KR20080093557A - 질화물계 발광 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물계 발광 소자에 관한 것으로 특히, 발광 소자의 광 추출효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광 소자에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 질화물계 발광 소자에 있어서, 반사 전극과; 상기 반사 전극 상에 위치하며 발광층을 포함하는 반도체층과; 상기 반도체층 상에 형성된 광결정을 포함하여 구성되며, 상기 반사 전극과 발광층의 중심 사이의 거리는 0.65 내지 0.85 λ/n이고, 상기 λ는 방출되는 빛의 파장, n은 반도체층의 굴절률인 것을 특징으로 한다.

발광 소자, 광결정, 반사 전극, 패키지, LED.

Description

질화물계 발광 소자{Nitride light emitting device}

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 광결정 구조를 가지는 수직형 발광 소자의 일 실시예를 나타내는 단면도이다.

도 5a 내지 도 5d는 전기 쌍극자의 방사 패턴을 나타내는 도이다.

도 6은 거울면에 대한 쌍극자의 배치를 나타내는 개략도이다.

도 7은 거울과 발광층의 간격에 따른 추출효율의 증대비와 그에 따른 방사 패턴을 나타내는 도이다.

도 8은 컴퓨터 전산모사를 위한 수직형 발광 소자 구조의 일례를 나타내는 단면도이다.

도 9는 도 8의 구조에서 발광층의 흡수율을 표시한 단면도이다.

도 10은 발광층이 거울로부터 충분히 먼 경우의 방사 패턴을 나타내는 도이다.

도 11은 광결정의 주기를 변경하면서 광 추출효율을 조사한 그래프이다.

도 12는 광결정의 홀의 크기에 따른 광 추출효율의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 13은 광결정의 식각 깊이에 따른 광 추출효율의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 14는 광결정 구조가 전반사 각도에 해당하는 빛을 추출하는 원리를 도시하는 도식도이다.

도 15는 발광층과 거울 사이의 간격이 보강 간섭 조건에 있을때의 방사 패턴을 나타내는 도이다.

도 16은 보강 간섭 조건을 가지는 구조에서 광결정 도입에 따른 효과를 나타내는 그래프이다.

도 17은 식각 깊이가 동일한 광결정의 주기에 따른 추출효율의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 18은 보강 간섭 조건인 경우 식각 깊이에 따른 추출효율의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 19는 발광 소자 구조의 일례를 나타내는 단면도이다.

도 20은 발광 소자 구조의 다른 예를 나타내는 단면도이다.

도 21은 도 20의 구조에서 오믹 전극의 두께에 따른 광 추출효율의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 22는 도 20의 구조에서 p-형 반도체층의 두께에 따른 광 추출효율의 변화 를 나타내는 그래프이다.

도 23은 발광 소자 패키지의 일례를 나타내는 단면도이다.

도 24는 발광 소자 패키지의 다른 예를 나타내는 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>

100 : 반도체층 110 : n-형 반도체층

120 : 발광층 130 : p-형 반도체층

200 : 광결정 210 : 홀

300 : 반사 전극 400 : 지지층

500 : n-형 전극 600 : 발광 소자

본 발명은 질화물계 발광 소자에 관한 것으로 특히, 발광 소자의 광 추출효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광 소자에 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 전도 대(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 하 는 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, 반사 전극을 가지는 발광 소자 구조에 있어서, 광결정 구조와 함께 사용되어 최적의 광 추출효율을 가질 수 있도록 하는 질화물계 발광 소자를 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한, 본 발명의 제1관점은, 질화물계 발광 소자에 있어서, 반사 전극과; 상기 반사 전극 상에 위치하며 발광층을 포함하는 반도체층과; 상기 반도체층 상에 형성된 광결정을 포함하여 구성되며, 상기 반사 전극과 발광층의 중심 사이의 거리는 0.65 내지 0.85 λ/n이고, 상기 λ는 방출되는 빛의 파장, n은 반도체층의 굴절률인 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 반사 전극은 오믹 전극일 수 있으며, 그 반사율은 50% 이상인 것이 바람직하다.

상기 발광층의 두께는 0.05 내지 0.25 λ/n인 것이 바람직하다.

상기 반도체층 상에는 광결정이 형성될 수 있으며, 이러한 광결정은 반도체층 상에 형성된 홀 패턴 또는 기둥 구조로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 홀의 깊 이 또는 기둥 구조의 높이는 300nm 내지 3000nm일 수 있고, 상기 광결정의 주기는 0.8 내지 5㎛일 수 있다. 이때, 홀 또는 기둥 구조의 크기(직경)는 주기를 a라 할 때, 0.25a 내지 0.45a일 수 있다.

한편, 반사 전극과 반도체층 사이에는 오믹 전극이 포함될 수 있고, 반사 전극과 발광층 사이에는 p-형 반도체층이 위치할 수 있다.

