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KR20120114033A - 방열 구조를 갖는 발광다이오드 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

방열 구조를 갖는 발광다이오드 소자 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR20120114033A
KR20120114033A KR1020110031770A KR20110031770A KR20120114033A KR 20120114033 A KR20120114033 A KR 20120114033A KR 1020110031770 A KR1020110031770 A KR 1020110031770A KR 20110031770 A KR20110031770 A KR 20110031770A KR 20120114033 A KR20120114033 A KR 20120114033A
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Abstract

본 발명은 반도체층에서 발생하는 열을 효율적으로 방출시켜 안정적으로 동작할 수 있도록 하면서 동시에 반도체층에 다층 구조의 메탈층을 개입시켜 높은 반사율을 나타내는 수직 구조형 발광다이오드 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, LED 소자는, 기판과 상기 기판 상에 소정의 간격을 유지하면서 다수개 형성되는 스페이서로 구성되는 지지층; 및 상기 지지층의 다수개의 스페이서 단부 상에 형성되는 반도체층을 포함하되, 상기 기판과 상기 반도체층 사이에는 상기 스페이서에 의한 공기층이 확보되도록 구성된다.
또한, LED 소자의 제조 방법은, 기판 상에 제1도전층, 활성층 및 제2도전층을 순차적으로 성장시켜 반도체층을 제조하는 단계; 상기 반도체층을 제조하는 단계와 별도로, 기판 상에 소정의 간격을 이루는 다수개의 스페이서를 성장시켜 지지층을 제조하는 단계; 상기 반도체층과 상기 지지층의 스페이서 단부를 합지하는 단계; 및 상기 반도체층에 부착된 기판을 분리하는 단계;로 이루어진다.

Description

방열 구조를 갖는 발광다이오드 소자 및 그 제조 방법{LED with heat dissipation structure and the processing method thereof}
본 발명은 발광다이오드 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체층에서 발생하는 열을 효율적으로 방출시켜 안정적으로 동작할 수 있도록 하면서 동시에 반도체층에 다층 구조의 메탈층을 개입시켜 높은 반사율을 나타내는 수직 구조형 발광다이오드 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 발광다이오드(Light Emitting Diode, 이하 'LED'라 함)는 화합물 반도체 재료의 변경을 통해 발광원을 구성함으로써, 다양한 색상의 빛을 구현할 수 있는 반도체 소자를 말한다. 최근에는 질화갈륨(GaN)계 Ⅲ-Ⅴ족 혼합물의 연구 개발에 힘입어, 청색 및 자외선 광을 발광하는 소자가 상용화됨으로써 표시장치, 광원용 장치, 환경 응용장치 등의 소자로 널리 이용되고 있다.
질화갈륨(GaN)계 LED 소자는 일반적으로 사파이어(Sapphire) 기판 상에 성장시켜 제조한다. 그러나, 사파이어 기판은 단단하고 전기적으로 부도체이며 열전도 특성이 좋지 않아 소자의 크기를 줄여 제조원가를 절감하거나, 광 출력 및 칩의 특성을 개선시키는 데는 한계가 있다. 특히, LED 소자의 고 출력화를 위해서는 대전류 인가가 필수이므로, LED 소자의 열 방출 문제를 해결하는 것이 매우 중요하다. 이러한 문제를 해결하기 위한 수단으로 사파이어 기판 상에 반도체층을 성장시킨 후 레이저 리프트 오프(Laser Lift-Off, 이하 'LLO' 라함) 기술에 의해 사파이어 기판을 제거하는 수직구조형 질화갈륨계 LED 소자가 제안되었다.
도 1은 종래의 기술에 따른 수직구조형 LED 소자(1)를 나타낸 단면도이다. 종래의 LED 소자(1)는, 지지체(10) 상에 반도체층(40)이 형성되는 구조를 이룬다. 또한, 지지층(10)과 반도체층(30) 사이에는 오믹 특성(ohmic contact)과 반사 특성(reflectance metal)을 나타내는 메탈층(20)이 각각 개입되며, 반도체층(30) 상측에는 투명전극(40)과 n형 전극(50)이 형성된다. 반도체층(30)은 질화갈륨계 화합물로서, p형 반도체층(31, p-GaN), 활성층(32) 및 n형 반도체층(33, n-GaN)이 순차적으로 적층되어, 전자와 정공의 결합에 의한 발광층을 형성한다. 특히, 반도체층(30)에서 발생하는 빛은 메탈층(20)에 의하여 전방으로 반사됨으로써, 높은 휘도를 구현하게 된다. 이를 위하여 메탈층(20)으로는 알루미늄(Al), 은(Ag), 백금(Pt)와 같이 전기 전도성과 함께 높은 반사율을 가지는 메탈 미러(metal mirror)가 이용되며, 약 4,000 내지 10,000 Å의 두께를 가지는 단일 레이어(single layer)로 형성된다.
