KR101203141B1

KR101203141B1 - 기판으로부터 절연된 복수개의 발광셀들을 갖는 발광 소자및 그것을 제조하는 방법

Info

Publication number: KR101203141B1
Application number: KR20050010978A
Authority: KR
Inventors: 제임스 에스 스펙; 이정훈
Original assignee: 서울옵토디바이스주식회사
Priority date: 2005-02-05
Filing date: 2005-02-05
Publication date: 2012-11-20
Also published as: KR20060090446A

Abstract

기판으로부터 절연된 복수개의 발광셀들을 갖는 발광소자 및 그것을 제조하는 방법이 개시된다. 이 발광소자는 기판을 포함한다. 복수개의 발광셀들이 기판 상부에 서로 이격되어 위치한다. 한편, 이 기판과 복수개의 발광셀들 사이에 이온이 주입되어 절연층으로 변환된 이온 주입층이 개재된다. 이에 따라, 열전도성이 우수하며, 가격이 저렴한 전도성 탄화실리콘 기판 상에 기판으로부터 절연된 복수개의 발광셀들을 형성할 수 있으며, 상기 발광셀들을 전기적으로 연결하여 교류전원하에서 구동될 수 있는 발광소자를 제공할 수 있다.

발광셀, 교류전원, 이온주입층, 탄화실리콘(SiC)

Description

기판으로부터 절연된 복수개의 발광셀들을 갖는 발광 소자 및 그것을 제조하는 방법{LIGHT EMITTING DEVICE HAVING A PLURALITY OF LIGHT EMITTING CELLS INSULATED FROM A SUBSTRATE AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 복수개의 발광셀들을 갖는 발광 소자의 동작원리를 설명하기 위한 회로도들이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판으로부터 절연된 복수개의 발광셀들을 갖는 발광 소자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 기판으로부터 절연된 복수개의 발광셀들을 갖는 발광 소자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판으로부터 절연된 복수개의 발광셀들을 갖는 발광 소자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 8 내지 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판으로부터 절연된 복수개의 발광셀들을 갖는 발광소자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

<도면의 주요부호에 대한 간략한 설명>

51: 기판, 51a: 이온주입층,

53a: 버퍼층, 55a: N형 반도체층,

56: 발광셀, 57a: 활성층,

59a: P형 반도체층, 61a; 금속층,

63: 오믹 콘택층, 65: 금속배선들

본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하나의 기판 상에 직렬 어레이를 형성하는 복수개의 발광셀들을 구비함으로써 교류전원을 사용하여 직접 구동시킬 수 있는 복수개의 발광셀들을 갖는 발광 소자에 관한 것이다.

발광 다이오드는 다수 캐리어가 전자인 N형 반도체와 다수 캐리어가 정공인 P형 반도체가 서로 접합된 구조를 가지는 광전변환 반도체 소자로서, 이들 전자와 정공의 재결합에 의하여 소정의 빛을 발산한다. 이러한 발광 다이오드는 표시소자 및 백라이트로 이용되고 있으며, 기존의 백열전구 및 형광등을 대체하여 일반 조명용도로 그 사용 영역을 넓히고 있다.

발광 다이오드는 기존의 전구 또는 형광등에 비해 소모 전력이 작고 수명이 길다. 기존의 조명 장치에 비해, 발광 다이오드의 소모 전력은 수 내지 수십분의 1에 불과하고, 수명은 수 내지 수십배 길어, 소모 전력의 절감과 내구성 측면에서 매우 우수하다.

그러나, 발광 다이오드는 전류의 방향에 따라 온/오프를 반복한다. 이에 따라, 발광 다이오드를 교류전원에 직접 연결하여 사용할 경우, 발광 다이오드가 쉽게 파손되는 문제점이 있다. 따라서, 종래의 발광 다이오드를 가정용 교류전원에 직접 연결하여 일반 조명용으로 사용하는 것이 어렵다.

한편, 발광 다이오드는 기판 상에 버퍼층을 형성하고, 상기 버퍼층 상에 반도체층들을 차례로 형성하므로써 제조된다. 상기 기판으로는, 사파이어 또는 탄화실리콘(SiC) 기판이 일반적으로 사용된다. 탄화실리콘 기판은 사파이어 기판에 비해 열전도성이 크므로, 열방출 특성이 요구되는 발광 소자에 선호된다. 그러나, 탄화실리콘 기판은 일반적으로 전기 전도성이므로, 경우에 따라, 상기 탄화실리콘 기판으로부터 상기 반도체층들을 절연시키는 것이 필요하다.

