KR101680852B1 - 반도체 발광 소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반도체 발광소자 및 이를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 측면은, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물; 및 상기 발광구조물의 표면 중 광이 방출되는 적어도 하나의 발광면에 형성되고, 닮은 꼴 형상의 다수의 볼록부 또는 오목부를 갖는 패턴;을 포함하며, 상기 패턴이 형성된 발광면은 서로 동일한 크기를 가지며 규칙적으로 배열된 가상의 기준 영역을 복수 개 구비하되, 상기 기준 영역의 외곽선과 접하도록 상기 기준영역 내에 상기 볼록부 또는 오목부가 1개씩 배치되는 반도체 발광 소자를 제공한다.
Description
본 발명은 반도체 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 발광 소자(light emitting diode, LED)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여, 전기 에너지를 적외선, 가시광선 또는 빛의 형태로 변환시킨 신호를 발신하는데 사용되는 소자이다. 발광 다이오드는 EL의 일종이며, 현재 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체를 이용한 발광 다이오드가 실용화 되고 있다. Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체는 직접 천이형 반도체이며, 다른 반도체를 이용한 소자보다 고온에서 안정된 동작을 얻을 수 있어서, 발광 다이오드(LED)나 레이저 다이오드(laser diode: LD) 등의 발광 소자에 널리 응용되고 있다.
반도체 발광소자에서, 발광 효율, 즉 광의 추출 효율의 향상시키기 위하여 발광 소자의 광 추출 영역에 요철 구조를 형성시켜 광 추출 효율을 향상시키고자 하는 연구가 진행되고 있다. 서로 다른 굴절율을 지닌 물질층들의 계면에서는 각 물질층의 굴절율에 따른 광의 진행이 제한을 받는다. 평탄한 계면의 경우, 굴절률이 큰(n>1) 반도체층으로부터 굴절률이 작은 공기층(n=1)으로 광이 진행되는 경우 계면의 수직 방향을 기준으로 소정 각도(임계각) 미만으로 평탄한 계면에 입사해야 한다. 소정 각도 이상으로 입사하는 경우 평탄한 계면에서 전반사가 되어 광 추출 효율이 크게 감소하게 된다. 따라서, 이를 방지하기 위하여 계면에 요철 구조를 도입하는 방법이 시도되었다
본 발명의 일 목적은, 외부 광 추출 효율이 향상된 반도체 발광 소자를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면은,
제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물; 및 상기 발광구조물의 표면 중 광이 방출되는 적어도 하나의 발광면에 형성되고, 닮은 꼴 형상의 다수의 볼록부 또는 오목부를 갖는 패턴을 포함하며, 상기 패턴이 형성된 발광면은 서로 동일한 크기를 가지며 규칙적으로 배열된 가상의 기준 영역을 복수 개 구비하되, 상기 기준 영역의 외곽선과 접하도록 상기 기준 영역 내에 상기 볼록부 또는 오목부가 1개씩 배치되는 반도체 발광 소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 다수의 볼록부 또는 오목부 중에서 일 방향으로 배열된 것들은 상기 기준 영역의 중심을 회전축으로 하여, 시계 또는 반시계 방향으로 순차적으로 회전되어 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 발광구조물은 기판 상에 형성되며, 상기 기판 상에 상기 패턴이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 패턴은 상기 제2 도전형 반도체층 상에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 패턴은 상기 제2 도전형 반도체층의 일부를 식각하여 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제2 도전형 반도체층은 n형 또는 p형 불순물로 도핑될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 기준영역의 크기는 상기 다수의 볼록부 또는 오목부가 상기 기준영역과 접하는 면의 크기보다 크거나 같을 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 다수의 볼록부 또는 오목부가 상기 기준영역과 접하는 면은 서로 다른 크기를 가질 수 있다.
이 경우, 상기 다수의 볼록부 또는 볼록부는, 상기 기준영역과 접하는 면의 크기가 작은 것부터 큰 순서대로 배열되어 하나의 그룹을 형성하며, 상기 그룹이 반복적으로 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 기준영역은 원형일 수 있다.
이 경우, 상기 기준영역의 직경은 0.1㎛ 내지 5㎛일 수 있다.
또한, 상기 기준영역 사이의 간격은 0.5㎛ 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 다수의 볼록부 또는 오목부가 상기 기준영역과 접하는 면의 형상은 원형일 수 있다.
이 경우, 상기 다수의 볼록부 또는 오목부가 상기 기준영역과 접하는 면은 0.1㎛ 내지 5㎛의 직경을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 다수의 볼록부 또는 오목부는 반구형 및 원뿔형 중 어느 하나와 유사한 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 기준영역과 상기 다수의 볼록부 또는 오목부가 상기 기준영역과 접하는 면의 형상이 동일할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은,
성장용 기판 상에 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물을 형성하는 단계; 상기 발광구조물 상에 도전성 기판을 형성하는 단계; 상기 성장용 기판을 제거하는 단계; 및 상기 성장용 기판이 제거되어 노출된 발광구조물의 표면 중 광이 방출되는 적어도 하나의 발광면에 패턴을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 패턴이 형성된 발광면은 서로 동일한 크기를 가지며 규칙적으로 배열된 가상의 기준 영역을 복수 개 구비하되, 상기 기준 영역의 외곽선과 접하도록 상기 기준 영역 내에 상기 볼록부 또는 오목부가 1개씩 배치되며, 상기 패턴을 형성하는 단계는 건식 식각 공정을 통해 이루어지는 반도체 발광 소자 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면은, 성장용 기판 상에 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물을 형성하는 단계;및 상기 발광구조물의 표면 중 광이 방출되는 적어도 하나의 발광면에 패턴을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 패턴이 형성된 발광면은, 서로 동일한 크기를 가지며 규칙적으로 배열된 가상의 기준 영역을 복수 개 구비하되, 상기 기준 영역의 외곽선과 접하도록 상기 기준 영역 내에 상기 볼록부 또는 오목부가 1개씩 배치되며, 상기 패턴을 형성하는 단계는 건식 식각 공정을 통해 이루어지는 반도체 발광 소자 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 다수의 볼록부 또는 오목부 중에서 일 방향으로 배열된 것들은 상기 기준 영역의 중심을 회전축으로 하여, 시계 또는 반시계 방향으로 순차적으로 회전되어 배치될 수 있다.
