KR101305793B1 - 발광소자 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
공기층을 포함한 분포 브래그 반사경(DBR: Distributed Bragg Reflector)을 구비하는 발광소자 및 이의 제조방법이 개시된다. 본 발명에 의한 발광소자는 공기층을 포함한 분포 브래그 반사경을 채용하여 반사도 및 반사폭을 크게 증가시킴으로써 방출되는 광의 손실을 방지하고, 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 발광소자의 제조방법은 분포 브래그 반사경 형성시 상기 분포 브래그 반사경을 구성하는 각 층에 대하여 식각 선택비가 같거나 다른 식각액을 사용하는 화학적 습식 식각 공정을 통해 간단하고 용이하게 공기층을 포함하는 분포 브래그 반사경을 채용한 발광소자를 제조할 수 있다.
Description
본 발명은 발광소자 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공기층을 포함한 분포 브래그 반사경(DBR: Distributed Bragg Reflector)을 구비하는 발광소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
발광소자(LED: Light Emitting Diode)는 반도체의 p-n 접합 구조를 이용하여 주입된 전자 또는 정공의 재결합에 의해 소정의 빛을 발산하는 소자이며, 소자를 구성하는 물질의 변경을 통하여 발광원을 다양하게 구성함으로써 다양한 색을 구현할 수 있다. 또한 발광소자는 기존의 전구 또는 형광등에 비해 소모 전력이 작고 수명이 긴 이점을 갖는다. 따라서 소모 전력의 절감과 내구성 측면에서 우수한 특성을 가지는 발광소자는 표시 소자 및 백라이트 등 그 이용분야가 광범위하며, 활발한 연구가 진행중에 있다.
한편, 발광소자에서는 기판 방향으로 향하는 빛을 반사시키기 위하여 높은 반사율을 갖는 분포 브래그 반사경(DBR: Distributed Bragg Reflector)을 채용하는 바, DBR은 굴절율이 서로 다른 2 종류의 재료를 교대로 적층함으로써 그 굴절율의 차이를 이용하여 광을 반사하는 반사경을 지칭한다.
도 1은 종래 DBR을 채용한 발광소자의 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래 발광소자는 기판 상에 n형 클래드층, 활성층, p형 클래드층 및 p형 윈도우층이 순차적으로 적층되며, 상기 기판과 n형 클래드층 사이에 서로 다른 굴절율을 가지는 제1 굴절율막과 제2 굴절율막이 교대로 적층된 구조를 가지는 DBR이 개재된다. 상기 DBR의 서로 다른 굴절율은 빛을 높은 반사도로 반사시킬 수 있으며, 제1 굴절율막과 제2 굴절율막은 반사효과를 높이기 위해 기준 파장의 1/4에 해당하는 두께를 갖도록 형성된다. 이에 따라, 활성층으로부터 하부로 진행하는 빛이 DBR층 패턴에 의해 상향으로 반사되고, 이를 통해 발광소자의 발광효율 및 휘도가 향상되는 이점이 있다.
그러나, 상기와 같이 DBR을 채용한 발광소자는 입사광이 수직일 경우 높은 반사율을 가지는 반면, 일정한 임계각 이상에서는 반사율이 매우 낮은 문제점이 있었다. 따라서, 상기의 문제점으로 인해 종래의 DBR을 채용한 발광소자는 광출력을 높이는 데 한계가 있었다.
