KR102252991B1 - Nano-sturucture semiconductor light emitting device - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예는, 각각, 제1 도전형 반도체로 이루어진 나노 코어와 상기 나노 코어의 표면에 순차적으로 위치한 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 갖는 복수의 나노 발광구조물과, 상기 복수의 나노 발광구조물의 제2 도전형 반도체층의 표면에 배치되며, 투명 전도성 물질로 이루어진 콘택 전극과, 상기 복수의 나노 발광구조물 사이의 공간에 충전되며, 제1 굴절률을 갖는 물질로 이루어진 제1 투광부와, 상기 복수의 나노 발광구조물을 덮도록 상기 제1 투광부 상에 배치되며, 복수의 렌즈를 포함하며, 상기 제1 굴절률보다 큰 제2 굴절률을 갖는 물질로 이루어진 제2 투광부를 포함하는 나노구조 반도체 발광소자를 제공한다 .According to an embodiment of the present invention, a plurality of nano light emitting structures each having a nano core made of a first conductivity type semiconductor, an active layer and a second conductivity type semiconductor layer sequentially positioned on the surface of the nano core, and the plurality of nano light-emitting structures A contact electrode made of a transparent conductive material and a first light-transmitting part made of a material having a first refractive index and filled in the space between the plurality of nano light-emitting structures, disposed on the surface of the second conductive semiconductor layer of the light-emitting structure, and , A nanostructure semiconductor comprising a second light-transmitting part made of a material having a second refractive index greater than the first refractive index, disposed on the first light-transmitting part so as to cover the plurality of nano-light-emitting structures It provides a light emitting device.
Description
본 발명은 3차원 나노구조를 갖는 반도체 발광소자에 관한 것이다. The present invention relates to a semiconductor light emitting device having a three-dimensional nanostructure.
최근에는 새로운 반도체 발광소자 기술로서, 나노 구조물을 이용한 반도체 발광소자의 개발되고 있다. 나노 구조물을 이용한 반도체 발광소자(이하, '나노 구조 반도체 발광소자'라 함)는, 결정성이 크게 개선될 뿐만 아니라, 비극성면 또는 반극성면에서 활성층을 얻을 수 있으므로, 분극에 의한 효율저하를 방지할 수 있다. 또한, 넓은 표면적을 통해 발광할 수 있으므로, 광효율을 크게 향상시킬 수 있다. 이러한 향상된 광효율을 보장하기 위해서, 나노구조 반도체 발광소자는 외부 양자효율을 개선하여 광추출효율을 더욱 향상시킬 필요가 있다. Recently, as a new semiconductor light emitting device technology, semiconductor light emitting devices using nanostructures have been developed. A semiconductor light emitting device using a nano structure (hereinafter referred to as a'nano structure semiconductor light emitting device') not only greatly improves crystallinity, but also can obtain an active layer on a non-polar or semi-polar surface, thereby reducing efficiency due to polarization. Can be prevented. In addition, since it can emit light through a large surface area, light efficiency can be greatly improved. In order to ensure such improved light efficiency, the nanostructured semiconductor light emitting device needs to further improve light extraction efficiency by improving external quantum efficiency.
당 기술분야에서는, 복수의 나노 발광구조물을 배열된 고유한 형태에 적합하게 구성된 광추출 구조가 도입된 3차원 나노구조 반도체 발광소자가 요구되고 있다.
In the art, there is a need for a three-dimensional nanostructure semiconductor light emitting device in which a light extraction structure configured to fit a unique shape in which a plurality of nano light emitting structures are arranged is introduced.
본 발명의 일 실시예는, 각각, 제1 도전형 반도체로 이루어진 나노 코어와 상기 나노 코어의 표면에 순차적으로 위치한 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 갖는 복수의 나노 발광구조물과, 상기 복수의 나노 발광구조물의 제2 도전형 반도체층의 표면에 배치되며, 투명 전도성 물질로 이루어진 콘택 전극과, 상기 복수의 나노 발광구조물 사이의 공간에 충전되며, 제1 굴절률을 갖는 물질로 이루어진 제1 투광부와, 상기 복수의 나노 발광구조물을 덮도록 상기 제1 투광부 상에 배치되며, 복수의 렌즈를 포함하며, 상기 제1 굴절률보다 큰 제2 굴절률을 갖는 물질로 이루어진 제2 투광부를 포함하는 나노구조 반도체 발광소자를 제공한다 .
According to an embodiment of the present invention, a plurality of nano light emitting structures each having a nano core made of a first conductivity type semiconductor, an active layer and a second conductivity type semiconductor layer sequentially positioned on the surface of the nano core, and the plurality of nano light-emitting structures A contact electrode made of a transparent conductive material and a first light-transmitting part made of a material having a first refractive index and filled in the space between the plurality of nano light-emitting structures, disposed on the surface of the second conductive semiconductor layer of the light-emitting structure, and , A nanostructure semiconductor comprising a second light-transmitting part made of a material having a second refractive index greater than the first refractive index, disposed on the first light-transmitting part so as to cover the plurality of nano-light-emitting structures It provides a light emitting device.
상기 제2 투광부는 상기 복수의 나노 발광구조물을 덮도록 상기 제1 투광부 상에 배치된 플레이트를 더 포함하며, 상기 복수의 렌즈는 상기 플레이트 상에 배열될 수 있다. 이와 달리, 상기 복수의 렌즈가 각각 상기 복수의 나노 발광구조물을 덮도록 상기 제1 투광부 상에 배치될 수 있다.
The second light-transmitting part further includes a plate disposed on the first light-transmitting part to cover the plurality of nano light-emitting structures, and the plurality of lenses may be arranged on the plate. Alternatively, the plurality of lenses may be disposed on the first light-transmitting part so as to cover the plurality of nano light-emitting structures, respectively.
상기 복수의 렌즈는 각각 2 이상의 나노 발광구조물에 대응되도록 배열될 수도 있다. 이와 달리, 상기 복수의 렌즈는 각각 상기 복수의 나노 발광구조물 중 하나에 대응되도록 배열될 수 있다.
Each of the plurality of lenses may be arranged to correspond to two or more nano light emitting structures. Alternatively, each of the plurality of lenses may be arranged to correspond to one of the plurality of nano light emitting structures.
상기 나노 발광구조물은 제1 결정면인 측면을 갖는 메인부와, 상기 메인부 상에 위치하며 제1 결정면과 다른 제2 결정면인 표면을 갖는 상단부를 포함할 수 있다. The nano light-emitting structure may include a main portion having a side surface that is a first crystal plane, and an upper end portion disposed on the main portion and having a surface that is a second crystal surface different from the first crystal surface.
이 경우에, 상기 제1 투광부와 상기 제2 투광부의 계면은 상기 메인부의 높이와 거의 동일하거나 그보다 낮게 위치할 수 있다. In this case, the interface between the first light-transmitting portion and the second light-transmitting portion may be positioned substantially equal to or lower than the height of the main portion.
상기 콘택 전극은 상기 나노 발광구조물의 상단부의 적어도 일부 영역이 노출되도록 상기 나노 발광구조물의 측면에 배치될 수 있다. The contact electrode may be disposed on a side surface of the nano light-emitting structure such that at least a portion of the upper end of the nano light-emitting structure is exposed.
상기 제2 투광부는 상기 나노 발광구조물의 표면에 직접 접촉하는 계면을 가질 수 있다.The second light-transmitting part may have an interface in direct contact with the surface of the nano light-emitting structure.
상기 제2 투광부 상에 배치되어 추가적인 렌즈 형상을 제공하며, 상기 제2 굴절률과 다른 제3 굴절률을 갖는 물질로 이루어진 제3 투광부를 더 포함할 수 있다.
A third light-transmitting part may be disposed on the second light-transmitting part to provide an additional lens shape, and may further include a third light-transmitting part made of a material having a third refractive index different from the second refractive index.
본 발명의 일 실시예는, 상술된 나노구조 반도체 발광소자를 구비한 발광모듈과, 상기 발광 모듈을 구동하도록 구성된 구동부와, 상기 구동부에 외부 전압을 공급하도록 구성된 외부접속부를 포함하는 조명장치를 제공할 수 있다.
An embodiment of the present invention provides a lighting device comprising a light emitting module having the above-described nanostructure semiconductor light emitting device, a driving unit configured to drive the light emitting module, and an external connection unit configured to supply an external voltage to the driving unit. can do.
서로 다른 굴절률을 갖는 층을 다른 영역에 배치하고, 광추출면에 복수의 렌즈를 배열함으로써 원하는 방향으로의 광추출효율을 향상시킬 수 있다. 나노 발광구조물 사이에 상대적으로 낮은 굴절율을 갖는 물질을 충진하거나 비움(에어 충진)으로써 측면 방향으로 진행하는 광을 억제시켜 광추출 효율을 높일 수 있게 된다. 또한, 상부 방향으로는 상대적으로 높은 굴절률을 갖는 물질을 이루어진 렌즈구조를 도입함으로써 원하는 상부 방향으로의 광추출 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
By arranging layers having different refractive indices in different regions and arranging a plurality of lenses on the light extraction surface, it is possible to improve light extraction efficiency in a desired direction. By filling or emptying (air filling) a material having a relatively low refractive index between the nano light-emitting structures, light traveling in the lateral direction can be suppressed, thereby increasing light extraction efficiency. In addition, by introducing a lens structure made of a material having a relatively high refractive index in the upper direction, the light extraction efficiency toward the desired upper direction can be greatly improved.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조 반도체 발광소자를 나타내는 개략 사시도이다.
도2는 도1에 도시된 나노구조 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.
도3a 및 도3b는 도1에 도시된 실시예에 의한 광추출효율의 개선 효과를 설명하기 위한 나노 발광구조물의 단면도이다.
도4는 렌즈의 종횡비와 플레이트의 두께에 따른 광추출효율의 변화를 나타내는 그래프이다.
도5는 본 발명의 실시예에 채용될 수 있는 다양한 형상의 렌즈를 나타내는 평면도이다.
도6a 및 도6b는 본 발명의 실시예에 채용될 수 있는 다양한 형상의 렌즈를 나타내는 측단면도이다.
도7a 내지 도7g는 도1에 도시된 나노구조 반도체 발광소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다.
도8a 내지 도8e는 나노구조 반도체 발광소자 제조방법의 다른 예를 설명하기 위한 주요 공정별 단면도이다.
도9a 및 도9b는 개구의 형상의 다양한 예를 나타내는 마스크의 평면도이다.
도10a 및 도10b는 개구의 형상의 다양한 예를 나타내는 마스크의 측단면도이다.
도11a 및 도11b는 도8d에서 적용될 수 있는 열처리공정을 설명하기 위한 모식도이다.
도12a 내지 도12d는 도10a에 도시된 마스크를 이용하여 나노 코어를 얻기 위한 과정을 설명하기 위한 공정별 단면도이다.
도13 내지 도15은 본 발명의 다양한 실시예(플레이트 미채용)에 따른 나노구조 반도체 발광소자의 단면도이다.
도16 내지 도20은 본 발명의 다양한 실시예(부분 콘택전극 채용)에 따른 나노구조 반도체 발광소자의 단면도이다.
도21은 부분 콘택전극 채용에 따른 광추출효율 개선효과를 나타내는 그래프이다.
도22 내지 도24는 본 발명의 다양한 실시예(렌즈의 자발적 형성)에 따른 나노구조 반도체 발광소자의 단면도이다.
도25 및 도26는 본 발명의 다양한 실시예(무반사막 채용)에 따른 나노구조 반도체 발광소자의 단면도이다.
도27은 본 발명의 일 실시예(요철구조)에 따른 나노구조 반도체 발광소자의 단면도이다.
도28은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조 반도체 발광소자가 채용된 반도체 발광소자 패키지의 일 예를 나타낸다.
도29 및 도30은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조 반도체 발광소자가 채용된 백라이트 유닛의 예를 나타낸다.
도31은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조 반도체 발광소자가 채용된 조명 장치의 예를 나타낸다.
도32는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조 반도체 발광소자가 채용된 헤드 램프의 예를 나타낸다. 1 is a schematic perspective view showing a nanostructure semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a side cross-sectional view showing the nanostructured semiconductor light emitting device shown in FIG. 1.
3A and 3B are cross-sectional views of a nano light emitting structure for explaining an effect of improving light extraction efficiency according to the embodiment shown in FIG. 1.
4 is a graph showing the change in light extraction efficiency according to the aspect ratio of the lens and the thickness of the plate.
5 is a plan view showing lenses of various shapes that can be employed in an embodiment of the present invention.
6A and 6B are side cross-sectional views showing lenses of various shapes that can be employed in an embodiment of the present invention.
7A to 7G are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the nanostructured semiconductor light emitting device shown in FIG. 1.
8A to 8E are cross-sectional views of major processes for explaining another example of a method of manufacturing a nanostructured semiconductor light emitting device.
9A and 9B are plan views of masks showing various examples of opening shapes.
10A and 10B are side cross-sectional views of a mask showing various examples of the shape of an opening.
11A and 11B are schematic diagrams for explaining a heat treatment process that can be applied in FIG. 8D.
12A to 12D are cross-sectional views for explaining a process for obtaining a nano core using the mask shown in FIG. 10A.
13 to 15 are cross-sectional views of nanostructured semiconductor light emitting devices according to various embodiments of the present invention (no plate).
16 to 20 are cross-sectional views of nanostructured semiconductor light emitting devices according to various embodiments of the present invention (partial contact electrodes are employed).
21 is a graph showing an effect of improving light extraction efficiency by employing a partial contact electrode.
22 to 24 are cross-sectional views of nanostructured semiconductor light emitting devices according to various embodiments of the present invention (spontaneous formation of lenses).
25 and 26 are cross-sectional views of a nanostructured semiconductor light emitting device according to various embodiments of the present invention (adopting an anti-reflective layer).
27 is a cross-sectional view of a nanostructured semiconductor light emitting device according to an embodiment (corrugated structure) of the present invention.
