KR20080070475A - 고투과 광학 박막 및 이를 구비하는 반도체 발광소자 - Google Patents

Abstract

반도체 발광소자에서 광추출시 반도체 물질과 공기 또는 봉합물질과의 굴절률 차이에 따른 광반사 발생을 억제하여 광출력 손실을 줄이고 광투과 효율을 최대화 할 수 있도록 그 구조가 개선된 고투과 광학 박막 및 이를 구비한 반도체 발광소자가 개시된다. 본 발명에 따른 광학 박막은, 제1 굴절률을 갖는 제1 물질층, 상기 제1 물질층 상에 형성된 것으로, 상기 제1 굴절률 보다 작은 제2 굴절률을 갖는 제2 물질층 및 상기 제1 물질층과 제2 물질층 사이에 개재되는 것으로, 상기 제1 물질층쪽에서 제2 물질층쪽으로 진행할수록 제1 굴절률과 제2 굴절률의 사이범위에서 그 굴절률 분포가 점차로 감소되는 다층구조로 형성된 그레이드식-굴절률층(graded-refractive index layer)을 포함한다.

Description

고투과 광학 박막 및 이를 구비하는 반도체 발광소자{High-transmissive optical thin film and semicondutor light emitting device having the same}

도 1의 (a), (b) 및 (c) 각각은 본 발명에 따른 광학 박막의 단면구조, 상기 광학 박막의 굴절률 분포 및 광학 박막의 조성분포를 보여준다.

도 2는 본 발명에 따른 광학 박막의 형성물질들의 굴절률 분포도이다.

도 3a는 본 발명의 제1 실시예에 따라 구현된 광학 박막의 단면구조를 보여주는 SEM 사진이다.

도 3b는 상기 제1 실시예에 따라 구현된 광학 박막의 굴절률 분포를 보여주는 그래프이다.

도 3c는 상기 제1 실시예에 따른 광학 박막의 형성을 위한 장치도이다.

도 4a는 상기 제1 실시예에 따라 구현된 광학 박막의 투과도를 측정한 결과그래프이다.

도 4b는 상기 제1 실시예에 따라 구현된 광학 박막의 반사도를 측정한 결과그래프이다.

도 5a는 본 발명의 제2 실시예에 따라 구현된 광학 박막에서 증착각도(deposition angle 또는 oblique angle) 변화에 따른 공극률(porosity density) 분포를 보여주는 단면 SEM 사진이다.

도 5b는 상기 제2 실시예에 따라 구현된 광학 박막의 굴절률 분포를 보여주는 그래프이다.

도 5c는 상기 제2 실시예에 따른 광학 박막의 형성을 위한 장치도이다.

도 5d는 본 발명의 제2 실시예에 따라 구현된 광학 박막에서 증착각도 변화에 따른 굴절률 분포의 변화룰 보여주는 그래프이다.

도 6은 본 발명에 따른 고투과 광학 박막을 구비하는 반도체 발광소자의 개략적 단면도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10:기판 11:제1 물질층

12:그레이드식-굴절률층

12a, 12b, 12c, 12d, 12e:그레이드식-굴절률층의 구성층

14:제2 물질층 20:광학 박막

40:n형 반도체층 50:활성층

60:p형 반도체층 110:n-전극

112:반사전극 120:p-전극

본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것으로, 반도체 발광소자에서 광추출시 반도체 물질과 공기 또는 봉합물질(encapsulating materials)과의 굴절률 차이에 따른 광반사 발생을 억제하여 광출력 손실을 줄이고 광투과 효율을 최대화 할 수 있도록 그 구조가 개선된 고투과 광학 박막 및 이를 구비한 반도체 발광소자에 관한 것이다.