열전도성이 크면서 절연성을 갖는 탄화실리콘 기판이 사용되기는 하나, 이러한 기판은 가격이 비싸서 발광소자 제조비용을 증가시킨다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 발광 다이오드들로 이루어지되, 교류전원에 직접 연결하여 구동시킬 수 있는 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 가격이 저렴한 전도성 탄화실리콘 기판을 사용하여 교류전원하에서 구동될 수 있는 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 기판으로부터 절연된 복수개의 발광셀들을 갖는 발광 소자 및 그것을 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명의 일 태양에 따른 상기 발광 소자는 기판을 포함한다. 상기 기판 상부에 복수개의 발 광셀들이 서로 이격되어 위치한다. 한편, 상기 기판과 상기 복수개의 발광셀들 사이에 이온이 주입되어 절연층으로 변환된 이온주입층이 개재된다. 상기 이온주입층에 의해 상기 복수개의 발광셀들이 상기 기판으로부터 절연될 수 있어, 전도성 탄화실리콘 기판을 채택할 수 있다.

본 발명의 발광 소자는 하나의 기판 상에 복수개의 발광 다이오드들을 갖는다. 따라서, 상기 "발광셀"은 하나의 기판 상에 형성된 복수개의 발광 다이오드들 각각을 의미한다.

상기 이온주입층은 이온 임플란트에 의해 상기 탄화실리콘 기판의 표면에 이온이 주입되어 상기 기판의 표면이 변환된 절연층일 수 있다. 이에 더하여, 상기 이온은 산소 이온일 수 있다. 따라서, 상기 기판 표면이 실리콘 산화층으로 변환된다. 또한, 상기 이온주입층과 상기 발광셀들 사이에 버퍼층이 개재될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 이온주입층은 이온 임플란트에 의해 이온이 주입되어 절연층으로 변환된 버퍼층일 수 있다. 상기 버퍼층은 III-N계 물질이고, 상기 이온은 알칼리 금속이온, 알칼리 토금속이온 또는 전이금속이온일 수 있으며, 바람직하게는 상기 이온은 철(Fe) 이온일 수 있다.

본 발명의 다른 태양에 따른 기판으로부터 절연된 복수개의 발광셀들을 갖는 발광소자를 제조하는 방법은 기판을 준비하는 것을 포함한다. 상기 기판 표면에 이온 임플란트 기술을 사용하여 이온들을 주입하여 이온주입층을 형성한다. 상기 이온들이 주입된 기판 상부에 서로 이격된 복수개의 발광셀들을 형성한다. 이에 따라, 상기 이온주입층에 의해 상기 기판으로부터 절연된 복수개의 발광셀들을 형성 할 수 있다.

한편, 상기 복수개의 발광셀들을 형성하기 전, 상기 이온주입층 상에 버퍼층을 형성할 수 있다.

본 발명의 또 다른 태양에 따른 기판으로부터 절연된 복수개의 발광셀들을 갖는 발광소자를 제조하는 방법은 기판을 준비하는 것을 포함한다. 상기 기판 상에 버퍼층을 형성한다. 이어서, 상기 버퍼층에 이온 임플란트 기술을 사용하여 이온들을 주입하여 상기 버퍼층을 절연층으로 변환시킨다. 그 후, 상기 절연층으로 변환된 버퍼층 상에 서로 이격된 복수개의 발광셀들을 형성한다. 이에 따라, 상기 절연층으로 변환된 버퍼층에 의해 상기 기판으로부터 절연된 복수개의 발광셀들을 형성할 수 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.

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 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예들에 따른 복수개의 발광셀들을 갖는 발광 소자의 동작원리를 설명하기 위한 회로도들이다.

도 1a를 참조하면, 발광셀들(31a, 31b, 31c)이 직렬 연결되어 제1 직렬 발광셀 어레이(31)를 형성하고, 또 다른 발광셀들(33a, 33b, 33c)이 직렬 연결되어 제2 직렬 발광셀 어레이(33)를 형성한다. 여기서, "직렬 발광셀 어레이"는 다수의 발광셀들이 직렬로 연결된 구조를 의미한다.

