KR102519668B1 - 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 기술적 사상에 의한 반도체 발광 소자는, 제1 반도체층, 활성층, 및 제2 반도체층이 차례로 적층된 발광 구조물; 상기 발광 구조물 상에 형성되며, 상기 보호 패턴층의 적어도 일부 상에 배치되는 개구를 포함하는 제1 절연 패턴층; 및 상기 개구의 내부와 상기 절연 패턴층 상에 형성되는 전극층을 포함한다.

Description

반도체 발광 소자 및 그 제조 방법{Semiconductor light-emitting device and method for manufacturing the same}
본 발명의 기술적 사상은 반도체 발광 소자에 관한 것으로, 특히 반도체층 상에 반사 전극층을 구비한 반도체 발광 소자에 관한 것이다.
반도체 발광 소자의 일종인 발광 다이오드 (light emitting diode: LED)는 긴 수명, 낮은 소비전력, 빠른 응답 속도, 환경 친화성 등의 장점을 가져, 조명 장치, 디스플레이 장치의 백라이트 등 다양한 제품에서 광원으로 이용되고 있다. 이에 따라, 광 추출 효율을 개선하고 신뢰성이 향상된 발광 소자 패키지를 위한 연구가 요구되고 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 반사 전극층으로 인한 반도체층의 손상을 방지하고, 광 추출 효율을 개선하는 반도체 발광 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따른 반도체 발광 소자는, 제1 반도체층, 활성층, 및 제2 반도체층이 차례로 적층된 발광 구조물; 상기 발광 구조물의 일부 영역 상에 형성된 보호 패턴층; 상기 발광 구조물 상에 형성되며, 상기 보호 패턴층의 적어도 일부 상면 상에 배치되는 개구를 포함하는 제1 절연 패턴층; 및 상기 개구의 내부와 상기 절연 패턴층 상에 형성되는 전극층을 포함한다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따른 반도체 반도체 발광 소자는, 제1 반도체층, 활성층, 및 제2 반도체층이 차례로 적층된 발광 구조물; 상기 발광 구조물의 일부 영역 상에 형성된 보호 패턴층; 상기 발광 구조물 및 상기 보호 패턴층 상에 형성되고, 상기 보호 패턴층의 적어도 일부 상면 상에 배치되는 개구를 포함하는 절연 패턴층; 및 상기 개구의 내부와 상기 절연 패턴층 상에 형성되는 전극층을 포함한다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법은, 제1 반도체층, 활성층, 및 제2 반도체층이 차례로 적층된 발광 구조물을 형성하는 단계; 상기 제2 반도체층의 일부 영역 상에 보호 패턴을 형성하는 단계; 상기 제1 반도체층이 노출되도록 상기 발광 구조물의 일부를 식각하는 단계; 상기 제2 반도체층 및 상기 보호 패턴 상에 절연층을 형성하는 단계; 상기 절연층에 상기 발광 구조물의 상면으로부터 수직한 방향으로 상기 보호 패턴층의 적어도 일부 영역만을 노출시키는 개구를 형성하는 단계; 상기 개구의 내부와 상기 절연층을 덮는 전극층을 형성하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 반도체 발광 소자는, 반도체층 상에 보호 패턴층을 구비함으로써, 반사 전극층의 형성 공정시 반도체층의 손상을 방지하여 동작 전압 상승을 방지할 수 있다. 또한, 절연성의 보호 패턴층을 구비함으로써, 발광 구조물과 반사 전극층이 접하는 전영역에서 고반사 영역을 구현할 수 있어 광추출 효율을 상승시킬 수 있다. 또한, 보호 패턴층과 반도체층 상에 일체로 형성된 전류 확산층을 구비함으로써, 반사 전극층을 통해 보호 패턴층 상으로 공급된 전류를 수평 방향으로 확산시켜 전류 집중을 분산시킬 수 있다.
도 1a 및 도 1c는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 반도체 발광 소자의 평면도 및 단면도이다. 도 1c는 도 1a의 A - A' 선 단면도이다.
도 1b는 도 1의 B 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 2a는 보호 패턴층의 두께에 따른 광 반사율을 나타낸 그래프이다.
도 2b는 보호 패턴층에 포함된 보호 패턴의 직경 및 보호 패턴들 간의 피치(pitch)에 따른 광 효율을 나타낸 데이터이다.
도 3a 및 도 3c는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 반도체 발광 소자의 평면도 및 단면도이다. 도 3c는 도 3a의 A - A' 선 단면도이다.
도 4a는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 반도체 발광 소자의 단면도이다. 도 4a는 도 1a의 A - A' 선 단면에 대응하는 예시적인 구조일 수 있다.
도 4b는 도 4a의 C 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 5a는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 반도체 발광 소자의 단면도이다. 도 5a는 도 1a의 A - A' 선 단면에 대응하는 예시적인 구조일 수 있다.
도 5b 및 도 5c는 도 5a의 D 부분을 확대하여 나타나는 예시적인 구조를 나타낸 도면들이다.
도 6은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 반도체 발광 소자의 단면도이다. 도 6는 도 1a의 A - A' 선 단면에 대응하는 예시적인 구조일 수 있다.
도 7은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 반도체 발광 소자의 단면도이다. 도 7은 도 1a의 A - A' 선 단면에 대응하는 예시적인 구조일 수 있다.
도 8a 내지 도 12b는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 평면도, 확대도, 및 단면도들이다. 도 8c, 도 9c, 도 10c, 도 11c, 및 도 12b는 도 8a, 도 9a, 도 10a, 도 11a, 및 도 12a의 A-A'선 단면에 대응하는 단면도들이다. 도 8b, 도 9b, 도 10b, 및 도 11b는 도 8a, 도 9a, 도 10a, 도 11a, 및 도 12a의 B 부분을 확대하여 나타낸 도면들이다.
도 13은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 반도체 발광 소자의 단면도이다. 도 13은 도 1a의 A - A' 선 단면에 대응하는 예시적인 구조일 수 있다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광 소자를 포함하는 백색 광원 모듈의 개략적인 단면도이다.
도 15는 조명장치에 채용 가능한 백색 광원 모듈을 나타내는 개략도이다.
도 1a 및 도 1c는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 반도체 발광 소자의 평면도 및 단면도이다. 도 1c는 도 1a의 A - A' 선 단면도이다. 도 1b는 도 1a의 B 부분을 확대하여 나타낸 도면이다. 도면상의 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고, 이들에 대한 중복된 설명은 간략히 설명하도록 한다. 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려졌으므로, 본 발명 개념은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
도 1a 내지 도 1c를 참조하면, 반도체 발광 소자(100)는 기판(101)과, 상기 기판(101) 상에 형성된 발광 구조물(103)과, 상기 발광 구조물(103)의 일부 영역 상에 형성된 보호 패턴층(105)과, 상기 발광 구조물 상에 형성되며, 상기 보호 패턴층(105)의 적어도 일부 상에 배치되는 제1 개구(109OP)를 포함하는 제1 절연 패턴층(109)과, 상기 제1 개구(109OP)의 내부와 상기 제1 절연 패턴층(109) 상에 형성되는 제1 전극층(113)을 포함한다. 상기 발광 구조물(103)의 상면 중 상기 제1 개구(109OP)가 배치되는 영역은 상기 보호 패턴층(105)에 의해 커버되어 있다.
