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1. WO2016108667 - ÉLÉMENT ÉLECTROLUMINESCENT ATTAQUÉ PAR UNE TENSION ÉLEVÉE ET SON PROCÉDÉ DE FABRICATION

Document

명세서

발명의 명칭

기술분야

1  

배경기술

2   3   4   5   6   7   8   9   10   11  

발명의 상세한 설명

기술적 과제

12   13   14   15  

과제 해결 수단

16   17   18  

발명의 효과

19   20   21   22   23   24  

도면의 간단한 설명

25   26   27   28   29   30  

발명의 실시를 위한 형태

31   32   33   34   35   36   37   38   39   40   41   42   43   44   45   46   47   48   49   50   51   52   53   54   55   56   57   58   59   60   61   62   63   64   65   66   67   68   69   70   71   72   73   74   75   76   77   78   79   80   81   82   83   84   85   86   87   88   89   90   91   92   93   94   95   96   97   98   99   100   101   102   103   104   105   106   107   108   109   110   111   112   113   114   115   116   117  

청구범위

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16   17   18   19   20   21   22  

도면

1   2   3   4   5   6   7   8  

명세서

발명의 명칭 : 고전압 구동 발광소자 및 그 제조 방법

기술분야

[1]
본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단일 칩 내에 수직으로 구성되는 복수의 활성영역을 구동시키는 고전압 구동 발광소자에 관한 것이다.

배경기술

[2]
반도체 발광소자는, n형 반도체층을 통하여 공급되는 전자와 p형 반도체층을 통하여 공급되는 정공이 활성층에서 재결합하면서 광이 발생되는 원리를 이용한 반도체 소자이다.
[3]
반도체 발광소자의 발광 파장은 사용된 반도체 물질의 에너지 밴드갭에 의해 결정되어, 청색, 녹색 또는 자외선 영역의 발광을 위해서는 GaN계 물질이 이용되고, 적색 또는 적외선 영역의 발광을 위해서는 GaAs계(또는 AlGaInP계) 물질이 선택된다.
[4]
최근 반도체 발광소자는 조명 또는 고휘도 광원으로 응용되고 있으며, 이를 위하여 활성영역을 복수개 포함하는 다중 활성영역을 구성하여, 고전압 전원을 인가하여 반도체 발광소자를 구동하고 있다.
[5]
특히, 적색/녹색/청색의 3원색을 하나의 칩에 함께 패키징하는 3 in 1 패키징에 있어, 녹색 및 청색에 비해 상대적으로 구동전압이 낮은 적색 LED 칩에는 적색 LED 칩에서 필요로 하는 구동전압 이상의 전압이 인가되어 전체적인 반도체 발광소자의 구동효율을 저하시키는 문제점이 발생한다.
[6]
[7]
(선행기술문헌)
[8]
(특허문헌)
[9]
미국특허공보 제2008-0251799A호
[10]
미국특허공보 제2005-0067627A호
[11]
미국특허공보 제2005-0253151A호

발명의 상세한 설명

기술적 과제

[12]
본 발명의 하나의 목적은, GaN계 물질에 비해 발광소자의 구동전압이 상대적으로 낮은 GaAs계(또는 AlGaInP계) 발광소자에서 복수개의 활성영역을 수직 위치 상에 형성하여 고전압 구동 가능한 GaAs계 (또는 AlGaInP계) 발광소자를 제공하는 것이다.
[13]
본 발명의 다른 목적은, 상기의 고전압 구동 발광소자를 이용하여 구동효율 및 신뢰성이 개선되는 발광소자를 제공하는 것이다.
[14]
본 발명의 다른 목적은, 상기의 고전압 구동 발광소자를 구동하는 구동회로가 간략해 지는 풀-컬러 디스플레이를 제공하는 것이다.
[15]
본 발명의 또 다른 목적은, 상기의 발광소자, 상기 발광소자를 포함하는 모듈 및 이를 채용한 풀-컬러 디스플레이를 제조하는 적합한 방법을 제공하는 것이다.

