KR20130065451A - 발광소자 - Google Patents

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KR20130065451A
KR20130065451A KR1020110132308A KR20110132308A KR20130065451A KR 20130065451 A KR20130065451 A KR 20130065451A KR 1020110132308 A KR1020110132308 A KR 1020110132308A KR 20110132308 A KR20110132308 A KR 20110132308A KR 20130065451 A KR20130065451 A KR 20130065451A
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최운경
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

실시예의 발광 소자는, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 제2 도전형 반도체층에 접해 있는 제1 전극층; 제1 도전형 반도체층에 접해 있는 제2 전극층; 제1 전극층과 제2 전극층 사이에 개재된 절연층; 및 제1 전극층을 사이에 두고 발광 구조물과 대향하는 반사층을 포함한다.

Description

발광소자{Light emitting device}
본 발명의 실시예는 발광소자에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode : LED)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전기를 적외선 또는 빛으로 변환시켜서 신호를 주고 받거나, 광원으로 사용되는 반도체 소자의 일종이다.
Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체(group Ⅲ-Ⅴ nitride semiconductor)는 물리적 및 화학적 특성으로 인해 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD) 등의 발광소자의 핵심 소재로 각광을 받고 있다.
이러한 발광 다이오드는 백열등과 형광등 등의 기존 조명기구에 사용되는 수은(Hg)과 같은 환경 유해물질이 포함되어 있지 않아 우수한 친환경성을 가지며, 긴 수명과 저전력 소비특성 등과 같은 장점이 있기 때문에 기존의 광원들을 대체하고 있다.
대한민국 특허 공개 번호 10-2011-0041270 {반도체 발광 소자 및 그 제조 방법}
실시예는 빛의 반사 효율을 최대화시켜 발광 효율을 향상시킬 수 있는 발광 소자를 제공한다.
실시예의 발광 소자는제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 상기 제2 도전형 반도체층에 접해 있는 제1 전극층; 상기 제1 도전형 반도체층에 접해 있는 제2 전극층; 상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 개재된 절연층; 및 상기 제1 전극층을 사이에 두고 상기 발광 구조물과 대향하는 반사층을 포함한다. 상기 제1 전극층은 상기 제2 도전형 반도체층과 상기 절연층의 사이에 형성되는 전도성 투명층을 포함할 수 있다. 상기 절연층은 상기 제1 전극층과 상기 반사층의 사이에 개재되고, 상기 제1 전극층의 가장 자리를 감싸면서 상기 제2 도전형 반도체층과 상기 반사층의 사이에 형성될 수 있다.
다른 실시예에 의한 발광 소자는, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 상기 제2 도전형 반도체층과 접해 있으며, 서로 소정 간격으로 이격되어 형성된 복수 개의 제1 반사층을 갖는 제1 전극층; 상기 제1 도전형 반도체층에 접해 있는 제2 전극층; 상기 제1 전극층과 제2 전극층 사이에 개재된 절연층; 및 상기 제1 전극층을 사이에 두고 상기 발광 구조물과 대향하는 제2 반사층을 포함한다.
상기 절연층은 상기 제1 전극층의 가장 자리를 감싸면서 상기 제2 도전형 반도체층과 상기 제2 반사층의 사이에 형성되고, 상기 제1 전극층과 상기 제2 반사층의 사이에 개재될 수 있다. 상기 제1 반사층은 상기 절연층과 동일 물질을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 반사층은 무지향성 반사층이 수 있고, 상기 복수 개의 무지향성 반사층의 굴절율은 상기 제2 도전형 반도체층의 굴절율보다 작을 수 있으며, 상기 제1 전극층은 상기 제2 도전형 반도체층과 상기 절연층 사이에 형성되는 패턴된 전도성 투명층을 포함하고, 상기 무지향성 반사층은 상기 패턴된 전도성 투명층의 사이에 형성될 수 있다.
전술한 실시예들에서, 상기 제1 전극층은 상기 제2 도전형 반도체층과 오믹 접촉하는 물질을 포함하고, 상기 제2 전극층은 상기 제1 도전형 반도체층과 오믹 접촉하는 물질을 포함하고, 상기 절연층은 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이의 외부로 노출된 상기 활성층의 측부를 덮을 수 있다. 또한, 상기 활성층은 자외선 파장의 빛을 생성하는 물질을 포함하고, 제1 및 제2 전극층은 플립 방식으로 서브 마운트에 연결될 수 있다.
또한, 상기 전도성 투명층은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), IZTO(indium zinc tin oxide), IAZO(indium aluminum zinc oxide), IGZO(indium gallium zinc oxide), IGTO(indium gallium tin oxide), AZO(aluminum zinc oxide), ATO(antimony tin oxide) 또는 GZO(gallium zinc oxide) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 전도성 투명층의 강도는 상기 제2 도전형 반도체층의 강도 및 상기 절연층의 강도와 동일할 수 있다.
