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KR100889956B1 - 교류용 발광다이오드 - Google Patents

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KR100889956B1
KR100889956B1 KR1020070097330A KR20070097330A KR100889956B1 KR 100889956 B1 KR100889956 B1 KR 100889956B1 KR 1020070097330 A KR1020070097330 A KR 1020070097330A KR 20070097330 A KR20070097330 A KR 20070097330A KR 100889956 B1 KR100889956 B1 KR 100889956B1
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KR
South Korea
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light emitting
emitting cells
emitting diode
semiconductor layer
substrate
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KR1020070097330A
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이정훈
남기범
김대원
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서울옵토디바이스주식회사
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Abstract

교류전원에 직접 연결하여 동작시킬 수 있는 발광다이오드가 개시된다. 개시된 본 발명에 따른 발광다이오드는, 단일 기판 상에 2차원적으로 배열된 복수개의 발광셀들; 상기 발광셀들을 전기적으로 연결하는 배선들; 및 상기 배선들에 의해 직렬 연결된 발광셀들의 직렬 어레이를 포함하되, 상기 단일 기판은 비극성의 기판이고, 상기 발광셀들은 상기 비극성 기판 상에서 성장된 비극성의 질화갈륨계 반도체층들로 이루어진다.
발광다이오드, 비극성, 극성, 교류, 기판, 발광셀, 배선, 질화갈륨

Description

교류용 발광다이오드{AC LIGHT EMITTING DIODE}
본 발명은 교류전원에 직접 연결하여 동작시킬 수 있는 발광다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 양자 효율 등의 성능이 개선된 교류용 발광다이오드에 관한 것이다.
발광다이오드는 N형 반도체와 P형 반도체가 서로 접합된 구조를 가지는 광전변환 반도체 소자로서, 전자와 정공의 재결합에 의하여 빛을 발산한다. 이러한 발광다이오드는 표시소자 및 백라이트로 널리 이용되고 있다. 또한, 발광다이오드는 기존의 전구 또는 형광등에 비해 소모 전력이 작고 수명이 길어, 백열전구 및 형광등을 대체하여 일반 조명 용도로 그 사용 영역을 넓히고 있다.
발광다이오드는 교류전원하에서 전류의 방향에 따라 온/오프를 반복한다. 따라서, 발광다이오드를 교류전원에 직접 연결하여 사용할 경우, 발광다이오드가 연속적으로 빛을 방출하지 못하며, 역방향 전류에 의해 쉽게 파손되고 또한 동작 전압이 낮아 일반 교류전원에 직접 연결하여 사용할 수 없다.
이러한 발광다이오드의 문제점을 해결하기 위해 발광다이오드와 교류전원 사이에 정류기를 배치하여 교류를 직류로 정류하여 발광다이오드를 동작시키는 방법 이 사용되기도 하나, 이러한 정류기의 필요성은 형광등과 같은 조명기구를 발광다이오드로 대체하는 것을 어렵게 한다. 또한, 복수개의 발광다이오드를 서로 역병렬로 연결하여 고전압 교류전원에 직접 연결하는 방법이 사용될 수 있으나, 많은 수의 발광다이오드들을 연결하여 동작시켜야 하므로, 발광 장치의 전체 크기가 커지고, 발광다이오드들을 각각 연결함에 따라 와이어 연결 등의 공정수가 증가하는 문제점이 있다.
이에 대하여, 단일 칩 레벨에서 교류전원에 연결하여 동작할 수 있는 교류용 발광다이오드가 종래에 제안된 바 있다. 종래의 교류용 발광다이오드는 단일 기판 상에 복수의 발광셀이 2차원으로 배열된 구조로 이루어진다. 전술한 발광셀들은 단일 기판 상에서 성장된 질화갈륨계 반도체층들로 이루어진다.
위와 같은 종래의 교류용 발광다이오드는, 실질적으로 기판 위의 모든 평면 영역이 발광영역이 되는 직류용 발광다이오드와 비교할 때, 발광영역의 면적이 적다는 문제점이 있다. 이는 단일 기판 상에 배열된 발광셀에 국한하여 발광이 이루어지는 것에 기인하며, 정해진 발광다이오드 칩의 면적 하에서 발광량을 감소시킨다.
이에 따라, 본 발명자 등은, 발광셀의 채용에 의해 발광 영역의 면적이 상대적으로 감소된 교류용 발광다이오드에서, 발광 영역의 감소에 의한 발광량 저하를 양자 효율(특히, 내부 양자 효율)을 높이는 것에 의해 보상하는 기술을 제안하게 되었다.
