KR101981119B1 - 자외선 반도체 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

자외선 반도체 발광 소자는, 자외선 광을 생성하는 활성층과, 활성층 아래에 형성된 제1 도전형 반도체층과, 활성층 위에 형성된 제4 도전형 반도체층과, 자외선 광을 반사시키기 위한 반사층으로서의 기능을 가지며, 활성층과 제4 도전형 반도체층 사이에 형성된 제2 도전형 반도체층을 포함한다.

Description

자외선 반도체 발광 소자{Ultraviolet semiconductor light-emitting device}
실시예는 자외선 반도체 발광 소자에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light-Emitting Diode: LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 반도체 발광 소자이다.
반도체 발광 소자는 고 휘도를 갖는 광을 얻을 수 있어, 디스플레이용 광원, 자동차용 광원 및 조명용 광원으로 폭넓게 사용되고 있다.
최근 들어, 자외선을 출력할 수 있는 자외선 반도체 발광 소자가 제안되었다.
하지만, 자외선 반도체 발광 소자에서는 자외선 광이 내부에서 흡수되므로, 양자 효율을 저하시키는 문제가 있다.
실시예는 자외선 광을 흡수를 방지하여 양자 효율을 향상시킬 수 있는 자외선 반도체 발광 소자를 제공한다.
실시예는 자외선 광을 전방으로 반사시켜 양자 효율을 향상시킬 수 있는 자외선 반도체 발광 소자를 제공한다.
실시예에 따르면, 자외선 반도체 발광 소자는, 제1 도전형 반도체층; 자외선 광을 생성하고, 상기 제1 도전형 반도체층 위에 배치된 활성층; 상기 활성층 위에 배치되어 상기 활성층에서 발광하는 광을 반사하는 제2 도전형 반도체층; 및 상기 제2 도전형 반도체층 위에 배치된 제3 도전형 반도체층을 포함하고, 상기 제2 도전형 반도체층은 복수의 패턴들을 포함하며, 상기 제3 도전형 반도체층은 상기 패턴의 측면과 상면 상에 배치되고, 상기 제2 도전형 반도체층은 제1 및 제2 층을 쌍으로 하는 다수의 페어 층들을 포함하며 상기 제2 도전형 반도체층의 최상층은 제1 층을 포함하고, 상기 제1 층 및 제2 층은 서로 다른 알루미늄 함량을 가지는 AlGaN을 포함하며, 상기 활성층은 상기 패턴들 사이로 노출되고, 상기 패턴들 사이의 상기 제3 도전형 반도체층은 상기 활성층의 상면과 직접 접촉되고, 상기 제2 도전형 반도체층은 육각 형상을 갖는 복수 개의 패턴을 포함하고, 상기 복수 개의 패턴 사이의 최소 이격 거리는 상기 복수 개의 패턴의 폭보다 크고, 상기 제3 도전형 반도체층은 상기 복수 개의 패턴이 삽입되는 복수 개의 육각 형상의 홈을 포함한다.
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실시예는 활성층과 제4 도전형 반도체층 사이에 반사층으로서의 역할을 하는 제2 도전형 반도체층을 형성함으로써, 활성층의 자외선 광이 제2 도전형 반도체층에 의해 반사되어 외부 양자 효율을 극대화할 수 있다.
실시예는 다수의 패턴을 포함하는 제2 도전형 반도체층에 의해 제4 도전형 반도체층의 정공이 제2 도전형 반도체층의 패턴을 경유하지 않고 제2 도전형 반도체층의 패턴들 사이의 제3 도전형 반도체층을 경유하여 활성층으로 제공될 수 있으므로, 전류 스트레딩 효과를 증진시킬 수 있다.
실시예는 제2 도전형 반도체층이 다수의 패턴으로 형성됨에 따라, 이러한 패턴들로 인해 자외선 광의 반사 효율을 더욱 더 향상시킬 수 있다.
도 1은 제1 실시예에 따른 자외선 반도체 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 자외선 반도체 발광 소자에서 자외선 광을 반사시키는 메커니즘을 보여주는 도면이다.