상기 기판(101)은 투명 기판으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 기판(101)은 사파이어 (Al2O3), 질화갈륨 (GaN), 실리콘카바이드 (SiC), 산화 갈륨 (Ga2O3), 산화리튬갈륨 (LiGaO2), 산화리튬알루미늄 (LiAlO2), 또는 산화마그네슘알루미늄 (MgAl2O4)으로 이루어질 수 있다.
상기 발광 구조물(103)은 상기 기판(101) 상에서 제1 반도체층(103A), 활성층(103B), 및 제2 반도체층(103C)이 차례로 적층된 구조일 수 있다. 상기 발광 구조물(103)은 상기 제1 반도체층(103A) 상에 배치된 트렌치 영역(TR)과, 상기 트렌치 영역(TR)보다 높은 레벨에서 상기 제2 반도체층(103C) 상에 배치된 메사 영역(MR)을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 반도체층(103A, 103C)은 질화갈륨계 화합물 반도체, 예를 들어 AlxInyGa(1-x-y)N(0<x<1, 0<y<1, 0<x+y<1)로 이루어질 수 있다. 다만, 상기 제1 및 제2 반도체층(103A, 103C)은 상기 질화갈륨계 화합물 반도체 외에도 GaAs계 반도체나 GaP계 반도체로 이루어질 수 있다. 상기 제1 반도체층(103A), 상기 활성층(103B), 및 상기 제2 반도체층(103C)은 에피택셜층일 수 있다.
상기 제1 및 제2 반도체층(103A, 103C)은 각각 n형 및 p형 불순물이 도핑된 반도체로 이루어질 수 있다. 상기 제1 반도체층(103A)은 전원 공급에 따라 상기 활성층(103C)에 전자를 공급하는 n 형 GaN 층으로 이루어질 수 있다. 상기 n 형 GaN 층은 IV 족 원소로 이루어지는 n 형 불순물을 포함할 수 있다. 상기 n 형 불순물은 Si, Ge, Sn 등으로 이루어질 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 제2 반도체층(103C)은 전원 공급에 따라 상기 활성층(103B)에 정공을 공급하는 p 형 GaN 층으로 이루어질 수 있다. 상기 p 형 GaN 층은 II 족 원소로 이루어지는 p 형 불순물을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 p 형 불순물은 Mg, Zn, Be 등으로 이루어질 수 있다.
상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(103A, 103C) 사이에 개재되는 상기 활성층(103B)은 전자와 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출할 수 있다. 상기 활성층(103B)은 양자 우물층 (quantum well) 및 양자 장벽층(quantum barrier)이 적어도 1 회 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다. 상기 양자 우물층은 단일 양자우물(single quantum well) 구조 또는 다중 양자우물(multi-quantum well) 구조를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 활성층(103B)은 u-AlGaN으로 이루어질 수 있다. 다른 일부 실시예들에서, 상기 활성층(103B)은 GaN/AlGaN, InAlGaN/InAlGaN, 또는 InGaN/AlGaN 의 다중 양자 우물 구조로 이루어질 수 있다. 상기 활성층(103B)의 발광 효율을 향상시키기 위해, 활성층(103B)에서의 양자 우물의 깊이, 양자 우물층 및 양자 장벽층 쌍의 적층 수, 두께 등을 변화시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 발광 구조물(103)은 MOCVD (metal-organic chemical vapor deposition), HVPE (hydride vapor phase epitaxy), 또는 MBE (molecular beam epitaxy) 공정에 의해 형성될 수 있다.
도시되지는 않았으나, 상기 기판(101)과 상기 발광 구조물(103) 사이에 질화물 반도체 박막이 더 형성될 수 있다. 상기 질화물 반도체 박막은 상기 기판(101)과 상기 제1 반도체층(103A) 사이의 격자 부정합을 완화시키기 위한 버퍼층의 역할을 할 수 있다.
상기 보호 패턴층(105)은 상기 발광 구조물(103) 중 상기 제2 반도체층(103C)의 일부 영역 상에 형성될 수 있다. 상기 보호 패턴층(105)은 아일랜드 형상으로 서로 이격되어 형성된 복수의 보호 패턴들로 이루어질 수 있다. 상기 복수의 보호 패턴들은 일정한 공간 주파수로 서로 이격되어 배치될 수 있다.
상기 보호 패턴층(105)을 이루는 보호 패턴의 직경(105R)은, 상기 제1 절연 패턴층(109)의 상기 제1 개구(109OP)의 직경(109OPR)보다 더 클 수 있다. 즉, 상기 보호 패턴의 하면은 상기 발광 구조물의 상면과 대향하고, 상기 개구의 하면은 상기 보호 패턴의 상면과 대향할 경우, 상기 보호 패턴의 하면의 면적은 상기 제1 개구(109OP)의 하면의 면적보다 클 수 있다. 이에 따라, 상기 보호 패턴층(105)은 상기 제1 개구(109OP)가 배치되는 상기 발광 구조물(103)의 상면을 모두 덮을 수 있다. 상기 보호 패턴의 직경(105R) 및 보호 패턴간의 피치(P)는 반도체 발광 소자(100)의 광 효율에 영향을 미칠 수 있으며, 이에 대해서는 도 2b를 참조하여 후술하도록 한다.
일부 실시예들에서, 상기 보호 패턴층(105)을 이루는 보호 패턴의 직경(105R)은, 상기 제1 절연 패턴층(109)의 상기 제1 개구(109OP)의 직경(109OPR)과 실질적으로 동일할 수 있다. 즉, 상기 보호 패턴의 하면은 상기 발광 구조물의 상면과 대향하고, 상기 개구의 하면은 상기 보호 패턴의 상면과 대향할 경우, 상기 보호 패턴의 하면의 면적은 상기 제1 개구(109OP)의 하면의 면적과 실질적으로 동일할 수 있다. 이에 따라, 상기 보호 패턴층(105)은 상기 제1 개구(109OP)가 배치되는 상기 발광 구조물(103)의 상면을 모두 덮을 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 후술하도록 한다.
일부 실시예들에서, 상기 보호 패턴층(105)은 절연성 물질로 이루어질 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 보호 패턴층(105)은 상기 제2 반도체층(103C)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가지는 절연성 물질로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 반도체층(103C)과 상기 보호 패턴층(105)이 서로 접하는 제1 영역(R1)은 굴절률 차이로 인한 고반사 영역을 구성하며, 상기 발광 구조물(103)로부터 발생한 광을 높은 반사율로 반사시킬 수 있다.
이 때, 상기 제1 절연 패턴층(109)도 상기 제2 반도체층(103C)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가지는 절연성 물질을 포함할 수 있다. 상기 제2 반도체층(103C)과 상기 제1 절연 패턴층(109)이 오버랩되는 제2 영역(R2)도 굴절률 차이로 인한 고반사 영역을 구성하며, 상기 발광 구조물(103)로부터 발생한 광을 높은 반사율로 반사시킬 수 있다. 이에 따라, 반도체 발광 소자(100)는 발광 구조물(103) 상의 전영역(R1, R2)에서 고반사 영역을 구현할 수 있으므로, 광 추출 효율이 향상될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 보호 패턴층(105)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산화질화물, 티타늄 산화물, 탄탈륨 산화물, 하프늄 산화물, 아연 산화물, 지르코늄 산화물, 알루미늄 산화물, 알루미늄 질화물, 또는 니오븀 산화물로 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 보호 패턴층(105)은 단일막 또는 다중막으로 이루어질 수 있다. 이 때, 상기 보호 패턴층(105)은 DBR(Distributed Bragg Reflector) 구조일 수 있으며, 이에 대해서는 도 4a 및 도 4b를 참조하여 후술하도록 한다.
