KR101977677B1 - 반도체 발광소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 기판 상에 형성된 제1 도전형 반도체 베이스층; 상기 제1 도전형 반도체 베이스층 상에 형성되며, 상기 제1 도전형 반도체 베이스층이 노출된 복수의 개구를 갖는 절연막; 및 각각, 상기 제1 도전형 반도체 베이스층의 노출된 영역에 형성된 제1 도전형 반도체 코어와, 상기 제1 도전형 반도체 코어의 표면에 순차적으로 형성된 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 복수의 나노 발광 구조물; 을 포함하고, 상기 나노 발광 구조물의 측면의 아래 모서리가 상기 절연막의 개구의 내부 측벽에 위치한다.

Description

반도체 발광소자 {SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것이다.
발광 다이오드(LED)는 종래의 광원에 비해 긴 수명, 낮은 소비전력, 빠른 응답 속도, 환경 친화성 등의 장점을 갖는 차세대 광원으로 알려져 있으며, 조명 장치, 디스플레이 장치의 백라이트 등 다양한 제품에서 중요한 광원으로 주목 받고 있다. 특히, GaN, AlGaN, InGaN, InAlGaN 등의 3족 질화물 기반의 LED는 청색 또는 자외선광을 출력하는 반도체 발광소자로서 중요한 역할을 하고 있다.
최근에 LED의 활용범위가 넓어짐에 따라 고전류/고출력 분야의 광원 분야로 그 활용범위가 확대되고 있다. 이와 같이 LED가 고전류/고출력 분야에서 요구됨에 따라 당 기술 분야에서는 발광 특성의 향상을 위한 연구가 계속되어 왔으며, 다중양자우물(MQW) 구조의 성장 조건이나 반도체층의 결정성 향상을 위한 노력이 진행되고 있다. 특히, 결정성 향상과 발광 영역의 증대를 통한 광 효율 증가를 위해, 나노 발광 구조물을 구비하는 발광소자 및 그 제조 기술이 제안되었다.
나노 발광 구조물을 구비하는 발광소자 제조시에, 나노 발광 구조물 성장과정에서 나노 발광 구조물의 직경을 정의하기 위한 절연막 개구의 내부와 외부에서의 스트레스 차이에 의하여 나노 발광 구조물과 절연막 사이에 들뜸 현상이 발생하며, 이와 같은 들뜸 현상에 의하여 누설전류가 발생하여 발광소자의 특성이 저하될 수 있다.
당 기술분야에서는, 나노 발광 구조물을 구비한 반도체 발광소자의 누설전류와 같은 들뜸현상을 방지할 수 있는 반도체 발광소자의 새로운 제조 기술이 요구되고 있다.
본 발명의 일 측면은,
기판 상에 형성된 제1 도전형 반도체 베이스층; 상기 제1 도전형 반도체 베이스층 상에 형성되며, 상기 제1 도전형 반도체 베이스층이 노출된 복수의 개구를 갖는 절연막; 및 각각, 상기 제1 도전형 반도체 베이스층의 노출된 영역에 형성된 제1 도전형 반도체 코어와, 상기 제1 도전형 반도체 코어의 표면에 순차적으로 형성된 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 복수의 나노 발광 구조물; 을 포함하고, 상기 나노 발광 구조물의 측면의 아래 모서리가 상기 절연막의 개구의 내부 측벽에 위치하는 반도체 발광소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 개구의 내부 측벽은 상부로 갈수록 개방된 단면적이 커지도록 소정 각도로 경사질 수 있다.
이 경우에, 상기 내부 측벽의 소정 각도는 15° 보다는 크고 75° 보다는 작을 수 있다.
일 예에서, 상기 나노 발광 구조물은 복수 개의 반극성면을 포함할 수 있다. 특정한 예에서, 상기 나노 발광 구조물은 육각뿔 형상을 가질 수 있으며, 상기 육각뿔의 경사진 면이 반극성면일 수 있다.
다른 예에서, 상기 나노 발광 구조물의 하부는 성장방향에 따라 단면적이 작아지도록 경사진 측면을 가지며, 상기 나노 발광 구조물의 상부는 로드 형태를 갖도록 형성될 수 있다.
또 다른 예에서, 상기 나노 발광 구조물의 전체가 로드 형태를 갖도록 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에서, 상기 개구의 내부 측벽은 상기 기판에 대하여 거의 수직하도록 형성될 수 있다.
일 예에서, 상기 나노 발광 구조물은 복수 개의 반극성면을 포함할 수 있다. 특정한 예에서, 상기 나노 발광 구조물은 육각뿔 형상을 가질 수 있으며, 상기 육각뿔의 경사진 면이 반극성면일 수 있다.
다른 예에서, 상기 나노 발광 구조물의 하부는 성장방향에 따라 단면적이 작아지도록 경사진 측면을 가지며, 상기 나노 발광 구조물의 상부는 로드 형태를 갖도록 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면은,
기판 상에 형성된 제1 도전형 반도체 베이스층; 상기 제1 도전형 반도체 베이스층 상에 형성되며, 상기 제1 도전형 반도체 베이스층이 노출된 복수의 개구를 갖는 절연막; 상기 복수의 개구 내부에 형성되며, 각각 상기 제1 도전형 반도체 베이스층 상에 배치된 제1 도전형 반도체 코어, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 복수의 나노 발광 구조물;을 포함하고, 상기 개구의 내부 측벽은 상부로 갈수록 개방된 단면적이 커지도록 소정 각도로 경사지도록 형성되며, 상기 나노 발광 구조물은 복수 개의 반극성면을 포함하고, 상기 나노 발광 구조물의 측면의 아래 모서리가 경사진 상기 개구의 내부 측벽에 위치하는 반도체 발광소자를 제공한다.