그러나, 상기와 같은 구조의 LED 소자(1)에서는 발광시 반도체층(30)에서 발생하는 열이 지지체()를 통해서만 배출되는데, 공기와의 접촉 면적이 한정되어 있어, 열을 외부로 방출하는데 한계를 나타낸다. 또한, 반사층(20)으로 Al, Ag, Pt와 같은 메탈 미러를 사용함으로써, 각 메탈 간의 열팽창 계수 차이에 의하여 제조 공정이 어렵고, 사용되는 메탈의 높은 가격으로 인하여 제조 비용이 상승하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 지지층과 반도체층 사이에 소정의 간격을 이루도록 다수개의 방열 스페이서를 개입시킴으로써, 반도체층에서 발생하는 열을 효율적으로 외부로 방출시킬 수 있는 수직 구조형 LED 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 반사층을 TiO2 와 SiO2 가 반복적으로 적층되는 다층 구조로 형성함으로써, 높은 반사율로 휘도를 향상시킬 수 있는 LED 소자를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 LED 소자는, 기판과 상기 기판 상에 소정의 간격을 유지하면서 다수개 형성되는 스페이서로 구성되는 지지층; 및 상기 지지층의 다수개의 스페이서 단부 상에 형성되는 반도체층을 포함하되, 상기 기판과 상기 반도체층 사이에는 상기 스페이서에 의한 공기층이 확보되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 방열 스페이서는 ZnO 으로 구성되는 기둥 또는 평판의 패널 형상으로 형성될 수 있고, 상기 상기 지지층은 Cu, W 혹은 CuW 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 메탈층은 TiO2 와 SiO2 층이 반복적으로 적층되는 구조를 이룬다.
본 발명의 LED 소자 제조 방법은, 기판 상에 제1도전층, 활성층 및 제2도전층을 순차적으로 성장시켜 반도체층을 제조하는 단계; 상기 반도체층을 제조하는 단계와 별도로, 기판 상에 소정의 간격을 이루는 다수개의 스페이서를 성장시켜 지지층을 제조하는 단계; 상기 반도체층 상에 메탈 페이스트를 형성하여 접합층을 형성하는 단계; 상기 반도체층의 접합층에 상기 지지층의 스페이서 단부를 합지하는 단계; 및 상기 반도체층에 부착된 기판을 분리하는 단계;로 이루어진다.
상기와 같은 구성의 본 발명은 방열 스페이서에 의하여 지지층과 반도체층 사이에 공기층을 형성함으로써, 반도체층에서 발생하는 열을 효율적으로 방출시킬 수 있다.
또한, 지지층과 반도체층 사이에 개입되는 메탈층은 TiO2 와 SiO2 층이 반복적으로 적층되어, 저렴한 비용으로 제조할 수 있고, 높은 반사율을 가져 휘도를 증가시킬 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 수직 구조형 LED 소자를 나타낸 종단면도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 구조형 LED 소자를 나타낸 종단면도,
도 3은 도 2의 LED 소자에 대한 주요부인 지지층을 나타낸 평면도,
도 4a 내지 도 4c는 도 2의 LED 소자의 제조 공정을 나타낸 종단면도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직 구조형 LED 소자를 나타낸 종단면도,
도 6은 도 1 및 도 5의 LED 소자에 대한 광 특성을 나타낸 비교 그래프이다.
본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 바람직한 실시예들에 의해 명확해질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 살펴보기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수직 구조형 LED 소자를 나타낸 종단면도이고, 도 3은 도 2의 LED 소자에 대한 주요부인 지지층을 나타낸 평면도이다. 이들 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 LED 소자(100)는 지지층(110) 상에 메탈층(120)과 반도체층(130)이 각각 형성되는 구조를 이룬다.
