KR102348533B1 - 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR102348533B1
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Abstract

실시 예는 도전성 베이스층; 상기 베이스층 상에 배치되고 복수 개의 제1홀을 포함하는 절연막; 상기 제1홀을 통해 상기 베이스층과 전기적으로 연결되는 제1반도체 코어와, 상기 제1반도체 코어상에 배치되는 활성층, 및 제2반도체층을 포함하는 복수 개의 발광 구조물; 상기 복수 개의 발광 구조물의 사이에 채워지는 절연입자를 포함하는 절연입자층; 및 상기 절연입자층 상에 배치되는 제1도전층을 포함하고, 상기 절연입자의 직경은 상기 제1홀의 폭보다 작은 발광소자 및 그 제조방법을 개시한다.

Description

발광소자 및 그 제조방법{Light Emitting Device and Method for the same}
실시 예는 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
발광소자(Light Emitting Device, LED)는 전기에너지를 빛 에너지로 변환하는 화합물 반도체 소자로서, 화합물반도체의 조성비를 조절함으로써 다양한 색상구현이 가능하다.
질화물반도체 발광소자는 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저소비 전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경친화성의 장점을 갖고 있다. 따라서, LCD(Liquid Crystal Display) 표시 장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 발광 다이오드 백라이트, 형광등이나 백열 전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드 조명 장치, 자동차 헤드 라이트 및 신호등에까지 응용이 확대되고 있다.
최근에는, 수직 성장된 나노 구조물을 이용한 발광소자가 개발되고 있다. 이러한 나노 구조물은 전면에서 발광하므로 발광면적을 넓힐 수 있다.
그러나, 나노 구조물의 하단부에서 전류가 밀집되어 누설 전류가 발생하는 문제가 있다. 또한, 나노 구조물의 미성장 영역 또는 나노 구조물이 부러진 영역에서 누설 전류가 발생하여 전기적 특성이 떨어지는 문제가 있다.
실시 예는 누설 전류를 감소할 수 있는 발광소자를 제공한다.
실시 예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.
일 실시 예에 따른 발광소자는, 도전성 베이스층; 상기 베이스층 상에 배치되고 복수 개의 제1홀을 포함하는 절연막; 상기 제1홀을 통해 상기 베이스층과 전기적으로 연결되는 제1반도체 코어와, 상기 제1반도체 코어상에 배치되는 활성층, 및 제2반도체층을 포함하는 복수 개의 발광 구조물; 상기 복수 개의 발광 구조물의 사이에 채워지는 절연입자를 포함하는 절연입자층; 및 상기 절연입자층 상에 배치되는 제1도전층을 포함하고, 상기 절연입자의 직경은 상기 제1홀의 폭보다 작다.
상기 복수 개의 제1홀 중 적어도 어느 하나에는 상기 절연입자가 충진될 수 있다.
상기 제1홀의 폭은 0.5㎛ 이상 3㎛ 이하일 수 있다.
상기 절연입자의 직경은 150nm 이상 500nm이하일 수 있다.
상기 절연입자층의 두께는 400nm 이상 1000nm이하일 수 있다.
상기 절연막의 재질과 상기 절연입자의 재질은 상이할 수 있다.
상기 절연입자는 제1직경을 갖는 제1절연입자 및 제2직경을 갖는 제2절연입자를 포함하고, 상기 제2직경은 상기 제1직경보다 클 수 있다.
상기 절연입자층은 제1절연입자를 포함하는 하부 절연입자층, 및 상기 제2절연입자를 포함하는 상부 절연입자층을 포함할 수 있다.
상기 제1절연입자는 상기 복수 개의 제1홀 중 적어도 어느 하나에 충진될 수 있다.
상기 절연입자층은 상기 제1절연입자와 제2절연입자가 랜덤하게 분산될 수 있다.
상기 제2반도체층상에 형성된 표면처리층을 포함할 수 있다.
