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KR100691177B1 - 백색 발광소자 - Google Patents

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KR100691177B1
KR100691177B1 KR1020050046478A KR20050046478A KR100691177B1 KR 100691177 B1 KR100691177 B1 KR 100691177B1 KR 1020050046478 A KR1020050046478 A KR 1020050046478A KR 20050046478 A KR20050046478 A KR 20050046478A KR 100691177 B1 KR100691177 B1 KR 100691177B1
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light emitting
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마사요시 코이케
민경익
조명수
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명은 웨이퍼 본딩 또는 메탈본딩을 이용한 모놀리식 백색 발광소자에 관한 것으로서, 전도성 서브마운트 기판과, 상기 서브마운트 기판 상에 금속층에 의해 접합되며, 아래로부터 p형 질화물 반도체층, 제1 활성층, n형 질화물 반도체층 및 전도성 기판이 순차적으로 적층되어 이루어진 제1 발광부와, 상기 전도성 기판 상면 중 일영역 상에 형성되며, 아래로부터 p형 AlGaInP계 반도체층, 제2 활성층 및 n형 AlGaInP계 반도체층이 순차적으로 적층되어 이루어진 제2 발광부와, 상기 전도성 서브마운트 기판의 하면과 상기 n형 AlGaInP계 반도체층 상면에 각각 형성된 p측 및 n측 전극을 포함하는 백색 발광소자를 제공한다.
백색 발광소자(white light emitting device), 웨이퍼본딩(wafer bonding), 모놀리식 소자(monolithic device)

Description

백색 발광소자{WHITE LIGHT EMITTING DEVICE}
도1은 종래의 형광체를 이용한 백색 발광소자를 나타내는 단면도이다.
도2는 본 발명의 일실시형태에 따른 백색 발광소자를 나타내는 사시도이다.
도3a 내지 도3h는 도2의 백색발광소자의 제조공정을 설명하기 위한 각 공정별 단면도이다.
도4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 백색 발광소자를 나타내는 단면도이다.
도5는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 백색 발광소자를 나타내는 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
20: 제1 발광부 22: n형 질화물 반도체층
24,25: 청색 및 녹색 활성층 26: p형 질화물 반도체층
27: 전류차단층 28: 고반사성 금속층
31: 실리콘 서브마운트기판 32: p측 공통전극
40: 제2 발광부 41: GaAs기판
42: n형 AlGaInP계 반도체층 45: 적색 활성층
46: p형 AlGaInP계 반도체층 49: n측 공통전극
본 발명은 백색 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게 적어도 2개의 다른 파장광을 발광하는 다수의 활성층을 단일 소자형태로 구현한 모놀리식 백색 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, LED를 이용한 백색 발광소자는 조명장치 또는 디스플레이 장치의 백라이트로 널리 사용된다. 이러한 백색 발광 소자의 구현방안은 개별 LED로 제조된 청색, 적색 및 녹색 LED를 단순 조합하는 방식과 형광체를 이용하는 방식이 널리 알려져 있다. 다색의 개별 LED를 동일한 인쇄회로기판에 조합하는 방식은 이를 위한 복잡한 구동회로가 요구되며, 그에 따라서 소형화가 어렵다는 단점이 있으므로, 최근에는 형광체를 이용한 백색 발광소자 제조방법이 보편적으로 사용된다.
종래의 형광체를 이용한 백색 발광소자 제조방법으로는, 청색 발광소자를 이용하는 방법과 자외선 발광소자를 이용하는 방법이 있다. 예를 들어, 청색 발광소자를 이용하는 경우에는 YAG 형광체를 이용하여 청색광을 백색광으로 파장 변환한다. 즉, 청색 LED로부터 발생된 청색파장이 YAG(Yittrium Aluminum Garnet)형광체를 여기시켜 최종으로 백색광을 발광시킬 수 있다.
