KR20130130543A - 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 하부층과, 상기 하부층 상에 구비된 복수의 수직형 발광구조체와, 상기 복수의 수직형 발광구조체의 적어도 일부를 둘러싸는 전도성 부재와, 상기 복수의 수직형 발광구조체 사이에 배치되며 상기 수직형 발광구조체의 측방향으로 방출되는 빛을 반사시키는 복수의 반사 부재를 포함함으로써, 수직형 발광소자에서 측방향으로 방출되는 빛이 광흡수 부재를 통과하는 횟수를 최소화하여 발광효율을 향상시킬 수 있는 발광소자를 제공한다.

Description

발광소자 및 그 제조방법{Light emitting device and method of manufacturing the same}
본 개시는 발광소자 및 그 제조방법, 보다 상세하게는 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
LED(light emitting diode) 또는 LD(laser diode)와 같은 반도체 발광소자는 전기발광(electroluminescence) 현상, 즉, 전류 또는 전압의 인가에 의해 물질(반도체)에서 빛이 방출되는 현상을 이용한다. 상기 반도체 발광소자의 활성층(즉, 발광층)에서 전자와 정공이 결합하면서 상기 활성층의 에너지 밴드갭(band gap)에 해당하는 만큼의 에너지가 빛의 형태로 방출될 수 있다. 따라서 상기 활성층의 에너지 밴드갭(band gap)의 크기에 따라 상기 발광소자에서 발생되는 빛의 파장이 달라질 수 있다.
반도체 발광소자는 활성층이 2차원 형태로 형성되는 2차원 발광소자(이른바, 박막형 발광소자)와, 활성층이 3차원 형태로 형성되는 3차원 발광소자로 구분될 수 있다.
3차원 발광소자, 예를 들어 복수의 나노로드(nanorod) 구조를 갖는 발광소자는, 활성층을 3차원 형태로 형성하는 것으로서, 2차원 발광소자에 비해 상대적으로 발광면적을 증가시킬 수 있어 발광효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 발광소자를 통해 구현할 수 있는 색상의 선택이 상대적으로 자유롭다.
그러나, 3차원 발광소자는 발광면적이 증가한 정도에 비해 발광효율이 증가하지 않는 현상이 발생한다. 이는 3차원 발광소자에서 상부 또는 하부 방향으로 방출하는 빛은 투명 전극과 같이 빛을 흡수하는 광흡수 부재를 통과하는 길이가 짧아 상대적으로 광흡수율이 작게 나타나지만, 측방향으로 방출되는 빛은 측방향으로 이동하며, 이 과정에서 광흡수 부재를 통과하는 길이가 매우 길어져, 그로 인해 광흡수율이 매우 크게 나타나기 때문이다.
본 발명은 측방향으로 방출되는 빛이 투명 전극과 같은 광흡수 부재에 의해 흡수되는 양을 최소화할 수 있는 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 한 측면에 따르면, 하부층; 상기 하부층 상에 구비된 복수의 수직형 발광구조체; 상기 복수의 수직형 발광구조체의 적어도 일부를 둘러싸는 전도성 부재; 및 상기 복수의 수직형 발광구조체 사이에 배치되며, 상기 수직형 발광구조체의 측방향으로 방출되는 빛을 반사시키는 복수의 반사 부재;를 포함하는 발광소자가 제공된다.
상기 수직형 발광구조체는 코어-쉘(core-shell) 구조를 가질 수 있다.
상기 복수의 수직형 발광구조체 각각은 제1 도전형 반도체, 발광층 및 제2 도전형 반도체를 포함하고, 상기 제1 도전형 반도체는 코어부이고, 상기 발광층 및 상기 제2 도전형 반도체는 껍질부일 수 있다.
상기 수직형 발광구조체는 나노 로드 형상, 나노 와이어 형상 및 나노 피라미드 형상 중 어느 하나의 형상일 수 있다.
상기 전도성 부재는 ITO(Indium Tin Oxide), ZnO, IZO(ZnO:In), AZO(ZnO:Al), GZO(ZnO:Ga), In2O3, SnO2, CdO, CdSnO4, Ga2O3 중 어느 하나일 수 있다.
상기 반사 부재의 굴절율은 상기 전도성 부재의 굴절율보다 작을 수 있다.