상기 내부 측벽의 소정 각도는 15° 보다는 크고 75° 보다는 작을 수 있다.
나노 발광 구조물을 절연막의 개구 내부에 형성시킴으로써 누설전류를 방지할 수 있는 반도체 발광소자를 제조할 수 있다.
덧붙여 상기한 과제의 해결수단 및 효과는, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 나노 발광 구조물을 구비한 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 나노 발광 구조물을 구비한 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 나노 발광 구조물이 형성된 반도체 발광소자의 단면도이다.
도 4a 및 도4b는 본 발명의 제4 및 제5 실시예에 따른 나노 발광 구조물이 형성된 반도체 발광소자의단면도이다.
도 5a 내지 도 5d는 절연막 위에 나노 발광 구조물을 포함하는 반도체 발광소자를 제조하는 과정을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 나노 발광 구조물을 구비한 반도체 발광소자가 전극을 구비한 구조를 나타내는 단면도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시 형태에 의한 반도체 발광소자를 패키지에 적용한 예를 나타낸다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시 형태에 의한 반도체 발광소자를 백라이트 유닛에 적용한 예를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 실시 형태에 의한 반도체 발광소자를 조명 장치에 적용한 예를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 실시 형태에 의한 반도체 발광소자를 헤드 램프에 적용한 예를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 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 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. (도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.)
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 나노 발광 구조물을 구비한 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 제1 실시예에 따른 반도체 발광소자(100)는 기판(110), 상기 기판(110) 상에 형성된 제1 도전형 반도체 베이스층(130), 절연막(140), 상기 제1 도전형 반도체 베이스층(130)으로부터 성장되어 형성된 제1 도전형 반도체 코어(151), 활성층 (152) 및 제2 도전형 반도체층(153)으로 이루어진 나노 발광 구조물(150)을 포함한다.
특별히 다른 설명이 없는 한, 본 명세서에서, "상부", "상면", "하부", "하면", "측면" 등의 용어는 도면을 기준으로 한 것이며, 실제로는 소자가 배치되는 방향에 따라 달라질 수 있을 것이다.
기판(110)은 반도체 성장용 기판으로 제공되며, 사파이어, SiC, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2, GaN 등과 같이 절연성, 도전성, 반도체 물질을 이용할 수 있다. 이 경우, 질화물 반도체 성장용 기판으로 널리 이용되는 사파이어의 경우, 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 및 a측 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. 한편, 기판(110)으로 사용하기에 적합한 다른 물질로는 Si 기판을 들 수 있으며, 대구경화에 보다 적합하고 상대적으로 가격이 낮은 Si 기판을 사용하여 양산성이 향상될 수 있다. Si 기판을 이용하는 경우, 기판(110) 상에 AlxGa1 - xN과 같은 물질로 이루어진 버퍼층을 형성한 후 그 위에 원하는 구조의 질화물 반도체를 성장할 수 있다.
즉, 본 실시형태와 같이, 제1 도전형 반도체 베이스층(130)의 결정성을 향상시키기 위해서 상기 제1 도전형 반도체 베이스층(130)을 형성하기 전에 상기 기판(110) 상에 버퍼층(120)을 추가로 형성할 수 있다. 상기 버퍼층(120)은 이에 한정되지는 않으나, 도핑 없이 저온으로 AlxGa1 - xN을 성장시켜 형성될 수 있다.
본 실시형태에서, 상기 제1 도전형 반도체 베이스층(130)은 나노 발광 구조물(150)의 코어(151)를 성장하기 위한 결정면을 제공할 뿐만 아니라, 각 나노 발광 구조물(150)의 일측 극성에 공통적으로 연결되어 일측 콘택 구조의 역할을 한다.
상기 제1 도전형 반도체 베이스층(130)은 III-V족 화합물일 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 도전형 반도체 베이스층(130)은 GaN일 수 있으며, n형 GaN일 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체 베이스층(130)은 n형 불순물로 도핑될 수 있다. 여기서, n형 불순물은 Si와 같은 V족 원소일 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체 베이스층(130) 상에 절연막(140)이 형성된다. 상기 절연막 (140)은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, SiOx, SiOxNy, SixNy, Al2O3, TiN, AlN, ZrO, TiAlN, TiSiN 중 어느 하나 또는 이들의 조합등일 수 있다. 상기 절연막(140)은 상기 제1 도전형 반도체 베이스층(130)의 일부분들을 노출하는 복수의 개구(141)를 포함한다.
상기 복수의 개구(141)에 해당하는 위치에 각각 나노 발광 구조물(150)을 형성한다.
본 실시형태에 채용된 나노 발광 구조물(150)은 상기 개구(141)에 의해 노출된 상기 제1 도전형 반도체 베이스층(130) 영역으로부터 성장된 제1 도전형 반도체 코어(151)와, 상기 제1 도전형 반도체 코어(151)의 표면에 순차적으로 형성된 활성층 (152) 및 제2 도전형 반도체층(153)으로 이루어진 셀을 구비한 코어-셀 구조의 나노 발광 구조물(150)일 수 있다.