과제 해결 수단

[16]
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 고전압 구동 반도체 발광소자는 하나의 활성영역 상에 터널링 길이 이상으로 이격되어 다른 하나 이상의 활성영역을 형성시켜, 상기 하나의 활성영역을 구동시킬 수 있는 구동전압과 상기 다른 하나 이상의 활성영역을 구동시킬 수 있는 구동전압을 합하여 전체 구동전압을 인가하는 고전압 구동 발광소자를 마련하는 것이다.
[17]
이를 위하여, 기판 상에 형성되는 하부 반도체층; 상기 하부 반도체층 상에 전자와 홀이 결합되어 광을 방출하는 제1 활성영역; 상기 제1 활성영역 상에 제1 터널링 방지층; 상기 제1 터널링 방지층 상에 제2 활성영역; 상기 제2 활성영역 상에 상부 반도체층; 상기 하부 반도체층의 노출된 영역 또는 하부 반도체층과 연결된 전도성 기판의 일부 영역 및 상부 반도체층에 형성되는 각각의 하부 전극 및 상부 전극을 포함하는 반도체 발광소자를 마련하되, 상기 제1 터널링 방지층과 제2 활성영역은 반복하여 복수 개 포함될 수 있고, 상기 제1 터널링 방지층은 제1 활성영역과 제2 활성영역 중 어느 하나의 활성영역만을 활성화시키기에 충분한 인가전압 하에서는 전자 또는 정공이 이동할 수 없는 반도체층으로, 통상의 양자 장벽층에 비해 두꺼운 반도체층으로, 양자영역에서 제1 활성영역과 제2 활성영역을 독립적으로 분리시키는 역할을 한다.
[18]
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 고전압 구동 반도체 발광소자의 제조방법은, 기판 상에 하부 반도체층을 형성하는 단계; 상기 하부 반도체층 상에 전자와 홀이 결합되어 광을 방출하는 제1 활성영역을 형성하는 단계; 상기 제1 활성영역 상에 제1 터널링 방지층을 형성하는 단계; 상기 제1 터널링 방지층 상에 제2 활성영역을 형성하는 단계; 상기 제2 활성영역 상에 상부 반도체층을 형성하는 단계; 상기 하부 반도체층이 절연체 기판과 결합된 경우, 상기 하부 반도체층의 일부 영역을 노출시키고 상기 노출된 영역 및 상기 상부 반도체층에 각각의 하부 전극 및 상부 전극을 형성하는 단계, 또는 상기 하부 반도체층이 도전성 기판과 결합된 경우, 상기 도전성 기판 하부의 일부 영역 및 상기 상부 반도체층에 각각의 하부 전극 및 상부 전극을 형성하는 단계;를 포함하는 반도체 발광소자를 마련하되, 상기 제1 터널링 방지층과 제2 활성영역을 형성하는 단계 반복하여 형성될 수 있고, 상기 제1 터널링 방지층은 제1 활성영역과 제2 활성영역 중 어느 하나의 활성영역만을 활성화시키기에 충분한 인가전압 하에서는 전자 또는 정공이 이동할 수 없는 반도체층으로, 통상의 양자 장벽층에 비해 두꺼운 반도체층으로 양자영역에서 제1 활성영역과 제2 활성영역을 독립적으로 분리시키는 역할을 한다.

발명의 효과

[19]
본 발명에 따른 고전압 구동 반도체 발광소자는 반도체 발광소자에 인가되는 구동전압에 보다 많은 활성영역을 제공할 수 있어 발광소자에서 발생되는 잉여전압을 저감시킬 수 있다.
[20]
이를 통하여 발광소자에서의 발열을 저감할 수 있어, 구동 효율을 높이고 소자 신뢰성을 개선시킬 수 있다.
[21]
또한 패키징 시, 패키지 캐비티 내 여유 공간 제공이 가능하여, 패키징 효율을 증가시킬 수 있다.
[22]
아울러, 본 발명에 따른 고전압 구동 반도체 발광소자를 채용한 풀-컬러 디스플레이 구성에서, 구동전압에 보다 많은 활성영역 제공에 따른 잉여전압 저감으로 시스템 내의 발열량이 감소되어, 공냉시 발생되는 외부 먼지 유입을 현저히 감소되어 시스템의 신뢰성을 증가시킬 수 있다.
[23]
또한, 구동전압에 보다 많은 활성영역이 제공되고 잉여전압이 저감되어, 시스템에 채용되는 SMPS의 필요 수량을 저감시킬 수 있다.
[24]
또한, 고전압 구동에 따른 모듈 내 전기배선 간소화로 회로 구성을 위한 PCB 사용량을 저감시킬 수 있다.

도면의 간단한 설명

[25]
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 대표적인 고전압 구동 반도체 발광소자를 나타내는 간략도이다.
[26]
도 2와 3은 도 1의 반도체 소자에 대응되는 전기 회로도를 나타낸 것이다.
[27]
도 4는 종래의 복수 활성영역을 갖는 반도체 발광소자를 나타낸 것이다.
[28]
도 5와 6은 종래의 복수의 활성영역을 갖는 반도체 발광소자에 대응되는 전기 회로도를 나타낸 것이다.
[29]
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고전압 구동 반도체 발광소자를 나타내는 간략도이다.
[30]
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고전압 구동 반도체 발광소자를 나타내는 간략도이다.

