KR102203461B1 - 나노 구조 반도체 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 제1 도전형 반도체로 이루어진 베이스층, 베이스층 상에 배치되며 복수의 개구를 포함하는 제1 물질층, 복수의 개구를 통해 각각 연장되며 각각 제1 도전형 반도체로 이루어진 나노 코어 및 나노 코어 상에 순차적으로 배치된 활성층과 제2 도전형 반도체 쉘층(shell layer)을 포함하는 복수의 나노 발광 구조물, 제1 물질층 상에 배치되며 나노 발광 구조물의 일부 영역이 노출되도록 복수의 나노 발광 구조물 사이를 매립하는 충전층, 복수의 나노 발광 구조물의 노출된 일부 영역을 덮도록 충전층 상에 배치된 제2 도전형 반도체 확장층(extension layer) 및 제2 도전형 반도체 확장층 상에 배치되는 콘택 전극층을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 구조 반도체 발광 소자를 제공할 수 있다.

Description

나노 구조 반도체 발광 소자{NANO-STURUCTURE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 나노 구조 반도체 발광 소자에 관한 것이다.
최근에는 새로운 반도체 발광 소자 기술로서, 나노 구조물을 이용한 반도체 발광 소자가 개발되고 있다. 나노 구조물을 이용한 반도체 발광 소자(이하, '나노 구조 반도체 발광 소자'라 함)는, 결정성이 크게 개선될 뿐만 아니라, 비극성면 또는 반극성면에서 활성층을 얻을 수 있으므로, 분극에 의한 효율 저하를 방지할 수 있다. 또한, 넓은 표면적을 통해 발광할 수 있으므로, 광 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 이러한 향상된 광 효율을 유효하게 유지하기 위해서, 나노 구조 반도체 발광 소자는 광 추출 효율을 더욱 향상시킬 필요가 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 광 추출 효율이 향상된 나노 구조 반도체 발광 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은, 제1 도전형 반도체로 이루어진 베이스층; 상기 베이스층 상에 배치되며, 복수의 개구를 포함하는 제1 물질층; 상기 복수의 개구를 통해 각각 연장되며 각각 제1 도전형 반도체로 이루어진 나노 코어 및 상기 나노 코어 상에 순차적으로 배치된 활성층과 제2 도전형 반도체 쉘층(shell layer)을 포함하는 복수의 나노 발광 구조물; 상기 제1 물질층 상에 배치되며, 상기 나노 발광 구조물의 일부 영역이 노출되도록 상기 복수의 나노 발광 구조물 사이를 매립하는 충전층; 상기 복수의 나노 발광 구조물의 노출된 일부 영역을 덮도록 상기 충전층 상에 배치된 제2 도전형 반도체 확장층(extension layer); 및 상기 제2 도전형 반도체 확장층 상에 배치되는 콘택 전극층;을 포함하는 나노 구조 반도체 발광 소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 나노 발광 구조물은 제1 결정면을 갖는 몸체부 및 상기 제1 결정면과 다른 제2 결정면을 갖는 상단부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 나노 발광 구조물의 노출된 일부 영역은 적어도 상기 나노 발광 구조물의 상단부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 충전층의 높이는 상기 나노 발광 구조물의 몸체부 높이의 약 50%보다 큰 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 콘택 전극층 상에 배치되는 반사 금속층을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 반사 금속층의 하면은 평탄할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 콘택 전극층 상에 배치되는 무지향성 반사부(omni-directional reflector)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제2 도전형 반도체층의 상면은 비평탄하고, 상기 무지향성 반사부의 상면은 상기 제2 도전형 반도체층의 상면의 형상에 따라 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 각 나노 발광 구조물에 관련된 상기 제2 도전형 반도체 확장층은 서로 연결될 수 있다.
여기서, 상기 제2 도전형 반도체 확장층의 상면은 평탄할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 베이스층의 상면 또는 하면 중 어느 하나의 일부 영역에 배치되는 제1 전극;및 상기 콘택 전극층 상면의 일부 영역에 배치되는 제2 전극;을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 베이스층의 하면에 요철이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 베이스층의 하면에 배치되며, 상기 베이스층의 하면에서 멀어질수록 굴절률이 점차로 감소하는 복수의 층으로 구성된 그레이드식-굴절률층(graded-refractive index layer)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 베이스층의 하면에 배치되며, 상면에 요철이 형성된 성장 기판을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면은, 제1 도전형 반도체로 이루어진 베이스층; 상기 베이스층 상에 배치되며, 복수의 개구를 포함하는 제1 물질층; 상기 복수의 개구를 통해 각각 연장되며 각각 제1 도전형 반도체로 이루어진 나노 코어 및 상기 나노 코어 상에 배치된 활성층을 포함하는 복수의 나노 구조물; 상기 복수의 나노 구조물을 각각 둘러싸는 복수의 쉘층 및 상기 복수의 쉘층을 연결하는 확장층을 포함하는 제2 도전형 반도체층;및 상기 제2 도전형 반도체층 상에 배치되는 콘택 전극층;을 포함하는 나노 구조 반도체 발광 소자를 제공한다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 나노 구조 반도체 발광 소자는, 나노 발광 구조물이 콘택 전극과 이격되어 나노 발광 구조물로부터 발산된 빛의 반사 경로를 단순화함으로써 광추출 효율의 감소를 억제하는 효과가 있다.
다만, 본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조 반도체 발광 소자의 단면도이다.
도 2는 도 1에 채용 가능한 나노 코어의 일 예를 나타내는 개략 사시도이다.
도 3a 내지 도 3g는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조 반도체 발광 소자를 제조 방법을 나타낸 공정도이다.
도 4 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조 반도체 발광 소자의 단면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에서 나노 발광 구조물의 몸체부의 높이와 충전층의 높이의 차(H2)에 대한 나노 발광 구조물의 몸체부의 높이(H1)의 비의 변화에 따른 광 추출 효율(Light Extraction Efficiency, LEE)의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 13은 실시예 1 및 2와 비교예 1 및 2의 광 추출 효율을 비교한 그래프이다.
도 14는 실시예 1에 따른 나노 구조 반도체 발광 소자의 단면도이다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광 소자 패키지를 나타내는 단면도이다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조 반도체 발광 소자가 채용된 백라이트 유닛의 예를 나타낸다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조 반도체 발광 소자가 채용된 조명 장치의 예를 나타낸다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조 반도체 발광 소자가 채용된 헤드 램프의 예를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.
