KR101754426B1 - 질화물계 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법을 개시한다. 개시된 본 발명의 질화물계 발광 소자는, 기판; 상기 기판 상에 형성된 제 1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성된 활성층; 및 상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층을 포함하며, 상기 기판 배면에 소정의 직경(d)을 갖으며 일정한 간격(L)으로 배열된 복수개의 반사패턴들이 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 질화물계 발광소자는 기판 배면에 복수개의 반사패턴들을 형성하여 광추출 효율을 개선한 효과가 있다.
본 발명의 질화물계 발광소자는 기판 배면에 복수개의 반사패턴들을 형성하여 광추출 효율을 개선한 효과가 있다.
Description
본 발명은 질화물계 발광소자에 관한 것이다.
질화물계 발광소자는 보통 발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)로 불리며, 전류를 빛으로 변환시키는 반도체 발광 소자이다. 발광 다이오드에 의해 방출되는 빛의 파장은 상기 발광 다이오드를 제조하는데 사용되는 반도체 재료에 따라 결정된다. 이는 방출된 빛의 파장이 가전자대(valence band) 전자들과 전도대(conduction band) 전자들 사이의 에너지 차를 나타내는 반도체 재료의 밴드갭(band-gap)에 따라 결정되기 때문이다.
최근 발광 다이오드는 휘도가 점차 증가하게 되어 디스플레이용 광원, 자동차용 광원 및 조명용 광원으로 사용이 증가하고 있으며, 형광 물질을 이용하거나 다양한 색의 발광 다이오드를 조합함으로써 효율이 우수한 백색광을 발광하는 발광 다이오드로 구현이 가능하다.
한편, 발광 다이오드의 휘도는 활성층의 구조, 빛을 외부로 효과적으로 추출할 수 있는 광 추출 구조, 칩의 크기, 발광 다이오드를 포위하는 몰딩부재의 종류 등 다양한 조건들에 의해 좌우된다.
도 1은 종래 기술에 따른 질화물계 발광소자의 구조를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 질화물계 발광소자(10)는 기판(20), 버퍼층(12), 제1 도전형 반도체층(13), 활성층(14), 제2 도전형 반도체층(15), 투명전극층(16), 제2 전극(17), 제1 전극(18)을 포함할 수 있다.
상기 버퍼층(12), 제1 도전형 반도체층(13), 활성층(14) 및 제2 도전형 반도체층(15)은 화학증착방법(CVD), 분자선 에피택시법(MBE), 스퍼터링법(Sputtering), 수산화물 증기상 에피택시법(HVPE) 등의 방법에 의해 상기 기판(20) 상에 형성될 수 있으며 이에 대해 한정되지는 않는다.
상기 버퍼층(12)은 상기 기판(20)과 상기 제1 도전형 반도체층(13) 사이의 격자 상수 차이를 줄이기 위해 형성될 수 있으며 예를 들어, GaN, AlN, AlGaN, InGaN, AlInGaN 중에서 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 활성층(14)은 제1 도전형 반도체층(13)을 통해서 주입되는 전자(또는 정공)와 이후 형성되는 제2 도전형 반도체층(15)을 통해서 주입되는 정공(또는 전자)이 서로 만나서, 상기 활성층(14)의 형성 물질에 따른 에너지 밴드(Energy Band)의 밴드갭(Band Gap) 차이에 의해서 빛을 방출하는 층이다.
하지만, 상기와 같은 종래 질화물계 발광소자는 일반적으로 Ⅲ족-Ⅳ족 화합물로 제조되어, 각 층들의 굴절율이 달라 계면 영역에서 굴절율 차이로 인한 광추출 저하가 발생된다.
최근 발광 다이오드는 휘도가 점차 증가하게 되어 디스플레이용 광원, 자동차용 광원 및 조명용 광원으로 사용이 증가하고 있으며, 형광 물질을 이용하거나 다양한 색의 발광 다이오드를 조합함으로써 효율이 우수한 백색광을 발광하는 발광 다이오드로 구현이 가능하다.
한편, 발광 다이오드의 휘도는 활성층의 구조, 빛을 외부로 효과적으로 추출할 수 있는 광 추출 구조, 칩의 크기, 발광 다이오드를 포위하는 몰딩부재의 종류 등 다양한 조건들에 의해 좌우된다.
