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KR102056618B1 - 반도체 발광소자 - Google Patents

반도체 발광소자 Download PDF

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KR102056618B1
KR102056618B1 KR1020130011832A KR20130011832A KR102056618B1 KR 102056618 B1 KR102056618 B1 KR 102056618B1 KR 1020130011832 A KR1020130011832 A KR 1020130011832A KR 20130011832 A KR20130011832 A KR 20130011832A KR 102056618 B1 KR102056618 B1 KR 102056618B1
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conductive semiconductor
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이승환
홍현권
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명의 실시 형태에 따른 반도체 발광소자는, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물; 발광구조물의 하부에 위치하며 제1 도전형 반도체층과 접속된 제1 전극; 발광구조물 내에 위치하며 제2 도전형 반도체층과 접속된 제2 전극; 제2 전극을 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제1 전극으로부터 절연시키는 절연부; 제1 전극과 접속되는 제1 패드 전극; 및 제2 전극과 접속되며 발광구조물의 상부면 상으로 노출되는 제2 패드 전극;을 포함한다.

Description

반도체 발광소자{Semiconductor light emitting device}
본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것이다.
일반적으로, 질화물 반도체는 풀컬러 디스플레이, 이미지 스캐너, 각종 신호시스템 및 광 통신기기에 광원으로 제공되는 녹색 또는 청색 발광 다이오드(light emitting diode: LED) 또는 레이저 다이오드(laser diode: LD)에 널리 사용되어 왔다. 이러한 질화물 반도체 발광소자는 전자와 정공의 재결합원리를 이용하는 청색 및 녹색을 포함하는 다양한 광을 방출하는 활성층을 갖는 발광소자로서 제공된다.
이러한 질화물 발광소자는 그 활용 범위가 확대되어 일반 조명 및 전장용 광원으로 많은 연구가 되고 있으며, 최근에는 고 전류/고 출력 분야로 확대되고 있다. 이에 따라, 반도체 발광소자의 발광 효율과 품질을 개선하기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있으며, 특히, 발광소자의 광 출력과 신뢰성을 개선하기 위해 다양한 전극 구조를 갖는 발광소자가 개발되고 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 광 손실을최소화하여 광 추출 효율이 향상된 반도체 발광소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자는, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물; 상기 발광구조물의 하부에 위치하며 상기 제1 도전형 반도체층과 접속된 제1 전극; 상기 발광구조물 내에 위치하며 상기 제2 도전형 반도체층과 접속된 제2 전극; 상기 제2 전극을 상기 제1 도전형 반도체층, 상기 활성층 및 상기 제1 전극으로부터 절연시키는 절연부; 상기 제1 전극과 접속되는 제1 패드 전극; 및 상기 제2 전극과 접속되며 상기 발광구조물의 상부면 상으로 노출되는 제2 패드 전극;을 포함한다.
본 발명의 일부 실시 형태에서, 상기 제1 패드 전극 및 상기 제2 패드 전극은 상기 활성층을 기준으로 서로 반대측에 위치할 수 있다.
본 발명의 일부 실시 형태에서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 상기 활성층을 기준으로 서로 반대측에 위치할 수 있다.
본 발명의 일부 실시 형태에서, 상기 제2 전극은 상기 제2 도전형 반도체층의 내부에 매립되어 위치할 수 있다.
본 발명의 일부 실시 형태에서, 상기 제2 전극의 하부면은 상기 활성층의 상부면으로부터 이격되어 위치할 수 있다.
본 발명의 일부 실시 형태에서, 상기 제2 전극은 행과 열을 이루는 라인의 형태로 배열될 수 있다.
본 발명의 일부 실시 형태에서, 상기 제2 전극의 행과 열은 상기 발광구조물 내에서 서로 연결될 수 있다.
본 발명의 일부 실시 형태에서, 상기 제2 패드 전극은 상기 제2 전극의 일부분 상에 위치할 수 있다.
본 발명의 일부 실시 형태에서, 상기 제2 패드 전극의 너비는 상기 제2 전극의 너비보다 클 수 있다.
본 발명의 일부 실시 형태에서, 상기 절연부는 상기 제1 도전형 반도체층 및 활성층을 관통하여 상기 제2 전극과 연결될 수 있다.
본 발명의 일부 실시 형태에서, 상기 절연부는 상기 제2 전극의 하부면 및 측면들의 적어도 일부를 둘러쌀 수 있다.
본 발명의 일부 실시 형태에서, 상기 제1 전극의 하부에 배치되는 도전성 기판을 더 포함하고, 상기 제1 패드 전극은 상기 도전성 기판의 하부에 배치될 수 있다.
본 발명의 일부 실시 형태에서, 상기 발광구조물은 상부면에 제1 요철이 형성될 수 있다.
