KR101729263B1 - 발광 소자, 발광 소자의 제조방법 및 발광 소자 패키지 - Google Patents
발광 소자, 발광 소자의 제조방법 및 발광 소자 패키지 Download PDFInfo
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Abstract
실시예는, 기판; 상기 기판 상에 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하고, 상기 제2 도전형 반도체층부터 상기 제1 도전형 반도체층의 일부분까지 식각되어 상기 제1 도전형 반도체층의 일부가 노출되는 발광 구조물; 상기 제1 도전형 반도체층의 노출부에 형성된 제 1 전극; 및 상기 제 2 반도체 층 상에 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 2 도전형 반도체층의 에지 부분은 상기 발광 구조물의 수평선상에 대하여 경사를 이루는 발광 소자를 제공한다.
Description
실시예는 발광 소자, 발광 소자 제조방법 및 발광 소자 패키지에 관한 것이다.
반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Ligit Emitting Diode)나 레이저 다이오드와 같은 발광소자는 박막 성장 기술 및 소자 재료의 개발로 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광 물질을 이용하거나 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색 광선도 구현이 가능하며, 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경친화성의 장점을 가진다.
따라서, 광 통신 수단의 송신 모듈, LCD(Liquid Crystal Display) 표시 장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 발광 다이오드 백라이트, 형광등이나 백열 전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드 조명 장치, 자동차 헤드 라이트 및 신호등에까지 응용이 확대되고 있다.
실시예는 발광 소자의 전기적 특성과 광학적 특성의 향상을 위한 것이다.
실시예는, 기판; 상기 기판 상에 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하고, 상기 제2 도전형 반도체층부터 상기 제1 도전형 반도체층의 일부분까지 식각되어 상기 제1 도전형 반도체층의 일부가 노출되는 발광 구조물; 상기 제1 도전형 반도체층의 노출부에 형성된 제 1 전극; 및 상기 제 2 반도체 층 상에 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 2 도전형 반도체층의 에지 부분은 상기 발광 구조물의 수평선상에 대하여 경사를 이루는 발광 소자를 제공한다.
다른 실시예는 패키지 몸체; 상기 패키지 몸체 상에 구비된 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항의 발광 소자; 상기 패키지 몸체 상에 구비되고, 상기 발광 소자와 각각 연결되는 제 1 전극층과 제 2 전극층; 및 상기 발광 소자를 포위하는 충진재를 포함하는 발광 소자 패키지를 제공한다.
여기서, 상기 제1 도전형 반도체층이, 상기 제2 도전형 반도체층 및 활성층의 에지 부분과 연속하여 경사를 이룰 수 있다.
그리고, 상기 발광 구조물은 상기 제2 도전형 반도체층부터 활성층 및 제1 도전형 반도체층의 순서로 면적이 넓게 구비될 수 있다.
그리고, 상기 발광 구조물은 상기 발광 구조물의 수평선 상에 대하여, 상기 기판, 제1 도전형 반도체층의 에지를 연결한 선이 5~85도의 각도를 이룰 수 있다.
그리고, 상기 발광 구조물의 에지 부분이 패터닝될 수 있다.
그리고, 상기 발광 구조물의 에지 부분이 요철 형상일 수 있다.
또한, 상기 기판, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층은 1~20 마이크로 미터의 높이를 가질 수 있다.
또 다른 실시예는 기판 상에, 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물을 형성하는 단계; 상기 제1 도전형 반도체층의 일부와 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 식각하는 단계; 상기 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 상에 각각 전극을 형성하는 단계; 및 상기 제1 도전형 반도체층을 경사지게 식각하는 단계를 포함하는 발광 소자의 제조방법을 제공한다.
상기 발광 소자의 제조방법은 상기 제2 도전형 반도체층을 경사지게 식각하는 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 경사지게 식각하는 단계는 상기 제2 도전형 반도체층부터 활성층의 순서로 면적이 넓게 식각할 수 있다.
그리고, 상기 경사지게 식각하는 단계는 상기 발광 구조물의 수평선 상에 대하여, 상기 기판의 에지로부터 제1 도전형 반도체층의 에지를 연결한 선이 5~85도의 각도를 이루도록 식각할 수 있다.
