KR20080026883A - 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광 소자에 관한 것이다.

본 발명 실시 예에 의한 질화물 반도체 발광소자는 기판 및 상기 기판 위에 n형 질화물층, 활성층, p형 질화물층을 포함하는 발광 소자에 있어서, 상기 기판은 표면에 반구 형상이 이중 구조로 형성된 렌즈 패턴을 포함한다.

Description

질화물 반도체 발광소자{Nitride semiconductor LED}

도 1은 종래 질화물 반도체 발광 소자를 나타낸 단면도.

도 2는 본 발명 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광 소자를 나타낸 단면도.

도 3은 도 2의 기판에 형성된 렌즈 패턴의 상세도 및 렌즈 패턴에서의 반사 예를 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 질화물 반도체 발광소자 110 : 기판

111 : 렌즈 패턴 112 : 제 1렌즈 패턴

113 : 제 2렌즈 패턴 120 : n형 질화물층

130 : 활성층 140 : p형 질화물층

151 : p형 전극 152 : n형 전극

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 발광소자로는 LED(Light Emitting Diode; 발광 다이오 드)를 꼽을 수 있는데, LED는 화합물 반도체의 특성을 이용해 전기 신호를 빛의 형태로 방출하는 소자이다.

이러한 LED는 PCB(Printed Circuit Board) 기판에 직접 장착하기 위해서 표면실장소자(Surface Mount Device)형으로 만들어지고 있고, 이에 따라 표시소자로 사용되고 있는 LED 램프도 표면실장소자 형으로 개발되고 있다.이러한 표면실장소자는 기존의 단순한 점등 램프를 대체할 수 있으며, 이것은 다양한 칼라를 내는 디스플레이 등을 위해서 사용된다.

특히, GaN(질화 갈륨), AlN(질화 알루미늄), InN(질화 인듐) 등의 3족 및 5족 화합물을 이용한 반도체 발광소자에 대해서 많은 연구와 투자가 이루어지고 있다. 이는 질화물 반도체 발광소자가 1.9 eV ~ 6.2 ev에 이르는 매우 넓은 영역의 밴드 갭을 가지고, 이를 이용한 밴드 갭 엔지니어링은 하나의 반도체상에서 빛의 삼원색을 구현할 수 있다는 장점이 있기 때문이다.

도 1은 종래 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 질화물 반도체 발광소자는 사파이어 기판(11) 위에 n형 GaN층(15)이 형성되며, 상기 n형 GaN층의 일부에 활성층(17)이 형성되고, 상기 활성층 위에 p형 GaN층(19)이 형성되며, 상기 p형 GaN층 위에 투명 전극(20)이 형성된다. 그리고 상기 투명 전극(20) 위에 p형 전극(21)이 형성되며, 상기 n형 GaN층(15) 위에 상기 활성층이 형성되지 않는 부분에 n형 전극(23)이 형성된다.

이러한 질화물 반도체 발광소자의 p형 전극(21) 및 n형 전극(23)에 전류를 인가할 때, 활성층(17)에서 생성된 광은 활성층 내부에서 모든 방향으로 방사하게 된다. 이때, 질화물계 반도체들의 굴절률 값이 공기와 발광소자 칩을 둘러싸고 있는 캡 소재인 에폭시의 굴절률에 비해 너무 크기 때문에, 공기 또는 에폭시로 방사되는 경우 어떤 임계 각도보다 작은 각도로 방사되는 광만이 외부로 탈출되고, 상기 임계 각도보다 큰 각도를 갖는 광은 반도체/공기 간의 계면에서 반사하게 되어 반도체 물질 내부로 흡수된다.

이렇게 반도체 내로 흡수되는 광에 의해 발광소자의 외부 발광 효율이 떨어짐과 아울러, 발광소자의 수명에도 악 영향을 미치게 된다. 따라서, 활성층(15)에서 생성된 광 중에서 반도체 물질 내로 반사되는 빛의 양을 최대한 감소시키는 것이 중요하다.

또한 사파이어 기판(11)과 n형 GaN층(15)의 경계면(13)에서 사파이어 기판의 굴절률(~1.8)과 n형 GaN층의 굴절률(~2.4)의 차이에 의해서 활성층(17)에서 사파이어 기판(11)쪽으로 발광하는 광이 상기 경계면(13)에서 전반사가 일어나게 되고, 또 p형 전극(21)이나 외부 몰드층의 굴절률 차이에 의해서 다시 반사되어 발광소자의 측면으로 가이딩되다가 빛이 소멸되어 외부 발광 효율이 떨어지게 된다.

본 발명은 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

본 발명은 사파이어 기판 상에 렌즈 패턴을 2중 또는 그 이상으로 형성하여, 상기 렌즈 패턴을 통과하는 반사 광의 집광도를 높여 줄 수 있도록 한 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

본 발명 실시 예에 의한 질화물 반도체 발광소자는 기판 및 상기 기판 위에 n형 질화물층, 활성층, p형 질화물층을 포함하는 발광 소자에 있어서, 상기 기판은 표면에 반구 형상이 이중 구조로 형성된 렌즈 패턴을 포함한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자에 대하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 측 단면도이다.

도 2를 참조하면, 질화물 반도체 발광소자(100)는 렌즈 패턴(111)을 갖는 기판(110), n형 질화물층(120), 활성층(130), p형 질화물층(140), 투명전극(145), n형 전극(152) 및 p형 전극(151)을 포함한다.

상기 기판(110)은 사파이어 기판, 실리콘 카바이드(SiC), ZnO, Si, GaAs와 GaN 중 어느 하나로 형성될 수 있다.