상기 제1 및 제2 직렬 어레이들(31, 33)의 양 단부들은 각각 교류전원(35) 및 접지에 연결된다. 상기 제1 및 제2 직렬 어레이들은 교류전원(35)과 접지 사이에서 병렬로 연결된다. 즉, 상기 제1 및 제2 직렬 어레이들의 양 단부들은 서로 전기적으로 연결된다.

한편, 상기 제1 및 제2 직렬 어레이들(31, 33)은 서로 반대 방향으로 흐르는 전류에 의해 발광셀들이 구동되도록 배치된다. 즉, 도시한 바와 같이, 제1 직렬 어레이(31)에 포함된 발광셀들의 양극(anode) 및 음극(cathode)과 제2 직렬 어레이(33)에 포함된 발광셀들의 양극 및 음극은 서로 반대 방향으로 배치된다.

따라서, 교류전원(35)이 양의 위상일 경우, 상기 제1 직렬 어레이(31)에 포함된 발광셀들이 턴온되어 발광하며, 제2 직렬 어레이(33)에 포함된 발광셀들은 턴오프된다. 이와 반대로, 교류전원(35)이 음의 위상일 경우, 상기 제1 직렬 어레이(31)에 포함된 발광셀들이 턴오프되고, 제2 직렬 어레이(33)에 포함된 발광셀들이 턴온된다.

결과적으로, 상기 제1 및 제2 직렬 어레이들(31, 33)이 교류전원에 의해 턴온 및 턴오프를 교대로 반복함으로써, 상기 제1 및 제2 직렬 어레이들을 포함하는 발광 소자는 연속적으로 빛을 방출한다.

하나의 발광 다이오드로 구성된 발광칩들을 도 1a의 회로와 같이 연결하여 교류전원을 사용하여 구동시킬 수 있으나, 발광칩들이 점유하는 공간이 증가한다.

그러나, 본 발명의 발광 소자는 하나의 칩에 교류전원을 연결하여 구동시킬 수 있으므로, 발광 소자가 점유하는 공간이 증가하지 않는다.

한편, 도 1a의 회로는 상기 제1 및 제2 직렬 어레이들의 양단부들이 교류전원(35) 및 접지에 각각 연결되도록 구성하였으나, 상기 양단부들이 교류전원의 양 단자에 연결되도록 구성할 수도 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 직렬 어레이들은 각각 세 개의 발광셀들로 구성되어 있으나, 이는 설명을 돕기 위한 예시이고, 발광셀들의 수는 필요에 따라 더 증가될 수 있다. 그리고, 상기 직렬 어레이들의 수도 더 증가될 수 있다.

도 1b를 참조하면, 발광셀들(41a, 41b, 41c, 41d, 41e, 41f)이 직렬 발광셀 어레이(41)를 구성한다. 한편, 교류전원(45)과 직렬 발광셀 어레이(41) 및 접지와 직렬 발광셀 어레이(41) 사이에 발광셀들(D1, D2, D3, D4)을 포함하는 브리지 정류기가 배치된다. 상기 직렬 발광셀 어레이(41)의 애노드 단자는 상기 발광셀들(D1, D2) 사이의 노드에 연결되고, 캐소드 단자는 발광셀들(D3, D4) 사이의 노드에 연결된다. 한편, 교류전원(45)의 단자는 발광셀들(D1, D4) 사이의 노드에 연결되고, 접지는 발광셀들(D2, D3) 사이의 노드에 연결된다.

상기 교류전원(45)이 양의 위상을 갖는 경우, 브리지 정류기의 발광셀들(D1, D3)이 턴온되고, 발광셀들(D2, D4)이 턴오프된다. 따라서, 전류는 브리지 정류기의 발광셀(D1), 상기 직렬 발광셀 어레이(41) 및 브리지 정류기의 발광셀(D3)을 거쳐 접지로 흐른다.

한편, 상기 교류전원(45)이 음의 위상을 갖는 경우, 브리지 정류기의 발광셀 들(D1, D3)이 턴오프되고, 발광셀들(D2, D4)이 턴온된다. 따라서, 전류는 브리지 정류기의 발광셀(D2), 상기 직렬 발광셀 어레이(41) 및 브리지 정류기의 발광셀(D4)을 거쳐 교류전원으로 흐른다.

