어 기판일 수 있다.
한편, 상기 복수개의 발광셀들(30)은 서로 이격되어 위치한다. 상기 복수개의 발광셀들(30) 각각은 도 3을 참조하여 설명한 발광 구조체(30)와 동일하므로, 상세한 설명은 생략한다. 또한, 발광셀들(30)과 기판(21) 사이에 버퍼층(23)이 개재될 수 있으며, 상기 버퍼층(23) 또한, 서로 이격되는 것이 바람직하다.
제1 절연층(37)이 발광셀들(30)의 전면을 덮는다. 제1 절연층(37)은 제1 도전형 반도체층들(25) 상에 개구부들을 가지며, 또한 제2 도전형 반도체층들(29) 상에 개구부들을 갖는다. 상기 발광셀들(30)의 측벽들은 제1 절연층(37)에 의해 덮인다. 제1 절연층(37)은 또한 발광셀들(30) 사이 영역들 내의 기판(21)을 덮는다. 제1 절연층(37)은 실리콘산화막(SiO2) 또는 실리콘 질화막으로 형성될 수 있으며, 플라즈마 화학기상증착법을 이용하여 200~300℃의 온도 범위에서 형성된 층일 수 있다. 이때, 상기 제1 절연층(37)은 4500Å~1㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 4500Å보다 작은 두께로 형성될 경우, 발광셀들의 아래쪽에서 층덮힘 특성에 의해 상대적으로 얇은 두께의 제1 절연층이 형성되고, 제1 절연층 상에 형성되는 배선과 발광셀간에 전기적 단락이 발생될 수 있다. 한편, 제1 절연층은 두꺼울 수록 전기적 단락을 방지할 수 있지만, 광 투과율을 떨어뜨려 발광효율을 감소시키므로, 1㎛의 두께를 초과하지 않는 것이 바람직하다.
한편, 배선들(39)이 제1 절연층(37) 상에 형성된다. 배선들(39)은 상기 개구부들을 통해 제1 도전형 반도체층들(25) 및 제2 도전형 반도체층들(29)에 전기적으로 연결된다. 상기 제2 도전형 반도체층들(29) 상에 투명전극층들(31)이 위치할 수 있으며, 상기 배선들은 상기 투명전극층들(31)에 접속될 수 있다. 또한 배선들(29)은 인접한 발광셀들(30)의 제1 도전형 반도체층들(25)과 제2 도전형 반도체층들(29)을 각각 전기적으로 연결하여 발광셀들(30)의 직렬 어레이를 형성할 수 있다. 이러한 어레이들이 복수개 형성될 수 있으며, 복수개의 어레이들이 서로 역병렬로 연결되어 교류전원에 연결되어 구동될 수 있다. 또한, 발광셀들의 직렬 어레이에 연결된 브리지 정류기(도시하지 않음)가 형성될 수 있으며, 상기 브리지 정류기에 의해 상기 발광셀들이 교류전원하에서 구동될 수도 있다. 상기 브리지 정류기는 상기 발광셀들(30)과 동일한 구조의 발광셀들을 배선들(29)을 이용하여 결선함으로써 형성할 수 있다.
이와 달리, 상기 배선들은 인접한 발광셀들의 제1 도전형 반도체층들(25)을 서로 연결하거나 제2 도전형 반도체층들(29)을 서로 연결할 수도 있다. 이에 따라, 직렬 및 병렬 연결된 복수개의 발광셀들(30)이 제공될 수 있다.
상기 배선들(29)은 도전 물질, 예컨대 다결정 실리콘과 같은 도핑된 반도체 물질 또는 금속으로 형성될 수 있다. 특히, 상기 배선들(29)은 다층구조로 형성될 수 있으며, 예컨대, Cr 또는 Ti의 하부층과, Cr 또는 Ti의 상부층을 포함할 수 있다. 또한, Au, Au/Ni 또는 Au/Al의 금속층이 상기 하부층과 상부층 사이에 개재될 수 있다.
