KR20160008032A - 반도체 발광소자 - Google Patents

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KR20160008032A KR1020140087509A KR20140087509A KR20160008032A KR 20160008032 A KR20160008032 A KR 20160008032A KR 1020140087509 A KR1020140087509 A KR 1020140087509A KR 20140087509 A KR20140087509 A KR 20140087509A KR 20160008032 A KR20160008032 A KR 20160008032A
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Abstract

본 개시는 반도체 발광소자에 있어서, 복수의 반도체층; 복수의 반도체층의 일 측에 구비되며, 활성층에서 생성된 빛을 반사시키는 반사층; 전자와 정공을 공급하는 제1 전극 및 제2 전극;으로서, 제1 전극 및 제2 전극 중의 적어도 하나는 복수의 반도체층으로부터 전기적으로 절연되어 있으며, 전기적 연결(an electrical connection)에 의해 복수의 반도체층과 전기적으로 연통하는 제1 전극 및 제2 전극; 그리고, 상면이 그 길이가 200㎛일 때의 외부양자효율과 비교하여 내부양자효율의 감소를 광취출효율의 증가가 상쇄할 수 있도록 75㎛이상 200㎛이하의 길이를 가지는 성장 기판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자에 관한 것이다.

Description

반도체 발광소자{SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
본 개시(Disclosure)는 전체적으로 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 발광효율을 높인 반도체 발광소자 및 제조 방법에 관한 것이다.
여기서, 반도체 발광소자는 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 반도체 광소자를 의미하며, 3족 질화물 반도체 발광소자를 예로 들 수 있다. 3족 질화물 반도체는 Al(x)Ga(y)In(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 된 화합물로 이루어진다. 이외에도 적색 발광에 사용되는 GaAs계 반도체 발광소자 등을 예로 들 수 있다.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
도 1 내지 도 3은 미국 등록특허공보 제5,233,204호에 제시된 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 반도체 발광소자(100)는 지지 기판(105), 발광부(103), 투광성 윈도우 층(102), 하부 본딩 패드 전극(106) 그리고 상부 본딩 패드 전극(101)을 포함한다. 상면(110)의 길이(A)가 주어진 상태에서, 측면(111)의 길이(D)를 증가시킴으로써, 지지 기판(105)에 의한 광 흡수를 감소시켜 발광효율을 높이는 기술을 제시하고 있다. 즉, 측면(111)의 길이(D)가 (A/2)*tan(θc) 이상으로 되도록 함으로써(θc는 투광성 윈도우 층(102)과 외부와의 임계각), 지지 기판(105)에 의한 광 흡수를 줄이고 있다. 도 3을 참조하면, 반도체 발광소자(100)에서 발광되는 빛을 기준으로 할 때, 영역(R1)의 빛은 상면(110)을 통해 방출되며, 영역(R2)의 빛은 내부 전반사되고, 영역(R3)의 빛(L)은 측면(111)을 통해서 또는 상면(110)에 반사된 다음 측면(111)을 통해 방출된다. 빛(L)이 측면(111)에 입사하는 각은 θeb이며, 각(θeb)은 임계각(θc)보다 작으므로, 영역(R3)의 빛은 하면에 부딪혀서 흡수됨없이 측면(111)을 통해 외부로 방출된다. 이러한 원리는 측면(111)의 길이(D)를 그대로 둔 상태에서, 상면(110)의 길이(A)를 줄이는 경우에도 마찬가지로 적용될 수 있지만, 상면(110)에는 상부 본딩 패드 전극(101)이 존재하므로, 상부 본딩 패드 전극(101)의 크기에 의해 상면(110)의 길이(A)를 줄이는데는 한계가 있으며(이 기술에서 100㎛ 직경의 상부 본딩 패드 전극(101)이 사용되고 있다.), 또한 상면(110)을 통해서도 일정 이상의 광이 외부로 방출되어야 하므로 이러한 요소 또한 상면(110)의 길이(A)를 줄이는데 제약으로 작용한다(이 기술에서 상면(110)의 길이(A)는 250㎛로 예시되어 있다.).