도 3은 도 1의 제2 도전형 반도체층의 상세 구성을 도시한 단면도이다.
도 4는 도 1의 자외선 반도체 발광 소자의 일 응용예로서의 플립칩형 자외선 반도체 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 5는 제2 실시예에 따른 자외선 반도체 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 6은 제3 실시예에 따른 자외선 반도체 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 7은 도 6의 제2 도전형 반도체층의 상세 구성을 도시한 단면도이다.
도 8은 도 6의 제2 도전형 반도체층의 형상을 도시한 평면도이다.
도 9는 실시예에 따른 자외선 반도체 발광 소자의 제2 도전형 반도체층의 파장에 따른 반사율을 도시한 그래프이다.
발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)는 두개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되거나 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 배치되어 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향 뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 1은 제1 실시예에 따른 자외선 반도체 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 제1 실시예에 따른 자외선 반도체 발광 소자(10)는 기판(11), 버퍼층(13), 제1 도전형 반도체층(15), 활성층(19), 제2 도전형 반도체층(21), 제3 도전형 반도체층(23) 및 제4 도전형 반도체층(25)을 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(15)은 전극층과 장벽층으로서의 기능을 가지고, 상기 제2 도전형 반도체층(21)은 반사층으로서의 기능을 가지고, 상기 제3 도전형 반도체층(23)은 장벽층으로서의 기능을 가지며, 상기 제4 도전형 반도체층(25)은 전극층으로서의 기능을 가질 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 버퍼층(13)과 상기 제1 내지 제4 도전형 반도체층(25)은 III-V족 화합물 반도체 재료로 형성될 수 있다. 상기 반도체 재료는 예를 들어 Al, In, Ga, N를 포함할 수 있다.
상기 기판(11)은 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP 및 Ge로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(13)은 상기 기판(11)과 상기 제1 도전형 반도체층(15) 사이의 격자 상수 차이를 완화하여 주기 위해 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(13)은 예컨대 AlN 또는 GaN를 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 버퍼층(13)에 의해 상기 기판(11) 상에 형성되는 상기 제1 도전형 반도체층(15)이 안정적으로 성장될 수 있다.
도시되지 않았지만, 상기 버퍼층(13)과 상기 제1 도전형 반도체층(15) 사이에 비도전형 반도체층이 형성될 수 있다. 상기 비도전형 반도체층은 어떠한 도펀트도 포함하지 않는 층으로서, 도펀트가 없기 때문에 상기 제1 도전형 반도체층(15)에 비해 현저히 낮은 전기 전도성을 가질 수 있다. 예컨대, 상기 비도전형 반도체층은 GaN 또는 AlN를 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 버퍼층(13) 상에 상기 제1 도전형 반도체층(15)이 형성될 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(15)은 예를 들어, n형 도펀트를 포함하는 n형 반도체층일 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(15)은 예컨대 AlGaN를 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 상기 n형 도펀트는 Si, Ge 또는 Sn를 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(15)은 전자를 상기 활성층(19)으로 공급하여 주기 위한 전극층으로서의 역할을 하며, 상기 활성층(19)의 정공이 상기 버퍼층(13)으로 넘어가지 못하게 하는 장벽층으로서의 역할을 할 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(15)은 장벽층으로서의 역할만 하고, 전극층으로서의 역할을 하는 또 다른 도전형 반도체층이 상기 버퍼층(13)과 상기 제1 도전형 반도체층(15) 사이에 형성될 수도 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(15) 상에는 상기 활성층(19)이 형성될 수 있다.
상기 활성층(19)은 예컨대 상기 제1 도전형 반도체층(15)으로부터 공급된 전자와 상기 제4 도전형 반도체층(25)으로부터 공급된 정공을 재결합시켜 자외선 광을 발광시킬 수 있다.