교류용 발광다이오드를 제조함에 있어서, 복수의 발광셀을 형성하기 위해, 단일 기판 상에서 질화갈륨계 반도체층들을 차례로 성장시킨 후, 발광셀들이 되는 영역을 남기고 질화갈륨게 반도체층들을 기판에 이르는 깊이로 제거하는 공정이 이용된다. 이때, 상기 질화갈륨계 반도체층들을 성장시키는 단일 기판으로는 c면{0001} 기판, 특히, c면 사파이어 기판이 이용된다.
질화갈륨 또는 그것의 화합물들은 서로 120도 회전되고 고유 c축과 모두 수직인 등가 기저면의 축들에 의해 표현되는 도 5에 도시된 것과 같은 육방정계 결정 구조에서 가장 안정하다. 도 5를 참조하여 설명하면, 결정 구조 내에서의 갈륨과 질소 원자의 위치의 결과로, 각 평면은 c축을 따라 평면별로 진행함에 따라 한 종류의 원자, 즉, Ga 또는 N만을 포함한다. 전하 중성을 유지하기 위해, GaN 결정은 질소 원자만을 포함하는 하나의 c면과 갈륨 원자만을 포함하는 하나의 c면으로 경계를 이룬다. 그 결과, GaN 결정은 c축을 따라 분극화되며, 이들 결정의 자발적인 분극은 벌크 속성으로서의 결정 구조 및 조성에 의존한다.
Ga 원자가 포함된 c면{0001}을 성장시키는 상대적인 용이함으로 인해, 종래의 거의 모든 질화갈륨계 발광다이오드는 극성의(polar) c축에 평행하게 성장하여 형성된다. 또한, 인접하는 이종 층간의 인터페이스 응력은 압전 분극을 추가로 야기할 수 있으며, 이때, 총 분극은, 자발적인 분극과 압전에 의한 분극의 합이 된다.
앞서 언급한 바와 같이, 종래의 교류용 발광다이오드는 c축 방향을 따라 성 장하는 질화갈륨계 반도체층들로 이루어진 발광셀들을 포함한다. 이러한 교류용 발광다이오드에 있어서, 강한 압전 및 자발적 분극에 의해, 발광다이오드의 c면 양자웰 구조들은 활성영역 내에서 원치 않는 양자-가둠 스타크 효과(Quantum-Confined Stark Effect;QCSE)의 영향을 받으며, c방향을 따른 강한 내부 전기장들에 의해 전자와 정공들이 공간적으로 분리되어, 전자와 정공 사이의 재결합 효율을 크게 떨어뜨린다.
따라서, 본 발명의 하나의 기술적 과제는, 종래 교류용 발광다이오드의 단일 기판으로 이용되던 극성 기판 대신에, 비극성(nonpolar) 기판을 이용함으로써, 양자 효율을 향상시키고, 그에 의해, 칩당 발광 영역이 작은 교류용 발광다이오드의 발광 효율을 상승시키는데에 있다.
또한, 본 발명의 다른 기술적 과제는, 제한된 크기의 칩 레벨에서 양호한 동작 특성 및 광출력을 확보할 수 있도록 발광셀들을 배열시킨 발광다이오드를 제공하는데에 있다.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는, 동작시 특정 발광셀에 과전압이 인가되는 것을 방지할 수 있는 교류용 발광다이오드를 제공하는데에 있다.
상기 기술적 과제들을 이루기 위하여, 단일 기판(21) 상에 2차원적으로 배열된 복수개의 발광셀(30)들과, 상기 복수개의 발광셀(30)들을 전기적으로 연결하여 발광셀들의 직렬 어레이를 형성하는 배선들을 포함하되, 상기 단일 기판(21)은 비극성 질화갈륨계 반도체층들을 차례로 성장시키는 비극성의 사파이어 기판이며, 상기 발광셀(30)들 각각은, 상기 사파이어 기판 표면까지 노출시키는 상기 비극성 질화물계 반도체층들의 식각에 의해 전기적으로 고립되며, 상기 발광셀(30)들 각각은, 상기 사파이어 기판의 직상에 고립된 셀 하부 질화갈륨계 반도체층(23) 상에 형성된 비극성의 제1 도전형 반도체층(25)과, 상기 제1 도전형 반도체층(25)의 일 영역 상에 위치하는 비극성의 제2 도전형 반도체층(29)과, 상기 제1 도전형 반도체층(25)과 상기 제2 도전형 반도체층(29) 사이에 개재되는 비극성의 활성층(27)을 포함하며, 상기 배선들은 하나의 발광셀의 제1 도전형 반도체층(25)과 그것에 인접한 발광셀의 제2 도전형 반도체층을 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 교류용 발광다이오드가 제공된다.