상기 반사 부재는 나노 비드(nanobead) 형상을 가질 수 있다.
상기 반사 부재는 내부의 굴절율과 외부의 굴절율이 다를 수 있으며, 특히 상기 반사 부재는 내부의 굴절율이 외부의 굴절율보다 작을 수 있다.
상기 복수의 반사 부재는 직경이 동일할 수 있다. 또는, 상기 복수의 반사 부재는 2이상의 직경을 가질 수 있다.
상기 하부층 상에 상기 하부층을 노출시키는 복수의 홀을 갖는 마스크층이 더 구비되고, 상기 복수의 홀에 의해 노출된 하부층 상에 상기 수직형 발광구조체가 구비될 수 있다.
상기 하부층은 기판 및 상기 기판 상에 구비된 반도체층을 포함하고, 상기 복수의 수직형 발광구조체는 상기 반도체층 상에 구비될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 하부층; 상기 하부층 상에 구비되며, 코어-쉘(core-shell) 구조를 갖는 복수의 수직형 발광구조체; 상기 복수의 수직형 발광구조체의 적어도 일부를 둘러싸는 광흡수 부재; 및 상기 복수의 수직형 발광구조체 사이에 배치되며, 상기 수직형 발광구조체의 측방향으로 방출되는 빛을 반사하여, 상기 광흡수 부재를 통과하는 횟수를 최소화하는 복수의 반사 부재;를 포함하는 발광소자가 제공된다.
상기 광흡수 부재는 전도성 부재를 포함할 수 있다. 또한, 상기 광흡수 부재는 보호층, 절연층 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
상기 수직형 발광구조체는 나노 로드 형상, 나노 와이어 형상 및 나노 피라미드 형상 중 어느 하나의 형상일 수 있다.
상기 반사 부재의 굴절율은 상기 광흡수 부재의 굴절율보다 작을 수 있다.
상기 반사 부재는 나노비드(nanobead) 형상을 가질 수 있다.
상기 반사 부재는 내부의 굴절율과 외부의 굴절율이 다를 수 있으며, 특히 내부의 굴절율이 외부의 굴절율보다 작을 수 있다.
상기 복수의 반사 부재는 직경이 동일할 수 있다. 또는 상기 복수의 반사 부재는 2이상의 직경을 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 하부층 상에 마스크층을 형성한 후, 상기 하부층을 노출시키는 복수의 홀을 패터닝하는 단계; 상기 복수의 홀에 의해 노출된 하부층 상에 제1 도전형 반도체를 형성한 후, 상기 제1 도전형 반도체를 감싸는 활성층, 제2 도전형 반도체를 형성하여, 수직형 발광구조체를 형성하는 단계; 및 상기 수직형 발광구조체의 적어도 일부를 둘러싸는 광흡수 부재 및 상기 수직형 발광구조체의 측방향으로 방출되는 빛을 반사시키는 복수의 반사 부재를 형성하는 단계;를 포함하는 발광소자 제조방법이 제공된다.
본 발명에 따른 발광소자는 수직형 발광소자에서 측방향으로 방출되는 빛을 반사 부재를 통해 상부 또는 하부 방향으로 반사시킴으로써, 광흡수 부재를 통과하는 횟수를 최소화하여 발광효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광소자를 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광소자를 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예로서, 광흡수 부재의 다른 예를 보여주는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광소자로서, 전극 배치의 다른 예를 보여주는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 발광소자를 보여주는 도 1의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 발광소자에서 반사 부재를 확대한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광소자를 보여주는 단면도이다.
도 8a 내지 도 8e는 도 4a의 본 발명의 실시예에 따른 발광소자의 제조방법을 보여주는 단면도이다.