또한, 상기 전도성 투명층은 영률값이 70Gpa 이상 181Gpa 이하인 물질을 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 절연층의 하부에 반사층을 마련하여 특정 파장 예를 들면, 380㎚보다 적은 파장을 갖는 광의 발광 효율을 높일 수 있고, 발광 구조물의 제2 도전형 반도체 층과 접하는 제1 전극층에 제2 도전형 반도체 층과 굴절율 차이가 큰 매질로 이루어진 ODR층을 소정 간격 이격되게 복수 개 마련하기 때문에 제1 전극층을 향하여 발광하는 빛을 최대한 반사시켜 제1 전극층에서 흡수 또는 산란되어 소멸되는 빛을 확보하여 발광 효율을 향상시킬 수 있고, 전류 분산 효과를 극대화시킬 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 발광소자를 나타내는 단면도이다.
도 2a 내지 도 2e는 실시예에 따른 도 1의 발광소자의 상부 구조물의 제조방법을 나타낸다.
도 3은 실시예에 따른 도 1의 발광소자의 하부 구조물의 제조방법을 나타낸다.
도 4는 다른 실시예에 따른 발광소자를 나타내는 단면도이다.
도 5는 실시예에 따른 도 4에 도시된 발광소자의 제조방법을 나타낸다.
도 6은 실시예에 따른 발광소자 패키지를 나타낸다.
도 7은 발광모듈을 갖는 조명 장치의 실시예를 도시하는 도면이다.
이하 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
본 실시예의 설명에 있어서, 각 구성요소(element)의 "상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 구성요소(element)가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 구성요소(element)가 상기 두 구성요소(element) 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한 "상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"로 표현되는 경우 하나의 구성요소(element)를 기준으로 위쪽 방향 뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
제1 실시예
도 1은 실시예에 따른 발광소자(200)를 나타내는 단면도이다.
발광소자(200)는 기판(210), 발광 구조물(220), 제1 및 제2 전극층(230 및 272), 절연층(240), 반사층(250), 제1 및 제2 상부 범프(bump) 금속층(262 및 274), 제1 및 제2 범프(264 및 276), 제1 및 제2 하부 범프 금속층(266 및 278), 제1 및 제2 전극 패드(268 및 280), 보호층(passivation layer)(290) 및 서브 마운트(submount)(292)을 포함한다.
발광소자(200)는 복수의 화합물 반도체층, 예컨대, 3족-5족 원소의 화합물 반도체층을 이용한 LED를 포함하며, LED는 청색, 녹색, 또는 적색 등과 같은 광을 방출하는 유색 LED이거나 자외선(UV:UltraViolet) LED일 수 있다. LED의 방출 광은 다양한 반도체를 이용하여 구현될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
도 1에 도시된 바와 같은 플립 본딩 구조의 발광 소자(200)의 제1 및 제2 전극층(230) 및 272)은 플립(flip) 방식으로 서브 마운트(292) 상에 위치한다.
즉, 발광 소자의 제1 전극(230)은 제1 범프(264)를 이용하여 서브 마운트(292)의 제1 전극 패드(268)에 연결되며, 제2 전극(272)은 제2 범프(276)를 이용하여 서브 마운트(292)의 제2 전극 패드(280)에 연결된다. 서브 마운트(292)는 열 전도성이 높은 물질로 이루어 질 수 있으며, 예를 들어 반도체 기판으로 이루어 질 수 있다. 에를 들어, 탄화규소(SiC), GaN, GaAs, Si 등의 물질로 이루어진다. 만일, 서브 마운트(292)가 Si으로 이루어지는 경우, 도 1에 도시된 바와 같이 하며, 보호층(290)이 더 마련될 수 있다.
제1 상부 범프 금속층(262)과 제1 하부 범프 금속층(266)은 제1 범프(264)가 위치할 자리를 표시하는 역할을 수행하며, 제2 상부 범프 금속층(274)과 제2 하부 범프 금속층(278)은 제2 범프(276)가 위치할 자리를 표시하는 역할을 수행한다.
따라서, 제1 상부 범프 금속층(262)과 제1 하부 금속층(266)은 수직적으로 일부 중첩될 수 있다. 또한, 제2 상부 범프 금속층(274)과 제2 하부 범프 금속층(278)은 수직적으로 일부 중첩될 수 있다.
실시예에 따라서, 제1 범프(264)는 제2 범프(276)보다 길이가 작을 수 있다.
제1 범프(264) 및 제2 범프(276)에 의하여, 발광구조물(220)과 서브마운트(292)는 공간적으로 이격될 수 있다.
보호층(290) 및 서브 마운트(292)는 발광소자(200)의 구조적인 안정성을 위하여 상면이 평평하게 형성될 수 있다.
