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KR100765240B1 - 서로 다른 크기의 발광셀을 가지는 발광 다이오드 패키지및 이를 채용한 발광 소자 - Google Patents

서로 다른 크기의 발광셀을 가지는 발광 다이오드 패키지및 이를 채용한 발광 소자 Download PDF

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KR100765240B1
KR100765240B1 KR1020060096759A KR20060096759A KR100765240B1 KR 100765240 B1 KR100765240 B1 KR 100765240B1 KR 1020060096759 A KR1020060096759 A KR 1020060096759A KR 20060096759 A KR20060096759 A KR 20060096759A KR 100765240 B1 KR100765240 B1 KR 100765240B1
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KR
South Korea
Prior art keywords
light emitting
emitting cells
type semiconductor
layer
cells
Prior art date
Application number
KR1020060096759A
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English (en)
Inventor
이준희
김종규
윤여진
Original Assignee
서울옵토디바이스주식회사
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Publication date
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Application filed by 서울옵토디바이스주식회사 filed Critical 서울옵토디바이스주식회사
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Priority to PCT/KR2007/004449 priority patent/WO2008038918A1/en
Priority to EP09014568A priority patent/EP2154733A1/en
Priority to US12/442,796 priority patent/US8299476B2/en
Priority to JP2009530254A priority patent/JP4975820B2/ja
Application granted granted Critical
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Priority to JP2009264333A priority patent/JP5128572B2/ja
Priority to US12/626,556 priority patent/US8274089B2/en

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Abstract

본 발명은 교류전원에 의해 동작하는 발광 다이오드 패키지에 있어서, 하나의 기판과, 상기 하나의 기판상에 형성된 버퍼층과, 상기 버퍼층 상부에 서로 다른 크기를 가지며 전기적으로 분리되어 형성된 상태에서 금속 배선을 통하여 직렬 연결된 복수개의 발광셀들을 포함하는 발광 다이오드 패키지를 제공한다.
본 발명에 의하면, 발광 다이오드 패키지에 형성된 발광셀들이 서로 다른 크기를 가짐에 따라 교류 전원에 의해 발광 동작을 수행할 때 각 발광셀마다 서로 다른 턴온 전압을 가짐으로 인해 각 발광셀들이 발광을 시작하는 시간이 서로 달라져서 플리커 현상을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
발광셀, 발광소자, AC, 발광다이오드, 셀크기, 전류밀도, 플리커

Description

서로 다른 크기의 발광셀을 가지는 발광 다이오드 패키지 및 이를 채용한 발광 소자{ LIGHT EMITTING DIODE PACKAGE HAVING LIGHT EMITTING CELL WITH DIFFERENT SIZE AND LIGHT EMITTING DEVICE THEREOF}
도 1은 종래의 발광 다이오드 패키지에서 발광셀의 배열을 보여주는 도면.
도 2는 종래의 발광 다이오드 패키지에서 각 발광셀의 턴온 전압을 보여주는 그래프.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 발광 다이오드 패키지에서 발광셀의 배열을 보여주는 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 발광 다이오드 패키지에서 각 발광셀의 턴온 전압을 보여주는 그래프.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 발광소자를 설명하기 위한 단면도.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100-1 - 100-16 : 발광셀 110 : 열전도성 기판
120 : 버퍼층 130 : 이형 반도체 반복층
140 : N형 반도체층 150 : 활성층
160 : P형 반도체층 170, 175 : 오믹 금속층
180-1 - 180-n-1 : 금속 배선 200 : 전원 공급부
본 발명은 서로 다른 크기의 발광셀을 가지는 발광 다이오드 패키지 및 이를 채용한 발광 소자에 관한 것이다.
발광 다이오드는 N형 반도체와 P형 반도체가 서로 접합된 구조를 가지는 광전변환 반도체 소자로서, 전자와 정공의 재결합에 의하여 빛을 발산한다. 이러한 발광 다이오드는 표시소자 및 백라이트로 널리 이용되고 있다. 또한, 발광 다이오드는 기존의 전구 또는 형광등에 비해 소모 전력이 작고 수명이 길어, 백열전구 및 형광등을 대체하여 일반 조명 용도로 그 사용 영역을 넓히고 있다.
발광 다이오드는 교류전원하에서 전류의 방향에 따라 온/오프를 반복한다. 따라서, 발광 다이오드를 교류전원에 직접 연결하여 사용할 경우, 발광 다이오드가 연속적으로 빛을 방출하지 못하며, 역방향 전류에 의해 쉽게 파손되는 문제점이 있다.
이러한 발광 다이오드의 문제점을 해결하여, 고전압 교류전원에 직접 연결하여 사용할 수 있는 발광 다이오드가 국제공개번호 WO 2004/023568(Al)호에 "발광 성분들을 갖는 발광소자"(LIGHT-EMITTING DEVICE HAVING LIGHT-EMITTING ELEMENTS)라는 제목으로 사카이 등(SAKAI et. al.)에 의해 개시된 바 있다.
WO 2004/023568(Al)호에 따르면, LED들이 사파이어 기판과 같은 절연성 기판 상에 2차원적으로 직렬연결되어 LED 어레이를 형성한다. 이러한 두개의 LED 어레이들이 사파이어 기판 상에서 역병렬로 연결된다. 그 결과, AC 파워 서플라이에 의해 구동될 수 있는 단일칩의 발광 다이오드 패키지가 제공된다.
도 1은 종래의 발광 다이오드 패키지에서 발광셀의 배열을 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면 종래의 발광 다이오드 패키지(10)는 교류 전원을 공급하는 전원 공급부(20)로부터 공급되는 교류 전원에 의해 발광동작을 수행한다.