상기 경사지게 식각하는 단계는 상기 발광 구조물의 수평선 상에 대하여, 상기 기판의 에지로부터 제1 도전형 반도체층 및 활성층의 에지를 연결한 선이 5~85도의 각도를 이루도록 식각할 수 있다.
그리고, 상기 경사지게 식각하는 단계는 에지 부분이 패터닝된 마스크를 씌우고 상기 기판의 에지 부분이 패터닝되도록 식각할 수 있다.
또한, 상기 마스크의 면적은 상기 제2 도전형 반도체층 및 활성층보다 크고, 상기 제1 도전형 반도체층보다 작을 수 있다.
상술한 실시예에 따른 발광 소자는 광학적 특성과 전기적 특성이 향상된다.
도 1은 발광 소자의 일실시예의 측면도이고,
도 2는 도 1의 발광 소자의 제조방법의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 3은 발광 소자 패키지의 일실시예의 단면도이고,
도 4는 발광 소자 패키지의 다른 실시예의 측면도이고,
도 5는 도 4의 발광 소자의 제조방법의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 발광 소자의 제조방법의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 3은 발광 소자 패키지의 일실시예의 단면도이고,
도 4는 발광 소자 패키지의 다른 실시예의 측면도이고,
도 5는 도 4의 발광 소자의 제조방법의 일실시예를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예에 따른 발광 소자, 발광 소자 제조방법 및 발광 소자 패키지에 대해 설명한다.
실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 1은 실시예에 따른 발광 소자의 일실시예를 나타낸 도면이며, 발광 소자의 에지 부분이 패터닝되어 도시되어 있다.
도시된 바와 같이, 발광 소자는 기판(100)과, 상기 기판(100) 상에 구비된 제1 도전형 반도체층(120)과, 상기 제1 도전형 반도체층(120) 상에 형성되고 광을 방출하는 활성층(130)과, 상기 활성층(130) 상에 형성된 제2 도전형 반도체층(140)을 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 질화물 반도체는 발광 구조물의 일실시예이며, 다른 발광 구조물이 형성될 수도 있다.
상기 활성층은 실시예에 따라서 다양한 파장을 갖는 광을 생성할 수 있는 층으로서, 생성하는 광의 파장 범위에 대하여 한정하지는 않는다.
그리고, 상기 제1 도전형 반도체층(120) 상에는 제1 전극(170)이 구비되고, 상기 제2 도전형 반도체층(140) 상에는 제2 전극(160)이 구비될 수 있다.
상기 기판(100)은 투광성을 갖는 재질, 예를 들어, 사파이어(Al203), GaN, SiC, ZnO, Si, GaP, InP, Ga203, 그리고 GaAs 등이 사용될 수 있다.
상기 기판(100) 상에는 상기 제1 반도체층(120)이 형성될 수 있다. 상기 제1 반도체층(120)은 제1 도전형 반도체층으로만 형성되거나, 상기 제1 도전형 반도체층 아래에 언도프트 반도체층을 더 포함할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 제 1 도전형 반도체층(120)은 예를 들어, n형 반도체층을 포함할 수 있는데, 상기 n형 반도체층은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN 등에서 선택될 수 있으며, Si, Ge, Sn, Se, Te 등의 n형 도펀트가 도핑될 수 있다.
상기 언도프트 반도체층은 상기 제1 도전형 반도체층은 결정성 향상을 위해 형성되는 층으로, 상기 n형 도펀트가 도핑되지 않아 상기 제1 도전형 반도체층에 비해 낮은 전기전도성을 갖는 것을 제외하고는 상기 제1 도전형 반도체층과 같을 수 있다.
상기 제1 반도체층(120) 상에는 상기 활성층(130)이 형성될 수 있다. 상기 활성층(130)은 예를 들어, InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 가지는 반도체 재료를 포함하여 형성할 수 있으며, 양자선(Quantum wire) 구조, 양자점(Quantum dot) 구조, 단일 양자 우물 구조 또는 다중 양자 우물 구조(MQW : Multi Quantum Well) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 활성층(130)은 상기 제1 반도체층(120) 및 하기의 제2 도전형 반도체층(140)으로부터 제공되는 전자 및 정공의 재결합(recombination) 과정에서 발생되는 에너지에 의해 광을 생성할 수 있다.