도 1의 활성층(19)은 다수의 웰층과 다수의 배리어층이 교대로 형성된 다중 양자 우물 구조(MQW)을 갖지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
즉, 상기 활성층(19)은 단일 양자 우물 구조, 양자점 구조 및 양자선 구조 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 활성층(19)은 GaN, InGaN, AlGaN 및 AlInGaN으로부터 선택된 하나 또는 이들의 주기적인 반복으로 형성될 수 있다.
상기 활성층(19) 상에 상기 제2 도전형 반도체층(21)이 형성될 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(21)은 상기 활성층(19)에서의 자외선 광을 상기 제4 도전형 반도체층(25)으로 공급되지 않도록 차단할 수 있다. 상기 제4 도전형 반도체층(25)은 예컨대 GaN을 전극층으로서의 역할을 하기 위해 GaN을 포함할 수 있다.
GaN는 자외선 광은 흡수하는 특성을 가진다. 따라서, 상기 활성층(19)의 자외선 광이 상기 제4 도전형 반도체층(25)으로 공급되는 경우, 상기 자외선 광이 상기 제4 도전형 반도체층(25)에 의해 흡수되어 외부로 출력되지 못하게 되므로, 외부 양자 효율(external quantum efficiency)이 현저하게 저하될 수 있다.
제1 실시예는 상기 활성층(19)과 상기 제4 도전형 반도체층(25) 사이에 반사층으로서의 역할을 하는 상기 제2 도전형 반도체층(21)을 형성함으로써, 상기 활성층(19)의 자외선 광이 상기 제2 도전형 반도체층(21)에 의해 반사되어 외부 양자 효율을 극대화할 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 상기 활성층(19)에서 자외선 광이 발생될 수 있다.
상기 자외선 광은 모든 방향으로 진행될 수 있다. 따라서, 상기 자외선 광 중에서 일부 자외서 광은 상기 제4 도전형 반도체층(25)으로 진행될 수 있다.
하지만, 상기 활성층(19)과 상기 제4 도전형 반도체층(25) 사이에 형성된 상기 제2 도전형 반도체층(21)에 의해 상기 자외선이 반사되어 상기 제1 도전형 반도체층(15)으로 진행되거나 측 방향으로 진행될 수 있다.
이에 따라, 활성층(19)의 자외선이 상기 제4 도전형 반도체층(25)으로 진행되지 못하게 하고 상기 제1 도전형 반도체층(15)의 방향이나 측 방향으로 반사되도록 함으로써, 외부 양자 효율이 향상될 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(21)은 도 3에 도시한 바와 같이, 쌍으로 이루어진 제1 및 제2 층(31a 및 31b, 33a 및 33b, 35a)이 반복적으로 형성된 구조를 가질 수 있다.
예컨대, 상기 활성층(19)과 접하는 최하층으로서 제1 층(31a)이 형성되고, 상기 제1 층(31a) 상에 제2 층(31b)이 형성되고, 상기 제2 층(31b) 상에 다시 제1 층(33a)이 형성되고, 상기 제1 층(33a) 상에 다시 제2 층(33b)이 형성되고, 상기 제2 층(33b) 상에 다시 제1 층(35a)이 형성될 수 있다.
예컨대, 상기 활성층(19)과 접하는 상기 제1 층(31a)과 그 위의 제2 층(31b)을 제1 페어 층(pair layer)(31)이라 명명하고, 상기 제1 페어 층(31) 상에 형성된 제1 및 제2 층(33a, 33b)을 제2 페어 층(33)이라 명명할 수 있다.
제1 실시예의 상기 제2 도전형 반도체층(21)은 3개의 페어 층들 내지 5개의 페어층들을 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 제2 도전형 반도체층(21)의 최하층과 최상층은 제1 층(31a, 35a)을 공통으로 가질 수 있다. 즉, 상기 활성층(19)과 접하는 최하층도 제1 층(31a)으로 이루어지고, 상기 제3 도전형 반도체층(23)과 접하는 최상층도 제1 층(35a)으로 이루어지 수 있다.
