KR101529817B1 - 이중 광자결정 구조를 포함하는 발광 다이오드 - Google Patents

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송봉식
박기범
박경문
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성균관대학교산학협력단
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Abstract

발광 다이오드가 개시된다. 발광 다이오드는 기판; 상기 기판 상에 형성된 제1 반도체층; 상기 제1 반도체층 상에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성된 제2 반도체층; 상기 제2 반도체층 상에 형성된 전극층; 상기 전극층 상에 배치되고, 상기 전극층과 평행한 제1 평면에 배열된 복수의 제1 평면 광자결정 구조물들; 및 상기 제1 반도체층 내부에 배치되고, 상기 기판에 평행한 제2 평면에 배열된 복수의 제2 평면 광자결정 구조물들을 포함한다.

Description

이중 광자결정 구조를 포함하는 발광 다이오드{LIGHTING EMITTING DIODE INCLUDING DUAL PHOTONIC CRYSTAL STRUCTURE}
본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이중의 광자결정 구조를 포함하는 발광 다이오드에 관한 것이다.
현재 조명용으로 각광을 받고 있는 발광 다이오드(LED)는 1970년대 적색 발광소자를 기반으로 개발된 후 지속적인 효율 증가와 더불어 그 응용분야가 지속적으로 확대되고 있다.
1990년대에 들어서는 질화물계 반도체를 기반으로 한 가시광 영역의 청색 및 녹색 발광 다이오드가 일본의 니치아사를 중심으로 개발되었고, 최근에는 고효율 질화물계 청색 발광 다이오드를 기반으로 한 백색 발광 다이오드가 개발되고 있다. 특히, 2000년대에 들어 고유가에 따른 에너지 절감 및 친환경적 소자로서 질화물계 발광 다이오드에 대한 관심이 급격히 증가되고 있고 있는 추세이다.
현재, 질화물계 발광 다이오드의 응용 범위는 신호등, 핸드폰 키패드 등의 신호기기의 사용에서 LCD BLU, 자동차, 일반 가정이나 사무실에서의 조명 등으로 응용분야가 급속히 확대되고 있고 전체 LED의 약 80% 정도는 질화물계 중 질화갈륨(GaN)을 기반으로 한 질화갈륨 발광 다이오드(GaN-LED)가 차지하고 있다.
도 1은 종래의 질화갈륨 발광 다이오드의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 질화갈륨 발광 다이오드는 사파이어층, n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층 및 전극층을 포함할 수 있다. 사파이어층은 패턴이 형성된 사파이어(Patterned Sapphire Substrate, PSS)일 수 있다. 사파이어층 상의 n형 반도체층과 활성층 상의 P형 반도체층은 각각 질화갈륨(GaN)으로 이루어질 수 있다. 활성층은 인듐갈륨질화물(InGaN)로 이루어질 수 있다.
종래의 질화갈륨 발광 다이오드(GaN-LED)의 경우, 약 450㎚(파란색 빛)의 파장)에서 p형 반도체층의 굴절률은 약 2.4 내지 2.5이고, 질화갈륨 발광 다이오드 외부의 공기의 굴절률은 1.0 이다. 이러한 굴절률의 차이로 인하여 활성층에서 생성된 광의 대부분이 질화갈륨 발광 다이오드로부터 외부로 방출되지 못하고 질화갈륨 발광 다이오드 내부로 전반사되었다. 내부로 전반사 되는 광이 많았기 때문에 종래의 질화갈륨 발광 다이오드는 광 추출 효율(Light Extraction Efficiency)이 낮다는 문제점이 있었다.
질화갈륨 발광 다이오드 내부로 전반사되는 광을 줄여 발광 다이오드의 광 추출 효율을 개선하는 것이 반드시 필요하고, 이에 본 발명자는 질화갈륨 발광 다이오드의 구조를 개선함으로써 광 추출 효율(Light Extraction Efficiency)을 크게 개선하였다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 이중의 광자 결정구조를 이용하여 광 추출 효율이 크게 개선된 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명에서는 PSS를 갖는 GaN-LED 구조에 단일 층 또는 이중 층 PC를 도입하여 광 추출 효율에 대한 경향성을 살펴보고, 구조 최적화를 통한 광 추출 효율 향상에 그 목적이 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드는 기판; 상기 기판 상에 배치되고, 제1 반도체층, 제2 반도체층 및 상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층 사이에 배치된 활성층을 구비하는 반도체층; 상기 반도체층 상에 형성된 전극층; 및 상기 전극층 상에 배치되고, 상기 전극층과 평행한 제1 평면에 배열된 복수의 제1 평면 광자결정 구조물들을 포함하고, 상기 제1 평면 광자결정 구조물들은, 제1 방향을 따라 규칙적으로 배열되어 2 이상의 제1 열들을 형성하는 제1 광자결정 구조물들; 및 인접한 상기 제1 열들 사이에서 상기 제1 방향을 따라 규칙적으로 배열되어 하나 이상의 제2 열을 형성하는 제2 광자결정 구조물들을 포함하고, 상기 제2 열에 포함된 상기 제2 광자결정 구조물들은 상기 제1 열들 중 하나에 포함된 상기 제1 광자결정 구조물들 사이에 대응하는 영역들에 각각 배치될 수 있다.
