KR20140100379A - 반도체 발광소자 - Google Patents

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KR20140100379A
KR20140100379A KR1020130040530A KR20130040530A KR20140100379A KR 20140100379 A KR20140100379 A KR 20140100379A KR 1020130040530 A KR1020130040530 A KR 1020130040530A KR 20130040530 A KR20130040530 A KR 20130040530A KR 20140100379 A KR20140100379 A KR 20140100379A
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김기범
밍 마
아메드 노이마운
이. 프레드 슈베르트
조제희
손철수
김성태
임찬묵
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삼성전자주식회사
렌슬러 폴리테크닉 인스티튜트
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Abstract

본 발명의 일 측면은, 제1 및 제2 도전형 반도체층과 그 사이에 형성된 활성층을 갖는 반도체 적층체와, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층에 각각 접속된 제1 및 제2 전극과, 상기 활성층으로부터 생성된 광이 출사되는 광방출면 상에 형성된 미세 패턴을 포함하며, 상기 미세 패턴은, 상기 광방출면과 평행한 단면이 다각형상을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한다.

Description

반도체 발광소자 {SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 발광 다이오드(light emitting diode:LED)는 풀컬러 디스플레이, 이미지 스캐너, 각종 신호시스템 및 광통신기기에 광원으로 널리 사용되고 있다. 이러한 LED는 전자와 정공의 재결합원리를 이용하는 활성층에서 빛을 생성하여 방출시킨다. 특히, 질화물 반도체는 그 조성비에 따라 청색 및 녹색광 대역을 포함하는 넓은 파장을 커버할 수 있는 발광소자의 구성물질로서 각광을 받고 있다.
이러한 반도체 발광소자의 광효율은 내부양자효율(internal quantum efficiedncy)과 광추출효율(light extraction efficiency, 또는 "외부양자효율"이라고도 함)으로 결정된다. 특히, 광추출효율은 발광소자의 광학적 인자, 즉 각 구조물의 굴절률 및/또는 계면의 평활도(flatness) 등에 의해 크게 영향을 받는다.
하지만, 광추출효율측면에서 반도체 발광소자는 근본적인 제한사항을 가지고 있다.
반도체 발광소자를 구성하는 반도체층은 외부 대기 또는 봉합물질이나 기판에 비해 큰 굴절률을 가지므로, 빛의 방출가능한 입사각범위를 결정하는 임계각이 작아지고, 그 결과, 활성층으로부터 발생된 광의 상당부분은 내부 전반사되어 실질적으로 원하지 않는 방향으로 전파되거나 전반사과정에서 손실되어 광추출효율이 낮을 수 밖에 없다.
이러한 낮은 광추출효율로 인하여, 반도체 발광소자의 발광효율을 향상시키는데 한계가 있다.
따라서, 당 기술 분야에서는, 반도체 발광소자로부터 광이 추출되는 과정에서 광추출효율이 저하되지 않도록 광학적인 측면에서 광방출면을 구조적으로 개선한 반도체 발광소자가 요구되고 있다.
본 발명의 일 측면은, 제1 및 제2 도전형 반도체층과 그 사이에 형성된 활성층을 갖는 반도체 적층체와, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층에 각각 접속된 제1 및 제2 전극과, 상기 활성층으로부터 생성된 광이 출사되는 광방출면 상에 형성된 미세 패턴을 포함하며, 상기 미세 패턴은, 상기 광방출면과 평행한 단면이 다각형상을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제공한다.
상기 미세 패턴의 다각 형상은 상기 단면 중심으로 향하는 내부각이 90°이하의 각을 가질 수 있다.
상기 미세 패턴의 다각 형상은 60°이하의 내부각이 3개 이상인 형상을 가질 수 있다.
상기 미세 패턴의 다각 형상은 복수개의 첨단부를 구비하며, 상기 복수개의 첨단부는 상기 단면 중심으로 향하는 내부각이 60°미만인 부분일 수 있다.
예를 들어, 상기 미세 패턴의 다각 형상은, 삼각형상 또는 사각형상일 수 있다. 또한, 상기 미세 패턴은 기둥형 구조 또는 삼각뿔 구조일 수 있다.
상기 광방출면에서 멀어질수록 굴절률 분포가 감소되는 그레이드형 굴절률층(graded refractive index layer)으로 형성될 수 있다.
상기 미세 패턴은, 상기 제2 도전형 반도체층 상에 형성되며 제1 굴절률을 갖는 제1 물질층과, 상기 제1 물질층 상에 형성되며 상기 제1 굴절률보다 작은 제2 굴절률을 갖는 제2 물질층을 포함할 수 있다.
