KR20080093556A - 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로 특히, 발광 소자의 광 추출효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 질화물계 발광 소자에 있어서, 반도체층과; 상기 반도체층 상에 위치하며, 상기 반도체층과 굴절률이 같거나 상기 반도체층보다 굴절률이 큰 물질로 형성되는 광추출층을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

발광 소자, 광결정, 추출효율, GaN, LED.

Description

질화물계 발광 소자 및 그 제조방법{Nitride light emitting device and method of making the same}

도 1은 발광 소자의 광 추출효율을 위한 구조의 일례를 나타내는 단면도이다.

도 2는 도 1의 반구의 굴절률 증가에 따른 추출효율을 나타내는 그래프이다.

도 3은 광결정 구조를 가지는 수평형 발광 소자의 일 실시예를 나타내는 단면도이다.

도 4는 도 3의 구조에서 광결정 깊이에 따른 광 추출효율을 나타내는 그래프이다.

도 5는 반도체층의 두께가 한정된 경우 식각 깊이에 따른 광 추출효율을 나타내는 그래프이다.

도 6 내지 도 8은 본 발명의 제1실시예를 나타내는 도로서,

도 6은 본 발명의 제1실시예를 나타내는 단면도이다.

도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 수평형 발광 소자의 일례를 나타내는 단면도이다.

도 8은 광추출층의 굴절률에 따른 광 추출효율을 나타내는 그래프이다.

도 9 내지 도 13은 본 발명의 제2실시예를 나타내는 단면도이다.

도 9는 제2실시예에 따른 수평형 발광 소자 구조의 일례를 나타내는 단면도이다.

도 10은 제2실시예에 따른 수평형 발광 소자 구조의 다른 예를 나타내는 단면도이다.

도 11은 투명 전도성층과 투명 금속층의 입사각에 따른 투과율을 나타내는 그래프이다.

도 12는 투명 전도성층의 두께에 따른 광 추출효율을 나타내는 그래프이다.

도 13은 제2실시예에 의한 발광 소자를 나타내는 단면도이다.

도 14는 본 발명의 제3실시예를 나타내는 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>

100, 200 : 기판 110, 210 : 반도체층

120, 230 : 광추출층 130 : 투명 전도성 산화물

220 : 투명 전도성층

본 발명은 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로 특히, 발광 소자의 광 추출효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 잘 알려진 반도체 발광 소자로서, 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화 된 것을 시작으로 GaP:N 계열의 녹색 LED와 함께 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 화상용 광원으로 이용되어 왔다.

이러한 LED에 의해 방출되는 광의 파장은 LED를 제조하는데 사용되는 반도체 재료에 따른다. 이는 방출된 광의 파장이 가전자대(valence band) 전자들과 전도대(conduction band) 전자들 사이의 에너지 차를 나타내는 반도체 재료의 밴드갭(band-gap)에 따르기 때문이다.

질화 갈륨 화합물 반도체(Gallium Nitride: GaN)는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭(0.8 ~ 6.2eV)을 가지고 있어, LED를 포함한 고출력 전자부품 소자 개발 분야에서 많은 주목을 받아왔다.

이에 대한 이유 중 하나는 GaN이 타 원소들(인듐(In), 알루미늄(Al) 등)과 조합되어 녹색, 청색 및 백색광을 방출하는 반도체 층들을 제조할 수 있기 때문이다.

이와 같이 방출 파장을 조절할 수 있기 때문에 특정 장치 특성에 맞추어 재료의 특징들에 맞출 수 있다. 예를 들어, GaN를 이용하여 광기록에 유익한 청색 LED와 백열등을 대치할 수 있는 백색 LED를 만들 수 있다.

이러한 GaN 계열 물질의 이점들로 인해, GaN 계열의 LED 시장이 급속히 성장하고 있다. 따라서, 1994년에 상업적으로 도입한 이래로 GaN 계열의 광전자장치 기술도 급격히 발달하였다.

일반적으로, 반도체 발광 다이오드(LED)의 총 발광효율은 내부양자효율과 외부추출효율로 나눌 수 있다.

내부양자효율은 LED 소자를 구성하는 물질의 특성과 관련된 양으로, 성장 과정 중에 발생하는 반도체 물질 내의 결함 여부와 전류 주입의 효율성 등에 의해 정해진다.

이에 반해 외부추출효율은 반도체 내에서 생성된 빛이 실제로 관찰하고자 하는 외부 매질까지 빠져나오는 효율을 일컫는 것으로, 아무런 구조적 변화가 도입되지 않는 경우 단순히 반도체와 외부 매질 사이의 굴절률 차이로 결정된다.

결과적으로, 반도체 LED의 총 발광효율은 내부양자효율과 외부추출효율의 곱으로 나타낼 수 있으며, 고효율 반도체 LED 개발을 위해서는 이 두 효율을 동시에 개선하는 노력이 필요하다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 질화갈륨(GaN) 발광 소자에 광 추출효율 향상을 위한 광추출 구조를 도입함에 있어서, 전기적인 특성은 보존하면서, 광 추출효율을 개선할 수 있는 질화물계 발광 소자 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위해, 본 발명은, 질화물계 발광 소자에 있어서, 반도체층과; 상기 반도체층 상에 위치하며, 상기 반도체층과 굴절률이 같거나 상기 반도체층보다 굴절률이 큰 물질로 형성되는 광추출층을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 다른 관점으로서, 본 발명은, 질화물계 발광 소자의 제조방법에 있어서, 반도체층을 형성하는 단계와; 상기 반도체층 상에 상기 반도체층과 굴절률이 같거나 상기 반도체층보다 굴절률이 큰 광추출층을 형성하는 단계와; 상기 광추출층을 식각하여 패턴을 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.