도 4는 미국 등록특허공보 제6,784,463호에 개시된 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 반도체 발광소자(200)는 성장 기판(210; 예: 사파이어, SiC, ZnO), 버퍼층(220; 예: GaN), 제1 반도체층(230; 예: Si-doped GaN), 전자와 정공의 재결합을 이용하여 광을 생성하는 활성층(240; 예: InGaN/GaN 다중양자우물구조), 제2 반도체층(250; Mg-doped GaN), 제1 본딩 패드 전극(280) 그리고 활성층(240)에서 생성된 광을 성장 기판(210) 측으로 반사하는 반사막을 가지는 제2 본딩 패드 전극(270)을 포함한다. 도 4에 제시된 반도체 발광소자(200)는 광을 성장 기판(210) 측으로 방출시킨다는 점과 본딩 패드 전극(270,280)이 성장 기판(210) 반대측에 함께 구비된다는 점에서 도 1에 제시된 반도체 발광소자(100)와 차이점이 있으나, 외부와의 전기적 연결을 위해 본딩 패드 전극(270,280)을 구비해야 한다는 점에서는 변함이 없으며, 마찬가지로 성장 기판(210)의 상면 길이를 줄이는데는 한계가 있다.
도 5는 일본 공개특허공보 제2009-164423호에 개시된 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 반도체 발광소자는 성장 기판(310), 제1 반도체층(330), 전자와 정공의 재결합을 이용하여 광을 생성하는 활성층(340), 제2 반도체층(350), 제1 본딩 패드 전극(380), 전류 확산을 위한 투광성 전극(360; 예: ITO), 그리고 제2 본딩 패드 전극(370)을 포함한다. 추가적으로, 활성층(340)에서 생성된 광을 성장 기판(310) 측으로 반사하는 절연성 반사막(390; SiO2/TiO2로 된 DBR(Distributed Bragg Reflector)을 더 구비하며, 제2 본딩 패드 전극(370)은 절연성 반사막(371)에 구비된 복수의 개구(391)를 통해 제2 반도체층(350)과 전기적으로 연통한다. 본딩 패드 전극(370,380)과 반도체층(330,350) 사이에 절연성 반사막(390)이 구비되며, 본딩 패드 전극(370,380)에 의한 광 흡수를 줄일 수 있는 이점을 가지지만, 복수의 개구(391)에서 제2 본딩 패드 전극(380)에 의한 광 흡수는 여전히 문제가 된다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
여기서는, 본 개시의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 개시의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).
본 개시에 따른 일 태양에 의하면(According to one aspect of the present disclosure), 반도체 발광소자에 있어서, 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층, 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층 및 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층이 순차로 적층된 복수의 반도체층; 복수의 반도체층의 일 측에 구비되며, 활성층에서 생성된 빛을 반사시키는 반사층; 전자와 정공을 공급하는 제1 전극 및 제2 전극;으로서, 제1 전극 및 제2 전극 중의 적어도 하나는 복수의 반도체층으로부터 전기적으로 절연되어 있으며, 전기적 연결(an electrical connection)에 의해 복수의 반도체층과 전기적으로 연통하는 제1 전극 및 제2 전극; 그리고, 복수의 반도체층을 기준으로 반사층의 반대 측에 구비되며, 육면체 형상을 가지는 성장 기판;으로서, 육면체의 일면(a face)이 복수의 반도체층이 형성되는 하면(a lower side), 하면과 대향하는 상면(an upper side), 및 하면과 상면을 이어주는 두 개의 측면(lateral sides)을 가지고, 상면은 그 길이가 200㎛일 때의 외부양자효율과 비교하여 내부양자효율의 감소를 광취출효율의 증가가 상쇄할 수 있도록 75㎛이상 200㎛이하의 길이를 가지는 성장 기판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자가 제공된다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
도 1 내지 도 3은 미국 등록특허공보 제5,233,204호에 제시된 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 4는 미국 등록특허공보 제6,784,463호에 개시된 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 5는 일본 공개특허공보 제2009-164423호에 개시된 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 6 및 도 7은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 일 특징을 설명하기 위한 도면,
도 8은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 특징을 설명하기 위한 도면,
도 9 및 도 10은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 특징을 설명하기 위한 도면,
도 11 내지 도 13은 성장 기판의 굴절률에 따른 상면과 측면의 관계를 나타내는 도면,
도 14는 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 특징을 설명하기 위한 도면,
도 15 및 도 16은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 17은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 특징을 설명하기 위한 도면,
도 18 및 도 19는 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 20은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 21은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 22는 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 23 및 도 24는 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 특징을 설명하기 위한 표.
이하, 본 개시를 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명한다(The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing(s)).
