KR100976819B1 - 반도체 기판 및 이를 이용한 발광소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광소자의 외부광추출효율이 우수하도록 반도체 기판과 이 기판을 이용한 발광소자에 관한 것이다. 본 발명에 따른 발광소자는 상면에 복수의 렌즈가 형성되어 있는 기판과 기판 상에 순차적으로 적층되어 있는 버퍼층과 발광 구조물을 구비하는 발광소자에 이용되는 기판으로서, 렌즈는 뿔 형상으로 형성되며, 버퍼층이 기판의 상면과 렌즈의 옆면으로부터 함께 성장되도록, 렌즈가 형성되어 있다.

Description

반도체 기판 및 이를 이용한 발광소자{Semiconductor substrate and light emitting device using the same}
본 발명은 발광소자에 관한 것으로, 발광소자의 외부광추출효율이 우수하도록 제작된 기판과 이 기판을 이용한 발광소자에 관한 것이다.
발광다이오드(light emitting diode, LED) 시장은 핸드폰 등 휴대형 통신기기나 소형가전제품의 키패드, 액정 디스플레이(LCD)의 백라이트 유닛(back light unit) 등에 사용되는 저출력 LED를 기반으로 성장하였다. 최근에는 인테리어 조명, 외부 조명, 자동차 내외장, 대형 LCD의 백라이트 유닛 등에 사용되는 고출력, 고효율 광원의 필요성이 대두되면서, LED 시장 또한 고출력 제품 중심으로 옮겨 가고 있다.
LED에 있어서 가장 큰 문제점은 낮은 발광 효율이다. 일반적으로, 발광 효율은 빛의 생성 효율(내부양자효율)과, 소자 밖으로 방출되는 효율(외부광추출효율), 및 형광체에 의해 빛이 전환되는 효율에 의하여 결정된다. LED의 고출력화를 위해서는 내부양자효율의 측면에서 활성층 특성을 향상시키는 방법도 중요하지만, 실제 발생된 광의 외부광추출효율을 증가시키는 것이 매우 중요하다.
LED 외부로 빛이 방출되는 데 있어서의 가장 큰 장애요인은 LED 각 층간의 굴절률 차에 의한 내부 전반사(internal total reflection)이다. LED 각 층간의 굴절률 차에 의하여, 계면 밖으로 빠져나가는 빛은 생성된 빛의 일부인 20% 정도에 해당된다. 더구나, 계면을 빠져나가지 못한 빛은 LED 내부를 이동하다가 열로 바뀌어, 결과적으로 발광효율은 낮으면서 소자의 열 발생량을 늘려, LED의 수명을 단축시키게 된다.
외부광추출효율 향상을 위해서는 p-GaN 표면이나 n-GaN 표면의 거칠기를 증가시키는 방법, 소자의 기저 부분인 기판의 표면을 거칠게 하거나 굴곡이 있는 요철을 형성하는 방법 등이 제시되고 있다.
도 1은 종래의 GaN 발광다이오드의 단면도이고, 도 2는 기판의 사시도이다. GaN 발광다이오드(10)는 사파이어 기판(11)과 사파이어 기판(11) 상에 형성된 GaN 발광 구조물(15)을 포함한다.
GaN 발광 구조물(15)은 사파이어 기판(11) 상에 n형 GaN 클래드층(15a)과 다중양자우물(Multi-Quantum Well)구조의 활성층(15b)과 p형 GaN 클래드층(15c)이 순차적으로 적층된 형태의 구조를 갖는다. 이러한 GaN 발광 구조물(15)은 MOCVD 등의 공정을 이용하여 성장될 수 있다. 그리고 소정의 영역에 해당하는 p형 GaN 클래드층(15c)과 활성층(15b)을 건식에칭하여 n형 GaN 클래드층(15a) 상면 일부를 노출시키고, 그 노출된 n형 GaN 클래드층(15a)의 상면과 p형 클래드층(15c)의 상면에 각각 전압을 인가하기 위한 n형 접촉 전극(19)과 p형 접촉 전극(17)을 형성한다. 일반적으로 전류주입면적을 증가시키면서도 휘도에 악영향을 주지 않기 위해서, p형 클래드층(15c) 상면에는 p형 접촉 전극(17)을 형성하기 전에 투명 전극(16)을 형성한다.