여기서, 지지층(110)은 반도체층(130)을 지지하고, 사파이어 기판(도 4의 160) 제거 공정 시 반도체층(130)의 의 손상을 방지한다. 수직 구조형 질화갈륨계 LED 소자는 사파이어 기판(160) 상에 반도체층(130)을 성장시키고, 반도체층(130)이 성장된 후에는 LLO 공정을 이용하여 사파이어 기판(160)을 제거한다. 이때, LLO 공정 시 높은 열에 의하여 반도체층(130)이 손상될 수 있기 때문에, 메탈층(120)에 지지층(110)을 부착함으로써 반도체층(130)을 보호하게 된다. 또한 지지층(110)은 메탈층(120)을 통하여 전류를 공급하고, 반도체층(130)에서 발생하는 열을 외부로 방출시키는 통로의 역할을 수행한다. 이를 위하여 지지층(110)은 전기 전도성과 함께 열 전도성이 우수한 물질의 성장 기판(111)이 이용되며, 일 예로 Cu 기판, Si 기판, GaAs 기판, Ge 기판 등이 사용될 수 있다. 특히, 본 발명에 있어서는 후술하는 스페이서(spacer, 112)를 성장시키기 위하여 전기적 전도성과 함께 내열성이 우수한 Cu 기판, W 기판 또는 CuW 기판으로 구성되거나, 적어도 이들 금속을 포함하는 기판으로 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 지지층(110)은 반도체층(130)에서 발생하는 열을 신속히 방출하기 위하여 성장 기판(111)의 상면에 방열 스페이서(112)가 구비된다. 방열 스페이서(112)는 성장 기판(111)과 반도체층(또는 메탈층) 사이에 소정의 간격을 가지는 공기층(113)을 형성하고, 반도체층(130)에서 발생하는 열을 흡수하여 공기층(113)으로 방출하는 기능을 한다. 이를 위하여 스페이서(112)는 열 전도성이 우수한 재질의 금속으로 구성된다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 스페이서(112)는 성장 기판(111) 상에 기둥(rod) 형상으로 형성되며, 직경(d)은 수 ㎚ 내지 수 ㎛의 크기로 형성될 수 있으며, 효율적인 방열을 위하여 수 ㎚로 형성되는 것이 바람직하다.
이러한 스페이서(112)는 기판(111) 상에 CVD, MOCVD, PECVD 또는 에피택셜 등의 공정으로 성장시킬 수 있다. 이때, 성장 기판(111)으로는 높은 열에 대한 내성을 가질 수 있는 텅스텐(W) 기판이나 이를 포함하는 합금(CuW)이 사용되는 것이 바람직하다. 스페이서(112)는 열 전도성이 우수하고, 수 ㎚의 직경(d)으로 용이하게 성장시킬 수 있는 금속이 사용되는 것이 바람직하며, 일 예로 ZnO 금속이 사용된다.
도 2 및 도 3의 실시예에 있어서, 스페이서(112)는 기둥 형상을 예로 도시하였으나, 수직의 평판 패널 형상으로 형성될 수도 있다. 기둥 형상의 스페이서(112)는 평판 패널 형상의 스페이서에 비하여 공기와의 접촉 면적이 상대적으로 더 넓어 열 방출이 신속히 이루어질 수 있다.
메탈층(120)은 반도체층(130)에 전류를 공급하고, 반도체층(130)에서 발생되는 빛을 전면(前面)으로 반사시켜 휘도와 같은 광 특성을 향상시키기 위한 구성이다. 이를 위하여 메탈층(120)은 오믹 특성과 반사 특성을 가지는 Al, Ag 또는 Pt의 단층이나 Ti/Al 또는 Ni/Au 등의 다층 구조로 형성될 수 있다. 특히, 본 발명에서는 활성층(132)으로부터의 빛에 대하여 높은 반사율을 나타낼 수 있도록, TiO2 와 SiO2 가 반복적으로 적층되는 다층 구조로 형성가능하며, 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
또한, 스페이서(112)와 메탈층(120) 사이에는 접합층(114)이 형성되어 있다. 접합층(114)은 페이스트 형태의 도전성 본딩 메탈(bonding metal)로, Ag/Si 페이스트가 사용될 수 있다. 이 접합층(114)은 스페이서(112) 단부가 메탈층(120)에 접합되도록 합지한다.