도 6 및 도 7은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 일 특징을 설명하기 위한 도면이다. 도 6은 도 1에 도시된 반도체 발광소자를 위에서 본 도면으로서, 본딩 패드 전극(101)의 반지름(r)이 50㎛이고, 변(111,112)의 길이가 각각 250㎛인 반도체 발광소자가 도시되어 있다. 변(111,112)의 길이가 직경(2r)의 2배, 그러니까 변(111,112)의 길이가 각각 4r(=200㎛)인 경우를 가정한다면, 본딩 패드 전극(101)의 면적은 πr2이고, 반도체 발광소자의 상면 면적은 (4r)*(4r) = 16r2이 되어, 본딩 패드 전극(101)이 차지하는 면적(πr2)이 전체 면적(16r2)의 π/16 = 19.625%에 이르게 되며, 실제 소자의 형성에서 고려되는 메사 식각면 등을 고려한다면, 20% 이상의 비중을 차지하게 된다. 도 7에는 두 개의 본딩 패드 전극(401,402)이 동일 면 측에 위치하는 래터럴 타입(lateral type) 반도체 발광소자가 예시되어 있다. 본딩 패드 전극(401,402)의 반지름이 r인 경우에, 도 7의 좌측에 도시된 반도체 발광소자의 경우에, 변(411,412)의 길이는 각각 (2+√2)r ≒ 3.414r이 되고, 양자의 면적 비는 2*(πr2)/(3.414r)2 ≒ 53.9%에 이르게 되며, 이러한 소자는 상용의 소자로서 생각하기 어렵다. 도 7의 우측에 도시된 반도체 발광소자의 경우에, 변(411,412)의 길이는 각각 2r과 (3.414)2r이 되고, 양자의 면적 비는 마찬가지로 53.9%에 이르게 된다. 예를 들어, 현재 반도체 발광소자에서 사용되는 본딩 패드 전극의 최소 직경인 70㎛를 가정하는 경우에, 좌측의 소자의 경우에, 변(411,412)의 길이가 각각 119.49㎛가 되고, 우측의 소자의 경우에, 변(411, 412)의 길이가 각각 70㎛와 203.97㎛가 되지만, 이러한 소자는 상용의 반도체 발광소자로서는 기능하지 못한다. 좌측의 소자의 경우에, 양자의 면적 비가 20%이하로 되려고만 하여도, 변(411,412)의 길이가 196㎛가 되어야 하며, 우측의 소자의 경우에도 변(412)의 길이를 그대로 두고, 변(411)의 길이를 70㎛로부터 204㎛로 늘려야 양자의 면적 비가 겨우 18.5%가 된다. 따라서, 본딩 패드 전극을 반도체 발광소자의 상부에 두는 경우에, 단변의 길이를 200㎛이하로 한다는 것은 효율적인 소자를 구성할 수 없다.
도 8은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 특징을 설명하기 위한 도면으로서, 본 개시에 따른 반도체 발광소자는 전자와 정공을 이용하여 빛을 생성하는 활성층(40; 예: InGaN/(In)GaN 다중 양자우물 구조), 활성층(40)이 성장되는 성장 기판(10; 예: Al2O3) 그리고 활성층(40)에서 생성된 빛을 성장 기판(10) 측으로 반사하는 반사층(R)을 포함한다. 따라서 빛이 방출되는 측인 상면(110)에는 본딩 패드 전극이 구비되지 않으므로, 광 방출면 측에서의 본딩 패드 전극에 의한 설계상의 제약을 근본적으로 제거할 수 있게 된다.
도 9 및 도 10은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 특징을 설명하기 위한 도면으로서, 도 3에서 제한적인 상면(110)의 길이(A)에 대해 측면(111)의 길이(D)를 (A/2)*tan(θc) 이상이 되도록 한 반도체 발광소자에서 한 걸음 더 나아가, 도 9에 도시된 바와 같이, 상면(110)의 길이(B)가 도 3에서의 상면(110)의 길이(A; 2D/tan(θc))의 절반 이하가 되도록 구성한 반도체 발광소자가 제시되어 있다. 이러한 구성을 통해, 영역(R2)에서 내부 전반사되는 빛(L)의 적어도 일부가 반도체 발광소자의 하면에 부딪히지 않고, 반도체 발광소자의 측면(111)에 부딪히게 된다. 실제 반도체 발광소자에서, 측면(111)은 스크라이빙 및/또는 브레이킹에 의해 형성되는 면이므로, 완전한 평탄면이 아니며, 바람직하게는 레이저 또는 식각을 통해 광 산란을 위한 거친 표면이 형성되므로, 임계각(θc) 이상의 입사각으로 측면(111)에 입사되는 광의 경우에도 측면(111)을 통해 외부로 방출되는 것이 가능하며, 따라서 발광효율을 향상시킬 수 있다. 바람직하게는 상면(110)의 길이(B)를 길이(C = (2D)*tan(θc)) 이하로 함으로써, 영역(R2)의 빛 모두가 상면(110)에 반사된 후 측면(111)으로 입사하도록 하는 것이 가능하다. 도 10에 도시된 바와 같이, 측면(111)의 길이(D)를 도 9에서 주어진 (B/2))*tan(θc) 이상으로 높이면, 영역(R2)에서의 빛(L)의 적어도 일부가 상면에 부딪힘없이 직접 측면(111)으로 입사할 수 있게 된다. 측면(111)의 길이(D)의 상한과 하한에 대해서 살피면, 특별히 제한이 있는 것은 아니지만, 너무 얇으면, 복수의 반도체층을 지지하는데 문제를 야기할 수 있고, 너무 두꺼우면, 소자의 브레이킹 공정에서 문제를 야기할 수 있으므로, 70㎛이상 180㎛이하의 길이를 가지는 것이 적합하며, 바람직하게는 80㎛이상 150㎛이하의 길이를 가진다.