동일한 참조번호는 도면의 설명을 통하여 동일한 요소를 나타낸다. 도면들에서 층들 및 영역들의 치수는 명료성을 위해 과장되어있다. 또한 여기에서 설명되는 각 실시예는 상보적인 도전형의 실시예를 포함한다.

층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 표면과 같은 구성 요소의 일부가 '내부(inner)'라고 표현된다면 이것은 그 요소의 다른 부분들 보다도 소자의 외측으로부터 더 멀리 있다는 것을 의미한다고 이해할 수 있을 것이다.

나아가 '아래(beneath)' 또는 '중첩(overlies)'과 같은 상대적인 용어는 여 기에서는 도면에서 도시된 바와 같이 기판 또는 기준층과 관련하여 한 층 또는 영역과 다른 층 또는 영역에 대한 한 층 또는 영역의 관계를 설명하기 위해 사용될 수 있다.

이러한 용어들은 도면들에서 묘사된 방향에 더하여 소자의 다른 방향들을 포함하려는 의도라는 것을 이해할 수 있을 것이다. 마지막으로 '직접(directly)'라는 용어는 중간에 개입되는 어떠한 요소가 없다는 것을 의미한다. 여기에서 사용되는 바와 같이 '및/또는'이라는 용어는 기록된 관련 항목 중의 하나 또는 그 이상의 어느 조합 및 모든 조합을 포함한다.

비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할것이다.

이러한 용어들은 단지 다른 영역, 층 또는 지역으로부터 어느 하나의 요소, 성분, 영역, 층 또는 지역들을 구분하기 위해 사용되는 것이다. 따라서 아래에서 논의된 제1 영역, 층 또는 지역은 제2 영역, 층 또는 지역이라는 명칭으로 될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 예를 들어, 사파이어(Al₂O₃)계 기판과 같은 비도전성 기판상에 형성된 질화갈륨(GaN)계 발광 소자를 참조하여 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 이러한 구조에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 실시예들은 도전성 기판을 포함하여 다른 기판을 사용할 수 있다. 따라서 GaP 기판상의 AlGaInP 다이오드, SiC 기판상의 GaN 다이오드, SiC 기판상의 SiC 다이오드, 사파이어 기판상의 SiC 다이오드, 및/또는 GaN, SiC, AlN, ZnO 및/또는 다른 기판상의 질화물계 다이오드 등의 조합이 포함될 수 있다. 더구나 본 발명은 활성영역은 다이오드 영역의 사용에 한정되는 것은 아니다. 또한 활성영역의 다른 형태들이 본 발명의 일부 실시예들에 따라서 사용될 수도 있다.

반도체 발광 소자(LED)의 추출효율은 빛이 발생하는 반도체 발광층과 최종적으로 빛을 관측하는 매질(공기 또는 에폭시) 사이의 굴절률 차이에 의하여 결정된다. 반도체 매질은 통상적으로 높은 굴절률(n > 2)을 가지므로, 광 추출효율은 대개 수 %에 지나지 않는다.

예를 들어, 질화갈륨(n = 2.4) 기반의 청색 발광 소자의 경우, 외부 물질을 에폭시(n = 1.4)로 가정했을 때 발광 소자의 상층부를 통한 광 추출효율은 약 9% 정도에 불과하다. 이를 제외한 나머지 빛들은, 소자 내부에 전반사 과정에 의해 갇혀 있으면서, 양자우물 층과 같은 흡수층에 의해 소실된다.

이러한 반도체 발광 소자의 추출효율을 개선하기 위해서는 전반사 과정을 겪는 빛들을 외부로 추출할 수 있도록 구조를 변형해야 한다. 이러한 구조 변형 중 가장 단순한 방안은 굴절률이 높은 물질로 이루어진 반구(hemisphere)를 발광 소자 상층부에 덧씌우는 것이다.

입사각은 빛과 입사면 사이의 각이므로, 반구의 각 점에서는 입사각이 항상 수직이다. 굴절률이 다른 두 매질 사이의 투과율은 입사각이 수직일 때 가장 높으 며, 모든 방향에 대해 전반사 각도는 더 이상 존재하지 않게 된다.

실제로, 반도체 발광 소자의 경우, 에폭시로 이루어진 반구를 씌우게 되는데, 이는 표면 보호의 역할뿐만 아니라 추출효율 향상에도 기여한다.

이러한 효과를 더 극명하게 이용하는 방법은, 도 1에서와 같이, 에폭시 층(1)과 반도체 소자(2) 사이에 굴절률이 반도체와 유사한 반구(3)를 추가적으로 도입하는 것이다. 이 경우, 도 2에서 도시하는 바와 같이, 추가로 도입한 반구의 굴절률이 반도체의 굴절률에 접근할수록 추출효율은 점점 증가한다.

이는 반도체 소자와 추가로 도입한 반구 사이의 임계각이 커졌기 때문이다. 가시광선 영역에서 흡수가 없고, 투명한 물질의 한 예로 TiO₂를 제안할 수 있다. 가령, 이 물질로 이루어진 반구를 적색 발광 소자에 적용한다고 가정했을 때, 이론적으로 기존대비 약 3배 이상의 추출효율 향상을 얻을 수 있다.

굴절률이 높은 반구를 추가적으로 도입하는 방법은, 단순하면서도 아주 효과적인 방법이다. 그러나 이러한 방법을 적용하기 위해서는 높은 굴절률을 가지면서, 동시에 빛의 발광 파장 영역에서 흡수가 없는 투명한 물질을 찾아야 한다.