도 1은 종래 기술에 따른 질화물계 발광소자의 구조를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 질화물계 발광소자(10)는 기판(20), 버퍼층(12), 제1 도전형 반도체층(13), 활성층(14), 제2 도전형 반도체층(15), 투명전극층(16), 제2 전극(17), 제1 전극(18)을 포함할 수 있다.
상기 버퍼층(12), 제1 도전형 반도체층(13), 활성층(14) 및 제2 도전형 반도체층(15)은 화학증착방법(CVD), 분자선 에피택시법(MBE), 스퍼터링법(Sputtering), 수산화물 증기상 에피택시법(HVPE) 등의 방법에 의해 상기 기판(20) 상에 형성될 수 있으며 이에 대해 한정되지는 않는다.
상기 버퍼층(12)은 상기 기판(20)과 상기 제1 도전형 반도체층(13) 사이의 격자 상수 차이를 줄이기 위해 형성될 수 있으며 예를 들어, GaN, AlN, AlGaN, InGaN, AlInGaN 중에서 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 활성층(14)은 제1 도전형 반도체층(13)을 통해서 주입되는 전자(또는 정공)와 이후 형성되는 제2 도전형 반도체층(15)을 통해서 주입되는 정공(또는 전자)이 서로 만나서, 상기 활성층(14)의 형성 물질에 따른 에너지 밴드(Energy Band)의 밴드갭(Band Gap) 차이에 의해서 빛을 방출하는 층이다.
하지만, 상기와 같은 종래 질화물계 발광소자는 일반적으로 Ⅲ족-Ⅳ족 화합물로 제조되어, 각 층들의 굴절율이 달라 계면 영역에서 굴절율 차이로 인한 광추출 저하가 발생된다.
본 발명은, 기판 배면에 복수개의 반사패턴들을 형성하여 광추출 효율을 개선한 질화물계 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은, 기판 배면에 단순히 반사막을 형성하지 않고, 소정의 크기의 반사패턴들을 서로 이격되도록 형성함으로써, 활성층에서 발생되는 광의 추출 효율을 향상시킨 질화물계 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은, 기판 배면에 단순히 반사막을 형성하지 않고, 소정의 크기의 반사패턴들을 서로 이격되도록 형성함으로써, 활성층에서 발생되는 광의 추출 효율을 향상시킨 질화물계 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 질화물계 발광 소자는, 기판;
상기 기판 상에 형성된 제 1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성된 활성층; 및 상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층을 포함하며, 상기 기판 배면에 소정의 직경(d)을 갖으며 일정한 간격(L)으로 배열된 복수개의 반사패턴들이 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 질화물계 발광 소자의 제조방법은, 기판 상에 제 1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제2 도전형 반도체층이 형성된 기판 상에 투명도전층을 형성하는 단계; 상기 투명도전층이 형성된 기판 상에 금속막을 형성한 다음, 포토 공정에 따라 형성된 감광막패턴을 마스크로 식각 공정을 진행하여 상기 투명도전층 상에 제 2 전극을 형성하고, 상기 제 1 도전형 반도체층 상에 제 1 전극을 형성하는 단계; 상기 제 1 전극과 제 2 전극을 형성하기 위한 감광막패턴이 형성된 기판 상에 보호층을 형성한 후, 상기 감광막 패턴을 제거하여 상기 제 1 및 제 2 전극을 노출시키는 단계; 및 상기 기판의 배면에 소정의 직경(d)을 갖으며 일정한 간격(L)으로 배열된 복수개의 반사패턴들이 형성하는 단계를 포함한다.