발광소자(Light Emitting Device), 예를 들어 발광다이오드(Light Emitting Diode, 이하 'LED'라 함)는 기본적으로 반도체 PN 접합 다이오드이다. 실리콘 PN 접합이 전자정보 혁명의 주역이었다면 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체의 PN 접합은 빛 혁명의 주역이다. Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체는 원소 주기율표 상에서 Ⅲ족과 Ⅴ족의 원소가 화합하여 만들어진 것으로, 발광효율이 거의 100%에 가깝다는 장점이 있다. 이는 실리콘보다 약 1만 배 정도 높은 효율이며, 따라서 물질개발 초기부터 LED가 다이오드 레이저 등 발광소자에 널리 응용되어 광 혁명의 주역이 되었다. 또한, LED는 전자의 이동속도가 높고 고온 동작이 가능하여 고속·고전력 전자소자에도 널리 사용되고 있다. 특히, Ⅲ족과 Ⅴ족의 여러 원소가 혼합함으로써 매우 다양한 물질 조성과 특성의 반도체를 만들어 낼 수 있다는 장점을 갖는다.

발광다이오드의 기본적인 특성으로 가시광선 영역의 발광다이오드에서는 광도[단위: 칸델라(Candela, cd)]가 사용되며, 비가시광선 영역에서는 방사속[단위: 와트(Watt)]로 표시된다. 광도는 단위 입체각당의 광속으로 표시되며, 휘도는 단위 면적당의 광도로서 표시되는데 이런 광도를 측정하기 위해서는 광도계가 사용된다. 방사속은 LED에서 모든 파장에 대해 방사되는 전출력을 나타내며, 단위 시간당 방사되는 에너지로 표시된다.

가시광선 LED 성능을 판별하는 주된 평가요소는 바로 발광효율(Luminous Efficiency)로서, 와트 당 루멘(lm/W)으로 표시된다. 이는 사람의 눈의 시감도를 고려한 Wall-Plug 효율(광출력/입력 전기 파워양)에 해당한다. 그리고, 이러한 LED의 발광효율은 내부 양자 효율(Internal Quantum Efficiency), 추출 효율(Extraction Efficiency), 동작 전압(Operating Voltage) 등의 세 가지 요소에 의해 주로 결정될 수 있으며, 이러한 발광효율의 개선을 위한 연구개발이 현재도 계속 수행되고 있다.

종래 LED는, 사파이어/n-GaN/MQW/p-GaN의 구조로 형성되는 것이 일반적이었으며, 종래의 이와 같은 구조의 LED에서는 첫째, MQW층의 내부양자 효율 향상, 둘째, 고출력의 LED 제조라는 기술과제들을 해결하는데 있어서 그 구조상의 한계가 있었다. 따라서, 이러한 한계를 극복하여 광의 외부추출 효율이 증가될 수 있도록 LED의 구조를 개선할 필요가 있었다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 종래기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 반도체 발광소자에서 광추출시 반도체 물질과 공기 또는 봉합물질(encapsulating materials)과의 굴절률 차이에 따른 광반사 발생을 억제하여 광출력 손실을 줄이고 광투과 효율을 최대화 할 수 있도록 그 구조가 개선된 고투과 광학 박막 및 이를 구비한 반도체 발광소자를 제공함에 있다.

본 발명에 따른 광학 박막은,

제1 굴절률을 갖는 제1 물질층;

상기 제1 물질층 상에 형성된 것으로, 상기 제1 굴절률 보다 작은 제2 굴절률을 갖는 제2 물질층; 및

상기 제1 물질층과 제2 물질층 사이에 개재되는 것으로, 상기 제1 물질층쪽에서 제2 물질층쪽으로 진행할수록 제1 굴절률과 제2 굴절률의 사이범위에서 그 굴절률 분포가 점차로 감소되는 다층구조로 형성된 그레이드식-굴절률층(graded-refractive index layer);을 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 반도체 발광소자는,

n-전극, n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층과 p-전극; 및

상기 활성층으로부터 생성된 광이 출사되는 광출사면 상에 형성되는 것으로, 광투과 경로를 제공하는 광학 박막;을 포함하고, 상기 광학 박막은,

상기 광출사면 상에 형성된 것으로, 제1 굴절률을 갖는 제1 물질층;

상기 제1 물질층 상에 형성된 것으로, 상기 제1 굴절률 보다 작은 제2 굴절률을 갖는 제2 물질층; 및

상기 제1 물질층과 제2 물질층 사이에 개재되는 것으로, 상기 제1 물질층쪽에서 제2 물질층쪽으로 진행할수록 제1 굴절률과 제2 굴절률의 사이범위에서 그 굴절률 분포가 점차로 감소되는 다층구조로 형성된 그레이드식-굴절률층;을 포함한다.

