KR100998013B1 - 반도체 발광소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시 형태는 상면에 볼록부와 오목부를 구비하는 요철 구조가 형성된 기판과, 상기 오목부의 저면에 형성된 광 반사층과, 상기 기판 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 구비하는 발광구조물 및 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층과 각각 전기적으로 연결된 제1 및 제2 전극을 포함하는 반도체 발광소자를 제공한다.
본 발명에 따르면, 투광성 기판의 요철 구조에 반사층을 형성함으로써 내부에서의 광 손실을 최소화할 수 있는 반도체 발광소자를 얻을 수도 있다.
반도체 발광소자, LED, 요철, 반사층

Description

반도체 발광소자 {Semiconductor light emitting device}
본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 내부에서의 광 손실을 최소화할 수 있는 반도체 발광소자에 관한 것이다.
반도체 발광소자는 전류가 가해지면 p,n형 반도체의 접합 부분에서 전자와 정공의 재결합에 기하여, 다양한 색상의 빛을 발생시킬 수 있는 반도체 장치이다. 이러한 반도체 발광소자는 필라멘트에 기초한 발광소자에 비해 긴 수명, 낮은 전원, 우수한 초기 구동 특성, 높은 진동 저항 등의 여러 장점을 갖기 때문에 그 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 특히, 최근에는, 청색 계열의 단파장 영역의 빛을 발광할 수 있는 III족 질화물 반도체가 각광을 받고 있다.
도 1은 일반적인 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 반도체 발광소자(100)는 반도체 성장용 기판(101)과 그 위에 순차적으로 성장된 n형 반도체층(102), 활성층(103) 및 p형 반도체층(104)을 구비하며, 상기 n형 반도체층(102)의 메사 식각된 영역에는 n형 전극(105)이, 상기 p형 반도체층(104) 상에는 p형 전극(106)이 형성된다. 상기 반도체 발광소자(100)의 경우, 활성층(103)에서 방출된 광은 모두 외부로 방출될 수 있는 것이 아니며, 내부에서 전반사되어 발광소자 내부에 갇히는 광이 발생할 수 있다. 또한, 광이 상기 발광소자(100) 내부에서 긴 거리를 진행할 경우에는 상기 기판(101) 등에 흡수되어 소멸 될 수 있다. 당 기술 분야에서는 이러한 내부 전반사나 광의 소멸 가능성을 줄여 발광효율을 향상시킬 수 있는 방안이 요구되는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 목적은 투광성 기판의 요철 구조에 반사층을 형성함으로써 내부에서의 광 손실을 최소화할 수 있는 반도체 발광소자를 제공하는 데에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 실시 형태는,
상면에 볼록부와 오목부를 구비하는 요철 구조가 형성된 기판과, 상기 오목부의 저면에 형성된 광 반사층과, 상기 기판 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 구비하는 발광구조물 및 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층과 각각 전기적으로 연결된 제1 및 제2 전극을 포함하는 반도체 발광소자를 제공한다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 상기 요철 구조의 볼록부는 상기 발광구조물의 적층 방향으로 자른 단면 형상이 사각형 또는 반원형일 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 상기 광 반사층은 상기 요철 구조의 볼록부 상면에도 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 상기 광 반사층은 Al, Ag, Pt 및 ZrB2로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나의 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 상기 광 반사층은 DBR 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 상기 광 반사층은 상기 활성층에서 방출된 광에 대하여 50% 이상의 반사도를 가질 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 상기 기판은 Al2O3, SiC, Si, GaN 및 AlN으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나의 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 상기 제1 도전형 반도체층은 n형 반도체층이며, 상기 제2 도전형 반도체층은 p형 반도체층일 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 상기 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층은 질화물 반도체로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 투광성 기판의 요철 구조에 반사층을 형성함으로써 내부에서의 광 손실을 최소화할 수 있는 반도체 발광소자를 얻을 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 다만, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다. 도 2를 참조하면, 본 실시 형태에 따른 반도체 발광소자(200)는 기판(201)과 상기 기판(201) 상에 순차적으로 형성된 n형 반도체층(202), 활성층(203) 및 p형 반도체층(204)으로 이루어진 발광구조물을 구비하며, n형 및 p형 전극(205, 206)은 각각 상기 n형 반도체층(202) 및 p형 반도체층(203)과 각각 전기적으로 연결되도록 형성된다.
