KR20100099021A - 발광 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광 소자에 관한 것이다.
실시예에 따른 발광 소자는 반사층 및 상기 반사층 상에 비금속 패턴을 포함하는 편광 유도 패턴; 상기 편광 유도 패턴 상에 제2 도전형의 반도체층; 상기 제2 도전형의 반도체층 상에 활성층; 및 상기 활성층 상에 제1 도전형의 반도체층을 포함하고, 상기 편광 유도 패턴은 제1 방향으로 연장된 라인 형태로 형성되어 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향을 따라 이격되어 복수개가 배치된다.
편광

Description

발광 소자{LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 발광 소자에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 반도체 발광 소자이다.
이러한 LED에 의해 방출되는 빛의 파장은 LED를 제조하는데 사용되는 반도체 재료에 따른다. 이는 방출된 빛의 파장이 가전자대(valence band) 전자들과 전도대(conduction band) 전자들 사이의 에너지 차를 나타내는 반도체 재료의 밴드갭(band-gap)에 따르기 때문이다.
최근 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED)는 휘도가 점차 증가하게 되어 디스플레이용 광원, 자동차용 광원 및 조명용 광원으로 사용되어 지고 있으며, 형광 물질을 이용하거나 다양한 색의 LED를 조합함으로써 효율이 우수한 백색 광을 발광하는 LED도 구현이 가능하다.
한편, LCD 디스플레이 장치는 광원의 편광을 조절하여 다양한 색상을 구현한다. 광원에서 방출된 광은 편광자를 통과하고, 상기 편광자를 통과한 광은 특정 방향의 편광 성분만 갖는다.
일반적으로, 광원은 자발 방출(spontaneous emission) 과정을 통해 방출되므로 무작위적인 편광을 가지며, 따라서, 편광자를 통과한 광원의 세기는 반으로 줄어든다. 따라서, 특정 방향의 편광 성분을 가지는 광을 생성하기 위해서는 광 손실이 불가피하다.
실시예는 발광 소자를 제공한다.
실시예는 특정 방향의 편광 성분이 많이 방출되는 발광 소자를 제공한다.
실시예에 따른 발광 소자는 반사층 및 상기 반사층 상에 비금속 패턴을 포함하는 편광 유도 패턴; 상기 편광 유도 패턴 상에 제2 도전형의 반도체층; 상기 제2 도전형의 반도체층 상에 활성층; 및 상기 활성층 상에 제1 도전형의 반도체층을 포함하고, 상기 편광 유도 패턴은 제1 방향으로 연장된 라인 형태로 형성되어 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향을 따라 이격되어 복수개가 배치된다.
실시예에 따른 발광 소자는 반사층 및 상기 반사층 상에 비금속 패턴을 포함하는 편광 유도 패턴; 상기 편광 유도 패턴 상에 제2 도전형의 반도체층; 상기 제2 도전형의 반도체층 상에 활성층; 및 상기 활성층 상에 제1 도전형의 반도체층을 포함하고, 상기 편광 유도 패턴은 제1 방향의 길이와 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향의 길이가 상이하게 형성되어 상기 제1 방향 및 제2 방향으로 복수개가 배치된다.
실시예에 따른 발광 소자는 반사층 및 상기 반사층 상에 비금속 패턴을 포함하는 편광 유도 패턴; 상기 편광 유도 패턴 상에 제2 도전형의 반도체층; 상기 제2 도전형의 반도체층 상에 활성층; 및 상기 활성층 상에 제1 도전형의 반도체층을 포함하고, 상기 편광 유도 패턴은 제1 방향 및 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 복수개가 배치되고, 상기 제1 방향을 따라 배치되는 주기와 상기 제2 방향을 따라 배치되는 주기가 서로 다르다.
실시예에 따른 발광 소자는 제2 전극층; 상기 제2 전극층 상에 형성된 반사층 및 상기 반사층 상에 형성되어 상기 반사층과 측면이 접촉되는 비금속 패턴을 포함하는 편광 유도 패턴; 상기 편광 유도 패턴 상에 제2 도전형의 반도체층; 상기 제2 도전형의 반도체층 상에 활성층; 상기 활성층 상에 제1 도전형의 반도체층; 및 상기 제1 도전형의 반도체층 상에 제1 전극층을 포함하고, 상기 편광 유도 패턴은 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향을 따라 규칙성을 갖고 배치되되, 상기 제1 방향을 따르는 규칙성과 제2 방향을 따르는 규칙성이 서로 상이하다.
