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KR102075713B1 - 발광 소자 및 발광 소자 패키지 - Google Patents

발광 소자 및 발광 소자 패키지 Download PDF

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KR102075713B1
KR102075713B1 KR1020130082691A KR20130082691A KR102075713B1 KR 102075713 B1 KR102075713 B1 KR 102075713B1 KR 1020130082691 A KR1020130082691 A KR 1020130082691A KR 20130082691 A KR20130082691 A KR 20130082691A KR 102075713 B1 KR102075713 B1 KR 102075713B1
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Abstract

발광 소자는 다수의 화합물 반도체층을 포함하는 발광 구조물과, 발광 구조물 아래에 배치되는 전류 스프레딩층과, 전류 스프레딩층에 배치되는 다수의 파장 변환 구조물과, 전류 스프레딩층 아래에 배치되는 전극층과, 발광 구조물 상에 배치되는 전극을 포함한다.

Description

발광 소자 및 발광 소자 패키지{Light emitting device and light emitting device package}
실시예는 발광 소자에 관한 것이다.
실시예는 발광 소자 패키지에 관한 것이다.
발광 소자 및 발광 소자 패키지에 대한 연구가 활발하게 진행 중이다.
발광 소자는 예컨대 반도체 물질로 형성되어 전기 에너지를 빛으로 변환하여 주는 반도체 발광 소자 또는 반도체 발광 다이오드이다.
발광 소자는 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경친화성의 장점을 가진다. 이에 기존의 광원을 반도체 발광 소자로 대체하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.
발광 소자는 실내외에서 사용되는 각종 램프, 액정표시장치의 백라이트 유닛, 전광판과 같은 표시 소자, 가로등과 같은 조명 소자로서 사용이 증가되고 있는 추세이다.
실시예는 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 발광 소자를 제공한다.
실시예는 서로 상이한 다수의 파장의 광을 생성할 수 있는 발광 소자를 제공한다.
실시예에 따르면, 발광 소자는, 다수의 화합물 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 상기 발광 구조물 아래에 배치되는 전류 스프레딩층; 상기 전류 스프레딩층에 배치되는 다수의 파장 변환 구조물; 상기 전류 스프레딩층 아래에 배치되는 전극층; 및 상기 발광 구조물 상에 배치되는 전극을 포함한다.
실시예에 따르면, 발광 소자는, 기판; 상기 기판 상에 배치되고 다수의 화합물 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 상기 발광 구조물 상에 배치되는 전류 스프레딩층; 및 상기 전류 스프레딩층에 배치되는 다수의 파장 변환 구조물을 포함한다.
실시예에 따르면, 발광 소자는, 기판; 상기 기판 아래에 배치되고 다수의 화합물 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 상기 발광 구조물 아래에 배치되는 전류 스프레딩층; 상기 전류 스프레딩층에 배치되는 다수의 파장 변환 구조물; 및 상기 전류 스프레딩층 아래에 배치되는 전극층을 포함한다.
실시예에 따르면, 발광 소자 패키지는 상기 발광 소자를 포함할 수 있다.
실시예는 다수의 파장 변환 구조물에 의해 청색 파장의 광, 녹색 파장의 광 및 청색 파장의 광 모두가 생성되므로 별도의 형광체를 사용하지 않게 되어, 연색지수(CRI: Color Rendering Index))가 향상될 수 있다.
실시예는 기존에 하나의 광을 생성하는 발광 소자에 비해 발광 소자의 점유 면적을 줄이 수 있고 제조 비용을 절감할 수 있다.
실시예는 그래핀 시트를 포함하는 전류 스프레딩층이 구비되어, 전류 스프레딩 효과를 얻을 수 있으며 방열 효율이 향상될 수 있다.
도 1은 제1 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 2는 전류 스프레딩층과 파장 변환층을 도시한 평면도이다.
도 3은 파장 변환 구조물의 사이즈에 따라 파장이 가변되는 모습을 도시한 도면이다.
도 4는 파장 변환 구조물의 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 파장 변환 구조물의 사이즈에 따른 파장 대역 범위를 도시한 도면이다.
도 6은 파장 변환 구조물의 사이즈에 따른 파장 대역 범위를 도시한 그래프이다.
도 7 내지 도 11은 제1 실시예에 따른 발광 소자를 제조하는 공정을 도시한 도면이다.
도 12는 제2 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 13은 제3 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 14는 실시예에 따른 발광 소자 패키지를 도시한 단면도이다.
발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)는 두개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되거나 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 배치되어 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 1은 제1 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 제1 실시예에 따른 발광 소자(1)는 전극층(23), 전류 스프레딩층(13), 발광 구조물(9) 및 전극(33)을 포함할 수 있다.
제1 실시예에 따른 발광 소자(1)는 수직형(vertical type) 발광 소자일 수 있다.
제1 실시예에 따른 발광 소자(1)는 서로 상이한 다수의 파장의 광을 생성할 수 있는 파장 변환 구조물(21)을 더 포함할 수 있다.
제1 실시예에 따른 발광 소자(1)는 상기 전극층(23) 아래에 배치되는 접합층(25) 및 지지 부재(27)를 더 포함할 수 있다.
제1 실시예에 따른 발광 소자(1)는 상기 발광 구조물(9)을 둘러싸는 보호층(29)을 더 포함할 수 있다.