28 shows an example of a semiconductor light emitting device package employing a nanostructured semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
29 and 30 show examples of a backlight unit employing a nanostructured semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
31 shows an example of a lighting device employing a nanostructure semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
32 shows an example of a headlamp employing a nanostructure semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
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.These embodiments may be modified in different forms or may be combined with each other, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. In addition, the present embodiments are provided to more completely explain the present invention to those with average knowledge in the art. For example, the shape and size of elements in the drawings may be exaggerated for clearer explanation, and elements indicated by the same reference numerals in the drawings are the same elements.
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.
On the other hand, the expression "one example" used in the present specification does not mean the same embodiment, and is provided to emphasize and describe different unique features. However, the embodiments presented in the description below do not exclude that they are implemented in combination with features of other embodiments. For example, even if a matter described in a specific embodiment is not described in another embodiment, it may be understood as a description related to another embodiment unless a description contradicts or contradicts the matter in another embodiment.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조 반도체 발광소자를 나타내는 개략 사시도이며, 도2는 도1에 도시된 나노구조 반도체 발광소자를 나타내는 측단면도이다.
1 is a schematic perspective view showing a nanostructure semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a side cross-sectional view showing the nanostructure semiconductor light emitting device shown in FIG. 1.
도1에 도시된 나노구조 반도체 발광소자(100)는, 제1 도전형 반도체 물질로 이루어진 베이스층(112)과 그 위에 배치된 다수의 나노 발광구조물(115)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 나노구조 반도체 발광소자(100)는 상기 베이스층(112)이 배치된 상면을 갖는 기판(111)을 포함할 수 있다.
The nanostructure semiconductor
상기 기판(111)의 상면에는 요철(R)이 형성될 수 있다. 상기 요철(R)은 광추출효율을 개선하면서 성장되는 단결정의 품질을 향상시킬 수 있다. 상기 기판(111)은 절연성, 도전성 또는 반도체 기판일 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(111)은 사파이어, SiC, Si, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2, GaN일 수 있다. An unevenness R may be formed on the upper surface of the
상기 베이스층(112)은 상기 나노 발광구조물(115)의 성장면을 제공할 수 있다. 상기 베이스층(112)은 AlxInyGa1 -x- yN (0≤x<1, 0≤y<1, 0≤x+y<1)을 만족하는 질화물 반도체일 수 있으며, 특정 도전형 불순물로 도프될 수 있다. 예를 들어, 상기 베이스층(112)은 Si와 같은 n형 불순물로 도프될 수 있다.The
상기 베이스층(112) 상에는 나노 발광구조물(115)(특히, 나노 코어(115a)) 성장을 위한 개구를 갖는 절연막(113)가 형성될 수 있다. 상기 개구에 의해 노출된 상기 베이스층(112) 영역에 나노 코어(115a)가 형성될 수 있다. 상기 절연막(113)은 나노 코어(115a)를 성장하기 위한 마스크로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 절연막(113)은 SiO2 또는 SiNx와 같은 절연물질일 수 있다. An insulating
상기 나노 발광구조물(115)은 제1 도전형 반도체로 이루어진 나노 코어(115a)와, 상기 나노 코어(115a)의 표면에 순차적으로 형성된 활성층(115b) 및 제2 도전형 반도체층(115c)을 가질 수 있다. 상기 나노 코어(115a)는 상기 베이스층(112)과 유사한 AlxInyGa1 -x- yN (0≤x<1, 0≤y<1, 0≤x+y<1)을 만족하는 질화물 반도체일 수 있다. 예를 들어, 상기 나노 코어(115a)는 n형 GaN일 수 있다. 상기 활성층(115b)은 양자우물층과 양자장벽층이 서로 교대로 적층된 다중 양자우물(MQW) 구조일 수 있다. 예를 들어, 질화물 반도체일 경우, GaN/InGaN인 다중양자우물구조일 수 있다. 필요에 따라, 상기 활성층(115b)은 단일 양자우물(SQW) 구조를 가질 수도 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(115c)은 p형 AlxInyGa1 -x-yN(0≤x<1, 0≤y<1, 0≤x+y<1)을 만족하는 결정이며 필요에 따라 복수의 층으로 구성될 수 있다.The nano
본 실시예에 채용된 나노 발광구조물(115)은 육각기둥 구조를 갖는 메인부(M)와 상기 메인부(M) 상에 위치한 상단부(T)를 포함할 수 있다. 상기 나노 발광구조물(115)의 메인부(M)는 동일한 결정면인 측면들을 가지며, 상기 나노 발광구조물(115)의 상단부(T)는 상기 나노 발광구조물(115)의 측면들의 결정면과 다른 결정면을 가질 수 있다. 상기 나노 발광구조물(115)의 상단부(T)는 육각 피라미드형상을 가질 수 있다. The nano
상기 나노구조 반도체 발광소자(100)는 상기 제2 도전형 반도체층(115c)과 접속된 콘택 전극(116)을 포함할 수 있다. 본 실시예에서 채용되는 콘택 전극(116)은 투명한 전도성 물질로 이루어질 수 있다. 이에 한정되지 않으나, 상기 콘택 전극(116)은 나노 발광구조물 측(기판측과 반대인 방향)으로 광을 방출하기 위해서 투명 전도성 산화물층 또는 질화물층 중 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, ITO(Indium Tin Oxide), ZITO(Zinc-doped Indium Tin Oxide), ZIO(Zinc Indium Oxide), GIO(Gallium Indium Oxide), ZTO(Zinc TinOxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), AZO(Aluminium-doped Zinc Oxide), GZO(Gallium-doped Zinc Oxide),In4Sn3O12 및 Zn(1-x)MgxO(Zinc Magnesium Oxide, 0≤x≤1)로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다. 필요에 따라, 상기 콘택 전극(116)은 그래핀(graphene)을 포함할 수도 있다.
The nanostructured semiconductor
상기 나노구조 반도체 발광소자(100)는 제1 및 제2 전극(119a,119b)을 포함할 수 있다. 상기 제1 전극(119a)은 제1 도전형 반도체로 이루어진 베이스층(112)의 일부가 노출된 영역에 배치될 수 있다. 또한, 상기 제2 전극(119b)은 상기 콘택 전극(116)이 연장되어 노출된 영역에 배치될 수 있다. The nanostructured semiconductor
상기 나노구조 반도체 발광소자(100)는 상기 나노 발광구조물(115)의 상면에 형성된 광투과성 보호층(117)을 포함할 수 있다. 이러한 광투과성 보호층(117)은 상기 나노 발광구조물(115)을 보호할 수 있는 페시베이션 역할을 할 수 있다. The nanostructure semiconductor
본 실시예에 채용된 광투과성 보호층(117)은 나노 발광구조물(115)에 적합하게 광추출효율을 향상시키도록 제공될 수 있다. The light-transmitting
도2에 도시된 바와 같이, 상기 광투과성 보호층(117)은 제1 굴절률을 갖는 물질로 이루어진 제1 투광부(117a)와 상기 제1 굴절률보다 큰 제2 굴절률을 갖는 물질로 이루어진 제2 투광부(117b)를 포함할 수 있다. As shown in FIG. 2, the light-transmitting
상기 제1 투광부(117a)는 상기 복수의 나노 발광구조물(115) 사이의 공간에 상기 제1 굴절률을 갖는 물질로 충전됨으로써 형성될 수 있다. 상기 제1 투광부(117a)는 상기 복수의 나노 발광구조물(115)의 일부를 덮지 않는 정도의 두께로 형성될 수 있다. The first light-transmitting
상기 제2 투광부(117b)는 상기 복수의 나노 발광구조물(115)의 일부를 덮도록 상기 제1 투광부(117a) 상에 배치될 수 있다. 본 실시예에서, 상기 제2 투광부(117b)는 상기 나노 발광구조물(115)을 덮는 플레이트(P)와, 상기 플레이트(P) 상에 배열된 복수의 렌즈(L)를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 상기 플레이트(P)는 상기 복수의 렌즈(L)와 동일한 제2 굴절률을 갖는 물질로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 상기 플레이트(P)와 상기 렌즈(L)는 다른 굴절률을 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 렌즈(L)는 상기 플레이트(P)의 굴절률보다 큰 굴절률을 가질 수 있다. The second light-transmitting
도1에 도시된 바와 같이, 상기 광투과성 보호층(117) 상에 4개의 볼록한 렌즈(L)가 배열되며, 상기 렌즈(L)는 각각 여러 개의 나노 발광구조물(115)이 위치한 영역에 대응되는 크기를 가질 수 있다. 상기 렌즈(L)는 일정한 간격(d0)을 갖도록 이격되어 배치될 수 있다. As shown in FIG. 1, four convex lenses L are arranged on the light-transmitting
본 실시예에 따른 광투과성 보호층(117)은 상부 방향으로의 광을 효과적으로 추출시킬수 있다.The light-transmitting
구체적으로 설명하면, 스넬 법칙(snell's law)에 따라, 상대적으로 낮은 굴절률을 갖는 영역으로 진행되는 빛은 전반사되는 입사각 범위가 커지므로, 진행되는 광량이 억제될 수 있다. 반면에, 상대적으로 높은 굴절률을 갖는 영역으로 진행되는 빛은 전반사되는 입사각 범위가 작아지므로, 진행되는 광량이 증가될 수 있다. Specifically, according to Snell's law, since light traveling to a region having a relatively low refractive index increases an incident angle range for total reflection, the amount of light traveling can be suppressed. On the other hand, since light traveling to a region having a relatively high refractive index has a small incidence angle range for total reflection, the amount of light traveling can be increased.
따라서, 단일한 굴절률을 갖는 광투과성 보호층(117a')을 채용한 형태(도3a참조)와 비교할 때에, 본 실시예(도3b 참조)에 채용된 광투과성 보호층(117)은 상부방향으로 추출되는 광량을 크게 증가시킬 수 있다. 즉, 도3b에 도시된 바와 같이, 굴절률이 작은 제1 투광부(117a)를 나노 발광구조물(115) 사이의 공간에 배치하여 나노 발광구조물(115)의 측방향으로 진행되는 광을 감소시킴으로써(A2→A2'), 굴절률이 큰 제2 투광부(117b)를 나노 발광구조물(115) 상부에 배치하여 상부로 진행되는 광량을 크게 증가시킬 수 있다(A1→A1'). 또한, 광방출면에 렌즈(L)를 배치함으로써 최종적으로 광(A1")을 효과적으로 추출시킬 수 있다. 이와 같이, 나노 발광구조물(115)의 측방향으로의 광 진행을 억제하고 상부 방향으로 광을 효과적으로 추출시킴으로써, 원하는 상부방향에서의 광추출효율을 크게 향상시킬 수 있다. Therefore, when compared with the form in which the light-transmitting
도3a에서 단일한 굴절률을 갖는 광투과성 보호층(117)이 제1 투광부(117a)와 같이, 저굴절률을 갖는 물질로 형성된 것으로 예시하였으나, 제2 투광부(117b)와 같이 고굴절률을 갖는 물질로 형성될 수 있다. 이 경우에도, 나노 발광구조물(115)의 측방향으로 진행되는 광이 많아지므로, 도3b의 구조에 비해서 나노 발광구조물(115)의 상부방향으로 진행되는 광이 감소될 수 밖에 없다. In FIG. 3A, it is illustrated that the light-transmitting
또한, 렌즈(L)의 배열을 이용하여 상부 방향으로 진행되는 광을 효과적으로 추출시킬 수 있을 뿐만 아니라, 렌즈(L)의 형상과 배열을 이용하여 지향각을 조절하여 원하는 방사패턴을 구현할 수도 있다. In addition, it is possible to effectively extract light traveling in the upper direction by using the arrangement of the lenses L, and to implement a desired radiation pattern by adjusting the directivity angle using the shape and arrangement of the lenses L.
본 실시예에 채용된 제2 투광부(117b)에 따른 효과를 살펴 보기 위해서, 렌즈(L)의 종횡비와 플레이트(P)의 두께(T0)에 따른 광추출효율의 변화를 측정하였으며, 그 결과를 도4의 그래프로 나타내었다. 여기서, 렌즈(L)의 종횡비는 도3b에 표시된 바와 같이, 렌즈(L)의 반경(r) 대비 높이(h)로 정의하였다. 도4에 표시된 광추출효율은 도3a에 도시된 형태(저굴절률인 광투과성 보호층 채용)과 대비하여 개선된 값을 나타낸다. In order to examine the effect of the second light-transmitting
도4에 나타난 바와 같이, 일정 수준(예, 종횡비: 약 0.9 이하)까지는 렌즈(R)의 종횡비가 커질수록 광추출효율이 증가하는 경향을 갖는 것으로 나타났다. 반면에, 일정한 종횡비 조건에서 플레이트(P)의 두께(T0)는 오히려 감소하는 경향을 나타내었다. 예를 들어, 플레이트의 두께(T0)는 약 1300㎚이하이면서 종횡비는 약 0.5 이상인 구간에서 광추출효율은 약 7% 정도 개선될 수 있으며, 최대값(Max)으로 표시된 구간에서는 7% 이상의 개선효과를 기대할 수 있다.
