本発明に従う実施形態の説明において、各構成要素の“上(の上)または下(の下)”に形成されるものと記載される場合において、上(の上)または下(の下)は2つの構成要素が互いに直接接触されるか、1つ以上の更に他の構成要素が2つの構成要素の間に配置されて形成されることを全て含む。また“上(の上)または下(の下)”と表現される場合、1つの構成要素を基準に上方だけでなく、下方の意味も含むことができる。
図1は、本発明の実施形態に従う発光素子を示す断面図である。
図1を参照すると、実施形態に従う発光素子は、基板10、ナノ構造物19、及び発光構造物30を含むことができる。前記発光構造物30は、第1導電型半導体層25、活性層27、及び第2導電型半導体層29を含むことができる。前記ナノ構造物19は、グラフェン(grapheme)層13と多数のナノテクスチャー(nano texture)16を含むことができる。
実施形態に従う発光素子は、前記基板10と前記発光構造物30との間に配置された半導体層(図示せず)を含むことができる。前記半導体層は、バッファ層、アンドープド半導体層、またはn型ドーパントを有する半導体層のうち、少なくとも1つを含むことができる。前記半導体層(図示せず)はバッファ層でありうる。実施形態に従う発光素子は、前記発光構造物30の下及び/または上に配置された他の半導体層(図示せず)をさらに含むことができる。実施形態に従う発光素子は、前記バッファ層と前記発光構造物30との間に配置されたアンドープド半導体層(図示せず)をさらに含むことができる。前記半導体層は、前記バッファ層と前記バッファ層の上に配置されたアンドープド半導体層の積層構造を含むことができる。
前記ナノ構造物19は、前記基板10の上面に接触するか、前記バッファ層の上面に接触するか、前記アンドープド半導体層の上面に接触できる。他の例として、前記ナノ構造物19は前記バッファ層の下面に接触するか、前記アンドープド半導体層の下面に接触できる。
前記基板10は、前記発光構造物30のような半導体層の成長用材質である。前記発光構造物30を安定的に成長させるために、前記基板10は前記発光構造物30との格子定数ができる限り小さい差を有する物質で形成できる。
前記基板10は、絶縁性材質、透光性材質、伝導性材質の基板を含み、例えば、サファイア(Al2O3)、SiC、Si、GaAs、GaN、ZnO、Si、GaP、InP、及びGeからなるグループから選択された少なくとも1つで形成できる。
前記基板10と前記発光構造物30との間に前記第1半導体層、例えば、バッファ層が配置できる。前記バッファ層は、前記基板10と前記発光構造物30との間の格子定数差を緩和するために形成できる。前記バッファ層と前記発光構造物30の各々はII乃至VI族化合物半導体材質で形成できる。前記II乃至VI族化合物半導体材質は、II族−VI族化合物半導体、及びIII族及びV族化合物半導体のうち、少なくとも1つを含む。前記アンドープド半導体層は前記化合物半導体材料で形成できる。
前記発光構造物30と前記基板10との間には格子定数の差による格子欠陥、例えば転位(dislocation)が発生できる。このような転位は基板10と発光構造物30との間の格子欠陥により前記発光構造物30に垂直方向に形成された境界線を意味することができる。このような転位は発光素子の電気的及び光学的特性を低下させ、発光自体ができないこともある。このような問題を解決するために、第1実施形態では前記基板10と前記発光構造物30との間にナノ構造物19を配置させることができる。他の例として、前記ナノ構造物19は前記基板10と第1半導体層(図示せず)との間に配置できる。
前記ナノ構造物19は、前記基板10の全領域の上に配置できる。以下、説明の便宜のために、ナノ構造物19は基板10の上に形成された例として説明することにし、バッファ層やアンドープド半導体層のような半導体層の上に形成されることができ、これに対して限定するものではない。
図2に示すように、前記ナノ構造物19はグラフェン(grphene)層13と前記グラフェン層13の上に配置されたナノテクスチャー16を含むことができる。前記グラフェン層13は、前記基板10の全領域に形成された板(plate)または薄膜形状に形成できる。他の例として、前記グラフェン層13の表面は凹凸構造で形成できる。
前記グラフェン層13は多様な工程により形成できる。例えば、前記グラフェン層13は黒鉛の酸化−還元による化学的合成法、CVD成長法、エピタキシ(epitaxy)合成法などを用いて形成できる。
前記グラフェン層13は、今まで知られた物質のうち、最も薄いながらも、電気や熱を最もよく伝導できるだけでなく、最も柔軟な物質であり、また弾性が非常に優れて伸ばしたり曲げることができ、光が透過できる透光性機能を有することができる。
前記グラフェン層13は、予め形成した後、前記基板10の上に付着されるか、前記基板10の上に化学的合成法、CVD成長法、エピタキシ合成法などを用いて直接形成できる。
前記グラフェン層13の上に多数のナノテクスチャー16を形成することができる。前記グラフェン層13の上に多数のナノテクスチャー16を成長させるために、前記ナノテクスチャー16の下にシード層(図示せず)が形成できる。即ち、前記シード層は前記グラフェン層13とナノテクスチャーとの間に配置されることができ、これに対して限定するものではない。
前記ナノテクスチャー16は、前記グラフェン層13と異なる材質で形成されることができ、例えば金属酸化物で形成できる。前記ナノテクスチャー16は、酸化亜鉛(ZnO)を含むことができ、これに対して限定するものではない。また、前記ナノテクスチャー16は前記基板10の格子定数より小さく、前記化合物半導体材料の格子定数よりは大きい格子定数を有する物質で形成できる。
前記ナノテクスチャー16の格子定数、例えば酸化亜鉛の格子定数は、略3.25である。前記基板10、例えば、サファイアの格子定数は略4.78であり、前記発光構造物30に使用できる化合物半導体、例えば、GaNの格子定数は略3.18である。
したがって、酸化亜鉛の格子定数はサファイアの格子定数とGaNの格子定数との間に位置するようになるので、酸化亜鉛によりGaNがナノ構造物19の上で転位(dislocation)の発生無しでよく成長できる。これによって、発光構造物30の下面での転位密度はGaNが基板10の上に成長された場合の転位密度より減少できる。
前記ナノテクスチャー16は多数のナノロッド(nanorod)またはナノ構造体であることがあり、前記ナノロッドは相互間に一定の間隔で離隔するか、相互間に不規則な間隔で離隔できる。
前記ナノテクスチャー16の高さ(H1)は幅(W1)と異なる高さを有することができ、例えば幅(W1)より高く形成されることができ、これに対して限定するものではない。前記ナノテクスチャー16の高さ(H1)が幅(W1)より高く形成されることによって、光抽出効率を改善させることができる。また、多数のナノテクスチャー16は互いに同一な高さ(H1)に形成されるか、互いに異なる高さに形成できる。また、多数のナノテクスチャー16は互いに同一な形状、または互いに異なる形状に形成されることができ、これに対して限定するものではない。
前記ナノテクスチャー16の幅(W1)は5nm乃至500nm範囲であることがあり、例えば50nm乃至200nmであることがある。前記ナノテクスチャー16の高さ(H1)は10nm乃至3μm範囲を含むことができ、例えば500nm乃至1μm範囲で形成できる。このようなナノテクスチャー16は幅(W1)と高さ(H1)がμm以下または未満のサイズで形成できる。
前記ナノテクスチャー16の高さ(H1)は、前記ナノテクスチャー16の幅(W1)より高く形成できる。この際、前記バッファ層または発光構造物30のような半導体、例えばGaNのような半導体は、前記ナノテクスチャー16の間の領域で垂直方向に成長されることができ、前記ナノテクスチャー16の上の領域では垂直方向と水平方向に成長できる。これによって、化合物半導体の内に転位が発生しないことがあり、優れる結晶性(crystallinity)を有する半導体層を提供することができ、発光素子の電気的特性と光学的特性が向上できる。
前記ナノ構造物19の上に前記発光構造物30が形成される場合、前記ナノテックス16の間の領域及び前記ナノテクスチャー16の上に前記発光構造物30が形成できる。即ち、前記ナノ構造物19の上に前記発光構造物30の半導体層が積層できる。
前記発光構造物30は、例えば、第1導電型半導体層25、活性層27、及び第2導電型半導体層29を含むことができる。前記第1導電型半導体層25は、前記バッファ層または前記ナノ構造物19の上に形成され、前記活性層27は前記第1導電型半導体層25の上に形成され、前記第2導電型半導体層29は前記活性層27の上に形成できる。
前記第1導電型半導体層25は、前記ナノ構造物19の上に形成できる。具体的に、前記第1導電型半導体層25は前記ナノ構造物19のナノテクスチャー16の間のグラフェン層13から垂直方向に形成され、前記ナノテクスチャー16の上面から垂直方向と水平方向に形成される。これによって、前記第1導電型半導体層25は前記ナノテクスチャー16の周り及び上面に接触できる。
また、前記第1導電型半導体層25の厚さは前記ナノテクスチャー16の高さより厚く形成できる。前記発光構造物30の第1導電型半導体層25の厚さは2μm乃至3μmであることがあるが、これに対して限定するものではない。
したがって、前記第1導電型半導体層25の厚さは前記ナノテクスチャー16の高さより大きいので、前記第1導電型半導体層25は前記ナノ構造物19のナノテクスチャー16の間だけでなく、前記ナノテクスチャー16の上にも形成できる。
前記第1導電型半導体層25は、例えば、n型ドーパントを含むn型半導体層でありうる。前記n型半導体層は、InxAlyGa1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)の組成式を有する半導体材質、例えばInAlGaN、GaN、AlGaN、InGaN、AlN、InN、及びAlInNからなるグループから選択された少なくとも1つを含むことができ、Si、Ge、Snなどのn型ドーパントがドーピングできる。前記第1導電型半導体層25は、前記ナノ構造物19の上に1つの層に形成されるか、多層構造で形成できる。例えば、第1導電型半導体層25が多層の場合、下層は前記ナノテクスチャー16の高さと等しいか小さい厚さで形成されることができ、上層は前記ナノテクスチャー16を覆うことができる程度の厚さで形成できる。
前記第1導電型半導体層25の上には前記活性層27が形成できる。前記活性層27は、前記第1導電型半導体層25を通じて注入される第1キャリア、例えば電子と前記第2導電型半導体層29を通じて注入される第2キャリア、例えば正孔が互いに結合され、前記活性層27の形成物質に従うエネルギーバンド(Energy Band)のバンドギャップ(Band Gap)の差に相応する波長を有する光を放出するようになる。
前記活性層27は、多重量子井戸構造(MQW)、量子点構造、または量子線構造のうち、いずれか1つを含むことができる。前記活性層27は、II−VI族化合物半導体を井戸層と障壁層の周期で反復形成できる。例えば、InGaN井戸層/GaN障壁層の周期、InGaN井戸層/AlGaN障壁層の周期、InGaN井戸層/InGaN障壁層の周期などで形成できる。前記障壁層のバンドギャップは、前記井戸層のバンドギャップより広く形成できる。
前記活性層27の上に前記第2導電型半導体層29が形成できる。前記第2導電型半導体層29は、例えば、p型ドーパントを含むp型半導体層でありうる。前記p型半導体層は、InxAlyGa1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)の組成式を有する半導体材質、例えばInAlGaN、GaN、AlGaN、InGaN、AlN、InN、及びAlInNからなるグループから選択された少なくとも1つを含むことができ、Mg、Zn、Ca、Sr、Baなどのp型ドーパントがドーピングできる。前記第2導電型半導体層29は単層または多層構造で形成できる。
また、前記活性層27と第1導電型半導体層25または第2導電型半導体層29の間には他の層がさらに形成されることができ、これに対して限定するものではない。
図3は、第1実施形態に従う水平型発光素子を示す断面図である。前記第1実施形態は、透明導電層33と第1及び第2電極35、38を除いては図1の発光素子の構造を用いている。したがって、第1実施形態において、図1の発光素子と同一な形状や同一な機能を有する構成要素に対しては同一な図面番号を与えて詳細な説明を省略する。第1実施形態で省略された説明は図1の発光素子に対する説明から容易に理解できる。