도 11 내지 도 13은 성장 기판의 굴절률에 따른 상면과 측면의 관계를 나타내는 도면으로서, 도 11에는 성장 기판(10)이 굴절률이 1.8 정도인 사파이어로 이루어진 경우에 상면(110)과 측면(111)의 길이 관계가 제시되어 있다. 측면(111)의 길이(D)가 70㎛인 경우에 상면(110)의 길이(B)가 102㎛이하여야 도 9에 제시된 관계를 만족하지만(도 9의 경우에, 성장 기판의 좌측 코너에서 빛이 나오는 것으로 가정하였다.), 도 14에 도시된 바와 같이, 실제 반도체 발광소자의 경우에, 활성층(40)이 성장 기판(10)으로부터 거리를 두고 위치하고, 스크라이빙&브레이킹 공정을 위해, 소자의 둘레를 따라, 적어도 제2 반도체층(50)과 활성층(40)을 에칭하여 제1 반도체층(30)에 메사식각면(31)을 형성하는 것이 일반적이다. 메사식각면(31)의 총 길이(M)가 20~40㎛ 정도(한 쪽의 폭이 10~20㎛ 정도)이고, 성장 기판(10)의 하면(113)에서 활성층(40)에 이르는 거리가 3~10㎛ 정도인 것을 감안하면(이는 3족 질화물 반도체를 기준으로 한 것이며, 반도체 발광소자를 구성하는 물질에 따라 차이가 있을 수 있다. 즉 10㎛이상이 되는 경우도 있을 수 있다.), 측면(111)의 길이(B)가 70㎛인 경우에, 활성층(40)까지의 거리가 3~10㎛인 점을 고려하면 상면(110)의 길이(B)의 상한치 102㎛가 14㎛정도까지 확장될 수 있고, 메사식각면의 총 길이(M)를 고려하면 또한 20~40㎛정도까지 확장될 수 있다. 따라서, 성장 기판(10)의 측면(111)의 길이(D)가 70㎛일 때, 상면(110)의 길이(B)가 150㎛인 경우에도 도 9에서 설명된 관계가 만족될 수 있음을 알 수 있다. 도 12에는 성장 기판(10)의 굴절률이 2인 경우에 상면(110)과 측면(111)의 길이 관계가 제시되어 있다. ZnO가 이러한 굴절률에 근접한다. 도 13에는 성장 기판(10)의 굴절률이 1.5인 경우에 상면(110)과 측면(111)의 길이 관계가 제시되어 있다. 이 경우에 임계각이 40°를 넘는 이점이 있으나, 반도체 발광소자를 이루는 반도체 물질(예: GaN)과의 굴절률의 차이가 커진다는 단점도 함께 가진다. 굴절률이 1.4가 되면 임계각이 45°보다 커지게 되나, 마찬가지의 문제점을 가진다.