이러한 기판(110) 표면에는 다수개의 렌즈 패턴(111)이 형성된다. 즉, 렌즈 패턴(111)은 반구형태의 2중 렌즈 이상의 형상을 갖는 패턴이 기판에 일체로 형성될 수 있다. 이러한 렌즈 패턴(111)을 형성하기 위해 기판(110) 표면에 포토 레지스트 패터닝을 수행한 후 기판 위에 굴곡 패턴을 형성하고, 상기 굴곡 패턴을 이중 렌즈 패턴으로 식각(예 : 건식 식각)함으로써 형성된다.

상기 기판(110) 표면에 형성된 렌즈 패턴(111)은 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 기판 표면에 형성된 제 1렌즈 패턴(112)과, 상기 제 1렌즈 패턴 위에 형성된 제 2렌즈 패턴(113)으로 구성된다. 상기 제 1렌즈 패턴(112)은 반구 형태(예: 볼록 렌즈) 중에서 상단이 없는 형상으로 형성되며, 상기 제 2렌즈 패턴(113)은 제 1렌즈 패턴(112)의 상단에 반구 형태(예: 볼록 렌즈)로 형성된다. 즉, 제 2렌즈 패턴(113)이 제 1렌즈 패턴(112)의 형성시 렌즈 패턴 구경이 1/2 되는 지점에서 반구 형태로 형성된다.

여기서, 상기 제 1 및 제 2렌즈 패턴(112,113)은 서로 다른 크기를 갖고 반구 형태로 형성된다. 예를 들면, 상기 제 2렌즈 패턴(113)의 구경(L12)은 제 1렌즈 패턴(112)의 구경(L11) 보다 작게 형성되는데, 예컨대 제 1렌즈 패턴 구경의 1/2 정도로 형성될 수 있다. 만약, 제 1렌즈 패턴(112)의 구경이 4um 정도이면 제 2렌즈 패턴(113)의 구경은 2um (±0.5um) 정도로 형성된다.

상기 제 2렌즈 패턴(113)의 높이(H12)는 제 1렌즈 패턴의 높이(H11) 보다 낮게 형성될 수 있다. 예를 들면, 제 1렌즈 패턴(112) 의 높이(H11)는 1.2~1.4um이고 제 2렌즈 패턴(113)의 높이(H12)는 0.5um(±0.1um) 정도로 형성된다 즉, 렌즈 패턴의 전체 높이(H)는 1.7~1.9um정도로 형성될 수 있다.

이러한 기판 위에는 발광 다이오드 구조물이 적층되는데, 상기 발광 다이오드 구조물은 상기 기판(110) 위에 n형 질화물층(120)이 형성되며, 상기 n형 질화물층(120)의 일부에는 활성층(130)이 형성되며, 상기 활성층 위에는 p형 질화물층(140) 및 투명 전극(145)이 차례대로 형성된다. 상기 n형 질화물층(120) 위에서 상기 활성층이 형성되지 않는 부분에 n형 전극(152)이 형성되고, p형 질화물층 위에 p형 전극(151)이 형성된다.

본 발명의 질화물 반도체 발광 소자는 GaAs, AlGaAs, GaN, InGaN 및 AlGaInP 등의 화합물 반도체 재료를 이용하는 pn 접합 또는 npn 접합 구조에 적용될 수 있으며, 상기 기판과 질화물층 사이에 버퍼층(미도시)이 더 형성될 수도 있다.

이러한 질화물 반도체 발광소자(100)는 n형 전극(152) 및 p형 전극(151)을 통해 전류가 인가되면, 활성층(130)에서 광이 생성된다. 상기 생성된 광은 모든 방향으로 방출되는데, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 상기 기판 방향으로 방출되는 일부 광은 기판(110)과 n형 질화물층(120)의 경계면(115)에 위치하는 렌즈 패턴(112,113)에 의해 난반사된다.

이때 기판(110)의 렌즈 패턴(112,113)으로 진행하는 광(P11)은 렌즈 패턴(112,113)의 표면에서 각각 난 반사(P12)되며, 상기의 난 반사되는 광(P12) 들이 질화물 반도체 외부로 탈출할 수 있게 된다.

이와 같이, 기판 위에 반구 형상을 갖는 이중 구조의 렌즈 패턴을 제공하여, 기판과 n형 질화물층 사이의 경계면에서 광의 난반사를 유도하여, 상기 기판과 n형 질화물층 사이에서 광이 소멸되는 것을 최소화할 수 있다.

이상에서 본 발명에 대하여 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명 의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자에 의하면, 기판 위에 형성된 렌즈 패턴을 이중 이상으로 구성하여, 발광 소자의 광도를 개선하는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 기판 및 상기 기판 위에 n형 질화물층, 활성층, p형 질화물층을 포함하는 발광 소자에 있어서,

   상기 기판은 표면에 반구 형상이 이중 구조로 형성된 렌즈 패턴을 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 렌즈 패턴은 반구 형상의 제 1렌즈 패턴과, 상기 제 1렌즈 패턴 위에 형성된 제 2렌즈 패턴을 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 제 1렌즈 패턴 및 제 2렌즈 패턴은 서로 다른 크기의 반구 형태로 형성되는 질화물 반도체 발광소자.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 제 2렌즈 패턴은 제 1렌즈 패턴 구경 보다 작은 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 제 2렌즈 패턴은 제 1렌즈 패턴 구경의 1/2로 형성되는 질화물 반도체 발광 소자.
6. 제 2항에 있어서,

   상기 제 2렌즈 패턴은 제 1렌즈 패턴의 높이 보다 낮게 형성되는 질화물 반도체 발광소자.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 제 2렌즈 패턴의 높이는 0.5um 이하로 형성되는 질화물 반도체 발광소자.

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