도1은 종래의 YAG형광체를 이용한 백색 발광소자(10)의 전체 구조를 나타내는 단면도이다. 도1a을 참조하면, 상기 리드프레임(2)의 캡에 실장된 InGaN계 청색 LED(9)와 상기 캡 내부에서 청색 LED(9)주위를 둘러싼 YAG 형광체(5)가 도시되어 있다. 또한, 상기 청색 LED(9)는 캡구조를 갖는 양극 리드프레임(2)과 음극 리드플레임(4)에 와이어로 각각 연결되며, 청색 LED(10)가 위치한 전체 리드프레임(2,4) 상부는 투명한 재질(7)로 몰딩된다.
상기 리드프레임(2,4)을 통해 전원이 인가되어 InGaN계 청색 LED(9)로부터 청색광이 발광되면, 그 일부의 청색광은 YAG 형광체(5)를 여기시킨다. 이 때에 YAG형광체는 InGaN 청색 LED(10)의 피크파장인 460㎚에서 여기되는 특성을 가지므로, 황록색의 형광으로 발광한다. 이와 같이 YAG 형광체(5)를 통해 얻어진 황록색의 형광은 청색 LED(9)로부터 직접 발산되는 다른 일부의 청색광과 합성되어, 최종적으로 백색광을 발광하게 된다.
도1에 도시된 종래의 백색 발광소자는 RGB에 해당하는 각 LED를 조합하는 형태에서 요구되는 전류조절이 필요하지 않다는 잇점이 있으나, 형광체분말에 의한 소자특성의 불이익한 영향이 발생되거나, 형광체 여기시 광효율이 감소하고 색보정지수가 저하되어 우수한 색감을 얻을 수 없다는 한계가 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 웨이퍼 본딩 또는 메탈본딩을 이용하여 서로 다른 파장광을 방출하는 복수의 발광부를 단일한 칩형태로 접합시킨 새로운 백색 발광소자를 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은,
전도성 서브마운트 기판과, 상기 서브마운트 기판 상에 금속층에 의해 접합되며, 아래로부터 p형 질화물 반도체층, 제1 활성층, n형 질화물 반도체층 및 전도성 기판이 순차적으로 적층되어 이루어진 제1 발광부와, 상기 전도성 기판 상면 중 일영역 상에 형성되며, 아래로부터 p형 AlGaInP계 반도체층, 제2 활성층 및 n형 AlGaInP계 반도체층이 순차적으로 적층되어 이루어진 제2 발광부와, 상기 전도성 서브마운트 기판의 하면과 상기 n형 AlGaInP계 반도체층 상면에 각각 형성된 p측 및 n측 전극을 포함하는 백색 발광소자를 제공한다.
본 발명의 바람직한 일 실시형태에서, 상기 제1 발광부의 전도성 기판과 상기 제2 발광부의 p형 반도체층은 직접 웨이퍼 본딩에 의해 접합되며, 이 경우에, 상기 p측 및 n측 전극은 상기 제1 및 제2 발광부의 공통전극이 된다.
본 실시형태에서, 상기 제1 발광부의 p형 질화물 반도체층에는 상기 제2 발광부가 형성된 영역과 수직방향으로 중첩된 영역에 상기 서브마운트 기판과 접하는 표면을 따라 형성된 전류차단층을 더 포함한다. 상기 전류차단층은 n형 불순물로 도핑된 영역이거나, 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막인 절연막일 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에서는, 상기 제1 발광부의 전도성 기판 중 상기 일영역에 형성된 절연층을 더 포함하며, 상기 절연층 상에 상기 제2 발광부의 p형 반도체층은 추가적인 금속층에 의해 접합된다. 이 경우에, 상기 추가적인 금속층에 접속된 p측 전극과 상기 전도성 기판 상에 접속된 n측 전극을 더 포함하며, 상기 제1 및 제2 발광부는 관련된 개별 전극을 독립적으로도 동작할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 금속층 또는 상기 추가적인 금속층은 알루미늄(Al), 은(Ag), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 그 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 고반사성 금속을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 전도성 서브마운트 기판은 p형 실리콘 기판일 수 있다.
