KR100896287B1 - 발광 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광 소자에 관한 것으로 특히, 발광 소자의 발광 효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 발광 소자에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 발광 소자에 있어서, 발광 소자의 발광 면에 위치하며, 홀 또는 기둥으로 이루어지는 단위 구조들로 이루어지고, 상기 인접 단위 구조들 중심 사이의 평균 거리는, 동일 단위 구조를 가지는 격자의 주기에 해당하는 광 추출 구조를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

발광 소자, 광결정, LED, 광 추출 효율, 발광 효율.

Description

발광 소자{Light emitting device}

본 발명은 발광 소자에 관한 것으로 특히, 발광 소자의 발광 효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 발광 소자에 관한 것이다.

발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 잘 알려진 반도체 발광 소자로서, 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화 된 것을 시작으로 GaP:N 계열의 녹색 LED와 함께 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 화상용 광원으로 이용되어 왔다.

이러한 LED에 의해 방출되는 광의 파장은 LED를 제조하는데 사용되는 반도체 재료에 따른다. 이는 방출된 광의 파장이 가전자대(valence band) 전자들과 전도대(conduction band) 전자들 사이의 에너지 차를 나타내는 반도체 재료의 밴드갭(band-gap)에 따르기 때문이다.

질화 갈륨 화합물 반도체(Gallium Nitride: GaN)는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭(0.8 ~ 6.2eV)을 가지고 있어, LED를 포함한 고출력 전자부품 소자 개발 분야에서 많은 주목을 받아왔다.

이에 대한 이유 중 하나는 GaN이 타 원소들(인듐(In), 알루미늄(Al) 등)과 조합되어 녹색, 청색 및 백색광을 방출하는 반도체 층들을 제조할 수 있기 때문이다.

이와 같이 방출 파장을 조절할 수 있기 때문에 특정 장치 특성에 맞추어 재료의 특징들에 맞출 수 있다. 예를 들어, GaN를 이용하여 광기록에 유익한 청색 LED와 백열등을 대치할 수 있는 백색 LED를 만들 수 있다.

이러한 GaN 계열 물질의 이점들로 인해, GaN 계열의 LED 시장이 급속히 성장하고 있다. 따라서, 1994년에 상업적으로 도입한 이래로 GaN 계열의 광전자장치 기술도 급격히 발달하였다.

상술한 바와 같은 GaN 계열 물질을 이용한 LED의 휘도 또는 출력은 크게, 활성층의 구조, 빛을 외부로 추출할 수 있는 광 추출 효율, LED 칩의 크기, 램프 패키지 조립 시 몰드(mold)의 종류 및 각도, 형광물질 등에 의해서 좌우된다.

일반적으로, 반도체 발광 다이오드(LED)의 총 발광효율은 내부양자효율과 외부추출효율로 나눌 수 있다.

내부양자효율은 LED 소자를 구성하는 물질의 특성과 관련된 양으로, 성장 과정 중에 발생하는 반도체 물질 내의 결함 여부와 전류 주입의 효율성 등에 의해 정해진다.

이에 반해 외부추출효율은 반도체 내에서 생성된 빛이 실제로 관찰하고자 하는 외부 매질까지 빠져나오는 효율을 일컫는 것으로, 아무런 구조적 변화가 도입되지 않는 경우 단순히 반도체와 외부 매질 사이의 굴절률 차이로 결정된다.

결과적으로, 반도체 LED의 총 발광효율은 내부양자효율과 외부추출효율의 곱 으로 나타낼 수 있으며, 고효율 반도체 LED 개발을 위해서는 이 두 효율을 동시에 개선하는 노력이 필요하다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 개별 구조의 크기 및 평균 거리를 조절함에 따라 주기성 있는 광결정 구조보다 우수한 광추출 효과를 나타낼 수 있는 발광 소자를 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 발광 소자에 있어서, 발광 소자의 발광 면에 위치하며, 홀 또는 기둥으로 이루어지는 단위 구조들로 이루어지고, 상기 인접 단위 구조들 중심 사이의 평균 거리는, 동일 단위 구조를 가지는 격자의 주기에 해당하는 광 추출 구조를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 제2관점으로서, 본 발명은, 발광 소자에 있어서, 다층 구조의 반도체층과; 상기 반도체층의 외측면에 위치하며, 홀 또는 기둥으로 이루어지는 단위 구조들로 이루어지고, 상기 단위 구조의 수는 상기 반도체층의 외측면과 동일 크기의 면에 위치하는 동일 단위 구조를 가지는 삼각 격자의 단위 구조의 수의 60% 이상이며, 상기 단위 구조들이 서로 겹치지 않게 무작위로 배열되는 광 추출 구조를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 일반적으로 주기성 있는 구조와 무작위 구조의 중간 상태의 광 추출 구조를 이용하여 주기성 있는 구조보다 우수한 광 추출 효율을 나타내는 발광 소자를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 발광 소자의 광 추출 구조는 일반적인 반도체 식각 장비를 이용하여 구현 가능하다.

