KR20140090346A - 반도체 발광 소자 - Google Patents

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KR20140090346A
KR20140090346A KR1020130001788A KR20130001788A KR20140090346A KR 20140090346 A KR20140090346 A KR 20140090346A KR 1020130001788 A KR1020130001788 A KR 1020130001788A KR 20130001788 A KR20130001788 A KR 20130001788A KR 20140090346 A KR20140090346 A KR 20140090346A
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layer
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nitride semiconductor
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KR1020130001788A
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김정섭
황경욱
김덕규
손철수
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삼성전자주식회사
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Abstract

반도체 발광 소자는 제1 굴절률을 가지는 기판과, 기판 위에 형성되고 상기 제1 굴절률과 다른 제2 굴절률을 가지는 질화물 반도체층과, 질화물 반도체층 위에 형성되고, 제1 도전형 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조와, 기판과 질화물 반도체층과의 사이에 개재되고, 제1 굴절률과 제2 굴절률과의 사이의 굴절률을 가지는 적어도 하나의 본딩층으로 이루어지는 광추출막을 포함한다.

Description

반도체 발광 소자 {Semiconductor light emitting device}
본 발명의 기술적 사상은 반도체 발광 소자에 관한 것으로, 특히 이종 기판 위에 본딩된 질화물 반도체 박막을 포함하는 반도체 발광 소자에 관한 것이다.
질화물 반도체를 사용한 발광 다이오드 (질화물 반도체 발광 소자)는 백라이트 등에 사용하는 각종 광원, 조명, 신호기, 대형 디스플레이 등에 폭넓게 이용되고 있다. InGaAlN 기반의 활성층을 갖는 발광 소자를 형성하기 위하여, 질화물 반도체 박막을 사파이어 기판 또는 실리콘 기판과 같은 이종 기판에 본딩한 후, 상기 질화물 반도체 박막 위에 발광 소자 형성에 필요한 막들을 성장하는 기술들이 제안되었다. 지금까지 제안된 기술들에서는, 질화물 반도체 박막을 이종 기판에 본딩하기 위한 본딩층과 상기 질화물 반도체 박막과의 굴절률 차이로 인해 광추출 효율이 낮아지는 문제가 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 이종 기판과 질화물 반도체 박막과의 본딩 부분에 의해 광추출 효율이 감소되는 것을 방지할 수 있는 구조를 가지는 반도체 발광 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 일 양태에 따른 반도체 발광 소자는 제1 굴절률을 가지는 기판과, 상기 기판 위에 형성되고 상기 제1 굴절률과 다른 제2 굴절률을 가지는 질화물 반도체층과, 상기 질화물 반도체층 위에 형성되고, 제1 도전형 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조와, 상기 기판과 상기 질화물 반도체층과의 사이에 개재되고, 상기 제1 굴절률과 상기 제2 굴절률과의 사이의 굴절률을 가지는 적어도 하나의 본딩층으로 이루어지는 광추출막을 포함한다.
상기 광추출막은 상기 제1 굴절률과 상기 제2 굴절률과의 사이의 범위에 포함되는 서로 다른 굴절률을 가지는 복수의 본딩층을 포함하고, 상기 복수의 본딩층은 상기 기판으로부터 상기 질화물 반도체층까지 굴절률 크기 순서로 적층될 수 있다.
상기 제1 굴절률은 상기 제2 굴절률보다 작고, 상기 광추출막은 서로 다른 굴절률을 가지는 복수의 본딩층을 포함하고, 상기 복수의 본딩층은 상기 기판으로부터 상기 질화물 반도체층에 가까워짐에 따라 굴절률이 점차 커지는 순서로 적층될 수 있다. 상기 광추출막에서 상기 복수의 본딩층은 상기 기판 측으로부터 상기 질화물 반도체층 측에 이르는 상기 광추출막의 두께 방향을 따라 굴절률이 계단형으로 증가하도록 적층될 수 있다.
상기 광추출막은 서로 다른 굴절률을 가지는 복수의 본딩층을 포함하고, 상기 복수의 본딩층은 상기 복수의 본딩층 중 가장 작은 굴절률을 가지고 상기 기판에 접해 있는 저면 본딩층과, 상기 복수의 본딩층 중 가장 큰 굴절률을 가지고 상기 질화물 반도체층에 접해 있는 상면 본딩층과, 상기 저면 본딩층의 굴절률과 상기 상면 본딩층의 굴절률과의 사이의 굴절률을 가지고 상기 저면 본딩층과 상기 상면 본딩층과의 사이에 있는 중간 본딩층을 포함할 수 있다.
상기 저면 본딩층, 상기 상면 본딩층, 및 상기 중간 본딩층은 서로 동일한 두께를 가질 수 있다. 또는, 상기 저면 본딩층, 상기 상면 본딩층, 및 상기 중간 본딩층은 각각 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 상기 저면 본딩층, 상기 상면 본딩층, 및 상기 중간 본딩층 중 상기 중간 본딩층이 가장 큰 두께를 가질 수 있다.
상기 광추출막은 서로 다른 굴절률을 가지는 복수의 본딩층을 포함하고, 상기 복수의 본딩층 중 적어도 하나의 본딩층은 서로 이격된 복수의 아일랜드 패턴으로 이루어질 수 있다.
상기 광추출막은 서로 다른 굴절률을 가지는 복수의 본딩층을 포함하고, 상기 복수의 본딩층 중 적어도 하나의 본딩층은 적어도 일부에 요철 패턴이 형성될 수 있다.
상기 광추출막은 연속적으로 변하는 굴절률 (graded refractive index: GRI)을 가지는 GRI 본딩층으로 이루어질 수 있다. 상기 GRI 본딩층은 TixSi1 - xOy 막 (0.05 ≤ x ≤ 0.95, 0.2 ≤ y ≤ 2), TiOx 막 (0.2 ≤ x ≤ 2), SiOx 막 (0.2 ≤ x ≤ 2), 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 다른 양태에 따른 반도체 발광 소자는 기판과, 상기 기판의 일면에 접하고 상기 기판의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지는 적어도 하나의 본딩층을 포함하는 광추출막과, 상기 광추출막의 일면에 접하고 상기 광추출막 중 굴절률이 가장 큰 부분의 굴절률과 같거나 더 큰 굴절률을 가지는 질화물 반도체층과, 상기 질화물 반도체층 위에 형성되고, 제1 도전형 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조를 포함한다.
상기 광추출막은 상기 기판의 굴절률보다 크고 상기 질화물 반도체층의 굴절률과 같거나 더 작은 범위에서 서로 다른 굴절률을 가지는 복수의 본딩층을 포함하고, 상기 복수의 본딩층은 상기 기판으로부터 상기 질화물 반도체층에 가까워짐에 따라 굴절률이 점차 커지는 순서로 적층될 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 반도체 발광 소자는 이종 기판과 질화물 반도체 박막과의 사이에, 기판의 굴절률과 질화물 반도체 박막의 굴절률의 사이의 굴절률을 가지는 적어도 하나의 본딩층으로 이루어지는 광추출막을 포함한다. 상기 광추출막은 상기 질화물 반도체 박막으로부터 상기 광추출막을 경유하여 상기 기판에 이르기까지 굴절률이 크기 순서로 순차적으로 변화하는 구조를 가진다. 따라서, 활성층으로부터의 빛이 상기 질화물 반도체 박막으로부터 광추출막을 통과하여 기판까지 이르는 동안 굴절률 차이로 인한 전반사에 의해 반사될 가능성이 현저히 감소될 수 있으며, 질화물 반도체 박막으로부터 기판을 통해 외부로 추출되는 빛의 경로를 짧게 함으로써 광 손실을 억제할 수 있고, 광 추출 효율을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일부 실시예들에 따른 반도체 발광 소자의 요부 (essential parts) 구성을 도시한 단면도이다.