본 실시예들은 다른 형태로 변형되거나 여러 실시예가 서로 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 예를 들어, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
한편, 본 명세서에서 사용되는 "일 실시예(one example)"라는 표현은 서로 동일한 실시예를 의미하지 않으며, 각각 서로 다른 고유한 특징을 강조하여 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 그러나, 아래 설명에서 제시된 실시예들은 다른 실시예의 특징과 결합되어 구현되는 것을 배제하지 않는다. 예를 들어, 특정한 실시예에서 설명된 사항이 다른 실시예에서 설명되어 있지 않더라도, 다른 실시예에서 그 사항과 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 다른 실시예에 관련된 설명으로 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조 반도체 발광 소자의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 나노 구조 반도체 발광 소자(100)는 성장 기판(110), 베이스층(120), 제1 물질층(130), 복수의 나노 발광 구조물(140), 제2 도전형 반도체 확장층(extension layer)(150), 충전층(160), 반사 금속층(190) 및 콘택 전극층(195)을 포함한다. 나노 발광 구조물(140)은 나노 코어(142), 활성층(144) 및 제2 도전형 반도체 쉘층(shell layer)(146)을 포함한다. 나노 구조 반도체 발광 소자(100)는 각각 콘택 전극층(195) 및 베이스층(120)과 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 전극(170, 180)을 더 포함할 수 있다. 제2 전극(180)은 베이스층(120)의 상면이 일부 노출되도록 나노 구조 반도체 발광 소자(100)의 일측을 제거한 후 노출된 베이스층(120)의 상면에 배치될 수 있다.
특별히 다른 설명이 없는 한, 본 명세서에서, '상(on)', '상면(upper surface)', '하(under)', '하면(lower surface)', '위 방향(upward)', '아래 방향(downward)', '측면(side surface)', '높은(high)' 및 '낮은(low)' 등의 용어는 도면을 기준으로 한 것이며, 실제로는 발광 소자가 배치되는 방향에 따라 달라질 수 있을 것이다. 또한, '상(on)'과 '아래(under)'는 '직접(directly)' 또는 '다른 구성요소를 개재하여 (indirectly)' 형성되는 것을 모두 포함한다.
성장 기판(110)은 베이스층(120) 성장용 기판으로 제공될 수 있다. 사파이어, SiC, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2, GaN 등과 같이 절연성, 도전성 또는 반도체 물질을 이용할 수 있다. 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(11-20)면, R(1-102)면 등을 갖는다. 이 경우, 상기 c면은 비교적 질화물 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 질화물 성장용 기판으로 주로 사용된다. 한편, 성장 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, 성장 기판(110) 상에 AlxGa1 - xN(0≤x≤1)과 같은 물질로 이루어진 핵생성층을 형성한 후 그 위에 원하는 구조의 질화물 반도체를 성장시킬 수 있을 것이다.
성장 기판(110)의 상면에는 요철(R)이 형성될 수 있다. 요철(R)의 형상은 도 1에 도시된 것에 한정되지 않는다. 요철(R)은 광 추출 효율을 개선하면서 성장되는 단결정의 품질을 향상시킬 수 있다.
베이스층(120)은 성장 기판(110) 상에 배치될 수 있다. 베이스층(120)은 제1 도전형 반도체 물질로서, 예를 들어, AlxInyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)을 만족하는 질화물 반도체일 수 있다. 베이스층(120)은, 예를 들어, Si와 같은 n형 불순물로 도핑될 수 있다.
본 실시예에서, 베이스층(120)은 나노 발광 구조물(140)의 나노 코어(142)를 성장시키기 위한 결정면을 제공할 뿐만 아니라, 각 나노 발광 구조물(140)의 일 측에 공통적으로 연결되어 콘택 전극층의 역할을 수행할 수 있다.
제1 물질층(130)은 베이스층(120) 상에 배치될 수 있다. 제1 물질층(130)은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, SiOx, SiOxNy, SixNy, Al2O3, TiN, AlN, ZrO, TiAlN, TiSiN 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다. 제1 물질층(130)은 베이스층(120)의 일부를 노출하는 복수의 개구(O)를 포함한다. 상기 복수의 개구(O)의 크기에 따라 나노 코어(142)의 직경, 길이, 위치 및 성장 조건이 결정될 수 있다. 상기 복수의 개구(O)는 원형, 사각형, 육각형 등 다양한 형태를 가질 수 있다.
제1 물질층(130)은 활성층(144) 및 제2 도전형 반도체 쉘층(146)이 베이스층(120)과 접속되는 것을 방지하는 역할을 할 수 있다.
복수의 나노 발광 구조물(140)은 복수의 개구(O)에 해당하는 위치에 각각 배치될 수 있다. 나노 발광 구조물(140)은 복수의 개구(O)에 의해 노출된 베이스층(120) 영역으로부터 성장된 나노 코어(142)와, 나노 코어(142)의 표면에 순차적으로 형성된 활성층(144) 및 제2 도전형 반도체 쉘층(146)을 포함하는 코어-쉘(core-shell)구조를 가질 수 있다.
도 2는 나노 발광 구조물(140)의 일 형태를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 채용된 나노 발광 구조물(140)은 육각기둥 구조를 갖는 몸체부(M)와 몸체부(M) 상에 위치한 상단부(T)를 포함할 수 있다. 나노 발광 구조물(140)의 몸체부(M)의 측면들은 동일한 결정면을 가지며, 나노 발광 구조물(140)의 상단부(T)는 나노 발광 구조물(140)의 측면들의 결정면과 다른 결정면을 가질 수 있다. 나노 발광 구조물(140)의 상단부(T)는 육각 피라미드 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 베이스층(120)의 성장면이 c면인 경우에, 상기 몸체부(M)의 측면들은 비극성면(m)이고, 상단부(T)의 표면은 반극성면(r)일 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 나노 코어(142) 및 제2 도전형 반도체 쉘층(146)은 각각 제1 및 제2 도전형 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 제1 및 제2 도전형 반도체 물질은 각각 n형 및 p형 불순물이 도핑된 반도체일 수 있으나, 이에 한정되지 않고 반대로 각각 p형 및 n형 반도체일 수 있다. 나노 코어(142) 및 제2 도전형 반도체 쉘층(146)은 질화물 반도체, 예를 들어, AlxInyGa1 -x- yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성을 갖는 물질로 이루어질 수 있으며, 각각의 층은 단일층으로 이루어질 수도 있지만, 도핑 농도, 조성 등의 특성이 서로 다른 복수의 층들을 구비할 수도 있다. 다만, 나노 코어(142) 및 제2 도전형 반도체 쉘층(146)은 질화물 반도체 외에도 AlInGaP나 AlInGaAs 계열의 반도체를 이용할 수도 있을 것이다. 본 실시예에서, 나노 코어(142)는 예를 들어, Si 또는 C가 도핑된 n-GaN이고, 제2 도전형 반도체 쉘층(146)은 Mg 또는 Zn이 도핑된 p-GaN일 수 있다.
활성층(144)은 나노 코어(142)의 표면에 배치될 수 있다. 활성층(144)은 양자 우물층과 양자 장벽층이 서로 교대로 적층된 다중 양자 우물(MQW) 구조일 수 있다. 예를 들어, 질화물 반도체일 경우, GaN/InGaN인 다중 양자 우물 구조일 수 있다. 필요에 따라, 활성층(144)은 단일 양자 우물(SQW) 구조를 가질 수도 있다.