이 경우에, 상기 제1 굴절률은 상기 제2 도전형 반도체층의 굴절률과 동일하거나 그보다 작은 굴절률을 가질 수 있다.
상기 미세 패턴은, 상기 제1 및 제2 물질층 사이에 형성되며, 상기 제1 및 제2 굴절률 사이의 굴절률을 갖는 적어도 하나의 제3 물질층을 더 포함할 수 있다.
이 경우에, 상기 제3 물질층은 각각 (상기 제1 물질층의 조성)1-x(상기 제2 물질층의 조성)x (0<x<1)으로 형성된 복수개의 물질층이며, 상기 제1 물질층에서 상기 제2 물질층 방향으로 갈수록 x값이 증가할 수 있다.
반도체 발광소자의 활성층으로부터 생성되는 광을 추출하는 과정에서 반도체 발광소자와 대기 또는 봉합물질의 굴절률 차이로 인하여 빛가둠현상을 완화시키고 광추출효율이 증가시킴으로써 발광효율을 향상시킬 수 있다.
덧붙여 상기한 과제의 해결수단 및 효과는, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
도1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광소자의 개략 사시도이다.
도2는 도1의 "A"에 표시된 부분의 미세 패턴을 확대하여 본 사시도이다.
도3은 도2에 도시된 미세패턴의 상부 평면도이다.
도4는 본 발명에 채용가능한 미세 패턴의 다른 예를 나타내는 사시도이다.
도5 및 도6는 본 발명에 채용가능한 미세 패턴의 다양한 예를 나타내는 사시도이다.
도7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 광추출효율 개선효과를 나타내는 그래프이다.
도8은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 반도체 발광소자의 평면도이다.
도9는 도8에 도시된 반도체 발광소자의 부분 절개 단면도이다.
도10a 및 도10b는 도8에 도시된 반도체 발광소자의 부분 절개 단면도이다.
도11은 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 반도체 발광소자의 개략 사시도이다.
도12는 도11에 도시된 반도체 발광소자의 측단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 반도체 발광소자의 개략 사시도이다.
도1에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에 따른 반도체 발광소자(10)는, 기판(11) 상에 형성된 반도체 적층체(15)를 포함한다. 상기 반도체 적층체(15)는 제1 및 제2 도전형 반도체층(15a,15c)과 그 사이에 형성된 활성층(15b)을 갖는다.
상기 제1 도전형 반도체층(15a)은 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체 물질일 수 있으며, 예를 들어 n-GaN층일 수 있다. 상기 제2 도전형 반도체층(15c)은 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체층일 수 있으며, 예를 들어, p-GaN층 또는 p-GaN/AlGaN층일 수 있다.
상기 활성층(15b)은 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x<1, 0≤y<1 그리고 0≤x+y<1)인 GaN계열의 Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체층일 수 있으며, 다중 양자우물(multi-quantum well, 이하 'MQW'라 함) 또는 단일 양자우물일 수 있다. 예를 들어, GaN/InGaN/GaN MQW 또는 GaN/AlGaN/GaN MQW 구조일 수 있다.
상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(15a,15c)에 각각 접속된 제1 및 제2 전극(19a,19b)이 형성된다. 상기 제1 전극(19a) 및 제2 전극(19b)은 Ni, Al, Ag, Au와 같은 금속물질 또는 투명 전도성 물질일 수 있는 콘택 전극물질을 포함하며, 2층 이상의 다층구조일 수 있다. 외부 회로와 연결하기 위해서 Au와 같은 본딩전극 물질이 추가적으로 형성된 형태일 수 있다. 이 경우에, 필요에 따라 콘택 전극과 본딩 전극 사이에는 Ti와 같은 배리어 금속층을 더 포함할 수 있다.
본 실시형태와 같이, 상기 제2 도전형 반도체층(15c) 상에는 투명 전극층(17)을 포함할 수 있다. 상기 투명 전극층(17)은 투명 전도성 산화물로 형성될 수 있다. 이러한 투명전극 형성물질의 예로, ITO(Indium Tin Oxide), ZITO(Zinc-doped Indium Tin Oxide), ZIO(Zinc Indium Oxide), GIO(Gallium Indium Oxide), ZTO(Zinc Tin Oxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), AZO(Aluminium-doped Zinc Oxide), GZO(Gallium-doped Zinc Oxide), In4Sn3O12 또는 Zn(1-x)MgxO(Zinc Magnesium Oxide, 0≤x≤1)으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질일 수 있으며, 구체적인 예로는, Zn2In2O5, GaInO3, ZnSnO3, F-도프 SnO2, Al-도프 ZnO, Ga-도프 ZnO, MgO, ZnO 등이 있다.