발광 다이오드 패키지(10)는 복수개의 발광셀들(11)이 2개의 열로 병렬배치되며, 제 1열과 제 2 열은 극성이 서로 반대 방향으로 배열되어 있다.
따라서, 전원 공급부(20)에서 교류전원이 인가되는 경우 플러스 전압구간에서는 제 1 열에 전류가 흘러서 발광셀들이 발광동작을 수행하고, 마이너스 전압 구간에서는 제 2 열에 전류가 흘러서 발광셀들이 발광동작을 수행하게 된다.
이로 인해, 제 1 열과 제 2 열은 번갈아가면서 발광동작을 수행하게 된다.
발광 다이오드 패키지(10)의 각 발광셀들(11)은 하나의 기판상에 동일한 공정을 통하여 형성되며 각 기판위에서 전기적으로 분리되어 형성된 후 금속 배선에 의해 전기적으로 연결되도록 형성된다.
이때, 발광 다이오드 패키지(10)의 각 발광셀들(11)은 동일한 크기를 가지고 있다. 따라서, 각 발광셀은 도 2에 도시된 바와 같이 거의 같은 턴온 전압을 갖게 된다. 왜냐하면, 각 발광셀의 턴온 전압은 각 발광셀에 전원이 인가될 때에 해당 발광셀의 전류밀도에 따라 턴온 전압이 결정되는데, 발광 다이오드 패키지(10)의 각 발광셀들(11)은 하나의 기판위에 동일한 공정을 통하여 동일한 크기로 형성되었기 때문에 동일한 전류밀도를 가지기 때문이다.
발광 다이오드 패키지(10)의 각 발광셀들(11)들은 동일한 턴온 전압을 가짐에 따라 60㎐의 주파수인 교류가 인가되면 인가된 교류에 의해 주기적으로 턴온되어 발광된다.
즉, 각 발광셀들(11)은 60㎐의 주파수인 교류에 의해 인가된 전압이 되는 턴온 전압 이상이 되면 각 발광셀들(11)은 턴온되어 발광동작을 수행하고, 턴온 전압 이하이면 각 발광셀들(11)은 발광동작을 중단한다.
이때, 각 발광셀들(11)이 턴온되는 전압이 동일함에 따라 일정 시점에서는 모든 발광셀들(11)이 턴온되었다가 일정 시점에서는 동일한 턴온전압에서 발광되었다가 턴온전압 이하로 내려오는 순간에 발광이 중단되어 이에 따라 플리커 현상(Flicker)이 생긴다.
이러한 플리커 현상은 때로 육안으로는 쉽게 분간되지는 않을 수 있지만 복수의 발광셀이 구비한 상태에서 교류전원을 이용하는 조명장치 분야에서는 가능하면 플리커 현상을 줄이는 것이 안정된 광원의 제공을 위해 필요하다.
본 발명의 기술적 과제는, 교류 전원하에서 복수개의 발광셀을 가지는 발광 다이오드 패키지에서 각 발광셀들의 턴온 전압이 유사함으로 인해 발생되는 플리커 현상을 줄이는 데 있다.
이러한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일측면에 의하면, 교류전원에 의해 동작하는 발광 다이오드 패키지에 있어서, 하나의 기판과, 상기 하나의 기판상에 형성된 버퍼층과, 상기 버퍼층 상부에 서로 다른 크기를 가지며 전기적으로 분리되어 형성된 상태에서 금속 배선을 통하여 직렬 연결된 복수개의 발광셀들을 포함하는 발광 다이오드 패키지를 제공한다.
바람직하게 상기 복수개의 발광셀들은 전기적으로 인접하여 연결된 셀간에 서로 다른 크기가 반복적으로 배열될 수 있다.
바람직하게 상기 복수개의 발광셀들은 2개의 열로 병렬배치되며, 제 1 열과 제 2 열은 극성이 서로 반대 방향으로 배열될 수 있다.
더 바람직하게 각 열에 배열된 발광셀들은 제 1 크기와 제 2 크기를 가지고 해당 열내에서 인접하여 번갈아 배열되어 형성되며, 상기 제 1 열의 임의의 위치에 있는 발광셀이 제 1 크기를 가질때, 해당 위치에 대응하는 상기 제 2 열의 위치에 있는 발광셀은 제 2 크기를 가지도록 형성될 수 있다.
바람직하게 상기 발광셀들 각각은 N형 반도체층, 활성층 및 P형 반도체층을 포함하고, 상기 발광셀들은 인접한 발광셀들의 N형 반도체층들과 P형 반도체층들이 금속배선들에 의해 각각 전기적으로 직렬 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 교류전원에 의해 동작하도록 배열된 복수개의 발광 다이오드 패키지를 포함하는 발광소자에 있어서, 상기 각 발광 다이오드 패키지는, 하나의 기판과, 상기 하나의 기판상에 형성된 버퍼층과, 상기 버퍼층 상부에 서로 다른 크기를 가지며 전기적으로 분리되어 형성된 상태에서 금속 배선을 통하여 직렬 연결된 복수개의 발광셀들을 포함하는 발광 소자를 제공한다.
바람직하게 상기 각 발광 다이오드 패키지의 기판은 하나의 동일한 기판일 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예에 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 일실시예에 따른 발광 다이오드 패키지에서 발광셀의 배열을 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 발광 다이오드 패키지(100)는 교류 전원을 공급하는 전원 공급부(200)에 연결될 수 있으며, 전원 공급부(200)로부터 공급되는 교류 전원에 의해 발광동작을 수행한다.
발광 다이오드 패키지(100)는 복수개의 발광셀들(100-1 내지 100-16)을 구비 하고 있다.