상기 보호 패턴층(105)은 그 두께(105H)에 따라 광 반사율이 달라질 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 도 2a를 참조하여 후술하도록 한다.
일부 실시예들에서, 상기 보호 패턴층(105)은 금속성 물질, 예를 들어 Ag, Al, Cr, 또는 그 조합으로 이루어질 수 있다. 이 때, 상기 보호 패턴층(105)은 전자빔 증착법(E-beam evaporation)에 의해 형성될 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 도 6 및 도 7을 참조하여 후술하도록 한다.
일부 실시예들에서, 상기 반도체 발광 소자(100)는 상기 발광 구조물(103) 및 상기 보호 패턴층(105) 상을 일체로 덮는 전류 확산층(107)을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 절연 패턴층(109)은 상기 전류 확산층(107) 상에서 상기 발광 구조물(103)의 상면 중 상기 보호 패턴층(105)에 의해 커버되지 않는 영역은 덮고, 상기 제1 개구(109OP)는 상기 보호 패턴층(105)의 적어도 일부 상에 배치된 구조일 수 있다. 제1 전극층(113)으로부터 공급된 전류는 상기 전류 확산층(107)을 통해 상기 발광 구조물(103)의 상면과 수평한 방향으로 확산되어 상기 제2 반도체층(103C)으로 공급될 수 있다. 상기 전류 확산층(107)은 상기 제2 반도체층(103C)과 넓은 면적에 걸쳐 접하고 있으므로, 특정 영역으로의 전류 집중을 막아 광 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 전류 확산층(107)은 ITO(Indium tin Oxide), AZO(Aluminium Zinc Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), ZnO, GZO(ZnO:Ga), In2O3, SnO2, CdO, CdSnO4, 또는 Ga2O3일 수 있다. 도 1c에서는 상기 발광 구조물(103)과 상기 보호 패턴층(105) 사이에 상기 전류 확산층(107)이 개재되어 있으나, 상기 전류 확산층(107)은 생략될 수 있다.
상기 제1 절연 패턴층(109)은 상기 제1 및 제2 전극층(113, 115)을 형성하기 위한 제1 및 제2 개구(109OP, 109OP2)를 포함하면서, 상기 발광 구조물(103)의 전면을 덮도록 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 절연 패턴층(109)의 상기 제1 개구(109OP)는 상기 보호 패턴층(105) 상에 배치되고, 상기 제1 절연 패턴층(109)은 상기 전류 확산층(107) 상에서 상기 제2 반도체층(103C)의 상면, 상기 보호 패턴층(105)의 측면, 및 상기 보호 패턴층(105)의 상면의 가장자리 일부 영역을 덮을 수 있다.
상기 제1 절연 패턴층(109)은 메사 영역(MR)의 측면을 통해 노출되는 상기 제1 반도체층(103A), 상기 활성층(103B), 및 상기 제2 반도체층(103C)을 덮도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 트렌치 영역(TR)에서 상기 제1 절연 패턴층(109)의 제2 개구(109OP2)는 상기 제1 반도체층(103A)의 상에 배치될 수 있다.. 상기 제2 개구(109OP2)의 내부에는 상기 제1 반도체층(103C)과 전기적으로 연결되는 제2 전극층(115)이 형성될 수 있다.
상기 제1 절연 패턴층(109)의 상기 제1 개구(109OP)는 상기 보호 패턴층(105)을 이루는 복수의 보호 패턴들과 각각 대응하는 복수의 개구들로 이루어질 수 있다. 제1 전극층(113)은 상기 제1 개구(109OP)의 내부에 형성되어 상기 제2 반도체층(103A)과 전기적으로 연결될 수 있다.
일반적인 경우, 발광 구조물 상에 전극층을 형성하는 공정에서 발광 구조물을 이루는 반도체층이 상기 전극층을 이루는 물질과 반응할 수 있다. 이 때, 전극 물질은 스퍼터링(sputtering) 또는 PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition)와 같은 고에너지를 이용하므로, 전극 물질이 반도체층과 반응하거나, 반도체층에 물리적인 손상을 일으켜 발광 소자의 동작 전압을 상승시키는 문제가 있을 수 있다. 위와 같은 반도체층 손상 문제는 또한, 반도체층 상에 ITO층이 형성된 경우에도 발생하는 것으로 알려져 있다.
반면, 본 발명의 반도체 발광 소자(100)는 상기 개구(109OP)가 배치되는 상기 제2 반도체층(103C) 상에 상기 보호 패턴층(105)을 구비함으로써, 제1 전극층(113)을 형성할 때 상기 제2 반도체층(103C)과 전극 물질 간의 반응 경로가 차단되는 구조를 가질 수 있다. 즉, 제1 전극층(113)을 형성할 때 상기 제1 개구(109OP) 와 전극 물질과 접하는 영역은 상기 보호 패턴층(105) 또는 상기 보호 패턴층(105) 상의 상기 전류 확산층(107)이며, 상기 제2 반도체층(103C)은 전극 물질에 의해 손상되지 않을 수 있다. 이에 따라, 반도체 발광 소자(100)의 동작 전압 상승이 방지될 수 있다.
상기 제1 절연 패턴층(109)은 상기 제2 반도체층(103C)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가지는 절연성 물질을 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 반도체층(103C)과 상기 제1 절연 패턴층(109)이 오버랩되는 제1 영역(R1)이 굴절률 차이로 인한 고반사 영역을 구성하며, 상기 발광 구조물(103)로부터 발생한 광을 높은 반사율로 반사시킬 수 있음은 전술한 바와 같다.
상기 제1 전극층(113)은 상기 제1 절연 패턴층(109)의 제1 개구(109OP)의 내부와 상기 제1 절연 패턴층(109) 상에 형성될 수 있다. 상기 제1 전극층(113)은 상기 제2 반도체층(103C)과 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 상기 제1 전극층(113)은 상기 발광 구조물(103)에서 방출하는 광 중 상기 보호 패턴층(105) 및 상기 제1 절연 패턴층(109)을 투과하여 도달한 광을 반사시키는 역할을 할 수 있다. 상기 제1 전극층(113)은 발광 구조물(103)에서 방출하는 광의 파장 영역에서 반사율이 높은 금속 또는 합금으로 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제1 전극층(113)은 Ag, Al, 이들의 조합, 또는 이들의 합금을 포함한다. 다른 일부 실시예들에서, 상기 제1 전극층(113)은 Ag, Al, Ni, Au, Ag, Ti, Cr, Pd, Cu, Pt, Sn, W, Rh, Ir, Ru, Mg, 및 Zn 중에서 선택되는 적어도 하나의 금속, 또는 적어도 하나의 금속을 포함하는 합금으로 이루어질 수 있다.