본 발명에서는, 백색 발광을 위해 상기 제1 발광부로부터충분한 광추출을 보장하기 위해서, 상기 제2 발광부가 형성된 상면 면적은 상기 전도성 기판 중 나머지 영역의 상면 면적보다 작은 것이 바람직하다. 또한, 상기 전도성 기판 중 상기 제2 발광부가 형성되지 않은 상면영역에 제1 발광부의 광추출효율을 향상시키기 위해서, 요철패턴을 형성하는 것이 바람직하다.
특정 실시형태에서, 2파장광을 조합하여 백색광을 얻을 수 있다. 이 경우에, 상기 제1 활성층은 약 450∼475㎚의 파장광을 생성하며, 상기 제2 활성층은 약 550∼600㎚의 파장광을 생성한다. 이와 달리, 제1 발광부의 제1 활성층을 다른 파장광을 방출하는 2개의 활성층으로 형성함으로써 전체적으로 3파장광을 조합하여 백색광을 얻을 수 있다. 이 경우에, 상기 제1 활성층은 각각 약 450∼475㎚의 파장광과 약 510∼535㎚의 파장광을 생성하는 2개의 활성층을 포함하며, 상기 제2 활성층은 약 600∼635㎚의 파장광을 생성한다.
본 발명의 다른 실시형태는, 제1 발광부를 플립칩 형태로 서브마운트기판에 실장하는 형태이다. 본 실시형태는, 제1 발광부에 사용되는 기판이 사파이어와 같은 절연성 기판인 경우에 유익하게 적용될 수 있다.
본 실시형태에 따른 백색 발광소자는 상면에 p측 리드단자와 n측 리드단자가 형성된 서브마운트 기판과, 아래로부터 p형 질화물 반도체층, 제1 활성층, n형 질화물 반도체층 및 절연성 기판이 순차적으로 적층되어 이루어지며, 상기 p형 및 n형 질화물 반도체층은 각각 상기 p측 및 n측 리드 단자에 각각 연결된 제1 발광부와, 상기 전도성 기판 상면 중 일영역 상에 순차적으로 형성된 금속층과, 상기 금속층의 일영역 상에 접합되며, 아래로부터 p형 AlGaInP계 반도체층, 제2 활성층 및 n형 AlGaInP계 반도체층이 순차적으로 적층되어 이루어진 제2 발광부와, 상기 금속층의 다른 영역과 상기 절연성 기판의 다른 영역 상에 각각 형성된 p측 및 n측 전극을 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도2는 본 발명의 일실시형태에 따른 백색 발광소자를 나타내는 사시도이다.
본 실시형태에 따른 백색 발광소자(50)는 전도성 서브마운트 기판(31)과, 서로 다른 파장광을 방출하는 제1 및 제2 발광부(20,40)을 포함한다. 상기 전도성 서브마운트 기판(31)은 p형 불순물로 도프된 실리콘일 수 있으며, 그 하면에 p측 공통전극(32)이 형성된다.
상기 제1 발광부(20)는 질화물 적층구조로서 아래로부터 p형 질화물 반도체층(26), 2개의 질화물계 활성층(24,25), n형 질화물 반도체층(23) 및 전도성 기판(21)이 순차적으로 위치하도록 배치된다. 상기 제1 발광부(20)는 그 p형 질화물 반도체층(26)이 서브마운트 기판(31) 상에 금속층(28)에 의해 접합된다. 상기 금속층(32)은 Au-Sn, Sn, In, Au-Ag 및 Pb-Sn을 포함하는 그룹으로부터 선택된 통상의 접합용 금속을 사용할 수 있다. 바람직하게, 상기 금속층(28)은 고반사성 금속을 포함할 수 있다. 상기 고반사성 금속은 통상의 접합용 금속을 대체하거나 조합하여 사용될 수 있다. 이러한 고반사성 금속으로는 알루미늄(Al), 은(Ag), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 그 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속을 사용할 수 있다.
