KR20090074359A - Red light emitting device and method of making the same - Google Patents
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본 발명은 발광 소자에 관한 것으로 특히, 발광 소자의 발광 효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 적색 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a light emitting device, and more particularly, to a red light emitting device capable of improving light emission efficiency and reliability of a light emitting device and a method of manufacturing the same.
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.Light Emitting Diodes (LEDs) are well-known semiconductor light emitting devices that convert current into light.In 1962, red LEDs using GaAsP compound semiconductors were commercialized, along with GaP: N series green LEDs. It has been used as a light source for display images of electronic devices, including.
이러한 반도체 LED의 광 추출 효율(extraction-efficiency)은 최종적으로 빛을 관측하는 매질인 공기 또는 에폭시(epoxy)와 반도체 사이의 높은 굴절률 차이로 인해 대개 수 %에 지나지 않는 값을 가지게 된다. The extraction-efficiency of such a semiconductor LED is usually only a few percent due to the high refractive index difference between air or epoxy, which is a medium for observing light, and semiconductor.
예를 들어, 적색 LED의 경우, 상층부에 위치한 GaP층과 표면 보호를 위해 도입한 에폭시의 굴절률 관계를 고려할 때, 임계각은 약 25°이며, 이때, 물질 내의 흡수 손실이 전혀 없어 다중 반사(multiple-reflection)를 허용할 수 있고, 하층부에 브래그 반사층(DBR; Distributed Bragg-Reflector)과 같은 거울을 두지 않은 경 우, 에폭시 영역에서 검출할 수 있는 추출 효율은 약 4.7% 정도이다.For example, in the case of red LEDs, considering the refractive index relationship between the GaP layer located at the top and the epoxy introduced to protect the surface, the critical angle is about 25 °, with no absorption loss in the material, resulting in multiple reflections. Without reflection and without a mirror such as the Bragg reflection layer (DBR) in the lower layer, the extraction efficiency that can be detected in the epoxy region is about 4.7%.
이 외의 나머지 빛들은, 전반사에 의해 LED 내부에 갇혀있다가 하층부를 통해 기판인 GaAs에 흡수되거나, 양자우물(Quantum Well)과 같이 흡수 손실을 줄 수 있는 매질에 의해 빛의 세기가 서서히 감소되어, 광 추출 효율에 포함되지 못한 채 사라지게 된다. The rest of the light is trapped inside the LED by total reflection and absorbed by the substrate GaAs through the lower layer, or the light intensity is gradually decreased by a medium that can cause absorption loss such as quantum wells. It disappears without being included in the light extraction efficiency.
따라서, LED의 광 추출 효율을 향상시키기 위한 방안이 요구된다.Therefore, a method for improving the light extraction efficiency of the LED is required.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 광 추출 구조를 포함하고, 이러한 광 추출 구조에 의하여 전극 형성시 박리 현상이 발생하지 않는 적색 발광 소자 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a red light emitting device including a light extraction structure capable of improving light extraction efficiency, and a peeling phenomenon does not occur during electrode formation by the light extraction structure, and a method of manufacturing the same. have.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 적색 발광 소자의 제조방법에 있어서, 기판 상에 다층 구조의 반도체층을 형성하는 단계와; 상기 반도체층 상에 광 추출 구조 패턴을 정의하는 마스크를 형성하는 단계와; 상기 마스크 상에 전극 형상을 가지는 보호 영역을 정의하는 전극 마스크를 형성하는 단계와; 상기 마스크를 이용하여 광 추출 구조를 형성하는 단계와; 상기 마스크를 제거하고 상기 보호 영역 상에 전극을 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.As a first aspect for achieving the above technical problem, the present invention provides a method of manufacturing a red light emitting device, comprising the steps of: forming a semiconductor layer of a multi-layer structure on a substrate; Forming a mask defining a light extraction structure pattern on the semiconductor layer; Forming an electrode mask on the mask defining a protective region having an electrode shape; Forming a light extraction structure using the mask; Removing the mask and forming an electrode on the protective region.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제2관점으로서, 본 발명은, 전도성 기판 상에 위치하는 반사층과; 상기 반사층 상에 위치하는 다층 구조의 반도체층과; 상기 반도체층 상에 형성되며, 전극이 형성될 보호 영역을 제외한 부분에 형성되는 광 추출 구조와; 상기 보호 영역 상에 위치하는 전극을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.As a second aspect for achieving the above technical problem, the present invention, the reflective layer located on the conductive substrate; A semiconductor layer having a multilayer structure positioned on the reflective layer; A light extracting structure formed on the semiconductor layer and formed in a portion excluding a protection region in which an electrode is to be formed; And an electrode located on the protection region.
본 발명은 발광 소자에 광 추출 구조를 도입하여 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 광 추출 구조는 광 추출 효율에는 전혀 영향을 미치지 않으면서, 동시에 반도체 영역과 전극 계면 사이의 접합 문제를 해결할 수 있다.The present invention can improve the light extraction efficiency by introducing a light extraction structure to the light emitting device. In addition, the light extraction structure does not affect the light extraction efficiency at all, and at the same time solves the bonding problem between the semiconductor region and the electrode interface.