본 실시형태에 채용된 상기 개구(141)는 상기 기판(110)의 상면에 대하여 소정 각도로 경사진 내부 측벽을 갖는다. 보다 구체적으로 상기 개구의 내부 측벽은 상기 개구의 단면적이 상부로 갈수록 증가되도록 경사진 구조를 갖는다. 상기 개구(141)의 내부 측벽은 상기 기판(110)의 상면과 이루는 내각(θ)이 15° 보다는 크고 75° 보다는 작을 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체 코어(151) 및 제2 도전형 반도체층(153)은 각각 n형 및 p형 불순물이 도핑된 반도체로 이루어질 수 있으며, 다만, 이에 제한되는 것은 아니고 반대로 각각 p형 및 n형 반도체층이 될 수도 있을 것이다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 실시형태에서, 상기 활성층과 상기 제2 도전형 반도체층은 나노 발광 구조물의 쉘 구조로서 제공된다.
상기 활성층(152)은 상기 제1 도전형 반도체 코어(151)의 표면에 형성된다. 상기 활성층(152)은 InGaN 등의 단일 물질로 이루어진 층일 수도 있으나, 양자장벽층과 양자우물층이 서로 교대로 배치된 다중 양자우물(MQW) 구조를 구비할 수도 있으며, 예컨대, 각각은 GaN과 InGaN으로 이루어질 수 있다. 상기 활성층(152)에서 전자와 정공이 결합함으로써 빛 에너지를 발생시킨다.
상기 제2 도전형 반도체층(153)은 상기 활성층(152) 표면에 형성된다. 상기 제2 도전형 반도체층(153)은 III-V족 화합물일 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(153)은 p-도핑 될 수 있다. 여기서, p-도핑이라 함은 II족 원소를 도핑한 것을 의미한다. 또한, 상기 제2 도전형 반도체층(153)은 Mg 불순물이 도핑될 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(153)은 GaN일 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(153)은 p-GaN일 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(153)을 통해 정공이 활성층(152)으로 이동된다.
이와 같이, 질화물 단결정을 이용하여 제1 도전형 반도체 코어(151), 활성층 (152) 및 제2 도전형 반도체층(153)을 형성하는 경우에, 상기 나노 발광 구조물(150)은 복수 개의 반극성면(semi polar surface: r면)(150a)을 포함할 수 있다. 상기 반극성면(150a)은 상기 기판(110)에 대해 경사진 면을 포함할 수 있다. 이와 같은 상기 나노 발광 구조물(150)은 다각뿔 형상을 가질 수 있으며, 구체적으로 육각뿔 형상을 가질 수 있다. 이와 같이 형성된 상기 나노 발광 구조물(150)은 InGaN 활성층에서 In의 함량을 증가시킬 수 있으므로 격자 부정합에 의한 결정 결함이 감소되어 내부 양자 효율을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시예에 의한 제1 도전형 반도체 코어(151), 상기 제1 도전형 반도체 코어(151)의 표면에 순차적으로 형성된 활성층(152) 및 제2 도전형 반도체층(153)으로 이루어진 나노 발광 구조물(150)의 측면의 아래 모서리가 상기 절연막(140)의 개구의 내부 측벽에 위치하도록 형성된다.
특히 상기 절연막(140) 개구의 내부 측벽이 경사진 경우에, 나노 발광 구조물(150)의 측면의 아래 모서리가 상기 절연막(140)의 개구의 내부 경사진 측벽과 접하도록 형성된다.
이와 같이 나노 발광 구조물(150)의 측면의 아래 모서리와 절연막(140)의 개구의 내부 측벽이 접하도록 형성하면, 기판(110)에 대해 경사진 반극성면(semi polar surface)(150a)을 포함하는 나노 발광 구조물(150)의 성장과정에서 제1 도전형 반도체 코어(151), 활성층(152) 및 제2 도전형 반도체층(153) 각각의 노출 면적 차이에 의한 성장률 차이가 발생하지 않게 된다.
또한 나노 발광 구조물(150)이 절연막(140)의 개구 내부에 성장되므로 나노 발광 구조물(150) 성장과정에서 상기 절연막(140)의 개구 내부와 외부에서의 스트레스 차이에 의하여 발생하는 나노 발광 구조물(150)과 절연막(140) 사이의 들뜸 현상이 발생하지 않게 된다. 즉 절연막(140)과 상기 나노 발광 구조물(150) 사이에 갭(gap)이 발생하지 않게 된다. 따라서 나노 발광 구조물(150)을 구비한 반도체 발광소자에 전원이 인가되는 경우에 절연막(140)과 상기 나노 발광 구조물(150) 사이에 형성된 갭(gap)에 의하여 발생하는 누설전류가 방지되는 효과가 있다.
또한 절연막(140)의 개구 내부와 외부에서 나노 발광 구조물(150)의 노출면적이 차이가 나지 않아 활성층(152)의 양자우물층과 양자장벽층이 균일하게 성장하게 되며, 따라서 내부 양자 효율이 감소하지 않게 된다.
도 1에서는 상기 절연막(140)을 단면이 삼각형인 형태에 대하여 도시하였지만, 측면이 경사지게 형성된 다양한 형태의 절연막이 본 발명에 적용될 수 있음은 물론이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 나노 발광 구조물을 구비한 반도체 발광소자를 나타내는 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 의한 반도체 발광소자(200)는 앞서 설명한 도 1에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 의한 반도체 발광소자(100)와 절연막의 형상만이 상이하고 다른 구성요소는 동일하다.