그리고, 사파이어 기판(11)에는 외부광추출효율을 증가시키기 위해 렌즈(12)가 형성되어 있다. 이때, 종래의 GaN 발광다이오드(10)에 이용되는 렌즈(12)의 형상은 도 2에 도시된 바와 같이 반구형인 것이 대부분이었다. 외부광추출효율을 더욱 증가시키고, 발광 구조물(15)의 물성을 향상시키기 위해서는, 렌즈(12)의 형상과 밀도를 최적화하는 것이 필요하다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 외부광추출효율을 향상시키기 위해 렌즈의 밀도를 증가시키면서도, 물성이 우수한 발광 구조물이 성장될 수 있는 발광소자용 기판 및 이를 이용한 발광소자를 제공하는 데에 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 발광소자용 기판은 상면에 복수의 렌즈가 형성되어 있는 기판과 상기 기판 상에 순차적으로 적층되어 있는 버퍼층과 발광 구조물을 구비하는 발광소자에 이용되는 기판으로서, 상기 렌즈는 뿔 형상으로 형성되며, 상기 버퍼층이 상기 기판의 상면과 상기 렌즈의 옆면으로부터 함께 성장되도록, 상기 렌즈가 형성되어 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 발광소자는 상면에 복수의 렌즈가 형성되어 있는 기판; 상기 기판 상에 형성되어 있는 버퍼층; 및 상기 버퍼층 상에 형성되어 있는 발광 구조물;을 구비하며, 상기 렌즈는 뿔 형상으로 형성되며, 상기 버퍼층이 상기 기판의 상면과 상기 렌즈의 옆면으로부터 함께 성장되도록, 상기 렌즈가 형성되어 있다.
상기 기판의 상면으로부터 성장되는 버퍼층과 상기 렌즈의 옆면으로부터 성장되는 버퍼층이 동일한 결정 방위를 갖도록, 상기 렌즈가 형성되어 있을 수 있다.
상기 렌즈의 옆면과 밑면이 이루는 각도는 30°보다 크고 57.6°보다 작을 수 있고, 상기 렌즈의 높이는 1.6μm 이상이고, 상기 렌즈와 렌즈 사이의 거리는 1μm 이하일 수 있다.
상기 버퍼층은 AlN과 같은 질화물 반도체로 이루어질 수 있으며, 상기 버퍼층은 100nm 이상의 두께로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 기판을 이용하면, 렌즈의 밀도가 증가되더라도 우수한 물성을 갖는 질화물 반도체를 성장하는 것이 가능하므로, 외부광추출효율이 현저히 우수하면서 우수한 물성을 갖는 발광소자를 제조할 수 있다.
도 1은 종래의 GaN 발광다이오드의 단면도를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 나타낸 종래의 GaN 발광다이오드에 이용되는 기판의 사시도를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 발광소자용 기판에 대한 바람직한 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면으로, 도 3a는 사시도이고, 도 3b는 도 3a의 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 발광소자용 기판의 일 실시예를 나타낸 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 사진이다.
도 5는 기판 상에 형성되어 있는 렌즈의 형상에 따른 외부광추출효율을 나타낸 도면이다.
도 6은 기판 상에 형성되어 있는 렌즈의 밀도가 낮은 경우, 기판 상에 성장된 질화물 반도체층을 나타낸 SEM 사진이다.
도 7은 기판 상에 형성되어 있는 렌즈의 밀도가 높은 경우, 종래의 방법으로 기판 상에 성장된 질화물 반도체층을 나타낸 SEM 사진들로, 도 7a는 질화물 반도체층의 성장 초기의 표면을 나타낸 것이고, 도 7b는 질화물 반도체층의 성장이 완료된 후의 표면을 나타낸 것이다.
도 8은 사파이어 유닛 셀의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 사파이어의 R-평면
Figure 112010008943447-pat00001
상에 성장되는 질화갈륨의 결정 방위를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 발광소자용 기판에 형성되어 있는 렌즈의 밀도가 높은 경우, 기판 상에 성장된 질화물 반도체층의 일 실시예를 나타낸 SEM 사진들로, 도 10a는 질화물 반도체층의 성장 초기의 표면을 나타낸 것이고, 도 10b는 질화물 반도체층의 성장 중기의 표면을 나타낸 것이며, 도 10c는 질화물 반도체층의 성장이 완료된 후의 표면을 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명에 따른 발광소자에 대한 바람직한 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 반도체 기판 및 이를 이용한 발광소자의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 발광소자용 기판에 대한 바람직한 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면으로, 도 3a는 사시도이고, 도 3b는 도 3a의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 발광소자용 기판(300)은 기저 기판(310)과 복수의 렌즈(320)를 구비한다. 그리고 이 발광소자용 기판(300)은 상부에 버퍼층과 발광 구조물을 순차적으로 적층시켜 발광소자로 이용할 수 있다.