제2 절연층(41)이 상기 배선들(39) 및 상기 제1 절연층(37)을 덮을 수 있다. 제2 절연층(41)은 배선들(39)이 수분 등에 의해 오염되는 것을 방지하며, 외부 충격에 의해 배선들(39) 및 발광셀들(30)이 손상되는 것을 방지한다.
제2 절연층(41)은 제1 절연층(37)과 동일한 재질로, 실리콘산화막(SiO2) 또는 실리콘 질화막으로 형성될 수 있다. 상기 제2 절연층(41)은, 제1 절연층과 같이, 플라즈마 화학기상증착법을 이용하여 200~300℃의 온도 범위에서 형성된 층일 수 있다. 더욱이, 상기 제1 절연층(37) 플라즈마 화학기상증착법을 이용하여 형성된 층일 경우, 상기 제2 절연층(41)은 상기 제1 절연층(37)의 증착 온도에 대해 -20% ~ +20%의 온도 범위 내에서 증착된 층인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 동일 증착온도에서 증착된 층인 것이 바람직하다.
한편, 상기 제2 절연층(41)은 제1 절연층(37)에 비해 상대적으로 얇은 두께를 가지며, 500Å 이상의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 제2 절연층(41)이 제1 절연층(37)에 비해 상대적으로 얇기 때문에, 제2 절연층이 제1 절연층으로부터 박리되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제2 절연층이 2500Å보다 얇을 경우, 외부충격 또는 습기 침투로부터 배선 및 발광셀을 보호하기 어렵다.
한편, 형광체층(43)이 발광 다이오드 칩(20a) 상에 위치할 수 있다. 상기 형광체층(43)은은 수지에 형광체가 분산된 층이거나 또는 전기 영동법에 의해 증착된 층일 수 있다. 형광체층(43)은 제2 절연층(41)을 덮어 발광셀들(30)에서 방출된 광을 파장변환시킨다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 분포 브래그 반사기를 갖는 발광 다이오드 칩을 실장한 발광 다이오드 패키지를 나타내는 단면도이다.
도 8을 참조하면, 상기 발광 다이오드 패키지는 패키지 본체(60), 리드들(61a, 61b), 발광 다이오드 칩(20 또는 20a) 및 몰딩부(63)를 포함한다. 상기 패키지 본체(60)는 플라스틱 수지로 형성될 수 있다.
상기 패키지 본체(60)는 발광 다이오드 칩(20)을 실장하기 위한 실장면(M)을 가지며 또한 발광 다이오드 칩(20)에서 방출된 광이 반사되는 반사면(R)을 갖는다. 한편, 상기 발광 다이오드 칩(20)은 실장면(M) 상에 실장되며, 본딩 와이어들을 통해 리드들(61a, 61b)에 전기적으로 연결된다.
상기 발광 다이오드 칩(20)은 도 3 및 도 4를 참조하여 설명한 분포 브래그 반사기(45)를 갖거나, 도 5를 참조하여 설명한 분포 브래그 반사기(55)를 가질 수 있다.
한편, 상기 발광 다이오드 패키지는 혼색광, 예컨대 백색광을 방출하며, 이를 위해 발광 다이오드 칩(20)에서 방출된 광을 파장변환시키기 위한 형광체를 포함할 수 있다. 상기 형광체는 몰딩부(63) 내에 함유될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 발광 다이오드 칩(20)이 분포 브래그 반사기(45 또는 55)를 포함하기 때문에, 상기 형광체에서 파장 변환된 광이 발광 다이오드 칩(20)을 통해 실장면(M)으로 향할 경우, 파장 변환된 광 또한 분포 브래그 반사기(45 또는 55)에 의해 높은 반사율로 반사되어 외부로 방출된다. 이에 따라, 종래 발광 다이오드 패키지에 비해 광 효율이 높은 발광 다이오드 패키지가 제공될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 백색광을 구현하기 위해 발광 다이오드 칩(20)과 함께 형광체를 포함하는 패키지에 대해 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 백색광을 방출하기 위한 다양한 패키지가 공지되어 있으며, 상기 발광 다이오드 칩은 어느 패키지에도 적용가능하다.