즉 본 발명의 제2 실시예에 의한 반도체 발광소자(200)는 기판(210), 기판(210) 상에 형성된 제1 도전형 반도체 베이스층(230), 절연막(240), 상기 제1 도전형 반도체 베이스층(230)으로부터 성장되어 형성된 제1 도전형 반도체 코어(251), 활성층 (252) 및 제2 도전형 반도체층(253)으로 이루어진 나노 발광 구조물(250)을 포함한다. 또한 상기 제1 도전형 반도체 베이스층(230)을 형성하기 전에 상기 기판(210) 상에 버퍼층(220)을 추가로 형성할 수 있다.
도 2에서는 나노 발광 구조물(250)이 절연막(240)의 개구 내부에 구비된다. 즉 상기 나노 발광 구조물(250)의 측면의 아래 모서리가 상기 절연막(240)의 개구의 거의 수직한 내부 측벽과 접하도록 형성된다.
이와 같이 상기 절연막(240)의 개구 내부에 제1 도전형 반도체 코어(251), 활성층(252) 및 제2 도전형 반도체층(253)으로 이루어진 나노 발광 구조물(250)을 형성하면, 경사진 반극성면(semi polar surface)(250a)을 포함하는 나노 발광 구조물(250)의 성장과정에서 제1 도전형 반도체 코어(251), 활성층(252) 및 제2 도전형 반도체층(253) 각각의 노출 면적 차이에 의한 성장률 차이가 발생하지 않게 된다. 또한 나노 발광 구조물(250)이 절연막(240)의 개구 내부에서 성장되므로 상기 절연막(240)의 개구 내부와 외부에서의 스트레스 차이에 의하여 발생하는 나노 발광 구조물(250)과 절연막(240) 사이의 들뜸 현상이 발생하지 않게 된다. 즉 절연막(240)과 상기 나노 발광 구조물(250) 사이에 갭(gap)이 발생하지 않게 된다. 따라서 나노 발광 구조물(250)을 구비한 반도체 발광소자에 전원이 인가되는 경우에 절연막(240)과 상기 나노 발광 구조물(250) 사이에 형성된 갭(gap)에 의하여 발생하는 누설전류가 방지되는 효과가 있다.
또한 절연막(240)의 개구 내부와 외부에서 나노 발광 구조물(250)의 노출면적이 차이가 나지 않아 활성층(252)의 양자우물층과 양자장벽층이 균일하게 성장하게 되며, 따라서 내부 양자 효율이 감소하지 않게 된다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 나노 발광 구조물이 형성된 반도체 발광소자의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 제3 실시예에 따른 따른 반도체 발광소자(300)는 기판(310), 기판(310) 상에 형성된 제1 도전형 반도체 베이스층(330), 절연막(340), 상기 제1 도전형 반도체 베이스층(330)으로부터 성장되어 형성된 제1 도전형 반도체 코어(351), 활성층 (352) 및 제2 도전형 반도체층(353)으로 이루어진 나노 발광 구조물(350)을 포함한다. 또한 상기 제1 도전형 반도체 베이스층(330)을 형성하기 전에 상기 기판(310) 상에 버퍼층(320)을 추가로 형성할 수 있다.
도 3에서는 나노 발광 구조물(350)의 측면의 아래 모서리가 절연막(340)의 개구의 거의 수직한 내부 측벽과 접하도록 형성된다. 본 실시예에서는 상기 나노 발광 구조물(350)의 하부는 성장방향에 따라 단면적이 작아지도록 경사진 측면을 가지며, 상기 나노 발광 구조물(350)의 상부는 로드 형태를 갖도록 형성된다. 상기 나노 발광 구조물(350)이 질화물 단결정인 경우에, 상기 나노 발광 구조물(350)의 하부의 경시진 측면은 반극성면(r면)일 수 있으며, 상기 나노 발광 구조물(350)의 상부의 측면은 비극성면(m면)일 수 있다.
이와 같이 절연막(340)에 형성된 개구의 내부 측벽과 제1 도전형 반도체 코어(351), 활성층(352) 및 제2 도전형 반도체층(353)으로 이루어진 나노 발광 구조물(350)의 측면의 아래 모서리가 접하도록 형성하면, 나노 발광 구조물(350)이 절연막(340)의 개구 내부에서 성장되므로 상기 절연막(340)의 개구 내부와 외부에서의 스트레스 차이에 의하여 발생하는 나노 발광 구조물(350)과 절연막(340) 사이의 들뜸 현상이 발생하지 않게 된다. 즉 절연막(340)과 상기 나노 발광 구조물(350) 사이에 갭(gap)이 발생하지 않게 된다. 따라서 나노 발광 구조물(350)을 구비한 반도체 발광소자에 전원이 인가되는 경우에 절연막(340)과 상기 나노 발광 구조물(350) 사이에 형성된 갭(gap)에 의하여 발생하는 누설전류가 방지되는 효과가 있다.
도 4a 및 도4b는 본 발명의 제4 및 제5 실시예에 따른 나노 발광 구조물이 형성된 반도체 발광소자의 단면도이다. 본 실시예들에 채용된 절연막(440,440')은 도1에 도시된 절연막과 유사하게, 단면이 삼각형인 형태를 가질 수 있다.
우선, 도 4a를 참조하면, 제4 실시예에 따른 따른 반도체 발광소자(400)는 기판(410), 기판(410) 상에 형성된 제1 도전형 반도체 베이스층(430), 절연막(440), 상기 제1 도전형 반도체 베이스층(430)으로부터 성장되어 형성된 제1 도전형 반도체 코어(451), 활성층 (452) 및 제2 도전형 반도체층(453)으로 이루어진 나노 발광 구조물(450)을 포함한다. 또한 상기 제1 도전형 반도체 베이스층(430)을 형성하기 전에 상기 기판(410) 상에 버퍼층(420)을 추가로 형성할 수 있다.