또한, 상기 반사 전극은 반도체 또는 금속으로 이루어지는 지지층 상에 위치할 수 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한, 본 발명의 제2관점은, 질화물계 발광 소자에 있어서, 반사 전극과; 상기 반사 전극 상에 위치하며 발광층을 포함하는 반도체층과; 상기 반도체층 상에 형성된 광결정을 포함하여 구성되며, 상기 반사 전극과 발광층의 중심 사이의 거리는 λ/4n의 홀수배이고, 상기 λ는 방출되는 빛의 파장, n은 반도체층의 굴절률인 것을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한, 본 발명의 제3관점은, 반사 전극과; 상기 반사 전극 상에 위치하는 제1전극과; 상기 오믹 전극 상에 위치하는 p-형 반도체층과; 상기 p-형 반도체층 상에 위치하는 발광층과; 상기 발광층 상에 위치하며, 광결정이 형성된 n-형 반도체층과; 상기 n-형 반도체층 상에 위치하는 제2전극을 포함하여 구성되며, 상기 반사 전극과 발광층 사이의 거리는 0.65 내지 0.85 λ/n이고, 상기 λ는 방출되는 빛의 파장, n은 반도체층의 굴절률인 것을 특징으로 한다.

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 여기에서는 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 어 느 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 최종적 으로 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 높으며, 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 따른다.

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 초기 부터 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 도입하게 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, 광결 정과 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.

따라서, 수평형 GaN 계열 발광 소자에 광결정(40)을 도입할 때, 식각할 수 있는 최대 범위는 상술한 상층부의 p-형 GaN 반도체층(21)의 두께(100 ~ 300nm)에 의해 제한을 받으므로, 추출효율에 있어서 한계가 있을 수 있다.

한편, 도 4에서 도시하는 바와 같은 수직형 발광 소자 구조의 일례는, GaN 반도체층(20) 성장 과정 중에 기판으로 이용되는 사파이어를 레이저 흡수법으로 제거하고, p-형 GaN 반도체층(21) 위에 거울과 전극의 역할을 동시에 수행할 수 있는 Ni, Ag 등을 포함하는 다층 금속 박막을 이용하여 반사형 오믹 전극(50)을 형성한 구조이다.

일반적인 수평형 GaN 발광 소자와 구별되는 수직형 GaN 발광 소자의 차이점 중에는 절연체인 사파이어의 제거로 인해 전류 방향이 수직 방향이며, 광의 출력 면이 도 4의 경우에 역전되어 n-형 GaN 반도체층(23)으로 출력된다는 것을 들 수 있다.

수직형 발광 소자 구조 내에서 전류가 수직 방향으로 흐른다는 사실은 공급된 전류가 발광층(22)인 양자우물 층까지 이탈 없이 도달할 수 있는 확률이 크다는 것을 의미한다. 이는 곧, 내부양자효율의 향상에 기여하게 된다.

또한, 수직형 발광 소자 구조는 절연체인 사파이어를 제거하고 p-형 GaN 반도체층(21) 위에 도체를 형성하였기 때문에, 열 배출이 용이하다는 특성을 가진다. 이는 특히, 고출력 발광 소자를 설계할 때, 유리한 측면으로 작용할 수 있다.

실제로, 사파이어 기판이 있는 통상적인 GaN 계열 청색 발광 소자의 경우 공급되는 전류 값이 수백 mA를 상위하게 되면, 오히려 출력이 감소하는 현상이 발생한다. 이는 사파이어 기판의 취약한 열 전도율로 인해 소자 내부의 온도가 상승하 여 양자우물의 내부양자효율의 열화가 발생하기 때문으로 해석될 수 있다.

수직형 청색 발광 소자 구조는 전류의 흐름과 열 배출이 용이하다는 물리적 특성 이외에도 광 추출효율 향상과 관련하여 광학적으로도 주의 깊게 고려할만한 특징을 가지고 있다. 이를 정리하면 다음과 같다.

먼저, 수직형 발광 소자 구조의 상층부는 n-형 GaN 반도체층(23)이므로, p-형 GaN 반도체층(21)보다 상대적으로 두꺼운 n-형 GaN 반도체층(23) 내에 광결정(60)을 도입할 수 있다는 장점이 있다. 일반적으로, 광결정(60)을 통한 추출효율 향상 효과는 추출효율이 포화되기 전까지는 식각 깊이에 비례하는 특성을 가지고 있다.

따라서 수평형 GaN 계열 발광 소자에서 광결정을 도입할 때의 난점 중의 하나인 p-형 GaN 반도체층의 식각에 따른 저항 증가나 활성층인 양자우물 층 식각에 따른 표면 비발광 결합 효과 등에 대한 제약 없이, 원하는 깊이의 광결정 구조를 형성할 수 있다. 또한, 식각 깊이에 따라 최대 추출효율을 제공하는 주기가 조금씩 달라지므로, 주어진 식각 기술이 허락하는 구조적 조건을 활용할 수 있다.

또한, 수직형 발광 소자는 발광 영역인 양자우물 층(발광층; 22)과 높은 반사율을 가지는 거울(반사형 오믹 전극; 50)이 방출되는 빛의 파장보다 작은 위치 내에 놓여 있다.