상기 표면처리층은 실란계 물질을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 발광소자 제조방법은, 도전성 베이스층 상에 복수 개의 제1홀을 갖는 절연막을 형성하는 단계; 상기 제1홀 상에 제1반도체 코어, 활성층, 및 제2반도체층을 포함하는 발광 구조물을 성장시키는 단계; 상기 발광 구조물 사이에 절연입자층을 형성하는 단계; 상기 절연입자층 및 상기 발광 구조물 상에 도전층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 절연입자층을 형성하는 단계는, 상기 제1홀의 폭보다 작은 직경을 갖는 절연입자를 발광구조물 사이에 형성할 수 있다.
상기 절연막의 재질과 상기 절연입자의 재질은 상이할 수 있다.
상기 절연입자는 제1직경을 갖는 제1절연입자 및 제2직경을 갖는 제2절연입자를 포함하고, 상기 제2직경은 상기 제1직경보다 클 수 있다.
실시 예에 따르면, 누설 전류가 감소되어 전기적 특성이 우수한 발광소자를 제조할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광소자의 개념도이고,
도 2는 누설 전류가 발생하는 경로를 설명하기 위한 도면이고,
도 3은 발광 구조물의 하단부에 발생하는 제1누설경로를 보여주는 사진이고,
도 4는 발광 구조물이 일부 미형성된 영역에서 발생하는 제2누설경로를 보여주는 사진이고,
도 5는 절연막의 핀홀에 의해 발생하는 제3누설경로를 보여주는 사진이고,
도 6은 도 1의 발광 구조물 사이에 절연입자층이 배치된 상태를 보여주는 도면이고,
도 7은 도 1의 발광 구조물 사이에 절연입자층이 배치된 상태를 보여주는 사진이고,
도 8은 다양한 형상의 발광 구조물 사이에 절연입자층이 배치된 상태를 보여주는 도면이고,
도 9는 다양한 형상의 발광 구조물 사이에 절연입자층이 배치된 상태를 보여주는 사진이고,
도 10은 도 1의 발광 구조물 사이에 크기가 상이한 절연입자가 배치된 상태를 보여주는 도면이고,
도 11은 도 1의 발광 구조물 사이에 크기가 상이한 절연입자가 배치된 상태를 보여주는 사진이고,
도 12는 도 1의 발광 구조물 사이에 크기가 상이한 절연입자가 랜덤하게 배치된 상태를 보여주는 도면이고,
도 13은 도 1의 발광 구조물 사이에 재질이 상이한 절연입자가 랜덤하게 배치된 상태를 보여주는 도면이고,
도 14는 도 1의 발광 구조물 사이에 형상이 상이한 절연입자가 랜덤하게 배치된 상태를 보여주는 도면이고,
도 15는 도 1의 발광 구조물에 표면층이 형성된 상태를 보여주는 도면이고,
도 16은 도 15의 표면 처리된 발광 구조물 사이에 절연입자층이 형성된 상태를 보여주는 도면이고,
도 17a 내지 도 17f는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광소자 제조방법을 설명하기 위한 도면들이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예를 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명 실시 예를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 실시 예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 실시 예의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 2 구성 요소는 제 1 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 1 구성 요소도 제 2 구성 요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명 실시 예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
실시 예의 설명에 있어서, 어느 한 element가 다른 element의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광소자의 개념도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광소자는, 기판(110) 상의 도전성 베이스층(131)과, 복수 개의 제1홀(W)을 포함하는 절연막(120)과, 복수 개의 발광 구조물(130)과, 복수 개의 발광 구조물(130)의 사이에 배치되는 절연입자층(140), 및 절연입자층(140) 상에 배치되는 제1도전층(150)을 포함한다.