도 9는 비교예 1, 2와 실시예 1, 2에 대한 광량 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 비교예 및 실시예에서 방출된 빛의 산란 여부를 실험한 시뮬레이션 결과도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 발광소자 및 그 제조방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 다소 과장되게 도시된 것이다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광소자를 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기판(10) 상에 제1 도전형 반도체층(이하, 반도체층)(20)이 구비될 수 있다. 기판(10)은 일반적인 반도체소자 공정에서 사용되는 다양한 기판 중 어느 하나일 수 있다. 예컨대, 기판(10)은 사파이어(Al2O3) 기판, Si 기판, SiC 기판, AlN 기판 및 Si-Al 기판 중 어느 하나일 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것이고, 이외에 다른 기판을 사용할 수도 있다. 반도체층(20)은, 예컨대, n형 반도체층일 수 있지만, 경우에 따라서는 p형 반도체층일 수도 있다. 반도체층(20)은 단층 또는 다층 구조를 가질 수 있다. 반도체층(20)의 소정 영역 상에 마스크층(25)이 구비될 수 있다. 마스크층(25)에 반도체층(20)을 노출시키는 복수의 홀(hole)(H)이 형성될 수 있다. 마스크층(25)은 소정의 절연 물질, 예컨대, 실리콘 질화물로 형성될 수 있다.
마스크층(25) 상에 복수의 수직형 발광구조체(N1)가 구비될 수 있다. 수직형 발광구조체(N1)는 도 1과 같이 나노로드(nanorod) 형상, 나노와이어(nanowire) 형상일 수 있다. 그러나, 수직형 발광구조체(N1)의 형상은 이에 한정되지 않으며 도 2와 같이 나노 피라미드(nanopyramid) 형상일 수도 있다.
다시 도 1을 참조하면, 복수의 수직형 발광구조체(N1)는 복수의 홀(H)에 대응하도록 형성될 수 있다. 이때, 복수의 수직형 발광구조체(N1)는 그에 대응하는 홀(H)을 통해서 반도체층(20)에 연결될 수 있다. 수직형 발광구조체(N1)는 나노로드(nanorod) 형상의 제1 도전형 반도체(30)와 그 둘레를 감싸는 활성층(40) 및 제2 도전형 반도체(50)를 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체(30)는 코어부에 해당하고, 활성층(40) 및 제2 도전형 반도체(50)는 껍질부에 해당할 수 있다. 즉, 수직형 발광구조체(N1)는 코어-쉘(core-shell) 구조를 가질 수 있다.
제1 도전형 반도체(30)는 n형이고, 제2 도전형 반도체(50)는 p형이거나, 그 반대일 수 있다. 활성층(40)은 전자와 정공이 결합하면서 빛을 방출하는 "발광층"일 수 있다. 제1 도전형 반도체(30), 활성층(40) 및 제2 도전형 반도체(50)는 다양한 변형 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 제1 도전형 반도체(30), 활성층(40) 및 제2 도전형 반도체(50) 중 적어도 하나는 다층 구조를 가질 수 있다. 활성층(40)은 양자우물층과 장벽층이 1회 이상 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다. 이때, 상기 양자우물층은 단일양자우물(single quantum well) 구조 또는 다중양자우물(multi-quantum well) 구조를 가질 수 있다. 또한 도시하지는 않았지만, 반도체층(20), 제1 도전형 반도체(30), 활성층(40) 및 제2 도전형 반도체(50)로 구성된 적층구조는 초격자구조층(superlattice structure layer)을 더 포함할 수도 있다. 또한 활성층(40)은 도면상 도시되어 있지 않지만, 제1 도전형 반도체들(30) 사이의 마스크층(25) 상에도 구비될 수 있다. 즉, 활성층(40)은 마스크층(25)의 상면을 전체적으로 덮도록 형성될 수 있다. 제2 도전형 반도체(50)도 마스크층(25)의 상면을 전체적으로 덮도록 형성될 수 있다. 그 밖에도 다양한 변형 구조가 가능할 수 있다.
상기 복수의 수직형 발광구조체(N1)를 둘러싸는 광흡수 부재(60)가 구비될 수 있다. 광흡수 부재(60)는 복수의 수직형 발광구조체(N1)에 의해 방출되는 빛을 흡수하는 것으로서, 전기 전도성을 가지는 전도성 부재일 수 있다. 전도성 부재는 상호 이격되어 있는 복수의 수직형 발광구조체(N1)로 전류의 공급을 원활하게 할 수 있다. 이 때, 전도성 부재는 투명 전도성 물질일 수 있다. 투명 전도성 물질은 ITO(Indium Tin Oxide), ZnO, IZO(ZnO:In), AZO(ZnO:Al), GZO(ZnO:Ga), In2O3, SnO2, CdO, CdSnO4, Ga2O3 중 어느 하나일 수 있다.