발명의 실시를 위한 형태

[31]
본 발명의 장점 및 특징, 및 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
[32]
먼저, 본 발명의 고전압 구동 반도체 발광소자와 비교되는 종래의 복수 활성영역을 갖는 반도체 발광소자에 대해 살펴보면, 도 3에는 종래의 복수 활성영역을 갖는 반도체 발광소자가 나타나 있다.
[33]
종래의 복수 활성영역을 갖는 발광소자는 복수의 활성영역이 주로 제1 활성영역, 제2 활성영역, 제3 활성영역으로 구성되어 각각의 활성영역에서 방출되는 광이 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 중에 어느 하나에 대응하도록 설계되어, 형광체를 사용하지 않고 백색 발광이 가능한 모로리식 발광소자가 보고된 바 있다.
[34]
이때, 적색(R) 발광과, 녹색(G) 및 청색(B) 발광은 각각 GaAs계(또는 AlGaInP계) 물질과 GaN계(또는 ZnO계) 물질로 구현이 가능하여, MOCVD 또는 MBE와 같은 통상의 반도체 성장에서 성장의 중단없이 연속적으로 이종물질간의 복수의 활성영역을 성장하기 극히 어렵게 된다. 이러한 이유로, 도4에서 나타난 바와 같이 각각의 활성영역(560, 562, 564) 사이에는 활성영역을 성장 챔버 외부에서 접합(본딩)시켜 주는 결합층(570, 572)이 존재한다. 이러한 경우 각각의 활성영역은 서로 양자영역의 관점에서 서로 독립적인 활성영역에 해당하며, 구동전압은 각각의 활성영역을 구동할 수 있도록 고전압을 필요로 한다. 그러나, 이러한 구성은 앞서 언급한 바와 같이, 이종물질의 활성층을 성장 챔버 밖에서 접합(본딩)하고 이종물질의 서로 다른 파장을 결합하여 백색 광을 구현하는 것을 발명의 목적으로 한다.
[35]
또한 종래기술의 다른 실시에서는 동종물질 간의 복수 활성영역을 in-situ (성장챔버 밖으로 에피층을 빼내는 것 없는 프로세싱) 형성한 것들이 보고된 바 있으나, 이러한 in-site 성장된 복수의 활성영역은 활성영역(560, 562, 564) 사이의 결합층(570, 572)의 두께가 통상의 양자 장벽 또는 케리어의 확산거리 미만으로 형성되어, 복수의 활성영역이 실제적으로는 하나의 다중 양자우물 구조와 유사하여, 상기의 발광소자를 구동하기 위해서는 하나의 활성영역을 구동하는데 상응하는 인가전압과 추가된 에피층의 저항에서의 전압강하 보상을 포함하여, 고전압의 인가 없이도 낮은 구동이 가능하다.
[36]
이러한 종래의 복수의 활성영역을 갖는 반도체 발광소자의 전기 회로도가 도 5와 6에 나타나 있다. 여기서 주목할 것은 복수의 활성영역을 가짐에도, 하나의 다이오드로 나타나 있다는 점이다.
[37]
도 5와 6은 종래 복수의 활성영역을 갖는 발광소자의 상부 반도체(552)가 각각 p형 도펀트로 도핑되거나 또는 n형 도펀트로 도핑된 것에 대응되는 전기 회로도(복수의 활성영역 형성에 따른 추가된 에피층 저항은 생략함)이다.
[38]
[39]
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 고전압 구동 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관하여 설명하기로 한다.
[40]
도 1은 본 발명의 대표적인 실시예에 따른 고전압 구동 반도체 발광소자를 나타내는 간략도를 나타낸 것이고, 도 2와 3은 도 1의 반도체 소자에 따른 전기 회로도를 나타낸 것이다.
[41]
도 1을 참조하면, 본 발명에 따르는 고전압 구동 반도체 발광소자를 제조하는 방법은, 도전성 기판(10)을 준비하는 단계; 상기 도전성 기판(10) 상에 제1 도전형으로 도핑된 하부 반도체층(50)을 성장시키는 단계; 상기 하부 반도체층(50) 상에 제1 활성영역(60)을 성장시키는 단계; 상기 제1 활성영역(60) 상에 제1 터널링 방지층(70)을 성장시키는 단계; 상기 제1 터널링 방지층(70) 상에 제2 활성영역(62)을 성장시키는 단계; 상기 제2 활성영역(62) 상에 제2 터널링 방지층(72)를 성장시키는 단계; 상기 제2 터널링 방지층(72) 상에 제3 활성영역(64)을 성장시키는 단계; 상기 제3 활성영역(64) 상에 상부 반도체층(52)를 성장시키는 단계; 상기 도전성 기판(10) 및 상기 상부 반도체층(52)에 각각 하부 전극(80) 및 상부 전극(82)를 형성하는 단계; 를 포함한다.
[42]
