KR100591942B1 - 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광소자에 관한 것으로서, 특히 두 상부 전극 구조를 갖는 발광소자의 내부에서 형성된 빛을 효과적으로 방출하여 외부양자효율을 증대시킬 수 있는 발광소자를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 발광소자는 기판 상에 순차적으로 형성된 n형 접촉층, 활성층 및 p형 접촉층과, 상기 활성층 및 p형 접촉층의 일부가 제거되어 소정부분 노출된 n형 접촉층과, 상기 n형 접촉층 및 상기 p형 접촉층 상에 각각 n형 및 p형 전극이 형성되는 두 상부전극 구조에 있어서, 상기 기판, n형 접촉층, 활성층 및 p형 접촉층 중에서 하나 이상의 측면이 비 평면처리된 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 발광소자는 측면 발광이 80 %를 차지하는 두 상부전극 구조에서 측면을 비 평면처리하여 측면의 표면적을 증가시키고, 빛의 탈출 임계각을 증가시키는 이점이 있다. 따라서, 외부 양자효율을 증가시켜 광 방출을 용이하게 하므로 발광 효율을 증대시키고, 칩 내부에서 동작 중 발생되는 열이 외부로 용이하게 방출되어 신뢰성을 향상시키는 이점이 있다.

두 상부 전극구조, 발광소자, 비 평면, 곡면, 요철면, 임계각

Description

발광소자{Light Emitting Devices}

도 1은 종래 기술에 따른 발광소자를 개략적으로 도시하는 단면도.

도 2는 종래 기술에 따른 발광소자를 개략적으로 도시하는 평면도.

도 3은 본 발명의 일 예에 따른 발광소자를 개략적으로 도시하는 단면도.

도 4는 도 3의 발광소자를 개략적으로 도시하는 평면도.

도 5는 본 발명의 제 2 예에 따른 발광소자를 개략적으로 도시하는 단면도.

도 6은 도 5의 발광소자를 개략적으로 도시하는 평면도.

도 7은 본 발명의 제 3 예에 따른 발광소자를 개략적으로 도시하는 단면도.

도 8은 도 7의 발광소자를 개략적으로 도시하는 평면도.

도 9는 본 발명의 제 4 예에 따른 발광소자를 개략적으로 도시하는 단면도.

도 10은 본 발명의 제 5 예에 따른 발광소자를 개략적으로 도시하는 평면도.

도 11은 종래의 발광소자와 본 발명에 따른 발광소자의 시간에 따른 광도변화를 나타내는 그래프.

본 발명은 발광소자에 관한 것으로서, 특히 두 상부 전극구조(two-top structure)를 갖는 발광소자의 내부에서 형성된 빛을 효과적으로 방출하여 외부양자효율을 증대시킬 수 있는 발광소자에 관한 것이다.

일반적으로 발광소자는 활성층을 사이에 구비한 n형 및 p형 접촉층이 형성되어 상기 n형 및 p형 접촉층에 각각 n형 및 p형 전극이 양극 구조를 갖도록 형성된다.

상기에서 p형 접촉층은 저항률이 매우 높으므로 p형 접촉층 전면에 금속 전극을 형성하게 되는데, 이렇게 형성된 전극은 두께를 증가시킬수록 p형 접촉층에 균일하게 전류를 분포시키는 역할을 수행하지만 반대로 발광소자의 내부에서 형성된 빛의 방출을 감소시키는 역할을 한다.

따라서, 일반적인 질화물 발광소자에 있어서 외부로 방출되는 빛의 약 20 % 정도 만이 p형 전극 상부로 방출되어지고, 나머지 80 % 정도는 칩의 측면을 통해 발광을 하게된다. 게다가 질화갈륨과 공기와의 굴절률은 각각 2.4와 1로 두 가지 물질 사이에는 23.6도의 임계각이 형성된다. 이 경우 그 이상의 각도로 발생되는 빛은 외부로 방출되지 못하고 내부로 전반사를 일으키게된다.

상기와 같은 이유로 질화물 발광다이오드의 일반적인 외부양자효율은 약 10 % 내외에 머물고 있는 실정으로, 조명용 발광소자의 구현을 위해서는 더 높은 외부양자 효율이 필요한 실정이다.

도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 두 상부전극 구조를 갖는 발광소자의 구조를 개략적으로 도시하는 단면 및 평면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 종래에는 질화물 발광소자의 경우, 사파이어 기판(11)의 일 면 상에 n형 접촉층(12), 활성층(13), p형 접촉층(14)이 순차적으로 적층되어 있고, 상기 p형 접촉층(14) 및 활성층(13)의 소정 부분이 제거되면서 노출된 n형 접촉층(12)과 상기 p형 접촉층(14) 상의 소정 부분에 각각 n형 및 p형 전극(15)(17)이 형성된 두 상부 전극구조를 형성한다. 상기에서 p형 접촉층(14)과 p형 전극(17) 사이에는 상기 p형 접촉층(14)을 덮는 투명전극(16)이 형성된다.