전술한 제1 및 제2 상부 범프 금속층(262 및 274), 제1 및 제2 범프(264 및 276), 제1 및 제2 하부 범프 금속층(266 및 278), 제1 및 제2 전극 패드(268 및 280), 보호층(290) 및 서브 마운트(292)는 실시예의 이해를 돕기 위한 실시예에 불과하며, 다음 상술되는 본 실시예는 이에 국한되지 않는다.
기판(210)은 반도체 성장에 적합한 물질로 형성될 수 있으며, 또한 투광성을 가지는 물질로 형성될 수 있다. 기판(210)은 반도체 화합물을 포함하여 형성될 수 있으며, 예를 들어, 사파이어(Al2O3), SiC, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP, Ge 중 적어도 하나로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
또한, 기판(210)은 전체 질화물 반도체에 휨을 가져오지 않으면서, 스크라이빙(scribing) 공정 및 브레이킹(breaking) 공정을 통하여 별개의 칩으로 잘 분리시키기 위한 정도의 기계적 강도를 가질 수 있다.
다음으로, 발광 구조물(220)은 기판(210)의 하부에 형성된다. 발광 구조물(220)은 제1 도전형 반도체층(222), 활성층(224) 및 제2 도전형 반도체층(226)이 순차로 적층된 형태일 수 있다.
제1 도전형 반도체층(222)은 활성층(224) 상에 형성되며, 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 예를 들어, 제1 도전형 반도체층(222)은 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질, InAlGaN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(222)이 N형 반도체층인 경우, 제1 도전형 도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te 등과 같은 N형 도펀트를 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(222)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
활성층(224)은 제2 도전형 반도체층(226) 상에 형성되며, 단일 우물 구조(Double Hetero Structure), 다중 우물 구조, 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물(MQW:Multi Quantum Well) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 활성층(224)은 3족-5족 원소의 화합물 반도체 재료를 이용하여 우물층과 장벽층, 예를 들면 InGaN/GaN, InGaN/InGaN, GaN/AlGaN, InAlGaN/GaN, GaAs(InGaAs),/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 우물층은 장벽층의 밴드 갭보다 작은 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 특히, 실시예에 의한 활성층(224)은 자외선 파장의 빛을 생성할 수 있다.
활성층(224)과 제1 도전형 반도체층(222) 사이 또는 활성층(224)과 제2 도전형 반도체층(226) 사이에는 도전형 클래드층(미도시)이 형성될 수도 있다.
도전형 클래드층은 활성층(224)의 장벽층의 밴드 갭보다 더 넓은 밴드 갭을 가지는 반도체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도전형 클래드층은 GaN, AlGaN, InAlGaN 또는 초격자 구조 등을 포함할 수 있다. 또한, 도전형 클래드층은 n형 또는 p형으로 도핑될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(226)은 제1 전극층(230) 상에 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(226)은 반도체 화합물로 형성될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(226)는 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 예컨대, InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질 또는 AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(226)이 P형 반도체층인 경우, 제2 도전형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 P형 도펀트일 수 있다. 제2 도전형 반도체층(226)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
다음으로, 제1 전극층(230)은 활성층(224)과 평행하게 연장되며, 제2 도전형 반도체층(226)에 접해 있다. 또한, 제1 전극층(230)은 제2 도전형 반도체층(226)과 절연층(240)의 사이 및 제2 도전형 반도체층(226)과 반사층(250)의 사이에 형성되어있다.
실시예에 의하면, 제1 전극층(230)은 전도성을 갖는 투명층(이하, 전도성 명층이라 한다.)으로 구현될 수 있다.
만일, 제1 전극층(230)을 소프트(soft)한 금속으로 구현할 경우 제2 도전형 반도체층(226)과 절연층(240)은 견고(hard)하기 때문에, 소프트한 제1 전극층(230)은 견고한 제2 도전형 반도체층(226) 및 절연층(240)과 그 물질 특성이 매우 상이하여, 열팽창 계수 및 강도 및 신뢰성에 취약해질 수도 있다. 또한, 제1 전극층(230)의 역할은 기본적으로 오믹을 형성하기 위한 목적을 가지므로, 높은 반사도를 얻기에 적절하지 않을 수도 있다.
따라서, 본 실시예에서는 강도에 있어서 제2 도전형 반도체층(226) 및 절연층(240)과 동일 또는 유사하고, 제2 도전형 반도체층(226)과 오믹 접촉하는 물질을 포함하며, 반사율을 극대화시킬 수 있는 전도성 투명층을 제1 전극층(230)으로서 사용한다.
강도는 물질의 기계적인 특징을 표시하는 영율(Young's Modulus)값으로 설명될 수 있다. 질화갈륨 반도체의 경우, 영율값은 150GPa이상으로 알려져 있다. 또한, 절연층 물질로 사용되는 대표적인 SiO2의 경우, 영률값이 70GPa 이상으로 알려져 있다. 따라서, 전도성 투명층은 영률값이 70Gpa 이상 150GPa 이하의 중간의 값을 가지는 물질을 사용하면, 강도 차이에서 오는 문제를 최소화할 수 있다. 대표적으로 ITO(indium tin oxide)는 118Gpa를 가지므로, 반사율 극대화와 동시에 강도차이에서 오는 문제도 해결 할 수 있다.