본 발명의 일부 실시 형태에서, 상기 제1 요철은 상부면에 상기 제1 요철보다 작은 제2 요철이 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 형태에 따른 반도체 발광소자는, 순차적으로 적층된 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물; 상기 제1 도전형 반도체층과 접속된 제1 전극; 상기 발광구조물 내에 위치하며 상기 제2 도전형 반도체층과 접속된 제2 전극; 상기 제1 전극과 접속되는 제1 패드 전극; 및 상기 제2 전극과 접속되며 상기 발광구조물의 발광면 상으로 노출되는 제2 패드 전극;을 포함한다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 반도체 발광소자에 따르면,　광 추출 효율이 향상된 고출력의 대면적 반도체 발광소자가 제공될 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 2는 반도체 발광소자의 개략적인 단면도이며, 도 1의 절단선 Ⅱ-Ⅱ'에 따라 절단된 부분이 도시된다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 9a 내지 도 9j는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자의 제조방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 패키지에 적용한 예를 나타낸다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 백라이트 유닛에 적용한 예를 나타낸다.
도 13은 본 발명의 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 조명 장치에 적용한 예를 나타낸다.
도 14는 본 발명의 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 헤드 램프에 적용한 예를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다.
본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형되거나 여러 가지 실시 형태가 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 2는 반도체 발광소자의 개략적인 단면도이며, 도 1의 절단선 Ⅱ-Ⅱ'에 따라 절단된 부분이 도시된다. 다만, 이해의 편의를 위하여 도 2의 제2 전극(140)과 같은 일부 구성 요소들은 도 1에서보다 크게 도시되었다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 반도체 발광소자(100)는 기판(101) 상에 배치된 발광구조물(130), 즉, 제1 도전형 반도체층(132), 활성층(134) 및 제2 도전형 반도체층(136)을 포함하는 발광적층체를 구비한다. 또한, 반도체 발광소자(100)는, 전극 구조로서 제1 및 제2 전극(120, 140)과 제1 및 제2 패드 전극(110, 150)을 포함하며, 제2 전극(140)의 하부면 및 측면들을 덮는 절연부(160)를 포함한다.
기판(101)은 제1 전극(120)과 더불어 반도체 발광소자(100)의 전극 역할을 수행하며, 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 기판(101)은 도 9a 및 도 9j를 참조하여 후술할 반도체 발광소자(100)의 제조 공정 중에, 반도체 성장용 기판의 제거를 위하여 레이저 리프트 오프(laser lift off) 등의 공정을 수행할 때 지지체의 역할을 수행할 수 있다. 기판(101)은 금(Au), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 텅스텐(W), 실리콘(Si), 셀레늄(Se), 게르마늄(Ge), 갈륨 질화물(GaN) 및 갈륨비소(GaAs) 중 어느 하나를 포함하는 물질, 예컨대, 실리콘(Si)에 알루미늄(Al)이 도핑된 물질로 이루어질 수 있다. 이 경우, 선택된 물질에 따라, 기판(101)은 도금 또는 본딩 접합 등의 방법으로 형성될 수 있을 것이다.
발광구조물(130)은 기판(101) 상에 순차적으로 배치되는 제1 도전형 반도체층(132), 활성층(134) 및 제2 도전형 반도체층(136)을 포함할 수 있다. 발광구조물(130)의 전면(130A)은 활성층(134)으로부터의 광이 방출되는 면이며, 후면(130B)은 패키징 시 패키지 기판을 향하는 면일 수 있다.
제1 및 제2 도전형 반도체층(132, 136)은 각각 p형 및 n형 불순물이 도핑된 반도체로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 반대로 각각 n형 및 p형 반도체층이 될 수도 있을 것이다. 또한, 제1 및 제2 도전형 반도체층(132, 136)은 질화물 반도체, 예컨대, AlxInyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성을 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 제1 및 제2 도전형 반도체층(132, 136)은 이외에도 AlGaInP계열 반도체나 AlGaAs계열 반도체와 같은 물질도 이용될 수 있을 것이다.
활성층(134)은 제1 도전형 반도체층(132)과 제2 도전형 반도체층(136)의 사이에 배치되며, 전자와 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출한다. 활성층(134)은 제1 및 제2 도전형 반도체층(132, 136)의 에너지 밴드 갭보다 작은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 도전형 반도체층(132, 136)이 GaN계 화합물 반도체인 경우, 활성층(134)은 GaN의 에너지 밴드 갭보다 적은 에너지 밴드 갭을 갖는 InAlGaN계 화합물 반도체를 포함할 수 있다. 또한, 활성층(134)은 양자우물층과 양자장벽층이 서로 교대로 적층된 다중 양자우물(Multiple Quantum Wells, MQW) 구조, 예컨대, InGaN/GaN 구조가 사용될 수도 있다.
제1 및 제2 전극(120, 140)은 각각 제1 및 제2 도전형 반도체층(132, 136)의 외부와의 전기 접속을 위한 콘택층으로, 제1 및 제2 도전형 반도체층(132, 136)과 각각 접속하도록 구비될 수 있다. 제1 및 제2 전극(120, 140)은 활성층(134)을 기준으로 서로 반대측에 위치할 수 있다.
제1 전극(120)은 발광구조물(130)의 하부에 배치되어 기판(101)과 전기적으로 연결될 수 있다.