이에 본 발명의 목적은 공기층을 포함하는 DBR을 채용함으로써 일정한 임계각 이상에서도 높은 반사율을 가지도록 구조 및 성능이 개선된 발광소자 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기판, 상기 기판 상에 형성되는 DBR층 및 상기 DBR층 상에 순차적으로 형성되는 n형 클래드층, 활성층 및 p형 클래드층을 포함하고, 상기 DBR층은 공기층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 기판 상에 제1 굴절율막 및 제2 굴절율막을 교대로 적층하여 DBR층을 형성하는 단계, 상기 DBR층 상에 n형 클래드층, 활성층 및 p형 클래드층을 순차적으로 형성하는 단계, 상기 p형 클래드층 상에 p형 전극을 형성하는 단계, 상기 p형 클래드층의 일부에 p형 전극을 덮도록 하드 마스크막을 형성하는 단계, 상기 하드 마스크막을 식각 마스크로 사용하여 상기 제1 굴절율막, 제2 굴절율막, n형 클래드층, 활성층 및 p형 클래드층을 상기 기판의 일부가 노출되도록 식각하여 개구부를 형성하는 단계, 상기 개구부를 이용하여 제1 굴절율막과 제2 굴절율막이 교대로 적층된 DBR층을 수평 방향으로 식각하여 공기층을 형성하는 단계 및상기 하드 마스크막을 제거하고, 상기 기판의 이면에 n형 전극을 증착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 발광소자는 공기층을 포함하는 DBR을 채용하여 DBR의 반사도 및 반사폭을 크게 증가시킴으로써 방출되는 광의 손실을 방지하고, 발광효율을 향상시키며, 높은 휘도와 재현성을 얻을 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의한 발광소자의 제조방법은 DBR층을 구성하는 각 층에 대하여 식각 선택비가 같거나 다른 식각액을 사용하는 화학적 습식 식각 공정을 통해 간단하고 용이하게 공기층을 포함하는 DBR을 채용한 발광소자를 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 DBR을 채용한 발광소자의 구조 및 DBR의 적층 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 발광소자의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 일 실시예에 의한 발광소자의 제조방법을 나타내는 공정도들이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 발광소자의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 5a 내지 도 5g는 본 발명의 다른 실시예에 의한 발광소자의 제조방법을 나타내는 공정도들이다.
도 6은 본 발명과 비교예의 파장대역에 따른 반사율을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명과 비교예의 입사각에 따른 반사율을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 발광소자의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 일 실시예에 의한 발광소자의 제조방법을 나타내는 공정도들이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 발광소자의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 5a 내지 도 5g는 본 발명의 다른 실시예에 의한 발광소자의 제조방법을 나타내는 공정도들이다.
도 6은 본 발명과 비교예의 파장대역에 따른 반사율을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명과 비교예의 입사각에 따른 반사율을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함하여 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 발광소자의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 발광소자는 기판(100), 제1 굴절율막(200a) 및 제2 굴절율막(200b)이 교대로 적층되어 형성되며, 상기 제1 굴절율막(200a) 및 제2 굴절율막(200b) 사이에 공기층(200c)을 구비하는 DBR층(200), n형 클래드층(300), 활성층(400), p형 클래드층(500) 및 p형 윈도우층(600)이 순차적으로 적층된 구조를 가진다. 또한 기판(100) 하부에는 n형 전극(800)이, p형 윈도우층(600) 상부에는 p형 전극(700)이 각각 구비된다.
상기 발광소자는 III-V족 화합물 반도체일 수 있으며, 예컨대 AlGaInP 계열일 수 있다. AlGaInP는 III-V족 화합물 반도체 중 넓은 에너지밴드를 가지는 직접 천이형 재료로서, 파장이 약 560-680nm 영역의 발광다이오드 재료로 사용되고 있다. 상기 AlGaInP 계열의 발광소자는 활성층 내에서의 Al 및 Ga의 성분비를 조절하여 옐로(Yellow)나 그린(Green) 계열의 560nm부터 레드(Red)계열인 680nm까지의 고휘도 빛을 발광할 수 있다. 이 때, Al의 조성비가 증가할수록 발광되는 빛의 파장은 점점 짧아진다.
기판(100)은 n-GaAs의 반도체기판을 사용할 수 있다. 상기 n-GaAs 반도체기판은 AlGaInP 에피층들을 성장시키기에 적합하며, 내부 양자 효율이 우수한 AlGaInP 활성층 성장을 돕는 역할을 수행한다.