각 발광셀들(100-1 내지 100-16)은 하나의 기판위에 다층의 반도체층이 적층된 다음 전기적으로 분리되어 형성된다. 각 발광셀들(100-1 내지 100-16)은 PN 접합에 의한 발광 구조체를 가지고 있으며, 인접하는 발광셀간에는 금속배선을 통해 전기적으로 연결될 수 있다.
각 발광셀들(100-1 내지 100-16)은 다양한 형태로 배치될 수 있는데, 이 실시예에서는 발광 다이오드 패키지(100)내에서 2개의 열로 병렬배치되며, 제 1열과 제 2 열은 극성이 서로 반대 방향으로 배열되어 있다.
따라서, 전원 공급부(200)에서 교류전원이 인가되는 경우 플러스 전압구간에서는 제 1 열에 전류가 흘러서 발광셀들이 발광동작을 수행하고, 마이너스 전압 구간에서는 제 2 열에 전류가 흘러서 발광셀들이 발광동작을 수행하게 된다.
이로 인해, 제 1 열과 제 2 열은 번갈아가면서 발광동작을 수행하게 된다.
제 1 열을 이루는 발광셀들(100-1 내지 100-6)은 다양한 크기를 가지도록 형성될 수 있는데 이 실시예에서는 두 가지의 크기를 가지도록 형성되어 있다.
제 1 열을 살펴보면, 제 1 발광셀(100-1)과 제 3 발광셀(100-3)과 제 5 발광셀(100-5)이 작은 크기를 가지고 있고, 제 2 발광셀(100-2)과 제 4 발광셀(100-4)과 제 6 발광셀(100-6)은 큰 크기를 가지고 있다.
각 발광셀들(100-1 내지 100-6)은 동일한 기판상에서 동일한 재질의 반도체층의 적층을 통해 발광 구조체를 가지도록 형성되었기 때문에, 발광셀의 크기가 서로 다르면 그에 따라 동일한 전압이 인가되었을 때 해당 발광셀의 전류밀도가 서로 다르게 된다.
발광셀의 전류밀도가 서로 다르면 해당 발광셀에 전원을 인가했을 때 발광동작을 수행하게 되는 턴온전압이 서로 다르게 된다.
일반적으로 동일한 전압이 인가되었을 때 발광셀의 크기가 작을수록 전류밀도가 크게 된다. 이로 인해 도 4에 도시된 바와 같이 작은 발광셀과 큰 발광셀간에 턴온전압의 차이가 생겨서 작은 발광셀의 턴온전압이 큰 발광셀의 턴온전압보다 낮아지게 되고, 작은 발광셀이 큰 발광셀보다 낮은 턴온전압에서 발광동작을 수행하게 된다.
교류 전원이 인가되었을 때 발광셀들은 턴온 전압이상이 되면 발광동작을 수행하고, 턴온 전압 아래로 떨어지면 발광동작을 멈춘다.
따라서, 교류 전원이 인가되었을 때 작은 발광셀이 큰 발광셀보다 먼저 턴온되어 발광을 시작하고 더 오랫동안 발광 상태를 유지한다. 즉, 작은 발광셀은 큰 발광셀에 비하여 발광하는 시간이 긴 것이다.
이러한 원리에 의해 발광 다이오드 패키지(100)에 전원 공급부(200)로부터 교류 전원이 인가되면 제 1 열에서 제 1 발광셀(100-1)과 제 3 발광셀(100-3)과 제 5 발광셀(100-5)이 제 2 발광셀(100-2)과 제 4 발광셀(100-4)과 제 6 발광셀(100-6)에 비하여 턴온전압이 낮음을 알 수 있다.
이에 따라 동일한 교류 전원이 공급됨에도 불구하고 제 1 발광셀(100-1)과 제 3 발광셀(100-3)과 제 5 발광셀(100-5)이 제 2 발광셀(100-2)과 제 4 발광셀(100-4)과 제 6 발광셀(100-6)보다 먼저 발광동작을 시작하여 오랫동안 발광상태 를 유지하게 된다.
제 1 열은 작은 발광셀과 큰 발광셀이 번갈아 직렬로 연결되어 있기 때문에 인접하는 발광셀들은 서로 다른 시간에 발광동작을 시작하여 서로 다른 시간에 발광동작을 멈추게 된다. 이에 따라, 종래에서 동일한 크기를 가지던 발광셀의 배열에 비하여 플리커 현상이 훨씬 감소되어 진다.
발광 다이오드 패키지(100)의 제 2 열을 이루는 발광셀들(100-11 내지 100-16)도 다양한 크기를 가지도록 형성될 수 있는데, 이 실시예에서는 제 1 열의 발광셀들(100-1 내지 100-6)에 대응하여 서로 반대의 크기를 가지도록 형성되어 있다.
즉, 제 1 열에서는 제 1 발광셀(100-1)과 제 3 발광셀(100-3)과 제 5 발광셀(100-5)이 작은 크기를 가지고 있고, 제 2 발광셀(100-2)과 제 4 발광셀(100-4)과 제 6 발광셀(100-6)은 큰 크기를 가지고 있음에 반하여, 제 2 열에서는 제 11 발광셀(100-11)과 제 13 발광셀(100-13)과 제 15 발광셀(100-15)이 큰 크기를 가지고 있고, 제 12 발광셀(100-12)과 제 14 발광셀(100-14)과 제 16 발광셀(100-16)이 작은 크기를 가지고 있다.
이와 같은 배치를 통해 한정된 면적을 가지는 발광 다이오드 패키지내에 발광셀들을 효과적으로 배치할 수 있게 된다.
또한, 이와 같은 배치를 통해 제 1 열과 제 2 열이 발광 동작을 번갈아가면서 수행할 때 발광 다이오드 패키지에서 발광되는 광의 세기를 패키지내에서의 위치에 따라 큰 차이가 나지 않게 하여 전체적으로 고르게 할 수 있다.