상기의 제조방법에서, 상기 도전성 기판은 제1 도핑된 GaAs, Si, SiC 이 선택될 수 있으며, 본 발명의 적색 발광소자 에피층과의 격자정합을 고려하여 상기 도전성 기판 중 GaAs가 바람직하며, 격자정합되지 않은 헤테로 성장에 있어서는 버퍼층을(미도시)을 도전성 기판 상에 형성하고, 상기 버퍼층 상에 하부 반도체층(50)을 성장시킬 수도 있다.
[43]
상기 하부 반도체층(50) 및 상부 반도체층(52)으로는 서로 반대 타입으로 도핑된 GaAs계 또는 AlGaInP계 클래드층이 선택될 수 있으나, 하부 반도체층(50)으로는 제1 도핑된 (Al xGa 1-x) 0.5In 0.5P, 상부 반도체층(52)으로는 제2 도핑된 (Al xGa 1-x) 0.5In 0.5P 이 바람직하다.
[44]
상기 제1 활성영역(60), 제2 활성영역(62) 및 제3 활성영역(64)은 더블헤테로 구조(DH), 단일 양자우물 구조(SQW), 다중 양자우물 구조(MQW) 중 하나로 구성될 수 있으며 AlGaInP계 물질로 구성될 수 있다. 상기 활성영역이 더블헤테로 구조인 경우에 제1 도핑된 (Al xGa 1-x) 0.5In 0.5P 하부 반도체층(50)과 제2 도핑된 (Al xGa 1-x) 0.5In 0.5P 상부 반도체층(50)의 Al 조성 x는, 0.5 ≤ x ≤ 1.0 의 범위를 갖고, 상기 제1 내지 제3의 활성영역(60, 62 , 64)는 Al 조성 x가, 0 ≤ x ≤ 0.45 의 범위를 갖는 (Al xGa 1-x) 0.5In 0.5P 으로 구성된다. 또한 양자 우물구조인 경우에는 Al 조성 x가, 0.5 ≤ x ≤ 1.0 인 (Al xGa 1-x) 0.5In 0.5P 양자 장벽층과 Al 조성 x가, 0 ≤ x ≤ 0.45 인 (Al xGa 1-x) 0.5In 0.5P 양자 우물층으로 구성될 수 있다.
[45]
각 활성영역 사이에 형성되는 터널링 방지층은 양자영역 범위에서 인접한 두 활성영역을 독립적으로 분리시키기 위한 것으로, 상기 제1 터널링 방지층(70) 및 제2 터널링 방지층(72)은 Al 조성 x가, 0 ≤ x ≤ 1 인 (Al xGa 1-x) 0.5In 0.5P 으로 구성될 수 있으며, 각 터널링 방지층은 전체 활성영역 중 어느 하나의 활성영역만을 활성화시키기에 충분한 인가전압 하에서는 전자 또는 정공이 이동할 수 없는 반도체층으로, 통상의 양자 장벽층에 비해 두꺼운 반도체층으로 3㎛ 이상의 두께를 가질 수 있고, 양자영역 범위에서 인접한 두 활성영역을 독립적으로 분리시키는 역할을 한다. 또한 상기 제2 터널링 방지층(72)과 제1 터널링 방지층(70)은 상기 상부 반도체층(52)이 제1형의 도펀트로 도핑된 경우에는, 각각 제2형 및 제1형의 도펀트로 도핑될 수 있고, 상부 반도체층(52)이 제2형의 도펀트로 도핑된 경우는 각각 제1형 및 제2형의 도펀트로 도핑되어, 소자 상부 방향으로부터 PNPN 접합 또는 NPNP 접합의 직렬접합이 형성되어 도 2 또는 도 3과 같은 전기 회로도로 표시될 수 있다.
[46]
앞에서 기술한 활성영역을 활성화시키기에 충분한 인가전압이하 함은 활성영역을 구성하는 반도체의 에너지 밴드갭에 의해 결정되는 것으로, 청색 및 녹색의 GaN계 발광소자에서는 대략 3V, 적색 및 적외석의 GaAs계(또는 AlGaInP계) 발광소자에서는 대략 2V에 해당한다.
[47]
도 2 및 3에 나타난 바와 같이 3개의 직렬 다이오드를 갖는 회로의 구동에 있어서는 각각의 다이오드를 구동하는데 필요한 전압의 합계만큼의 인가 전압을 필요로 한다. 본 실시예와 같이 (AlxGa1-x)0.5In0.5P 적색 발광 다이오드의 구동전압은 대략 2V 이며, 도1 및 도2, 도 3에서와 같이 독립적인 3개의 활성영역이 포함된 발광소자에서는 각각의 발광 다이오드를 구동하기 위하여 2V × 3개인 6V의 구동전압을 필요로 한다.
[48]
본 발명 실시예의 상기 6V의 적색 반도체 발광소자의 구동전압은 단일 칩 내에서 서로 독립적으로 직렬인 3개의 활성영역을 포함하는 반도체 발광소자를 구동하기 위한 전압으로, 이는 통상의 적색 발광소자의 구동 전압인 대략 2V에 비해 3배 이상 높은 고전압에 해당한다.
[49]
또한 본 발명의 고전압 구동 발도소자의 활성영역은 종래의 1개의 활성영역을 갖는 발광소자에 비교하여, 2개 이상의 활성영역 및 1개 이상의 터널링 방지층을 포함하여 구성될 수 있으며, 활성영역 및 터널링 방지층은 선택되는 인가전압에 대응하여 적절히 선택될 수 있는 것으로, 예를 들어 12V의 인가전압 하에서는 6개의 활성영역을 포함하는 고전압 구동 발광소자가 구성될 수 있다.
[50]