본 발명 내의 회절 구조는 주기성 및 회전 대칭성이 성립되지 않으므로, 전 방향에 걸쳐 균일한 세기를 요구하는 응용 분야에 적합할 수 있으나, 일반적인 모든 발광 소자에 적용이 가능한 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.

동일한 참조번호는 도면의 설명을 통하여 동일한 요소를 나타낸다. 도면들에서 층들 및 영역들의 치수는 명료성을 위해 과장되어있다. 또한 여기에서 설명되는 각 실시예는 상보적인 도전형의 실시예를 포함한다.

층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 표면과 같은 구성 요소의 일부가 '내부(inner)'라고 표현된다면 이것은 그 요소의 다른 부분들 보다도 소자 의 외측으로부터 더 멀리 있다는 것을 의미한다고 이해할 수 있을 것이다.

나아가 '아래(beneath)' 또는 '중첩(overlies)'과 같은 상대적인 용어는 여기에서는 도면에서 도시된 바와 같이 기판 또는 기준층과 관련하여 한 층 또는 영역과 다른 층 또는 영역에 대한 한 층 또는 영역의 관계를 설명하기 위해 사용될 수 있다.

이러한 용어들은 도면들에서 묘사된 방향에 더하여 소자의 다른 방향들을 포함하려는 의도라는 것을 이해할 수 있을 것이다. 마지막으로 '직접(directly)'라는 용어는 중간에 개입되는 어떠한 요소가 없다는 것을 의미한다. 여기에서 사용되는 바와 같이 '및/또는'이라는 용어는 기록된 관련 항목 중의 하나 또는 그 이상의 어느 조합 및 모든 조합을 포함한다.

비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할것이다.

이러한 용어들은 단지 다른 영역, 층 또는 지역으로부터 어느 하나의 요소, 성분, 영역, 층 또는 지역들을 구분하기 위해 사용되는 것이다. 따라서 아래에서 논의된 제1 영역, 층 또는 지역은 제2 영역, 층 또는 지역이라는 명칭으로 될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 예를 들어, 사파이어(Al₂O₃)계 기판과 같은 비도전성 기판상에 형성된 질화갈륨(GaN)계 발광 소자를 참조하여 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 이러한 구조에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 실시예들은 도전성 기판을 포함하여 다른 기판을 사용할 수 있다. 따라서 GaP 기판상의 AlGaInP 다이오드, SiC 기판상의 GaN 다이오드, SiC 기판상의 SiC 다이오드, 사파이어 기판상의 SiC 다이오드, 및/또는 GaN, SiC, AlN, ZnO 및/또는 다른 기판상의 질화물계 다이오드 등의 조합이 포함될 수 있다. 더구나 본 발명은 활성영역은 다이오드 영역의 사용에 한정되는 것은 아니다. 또한 활성영역의 다른 형태들이 본 발명의 일부 실시예들에 따라서 사용될 수도 있다.

반도체 발광 소자(LED)의 추출효율은 빛이 발생하는 반도체 발광층과 최종적으로 빛을 관측하는 매질(공기 또는 에폭시) 사이의 굴절률 차이에 의하여 결정된다. 반도체 매질은 통상적으로 높은 굴절률(n > 2)을 가지므로, 광 추출효율은 대개 수 %에 지나지 않는다.

예를 들어, 질화갈륨(n = 2.4) 기반의 청색 발광 소자의 경우, 외부 물질을 에폭시(n = 1.4)로 가정했을 때 발광 소자의 상층부를 통한 광 추출효율은 약 9% 정도에 불과하다. 이를 제외한 나머지 빛들은, 소자 내부에 전반사 과정에 의해 갇혀 있으면서, 양자우물 층과 같은 흡수층에 의해 소실된다.

광결정을 통한 발광 소자의 광 추출효율 개선을 위한 노력은 광결정을 이용하여 자발 방출률을 조절할 수 있다는 연구에서 출발한다.