도 4a에서는 나노 발광 구조물(450)의 측면의 아래 모서리가 절연막(440)의 개구의 경사진 내부 측벽과 접하도록 형성된다. 상기 개구의 내부 측벽은 상기 개구의 단면적이 상부로 갈수록 증가되는 방향으로 경사진 구조를 갖는다. 상기 개구의 내부 측벽은 상기 기판(410)의 상면과 이루는 내각(θ)이 15°보다는 크고 75° 보다는 작을 수 있다.
본 실시예에서는 상기 나노 발광 구조물(450)의 하부는 성장방향에 따라 단면적이 작아지도록 경사진 측면을 가지며, 상기 나노 발광 구조물(450)의 상부는 로드 형태를 갖도록 형성된다. 상기 나노 발광 구조물(450)이 질화물 단결정인 경우에, 상기 나노 발광 구조물(450)의 하부의 경시진 측면은 반극성면(r면)일 수 있으며, 상기 나노 발광 구조물(450)의 상부의 측면은 비극성면(m면)일 수 있다.
이와 같이 절연막(440)에 형성된 개구의 내부 측벽과 제1 도전형 반도체 코어(451), 활성층(452) 및 제2 도전형 반도체층(453)으로 이루어진 나노 발광 구조물(450)의 측면의 아래 모서리가 접하도록 형성하면, 상기 절연막(440)의 개구 내부와 외부에서의 스트레스 차이에 의하여 발생하는 나노 발광 구조물(450)과 절연막(440) 사이의 들뜸 현상이 발생하지 않게 된다. 즉 절연막(440)과 상기 나노 발광 구조물(450) 사이에 갭(gap)이 발생하지 않게 된다. 따라서 나노 발광 구조물(450)을 구비한 반도체 발광소자에 전원이 인가되는 경우에 절연막(440)과 상기 나노 발광 구조물(450) 사이에 형성된 갭(gap)에 의하여 발생하는 누설전류가 방지되는 효과가 있다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 제5 실시예에 따른 따른 반도체 발광소자(400 )는 앞선 제4 실시예와 유사하게, 기판(410'), 기판(410') 상에 형성된 제1 도전형 반도체 베이스층(430'), 절연막(440'), 상기 제1 도전형 반도체 베이스층(430')으로부터 성장되어 형성된 제1 도전형 반도체 코어(451'), 활성층 (452') 및 제2 도전형 반도체층(453')으로 이루어진 나노 발광 구조물(450')을 포함한다. 또한, 상기 제1 도전형 반도체 베이스층(430')을 형성하기 전에 상기 기판(410') 상에 버퍼층(420')을 추가로 형성할 수 있다.
본 실시예에 채용된 절연막(440')도 앞선 제4 실시예와 유사한 절연막 구조를 가질 수 있다. 즉, 상기 절연막(440')은 상기 개구의 내부 측벽은 상기 개구의 단면적이 상부로 갈수록 증가되는 방향으로 경사진 구조를 갖는다. 상기 개구의 내부 측벽은 상기 기판(410')의 상면과 이루는 내각(θ)이 15°보다는 크고 75°보다는 작을 수 있다.
본 실시예에서는 상기 나노 발광 구조물(450')의 아래 모서리가 앞선 제4 실시예와 유사하게, 개구의 경사진 내부 측벽과 접하도록 형성되지만, 전체적인 구조측면에서 다른 형상을 갖는다. 즉, 도4b에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 채용된 나노 발광 구조물(450')의 상부는 로드 형태를 갖도록 형성된다. 물론, 이러한 형상은 나노 코어(451')의 성장조건을 조절하여 얻어질 수 있다. 상기 나노 발광구조물이 질화물 단결정인 경우에, 상기 나노 발광 구조물(450')의 측면은 비극성면(m면)일 수 있다.
이와 같이, 앞선 제4 실시예의 절연막과 동일한 형상을 갖는 절연막(440')을 갖더라도, 성장조건을 조절하여 성장방향에 따라 단면적이 거의 일정한 로드 형태로 나노 발광 구조물을 형성할 수 있다.
구체적으로, 본 실시예에서도, 제1 도전형 반도체 코어(451'), 활성층(452') 및 제2 도전형 반도체층(453')으로 이루어진 나노 발광 구조물(450')의 측면의 아래 모서리가 절연막(440')에 형성된 개구의 내부 측벽과 접하도록 형성할 수 있다.
이러한 구조를 실현함으로써, 상기 절연막(440')의 개구 내부와 외부에서의 스트레스 차이에 의하여 발생할 수 있는 나노 발광 구조물(450')과 절연막(440') 사이의 들뜸 현상이 원천적으로 발생하지 않는 구조를 취할 수 있다. 이와 같이, 절연막(440')과 상기 나노 발광 구조물(450') 사이에 갭(gap)이 발생하지 않는 나노 반도체 발광소자를 구현함으로써, 그로 인한 누설전류를 효과적으로 방지할 수 있다.
본 발명의 제1 내지 제5 실시예에서는 전극에 대하여 구체적으로 명시하지 않았으나, 본 발명은 나노 발광 구조물을 구비한 다양한 형태의 반도체 발광소자에 적용될 수 있음은 물론이다.
도 5a 내지 도 5d는 절연막 위에 나노 발광 구조물을 포함하는 반도체 발광소자를 제조하는 과정을 나타낸다.