도 2a는 도 1의 반도체 발광 소자의 광추출막으로 채용 가능한 일부 실시예들에 따른 광추출막을 예시한 단면도이다.
도 2b는 기판, 도 2a의 광추출막, 및 질화물 반도체 박막의 예시적인 구성에 대한 굴절률 차이를 나타낸 그래프이다.
도 2c는 도 1의 반도체 발광 소자의 광추출막이 도 2a에 예시한 광추출막으로 이루어진 경우를 예시한 단면도이다.
도 3a는 도 1의 반도체 발광 소자의 광추출막으로 채용 가능한 일부 실시예들에 따른 광추출막을 예시한 단면도이다.
도 3b는 기판, 도 3a의 광추출막, 및 질화물 반도체 박막의 예시적인 구성에 대한 굴절률 차이를 나타낸 그래프이다.
도 3c는 도 1의 반도체 발광 소자의 광추출막이 도 3a에 예시한 광추출막으로 이루어진 경우를 예시한 단면도이다.
도 4a는 도 1의 반도체 발광 소자의 광추출막으로 채용 가능한 일부 실시예들에 따른 광추출막을 예시한 단면도이다.
도 4b는 기판, 도 4a의 광추출막, 및 질화물 반도체 박막의 예시적인 구성에 대한 굴절률 차이를 나타낸 그래프이다.
도 5a는 도 1의 반도체 발광 소자의 광추출막으로 채용 가능한 일부 실시예들에 따른 광추출막을 예시한 단면도이다.
도 5b는 기판, 도 5a의 광추출막, 및 질화물 반도체 박막의 예시적인 구성에 대한 굴절률 차이를 나타낸 그래프이다.
도 6a는 도 1의 반도체 발광 소자의 광추출막으로 채용 가능한 일부 실시예들에 따른 광추출막을 예시한 단면도이다.
도 6b 내지 도 6e는 각각 도 6a의 GRI 본딩층 내에서의 굴절률 분포를 예시한 그래프들이다.
도 7은 도 1의 반도체 발광 소자의 광추출막으로 채용 가능한 일부 실시예들에 따른 광추출막을 예시한 단면도이다.
도 8은 도 1의 반도체 발광 소자의 광추출막으로 채용 가능한 일부 실시예들에 따른 광추출막을 예시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 기술적 사상에 의한 일부 실시예들에 따른 반도체 발광 소자의 단면도이다.
도 10a 내지 도 10d는 본 발명의 기술적 사상에 의한 일부 실시예들에 따라 도 9의 반도체 발광 소자를 형성하는 공정을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다.
도 11은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일부 실시예들에 따른 질화물 반도체 발광 소자를 포함하는 조광 시스템 (dimming system)을 도시한 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고, 이들에 대한 중복된 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것으로, 아래의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예들로 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하며 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 영역, 층들, 부위 및/또는 구성 요소들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들, 부위 및/또는 구성 요소들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안 됨은 자명하다. 이들 용어는 특정 순서나 상하, 또는 우열을 의미하지 않으며, 하나의 부재, 영역, 부위, 또는 구성 요소를 다른 부재, 영역, 부위 또는 구성 요소와 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1 부재, 영역, 부위 또는 구성 요소는 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2 부재, 영역, 부위 또는 구성 요소를 지칭할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
달리 정의되지 않는 한, 여기에 사용되는 모든 용어들은 기술 용어와 과학 용어를 포함하여 본 발명 개념이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 공통적으로 이해하고 있는 바와 동일한 의미를 지닌다. 또한, 통상적으로 사용되는, 사전에 정의된 바와 같은 용어들은 관련되는 기술의 맥락에서 이들이 의미하는 바와 일관되는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 여기에 명시적으로 정의하지 않는 한 과도하게 형식적인 의미로 해석되어서는 아니 될 것임은 이해될 것이다.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 수행될 수도 있다.
첨부 도면에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조 과정에서 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일부 실시예들에 따른 반도체 발광 소자(100)의 요부 (essential parts) 구성을 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 반도체 발광 소자(100)는 기판(110)과, 상기 기판(110)의 일면에 접하는 광추출막(120)과, 상기 광추출막(120)의 일면에 접하는 질화물 반도체 박막(130)과, 상기 질화물 반도체 박막(130) 위에 형성된 발광 구조(140)를 포함한다.
상기 기판(110)은 제1 굴절률(n1)을 가지는 투명 기판으로 이루어진다. 예를 들면, 상기 기판(110)은 사파이어 (Al2O3), 산화 갈륨 (Ga2O3), 또는 산화리튬갈륨 (LiGaO2), 산화리튬알루미늄 (LiAlO2) 또는 산화마그네슘알루미늄 (MgAl2O4)으로 이루어질 수 있다.
상기 질화물 반도체 박막(130)은 상기 제1 굴절률(n1)과 다른 제2 굴절률(n2)을 가진다. 일부 실시예들에서, 상기 질화물 반도체 박막(130)의 제2 굴절률(n2)은 상기 제1 굴절률(n1)보다 더 크다.
상기 질화물 반도체 박막(130)은 InxAlyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)으로 표시되는 질화갈륨계 화합물 반도체로 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 질화물 반도체 박막(130)은 GaN 단결정으로 이루어진다.
상기 기판(110)과 상기 질화물 반도체 박막(130)과의 사이에 개재된 광추출막(120)은 상기 기판(110)에 접하는 저면(122)과, 상기 질화물 반도체 박막(130)에 접하는 상면(124)을 가진다. 상기 광추출막(120)은 상기 제1 굴절률(n1)과 상기 제2 굴절률(n1)과의 사이의 제3 굴절률(n3)을 가지는 적어도 하나의 본딩층을 포함한다.
상기 광추출막(120)은 상기 기판(110)과 상기 질화물 반도체 박막(130)을 상호 접착시키기 위하여 개재된 막이다. 상기 광추출막(120)은 상기 기판(110)의 굴절률과 상기 질화물 반도체 박막(130)의 굴절률과의 사이의 굴절률을 가짐으로써, 상기 질화물 반도체 박막(130)과 상기 기판(110)과의 사이의 광 경로상에 있는 막과의 굴절률 차이가 커질 때 야기되는 반사광에 의한 광 손실을 억제할 수 있다.