상기 기판 상에 형성된 제 1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성된 활성층; 및 상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층을 포함하며, 상기 기판 배면에 소정의 직경(d)을 갖으며 일정한 간격(L)으로 배열된 복수개의 반사패턴들이 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 질화물계 발광 소자의 제조방법은, 기판 상에 제 1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제2 도전형 반도체층이 형성된 기판 상에 투명도전층을 형성하는 단계; 상기 투명도전층이 형성된 기판 상에 금속막을 형성한 다음, 포토 공정에 따라 형성된 감광막패턴을 마스크로 식각 공정을 진행하여 상기 투명도전층 상에 제 2 전극을 형성하고, 상기 제 1 도전형 반도체층 상에 제 1 전극을 형성하는 단계; 상기 제 1 전극과 제 2 전극을 형성하기 위한 감광막패턴이 형성된 기판 상에 보호층을 형성한 후, 상기 감광막 패턴을 제거하여 상기 제 1 및 제 2 전극을 노출시키는 단계; 및 상기 기판의 배면에 소정의 직경(d)을 갖으며 일정한 간격(L)으로 배열된 복수개의 반사패턴들이 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 질화물계 발광소자는 기판 배면에 복수개의 반사패턴들을 형성하여 광추출 효율을 개선한 효과가 있다.
또한, 본 발명의 질화물계 발광소자는 기판 배면에 단순히 반사막을 형성하지 않고, 소정의 크기의 반사패턴들을 서로 이격되도록 형성함으로써, 활성층에서 발생되는 광의 추출 효율을 향상시킨 효과가 있다.
또한, 본 발명의 질화물계 발광소자는 기판 배면에 단순히 반사막을 형성하지 않고, 소정의 크기의 반사패턴들을 서로 이격되도록 형성함으로써, 활성층에서 발생되는 광의 추출 효율을 향상시킨 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 질화물계 발광소자의 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 광추출 효율을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 배면 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 광추출 효율을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 배면 구조를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예들은 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 장치의 크기 및 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 구조를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 질화물계 발광소자(100)는 기판(120), 버퍼층(112), 언도프트 반도체층(121), 제1 도전형 반도체층(113), 활성층(114), 제2 도전형 반도체층(115), 투명전극층(116), 제2 전극(117), 제1 전극(118)을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 질화물계 발광소자(100)의 기판(120) 배면에는 광추출 효율 향상을 위한 다수개의 반사패턴(130)들이 배열되어 있다.
상기 버퍼층(112), 제1 도전형 반도체층(113), 언도프트 반도체층(121), 제1 도전형 반도체층(113), 활성층(114) 및 제2 도전형 반도체층(115)은 화학증착방법(CVD), 분자선 에피택시법(MBE), 스퍼터링법(Sputtering), 수산화물 증기상 에피택시법(HVPE) 등의 방법에 의해 상기 기판(120) 상에 형성될 수 있으며 이에 대해 한정되지는 않는다.
상기 기판(120)은 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP, Ge 중 적어도 하나를 이용할 수 있다.
상기 기판(120) 상에는 상기 버퍼층(112)이 형성될 수 있다. 상기 버퍼층(112)은 상기 기판(120)과 상기 제1 도전형 반도체층(113) 사이의 격자 상수 차이를 줄이기 위해 형성될 수 있으며 예를 들어, GaN, AlN, AlGaN,InGaN, AlInGaN 중에서 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(112) 상에는 상기 언도프트 반도체층(121)이 형성될 수 있다.
상기 언도프트 반도체층(121)은 예를 들어, 언도프트(Undoped) GaN 층일 수 있으며 이에 대해 한정하지는 않는다.
한편, 상기 버퍼층(112)과 상기 언도프트 반도체층(121)은 적어도 한 층이 형성되거나, 두 층 모두 존재하지 않을 수 있다.
상기 언도프트 반도체층(121) 상에는 상기 제1 도전형 반도체층(113)이 형성될 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(113)은 예를 들어, n형 반도체층을 포함할 수 있는데, 상기 n형 반도체층은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 InAlGaN, GaN, AlGaN, InGaN, AlN, InN 등에서 선택될 수 있으며, Si, Ge, Sn 등의 n형 도펀트가 도핑된다.
상기 제1 도전형 반도체층(113)은 챔버에 트리메틸 갈륨(TMGa), 트리에틸 갈륨(TEGa), 암모니아(NH3), 질소(N2) 및 상기 n형 도펀트가 주입되어 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(113) 상에는 상기 활성층(114)이 형성될 수 있다.