본 발명에 따르면, 활성 영역에서 방출된 빛이 반도체층 상에 형성된 요철부를 통해 외부로 방출되는 비율이 높아짐에 따라, 반도체 발광소자의 외부 광추출 효율이 증가할 수 있다. 또한, 광 산포를 개선하여, 광 균일도를 높이는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 도1을 기준으로 반도체 발광소자의 발광구조물 상에 형성된 패턴(130)을 상부에서 바라본 개략적인 평면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 반도체 발광소자의 발광구조물 상에 형성된 패턴을 상부에서 바라본 개략적인 평면도이다.
도 4는 도1의 실시형태에 따른 반도체 발광 소자의 패턴만을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 5는 또 다른 실시형태에 따른 반도체 발광 소자의 패턴만을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 반도체 발광 소자의 패턴만을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 반도체 발광소자의 사시도이다.
도 9는 볼록부 형상에 따른 광추출 효율을 모사실험한 결과이다.
도 10은 발광구조물 상에 형성된 패턴의 사진이다.
도 11은 도 9에 나타난 패턴의 광출력을 비교한 그래프이다.
도 12는 패턴 크기에 따른 광 추출 효율 모사실험한 결과이다.
도 13은 본 발명에 따른 패턴을 갖는 반도체 발광소자와 일정 간격으로 배치된 패턴을 갖는 반도체 발광소자의 광출력을 비교한 그래프이다.
도 14는 패턴 간의 직경 차이에 따른 광 추출 효율을 모사실험한 결과이다.
도 15는 패턴의 깊이에 따른 광 추출 효율을 모사실험한 결과이다.
도 2는 도1을 기준으로 반도체 발광소자의 발광구조물 상에 형성된 패턴(130)을 상부에서 바라본 개략적인 평면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 반도체 발광소자의 발광구조물 상에 형성된 패턴을 상부에서 바라본 개략적인 평면도이다.
도 4는 도1의 실시형태에 따른 반도체 발광 소자의 패턴만을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 5는 또 다른 실시형태에 따른 반도체 발광 소자의 패턴만을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 반도체 발광 소자의 패턴만을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 반도체 발광소자의 사시도이다.
도 9는 볼록부 형상에 따른 광추출 효율을 모사실험한 결과이다.
도 10은 발광구조물 상에 형성된 패턴의 사진이다.
도 11은 도 9에 나타난 패턴의 광출력을 비교한 그래프이다.
도 12는 패턴 크기에 따른 광 추출 효율 모사실험한 결과이다.
도 13은 본 발명에 따른 패턴을 갖는 반도체 발광소자와 일정 간격으로 배치된 패턴을 갖는 반도체 발광소자의 광출력을 비교한 그래프이다.
도 14는 패턴 간의 직경 차이에 따른 광 추출 효율을 모사실험한 결과이다.
도 15는 패턴의 깊이에 따른 광 추출 효율을 모사실험한 결과이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술 분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 사시도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시형태에 따른 반도체 발광소자(100)는 기판(110) 상에 활성영역(122)을 포함하는 발광구조물(120)이 형성되고, 상기 발광구조물(120) 상에 다수의 볼록부(130a, 130b, 130c)를 갖는 패턴(130)이 형성된다. 상기 발광구조물(120)은 제1 도전형 반도체층(121), 활성층(122) 및 제2 도전형 반도체층(123)이 순차적으로 적층되어 형성될 수 있다.
본 실시 형태에서, 상기 발광구조물(120)을 형성하는 제1 및 제2 도전형 반도체층(121, 123)은 각각 p형 및 n형 반도체층이 될 수 있으며, 질화물 반도체로 이루어질 수 있다. 따라서, 이에 제한되는 것은 아니지만, 본 실시 형태의 경우, 제1 및 제2 도전형은 각각 p형 및 n형 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 제1 및 제2 도전형 반도체층(121, 123)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 가지며, 예컨대, GaN, AlGaN, InGaN 등의 물질이 이에 해당될 수 있다. 제1 및 제2 도전형 반도체층(121, 123) 사이에 형성되는 활성층(122)은 전자와 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출하며, 양자우물층과 양자장벽층이 서로 교대로 적층된 다중 양자우물(MQW) 구조, 예컨대, InGaN/GaN 구조가 사용될 수 있다. 한편, 제1 및 제2 도전형 반도체층(121, 123)과 활성층(122)은 당 기술 분야에서 공지된 MOCVD, MBE, HVPE 등과 같은 반도체층 성장 공정을 이용하여 형성될 수 있을 것이다.
