KR102451120B1 - 발광 소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

실시 예는 광 추출 효율이 향상된 발광 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명 실시 예의 발광 소자는 기판; 상기 기판 상에 배치되며, 상부면이 요철 형상을 갖는 제 1 반도체층, 상기 제 1 반도체층보다 상기 기판과 인접한 제 2 반도체층 및 상기 제 1 반도체층과 상기 제 2 반도체층 사이에 배치된 활성층을 포함하는 발광 구조물; 상기 요철 형상을 따라 상기 제 1 반도체층 상에 형성되어, 상부면이 오목부를 가지며, 상기 제 1 반도체층보다 굴절률이 낮은 굴절률 변조층; 및 상기 굴절률 변조층 상에 상기 오목부 사이마다 배치된 절연 패턴을 포함한다.

Description

발광 소자 및 이의 제조 방법{LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
본 발명 실시 예는 발광 소자에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전류가 인가되면 광을 방출하는 발광 소자 중 하나이다. 발광 다이오드는 저전압으로 고효율의 광을 방출할 수 있어 에너지 절감 효과가 뛰어나다. 최근, 발광 다이오드의 휘도 문제가 크게 개선되어, 액정 표시 장치의 백라이트 유닛(Backlight Unit), 전광판, 표시기, 가전 제품 등과 같은 각종 기기에 적용되고 있다.
발광 다이오드는 제 1 반도체층, 활성층, 및 제 2 반도체층으로 구성된 발광 구조물의 일 측에 제 1 전극과 제 2 전극이 배치된 구조일 수 있다. 제 1 전극 및 제 2 전극은 각각 제 1 패드 및 제 2 패드와 전기적으로 연결된다. 그리고, 본딩층을 이용하여 제 1 패드 및 제 2 패드를 리드 프레임에 연결하거나 인쇄 회로 기판 등에 실장할 수 있다.
상기와 같은 발광 다이오드는 디스플레이용 광원, 자동차용 광원 및 조명용 광원으로 사용될 수 있으며, 발광 다이오드에서 방출되는 광이 바로 외부로 방출되거나, 형광체가 포함된 봉지 부재를 통과하며 다양한 색의 광을 방출할 수 있다.
이 때, 발광 다이오드는 발광 구조물과 봉지 부재의 굴절률 차이 또는 발광 구조물과 공기(Air)의 굴절률 차이로 인해, 발광 구조물에서 방출되는 광의 일부가 다시 발광 다이오드로 진행할 수 있다. 또한, 발광 구조물에서 방출되는 광이 형광체에 의해 변환될 때, 전 방향으로 진행하는 광이 생성되므로, 일부 광이 다시 발광 구조물 내로 진입하여, 발광 효율이 저하된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 발광 구조물과 봉지 부재 또는 발광 구조물과 공기의 굴절률 차이를 제어하여 전반사 임계각을 증가시켜 광 추출 효율이 개선된 발광 소자 및 이의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 한 실시 예의 발광 소자는 기판; 상기 기판 상에 배치되며, 상부면이 요철 형상을 갖는 제 1 반도체층, 상기 제 1 반도체층보다 상기 기판과 인접한 제 2 반도체층 및 상기 제 1 반도체층과 상기 제 2 반도체층 사이에 배치된 활성층을 포함하는 발광 구조물; 상기 요철 형상을 따라 상기 제 1 반도체층 상에 형성되어, 상부면이 오목부를 가지며, 상기 제 1 반도체층보다 굴절률이 낮은 굴절률 변조층; 및 상기 굴절률 변조층 상에 상기 오목부 사이마다 배치된 절연 패턴을 포함한다.
