KR101377397B1 - Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체 - Google Patents

Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체 Download PDF

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Abstract

Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체가 개시된다. 일 실시예로서, 기판 및 상기 기판의 일면 위에 배치되며 1차원 회절 격자 패턴의 구조가 표면에 형성된 Ⅲ족 질화물 층을 포함하되, 상기 격자 패턴 구조는 마루 부분과 골 부분이 주기적으로 배치된 요철 형상의 단면을 가지며, 상기 Ⅲ족 질화물 내부로부터 입사한 입사광 중 상기 마루 부분을 투과하는 제 1 광과 상기 골 부분을 투과하는 제 2 광이 서로 상쇄간섭을 일으킴으로써 상기 입사광이 상기 격자 패턴 구조의 표면에서 반사되는 Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체가 개시된다.

Description

Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체{Ⅲ-NITRIDE SURFACE GRATING REFLECTOR}
본 개시는 대체로 표면 격자 반사체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체에 관한 것이다.
여러 가지 광전자기기-특히 면 발광형 반도체 레이저(VCSEL), 공진 공동 발광 다이오드(RCLED)-에서 반사체는 중요한 부분을 차지하는데, 그 재료로 일반적으로는 Ag, Al과 같은 금속을 사용하거나, 혹은 높은 반사율을 얻기 위하여 서로 다른 굴절률을 가진 두 물질의 주기적인 층으로 이루어진 분산 브래그 반사체(distributed Bragg Reflector, 이하 'DBR'이라 함)가 사용된다. 그러나 단파장 영역에서 금속은 흡수가 높아져 금속을 이용한 거울은 높은 반사율을 제공할 수 없다. DBR의 경우 단파장 발광 소재의 대표격인 Ⅲ족 질화물 소재 시스템에서는 Ⅲ족 질화물과 AlN의 격자 상수의 차이는 큰 반면 굴절률의 차이는 크지 않아 높은 반사율을 가지는 DBR을 제작하는데 매우 특별한 기술을 필요로 할 뿐만 아니라 두께가 두꺼워지게 되는 단점이 있다. 반도체 DBR 대신 유전체 DBR을 사용하는 것도 생각할 수 있으나 그럴 경우 전기 주입이나 열방출이 어려워지는 단점이 있다.
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개시된 기술의 일 측면은 기판 및 상기 기판의 일면 위에 배치되며 1차원 회절 격자 패턴 구조가 표면에 형성된 Ⅲ족 질화물 층을 포함하되, 상기 격자 패턴 구조는 마루 부분과 골 부분이 주기적으로 배치된 요철 형상의 단면을 가지며, 상기 Ⅲ족 질화물 내부로부터 입사한 입사광 중 상기 마루 부분을 투과하는 제 1 광과 상기 골 부분을 투과하는 제 2 광이 서로 상쇄간섭을 일으킴으로써 상기 입사광이 상기 격자 패턴 구조의 표면에서 반사되는 Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체를 제공한다.
개시된 기술의 다른 측면은 상기 Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체를 포함하는 발광소자를 제공한다.
개시된 기술의 또 다른 측면은 기판 및 상기 기판의 일면 위에 배치되며 격자 패턴의 구조가 표면에 형성된 Ⅲ족 질화물 층을 포함하되, 상기 격자 패턴 구조는 마루 부분과 골 부분이 2차원적으로 주기적 배열되고 상기 격자는 다각형 형태이며, 상기 Ⅲ족 질화물 내부로부터 입사한 입사광 중 상기 마루 부분을 투과하는 제 1 광과 상기 골 부분을 투과하는 제 2 광이 서로 상쇄간섭을 일으킴으로써 상기 입사광이 상기 격자 패턴 구조의 표면에서 반사되는 Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체를 제공한다.
개시된 기술의 또 다른 측면은 상기 Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체를 포함하는 발광소자를 제공한다.