제2 전극(140)은 발광구조물(130) 내에 매립된 형태로 배치될 수 있으며, 본 실시 형태에서는 특히 제2 도전형 반도체층(136) 내에 위치할 수 있다. 제2 전극(140)은 활성층(134)의 상부면으로부터 소정거리(D1)만큼 이격되어 위치할 수 있다. 이 경우, 제2 전극(140)과 제1 도전형 반도체층(132)의 전기적 분리가 보다 안정적일 수 있다. 도 1에 도시된 것과 같이, 제2 전극(140)은 x 방향 및 y 방향으로 행과 열을 이루며 연장되는 라인 형태일 수 있으며, 행과 열이 반도체 발광소자(100) 내에서 일정 단위로 서로 연결된 형태를 이룰 수 있다. 다만, 도 1에 도시된 연결 구조 및 연결 단위는 예시적인 것으로 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 인접한 열을 이루는 제2 전극(140) 사이의 거리(D2)는 다양하게 변화될 수 있다.
제1 및 제2 전극(120, 140)은 각각 제1 및 제2 도전형 반도체층(132, 136)과 오믹 특성을 갖는 도전성 물질이 단일층 또는 다층 구조로 이루어질 수 있다. 예컨대, 제1 및 제2 전극(120, 140)은 Au, Ag, Cu, Zn, Al, In, Ti, Si, Ge, Sn, Mg, Ta, Cr, W, Ru, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt 등의 물질 및 그 합금 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 특히, 제1 전극(120) 및/또는 제2 전극(140)은 반사율이 높은 광 반사성 물질을 사용할 수 있으며, 예를 들어 AgPdCu 합금을 사용할 수 있다.
절연부(160)는 제2 전극(140)을 제1 도전형 반도체층(132), 활성층(134) 및 제1 전극(120)으로부터 전기적으로 분리시킬 수 있다. 절연부(160)는 제1 도전형 반도체층(132) 및 활성층(134)을 관통하여 제2 전극(140)과 연결되며, 제2 전극(140)을 따라 평면 상에서 x 방향 및 y 방향으로 연장될 수 있다. 절연부(160)는 제2 전극(140)의 하부면 및 하부면과 접하는 양 측면들을 둘러싸도록 형성될 수 있다.
절연부(160)는 전기적으로 절연 특성을 갖는 물질이면 어느 것이나 사용할 수 있지만, 빛을 최소한으로 흡수하는 것이 바람직하므로, 예컨대, SiO2, SiOxNy, SixNy 등의 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물을 이용할 수 있다. 또한, 우수한 갭-필(gap fill)을 위하여 SOG(Spin On Glass)를 이용할 수도 있다.
제1 및 제2 패드 전극(110, 150)은 각각 제1 및 제2 전극(120, 140)과 접속되며, 반도체 발광소자(100)의 외부 단자로 기능할 수 있다. 제1 및 제2 패드 전극(110, 150)은 활성층(134)을 기준으로 서로 반대 측, 즉 기판(101)의 상부 및 하부에 각각 배치될 수 있다.
제1 패드 전극(110)은 기판(101)의 하면에 배치될 수 있다. 제1 패드 전극(110)은 우수한 방열 효과를 얻기 위하여 넓은 면적을 차지하도록 형성될 수 있다.
제2 패드 전극(150)은 도 1에 도시된 것과 같이, 제2 전극(140)의 일부분 상에만 위치할 수 있다. 안정적인 접속을 위하여 제2 패드 전극(150)의 너비(L2)는 제2 전극(140)의 너비(L1)보다 클 수 있지만, 본 발명은 이에 한정되지는 않는다. 제2 패드 전극(150)은 발광구조물(130) 내에 위치하며 발광구조물(130)의 전면(130A)으로 노출되도록 배열될 수 있다.
제1 및 제2 패드 전극(110, 150)은 하나의 층 또는 2개 이상의 층으로 이루어질 수 있다. 제1 및 제2 패드 전극(110, 150)은 Ag, Al, Ni, Cr, Pd, Cu, Pt, Sn, W, Au, Rh, Ir, Ru, Mg, Zn 등의 물질 및 그 합금 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 제1 패드 전극(110)은 공융 금속, 예컨대, AuSn 및 CuSn 등으로 이루어질 수 있으며, 패키지 등에 실장 시 공융 접합에 의하여 본딩될 수 있다. 제2 패드 전극(150)은, 예컨대, 금(Au), 알루미늄(Al)과 같은 금속 또는 그 합금일 수 있다.
본 실시 형태에 따른 반도체 발광소자 패키지(100)의 경우, 제2 전극(140)이 발광면인 발광구조물(130)의 전면(130A) 상에 위치하지 않고 발광구조물(130)에 매립된 형태를 갖는다. 따라서, 제2 전극(140)에서의 광 흡수로 인한 광 손실을 감소시킬 수 있으며 발광면으로의 광 추출 효율이 향상될 수 있다. 동일한 크기의 전극 및 패드 전극을 가지는 수직형 반도체 발광소자의 광 추출 효율이 50.7 %인데 비하여, 본 실시 형태에 따른 반도체 발광소자 패키지(100)의 경우 54.2 %의 광 추출 효율을 보여, 광 추출 효율이 향상됨을 확인하였다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 이하의 도면들을 참조한 설명에서, 도 1 및 도 2에서와 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 나타내므로 중복되는 설명은 생략된다.
