KR20080017180A

KR20080017180A - 반도체 발광장치

Info

Publication number: KR20080017180A
Application number: KR20060079001A
Authority: KR
Inventors: 이상범; 유상덕; 민경익; 명선영; 정명식; 김학환
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2006-08-21
Filing date: 2006-08-21
Publication date: 2008-02-26

Abstract

본 발명은 발광소자의 하면에 고반사층을 형성하여 발광손실을 최소화 함으로써 광추출효율을 향상시킬 수 있는 반도체 발광장치에 관한 것으로, 반도체 단결정 성장을 위한 기판과, 상기 기판 상면에 순차적으로 형성된 제1 질화물 반도체층, 활성층 및 제2 질화물 반도체층을 갖는 반도체 발광소자와; 상기 반도체 발광소자의 기판 하면에 제1 굴절율을 갖는 제1 층 및 상기 제1 굴절율보다 낮은 제2 굴절율을 갖는 제2 층이 적어도 1회 교대로 적층되어 형성된 다중 반사층과; 상기 다중 반사층의 하면에 접착층에 의해 접착되어 상기 질화물 반도체 발광소자를 실장하는 서브마운트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

굴절율, 반사막, 발광소자, 서브마운트, 접착제, 페이스트

Description

반도체 발광장치 {Semiconductor light emitting device}

도 1은 종래의 질화물 반도체 발광소자를 포함한 발광장치의 단면도이다.

도 2a는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 포함한 발광장치의 단면도이며, 도 2b는 도 2a의 발광장치에 채용되는 다중 반사층의 다층구조를 나타내는 단면도이다.

도 3a는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 포함한 발광장치의 단면도이며, 도 3b는 도 3a의 발광장치에 채용되는 다중 반사층의 다층구조를 나타내는 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

31: 기판 33: 제1 질화물 반도체층

35: 활성층 37: 제2 질화물 반도체층

38a,38b: 제1 및 제2 전극 39: 다중 반사층

41: 서브마운트 43 : 접착층

47 : 금속층

본 발명은 반도체 발광장치에 관한 것으로, 특히 발광소자의 하면에 고반사층을 형성하여 발광손실을 최소화 함으로써 광추출효율을 향상시킬 수 있는 반도체 발광장치에 관한 것이다.

일반적으로, 질화물 반도체 발광소자는 청색 또는 녹색 등의 단파장광을 생성하여 풀컬러 구현을 가능하게 한 고출력 광소자로서, 업계에서 크게 각광을 받고 있다. 이러한 질화갈륨 성장용 기판에 주로 사용되는 사파이어 기판은 절연기판이므로, 기판 배면에 전극이 형성된 GaAs계 적색발광소자와 달리, 두 전극이 결정성장된 반도체층 상에 형성되는 수평구조를 갖는다.

도 1을 참조하면, 질화물 반도체 발광소자(10)는 사파이어 기판(11)과 그 사파이어 기판(11) 상에 순차적으로 형성된 제1 질화물 반도체층(13), 활성층(15) 및 제2 질화물 반도체층(17)을 포함하며, 소정의 영역에 해당하는 제2 질화물 반도체층(17)과 활성층(15)의 메사 에칭공정에 의해 노출된 제1 질화물 반도체층(13)과 상기 제2 질화물 반도체층(17) 상면에 제1 및 제2 전극(18a,18b)이 배치된다.

이러한 질화물 반도체 발광소자(10)는 서브마운트(21) 상에 탑재된 후, 투명수지(미도시)를 적용함으로써 발광장치(20)로 제조될 수 있다. 상기 서브마운트(21) 상에는 제1 및 제2 도전패턴(22a,22b)을 포함한 소정의 회로패턴이 배치되어 있으며, 상기 발광소자(10)는 상기 제2 도전패턴(22b) 상에 Ag와 같은 도전성 페이스트(16)을 이용하여 접착되고, 상기 발광소자(10)의 전극(18b,18a)은 와이어(24a,24b)를 통해 제1 및 제2 도전패턴(22a,22b)에 각각 연결된다.