図3を参照すると、第1実施形態に従う水平型発光素子は、基板10、ナノ構造物19、発光構造物30、透明導電層33、及び第1及び第2電極35、38を含むことができるが、これに対して限定するものではない。
前記基板10、前記ナノ構造物19、及び前記発光構造物30は、既に詳細に説明されたことがあるので、これ以上の説明は省略する。
前記発光構造物30の第2導電型半導体層29の上には透明導電層33が形成され、前記透明導電層33の上の一部領域に第2電極38が形成できる。
前記発光構造物30の第1導電型半導体層25の上の一部領域に第1電極35が形成できる。このために、メサエッチングにより前記第2導電型半導体層29と前記活性層27が除去され、前記第1導電型半導体層25の上面の一部分が除去できる。このように除去された第1導電型半導体層25の上に前記第1電極35が形成できる。
前記第2電極38は発光素子1の最上部に形成され、前記第1電極35は発光素子1の側面の上に形成される。前記第1及び第2電極35、38に電源が印加されれば、電流が第1及び第2電極35、38の間の最短経路に該当する発光構造物30に流れるので、発光構造物30の活性層27の全領域で発光できないことがある。
したがって、前記第2導電型半導体層29と前記第2電極38との間に前記第2導電型半導体層29の全領域または一部領域の上に透明導電層33が形成される。電流は前記第2電極38を通じて透明導電層33の全領域にスプレッディングされて供給され、前記第1電極35と前記透明導電層33に電流が流れるようになり、前記発光構造物30の活性層27の全領域で発光されて発光効率を向上させることができる。
前記第1及び第2電極35、38は同一な電極物質または相異する電極物質で形成できる。
前記第1及び第2電極35、38は不透明な金属材質を含むが、例えばアルミニウム(Al)、チタニウム(Ti)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、白金(Pt)、金(Au)、タングステン(W)、銅(Cu)、及びモリブデン(Mo)からなるグループから選択された1つまたはこれらの合金を含むことができるが、これに限定するものではない。
前記透明導電層33は光を透過させる優れる透光性と電気的伝導度を有する導電性物質で形成されるが、例えばITO、IZO(In−ZnO)、GZO(Ga−ZnO)、AZO(Al−ZnO)、AGZO(Al−Ga ZnO)、IGZO(In−Ga ZnO)、IrOx、RuOx、RuOx/ITO、Ni/IrOx/Au、及びNi/IrOx/Au/ITOからなるグループから選択された少なくとも1つを含むことができる。
前記ナノ構造物19のグラフェン層13は、前記第1導電型半導体層25と電気的に連結できる。前記第1電極35と前記ナノ構造物19との間の間隔は狭いほど良い。例えば、前記第1電極35と前記ナノ構造物19との間の間隔は300nm乃至3000nm範囲であることがあり、例えば500nm乃至1000nm範囲で形成できる。前記第1電極35と前記ナノ構造物19との間の間隔が狭ければ、前記第1電極35に供給された電流が前記ナノ構造物19に流れるようになり、前記ナノ構造物19に供給された電流は前記ナノ構造物19の全領域にスプレッディングできる。このような場合、前記ナノ構造物19と前記透明導電層33が面対面に対向するので、前記透明導電層33と前記ナノ構造物19との間の前記発光構造物30の活性層27の全領域に電流が供給できる。これによって、前記活性層27の全領域で生成された光により発光効率は向上できる。
結局、前記ナノ構造物19は電流スプレッディングの機能を有することができる。前記ナノ構造物19は、第1電極35と非接触した電流スプレッディング層になることができる。
また、前記ナノ構造物19は電子遮断層になることができる。通常的に、前記第1導電型半導体層25で生成された電子は前記活性層27に供給されるが、一部は基板10の方向に供給されることができ、前記基板10の方向に移動する電子により漏洩電流が発生し、光の発光効率は低下させることができる。実施形態でのナノ構造物19は電流スプレッディング層として機能することによって、このような電流スプレッディング層は前記第1導電型半導体層25で生成された電子の前記基板10の方向への供給を遮断することができる。
したがって、実施形態のナノ構造物19が電流スプレッディングの機能と電子遮断層の機能を提供するので、発光素子の発光効率は格段に向上できる。
図4は、本発明の第2実施形態に従う垂直型発光素子を示す断面図である。前記第2実施形態のナノ構造物19と発光構造物30は、図1の発光素子と実質的に同一であるので、同一な図面番号を与えて、これに対する詳細な説明は省略する。
図4を参照すると、第2実施形態に従う垂直型発光素子は、支持基板41、接合層43、電極層50、チャンネル層47、発光構造物30、ナノ構造物19、及び保護層57を含むことができる。
前記支持基板41、前記接合層43、及び前記電極層50は、電源を供給するための電極部材を形成することができる。前記電極部材は3層またはその以上の伝導層で形成できる。
前記支持基板41は、その上に形成される複数の層を支持するだけでなく、電極としての機能を有することができる。前記支持基板41は、前記ナノ構造物19と共に前記発光構造物30に電源を供給することができる。
前記支持基板41は金属物質または半導体物質で形成できるが、これに対して限定するものではない。前記支持基板41は、電気伝導性と熱伝導性の高い物質で形成できる。前記支持基板41は、例えば、チタン(Ti)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、白金(Pt)、金(Au)、タングステン(W)、銅(Cu)、銅合金(Cu Alloy)、モリブデン(Mo)、及び銅−タングステン(Cu−W)からなるグループから選択された少なくとも1つを含む金属物質でありうる。前記支持基板41は、例えば、Si、Ge、GaAs、GaN、ZnO、SiGe、及びSiCからなるグループから選択された少なくとも1つを含む半導体物質でありうる。
前記支持基板41は、前記発光構造物30の下にメッキまたは/及び蒸着するか、シート(sheet)形態に付着されることができ、これに対して限定するものではない。
前記支持基板41の上には前記接合層43が形成できる。前記接合層43は、前記電極層50と前記支持基板41との間に形成される。前記接合層43は、電極層50と前記支持基板41との間の接着力を強化させる媒介体の役割をすることができる。
前記接合層43は、バリア金属またはボンディング金属などを含むことができる。前記接合層43は、接合性と熱伝導性の高い金属物質で形成できる。前記接合層43は、例えば、Ti、Au、Sn、Ni、Nb、Cr、Ga、In、Bi、Cu、Ag、及びTaからなるグループから選択された少なくとも1つを含むことができる。
前記接合層43の上には図示していないバリア層が形成できる。前記バリア層はその下部に形成された前記接合層43と前記支持基板41に含まれた物質がその上部に形成された電極層50や発光構造物30に拡散されて発光素子の特性の低下を防止することができる。前記バリア層は、Ni、Pt、Ti、W、V、Fe、及びMoからなるグループから選択された単一層またはこれらの2つ以上の積層を含むことができる。前記バリア層は前記電極層50の下面と接触できる。
前記接合層43の上面は中心領域に対して周辺領域が上方、即ち前記発光構造物30に延びるように形成されたグルーブを有することができるが、これに対して限定するものではない。前記接合層43の上面の中心領域に接触するか、前記グルーブに電極層50が形成できるが、これに対して限定するものではない。図示してはいないが、前記接合層43の上面は中心領域と周辺領域とも同一ラインまたは同一水平面の上に位置できる。言い換えると、前記接合層43の上面の全領域は平らな面を有することができる。このような場合、前記電極層50は前記接合層43の上面の中心領域の上に形成されるか、前記接合層43の上面の全領域の上に形成できる。
前記電極層50のサイズは前記接合層43のサイズより小さいか、前記接合層43のサイズと同一でありうる。前記電極層50の上面と前記チャンネル層47の上面が同一ラインまたは同一水平面の上に形成できる。
前記電極層50の下面と前記チャンネル層47の下面は相異する位置に形成できる。即ち、前記電極層50が前記接合層43のグルーブが形成された前記接合層43の中心領域の上に形成され、前記チャンネル層47が前記接合層43の周辺領域の上に形成されるので、前記電極層50の下面が前記チャンネル層47の下面より低い位置に形成できる。
前記電極層50の一部領域は前記チャンネル層47の下面と垂直方向に重畳するように形成できる。言い換えると、前記チャンネル層47の内側領域は前記電極層50の端部を過ぎて内側に延びるように形成できる。前記チャンネル層47の内側領域は前記第2導電型半導体層29の下面と垂直方向に重畳し、外側領域は電極層50の上面と接合層43の上面のうち、少なくとも1つと垂直方向に重畳できる。また、前記チャンネル層47の上面外側領域は前記発光構造物30の外側壁より外側に延長できる。
前記電極層50は、前記発光構造物30から入射される光を反射させて、光抽出効率を改善させることができる。即ち、前記電極層50は反射層になることができる。前記電極層50は前記発光構造物30とオーミックコンタクトされて、電流が発光構造物30に流れるようにすることができる。前記電極層50は、図示してはいないが、前記接合層43の上面に接触して形成された反射層と、前記反射層の上面と前記発光構造物30の下面との間に形成されたオーミックコンタクト層を含むことができる。
前記電極層50は、反射物質とオーミックコンタクト物質が混合された単一層に形成できる。このような場合、前記電極層50は反射層とオーミックコンタクト層を別個に形成する必要がない。前記反射物質には、例えば、Ag、Ni、Al、Rh、Pd、Ir、Ru、Mg、Zn、Pt、Au、及びHfからなるグループから選択された少なくとも1つまたは2つ以上の合金が使われるが、これに対して限定するものではない。前記オーミックコンタクト物質には、透明な導電物質が使用できるが、例えば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、Ag、Ni/IrOx/Au、及びNi/IrOx/Au/ITOからなるグループから選択された少なくとも1つが使用できる。
前記電極層50は、例えば、IZO/Ni、AZO/Ag、IZO/Ag/Ni、及びAZO/Ag/Niのうち、いずれか1つを含む多層に構成できる。
前記電極層50は少なくとも前記発光構造物30とオーミックコンタクトできる。したがって、前記電極層50とオーミックコンタクトされる前記発光構造物30に円滑に電流が供給されて発光効率が向上できる。
前記電極層50は、発光構造物30及び前記チャンネル層47の下面に重畳するように形成できる。前記発光構造物30からの光を全て反射させるために前記電極層50の幅は少なくとも前記発光構造物30、特に活性層27の幅より大きい幅に形成できる。
前記電極層50の上にチャンネル層47が形成できる。前記チャンネル層47は、前記第2導電型半導体層29の周辺領域に沿って形成できる。前記電極層50のエッジ領域の周りに沿って前記チャンネル層47が形成できる。即ち、前記チャンネル層47は前記発光構造物30と前記電極層50との間の周り領域に形成できる。具体的に、前記チャンネル層47は前記電極層50及び前記発光構造物30に少なくとも一部が囲まれるように形成できる。例えば、前記チャンネル層47の上面の一部領域は第2導電型半導体層29と接触し、前記チャンネル層47の内側面及び下面の一部領域は前記電極層50と接触することができ、これに対して限定するものではない。前記チャンネル層47の下面の他の領域は前記接合層43の上面の周辺領域と接触して形成できる。
前記チャンネル層47は外部の異質物による前記接合層43の側面と前記発光構造物30の側面との間の電気的なショートを防止することができる。もし、電極層50が前記接合層43の全領域の上に形成されて前記電極層50の外側面が外部に露出する場合、前記チャンネル層47は前記電極層50の側面と前記発光構造物30の側面との間の電気的なショートを防止することができる。
