KR20080069766A - 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 기판 표면에 형성된 다수개의 Y자형 패턴을 포함한다.

Description

질화물 반도체 발광소자{Nitride semiconductor light emitting device}

도 1은 종래 질화물 반도체 발광 소자를 나타낸 단면도.

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

도 3은 본 발명 실시 예에 따른 기판 위에 형성된 Y자형 패턴을 나타낸 사시도.

도 4는 도 3의 Y자형 패턴의 상세 구성도.

도 5는 도 3의 Y자형 패턴의 정면도.

도 6은 본 발명에 따른 Y자형 패턴의 변형 예를 나타낸 도면.

도 7은 본 발명에 따른 Y자형 패턴의 다른 변형 예를 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 질화물 반도체 발광소자 110 : 기판

120 : Y자형 패턴 130: n형 질화물층

140 : 활성층 150 : p형 질화물층

151 : p형 전극 152 : n형 전극

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 발광소자로는 LED(Light Emitting Diode; 발광 다이오드)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 가지므로 이를 이용하여 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 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 굴절률이 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.

즉, GaN층의 높은 굴절율(n=2.4, n= 매질의 굴절율)에 의해 활성층(15)에서 발생한 광의 80% 이상은 스넬의 법칙(Snell의 Law)에 의해 도 1과 같이 GaN층 내부에서 임계 각도 내에 구속되어 GaN층 내에서 가이드됨으로써 흡수, 소멸된다.

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.

본 발명은 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

본 발명은 기판 표면에 Y자형 패턴을 형성함으로써 광 추출 효율을 개선시켜 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 기판 표면에 형성된 다수개의 Y자형 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 Y자형 패턴(120)을 갖는 기판(110), n형 질화물층(n-GaN)(130), 활성층(140), p형 질화물층(p-GaN)(150), n형 전극(151) 및 p형 전극(152)을 포함한다.

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

이러한 기판(110)의 표면에는 다수개의 Y자형 패턴(120)이 형성된다. 즉, 기판(110)이 Y자형으로 패턴된 사파이어 기판으로 이루어질 수 있다.

상기 Y자형 패턴(120)은 각각이 세 개의 변을 갖는 Y자 형태로 기판(110)에 일체로 형성된다. 이러한 패턴(120)을 형성하기 위해 기판(110) 표면에 마스크 패턴을 형성하고, RIE(reactive ion etching) 또는 ICP 에칭(inductive coupled plasma) 등과 같은 건식 식각 방법으로 식각을 수행하여 Y자형 패턴을 형성할 수 있다.

상기 기판(110) 표면에 형성된 Y자형 패턴(120)은 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 각각이 Y자 형태로 형성되고 병렬로 배열되며 인접한 열(또는 행)과는 지그 재그로 배열된다. 상기 Y자형 패턴(120)의 각 변(121,122,123) 사이의 각도(θ1 = 120도)는 서로 동일하게 형성될 수 있으며, 인접한 Y자형 패턴 사이의 간격(G2)도 서로 동일하게 형성될 수 있다. 또한 상기 Y자형 패턴(120)의 각 변(121,122,123)의 끝 부분(123)은 삼각형 구조로 형성되어 인접한 변과의 간격을 일정하게 유지하게 된다.

그리고 Y자형 패턴(120)을 이루는 세 개의 변(121,122,123)의 길이는 서로 동일하거나, 적어도 어느 한 변이 다른 변 보다 길거나 짧게 형성될 수 있다. 또한 세 개의 변 중에서 두 개의 변 사이의 각도가 120도가 아닐 수도 있다.

여기서, Y자형 패턴(120)의 어느 한 변(121,122,123)은 다른 인접한 Y자형 패턴의 홈(P) 부분에 형성됨으로써, 기판 표면에 형성되는 Y자형 패턴(120)의 구조적인 특성에 의해 광이 굴절되거나 산란되는 확률이 높아지게 되어 외부 양자효율이 증가하게 된다.

그리고 Y자형 패턴(120) 간의 간격 또는 폭은 λ/(4n)에 의해 결정되는데, Y자형 패턴의 인접한 변 사이의 간격 또는 폭은 0.1um~10um 정도로 형성된다. 여기서, 상기 파장(λ)은 발광 파장으로서 예를 들어 460nm이고, n= 매질의 굴절률이다. 상기 간격은 인접한 각 변 사이의 거리이며, 폭은 가로 또는 세로 방향으로 인접한 패턴 사이의 거리이다.

도 6은 본 발명에 따른 Y자형 패턴의 변형 예로서, 제 1Y자형 패턴(125)은 복수개를 연결하여 구성하고, 제 2Y자형 패턴(126)은 개별적으로 복수개 연결된 제 1Y자형 패턴 사이의 홈(127)에 역 방향으로 배열된 구조이다.

도 7은 본 발명에 따른 Y자형 패턴의 다른 변형 예로서, Y자형 패턴(128)은 Y자형의 각 변을 120도 각도(θ1)로 형성하고, 인접한 Y자형패턴과는 교대로 배치해 준다.

한편, 도 2와 같이 상기 기판(110) 위에는 발광 다이오드 구조물이 적층되는데, 상기 발광 다이오드 구조물은 상기 기판(110) 위에 n형 질화물층(n-GaN)(130)이 형성되며, 상기 n형 질화물층(130)의 일부에는 활성층(140)이 형성되며, 상기 활성층 위에는 p형 질화물층(p-GaN)(150)이 형성된다. 상기 n형 질화물층(130) 위에 n형 전극(152)이 형성되고, p형 질화물층 위에 p형 전극(151)이 형성된다.

본 발명의 질화물 반도체 발광 소자(100)는 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. 또한 상기 Y자형 패턴이 기판이 아닌 버퍼층에 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, 이때 기판 위의 Y자형 패턴(120)은 활성층(140)에서 생성되어 기판(110)으로 입사되는 광의 임계각도를 변경시켜 줌으로써 반도체 발광소자 내부에서 광 가이드 되는 빛을 최소화하여, 외부 광 추출 효과를 증대시켜 줄 수 있다.

이상에서 본 발명에 대하여 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예 시일 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 발명의 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 Y자형 패턴을 형성함으로써, 외부 광 추출 효과를 증대시켜 줄 수 있다.

Claims (8)

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

   상기 기판 표면에 형성된 다수개의 Y자형 패턴을 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 Y자형 패턴은 지그 재그로 형성되는 질화물 반도체 발광소자.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 Y자형 패턴의 삼 변의 길이는 동일하게 형성되는 질화물 반도체 발광소자.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 Y자형 패턴과 인접한 Y자형 패턴 간의 간격이 동일하게 형성되는 질화물 반도체 발광 소자.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 Y자형 패턴은 각 변 사이의 각도가 동일하게 형성되는 질화물 반도체 발광 소자.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 Y자형 패턴 간의 간격은 0.1~10um를 갖는 질화물 반도체 발광소자.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 Y자형 패턴의 삼 변 중 어느 한 변은 인접한 Y자형 패턴의 변과 연결되는 질화물 반도체 발광소자.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 Y자형 패턴은 서로 교대로 배열되는 질화물 반도체 발광소자.

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