하나의 실시예로 상기 제1 광자결정 구조물들 및 상기 제2 광자결정 구조물들은 상기 제1 평면에 수직하게 배치된 원기둥 형상을 갖을 수 있다.
하나의 실시예로 상기 제1 광자결정 구조물들 및 상기 제2 광자결정 구조물들은 상기 제1 평면에 수직하게 배치된 사각기둥 형상을 갖을 수 있다.
하나의 실시예로 상기 제1 광자결정 구조물들은 상기 제1 평면에 수직하게 배치된 사각기둥 형상을 갖고, 상기 제2 광자결정 구조물들은 상기 제1 평면에 수직하게 배치된 원기둥 형상을 갖을 수 있다.
하나의 실시예로 상기 제1 및 제2 광자결정 구조물들은 상기 제1 평면에 수직한 방향으로의 두께가 0.1 내지 0.9㎛일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드는 기판; 상기 기판 상에 형성된 제1 반도체층; 상기 제1 반도체층 상에 형성된 활성층; 상기 활성층 상에 형성된 제2 반도체층; 상기 제2 반도체층 상에 형성된 전극층; 상기 전극층 상에 배치되고, 상기 전극층과 평행한 제1 평면에 배열된 복수의 제1 평면 광자결정 구조물들; 및 상기 제1 반도체층 내부에 배치되고, 상기 기판에 평행한 제2 평면에 배열된 복수의 제2 평면 광자결정 구조물들을 포함할 수 있다.
하나의 실시예로 상기 제1 평면 광자결정 구조물들은, 제1 방향을 따라 규칙적으로 배열되어 2 이상의 제1 열들을 형성하는 제1 광자결정 구조물들; 및 인접한 상기 제1 열들 사이에서 상기 제1 방향을 따라 규칙적으로 배열되어 하나 이상의 제2 열을 형성하는 제2 광자결정 구조물들을 포함하고, 상기 제2 열에 포함된 상기 제2 광자결정 구조물들은 상기 제1 열들 중 하나에 포함된 상기 제1 광자결정 구조물들 사이에 대응하는 영역들에 각각 배치될 수 있다.
하나의 실시예로 상기 제1 광자결정 구조물들 및 상기 제2 광자결정 구조물들은 상기 제1 평면에 수직하게 배치된 원기둥 형상을 갖을 수 있다.
하나의 실시예로 상기 제1 광자결정 구조물들 및 상기 제2 광자결정 구조물들은 상기 제1 평면에 수직하게 배치된 사각기둥 형상을 갖을 수 있다.
하나의 실시예로 상기 제1 광자결정 구조물들은 상기 제1 평면에 수직하게 배치된 사각기둥 형상을 갖고, 상기 제2 광자결정 구조물들은 상기 제1 평면에 수직하게 배치된 원기둥 형상을 갖을 수 있다.
하나의 실시예로 상기 제1 및 제2 광자결정 구조물들은 상기 제1 평면에 수직한 방향으로의 두께가 0.1 내지 0.9㎛일 수 있다.
하나의 실시예로 상기 제2 평면 광자결정 구조물들은, 제1 방향을 따라 규칙적으로 배열되어 2 이상의 제1 열들을 형성하는 제3 광자결정 구조물들; 및 인접한 상기 제1 열들 사이에서 상기 제1 방향을 따라 규칙적으로 배열되어 하나 이상의 제2 열을 형성하는 제4 광자결정 구조물들을 포함하고, 상기 제2 열에 포함된 상기 제4 광자결정 구조물들은 상기 제1 열들 중 하나에 포함된 상기 제3 광자결정 구조물들 사이에 대응하는 영역들에 각각 배치될 수 있다.
하나의 실시예로 상기 제3 광자결정 구조물들 및 상기 제4 광자결정 구조물들은 상기 제2 평면에 수직하게 배치된 원기둥 형상을 갖을 수 있다.
하나의 실시예로 상기 제3 광자결정 구조물들 및 상기 제4 광자결정 구조물들은 상기 제2 평면에 수직하게 배치된 사각기둥 형상을 갖을 수 있다.
하나의 실시예로 상기 제3 광자결정 구조물들은 상기 제2 평면에 수직하게 배치된 사각기둥 형상을 갖고, 상기 제4 광자결정 구조물들은 상기 제2 평면에 수직하게 배치된 원기둥 형상을 갖을 수 있다.
하나의 실시예로 상기 제3 광자결정 구조물들은 상기 제2 평면에 수직하게 배치된 원기둥 형상을 갖고, 상기 제4 광자결정 구조물들은 상기 제2 평면에 수직하게 배치된 사각기둥 형상을 가지며, 상기 제1 광자결정 구조물들은 상기 제3 광자결정 구조물들과 동일하게 배치되어 있고, 상기 제2 광자결정 구조물들은 상기 제4 광자결정 구조물들과 동일하게 배치되어 있을 수 있다.