따라서, 종래에서 동일한 크기를 가지던 발광셀의 배열에 비하여 플리커 현 상이 훨씬 감소되어 진다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 발광소자를 설명하기 위한 단면도로서, 편의상 도 3에 도시된 발광소자에서 제 1 열에 배치된 발광 다이오드들을 설명하기 위한 단면도이다.
아울러, 복수개의 발광셀들(100-1 내지 100-6)은 서로 다른 크기를 가지는데, 도면에서는 단면만을 보여주기 때문에 각 발광셀의 폭들이 동일하게 도시되어 있는 것만 표현되어 있지만, 각 발광셀은 폭은 동일하여도 도면에 도시되지 않은 길이는 도 3에 도시된 바와 같이 서로 다르게 설정되어 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 발광소자는 열전도성 기판(110)과, 열전도성 기판(110) 상에 형성된 버퍼층(120)과, 버퍼층(120)상에 N형 반도체층과 P형 반도체층을 교대로 반복하여 적층하여 다층으로 이루어진 이형 반도체 반복층(130)과, 이형 반도체 반복층(130)상에 패터닝된 복수개의 발광셀들(100-1 내지 100-6)과, 복수개의 발광셀들(100-1 내지 100-6)을 직렬 연결하기 위한 금속배선들(180-1 내지 180-5)을 포함한다.
열전도성 기판(110)은 사파이어 기판에 비해 상대적으로 열전도율이 높은 물질의 기판이다. 열전도성 기판(110)은 SiC, Si, 게르마늄(Ge), 실리콘 게르마늄(GeSi), 질화알루미늄(AlN), 금속 기판등을 사용할 수 있다.
버퍼층(120)은 그 상부에 형성될 반도체층들과 기판(110) 사이의 격자 불일치를 완화하기 위해 사용된다. 이에 더하여, 본 발명의 몇몇 실시예들에 있어서, 버퍼층(120)은 발광셀들(100-1 내지 100-6)과 기판(110)을 절연시키기 위해 사용된 다. 또한, 발광셀들은 서로 전기적으로 분리되어야 한다. 따라서, 버퍼층(120)은 반절연 물질막으로 형성된다.
본 실시예에서, 버퍼층(120)은 AlN 또는 반절연 질화갈륨(GaN)층일 수 있다. 언도프트 AlN은 일반적으로 절연특성을 나타내므로, AlN은 언도프트 AlN일 수 있다. 한편, 언도프트 GaN은 성장 방법 및 기판 물질에 의존하여 일반적으로 N형 반도체 또는 반절연 성질을 나타낸다. 따라서, 언도프트 GaN가 반절연 성질을 갖는 경우, 반절연 GaN은 언도프트 GaN이다. 한편, 언도프트 GaN가 N형 반도체 특성을 나타낼 경우, 이를 상쇄하기 위해 전자수용체가 도우핑된다. 전자수용체는 알칼리금속, 알칼리토금속 또는 전이금속일 수 있으며, 특히 철(Fe) 또는 크롬(Cr)일 수 있다.
사파이어 기판 상에 반절연 GaN층을 형성하는 방법은, 헤이크만 등(Heikman et al.)에 의해 "금속유기 화학기상증착법에 의한 Fe 도우핑된 반절연 GaN의 성장"(Growth of Fe doped semi-insulating GaN by metalorganic chemical vapor deposition)이라는 제목으로 2002년 7월 15일에 반포된(published) 어플라이트 피직스 레터스(Applied Physics Letters)에 개재되어 있다. 헤이크만 등은, 페로신(ferrocene, Cp2Fe)을 전구체로 한 MOCVD 기술을 사용하여 사파이어 기판 상에 반절연 GaN층을 형성하였다.
일반적으로, 사파이어 기판 상에 MOCVD 기술을 사용하여 형성된 언도우프트 GaN는 N형 GaN가 된다. 이는 잔여 산소원자들이 GaN 층에서 전자공여체(donor)로 작용하기 때문이다. 따라서, Fe와 같이, 전자수용체로 작용하는 금속물질들을 도우핑하여 전자공여체와 상쇄시키므로써, 반절연 GaN를 형성할 수 있다.
전자수용체를 도우핑하여 반절연 GaN를 형성하는 기술은 본 발명의 실시예에서 동일하게 적용될 수 있다. 예컨대, SiC 기판 상에 형성된 언도우프트 GaN는 Si 등의 불순물들에 의해 N형 GaN가 될 수 있으며, 따라서 Fe와 같은 금속물질을 도우핑하여 반절연 GaN 버퍼층(120)을 형성할 수 있다. 이때, 버퍼층(120)의 모든 두께에 걸쳐 전자수용체를 도우핑할 필요는 없으며, 버퍼층(120)의 일부 두께에 한정하여 Fe와 같은 전자수용체를 도우핑할 수 있다.
버퍼층(120)은, 도시된 바와 같이, 발광셀들(100-1 내지 100-6) 사이에서 연속적일 수 있으나, 분리될 수도 있다.
이형 반도체 반복층(130)은 N형 반도체층과 P형 반도체층을 교대로 반복하여 적층하여 형성한다.
N형 반도체층과 P형 반도체층이 교대로 적층되는 수는 2 페어(pair) 이상 500 페어로 교대로 적층하도록 한다.
이형 반도체 반복층(130)에서 N형 반도체층은 N형 불순물이 주입된 GaN 계열, 예컨대 N형 AlxInyGa1 -x- yN(0≤x,y,x+y≤1)막일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 반도체층으로 형성될 수 있다. 또한, P형 반도체층은 P형 분순물이 주입된 GaN 계열, 예컨대 P형 AlxInyGa1 -x- yN(0≤x,y,x+y≤1)막일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 반도체층으로 형성될 수 있다. N형 반도체층 및 P형 반도체층은 InxGa1-xN(0≤x≤1)막 또는 AlxGa1 - xN(0≤x≤1)막일 수 도 있다.