상기 제2 발광부(40)는 상기 전도성 기판(21) 상면 중 일영역 상에 형성되 며, 아래로부터 p형 AlGaInP계 반도체층(46), AlGaInP계 활성층(45) 및 n형 AlGaInP계 반도체층(42)이 순차적으로 위치하도록 배치된다. 상기 제2 발광부(40)가 형성되는 면적은 제1 발광부(30)의 광추출영역을 충분히 보장하기 위해서, 상기 전도성 기판(21) 중 나머지 영역의 상면 면적보다 작은 것이 바람직하다. 추가적으로, 상기 전도성 기판(21) 중 상기 제2 발광부(40)가 형성되지 않은 상면영역에는 요철패턴(21a)을 형성하여 제1 발광부(20)의 광추출효율을 보다 크게 개선할 수 있다.
상기 백색 발광소자(50)는 상기 제1 발광부(20)와 상기 제2 발광부(40)의 파장광을 조합하여 백색 발광을 얻을 수 있다. 도2에 도시된 바와 같이, 상기 제1 발광부(20)의 2개의 활성층(24,25)은 각각 약 450∼475㎚의 파장광과 약 510∼535㎚의 파장광을 생성하며, 상기 제2 발광부(40)의 활성층(45)은 약 600∼635㎚의 파장광을 생성하도록 구성될 수 있다. 이와 달리, 상기 제1 발광부(20)에 약 450∼475㎚의 파장광으로 생성하는 하나의 활성층만을 채용하고, 제2 발광부(40)의 활성층을 약 550∼600㎚의 파장광을 생성하도록 구성될 수 있다.
상기 전도성 서브마운트 기판(31)의 하면에 형성된 p측 전극(32)과 상기 n형 AlGaInP계 반도체층(42) 상면에 형성된 n측 전극(49)은 각각 제1 발광부(20)와 제2 발광부(40)의 공통전극으로 사용된다.
상기 제1 발광부(20)는 p형 질화물 반도체층(26) 상면의 특정영역에 전류차단층(27)을 포함할 수 있다. 본 실시형태에 따른 백색 발광소자(50)에서, 전류차단층은 상기 제1 발광부(20)의 전류분산효과를 개선하는 역할을 한다. 상기 제1 발광부(20)는 상기 제2 발광부(40)에 형성된 n측 전극(49)을 공유하며, 상기 제2 발광부(40)는 제1 발광부(20)의 일측 일부영역에 비교적 작은 면적으로 형성되므로, 제1 발광부(20)에서의 전류경로가 매우 편향되며, 그 결과 충분한 전류분산효과를 기대하기 어렵다. 따라서, 상기 전류차단층(27)을 제2 발광부(40) 위치에 대응되는 p형 질화물반도체층(26)영역에 형성함으로써, a로 표시된 바와 같이 전류경로를 우회시켜 제1 발광부(20)의 발광효율을 개선할 수 있다. 상기 전류차단층(27)은 p형 질화물 반도체층(26) 상면에 n형 불순물을 고농도로 도핑하거나, 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물층을 선택적으로 증착함으로써 형성될 수 있다.
도3a 내지 도3h는 도2의 백색 발광소자(50)의 제조공정을 설명하기 위한 각 공정별 단면도이다.
도3a와 같이, 제1 발광부(20)로서 전도성 기판(21) 상에 n형 질화물 반도체층(22), 활성층(24,25) 및 p형 질화물 반도체층(26)을 형성한다. 상기 전도성 기판(21)으로는 바람직하게 n형 불순물로 도프된 GaN기판을 사용할 수 있다.
이어, 도3b와 같이, 상기 p형 질화물 반도체층(26) 상면의 일부영역에 전류차단층(27)을 형성한다. 상기 전류차단층(27)이 형성되는 영역은 앞서 설명한 바와 같이, 제2 발광부가 형성될 영역과 수직 방향으로 중첩된 영역에 형성한다. 본 실시형태에서, 상기 전류차단층(27)은 해당영역을 소정의 깊이로 에칭한 후에, 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물층을 선택적으로 증착함으로써 형성될 수 있다. 이와 달리, p형 질화물 반도체층(26)의 해당영역을 n형 불순물을 고농도로 도핑하여 형성될 수도 있다.