따라서, 광 추출 구조의 식각 깊이 증가를 통해 광 추출 효율 증대 및 최적 주기의 확장을 실현함과 동시에, 광 추출 구조가 도입된 반도체층과 전극 계면 사이의 박리 현상을 해결할 수 있다. 이와 같이 광 추출 구조의 최적 주기가 확장되면 포토 리소그래피와 같은 통상적인 방법으로 용이하게 광 추출 구조를 형성할 수 있는 효과가 있는 것이다.Therefore, by increasing the etching depth of the light extraction structure, the light extraction efficiency can be increased and the optimal period can be extended, and the peeling phenomenon between the semiconductor layer and the electrode interface into which the light extraction structure is introduced can be solved. As such, when the optimal period of the light extraction structure is extended, there is an effect that the light extraction structure can be easily formed by a conventional method such as photolithography.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
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. While the invention allows for various modifications and variations, specific embodiments thereof are illustrated by way of example in the drawings and will be described in detail below. However, it is not intended to be exhaustive or to limit the invention to the precise forms disclosed, but rather the invention includes all modifications, equivalents, and alternatives consistent with the spirit of the invention as defined by the claims.
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. When an element such as a layer, region or substrate is referred to as being on another component "on", it will be understood that it may be directly on another element or there may be an intermediate element in between. . If a part of a component, such as a surface, is expressed as 'inner', it will be understood that this means that it is farther from the outside of the device than other parts of the element.
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. Furthermore, relative terms such as "beneath" or "overlies" are used herein to refer to one layer or region relative to one layer or region and another layer or region with respect to the substrate or reference layer, as shown in the figures. Can be used to describe the relationship.
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.It will be understood that these terms are intended to include other directions of the device in addition to the direction depicted in the figures. Finally, the term 'directly' means that there is no element in between. As used herein, the term 'and / or' includes any and all combinations of one or more of the recorded related items.
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 이해할 것이다. Although the terms first, second, etc. may be used to describe various elements, components, regions, layers, and / or regions, such elements, components, regions, layers, and / or regions It will be understood that it should not be limited by these terms.
반도체 발광 소자의 광 추출효율은 빛이 발생하는 반도체 발광층과 최종적으로 빛을 관측하는 매질(공기 또는 에폭시) 사이의 굴절률 차이로 결정된다. 반도체 매질은 통상적으로 높은 굴절률(n > 2, 이하 굴절률을 n으로 표기한다.)을 가지므로, 광 추출효율은 대개 수 %에 지나지 않는다. The light extraction efficiency of the semiconductor light emitting device is determined by the difference in refractive index between the semiconductor light emitting layer in which light is generated and the medium (air or epoxy) in which light is finally observed. Since the semiconductor medium usually has a high refractive index (n> 2, the refractive index is denoted by n), the light extraction efficiency is usually only a few%.
가령, 질화갈륨(GaN; n = 2.46) 기반의 청색 발광 소자의 경우, 외부 물질을 에폭시(n = 1.4)로 가정했을 때 소자의 상층부를 통한 추출효율은 약 9% 정도에 불과하다. 이를 제외한 나머지 빛들은, 소자 내부에 전반사 과정에 의해 갇혀 있으면서, 양자우물층과 같은 흡수층에 의해 소실된다. For example, in the case of a blue light emitting device based on gallium nitride (GaN; n = 2.46), when the external material is assumed to be epoxy (n = 1.4), extraction efficiency through the upper portion of the device is only about 9%. The remaining light is lost by an absorbing layer such as a quantum well layer while being trapped by the total reflection process inside the device.
입사 각도에 대한 빛의 방출비율을 살펴볼 때, 전반사 각도에 해당하는 빛이 전체 광량의 대략 80%까지 차지하므로, 이 영역에 속해 있는 빛을 추출하지 못한다면 광 추출 향상 효과는 사실상 기대할 수 없다. 따라서, 발광 소자의 추출효율 향상을 위해서는 필연적으로 전반사 각도에 해당하는 빛을 추출할 수 있는 구조가 필요하다는 결론에 이른다. 이때, 이러한 역할을 수행할 수 있는 것 중 하나가 광결정이다.When considering the emission ratio of the light to the incident angle, since the light corresponding to the total reflection angle occupies approximately 80% of the total amount of light, the light extraction improvement effect is virtually impossible without extracting light belonging to this region. Accordingly, in order to improve the extraction efficiency of the light emitting device, it is necessary to conclude that a structure capable of extracting light corresponding to the total reflection angle is necessary. At this time, one of those that can perform this role is a photonic crystal.
