KR101243741B1 - 반도체 발광소자 - Google Patents
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Abstract
본 개시는 제1 도전형 반도체층, 제1 도전형 반도체층 위에 위치되는 제2 도전형 반도체층 및 제1 및 제2 도전형 반도체층 사이에 형성되며 전자와 정공의 재결합에 의해 빛이 방출되는 활성층을 가지는 복수의 반도체층; 그리고 복수의 반도체층으로부터 절연되어, 활성층을 상하방향으로 관통하여 위치되는 적어도 둘 이상의 금속층;을 포함하는 반도체 발광소자에 관한 것이다.
Description
본 개시(Disclosure)는 전체적으로 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance; SPR)을 이용하여 광추출효율을 향상시킨 반도체 발광소자에 관한 것이다.
여기서, 반도체 발광소자는 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 반도체 광소자를 의미하며, 3족 질화물 반도체 발광소자를 예로 들 수 있다. 3족 질화물 반도체는 Al(x)Ga(y)In(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 된 화합물로 이루어진다. 이외에도 적색 발광에 사용되는 GaAs계 반도체 발광소자 등을 예로 들 수 있다.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background informaton related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
반도체 발광소자는 필라멘트에 기초한 발광소자에 비해 긴 수명, 낮은 전원, 우수한 초기 구동 특성, 높은 진동 저항 및 반복적인 전원 단속에 대한 높은 공차 등의 여러 장점을 갖기 때문에 그 수요가 지속적으로 증가하고 있다.
그러나, 반도체 발광소자, 특히, 질화물 반도체 발광소자는 낮은 광추출효율을 보이는데, 이는 질화갈륨(굴절률 약 2.4)과 외부 물질(일반적으로 공기로서 굴절률 약 1.0) 간의 큰 굴절률 차이에 의하여 반도체 발광소자에서 발생된 빛의 상당 부분이 외부로 방출되지 않고 전반사 되어 소멸되기 때문이다.
이를 해결하기 위해 다양한 방법이 소개되고 있으며, 그 중 하나로 표면 플라즈몬 공명을 이용하여 반도체 발광소자의 양자효율을 향상시키려는 시도가 있다.
도 1은 한국 공개 특허 2008-0074474호에 개시된 반도체 발광소자를 보인 도면으로서, 사파이어 기판(11), 그 위에 순차적으로 형성된 버퍼층(12), p형 반도체층(13), 활성층(14), n형 반도체층(15), 금속층(16), p측 및 n측 전극(17a,17b)을 포함한다.
여기서, 금속층(16)은, n형 반도체층(15)의 상층에 위치되며, 활성층(14)과 평행하게 형성된다. 또한, 금속층(16)과 n형 반도체층(16)의 계면에는 요철구조가 형성되며, 요철구조의 오목부와 활성층(14)은 사이에는 10nm ~ 50nm의 간격이 형성된다.
이에 의해, 활성층(14)에서 발생된 빛에 의해 금속층(16)에 표면 플라즈몬이 여기되며, 요철구조에 의해 활성층(14) 방향으로 방출되고, 광자(photon)와 결합되어 빛으로 변화되어 양자효율이 향상되게 된다.
그러나, 요철구조의 오목부를 활성층(14)으로부터 소정의 거리 내로 위치시켜야 하므로, 제조가 상당히 곤란한 문제가 있다.
또한, 금속층(16)이 반도체 발광소자(10)의 상면에 위치되기 때문에, 활성층(14)에 발생된 빛이 반도체 발광소자(10)의 상면으로 투과되지 않으므로, 빛을 반사시켜 방출시키거나, 반도체 발광소자(10)가 플립 칩으로 마련되어야 하는 제한을 갖게 된다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
여기서는, 본 개시의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 개시의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).
본 개시에 따른 일 태양에 의하면(According to one aspect of the present disclosure), 제1 도전형 반도체층, 제1 도전형 반도체층 위에 위치되는 제2 도전형 반도체층 및 제1 및 제2 도전형 반도체층 사이에 형성되며 전자와 정공의 재결합에 의해 빛이 방출되는 활성층을 가지는 복수의 반도체층; 그리고 복수의 반도체층으로부터 절연되어, 활성층을 상하방향으로 관통하여 위치되는 적어도 둘 이상의 금속층;을 포함하는 반도체 발광소자가 제공된다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
도 1은 한국 공개 특허 2008-0074474호에 개시된 반도체 발광소자를 보인 도면,
도 2는 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 일 예를 보인 도면,
도 3은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 다른 예를 보인 도면,
도 4는 본 개시에 따른 금속층의 일 예를 보인 도면,
도 5 및 도 6은 본 개시에 따른 금속층의 다른 예들을 보인 도면.