본 개시의 Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체의 일 실시예에 따르면, 단면이 요철 모양인 격자 패턴이 주기적으로 반복되는 구조를 포함하고 있다. 특정 파장대의 입사광에 대해 높은 반사율을 가지고, 특히 TE 편광에 대하여 탁월한 반사율을 나타낸다. 또한 약 0.8 이상의 높은 반사율을 보이는 입사광의 파장대가 약 90 nm로 넓다.
또한 본 개시의 Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체의 다른 실시예에 따르면, 마루 부분과 골 부분이 2차원적으로 주기적 배열되는 2차원 격자 패턴 구조를 포함하고 있다. 이 경우 입사광이 TE편광 또는 TM편광 여부에 관계없이 높은 반사율을 가질 수 있다.
도 1의 (a)는 본 개시의 Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체를 나타내는 사시도이다.
도 1의 (b)는 본 개시의 GaN 표면 격자 반사체의 단면을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 GaN 표면 격자 반사체의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 본 개시의 GaN 표면 격자 반사체를 제조하기 위한 홀로그래픽 리소그래피 시스템을 나타내는 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4에 홀로그래픽 리소그래피를 이용하여 패터닝한 Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체의 주사전자현미경 사진이다.
도 5는 GaN 표면 격자 반사체로 파장 450 nm인 TE(transverse electric field) 편광 입사광이 입사할 때 전기장의 분포를 나타내는 도면이다.
도 6은 상기 바람직한 Ⅲ족 질화물격자 패턴 구조에 대하여 RCWA 방법으로 계산된 편광방향에 따른 반사스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 7은 RCWA 방법으로 계산된 격자의 주기 또는 격자의 높이에 따른 입사광의 0차 반사율의 변화를 나타내는 도면이다.
도 8은 RCWA 방법으로 계산된 격자의 채움률 또는 격자의 경사각에 따른 입사광의 0차 반사율의 변화를 나타내는 도면이다.
도 9는 GaN 표면 격자 반사체의 Ⅲ족 질화물층 내부에서 공기 또는 진공 쪽으로 진행하는 입사광에 대한 반사율 측정 시스템이다.
도 10은 반사율 측정 시스템을 이용하여 측정한 GaN 표면 격자 반사체의 반사율을 나타내는 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 본 개시의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 본 명세서에 개시된 기술은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 단지, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 당업자에게 본 개시의 기술 및 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면에서는 여러 층(또는 막), 영역 및 형상을 명확하게 표현하기 위하여 구조물들의 폭, 두께 또는 형상을 확대하여 나타내었다. 도면은 관찰자의 시점에서 설명되었고, 층, 막, 영역 등의 부분이 다른 부분 "상부에" 또는 "위에" 있다고 표현된 경우에는, "바로 상부에" 또는 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 그리고, 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1의 (a)는 본 개시의 Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체를 나타내는 사시도이다. 도 1의 (a)를 참조하면, Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체(100)는 기판(102)의 일면에 Ⅲ족 질화물 층(104)이 배치되어 있다. Ⅲ족 질화물은 예로서 GaN, AlGaN 또는 InGaN일 수 있다. 간결하게 기술하기 위하여, 이하에서는 Ⅲ족 질화물 중 GaN을 대상으로 하여 Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체(100)를 설명하기로 한다. 여기서, GaN 층(104) 표면에 격자 패턴 구조(P)가 형성되어 있다. 격자 패턴 구조 (P)는 마루 부분(110)과 골(120) 부분이 주기적으로 배치된 요철 형상의 단면을 가진다. 즉, 격자 패턴 구조(P)는 GaN 층(104) 표면의 적어도 일부에 복수 개의 바(bar)들이 평행하게 배열된 것과 같은 형태를 가진다. 격자 패턴 구조(P)에 있어서, 주기(Λ)는 마루 부분(110)의 폭(w1)과 골 부분(120)의 폭(w2)의 합이 된다.