도 15 및 도 16은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 반도체 발광소자는 전체적으로 육면체 형상을 가지는 성장 기판(10; 예: 사파이어 기판), 제1 반도체층(30; 예: n형 GaN), 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층(40; 예: InGaN/(In)GaN 다중양자우물 구조) 및 제2 반도체층(50; p형 GaN), 활성층(40)에서 생성된 빛을 반사시키는 반사층(R; 예: SiO2/TiO2과 같은 절연 물질로 된 DBR 또는 ODR, 유전체막의 반복 적층 구조, 단일층(예: SiO2) 또는 복수층 유전체막 등), 그리고, 전자와 정공을 공급하는 전극(70) 및 전극(80)을 포함한다. 전극(70,80)은 복수의 반도체층(30,40,50)으로부터 절연되어 있으며, 반사층(R)을 관통하여 형성된 전기적 연결(71,81; Electrical Connections)을 통해 복수의 반도체층(30,40,50)과 전기적으로 연통 또는 연결된다. 전기적 연결(81)은 적어도 제2 반도체층(50)과 활성층(40)을 관통하여 제1 반도체층(30)까지 이어져 있다. 반도체 발광소자의 둘레를 따라 도 14에 도시된 바와 같이, 제1 반도체층(30)이 노출되는 메사식각면(31)을 추가로 구비하는 것이 일반적이며, 복수의 반도체층(30,40,50)은 성장 기판(10)과 제1 반도체층(30) 사이에 버퍼층을 더 포함할 수 있고, 제1 반도체층과 제2 반도체층의 도전성은 서로 바뀔 수 있으며, 필요에 따라 추가의 층들이 구비될 수 있다. 반도체 발광소자는 이를 구성하는 물질에 따라, 자외선부터 적외선까지의 빛을 방출할 수 있다. 또한 반사층(R)과 제2 반도체층(50) 사이에 전류 확산을 위한 전류 확산 전극(예: ITO)을 더 구비할 수 있으며, 전기적 연결(71,81)과 반도체층(30,50) 사이에 구동 전압을 낮추기 위한 20~30㎛ 정도의 직경을 가지는 오믹 전극을 구비할 수도 있다. 전기적 연결(71,81)은 전극(70,80)과 함께 형성되어도 좋고, 전극(70,80)과 별도로 형성될 수도 있다. 성장 기판(10)의 일면(12; a face)은 복수의 반도체층(30,40,50)이 형성되는 하면(112; a lower side), 하면(112)과 대향하는 상면(110; an upper side), 및 하면(112)과 상면(110) 이어주는 두 개의 측면(111; lateral sides)을 가진다. 또한 성장 기판(10)은 일면(12)의 일 측면(111)으로부터 이어진 타면(13; another face)을 가지며, 타면(13)은 복수의 반도체층(30,40,50)이 형성되는 하면(113) 및 하면(113)과 대향하는 상면(114)을 가진다.
일면(12)의 상면(110)은 150㎛이하의 길이를 가지며, 따라서 도 9에서 설명된 본 개시에 따른 특징이 그대로 적용된다. 한편 타면(13)의 상면(114)의 길이 방향을 따라 전극(70,80)이 배치되며, 타면(13)의 상면(114)을 일면(12)의 상면(110) 보다 길게 형성함으로써, 반도체 발광소자 전체의 발광량을 결정할 수 있게 된다. 이러한 구성을 통해, 광이 방출되는 측에서 전극(70,80)이 위치함으로써 발생하는 여러 제약을 제거할 수 있으며, 나아가 적어도 일면(12)의 상면(110)의 길이 방향을 따라 위치되는 전기적 연결(71,81)의 수를 최소화하여 이들에 의한 광 흡수를 줄이는 것이 가능해진다.
도 17은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 특징을 설명하기 위한 도면으로서, DBR과 같은 절연성 반사막(R) 위에 전극(70,80)을 구비한 반도체 발광소자에 있어서, 전극(70)과 전극(80) 사이의 간격(G; 150㎛, 300㎛, 450㎛, 600㎛)을 넓혀가면서, 발광효율을 확인한 결과이다(여기서, w는 1200㎛, c는 600㎛, A는 520㎛, B는 485㎛, 410㎛, 355㎛, 260㎛이 사용되었으며, 효과상의 차이를 확실히 하기 위해 큰 사이크의 칩이 사용되었다). 일반적으로 전극(70,80)에 의해 빛이 흡수되지만, 전극(70,80)을 Ag, Al과 같이 반사율이 높은 금속으로 구성하는 경우에 반사율을 높일 수 있는 것으로 알려져 왔다. 또한 전극(70,80)은 본딩 패드, 반도체 발광소자의 방열을 위해서도 기능해야 하므로, 이러한 요소를 고려하여 그 크기를 결정해야 한다. 그러나, 본 발명자들은 위 실험에서와 같이, DBR과 같은 절연성 반사막(R)이 이용되는 경우에 그 위에 놓이는 전극(70,80)의 크기를 줄일수록, 절연성 반사막(R)에 의한 광 반사율이 높아진다는 것을 확인하였으며, 이러한 실험 결과는 본 개시에서 전극(70,80)의 크기를 종래에 생략할 수 없었던 범위로 줄일 수 있는 일 계기를 제공하였다.