하나의 실시예로 상기 제3 및 제4 광자결정 구조물들은 상기 제2 평면에 수직한 방향으로의 두께가 0.1 내지 0.9㎛일 수 있다.
하나의 실시예로 상기 제1 평면과 상기 제2 평면 사이의 거리는 1.05 내지 1.18㎛일 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 이중의 광자 결정구조를 이용함으로써 발광 다이오드의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 발광 다이오드의 광 추출 효율이 향상됨으로써 발광 다이오드의 소비 전력을 감소시킬 수 있어 전력의 낭비를 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 질화갈륨 발광 다이오드의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드의 구조를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 구조를 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 일반적인 질화갈륨 발광 다이오드의 개념도이다.
도 5a는 전극층과 평행한 제1 평면 상에 형성된 제1 평면 광자결정 구조물들의 제1 실시예도이다.
도 5b는 전극층과 평행한 제1 평면 상에 형성된 제1 평면 광자결정 구조물들의 제2 실시예도이다.
도 5c는 전극층과 평행한 제1 평면 상에 형성된 제1 평면 광자결정 구조물들의 제3 실시예도이다.
도 5d는 전극층과 평행한 제1 평면 상에 형성된 제1 평면 광자결정 구조물들의 제4 실시예도이다.
도 5e는 전극층과 평행한 제1 평면 상에 형성된 제1 평면 광자결정 구조물들의 제5 실시예도이다.
도 6a는 전극층과 평행한 제1 평면 상에 형성된 제1 평면 광자결정 구조물들과 제1 반도체층 내부에 배치되고, 기판에 평행한 제2 평면에 배열된 복수의 제2 평면 광자결정 구조물들을 제6 실시예도이다.
도 6b는 전극층과 평행한 제1 평면 상에 형성된 제1 평면 광자결정 구조물들과 제1 반도체층 내부에 배치되고, 기판에 평행한 제2 평면에 배열된 복수의 제2 평면 광자결정 구조물들을 제7 실시예도이다.
도 6c는 전극층과 평행한 제1 평면 상에 형성된 제1 평면 광자결정 구조물들과 제1 반도체층 내부에 배치되고, 기판에 평행한 제2 평면에 배열된 복수의 제2 평면 광자결정 구조물들을 제8 실시예도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드의 구조를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 발광 다이오드(100)는 기판(10), 제1 반도체층(20), 활성층(40), 제2 반도체층(50), 전극층(60) 및 제1 평면 광자결정 구조물들(70)을 포함할 수 있다. 또한, 반도체층(미도시)는 제1 반도체층(20), 제2 반도체층(50) 및 제1 반도체층(20)과 제2 반도체층(50) 사이에 배치된 활성층(40)을 구비할 수 있다.
기판(10)은 패턴이 형성된 사파이어 기판(PSS)일 수 있다.
제1 반도체층(20)은 n형 반도체일 수 있고, 기판(10) 상에 형성될 수 있다. 일 예로, n형 반도체는 질화갈륨(GaN)으로 형성될 수 있다.
질화갈륨 발광다이오드(GaN-LED)의 경우, 질화갈륨(GaN) 또는 질화알루미늄(AlN)을 버퍼(Buffer)층으로 사용함으로써 양질의 질화갈륨(GaN) 결정을 격자 정수가 다른 사파이어(Al2O3) 기판 위에 형성시킬 수 있다. 이러한 버퍼층은 그 위에 성장되는 질화갈륨의 결함밀도(Defect Density) 및 질화갈륨 결정의 광학적 성질을 결정할 수 있다. 또한, 버퍼층은 활성층(40) 상에 형성되는 제2 반도체층(50)까지 영향을 미쳐 제2 반도체층(50)의 도핑 농도 및 홀(hole) 이동성(mobility)에 해당하는 비저항을 결정할 수 있다. 또한, 버퍼층은 유기금속화학증착장비(MOCVD)의 성장 조건에 크게 영향 받을 수 있다.
활성층(40)은 제1 반도체층(20) 상에 형성될 수 있다. 일 예로, 활성층(40)은 양자 우물(quantum well)의 인듐갈륨질화물(InGaN)로 형성될 수 있다. 활성층(40)은 제2 반도체층(50)의 상면으로부터 140 내지 160㎚ 이격되어 배치될 수 있고, 바람직하게는 150㎚ 이격되어 배치될 수 있다.
제2 반도체층(50)은 활성층(40) 상에 형성될 수 있다. 일 예로, 제2 반도체층(50)은 불순물이 질화갈륨에 도핑된 p형 반도체일 수 있고, 마그네슘(Mg)이 불순물로 사용될 수 있다.
전극층(60)은 제2 반도체층(50) 상에 형성될 수 있고, 전극층(60)은 투명한 재질인 ITO로 형성될 수 있다.