이후, 광결정이 발광 소자의 추출효율 향상에 기여한다는 것을 분산특성 곡선을 활용해 이론적으로 증명되었고, 광결정이 추출효율 향상에 기여하는 과정은 크게 두 가지로 요약될 수 있다.

하나는 광 밴드갭(photonic band-gap) 효과를 이용해 평면 방향의 빛 이동을 차단하여 수직 방향으로 추출하는 것이고, 다른 하나는 분산곡선에서 라이트 콘(light cone) 바깥에 위치한 상태밀도가 높은 모드와 결합하여 외부로 추출하는 것이다.

하지만, 광 밴드갭 거울 효과나 분산곡선의 상태밀도가 잘 정의되기 위해서는, 반 파장 정도의 두께를 가지는 얇은 박막이 상하로 높은 굴절률 대비가 있는 상황에서 광결정을 형성할 때 가능하다.

더군다나, 광결정의 공기 구멍이 발광층을 관통하기 때문에 필연적으로 이득 매질의 손실을 가져오며, 추가적으로 표면 비발광 결합에 의한 내부양자효율의 감소를 피할 수 없다.

광 밴드갭 거울 효과나 강한 분산 특성은 일반적인 발광 소자 구조에서는 구현하기 어렵기 때문에 특수한 경우에만 적용되는 방법이라 할 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해서는, 발광 소자의 능동매질을 포함하지 않고, 표면에 국한해서 광결정을 제작하여야 한다.

이 경우, 높은 굴절률 대비가 있는 박막에 광결정을 도입할 때처럼 강한 분산 특성을 활용할 수는 없지만, 일반적인 회절 이론에 따라 전반사에 해당하는 빛이 주기적인 구조와 결합하여 외부로 추출될 수 있다.

현재 광결정과 반도체층의 발광층을 공간적으로 분리하여, 발광층의 특성을 저하시키지 않으면서 추출효율을 개선하고자 하는 노력이 활발하게 진행되고 있다.

같은 방법으로, InGaAs 양자우물을 채택한 발광 소자 구조에 대해서도 추출효율 향상을 꾀한 예가 있으며, 유기 발광 소자에서 유리 기판 상에 형성된 광결정을 이용하여 외부 광추출 효율을 1.5배 이상 끌어올린 결과가 보고되기도 하였다.

앞에서 언급한 바와 같이, 주기적인 광결정 구조를 표면에 도입하여 전반사에 의해 갇혀있는 빛을 회절 과정을 통해 추출하는 방법도 시도되었다. 가령, 200nm 정도의 주기를 가지는 광결정을 p-형 GaN 반도체 표면에 형성하여 추출효율이 증가된 것이 보고되었다.

이 외에, GaN 계열 발광 소자의 능동매질 영역까지 광결정을 제작한 뒤, 광 밴드갭 효과를 이용하여 높은 추출효율 향상 효과를 보고한 연구도 있었지만, 입력 전류가 증가하면 추출효율이 낮아지는 단점이 있다. 이는 앞서 지적한 대로, 발광층까지 식각하여 광결정을 도입하게 되면, 특히, 동작 전압 특성이 저하되기 때문이다.

도 1에서 도시하는 바와 같은 수평형 GaN 계열 발광 소자는 GaN에 비해 굴절률이 상대적으로 낮은 사파이어(n = 1.76) 기판(10) 위에 성장한 구조이다. GaN 반도체층(20)의 전체 두께는 약 5㎛에 이르므로, 다양한 고차 모드가 존재하는 도파로 구조로 간주할 수 있다. GaN 반도체층(20)의 상층부는 p-형 GaN 반도체층(21)부터 출발하며, 그 아래에 발광층(22) 영역에 해당하는 다중양자우물 층이 위치한다.

이러한 발광층(22)의 하측에는 n-형 GaN 반도체층(23)이 위치하며, 이 n-형 GaN 반도체층(23)과 기판(10) 사이에는 버퍼층(24)이 위치할 수 있다. 또한, 기판(10)의 하측에는 반사막(도시되지 않음)을 형성할 수 있다.

수평형 GaN 계열 발광 소자는 전체 면적에 걸쳐 고르게 전류를 공급하기 위해, 대개 ITO와 같은 투명전극층(30)을 p-형 GaN 반도체층(21) 위에 증착한다. 따라서, 수평형 GaN 계열 발광 소자에 광결정(40)을 도입할 때, 식각할 수 있는 최대 범위는 투명전극층(30) 두께와 p-형 GaN 반도체층(21)의 두께를 합한 값이 된다. 일반적으로, 이러한 투명전극층(30)과 p-형 GaN 반도체층(21)의 두께는 100 ~ 300nm 사이이다.