상기 기판(100)상에 DBR층(200)을 형성하는 바, 상기 DBR층(200)은 서로 다른 굴절율을 가지는 제1 굴절율막(200a) 및 제2 굴절율막(200b)이 교대로 적층된 구조에서, 제1 굴절율막(200a)과 제2 굴절율막(200b)은 서로 다른 신장길이를 가지고 측면 방향으로 평행하게 확장되며, 상기 신장길이의 차이로 생기는 개방 공간을 공기층(200c)이 채우고 있는 구조로 형성된다.
이 때, 상기 공기층(200c)은 적층되는 상기 제1 굴절율막(200a)과 제2 굴절율막(200b)이 일정 식각액에서 서로 다른 식각 선택비를 가지는 것을 이용하여 상기 제1 굴절율막(200a) 또는 제2 굴절율막(200b) 중 적어도 어느 하나를 선택 식각함으로써 형성할 수 있다.
일반적으로, DBR층(200)의 반사도 및 반사폭은 상기 DBR층(200)을 구성하고 있는 물질의 굴절율 차이에 비례하므로, 반사도가 높고 반사폭이 큰 DBR층(200)을 형성하기 위해서는 제1 굴절율막 및 제2 굴절율막 간의 굴절율 차이를 크게 하는 것이 바람직하다.
한편, 공기의 굴절율은 약 1이므로, 제1 굴절율막(200a) 또는 제2 굴절율막(200b) 중 적어도 어느 하나를 선택 식각하여 개방된 공간을 형성하면 공기층이 상기 개방 공간을 채울 수 있으며, 따라서 DBR층(200)을 구성하는 막들의 굴절율 차이를 큰 폭으로 증가시킬 수 있는 이점이 있다.
예컨대, AlGaInP 계열의 발광소자에서 상기 DBR층(200)은 AlxGa1 - xAs(0≤x≤1)를 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이 DBR층(200)의 반사도 및 반사폭은 상기 DBR층(200)을 구성하고 있는 물질의 굴절율 차이에 비례하므로, 반사도가 높고 반사폭이 큰 DBR층(200)을 형성하기 위해서는 굴절율 차이를 크게 하는 것이 바람직한 바, 일반적으로 물질의 굴절율은 반사시키고자 하는 파장에 따라 달라진다. 예컨대, 파장대 590nm의 빛을 반사하는 경우 제1 굴절율막은 굴절율이 가장 낮은 조성인 AlAs(x=1)로 형성하는 것이 바람직하며, 제2 굴절율막은 굴절율이 가장 높은 조성인 GaAs(x=0)로 형성하는 것이 바람직하다.
상기 DBR층(200) 상에 n형 클래드층(300), 활성층(400), p형 클래드층(500) 및 p형 윈도우층(600)이 순차적으로 적층된다.
상기 n형 클래드층(300) 및 p형 클래드층(500)은 사이에 개재된 상기 활성층(400)에 비해 밴드갭이 큰 물질로 형성되어, 전자와 정공의 재결합을 도움으로써전류를 활성층(400)내에 가두는 역할을 수행한다. 예컨대 n형 클래드층(300)은 n형으로 도핑된 AlGaInP층, p형 클래드층(500)은 p형으로 도핑된 AlGaInP층이 이용될 수 있다.
활성층(400)은 전자와 정공의 재결합을 통하여 빛을 생성시키는 역할을 수행한다. 예컨대, 상기 활성층(400)은 (AlxGa1 -x)yIn1 - yP (0≤x≤1, 0≤y≤1)일 수 있으며, 양자 장벽층 및 양자 우물층을 포함하는 단일 또는 다중 양자 우물 구조로 형성될 수 있다. 이 때, 원하는 파장대의 빛이 나오도록 Al과 Ga의 조성비를 조절할 수 있다.