다른 실시예들에서, 상기 제1 전극층(113)은 오믹 특성 및 광 반사 특성을 동시에 가지는 금속층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극층(113)은 오믹 특성을 가지는 제1 금속막과, 광 반사 특성을 가지는 제2 금속막을 포함하는 다중막으로 이루어질 수 있다. 상기 제1 금속막은 Pt, Pd, Ni, Au, Ti, 또는 이들 중 적어도 하나를 포함하는 합금 또는 다중 금속막으로 이루어질 수 있다. 상기 제2 금속막은 Ag, Al, 또는 이들 중 적어도 하나를 포함하는 합금 또는 다중 금속막으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 전극층(113)은 Ag/Ni/Ti 또는 Ni/Ag/Pt/Ti/Pt 적층 구조를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2 전극층(115)은 상기 제2 절연 패턴층(109)의 제1 개구(109OP2)의 내부에 형성될 수 있다. 상기 제2 전극층(115)은 Ag, Al, Ni, Au, Ti, Cr, Pd, Cu, Pt, Sn, W, Rh, Ir, Ru, Mg, Si 및 Zn 중에서 선택되는 단일 금속막, 또는 이들의 조합으로 이루어지는 다층막 또는 합금막으로 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제2 전극층(115)은 Al/Ti/Pt 적층 구조를 가질 수 있다.
상기 제1 전극층(113) 및 상기 제2 전극층(115) 상에 제2 절연 패턴층(117)이 더 형성될 수 있다. 상기 제2 절연 패턴층(117)은 상기 제1 및 제2 전극층(115)의 일부 상에 배치되는 개구들을 포함할 수 있다.
제1 분리 전극층(119A)은 상기 제2 절연 패턴층(117)의 개구의 내부와 상기 제2 절연 패턴층(117) 상에 형성될 수 있다. 또한 제2 분리 전극층(119B)은 상기 제2 절연 패턴층(117)의 개구의 내부와 상기 제2 절연 패턴층(117) 상에 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 분리 전극층(119A, 119B)은 각각 Au, Sn, Ni, Pb, Ag, In, Cr, Ge, Si, Ti, W, 및 Pt 중에서 선택되는 단일 물질, 또는 이들 중에서 선택되는 적어도 2 종의 물질을 포함하는 합금으로 이루어지는 단일막, 또는 이들의 조합으로 이루어지는 다중막으로 이루어질 수 있다.
상기 제1 및 제2 분리 전극층(119A, 119B)은 각각 반도체 발광 소자(100)의 외부 단자로서 기능할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 및 제2 분리 전극층 상에 추가적인 전극 패드들이 더 포함될 수 있다. 이에 대해서는 도 13을 참조하여 후술하도록 한다.
도 2a는 보호 패턴층의 두께에 따른 광 반사율을 나타낸 그래프이다. 그래프에 나타난 데이터는 도 1a 내지 도 1c의 반도체 발광 소자(100) 구조를 기초로 실험한 결과이다.
도 1c 및 도 2a를 참조하면, 보호 패턴층(105)을 구비하지 않은 반도체 발광 소자의 경우 광 반사율은 약 90.50%이다. 또한 반사율이 높은 것으로 알려진 Ag 금속층의 광 반사율은 약 91.66%이다. 반면, 본 발명의 기술적 사상에 따라 특정 임계치 이상의 두께(105H)를 가진 보호 패턴층(105)이 구비된 반도체 발광 소자의 경우 평균적으로 약 94% 이상의 광 반사율을 나타낸다.
구체적으로, 상기 보호 패턴층(105)의 두께(105H)가 특정 임계치, 즉 상기 보호 패턴층(105)을 통과하는 광의 파장 이상일 때 보호 패턴층(105)이 없는 경우보다 높은 광 반사율을 나타낼 수 있다. 이에 따라, 상기 보호 패턴층(105) 및 상기 발광 구조물(103)은 아래 식 (1)의 관계를 가질 수 있다.
Figure 112016060019401-pat00001
식 (1)
이 때, H는 보호 패턴층의 두께, λ는 발광 구조물에서 생성되는 광의 파장, n은 보호 패턴층의 굴절률이다. 즉, λ는 발광 구조물에서 생성되는 광의 파장이고, λ/2n는 보호 패턴층(105) 내를 통과하는 광의 파장이다.
또한, 상기 보호 패턴층(105)의 두께(105H)가 아래 식(2)의 관계를 가지는 경우, 보호 패턴층(105)이 없는 경우의 광 반사율 90.50%보다 높은 수치 범위 내에서 주기적으로 최대 광 반사율을 나타낸다.
Figure 112016060019401-pat00002
식 (2)
이 때, H는 보호 패턴층의 두께, λ는 발광 구조물에서 생성되는 광의 파장, n은 보호 패턴층의 굴절률, 및 N은 양의 정수다. 상기 보호 패턴층(105)은 식(2)에 따라 N=1,2,3에서 각각 약 94.63%, 약 94.78%, 약 94.69%의 높은 광 반사율은 나타낸다.
이와 같이, 보호 패턴층(105)의 두께(105H)를 조절함으로써 발광 구조물(103) 상의 전영역(R1, R2)에서 보다 효율적인 고반사 영역을 구현시키고, 반도체 발광 소자(100)의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
다만 이 경우에도 상기 보호 패턴층(105)은 상기 두께 범위에 제한되지 않고 제2 반도체층(103C)을 보호하여 동작 전압 상승을 방지하는 역할을 할 수 있다.
도 2b는 보호 패턴층에 포함된 보호 패턴의 직경 및 보호 패턴들 간의 피치(pitch)에 따른 광 효율을 나타낸 데이터이다. 데이터는 도 1a 내지 도 1c의 반도체 발광 소자(100) 구조를 기초로 실험한 결과이다. 광 효율은 소비 전력 대비 광속을 나타낸 것이다.
도 1c 및 도 2b를 참조하면, D1, D2, 및 D3는 보호 패턴의 직경(105R)으로써, 순차적으로 감소하는 수치를 가진다. P1, P2, 및 P3는 보호 패턴간의 피치(P)로써, 순차적으로 증가하는 수치를 가진다. 보호 패턴층(105)은 보호 패턴의 직경(105R)이 감소할수록 광 효율이 증가할 수 있다. 특히, 보호 패턴의 직경(105R) 및 보호 패턴간 피치(P)이 함께 감소하여 조밀하게 구성될 경우 최적화된 광 효율을 가질 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 반도체 발광 소자(100')의 평면도 및 단면도이다. 도 3c는 도 3a의 A - A' 선 단면도이다. 상기 반도체 발광 소자(100')는 도 1a 내지 도 1c의 반도체 발광 소자(100)와 유사하나, 제1 개구(109'OP)의 직경과 보호 패턴층(105)의 직경이 동일한 구조이다. 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 의미하며, 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 보호 패턴층(105)을 이루는 보호 패턴의 직경(105R)은, 제1 절연 패턴층(109')의 제1 개구(109'OP)의 직경(109'R)과 실질적으로 동일할 수 있다. 즉, 상기 보호 패턴의 하면은 상기 발광 구조물의 상면과 대향하고, 상기 개구의 하면은 상기 보호 패턴의 상면과 대향할 경우, 상기 보호 패턴의 하면의 면적은 상기 제1 개구(109'OP)의 하면의 단면적과 실질적으로 동일할 수 있다. 또한, 상기 발광 구조물(103)의 상면으로부터 수직한 방향으로 상기 제1 개구(109'OP)의 내벽의 경계와 상기 보호 패턴층(105)의 측면의 경계가 실질적으로 동일할 수 있다.
상기 제1 절연 패턴층(109')은 상기 발광 구조물(103)의 상면과 상기 보호 패턴층(105)의 측면을 덮고, 상기 보호 패턴층(105)의 상면은 덮지 않을 수 있다. 다만, 상기 제1 절연 패턴층(109')은 상기 보호 패턴층(105)의 측벽에 형성된 전류 확산층(107)의 일부 상면을 덮도록 형성될 수 있다.