결과적으로, 직렬 발광셀 어레이(41)에 브리지 정류기를 연결하므로써, 교류전원(45)을 사용하여 직렬 발광셀 어레이(41)를 계속적으로 구동시킬 수 있다. 여기서, 브리지 정류기의 단자들이 교류전원(45) 및 접지에 연결되도록 구성하였으나, 브리지 정류기의 상기 단자들이 교류전원의 양 단자에 연결되도록 구성할 수도 있다.

본 실시예에 따르면, 하나의 직렬 발광셀 어레이를 교류전원에 전기적으로 연결하여 구동시킬 수 있으며, 도 1a의 발광소자에 비해 발광셀의 사용효율을 높일 수 있다.

도 1a 또는 도 1b를 참조하여 설명한 발광셀들은 단일 기판 상에 배치된다.

따라서, 상기 기판이 전도성인 경우, 상기 발광셀들은 기판으로부터 절연되어야 한다. 이하, 기판으로부터 절연된 발광셀들을 갖는 발광소자를 제조하는 방법을 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기판으로부터 절연된 복수개의 발광셀들을 갖는 발광소자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 3 내지 도 6은 상기 발광소자를 제조하는 방법을 도 2의 순서도에 따라 설명하기 위한 단면도들이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 우선 기판(51)을 준비한다(단계 1). 상기 기판은 예컨대 전도성 탄화실리콘 기판, 반도체성 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 기판 등일 수 있다.

상기 기판(51) 표면에 불순물 이온들을 주입하여 기판 표면을 절연층으로 변환시킨다(단계 3). 여기서, 상기 이온들이 주입되어 절연층으로 변환된 기판 표면을 이온주입층(51a)으로 정의한다. 상기 이온들은 이온 임플란트(ion implant) 기술을 사용하여 주입될 수 있으며, 기판 표면으로부터 1 내지 10 ㎛의 깊이로 주입될 수 있다. 상기 이온의 종류는 상기 기판의 구성물질들에 따라 선택된다.

예를 들어, 상기 기판이 탄화실리콘 기판인 경우, 상기 이온은 산소이온일 수 있다. 산소이온은 이온 임플란트 기술에 의해 10¹⁴ ions/cm² ~ 10¹⁹ ions/cm²의 도즈(dose)량으로 탄화실리콘 기판내에 주입될 수 있으며, 실리콘과 결합하여 실리콘산화층을 형성한다. 상기 실리콘산화층을 형성하기 위해 이온주입 후, 열처리공정이 추가될 수 있다.

한편, 이온들이 주입된 후, 산소분위기에서 열처리 공정을 수행할 수 있다.

이 경우, 상기 이온은 산소이온 이외에, 규소, 탄소, 불활성가스, 질소 또는 수소이온들일 수 있다. 이러한 이온들은 탄화실리콘 기판의 표면에 결함들을 생성하고, 산소분위기에서 열처리 하는 동안 상기 결함들에서 실리콘산화층이 쉽게 형성된다.

상기 기판이 AlN인 경우, SiC와 마찬가지로 산화층을 형성하는 방법이 사용될 수 있다. 즉, 산소이온을 주입하거나, 다른 이온들을 주입하여 결함을 생성시킨 후, 열처리 하여 기판 표면에 알루미늄 산화층을 형성할 수 있다.

상기 기판이 N형 GaN인 경우, 전자수용체(acceptor)를 이온주입하여 절연층으로 변환시킬 수 있다. 상기 전자수용체는, 알칼리 금속, 알칼리 토금속 또는 전이금속일 수 있다. 예컨대, 상기 전자수용체는 Mg이온 또는 Fe이온 등일 수 있다.

도 2 및 도 4를 참조하면, 상기 이온주입층(51a) 상에 버퍼층(53)을 형성한다. 상기 버퍼층은 III-N계 물질, 예컨대 AlN, InN 또는 GaN일 수 있다. 상기 버퍼층은 금속유기 화학기상증착법(metalorganic chemical vapor deposition; MOCVD), 분자선 성장법(molecular beam epitaxy; MBE) 또는 수소화물 기상성장법(hydride vapor phase epitaxy; HVPE) 등을 사용하여 형성할 수 있다.