실시예에 따른 발광 소자는 제2 전극층; 상기 제2 전극층 상에 형성된 반사층 및 상기 반사층 상에 형성되어 상기 반사층과 측면이 접촉되는 비금속 패턴을 포함하는 편광 유도 패턴; 상기 편광 유도 패턴 상에 제2 도전형의 반도체층; 상기 제2 도전형의 반도체층 상에 활성층; 상기 활성층 상에 제1 도전형의 반도체층; 및 상기 제1 도전형의 반도체층 상에 제1 전극층을 포함하고, 상기 편광 유도 패턴은 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향을 따라 복수개가 배치되고, 상기 제1 방향을 따라 직선상에 배치된 상기 편광 유도 패턴의 패턴 밀도와 상기 제2 방향을 따라 직선상에 배치된 상기 편광 유도 패턴의 패턴 밀도는 서로 상이하다.
실시예는 발광 소자를 제공할 수 있다.
실시예는 특정 방향의 편광 성분이 많이 방출되는 발광 소자를 제공할 수 있 다.
본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들에 따른 발광 소자에 대해 상세히 설명하도록 한다.
실시예들에서는 상기 제1 도전형의 반도체층, 활성층 및 제2 도전형의 반도체층을 포함하는 발광 반도체층과, 상기 발광 반도체층의 상측에 배치된 제1 전극층과, 상기 발광 반도체층의 하측에 배치된 제2 전극층을 포함하는 수직형 발광 소자가 예시된다.
수직형 발광 소자에서, 상기 제2 도전형의 반도체층과 상기 제2 전극층 사이에 반사율이 높은 반사층이 형성되는 경우 발광 효율이 증가되는 장점이 있다.
또한, 상기 반사층이 형성된 수직형 발광 소자에서는 상기 활성층과 상기 반사층 사이의 거리가 매우 가깝기 때문에, 상기 활성층에서 방출되는 광의 파장보다 기 활성층과 반사층 사이의 거리가 짧다.
따라서, 상기 활성층과 상기 반사층 사이의 거리를 변화시킴에 따라 양자간섭 효과가 발생되어 발광 소자의 광학적 특성이 변화될 수 있다. 예를 들어, 상기 활성층과 상기 반사층 사이의 거리가 변화됨에 따라 발광 소자에서 방출되는 광에서 다이폴 소스(Dipole source)의 감쇠율(Damping rate)이 변화된다.
도 1과 도 2는 활성층과 반사층 사이의 거리 변화에 따라 발광 소자에서 방출되는 광의 다이폴 소스(dipole source)의 진동 방향에 따른 감쇠율(Damping Rate)이 변화되는 특성을 설명하는 도면이다.
여기서, 감쇠율은 발광 소자에서 전자가 에너지를 받을 때부터 빛의 형태로 에너지를 방출할 때 까지의 시간의 역수를 의미한다. 감쇠율이 증가되는 경우 다이폴 소스가 빛을 내는 과정으로 진행할 확률이 증가되어 내부 양자 효율이 향상될 수 있다.
도 1과 도 2를 참조하면, 발광 소자에서 방출되는 광의 감쇠율은 상기 활성층과 반사층 사이의 거리(Gap Distance: D)와 발광 소자를 이루는 물질의 굴절율 및 발광 소자에서 방출되는 파장에 관계되어 변화된다.
도 1과 도 2에서 Y축은 감쇠율을 나타내고, 하단의 X축은 상기 활성층과 반사층 사이의 거리(D)를 나타내며, 상단의 X축은 상기 활성층과 반사층 사이의 거리(D)를 λ/n으로 나눈 상대적인 값을 나타낸다. 여기서, λ는 발광 소자에서 방출되는 광의 피크 파장이고, n은 발광 소자를 이루는 물질의 굴절율이다.
즉, 발광 소자를 이루는 물질의 굴절율(n)과 발광 소자에서 방출되는 광의 피크 파장(λ)이 일정하다고 가정하면, 상기 활성층과 반사층 사이의 거리(D)가 변화됨에 따라 발광 소자에서 방출되는 광의 다이폴 소스의 진동 방향에 따른 감쇠율이 변화된다.
도 1과 도 2에서는 450nm의 피크 파장(λ)을 갖는 청색광을 방출하고, 굴절율(n)이 2.46인 GaN 기반 발광 소자가 예시되어 있으며, 상단의 X축에서 1.0의 값은 하단 X축의 188.3nm(=450nm/2.46)에 대응된다.
도 1에 도시된 바와 같이, x-y 평면에 수직으로 진동하는 다이폴 소스의 경우 상기 활성층과 반사층의 거리가 짧을수록 감쇠율이 증가되고, 도 2에 도시된 바와 같이, x-y 평면에 평행하게 진동하는 다이폴 소스의 경우 특정 거리(예를 들어, 50nm)에서 감쇠율이 최대값을 나타낸다.
이와 같이, 수직형 발광 소자에서는 활성층과 반사층 사이의 거리가 발광 소자에서 방출되는 광의 파장보다 짧기 때문에, 상기 활성층과 반사층 사이의 거리 변화에 따라 광학적 특성이 변화될 수 있다.