이러한 반도체 발광소자에서, 상기 제1 전극(19a)과 제2 전극(19b) 사이에 소정의 전압이 인가되면, 상기 제1 도전형 반도체층(15a)과 제2 도전형 반도체층(15c)으로부터 각각 전자(electron)과 정공(hole)이 상기 활성층(15b)으로 주입되어 재결합되며, 이로써 활성층(15b)으로부터 광이 생성될 수 있다.
상기 반도체 발광소자(10)의 광방출면에는 미세 패턴(18)이 형성된다. 여기서, 상기 광방출면은 상기 활성층(15b)으로부터 생성된 광이 출사되는 발광소자(10)의 특정면을 말한다.
본 실시형태에서, 상기 광방출면은 상기 제2 도전형 반도체층 상의 면, 엄밀하게는 투명 전극층(17) 상으로 예시되어 있으나, 반도체 발광소자의 구조에 따라 다른 반도체층과 관련된 면이거나 기판의 일 면일 수도 있다.
본 실시형태에서, 상기 미세 패턴(18)은, 도2에 도시된 바와 같이 광방출면과 평행한 단면이 삼각형을 갖는 삼각뿔 형상을 갖는다.
도3에 도시된 바와 같이, 상부에서 볼 때에 상기 미세 패턴(18)은 3개의 각진 부분을 갖는다. 이와 같이, 미세 패턴(18)의 측부에 형성된 각진 부분을 제공함으로써 광을 효과적으로 추출하는데 크게 기여할 수 있다. 즉, 이러한 각진 부분은 완만한 측면을 갖는 패턴, 예를 들어 반구형 패턴보다는 광추출효율을 향상시키는데 유익하게 작용할 수 있다. 따라서, 이러한 각진 부분을 갖는 미세 패턴을 그 측부에 적용하여 미세 패턴을 이용한 광추출효율 효과를 증대시킬 수 있다.
상기 미세패턴에 채용되는 각진 부분은 광추출효율 측면에서 직각 또는 예각(상기 단면 중심으로 향하는 내부각이 90°이하의 각)을 갖는 것이 바람직하다.
도2 및 도3에 도시된 미세 패턴(18)은 내부각이 각각 60°인 정삼각형 단면(또는 저면)을 갖는 삼각뿔 형상으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 동일한 형상을 갖더라도 기둥구조(pillar)를 갖는 구조일 수 있다.
도4는 도3에 도시된 단면 형상과 유사하게 정삼각형의 단면을 갖지만, 뿔구조가 아닌 기둥 구조를 갖는 미세 패턴(28)이 예시되어 있다. 도4에 도시된 미세 패턴(28)도 역시 측부에 각진 부분을 채용하여 광추출기능을 강화시킬 수 있다.
다른 예로서, 미세 패턴의 단면 자체가 다양한 형태의 다각형상을 가질 수 있다. 이러한 예를 도5 및 도6에 도시되어 있다.
우선, 도5를 참조하면, 단면이 거의 정사각형인 사각 기둥(a)과, 단면이 평행사변형인 사각기둥(b)과, 표창과 유사한 단면을 갖는 기둥(c)이 도시되어 있다.
도5c에 도시된 미세패턴의 단면은 4개의 예리한 각진 부분을 갖는다. 이와 같이, 단면 중심으로 향하는 내부각(θ1)이 60°미만인 복수개의 첨단부를 구비하는 형상일 수 있다. 본 실시형태에서, 상기 첨단부는 단면 중심을 향하는 내부각이 180°보다 큰 3개 이상의 연결부에 의해 연결된 형상을 갖는다.
이와 같이, 내부각(θ1)이 60°미만인 예리한 각을 갖는 첨단부를 복수개로 구비하여 미세 패턴의 측부에서 각진 부분에 의한 광추출효율을 크게 증가시킬 수 있다. 이러한 단면 형상으로는 별모양과 유사한 다양한 형상이 고려될 수 있다.