상기 제1 및 제2 층(31a, 31b, 33a, 33b, 35a)은 동일한 III-V족 화합물 반도체 재료를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 제1 및 제2 층(31a, 31b, 33a, 33b, 35a)은 AlGaN을 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
하지만, 상기 제1 및 제2 층(31a, 31b, 33a, 33b, 35a)은 서로 상이한 Al 함량과 서로 상이한 Ga 함량을 포함할 수 있다.
예컨대, 제1 층(31a, 33a, 35a)의 Al 함량은 제2 층(31b, 33b)의 Al 함량보다 크고 제1 층(31a, 33a, 35a)의 Ga 함량은 제2 층(31b, 33b)의 Ga 함량보다 작을 수 있다. 이와 같은 함량 가변을 통해, 상기 제2 층(31b, 33b)의 굴절률은 상기 제1 층(31a, 33a, 35a)의 굴절률보다 크도록 조절될 수 있다
에컨대, 상기 제1 층(31a, 33a, 35a)은 95%의 Al 함량과 5%의 Ga 함량을 포함하는데 반해, 상기 제2 층(31b, 33b)은 60%의 Al 함량과 40%의 Ga 함량을 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 이러한 경우, 제1 층(31a, 33a, 35a)의 굴절률은 2.1이고 제2 층(31b, 33b)의 굴절률은 2.45가 될 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(21)의 최하층과 상기 활성층(19)의 최상층인 배리어층으서 예컨대 상기 제1 층(31a)이 상호 공통으로 형성될 수 있다. 이러한 경우, 상기 활성층(19)의 최상층이면서 상기 제2 도전형 반도체층(21)의 최하층으로서 제1 층(31a)이 형성되고, 상기 제1 층(31a) 상에 상기 제2 도전형 반도체층(21) 상에 제2 층(31b)가 형성될 수 있다.
한편, 상기 제2 도전형 반도체층(21)의 최하층인 제1 층(31a, 33a, 35a)과 접하는 활성층(19)은 상기 최하층인 제1 층(31a)보다 큰 굴절률을 가지고, 상기 제2 도전형 반도체층(21)의 최상층인 제1 층(35a)과 접하는 제3 도전형 반도체층(23)은 상기 최상층인 제1 층(35a)보다 큰 굴절률을 가질 수 있다.
이와 같이, 굴절률이 큰 제1 층(31a, 33a, 35a)과 굴절률이 작은 제2 층(31b, 33b)이 적층됨으로써, 상기 제2 도전형 반도체층(21)은 반사층으로서의 역할을 수행할 수 있다.
제1 실시예의 제2 도전형 반도체층(21)에서, 제1 층(31a, 33a, 35a)은 제2 층(31b, 33b)보다 큰 두께를 가질 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 예컨대, 상기 제1 층(31a, 33a, 35a)은 30nm 내지 40nm의 범위를 가지고, 상기 제2 층(31b, 33b)은 20nm 내지 30nm의 범위를 가질 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
도 9에 도시한 바와 같이, 상기 제2 도전형 반도체층(21)은 파장에 따라 반사율이 가변될 수 있다.
제1 실시예의 제2 도전형 반도체층(21)은 270nm 내지 290nm의 파장에 대해 최대 반사율을 가질 수 있다. 따라서, 제1 실시예의 활성층(19)은 270nm 내지 290nm의 파장의 자외선 광을 생성할 수 있다.
제1 실시예의 제2 도전형 반도체층(21)이 270nm 내지 290nm의 파장의 자외선 광을 주로 반사시킬 수 있는 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
즉, 상기 제1 및 제2 층(31a, 31b, 33a, 33b, 35a)의 함량 및 두께를 가변시킴으로써, 상기 제2 도전형 반도체층(21)은 270nm 내지 290nm의 파장의 자외선 광에 대해서는 최대의 반사율을 가지도록 설계될 수 있다.
한편, 상기 제2 도전형 반도체층(21)의 제1 및 제2 층(31a, 31b, 33a, 33b, 35a)은 n형 도펀트 또는 p형 도펀트를 포함할 수 있다. 또는 상기 제2 도전형 반도체층(21)의 제1 및 제2 층은 어떠한 도펀트도 포함하지 않을 수 있다.