빛의 투과라는 현상을 역학적 관점에서 보자면, 굴절률이 서로 다른 물질을 빛이 이동하는 것이다. 역학에서의 물체 이동과 마찬가지로 빛의 이동에도 운동량 보존 법칙이 항상 뒤따른다(여기서, 빛의 운동량은 파수 벡터(k = 2πn/λ)로 표현된다.). From the mechanical point of view, the phenomenon of light transmission is the movement of light through materials with different refractive indices. As with the movement of objects in mechanics, the law of conservation of momentum is always followed by the movement of light (where the momentum of light is expressed as a wave vector (k = 2πn / λ)).
다시 말해, 빛이 서로 다른 매질을 이동할 때에는 경계 면의 평면 방향 운동량 성분이 보존되어야 한다. 이를 전반사 현상에 대입하면, 운동량 보존 현상을 보다 명확하게 이해할 수 있다. In other words, when light travels through different media, the planar momentum component of the interface must be preserved. By substituting this into total reflection, momentum conservation can be more clearly understood.
전반사 현상은 항상 빛이 굴절률이 높은 매질에서 낮은 매질로 이동할 때 일어난다. 굴절률이 높은 매질 내에 속해 있는 빛은 이미 큰 운동량을 지니고 있으므로, 특정 입사 각도 이상에서는 굴절률이 낮은 매질 내에서 어떠한 각도를 가지더라도 가질 수 없는 (평면 성분의)운동량을 지니게 된다. 빛의 투과를 위해서는 평면 성분의 운동량이 보존되어야 하므로, 빛이 선택할 수 있는 길은 반사 과정밖에 없다. 여기서, 평면 성분의 운동량을 보존할 수 없는 최소의 입사각도가 바로 임계각에 해당하는 것이다. Total reflection always occurs when light moves from a high refractive index medium to a low one. Since light in a medium with high refractive index already has a great momentum, it has a momentum (planar component) that cannot be taken at any angle in the medium with a low refractive index above a certain angle of incidence. In order to transmit light, the momentum of planar components must be preserved, so the only path that light can select is the reflection process. Here, the minimum incident angle that cannot preserve the momentum of the planar component corresponds to the critical angle.
광결정은 운동량을 보존할 수 없는 전반사 각도의 빛에 대해 자신의 주기성(periodicity)이 생성하는 운동량 성분을 더하거나 감하여, 외부로 추출할 수 있도록 도와준다(도 1 참고). 이것이 광결정을 통한 발광 소자의 추출효율 향상 원리이다. Photonic crystals help to extract externally by adding or subtracting the momentum component generated by the periodicity (periodicity) for the light of the total reflection angle that cannot preserve the momentum (see FIG. 1). This is the principle of improving the extraction efficiency of the light emitting device through the photonic crystal.
이는, 분광기에서 말하는 빛의 회절 원리와 동일한 개념이다. 광결정의 주기에 따라 운동량의 크기가 달라지고, 이에 따라 전반사 각도에 해당하는 빛의 회절 효율이 변화한다. This is the same concept as the diffraction principle of light in the spectroscope. The amount of momentum varies depending on the period of the photonic crystal, and thus the diffraction efficiency of light corresponding to the total reflection angle changes.
광결정에 의한 빛의 추출효율은 광결정의 주기 외에도 식각 깊이, 공극률 (filling factor), 격자 구조 등과 같은 구조 변수와도 밀접한 상관 관계가 있다. 따라서, 반도체 발광 소자 내에서 높은 추출효율 향상 효과를 얻기 위해서는 최적의 광결정 구조를 고안하고 적용하는 것이 매우 중요하다.In addition to the period of the photonic crystal, the extraction efficiency of light by the photonic crystal has a close correlation with structural variables such as the etching depth, the filling factor, and the lattice structure. Therefore, in order to obtain a high extraction efficiency improvement effect in the semiconductor light emitting device, it is very important to devise and apply the optimum photonic crystal structure.
광결정에 의한 추출효율 향상 정도는 광결정과 관련된 내부 구조 변수 외에도 발광 소자를 채우고 있는 배경 물질의 굴절률과 발광 소자 내 반사 거울의 반사율 특성에도 영향을 받는다. In addition to the internal structural parameters related to the photonic crystal, the degree of extraction efficiency improvement due to the photonic crystal is influenced by the refractive index of the background material filling the light emitting device and the reflectance characteristics of the reflective mirror in the light emitting device.
스넬의 법칙(Snell's law)에 따르면, 반도체 물질의 굴절률이 높아질수록 임계각이 커지게 되어 소자 내부에 전반사 과정에 의해 갇혀 있는 빛의 양이 많아짐을 뜻한다. 도 2는 외부 배경 물질을 공기로 가정했을 때, 반도체 발광 영역의 굴절률에 따른 추출 효율을 나타낸 그래프를 도시하고 있다.According to Snell's law, the higher the refractive index of a semiconductor material, the larger the critical angle, and the greater the amount of light trapped inside the device by total reflection. FIG. 2 is a graph showing extraction efficiency according to the refractive index of the semiconductor light emitting region when the external background material is assumed to be air.