상기 활성층(130) 상에는 상기 제2 도전형 반도체층(140)이 형성될 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(140)은 예를 들어 p형 반도체층으로 구현될 수 있는데, 상기 p형 반도체층은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN 등에서 선택될 수 있으며, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등의 p형 도펀트가 도핑될 수 있다.
여기서, 상술한 바와 다르게, 상기 제1 도전형 반도체층(120)이 p형 반도체층을 포함하고 상기 제2 도전형 반도체층(140)이 n형 반도체층을 포함할 수도 있다. 또한, 상기 제1 반도체층(120) 상에는 n형 또는 p형 반도체층을 포함하는 제3 도전형 반도체층(미도시)이 형성될 수도 있는데, 이에 따라 본 실시예에 따른 상기 발광 소자는 np, pn, npn, pnp 접합 구조 중 적어도 어느 하나를 가질 수 있다.
또한, 상기 제1 도전형 반도체층(120) 및 상기 제2 도전형 반도체층(140) 내의 도전형 도펀트의 도핑 농도는 균일 또는 불균일하게 형성될 수 있다. 즉, 상기 복수의 반도체층의 구조는 다양하게 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
여기서, 상기 기판(100)과 제1 도전형 반도체층(120)가 노출되어 경사를 이루며, 상기 활성층(130) 및 제2 도전형 반도체층(140)의 에지 부분까지 경사를 갖고 형성될 수 있다. 즉, 제2 도전형 반도체층(140)으로부터 기판(100) 방향으로 갈수록 발광 소자의 면적이 점차 넓어지는데, 이러한 형상은 후술하는 바와 같은 식각 공정을 통하여 형성되기 때문이다.
그리고, 상기 기판(100)의 에지와 질화물 반도체, 특히 제1 도전형 반도체층(120)의 에지를 연결하는 선은 (질화물 반도체의) 수평면 상으로부터 약 5~85도의 각도를 이룬다. 즉, 종래의 직각보다 작은 각도를 이루되, 수평면과 나란하지 않아야 한다.
또한, 상기 기판(100)과 제1 도전형 반도체층(120)과 활성층(130) 및 제2 도전형 반도체층(140)의 에지 부분은 둥글게 패터닝되었는데, 후술하는 바와 같이 식각 공정에서 사용되는 마스크의 테두리(에지)가 둥글게 패터닝되었기 때문이다. 또한, 마스크의 형상에 따라 상기 기판(100)과 제1 도전형 반도체층(120)과 활성층(130) 및 제2 도전형 반도체층(140)의 다각형 형상 및 뾰죡한 형상 등의 요철이 형성될 수도 있다.
그리고, 상기 제1 도전형 반도체층(120)의 메사 식각되어 노출된 영역 상에는 제1 전극(170)이, 제2 도전형 반도체층(140) 상에는 제2 전극(160)이 형성될 수 있다. 상기 제1 전극(170)과 제2 전극(160)은 각각 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 백금(Pt) 중에서 선택된 어느 하나의 금속 또는 상기 금속들의 합금으로 형성될 수 있다.
상술한 발광소자에 전류를 인가하면, 전류가 제1 전극과 제2 전극에 공급되기 때문에, 제2 도전형 반도체층(140)으로부터 활성층(130)으로 정공(+)이 방출되고, 제1 도전형 반도체층(120)으로부터 활성층(130)으로 전자(-)가 방출된다.
따라서, 활성층(130)에서 정공과 전자가 결합하면서 에너지 준위가 낮아지게 되고, 에너지 준위가 낮아짐과 동시에 방출되는 에너지가 빛의 형태로 발산된다. 이때, 화살표로 도시된 바와 같이 아래 방향으로 향하는 빛은 각 레이어의 에지 부분 또는 사파이어 기판(100)의 경계면에서 반사되어 발광 소자의 전면으로 진행하게 된다.
종래의 발광소자는 이종 기판과의 격자 부정합에 의한 스트레스로 인하여 질화물 반도체 단결정의 결함 밀도가 매우 높고, 따라서 전기적·광학적 특성이 저하될 수 있다. 그리고, 발광 소자가 직각의 구조로 되어 있어서 광추출에 취약할 수 있는데, 임계각 내에서 발생되는 포톤(Photon)이 내부에서 손실되기 때문이다.