또는 상기 제2 도전형 반도체층(21)의 제1 및 제2 층(31a, 31b, 33a, 33b, 35a) 중 어느 하나의 층은 n형 도펀트 또는 p형 도펀트를 포함하고 다른 하나의 층은 n형 도펀트 또는 p형 도펀트를 포함하지 않을 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(21) 상에 배리어층으로서의 역할을 하는 제3 도전형 반도체층(23)이 형성될 수 있다.
상기 제3 도전형 반도체층(23)은 예컨대 AlGaN를 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다. 상기 제3 도전형 반도체층(23)은 예를 들어, p형 도펀트를 포함하는 p형 반도체층일 수 있다. 상기 p형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr 또는 Ba를 포함할 수 있다.
상기 제3 도전형 반도체층(23) 상에 전극층으로서의 역할을 하는 제4 도전형 반도체층(25)이 형성될 있다.
상기 제4 도전형 반도체층(25)은 예컨대 p형 도펀트를 포함하는 p형 반도체층일 수 있다. 상기 제4 도전형 반도체층(25)은 예컨대 GaN일 수 있다. 상기 p형 도펀트는 Mg, Zn, Ca, Sr 또는 Ba를 포함할 수 있다.
따라서, 상기 제1 도전형 반도체층(15)과 상기 제4 도전형 반도체층(25)은 전극층으로서의 역할을 할 수 있다.
예컨대, 상기 제1 도전형 반도체층(15)은 n형 전극층으로서의 역할을 하고, 상기 제4 도전형 반도체층(25)은 p형 전극층으로서의 역할을 할 수 있다. 이에 따라, 제1 도전형 반도체층(15)으로부터의 전자가 상기 활성층(19)으로 제공되고, 제4 도전형 반도체층(25)으로부터의 정공이 상기 활성층(19)으로 제공될 수 있다. 상기 활성층(19)은 전자와 정공이 재결합하여 상기 활성층(19)의 형성 물질에 의해 결정된 밴드갭(band gap)에 상응하는 파장, 예컨대 270nm 내지 290nm의 파장을 갖는 자외선 파장을 생성할 수 있다.
한편, 상기 제4 도전형 반도체층(25)이 전극층과 배리어층의 역할을 모두 수행하는 경우, 상기 제3 도전형 반도체층(23)은 형성되지 않을 수도 있다.
상기 제3 도전형 반도체층(23)이 형성되지 않는 경우, 상기 제4 도전형 반도체층(25)은 상기 제2 도전형 반도체층(21)의 상면에 접하여 형성될 수 있다.
제1 실시예는 활성층(19)으로부터의 자외선 광이 제4 도전형 반도체층(25)에 의해 흡수되는 것을 방지하기 위해, 활성층(19)과 제4 도전형 반도체층(25) 사이에 자외선 광을 반사시킬 수 있는 제2 도전형 반도체층(21)을 형성할 수 있다.
도 4는 도 1의 자외선 반도체 발광 소자의 일 응용예로서의 플립칩형 자외선 반도체 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 제1 실시예의 자외선 반도체 발광 소자(10)는 예컨대 플립형 자외선 반도체 발광 소자로서 응용될 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 플립형 자외선 반도체 발광 소자는 제1 실시예의 자외선 반도체 발광 소자(10)가 뒤집어진 구조를 가질 수 있다.
즉, 기판(11) 아래에 버퍼층(13)이 형성되고, 상기 버퍼층(13) 아래에 제1 도전형 반도체층(15)이 형성되고,상기 제1 도전형 반도체층(15) 아래에 활성층(19)이 형성될 수 있다. 상기 활성층(19) 아래에 제2 도전형 반도체층(21)이 형성되고, 상기 제2 도전형 반도체층(21) 아래에 제3 반도체층이 형성되며, 상기 제3 도전형 반도체층(23) 아래에 제4 도전형 반도체층(25)이 형성될 수 있다.