실시예에 의한 전도성 투명층(230)은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), IZTO(indium zinc tin oxide), IAZO(indium aluminum zinc oxide), IGZO(indium gallium zinc oxide), IGTO(indium gallium tin oxide), AZO(aluminum zinc oxide), ATO(antimony tin oxide) 또는 GZO(gallium zinc oxide) 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
다음으로, 제2 전극층(272)는 제1 도전형 반도체층(222)에 접해 있으며, 금속으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제2 전극층(272)은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 및 이들의 선택적인 조합으로 이루어질 수 있다. 또한, 제2 전극층(272)은 오믹 특성을 갖는 반사 전극 재료로 단층 또는 다층으로 형성될 수 있다.
예컨대, 제2 전극층(272)은 전술한 금속 물질과 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), IZTO(indium zinc tin oxide), IAZO(indium aluminum zinc oxide), IGZO(indium gallium zinc oxide), IGTO(indium gallium tin oxide), AZO(aluminum zinc oxide), ATO(antimony tin oxide), GZO(gallium zinc oxide), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, 및 Ni/IrOx/Au/ITO 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 이러한 재료로 한정하지는 않는다. 제2 전극층(272)은 제1 도전형 반도체층(222)과 오믹 접촉하는 물질을 포함할 수 있다. 만일, 제2 전극층(272)이 오믹 역할을 수행할 경우, 별도의 오믹층(미도시)은 형성되지 않을 수 있다.
다음으로, 절연층(240)은 제1 전극층(230)과 제2 전극층(272) 사이에 개재되어, 제1 전극층(230)과 제2 전극층(272)을 전기적으로 절연시킨다. 도시된 상태에서, 절연층(240)은 활성층(224) 주위에서 제1 전극층(230)과 제2 전극층(272) 사이에 개재된다. 또한, 절연층(240)은 제1 및 제2 도전형 반도체층(222 및 226)의 사이의 외부로 노출된 활성층(224)의 측부를 덮는다. 이는, 활성층(224)의 측부가 노출될 경우, 활성층(224)의 노출된 면을 통해 외부로부터 전기적으로 영향을 받을 수 있기 때문에 이를 방지하기 위해서이다.
또한, 절연층(240)은 제1 전극층(230)과 반사층(250) 사이에 개재된다. 특히, 절연층(240)은 제1 전극층(230)의 가장자리(또는, 측벽)를 감싸면서 제2 도전형 반도체층(226)과 반사층(250) 사이에 형성된다. 따라서, 제1 전극층(230)은 제2 도전형 반도체 층(226) 아래에서 제2 도전형 반도체 층(226)의 측면 라인 보다 돌출되지 않도록 형성된다.
절연층(240)은 예를 들어 SiO2, SiOx, SiOxNy, Si3N4, Al2O3 로 형성될 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다. 전술한 제1 전극층(230) 또는 절연층(240)의 두께는 다음 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, d는 제1 전극층(230) 또는 절연층(240)의 두께를 나타내고, m은 정수이고, λ는 각 층(230 또는 240)을 통과하는 광의 파장을 나타내고, N은 각 층(230 또는 240)의 굴절율을 나타낸다.
한편, 반사층(250)은 제1 전극층(230)을 사이에 두고 발광 구조물(220)과 대향하여 형성되어 있다. 활성층(224)에서 발광되는 빛의 파장이 예를 들어 380㎚ 이상일 경우 제1 전극층(230)을 은(Ag)으로 사용하면, 활성층(224)에서 발광된 빛은 제1 전극층(230)에 의해 반사될 수 있다. 그러나, 활성층(224)에서 발광되는 빛의 파장이 예를 들어, 380㎚ 보다 작은 자외선 파장일 경우, Ag로 구현된 제1 전극층(230)에서 활성층(224)에서 발광된 빛을 반사하는 수준은 매우 약할 수 있다. 이 경우, 반사층(250)은 제1 전극층(230)에서 반사되지 않은 빛을 반사하는 역할을 한다. 반사층(250)은 금속 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들면 Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 및 이들의 선택적인 조합으로 구성된 금속 물질 중에서 형성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 실시예에 의하면, 제1 전극층(230)을 사이에 두고 발광 구조물(220)을 대향하도록 반사층(250)이 형성되기 때문에, 제1 전극층(230)으로서 금속과 같은 소프트한 물질 대신에 전도성 투명층과 같이 강도에 있어서 제2 도전형 반도체층(226)의 강도와 비슷한 물질을 이용할 수 있다. 그러므로, 자외선 등과 같은 특이한 파장을 갖는 빛의 반사율을 개선시킬 수 있다. 게다가, 서로 인접하는 제2 도전형 반도체층(226), 제1 전극층(230) 및 절연층(240)이 매우 유사한 물질 특성을 갖기 때문에, 발광 소자의 열팽창 계수 및 강도의 신뢰성이 향상될 수 있다.