기판(110)은 전도성 기판 또는 절연성 기판을 포함할 수 있다. 기판(110)은 반도체 물질 성장에 적합한 물질이나 캐리어 웨이퍼일 수 있다. 기판(110)은 사파이어(Al2O3), SiC, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP 및 Ge 중 선택된 물질로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
도전성 베이스층(131)은 기판(110) 상에 형성되고 발광 구조물(130)의 성장면을 제공할 수 있다. 또한, 베이스층(131)은 도전성을 가져 제1전극(171)과 발광 구조물(130)을 전기적으로 연결할 수 있다. 베이스층(131)은 제1반도체 코어(132)와 동일한 조성일 수 있으나 이에 한정하지 않는다. 베이스층(131)은 Si, Ge, Sn, Se, Te와 같은 n형 도펀트가 도핑될 수 있으나 이에 한정하지 않는다.
절연막(120)은 도전성 베이스층(131)상에 배치된다. 절연막(120)은 베이스층(131)과 발광 구조물(130)이 전기적으로 연결되는 복수 개의 제1홀(W)을 포함한다. 복수 개의 제1홀(W)은 마스크 패턴에 의해 형성될 수 있다. 절연막(120)은 SiO2 또는 SiNx와 같은 절연물질을 포함할 수 있으나 이에 한정하지 않는다.
복수 개의 발광 구조물(130)은 제1홀(W)을 통해 베이스층(131)과 전기적으로 연결되는 제1반도체 코어(132), 제1반도체 코어(132)상에 형성되는 활성층(134), 활성층(134) 상에 형성되는 제2반도체층(133)을 포함할 수 있다. 발광 구조물(130)은 기판(110)상에 실질적으로 수직한 방향으로 성장하며, 나노 사이즈의 크기를 가질 수 있다. 발광 구조물(130)에서 방출된 광은 기판 방향 및/또는 반대 방향으로 방출될 수 있다.
제1반도체 코어(132)는 제1홀(W)에 의해 노출된 베이스층(131)의 표면에서 성장할 수 있다. 제1반도체 코어(132)는 나노 로드일 수 있으나 이에 한정하지 않는다. 제1반도체 코어(132)는 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체일 수 있으며, 제1반도체 코어(132)에 제1도펀트가 도핑될 수 있다. 제1반도체 코어(132)는 Inx1Aly1Ga1 -x1-y1N(0≤x1≤1, 0≤y1≤1, 0≤x1+y1≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 GaN, AlGaN, InGaN, InAlGaN 등에서 선택될 수 있다. 그리고, 제1도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te와 같은 n형 도펀트일 수 있다. 제1도펀트가 n형 도펀트인 경우, 제1도펀트가 도핑된 제1반도체 코어(132)는 n형 반도체일 수 있다.
활성층(134)은 절연막(120)상에서 성장하고 제1반도체 코어(132)상에 배치된다. 활성층(134)은 제1반도체 코어(132)를 통해서 주입되는 전자(또는 정공)와 제2반도체층(133)을 통해서 주입되는 정공(또는 전자)이 만나는 층이다. 활성층(134)은 전자와 정공이 재결합함에 따라 낮은 에너지 준위로 천이하며, 그에 상응하는 파장을 가지는 빛을 생성할 수 있다. 본 실시 예에서 발광 파장에는 제한이 없다.
활성층(134)은 단일 우물 구조, 다중 우물 구조, 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물(Multi Quantum Well; MQW) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있으며, 활성층(134)의 구조는 이에 한정하지 않는다.
활성층(134)은 복수 개의 우물층 및 장벽층이 교대로 배치되는 구조를 가질 수 있다. 우물층과 장벽층은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 가질 수 있고, 장벽층의 에너지 밴드갭은 우물층의 에너지 밴드갭보다 클 수 있다.
제2반도체층(133)은 절연막(120)상에서 성장하고 활성층(134)상에 배치된다. 제2반도체층(133)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2반도체층(133)에 제2도펀트가 도핑될 수 있다. 제2반도체층(133)은 Inx5Aly2Ga1 -x5- y2N (0≤x5≤1, 0≤y2≤1, 0≤x5+y2≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질 또는 AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 선택된 물질로 형성될 수 있다. 제2도펀트가 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트인 경우, 제2도펀트가 도핑된 제2반도체층(133)은 p형 반도체일 수 있다.