상기 기판(110)은 도전성 기판이 사용될 수 있다. 상기 기판(110)이 도전성 기판인 경우, 제2 도전형 반도체층(123), 활성층(122) 및 제1 도전형 반도체층(121)이 순차적으로 적층된 발광구조물(120)로부터 반도체 성장용 기판(미도시)을 제거하기 위한 레이저 리프트 오프 등의 공정에서 상기 발광구조물(120)을 지지하는 지지체의 역할을 수행하며, Au, Ni, Al, Cu, W, Si, Se, GaAs 중 어느 하나를 포함하는 물질, 예컨대, Si 기판에 Al이 도핑된 물질로 이루어질 수 있다. 본 실시 형태의 경우, 도전성 기판(110)은 도전성 접착층(미도시)을 매개로 발광구조물과 접합될 수 있다. 도전성 접착층은 예컨대, AuSn와 같은 공융 금속 물질을 이용할 수 있을 것이다.
상기 기판(110)은 도전성 기판으로 제한되는 것은 아니며, 제1 도전형 반도체층(121), 활성층(122) 및 제2 도전형 반도체층(123)이 순차적으로 적층되는 성장용 기판, 예를 들면, 사파이어, SiC, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2, GaN 등의 물질로 이루어진 기판이 적용될 수 있다.
상기 다수의 볼록부(130a, 130b, 130c)를 갖는 패턴(130)은 투명 전도체나 투명 절연체를 사용할 수 있다. 투명 절연체로는 SiO2, SiNx, Al2O3, HfO, TiO2 또는 ZrO와 같은 물질을 사용할 수 있으며, 투명 전도체는 ZnO나 첨가물(Mg, Ag, Zn, Sc, Hf, Zr, Te, Se, Ta, W, Nb, Cu, Si, Ni, Co, Mo, Cr)이 함유된 In Oxide 등과 같은 투명 전도성 산화물(TCOs)을 사용할 수 있다.
상기 패턴(130) 상면에는 제2 도전형 반도체층(123)과 전기적으로 연결된 제2 도전형 전극(123a)이 형성될 수 있다. 상기 제2 도전형 전극(123a)은 요철부(130) 상면 어느 곳에 형성되어도 상관없으나, 상기 제2 도전형 반도체층(123)에 전달되는 전류의 분배를 균일하게 하기 위해서는 패턴(130)의 중앙부에 형성할 수 있다. 또한, 상기 패턴(130)의 표면요철(130a, 130b, 130c)과 중첩하는 곳에 형성되는 경우, 제2 도전형 전극(123a)의 접촉면이 표면 요철로 인해 거칠기를 가짐으로써, 전기적인 특성이 낮아지는, 즉, 제2 도전형 전극(123a)을 통해 제2 도전형 반도체층(123)으로 유입되는 전류의 저항이 증가하는 문제가 발생할 수 있으므로, 상기 제2 도전형 전극(123a)은 상기 요철 패턴과 중첩하지 않는 곳에 형성될 수 있다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 패턴(130)의 일부를 식각하여 노출된 제2 도전형 반도체층(123a) 상에 제2 도전형 전극(123a)이 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니고, 상기 패턴(130)이 투명 전도성 산화물로 이루어지는 경우, 상기 패턴(130) 상에 형성될 수 있다.
도 2는 도 1을 기준으로 반도체 발광소자의 발광구조물(120) 상에 형성된 패턴(130)을 상부에서 바라본 개략적인 평면도이다. 다만, 패턴(130)을 보다 명확하게 나타나기 위해, 상기 발광구조물(120)을 상면에 형성된 전극(123a)의 형상은 생략하였다. 상기 패턴(130)은 발광구조물(120) 내의 활성층(122)에서 생성된 빛이 공기의 굴절률보다 더 높은 굴절률을 갖는 제2 반도체층(123)을 통과한 후 외부로 방출되는 효율을 높이기 위한 것으로, 일정한 규칙성을 가지고 배치된 다수의 볼록부(130a, 130b, 130c)를 포함한다.
구체적으로, 상기 패턴(130)이 형성된 발광면은 서로 동일한 크기를 가지며 규칙적으로 배열된 가상의 기준 영역(R)을 복수 개 구비하되, 상기 기준 영역(R)의 외곽선과 접하도록 상기 기준 영역(R) 내에 상기 볼록부(130a, 130b, 130c)가 1개씩 배치된다. 상기 기준영역의 외곽선은, 기준영역(R)의 폐곡선 내부와 외부를 구분 짓는 경계선을 의미하며, 도 2에 도시된 바와 같이, 기준영역이 원형인 경우 외곽선은 원주가 된다. 상기 다수의 볼록부(130a, 130b, 130c) 중에서 일 방향으로 배열된 것들은 상기 기준 영역의 중심을 회전축으로 시계 또는 반시계 방향으로 순차적으로 회전되어 배치된 구조를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니고, 상기 기준 영역(R)의 내에서, 상기 기준 영역(R)의 외곽선과 접하는 형태로 배치된다면 일정 방향으로 제한되는 것은 아니다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 다수의 볼록부(130a, 130b, 130c) 밑면의 경계가 기준영역(R)의 외곽선과 접하여 형성될 수 있다.