이때, 상기 단일 기판은 비극성의 기판이고, 상기 발광셀들은 상기 비극성 기판 상에서 성장된 비극성의 질화갈륨계 반도체층들로 이루어진다. 일 실시예에 따라, 상기 질화갈륨계 반도체층들은, r면 사파이어 기판을 상기 비극성 기판으로 이용하여 성장된 a면 질화갈륨계 반도체층들일 수 있다. 다른 실시예에 따라, 상기 질화갈륨계 반도체층들은, m면 사파이어 기판을 상기 비극성 기판으로 이용하여 성장된 m면 질화갈륨계 반도체층들일 수 있다.
본 명세서에서, 용어 '비극성의 기판' 또는 그와 유사한 의미의 '기판'은 비극성의 a면 또는 m면 질화갈륨계 화합물이 성장하는 r면, m면 또는 a면을 갖는 기판인 것으로 정의된다.
상기 직렬 어레이는 교류전원에 연결되어 동작한다. 이때, 상기 직렬 어레이는 제1 및 제2 직렬 어레이를 포함할 수 있으며, 상기 제1 및 제2 직렬 어레이들이 상기 교류전원에 역병렬로 연결됨으로써 동작할 수 있다. 또한, 상기 단일 기판 상에 형성된 발광셀들의 일부를 배선들에 의해 연결함으로써 브리지 정류기를 구성할 수 있으며, 상기 발광셀들의 직렬 어레이를 상기 브리지 정류기에 전기적으로 연결함으로써, 교류전원에 의해 상기 직렬 어레이를 동작시킬 수 있다. 이에 따라, 교류전원에 연결하여 동작시킬 수 있는 교류용 발광다이오드가 제공될 수 있다.
한편, 상기 발광셀들은 10∼30 ㎛ 범위 내의 거리로 서로 이격되어 횡방향 및 종방향으로 배열된다. 상기 발광셀들이 10㎛ 이하의 거리로 서로 이격될 경우, 발광셀들 사이의 거리가 좁아서 발광셀들 사이에 파티클 등의 오염물질들이 잔류하여 발광셀들 사이에서 누설전류를 유발할 수 있으며, 또한, 발광셀들을 분리하기 위한 식각 공정 및 배선을 형성하는 것이 어려워진다. 이에 더하여, 배선들 사이에서 단락이 발생될 수 있다. 또한, 상기 발광셀들이 30 ㎛ 이상의 거리로 서로 이격되어 배열된 경우, 발광셀들의 직렬 어레이의 턴온 전압 및 동작 전압이 상승하게 되고, 이에 따라 발광셀들의 동작시간이 짧아진다. 즉, 교류전원하에서 발광다이오드를 동작시킬 경우, 교류전원의 위상이 변함에 따라 발광셀들의 어레이에 인가되는 전압은 사인 파형을 그리면 변한다. 이때, 발광셀들의 직렬 어레이의 턴온전압및 동작전압이 크면, 인가전압이 상당히 증가했을 때, 발광셀들이 턴온되어 동작하고, 인가전압이 작은 상태에서는 동작하지 않는다. 따라서, 턴온전압 및 동작전압이 높은 경우, 발광셀들이 동작하는 시간이 감소하게 되며, 그 결과, 발광다이오드에서 방출되는 광량이 감소될 뿐만 아니라, 발광다이오드가 턴오프되는 시간이 길어져, 광이 깜박거리며 방출되는 명멸현상(flicker)이 심해진다. 이에 더하여, 발광셀들 사이의 거리를 30 ㎛ 이상 이격시키기 위해서는 반도체층들을 식각하는 시간이 길어지고, 장시간 식각에 의해 발광셀들에 식각손상이 유발되기 쉽다.
횡방향에서의 상기 발광셀들 사이의 거리들(a)은 대체로 동일한 값을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 위 범위 내에서 서로 다른 값을 가질 수 있다. 또한, 종방향에서의 발광셀들 사이의 거리들(b)은 대체로 동일한 값을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 위 범위 내에서 서로 다른 값을 가질 수 있다.
한편, 상기 발광셀들 각각은, 상기 비극성의 기판 상에 형성되는 비극성의 질화갈륨계 반도체층들 중에서, 비극성의 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층의 일 영역 상에 위치하는 비극성의 제2 도전형 반도체층, 및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 비극성의 활성층을 포함한다. 상기 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층은 III-V 화합물 반도체, 특히 (Al, In, Ga)N 계열의 질화물 반도체로 형성될 수 있다. 상기 배선들은 하나의 발광셀의 제1 도전형 반도체층과 그것에 인접한 발광셀의 제2 도전형 반도체층을 전기적으로 연결하여 상기 발광셀들의 직렬 어레이를 형성한다.