상기 기판(201)은 반도체층의 성장을 위해 제공되는 것으로서 사파이어 기판을 사용할 수 있다. 사파이어 기판은 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 및 a측 방향의 격자상수가 각각 13.001Å과 4.758Å이며, C(0001)면, A(1120)면, R(1102)면 등을 갖는다. 이 경우, 상기 C면은 비교적 질화물 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 질화물 성장용 기판으로 주로 사용된다. 다만, 사파이어 대신 SiC, Si, GaN, AlN 등으로 이루어진 기판도 사용 가능하다.
상기 기판(201)의 상면에는 오목부와 볼록부를 구비하는 요철 구조가 형성되 며, 이는 상기 활성층(203)에서 방출된 광이 상기 기판(201)과 n형 반도체층(202)과의 계면에서 반사되어 측 방향으로 진행하는 동안 소멸 되는 것을 줄이기 위한 것으로서, 상기 광을 측 방향이 아닌 종 방향, 즉, 상기 발광소자(200)의 두께 방향으로 유도하여 외부로 방출될 수 있도록 할 수 있다. 한편, 상기 기판(201) 상면의 요철 구조는 반도체층의 성장 전에 ICP 등과 같은 적절한 식각 공정으로 얻어질 수 있다. 또한, 상기 기판(201) 상면의 요철 구조는 도 2에 도시된 바와 같이, 그 단면이 사다리꼴을 갖도록 형성될 수 있으며, 다만, 이에 제한되지 않고 일반적인 사각형 형상을 가질 수도 있다.
상기 n형 반도체층(202) 및 p형 반도체층(204)은 대표적으로 질화물 반도체로 이루어질 수 있다. 즉, 상기 n형 반도체층(202) 및 p형 반도체층(204)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖고, 각각 n형 불순물 및 p형 불순물이 도핑된 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 대표적으로, GaN, AlGaN, InGaN이 있다. 또한, 상기 n형 불순물로 Si, Ge, Se, Te 등이 사용될 수 있으며, 상기 p형 불순물로는 Mg, Zn, Be 등이 대표적이다. 상기 활성층(203)은 전자와 정공이 재결합함으로써 그 밴드갭 에너지 크기만큼의 광을 방출하는 발광층으로 기능 하며, 복수의 양자장벽층 및 양자우물층이 서로 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다.
상기 n형 및 p형 전극(205, 206)은 소자의 전기적 연결을 위한 것으로서, 상기 n형 전극(205)은 상기 n형 반도체층(202)이 일부 식각 된 영역에 형성되며, 상기 p형 전극(206)은 상기 p형 반도체층(204) 상에 형성될 수 있다. 상기 n형 및 p형 전극(205, 206)은 일반적으로 Au 또는 Au를 함유한 합금으로 이루어질 수 있으며, 통상적인 금속층 성장방법인 증착법 또는 스퍼터링(sputtering) 공정에 의해 형성될 수 있다.
한편, 본 실시 형태에서는 질화물 반도체 성장용 기판(201)이 포함된 수평 구조의 반도체 발광소자를 기준으로 설명하였으나, 본 발명은 상기 기판(201)이 제거되어 전극이 질화물 반도체층의 적층 방향으로 서로 마주보도록 배치된 수직구조 반도체 발광소자에도 적용될 수 있을 것이다.