상기 활성층(114)은 제1, 제 2 활성층들과 같이 복수개의 활성층들을 적층하여 형성할 수 있다. 상기 활성층(114)은 제1 도전형 반도체층(113)을 통해서 주입되는 전자(또는 정공)와 이후 형성되는 제2 도전형 반도체층(115)을 통해서 주입되는 정공(또는 전자)이 서로 만나서, 상기 활성층(114)의 형성 물질에 따른 에너지 밴드(Energy Band)의 밴드갭(Band Gap) 차이에 의해서 빛을 방출하는 층이다.
상기 활성층(114)은 복수개의 활성층들로 형성될 경우, 380nm 내지 500nm의 파장대의 빛을 방출할 수 있다.
상기 활성층(114)은 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 구조(MQW: Multi Quantum Well), 양자 선(Quantum-Wire) 구조, 또는 양자 점(Quantum Dot) 구조 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 질화물계 발광소자(100)는 투명전극층(116), 제2 전극(117), 제1 전극(118)이 형성된 상태에서 적층된 각각의 층들을 보호하기 위해 보호층(150)이 형성되어 있다. 상기 보호층(150)은 SiO2 계열의 절연막으로 형성될 수 있다.
상기 보호층(150)은 질화물계 발광소자(100)의 측면을 따라 이물질에 의해 각각의 층들이 쇼팅되거나 손상되는 것을 방지하기 위해 형성된다.
상기 보호층(150)을 형성하는 방법은 투명전극층(116) 상에 제 1 전극(118)과 제 2 전극(117)을 패터닝하기 위해 형성한 감광막패턴을 제거하지 않은 상태에서 연속하여 보호층(150)을 형성한 후, 상기 감광막패턴을 제거함으로써 형성할 수 있다.
따라서, 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 질화물계 발광소자(100)는 제 1 전극(118)과 제 2 전극(117)의 상측면을 제외한 전 영역에 보호층(150)이 형성되어 있다. 상기 보호층(150)은 상기 제 1 전극(118)과 제 2 전극(117)의 외측 둘레를 따라 형성되어 있다.
또한, 본 발명에서는 질화물계 발광소자(100)의 기판(120) 배면에 다수개의 반사패턴(130)들이 형성되어 있다. 상기 반사패턴(130)들은 원형, 타원형, 사각형 및 삼각형 형태로 형성될 수 있고, 이들은 소정의 간격을 두고 일정하게 배열되어 있다. 하지만, 이것은 고정된 것이 아니기 때문에 반사패턴(130)들이 기판(120) 배면에 서로 다른 크기를 가지면서 불규칙적으로 배열될 수 있다.
상기 반사패턴들(130)은 상기 활성층(114)에서 발생되는 광을 질화물계 발광소자(100) 내측으로 재반사하거나 통과시키는 산란 작용을 유도하여 광추출 효율을 향상시킨다.
특히, 질화물계 발광소자(100) 배면의 전 영역에 반사막을 형성할 경우, 재반사된 광이 발광소자(100)의 내측에 형성되어 있는 각 층들의 굴절율 차이로 인하여 전반사가 일어나는 문제가 있다. 즉, 광이 발광 소자(100) 내에서 전 반사가 일어날 경우 활성층(114)에서 발생된 광이 용이하게 외부로 추출되지 못하는 문제가 발생한다.
따라서, 본 발명에서는 다수개의 반사패턴(130)들을 질화물계 발광 소자(100)의 기판(120) 배면에 배열함으로써, 일부는 재반사에 의해 상측 방향으로 광추출이되도록 하면서, 반사패턴(130)들 사이에서는 광이 그대로 투과될 수 있도록 하여 광추출 특성을 개선하였다.
도 4는 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 광추출 효율을 설명하기 위한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 질화물계 발광소자는 기판(120), 버퍼층(112), 언도프트 반도체층(121), 제1 도전형 반도체층(113), 활성층(114), 제2 도전형 반도체층(115), 투명전극층(116), 제2 전극(117)이 순차적으로 적층 되어 있다. 또한, 본 발명에서는 기판(120) 배면에 소정의 직경을 갖는 복수개의 반사패턴들(130)이 배열되어 있다.