상기 플립형 자외선 반도체 발광 소자는 자외선 광을 측 방향이나 상부 방향으로 진행시키는 구조이므로, 상기 활성층(19)에서 생성된 자외선 광이 하부 방향으로 진행되지 않도록 하기 위해, 상기 제4 도전형 반도체층(25) 아래에 반사층(43)이 형성될 수 있다.
상기 반사층(43)은 금속 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, 금속 물질로는 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 하나 또는 이들의 합금이 사용될 수 있다.
상기 반사층(43)이 형성되기 전 또는 후에 제1 도전형 반도체층(15)이 부분적으로 노출되도록 제4 도전형 반도체층(25), 제3 도전형 반도체층(23), 제2 도전형 반도체층(21) 및 활성층(19)이 메사 에칭될 수 있다. 이러한 메사 에칭 공정에 의해 상기 제1 도전형 반도체층(15)의 표면도 부분적으로 식각될 수 있다.
상기 메사 에칭에 의해 노출된 제1 도전형 반도체층(15) 아래에 제1 전극(41)이 형성되고, 상기 반사층(43) 또는 제4 도전형 반도체층(25) 아래에 제2 전극(45)이 형성될 수 있다.
한편, 이미 설명한 바와 같이, 제2 도전형 반도체층(21)이 자외선 광을 반사시킬 수 있는 반사층으로서의 역할을 할 수 있다. 만일 상기 제2 도전형 반도체층(21)이 활성층(19)의 자외선 광을 모두 상부 방향으로 반사시킬 수 있는 경우, 상기 제4 도전형 반도체층(25) 아래에 반사층(43)이 형성되지 않을 수도 있다.
도 5는 제2 실시예에 따른 자외선 반도체 발광 소자를 도시한 단면도이다.
제2 실시예는 제2 도전형 반도체층(47)이 제3 도전형 반도체층(23)과 제4 도전형 반도체층(25) 사이에 형성되는 것을 제외하고는 제1 실시예와 거의 동일하다.
제2 실시예에서 제1 실시예와 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여하고 상세한 설명을 생략한다.
도 5를 참조하면, 제2 실시예에 따른 자외선 반도체 발광 소자(10A)는 기판(11), 버퍼층(13), 제1 도전형 반도체층(15), 활성층(19), 제3 도전형 반도체층(23), 제2 도전형 반도체층(47) 및 제4 도전형 반도체층(25)을 포함할 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(47)은 상기 활성층(19) 상에 형성되지 않는다.
상기 제2 도전형 반도체층(47)은 상기 제3 도전형 반도체층(23) 상에 형성되고, 상기 제3 도전형 반도체층(23) 상에 제4 도전형 반도체층(25) 상에 형성될 수 있다.
다시 말해, 상기 제2 도전형 반도체층(47)은 상기 제3 도전형 반도체층(23)과 상기 제4 도전형 반도체층(25) 사이에 형성될 수 있다.
상기 활성층(19)에서 생성된 자외선 광은 모든 방향으로 진행될 수 있다. 상기 자외선 광의 일부 자외선 광은 상기 제3 도전형 반도체층(23)을 경유하여 상기 제2 도전형 반도체층(47)으로 진행될 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(47)으로 진행된 자외선 광은 자외선 광을 흡수할 수 있는 GaN를 포함하는 상기 제4 도전형 반도체층(25)으로 진행되지 않기 때문에, 상기 제4 도전형 반도체층(25)에 의한 자외선 흡수로 인한 외부 양자 효율의 저하를 방지할 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(47)은 상기 제3 도전형 반도체층(23)을 경유한 자외선 광을 다시 활성층(19) 또는 상기 제1 도전형 반도체층(15)으로 진행되도록 반사시킬 수 있다.
따라서, 상기 제3 도전형 반도체층(23)을 경유한 자외선 광은 상기 제2 도전형 반도체층(47)에 의해 차단될 뿐만 아니라 상기 제2 도전형 반도체층(47)에 의해 반사됨으로써, 외부 양자 효율이 향상될 수 있다.