격자 패턴 구조(P)의 표면은 공기(air)와 접하거나 진공(vacuum) 중에 놓일 수 있다.
기판(102)은 예로서, 사파이어, 실리콘, 질화갈륨, 비소화갈륨, 탄화실리콘, 산화아연 또는 유리로 된 기판일 수 있다.
특정 파장을 갖는 빛이 GaN 내부로부터 입사하는 경우, GaN 표면 격자 반사체(100)는 격자 패턴 구조(P)의 표면에서 높은 반사율을 가질 수 있다. 특정 이론에 의해 구속받는 것은 아니지만, 본 개시의 GaN 표면 격자 반사체가 입사광을 반사하는 이유를 이하와 같이 설명할 수 있다.
도 1의 (b)는 본 개시의 GaN 표면 격자 반사체의 단면을 나타내는 도면이다. 도 1의 (b)를 참조하면, GaN층(104)을 투과하는 입사광(130)이 격자 패턴 구조(P)를 통과하면 입사광(130)의 파장과 격자 패턴 구조(P)의 주기(Λ)에 따라 여러 각도로 빛이 회절될 수 있다. 격자 패턴을 적절히 설계하면 입사광이 입사각과 다른 각도로 투과하거나 반사하는 1차 이상의 회절 (high order diffraction)을 억제하고 입사광이 입사각과 같은 각도로 투과하거나 반사하는 0차 회절만 존재하도록 할 수 있다. 입사광은 약 300 nm 내지 약 700 nm의 파장을 가질 수 있다.
이 때 마루 부분(110)과 골 부분(120)을 각각 지나는 제 1 광(130-1)과 제 2 광(130-2)의 위상차가 π가 되도록 하면 격자를 통과한 빛들이 공기 중에서 상쇄간섭을 일으킬 수 있다. 상기 위상차는 격자 패턴 구조(P)의 외형(geometry)을 결정하는 구조적 매개변수에 따라 정해질 수 있다. 따라서 마루의 높이(h) 또는 채움률(F; filling factor)과 같은 구조적 매개변수를 적절히 조절함으로써, GaN층(104)을 투과하는 특정 파장의 입사파를 완전 반사시킬 수 있다. 채움률이란 마루의 폭(w1)과 격자의 주기(Λ)의 비율이다.
본 개시의 일실시예에 따르면 GaN 표면 격자 반사체의 GaN 격자 패턴은 골(120)이 한 방향으로 나 있는 구조에 한정되지 않고 2차원 격자 패턴 구조로 구현할 수도 있다. 즉, 2차원 격자 패턴 구조는 마루 부분과 골 부분이 2차원적으로 주기적 배열된 형태로 구현할 수 있다. 예로서 격자는 삼각형 또는 사각형 모양일 수 있다.
이하, 일 실시예에 따른 GaN 표면 격자 반사체의 제조방법을 설명하고자 한다. 도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 GaN 표면 격자 반사체의 제조방법을 나타내는 흐름도이다. 도 2를 참조하면, S200에서 기판 위에 GaN 층을 형성시킨다. 기판은 일예로 사파이어 기판일 수 있다. GaN층은 일예로 금속-유기화학 기상 증착법(metal-organic chemical-vapor-deposition, 이하 'MOCVD'라 함)을 사용하여 수 마이크론의 두께로 성장시킬 수 있다.
S210에서 GaN층 위에 SiO2 층을 형성시킨다. SiO2 층은 일예로 플라즈마 향상 화학기상 증착법(plasma-enhanced chemical vapor deposition)으로 성장시킬 수 있다. SiO2 층은 GaN층의 격자 패턴 형성을 위한 마스크로 사용된다.
S220에서 SiO2 층 위에 Cr 층을 형성시킨다. Cr 층은 SiO2 층 식각을 위한 마스크로 사용된다. Cr 층은 일예로 전자총 증발법(e-gun evaporation)으로 성장시킬 수 있다.