또한, 발광 소자를 충분히 덮을 수 있는 만큼의 크기를 가진 반구를 제작하고, 이 반구를 부착하는 작업은 난제가 될 수 있다.

외부 광 추출효율을 개선하는 다른 방법으로는, 발광 구조의 측면을 역 피라미드 모양으로 변형하는 것을 들 수 있다. 이는 발광 소자 내에서 전반사 되면서 옆으로 진행하는 빛이 피라미드 면에서 반사되어 상층부로 나오게 되는 원리를 따 른다.

그러나 이러한 방법은 소자의 크기가 커질수록 향상 효과가 감소하는 단점이 있다. 이는 빛이 옆으로 진행하면서 필연적으로 동반되는 흡수 손실 때문이다. 따라서 흡수가 있는 실제 구조에서 높은 향상효과를 얻기 위해서는, 빛이 되도록 짧은 경로를 겪은 뒤 외부로 방출되는 것이 중요하다.

이를 위해 전반사 조건을 완화할 수 있는 구조를 발광 소자 내에 도입하는 연구들이 진행되었다. 대표적으로 발광 소자 구조를 공진기 형태로 설계하여 초기부터 특정 방향의 출력을 이끄는 방법, 수 마이크론 크기 이상의 반구형 렌즈를 상층부에 배열하여 임계각을 크게 하는 방법을 들 수 있다.

그러나 이러한 방법들은 제작상의 난점 등으로 인해 실용화에 이르지는 못하고 있다. 또 다른 방법으로, 발광 소자 출력 부에 빛의 파장 정도의 크기에 해당하는 거친 면을 도입하여 산란 과정을 통해 추출효율을 증대하는 방법이 있다.

발광 소자 상층 부에 거친 면을 형성하는 방법은 각 발광 소자를 이루는 물질에 따라 여러 가지 화학적인 공정이 개발되어 있다. 빛이 거친 표면을 만나게 되면 전반사에 해당하는 입사 각도라도 그 중 일부는 투과할 수 있다.

그러나 한 번의 산란에 의한 투과율은 그리 크지 않으므로, 높은 추출효과를 기대하기 위해서는 같은 산란 과정을 반복적으로 겪어야 한다. 따라서, 발광 소자 내에 흡수가 큰 구성 물질이 존재하는 경우, 거친 면에 의한 추출효율 향상은 그리 효과적이지 않다.

이와 비교하여, 공간적으로 주기적인 굴절률의 배치를 가지는 광결정을 도입 하게 되면, 상대적으로 크게 추출효율을 개선할 수 있다. 또한, 적절한 광결정 주기를 선택하게 되면, 발광 소자 출력의 방향성을 조절할 수 있다. 발광 소자의 응용 분야에 따라 의미 있는 시야 각이 다르므로, 각 용도에 어울리는 방향성을 설계하는 것은 중요한 작업이라 할 수 있다.

대면적의 광결정 구현은 홀로그램 식각(holography lithography), 자외선 광 식각(UV photolithography), 나노 임프린트 식각(Nano-imprinted lithography) 등을 활용할 수 있으므로, 실용화에도 용이한 기술이라 할 수 있다.

광결정을 통한 발광 소자의 광 추출효율 개선을 위한 노력은 광결정을 이용하여 자발 방출률을 조절할 수 있다는 연구에서 출발한다.

이후, 광결정이 발광 소자의 추출효율 향상에 기여한다는 것을 분산특성 곡선을 활용해 이론적으로 증명되었고, 광결정이 추출효율 향상에 기여하는 과정은 크게 두 가지로 요약될 수 있다.

하나는 광 밴드갭(photonic band-gap) 효과를 이용해 평면 방향의 빛 이동을 차단하여 수직 방향으로 추출하는 것이고, 다른 하나는 분산곡선에서 라이트 콘(light cone) 바깥에 위치한 상태밀도가 높은 모드와 결합하여 외부로 추출하는 것이다.

이러한 두 가지 원리는 광결정의 주기에 따라 독립적으로 적용될 수 있다. 하지만, 광 밴드갭 거울 효과나 분산곡선의 상태밀도가 잘 정의되기 위해서는, 반 파장 정도의 두께를 가지는 얇은 박막이 상하로 높은 굴절률 대비가 있는 상황에서 광결정을 형성할 때 가능하다.

더군다나, 광결정의 공기 구멍이 발광층을 관통하기 때문에 필연적으로 이득 매질의 손실을 가져오며, 추가적으로 표면 비발광 결합에 의한 내부양자효율의 감소를 피할 수 없다.

광 밴드갭 거울 효과나 강한 분산 특성은 일반적인 발광 소자 구조에서는 구현하기 어렵기 때문에 특수한 경우에만 적용되는 방법이라 할 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해서는, 발광 소자의 능동매질을 포함하지 않고, 표면에 국한해서 광결정을 제작하여야 한다.

이 경우, 높은 굴절률 대비가 있는 박막에 광결정을 도입할 때처럼 강한 분산 특성을 활용할 수는 없지만, 일반적인 회절 이론에 따라 전반사에 해당하는 빛이 주기적인 구조와 결합하여 외부로 추출될 수 있다.

현재 광결정과 반도체층의 발광층을 공간적으로 분리하여, 발광층의 특성을 저하시키지 않으면서 추출효율을 개선하고자 하는 노력이 활발하게 진행되고 있다.

같은 방법으로, InGaAs 양자우물을 채택한 발광 소자 구조에 대해서도 추출효율 향상을 꾀한 예가 있으며, 유기 발광 소자에서 유리 기판 상에 형성된 광결정을 이용하여 외부 광추출 효율을 1.5배 이상 끌어올린 결과가 보고되기도 하였다.