상기 발광 구조물(9)은 다수의 화합물 반도체층을 포함할 수 있다. 상기 발광 구조물(9)은 적어도 제1 도전형 반도체층(3), 활성층(5) 및 제2 도전형 반도체층(7)을 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(3)은 상기 전극(33) 아래에 배치될 수 있다. 상기 활성층(5)은 상기 제1 도전형 반도체층(3) 아래에 배치될 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(7)은 상기 활성층(5) 아래에 배치될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(3)과 상기 제2 도전형 반도체층(7)은 도펀트를 포함할 수 있다. 상기 활성층(5)은 도펀트를 포함하거나 도펀트를 포함하지 않을 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(3)의 도펀트와 상기 제2 도전형 반도체층(7)의 도펀트는 서로 반대의 극성을 가질 수 있다. 예컨대, 상기 제1 도전형 반도체층(3)은 n형 도펀트를 포함하고, 상기 제2 도전형 반도체층(7)은 p형 도펀트를 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 상기 n형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se 및 Te 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 p형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr 및 Ba 중 적어도 하나를 포함하지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
예컨대, 상기 제1 도전형 반도체층(3)은 제1 캐리어, 즉 전자를 생성하여 상기 활성층(5)으로 제공되고, 상기 제2 도전형 반도체층(7)은 제2 캐리어, 즉 정공을 생성하여 상기 활성층(5)으로 제공될 수 있다.
상기 활성층(5)에서 상기 제1 도전형 반도체층(3)으로부터의 전자와 상기 제2 도전형 반도체층(7)으로부터의 정공이 재결합(recombination)될 수 있다. 이러한 재결합에 의해 의해 상기 활성층(5)의 형성 물질에 의해 결정되는 에너지 밴드갭(Energy Band Gap)에 상응하는 파장의 광이 방출될 수 있다.
상기 활성층(5)은 단일 양자 우물 구조(SQW), 다중 양자 우물 구조(MQW), 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 활성층(5)은 우물층과 배리어층을 한 주기로 하여 우물층과 배리어층이 반복적으로 형성될 수 있다. 상기 우물층과 배리어층의 반복주기는 발광 소자(1)의 특성에 따라 변형 가능하므로, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 상기 활성층(5)은 예를 들면, InGaN/GaN의 주기, InGaN/AlGaN의 주기 또는 InGaN/InGaN의 주기로 형성될 수 있다.
상기 활성층(5)은 자외선, 가시 광선 및 적외선 중 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(3)의 아래 또는 상기 제2 도전형 반도체층(7)의 위에 또 다른 화합물 반도체층이 단일층 또는 다층으로 배치될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 전류 스프레딩층(13)은 상기 발광 구조물(9)의 제2 도전형 반도체층(7) 아래에 배치될 수 있다. 상기 전류 스프레딩층(13)은 그래핀(graphene) 재질을 포함하는 그래핀층 또는 그래핀 시트(graphene sheet)일 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 상기 전류 스프레딩층(13)은 상기 발광 구조물(9)의 제2 도전형 반도체층(7)의 하면과 접촉되어 상기 발광 구조물(9)의 제2 도전형 반도체층(7)으로 전류를 보다 용이하게 공급하여 줄 수 있다.
흑연은 탄소를 6각형의 벌집모양으로 층층이 쌓아 올린 구조로 이루어진다. 그래핀은 흑연에서 가능한 얇게 떼어내진 한 겹을 의미할 수 있다. 탄소 동소체(同素體)인 그래핀은 탄소나노튜브나 풀러린(Fullerene)처럼 원자번호 6번인 탄소로 구성된 나노물질이다. 그래핀은 2차원 평면형태를 가지고 있으며, 두께는 0.2nm 정도로 매우 얇으면서 물리적 및 화학적 안정성도 높다. 그래핀은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 최고의 열전도성을 갖는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높다
제1 실시예의 전류 스프레딩층(13)은 이러한 그래핀이 적층된 그래핀 시트를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 전류 스프레딩층(13)의 전 영역으로 전류가 신속히 스프레딩되어 상기 전류 스프레딩의 전 영역과 접촉되는 제2 도전형 반도체층(7)으로 전류가 골고루 공급될 수 있다. 또한, 상기 전류 스프레딩층(13)은 상기 발광 구조물(9)에서 발생된 열을 신속히 외부로 방출시켜 줄 수 있다.
상기 전류 스프레딩층(13)에 다수의 파장 변환 구조물(21)이 배치될 수 있다. 상기 파장 변환 구조물(21)은 상기 전류 스프레딩층(13) 속에 배치될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 상기 파장 변환 구조물(21)은 상기 전류 스프레딩층(13)에 의해 둘러쌓여질 수 있다. 상기
상기 파장 변환 구조물(21)은 구 형상을 갖는 볼(ball)일 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 파장 변환 구조물(21)의 직경은 수 Å 내지 수백 nm일 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
도 2에 도시한 바와 같이, 상기 다수의 파장 변환 구조물(21) 각각의 직경은 서로 상이할 수 있다. 상기 다수의 파장 변환 구조물(21)은 예컨대, 제1 직경(D1)을 갖는 제1 파장 변환 구조물(15), 제2 직경(D2)을 갖는 제2 파장 변환 구조물(17) 및 제3 직경(D3)을 갖는 제3 파장 변환 구조물(19)을 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 제2 직경(D2)는 제1 직경(D1)보다 크고, 제3 직경(D3)은 제2 직경(D2)보다 클 수 있다.