한편, 도 1과 도 2에서는 상기 활성층과 반사층 사이의 거리(D)를 변화시킴으로써 x-y 평면에 수직으로 진동하는 다이폴 소스와 x-y 평면에 평행하게 진동하는 다이폴 소스의 감쇠율을 변화시킬 수 있는 것을 설명하였으나, 이후 설명되는 실시예에서는 제2 도전형의 반도체층과 반사층 사이에 편광 유도 패턴을 형성함으로써 상기 활성층에서 방출되는 광의 x방향으로 진동하는 다이폴 소스와 y방향으로 진동하는 다이폴 소스의 감쇠율을 변화시켜 특정 방향의 편광 성분이 우세한 광이 방출되는 것을 설명하도록 한다.
도 3은 제1 실시예에 따른 발광 소자를 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 제1 실시예에 따른 발광 소자는 제2 전극층(10)과, 상기 제2 전극층(10) 상에 형성된 반사층(20)과, 상기 반사층(20) 상에 형성된 비금속 패턴(80)과, 상기 반사층(20) 및 비금속 패턴(80) 상에 형성된 제2 도전형의 반도체층(30)과, 상기 제2 도전형의 반도체층(30) 상에 형성된 활성층(40)과, 상기 활성층(40) 상에 형성된 제1 도전형의 반도체층(50)과, 상기 제1 도전형의 반도체층(50) 상에 형성된 제1 전극층(70)을 포함한다.
또한, 상기 제1 도전형의 반도체층(50) 상에는 비전도성 반도체층(60)이 선택적으로 형성될 수도 있다.
보다 상세히 설명하면, 상기 제2 전극층(10)은 구리(Cu) 티탄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금(Au), 텅스텐(W), 또는 불순물이 주입된 반도체 기판 중 적어도 어느 하나로 형성될 수도 있고, 상기 제1 전극층(70)과 함께 상기 활성층(40)에 전원을 제공한다.
상기 반사층(20)은 부분적으로 상기 제2 도전형의 반도체층(30)과 대향할 수 있으며, 반사율이 높은 은(Ag), 은(Ag)을 포함하는 합금, 알루미늄(Al), 또는 알루미늄(Al)을 포함하는 합금 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 제2 전극층(10)과 반사층(20) 사이에는 상기 제2 전극층(10)과 반사층(20) 사이의 계면 접합력을 강화시킬 수 있도록 니켈(Ni) 또는 티탄(Ti)을 포함하는 접합 금속층이 형성될 수도 있다.
상기 비금속 패턴(80)은 상기 반사층(20)상에 형성되고, 상기 제2 도전형의 반도체층(30)의 아래에 형성된다. 상기 비금속 패턴(80)의 측면은 적어도 일부분이 상기 반사층(20)에 의해 둘러싸여 형성될 수도 있다.
상기 비금속 패턴(80)과 반사층(20)은 편광 유도 패턴(90)을 형성한다.
상기 비금속 패턴(80)은 비금속 물질로 형성되며, 굴절율이 공기보다 크고 상기 제2 도전형의 반도체층(30) 보다 작다.
상기 비금속 패턴(80)은 투명 전극으로 형성될 수 있으며, 예를 들어, ITO, ZnO, GZO, RuOx, 또는 IrOx 중 적어도 어느 하나로 형성될 수도 있다.
상기 비금속 패턴(80)이 투명 전극으로 형성되는 경우, 상기 비금속 패턴(80)을 통해 전류가 흐를 수 있으므로, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 비금속 패턴(80)이 소정 간격으로 이격되어 형성되어야만 하는 것은 아니다. 즉, 상기 비금속 패턴(80)은 상기 제2 도전형의 반도체층(30)과 반사층(20) 사이의 전체 영역에 형성될 수도 있으며, 이 경우 상기 비금속 패턴(80)의 반사층(20)에 대향하는 면에는 상기 비금속 패턴(80)과 유사한 형태로 돌출된 패턴이 형성될 수도 있다.
또한, 상기 비금속 패턴(80)은 유전체로 형성될 수 있으며, 예를 들어, SiO2, MgF2, SOG, TiO2, Al2O3 또는 Si3N4 중 적어도 어느 하나로 형성될 수도 있다. 상기 비금속 패턴(80)이 유전체로 형성되는 경우, 상기 비금속 패턴(80)을 통해 전류가 흐르지 않으므로, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 비금속 패턴(80)은 소정 간격으로 이격되어 형성된다. 즉, 이 경우 상기 제2 도전형의 반도체층(30)과 반사층(20)은 부분적으로 대향한다.
또한, 비록 도시되지는 않았지만, 상기 반사층(20)과 상기 제2 도전형의 반도체층(30) 사이에는 오믹 접촉을 위한 오믹층이 형성될 수도 있다.