도 1에서는 광흡수 부재(60)가 전체적으로 전도성 부재인 것으로 표현되었으나, 이에 한정되지 아니한다. 예를 들어, 광흡수 부재(60)는 도 3과 같이 복수의 층(60', 60'')으로 구성될 수 있으며, 하부층(60')은 마스크층(25) 상부에 형성된 보호층 및/또는 절연층이고, 상부층(60'')은 전도성 부재일 수 있다. 절연층을 하부에 배치함으로써, 수직형 발광구조체(N1)의 누설 전류를 방지할 수 있다.
광흡수 부재(60) 상에 제1 전극(71)이 구비될 수 있다. 제1 전극(71)은 금속으로 형성될 수 있다. 제1 전극(71)은 광흡수 부재(60)를 통해 제2 도전형 반도체(50)에 전기적으로 연결될 수 있다.
마스크층(25)으로 커버되지 않은 반도체층(20) 영역에 제2 전극(72)이 구비될 수 있다. 제2 전극(72)은 반도체층(20)을 통해 제1 도전형 반도체(30)에 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 전극(71) 및 제2 전극(72)을 통해서 수직형 발광구조체(N1)에 소정의 전기적 신호가 인가될 수 있고, 그 결과, 수직형 발광구조체(N1)로부터 소정의 빛이 방출될 수 있다.
제1 전극(71)과 제2 전극(72)으로 커버되지 않은 반도체층(20), 마스크층(25), 광흡수 부재(60)를 덮는 패시베이션층(passivation layer; 미도시)이 더 구비될 수 있다. 패시베이션층은 외부 환경으로부터 반도체층(20), 마스크층(25), 광흡수 부재(60)를 보호하는 역할을 할 수 있다. 패시베이션층은 실리콘 산화물과 같은 절연 물질로 구성될 수 있다.
도 1에서는 제2 전극(72)이 기판(10)의 위쪽에 구비되는 경우에 대해서 도시하였지만, 제2 전극(72)을 기판(10) 하면에 구비시킬 수도 있다. 그 예가 도 4a에 도시되어 있다. 도 4a에서 기판(10)은 반도체 기판일 수 있다. 이 경우, 제2 전극(72)은 기판(10)과 반도체층(20)을 통해 제1 도전형 반도체(30)에 연결된 것으로 볼 수 있다. 도 4a의 구조에서는 반도체층(20), 마스크층(25), 복수의 수직형 발광구조체(N1), 광흡수 부재(60) 등이 기판(10)의 상면 전체를 덮도록 확장될 수 있다.
제2 전극(72)을 기판(10)의 하면에 구비하는 다른 예로서, 도4b와 같이기판(10) 내에 도전형 플러그(73)를 형성하고, 상기 도전형 플러그(73)를 이용해서 제2 전극(72)과 반도체층(20)을 연결할 수도 있다. 이때, 기판(10)은 절연성 기판일 수 있다. 또 다른 예로서, 도 4a에서 기판(10)을 제거하고 반도체층(20)의 하면에 직접 제2 전극(72)을 구비시킬 수도 있다.
복수의 수직형 발광구조체(N1) 사이에는 복수의 반사 부재(R)가 구비될 수 있다. 반사 부재(R)는 수직형 발광구조체(N1)의 측면에 배치되어, 수직형 발광구조체(N1)에서 측방향으로 방출되는 빛(L1)을 반사시켜, 상부 또는 하부방향을 향하도록 유도한다. 여기서, 측방향으로 방출된 빛(L1)이란 기판(10) 또는 반도체층(20)에 대하여 수직인 방향과 교차하는 방향으로 방출된 빛을 의미하며, 기판(10)에 대하여 수직인 방향으로 방출되는 빛(L2)과 구별된다.