반도체층(130)은 p-n 접합의 원리에 의하여 빛을 발생시키기 위한 구성으로, p형 반도체층(131), 활성층(132) 및 n형 반도체층(133)으로 이루어진다. 여기서 p형 반도체층(131)과 n형 반도체층(133)은 질화갈륨(GaN)계 화합물에 각각 p형 및 n형 도전성 불순물이 도핑되며, 일 예로 Mg과 Si가 각각 도핑될 수 있다. 또한 활성층(132)은 다중 양자우물(Multi-Quantum Well) 구조의 질화갈륨층으로 이루어진다. 또한, n형 반도체층(133) 상에는 전극 패드(150)가 형성되며, 전극 패드(150)를 통하여 유입되는 전류의 집중을 방지하기 위하여 반도체층(130)과 전극 패드(150) 사이에는 투명 전극(140)이 더 형성된다.
상기와 같은 구성의 LED 소자(100)는 기판(111)과 전극 패드(150)를 통하여 전압이 인가되면, n형 반도체층(133)으로부터 전자가 이동하고, p형 반도체층(131)으로부터 정공이 이동하여, 활성층(132)에서 전자 및 정공의 재결합이 일어나 발광하게 된다. 이 과정에서 발생되는 열은 지지층(110)의 방열 스페이서(112)를 통하여 공기층(113)의 외부로 방출된다.
한편, 본 발명의 실시예에 있어서, 반도체층(130)은 하부 반도체층이 n형 반도체층으로 구성되고, 상부 반도체층이 p형 반도체층으로 구성될 수 있다. 또한, 반도체층(130)은 메탈층(120)의 개입 없이 지지층(110)과 직접 결합될 수도 있으며, 이 경우 구조 및 제조 공정이 더욱 간단해질 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 LED 소자의 제조 공정을 나타낸 공정도이다. 본 발명의 실시예에 따른 LED 소자의 제조 과정은, 먼저, 도 4a의 (가)에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판(160) 위에 n형 반도체층(133), 활성층(132), p형 반도체층(130)이 순차적으로 적층되는 반도체층(130)을 성장시킨다. 반도체층(130) 상에는 다시 메탈층(120)을 성장시킨다. 이때, 메탈층(120)은 단층 혹은 다층 구조로 형성될 수 있으며, 메탈층(120) 형성 공정이 생략될 수도 있다. 한편, (나)에 도시된 바와 같이 별도의 공정에서 지지층(110)을 제조한다. 지지층(110)은 성장 기판(111) 상에 기둥 형상의 다수개의 스페이서(112)를 성장시켜 제조하며, 각 스페이서(112)는 소정의 간격을 이루도록 하여 열 방출 공간을 확보한다. 성장 기판(111)으로는 Cu, W 혹은 CuW 합금이 사용되고, 스페이서(112)로는 ZnO 금속이 사용될 수 있다.
반도체층(130)과 지지층(110)을 각각의 공정에서 제조한 후, 이들을 합지하는 공정이 이루어진다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 메탈층(120) 상면에 합지를 위한 접합층(114)을 형성한다. 접합층(114)이 형성된 반도체층(130) 상에 지지층(110)을 합지한다. 이때, 지지층(110)의 스페이서(112) 단부가 메탈층(120)에 접촉하도록 합지하고, 접합층(114)의 페이스트를 경화시키게 된다.
그리고, 도 4c에 도시된 바와 같이, 반도체층(130)의 하부에 부착된 사파이어 기판(160)을 제거하는 공정이 이루어지며, 반도체층(130)과 사파이어 기판(160)의 분리는 LLO 공정이 이용된다. 사파이어 기판(160)을 제거한 후, 노출된 n형 반도체층(133) 상에 도 2와 같은 투명 전극(140)과 n형 전극 패드(150)를 각각 형성하는 과정으로 LED 소자(100)를 제조한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직 구조형 LED 소자를 나타낸 종단면도이고, 도 6은 도 1 및 도 5의 LED 소자에 대한 광 특성을 나타낸 비교 그래프이다. 도 5의 실시예에 따른 LED 소자는, 오믹 특성과 반사 특성을 가지는 메탈층(120)이 다층(Multi-layer) 구조로 형성된다. 서로 다른 굴절율을 가지는 박막의 메탈층(120)을 교차 적층시키는 경우 광 반사율을 극대화할 수 있다.