충전층(160)은 제1 물질층(130) 상에 배치될 수 있으며, 복수의 나노 발광 구조물(140) 사이를 매립할 수 있다. 즉, 충전층(160)은 서로 이웃한 나노 발광 구조물(140) 사이에 배치되어 외압에 의한 나노 발광 구조물(140)의 붕괴를 방지하는 지지체의 역할을 할 수 있다.
충전층(160)은, 반드시 이에 한정되지 않으나, 절연 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, SiO2, TEOS(TetraEthylOrthoSilane), BPSG(BoroPhospho Silicate Glass), SOG(Spin-on Glass) 또는 SOD(Spin-on Delectric) 중 어느 하나일 수 있다.
나노 발광 구조물(140)의 일부 영역이 충전층(160)에 덮이지 않고 노출되도록 충전층(160)의 높이는 나노 발광 구조물(140)의 높이보다 작을 수 있다. 예를 들어, 나노 발광 구조물(140)의 노출된 일부 영역은 적어도 나노 발광 구조물(140)의 상단부(T)(도 2 참조)를 포함할 수 있다.
도 12는 나노 발광 구조물의 몸체부(M)(도 2 참조)의 높이와 충전층(160)(도 1 참조)의 높이의 차(H2)(도 1 및 도 3e 참조)에 대한 나노 발광 구조물(140)(도 1 참조)의 몸체부의 높이(H1)(도 1 및 도 3e 참조)의 비(H2/H1)의 변화에 따른 광 추출 효율(Light Extraction Efficiency, LEE)의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 12를 참조하면, 충전층(160)의 높이와 광 추출 효율의 관계가 도시되었다. H2/H1의 값이 작을 수록 광 추출 효율이 증가하는 현상이 보인다. 높은 광 추출 효율을 얻기 위하여, 예를 들어, H2/H1의 값은 0 내지 0.5 사이의 범위에 속할 수 있다. 다시 말해서, 충전층(160)의 높이는 나노 발광 구조물(140)의 몸체부(M)의 높이(H1)의 약 50%보다 클 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 제2 도전형 반도체 확장층(150)은 복수의 나노 발광 구조물(140)중 노출된 일부 영역을 덮도록 충전층(160) 상에 배치될 수 있다. 제2 도전형 반도체 확장층(150)은 제2 도전형 반도체 쉘층(146)과 동일한 물질일 수 있다. 나노 발광 구조물(140)로부터 발산된 빛의 반사 횟수를 줄여 광 추출 효율의 감소를 억제하기 위하여 제2 도전형 반도체 확장층(150)의 상면은 평탄할 수 있다. 또한, 각 나노 발광 구조물(140)에 관련된 제2 도전형 반도체 확장층(150)은 서로 연결되어(coalesced) 형성될 수 있다.
콘택 전극층(195)은 제2 도전형 반도체 확장층(150) 상에 배치될 수 있다. 콘택 전극층(195)은 제2 도전형 반도체 확장층(150)을 모두 덮는 연속적인 층(continuous layer)일 수 있다. 콘택 전극층(195)은 나노 발광 구조물(140)에서 발산된 빛을 반사할 수 있는 광 반사성 금속, 예를 들어, 알루미늄(Al) 또는 은(Ag)일 수 있다. 콘택 전극층(195)이 나노 발광 구조물(140)과 직접 접촉하여 둘러싸는 구조인 경우, 나노 발광 구조물(140)로부터 발산된 빛이 콘택 전극층(195)에 의해 반사되는 횟수는 콘택 전극층(195)이 나노 발광 구조물로부터 이격되어 배치되는 구조인 경우보다 크다. 반사 횟수가 증가함에 따라서 광 추출 효율은 감소하게 된다. 따라서, 나노 발광 구조물(140)로부터 발산된 빛의 반사 횟수를 줄여 광 추출 효율의 감소를 억제하기 위하여, 반사면인 콘택 전극층(195)의 하면은 나노 발광 구조물(140)로부터 제2 도전형 반도체 확장층(150)에 의해 이격되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 콘택 전극층(195)의 하면은 평탄할 수 있다. 콘택 전극층(195)으로부터 반사된 빛은 나노 구조 반도체 발광 소자(100)의 하부로 유도되어 방출될 수 있다.
본 실시예에서는 콘택 전극층(195) 상에 반사 금속층(190)을 더 포함할 수 있다. 반사 금속층(190)은 나노 발광 구조물(140)에서 발산된 빛을 반사할 수 있는 광 반사성 금속, 예를 들어, 알루미늄(Al) 또는 은(Ag)일 수 있다. 이 경우, 콘택 전극층(195)은 투명 전도성 산화물층 또는 질화물층 중 어느 하나일 수 있으며, 나노 발광 구조물(140)로부터 발산된 빛은 콘택 전극층(195)을 투과하여 반사 금속층(190)에 의해 반사될 수 있다. 투명 전도성인 콘택 전극층(195)은, 예를 들어, ITO(Indium Tin Oxide), ZITO(Zinc-doped Indium Tin Oxide), ZIO(Zinc Indium Oxide), GIO(Gallium Indium Oxide), ZTO(Zinc Tin Oxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), AZO(Aluminium-doped Zinc Oxide), GZO(Gallium-doped Zinc Oxide), In4Sn3O12 또는 Zn(1-x)MgxO(Zinc Magnesium Oxide, 0≤x≤1)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다. 필요에 따라, 콘택 전극층(195)은 그래핀(graphene)을 포함할 수도 있다. 나노 발광 구조물(140)로부터 발산된 빛의 반사 횟수를 줄여 광 추출 효율의 감소를 억제하기 위하여 반사면인 반사 금속층(190)의 하면은 평탄할 수 있다.
도 3a 내지 도 3g는 도 1에 도시된 나노 구조 반도체 발광 소자(100)의 제조 방법을 각 단계 별로 도시한 공정도이다.
본 제조 방법은 제1 도전형 반도체 물질로 이루어진 베이스층(120)을 제공하는 단계로 시작할 수 있다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 성장 기판(110) 상에 제1 도전형 반도체를 성장시켜 베이스층(120)을 제공할 수 있다. 베이스층(120)은, 예를 들어, 유기 금속 화학 기상 증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD), 수소화 기상 에피택시(Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE), 분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy, MBE) 등과 같은 공정을 통해 성장시킬 수 있다.
이어, 도 3b에 도시된 바와 같이, 베이스층(120) 상에 복수의 개구(O)를 갖는 마스크(137)를 형성할 수 있다.
마스크(137)는 베이스층(120) 상에 제1 물질층(130) 및 제2 물질층(135)을 순차적으로 형성함으로써 얻어질 수 있다. 제1 물질층(130)은 전기적인 절연 물질이며, 필요에 따라 제2 물질층(135)도 절연 물질일 수 있다. 동일 조건 하에서 식각률이 제2 물질층(135)에 대한 식각률보다 현저히 작은 물질을 제1 물질층(130)으로 사용할 수 있다. 이에 따라, 제1 물질층(130)은 제2 물질층(135)에 대해 식각 정지층으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 제1 물질층(130)은 SiN이고, 제2 물질층(135)은 SiO2일 수 있다.