도 2를 참조하면, 패턴(130)은 원형의 서로 다른 크기를 갖는 3개의 볼록부(130a, 130b, 130c)를 포함하고, 상기 각각의 패턴은 원형의 기준영역(R) 내에 하나씩 배치될 수 있다. 따라서, 본 실시형태에서 상기 기준영역(R)의 크기는 각각의 패턴(130a, 130b, 130c)의 크기보다 크거나 같을 수 있다. 구체적으로, 상기 기준영역의 직경은 1㎛ 내지 3㎛로 형성될 수 있으며, 상기 다수의 패턴은 0.5㎛ 내지 2㎛의 직경을 갖도록 형성될 수 있다. 또한, 본 실시형태에서 각각의 볼록부(130a, 130b, 130c)는 서로 다른 크기를 가지는 것으로 도시되어 있으나, 상기 패턴(130)은 동일한 크기를 갖는 하나의 볼록부를 포함하도록 형성될 수도 있다.
본 실시형태에서, 각각의 기준영역(R)은 서로 접하여 배치되고 있으나, 일정한 간격을 두고 배치될 수도 있으며, 구체적으로 0.5㎛ 이하의 간격 가질 수 있다. 기준 영역(R) 사이의 간격이 좁을수록 패턴(130)의 충진율이 높아지므로, 간격이 좁을수록 광 추출 효율이 증가할 수 있다. 상기 다수의 볼록부(130a, 130b, 130c)는 상기 기준영역(R)의 외곽선과 접하여 배치되고, 기준영역(R)의 중심을 회전축으로 하여 시계방향으로 90°씩 회전하여 배치될 수 있다. 본 실시형태에 따르면, 상기 다수의 볼록부(130a, 130b, 130c)는 그 크기가 작은 것부터 큰 순서대로 차례로 배열되어 하나의 그룹을 형성하고, 상기 그룹이 반복적으로 배치될 수 있다. 다만, 반드시 이러한 순서로 제한되는 것은 아니고, 서로 다른 크기를 갖는 각각의 패턴이 배열되어 하나의 그룹을 형성하고, 상기 하나의 그룹이 반복 배치될 수 있으며, 한 그룹 내에서 각각의 볼록부(130a, 130b, 130c)의 배열 순서는 제한되지 않는다.
본 실시형태와는 달리, 상기 각각의 볼록부(130a, 130b, 130c)는 반시계 방향으로 회전하며 배치될 수 있고, 3개 이상의 서로 다른 크기를 갖는 복수의 볼록부 포함할 수 있다. 또한, 상기 각각의 패턴이 회전하여 배치되는 각도는 90°로 한정되는 것은 아니며, 일정한 각도를 유지하며 회전하는 경우라면, 어느 각도나 가능하다. 본 실시형태에 따른 반도체 발광소자의 경우, 일정한 간격을 두고 동일한 크기 및 형상을 갖는 패턴이 규칙적으로 형성된 경우와 비교하여, 광 추출 효율이 향상되는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 패턴의 불규칙성으로 인해 광 추출 효율이 증대되는 효과를 얻음과 동시에, 패턴이 일정한 규칙을 가지고 배열됨에 따라, 광 산포 개선 효과를 얻을 수 있다. 즉, 완전히 불규칙한 패턴을 형성하는 경우, 패턴의 불규칙성으로 인해 광 추출 효율이 증대되는 효과를 얻을 수 있으나, 반면에 광 방출면에서 부분적으로 에칭되는 정도가 달라짐에 따라, 광 산포가 크게 나타나게 되고, 그 결과, 광 균일도 측면에서 문제가 발생할 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 패턴의 랜덤성을 확보하여 광 추출 효율을 향상시킴과 동시에, 광 산포를 개선하여, 광 균일도를 높이는 효과를 얻을 수 있다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 반도체 발광소자의 발광구조물 상에 형성된 패턴(131)을 상부에서 바라본 개략적인 평면도이다. 본 실시형태에 따르면, 상기 패턴(131)은 형상은 동일하지만 크기가 다른 다수의 볼록부(131a, 131b, 131c)를 포함하고, 상기 각각의 볼록부(131a, 131b, 131c)는 동일한 크기를 가지고 규칙적으로 배열된 가상의 기준영역(R)의 경계와 접하면서, 기준영역(R)의 중심을 회전 축으로 하여 일정한 방향으로 회전하여 배치된다. 도 2에 도시된 실시형태와는 달리, 상기 각각의 볼록부의 밑면은 마름모 형상을 가지며, 상기 기준영역(R) 또한 마름모 형상을 가진다. 본 실시형태에 따르면, 상기 각각의 볼록부(131a, 131b, 131c)와 기준영역(R)은 동일한 형상을 갖고, 그 크기에만 차이가 있으나, 상기 각각의 패턴(131a, 131b, 131c)과 기준영역(R)은, 서로 다른 형상을 가질 수 있다. 도시하지는 않았지만, 상기 패턴 및 기준 영역은 원형, 타원형, 마름모, 사각형 등 다양한 형상을 가질 수 있다.