제1 평면 광자결정 구조물들(70)은 전극층(60) 상에 배치되고, 전극층(60)과 평행한 제1 평면에 배열된 복수의 광자결정 구조물들을 포함할 수 있다. 제1 평면은 전극층(60)의 상면을 의미할 수 있다. 복수의 광자결정 구조물들은 질화실리콘(SiN)으로 형성될 수 있다.
제1 평면 광자결정 구조물들(70)은 제1 방향을 따라 규칙적으로 배열되어 2 이상의 제1 열들을 형성하는 제1 광자결정 구조물들 및 인접한 상기 제1 열들 사이에서 상기 제1 방향을 따라 규칙적으로 배열되어 하나 이상의 제2 열을 형성하는 제2 광자결정 구조물들을 포함할 수 있다. 일 예로 제1 방향은 제1 평면의 가로 세로 방향 중 세로 방향일 수 있다. 규칙적으로 배열되는 것이란 하나의 제1 열 또는 제 2열을 구성하는 광자결정 구조물들이 서로 임의의 간격을 둔채로 배치되는 것을 의미할 수 있다.
또한, 상기 제2 열에 포함된 상기 제2 광자결정 구조물들은 상기 제1 열들 중 하나에 포함된 상기 제1 광자결정 구조물들 사이에 대응하는 영역들에 각각 배치될 수 있다. 일 예로 제1 평면의 제1 방향을 따라 임의의 간격을 둔채로 배치되어 하나의 제1 열을 구성하는 제1 광자결정 구조물들 사이의 영역이 제1 광자결정 구조물들 사이에 대응하는 영역에 해당할 수 있다.
제1 광자결정 구조물들 및 제2 광자결정 구조물들은 제1 평면에 수직하게 배치된 원기둥 형상을 갖을 수 있다. 또한, 제1 광자결정 구조물들 및 제2 광자결정 구조물들은 제1 평면에 수직하게 배치된 사각기둥 형상을 갖을 수 있다.
또한, 제1 광자결정 구조물들은 제1 평면에 수직하게 배치된 사각기둥 형상을 갖고, 제2 광자결정 구조물들은 제1 평면에 수직하게 배치된 원기둥 형상을 갖을 수 있다.
일 예로 제1 및 제2 광자결정 구조물들은 제1 평면에 수직한 방향으로의 두께가 0.1 내지 0.9㎛일 수 있고, 바람직하게는 0.3㎛일 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드의 구조를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드(100)는 기판(10), 제1 반도체층(20), 제2 평면 광자결정 구조물들(30), 활성층(40), 제2 반도체층(50), 전극층(60) 및 제1 평면 광자결정 구조물들(70)을 포함할 수 있다.
도 2에서 설명한 내용과 동일한 구성에 대하여는 설명을 생략하기로 한다.
제2 평면 광자결정 구조물들(30)은 제1 반도체층(20) 내부에 배치되고, 기판(10)에 평행한 제2 평면에 배열된 복수의 광자결정 구조물들을 포함할 수 있다.
복수의 광자결정 구조물들은 질화실리콘(SiN)으로 형성될 수 있다.
제2 평면 광자결정 구조물들(30)은 제1 방향을 따라 규칙적으로 배열되어 2 이상의 제1 열들을 형성하는 제3 광자결정 구조물들; 및 인접한 상기 제1 열들 사이에서 상기 제1 방향을 따라 규칙적으로 배열되어 하나 이상의 제2 열을 형성하는 제4 광자결정 구조물들을 포함할 수 있다. 일 예로 제1 방향은 제2 평면의 가로 세로 방향 중 세로 방향일 수 있다. 규칙적으로 배열되는 것이란 하나의 제1 열 또는 제 2열을 구성하는 광자결정 구조물들이 서로 임의의 간격을 둔채로 배치되는 것을 의미할 수 있다.
또한, 상기 제2 열에 포함된 상기 제4 광자결정 구조물들은 상기 제1 열들 중 하나에 포함된 상기 제3 광자결정 구조물들 사이에 대응하는 영역들에 각각 배치될 수 있다. 일 예로 제2 평면의 제1 방향을 따라 임의의 간격을 둔채로 배치되어 하나의 제1 열을 구성하는 광자결정 구조물들 사이의 영역이 제3 광자결정 구조물들 사이에 대응하는 영역에 해당할 수 있다.
제3 광자결정 구조물들 및 제4 광자결정 구조물들은 제2 평면에 수직하게 배치된 원기둥 형상을 갖을 수 있다. 또한, 제3 광자결정 구조물들 및 제4 광자결정 구조물들은 제2 평면에 수직하게 배치된 사각기둥 형상을 갖을 수 있다.
또한, 제3 광자결정 구조물들은 제2 평면에 수직하게 배치된 사각기둥 형상을 갖고, 제4 광자결정 구조물들은 제2 평면에 수직하게 배치된 원기둥 형상을 갖을 수 있다.
제1 광자결정 구조물들이 제1 평면에 배치된 영역에 대응되도록 제3 광자결정 구조물들이 제2 평면에 배치될 수 있고, 제2 광자결정 구조물들이 제1 평면에 배치된 영역에 대응되도록 제4 광자결정 구조물들이 제2 평면에 배치될 수 있다.