상기 파장 변환 구조물(21)은 단일 물질로 이루어질 수도 있고, 서로 상이한 물질로 이루어질 수도 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 파장 변환 구조물(21) 각각은 CdSe, CdSe/ZnS, CdTe/CdS, PbS 및 PuSe 중 하나를 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 파장 변환 구조물(21)은 다수의 양자점(quantum dot)을 포함할 수 있다. 즉, 상기 파장 변환 구조물(21)은 수십 내지 수천개의 원자나 분자가 모여서 이루어진 나노클러스터(nanocluster)일 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 상기 나노 클러스터는 구 형상의 볼일 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 파장 변환 구조물(21)은 예컨대, 466nm 내지 640nm 파장의 광으로 변환시켜 주는 CdSe를 포함할 수 있다. CdSe를 포함하는 파장 변환 구조물(21)은 1.9nm 내지 6.7nm의 직경을 가지지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 파장 변환 구조물(21)은 예컨대, 490nm 내지 620nm 파장의 광으로 변환시켜 주는 CdSe/ZnS을 포함할 수 있다. CdSe/ZnSe를 포함하는 파장 변환 구조물(21)은 2.9nm 내지 6.1nm의 직경을 가지지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 파장 변환 구조물(21)은 예컨대, 620nm 내지 660nm 파장의 광으로 변환시켜 주는 CdTe/CdS을 포함할 수 있다. CdTe/CdS를 포함하는 파장 변환 구조물(21)은 3.7nm 내지 4.8nm의 직경을 가지지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
CdSe/ZnS를 포함하는 파장 변환 구조물(21)이나 CdTe/CdS를 포함하는 파장 변환 구조물(21)은 도 3에 도시한 바와 같이, 코어(23)와 쉘(25)의 구조를 가질 수 있다. 이러한 경우, 코어(23)는 CdSe 또는 CdTe로 형성되고, 쉘(25)는 ZnS나 CdS로 형성될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 코어(23)은 CdSe 분자나 CdTe 분자들로 구성되고, 쉘(25) 은 ZnS 분자나 CdS 분자로 구성될 수 있다.
상기 파장 변환 구조물(21)은 예컨대 850nm 내지 2100nm의 파장 광으로 변환시켜 주는 PbS포함할 수 있다. PbS를 포함하는 파장 변환 구조물(21)은 2.3nm 내지 2.9nm일 수 있지만, 이에 대해 대해서는 한정하지 않는다.
상기 코어(23) 및/또는 쉘(25)은 구 형상을 갖는 볼일 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
파장(λi)의 광이 상기 파장 변환 구조물(21)로 입사되면, 상기 상기 파장 변환 구조물(21)의 코어(23)에서 파장(λi)의 광이 흡수된 후 파장(λo)의 광으로 변환하여 출사될 수 있다.
상기 파장(λo)의 광은 상기 코어(23)의 물질 종류와 직경에 의해 결정될 수 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, 상기 파장 변환 구조물(21)의 직경의 크기에 따라 서로 상이한 파장의 광이 생성될 수 있다.
예컨대, 제1 직경(D1)을 갖는 제1 파장 변환 구조물(15)은 파장(λ)의 광을 제1 파장(λ1)의 광으로 변환시켜 줄 수 있다. 예컨대, 제2 직경(D2)을 갖는 제2 파장 변환 구조물(17)은 제2 파장(λ2)의 광으로 변환시켜 줄 수 있다. 예컨대, 제3 직경(D3)을 갖는 제3 파장 변환 구조물(19)은 제3 파장(λ3)의 광으로 변환시켜 줄 수 있다.
도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이, 예컨대, 상기 발광 구조물(9)에서 생성된 자외선 광이 파장 변환 구조물(21)로 입사되는 경우, 17Å 내지 20Å의 직경을 갖는 파장 변환 구조물(15)에서 430nm 내지 470nm의 파장의 광으로 변환될 수 있다. 21Å 내지 25Å의 직경을 갖는 파장 변환 구조물(17)에서 510nm 내지 560nm의 파장의 광으로 변환될 수 있다. 52Å 내지 58Å의 직경을 갖는 파장 변환 구조물(19)에서 610nm 내지 650nm의 파장의 광으로 변환될 수 있다.
따라서, 단일 발광 소자(1)에서 청색 파장의 광, 녹색 파장의 광 및 적색 파장의 광 모두가 생성되어 백색광이 얻어질 수 있다.
실시예는 별도의 형광체를 사용하지 않게 되어, 연색지수(CRI: Color Rendering Index))가 향상될 수 있다. 아울러, 실시예는 기존에 하나의 광을 생성하는 발광 소자에 비해 발광 소자의 점유 면적을 줄이 수 있고 제조 비용을 절감할 수 있다.
상기 발광 구조물(9)의 주변 영역의 아래에 채널층(11)이 배치될 수 있다. 상기 채널층(11)은 상기 발광 구조물(9)의 주변 영역과 상기 전류 스프레딩층(13)의 주변 영역 사이에 배치될 수 있다. 상기 채널층(11)은 상기 전류 스프레딩층(13)과 상기 발광 구조물(9)의 활성층(5) 또는 제1 도전형 반도체층(3) 사이의 전기적인 쇼트를 방지하기 위해 상기 전극층(23)과 상기 활성층(5) 사이의 간격을 더 증가시켜 주는 역할을 할 수 있다.