기저 기판(310)의 종류는 특별히 한정되지 않으나, 사파이어 기판이 이용될 수 있다. 특히, GaN계 화합물 반도체를 이용하여 발광소자를 제조하고 할 경우, 사파이어 기판이 이용될 수 있다.
복수의 렌즈(320)는 기저 기판(310)의 상면에 형성된다. 각각의 렌즈(320)는 서로 이격되어 있는 독립적인 형태로, 뿔 형상으로 형성된다. 복수의 렌즈(320)는 기저 기판(310)을 식각하여 기저 기판(310)과 일체로 형성할 수도 있고, 별도의 물질로 이루어질 수도 있다. 사파이어 기판(310)을 식각하여, 상면에 원뿔 형상의 렌즈(320)가 형성된 기판의 주사전자현미경(scanning electron microscope, SEM) 사진을 도 4에 나타내었다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 사파이어 기판(310)을 식각하면 원뿔 형상의 복수의 렌즈(320)를 균일한 밀도와 크기를 갖도록 형성할 수 있다.
복수의 렌즈(320)의 높이(h)는 1.6μm 이상일 수 있다. 렌즈의 높이와 렌즈의 형상에 따른 외부광추출효율을 도 5에 나타내었다.
도 5에서 원뿔형은 렌즈의 형상이 원뿔 형태인 것을 의미하고, 반구형은 렌즈의 형상이 반구형인 것을 의미한다. 그리고 원통형은 렌즈의 형상이 상면과 밑면이 평평한 원통형이되, 상면의 넓이가 작고 밑면의 넓이가 큰 형상을 의미한다. 여기서, 모든 경우 렌즈의 밑면과 평행한 단면의 형상은 원형이다.
도 5를 살펴보면, 렌즈의 형상이 반구형인 경우(-●-)에는 렌즈의 높이가 1μm 정도가 될 때까지는 렌즈의 높이에 따라 외부광추출효율이 증가하나 렌즈의 높이가 1μm 이상에서는 외부광추출효율이 큰 변화를 보이지 않는다. 그리고 렌즈의 형상이 원통형인 경우(-■-)에는 렌즈의 높이에 따라 외부광추출효율이 큰 변화를 보이지 않는다. 이에 반해, 렌즈의 형상이 원뿔형인 경우(-▲-)에는 렌즈의 높이가 증가할수록 외부광추출효율이 증가한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 렌즈의 높이가 대략 1.6μm 이상인 경우에는 렌즈의 형상이 원뿔형인 경우(-▲-)가 다른 경우(-●-, -■-)에 비해 외부광추출효율이 가장 크게 된다. 따라서 렌즈의 형상이 원뿔형인 경우에는 렌즈의 높이가 1.6μm 이상이 되도록 하면 외부광추출효율을 가장 크게 할 수 있다. 이때의 외부광추출효율은 60% 이상이 된다.
이와 같이 렌즈의 형상이 상측에 꼭지점이 있는 뿔 형상이 되도록, 렌즈(320)를 형성하면, 렌즈(320)의 높이(h)를 높게 하여 외부광추출효율을 증가시킬 수 있으며, 뿔 형상의 렌즈는 높이(h)가 높은 렌즈(320)를 제작하는 것이 공정상 용이하다. 또한, 기판(300) 상에 질화물 반도체를 에피(epi) 성장시킬 때, 성장된 질화물 반도체층의 표면을 용이하게 평탄화시킬 수 있다.