이에 더하여, 적어도 하나의 션트(shunt) 배선이 서로 역병렬로 연결되어 동작하는 상기 제1 및 제2 직렬 어레이들 내의 대응하는 배선들을 전기적으로 연결할 수 있다. 상기 션트 배선은 동작시 역방향 전압이 인가된 직렬 어레이 내의 특정 발광셀에 과전압이 인가되는 것을 방지한다.
상기 적어도 하나의 션트 배선은 상기 배선들과 동일한 재질로 상기 배선들과 함께 형성될 수 있다. 또한, 상기 적어도 하나의 션트 배선은 상기 발광셀들 사이에 배치될 수 있다.
또한, 투명전극층이 상기 발광셀들 각각의 상기 제2 도전형 반도체층 상에 형성될 수 있다. 상기 투명전극층은 상기 제2 도전형 반도체층 내에 전류를 고르게 분산시킴과 아울러, 상기 활성층에서 생성된 광이 상기 제2 도전형 반도체층 상부로 방출되도록 한다.
한편, 반사층이 상기 발광셀들 각각의 상기 제2 도전형 반도체층 상에 형성될 수 있다. 또한, 상기 발광셀들은 금속범프들을 통해 서브 마운트 기판 상에 플립본딩될 수 있다. 상기 반사층은 상기 활성층에서 생성된 광이 서브마운트 기판 쪽으로 향하는 것을 반사시키기 위해 채택된다.
상기 금속범프들을 상기 서브마운트 기판 상에 본딩하기 위해, 본딩 패턴들이 상기 서브마운트 기판 상에 형성될 수 있다. 또한, 상기 서브마운트 기판 상에 형성된 본딩패턴들로 상기 배선을 구성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 발광셀을 이루는 질화갈륨계 반도체층들의 비극성(nonpolar) 구조의 채택에 의해, 활성영역 내에서의 전자와 정공의 재결합 효율 및 그에 따른 양자 효율의 향상이 가능하며, 따라서, 칩당 발광 영역의 면적이 작은 것에 기인하는 교류용 발광다이오드의 발광량 저하 현상이 크게 개선될 수 있다.
본 발명에 따르면, 교류전원에 연결되어 연속적으로 동작할 수 있는 교류용 발광다이오드를 제공할 수 있으며, 또한 발광셀들의 이격거리를 10㎛내지 30㎛의 범위 내로 함으로써 턴온전압 및 동작전압을 낮출 수 있어, 교류전원에 의한 발광다이오드의 발광시간을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 발광다이오드에서 방출되는 광량을 증가시킬 수 있으며, 또한 교류용 발광다이오드의 명멸현상(flicker)을 완화시킬 수 있다. 이에 더하여, 발광셀들을 10㎛ 이상의 이격거리로 배열함으로써, 발광셀들 을 분리하는 공정이 쉽고 또한 상기 발광셀들을 연결하는 배선들을 용이하게 형성할 수 있으며, 배선들 사이에 발생되는 단락을 방지할 수 있다. 또한 발광셀들을 30㎛ 이하의 이격거리로 배열함으로써 발광셀들을 형성하기 위한 식각시간을 감소시킬 수 있으며, 따라서 발광셀들에 발생될 수 있는 식각손상을 감소시킬 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 교류용 발광다이오드를 설명하기 위한 평면도이고, 도 2는 도 1의 절취선 A-A를 따라 취해진 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 기판(21) 상에 복수개의 발광셀들(30)이 배열된다. 통상 상기 기판(21)은 제한된 크기를 가지며, 상기 기판(21)의 크기는 단일칩의 크기를 의미한다.
상기 발광셀들(30) 각각은, 비극성의 기판(21) 상에 형성되는 질화갈륨계 반도체층들 중, 제1 도전형 반도체층(25)과, 상기 제1 도전형 반도체층(25)의 일 영역 상에 위치하는 제2 도전형 반도체층(29) 및 상기 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층(27)을 포함한다. 부재번호 23으로 표시된 층은, 발광셀 하부에 있는 셀 하부 질화갈륨계 반도체층이며, 이 층은 발광셀에 포함되지 않지만, 비극성 기판(21) 상에서 성장된 비극성 질화갈륨계 반도체층들 중의 일부이다.