도 2a 내지 도 2e는 실시예에 따른 도 1의 발광소자(200)의 상부 구조물(210, 220, 230, 240, 250, 262, 272 및 274)의 제조방법을 나타낸다.
도 2a를 참조하면, 기판(210) 상에 발광 구조물(220)을 성장시킨다. 기판(210)은 사파이어(Al2O3), SiC, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP, Ge 중 적어도 하나로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
발광 구조물(220)은 기판(210) 상에 제1 도전형 반도체층(222), 활성층(224) 및 제2 도전형 반도체층(226)을 순차적으로 성장시킴으로써 형성될 수 있다. 발광 구조물(220)은 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.
발광 구조물(220)과 기판(210) 사이에는 격자 상수 차이를 완화하기 위해 버퍼층(미도시) 및/또는 언도프트 질화물층(미도시)을 형성할 수도 있다.
이후, 메사 에칭을 수행하여 도 2a에 도시된 바와 같이 각 단위 칩 영역에 제1 도전형 반도체층(222)을 노출시킨다. 노출된 제1 도전형 반도체층(222)의 영역(222A)은 제2 전극층(272)을 형성하기 위한 영역으로서, 칩의 일측 또는 중앙 등에 형성될 수 있다.
다음으로, 도 2b를 참조하면, 제2 도전형 반도체층(226)의 상부에 제1 전극층(230)으로서 전도성 투명층을 형성한다. 이때, 제2 도전형 반도체층(226)의 최외곽 상부면(226A)은 노출시키면서 제1 전극층(230)을 형성한다. 이를 위해, 예를 들어 제1 전극층(230)이 형성되지 않을 영역을 포토레지스트(photoresist)로 도포하고, 제1 전극층(230)을 형성한 후, 포토레지스트는 제거된다.
다음, 도 2c에 도시된 바와 같이, 각 단위 칩 영역에서 노출된 제1 도전형 반도체층(222)의 상부(222A)에 제2 전극층(272)을 형성한다. 이를 위해, 예를 들어 제2 전극층(272)이 형성되지 않을 영역을 포토레지스트로 도포하고, 제2 전극층(272)을 형성한 후, 포토레지스트는 제거된다.
다음으로, 도 2d를 참조하면, 제2 전극층(272)과 발광 구조물(220)의 사이에 노출된 제1 도전형 반도체층(222)의 영역(222A), 발광 구조물(220)에서 제1 전극층(230)에 의해 노출된 제2 도전형 반도체층(226)의 상부(226A) 및 제1 전극층(230)의 상부(230A)에 절연층(240)을 형성한다. 이때, 절연층(240)은 제2 도전형 반도체층(226)의 상부(222A)에서, 제1 전극층(230)의 가장자리를 감싸도록 형성된다. 여기서, 도 2d에 도시된 바와 달리, 절연층(240)은 제1 전극층(230)의 상부에는 형성되지 않을 수도 있고 및/또는 제2 전극층(272)의 상부에 형성될 수도 있으며, 이에 국한되지 않는다.
다음으로, 도 2e를 참조하면, 제1 전극층(230)을 사이에 두고 발광 구조물(220) 특히 활성층(224)을 대향하도록 반사층(250)을 형성한다. 이후, 통상적인 공정에 의해 제1 및 제2 상부 범프 금속층(262 및 274)을 형성한다.
도 3은 실시예에 따른 도 1의 발광소자(200)의 하부 구조물(266, 268, 278, 280, 290 및 292)의 제조방법을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 도 2a 내지 도 2e에 도시된 공정이 진행되는 동안 별개의 공정으로 서브 마운트(292) 상에 제1 및 제2 전극 패드(268 및 280)을 형성하고, 제1 및 제2 전극 패드(268 및 280)의 각 상부에 제1 및 제2 하부 범프 금속층(266 및 278)을 형성한다. 전술한 바와 같이, 서브 마운트(292)가 Si로 이루어질 경우, 서브 마운트(292)의 상부에 보호층(290)을 더 형성하며, 이 경우 보호층(290)의 상부에 제1 및 제2 전극 패드(268 및 280)가 형성된다.
한편, 도 2e에 도시된 결과물에 대해 랩핑(lapping) 및 폴리싱(polishing) 공정을 수행한다. 그 후, 칩 절단 공정을 통해 구조물을 단위 칩 영역에 따라 절단한다. 칩 절단 공정은 예를 들어, 블레이드(blade)를 이용해 물리적인 힘을 가하여 분리시키는 브레이킹 공정, 칩 경계에 레이져를 조사하여 칩을 분리시키는 레이저 스크라이빙 공정, 습식 식각 또는 건식 식각을 포함하는 식각 공정 등을 포함할 수 있으나 이에 대해 한정되지는 않는다.