도 5a를 참조하면, 기판(110) 상에 버퍼층(120), 제1 도전형 반도체 베이스층(130) 및 절연막(140)을 형성한다.
상기 절연막(140)은 상기 기판(110)의 상면에 대하여 소정 각도로 경사진 내부 측벽을 갖는 개구(141)를 포함하도록 형성한다. 보다 구체적으로 상기 개구의 내부 측벽은 상기 개구의 단면적이 상부로 갈수록 증가되는 방향으로 경사진 구조를 갖도록 형성한다. 상기 개구(141)의 내부 측벽은 상기 기판(110)의 상면과 이루는 내각(θ)이 15°보다는 크고 75°보다는 작을 수 있다.
이어서, 도 5b를 참조하면, 경사진 내부 측벽을 갖는 개구(141)를 포함하는 절연막(140)에 의해 노출된 제1 도전형 반도체 베이스층(130) 상에 제1 도전형 반도체 코어(151)를 절연막(140)의 개구의 내부 측벽의 일부까지 성장시킨다.
일 예로 상기 공정은 기판(110)이 구비된 반응로 내의 온도를 약 900℃ 내지 약 1100℃ 로 유지하면서 갈륨 공급원인 TMGa를 약 10 내지 약 200 sccm, 암모니아(NH3)가스를 약 15000 내지 약 20000 sccm로 흘려주면서 약 1000℃ 내지 약 1100 ℃의 온도에서 절연막(140) 측면의 일정 높이, 즉 약 50 ~ 약 100nm까지 약 1분에서 약 5 분 정도 증착할 수 있다.
이후 갈륨 공급원인 TMGa를 약 50 내지 약 150 sccm, 암모니아(NH3) 가스를 약 500 내지 약 5000 sccm로 유량을 줄여서 약 900 ~ 약 1100℃ 온도에서 제1 도전형 반도체 코어(151)를 성장시킬 수 있다.
이어서, 도 5c를 참조하면, 제1 도전형 반도체 코어(151) 표면에 활성층(152)을 형성한다. 상기 활성층(152)의 측면의 아래 모서리가 상기 개구(141)의 경사진 내부 측벽과 접하도록 상기 개구(141) 내부에 형성한다.
일 실시예로, 활성층(152)의 형성은 제1 도전형 반도체 코어(151) 가 형성되는 온도보다 약 100℃ ~ 약 300℃ 낮은 온도에서 형성될 수 있다.
이어서, 도 5d를 참조하면, 상기 활성층(152) 위에 상기 활성층(152)의 표면을 덮도록 제2 도전형 반도체층(153)을 형성한다. 상기 제2 도전형 반도체층(153)의 측면의 아래 모서리가 상기 개구(141)의 경사진 내부 측벽과 접하도록 형성한다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 나노 발광 구조물을 구비한 반도체 발광소자가 전극을 구비한 구조를 나타내는 단면도이다. 도 6은 도 1에 전극이 더 형성된 것만이 상이하고 다른 구성요소는 동일하다.
도 6에 도시된 바와 같이, 반도체 발광소자는 기판(110), 버퍼층(120), 기판(110) 또는 버퍼층(120) 상에 형성된 제1 도전형 반도체 베이스층(130), 절연막(140), 상기 제1 도전형 반도체 베이스층(130)으로부터 연장되어 형성된 제1 도전형 반도체 코어(151), 활성층 (152) 및 제2 도전형 반도체층(153)으로 이루어진 나노 발광 구조물(150), 투명전극(160), 전극(170, 180)들을 포함한다.
전극(170, 180)들은 제1 도전형 반도체 베이스층(130)과 제2 도전형 반도체층(153)과 각각 전기적으로 연결된 제 1 및 제 2 전극(170, 180)을 포함할 수 있다.
이에 더하여, 발광소자는 제2 도전형 반도체층(153)상에 배치된 투명전극(160)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 투명전극(160)은 기판(110)상에 개별적으로 분리되어 구비된 제2 도전형 반도체층(153)을 서로 전기적으로 연결하는 역할을 할 수 있다. 또한, 투명전극(160)은 제2 도전형 반도체층(153)의 외주면을 따라 배치되어, 제2 도전형 반도체층(153)의 모든 면으로 전류를 균일하게 확산시킬 수 있다. 즉, 투명전극(160)은 전류 주입 면적을 증가시키는 역할을 할 수 있다. 여기서, 투명전극(160)을 형성하는 재질의 예로서는 ITO(Indium Tin Oxide), TO(Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), ITZO(Indium Tin Zinc Oxide), TCO(Transparent Conductive Oxide) 및 AZO(Aluminium Zinc Oxide) 등일 수 있다.
이때, 제 1 전극(170)은 투명전극(160) 및 절연막(140)의 일부 영역을 식각하여 노출된 제1 도전형 반도체 베이스층(130)상에 배치될 수 있다. 또한, 제 2 전극(180)은 투명전극(160)상에 배치됨으로써, 수평구조의 발광소자가 형성될 수 있다.
따라서 절연막(140)에 형성된 개구의 내부 측벽에 나노 발광 구조물(150)의 측면의 아래 모서리가 접하도록 반도체 발광소자를 형성하여, 나노 발광 구조물(150)과 절연막(140) 사이의 들뜸 현상을 방지하고, 그에 따라 나노 발광 구조물(150)을 구비한 반도체 발광소자에 전원이 인가되는 경우에 절연막(140)과 상기 나노 발광 구조물(150) 사이에 형성된 갭(gap)에 의하여 발생하는 누설전류가 방지되는 효과가 있다.