또한, 이형 반도체 반복층(130)에서 N형 반도체층은 실리콘(Si)을 도우핑하여 형성할 수 있으며, P형 반도체층은 아연(Zn) 또는 마그네슘(Mg)을 도우핑하여 형성할 수 있다.
이형 반도체 반복층(130)을 구성하는 N형 반도체층과 P형 반도체층은 교대로 반복하여 적층되는 구조로 되어 있음에 따라 N형 반도체층과 P형 반도체층간의 접촉면에서의 커다란 전위장벽이 존재함에 따라 인접하는 반도체층간에 전류가 흐를 수 없게 되어 절연의 효과를 가져오게 된다.
즉, 발광셀(100-1 내지 100-6)과 전도성 기판(110)을 전기적으로 절연시키어 전도성 기판(110)을 통해 발생될 수 있는 누설전류를 이형 반도체 반복층(130)의 절연효과를 통해 효과적으로 방지한다.
아울러, 발광셀(100-1 내지 100-6)들이 이형 반도체 반복층(130)의 절연효과를 통해 서로 전기적으로 분리될 수 있게 된다.
이형 반도체 반복층(130)에서 N형 반도체층 및 P형 반도체층을 성장시키는 작업은 버퍼층(120)에서 AlN을 성장시키는 것보다 작업상 더 용이하다.
한편, 복수개의 발광셀들(100-1 내지 100-6) 각각은 PN접합된 질화물 반도체층을 포함한다.
본 실시예에서, 발광셀들 각각은 N형 반도체층(140)과, N형 반도체층(140) 상의 소정영역에 형성된 활성층(150)과, 활성층(150) 상에 형성된 P형 반도체 층(160)을 포함한다. N형 반도체층(140) 상부면의 적어도 일부가 노출된다. N형 반도체층(140) 및 P형 반도체층(160) 상에 오믹금속층(170, 175)이 형성될 수 있다. 또한, N형 반도체층(140) 또는 P형 반도체층(160) 상에 1x 1019~1 x 1022/cm3 농도의 고농도 N형 반도체 터널링층이나 세미메탈(semi-metal)층이 형성되고 그 위에 투명전극층(미도시)이 더 형성될 수도 있다.
N형 반도체층(140)은 N형 불순물이 주입된 GaN 계열, 예컨대 N형 AlxInyGa1-x-yN(0≤x,y,x+y≤1)막일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 반도체층으로 형성될 수 있다. 또한, P형 반도체층(160)은 P형 분순물이 주입된 GaN 계열, 예컨대 P형 AlxInyGa1-x-yN(0≤x,y,x+y≤1)막일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 반도체층으로 형성될 수 있다.
N형 반도체층(140) 및 P형 반도체층(160)은 InxGa1 - xN(0≤x≤1)막 또는 AlxGa1-xN(0≤x≤1)막일 수 도 있다.
N형 반도체층(140)은 실리콘(Si)을 도우핑하여 형성할 수 있으며, P형 반도체층(160)은 아연(Zn) 또는 마그네슘(Mg)을 도우핑하여 형성할 수 있다.
활성층(150)은 전자 및 정공이 재결합되는 영역으로서, InGaN을 포함하여 이루어진다. 활성층(150)을 이루는 물질의 종류에 따라 발광셀에서 방출되는 발광 파장이 결정된다. 활성층(150)은 양자우물층과 장벽층이 반복적으로 형성된 다층막일 수 있다. 장벽층과 우물층은 일반식 AlxInyGa1 -x- yN(0≤x,y,x+y≤1)으로 표현되는 2원 내지 4원 화합물 반도체층들일 수 있다.
발광셀들은 금속배선들(180-1 내지 180-5)을 통해 직렬 연결된다. 본 실시예에서, 금속배선들은 AC 파워 서플라이에 의해 구동될 수 있는 개수의 발광셀들(100-1 내지 100-6)이 직렬 연결된다. 즉, 발광소자에 인가되는 교류 구동전압/전류와 단일의 발광셀을 구동하기 위해 필요한 전압에 의해 직렬 연결될 발광셀들(100)의 개수가 한정된다. 예를 들어, 220V 교류 전압하에서 3.3V 구동용 발광셀들은 약 67 개가 직렬로 연결될 수 있다. 또한, 110V 교류 전압에서, 3.3V 구동용 발광셀들은 대략 34개가 직렬로 연결될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 6개의 발광셀들(100-1 내지 100-6)이 직렬 연결된 발광소자에 있어서, 제 1 발광셀(100-1)의 N형 반도체층(140)과 제 2 발광셀(100-2)의 P형 반도체층(160)이 제 1 금속배선(180-1)을 통해 접속되고, 제 2 발광셀(100-2)의 N형 반도체층(140)과 제 3 발광셀(미도시)의 P형 반도체층(미도시)이 제 2 금속배선(180-2)를 통해 접속되고, 제 4 N형 반도체층(미도시)과 제 5 발광셀(100-5)의 P형 반도체층(160)이 제 4 금속배선(180-4)을 통해 접속되고, 제 5 발광셀(100-5)의 N형 반도체층(140)과 제 6 발광셀(100-6)의 P형 반도체층(160)이 제 5 금속배선(180-5)을 통해 접속된다.