본 발명의 한 실시 예의 발광 소자의 제조 방법은 베이스 기판 상에 반도체 패턴을 형성하는 단계; 상기 반도체 패턴상에 복수 개의 개구부를 갖는 절연 패턴을 형성하는 단계; 상기 개구부에서 돌출되도록 상기 반도체 패턴을 더 형성하는 단계; 상기 절연 패턴과 상기 반도체 패턴을 덮으며, 상기 반도체 패턴보다 굴절률이 낮은 물질로 굴절률 변조층을 형성하는 단계; 상기 굴절률 변조층 상에 상기 반도체 패턴과 분리된 제 1 반도체층을 성장시키는 단계; 상기 제 1 반도체층 상에 차례로 활성층 및 제 2 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제 2 반도체층 상에 지지 기판을 형성하는 단계; 및 상기 굴절률 변조층으로부터 상기 반도체 패턴 및 상기 베이스 기판을 분리하여, 상기 제 1 반도체층으로 이루어진 제 1 반도체층, 상기 활성층 및 상기 제 2 반도체층으로 이루어진 제 2 반도체층을 포함하는 발광 구조물을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 발광 소자 및 이의 제조 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 광이 방출되는 발광 구조물 표면에 형성된 굴절률 변조층이 발광 구조물에서 방출되는 광의 전반사 임계각을 증가시켜 광 추출 효율이 향상된다. 이 때, 굴절률 변조층이 두 개 이상의 굴절률을 가져, 광 추출 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
둘째, 굴절률 변조층을 발광 구조물을 형성할 때 함께 형성하여 공정이 간소화되며, 결정성이 개선되어 박막 스트레스가 완화된다.
도 1a는 본 발명 제 1 실시 예의 발광 소자의 단면도이다.
도 1b는 도 1a의 B 영역의 확대도이다.
도 2a는 본 발명 제 1 실시 예의 굴절률 변조층의 굴절률을 나타낸 그래프이다.
도 2b는 도 2a의 굴절률 변조층의 두께에 따른 파장별 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 3a는 본 발명 제 2 실시 예의 굴절률 변조층의 굴절률을 나타낸 그래프이다.
도 3b는 도 3a의 굴절률 변조층의 두께에 따른 파장별 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 4a는 본 발명 제 3 실시 예의 굴절률 변조층의 굴절률을 나타낸 그래프이다.
도 4b는 도 4a의 굴절률 변조층의 두께에 따른 파장별 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명 제 4 실시 예의 굴절률 변조층의 단면도이다.
도 6a 내지 도 6g는 본 발명 실시 예의 발광 소자의 제조 방법을 나타낸 단면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 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, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예의 발광 소자를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1a는 본 발명 제 1 실시 예의 발광 소자의 단면도이다.
도 1a와 같이, 본 발명 제 1 실시 예의 발광 소자는 지지 기판(140), 지지 기판(140) 상에 배치되며, 상부면이 요철 형상(111a)을 갖는 제 1 반도체층(112), 제 1 반도체층(112)보다 지지 기판(140) 인접한 제 2 반도체층(114) 및 제 1 반도체층(112)과 제 2 반도체층(114) 사이에 배치된 활성층(113)을 포함하는 발광 구조물(110), 요철 형상(111a)을 따라 제 1 반도체층(112) 상에 형성되어, 상부면이 오목부(130h)를 갖는 굴절률 변조층(130), 및 굴절률 변조층(130) 상에 오목부(130h) 사이마다 배치된 절연 패턴(120)을 포함한다.
구체적으로, 지지 기판(140)은 사파이어(Al2O3), SiC, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP 및 Ge 등에서 선택된 물질로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
발광 구조물(110)의 제 1 반도체층(112)은 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 형성될 수 있으며, 제 1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 예를 들어, 제 1 반도체층(112)은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 가지는 반도체일 수 있으며, Si, Ge, Sn 등과 같은 n형 도펀트가 도핑된 n형 반도체층일 수 있다.
발광 구조물(110)에서 방출되는 광은 제 1 반도체층(112) 방향으로 진행하며, 제 1 반도체층(112)의 상부면은 광 추출을 향상시키기 위해 요철 패턴(111a)이 형성될 수 있다. 이 때, 요철 패턴(111a)은 상부로 갈수록 폭이 좁아지는 원뿔, 피라미드, 다각형 뿔 형태일 수 있다.