p형 클래드층(500) 상에는 p형 윈도우층(600)이 구비된다. 예컨대, 상기 p형 윈도우층(600)은 AlGaAs, GaAsP 또는 GaP로 형성될 수 있으며, 상기 p형 윈도우층(600)의 밴드갭이 활성층(400)인 (AlxGa1 -x)yIn1 - yP (0≤x≤1, 0≤y≤1)의 밴드갭보다 크므로 활성층에서 발광한 빛을 흡수하지 않고 통과시킨다. 상기 p형 윈도우층(600)은 투명한 성질을 가져 발광 효율에 영향이 없으며, 상대적으로 작은 전기저항을 가지므로 p형 전극(700)에서 주입된 캐리어를 폭넓게 확산시켜 아래쪽의 활성층(400)에 공급할 수 있는 이점이 있다.
p형 윈도우층(600)의 상부에는 p형 전극(700)이 구비되며, 기판(100)의 하부에는 n형 전극(800)이 구비되어 금속리드선(미도시)에 탑재된다. 상기 전극(700, 800)들은 일반적으로 Au, Ag 또는 Al 등의 금속박막으로 형성할 수 있다.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 일 실시예에 의한 발광소자의 제조방법을 나타내는 공정도들이다.
도 3a를 참조하면, 기판(100) 상에 제1 굴절율막(200a)과 제2 굴절율막(200b)이 교대로 적층된 DBR층(200), n형 클래드층(300), 활성층(400), p형 클래드층(500) 및 p형 윈도우층(600)을 순차적으로 형성한다. 상술한 바와 같이 본 발명 발광소자의 각 층들은 AlGaInP 계열의 화합물 반도체층일 수 있으며, 금속유기기상증착법(MOVPE), 분자선에피택시법(MBE) 또는 금속유기화학증착법(MOCVD)으로 성장시킬 수 있다. 상기 공정을 통하여 각 층들은 기본적으로 에피택셜 층(epitaxial layer)으로 성장된다.
상기와 같이 적층된 에피택셜 구조의 최상층인 p형 윈도우층(600) 상에 p형 전극(700)을 형성한다. 이 때, 상기 p형 전극(700)은 Au, Ag 또는 Al 등의 금속박막층을 전자빔(E-beam) 증착 또는 열증착을 통하여 형성할 수 있다.
도 3b를 참조하면, p형 윈도우층(600) 상에 p형 전극(700)을 덮도록 하드 마스크막(900)을 형성한다. 상기 하드 마스크막(900)은 DBR층(200), n형 클래드층(300), 활성층(400), p형 클래드층(500) 및 p형 윈도우층(600)으로 구성된 에피택셜 구조의 식각을 위한 식각 마스크로 사용된다. 상기 하드 마스크막(900)은 스퍼터링법(sputtering)이나 화학 기상 증착법(CVD) 등의 방법으로 형성할 수 있다. 또한 상기 하드 마스크막(900)은 포토 리소그래피와 식각 공정을 이용하여 특정 부위만 마스킹할 수 있다. 예컨대, 상기 하드 마스크막(900)은 실리콘 산화물(SiO2) 을 포함할 수 있다. 또한, 포토레지스트 패턴 자체가 하드 마스크막(900)으로 사용될 수도 있다.
도 3c를 참조하면, 상기 하드 마스크막(900)을 식각 마스크로 이용하여 DBR층(200), n형 클래드층(300), 활성층(400), p형 클래드층(500) 및 p형 윈도우층(600)으로 구성된 에피택셜 구조에 대한 메사(mesa) 식각을 수행한다. 이를 통하여 기판(100)의 일부가 노출되며, 상기 에피택셜 구조를 관통하는 개구부가 형성된다. 이 때, 상기 하드 마스크막(900)은 상기 식각 공정에서 식각되지 않거나 또는 낮은 식각 선택비를 가지는 물질이 사용되는 것이 바람직하다.