앞에서 언급한 바와 같이, 주기적인 광결정 구조를 표면에 도입하여 전반사에 의해 갇혀있는 빛을 회절 과정을 통해 추출하는 방법도 시도되었다. 가령, 200nm 정도의 주기를 가지는 광결정을 p-형 GaN 반도체 표면에 형성하여 추출효율이 증가된 것이 보고되었다.

이 외에, GaN 계열 발광 소자의 능동매질 영역까지 광결정을 제작한 뒤, 광 밴드갭 효과를 이용하여 높은 추출효율 향상 효과를 보고한 연구도 있었지만, 입력 전류가 증가하면 추출효율이 낮아지는 단점이 있다. 이는 앞서 지적한 대로, 발광층까지 식각하여 광결정을 도입하게 되면, 특히, 전류-전압 특성이 저하되기 때문이다.

이상을 종합해 볼 때 발광 소자의 외부 광 추출효율을 개선 원리는 구조의 변형을 통해 전반사 조건을 완화하는 방법, 표면에 거친 면을 도입하는 방법, 굴절률 대비가 큰 박막 내에 광결정을 형성하여 광 밴드갭 효과를 이용하는 방법, 광결정과 발광층을 분리하여 전반사에 의해 갇혀있는 빛을 회절 과정을 통해 외부로 추출하는 방법 등으로 요약할 수 있다.

이 중 발광 소자의 구조의 현실성과 효율의 증대성을 감안할 때, 발광 소자 표면에 주기적인 광결정 구조를 도입하여 추출효율을 개선하는 방법이 가장 우수하다고 할 수 있다.

도 3에서 도시하는 바와 같은 수평형 GaN 계열 발광 소자는 GaN에 비해 굴절률이 상대적으로 낮은 사파이어(n = 1.76) 기판(10) 위에 성장한 구조이다. GaN 반도체층(20)의 전체 두께는 약 5㎛에 이르므로, 다양한 고차 모드가 존재하는 도파로 구조로 간주할 수 있다. GaN 반도체층(20)의 상층부는 p-형 GaN 반도체층(21)부터 출발하며, 그 아래에 발광층(22) 영역에 해당하는 다중양자우물 층이 위치한다.

이러한 발광층(22)의 하측에는 n-형 GaN 반도체층(23)이 위치하며, 이 n-형 GaN 반도체층(23)과 기판(10) 사이에는 버퍼층(24)이 위치할 수 있다. 또한, 기판(10)의 반대측에는 반사막(50)을 형성할 수 있다.

수평형 GaN 계열 발광 소자는 전체 면적에 걸쳐 고르게 전류를 공급하기 위해, 대개 ITO와 같은 투명전극층(30)을 p-형 GaN 반도체층(21) 위에 증착한다. 따라서, 수평형 GaN 계열 발광 소자에 광결정(40)을 도입할 때, 식각할 수 있는 최대 범위는 투명전극층(30) 두께와 p-형 GaN 반도체층(21)의 두께를 합한 값이 된다. 일반적으로, 이러한 투명전극층(30)과 p-형 GaN 반도체층(21)의 두께는 100 ~ 300nm 사이이다.

우선, 광결정(40) 식각 깊이에 따라 추출효율이 변화하는 양상을 살펴보기 위해, 컴퓨터 전산모사(3D-FDTD) 계산을 실시한 결과를 살펴보면, 도 4에서와 같이, 두 가지 특이 사항을 발견할 수 있다.

첫 번째, 추출효율은 광결정(40) 식각 깊이에 비례하여 서서히 증가하다가, GaN 반도체층(20)을 식각하는 부분부터 다시 크게 늘어난다. 두 번째, 어느 정도 이상의 식각 깊이에 대해 추출효율은 더 이상 증가하지 않고, 포화되는 경향을 나타낸다.

이 두 가지 사항을 종합하면, 최대의 추출효율을 얻기 위해서는 GaN 반도체층(20)을 포함하는 영역을 어느 정도 이상의 식각 깊이를 지닌 광결정(40)을 도입하는 것이 필수적일 수 있다.

이때, 추출효율이 포화되는 시점의 식각 깊이와 일반적인 p-형 GaN 반도체층(21)의 두께가 거의 비슷하므로, 발광층(22) 영역을 식각하지 않고, 이론적인 추출효율의 포화값에 도달하는 것이 가능하다.

그러나 실제 실험에서는 광결정(40)의 식각 깊이에 대해 광 출력을 조사하 면, 도 5에서와 같이, 특정 깊이 이상 p-형 GaN 반도체층(21)을 식각하게 되었을 때, 오히려 광 출력이 줄어드는 현상이 발견된다.

이와 같이 발광층(22)인 양자우물구조가 아직 노출되지 않았음에도 광 출력이 감소하는 이유는 p-형 GaN 반도체층(21)의 부피 감소로 인해 저항이 증가하였기 때문이다. 저항 증가는 고출력 발광 소자를 요구하는 응용 분야일수록 더욱 문제가 될 수 있다.

즉, 현재의 광결정을 가지는 발광 소자의 구조는 저항 증가 문제로 인해 광학적인 관점에서 추출효율이 최대가 되는 식각 깊이를 이용하지 못하고 있다. 따라서, 해결되어야 할 사항은 저항 증가의 문제를 야기하지 않으면서, 광결정에 의한 추출효율이 최대가 되는 식각 깊이를 적용할 수 있는 새로운 구조를 개발하는 것이다.

상술한 전산모사를 통해 도출하였던 식각 깊이에 대한 추출효율 변화를 수록한 그래프를 살펴보면, 새로운 구조에 대한 하나의 단초를 얻을 수 있다. 그래프에서 발견했던 특이 사항 중의 하나는 광결정(40)의 식각 깊이가 ITO 투명전극층(30)에서 GaN 반도체층(20)으로 넘어갈 때, 추출효율이 눈에 띄게 상승한다는 점이다.