한편, 도 2에서 도시하는 바와 같은 수직형 발광 소자 구조의 일례는, GaN 반도체층(20) 성장 과정 중에 기판으로 이용되는 사파이어를 레이저 흡수법으로 제거하고, p-형 GaN 반도체층(21) 위에 거울과 전극의 역할을 동시에 수행할 수 있는 Ni, Ag 등을 포함하는 다층 금속 박막을 이용하여 반사형 오믹 전극(50)을 형성한 구조이다.

일반적인 수평형 GaN 발광 소자와 구별되는 수직형 GaN 발광 소자의 차이점 중에는 절연체인 사파이어의 제거로 인해 전류 방향이 수직 방향이며, 광의 출력 면이 도 2의 경우에 역전되어 n-형 GaN 반도체층(23)으로 출력된다는 것을 들 수 있다.

수직형 발광 소자 구조 내에서 전류가 수직 방향으로 흐른다는 사실은 공급된 전류가 발광층(22)인 양자우물 층까지 이탈 없이 도달할 수 있는 확률이 크다는 것을 의미한다. 이는 곧, 내부양자효율의 향상에 기여하게 된다.

또한, 수직형 발광 소자 구조는 절연체인 사파이어를 제거하고 p-형 GaN 반도체층(21) 위에 도체를 형성하였기 때문에, 열 배출이 용이하다는 특성을 가진다. 이는 특히, 고출력 발광 소자를 설계할 때, 유리한 측면으로 작용할 수 있다.

실제로, 사파이어 기판이 있는 통상적인 GaN 계열 청색 발광 소자의 경우 공급되는 전류 값이 수백 mA를 상위하게 되면, 오히려 출력이 감소하는 현상이 발생한다. 이는 사파이어 기판의 취약한 열 전도율로 인해 소자 내부의 온도가 상승하여 양자우물의 내부양자효율의 열화가 발생하기 때문으로 해석될 수 있다.

수직형 청색 발광 소자 구조는 전류의 흐름과 열 배출이 용이하다는 물리적 특성 이외에도 광 추출효율 향상과 관련하여 광학적으로도 주의 깊게 고려할만한 특징을 가지고 있다. 이를 정리하면 다음과 같다.

먼저, 수직형 발광 소자 구조의 상층부는 n-형 GaN 반도체층(23)이므로, p-형 GaN 반도체층(21) 보다 상대적으로 두꺼운 n-형 GaN 반도체층(23) 내에 광결정과 같은 광 추출 구조(60)를 도입할 수 있다는 장점이 있다. 일반적으로, 광 추출 구조(60)를 통한 추출효율 향상 효과는 추출효율이 포화되기 전까지는 식각 깊이에 비례하는 특성을 가지고 있다. 이하, 광 추출 구조(60)는 광결정을 포함한 모든 광 추출효율 향상을 위한 구조를 의미한다.

이러한 광 추출 구조(60)의 목적은 가능한 짧은 진행 거리 내에 빛을 반도체 외부로 추출하는 것이다. 소자 내에서 빛이 진행하는 거리가 증가할수록 그만큼 흡수 손실에 의해 빛의 일부가 사라지기 때문이다.

이는 곧 광 추출 구조(60)의 회절 효율과 밀접한 관련이 있다. 광결정과 같은 광 추출 구조(60)의 회절 효율은 구조적 인자에 의해 결정되며, 중요 인자로는 홀 또는 기둥과 같은 단위 패턴 사이의 간격인 주기(lattice constant), 단위 패턴 의 크기(직경), 단위 패턴의 깊이(etch depth) 또는 높이, 및 도 3a 내지 도 3c에서 도시하는 바와 같은 격자 문양 등이 있다. 도 3a에서는 사각 격자를 나타내고 있고, 도 3b와 도 3c에서는 각각, 삼각 격자와 아키미디안(Archimedean) 격자를 나타내고 있다.

즉, 각 구조 인자의 조건에 따라 광 추출 구조(60)에 의한 최종 효율이 결정된다. 한편, 광 추출 구조(60)의 인자에 따른 추출효율의 변화 양상을 정량적으로 분석하기 위해서는 전사모사의 도움이 필요하다.

광 추출 구조(60)는 발광 소자의 종류에 관계없이 적용가능하나, 논의의 편의성을 위해 수직형 GaN 계열 발광 소자 구조에 대해 설명하기로 한다. 전산 모사(3D-FDTD) 상에 입력된 구조의 형상은 도 4와 같다.