즉, 상술한 바와 같이, 수직형 발광 소자의 구조는 p-형 GaN 반도체층(21) 위에 거울과 전극의 역할을 동시에 수행하는 반사형 오믹 전극(50)이 형성된다. 따라서 p-형 GaN 반도체층(21)의 두께가 발광 소자의 발광층(22)과 금속 거울 사이의 거리에 해당한다.

일반적으로, 발광층(22)으로부터 가까운 위치 내에 높은 반사율을 가진 거울이 존재하게 되면, 거울이 없는 경우와 비교하여 발광 성능이 크게 달라진다. 즉, 발광층(22)과 거울 사이의 거리에 따라 발광률(decay rate)이 달라지기도 하며, 방사 패턴(radiation pattern)을 조절할 수도 있다. 이러한 특성들을 잘 이용하게 되면, 발광 소자의 광 추출효율을 획기적으로 개선할 수 있다.

일반적으로 발광층(22)과 고 반사율 금속 거울 사이에 떨어진 거리가 발광층(22)에서 발생하는 빛의 파장보다 작게 되면, 발광층(22)의 특성을 조절할 수 있다.

도 5a 내지 도 5d는 FDTD 전산모사에 의하여 빛을 생성하는 전기 쌍극자(electric dipole)가 완전 거울과 매우 가까운 위치에 있을 때 어떠한 현상이 발생할 수 있는지를 묘사하고 있다. 전기 쌍극자는 편광에 따라 특정 방향으로 진동하고 있는 전자를 뜻한다.

안테나 이론에 따르면, 전기 쌍극자에서 발생하는 빛은 전자의 진동 방향에 대해 수직 방향을 극대점으로 하는 방사 패턴을 가진다. 즉, 전기 쌍극자가 고반사율 거울이 존재하지 않는 단일 유전체 공간 내에 놓여 있는 경우, 도 5a 및 도 5c와 같이, 방사 패턴은 각 편광 방향과 수직 방향이 극대점이 되도록 분포한다.

그러나 전기 쌍극자 주변에 고 반사율 거울이 빛의 파장보다 가깝게 위치하면, 발광 특성이 극명하게 변한다. 전기 쌍극자와 거울 사이의 거리에 따라 때로는 수직 방향을 중심으로 빛이 집중되기도 하며, 때로는 거울의 표면을 따라 빛이 진 행하기도 한다.

이에 착안하면, 처음부터 발광층(22)인 양자우물 층으로부터 주로 수직 방향 성분의 빛을 생성하는 조건을 적용하여 광 추출효율을 높일 수도 있다. 또한, 도 5a 내지 도 5d에는 묘사되지 않았지만, 여기 상태에 있는 전자가 바닥 상태로 전이할 때까지 걸리는 시간인 자연 상수(t, 감쇠율은 t의 역수에 해당됨)를 조절할 수 있다.

이와 같이, 발광층(22)의 발광 특성을 조절할 수 있다는 것을 다시 정리하면 다음과 같이 크게 두 가지로 나눌 수 있다.

우선, 발광층(22)에서 발생하는 빛과 금속 거울에서 반사된 빛 사이의 간섭 효과에 의해 출력 방사 패턴을 조절할 수 있다는 것이고, 또한, 발광층(22) 내의 쌍극자(dipole)와 금속 거울에 의해 생성되는 거울 쌍극자(image dipole) 사이의 상호 작용을 통해 감쇠율을 조절할 수 있다.

첫 번째 특성은, 고전적인 빛의 간섭 현상으로 설명할 수 있다. 발광층(22) 주위에 거울이 존재하지 않거나, 거울과 발광층(22) 사이의 거리가 충분히 멀어 거울에 의한 간섭 효과를 무시할 수 있는 경우, 발광층(22)에서 발생하는 빛은 모든 방향에 대해 동일한 계수를 가지고 있는 구면파(spherical wave)로 간주할 수 있다.

만약, 거울이 발광층(22)에 근접해 방사 패턴을 조절할 수 있는 범위 내에 있다면, 수직 방향에 대해 보강 간섭이 일어나는 것이 추출효율 측면에서 유리하다.

다시 도 4의 경우를 살펴보면, 수직형 발광 소자 구조의 경우 발광층(22)과 거울(반사전극 또는 반사형 오믹 전극; 50) 사이의 거리는 p-형 GaN 반도체층(21)의 두께에 해당한다. 따라서, 전기 특성을 저하하지 않는 범위 내에서, 수직 방향의 방사 패턴이 형성되는 p-형 GaN 반도체층(21)의 두께를 선택하는 것이 필요하다.

발광 특성 조절과 관련된 두 번째 특성은 공진기 양자전자 동력학 분야와 관련이 깊다. 그러나 이러한 현상 역시 거울의 대칭성을 활용하면 정성적으로 감쇠율을 조절하는 원리를 쉽게 설명할 수 있다.

도 6은 거울(51) 표면 주위에 수직방향과 수평방향의 편광을 가지는 전기 쌍극자가 놓여 있는 모습을 도식화한 것이다. 전자기장 이론에 따르면, 전기장은 거울(51) 표면에서 항상 0이 되어야 한다.