併せて、前記チャンネル層47は前記発光構造物30と接触する面積をできる限り確保して複数個のチップを個別チップ単位に分離するレーザースクライビング(Laser Scribing)工程と基板を除去するレーザーリフトオフ(LLO)工程時、前記発光構造物30が前記電極層50から剥離されることを効果的に防止することができる。
チップ分離工程時、発光構造物30が過エッチング(over-etching)される場合、電極層50が露出できる。このような場合、発光素子の外側領域で異質物などにより電極層50と発光構造物30の活性層27との間の電気的なショートが発生できる。前記チャンネル層47はチップ分離工程時、発光構造物30の過エッチング(over-etching)により前記電極層50が露出することを防止することができる。
前記チャンネル層47は絶縁物質、例えば、SiO2、SiOx、SiOxNy、Si3N4、Al2O3からなるグループから選択された少なくとも1つを含むことができる。また、前記チャンネル層47は金属物質で形成できるが、これに対して限定するものではない。
前記発光構造物30が前記電極層50及び前記チャンネル層47の上に形成できる。
前記発光構造物30の側面は複数個のチップを個別チップ単位に区分するエッチングにより垂直または傾斜するように形成できる。例えば、前記発光構造物30の側面はアイソレーションエッチング(isolation etching)により形成できる。
前記発光構造物30は複数のII族乃至V族元素の化合物半導体材料を含むことができる。前記発光構造物30は、第2導電型半導体層29、前記第2導電型半導体層29の上に活性層27、そして前記活性層27の上に第1導電型半導体層25を含むことができる。
このような場合、前記第2導電型半導体層29の下面は前記電極層50の上面及び前記チャンネル層47の上面と接触するように形成できるが、これに対して限定するものではない。
併せて、前記活性層27で生成された光が全て反射できるようにするために、前記活性層27の幅は前記電極層50の幅より小さく形成できる。
前記チャンネル層47は、前記第2導電型半導体層29と垂直方向に重畳する第1チャンネル領域と前記第2導電型半導体層29と重畳しない第2チャンネル領域を含むことができる。前記第1チャンネル領域は、前記第2導電型半導体層29の端部から内側に延びて前記第2導電型半導体層29と垂直方向に重畳できる。前記第2チャンネル領域は前記第1チャンネル領域から前記接合層43の外側周りの上に延長できる。
発光構造物30の成長時、第1導電型半導体層25、活性層27、及び第2導電型半導体層29の順に成長できる。前記ナノ構造物19は、前記発光構造物30、例えば、前記第1導電型半導体層25の上に形成できる。
前記ナノ構造物19は、前記第1導電型半導体層25の上面の全領域の上に形成されたグラフェン層13と、前記グラフェン層13の下面から前記第1導電型半導体層25の内部に延びた多数のナノテクスチャー16を含むことができ、これに対して限定するものではない。前記ナノ構造物19のグラフェン層13は前記第1導電型半導体層25と電気的に連結できる。
前記グラフェン層13は、前記第1導電型半導体層25の全領域に形成された板(plate)形状を有することができる。前記ナノテクスチャー16は、酸化亜鉛(ZnO)で形成できるが、これに対して限定するものではない。前記ナノテクスチャー16は、前記発光構造物30に転位(dislocation)が発生せず、優れる結晶性に成長できるようにすることができる。
前記ナノテクスチャー16は、多数のナノロッド(nanorod)であることがあるが、これに対して限定するものではない。前記ナノロッドは相互間に一定の間隔で離隔するか、相互間に不規則な間隔で離隔できる。前記ナノテクスチャー16は高さが幅よりより大きい構造を有することができるが、これに対して限定するものではない。前記ナノテクスチャー16の具体的な高さや幅は前述したことがあるので省略する。
前記ナノ構造物19は、電流スプレッディングの機能を有することができる。即ち、図5に示すように、前記ナノ構造物19のグラフェン層13は前記第1導電型半導体層25の全領域の上に形成され、前記グラフェン層13と前記電極層50は面対面に対向するようになる。前記ナノ構造物19と前記支持基板41に電源が供給される場合、前記グラフェン層13と前記電極層50との間の前記活性層27の全領域に電流が供給されて前記活性層27の全領域で光が生成されて発光効率が向上できる。前記グラフェン層13の上には電極やパッドが形成されることができ、これに対して限定するものではない。
前記発光構造物30の上に保護層57が形成できる。例えば、前記発光構造物30の少なくとも側面の上には保護層57が形成できる。具体的には、前記保護層57は一端が前記第1導電型半導体層25の上面の周り領域に形成され、前記第1導電型半導体層25の側面、前記活性層27の側面、及び第2導電型半導体層29の側面を経由するか、横切って他端が前記チャンネル層47の上面の一部領域に形成できるが、これに対して限定するものではない。
前記保護層57は、前記発光構造物30と支持基板41との間の電気的ショートを防止する一方、前記発光素子を外部の衝撃から保護する役割をすることができる。前記保護層57は透明性と絶縁性に優れる材質で形成できる。前記保護層57は、例えば、SiO2、SiOx、SiOxNy、Si3N4、TiO2、及びAl2O3からなるグループから選択された1つを含むことができるが、これに対して限定するものではない。
前記保護層57は前記チャンネル層47と同一な物質を含むことができるが、これに対して限定するものではない。
図6乃至図12は、本発明の第2実施形態に従う垂直型発光素子を製造するための工程図である。
図6を参照すると、成長基板100の上にナノ構造物19が形成できる。
前記成長基板100は前記発光構造物30を成長させるための基板であって、半導体物質成長に適した物質、即ちキャリアウェハーで形成できる。また、前記成長基板100は前記発光構造物30の格子定数と類似な格子定数を有し、熱的安定性を有する材質で形成されることができ、伝導性基板または絶縁性基板でありうる。前記成長基板100は、サファイア(Al2O3)、SiC、Si、GaAs、GaN、ZnO、Si、GaP、InP、及びGeからなるグループから選択された少なくとも1つで形成できる。
前記ナノ構造物19はグラフェン層13及び多数のナノテクスチャー16を含むことができる。前記グラフェン層13は予め形成されて前記成長基板100の上に付着されるか、他の方法、例えば、前記成長基板100の上に、例えば、化学的合成法、CVD成長法、エピタキシ合成法により形成できる。
前記グラフェン層13は、前記成長基板100の全領域の上に形成できる。以後、前記グラフェン層13の上に多数のナノテクスチャー16が形成できる。前記多数のナノテクスチャー16は、グラフェン層13の上に酸化亜鉛を用いて蒸着工程や成長工程を用いて形成できる。
前記ナノテクスチャー16は、例えばCVD成長法やスパッタリング方式を用いて形成できるが、これに対して限定するものではない。前記ナノテクスチャー16は、前記グラフェン層13の上に不規則的に形成されることもでき、一定の間隔で形成されることもできる。したがって、前記グラフェン層13及び多数のナノテクスチャー16によりナノ構造物19が形成できる。
図7を参照すると、前記ナノ構造物19の上に第1導電型半導体層25、活性層27、及び第2導電型半導体層29が順次に成長されて発光構造物30が形成できる。
前記発光構造物30は、例えば、有機金属化学蒸着法(MOCVD;Metal Organic Chemical Vapor Deposition)、化学蒸着法(CVD;Chemical Vapor Deposition)、プラズマ化学蒸着法(PECVD;Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition)、分子線成長法(MBE;Molecular Beam Epitaxy)、水素化物気相成長法(HVPE;Hydride Vapor Phase Epitaxy)などの方法を用いて形成されることができ、これに対して限定するものではない。
前記発光構造物30及び前記成長基板100の間には両方の間の格子定数差を緩和するためにバッファ層(図示せず)が形成されることもできる。即ち、前記バッファ層が前記ナノ構造物19の上に成長され、前記バッファ層の上に前記発光構造物30が成長できる。
前記第1導電型半導体層25は、前記成長基板100の上に形成できる。前記第1導電型半導体層25はn型ドーパントを含むn型半導体層でありうる。
具体的に、前記第1導電型半導体層25は前記ナノ構造物19のナノテクスチャー16の間のグラフェン層13から垂直方向に成長され、前記ナノテクスチャー16の上面からは垂直方向と水平方向に成長されて、前記ナノテクスチャー16の間だけでなく、前記ナノテクスチャー16の上に形成できる。
酸化亜鉛の格子定数は略3.25であり、前記成長基板100に使われるサファイアの格子定数は略4.78であり、前記第1導電型半導体層25に使われることができるGaNの格子定数は略3.18である。
したがって、前記第1導電型半導体層25と前記成長基板100との間の格子定数の差より前記第1導電型半導体層25と前記ナノ構造物19、具体的にナノテクスチャー16の間の格子定数の差より小さいので、前記第1導電型半導体層25が前記ナノ構造物19の上に転位(dislocation)の発生無しでよく成長できる。
前記活性層27は前記第1導電型半導体層25の上に形成され、多重量子井戸構造(MQW)、量子点構造、または量子線構造のうち、いずれか1つを含むことができるが、これに対して限定するものではない。
前記活性層27は、前記第1導電型半導体層25から供給された電子と前記第2導電型半導体層29から供給された正孔とを再結合(recombination)させて、前記活性層27の半導体材質により決まったバンドギャップに相応する波長の光を生成することができる。
前記第2導電型半導体層29は、前記活性層27の上に形成できる。前記第2導電型半導体層29はp型ドーパントを含むp型半導体層でありうる。
図8を参照すると、前記第2導電型半導体層29の上にチャンネル層47が形成できる。
前記チャンネル層47は、前記第2導電型半導体層29の上に形成できる。例えば、前記チャンネル層47は、前記第2導電型半導体層29の周り領域の上に形成できるが、これに限定するものではない。
前記チャンネル層47は絶縁物質、例えば、SiO2、SiOx、SiOxNy、Si3N4、及びAl2O3からなるグループから選択された少なくとも1つ以上を含むことができる。
図9を参照すると、前記チャンネル層47及び前記第2導電型半導体層29の上に電極層50、接合層43、及び支持基板41が形成できる。
前記電極層50は、前記第2導電型半導体層29の上に順次に積層されたオーミックコンタクト層及び反射層を含むことができる。
前記電極層50は、前記第2導電型半導体層29の上にオーミックコンタクト物質と反射物質とが混合された単一層を含むことができる。オーミックコンタクト物質と反射物質は既に前述したことがあるので、省略する。
前記接合層43は、前記支持基板41と前記電極層50との間の接着力を強化するために形成できる。前記接合層43は、例えば、Ti、Au、Sn、Ni、Nb、Cr、Ga、In、Bi、Cu、Ag、及びTaからなるグループから選択された少なくとも1つを含むことができる。
前記支持基板41は、その上に形成される複数の層を支持するだけでなく、電極としての機能を有することができる。前記支持基板41は、前記ナノ構造物19と共に前記発光構造物30に電源を供給することができる。
前記支持基板41は、例えば、チタン(Ti)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、白金(Pt)、金(Au)、タングステン(W)、銅(Cu)、モリブデン(Mo)、及び銅−タングステン(Cu−W)のうち、少なくとも1つを含むことができる。
前記支持基板41は、前記発光構造物30の上にメッキまたは/及び蒸着されるか、シート(sheet)形態に付着されることができ、これに対して限定するものではない。
図10を参照すると、前記成長基板100を180゜覆した後、前記成長基板100が除去できる。
前記成長基板100は、レーザーリフトオフ(LLO;Laser Lift Off)、化学的エッチング(CLO;Chemical Lift Off)、または物理的な研磨方法などにより除去されることができ、これに対して限定するものではない。