상기 반사패턴들(130)은 반사율이 좋은 금속으로 이루어져 있고, 기판(120)의 배면에 증착한 후, 포토 공정을 진행하여 형성될 수 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 활성층(114)에서 발생되는 광은 제2 전극(117)이 형성되어 있는 상측 방향뿐만 아니라 기판(120) 방향으로도 출사된다.
상기 활성층(114)에서 생성된 광이 기판(120) 방향으로 출사되는 경우에는 제 1 도전형 반도체층(113), 언도프트 반도체층(121), 버퍼층(112) 및 기판(120)을 통과해야 한다. 하지만, 이들 각각의 층들은 서로 다른 굴절율을 갖기 때문에 출사되는 과정에서 광저하가 발생된다.
이를 방지 하기 위해 기판(120) 배면의 전 영역에 반사막을 형성할 수 있으나, 그럴 경우 재반사된 광이 굴절율이 서로 다른 각 층들 사이에서 전반사가 일어나 결과적으로 광추출이 저하되는 문제가 있다.
본 발명에서는 기판(120) 배면에 복수개의 반사패턴들(130)을 형성하여, 일부 광은 재반사시켜 상측 방향으로 출사되도록 하고, 일부 광들은 반사패턴들(130) 사이로 광추출을 유도하였다.
또한, 상기 반사패턴들(130)의 물질 특성상 활성층(114)에서 발생되는 광이 반사패턴들(130)의 경계에서는 전반사가 발생되지 않고, 광손실 없이 굴절되기 때문에 결과적으로 광추출 효율이 개선된다.
도 5는 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 배면 구조를 도시한 도면이다.
도 5에는 본 발명의 질화물계 발광소자에 형성되는 반사패턴들이 원형인 경우를 예로 도시하였다. 하지만, 반사패턴들의 형상은 설계 요구 조건에 따라 삼각형, 타원, 사각형, 원뿔, 사각뿔 등 다양한 형태로 변형할 수 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 기판(120)의 배면에는 일정한 직경(d)을 갖는 복수개의 반사패턴들(130)이 일정한 간격(L)으로 배열되어 있다.
상기 반사패턴들(130) 간의 간격(L)은 20~40㎛ 범위에서 정해질 수 있고, 바람직하게는 30㎛의 간격을 갖도록 한다. 하지만, 이것은 고정된 수치가 아니고 반사패턴들(130)의 직경(d)에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
상기 반사패턴들(130)의 직경(d)은 12~30㎛ 범위를 갖는다.
아래 표 1은 반사패턴들(130)의 직경에 따라 광추출 효율을 시뮬레이션한 결과이다.
표 1에는 질화물계 발광 소자의 기판 배면 전 영역에 반사막을 형성하는 경우를 기준(reference)으로 반사패턴들(130)의 직경(d)을 변경한 경우의 광추출 효율값을 나타냈다. 이때, 반사패턴들(130) 간의 간격(L)은 30㎛로 설정하였다.
기준에서와 같이, 질화물계 발광소자의 배면 전 영역에 반사막을 형성하는 경우에는 전반사 등의 작용으로 광추출 효율 값이 활성층의 광량(1) 대비 86.23의 값을 나타내고 있다.
하지만, 반사패턴들(130)의 직경(d)이 30㎛의 원형인 경우에는 활성층의 광량(1.04) 대비 89.66의 값으로 광추출 효율값이 상승함을 볼 수 있다. 상기 반사패턴(130)의 직경(d)이 12㎛일 경우에는 활성층의 광량(1.12) 대비 96.6의 값으로 광추출 효율값을 갖는다. 즉, 기준대비하여 12%의 광추출 효율이 상승 됨을 볼 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서는 질화물계 발광 소자의 배면에 다수개의 반사패턴들을 소정의 간격으로 배열함으로써, 활성층에서 발생되는 광의 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 구조를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 질화물계 발광소자(100)는 기판(120), 버퍼층(112), 언도프트 반도체층(121), 제1 도전형 반도체층(113), 활성층(114), 제2 도전형 반도체층(115), 투명전극층(116), 제2 전극(117), 제1 전극(118)을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 질화물계 발광소자(100)의 기판(120) 배면에는 광추출 효율 향상을 위한 다수개의 반사패턴(130)들이 배열되어 있다.