이때, 발광 표면은 어떠한 광 추출구조가 도입되지 않은 평면 구조이다. 그래프를 살펴보면 발광층의 굴절률과 추출효율이 반비례 관계에 놓여 있음을 알 수 있다. 이는 광 추출 구조를 소자 표면에 도입했을 때, 상대적 추출효율 증대비가 증가할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 광 추출 구조에 의한 회절 효과는 굴절률 대비에 비례하므로, 높은 굴절률 층의 소자 표면에 광 추출 구조를 도입하는 것이 더욱 큰 추출효과를 얻을 수 있다. At this time, the light emitting surface is a planar structure in which no light extraction structure is introduced. Looking at the graph, it can be seen that the refractive index and the extraction efficiency of the light emitting layer are in inverse relationship. This means that the relative extraction efficiency increase ratio can be increased when the light extraction structure is introduced on the surface of the device. In addition, since the diffraction effect by the light extraction structure is proportional to the refractive index contrast, the introduction of the light extraction structure on the element surface of the high refractive index layer can obtain a larger extraction effect.
이를 종합하면, 광 추출 구조를 통한 발광 소자의 상대적 추출효율 향상은 굴절률이 낮은 유기 물질(organic material)이나 질화갈륨(GaN)보다는 굴절률이 높은 갈륨비소(GaAs), 갈륨인(GaP) 반도체 계열에서 보다 두드러질 것임을 예상할 수 있다. In sum, the relative extraction efficiency of the light emitting device can be improved by using the light extraction structure in the gallium arsenide (GaAs) and gallium phosphorus (GaP) semiconductors having a higher refractive index than the organic material or gallium nitride (GaN). It can be expected to be more pronounced.
광 추출 구조에 의한 추출효율 향상 정도는 소자 하단의 반사 거울 특성과도 밀접한 관련이 있다. 광 추출 구조는 전반사에 해당하는 입사각도를 가진 빛이라도 광 추출 구조와의 결합 과정을 통해 외부로 추출될 수 있음을 앞서 밝힌 바 있다. 그러나, 회절 효율이 100%가 될 수 없으므로, 항상 일부분의 빛은 다시 반사되어 소자 내부로 진입한다. 따라서, 하단의 반사 거울 특성에 따라 추출 효율 향상 정도가 좌우된다. The degree of extraction efficiency improvement due to the light extraction structure is closely related to the reflection mirror characteristics of the bottom of the device. The light extracting structure has been described above that even light having an incident angle corresponding to total reflection can be extracted to the outside through a combination process with the light extracting structure. However, since the diffraction efficiency cannot be 100%, part of the light is always reflected again and enters the device. Therefore, the degree of extraction efficiency improvement depends on the reflection mirror property at the bottom.
하단의 반사 거울은 크게 세 종류로 나눌 수 있다. 발광층의 굴절률보다 낮은 굴절률 층을 도입하는 방법(측면형 GaN 발광 소자), 금속층을 도입하는 방법(수직형 GaN LED, metal-bonding 적색 LED), 굴절률이 다른 유전체의 조합으로 반사율을 높이는 방법 (적색 DBRs LED) 등을 생각할 수 있다. The reflecting mirror at the bottom can be divided into three types. The method of introducing a refractive index layer lower than the refractive index of the light emitting layer (side type GaN light emitting device), the method of introducing a metal layer (vertical GaN LED, metal-bonding red LED), and the method of increasing the reflectance by combination of dielectrics having different refractive indices (red DBRs LEDs).
각 반사 거울은 입사 각도에 따른 고유한 특성을 가지고 있다. 낮은 굴절률 층을 도입하는 반사 거울 방식은 수직 방향의 입사 각도에 대해 낮은 반사율을 나 타내지만, 임계 각도 이상에서는 전반사 과정에 의해 100%의 이상적인 반사율을 나타낸다. Each reflecting mirror has its own characteristics depending on the angle of incidence. Reflective mirrors with a low index of refraction layer exhibit low reflectance for the angle of incidence in the vertical direction, but exhibit an ideal reflectance of 100% above the critical angle by total reflection.
금속층 반사 거울은 모든 입사 각도에 대해 전반적으로 우수한 반사율을 나타내지만, 금속 물질 고율의 흡수율로 인해 100%의 반사율에는 접근할 수 없다. 일반적인 브래그 리플렉터(DBR) 거울의 경우에는 수직 방향의 입사 각도 근처에서는 매우 우수한 반사율 특성을 나타내지만, 이를 벗어나게 되면 반사율이 급격하게 떨어지게 된다.The metal layer reflecting mirror shows an overall good reflectance for all angles of incidence, but due to the high rate of absorption of the metallic material it is inaccessible to reflectance of 100%. In the case of a general Bragg reflector (DBR) mirror, it exhibits a very good reflectance characteristic near the incidence angle in the vertical direction, but when it is out of this, the reflectance drops sharply.
광 추출 구조를 통해 높은 추출효율 향상 효과를 얻기 위해서는 하단의 반사 거울이 수직 방향뿐만 아니라 이를 벗어난 입사 각도에서도 높은 반사율을 유지하여야 한다. In order to achieve a high extraction efficiency through the light extraction structure, the lower reflecting mirror must maintain a high reflectance not only in the vertical direction but also at an incidence angle beyond the vertical direction.