제1 광자결정 구조물들이 사각기둥 형상을 갖고 제2 광자결정 구조물들이 원기둥 형상을 갖는 경우, 제3 광자결정 구조물들은 제2 평면에 수직하게 배치된 원기둥 형상을 갖고, 제4 광자결정 구조물들은 제2 평면에 수직하게 배치된 사각 기둥 형상을 가질 수 있다. 또한, 제1 광자결정 구조물들이 제1 평면에 수직하게 배치된 원기둥 형상을 갖고 제2 광자결정 구조물들이 제1 평면에 수직하게 배치된 사각 기둥 형상을 갖는 경우, 제3 광자결정 구조물들은 제2 평면에 수직하게 배치된 사각 기둥 형상을 갖고, 제4 광자결정 구조물들은 제2 평면에 수직하게 배치된 원기둥 형상을 가질 수 있다.
일 예로 제3 및 제4 광자결정 구조물들은 제2 평면에 수직한 방향으로의 두께가 0.1 내지 0.9㎛일 수 있고, 바람직하게는 0.3㎛일 수 있다.
일 예로 제1 평면과 제2 평면 사이의 거리는 1.05 내지 1.18㎛일 수 있고, 바람직하게는 1.1㎛일 수 있다.
[실험예 1]
일반적인 질화갈륨 발광 다이오드와 패턴이 형성된 사파이어를 기판으로 사용하고, 전극층 상에 광자결정 구조물들이 형성된 발광 다이오드 간의 광 추출 효율을 평가하기 위한 실험을 진행하였다. 도 2에서 설명한 발광 다이오드의 제1 평면 광자결정 구조물들의 형상을 변경하여 실험을 진행하였다.
도 4는 일반적인 질화갈륨 발광 다이오드의 개념도이고, 도 5a는 전극층과 평행한 제1 평면 상에 형성된 제1 평면 광자결정 구조물들의 제1 실시예도이고, 도 5b는 전극층과 평행한 제1 평면 상에 형성된 제1 평면 광자결정 구조물들의 제2 실시예도이고, 도 5c는 전극층과 평행한 제1 평면 상에 형성된 제1 평면 광자결정 구조물들의 제3 실시예도이고, 도 5d는 전극층과 평행한 제1 평면 상에 형성된 제1 평면 광자결정 구조물들의 제4 실시예도이고, 도 5e는 전극층과 평행한 제1 평면 상에 형성된 제1 평면 광자결정 구조물들의 제5 실시예도이다.
도 5a를 참조하면, 전극층과 평행한 제1 평면 상에 형성된 제1 평면 광자결정 구조물들은 임의의 간격을 가지고 서로 이격된 상태로 배치된 원기둥 형상(실시예 1)이다.
도 5b를 참조하면, 전극층과 평행한 제1 평면 상에 형성된 제1 평면 광자결정 구조물들은 임의의 간격을 가지고 서로 이격된 상태로 배치된 원기둥 형상(실시예 2)이다.
도 5c를 참조하면, 전극층과 평행한 제1 평면 상에 형성된 제1 평면 광자결정 구조물들은 제1 방향을 따라 규칙적으로 배열되어 2 이상의 제1 열들을 형성하는 제1 광자결정 구조물들과 인접한 제1 열들 사이에서 제1 방향을 따라 규칙적으로 배열되어 하나 이상의 제2 열을 형성하는 제2 광자결정 구조물들을 포함하고, 제2 열에 포함된 제2 광자결정 구조물들은 제1 열들 중 하나에 포함된 제1 광자결정 구조물들 사이에 대응하는 영역들에 각각 배치되며, 제1 광자결정 구조물들 및 제2 광자결정 구조물들은 제1 평면에 수직하게 배치된 원기둥 형상(실시예 3)이다.
도 5d를 참조하면, 전극층과 평행한 제1 평면 상에 형성된 제1 평면 광자결정 구조물들은 제1 방향을 따라 규칙적으로 배열되어 2 이상의 제1 열들을 형성하는 제1 광자결정 구조물들과 인접한 제1 열들 사이에서 제1 방향을 따라 규칙적으로 배열되어 하나 이상의 제2 열을 형성하는 제2 광자결정 구조물들을 포함하고, 제2 열에 포함된 제2 광자결정 구조물들은 제1 열들 중 하나에 포함된 제1 광자결정 구조물들 사이에 대응하는 영역들에 각각 배치되며, 제1 광자결정 구조물들 및 제2 광자결정 구조물들은 제1 평면에 수직하게 배치된 사각기둥 형상(실시예 4)이다.