도 3d를 참조하면, 제1 굴절율막(200a)과 제2 굴절율막(200b)이 교대로 적층된 DBR층(200)에 대한 수평방향의 식각 공정을 진행한다. 이 때, 제1 굴절율막(200a)과 제2 굴절율막(200b)이 서로 다른 신장길이를 가지고 측면 방향으로 평행하게 확장되며, 상기 신장길이의 차이로 생기는 개방 공간을 공기층(200c)이 채우고 있는 구조를 형성하기 위하여 제1 굴절율막(200a) 및 제2 굴절율막(200b) 중 어느 하나만을 선택하여 식각하는 것이 바람직하며, 화학적 습식 식각 공정이 이용될 수 있다.
따라서 제1 굴절율막(200a) 및 제2 굴절율막(200b)에 사용되는 물질은 기본적으로 화학적 식각 공정에서 식각율이 달라 한쪽이 식각 반응이 일어날 때 다른 한쪽은 식각이 용이하지 않은 물질이어야 한다.
예컨대, AlGaInP 계열의 발광소자에서 DBR층(200)을 구성하는 제1 굴절율막(200a) 및 제2 굴절율막(200b)은 굴절율의 차이가 클수록 바람직한 바, 조성이 다른 AlxGa1 - xAs(0≤x≤1)를 이용할 수 있다. 상기와 같이 AlxGa1 - xAs를 이용하는 경우 식각액으로는 조성 x에 따라 식각되는 정도에 큰 차이가 있는 HF계 용액을 사용할 수 있다.
HF계 용액에서의 식각율은 x의 조성이 0≤x≤0.5 범위에서 1x10-6 내지 1x10-4 mm/hr이고, 0.8≤x≤1.0 범위에서 5x10-1 내지 2x10-0 mm/hr 이며, 식각 선택비는 104 내지 106 범위에서 결정되므로(Appl. Phys. A79, 1801-1807 (2004)), 반사도가 높고 반사폭이 큰 DBR층(200)을 형성하기 위해 굴절율이 낮은 제1 굴절율막(200a)의 조성은 0≤x≤0.5 범위 내인 것이 바람직하며, 굴절율이 높은 제2 굴절율막(200b)의 조성은 0.8≤x≤1.0 의 범위 내인 것이 바람직하다.
이 때, 제1 굴절율막(200a) 및 제2 굴절율막(200b)은 굴절율 차이 및 식각 선택비가 가장 큰 AlAs(x=1.0) 및 GaAs(x=0)로 구성하는 것이 보다 바람직하다.
도 3e 내지 도 3g를 참조하면, 상기의 선택적 식각 공정 후 식각 마스크로 사용되었던 하드 마스크막(900)을 제거한다. 하드 마스크막(900) 제거는 예컨대, 화학적 식각 공정을 통해 달성될 수 있으며, 습식 식각을 이용하는 경우 상술한 DBR층(200)의 선택적 식각 공정과 동시에 이루어질 수 있다. 이후, 기판의 이면에전자빔(E-beam) 증착 또는 열증착을 통하여 Au, Ag 또는 Al 등의 금속박막층으로 n형 전극(800)을 형성하고, 다이싱(dicing) 공정을 통하여 단일 칩으로 분리한다.
이 때, 상기 다이싱 공정에서 생기는 기판(100)의 손상을 제거하기 위하여 메사 식각(mesa etching)을 수행할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 발광소자의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 발광소자는 기판(100), 제1 굴절율막(200a) 및 제2 굴절율막(200b)이 교대로 적층되어 형성되며, 상기 제1 굴절율막(200a) 및 제2 굴절율막(200b)의 측부에 공기층(200c)을 구비하는 DBR층(200), n형 클래드층(300), 활성층(400), p형 클래드층(500) 및 p형 윈도우층(600)이 순차적으로 적층된 구조를 가진다. 또한 기판(100) 하부에는 n형 전극(800)이, p형 윈도우층(600) 상에는 p형 전극(700)이 각각 구비된다.