상술한 소자의 평면도가 도 2에 도시된 것으로, 도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이 종래의 발광소자의 경우 상기 n형 접촉층(12)을 노출시키기 위해 상기 활성층(13)과 p형 접촉층(14)이 제거된 측면은 거의 수직에 가까운 평면의 형태로 제조하고 있다.

이는 측면 발광 효율이 상부 발광효율보다 높은 질화물계 반도체에서, 발광소자 발광율의 약 80 %를 차지하는 측면으로 방출되는 광자 중 임계각 이상의 각도를 가진 광자는 칩 내부로 전반사를 일으켜 빛이 칩의 내부에 가두어지게 되고 이는 발광소자 또는 기판 내에서 흡수되어 외부 양자효율을 현저히 저하시키는 원인이 된다.

따라서, 본 발명에서는 두 상부전극 구조를 갖는 발광소자의 측면을 비 평면으로 제조하여 면적 및 광의 탈출 임계각을 변형시켜 발광 효율을 증대시킬 수 있는 발광소자를 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 발광소자는 기판 상에 순차적으로 형성된 n형 접촉층, 활성층 및 p형 접촉층과, 상기 활성층 및 p형 접촉층의 일 부가 제거되어 소정부분 노출된 n형 접촉층과, 상기 n형 접촉층 및 상기 p형 접촉층 상에 각각 n형 및 p형 전극이 형성되는 두 상부전극 구조에 있어서, 상기 기판, n형 접촉층, 활성층 및 p형 접촉층 중에서 하나 이상의 측면이 비 평면처리된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 3 내지 도 10은 본 발명의 각 실시 예에 따른 발광소자의 개략적인 단면도 및 측면도이고, 도 11은 본 발명으로 제조된 발광소자와 종래의 발광소자의 신뢰성 테스트 결과이다.

본 발명의 일 실시 예는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 질화물 발광소자의 경우, 기판(21)의 일 면 상에 n형 접촉층(22), 활성층(23), p형 접촉층(24)이 순차적으로 적층되어 있고, 상기 p형 접촉층(24) 및 활성층(23)의 소정 부분이 제거되면서 노출된 n형 접촉층(22)과 상기 p형 접촉층(24) 상의 소정 부분에 각각 n형 및 p형 전극(25)(27)이 형성된 두 상부 전극구조를 형성한다. 상기 기판(21)으로는 사파이어(Al₂O₃), 질화알루미늄(AlN), 질화갈륨(GaN), 탄화규소(SiC), 셀레늄아연(ZnSe) 또는 질화붕소(BN) 등을 사용할 수 있고, 상기 p형 접촉층(24)과 상기 p형 전극(27) 사이에 투명전극(26)을 형성할 수 있다.

상기에서 소정 부분의 n형 접촉층을 노출시키는 패터닝 과정을 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기 순차적으로 적층된 p형 접촉층 상에 마스크로 이용될 수 있는 금속, 산화물 또는 감광성 수지를 도포 한다.

이렇게 도포된 마스크는 선택적으로 자외선 광에 반응하는 감광성 수지의 성질을 이용하여 잔여할 p형 접촉층의 테두리가 비선형인 포토 마스크를 사용하여 마스킹 작업을 실시한다.

그후, 플라즈마를 이용한 건식 식각 등의 방법을 이용하여 상기 p형 접촉층 및 활성층을 일부 제거하여 소정 부분의 n형 접촉층이 노출되도록 한다.

이렇게 일부 제거된 p형 접촉층 및 활성층의 측면(29)은 도 4의 평면도에서 볼 수 있듯 평면이 아닌 곡면 처리가 되어 측면으로 발광되는 빛의 탈출 임계각을 변형시켜 광자 방출 효과가 개선되며, 측면의 표면적이 종래에 비해 상대적으로 증가되므로 칩 내부에서 형성된 광자들이 외부로 빠져 나올 수 있는 확률을 증가시킨다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 제 2 실시 예를 나타내는 것으로, 도시된 바와 같이 질화물 발광소자의 경우, 기판(21)의 일 면 상에 n형 접촉층(22), 활성층(23), p형 접촉층(24)이 순차적으로 적층되어 있고, 상기 p형 접촉층(24) 및 활성층(23)의 소정 부분이 제거되면서 노출된 n형 접촉층(22)과 상기 p형 접촉층(24) 상의 소정 부분에 각각 n형 및 p형 전극(25)(27)이 형성된 두 상부 전극구조를 형성한다.

이후, 개별 칩으로 분리하는 스크라이빙 공정 수율 증가 및 스크라이빙 공정 중 발생하는 크랙 전파에 의한 초기특성 저하 및 신뢰성 감소를 개선하고자 n형 접촉층을 개별 소자로 분리하는 식각을 진행할 수 있는데, 이때, n형 접촉층의 측면(30)을 도 3 및 도 4의 곡면 형성 방법과 같이 비선형 마스크를 이용한 패터닝 작업으로 상기 n형 접촉층의 측면을 곡면으로 제조할 수 있다. 이러한 경우에도 활성층 및 p형 접촉층보다 상대적으로 두께가 두껍게 형성되는 n형 접촉층의 측면 면적 및 빛의 탈출 임계각의 증가로 발광 효율을 증대시킬 수 있게된다.