도 18 및 도 19는 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 예를 나타내는 도면으로서, 반도체 발광소자는 도 15에 도시된 반도체 발광소자와 달리 반사막(R)이 별도로 구비되지 않고, 전극(70)이 반사막으로 기능한다. 전극(70)이 Al, Ag과 같이 반사율이 높은 금속을 함유함으로써, 금속 반사막으로 기능할 수 있다. 전극(80)과 복수의 반도체층(30,40,50)의 전기적 절연을 위해 절연막(90; 예: SiO2)이 구비되어 있으며, 절연막(90)을 관통하여 전기적 연결(81)이 형성되어 있다. 절연막(90)이 전극(70) 위로 걸쳐서 형성될 수 있음은 물론이며, 절연막(90)이 단일층의 유전체막, 복수층의 유전체막, DBR, ODR(Omni-Directional Reflector)로 구성될 수 있음도 물론이다.
도 20은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 예를 나타내는 도면으로서, 반도체 발광소자는 복수의 반도체층(30,40,50) 위에 금속 반사막(R)을 구비하며, 절연막(90)을 통해 전극(70,80)을 복수의 반도체층(30,40,50)으로부터 전기적으로 절연한 다음, 전기적 연결(71,81)을 통해 전극(70,80)과 복수의 반도체층(30,40,50)을 전기적으로 연통시킨 구조가 제시되어 있다.
도 21은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 예를 나타내는 도면으로서, 반사막(R) 위에 전극(70,80)이 형성되어 있으며, 전극(70,80)의 배치 방향을 따라 복수 개의 전기적 연결(71,71,81)이 형성되어 있다. 전극(80)이 복수 개 형성될 수 있음은 물론이다. 전극(70,80)의 배치 방향을 따라 소자가 길어짐에 따라 소자로의 전류 공급을 원활히 하기 위함이다.
도 22는 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 예를 나타내는 도면으로서, 전극(70,80)과 별개로 방열패드(72)가 구비되어 있다. 열방출이 필요한 경우에, 전기적 연결을 갖지 않는 방열패드(72)를 구비함으로써, 열방출을 도모할 수 있다.
도 23 및 도 24는 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 특징을 설명하기 위한 표로서, 종래의 반도체 발광소자에서는 측면(111)의 길이(D)를 상면(110)의 길이(B)에 비해 상대적으로 길게 함으로써 소자 내 광흡수를 줄였다면, 본 개시에서는 상면(110)의 길이(B)를 줄임으로써 소자 내 광흡수를 줄이는 것을 기술사상으로 한다. 측면(111)의 길이(D)를 높이는 것, 즉, 성장 기판(10)의 두께를 높이거나 반도체층(30,40,40)의 두께를 높이는 것은 발광 영역 즉, 활성층(40)의 면적 감소를 수반하지 않는다. 그러나, 상면(110)의 길이(B)를 줄인다는 것은 활성층(40)의 면적을 감소시킨다는 것을 의미하여, 이는 발광량이 감소한다는 것을 의미한다. 본 발명자들은 상면(110)의 길이(B) 감소에도 불구하고, 소자 내부로부터 방출되는 총 광량에 감소가 크지 않는 영역이 존재한다는 것을 실험을 통해 확인하였다. 이하, 이 점에 대해 살핀다.