렌즈(320)의 높이와 형상 외에 외부광추출효율에 영향일 미치는 것은 렌즈(320)의 밀도이다. 렌즈(320)가 조밀하게 형성될수록 외부광추출효율은 증가하게 된다. 본 실시예에서는 외부광추출효율을 증가시키기 위해, 각각의 렌즈(320)와 렌즈(320) 사이의 간격(d)이 1μm 이하가 되도록 렌즈(320)를 조밀하게 형성할 수 있다. 그러나 렌즈(320)가 조밀하게 형성되면, 기판(300) 상에 질화물 반도체층이 잘 성장하기 어렵게 된다. 이를 도 6과 도 7에 나타내었다.
도 6은 기판 상에 형성되어 있는 렌즈의 밀도가 낮은 경우, 기판 상에 성장된 질화물 반도체층을 나타낸 SEM 사진이다. 그리고 도 7은 기판 상에 형성되어 있는 렌즈의 밀도가 높은 경우, 종래의 방법으로 기판 상에 성장된 질화물 반도체층을 나타낸 SEM 사진들로, 도 7a는 질화물 반도체층의 성장 초기의 표면을 나타낸 것이고, 도 7b는 질화물 반도체층의 성장이 완료된 후의 표면을 나타낸 것이다. 즉, 도 6은 렌즈(320a)와 렌즈(320a) 사이의 간격이 1μm 이상인 경우이고, 도 7은 렌즈(320b)와 렌즈(320b) 사이의 간격이 1μm 보다 작은 경우이다.
도 6을 살펴보면, 렌즈(320a)의 밀도가 낮은 경우에는 기판 상에 성장된 질화물 반도체층(330a)이 평탄하게 잘 성장됨을 알 수 있다. 이에 반해, 도 7을 살펴보면, 렌즈(320b)의 밀도가 높은 경우에는 기판 상에 성장된 질화물 반도체층(330b)이 평탄하게 성장되지 못하고, 특히, 도 7b에 도시된 바와 같이, 질화물 반도체층(330b)의 성장이 완료된 후에도 질화물 반도체층(330b)이 모두 연결되지 않은 부분(350)이 발생한다.
종래의 렌즈가 형성되어 있는 기판을 이용하여 질화물 반도체층을 성장시키면, 기판의 상면이 노출된 부분을 통해 질화물 반도체층이 성장하고, 렌즈의 옆면을 통해서는 질화물 반도체층이 성장하지 않는다. 따라서 렌즈의 밀도가 낮은 경우에는 기판의 상면이 노출된 부분이 많으므로, 도 6에 도시된 바와 같이 물이 차오르는 형태로 질화물 반도체층(330a)이 성장하여 렌즈(320a)를 덮게 된다. 이에 반해, 렌즈(320b)의 밀도가 높은 경우에는 기판의 상면이 노출된 부분이 좁아, 렌즈(320b)가 질화물 반도체층(330b)의 성장을 방해하게 된다. 즉, 기판의 상면이 노출된 부분이 좁아, 성장 초기(도 7a)에 좁은 영역에서 질화물 반도체층(330b)이 에피 성장하게 되고, 각각의 성장하는 질화물 반도체가 렌즈(320b) 때문에 서로 합쳐지지(merge) 못하게 된다. 그리고 질화물 반도체층(330b)이 계속 성장하더라도 질화물 반도체층(330b)이 평탄화되지 못하고, 도 7b에 도시된 바와 같이, 질화물 반도체층(330b)이 모두 연결되지 않은 부분(350)이 발생하게 된다.
결국, 종래에는 외부광추출효율을 향상시키기 위해 렌즈의 밀도를 높이게 되면, 기판 상에 성장되는 질화물 반도체층의 물성이 나쁘게 되어, 발광소자 전체에 악영향을 미치게 된다. 외부광추출효율도 향상시키면서 기판 상에 성장되는 질화물 반도체층의 물성도 우수하게 하기 위해서는, 질화물 반도체층이 기판의 상면과 렌즈의 옆면로부터 함께 성장되어야 한다. 따라서 본 실시예에서는 기저 기판(310)의 상면과 렌즈(320)의 옆면으로부터 질화물 반도체로 이루어진 버퍼층이 함께 성장하도록, 렌즈(320)가 형성된다. 즉, 기저 기판(310)의 상면과 렌즈(320)의 옆면에서 함께 버퍼층이 성장하면, 렌즈(320)의 밀도가 증가하여 기저기판(310)의 상면이 노출된 부분이 좁아지더라도 버퍼층이 평탄하게 형성된다. 그리고 기저 기판(310)의 상면으로부터 성장되는 버퍼층과 렌즈(320)의 옆면으로부터 성장되는 버퍼층이 동일한 결정 방위를 가지면, 버퍼층 성장 후기에 각각 성장된 버퍼층이 잘 합쳐지게(merge) 되어, 성장된 버퍼층이 평탄하게 된다. 따라서 기저 기판(310)의 상면으로부터 성장되는 버퍼층과 렌즈(320)의 옆면으로부터 성장되는 버퍼층이 동일한 결정 방위를 갖도록 렌즈(320)가 형성됨이 바람직하다. 이를 위해, 렌즈(320)의 옆면의 결정 방위가 중요하게 되는데, 렌즈(320)의 옆면과 밑면이 이루는 각도(도 3b의 θ)는 30°보다 크고 57.6°보다 작게 되도록 렌즈(320)가 형성될 수 있다. 이를 도 8 및 도 9와 함께 설명한다. 여기서는 사파이어 기판 상에 질화갈륨 버퍼층이 형성되는 경우를 예로 들어 설명한다.