본 발명에 따른 다른 실시예를 도 5에 나타냈다. 도 7에 나타난 다른 실시예에서는 앞서 기술된 고전압 구동 반도체 발광소자 에피층이 성장된 도전성 기판(10)이 제거되고, 상기 고전압 구동 반도체 발광소자의 에피층을 트렌스퍼 기판(12)에 접합시킨 것으로, 상기 트렌스퍼 기판은 발생된 광을 트렌스퍼 기판을 통해서도 소자 외부로 방출시킬 수 있는 투명한 기판 또는 발생된 광을 반사시키고 발열 기능을 강화시킨 금속 기판 중 선택될 수 있다. 투명한 트렌스퍼 기판으로는 GaP, AlGaAs, AlGaInP, SiC, AlN, GaN 중에서 선택되거나 이들의 합성물질일 수 있고, 금속 기판은 Al, Ag, TiW, W, Mo, Ta, TaN, Cu 중 어느 하나의 원소를 포함하는 물질로 구성될 수 있다. 금속 기판이 선택된 경우, 연결층(30) 내에는 접합층 뿐 아니라 반사층이 더욱이 포함될 수 있다.
[51]
또한 본 발명의 고전압 구동 반도체 발광소자는 절연체 기판 상에서 형성되거나 절연체 기판으로 이송될 수도 있으며, 이러한 실시예에 따른 발광소자가 도 7에 나타나 있다. 절연체 기판(10)을 채용함에 따라서 하부 전극이 기판이 아닌 하부 반도체층(50)에 형성되어 있으며, 본 실시예에서의 절연체 기판이 성장기판인 경우에는 연결층(30)이 버퍼층에 해당할 수 있다. 본 실시예에서의 절연성 기판(14)으로는 사파이어, 다이아몬드, 카본, 쿼츠(quartz), 유리로부터 선택될 수 있다.
[52]
본 발명의 고전압 구동 반도체 발광소자는 패키징, 모듈 및 모듈들을 결합한 풀-컬러 디스플레이에 응용될 수 있다. 특히 모듈의 공간 활용에 적합한 3 in 1 패키징의 경우 각각 하나의 적색, 녹색, 청색 칩이 하나의 패키징 속에 폭함되는 구조에 해당한다.
[53]
여기서 주목할 점은 본 발명의 고전압 구동 반도체 발광소자를 GaAs계(또는 AlGaInP계) 소자로 제한하는 하는 것이다. 이는 연속적으로 수직인 NPNP형 또는 PNPN형 구조의 GaN계 반도체 성장에 있어, p형 GaN계 반도체층 성장 이후의 n형 GaN계 반도체층 성장시 먼저 성장된 p형 GaN계 반도체층으로부터 도펀트 확산으로 상기 p형 GaN계 반도체층이 더 이상 p형 반도체층으로 존재하지 못하고 고저항화 되어 소자를 구현할 수 없게 되기 때문이다. 이러한 이유로, GaN계 반도체 소자에서는 복수의 개별적 활성영역을 수직적으로 구성하지 못하고, 대신에 측면(수평방향)에서 독립적인 구조를 형성하여 추가적인 전기적 결합하여 고전압 구동(서울반도체사 제조, 제품명: 아크리치)이 가능하게 된다.
[54]
본 발명의 고전압 구동 적색 반도체 발광소자를 채용한 3 in 1 패키징과 종래의 3 in 1 패키징을 각각 모듈화하여 전기적 특성 및 효율을 비교하여 표 1에 요약하였다.
[55]
인가되는 전압 특성 및 효율을 고려하여, 본 발명의 고전압 구동 적색 반도체 발광소자를 채용한 3 in 1 패키징 모듈은 적색 칩 1개(3개의 개별적 활성영역 포함), 녹색 및 청색 칩이 각각 2개 씩 포함되어 패키징되어 7V 공급 SMPS(Meanwell사 제조, 모델명 SP-320-7.5)로 구동되었으며, 비교하는 종래 3 in 1 패키징 모듈은 적색, 녹색 및 청색 칩이 각각 1개 씩 포함되어 패키징되고 실제 모듈 내에서 전압강하를 고려하여 5V 공급 SMPS(Meanwell사 제조, 모델명 SP-320-5)로 구동하였다.
[56]
상기 응용 예에서의 녹색 및 청색 칩은 와이어 본딩에 의해 패키징 상에서 각각 직렬 연결된 것이며, 적색 칩은 3개의 독립적 활성영역이 수직 단일 칩 내에 포함된 것임을 알아야 한다.
[57]
3 in 1 패키징에서 본 발명의 고전압 구동 적색 발광 칩을 사용함으로써, 하나의 적색 칩으로 여러 개의 적색 칩을 대체하여 패키징 공정을 간소화시킬 수 있고, 녹색 및 청색 칩에 보다 많은 패키징 공간을 제공할 수 있어, 패키징 작업 효율을 개선시킬 수 있다.
[58]
더욱이, 표 1에 나타난 바와 같이, 종래 3 in 1 패키징 대비 37%의 소비전력(DC 기준) 감소가 가능하고, 이로 인해 발광 효율 개선 및 발열 감소가 가능하여, 이를 채용한 모듈 및 디스플레이 장치에서의 성능 및 신뢰성이 현저히 증가하게 된다.
[59]
[60]
[표1]
픽셀구성 종래 LED 모듈 본발명 LED 모듈 종래 모듈 대비 소비전력 소비전력 감소율
LED 전기특성 R 2V 20mA 6V 7mA
G 3V 20mA 6V 10mA
B 3V 20mA 6V 10mA
모듈 공급전압 5V 60mA 7V 27mA
소비전력 (DC기준) 0.30W 0.19W 63% 37%
AC-DC 변환효율(제조사 제공) 79% 83%
소비전력 (AC기준) 0.38W 0.23W 60% 40%