As shown in FIG. 4, it was found that the light extraction efficiency tends to increase as the aspect ratio of the lens R increases up to a certain level (eg, aspect ratio: about 0.9 or less). On the other hand, under constant aspect ratio conditions, the thickness (T 0 ) of the plate P showed a rather decreasing tendency. For example, in the section where the thickness of the plate (T 0 ) is about 1300 nm or less and the aspect ratio is about 0.5 or more, the light extraction efficiency can be improved by about 7%, and in the section indicated by the maximum value (Max), it is improved by 7% or more. You can expect the effect.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 나노 발광구조물(115)은 GaN(굴절률: 약 2.4)을 포함할 수 있다. 이 경우에, 상부에 배치되는 제2 투광부(117b)의 제2 굴절률(약 1.7∼ 약 3의 범위)은 나노 발광구조물(115)의 굴절률과 유사한 범위를 갖는 물질로 형성하고, 그 측면에 배치되는 제1 투광부(117a)는 상기 제2 굴절률보다 낮은 제1 굴절률(약 1.5 이하)을 갖는 물질로 형성할 수 있다. 달리 표현하면, 상기 제1 굴절률은 상기 나노 발광구조물(115)의 굴절률보다 작고, 상기 제1 굴절률과 상기 제2 굴절률의 차이는 0.2 이상일 수 있다. 특정예에서, 제1 투광부(117a)는 다른 물질층이 충전되지 않은 에어(air)일 수 있다. As described above, the nano
이와 같이, 나노 발광구조물(115)의 굴절률을 고려하여, 제1 투광부(117a)와 제2 투광부(117b)를 구성할 물질의 굴절률을 선택할 수 있다.상기 제2 투광부(117b)의 굴절률은 상기 제1 투광부(117a)의 굴절률에 따라 결정되나, 상기 제1 투광부(117a)의 굴절률층이 약 1.5 이하인 경우에, 상기 제2 투광부(117b)의 굴절률은 약 1.7 이상일 수 있으며, 본 실시예와 같이, 플레이트(P)뿐만 아니라 렌즈(L)도 동일한 물질로 형성될 수 있다. In this way, in consideration of the refractive index of the nano light-emitting
상부 방향으로 광추출효율을 향상시키기 위해서, 상기 제2 투광부(117b)는 상기 제1 투광부(117a)보다 상기 나노 발광구조물(115)의 굴절률과 더 유사하거나 상기 나노 발광구조물(115)보다도 높은 굴절률을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 투광부(117b)는 TiO2(2.8), SiC(2.69), ZnO(2.1), ZrO2(2.23), ZnS(2.66), SiN(2.05), HfO2(1.95) 및 다이아몬드(2.44) 중 적어도 하나일 수 있다(괄호안은 굴절률(@450㎚)). 특정 예에서, 나노 발광구조물(115)이 GaN(약 2.4)인 경우에, 1.9 이상, 바람직하게는 2.0 이상일 수 있다.
In order to improve the light extraction efficiency in the upper direction, the second light-transmitting
상술한 바와 같이, 서로 다른 굴절률을 이용한 다층구조와 함께 렌즈(L)를 도입함으로써 상부 방향으로 진행되는 광을 효과적으로 추출시킬 수 있을 뿐만 아니라, 렌즈(L)의 형상과 배열을 이용하여 지향각을 조절할 수 있으며, 이를 이용하여 방사 패턴을 다양하게 구현할 수도 있다. 이를 위해서, 본 실시예에 채용가능한 렌즈는 다양하게 변형될 수 있다. As described above, by introducing the lens L together with a multilayer structure using different refractive indices, it is possible to effectively extract the light traveling in the upward direction, and the directivity angle can be adjusted using the shape and arrangement of the lens L. It can be adjusted, and the radiation pattern can be variously implemented using this. To this end, the lens employable in this embodiment can be variously modified.
도5는 본 실시예에 채용가능한 다양한 형상의 렌즈가 나노구조 반도체 발광소자의 상면에 배열된 형태를 도시한다. 5 shows a form in which lenses of various shapes that can be employed in the present embodiment are arranged on the upper surface of the nanostructured semiconductor light emitting device.
도5에 도시된 바와 같이, 상기 렌즈는 원형(L1), 타원형(L2)뿐만 아니라 다각형인 평면일 수 있다. 예를 들어, 이러한 다각형인 렌즈는 사각형(L3), 평행사변형(L4), 육각형(L5)일 수 있다. 그 외에도 L6에 도시된 바와 같이 여러 가지 다양한 형상의 렌즈일 수 있다. As shown in FIG. 5, the lens may be a circular plane (L1), an ellipse (L2), as well as a polygonal plane. For example, such a polygonal lens may be a square (L3), a parallelogram (L4), a hexagon (L5). In addition, as shown in L6, it may be a lens having various shapes.
도6a 및 도6b는 본 실시예에 채용가능한 볼록한 렌즈를 나타내는 측단면도이다. 도6a에 도시된 볼록 렌즈(L1)는 전체 표면이 일정한 곡률을 갖는 형태일 수 있다. 이와 달리, 도6b에 도시된 볼록 렌즈(L2)는 상부 평면을 갖는 볼록한 형상일 수 있다. 즉, 도6b에 도시된 볼록 렌즈(L2)는 도6a에 도시된 볼록 렌즈의 상부 일부가 절단된 형상을 가질 수 있다. 6A and 6B are side cross-sectional views showing a convex lens employable in this embodiment. The convex lens L1 illustrated in FIG. 6A may have a shape in which the entire surface has a constant curvature. Alternatively, the convex lens L2 shown in FIG. 6B may have a convex shape having an upper plane. That is, the convex lens L2 shown in FIG. 6B may have a shape in which an upper portion of the convex lens shown in FIG. 6A is cut off.
이와 같이, 본 실시예에 채용가능한 렌즈는 다양한 형상을 가질 수 있다. 여기서는, 상기 렌즈가 복수의 나노 발광구조물(NS)에 대응되는 크기로 형성되는 형태로 예시되어 있으나, 이에 한정되지 않고, 단일 나노 발광구조물에 대응되는 렌즈를 가질 수 있다(도14, 도17 등).
As described above, the lens employable in the present embodiment may have various shapes. Here, the lens is exemplified in a form in which the lens has a size corresponding to a plurality of nano light-emitting structures NS, but is not limited thereto, and a lens corresponding to a single nano light-emitting structure may be provided (Figs. 14, 17, etc.). ).
도7a 내지 도7g는 도1에 도시된 나노구조 반도체 발광소자의 제조방법을 설명하기 위한 공정 단면도이다. 7A to 7G are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the nanostructured semiconductor light emitting device shown in FIG. 1.
도7a에 도시된 바와 같이, 제1 도전형 반도체로 이루어진 베이스층(112) 상에 복수의 나노 코어(115a)를 형성할 수 있다. As shown in FIG. 7A, a plurality of
상기 기판(111)은 요철(R)이 형성된 상면을 가질 수 있다. 상기 베이스층(112)은 상기 기판(111) 상면에 형성될 수 있다. 상기 베이스층(112) 상에는 개구(O)를 갖는 절연막(113)이 형성된다. 상기 절연막(113)을 마스크로 이용하여 상기 베이스층(112)의 노출된 영역에 원하는 나노 코어(115a)를 성장시킬 수 있다. The
본 실시예에서는 선택적인 성장을 이용하여 형성된 나노 코어(115)를 설명하였으나, 이와 달리 원하는 나노 코어(117)에 대응되는 개구를 갖는 몰드를 이용하여 나노 코어를 성장하고, 이어 몰드를 제거하는 방법으로 원하는 나노 코어를 얻을 수 있다.
In the present embodiment, the nano-
도7b에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 나노 코어(115a)의 표면에 활성층(115b) 및 제2 도전형 반도체층(115c)을 순차적으로 형성할 수 있다. As shown in FIG. 7B, an
이러한 공정을 통해서, 원하는 복수의 나노 발광구조물(115)을 형성할 수 있다. 상기 활성층(115b)은 양자우물층과 양자장벽층이 서로 교대로 적층된 다중 양자우물(MQW) 구조일 수 있다. 예를 들어, 질화물 반도체일 경우, GaN/InGaN인 다중양자우물구조일 수 있다. 필요에 따라, 상기 활성층(115b)은 단일 양자우물(SQW) 구조를 가질 수도 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(115c)은 p형 AlxInyGa1 -x-yN(0≤x<1, 0≤y<1, 0≤x+y<1)을 만족하는 결정이며 필요에 따라 복수의 층으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 반도체층(115c)은 AlGaN 전자차단층과 GaN 콘택층을 포함할 수 있다.
Through this process, a plurality of desired nano
다음으로, 도7c에 도시된 바와 같이, 상기 나노 발광구조물(115)에 콘택 전극(116)을 형성할 수 있다. Next, as shown in FIG. 7C, a
상기 콘택 전극(116)은 상기 제2 도전형 반도체층(115c)의 표면에 형성될 수 있다. 이에 한정되지 않으나, 본 실시예에서 채용되는 콘택 전극(116)은 투명한 전도성 물질로 이루어질 수 있다. 상기 콘택 전극(116)은 투명 전도성 산화물층 또는 질화물층 중 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, ITO, ZITO, ZIO, GIO, ZTO, FTO, AZO, GZO,In4Sn3O12 및 Zn(1-x)MgxO로부터 선택된 적어도 하나일 수 있다. 필요에 따라, 상기 콘택 전극(116)은 그래핀을 포함할 수도 있다. 상기 나노 발광구조물(115) 사이에는 공간이 존재할 수 있다.
The
이어, 도7d에 도시된 바와 같이, 상기 나노 발광구조물(115) 사이의 공간(S)이 충전되도록 제1 투광부(117a)를 형성할 수 있다. Subsequently, as shown in FIG. 7D, a first light-transmitting
상기 제1 투광부(117a)는 SiO2(1.46)과 같은 낮은 굴절률을 갖는 물질이 사용될 수 있다. 상기 제1 투광부(117a)는 화학 기상 증착 공정(CVD) 또는 물리적 기상 증착 공정(PVD)와 같은 증착공정에 의해 형성될 수 있다. 이와 달리, 상기 나노 발광구조물(115) 사이의 공간에 용이하게 충전될 수 있는 물질과 다른 공정을 이용할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 투광부(117a)는 TEOS(TetraEthylOrthoSilane), BPSG(BoroPhospho Silicate Glass), CVD-SiO2, SOG(Spin-on Glass), SOD(Spin-on Delectric) 물질을 사용할 수 있다. 이 경우에, 각 물질의 유동성을 이용하므로, 스핀 코팅 또는 리플로우 공정으로 충전공정을 용이하게 수행할 수 있다. A material having a low refractive index such as SiO 2 (1.46) may be used for the first
한편, 상기 제1 투광부(117a)로 상대적으로 낮은 굴절률(1.4∼1.7)을 갖고 작업성이 우수한 광투과성 수지도 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 광투과성 수지로는 에폭시 수지, 실리콘 수지, 폴리에틸렌 및 폴리카보네이트로부터 선택된 적어도 하나의 수지가 사용될 수 있다. 상기 제1 투광부(117a)는 보다 낮은 굴절률을 구현하기 위해서 다공성 구조를 채용할 수 있다. 예를 들어, 다공성 실리콘을 사용할 경우에는 약 1.2 수준의 굴절률을 구현할 수 있다. Meanwhile, a light-transmitting resin having a relatively low refractive index (1.4 to 1.7) and excellent workability may also be used as the first light-transmitting
상기 제1 투광부(117a)는 상기 나노 발광구조물(115)의 일부가 노출되도록 상기 나노 발광구조물(115)의 높이보다 작은 두께(t1)를 가질 수 있다. 상기 나노 발광구조물(115)의 노출된 일부 영역은 후속 공정에 형성될 제2 투광부에 의해 덮혀질 수 있다. 상기 제1 투광부(117a)의 상면은 상기 나노 발광구조물(115)의 메인부로 정의되는 높이(H)의 50%보다 높은 지점에 위치할 수 있다.
The first light-transmitting
이어, 도7e에 도시된 바와 같이, 제1 투광부(117a) 상에 제2 투광부(117b)를 형성할 수 있다. Subsequently, as shown in FIG. 7E, a second light-transmitting
상기 제2 투광부(117b)는 상기 제1 투광부(117a) 상에서 상기 나노 발광구조물(115)의 노출된 영역을 덮도록 형성될 수 있다. 본 공정에서, 상기 제2 투광부(117b)의 두께(t2)는 원하는 렌즈의 높이 및 플레이트의 두께를 고려하여 형성될 수 있다. 상기 제2 투광부(117b)는 적어도 원하는 렌즈 높이와 플레이트 두께의 합과 같거나 그보다는 큰 두께를 갖도록 형성될 수 있다. The second light-transmitting
상기 제2 투광부(117b)는 상기 나노 발광구조물(115)과 직접 접촉하는 계면을 가질 수 있다. 본 실시예와 같이, 상기 제2 투광부(117b)의 일부는 상기 나노 발광구조물(115) 사이의 나머지 공간을 충전하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 나노 발광구조물(115)의 메인부의 일부 영역에 위치할 수 있다. 이렇게 제2 투광부(117b)를 배치함으로써 상기 나노 발광구조물(115)로부터 상기 제2 투광부(117b)를 통해서 상부로 더 많은 광을 추출시킬 수 있다. 상기 제2 투광부(117b)는 상기 나노 발광구조물(115)의 메인부에 위치한 부분이 소정의 두께(t3)를 갖도록 형성할 수 있다. 이러한 두께(t3)는 상기 나노 발광구조물(115)의 메인부로 정의되는 높이(H)의 50% 이하일 수 있다. . The second light-transmitting
상기 제2 투광부(117b)는 화학 기상 증착 공정(CVD) 또는 물리적 기상 증착 공정(PVD)와 같은 증착공정에 의해 형성될 수 있다. 상기 제2 투광부(117b)는 상기 제1 투광부(117a)보다 큰 굴절률을 갖는다. 상기 제2 투광부(117b)의 굴절률은 상기 제1 투광부(117a)의 굴절률에 따라 결정되나, 상기 제1 투광부(117a)의 굴절률층이 약 1.5 이하인 경우에, 상기 제2 투광부(117b)의 굴절률은 약 1.7 이상일 수 있다. The second
상부 방향으로 광추출효율을 향상시키기 위해서, 상기 제2 투광부(117b)는 상기 나노 발광구조물(115)의 굴절률과 유사하거나 그보다도 높은 굴절률을 가질 수 있다. 예를 들어, 나노 발광구조물(15)이 GaN(약 2.4)인 경우에, 1.9 이상, 바람직하게는 2.0 이상일 수 있다. In order to improve light extraction efficiency in the upper direction, the second light-transmitting
예를 들어, 상기 제2 투광부(117b)는 TiO2(2.8), SiC(2.69), ZnO(2.1), ZrO2(2.23), ZnS(2.66), SiN(2.05), HfO2(1.95) 및 다이아몬드(2.44) 중 적어도 하나일 수 있다(괄호안은 굴절률(@450㎚)). 이러한 조건에서 단일한 굴절률을 갖는 광투과성 보호층에 비해 광추출효율을 5∼7% 정도 개선시킬 수 있다. 특히, 제1 투광부(제1 굴절률)가 2.0일 때보다 1.5 이하일 때에, 더 큰 개선효과를 기대할 수 있다. For example, the second
나노 발광구조물(115)의 메인부 높이(H)에 대한 제2 투광부(117b)의 메인부를 덮는 부분의 두께(t3)의 비율을 약 50%까지 증가시킬 때에 광추출효율이 점차 향상시킬 수 있다. 즉, 상기 제2 투광부(117b)를 적정한 수준(메인부 높이 대비 50%이하)으로 상기 나노 발광구조물(115)의 메인부까지 연장시킴으로써 광추출효율을 크게 개선시킬 수 있다.