도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 발광소자의 평면도이다. 도 5a에서는 반사 부재(R)가 복수의 수직형 발광구조체(N1) 사이에 구비된 것이 나타나 있지만, 만일 반사 부재(R)가 복수의 수직형 발광구조체(N1) 사이에 구비되어 있지 않을 경우, 측방향으로 방출된 빛(L1)은 계속해서 측방향으로 진행하게 된다. 빛(L1)이 측방향으로 진행하는 과정에서, 전도성 부재 등 광흡수 부재(60)를 통과하거나 다른 수직형 발광구조체(N1)를 통과하게 되며, 이 과정에서 빛(L1)의 상당량이 흡수된다. 그에 따라 측방향으로 방출된 빛(L1)이 그 이후에 상부 또는 하부 방향으로 반사된다 하더라도 발광 효율은 현저히 저하되게 된다. 그러나, 본 실시예와 같이 반사 부재(R)를 구비할 경우, 측방향으로 방출된 빛(L1)이 반사 부재에 의해 반사되기 때문에, 광흡수 부재(60) 또는 다른 수직형 발광구조체(N1)를 통과하는 횟수를 최소화할 수 있어, 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 복수의 수직형 발광구조체(N1)는 도 5a와 같이 일렬로 배열된 것이 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 도 5b와 같이 지그재그로 배열될 수도 있다.
나노 구조의 반사 부재(R)는 광흡수 부재(60)의 굴절율보다 작은 굴절율을 가진다. 반사 부재(R)의 굴절율이 광흡수 부재(60)의 굴절율보다 작기 때문에, 광흡수 부재(60)를 통과한 빛이 반사 부재(R)를 통과하지 못하고 반사된다. 예를 들어, 광흡수 부재(60)가 전도성 부재로서 굴절율이 약 1.8인 ITO일 경우, 반사 부재(R)의 굴절율은 1.8보다 작은 것이 바람직하다.
반사 부재(R)는 나노비드(nanobead) 형상을 가질 수 있다. 나노비드 형상을 가짐으로써, 다양한 각도로 방출되는 빛을 효율적으로 반사할 수 있다.
반사 부재(R)는 도 6과 같이 내부(Ri)와 외부(Ro)의 굴절율이 다를 수 있다. 예로서, 내부(Ri)의 굴절율이 외부(Ro)의 굴절율보다 작을 수 있다. 이를 통해, 반사 부재(R)의 외부(Ro) 표면에서 빛이 반사되지 않더라도, 외부(R)o와 내부(Ri) 사이의 경계에서 다시 한번 반사되기 때문에 반사효율을 향상시킬 수 있다. 일 예로서, 반사 부재(R)는 내부(Ri)가 중공인 비드형상일 수 있다. 이 때, 내부(Ri)의 굴절율은 1이며, 외부(Ro)의 굴절율은 1.5일 수 있다.
복수의 반사 부재(R)는, 도 1과 같이 직경이 동일할 수 있다. 즉, 복수의 반사 부재(R)의 직경이 모두 동일할 수 있다.
다른 예로서, 복수의 반사 부재(R)의 직경은 2이상의 직경을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 7과 같이 직경이 다른 복수의 반사 부재(R1, R2)를 포함할 수 있다.
이상의 실시예에 따른 발광소자에서는, 측방향으로 방출된 빛(L1)을 상부 또는 하부 방향으로 반사할 수 있어, 3차원 발광소자의 발광효율을 향상시킬 수 있다.
도 8a 내지 도 8e는 본 발명의 실시예에 따른 발광소자의 제조방법을 보여주는 단면도이다.
도 8a를 참조하면, 기판(10) 상에 제1 도전형 반도체층(이하, 반도체층)(20)과 마스크용 절연층(미도시)을 순차로 형성할 수 있다. 반도체층(20)은 n형 반도체층일 수 있지만, 경우에 따라서는 p형 반도체층일 수도 있다. 마스크용 절연층은 소정의 절연 물질, 예컨대, 실리콘 질화물 등으로 형성할 수 있다. 마스크용 절연층을 패터닝하여 반도체층(20)을 노출시키는 복수의 홀(H)을 형성할 수 있다. 이하에서는, 복수의 홀(H)을 갖도록 패터닝된 마스크용 절연층을 "마스크층(10)"이라 한다.
도 8b를 참조하면, 복수의 홀(H)에 의해 노출된 반도체층(20) 상에 나노로드(nanorod) 또는 나노와이어(nanowire) 형상의 제1 도전형 반도체(30)를 형성할 수 있다. 제1 도전형 반도체(30)는, 예컨대, 에피택셜 성장법으로 형성할 수 있다. 그러나, 제1 도전형 반도체(30)의 형상은 이에 한정되지 않으며, 나노 피라미드(nanopyramid) 형상일 수 있다.