도 15에 도시된 바와 같이, 반도체 발광소자는 성장 기판(10), 제1 반도체층(30), 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층(40) 및 제2 반도체층(50), 활성층(40)에서 생성된 빛을 반사시키는 반사층(R)을 가지는 구조로 하였다. 상면(114; 800㎛)의 길이를 고정하고, 상면(110)의 길이(50㎛, 75㎛, 100㎛, 125㎛, 150㎛, 175㎛, 200㎛, 225㎛, 250㎛, 275㎛, 300㎛, 325㎛)를 변경하면서, 외부양자효율(EQE; External Quantum Efficiency)의 변화를 살펴 보았다. 외부양자효율은 내부양자효율(IQE; Internal Quantum Efficiency)과 광취출효율(LEE; Light Extraction Efficiency)의 곱으로 정의된다. 내부양자효율은 얼마나 많은 빛이 활성층(40)에서 생성되느냐와 관련이 있고, 광취출효율은 이렇게 생성된 빛이 얼마나 많이 소자 외부로 방출되느냐와 관련이 있다. 상면(110)의 길이(B)가 감소함에 따라, 활성층(40)의 면적이 감소하고, 활성층(40)의 면적이 감소함에 따라 전류밀도(A/㎠)가 증가하며, 전류밀도의 영향을 받는 내부양자효율은 감소하는 경향을 보였다. 한편, 상면(110)의 길이(B)가 감소함에 따라 광취출효율은 증가하는 경향을 보였다. 그러나, 이들을 통합적으로 살펴본 결과(외부양자효율의 관점에서 파악한 결과), 다음과 같은 결론을 얻게 되었다. 325㎛로부터 상면(110)의 길이가 감소함에 따라, 내부양자효율은 지속적으로 감소하는 경향을 보였으며, 전류밀도가 급격히 감소하는 영역(본 예에서, 75㎛이하, 50A/㎠이상의 전류밀도)에서 내부양자효율 또한 급격히 감소하는 경향을 보였다. 광취출효율은 반대로 지속적으로 상승하는 경향을 보였다. 이들의 곱인 외부양자효율은 200㎛까지 증가하는 경향을 보였으며, 200㎛이후에도 거의 변동이 없다가 내부양자효율이 급격히 떨어지면서, 광취출효율이 그 증가폭이 커지면서 상승함에도 불구하고, 큰 변동을 보였다. 이러한 시뮬레이션 결과는 상면(110)의 길이(B)가 200㎛보다 큰 종래의 반도체 발광소자와 비교하여 상면(110)의 길이(B)가 200㎛이하인 본 개시에 따른 반도체 발광소자로부터 외부로 방출되는 총광량이 동등한 수준을 유지할 수 있다는 것을 의미한다.
이하 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.
(1) 반도체 발광소자에 있어서, 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층, 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층 및 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층이 순차로 적층된 복수의 반도체층; 복수의 반도체층의 일 측에 구비되며, 활성층에서 생성된 빛을 반사시키는 반사층; 전자와 정공을 공급하는 제1 전극 및 제2 전극;으로서, 제1 전극 및 제2 전극 중의 적어도 하나는 복수의 반도체층으로부터 전기적으로 절연되어 있으며, 전기적 연결(an electrical connection)에 의해 복수의 반도체층과 전기적으로 연통하는 제1 전극 및 제2 전극; 그리고, 복수의 반도체층을 기준으로 반사층의 반대 측에 구비되며, 육면체 형상을 가지는 성장 기판;으로서, 육면체의 일면(a face)이 복수의 반도체층이 형성되는 하면(a lower side), 하면과 대향하는 상면(an upper side), 및 하면과 상면 이어주는 두 개의 측면(lateral sides)을 가지고, 상면이 150㎛이하의 길이를 가지는 성장 기판;을 포함하는 것을 특징으로 반도체 발광소자.
(2) 성장 기판은 상기 일면의 일 측면으로부터 이어진 타면(another face)을 가지며, 타면은 복수의 반도체층이 형성되는 하면(a lower side) 및 하면과 대향하는 상면(an upper side)을 가지고, 타면의 상면은 상기 일면의 상면보다 긴 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(3) 제1 전극과 제2 전극은 타면의 상면을 따라 구비되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(4) 제1 전극과 제2 전극 각각이 전기적 연결을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(5) 반사층은 절연성 반사층을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자. 예를 들어, 절연성 반사층은 SiO2/TiO2로 된 DBR(Distributed Bragg Reflector)로 이루어질 수 있으며, 이외에도 다양한 절연성 물질, 유전체 물질 등으로 이루어질 수 있다.
(6) 성장 기판은 상기 일면의 일 측면으로부터 이어진 타면(another face)을 가지며, 타면은 복수의 반도체층이 형성되는 하면(a lower side) 및 하면과 대향하는 상면(an upper side)을 가지고, 제1 전극과 제2 전극은 타면의 상면을 따라 구비되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(7) 두 개의 측면이 70㎛이상의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자. 두 개의 측면의 길이는 일반적으로 동일하나, 약간의 높이차가 있는 경우에, 이들의 평균 값을 이용할 수 있다.
(8) 두 개의 측면이 180㎛이하의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(9) 두 개의 측면이 70㎛이상 180㎛이하의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(10) 두 개의 측면이 80㎛이상 150㎛이하의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(11) 성장 기판은 1.5이상의 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(12) 성장 기판의 공기에 대한 전반사 임계각(θc)이 45°미만인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(13) 성장 기판은 사파이어로 이루어진 것을 특징으로 하는 하는 반도체 발광소자.