[61]
[62]
또한, 본 발명의 고전압 구동 반도체 발광소자를 포함한 패키징을 포함한 모듈, 디스플레이 장치에서는 고전압 인가가 가능하여, SMPS에서 각각의 모듈로 공급되는 배선 선택에 있어, 전압강하를 고려하여 짧고 두꺼운 종래 배선에 비해 상대적으로 더 길고 얇은 배선이 가능하여 설계의 자유도가 증가할 수 있게 된다.
[63]
또한 모듈 구동을 위한 PCB 설계에 있어서도, 고전압에 따른 저전류가 가능하여 PCB 내 배선패턴을 얇게 설계할 수 있게 되어, PCB 내 배선패턴 집적이 향상되어 PCB 사용량이 저감되고 소형화가 가능하게 된다.
[64]
[65]
(실시예 1)
[66]
본 발명의 고전압 구동 적색 반도체 발광소자는 아래를 포함한다.
[67]
도전성 기판(10);
[68]
상기 도전성 기판(10) 상에 형성된 하부 반도체층(50);
[69]
상기 하부 반도체층(50) 상에 형성된 제1 활성영역(60);
[70]
상기 제1 활성영역(60) 상에 형성된 제1 터널링 방지층(70);
[71]
상기 제1 터널링 방지층(70) 상에 형성된 제2 활성영역(62);
[72]
상기 제2 활성영역(62) 상에 형성된 제2 터널링 방지층(72);
[73]
상기 제2 터널링 방지층(72) 상에 형성된 제3 활성영역(64);
[74]
상기 제3 활성영역(64) 상에 형성된 상부 반도체층(52);
[75]
상기 도전성 기판(10) 및 상기 상부 반도체층(52)에 각각 형성된 하부 전극(80) 및 상부 전극(82); 를 포함하는 반도체 발광소자로써,
[76]
상기 제1 ,제2 및 제3 활성영역(60, 62, 64)은 AlGaInP계 물질로 구성될 수 있고, 바람직하게는 Al 조성 x가, 0 ≤ x ≤ 0.45 의 범위를 갖는 (Al xGa 1-x) 0.5In 0.5P 로 구성될 수 있고,
[77]
상기 제1 및 제2 터널링 방지층(70, 72)은 전체 활성영역 중 어느 하나의 활성영역만을 활성화시키기에 충분한 인가전압 하에서는 전자 또는 정공이 이동할 수 없는 반도체층으로, 양자영역 범위에서 인접한 두 활성영역을 독립적으로 분리시키고,
[78]
상기 제1 및 제2 터널링 방지층(70, 72)은 AlGaInP계 물질로 구성될 수 있고, 바람직하게는 Al 조성 x가, 0 ≤ x ≤ 1 의 범위를 갖는 (Al xGa 1-x) 0.5In 0.5P 로 구성될 수 있고,
[79]
상기 제1 및 제2 터널링 방지층(70, 72)은 각각 3㎛ 이상의 두께를 가질 수 있고,
[80]
상기 제2 터널링 방지층(72)과 제1 터널링 방지층(70)은 상기 상부 반도체층(52)이 제1형의 도펀트로 도핑된 경우에는, 각각 제2형 및 제1형의 도펀트로 도핑될 수 있고, 상부 반도체층(52)이 제2형의 도펀트로 도핑된 경우는 각각 제1형 및 제2형의 도펀트로 도핑되어, 소자 상부 수직방향으로부터 PNPN 또는 NPNP의 직렬 접합이 형성되어, 단일 반도체 소자 내에 독립적인 복수의 활성영역이 포함되는, 고전압 구동 발광소자.
[81]
또한 상기 제1 ,제2 및 제3 활성영역(60, 62, 64)은 모두 동일한 조성의 물질로 구성되어, 적색 또는 적외선 영역에서 실질적으로 동일한 파장을 갖는다.
[82]
[83]
(실시예 2)
[84]
본 발명 다른 고전압 구동 적색 반도체 발광소자는 아래를 포함한다.
[85]
도전성 기판(10);
[86]
상기 도전성 기판(10) 상에 형성된 하부 반도체층(50);
[87]
상기 하부 반도체층(50) 상에 형성된 n개의 활성영역과 상기 활성영역 사이에 협지되는 n-1개의 터널링 방지층 (이때, n은 2 이상의 자연수);
[88]
마지막 n번째 활성영역 상에 형성된 상부 반도체층(52);
[89]
상기 도전성 기판(10) 및 상기 상부 반도체층(52)에 각각 형성된 하부 전극(80) 및 상부 전극(82); 를 포함하는 반도체 발광소자로써,