또한 절연막(140)의 개구(141) 내부와 외부에서 나노 발광 구조물(150)의 노출면적이 차이가 나지 않아 활성층(152)의 양자우물층과 양자장벽층이 균일하게 성장하게 되며, 따라서 내부 양자 효율이 감소하지 않게 된다.
본 실시예에서는 수평구조의 반도체 발광소자에 대하여 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니며 플립칩형 반도체 발광소자 등 다양한 구조의 반도체 발광소자에 본 발명이 적용될 수 있다. 이때 플립칩형 반도체 발광소자일 경우에는 제2 도전형 반도체층(153)상에 Ag 또는 Al로 이루어진 반사전극(160)을 포함할 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시 형태에 의한 반도체 발광소자를 패키지에 적용한 예를 나타낸다. 도 7의 패키지(1000)는 반도체 발광소자(1001), 패키지 본체(1002) 및 한 쌍의 리드 프레임(1003)을 구비하며, 반도체 발광소자(1001)는 리드 프레임(1003)에 실장되어 와이어(W)를 통하여 리드 프레임(1003)과 전기적으로 연결될 수 있다. 물론, 반도체 발광소자(1001)는 리드 프레임(1003) 아닌 다른 영역, 예컨대, 패키지 본체(1002)에 실장될 수도 있을 것이다. 패키지 본체(1002)는 도 7에 도시된 것과 같이, 빛의 반사 효율이 향상되도록 컵 형상을 가질 수 있으며, 이러한 반사컵에는 반도체 발광소자(1001)와 와이어(W) 등을 봉지하도록 투광성 물질이 채워질 수 있다. 반도체 발광소자(1001)는 앞서 설명한 바와 같이 나노 발광 구조물을 구비하는 구조를 가질 수 있다. 또한 반도체 발광소자(1001)의 전극 형태와 실장 방식 등에 따라 와이어(W)는 1개 필요하거나 필요하지 않을 수도 있다.
도 8의 패키지(2000)는 리드 프레임(2003) 상에 반도체 발광소자(2001)가 배치되고 와이어(W)에 의하여 전기적 도통이 형성되는 점에서는 앞선 패키지 구조와 유사하며, 방열에 유리하도록 리드 프레임(2003)의 하면이 외부로 노출되어 있는 점과 반도체 발광소자(2001), 와이어(W), 리드 프레임(2003)을 봉지하는 투광성 본체(2002)에 의하여 패키지(2000)의 형상이 유지되는 점에서 차이가 있다. 반도체 발광소자(2001)는 앞서 설명한 것과 같이 구조를 구비할 수 있으며, 도 8에서는 와이어(W)가 1개 이용된 형태를 기준으로 하였으나 와이어(W)의 개수는 반도체 발광소자(2001)의 전극 형태와 실장 방식 등에 따라 바뀔 수 있을 것이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시 형태에 의한 반도체 발광소자를 백라이트 유닛에 적용한 예를 나타낸다. 도 9를 참조하면, 백라이트 유닛(3000)은 기판(3002) 상에 광원(3001)이 실장되며, 그 상부에 배치된 하나 이상의 광학 시트(3003)를 구비한다. 광원(3001)은 앞서 설명한 구조 또는 이와 유사한 구조를 갖는 발광소자 패키지를 이용할 수 있으며, 또한, 반도체 발광소자를 직접 기판(3002)에 실장(소위 COB 타입)하여 이용할 수도 있다. 도 9의 백라이트 유닛(3000)에서 광원(3001)은 액정표시장치가 배치된 상부를 향하여 빛을 방사하는 것과 달리, 도 10에 도시된 다른 예의 백라이트 유닛(4000)은 기판(4002) 위에 실장된 광원(4001)이 측 방향으로 빛을 방사하며, 이렇게 방시된 빛은 도광판(4003)에 입사되어 면광원의 형태로 전환될 수 있다. 도광판(4003)을 거친 빛은 상부로 방출되며, 광 추출 효율을 향상시키기 위하여 도광판(4003)의 하면에는 반사층(4004)이 배치될 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시 형태에 의한 반도체 발광소자를 조명 장치에 적용한 예를 나타낸다. 도 11의 분해사시도를 참조하면, 조명장치(5000)는 일 예로서 벌브형 램프로 도시되어 있으며, 발광모듈(5003)과 구동부(5008)와 외부접속부(5010)를 포함한다. 또한, 외부 및 내부 하우징(5006, 5009)과 커버부(5007)와 같은 외형구조물을 추가적으로 포함할 수 있다. 발광모듈(5003)은 상술된 반도체 발광소자(5001)와 그 발광소자(5001)가 탑재된 회로기판(5002)을 가질 수 있다. 본 실시형태에서는, 1개의 반도체 발광소자(5001)가 회로기판(5002) 상에 실장된 형태로 예시되어 있으나, 필요에 따라 복수 개로 장착될 수 있다. 또한, 반도체 발광소자(5001)가 직접 회로기판(5002)에 실장되지 않고, 패키지 형태로 제조된 후에 실장될 수도 있다.
