KR20120091460A - 복사 방출 반도체 소자 - Google Patents
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Abstract
반도체 몸체(1)를 구비한 복사 방출 반도체 소자가 제공되며, 반도체 몸체는 활성층(3)을 포함하고, 활성층은 구동 시 제1파장(λ1)의 전자기 복사를 주 복사 방향(13)으로 방출한다. 반도체 소자는 발광변환층(5)을 구비하고, 발광변환층은 방출된 복사의 적어도 일부를 제1파장(λ1)보다 더 큰 제2파장(λ2)의 복사로 변환한다. 활성층(3) 이후에 주 복사 방향(13)에서, 복사 아웃커플링, 색 혼합 및/또는 방출된 복사의 각도 종속성을 개선하기 위한 기능층(6)이 이어지며, 이 때 기능층(6)은 유리, 세라믹, 유리세라믹 또는 사파이어를 함유한다.
Description
본 발명은 복사 방출 반도체 소자, 특히 발광변환층(luminescence conversion layer)을 구비한 LED에 관한 것이다.
본 특허 출원은 독일 특허 출원 10 2009 059 878.2, 10 2010 005 169.1의 우선권을 청구하고, 그 공개 내용은 참조로 포함된다.
발광변환 원리를 기초로 하는 LED는, 발광변환층이 복사 방출 반도체칩상에 올려지고 이러한 발광변환층이 반도체칩으로부터 방출된 제1파장의 복사의 일부를 제1파장보다 더 큰 제2파장의 복사로 변환함으로써, 제조될 수 있다. 발광변환층은 예컨대 발광변환재료를 포함할 수 있고, 발광변환재료는 반도체칩으로부터 방출된 자외광 또는 청색광을 적어도 부분적으로 황색광으로 변환하여, 방출된 자외복사 또는 청색 복사와 변환된 황색 복사의 중첩에 의하여 백색의 혼합광이 나타난다.
발광변환 원리에 기초를 둔 LED 및 적합한 발광변환재료는 예컨대 문헌 WO 97/50132에 공지되어 있다.
발광변환재료는 통상적으로 예컨대 에폭시 수지 또는 실리콘과 같은 유기 물질내에 편입되어 있고, 이 때 발광변환층은 포팅 컴파운드(potting compound)로서 반도체칩상에 올려진다.
발광변환 원리를 기초로 하는 LED에서는, 색 위치에 있어 원하지 않는 각도 종속성이 발생할 수 있다. 이러한 점은, 큰 출사각으로 방출된 복사가 발광변환층에 의해 더 긴 경로를 지나고, 따라서 방출된 자외복사 또는 청색 복사의 더 많은 비율이 황색광으로 변환된다는 점에 기인한다.
그 외 특정한 응용물을 위해 원하지 않는 효과는, 발광변환층이 LED의 전원차단된 상태에서 원하지 않는 황색의 색인상을 제공한다는 것이다.
본 발명의 기초가 되는 과제는, 발광변환층을 구비한 복사 방출 반도체 소자를 제공하는 것으로, 반도체 소자는 개선된 복사 아웃커플링, 개선된 색 혼합 및/또는 방출된 복사의 방향성을 특징으로 한다.
상기 과제는 제1항의 특징들을 포함한 복사 방출 반도체 소자에 의하여 해결된다. 본 발명의 유리한 형성 방식 및 발전방식은 종속 청구항들의 주제이다.
적어도 일 실시형태에 따르면, 복사 방출 반도체 소자는 반도체 몸체를 포함하고, 반도체 몸체는 활성층을 포함하며, 활성층은 구동 시 제1파장(λ1)의 전자기 복사를 주 복사 방향으로 방출한다. 복사 방출 반도체 소자는 특히 LED일 수 있다. 활성층은 예컨대 pn접합, 이중이종구조, 단일양자우물구조 또는 다중양자우물구조로서 형성될 수 있다. 양자우물구조란 명칭은 전하캐리어가 속박(confinement)에 의해 에너지 상태의 양자화를 경험하는 모든 구조를 포괄한다. 특히 양자우물구조란 명칭은 양자화의 차원성에 대한 정보를 포함하지 않는다. 상기 명칭은 특히 양자상자, 양자선, 양자점 및 이러한 구조의 모든 조합을 포괄한다.
반도체 몸체는 특히 질화물 화합물 반도체계일 수 있다. 이러한 맥락에서 "질화물 화합물 반도체계"란, 반도체 층시퀀스 또는 상기 층시퀀스의 적어도 하나의 층이 III-질화물-화합물 반도체 물질, 바람직하게는 InxAlyGa1 -x- yN을 포함하고 이 때 0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1인 것을 의미한다. 이 때 상기 물질이 반드시 수학적으로 상기 수식에 따라 정확한 조성을 가질 필요는 없다. 오히려, 하나 이상의 도펀트 및 부가적 성분을 포함할 수 있고, 이러한 성분은 InxAlyGa1 -x- yN 물질의 특징적인 물리적 성질을 실질적으로 변경하지 않는다. 그러나 상기 수식은 결정 격자의 핵심 성분(In, Al, Ga, N)만은, 이러한 성분이 부분적으로 미량의 다른 재료로 대체될 수 있다고 하더라도, 포함하는 것이 간단하다.
반도체 몸체의 활성층은 반도체 소자의 구동 시 바람직하게는 자외 복사 또는 청색 복사를 방출한다.
또한, 복사 방출 반도체 소자는 발광변환층을 포함하고, 발광변환층은 제1파장(λ1)의 방출된 복사의 적어도 일부를 상기 제1파장(λ1)보다 더 큰 제2파장(λ2)의 복사로 변환한다. 발광변환층은 특히, 청색광 또는 자외광을 적어도 부분적으로 황색광으로 변환하기에 적합한 발광변환재료를 포함할 수 있다. 적합한 발광변환재료는 예컨대, 도입부에 언급한 문헌 WO 97/50132으로부터 공지되어 있고, 상기 문헌의 내용을 이와 관련하여 참조로 포함된다. 발광변환층은 적어도 하나의 부가적 발광변환재료를 포함할 수 있고, 부가적 발광변환재료는 활성층으로부터 방출된 복사를 적어도 하나의 부가적 파장의 복사로 변환한다. 복수 개의 변환재료들은 특히, 예컨대 온백색광의 생성을 위해 혼합복사의 색위치를 목적에 맞게 조절하기 위해 투입될 수 있다.