직렬연결된 발광셀들은, 국제공개번호 WO 2004/023568(Al)호에 개시된 바와 같이, LED 어레이를 구성한다. 한편, 발광소자는 서로 역병렬로 연결된 두개의 LED 어레이들을 가지어, 교류전원하에서 조명용으로 사용될 수 있다. 제 1 발광셀(100-1)의 P형 반도체층(160) 및 제 6 발광셀(100-6)의 N형 반도체층(140)에 각각 교류 전원에 전기적으로 연결하기 위한 P형 패드 및 N형 패드(미도시)가 형성될 수 있다.
이하 서로 다른 크기를 가지는 복수개의 발광셀들을 갖는 발광소자의 제조방법을 설명한다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광소자의 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 6을 참조하면, 열전도성 기판(110) 상에 버퍼층(120)을 형성한다. 열전도성 기판(110)은 AlN 또는 SiC 기판일 수 있다. 또한, SiC는 반절연 또는 N형일 수 있다.
일반적으로, SiC 단결정 기판은 N형 반도체의 특성을 갖는다. 이것은, SiC 기판 내에 함유된 질소(N)가 전자공여체(donor)로 작용하기 때문인 것으로 알려져 있다. 따라서, 전자수용체(acceptor), 예컨대 바나듐(Vanadium)을 도우핑하여, 반절연 SiC 단결정을 성장시킬 수 있다. 한편, 바나듐을 도우핑하지 않으면서 반절연 SiC 결정을 성장시키는 방법이 US6,814,801호에 개시된 바 있다. 이러한 기술들을 사용하여 반절연 SiC 기판을 제공할 수 있다.
버퍼층(120)은 발광셀을 형성하기 위한 반도체 성장 작업을 위해 금속유기 화학기상증착(MOCVD), 분자선 성장(MBE) 또는 수소화물 기상 성장(HVPE) 방법 등을 사용하여 형성된다. 버퍼층(120)은 AlN 또는 반절연 GaN층일 수 있다. 반절연 GaN층은 언도프트 GaN 또는 전자수용체(acceptor)가 도우핑된 GaN층일 수 있다. 전자수용체는 알칼리금속, 알칼리토금속 또는 전이금속일 수 있으며, 특히 철(Fe) 또는 크롬(Cr)일 수 있다.
이때, 버퍼층(120)이 형성되는 두께는 발광셀을 형성하기 위한 반도체 성장 작업을 수행하기 위한 중간층의 기능을 수행할 정도이면 가능하므로, 절연성을 제공하기 위한 두께 정도 까지 형성시킬 필요는 없다.
버퍼층(120)상에 이형 반도체 반복층(130)을 형성한다. 이형 반도체 반복층(130)은 N형 반도체층, P형 반도체 층을 교대로 반복하여 적층하여 다층의 이형 반도체 반복층(130)을 형성한다.
이형 반도체 반복층(130)은 동일한 공정챔버에서 연속적으로 형성될 수 있다. 이형 반도체 반복층(130)의 N형 반도체층 및 P형 반도체층은 MOCVD, MBE 또는 HVPE 방법을 사용하여 형성될 수 있으며, 각각 다층으로 형성될 수 있다.
이형 반도체 반복층(130) 상에 N형 반도체층(140), 활성층(150) 및 P형 반도체층(160)을 형성한다. 이들 반도체층들(140, 150, 160)은 동일한 공정챔버에서 연속적으로 형성될 수 있다. N형 반도체층(140), 활성층(150) 및 P형 반도체층(160)은 MOCVD, MBE 또는 HVPE 방법을 사용하여 형성될 수 있으며, 각각 다층으로 형성될 수 있다. N형 반도체층(140) 또는 P형 반도체 층(160) 상에 1x 1019~1 x 1022/cm3 농도의 고농도 N형 반도체 터널링층이나 세미메탈층이 형성될 수 있으며, 그 위에 투명전극층(미도시)이 더 형성될 수도 있다.
도 7을 참조하면, P형 반도체층(160), 활성층(150) 및 N형 반도체층(140)을 패터닝하여 분리된 발광셀들(100-1 내지 100-6)을 형성한다.
이때, 각 발광셀들(100-1 내지 100-6)은 동일한 폭을 같지만 도 3에 도시된 바와 같이 서로 다른 길이를 가지는 크기로 패터닝되어 분리된다. 도 7에서는 동일한 폭만이 표현되어 있다.
각 층들은 사진 및 식각기술을 사용하여 패터닝될 수 있다. 예컨대, P형 반도체층(160) 상에 포토레지스트 패턴을 형성하고, 이를 식각 마스크로 사용하여 P형 반도체층(160), 활성층(150) 및 N형 반도체층(140)을 차례로 식각한다. 이에 따라, 분리된 발광셀들이 형성된다.
이때, 이형 반도체 반복층(130)을 식각하여 이형 반도체 반복층(130)의 일부가 드러나게 할 수 있다.
각 발광셀들(100-1 내지 100-6)간의 전기적인 절연 및 전도성 기판(110)을 통한 누설 전류를 방지하기 위해서는 이형 반도체 반복층(130)의 N형 반도체층과 P형 반도체층을 위에서부터 2 페어 이상을 식각하여 이형 반도체 반복층(130)의 일부가 드러나게 하도록 한다.
이형 반도체 반복층(130)의 N형 반도체층과 P형 반도체층을 위에서부터 2 페어 이상을 식각하는 이유는 N형 반도체층과 P형 반도체층들의 적층수가 2페어 이상이면 절연 효과를 충분히 기대할 수 있기 때문이다.
이와 같이 이형 반도체 반복층(130)의 일부가 드러나게 하도록 식각을 수행함으로써 발광셀들(100-1 내지 100-6)은 전기적으로 서로 분리되어 진다.