도 2는 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 일 예를 보인 도면,
도 3은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 다른 예를 보인 도면,
도 4는 본 개시에 따른 금속층의 일 예를 보인 도면,
도 5 및 도 6은 본 개시에 따른 금속층의 다른 예들을 보인 도면.
이하, 본 개시를 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명한다(The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing(s)).
도 2는 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 일 예를 보인 도면으로서, 반도체 발광소자(100)는 제1 도전형 반도체층(110), 제2 도전형 반도체층(120), 활성층(130)과 적어도 둘 이상의 금속층(140)을 포함한다. 바람직하게는 금속층(140)은 SiO2와 같은 절연막(400)에 의해 절연된다.
제1 도전형 반도체층(110)은 기판(150) 위에 형성되며, 그 위로 활성층(130), 제2 도전형 반도체층(120)이 순차적으로 형성된다.
제1,2 도전형 반도체층(110,120) 및 활성층(130)은 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 화합물(예를 들어 3족 질화물, GaAs계 화합물, ZnO계 화합물, GaAsP계 화합물 등)로 형성될 수 있으나, 이하에서는 3족 질화물로 형성되는 경우를 예로 하여 설명한다.
이 경우, 기판(150)은 동종기판으로 GaN계 기판, 이종기판으로 사파이어 기판, SiC 기판 또는 Si 기판 등이 이용될 수 있으나, 비교적 질화물 반도체의 성장이 용이하며, 고온에서 안정한 C(0001)면 사파이어 기판이 주로 사용된다.
기판(150) 위에 제1,2 도전형 반도체층(110,120) 및 활성층(130)의 성장은 주로 MOCVD(유기금속기상성장법)에 의해 성장된다.
사파이어 재질의 기판(150)과 질화물 반도체 사이의 격자상수 및 열팽창 계수의 차이를 극복하기 위해, 기판(150)과 제1 도전형 반도체층(110) 사이에 버퍼층(미도시)이 형성될 수 있다. 버퍼층은, AlN, Al(x)Ga(1-x)N (0≤x<1), SiC 등으로 형성될 수 있다.
제1 도전형 반도체층(110)은 n형 불순물(예를 들어, Si, Ge, Se, Te, C 등)이 도핑된 n형 반도체층으로, 제2 도전형 반도체층(120)은 p형 불순물(예를 들어, Mg, Zn, Be 등)이 도핑된 p 형 반도체층으로 형성될 수 있다.
금속층(140)은 제1,2 도전형 반도체층(110,120) 및 활성층(130)의 적층방향으로 길게 형성되며 활성층(130)을 관통한다. 또한, 적어도 둘 이상으로 형성된다.
이에 의해, 각 금속층(140)에는 활성층(130)에서 발생되는 빛에 의해 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance; SPR)이 발생되며, 또한, 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance; SPR)에 의해 두 개의 금속층(140a,140b) 사이에 위치되는 활성층(130a)에 광전계(optical electric field)가 강하게 형성된다. 결과적으로, 광구속율(optical confinement factor)이 향상되며 양자효율이 향상될 수 있다.
구체적으로 설명하면, 반도체 발광소자(100)의 양자효율은 반도체 발광소자(100) 내의 광증폭율(light amplification factor;A)에 비례하며, 활성층(130)의 길이가 L인 반도체 발광소자(100)의 광증폭율(light amplification factor;A)은 다음과 같이 정의될 수 있다.
여기서, Γ는 광구속율(optical confinement factor)이고, g는 광이득(optical gain)이다.
한편, 광구속율(optical confinement factor;Γ)는 다음과 같이 정의된다.
여기서, E는 광전계(optical electric field)이다.
두 수학식을 살펴보면, 활성층(130)의 광전계(optical electric field)가 주변에 비해 상대적으로 커질수록 광구속율(optical confinement factor;Γ)이 커지게 되며, 광증폭율(light amplification factor;A)이 커지게 된다.