상기 반사층(20)과 상기 비금속 패턴(80)은 발광 소자에서 방출되는 광이 특정 방향의 편광 성분을 많이 갖도록 하는 편광 유도 패턴(90)을 형성한다.
상기 편광 유도 패턴(90)은 상기 비금속 패턴(80)과 반사층(20)의 경계면에 형성되는 비대칭 패턴을 통해 상기 활성층(40)에서 방출되는 광의 편광을 조절한다.
즉, 실시예에 따른 발광 소자는 방출되는 광의 파장보다 짧은 범위에 편광 유도 패턴(90)을 배치함으로서, 자발 방출(spontaneous emission) 과정에 의해 특정 방향의 편광 성분이 우세한 빛이 방출되도록 한다. 이것은 무작위적인 편광을 갖는 광에 편광자를 이용하여 특정 방향의 편광 성분이 우세하도록 하는 것과 상이하다. 즉, 실시예에 따른 편광 유도 패턴(90)은 편광자를 이용하는 것과 달리 편광 선택에 의한 광 효율 감소가 발생되지 않는다.
한편, 상기 제2 도전형의 반도체층(30)은 p형 불순물이 주입된 GaN 기반 반도체층으로 형성될 수 있고, 상기 제1 도전형의 반도체층(50)은 n형 불순물이 주입된 GaN 기반 반도체층으로 형성될 수 있다. 그리고, 상기 활성층(40)은 발광층으로써, 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 구조(MQW: Multi Quantum Well), 양자 선(Quantum-Wire) 구조, 또는 양자 점(Quantum Dot) 구조 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 비전도성 반도체층(60)은 선택적으로 형성될 수 있으며, 상기 제1 도전 형의 반도체층(50) 및 제2 도전형의 반도체층(30)에 비해 전기 전도성이 현저히 낮은 반도체층을 의미한다. 예를 들어, 상기 비전도성 반도체층(60)은 Un-doped GaN층이 될 수 있다.
상술한 바와 같이, 제1 실시예에 따른 발광 소자는 제2 도전형의 반도체층(30)과 반사층(20) 사이에 투명 전극 또는 유전체로 형성된 비금속 패턴(80)을 형성하고, 상기 비금속 패턴(80)의 하면 및 측면에서 상기 반사층(20)이 배치되도록 하는 상기 편광 유도 패턴(90)을 형성한다.
도 4는 제2 실시예에 따른 발광 소자를 설명하는 도면이다. 다만, 제2 실시예를 설명함에 있어서 제1 실시예와 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
도 4를 참조하면, 제2 실시예에 따른 발광 소자는 제2 전극층(10)과, 상기 제2 전극층(10) 상에 형성된 반사층(20)과, 상기 반사층(20) 상에 돌출 패턴(31)이 형성된 제2 도전형의 반도체층(30)과, 상기 제2 도전형의 반도체층(30) 상에 형성된 활성층(40)과, 상기 활성층(40) 상에 형성된 제1 도전형의 반도체층(50)과, 상기 제1 도전형의 반도체층(50) 상에 형성된 제1 전극층(70)을 포함한다.
또한, 상기 제1 도전형의 반도체층(50) 상에는 비전도성 반도체층(60)이 선택적으로 형성될 수도 있다.
제2 실시예에 따른 발광 소자에서, 상기 제2 도전형의 반도체층(30)의 돌출 패턴(31)과 상기 반사층(20)은 편광 유도 패턴(90)을 형성한다.
상기 돌출 패턴(31)은 상기 반사층(20) 방향으로 돌출되며, 소정 간격으로 형성될 수 있다. 즉, 상기 돌출 패턴(31)은 하면 및 측면이 상기 반사층(20)과 대 향하도록 형성된다.
상기 돌출 패턴(31)은 상기 제2 도전형의 반도체층(30)을 형성한 후 선택적으로 식각하거나, 상기 제2 도전형의 반도체층(30)의 성장 조건을 조절해 상기 제2 도전형의 반도체층(30)의 표면에 거칠기를 도입하여 형성할 수도 있다. 상기 돌출 패턴(31)은 GaN 기반 반도체층으로 형성될 수 있기 때문에, 비금속 패턴의 한 종류가 된다.
상기 편광 유도 패턴(90)은 GaN 기반 반도체층으로 형성되는 제2 도전형의 반도체층(30)의 돌출 패턴(31)과, 상기 돌출 패턴(31)과 접하는 금속 거울인 반사층(20)으로 형성된다.