도 6은 제3 실시예에 따른 자외선 반도체 발광 소자를 도시한 단면도이다.
도 6을 참조하면, 제3 실시예에 따른 자외선 반도체 발광 소자(10B)는 활성층(19) 상의 제2 도전형 반도체층(21)은 다수의 패턴(51)들을 포함할 수 있다. 상기 각 패턴(51)은 제1 층(53a, 55a, 57a)과 제2 층(53b, 55b)을 쌍으로 하는 다수의 페어 층들(53, 55)을 포함할 수 있다.
상기 제1 층(53a, 55a, 57a)과 상기 제2 층(53b, 55b)은 제1 실시예로부터 용이하게 이해될 수 있으므로, 자세한 설명은 생략한다.
상기 패턴(51)들은 삼각 형상, 삭각 형상, 오각 형상, 육각 형상(도 8a)을 포함하는 다각 형상을 가질 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 패턴(51)들은 원 형상(도 8b) 또는 타원 형상을 가질수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 패턴(51)들은 일정하게 배열되거나 랜덤하게 배열될 수 있다.
도 7은 도 6의 제2 도전형 반도체층의 상세 구성을 도시한 단면도이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 패턴(51) 사이의 간격(B)은 패턴(51)의 폭(A)보다 크도록 형성될 수 있다.
상기 패턴(51)의 폭(A)은 0.5㎛ 내지 1㎛의 범위를 가지고, 상기 패턴(51) 사이의 간격(B)은 1㎛ 내지 2㎛의 범위를 가질 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층(21)의 패턴(51) 사이의 활성층(19)의 상면과 상기 제2 도전형 반도체층(21)의 패턴(51)의 상면에 제3 도전형 반도체층(59)이 형성될 수 있다.
상기 제3 도전형 반도체층(59)은 각 패턴(51)의 측면과 상면 상에 형성될 수 있다.
성장 공정시, 상기 제3 도전형 반도체층(59)은 상기 패턴(51) 사이의 상기 활성층(19)의 상면으로부터 성장될 수 있다. 상기 제3 도전형 반도체층(59)이 상기 패턴(51) 사이의 공간뿐만 아니라 상 패턴(51)의 상면으로부터 성장될 수 있다.
상기 제3 도전형 반도체층(59)과 상기 활성층(19), 예컨대 다중 양자 우물 구조에서의 배리어층은 동일한 III-V족 화합물 반도체 재료를 포함할 있다. 예컨대, 상기 활성층(19)의 배리어층과 상기 제3 도전형 반도체층(59)은 공통으로 AlGaN을 포함할 수 있지만, 이에 대해서는 한정하지 않는다.
상기 제3 도전형 반도체층(59)과 상기 활성층(19)의 배리어층이 동일한 III-V족 화합물 반도체 재료를 포함하므로, 상기 제3 도전형 반도체층(59)은 상기 제2 도전형 반도체층(21)의 패턴(51) 사이의 상기 활성층(19)으로부터 크랙 없이 안정적으로 성장될 수 있다.
제3 실시예는 다수의 패턴(51)을 포함하는 제2 도전형 반도체층(21)에 의해 제4 도전형 반도체층(25)의 정공이 제2 도전형 반도체층(21)의 패턴(51)을 통과하지 않고 제2 도전형 반도체층(21)의 패턴(51)들 사이의 제3 도전형 반도체층(59)을 경유하여 활성층(19)으로 제공될 수 있으므로, 전류 스트레딩 효과를 증진시킬 수 있다.
아울러, 제3 실시예는 제2 도전형 반도체층(21)이 다수의 패턴(51)으로 형성됨에 따라, 이러한 패턴(51)들로 인해 자외선 광의 반사 효율을 더욱 더 향상시킬 수 있다.
한편, 제4 도전형 반도체층(25)이 전극층과 배리어층으로서의 기능을 갖는 경우, 제3 도전형 반도체층(59)은 형성되지 않을 수도 있다.