본 실시예에 따른 발광소자는 기판과 질화물 반도체가 경사지게 형성되고, 구체적으로는 수평면에 대하여 약 5~85도의 각도로 형성되었다. 따라서, 경사진 에지에서의 빛의 반사는 빛을 소자의 전면으로 더 많이 반사시킬 수 있고, 특히 에지 부분의 패터닝은 빛의 굴절각을 변화시켜 광추출 효율(Extraction Efficiency)을 증가시킬 수 있다. 특히, 각각의 도전형 반도체층 등의 레이어(layer)가 패터닝되어 빛의 굴절각 변화에 따른 광추출 효율의 증대 효과는 더욱 크다.
도 2a 내지 도 2g는 도 1의 발광 소자의 제조방법의 일실시예를 나타낸 도면이다. 이하에서, 도 2a 내지 도 2g를 참조하여 발광 소자의 제조방법의 일실시예를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이 사파이어 기판(100) 상에 버퍼층(110)을 형성한다.
여기서, 기판(100)으로 사파이어(Al203), GaN, SiC, ZnO, Si, GaP, InP, Ga203, 그리고 GaAs 등이 사용될 수 있다.
그리고, 상기 질화물 반도체와 기판(100) 사이에 버퍼층(110)이 성장되어, 재료의 격자 부정합 및 열 팽창 계수의 차이를 완화할 수 있는데, 저온 성장 GaN층 또는 AlN층 등으로 상기 버퍼층(110)을 성장시킬 수 있다.
그리고, 도 2b에 도시된 바와 같이 상기 버퍼층(110) 상에 질화물 반도체를 적층한다. 여기서, 상기 질화물 반도체는 제1 도전형 반도체층(120)과 활성층(130) 및 제2 도전형 반도체층(140)을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 질화물 반도체는 예를 들어, 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), 수소화물 기상 성장법(HVPE; Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등의 방법을 이용하여 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
상기 제1 도전형 반도체층(120)은 예를 들어, n형 반도체층을 포함할 수 있는데, 상기 n형 반도체층은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, AlInN 등에서 선택될 수 있으며, Si, Ge, Sn, Se, Te등의 n형 도펀트가 도핑될 수 있다.
여기서, 상기 제1 도전형 반도체층(120)은 제1 도전형 반도체층(120)으로만 형성되거나, 상기 제1 도전형 반도체층(120)의 아래에 언도프트(undoped) 반도체층을 더 포함할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다. 그리고, 상기 언도프트 반도체층은 상기 제1 도전형 반도체층(120)의 결정성 향상을 위해 형성되는 층으로, 상기 n형 도펀트가 도핑되지 않아 상기 제1 도전형 반도체층(120)에 비해 낮은 전기전도성을 갖는 것을 제외하고는 상기 제1 도전형 반도체층(120)과 같다.
그리고, 상기 제1 도전형 반도체층(120) 상에 활성층(130)을 성장시키는데, 상기 활성층(130)은 단일 또는 다중 양자 우물(Multi-Quantum Well : MQW) 구조를 가지며 또한, 양자선(Quantum wire)구조 또는 양자점(Quantum dot)구조를 포함할 수도 있다.
상기 활성층(130)은 3족-5족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 우물층과 장벽층의 주기, 예를 들면 InGaN 우물층/GaN 장벽층의 주기, InGaN 우물층/AlGaN 장벽층의 주기, 및 InGaN 우물층/InGaN 장벽층의 주기 중 적어도 하나의 주기를 포함할 수 있다.
상기 활성층(130)의 위 또는/및 아래에는 도전형 클래드층이 형성될 수 있으며, 상기 도전형 클래드층은 GaN계 반도체로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 활성층(130) 상에 제2 도전형 반도체층(140)을 성장시킨다. 상기 제2 도전형 반도체층(140)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1 임)을 갖는 질화물 반도체 물질을 포함할 수 있으며, Mg, Zn 등과 같은 P형 도펀트를 포함할 수 있다.
이어서, 도 2c에 도시된 바와 같이, 상기 제2 도전형 반도체층(140)에서 상기 제1 도전형 반도체층(120)의 일부분까지 RIE(Reactive Ion Etching) 방식으로 메사(Mesa) 식각한다.