도 5는 제3 실시예에 따른 발광 소자를 설명하는 도면이다. 다만, 제3 실시예를 설명함에 있어서 제1 실시예와 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
도 5를 참조하면, 제3 실시예에 따른 발광 소자는 제2 전극층(10)과, 상기 제2 전극층(10) 상에 형성된 반사층(20)과, 상기 반사층(20) 상에 형성된 비금속 패턴(80)과, 상기 반사층(20) 및 비금속 패턴(80) 상에 형성된 제2 도전형의 반도체층(30)과, 상기 제2 도전형의 반도체층(30) 상에 형성된 활성층(40)과, 상기 활성층(40) 상에 형성된 제1 도전형의 반도체층(50)과, 상기 제1 도전형의 반도체층(50) 상에 형성된 제1 전극층(70)과, 상기 제1 도전형의 반도체층(50) 상에 형성된 비전도성 반도체층(60)을 포함한다.
상기 비전도성 반도체층(60)에는 기둥 또는 홀 형태의 광 결정 구조(100)가 형성된다. 실시예에서는 홀(61)이 형성된 것이 예시되어 있다.
상기 기둥 또는 홀(61)은 일정 간격으로 배치되거나 랜덤한 형태로 배치될 수 있으며, 상기 발광 소자에서 방출되는 광의 추출 효율을 향상시킨다.
한편, 제3 실시예에서는 상기 비전도성 반도체층(60) 상에 광 결정 구조(100)가 형성된 것이 예시되어 있으나, 제2 실시예에 따른 발광 소자에서도 동일하게 적용될 수 있다.
또한, 상기 비전도성 반도체층(60)을 제거하고 상기 제1 도전형의 반도체층(50) 상에 상기 광 결정 구조(100)를 형성하는 것도 가능하다. 이것은 제2 실시예의 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 6 내지 도 8은 실시예들에 따른 발광 소자에서 편광 유도 패턴을 예시한 도면이다.
도 6 내지 도 8에 도시된 편광 유도 패턴(90)은 x-y 평면 상에서의 형태가 도시된 것으로, 도 4 내지 도 6에 도시된 편광 유도 패턴(90)을 상측 방향에서 바라본 도면이다. 다만, 도 6 내지 도 8에 도시된 편광 유도 패턴(90)은 단지 예시일 뿐, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
또한, 도 6 내지 도 8에서는 제1 실시예에서 설명한 바와 같이 상기 반사층(20) 상에 비금속 패턴(80)이 형성된 것이 예시되어 있으나, 제2 실시예에서 설명한 바와 같이 상기 반사층(20) 상에 돌출 패턴(31)이 형성된 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.
또한, 도 6 내지 도 8의 편광 유도 패턴(90)의 평면 상에서의 형태에서, 상기 반사층(20) 상에 부분적으로 이격되어 비금속 패턴(80)이 형성된 것이 예시되어 있으나, 상기 비금속 패턴(80) 상에 부분적으로 이격되어 상기 반사층(20)이 형성되는 것도 가능하다. 따라서, 이러한 경우에 상기 비금속 패턴(80)의 주기 또는 너비는 상기 반사층(20)의 주기 또는 너비로 대체될 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 편광 유도 패턴(90)은 상기 반사층(20) 상에 상기 비금속 패턴(80)이 라인 형태로 형성된다.
상기 비금속 패턴(80)은 제1 방향으로 형성된 라인 형태로 일정 간격 이격되어 복수개가 형성된다. 상기 비금속 패턴(80)은 제1 방향을 따라 연장되며, 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향을 따라 일정 간격 이격되어 배치된다.
예를 들어, 상기 비금속 패턴(80)은 y 방향으로 연장된 라인 형태로써, x 방향을 따라 이격되어 복수개가 배치될 수 있다.
즉, 상기 비금속 패턴(80)은 x 방향으로는 주기성이 존재하나, y 방향으로는 주기성이 존재하지 않는다.
도 7을 참조하면, 상기 편광 유도 패턴(90)은 상기 반사층(20) 상에 제1 방향과, 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향의 길이가 다른 비금속 패턴(80)이 형성된다.
예를 들어, 상기 비금속 패턴(80)은 y 방향의 길이(ry)가 x 방향의 길이(rx)보다 크게 형성된다. 즉, 상기 비금속 패턴(80)은 y 방향의 길이가 긴 타원 형태로 형성될 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 편광 유도 패턴(90)은 상기 반사층(20) 상에 제1 방향과, 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 각각 상이한 주기, 즉 상이한 간격으 로 비금속 패턴(80)이 배치된다.
예를 들어, 상기 비금속 패턴(80)은 원형 형태로 형성되며, x 방향의 주기(ax)가 y 방향의 주기(ay)보다 작게 형성될 수 있다.
즉, 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같은 편광 유도 패턴(90)에서, 상기 비금속 패턴(80)은 제1 방향 및 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향을 따라 배치되며, 상기 제1 방향 또는 제2 방향으로 연장된 라인 형태로 형성되거나, 주기 또는 크기가 상기 제1 방향과 제2 방향에 대해 서로 상이하게 형성된다.