다음으로, 도3c와 같이, 상기 p형 질화물 반도체층(26) 상에 금속층(28)을 형성한다. 상기 금속층(28)은 Au-Sn, Sn, In, Au-Ag 및 Pb-Sn을 포함하는 그룹으로부터 선택된 통상의 접합용 금속을 사용할 수 있다. 바람직하게는, 상기 금속층(28)으로 통상의 접합용 금속을 대체하거나 조합하여 고반사성 금속을 사용할 수 있다. 고반사성 금속으로는 알루미늄(Al), 은(Ag), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 그 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택하여 사용할 수 있다.
이어, 도3d와 같이, 상기 금속층(28)을 이용하여 상기 제1 발광부(20)를 전도성 서브마운트기판(31) 상에 접합시킨다. 전도성 서브마운트기판(31)으로는 실리콘 기판 또는 금속기판이 사용될 수 있다. 이러한 메탈본딩공정은 열팽창에 의한 제1 발광부(20)의 결함발생이 방지되도록, 600℃을 초과하지 않는 범위에서 실시하는 것이 바람직하다.
다음으로, 도3e와 같이, AlGaInP계 반도체로 구성된 제2 발광부(40)를 상기 전도성 기판(21) 상면에 접합시킨다. 상기 제2 발광부(40)는 GaAs기판(41) 상에 n형 AlGaInP계 반도체층(43), 제2 활성층(45) 및 p형 AlGaInP계 반도체층(46)을 순차적으로 증착시킴으로써 얻어질 수 있다. 본 공정은 웨이퍼레벨에서 실행되는 웨이퍼본딩공정일 수 있다. 상기 웨이퍼본딩공정은 열팽창에 의한 응력발생을 최소화하기 위해서, 통상적인 웨이퍼융합온도보다 낮게 실시한다. 이러한 저온 웨이퍼본딩공정은 본딩전에 각 웨이퍼의 접합면을 플라즈마처리하여 표면에너지를 증가시켜 낮은 온도(실온∼400℃)에서 접합함으로써 실현될 수 있다.
이어, 도3f와 같이, 상기 제2 발광부(40)를 선택적으로 제거하여 미리 마련된 전류차단층(27)에 대응하는 전도성 기판(21)의 상면영역에 한하여 상기 제2 발광부(40)를 잔류시킨다. 이러한 제거공정은 습식에칭공정에 의해 용이하게 구현될 수 있다. 또한, 본 공정에서 노출된 전도성 기판(21)의 상면영역과 상기 제2 발광부(40)의 잔류영역의 면적은 질화물계인 제1 발광부(20)와 AlGaInP계 제2 발광부(40)의 각 발광효율과, 백색광의 구현을 위한 각 파장광의 휘도비에 의해 결정될 수 있다. 일반적으로, AlGaInP계 제2 발광부(40)의 효율이 우수하며, 백색광에서 원하는 적색광 비율이 적으므로, 전도성 기판(21)의 노출영역이 상기 제2 발광부(40)의 잔류영역보다 크게 설정하는 것이 바람직하다.
다음으로, 도3g와 같이, 상기 전도성 기판(21)의 노출면에 요철패턴(21a)을 형성한다. 상기 요철패턴(21a)은 상기 제1 발광부(20)의 광추출효율을 개선하기 위 한 수단으로 채용된다. 이러한 요철패턴(21a)의 형성공정은 ICP공정과 같은 통상의 드라이에칭공정이 이용될 수 있다. 또한, 추가적으로, 제2 발광부(40)로부터 GaAs기판(41)을 제거하는 공정을 실시한다. 상기 GaAs기판(41)은 광투과율이 낮으므로, 제2 발광부(40)로부터 방출되는 적색광의 효율을 저하시킬 수 있다. 이러한 GaAs기판 제거공정은 당업계에 알려진 통상의 습식공정으로 용이하게 실시될 수 있다.