또한, 복사 방출 반도체 소자는 복사 아웃커플링, 색 혼합 및/또는 방출된 복사의 각도 종속성을 개선하기 위한 기능층을 포함한다. 기능층은 주 복사 방향에서 활성층 다음에 후속하며, 바람직하게는 유리, 세라믹, 유리세라믹 또는 사파이어를 포함한다. 이러한 물질들 중 하나의 물질로 이루어진 기능층은 특히 자기 지지형(self-supporting) 층일 수 있고, 상기 층은 유리하게는 부가적 층들을 위해 기계적으로 안정적인 캐리어(carrier)로서 역할할 수 있다. 바람직하게는, 기능층은 형태 안정적인 층이고, 이러한 층은 유리하게는 반도체 몸체와 무관하게 제조 및 구조화될 수 있어서, 차후에 반도체 몸체 및/또는 발광변환층과 연결된다.
바람직하게는, 기능층은 주 복사 방향에서 발광변환층 이후에 후속한다. 특히, 기능층은 발광변환층에 직접 접할 수 있다. 바람직하게는, 기능층은 복사 방출 반도체 소자의 복사 아웃커플링면을 포함하고, 즉 기능층은 유리하게도, 주 복사 방향에서 볼 때 복사 방출 반도체 소자의 최외부층이다.
바람직한 실시형태에 따르면, 발광변환층은 굴절률(n1)을 가지고, 기능층은 굴절률(n2)을 가지고, 이 때 n2 ≤ n1 이 적용된다.
일 형성방식에서, 기능층의 굴절률(n2)은 발광변환층의 굴절률(n1)에 정합된다. 이 경우, 굴절률들(n1, n2)은 동일하거나, 서로간 근소한 정도로만 상이한데, 유리하게는 Δn = │n2 - n1│≤ 0.3 만큼, 바람직하게는 Δn = ≤ 0.1 만큼이다. 더욱 바람직하게는, 0 ≤ Δn ≤ 0.1일 때 n2 = n1 - Δn 이며, 즉 n2는 n1과 동일하거나 근소하게 더 작다.
이러한 방식으로, 유리하게는, 방출된 복사가 발광변환층으로부터 이후의 기능층으로 넘어갈 때 반사 손실이 방지된다. 이러한 점은 특히, 기능층이 발광변환층과 다른 방향을 향해있는 표면에서 복사 아웃커플링의 개선을 위한 표면 구조를 가질 때, 유리하다. 이 경우, 기능층의 굴절률이 발광변환층의 굴절률에 정합됨으로써 발광변환층과 기능층 사이의 경계면에서 반사손실이 최소화되는 반면, 기능층과 주변 매질 사이의 경계면에서의 반사손실은 기능층의 표면 구조화에 의해 감소된다.
대안적 형성방식에서, 기능층의 굴절률(n2)은 발광변환층의 굴절률(n1)보다 더 낮다. 이 경우, 기능층과 주변 매질 사이의 경계면에서의 반사 손실은, 발광변환층의 굴절률이 특히 공기와 같은 주변 매질의 굴절률로 직접적으로 넘어가는 경우라고 하더라도, 유리하게도 더 낮다.
또한, 기능층은 2개 이상의 부분층들을 포함할 수 있고, 이 때 부분층들의 굴절률은 주 복사 방향에서 부분층별로 가면서 감소한다. 또한, 기능층이 주 복사 방향에서 연속적으로 달라지는 물질 조성을 포함하여, 기능층이 굴절률 구배를 포함하고, 이러한 굴절률 구배에서 굴절률은 주 복사 방향에서 연속적으로 감소하는 것을 고려할 수 있다. 이러한 형성방식에서, 굴절률의 비약적 변화에 의한 반사 손실이 감소하며, 따라서 복사 방출 반도체 소자의 아웃커플링효율이 개선된다.
바람직한 실시형태에서, 발광변환층은 세라믹을 포함한다. 세라믹은 특히 YAG:Ce 또는 LuAG:Ce를 가리킬 수 있다. 또한, Eu 도핑된 질화물 또는 질산화물이 적합하다. 또는, 발광변환층은 발광변환재료가 편입되어 있는 유리 또는 유리세라믹을 포함할 수 있다.
기능층을 위한 적합한 세라믹은 특히 알루미늄산화물(n2 = 1.76 - 1.77), 알루미늄질산화물(n2 = 1.77 - 1.80), 마그네슘 알루미늄 스피넬(n2 = 1.73), 규소이산화물(n2 = 1.46) 또는 규소질산화물(n2 = 1.47)이다. 기능층을 위한 적합한 유리는 특히 석영유리(n2 = 1.46), 비정질 게르마늄산화물(GeO2, n2 = 1.61), 소다석회 유리(n2 = 1.52), 규산염유리(n2 = 1.50) 또는 붕규산염유리(n2 = 1.47)이다. 열거한 세라믹 및 유리는 각각, 예컨대 발광변환층을 위해 적합한 세라믹 YAG:Ce(n1 = 1.81)의 굴절률과 거의 동일하거나 더 낮은 굴절률을 가진다. 유리는 스핀온 유리(spin-on glass)를 가리킬 수 있다. 세라믹 및 유리 외에 기능층을 위해 유리 세라믹도 적합하다.