또한, 상기 편광 유도 패턴(90)에서 제1 방향으로 일렬로 배치되는 상기 비금속 패턴들(80)의 패턴 밀도와, 상기 제2 방향으로 일렬로 배치되는 상기 비금속 패턴들(80)의 패턴 밀도는 서로 상이할 수도 있다.
또한, 상기 편광 유도 패턴(90)에서 제1 방향으로 일렬로 배치된 비금속 패턴들(80)의 패턴 밀도는 제2 방향을 따라 일정 간격 이격되어 상기 제1 방향으로 일렬로 배치된 비금속 패턴들(80)의 패턴 밀도는 서로 동일하게 형성될 수도 있다.
또한, 상기 편광 유도 패턴(90)에서 상기 비금속 패턴(80)은 제1 방향 및 제2 방향으로 일정한 규칙성을 가지며 형성되되, 상기 제1 방향의 규칙성과 제2 방향의 규칙성은 서로 상이하게 형성될 수도 있다.
도 9는 실시예들에 따른 발광 소자에서 편광 유도 패턴에 의해 방출되는 광의 편광 비율을 시뮬레이션하기 위한 구조이고, 도 10은 실시예들에 따른 발광 소자에서 편광 유도 패턴에 의해 방출되는 광의 편광 비율을 시뮬레이션한 결과를 설명하는 도면이다.
도 9와 도 10을 참조하면, 은(Ag)으로 형성된 반사 거울(21) 상에 ITO로 형성된 100nm 두께를 가진 라인 형태의 투명전극 패턴(81)을 형성하고, 상기 투명전극 패턴(81) 및 반사 거울(21) 상에 GaN 물질로 형성된 발광층(111)을 형성하였다. 그리고, 상기 투명전극 패턴(81)은 주기(a)를 200nm로 설정하였다.
상기 발광층(111)에는 60nm 두께의 p-GaN층을 사이에 두고 다중 양자 우물구조들(MQWs)이 배치된 것을 가정하였다. 그리고, 상기와 같은 시뮬레이션 구조에서 x 방향으로 진동하는 다이폴 소스 및 y 방향으로 진동하는 다이폴 소스를 각각 인가했을 때, 총 방사량을 상측 방향(z 방향)에서 측정(Detect) 하였다. 이때, 총 방사량은 자발 방출율(spontaneous emission rate)에 해당한다.
시뮬레이션 결과, 투명전극 패턴(81)이 연장되는 방향과 평행한 x 방향으로 진동하는 다이폴 소스에 의한 총 방사량이 y 방향으로 진동하는 다이폴 소스에 의한 총 방사량보다 1.8배 이상 많았다. 따라서, 이와 같은 결과를 통해 실시예들에 따른 발광 소자에서는 특정 방향의 편광 성분이 우세한 광이 방출될 수 있음을 알 수 있다.
도 11은 실시예에 따른 발광 소자에서 편광 유도 패턴의 주기, 너비 및 높이를 설명하기 위한 도면이고, 도 12는 실시예에 따른 발광 소자에서 편광 유도 패턴의 주기에 따른 편광 비율을 예시적으로 설명하는 도면이고, 도 13은 실시예에 따른 발광 소자에서 편광 유도 패턴의 너비에 따른 편광 비율을 예시적으로 설명하는 도면이고, 도 14는 실시예에 따른 발광 소자에서 편광 유도 패턴의 제2 도전형의 반도체층의 두께에 따른 편광 비율을 예시적으로 설명하는 도면이다.
도 11을 참조하면, 편광 유도 패턴에서 주기는 반사층(20)에서 돌출된 패턴들의 중심과 중심 사이의 거리를 말하고, 너비는 비금속 패턴(80)의 양끝 사이의 거리를 말하며, 높이는 비금속 패턴(80)의 두께를 말한다.
도 12를 참조하면, 제2 도전형의 반도체층의 두께가 60nm이고, 비금속 패턴의 높이가 100nm이며, 비금속 패턴의 너비가 70nm인 편광 유도 패턴에서, 비금속 패턴의 주기(a)가 150nm-600nm인 경우, 편광 조절 효과가 우수한 것을 알 수 있다. 여기서, 비율(Ratio)이 1이라는 것은 편광 조절 효과가 없는 것을 의미한다.
예를 들어, 발광 소자의 발광층에서 방출되는 광의 파장을 λ라고 하고, 발광층을 이루는 물질의 굴절율을 n이라고 할 때, 상기 비금속 패턴의 주기(a)는 0.75λ/n 내지 5λ/n 에서 선택될 수 있다.
도 13을 참조하면, 제2 도전형의 반도체층의 두께가 60nm이고, 비금속 패턴의 높이가 100nm이며, 비금속 패턴의 주기가 300nm인 편광 유도 패턴에서, 비금속 패턴의 너비가 0.4a 내지 0.9a인 경우, 편광 조절 효과가 우수한 것을 알 수 있다. 여기서, a는 비금속 패턴의 주기를 의미한다.