도 4는 도 1의 실시형태에 따른 반도체 발광 소자(100)의 패턴(130)만을 개략적으로 나타낸 사시도이다. 상기 패턴을 구성하는 각각의 볼록부(130a, 130b, 130c)는 도 4에 도시된 바와 같이 원뿔과 유사한 형상을 가질 수 있으며, 도 5에 도시된 것과 같이, 반구에 가까운 형태로 형성될 수 있다. 본 발명에 따른 반도체 발광소자의 패턴(130, 130')은 건식 식각 공정을 통해 형성될 수 있다. 종래에는 표면 요철 구조 형성 시, KOH 등의 용액을 이용하여 습식 식각하는 방법을 사용하고 있으나, 건식 식각 공정을 이용하는 경우, 크기 및 형상의 정밀한 제어가 가능하므로, 원하는 형태의 요철 구조를 형성할 수 있다. 도 8은 볼록부가 원기둥과 원뿔의 형상을 갖는 경우의 광 추출 효율 모사실험 결과이다. 도 7에서 나타난 바와 같이, 원뿔 형상을 가질 때, 외부 광 추출 효율이 현저히 증가함을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 반도체 발광소자의 패턴만을 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도 6을 참조하면, 도 5에 도시된 실시형태와는 달리, 상기 패턴(130')은 오목부 형상으로 이루어질 수 있다. 상기 패턴(130')을 구성하는 각각의 오목부(130a', 130b', 130c')는 도 6에 도시된 바와 같이 반구와 유사한 형상을 갖도록 식각되어 형성될 수 있으며, 이때, 건식 식각 공정이 적용될 수 있다. 또한, 본 실시형태와는 달리, 상기 오목부(130a', 130b', 130c')의 형상은 반구, 원뿔, 피라미드 등 다양한 형상으로 이루어질 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 사시도이다. 도 7을 참조하면, 본 실시형태에 따른 반도체 발광소자(200)는 기판(210) 상에 활성영역(222)을 포함하는 발광구조물(220)이 형성되고, 상기 발광구조물(220)의 일부에 요철 구조가 형성된다. 상기 발광구조물(220)은 제1 도전형 반도체층(221), 활성층(222) 및 제2 도전형 반도체층(223)이 순차적으로 적층되어 형성될 수 있으며, 상기 발광구조물(220)을 형성하는 제1 및 제2 도전형 반도체층(221, 223)은 각각 n형 및 p형 반도체층이 될 수 있으며, 질화물 반도체로 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 발광구조물(220)은 제1 실시형태와 유사한 조성 및 구조를 가지도록 형성될 수 있다.
본 실시형태에 따르면, 도 1에 도시된 실시형태와는 달리 발광구조물(220) 상에 별도의 층을 구비하여 패턴(130)를 형성하는 것이 아니라, 발광구조물(220)의 제1 도전형 반도체층(221)의 일부를 식각하여 패턴을 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 패턴은 제1 실시형태와 동일한 규칙을 가지고 형성될 수 있고, 단지, 패턴 형성 물질에서만 차이가 존재한다. 즉, 상기 제1 도전형 반도체층(221) 상에 형성된 요철구조는 발광구조물(220)의 활성층(222)에서 방출된 빛이 제1 도전형 반도체층(221) 내부에서 전반사 되어 소멸되는 비율을 감소시키므로, 외부 광 추출 효율을 높이는 효과를 얻을 수 있다. 도 7에 도시된 바와 달리, 상기 패턴은 원뿔 등 다양한 형태로 형성될 수 있음은 물론이다.
또한, 제1 실시형태와는 달리, 상기 기판(210)은 질화물 반도체 성장용 기판일 수 있다. 구체적으로, 반도체 성장용 기판은 사파이어, SiC, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2, GaN 등의 물질로 이루어진 기판을 사용할 수 있다. 즉, 사파이어 등으로 이루어진 질화물 성장용 기판(210)에 순차적으로 형성된 제2 도전형 반도체층(223), 활성층(222) 및 제1 도전형 반도체층(221)을 포함하는 발광구조물(220)의 외부로 노출된 제1 도전형 반도체층(221)의 일부를 식각하여, 패턴(230)을 형성할 수 있다. 또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 도전형 반도체층(221), 활성층(222) 및 제2 도전형 반도체층(223)의 일부를 식각하여 노출된 제2 도전형 반도체층(223) 상에 제2 도전형 전극(223a)을 형성하고, 상기 제1 도전형 반도체층(221) 상면에 제1 도전형 전극(221a)을 형성하여, 상기 제1 및 제2 도전형 전극(221a, 223a)을 통해 외부로부터 전기적 신호를 인가받을 수 있다.
도 8은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 반도체 발광소자의 사시도이다. 본 실시형태에 따르면, 기판(310) 상에 형성된 제1 도전형 반도체층(321), 활성층(322) 및 제2 도전형 반도체층(323)을 포함하는 발광구조물(320)을 포함하며, 상기 기판(310)의 표면에는 본 발명의 일 실시형태에 따른 패턴(330)이 형성될 수 있다. 또한, 상기 발광구조물(320)의 제1 도전형 반도체층(321), 활성층(322) 및 제2 도전형 반도체층(323)의 일부를 식각하여 노출된 제2 도전형 반도체층(323)의 표면에는 제2 도전형 전극(323a)이 형성되고, 상기 제1 도전형 반도체층(321) 상면에는 제1 도전형 전극(321a)이 형성될 수 있다. 본 실시형태에 따르면, 발광구조물(320)의 표면 중 광이 방출되는 적어도 하나의 발광면에 형성된 기판(210)에, 볼록부를 갖는 패턴(330)이 형성됨으로써 상기 발광구조물(320)의 활성층(322)에서 기판(310)을 향해 방출된 광이, 패턴(330) 표면에서 굴절, 산란되어 반도체층 내부에서 흡수되는 비율이 감소하게 되므로, 외부 광 추출 효율이 향상될 수 있다.