그 이유는 기본적으로 ITO의 굴절률(n = 1.8)이 GaN 반도체층(20)보다 작기 때문이다. 즉, 굴절률이 작은 영역 내에 광결정(40)을 도입하는 것은 추출효율 개선에 큰 도움을 주지 못한다. 이는 광결정(40)이 전반사 과정을 일으키는 빛을 추출하는 역할을 수행한다는 점을 상기하면 이해할 수 있다.

추출효율 정도는 결국 빛이 얼마나 광결정(40) 영역을 느낄 수 있는 지에 달 려 있다. 일반적으로, 전반사 현상이 일어날 때, 굴절률이 다른 두 면 사이에는 표면감쇠파가 발생한다. 표면감쇠파는 두 경계면의 표면을 따라 존재하며, 경계면의 수직방향에 대해 그 크기가 지수적으로 감소하는 특성을 가진다.

가령, ITO 층만을 식각한 경우, 전반사에 해당하는 빛은 ITO 투명전극층(30) 내에 형성되어있는 광결정(40)을 단지 표면감쇠파의 크기만큼만 인지할 수 있다. 따라서, 그리 큰 추출효율 향상은 기대할 수 없다.

결론적으로, 광결정(40)을 통하여 보다 많은 양의 빛을 추출하기 위해서는 광결정(40)과 빛의 강한 상호 작용이 요구되며, 물리적으로는 GaN 계열 발광 소자 내에 형성된 전반사 모드와 광결정(40) 구조 사이의 공간적인 겹침이 주요한 인자가 된다. 즉, 전반사 과정 중에 발생하는 표면감쇠파를 교란하기 위해서는 광결정(40) 형성을 위해 GaN 반도체층(20)을 식각하는 것이 필수적일 수 있다.

그런데 GaN 반도체층을 식각한다는 것을 다른 의미로 풀이하면, GaN 반도체층과 유사하거나 더 큰 굴절률을 가진 물질을 식각한다는 뜻이 된다. 즉, p-형 GaN 반도체층 위에 굴절률이 유사한 물질을 증착한 뒤, 광결정(40)을 형성하면, p-형 GaN 반도체층을 식각하지 않아도 추출효율 면에서 유사한 효과를 기대할 수 있다.

그리고 새롭게 증착하는 물질이 만약 GaN보다 굴절률이 더 큰 물질이라면, 상술한 광결정 효과보다 더 우수한 성질을 나타낼 수 있다. 그 이유는 광결정의 효과가 기본적으로 구조를 구성하고 있는 두 물질의 굴절률 차이에 의해 좌우되기 때문이다.

따라서 질화갈륨(GaN) 발광 소자에 광 추출효율 향상을 위한 광추출 구조를 도입함에 있어서, 최상층의 질화갈륨 반도체층(보통, p-GaN)을 식각하는 대신, 질화갈륨 반도체층 상부에 추가로 도입한 물질 내에 광결정(photonic-crystal)과 같은 광 추출구조를 형성함으로써, 전기적인 특성은 보존하면서, 광 추출효율을 개선할 수 있다.

이와 같이, 질화갈륨 반도체층 상에 광 추출구조를 형성하는 실시예는 다음과 같다.

<제1실시예>

먼저, 도 6에서 도시하는 바와 같이, 기판(100) 상에 질화갈륨(GaN) 계열 반도체층(110)이 형성된 상태에서, 이 반도체층(110) 상에 반도체층(110)과 굴절률이 유사하거나 더 큰 물질을 이용하여 광추출층(120)이 형성된다.

이러한 광추출층(120)은 특정 패턴을 이룰 수 있으며, 이러한 특정 패턴은 주기적인 구조를 가지는 광결정을 이루도록 할 수 있다. 이와 같은 광결정의 형성은 식각 또는 기타 패터닝 방법을 통하여 이루어질 수 있다.

이러한 광결정 구조의 형성은, 홀(121)을 형성하는 포지티브 리소그래피(positive lithography)와, 기둥 구조(rod)를 형성하는 네가티브 리소그래피(negative lithography)가 모두 적용 가능하다.

즉, 광추출층(120)을 증착하여 형성한 후에 리소그래피와 식각 과정으로 광결정 패턴을 형성할 수 있고, 반대로, 반도체층(110) 상에서 리소그래피를 수행한 후에 광추출층(120)을 증착하고, 이후에 리프트 오프(lift off) 과정을 통하여 패턴을 형성할 수도 있다.

이와 같이 주기적인 광결정 구조가 발광 소자의 표면에 위치하게 되면 전반사에 의해 갇혀있는 빛을 회절 과정을 통해 추출할 수 있어 광 추출효율이 향상될 수 있다. 그러나 이러한 광추출층(120)이 특정 패턴을 가지지 않아도 표면거칠기 형성 등에 의하여 광 추출효율은 향상될 수 있다.

이때, 광추출층(120)에 광결정의 형성을 위한 홀(121)에 투명전극 물질이 형성될 수 있으며, 이러한 투명전극 물질은 투명 전도성 산화물(Tansparent Conducting Oxide; TCO; 130)이 이용될 수 있다.

이러한 투명 전도성 산화물(130)로는 ITO(Indium-Tin-Oxide)가 이용될 수 있으며, 기타 IZO(Indium-Zinc-Oxide), AZO(Aluminum-Zinc-Oxide), MZO(Magnesium-Zinc-Oxide), 또는 GZO(Gallium-Zinc-Oxide) 등의 물질이 이용될 수도 있다.