도6을 참조하면, 도5에 예시된 단면 형상에 대응되는 단면을 가지면서, 앞선 예들과 달리 각뿔형상의 구조를 갖는 형태가 예시되어 있다. 도6에 도시된 바와 같이, 미세 패턴은, 단면이 거의 정사각형인 사각뿔(a), 단면이 평행사변형인 사각뿔b) 또는 표창과 유사한 단면을 갖는 각뿔(c)과 같이 다양한 각뿔구조로 구현될 수있다.
앞서 설명한 바와 같이, 미세 패턴의 측부에 각진 부분을 도입함으로써 광추출효율이 개선되는 효과를 확인하기 위해서 몇가지 패턴을 이용하여 아래와 같은 조건으로 실험하여 광추출효율의 개선효과를 확인하였다.
< 실시예1 >
아래와 같이 3개의 질화물 반도체 발광소자를 제조하였다. 즉, 사파이어 기판 상에 n형 GaN층, InGaN/GaN 다중양자우물구조의 활성층 및 p형 AlGaN/GaN층을 성장시키고, p형 GaN층의 표면에 투명전극층으로서 약 150㎚ 두께의 ITO층을 형성하였다. 이어. 메사 에칭을 적용하여 n형 GaN층의 일부를 노출시킨 후에 노출된 n형 GaN층 영역과 ITO층 영역에 각각 n측 전극 및 p측 전극을 형성하였다.
ITO층 상에 미세 패턴을 위한 층의 두께를 일정하게 0.7㎛가 되도록 형성하였으며, 그 단면이 정사각형인 사각기둥의 미세 패턴을 제조하였다(도5a 참조).
또한, 3개의 질화물 반도체 발광소자에 구현되는 미세 패턴은 그 크기를 각각 달리하여 형성하였다. 즉, 단면인 정사각형 중 한 변의 길이(a)가 4㎛, 6㎛ 및 8㎛으로 달리하여 미세 패턴을 형성하였다. 이 때에 패턴의 충전율(패턴의 점유면적율)을 19.6%가 되도록 설계하였다.
< 실시예2 >
실시예1과 동일한 조건으로 질화물 반도체 발광소자를 제조하되, 미세 패턴은 그 단면이 정삼각형인 삼각기둥 형상을 갖도록 제조하였다(도4 참조). 또한, 미세 패턴의 크기를 정삼각형 중 한 변의 길이(a)가 4㎛, 6㎛ 및 8㎛으로 달리하여 미세 패턴을 형성하되 패턴의 충전율(19.6%)을 일정하게 유지하였다.
< 실시예3 >
실시예1과 동일한 조건으로 질화물 반도체 발광소자를 제조하되, 미세 패턴은 그 단면이 4개의 첨단부를 갖는 기둥 형상을 갖도록 제조하였다(도5c 참조). 또한, 미세 패턴의 크기를 첨단부의 한 변의 길이(a)가 4㎛, 6㎛ 및 8㎛으로 달리하여 미세 패턴을 형성하되 패턴의 충전율(19.6%)을 일정하게 유지하였다.
< 비교예 >
실시예1과 동일한 조건으로 질화물 반도체 발광소자를 제조하되, 미세 패턴은 측부에 각진 부분이 없이 원기둥 형상으로 형성하였다. 또한, 미세 패턴의 크기를 단면인 원의 직경이 4㎛, 6㎛ 및 8㎛으로 달리하여 미세 패턴을 형성하되 패턴의 충전율(19.6%)은 일정하게 유지하였다.
미세패턴이 비교예(원기둥) 중 6㎛일 때의 반도체 발광소자의 광출력은 기준(100%)으로 하여 실시예 1 내지 3 및 다른 비교예의 광출력을 도7의 그래프로 나타내었다.
도7을 참조하면, 대체로 미세패턴이 원기둥인 비교예에 비하여 측부에 각진 부분을 실시예 1 내지 3의 광추출효율이 크게 개선된 것을 확인할 수 있었다. 미세패턴의 크기에 따라 광추출효율의 향상정도는 다소 차이가 있으나, 대체로 삼각기둥(실시예2)이나 복수의 첨단부를 갖는 기둥 구조(실시예3)의 경우에서 크게 개선된 것을 알 수 있다.
이와 같이, 미세 패턴의 측부에 각진 부분을 채용할 때에 각진 부분에 해당하는 내부각이 보다 작을수록 광추출효율 개선에 더욱 유리하다는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 실시예 2 및 3에 나타난 결과와 같이, 60°이하의 작은 내부각이 3개 이상의 형상을 갖는 구조에서 상대적으로 광추출효율이 크게 개선된 것으로 이해할 수 있다.