When the ratio of the thickness t3 of the portion covering the main portion of the second light-transmitting
다음으로, 상기 제2 투광부(117b)의 광방출면 상에 배열된 복수의 렌즈(L)를 형성하는 공정을 수행할 수 있다. 본 실시예에 따른 렌즈 형성 공정은 도7f 및 도7g에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 패턴(PR)을 이용한 건식식각공정으로 구현될 수 있다. Next, a process of forming a plurality of lenses L arranged on the light emitting surface of the second
우선, 도7f에 도시된 바와 같이, 상기 제2 투광부(117b) 상에 원하는 렌즈형상을 갖는 포토레지스트 패턴(PR)을 형성하고 상기 포토레지스트 패턴(PR)을 이용하여 상기 제2 투광부(117b)를 건식식각을 수행할 수 있다. 이러한 렌즈형상의 포토레지스트 패턴(PR)은 리소그래피 공정을 이용하여 1차 포토레지스트 패턴을 형성하고, 이어 그 패턴을 열처리하여 리플로우(reflow)시킴으로써 얻어질 수 있다. First, as shown in FIG. 7F, a photoresist pattern PR having a desired lens shape is formed on the second
이러한 건식식각과정에서, 렌즈 형상인 포토레지스트 패턴(PR)과 상기 제2 투광부(117b)의 노출영역이 함께 식각되면서, 도7g에 도시된 바와 같이, 상기 포토레지스트 패턴(PR)의 렌즈 형상이 상기 제2 투광부(117b)에 전사되어 원하는 렌즈(L)를 형성할 수 있다.
In this dry etching process, as the photoresist pattern PR in the shape of a lens and the exposed area of the second
본 실시형태에 따른 나노구조 반도체 발광소자는 다양한 제조방법으로 제조될 수 있다. 도8a 내지 도8e는 나노구조 반도체 발광소자의 제조방법의 일 예로서, 마스크를 몰드구조로 이용하여 나노 코어를 충전시키는 방식으로 성장시키는 공정을 나타낸다. 본 공정은 도7a 및 도7b에 도시된 나노 발광구조물을 형성하는 공정을 대체하는 공정으로 이해될 수 있다. The nanostructured semiconductor light emitting device according to the present embodiment can be manufactured by various manufacturing methods. 8A to 8E are examples of a method of manufacturing a nanostructured semiconductor light emitting device, illustrating a process of growing a nanocore by using a mask as a mold structure. This process may be understood as a process replacing the process of forming the nano light emitting structure shown in FIGS. 7A and 7B.
도8a에 도시된 바와 같이, 상기 기판(131) 상에 제1 도전형 반도체를 성장시켜 베이스층(132)을 제공할 수 있다. As shown in FIG. 8A, a
상기 베이스층(132)은 나노 발광구조물을 성장시키는 결정 성장면을 제공할 뿐만 아니라, 나노 발광구조물(132)의 일단을 서로 전기적으로 연결하는 구조로 제공될 수 있다. 따라서, 상기 베이스층(132)은 전기적 도전성을 갖는 반도체 단결정으로 형성될 수 있다. 이러한 베이스층(132)은 직접 성장하는 경우에, 상기 기판(131)은 결정성장용 기판일 수 있다. 상기 베이스층(132) 성장 전에 상기 기판(131) 상에 AlxInyGa1 -x- yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 구성된 버퍼층을 포함해 다층막 구조가 추가로 형성될 수 있다. 상기 다층막 구조에는 상기 베이스층(132)으로부터 상기 버퍼층쪽으로의 전류 누설을 막고, 상기 베이스층(132)의 결정 품질 향상을 위한 언도핑 GaN층 및 AlGaN층 또는 이들 층의 조합으로 구성된 중간층들이 포함된다.
The
이어, 도8b에 도시된 바와 같이, 상기 베이스층(132) 상에 복수의 개구(O)를 가지며 식각정지층을 포함하는 마스크(133)를 형성한다. Next, as shown in FIG. 8B, a
본 실시예에 채용된 마스크(133)는 상기 베이스층(132) 상에 형성된 제1 물질층(133a)과, 상기 제1 물질층(133a) 상에 형성되며 상기 제1 물질층(133a)의 식각률보다 큰 식각률을 갖는 제2 물질층(133b)을 포함할 수 있다.The
상기 제1 물질층(133a)은 상기 식각 정지층으로 제공될 수 있다. 즉, 상기 제1 물질층(133a)은 상기 제2 물질층(133b)의 식각조건에서 상기 제2 물질층(133b)의 식각률보다 낮은 식각률을 갖는다. 적어도 상기 제1 물질층(133a)은 전기적인 절연성을 갖는 물질이며, 필요에 따라 상기 제2 물질층(133b)도 절연 물질일 수 있다. The
상기 제1 및 제2 물질층(133a,133b)은 원하는 식각률 차이를 얻기 위해서 서로 다른 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 물질층(133a)은 SiN계 물질이며, 상기 제2 물질층(133b)은 SiO2일 수 있다. 이와 달리, 이러한 식각률의 차이는 공극밀도를 이용하여 구현될 수 있다. 상기 제2 물질층(133b)을 또는 제1 및 제2 물질층(133a,133b) 모두를 다공성 구조의 물질로 형성할 수 있다. 제1 및 제2 물질층(133a,133b) 모두를 다공성 구조의 물질로 형성한 후 경우에는, 그 공극률의 차이를 조절하여 제1 및 제2 물질층(133a,133b)의 식각률의 차이를 확보할 수 있다. 이 경우에 제1 및 제2 물질층(133a,133b)은 동일한 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 물질층(133a)은 제1 공극률을 갖는 SiO2이며, 제2 물질층(133b)은 제1 물질층(133a)과 동일하며 제2 공극률을 갖는 SiO2로 이루어지며, 여기서, 상기 제1 공극률보다 큰 제2 공극률을 가질 수 있다. 이로써, 상기 제2 물질층(133a)이 식각되는 조건에서 상기 제1 물질층(133a)은 상기 제2 물질층(133b)의 식각률보다 낮은 식각률을 가질 수 있다.The first and
상기 제1 및 제2 물질층(133a,133b)의 총 두께는 원하는 나노 발광구조물의 높이를 고려하여 설계될 수 있다. 예를 들어, 상기 마스크(133)가 적어도 나노 코어의 측면 높이와 동일하거나 더 큰 높이로 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 상기 제1 물질층(133a)에 의한 식각 정지 레벨은 상기 베이스층(132) 표면으로부터 상기 마스크(133)의 전체 높이를 고려하여 설계될 수 있다. 상기 제1 및 제2 물질층(133a,133b)을 순차적으로 베이스층(132) 상에 형성한 후에, 복수의 개구(O)를 형성하여 상기 베이스층(132) 영역을 노출시킬 수 있다. 상기 개구(O)의 형성은 상기 마스크층(133) 상부에 포토레지스트를 형성하고, 이를 이용한 리소그래피 및 습식/건식 에칭 공정으로 수행될 수 있다. 각 개구(O)의 사이즈는 원하는 나노 발광구조물의 사이즈를 고려하여 설계될 수 있다. 예를 들어, 상기 베이스층(132)의 표면을 노출하는 개구(O)는 폭(직경)의 600㎚이하, 나아가 50∼500㎚이하일 수 있다. The total thickness of the first and
상기 개구(O)는 반도체 공정을 이용하여 제조될 수 있으며, 예를 들어, 딥 에칭(deep-etching)공정을 이용하여 높은 종횡비를 갖는 개구(O)를 형성할 수 있다. 상기 개구(H)의 종횡비는 5:1 이상, 나아가 10:1 이상일 수 있다. The opening O may be manufactured using a semiconductor process, and for example, an opening O having a high aspect ratio may be formed using a deep-etching process. The aspect ratio of the opening H may be 5:1 or more, and further 10:1 or more.
식각 조건에 따라 달라질 수 있으나, 일반적으로 상기 제1 및 제2 물질층(133a,133b)에서의 상기 개구(O)는 베이스층(132) 방향으로 갈수록 작아지는 폭을 가질 수 있다. Although it may vary according to etching conditions, in general, the opening O in the first and
일반적으로, 딥 에칭 공정은 건식식각 공정이 사용되며, 플라즈마로부터 발생되는 반응성 이온을 이용하거나 높은 진공에서 발생되는 이온빔을 이용할 수 있다. 이러한 건식 식각은 습식 식각과 비교하여 미세구조를 기하학적 제한 없이 정밀한 가공을 진행할 수 있다. 상기 마스크(133)의 산화막 에칭에는 CF 계열 가스가 이용될 수 있다. 예를 들어 CF4, C2F6, C3F8, C4F8, CHF3와 같은 가스에 O2 및 Ar 중 적어도 하나를 조합한 에천트가 이용될 수 있다.
In general, a dry etching process is used for the deep etching process, and reactive ions generated from plasma may be used or an ion beam generated in a high vacuum may be used. Compared with wet etching, such dry etching can perform precise processing of microstructures without geometric limitations. A CF-based gas may be used for etching the oxide layer of the
이러한 개구(O)의 평면 형상과 배열은 다양하게 구현될 수 있다. 예를 들어, 평면 형상의 경우에는, 다각형, 사각형, 타원형, 원형과 같이 다양하게 구현될 수 있다. 도8b에 도시된 마스크(133)는 도9a에 도시된 바와 같이, 단면이 원형인 개구(O)의 어레이를 가질 수 있으나, 필요에 따라 다른 형상 및/또는 다른 배열을 가질 수 있다. 예를 들어, 도9b에 도시된 마스크(133')와 같이, 단면이 정육각형인 개구(O)의 어레이를 가질 수 있다. The planar shape and arrangement of the openings O may be variously implemented. For example, in the case of a flat shape, it may be implemented in various ways such as a polygon, a square, an oval, and a circle. The
도8b에 도시된 개구(O)는 직경(또는 폭)이 일정한 로드(rod) 구조로 예시되어 있으나, 이에 한정되지 아니하며, 적절한 에칭공정을 이용하여 다양한 구조를 가질 수 있다. 이러한 예로서, 도10a 및 도10b에 다른 형상의 개구를 갖는 마스크가 도시되어 있다. 도10a의 경우에, 제1 및 제2 물질층(143a,143b)로 이루어진 마스크(143)는 상부로 갈수록 단면적이 증가하는 형상의 기둥구조의 개구(O)를 가지며, 도10b의 경우에는, 제1 및 제2 물질층(143a',143b')으로 이루어진 마스크(143')는 상부로 갈수록 단면적이 감소하는 형상의 기둥구조의 개구(O)를 가질 수 있다.
The opening O shown in FIG. 8B is illustrated as a rod structure having a constant diameter (or width), but is not limited thereto, and may have various structures using an appropriate etching process. As such an example, masks having openings of different shapes are shown in Figs. 10A and 10B. In the case of Fig. 10A, the
다음으로, 도8c에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 개구(O)가 충전되도록 상기 베이스층(132)의 노출된 영역에 제1 도전형 반도체를 성장시킴으로써 복수의 나노 코어(135a)를 형성하고, 이어 상기 나노 코어(135a)의 상단부(T)에 전류차단 중간층(134)을 형성한다. Next, as shown in FIG. 8C, a plurality of
상기 나노 코어(135a)의 제1 도전형 반도체는 n형 질화물 반도체일 수 있으며, 상기 베이스층(132)의 제1 도전형 반도체와 동일한 물질일 수 있다. 예를 들어, 상기 베이스층(132)과 상기 나노 코어(135a)는 n형 GaN으로 형성될 수 있다. The first conductivity type semiconductor of the
상기 나노 코어(135a)를 구성하는 질화물 단결정은 MOCVD 또는 MBE 공정을 이용하여 형성될 수 있으며, 상기 마스크(133)는 성장되는 질화물 단결정의 몰드로 작용하여 개구(O)의 형상에 대응되는 나노 코어(135a)를 제공할 수 있다. 즉, 질화물 단결정은 상기 마스크(133)에 의해 상기 개구(O)에 노출된 베이스층(132) 영역에 선택적으로 성장되면서, 상기 개구(O)를 충전하게 되고, 충전되는 질화물 단결정은 그 개구(O)의 형상에 대응되는 형상을 가질 수 있다. The nitride single crystal constituting the
상기 마스크(133)를 그대로 둔 채로 상기 나노 코어(135a)의 상단부(T) 표면에 전류차단 중간층(134)을 형성한다. 따라서, 별도의 마스크를 형성하는 공정 없이도 원하는 상단부에 전류차단 중간층(134)을 용이하게 형성할 수 있다. A current blocking
상기 전류차단 중간층(134)은 고의적으로 도프되지 않거나 상기 나노 코어(135a)와 반대되는 제2 도전형 불순물로 도프된 반도체층일 수 있다. 예를 들어, 상기 나노 코어(135a)가 n형 GaN일 경우에, 상기 전류차단 중간층(134)은 언도프 GaN 또는 Mg와 같은 p형 불순물이 도프된 GaN일 수 있다. 이 경우에, 동일한 성장공정에서 불순물의 종류만을 전환함으로써 나노 코어(135a)와 전류차단 중간층(134)을 연속적으로 형성할 수 있다. 이와 같이, 전류차단 중간층(134)의 형성 공정과 몰드 공정을 결합하여 전체 공정을 더욱 간소화할 수 있다.