이 원리를 이용하면, 거울(51) 주위에 전기 쌍극자가 놓여 있는 상황을 전기 쌍극자와 거울(51) 반대편의 같은 거리에 놓여 있는 거울 쌍극자의 조합으로 동일하게 구현할 수 있다.

가령, z 방향의 편광을 가지는 전기 쌍극자의 경우, 거울(51) 표면에서의 전기장 조건을 만족하기 위해 쌍극자 모멘트(dipole moment) 방향이 일치해야 한다. 따라서 이 전기 쌍극자는 거울(51)과의 거리가 가까워질수록 마치 2개의 쌍극자가 겹쳐지는 효과가 발생한다. 결국, 이는 감쇠율이 네 배 증가하는 효과를 유발한다.

반면에, 수평방향의 편광을 가지는 전기 쌍극자는 거울(51) 표면에서의 전기장 조건을 적용하였을 때, 항상 반대 방향의 거울 쌍극자를 유도한다. 따라서, 수 평방향의 전기 쌍극자는 거울(51)에 접근할수록, 감쇠율이 0에 접근하게 된다.

도 7에서와 같이, FDTD 전산모사 상에서 거울과 발광층 사이의 거리를 조절하면서 출력 패턴 변화에 의한 추출효율 증가분과 발광층의 감쇠율을 산술적으로 계산하였다. 이때, 거울은 100%의 반사율을 가지는 완전 거울로 가정하였으며, 발광층의 두께는 12.5nm로 설정하였다.

먼저, 추출효율 증대비에 대한 결과를 살펴보면, 대략 빛의 1/4 파장을 주기로 추출효율의 극대/극소점이 나타난다는 것을 알 수 있다. 이는 빛의 간섭 효과에 의해 방사 패턴이 변하며, 이에 따라 추출효율이 조절된다는 것을 알려주는 증거이다.

실제로, 극대점과 극소점에서의 방사 패턴을 관찰하면, 극대점인 경우 수직 방향으로 강한 방출이 일어나고 있는 반면에 극소점인 경우 수직 방향의 빛은 거의 존재하지 않고, 대부분의 빛이 임계각보다 큰 특정 각도로 기울어진 채 방출된다.

추출효율이 극대가 되는 조건은 발광층과 거울 사이의 간격이 대략 3/4(λ/n)일 때이고, 대략 λ/4n의 홀수배일 때, 추출효율이 커짐을 알 수 있다..

거울에 의한 간섭 효과를 수직형 GaN 발광 소자 구조에 실제 적용하기 위해서는 전산모사 상에서 가정했던 사항을 해결해야 한다. 특히, 전산모사 상에서는 발광층을 근사적으로 점광원으로 가정하였지만, 실제 발광 소자의 양자우물 층은 적층된 쌍(pair)의 수에 따라 50 ~ 100nm 정도의 두께를 가진다.

그러나 발광층의 두께가 λ/4n보다 커지게 되면, 거울에 의한 간섭 효과는 점점 사라지게 된다. 따라서, 내부양자효율은 유지하면서, 양자우물의 두께를 줄이 는 성장 기술이 필수적이다.

다음으로, 감쇠율 변화에 대한 결과를 살펴보면, 거울과 발광층 사이의 간극이 작아질수록 감쇠율이 커지는 특성이 나타난다. 즉, 발광층에 거울이 접근할수록, 이득 매질의 순환 과정이 빨라진다. 하지만, 여기서 주목해야 할 점은 감쇠율 변화가 곧 추출효율 증가로 이어진다는 것은 아니라는 점이다.

감쇠율은 단지, 발광층 내에서 전자와 전공이 결합되었을 때, 얼마나 빠른 시간 내에 빛 에너지로 변환될 수 있는지를 나타내는 지표일 뿐이다. 따라서, 이를 추출효율과 연관짓기 위해서는 발광층 내의 이득 매질의 비발광 결합에 의한 감쇠율을 함께 고려해야 한다.

비록, 감쇠율 변화를 추출효율로 직접 대입하는 것은 어렵지만, 감쇠율이 증가할수록 발광 결합 과정이 활발해져서, 즉, 상대적으로 비발광 결합 확률이 감소되어 추출효율 향상으로 이어질 것이라는 정성적인 관계는 유추할 수 있다.

이하, 컴퓨터 전산모사 계산(3D-FDTD)을 통해 수직형 GaN 발광 소자에 적용할 수 있는 광결정의 구조적 인자를 결정하고, 각 구조 인자에서 얻을 수 있는 상대적인 추출효율 증대비를 산출하는 과정을 설명한다.

수직형 발광 소자 구조는 수평형 구조와는 달리, 기판 측면을 통한 방사가 존재하지 않으므로, 전체 효율이 곧 수직방사에 의한 효율에 해당된다. 이때, 전산모사 상에서 분석하기 위한 발광 소자의 구조의 일례는 도 8과 같이, 광결정(60)이 형성된 발광 소자 반도체층(100)으로 이루어지며, 광결정(60) 외측에는 봉지재로 사용될 수 있는 굴절률 1.4의 에폭시(70)가 위치하는 구조를 이용한다.