도8은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 반도체 발광소자의 평면도이다. 도9는 도8에 도시된 반도체 발광장치를 Ⅰ-Ⅰ'선을 따라 절개하여 본 측단면도이다.
도9와 함께 도8을 참조하면, 본 실시형태에 따른 반도체 발광장치(70)는, 제1 및 제2 도전형 반도체층(75a,75c)과 그 사이에 위치한 활성층(75b)을 갖는 반도체 적층체(75)를 포함한다. 상기 반도체 적층체(75)는 각각 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(75a,75c)에 의해 제공되며 서로 반대에 위치한 제1 및 제2 주면을 갖는다.
상기 반도체 적층체(75)는 이에 한정되지는 않으나, 질화물 반도체와 같은 Ⅲ-Ⅵ족 화합물 반도체일 수 있다. 본 실시형태에서, 반도체 적층체(75)는 제1 도전형 반도체층(75a), 활성층(75b) 및 제2 도전형 반도체층(75c) 순으로 별도의 성장용 기판이 성장된 후에, 제1 면 상에 형성되는 배선 구조를 형성하고 지지 기판(71)을 채용한다.
여기서, 본 실시형태에서 채용된 지지 기판(71)은 전기적 전도성을 갖는 기판일 수 있다. 도금공정에 의해 용이하게 제공될 수 있다. 이어, 반도체 적층체(75)로부터 성장용 기판을 제거하여 도8에 도시된 소자 구조를 얻을 수 있다. 일반적인 경우에, 제1 및 제2 도전형 반도체층(75a,75c)은 각각 n형 및 p형 반도체층일 수 있다.
본 실시형태에서는, 지지기판을 채용한 형태로 예시되어 있으나, 별도의 지지기판 없이 전극구조를 형성할 수 있다(예로서, 도11 및 도12 참조).
본 실시형태에서, 제2 전극(74)은 상기 제2 도전형 반도체층(75c)에 접속되도록 상기 반도체 적층체(75)의 제2 주면 상에 형성될 수 있다. 상기 제2 전극(74)은 상기 활성층(75b)으로부터 발생한 빛이 반사되도록 고반사성 오믹콘택층일 수 있다. 예를 들어, 상기 고반사성 오믹콘택층은, Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질일 수 있다.
상기 반도체 적층체(75)의 제2 주면에 상기 제1 도전형 반도체층(75a)과 연결된 제1 전극(72)이 제공된다. 본 실시형태와 같이, 상기 제1 전극(72)과 상기 제1 도전형 반도체층(75a)의 연결은 콘택홀(H)을 이용하여 실현될 수 있다.
도9에 도시된 바와 같이, 상기 반도체 적층체(75)에는, 상기 제1 도전형 반도체층(75a)의 일부 영역이 노출될 때까지 상기 제2 도전형 반도체층(75c) 및 활성층(75b)을 지나 연장된 적어도 하나의 콘택홀(H)이 형성될 수 있다. 이렇게 형성된 콘택홀(H)에 의해 제1 도전형 반도체층(75a)은 제2 주면을 통해서 노출될 수 있다.
상기 제1 전극(72)은 그로부터 연장된 전극부(72')를 통해서, 상기 콘택홀(H)에 의해 제공되는 상기 제1 도전형 반도체층(75a)의 노출영역에 접속될 수 있다. 이로써, 상기 제2 주면에 위치한 제1 전극(72)은 상기 제1 도전형 반도체층(75a)과의 전기적 접속을 실현할 수 있다.
이러한 콘택홀(H)은 성장용 기판 상에 반도체 적층체(75)를 형성한 후에 배선구조를 형성하기 전에 형성될 수 있다. 본 실시형태에서, 상기 콘택홀(H)은 비아형태로 도시되어 있으나, 상기 제1 도전형 반도체층(75a)의 일부영역을 노출시킬 수 있는 형태라면 다양하게 구현될 수 있다.
본 실시형태에서는, 도8에 도시된 바와 같이, 유효한 발광면적 전체에 걸쳐 위치하도록 복수개의 콘택홀(H)이 형성될 수 있다. 이와 같이 넓은 면적에 걸쳐 복수개의 콘택홀(H)을 형성함으로써 균일한 전류 분산을 도모할 수 있으며 고출력을 위한 대면적 반도체 발광소자에서 유익하게 사용될 수 있다.