The current blocking
이어, 도8d에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 나노 코어(135a)의 측면이 부분적으로 노출되도록 상기 식각정지층인 제1 물질층(133a)까지 상기 마스크(133)를 제거한다.Subsequently, as shown in FIG. 8D, the
본 실시예에서는, 상기 제2 물질층(133b)이 선택적으로 제거될 수 있는 식각 공정을 적용함으로써, 상기 제2 물질층(133b)만을 제거하고 상기 제1 물질층(133a)이 잔류시킬 수 있다. 상기 잔류한 제1 물질층(133a)은 후속 성장공정에서는 활성층(135b) 및 제2 도전형 반도체층(135c)이 상기 베이스층(132)과 접속되는 것을 방지할 수 있다. In this embodiment, by applying an etching process in which the
본 예와 같이, 개구를 갖는 마스크를 몰드로 이용한 나노 발광구조물의 제조공정에서는, 결정성을 향상시키기 위해서 추가적인 열처리공정을 도입할 수 있다. As in this example, in the manufacturing process of the nano light-emitting structure using a mask having an opening as a mold, an additional heat treatment process may be introduced in order to improve crystallinity.
먼저, 상기 전류차단 중간층(134)을 형성하기 전인 나노 코어(135a)의 성장 중간에 나노 코어의 결정 품질을 향상시키기 위해서, 나노 코어(135a)의 안정화 공정(열처리공정)을 추가로 실시할 수 있다. 즉, 원하는 나노 코어(135a)의 성장 중간지점(베이스층(132) 표면으로부터 약 0.2 ~ 1.8㎛ 높이)으로 성장될 때에, GaN의 III족 원소 공급원인 TMGa 소스 공급을 중단하고, NH3 분위기에서 약 5 초 ∼ 약 5분 동안을 성장 중 기판의 온도와 유사한 온도(약 1000 ~ 1200℃)에서 열처리를 실시할 수 있다. First, in order to improve the crystal quality of the nanocore during the growth of the nanocore 135a before the current blocking
또한, 상기 나노 코어(135a)의 성장을 완료하고, 상기 마스크의 제2 물질층(133b)을 제거한 후에, 나노 코어(135a)의 표면을 일정한 조건에서 열처리하여 나노 코어(135a)의 결정면을 반극성 또는 비극성 결정면과 같이 결정성장에 유리한 안정적인 면으로 전환시킬 수 있다. 이러한 공정은 도11a 및 도11b를 참조하여 설명할 수 있다. In addition, after completing the growth of the nano-
도11a 및 도11b는 도8d의 공정에서 적용될 수 있는 열처리공정을 설명하기 위한 모식도이다. 11A and 11B are schematic diagrams for explaining a heat treatment process that can be applied in the process of FIG. 8D.
도11a는 도8d에서 얻어진 나노 코어(135a)로 이해할 수 있다. 상기 나노 코어(135a)는 개구의 형상에 따라 정해지는 결정면을 갖는다. 개구의 형상에 따라 달리하지만, 대체로 이렇게 얻어진 나노 코어(135a)의 표면은 상대적으로 안정적이지 못한 결정면을 가지며, 후속 결정성장에 유리한 조건이 아닐 수 있다. Fig. 11A can be understood as the nanocore 135a obtained in Fig. 8D. The
본 실시예와 같이, 개구가 원기둥인 로드형상일 경우에, 도11a에 도시된 바와 같이, 나노 코어(135a)의 측면은 특정한 결정면이 아닌 곡면을 가질 수 있다. As in the present embodiment, when the opening has a cylindrical rod shape, as shown in Fig. 11A, the side surface of the
이러한 나노 코어(135a)를 열처리하면 그 표면의 불안정한 결정이 재배열되면서 도11b에 도시된 바와 같이, 반극성 또는 비극성과 같은 안정적인 결정면을 가질 수 있다. 열처리 조건은 600℃이상, 특정 예에서는 800∼1200℃에서 수초 내지 수십분(1초∼60분) 실행함으로써 원하는 안정된 결정면으로 전환시킬 수 있다. When the nano-
본 열처리 공정은 기판 온도가 600℃보다 낮으면 나노 코어의 결정 성장 및 재배열이 어려워 열처리 효과를 기대하기 힘들며, 1200℃보다 높으면 GaN 결정면으로부터 질소(N)가 증발하여 결정 품질이 저하될 수 있다. 또한, 1초보다 짧은 시간에서는 충분한 열처리 효과를 기대하기 어려우며, 수십분, 예를 들어 60분보다 긴 시간 동안의 열처리는 제조 공정의 효율을 저하시킬 수 있다.In this heat treatment process, if the substrate temperature is lower than 600°C, crystal growth and rearrangement of the nano-core are difficult, making it difficult to expect a heat treatment effect. If the temperature is higher than 1200°C, nitrogen (N) evaporates from the GaN crystal plane, resulting in deterioration in crystal quality . In addition, it is difficult to expect a sufficient heat treatment effect for a time shorter than 1 second, and heat treatment for a time longer than several tens of minutes, for example, 60 minutes may lower the efficiency of the manufacturing process.
예를 들어, 상기 사파이어 기판의 C(0001)면(실리콘기판일 경우에 (111)면)상에 성장시킨 경우에, 도11a에 도시된 원기둥 형상인 나노 코어(135a)를 상술된 적정한 온도 범위에서 열처리함으로써 불안정한 결정면인 곡면(측면)은 안정적인 결정면인 비극성면(m면)을 갖는 육각형 결정 기둥(도11b의 135a')으로 전환될 수 있다. 이러한 결정면의 안정화 과정은 고온의 열처리과정에 의해 실현될 수 있다. For example, when grown on the C (0001) plane ((111) plane in the case of a silicon substrate) of the sapphire substrate, the cylindrical nano-
이러한 원리는 명확히 설명되기 어려우나, 고온에서 표면에 위치한 결정이 재배열되거나 챔버 내에서 소스가스가 잔류하는 경우에 이러한 잔류 소스가스가 증착되어 안정적인 결정면을 갖도록 부분적인 재성장이 진행되는 것으로 이해할 수 있다. This principle is difficult to clearly explain, but it can be understood that partial regrowth proceeds to have a stable crystal plane by depositing such residual source gas when crystals located on the surface are rearranged at high temperatures or when source gas remains in the chamber.
특히, 재성장 관점에서 설명하면, 챔버 내에서 소스 가스가 잔류한 분위기에서 열처리 공정이 수행되거나 소량의 소스가스를 의도적으로 공급하는 조건에서 열처리될 수 있다. 예를 들어, 도11a에 도시된 바와 같이, MOCVD 챔버의 경우에, TMGa과 NH3가 잔류하고, 이러한 잔류 분위기에서 열처리함으로써 나노 코어의 표면에 소스가스가 반응하여 안정적인 결정면을 갖도록 부분적인 재성장이 이루어질 수 있다. 이러한 재성장으로 인하여, 열처리된 나노 코어(135a')의 폭이 열처리 전의 나노 코어(135a)의 폭보다 다소 커질 수 있다(도11a 및 도11b 참조). In particular, in terms of regrowth, the heat treatment process may be performed in an atmosphere in which the source gas remains in the chamber, or the heat treatment may be performed under conditions of intentionally supplying a small amount of source gas. For example, as shown in FIG. 11A, in the case of the MOCVD chamber, TMGa and NH 3 remain, and by heat treatment in such a residual atmosphere, the source gas reacts on the surface of the nanocore and partial regrowth to have a stable crystal plane. Can be done. Due to this regrowth, the width of the heat-treated nano-
이와 같이, 추가적인 열처리 공정을 도입함으로써, 나노 코어의 결정성을 향상시키는데 기여할 수 있다. 즉, 이러한 열처리 공정을 통해 마스크 제거 후 나노 코어의 표면에 존재하는 비균일성(예, 결함(defect) 등)을 제거할 뿐만 아니라 내부 결정의 재배열을 통해서 결정의 안정성을 크게 향상시킬 수 있다. 이러한 열처리 공정은 마스크를 제거한 후 챔버 안에서 나노 코어의 성장공정과 유사한 조건으로 실행될 수 있다. 예를 들어, 열처리 온도(예, 기판 온도)는 800∼1200℃ 사이에서 수행될 수 있으나, 600℃ 이상의 열처리공정에서도 유사한 효과를 기대할 수 있다.
In this way, by introducing an additional heat treatment process, it may contribute to improving the crystallinity of the nanocore. That is, through such a heat treatment process, non-uniformities (eg, defects, etc.) existing on the surface of the nano-core after removing the mask can be removed, and stability of the crystal can be greatly improved through rearrangement of the internal crystals. . This heat treatment process may be performed under conditions similar to the growth process of the nano core in the chamber after removing the mask. For example, the heat treatment temperature (eg, the substrate temperature) may be performed between 800 to 1200° C., but a similar effect can be expected in a heat treatment process of 600° C. or higher.
이어, 도8e에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 나노 코어(135a')의 표면에 활성층(135b) 및 제2 도전형 반도체층(135c)을 순차적으로 성장시킨다. Subsequently, as shown in FIG. 8E, an
이러한 공정을 통해서, 나노 발광구조물(135)은 제1 도전형 반도체가 나노 코어(135a')와, 나노 코어(135a')를 감싸는 활성층(135b) 및 제2 도전형 반도체층(135b)으로 이루어진 쉘층을 구비한 코어-쉘(core-shell) 구조를 가질 수 있다.Through this process, the nano light emitting structure 135 is composed of a first conductivity-type semiconductor nano-core (135a'), an active layer (135b) surrounding the nano-core (135a') and a second conductivity-type semiconductor layer (135b). It may have a core-shell structure including a shell layer.
상기 나노 코어(135a')는 그 측면과 다른 결정면을 갖는 상단부를 포함하며, 앞서 설명한 바와 같이, 상단부에 형성된 활성층과 제2 도전형 반도체층의 부분(Ⅱ)은, 측면에 형성된 활성층 및 제2 도전형 반도체층의 부분(Ⅰ)과 다른 조성 및/또는 두께를 가질 수 있다. 이로 인해 발생되는 누설전류 및 발광파장의 문제를 해결하기 위해서, 상기 전류차단 중간층(134)이 상기 나노 코어(135a')의 상단부에 배치된다. 이러한 전류차단 중간층(134)의 선택적인 배치로 인해, 상기 나노 코어(135a')의 측면에 형성된 활성층 영역을 통한 전류의 흐름은 정상적으로 보장하면서, 상기 나노 코어(135a')의 상단부에 형성된 활성층 영역을 통한 전류의 흐름은 상기 전류차단 중간층(134)에 의해 차단될 수 있다. The nano-
이로써, 상기 나노 코어(135a')의 상단부에 집중되는 누설전류를 억제하여 효율을 향상시키는 동시에, 원하는 발광파장을 정확히 설계할 수 있다.
Accordingly, it is possible to improve efficiency by suppressing leakage current concentrated on the upper end of the
상술된 실시형태에 채용된 마스크는 2개의 물질층으로 구성된 형태를 예시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하며, 3개 이상의 물질층을 채용한 형태로도 구현될 수 있다. The mask employed in the above-described embodiment has exemplified a form composed of two material layers, but the present invention is not limited thereto, and may be implemented in a form employing three or more material layers.
예를 들어, 베이스층으로부터 순차적으로 형성된 제1 내지 제3 물질층을 갖는 마스크의 경우에는, 상기 제2 물질층은 식각 정지층으로서, 상기 제1 및 제3 물질층과 다른 물질로 이루어진다. 필요에 따라, 상기 제1 및 제3 물질층은 동일한 물질로 이루어질 수 있다.For example, in the case of a mask having first to third material layers sequentially formed from the base layer, the second material layer is an etch stop layer and is made of a material different from the first and third material layers. If necessary, the first and third material layers may be made of the same material.
상기 제3 물질층의 식각조건에서 적어도 상기 제2 물질층은 제3 물질층의 식각률보다 낮은 식각률을 가지므로, 식각정지층으로 작용할 수 있다. 적어도 상기 제1 물질층은 전기적인 절연성을 갖는 물질이며, 필요에 따라 상기 제2 또는 제3 물질층도 절연 물질일 수 있다.
Since at least the second material layer has an etch rate lower than that of the third material layer under the etching condition of the third material layer, it may serve as an etch stop layer. At least the first material layer may be a material having electrical insulation, and if necessary, the second or third material layer may also be an insulation material.