도 3을 참조하면, 반도체 발광소자(200)는 기판(101) 상에 배치된 발광구조물(130), 즉, 제1 도전형 반도체층(132), 활성층(134) 및 제2 도전형 반도체층(136)을 포함하는 발광적층체를 구비한다. 또한, 반도체 발광소자(200)는, 전극 구조로서 제1 및 제2 전극(120, 140a)과 제1 및 제2 패드 전극(110, 150)을 포함하며, 제2 전극(140a)의 하부면과 접하는 절연부(160a)를 포함한다.
제1 및 제2 전극(120, 140a)은 각각 제1 및 제2 도전형 반도체층(132, 136)과 접속하도록 구비될 수 있다. 제1 및 제2 전극(120, 140a)은 활성층(134)을 기준으로 서로 반대측에 위치할 수 있다. 제2 전극(140a)은 발광구조물(130) 내에 매립된 형태로 배치될 수 있으며, 특히 제2 도전형 반도체층(136) 내에 위치할 수 있다. 제2 전극(140a)은 활성층(134)의 상부면으로부터 소정거리 이격되어 위치할 수 있다.
절연부(160a)는 제2 전극(140a)을 제1 도전형 반도체층(132), 활성층(134) 및 제1 전극(120)으로부터 전기적으로 분리시킬 수 있다. 절연부(160a)는 제1 도전형 반도체층(132) 및 활성층(134)을 관통하여 제2 전극(140a)과 연결되며, 제2 전극(140a)을 따라 평면 상에서 연장될 수 있다. 특히, 본 실시 형태에서는 도 2의 반도체 발광소자(100)와 달리, 절연부(160a)가 제2 전극(140a)의 하부에만 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 반도체 발광소자(300)는 기판(101) 상에 배치된 발광구조물(130), 즉, 제1 도전형 반도체층(132), 활성층(134) 및 제2 도전형 반도체층(136)을 포함하는 발광적층체를 구비한다. 또한, 반도체 발광소자(300)는, 전극 구조로서 제1 및 제2 전극(120, 140b)과 제1 및 제2 패드 전극(110, 150)을 포함하며, 제2 전극(140b)의 하부면 및 측면들을 덮는 절연부(160)를 포함한다.
제1 및 제2 전극(120, 140b)은 각각 제1 및 제2 도전형 반도체층(132, 136)과 접속하도록 구비될 수 있다. 제2 전극(140b)은 발광구조물(130) 내에 매립된 형태로 배치될 수 있다. 특히, 본 실시 형태에서는 도 2의 반도체 발광소자(100)와 달리 제2 전극(140b)의 하부면이 활성층(134)의 아래로 연장된 형태를 가질 수 있다. 따라서, 제2 전극(140b)의 하부면은 활성층(134)의 하부면보다 기판(101) 방향으로 소정거리(D3)만큼 아래에 위치할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 5를 참조하면, 반도체 발광소자(400)는 기판(101) 상에 배치된 발광구조물(130), 즉, 제1 도전형 반도체층(132), 활성층(134) 및 제2 도전형 반도체층(136)을 포함하는 발광적층체를 구비한다. 또한, 반도체 발광소자(400)는, 전극 구조로서 제1 및 제2 전극(120, 140), 제1 전극 연장부(125), 및 제1 및 제2 패드 전극(110, 150)을 포함하며, 제2 전극(140)의 하부면 및 측면들을 덮는 절연부(160b)를 포함한다.
제1 및 제2 전극(120, 140)은 각각 제1 및 제2 도전형 반도체층(132, 136)과 접속하도록 구비될 수 있다. 제1 및 제2 전극(120, 140)은 활성층(134)을 기준으로 서로 반대측에 위치할 수 있다.
절연부(160b)는 제2 전극(140)을 제1 도전형 반도체층(132), 활성층(134), 제1 전극(120) 및 제1 전극 연장부(125)로부터 전기적으로 분리시킬 수 있다. 절연부(160b)는 제1 도전형 반도체층(132)의 일부 및 활성층(134)을 관통하여 제2 전극(140)과 연결되며, 제2 전극(140)을 따라 평면 상에서 연장될 수 있다.
본 실시 형태에서는, 제1 전극(120)과 절연부(160b)의 사이에 제1 전극 연장부(125)가 더 배치될 수 있다. 실시 형태에 따라, 제1 전극 연장부(125)는 제1 전극(120)과 일체로 형성될 수도 있으며, 제1 전극 연장부(125)에 의해 제1 도전형 반도체층(132)과의 접촉 면적이 넓어질 수 있다. 제1 전극 연장부(125)는 활성층(134)으로부터 소정거리(D4)만큼 이격되어 형성될 수 있다.
제1 전극 연장부(125)는 은(Ag), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 팔라듐(Pd), 구리(Cu), 백금(Pt), 및 티타늄(Ti) 등의 물질 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 제1 전극 연장부(125)는 제1 전극(120)과 동일하거나 다른 물질로 이루어질 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 6을 참조하면, 반도체 발광소자(500)는 기판(101) 상에 배치된 발광구조물(130a), 즉, 제1 도전형 반도체층(132), 활성층(134) 및 제2 도전형 반도체층(136a)을 포함하는 발광적층체를 구비한다. 또한, 반도체 발광소자(500)는, 전극 구조로서 제1 및 제2 전극(120, 140)과 제1 및 제2 패드 전극(110, 150)을 포함하며, 제2 전극(140)의 하부면 및 측면들을 덮는 절연부(160)를 포함한다.