이와 달리, 이러한 식각률의 차이는 공극밀도의 차이를 이용하여 얻어질 수 있다. 제2 물질층(135)을 또는 제1 및 제2 물질층(130, 135) 모두를 다공성 구조의 물질로 채용하고, 그 공극률의 차이를 달리하여 제1 및 제2 물질층(130, 135)의 식각률의 차이를 확보할 수 있다. 이 경우에는 제1 및 제2 물질층(130, 135)은 동일한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 물질층(130)은 제1 공극률을 갖는 SiO2이며, 제2 물질층(135)은 제1 물질층(130)과 동일한 SiO2로 이루어지되 제1 공극률보다 큰 제2 공극률을 가질 수 있다. 이로써, 제2 물질층(135)이 식각되는 조건에서 제1 물질층(130)은 제2 물질층(135)의 식각률보다 낮은 식각률을 가질 수 있다.
이후, 제1 물질층(130) 및 제2 물질층(135)을 천공하여 복수의 구멍(H)을 형성함으로써, 제1 물질층(130) 상에 베이스층(120)이 노출되도록 복수의 개구(O)를 형성할 수 있다. 상기 복수의 구멍(H)은, 예를 들어, 건식 식각(dry etching) 공정을 적용하여 형성할 수 있다. 구체적으로, CF4, C2F6, C3F8, C4F8, CHF3와 같은 가스에 O2 및 Ar 중 적어도 하나를 조합한 가스를 사용하여 플라즈마 식각할 수 있다.
제1 물질층(130) 및 제2 물질층(135)의 두께는 원하는 나노 발광 구조물(140)의 높이를 고려하여 설계될 수 있다. 또한, 베이스층(120)의 표면을 노출시키는 개구(O)의 사이즈는 원하는 나노 발광 구조물(140)의 사이즈를 고려하여 설계될 수 있다.
복수의 개구(O)의 평면 형상은 다각형, 사각형, 타원형 또는 원형과 같이 필요에 따라 다양하게 구현될 수 있다.
도 3b에 도시된 구멍(H)은 로드(rod) 형상으로 예시되어 있으나, 이에 한정되지 아니하며, 적절한 식각 공정을 적용하여 다양한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 하부로 갈수록 폭이 작아지는 형상의 기둥 모양, 하부로 갈수록 폭이 커지는 형상의 기둥 모양일 수 있다.
이어, 도 3c에 도시된 바와 같이, 베이스층(120)이 노출된 개구(O)(도 3b 참조)에 제1 도전형 반도체를 성장시켜 복수의 구멍(H)(도 3b 참조)을 충전함으로써, 구멍(H)의 형상에 따른 모양을 갖는 복수의 나노 코어(142)를 형성할 수 있다. 나노 코어(142)는, 예를 들어, n형 질화물 반도체로 이루어질 수 있으며, 베이스층(120)과 동일한 물질로 이루어 질 수 있다. 여기서, 제1 도전형 반도체를 성장시키는 방법은, 예를 들어, 유기 금속 화학 기상 증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD), 수소화 기상 에피택시(Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE), 분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy, MBE) 등과 같은 것일 수 있다.
이어, 도 3d에 도시된 바와 같이, 제2 물질층(135)(도 3c 참조)을 제거하여 먼저 복수의 나노 코어(142)의 측면을 노출시킬 수 있다. 이때, 제2 물질층(135)만을 선택적으로 제거하고 제1 물질층(130)을 제2 물질층(135)에 대해 식각 정지층으로 사용할 수 있다.
실시예에 따라, 제2 물질층(135)을 제거한 후에, 나노 코어(142)의 결정면을 반극성 또는 비극성 결정면과 같이 결정 성장에 유리한 안정적인 면으로 전환시키기 위한 열처리 공정을 추가적으로 수행할 수도 있다.
이후, 복수의 나노 코어(142)의 표면에 각각 활성층(144) 및 제2 도전형 반도체 쉘층(146)을 순차적으로 성장시킬 수 있다. 이러한 성장 후에, 나노 발광 구조물(140)은 나노 코어(142), 활성층(144) 및 제2 도전형 반도체 쉘층(146)으로 이루어진 코어-쉘(core-shell) 구조를 가질 수 있다.
이어, 도 3e에 도시된 바와 같이, 복수의 나노 발광 구조물(140) 사이가 매립되도록 제1 물질층(130) 상에 충전층(160)을 형성할 수 있다. 충전층(160)은 물질에 따라 적절한 방법이 선택되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 화학 기상 증착(Chemical Vapor Deposition, CVD) 또는 물리 기상 증착(Physical Vapor Deposition, PVD)와 같은 증착 공정뿐만 아니라 스핀 코팅, 스프레이 코팅 또는 리플로우 등의 도포 공정으로 충전층(160)을 형성할 수 있다.
충전층(160)은 나노 발광 구조물(140)의 일부 영역이 충전층(160)에 모두 덮이지 않을 때까지 형성할 수 있다. 예를 들어, 충전층(160)의 높이가 나노 발광 구조물(140)의 높이보다 작을 때까지 형성할 수 있다. 또한, 충전층(160)의 높이는 나노 발광 구조물(140)의 몸체부(M)(도 2 참조)의 높이의 약 50%보다 크도록 형성할 수 있다. 다시 말해서, 나노 발광 구조물의 몸체부(M)(도 2 참조)의 높이와 충전층(160)(도 1 참조)의 높이의 차(H2)에 대한 나노 발광 구조물(140)(도 1 참조)의 몸체부의 높이(H1)의 비(H2/H1)가 50%보다 작을 수 있다.
이어, 도 3f에 도시된 바와 같이, 제2 도전형 반도체 확장층(150)을 복수의 나노 발광 구조물(140) 중 노출된 일부 영역 및 충전층(160) 상에서 성장시킬 수 있다. 제2 도전형 반도체 확장층(150)을 성장시키는 방법은 제2 도전형 반도체 쉘층(146)을 성장시키는 방법과 동일할 수 있다. 제2 도전형 반도체 확장층(150)은 나노 발광 구조물(140)의 노출된 영역을 덮도록 상기 충전층(160) 상에 배치될 수 있다. 도 3f에 도시된 제2 도전형 반도체 확장층(150)의 비평탄한 상면이 평탄화될 때까지 제2 도전형 반도체 확장층(150)을 성장시킬 수 있다.
이어, 도 3g에 도시된 바와 같이, 제2 도전형 반도체 확장층(150) 상에 콘택 전극층(195)을 형성할 수 있다. 콘택 전극층(195)은, 예를 들어, 화학 기상 증착(CVD) 또는 물리 기상 증착(PVD)에 의해 형성할 수 있다. 이후, 콘택 전극층(195) 상에 반사 금속층(190)을 형성할 수 있다. 반사 금속층(190)을 형성하는 방법은 콘택 전극층(195)을 형성하는 방법과 동일할 수 있다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조 반도체 발광 소자의 개략적인 단면도이다. 이하에서, 도 1과 중복되는 설명은 생략한다.