상기 버퍼층(112), 제1 도전형 반도체층(113), 언도프트 반도체층(121), 제1 도전형 반도체층(113), 활성층(114) 및 제2 도전형 반도체층(115)은 화학증착방법(CVD), 분자선 에피택시법(MBE), 스퍼터링법(Sputtering), 수산화물 증기상 에피택시법(HVPE) 등의 방법에 의해 상기 기판(120) 상에 형성될 수 있으며 이에 대해 한정되지는 않는다.
상기 기판(120)은 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP, Ge 중 적어도 하나를 이용할 수 있다.
상기 기판(120) 상에는 상기 버퍼층(112)이 형성될 수 있다. 상기 버퍼층(112)은 상기 기판(120)과 상기 제1 도전형 반도체층(113) 사이의 격자 상수 차이를 줄이기 위해 형성될 수 있으며 예를 들어, GaN, AlN, AlGaN,InGaN, AlInGaN 중에서 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(112) 상에는 상기 언도프트 반도체층(121)이 형성될 수 있다.
상기 언도프트 반도체층(121)은 예를 들어, 언도프트(Undoped) GaN 층일 수 있으며 이에 대해 한정하지는 않는다.
한편, 상기 버퍼층(112)과 상기 언도프트 반도체층(121)은 적어도 한 층이 형성되거나, 두 층 모두 존재하지 않을 수 있다.
상기 언도프트 반도체층(121) 상에는 상기 제1 도전형 반도체층(113)이 형성될 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(113)은 예를 들어, n형 반도체층을 포함할 수 있는데, 상기 n형 반도체층은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0 ≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 InAlGaN, GaN, AlGaN, InGaN, AlN, InN 등에서 선택될 수 있으며, Si, Ge, Sn 등의 n형 도펀트가 도핑된다.
상기 제1 도전형 반도체층(113)은 챔버에 트리메틸 갈륨(TMGa), 트리에틸 갈륨(TEGa), 암모니아(NH3), 질소(N2) 및 상기 n형 도펀트가 주입되어 형성될 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(113) 상에는 상기 활성층(114)이 형성될 수 있다.
상기 활성층(114)은 제1, 제 2 활성층들과 같이 복수개의 활성층들을 적층하여 형성할 수 있다. 상기 활성층(114)은 제1 도전형 반도체층(113)을 통해서 주입되는 전자(또는 정공)와 이후 형성되는 제2 도전형 반도체층(115)을 통해서 주입되는 정공(또는 전자)이 서로 만나서, 상기 활성층(114)의 형성 물질에 따른 에너지 밴드(Energy Band)의 밴드갭(Band Gap) 차이에 의해서 빛을 방출하는 층이다.
상기 활성층(114)은 복수개의 활성층들로 형성될 경우, 380nm 내지 500nm의 파장대의 빛을 방출할 수 있다.
상기 활성층(114)은 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 구조(MQW: Multi Quantum Well), 양자 선(Quantum-Wire) 구조, 또는 양자 점(Quantum Dot) 구조 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 질화물계 발광소자(100)는 투명전극층(116), 제2 전극(117), 제1 전극(118)이 형성된 상태에서 적층된 각각의 층들을 보호하기 위해 보호층(150)이 형성되어 있다. 상기 보호층(150)은 SiO2 계열의 절연막으로 형성될 수 있다.
상기 보호층(150)은 질화물계 발광소자(100)의 측면을 따라 이물질에 의해 각각의 층들이 쇼팅되거나 손상되는 것을 방지하기 위해 형성된다.
상기 보호층(150)을 형성하는 방법은 투명전극층(116) 상에 제 1 전극(118)과 제 2 전극(117)을 패터닝하기 위해 형성한 감광막패턴을 제거하지 않은 상태에서 연속하여 보호층(150)을 형성한 후, 상기 감광막패턴을 제거함으로써 형성할 수 있다.
따라서, 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 질화물계 발광소자(100)는 제 1 전극(118)과 제 2 전극(117)의 상측면을 제외한 전 영역에 보호층(150)이 형성되어 있다. 상기 보호층(150)은 상기 제 1 전극(118)과 제 2 전극(117)의 외측 둘레를 따라 형성되어 있다.