도 5e를 참조하면, 전극층과 평행한 제1 평면 상에 형성된 제1 평면 광자결정 구조물들은 제1 방향을 따라 규칙적으로 배열되어 2 이상의 제1 열들을 형성하는 제1 광자결정 구조물들 및 인접한 제1 열들 사이에서 상기 제1 방향을 따라 규칙적으로 배열되어 하나 이상의 제2 열을 형성하는 제2 광자결정 구조물들을 포함하고, 제2 열에 포함된 제2 광자결정 구조물들은 제1 열들 중 하나에 포함된 상기 제1 광자결정 구조물들 사이에 대응하는 영역들에 각각 배치되며, 제1 광자결정 구조물들은 제1 평면에 수직하게 배치된 사각기둥 형상을 갖고, 제2 광자결정 구조물들은 제1 평면에 수직하게 배치된 원기둥 형상(실시예 5)이다.
광 추출 효율 평가는 컴퓨터를 이용한 가상 분석 프로그램인 FDTD(Finite Difference Time Domain) Solution을 사용하여 실험을 진행하였다.
도 4를 참조하면, 일반적인 질화갈륨 발광 다이오드는 사파이어 기판(10'), 제1 반도체층(20'), 활성층(30'), 제2 반도체층(40') 및 전극층(50')으로 순차 적층하여 구성하였다. 사파이어 기판(10')의 두께는 2㎛, 제1 반도체층(20')부터 제2 반도체층(40')까지의 두께는 9㎛, 활성층(30')의 두께는 0.2㎛ 및 전극층(50')의 두께는 0.3㎛로 하였다(기본 구조).
도 2에서 설명한 발광 다이오드에 제1 평면 광자결정 구조물들(70)은 상기 실시예 1을 사용하였다.
패턴이 형성된 사파이어를 기판으로 사용하고 광자 결정 구조물들이 전극층 상에 형성된 발광 다이오드는 패턴이 형성된 사파이어 기판(10), 제1 반도체층(20), 활성층(40), 제2 반도체층(50), 전극층(60) 및 제1 평면 광자결정 구조물들(70)을 순차 적층하여 구성하였다.
패턴이 형성된 사파이어 기판(10)의 두께는 2㎛, 제1 반도체층(20)부터 제2 반도체층(50)까지의 두께는 9㎛, 활성층(40)의 두께는 0.2㎛, 전극층(60)의 두께는 0.3㎛ 및 제1 평면 광자결정 구조물들(70)의 두께를 각각 0.1, 0.3, 0.5, 0.7 및 0.9㎛로 하였다(샘플 1 내지 5).
활성층에는 6개의 다이폴(dipole)로 이루어진 광원들을 배치시켜 구성하였으며, 광원의 중심파장은 약 450㎚로 설정하였다. 또한, 실제와 동일한 조건을 구성하기 위하여 난수 발생기를 이용하여 랜덤한 숫자 데이터들을 추출하고 이를 광원의 편광각에 적용하였다.
광 추출 효율을 계산하기 위하여 모든 광원에 각각 트랜스미션 박스(transmission box)를 설치하여 광원의 파워(power)를 각 광원마다 계산하였다. 다음으로 계산된 모든 광원들의 파워(power)들을 합산하고, 이를 생성된 모든 광의 양으로 정의하였다.
또한, 타임 모니터(Time monitor)를 발광 다이오드 상에 일정 거리 이격된 상태로 설치하여 시간에 따른 발광 다이오드로부터 수직한 방향의 포인팅(poynting vector)값을 구한 후, 구해진 값을 사용하여 시간에 따른 광 추출량(output power)을 계산하였다. 광 추출량을 구하는 적분 공식에 아래의 [수학식 1]과 같다.
[수학식 1]
Figure 112014018195317-pat00001

또한 위에서 구한 생성된 모든 광의 양과 광 추출량을 아래의 [수학식 2]에 적용하여 광 추출 효율을 계산하였다.
[수학식 2]
효율(%) = (광 추출량)/(생성된 모든 광의 양)×100(%)
이와 같은 실험을 통하여 기본 구조와 샘플 1 내지 6의 광 추출 효율은 아래 [표 1]과 같이 측정되었다. h는 제1 평면 광자결정 구조물들(70)의 두께를 의미한다.
광 추출 효율 (400fs)
기본 구조 4.225%
h=0.1㎛(샘플 1) 4.63986%
h=0.3㎛(샘플 2) 5.01947%
h=0.5㎛(샘플 3) 4.9983%
h=0.7㎛(샘플 4) 4.7213%
h=0.9㎛(샘플 5) 4.932%
[표 1]을 참조하면, 제1 평면 광자결정 구조물들(70)의 두께가 0.3㎛인 경우(샘플 3)에 광 추출 효율이 가장 높게 측정되었다. 이와 같은 결과를 바탕으로 제1 평면 광자결정 구조물들(70)의 두께를 0.3㎛로 고정한 후 아래의 실험들을 진행하였다.
[실험예 2]
제1 평면 광자결정 구조물들(70)의 두께를 0.3㎛로 고정한 후에 상기 실시예 1 내지 실시예 5를 전극층상에 각각 적용한 발광 다이오드(샘플 6 내지 10)의 광 추출 효율을 측정하였다. 실험은 [실험예 1]에서 설명한 방식과 동일한 방식으로 수행하였다.