도12a 내지 도12d는 도10a에 도시된 마스크(143)를 이용하여 나노 발광구조물을 형성하는 공정을 설명하는 주요공정별 단면도이다. 12A to 12D are cross-sectional views for each major process illustrating a process of forming a nano light emitting structure using the
도12a에 도시된 바와 같이, 마스크(143)를 이용하여 베이스층(142) 상에 나노 코어(145a)를 성장시킬 수 있다. 상기 베이스층(142)은 기판(141) 상에 형성될 수 있다. 상기 마스크(143)는 아래로 갈수록 좁아지는 폭의 개구를 갖는다. 상기 나노 코어(145a)는 상기 개구의 형상에 대응되는 형상으로 성장될 수 있다. As shown in FIG. 12A, a
상기 나노 코어(145a)의 결정 품질을 더 향상시키기 위해서, 성장 중 1회 이상의 열처리 공정을 도입할 수 있다. 특히, 성장 중 나노 코어(145a)의 상단 표면이 육각 피라미드의 결정면으로 재배열시킴으로써 보다 안정적인 결정구조를 갖출 수 있으며, 후속 성장되는 결정의 높은 품질을 보장할 수 있다.In order to further improve the crystal quality of the
이러한 열처리 공정은 앞서 설명된 온도 조건에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 공정 편의를 위해서 나노 코어(145a)의 성장온도와 동일하거나 유사한 온도 조건에서 수행될 수 있다. 또한, NH3 분위기에서 상기 나노 코어(145a)의 성장 압력과 온도와 동일하거나 유사한 수준의 압력/온도를 유지하면서 TMGa와 같은 금속 소스를 중단하는 방식으로 수행될 수 있다. 이러한 열처리공정은 수 초 내지 수십 분(예, 5초∼30분)동안에 지속될 수 있으나, 약 10초 ∼ 약 60초의 지속시간으로도 충분한 효과를 얻을 수 있다. This heat treatment process may be performed under the temperature conditions described above. For example, it may be performed under a temperature condition that is the same as or similar to the growth temperature of the
이와 같이, 나노 코어(145a)의 성장과정에서 도입되는 열처리공정은 나노 코어(145a)를 빠른 속도로 성장될 때에 야기되는 결정성의 퇴보를 방지할 수 있으므로, 빠른 결정 성장과 함께 우수한 결정품질을 함께 도모할 수 있다. In this way, the heat treatment process introduced in the process of growing the
이러한 안정화를 위한 열처리 공정 구간의 시간과 횟수는 최종 나노 코어의 높이와 직경에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 예를 들어, 개구의 폭이 300∼400㎚이고, 개구의 높이(마스크 두께)가 약 2.0㎛인 경우에, 중간지점인 약 1.0㎛에서 약 10 초 ∼ 약 60 초의 안정화 시간을 삽입하여 원하는 고품질의 코어를 성장시킬 수 있다. 물론, 이러한 안정화 공정은 코어 성장 조건에 따라 생략할 수도 있다.
The time and frequency of the heat treatment process section for stabilization may be variously changed according to the height and diameter of the final nano core. For example, if the width of the opening is 300 to 400 nm and the height (mask thickness) of the opening is about 2.0 μm, a stabilization time of about 10 seconds to about 60 seconds is inserted at the midpoint of about 1.0 μm to provide the desired high quality. Can grow its core. Of course, this stabilization process may be omitted depending on the core growth conditions.
이어, 도12b에 도시된 바와 같이, 상기 나노 코어(145a)의 상단에 전류차단 중간층(144)을 형성할 수 있다. Subsequently, as shown in FIG. 12B, a current blocking
상기 나노 코어(145a)를 원하는 높이로 형성한 후에, 상기 마스크(143)를 그대로 둔 채로 상기 나노 코어(145a)의 상단 표면에 전류차단 중간층(144)을 형성할 수 있다. 이와 같이, 마스크(143)를 그대로 이용함으로써 별도의 마스크를 형성하는 공정 없이, 나노 코어(145a)의 원하는 영역(상단의 표면)에 전류차단 중간층(144)을 용이하게 형성할 수 있다. After forming the nano-
상기 전류차단 중간층(144)은 고의적으로 도프되지 않거나 상기 나노 코어(145a)와 반대되는 제2 도전형 불순물로 도프된 반도체층일 수 있다. 예를 들어, 상기 나노 코어(145a)가 n형 GaN일 경우에, 상기 전류차단 중간층(144)은 언도프 GaN 또는 p형 불순물인 Mg를 도프한 GaN일 수 있다. 이 경우에, 동일한 성장공정에서 불순물의 종류만을 전환함으로써 나노 코어(145a)와 전류차단 중간층(144)을 연속적으로 형성할 수 있다. 예를 들어, n형 GaN 나노 코어의 성장과 동일한 조건에서 Si 도핑을 중지하고 Mg을 주입하여 약 1분 정도 성장시킬 경우 약 200㎚ ∼ 약 300㎚의 두께를 가지는 전류차단 중간층(144)을 형성할 수 있으며, 이러한 전류차단 중간층(144)은 수 ㎂ 이상의 누설전류를 효과적으로 차단시킬 수 있다. 이와 같이, 본 실시예와 같은 몰드방식 공정에서는 전류차단 중간층(144)의 도입공정이 간소화하게 구현될 수 있다.
The current blocking
이어, 도12c에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 나노 코어(145a)의 측면이 노출되도록 상기 식각정지층인 제1 물질층(143a)까지 상기 마스크(143)를 제거한다.Subsequently, as shown in FIG. 12C, the
본 실시예에서는, 상기 제2 물질층(143b)이 선택적으로 제거될 수 있는 식각 공정을 적용함으로써, 상기 제2 물질층(143b)만을 제거하고 상기 제1 물질층(143a)이 잔류시킬 수 있다. 상기 잔류한 제1 물질층(143a)은 후속 성장공정에서는 활성층 및 제2 도전형 반도체층이 상기 베이스층(142)과 접속되는 것을 방지할 수 있다. In this embodiment, by applying an etching process in which the
본 실시예와 같이, 개구를 갖는 마스크를 몰드로 이용한 나노 발광구조물의 제조공정에서, 결정성을 향상시키기 위해서 추가적인 열처리공정을 도입할 수 있다. As in the present embodiment, in the manufacturing process of the nano light emitting structure using the mask having an opening as a mold, an additional heat treatment process may be introduced to improve crystallinity.
상기 마스크의 제2 물질층(143b)을 제거한 후에, 나노 코어(145a)의 표면을 일정한 조건에서 열처리하여 나노 코어(145a)의 불안정한 결정면을 안정적인 결정면으로 전환시킬 수 있다(도11a 및 도11b 참조). 특히, 본 실시예와 같이, 나노 코어(145a)가 경사진 측벽을 갖는 개구에서 성장되므로, 그 형상에 대응하여 경사진 측벽을 갖는 형태를 가졌으나, 도12d에 도시된 바와 같이, 열처리 공정 후의 나노 코어(145a')는 결정의 재배열과 함께 재성장이 일어나서 거의 균일한 직경(또는 폭)을 가질 수 있다. 또한, 성장된 직후의 나노 코어(145a)의 상단도 불완전한 육각 피리미드 형상을 가질 수 있으나, 열처리 공정 후의 나노 코어(145a')는 균일한 표면을 갖는 육각 피라미드 형상으로 변화될 수 있다. 이와 같이, 마스크 제거 후에 불균일한 폭을 갖던 나노 코어는 열처리 공정을 통해서 균일한 폭을 갖는 육각 피라미드 기둥 구조로 재성장(및 재배열)될 수 있다.
After removing the
앞서 설명한 바와 같이, 본 공정에 의해 얻어진 나노 발광구조물은 도7b 내지 도7g에 도시된, 셀구조 형성, 콘택전극 형성, 광투과성 보호층 형성 및 렌즈 형성공정을 통해서 원하는 나노구조 반도체 발광소자를 제공할 수 있다 또한, 렌즈를 채용한 광투과성 보호층(특히, 제2 투광부)는 상술된 실시예에 한정되지 않으며 다양한 구조로 구현될 수 있다. 이러한 다양한 실시예는 도13 내지 도18 및 도20 내지 도25에 걸쳐서 설명되어 있다.
As described above, the nano light-emitting structure obtained by this process provides a desired nano-structure semiconductor light-emitting device through the processes of forming a cell structure, forming a contact electrode, forming a light-transmitting protective layer, and forming a lens as shown in FIGS. 7B to 7G. In addition, the light-transmitting protective layer (particularly, the second light-transmitting portion) employing a lens is not limited to the above-described embodiment and may be implemented in various structures. Various such embodiments are described throughout FIGS. 13-18 and 20-25.
도13은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조 반도체 발광소자의 단면도이다. 13 is a cross-sectional view of a nanostructured semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
도13에 도시된 나노구조 반도체 발광소자는, 요철(R)을 갖는 기판(151)과 상기 기판(151) 상에 형성되며 제1 도전형 반도체 물질로 이루어진 베이스층(152)과 그 위에 배치된 다수의 나노 발광구조물(155)을 포함할 수 있다.The nanostructure semiconductor light emitting device shown in FIG. 13 is formed on a
절연막(153)의 개구에 의해 노출된 상기 베이스층(152) 영역에 나노 코어(155a)가 형성될 수 있다. 상기 나노 발광구조물(155)은 제1 도전형 반도체로 이루어진 나노 코어(155a)와, 상기 나노 코어(155a)의 표면에 순차적으로 형성된 활성층(155b) 및 제2 도전형 반도체층(155c)을 가질 수 있다. The
콘택 전극(156)은 상기 제2 도전형 반도체층(155c)과 접속하도록 상기 나노 발광구조물(155)의 표면에 배치될 수 있다. 본 실시예에서 채용되는 콘택 전극(156)은 상기 제2 도전형 반도체층(155c)의 거의 전체 영역에 형성될 수 있다. The
상기 광투과성 보호층(157)은 제1 굴절률을 갖는 물질로 이루어진 제1 투광부(157a)와, 상기 제1 굴절률보다 큰 제2 굴절률을 갖는 물질로 이루어진 제2 투광부(157b)를 포함할 수 있다. 상기 제1 투광부(157a)는 상기 복수의 나노 발광구조물(155) 사이의 공간에 충전되며, 상기 제2 투광부(157b)는 상기 복수의 나노 발광구조물(155)의 상부를 덮도록 형성될 수 있다. The light-transmitting
본 실시예에 채용된 제2 투광부(157b)는 플레이트 없이 렌즈(L) 자체로 구성될 수 있다. 상기 복수의 나노 발광구조물(155)의 상부는 플레이트가 아니라 직접 렌즈(R)에 의해 덮일 수 있다. 이러한 렌즈(L)는 도7e 및 도7g에서 설명된 공정과 같이, 포토레지스트 패턴을 이용한 건식식각에 의해 형성하되, 제2 투광부의 두께(t2)를 상대적으로 얇게 함으로써 본 구조와 같이 플레이트가 없는 렌즈 형상을 얻을 수 있다.
The second light-transmitting
도14를 참조하면, 다른 예에 따른 광투과성 보호층(157')이 도시되어 있다. 상기 광투과성 보호층(157')은 각각의 나노 발광구조물(155)에 대응되는 복수의 렌즈(L)를 제공하는 제2 투광부(157b')를 포함한다. 상기 복수의 렌즈(L)는 각각 나노 발광구조물(155)의 상부를 덮으면서 볼록한 형상을 가질 수 있다. 본 실시예에 채용된 제2 투광부(157b')도 상기 제1 투광부(157a)의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지므로, 나노 발광구조물(155)로부터 발생된 광을 상기 제2 투광부(157b')를 통해서 더 효과적으로 추출시킬 수 있다.
Referring to FIG. 14, a light-transmitting protective layer 157' according to another example is shown. The light-transmitting
도15를 참조하면, 또 다른 예에 따른 광투과성 보호층(157")이 도시되어 있다. 상기 광투과성 보호층(157")은 도13과 유사하게 복수의 나노 발광구조물(155)에 대응되는 렌즈(L)를 제공하지만, 상기 렌즈는 제2 투광부(157b")와 함께, 추가적인 제3 투광부(157c)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 제2 투광부(157b")는 도6a에 도시된 형상을 가지며, 상기 제3 투광부(157c)는 상기 제2 투광부(157b")의 평탄한 상면에 배치되어 볼록한 형상을 갖는다. 상기 제2 및 제3 투광부(157b",157c)는 서로 다른 굴절률을 갖는 2개의 광투과성 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 투광부(157b")는 상기 제1 투광부(157a)의 굴절률보다 크지만, 상기 제3 투광부(157c)의 굴절률보다 작은 굴절률을 가질 수 있다. 15, a light-transmitting
이러한 렌즈(L)는 2개의 서로 다른 굴절률을 갖는 광투과성 물질층을 적층한 후에 포토레지스트 패턴을 이용하여 건식식각함으로써 얻어질 수 있다. 이러한 건식식각공정은 도7e 및 도7g에서 설명된 공정을 참조하여 이해될 수 있다.
The lens L can be obtained by laminating two layers of light-transmitting material having different refractive indices and then dry etching using a photoresist pattern. This dry etching process can be understood with reference to the processes described in FIGS. 7E and 7G.
도16 내지 도18은 콘택 전극의 일부 영역을 제거하여 광추출효율을 추가적으로 향상시킨 예를 나타낸다. 16 to 18 show examples of additionally improving light extraction efficiency by removing a partial region of a contact electrode.
도16을 참조하면, 도13에 도시된 광투과성 보호층(157)과 유사하게, 광투과성 보호층(167)은 제1 투광부(167a)와 상기 제1 투광부(167a) 상에 배치되어 복수의 나노 발광구조물(155)을 덮는 렌즈(L)로 이루어진 제2 투광부(167b)를 포함한다. 하지만, 앞선 실시예들과 달리, 콘택 전극(166)은 상기 나노 발광구조물(155)의 상단부(T)와 그와 연결된 측면의 일부 영역을 제외한 영역에 배치될 수 있다. Referring to FIG. 16, similar to the light-transmitting
상기 콘택 전극(166)은 ITO와 같은 투명 전극 물질로 이루어지더라도, 상기 콘택 전극(166)을 통과하는 과정에서 광손실이 발생할 수 있으며, 이는 광추출효율을 저해하는 요인이 된다. Even if the
본 실시예에서는 제2 투광부(167b)에 의해 덮여지는 나노 발광구조물(155)의 상부 영역로부터 방출되는 광은 콘택 전극(166)을 경유하지 않고, 직접 고굴절률층인 제2 투광부(167b)를 진입할 수 있으므로, 콘택 전극(166)에 의해 광손실을 방지할 수 있다. 콘택 전극의 부분적 제거에 의한 광추출효율의 개선효과는 도21을 참조하여 설명될 수 있다. In this embodiment, the light emitted from the upper region of the nano light-emitting
도21은 콘택 전극이 전면에 증착된 형태(E1)와 콘택 전극을 부분적으로 제거한 형태(E2)의 광추출효율을 비교한 그래프이다. FIG. 21 is a graph comparing light extraction efficiency of a form E1 in which the contact electrode is deposited on the entire surface (E2) and a form in which the contact electrode is partially removed (E2).