도 8을 참조하면, 분리된 발광셀들(100-1 내지 100-n)의 P형 반도체층(160) 및 활성층(150)을 패터닝하여 N형 반도체층(140) 상부면의 일부를 노출시킨다. 패 터닝 공정은 사진 및 식각공정을 사용하여 수행될 수 있다. 즉, 분리된 발광셀들(100-1 내지 100-n)을 갖는 기판(110) 상에 포토레지스트 패턴을 형성하고, 이를 식각마스크로 사용하여 P형 반도체층(160) 및 활성층(150)의 일부를 식각한다. 그 결과, P형 반도체층 및 활성층이 식각된 부분에 N형 반도체층(140)이 노출된다.
식각 공정은 습식 또는 건식 식각공정에 의해 수행될 수 있다. 건식 식각공정은 플라즈마를 이용한 건식 식각공정일 수 있다.
식각 공정후 P형 반도체층(160) 및 N형 반도체층(140) 상에 각기 P형 오믹 금속층(170) 및 N형 오믹 금속층(175)을 형성한다.
오믹 금속층들(170, 175)은 포토레지스트 패턴(미도시)을 사용하여 오믹 금속층들(170, 175)이 형성될 영역을 개방한 후, 금속 증착공정을 사용하여 형성될 수 있다. P형 오믹 금속층(170)과 N형 오믹 금속층(175)은 동일 공정에 의해 형성될 수도 있고, 각각 별개의 공정에 의해 형성될 수도 있다. 상기의 오믹 금속층(170, 175)은 Pb, Sn, Au, Ge, Cu, Bi, Cd, Zn, Ag, Ni 및 Ti 중 적어도 어느 하나의 물질층으로 형성될 수 있다.
그 후, 인접한 발광셀의 N형 오믹 금속층들(175)과 P형 오믹 금속층들(170)을 금속 배선들(180-1 내지 180-5)로 연결하면 하면 도 5에 도시된 발광 소자가 완성된다.
금속 배선들은 에어 브리지(air bridge) 공정 또는 스텝 커버(step-cover) 공정 등을 통해 형성될 수 있다.
에어브리지(air bridge) 공정은 국제공개번호 WO 2004/023568(Al)호 에 개시 되어 있으며, 이 공정에 대해 간단하게 설명한다. 우선, 발광셀들 및 오믹 금속층들(170, 175)이 형성된 기판 상에 오믹 금속층들(170, 175)을 노출시키는 개구부를 갖는 제 1 포토레지스트 패턴을 형성한다. 그 후, 전자빔 증착(e-beam evaporation) 기술 등을 사용하여 금속물질층을 얇게 형성한다. 금속물질층은 개구부 및 제 1 포토레지스트 패턴 상부 전면에 형성된다. 이어서, 연결하고자 하는 인접한 발광셀들 사이 영역들 및 개구부들의 금속물질층을 노출시키는 제 2 포토레지스트 패턴을 형성한다. 그 후, 금 등을 도금기술을 사용하여 형성한 후, 솔벤트 등의 용액으로 제 1 및 제 2 포토레지스트 패턴들을 제거한다. 그 결과, 인접한 발광셀들을 연결하는 배선만 남고, 다른 금속물질층 및 포토레지스트 패턴들은 모두 제거된다.
한편, 스텝커버 공정은 발광셀들 및 오믹금속층을 갖는 기판 상에 절연층을 형성하는 것을 포함한다. 절연층을 사진 및 식각 기술을 사용하여 패터닝하여 P형 반도체층 및 N형 반도체층 상부의 오믹 금속층들(170, 175)을 노출시키는 개구부를 형성한다. 이어서, 전자빔 증착기술 등을 사용하여 개구부를 채우고 절연층 상부를 덮는 금속층을 형성한다. 그 후, 금속층을 사진 및 식각 기술을 사용하여 패터닝하여 서로 인접한 발광셀들을 연결하는 배선을 형성한다. 이러한, 스텝커버 공정은 다양한 변형예가 가능하다. 스텝커버 공정을 사용하면, 배선이 절연층에 의해 지지되므로 배선에 대한 신뢰성을 증가시킬 수 있다.
한편, 양끝단에 위치한 발광셀(100-1 및 100-6)에 교류전원에 접속하기 위한 P형 패드와 N형 패드를 형성한다.
도면들에서 발광셀들이 일렬로 배열된 것으로 도시되어 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로, 발광셀들은 국제공개번호 WO 2004/023568(Al)호에 도시된 바와 같이, 평면상에 다양한 형태로 배열될 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예 및 많은 구체적인 변형 실시예를 참조하여 설명되었다. 그렇지만, 구체적으로 설명된 것과는 다른 많은 기타 실시예들이 또한 본 발명의 사상 및 범위 내에 들어간다는 것을 관련 분야의 당업자들은 이해할 것이다.
예를 들어, 본 발명의 일실시예에서는 발광셀들이 서로 다른 크기를 가짐에 따라 교류 전원에 의해 발광 동작을 수행할 때 각 발광셀마다 서로 다른 턴온 전압을 가짐으로 인해 각 발광셀들이 발광을 시작하는 시간이 서로 달라져서 플리커 현상을 감소시키는 발광 다이오드 패키지의 구성 및 특징에 대하여 설명하였지만, 이와 같은 구성과 특징을 가지는 복수개의 발광 다이오드 패키지를 복수개 연결하여 교류전원에 의해 각 발광 다이오드 패키지가 발광을 수행할 때 각 발광셀마다 서로 다른 턴온 전압을 가짐으로 인해 각 발광셀들이 발광을 시작하는 시간이 서로 달라져서 플리커 현상이 효과적으로 감소시킬 수 있는 다양한 발광 소자를 제작할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에서는 발광 다이오드 패키지 내에 복수의 발광셀을 형성할 때 하나의 기판위에서 형성하는 것에 대하여 설명하였지만, 발광소자내의 각 발광 다이오드 패키지를 형성할 때에도 하나의 기판위에서 각 발광 다이오드 패키지가 형성되도록 공정을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에서는 발광 다이오드 패키지 내에 복수의 발광셀을 형성할 때 크기를 서로 다르게 한다고 기재하였는데, 여기에서 크기가 서로 다르다는 기재는 해당 발광셀이 차지하는 면적을 다르게 한다는 의미로도 얼마든지 변형되어 해석될 수도 있으며, 그외에도 동일한 전압이 인가되었을 때 전류밀도를 서로 다르게 하여 턴온 전압을 서로 다르게 하도록 발광셀의 제작시에 설정되는 수치상에 변형을 줄 수 있는 것들도 같은 범주내에서 해석될 수 있을 것이다.