반도체층(110)이 질화갈륨층일 경우 질화갈륨의 굴절률이 2.4이므로 광추출층(120)의 굴절률은 대략 2.4이거나 그보다 클 수 있다. 이러한 광추출층(120)의 굴절률은 2.4보다 약간 작을 수도 있다.

또한, 이러한 광추출층(120)은 산화물 또는 질화물이 이용될 수 있으며, 특히, SiN 또는 TiO₂가 이용될 수 있다.

도 7은 이러한 광추출층(120)을 가지는 수평형 발광 소자의 구조를 나타내고 있으며, 반도체층(110)은 굴절률이 1.78인 사파이어 기판(100) 상에 순차적으로 형성되는 n-형 반도체층(111)과, 활성층(112), 및 p-형 반도체층(113)으로 이루어질 수 있다. 경우에 따라, 상기 n-형 반도체층(111)은 버퍼층(114) 상에 형성될 수 있 다.

이때, 상기 광추출층(120)과 인접하는 p-형 반도체층(113)은 광추출층(120)의 패턴 형성시에 식각되지 않고, p-형 반도체층(113)은 전체적으로 그 적층시의 두께가 유지될 수 있다. 이러한 p-형 반도체층(113)의 두께는 30 내지 500nm가 될 수 있다. 또한, 광추출층(120)의 두께는 150nm 이상일 수 있다.

도 7에서 광추출층(120)의 패턴은 확대되어 표현되어 있다. 이러한 광추출층(120)의 패턴은 GaN 반도체에서 광결정을 이룰 수 있도록 하는 다수의 홀(121)로 이루어지고, 이러한 홀(121)의 반경, 깊이, 및 주기는 해당 반도체층(110)에 최적화될 수 있다.

즉, 홀(121)과 홀(121) 사이의 간격인 주기를 a라 할 때, 홀(121)의 반경은 0.10a 내지 0.45a가 될 수 있고, 홀(121)의 깊이는 0.25λ/n 내지 10λ/n일 수 있다. 여기서, λ는 발광되는 빛의 파장이고, n은 광결정이 형성되는 매질, 즉, p-형 반도체층(113)의 굴절률이다. 또한, 주기(a)는 200nm 내지 5000nm가 될 수 있다.

한편, 상술한 바와 같이, 이와 같이 홀(121)을 형성하는 대신에, 규칙적인 기둥 구조를 형성하여도 광결정 구조를 형성할 수 있다.

이때, n-형 반도체층(111) 상에 n-형 전극(140)이 이루어지도록 하기 위하여 n-형 반도체층(111)이 드러나도록 일측이 식각될 수 있고, 광추출층(120)이 형성된 부분의 상측에는 p-형 전극(150)이 형성될 수 있다.

이와 같은 광추출층(120)을 이루는 물질의 두께를 자유롭게 결정될 수 있고, 이와 같이, 고 굴절률의 물질을 증착하여 광결정을 형성하는 구조는 적색, 녹색 및 기타 다른 색을 발광하는 모든 발광 소자 구조에 적용이 가능하다.

본 발명의 효과를 살펴보기 위해, 도 8에서 도시하는 바와 같이, 제1실시예의 구조에 대하여 광추출층(120)의 굴절률에 따른 추출효율의 변화를 조사하였다.

도 8의 그래프에서 수직축은 광 추출구조를 도입하지 않은 일반적인 평면 구조에 대한 상대적인 광 추출효율 증대비를 표시한 것이다.

이 결과를 살펴보면, 투명 전도성 산화물(130)의 굴절률과 광추출층(120)의 굴절률 차이가 커질수록 광 추출효율 증대비가 상승함을 알 수 있다. 여기서 점선은 반도체층의 최상층(이 경우 p-형 반도체층)을 식각하여 광결정을 형성한 경우의 광 추출효율을 나타낸다.

그리고, 광추출층(120)의 굴절률이 2.6 근처일 때, p-형 GaN 반도체층을 식각한 것과 유사한 광 추출효율 증대효과를 나타낸다. 이때, 굴절률이 더 큰 물질을 도입하여 광추출층(120) 또는 광결정을 형성하면, p-형 반도체층을 식각하여 광결정을 형성하는 상술한 광결정 구조보다 우수한 광 추출효율 향상 효과가 나타나기 시작한다.

따라서, 상기 광추출층(120)이 갖추어야 할 조건은 상술한 바와 같이, 굴절률이 반도체층(20)의 굴절률(2.4)과 유사하거나 그보다 커야 하며, 그 두께는 최소 150nm(λ/n) 이상일 수 있다. 경우에 따라서는 최소 λ/4n의 두께일 수 있다.

또한, 이러한 광추출층(120)을 이루는 물질은 발광 소자의 발광층의 파장 영역 내에 흡수 손실이 존재해서는 안 되며, 투명 전도성 산화물(130)과 물리적인 접합력이 뛰어나야 한다.

이러한 조건을 만족하는 물질로는 상술한 바와 같이, 굴절률이 대략 2.4인 실리콘 질화물(Si₃N₄) 또는 굴절률이 3.0인 티타늄 산화물(TiO₂)이 바람직하다.

<제2실시예>

도 9에서 도시하는 바와 같이, 굴절률이 1.78인 사파이어 기판(200) 상에 질화갈륨(GaN) 계열 반도체층(210)이 형성되고, 이 반도체층(210) 상에는 투명 전도성층(220)이 형성된다. 이 투명 전도성층(220)은 전극으로 이용될 수 있다.