다음, 분리된 단위 칩에서 기판(210)이 탑 측으로 배치되도록 회전시킨 후 도 3에 도시된 결과물과 결합시킨다. 이때, 도 1에 도시된 바와 같이 제1 범프(264)에 의해 제1 상부 범프 금속층(262)와 제1 하부 범프 금속층(266)이 결합되고, 제2 범프(276)에 의해 제2 상부 범프 금속층(274)과 제2 하부 범프 금속층(278)이 결합된다.
도 1에 도시된 발광 소자는 도 2a 내지 도 2e 및 도 3에 도시된 제조 방법에 의해 국한되지 않으며 다양한 제조 방법에 의해 제조될 수 있다.
제2 실시예
도 4는 다른 실시예에 따른 발광소자(300)를 나타내는 단면도이다.
발광소자(300)는 기판(210), 발광 구조물(220), 복수의 제1 반사층(334)을 포함하는 제1 및 제2 전극층(330 및 272), 절연층(340), 제2 반사층(250), 제1 및 제2 상부 범프 금속층(262 및 274), 제1 및 제2 범프(264 및 276), 제1 및 제2 하부 범프 금속층(266 및 278), 제1 및 제2 전극 패드(268 및 280), 보호층(290) 및 서브 마운트(292)를 포함한다.
도 1과 도 4에 도시된 기판(210), 발광 구조물(220), 제1 및 제2 상부 범프 금속층(262 및 274), 제1 및 제2 범프(264 및 276), 제1 및 제2 하부 범프 금속층(266 및 278), 제1 및 제2 전극 패드(268 및 280), 보호층(290) 및 서브 마운트(292)는 대체로 유사하므로, 이들에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 도 4에 도시된 제2 반사층(250)은 도 1에 도시된 반사층(250)에 해당하며 이하에서 명칭만 달리할 뿐 실질적으로 동일하므로 이에 대한 상세한 설명을 생략한다.
도 4에 도시된 발광 소자(300)의 제1 전극층(330)은 활성층(222)과 평행하게 연장되고 제2 도전형 반도체층(226)과 접해 있다. 또한, 제1 전극층(330)은 소정 간격으로 서로 이격되어 형성된 복수 개의 제1 반사층(334)을 갖는다.
도시된 바와 같이, 제1 전극층(330)은 제2 도전형 반도체층(226)과 절연층(240)의 사이에 형성되는 패턴된 전도성 투명층(332)를 더 포함한다. 이때, 복수 개의 제1 반사층(334)은 패턴된 전도성 투명층(332)의 사이에 소정 간격으로 이격되면서 형성된다.
도 4에 도시된 전도성 투명층(332)은 도 1에 도시된 제1 전극층(230)을 구현하는 전도성 투명층과 동일한 역할을 수행하며 동일한 물질로 구현될 수 있다. 복수의 제1 반사층(334)은 무지향성 반사층(ODR:OmniDirectional Reflective)으로서, 예를 들면 절연층(240)과 동일한 물질로 구현될 수 있다.
무지향성 반사층(334)의 굴절율은 제2 도전형 반도체층(226)의 굴절율보다 작다. 예를 들어, 제2 도전형 반도체층(226)이 굴절율 2.4인 GaN으로 구현될 경우, 무지향성 반사층(334)은 GaN보다 작은 굴절율을 가진 매질인 진공, 공기, 물, SiO2, Si3N4로 구현될 수 있다.
따라서, 본 실시예에 의한 발광 소자는 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 전극층(330)을 향하여 방출되는 모든 빛 중 일부는 전도성 투명층(324)을 통해 반사시키고 나머지 일부는 제1 반사층(334) 즉, ODR 층을 통해 전방위의 각도에서 반사시킴으로써, 제1 전극층(230)을 통해 흡수되어 소멸되던 빛의 일부를 반사시켜 발광 효율을 향상시킬 수 있고 패턴된 전도성 투명층(332)은 칩의 전류 분산 효과를 가져올 수도 있다.
도 5a 내지 도 5c는 실시예에 따른 도 4에 도시된 발광소자(300)의 제조방법을 나타낸다.
도 4에 도시된 발광 소자(300)를 제조하기 위해, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 제1 전극층(230)을 발광 구조물(220)의 상부에 형성한다.
다음, 제1 전극부(230)를 패터닝하여 도 5a에 도시된 바와 같이, 제2 도전형 반도체층(226)의 상부에 제1 전극층(330)을 구성하는 패턴된 전도성 투명층(332)을 형성한다.
다음, 도 5b에 도시된 바와 같이 절연층(340)을 형성한다. 제1 반사층(334)을 절연층(340)과 동일한 물질로 구현하고자 할 경우, 패턴된 전도성 투명층(332)의 사이에 절연층(340)이 매립되어 제1 반사층(334)이 형성된다.