이하, 상기와 같은 구조를 갖는 반도체 발광소자(100)를 제조하는 공정을 설명한다. 우선, 성장용 기판(미도시) 위에 버퍼층(미도시), 제2 도전형 반도체층(123), 활성층(122) 및 제1 도전형 반도체층(121)을 MOCVD, MBE, HVPE 등과 같은 반도체층 성장 공정을 이용하여 순차적으로 성장시켜 발광구조물(120)을 형성한다. 이 경우, 구조적인 면에서는 발광구조물(120)을 제2 도전형 반도체층(123), 활성층(122) 및 제1 도전형 반도체층(121)을 포함하는 구조로 정의하였으나, 성장 및 식각 공정 측면에서는, 버퍼층(미도시)도 발광구조물을 구성하는 요소로 볼 수 있다.
반도체 성장용 기판은 사파이어, SiC, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2, GaN 등의 물질로 이루어진 기판을 사용할 수 있다. 이 경우, 사파이어는 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 및 a축 방향의 격자상수가 각각 13.001Å과 4.758Å이며, C(0001)면, A(1120)면, R(1102)면 등을 갖는다. 이 경우, 상기 C면은 비교적 질화물 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 질화물 성장용 기판으로 주로 사용된다. 버퍼층은 질화물 등으로 이루어진 언도프 반도체층으로 채용될 수 있으며, 그 위에 성장되는 발광구조물의 격자 결함을 완화시킬 수 있다.
다음으로, 상기 발광구조물(120) 상면에 도전성 기판(110)을 부착한다. 상기 도전성 기판(110)은 성장용 기판을 제거하기 위한 레이저 리프트 오프 등의 공정에서 지지체의 역할을 수행하며, 그 하면에 제1 도전형 반도체층(121)의 전극이 형성될 수 있다. 상기 도전성 기판(110)은 Au, Ni, Al, Cu, W, Si, Se, GaAs 중 어느 하나를 포함하는 물질, 예컨대, Si 기판에 Al이 도핑된 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 도전성 기판(110)은 도전성 접착층(미도시)을 매개로 발광구조물(120)과 접합될 수 있으며, 스퍼터링, 증착 등의 공정으로도 적절히 형성될 수 있다. 도전성 접착층은 예컨대, AuSn와 같은 공융 금속 물질을 이용할 수 있을 것이다. 도전성 기판(110)을 발광구조물에 접합하는 경우, 발광구조물에는 물리적 충격이 작용할 수 있으며, 나아가, 도전성 접착층 등으로부터 확산이 일어날 수 있다.
다음으로, 상술한 바와 같이, 반도체 성장용 기판은 레이저 리프트 오프나 화학적 리프트 오프 등과 같은 공정을 이용하여 제거될 수 있고, 성장용 기판이 제거된 후 노출된 제2 도전형 반도체층(123) 상에 패턴(130)이 형성된다. 다수의 볼록부(130a, 130b, 130c)를 갖는 패턴(130)을 형성하기 위해서, 먼저, 투명 전도체 또는 투명 절연체를 도포하거나 증착할 수 있다. 증착 방법으로는 PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방법, LPCVD (Low Pressure CVD) 방법, 스퍼터링 방법 등이 가능하다. 상기 다수의 볼록부(130a, 130b, 130c)를 갖는 패턴(130)은 투명 전도체나 투명 절연체를 사용한다. 투명 절연체로는 SiO2, SiNx, Al2O3, HfO, TiO2 또는 ZrO와 같은 물질을 사용할 수 있다. 그리고, 투명 전도체는 ZnO나 첨가물(Mg, Ag, Zn, Sc, Hf, Zr, Te, Se, Ta, W, Nb, Cu, Si, Ni, Co, Mo, Cr)이 함유된 In Oxide 등과 같은 투명 전도성 산화물(TCOs)을 사용한다.
다음으로, 상기 투명 전도체 또는 투명 절연체를 건식 식각 공정을 이용하여 도 1에 도시된 바와 같이, 0.5㎛ 내지 2㎛의 직경을 갖는 원뿔의 형태로 식각한다. 건식 식각은 RIE (Reacive Ion Etching) 방법 또는 ICP-RIE (Inductive Coupled Plasma RIE) 방법을 이용할 수 있다. KOH 용액 등을 이용한 습식 식각이 아닌, 건식 식각을 통해 보다 정밀한 형태의 요철을 형성할 수 있고, 또한, 도 1에 도시된 바와 같은 원뿔 형태의 요철 구조를 형성할 수 있다.
이와는 달리, 상기 발광구조물(120) 상면에 도전성 기판(110)을 부착하는 대신, 성장용 기판(110)에 순차적으로 형성된 제1 도전형 반도체층(121), 활성층(122) 및 제2 도전형 반도체층(123)으로 이루어진 발광구조물(120) 상에, 앞서 설명한 공정과 동일한 공정을 통해 요철 패턴(130)을 형성할 수 있다. 이때, 상기 제1 도전형 반도체층(121)은 n형 불순물로 도핑된 질화물 반도체일 수 있으며, 상기 제2 도전형 반도체층(123) 상에 제2 도전형 전극이 형성되고, 상기 제2 도전형 반도체층(123), 활성층(122) 및 제1 도전형 반도체층(121)의 일부가 메사 식각되어 노출된 제1 도전형 반도체층(121) 상에 제1 도전형 전극(121)이 형성될 수 있다.