활성층(130)의 광전계(optical electric field)는, 활성층(130)에서 발생된 빛에 의해 금속층(140)에 발생되는 표면 플라즈몬(surface plasmon)이 들뜨는 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance; SPR)에 의해 강하게 형성될 수 있다.
즉, 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance; SPR)에 의해 금속층(140)은 절대값이 큰 음의 유효유전율(effective dielectric constant)을 갖게 되며, 이에 의해 두 금속층(140a,140b) 사이에 위치되는 활성층(130a)에는 강한 광전계가 형성된다.
한편, 금속층(140)은 표면 플라즈몬 공명이 발생될 수 있는 금속으로 형성되며, 구체적으로 Ag, Al, Au 등과 같이 외부 자극에 의해 전자의 방출이 쉽고 음의 유전상수를 갖는 금속들이 주로 사용될 수 있다. 더불어, Ag, Al, Au 의 합금도 금속층(140)으로 사용될 수 있다.
또한, 금속층(140)의 길이, 즉 금속층(140) 상단과 하단의 위치는 실험에 의해 적당히 선택될 수 있다.
또한, 둘 이상의 금속층(140)은 수평방향으로 서로 이격되어 위치되고, 각 금속층(140a,140b,140c,140d,140e)의 두께(t)와 인접하는 금속층 사이의 거리(s)의 비는 1:1~10으로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 각 금속층(140a,140b,140c,140d,140e)의 두께(t)는 1 nm ~ 10 nm로 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 본 개시에 따른 반도체 발광소자(100)는 전원의 공급을 위한 한 쌍의 전극(111,121)이 형성될 수 있다.
절연성 기판인 사파이어 기판의 경우, 제2 도전형 반도체층(120)의 상면과, 식각 공정을 통해 노출된 제1 도전형 반도체층(110)에 구비될 수 있다.
이와 달리, 기판(150)이 도전성이 있는 SiC 등으로 형성되는 경우, 한 쌍의 전극(111,121)은 제2 도전형 반도체층(120)의 상면과 기판(150)의 하면에 형성될 수 있으며, 이 경우 활성층(130)의 면적이 증가하므로 양자효율이 향상될 수 있다.
한편, 제2 도전형 반도체층(120)의 상면에는 전극(121)으로 유입된 전류가 균일하게 퍼질 수 있도록 ITO 등으로 형성되는 투광성 전극(미도시)이 더 구비될 수 있다.
도 3은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 다른 예를 보인 도면으로서, 기판(150)을 제거하고 전극(111)을 제1 도전형 반도체층(110)의 하면에 형성될 수 있다. 이 경우도 활성층(130)의 면적이 증가하므로 양자효율이 향상될 수 있다.
또한, 앞서 설명한 바와 같이 제2 도전형 반도체층(120)의 상면에 ITO 등으로 형성되는 투광성 전극(미도시)이 더 구비될 수 있음은 물론이다.
도 4는 본 개시에 따른 금속층의 일 예를 보인 도면으로서, 금속층(140)은 수평방향, 즉 기판(150)에 평행한 방향으로 서로 이격되어 위치되며, 활성층(130)의 상면에서 볼 때 격자형으로 형성될 수 있다.
이에 의하면, 활성층(130)이 금속층(140)에 의해 고립된 여러 개의 단위 활성층(132)으로 분할되므로, 각 단위 활성층(132)에서의 광구속율(optical confinement factor)이 보다 향상될 수 있게 된다.
도 5 및 도 6은 본 개시에 따른 금속층의 다른 예들을 보인 도면으로서, 금속층(240,340)은 활성층(130)의 상면에서 볼 때 스트라이프형으로 형성되거나, 기둥형으로 형성될 수 있다.
한편, 금속층(140)은 제1,2 도전형 반도체층(110,120) 및 활성층(130)의 적층방향으로 길게 형성되며 활성층(130)을 관통하는 한 다양한 형태로 형성될 수 있을 것이다.
본 개시에 있어서, 금속층(140)은 패터닝 공정, 식각 공정 및 증착 공정에 의해 형성될 수 있다.
패터닝 공정은 나노 패터닝에 유용한 전자빔 패터닝, 식각 공정은 습식 식각(wet etching) 또는 전자빔 식각 공정(electron beam lithography), 그리고 증착 공정은 전자빔 증착(Electron beam evaporation) 등에 의해 이루어질 수 있다.
이하 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.