본 발명에 따른 광학 박막 및 반도체 발광소자에서, 상기 제1 굴절률과 제2 굴절률은 1 이상 5 이하의 범위에서 선택될 수 있다. 바람직하게, 상기 제1 물질층 과 제2 물질층 및 그레이드식-굴절률층 각각은 TiO₂, SiC, GaN, GaP, SiN_y, ZrO₂, ITO, AlN, Al₂O₃, MgO, SiO₂, CaF₂ 및 MgF₂ 으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 여기에서, 상기 그레이드식-굴절률층은 (상기 제1 물질)_x(상기 제2 물질)_1-x(0<x<1) 조성으로 형성되며, 상기 제2 물질층에 인접할수록 상기 그레이드식-굴절률층을 구성하는 각 구성층에 함유된 제2 물질의 조성비가 점차로 증가된다. 또한, 상기 제2 물질층 및 그레이드식-굴절률층은 미세공극을 포함하는 다공성 구조체로 형성될 수 있으며, 상기 제2 물질층에 인접할수록 상기 그레이드식-굴절률층을 구성하는 각 구성층의 공극률이 점차로 증가된다.

이하에서는 본 발명에 따른 고투과 광학 박막 및 이를 구비한 반도체 발광소자의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위하여 과장되게 도시된 것이다.

도 1의 (a), (b) 및 (c) 각각은 본 발명에 따른 광학 박막의 단면구조, 상기 광학 박막의 굴절률 분포 및 광학 박막의 조성분포를 보여준다. 그리고, 도 2는 본 발명에 따른 광학 박막의 형성물질들의 굴절률 분포도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 고투과 광학 박막(20)은 기판(10) 상에 순차로 적층된 제1 물질층(11), 그레이드식-굴절률층(12, graded-refractive index layer) 및 제2 물질층(14)을 포함한다. 여기에서 각각의 물질층은 스퍼터링(sputtering) 또는 증발법(evaporation)에 의해 형성될 수 있다.

상기 제1 물질층(11)은 제1 굴절률(n_H)을 가지며, 상기 제2 물질층(14)은 상기 제1 굴절률(n_H) 보다 작은 제2 굴절률(n_L, n_L<n_H)을 가진다. 여기에서, 상기 제1 굴절률(n_H)과 제2 굴절률(n_L)은 1 이상 5 이하의 범위에서 선택될 수 있다. 바람직하게, 상기 제1 물질층(11)과 제2 물질층(14) 각각은 TiO₂, SiC, GaN, GaP, SiN_y, ZrO₂, ITO, AlN, Al₂O₃, MgO, SiO₂, CaF₂ 및 MgF₂ 으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 이들 열거된 물질들은 1 이상 5 이하의 굴절률을 가진다. 여기에서, 상기 굴절률은 350㎚ 내지 700㎚의 파장(wavelength)의 광에 대한 굴절률이다.

상기 그레이드식-굴절률층(12)은 상기 제1 물질층(11)과 제2 물질층(14) 사이에 개재되며, 상기 제1 물질층(11)쪽에서 제2 물질층(14)쪽으로 진행할수록 제1 굴절률(n_H)과 제2 굴절률(n_L)의 사이범위에서 그 굴절률 분포가 점차로 감소되는 다층구조로 형성된다. 예를 들어, 상기 그레이드식-굴절률층(12)은 각각 n₁, n₂, n₃, ......, n_m,(n_L<n₁<n₂<n₃<......<n_m<n_H, m은 양의 정수)의 굴절률을 갖는 다수의 구성층들(12a, 12b, 12c, 12d, 12e)을 포함할 수 있다. 이들 구성층들(12a, 12b, 12c, 12d, 12e) 각각은 TiO₂, SiC, GaN, GaP, SiN_y, ZrO₂, ITO, AlN, Al₂O₃, MgO, SiO₂, CaF₂ 및 MgF₂ 으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.