이를 위하여 본 발명에서는 고굴절율을 가지는 TiO2 박막층(121)과 상대적으로 저굴절율을 가지는 SiO2 박막층(122)이 반복적으로 적층된다. 이러한 다층 구조의 메탈층(120)은 적어도 99% 이상의 광 반사율을 나타낸다. 특히, TiO2 와 SiO2 단일 박막층(121,122)의 두께와 반복되는 박막(layer)의 수를 조절함으로써, 원하는 영역의 파장에 대한 반사율을 향상시킬 수 있다. 일 예로, 본 발명에서와 같이, 70㎚ 내외의 두께의 TiO2 박막층(121)과 50㎚ 내외의 두께의 SiO2 박막층(122)이 약 10회의 주기로 반복 적층되는 경우, 대략 400㎚ 내지 550㎚ 영역의 파장에 대하여 높은 반사율을 나타낸다. 이때, 교차 적층되는 다층 구조의 메탈층(120)에서, 최상부층과 최하부층은 동일한 종류의 박막층으로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 도 6에서는 종래의 기술에 따른 단층 구조의 메탈층과 본 발명에 따라 다층 구조의 메탈층에 대한 광 반사율을 각각 나타내었다. 여기서 종래의 기술에 LED 소자(1)에서는 단층 구조의 Al 메탈층(비교예1)과 Ag 메탈층(비교예2)에 의한 반사율을 각각 측정하였다. 또한, 본 발명에 따른 LED 소자(100)에서는 대략 70㎚의 두께와 50㎚의 두께를 가지는 TiO2 와 SiO2 박막층을 19층의 레이어(layer)로 서로 반복 적층하고, 최상부층과 최하부층은 TiO2 박막층을 형성하였다.
도면에서 알 수 있는 바와 같이, Al 메탈층(비교예1)의 경우 전체 파장 영역에 대하여 95% 내외의 반사율을 나타내지만, 청색 계열인 450㎚ 혹은 그 이하의 파장 영역에서는 95%에 미치지 못하는 반사율을 나타내었다. 또한, Ag 메탈층(비교예2)의 경우 전체 파장 영역에 대하여 90% 내외의 상대적으로 낮은 반사율을 나타내었다. 그러나 본 발명에 따른 TiO2 와 SiO2 가 교차 적층된 메탈층(실험예)의 경우 Al 혹은 Ag 메탈층에 비하여 현저히 높은 반사율을 나타내었으며, 특히 청색과 녹색 계열인 420㎚ 내지 530㎚의 파장 영역에서는 99% 이상의 높은 반사율을 나타내었다. 따라서 본 발명에 따른 TiO2 와 SiO2 에 의한 다층 구조의 반사층에서는 원하는 영역의 파장에 대하여 고반사시킬 수 있으며, 특히, 청색 및 녹색 계열의 빛을 발하는 LED 소자에 대하여 고휘도를 구현할 수 있는 효과를 나타낸다.
이상에서 본 발명에 있어서 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
100 : LED 소자 110 : 지지층
111 : 기판 112 : 스페이서(spacer)
113 : 공기층 114 : 접합층
120 : 메탈층 130 : 반도체층
140 : 투명전극 150 : 전극패드
160 : 사파이어 기판

Claims (5)

  1. 기판과, 상기 기판 상에 소정의 간격을 유지하면서 다수개 형성되는 스페이서로 구성되는 지지층; 및,
    상기 지지층의 다수개의 스페이서 단부 상에 형성되는 반도체층을 포함하되,
    상기 기판과 상기 반도체층 사이에는 상기 스페이서에 의한 공기층이 확보되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 수직 구조형 LED 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스페이서는,
    ZnO 으로 구성되는 것을 특징으로 하는 수직 구조형 LED 소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 기판은,
    Cu, W 혹은 CuW 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 구조형 LED 소자.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체층 하부에는,
    TiO2 와 SiO2 층이 반복적으로 적층되는 메탈층이 개입되는 것을 특징으로 하는 수직구조형 LED 소자.
  5. 기판 상에 제1도전층, 활성층 및 제2도전층을 순차적으로 성장시켜 반도체층을 제조하는 단계;
    상기 반도체층을 제조하는 단계와 별도로, 기판 상에 소정의 간격을 이루는 다수개의 스페이서를 성장시켜 지지층을 제조하는 단계;
    상기 반도체층과 상기 지지층의 스페이서 단부를 합지하는 단계; 및,
    상기 반도체층에 부착된 기판을 분리하는 단계;를 포함하는 LED 소자 제조방법.
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