일반적인 발광 소자의 크기는 컴퓨터 메모리의 한계로 인해 계산 구조 내에 완전히 포함할 수 없다. 이 문제를 해결하기 위해 유한 크기(12mm)의 구조 양끝에 완전 거울을 설치한 구조를 입력하였다.

이러한 구조의 하단부에는 해석의 편의성을 위해 흡수율이 존재하는 실제 금속 거울 대신 100%의 반사율을 가지는 완전 거울(도시되지 않음)이 위치하는 경우를 적용하였다.

또한, 도 3에서와 같이, 발광 소자(100)의 발광층(양자우물 층; 22) 내부에는 흡수율(k = 0.045)을 부여하였다. 다만, 구조의 하단부에는 해석의 편의성을 위해 흡수율이 존재하는 실제 금속 거울 대신 역시 100%의 반사율을 가지는 완전 거울로 대체하였다.

한편, 양자우물층 내부에는 실제의 흡수율을 부여하여 빛의 진행 거리가 늘어날수록 그 세기가 약해지도록 하였다. 양자우물층(22) 내에는 무작위 방향을 가진 전기 쌍극자를 배치하여, 도 6과 같이, 실제와 유사한 구면파의 방사 패턴이 발생하도록 하였다. 방사 패턴을 자세히 보면, 각도에 따라 미세한 간섭 무늬가 관찰되나 근사적으로 구면파로 간주해도 무방하다.

광결정과 같은 광 추출 구조(60)의 주기에 대한 추출효율 변화를 살펴보면, 도 7에서와 같이, 최대 추출효율을 얻을 수 있는 주기(a)는 약 800nm 부근이며, 추출효율의 상대적 증대비는 약 2배 정도이다. 이때, 식각 깊이는 225nm, 광결정을 이루는 홀의 반지름은 250 nm이다(주기를 a라 할 때, 0.25a).

다음으로, 광 추출 구조(60)를 이루는 홀(61)의 크기에 따른 추출효율의 변화를 보면 도 8과 같다. 이때, 식각 깊이는 225nm로 고정하였으며, 주기는 800nm를 선택하였다. 결과를 살펴보면, 광 추출 구조(60)의 홀(61)의 크기가 0.35a일 때, 추출 효율은 최대가 되며, 상대적 증가분은 2.4배까지 커지는 것을 알 수 있다.

또한, 도 9에서와 같이, 광 추출 구조(광결정) 형성을 위한 식각 깊이를 순차적으로 변경하면서 이 식각 깊이에 따른 최적 주기를 조사하였고, 도시하는 바와 같이, 식각 깊이 또한 추출 효율의 중요 변수임을 쉽게 알 수 있다.

지금까지 계산에서 다룬 광 추출 구조의 형상은 주기성 있는 사각형 격자 구조(square lattice)를 이용하였다. 그러나, 빛이 광 추출 구조와의 회절 결합 과정을 통해 추출된다는 점을 상기하면, 도 10a 내지 도 10e에서 도시하는 바와 같은 광 추출 구조의 개별 홀(또는 기둥)들이 배치해 있는 격자 문양 또한 중요 변수가 된다.

도 10a와 도 10b는 각각 사각(square) 격자와 삼각(triangle) 격자 구조를 나타내고 있고, 도 10c는 아키미디언(Archimedean) 격자구조를 나타내고 있다. 또한, 도 10d는 홀(또는 기둥)들의 평균 거리가 일정한 슈도 랜덤(pseudo random) 구조이고, 도 10e는 랜덤 구조를 나타낸다. 이들은 모두 유한 공간 내에 동수의 복수 홀을 가진 광 추출 구조를 나타내고 있다.

또한, 도 11a와 도 11b는 각각 도 10a와 도 10d의 선에서 바라본 단면을 나타내고 있다.

도 12에서는 도 10a 내지 도 10e에 도시된 구조에 대한 광 추출 효율을 그래프로 나타내고 있다. 이러한 구조의 광 추출 구조를 이루는 개별 단위 구조(홀 또는 기둥)의 크기는 지름이 350 nm이고, 평균 거리는 700 nm이다. 이 평균 거리는 도 10a 및 도 10b와 같은 사각 격자 구조와 삼각 격자 구조에서는 주기에 해당한다.

종합하면, 광추출 구조를 이루는 여러 인자들은 추출효율과 밀접한 상관 관계에 있음을 알 수 있다.