활성층(134)과 제2반도체층(133) 사이에는 전자 차단층(EBL)이 배치될 수 있다. 전자 차단층은 Inx1Aly1Ga1 -x1- y1N(0≤x1≤1, 0≤y1≤1, 0≤x1+y1≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 AlGaN, InGaN, InAlGaN 등에서 선택될 수 있으나 이에 한정하지 않는다.
도전층(150)은 절연입자층(140) 및 발광 구조물(130)상에 배치된다. 도전층(150)은 제2전극(172)과 제2반도체층(133)을 전기적으로 연결할 수 있다. 또한, 제1전극(171)은 일부 노출된 베이스층(131)상에 배치되어 제1반도체 코어(132)와 전기적으로 연결될 수 있다.
절연입자층(140)은 복수 개의 발광 구조물(130)의 사이에 채워져 발광 구조물(130)들을 지지하는 동시에 전기적으로 절연할 수 있다.
도 2는 누설 전류가 발생하는 경로를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 발광 구조물의 하단부에 발생하는 제1누설경로를 보여주는 사진이고, 도 4는 발광 구조물이 일부 미형성된 영역에서 발생하는 제2누설경로를 보여주는 사진이고, 도 5는 절연막의 핀홀에 의해 발생하는 제3누설경로를 보여주는 사진이다.
도 2 내지 도 5를 참고하면, 나노 발광 구조물(130)을 포함하는 발광소자에서는 크게 3가지 타입의 누설 경로가 형성될 수 있다. 제1누설경로(D1)는 발광 구조물(130)의 하단부에서 발생할 수 있다. 발광 구조물(130)의 하단부에는 전류밀집현상이 발생한다. 따라서 전류 밀집 영역에서 전류누설 경로가 발생하게 된다. 전류 밀집 영역의 크기는 300~500nm일 수 있다.
제2누설경로(D2)는 발광 구조물(130) 미생성 영역 및 발광 구조물(130)이 부러진 영역에서 발생할 수 있다. 복수 개의 제1홀(W)에는 각각 발광 구조물(130)이 형성되도록 제어되나 공정상 여러 이유로 일부 제1홀(W)에는 발광 구조물(130)이 성장되지 않을 수 있다. 또한 큰 종횡비 때문에 성장 도중에 발광 구조물(130)이 부러질 수 있다.
제3누설경로(D3)는 절연막(120) 상에 형성된 결함에 의해 발생할 수 있다. 발광 구조물(130)을 성장시키기 위한 절연막(120)의 막질(Film quality)이 떨어지는 경우 고온/고압의 나노 구조체 성장 환경에서 핀홀(d4)이 발생하여 전류가 누설될 수 있다. 핀홀(d4)의 폭은 50~100nm일 수 있다.
도 6은 도 1의 발광 구조물 사이에 절연입자층이 배치된 상태를 보여주는 도면이고, 도 7은 도 1의 발광 구조물 사이에 절연입자층이 배치된 상태를 보여주는 사진이다.
도 6과 도 7을 참고하면, 절연입자층(140)은 복수 개의 발광 구조물(130)의 사이를 절연하여 제1누설경로 및 제3누설경로를 차단할 수 있다. 절연입자층(140)의 두께는 400nm 이상 1000nm이하일 수 있다. 두께가 400nm미만인 경우 발광 구조물(130) 재성장시 형성되는 결함(dislocation)이 도전층(150) 또는 베이스층(131)과 접촉하게 되어 누설 전류가 발생할 수 있다. 두께가 1000nm를 초과하는 경우에는 발광 구조물(130)의 측면(m-plane) 발광 면적이 지나치게 감소하여 발광 효율이 감소할 수 있다.
또한, 절연입자층(140)은 발광 구조물(130)이 생성되지 않은 제1홀(W)에 충진되어 누설경로를 차단할 수 있다. 이를 위해 절연입자층(140)은 발광 구조물(130)이 형성된 후 도포될 수 있으며, 크기는 제1홀(W)의 폭보다 작을 수 있다. 제1홀(W)의 폭은 0.5㎛ 이상 3㎛이하로 제어될 수 있으므로, 절연입자(P)의 직경은 적어도 0.5㎛미만인 것이 바람직하다.
