KR101315815B1 - 발광 소자 - Google Patents

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KR101315815B1
KR101315815B1 KR1020120081558A KR20120081558A KR101315815B1 KR 101315815 B1 KR101315815 B1 KR 101315815B1 KR 1020120081558 A KR1020120081558 A KR 1020120081558A KR 20120081558 A KR20120081558 A KR 20120081558A KR 101315815 B1 KR101315815 B1 KR 101315815B1
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안도열
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인텔렉추얼디스커버리 주식회사
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Abstract

광추출효율이 향상된 발광 소자가 개시된다. 이러한 발광 소자는 광을 생성하여 방출하는 발광 다이오드층, 및 상기 발광 다이오드층의 상면 상에 형성되고 상기 발광 다이오드층에서 출사된 광을 투과시키는 투명 전극층을 포함한다. 상기 발광 다이오드층의 상면에는 제1 주기(p)의 그루브들(grooves)로 구성된 제1 그루브부가 형성되고, 상기 투명 전극층의 상면에는 상기 제1 주기(p)와 다른 제2 주기(q)의 그루브들로 구성된 제2 그루브부가 형성된다. 이와 같이, 상기 제1 및 제2 그루브들이 서로 다른 주기의 그루브들로 구성됨에 따라, 상기 발광 다이오드층에서 발생되어 상기 투명 전극층의 외부로 출사되는 광의 추출 효율이 보다 향상될 수 있다.

Description

발광 소자{LIGHT GENERATING DEVICE}
본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광추출 효율을 향상할 수 있는 발광 소자에 관한 것이다.
발광 다이오드(LED) 등의 반도체 발광 소자는 환경 친화적이고, 저전력 구동이 가능하며, 또한 작은 사이즈로 구현 가능하기 때문에, 조명 및 디스플레이 등의 여러 분야에서 널리 사용되고 있다.
상기 반도체 발광 소자는 예를 들어, 기판 상에 N형 반도체층, 발광층, P형 반도체층이 순차적으로 적층되어 형성되며, 상기 N형 반도체층 상에 형성된 N측 전극 및 상기 P형 반도체층 상에 형성된 P측 전극을 더 포함한다. 이와 같은 구조로 이루어지는 반도체 발광 소자는 상기 발광층에서 생성된 빛이 상기 반도체 발광 소자의 외부로 방출됨으로써, 하나의 점광원인 발광 소자로서 작용하게 된다. 이러한 특성을 갖는 반도체 발광 소자의 휘도를 결정하는 요인은 내부 양자 효율 및 외부 양자 효율이다.
상기 내부 양자 효율을 향상시키기 위해서는, 상기 N형 반도체층에서 주입되는 전자와 상기 P형 반도체층을 통해 주입되는 정공이 상기 발광층 내에서 결합되는 확률을 높여야 한다. 이를 위하여, 한국 등록특허 691283에서는 양자 장벽층을 형성하여 정공과 전자의 결합 확률을 증대시키고 있다.
한편, 상기 외부 양자 효율을 향상시키기 위해서는, 생성된 광을 상기 반도체 발광 소자의 외부로 보다 많이 출사시켜야 한다. 이때, 상기 반도체 발광 소자의 내부에서 생성된 광 중 일부는 외부로 방출되지 못하고 상기 반도체 발광 소자 내에서 반사를 반복하다가 소멸되며, 그 이외의 나머지 광만이 상기 반도체 발광 소자의 외부로 방출된다.
도 1을 참조하여 보다 상세하게 설명하면, 반도체 발광 소자의 외부로 추출되는 광(1)에서, 반도체 발광 소자의 굴절율(n1, n1>n2) 및 공기 중의 굴절율(n2)과 입사각(θ1) 및 출사각(θ2)은 다음의 스넬의 법칙(Snell's law)을 만족한다.
스넬의 법칙 : n1/n2 = sinθ1/sinθ2
이때, 입사각(θ1)이 특정 값이 되면, 상기 스넬의 법칙을 만족하는 출사각(θ2)은 90도가 되며, 입사각(θ1)이 상기 특정 값 이상이 되면, 광(2)은 출사되지 못하고 전반사되게 된다.