거울 종류에 따라 입사 각도와 반사율 특성의 그래프를 살펴보면, 도 3에서 도시하는 바와 같이, 금속층 거울 또는 낮은 굴절률 층의 반사 거울이 광 추출 구조 도입을 통한 추출 효율 향상에 유리하다는 것을 알 수 있다.Referring to the graph of the incident angle and reflectance characteristics according to the mirror type, as shown in FIG. 3, it can be seen that the metal mirror or the reflective mirror of the low refractive index layer is advantageous for improving the extraction efficiency by introducing the light extraction structure.
앞으로 본 특허를 통해 전개할 내용은 발광층 물질과는 상관없이 일반적인 LED 구조에 적용 가능하나, 논의의 폭을 제한하기 위해 적색 AlGaInP 계열 발광 소자에 대한 실시예를 분석하여 설명하기로 한다. The contents to be developed through the present patent may be applied to a general LED structure regardless of the light emitting layer material, but in order to limit the scope of discussion, embodiments of a red AlGaInP series light emitting device will be described.
적색 AlGaInP 계열 발광 소자는 하단 반사 거울의 종류에 따라 두 가지로 나눌 수 있다. 그 중 하나는 도 4에서 도시하는 바와 같은 구조로서, GaAs 기판(10) 위에 AlAs/AlGaAs (혹은, AlGaInP/AlInP) 층을 1/4 파장(quarter-wave length) 두께로 차례로 증착 한 DBRs(Distributed Bragg-Reflectors) 거울 구조(20)이다. The red AlGaInP series light emitting device can be divided into two types according to the type of the bottom reflecting mirror. One of them is a structure as shown in FIG. 4, in which an AlAs / AlGaAs (or AlGaInP / AlInP) layer is sequentially deposited on a
이러한 거울 구조(20) 상에는 AlGaInP 발광층(30)의 상하측에 다수의 AlGaInP 계열 n-형 반도체층(40)과 p-형 반도체층(50)이 위치하게 된다.On the
다른 하나는 도 5에서 도시하는 바와 같이, GaAs 기판을 제거하고 대신 금속 반사 거울(21)과 Si 기판(11)을 접합한 구조이다. 이러한 금속 거울(21) 상에도 AlGaInP 발광층(31)의 상하측에 다수의 AlGaInP 계열 n-형 반도체층(41)과 p-형 반도체층(51)이 위치하게 된다.The other is a structure in which the GaAs substrate is removed and the
DBRs 거울 구조(20)는 한 번의 성장 과정으로 반사 거울까지 포함할 수 있는 공정상의 장점이 있는 반면에 반사율 특성이 금속 거울(21)에 비해 떨어진다는 단점이 있다. 반면에, 금속 거울(21) 접합 구조는 접합이라는 공정이 추가되지만, 금속 거울(21)의 우수한 반사 특성을 이용할 수 있다는 장점이 있다. 특히, 앞서 밝힌 대로 광 추출 구조를 표면에 도입할 때, 추출효율 특성을 크게 개선할 수 있다. While the
광 추출 구조가 도입되는 위치를 비교하면, DBRs 구조는 p-형으로 도핑(doping) 된 GaP 층(52) 내에 형성되며, 금속 접합 구조는 n-형으로 도핑 된 AlGaInP 층(42) 내에 형성된다. 내부양자효율의 저하를 방지하기 위해 광 추출 구조의 깊이는 양자우물 층까지 확장되지 않는 것이 유리하다. 이를 고려하면, DBRs 거울 구조(20)는 대략 10 mm까지의 깊이의 여유가 있으며, 금속 거울(21) 접합 구조는 약 2 mm까지의 여유가 있다.Comparing the position where the light extraction structure is introduced, the DBRs structure is formed in the p-type doped
광결정을 통한 추출 효율 향상 정도는 광결정의 구조 인자와 밀접한 관련이 있다. 이 중에서 특히, 광결정의 주기와 식각 깊이는 가장 중요한 인자들이다. 광결정의 주기와 식각 깊이에 따른 효율 변화를 살펴보기 위해, 3D-FDTD 계산을 실시 하였다. The degree of extraction efficiency improvement through the photonic crystal is closely related to the structural factors of the photonic crystal. In particular, the period and etching depth of the photonic crystal are the most important factors. 3D-FDTD calculation was performed to investigate the efficiency change according to the period and etching depth of the photonic crystal.
계산을 실시한 구조는 GaN 계열 발광 소자 구조이며, 하단에는 100%의 반사 거울을 가정하였다. 결과를 살펴보면, 도 6에서와 같이, 특정 주기에서 추출 효율이 극대가 됨을 알 수 있다. 극대가 되는 주기를 최적 주기라고 칭할 때, 최적 주기는 반도체 발광층의 굴절률과 외부 배경 물질의 굴절률에 따라 달라질 수 있다. The calculated structure is a GaN-based light emitting device structure, and 100% reflective mirror is assumed at the bottom. Looking at the results, as shown in Figure 6, it can be seen that the extraction efficiency is maximized in a particular period. When the maximum period is referred to as an optimum period, the optimum period may vary depending on the refractive index of the semiconductor light emitting layer and the refractive index of the external background material.