상기 질화물 반도체 박막(130) 위에 형성된 발광 구조(140)는 각각 InxAlyGa(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)으로 표시되는 질화갈륨계 화합물 반도체로 이루어지는 제1 도전형 반도체층(142), 활성층(144), 및 제2 도전형 반도체층(146)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 상기 제1 도전형 반도체층(142)은 n형 GaN층으로 이루어지고, 상기 제2 도전형 반도체층(146)은 p형 GaN층으로 이루어진다. 상기 n형 GaN층에 포함되는 n형 불순물은 Si, Ge, Sn 등으로 이루어질 수 있다. 상기 p형 GaN층에 포함되는 p형 불순물은 Mg, Zn, Be 등으로 이루어질 수 있다. 상기 활성층(144)은 전자와 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 빛을 방출한다. 상기 활성층(144)은 양자우물층 (quantum well) 및 양자장벽층(quantum barrier)이 적어도 1회 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다. 상기 양자우물층은 단일 양자우물(single quantum well) 구조 또는 다중 양자우물(multi-quantum well) 구조를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 활성층(144)은 u-AlGaN으로 이루어질 수 있다. 다른 일부 실시예들에서, 상기 활성층(144)은 GaN/AlGaN, InAlGaN/InAlGaN, 또는 InGaN/AlGaN 의 다중 양자 우물 구조로 이루어질 수 있다. 상기 활성층(144)의 발광 효율을 향상시키기 위해, 활성층(144)에서의 양자우물의 깊이, 양자우물층 및 양자장벽층 쌍의 적층 수, 두께 등을 변화시킬 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 발광 구조(140)는 MOCVD (metal-organic chemical vapor deposition), HVPE (hydride vapor phase epitaxy), 또는 MBE (molecular beam epitaxy) 공정에 의해 형성될 수 있다.
도 2a는 도 1의 반도체 발광 소자(100)에 포함되는 광추출막(120)으로 채용 가능한 일부 실시예들에 따른 광추출막(120A)을 예시한 단면도이다.
상기 광추출막(120A)은 도 1에 예시한 기판(110)의 제1 굴절률(n1)보다 크고 질화물 반도체 박막(130)의 제2 굴절률(n2)보다 작은 굴절률(n4)을 가지는 물질로이루어지는 본딩층(220)을 포함한다.
도 2b는 기판(110), 광추출막(120A), 및 질화물 반도체 박막(130)의 예시적인 구성에 대한 굴절률 차이를 나타낸 그래프이다.
도 2b에 예시한 바와 같이, 도 1의 반도체 발광 소자(100)에서, 상기 질화물 반도체 박막(130)은 GaN 단결정층으로 이루어지고, 광추출막(120)은 도 2a에 예시한 광추출막(120A)으로 이루어질 수 있다. GaN 단결정층으로 이루어지는 질화물 반도체 박막(130)은 파장 450 nm에서 약 2.48692의 굴절률을 가질 수 있다. 상기 기판(110)이 사파이어로 이루어진 경우, 상기 기판(110)은 파장 450 nm에서 약 1.77937의 굴절률을 가질 수 있다. 상기 광추출막(120A)을 구성하는 본딩층(220)은 사파이어의 굴절률보다 크고 상기 GaN 단결정층의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지는 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 본딩층(220)은 SiO2, Ta2O5, HfO2, ZnO, ZrO2, 또는 SiOxNy 막 (x + y ≤ 2, x > 0, y > 0)으로 이루어질 수 있다. 파장 450 nm에서, SiO2 막은 약 1.55248, Ta2O5 막은 약 1.83236, HfO2 막은 약 1.9597, ZnO 막은 약 2.1054, ZrO2 막은 약 2.23884의 굴절률을 가질 수 있다. SiOxNy 막은 파장 450 nm에서 질소 (N) 함량에 따라 약 1.49 내지 약 1.92의 굴절률을 가질 수 있으며, N 함량이 증가함에 따라 굴절률이 더 커질 수 있다.
상기 본딩층(220)을 형성하기 위하여, CVD (chemical vapor deposition), PECVD (plasma-enhanced CVD), HD-PECVD (high density plasma-enhanced chemical vapor deposition), ALD (atomic layer deposition), PEALD (plasma-enhanced atomic layer deposition), PVD (physical vapor deposition) 등의 공정을 이용할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 본딩층(220)을 형성하기 위한 퇴적 공정 중에 고주파 (RF: radio frequency)의 전력 및 퇴적 온도를 조절함으로써 상기 본딩층(220)에서의 굴절률을 제어할 수 있다.
도 2c는 도 1의 반도체 발광 소자(100)에 포함되는 광추출막(120)이 도 2a에 예시한 광추출막(120A)으로 이루어진 경우를 예시한 단면도이다.
활성층(144)으로부터 발생된 빛이 굴절률이 비교적 큰 질화물 반도체 박막(130)으로부터 상기 질화물 반도체 박막(130)보다 굴절률이 비교적 작은 기판(110)까지 입사될 때, 상기 질화물 반도체 박막(130)과 기판(110)과의 굴절률 차이가 크더라도 이들 사이에 기판(110)의 굴절률(n1)과 질화물 반도체 박막(130)의 굴절률(n2)과의 사이의 굴절률을 가지는 본딩층(220)으로 이루어지는 광추출막(120A)이 개재되어 있으므로, 활성층(144)으로부터의 빛이 질화물 반도체 박막(130)으로부터 상기 광추출막(120A)을 경유하여 상기 기판(110)까지 입사되는 동안 입사되는 빛의 입사각이 상기 빛을 전반사 (total reflection)시키는 임계각 (critical angle)보다 작아질 가능성이 높아진다. 따라서, 상기 활성층(144)으로부터 질화물 반도체 박막(130)까지 도달하는 대부분의 빛이 반사되지 않고 광추출막(120A) 내부로 굴절되어 기판(110)을 통해 외부로 추출될 수 있다. 따라서, 활성층(144)으로부터의 빛이 상기 질화물 반도체 박막(130)으로부터 광추출막(120A)을 통과하여 기판(110)까지 이르는 동안 질화물 반도체 박막(130)으로부터 기판(110)을 통해 외부로 추출되는 빛의 경로가 짧아질 수 있으며, 광 손실을 억제할 수 있고, 광 추출 효율을 개선할 수 있다.
도 2a에는 도 1의 광추출막(120)으로서 단일의 본딩층(220)으로 구성되는 광추출막(120A)을 채용한 경우가 예시되었으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 광추출막(120)은 서로 다른 종류의 복수의 본딩층이 적층된 다중층 구조를 가질 수도 있다.
도 3a는 도 1의 반도체 발광 소자(100)에 포함되는 광추출막(120)으로 채용 가능한 일부 실시예들에 따른 광추출막(120B)을 예시한 단면도이다.
상기 광추출막(120B)은 서로 다른 굴절률을 가지는 제1 본딩층(322) 및 제2 본딩층(324)을 포함한다.
상기 제1 본딩층(322) 및 제2 본딩층(324)은 각각 도 1에 예시한 기판(110)의 제1 굴절률(n1)보다 크고 질화물 반도체 박막(130)의 제2 굴절률(n2)보다 작은 굴절률(n51, n52)을 가진다. 제1 본딩층(322) 및 제2 본딩층(324)의 굴절률(n51, n52)은 서로 다른 값을 가질 수 있다.
도 3b는 기판(110), 광추출막(120B), 및 질화물 반도체 박막(130)의 예시적인 구성에 대한 굴절률 차이를 나타낸 그래프이다.
도 3b에 예시한 바와 같이, 도 1의 반도체 발광 소자(100)에서, 상기 기판(110)은 사파이어로 이루어지고, 상기 질화물 반도체 박막(130)은 GaN 단결정층으로 이루어지고, 광추출막(120)은 도 3a에 예시한 광추출막(120B)으로 이루어질 수 있다. 상기 광추출막(120B)을 구성하는 제1 본딩층(322) 및 제2 본딩층(324)은 각각 사파이어의 굴절률보다 크고 상기 GaN 단결정층의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지는 물질로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 제1 본딩층(322) 및 제2 본딩층(324)은 기판(110)으로부터 질화물 반도체 박막(130)까지 굴절률이 점차 커지는 순서로 적층될 수 있다.