상기 채널층(11)은 상기 발광 구조물(9)의 주변 영역을 따라 폐루프(closed-loop) 구조로 형성되거나 개루프(open-loop) 구조로 형성될 수 있다.
상기 채널층(11)은 투명한 절연 물질, 예컨대 SiO2, SiOx, SiOxNy, Si3N4, 및 Al2O3으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 전류 스프레딩층(13)의 끝단은 상기 채널층(11)의 하면의 일부분과 중첩될 수 있다. 도시되지 않았지만, 상기 전류 스프레딩의 끝단은 상기 채널층(11)과 중첩되지 않을 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 상기 전류 스프레딩층(13)의 끝단은 상기 채널층(11)의 내측면과 접촉될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 전극층(23)이 상기 전류 스프레딩층(13) 아래에 배치될 수 있다. 상기 전극층(23)의 면적은 상기 전류 스프레딩층(13)의 면적과 동일할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 전극층(23)은 전기 전도도가 우수한 전극일 수 있다. 상기 전극으로는 Au, Ti, Ni, Cu, Al, Cr, Ag 및 Pt로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나가 포함될 수 있다. 상기 전극층(23)은 단층 또는 다층 구조로 형성될 수 있다.
상기 전극층(23)은 상기 발광 구조물(9)에서 생성된 광을 반사시켜 줄 수 있는 반사층일 수 있다. 상기 반사층으로는 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 및 Hf로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나 또는 둘 이상의 합금이 사용되지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 전극층(23)은 전극 및 반사층 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 전극층(23)의 면적은 상기 발광 구조물(9), 구체적으로 적어도 활성층(5)의 면적보다 클 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 상기 전극층(23)의 면적이 상기 활성층(5)의 면적보다 커 상기 활성층(5)에서 생성되어 사선(slant) 방향으로 진행된 광도 반사시켜 줄 수 있으므로, 광 추출 효율이 향상될 수 있다.
상기 전류 스프레딩층(13)과 상기 전극층(23)은 상기 접합층(25)에 의해 매립되어 외부에 노출되지 않을 수 있다. 즉, 상기 접합층(25)은 상기 전류 스프레딩층(13)과 상기 전극층(23)을 둘러싸도록 형성되고 상기 채널층(11)의 하면과 접촉될 수 있다. 예컨대, 상기 접합층(25)은 리세스를 갖는 중앙 영역과 상부 방향으로 돌출된 주변 영역을 포함할 수 있다. 상기 중앙 영역의 리세스에 상기 전극층(23)과 상기 접합층(25)이 배치되고, 상기 주변 영역의 상면은 상기 채널층(11)의 하면과 접촉될 수 있다.
상기 접합층(25)의 아래에 지지 부재(27)가 배치될 수 있다. 상기 접합층(25)은 상기 지지 부재(27)를 상기 전극층(23)에 용이하게 접합시킬 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 상기 접합층(25)은 예를 들어, Ti, Au, Sn, Ni, Nb, Cr, Ga, In, Bi, Cu, Ag 및 Ta로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 지지 부재(27)는 그 위에 형성되는 복수의 층들을 지지할 수 있다. 상기 지지 부재(27)는 도전성을 갖는 도전성 지지 기판일 수 있다. 상기 지지 부재(27)는 금속이나 금속 합금, 예를 들어 티탄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금(Au), 텅스텐(W), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo) 및 구리-텅스텐(Cu-W) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 발광 구조물(9) 상에 보호층(29)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 발광 구조물(9)의 적어도 측면 상에는 보호층(29)이 형성될 수 있다.
상기 보호층(29)은 상기 발광 구조물(9)과 지지 부재(27) 사이의 전기적 쇼트를 방지하는 한편 상기 발광 구조물(9)을 외부의 충격으로부터 보호하는 역할을 할 수 있다. 상기 보호층(29)은 투명성과 절연성이 우수한 재질로 형성될 수 있다. 상기 보호층(29)은 상기 채널층(11)과 동일한 물질을 포함할 수 있지만, 이에 대해 한정하지 않는다.
상기 발광 구조물(9)의 광 추출 효율을 향상시키기 위해 상기 제1 도전형 반도체층(3)의 상면에 광 추출 구조물(31)이 형성될 수 있다. 상기 광 추출 구조물(31)은 러프니스(roughness)나 요철(convex-concavo)을 가질 수 있다.
상기 전극(33)은 상기 발광 구조물(9)의 제1 도전형 반도체층(3)의 상면 일부분에 형성될 수 있다. 상기 전극(33)은 Au, Ti, Ni, Cu, Al, Cr, Ag 및 Pt로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 전극(33)이 불투명한 금속 재질로 형성되는 경우, 상기 전극(33)에 의해 광의 추출이 방해되므로, 상기 전극(33)은 패턴 형상으로 상기 제1 도전형 반도체층(3)의 상면 일부분에 형성될 수 있다. 이러한 경우, 상기 전극(33)과 상기 전극(33)과 수직으로 대응하는 상기 전극층(23)의 일부 영역 사이의 발광 구조물(9)에는 집중적으로 전류가 흐르게 되어 광이 활발하게 생성되는데 반해, 상기 전극(33)이 형성되지 않은 영역과 상기 전극층(23)의 나머지 영역 사이의 발광 구조물(9)에는 전류가 잘 흐르지 않게 되어 광이 활발하게 생성되지 않게 된다. 다시 말해, 발광 구조물(9)의 전 영역에서 광이 골고루 생성되지 않게 된다.