도 7 및 도 8은 본 발명의 제 3 실시 예로 상술한 제 1 및 제 2 실시 예를 혼합한 것이다.

도시된 바와 같이 소정 부분의 n형 접촉층을 노출시키기 위한 p형 접촉층 및 활성층의 제거 시와, 개별소자 분리 시에 비선형 마스크를 사용한 패터닝 작업으로 상기 n형 접촉층의 측면(30)과, 활성층 및 p형 접촉층의 측면(29)이 곡면 처리되어 측면의 면적 및 임계각을 증가시켜 발광 효율을 더욱 증대시킬 수 있게된다.

도 9는 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 발광소자로, 기판의 측면(31)과, n형 접촉층의 측면(30) 및 활성층 및 p형 접촉층의 측면(29) 모두를 비평면처리한 것을 나타낸다.

상술한 경우에도 기판의 측면 발광 효율을 증대시킬 수 있게 된다.

또한, 도시하지 않았지만 소자의 형성 후 기판을 제거한 경우에도 측면을 비평면 처리하는 본 발명을 적용시켜 발광 효율을 증대시킬 수 있다.

도 10은 본 발명의 제 5 실시 예에 따른 발광소자로, 측면(31)의 곡면 형태 다른 예를 보여주고 있다.

이러한 곡면의 경우 역시 도시한 n형 측면(31)외에도 활성층 및 p형 접촉층의 측면에도 적용 가능하고, 상기 두 가지 측면 모두에도 적용이 가능하여 측면의 면적 및 임계각의 증가로 광방출 효과를 증가시킬 수 있게된다.

상술한 구조에서 비 평면의 형태는 균일 또는 불균일에 관계없고, 평면이 아닌 모든 곡면 및 요철면을 포함한다.

도 11은 종래의 발광소자와 본 발명의 발광소자를 신뢰성 테스트하여 시간별 광도변화를 나타내는 그래프이다.

칩의 테두리가 곡면으로 형성된 발광소자는 소자의 동작시 발생되는 열이 곡면에 전파되고 발광소자의 측면을 따라 외부로 일반 칩에 용이하게 방출된다. 일반 칩의 경우 20 ㎃, 80 ℃ 인가 조건에 대해 1,000 시간 동안 신뢰성 시험 후, 광도가 평균 40 % 저하되는 결과를 나타내나, 본 발명에 따른 측면을 곡면 처리하여 가공된 발광소자는 동일한 조건에서 광도가 10 % 저하되는 결과를 나타낸다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 발광소자는 측면 발광이 80 %를 차지하는 두 상부전극 구조에서 측면을 비 평면처리하여 측면의 표면적을 증가시키고, 빛의 탈출 임계각을 증가시키는 이점이 있다.

따라서, 외부 양자효율을 증가시켜 광 방출을 용이하게 하므로 발광 효율을 증대시키고, 칩 내부에서 동작 중 발생되는 열이 외부로 용이하게 방출되어 신뢰성을 향상시키는 이점이 있다.

Claims (3)

1. 기판을 준비하는 단계;

   상기 기판 상에 n형 접촉층, 활성층, p형 접촉층을 순차적으로 형성하는 단계;

   상기 p형 접촉층 상에 테두리가 비선형인 마스크를 사용하여 마스킹 작업을 실시하는 단계;

   상기 활성층 및 p형 접촉층의 일부를 플라즈마를 이용한 건식 식각으로 제거하여 n형 접촉층의 소정부분을 노출시키며, 활성층 및 p형 접촉층의 측면을 비평면 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조방법.
2. 기판을 준비하는 단계;

   상기 기판 상에 n형 접촉층, 활성층, p형 접촉층을 순차적으로 형성하는 단계;

   상기 활성층, p형 접촉층의 소정부분을 제거하여 노출시키는 단계;

   상기 n형 접촉층을 비선형 마스크를 이용한 패터닝 작업으로 개별 소자로 분리하며, n형 접촉층의 측면을 비평면 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조방법.
3. 기판을 준비하는 단계;

   상기 기판 상에 n형 접촉층, 활성층, p형 접촉층을 순차적으로 형성하는 단계;

   상기 p형 접촉층 상에 테두리가 비선형인 마스크를 사용하여 마스킹 작업을 실시하는 단계;

   상기 활성층 및 p형 접촉층의 일부를 플라즈마를 이용한 건식 식각으로 제거하여 n형 접촉층의 소정부분을 노출시키며, 활성층 및 p형 접촉층의 측면을 비평면 처리하는 단계;

   상기 n형 접촉층을 비선형 마스크를 이용한 패터닝 작업으로 개별 소자로 분리하며, n형 접촉층의 측면을 비평면 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조방법.

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