따라서, 반도체 발광 소자의 내부에서 생성된 광 중 상기 특정 값보다 크게 입사되는 광은, 공기와 반도체 발광 소자의 굴절률 차이에 의해서, 공기 중으로 출사되지 못하고 전반사되어, 내부에서 전반사를 반복하다가 소멸된다. 예컨대, Ⅲ-V족 질화물계 양자우물 구조 기반 반도체 발광 소자는 질화물의 굴절계수 2.71과 공기의 굴절계수 1의 차이로 인한 전반사로 인해 대부분의 광이 소자 내부로 반사되어 광손실이 상당히 높아 통상적으로 10% 내외의 광만이 유효한 출력으로 나오게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 대한민국 공개특허 2010-0122770에서는 투명전극에 미세 패턴을 형성하여 전반사를 감소시킴으로써 외부 양자 효율을 향상시키고 있다.
하지만, 이와 같이 패턴을 형성하는 경우에도 패턴 사이의 공간을 통해서 전반사가 발생될 수 있으며, 근본적으로 전반사 문제를 해결할 수 없어, 외부 양자효율을 극대화시키기에는 부족한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 외부 양자 효율(또는 광추출 효율)을 향상시킬 수 있는 발광 소자를 제공하는 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 예시적인 실시예에 의한 발광 소자는 광을 생성하여 방출하는 발광 다이오드층, 및 상기 발광 다이오드층의 상면 상에 형성되고 상기 발광 다이오드층에서 출사된 광을 투과시키는 투명 전극층을 포함한다. 상기 발광 다이오드층의 상면에는 제1 주기(p)의 그루브들(grooves)로 구성된 제1 그루브부가 형성되고, 상기 투명 전극층의 상면에는 상기 제1 주기(p)와 다른 제2 주기(q)의 그루브들로 구성된 제2 그루브부가 형성된다.
상기 제1 그루브부는 유전율에 따른 f(x+p)=f(x)의 주기함수로 표현되고, 상기 제2 그루브부는 유전율에 따른 g(x+q)=g(x)의 주기함수로 표현될 수 있다.
상기 발광 다이오드층에서 생성되어 상기 투명 전극층으로 입사되는 광이 상기 투명 전극층의 외부로 출사되는 최종 투과율은
Figure 112012059725230-pat00001
의 관계를 가질 수 있다. 이때, λ는 상기 광의 파장이고, K는 1/2의 정수배 또는 1/4의 정수배이며, n 및 m은 임의의 정수이다. 예를 들어, 상기 제1 주기(p)는 λ/4이고, 상기 제2 주기(q)는 λ/2일 수 있다.
상기 제1 및 제2 그루브부들 각각은 삼각파 형태의 단면을 갖는 그루브들로 구성될 수 있다.
상기 발광 다이오드층은 N형 반도체층, 상기 N형 반도체층과 이격되어 배치된 P형 반도체층, 및 상기 N형 반도체층과 상기 P형 반도체층 사이에 배치되어 광을 발생시키는 발광층을 포함할 수 있다.
우선, 상기 투명 전극층은 상기 P형 반도체층의 상면에 형성되고, 상기 제1 그루브부는 상기 P형 반도체층의 상면에 형성될 수 있다. 이때, 상기 발광층은 상기 N형 반도체층의 일부분이 노출되도록 상기 N형 반도체층의 상면에 형성될 수 있다. 또한, 상기 발광 소자는 상기 N형 반도체층의 일부분 상에 형성된 N측 전극, 및 상기 투명 전극층의 일부분 상에 형성된 P측 전극을 더 포함할 수 있다.
또는, 상기 투명 전극층은 상기 N형 반도체층의 상면에 형성되고, 상기 제1 그루브부는 상기 N형 반도체층의 상면에 형성될 수 있다. 이때, 상기 발광 소자는 상기 P형 반도체층의 하면에 형성된 P측 전극, 및 상기 투명 전극층의 일부분 상에 형성된 N측 전극을 더 포함할 수 있다.