이러한 문제를 해소하기 위해, 도시되지 않았지만, 상기 전극(33)과 수직으로 대응하는 제2 도전형 반도체층(7)의 아래에 전류 차단층이 형성될 수 있다. 상기 전류 차단층은 상기 제2 도전형 반도체층(7)과 상기 전류 스프레딩층(13) 사이에 배치되거나 상기 전류 스프레딩층(13)과 상기 전극층(23) 사이에 배치될 수 있다. 상기 전류 차단층은 절연 물질이거나 전기 전도도가 낮은 물질로 형성될 수 있다. 이러한 전류 차단층에 의해 전류가 잘 흐르지 않게 되어 상기 전극(33)에 수직을 대응하는 발광 구조물(9)에 흐르는 전류의 세기는 감소하는 대신에 상기 전극(33)이 형성되지 않은 발광 구조물(9)에 흐르는 전류의 세기는 증가되어, 상기 발광 구조물(9)의 전 영역에 비교적 균일한 전류가 수직 방향으로 흐르게 되어, 상기 발광 구조물(9)의 전 영역에서 광이 골고루 생성될 수 있다.
도 7 내지 도 11은 제1 실시예에 따른 발광 소자를 제조하는 공정을 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 성장 기판(37) 상에 발광 구조물(9)이 성장될 수 있다. 상기 발광 구조물(9)은 다수의 화합물 반도체층을 포함할 수 있다. 상기 발광 구조물(9)은 적어도 제1 도전형 반도체층(3), 활성층(5) 및 제2 도전형 반도체층(7)을 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(3), 상기 활성층(5) 및 상기 제2 도전형 반도체층(7)이 상기 성장 기판(37) 상에 순차적으로 성정될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(3), 상기 활성층(5) 및 상기 제2 도전형 반도체층(7)은 유기금속 화학 증착법(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 화학 증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 화학 증착법(PECVD; Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition), 분자선 성장법(MBE; Molecular Beam Epitaxy) 및 수소화물 기상 성장법(HVPE; Hydride Vapor Phase Epitaxy) 중 하나의 방법을 이용하여 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 제1 도전형 반도체층(3)은 n형 도펀트를 포함하는 n형 반도체층이고, 상기 제2 도전형 반도체층(7)은 p형 도펀트를 포함하는 p형 반도체층일 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
도 8을 참조하면, 상기 제2 도전형 반도체층(7)의 주변 영역 상에 채널층(11)이 형성될 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(7)의 주변 영역 상에 투명한 절연 물질을 증착시켜 절연막을 형성하고, 상기 절연막을 패터닝하여 채널층(11)이 형성될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 제2 도전형 반도체층(7)의 중앙 영역 상에 전류 스프레딩층(13)과 전극층(23)이 형성될 수 있다.
상기 전류 스프레칭층에 다수의 파장 변환 구조물(21)이 포함될 수 있다. 파장 변환 구조물(21)이 다수의 그래핀으로 이루어진 그래핀 시트에 의해 둘러쌓여지고, 이러한 그래핀 시트를 가공하여 원하는 사이즈로 절단한 후 해당 그래핀 시트를 상기 제2 도전형 반도체층(7)의 중앙 영역 상에 부착됨으로써, 전류 스프레딩층(13)이 형성될 수 있다. 즉, 미리 가공된 그래핀 시트가 상기 제2 도전형 반도체층(7)의 중앙 영역 상에 부착되어, 전류 스프레딩층(13)이 형성될 수 있다
상기 전류 스프레딩층(13) 상에 금속막이 형성되고 금속막이 패터닝되어, 전극층(23)이 형성될 수 있다.
도 9를 참조하면, 상기 전극층(23) 및 상기 채널층(11) 상에 접합층(25)이 형성되고, 상기 접합층(25) 상에 지지 부재(27)가 형성될 수 있다.
미리 상기 지지 부재(27) 상에 접합층(25)이 형성된 후, 상기 접합층(25)이 상기 상기 전극층(23) 및 상기 채널층(11)에 접합될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
도 10a 및 도 10b를 참조하면, 상기 성장 기판(37)을 뒤집은 다음, 상기 성장 기판(37)이 제거될 수 있다.
상기 성장 기판(37)은 화학적 기계적 연마(CMP) 공정, 레이저 공정 또는 리프트 오프(lift off) 공정을 이용하여 제거될 수 있다.
상기 발광 구조물(9)을 대상으로 메사 에칭(mesa etching)을 수행하여 상기 발광 구조물(9)의 주변 영역이 제거될 수 있다. 상기 발광 구조물(9)의 제거로 상기 채널층(11)의 상면 일부분이 외부로 노출될 수 있다.
상기 발광 구조물(9)의 측면은 경사지게 형성될 수 있다. 상기 발광 구조물(9)의 사이즈는 하부 방향을 따라 커지도록 형성될 수 있다. 상기 활성층(5)의 사이즈는 상기 제1 도전형 반도체층(3)의 사이즈보다 보고, 상기 제2 도전형 반도체층(7)의 사이즌 상기 활성층(5)의 사이즈보다 클 수 있다.