구체적으로, 도21에 도시된 그래프는 제1 투광부를 SiO2(굴절률:1.46)로 형성한 동일한 조건에서, 제2 투광부의 굴절률(n)을 증가시킬 때에 광추출효율의 변화를 나타낸다. 여기서, 기준값(=100%)은 제1 및 제2 투광부를 동일하게 SiO2로 형성한 형태에서 측정된 광추출효율을 나타낸다.Specifically, the graph shown in FIG. 21 shows the change in light extraction efficiency when increasing the refractive index n of the second light-transmitting part under the same condition in which the first light-transmitting part is formed of SiO 2 (refractive index: 1.46). Here, the reference value (=100%) represents the light extraction efficiency measured in the form in which the first and second light transmitting portions are formed of SiO 2 in the same manner.
도21을 참조하면, 콘택 전극이 전면 증착된 경우(E1)에는 최대 8% 정도 광추출효율이 개선된데 반하여 제2 투광부와 접촉하는 영역에서 콘택 전극을 제거한 경우(E2)에는 광추출효율이 약 10% ∼ 약 12% 수준(n이 1.8∼2.2범위)으로 향상된 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 21, when the contact electrode is entirely deposited (E1), the light extraction efficiency is improved by up to 8%, whereas when the contact electrode is removed from the area in contact with the second light-transmitting part (E2), the light extraction efficiency. It can be seen that this improved to about 10% to about 12% (n is in the range of 1.8 to 2.2).
한편, 도16에 도시된 실시예에서는, 앞선 실시예에서 설명된 바와 같이, 제2 투광부(167b)에 의해 메인부를 덮는 부분(t3)을 적정한 수준(메인부 높이 대비 50% 이하)으로 증가시킴으로써 광추출효율을 추가적으로 개선시킬 수 있다.Meanwhile, in the embodiment shown in FIG. 16, as described in the previous embodiment, the portion t3 covering the main part by the second
이러한 콘택 전극의 선택적인 제거는 콘택 전극을 나노 발광구조물(155)의 전체 표면을 덮도록 증착하고, 상기 나노 발광구조물(155) 사이에 제1 투광부를 형성한 후에, 상기 제1 투광부와 함께 상기 콘택 전극을 에치백함으로써 얻어질 수 있다. 이러한 에치백 과정에 의해, 상기 제1 투광부(167a)와 상기 콘택 전극(166)은 동일한 레벨을 가질 수 있으며, 그 레벨 위에 배치된 나노 발광구조물(155)의 상부 영역은 노출될 수 있으며, 이어 제2 투광부(167b)를 형성함으로써 도16에 도시된 구조가 얻어질 수 있다.
In the selective removal of the contact electrode, the contact electrode is deposited to cover the entire surface of the nano light-emitting
도17을 참조하면, 도14에 도시된 형태와 유사한 광투과성 보호층(167')이 도시되어 있다. 상기 광투과성 보호층(167')은 각각의 나노 발광구조물(155)에 대응되는 복수의 렌즈(L)를 제공하는 제2 투광부(167b')를 포함한다. 본 실시예에서도, 상기 제2 투광부(167b')에 의해 덮여지는 나노 발광구조물(155)의 상부 영역로부터 방출되는 광은 콘택 전극(166)을 경유하지 않고, 직접 고굴절률층인 제2 투광부(167b')를 진입할 수 있으므로, 콘택 전극(166)에 의해 광손실을 방지할 수 있다.Referring to FIG. 17, a light-transmitting protective layer 167' similar to that shown in FIG. 14 is shown. The light-transmitting
도18을 참조하면, 도1에 도시된 실시예와 유사한 광투과성 보호층(167")이 도시되어 있다. 상기 광투과성 보호층(167")의 제2 투광부(167b")는 플레이트(P)와 상기 플레이트 상에 배치된 복수의 렌즈를 가지며, 각각의 렌즈는 복수의 나노 발광구조물(155)에 대응되는 구조를 갖는다. 본 실시예에서도, 상기 제2 투광부(167b")에 의해 덮여지는 나노 발광구조물(155)의 상부 영역로부터 방출되는 광은 콘택 전극(166)을 경유하지 않고, 직접 고굴절률층인 제2 투광부(167b")를 진입할 수 있으므로, 콘택 전극(166)에 의해 광손실을 방지할 수 있다.Referring to Fig. 18, a light-transmitting
부분 제거된 콘택 전극은 다양한 형태를 가질 수 있다. 이러한 다양한 형태는 부분 제거 공정을 달리하여 얻어질 수 있다. 예를 들어, 앞선 실시예에서는, 제1 투광층과 콘택 전극을 함께 에치백하여 상기 콘택 전극의 상부 영역을 상기 제1 투광층과 거의 동일한 레벨을 갖도록 부분적으로 제거할 수 있으나, 제1 투광층의 형성 전에 콘택 전극을 부분적으로 제거할 수도 있으며, 이 경우에 제1 투광층은 다른 레벨로 형성될 수 있다. 이러한 실시예는 도19에 도시되어 있다. The partially removed contact electrode may have various shapes. These various forms can be obtained by varying the partial removal process. For example, in the previous embodiment, the first light-transmitting layer and the contact electrode may be etched back together to partially remove the upper region of the contact electrode so as to have substantially the same level as the first light-transmitting layer. The contact electrode may be partially removed before the formation of, and in this case, the first light-transmitting layer may be formed at a different level. This embodiment is shown in Fig. 19.
도19를 참조하면, 앞선 실시예들과 유사하게, 콘택 전극(166')이 부분적으로 제거되어 나노 발광구조물(155)의 상부 영역이 노출되지만, 도16 및 도17에 도시된 형태와 달리, 콘택 전극(166')과 제1 투광부(167a)가 서로 다른 레벨을 갖는 형태로 도시되어 있다. 즉, 도19에 도시된 바와 같이, 콘택 전극(166')은 제1 투광층(167a)의 형성 높이보다 낮은 레벨을 가질 수 있다. 이러한 구조는 상기 제1 투광부(167a)가 형성되기 전에, 상기 콘택 전극(166')을 부분 제거함으로써 얻어질 수 있다. 이러한 공정에서, 본 실시예와 달리, 제1 투광층의 형성높이를 부분 제거된 콘택 전극의 레벨보다 낮게 형성할 수도 있다.
Referring to FIG. 19, similar to the previous embodiments, the
또한, 투광층 구조와 형성방법에 따라, 부분 제거된 콘택 전극은 다양한 배치를 가질 수 있다. 예를 들어, 투광층의 일부를 콘택 전극을 형성하기 전에 적용하고, 나머지의 투광층을 콘택 전극 상에 형성할 수도 있다. 이러한 예는 도20에 도시되어 있다. In addition, depending on the structure of the light transmitting layer and the method of forming the contact electrode, the partially removed contact electrode may have various arrangements. For example, a part of the light-transmitting layer may be applied before forming the contact electrode, and the remaining light-transmitting layer may be formed on the contact electrode. This example is shown in Fig. 20.
도20을 참조하면, 도19에 도시된 실시예들과 유사하게, 제1 투광부(167a)가 서로 다른 레벨을 갖도록 콘택 전극(176)이 부분적으로 제거된 구조를 갖지만, 앞선 실시예들과 달리, 콘택 전극(176)이 일부 투광층(제1 투광층(197a)) 상에 형성된 형태를 갖는다. 제1 투광층(197a)이 형성된 후에 상기 콘택 전극(176)은 형성되어 상기 콘택 전극(176)의 상부영역을 제거하는 부분 제거공정이 수행되며, 부분 제거된 콘택 전극(176) 상에 렌즈를 갖는 제2 투광층(197b)가 적용될 수 있다. 본 실시예에서는, 제2 투광층(197b)을 형성하기 전에 추가적인 투광층(197c)을 도입할 수 있다. 상기 추가적인 투광층(197c)과 상기 나노 발광구조물(155)이 접촉하는 면적과 높이를 적절히 설계될 수 있다. 예를 들어, 제1 투광층(197a)의 형성 높이, 콘택 전극(176)의 제거 면적 등과 같은 요소를 적절히 조절하여 설계될 수 있다. Referring to FIG. 20, similar to the embodiments shown in FIG. 19, the
또한, 추가적인 투광층(197c)의 굴절률은 필요에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 예를 들어, 제1 투광층(197a)의 굴절률과 제2 투광층(197b)의 굴절률 사이의 중간 굴절률을 가질 수 있으나, 이와 달리, 제1 투광층(197a)의 굴절률과 거의 동일한 굴절률을 가질 수 있다.
In addition, the refractive index of the additional
도22 내지 도24는 증착 공정에 의해 형성가능한 렌즈의 다양한 예를 나타낸다. 22 to 24 show various examples of lenses that can be formed by a deposition process.
도22를 참조하면, 나노 발광구조물(155)의 상부 영역이 노출되도록 상기 나노 발광구조물(155) 사이에 충전된 제1 투광부(177a)와 상기 제1 투광부(177a) 상에 배치되며 상기 나노 발광구조물(155)을 덮는 제2 투광부(177b)를 포함하는 광투과성 보호층(177)이 도시되어 있다. 상기 제2 투광부(177b)는 앞선 실시예와 달리, 상기 나노 발광구조물(175)의 상부 영역과 상기 제1 투광부(177a) 표면에 따라 고굴절률인 광투광성 물질을 증착함으로써 얻어질 수 있다. Referring to FIG. 22, the first light-transmitting
본 실시예에서, 상기 나노 발광구조물(155) 상부영역은 제1 투광부(177a)의 표면보다 높은 돌출된 구조를 가지므로, 상기 제2 투광부(177b)를 위한 물질을 거의 일정한 두께로 증착될 때에, 상기 제2 투광부(177b)는 그 돌출된 구조에 대응하는 위치에서 볼록한 렌즈(L1) 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 제2 투광부(177b)는 상기 제1 투광부(177a)의 표면에 위치한 플레이트(P1)를 포함할 수 있다. 이렇게 얻어진 제2 투광부(177b)는 완전한 곡면을 갖지는 않으나, 돌출된 나노 발광구조물의 상단에 대응되는 볼록한 구조를 가지므로 렌즈와 유사한 작용을 할 수 있으며, 추가적인 리소그래피 및 에치백공정이 요구되지 않으므로, 더욱 간소화된 공정으로 원하는 렌즈(L1)를 얻을 수 있다.
In this embodiment, since the upper region of the nano light-emitting
도23을 참조하면, 제1 투광부(177a)와 함께, 콘택 전극(166")이 부분적으로 제거된 나노 발광구조물(155)의 상부 영역에 접하는 제2 투광부(177b')와, 추가적인 제3 투광부(177c)를 구비한 광투과성 보호층(177')이 도시되어 있다. Referring to FIG. 23, together with the first light-transmitting
상기 콘택 전극(166")은 나노 발광구조물(155)의 상부 영역이 노출되지만, 앞선 실시예들과 달리, 콘택 전극(166")과 제1 투광부(177a)보다 높은 레벨을 가질 수 있다. 이러한 형태는, 상기 제1 투광부(177a)가 형성되기 전에, 상기 콘택 전극(166")의 상부 영역을 제거하거나, 상기 제1 투광부(176a) 형성 후에 상기 콘택 전극(166")을 상기 제1 투광부(176a)와 함께 부분 제거하되, 에칭 조건이 상기 콘택 전극(166")의 식각률보다 상기 제1 투광부(176a)의 식각률이 높을 때에 얻어질 수 있는 형태이다. Although the upper region of the nano
상기 제3 투광부(177c)는 제2 투광부(177b') 상에 배치되며, 추가적인 렌즈 구조를 가질 수 있다. 상기 제1 투광부(177a)의 굴절률은 적어도 나노 발광구조물(155)의 굴절률보다 작으며, 상기 제2 투광부(177b)의 굴절률은 상기 제1 투광부(177a)의 굴절률보다 클 수 있다. 상기 제3 투광부(177c)의 굴절률은 상기 제2 투광부(177b)의 굴절률보다 큰 굴절률을 가질 수 있다. The third
상기 제2 투광부(177b)의 렌즈(L1)는 개별 나노 발광구조물(155)에 대응되도록 배열되는데 반하여, 상기 제3 투광부(177c)의 렌즈(L2)는 복수의 나노 발광구조물(155)에 대응되도록 구성될 수 있다. 이러한 복합적인 렌즈 구조(L1,L2)는 다양한 광경로를 제공할 수 있다. 상기 제3 투광부(177c)는 렌즈(L2)를 연결하는 플레이트(P2)를 가질 수 있다. 상기 제3 투광부(177c)는 도7f 및 도7g에 도시된 공정에 의해 형성될 수 있다. The lens L1 of the second light-transmitting
도24를 참조하면, 도23에 도시된 예와 유사한 제1 및 제2 투광부(177a,177b')를 구비하되, 제3 투광부(177c')는 앞선 실시예와 달리 개별 나노 발광구조물(155)에 대한 렌즈로 구성된 광투과성 보호층(177")이 도시되어 있다.
Referring to FIG. 24, first and second
도25 및 도26은 본 발명의 다양한 실시예(무반사막 채용)에 따른 나노구조 반도체 발광소자의 단면도이다. 25 and 26 are cross-sectional views of nanostructured semiconductor light emitting devices according to various embodiments of the present invention (adopting an anti-reflective film).
도25를 참조하면, 도18에 도시된 구조와 유사한 광투과성 보호층(187)이 도시되어 있다. 상기 광투과성 보호층(187)은 나노 발광구조물(155)의 상부영역이 노출되도록 상기 나노 발광구조물(155)의 사이에 충전된 제1 투광부(187a)와, 상기 나노 발광구조물(155)의 상부 영역을 덮는 플레이트(P)와 상기 플레이트(P) 상면에 배열된 복수의 렌즈(L)를 갖는 제2 투광부(187b)를 포함한다. 상기 제2 투광부(187)의 표면에는 무반사막(188)이 코팅되어 광추출효율을 더욱 향상시킬 수 있다. Referring to FIG. 25, a light-transmitting
도26을 참조하면, 무반사막(188')이 개별 나노 발광구조물(155)을 위한 렌즈(L)를 갖는 제2 투광부(187b')의 표면에도 적용된 예가 도시되어 있다. 본 실시예에 채용된 제2 투광부(187b')는 상기 제1 투광부(187a)의 표면 상에 배치되며 상기 렌즈(L)를 연결하는 플레이트(P)를 가질 수 있다.