상기 버퍼층(53) 상에 N형 반도체층(55), 활성층(57) 및 P형 반도체층(59)을 형성한다(단계 7). 상기 N형 반도체층(55), 활성층(57) 및 P형 반도체층(59)은 MOCVD, MBE 또는 HVPE법을 사용하여 형성될 수 있다.

상기 N형 반도체층(55)은 N형 불순물이 주입된 GaN 계열, 예컨대 N형 Al_xGa_1-xN(0≤x≤1)막일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 반도체층으로 형성될 수 있다. 또한, P형 반도체층(59)은 P형 불순물이 주입된 GaN 계열, 예컨대 P형 Al_xGa_1-xN(0≤x≤1)막일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 다양한 반도체층으로 형성될 수 있다. 상기 N형 및 P형 반도체층들은 In_xGa_1-xN(0≤x≤1)막일 수 있으며, 다층막으로 형성될 수 있다. 한편, 상기 N형 불순물로는 Si을 사용할 수 있으며, P형 불순물로 는 마그네슘(Mg)을 사용할 수 있다.

상기 활성층(57)은 일반적으로 양자우물층과 장벽층이 반복적으로 형성된 다층막 구조를 갖는다. 상기 양자우물층과 장벽층은 Al_xIn_yGa_1-x-yN(0≤x, y≤1, 0≤x+y≤1) 화합물을 사용하여 형성할 수 있으며, N형 또는 P형의 불순물이 주입될 수 있다.

상기 P형 반도체층(59) 상에 금속층(61)이 더 형성될 수 있다. 상기 금속층(61)은 투명전극층일 수 있으며, P형 반도체층(59)에 균일한 전류를 공급하기 위해 형성된다.

한편, 상기 반도체층들(55, 57, 59)은 상기 이온주입층(51a) 상에 차례로 형성될 수 있다. 즉, 상기 버퍼층(53)은 생략될 수 있다.

도 2 및 도 5를 참조하면, 상기 금속층(61), P형 반도체층(59), 활성층(57), N형 반도체층(55) 및 버퍼층(53)을 패터닝하여 셀들을 분리하고, N형 반도체층(55)의 상부면을 노출시킨다(단계 9). 그 결과, 노출된 N형 반도체층(55a)을 갖는 발광셀들(56)이 형성된다.

상기 각 층들은 사진 및 식각기술을 사용하여 패터닝될 수 있다. 예컨대, 상기 금속층(61) 상에 셀들을 분리하기 위한 포토레지스트 패턴을 형성하고, 상기 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 사용하여 금속층(61), P형 반도체층(59), 활성층(57), N형 반도체층(55) 및 버퍼층(53)을 차례로 식각한다. 이에 따라, 서로 이격된 N형 반도체층들(55a) 및 버퍼층들(53a)이 형성된다. 그 후, 분리된 셀들을 갖는 기판 상에 N형 반도체층(55a)의 노출영역을 한정하는 포토레지스트 패턴을 형성하고, 이를 식각마스크로 사용하여 금속층(61), P형 반도체층(59) 및 활성층을 차례로 식각하여 N형 반도체층(55a)의 상부면을 노출시킨다. 그 결과, 상기 N형 반도체층들(55a) 각각의 일부분 상에 위치하는 P형 반도체층(59a), 상기 P형 반도체층(59a) 상에 위치하는 금속층(61a) 및 상기 P형 반도체층(59a)과 N형 반도체층(55a) 사이에 개재된 활성층(57a)들이 형성된다.

이와 달리, N형 반도체층(55)의 상부면을 먼저 노출시키어, 상기 금속층(61a), P형 반도체층(59a) 및 활성층(57a)을 먼저 형성하고, 노출된 N형 반도체층 및 버퍼층을 다시 패터닝하여 N형 반도체층들(55a) 및 버퍼층들(53a)을 형성할 수 있다.

상기 버퍼층들(53a)을 패터닝하는 동안, 상기 이온주입층(51a)도 패터닝할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 버퍼층(53)은 전도성 버퍼층일 수 있다. 이와 달리, 상기 버퍼층(53)이 절연층인 경우, 버퍼층을 패터닝하여 버퍼층들(53a)을 형성하는 공정은 생략될 수 있다.