(1) 금속층이 Ag, Al, Au 및 이들의 합금 중 어느 하나로 형성되는 반도체 발광소자.
이는, 외부 자극에 의해 전자의 방출이 쉽고 음의 유전상수를 갖는 금속으로 금속층을 형성함으로써 광구속율(optical confinement factor;Γ)을 향상시키기 위함이다.
(2) 적어도 둘 이상의 금속층은 수평방향으로 서로 이격되어 위치되고, 각 금속층의 두께와 인접하는 금속층 사이의 거리의 비는 1:1~10인 반도체 발광소자.
(4) 각 금속층의 두께는 1 nm ~ 10 nm로 형성되는 반도체 발광소자.
(5) 적어도 둘 이상의 금속층은 수평방향으로 서로 이격되어 위치되고, 활성층의 상면에서 볼 때 격자형 또는 스트라이프형으로 형성되는 반도체 발광소자.
이는, 활성층을 금속층에 의해 고립된 여러 개의 단위 활성층으로 분할시켜 각 단위 활성층(132)에서의 광구속율(optical confinement factor)을 보다 향상시키기 위함이다.
(4) 제1 도전형 반도체층은 n형 반도체로, 제2 도전형 반도체층은 p형 반도체로 형성되는 반도체 발광소자.
본 개시에 따른 하나의 반도체 발광소자에 의하면, 금속층에 발생되는 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance; SPR)을 이용하여 두 개의 금속층 사이에 위치되는 활성층에서의 광구속율(optical confinement factor)을 향상시킬 수 있으며, 반도체 발광소자의 양자효율이 향상될 수 있다.
또한, 본 개시에 따른 다른 반도체 발광소자에 의하면, 금속층이 활성층을 관통하여 형성되므로, 금속층 형성을 위한 공정이 종래에 비해 간단해지는 이점을 가지게 된다.
110: 제1 도전형 반도체층 120: 제2 도전형 반도체층
Claims (8)
- 제1 도전형 반도체층, 제1 도전형 반도체층 위에 위치되는 제2 도전형 반도체층 및 제1 및 제2 도전형 반도체층 사이에 형성되며 전자와 정공의 재결합에 의해 빛이 방출되는 활성층을 가지는 복수의 반도체층; 그리고
절연막에 의해 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층으로부터 절연되며, 서로 이격되어 활성층을 상하방향으로 관통하는 적어도 둘 이상의 금속층;을 포함하는 반도체 발광소자. - 청구항 1에 있어서, 각 금속층은 Ag, Al, Au 및 이들의 합금 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 청구항 1에 있어서, 적어도 둘 이상의 금속층은 수평방향으로 서로 이격되어 위치되고, 각 금속층의 두께와 인접하는 금속층 사이의 거리의 비는 1:1~10인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 청구항 1에 있어서, 각 금속층의 두께는 1 nm ~ 10 nm로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 청구항 1에 있어서, 적어도 둘 이상의 금속층은 수평방향으로 서로 이격되어 위치되고, 활성층의 상면에서 볼 때 격자형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 청구항 1에 있어서, 적어도 둘 이상의 금속층은 수평방향으로 서로 이격되어 위치되고, 활성층의 상면에서 볼 때 스트라이프형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 청구항 1에 있어서, 제1 도전형 반도체층은 n형 반도체로, 제2 도전형 반도체층은 p형 반도체로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 청구항 1에 있어서,
제1,2 도전형 반도체층 및 활성층은 사파이어 기판 위에 형성되고 3족 질화물 반도체로 형성되며,
각 금속층은 Ag, Al, Au 및 이들의 합금 중 어느 하나로 형성되고,
적어도 둘 이상의 금속층은 수평방향으로 서로 이격되어 위치되고, 각 금속층의 두께와 서로 인접하는 금속층 사이의 거리의 비는 1:1~10이며, 활성층의 상면에서 볼 때 격자형 또는 스트라이프형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
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| JP2001024222A (ja) * | 1999-07-06 | 2001-01-26 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子およびその製造方法 |
| JP2007214260A (ja) | 2006-02-08 | 2007-08-23 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 半導体発光素子およびその製造方法 |
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2011
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| KR20080076429A (ko) * | 2007-02-16 | 2008-08-20 | 삼성전기주식회사 | 표면 플라즈몬 공명을 이용한 반도체 발광 소자 제조방법 |
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