이와 같은 발광소자에 따르면, 투명 전극층과 마주하는 발광 다이오드층의 상면에 형성된 제1 그루브부와, 투명 전극층의 상면에 형성된 제2 그루브부가 서로 다른 주기의 그루브들로 구성됨에 따라, 상기 발광 다이오드층에서 발생되어 상기 투명 전극층의 외부로 출사되는 광의 추출 효율이 보다 향상될 수 있다.
도 1은 전반사가 발생되는 것을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 발광 소자를 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 의한 발광 소자를 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 4는 도 2 및 도 3에서 발광다이오드층의 제1 그루브부와 투명전극층의 제2 그루브부 사이 관계를 수학적으로 해석하기 위한 개략적인 단면도이다.
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.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 발광 소자를 도시하는 개략적인 단면도이고, 도 3은 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 의한 발광 소자를 도시하는 개략적인 단면도이다. 도 2 및 도 3은 각각 일반적인 발광 다이오드 구조 및 수직형 발광 다이오드의 구조를 도시한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 발광 소자는 발광 다이오드층(10), 투명 전극층(20), N측 전극(30) 및 P측 전극(40)을 포함한다.
상기 발광 다이오드층(10)은 광을 생성하여 방출시킨다. 구체적으로, 상기 발광 다이오드층(10)은 N형 반도체층(12), 상기 N형 반도체층(12)과 이격되어 배치된 P형 반도체층(14), 및 상기 N형 반도체층(12)과 상기 P형 반도체층(14) 사이에 배치되어 광을 발생시키는 발광층(16)을 포함한다. 이때, 상기 발광 다이오드층(10)은 Ⅲ-V족 질화물계, 예를 들어 GaN계 양자우물 구조 기반의 발광 다이오드일 수 있다.
상기 투명 전극층(20)은 상기 발광 다이오드층(10)의 일면에 형성되고, 예를 들어 인듐-틴 산화물(indium-tin oxide; ITO) 물질로 이루어질 수 있다. 상기 N측 전극(30)은 상기 N형 반도체층(12)과 대응되도록 형성되어 전자를 제공하고, 상기 P측 전극(40)은 상기 P형 반도체층(14)과 대응되도록 형성되어 전공을 제공한다. 상기 N측 전극(30) 및 상기 P측 전극(40)은 금속 물질, 예를 들어 알루미늄(Al) 물질로 이루어질 수 있다.
본 실시예에서, 상기 투명 전극층(20)과 마주하여 접하고 있는 상기 발광 다이오드층(10)의 상면에는 제1 그루브부(10a)가 형성되고, 외부의 공기층와 마주하여 접하고 있는 상기 투명 전극층(20)의 상면에는 제2 그루브부(20a)가 형성된다. 상기 제1 및 제2 그루브부들(10a, 20a) 각각은 복수의 그루브들(grooves)이 주기적으로 형성된 일단면을 갖는다. 이때, 상기 발광 다이오드층(10)에서 생성된 광의 추출 효율이 최대로 향상되도록 상기 제1 및 제2 그루브부들(10a, 20a)은 서로 다른 주기로 형성된 그루브들로 구성될 수 있다.
보다 상세하게 도 2를 참조하여 발광 소자의 일 예(일반적인 발광 다이오드 구조)를 설명하면, 상기 N형 반도체층(12)은 기판(S) 상에 형성되고, 상기 발광층(16)은 상기 N형 반도체층(12)의 일부분이 노출되도록 상기 N형 반도체층(12) 상에 형성되며, 상기 P형 반도체층(14)은 상기 발광층(16) 상에 형성되고, 상기 투명 전극층(20)은 상기 P형 반도체층(14) 상에 형성된다. 또한, 상기 N측 전극(30)은 상기 N형 반도체층(12)의 일부분 상에 형성되고, 상기 P측 전극(40)은 상기 투명 전극층(20)의 일부분 상에 형성된다.