S230에서 Cr 층을 홀로그래픽 리소그래피(holographic lithography)를 이용하여 라인 패턴(line pattern)을 만들고 에칭하여 격자 패턴을 만든다.
도 3은 본 개시의 GaN표면 격자 반사체를 제조하기 위한 홀로그래픽 리소그래피 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다. 홀로그래픽 리소그래피는 전자빔 리소그래피(e-beam lithography)에 비해 적은 비용과 시간으로 1, 2 차원의 주기적 나노 집적 회로(IC nano-structure)를 넓은 면적에 제작하기가 용이하다. 도 3을 참조하면 홀로그래픽 리소그래피 시스템은 헬륨-카드뮴 레이저 발생기(350), 미러(330a, 330b, 330c), 셔터(340), 광 확장기(320), 렌즈(310) 및 샘플 스테이지(360)를 포함한다. 325nm 헬륨-카드뮴(He-Cd) 레이저 발생기(350)에서 방출된 레이저(305)를 미러(330b)로 반사시켜 셔터로 통과시킨다. 셔터(340)는 일예로 전자식 셔터(electronic shutter)로서 샘플(300)에 조사되는 레이저의 노광 시간을 조절할 수 있다. 셔터(340)를 통과한 레이저는 미러(330b)에서 반사되어 광 확장기(320)를 통과면서 퍼진다. 광 확장기(320)를 통과하면서 퍼진 레이저를 시준기(310)로 평행광으로 만든 다음 샘플 스테이지(360)로 입사시킨다. 샘플(300)에 직접 조사되는 레이저와 샘플(300)에 수직으로 설치된 미러(330c)에서 반사되어 샘플(300)로 들어오는 레이저가 샘플(300) 표면에서 간섭을 일으켜 1차원 격자 패턴을 형성한다. 샘플 스테이지(360)를 회전시켜 두 레이저의 입사각을 조절하면 격자 패턴의 주기를 쉽게 조절할 수 있다. 두 레이저의 간섭 현상을 이용한 홀로그래픽 리소그래피를 사용하여 샘플(300)의 넓은 면적에 격자를 패터닝할 수 있다.
도 2를 재참조하면, S240에서 SiO2 층을 반응성 이온 에칭(reactive ion etching 이하 'RIE' 라 함)한다. S250에서 격자로 된 SiO2 층을 이용하여 GaN층을 유도결합 플라즈마 반응성 이온 에칭(inductively-coupled plasma RIE, 이하 'ICPRIE'함)하여 GaN 층에 격자 패턴을 형성함으로써, GaN 표면 격자 반사체가 제조될 수 있다.
도 4에 상술한 홀로그래픽 리소그래피를 이용하여 패터닝한 GaN 표면 격자 반사체의 주사전자현미경 사진을 나타내었다. 도 4의 (a)는 GaN표면 격자 반사체의 측면에서 관찰한 사진이고, 도 4의 (b)는 GaN 표면 격자 반사체의 상부에서 관찰한 사진이다. 도 4의 (a) 및 (b)로부터, 주기적 패턴을 가진 격자 구조를 관찰할 수 있다.
상술한 방법으로 만들어진 GaN 표면 격자 반사체에 대해 반사율 측정은 다음과 같은 방식으로 수행될 수 있다.