활성층(113)은 전자(electron)와 정공(hole)의 재결합(recombination) 과정에서 발생하는 에너지에 의해 광을 생성할 수 있다. 활성층(113)은 반도체 화합물, 예를 들어, 3족-5족, 2족-6족의 화합물 반도체일 수 있으며, 단일 우물 구조, 다중우물 구조, 양자 선(Quantum-Wire) 구조, 또는 양자 점(Quantum Dot) 구조 등으로 형성될 수 있다. 활성층(113)이 양자우물구조인 경우에는 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 우물층과 InaAlbGa1-a-bN (0≤a≤1, 0≤b≤1, 0≤a+b≤1)의 조성식을 갖는 장벽층을 갖는 단일 또는 양자우물구조를 가질 수 있다. 우물층은 장벽층의 에너지 밴드 갭보다 낮은 밴드 갭을 갖는 물질일 수 있다.
제 2 반도체층(114)은 족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제 2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 예를 들어, 제 2 반도체층(114)은 InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체일 수 있으며, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트가 도핑된 p형 반도체층일 수 있다.
도시하지는 않았으나, 활성층(113)에서 발생하는 광을 제 1 반도체층(112) 방향으로 진행시키기 위해, 제 2 반도체층(114)과 지지 기판(140) 사이에 반사층이 더 형성될 수 있다. 이 때, 반사층은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 및 Hf 등과 같이 반사율이 높은 물질로 형성될 수 있다. 또한, 반사층은 상기 반사율이 높은 물질과 IZO, IZTO, IAZO, IGZO, IGTO, AZO, ATO 등과 같은 투명 전도성 물질이 혼합되어 형성될 수 있으며, 이에 한정하지 않는다.
그리고, 제 1 반도체층(112) 상에 굴절률 변조층(130)이 형성된다. 굴절률 변조층(130)은 요철 형상(111a)을 따라 형성되어, 굴절률 변조층(130)의 상부면에는 요철 형상(111a)에 대응되는 오목부(130h)가 형성된다. 굴절률 변조층(130)은 AlXGa1-XN(0<X≤1)으로 형성할 수 있다. 이 때, 굴절률 변조층(130)은 제 1 반도체층(112)보다 굴절률이 낮고, 발광 구조물(110)에서 발생한 광이 통과하는 공기(Air) 또는 몰딩 부재(미도시)보다 굴절률이 낮다.
상기와 같은 굴절률 변조층(130)은 발광 구조물(110)에서 발생한 광이 발광 구조물(110)보다 굴절률이 낮은 공기(Air) 또는 몰딩 부재(미도시)로 진행할 때, 발광 구조물(110)과 공기(Air) 또는 몰딩 부재(미도시)의 굴절률 차이를 감소시켜 전반사 임계각을 증가시키기 위한 것이다.
특히, 굴절률 변조층(130) 상에 오목부(130h) 사이마다 절연 패턴(120)이 더 형성될 수 있다. 절연 패턴(120)은 요철 형상(111a)을 형성하기 위한 것으로, 절연 패턴(120)은 광이 통과하는 투명한 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 질화 실리콘(SiNX)으로 형성될 수 있다. 절연 패턴(120)은 발광 소자의 제조 시, 반도체층의 성장을 제거하기 위한 것이다. 절연 패턴(120)은 굴절률 변조층(130) 상에서 제거되어도 무방하다.
이하, 도 1b 및 표 1, 2를 참조하여, 굴절률 변조층의 유무에 따른 광 추출 효율을 비교하면 다음과 같다.
표 1은 요철 패턴만 있는 경우에 요철 패턴의 폭(w) 및 높이(h)에 따른 광 추출 효율을 나타낸 표이며, 표 2는 요철 패턴을 덮도록 1㎛ 두께의 굴절률 변조층이 형성된 경우이다.
표 1과 같이, 요철 패턴만 있는 경우에는, 상부면이 평탄한 제 1 반도체층을 포함하는 발광 소자에 비해 요철 패턴의 폭 및 높이에 따라, 광 추출이 향상된다. 이는, 요철 패턴에 의해 방출되는 광이 분산되기 때문이다.