이 경우에도, 상기 보호 패턴층(105)은 상기 제1 개구(109'OP)가 배치되는 제2 반도체층(103C)의 상면을 모두 커버할 수 있다. 따라서, 상기 제2 반도체층(103C)의 상면은 상기 보호 패턴층(105)에 의해 보호될 수 있으므로, 제2 반도체층(103C)의 손상에 따른 반도체 발광 소자(100')의 동작 전압 상승이 방지될 수 있다.
또한, 절연성의 보호 패턴층(105)이 형성되는 경우, 발광 구조물(103)의 전영역에서 고반사 영역을 구현할 수 있으므로, 광 추출 효율이 향상될 수 있다.
도 4a는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 반도체 발광 소자(200)의 단면도이다. 도 4a는 도 1a의 A - A' 선 단면에 대응하는 예시적인 구조일 수 있다. 도 4b는 도 4a의 C 부분을 확대하여 나타낸 도면이다. 도 4a의 반도체 발광 소자(200)는 도 1a 내지 도 1b의 반도체 발광 소자(100)와 유사하나, 제1 절연 패턴층(209)이 DBR (Distributed Bragg Reflector) 구조를 가지는 차이가 있다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 반도체 발광 소자(200)는 기판(101) 상에 형성된 발광 구조물(103)과, 상기 발광 구조물(103)의 일부 영역 상에 형성된 보호 패턴층(105)과, 상기 보호 패턴층(105)의 일부 상에 배치되는 개구(209OP)를 가지는 제1 절연 패턴층(209)을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 제1 절연 패턴층(209)은 고반사율을 가지는 DBR 구조를 채용할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 절연 패턴층(209)은 상기 제2 반도체층(103C)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가지면서, 서로 다른 굴절률을 가지는 제1 층(209A) 및 제2 층(209B)이 적어도 1회 교대하여 배치되는 구조일 수 있다. 상기 제1 층(209A) 및 제2 층(209B) 각각은 발광 구조물(103)에서 생성된 광의 파장에 대해서 고 반사율을 갖도록 두께 및/또는 물질, 및 상기 제1 층(209A) 및 제2 층(209B)의 반복 횟수가 선택되어 설계될 수 있다. 상기 제1 층(209A)은 및 제2 층(209B)은 상기 발광 구조물(103)의 상면, 상기 보호 패턴층(105)의 측면 및 상기 보호 패턴층(105)의 일부 상면을 일체로 덮을 수 있다. 상기 제1 절연 패턴층(209)은 도 4a에 도시된 구성에 제한되지 않고 다양한 DBR 구조를 포함할 수 있다.
도 4a 및 도 4b에서는 제1 및 제2 층(209A, 209B)의 두 개의 층이 교대로 배치된 구조를 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예들에서, 상기 제2 절연 패턴층(209)은 세 개 이상의 층들이 임의로 적층되거나, 교대로 배치되는 다양한 다층 구조를 가질 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 제2 반도체층(103C)과 상기 제1 절연 패턴층(209)이 서로 접하는 영역 및 상기 제2 반도체층(103C)과 절연성의 보호 패턴층(105)이 서로 접하는 영역 등 발광 구조물(103)의 전영역에 걸쳐 굴절률 차이로 인한 고반사 영역이 구현될 수 있다. 이 때, 상기 제1 절연 패턴층(209)이 DBR 구조를 가짐으로써 상기 발광 구조물(103)로부터 발생한 광의 반사율을 현저하게 향상시킬 수 있다.
도 5a는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 반도체 발광 소자(300)의 단면도이다. 도 5a는 도 1a의 A - A' 선 단면에 대응하는 예시적인 구조일 수 있다. 도 5b 및 도 5c는 도 5a의 D 부분을 확대하여 나타나는 예시적인 구조를 나타낸 도면들이다. 도 5a의 반도체 발광 소자(300)는 도 1a 내지 도 1b의 반도체 발광 소자(100)와 유사하나, 제1 절연 패턴층(109)과 제1 전극층(113) 사이에 접착층(311)이 더 개재되는 차이가 있다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 반도체 발광 소자(300)는 기판(101) 상에 형성된 발광 구조물(103)과, 상기 발광 구조물(103) 상에 형성된 보호 패턴층(105)과, 상기 발광 구조물(103)과 상기 보호 패턴층(105)을 덮는 전류 확산층(107)과, 개구(109OP)를 포함하는 제1 절연 패턴층(209)과, 상기 개구(109OP)의 내측면과 상기 제1 절연 패턴층(109)의 상면을 덮는 접착층(311)과, 상기 접착층(311) 상에 형성되는 제1 전극층(113)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 접착층(311)은 상기 제1 절연 패턴층(109)의 개구(109OP)가 배치되는 상기 전류 확산층(107)의 상면과, 상기 개구(109OP)의 내측면과, 상기 제1 절연 패턴층(109)의 상면을 덮도록 형성될 수 있다. 이 때, 상기 접착층(311)은 도 5b와 같이 일정한 두께를 가지는 박막 구조이거나, 도 5c와 같이 아일랜드 형상으로 서로 이격되어 형성된 복수의 패턴들을 포함하는 구조일 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 접착층(311)은 반응 챔버에 산화인듐(In2O3)에 산화주석(SnO2) 공급한 상태에서, 상기 접착층(311)의 두께가 약 20Å에 이를 때까지 플라즈마 처리하여 형성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 상기 접착층(311)은 산화인듐(In2O3)에 산화주석(SnO2)을 공급한 상태에서 약 15초 내지 약 25초 간 플라즈마를 이용하여 증착된 구조일 수 있다.
일반적으로, 상기 제1 전극층(113)을 절연성 물질로 이루어지는 제1 절연 패턴층(109) 상에 형성할 경우, 상기 제1 전극층(113)과 상기 제1 절연 패턴층(109) 간에 접착력이 약하여 상기 제1 전극층(113)이 상기 제1 절연 패턴층(109)으로부터 박리되는 문제가 있을 수 있다. 상기 제1 전극층(113)의 박리가 심화될 경우, 상기 제1 전극층(113)와 상기 발광 구조물(103) 사이의 전기적 연결이 불안정해지고 동작 전압이 상승하는 문제가 있을 수 있다.
반면, ITO와 같은 물질로 이루어진 상기 접착층(311)이 제1 절연 패턴층(109) 상에 형성될 경우, 상기 제1 전극층(113)은 상기 접착층(311)에 의해 상기 제1 절연 패턴층(109)으로부터 박리되지 않을 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 전극층(113)은 상기 접착층(311), 상기 전류 확산층(107), 및 상기 발광 구조물(103)과 안정적으로 연결되어 동작 전압의 상승을 방지하고, 소자의 신뢰성을 확보할 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 반도체 발광 소자(400, 500)의 단면도들이다. 도 6 및 도 7은 도 1a의 A - A' 선 단면에 대응하는 예시적인 구조일 수 있다. 도 6의 반도체 발광 소자(400)는 도 1a 내지 도 1b의 반도체 발광 소자(100)와 유사하나, 보호 패턴층(405)이 금속 물질로 이루어지고, 전류 확산층이 생략되는 차이가 있다. 도 7의 반도체 발광 소자(500)는 도 6의 반도체 발광 소자(400)와 유사하나, 전류 확산층(507)을 더 포함하는 차이가 있다.