상기 제1, 제2 도전형 반도체층 및 활성층은 III-V 화합물 반도체로 형성될 수 있으며, 특히 (Al, In, Ga)N로 형성될 수 있다. 이때, 상기 발광셀들은 횡방향 및 종방향에서 10 ~ 30 ㎛의 범위 이내의 거리(a, b)로 서로 이격되어 배열된다. 이때, 횡방향에서의 발광셀들의 이격거리(a)는 대체로 동일한 값을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 서로 다른 값을 가질 수 있다. 또한, 종방향에서의 발광셀들의 이격거리(b)는 대체로 동일한 값을 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 서로 다른 값을 가질 수 있다.
본 발명에 따라, 상기 기판(21)은 비극성 기판으로서, 본 실시예에서는 r면{
Figure 112007069454166-pat00001
}(도 5 참조) 사파이어 기판을 이용한다. 또한, 상기 제1 도전형 반도체층(25), 제 2 도전형 반도체층 반도체층(29), 및 활성층(27)을 포함하는 질화갈륨계 반도체층은 상기 r면 사파이어 기판 상에서 성장하여, 비극성의 질화갈륨계 반도체층들, 특히, a면{
Figure 112007069454166-pat00002
}(도 5 참조) 질화갈륨계 반도체층들이 된다.
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r면 또는 m면 사파이어 기판 상에서 비극성 질화갈륨계 반도체층들을 성장시키는 방법에는, 예를 들면, HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy), MOCVD(Metalorganic Chemical Vapor Deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy), LPE(Liquid Phase Epitaxy), PECVD(Plasma-Enhanced Chemical Deposition) 등이 유리하게 이용될 수 있다.
전술한 것과 같이 얻어진 비극성의 질화갈륨계 반도체층들은, 이종 계면들이 극성 c축에 평행하므로, 활성영역에서의 전자와 정공의 재결합율을 떨어뜨리는 분극에 의한 전자기장을 제거하여, 활성층(27) 내에서의 전자와 정공의 재결합 효율 개선에 의해 양자효율을 향상시켜준다.
상기 발광셀들(30)은 배선들(37)에 의해 서로 전기적으로 연결된다. 상기 배선들(37)은 하나의 발광셀의 제1 도전형 반도체층(25)과 그것에 인접한 다른 발광셀의 제2 도전형 반도체층(29)을 연결한다. 이때, 상기 제1 도전형 반도체층(25) 상에 제1 전극 패드(31)가 형성되고, 상기 제2 도전형 반도체층(29) 상에 투명전극층(33)이 형성될 수 있다. 상기 투명전극층(33)은 인디움틴산화막(ITO) 또는 Ni/Au 등의 물질로 형성될 수 있다. 일반적으로, 상기 제2 도전형 반도체층(29)이 저항값이 큰 P형 반도체로 형성될 경우, 상기 투명전극층(33)은 상기 제2 도전형 반도체층(29)에서 전류가 고르게 분산되도록 한다. 또한, 상기 투명전극층(33)은 상기 활성층(27)에서 생성된 광에 대해 투광성을 가지므로, 광이 제2 도전형 반도체층(29)의 상부로 방출될 수 있다.
도시한 바와 같이, 상기 배선들(37)은 제1 전극패드(31)와 투명전극층(33)을 서로 연결함으로써 이웃한 발광셀들의 제1 도전형 반도체층(25)과 제2 도전형 반도체층(29)을 전기적으로 연결할 수 있다. 상기 투명전극층(33) 상에 제2 전극패드 (도시하지 않음)가 더 형성될 수 있으며, 상기 배선(37)은 제2 전극패드를 통해 상기 투명전극층에 연결될 수 있다. 한편, 상기 배선들(37)에 의해 발광셀(30) 내의 제1 도전형 반도체층(25)과 제2 도전형 반도체층(29)이 단락되는 것을 방지하기 위해 발광셀들(30)과 배선들(37) 사이에 절연층(35)이 개재된다. 상기 절연층(35)은 발광셀들(30), 투명전극층(33) 및 제1 전극패드(31) 등이 형성된 기판 상에 실리콘 산화막(SiO2) 또는 실리콘 질화막(Si3N4) 등을 전면 증착함으로써 형성될 수 있으며, 상기 투명전극층(33) 및 제1 전극패드(31)를 노출시키도록 패터닝된다. 상기 배선들(37)은 노출된 투명전극층(33)과 제1 전극패드(31)를 연결하도록 상기 절연층(35) 상에 형성된다.
상기 배선들(37)에 의해 발광셀들(30)이 서로 직렬 연결된 제1 및 제2 직렬 어레이들(11, 13)이 형성된다. 동작시, 상기 제1 및 제2 직렬 어레이들(11, 13)은 교류전원(도시하지 않음)에 서로 역병렬로 연결되어 동작한다. 따라서, 상기 발광다이오드는 교류전원의 위상변화에 따라 상기 제1 및 제2 직렬 어레이들(11, 13)이 서로 교대로 동작하여 계속해서 광을 방출한다.