즉, 사파이어 기판과 같이 절연성 기판을 사용하는 경우 기판 하부에 전극을 형성할 수 없기 때문에, 상기 제2 도전형 반도체층(140)부터 상기 제1 도전형 반도체층(120)의 일부분까지 메사(Mesa) 식각함으로써, 전극을 형성할 수 있는 공간을 확보한다.
그리고, 도 2d에 도시된 바와 같이 마스크(200, 210)를 준비한다. 여기서, 상기 마스크(200, 210)는, 상기 기판(100)과 버퍼층(110) 및 질화물 반도체를 식각할 때 사용될 수 있다.
종래와 같이 기판(100) 상에 질화물 반도체가 수직하게 성장된 발광 소자를 형성할 경우, 질화물 반도체 상에 원하는 크기의 단위 발광 소자를 정의하는 감광막 패턴을 형성한 후, 상기 감광막 패턴을 식각 마스크로 하여 수직하게 건식 식각 등의 공정으로 단위 발광 소자로 분리할 수 있다.
그러나, 본 실시예에서는 질화물 반도체와 기판(100)까지 경사지게 식각하므로 마스크(100, 210)를 씌울 때, 분리된 후의 발광 소자의 간격도 고려하여야 한다.
즉, 마스크(200, 210)의 크기는 메사 식각된 제2 도전형 반도체층(140)의 크기와 동일하거나 비슷하게 준비할 수 있다. 그리고, 각각의 소자로 분리된 발광 소자의 기판은 서로 수 마이크로 미터(㎛) 이상 분리될 수 있다.
그리고, 마스크(200, 210)는 실리콘 산화물(SiO x) 또는 실리콘 질화물(SiN x)로 이루어거나, 전기적·광학적 특성을 고려하여 투명 전도성 산화물(Transparent Conductive Oxide, TCO)을 사용할 수 있다.
그리고, 마스크는 분리할 발광 소자의 형상을 고려하여 사각형 형상(200)으로 준비할 수 있으나, 발광 소자의 측면을 패터닝하기 위하여 테두리가 패터닝된 형상(210)으로 준비할 수도 있다.
이어서, 도 2e 및 2f에 도시된 바와 같이 상기 제2 도전형 반도체층(140) 상에 마스크(210)을 씌우고, 상기 제2 도전형 반도체층(140), 활성층(130), 제1 도전형 반도체층(120), 버퍼층(110) 및 기판(100)을 식각한다.
이때, 도시된 바와 같이 식각 공정은 발광 소자의 각 레이어(layer)를 경사지게 패터닝 하는 것 외에 각각의 발광 소자를 분리하여야 하므로, 기판(100) 전체를 식각하여야 할 수 있다.
그리고, 마스크(210)의 테두리가 둥글게 패터닝된 것이 도시되었으나, 다각형 형상, 뾰족한 형상 등 다양한 형상의 요철이 패터닝된 마스크를 사용할 수 있다.
그리고, 상기 사파이어 기판(100)의 에지와 질화물 반도체의 에지를 연결하는 선은 수평면 상으로부터 약 5~85도의 각도를 이룬다. 즉, 종래의 직각보다 작은 각도를 이루되, 수평면과 나란하지 않을 수 있다.
그리고, 식각은 건식 식각으로 수행될 수 있는데, 도시된 바와 같이 p형 질화물 반도체(140)부터 기판(100)까지 순차적으로 경사지게 할 수 있다. 그리고, 상술한 도 2c의 공정에서 메사 식각으로 제거된 부분은 경사지지 않을 수 있다.
식각 공정이 종료된 후에, 기판(100), 버퍼층(110), 제1 도전형 반도체층(120), 활성층(130) 및 제2 도전형 반도체층(140)은 에지(edge) 부분이 경사지게 형성되고 패터닝되어 있다.
상술한 식각 공정에서 마스크(200, 210)의 크기를 더욱 크게 하여, 사파이어 기판(100)의 에지 부분만을 패터닝할 수 있다. 즉, 질화물 반도체의 에지는 수직형으로 하고 사파이어 기판(100)의 에지 만을 요철 형상 등으로 패터닝하여도, 활성층(130)에서 방출되어 사파이어 기판(100)까지 진행된 빛을 굴절/반사시켜서 광 추출 효율의 증대를 기대할 수 있기 때문이다.