이때, 절연입자(P)의 직경은 150nm 이상 500nm미만일 수 있다. 직경이 150nm미만인 경우에는 절연입자(P)가 발광 구조물(130)의 상단부에 달라붙게 되어 발광효율이 감소하는 문제가 있다. 즉, 직경이 150nm미만인 경우에는 절연입자(P)간의 인력보다 발광 구조물(130)과 절연입자(P)의 인력이 강해져 발광 구조물(130)의 하단부에 균일한 도포가 어려워질 수 있다.
직경이 500nm를 초과하는 경우에는 절연입자(P) 사이의 공극이 커져 도전층(150) 형성시 발광 구조물(130)의 하단까지 도전층(150)이 침투하는 문제가 있다. 절연입자(P)의 직경이 200nm 내지 400nm인 경우 열거한 문제점을 더욱 효과적으로 해결할 수 있다.
절연입자층(140)에는 절연입자(P)간 공극이 존재하므로 절연막(120)에 비해 광 추출 효과를 가질 수 있다. 즉, 절연입자층(140)을 커버한 발광 구조물(130)의 측면에서 발생한 광은 절연입자층(140) 내에서 산란되어 외부로 출사될 수도 있다. 따라서, 발광효율이 향상될 수 있다. 공극률은 약 0.2 내지 0.3일 수 있으나 이에 한정하지 않는다.
도 8은 다양한 형상의 발광 구조물 사이에 절연입자층이 배치된 상태를 보여주는 도면이고, 도 9는 다양한 형상의 발광 구조물 사이에 절연입자층이 배치된 상태를 보여주는 사진이다.
도 8 및 도 9를 참고하면, 발광 구조물(130)은 다양한 형상이 모두 적용될 수 있다. 성장 조건에 따라 피라미드 형상, 나노 로드 형상, 및 상단이 평평한 형상을 모두 포함할 수 있다. 이때, 절연입자층(140)을 절연막으로 형성할 수도 있다. 절연막 형성방법에는 제한이 없다. 예시적으로 스퍼터링(Sputtering), E-빔 증착(E-Beam evaporation), 열 증착(Thermal evaporation), 펄스 레이저 증착(Pulsed Laser Deposition), 레이저 분자빔 에피텍시(Laser molecular beam epitaxy)와 같은 PVD 공정, 및 MOCVD, HVPE, ALD, PECVD, LPCVD, APCVD 등의 CVD 공정이 모두 적용될 수 있다.
도 10은 도 1의 발광 구조물 사이에 크기가 상이한 절연입자가 배치된 상태를 보여주는 도면이고, 도 11은 도 1의 발광 구조물 사이에 크기가 상이한 절연입자가 배치된 상태를 보여주는 사진이고, 도 12는 도 1의 발광 구조물 사이에 크기가 상이한 절연입자가 랜덤하게 배치된 상태를 보여주는 도면이다.
도 10과 도 11을 참고하면, 절연입자층(140)은 제1직경을 갖는 제1절연입자(P1), 및 제2직경을 갖는 제2절연입자(P2)를 포함할 수 있다. 이때, 제2직경은 제1직경보다 클 수 있다. 제1절연입자(P1)는 하부 절연입자층을 구성할 수 있고, 제2절연입자(P2)는 상부 절연입자층을 구성할 수 있다.
이러한 구성에 의하면 직경이 작은 제1절연입자(P1)가 제1홀(W)에 조밀하게 충진되어 제2누설경로를 효과적으로 차단할 수 있다. 또한, 상대적으로 직경이 큰 제2절연입자(P2)는 발광 구조물(130)의 측면에서 발광된 광을 외부로 방출할 수 있다.