예를 들면, 상기 제1 본딩층(322) 및 제2 본딩층(324)은 각각 SiO2, Ta2O5, HfO2, ZnO, ZrO2, 또는 SiOxNy 막 (x + y ≤ 2, x > 0, y > 0)으로 이루어지는 군에서 선택되는 서로 다른 물질로 이루어질 수 있다.
도 3c는 도 1의 반도체 발광 소자(100)에 포함되는 광추출막(120)으로서 도 3a에 예시한 광추출막(120C)을 채용한 경우를 예시한 단면도이다.
활성층(144)으로부터 발생된 빛이 굴절률이 비교적 큰 질화물 반도체 박막(130)으로부터 상기 질화물 반도체 박막(130)보다 굴절률이 비교적 작은 기판(110)까지 입사될 때, 상기 질화물 반도체 박막(130)과 기판(110)과의 굴절률 차이가 크더라도 이들 사이에 기판(110)의 굴절률(n1)과 질화물 반도체 박막(130)의 굴절률(n2)과의 사이의 굴절률(n51, n52)을 가지는 제1 본딩층(322) 및 제2 본딩층(324)으로 이루어지는 광추출막(120B)이 개재되어 있으므로, 활성층(144)으로부터의 빛이 질화물 반도체 박막(130)으로부터 상기 광추출막(120B)을 경유하여 기판(110)까지 입사되는 동안 입사되는 빛의 입사각이 상기 빛을 전반사시키는 임계각보다 작아질 가능성이 높아진다. 따라서, 상기 활성층(144)으로부터 질화물 반도체 박막(130)까지 도달하는 대부분의 빛이 반사되지 않고 광추출막(120) 내부로 굴절되어 기판(110)을 통해 외부로 추출될 수 있다. 따라서, 활성층(144)으로부터의 빛이 상기 질화물 반도체 박막(130)으로부터 광추출막(120B)을 통과하여 기판(110)까지 이르는 동안 질화물 반도체 박막(130)으로부터 기판(110)을 통해 외부로 추출되는 빛의 경로가 짧아질 수 있으며, 광 손실을 억제할 수 있고, 광 추출 효율을 개선할 수 있다.
도 4a는 도 1의 반도체 발광 소자(100)에 포함되는 광추출막(120)으로 채용 가능한 일부 실시예들에 따른 광추출막(120C)을 예시한 단면도이다.
상기 광추출막(120C)은 서로 다른 굴절률을 가지는 제1 본딩층(422), 제2 본딩층(424), 및 제3 본딩층(426)을 포함한다.
상기 제1 본딩층(422), 제2 본딩층(424), 및 제3 본딩층(426)은 각각 도 1에 예시한 기판(110)의 제1 굴절률(n1)보다 크고 질화물 반도체 박막(130)의 제2 굴절률(n2)보다 작은 굴절률(n61, n62, n63)을 가진다. 상기 제1 본딩층(422), 제2 본딩층(424), 및 제3 본딩층(426)의 굴절률(n61, n62, n63)은 서로 다른 값을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제1 본딩층(422), 제2 본딩층(424), 및 제3 본딩층(426)은 실질적으로 균일한 두께를 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 4b는 기판(110), 광추출막(120C), 및 질화물 반도체 박막(130)의 예시적인 구성에 대한 굴절률 차이를 나타낸 그래프이다.
도 4b에 예시한 바와 같이, 도 1의 반도체 발광 소자(100)에서, 상기 기판(110)은 사파이어로 이루어지고, 상기 질화물 반도체 박막(130)은 GaN 단결정층으로 이루어지고, 광추출막(120)은 도 4a에 예시한 광추출막(120C)으로 이루어질 수 있다. 상기 광추출막(120C)을 구성하는 제1 본딩층(422), 제2 본딩층(424), 및 제3 본딩층(426)은 각각 사파이어의 굴절률보다 크고 상기 GaN 단결정층의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지는 물질로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 제1 본딩층(422), 제2 본딩층(424), 및 제3 본딩층(426)은 기판(110)으로부터 질화물 반도체 박막(130)까지 굴절률이 점차 커지는 순서로 적층될 수 있다.
예를 들면, 상기 제1 본딩층(422), 제2 본딩층(424), 및 제3 본딩층(426)은 각각 SiO2, Ta2O5, HfO2, ZnO, ZrO2, 또는 SiOxNy 막 (x + y ≤ 2, x > 0, y > 0)으로 이루어지는 군에서 선택되는 서로 다른 물질로 이루어질 수 있다.
도 4a에 예시한 광추출막(120C)을 채용하는 경우, 도 2c 및 도 3c를 참조하여 설명한 바와 유사하게, 활성층(144)으로부터의 빛이 상기 질화물 반도체 박막(130)으로부터 광추출막(120C)을 통과하여 기판(110)까지 이르는 동안 빛이 질화물 반도체 박막(130)으로부터 기판(110)을 통해 외부로 추출되는 경로가 짧아질 수 있으며, 광 손실을 억제할 수 있고, 광 추출 효율을 개선할 수 있다.
도 5a는 도 1의 반도체 발광 소자(100)에 포함되는 광추출막(120)으로 채용 가능한 일부 실시예들에 따른 광추출막(120D)을 예시한 단면도이다.
상기 광추출막(120C)은 서로 다른 굴절률을 가지는 제1 본딩층(522), 제2 본딩층(524), 및 제3 본딩층(526)을 포함한다.
상기 제1 본딩층(522), 제2 본딩층(524), 및 제3 본딩층(526)은 각각 도 1에 예시한 기판(110)의 제1 굴절률(n1)보다 크고 질화물 반도체 박막(130)의 제2 굴절률(n2)보다 작은 굴절률(n71, n72, n73)을 가진다. 상기 제1 본딩층(522), 제2 본딩층(524), 및 제3 본딩층(526)의 굴절률(n71, n72, n73)은 서로 다른 값을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제1 본딩층(522), 제2 본딩층(524), 및 제3 본딩층(526)은 각각 서로 다른 두께(TA, TB, TC)를 가질 수 있다. 다른 일부 실시예들에서, 상기 제1 본딩층(522), 제2 본딩층(524), 및 제3 본딩층(526) 중 중간 부분에 있는 제2 본딩층(524)이 가장 큰 두께를 가질 수 있다. 그리고, 제1 본딩층(522)의 두께(TA) 및 제3 본딩층(526)의 두께(TC)는 제2 본딩층(524)의 두께(TB)보다 더 작을 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 제1 본딩층(522)의 두께(TA) 및 제3 본딩층(526)의 두께(TC)는 실질적으로 동일할 수 있다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 상기 예시된 구성들에 제한되는 것은 아니며, 상기 제1 본딩층(522), 제2 본딩층(524), 및 제3 본딩층(526)이 다양한 두께를 가질 수 있다.
도 5b는 기판(110), 광추출막(120D), 및 질화물 반도체 박막(130)의 예시적인 구성에 대한 굴절률 차이를 나타낸 그래프이다.