본 발명에서, 상기 그레이드식-굴절률층(12) 내에서 굴절률이 점차로 변화되는 구조를 구현하기 위해 다음의 두 가지 실시예가 가능할 수 있었으며, 이들 두 실시예는 각각으로 또는 혼용되어 실시될 수 있었다.

먼저 제1 실시예로, 상기 그레이드식-굴절률층(12)의 각 구성층(12a, 12b, 12c, 12d, 12e)을 멀티 타겟-스퍼터링(co-sputtering)에 의해 (상기 제1 물질)_x(상기 제2 물질)_1-x(0<x<1) 조성으로 형성하였으며, 이 때 상기 제2 물질층(14)에 인접할수록 상기 그레이드식-굴절률층(12)을 구성하는 각 구성층(12a, 12b, 12c, 12d, 12e)에 함유된 제2 물질의 조성비를 점차로 증가시켰다. 상기 그레이드식-굴절률층(12)은 서로 다른 굴절률을 갖는 상기 제1 물질과 제2 물질의 혼합조성으로 형성되며, 여기에서 상기 제2 물질의 굴절률(n_L)이 상기 제1 물질의 굴절률(n_H) 보다 더 작기 때문에, 상기 제2 물질의 조성비 증가에 따라 상기 그레이드식-굴절률층(12)의 구성층들(12a, 12b, 12c, 12d, 12e)의 굴절률이 점차로 작아질 수 있다.

제2 실시예로, 상기 제2 물질층(14) 및 그레이드식-굴절률층(12)을 미세공극을 포함하는 다공성 구조체(porous structure)로 형성하였다. 이 때, 상기 제2 물질층(14)의 공극률(porosity density)이 상기 그레이드식-굴절률층(12)을 구성하는 각 구성층(12a, 12b, 12c, 12d, 12e)의 공극률 보다 더 크며, 또한 상기 제2 물질층(14)에 인접할수록 상기 그레이드식-굴절률층(12)을 구성하는 각 구성층(12a, 12b, 12c, 12d, 12e)의 공극률이 점차로 증가된다. 바람직하게, 상기 제2 물질층(14)의 공극률은 최대 90% 정도까지 형성될 수 있으며, 상기 그레이드식-굴절률 층(12)의 공극률은 90% 이하가 되도록 제어될 수 있다. 여기에서, 상기 미세공극은 미세직경의 에어포어, 즉 나노-에어 포어(nano-air pore)를 포함하는 개념이다. 상기 미세공극은 에어(air)를 포함하며 상기 에어의 굴절률은 1 정도로 매우 작기 때문에, 상기 미세공극의 공극률(porosity density)이 증가함에 따라, 상기 그레이드식-굴절률층(12)을 구성하는 구성층들(12a, 12b, 12c, 12d, 12e)의 굴절률이 점차로 작아질 수 있다. 상기 미세공극은 박막의 증착공정시, 기상 소스(vapor source)의 흐름(flux)에 대하여 기판의 증착각도(θ, deposition angle 또는 oblique angle)를 변화시킴으로써 형성될 수 있으며, 상기 증착각도의 변화에 따라 공극률(porosity density)의 제어가 가능할 수 있다. 여기에서, 상기 증착각도는 기상 소스(vapor source)의 흐름(flux)에 대하여 기판 상의 증착면이 이루는 각으로 정의하기로 한다. 상기 제2 실시예에서, 바람직하게, 상기 제1 물질층(11)과 제2 물질층(14) 및 그레이드식-굴절률층(12)은 동일한 화학성분의 물질로 형성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 1과 5 사이의 굴절률(refractive index) 범위에서, 그 굴절률 분포가 연속적으로 감소되는 구조를 가지는 광학 박막을 얻을 수 있다. 이와 같이 굴절률 분포가 연속적으로 변화하는 광학 박막을 통해 350㎚ 내지 700㎚의 파장의 광이 투과될 경우, 공기와의 굴절률 차이에 따른 광반사 발생이 억제되어 광투과도가 매우 우수할 수 있다. 특히, 이와 같은 광학 박막을 반도체 발광소자의 광출사면에 형성할 경우, 반도체 발광소자에서 광추출시 반도체 물질과 공기 또는 봉합물질(encapsulating materials)과의 굴절률 차이에 따른 광반사 발생을 최소로 억제하여 광출력 손실을 줄이고 광투과 효율을 최대화 할 수 있다. 여기에서, 봉합물질이란, 반도체 발광소자를 덮는 봉합층(encapsulating layer)을 형성하는 물질로, 실리콘(silicone) 또는 에폭시 수지(epoxy resin) 등이 있다.