한편, 적어도 하나의 션트(shunt) 배선(38)이 제1 및 제2 직렬 어레이들(11, 13) 사이의 대응하는 발광셀들을 전기적으로 연결한다. 션트 배선(38)은 제1 및 제2 직렬 어레이들(11, 13) 사이의 대응하는 발광셀들이 서로 동일한 전위를 갖게 한다. 이에 따라, 교류전원하에서 역병렬로 연결된 직렬 어레이들(11, 13)이 동작할 경우, 역방향 전압이 인가된 직렬 어레이 내의 특정 발광셀에 과전압이 인가되는 것을 방지하여 발광셀들을 보호한다. 상기 션트(shunt) 배선(38)은 제1 및 제2 직렬 어레이들(21, 23) 사이의 대응하는 발광셀들이 모두 동일한 전위를 갖도록 대부분의 발광셀들을 전기적으로 연결할 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 몇몇 발광셀들을 연결할 수도 있다.
상기 션트 배선들(38)은 발광셀들(30) 사이에 배치될 수 있으며, 도시한 바와 같이, 제1 및 제2 직렬 어레이들(11, 13) 내의 대응하는 배선들(37)을 서로 연결할 수 있다. 또한, 상기 션트 배선들(38)은 배선들(37)과 동일한 재질 및 동일한 공정을 사용하여 함께 형성될 수 있다.
한편, 상기 발광다이오드를 교류전원에 연결하기 위해, 상기 기판, 즉, 비극성 기판 상에 패드들(41a, 41b)이 형성되며, 상기 제1 및 제2 직렬 어레이들(11, 13)은 상기 패드들에 역병렬로 연결될 수 있다.
이에 더하여, 상기 배선들(37) 및 상기 발광셀들(30)을 보호하기 위해, 배선들이 형성된 기판 상에 보호층(39)이 형성될 수 있다. 상기 보호층(39)은 실리콘 산화막(SiO2) 또는 실리콘 질화막(Si3N4) 등으로 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 발광셀들은 10 ~ 30 ㎛의 범위 이내의 횡방향 및 종방향 거리(a, b)로 서로 이격되어 배열된다. 상기 발광셀들을 10㎛보다 작은 거리로 이격시킬 경우, 발광셀들을 전기적으로 고립시키기 위한 식각 공정이 어렵고, 또한 발광셀들 사이에 파티클 등의 오염물질들이 잔류하게 되어 발광셀들 사이에서 전류누설이 발생될 수 있다. 또한, 발광셀들 사이의 거리가 10㎛보다 작은 경우, 절연층(33) 및 배선들(37)을 형성하기 어렵고, 배선들(37) 사이에 단락이 발생될 수 있다. 따라서, 발광셀들(30)을 10㎛ 이상 이격시킴으로써, 식각기술을 사용하여 발광셀들(30)을 쉽게 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 절연층(35), 배선들(37) 및 션트 배선(38)을 쉽게 형성할 수 있다. 이에 더하여, 발광셀들 사이의 누설전류를 방지할 수 있다. 한편, 상기 발광셀들을 30㎛보다 큰 거리로 이격시킬 경우, 직렬 어레이의 턴온전압이 과도하게 증가하여 교류용 발광다이오드의 동작시간이 감소하며, 따라서 발광다이오드에서 방출되는 광량이 감소하고, 빛이 깜박이는 명멸현상(flicker)이 심해질 수 있고, 또한 반도체층들을 식각하여 발광셀들(30)을 형성하는 동안, 식각시간이 과도하게 증가하여 발광셀들에 식각손상을 유발할 수 있다. 따라서, 발광셀들 사이의 거리를 30㎛ 이하로 제한함으로써, 교류용 발광다이오드의 명멸현상을 완화함과 아울러, 발광셀들에 발생될 수 있는 식각 손상을 감소시킬 수 있다.