폭(㎚)
높이(㎚)		 100 200 300 400 500
100 54.38% 70.84% 75.52% 73.25% 76.71%
200 48.49% 48.21% 50.65% 52.61% 55.29%
300 36.14% 28.18% 21.59% 19.85% 29.56%
400 34.43% 26.86% 22.11% 25.02% 32.33%
500 36.94% 30.10% 28.26% 33.72% 38.96%
그런데, 표 2와 같이, 요철 패턴 및 요철 패턴을 따라 형성된 굴절률 변조층을 포함하는 본 발명의 발광 소자는 표 1에 비해 광효율이 최대 64.59%증가한다. 이는, 상술한 바와 같이, 굴절률 변조층이 발광 구조물에서 방출되는 광의 전반사 임계각을 증가시키기 때문이다.
폭(㎚)
높이(㎚)		 100 200 300 400 500
100 101.06 101.42% 103.37% 104.99% 105.42%
200 48.49% 98.36% 99.70% 99.38% 98.70%
300 36.14% 90.09% 89.29% 90.72% 92.65%
400 86.57% 87.80% 86.01% 86.31% 86.36%
500 86.95% 91.37% 92.86% 94.72% 96.18%
이하, 굴절률 변조층(130)의 물질에 따른 파장별 투과율을 비교하면 다음과 같다.
도 2a는 본 발명 제 1 실시 예의 굴절률 변조층의 굴절률을 나타낸 그래프이며, 도 2b는 도 2a의 굴절률 변조층의 두께에 따른 파장별 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 2a 및 도 2b와 같이, 본 발명 제 1 실시 예의 굴절률 변조층(130)은 두께가 1㎛인 질화 알루미늄(AlN)으로 형성된다. 이 때, 제 1 반도체층(112)의 굴절률은 2.5이며, 몰딩 부재(미도시)의 굴절률은 1.5이다.
상기와 같이, 굴절률 변조층(130)이 위치에 따라 굴절률이 동일한 물질로 이루어지는 경우, 제 1 반도체층(112)과 몰딩 부재(미도시)의 임피던스 부정합(impedance mismatch)으로 인해 굴절률 변조층(130)의 두께 및 발광 구조물(111)에서 발생하는 광의 파장에 대한 투과도 특성의 변화율이 높다.
특히, 굴절률 변조층(130)의 두께가 50㎚ 내지 60㎚일 때, 420㎚ 이상의 파장대의 투과율이 약 96.66%로 가장 높다. 따라서, 발광 구조물(111)이 420㎚ 내지 470㎚의 청색 광을 방출할 때 상기와 같은 질화 알루미늄(AlN)으로 굴절률 변조층(130)을 형성하면 발광 소자의 광 추출 효율을 효율적으로 향상시킬 수 있다.
도 3a는 본 발명 제 2 실시 예의 굴절률 변조층의 굴절률을 나타낸 그래프이며, 도 3b는 도 3a의 굴절률 변조층의 두께에 따른 파장별 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 3a 및 도 3b와 같이, 본 발명 제 2 실시 예의 굴절률 변조층(130)은 두께가 1㎛인 질화 알루미늄 갈륨(GaAlN)으로 형성된다.
상기와 같이 굴절률 변조층(130)의 굴절률이 위치별로 상이할 때, 제 1 반도체층(112)과 인접한 영역의 굴절률이 가장 높고, 제 1 반도체층(112)에서 이격될수록 선형적(Linear)으로 굴절률이 낮아지는 경우, 제 1 반도체층(112)과 몰딩 부재(미도시)의 임피던스 부정합이 감소한다.
이에 따라, 굴절률 변조층(130)의 두께 및 발광 구조물(111)에서 발생하는 광의 파장에 대한 투과도 특성의 변화율이 낮다. 특히, 굴절률 변조층(130)의 두께가 80㎚일 때 투과율이 약 95.53%로 가장 높다.
도 4a는 본 발명 제 3 실시 예의 굴절률 변조층의 굴절률을 나타낸 그래프이며, 도 4b는 도 4a의 굴절률 변조층의 두께에 따른 파장별 투과율을 나타낸 그래프이다.