이러한 투명 전도성층(220)으로는 ITO(Indium-Tin-Oxide)가 이용될 수 있으며, 기타 IZO(Indium-Zinc-Oxide), AZO(Aluminum-Zinc-Oxide), MZO(Magnesium-Zinc-Oxide), 또는 GZO(Gallium-Zinc-Oxide) 등의 물질이 이용될 수도 있다.

이러한 투명 전도성층(220) 상에 반도체층(210)과 굴절률이 유사하거나 더 큰 물질을 이용하여 광추출층(230)이 형성된다.

상술한 광추출층(230)은 특정 패턴을 이룰 수 있으며, 이러한 특정 패턴은 주기적인 홀 구조를 가지는 광결정을 이루도록 할 수 있다. 이와 같은 광결정의 형성은 식각 또는 기타 패터닝 방법을 통하여 이루어질 수 있다.

반도체층(210)이 질화갈륨층일 경우 질화갈륨의 굴절률이 2.4이므로 광추출층(230)의 굴절률은 대략 2.4이거나 그보다 클 수 있다. 이러한 광추출층(230)의 굴절률은 2.4보다 약간 작을 수도 있다. 또한, 이러한 광추출층(230)은 산화물 또는 질화물이 이용될 수 있으며, 특히, SiN 또는 TiO₂가 이용될 수 있으며, 이러한 사항은 제1실시예와 동일할 수 있다.

한편, 도 10에서 도시하는 바와 같이, 이러한 투명 전도성층(220) 대신에, Ni층(241)과 Au층(242)과 같은 얇은 투명 금속층(thin-metal transparent metal; 240)을 이용하는 것도 가능하다. 이러한 투명 금속층(240)은 그 두께를 충분히 얇게 형성하여 빛이 통과할 수 있도록 하는 것이다.

또한, 이러한 Ni 또는 Au를 포함하는 합금을 이용하여 투명 금속층(240)을 형성할 수 있음은 물론이다.

이러한 투명 금속층(240)의 두께는 10nm 이하의 수 나노미터(nm)의 두께로 형성하는 것이 바람직하며, 예를 들어, Ni층(241)은 2 nm 이하, Au층(242)은 4nm 이하의 두께로 형성할 수 있다.

상술한 바와 같이, 반도체층(210) 상에는 투명 전도성층(220) 또는 투명 금속층(240)을 형성할 수 있다. 이때, 산화물 금속인 투명 전도성층(220)을 형성하는 경우에는 그 두께를 충분히 얇게 하는 것이 바람직하다.

도 11은 투명 전도성층(220)의 예로서 ITO를 이용한 경우와, 투명 금속층(240)의 빛의 입사각에 따른 투과율을 나타내고 있다. 도시하는 바와 같이, ITO를 이용한 경우에는 입사각이 대략 45도보다 커질 때 투과율이 크게 감소하는 것을 알 수 있다.

또한, 도 12에서와 같이, ITO의 두께가 증가할수록 광추출층(230)에 의한 광 추출효율의 증가는 점점 감소하는 것을 알 수 있다. 따라서, 상술한 바와 같이, 굴절률이 반도체층(210)의 굴절률보다 작을 때, 투명 전도성층(220)의 두께는 λ/2n(λ는 빛의 파장, n은 투명 전도성층의 굴절률)보다 작게 하는 것이 바람직하 다.

이러한 투명 전도성층(220)은 전극으로 작용할 수 있으므로, 전압특성을 고려한다면, λ/16n 내지 λ/4n의 두께를 가지는 것이 보다 유리하다.

그러나 투명 금속층(240)의 경우에는 도 10에서와 같이, 투과율이 대부분의 각도에서 유지될 수 있으므로, 발광되는 빛의 투과율을 고려하여 두께를 결정할 수 있다.

도 13은 상술한 구조를 갖는 발광 소자를 나타내고 있다. 이때, 반도체층(210)의 구조는 n-형 반도체층(211) 상에 발광층(212)이 위치하고, 이 발광층(212) 상에 p-형 반도체층(213)이 위치한다. 이때, n-형 반도체층(211)은 도핑되지 않은 저온 버퍼층(214) 상에 형성될 수 있다.

또한, p-형 반도체층(213) 상에는 두께가 수 나노미터(nm)인 전류확산층(215)이 형성될 수 있다. 이러한 전류확산층(215)은 도핑되지 않은 반도체층으로 이루어질 수 있다.

특히, 이러한 전류확산층(215)은 In_xGa_{1 - x}N 층 또는 In_xGa_{1 - x}N/GaN 초격자층이 이용될 수 있다. 이러한 전류확산층(215)은 캐리어 이동을 향상시켜 전류 흐름을 원활하게 하는 역할을 할 수 있으며, CTEL(Current Transport Enhanced Layer)층이라고도 한다.

이때, p-형 반도체층(213)의 두께는 30 내지 500nm가 될 수 있다. 또한, 광추출층(230)의 두께는 λ/4n 이상일 수 있다. 여기서 n은 광추출층(230)을 이루는 물질의 굴절률이다.

그 외 설명되지 않은 부분은 상기 제1실시예와 동일할 수 있다.

<제3실시예>

도 14는 수직형 발광 소자 구조 상에 고굴절률을 가지는 광추출층(320)을 적용한 실시예를 나타내고 있다.

즉, n-형 반도체층(311)과, 이 n-형 반도체층(311) 상에 위치하는 발광층(312) 및 p-형 반도체층(313)으로 이루어지는 반도체층(310) 상에 이러한 반도체층(310)과 굴절률이 유사하거나 더 큰 물질을 이용하여 광추출층(320)이 형성된다.