도 2 및 도 6을 참조하면, 발광셀들(56)을 전기적으로 연결하는 금속배선들(65)을 형성한다(단계 11). 상기 금속배선들(65)은 발광셀들(56)을 연결하여 직렬 발광셀 어레이를 형성한다. 상기 기판(51) 상에 적어도 두개의 직렬 발광셀 어레이들이 형성될 수 있으며, 상기 어레이들은 서로 반대로 흐르는 전류에 의해 구동되도록 배치된다. 이와 달리, 상기 기판(51) 상에 직렬 발광셀 어레이와 함께 발광셀 들(56)로 구성된 브리지 정류기가 형성될 수 있다.

상기 금속배선들(65)은 금속 와이어 또는 전기 도금 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 전기도금 기술을 사용하여 금속배선들(65)을 형성할 경우, 에어 브리지(air bridge) 방식 또는 층덮힘(step-coverage) 방식으로 형성할 수 있다.

한편, 상기 금속배선들(65)을 형성하기 전, 상기 노출된 N형 반도체층(55a) 상에 오믹 콘택층(63)이 더 형성될 수 있으며, P형 반도체층(59a) 상에도 오믹 콘택층(도시하지 않음)이 형성될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 기판(51) 상에 직렬 연결된 발광셀 어레이들을 구비하여, 교류전원에서 구동될 수 있는 발광 소자를 제공할 수 있다. 한편, 절연층으로 변환된 이온주입층(51a)을 형성하여, SiC 기판과 같은 전도성 기판(51)으로부터 전기적으로 절연된 발광셀들을 제공할 수 있어, 제조비용 증가를 방지할 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판으로부터 절연된 복수개의 발광셀들을 갖는 발광소자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 8 내지 도 12는 도 7의 순서도에 따라 상기 발광소자를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 기판(71)을 준비한다(단계 101). 상기 기판은 예컨대 전도성 탄화실리콘 기판, 반도체성 질화갈륨(GaN), 질화알루미늄(AlN) 기판 등일 수 있다.

상기 기판(71) 상에 버퍼층(73)을 형성한다(단계 103). 상기 버퍼층은, 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이, III-N계 물질, 예컨대 AlN, InN 또는 GaN일 수 있 다.

도 7 및 도 9를 참조하면, 상기 버퍼층(73)에 이온 임플란트 기술을 사용하여 불순물 이온들을 주입하여, 상기 버퍼층을 절연층으로 변환시킨다(단계 105). 여기서, 상기 불순물 이온이 주입된 버퍼층을 이온주입층(73a)으로 정의한다.

상기 이온은 알칼리 금속이온, 알칼리 토금속이온 또는 전이금속이온일 수 있다. 예컨대, 상기 이온은 Mg이온, Cr이온 또는 Fe이온 등일 수 있다.

불순물 이온들을 주입하지 않고 형성된 버퍼층(73)은 잔여 산소이온 등이 전자공여체(donor)로 작용하여 N형 반도체층이 된다. 따라서, 전자수용체(acceptor)로 작용하는 금속 이온을 주입하여 상기 전자공여체와 상쇄시키므로써, 상기 버퍼층(73)을 절연층으로 변환시킬 수 있다. 이때, 상기 이온주입층(73a)은 N형 반도체층에 비해 상대적으로 저항이 높은 반절연층(semi-insulating layer)이 된다.

도 7 및 도 10을 참조하면, 상기 이온주입층(73a), 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이, N형 반도체층(75), 활성층(77) 및 P형 반도체층(79)을 형성한다(단계 107). 이에 더하여, 상기 P형 반도체층(79) 상에 금속층(81)을 더 형성할 수 있다.

도 7 및 도 11을 참조하면, 상기 금속층(81), P형 반도체층(79), 활성층(77), N형 반도체층(75) 및 이온주입층(73a)을 패터닝하여 셀들을 분리하고, N형 반도체층(75)의 상부면을 노출시킨다(단계 109). 그 결과, 노출된 N형 반도체층(75a)을 갖는 발광셀들(76)이 형성된다.