이때, 상기 기판(S)은 상기 발광 다이오드층(10)의 형성을 위한 기반으로, 사파이어 기판 또는 웨이퍼 기판일 수 있고, 이와 다르게 Ⅲ-V족 질화물계, 예를 들어 GaN계 기판일 수 있다.
도 2에서는, 상기 제1 그루브부(10a)가 상기 투명 전극층(20)과 마주하여 접하고 있는 상기 P형 반도체층(14)의 상면에 형성되고, 상기 제2 그루브부(20a)는 상기 P형 반도체층(14) 상에 형성된 상기 투명 전극층(20)의 상면에 형성된다.
이와 다르게 도 3을 참조하여 발광 소자의 다른 예(수직형 발광 다이오드 구조)를 설명하면, 상기 P형 반도체층(14) 상에 상기 발광층(16)이 형성되고, 상기 발광층(16) 상에 상기 N형 반도체층(12)이 형성되며, 상기 N형 반도체층(12) 상에 상기 투명 전극층(20)이 형성된다. 또한, 상기 P측 전극(40)은 상기 P형 반도체층(14)의 하면 상에 형성되고, 상기 N측 전극(30)은 상기 투명 전극층(20)의 일부분 상에 형성된다.
도 3에서는, 상기 제1 그루브부(10a)가 상기 투명 전극층(20)과 마주하여 접하고 있는 상기 N형 반도체층(12)의 상면에 형성되고, 상기 제2 그루브부(20a)는 상기 N형 반도체층(12) 상에 형성된 상기 투명 전극층(20)의 상면에 형성된다.
한편, 도 2 내지 도 3에서 개시된 발광 소자는 예시적인 것일 뿐, 다른 종류의 발광 소자가 적용될 수도 있다.
이하, 상기 제1 및 제2 그루브부들(10a, 20a)에 의한 광추출 효율에 관련하여 수학적 해석을 위한 모델을 설명하고자 한다.
도 4는 도 2 및 도 3에서 발광다이오드층의 제1 그루브부와 투명전극층의 제2 그루브부 사이 관계를 수학적으로 해석하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 4를 참조하면, 상기 제1 그루브부(10a)는 주기 p를 갖는 그루브들로 구성되고, 상기 제2 그루브부(20a)는 상기 주기 p와 다른 주기 q를 갖는 그루브들로 구성될 수 있다.
본 실시예에서, 상기 제1 및 제2 그루브부들(10a, 20a) 각각은 유전율에 따른 주기함수로 표현할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 그루브부(10a)는 f(x+p)=f(x)의 주기함수로 표현될 수 있고, 상기 제2 그루브부(20a)는 g(x+q)=g(x)의 주기함수로 표현될 수 있다. 이때, 상기 주기함수들 각각은 도 4와 같이 삼각파 형태를 가질 수도 있지만, 이와 다른 다양한 형태, 예를 들어 사인파 형태를 가질 수 있다.
먼저, 상기 발광 다이오드층(10)에서 발생된 광이 상기 발광 다이오드층(10)에서 상기 투명 전극층(20)으로 입사되는 경우를 생각한다. 이 경우, 상기 광파는 입사파, 반사파, 그리고 투과파로 구성되고, 다음과 같이 표현할 수 있다[J. A. Kong, Electromagnetic Wave Theory, pp. 499-550].
Figure 112012059725230-pat00002
여기서,
Figure 112012059725230-pat00003
은 그루브에서의 광파의 전계성분이다.
주기적인 유전율로 인해, 다음과 같은 식이 성립된다.
Figure 112012059725230-pat00004
Green 함수는
Figure 112012059725230-pat00005
이고,
Figure 112012059725230-pat00006
은 first kind Hankel함수이다.
또한, 경계조건은 다음과 같다.
Figure 112012059725230-pat00007
이 경우, 투과되는 전계는 다음과 같은 행렬식으로부터 구할 수 있다.
Figure 112012059725230-pat00008
또한, 이와 유사한 방법으로 상기 제2 그루브부(20a)에서의 투과성분도 유도해 낼 수 있다.