일반적인 발광 소자의 크기는 컴퓨터 메모리 한계로 인해 계산 구조 내에 다 포함 할 수가 없다. 이 문제를 해결하기 위해 대신 유한 크기(12㎛)의 발광 소자 구조의 양끝에 완전 거울(도시되지 않음)이 위치한 경우를 적용하였다.

또한, 도 9에서와 같이, 발광 소자(100)의 발광층(양자우물 층; 22) 내부에는 흡수율(k = 0.045)을 부여하였다. 다만, 구조의 하단부에는 해석의 편의성을 위해 흡수율이 존재하는 실제 금속 거울 대신 역시 100%의 반사율을 가지는 완전 거울로 대체하였다.

수직형 구조는 거울에 의한 간섭 효과를 항상 고려해야 하므로, 구조 내에서 거울에 대한 발광층(22)의 상대적 위치가 중요한 변수가 된다. 거울과 발광층(22) 사이의 간섭 효과에 의해 방사 패턴이 바뀌게 되면, 효과적으로 작용하는 광결정(60) 구조 인자가 달라질 가능성이 있기 때문이다. 즉, 광결정(60) 주기에 따라 회절 과정에 의해 추출이 효율적으로 일어나는 빛의 각도가 다르다고 할 수 있다.

여기서는, 거울 효과가 배제된 상태에서 순수하게 광결정(60)에 의한 효과만을 산출하기로 한다. 거울에 의한 간섭 효과를 배제하기 위해서는 거울과 발광층(22) 사이의 거리를 멀리 설정하거나, 그 거리를 보강 간섭조건과 상쇄 간섭조건의 중간 지점 정도에 설정한다.

이와 같이, 발광층(22)이 거울의 간섭 효과로부터 자유로울 때의 방사 패턴은 도 10과 같다. 이러한 방사 패턴을 살펴보면, 각도에 따라 미세한 간섭 무늬가 여전히 보이나 근사적으로 구면파로 간주해도 무방할 정도이다.

광결정(60) 주기에 대한 추출효율 변화를 살펴보면, 도 11에서와 같이, 최대 추출효율을 얻을 수 있는 광결정(60) 주기는 약 800nm 부근이며, 추출효율의 상대적 증대비는 약 2배 정도이다. 이때, 식각 깊이는 225nm, 광결정을 이루는 홀(61)의 반지름은 0.25a로 고정하였다.

다음으로, 광결정(60)을 이루는 홀(61)의 크기에 따른 추출효율의 변화를 보면 도 12와 같다. 이때, 식각 깊이는 225nm로 고정하였으며, 주기는 800nm를 선택하였다. 결과를 살펴보면, 광결정(60)의 홀(61)의 크기가 0.35a일 때, 추출 효율은 최대가 되며, 상대적 증가분은 2.4배까지 커지는 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 수직형 GaN 발광 소자의 장점은 식각 깊이에 대한 제한이 적다는 점이다. 수평형 구조의 최대 식각 깊이는 p-형 GaN 반도체층의 두께(실제로는 저항 증가를 고려하여 p-GaN 층 두께의 절반 정도)에 의해 결정되나, 수직형 구조는 상대적으로 이보다 매우 두꺼운 n-형 GaN 반도체층의 두께(대략 3㎛)를 활용할 수 있다.

이와 같은 수직형 구조의 장점을 이용하기 위하여, 도 13에서와 같이, 광결정 형성을 위한 식각 깊이를 순차적으로 변경하면서, 이 식각 깊이에 따른 최적 주기를 조사하였다.

추출효율은 수평형 구조 연구에서 언급한 대로, 일정 수준 이상의 식각 깊이에 대해서 포화되는 경향이 나타난다.

하지만, 흥미로운 사실은 식각 깊이가 깊어질수록 주기가 큰 광결정 구조에 의한 추출효율은 꾸준히 상승하고 있다는 점이다. 이는, 식각 깊이를 깊게 하면서 실제 기술적으로 구현이 용이한 주기가 큰 광결정 구조를 활용할 수 있는 여지가 생긴다는 점에서 주목할 만하다.

이와 같이 식각 깊이가 커짐에 따라 주기가 큰 광결정 구조의 추출효율이 계속 상승하는 이유를 다음과 같이 생각할 수 있다(도 14 참고).

첫째, 굴절률이 다른 두 매질을 빛이 투과하기 위해서는 평면 방향의 위상정합 조건(phase-matching condition)을 만족해야 한다.

둘째, 빛이 굴절률이 높은 매질에서 낮은 매질로 진행할 때는, 특정 각도 이상에서 위상정합 조건을 만족할 수 없다. 이 특정 각도를 임계각이라 부르며, 임계각 이상에서는 전반사가 일어난다.

셋째, 광결정은 전반사 각도에 해당하는 빛을 외부로 추출할 수 있도록 돕는다. 즉, 광결정과 빛이 결합하면, 광결정의 운동량이 더해져서 전반사에 해당하는 빛이 위상정합 조건을 만족할 수 있다.