도 12를 참고하면, 제1절연입자(P1)와 제2절연입자(P2)는 랜덤하게 분산될 수 있다. 이 경우 크기가 상이한 두 종류의 절연입자(P1, P2)가 분산되어 공극률을 줄일 수 있다. 따라서, 제1 내지 제3누설경로를 효과적으로 차단할 수 있다.
도 13은 도 1의 발광 구조물 사이에 재질이 상이한 절연입자가 랜덤하게 배치된 상태를 보여주는 도면이고, 도 14는 도 1의 발광 구조물 사이에 형상이 상이한 절연입자가 랜덤하게 배치된 상태를 보여주는 도면이다.
도 13을 참고하면, 재질이 상이한 복수 개의 절연입자(P3, P4)는 SiO2, Si3N4, Al2O3, ZrSiO4, HfSiO4, ZrO2, HfO2, La2O3, Ta2O5, TiO2에서 선택될 수 있다. 따라서, 서로 다른 효과가 있는 절연재질이 혼합될 수 있다. 일 예로, 전기적 절연성이 우수한 SiO2와 반사율이 우수한 Al2O3를 사용하여 전기적 절연성 및 광 추출성을 동시에 향상시킬 수도 있다.
도 14를 참고하면, 절연입자(P3, P4, P5)의 형상은 서로 상이할 수 있다. 절연입자(P3, P4, P5)의 형상은 특별히 한정하지 않는다. 절연입자(P3, P4, P5)의 형상은 구형상(Spherical), 막대형상(rod-like), 삼각형상(polygonal), 큐브형상(polyhedral), 브랜치 형상(branched), 복합형상(complex), 다각 형상 등이 다양하게 적용될 수 있다.
도 15는 도 1의 발광 구조물에 표면층이 형성된 상태를 보여주는 도면이고, 도 16은 도 15의 표면 처리된 발광 구조물 사이에 절연입자층이 형성된 상태를 보여주는 도면이다.
도 15 및 도 16을 참고하면, 발광 구조물(130)에 표면층(135)이 더 형성될 수 있다. GaN 반도체는 공기 중에 노출되어 수십 nm 두께의 Ga2O3층을 갖는다. Ga2O3층은 친수성(Hydrophillic)이므로 절연입자와의 인력이 강해진다. 따라서, 절연입자층을 형성하는 경우 대부분의 절연입자가 발광 구조물(130)에 붙게 되어 균일한 도포가 어려워진다.
발광 구조물(130)에 표면처리물질을 도포하면 표면층(135)은 소수성(Hydrophobic) 성질을 갖게 된다. 따라서, 친수성 표면을 갖는 절연입자(P)와의 인력이 약해져 균일한 절연입자층(140)을 형성할 수 있다. 즉, 절연입자(P)간의 인력이 절연입자(P)와 발광 구조물(130) 사이의 인력보다 커져 균일한 도포가 가능해질 수 있다. 또한, 제1홀(W)에도 표면층(135)과 동일한 조성인 커버층(S)이 형성되어 절연입자의 균일한 코팅이 가능해 질 수 있다.
표면처리물질은 소수성을 부여할 수 있는 다양한 물질이 선택될 수 있다. 일 예로, 실란계 물질 또는 유무기 실란 화합물을 포함할 수 있다. 표면 처리 물질은 heptadecafluorodecyltrimethoxysilane(PFAS), octadecyldimethylchlorosilane, octadecyltrichlorosilane(OTS), tris(trimethylsiloxy silylethyl-dimethylchlorosilane, octyl dimethylchlorosilane, dimethyldichlorosilane, butyl dimethyl chlorosilane, trimethylchlorosilane 중 선택된 어느 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.
도 17a 내지 도 17f는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발광소자 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 17a를 참고하면, 기판(110) 상에 도전형 베이스층(131)을 형성한다. 기판(110)은 사파이어(Al2O3), SiC, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP 및 Ge 중 선택된 물질로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
베이스층(131)은 제1반도체 코어와 동일한 조성일 수 있으나 이에 한정하지 않는다. 베이스층(131)은 Si, Ge, Sn, Se, Te와 같은 n형 도펀트가 도핑될 수 있으나 이에 한정하지 않는다.