발광변환층 및 기능층은 특히 상호간 용융 및/또는 소결에 의해 결합될 수 있다. 이 경우, 결합은 유리하게도 부착 증진제 없이 이루어지며, 즉 기능층과 발광변환층 사이에 유리하게도 예컨대 접착제층과 같은 결합층이 배치되지 않는다. 발광변환층과 기능층 사이에 배치된 접착제층의 경우에 발생할 수 있는, 반사 또는 산란에 의한 복사 손실은 이러한 방식으로 방지된다.
대안적으로, 발광변환층 및 기능층은 화학적 결합에 의해, 특히 예컨대 실리콘 또는 다른 투명한 캐스팅 수지와 같은 투명 물질로 이루어진 결합층을 이용하여 상호간에 결합할 수 있다. 이러한 방식으로, 예컨대 발광변환층은 반도체 몸체와 결합할 수 있다.
바람직한 실시형태에 따르면, 기능층은 표면 구조화를 포함한다. 표면 구조화는 유리하게는, 발광변환층과 다른 방향을 향해있는 기능층의 표면에 형성되며, 상기 표면은 특히 복사 방출 반도체 소자의 복사 출사면을 나타낸다. 표면 구조화에 의해 특히, 기능층과 주변매질 사이의 경계면에서 반사 손실이 줄어들 수 있어서, 복사 아웃커플링 및 복사 방출 반도체 소자의 효율이 개선된다.
바람직하게는, 표면 구조화의 깊이는 100 nm 내지 10 ㎛이다. 예컨대, 기능층의 표면에 리세스가 형성될 수 있고, 리세스는 바람직하게는 100 nm 내지 10 ㎛의 기능층안으로까지 더 연장된다.
바람직한 변형예에서, 표면 구조화는 주기적 구조를 포함한다. 주기적 구조는 1차원 또는 2차원 주기성을 포함할 수 있고, 한편 3차원 구조도 가능하다. 특히, 주기적 구조는 방출된 복사의 파장의 자릿수를 가진 주기(d)를 포함할 수 있다. 주기적 구조는 이 경우 소위 광자 결정을 형성한다.
더욱 유리하게는, 주기적 구조가 주기(d)를 가지고, 기능층이 굴절률(n2)을 가지며, 이 때 π/λ2 < G < n2 2π/λ2가 적용된다. 이 때 λ2는 변환된 복사의 파장이고, 1차원 격자 구조의 경우 G = 2π/d 이고, 2차원 격자 구조, 특히 육각형 격자 구조의 경우 G = 4π/√3d 이다.
주기적 구조의 주기(d)의 수를 이와 같이 선택하면 기능층의 표면에 대해 수직인 주 복사 방향에서 지향적 방출이 달성될 수 있음이 확인되었다. 표면 구조화는 대안적으로 거칠기화일 수 있다. 이 경우, 표면 구조화는 비주기적 구조를 포함한다. 표면 구조화는 이 경우 특히 식각 공정에 의하여 생성될 수 있다.
부가적 바람직한 실시형태에서, 기능층은 산란입자 또는 기공(pores)을 포함한다.
기능층내에서 산란 입자 또는 기공에서의 광 산란에 의하여, 반도체 몸체로부터 방출된 복사와 변환 재료로부터 방출된 복사 사이의 색 혼합은 개선되고, 이러한 방식으로 특히 색 위치의 각도 종속성이 감소한다.
발광변환층 자체는 유리하게도 산란 입자를 포함하지 않는다. 광 산란을 원하는 경우, 산란 입자 및/또는 광 산란 구조는 바람직하게는 기능층 내에만 배치되거나 형성되어 있다. 이러한 점은, 발광변환층 내에서 발광 변환의 효율이 산란 입자에 의해 저하되지 않는다는 이점이 있다.
유리한 형성방식에서, 기능층은 2개 이상의 부분층들을 포함할 수 있고, 이 때 부분층들의 산란 입자 또는 기공의 농도는 주 복사 방향에서 부분층별로 가면서 감소한다. 또한, 기능층은, 주 복사 방향에서 연속적으로 감소하는 산란 입자 또는 기공의 농도를 포함하는 것을 고려할 수 있다.
부가적 실시형태에서, 기능층은 발광변환층의 부분층이다. 이 경우, 기능층은 바람직하게는 활성층과 다른 방향을 향해있는 발광변환층의 표면에 형성되어 있다. 특히, 활성층과 다른 방향을 향해있는 발광변환층의 표면은 앞서 설명한 표면 구조화를 갖출 수 있다. 앞서 설명한 변형예, 즉 기능층이 발광변환층과 상이한 별도의 층인 변형예와 달리, 기능층이 발광변환층의 표면에 형성되면 2개의 별도 요소들이 상호간에 결합되지 않아도 된다는 이점이 있다.
반면, 발광변환층과 상이한 기능층은, 상기 기능층을 위해서는 발광변환층을 위한 것과 다른 물질이 선택될 수 있어서, 특히 기능층의 굴절률과 같은 물질 파라미터가 목적에 맞추어 선택될 수 있다는 이점이 있다.
이하, 본 발명은 실시예들에 의거하여 도 1 내지 도 13와 관련하여 더 상세히 설명된다.
도 1은 제1실시예에 따른 복사 방출 반도체 소자의 횡단면을 개략도로 도시한다.
도 2는 부가적 실시예에서 기능층의 횡단면을 개략도로 도시한다.
도 3은 부가적 실시예에서 기능층의 횡단면을 개략도로 도시한다.
도 4 내지 도 13은 부가적 실시예들에 따른 복사 방출 반도체 소자의 횡단면을 개략도로 각각 도시한다.
도 2는 부가적 실시예에서 기능층의 횡단면을 개략도로 도시한다.
도 3은 부가적 실시예에서 기능층의 횡단면을 개략도로 도시한다.
도 4 내지 도 13은 부가적 실시예들에 따른 복사 방출 반도체 소자의 횡단면을 개략도로 각각 도시한다.
동일하거나 동일한 효과를 가진 구성요소는 도면에서 동일한 참조번호를 가진다. 구성요소들의 크기 및 구성요소들 상호간의 크기비는 척도에 맞는 것으로 볼 수 없다.