공기층(200c)을 구비하는 DBR층 이외의 각 층에 대한 설명은 상술한 바와 같으므로, 생략하기로 한다.
상기 DBR층(200)은 서로 다른 굴절율을 가지는 제1 굴절율막(200a) 및 제2 굴절율막(200b)이 교대로 적층된 구조에서, 제1 굴절율막(200a)과 제2 굴절율막(200b)은 동일한 신장길이를 가지고 측면 방향으로 평행하게 확장되며, 제1 굴절율막(200a)의 하부에 형성되는 기판(100) 및 제2 굴절율막(200b)의 상부에 형성되는 n형 클래드층(300)과 단차를 가지고, 상기 단차가 형성하는 개방 공간을 공기층(200c)이 채우고 있는 구조로 형성된다.
이 때, 상기 공기층(200c)은 교대로 적층된 상기 제1 굴절율막(200a)과 제2 굴절율막(200b)의 측부를 일정 길이 식각함으로써 형성할 수 있다.
일반적으로, DBR층(200)의 반사도 및 반사폭은 상기 DBR층(200)을 구성하고 있는 물질의 굴절율 차이에 비례하므로, 반사도가 높고 반사폭이 큰 DBR층(200)을 형성하기 위해서는 굴절율 차이를 크게 하는 것이 바람직하다.
한편, 공기의 굴절율은 약 1이므로, 제1 굴절율막(200a) 또는 제2 굴절율막(200b)을 동시에 식각하여 제1 굴절율막(200a)의 하부에 형성되는 기판(100) 및 제2 굴절율막(200b)의 상부에 형성되는 n형 클래드층(300)과 단차를 형성하고, 상기 단차가 형성하는 개방 공간을 공기층이 채울 수 있으며, 따라서 DBR층(200)을 구성하는 막들의 굴절율 차이를 큰 폭으로 증가시킬 수 있는 이점이 있다.
예컨대, AlGaInP 계열의 발광소자에서 상기 DBR층(200)은 AlxGa1 - xAs(0≤x≤1)를 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이 DBR층(200)의 반사도 및 반사폭은 상기 DBR층(200)을 구성하고 있는 물질의 굴절율 차이에 비례하므로, 반사도가 높고 반사폭이 큰 DBR층(200)을 형성하기 위해서는 굴절율 차이를 크게 하는 것이 바람직한 바, 일반적으로 물질의 굴절율은 반사시키고자 하는 파장에 따라 달라진다. 예컨대, 파장대 590nm의 빛을 반사하는 경우 제1 굴절율막은 굴절율이 가장 낮은 조성인 AlAs(x=1)로 형성하는 것이 바람직하며, 제2 굴절율막은 굴절율이 가장 높은 조성인 GaAs(x=0)로 형성하는 것이 바람직하다.
도 5a 내지 도 5g는 본 발명의 다른 실시예에 의한 발광소자의 제조방법을 나타내는 공정도들이다.
이하, 도 5a 내지 도 5e 중 도 3a 내지 도 3e와 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 5d를 참조하면, 제1 굴절율막(200a)과 제2 굴절율막(200b)이 교대로 적층된 DBR층(200)에 대한 수평방향의 식각 공정을 진행한다. 이 때, 제1 굴절율막(200a)과 제2 굴절율막(200b)이 동일한 신장길이를 가지고 측면 방향으로 평행하게 확장되며, 상기 제1 굴절율막(200a)과 제2 굴절율막(200b)이 일정 부분 식각된 측부의 개방 공간을 공기층(200c)이 채우고 있는 구조를 형성하기 위하여 제1 굴절율막(200a) 및 제2 굴절율막(200b)은 동일한 식각율로 식각되는 것이 바람직하며, 화학적 습식 식각 공정이 이용될 수 있다.