도 4a 및 도 4b와 같이, 본 발명 제 3 실시 예의 굴절률 변조층(130)은 두께가 1㎛인 질화 알루미늄 갈륨(GaAlN)으로 형성된다. 이 때, 굴절률 변조층(130)의 굴절률은 제 1 반도체층(112)과 인접한 영역의 굴절률이 가장 높고, 제 1 반도체층(112)에서 이격될수록 비선형적으로 굴절률이 낮아진다.
이 경우, 굴절률 변조층(130)의 두께에 관계없이 투과율이 거의 일정하며, 굴절률 변조층(130)의 두께가 100㎚일 때 투과율이 약 95.97%로 가장 높다.
한편, 굴절률 변조층(130)은 서로 다른 굴절률을 갖는 두 개 이상의 층이 적층된 구조일 수 있다.
도 5는 본 발명 제 4 실시 예의 굴절률 변조층의 단면도이다.
도 5와 같이, 제 4 실시 예의 굴절률 변조층(130)은 제 1 층(130a), 제 2 층(130b) 및 제 3 층(130c)이 차레로 적층된 구조일 수 있으며, 이 때, 제 1 층(130a)이 제 1 반도체층(112)과 접한다.
상술한 바와 같이, 발광 구조물(110)에서 발생한 광은 굴절률 변조층(130)을 통과하여 외부로 방출되므로, 굴절률 변조층(130)의 제 1 층(130a) 내지 제 3 층(130c)은 발광 구조물(110)의 굴절률과 공기(Air) 또는 몰딩 부재(미도시)의 굴절률 사이의 굴절률을 가지며, 제 1 층(130a)층의 굴절률이 가장 높고, 제 3 층(130c)의 굴절률이 가장 낮다.
따라서, 발광 구조물(110)에서 발생한 광이 발광 구조물(110)보다 굴절률이 낮은 공기(Air) 또는 몰딩 부재(미도시)로 진행할 때, 굴절률 변조층(130)의 굴절률이 제 1 층(130a)에서 제 3 층(130c)으로 갈수록 점점 작아지므로, 임계각이 점점 커져 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
이 때, 제 1 층(130a), 제 2 층(130b) 및 제 3 층(130c)은 Al 및 Ga의 함량이 상이한 AlXGa1 - XN(0<X≤1)으로 형성될 수 있으며, 제 1 층(130a)의 갈륨(Ga) 함량이 제일 높고, 제 3 층(130c)의 갈륨(Ga)함량이 제일 낮다.
특히, 제 1 층(130a), 제 2 층(130b) 및 제 3 층(130c)의 두께는 서로 상이할 수 있으며, 도면에서는 동일한 것을 도시하였다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명 실시 예의 발광 소자의 제조 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 6a 내지 도 6g는 본 발명 실시 예의 발광 소자의 제조 방법을 나타낸 단면도이다.
도 6a와 같이, 베이스 기판(100) 상에 반도체 패턴(111)을 형성한다. 베이스 기판(100)은 사파이어(Al2O3), SiC, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP 및 Ge 등에서 선택된 물질로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
반도체 패턴(111)은 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 형성될 수 있으며, 제 1 도전형 도펀트가 도핑될수 있다. 예를 들어, 반도체 패턴(111)은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 가지는 반도체일 수 있으며, Si, Ge, Sn 등과 같은 n형 도펀트가 도핑된 n형 반도체층일 수 있다.
이어, 도 6b와 같이, 반도체 패턴(111) 상에 개구부(120a)를 갖는 절연 패턴(120)을 형성한다. 이 때, 절연 패턴(120)은 광이 통과하는 투명한 물질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 질화 실리콘(SiNX)으로 형성될 수 있다. 절연 패턴(120)은 반도체 패턴(111)의 성장을 제어하기 위한 것으로, 도 6c와 같이, 절연 패턴(120)의 개구부(120a)에서 반도체 패턴(111)이 돌출 형성되어, 반도체 패턴(111)의 상부면은 요철 형상(111a)을 갖는다. 이 때, 개구부(120a)에 의해 돌출 형성되는 반도체 패턴(111)은 상부로 갈수록 폭이 좁아지는 원뿔, 피라미드, 다각형 뿔 형태일 수 있다.