이러한 광추출층(320)은 특정 패턴을 이룰 수 있으며, 이러한 특정 패턴은 주기적인 구조를 가지는 광결정을 이루도록 할 수 있다. 이와 같은 광결정의 형성은 식각 또는 기타 패터닝 방법을 통하여 이루어질 수 있다.

이러한 광결정 구조의 형성은, 홀을 형성하는 포지티브 리소그래피(positive lithography)와, 기둥 구조(rod)를 형성하는 네가티브 리소그래피(negative lithography)가 모두 적용 가능하며, 이러한 사항은 제1실시예의 경우와 동일할 수 있다.

이때, 도시하는 바와 같이, 상기 반도체층(310)은 오믹 특성을 가지는 투명 전극(330)과 반사형 전극(340) 상에 위치할 수 있다. 이러한 투명 전극(330)은 ITO와 같은 전도성 산화물을 이용하여 형성될 수 있고, 반사형 전극(340)은 Al 또는 Ag와 같은 금속이 이용될 수 있다.

또한, 이러한 투명 전극(330)과 반사형 전극(340)은 단일층의 반사형 오믹 전극으로 형성될 수도 있다(도시되지 않음).

한편, 상술한 구조는 금속 또는 반도체층으로 이루어지는 지지층(350) 상에 위치할 수 있으며, 이러한 지지층(350)은 수직형 구조를 이루기 위하여 반도체층(310)이 성장된 기판을 제거하는 과정에서 발광 소자 구조를 지지할 수 있다.

이러한 수직형 발광 소자의 구조는 광추출층(320) 상에 n-형 반도체층(313)과 전기적으로 연결되는 n-형 전극이 형성되어, 발광 소자의 구동시 수직방향으로 전류의 흐름이 이루어진다.

상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 변형이 가능하고, 이러한 기술적 사상의 여러 실시 형태는 모두 본 발명의 보호범위에 속함은 당연하다.

이상과 같은 본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.

첫째, 본 발명은 발광 소자에 광 추출효율 향상을 위한 광결정을 도입하면서, 발광 소자의 전기적 특성을 보존한다.

둘째, 본 발명은 높은 전류에 대해서도 동일한 광 추출효과를 나타낼 수 있다.

셋째, 본 발명은 GaN 반도체층을 식각하여 광결정을 형성하는 것과 동일하거나 더 우수한 광 추출효과를 실현할 수 있다.

넷째, 본 발명은 광결정 형성시 식각 깊이를 광 추출효율이 포화될 때까지 확장시킬 수 있다.

Claims (22)

1. 질화물계 발광 소자에 있어서,

   반도체층과;

   상기 반도체층 상에 위치하며, 상기 반도체층과 굴절률이 같거나 상기 반도체층보다 굴절률이 큰 물질로 형성되는 광추출층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
2. 제 1항에 있어서, 상기 광추출층은, 복수의 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
3. 제 2항에 있어서, 상기 복수의 홀에는, 투명 전도성 산화물이 위치하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
4. 제 2항에 있어서, 상기 홀은, 규칙적으로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
5. 제 1항에 있어서, 상기 광추출층과 상기 반도체층 사이에는, 투명 전도성층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
6. 제 5항에 있어서, 상기 투명 전도성층의 두께는 λ/16n 내지 λ/2n(n은 투명 전도성층의 굴절률)인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
7. 제 1항에 있어서, 상기 광추출층과 상기 반도체층 사이에는, 투명 금속층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
8. 제 7항에 있어서, 상기 투명 금속층은, Ni 및/또는 Au, 또는 이들을 포함한 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
9. 제 1항에 있어서, 상기 광추출층은, 산화물 또는 질화물로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
10. 제 1항에 있어서, 상기 광추출층은, 굴절률이 2.4 이상인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
11. 제 1항에 있어서, 상기 광추출층은, SiN 또는 TiO₂로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
12. 제 1항에 있어서, 상기 반도체층은,

    n-형 반도체층과;

    상기 n-형 반도체층 상에 위치하는 활성층과;

    상기 활성층 상에 위치하는 p-형 반도체층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
13. 제 12항에 있어서, 상기 p-형 반도체층의 두께는, 30nm 내지 500nm인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
14. 제 1항에 있어서, 상기 광추출층은,

    상기 반도체층 상에 위치하는 투명 전도성 산화물층과;

    상기 투명 전도성 산화물층 상에 위치하며 복수의 홀이 형성된 유전체층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
15. 제 1항에 있어서, 상기 광추출층의 두께는, 150nm 이상인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
16. 제 1항에 있어서, 상기 반도체층은,

    p-형 반도체층과;

    상기 p-형 반도체층 상에 위치하는 활성층과;

    상기 활성층 상에 위치하는 n-형 반도체층을 포함하여 구성되는 것을 특징으 로 하는 질화물계 발광 소자.
17. 제 1항에 있어서, 상기 반도체층은, 제1전극 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
18. 제 17항에 있어서, 상기 제1전극은,

    반사 전극과;

    상기 반사 전극 상에 위치하는 오믹 전극을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
19. 제 17항에 있어서, 상기 제1전극은, 금속 또는 반도체로 이루어지는 지지층 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
20. 질화물계 발광 소자의 제조방법에 있어서,

    반도체층을 형성하는 단계와;

    상기 반도체층 상에 상기 반도체층과 굴절률이 같거나 상기 반도체층보다 굴절률이 큰 광추출층을 형성하는 단계와;

    상기 광추출층을 식각하여 패턴을 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자의 제조방법.
21. 제 20항에 있어서, 상기 반도체층을 형성하는 단계 이후에는, 투명 전도성층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자의 제조방법.
22. 제 20항에 있어서, 상기 광추출층에 형성된 패턴에 투명 전도성 산화물을 채우는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자의 제조방법.

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