도 8은 사파이어 유닛 셀의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 9는 사파이어의 R-평면
Figure 112010008943447-pat00002
상에 성장되는 질화갈륨의 결정 방위를 나타낸 도면이다.
도 8에 나타낸 바와 같이, 사파이어의 안정된 로우 인덱스 평면(low index plane)은 c축 방향을 갖는 C-평면(0001)과, C-평면과 57.6° 기울어져 있는 R-평면
Figure 112010008943447-pat00003
과, C-평면과 90° 기울어져 있는 M-평면
Figure 112010008943447-pat00004
과, A-평면
Figure 112010008943447-pat00005
이 있다. 이때, 사파이어 기판의 C-평면(0001) 상에는 (0001)면의 질화갈륨이 성장한다. 그러나 사파이어 R-평면
Figure 112010008943447-pat00006
, M-평면
Figure 112010008943447-pat00007
및 A-평면
Figure 112010008943447-pat00008
상에는 각 평면의 결정 방위와 서로 다른 질화갈륨이 성장한다.
도 9에 나타낸 바와 같이, 사파이어 기판(610)의 R-평면
Figure 112010008943447-pat00009
상에는
Figure 112010008943447-pat00010
면의 질화갈륨(620)이 성장하게 된다. 그리고 도시하지는 않았지만, 사파이어 기판의 M-평면
Figure 112010008943447-pat00011
과 A-평면
Figure 112010008943447-pat00012
상에는
Figure 112010008943447-pat00013
면의 질화갈륨이 성장한다. 따라서 상술한 바와 같이, 기저 기판(310)이 사파이어 C-평면(0001)일 때, 렌즈(320)의 옆면이 사파이어 R-평면
Figure 112010008943447-pat00014
, M-평면
Figure 112010008943447-pat00015
및 A-평면
Figure 112010008943447-pat00016
이면, 기저 기판(310)의 상면에서 성장되는 질화갈륨과 렌즈(320)의 옆면에서 성장되는 질화갈륨이 전혀 다른 결정 방위를 갖게 된다.
이와 같이 기저 기판(310)의 상면에서 성장되는 질화갈륨과 렌즈(320)의 옆면에서 성장되는 질화갈륨이 전혀 다른 결정 방위를 갖게 되면, 성장 후기에 각각의 질화갈륨이 서로 합쳐지지 않고, 성장이 멈추게 되는 경우가 발생할 수 있다. 즉, 렌즈(320)의 옆면과 밑면이 이루는 각도(도 3b의 θ)가 57.6°이거나, 90°와 부근이면, 질화갈륨 버퍼층의 성장이 제한된다. 따라서 버퍼층의 성장이 용이하고, 성장 후 평탄화된 버퍼층을 얻기 위해서는 렌즈(320)의 옆면과 밑면이 이루는 각도(θ)가 57.6°이거나, 90°와 부근이 되지 않도록 한다. 그리고 렌즈(320)의 옆면과 밑면이 이루는 각도(θ)가 60°보다 크거나 30°보다 작으면, 외부광추출효율 향상 효과가 크지 않게 된다. 그리고 렌즈(320)의 옆면과 밑면이 이루는 각도(θ)가 60°이상인 렌즈(320)를 제조하는 것은 공정상 어려움이 많다. 따라서 렌즈(320)의 옆면과 밑면이 이루는 각도(θ)는 30°보다 크고 57.6°보다 작게 되도록 렌즈(320)가 형성되는 것이 바람직하다. 렌즈의 옆면과 밑면이 이루는 각도(θ)가 30°보다 크고 57.6°보다 작고, 렌즈와 렌즈 사이의 거리가 1μm 이하인 경우, 기판 상에 성장된 질화물 반도체층을 도 10에 나타내었다.