이어서, 도 2g에 도시된 바와 같이, 상기 제2 도전형 반도체층(140) 상에 제1 전극(160)을 형성할 수 있다.
상기 제2 전극(160)은 각각 크롬(Cr), 니켈(Ni), 금(Au), 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 백금(Pt) 중에서 선택된 어느 하나의 금속 또는 상기 금속들의 합금으로 형성할 수 있다.
그리고, 메사 식각되어 노출된 상기 제1 도전형 반도체층(120) 상에 제1 전극(170)을 형성하다. 여기서, 상기 제1 전극(170)은 상기 제2 전극(160)의 재료와 동일한 재료로 이루어질 수 있다.
상술한 전극들은 증착법 또는 스퍼터링법 등으로 형성될 수 있다. 그리고, 전극들의 형성은 상술한 기판(100)과 질화물 반도체의 경사 패터닝 이전에 수행될 수도 있다.
도 3은 발광 소자 패키지의 일실시예의 단면도이다. 이하에서, 도 3을 참조하여 발광 소자 패키지의 일실시예를 설명한다.
도시된 바와 같이, 실시예에 따른 발광 소자 패키지는 패키지 몸체(320)와, 상기 패키지 몸체(320)에 설치된 제1 전극층(311) 및 제2 전극층(312)과, 상기 패키지 몸체(320)에 설치되어 상기 제1 전극층(311) 및 제2 전극층(312)과 전기적으로 연결되는 실시예에 따른 발광 소자(300)와, 상기 발광 소자(300)를 포위하는 충진재(340)를 포함한다. 여기서, 발광 소자(300)는 상술한 실시예들에 기재된 발광 소자와 동일하다.
상기 패키지 몸체(320)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 발광 소자(300)의 주위에 경사면이 형성되어 광추출 효율을 높일 수 있다.
상기 제1 전극층(311) 및 제2 전극층(312)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광 소자(300)에 전원을 제공한다. 또한, 상기 제1 전극층(311) 및 제2 전극층(312)은 상기 발광 소자(300)에서 발생된 광을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있으며, 상기 발광 소자(300)에서 발생된 열을 외부로 배출시키는 역할을 할 수도 있다.
상기 발광 소자(300)는 상기 패키지 몸체(320) 상에 설치되거나 상기 제1 전극층(311) 또는 제2 전극층(312) 상에 설치될 수 있다.
상기 발광 소자(300)는 상기 제1 전극층(311) 및 제2 전극층(312)과 와이어 방식, 플립칩 방식 또는 다이 본딩 방식 중 어느 하나에 의해 전기적으로 연결될 수도 있다.
상기 충진재(340)는 상기 발광 소자(300)를 포위하여 보호할 수 있다. 또한, 상기 충진재(340)에는 형광체가 포함되어 상기 발광 소자(300)에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있다.
상기 발광 소자 패키지는 상기에 개시된 실시 예들의 발광 소자 중 적어도 하나를 하나 또는 복수개로 탑재할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
또한, 실시 예에 따른 발광 소자 패키지는 복수개가 기판 상에 어레이되며, 상기 발광 소자 패키지의 광 경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트 등이 배치될 수 있다. 이러한 발광 소자 패키지, 기판, 광학 부재는 라이트 유닛으로 기능할 수 있다. 또 다른 실시 예는 상술한 실시 예들에 기재된 반도체 발광소자 또는 발광 소자 패키지를 포함하는 표시 장치, 지시 장치, 조명 시스템으로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 조명 시스템은 램프, 가로등을 포함할 수 있다.
도 4는 실시예에 따른 발광 소자의 일실시예를 나타낸 도면이며, 발광 소자의 에지 부분이 패터닝되어 도시되어 있다. 단, 도 1의 실시예와 상이하게 활성층(430)과 제2 도전형 반도체층(440)의 에지는 패터닝되지 않았다.