도 4를 참조하면, 나노 구조 반도체 발광 소자(200)는 성장 기판(210), 베이스층(220), 제1 물질층(230), 복수의 나노 발광 구조물(240), 제2 도전형 반도체 확장층(250), 충전층(260), 무지향성 반사부(omni-directional reflector, ODR)(299), 반사 금속층(290) 및 콘택 전극층(295)을 포함한다. 나노 발광 구조물(240)은 나노 코어(242), 활성층(244) 및 제2 도전형 반도체 쉘층(246)을 포함한다. 나노 구조 반도체 발광 소자(200)는 각각 콘택 전극층(295) 및 베이스층(220)과 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 전극(270, 280)을 더 포함할 수 있다.
무지향성 반사부(299)는 콘택 전극층(295) 상에 배치될 수 있다. 무지향성반사부(299)는 서로 굴절률을 가지는 제1 및 제2 층(299a, 299b)을 포함할 수 있다. 도 4의 제1 및 제2 굴절률층(299a, 299b)은 각각 한 개의 층만이 도시되었으나, 각각 두 층 이상의 제1 및 제2 굴절률층(299a, 299b)이 교대하여 배치된 구조뿐만 아니라, 각각 한 층의 제1 및 제2 굴절률층(299a, 299b)이 1회 이상 교대하여 배치된 구조도 포함될 수 있다.
예를 들어, 제1 굴절률층(299a)은 제1 굴절률을 가지고, 제2 굴절률층(299b)은 상기 제1 굴절률보다 작은 제2 굴절률을 가질 수 있다. 또한, 제1 굴절률층(299a)은 제2 굴절률층(299b)보다 높은 비저항을 가질 수 있다.
무지향성 반사부(299)는 활성층(244)에서 생성된 빛의 파장에 대해서 약 95% 이상의 높은 반사율을 갖도록 제1 및 제2 굴절률층(299a, 299b)의 굴절률과 두께가 선택되어 설계될 수 있다. 또한, 높은 반사율을 확보할 수 있도록 제1 및 제2 굴절률층(299a, 299b)의 반복 횟수가 결정될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 굴절률층(299a, 299b) 사이의 굴절률 차이가 상대적으로 큰 경우 제1 및 제2 굴절률층(299a, 299b)의 반복 횟수가 상대적으로 적을 수 있으며, 반대로, 제1 및 제2 굴절률층(299a, 299b)의 굴절률 차이가 상대적으로 작은 경우, 제1 및 제2 굴절률층(299a, 299b)의 반복 횟수가 상대적으로 많을 수 있다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조 반도체 발광 소자의 개략적인 단면도이다. 이하에서, 도 1과 중복되는 설명은 생략한다.
도 5를 참조하면, 나노 구조 반도체 발광 소자(300)는 성장 기판(310), 베이스층(320), 제1 물질층(330), 복수의 나노 발광 구조물(340), 상면이 비평탄한 제2 도전형 반도체 확장층(350), 충전층(360), 제2 도전형 반도체 확장층(350)의 상면의 형상에 따라 형성된 무지향성 반사부(399), 반사 금속층(390) 및 콘택 전극층(395)을 포함한다. 나노 발광 구조물(340)은 나노 코어(342), 활성층(344) 및 제2 도전형 반도체 쉘층(346)을 포함한다. 나노 구조 반도체 발광 소자(300)는 각각 콘택 전극층(395) 및 베이스층(320)과 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 전극(370, 380)을 더 포함할 수 있다.
제2 도전형 반도체 확장층(350)은 상면이 평탄화 되기 전까지 성장될 수 있다. 이 경우, 제2 도전형 반도체 확장층(350)의 상면은 요철이 형성된 것일 수 있다. 서로 다른 굴절률을 갖는 제1 및 제2 굴절률층(399a, 399b)을 포함하는 무지향성 반사부(399)는 제2 도전형 반도체 확장층(350) 상에 제2 도전형 반도체 확장층(350)의 상면의 형상에 따라 형성될 수 있다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조 반도체 발광 소자(400)의 개략적인 단면도이다. 이하에서, 도 1과 중복되는 설명은 생략한다.
도 6을 참조하면, 나노 구조 반도체 발광 소자(400)는 성장 기판(410), 베이스층(420), 제1 물질층(430), 복수의 나노 발광 구조물(440), 복수의 나노 발광 구조물(440) 상에 각각 이격되어 배치된 복수의 제2 도전형 반도체 확장층(450), 충전층(460), 반사 금속층(490) 및 콘택 전극층(495)을 포함한다. 나노 발광 구조물(440)은 나노 코어(442), 활성층(444) 및 제2 도전형 반도체 쉘층(446)을 포함한다. 나노 구조 반도체 발광 소자(400)는 각각 콘택 전극층(495) 및 베이스층(420)과 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 전극(470, 480)을 더 포함할 수 있다.
제2 도전형 반도체 쉘층(446) 상에서 제2 도전형 반도체 확장층(450)이 성장 되는 속도는 충전층(460) 상에서 성장되는 속도보다 클 수 있다. 이 경우, 복수의 나노 발광 구조물(440) 상에서 각각 성장된 복수의 제2 도전형 반도체 확장층(450)은 서로 연결되지(coalesced) 않고 이격되어 배치될 수 있다.
콘택 전극층(495)은 복수의 제2 도전형 반도체 확장층(450)에 덮이지 않은 충전층(460)을 덮으면서 복수의 제2 도전형 반도체 확장층(450) 모두를 덮을 수 있다. 따라서, 복수의 제2 도전형 반도체 확장층(450) 각각은 제1 전극(470)과 콘택 전극층(495)을 통하여 전기적으로 연결될 수 있다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조 반도체 발광 소자(500)의 개략적인 단면도이다. 이하에서, 도 1과 중복되는 설명은 생략한다.
도 7을 참조하면, 나노 구조 반도체 발광 소자(500)는 하면에 요철이 형성된 베이스층(520), 제1 물질층(530), 복수의 나노 발광 구조물(540), 제2 도전형 반도체 확장층(550), 충전층(560), 반사 금속층(590) 및 콘택 전극층(595)을 포함한다. 나노 발광 구조물(540)은 나노 코어(542), 활성층(544) 및 제2 도전형 반도체 쉘층(546)을 포함한다. 나노 구조 반도체 발광 소자(500)는 각각 콘택 전극층(595) 및 베이스층(520)과 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 전극(570, 580)을 더 포함할 수 있다.
베이스층(520)을 성장시키기 위하여 사용된 성장 기판(미도시)은 나노 구조 반도체 발광 소자(500)의 광 또는 전기적 특성을 향상시키기 위해 완전히 또는 부분적으로 제거될 수 있다. 제거 방법은, 예를 들어, 성장 기판이 사파이어 기판인 경우는 성장 기판을 통해 베이스층(520)과의 계면에 레이저를 조사하여 성장 기판을 분리할 수 있다. 실리콘이나 실리콘 카바이드 기판은 연마 또는 식각 등의 방법에 의해 제거할 수 있다.