제2 도전형 반도체층(136a)의 상부면에는 제1 요철(C1)이 형성될 수 있다. 제1 요철(C1)은 건식 식각 또는 습식 식각 공정에 의하여 형성될 수 있다. 특히, 습식 식각을 이용하는 경우, KOH 또는 NaOH 용액을 사용할 수 있으며, 크기, 형상, 주기 등이 불규칙한 요철 구조를 형성할 수도 있다. 이러한 제1 요철(C1) 구조에 의해 활성층(134)으로부터 방출된 광의 경로가 다양해 질 수 있으므로, 빛이 발광구조물(130a) 내부에서 흡수되는 비율이 감소하고 광 산란 비율이 증가하여 광 추출 효율이 증대될 수 있다.
도면에 도시하지는 않았으나, 제2 도전형 반도체층(136a) 상에 패시베이션층이 추가적으로 형성될 수도 있다. 패시베이션층은 보호층으로 기능할 수 있으며, 예컨대, 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막을 사용할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 7을 참조하면, 반도체 발광소자(600)는 기판(101) 상에 배치된 발광구조물(130b), 즉, 제1 도전형 반도체층(132), 활성층(134) 및 제2 도전형 반도체층(136b)을 포함하는 발광적층체를 구비한다. 또한, 반도체 발광소자(600)는, 전극 구조로서 제1 및 제2 전극(120, 140)과 제1 및 제2 패드 전극(110, 150)을 포함하며, 제2 전극(140)의 하부면 및 측면들을 덮는 절연부(160)를 포함한다.
제2 도전형 반도체층(136b)의 상부면에는 제2 요철(C2)이 형성될 수 있다. 제2 요철(C2)은 경사진 측면이 도 6의 반도체 발광소자(500)의 제1 요철(C1)보다 큰 볼록부를 가질 수 있다. 제2 요철(C2)은 제2 도전형 반도체층(136b)의 성장 시에 사용하는 성장 기판(미도시)에 패턴을 형성한 후, 제2 도전형 반도체층(136b)을 성장시킴으로써 형성할 수 있다. 이러한 제2 요철(C2) 구조에 의하여 광 출력 특성이 개선될 수 있으며, 실제로 도 2의 반도체 발광소자(100)의 광 출력이 117 mW인데 비하여, 본 실시 형태의 반도체 발광소자(600)의 광 출력은 305 mW로 두 배 이상 증가하였다.
실시 형태에 따라, 제2 요철(C2)은 제2 도전형 반도체층(136b)과 다른 굴절률을 갖는 이종 물질로 형성될 수도 있다. 이 경우, 제2 도전형 반도체층(136b)과 제2 요철(C2)을 이루는 이종 물질 사이의 굴절률 차이로 인해 광 진행 변경 효과를 극대화할 수 있다. 이 경우, 제2 요철(C2)을 이루는 이종 물질은 투명 전도체나 투명 절연체를 사용할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 8을 참조하면, 반도체 발광소자(700)는 기판(101) 상에 배치된 발광구조물(130c), 즉, 제1 도전형 반도체층(132), 활성층(134) 및 제2 도전형 반도체층(136c)을 포함하는 발광적층체를 구비한다. 또한, 반도체 발광소자(700)는, 전극 구조로서 제1 및 제2 전극(120, 140)과 제1 및 제2 패드 전극(110, 150)을 포함하며, 제2 전극(140)의 하부면 및 측면들을 덮는 절연부(160)를 포함한다.
제2 도전형 반도체층(136c)의 상부면에는 제1 요철(C1) 및 제2 요철(C2)이 형성되어 이중 요철 구조가 형성될 수 있다. 먼저 도 7을 참조하여 상술한 제2 요철(C2)이 성장 기판으로부터의 성장 공정을 통해 형성되고, 이후에 도 6을 참조하여 상술한 제1 요철(C1)이 별도의 식각 공정을 통해 형성된다. 이러한 이중 요철 구조에 의하여 광 출력 특성이 더욱 개선될 수 있으며, 실제로 도 7의 반도체 발광소자(600)의 광 출력이 305 mW인데 비하여, 본 실시 형태의 반도체 발광소자(700)의 광 출력은 354 mW로 광 출력이 증가하였다.
도 9a 내지 도 9j는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자의 제조방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다. 구체적으로, 도 1 및 도 2에 도시된 발광소자를 제조하기 위한 공정을 나타내지만, 도 3 내지 도 8의 반도체 발광소자 역시 유사한 방식으로 제조될 수 있을 것이다.
도 9a를 참조하면, 성장 기판(103) 상에 발광구조물(130P)을 형성하는 공정이 수행된다.
성장 기판(103) 상에 유기금속 화학기상 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD), 수소화물 기상증착법(hydide vapor phase epitaxy, HVPE) 등과 같은 공정을 이용하여 제2 도전형 반도체층(136P), 활성층(134P) 및 제1 도전형 반도체층(132P)을 순차적으로 성장시켜 반도체 적층체를 형성한다.