본 발명에 의하면, 발광 다이오드 패키지에 형성된 발광셀들이 서로 다른 크기를 가짐에 따라 교류 전원에 의해 발광 동작을 수행할 때 각 발광셀마다 서로 다른 턴온 전압을 가짐으로 인해 각 발광셀들이 발광을 시작하는 시간이 서로 달라져서 플리커 현상을 효과적으로 감소시킬 수 있다.
또한, 발광 다이오드 패키지를 형성하는 복수개의 발광셀들이 전기적으로 인접하여 연결된 셀간에 서로 다른 크기가 반복적으로 배열함으로써 발광 다이오드 패키지에서 발광되는 광의 세기를 패키지내에서의 위치에 따라 큰 차이가 나지 않게 하여 전체적으로 고르게 할 수 있다.
또한, 발광 다이오드 패키지를 형성하는 복수개의 발광셀들을 2개의 열로 병렬배치하고, 제 1 열과 제 2 열은 극성이 서로 반대 방향으로 배열하면 교류 전원에 의해 발광 동작을 수행할 때 발광 다이오드 패키지의 발광 주기를 더 짧게 할 수 있어 플리커 현상을 더욱 효과적으로 감소시킬 수 있다.
또한, 발광 다이오드 패키지를 형성하는 복수개의 발광셀들을 2개의 열로 병렬배치하고, 제 1 열과 제 2 열은 극성이 서로 반대 방향으로 배열한 상태에서 각 열에 배열된 발광셀들이 제 1 크기와 제 2 크기를 가지고 해당 열내에서 인접하여 번갈아 배열되어 형성되며, 제 1 열의 임의의 위치에 있는 발광셀이 제 1 크기를 가질때, 해당 위치에 대응하는 상기 제 2 열의 위치에 있는 발광셀은 제 2 크기를 가지게 함으로써 한정된 면적을 가지는 발광 다이오드 패키지내에 발광셀들을 효과적으로 배치할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 의하면, 상술한 바와 같은 구성과 특징을 가지는 복수개의 발광 다이오드 패키지가 연결된 형성된 발광소자의 경우에도 교류전원에 의해 각 발광 다이오드 패키지가 발광을 수행할 때 각 발광셀마다 서로 다른 턴온 전압을 가짐으로 인해 각 발광셀들이 발광을 시작하는 시간이 서로 달라져서 플리커 현상이 효과적으로 감소된 조명 또는 광원으로 사용될 수 있다.
이때, 발광소자내의 각 발광 다이오드 패키지를 형성할 때 하나의 기판위에서 수행하면 발광 소자의 전체 제조공정을 줄일 수 있으며, 각 발광셀의 턴온전압을 조절하는 작업도 용이하게 할 수 있다.

Claims (7)

  1. 교류전원에 의해 동작하는 발광 다이오드 패키지에 있어서,
    하나의 기판과,
    상기 하나의 기판상에 형성된 버퍼층과,
    상기 버퍼층 상부에 서로 다른 크기를 가지며 전기적으로 분리되어 형성된 상태에서 금속 배선을 통하여 직렬 연결된 복수개의 발광셀들을 포함하는 발광 다이오드 패키지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수개의 발광셀들은 전기적으로 인접하여 연결된 셀간에 서로 다른 크기가 반복적으로 배열되는 발광 다이오드 패키지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수개의 발광셀들은 2개의 열로 병렬배치되며,
    제 1 열과 제 2 열은 극성이 서로 반대 방향으로 배열되어 있는 발광 다이오드 패키지.
  4. 청구항 3에 있어서,
    각 열에 배열된 발광셀들은 제 1 크기와 제 2 크기를 가지고 해당 열내에서 인접하여 번갈아 배열되어 형성되며,
    상기 제 1 열의 임의의 위치에 있는 발광셀이 제 1 크기를 가질 때, 해당 위치에 대응하는 상기 제 2 열의 위치에 있는 발광셀은 제 2 크기를 가지도록 형성된 발광 다이오드 패키지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 발광셀들 각각은 N형 반도체층, 활성층 및 P형 반도체층을 포함하고,
    상기 발광셀들은 인접합 발광셀들의 N형 반도체층들과 P형 반도체층들이 금속배선들에 의해 각각 전기적으로 직렬 연결된 발광 다이오드 패키지.
  6. 교류전원에 의해 동작하도록 배열된 복수개의 발광 다이오드 패키지를 포함하는 발광소자에 있어서,
    상기 각 발광 다이오드 패키지는,
    하나의 기판과,
    상기 하나의 기판상에 형성된 버퍼층과,
    상기 버퍼층 상부에 서로 다른 크기를 가지며 전기적으로 분리되어 형성된 상태에서 금속 배선을 통하여 직렬 연결된 복수개의 발광셀들을 포함하는 발광 소자.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 각 발광 다이오드 패키지의 기판은 하나의 동일한 기판인 발광 소자.
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