넷째, 광결정의 운동량은 주기에 반비례한다. 즉, 주기가 작은 광결정은 큰 운동량을 만들 수 있으므로, 전반사에 해당하는 빛 중에서 임계각에서 멀리 떨어진 수평 방향에 가깝게 진행하는 빛을 효과적으로 추출할 수 있다. 반면에, 주기가 큰 광결정은 상대적으로 수직 방향에 가깝게 진행하는 빛을 추출하는 데 효과적이다.

다섯째, 파동 광학 이론에 따르면, 도파로 구조 내의 전반사 과정을 모드에 대응하여 설명할 수 있다. 가령, 수평방향에 가까운 입사각도를 가진 빛은 기본 도파로 모드에 해당되며, 입사각도가 수직방향에 가까울수록 고차모드에 해당한다.

여섯째, GaN 발광 소자 역시 수 마이크론 이상의 두께를 가진 도파로 구조로 간주할 수 있다.

따라서, 이와 같은 사실을 고려하여 GaN 발광 소자에 광결정을 적용할 때, 주기가 짧은 광결정은 기본 도파로 모드를 추출하는데 적합하며, 주기가 긴 광결정은 고차 도파로 모드를 추출하는데 적합하다는 사실을 알 수 있다.

일반적으로, 기본 도파로 모드는 어느 정도 이상의 광결정 식각 깊이(~λ/n)에 대해 추출효율이 포화되는 경향을 나타내는 반면에, 고차모드로 갈수록 광결정 식각 깊이에 대해 추출효율이 꾸준히 상승하는 경향을 보인다.

결론적으로, 식각 깊이가 커질수록, 긴 주기를 가지고 있는 광결정 구조에 의한 고차 모드에 추출효율이 계속 증가하게 된다.

이와 같이 추출효율을 극대화하기 위해, 광결정 구조 인자의 최적화 작업을 컴퓨터 전산모사 계산을 통해 실시하였다. 추출효율은 식각 깊이, 구멍 크기, 주기 등과 밀접한 상관 관계가 있을 수 있다.

특히, 수직형 GaN 발광 소자의 경우 상대적으로 두꺼운 n-형 GaN 반도체층이 광결정 형성에 활용되기 때문에, 식각 깊이에 대한 제약이 사실상 없으며, 이와 같이 깊은 식각 깊이를 도입하면 현재 기술에서 구현하기 쉬운 범위의 주기를 선택할 가능성도 커진다.

이하, 거울과 발광층 사이의 간극이 보강 간섭 조건에 있을 때 광결정 효과에 대해 설명한다. 보강 간섭 조건은 간극이 약 3/4(λ/n) 일 때이며, 이때의 방사 패턴은 도 15에 나타나 있다. 이를 도 11과 비교하면, 상대적으로 많은 양의 빛이 수직 방향으로 진행하고 있음을 알 수 있다.

이 조건에서 광결정을 도입했을 때의 추출효율 향상 정도를 조사하면 도 16 과 같다.

먼저, 광결정을 적용하지 않는 구조에 대해, 보강 간섭 조건은 거울 효과가 거의 없는 구면파 조건에 비해 약 2배의 추출효율 향상 효과를 나타낸다. 이 값이 앞서 거울의 간섭 효과를 산출할 때(1.6배 증가)보다 더 큰 이유는 이번 구조에서는 흡수율을 고려하였기 때문이다.

광결정(주기 = 800nm, 식각 깊이 = 225nm)을 도입한 그래프를 비교하면, 보강 간섭 조건이 적용된 구조가 가장 우수한 특성을 나타낸다.

다만, 광결정 전/후의 상대적 증대비는 보강 간섭 조건 구조의 경우에는 최대 약 1.2배 정도이다. 그 이유는 발광층에서 발생한 빛이 처음부터 임계각 이내에 대부분 포함되어 광결정을 통해 추출되는 빛의 양이 그만큼 감소하였기 때문이다.

다음으로, 보강 간섭 조건에 대해 광결정 주기에 따른 추출효율의 변화를 조사하면 도 17과 같다.

이때, 광결정의 식각 깊이는 225nm로 고정하였으며, 광결정을 이루는 홀의 크기는 0.25a이다. 보강 간섭 조건과 정상 조건의 주기에 대한 효율의 의존성을 알수 있기 위하여 두 결과를 한 그래프에 표시하였다.

결과를 살펴보면, 보강 간섭 조건에 대한 최적 주기와 정상 조건에 대한 최적 주기는 눈에 띄는 차이를 나타내지 않으며, 최적 주기는 800nm 근처에 형성된다.

이하, 도 18을 참고하여 광결정의 식각 깊이에 따른 추출효율 변화를 설명한다.

발광층의 출력 패턴이 구면파로 가정할 수 있는 정상 조건인 경우, 주기 약 1㎛을 기준으로 식각 깊이에 대해 추출효율이 포화되는 주기와 식각 깊이에 비례하여 추출 효율이 계속 증가하는 주기로 나눌 수 있다.

그 이유는 광결정의 주기가 길어질수록, 임계각에 가까운 전반사 광을 잘 회절 하기 때문이다. 이 원리를 현재 논의하고 있는 보강 간섭 조건에 적용하면, 이 조건에서는 초기부터 수직 방향 중심의 방사가 이루어지기 때문에 주기가 긴 광결정의 역할이 더 중대해짐을 예상할 수 있다.