상기 반도체 적층체(75)의 제2 주면에 제공되는 제1 전극(72) 및 제2 전극(74)을 서로 전기적으로 용이하게 분리할 수 있도록 절연성 분리층(73)이 형성될 수 있다. 이러한 절연성 분리층(73)은 상기 콘택홀(H)의 내부 측벽과 상기 제1 전극(72)의 전극부(72') 사이에 연장되어 형성될 수 있다.
본 실시형태에서, 상기 지지 기판(71)은 상기 제1 및 제2 전극(72,74)과 상기 절연성 분리층(73)으로 이루어진 배선구조를 사이에 두고 상기 반도체 적층체(75)의 제2 주면에 제공될 수 있다.
본 실시형태에 채용된 지지 기판(71)은 전기적 전도성을 갖는 기판이다. 상기 지지 기판(11)은, 도9에 도시된 바와 같이 상기 제2 전극(74)과는 절연성 분리층(73)에 의해 전기적으로 분리되고, 상기 제1 전극(72)과 접속되어 상기 제1 전극(72)과 함께 제1 도전형 반도체층(75a)을 위한 전극구조물로 제공될 수 있다. 즉, 상기 반도체 발광장치(70)의 실장면에 위치한 외부 회로에 실장과 함께 도전성인 지지 기판(71)을 연결시킬 수 있다.
본 실시형태에서, 상기 제2 전극(74)과 연결된 전극패드(79)에 형성되며, 상기 발광장치(70)의 일측 전극의 본딩영역을 제2 주면과 반대되는 제1 주면에 제공할 수 있다. 상기 발광장치(70)는 적어도 상기 반도체 적층체(75)의 측면에 형성된 절연성 물질로 이루어진 페시베이션층(미도시)을 더 포함할 수 있다.
도10a는 도8에 도시된 반도체 발광장치(70)를 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 절개하여 본 측단면도이며, 도10b은 Ⅲ-Ⅲ'선을 따라 절개하여 본 측단면도이다.
도10a를 참조하면, 상기 발광장치(10)는 전기적 전도성인 지지 기판(71) 상에 제1 전극(72), 절연성 분리층(73), 제2 전극(74)과, 반도체 적층체(75)가 순차적으로 적층된 형태로 도시되어 있다.
한편, 도10b를 참조하면, 상기 발광장치(70)는 홀이 형성된 영역을 제외하고는 도10a에서 본 적층구조와 유사하게, 지지 기판(71) 상에 제1 전극(72), 절연성 분리층(73), 제2 전극(74)과, 반도체 적층체(75)가 순차적으로 적층된 형태를 가지만, 제1 전극(72)과 제1 도전형 반도체층(75a)과 연결하기 위한 복수의 콘택홀(H)을 일정한 간격으로 배열된 형태가 나타나 있다. 이러한 복수의 콘택홀(H)은 발광장치(70)에서의 균일한 전류분산을 강화할 수 있다.
본 실시형태에서, 상기 반도체 발광소자(70)의 주된 광방출면인 제1 도전형 반도체층(75a) 상에 미세 패턴(78)이 형성될 수 있다. 상기 미세 패턴(78)은, 4개의 첨단부를 갖는 단면을 가지며, 각뿔 구조를 이룬다.
즉, 본 실시형태에 채용된 미세패턴(78)은 중심으로 향하는 내부각(θ1)이 60°미만인 4개의 예리한 각진 부분을 갖는 단면을 갖는다. 이러한 내부각(θ1)이 60°미만인 예리한 각을 갖는 첨단부를 미세 패턴(78)의 측부에 형성하여 광추출효율을 크게 증가시킬 수 있다.
도11은 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 반도체 발광소자의 개략 사시도이며, 도12는 도11에 도시된 반도체 발광소자의 측단면도이다.
도12와 함께 도11을 참조하면, 본 실시형태에 따른 반도체 발광장치(100)는, 제1 및 제2 도전형 반도체층(105a,105c)과 그 사이에 위치한 활성층(105b)을 갖는 반도체 적층체(105)를 포함한다.
상기 반도체 적층체(105)는 각각 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(105a,105c)에 의해 제공되며 서로 반대에 위치한 제1 및 제2 주면을 갖는다. 상기 반도체 적층체(105)는 이에 한정되지는 않으나, 질화물 반도체와 같은 Ⅲ-Ⅵ족 화합물 반도체일 수 있다.
본 실시형태에서는, 도11에 도시된 실시형태와 달리, 별도의 지지기판을 채용하지 않고, 전극구조만을 형성한 구조를 가질 수 있다.