일반적으로 최적 주기는 광결정을 구성하고 있는 굴절률 대비가 작을수록 긴 방향으로 이동하고, 반대로 굴절률 대비가 클수록 짧은 방향으로 이동한다. 한편, 도 6의 그래프를 살펴보면, 최적 주기는 식각 깊이와도 상관이 있음을 알 수 있다. 식각 깊이가 증가할수록, 최적 주기는 긴 방향으로 조금씩 이동하는 경향을 나타낸다. In general, the optimum period moves in the longer direction as the refractive index constituting the photonic crystal is smaller, and in the shorter direction as the refractive index contrast is larger. On the other hand, looking at the graph of Figure 6, it can be seen that the optimum period is also correlated with the etching depth. As the etching depth increases, the optimum period tends to move little by little in the long direction.
도 7에서와 같이, 주기와 식각 깊이에 따른 효율 변화의 경향성을 표면 그래프로 나타내면 이 현상을 보다 명확하게 이해할 수 있다. As illustrated in FIG. 7, this phenomenon can be more clearly understood when the trend of efficiency change according to a period and an etching depth is represented by a surface graph.
표면 그래프 결과를 살펴보면, 식각 깊이가 늘어날수록 1 mm 이상의 주기를 가진 구조의 추출 효율은 꾸준히 상승하며, 식각 깊이가 900 nm에 도달하면 최적 주기가 두 점에서 나타남을 알 수 있다.From the surface graph results, it can be seen that as the etching depth increases, the extraction efficiency of the structure having a period of 1 mm or more increases steadily, and when the etching depth reaches 900 nm, the optimum period appears at two points.
추출효율이 극대가 되는 최적 주기가 존재하며, 식각 깊이에 따라 최적 주기가 이동하는 현상은 반도체 물질에 관계없이 나타나는 일반적인 결과이다. 적색 AlGaInP 계열 발광 소자의 경우에도 역시 식각 깊이 증대를 통해 리소그래피(lithography) 공정이 보다 용이한 긴 방향의 주기를 이용할 수 있는 가능성이 생긴다.There is an optimal period in which the extraction efficiency is maximum, and the shift of the optimum period according to the etching depth is a general result regardless of the semiconductor material. In the case of the red AlGaInP series light emitting device, the etching depth is also increased, and thus there is a possibility of using a long-direction period in which a lithography process is easier.
상술한 바와 같이, 발광 소자의 추출효율이 광결정 식각 깊이에 따라 증가하며, 최적 주기 또한 긴 방향으로 이동할 수 있음을 확인하였다. 이러한 특성을 활용하기 위해서는 기본적으로 발광 소자 내의 광 추출 구조가 도입되는 층의 두께가 충분히 커야 유리하다. 가령, n-GaN 층을 식각하는 수직형 GaN 계열 발광 소자나 적색 AlGaInP 계열 발광 소자는 상술한 특성을 만족한다고 볼 수 있다. As described above, it was confirmed that the extraction efficiency of the light emitting device increases with the depth of photonic crystal etching, and the optimum period can also move in the long direction. In order to utilize these characteristics, it is basically advantageous if the thickness of the layer into which the light extraction structure is introduced in the light emitting device is sufficiently large. For example, the vertical GaN-based light emitting device or the red AlGaInP-based light emitting device etching the n-GaN layer satisfies the above-described characteristics.
따라서, 식각 깊이에 따른 추출 효율 증대와 최적 주기의 이동 효과를 누릴 수 있다. 그러나, 이와 같이 광 추출 구조의 식각 깊이를 증가하면, 도 8a 내지 도 8d에서 도시하는 바와 같이, 때로는 반도체 층과 전극 계면 사이에 박리 현상이 발생할 수 있다. Therefore, it is possible to increase the extraction efficiency according to the etching depth and to move the optimum period. However, if the etching depth of the light extraction structure is increased in this manner, a peeling phenomenon may sometimes occur between the semiconductor layer and the electrode interface, as shown in FIGS. 8A to 8D.