도 10은 본 발명에 따른 발광소자용 기판에 형성되어 있는 렌즈의 밀도가 높은 경우, 기판 상에 성장된 질화물 반도체층의 일 실시예를 나타낸 SEM 사진들로, 도 10a는 질화물 반도체층의 성장 초기의 표면을 나타낸 것이고, 도 10b는 질화물 반도체층의 성장 중기의 표면을 나타낸 것이며, 도 10c는 질화물 반도체층의 성장이 완료된 후의 표면을 나타낸 것이다.
도 10을 살펴보면, 렌즈(320c)와 렌즈(320c)의 거리가 1μm 이하로 렌즈의 밀도가 높음에도 도 7에 도시한 바와는 다르게 기판 상에 질화물 반도체층(330c)가 평탄하게 잘 성장됨을 알 수 있다. 이는 질화물 반도체층(330c) 성장 초기(도 10a)에 기판 표면 뿐만 아니라, 렌즈(320c)의 옆면에서도 질화물 반도체층(330c)이 함께 성장하기 때문이다. 그리고 기판 표면에서 성장된 질화물 반도체층(330c)과 렌즈의 옆면에서 성장된 질화물 반도체층(330c)이 비슷한 결정 방위를 가져 서로 잘 합쳐지므로, 도 10c에 도시된 바와 같이 표면이 평탄화된 질화물 반도체층(330c)을 얻을 수 있게 된다.
이상에서는 발광소자에 이용될 때, 외부광추출효율이 우수하면서도 질화물 반도체층이 평탄하게 성장될 수 있는 기판에 대해 설명하였다. 이하에서는 상술한 기판을 이용하는 발광소자에 대해 살펴본다.
도 11은 본 발명에 따른 발광소자에 대한 바람직한 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 실시예의 발광소자(900)는 기저 기판(910), 복수의 렌즈(920), 버퍼층(930), 발광 구조물(940), 투명 전극(950), p형 접촉 전극(960) 및 n형 접촉 전극(970)을 구비한다.
기저 기판(910)의 종류는 특별히 한정되지 않으나, 사파이어 기판이 이용될 수 있다. 특히, GaN계 화합물 반도체를 이용하여 발광소자를 제조하고 할 경우, 사파이어 기판이 이용될 수 있다.
복수의 렌즈(920)는 기저 기판(910)의 상면에 형성된다. 각각의 렌즈(920)는 서로 이격되어 있는 독립적인 형태로, 뿔 형상으로 형성되어, 외부광추출효율을 향상시킨다. 복수의 렌즈(920)는 기저 기판(910)을 식각하여 기저 기판(910)과 일체로 형성할 수도 있고, 별도의 물질로 이루어질 수도 있다. 상술한 바와 같이, 복수의 렌즈(920)의 높이는 1.6μm 이상이 되도록 하고, 렌즈(920)와 렌즈(920) 사이의 간격은 1μm 이하가 되도록, 렌즈(920)를 형성하여 외부광추출효율을 향상시킬 수 있다. 그리고 기저 기판(910) 상에 형성되는 버퍼층(930)이 렌즈(920)의 밀도가 높은 경우에도 평탄하게 형성되도록, 렌즈(920)가 형성된다. 이를 위해, 기저 기판(910)의 상면과 렌즈(920)의 옆면으로부터 버퍼층(930)이 함께 성장하도록, 렌즈(920)가 형성된다. 그리고 기저 기판(910)의 상면으로부터 성장되는 버퍼층(930)과 렌즈(920)의 옆면으로부터 성장되는 버퍼층(930)이 동일한 결정 방위를 가지면, 버퍼층(930) 성장 후기에 각각 성장된 버퍼층(930)이 잘 합쳐지게(merge) 되어, 성장된 버퍼층(930)이 평탄하게 된다. 따라서 기저 기판(910)의 상면으로부터 성장되는 버퍼층(930)과 렌즈(920)의 옆면으로부터 성장되는 버퍼층(930)이 동일한 결정 방위를 갖도록 렌즈(920)가 형성됨이 바람직하다. 이를 위해, 렌즈(920)의 옆면과 밑면이 이루는 각도는 30°보다 크고 57.6°보다 작게 되도록 렌즈(920)가 형성될 수 있다.