도 8c를 참조하면, 복수의 제1 도전형 반도체(30)를 감싸는 활성층(40) 및 제2 도전형 반도체(50)를 차례로 형성할 수 있다.
제1 도전형 반도체(30), 활성층(40) 및 제2 도전형 반도체(50)는 코어-쉘(core-shell) 구조의 수직형 발광구조체(N1)를 구성한다고 할 수 있다. 제1 도전형 반도체(30)는 n형이고, 제2 도전형 반도체(50)는 p형이거나, 그 반대일 수 있다. 활성층(40)은 전자와 정공이 결합하면서 빛을 방출하는 "발광층"일 수 있다. 경우에 따라서는, 수직형 나노구조체들(N1) 사이의 마스크층(25) 상에도 활성층(40) 및 제2 도전형 반도체(50)를 형성할 수 있다.
도 8d를 참조하면, 복수의 수직형 발광구조체(N1) 사이에 광흡수 부재(60) 및 나노 구조의 반사 부재(R)을 형성할 수 있다.
광흡수 부재(60)는 제2 도전형 반도체(50)와 전기적으로 콘택되는 전도성 부재일 수 있다. 전도성 부재는, 예컨대, ITO, IZO, ZnO, AZO, GZO(ZnO:Ga), In2O3, SnO2, CdO, CdSnO4 및 Ga2O3 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
나노 구조의 반사 부재(R)는 광흡수 부재(60)의 굴절율보다 작은 굴절율을 가질 수있다. 예를 들어, 광흡수 부재(60)가 전도성 부재로서 굴절율이 약 1.8인 ITO일 경우, 나노 구조의 반사 부재(R)의 굴절율은 1.8보다 작은 것이 바람직하다.
또한, 반사 부재(R)는 나노비드(nanobead) 형상을 가질 수 있다.
반사 부재(R)는 내부(Ri)와 외부(Ro)의 굴절율이 다를 수 있다. 예로서, 내부(Ri)의 굴절율이 외부(Ro)의 굴절율보다 작을 수 있다. 일 예로서, 반사 부재(R)는 내부(Ri)가 중공인 나노비드(hollow nanobead)형상일 수 있다. 이 때, 내부(Ri)의 굴절율은 1이며, 외부(Ro)의 굴절율은 1.5일 수 있다.
복수의 반사 부재(R)는, 단일의 직경을 가지거나, 2이상의 직경을 가질 수 있다.
도 8e를 참조하면, 광흡수 부재(60) 상에 제1 전극(71)을 형성하고, 기판(10)의 하부(72)에 제2 전극(72)를 형성할 수 있다. 제1 및 제2 전극(71, 72)은 소정의 금속으로 형성할 수 있다. 제1 및 제2 전극(71, 72)은 동일한 물질로 형성하거나 서로 다른 물질로 형성할 수 있다.
도 8a 내지 도 8e는 도 4의 발광소자를 제조하는 방법에 대한 것이지만, 이를 변형하면, 도 1의 발광소자를 제조할 수 있다. 즉, 도 8e 단계에서 반도체층(20) 상에 구비된 광흡수 부재 등을 제거하여 반도체층(20) 일부를 노출시킬 수 있다. 그런 다음, 광흡수 부재(60) 상에 제1 전극(71)을 형성하고, 노출된 반도체층(20) 상에 제2 전극(72)을 형성할 수 있다. 또한, 기판(10) 내에 소정의 도전성 플러그를 형성한 후, 기판(10)의 하면에 상기 도전성 플러그에 접촉된 제2 전극(72)을 형성할 수도 있다.
이하, 실시예 및 비교예를 들어 본 발명에 관하여 더욱 상세히 설명하지만 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
본 발명의 발광소자의 일 실시예로서, 복수의 수직형 발광구조체(N1) 사이에, 도 1과 같이 직경이 일정한 내부가 중공인 나노비드 형상을 가지는 복수의 반사 부재(R)를 배치하였으며, 반사 부재(R) 사이에는 굴절율이 1.5인 Si02를 광흡수 부재(60)로서 사용하였다.