상기 금속층(81), 반도체층들(75, 77, 79) 및 이온주입층(73a)을 패터닝하는 것은, 도 5를 참조하여 설명한 금속층(61), 반도체층들(55, 57, 59) 및 버퍼층(53) 을 패터닝하는 것과 동일하다. 그 결과, 서로 이격된 버퍼층들(73b)이 형성되고, 상기 버퍼층들(73b) 각각의 상에 위치하는 N형 반도체층(75a), 상기 N형 반도체층(75a) 일부분의 상부에 위치하는 P형 반도체층(79a) 및 상기 N형 반도체층과 P형 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함하는 발광셀(56)이 형성된다.

도 7 및 도 12를 참조하면, 도 6을 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 발광셀들(76)을 전기적으로 연결하는 금속배선들(85)을 형성한다(단계 111). 상기 금속배선들(85)을 형성하기 전, 상기 노출된 N형 반도체층(75a) 상에 오믹콘택층(83)을 더 형성할 수 있으며, 상기 P형 반도체층(79a) 상에도 오믹콘택층(도시하지 않음)을 형성할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 버퍼층(73)을 절연층으로 변환시키어 발광셀들(76)을 기판(71)으로부터 전기적으로 절연시킬 수 있다. 따라서, 전도성 탄화실리콘 기판 상에 복수개의 발광셀들을 형성할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예들 따른 발광소자들을 상세히 설명한다.

다시, 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자는 기판(51)을 포함한다. 상기 기판은 전도성 탄화실리콘 기판, AlN 기판 또는 GaN 기판과 같이 전도성 기판일 수 있다.

상기 기판(51) 상부에 서로 이격되어 위치하는 복수개의 발광셀들(56)이 위치한다. 상기 발광셀들 각각은 N형 반도체층(55a), 활성층(57a) 및 P형 반도체층(59a)을 포함한다. 상기 P형 반도체층은 상기 N형 반도체층(55a) 일부분의 상부에 위치하며, 상기 활성층은 P형 반도체층(59a)과 N형 반도체층(55a) 사이에 개재된 다. 따라서, 상기 N형 반도체층(55a) 일부분의 상부면이 노출된다.

한편, 상기 기판(51)과 상기 발광셀들(56) 사이에 이온주입층(51a)이 개재된다. 상기 이온주입층(51a)은 상기 기판(51) 표면 상에 이온 임플란트 기술에 의해 이온이 주입되어, 상기 기판(51) 표면이 변환된 절연층이다. 상기 발광셀들(56)은 상기 이온주입층(51a)에 의해 상기 기판(51)으로부터 전기적으로 절연된다.

상기 기판이 탄화실리콘 또는 AlN 기판인 경우, 상기 이온은 산소, 규소, 탄소, 불활성 가스 또는 수소 이온 이거나, 이들의 혼합이온들일 수 있으며, 상기 절연층은 실리콘산화층 또는 알루미늄산화층일 수 있다. 상기 기판이 GaN인 경우, 상기 이온은 알칼리 금속이온, 알칼리 토금속이온 또는 전이금속이온 등일 수 있으며, 상기 절연층은 반절연(semi-insulating) GaN이다.

한편, 상기 이온주입층(51a)과 상기 발광셀들(56) 사이에 버퍼층들(53a)이 개재될 수 있다. 상기 버퍼층들은 서로 이격되어 위치할 수 있다.

금속배선들(65)이 상기 발광셀들을 전기적으로 연결할 수 있다. 이에 더하여, 상기 금속배선들과 상기 N형 반도체층(55a) 사이에 오믹 콘택층(63)이 개재될 수 있으며, 상기 금속배선들과 P형 반도체층(59a) 사이에 금속층(61a)이 각각 위치할 수 있다. 상기 금속층(61a)은 투명전극층일 수 있다. 이에 더하여, 상기 금속배선들과 P형 반도체층(59a) 사이에 오믹 콘택층(도시하지 않음)이 더 개재될 수 있다.

상기 금속배선들(65)에 의해 상기 기판(51) 상에 적어도 두개의 직렬 발광셀 어레이들이 형성될 수 있다. 상기 직렬 발광셀 어레이들은 서로 반대로 흐르는 전 류에 의해 구동되도록 배치된다. 또한, 상기 기판(51) 상에 직렬 발광셀 어레이와 함께 브리지 정류기가 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 발광 소자를 교류전원에 직접 연결하여 구동시킬 수 있다.