도 8a는 표면 굴곡의 정도가 발광층의 파장보다 매우 작은 광 추출 구조(70)와 전극(60) 계면 사이를 나타낸 전자현미경 사진이다. 이 경우, 광 추출 구조(70)와 전극(60) 계면 사이의 특별한 박리 현상은 관찰되지 않는다. 하지만, 광 추출 구조의 식각 깊이가 증가하면, 전극 증착 영역이 광 추출 구조 사이를 채우지 못해 도 8b에서 도시하는 바와 같은 박리 현상이 나타날 수 있다. 8A is an electron micrograph showing an interface between the
단면을 자세히 살펴보면 이러한 현상을 보다 명확하게 관찰할 수 있는데, 도 8c에서와 같이, 광 추출 구조(70)와 전극(60) 층 사이에 미세한 간격이 관찰된다. 이러한 상태에서 발광 소자에 전류를 인가하면 과도한 열이 발생하여, 도 8d에서와 같이 전극(60) 층이 박리되거나 변형되어, 소자의 전기적 특성에 치명적인 영향을 줄 수 있다. Looking at the cross section in detail, this phenomenon can be observed more clearly. As shown in FIG. 8C, a minute gap is observed between the
즉, 광 추출 구조의 식각 깊이 증가는 광학적인 추출효율 증가에는 분명한 도움을 주나, 반도체 물질과 전극층 사이의 접합 문제에 따라 때로는 심각한 단전 문제를 야기할 수 있다.In other words, the increase in the etching depth of the light extraction structure is a clear help to increase the optical extraction efficiency, but can sometimes cause serious power failure problem depending on the bonding problem between the semiconductor material and the electrode layer.
상술한 바와 같은 특성을 고려하여, 식각 깊이를 늘리면서도 전극 층 박리에 의한 전기적인 문제를 방지하기 위해서는 전극 층 증착 영역 내에는 광 추출 구조를 도입하지 않는 공정이 필요하다. In view of the above-described characteristics, in order to increase the etching depth and prevent the electrical problem due to the electrode layer peeling, a process of not introducing a light extraction structure into the electrode layer deposition region is required.
도 9 내지 도 15에는 AlGaInP 계열 발광 소자의 금속 접합 구조에 대해, 공정의 흐름을 도시하고 있다.9 to 15 show the flow of the process for the metal junction structure of the AlGaInP series light emitting device.
공정을 요약하자면, 먼저, 도 9에서와 같이, GaAs 기판(도시되지 않음) 상에 AlGaInP 계열의 p-형 반도체층, 발광층, 및 n-형 반도체층을 차례로 형성한다. 그 구체적인 예로서, p-GaP층(310), AlGaInP 발광층(320), n-AlInP층(330), 및 n-GaAs층(331)을 차례로 형성한다.In summary, first, as shown in FIG. 9, an AlGaInP-based p-type semiconductor layer, a light emitting layer, and an n-type semiconductor layer are sequentially formed on a GaAs substrate (not shown). As a specific example, the p-
이와 같이 형성된 발광 소자 구조에서, 기판을 제거하고 Si 기판(100)과 금속 거울(200)을 부착한다(이때, n-GaAs층(331) 상에 위치한 습식 식각에 대한 식각장벽층(도시되지 않음)을 제거하는 공정이 추가될 수 있다). 이러한 금속 거울(200)은 Ag 또는 Al을 포함할 수 있다.In the light emitting device structure thus formed, the substrate is removed and the
한편, 기판을 제거하지 않는 경우에는, GaAs 기판 상에 AlAs/AlGaAs 또는 AlGaInP/AlInP 반도체층이 교대로 위치하는 다중반사층(DBR)을 형성할 수 있다.On the other hand, when the substrate is not removed, a multi-reflection layer (DBR) in which AlAs / AlGaAs or AlGaInP / AlInP semiconductor layers are alternately positioned may be formed on the GaAs substrate.
상술한 GaAs 기판 또는 Si 기판(100)은 모두 전도성을 띨 수 있으며, p-형 전도성을 가지는 것이 유리하다.The GaAs substrate or the
이후, 도 10에서 도시하는 바와 같이, 포토 리소그래피(photolithography) 과정을 통해 n-GaAs층(331) 상에 식각 마스크층(400)을 형성하고, 이 마스크층(400) 위에 포토 레지스트(PR)와 같은 물질로 광 추출 구조를 정의하는 제1마스크(500)를 형성하여, 이 제1마스크(500)를 이용하여 마스크층(400)을 식각한다. Afterwards, as shown in FIG. 10, an
이때, 마스크층(400)은 SiO2, SiNx와 같은 산화물 또는 질화물 계열 물질로 형성할 수 있다.In this case, the
이와 같은 식각 과정에 의하여, 도 11에서와 같이, 마스크층(400)은 광 추출 구조가 정의되는 패턴이 형성된 제2마스크(410)로 형성되며, 이때 제1마스크(500)는 제거된다.By the etching process, as shown in FIG. 11, the
이후에는 도 12에서 도시하는 바와 같이, 제2마스크(410) 상에 추후 형성될 n-형 전극의 형상과 동일하거나 크기가 큰 전극 마스크(510)를 형성한다. 이러한 전극 마스크(510)는 전극 형성 영역을 보호할 수 있다.Thereafter, as shown in FIG. 12, the
다음에, 도 13에서와 같이, 제2마스크(410)를 이용하여 n-GaAs층(331) 및 n-AlInP층(330)을 식각하여 광 추출 구조(700)를 형성한다.Next, as shown in FIG. 13, the n-
이후, 도 14에서와 같이, 제2마스크(410)를 제거하고, 전극 마스크(510)에 의하여 확보된 영역에 n-형 전극(600)을 형성한다.Thereafter, as shown in FIG. 14, the
다음, n-GaAs층(331)은 제거될 수 있고, 도 15에서와 같은 수직형 발광 소자 구조가 이루어진다.Next, the n-
상술한 과정에 의하여, 도 16에서 도시하는 바와 같이, n-형 전극(600) 형성 영역을 제외한 부분에 광 추출 구조(700)가 형성된다. 전극(600) 영역을 통해서 는 빛이 빠져나올 수 없으므로, 전극(600) 영역 하단의 광 추출 구조는 사실상 무의미하다. By the above-described process, as shown in FIG. 16, the
따라서, 이러한 선택 영역 식각 광 추출 구조는 광 추출 효율에는 전혀 영향을 미치지 않으면서, 동시에 반도체 영역과 전극 계면 사이의 접합 문제를 해결할 수 있는 것이다.Accordingly, the selective region etching light extraction structure can solve the problem of bonding between the semiconductor region and the electrode interface without affecting the light extraction efficiency at all.