또한, 본 실시예에 있어서, 발광 다이오드 칩(20)이 실장된 것으로 설명하였지만, 도 7을 참조하여 설명한 발광 다이오드 칩(20a)이 실장면(M) 상에 실장될 수도 있다. 상기 발광 다이오드 칩(20a)이 형광체층(43)을 포함하는 경우, 상기 몰딩부(63) 내의 형광체는 생략될 수도 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분포 브래그 반사기를 갖는 발광 다이오드 패키지를 설명하기 위한 단면도이다.
도 9를 참조하면, 상기 발광 다이오드 패키지는 도 8을 참조하여 설명한 발광 다이오드 패키지와 대부분 유사하며, 다만 반사면(M)에 분포 브래그 반사기(75)가 설치된 것에 차이가 있다. 또한, 본 실시예에 있어서, 발광 다이오드 칩(90)은 도 4 또는 도 5에서 설명한 분포 브래그 반사기(45 또는 55)를 갖지 않을 수도 있다.
상기 분포 브래그 반사기(75)는 제1 분포 브래그 반사기(70)와 제2 분포 브래그 반사기(80)를 포함할 수 있다. 상기 제1 분포 브래그 반사기(70) 및 제2 분포 브래그 반사기(80)는 각각 도 4를 참조하여 설명한 제1 및 제2 분포 브래그 반사기들(40, 50)과 동일한 재료층, 적층 구조를 가질 수 있다. 즉, 제1 분포 브래그 반사기(70)는 제1 재료층(70a) 및 제2 재료층(70b)의 복수개의 쌍들로 형성되고, 제2 분포 브래그 반사기(80)는 제3 재료층(80a) 및 제4 재료층(80b)의 복수개의 쌍들로 형성될 수 있으며, 이들 제1 내지 제4 재료층(70a, 70b, 80a, 80b)은 도 4를 참조하여 설명한 제1 내지 제4 재료층(40a, 40b, 50a, 50b)과 동일하므로, 여기서 구체적인 설명은 생략한다.
상기 분포 브래그 반사기(75)에 의해 가시광선 영역의 넓은 파장 범위에 걸쳐 높은 반사율을 제공할 수 있으므로, 상기 발광 다이오드 패키지의 광 효율이 향상된다.
한편, 상기 분포 브래그 반사기는 도 5를 참조하여 설명한 바와 유사하게, 제1 및 제2 재료층들(70a, 70b)의 복수개의 쌍들과 제3 및 제4 재료층들(80a, 80b)의 복수개의 쌍들이 서로 섞여 형성될 수 있다.
상기 분포 브래그 반사기(75)는 상대적으로 낮은 온도에서 수행되는 이온 보조 증착법을 사용하여 형성될 수 있으며, 따라서 플라스틱 수지의 패키지 본체(60) 또는 리드들(61a, 61b)을 손상시킴 없이 형성될 수 있다. 상기 분포 브래그 반사기(75)는 와이어를 본딩하기 위한 리드 영역들을 제외한 전 영역에 형성될 수 있다.
한편, 상기 발광 다이오드 칩(90)은, 도 7의 발광 다이오드 칩(20 또는 20a)과 같이 분포 브래그 반사기를 포함할 수 있으나, 그것에 한정되지 않으며, 종래의 일반적인 발광 다이오드 칩일 수도 있다.
본 실시예에 따르면, 반사면에 청색 파장 영역의 광, 녹색 파장 영역의 광 및 적색 파장 영역의 광에 대해 90% 이상의 반사율을 갖는 분포 브래그 반사기를 설치함으로써, 광 효율이 개선된 발광 다이오드 패키지를 제공할 수 있다.