이 효과를 검증하기 위해 컴퓨터 전산모사 계산을 통해, 도 18에서와 같이, 식각 깊이를 변화하며 주기에 대한 추출효율을 산출하였다. 앞선, 정상 조건과 비교하면, 식각 깊이가 커짐에 따라 추출효율이 최대가 되는 최적 주기가 보다 명확하게 긴 쪽으로 이동하고 있음을 알 수 있다.

가령, 식각 깊이가 900nm인 경우에는 최적 주기가 2㎛ 이상에서 발견된다. 이는 현재 일반적인 포토 리소그래피(photo-lithography)의 분해능으로 제작 가능한 구조에 해당하므로, 실용적인 측면에서 큰 의의를 가지고 있다.

도 19에서는 이와 같은 광 추출효율이 극대화될 수 있는 발광 소자의 구조의 일례를 도시하고 있다.

이러한 발광 소자의 구조는, 지지층(400) 상에 반사 전극(300)이 위치하고, 이러한 반사 전극(300) 상에 반도체층(100)이 위치한다. 상기 반사 전극(300)은 반도체층(100)과 오믹 접촉을 이룰 수 있는 물질이 사용될 수 있다. 또한, 이러한 반사 전극(300)의 반사율은 50% 이상인 것이 바람직하다.

또한, 도 20에서와 같이, 별도의 오믹 전극(310)이 반사 전극(300)과 반도체층(100) 사이에 위치할 수도 있다. 이때 별도의 오믹 전극(310)은 투명 전극이 이용될 수 있으며, 이러한 투명 전극은 반도체층(100)보다 굴절률이 작은 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.

도시하는 바와 같이, 반도체층(100)의 구성은, p-형 반도체층(130) 상에 발광층(120)이 위치하고, 이 발광층(120) 상에는 n-형 반도체층(110)이 위치한다.

이때, n-형 반도체층(110) 상에는 다수의 홀(210) 패턴 또는 기둥 구조에 의하여 형성되는 광결정(200)이 위치할 수 있고, 이 n-형 반도체층(110) 상의 일부에는 n-형 전극(500)이 위치한다. 도시하는 바와 같이, n-형 전극(500)이 위치하는 부분에는 광결정(200) 패턴이 형성되지 않을 수도 있다.

이러한 광결정(200)은, 상기 홀(210)의 깊이 또는 기둥 구조의 높이는 300nm 내지 3000nm일 수 있고, 광결정(200)의 주기는 0.8 내지 5㎛일 수 있다. 이때, 홀(210) 또는 기둥 구조의 크기(직경)는 주기를 a라 할 때, 0.25a 내지 0.45a일 수 있다.

상술한 바와 같이, 반사 전극(300)과 발광층(120)의 중심 사이의 거리(d)는 0.65 내지 0.85 λ/n일 수 있으며, 대략 λ/4n의 홀수배를 이룰 수도 있다.

이러한 반사 전극(300)과 발광층(120) 사이의 거리의 조절은 결국 p-형 반도체층(130)에 의하여 이루어질 수 있다. 즉, 이러한 반사 전극(300)과 발광층(120) 사이의 거리를 조절하여 광 추출에 있어서 보강 간섭 조건을 이룰 수 있다.

한편, 이와 같이 p-형 반도체층(130)의 두께를 보강 간섭 조건이 되도록 조절함에 있어서, 상술한 바와 같이, 반사 전극(300)과 발광층(120) 사이에 별도의 ITO와 같은 물질로 형성된 투명한 오믹 전극(310)이 위치할 경우에는 보강 간섭 조건의 두께를 조절하는 것이 상대적으로 용이해질 수 있다.

도 21은 도 20과 같은 구조에서 오믹 전극(310)으로 ITO가 이용된 경우에 오믹 전극(310)의 두께에 따른 광 추출효율의 그래프를 나타내고 있고, 도 22는 도 20과 같은 구조에서 p-형 반도체층(130)의 두께 변화에 따른 광 추출효율의 변화를 나타내고 있다.

도시하는 바와 같이, 투명한 오믹 전극(310)의 두께를 조절하는 것이 광 추출효율을 제어하는 것이 상대적으로 용이할 수 있음을 나타내고 있다. 이는 곧 오믹 전극(310)의 두께를 제어함으로써 광 추출의 보강 간섭 조건을 보다 용이하게 조절할 수 있음을 의미한다.

이상과 같은 본 발명은 외부 광 추출효율 개선을 위해 수직형 GaN 발광 소자의 n-형 반도체층(110) 내에 광결정(200)을 도입할 때, 반사 전극(300)의 간섭효과와 식각 깊이를 활용하여, 제작이 용이한 긴 주기(1㎛ 이상)의 광결정(200)에서 최대 추출효율을 얻을 수 있다. 또한, 반사 전극(300)의 간섭 효과만으로도 개선된 추출효율 향상 효과를 가져올 수 있다.