도 1에 도시된 복사 방출 반도체 소자의 실시예는 반도체 몸체(1)를 포함하고, 반도체 몸체는 복사 방출 활성층(3)을 포함한다. 활성층(3)은 특히 pn 접합, 단일- 또는 다중양자우물 구조를 가리킬 수 있다. 활성층은 특히 자외 스펙트럼 영역 또는 청색 스펙트럼 영역에서 복사를 방출할 수 있다. 특히, 활성층은 질화물 화합물 반도체 물질로 구성될 수 있다. 활성층은 예컨대 p형 반도체 영역(2)과 n형 반도체 영역(4) 사이에 배치되어 있다.
반도체 몸체(1)는 소위 박막 반도체 몸체를 가리키며, 박막 반도체 몸체에서는 반도체층들(2, 3, 4)의 성장을 위해 사용된 성장 기판이 반도체 몸체(1)로부터 분리되어 있다. 최초의 성장 기판에 대향된 측에서 반도체 몸체(1)는 캐리어 몸체(10)와 결합하고 있다.
반도체 몸체(1)와 캐리어 몸체(10) 사이에 바람직하게는 거울층(9)이 배치되어 있고, 거울층은 동시에 반도체 몸체(1)의 전기 접촉을 위해 역할할 수 있다. 거울층(9)은 특히 Ag 또는 Al을 함유할 수 있다. 부가적 전기 접촉층(미도시)은 예컨대 캐리어 몸체(10)와 다른 방향을 향해 있는 반도체 몸체(1)의 표면(12)의 일부 영역상에 올려져 있을 수 있다. 캐리어 몸체(10)와 반도체 몸체(1) 사이에 부가적 층들(미도시)이 더 배치될 수 있고, 특히 반도체 몸체(1)와 캐리어 몸체(10)의 결합을 위한 땜납층이 배치될 수 있다.
캐리어 몸체(10)와 다른 방향을 향해있는 반도체 몸체(1)의 표면(12)은 유리하게도 반도체 몸체(1)로부터의 복사 아웃커플링을 개선하기 위한 표면 구조화를 포함한다.
반도체 몸체(1)의 활성층(3)으로부터 전자기 복사는 주 복사 방향(13)으로 방출되며, 전자기 복사는 파장(λ1)일 때 세기 최대값을 가진다. 활성층 이후에 주 복사 방향(13)에서 발광변환층(5)이 후속하며, 발광변환층은 방출된 복사의 적어도 일부를 제2파장(λ2)에서 세기 최대값을 가지는 복사로 변환하고, 제2파장은 상기 제1파장(λ1)보다 더 크다. 특히, 발광변환층(5)은 활성층(3)으로부터 방출된 청색광 또는 자외광을 황색광으로 변환할 수 있어서, 보색(complementary color)의 중첩은 백색광으로 나타난다.
바람직하게는, 발광변환층(5)은 자기 지지형층(self-supporting layer)이고, 이러한 층은 특히 무기 물질로 구성될 수 있다. 바람직하게는, 발광변환층(5)은 유리, 세라믹 또는 유리 세라믹을 포함한다. 특히, 발광변환층(5)은 예컨대 YAG:Ce 또는 LuAG:Ce와 같은 Ce 도핑된 가닛을 포함할 수 있다. 또한, Eu 도핑된 질화물 또는 질산화물, 예컨대 Sr2Si5N8, Ba2Si5N8, Ca2Si5N8, Sr-SiON, Ba-SiON 또는 Ca-α-SiAlON이 적합하다.
발광변환층(5)은 예컨대 결합층(11)에 의하여 반도체 몸체(1)와 결합하고 있다. 결합층(11)은 특히 실리콘 또는 다른 캐스팅 수지, 예컨대 에폭시 수지로 이루어진 투명층을 가리킬 수 있다.
발광변환층(5)이 바람직하게는 무기 물질로 이루어진 자기 지지형 층임으로써, 유리하게는 상기 발광변환층은 부가적 층을 위한 캐리어로서 역할할 수 있다. 발광변환층(5) 이후에 주 복사 방향(13)에서 기능층(6)이 후속한다. 기능층(6)은 특히 발광변환층(5)으로부터의 복사 아웃커플링을 개선하기 위해 역할한다. 기능층(6)은 발광변환층(5)과 같이 유리하게는 무기 물질로, 특히 세라믹, 유리 또는 유리 세라믹으로 구성된다. 기능층(6)을 위한 적합한 세라믹은 예컨대 알루미늄산화물(Al2O3 ), 알루미늄질산화물(AlON), 마그네슘 알루미늄 스피넬(MgAl2O3), 규소이산화물(SiO2) 또는 규소질산화물(SiON)이다. 기능층(6)을 위한 적합한 유리는 특히 석영유리, 비정질 게르마늄산화물(fused germania), 소다석회 유리, 규산염유리 또는 붕규산염유리이다. 이러한 세라믹 및 유리는 특히 굴절률이, 발광변환층을 위한 물질로서 매우 적합한 YAG:Ce의 굴절률보다 더 낮다는 것을 특징으로 한다.
발광변환층(5)상에 올려진 기능층(6)은 유리하게는 100 ㎛미만의 두께이며, 예컨대 10 ㎛과 100 ㎛사이이다. 바람직하게는, 발광변환층(5) 및 기능층(6)은 직접 서로 접해있고, 부착 증진제 없이 상호 결합하고 있는데, 즉 발광변환층(5)과 기능층(6) 사이에 유리하게는 어떠한 결합층도 포함되지 않는다. 이 경우, 기능층(6) 및 발광변환층(5)은 예컨대 상호간 용융 및/또는 소결에 의해 결합될 수 있다.