여기서, 발광 소자는 기판(410)과, 상기 기판(400) 상에 구비된 제1 도전형 반도체층(420)과, 상기 제1 도전형 반도체층(420) 상에 형성되고 광을 방출하는 활성층(430)과, 상기 활성층(430) 상에 형성된 제2 도전형 반도체층(440)을 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 각각의 층(layer)의 조성 등은 도 1에 도시된 실시예와 동일할 수 있다. 그리고, 상기 제1 도전형 반도체층(420) 상에는 제1 전극(470)이 구비되고, 상기 제2 도전형 반도체층(440) 상에는 제2 전극(460)이 구비될 수 있다.
본 실시예에 따른 발광 소자에 전류를 인가하면, 활성층(430)에서 정공과 전자가 결합하면서 에너지 준위가 낮아지게 되고, 에너지 준위가 낮아짐과 동시에 방출되는 에너지가 빛의 형태로 발산된다. 이때, 화살표로 도시된 바와 같이 활성층(430)에서 아래 방향으로 향하는 빛은 제1 도전형 반도체층(420) 및 기판(400)의 경계면에서 반사되어 발광 소자의 전면으로 진행하게 된다.
따라서, 종래의 발광소자에서 이종 기판과의 격자 부정합에 의한 스트레스로 인하여 질화물 반도체 단결정의 결함 밀도가 매우 높고, 따라서 전기적·광학적 특성이 저하되며, 임계각 내에서 발생되는 포톤(Photon)이 내부에서 손실되는 문제점을 해결할 수 있다.
즉, 활성층(430)과 제2 도전형 반도체층(440)가 경사지게 형성되고 구체적으로는 수평면에 대하여 약 5~85도의 각도로 형성되어, 경사진 에지에서의 빛의 반사는 빛을 소자의 전면으로 더 많이 반사시킬 수 있고, 특히 에지 부분의 패터닝은 빛의 굴절각을 변화시켜 광추출 효율(Extraction Efficiency)을 증가시킬 수 있다. 특히, 각각의 도전형 반도체층 등의 레이어(layer)가 패터닝되어 빛의 굴절각 변화에 따른 광추출 효율의 증대 효과는 더욱 크다.
도 5a 내지 도 5g는 도 4의 발광 소자의 제조방법의 일실시예를 나타낸 도면이다. 이하에서, 도 5a 내지 도 5g를 참조하여 발광 소자의 제조방법의 일실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 5a 내지 5c에 도시된 순서는 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 동일할 수 있다. 또한, 도 5d에 도시된 마스크(500, 510)는 도 2d에 도시된 바와 동일하다. 다만, 본 실시예에서는 활성층(430)과 제2 도전형 반도체층(440)의 에지는 식각하지 않으므로, 상기 마스크(500, 510)의 면적은 메사 식각된 후의 상기 활성층(430)과 제2 도전형 반도체층(440)의 면적보다 크고 상기 제1 도전형 반도체층(420)의 면적보다 작을 수 있다.
이어서, 도 5e 및 5f에 도시된 바와 같이 상기 제2 도전형 반도체층(440) 상에 마스크(510)을 씌우고, 상기 제1 도전형 반도체층(420)을 식각할 수 있다. 이때, 상기 버퍼층(410) 및 기판(400)까지 함께 식각할 수도 있다.
여기서, 상기 레이어 들의 에지 식각 공정은 도 2e 및 도 2f에 도시된 바와 동일하나, 본 실시예에서는 마스크의 크기로 인하여 상기 제2 도전형 반도체층(44)과 상기 활성층(430)의 에지는 식각되지 않는다.