상기한 종래의 발광장치 구조에서, 상기 질화물 반도체 발광소자로부터 생성된 광은 원하는 발광방향인 상단부를 향할 뿐만 아니라, 투광성인 사파이어 기판(11)을 투과하여 아래방향으로도 향한다. 아래 방향으로 향하는 빛은 부분적으로 투과 중에 흡수되어 소멸되며, 다른 일부는 발광소자(10)과 제2 도전패턴(22b) 사이를 접합시키는 도전성 페이스트층(16)에 도달하여 상단부로 반사될 수도 있으나, 도전성 페이스트층(16)으로 Ag와 같은 우수한 반사율을 갖는 물질을 사용하더라도, 페이스트층 자체가 균일한 표면을 이루어지 못하므로, 높은 반사율을 기대하기 어려우며, 오히려 불균일한 표면에 의해 산란되어 손실될 수 있다.

따라서, 당 기술분야에서는 적절한 반사구조물을 통해 발광손실을 최소화함으로써 광추출효율을 향상시키기 위한 많은 연구들이 진행되고 있다.

본 발명은 상기한 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 다중 반사층의 고반사율 특성을 이용하여 도전성 페이스트와 같은 접착층에 의한 발광손실을 최소화 함으로써 광추출효율을 높이는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 발광장치는, 반도체 단결정 성장을 위한 기판과, 상기 기판 상면에 순차적으로 형성된 제1 질화물 반도체층, 활성층 및 제2 질화물 반도체층을 갖는 반도체 발광소자와; 상기 반도체 발광소자의 기판 하면에 제1 굴절율을 갖는 제1 층 및 상기 제1 굴절율보다 낮은 제2 굴절율을 갖는 제2 층이 적어도 1회 교대로 적층되어 형성된 다중 반사층과; 상기 다중 반사층의 하면에 접착층에 의해 접착되어 상기 질화물 반도체 발광소자를 실장하는 서브마운트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 2a을 참조하면, 상기 발광장치(40)는 질화물 반도체 발광소자(30)와, 다중 반사층(39)과, 서브마운트(41)를 포함하여 구성된다.

질화물 반도체 발광소자(30)는 질화물 반도체 성장용 기판(31)과, 상기 기판(31) 상에 순차적으로 형성된 제1 질화물 반도체층(33), 활성층(35) 및 제2 질화물 반도체층(37)을 포함하며, 제1 및 제2 전극(38a, 38b)은 각각 메사 에칭공정에 의해 노출된 제1 질화물 반도체층(33)과 상기 제2 질화물 반도체층(35) 상면에 각각 형성된다.

예를 들면, 상기 기판(31)은 사파이어 기판일 수 있으며, 상기 제1 질화물 반도체층(33)은 n형 GaN층으로 구현될 수 있다. 또한, 상기 활성층(35)은 다중양자우물(Multi-Quantum Well)구조의 언도프 InGaN층으로 이루어질 수 있으며, 상기 제2 질화물 반도체층(37)은 p형 GaN층과 p형 AlGaN층으로 구성될 수 있다.

이러한 질화물 반도체 발광소자(30)는 서브마운트(41) 상에 탑재된 후, 투명수지(미도시)를 적용함으로써 발광장치(40)로 제조될 수 있다.

상기 서브마운트(41)는 그 상면에 마련된 제1 및 제2 도전패턴(42a,42b)을 포함하고, 상기 제2 도전패턴(42b) 상에 도전성 페이스트와 같은 접착층(43)을 이용하여 접착된다. 또한, 상기 발광소자(30)의 전극(38b,38a)은 와이어(44a,44b)를 통해 제1 및 제2 도전패턴(42a,42b)에 각각 연결된다.

특히, 상기 질화물 반도체 발광소자(30)의 기판(31) 하면에는 제1 굴절율을 갖는 제1 층 및 상기 제1 굴절율보다 낮은 제2 굴절율을 갖는 제2 층이 적어도 1회 이상, 복수회 교대로 적층되어 형성되는 다중 반사층(39)이 제공된다. 예를들면, 제1 굴절율은 2.0~4.0 범위가 되며, 제2 굴절율은 1.0~2.0 범위가 된다.