[90]
상기 n개의 활성영역은 AlGaInP계 물질로 구성될 수 있고, 바람직하게는 Al 조성 x가, 0 ≤ x ≤ 0.45 의 범위를 갖는 (Al xGa 1-x) 0.5In 0.5P 로 구성될 수 있고,
[91]
상기 n-1개의 터널링 방지층은 AlGaInP계 물질로 구성될 수 있고, 바람직하게는 Al 조성 x가, 0 ≤ x ≤ 1의 범위를 갖는 (Al xGa 1-x) 0.5In 0.5P 로 구성될 수 있고,
[92]
상기 n-1개 터널링 방지층은 전체 활성영역 중 어느 하나의 활성영역만을 활성화시키기에 충분한 인가전압 하에서는 전자 또는 정공이 이동할 수 없는 반도체층으로, 양자영역 범위에서 인접한 두 활성영역을 독립적으로 분리시키고,
[93]
상기 n-1개 터널링 방지층은 각각 3㎛ 이상의 두께를 가질 수 있고,
[94]
상기 n-1개 터널링 방지층 중 하부로부터 짝수 번째 터널링 방지층과 홀수 번째 터널링 방지층은 상기 상부 반도체층(52)이 제1형의 도펀트로 도핑된 경우에는, 각각 제2형 및 제1형의 도펀트로 도핑될 수 있고, 상부 반도체층(52)이 제2형의 도펀트로 도핑된 경우는 각각 제1형 및 제2형의 도펀트로 도핑되어, 소자 상부 수직방향으로부터 PN…PN 또는 NP…NP의 직렬 접합이 형성되어, 단일 반도체 소자 내에 독립적인 복수의 활성영역이 포함되는, 고전압 구동 발광소자.
[95]
또한 상기 n개의 활성영역은 모두 동일한 조성의 물질로 구성되어, 적색 또는 적외선 영역에서 실질적으로 동일한 파장을 갖는다.
[96]
[97]
(실시예 3)
[98]
상기 실시예1 또는 실시예2에서의 고전압 구동 반도체 발광소자를 포함하는 패키징 및 이를 포함하는 풀-컬러 디스플레이 장치로,
[99]
상기 패키징은 램프 타입 또는 3 in 1 타입일 수 있고;
[100]
상기 패키징을 포함하는 모듈;
[101]
상기 모듈에 전원 및 제어 신호을 인가하기 위한 배선, PCB, SMPS 및 제어장치를 포함하는 풀-컬러 디스플레이 장치.
[102]
[103]
(실시예 4)
[104]
성장기판을 마련하는 단계;
[105]
상기 성장기판 상에 하부 반도체층을 형성하는 단계;
[106]
상기 하부 반도체층 상에 제1 활성영역을 형성하는 단계;
[107]
상기 제1 활성영역 상에 제1 터널링 방지층을 형성하는 단계;
[108]
상기 제1 터널링 방지층 상에 제2 활성영역을 형성하는 단계;
[109]
상기 제2 활성영역 상에 상부 반도체층을 형성하는 단계;
[110]
상기 제2 활성영역 상에 제2 터널링 방지층을 형성하는 단계;
[111]
상기 제2 터널링 방지층 상에 제3 활성영역을 형성하는 단계; 및
[112]
상기 제3 활성영역 상에 상부 반도체층을 형성하는 단계; 를 포함하고,
[113]
상기 제1 터널링 방지층 및 제2 터널링 방지층은 제1 활성영역, 제2 활성영역, 제3 활성영역 중 어느 하나의 중 어느 하나의 활성영역만을 활성화시키기에 충분한 인가전압 하에서는 전자 또는 정공이 이동할 수 없는 반도체층으로, 양자영역 범위에서 인접한 두 활성영역을 독립적으로 분리시키는, 고전압 구동 발광소자의 제조방법.
[114]
또한, 상기의 제조방법으로 제조된 고전압 구동 발광소자의 에피층을 트렌스퍼 기판에 접합하고, 상기 성장기판을 제거하는 공정이 더 추가될 수 있다.
[115]
[116]
이상에서 본 발명에 대하여 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다.
[117]
예를 들어, 본 발명에서 제시한 각 고전압 구동 발광소자를 구성하는 반도체층 사이에는 언급하지 않은 제3의 반도체층이 더 형성될 수 있다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