실시예 2
본 발명의 발광소자의 다른 실시예로서, 복수의 수직형 발광구조체(N1) 사이에, 도 7과 같이 서로 다른 2개의 직경을 가지는, 내부가 중공인 나노비드 형상을 가지는 복수의 반사 부재(R1, R2)를 배치하였으며, 반사 부재(R1, R2) 사이에는 굴절율이 1.5인 Si02를 광흡수 부재(60)로서 사용하였다.
비교예 1
일 비교예로서, 복수의 수직형 발광구조체(N1) 사이에 굴절율이 1인 공기를 채웠다.
비교예 2
다른 비교예로서, 복수의 수직형 발광구조체(N1) 사이에 광흡수 부재(60)로서 굴절율이 1.5인 Si02를 채웠다.
실험조건
복수의 수직형 발광구조체(N1) 중 어느 하나의 수직형 발광구조체(N1)에 전원을 인가하였으며, 전원이 인가된 수직형 발광구조체(N1)로부터 원주방향으로 2.5 um 간격마다 5곳에 디텍터를 설치하여, 광량을 측정하였다.
도 9는 상기 비교예 1, 2 및 실시예 1, 2에 대한 광량 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9를 참조하면, 비교예 1, 2의 경우 복수의 수직형 발광구조체(N1) 사이에서 측방향으로 방출되는 빛(L1)을 반사시키는 별도의 반사 부재(R)가 없기 때문에, 측방향으로 이동하는 빛이 상부 또는 하부 방향으로 반사되지 않고 기준점(빛의 방출 시작점)으로부터 약 37.5 um, 25um까지 도달되었다. 이에 비해, 실시예 1, 2의 경우, 복수의 수직형 발광구조체(N1) 사이에 측방향으로 방출되는 빛(L1)을 반사시키는 비드 형상의 반사 부재(R)가 존재하기 때문에, 측방향으로 방출되는 빛(L1)의 대부분이 상부 또는 하부 방향으로 반사되어, 측방향으로 계속해서 진행하는 빛이 기준점으로부터 약 14um, 21um까지 도달되었다.
이를 통해, 측방향으로 방출되는 빛(L1)은 비교예 1, 2에 비해 실시예 1,2에서 상대적으로 빨리 상부 또는 하부 방향으로 반사되는 것을 알 수 있었다. 즉, 측방향으로 방출되는 빛(L1)이 광흡수 부재(60)를 통과하는 횟수를 최소화할 수 있었다.
도 10은 비교예 및 실시예에서 방출된 빛의 산란 여부를 실험한 시뮬레이션 결과도로서, 도 10a는 비교예 1에 의해 측방향으로 방출된 빛이 산란되는 것을 관찰한 것이며, 도 10b는 실시예 2에 의해 측방향으로 방출된 빛이 산란되는 것을 관찰한 것이다.
비교예 1의 경우, 도 10a와 같이 수직형 발광구조체(N1) 사이에서 방출된 빛(L1)이 상하로 산란되는 것이 거의 나타나지 않는 반면에, 실시예 2의 경우, 도 10b와 같이 수직형 발광구조체(N1) 사이에서 방출된 빛(L1)이 상하로 산란되는 것이 뚜렷하게 나타나는 것을 알 수 있었다.