한편, 상술한 광 추출 구조(700)는 주기성을 가지는 일반적인 광 결정 구조(Square Lattice, Triangular Lattice, Archimedean Lattice)와 주기성을 가지고 있지 않는 광 결정 구조(Quasicrystal, Pseudorandom, random structure)를 모두 포함할 수 있다. 이때, 광 추출 구조(700)의 주기는 발광 파장(λ) 내지 5000 nm의 값을 가질 수 있다.Meanwhile, the
이러한 광 추출 구조(700)는 식각 깊이에 따라 그 추출 효율이 증가하며, 식각 깊이 증가에 대해, 특정 값(발광 파장; ~λ)보다 작은 주기의 구조는 특정 식각 깊이(~λ/n; n은 반도체층의 굴절률) 이상에서 효율이 포화되는 경향을 보이는 반면에, 특정 값(λ)보다 큰 주기의 구조는 특정 식각 깊이(~λ/n) 이상에서도 꾸준히 효율이 증가하는 경향을 나타낸다. 따라서, 특정 식각 깊이에 대해 최적 주기가 서로 다른 값을 가진 두 주기에서 나타난다. 즉, 광 추출 구조(700)는 식각 깊이에 따라 최적 주기가 장 주기 방향으로 이동한다.The
이와 같은 현상을 고려할 때, 광 추출 구조(700)의 깊이는 λ/n 내지 광 추출 구조(700)가 형성되는 반도체층(330)의 최대 두께에 이를 수 있으며, 이는 500 nm 내지 2 ㎛에 이를 수 있다.In consideration of such a phenomenon, the depth of the
상술한 바와 같이, 광 추출 구조(700)의 식각 깊이 증가를 통해 광 추출 효율 증대 및 최적 주기의 확장을 실현함과 동시에, 광 추출 구조가 도입된 반도체층과 전극 계면 사이의 박리 현상을 해결할 수 있다. 이와 같이 광 추출 구조(700)의 최적 주기가 확장되면 포토 리소그래피와 같은 통상적인 방법으로 용이하게 광 추출 구조(700)를 형성할 수 있는 장점을 가진다.As described above, by increasing the etching depth of the
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.The above embodiment is an example for explaining the technical idea of the present invention in detail, and the present invention is not limited to the above embodiment, various modifications are possible, and various embodiments of the technical idea are all protected by the present invention. It belongs to the scope.
도 1a 및 도 1b는 광결정의 원리를 나타내는 개략도이다.1A and 1B are schematic diagrams showing the principle of photonic crystals.
도 2는 굴절률에 따른 추출 효율을 나타내는 그래프이다.2 is a graph showing the extraction efficiency according to the refractive index.
도 3은 반사 거울의 중류에 따른 입사 각도와 반사율을 나타내는 그래프이다.3 is a graph showing an incident angle and a reflectance according to the midstream of the reflecting mirror.
도 4는 적색 발광 소자의 일례를 나타내는 단면도이다.4 is a cross-sectional view showing an example of a red light emitting element.
도 5는 적색 발광 소자의 다른 예를 나타내는 단면도이다.5 is a cross-sectional view showing another example of a red light emitting element.
도 6은 광결정 식각 깊이에 따른 추출 효율을 나타내는 그래프이다.6 is a graph showing extraction efficiency according to photonic crystal etching depth.
도 7은 도 6의 결과를 2차원 표면 그래프로 나타내는 그래프이다.FIG. 7 is a graph showing the result of FIG. 6 as a two-dimensional surface graph.
도 8a 내지 도 8d는 광 추출 구조 상에 형성된 전극의 형상을 나타내는 사진이다.8A to 8D are photographs showing the shape of the electrode formed on the light extraction structure.
도 9 내지 도 15는 적색 발광 소자의 제조 단계의 일 실시예를 나타내는 단면도이다.9 to 15 are cross-sectional views illustrating one embodiment of a manufacturing step of a red light emitting device.
도 16은 적색 발광 소자의 발광면을 나타내는 사진이다.16 is a photograph showing a light emitting surface of a red light emitting device.
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