前記レーザーリフトオフ(LLO)方法により前記成長基板100を除去する場合、前記成長基板100と前記第1導電型半導体層25との間の界面にレーザーを集中的に照射して前記成長基板100が前記ナノ構造物19から分離されるようにすることができる。
前記化学的エッチング方法により前記成長基板100を除去する場合、湿式エッチングを用いて前記第1導電型半導体層25が露出するように前記成長基板100を除去することができる。
前記物理的な研磨方法を用いて前記成長基板100を除去する場合、物理的に前記成長基板100を直接研磨して前記第1導電型半導体層25が露出するように前記成長基板100の上面から順次に除去することができる。
第2実施形態では、発光構造物30と成長基板100との間にナノ構造物19が形成されるが、前記ナノ構造物19は前記成長基板100との接合力が比較的弱いので、レーザーの照射により成長基板100が前記ナノ構造物19から容易に分離できる。言い換えると、前記ナノ構造物19は成長基板100を容易に分離する役割をすることができる。したがって、成長基板100が容易に分離されない場合、レーザーが長い間の時間の間照射されるようになって、レーザーパワーによる衝撃により発光構造物30にクラックのような欠陥が発生することを遮断することができる。
図11を参照すると、前記発光構造物30の側面及び前記チャンネル層47の側面が傾斜して露出するようにメサエッチングが遂行できる。このようなメサエッチングにより前記チャンネル層47の上に発光構造物30が存在しないグルーブ(groove)が形成できる。言い換えると、前記メサエッチングにより前記チャンネル層47の上に形成された前記第2導電型半導体層29、前記活性層27、及び前記第1導電型半導体層25が除去されてグルーブが形成できる。
前記チャンネル層47はストッパー(stopper)としての役割をするので、メサエッチングにより前記グルーブの外郭領域にある前記第1導電型半導体層25、前記活性層27、及び前記第2導電型半導体層29の一部領域が除去されるが、前記チャンネル層47の下にある電極層50、接合層43、及び支持基板41は除去できなくなる。
図12を参照すると、少なくとも前記発光構造物30の上に保護層57が形成できる。
即ち、前記保護層57は、前記発光構造物30、具体的に前記第1導電型半導体層25の上面の周り領域から、前記第1導電型半導体層25の側面、前記活性層27の側面、前記第2導電型半導体層29の側面を経由して前記保護層57の上面の一部領域まで形成できる。
前記保護層57は、前記発光構造物30と支持基板41との間の電気的なショートを防止する役割をすることができる。前記保護層57は透明性と絶縁性に優れる材質で形成できる。前記保護層57は、例えば、SiO2、SiOx、SiOxNy、Si3N4、TiO2、及びAl2O3からなるグループから選択された1つを含むことができるが、これに対して限定するものではない。
前記保護層57は、前記チャンネル層47と同一な物質を含むことができる。
図13は、図1の発光素子のナノ構造物19の更に他の例示を示す断面図である。
図1のナノ構造物19とは異なり、図13のナノ構造物19は多数の開口(opening)12が備えられることができる。
以下の説明で省略された内容は、図1のナノ構造物19から容易に理解できる。
前記ナノ構造物19は板形状に形成されたグラフェン層13と前記グラフェン層13の上に形成された多数のナノテクスチャー16を含むことができる。
前記グラフェン層13には互いに離隔した多数の開口12が形成できる。前記開口12は前記グラフェン層13の上面と下面を貫通するホール(hole)であることがあるが、これに対して限定するものではない。
図14は、本発明の第3実施形態に従う水平型発光素子を示す断面図である。
第3実施形態は図13のナノ構造物19が採択されたことを除いては第1実施形態(図3)と実質的に同一である。
図14を参照すると、第3実施形態に従う水平型発光素子は、基板10、ナノ構造物19、発光構造物30、透明導電層33、及び第1及び第2電極35、38を含むことができるが、これに対して限定するものではない。
前記発光構造物30は、前記基板10の上に形成された第1導電型半導体層25、前記第1導電型半導体層25の上に形成された活性層27、及び前記活性層27の上に形成された第2導電型半導体層29を含むことができる。
前記第1導電型半導体層25はn型半導体層であり、前記第2導電型半導体層29はp型半導体層であることがあるが、これに対して限定するものではない。
前記ナノ構造物19が前記基板10の上に形成できる。前記ナノ構造物19は、前記基板10の全領域の上に形成されたグラフェン層13と前記グラフェン層13の上に形成された多数のナノテクスチャー16を含むことができる。
前記グラフェン層13は多数の開口12を含むことができる。前記開口12は相互間に離隔できる。
前記開口12は、図13に示すように円形を有することができるが、これに限定するものではない。即ち、前記開口12は、四角形、多角形、楕円形、バー型(bar-type shape)などを有することができる。
前記ナノテクスチャー16は酸化亜鉛(ZnO)で形成できるが、これに対して限定するものではない。
前記ナノテクスチャー16は多数のナノロッド(nano rod)であることがあるが、これに対して限定するものではない。前記ナノロッドは相互間に一定の間隔で離隔するか、相互間に不規則な間隔で離隔できる。
前記ナノテクスチャー16は高さが幅より大きい構造を有することができるが、これに対して限定するものではない。
前記ナノテクスチャー16の具体的な高さと幅は前述したことがあるので、省略する。
前記ナノ構造物19の上に前記第1導電型半導体層25が形成できる。
図示してはいないが、前記ナノ構造物19の上にバッファ層が形成され、前記バッファ層の上に前記第1導電型半導体層25が形成されることもできるが、これに対して限定するものではない。
前記バッファ層や前記第1導電型半導体層25は、前記ナノ構造物19の開口12を貫通して前記基板10に接触するように形成できる。併せて、前記バッファ層や前記第1導電型半導体層25は前記ナノテクスチャー16の間の領域と前記ナノテクスチャー16の上に配置できる。
前記バッファ層の厚さが前記ナノテクスチャー16の高さより小さい場合、前記ナノテクスチャー16は前記バッファ層を貫通して前記第1導電型半導体層25の内部に配置されることができ、これに対して限定するものではない。
前記第1電極35は前記第1導電型半導体層25の上面が一部領域に形成され、前記第2電極38は前記透明導電層33の上面の一部領域に形成できる。
前記第1電極35と前記ナノ構造物19との間の間隔は狭いほど良い。前記第1電極35と前記ナノ構造物19との間の間隔が狭い場合、前記第1及び第2電極35、38に電源が印加される時、前記第1電極35から前記ナノ構造物19に電流が流れるようになり、前記ナノ構造物19に供給された電流を前記ナノ構造物19の全領域に電流スプレッディングが発生できる。このような場合、前記ナノ構造物19と前記透明導電層33が面対面に対向されることによって、前記透明導電層33と前記ナノ構造物19との間の前記発光構造物30の活性層27の全領域に電流が供給されるので、前記活性層27の全領域で光が生成されて発光効率が向上できる。このような前記ナノ構造物19は電流スプレッディング層になることができる。
また、前記ナノ構造物19は電子遮断層になることができる。通常的に、前記第1導電型半導体層25で生成された電子は前記活性層27に供給されるが、一部は基板10に供給されるようになるが、これは漏洩電流として発生されて光の発光効率を低下させる要因となることができる。
実施形態でのナノ構造物19は、電流スプレッディングを発生させることによって、このような電流スプレッディングが前記第1導電型半導体層25で生成された電子が前記基板10に供給されることを遮断することができる。
したがって、実施形態のナノ構造物19は電流スプレッディングの機能と電子遮断層の機能を有することによって、発光素子の発光効率を格段に向上させることができる。
図15は、本発明の第4実施形態に従う垂直型発光素子を示す断面図である。
第4実施形態は図13のナノ構造物19が採択されたことを除いては第2実施形態(図4)と実質的に同一である。
図14を参照すると、第4実施形態に従う垂直型発光素子は、支持基板41、接合層43、電極層50、チャンネル層47、発光構造物30、ナノ構造物19、及び保護層57を含むことができる。
前記発光構造物30は、前記電極層50及び前記チャンネル層47の上に形成された第2導電型半導体層29、前記第2導電型半導体層29の上に形成された活性層27、及び前記活性層27の上に形成された第1導電型半導体層25を含むことができる。
前記第1導電型半導体層25はn型半導体層であり、前記第2導電型半導体層29はp型半導体層であることがあるが、これに対して限定するものではない。
図示してはいないが、前記第1導電型半導体層25の上に第1半導体層、例えば、バッファ層が形成され、前記バッファ層の上に前記ナノ構造物19が配置できる。このような場合、前記ナノ構造物19の多数のナノテクスチャー16は前記バッファ層の内部に形成できる。
前記ナノ構造物19が前記1導電型半導体層の上に形成できる。前記ナノ構造物19は、前記第1導電型半導体層25の全領域の上に形成されたグラフェン層13と前記グラフェン層13の上に形成された多数のナノテクスチャー16を含むことができる。
前記グラフェン層13は多数の開口12を含むことができる。前記開口12は相互間に離隔できる。前記開口12は、図13に示すように円形を有することができるが、これに限定するものではない。即ち、前記開口12は、四角形、多角形、楕円形、バー型(bar-type shape)などを有することができる。
前記第1導電型半導体層25は前記開口12の内に形成されることができ、これに対して限定するものではない。即ち、前記開口12の内に形成された第1導電型半導体層25の上面は前記グラフェン層13の上面と同一に位置できる。
前記ナノテクスチャー16は、酸化亜鉛(ZnO)で形成されることができ、これに対して限定するものではない。前記ナノテクスチャー16は、多数のナノロッド(nano rod)であることがあり、前記ナノロッドは相互間に一定の間隔で離隔するか、相互間に不規則な間隔で離隔できる。前記ナノテクスチャー16は高さが幅より大きい構造を有することができる。
前記発光構造物30の下に電極層50が形成され、前記発光構造物30の上にナノ構造物19が形成できる。前記電極層50及び前記ナノ構造物19は全て板形状(plate shape)を有することができる。前記電極層50は、前記ナノ構造物19及び前記活性層27の幅より大きい幅を有することができる。
したがって、前記ナノ構造物19と前記支持基板41に電源が印加されれば、互いに面対面に対向配置された電極層50の全領域とナノ構造物19の全領域の間に垂直方向に電流が流れるようになり、このような電流により前記発光構造物30の活性層27の全領域が発光されて発光効率が向上できる。
特に、ナノ構造物19のグラフェン層13は現存する物質のうち、最も電気伝導度に優れるので、前記発光構造物30に一層電流が容易に注入されることによって発光効率が格段に向上できる。
図4及び図15の垂直型発光素子では、ナノ構造物19のグラフェン層13が電極としての機能を有するので、別途の電極を形成しなくても前記ナノ構造物19と前記電極層50に電源を印加して発光素子を発光させることができる。
併せて、ナノ構造物19がグラフェン層13や酸化亜鉛は透明な材質であるので、発光構造物30で生成された光は前記ナノ構造物19を通じて上方に出射できる。言い換えると、前記ナノ構造物19の光透過率は非常に優れるので、前記発光構造物30で生成された光は損失無しでナノ構造物19を透過することができる。
図16は、本発明の第5実施形態に従う発光素子を示す断面図である。
図16を参照すると、第1実施形態に従う発光素子1Cは、基板10、多数のナノ構造物19A、発光構造物30、透明導電層33、及び第1及び第2電極35、38を含むことができる。
前記発光構造物30は、第1導電型半導体層25、活性層27、及び第2導電型半導体層29を含む。
前記各ナノ構造物19Aは、グラフェン(graphene)パターン14と多数のナノテクスチャー(nano texture)17を含むことができ、これに対して限定するものではない。前記多数のナノ構造物19Aは、第1実施形態のナノ構造物のグラフェン層の部分エッチングにより形成されるか、別途に形成できる。前記ナノテクスチャー17は前記グラフェンと異なる物質であり、ナノロッドまたはナノ構造体で形成できる。