도 3a는 본 발명의 제1 실시예에 따라 구현된 광학 박막의 단면구조를 보여주는 SEM 사진이며, 도 3b는 상기 제1 실시예에 따라 구현된 광학 박막의 굴절률 분포를 보여주는 그래프이다. 그리고, 도 3c는 상기 제1 실시예에 따른 광학 박막의 형성을 위한 장치도이다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학 박막은 기판 상에 순차로 적층된 2.3정도의 고굴절률(550㎚의 광파장 기준)을 갖는 TiO₂층, (TiO₂)_x(SiO₂)_1-x(0<x<1) 조성의 그레이드식-굴절률층 및 1.44정도의 저굴절률을 갖는 SiO₂층을 포함한다. 여기에서, 상기 그레이드식-굴절률층은 (TiO₂)_x(SiO₂)_1-x(0<x<1) 조성에 따라 2.3과 1.44 범위내에서 점차로 감소되는 굴절률 분포(상기 SiO₂층에 인접할수록 SiO₂의 조성비가 증가하면서, 그 굴절률 분포는 점차로 감소됨)를 가지도록 형성되었으며, 이 때 도 3c에 도시된 바와 같은 멀티 타겟-스퍼터링(co-sputtering) 장치가 이용되었다. 상기 장치도에서, 타겟1과 타겟2 각각은 TiO₂ 소스 및 SiO₂ 소스이다.

도 4a 및 도 4b 각각은 상기 제1 실시예에 따라 구현된 광학 박막의 투과도 및 반사도를 측정한 결과그래프이다. 본 발명에 따른 그레이드식-굴절률층을 포함 하는 광학 박막의 투과도 특성이 우수함을 알 수 있었다.

도 5a는 본 발명의 제2 실시예에 따라 구현된 광학 박막에서 기상 소스(vapor source)의 흐름(flux) 대한 기판의 증착각도(θ, deposition angle 또는 oblique angle) 변화에 따른 SiO₂층내의 공극률(porosity density) 분포를 보여주는 단면 SEM 사진이다. 도 5b는 상기 제2 실시예에 따라 구현된 광학 박막의 광파장에 따른 굴절률 분포를 보여주는 그래프이다. 도 5c는 상기 제2 실시예에 따른 광학 박막의 형성을 위한 장치도이다. 그리고, 도 5d는 본 발명의 제2 실시예에 따라 구현된 광학 박막에서 증착각도 변화에 따른 굴절률 분포의 변화를 보여주는 그래프이다.

도 5a 내지 도 5d를 참조하면, 상기 제2 실시예에 따른 광학 박막은 제1 물질층, 제2 물질층 및 그레이드식-굴절률층을 모두 SiO₂ 물질로 형성하였으며, 상기 SiO₂층내의 미세공극의 공극률을 제어하여 그 굴절률 분포가 점차로 감소되는 구조를 구현하였다. 구체적으로, 0°내지 90°범위에서, 상기 증착각도(θ)의 증가에 따라, 상기 SiO₂층내에 미세공극의 공극률이 점차로 증가되었으며, 상기 공극률 증가에 따라 상기 SiO₂층의 굴절률이 1.46에서 1.1까지 점차로 감소될 수 있었다. 여기에서, 상기 증착각도(θ)는 기상 소스(vapor source)의 흐름(flux)에 대하여 기판 상의 증착면이 이루는 각으로 정의하기로 한다.

도 6은 본 발명에 따른 고투과 광학 박막을 구비하는 반도체 발광소자의 개 략적 단면도이다. 상기 고투과 광학 박막(20)의 구조, 형성물질 및 효과에 대하여는 도 1 내지 도 5d에서 이미 상세히 기술한 바 있으므로, 동일한 구성요소에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 반도체 발광소자는, n-전극(110)과 p-전극(120) 사이에 순차로 적층된 n형 반도체층(40), 활성층(50) 및 p형 반도체층(60)을 포함하며, 또한 상기 활성층(50)으로부터 생성된 광이 출사되는 광출사면 상에 형성되어 광투과 경로를 제공하는 광학 박막(20)을 포함한다. 그리고, 상기 p형 반도체층(60)과 p-전극(120) 사이에 Ag와 같은 광반사 물질로 형성된 반사전극(112)이 형성되었다.