이와 같이, 본 실시예에 따르면, 측방향으로 방출된 빛(L1)을 상부 또는 하부 방향으로 신속하게 반사하여 광 흡수부재(60)에 의한 광흡수를 최소화함으로써, 3차원 발광소자의 발광효율을 향상시킬 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 전술한 본 발명의 실시예에 따른 발광소자 및 그 제조방법은 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 사상(idea)은 수직형 발광구조체가 아닌 그 밖의 다른 다양한 구조의 발광소자에도 동일하게 적용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
10 : 기판 20 : 반도체층
25 : 마스크층 30 : 제1 도전형 반도체
40 : 활성층 50 : 제2 도전형 반도체
60 : 광흡수 부재 71, 72 : 전극
N1 : 수직형 발광구조체 H : 홀(hole)

Claims (24)

  1. 하부층;
    상기 하부층 상에 구비된 복수의 수직형 발광구조체;
    상기 복수의 수직형 발광구조체의 적어도 일부를 둘러싸는 전도성 부재; 및
    상기 복수의 수직형 발광구조체 사이에 배치되며, 상기 수직형 발광구조체의 측방향으로 방출되는 빛을 반사시키는 복수의 반사 부재;를 포함하는 발광소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수직형 발광구조체는 코어-쉘(core-shell) 구조를 갖는 발광소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 수직형 발광구조체 각각은 제1 도전형 반도체, 발광층 및 제2 도전형 반도체를 포함하고,
    상기 제1 도전형 반도체는 코어부이고, 상기 발광층 및 상기 제2 도전형 반도체는 껍질부인 발광소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 수직형 발광구조체는 나노 로드 형상, 나노 와이어 형상 및 나노 피라미드 형상 중 어느 하나의 형상인 발광소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 부재는 ITO(Indium Tin Oxide), ZnO, IZO(ZnO:In), AZO(ZnO:Al), GZO(ZnO:Ga), In2O3, SnO2, CdO, CdSnO4 및 Ga2O3 중 어느 하나인 발광소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사 부재의 굴절율은 상기 전도성 부재의 굴절율보다 작은 발광소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사 부재는 나노 비드(nanobead) 형상을 가지는 발광소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사 부재는 내부의 굴절율과 외부의 굴절율이 다른 발광소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 반사 부재는 내부의 굴절율이 외부의 굴절율보다 작은 발광소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 반사 부재는 직경이 동일한 발광소자.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 반사 부재는 2이상의 직경을 가지는 발광소자.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부층 상에 상기 하부층을 노출시키는 복수의 홀을 갖는 마스크층이 더 구비되고,
    상기 복수의 홀에 의해 노출된 하부층 상에 상기 수직형 발광구조체가 구비된 발광소자.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부층은 기판 및 상기 기판 상에 구비된 반도체층을 포함하고,
    상기 복수의 수직형 발광구조체는 상기 반도체층 상에 구비된 발광소자.
  14. 하부층;
    상기 하부층 상에 구비되며, 코어-쉘(core-shell) 구조를 갖는 복수의 수직형 발광구조체;
    상기 복수의 수직형 발광구조체의 적어도 일부를 둘러싸는 광흡수 부재; 및
    상기 복수의 수직형 발광구조체 사이에 배치되며, 상기 수직형 발광구조체의 측방향으로 방출되는 빛을 반사하여, 상기 광흡수 부재를 통과하는 횟수를 최소화하는 복수의 반사 부재;를 포함하는 발광소자.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 광흡수 부재는 전도성 부재를 포함하는 발광소자.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 광흡수 부재는 보호층, 절연층 중 적어도 하나를 더 포함하는 발광소자.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 수직형 발광구조체는 나노 로드 형상, 나노 와이어 형상 및 나노 피라미드 형상 중 어느 하나의 형상인 발광소자.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 반사 부재의 굴절율은 상기 광흡수 부재의 굴절율보다 작은 발광소자.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 반사 부재는 나노비드(nanobead) 형상을 가지는 발광소자.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 반사 부재는 내부의 굴절율과 외부의 굴절율이 다른 발광소자.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 반사 부재는 내부의 굴절율이 외부의 굴절율보다 작은 발광소자.
  22. 제 14 항에 있어서,
    상기 복수의 반사 부재는 직경이 동일한 발광소자.
  23. 제 14 항에 있어서,
    상기 복수의 반사 부재는 2이상의 직경을 가지는 발광소자.
  24. 하부층 상에 마스크층을 형성한 후, 상기 하부층을 노출시키는 복수의 홀을 패터닝하는 단계;
    상기 복수의 홀에 의해 노출된 하부층 상에 제1 도전형 반도체를 형성한 후, 상기 제1 도전형 반도체를 감싸는 활성층, 제2 도전형 반도체를 형성하여, 수직형 발광구조체를 형성하는 단계; 및
    상기 수직형 발광구조체의 적어도 일부를 둘러싸는 광흡수 부재 및 상기 수직형 발광구조체의 측방향으로 방출되는 빛을 반사시키는 복수의 반사 부재를 형성하는 단계;를 포함하는 발광소자 제조방법.
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