상기 반도체 적층체(105)의 제2 주면에 상기 제1 도전형 반도체층(105a)과 연결된 제1 전극(109a)이 제공된다. 앞선 실시형태와 같이, 상기 제1 전극(109a)과 상기 제1 도전형 반도체층(105a)의 연결은 콘택홀을 이용하여 실현될 수 있다.
도12에 도시된 바와 같이, 상기 반도체 적층체(105)에는, 상기 제1 도전형 반도체층(105a)의 일부 영역이 노출될 때까지 상기 제2 도전형 반도체층(105c) 및 활성층(105b)을 지나 연장된 적어도 하나의 콘택홀이 형성될 수 있다. 이렇게 형성된 콘택홀에 의해 제1 도전형 반도체층(105a)은 제2 주면을 통해서 노출될 수 있다.
오믹콘택층(104)은 상기 제2 도전형 반도체층(105c)에 접속되도록 상기 반도체 적층체(105)의 제2 주면 상에 형성될 수 있다. 상기 오믹콘택층(104)은 상기 활성층(105b)으로부터 발생한 빛이 반사되도록 형성되며, Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질일 수 있다.상기 오믹콘택층(104)과 연결되도록 제2 전극(109b)이 형성될 수 있다.
상기 반도체 적층체(105)의 제2 주면에 제공되는 제1 전극(109a)은 제2 전극(109b)과는 이격되어 서로 분리되며, 상기 오믹콘택층(104)과 전기적인 절연을 보장하기 위해서 절연성 분리층(103)이 형성될 수 있다. 이러한 절연성 분리층(103)은 상기 콘택홀의 내부 측벽과 상기 제1 전극(109a) 사이에 연장되어 형성될 수 있다.
본 실시형태에서, 상기 반도체 발광소자(100)의 주된 광방출면인 제1 도전형 반도체층(105a) 상에 미세 패턴(108)이 형성될 수 있다. 상기 미세 패턴(108)은, 광방출면과 평행인 단면이 삼각형상을 갖는 기둥구조를 이룬다.
도11에 도시된 바와 같이, 상부에서 볼 때에 상기 미세 패턴(108)은 3개의 각진 부분을 갖는다. 이와 같이, 미세 패턴(108)의 측부에 형성된 각진 부분을 제공함으로써 광을 효과적으로 추출하는데 크게 기여할 수 있다.
나아가, 본 실시형태에 채용된 미세 패턴은 광추출효율을 더욱 개선하기 위해서 그레이드형 굴절률층(graded refractive index layer: GRIN)구조를 갖도록 형성된다.
상기 GRIN 구조는 상기 광방출면에서 멀어질수록 굴절률 분포가 감소된 형태를 가지므로, 광방출방향에 따라 빛이 원활한 진행을 보장한다. 이러한 GRIN 구조는 서로 다른 굴절률을 갖는 적어도 2개의 물질층으로 형성될 수 있으며, 본 실시형태에서는 4개의 물질층(108a-108d)을 포함하는 구조로 예시되어 있다.
상기 각 물질층의 구성물질은 이에 한정되지 않으나, 상기 광추출용 미세 패턴(108)의 굴절률 조건을 만족하도록 TiO2, SiC, GaN, GaP, SiNx, ZrO2, ITO, AlN, Al2O3, MgO, SiO2, CaF2 및 MgF2으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 구성될 수 있다. 각각의 물질층은 스퍼터링(sputtering) 또는 증발법(evaporation)에 의해 형성될 수 있다.
상기 제1 굴절률을 갖는 제1 물질층(108a)과, 상기 제1 굴절률보다 작은 제2 굴절률을 갖는 제2 물질층(108d)와 함께, 추가적으로 상기 제1 및 제2 물질층(108a,108d) 사이에 상기 제1 및 제2 굴절률 사이의 굴절률을 갖는 적어도 하나의 제3 물질층(108b)을 포함한다. 본 실시형태에서는 2개의 제3 물질층(108b,108c)을 포함한다. 2개의 제3 물질층(108b,108c)은 각각 (상기 제1 물질층의 조성)1-x(상기 제2 물질층의 조성)x (0<x<1)으로 형성될 수 있으며, 상기 제1 물질층(108a)에서 제2 물질층(108d)측으로 진행할수록 상기 제1 굴절률과 상기 제2 굴절률의 사이 범위에서 점차 감소되는 굴절률 분포를 가질 수 있다.
예를 들어, (상기 제1 물질층의 조성)1-x(상기 제2 물질층의 조성)x (0<x<1)으로 형성되며, 상기 제1 물질층(108a)에서 상기 제2 물질층(108d)으로 진행할수록 x값이 증가할 수 있다.