성장 기판이 제거된 후, 베이스층(520)의 하면에 요철을 형성할 수 있으며 이에 의해 광 추출 효율이 더욱 향상될 수 있다. 요철은, 예를 들어, 습식 식각 등의 방법으로 얻어질 수 있다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조 반도체 발광 소자(600)의 개략적인 단면도이다. 이하에서, 도 1 및 도 7과 중복되는 설명은 생략한다.
도 8을 참조하면, 나노 구조 반도체 발광 소자(600)는 하면에 요철이 형성된 베이스층(620), 제1 물질층(630), 복수의 나노 발광 구조물(640), 제2 도전형 반도체 확장층(650), 충전층(660), 반사 금속층(690) 및 콘택 전극층(695)을 포함한다. 나노 발광 구조물(640)은 나노 코어(642), 활성층(644) 및 제2 도전형 반도체 쉘층(646)을 포함한다. 나노 구조 반도체 발광 소자(600)는 각각 콘택 전극층(695) 및 베이스층(620)과 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 전극(670, 680)을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 제2 전극(680)은 베이스층(620)의 하면의 일부 영역에 배치될 수 있다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조 반도체 발광 소자(700)의 개략적인 단면도이다. 이하에서, 도 1 및 도 7과 중복되는 설명은 생략한다.
도 9을 참조하면, 나노 구조 반도체 발광 소자(700)는 베이스층(720), 제1 물질층(730), 복수의 나노 발광 구조물(740), 제2 도전형 반도체 확장층(750), 충전층(760), 반사 금속층(790), 콘택 전극층(795) 및 그레이드식-굴절률층(graded-refractive index layer)(797)을 포함한다. 나노 발광 구조물(740)은 나노 코어(742), 활성층(744) 및 제2 도전형 반도체 쉘층(746)을 포함한다. 나노 구조 반도체 발광 소자(700)는 각각 콘택 전극층(795) 및 베이스층(720)과 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 전극(670, 680)을 더 포함할 수 있다.
그레이드식-굴절률층(797)은 베이스층(720)의 하면에서 멀어질수록 굴절률이 점차로 감소하는 복수의 층을 포함할 수 있다. 즉, 베이스층의 하면에 아래 방향으로 순차적으로 제1 굴절률층(797a), 제2 굴절률층(797b) 및 제3 굴절률층(797c)이 배치될 수 있으며, 각 층의 굴절률은 아래 방향으로 갈수록 점차로 감소할 수 있다. 도 9에서, 그레이드식-굴절률층(797)은 굴절률이 서로 다른 3개의 층을 갖는 것으로 도시되었으나, 4개 이상의 층을 가질 수도 있다.
굴절률 분포가 연속적으로 변화하는 박막층을 투과한 특정 파장의 빛은 굴절률이 다른 물질에 입사할 때 굴절률 차이에 따른 광 반사 발생이 억제되어 광 투과도가 매우 우수할 수 있다. 따라서, 그레이드식-굴절률층(797)을 베이스층(720)의 하면에 배치함으로써, 나노 구조 발광 구조물(740)에서 발산된 빛이 그레이드식 굴절률층(797)을 투과하여 공기에 입사할 때 굴절률 차이에 따른 광 반사 발생이 최소로 억제될 수 있다. 이에 따라, 나노 구조 반도체 발광 소자(700)의 광 출력 손실을 줄이고 광 투과 효율을 최대화 할 수 있다.
그레이드식-굴절률층(797)을 이루는 제1, 제2 및 제3 굴절률층(797a, 797b, 797c) 각각은 TiO2, SiC, GaN, GaP, SiNy, ZrO2, ITO, AlN, Al2O3, MgO, SiO2, CaF2 및 MgF2으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조 반도체 발광 소자(800)의 개략적인 단면도이다. 이하에서, 도 1, 도 7 및 도 8과 중복되는 설명은 생략한다.
도 10을 참조하면, 나노 구조 반도체 발광 소자(800)는 베이스층(820), 제1 물질층(830), 복수의 나노 발광 구조물(840), 제2 도전형 반도체 확장층(850), 충전층(860), 반사 금속층(890), 콘택 전극층(895) 및 그레이드식-굴절률층(graded-refractive index layer)(897)을 포함한다. 나노 발광 구조물(840)은 나노 코어(842), 활성층(844) 및 제2 도전형 반도체 쉘층(846)을 포함한다. 그레이드식-굴절률층(897)은 베이스층의 하면에 배치되고 아래 방향으로 순차적으로 제1 굴절률층(897a), 제2 굴절률층(897b) 및 제3 굴절률층(897c)을 포함할 수 있다. 각 층의 굴절률은 아래 방향으로 갈수록 점차로 감소할 수 있다. 나노 구조 반도체 발광 소자(800)는 각각 콘택 전극층(895) 및 베이스층(820)과 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 전극(870, 880)을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 제2 전극(880)은 베이스층(820)의 하면의 일부 영역에 배치될 수 있다.
도 11은, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조 반도체 발광 소자(900)의 개략적인 단면도이다. 이하에서, 도 1과 중복되는 설명은 생략한다.
도 11을 참조하면, 나노 구조 반도체 발광 소자(900)는 요철(R)(도 1 참조)이 형성된 성장 기판(910), 베이스층(920), 제1 물질층(930), 복수의 나노 발광 구조물(940), 제2 도전형 반도체 확장층(950), 충전층(960), 반사 금속층(990) 및 콘택 전극층(995)을 포함한다. 나노 발광 구조물(940)은 나노 코어(942), 활성층(944) 및 제2 도전형 반도체 쉘층(946)을 포함한다. 나노 구조 반도체 발광 소자(900)는 각각 콘택 전극층(995) 및 베이스층(920)과 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 전극(970, 980)을 더 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 제1 물질층(930) 상에 형성된 복수의 개구 사이의 간격이 일정하지 않게 되어 복수의 나노 발광 구조물(940) 사이의 간격이 일정하지 않을 수 있다. 복수의 개구 사이의 간격이 클수록 그 나노 코어(942)의 표면에서 성장되는 활성층(944)은 상대적으로 두껍게 성장할 수 있다. 이러한 활성층(944) 두께의 차이에 의해, 서로 다른 방출 파장의 광을 갖는 복수의 나노 발광 구조물(940)이 제공되어, 서로 다른 방출 파장이 조합됨으로써 최종적으로 백색광을 방출하는 나노 구조 반도체 발광 소자(900)가 제공될 수 있다. 또한, 나노 코어(942)의 높이 또는 직경을 각각 달리함으로써 서로 다른 방출 파장을 갖는 복수의 나노 발광 구조물(940)이 얻어질 수도 있다. 도 11을 참조하면, 복수의 개구 사이의 간격은 제1 간격(L1), 제2 간격(L2) 및 제3 간격(L3)으로 표시되고, L1>L2>L3인 관계를 갖는다.
도 13은 비교예 1(A)의 광 추출 효율(LEE)이 1.0일 때, 비교예 2(B), 실시예 1(C) 및 실시예 2(D)의 광 추출 효율을 전산 모사하여 상대적으로 도시한 그래프이다.