기능층(6)의 굴절률(n2)이 발광변환층(5)의 굴절률(n1)에 정합되고, 이 때 바람직하게는 Δn = │n2 - n1│≤0.3 인 것이 유리하다. 더욱 바람직하게는, Δn ≤ 0.1 이 적용된다. 발광변환층(5) 및 기능층(6)의 굴절률이 적어도 거의 동일하면, 발광변환층(5)과 기능층(6)의 경계면에서는 반사 손실이 없거나 근소한 정도로만 발생한다. 주변 매질과의 굴절률의 비약적 변화(refractive index jump)는 이 경우 실질적으로 기능층(6)과 주변 매질, 특히 공기 사이의 경계면에서 일어난다. 반사 손실을 줄이고, 이로 인하여 기능층(6)으로부터의 복사 아웃커플링을 개선하기 위해, 기능층(6)은 표면 구조화(7)를 포함한다. 바람직하게는, 표면 구조화(7)의 깊이는 100 nm과 10 ㎛사이이다.
표면 구조화(7)는 기능층(6)의 표면의 거칠기화를 가리킬 수 있으며, 이는 예컨대 식각 공정에 의해 생성된다. 이러한 형성방식에서, 표면 구조화(7)는 비주기적 구조이다.
바람직한 형성방식에서, 기능층(6)의 표면 구조화(7)는 주기적 구조를 가리킨다. 이와 같은 주기적 구조(7)를 가진 기능층(6)을 위한 예는 도 2, 3에 도시되어 있다. 주기적 구조(7)는 구조 요소(8)를 포함하고, 구조 요소는 주기(d)를 가진 1차원 또는 다차원 격자에서 배치된다. 구조 요소(8)는 예컨대 융기부 또는 함몰부, 예컨대 우묵한 부분, 도랑 또는 구멍을 가리킬 수 있다. 구조 요소(8)는 예컨대 포토리소그래피를 이용하여 기능층(6)의 표면에 생성될 수 있다. 바람직하게는, 구조 요소(8)의 높이(h)는 100 nm과 10 ㎛사이이다. 주기 구조(7)의 주기(d)는 바람직하게는 방출된 복사의 파장의 자릿수에 있어서, 주기 구조(7)는 소위 광자 결정을 형성한다.
더욱 유리하게는, 주기적 구조가 주기(d)를 가지고, 기능층이 굴절률(n2)을 가지며, 이 때 π/λ2 < G < n2 2π/λ2가 적용된다. 이 때 λ2는 변환된 복사의 파장이고, 1차원 격자 구조의 경우 G = 2π/d 이고, 2차원 격자 구조, 특히 육각형 격자 구조의 경우 G = 4π/√3d 이다.
상기 영역에서 주기(d)에 의해 지향적 방출이 달성될 수 있으며, 즉 방출된 복사의 각도 분포가 예컨대 비주기적으로 구조화된 기능층(6)의 경우에 비해 더 강하게 주 복사 방향(13)의 둘레에 집중되는 것이 확인되었다.
또는, 표면 구조화(7)는 마이크로프리즘 또는 마이크로렌즈로 형성될 수 있다. 이 경우, 구조 요소(8)는 통상적으로 방출된 복사의 파장(λ2)보다 더 크다.
도 4에 도시된 복사 방출 반도체 소자의 실시예는 도 1에 도시된 실시예에 비해, 발광변환층(5)이 PVD(물리진공증착) 방법을 이용하여 제조된 층이라는 점에서 구분된다. 특히, 발광변환층(5)은 레이저빔 기화(펄스레이저증착, PLD)를 이용하여 제조된 층일 수 있다. 발광변환층(5)은 특히 기능층(6)상에 증착될 수 있고, 즉 기능층(6)은 PVD 방법을 이용하여 발광변환층(5)을 올리기 위한 기판으로서 역할한다. 기능층(6)은 바람직하게는 무기 물질로 형성되며, 무기 물질은 충분한 기계적 안정성을 가짐으로써, 자기 지지형 기판으로서 사용될 수 있다. 특히, 기능층(6)은 사파이어 기판일 수 있다. 또는, 기능층(6)은 도 1에 설명된 실시예와 같이 유리, 세라믹 또는 유리 세라믹으로 구성될 수 있다. 기능층(6)은 표면 구조화(7)를 포함하고, 표면 구조화는 특히 복사 아웃커플링의 개선을 위해 역할하며, 도 1 내지 3과 연관하여 설명된 바와 같이 형성될 수 있다.
반도체 소자의 제조를 위한 제조 방법에서, 예컨대 우선 기능층(6)의 표면이 표면 구조화(7)를 구비하고, 이후에 발광변환층(5)이 표면 구조화(7)에 대향된 표면에 증착될 수 있다. 또는, 이러한 방법 단계는 반대 순서로 실시될 수 있다. 이러한 방식으로 별도 제조된, 기능층(6) 및 발광변환층(5)의 조합은 예컨대 이후의 방법 단계에서 결합층(11)을 이용하여 복사 방출 반도체 소자의 반도체 몸체(1)와 결합할 수 있다.
도 4에 도시된 실시예의 그 외 상세사항 및 유리한 형성방식은 앞서 도 1에 도시된 실시예에 상응하며, 따라서 다시 더 상세히 설명하지 않는다.
도 5에 도시된 실시예에서, 도 1에 도시된 실시예와 같이, 발광변환층(5)은 결합층(11)을 이용하여 복사 방출 반도체 소자의 반도체 몸체(1)와 결합하고 있다. 발광변환층(5)은 자기 지지형층이고, 이러한 층은 바람직하게는 유리, 세라믹 또는 유리세라믹으로 구성된다. 발광변환층(5)은 상기 발광변환층의 표면에서 표면 구조화(7)를 포함하고, 표면 구조화는 특히 발광변환층(5)으로부터의 복사 아웃커플링을 개선하기 위한 역할을 한다. 이 경우, 발광변환층(5)의 표면 구조화(7)는 기능층(6)으로서 역할한다. 기능층(6)은 이 경우 별도의 층으로서 제조되지 않고, 발광변환층(5) 내에서 표면 구조화(7)의 형태로 형성되어 있다.