도 12를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광소자는 기판(71)을 포함한다. 상기 기판(71) 상부에, 도 6을 참조하여 설명한 바와 같이, 발광셀들(76)이 서로 이격되어 위치하며, 상기 발광셀들(76)은 금속배선들(85)에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.

한편, 상기 발광셀들(76)과 상기 기판(71) 사이에 이온주입층(73b)이 개재된다. 상기 이온주입층(73b)은 이온 임플란트 기술에 의해 이온이 주입되어 절연층으로 변환된 버퍼층으로, III-N계 물질, 예컨대 AlN, InN 또는 GaN 등일 수 있다. 이때, 상기 이온은 알칼리 금속이온, 알칼리 토금속이온 또는 전이금속이온 등일 수 있으며, 예컨대 Mg 이온, Cr 이온 또는 Fe 이온 등일 수 있다.

본 실시예들에 따른 발광소자들은 이온주입층(51a 또는 73b)에 의해 기판으로부터 절연된 발광셀들(56 또는 76)을 갖는다. 따라서, 기판에 의해 발광셀들이 단락되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 교류전원에 직접 연결하여 구동시킬 수 있는 발광 소자를 제공할 수 있으며, 이온주입층을 채택하여 단일 기판 상에 형성된 복수개의 발광셀들이 상기 기판으로부터 전기적으로 분리된 발광 소자를 제공할 수 있다. 이에 따라, 열전도성이 우수하며, 값싼 전도성 탄화실리콘 기판을 사용할 수 있다.

Claims

탄화실리콘(SiC), 반도체성 질화갈륨(GaN) 및 질화알루미늄(AlN) 중 어느 하나를 포함하여 이루어진 기판;

상기 기판 상부에 서로 이격되어 위치하고, 서로 전기적으로 연결된 복수개의 발광셀들; 및

상기 기판과 상기 복수개의 발광셀들 사이에 개재되고, 이온이 주입되어 절연층으로 변환된 이온주입층을 포함하는 것을 특징으로 하는 기판으로부터 절연된 복수개의 발광셀들을 갖는 발광 소자.
청구항 1에 있어서,

상기 이온주입층은 이온 임플란트에 의해 상기 탄화실리콘, 반도체성 질화갈륨 및 질화알루미늄 중 어느 하나를 포함하여 이루어진 기판의 표면에 이온이 주입되어 상기 기판의 표면이 변환된 절연층인 것을 특징으로 하는 기판으로부터 절연된 복수개의 발광셀들을 갖는 발광 소자.
청구항 2에 있어서,

상기 이온은 산소 이온인 것을 특징으로 하는 기판으로부터 절연된 복수개의 발광셀들을 갖는 발광소자.
청구항 2에 있어서,

상기 이온주입층과 상기 발광셀들 사이에 개재된 버퍼층을 더 포함하는 기판으로부터 절연된 복수개의 발광셀들을 갖는 발광소자.
청구항 1에 있어서,

상기 이온주입층은 이온 임플란트에 의해 이온이 주입되어 절연층으로 변환된 버퍼층인 것을 특징으로 하는 기판으로부터 절연된 복수개의 발광셀들을 갖는 발광 소자.
청구항 5에 있어서,

상기 버퍼층은 III-N계 물질이고,

상기 이온은 철(Fe)이온인 것을 특징으로 하는 기판으로부터 절연된 복수개의 발광셀들을 갖는 발광소자.
탄화실리콘(SiC), 반도체성 질화갈륨(GaN) 및 질화알루미늄(AlN) 중 어느 하나를 포함하여 이루어진 기판을 준비하고,

상기 기판 표면에 이온 임플란트 기술을 사용하여 이온들을 주입하여 이온주입층을 형성하고,

상기 이온들이 주입된 기판 상부에 서로 이격되어 구비되되, 서로 전기적으로 연결된 복수개의 발광셀들을 형성하는 것을 포함하는 기판으로부터 절연된 복수개의 발광셀들을 갖는 발광소자를 제조하는 방법.
청구항 7에 있어서,

상기 복수개의 발광셀들을 형성하기 전, 상기 이온주입층 상에 버퍼층을 형 성하는 것을 더 포함하는 기판으로부터 절연된 복수개의 발광셀들을 갖는 발광소자를 제조하는 방법.
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