도 5b에 예시한 바와 같이, 도 1의 반도체 발광 소자(100)에서, 상기 기판(110)은 사파이어로 이루어지고, 상기 질화물 반도체 박막(130)은 GaN 단결정층으로 이루어지고, 광추출막(120)은 도 5a에 예시한 광추출막(120D)으로 이루어질 수 있다. 상기 광추출막(120D)을 구성하는 제1 본딩층(522), 제2 본딩층(524), 및 제3 본딩층(526)은 각각 사파이어의 굴절률보다 크고 상기 GaN 단결정층의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지는 물질로 이루어질 수 있다. 그리고, 상기 제1 본딩층(522), 제2 본딩층(524), 및 제3 본딩층(526)은 기판(110)으로부터 질화물 반도체 박막(130)까지 굴절률이 점차 커지는 순서로 적층될 수 있다.
예를 들면, 상기 제1 본딩층(522), 제2 본딩층(524), 및 제3 본딩층(526)은 각각 SiO2, Ta2O5, HfO2, ZnO, ZrO2, 또는 SiOxNy 막 (x + y ≤ 2, x > 0, y > 0)으로 이루어지는 군에서 선택되는 서로 다른 물질로 이루어질 수 있다.
도 5a에 예시한 광추출막(120D)을 채용하는 경우, 도 2c 및 도 3c를 참조하여 설명한 바와 유사하게, 활성층(144)으로부터의 빛이 상기 질화물 반도체 박막(130)으로부터 광추출막(120D)을 통과하여 기판(110)까지 이르는 동안 질화물 반도체 박막(130)으로부터 기판(110)을 통해 외부로 추출되는 빛의 경로가 짧아질 수 있으며, 광 손실을 억제할 수 있고, 광 추출 효율을 개선할 수 있다.
도 3a, 도 4a, 및 도 5a에서는 각각 광추출막(120B, 120C, 120D)을 구성하는 본딩층들의 굴절율이 도 1에 예시한 기판(110)으로부터 질화물 반도체 박막(130)까지 계단형으로 증가하도록 구성된 경우들을 예시하였다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 사상에 의하면, 도 1의 광추출막(120) 내에서 굴절율이 연속적으로 변하는 굴절률 (graded refractive index: GRI)을 가지는 GRI 본딩층으로 이루어질 수 있다.
도 6a는 도 1의 반도체 발광 소자(100)에 포함되는 광추출막(120)으로 채용 가능한 일부 실시예들에 따른 광추출막(120E)을 예시한 단면도이다.
상기 광추출막(120E)은 도 1에 예시한 기판(110)의 제1 굴절률(n1)과 질화물 반도체 박막(130)의 제2 굴절률(n2)과의 사이의 범위 내에서 연속적으로 변하는 굴절률을 가지는 GRI 본딩층(620)으로 이루어질 수 있다.
상기 GRI 본딩층(620)은 TixSi1 - xOy 막 (0.05 ≤ x ≤ 0.95, 0.2 ≤ y ≤ 2), TiOx 막 (0.2 ≤ x ≤ 2), SiOx 막 (0.2 ≤ x ≤ 2), 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
상기 GRI 본딩층(620)이 TixSi1 - xOy 막으로 이루어지는 경우, TixSi1 - xOy 막 내에서의 Ti 함량이 증가함에 따라 굴절률이 더 커진다. 따라서, 상기 GRI 본딩층(620) 내에서, 저면(622)에 가까워질수록 TixSi1 - xOy 막 내에서의 Ti 함량이 작아지고, 상면(624)에 가까워질수록 TixSi1 - xOy 막 내에서의 Ti 함량이 커질 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 GRI 본딩층(620)을 구성하는 TixSi1 - xOy 막을 형성하기 위하여, PEALD 공정을 이용할 수 있다. 예를 들면, 비교적 고 굴절률 재료인 TiO2 원자층을 형성하기 위한 제1 ALD 사이클과, 비교적 저굴절률 재료인 SiO2 원자층을 형성하기 위한 제2 ALD 사이클을 교대로 반복하되, 제1 ALD 사이클 횟수와 제2 ALD 사이클 횟수의 비율을 조절함으로써, 상기 GRI 본딩층(620)의 굴절률 및 두께를 조절할 수 있다. 제1 ALD 사이클의 반복 횟수보다 제2 ALD 사이클의 반복 횟수가 더 많아지면 Si 함량이 증가되어 굴절률이 비교적 작아지고, 제2 ALD 사이클의 반복 횟수보다 제1 ALD 사이클의 반복 횟수가 더 많아지면 Ti 함량이 증가되어 굴절률이 비교적 커질 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 GRI 본딩층(620)은 SiOx 막, TixSi1 - xOy 막, 및 TiOx 막이 차례로 적층된 구조를 가질 수 있다. 이 경우, SiOx 막이 상기 GRI 본딩층(620)의 저면(622)에 위치되도록 먼저 형성하고, 그 위에 GRI 구조의 TixSi1 - xOy 막과 TiOx 막을 차례로 형성함으로써, 상기 GRI 본딩층(620)의 두께 방향을 따라 저면(622)으로부터 상면(624)으로 가까워짐에 따라 굴절률이 점차 증가하는 구조를 가지도록 형성할 수 있다.
다른 일부 실시예들에서, 상기 GRI 본딩층(620)을 구성하는 TixSi1 - xOy 막을 형성하기 위하여, 스퍼터링 (sputtering) 공정을 이용할 수 있다. 예를 들면, TixSi1-xOy 타겟 (target)이 있는 스퍼터링 챔버 내에서, 아르곤 (Ar) 가스, 산소 (O2) 가스, 질소 (N2) 가스, 또는 이들의 조합으로 이루어지는 반응 가스 존재 하에, 상기 GRI 본딩층(620)을 형성할 수 있다. 상기 TixSi1 - xOy 타겟에서 x 값을 변화시켜 상기 TixSi1 - xOy 타겟 내에서의 Ti와 Si과의 원자비 또는 중량비를 조절할 수 있다. TixSi1 - xOy 타겟에서의 x 값이 작아지면 Si 함량이 증가되어 굴절률이 비교적 작아지고, x 값이 커지면 Ti 함량이 증가되어 굴절률이 비교적 커질 수 있다.
상기 GRI 본딩층(620)이 SiOxNy 막으로 이루어지는 경우, SiOxNy 막 내에서의 N 함량이 증가함에 따라 굴절률이 더 커진다. 따라서, 상기 GRI 본딩층(620) 내에서, 저면(622)에 가까워질수록 SiOxNy 막 내에서의 N 함량이 작아지고, 상면(624)에 가까워질수록 SiOxNy 막 내에서의 N 함량이 커질 수 있다.
도 6b 내지 도 6e는 각각 상기 GRI 본딩층(620) 내에서의 굴절률 분포를 예시한 그래프들이다.
도 6b를 참조하면, 도 1의 반도체 발광 소자(100)에서, 상기 질화물 반도체 박막(130)은 GaN 단결정층으로 이루어지고, 광추출막(120)은 도 6a에 예시한 광추출막(120E)으로 이루어질 수 있다. 상기 광추출막(120E)을 구성하는 GRI 본딩층(620)은 구간 "V1"에서와 같이 기판(110)에 접하는 저면(622)으로부터 상기 GRI 본딩층(620)의 두께 방향을 따라 질화물 반도체 박막(130)에 접하는 상면(624)에 이르기까지 제1 굴절률(n1)로부터 제2 굴절률(n2)까지 일정한 변화율로 연속적으로 변화되는 가변적인 굴절률을 가질 수 있다.