그 외 상세사항 및 유리한 형성방식과 관련하여 도 5에 도시된 실시예는 도 1에 도시된 실시예에 상응한다.
도 6에 도시된 복사 방출 반도체 소자는 반도체 몸체(1)를 포함한 냉광성 다이오드(luminescence diode)이고, 반도체 몸체는 복사 방출 활성층(3)을 포함한다. 활성층(3)은 예컨대 p형 반도체 영역(2)과 n형 반도체 영역(4) 사이에 배치되어 있다. 반도체 몸체(1)의 반도체층들(2, 3, 4)은 성장 기판(14)상에 성장될 수 있다. 또는, 반도체 몸체(1)가 박막 반도체 몸체일 수 있으며, 박막 반도체 몸체에서는 성장 기판(14)이 분리되어 있고, 그 대신 반도체 몸체(1)는 성장 기판(14)과 다른 캐리어 몸체상에 배치되어 있으며, 이는 도 1의 실시예의 경우와 같다.
복사 방출 활성층(3) 이후에 주 복사 방향(13)에서 발광변환층(5)이 후속한다. 발광변환층(5)은 유리하게는 유리, 세라믹 또는 유리세라믹으로 구성된다. 발광변환층은 발광변환재료를 포함하고, 발광변환재료는 활성층(3)으로부터 방출되며 제1파장(λ1)일 때 세기 최대인 복사의 일부를 제2파장(λ2)일 때 세기 최대인 복사로 변환하고, 이 때 파장(λ2)은 파장(λ1)보다 더 크다. 발광변환층(5)은 특히, YAG:Ce 또는 LuAG:Ce와 같은 Ce 도핑된 가닛 또는 Eu 도핑된 질화물 또는 질산화물을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 발광변환층(5)은 자기 지지형층이고, 이러한 층은 결합층(11)을 이용하여 반도체 몸체(1)와 결합하고 있을 수 있다.
발광변환층(5) 이후에 주 복사 방향(13)에서 기능층(6)이 후속한다. 바람직하게는, 기능층(6)은 발광변환층(5)의 굴절률(n1)보다 더 작은 굴절률(n2)을 가진다. 이러한 방식으로, 주변 매질에 대해 발광변환층(5)의 굴절률(n1)의 급격한 굴절률 비약적 변화는 적어도 하나의 중간 스테이지만큼 감소하고, 이러한 방식으로 복사방출 반도체 소자로부터의 복사 아웃커플링은 개선된다.
유리한 형성방식에서, 기능층(6)은 산란입자를 포함한다. 특히 기능층(6)의 주변 물질보다 더 큰 굴절률을 가진 산란 입자(15) 대신, 기능층(6)은 기공을 포함할 수 있고, 기공은 기능층의 주변 물질보다 더 작은 굴절률을 가진다. 기능층(6) 내의 산란입자(15) 또는 기공에 의해 광 산란이 야기되고, 광 산란에 의하여 유리하게는 방출된 복사의 색 위치의 각도 종속성이 줄어든다. 산란 입자(15)는 외부로부터 복사 방출 반도체 소자에 도달하는 복사를 산란시킬 수 있고, 이러한 방식으로 유리하게는, 복사 방출 반도체 소자의 표면이 전원차단된 상태에서 백색으로 보이도록 할 수 있다. 복사 방출 반도체 소자의 전원차단된 상태에서 발광변환층(5)의 색 인상이 경우에 따라 장애적인 황색인 경우는 이러한 방식으로 줄어든다.
기능층(6)은 기초 물질을 포함하고, 기초 물질은 유리, 세라믹 또는 유리 세라믹이며, 이러한 물질내에 예컨대 산란입자(15)가 매립되어 있다. 기능층(6)은 특히 소결 또는 용융에 의해 발광변환층(5)과 결합될 수 있다. 이 경우, 유리하게는 발광변환층(5)과 기능층(6) 사이에 예컨대 접착제층과 같은 부가적 결합층이 포함되지 않는다. 복사 아웃커플링에 가능한 한 부정적으로 영향을 미칠 수 있는, 광학적 효과를 가진 경계면의 수는 이러한 방식으로 감소한다.
또는, 기능층(6)은 투명한 결합층(11)을 이용하여 발광변환층(5)과 결합하는 것을 고려할 수 있다. 이러한 형성방식은 도 7에 도시되어 있다. 기능층(6)과 발광변환층(5) 사이의 결합층(11)은 이 경우 예컨대 실리콘층 또는 에폭시수지층을 가리킬 수 있다. 마찬가지로 실리콘층 또는 에폭시 수지층일 수 있는 부가적 결합층(11)을 이용하여 발광변환층(5)은 반도체 몸체(1)와 결합하고 있다. 그 외에, 도 7에 도시된 실시예는 도 6에 도시된 실시예에 상응한다.
앞서 설명한 실시예들에서, 기능층(6)은 복사 방출 반도체 소자의 복사 아웃커플링면에 각각 배치되어 있다. 그러나, 기능층(6)이 복사 방출 반도체 소자의 복사 아웃커플링면에 배치되지 않거나 복사 아웃커플링면에만 배치되지는 않는, 복사 방출 반도체 소자의 변형예들도 고려할 수 있다.
도 8에 개략적으로 도시된 실시예에서, 기능층(6)은 발광변환층의 제1부분층(5a)과 제2부분층(5b) 사이에 배치되어 있다. 이 경우, 기능층(6)은 특히 산란 입자(15)를 포함할 수 있고, 산란 입자는 활성층(3) 및 발광변환층의 제1부분층(5a)으로부터 방출된 광을 산란시키고, 따라서 색 혼합의 개선 및 색 위치의 각도 종속성 감소를 야기한다. 그 외에, 도 8에 도시된 실시예는 도 6에 도시된 실시예에 상응한다.