도 14를 참조하면, 비금속 패턴의 높이가 100nm이고, 비금속 패턴의 너비가 60nm이며, 비금속 패턴의 주기가 300nm인 편광 유도 패턴에서, 제2 도전형의 반도체층의 두께가 변화됨에 따라 편광 조절 효과가 변화되는 것을 알 수 있다. 편광 조절 효과의 변화 주기는 λ/2n이고, 편광 조절 효과가 우수한 제2 도전형의 반도체층의 두께는 0.75mλ/2n 내지 1.25mλ/2n인 것을 알 수 있다. 여기서, m은 자연수를 의미한다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1과 도 2는 활성층과 반사층 사이의 거리 변화에 따라 발광 소자에서 방출되는 광의 다이폴 소스(dipole source)의 진동 방향에 따른 감쇠율(Damping Rate)의 변화를 설명하는 도면.
도 3은 제1 실시예에 따른 발광 소자를 설명하는 도면.
도 4는 제2 실시예에 따른 발광 소자를 설명하는 도면.
도 5는 제3 실시예에 따른 발광 소자를 설명하는 도면.
도 6 내지 도 8는 실시예들에 따른 발광 소자에서 편광 유도 패턴을 예시한 도면.
도 9은 실시예들에 따른 발광 소자에서 편광 유도 패턴에 의해 방출되는 광의 편광 비율을 시뮬레이션하기 위한 구조.
도 10은 실시예들에 따른 발광 소자에서 편광 유도 패턴에 의해 방출되는 광의 편광 비율을 시뮬레이션한 결과를 설명하는 도면.
도 11는 실시예에 따른 발광 소자에서 편광 유도 패턴의 주기, 너비 및 높이를 설명하기 위한 도면.
도 12은 실시예에 따른 발광 소자에서 편광 유도 패턴의 주기에 따른 편광 비율을 예시적으로 설명하는 도면.
도 13는 실시예에 따른 발광 소자에서 편광 유도 패턴의 너비에 따른 편광 비율을 예시적으로 설명하는 도면.
도 14는 실시예에 따른 발광 소자에서 편광 유도 패턴의 제2 도전형의 반도 체층의 두께에 따른 편광 비율을 예시적으로 설명하는 도면.

Claims (25)

  1. 반사층 및 상기 반사층 상에 비금속 패턴을 포함하는 편광 유도 패턴;
    상기 편광 유도 패턴 상에 제2 도전형의 반도체층;
    상기 제2 도전형의 반도체층 상에 활성층; 및
    상기 활성층 상에 제1 도전형의 반도체층을 포함하고,
    상기 편광 유도 패턴은 제1 방향으로 연장된 라인 형태로 형성되어 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향을 따라 이격되어 복수개가 배치되는 발광 소자.
  2. 반사층 및 상기 반사층 상에 비금속 패턴을 포함하는 편광 유도 패턴;
    상기 편광 유도 패턴 상에 제2 도전형의 반도체층;
    상기 제2 도전형의 반도체층 상에 활성층; 및
    상기 활성층 상에 제1 도전형의 반도체층을 포함하고,
    상기 편광 유도 패턴은 제1 방향의 길이와 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향의 길이가 상이하게 형성되어 상기 제1 방향 및 제2 방향으로 복수개가 배치되는 발광 소자.
  3. 반사층 및 상기 반사층 상에 비금속 패턴을 포함하는 편광 유도 패턴;
    상기 편광 유도 패턴 상에 제2 도전형의 반도체층;
    상기 제2 도전형의 반도체층 상에 활성층; 및
    상기 활성층 상에 제1 도전형의 반도체층을 포함하고,
    상기 편광 유도 패턴은 제1 방향 및 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 복수개가 배치되고, 상기 제1 방향을 따라 배치되는 주기와 상기 제2 방향을 따라 배치되는 주기가 서로 다른 발광 소자.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사층 아래에 제2 전극층 및 상기 제1 도전형의 반도체층 상에 제1 전극층을 포함하는 발광 소자.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 도전형의 반도체층 상에 비전도성 반도체층을 포함하는 발광 소자.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 비전도성 반도체층에 기둥 또는 홀 형태의 광 결정 구조를 포함하는 발광 소자.
  7. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 도전형의 반도체층에 기둥 또는 홀 형태의 광 결정 구조를 포함하는 발광 소자.
  8. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비금속 패턴의 하면 및 측면은 상기 반사층과 대향하는 발광 소자.
  9. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사층은 은(Ag), 은(Ag)을 포함하는 합금, 알루미늄(Al), 또는 알루미늄(Al)을 포함하는 합금 중 적어도 어느 하나로 형성되는 발광 소자.