도 6c를 참조하면, 상기 광추출막(120E)을 구성하는 GRI 본딩층(620)은 도 6b를 참조하여 설명한 바와 대체로 유사한 구성을 가질 수 있다. 단, 구간 "V2"에서와 같이 기판(110)에 접하는 저면(622)으로부터 상기 GRI 본딩층(620)의 두께 방향을 따라 질화물 반도체 박막(130)에 접하는 상면(624)에 이르기까지 제1 굴절률(n1)로부터 제2 굴절률(n2)까지 변화되는 가변적인 굴절률을 가지되, GRI 본딩층(620) 중 저면(622) 및 상면(624)에 인접한 부분에서는 굴절률 변화가 비교적 작고, GRI 본딩층(620)의 중간 부분에서는 굴절률 변화가 비교적 크다.
도 6d를 참조하면, 상기 광추출막(120E)을 구성하는 GRI 본딩층(620)은 도 6b를 참조하여 설명한 바와 대체로 유사한 구성을 가질 수 있다. 단, 구간 "V3"에서와 같이 기판(110)에 접하는 저면(622)으로부터 상기 GRI 본딩층(620)의 두께 방향을 따라 질화물 반도체 박막(130)에 접하는 상면(624)에 이르기까지 제1 굴절률(n1)로부터 제2 굴절률(n2)까지 변화되는 가변적인 굴절률을 가지되, GRI 본딩층(620) 중 저면(622)에 인접한 부근에서는 굴절률 변화가 비교적 작고, GRI 본딩층(620)의 중간 부분 및 상면(624)에 인접한 부분에서는 굴절률 변화가 비교적 크다.
도 6e를 참조하면, 상기 광추출막(120E)을 구성하는 GRI 본딩층(620)은 도 6b를 참조하여 설명한 바와 대체로 유사한 구성을 가질 수 있다. 단, 구간 "V4"에서와 같이 기판(110)에 접하는 저면(622)으로부터 상기 GRI 본딩층(620)의 두께 방향을 따라 질화물 반도체 박막(130)에 접하는 상면(624)에 이르기까지 제1 굴절률(n1)로부터 제2 굴절률(n2)까지 변화되는 가변적인 굴절률을 가지되, GRI 본딩층(620) 중 저면(622)에 인접한 부근에서는 굴절률 변화가 비교적 크고, GRI 본딩층(620)의 중간 부분 및 상면(624)에 인접한 부분에서는 굴절률 변화가 비교적 작다.
도 6a에 예시한 광추출막(120E)을 채용하는 경우, 도 2c 및 도 3c를 참조하여 설명한 바와 유사하게, 활성층(144)으로부터의 빛이 상기 질화물 반도체 박막(130)으로부터 광추출막(120E)을 통과하여 기판(110)까지 이르는 동안 빛이 질화물 반도체 박막(130)으로부터 기판(110)을 통해 외부로 추출되는 경로가 짧아질 수 있으며, 광 손실을 억제할 수 있고, 광 추출 효율을 개선할 수 있다.
도 7은 도 1의 반도체 발광 소자(100)에 포함되는 광추출막(120)으로 채용 가능한 일부 실시예들에 따른 광추출막(120F)을 예시한 단면도이다.
상기 광추출막(120F)은 서로 다른 굴절률을 가지는 제1 본딩층(722), 제2 본딩층(724), 및 제3 본딩층(726)을 포함한다.
상기 제1 본딩층(722), 제2 본딩층(724), 및 제3 본딩층(726)은 각각 도 1에 예시한 기판(110)의 제1 굴절률(n1)보다 크고 질화물 반도체 박막(130)의 제2 굴절률(n2)보다 작은 굴절률을 가진다. 상기 제1 본딩층(722), 제2 본딩층(724), 및 제3 본딩층(726)의 굴절률은 서로 다른 값을 가질 수 있다.
상기 제1 본딩층(722)은 서로 이격된 복수의 아일랜드 패턴(722A)으로 이루어진다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 예시된 구성에만 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 사상에 의하면, 상기 제1 본딩층(722), 제2 본딩층(724), 및 제3 본딩층(726) 중 적어도 하나의 본딩층이 서로 이격된 복수의 아일랜드 패턴으로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 본딩층(724) 또는 제3 본딩층(726)이 서로 이격된 복수의 아일랜드 패턴으로 이루어질 수도 있다. 또한, 도 7에서는 제1 본딩층(722)을 구성하는 복수의 아일랜드 패턴(722A)이 균일한 형상 및 균일한 크기를 가지는 것으로 예시되었으나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 복수의 아일랜드 패턴(722A)은 다양한 형상 및 다양한 크기를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 제1 본딩층(722), 제2 본딩층(724), 및 제3 본딩층(726)은 각각 SiO2, Ta2O5, HfO2, ZnO, ZrO2, 또는 SiOxNy 막 (x + y ≤ 2, x > 0, y > 0)으로 이루어지는 군에서 선택되는 서로 다른 물질로 이루어질 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 복수의 아일랜드 패턴(722A)으로 이루어지는 제1 본딩층(722)을 형성하기 위하여, 먼저 연속적인 박막 형태의 예비 제1 본딩층(도시 생략)을 형성한 후, 상기 예비 제1 본딩층을 건식 식각 공정 또는 습식 식각 공정을 이용하여 패터닝하는 공정을 이용할 수 있다.
도 7에 예시한 광추출막(120F)을 채용하는 경우, 도 2c 및 도 3c를 참조하여 설명한 바와 유사하게, 활성층(144)으로부터의 빛이 상기 질화물 반도체 박막(130)으로부터 광추출막(120F)을 통과하여 기판(110)까지 이르는 동안 빛이 질화물 반도체 박막(130)으로부터 기판(110)을 통해 외부로 추출되는 경로가 짧아질 수 있으며, 광 손실을 억제할 수 있고, 광 추출 효율을 개선할 수 있다. 또한, 상기 광추출막(120F)은 복수의 아일랜드 패턴(722A)으로 이루어지는 제1 본딩층(722)을 포함하고 있으므로, 상기 복수의 아일랜드 패턴(722A)에 의해 임계각이 커져서 활성층(144)에서 발생된 빛이 전반사를 일으키는 임계각보다 큰 입사각으로 상기 광추출막(120F)에 입사되더라도 상기 복수의 아일랜드 패턴(722A)에 의해 전반사 없이 투과하여 기판(110)으로 입사될 수 있다. 따라서, 광 추출 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 8은 도 1의 반도체 발광 소자(100)에 포함되는 광추출막(120)으로 채용 가능한 일부 실시예들에 따른 광추출막(120G)을 예시한 단면도이다.
상기 광추출막(120G)은 서로 다른 굴절률을 가지는 제1 본딩층(822), 제2 본딩층(824), 및 제3 본딩층(826)을 포함한다.