도 6을 참조하면, 반도체 발광 소자(400)는 기판(101) 상에 형성된 발광 구조물(103)과, 상기 발광 구조물(103) 상에 형성된 도전성의 보호 패턴층(105)과, 개구(109OP)를 포함하는 제1 절연 패턴층(209)과, 상기 보호 패턴층(105) 및 상기 제1 절연 패턴층(109) 상에 형성되는 제1 전극층(113)을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 보호 패턴층(105)은 상기 발광 구조물(103) 중 상기 제2 반도체층(103C)의 일부 영역 상에 형성될 수 있다. 상기 보호 패턴층(105)은 상기 개구(109OP)가 배치되는 상기 발광 구조물(103)의 상면을 모두 덮을 수 있다.
상기 보호 패턴층(105)은 상기 발광 구조물(103)에서 생성되는 광의 파장 영역에서 반사율이 높은 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 상기 보호 패턴층(105)은 금속성 물질, 예를 들어 Ag, Al, Cr, 이들의 조합, 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다. 상기 보호 패턴층(105)은 상기 제1 전극층(113)을 통해 공급되는 전류를 상기 발광 구조물(103)에 직접 전달할 수 있으므로, 도 1c의 전류 확산층(107)과 같은 구성이 생략될 수 있다.
상기 보호 패턴층(105)은 전자빔 증착법(E-beam evaporation)에 의해 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 도 6의 반도체 발광 소자(400)와 유사하나, 발광 구조물(103)의 상면과 도전성의 보호 패턴층(405)의 상면을 일체로 덮는 전류 확산층(507)이 더 구비된다는 차이가 있다. 상기 전류 확산층(507)은 제1 전극층(113)으로부터 공급받은 전류를 상기 발광 구조물(103)의 상면과 수평한 방향으로 확산시켜줄 수 있으므로, 발광 구조물에의 특정 영역으로의 전류 집중을 억제하여 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
도 8a 내지 도 12b는 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 평면도, 확대도, 및 단면도들이다. 도 8c, 도 9c, 도 10c, 도 11c, 및 도 12b는 도 8a, 도 9a, 도 10a, 도 11a, 및 도 12a의 A-A'선 단면에 대응하는 단면도들이다. 도 8b, 도 9b, 도 10b, 및 도 11b는 도 8a, 도 9a, 도 10a, 도 11a, 및 도 12a의 B 부분을 확대하여 나타낸 도면들이다.
도 8a 내지 도 8c를 참조하면, 기판(101)상에 제1 반도체층(103A), 활성층(103B), 및 제2 반도체층(103C)을 순차적으로 적층하여 발광 구조물(103)을 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 발광 구조물(103)는 MOCVD, HVPE, 또는 MBE 공정에 의해 형성될 수 있다.
이후, 상기 발광 구조물(103) 상에 예비 보호층을 형성할 수 있다. 상기 예비 보호층은 절연성 물질일 수 있으며, 이 경우 PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition), PVD (physical vapor deposition), CVD(chemical vapor deposition) 등에 의해 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이어서, 패터닝 공정을 통해 상기 예비 보호층을 일부 식각하여 상기 발광 구조물(103) 상에 형성되는 보호 패턴층(105)을 형성할 수 있다.
다른 실시예들에서, 상기 보호 패턴층(105)은 도전성 물질, 예를 들어 금속 물질일 수 있으며, 전자빔 증착법(E-beam evaporation) 등에 의해 형성될 수 있다. 상기 보호 패턴층(105)이 금속 물질인 경우, 상기 발광 구조물(103) 상에 리프트 오프를 위한 마스크 패턴층을 먼저 형성하고, 금속 물질을 증착한 후, 마스크 패턴층을 제거하여 금속성의 보호 패턴층(105)을 형성할 수 있다.
도 9a 내지 도 9c를 참조하면, 상기 보호 패턴층(105)이 형성된 상기 발광 구조물(103)의 전면에 전류 확산층(107)을 증착할 수 있다. 다만, 상기 보호 패턴층(105)이 도전성 물질, 예를 들어 금속 물질일 경우 상기 전류 확산층(107)의 형성 공정은 생략될 수 있다.
이후, 상기 전류 확산층(107)이 형성된 상기 발광 구조물(103)에 메사 식각을 수행할 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 반도체층(103C)으로부터 상기 제1 반도체층(103A)의 일부 두께 깊이까지 식각되도록 상기 발광 구조물(103)의 일부를 식각하여 상기 제1 반도체층(103A)의 상면을 노출시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 반도체층(103A)의 상면이 노출되는 트렌치 영역(TR)과, 상기 트렌치 영역(TR)보다 높은 레벨에서 상기 제2 반도체층(103C) 상에 형성된 상기 전류 확산층(107)을 상면으로 가지는 메사 영역(TR)을 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 발광 구조물(103)의 식각은 RIE (reactive ion etching) 공정에 의해 수행될 수 있다.
다만, 제조 단계가 전술한 순서에 한정되는 것은 아니며, 상기 메사 식각 공정은 상기 보호 패턴층(105) 및 상기 전류 확산층(107)의 형성 공정 전에 수행될 수 있다.
도 10a 내지 도 10c를 참조하면, 상기 도 9a 내지 도 9c의 결과물의 전면을 덮는 예비 제1 절연층을 형성할 수 있다. 상기 예비 제1 절연층은 PECVD, PVD, CVD 또는 스핀 코팅 (spin coating) 공정에 의해 형성될 수 있다.
이후, 상기 예비 제1 절연층의 일부를 식각하여 전류 확산층(107)의 상면 중 보호 패턴층(105)과 오버랩되는 영역 상에 배치되는 제1 개구(109OP) 및 상기 제1 반도체층(103A)의 상면 상에 배치되는 제2 개구(109OP2)를 포함하는 제1 절연층(109)을 형성할 수 있다. 이 때, 상기 제1 개구(109OP)는 상기 보호 패턴층(105) 상에만 형성된다. 이에 따라, 상기 제1 개구(109OP)의 하면의 면적은 상기 보호 패턴층(105)의 하면의 면적보다 좁을 수 있다.
상기 제1 및 제2 개구(109OP, 109OP2)는 RIE 공정 및 BOE (buffered oxide etchant)를 이용하는 습식 식각 공정을 이용하여 형성될 수 있다.
도 11a 내지 도 11c를 참조하면, 제1 개구(109OP)를 통해 노출된 상기 전류 확산층(107), 상기 제1 개구(109OP)의 내측면, 및 상기 제1 절연 패턴층(109)의 상면을 덮도록 제1 전극층(113)을 형성할 수 있다. 구체적으로, 도 10a 내지 도 10c의 결과물에 리프트 오프를 위한 마스크 패턴층을 형성하고, 예비 제1 전극 물질층을 형성한 후 마스크 패턴층을 제거하여 상기 제1 전극층(113)을 형성할 수 있다.
상기 예비 제1 전극 물질층은 스퍼터링(sputtering) 또는 PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition)에 의해 형성될 수 있다. 다만, 스퍼터링 또는 PECVD는 고에너지를 이용하므로, 공급한 전극 물질이 제2 반도체층(103C)과 반응하거나, 제2 반도체층(103C)에 물리적인 손상을 일으켜 발광 소자의 동작 전압을 상승시키는 문제가 있을 수 있다.