실시예 1 및 2(C, D)와 비교예 1 및 2(A, B)는 다음과 같은 구조를 갖는다.
<실시예 1>
도 14는 실시예 1(C)에 따른 나노 구조 반도체 발광 소자(100e)의 단면도 이다.
도 14를 참조하면, 나노 구조 반도체 발광 소자(100e)는 성장 기판(110e), 베이스층(120e), 제1 물질층(130e), 복수의 나노 발광 구조물(140e), 제2 도전형 반도체 확장층(150e), 충전층(160e) 및 반사 금속층(190e)으로 이루어졌다. 나노 발광 구조물(140e)은 나노 코어(142e), 활성층(144e) 및 제2 도전형 반도체 쉘층(146e)으로 이루어졌다. 또한, 나노 구조 반도체 발광 소자(100e)는 각각 반사 금속층(190e) 및 베이스층(120e)과 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 전극(170e, 180e)을 포함하였다. 제2 도전형 반도체 확장층(150e)은 나노 발광 구조물(140e)의 노출된 영역을 덮도록 충전층(160e) 상에 배치되었다. 제2 도전형 반도체 확장층(150e)의 상면 및 반사 금속층(190e)의 하면은 평탄하였다.
<실시예 2>
실시예 2(D)는 도 4에 도시된 나노 구조 반도체 발광 소자(200)와 동일한 것이다. 구체적으로, 제2 도전형 반도체 확장층(250) 상에 콘택 전극층(295), 무지향성 반사부(299) 및 반사 금속층(290)을 순차적으로 형성하고, 콘택 전극층(295)과 제1 전극(270)이 직접적으로 접속되도록 반사 금속층(290) 및 무지향성 반사부(299)의 일부 영역을 제거한 것을 제외하고 실시예 1(C)과 동일하다.
<비교예 1>
비교예 1(A)은, 제2 도전형 반도체 확장층 및 충전층 없이, 노출된 나노 발광 구조물 및 충전층 상에 반사 금속층이 직접적으로 형성된 것을 제외하고 실시예 1(C)과 동일하다.
<비교예 2>
비교예 2(B)는, 제2 도전형 반도체 확장층 없이, 노출된 나노 발광 구조물 및 충전층 상에 콘택 전극층, 상면이 평탄한 절연층 및 반사 금속층이 순차적으로 형성된 것을 제외하고 실시예 1(C)과 동일하다.
도 13을 참조하면, 반사 금속층이 나노 발광 구조물을 직접적으로 둘러싸서 형성된 비교예 1(A)보다 반사 금속층이 평탄한 하면을 가지며 나노 발광 구조물로부터 이격되어 형성된 비교예 2(B)의 광 추출 효율이 더 향상되었다. 또한, 나노 발광 구조물의 상단부 및 충전층 상에 직접적으로 콘택 전극층이 배치된 비교예 2(B)보다 각 나노 발광 구조물(140e)에 관련된 제2 도전형 반도체 확장층(150e)이 서로 연결되어 형성되고 상기 제2 도전형 반도체 확장층(150e) 상에 하면이 평탄한 반사 금속층(190e)이 형성된 실시예 1(C)의 광 추출 효율이 더 향상되었다. 또한, 콘택 전극층(295) 및 무지향성 반사부(299)가 부가된 것을 제외하고 실시예 1(C)과 동일한 실시예 2(D)의 광 추출 효율이 더 향상되었다.
따라서, 반사 금속층이 나노 발광 구조물로부터 이격되어 평탄한 면을 이룰 때 광 추출 효율을 향상시킬 수 있으며, 무지향성 반사부를 부가함으로써 광 추출 효율을 더욱 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
도 15는 도 1에 도시된 나노 구조 반도체 발광 소자(100)가 플립-칩(flip-chip) 구조로 실장된 반도체 발광 소자 패키지(1000)를 나타낸다.
도 15를 참조하면, 나노 구조 반도체 발광소자(100)는 리드 프레임(1006)에 실장되어, 각 전극이 리드 프레임(1006)에 전기적으로 연결될 수 있다. 필요에 따라, 나노 구조 반도체 발광소자(100)는 리드 프레임(1006) 아닌 다른 영역, 예를 들어, 패키지 본체(1002)에 실장될 수 있다. 또한, 패키지 본체(1002)는 빛의 반사 효율이 향상되도록 컵 형상을 가질 수 있으며, 이러한 반사 컵에는 나노 구조 반도체 발광소자(100)를 봉지하도록 투광성 물질로 이루어진 봉지체(1004)가 형성될 수 있다.
도 16은 도 8에 도시된 나노 구조 반도체 발광 소자(600)가 플립-칩(flip-chip) 구조로 실장된 반도체 발광 소자 패키지(2000)를 나타낸다.
도 16을 참조하면, 나노 구조 반도체 발광 소자(600)는 실장 기판(2010)에 실장되어 와이어(W)를 통하여 실장 기판(2010)과 전기적으로 연결될 수 있다.
실장 기판(2010)은 기판 본체(2002), 상부 전극(2003) 및 하부 전극(2004)과 상부 전극(2003)과 하부 전극(2004)을 연결하는 관통 전극(2001)을 포함할 수 있다. 실장 기판(2010)은 PCB, MCPCB, MPCB, FPCB 등의 기판으로 제공될 수 있으며, 실장 기판(2010)의 구조는 다양한 형태로 응용될 수 있다.
봉지체(2005)는 상면이 볼록한 돔 형상의 렌즈 구조로 형성될 수 있지만, 실시 형태에 따라, 표면을 볼록 또는 오목한 형상의 렌즈 구조로 형성함으로써 봉지체(2005) 상면을 통해 방출되는 빛의 지향각을 조절하는 것이 가능하다. 필요에 따라, 봉지체(2005) 또는 나노 구조 반도체 발광소자(600) 표면에 형광체나 양자점 등과 같은 파장 변환 물질이 배치될 수 있다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조 반도체 발광 소자가 채용된 백라이트 유닛의 예를 나타낸다.
도 17을 참조하면, 백라이트 유닛(3000)은 기판(3002) 상에 광원(3001)이 실장되며, 그 상부에 배치된 하나 이상의 광학 시트(3003)를 구비한다. 상기 광원(3001)은 상술한 나노구조 반도체 발광 소자 또는 그 나노 구조 반도체 발광 소자를 구비한 패키지를 이용할 수 있다.
도 17에 도시된 백라이트 유닛(3000)에서 광원(3001)은 액정표시장치가 배치된 상부를 향하여 빛을 방출하는 방식과 달리, 도 18에 도시된 다른 예의 백라이트 유닛(4000)은 기판(4002) 위에 실장된 광원(4001)이 측 방향으로 빛을 방사하며, 이렇게 방사된 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 19는 본 발명의 실시형태에 따른 나노 구조 반도체 발광 소자가 채용된 조명 장치의 예를 나타낸 분해 사시도이다.