実施形態に従う発光素子1Cは、前記基板10と前記発光構造物30との間に配置された半導体層が配置できる。前記半導体層は、バッファ層、アンドープド半導体層、またはn型ドーパントを有する半導体層のうち、少なくとも1つを含むことができる。
前記半導体層は、前記基板10と前記発光構造物30との間に配置されたバッファ層22を含むことができる。実施形態に従う発光素子1Cは、前記発光構造物30の下及び/または上に配置された更に他の半導体層(図示せず)をさらに含むことができる。実施形態に従う発光素子1Cは、前記バッファ層22と前記発光構造物30との間に配置されたアンドープド半導体層(図示せず)をさらに含むことができる。前記半導体層はバッファ層及び前記バッファ層の上に配置されたアンドープド半導体層の積層構造を含むことができる。
前記基板10は前記発光構造物30を容易に成長させる役割をし、これに対して限定するものではない。前記基板10は前記発光構造物30との格子定数ができる限り小さい差を有する物質で形成できる。前記基板10は、サファイア(Al2O3)、SiC、Si、GaAs、GaN、ZnO、Si、GaP、InP、及びGeからなるグループから選択された少なくとも1つで形成できる。
前記基板10と前記発光構造物30との間に前記バッファ層22が配置できる。前記バッファ層22は、前記基板10と前記発光構造物30との間の格子定数差を緩和するために形成できる。
前記バッファ層22と前記発光構造物30は、II族乃至VI族化合物半導体材質で形成できる。前記II族乃至VI族化合物半導体材質はII族−VI族化合物半導体及びIII族−V族化合物半導体のうち、少なくとも1つを含む。
前記発光構造物30と前記基板10との間には格子定数差による格子欠陥、例えば転位(dislocation)が発生できる。このような転位は基板10と発光構造物30との間の格子欠陥により前記発光構造物30に垂直方向に形成された境界線を意味することができる。このような転位は発光素子の電気的及び光学的特性を低下させて発光自体ができないこともある。
このような問題を解決するために、第5実施形態では前記基板10と前記バッファ層22との間に多数のナノ構造物19Aが配置できる。図示してはいないが、前記バッファ層22を使用しない場合、前記ナノ構造物19Aは前記基板10と前記発光構造物30との間に配置できる。
前記ナノ構造物19Aの各々は多数のグラフェンパターン14と前記各グラフェンパターン14の上に形成された多数のナノテクスチャー17を含むことができる。
前記グラフェンは多様な工程方式により形成できる。例えば、グラフェンは黒鉛の酸化−還元による化学的合成法、CVD成長法、エピタキシ(epitaxy)合成法などを用いて形成できる。このように形成されたグラフェンはパターニング工程により第5実施形態に従うグラフェンパターン14が形成できる。
前記グラフェンパターン14は今まで知られた物質のうち、最も薄いながらも、電気や熱を最もよく伝導できるだけでなく、最も柔軟な物質であり、また弾性が非常に優れて伸ばしたり曲げることができ、光が透過できる透光性機能を有することができる。前記多数のグラフェンパターン14は前記基板10の上に形成できる。
前記グラフェンパターン14の間の間隔(L1)は0.1μm乃至100μmであることがあり、例えば10μm乃至50μmであることがある。隣接したグラフェンパターン14の間の間隔(L1)は同一であるか、異なることがあり、これに対して限定するものではない。
したがって、前記バッファ層22の一部は前記グラフェンパターン14の間の領域を通じて前記基板10と接触することができる。
前記グラフェンパターン14は、予め形成した後、前記基板10の上に付着されるか、前記基板10の上に直接形成できる。前記グラフェンパターン14が前記基板10の上に直接形成された場合、前記基板14の上に部分的に保護膜を形成し、化学的合成法、CVD成長法、エピタキシ合成法などを用いて前記基板10の上にグラフェン膜を形成した後、前記保護膜を除去すれば、前記基板10の上に多数のグラフェンパターン14が形成できるが、これに対して限定するものではない。
前記グラフェンパターン14の各々の上に多数のナノテクスチャー17を形成することができる。ここで、前記グラフェンパターン14の上に部分的にナノテクスチャー17を成長させるためにシードパターンが形成されることができ、前記シードパターンは前記グラフェンパターン14の上に形成できる。前記シードパターンは、前記グラフェンパターン14とナノテクスチャー17との間に配置できる。
前記ナノテクスチャー17は、前記基板10の格子定数より小さく、窒化物半導体、例えば、GaNの格子定数より大きい格子定数を有する物質で形成できる。前記ナノテクスチャー17は、例えば、酸化亜鉛(ZnO)で形成されることができ、前記酸化亜鉛の格子定数は略3.25である。前記基板10に使われるサファイアの格子定数は略4.78であり、前記発光構造物30に使われることができるGaNの格子定数は略3.18である。
したがって、酸化亜鉛の格子定数はサファイアの格子定数とGaNの格子定数との間に位置するようになるので、GaN物質は酸化亜鉛により転位(dislocation)の発生無しでよく成長できる。
前記ナノテクスチャー17は多数のナノロッド(nano rod)であることがあり、前記ナノロッドは相互間に一定の間隔で離隔するか、相互間に不規則な間隔で離隔できる。前記ナノロッドは高さが幅より大きい構造を有することができるが、これに対して限定するものではない。
例えば、前記ナノテクスチャー17の幅(W2)は5nm乃至500nmであることがあり、例えば50nm乃至200nmであることがある。例えば、前記ナノテクスチャー17の高さ(H2)は10nm乃至3μmであることがあり、例えば500nm乃至1μmであることがある。前記ナノテクスチャー17の幅(W2)及び高さ(H2)は1μm以下に形成できる。
このように、前記ナノテクスチャー17の高さ(H2)を前記ナノテクスチャー17の幅(W2)より高くすることで、前記ナノ構造物19Aの上にバッファ層22や発光構造物30を成長させる時、II族乃至VI族化合物半導体材質、例えばGaNが前記ナノテクスチャー17の間で主に垂直方向に成長され、前記ナノテクスチャー17の上で垂直方向と水平方向に成長されるようになって、窮極的に転位が発生しないので、優れる結晶性(crystallinity)を得ることができるので、発光素子1Cの電気的特性と光学的特性が向上できる。
例えば、前記バッファ層22の厚さは20nm乃至50nmであることがあり、これに対して限定するものではない。
前記ナノテクスチャー17の高さ(H2)は前記バッファ層22の厚さより高いことがある。したがって、前記バッファ層22の上面より前記ナノテクスチャー17の上面がより高く位置できる。即ち、前記バッファ層22が前記ナノテクスチャー17の間に形成できる。したがって、前記ナノテクスチャー17の間の領域には前記バッファ層22が配置されることができ、前記ナノテクスチャー17の上には前記発光構造物30が配置できる。即ち、前記ナノテクスチャー17は前記バッファ層22及び前記第1導電型半導体層25と接触できる。
他の例として、前記ナノテクスチャー17の高さ(H2)より前記バッファ層22の厚さがより大きい場合、前記バッファ層22は前記ナノテクスチャー17の間の領域と前記ナノテクスチャー17の上に配置できる。前記バッファ層22は、前記ナノテクスチャー17をカバーするようになり、前記ナノテクスチャー17は第1導電型半導体層25と非接触できる。
ここで、前記ナノ構造物19Aの上にバッファ層22を使用せず、直接前記発光構造物30が形成される場合、前記ナノテクスチャー17の間の領域及び前記ナノテクスチャー17の上に前記発光構造物30が形成できる。前記発光構造物30の第1導電型半導体層25の厚さは2μm乃至3μmであることがあり、これに対して限定するものではない。
前記ナノ構造物19Aは、図17及び図18に示すような形状を有することができるが、これに対して限定するものではない。
即ち、図17に示すように、前記各グラフェンパターン14は円形に形成されることもでき、図18に示すように、前記各グラフェンパターン14は長方形に長く延びたバー形状に形成されることもでき、複数のグラフェンパターン14は互いに平行に配列できる。また、図19のように、所定の形状を有するグラフェンパターン14を連結する連結部20をさらに含むことができる。
前記グラフェンパターン14の間の間隔は互いに一定な間隔または互いに不均一な間隔で離隔できる。
前記ナノ構造物19Aの上にバッファ層22が形成できる。前記バッファ層22はII族乃至VI族化合物半導体材質で形成できる。例えば、前記バッファ層22は、GaN、InN、AlGaN、及びInGaNのうちの1つ、またはこれらの多層構造で形成できるが、これに対して限定するものではない。
図16に示すように、前記バッファ層22は、前記ナノ構造物19Aのグラフェンパターン14の間を通じて前記基板10に接触し、前記ナノ構造物19Aの多数のナノテクスチャー17の間の領域を通じて前記グラフェンパターン14の上面に接触し、前記ナノテクスチャー17の上に配置できる。これは、前記バッファ層22の厚さが前記ナノテクスチャー17の高さより大きい場合に該当する。
図示してはいないが、前記バッファ層22の厚さが前記ナノテクスチャー17の高さより小さい場合、前記バッファ層22は前記ナノ構造物19Aのグラフェンパターン14の間を通じて前記基板10に接触し、前記ナノ構造物19Aの多数のナノテクスチャー17の間の領域に前記ナノテクスチャー17の上面より低い位置に形成できる。このような場合、前記ナノテクスチャー17の上には前記バッファ層22が形成されない。即ち、前記バッファ層22は前記基板10から垂直方向に成長し、また前記ナノテクスチャー17の間の領域でグラフェンパターン14から垂直方向に成長されるが、前記ナノテクスチャー17の上には成長できなくなる。即ち、前記バッファ層22が前記ナノテクスチャー17の上には形成されないようになる。
しかしながら、図16に示すように、もし前記バッファ層22の厚さが前記ナノテクスチャー17の高さより大きい場合、前記バッファ層22は前記ナノテクスチャー17の間の領域で前記グラフェンパターン14から垂直方向に成長できる。そして、前記バッファ層22は前記ナノテクスチャー17の間の領域で前記ナノテクスチャー17の上面の上から垂直方向と水平方向に成長できる。これによって、前記バッファ層22は前記ナノテクスチャー17の上に成長された部分とナノテクスチャー17の間の領域から成長された部分が互いに封入されて形成される。これによって、前記ナノテクスチャー17の上でもバッファ層22が形成できる。
このようなバッファ層22のナノ構造物19Aの上での成長原理はナノ構造物19Aの上に発光構造物30を成長させる時にも同一に適用されることができ、これに対して限定するものではない。即ち、前記バッファ層22または前記ナノ構造物19Aの上に発光構造物30が形成できる。
前記発光構造物30は、例えば、第1導電型半導体層25、活性層27、及び第2導電型半導体層29を含むことができる。前記第1導電型半導体層25は、前記バッファ層22または前記ナノ構造物19Aの上に形成され、前記活性層27は前記第1導電型半導体層25の上に形成され、前記第2導電型半導体層29は前記活性層27の上に形成できる。
前記第1導電型半導体層25は、例えば、n型ドーパントを含むn型半導体層でありうる。前記n型半導体層は、InxAlyGa1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)の組成式を有する半導体材質、例えばInAlGaN、GaN、AlGaN、InGaN、AlN、InN、及びAlInNからなるグループから選択された少なくとも1つを含むことができ、Si、Ge、Snなどのn型ドーパントがドーピングできる。
前記第1導電型半導体層25の上には前記活性層27が形成できる。前記活性層27は、前記第1導電型半導体層25を通じて注入される第1キャリア、例えば電子と前記第2導電型半導体層を通じて注入される第2キャリア、例えば正孔が互いに結合されて、前記活性層27の形成物質に従うエネルギーバンド(Energy Band)のバンドギャップ(Band Gap)の差に相応する波長を有する光を放出する層である。