상기 제1 본딩층(822), 제2 본딩층(824), 및 제3 본딩층(826)은 각각 도 1에 예시한 기판(110)의 제1 굴절률(n1)보다 크고 질화물 반도체 박막(130)의 제2 굴절률(n2)보다 작은 굴절률을 가진다. 상기 제1 본딩층(822), 제2 본딩층(824), 및 제3 본딩층(826)의 굴절률은 서로 다른 값을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 제1 본딩층(822), 제2 본딩층(824), 및 제3 본딩층(826) 중 적어도 하나의 본딩층은 적어도 일부에 요철 패턴이 형성되어 있다. 도 8에서는 상기 제1 본딩층(822)에서 그 상면에 요철 패턴(822A)이 형성된 경우를 예시하였다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 상기 제2 본딩층(824) 또는 제3 본딩층(826)에도 그들 각각의 적어도 일부에 요철 패턴이 형성될 수 있다. 또한, 도 8에서는 제1 본딩층(822)을 구성하는 요철 패턴(822A)이 균일한 형상 및 균일한 크기를 가지는 것으로 예시되었으나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 요철 패턴(822A)은 다양한 형상 및 다양한 크기를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 제1 본딩층(822), 제2 본딩층(824), 및 제3 본딩층(826)은 각각 SiO2, Ta2O5, HfO2, ZnO, ZrO2, 또는 SiOxNy 막 (x + y ≤ 2, x > 0, y > 0)으로 이루어지는 군에서 선택되는 서로 다른 물질로 이루어질 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 요철 패턴(822A)이 형성된 제1 본딩층(822)을 형성하기 위하여, 먼저 연속적인 박막 형태의 예비 제1 본딩층(도시 생략)을 형성한 후, 상기 예비 제1 본딩층을 건식 식각 공정 또는 습식 식각 공정을 이용하여 상기 예비 제1 본딩층의 총 두께 중 일부 두께 부분만을 식각하는 공정을 이용할 수 있다.
도 8에 예시한 광추출막(120G)을 채용하는 경우, 도 2c 및 도 3c를 참조하여 설명한 바와 유사하게, 활성층(144)으로부터의 빛이 상기 질화물 반도체 박막(130)으로부터 광추출막(120G)을 통과하여 기판(110)까지 이르는 동안 질화물 반도체 박막(130)으로부터 기판(110)을 통해 외부로 추출되는 빛의 경로가 짧아질 수 있으며, 광 손실을 억제할 수 있고, 광 추출 효율을 개선할 수 있다. 또한, 상기 광추출막(120G)은 요철 패턴(822A)이 형성된 제1 본딩층(822)을 포함하고 있으므로, 상기 요철 패턴(822A)에 의해 임계각이 커져서 활성층(144)에서 발생된 빛이 전반사를 일으키는 임계각보다 큰 입사각으로 상기 광추출막(120G)에 입사되더라도 상기 요철 패턴(822A)에 의해 전반사 없이 투과하여 기판(110)으로 입사될 수 있다. 따라서, 광 추출 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 9는 본 발명의 기술적 사상에 의한 일부 실시예들에 따른 반도체 발광 소자(900)의 단면도이다.
도 9에는 플립칩(flip-chip) 실장된 수평 구조를 가지는 반도체 발광 소자(900)가 예시되어 있다. 도 9에 있어서, 도 1에서와 동일한 참조 부호는 동일 부재를 나타내며, 여기서는 설명의 간략화를 위하여 이들에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 9를 참조하면, 반도체 발광 소자(900)는 제1 도전형 반도체층(142) 위에 형성된 n형 전극(912)과, 제2 도전형 반도체층(146) 위에 형성된 p형 전극(914)을 포함한다. 상기 n형 전극(912) 및 p형 전극(914)은 각각 도전성 접착층(932, 934)을 통해 서브마운트(940)의 상면에 형성된 제1 도전 패턴(942) 및 제2 도전 패턴(944)에 연결되어 있다.
상기 서브마운트(940)는 열전도도가 우수한 재료로 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 서브마운트(940)는 Si으로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 도전성 접착층(932, 934)은 박막 (thin film) 또는 스터드 범프 (stud bump)로 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 도전성 접착층(932, 934)은 Au, Sn, Ag, Cu, 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 반도체 발광 소자(900)에 있어서, 활성층(144)에서 발생하는 빛은 방향성 없이 방출될 수 있으며, 기판(110)을 향하여 방출된 빛은 광추출막(120)을 통과하여 기판(110)을 통해 추출될 수 있다. 도 2a 내지 도 8을 참조하여 설명한 바와 같이, 상기 광추출막(120)은 상기 기판(110)의 굴절률과 상기 질화물 반도체 박막(130)의 굴절률과의 사이의 굴절률을 가지는 적어도 하나의 본딩층으로 이루어진다. 특히, 상기 질화물 반도체 박막(130)으로부터 상기 광추출막(120)을 경유하여 상기 기판(110)에 이르기까지 서로 이웃하는 막질들 간의 굴절률 차이가 비교적 작고, 또한 상기 질화물 반도체 박막(130)으로부터 상기 기판(110)에 이르기까지 굴절률이 크기 순서로 순차적으로 변화하는 구조를 가진다. 따라서, 활성층(144)으로부터의 빛이 상기 질화물 반도체 박막(130)으로부터 광추출막(120)을 통과하여 기판(110)까지 이르는 동안 굴절률 차이로 인한 전반사에 의해 반사될 가능성이 현저히 감소될 수 있으며, 질화물 반도체 박막(130)으로부터 기판(110)을 통해 외부로 추출되는 빛의 경로를 짧게 함으로써 광 손실을 억제할 수 있고, 광 추출 효율을 개선할 수 있다.
도 10a 내지 도 10d는 본 발명의 기술적 사상에 의한 일부 실시예들에 따라 도 9에 예시한 반도체 발광 소자(900)를 형성하는 공정을 설명하기 위하여 공정 순서에 따라 도시한 단면도들이다. 도 10a 내지 도 10d에 있어서, 도 1 및 도 9에서와 동일한 참조 부호는 동일 부재를 나타내며, 여기서는 설명의 간략화를 위하여 이들에 대한 상세한 설명을 생략한다.
도 10a를 참조하면, 질화물 반도체 단결정 벌크(bulk)(30)를 HVPE (hydride vapor phase epitaxy), MOCVD (metal-organic chemical vapor deposition), 또는 MBE (molecular beam epitaxy) 등의 공정에 의해 성장시킨 후, 절단면(30A)을 따라 상기 질화물 반도체 단결정 벌크(30)의 일부를 절단하여 분리하고 상기 절단면(30A)을 폴리싱하여 소정 두께를 가지는 질화물 반도체 박막(130)을 형성한다.
상기 질화물 반도체 박막(130)은 약 0.1 ∼ 100 ㎛ 의 두께(D)를 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 질화물 반도체 단결정 벌크(30)는 GaN 단결정 벌크로 이루어질 수 있다. GaN으로 이루어지는 상기 질화물 반도체 박막(130)은 N 표면 (질소 원자 표면)(130N)과, 상기 N 표면(130N)의 반대측 표면인 Ga 표면 (갈륨 원자 표면)(130G)을 포함한다.
도 10b를 참조하면, 상기 질화물 반도체 박막(130)과는 화학 조성이 다른 이종 기판으로 이루어지는 기판(110)을 준비한 후, 상기 기판(110) 위에 상기 질화물 반도체 박막(130)의 굴절률과는 다른 굴절률(n3)을 가지는 적어도 하나의 본딩층으로 이루어지는 광추출막(120)을 형성하고, 상기 광추출막(120)을 접착층으로 이용하여 상기 기판(110)상에 도 10a를 참조하여 설명한 방법으로 얻어진 질화물 반도체 박막(130)을 본딩한다.