끝으로, 도3h와 같이, 전도성 서브마운트기판(31)의 하면과 제2 발광부(40)의 n형 반도체층(43) 상에 각각 p측 전극(32) 및 n측 전극(49)을 형성한다. 상기 p측 전극(32) 및 n측 전극(49)은 상기 제1 발광부(20) 및 제2 발광부(40)의 공통전극으로서 제공된다.
상술된 실시형태는 각 전극을 공통전극으로 사용한 형태를 예시하였으나, 도4와 같이 각 발광부가 개별적으로 구동되도록, 전극이 별도로 구성할 수 있다.
도4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 백색 발광소자를 나타내는 단면도이다.
상기 백색 발광소자(90)는 전도성 서브마운트 기판(71)과, 서로 다른 파장광을 방출하는 제1 및 제2 발광부(60,80)을 포함한다. 상기 전도성 서브마운트 기판(71)은 p형 불순물로 도프된 실리콘 또는 금속기판일 수 있다.
상기 제1 발광부(60)는 질화물 적층구조로서 아래로부터 p형 질화물 반도체 층(66), 2개의 질화물계 활성층(64,65), n형 질화물 반도체층(62) 및 전도성 기판(61)이 순차적으로 위치하도록 배치된다. 여기서, 상기 전도성 기판(61)은 전도성을 갖는 GaN기판일 수 있다. 상기 제1 발광부(60)는 그 p형 질화물 반도체층(66)이 서브마운트 기판(71) 상에 제1 금속층(78)에 의해 접합된다.
상기 제1 금속층(78)은 Au-Sn, Sn, In, Au-Ag 및 Pb-Sn을 포함하는 그룹으로부터 선택된 통상의 접합용 금속을 사용할 수 있다. 바람직하게, 상기 제1 금속층(78)은 고반사성 금속을 포함할 수 있다. 상기 고반사성 금속은 알루미늄(Al), 은(Ag), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 그 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속일 수 있다.
본 실시형태에서, 상기 제2 발광부(80)가 형성될 전도성 기판(61)의 상면영역에는 절연층(77)이 추가로 형성된다. 상기 절연층(77)은 상기 제1 발광부(60)와 상기 제2 발광부(80)를 전기적으로 분리시킨다. 제1 발광부(60)의 광추출영역을 충분히 보장하기 위해서, 상기 절연층(77)의 형성면적은 상기 전도성 기판(71)의 나머지 상면 면적보다 작은 것이 바람직하다. 상기 절연층(77) 상에는 제2 금속층(78)이 형성된다. 상기 제2 금속층(78)은 상기 제1 금속층(68)과 유사한 금속으로 형성될 수 있다.
상기 제2 발광부(80)는 상기 제2 금속층(81) 상면 중 일부영역 상에 형성되며, 아래로부터 p형 AlGaInP계 반도체층(86), AlGaInP계 활성층(85) 및 n형 AlGaInP계 반도체층(83)이 순차적으로 위치하도록 배치된다. 상기 전도성 기판(61) 중 상기 제2 발광부(80)가 형성되지 않은 상면영역에는 요철패턴(61a)을 형성하여 제1 발광부(60)의 광추출효율을 보다 크게 개선할 수 있다.
이러한 구조에서, 상기 제1 발광부(60)와 상기 제2 발광부(80)는 각각 독립적인 구동전극을 가질 수 있다. 상기 제1 발광부(60)에는, 상기 전도성 서브마운트 기판(61)의 하면에 형성된 제1 p측 전극(72)과 상기 전도성 기판의 다른 일영역에 형성된 제1 n측 전극(69)을 제공된다. 또한, 상기 제2 발광부(80)에는, 상기 제2 금속층(78)의 일영역에 형성된 제2 p측 전극(88)과 상기 n형 AlGaInP계 반도체층(82) 상면에 형성된 제2 n측 전극(89)가 제공된다.
본 실시형태와 같은 전극배열을 통해 각 제1 발광부(60) 및 제2 발광부(80)는 독립적으로 구동될 수 있으며, 도2에 도시된 실시형태에 비해 직렬저항을 감소시킬 수 있어 구동전압을 낮출 수 있다는 장점이 있다.