이상의 결과를 종합하면, 광파의 최종 투과율은 복잡한 함수꼴을 갖게 되지만, 결국 Q tensor의 형태로부터
Figure 112012059725230-pat00009
의 꼴을 갖게 되면 최대값을 갖게 됨을 유추해 낼 수 있다. 이때, λ는 광파의 파장이고, K는 1/2의 정수배 또는 1/4의 정수배이며, n 및 m은 임의의 정수이다.
즉, 광파의 최종 투과율은 1/p - 1/q = 1/2λ, 1/λ, 3/2λ, 2/λ, ...의 관계를 가질 때 최대값을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 주기 p는 λ/4이고, 상기 주기 q는 λ/2일 때, 광파의 최종 투과율이 최대가 될 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따르면, 상기 투명 전극층(20)과 마주하는 상기 발광 다이오드층(10)의 상면에 형성된 상기 제1 그루브부(10a)와, 상기 투명 전극층(20)의 상면에 형성된 상기 제2 그루브부(20a)가 서로 다른 주기의 그루브들로 구성됨에 따라, 상기 발광 다이오드층(10)에서 발생된 광이 상기 투명 전극층(20)의 외부로 출사될 때 전반사되어 소멸되는 것을 감소시켜 최종 광의 추출효율이 보다 향상될 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 발광 다이오드층 12 : N형 반도체층
14 : P형 반도체층 16 : 발광층
10a : 제1 그루브부 20 : 투명 전극층
20a : 제2 그루브부 30 : N측 전극
40 : P측 전극 S: 기판

Claims (10)

  1. 광을 생성하여 방출하는 발광 다이오드층; 및
    상기 발광 다이오드층의 상면 상에 형성되고, 상기 발광 다이오드층에서 출사된 광을 투과시키는 투명 전극층을 포함하고,
    상기 발광 다이오드층의 상면에는 제1 주기(p)의 그루브들(grooves)로 구성된 제1 그루브부가 형성되고,
    상기 투명 전극층의 상면에는 상기 제1 주기(p)와 다른 제2 주기(q)의 그루브들로 구성된 제2 그루브부가 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 그루브부는 유전율에 따른 f(x+p)=f(x)의 주기함수로 표현되고,
    상기 제2 그루브부는 유전율에 따른 g(x+q)=g(x)의 주기함수로 표현되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  3. 제2항에 있어서, 상기 발광 다이오드층에서 생성되어 상기 투명 전극층으로 입사되는 광이 상기 투명 전극층의 외부로 출사되는 최종 투과율은
    Figure 112012059725230-pat00010
    의 관계를 갖는 것(단, λ는 상기 광의 파장이고, K는 1/2의 정수배 또는 1/4의 정수배이며, n 및 m은 임의의 정수임)을 특징으로 하는 발광 소자.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 주기(p)는 λ/4이고, 상기 제2 주기(q)는 λ/2인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 그루브부들 각각은
    삼각파 형태의 단면을 갖는 그루브들로 구성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  6. 제1항에 있어서, 상기 발광 다이오드층은
    N형 반도체층;
    상기 N형 반도체층과 이격되어 배치된 P형 반도체층; 및
    상기 N형 반도체층과 상기 P형 반도체층 사이에 배치되어 광을 발생시키는 발광층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  7. 제6항에 있어서, 상기 투명 전극층은 상기 P형 반도체층의 상면에 형성되고,
    상기 제1 그루브부는 상기 P형 반도체층의 상면에 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  8. 제7항에 있어서, 상기 발광층은 상기 N형 반도체층의 일부분이 노출되도록 상기 N형 반도체층의 상면에 형성되고,
    상기 N형 반도체층의 일부분 상에 형성된 N측 전극; 및
    상기 투명 전극층의 일부분 상에 형성된 P측 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  9. 제6항에 있어서, 상기 투명 전극층은 상기 N형 반도체층의 상면에 형성되고,
    상기 제1 그루브부는 상기 N형 반도체층의 상면에 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  10. 제9항에 있어서, 상기 P형 반도체층의 하면에 형성된 P측 전극; 및
    상기 투명 전극층의 일부분 상에 형성된 N측 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
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