상기 질화물 반도체 박막(130)이 GaN으로 이루어지는 경우, 상기 질화물 반도체 박막(130)의 N 표면(130N)이 상기 광추출막(120)의 상면(124)과 마주 보도록 상기 광추출막(120) 위에 상기 질화물 반도체 박막(130)을 본딩한다.
그 후, 상기 질화물 반도체 박막(130)의 Ga 표면(130G)으로부터 제1 도전형 반도체층(142), 활성층(144), 및 제2 도전형 반도체층(146)을 차례로 성장시켜 발광 구조(140)를 형성한다.
일부 실시예들에서, 상기 발광 구조(140)는 MOCVD, HVPE, 또는 MBE 공정에 의해 형성될 수 있다.
도 10c를 참조하면, 발광 구조(140)를 메사 식각하여 제1 도전형 반도체층(142)의 일부를 노출시킨다.
도 10d를 참조하면, 상기 노출된 제1 도전형 반도체층(142) 위에 n형 전극(912)을 형성하고, 상기 제2 도전형 반도체층(146) 위에 p형 전극(914)을 형성한다.
그 후, 상기 n형 전극(912) 및 p형 전극(914)을 각각 도전성 접착층(932, 934)을 통해 서브마운트(940)의 상면에 형성된 제1 도전 패턴(942) 및 제2 도전 패턴(944)에 연결하여, 도 9에 예시한 반도체 발광 소자(900)를 제조할 수 있다.
도 11은 본 발명의 기술적 사상에 의한 일부 실시예들에 따른 질화물 반도체 발광 소자를 포함하는 조광 시스템 (dimming system) (1000)을 도시한 도면이다.
도 11을 참조하면, 조광 시스템(1000)은 구조물(1010)상에 배치된 발광 모듈(1020) 및 전원 공급부(1030)를 포함한다.
상기 발광 모듈(1020)은 복수의 발광 소자 패키지(1024)를 포함한다. 상기 복수의 발광 소자 패키지(1024)는 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한 발광 소자 패키지(100, 200, 300, 400) 중 적어도 하나를 포함한다.
상기 전원 공급부(1030)는 전원을 입력받는 인터페이스(1032)와, 발광 모듈(1020)에 공급되는 전원을 제어하는 전원 제어부(1034)를 포함한다. 상기 인터페이스(1032)는 과전류를 차단하는 퓨즈와 전자파 장애 신호를 차폐하는 전자파 차폐필터를 포함할 수 있다. 상기 전원 제어부(1034)는 전원으로서 교류 전원이 입력되는 경우 교류를 직류로 변환하는 정류부 및 평활화부와, 상기 발광 모듈(1020)에 적합한 전압으로 변환시켜주는 정전압 제어부를 포함할 수 있다. 상기 전원 공급부(1030)는 상기 복수의 발광 소자 패키지(1024) 각각에서의 발광량과 미리 설정된 광량과의 비교를 수행하는 피드백 회로 장치와, 원하는 휘도, 연색성 등과 같은 정보를 저장하기 위한 메모리 장치를 포함할 수 있다.
상기 조광 시스템(1000)은 화상 패널을 구비하는 액정 표시 장치 등의 디스플레이 장치에 이용되는 백라이트 유닛, 램프, 평판 조명 등의 실내 조명 가로등, 또는 간판, 표지판 등의 실외 조명 장치로 사용될 수 있다. 또는, 상기 조광 장치(1000)는 다양한 교통 수단용 조명 장치, 예를 들면 자동차, 선박, 또는 항공기용 조명 장치, TV, 냉장고 등과 같은 가전 제품, 또는 의료기기 등에 사용될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형 및 변경이 가능하다.
100, 900: 반도체 발광 소자, 110: 기판, 120, 120A, 120B, 120C, 120D, 120E, 120F, 120G: 광추출막, 130: 질화물 반도체 박막, 140: 발광 구조.

Claims (10)

  1. 제1 굴절률을 가지는 기판과,
    상기 기판 위에 형성되고 상기 제1 굴절률과 다른 제2 굴절률을 가지는 질화물 반도체층과,
    상기 질화물 반도체층 위에 형성되고, 제1 도전형 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조와,
    상기 기판과 상기 질화물 반도체층과의 사이에 개재되고, 상기 제1 굴절률과 상기 제2 굴절률과의 사이의 굴절률을 가지는 적어도 하나의 본딩층으로 이루어지는 광추출막을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 굴절률은 상기 제2 굴절률보다 작고,
    상기 광추출막은 서로 다른 굴절률을 가지는 복수의 본딩층을 포함하고,
    상기 복수의 본딩층은 상기 기판으로부터 상기 질화물 반도체층에 가까워짐에 따라 굴절률이 점차 커지는 순서로 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광추출막은 서로 다른 굴절률을 가지는 복수의 본딩층을 포함하고,
    상기 복수의 본딩층은
    상기 복수의 본딩층 중 가장 작은 굴절률을 가지고 상기 기판에 접해 있는 저면 본딩층과,
    상기 복수의 본딩층 중 가장 큰 굴절률을 가지고 상기 질화물 반도체층에 접해 있는 상면 본딩층과,
    상기 저면 본딩층의 굴절률과 상기 상면 본딩층의 굴절률과의 사이의 굴절률을 가지고 상기 저면 본딩층과 상기 상면 본딩층과의 사이에 있는 중간 본딩층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광추출막은 서로 다른 굴절률을 가지는 복수의 본딩층을 포함하고,
    상기 복수의 본딩층 중 적어도 하나의 본딩층은 서로 이격된 복수의 아일랜드 패턴으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광추출막은 서로 다른 굴절률을 가지는 복수의 본딩층을 포함하고,
    상기 복수의 본딩층 중 적어도 하나의 본딩층은 적어도 일부에 요철 패턴이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광추출막은 연속적으로 변하는 굴절률 (graded refractive index: GRI)을 가지는 GRI 본딩층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 GRI 본딩층은 TixSi1 - xOy 막 (0.05 ≤ x ≤ 0.95, 0.2 ≤ y ≤ 2), TiOx 막 (0.2 ≤ x ≤ 2), SiOx 막 (0.2 ≤ x ≤ 2), 또는 이들의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  8. 기판과,
    상기 기판의 일면에 접하고 상기 기판의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지는 적어도 하나의 본딩층을 포함하는 광추출막과,
    상기 광추출막의 일면에 접하고 상기 광추출막 중 굴절률이 가장 큰 부분의 굴절률과 같거나 더 큰 굴절률을 가지는 질화물 반도체층과,
    상기 질화물 반도체층 위에 형성되고, 제1 도전형 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 광추출막은 상기 기판의 굴절률보다 크고 상기 질화물 반도체층의 굴절률과 같거나 더 작은 범위에서 서로 다른 굴절률을 가지는 복수의 본딩층을 포함하고,
    상기 복수의 본딩층은 상기 기판으로부터 상기 질화물 반도체층에 가까워짐에 따라 굴절률이 점차 커지는 순서로 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 광추출막은 연속적으로 변하는 굴절률 (graded refractive index: GRI)을 가지는 GRI 본딩층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
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