도 9에 개략적으로 도시된 복사 방출 반도체 소자의 실시예에서, 기능층(6)은 반도체 몸체(1)와 발광변환층(5)의 사이에 배치되어 있다. 상기 형성방식에서, 기능층(6)은 바람직하게는, 반도체 몸체(1)의 굴절률과 발광변환층(5)의 굴절률 사이인 굴절률을 가진다. 이러한 방식으로, 기능층(6)에 의해 유리하게는, 반도체 몸체(1)로부터 발광변환층(5)으로 복사가 넘어갈 때의 반사 손실이 줄어든다. 기능층(6)은, 예컨대 활성층(3)으로부터 방출된 복사의 각도 분포를 변경하기 위해, 앞의 실시예와 같이 산란 입자(15)를 포함할 수 있다.
도 10에 도시된 실시예에서, 기능층(6)은 주 복사 방향(13)에서 볼 때 발광변환층(5)의 상부뿐만 아니라 하부에도 배치되어 있다. 주 복사 방향(13)에서 발광변환층(5)의 상부에 배치된 기능층(6)에 의해, 유리하게도 복사 방출 반도체 소자로부터의 복사 아웃커플링이 개선될 뿐만 아니라, 바람직하게는 그 안에 포함된 산란 입자(15)에 의해 색 위치의 각도 종속성이 감소하고, 복사 방출 반도체 소자의 전원차단 상태에서 발광변환층(5)의 백색의 외관상이 얻어진다. 발광변환층(5)의 상부에 배치된 기능층(6)의 유리한 특성 및 효과는 도 6에 도시된 실시예에 상응한다. 주 복사 방향(13)에서 발광변환층(5)의 하부에 배치된 기능층(6)은 도 9에 도시된 실시예와 같이 특히, 반도체 몸체(1)와 발광변환층(5)의 경계면에서 반사 손실을 줄이기 위한 역할을 한다. 발광변환층(5)의 하부에 배치된 기능층(6)은 유리하게는, 반도체 물질의 굴절률과 발광변환층(5)의 굴절률 사이인 굴절률을 가진다. 도 10의 실시예에서, 발광변환층(5)의 상부에 위치한 기능층의 이점 및 발광변환층(5)의 하부에 위치한 기능층(6)의 이점이 공통으로 구현되어 있다.
도 11에 개략적으로 도시된 실시예에서, 발광변환층(5) 이후에 주 복사 방향(13)에서 제1부분층(6a)과 제2부분층(6b)을 포함하는 기능층(6)이 배치되어 있다. 주 복사 방향(13)에서 발광변환층(5)의 이후에 오는 기능층(6)의 제1부분층(6a)은 발광변환층의 굴절률(n1)보다 더 작은 굴절률(n2)을 가진다. 주 복사 방향(13)에서 기능층(6)의 제1부분층(6a) 이후에 오는 기능층(6)의 제2부분층(6b)은 제1부분층(6a)의 굴절률(n2)보다 더 작은 굴절률(n3)을 가진다. 발광변환층(5)의 굴절률(n1)로부터 주변 매질의 굴절률로 가는 전이는 유리하게도 급격하지 않게, 복수 개의 단계를 거쳐 이루어진다. 이러한 방식으로, 복사 방출 반도체 소자의 복사 아웃커플링측에서 반사 손실은 특히 효과적으로 감소할 수 있다.
기능층(6)의 제1부분층(6a) 및/또는 제2부분층(6b)은, 활성층(3)으로부터 방출된 복사와 발광변환층(5)으로부터 변환된 복사의 색 혼합을 개선하거나/개선하고 복사 방출 반도체 소자가 전원 차단된 상태에서 외부에서 볼 때 백색으로 보일 수 있도록 하기 위해, 산란입자(15)를 포함할 수 있다.
산란입자(15)의 농도는 유리하게는 제2부분층(6b)에서보다 기능층의 제1부분층(6a)내에서 더 낮다. 즉, 산란입자(15)의 농도는 주 복사 방향(13)에서 기능층(6)의 부분층별로 가면서 감소하거나, 기능층(6)의 내부에서 주 복사 방향(13)에서 연속적으로 감소하는 구배를 포함한다. 반도체 몸체(1) 및 발광변환층(5)의 근방에서 산란 입자의 농도가 더 낮으면, 방출된 복사의 후방 산란이 더 낮아진다는 이점이 있으며, 이로써 복사 방출 반도체 소자의 효율이 개선된다.
도 12에 도시된 복사 방출 반도체 소자의 실시예에서, 도 6에 도시된 실시예와 같이, 굴절률(n2)을 가진 기능층(6)은 주 복사 방향(13)에서 굴절률(n1)을 가진 발광변환층(5) 이후에 배치되며, 이 때 n2 ≤ n1 이다. 도 6에 도시된 실시예와 달리, 기능층(6)은 발광변환층(5)과 다른 방향을 향해있는 표면에서 표면 구조화(7)를 구비한다. 표면 구조화(7)에 의해 특히 복사 방출 반도체 소자의 복사 아웃커플링면에서 반사 손실이 더욱 줄어들 수 있다.
표면 구조화(7)는 특히 식각 공정에 의하여 생성될 수 있다. 이 경우, 기능층(6)은 유리하게는, 사용된 식각 공정에서 발광변환층(5)보다 더 큰 식각율을 가지는 물질로 구성된다. 발광변환층(5)은 유리하게는 식각 공정에 대해 가능한 한 안정적이다. 표면 구조화(7)는 비주기적 구조 또는 주기적 구조를 가리킬 수 있다. 주기적 구조의 경우, 이는 광자 결정을 형성할 수 있고, 예컨대 도 2, 3과 연관하여 설명된 바와 같다.
기능층(6)은 색 위치의 각도 종속성을 줄이거나/줄이고 복사 방출 소자가 전원차단된 상태일 때 발광변환층(5)을 외부에서 볼 때 백색으로 보이도록 하기 위해 산란 입자(15)를 포함할 수 있다. 또한, 표면 구조화(7)는 광 산란 특성을 가질 수 있어서, 경우에 따라서 산란 입자(15)가 생략될 수 있다.