또한, 조명장치(5000)에서, 발광모듈(5003)은 열방출부로 작용하는 외부 하우징(5006)을 포함할 수 있으며, 외부 하우징(5006)은 발광모듈(5003)과 직접 접촉되어 방열효과를 향상시키는 열방출판(5004)을 포함할 수 있다. 또한, 조명장치(5000)는 발광모듈(5003) 상에 장착되며 볼록한 렌즈형상을 갖는 커버부(5007)를 포함할 수 있다. 구동부(5008)는 내부 하우징(5009)에 장착되어 소켓구조와 같은 외부접속부(5010)에 연결되어 외부 전원으로부터 전원을 제공받을 수 있다. 또한, 구동부(5008)는 발광모듈(5003)의 반도체 발광소자(5001)를 구동시킬 수 있는 적정한 전류원으로 변환시켜 제공하는 역할을 한다. 예를 들어, 이러한 구동부(5008)는 AC-DC 컨버터 또는 정류회로부품 등으로 구성될 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시 형태에 의한 반도체 발광소자를 헤드 램프에 적용한 예를 나타낸다. 도 12를 참조하면, 차량용 라이트 등으로 이용되는 헤드 램프(6000)는 광원(6001), 반사부(6005), 렌즈 커버부(6004)를 포함하며, 렌즈 커버부(6004)는 중공형의 가이드(6003) 및 렌즈(6002)를 포함할 수 있다. 또한, 헤드 램드(6000)는 광원(60001)에서 발생된 열을 외부로 방출하는 방열부(6012)를 더 포함할 수 있으며, 방열부(6012)는 효과적인 방열이 수행되도록 히트싱크(6010)와 냉각팬(6011)을 포함할 수 있다. 또한, 헤드 램프(6000)는 방열부(6012) 및 반사부(6005)를 고정시켜 지지하는 하우징(6009)을 더 포함할 수 있으며, 하우징(6009)은 일면에 방열부(6012)가 결합하여 장착되기 위한 중앙홀(6008)을 구비할 수 있다. 또한, 하우징(6009)은 상기 일면과 일체로 연결되어 직각방향으로 절곡되는 타면에 반사부(6005)가 광원(6001)의 상부측에 위치하도록 고정시키는 전방홀(6007)을 구비할 수 있다. 이에 따라, 반사부(6005)에 의하여 전방측은 개방되며, 개방된 전방이 전방홀(6007)과 대응되도록 반사부(6005)가 하우징(6009)에 고정되어 반사부(6005)를 통해 반사된 빛이 전방홀(6007)을 통과하여 외부로 출사될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
100, 200, 300, 400: 반도체 발광 소자
110, 210, 310, 410: 기판
120, 220, 320, 420: 버퍼층
130, 230, 330, 430: 제1 도전형 반도체 베이스층
140, 240, 340, 440: 절연막
150, 250, 350, 450: 나노 발광 구조물
151, 251, 351, 451: 제1 도전형 반도체 코어
152, 252, 352, 452: 활성층
153, 253, 353, 453: 제2 도전형 반도체층

Claims (10)

  1. 기판 상에 형성된 제1 도전형 반도체 베이스층;
    상기 제1 도전형 반도체 베이스층 상에 형성되며, 상기 제1 도전형 반도체 베이스층이 노출된 복수의 개구를 갖는 절연막; 및
    각각, 상기 제1 도전형 반도체 베이스층의 노출된 영역에 형성된 제1 도전형 반도체 코어와, 상기 제1 도전형 반도체 코어의 표면에 순차적으로 형성된 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 복수의 나노 발광 구조물; 을 포함하고,
    상기 나노 발광 구조물의 측면 아래에 위치한, 상기 제1 도전형 반도체 코어, 상기 활성층 및 상기 제2 도전형 반도체층의 모서리들이 상기 절연막의 개구의 내부 측벽에 위치하는 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 개구의 내부 측벽은 상부로 갈수록 개방된 단면적이 커지도록 소정 각도로 경사진 반도체 발광소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 내부 측벽의 소정 각도는 15° 보다는 크고 75° 보다는 작은 반도체 발광소자.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노 발광 구조물은 로드형상을 가진 반도체 발광소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 개구의 내부 측벽은 상기 기판에 대하여 거의 수직하도록 형성된 나노 발광 구조물 반도체 발광소자.
  6. 제1항 내지 제3항 및 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노 발광 구조물은 복수 개의 반극성면을 포함하는 반도체 발광소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 나노 발광 구조물은 육각뿔 형상을 가지며, 상기 육각뿔의 경사진 측면이 반극성면인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  8. 제1항 내지 제3항 및 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노 발광 구조물의 하부는 성장방향에 따라 단면적이 작아지도록 경사진 측면을 가지며, 상기 나노 발광 구조물의 상부는 로드 형태를 갖도록 형성된 반도체 발광소자.
  9. 기판 상에 형성된 제1 도전형 반도체 베이스층;
    상기 제1 도전형 반도체 베이스층 상에 형성되며, 상기 제1 도전형 반도체 베이스층이 노출된 복수의 개구를 갖는 절연막;
    상기 복수의 개구 내부에 형성되며, 각각 상기 제1 도전형 반도체 베이스층 상에 배치된 제1 도전형 반도체 코어, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 복수의 나노 발광 구조물;을 포함하고,
    상기 개구의 내부 측벽은 상부로 갈수록 개방된 단면적이 커지도록 소정 각도로 경사지도록 형성되며, 상기 나노 발광 구조물은 복수 개의 반극성면을 포함하고, 상기 나노 발광 구조물의 측면 아래에 위치한, 상기 제1 도전형 반도체 코어, 상기 활성층 및 상기 제2 도전형 반도체층의 모서리들이 경사진 상기 개구의 내부 측벽에 위치하는 반도체 발광소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 내부 측벽의 소정 각도는 15° 보다는 크고 75° 보다는 작은 반도체 발광소자.
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