도 9는 동일한 직경을 갖는 원기둥과 원뿔 형상의 요철 구조를 채용한 경우, 광추출 효율을 모사실험한 결과이다. 가로축은 기준 영역의 직경을 나타내며, 세로축은 광출력을 나타낸다. 그래프에 나타난 바와 같이, 동일한 직경의 요철 패턴에 대해서, 원기둥과 원뿔 형상의 요철 패턴의 광추출 효율을 대비한 결과, 기준 영역의 크기와 상관 없이, 전 영역에서 원뿔 형상을 구비하는 경우에 광 추출 효율이 현저히 증가함을 확인할 수 있다.
도 10은 발광구조물 상에 형성된 패턴의 사진이고, 도 11의 (a) 내지 (c)는 도 9(a) 내지 도 9(c)에 나타난 패턴의 광출력을 비교한 그래프이다. 도 10의 세로축은 KOH 용액을 이용하여 습식 에칭을 통해 완전하게 랜덤한 패턴을 형성한 경우의 광출력을 100이라고 할 때, 이에 대한 상대적인 광출력을 나타낸다. 도 9(a)는 볼록부가 일정한 간격 및 동일한 크기로 규칙적으로 배열된 형상이고, 도 9(b)는 본 발명에서와 같이 다수의 볼록부가, 동일한 크기를 갖고 규칙적으로 배열된 기준 영역의 경계와 접하면서 기준영역의 중심을 회전축으로 하여 일정 방향으로 회전하여 배치되며, 각각의 볼록부 크기가 동일한 구조를 나타낸다. 도 9(c)는 본 발명의 일 실시형태에 따른 요철 패턴의 사진으로, 원형의 크기가 다른 다수의 패턴을 포함하며, 상기 패턴은 동일한 크기를 갖고 규칙적으로 배열된 기준 영역의 경계와 접하면서 기준영역의 중심을 회전축으로 하여 시계 방향으로 회전하여 배치되고 있다. 이때, 도 10(a) 내지 도 10(c)에 도시된 패턴들의 평균 직경은 동일하다. 도 11을 참조하면, 도 10(a)에 나타난 요철 패턴의 형상과 비교하여, 본 발명에 따른 요철 패턴의 광출력이 현저히 증가함을 알 수 있다.
도 12는 기준영역 사이의 간격에 따른 광 추출 효율 모사실험 결과이다. 본 실시형태에서, 가상의 기준영역의 형태는 원형이고, 패턴은 서로 다른 크기를 갖고 평균 직경 1㎛의 원형으로 이루어진 3개의 볼록부를 포함한다. 상기 각각의 볼록부는 기준영역 내에서 시계방향으로 90°씩 회전하여 상기 기준영역 내에서, 상기 기준영역의 외곽선과 접하여 배치된다. 도 12의 그래프에서 가로축은 기준영역의 직경을 나타내고, 세로축은 광추출 효율을 나타낸다. 이때, a는 기준영역 사이의 간격이 0㎛일 때 광추출 효율을 측정한 결과이고, b는 기준영역 사이의 간격이 0.2㎛, c는 기준영역 사이의 간격이 0.5㎛일 때 광추출 효율을 나타낸다. 도 12를 참조하면, 기준영역 사이의 간격이 좁을수록 광추출 효율이 증가함을 알 수 있다.
도 13은 본 발명에 따른 패턴을 갖는 반도체 발광소자와 일정 간격으로 배치된 패턴을 갖는 반도체 발광소자의 광출력을 비교한 그래프이다. 그래프의 가로축은 패턴의 직경을 나타내며, 그래프의 세로축은 광출력을 나타낸다. 비교 예1 내지 3은 동일한 크기를 갖는 패턴이 일정 간격으로 배열되는 경우의 광 출력을 나타내며, 다른 조건은 동일하게 하고, 패턴 사이의 간격만을 변화시켰다. 구체적으로, 비교 예 1은 패턴 사이의 간격이 0㎛, 비교 예2는 패턴 사이의 간격이 0.2㎛, 비교 예3은 패턴 사이의 간격이 0.4㎛인 경우의 광출력을 나타낸다. 실시 예는, 서로 다른 직경을 갖는 3 개의 패턴이 기준영역 내에, 기준영역의 외곽선과 접하도록 하나씩 배치되며, 각 패턴 사이의 직경 차이는 0.4㎛이고, 가로축에 표시된 패턴의 직경은 최대 직경을 갖는 패턴을 기준으로 한다. 즉, 패턴의 직경이 1㎛로 표시된 경우, 1㎛, 0.6㎛, 0.2㎛의 직경을 갖는 패턴이 기준영역 내에 배열되며, 기준영역은 가장 큰 패턴의 직경과 동일하다. 비교 예 1 내지 3을 참조하면, 패턴 사이의 거리가 광출력에 영향을 미침을 알 수 있으며, 구체적으로, 패턴 사이의 간격이 작아질수록 광 출력이 증가함을 알 수 있다. 실시 예에 따르면, 패턴이 서로 다른 직경을 갖고, 각각의 패턴이 기준 영역의 외곽선과 접하도록 기준영역 내에 하나씩 배치되므로, 패턴 사이의 간격이 0㎛ 내지 2㎛ 범위 내에서 변화한다. 도 12에서 알 수 있듯이, 실시 예에 따르면, 패턴 사이의 간격이 최소로 되는 비교 예 1의 경우보다도, 전 영역에서 더 높은 광출력을 얻을 수 있다.