또한, 본 발명에서는 질화물계 발광소자(100)의 기판(120) 배면에 다수개의 반사패턴(130)들이 형성되어 있다. 상기 반사패턴(130)들은 원형, 타원형, 사각형 및 삼각형 형태로 형성될 수 있고, 이들은 소정의 간격을 두고 일정하게 배열되어 있다. 하지만, 이것은 고정된 것이 아니기 때문에 반사패턴(130)들이 기판(120) 배면에 서로 다른 크기를 가지면서 불규칙적으로 배열될 수 있다.
상기 반사패턴들(130)은 상기 활성층(114)에서 발생되는 광을 질화물계 발광소자(100) 내측으로 재반사하거나 통과시키는 산란 작용을 유도하여 광추출 효율을 향상시킨다.
특히, 질화물계 발광소자(100) 배면의 전 영역에 반사막을 형성할 경우, 재반사된 광이 발광소자(100)의 내측에 형성되어 있는 각 층들의 굴절율 차이로 인하여 전반사가 일어나는 문제가 있다. 즉, 광이 발광 소자(100) 내에서 전 반사가 일어날 경우 활성층(114)에서 발생된 광이 용이하게 외부로 추출되지 못하는 문제가 발생한다.
따라서, 본 발명에서는 다수개의 반사패턴(130)들을 질화물계 발광 소자(100)의 기판(120) 배면에 배열함으로써, 일부는 재반사에 의해 상측 방향으로 광추출이되도록 하면서, 반사패턴(130)들 사이에서는 광이 그대로 투과될 수 있도록 하여 광추출 특성을 개선하였다.
도 4는 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 광추출 효율을 설명하기 위한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 질화물계 발광소자는 기판(120), 버퍼층(112), 언도프트 반도체층(121), 제1 도전형 반도체층(113), 활성층(114), 제2 도전형 반도체층(115), 투명전극층(116), 제2 전극(117)이 순차적으로 적층 되어 있다. 또한, 본 발명에서는 기판(120) 배면에 소정의 직경을 갖는 복수개의 반사패턴들(130)이 배열되어 있다.
상기 반사패턴들(130)은 반사율이 좋은 금속으로 이루어져 있고, 기판(120)의 배면에 증착한 후, 포토 공정을 진행하여 형성될 수 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 활성층(114)에서 발생되는 광은 제2 전극(117)이 형성되어 있는 상측 방향뿐만 아니라 기판(120) 방향으로도 출사된다.
상기 활성층(114)에서 생성된 광이 기판(120) 방향으로 출사되는 경우에는 제 1 도전형 반도체층(113), 언도프트 반도체층(121), 버퍼층(112) 및 기판(120)을 통과해야 한다. 하지만, 이들 각각의 층들은 서로 다른 굴절율을 갖기 때문에 출사되는 과정에서 광저하가 발생된다.
이를 방지 하기 위해 기판(120) 배면의 전 영역에 반사막을 형성할 수 있으나, 그럴 경우 재반사된 광이 굴절율이 서로 다른 각 층들 사이에서 전반사가 일어나 결과적으로 광추출이 저하되는 문제가 있다.
본 발명에서는 기판(120) 배면에 복수개의 반사패턴들(130)을 형성하여, 일부 광은 재반사시켜 상측 방향으로 출사되도록 하고, 일부 광들은 반사패턴들(130) 사이로 광추출을 유도하였다.
또한, 상기 반사패턴들(130)의 물질 특성상 활성층(114)에서 발생되는 광이 반사패턴들(130)의 경계에서는 전반사가 발생되지 않고, 광손실 없이 굴절되기 때문에 결과적으로 광추출 효율이 개선된다.
도 5는 본 발명에 따른 질화물계 발광소자의 배면 구조를 도시한 도면이다.
도 5에는 본 발명의 질화물계 발광소자에 형성되는 반사패턴들이 원형인 경우를 예로 도시하였다. 하지만, 반사패턴들의 형상은 설계 요구 조건에 따라 삼각형, 타원, 사각형, 원뿔, 사각뿔 등 다양한 형태로 변형할 수 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 기판(120)의 배면에는 일정한 직경(d)을 갖는 복수개의 반사패턴들(130)이 일정한 간격(L)으로 배열되어 있다.