본 실시 형태의 경우, 상기 기판(201)의 오목부의 저면에는 반사층(207)이 형성된다. 상기 반사층(207)은 상기 활성층(203)에서 방출된 광을 반사시키도록 상기 광에 대해 50% 이상의 반사도를 갖는 물질로 이루어질 수 있으며, 예컨대, Al, Ag, Pt, ZrB2 등으로 이루어질 수 있다. 특히, ZrB2 는 질화물 반도체인 GaN과의 격자 상수가 거의 동일하여 결정 결함 감소 측면에서 용이하게 채용될 수 있다. 또한, 상기 반사층(207)은 실리콘 질화물, 실리콘 산화물, 질화갈륨 등의 물질을 다층 구조로 적층한 DBR(Distributed Bragg Reflector) 구조로 이루어질 수도 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 반사층(207)은 상기 활성층(203)에서 방출된 광을 상기 활성층(203) 및 p형 반도체층(204) 방향으로 반사시킴으로써 발광소자(200) 내부에서 손실되는 것을 최소화할 수 있다. 이를 도 3과 비교하여 설명하면, 도 3은 도 2에 도시된 발광소자 구조에서 기판의 요철 구조에 반사층이 없는 경우의 광의 진행 경로를 나타낸 것이다. 도 3을 참조하면, 기판(201)의 요철 구조에 반사층이 없을 경우, 활성층(203)에서 방출된 광의 일부는 상기 기판(201)으로 진행한 후 반사되어 n형 반도체층(202)과의 계면으로 되돌아 온다. 이 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 기판(201)과 n형 반도체층(202)과의 계면으로 되돌아온 광은 상기 기판(201)의 요철 구조에 의해 경로가 다양하게 변화될 수 있으며 이 중 많은 부분은 외부로 방출되지 못하고 내부에서 소멸 된다. 또한, 상기 기판(201)으로 진행한 광 중 일부는 n형 반도체층(202)과의 계면으로 되돌아 오지 못하고 상기 기판(201)에 흡수될 수 있다.
이와 달리, 본 실시 형태와 같이 기판(201)의 요철 구조 중 오목부에 반사층(207)이 형성된 경우에는 도 2에 도시된 바와 같이, 활성층(203)에서 방출되어 상기 오목부로 진행한 광은 상기 기판(201)으로 진행하지 않고 상기 반사층(207)에 의해 반사되어 외부로 방출될 수 있다. 즉, 상기 반사층(207)에 의해 광의 진행 거리는 짧아지는 한편 그 경로도 상기 활성층(203) 및 p형 반도체층9204) 방향으로 유도될 수 있으며, 광의 진행 거리가 늘어남으로써 내부에서 소멸 되는 광의 비율을 최소화될 수 있다. 이와 같이, 내부에서 소멸 되는 광이 줄어들 경우, 외부로 방출될 수 있는 광이 증가하여 발광 효율 향상을 가져올 수 있다.
한편, 상기 기판(201)의 요철 구조와 반사층(207)은 그 위에 반도체층을 성장시킬 경우 측 방향 성장을 유도하여 반도체층의 결정성 향상에 기여할 수 있다. 도 4는 도 2에서 설명한 기판의 요철 구조와 반사층 위에서 반도체층이 성장되는 모습을 개략적으로 나타낸 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 기판(201) 위에 반도체층을 성장할 경우, 반사층(207)이 형성된 오목부의 저면에서 성장이 어려워 상기 오목부의 측면을 통한 측 방향 성장이 유도될 수 있다. 이러한 측 방향 성장에 의해 수직 방향으로 진행하는 전위(Dislocation)가 효과적으로 차단되어 반도체층의 결정성이 향상될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다. 도 5를 참조하면, 본 실시 형태에 따른 반도체 발광소자(300)는 이전 실시 형태와 같이, 상면에 요철 구조가 형성된 기판(301)과 상기 기판(301) 상에 순차적으로 형성된 n형 반도체층(302), 활성층(303) 및 p형 반도체층(304)으로 이루어진 발광구조물을 구비하며, n형 및 p형 전극(305, 306)은 각각 상기 n형 반도체층(302) 및 p형 반도체층(303)과 각각 전기적으로 연결되도록 형성된다. 다만, 반사층(307)이 상기 기판(301)의 요철 구조에서 오목부의 저면 뿐 아니라 볼록부의 상면에까지 형성된다. 이와 같이, 상기 기판(301)의 요철 구조 전체에 반사층(307)이 형성됨으로써 활성층(303)에서 방출되어 상기 기판(301)을 향해 진행한 광의 대 부분은 상기 반사층(307)에 의해 반사될 수 있으며, 이에 따라, 발광소자(300) 내부에서 소멸 되는 광의 비중을 더욱 감소시킬 수 있다.