성장 기판(103)은 사파이어, SiC, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2, GaN 등과 같이 절연성, 도전성, 또는 반도체 물질을 이용할 수 있다. 사파이어는 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 및 a측 방향의 격자상수가 각각 13.001 Å과 4.758 Å이며, C(0001)면, A(1120)면, R(1102)면 등을 갖는다. 이 경우, c면은 비교적 질화물 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 질화물 성장용 기판으로 주로 사용된다.
한편, 도 7 및 도 8에 도시된 것과 같이, 요철 구조가 형성된 성장 기판(103)을 이용하는 경우 제2 도전형 반도체층(136)의 상면에 다수의 요철 구조가 형성될 수 있다.
도 9b를 참조하면, 제1 및 제2 영역(R1, R2)을 형성하는 공정이 수행된다.
제1 영역(R1)은 도 1 및 도 2의 제2 패드 전극(150)이 형성되는 영역에 대응된다. 제2 영역(R2)은 발광소자의 분리를 위한 영역으로서, 도 1과 같은 칩 단위의 반도체 발광소자(100)의 가장자리 영역에 대응된다. 실시 형태에 따라, 제2 영역(R2)의 형성은 생략될 수도 있다.
반응성 이온 식각법(Reactive Ion Etch, RIE)과 같은 식각 공정을 이용하여 도 9a의 발광구조물(130P)을 식각하여 성장 기판(103)이 노출된 제1 및 제2 영역(R1, R2)을 형성한다. 이에 의해, 복수의 칩 단위의 발광구조물들(130S)이 형성된다.
도 9c를 참조하면, 소정 영역에서 제2 도전형 반도체층(136)의 일부, 활성층(134) 및 제1 도전형 반도체층(132)을 식각하여 제2 도전형 반도체층(136)을 일부 노출시키는 공정이 수행된다.
상기 영역은 도 1 및 도 2에서 제2 전극(140) 중 일부가 형성될 영역에 대응되며, RIE와 같은 식각 공정이 이용될 수 있다.
도 9d를 참조하면, 제1 영역(R1)에 제2 패드 전극(150)을 형성하는 공정이 수행된다.
제2 패드 전극(150)은 예를 들어, 스퍼터링(sputtering) 또는 열적 증발법(thermal evaporation)과 같은 물리적 기상 증착법(Physical Vapor Deposition, PVD)에 의해 도전성 물질을 증착하여 형성할 수 있다.
증착 공정 시, 마스크층(미도시)을 이용하여 제1 영역(R1)에만 제2 패드 전극(150)이 형성되도록 한다. 또한, 도 9f를 참조하여 하기에 설명할 제2 전극(140)의 형성 공정을 위하여, 제2 패드 전극(150)은 제2 도전형 반도체층(136)의 노출된 영역에서의 두께와 동일하거나 유사한 두께로 형성되도록 증착할 수 있다.
도 9e 및 도 9f를 참조하면, 제2 전극(140)을 형성하는 공정이 수행된다. 먼저, 도 9e와 같이 마스크층(190)을 형성하고 이를 패터닝하여 제2 전극(140)이 형성될 영역을 노출시킨다. 다음으로, 도전성 물질을 증착하고 마스크층을 제거하여 도 9f와 같이 제2 전극(140)을 형성한다. 제2 전극(140)은 그 상부면이 활성층(134)보다 낮은 높이에 위치하도록 형성할 수 있다.
실시 형태에 따라, 제2 전극(140)은 제2 패드 전극(150)과 동일한 물질을 이용하여 형성될 수 있다. 또한, 마스크층(190)이 노출된 제2 도전형 반도체층(136)을 전부 드러내도록 형성되는 경우, 즉, 마스크층(190)이 발광구조물(130)의 메사 영역 상에만 형성되는 경우, 제2 전극(140)은 도 3의 반도체 발광소자(200)에서와 같은 형태로 형성될 수 있다.
실시 형태에 따라, 제2 패드 전극(150)의 두께(T1)가 일부 식각된 제2 도전형 반도체층(136)의 두께(T2)와 동일하지 않은 경우, 제2 패드 전극(150) 상에 형성된 제2 전극(140)과 제2 도전형 반도체층(136) 상에 형성된 제2 전극(140)의 상부면들의 높이는 서로 다를 수도 있다.
도 9g를 참조하면, 절연부(160) 및 분리부(160i)를 형성하는 공정이 수행된다.
절연부(160)는 제2 전극(140)을 제1 도전형 반도체층(132), 활성층(134) 및 제1 전극(120)으로부터 전기적으로 분리시킬 수 있다. 분리부(160i)는 칩의 가장자리에 노출된 활성층(134)을 보호하는 역할을 수행할 수 있다.
절연부(160) 및 분리부(160i)는 동일한 절연성 물질로 동시에 형성될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(132) 상에 상기 절연성 물질이 증착되는 경우, 평탄화 공정 등을 이용하여 제거할 수 있다.
도 9h를 참조하면, 제1 전극(120) 및 기판(101)이 형성된다.