상술한 사각 격자와 삼각 격자 구조는 가장 일반적인 사각, 삼각 격자 구조에 해당된다. 아키미디언(Archimedean) 구조는 형식상으로는 삼각 격자 구조를 채택하고 있으나, 13개의 홀들이 하나의 단위 세포를 이루어 12각 회전 대칭성의 성질을 가지는 구조이다.

한편, 슈도 랜덤(pseudo random) 구조와 랜덤(random) 구조는 주기성이 존재 하지 않으므로, 엄밀히 말해 광결정 구조라고 부를 수 없으나, 회절 원리를 이용해 빛의 추출 효율이 증가한다는 점에서는 광결정 구조와 동일하게 고려될 수 있다. 특히, 슈도 랜덤 구조를 생성하는 원리는 다음과 같다.

첫째, 사각 격자 또는 삼각 격자와 동일한 크기의 홀 또는 기둥과 같은 단위구조를 같은 크기의 유한 공간 내에 무작위적으로 위치시킨다.

둘째, 이때, 개별 단위 구조들이 서로 겹치지 않도록 한다.

셋째, 인접하는 각 개별 단위 구조의 중심 사이의 최소 거리(the nearest distance; D_n)를 설정할 수 있다. 즉, 개별 단위 구조들의 중심 사이의 거리는 D_n보다 더 작을 수 없다.

넷째, 위의 조건들에 의하면, 사각 격자나 삼각 격자에서 정의하는 주기는 슈도 랜덤 구조에서는 평균 최소 거리(the nearest distance in average)에 해당된다.

이때, 상기 단위 구조의 수는 사각 격자 또는 삼각 격자와 동수만큼 배열될 수도 있으나, 통상 삼각 격자의 60% 이상의 수의 단위 구조가 배열될 수 있다.

이와 비교하면, 위에서 언급한 랜덤 구조는 동일한 크기의 홀을 배열한다는 점은 같으나, 공간 상에서 상호 홀 사이의 공간적인 겹침을 허용한다는 점이 다르다.

이러한 단위 구조의 깊이 또는 높이는 50nm 내지 2000nm 이고, 해당 사각 격자 또는 삼각 격자의 주기는 0.6 내지 5 ㎛이며, 단위 구조의 반경은 상술한 주기 를 a라 할 때, 0.15a 내지 0.45a일 때 광 추출 효율의 향상을 가져올 수 있다.

각 격자 문양에 대해 추출효율을 조사한 결과를 살펴보면, 주기는 700 nm, 반지름은 0.25a, 깊이 또는 높이는 450 nm 일 때, 슈도 랜덤 구조가 가장 우수한 추출효율 효과를 나타냄을 알 수 있다.

요약하면, 본 발명에서 제안하는 슈도 랜덤 구조는 일반적인 광결정 구조와 같은 '주기'를 정의 내릴 수 없지만, 그 주기에 해당하는 평균 최소 거리(the nearest distance in average)를 정의 내릴 수 있다. 즉, 개별 구조와 가장 가까운 위치에 있는 개별 구조 사이의 평균 거리가 이에 해당한다.

이와 더불어 슈도 랜덤 구조는, 도 13a 내지 도 13c에서와 같이, 개별 구조들이 우연히 너무 가깝게 맞닿게 되는 것을 방지하기 위해 최소 거리(D_n)를 설정할 수 있다.

전산모사 결과에 의하면, 도 14에서와 같이, 이 최소 거리(D_n)의 값에 따라 추출효율이 변함을 알 수 있다. 실제 실험상으로 본 슈도 랜덤 구조를 구현할 때의 편의성을 위해서라도 최소 거리는 일정 값 이상으로 유지되는 것이 바람직하다.

도시하는 바와 같이, 이러한 인접 단위 구조 중심 사이의 최소 거리는 상기 인접 단위 구조들 중심 사이의 평균 거리를 a라 할 때, a/16 내지 a/2인 것이 유리하다.

이상 본 발명에서 제안하는 슈도 랜덤 구조의 광 추출효과에 있어서, 계산 결과에서 알 수 있듯이, 특정 구조적 조건에서 슈도 랜덤 구조는 다른 어떤 구조보 다 우수한 효과를 나타낸다. 또한, 구조의 크기가 변하더라도 주기성을 가지고 있는 광결정 구조와 유사하거나 그 이상의 광 추출 효율을 나타내므로 일반적인 광 추출 구조를 대체할 수 있다.