일 예에서, 상기 제1 및 제2 물질층(108a,108d) 각각 TiO2와 SiO2이며, 상기 제3 물질층(108b.108c)은 (TiO2)1-x(SiO2)x (0<x<1)일 수 있다. 다른 예에서는, 상기 제1 및 제2 물질층(108a,108d) 각각 ITO와 SiO2이며, 상기 2개의 제3 물질층(108b,108c)은 (ITO)1-x(SiO2)x (0<x<1)일 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 상기 2개의 제3 물질층(108b,108c)은 제2 물질층(108d)에 가까울수록 SiO2 물질의 비율이 점차 증가하는 (TiO2)1-x(SiO2)x 또는 (ITO)1-x(SiO2)x일 수 있다.
본 실시형태에서는, 상기 제3 물질층(108b,108c)은 복수개로 예시되어 있으나, 하나의 물질층으로 채용될 수 있으며, 하나의 제3 물질층만을 채용하는 경우에도 (상기 제1 물질층의 조성)1-x(상기 제2 물질층의 조성)x (0<x<1)으로 형성함으로써 중간 굴절률을 구현할 수 있다.
상기 제1 물질층(108a)의 제1 굴절률은 상기 광방출면을 이루는 물질의 굴절률과 동일하거나 그보다 작은 굴절률을 갖는다. 예를 들어, 본 실시형태에서 제1 물질층(108a)의 제1 굴절률은 상기 제1 도전형 반도체층(105a)의 굴절률과 동일하거나 그보다 작은 굴절률을 가질 수 있다. 상기 미세 패턴(108)의 높이와 폭은 이에 한정되지는 않으나, 각각 0.1∼5㎛ 범위일 수 있다. 본 실시형태에 채용된 미세 패턴(108)은 그 측면을 통한 광추출 작용이 주요하게 고려될 수 있다
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. 제1 및 제2 도전형 반도체층과 그 사이에 형성된 활성층을 갖는 반도체 적층체
    상기 제1 및 제2 도전형 반도체층에 각각 접속된 제1 및 제2 전극; 및,
    상기 활성층으로부터 생성된 광이 출사되는 광방출면 상에 형성된 미세 패턴을 포함하며,
    상기 미세 패턴은, 상기 광방출면과 평행한 단면이 다각형상을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미세 패턴의 다각 형상은 상기 단면 중심으로 향하는 내부각이 90°이하의 각을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 미세 패턴의 다각 형상은 60°이하의 내부각이 3개 이상인 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 미세 패턴의 다각 형상은 복수개의 첨단부를 구비하며, 상기 복수개의 첨단부는 상기 단면 중심으로 향하는 내부각이 60°미만인 부분인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 미세 패턴은 기둥형 구조 또는 삼각뿔 구조인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광방출면에서 멀어질수록 굴절률 분포가 감소되는 그레이드형 굴절률층(graded refractive index layer)으로 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 미세 패턴은,
    상기 제2 도전형 반도체층 상에 형성되며 제1 굴절률을 갖는 제1 물질층과,
    상기 제1 물질층 상에 형성되며 상기 제1 굴절률보다 작은 제2 굴절률을 갖는 제2 물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 굴절률은 상기 제2 도전형 반도체층의 굴절률과 동일하거나 그보다 작은 굴절률을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 미세 패턴은, 상기 제1 및 제2 물질층 사이에 형성되며, 상기 제1 및 제2 굴절률 사이의 굴절률을 갖는 적어도 하나의 제3 물질층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  10. 서로 대향하는 제1 및 제2 주면을 가지며, 각각 상기 제1 및 제2 주면을 제공하는 제1 및 제2 도전형 반도체층과 그 사이에 형성된 활성층을 갖는 반도체 적층체;
    상기 활성층을 지나 상기 제1 도전형 반도체층의 일 영역에 연결된 적어도 하나의 콘택홀;
    상기 반도체 적층체의 제2 주면 상에 형성되며, 상기 적어도 하나의 콘택홀을 통해 상기 제1 도전형 반도체층에 연결된 제1 전극;
    상기 반도체 적층체의 제2 도전형 반도체층에 연결된 제2 전극; 및
    상기 활성층으로부터 생성된 광이 출사되는 광방출면 상에 형성되며, 상기 광방출면과 평행한 단면이 다각형상을 갖는 미세패턴을 포함하는 반도체 발광소자.
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