Referring to FIG. 26, an example in which the non-reflective layer 188' is applied to the surface of the second light-transmitting
도27은 본 발명의 일 실시예(요철구조)에 따른 나노구조 반도체 발광소자의 단면도이다. 27 is a cross-sectional view of a nanostructured semiconductor light emitting device according to an embodiment (corrugated structure) of the present invention.
도27을 참조하면, 도1 및 도2에 도시된 형태와 유사하게, 제1 투광부(187a)와 상기 제1 투광부(187a) 상에 배치된 제2 투광부(187b)를 갖는 광투과성 보호층(187)이 도시되어 있다. 상기 제2 투광부(187b)는 복수의 나노 발광구조물(155)에 관련된 렌즈(L)와 상기 렌즈가 배열된 플레이트(P)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 채용된 제2 투광부(187b)는 요철(C)이 형성된 표면을 갖는다. 이러한 요철(C)은 앞선 실시예들에 모두 적절히 적용될 수 있다. 특히 광방출면 뿐만 아니라, 서로 다른 굴절률을 갖는 층의 계면에 채용될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 투광부의 계면 또는 상기 제2 투광부와 상기 제3 투광부의 계면에도 도입될 수 있다.
Referring to FIG. 27, similar to the shape shown in FIGS. 1 and 2, light transmittance having a first
이와 같이, 본 발명에 따른 광투과성 보호층은 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 앞선 설명된 다양한 실시예에서 제시된 특징은 반대되는 설명이 없는 한, 서로 다른 실시예의 특징과 조합되어 새로운 실시예를 구성할 수 있다. 예를 들어, 도8e에서 설명된 전류차단 중간층(134)은 앞서 설명된 모든 실시예들의 나노 발광구조물에 채용되어 새로운 실시예를 구성할 수 있다. 이러한 새로운 조합에 근거한 실시예도 역시 본 발명의 범위에 속한다고 할 수 있다.
As described above, the light-transmitting protective layer according to the present invention may be implemented in various forms, and the features presented in the various embodiments described above are combined with the features of different embodiments to constitute a new embodiment unless otherwise described. can do. For example, the current blocking
도28은 상술된 나노구조 반도체 발광소자를 채용한 패키지의 일 예를 나타낸다. 28 shows an example of a package employing the above-described nanostructured semiconductor light emitting device.
도28에 도시된 반도체 발광소자 패키지(600)는 도1에 도시된 나노구조 반도체 발광소자(100), 실장 기판(610) 및 봉지체(603)를 포함할 수 있다. The semiconductor light emitting
상기 나노구조 반도체 발광소자(100)는 실장 기판(610)에 실장되어 와이어(W)를 통하여 실장 기판(610)과 전기적으로 연결될 수 있다. The nanostructured semiconductor
실장 기판(610)은 기판 본체(611), 상부 전극(613) 및 하부 전극(614)과 상부 전극(613)과 하부 전극(614)을 연결하는 관통 전극(612)을 포함할 수 있다. 실장 기판(610)은 PCB, MCPCB, MPCB, FPCB 등의 기판으로 제공될 수 있으며, 실장 기판(610)의 구조는 다양한 형태로 응용될 수 있다. The mounting
봉지체(603)는 상면이 볼록한 돔 형상의 렌즈 구조로 형성될 수 있지만, 실시 형태에 따라, 표면을 볼록 또는 오목한 형상의 렌즈 구조로 형성함으로써 봉지체(603) 상면을 통해 방출되는 빛의 지향각을 조절하는 것이 가능하다. 필요에 따라, 상기 봉지체(603) 또는 상기 나노구조 반도체 발광소자(100) 표면에 형광체나 양자점 등과 같은 파장변환물질이 배치될 수 있다.
The
상술된 실시예에 따른 나노구조 반도체 발광소자 및 이를 구비한 패키지는 다양한 응용제품에 유익하게 적용될 수 있다.
The nanostructured semiconductor light emitting device according to the above-described embodiment and a package including the same can be advantageously applied to various application products.
상술된 실시예에 따른 나노구조 반도체 발광소자는 다양한 응용제품의 광원으로 채용될 수 있다. 도29 내지 도32에는 나노구조 반도체 발광소자가 채용될 수 있는 다양한 응용제품이 예시되어 있다.
The nanostructured semiconductor light emitting device according to the above-described embodiment may be employed as a light source for various application products. 29 to 32 illustrate various application products in which a nanostructured semiconductor light emitting device can be employed.
도29 및 도30은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조 반도체 발광소자가 채용된 백라이트 유닛의 예를 나타낸다. 29 and 30 show examples of a backlight unit employing a nanostructured semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
도29를 참조하면, 백라이트 유닛(1000)은 기판(1002) 상에 광원(1001)이 실장되며, 그 상부에 배치된 하나 이상의 광학 시트(1003)를 구비한다. 상기 광원(1001)은 상술한 나노구조 반도체 발광소자 또는 그 나노구조 반도체 발광소자를 구비한 패키지를 이용할 수 있다. Referring to FIG. 29, the
도29에 도시된 백라이트 유닛(1000)에서 광원(1001)은 액정표시장치가 배치된 상부를 향하여 빛을 방출하는 방식과 달리, 도30에 도시된 다른 예의 백라이트 유닛(2000)은 기판(2002) 위에 실장된 광원(2001)이 측 방향으로 빛을 방사하며, 이렇게 방사된 빛은 도광판(2003)에 입사되어 면광원의 형태로 전환될 수 있다. 도광판(2003)을 거친 빛은 상부로 방출되며, 광추출 효율을 향상시키기 위하여 도광판(2003)의 하면에는 반사층(2004)이 배치될 수 있다.
Unlike the method in which the
도30은 본 발명의 실시형태에 따른 나노구조 반도체 발광소자가 채용된 조명 장치의 예를 나타낸 분해사시도이다. 30 is an exploded perspective view showing an example of a lighting device employing a nanostructured semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
도30에 도시된 조명장치(3000)는 일 예로서 벌브형 램프로 도시되어 있으며, 발광모듈(3003)과 구동부(3008)와 외부접속부(3010)를 포함한다. The
또한, 외부 및 내부 하우징(3006, 3009)과 커버부(3007)와 같은 외형 구조물을 추가적으로 포함할 수 있다. 발광모듈(3003)은 상술된 나노구조 반도체 발광소자 또는 그 나노구조 반도체 발광소자를 구비한 패키지일 수 있는 광원(3001)과 그 광원(3001)이 탑재된 회로기판(3002)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 나노구조 반도체 발광소자의 제1 및 제2 전극이 회로기판(3002)의 전극 패턴과 전기적으로 연결될 수 있다. 본 실시예서는, 하나의 광원(3001)이 회로기판(3002) 상에 실장된 형태로 예시되어 있으나, 필요에 따라 복수 개로 장착될 수 있다.In addition, external structures such as the outer and
외부 하우징(3006)은 열방출부로 작용할 수 있으며, 발광모듈(3003)과 직접 접촉되어 방열효과를 향상시키는 열방출판(3004) 및 조명장치(3000)의 측면을 둘러싸는 방열핀(3005)을 포함할 수 있다. 커버부(3007)는 발광모듈(3003) 상에 장착되며 볼록한 렌즈형상을 가질 수 있다. 구동부(3008)는 내부 하우징(3009)에 장착되어 소켓구조와 같은 외부접속부(3010)에 연결되어 외부 전원으로부터 전원을 제공받을 수 있다. The
또한, 구동부(3008)는 발광모듈(3003)의 반도체 발광소자(3001)를 구동시킬 수 있는 적정한 전류원으로 변환시켜 제공하는 역할을 한다. 예를 들어, 이러한 구동부(3008)는 AC-DC 컨버터 또는 정류회로부품 등으로 구성될 수 있다.
In addition, the
도32는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조 반도체 발광소자를 헤드 램프에 적용한 예를 나타낸다. 32 shows an example in which a nanostructure semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention is applied to a head lamp.
도32를 참조하면, 차량용 라이트 등으로 이용되는 헤드 램프(4000)는 광원(4001), 반사부(4005), 렌즈 커버부(4004)를 포함하며, 렌즈 커버부(4004)는 중공형의 가이드(4003) 및 렌즈(4002)를 포함할 수 있다. 광원(4001)은 상술한 나노구조 반도체 발광소자 또는 그 나노구조 반도체 발광소자를 구비한 패키지를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 32, a
헤드 램드(4000)는 광원(4001)에서 발생된 열을 외부로 방출하는 방열부(4012)를 더 포함할 수 있으며, 방열부(4012)는 효과적인 방열이 수행되도록 히트싱크(4010)와 냉각팬(4011)을 포함할 수 있다. 또한, 헤드 램프(4000)는 방열부(4012) 및 반사부(4005)를 고정시켜 지지하는 하우징(4009)을 더 포함할 수 있다. 하우징(4009)은 몸체부(4006)와 상기 몸체부(4006)의 일면에 방열부(4012)가 결합하여 장착되기 위한 중앙홀(4008)을 구비할 수 있다. The
하우징(4009)은 상기 일면과 일체로 연결되어 직각방향으로 절곡되는 타면에 반사부(4005)가 광원(4001)의 상부측에 위치하도록 고정시키는 전방홀(4007)을 구비할 수 있다. 이에 따라, 반사부(4005)에 의하여 전방측은 개방되며, 개방된 전방이 전방홀(4007)과 대응되도록 반사부(4005)가 하우징(4009)에 고정되어 반사부(4005)를 통해 반사된 빛이 전방홀(4007)을 통과하여 외부로 출사될 수 있다.
The
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. The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and that various substitutions, modifications, and changes are possible within the scope of the technical spirit of the present invention. It will be obvious to those who have knowledge of
Claims (10)
상기 복수의 나노 발광구조물의 제2 도전형 반도체층의 표면에 배치되며, 투명 전도성 물질로 이루어진 콘택 전극;
상기 복수의 나노 발광구조물 사이의 공간에 충전되며, 제1 굴절률을 갖는 물질로 이루어진 제1 투광부; 및
상기 제1 투광부 상에 배치되며, 각각 상기 복수의 나노 발광구조물 중 2 이상의 나노 발광구조물을 덮도록 배열되는 복수의 렌즈를 포함하며, 상기 제1 굴절률보다 큰 제2 굴절률을 갖는 물질로 이루어진 제2 투광부를 포함하는 나노구조 반도체 발광소자.
A plurality of nano light-emitting structures each having a nano core made of a first conductivity type semiconductor, an active layer sequentially positioned on the surface of the nano core, and a second conductivity type semiconductor layer;
A contact electrode disposed on the surface of the second conductive semiconductor layer of the plurality of nano light emitting structures and made of a transparent conductive material;
A first light-transmitting part filled in the space between the plurality of nano light-emitting structures and made of a material having a first refractive index; And
A plurality of lenses disposed on the first light-transmitting part and each arranged to cover at least two nano light-emitting structures of the plurality of nano-light-emitting structures, and a material having a second refractive index greater than the first refractive index 2 Nano-structure semiconductor light emitting device including a light-transmitting portion.
상기 제2 투광부는 상기 복수의 나노 발광구조물을 덮도록 상기 제1 투광부 상에 배치된 플레이트를 더 포함하며, 상기 복수의 렌즈는 상기 플레이트 상에 배열된 것을 특징으로 하는 나노구조 반도체 발광소자.
The method of claim 1,
The second light-transmitting part further comprises a plate disposed on the first light-transmitting part to cover the plurality of nano light-emitting structures, wherein the plurality of lenses are arranged on the plate.
상기 나노 발광구조물은 제1 결정면인 측면을 갖는 메인부와, 상기 메인부 상에 위치하며 제1 결정면과 다른 제2 결정면인 표면을 갖는 상단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조 반도체 발광소자.
The method of claim 1,
The nano light-emitting structure is a nanostructure semiconductor light emitting device, characterized in that it comprises a main portion having a side surface as a first crystal plane, and an upper end portion having a surface that is a second crystal plane different from the first crystal plane on the main part.
상기 제1 투광부와 상기 제2 투광부의 계면은 상기 메인부의 높이와 거의 동일하거나 그보다 낮은 것을 특징으로 하는 나노구조 반도체 발광소자.
The method of claim 6,
An interface of the first light-transmitting part and the second light-transmitting part is substantially equal to or lower than the height of the main part.
상기 콘택 전극은 상기 나노 발광구조물의 상단부의 적어도 일부 영역이 노출되도록 상기 나노 발광구조물의 측면에 배치된 것을 특징으로 하는 나노구조 반도체 발광소자.
The method of claim 6,
The contact electrode is a nanostructure semiconductor light emitting device, characterized in that disposed on the side of the nano light emitting structure to expose at least a portion of the upper end of the nano light emitting structure.
상기 제2 투광부는 상기 나노 발광구조물의 표면에 직접 접촉하는 계면을 갖는 것을 특징으로 하는 나노구조 반도체 발광소자.
The method of claim 8,
The nanostructure semiconductor light emitting device, characterized in that the second light-transmitting portion has an interface in direct contact with the surface of the nano-light emitting structure.
상기 제2 투광부 상에 배치되어 추가적인 렌즈 형상을 제공하며, 상기 제2 굴절률과 다른 제3 굴절률을 갖는 물질로 이루어진 제3 투광부를 더 포함하는 나노 구조 반도체 발광소자.The method of claim 1,
A nanostructure semiconductor light emitting device further comprising a third light-transmitting part disposed on the second light-transmitting part to provide an additional lens shape, and comprising a third light-transmitting part made of a material having a third refractive index different from the second refractive index.
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