이와 같이, 도 2b에 도시된 전도성 투명층(230)을 패터닝하고, 그 결과물의 상부에 절연층(340)을 형성하여 제1 반사층(334)을 형성하므로 전류 분산 효과가 있다.
다음으로, 도 5c에 도시된 바와 같이 제2 반사층(250)과 제1 및 제2 상부 범프 금속층(262 및 274)을 형성한다. 이후의 공정은 도 1에 도시된 발광 소자의 제조 방법과 동일하므로 이들에 대한 설명은 생략한다.
도 4에 도시된 발광 소자(300)는 도 2a, 2b, 5a 내지 도 5c에 도시된 제조 방법에 의해 국한되지 않으며 다양한 제조 방법에 의해 제조될 수 있다.
전술한 발광소자의 제조방법의 실시예에서, 각각의 공정의 순서는 바뀔 수 있으며, 각각의 공정 사이에 다른 공정이 추가되거나 일부 공정이 생략될 수도 있다.
도 6은 실시예에 따른 발광소자 패키지를 나타낸다.
발광소자 패키지(500)는 패키지 몸체(510), 리드 프레임(512 및 514), 발광소자(520), 반사판(525) 및 수지층(540)을 포함한다.
패키지 몸체(510)의 상면에는 캐비티(cavity)가 형성될 수 있다. 캐비티의 측벽은 경사지게 형성될 수 있다. 패키지 몸체(510)는 실리콘 기반의 웨이퍼 레벨 패키지(wafer level package), 실리콘 기판, 실리콘 카바이드(SiC), 질화알루미늄(aluminum nitride, AlN) 등과 같이 절연성 또는 열전도도가 좋은 기판으로 형성될 수 있으며, 복수 개의 기판이 적층되는 구조일 수 있다. 실시예는 패키지 몸체(510)의 재질, 구조 및 형상으로 한정되지 않는다.
리드 프레임(512 및 514)은 열 배출이나 발광소자(520)의 장착을 고려하여 서로 전기적으로 분리되도록 패키지 몸체(510)에 배치된다. 발광소자(520)는 리드 프레임(512 및 514)과 전기적으로 연결된다. 발광소자(520)는 도 1 및 도 4의 실시예에 도시된 발광소자(200 및 300)일 수 있다.
반사판(525)은 발광소자(520)에서 방출된 빛을 소정의 방향으로 지향시키도록 패키지 몸체(510)의 캐비티 측벽에 형성된다. 반사판(525)은 광반사 물질로 이루어지며, 예컨대, 금속 코팅이거나 금속 박편일 수 있다.
수지층(540)은 패키지 몸체(510)의 캐비티 내에 위치하는 발광소자(520)를 포위하여 발광소자(520)를 외부 환경으로부터 보호한다. 수지층(540)은 에폭시 또는 실리콘과 같은 무색 투명한 고분자 수지 재질로 이루어질 수 있다. 수지층(540)에는 발광소자(520)에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있도록 형광체가 포함될 수 있다.
실시예에 따른 발광소자 패키지는 복수 개가 기판 상에 배열되며, 발광소자 패키지의 광 경로 상에 광학 부재인 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트 등이 배치될 수 있다.
또 다른 실시예는 상술한 실시예들에 기재된 발광소자 또는 발광소자 패키지를 포함하는 표시 장치, 지시 장치, 조명 시스템으로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 조명 시스템은 램프, 가로등을 포함할 수 있다.
도 7은 발광모듈을 갖는 조명 장치의 일 실시예를 도시하는 도면이다.
이러한 조명 장치는, 발광모듈(20)과, 발광모듈(20)에서 발광된 빛의 출사 지향각을 안내하는 광가이드(30)를 포함하여 구성될 수 있다.
발광모듈(20)은 회로기판(printed circuit board; PCB)(21) 상에 구비되는 적어도 하나의 발광소자(22)를 포함할 수 있으며, 다수의 발광소자(22)가 회로기판(21) 상에 이격되어 배열될 수 있다. 발광소자(22)는 예를 들어, LED(light emitting diode)일 수 있으며 도 1 및 도 4의 실시예에 도시된 발광소자(200 및 300)일 수 있다.
광가이드(30)는 발광모듈(20)에서 발광되는 광을 집속하여 일정 지향각을 가지고 개구부를 통하여 출사될 수 있도록 하며, 내측면에는 미러면을 가질 수 있다. 여기서, 발광모듈(20)과 광가이드(30)는 일정 간격(d) 만큼 이격되어 설치될 수 있다.
이와 같은 조명 장치는 상술한 바와 같이, 다수의 발광소자(22)를 집속하여 빛을 얻는 조명등으로 사용될 수 있는 것으로서, 특히 건물의 천장이나 벽체 내에 매입되어 광가이드(30)의 개구부 측이 노출되는 매입등(다운라이트)으로 이용할 수 있다.