특히, 절연 패턴(120)의 폭에 따라 개구부(120a)에서 돌출되는 반도체 패턴(111)의 폭을 조절할 수 있으며, 이 때, 절연 패턴(120)의 폭은 개구부(120a)의 폭보다 좁다.
이어, 도 6d와 같이, 절연 패턴(120) 및 반도체 패턴(111)을 덮도록 굴절률 변조층(130)을 형성한다. 이 때, 굴절률 변조층(130)은 반도체 패턴(111)의 요철 형상(111a)을 따라 형성되어, 굴절률 변조층(130)의 상부면 역시 요철 형상을 갖는다. 굴절률 변조층(130)은 AlXGa1 - XN(0<X≤1)으로 형성할 수 있으며, 굴절률 변조층(130)은 반도체 패턴(111)보다 굴절률이 낮은 물질에서 선택된다.
특히, 굴절률 변조층(130)은 서로 다른 굴절률을 갖는 적어도 두 층으로 형성될 수 있으며, 이 경우, 위치 별로 알루미늄(Al) 및 갈륨(Ga)의 함량을 조절할 수 있다. 예를 들어, 반도체 패턴(111)과 인접하는 부분의 굴절률 변조층(130)의 굴절률이 가장 높고, 굴절률 변조층(130)의 상부면의 굴절률이 가장 낮을 수 있으며, 이 경우, 반도체 패턴(111)과 인접하는 부분의 굴절률 변조층(130)의 갈륨(Ga) 함량이 굴절률 변조층(130)의 상부면의 갈륨(Ga) 함량보다 높다.
이어, 도 6e와 같이, 굴절률 변조층(130)을 덮으며, 반도체 패턴(111)과 분리된 형태의 제 1 반도체층(112)을 형성한다. 제 1 반도체층(112)은 요철 패턴(111a)을 덮도록 충분한 두께를 가져, 제 1 반도체층(112)의 상부면을 평평하다. 이 때, 제 1 반도체층(112)은 반도체 패턴(111)과 동일 물질로 형성될 수 있다. 즉, 제 1 반도체층(112)은 반도체 패턴(111)과 같이, n형 반도체층일 수 있다.
특히, 반도체 패턴(111), 절연 패턴(120), 굴절률 변조층(130) 및 제 1 반도체층(112)은 모두 동일 챔버 내에서 형성될 수 있다. 즉, 발광 구조물의 n형 반도체층의 성장 중에 굴절률 변조층(130)을 형성할 수 있으므로, 본 발명 실시 예의 발광 소자는 결정성이 개선되고 박막 휨 및 박막 스트레스가 개선될 수 있다.
이어, 도 6f와 같이, 제 1 반도체층(112) 상에 활성층(113), 제 2 반도체층(114)을 차례로 형성하고, 제 2 반도체층(114) 상에 지지 기판(140)을 부착한다.
활성층(113)은 전자(electron)와 정공(hole)의 재결합(recombination) 과정에서 발생하는 에너지에 의해 광을 생성할 수 있다. 활성층(113)은 반도체 화합물, 예를 들어, 3족-5족, 2족-6족의 화합물 반도체일 수 있으며, 단일 우물 구조, 다중우물 구조, 양자 선(Quantum-Wire) 구조, 또는 양자 점(Quantum Dot) 구조 등으로 형성될 수 있다. 활성층(113)이 양자우물구조인 경우에는 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 우물층과 InaAlbGa1-a-bN (0≤a≤1, 0≤b≤1, 0≤a+b≤1)의 조성식을 갖는 장벽층을 갖는 단일 또는 양자우물구조를 가질 수 있다. 우물층은 장벽층의 에너지 밴드 갭보다 낮은 밴드 갭을 갖는 물질일 수 있다.
제 2 반도체층(114)은 족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제 2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 예를 들어, 제 2 반도체층(114)은 InxAlyGa1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체일 수 있으며, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트가 도핑된 p형 반도체층일 수 있다.
그리고, 지지 기판(140)은 베이스 기판(100)과 같이 사파이어(Al2O3), SiC, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP 및 Ge 등에서 선택된 물질로 형성될 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
이어, 도 6g와 같이, 베이스 기판(100)과 반도체 패턴(111)을 제거하여, 지지 기판(140)과 굴절률 변조층(130) 사이에서 제 1 반도체층(112), 활성층(113) 및 제 2 반도체층(114)을 포함하는 발광 구조물(110)이 형성된다.