예컨대, AlGaInP 계열의 발광소자에서 DBR층(200)을 구성하는 제1 굴절율막(200a) 및 제2 굴절율막(200b)은 굴절율의 차이가 클수록 바람직한 바, 조성이 다른 AlxGa1 - xAs(0≤x≤1)를 이용할 수 있다. 상기와 같이 AlxGa1 - xAs를 이용하는 경우 식각액으로는 조성 x에 관계없이 동일한 식각율로 식각할 수 있는 NH4OH계 용액을 사용할 수 있다.
이 때, 제1 굴절율막(200a) 및 제2 굴절율막(200b)은 굴절율 차이 및 식각 선택비가 가장 큰 AlAs(x=1.0) 및 GaAs(x=0)로 구성하는 것이 바람직하다.
도 6은 본 발명과 비교예의 파장대역에 따른 반사율을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명과 비교예의 입사각에 따른 반사율을 나타내는 그래프이다.
도 6 및 도 7은 시뮬레이션을 통하여 얻은 결과값인 바, AlGaInP계 발광소자로서, n형 클래드층은 2μm의 두께를 가지는 n-Al0 .5In0 .5P로, 활성층은 양자 장벽층 및 양자 우물층을 가지는 다중 양자 우물 구조(MQW)로서, 590nm 파장대의 빛이 방출되도록 양자 장벽층은 20nm 두께의 언도프된 (Al0 .7Ga0 .3)0.5In0 .5P로, 활성층의 양자 우물층은 10nm 두께의 언도프된 (Al0 .3Ga0 .7)0.5In0 .5P로, p형 클래드층은 1μm 두께의 p-Al0 .5In0 .5P로, p형 윈도우층은 10μm 두께의 p-GaP로 형성하였다. DBR층은 비교예의 경우, GaAs/AlAs를 590nm 두께로 교대로 적층 형성하였으며, 실험예의 경우 GaAs/Air를 590nm 두께로 형성하였다.
도 6을 참조하면, GaAs/AlAs를 DBR층으로 사용한 비교예의 경우 590nm를 중심파장으로 약 50%의 반사율을 나타내는 반면, GaAs/Air를 DBR층으로 사용한 실험예의 경우 중심파장인 590nm에서의 반사율이 96%로 증가하였을 뿐 아니라 넓은 파장대역에서 거의 유사한 반사율을 나타내고 있음을 확인할 수 있다.
도 7을 참조하면, GaAs/AlAs를 DBR층으로 사용한 비교예의 경우 약 50%의 반사율로 17.1°까지는 빛을 반사할 수 있으나, 17.1°이상의 입사각에서는 반사율이 현저히 낮아 빛을 반사시킬 수 없는 반면, GaAs/Air를 DBR층으로 사용한 실험예의 경우 약 96%의 반사율로 51.5°의 입사각까지 빛을 반사시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 발광소자는 반사도 및 반사폭이 현저히 증가함을 알 수 있다.
본 발명에 의한 발광소자는 공기층을 포함하는 DBR을 채용하여 DBR의 반사도 및 반사폭을 크게 증가시킴으로써 방출되는 광의 손실을 방지하고, 발광효율을 향상시키며, 높은 휘도와 재현성을 얻을 수 있다.