Claims (16)

  1. 기판;
    상기 기판 상부에 위치하고, 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함하는 발광 구조체; 및
    상기 기판 하부에 위치하여, 상기 발광 구조체에서 방출된 광을 반사하는 분포 브래그 반사기(distributed bragg reflector);
    상기 분포 브래그 반사기의 하부에 형성된 금속 반사층; 및
    상기 금속 반사층 하부에 형성된 보호 금속층을 포함하되,
    상기 분포 브래그 반사기는 청색 파장 영역의 제1 파장의 광, 녹색 파장 영역의 제2 파장의 광 및 적색 파장 영역의 제3 파장의 광에 대해 90% 이상의 반사율을 갖는 발광 다이오드 칩.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 금속 반사층은 Al, Ag 또는 Rh을 포함하고, 상기 보호 금속층은, Ti, Cr, Ni, Pt, Ta 및 Au에서 선택된 어느 하나의 금속층 또는 이들의 합금으로 형성된 발광 다이오드 칩.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 분포 브래그 반사기는 상기 기판의 하부면과 접촉하여 위치하는 발광 다이오드 칩.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 기판의 하부면은 그 표면 거칠기가 3㎛ 이하인 발광 다이오드 칩.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 기판은 그 상부면에 소정의 패턴을 포함하는 발광 다이오드 칩.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 기판은 그 면적이 90,000㎛2 이상인 발광 다이오드 칩.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 기판 상에 복수개의 발광셀을 포함하는 발광 다이오드 칩.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 복수개의 발광셀이 직렬연결된 적어도 하나의 발광셀 어레이를 포함하는 발광 다이오드 칩.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 분포 브래그 반사기는 제1 분포 브래그 반사기 및 제2 분포 브래그 반사기를 포함하는 발광 다이오드 칩.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 제1 분포 브래그 반사기는 청색 파장 영역의 광에 비해 녹색 또는 적색 파장 영역의 광에 대한 반사율이 높고,
    상기 제2 분포 브래그 반사기는 적색 파장 영역의 광에 비해 청색 파장 영역의 광에 대한 반사율이 높은 발광 다이오드 칩.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 분포 브래그 반사기는 상기 기판의 하부에 위치하되, 상기 제1 분포 브래그 반사기가 상기 제2 분포 브래그 반사기보다 상기 기판에 더 가깝게 위치하는 발광 다이오드 칩.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 분포 브래그 반사기는
    제1 광학 두께를 갖는 제1 재료층과 제2 광학 두께를 갖는 제2 재료층의 복수개의 쌍들; 및
    제3 광학 두께를 갖는 제3 재료층과 제4 광학 두께를 갖는 제4 재료층의 복수개의 쌍들을 포함하되,
    상기 제1 재료층의 굴절률은 상기 제2 재료층의 굴절률과 다르고, 상기 제3 재료층의 굴절률은 상기 제4 재료층의 굴절률과 다른 발광 다이오드 칩.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 제1 재료층 및 제2 재료층의 복수개의 쌍들이 상기 제3 재료층 및 제4 재료층의 복수개의 쌍들에 비해 상기 발광 구조체에 더 가깝에 위치하는 발광 다이오드 칩.
  14. 청구항 12에 있어서, 상기 제1 재료층은 상기 제3 재료층과, 그리고, 상기 제2 재료층은 상기 제4 재료층과 동일한 굴절률을 갖는 발광 다이오드 칩.
  15. 청구항 12에 있어서, 상기 제1 광학 두께가 상기 제3 광학 두께에 비해 더 두껍고, 상기 제2 광학 두께가 상기 제4 광학 두께에 비해 더 두꺼운 발광 다이오드 칩.
  16. 청구항 12에 있어서, 상기 제1 광학 두께와 제2 광학 두께는 서로 동일하고, 상기 제3 광학 두께와 제4 광학 두께는 서로 동일한 발광 다이오드 칩.
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