상기 반사패턴들(130) 간의 간격(L)은 20~40㎛ 범위에서 정해질 수 있고, 바람직하게는 30㎛의 간격을 갖도록 한다. 하지만, 이것은 고정된 수치가 아니고 반사패턴들(130)의 직경(d)에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
상기 반사패턴들(130)의 직경(d)은 12~30㎛ 범위를 갖는다.
아래 표 1은 반사패턴들(130)의 직경에 따라 광추출 효율을 시뮬레이션한 결과이다.
| 구분 | 기준 | 30㎛(d) | 24㎛(d) | 18㎛(d) | 12㎛(d) |
| 광 추출 효율 | 86.23 | 89.66 | 93.06 | 95.21 | 96.6 |
| 1 | 1.04 | 1.08 | 1.10 | 1.12 |
표 1에는 질화물계 발광 소자의 기판 배면 전 영역에 반사막을 형성하는 경우를 기준(reference)으로 반사패턴들(130)의 직경(d)을 변경한 경우의 광추출 효율값을 나타냈다. 이때, 반사패턴들(130) 간의 간격(L)은 30㎛로 설정하였다.
기준에서와 같이, 질화물계 발광소자의 배면 전 영역에 반사막을 형성하는 경우에는 전반사 등의 작용으로 광추출 효율 값이 활성층의 광량(1) 대비 86.23의 값을 나타내고 있다.
하지만, 반사패턴들(130)의 직경(d)이 30㎛의 원형인 경우에는 활성층의 광량(1.04) 대비 89.66의 값으로 광추출 효율값이 상승함을 볼 수 있다. 상기 반사패턴(130)의 직경(d)이 12㎛일 경우에는 활성층의 광량(1.12) 대비 96.6의 값으로 광추출 효율값을 갖는다. 즉, 기준대비하여 12%의 광추출 효율이 상승 됨을 볼 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서는 질화물계 발광 소자의 배면에 다수개의 반사패턴들을 소정의 간격으로 배열함으로써, 활성층에서 발생되는 광의 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
100: 질화물계 발광 소자 120: 기판
112: 버퍼층 121: 언도프트 반도체층
113: 제1 도전형 반도체층 114: 활성층
115: 제 2 도전형 반도체층 116: 투명전극층
130: 반사패턴
112: 버퍼층 121: 언도프트 반도체층
113: 제1 도전형 반도체층 114: 활성층
115: 제 2 도전형 반도체층 116: 투명전극층
130: 반사패턴
Claims (10)
- 기판;
상기 기판 상에 형성된 제1 도전형 반도체층;
상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성된 활성층;
상기 활성층 상에 제2 도전형 반도체층;
상기 제2 도전형 반도체층 상의 투명도전층; 및
상기 기판 배면에 배치되며, 금속 물질로 형성되는 금속막;을 포함하며,
상기 금속막은 상기 기판 배면에 소정의 직경(d)을 가지며 일정한 간격(L)으로 배열된 복수 개의 반사패턴들을 포함하는 질화물계 발광 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 활성층은 복수개의 활성층이 적층된 구조인 질화물계 발광 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 반사패턴의 직경(d)은 12~30㎛ 인 질화물계 발광 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 반사패턴들의 간격(L)은 20~40㎛ 인 질화물계 발광소자.
- 삭제
- 기판 상에 제 1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계;
상기 제2 도전형 반도체층이 형성된 기판 상에 투명도전층을 형성하는 단계; 및
상기 기판의 배면에 금속막을 형성한 다음, 포토 공정을 진행하여 상기 금속막을 식각하여 소정의 직경(d)을 가지며 일정한 간격(L)으로 배열된 복수개의 반사패턴들을 형성하는 단계를 포함하는 질화물계 발광 소자 제조방법.
- 삭제
- 제6항에 있어서, 상기 반사패턴의 직경(d)은 12~30㎛ 인 질화물계 발광 소자 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 반사패턴들의 간격(L)은 20~40㎛ 인 질화물계 발광소자 제조방법.
- 삭제
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