도 14는 패턴 간의 직경 차이에 따른 광 추출 효율을 모사실험한 결과이다. 가로축은 기준 영역의 직경을 나타내고, 세로축은 광출력을 나타낸다. 실시 예1, 2에서, 가장 큰 패턴의 직경은 기준 영역의 직경과 동일하고, 실시 예1에서 패턴 간 직경 차이는 0.2㎛이며, 실시 예2에서 패턴 간 직경 차이는 0.4㎛이다. 예를 들어, 실시 예1에서 기준 영역의 직경이 2.0㎛인 경우, 본 실시형태에 따른 패턴은 1.6㎛, 1.8㎛, 2.0㎛의 세 가지 직경을 갖는 패턴이 2.0㎛의 직경을 갖는 기준영역 내에 배치되는 구조를 가지며, 실시 예2에서는 1.2㎛, 1.6㎛, 2.0㎛의 직경을 갖는 패턴이 2.0㎛의 직경을 갖는 기준 영역 내에 배치되는 구조를 갖는다. 도 13을 참조하면, 패턴 간의 직경 차이가 증가할수록, 즉, 랜덤성이 증가할수록 광 출력이 증가함을 알 수 있다.
도 15는 패턴의 깊이에 따른 광 추출 효율 모사실험 결과이다. 도 14에서와 마찬가지로, 그래프의 가로축은 기준 영역의 직경을 나타내며, 세로축은 광 출력을 나타낸다. 실시 예1, 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 패턴의 볼록부 높이만을 달리하여 광 출력을 비교한 것이다. 구체적으로, 실시 예1은 기준 영역 내에 배치되는 볼록부의 높이가 1㎛인 경우의 광 출력을 나타내고, 실시 예2는 볼록부의 높이가 2㎛인 경우의 광 출력을 나타낸다. 볼록부의 높이를 제외한 다른 조건은 모두 동일하다. 도 15에서 알 수 있듯이, 볼록부의 높이가 높아짐에 따라 빛이 굴절, 산란되는 비율이 높아지므로, 외부 광 추출 효율이 증가함을 알 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이며, 이 또한 첨부된 청구범위에 기재된 기술적 사상에 속한다 할 것이다.
100, 200, 300: 반도체 발광 소자 110, 210, 310: 기판
120, 220, 330: 발광구조물 121, 221, 331: 제1 도전형 반도체층
122, 222, 322: 활성층 123, 223, 323: 제2 도전형 반도체층
130, 130', 131, 230, 330 : 패턴
130a,b,c, 131a,b,c, 130a',b',c': 볼록부
130a'', 130b'', 130c'': 오목부
120, 220, 330: 발광구조물 121, 221, 331: 제1 도전형 반도체층
122, 222, 322: 활성층 123, 223, 323: 제2 도전형 반도체층
130, 130', 131, 230, 330 : 패턴
130a,b,c, 131a,b,c, 130a',b',c': 볼록부
130a'', 130b'', 130c'': 오목부
Claims (19)
- 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물; 및
상기 발광구조물의 표면 중 광이 방출되는 적어도 하나의 발광면에 형성되고, 닮은 꼴 형상의 다수의 볼록부 또는 오목부를 갖는 패턴을 포함하며,
상기 패턴이 형성된 발광면은, 서로 동일한 크기를 가지며 서로 수직인 제1 및 제2 방향으로 배열된 가상의 기준 영역을 복수 개 구비하되, 상기 기준 영역은 각각 실질적으로 원형이며 적어도 두 개의 인접한 기준 영역들과 접촉하고, 상기 기준 영역의 외곽선과 접하도록 상기 기준 영역 내에 상기 볼록부 또는 오목부가 1개씩 배치되며, 상기 다수의 볼록부 또는 오목부 중에서 일 방향으로 배열된 것들은 상기 기준 영역의 중심을 회전축으로 하여, 시계 또는 반시계 방향으로 순차적으로 회전되어 배치되는 반도체 발광 소자.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 패턴은 상기 제2 도전형 반도체층 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 패턴은 상기 제2 도전형 반도체층의 일부를 식각하여 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 다수의 볼록부 또는 오목부가 상기 기준 영역과 접하는 면은 서로 다른 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
- 제5항에 있어서,
상기 다수의 볼록부 또는 오목부는, 상기 기준 영역과 접하는 면의 크기가 작은 것부터 큰 순서대로 배열되어 하나의 그룹을 형성하며, 상기 그룹이 반복적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 기준 영역 사이의 간격은 0.5㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
- 성장용 기판 상에 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물을 형성하는 단계;및
상기 발광구조물의 표면 중 광이 방출되는 적어도 하나의 발광면에 패턴을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 패턴이 형성된 발광면은, 서로 동일한 크기를 가지며 서로 수직인 제1 및 제2 방향으로 배열된 가상의 기준 영역을 복수 개 구비하되, 상기 기준 영역은 각각 실질적으로 원형이며 적어도 두 개의 인접한 기준 영역들과 접촉하고, 상기 기준 영역의 외곽선과 접하도록 상기 기준 영역 내에 볼록부 또는 오목부가 1개씩 배치되며, 다수의 상기 볼록부 또는 오목부 중에서 일 방향으로 배열된 것들은 상기 기준 영역의 중심을 회전축으로 하여, 시계 또는 반시계 방향으로 순차적으로 회전되어 배치되고,
상기 패턴을 형성하는 단계는 건식 식각 공정을 통해 이루어지는 반도체 발광 소자 제조 방법.
- 삭제
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