도 5는 GaN 표면 격자 반사체로 파장 450 nm인 TE(transverse electric field) 편광 입사광이 입사할 때 전기장의 분포를 나타내는 도면이다. TE 편광이란 빛의 전기장과 격자 패턴 구조의 골 방향(도 1의 (a)에 있어서 '1')이 평행한 빛을 말한다. 상기 전기장의 분포는 유한 차 시간 영역(Finite-difference time-domain, 이하 'FDTD'라 함) 방법을 이용하여 분석될 수 있다. 도 5의 (a)를 참조하면, 각 숫자는 빛의 전기장의 세기를 상대적으로 표시한 값이다. 전기장이 동일한 세기를 가지는 좌표를 선으로 연결하여 표시하였다. 전기장이 GaN격자 패턴의 표면에 국소적으로 강하게 집중되어 있다. 'A'영역 및'B'영역을 각각 격자의 마루 부분과 골 부분을 통과하는 빛이 지나는 영역이다. 도 5의 (b)를 참조하면 격자 패턴을 통과하기 전 각각의 빛은 위상이 동일하다. 그러나 격자 패턴을 통과하면서 격자의 마루를 통과하는 빛과 격자의 골을 통과하는 빛 사이에 위상차가 π만큼 발생한다. 그 결과, 'A' 영역 및 'B' 영역을 각각 통과하는 빛의 전기장의 합은 0이 된다. 따라서 격자 패턴 구조의 마루 부분과 골 부분을 통과하는 빛의 상쇄간섭 현상에 의해 높은 반사가 얻어질 수 있다는 앞서의 설명과 잘 일치함을 알 수 있다. 상기 위상차가 π에 가까워질수록 반사율이 높아지며, 상기 위상차는 격자 패턴 구조의 구조적 매개변수들에 의해 결정될 수 있다. 상기 구조적 매개변수들의 예로 도 1에서 상술한 주기(Λ), 채움률(F), 높이(h) 및 격자의 경사각(θ) 등을 들 수 있다. 여기서 격자의 경사각(θ)은 격자의 골 부분을 가로지르는 법선과 격자 측면이 이루는 각을 말한다. 예를 들어 격자의 경사각 (θ)이 0도인 경우 격자 패턴 구조의 단면은 직사각형의 형태가 되고 0도 이상이 되면 사다리꼴의 형태가 된다. 필요한 용도에 따라 상기 구조적 매개변수들은 다양하게 변경될 수 있다.
상기 주기(Λ)는 입사광의 파장(λ)보다 짧아야 한다. 바람직하게는 λ/2<Λ<λ일 수 있다. 예를 들어 입사광의 파장이 약 450 nm인 경우 바람직한 주기(Λ)는 약 400 nm 내지 약 450 nm 일 수 있다.
상기 마루 부분의 높이(h)는 채움률이 약 0.5인 경우 λ/2(nGaN-1) 부근이어야 한다(λ: 입사광의 파장, nGaN: GaN의 굴절률). 바람직하게는 λ/4(nGaN-1)<h<λ/(nGaN-1)일 수 있다. 예를 들어 입사광의 파장이 약 450 nm인 경우, 높이(h)는 약 80 내지 약 150 nm일 수 있으며, 바람직하게는 약 95 nm 내지 약 125 nm 일 수 있다.
상기 채움률(F)는 약 0.1 내지 약 0.7일 수 있으며, 바람직하게는 약 0.2 내지 약 0.45일 수 있다.상기 격자의 경사각(θ)은 약 0 내지 약 40도일 수 있으며, 바람직하게는 약 0도 내지 약 30도 일 수 있다.
각각의 범위를 만족시킬 경우, 반사율은 약 90％ 이상일 수 있다.
다양한 구조적 매개변수들에 대해 엄밀한 결합 파동 분석 (Rigorous Coupled-Wave Analysis, 이하 'RCWA'라 함) 방법으로 면밀히 계산한 결과, 바람직한 GaN 격자 패턴 구조의 일예를 들면, 파장(λ)이 약 450 nm 인 입사광에 대해 주기(Λ) = 약 419 nm, 채움률(F) = 약 0.4, 높이(h) = 약 114 nm, 격자의 경사각(θ) = 약 0 도 일 경우 반사율은 1에 근접할 수 있다.