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.
22, 200, 300, 520: 발광 소자 210: 기판
220: 발광 구조물 222: 제1 도전형 반도체층
224: 활성층 226: 제2 도전형 반도체층
230, 330: 제1 전극층 240, 340: 절연층
250: 반사층, 제2 반사층 262, 274: 상부 범프 금속층
264, 276: 범프 266, 278: 하부 범프 금속층
268, 280: 전극 패드 290: 보호층
292: 서브 마운트 332: 패턴된 전도성 투명층
500: 발광소자 패키지 510: 패키지 몸체
512, 514: 리드 프레임 520 : 발광소자
525: 반사판 530 : 와이어
540: 수지층

Claims (19)

  1. 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물;
    상기 제2 도전형 반도체층에 접해 있는 제1 전극층;
    상기 제1 도전형 반도체층에 접해 있는 제2 전극층;
    상기 제1 전극층과 상기 제2 전극층 사이에 개재된 절연층; 및
    상기 제1 전극층을 사이에 두고 상기 발광 구조물과 대향하는 반사층을 포함하는 발광 소자.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 제1 전극층은 상기 제2 도전형 반도체층과 상기 절연층의 사이에 형성되는 전도성 투명층을 포함하는 발광 소자.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 절연층은 상기 제1 전극층과 상기 반사층의 사이에 개재되는 발광 소자.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 절연층은 상기 제1 전극층의 가장 자리를 감싸면서 상기 제2 도전형 반도체층과 상기 반사층의 사이에 형성된 발광 소자.
  5. 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조물;
    상기 제2 도전형 반도체층과 접해 있으며, 서로 소정 간격으로 이격되어 형성된 복수 개의 제1 반사층을 갖는 제1 전극층;
    상기 제1 도전형 반도체층에 접해 있는 제2 전극층;
    상기 제1 전극층과 제2 전극층 사이에 개재된 절연층; 및
    상기 제1 전극층을 사이에 두고 상기 발광 구조물과 대향하는 제2 반사층을 포함하는 발광 소자.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 절연층은 상기 제1 전극층의 가장 자리를 감싸면서 상기 제2 도전형 반도체층과 상기 제2 반사층의 사이에 형성된 발광 소자.
  7. 제5 항에 있어서, 상기 절연층은 상기 제1 전극층과 상기 제2 반사층의 사이에 개재되는 발광 소자.
  8. 제5 항에 있어서, 상기 제1 반사층은 상기 절연층과 동일 물질을 포함하는 발광 소자.
  9. 제1 항 또는 제5 항에 있어서, 상기 제1 전극층은 상기 제2 도전형 반도체층과 오믹 접촉하는 물질을 포함하는 발광 소자.
  10. 제1 항 또는 제5 항에 있어서, 상기 제2 전극층은 상기 제1 도전형 반도체층과 오믹 접촉하는 물질을 포함하는 발광 소자.
  11. 제1 항 또는 제5 항에 있어서, 상기 절연층은
    상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이의 외부로 노출된 상기 활성층의 측부를 덮는 발광 소자.
  12. 제1 항 또는 제5 항에 있어서, 상기 활성층은 자외선 파장의 빛을 생성하는 물질을 포함하는 발광 소자.
  13. 제1 항 또는 제5 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극층은 플립 방식으로 서브 마운트에 연결되는 발광 소자.
  14. 제5 항에 있어서, 상기 제1 반사층은 무지향성 반사층인 발광 소자.
  15. 제14 항에 있어서, 상기 복수 개의 무지향성 반사층의 굴절율은 상기 제2 도전형 반도체층의 굴절율보다 작은 발광 소자.
  16. 제14 항에 있어서, 상기 제1 전극층은 상기 제2 도전형 반도체층과 상기 절연층 사이에 형성되는 패턴된 전도성 투명층을 포함하고,
    상기 무지향성 반사층은 상기 패턴된 전도성 투명층의 사이에 형성되는 발광 소자.
  17. 제2 항 또는 제16 항에 있어서, 상기 전도성 투명층은
    ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), IZTO(indium zinc tin oxide), IAZO(indium aluminum zinc oxide), IGZO(indium gallium zinc oxide), IGTO(indium gallium tin oxide), AZO(aluminum zinc oxide), ATO(antimony tin oxide) 또는 GZO(gallium zinc oxide) 중 적어도 하나를 포함하는 발광 소자.
  18. 제2 항 또는 제16 항에 있어서, 상기 전도성 투명층의 강도는 상기 제2 도전형 반도체층의 강도 및 상기 절연층의 강도와 동일한 발광 소자.
  19. 제18 항에 있어서, 상기 전도성 투명층은 영률값이 70 Gpa 이상 150 Gpa 이하인 물질을 포함하는 발광 소자.
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