상기 제3 도전형 반도체층(59)이 형성되지 않는 경우, 상기 제4 도전형 반도체층(25)은 상기 제2 도전형 반도체층(21)의 패턴(51)의 상면 그리고 상기 제2 도전형 반도체층(21)의 패턴(51) 사이의 활성층(19)의 상면에 접하여 형성될 수 있다.
한편, 실시예에 따른 자외선 반도체 발광 소자(10, 10A, 10B)는 형광체를 포함한 몰딩 부재를 이용한 패키지로 제조되거나, 이러한 패키지를 구비한 조명 시스템으로 제조될 수 있다.
조명 시스템으로 활용되기 위해서는 발광 소자(10, 10A, 10B)의 자외선을 형광체에 의해 가시 광선으로 변환되어야 한다.
10, 10A,10B: 자외선 반도체 발광 소자 11: 기판
13: 버퍼층 15: 제1 도전형 반도체층
19: 활성층 21, 47: 제2 도전형 반도체층
23, 59: 제3 도전형 반도체층 25: 제4 도전형 반도체층
31, 33, 53, 55: 페어 층
31a, 33a, 35a, 53a, 55a, 57a: 제1 층
31b, 33b, 53b, 55b: 제2 층 41: 제1 전극
43: 반사층 45: 제2 전극
51: 패턴

Claims (19)

  1. 제1 도전형 반도체층;
    자외선 광을 생성하고, 상기 제1 도전형 반도체층 위에 배치된 활성층;
    상기 활성층 위에 배치되어 상기 활성층에서 발광하는 광을 반사하는 제2 도전형 반도체층; 및
    상기 제2 도전형 반도체층 위에 배치된 제3 도전형 반도체층을 포함하고,
    상기 제2 도전형 반도체층은 복수의 패턴들을 포함하며, 상기 제3 도전형 반도체층은 상기 패턴의 측면과 상면 상에 배치되고,
    상기 제2 도전형 반도체층은 제1 및 제2 층을 쌍으로 하는 다수의 페어 층들을 포함하며 상기 제2 도전형 반도체층의 최상층은 제1 층을 포함하고,
    상기 제1 층 및 제2 층은 서로 다른 알루미늄 함량을 가지는 AlGaN을 포함하며,
    상기 활성층은 상기 패턴들 사이로 노출되고, 상기 패턴들 사이의 상기 제3 도전형 반도체층은 상기 활성층의 상면과 직접 접촉되고,
    상기 제2 도전형 반도체층은 육각 형상을 갖는 복수 개의 패턴을 포함하고,
    상기 복수 개의 패턴 사이의 최소 이격 거리는 상기 복수 개의 패턴의 폭보다 크고,
    상기 제3 도전형 반도체층은 상기 복수 개의 패턴이 삽입되는 복수 개의 육각 형상의 홈을 포함하는 자외선 발광 소자.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제3 도전형 반도체층 상에 배치되는 제4 도전형 반도체층을 포함하는 자외선 발광 소자.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 층의 Al 함량은 상기 제2 층의 Ga 함량보다 크고, 상기 제1 층의 Ga 함량은 상기 제2 층의 Ga 함량보다 작은 자외선 발광 소자.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 층은 상기 제2 층보다 더 두꺼운 두께를 가지며, 상기 제2 도전형 반도체층은 상기 활성층에서 생성된 270nm 내지 290nm의 파장의 자외선 광을 반사시키는 자외선 발광 소자.
  12. 삭제
  13. 제1항 에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 형성된 제1 전극;
    상기 제3 도전형 반도체층 상에 형성된 제2 전극; 및
    상기 제3 도전형 반도체층과 상기 제2 전극 사이에 형성된 금속 물질을 포함하는 반사층을 더 포함하는 자외선 발광 소자.
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 제1항, 제4항, 제7항, 제11항, 및 제13항 중 어느 한 항의 자외선 발광 소자를 포함하는 조명 시스템.
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