즉, 발광 구조물(110)의 일 측에는 지지 기판(140)이 배치되며, 발광 구조물(110)의 타 측에는 굴절률 변조층(130)이 배치되어, 절연 패턴(120)의 사이에서 굴절률 변조층(130)의 오목부(130h)가 노출된다. 따라서, 활성층(113)에서 방출되는 광이 굴절률 변조층(130)을 통해 외부로 방출될 때, 바로 공기(Air)로 방출되거나, 도시하지는 않았으나 굴절률 변조층(130)을 덮도록 배치된 몰딩 부재(미도시)를 통해 공기로 방출될 수 있다.
특히, 도면에서는 요철 패턴(111a)이 반도체 패턴(111)을 형성하는 챔버 내에서 절연 패턴(120)에 의해 형성되는 것을 도시하였으나, 절연 패턴(120)을 형성하지 않고, 베이스 기판(100) 상에 반도체 패턴(111), 활성층(113), 제 2 반도체층(114) 및 지지 기판(140)을 형성한 후, 베이스 기판(100)을 제거하여 노출된 반도체 패턴(111)의 표면을 부분적으로 식각하여 요철 패턴을 형성할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명 실시 예의 발광 소자는 광이 방출되는 발광 구조물(110) 표면에 형성된 굴절률 변조층(130)이 발광 구조물(110)에서 방출되는 광의 전반사 임계각을 증가시켜 광 추출 효율이 향상된다. 이 때, 굴절률 변조층(130)이 두 개 이상의 굴절률을 가져, 광 추출 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 굴절률 변조층(130)을 발광 구조물(110)을 형성할 때 함께 형성하여 공정이 간소화되며, 결정성이 개선되어 박막 스트레스가 완화된다.
상기와 같은 본 발명 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 소자에서 발산되는 광을 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 발명은 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 발명이 속하는 기술분야에서 종래의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
100: 베이스 기판 110: 발광 구조물
111: 반도체 패턴 111a: 요철 패턴
112: 제 1 반도체층 113: 활성층
114: 제 2 반도체층 120: 절연 패턴
130: 굴절률 변조층 130h: 오목부
140: 지지 기판

Claims (15)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 배치되며, 상부면이 요철 형상을 갖는 제 1 반도체층, 상기 제 1 반도체층보다 상기 기판과 인접한 제 2 반도체층 및 상기 제 1 반도체층과 상기 제 2 반도체층 사이에 배치된 활성층을 포함하는 발광 구조물;
    상기 요철 형상을 따라 상기 제 1 반도체층 상에 형성되어, 상부면이 오목부를 가지며, 상기 제 1 반도체층보다 굴절률이 낮은 굴절률 변조층; 및
    상기 굴절률 변조층 상에 상기 오목부 사이마다 배치된 절연 패턴을 포함하고,
    상기 굴절률 변조층은 상기 제 1 반도체층과 인접한 하부 영역의 굴절률보다 상기 오목부와 인접한 상부 영역의 굴절률이 더 작은 발광 소자.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 굴절률 변조층의 굴절률은 상기 하부 영역에서 상기 상부 영역으로 갈수록 점점 작아지는 발광 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 굴절률 변조층은 굴절률이 상이한 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층이 차례로 적층된 구조이며, 상기 제 1 층, 제 2 층 및 제 3 층 중, 상기 제 1 반도체층과 인접한 상기 제 1 층의 굴절률이 가장 크고, 상기 오목부와 인접한 제 3 층의 굴절률이 가장 작은 발광 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 굴절률 변조층은,
    AlXGa1-XN(0<X≤1)을 포함하고,
    상기 제 1 반도체층과 인접한 하부 영역과 상기 오목부와 인접한 상부 영역의 알루미늄(Al) 및 갈륨(Ga)의 함량이 상이하고, 상기 제 1 반도체층과 인접하는 하부 영역의 Ga의 함량이 제일 높은 발광 소자.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
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