반면, 본 발명의 기술적 사상에 따르면, 상기 제2 반도체층(103C)의 상면 중 상기 제1 개구(109OP)가 배치되는 영역에 상기 보호 패턴층(105)이 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 전극층(113)을 형성하기 위한 스퍼터링 또는 PECVD 공정에서 상기 제2 반도체층(103C)이 외부로 직접 노출되지 않는 구조를 가질 수 있다. 이에 따라, 제2 반도체층(103C)의 손상에 따른 반도체 발광 소자(100)의 동작 전압 상승이 방지될 수 있다.
상기 제1 전극층(113)을 형성한 후, 상기 제2 개구(109OP) 내부에 제2 전극층(115)이 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 전극층(113, 115)의 형성 순서는 전술한 바에 한정되지 않을 수 있다.
도 12a 및 도 12b를 참조하면, 제1 및 제2 전극층(113, 115) 상에 예비 제2 절연층을 형성하고, 상기 제1 및 제2 전극층(113, 115)의 일부 영역을 노출시키는 개구들을 형성하여 제2 절연 패턴층(117)을 형성할 수 있다.
이후, 상기 제2 절연 패턴층(117)의 개구들의 내부에 상기 제1 및 제2 전극층(113, 115)과 각각 연결되는 제1 분리 전극층(119A) 및 제2 분리 전극층(119B)을 형성할 수 있다.
도 8a 내지 도 12b에서 설명한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 수행될 수도 있다.
도 13은 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 반도체 발광 소자(600)의 단면도이다. 도 13은 도 1a의 A - A' 선 단면에 대응하는 예시적인 구조일 수 있다. 상기 반도체 발광 소자(600)는 도 1a 내지 도 1c에서 설명한 반도체 발광 소자(100)를 패키지 기판(620) 상에 실장한 구조일 수 있다.
도 13을 참조하면, 패키지 기판(620)은 복수의 관통홀(625H)이 형성된 기판 본체(625)와, 상기 복수의 관통홀(625H) 내에 형성된 복수의 관통 전극(629)과, 상기 기판 본체(625)의 양측 표면에 형성된 복수의 도전층(627, 631)을 포함할 수 있다. 상기 복수의 도전층(627, 631)은 기판 본체(625)의 양측 표면에서 상기 관통 전극(629)의 양 단부에 각각 연결될 수 있다.
상기 복수의 도전층(627, 631)은 제1 전극 패드(121A) 및 제2 전극 패드(121B)를 통해 제1 및 제2 분리 전극층(119A, 119B)에 각각 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제1 및 제2 전극 패드(121A, 121B) 사이에는 절연층(123)이 더 형성될 수 있다.
상기 기판 본체(625)는 PCB (Printed Circuit Board), MCPCB (Metal Core PCB), MPCB (Metal PCB), FPCB (Flexible PCB) 등의 회로 기판, 또는 AlN, Al2O3 등의 세라믹 기판으로 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 패키지 기판(620) 대신 리드 프레임을 포함하는 구조물을 채용할 수도 있다.
상기 관통 전극(622, 624) 및 복수의 도전층(632, 634, 636, 638)은 각각 Cu, Au, Ag, Ni, W, Cr, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
도 13에서는 상기 패키지 기판(620) 상에 도 1a 내지 도 1c의 반도체 발광 소자(100)를 실장한 것으로 예시하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다. 일부 실시예들에서, 상기 반도체 발광 소자(600)는 상기 패키지 기판(620) 상에 도 3a 내지 도 7의 반도체 발광 소자(100', 200, 300, 400, 500)를 실장한 구조일 수 있다.
도시되지는 않았으나, 기판(101) 상에 파장 변환층을 더 포함할 수 있다. 파장 변환층은 발광 구조물(103)로부터 생성되는 광의 파장을 다른 파장으로 변환하는 역할을 할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 파장 변환부는 형광체 또는 양자점을 포함하는 수지층으로 이루어질 수 있다. 이에 대해서는 도 16 및 도 17을 참조하여 후술하도록 한다.
본 발명의 실시예들은 도면을 참조하여 설명한 반도체 발광 소자들(100, 100’, 200, 300, 400, 500, 600)는 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 안되며, 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 실시예들은 본 명세서에 제조 과정에서 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, “포함한다” 또는 “갖는다” 등의 표현은 명세서에 기재된 특징, 개수, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계, 구성 요소는 이들을 조합한 것들의 부가 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 실시예들에 따른 반도체 발광 소자를 포함하는 백색 광원 모듈의 개략적인 단면도이다.
도 14a를 참조하면, LCD 백라이트용 광원 모듈(1100)은, 회로 기판(1110) 및 회로 기판(1110) 상에 실장된 복수의 백색광 발광 장치들(1100a)의 배열을 포함할 수 있다. 회로 기판(1110) 상면에는 백색광 발광장치(1100a)와 접속되는 도전 패턴이 형성될 수 있다.
각각의 백색광 발광 장치(1100a)는, 청색광을 방출하는 반도체 발광 소자(1130)가 회로 기판(1110)에 COB(Chip On Board) 방식으로 직접 실장되는 구조를 가질 수 있다. 반도체 발광 소자(1130)는 앞서 설명한 본 발명의 일 실시예들에 따른 반도체 발광 소자들(100, 100', 200, 300, 400, 500)의 적어도 하나 일 수 있다. 각각의 백색광 발광 장치(1100a)는 파장 변환부(1150a, 파장 변환층)가 렌즈 기능을 갖는 반구형상으로 구비되어 넓은 지향각을 나타낼 수 있다. 이러한 넓은 지향각은, LCD 디스플레이의 두께 또는 폭을 감소시키는데 기여할 수 있다.
도 14b를 참조하면, LCD 백라이트용 광원 모듈(1200)은, 회로 기판(1110) 및 회로 기판(1110) 상에 실장된 복수의 백색광 발광장치들(1100b)의 배열을 포함할 수 있다. 각각의 백색광 발광장치(1100b)는 패키지 본체(1125)의 반사컵 내에 실장된 청색광을 방출하는 반도체 발광 소자(1130) 및 이를 봉지하는 파장 변환부(1150b)를 구비할 수 있다. 반도체 발광 소자(1130)는 앞서 설명한 본 발명의 일 실시예들에 따른 반도체 발광 소자들(100, 100', 200, 300, 400, 500)의 적어도 하나 일 수 있다.
파장 변환부(1150a, 1150b)에는 필요에 따라 형광체 및/또는 양자점과 같은 파장 변환 물질(1152, 1154, 1156)이 함유될 수 있다.