한편, 본 실시예에 있어서, 제1 및 제2 직렬 어레이들(11, 13)이 서로 역병렬로 연결되어 동작하는 것을 설명하였으나, 단일 기판 상에 배선들에 의해 직렬연결된 단일의 직렬 어레이가 형성될 수도 있다. 이때, 상기 기판 상에 브리지 정류기가 형성되고, 상기 직렬 어레이가 브리지 정류기에 연결되어 교류전원하에서 동작할 수 있다. 한편, 상기 브리지 정류기는 상기 단일 기판 상에 형성된 발광셀들을 배선들을 이용하여 연결함으로써 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 교류용 발광다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 비극성의 기판(21) 상에 비극성의 질화갈륨계 반도체층들로 이루어진 복수개의 발광셀들(30)이 2차원적으로 배열된다. 또한, 상기 발광셀들(30)의 제2 도전형 반도체층들(29) 상에 투명전극층(33)이 형성될 수 있으며, 제1 도전형 반도체층들(25) 상에 제1 전극패드들(31)이 형성될 수 있다. 또한, 배선들(47)이 상기 발광셀들(30)을 전기적으로 연결하여 직렬 어레이들을 형성한다. 다만, 본 실시예에 있어서, 상기 발광셀들(30)을 연결하는 배선들(47)은, 도 2를 참조하여 설명한 배선들(37)과 달리, 에어브리지(air bridge) 공정을 사용하여 형성된 것으로, 각 배선(47)은 그 접점부들을 제외한 부분들이 기판으로부터 떨어져 위치한다. 상기 에어브리지 배선(47)과 함께 직렬 어레이들 사이의 발광셀들을 연결하는 션트 배선(도시하지 않음)이 형성될 수 있다. 한편, 상기 에어브리지 배선들(47)은 발광셀들로부터 떨어져 위치하므로, 상기 배선들(47)에 의해 발광셀들의 제1 도전형 반도체층(25)과 제2 도전형 반도체층(29)이 단락되는 것을 방지하기 위한 절연층(35)은 생략된다.
본 실시예에 있어서, 상기 발광셀들은 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이 횡방향 및 종방향에서 10~30 ㎛의 범위 이내로 서로 이격되어 배열된다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 교류용 발광다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 비극성의 기판(21) 상에 비극성의 질화갈륨계 반도체층들로 이루어진 복수개의 발광셀들(30)이 2차원적으로 배열된다. 다만, 본 실시예에 있어서, 상기 제1 도전형 반도체층 및 상기 제2 도전형 반도체층에 각각 금속범프들(51, 55)이 형성되고, 상기 발광셀들(30)은 금속범프들(51, 55)을 통해 서브마운트 기판(61) 상에 플립본딩된다. 이때, 상기 제2 도전형 반도체층(29) 상에 반사층(53)이 형성되어, 활성층(27)에서 생성되어 서브마운트 기판(61) 쪽으로 향하는 광을 반사시킨다. 또한, 상기 금속범프들(51)과 상기 제1 도전형 반도체층들(25) 사이에 제1 전극패드들(31)가 개재될 수 있다.
한편, 상기 서브마운트 기판 상에 상기 금속범프들(51, 55)을 본딩하기 위한 본딩 패턴들(63)이 형성될 수 있다. 또한, 발광다이오드를 교류전원에 전기적으로 연결하기 위한 패드들(도시하지 않음)이 상기 서브마운트 기판(61) 상에 형성될 수 있다. 도시한 바와 같이, 하나의 발광셀의 제1 도전형 반도체층(25)과 그것에 인접한 발광셀의 제2 도전형 반도체층이 하나의 본딩 패턴(63)에 전기적으로 본딩되도록 상기 발광셀들을 플립본딩함으로써 상기 본딩 패턴들(63)을 이용하여 상기 발광셀들(30)을 직렬 연결할 수 있다. 즉, 상기 본딩 패턴들(63)이 발광셀들을 연결하는 배선으로 기능할 수 있다. 이에 따라, 상기 본딩 패턴들(63)에 의해 상기 발광셀들(30)이 연결되어 제1 및 제2 직렬 어레이들(도 1의 11, 13)이 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 발광셀들(30)이 서브마운트 기판(61)에 플립본딩되므로, 동작하는 동안 발광셀들(30)에서 생성된 열을 서브마운트 기판(61)을 통해 방출할 수 있어 발광효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 실시예에 있어서, 본딩패턴들(63)에 의해 발광셀들(30)이 서로 렬연결되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상기 발광셀들을 전기적으로 연결하는 배선들(도 2의 37 또는 도 3의 47)이 별도로 형성되고, 상기 발광셀들(30)은 대응하는 본딩패턴들에 각각 금속범프들을 통해 플립본딩될 수 있다. 이 경우, 제1 도전형 반도체층 상에 형성된 금속범프들(51)은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 교류용 발광다이오드를 설명하기 위한 평면도.
도 2는 도 1의 절취선 A-A를 따라 취해진 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 교류용 발광다이오드를 설명하기 위한 단면도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 교류용 발광다이오드를 설명하기 위한 단면도.
도 5는 질화갈륨계 반도체층의 성장면 및 성장방향을 설명하기 위해 도시된 육방정계의 구조의 도면.