이러한 슈도 랜덤 구조는 광 추출 영역의 단면에 관한 사안이므로, 발광 소자의 종류에 관계없이 일반적으로 적용 가능함은 물론이다.

즉, 이상과 같은 슈도 랜덤 광 추출 구조(60)는 도 1과 같은 수평형 발광 소자 구조와 도 2와 같은 수직형 발광 소자 구조에 모두 적용할 수 있다. 또한, 수직형 발광 소자 구조는, 보다 상세하게, 도 15에서 도시하는 바와 같은 구조를 적용할 수 있다.

수직형 발광 소자 구조는 금속 또는 반도체로 형성되는 지지부(70) 상에 제1전극(51)과 제2전극(53)을 가지는 반도체층(20)이 위치하며, 제1전극(51)과 지지부(70) 상에는 반사전극 또는 지지부(70)와 제1전극(51)의 결합이 용이하도록 하는 결합금속(52)이 위치할 수 있다.

반도체층(20)은 p-형 반도체층(21) 상에 활성층(22)이 위치하고, 이러한 활성층(22) 상에는 n-형 반도체층(23)이 위치하고, 상술한 광 추출 구조(60)는 n-형 반도체층(23)에 형성될 수 있다.

또한, 이러한 광 추출 구조(60)는 n-형 반도체층(23) 상에 별도로 형성되는 광추출층(도시되지 않음) 상에 형성될 수도 있으며, 이러한 광추출층은 TiO₂, SiO₂와 같은 물질로 형성될 수 있다.

상술한 슈도 랜덤 회절 구조는 주기성 있는 광결정 구조와 비교하여 다음과 같은 특성을 나타낸다.

본 발명 내의 회절 구조는 수학적으로 주기성을 따르지 않으며, 단위 세포(unit cell)를 정의 내릴 수 없다. 따라서, 일반적으로 알려져 있는 삼각 격자 구조(triangular lattice), 사각 격자 구조 (square lattice), 아키미디언(Archimedean) 등의 주기성 있는 광결정 구조와 구별된다.

주기적인 질서는 존재하지 않지만, 개별 구조가 공간적으로 겹치지 않고 일정 거리 이상 분리되어 있다는 측면에서 완전 무작위적인 구조와도 구별된다.

이러한 슈도 랜덤 회절 구조는 수학적인 주기성(즉, 병진 대칭성)을 띄고 있지 않지만, 개별 구조의 크기 및 평균 거리를 조절함에 따라 주기성 있는 광결정 구조보다 우수한 광추출 효과를 나타낼 수 있다.

본 발명 내의 회절 구조는 주기성 및 회전 대칭성이 성립되지 않으므로, 전 방향에 걸쳐 균일한 세기를 요구하는 응용 분야에 적합할 수 있다.

다만, 본 발명 내의 회절 구조는 식각 깊이를 증가함에 따라 방향성을 가지는 발광 소자를 구현할 수 있다.

이러한 회절 구조는 포토 리소그래피(photolithography), 전자빔 리소그래피(electron-beam lithography), 나노 임프린트 리소그래피(nano-imprinted lithography), 홀로그래픽 리소그래피(holographic lithography) 등 일반적인 반도체 식각 장비를 이용하여 구현 가능하다.

본 발명 내의 회절 구조는 공간적으로 서로 겹치지 않을 뿐 아니라, 개별 구 조 사이의 최소 거리를 설정할 수 있다. 가령, 개별 구조의 반지름을 r이라고 하고, 최소 거리를 d로 설정했을 때, 각 개별 구조 내 중심 사이의 거리는 최소 2r+d 이상이 된다.

상술한 특성을 확대하여, 두 개 이상의 다른 크기를 가지는 개별 구조라고 하더라도 서로 공간적으로 겹치지 않고 각 개별 구조 사이의 최소 거리를 만족한다면, 본 발명의 슈도 랜덤(pseudo random) 회절 구조로 정의 내릴 수 있다.

본 발명 내의 회절 구조를 구성하고 있는 개별 구조인 홀(hole) 또는 기둥(rod)는 수직성을 가지는 원통형뿐만 아니라 다소의 기울기를 가지는 원추형을 포함한다. 따라서 공간적으로 겹치지 않는다는 의미는 2차원 단면뿐만 아니라 3차원 형상까지 확대될 수 있다.

상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 변형이 가능하고, 이러한 기술적 사상의 여러 실시 형태는 모두 본 발명의 보호범위에 속함은 당연하다.