도 6은 상기 바람직한 Ⅲ족 질화물격자 패턴 구조에 대하여 RCWA 방법으로 계산된 편광방향에 따른 반사스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 이 RCWA 계산에서 Ⅲ족 질화물의 파장에 따른 반사지수의 분산은 셀마이어 방정식(Sellmeier equation)을 따른다고 가정하였다. '0th R','1st R','2nd R'은 각각 입사광의 0차 회절 반사율, 1차 회절 반사율 및 2차 회절 반사율을 의미한다. 0차 회절 반사율은 입사광의 입사각과 반사각이 동일할 때의 입사광의 반사율을 의미한다. 1차 이상의 회절 반사율은 입사광의 입사각과 반사각이 동일하지 않을 때의 입사광의 반사율을 의미한다. '0th T','1st T'는 각각 입사광의 0차 회절 투과율, 1차 회절 투과율을 의미한다. 0차 회절 투과율은 입사광의 입사방향과 투과방향이 평행할 때의 입사광의 투과율을 의미한다. 1차 이상의 회절 투과율은 입사광의 입사방향과 투과방향이 평행하지 않을 때의 입사광의 투과율을 의미한다. 도 6의 (a)를 참조하면, TE 편광으로 파장 약 450 nm 부근에서 0차의 회절 반사율은 1에 가깝다. 또한 TE 편광의 1차 이상의 회절 반사율은 효과적으로 억제됨을 알 수 있다. TE 편광으로 0차 회절 반사율이 약 80％ 이상인 스펙트럼 대역이 약 90 nm, 0차 회절 반사율이 약 90 ％ 인 스펙트럼 대역이 약 60 nm로 상당히 넓은 대역을 갖는 반사체를 얻을 수 있다. 이는 일반적인 단파장용 반도체 물질로 쓰이는 InGaN 양자우물의 일반적인 이득폭보다 넓다. 도 6의 (b)를 참조하면, TM 편광으로 파장450 nm 부근에서 0차의 반사율은 0에 가깝다. TM 편광이란 빛의 자기장과 격자 패턴 구조의 골 방향(도 1의 (a)에 있어서 '1')이 평행한 빛을 말한다. 또한TM 편광의 1차 회절 반사율은 효과적으로 억제되지 않음을 알 수 있다. 상기 결과로부터 본 개시의 Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체는 TE편광에 대해 선택적으로 좋은 반사체로 동작할 수 있음을 알 수 있다.
도 7은 RCWA 방법으로 계산된 격자의 주기 또는 격자의 높이에 따른 입사광의 0차 회절 반사율의 변화를 나타내는 도면이다. 동일한 0차 회절 반사율을 가지는 좌표를 연결하여 등고선 모양으로 표현 하였다. 도 7의 (a)를 참조하면 격자의 주기에 따른 반사율의 변화가 도시된다. 격자의 주기란 마루 하나의 폭과 골 하나의 폭을 더한 값이다. 격자의 주기가 증가함에 따라 반사율이 가장 높은 영역-반사율이 약 0.9이상인 영역-이 장파장 쪽으로 이동하며 입사광의 반사율이 감소함을 알 수 있다. 격자의 주기의 변화에 따른 반사율의 변화는 다른 매개변수들에 비해 크지 않음을 알 수 있다.
도 7의 (b)를 참조하면, 격자의 높이(h)에 따른 반사율의 변화가 도시된다. 격자의 높이가 약 114 nm를 중심으로 반사율이 높은 영역-반사율이 약 0.9 이상인 영역-이 굉장히 넓게 나타남을 알 수 있다.
도 8은 RCWA 방법으로 계산된 격자의 채움률 또는 격자의 경사각에 따른 입사광의 0차 반사율의 변화를 나타내는 도면이다. 동일한 0차 회절 반사율을 가지는 좌표를 연결하여 등고선 모양으로 표현 하였다. 도 8의 (a)를 참조하면, 격자의 채움률(F)에 따른 반사율의 변화가 도시된다. 격자의 채움률의 경우 최적인 약 0.4 이하에서는 반사율이 높지만, 약 0.45를 넘어서부터 급격히 반사율이 감소함을 확인할 수 있다. 또한 반사율이 높은 영역도 다른 매개변수에 비해 상대적으로 좁다.