前記活性層27は、多重量子井戸構造(MQW)、量子点構造、または量子線構造のうち、いずれか1つを含むことができる。前記活性層27は、II族乃至VI族化合物半導体で形成され、井戸層と障壁層の周期で反復形成できる。前記活性層27は、例えば、InGaN井戸層/GaN障壁層の周期、InGaN井戸層/AlGaN障壁層の周期、InGaN井戸層/InGaN障壁層の周期などで形成できる。前記障壁層のバンドギャップは前記井戸層のバンドギャップより大きく形成できる。
前記活性層27の上に前記第2導電型半導体層29が形成できる。前記第2導電型半導体層29は、例えば、p型ドーパントを含むp型半導体層でありうる。前記p型半導体層は、InxAlyGa1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)の組成式を有する半導体材質、例えばInAlGaN、GaN、AlGaN、InGaN、AlN、InN、及びAlInNからなるグループから選択された少なくとも1つを含むことができ、Mg、Zn、Ca、Sr、Baなどのp型ドーパントがドーピングできる。
前記第2導電型半導体層29の上には透明導電層33が形成され、前記透明導電層33の上の一部領域に第2電極38が形成できる。
前記発光構造物30の第1導電型半導体層25の上の一部領域に第1電極35が形成できる。このために、メサエッチングにより前記第2導電型半導体層29と前記活性層27が除去され、前記第1導電型半導体層25の上面の一部分が除去できる。このように除去された第1導電型半導体層25の上に前記第1電極35が形成できる。
前記第2電極38は発光素子1Cの最上部に形成され、前記第1電極35は発光素子1Cの側面の上に形成できる。前記第1及び第2電極35、38に電源が印加されれば電流が第1及び第2電極35、38の間の最短経路に該当する発光構造物30に流れるため、発光構造物30の活性層27の全領域で発光できないことがある。
したがって、前記第2導電型半導体層29と前記第2電極38との間に前記第2導電型半導体層29の全領域の上に透明導電層33を形成する。前記透明導電層33は、第2電極38を通じて供給された電流をスプレッディングし、前記電流は前記第1電極35と前記透明電極層33との間に流れるようになり、前記発光構造物30の活性層27は全領域で発光するようになる。これによって、発光効率を向上させることができる。
前記第1及び第2電極35、38は同一な電極物質または相異する電極物質で形成できる。
前記第1及び第2電極35、38は不透明な金属材質を含むが、例えばアルミニウム(Al)、チタニウム(Ti)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、白金(Pt)、金(Au)、タングステン(W)、銅(Cu)、及びモリブデン(Mo)からなるグループから選択された1つまたはこれらの合金を含むことができるが、これに限定するものではない。
前記透明導電層33は、光を透過させる優れる透光性と電気的伝導度を有する導電性物質で形成されるが、例えばITO、IZO(In−ZnO)、GZO(Ga−ZnO)、AZO(Al−ZnO)、AGZO(Al−Ga ZnO)、IGZO(In−Ga ZnO)、IrOx、RuOx、RuOx/ITO、Ni/IrOx/Au、及びNi/IrOx/Au/ITOからなるグループから選択された少なくとも1つを含むことができる。
図19は本発明の第6実施形態に従う発光素子を示す平面図であり、図20は図19の発光素子をB−B’ラインに沿って切断した断面図であり、図21は図19の発光素子をC−C’ラインに沿って切断した断面図である。
第6実施形態ではナノ構造物19Aが電極の役割をすることができる。したがって、ナノ構造物19Aと電極層50とは互いに垂直に重畳する構造で配置できる。併せて、第6実施形態で、電極層50は少なくとも発光構造物30の活性層27の幅より大きい幅で反射層として機能することができる。前記電極層50は、前記活性層27で生成された光を前方に反射させて、光損失を減らすことができる。
図19乃至図21を参照すると、第2実施形態に従う発光素子(ID)は、支持基板41、接合層43、電極層50、チャンネル層47、発光構造物30、ナノ構造物19A、及び保護層57を含むことができる。
前記支持基板41、前記接合層43、及び前記電極層50は、電源を供給するための電極部材を形成することができる。
前記支持基板41は、前記支持基板41の上に配置された複数の層を支持し、電極としての機能を有することができる。前記支持基板41は、前記ナノ構造物19Aと共に前記発光構造物30に電源を供給することができる。
前記支持基板41は、金属物質または半導体物質で形成できるが、これに対して限定するものではない。前記支持基板41は、電気伝導性と熱伝導性の高い物質で形成できる。前記支持基板41は、例えば、チタン(Ti)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、白金(Pt)、金(Au)、タングステン(W)、銅(Cu)、銅合金(Cu Alloy)、モリブデン(Mo)、及び銅−タングステン(Cu−W)からなるグループから選択された少なくとも1つを含む金属物質でありうる。前記支持基板は、例えば、Si、Ge、GaAs、GaN、ZnO、SiGe、及びSiCからなるグループから選択された少なくとも1つを含む半導体物質でありうる。
前記支持基板41は、前記発光構造物30の下にメッキまたは/及び蒸着するか、シート(sheet)形態に付着されることができ、これに対して限定するものではない。
前記支持基板41の上には前記接合層43が形成できる。前記接合層43は前記電極層50と前記支持基板41との間に形成される。前記接合層43は、電極層50と前記支持基板41との間の接着力を強化させる媒介体の役割をすることができる。
前記接合層43は、バリア金属またはボンディング金属などを含むことができる。前記接合層43は、接合性と熱伝導性の高い金属物質で形成できる。前記接合層43は、例えば、Ti、Au、Sn、Ni、Nb、Cr、Ga、In、Bi、Cu、Ag、及びTaからなるグループから選択された少なくとも1つを含むことができる。
前記接合層43の上には図示していないバリア層が形成できる。前記バリア層は、その下部に形成された前記接合層43と前記支持基板41に含まれた物質がその上部に形成された電極層50や発光構造物30に拡散されて発光素子(ID)の特性の低下を防止することができる。前記バリア層は、Ni、Pt、Ti、W、V、Fe、及びMoからなるグループから選択された単一層またはこれらの2つ以上の積層を含むことができる。前記バリア層は、前記電極層50の下面と接触することができる。
前記接合層43の上面は中心領域に対して周辺領域が上方、即ち前記発光構造物30に一層延びるように形成されたグルーブ(groove)を有することができるが、これに対して限定するものではない。前記接合層43の上面の中心領域に接触するか、前記グルーブに電極層50が形成されることができ、これに対して限定するものではない。
図示してはいないが、前記接合層43の上面は中心領域と周辺領域とも同一ラインまたは同一水平面の上に位置できる。言い換えると、前記接合層43の上面の全領域は平らな面を有することができる。このような場合、前記電極層50は前記接合層43の上面の中心領域の上に形成されるか、前記接合層43の上面の全領域の上に形成できる。
言い換えると、前記電極層50の幅は前記接合層43の幅より小さいか、前記接合層43の幅と同一でありうる。前記電極層50の上面と前記チャンネル層47の上面は、同一ラインまたは同一水平面の上に形成できる。
前記電極層50の下面と前記チャンネル層47の下面は相異する位置に形成できる。即ち、前記電極層50が前記接合層43のグルーブが形成された中心領域の上に形成され、前記チャンネル層47が前記接合層43の周辺領域の上に形成できる。前記電極層50の下面は前記チャンネル層47の下面より低い位置に形成できる。
図20及び図21に示すように、前記電極層50の一部領域は前記チャンネル層47の下面と垂直方向に重畳するように形成できる。言い換えると、前記チャンネル層47の内側領域は前記電極層50の外側壁より内側に延びるように形成できる。
前記電極層50は前記発光構造物30から入射される光を反射させて、光抽出効率を改善させることができる。前記電極層50は、前記発光構造物30とオーミックコンタクト(ohmic contact)されて、電流が発光構造物30に流れるようにすることができる。前記電極層50は、図示してはいないが、前記接合層43の上面に接触して形成された反射層と前記反射層の上面と前記発光構造物の下面との間に形成されたオーミックコンタクト層を含むことができる。前記電極層は、反射物質とオーミックコンタクト物質とが混合された単一層に形成できる。このような場合、前記電極層50は反射層とオーミックコンタクト層を別個に形成する必要がない。前記反射物質には、例えば、Ag、Ni、Al、Rh、Pd、Ir、Ru、Mg、Zn、Pt、Au、及びHfからなるグループから選択された少なくとも1つまたは2つ以上の合金が使われるが、これに対して限定するものではない。前記オーミックコンタクト物質には、透明な導電物質が使用できるが、例えば、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、Ag、Ni/IrOx/Au、及びNi/IrOx/Au/ITOからなるグループから選択された少なくとも1つが使用できる。
前記電極層50は、例えば、IZO/Ni、AZO/Ag、IZO/Ag/Ni、及びAZO/Ag/Niのうち、いずれか1つを含む多層に構成できる。
前記電極層50は少なくとも前記発光構造物30とオーミックコンタクトできる。したがって、前記電極層50とオーミックコンタクトされる前記発光構造物30に円滑に電流が供給されて発光効率が向上できる。
前記電極層50は発光構造物30及び前記チャンネル層47の下面に重畳するように形成できる。前記発光構造物30からの光を全て反射させるために前記電極層50は少なくとも前記発光構造物30、特に活性層27より大きい面積を有することができる。
前記電極層50の上にチャンネル層47が形成できる。前記チャンネル層47は第2導電型半導体層29の下面の周辺領域に沿って形成できる。前記電極層50のエッジ領域の周りに沿って前記チャンネル層47が形成できる。即ち、前記チャンネル層47は前記発光構造物30と前記電極層50との間の周り領域に形成できる。具体的に、前記チャンネル層47は前記電極層50及び前記発光構造物30に少なくとも一部が囲まれるように形成できる。例えば、前記チャンネル層47の上面の一部領域は第2導電型半導体層29と接触し、前記チャンネル層47の内側面及び下面の一部領域は前記電極層50と接触できるが、これに対して限定するものではない。前記チャンネル層47の下面の他の領域は前記接合層43の上面の周辺領域と接触して形成できる。
前記チャンネル層47は外部の異質物による前記接合層43の側面と前記発光構造物30の側面との間の電気的なショートを防止することができる。もし、電極層50が前記接合層43の全領域の上に形成されて前記電極層50の外側面が外部に露出する場合、前記チャンネル層47は前記電極層50の側面と前記発光構造物30の側面との間の電気的なショートを防止することができる。
前記チャンネル層47は、前記発光構造物30と接触またはオーバーラップすることによって、複数個のチップを個別チップ単位に分離するレーザースクライビング(Laser Scribing)工程と基板を除去するレーザーリフトオフ(LLO)工程時、前記発光構造物30が前記電極層50から剥離することを防止することができる。
チップ分離工程時、発光構造物30が過エッチング(over-etching)される場合、電極層50が露出できる。このような場合、外側領域で異質物などにより電極層50と発光構造物30の活性層27との間の電気的なショートが発生できる。前記チャンネル層47は、チップ分離工程時、発光構造物30の過エッチング(over-etching)により前記電極層50が露出することを防止することができる。
前記チャンネル層47は絶縁物質、例えば、SiO2、SiOx、SiOxNy、Si3N4、Al2O3からなるグループから選択された少なくとも1つを含むことができる。また、前記チャンネル層47は金属物質で形成されることもできるが、これに対して限定するものではない。
前記発光構造物30が前記電極層50及び前記チャンネル層47の上に形成できる。