버퍼층(930)은 기저 기판(910) 상에 형성되며, 렌즈(920)의 일부 또는 전부가 덮이도록 형성된다. 버퍼층(930)은 발광 구조물(940)의 기저 기판(910)과의 격자 부정합(lattice mismatch)을 감소시키기 위해 형성되는 것으로, 질화물 반도체로 이루어질 수 있다. 버퍼층(930)을 이루는 질화물 반도체는 질화알루미늄(AlN)일 수 있다. 그리고 버퍼층(930)은 100 nm 이상의 두꺼운 두께로 형성될 수 있다.
발광 구조물(940)은 버퍼층(930) 상에 형성되며, 전기적 신호를 광신호로 전환하는 것으로서, 화합물 반도체로 이루어질 수 있다. 본 실시예서의 발광 구조물(940)은 n형 화합물 반도체층(941), 활성층(942) 및 p형 화합물 반도체층(943)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다.
n형 화합물 반도체층(941)은 버퍼층(930) 상에 형성되며, InxAlyGa1 -x- yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1) 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루질 수 있다. 일반적으로 n형 화합물 반도체층(941)은 수 μm 정도의 n형 도펀트가 도핑된 GaN 또는 GaN/AlGaN으로 이루어진다. 이때 n형 도펀트는 주로 4족 원소가 사용되며, 실리콘(Si)이 사용될 수 있다. n형 화합물 반도체층(941)은 p형 화합물 반도체층(943)과 p-n 결합을 형성하며, 전자를 활성층(942)에 공급하는 역할을 한다.
활성층(942)은 n형 화합물 반도체층(941) 상에 형성되며, 광이 생성 및 방출되는 층으로, InxAlyGa1 -x- yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1) 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루질 수 있다. 활성층(942)은 n형 반도체층(941)으로부터 주입된 전자와 p형 화합물 반도체층(943)으로부터 주입된 정공이 결합되어 전기적 에너지를 빛 에너지로 전환시켜 외부로 광을 방출하는 역할을 한다. 이를 위해, 활성층(942)은 양자 우물층과 배리어층이 교번적으로 적층된 양자우물(quantum well) 구조로 형성될 수 있다. 양자 우물층에 전하들이 모이는 감금(confinement) 효율을 증대시키기 위하여, 활성층(942)은 복수의 배리어층과 복수의 양자 우물층이 교번적으로 적층되어 있는 다중양자우물(Multi Quantum Well, MQW) 구조를 가질 수 있다. 이때 양자 우물층은 InGaN과 같이 상대적으로 에너지 밴드갭이 작은 물질로 이루어지며, 배리어층은 GaN과 같이 상대적으로 에너지 밴드갭이 큰 물질로 이루어질 수 있다. 활성층(942)으로부터 방출되는 광의 파장은 In의 조성에 따라 결정된다.
p형 화합물 반도체층(943)은 활성층(942) 상에 형성되며, InxAlyGa1 -x- yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1) 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루질 수 있다. 일반적으로 p형 화합물 반도체층(943)은 수천 Å 정도의 p형 도펀트가 도핑된 GaN 또는 GaN/AlGaN으로 이루어진다. 이때 p형 도펀트는 주로 2족 원소가 사용되며, 마그네슘(Mg)이 사용될 수 있다. p형 화합물 반도체층(943)은 n형 화합물 반도체층(941)과 p-n 결합(junction)을 형성하며, 정공을 활성층(942)에 공급한다.