상기 n형 반도체층(40)은 AlInGaN계 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 물질로 형성하되, 특히 n-GaN층으로 형성하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 p형 반도체층(60)은 p-GaN 계열의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체층으로 형성하되, 특히 p-GaN층 또는 p-GaN/AlGaN층으로 형성하는 것이 바람직하다.

상기 활성층(50)은 In_xAl_yGa_1-x-yN(0≤x<1, 0≤y<1 그리고 0≤x+y<1)인 GaN계열의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체층으로 형성하되, 특히 InGaN층 또는 AlGaN층으로 형성하는 것이 바람직하다. 여기에서, 상기 활성층(50)은 다중양자우물(multi-quantum well, 이하 'MQW'라 함) 또는 단일양자우물 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있으며, 이러한 활성층의 구조는 본 발명의 기술적 범위를 제한하지 않는다. 예를 들어, 상기 활성층(50)은 GaN/InGaN/GaN MQW 또는 GaN/AlGaN/GaN MQW 구조로 형성되 는 것이 가장 바람직할 수 있다. 그리고, 상기 n-전극(110) 및 p-전극(120)은 Au, Al, Ag와 같은 금속물질 또는 투명한 전도성 물질로 형성될 수 있다.

이와 같은 구조의 반도체 발광소자에서, 상기 n-전극(110)과 p-전극(120) 사이에 소정의 전압이 인가되면, 상기 n형 반도체층(40)과 p형 반도체층(60)으로부터 각각 전자들(electrons)과 정공들(holes)이 상기 활성층(50)으로 주입되어, 이들이 활성층(50) 내에서 결합함으로써 활성층(50)으로부터 광이 생성될 수 있다.

상기 광학 박막(20)은 광출사면, 즉 n형 반도체층(40)의 상면에 순차로 적층된 제1 물질층(11), 그레이드식-굴절률층(12, graded-refractive index layer) 및 제2 물질층(14)을 포함한다. 여기에서 각각의 물질층은 스퍼터링(sputtering) 또는 증발법(evaporation)에 의해 형성될 수 있다.

상기 제1 물질층(11)은 제1 굴절률(n_H)을 가지며, 상기 제2 물질층(14)은 상기 제1 굴절률(n_H) 보다 작은 제2 굴절률(n_L, n_L<n_H)을 가진다. 여기에서, 상기 제1 굴절률(n_H)과 제2 굴절률(n_L)은 1 이상 5 이하의 범위에서 선택될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 물질층(11)과 제2 물질층(14) 각각은 TiO₂, SiC, GaN, GaP, SiN_y, ZrO₂, ITO, AlN, Al₂O₃, MgO, SiO₂, CaF₂ 및 MgF₂ 으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 특히, 상기 제1 물질층(11)은 상기 광출사면을 이루는 물질, 여기서는 n형 반도체층의 형성물질인 n-GaN의 굴절률과 동일한 굴절률을 가지는 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 여기에서, 상기 굴절률은 350 ㎚ 내지 700㎚의 파장(wavelength)의 광에 대한 굴절률을 지칭하는 개념으로 정의하기로 한다. 상기 그레이드식-굴절률층(12)은 상기 제1 물질층(11)과 제2 물질층(14) 사이에 개재되며, 상기 제1 물질층(11)쪽에서 제2 물질층(14)쪽으로 진행할수록 제1 굴절률(n_H)과 제2 굴절률(n_L)의 사이범위에서 그 굴절률 분포가 점차로 감소되는 다층구조로 형성된다.