이와 같은 실험을 통하여 샘플 6 내지 10의 광 추출 효율은 아래 [표 2]와 같이 측정되었다.
광 추출 효율 (4000fs)
샘플 6(실시예 1) 11.82%
샘플 7(실시예 2) 12.96%
샘플 8(실시예 3) 14.42%
샘플 9(실시예 4) 15.40%
샘플 10(실시예 5) 15.04%
[표 2]를 참조하면, 샘플 8 내지 샘플 10의 광 추출 효율이 샘플 6 및 샘플 7 보다 높게 측정되었다. 따라서, 샘플 8 내지 샘플 10의 형상의 광자결정 구조물들이 광 추출 효율을 상승시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
이와 같은 결과를 통하여 광자결정 구조물들을 발광 다이오드에 적용하는 경우 광 추출 효율이 증가됨을 기초로 하여 이중의 광자결정 구조물들을 발광 다이오드에 적용하는 경우 광 추출 효율이 증가되는지 확인하기 위하여 아래와 같은 실험을 수행하였다.
[실험예 3]
도 6a는 전극층과 평행한 제1 평면 상에 형성된 제1 평면 광자결정 구조물들과 제1 반도체층 내부에 배치되고, 기판에 평행한 제2 평면에 배열된 복수의 제2 평면 광자결정 구조물들을 제6 실시예도이고, 도 6b는 전극층과 평행한 제1 평면 상에 형성된 제1 평면 광자결정 구조물들과 제1 반도체층 내부에 배치되고, 기판에 평행한 제2 평면에 배열된 복수의 제2 평면 광자결정 구조물들을 제7 실시예도이고, 도 6c는 전극층과 평행한 제1 평면 상에 형성된 제1 평면 광자결정 구조물들과 제1 반도체층 내부에 배치되고, 기판에 평행한 제2 평면에 배열된 복수의 제2 평면 광자결정 구조물들을 제8 실시예도이다.
도 6a를 참조하면, 상기 도 5c에서 설명한 실시예 3이 제1 평면 광자결정 구조물들과 제 2평면 광자결정 구조물들에 적용되어 있다(실시예 6).
도 6b를 참조하면, 상기 도 5d에서 설명한 실시예 4가 제1 평면 광자결정 구조물들과 제 2평면 광자결정 구조물들에 적용되어 있다(실시예 7).
도 6c를 참조하면, 제1 광자결정 구조물들이 제1 평면에 배치된 영역에 대응되도록 제3 광자결정 구조물들이 제2 평면에 배치될 수 있고, 제2 광자결정 구조물들이 제1 평면에 배치된 영역에 대응되도록 제4 광자결정 구조물들이 제2 평면에 배치되어 있다. 제1 광자결정 구조물들은 사각기둥 형상이고, 제2 광자결정 구조물들은 원기둥 형상이며, 제3 광자결정 구조물들은 원기둥 형상이고, 제4 광자결정 구조물들은 사각기둥 형상이다(실시예 8).
상기 실시예 6을 이용하여 제1 평면 광자결정 구조물들과 제2 평면 광자결정 구조물들 간의 거리, 즉 제1 평면과 제 2평만 사이의 거리에 따라 발광 다이오드의 광 추출 효율을 측정하였다.
측정을 위한 실험은 [실험예 1]과 동일한 방식으로 수행하였다.
제1 평면과 제2 평면 사이의 간격을 각각 1.65, 1.35, 1.18, 1.1 및 1.05㎛로 하였다(샘플 11 내지 15).
이와 같은 실험을 통하여 샘플 11 내지 15의 광 추출 효율은 아래 [표 3]와 같이 측정되었다. d는 제1 평면과 제2 평면 사이의 거리를 의미한다.
두 평면 사이의 거리 광 추출 효율 (400fs)
d=1.65㎛(샘플 11) 4.48%
d=1.35㎛(샘플 12) 5.30%
d=1.18㎛(샘플 13) 5.61%
d=1.1㎛(샘플 14) 8.28%
d=1.05㎛(샘플 15) 6.26%
[표 2]를 참조하면, 제1 평면과 제2 평면 사이의 거리가 1.1㎛인 경우(샘플 14)에 광 추출 효율이 가장 높게 측정되었다. 이와 같은 결과를 바탕으로 제1 평면과 제2 평면 사이의 거리를 1.1㎛로 고정한 후 아래의 실험을 진행하였다.
[실험예 4]
제1 평면과 제2 평면 사이의 거리를 1.1㎛로 고정한 후에 상기 실시예 6 내지 실시예 8을 각각 적용한 발광 다이오드(샘플 16 내지 18)의 광 추출 효율을 측정하였다. 실험은 [실험예 1]에서 설명한 방식과 동일한 방식으로 수행하였다.
이와 같은 실험을 통하여 샘플 16 내지 18의 광 추출 효율은 아래 [표 4]와 같이 측정되었다.