또한, 도 6은 도 5에서 설명한 기판의 요철 구조와 반사층 위에서 반도체층이 성장되는 모습을 개략적으로 나타낸 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 기판(301) 위에 반도체층을 성장할 경우, 반사층(307)이 형성된 오목부의 저면에서 성장이 어려워 상기 오목부의 측면을 통한 측 방향 성장이 유도되며, 이후의 성장 과정에서 요철 구조의 볼록부를 향하여 측 방향 성장이 다시 유도될 수 있다. 이는 상기 볼록부의 상면에 반사층(307)이 형성되어 반도체층이 직접 성장되기 어렵기 때문이다. 이에 따라, 수직 방향으로 진행하는 전위가 효과적으로 차단되어 반도체층의 결정성이 향상될 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다. 도 7을 참조하면, 본 실시 형태에 따른 반도체 발광소자(400)는 이전 실시 형태와 같이, 상면에 요철 구조가 형성된 기판(401)과 상기 기판(401) 상에 순차적으로 형성된 n형 반도체층(402), 활성층(403) 및 p형 반도체층(404)으로 이루어진 발광구조물을 구비하며, n형 및 p형 전극(405, 406)은 각각 상기 n형 반도체층(402) 및 p형 반도체층(403)과 각각 전기적으로 연결되도록 형성된다. 본 실시 형태의 경우, 반사층(407)이 기판(401)의 요철 구조 중 오목부 저면에 형성되며, 볼록부의 단면 형상은 반원형을 갖는다. 즉, 상기 볼록부는 반구형으로 이루어질 수 있다. 반구형의 볼록부는 수직으로 반도체층을 성장시키기 용이한 수평 면이 없기 때문에 측면 성장에 더욱 유리할 수 있다. 즉, 더욱 많은 면적에서 측면 성장을 시킴으로써 고품질의 반도체층을 성장시킬 수 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
도 1은 일반적인 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 발광소자 구조에서 기판의 요철 구조에 반사층이 없는 경우의 광의 진행 경로를 나타낸 것이다.
도 4는 도 2에서 설명한 기판의 요철 구조와 반사층 위에서 반도체층이 성장되는 모습을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.
도 6은 도 5에서 설명한 기판의 요철 구조와 반사층 위에서 반도체층이 성장되는 모습을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
201: 기판 202: n형 반도체층
203: 활성층 204: p형 반도체층
205, 206: n형 및 p형 전극 207: 반사층

Claims (9)

  1. 상면에 볼록부와 오목부를 구비하는 요철 구조가 형성된 기판;
    상기 오목부의 저면에 형성되며 상기 볼록부의 상면에는 배치되지 않는 광 반사층;
    상기 기판 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 구비하는 발광구조물; 및
    상기 제1 및 제2 도전형 반도체층과 각각 전기적으로 연결된 제1 및 제2 전극;
    을 포함하며, 상기 요철 구조의 볼록부는 상부를 향하여 돌출된 곡면을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 요철 구조의 볼록부는 상기 발광구조물의 적층 방향으로 자른 단면 형상이 반원형인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광 반사층은 Al, Ag, Pt 및 ZrB2로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광 반사층은 DBR 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광 반사층은 상기 활성층에서 방출된 광에 대하여 50% 이상의 반사도를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 기판은 Al2O3, SiC, Si, GaN 및 AlN으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층은 n형 반도체층이며, 상기 제2 도전형 반도체층은 p형 반도체층인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층은 질화물 반도체로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
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