도 17b를 참고하면, 베이스층(131) 상에 복수 개의 제1홀(W)을 갖는 절연막(120)을 형성한다. 절연막(120)은 SiO2, Si3N4, Al2O3, ZrSiO4, HfSiO4, ZrO2, HfO2, La2O3, Ta2O5, TiO2의 다양한 절연 재질이 선택될 수 있고, 제1홀(W)은 0.5㎛ 이상 3㎛이하의 폭으로 제작할 수 있다.
도 17c를 참고하면, 절연막(120) 상에 복수 개의 발광 구조물(130)은 성장시킨다. 발광 구조물(130)의 성장 방법은 기존의 반도체 성장 방법이 모두 적용될 수 있다. 제1반도체 코어(132)는 베이스층(131)의 표면에서 성장되고, 그 위에 활성층(134) 및 제2반도체층(133)이 형성될 수 있다. 활성층(134)과 제2반도체층(133)은 절연막(120)상에서 성장할 수 있다. 필요에 따라 발광 구조물(130)을 성장시키기 위해 마스크 패턴을 사용할 수도 있다.
도 17d 및 도 17e를 참고하면, 복수 개의 발광 구조물(130) 상에 절연입자(P)가 분산된 용액(solvent)을 코팅할 수 있다. 용액은 특별히 제한되지 않는다.
분산 방법은 드롭 코팅(drop-coating), 딥 코팅(dip coating), 스핀코팅(spin coating), 전기 증착(electrophoretic deposition), 자가 조립 방식(self-assembly at the gas/liquid interface), 트랜시퍼 방식(transfer from the gas/liquid to the gas/solid interface), 및 스프레이 코팅(spray coating) 중 어느 하나가 사용될 수 있다. 용액을 이용하는 경우 코팅 후 용액을 휘발시킬 수 있다.
절연입자(P)의 직경은 150nm 이상 500nm미만일 수 있다. 따라서, 절연입자의 직경은 제1홀(W)의 직경보다 작을 수 있다. 또한, 절연입자(P)의 재질은 절연막(120)의 재질과 상이할 수 있고, 직경 사이즈도 상이할 수 있다. 이 외에도 전술한 절연입자의 특징이 모두 적용될 수 있도록 절연입자층(140)을 형성할 수 있다.
이때, 발광 구조물(130)에는 미리 표면 처리를 수행할 수 있다. 전술한 바와 같이 표면 처리에 의해 발광 구조물의 표면은 소수성을 갖게 되어 절연입자(P)의 균일한 코팅이 가능해질 수 있다. 실란계 물질 또는 유무기 실란 화합물을 발광 구조물(130)에 코팅할 수 있다.
도 17f를 참고하면, 절연입자층(140) 상에 도전층(150)을 형성하고, 그 위에 충진층(160)을 더 형성할 수 있다. 충진층(160)은 광학적으로 투명한 층이거나 절연층일 수 있다. 일 예로, 충진층(160)은 스핀 온 글래스(spin on glass)를 포함할 수 있다. 충진층(160)의 높이는 발광 구조물(130)의 높이보다 낮게 형성할 수 있다.
충진층(160)의 외측으로 노출된 발광 구조물(130) 상에는 제2전극(172)을 형성하고, 일부 노출된 베이스층(131)상에는 제1전극(171)을 형성할 수 있다.
실시 예의 발광 소자는 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트 등의 광학 부재를 더 포함하여 이루어져 백라이트 유닛으로 기능할 수 있다. 또한, 실시 예의 발광 소자는 표시 장치, 조명 장치, 지시 장치에 더 적용될 수 있다.
이 때, 표시 장치는 바텀 커버, 반사판, 발광 모듈, 도광판, 광학 시트, 디스플레이 패널, 화상 신호 출력 회로 및 컬러 필터를 포함할 수 있다. 바텀 커버, 반사판, 발광 모듈, 도광판 및 광학 시트는 백라이트 유닛(Backlight Unit)을 이룰 수 있다.