前記発光構造物30の側面は複数個のチップを個別チップ単位に区分するエッチングにより垂直または傾斜するように形成できる。例えば、前記発光構造物30の側面はアイソレーションエッチング(isolation etching)により形成できる。
前記発光構造物30は複数のII族乃至VI族元素の化合物半導体材料を含むことができる。前記II族乃至VI族元素の化合物半導体材料はII−V族化合物半導体及びIII−V族化合物半導体のうち、少なくとも1つを含む。
前記発光構造物30は、第2導電型半導体層29、前記第2導電型半導体層29の上に活性層27、そして前記活性層27の上に第1導電型半導体層25を含むことができる。
このような場合、前記第2導電型半導体層29の下面は前記電極層50の上面及び前記チャンネル層47の上面と接触できるが、これに対して限定するものではない。併せて、前記活性層27で生成された光が全て反射できるようにするために、前記活性層27の幅は前記電極層50の幅より小さく形成できる。
前記チャンネル層47は、前記第2導電型半導体層29と垂直方向に重畳する第1チャンネル領域と前記第2導電型半導体層29と重畳しない第2チャンネル領域を含むことができる。
前記第1チャンネル領域は、前記第2導電型半導体層29の外側壁から内側に延びて前記第1導電型半導体層25と垂直方向に重畳できる。前記第2チャンネル領域は、前記第1チャンネル領域から外側に前記接合層43の外側壁まで延びることができる。
前記第2導電型半導体層29は、前記電極層50及び前記チャンネル層47の上に形成できる。前記第2導電型半導体層29はp型ドーパントを含むp型半導体層でありうる。前記第2導電型半導体層29は、2族乃至6族元素の化合物半導体で形成できる。前記第2導電型半導体層29は、例えば、GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InN、InAlGaN、AlInN、AlGaAs、GaP、GaAs、GaAsP、及びAlGaInPからなるグループから選択された1つを含むことができる。前記p型ドーパントは、Mg、Zn、Ga、Sr、Baなどでありうる。前記第1導電型半導体層25は単層または多層に形成されることができ、これに対して限定するものではない。
前記第2導電型半導体層29は、複数のキャリア、例えば正孔を前記活性層27に供給する役割をする。
前記活性層27は前記第2導電型半導体層29の上に形成され、単一量子井戸構造、多重量子井戸構造(MQW)、量子点構造、または量子線構造のうち、いずれか1つを含むことができるが、これに対して限定するものではない。
前記活性層27はII族乃至VI族元素の化合物半導体材料を用いて井戸層と障壁層の周期で形成できる。前記活性層27に使用するための化合物半導体材料には、GaN、InGaN、AlGaNでありうる。したがって、前記活性層27は、例えばInGaN井戸層/GaN障壁層の周期、InGaN井戸層/AlGaN障壁層の周期、InGaN井戸層/InGaN障壁層の周期などを含むことができるが、これに対して限定するものではない。
前記活性層27は、前記第2導電型半導体層29から供給された正孔と前記第1導電型半導体層25から供給された電子とを再結合(recombination)させて、前記活性層27の半導体材質により決まったバンドギャップ(bandgap)に相応する波長の光を生成することができる。
図示してはいないが、前記活性層27の上または/及び下には導電型クラッド層が形成されることもでき、前記導電型クラッド層はAlGaN系半導体で形成できる。例えば、前記第2導電型半導体層29と前記活性層27との間にはp型ドーパントを含むp型クラッド層が形成され、前記活性層27と前記第1導電型半導体層25との間にはn型ドーパントを含むn型クラッド層が形成できる。
前記導電型クラッド層は前記活性層27に供給された複数のホールと複数の電子が第1導電型半導体層25と第2導電型半導体層29へ移動しないようにするガイドの役割をする。したがって、前記導電型クラッド層により前記活性層27に供給されたホールと電子がよりたくさん再結合して、発光素子の発光効率を向上させることができる。
前記第1導電型半導体層25は、前記活性層27の上に形成できる。前記第1導電型半導体層25はn型ドーパントを含むn型半導体層でありうる。前記第1導電型半導体層25は2族乃至6族元素の化合物半導体で形成できる。前記第1導電型半導体層25は、例えば、GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InN、InAlGaN、AlInN、AlGaAs、GaP、GaAs、GaAsP、及びAlGaInPからなるグループから選択された1つを含むことができる。前記n型ドーパントはSi、Ge、Sn、Se、Teなどでありうる。前記第1導電型半導体層25は単層または多層に形成されることができ、これに対して限定するものではない。
発光構造物30の成長時、第1導電型半導体層25、活性層27、及び第2導電型半導体層29の順に成長できる。
図20を参照すると、前記発光構造物30、具体的に前記第1導電型半導体層25の上に多数のナノ構造物19Aが形成できる。
前記ナノ構造物19Aは、図19に示すように、多数のグラフェンパターン14、前記各グラフェンパターン14の上に形成され、多数のナノテクスチャー17、及び前記多数のグラフェンパターン14の間を連結させる連結部20を含むことができる。前記ナノテクスチャー17は、前記グラフェンパターン14と連結部20と異なる物質で形成できる。
前記グラフェンパターン14と前記ナノテクスチャー17は前記第16実施形態で詳細に説明したことがあるので、ここで詳細な説明は省略する。
前記連結部20及び前記グラフェンパターン14は同一な物質、例えば黒鉛で形成できる。したがって、前記グラフェンパターン14及び前記連結部20は同時に形成できる。前記連結部20は隣接したグラフェンパターン14を互いに連結させることができる。ここでの連結とは、物理的連結と共に電気的連結も含むことができる。前記グラフェンパターン14及び前記連結部20は前記第1導電型半導体層25と電気的に連結できる。
前記連結部20により前記隣接したグラフェンパターン14が連結されるので、前記グラフェンパターン14のうち、いずれか1つのパターンに電源が印加される場合、連結部20により隣接したグラフェンパターン14に電流が供給できる。言い換えると、隣接したグラフェンパターン14に電流がスプレッディングできる。
したがって、図22に示すように、多数のグラフェンパターン14と連結部20は前記電極層50の全ての領域に対応し、前記第1導電型半導体層25と電気的に連結される。前記多数のグラフェンパターン14と連結部20は前記電極層50の全領域と前記ナノ構造物19Aの全領域の間に面対面に電流が流れるようになる。したがって、前記発光構造物30の活性層27の全領域で発光されて発光効率が向上できる。
前記グラフェンパターン14の下面の上に多数のナノテクスチャー17が形成できる。即ち、前記ナノテクスチャー17は前記グラフェンパターン14の下面から前記第1導電型半導体層25の内部に延長形成できる。前記ナノテクスチャー17は酸化亜鉛(ZnO)で形成できるが、これに対して限定するものではない。
第5実施形態で説明したように、前記ナノテクスチャー17は前記発光構造物30に転位(dislocation)が発生されず、優れる結晶性に成長できるようにすることができる。
前記ナノ構造物19Aに関する数値範囲は第5実施形態に記載されたものと同一であることがあるが、これに対して限定するものではない。前記グラフェンパターン14の間の間隔は0.1μm乃至100μmであることがあり、例えば10μm乃至50μmであることがある。
したがって、前記第1導電型半導体層25は前記グラフェンパターン14の間の領域とナノテクスチャー17の間の領域に配置できる。例えば、前記第1導電型半導体層25は、前記グラフェンパターン14の間の領域を通じて前記グラフェンパターン14の上面と同一な位置まで延びることができる。
前記ナノテクスチャー17は、多数のナノロッド(nano rod)であることがあるが、これに対して限定するものではない。前記ナノロッドは、相互間に一定の間隔で離隔するか、相互間に不規則な間隔で離隔できる。前記ナノテクスチャー17は高さが幅より大きい構造を有することができるが、これに対して限定するものではない。前記ナノテクスチャー17の高さと幅は第5実施形態のナノテクスチャー17の高さと幅と実質的に同一でありうる。
図20及び図21ではナノ構造物19Aが前記第1導電型半導体層25の内に形成されているが、これに対して限定するものではない。前記ナノ構造物19Aの上にはパッドや電極がさらに配置されることができ、これに対して限定するものではない。
前記ナノ構造物19Aはバッファ層(図示せず)に形成されることもできる。このような場合、前記第1導電型半導体層25の上にバッファ層が形成され、前記バッファ層に前記ナノ構造物19Aが形成できる。即ち、前記ナノテクスチャー17は、前記グラフェンパターン14の下面から前記バッファ層の内部に形成できる。
前記ナノテクスチャー17の高さが前記バッファ層の厚さより大きい場合、前記ナノテクスチャー17は前記バッファ層を貫通して前記第1導電型半導体層25の内部に形成できるが、これに対して限定するものではない。
前記発光構造物30の上に保護層57が形成できる。例えば、前記発光構造物30の少なくとも側面の上には保護層57が形成できる。具体的には、前記保護層57は一端が前記第1導電型半導体層25の上面の周り領域に形成され、前記第1導電型半導体層25の側面、前記活性層27の側面、及び第2導電型半導体層29の側面、前記チャンネル層47の上面の一部領域に配置されることができ、これに対して限定するものではない。
前記保護層57は、前記発光構造物30と支持基板41との間の電気的ショートを防止する一方、前記発光素子(1D)を外部の衝撃から保護する役割をすることができる。前記保護層57は透明性と絶縁性に優れる材質で形成できる。前記保護層57は、例えば、SiO2、SiOx、SiOxNy、Si3N4、TiO2、及びAl2O3からなるグループから選択された1つを含むことができるが、これに対して限定するものではない。
前記保護層57は前記チャンネル層47と同一な物質を含むことができるが、これに対して限定するものではない。
第6実施形態の発光素子(1D)では電極が備えられたものが図示されているが、ナノ構造物19Aのグラフェンパターン14が電極としての機能を有するので、別途の電極を形成しなくても前記ナノ構造物19Aと前記電極層50に電源を印加して発光素子(1D)を発光させることができる。
併せて、ナノ構造物19Aのグラフェンパターン14及び酸化亜鉛は透明な材質であるので、発光構造物30で生成された光は前記ナノ構造物19Aを通じて上方に出射できる。言い換えると、前記ナノ構造物19Aの光透過率は非常に優れるので、前記発光構造物30で生成された光は損失無しでナノ構造物19Aを透過することができる。
実施形態のナノ構造物19Aは第5実施形態の水平型発光素子と第6実施形態の垂直型発光素子だけでなく、フリップ型発光素子にも同一に適用できる。フリップ型発光素子の場合、前記ナノ構造物19Aは図16(第5実施形態)に図示された透明導電層33の代りに反射率に優れる金属物質からなる反射層が形成できる。このような場合、発光構造物30で生成された光が反射層により反射されて基板10を通じて外部に出射できる。
図23乃至図29は、図19の発光素子を製造するための工程図である。
図23を参照すると、成長基板100の上にナノ構造物19Aが形成できる。
前記成長基板100は前記発光構造物を成長させるための基板であって、半導体物質成長に適した物質、即ちキャリアウェハーで形成できる。また、前記成長基板100は前記発光構造物と格子定数が類似し、熱的安定性を有する材質で形成されることができ、伝導性基板または絶縁性基板でありうる。
前記成長基板100は、サファイア(Al2O3)、SiC、Si、GaAs、GaN、ZnO、Si、GaP、InP、及びGeからなるグループから選択された少なくとも1つで形成できる。
前記ナノ構造物19Aは、多数のグラフェンパターン14、連結部20、及び多数のナノテクスチャー17を含むことができる。前記グラフェンパターン14と前記連結部20は同時に形成できる。例えば、前記グラフェンパターン14と前記連結部20は予め形成されて前記成長基板100の上に付着できる。または、前記成長基板100の上に、例えば、化学的合成法、CVD成長法、エピタキシ合成法などを用いてグラフェン膜が形成され、前記グラフェン膜をパターニングして多数のグラフェンパターン14と多数の連結部20を形成することができる。