도 8의 (b)를 참조하면, 격자의 경사각(θ)에 따른 반사율의 변화가 도시된다. 격자의 경사각이란 격자의 골의 법선과 격자 측면이 이루는 각을 말한다. 격자의 경사각이 0°에서 약 30°까지 반사율의 변화가 다른 매개변수에 비해 상대적으로 크지 않음을 알 수 있다. 도 7 및 도 8에 나타난 결과로부터 유추하여 볼 때 격자의 채움률은 반사율을 결정함에 있어서 상대적으로 중요한 변수임을 알 수 있다.
도 9는 GaN 표면 격자 반사체의 GaN층 내부에서 공기 또는 진공 쪽으로 진행하는 입사광에 대한 반사율 측정 시스템이다. 도 9를 참조하면, 반사율 측정 시스템(900)은 제논 램프(910), 렌즈(920), 핀홀(930), 편광기(940), 빔분리기(960) 및 분광기(970)를 포함한다. 제논 램프(910)에서 방출되어 렌즈(920)를 통과한 빛을 빔분리기(960)를 이용하여 샘플(950)의 기판 쪽으로 입사시킨다. 편광기(940)와 핀홀(930)을 사용하여 특정 편광 방향의 빛만 샘플(950)에 수직으로 입사시킬 수 있다. 샘플(950)에서 반사된 빛은 분광기(970)로 입사시켜 파장에 따른 반사율을 측정할 수 있다. 측정된 결과는 알루미늄 거울을 이용하여 정규화(normalization) 될 수 있다.
도 10은 반사율 측정 시스템을 이용하여 측정한 GaN 표면 격자 반사체의 반사율을 나타내는 그래프이다. 'TE-exp'는 TE 편광에 대해 반사율 측정 시스템을 이용하여 반사율을 측정한 결과이다. 'TE-RCWA'는 TE 편광에 대해 RCWA방법을 이용하여 반사율을 계산한 결과이다. 'TM-exp'는 TM 편광에 대해 반사율 측정 시스템을 이용하여 반사율을 측정한 결과이다. 'TM-RCWA'는 TM 편광에 대해 RCWA방법을 이용하여 반사율을 계산한 결과이다. 도 10을 참조하면, 파장이 약 450 nm 부근의 TE편광의 반사율은 약 1에 가까워 매우 높음을 알 수 있다. TE 편광 입사광의 파장이 약 0nm 이상 약 510nm 이하일 때 반사율은 약 80％ 이상이 될 수 있다. 반면 TM 편광의 반사율은 실험적으로 얻은 값이 대부분 약 0.4 이하이다. 따라서 GaN 표면 격자 반사체는 TE편광에 대하여 탁월한 반사체임을 알 수 있다. 한편, 마루 부분과 골 부분이 2차원적으로 주기적 배열되는 2차원 격자 구조를 포함하는 Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체의 경우 입사광이 TE편광 또는 TM편광 여부에 관계없이 높은 반사율을 가질 수 있을 것이다.
본 개시의 GaN 표면 격자 반사체는 높은 반사율을 요구하는 GaN기반의 광소자에 장착될 수 있다. 예를 들면 상기 GaN 표면 격자 반사체는 공진 공동 발광 다이오드(resonant-cavity light-emitting diode) 또는 수직 공동 발광 다이오드(vertical-cavity light-emitting diode)에 장착되어 응용될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 개시의 Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체의 일 실시예에 따르면, 단면이 요철 모양인 격자 패턴이 주기적으로 반복되는 구조를 포함하고 있다. 특정 파장대의 입사광에 대해 높은 반사율을 가지고, 특히 TE 편광에 대하여 탁월한 반사율을 나타낸다. 또한 약 0.8 이상의 높은 반사율을 보이는 입사광의 파장대가 약 90 nm로 넓다.