제1 전극(120)은 발광구조물(130) 및 절연부(160) 상에 전면(全面)으로 형성된다. 제1 전극(120)은 광 반사성 물질일 수 있다.
다음으로, 제1 전극(120) 상에 기판(101)이 형성된다. 기판(101)은 공융 접착(eutectic bonding), 페이스트 접착(paste bonding) 등에 의해 접착될 수 있으며, 제1 전극(120)과 기판(101)의 사이에 별도의 접합 금속층(미도시)이 개재될 수도 있다.
도 9i를 참조하면, 성장 기판(103)을 제거하는 공정이 수행된다. 도 9i는 도 9h의 도면에서 상하가 반전된 형태로 도시된다.
성장 기판(103)은 식각과 같이 화학적 공정을 통해 제거하거나, 그라인딩(grinding) 공정을 통해 물리적으로 제거할 수 있다. 또는, 성장 기판(103)과 발광구조물(130) 사이의 경계면에 레이저를 조사하는 레이저 리프트 오프 공정을 통해 제거할 수도 있다.
도 9j를 참조하면, 개별 소자들로 분리하는 단계가 수행된다.
도 9i에 일점쇄선으로 도시된 바와 같이 분리부(160i)에서 각각의 반도체 발광소자들(100')로 절단하여 패키징 공정을 수행하도록 할 수 있다. 절단 공정은 레이저 스크라이빙(lase scribing) 또는 소잉(sawing) 공정을 이용할 수 있다.
이에 의해, 최종적으로 도 1 및 도 2의 반도체 발광소자(100)가 제조될 수 있다. 다만, 본 도면의 반도체 발광소자들(100')에서는, 도 1 및 도 2에서 도시되지 않은 선택적 구성요소인 칩 가장자리의 분리부(160i)가 함께 도시되었다.
실시 형태에 따라, 본 분리 공정이 수행되기 전에, 발광구조물(130)의 표면에 보호층 및/또는 형광체를 포함하는 파장변환층이 더 형성될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 패키지에 적용한 예를 나타낸다.
도 10을 참조하면, 본 실시 형태에 따른 발광소자 패키지(1000)는 실장 기판(10)과 이에 실장된 반도체 발광소자(100')를 포함하며, 반도체 발광소자는 앞서 설명한 구조를 가질 수 있다.
실장 기판(10)은 기판 본체(11), 제1 및 제2 상면 전극(12a, 12b) 및 하면 전극(14)을 구비할 수 있다. 또한, 실장 기판(10)은 제1 및 제2 상면 전극(12a, 12b)과 하면 전극(14)을 각각 연결하는 관통 전극(13)을 포함할 수 있다. 실장 기판(10)의 이러한 구조는 일 예일 뿐이며, 다양한 형태로 응용될 수 있다. 또한, 실장 기판(10)은 AlN, Al2O3 등의 세라믹 기판 및 PCB, MCPCB, MPCB, FPCB 등의 기판으로 제공되거나 패키지의 리드 프레임 형태로 제공될 수도 있다.
제1 패드 전극(110)이 제1 상면 전극(12a)과 연결되고, 제2 패드 전극(150)은 도전성 와이어(20)에 의해 제2 상면 전극(12b)과 전기적으로 연결될 수 있다.
실시 형태에 따라, 반도체 발광소자(100')의 표면에는 발광소자로부터 방출된 빛의 파장을 다른 파장으로 변환하는 파장변환부(미도시)가 더 형성될 수도 있으며, 상기 파장변환부는 형광체나 양자점 등을 포함할 수 있다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 백라이트 유닛에 적용한 예를 나타낸다.
도 11을 참조하면, 백라이트 유닛(2000)은 기판(2002) 상에 광원(2001)이 실장되며, 그 상부에 배치된 하나 이상의 광학 시트(2003)를 구비한다. 광원(2001)은 도 10을 참조하여 설명한 구조 또는 이와 유사한 구조를 갖는 발광소자 패키지를 이용할 수 있으며, 또한, 반도체 발광소자를 직접 기판(2002)에 실장(소위 COB 타입)하여 이용할 수도 있다.
도 12에 도시된 다른 예의 백라이트 유닛(3000)은, 도 11의 백라이트 유닛(2000)에서 광원(2001)은 액정표시장치가 배치된 상부를 향하여 빛을 방사하는 것과 달리, 기판(3002) 위에 실장된 광원(3001)이 측 방향으로 빛을 방사하며, 이렇게 방시된 빛은 도광판(3003)에 입사되어 면광원의 형태로 전환될 수 있다. 도광판(3003)을 거친 빛은 상부로 방출되며, 광 추출 효율을 향상시키기 위하여 도광판(3003)의 하면에는 반사층(3004)이 배치될 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 조명 장치에 적용한 예를 나타낸다.