반사판은 바텀 커버 상에 배치되고, 발광 모듈은 광을 방출한다. 도광판은 반사판의 전방에 배치되어 발광 모듈에서 발산되는 빛을 전방으로 안내하고, 광학 시트는 프리즘 시트 등을 포함하여 이루어져 도광판의 전방에 배치된다. 디스플레이 패널은 광학 시트 전방에 배치되고, 화상 신호 출력 회로는 디스플레이 패널에 화상 신호를 공급하며, 컬러 필터는 디스플레이 패널의 전방에 배치된다.
그리고, 조명 장치는 기판과 실시 예의 발광 소자를 포함하는 광원 모듈, 광원 모듈의 열을 발산시키는 방열부 및 외부로부터 제공받은 전기적 신호를 처리 또는 변환하여 광원 모듈로 제공하는 전원 제공부를 포함할 수 있다. 더욱이 조명 장치는, 램프, 해드 램프, 또는 가로등 등을 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명 실시 예는 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 실시 예의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명 실시 예가 속하는 기술분야에서 종래의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
110: 기판
120: 절연막
130: 발광 구조물
131: 베이스층
132: 제1반도체 코어
133: 제2반도체층
134: 활성층
140: 절연입자층
150: 도전층
160: 충진층
171: 제1전극
172: 제2전극

Claims (16)

  1. 도전성 베이스층;
    상기 베이스층 상에 배치되고 복수 개의 제1홀을 포함하는 절연막;
    상기 제1홀을 통해 상기 베이스층과 전기적으로 연결되는 제1반도체 코어와, 상기 제1반도체 코어상에 배치되는 활성층, 및 제2반도체층을 포함하는 복수 개의 발광 구조물;
    상기 복수 개의 발광 구조물의 사이에 채워지는 절연입자를 포함하는 절연입자층; 및
    상기 절연입자층 상에 배치되는 제1도전층을 포함하고,
    상기 절연막의 재질과 상기 절연입자의 재질은 상이하고,
    상기 절연입자는 제1직경을 갖는 제1절연입자, 및 상기 제1직경보다 큰 제2직경을 갖는 제2절연입자를 포함하는 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 제1홀 중 적어도 어느 하나에는 직경이 150nm 이상 500nm이하인 상기 절연입자가 충진되고,
    상기 절연입자는 제1직경을 갖는 제1절연입자 및 상기 제1직경보다 큰 제2직경을 갖는 제2절연입자를 포함하고,
    상기 제1홀의 폭은 0.5㎛ 이상 3㎛ 이하이며,
    상기 절연막의 재질과 상기 절연입자의 재질은 상이하고,
    상기 절연입자층은 두께가 400nm 이상 1000nm이하이고, 상기 제1절연입자를 포함하는 하부 절연입자층, 및 상기 제2절연입자를 포함하는 상부 절연입자층을 포함하는 발광소자.
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  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2반도체층상에 형성되며 실란계 물질을 포함하는 표면처리층을 포함하는 발광소자.
  12. 삭제
  13. 도전성 베이스층 상에 복수 개의 제1홀을 갖는 절연막을 형성하는 단계;
    상기 제1홀 상에 제1반도체 코어, 활성층, 및 제2반도체층을 포함하는 발광 구조물을 성장시키는 단계;
    상기 발광 구조물 사이에 절연입자를 포함하는 절연입자층을 형성하는 단계;
    상기 절연입자층 및 상기 발광 구조물 상에 도전층을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 절연막의 재질과 상기 절연입자의 재질은 상이하고,
    상기 절연입자는 제1직경을 갖는 제1절연입자, 및 상기 제1 직경보다 큰 제2직경을 갖는 제2절연입자를 포함하 발광소자 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 절연입자층을 형성하는 단계는,
    상기 제1홀의 폭보다 작은 직경을 갖는 상기 절연입자를 상기 발광구조물 사이에 형성하는 단계인 발광소자 제조방법.
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  16. 삭제
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