이어서, 도 5g에 도시된 바와 같이, 상기 제2 도전형 반도체층(440) 상에 제1 전극(460)을 형성할 수 있으며, 메사 식각되어 노출된 상기 제1 도전형 반도체층(420) 상에 제1 전극(470)을 형성할 수 있다. 여기서, 전극들의 재료 및 형성방법은 상술한 실시예와 동일하다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 사파이어 기판 110 : 버퍼층
120 : n형 반도체층 130 : 활성층
140 : p형 반도체층 160 : 제2 전극
170 : 제1 전극
120 : n형 반도체층 130 : 활성층
140 : p형 반도체층 160 : 제2 전극
170 : 제1 전극
Claims (14)
- 제1 요철이 형성되는 제1 측면을 갖는 기판;
상기 기판 상에 배치되는 제1 도전형 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형 반도체층을 포함하며, 상기 제1 도전형 반도체층의 측면, 상기 활성층의 측면, 및 상기 제2 도전형 반도체층의 측면으로 이루어지고, 제2 요철이 형성되는 제2 측면을 갖는 발광 구조물;
상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치되는 제1 전극; 및
상기 제2 도전형 반도체층 상에 배치되는 제2 전극을 포함하며,
상기 제1 측면과 상기 제2 측면은 상기 발광 구조물의 수평선상에 대하여 경사지고, 서로 동일 평면상에 위치하며,
상기 제1 측면과 상기 제2 측면을 연결하는 직선은 상기 수평선상으로부터 5 ~ 85도의 각도를 이루며,
상기 제1 및 제2 요철들 각각은 서로 동일 평면 상에 위치하며,
상기 제1 및 제2 요철들 각각의 볼록부가 상기 발광 구조물의 수평선상에 대하여 경사진 각도는 상기 제1 측면과 상기 제2 측면을 연결하는 직선의 경사진 각도와 동일한 발광 소자. - 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 요철들 각각은 제1 방향의 길이가 제2 방향의 길이보다 길고, 상기 제1 방향은 상기 제2 도전형 반도체층으로부터 상기 기판으로 향하는 방향이고, 상기 제2 방향은 상기 제1 방향과 수직인 방향인 발광 소자. - 제2항에 있어서, 상기 발광 구조물은,
상기 제2 도전형 반도체층으로부터 상기 기판 방향으로 갈수록 단면적이 증가하는 발광 소자. - 제3항에 있어서,
상기 기판은 상기 제2 도전형 반도체층으로부터 상기 기판 방향으로 갈수록 단면적이 증가하는 발광 소자. - 제4항에 있어서,
상기 제1 방향으로 상기 제1 요철의 볼록부는 상기 제2 요철의 볼록부에 정렬되는 발광 소자, - 제5항에 있어서,
상기 제1 요철의 일단은 상기 제1 도전형 반도체층에서 상기 제2 도전형 반도체층까지 연속하여 형성되고, 상기 제2 요철은 상기 기판의 제1 측면의 상단에서 상기 기판의 제1 측면의 하단까지 연속하여 형성되는 발광 소자. - 제1항에 있어서,
상기 기판, 상기 제1 도전형 반도체층, 상기 활성층 및 상기 제2 도전형 반도체층은 1~20 마이크로 미터의 높이를 갖는 발광 소자. - 제1항에 있어서,
상기 제1 도전형 반도체층의 일부는 노출되고, 상기 제1 전극은 상기 노출된 제1 도전형 반도체층의 일부에 배치되며,
상기 노출된 제1 도전형 반도체층의 일부에 인접하는 상기 발광 구조물의 측면에도 상기 제1 요철이 형성되는 발광 소자. - 제5항에 있어서,
상기 제1 및 제2 요철들 각각의 볼록부는 둥근 형상인 발광 소자. - 제5항에 있어서,
상기 제1 및 제2 요철들 각각의 볼록부는 다각형 형상 또는 뾰족한 형상인 발광 소자. - 제1항에 있어서,
상기 제2 도전형 반도체층, 상기 활성층, 상기 제1 도전형 반도체층, 및 상기 기판이 순차적으로 경사지게 형성되는 발광 소자. - 제1항에 있어서,
상기 제1 도전형 반도체층은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 가지며, n형 도펀트가 도핑되고,
상기 활성층은 양자선(Quantum wire) 구조, 양자점(Quantum dot) 구조, 단일 양자 우물 구조 또는 다중 양자 우물 구조(MQW : Multi Quantum Well) 중 적어도 하나를 포함하며,
상기 제2 도전형 반도체층은 InaAlbGa1-a-bN (0≤a≤1, 0≤b≤1, 0≤a+b≤1)의 조성식을 가지며, p형 도펀트가 도핑되는 발광 소자. - 제1항에 있어서,
상기 기판은 투광성을 갖는 재질인 발광 소자. - 패키지 몸체;
상기 패키지 몸체 상에 구비된 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항의 발광 소자;
상기 패키지 몸체 상에 구비되고, 상기 발광 소자와 각각 연결되는 제 1 전극층과 제 2 전극층; 및
상기 발광 소자를 포위하는 충진재를 포함하는 발광 소자 패키지.
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