상기 백색 발광소자(90)는 도2에서 설명된 실시형태와 유사하게 상기 제1 발광부(60)와 상기 제2 발광부(70)의 파장광을 조합하여 백색 발광을 얻을 수 있다.본 실시형태와 같이, 상기 제1 발광부(60)의 2개의 활성층(64,65)은 각각 약 450∼475㎚의 파장광과 약 510∼535㎚의 파장광을 생성하며, 상기 제2 발광부(80)의 활성층(85)은 약 600∼635㎚의 파장광을 생성하도록 구성될 수 있다.
본 발명은 제1 발광부에 사용되는 기판이 사파이어기판과 같은 비전도성인 투명기판인 경우에도 유익하게 적용될 수 있다. 이 경우에, 제1 발광부는 서브마운트기판에 플립칩본딩된 구조를 갖는다.
도5는 본 발명에 따른 실시형태 중 제1 발광부의 기판이 비전도성기판인 실시형태를 나타내는 단면도이다.
상기 백색 발광소자(130)는 서브마운트 기판(131)과, 서로 다른 파장광을 방출하는 제1 및 제2 발광부(120,140)을 포함한다. 상기 서브마운트 기판(131)은 상면에 p측 리드전극(132a), n측 리드전극(132b)을 포함하며, 기판(131)은 실리콘 기판 또는 금속 기판일 수 있으며, 이에 한정되지는 않으나, 통상의 실리콘 기판에 열산화층(미도시)을 형성한 후에 전기적으로 분리된 리드전극(132a,132b)을 증착하는 방식으로 제조될 수 있다.
상기 제1 발광부(120)는 아래로부터 p형 질화물 반도체층(126), 2개의 질화물계 활성층(124,125), n형 질화물 반도체층(123) 및 절연성 기판(121)이 순차적으로 위치하도록 배치되며, 상기 n형 질화물 반도체층(123)의 일부영역이 노출되도록 메사구조를 갖는다. 본 실시형태에서, 상기 절연성 기판(121)은 사파이어기판일 수 있다. 상기 p형 질화물 반도체층(126) 상에는 상기 제1 금속층(128)이 형성된다. 상기 제1 금속층(128)은 고반사성 금속을 포함할 수 있다. 상기 고반사성 금속은 알루미늄(Al), 은(Ag), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 그 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속일 수 있다. 상기 제1 금속층(128)과 p형 질화 물 반도체층(126) 사이에는 별도의 오믹콘택층(미도시)이 추가될 수 있다. 바람직하게는 Cu가 도프된 In2O3과 같은 투과성 산화물층이 사용될 수 있다.
상기 제1 발광부(120)는 상기 서브마운트기판(131) 상에 플립칩 본딩된다. 즉, 상기 p형 질화물 반도체층(126)과 노출된 n형 질화물 반도체층(122)은 각각 p측 및 n측 리드전극(132a,132b)에 범프솔더(S)에 의해 접합된다.
본 실시형태에서, 상기 제2 발광부(140)가 형성될 절연성 기판(121)의 상면영역에는 제2 금속층(138)이 형성된다. 상기 제1 발광부(120)의 기판(121)은 전기적 절연성을 가지므로, 상기 제2 금속층(138)은 그 기판(121) 상면에 직접 형성될 수 있다. 상기 제2 금속층(138)의 형성면적은 제1 발광부(120)의 광추출영역을 충분히 보장하기 위해서, 상기 기판(121)의 나머지 상면 면적보다 작은 것이 바람직하다.
상기 제2 발광부(140)는 상기 제2 금속층(128) 상면 중 일부영역 상에 형성되며, 아래로부터 p형 AlGaInP계 반도체층(146), AlGaInP계 활성층(145) 및 n형 AlGaInP계 반도체층(143)이 순차적으로 위치하도록 배치된다. 상기 절연성 기판(121) 중 상기 제2 발광부(140)가 형성되지 않은 상면영역에는 요철패턴(121a)을 형성하여 제1 발광부(120)의 광추출효율을 보다 크게 개선할 수 있다.