Claims (16)

  1. 단일 기판 상에 2차원적으로 배열된 복수개의 발광셀들; 및
    상기 복수개의 발광셀들을 전기적으로 연결하여 발광셀들의 직렬 어레이를 형성하는 배선들을 포함하되,
    상기 단일 기판은 비극성 질화갈륨계 반도체층들을 차례로 성장시키는 비극성의 사파이어 기판이며,
    상기 발광셀들 각각은, 상기 사파이어 기판 표면까지 노출시키는 상기 비극성 질화물계 반도체층들의 식각에 의해 전기적으로 고립되며,
    상기 발광셀들 각각은, 상기 사파이어 기판의 직상에 고립된 셀 하부 질화갈륨계 반도체층 상에 형성된 비극성의 제1 도전형 반도체층과, 상기 제1 도전형 반도체층의 일 영역 상에 위치하는 비극성의 제2 도전형 반도체층과, 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 개재되는 비극성의 활성층을 포함하며,
    상기 배선들은 하나의 발광셀의 제1 도전형 반도체층과 그것에 인접한 발광셀의 제2 도전형 반도체층을 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 교류용 발광다이오드.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 비극성 사파이어 기판은 비극성의 r면 사파이어 기판이고, 상기 질화갈륨계 반도체층들은 상기 r면 사파이어 기판에서 성장되는 비극성의 a면 질화갈륨계 반도체층들인 것을 특징으로 하는 교류용 발광다이오드.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 비극성 사파이어 기판은 비극성의 m면 사파이어 기판이고, 상기 질화갈륨계 반도체층들은 상기 m면 사파이어 기판에서 성장되는 비극성의 m면 질화갈륨계 반도체층들인 것을 특징으로 하는 교류용 발광다이오드.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 직렬 어레이는 교류전원에 연결되어 동작하는 것을 특징으로 하는 교류용 발광다이오드.
  5. 청구항 1에 있어서, 횡방향에서의 상기 발광셀들 사이의 거리들(a)은 서로 다른 값을 갖는 것을 특징으로 하는 교류용 발광다이오드.
  6. 청구항 1에 있어서, 종방향에서의 발광셀들 사이의 거리들(b)은 서로 다른 값을 갖는 것을 특징으로 하는 교류용 발광다이오드.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 직렬 어레이는 제1 및 제2 직렬 어레이를 포함하고, 상기 제1 및 제2 직렬 어레이는 상기 교류전원에 서로 역병렬로 연결되어 동작하는 것을 특징으로 하는 교류용 발광다이오드.
  8. 청구항 7에 있어서, 서로 역병렬로 연결되어 동작하는 상기 제1 및 제2 직렬 어레이들 내의 대응하는 배선들을 전기적으로 연결하는 적어도 하나의 션트(shunt) 배선을 더 포함하여, 동작시 역방향 전압이 인가된 직렬 어레이 내의 특정 발광셀에 과전압이 인가되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 교류용 발광다이오드.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 발광셀들은 10~30㎛의 범위 이내의 횡방향 및 종방향 거리로 서로 이격되어 배열된 것을 특징으로 하는 교류용 발광다이오드.
  10. 청구항 8에 있어서, 상기 적어도 하나의 션트 배선은 상기 배선들과 동일한 재질로 상기 배선들과 함께 형성된 것을 특징으로 하는 교류용 발광다이오드.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 적어도 하나의 션트 배선은 상기 발광셀들 사이에 배치된 교류용 발광다이오드.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 발광셀들 각각의 상기 제2 도전형 반도체층 상에 형성된 투명전극층을 더 포함하는 교류용 발광다이오드.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 발광셀들 각각의 상기 제2 도전형 반도체층 상에 형성된 반사층; 및
    서브 마운트 기판을 더 포함하고,
    상기 발광셀들은 금속범프들을 통해 상기 서브 마운트 기판 상에 플립본딩된 것을 특징으로 하는 교류용 발광다이오드.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 서브마운트 기판 상에 형성되고, 상기 금속범프들이 본딩되는 본딩 패턴들을 더 포함하는 교류용 발광다이오드.
  15. 청구항 13에 있어서, 상기 배선들은 상기 서브마운트 기판 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 교류용 발광다이오드.
  16. 청구항 1에 있어서, 상기 기판 상에 형성된 브리지 정류기를 더 포함하되,
    상기 브리지 정류기는 상기 발광셀들을 상기 배선들로 연결함으로써 형성되고,
    상기 발광셀들의 직렬 어레이는 상기 브리지 정류기에 전기적으로 연결된 교류용 발광다이오드.
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