상기 발광 구조물(9)의 측면 상에 보호층(29)이 형성될 수 있다. 상기 보호층(29)은 상기 채널층(11)의 상면 및/또는 상기 제1 도전형 반도체층(3)의 주변 영역 일부분에 더 형성될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 발광 구조물(9)의 측면, 상기 채널층(11)의 상면 및/또는 상기 제1 도전형 반도체층(3)의 주변 일부분에 투명한 절연 물질을 증착시켜 보호층(29)이 형성될 수 있다. 또는, 상기 채널층(11)의 상면 및/또는 상기 제1 도전형 반도체층(3)의 전면에 투명한 절연 물질을 증착시켜 절연막을 형성시키고, 상기 제1 도전형 반도체층(3)의 중앙 영역에 대응하는 절연막을 제거하여 줌으로써, 보호층(29)이 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(3)의 중앙 영역을 식각하여 주어, 광 추출 구조물(31)이 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(3)의 중앙 영역 상에 금속막을 형성하고 패터닝하여 전극(33)이 형성될 수 있다.
이러한 일련의 공정에 의해 제1 실시예에 따른 발광 소자가 제조될 수 있다.
도 12는 제2 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 단면도이다.
제2 실시예에 따른 발광 소자(1A)는 플립칩형(flip-chip type) 발광 소자일 수 있다.
도 12를 참조하면, 제2 실시예에 따른 발광 소자(1A)는 성장 기판(37), 발광 구조물(9), 전류 스프레딩층(43), 다수의 파장 변환 구조물(51), 전극층(53) 및 제1 및 제2 전극(55, 57)을 포함할 수 있다.
도시되지 않았지만, 제2 실시예에 따른 발광 소자(1A)는 상기 성장 기판(37)과 상기 발광 구조물(9) 사이에 배치된 버퍼층을 더 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 버퍼층 및 상기 발광 구조물(9)은 II-VI족 또는 III-V족 화합물 반도체 재질로 이루어지는 AlxInyGa(1-x-y)N(0<x<1, 0<y<1, 0<x+y<1)로 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 버퍼층 및 상기 발광 구조물(9)은 InAlGaN, GaN, AlGaN, InGaN, AlN, InN 및 AlInN로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 성장 기판(37)은 상기 발광 구조물(9)을 성장시켜주는 역할을 할 수 있다. 또한, 상기 성장 기판(37)은 그 아래에 배치된 층, 예컨대 발광 구조물(9)을 지지하는 역할을 할 수 있다. 따라서, 상기 발광 구조물(9)과의 열적 팽창률 차이, 격자 상수 차이 또는 지지 강도 등을 고려하여 상기 성장 기판(37)의 재질이 선택될 수 있다
상기 성장 기판(37)은 전극층으로 사용될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 발광 구조물(9)은 상기 성장 기판(37) 또는 상기 버퍼층 아래에 배치될 수 있다.
상기 발광 구조물(9)은 다수의 화합물 반도체층을 포함할 수 있다. 상기 발광 구조물(9)은 적어도 제1 도전형 반도체층(3), 활성층(5) 및 제2 도전형 반도체층(7)을 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(3)은 상기 성장 기판(37)이나 상기 버퍼층 아래에 배치될 수 있다. 상기 활성층(5)은 상기 제1 도전형 반도체층(3) 아래에 배치될 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(7)은 상기 활성층(5) 아래에 배치될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(3)과 상기 제2 도전형 반도체층(7)은 도펀트를 포함할 수 있다. 상기 활성층(5)은 도펀트를 포함하거나 도펀트를 포함하지 않을 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(3)의 도펀트와 상기 제2 도전형 반도체층(7)의 도펀트는 서로 반대의 극성을 가질 수 있다
상기 활성층(5)에서 상기 제1 도전형 반도체층(3)으로부터의 전자와 상기 제2 도전형 반도체층(7)으로부터의 정공이 재결합(recombination)될 수 있다. 이러한 재결합에 의해 의해 상기 활성층(5)의 형성 물질에 의해 결정되는 에너지 밴드갭(Energy Band Gap)에 상응하는 파장의 광이 방출될 수 있다.
상기 활성층(5)은 자외선 광, 가시 광선 광 및 적외선 광 중 하나를 생성할 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(3)의 위 또는 상기 제2 도전형 반도체층(7) 아래에 또 다른 화합물 반도체층이 단일층 또는 다층으로 배치될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 전류 스프레딩층(43)은 상기 발광 구조물(9) 아래에 배치될 수 있다. 상기 전류 스프레딩층(43)은 제1 실시예의 전류 스프레딩층(43)과 실질적으로 동일하므로, 더 이상의 설명은 생략한다. 상기 전류 스프레딩층(43)의 전 영역으로 전류가 신속히 스프레딩되어 상기 전류 스프레딩의 전 영역과 접촉되는 제2 도전형 반도체층(7)으로 전류가 골고루 공급될 수 있다. 또한, 상기 전류 스프레딩층(43)은 상기 발광 구조물(9)에서 발생된 열을 신속히 외부로 방출시켜 줄 수 있다.
상기 파장 변환 구조물(51)이 상기 전류 스프레딩층(43)에 배치될 수 있다. 상기 파장 변환 구조물(51)은 제1 실시예의 파장 변환 구조물(21)과 실질적으로 동일하므로, 더 이상의 설명을 생략한다. 상기 파장 변환 구조물은 서로 상이한 직경을 가지며, 이와 같이 서로 상이한 직경을 갖는 파장 변환 구조물 각각은 상기 발광 구조물(9)에서 생성된 광을 서로 상이한 다수의 파장의 광으로 변환시켜 줄 수 있다. 설명되지 않은 도면 번호 45, 47 및 49 각각은 제1 직경(D1)을 갖는 제1 파장 변환 구조물, 제2 직경(D2)을 갖는 제2 파장 변환 구조물 및 제3 직경(D3)을 갖는 제3 파장 변환 구조물을 나타낼 수 있다.