또한 본 개시의 Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체의 다른 실시예에 따르면, 마루 부분과 골 부분이 2차원적으로 주기적 배열되는 2차원 격자 패턴 구조를 포함하고 있다. 이 경우 입사광이 TE편광 또는 TM편광 여부에 관계없이 높은 반사율을 가질 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 개시된 기술을 다양한 실시예를 들어 상세히 기술하였지만, 본 개시된 기술이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 개시된 기술의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 개시된 기술을 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 개시된 기술의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 개시된 기술의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.

Claims (16)

  1. 기판 및 상기 기판의 일면 위에 배치되며 1차원 격자 패턴의 구조가 표면에 형성된 Ⅲ족 질화물 층을 포함하되,
    상기 격자 패턴 구조는 마루 부분과 골 부분이 입사광의 파장보다 작은 주기를 가지도록 배치된 요철 형상의 단면을 가지며,
    상기 Ⅲ족 질화물 내부로부터 입사한 입사광 중 상기 마루 부분을 투과하는 제 1 광과 상기 골 부분을 투과하는 제 2 광이 상기 격자 패턴 구조에서 서로 상쇄간섭을 일으킴으로써 상기 입사광이 상기 격자 패턴 구조의 표면에서 반사되는 Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 Ⅲ족 질화물은 GaN, AlGaN 또는 InGaN 중 하나인 Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 입사광은 300 nm 내지 700 nm의 파장을 갖는 Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 격자 패턴 구조의 주기(Λ)는 λ/2<Λ<λ인 Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체(λ는 입사광의 파장).
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 격자 패턴 구조의 상기 마루 부분의 높이(h)는 λ/4(nⅢ족 질화물-1)<h<λ/(nⅢ족 질화물-1)인 Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체(λ: 입사광의 파장, nⅢ족 질화물: Ⅲ족 질화물의 굴절률).
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 격자 패턴 구조의 채움률(F)이 0.2 내지 0.7인 Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 격자 패턴 구조의 격자의 경사각(θ)이 0 내지 40도인 Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체를 포함하는 발광소자.
  9. 기판 및 상기 기판의 일면 위에 배치되며 격자 패턴의 구조가 표면에 형성된 Ⅲ족 질화물 층을 포함하되,
    상기 격자 패턴 구조는 마루 부분과 골 부분이 입사광의 파장보다 작은 주기를 가지도록 2차원적으로 배열된 요철 형상의 단면을 가지고, 상기 격자는 다각형 형태이며,
    상기 Ⅲ족 질화물 내부로부터 입사한 입사광 중 상기 마루 부분을 투과하는 제 1 광과 상기 골 부분을 투과하는 제 2 광이 상기 격자 패턴 구조에서 서로 상쇄간섭을 일으킴으로써 상기 입사광이 상기 격자 패턴 구조의 표면에서 반사되는 Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 Ⅲ족 질화물은 GaN, AlGaN 또는 InGaN 중 하나인 Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 입사광은 상기 입사광의 유도전기장 방향이 상기 골 부분의 길이 방향과 평행한 TE(transverse electric field) 편광인 Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 입사광은 상기 입사광의 자기장 방향이 상기 골 부분의 길이 방향과 평행한 TM(transverse electric field) 편광인 Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 격자 패턴 구조의 주기(Λ)는 λ/2 < Λ < λ인 Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체(λ는 입사광의 파장).
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 격자 패턴 구조의 상기 마루 부분의 높이(h)는 λ/4(nⅢ족 질화물-1) < h <λ/(nⅢ족 질화물-1)인 Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체(λ: 입사광의 파장, nⅢ족 질화물: Ⅲ족 질화물의 굴절률).
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 격자 패턴 구조의 채움률(F)이 0.2 내지 0.7인 Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체.
  16. 제 9 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항의 Ⅲ족 질화물 표면 격자 반사체를 포함하는 발광소자.
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