상기 광출사면은 반도체 발광소자의 구조, 예를 들어 탑에미트형, 플립칩형 에 따라 그 지칭하는 면이 달라질 수 있기 때문에, 여기에서 상기 광출사면은 상기 활성층(50)으로부터 생성된 광이 외기(대기 혹은 봉합물질층)로 출사되는 최외곽면 또는 경계면을 지칭하는 것으로 정의하기로 한다. 따라서, 상기 광출사면은 기판(미도시), n-전극(110), n형 반도체층(40), p형 반도체층(60) 및 p-전극(120)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 어느 하나에 의해 제공될 수 있다. 도 6에 도시된 반도체 발광소자 구조에서는 상기 n형 반도체층(40)의 상면이 광출사면이 될 수 있으며, 상기 n형 반도체층(40)의 상면 상에 광학 박막(20)이 형성된다.

하지만, 다른 구조의 반도체 발광소자의 경우(미도시), 예를 들어 상기 광출사면이 상기 n-전극(110)에 의해 제공되어질 경우, 상기 n-전극(110)은 광투과 물질, 예를 들어 투명전도성 질화물 또는 투명전도성 산화물로 형성되어져야 할 것이다. 마찬가지로, 상기 광출사면이 상기 p-전극(120)에 의해 제공되어질 경우, 상기 p-전극(110)은 광투과 물질, 예를 들어 투명전도성 질화물 또는 투명전도성 산화물로 형성되어져야 할 것이다. 이러한 투명전극 형성물질의 예로, ITO(Indium Tin Oxide), ZITO(Zinc-doped Indium Tin Oxide), ZIO(Zinc Indium Oxide; 아연 인듐 산화물), GIO(Gallium Indium Oxide), ZTO(Zinc Tin Oxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), AZO(Aluminium-doped Zinc Oxide), GZO(Gallium-doped Zinc Oxide), In₄Sn₃O₁₂ 또는 Zn_(1-x)Mg_xO(Zinc Magnesium Oxide, 0≤x≤1)으로 이루어지는 그룹에서 선택된 어느 하나일 수 있으며, 구체적인 예로서, Zn₂In₂O₅, GaInO₃, ZnSnO₃, F-doped SnO₂, Al-doped ZnO, Ga-doped ZnO, MgO, ZnO 등이 있다.

본 발명에 따르면, 반도체 발광소자에서 광추출시 반도체 물질과 공기 또는 봉합물질과의 굴절률 차이에 따른 광반사 발생을 억제하여 광출력 손실을 줄이고 광투과 효율을 최대화 할 수 있도록 그 구조가 개선된 고투과 광학 박막을 얻을 수 있다. 본 발명에 따른 고투과 광학 박막이 반도체 발광소자의 광출사면 상에 형성될 경우, 반도체 발광소자의 광출력 손실이 최소로 억제되어, 기존 보다 반도체 발광소자의 광출력 효율을 향상시킬 수 있다.

이상에서, 이러한 본원 발명의 이해를 돕기 위하여 몇몇의 모범적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었으나, 이러한 실시예들은 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 상기 실시예로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점이 이해되어야 할 것이다. 따라서, 본 발명은 도시되고 설명된 구조와 공정순서에만 국한되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 발명의 기술사상을 중심으로 보호되어야 할 것이다.

Claims (24)

1. 제1 굴절률을 갖는 제1 물질층;

   상기 제1 물질층 상에 형성된 것으로, 상기 제1 굴절률 보다 작은 제2 굴절률을 갖는 제2 물질층; 및

   상기 제1 물질층과 제2 물질층 사이에 개재되는 것으로, 상기 제1 물질층쪽에서 제2 물질층쪽으로 진행할수록 제1 굴절률과 제2 굴절률의 사이범위에서 그 굴절률 분포가 점차로 감소되는 다층구조로 형성된 그레이드식-굴절률층(graded-refractive index layer);을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 박막.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 굴절률과 제2 굴절률은 1 이상 5 이하의 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는 광학 박막.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 제1 물질층과 제2 물질층 및 그레이드식-굴절률층 각각은 TiO₂, SiC, GaN, GaP, SiN_y, ZrO₂, ITO, AlN, Al₂O₃, MgO, SiO₂, CaF₂ 및 MgF₂ 으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 광학 박막.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 그레이드식-굴절률층은 (상기 제1 물질)_x(상기 제2 물질)_1-x(0<x<1) 조성으로 형성된 것을 특징으로 하는 광학 박막.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 제2 물질층에 인접할수록 상기 그레이드식-굴절률층을 구성하는 각 구성층에 함유된 제2 물질의 조성비가 점차로 증가되는 것을 특징으로 하는 광학 박막.
6. 제 3 항에 있어서,