도 2b를 참조하면, 상기 다중 반사층(39)은 고굴절율의 제1 층(39a) 및 저굴절율의 제2 층(39b)이 6회 교대로 적층되어 형성됨을 알 수 있다. 물론, 다중 반사층(39)의 적층회수는 이에 한정되지 않으며, 예를 들어 적합한 반사율을 갖도록 변경가능할 것이다.

바람직하게, 다중 반사층(39)은 반도체 발광소자(30)의 기판(31)과 인접하는 최상면에 고굴절율의 제1 층(39a)을 가지도록 구성된다.

이러한 구성은 기판(31)과 접촉하고 있는 제1 층(39a)의 굴절율이 기판(31)의 굴절율(사파이어 기판의 경우에는 굴절율이 2.6)과 유사하거나 높은 굴절 율(2.0~4.0 )을 갖도록 함으로써 빛이 빠져나갈 수 있는 임계각을 높이고 반사율을 증가시켜 광추출 효율을 향상시키기 위한 것이다.

또한, 본 발명에 따른 다중 반사층(39)은 다양한 적층구조를 가질 수 있다.

예를들면, 도 2b에서는 다중 반사층(39)이 반도체 발광소자(30)의 기판(31)과 인접하는 최상면에 고굴절율의 제1 층(39a)을 가지며, 접착층(43)과 인접하는 최하면에 저굴절율의 제2 층(39b)을 가지도록 구성되어 있다. 즉, 고굴절율의 제1 층(39a)이 맨 처음 층으로서 제공되고 저굴절율의 제2 층(39b)이 맨 마지막 층으로서 제공되고 있다.

이런 경우에, 상기 최상면의 제1 층 및 상기 최하면의 제2 층의 두께는 λ/2n의 정수배가 되도록 하며, 그 사이에 적층된 나머지 층들의 두께는 λ/4n의 정수배가 되도록 한다. 여기서, λ는 발광소자의 발광파장, n은 상기 제1 및 제2 층의 굴절율이다.

이와 달리, 상기 다중 반사층이 상기 반도체 발광소자(30)의 기판(31)과 인접하는 최상면 및 상기 접착층(43)과 인접하는 최하면에 각각 상기 제1 층(39a)들을 가지도록 구성가능하다. 즉, 고굴절율의 제1 층(39a)이 맨 처음 층 및 마지막 층으로서 제공될 수 있다.

이런 경우에, 상기 제1 층들의 두께는 각각 λ/2n의 정수배가 되도록 하며, 그 사이에 적층된 나머지 층들의 두께는 λ/4n의 정수배가 되도록 한다. 여기서, λ는 발광소자의 발광파장, n은 상기 제1 층의 굴절율이다.

상기한 층들의 두께에 대한 조건들은 예를들어 발광소자의 발광파장(λ) 그리고 제1 및 제2 층의 굴절율(n) 등을 고려하여 다중 반사층이 최적의 반사율을 갖도록 선택가능할 것이다.

또한, 상기 다중 반사층(39)은 Si, Zr, Ta, Ti 및 Al로 구성된 그룹으로부터 선택된 원소의 산화물 또는 질화물로 이루어질 수 있다.

대표적인 예로서, 제1 층(39a)은 SiN, AlN, TiO₂ 및 SiO_x(0<x<2) 중 하나로 이루어질 수 있으며, 제2 층(39b)은 SiO₂ 및 Al₂O₃ 중 하나로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 발광소자(30)를 채용한 발광장치(40)에서는, 상기 질화물 반도체 발광소자(30)로부터 생성된 광들이 투광성인 사파이어 기판(31)을 투과하여 아래방향으로 향하더라도, 상기 접착층(43)으로 인한 불균일한 표면에서 산란되거나 소실되지 않고, 높은 반사율을 갖는 다중 반사층(39)에 의해 상부로 반사된다. 따라서, 본 발명에 따른 발광소자에서는 높은 반사율을 갖는 다중 반사층(39)을 발광소자(30)의 하면에 형성시킴으로써, 원하는 방향으로 향하지 않아 실질적으로 소멸되는 광을 최소화하여 실질적인 발광효율을 극대화시킬 수 있게 된다.