도 13에 도시된 복사 방출 반도체 소자의 실시예는 도 12에 도시된 반도체 소자와 같이, 표면 구조화(7)를 구비한 기능층(6b)을 포함하고, 이는 주 복사 방향(13)에서 발광변환층(5) 이후에 후속한다. 도 12에 도시된 실시예와 상이한 점은, 부가적으로 주 복사 방향(13)에서 볼 때 발광변환층(5)의 하부에 기능층의 부가적 부분층(6a)이 배치되어 있다는 것이다. 발광변환층(5)의 하부에 배치된 제2부분층(6a)은 도 9, 10에 도시된 실시예와 같이 실질적으로, 반도체 몸체(1)로부터 발광변환층(5)으로 복사가 넘어갈 때 반사 손실을 감소시키기 위한 역할을 한다. 발광변환층(5)의 하부에 배치된 기능층의 부분층(6a)은 바람직하게는, 반도체 몸체(1)의 굴절률과 발광변환층(5)의 굴절률 사이인 굴절률을 가진다.
발광변환층(5)의 하부에 배치된 기능층(6)의 제1부분층(6a) 뿐만 아니라 발광변환층(5)의 상부에 배치된 제2부분층(6b)도 각각 산란 입자(15)를 포함할 수 있다. 이 경우, 제1부분층(6a)이 제2부분층(6b)보다 더 낮은 농도의 산란입자(15)를 포함하는 것이 유리하다. 특히, 기능층의 제2부분층(6b)만 산란입자(15)를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 유리하게는, 발광변환층(6)의 하부에 배치된 제1부분층(6b) 내에서 복사가 후방 산란되는 것이 적을 수 있다.
본 발명은 실시예에 의거한 설명에 의하여 한정되지 않는다. 오히려 본 발명은 각각의 새로운 특징 및 특징들의 각 조합을 포함하고, 이러한 점은 특히, 상기 특징 또는 상기 조합이 그 자체로 명백하게 특허청구범위 또는 실시예들에 제공되지 않더라도, 특허청구범위에서의 특징들의 각 조합을 포괄한다.
Claims (15)
- 구동 시 제1파장(λ1)의 전자기 복사를 주 복사 방향(13)으로 방출하는 반도체 몸체(1),
상기 방출된 복사의 적어도 일부를 상기 제1파장(λ1)보다 더 큰 제2파장(λ2)의 복사로 변환하는 발광변환층(5), 그리고
복사 아웃커플링, 색 혼합 및/또는 방출된 복사의 각도 종속성을 개선하기 위한 기능층(6)을 포함하는 복사 방출 반도체 소자에 있어서,
상기 기능층(6)은 상기 주 복사 방향(13)에서 상기 활성층(3) 이후에 후속하며, 유리, 세라믹, 유리 세라믹 또는 사파이어를 함유하는 것을 특징으로 하는 복사 방출 반도체 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 기능층(6)은 상기 주 복사 방향(13)에서 상기 발광변환층(5) 이후에 후속하는 것을 특징으로 하는 복사 방출 반도체 소자. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 발광변환층(5)은 굴절률(n1)을 가지고, 상기 기능층(6)은 굴절률(n2)을 가지며, 이 때 n2 ≤ n1 이 적용되는 것을 특징으로 하는 복사 방출 반도체 소자. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발광변환층(5)은 굴절률(n1)을 가지고, 상기 기능층(6)은 굴절률(n2)을 가지며, 이 때 Δn = │n2 - n1│≤ 0.3 이 적용되는 것을 특징으로 하는 복사 방출 반도체 소자. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발광변환층(5)은 세라믹을 함유하는 것을 특징으로 하는 복사 방출 반도체 소자. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기능층(6)은 알루미늄산화물, 알루미늄질산화물, 마그네슘알루미늄스피넬, 규소이산화물, 규소질산화물, 석영유리, 비정질 게르마늄산화물(GeO2), 소다석회유리, 규산염유리, 붕규산염유리 또는 스핀-온 유리를 포함하는 것을 특징으로 하는 복사 방출 반도체 소자. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기능층(6)과 발광변환층(5) 사이에 어떠한 결합층도 배치되지 않는 것을 특징으로 하는 복사 방출 반도체 소자. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기능층(6)은 표면 구조화(7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 복사 방출 반도체 소자. - 제 8 항에 있어서,
상기 표면 구조화(7)의 깊이는 100 nm 내지 10 ㎛인 것을 특징으로 하는 복사 방출 반도체 소자. - 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
상기 표면 구조화(7)는 주기적 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 복사 방출 반도체 소자. - 제 10 항에 있어서,
상기 주기적 구조는 주기(d)를 가지고, 상기 기능층(6)은 굴절률(n2)을 가지며, 이 때 π/λ2 < G < n2 2π/λ2이 적용되며, 1차원 주기 구조의 경우 G = 2π/d 이고, 2차원 주기 구조, 특히 육각형 주기 구조의 경우 G = 4π/√3d 인 것을 특징으로 하는 복사 방출 반도체 소자. - 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기능층(6)은 기공 또는 산란입자(15)를 포함하는 것을 특징으로 하는 복사 방출 반도체 소자. - 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발광변환층(5)은 기공도 산란입자도 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 복사 방출 반도체 소자. - 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
상기 기능층(6)은 적어도 2개의 부분층들(6a, 6b)을 포함하고, 이 때 상기 산란입자(15)의 농도는 상기 부분층들(6a, 6b)에서 주 복사 방향(13)으로 부분층별로 가면서 감소하는 것을 특징으로 하는 복사 방출 반도체 소자. - 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기능층(6)은 적어도 2개의 부분층들(6a, 6b)을 포함하고, 이 때 상기 부분층들(6a, 6b)에서의 굴절률은 주 복사 방향(13)에서 부분층별로 가면서 감소하는 것을 특징으로 하는 복사 방출 반도체 소자.
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