   상기 제2 물질층 및 그레이드식-굴절률층은 미세공극을 포함하는 다공성 구조체로 형성된 것을 특징으로 하는 광학 박막.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 제2 물질층의 공극률(porosity density)이 상기 그레이드식-굴절률층의 공극률 보다 더 큰 것을 특징으로 하는 광학 박막.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 제2 물질층에 인접할수록 상기 그레이드식-굴절률층을 구성하는 각 구 성층의 공극률이 점차로 증가되는 것을 특징으로 하는 광학 박막.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 제2 물질층과 그레이드식-굴절률층은 동일한 성분의 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 광학 박막.
10. 제 6 항에 있어서,

    상기 미세공극은 나노-에어 포어(nano-air pore)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 박막.
11. n-전극, n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층과 p-전극; 및

    상기 활성층으로부터 생성된 광이 출사되는 광출사면 상에 형성되는 것으로, 광투과 경로를 제공하는 광학 박막;을 포함하고, 상기 광학 박막은,

    상기 광출사면 상에 형성된 것으로, 제1 굴절률을 갖는 제1 물질층;

    상기 제1 물질층 상에 형성된 것으로, 상기 제1 굴절률 보다 작은 제2 굴절률을 갖는 제2 물질층; 및

    상기 제1 물질층과 제2 물질층 사이에 개재되는 것으로, 상기 제1 물질층쪽에서 제2 물질층쪽으로 진행할수록 제1 굴절률과 제2 굴절률의 사이범위에서 그 굴절률 분포가 점차로 감소되는 다층구조로 형성된 그레이드식-굴절률층(graded-refractive index layer);을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 광출사면은 상기 n-전극, n형 반도체층, p형 반도체층 및 p-전극으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 어느 하나에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
13. 제 11 항에 있어서,

    상기 제1 굴절률과 제2 굴절률은 1 이상 5 이하의 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 제1 물질층과 제2 물질층 및 그레이드식-굴절률층 각각은 TiO₂, SiC, GaN, GaP, SiN_y, ZrO₂, ITO, AlN, Al₂O₃, MgO, SiO₂, CaF₂ 및 MgF₂ 으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
15. 제 14 항에 있어서,

    상기 제1 물질층은 상기 광출사면을 이루는 물질의 굴절률과 동일한 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
16. 제 14 항에 있어서,

    상기 그레이드식-굴절률층은 (상기 제1 물질)_x(상기 제2 물질)_1-x(0<x<1) 조성으로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
17. 제 16 항에 있어서,

    상기 제2 물질층에 인접할수록 상기 그레이드식-굴절률층을 구성하는 각 구성층에 함유된 제2 물질의 조성비가 점차로 증가되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
18. 제 14 항에 있어서,

    상기 제2 물질층 및 그레이드식-굴절률층은 미세공극을 포함하는 다공성 구조체로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
19. 제 18 항에 있어서,

    상기 제2 물질층의 공극률(porosity density)이 상기 그레이드식-굴절률층의 공극률 보다 더 큰 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
20. 제 19 항에 있어서,

    상기 제2 물질층에 인접할수록 상기 그레이드식-굴절률층을 구성하는 각 구성층의 공극률이 점차로 증가되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
21. 제 20 항에 있어서,

    상기 제2 물질층과 그레이드식-굴절률층은 동일한 성분의 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
22. 제 18 항에 있어서,

    상기 미세공극은 나노-에어 포어(nano-air pore)를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
23. 제 14 항에 있어서,

    상기 광학 박막이 상기 n-전극 상에 형성되고, 상기 n-전극이 투명전도성 질화물 또는 투명전도성 산화물로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
24. 제 14 항에 있어서,

    상기 광학 박막이 상기 p-전극 상에 형성되고, 상기 p-전극이 투명전도성 질화물 또는 투명전도성 산화물로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.

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