이와 같은 발광 소자의 구조는 패키지를 이루었을 때, 패키지의 구조와 관계 없이 높은 추출효율을 보일 수 있다.

도 23에서는 패키지 바디(700)의 주위에 리드(710)가 형성되고, 이 패키지 바디(700)의 상측에 상술한 특징을 갖는 발광 소자(600)가 장착된 상태를 도시하고 있다. 이때, 리드(710)와 발광 소자(600)는 와이어(730)에 의하여 연결될 수 있고, 발광 소자(600)의 일측에는 제너 다이오드(740)를 설치하여 내전압 특성을 향상시킬 수 있다.

이러한 발광 소자(600)가 결합된 패키지 바디(700)에는 평면형의 충진재가 형성된다.

도 24에서는 패키지 바디(800) 상에 발광 소자(700)를 설치하고, 돔 형의 충진재가 형성된 상태를 나타내고 있다.

상술한 발광 소자(600) 구조에서 발광되는 수직 방향의 방향성이 강한 빛은 도 20과 같은 평면형 패키지 구조나 도 23과 같은 돔형 패키지 구조에서 거의 동일한 광 출력 특성을 나타낼 수 있다.

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, 광 추출효율 향상을 위한 광결정을 적용함에 있어서 소자의 전기적 특성이 보존될 수 있다.

둘째, 고출력 영역에서도 동일한 광 추출효과를 나타낼 수 있다.

셋째, 광결정 식각 깊이를 추출효율이 포화될 때까지 확장할 수 있다.

넷째, 주기가 긴(1㎛ 이상) 광결정 구조에서 최적의 추출효율을 나타낼 수 있다.

다섯째, 금속거울과 발광층 사이의 거리를 조절해 발광 초기부터 수직 방향으로 향하는 빛을 생성할 수 있다.

여섯째, 수직 방향으로 강한 방향성이 있는 빛은 패키지 구조와 관계없이 거의 동일한 광 출력 특성을 나타낼 수 있다.

일곱째, 반사 전극에 의한 간섭 효과와 깊은 식각 깊이를 가지는 광결정 구조가 조합되면, 광결정 주기가 긴 영역(1㎛ 이상)에서 최적의 추출효율을 나타낼 수 있다.

Claims (15)

1. 질화물계 발광 소자에 있어서,

   반사 전극과;

   상기 반사 전극 상에 위치하며 발광층을 포함하는 반도체층과;

   상기 반도체층 상에 형성된 광결정을 포함하여 구성되며,

   상기 반사 전극과 발광층의 중심 사이의 거리는 0.65 내지 0.85 λ/n이고,

   상기 λ는 방출되는 빛의 파장, n은 반도체층의 굴절률인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
2. 제 1항에 있어서, 상기 반사 전극은 오믹 전극인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
3. 제 1항에 있어서, 상기 반사 전극은 반사율이 50% 이상인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
4. 제 1항에 있어서, 상기 발광층의 두께는 0.05 내지 0.25 λ/n인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
5. 제 1항에 있어서, 상기 광결정은 반도체층 상에 형성된 홀 패턴 또는 기둥 구조인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
6. 제 5항에 있어서, 상기 홀의 깊이 또는 기둥 구조의 높이는 300nm 내지 3000nm인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
7. 제 5항에 있어서, 상기 홀 또는 기둥 구조의 직경은, 상기 광결정의 주기를 a라 할 때, 0.25a 내지 0.45a인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
8. 제 1항에 있어서, 상기 광결정의 주기는 0.8 내지 5㎛인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
9. 제 1항에 있어서, 상기 반사 전극과 반도체층 사이에는 오믹 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
10. 제 9항에 있어서, 상기 오믹 전극은 투명 전극인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
11. 제 1항에 있어서, 상기 반사 전극과 발광층 사이에는 p-형 반도체층이 위치하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
12. 제 1항에 있어서, 상기 반사 전극은 반도체 또는 금속으로 이루어지는 지지층 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
13. 질화물계 발광 소자에 있어서,

    반사 전극과;

    상기 반사 전극 상에 위치하며 발광층을 포함하는 반도체층과;

    상기 반도체층 상에 형성된 광결정을 포함하여 구성되며,

    상기 반사 전극과 발광층의 중심 사이의 거리는 λ/4n의 홀수배이고,

    상기 λ는 방출되는 빛의 파장, n은 반도체층의 굴절률인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
14. 반사 전극과;

    상기 반사 전극 상에 위치하는 제1전극과;

    상기 오믹 전극 상에 위치하는 p-형 반도체층과;

    상기 p-형 반도체층 상에 위치하는 발광층과;

    상기 발광층 상에 위치하며, 광결정이 형성된 n-형 반도체층과;

    상기 n-형 반도체층 상에 위치하는 제2전극을 포함하여 구성되며,

    상기 반사 전극과 발광층 사이의 거리는 0.65 내지 0.85 λ/n이고,

    상기 λ는 방출되는 빛의 파장, n은 반도체층의 굴절률인 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.
15. 제 14항에 있어서, 상기 제1전극은, 투명 전도성 산화물로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물계 발광 소자.

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