상기 전극층(53)은 상기 전류 스프레딩층(43) 아래에 배치될 수 있다. 상기 전극층(53)은 전류를 공급하기 위한 전극일 수 있다. 상기 전극층(53)은 반사 물질을 포함하는 반사층일 수 있다. 상기 전극층(53)은 상기 발괄 구조물에서 생성되어 상기 전류 스프레딩층(43)을 투과한 광을 반사시켜 주므로, 광 추출 효율이 향상될 수 있다. 상기 전극층(53)은 전극 및 반사층 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 전극층(53)은 단층 또는 다층 구조를 가질 수 있다. 상기 전극층(53)은 적어도 하나 이상의 물질이 혼합된 합금층일 수 있다.
상기 발광 구조물(9)의 제1 도전형 반도체층(3)의 하면 일부분에 제1 전극(55)이 배치될 수 있다. 상기 반사층의 하면 일부분에 제2 전극(57)이 배치될 수 있다. 상기 제1 및 제2 전극(55, 57)은 Au, Ti, Ni, Cu, Al, Cr, Ag 및 Pt로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나가 포함될 수 있다. 상기 제1 전극(55)은 광을 반사시킬 수 있는 반사층일 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 상기 제1 전극(55)은 다층 구조를 가지고, 다층 중 적어도 하나의 층이 반사층일 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 예컨대, 상기 제1 전극(55)은 접합층, 반사층, 확산 방지층, 전극층, 확산 방지층, 접합층 및 전극 본딩층을 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 예컨대, 상기 제2 전극(57)은 제1 전극(55)에서 반사층이 제거된 나머지 층으로 이루어질 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
도 13은 제3 실시예에 따른 발광 소자를 도시한 단면도이다.
제3 실시예에 따른 발광 소자(1B)는 수평형(lateral type) 발광 소자일 수 있다.
제3 실시예는 제2 실시예의 발광 소자(1A)에서 전극층(53)이 제거되고 180도 뒤집어진 구조일 수 있다. 다시 말해, 제3 실시예의 발광 소자(1B)에 전극층(53)이 추가되고 180도 뒤집으면 제2 실시예의 발광 소자(1A)가 될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 따라서, 제3 실시예에서 제2 실시예와 동일한 기능, 동일한 종류의 물질 및/또는 동일한 형상을 갖는 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여하고 상세한 설명을 생략한다.
도 13을 참조하면, 제3 실시예에 따른 발광 소자(1B)는 성장 기판(37), 발광 구조물(9), 전류 스프레딩층(43), 다수의 파장 변환 구조물(51) 및 제1 및 제2 전극을 포함할 수 있다.
상기 발광 구조물(9)은 적어도 제1 도전형 반도체층(3), 활성층(5) 및 제2 도전형 반도체층(7)을 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 상기 제1 도전형 반도체층(3)은 상기 성장 기판(37) 상에 배치되고, 상기 활성츠은 상기 제1 도전형 반도체층(3) 상에 배치되며, 상기 제2 도전형 반도체층(7)은 상기 활성층(5) 상에 배치될 수 있다.
상기 전류 스프레딩층(43)은 상기 제2 도전형 반도체층(7) 상에 배치되고, 상기 다수의 파장 변환 구조물(51)은 상기 전류 스프레딩층(43)에 배치될 수 있다.
상기 제1 전극은 상기 제1 도전형 반도체층(3)의 상면 일부분에 배치되고, 상기 제2 전극은 상기 제2 도전형 반도체층(7)의 상면 일부분에 배치될 수 있다.
상기 발광 구조물(9)에서 생성된 광은 상기 전류 스프레딩층(43)을 투과하여 외부로 출사될 수 있다.
상기 제2 전극으로 공급된 전류를 상기 전류 스프레딩층(43)의 전 영역으로 스프레딩되어 상기 제2 도전형 반도체층(7)으로 공급되고, 이러한 스프레딩된 전류에 의해 광 효율이 향상될 수 있다.
상기 발광 구조물(9)에서 생성된 광은 서로 상이한 직경을 갖는 다수의 파장 변환 구조물(51)에 의해 서로 상이한 파장의 광으로 변환되므로, 단일 발광 소자(1B)에서 다수의 파장 광을 생성할 수 있어 필요시 백색광을 구현할 수 있다.
도 14는 실시예에 따른 발광 소자 패키지를 도시한 단면도이다.
도 14를 참조하면, 실시예에 따른 발광 소자 패키지는 패키지 바디(101)와, 상기 패키지 바디(101)에 설치된 제1 전극층(103) 및 제2 전극층(105)과, 상기 패키지 바디(101)에 설치되어 상기 제1 전극층(103) 및 제2 전극층(105)으로부터 전원을 공급받는 제1 실시예 및 제2 실시예들에 따른 발광 소자(1)와, 상기 발광 소자(1)를 포위하는 몰딩부재(113)를 포함한다.
상기 패키지 바디(101)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 발광 소자(1)의 주위에 경사면이 형성될 수 있다.
상기 제1 전극층(103) 및 제2 전극층(105)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광 소자(1)에 전원을 제공한다.