도 3a와 도 3b를 참조하면, 제1 실시형태와 비교할 때, 다중 반사층(39)의 최하면과 접착층(43) 사이에 금속층(47)이 개재된다는 점에서만 차이를 가진다.

이런 경우에, 금속층(47)은 다중 반사층(39)과 도전성 페이스트와 같은 접착층(43) 사이에서 부수적인 반사율을 증가시킬 뿐만 아니라 금속성분을 포함하는 접착층(43)과 접착력이 우수해지도록 하는 장점을 제공하며, 주로 사용되는 금속은 알루미늄(Al), 은(Ag), 니켈(Ni)과 같은 금속을 사용한다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 서로 다른 굴절율을 갖는 층을 교대로 적층한, 고반사율의 다중 반사층을 발광소자의 하면에 제공함으로써 원하지 않는 방향으로 향하여 소실되는 광을 효과적으로 집속시켜 발광효율을 극대화시킬 수 있다.

특히, 본 발명에서는 발광소자의 기판 하면과 도전성 페이스트층과 같은 접착층 사이에 다중 반사층 구조를 가짐으로써 발광소자와 서브마운트의 접착을 위한 접착제에 의한 광의 흡수 및 산란 등을 방지하여 발광소자의 광추출효율을 향상시킬 수 있다.

Claims

반도체 단결정 성장을 위한 기판과, 상기 기판 상면에 순차적으로 형성된 제1 질화물 반도체층, 활성층 및 제2 질화물 반도체층을 갖는 반도체 발광소자와;

상기 반도체 발광소자의 기판 하면에 제1 굴절율을 갖는 제1 층 및 상기 제1 굴절율보다 낮은 제2 굴절율을 갖는 제2 층이 적어도 1회 교대로 적층되어 형성된 다중 반사층과;

상기 다중 반사층의 하면에 접착층에 의해 접착되어 상기 질화물 반도체 발광소자를 실장하는 서브마운트를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광장치.
제1항에 있어서,

상기 다중 반사층은 상기 반도체 발광소자의 기판과 인접하는 최상면에 상기 제1 층을 가지며, 상기 접착층과 인접하는 최하면에 상기 제2 층을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광장치.
제2항에 있어서,

상기 최상면의 제1 층 및 상기 최하면의 제2 층의 두께는 λ/2n의 정수배가 되고, 나머지 층들의 두께는 λ/4n의 정수배가 되며, 여기서 λ는 발광소자의 발광파장, n은 상기 제1 및 제2 층의 굴절율인 것을 특징으로 하는 반도체 발광장치.
제1항에 있어서,

상기 다중 반사층은 상기 반도체 발광소자의 기판과 인접하는 최상면 및 상기 접착층과 인접하는 최하면에 각각 상기 제1 층들을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광장치.
제4항에 있어서,

상기 제1 층들의 두께는 각각 λ/2n의 정수배가 되고, 나머지 층들의 두께는 λ/4n의 정수배가 되며, 여기서 λ는 발광소자의 발광파장, n은 상기 제1 층의 굴절율인 것을 특징으로 하는 반도체 발광장치.
제1항에 있어서,

상기 제1 굴절율은 2.0~4.0 범위가 되며, 상기 제2 굴절율은 1.0~2.0 범위가 되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광장치.
제1항에 있어서,

상기 제1 및 제2 층은 Si, Zr, Ta, Ti 및 Al로 구성된 그룹으로부터 선택된 원소의 산화물 또는 질화물인 것을 특징으로 하는 반도체 발광장치.
제7항에 있어서,

상기 제1 층은 SiN, AlN, TiO₂ 및 SiO_x(0<x<2) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 발광장치.
제7항에 있어서,

상기 제2 층은 SiO₂ 및 Al₂O₃ 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 발광장치.
제1항에 있어서,

상기 다중 반사층의 하면과 상기 접착층 사이에 개재된 금속층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광장치.