도 13의 분해사시도를 참조하면, 조명장치(4000)는 일 예로서 벌브형 램프로 도시되어 있으며, 발광모듈(4003)과 구동부(4008)와 외부접속부(4010)를 포함한다. 또한, 외부 및 내부 하우징(4006, 4009)과 커버부(4007)와 같은 외형구조물을 추가적으로 포함할 수 있다. 발광모듈(4003)은 상술된 반도체 발광소자(4001)와 그 발광소자(4001)가 탑재된 회로기판(4002)을 가질 수 있다. 본 실시 형태에서는, 1개의 반도체 발광소자(4001)가 회로기판(4002) 상에 실장된 형태로 예시되어 있으나, 필요에 따라 복수 개로 장착될 수 있다. 또한, 반도체 발광소자(4001)가 직접 회로기판(4002)에 실장되지 않고, 패키지 형태로 제조된 후에 실장될 수도 있다.
또한, 조명장치(4000)에서, 발광모듈(4003)은 열방출부로 작용하는 외부 하우징(4006)을 포함할 수 있으며, 외부 하우징(4006)은 발광모듈(4003)과 직접 접촉되어 방열효과를 향상시키는 열방출판(4004)을 포함할 수 있다. 또한, 조명장치(4000)는 발광모듈(4003) 상에 장착되며 볼록한 렌즈형상을 갖는 커버부(4007)를 포함할 수 있다. 구동부(4008)는 내부 하우징(4009)에 장착되어 소켓구조와 같은 외부접속부(4010)에 연결되어 외부 전원으로부터 전원을 제공받을 수 있다. 또한, 구동부(4008)는 발광모듈(4003)의 반도체 발광소자(4001)를 구동시킬 수 있는 적정한 전류원으로 변환시켜 제공하는 역할을 한다. 예를 들어, 이러한 구동부(4008)는 AC-DC 컨버터 또는 정류회로부품 등으로 구성될 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 헤드 램프에 적용한 예를 나타낸다.
도 14를 참조하면, 차량용 라이트 등으로 이용되는 헤드 램프(5000)는 광원(5001), 반사부(5005), 렌즈 커버부(5004)를 포함하며, 렌즈 커버부(5004)는 중공형의 가이드(5003) 및 렌즈(5002)를 포함할 수 있다. 또한, 헤드 램드(5000)는 광원(5001)에서 발생된 열을 외부로 방출하는 방열부(5012)를 더 포함할 수 있으며, 방열부(5012)는 효과적인 방열이 수행되도록 히트싱크(5010)와 냉각팬(5011)을 포함할 수 있다. 또한, 헤드 램프(5000)는 방열부(5012) 및 반사부(5005)를 고정시켜 지지하는 하우징(5009)을 더 포함할 수 있으며, 하우징(5009)은 일면에 방열부(5012)가 결합하여 장착되기 위한 중앙홀(5008)을 구비할 수 있다. 또한, 하우징(5009)은 상기 일면과 일체로 연결되어 직각방향으로 절곡되는 타면에 반사부(5005)가 광원(5001)의 상부측에 위치하도록 고정시키는 전방홀(5007)을 구비할 수 있다. 이에 따라, 반사부(5005)에 의하여 전방측은 개방되며, 개방된 전방이 전방홀(5007)과 대응되도록 반사부(5005)가 하우징(5009)에 고정되어 반사부(5005)를 통해 반사된 빛이 전방홀(5007)을 통과하여 외부로 출사될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
100, 200, 300, 400, 500, 600, 700: 반도체 발광소자
101: 기판
103: 성장 기판
110: 제1 패드 전극
120: 제1 전극
130: 발광구조물
132: 제1 도전형 반도체층
134: 활성층
136: 제2 도전형 반도체층
140: 제2 전극
150: 제2 패드 전극
160: 절연부

Claims (10)

  1. 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물;
    상기 발광구조물의 하부에 위치하며 상기 제1 도전형 반도체층과 접속된 제1 전극;
    상기 발광구조물 내부에 위치하며 상기 제2 도전형 반도체층과 접속된 제2 전극;
    상기 제2 전극을 상기 제1 도전형 반도체층, 상기 활성층 및 상기 제1 전극으로부터 절연시키는 절연부;
    상기 제1 전극과 접속되는 제1 패드 전극; 및
    상기 제2 도전형 반도체층 내에서, 상기 제2 전극의 일부분 상에 배치되어 상기 제2 전극과 접촉되어 접속되며, 상기 제2 도전형 반도체층과 접촉되는 측면을 갖고, 상기 제2 도전형 반도체층의 상면과 공면을 이루는 상면을 가지며, 상기 발광구조물의 상부면 상으로 노출되는 제2 패드 전극;
    을 포함하는 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 패드 전극 및 상기 제2 패드 전극은 상기 활성층을 기준으로 서로 반대측에 위치하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극은 상기 제2 도전형 반도체층의 내부에 매립되어 위치하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극은 상기 발광구조물 내에서 서로 연결된 행과 열을 이루는 라인의 형태로 배열되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 패드 전극의 너비는 상기 제2 전극의 너비보다 큰 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 절연부는 상기 제1 전극 상에 배치되며, 상기 제1 도전형 반도체층 및 활성층을 관통하여 상기 제2 전극과 연결되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 절연부는 상기 제2 전극의 하부면 및 측면들의 적어도 일부를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극의 하부에 배치되는 도전성 기판을 더 포함하고,
    상기 제1 패드 전극은 상기 도전성 기판의 하부에 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 발광구조물은 상부면에 요철이 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
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