발광 구조물(940)의 상면에는 투명 전극(950)과 p형 접촉 전극(960)이 순차적으로 형성된다. 투명 전극(950)은 전류주입면적을 증가시키면서도 휘도에 악영향을 주지 않기 위해서, 발광 구조물(940)과 p형 접촉 전극(960) 사이에 형성된다. 투명 전극(950)은 ITO(indium-tin oxide)와 같은 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide, TCO)로 이루어질 수 있다. 발광 구조물(940)에서 생성된 빛이 투명 전극(950)에서 흡수될 수 있는데, 투명 전극(950)의 두께가 두꺼우면, 투명 전극(950)에서 많은 양의 빛을 흡수하게 되어, 외부광추출효율이 저하된다. 따라서 투명 전극(950)은 p형 접촉 전극(950)과 발광 구조물을 오믹 접합시키면서, 전류 주입면적을 증가시키는 효과를 나타내면서, 외부광추출효율이 저하되지 않는 80nm 이하의 두께로 형성됨이 바람직하다.
그리고 n형 화합물 반도체층(941)의 일부 영역에는 n형 접촉 전극(970)이 형성된다. p형 접촉 전극(960)과 n형 접촉 전극(970)은 Ti, Cr, Al, Pd, V, W 및 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
이상에서, 발광 구조물(940)이 InxAlyGa1 -x- yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어진 GaN계 발광소자에 대해 설명하였지만, 다른 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 물질로 이루어진 경우에도 본 발명이 적용될 수 있다. 예컨대, 발광 구조물(940)은 AlxGayIn1 -x- yP(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 또 다른 실시 형태로서, 발광 구조물(940)은 AlxGa1 - xAs(0≤x≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 그리고 발광 구조물(940) 외에 빛을 생성할 수 있는 다른 적층 구조물을 이용할 수도 있다. 어떤 실시형태이든지 기저 기판(910) 상에 상술한 형태의 렌즈(920)가 복수 개 형성되면, 외부광추출효율이 69 % 이상으로 향상되고 물성이 우수한 버퍼층을 형성할 수 있어 전체 발광소자의 성능이 우수하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (15)

  1. 삭제
  2. 상면에 복수의 렌즈가 형성되어 있는 기판과 상기 기판 상에 순차적으로 적층되어 있는 버퍼층과 발광 구조물을 구비하는 발광소자에 이용되는 기판으로서,
    상기 렌즈는 뿔 형상으로 형성되며,
    상기 버퍼층이 상기 기판의 상면과 상기 렌즈의 옆면으로부터 함께 성장되도록 하기 위하여,
    상기 기판의 상면으로부터 성장되는 버퍼층과 상기 렌즈의 옆면으로부터 성장되는 버퍼층이 동일한 결정 방위를 갖도록, 상기 렌즈가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 발광소자용 기판.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 렌즈의 옆면과 밑면이 이루는 각도는 30°보다 크고 57.6°보다 작은 것을 특징으로 하는 발광소자용 기판.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 렌즈의 높이는 1.6μm 이상이고, 상기 렌즈와 렌즈 사이의 거리는 1μm 이하인 것을 특징으로 하는 발광소자용 기판.
  5. 삭제
  6. 상면에 복수의 렌즈가 형성되어 있는 기판;
    상기 기판 상에 형성되어 있는 버퍼층; 및
    상기 버퍼층 상에 형성되어 있는 발광 구조물;을 포함하며,
    상기 렌즈는 뿔 형상으로 형성되며,
    상기 버퍼층이 상기 기판의 상면과 상기 렌즈의 옆면으로부터 함께 성장되도록 하기 위하여,
    상기 기판의 상면으로부터 성장되는 버퍼층과 상기 렌즈의 옆면으로부터 성장되는 버퍼층이 동일한 결정 방위를 갖도록, 상기 렌즈가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 발광소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 렌즈의 옆면과 밑면이 이루는 각도는 30°보다 크고 57.6°보다 작은 것을 특징으로 하는 발광소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 렌즈의 높이는 1.6μm 이상이고, 상기 렌즈와 렌즈 사이의 거리는 1μm 이하인 것을 특징으로 하는 발광소자.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 버퍼층은 질화물 반도체로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 질화물 반도체는 AlN인 것을 특징으로 하는 발광소자.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 버퍼층은 100nm 이상의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 발광소자.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 발광구조물 상에, 투명 전극과 접촉 전극이 순차적으로 적층 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 발광소자.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 투명 전극은 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide, TCO)로 이루어진 것을 특징으로 하는 발광소자.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전도성 산화물은 ITO(indium tin oxide)인 것을 특징으로 하는 발광소자.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 투명 전극은 80nm 이하의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 발광소자.
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