도 19에 도시된 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 나노 구조 반도체 발광 소자 또는 그 나노 구조 반도체 발광 소자를 구비한 패키지일 수 있는 광원(5001)과 그 광원(5001)이 탑재된 회로기판(5002)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 나노 구조 반도체 발광 소자의 제1 및 제2 전극이 회로기판(5002)의 전극 패턴과 전기적으로 연결될 수 있다. 본 실시예서는, 하나의 광원(5001)이 회로기판(5002) 상에 실장된 형태로 예시되어 있으나, 필요에 따라 복수 개로 장착될 수 있다.
외부 하우징(5006)은 열 방출부로 작용할 수 있으며, 발광 모듈(5003)과 직접 접촉되어 방열 효과를 향상시키는 열 방출판(5004) 및 조명 장치(5000)의 측면을 둘러싸는 방열 핀(5005)을 포함할 수 있다. 커버부(5007)는 발광 모듈(5003) 상에 장착되며 볼록한 렌즈 형상을 가질 수 있다. 구동부(5008)는 내부 하우징(5009)에 장착되어 소켓 구조와 같은 외부 접속부(5010)에 연결되어 외부 전원으로부터 전원을 제공받을 수 있다.
또한, 구동부(5008)는 발광 모듈(5003)의 반도체 발광 소자(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 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조 반도체 발광 소자를 헤드 램프에 적용한 예를 나타낸다.
도 20을 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. 광원(6001)은 상술한 나노 구조 반도체 발광 소자 또는 그 나노 구조 반도체 발광 소자를 구비한 패키지를 포함할 수 있다.
헤드 램프(6000)는 광원(6001)에서 발생된 열을 외부로 방출하는 방열부(6012)를 더 포함할 수 있으며, 방열부(6012)는 효과적인 방열이 수행되도록 히트 싱크(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 있다. 하우징(6009)은 지지부(6006)와 일면에 방열부(6012)가 결합하여 장착되기 위한 중앙홀(6008)을 구비할 수 있다.
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.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 100e: 나노 구조 반도체 발광 소자
110, 210, 310, 410, 510, 610, 710, 810, 910, 110e: 성장 기판
120, 220, 320, 420, 520, 620, 720, 820, 920, 120e: 베이스층
130, 230, 330, 430, 530, 630, 730, 830, 930, 130e: 제1 물질층
140, 240, 340, 440, 540, 640, 740, 840, 940, 140e: 나노 발광 구조물
142, 242, 342, 442, 542, 642, 742, 842, 942, 142e: 나노 코어
144, 244, 344, 444, 544, 644, 744, 844, 944, 144e: 활성층
146, 246, 346, 446, 546, 646, 746, 846, 946, 146e: 제2 도전형 반도체 쉘층
150, 250, 350, 450, 550, 650, 750, 850, 950, 150e: 제2 도전형 반도체 확장층
160, 260, 360, 460, 560, 660, 760, 860, 960, 160e: 충전층
170, 270, 370, 470, 570, 670, 770, 870, 970, 170e: 제1 전극
180, 280, 380, 480, 580, 680, 780, 880, 980, 180e: 제2 전극
190, 290, 390, 490, 590, 690, 790, 890, 990, 190e: 반사 금속층
195, 295, 395, 495, 595, 695, 795, 895, 995: 콘택 전극층
135: 제2 물질층
137: 마스크
299, 399: 무지향성 반사부
797, 897: 그레이드식-굴절률층
O: 제1 물질층 상에 형성된 복수의 개구
M: 나노 코어의 몸체부
T: 나노 코어의 상단부
H: 제1 물질층 및 제2 물질층을 천공하여 형성된 구멍
H1: 나노 발광 구조물의 몸체부의 높이
H2: H1과 충전층의 높이의 차

Claims (10)

  1. 제1 도전형 반도체로 이루어진 베이스층;
    상기 베이스층 상에 배치되며, 복수의 개구를 포함하는 제1 물질층;
    상기 복수의 개구를 통해 각각 연장되며 각각 제1 도전형 반도체로 이루어진 나노 코어 및 상기 나노 코어 상에 순차적으로 배치된 활성층과 제2 도전형 반도체 쉘층(shell layer)을 포함하는 복수의 나노 발광 구조물;
    상기 제1 물질층 상에 배치되며, 상기 나노 발광 구조물의 일부 영역이 노출되도록 상기 복수의 나노 발광 구조물 사이를 매립하는 충전층;
    상기 복수의 나노 발광 구조물의 노출된 일부 영역을 덮도록 상기 충전층 상에 배치된 제2 도전형 반도체 확장층(extension layer); 및
    상기 제2 도전형 반도체 확장층 상에 배치되는 콘택 전극층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 구조 반도체 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 나노 발광 구조물은 제1 결정면을 갖는 몸체부 및 상기 제1 결정면과 다른 제2 결정면을 갖는 상단부를 포함하고,
    상기 충전층의 높이는 상기 나노 발광 구조물의 몸체부 높이의 50%보다 큰 것을 특징으로 하는 나노 구조 반도체 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 콘택 전극층 상에 배치되는 반사 금속층 - 상기 반사 금속층의 하면은 평탄함 - 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 구조 반도체 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 콘택 전극층 상에 배치되는 무지향성 반사부(omni-directional reflector)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 구조 반도체 발광 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 각 나노 발광 구조물에 관련된 상기 제2 도전형 반도체 확장층은 서로 연결된 것을 특징으로 하는 나노 구조 반도체 발광소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 베이스층의 상면 또는 하면 중 어느 하나의 일부 영역에 배치되는 제1 전극; 및
    상기 콘택 전극층 상면의 일부 영역에 배치되는 제2 전극;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 구조 반도체 발광 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 베이스층의 하면에 요철이 형성된 것을 특징으로 하는 나노 구조 반도체 발광 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 베이스층의 하면에 배치되며, 상기 베이스층의 하면에서 멀어질수록 굴절률이 점차로 감소하는 복수의 층으로 구성된 그레이드식-굴절률층(graded-refractive index layer)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 구조 반도체 발광 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 베이스층의 하면에 배치되며, 상면에 요철이 형성된 성장 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 구조 반도체 발광 소자.
  10. 제1 도전형 반도체로 이루어진 베이스층;
    상기 베이스층 상에 배치되며, 복수의 개구를 포함하는 제1 물질층;
    상기 복수의 개구를 통해 각각 연장되며 각각 제1 도전형 반도체로 이루어진 나노 코어 및 상기 나노 코어 상에 순차적으로 배치된 활성층과 제2 도전형 반도체 쉘층을 포함하는 복수의 나노 발광 구조물;
    상기 나노 발광 구조물의 상부 영역을 덮도록 상기 제1 물질층과 이격되어 배치되며, 상기 나노 발광 구조물의 상단보다 높은 레벨에 배치되는 상면을 가지는 제2 도전형 반도체 확장층; 및
    상기 제2 도전형 반도체 확장층 상에 배치되는 콘택 전극층;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 구조 반도체 발광 소자.
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