본 발명의 일 실시예들에 따른 반도체 발광 소자(100, 100’, 200, 300, 400, 500, 600) 중 적어도 하나는 광원 모듈에 포함될 수 있다. 상기 광원 모듈은 백라이트 유닛, 디스플레이 장치, 평판형 조명 장치, 바(bar) 타입의 조명 장치, 벌브형 램프 등 조명 장치의 광원으로 이용될 수 있다. 또한, 상기 조명 장치는 통신 모듈을 더 포함하여, 사물인터넷(internet of things, IoT) 기술, 무선 통신 기술 등이 융합된 복합적인 스마트 조명-네트워크 시스템을 구성할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
101: 기판, 103: 발광 구조물, 105, 405: 보호 패턴, 105R: 보호 패턴의 직경, 105H: 보호 패턴의 두께, 107, 507: 전류 확산층, 109, 209: 제1 절연 패턴층, 109OP, 209OP: 제1 개구, 109OP2: 제2 개구, 109OPR: 개구의 직경, 113: 제1 전극층, 115: 제2 전극층, 117: 제2 절연 패턴층, 119A, 119B: 제1 및 제2 분리 전극층, 311: 접착층, 121A, 121B: 제1 및 제2 전극 패드, 620: 패키지 기판

Claims (20)

  1. 제1 반도체층, 활성층, 및 제2 반도체층이 차례로 적층된 발광 구조물;
    상기 발광 구조물의 일부 영역 상에 형성된 보호 패턴층;
    상기 발광 구조물 상에 형성되며, 상기 보호 패턴층의 적어도 일부 상면 상에 배치되는 개구를 포함하는 제1 절연 패턴층; 및
    상기 개구의 내부와 상기 제1 절연 패턴층 상에 형성되는 전극층을 포함하고,
    상기 보호 패턴층 및 상기 발광 구조물은 다음의 관계를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
    Figure 112022133525816-pat00035

    (여기서, H는 보호 패턴층의 두께, λ는 발광 구조물에서 생성되는 광의 파장, n은 보호 패턴층의 굴절률, 및 N은 양의 정수이다.)
  2. 제1 항에 있어서, 상기 제1 절연 패턴층은 상기 발광 구조물의 상면, 상기 보호 패턴층의 측면, 및 상기 보호 패턴층의 상면의 가장자리 일부 영역을 덮고, 상기 개구는 상기 보호 패턴층의 상면의 잔부 영역 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 발광 구조물의 상면으로부터 수직한 방향으로 상기 개구의 내벽의 경계와 상기 보호 패턴층의 측벽의 경계가 동일한 것으로 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 보호 패턴층은 아일랜드 형상으로 서로 이격되어 형성된 복수의 보호 패턴들을 포함하고, 상기 제1 절연 패턴층은 상기 복수의 보호 패턴들과 각각 대응하는 복수의 개구들을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 보호 패턴의 하면은 상기 발광 구조물의 상면과 대향하고, 상기 개구의 하면은 상기 보호 패턴의 상면과 대향하며,
    상기 보호 패턴의 하면의 제1 면적은 상기 개구의 하면의 제2 면적보다 큰 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  6. 제4 항에 있어서, 상기 보호 패턴의 하면은 상기 발광 구조물의 상면과 대향하고, 상기 개구의 하면은 상기 보호 패턴의 상면과 대향하며,
    상기 보호 패턴의 하면의 제1 면적은 상기 개구의 하면의 제2 면적과 같은 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  7. 제1 반도체층, 활성층, 및 제2 반도체층이 차례로 적층된 발광 구조물;
    상기 발광 구조물의 일부 영역 상에 형성된 보호 패턴층;
    상기 발광 구조물 상에 형성되며, 상기 보호 패턴층의 적어도 일부 상면 상에 배치되는 개구를 포함하는 제1 절연 패턴층; 및
    상기 개구의 내부와 상기 제1 절연 패턴층 상에 형성되는 전극층을 포함하고,
    상기 보호 패턴층 및 상기 발광 구조물은 다음의 관계를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
    Figure 112022133525816-pat00003

    (여기서, H는 보호 패턴층의 두께, λ는 발광 구조물에서 생성되는 광의 파장, n은 보호 패턴층의 굴절률이다.)
  8. 제7 항에 있어서, 상기 제1 절연 패턴층은 상기 발광 구조물의 상면, 상기 보호 패턴층의 측면, 및 상기 보호 패턴층의 상면의 가장자리 일부 영역을 덮고, 상기 개구는 상기 보호 패턴층의 상면의 잔부 영역 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  9. 제1 항에 있어서, 상기 보호 패턴층은 절연성 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 보호 패턴층은 상기 제2 반도체층의 굴절률보다 낮은 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  11. 제1 항에 있어서, 상기 보호 패턴층은 금속 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  12. 제1 항에 있어서, 상기 발광 구조물의 상면과 상기 보호 패턴층의 측면 및 상면 상에 일체로 형성되고 도전성 물질로 이루어지는 전류 확산층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  13. 제1 항에 있어서, 상기 제1 절연 패턴층은 상기 제2 반도체층보다 낮은 굴절률을 가지는 물질로 이루어지고, 단일막, 서로 다른 굴절률을 가지는 복수의 층들이 적층된 다중막, 또는 DBR((Distributed Bragg Reflector) 구조인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  14. 제1 항에 있어서, 상기 제1 절연 패턴층과 상기 전극층 사이에 접착층이 더 개재되고,
    상기 접착층은 일정한 두께를 가지는 박막 또는 아일랜드 형상으로 서로 이격되어 형성된 복수의 패턴들로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  15. 제1 항에 있어서, 패키지 기판을 더 포함하고,
    상기 전극층의 상면과 상기 패키지 기판의 상면이 서로 대향하여 플립칩(flip chip) 연결되는 구조인 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  16. 제7 항에 있어서, 상기 보호 패턴층은 아일랜드 형상으로 서로 이격되어 형성된 복수의 보호 패턴들을 포함하고, 상기 제1 절연 패턴층은 상기 복수의 보호 패턴들과 각각 대응하는 복수의 개구들을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  17. 제1 반도체층, 활성층, 및 제2 반도체층이 차례로 적층된 발광 구조물을 형성하는 단계;
    상기 제2 반도체층의 일부 영역 상에 보호 패턴층을 형성하는 단계;
    상기 제1 반도체층이 노출되도록 상기 발광 구조물의 일부를 식각하는 단계;
    상기 제2 반도체층 및 상기 보호 패턴층 상에 절연층을 형성하는 단계;
    상기 절연층에 상기 발광 구조물의 상면으로부터 수직한 방향으로 상기 보호 패턴층의 적어도 일부 영역만을 노출시키는 개구를 형성하는 단계;
    상기 개구의 내측면, 상기 개구가 배치되는 상기 보호 패턴층의 상면, 및 상기 절연층의 상면을 덮는 접착층을 형성하는 단계; 및
    상기 개구의 내부와 상기 절연층을 덮는 전극층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 접착층을 형성하는 단계는, 반응 챔버에 산화인듐과 산화주석을 공급한 상태에서, 접착층의 두께가 20Å에 이를 때까지 플라즈마 처리하거나,
    반응 챔버에 산화인듐과 산화주석을 공급한 상태에서 15초 내지 25초 간 플라즈마 처리하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  18. 제17 항에 있어서, 상기 보호 패턴층은 금속 물질을 포함하며,
    상기 보호 패턴층을 형성하는 단계는 전자빔 증착법(E-beam evaporation)을 이용하고,
    상기 전극층을 형성하는 단계는, 전극 물질을 스퍼터링 또는 플라즈마 처리하여 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  19. 제17 항에 있어서, 상기 전극층을 형성하는 단계에서,
    상기 제2 반도체층의 상면 중 상기 개구가 배치되는 영역은 상기 보호 패턴층에 의해 커버되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
  20. 제16 항에 있어서, 상기 보호 패턴의 하면은 상기 발광 구조물의 상면과 대향하고, 상기 개구의 하면은 상기 보호 패턴의 상면과 대향하며,
    상기 보호 패턴의 하면의 제1 면적은 상기 개구의 하면의 제2 면적보다 큰 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
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