100: 기판 200: DBR층
200a: 제1 굴절율막 200b: 제2 굴절율막
200c: 공기층 300: n형 클래드층
400: 활성층 500: p형 클래드층
600: p형 윈도우층 700: p형 전극
800: n형 전극 900: 하드 마스크막
200a: 제1 굴절율막 200b: 제2 굴절율막
200c: 공기층 300: n형 클래드층
400: 활성층 500: p형 클래드층
600: p형 윈도우층 700: p형 전극
800: n형 전극 900: 하드 마스크막
Claims (18)
- 기판;
상기 기판 상에 형성되는 DBR층; 및
상기 DBR층 상에 순차적으로 형성되는 n형 클래드층, 활성층 및 p형 클래드층을 포함하고,
상기 DBR층은 공기층을 포함하고,
상기 DBR층은 제1굴절율막 및 제2 굴절율막이 교대로 적층되어 형성되고, 상기 제1 굴절율막 및 제2 굴절율막의 측부에 공기층을 구비하되,
상기 제1 굴절율막과 제2 굴절율막은 동일한 신장길이를 가지고 측면 방향으로 평행하게 확장되며,
상기 DBR층은 제1 굴절율막의 하부에 형성되는 기판 및 제2 굴절율막의 상부에 형성되는 n형 클래드층과 단차를 가지고, 상기 단차가 형성하는 개방 공간을 공기층이 채우고 있는 것을 특징으로 하는 발광소자. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1 굴절율막 및 상기 제2 굴절율막은 AlxGa1-xAs(0≤x≤1)을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자. - 제4항에 있어서,
상기 제1 굴절율막의 조성은 0≤x≤0.5 범위 내이며, 상기 제2 굴절율막의 조성은 0.8≤x≤1.0의 범위 내인 것을 특징으로 하는 발광소자. - 제1항에 있어서,
상기 기판은 GaAs 기판인 것을 특징으로 하는 발광소자. - 제1항에 있어서,
상기 활성층은 (AlxGa1 -x)yIn1 - yP (0≤x≤1, 0≤y≤1)으로 구성되는 양자 장벽층 및 양자 우물층을 포함하는 단일 또는 다중 양자 우물 구조이며, Al과 Ga의 조성비를 조절하여 파장대역을 변화시키는 것을 특징으로 하는 발광소자. - 제1항에 있어서,
상기 n형 클래드층 및 p형 클래드층은 AlGaInP계 화합물 반도체로 형성되며, 상기 활성층에 비해 밴드갭이 큰 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 발광소자. - 제1항에 있어서,
상기 p형 클래드층 상에 p형 윈도우층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자. - 기판 상에 제1 굴절율막 및 제2 굴절율막을 교대로 적층하여 DBR층을 형성하는 단계;
상기 DBR층 상에 n형 클래드층, 활성층 및 p형 클래드층을 순차적으로 형성하는 단계;
상기 p형 클래드층 상에 p형 전극을 형성하는 단계;
상기 p형 클래드층의 일부에 p형 전극을 덮도록 하드 마스크막을 형성하는 단계;
상기 하드 마스크막을 식각 마스크로 사용하여 상기 제1 굴절율막, 제2 굴절율막, n형 클래드층, 활성층 및 p형 클래드층을 상기 기판의 일부가 노출되도록 식각하여 개구부를 형성하는 단계;
상기 개구부를 이용하여 제1 굴절율막과 제2 굴절율막이 교대로 적층된 DBR층을 수평 방향으로 식각하여 공기층을 형성하는 단계; 및
상기 하드 마스크막을 제거하고, 상기 기판의 이면에 n형 전극을 증착하는 단계를 포함하고,
상기 개구부를 이용하여 제1 굴절율막과 제2 굴절율막이 교대로 적층된 DBR층을 수평 방향으로 식각하여 공기층을 형성하는 단계는 식각액을 사용하는 화학적 습식 식각을 이용하되,
상기 식각액은 상기 제1 굴절율막과 제2 굴절율막의 식각율이 같은 용액을 포함하며,
상기 공기층은 상기 수평방향의 식각을 통해 발생하는 제1 굴절율막과 제2 굴절율막의 측부에 형성되는 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조방법. - 제10항에 있어서,
상기 p형 클래드층 상에 p형 윈도우층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조방법. - 제10항에 있어서,
상기 제1 굴절율막 및 상기 제2 굴절율막은 AlxGa1 - xAs(0≤x≤1)을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조방법. - 제12항에 있어서,
상기 제1 굴절율막의 조성은 0≤x≤0.5 범위 내이며, 상기 제2 굴절율막의 조성은 0.8≤x≤1.0의 범위 내인 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조방법. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제10항에 있어서,
상기 식각액은 NH4OH계 용액인 것을 특징으로 하는 발광소자의 제조방법.
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