  10. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비금속 패턴은 투명 전극으로 형성되는 발광 소자.
  11. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비금속 패턴은 유전체로 형성된 발광 소자.
  12. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비금속 패턴은 상기 제2 도전형의 반도체층의 돌출 패턴인 발광 소자.
  13. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비금속 패턴의 상면은 상기 반사층의 상면에 의해 이격되어 배치되는 발광 소자.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 비금속 패턴의 주기는 0.75λ/n 내지 5λ/n인 발광 소자.
    (여기서, λ는 발광 소자의 발광 반도체층에서 방출되는 광의 파장이고, n은 발광 반도체층을 이루는 물질의 굴절율)
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 비금속 패턴의 주기는 150-600nm인 발광 소자.
  16. 제 13항에 있어서,
    상기 비금속 패턴의 너비는 0.4a 내지 0.9a인 발광 소자.
    (여기서, a는 비금속 패턴의 주기)
  17. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사층의 상면은 상기 비금속 패턴의 상면에 의해 이격되어 배치되는 발광 소자.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 반사층의 주기는 0.75λ/n 내지 5λ/n인 발광 소자.
    (여기서, λ는 발광 소자의 발광 반도체층에서 방출되는 광의 파장이고, n은 발광 반도체층을 이루는 물질의 굴절율)
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 반사층의 주기는 150-600nm인 발광 소자.
  20. 제 17항에 있어서,
    상기 반사층의 너비는 0.4a 내지 0.9a인 발광 소자.
    (여기서, a는 반사층의 주기)
  21. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 도전형의 반도체층의 두께는 0.75mλ/2n 내지 1.25mλ/2n인 발광 소자.
    (여기서, λ는 발광 소자의 발광 반도체층에서 방출되는 광의 파장이고, n은 발광 반도체층을 이루는 물질의 굴절율, m은 자연수)
  22. 제2 전극층;
    상기 제2 전극층 상에 형성된 반사층 및 상기 반사층 상에 형성되어 상기 반사층과 측면이 접촉되는 비금속 패턴을 포함하는 편광 유도 패턴;
    상기 편광 유도 패턴 상에 제2 도전형의 반도체층;
    상기 제2 도전형의 반도체층 상에 활성층;
    상기 활성층 상에 제1 도전형의 반도체층; 및
    상기 제1 도전형의 반도체층 상에 제1 전극층을 포함하고,
    상기 편광 유도 패턴은 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향을 따라 규칙성을 갖고 배치되되, 상기 제1 방향을 따르는 규칙성과 제2 방향을 따르는 규칙성이 서로 상이한 발광 소자.
  23. 제2 전극층;
    상기 제2 전극층 상에 형성된 반사층 및 상기 반사층 상에 형성되어 상기 반사층과 측면이 접촉되는 비금속 패턴을 포함하는 편광 유도 패턴;
    상기 편광 유도 패턴 상에 제2 도전형의 반도체층;
    상기 제2 도전형의 반도체층 상에 활성층;
    상기 활성층 상에 제1 도전형의 반도체층; 및
    상기 제1 도전형의 반도체층 상에 제1 전극층을 포함하고,
    상기 편광 유도 패턴은 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향을 따라 복수개가 배치되고, 상기 제1 방향을 따라 직선상에 배치된 상기 편광 유도 패턴의 패턴 밀도와 상기 제2 방향을 따라 직선상에 배치된 상기 편광 유도 패턴의 패턴 밀도는 서로 상이한 발광 소자.
  24. 제 22항 또는 제 23항에 있어서,
    상기 비금속 패턴의 상면은 상기 반사층의 상면에 의해 이격되어 배치되고,
    상기 비금속 패턴의 주기는 0.75λ/n 내지 5λ/n이고,
    상기 비금속 패턴의 너비는 0.4a 내지 0.9a이며,
    상기 제2 도전형의 반도체층의 두께는 0.75mλ/2n 내지 1.25mλ/2n인 발광 소자.
    (여기서, λ는 발광 소자의 발광 반도체층에서 방출되는 광의 파장이고, n은 발광 반도체층을 이루는 물질의 굴절율, m은 자연수, a는 비금속 패턴의 주기)
  25. 제 22항 또는 제 23항에 있어서,
    상기 반사층의 상면은 상기 비금속 패턴의 상면에 의해 이격되어 배치되고,
    상기 반사층의 주기는 0.75λ/n 내지 5λ/n이고,
    상기 반사층의 너비는 0.4a 내지 0.9a이며,
    상기 제2 도전형의 반도체층의 두께는 0.75mλ/2n 내지 1.25mλ/2n인 발광 소자.
    (여기서, λ는 발광 소자의 발광 반도체층에서 방출되는 광의 파장이고, n은 발광 반도체층을 이루는 물질의 굴절율, m은 자연수, a는 반사층의 주기)
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