이러한 구조에서, 상기 제1 발광부(120)와 상기 제2 발광부(140)는 각각 독 립적으로 구동될 수 있다. 상기 제1 발광부(120)는 상기 서브마운트 기판(131)의 상면에 마련된 각 리드전극(132a,132b)에 의해 구동되며, 상기 제2 발광부(140)는, 상기 제2 금속층(138)의 일영역에 형성된 p측 전극(148)과 상기 n형 AlGaInP계 반도체층(142) 상면에 형성된 n측 전극(149)가 제공된다. 물론, 백색광을 구현하기 위해서 동시에 구동될 수도 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 웨이퍼본딩 및/또는 메탈본딩공정을 이용하여 2개의 발광부를 일체로 접합시킴으로써 비교적 간단한 공정을 통해 원하는 모놀리식 백색 발광소자를 제공할 수 있다. 본 발명에서는 형광체를 이용하지 않고, 서로 다른 파장광을 갖는 발광부를 이용하므로, 형광체로 인한 단점이 배제된 우수한 백색효율을 갖는 백색 발광소자를 얻을 수 있다.

Claims (20)

  1. 전도성 서브마운트 기판;
    상기 서브마운트 기판 상에 금속층에 의해 접합되며, 아래로부터 p형 질화물 반도체층, 제1 활성층, n형 질화물 반도체층 및 전도성 기판이 순차적으로 적층되어 이루어진 제1 발광부;
    상기 전도성 기판 상면 중 일영역 상에 형성되며, 아래로부터 p형 AlGaInP계 반도체층, 제2 활성층 및 n형 AlGaInP계 반도체층이 순차적으로 적층되어 이루어진 제2 발광부; 및
    상기 전도성 서브마운트 기판의 하면과 상기 n형 AlGaInP계 반도체층 상면에 각각 형성된 p측 및 n측 전극을 포함하며,
    상기 p측 및 n측 전극은 상기 제1 및 제2 발광부의 공통전극이며,
    상기 제1 발광부의 p형 질화물 반도체층에는 상기 제2 발광부가 형성된 영역과 수직방향으로 중첩된 영역에 상기 서브마운트 기판과 접하는 표면을 따라 형성된 전류차단층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 발광부의 전도성 기판과 상기 제2 발광부의 p형 AlGaInP계 반도체층은 직접 웨이퍼 본딩에 의해 접합되는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전류차단층은 n형 불순물로 도핑된 영역으로 이루어진 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전류차단층은 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막인 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 발광부의 전도성 기판 중 상기 일영역에 형성된 절연층을 더 포함하며, 상기 절연층 상에 상기 제2 발광부의 p형 반도체층은 추가적인 금속층에 의해 접합되며,
    상기 추가적인 금속층에 접속된 p측 전극과 상기 전도성 기판 상에 접속된 n측 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  7. 제1항 또는 제6항에 있어서,
    상기 금속층 또는 상기 추가적인 금속층은 알루미늄(Al), 은(Ag), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 팔라듐(Pd) 및 그 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 고 반사성 금속을 포함하는 것을 특징으로 백색 발광소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 서브마운트 기판은 p형 실리콘 기판인 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 발광부가 형성된 상면 면적은 상기 전도성 기판 중 나머지 영역의 상면 면적보다 작은 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 기판 중 상기 제2 발광부가 형성되지 않은 상면영역에는 요철패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 활성층은 약 450∼475㎚의 파장광을 생성하며, 상기 제2 활성층은 약 550∼600㎚의 파장광을 생성하는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 활성층은 각각 약 450∼475㎚의 파장광과 약 510∼535㎚의 파장광 을 생성하는 2개의 활성층을 포함하며, 상기 제2 활성층은 약 600∼635㎚의 파장광을 생성하는 것을 특징으로 하는 백색 발광소자.
  13. 삭제
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