또한, 상기 제1 및 제2 전극층(103, 105)은 상기 발광 소자(1)에서 발생된 빛을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있으며, 상기 발광 소자(1)에서 발생된 열을 외부로 배출시키는 역할을 할 수도 있다.
상기 발광 소자(1)는 상기 제1 전극층(103), 제2 전극층(105) 및 상기 패키지 바디(101) 중 어느 하나 위에 설치될 수 있으며, 와이어 방식, 다이 본딩 방식 등에 의해 상기 제1 및 제2 전극층(103, 105)에 전기적으로 연결될 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다.
실시예에서는 한 개의 와이어(109)를 통해 발광 소자(1)를 상기 제1 및 제2 전극층(103, 105) 중 하나의 전극층에 전기적으로 연결시키는 것이 예시되어 있으나, 이에 한정하지 않고 2개의 와이어를 이용하여 발광 소자(1)를 상기 제1 및 제2 전극층(103, 15)에 전기적으로 연결시킬 수도 있으며, 와이어를 사용하지 않고 발광 소자(1)를 상기 제1 및 제2 전극층(103, 105)에 전기적으로 연결시킬 수도 있다.
상기 몰딩부재(113)는 상기 발광 소자(1)를 포위하여 상기 발광 소자(1)를 보호할 수 있다. 또한, 상기 몰딩부재(113)에는 형광체가 포함되어 상기 발광 소자(1)에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있다.
실시예에 따른 발광 소자 패키지는 COB(Chip On Board) 타입을 포함하며, 상기 패키지 바디(101)의 상면은 평평하고, 상기 패키지 바디(101)에는 복수의 발광 소자가 설치될 수도 있다.
실시예에 따른 발광 소자나 발광 소자 패키지는 라이트 유닛에 적용될 수 있다. 상기 라이트 유닛은 표시 장치와 조명 장치, 예컨대 조명등, 신호등, 차량 전조등, 전광판, 지시등과 같은 유닛에 적용될 수 있다.
1, 1A, 1B: 발광 소자
3: 제1 도전형 반도체층
5: 활성층
7: 제2 도전형 반도체층
9: 발광 구조물
11: 채널층
13, 43: 전류 스프레딩층
15, 17, 19, 21, 45, 47, 49, 51: 파장 변환 구조물
23, 53: 전극층
25: 접합층
27: 지지 부재
29: 보호층
31: 광 추출 구조물
33: 전극
37: 성장 기판
55, 57: 전극

Claims (13)

  1. 다수의 화합물 반도체층을 포함하는 발광 구조물;
    상기 발광 구조물 아래에 배치되는 전류 스프레딩층;
    상기 전류 스프레딩층에 배치되는 다수의 파장 변환 구조물;
    상기 전류 스프레딩층 아래에 배치되는 전극층;
    상기 발광 구조물의 주변 영역의 아래에 배치되는 채널층;
    상기 전극층 아래에 배치되는 접합층;
    상기 접합층 아래에 배치되는 지지 부재; 및
    상기 발광 구조물 상에 배치되는 전극을 포함하고,
    상기 전류 스프레딩층은 다수의 그래핀을 포함하며 상기 다수의 파장 변환 구조물을 둘러싸는 그래핀 시트를 포함하고,
    상기 다수의 파장 변환 구조물 각각은 구형의 볼(ball) 형상을 가지고,
    상기 다수의 파장 변환 구조물은, 상기 발광 구조물과 상기 전극층 사이에 배치되며, 제1 직경을 가지는 제1 파장 변환 구조물; 상기 제1 직경보다 큰 제2 직경을 가지는 제2 파장 변환 구조물; 및 상기 제2 직경보다 큰 제3 직경을 가지는 제3 파장 변환 구조물을 포함하고,
    상기 제1 내지 제3 파장 변환 구조물 각각은, 상기 발광 구조물에서 생성된 광을 서로 상이한 다수의 파장의 광으로 변환시키는 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전류 스프레딩층은 상기 채널층의 일부분과 중첩되고, 상기 접합층은 상기 전류 스프레딩층 및 상기 전극층 중 적어도 하나를 둘러싸는 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 파장 변환 구조물 각각은 CdSe, CdSe/ZnS, CdTe/CdS, PbS 및 PuSe 중 적어도 하나를 포함하는 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 파장 변환 구조물 각각은, 코어; 및 상기 코어를 감싸는 쉘을 포함하는 발광 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 파장 변환 구조물의 서로 상이한 직경에 따라 상기 발광 구조물에서 생성된 광이 서로 상이한 파장의 광으로 변환되는 발광 소자.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 파장 변환 구조물이 CdSe를 포함할 경우 상기 파장 변환 구조물의 직경은 1.9nm 내지 6.7nm이고,
    상기 파장 변환 구조물이 CdSe/ZnS를 포함할 경우 상기 파장 변환 구조물의 직경은 2.9nm 내지 6.1nm이고,
    상기 파장 변환 구조물이 CdTe/CdS을 포함할 경우 상기 파장 변환 구조물의 직경은 3.7nm 내지 4.8nm이고,
    상기 파장 변환 구조물이 PbS를 포함할 경우 상기 파장 변환 구조물의 직경은 2.3nm 내지 2.9nm이고,
    상기 파장 변환 구조물은 단일 물질 또는 서로 다른 물질로 이루어진 발광 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전극층은 전극 및 반사층 중 적어도 하나를 포함하는 발광 소자.
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