청구범위

[청구항 1]
기판; 상기 기판 상에 형성된 하부 반도체층; 상기 하부 반도체층 상에 형성된 제1 활성영역; 상기 제1 활성영역 상에 형성된 제1 터널링 방지층; 상기 제1 터널링 방지층 상에 형성된 제2 활성영역; 상기 제2 활성영역 상에 형성된 제2 터널링 방지층; 상기 제2 터널링 방지층 상에 형성된 제3 활성영역; 및 상기 제3 활성영역 상에 형성된 상부 반도체층; 을 포함하는 반도체 발광소자로써, 상기 제1 터널링 방지층 및 제2 터널링 방지층은 전체 활성영역 중 어느 하나의 활성영역만을 활성화시키기에 충분한 인가전압 하에서는 전자 또는 정공이 이동할 수 없는 반도체층으로, 양자영역 범위에서 인접한 두 활성영역을 독립적으로 분리시키는, 고전압 구동 발광소자.
[청구항 2]
제1 항에 있어서, 상기 제1 활성영역, 제2 활성영역 및 제3 활성영역은 동일한 조성의 AlGaInP계 물질로 구성되어, 적색 또는 적외선 영역에서 동일한 파장을 방출하는, 고전압 구동 발광소자.
[청구항 3]
제1항에 있어서, 상기 제1 활성영역, 제2 활성영역 및 제3 활성영역은 Al 조성 x가, 0 ≤ x ≤ 0.45 의 범위를 갖는 (Al xGa 1-x) 0.5In 0.5P 로 구성되는, 고전압 구동 발광소자.
[청구항 4]
제1항에 있어서, 상기 제2 터널링 방지층과 제1 터널링 방지층은 상기 상부 반도체층이 제1형의 도펀트로 도핑된 경우에는, 각각 제2형 및 제1형의 도펀트로 도핑될 수 있고, 상부 반도체층이 제2형의 도펀트로 도핑된 경우는 각각 제1형 및 제2형의 도펀트로 도핑되어, 소자 상부 수직방향으로부터 PNPN 또는 NPNP의 직렬 접합되는, 고전압 구동 발광소자.
[청구항 5]
제1항에 있어서, 상기 제1 터널링 방지층 및 제2 터널링 방지층은 Al 조성 x가, 0 ≤ x ≤ 1 의 범위를 갖는 (Al xGa 1-x) 0.5In 0.5P 로 구성되는, 고전압 구동 소자.
[청구항 6]
제1항에 있어서, 상기 제1 터널링 방지층 및 제2 터널링 방지층은 각각 3㎛ 이상의 두께를 갖는, 고전압 구동 발광소자.
[청구항 7]
기판; 상기 기판 상에 형성된 하부 반도체층; 상기 하부 반도체층 상에 형성된 n개의 활성영역과 상기 활성영역 사이에 협지되는 n-1개의 터널링 방지층 (단, n은 2 이상의 자연수임); 및 마지막 n번째 활성영역 상에 형성된 상부 반도체층; 을 포함하는 발광소자로써, 상기 제1 터널링 방지층 및 제2 터널링 방지층은 전체 활성영역 중 어느 하나의 활성영역만을 활성화시키기에 충분한 인가전압 하에서는 전자 또는 정공이 이동할 수 없는 반도체층으로, 양자영역 범위에서 인접한 두 활성영역을 독립적으로 분리시키는, 고전압 구동 발광소자.
[청구항 8]
제7 항에 있어서, 상기 n개의 활성영역은 동일한 조성의 AlGaInP계 물질로 구성되어, 적색 또는 적외선 영역에서 동일한 파장을 방출하는, 고전압 구동 발광소자.
[청구항 9]
제7항에 있어서, 상기 n개의 활성영역은 Al 조성 x가, 0 ≤ x ≤ 0.45 의 범위를 갖는 (Al xGa 1-x) 0.5In 0.5P 로 구성되는, 고전압 구동 발광소자.
[청구항 10]
제7항에 있어서, 상기 n-1개 터널링 방지층 중 하부로부터 짝수 번째 터널링 방지층과 홀수 번째 터널링 방지층은 상기 상부 반도체층이 제1형의 도펀트로 도핑된 경우에는, 각각 제2형 및 제1형의 도펀트로 도핑될 수 있고, 상부 반도체층(이 제2형의 도펀트로 도핑된 경우는 각각 제1형 및 제2형의 도펀트로 도핑되어, 소자 상부 수직방향으로부터 PN…PN 또는 NP…NP의 직렬 접합되는, 고전압 구동 발광소자.
[청구항 11]
제7항에 있어서, 상기 n-1개 터널링 방지층은 Al 조성 x가, 0 ≤ x ≤ 1 의 범위를 갖는 (AlxGa1-x)0.5In0.5P로 구성되는, 고전압 구동 소자.
[청구항 12]
제7항에 있어서, 상기 n-1개 터널링 방지층은 각각 3㎛ 이상의 두께를 갖는, 고전압 구동 발광소자.
[청구항 13]
청구항 1항 또는 7항에서의 고전압 구동 발광소자를 포함하는, 구전압 구동 패키지.
[청구항 14]
제13항에 있어서, 상기 패키지에는 청색 발광소자와 녹색 발광소자가 더 포함되어, 3 in 1 형태인 고전압 구동 패키지.
[청구항 15]
청구항 14항에서의 고전압 구동 패키지를 포함하는, 고전압 구동 모듈.
[청구항 16]
청구항 15항에서의 고전압 구동 모듈; 상기 모듈에 전원 및 제어 신호을 인가하기 위한 배선, PCB, SMPS 및 제어장치; 를 포함하는, 풀-컬러 디스플레이 장치.
[청구항 17]
성장기판을 마련하는 단계; 상기 성장기판 상에 하부 반도체층을 형성하는 단계; 상기 하부 반도체층 상에 제1 활성영역을 형성하는 단계; 상기 제1 활성영역 상에 제1 터널링 방지층을 형성하는 단계; 상기 제1 터널링 방지층 상에 제2 활성영역을 형성하는 단계; 상기 제2 활성영역 상에 상부 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제2 활성영역 상에 제2 터널링 방지층을 형성하는 단계; 상기 제2 터널링 방지층 상에 제3 활성영역을 형성하는 단계; 및 상기 제3 활성영역 상에 상부 반도체층을 형성하는 단계; 를 포함하고, 상기 제1 터널링 방지층 및 제2 터널링 방지층은 제1 활성영역, 제2 활성영역, 제3 활성영역 중 어느 하나의 중 어느 하나의 활성영역만을 활성화시키기에 충분한 인가전압 하에서는 전자 또는 정공이 이동할 수 없는 반도체층으로, 양자영역 범위에서 인접한 두 활성영역을 독립적으로 분리시키는, 고전압 구동 발광소자의 제조방법.
[청구항 18]
제17 항에 있어서, 상기 제1 활성영역, 제2 활성영역 및 제3 활성영역은 동일한 조성의 AlGaInP계 물질로 구성되어, 적색 또는 적외선 영역에서 동일한 파장을 방출하는, 고전압 구동 발광소자의 제조방법.
[청구항 19]
제17항에 있어서, 상기 제1 활성영역, 제2 활성영역 및 제3 활성영역은 Al 조성 x가, 0 ≤ x ≤ 0.45 의 범위를 갖는 (Al xGa 1-x) 0.5In 0.5P 로 형성되는, 고전압 구동 발광소자의 제조방법.
[청구항 20]
제17항에 있어서, 상기 제2 터널링 방지층과 제1 터널링 방지층은 상기 상부 반도체층이 제1형의 도펀트로 도핑된 경우에는, 각각 제2형 및 제1형의 도펀트로 도핑될 수 있고, 상부 반도체층이 제2형의 도펀트로 도핑된 경우는 각각 제1형 및 제2형의 도펀트로 도핑되어, 소자 상부 수직방향으로부터 PNPN 또는 NPNP의 직렬 접합되는, 고전압 구동 발광소자의 제조방법.
[청구항 21]
제17항에 있어서, 상기 제1 터널링 방지층 및 제2 터널링 방지층은 Al 조성 x가, 0 ≤ x ≤ 1 의 범위를 갖는 (Al xGa 1-x) 0.5In 0.5P 로 형성되는, 고전압 구동 소자의 제조방법.
[청구항 22]
제17항에 있어서, 상기 제1 터널링 방지층 및 제2 터널링 방지층은 각각 3㎛ 이상의 두께를 갖도록 성장되는, 고전압 구동 발광소자의 제조방법.

도면

[도1]

[도2]

[도3]

[도4]

[도5]

[도6]

[도7]

[도8]