이중 층 PC 구조 광 추출 효율 (4000fs)
원기둥 이중 층 PC(샘플 16) 22.96%
사각기둥 이중 층 PC(샘플 17) 23.88%
원기둥과 사각기둥 혼합 이중 층 PC
(샘플 18)		 27.34%
[표 4]를 참조하면, 샘플 18의 경우에 광 추출 효율이 가장 높게 측정되었다. 따라서, 원기둥과 사각기둥이 서로 혼합된 이중 광자결정 구조물들이 발광 다이오드에 적용되는 경우 광 추출 효율이 개선됨을 확인할 수 있었다.
상기 실험예들의 결과를 통하여, 발광 다이오드가 이중의 광자결정 구조층을 포함하고, 광자결정 구조층들의 두께는 0.3㎛이며, 각각의 광자결정 구조층의 결정 구조들은 원기둥과 사각기둥이 혼합되어 있고, 광자결정 구조층 사이의 거리가 1.1㎛인 경우에 가장 높은 광 추출 효율을 가짐을 알 수 있었다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
100: 발광 다이오드 10: 기판
20: 제1 반도체층 30: 제2 평면 광자결정 구조물들
40: 활성층 50: 제2 반도체층
60: 전극층 70: 제1 평면 광자결정 구조물들

Claims (18)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 기판;
    상기 기판 상에 형성된 제1 반도체층;
    상기 제1 반도체층 상에 형성된 활성층;
    상기 활성층 상에 형성된 제2 반도체층;
    상기 제2 반도체층 상에 형성된 전극층;
    상기 전극층 상에 배치되고, 상기 전극층과 평행한 제1 평면에 배열된 복수의 제1 평면 광자결정 구조물들; 및
    상기 제1 반도체층 내부에 배치되고, 상기 기판에 평행한 제2 평면에 배열된 복수의 제2 평면 광자결정 구조물들을 포함하고,
    상기 제1 평면 광자결정 구조물들은,
    제1 방향을 따라 규칙적으로 배열되어 2 이상의 제1 열들을 형성하는 제1 광자결정 구조물들; 및 인접한 상기 제1 열들 사이에서 상기 제1 방향을 따라 규칙적으로 배열되어 하나 이상의 제2 열을 형성하는 제2 광자결정 구조물들을 포함하고,
    상기 제1 광자결정 구조물들은 상기 제1 평면에 수직하게 배치된 사각기둥 형상을 갖고, 상기 제2 광자결정 구조물들은 상기 제1 평면에 수직하게 배치된 원기둥 형상을 갖으며, 상기 제2 열에 포함된 상기 제2 광자결정 구조물들은 상기 제1 열들 중 하나에 포함된 상기 제1 광자결정 구조물들 사이에 대응하는 영역들에 각각 배치된, 발광 다이오드.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제6항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 광자결정 구조물들은 상기 제1 평면에 수직한 방향으로의 두께가 0.1 내지 0.9㎛인, 발광 다이오드.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 제2 평면 광자결정 구조물들은,
    제1 방향을 따라 규칙적으로 배열되어 2 이상의 제1 열들을 형성하는 제3 광자결정 구조물들; 및
    인접한 상기 제1 열들 사이에서 상기 제1 방향을 따라 규칙적으로 배열되어 하나 이상의 제2 열을 형성하는 제4 광자결정 구조물들을 포함하고,
    상기 제2 열에 포함된 상기 제4 광자결정 구조물들은 상기 제1 열들 중 하나에 포함된 상기 제3 광자결정 구조물들 사이에 대응하는 영역들에 각각 배치된, 발광 다이오드.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제3 광자결정 구조물들 및 상기 제4 광자결정 구조물들은 상기 제2 평면에 수직하게 배치된 원기둥 형상을 갖는, 발광 다이오드.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제3 광자결정 구조물들 및 상기 제4 광자결정 구조물들은 상기 제2 평면에 수직하게 배치된 사각기둥 형상을 갖는, 발광 다이오드.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제3 광자결정 구조물들은 상기 제2 평면에 수직하게 배치된 사각기둥 형상을 갖고,
    상기 제4 광자결정 구조물들은 상기 제2 평면에 수직하게 배치된 원기둥 형상을 갖는, 발광 다이오드.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 제3 광자결정 구조물들은 상기 제2 평면에 수직하게 배치된 원기둥 형상을 갖고, 상기 제4 광자결정 구조물들은 상기 제2 평면에 수직하게 배치된 사각기둥 형상을 가지며,
    상기 제1 광자결정 구조물들은 상기 제3 광자결정 구조물들과 동일하게 배치되어 있고, 상기 제2 광자결정 구조물들은 상기 제4 광자결정 구조물들과 동일하게 배치되어 있는, 발광 다이오드.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 제3 및 제4 광자결정 구조물들은 상기 제2 평면에 수직한 방향으로의 두께가 0.1 내지 0.9㎛인, 발광 다이오드.
  18. 제6항, 제11항 내지 제17항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 제1 평면과 상기 제2 평면 사이의 거리는 1.05 내지 1.18㎛인, 발광 다이오드.
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