도 1은 광결정 구조를 가지는 수평형 발광 소자의 일 실시예를 나타내는 단면도이다.

도 2는 광결정 구조를 가지는 수직형 발광 소자의 일 실시예를 나타내는 단면도이다.

도 3a 내지 도 3c는 광결정 패턴의 예를 나타내는 개략도이다.

도 4는 컴퓨터 전산모사를 위한 수직형 발광 소자 구조의 일례를 나타내는 단면도이다.

도 5는 도 4의 구조에서 발광층의 흡수율을 표시한 단면도이다.

도 6은 발광층이 거울로부터 충분히 먼 경우의 방사 패턴을 나타내는 도이다.

도 7은 광결정의 주기를 변경하면서 광 추출효율을 조사한 그래프이다.

도 8은 광결정의 홀의 크기에 따른 광 추출효율의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 9는 광결정의 식각 깊이에 따른 광 추출효율의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 10a 내지 도 10e는 유한 공간 내에 동수의 복수 홀을 가진 광 추출 구조의 형상을 나타내는 개략도이다.

도 11a 및 도 11b는 각각 도 10a와 도 10d의 선에서 바라본 단면도이다.

도 12는 도 10a 내지 도 10e에서 도시하는 각 형상에 대한 광 추출 효율을 나타내는 그래프이다.

도 13a 내지 도 13c는 최소 거리의 변화에 따른 광 추출 구조를 나타내는 개략도이다.

도 14는 최소 거리의 변화에 따른 광 추출 효율을 나타내는 그래프이다.

도 15는 본 발명의 광 추출 구조를 가지는 수직형 발광 소자의 일례를 나타내는 단면도이다.

Claims (11)

1. 다수의 반도체층으로 이루어지는 발광 소자에 있어서,

   발광 소자의 주 발광 면에 위치하며, 홀 또는 기둥 형상인 단위 구조들로 이루어지고, 상기 인접 단위 구조들 중심 사이의 평균 거리는, 동일 단위 구조를 가지는 격자의 주기에 해당하는 광 추출 구조를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
2. 제 1항에 있어서, 상기 홀 또는 기둥 형상의 각 단위 구조들은, 상기 주 발광 면상에서 서로 겹치지 않거나, 또는 상기 홀 또는 기둥 구조를 포함하는 공간 내에서 서로 겹치지 않는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
3. 제 1항에 있어서, 상기 단위 구조들 사이의 최소 거리는, 상기 인접 단위 구조들 중심 사이의 평균 거리를 a라 할 때, a/16 내지 a/2인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
4. 제 1항에 있어서, 상기 주 발광면에 위치하는 단위 구조의 수는,

   상기 주 발광면과 동일 크기의 면에 위치하고 동일 단위 구조를 가지는 삼각 격자인 경우의 60% 이상인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
5. 제 1항에 있어서, 상기 광 추출 구조는, 발광 소자 구조를 이루는 상기 반도체층의 외측 상부면에 형성된 것을 특징으로 하는 발광 소자.
6. 제 1항에 있어서, 상기 광 추출 구조는, 발광 소자 구조를 이루는 반도체층 상에 위치하는 광추출층에 형성된 것을 특징으로 하는 발광 소자.
7. 제 1항에 있어서, 상기 단위 구조의 반지름은, 상기 인접 단위 구조들 중심 사이의 평균 거리를 a라 할 때, 0.15a 내지 0.45a인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
8. 제 1항에 있어서, 상기 단위 구조의 반지름을 r이라고 하고, 상기 단위 구조들 사이의 최소 거리를 d라 할 때, 상기 단위 구조의 중심 사이의 거리의 최소값은 2r+d인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
9. 제 1항에 있어서, 상기 단위 구조의 형상은 원추형을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
10. 발광 소자에 있어서,

    다층 구조의 반도체층과;

    상기 반도체층의 외측 상부면에 위치하며, 홀 또는 기둥 형상인 단위 구조들로 이루어지고, 상기 반도체층의 외측 상부면에 위치하는 단위 구조의 수는 상기 반도체층의 외측 상부면과 동일 크기의 면에 위치하고 동일 단위 구조를 가지는 삼각 격자인 경우의 60% 이상이며, 상기 단위 구조들이 서로 겹치지 않게 무작위로 배열되는 광 추출 구조를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
11. 제 10항에 있어서, 상기 인접 단위 구조들 중심 사이의 평균 거리는, 상기 발광 면과 동일 크기의 발광 면에 위치하는 동일 단위 구조를 가지는 격자의 주기에 해당하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.

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