次に、前記成長基板100の上に酸化亜鉛を用いて蒸着工程や成長工程を用いて前記グラフェンパターン14の上に多数のナノテクスチャー17が形成できる。前記ナノテクスチャー17は、例えばCVD成長法やスパッタリング方式を用いて形成できるが、これに対して限定するものではない。前記ナノテクスチャー17は酸化亜鉛(ZnO)で形成できるが、これに対して限定するものではない。
したがって、前記多数のグラフェンパターン14、多数の連結部20、及び多数のナノテクスチャー17によりナノ構造物19Aが形成できる。
図24を参照すると、前記ナノ構造物19Aの上に、第1導電型半導体層25、活性層27、及び第2導電型半導体層29が順次に成長されて発光構造物30が形成できる。
前記発光構造物30は、例えば、有機金属化学蒸着法(MOCVD;Metal Organic Chemical Vapor Deposition)、化学蒸着法(CVD;Chemical Vapor Deposition)、プラズマ化学蒸着法(PECVD;Plasma-EnhancedChemical Vapor Deposition)、分子線成長法(MBE;Molecular Beam Epitaxy)、水素化物気相成長法(HVPE;Hydride Vapor Phase Epitaxy)などの方法を用いて形成されることができ、これに対して限定するものではない。
前記発光構造物30及び前記成長基板100の間には格子定数差を緩和するためにバッファ層(図示せず)が形成されることもできる。即ち、前記バッファ層が前記ナノ構造物19Aの上に成長され、前記バッファ層の上に前記発光構造物19Aが成長できる。
前記第1導電型半導体層25は前記成長基板100と前記ナノ構造物19Aの上に形成できる。前記第1導電型半導体層25はn型ドーパントを含むn型半導体層でありうる。
具体的に、前記第1導電型半導体層25は前記ナノ構造物19Aのグラフェンパターン14の間の前記成長基板100の上に形成され、前記ナノ構造物19Aのナノテクスチャー17の間のグラフェンパターン14の上に形成できる。
酸化亜鉛の格子定数は略3.25であり、前記成長基板100に使われるサファイアの格子定数は略4.78であり、前記第1導電型半導体層25に使われることができるGaNの格子定数は略3.18である。
したがって、前記第1導電型半導体層25と前記成長基板100との間の格子定数の差は前記第1導電型半導体層25と前記ナノ構造物19A、具体的にナノテクスチャー17の間の格子定数の差より小さいので、前記第1導電型半導体層25が前記ナノ構造物19Aの上に転位(dislocation)の発生無しでよく成長できる。
前記活性層27は前記第1導電型半導体層25の上に形成され、多重量子井戸構造(MQW)、量子点構造、または量子線構造のうち、いずれか1つを含むことができるが、これに対して限定するものではない。
前記活性層27は前記第1導電型半導体層25から供給された電子と前記第2導電型半導体層29から供給された正孔とを再結合(recombination)させて、前記活性層27の半導体材質により決まったバンドギャップに相応する波長の光を生成することができる。
前記第2導電型半導体層29は、前記活性層27の上に形成できる。前記第2導電型半導体層29は、p型ドーパントを含むp型半導体層でありうる。
図25を参照すると、前記第2導電型半導体層29の上にチャンネル層47が形成できる。前記チャンネル層47は、前記第2導電型半導体層29の上に形成できる。例えば、前記チャンネル層47は前記第2導電型半導体層29の周り領域の上に形成できるが、これに限定するものではない。前記チャンネル層47の絶縁物質は前述したことがあるので、省略する。
図26を参照すると、前記チャンネル層47及び前記第2導電型半導体層29の上に電極層50、接合層43、及び支持基板41が形成できる。
前記電極層50は、前記第2導電型半導体層29の上に順次に積層されたオーミックコンタクト層及び反射層を含むことができる。前記電極層50は、前記第2導電型半導体層29の上にオーミックコンタクト物質と反射物質とが混合された単一層を含むことができる。前記反射物質には、Ag、Ni、Al、Rh、Pd、Ir、Ru、Mg、Zn、Pt、Au、及びHfからなるグループから選択された少なくとも1つまたは2つ以上の合金が使われるが、これに対して限定するものではない。前記オーミックコンタクト物質には、伝導性物質と金属物質を選択的に使用することができる。即ち、前記オーミックコンタクト物質には、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、Ag、Ni/IrOx/Au、及びNi/IrOx/Au/ITOからなるグループから選択された少なくとも1つが使用できる。
前記接合層43は、前記支持基板41と前記電極層50との間の接着力を強化するために形成できる。前記接合層43は、例えば、Ti、Au、Sn、Ni、Nb、Cr、Ga、In、Bi、Cu、Ag、及びTaからなるグループから選択された少なくとも1つを含むことができる。
前記支持基板41はその上に形成される複数の層を支持するだけでなく、電極としての機能を有することができる。前記支持基板41は、前記電極と共に前記発光構造物30に電源を供給することができる。前記支持基板41は、例えば、チタン(Ti)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)、白金(Pt)、金(Au)、タングステン(W)、銅(Cu)、モリブデン(Mo)、及び銅−タングステン(Cu−W)のうち、少なくとも1つを含むことができる。
前記支持基板41は、前記発光構造物30の上にメッキまたは/及び蒸着するか、シート(sheet)形態に付着されることができ、これに対して限定するものではない。
図27を参照すると、前記成長基板100を180゜覆した後、前記成長基板100はナノ構造物19Aから除去できる。
前記成長基板100は、レーザーリフトオフ(LLO;Laser Lift Off)、化学的エッチング(CLO;Chemical Lift Off)、または物理的な研磨方法などにより除去されることができ、これに対して限定するものではない。
前記レーザーリフトオフ(LLO)方法により前記成長基板100を除去する場合、前記成長基板100と前記第1導電型半導体層25との間の界面にレーザーを集中的に照射して前記成長基板100が前記ナノ構造物19Aから分離されるようにすることができる。
前記化学的エッチング方法により前記成長基板100を除去する場合、湿式エッチングを用いて前記第1導電型半導体層25が露出するように前記成長基板100を除去することができる。
前記物理的な研磨方法を用いて前記成長基板100を除去する場合、物理的に前記成長基板100を直接研磨して前記第1導電型半導体層25が露出するように前記成長基板100の上面から順次に除去することができる。
第6実施形態では、発光構造物30と成長基板100との間にナノ構造物19Aが形成されるが、前記ナノ構造物19Aは前記成長基板100との接合力が比較的弱いので、レーザーの照射により成長基板100が前記ナノ構造物19Aから容易に分離できる。言い換えると、前記ナノ構造物19Aは成長基板100を容易に分離する役割をすることができる。したがって、成長基板100が容易に分離されない場合、レーザーが長い間の時間の間照射されるようになってレーザーパワーによる衝撃により発光構造物30にクラックのような欠陥が発生することを遮断することができる。
図28を参照すると、前記発光構造物30の側面及び前記チャンネル層47の側面が傾斜するように露出するようにメサエッチングが遂行できる。このようなメサエッチングにより前記チャンネル層47の上に発光構造物30が存在しないグルーブ(groove)が形成できる。言い換えると、前記メサエッチングにより前記第2導電型半導体層29、前記活性層27、及び前記第1導電型半導体層25の外郭領域が除去され、グルーブに形成できる。前記グルーブは前記チャンネル層47の上に配置される。
前記チャンネル層47はエッチングストッパー(stopper)としての役割をするので、メサエッチングにより前記第1導電型半導体層25、前記活性層27、及び前記第2導電型半導体層29の外郭領域が除去され、前記チャンネル層47、電極層50、接合層43、及び支持基板41は除去できなくなる。
図29を参照すると、前記発光構造物30の上に保護層57が形成できる。即ち、前記保護層57は前記発光構造物30の上面及び側面に配置できる。例えば、前記保護層57は、前記第1導電型半導体層25の上面の周り領域から、前記第1導電型半導体層25の側面、前記活性層27の側面、前記第2導電型半導体層29の側面に配置され、一部は前記チャンネル層47の上面の一部領域まで形成できる。
前記保護層57は、前記発光構造物30と支持基板41との間の電気的ショートを防止する役割をすることができる。前記保護層57は、透明性と絶縁性に優れる材質で形成できる。前記保護層57は、例えば、SiO2、SiOx、SiOxNy、Si3N4、TiO2、及びAl2O3からなるグループから選択された1つを含むことができるが、これに対して限定するものではない。前記保護層57は前記チャンネル層47と同一な物質を含むことができる。
図30は、本発明の実施形態に従う発光素子パッケージを示す断面図である。
図30を参照すると、実施形態に従う発光素子パッケージは、胴体101と、前記胴体101に設けられた第1リード電極103及び第2リード電極105と、前記胴体101に設けられて前記第1リード電極103及び第2リード電極105から電源の供給を受ける第1乃至第6実施形態に開示された発光素子1と、前記発光素子1を囲むモールディング部材113を含む。
前記胴体101は、シリコン材質、合成樹脂材質、または金属材質を含んで形成されることができ、前記発光素子1の周囲に傾斜面が形成できる。
前記第1リード電極103及び第2リード電極105は互いに電気的に分離され、前記発光素子1に電源を提供する。
また、前記第1及び第2リード電極103、105は前記発光素子1で発生した光を反射させて光効率を増加させることができ、前記発光素子1で発生した熱を外部に排出させる役割をすることもできる。
前記発光素子1は、前記第1リード電極103、第2リード電極105、及び前記胴体101のうち、いずれか1つの上に設けられることができ、ワイヤー方式、ダイボンディング方式などにより前記第1及び第2リード電極103、105に電気的に連結できるが、これに対して限定するものではない。
実施形態では、1つのワイヤー109を通じて発光素子1を前記第1及び第2リード電極103、105のうちの1つのリード電極に電気的に連結させることが例示されているが、これに限定せず、2つのワイヤーを用いて発光素子1を前記第1及び第2リード電極103、105に電気的に連結させることもでき、ワイヤーを使用しないで発光素子1を前記第1及び第2リード電極103、105に電気的に連結させることができる。
前記モールディング部材113は、前記発光素子1を囲んで前記発光素子1を保護することができる。また、前記モールディング部材113には蛍光体が含まれて前記発光素子1から放出された光の波長を変化させることができる。
実施形態に従う発光素子パッケージ200は、COB(Chip On Board)タイプを含み、前記胴体101の上面は平らであり、前記胴体101には複数の発光素子が設けられることもできる。
実施形態は、発光構造物と前記基板との間に発光構造物より小さく、基板より大きい格子定数を有するナノ構造物を配置することによって、発光構造物を転位(dislocation)無しで優れる結晶性に成長させることができる。このように成長された発光構造物は電気的特性と光学的特性が向上して発光効率が向上できる。
実施形態は、水平型発光素子にナノ構造物を適用することによって、ナノ構造物を電子遮断層に活用して半導体層の電子の基板への注入を遮断して発光効率を向上させることができる。
実施形態は、水平型発光素子にナノ構造物を適用することによって、ナノ構造物を電流スプレッディングに活用してナノ構造物と透明導電層との間の全領域に電流が流れるようにして活性層の全領域に光が生成されて発光効率が向上できる。
実施形態は、垂直型発光素子にナノ構造物を適用することによって、ナノ構造物を電流スプレッディングに活用してナノ構造物と電極層との間の全領域に電流が流れるようにして活性層の全領域に光が生成されて発光効率が向上できる。