(14) 상면의 길이(B)는 2D/2*tan(θc)보다 작은 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자(여기서, D는 두 개의 측면의 길이, θc는 전반사 임계각).
(15) 상면의 길이(B)는 (2D)*tan(θc)이하인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자(여기서, D는 두 개의 측면의 길이, θc는 전반사 임계각).
(16) 두 개의 측면이 70㎛이상 180㎛이하의 길이(D)를 가지며, 적어도 제2 반도체층 및 활성층이 메사식각되어 제1 반도체층이 노출되어 있고, 상면의 길이(B)는 (2D/2*tan(θc)+M)보다 작은 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자(여기서, θc는 전반사 임계각, M은 메사식각되어 노출된 제1 반도체층의 총 길이).
(17) 반도체 발광소자에 있어서, 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층, 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층 및 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층이 순차로 적층된 복수의 반도체층; 복수의 반도체층의 일 측에 구비되며, 활성층에서 생성된 빛을 반사시키는 반사층; 전자와 정공을 공급하는 제1 전극 및 제2 전극;으로서, 제1 전극 및 제2 전극 중의 적어도 하나는 복수의 반도체층으로부터 전기적으로 절연되어 있으며, 전기적 연결(an electrical connection)에 의해 복수의 반도체층과 전기적으로 연통하는 제1 전극 및 제2 전극; 그리고, 복수의 반도체층을 기준으로 반사층의 반대 측에 구비되며, 육면체 형상을 가지는 성장 기판;으로서, 육면체의 일면(a face)이 복수의 반도체층이 형성되는 하면(a lower side), 하면과 대향하는 상면(an upper side), 및 하면과 상면을 이어주는 두 개의 측면(lateral sides)을 가지고, 상면은 그 길이가 200㎛일 때의 외부양자효율과 비교하여 내부양자효율의 감소를 광취출효율의 증가가 상쇄할 수 있도록 75㎛이상 200㎛이하의 길이를 가지는 성장 기판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(18) 상기한 예들의 다양한 조합 및 이들을 제조하는 방법.
본 개시에 따른 하나의 반도체 발광소자에 의하면, 반도체 발광소자 내의 광 흡수를 줄여 광취출효율을 향상할 수 있게 된다.
성장 기판(10), 제1 반도체층(30), 활성층(40), 제2 반도체층(50)

Claims (19)

  1. 반도체 발광소자에 있어서,
    제1 도전성을 가지는 제1 반도체층, 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층 및 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층이 순차로 적층된 복수의 반도체층;
    복수의 반도체층의 일 측에 구비되며, 활성층에서 생성된 빛을 반사시키는 반사층;
    전자와 정공을 공급하는 제1 전극 및 제2 전극;으로서, 제1 전극 및 제2 전극 중의 적어도 하나는 복수의 반도체층으로부터 전기적으로 절연되어 있으며, 전기적 연결(an electrical connection)에 의해 복수의 반도체층과 전기적으로 연통하는 제1 전극 및 제2 전극; 그리고,
    복수의 반도체층을 기준으로 반사층의 반대 측에 구비되며, 육면체 형상을 가지는 성장 기판;으로서, 육면체의 일면(a face)이 복수의 반도체층이 형성되는 하면(a lower side), 하면과 대향하는 상면(an upper side), 및 하면과 상면을 이어주는 두 개의 측면(lateral sides)을 가지고, 상면은 그 길이가 200㎛일 때의 외부양자효율과 비교하여 내부양자효율의 감소를 광취출효율의 증가가 상쇄할 수 있도록 75㎛이상 200㎛이하의 길이를 가지는 성장 기판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상면의 길이(B)는 2D/2*tan(θc)보다 작은 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자(여기서, D는 두 개의 측면의 길이, θc는 전반사 임계각).
  3. 청구항 1에 있어서,
    상면의 길이(B)는 (2D)*tan(θc)이하인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자(여기서, D는 두 개의 측면의 길이, θc는 전반사 임계각).
  4. 청구항 1에 있어서,
    상면은 150㎛이하의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중의 어느 한 항에 있어서,
    두 개의 측면이 70㎛이상의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  6. 청구항 1 내지 청구항 4 중의 어느 한 항에 있어서,
    두 개의 측면이 180㎛이하의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  7. 청구항 6에 있어서,
    두 개의 측면이 80㎛이상 150㎛이하의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  8. 청구항 1에 있어서,
    성장 기판은 상기 일면의 일 측면으로부터 이어진 타면(another face)을 가지며, 타면은 복수의 반도체층이 형성되는 하면(a lower side) 및 하면과 대향하는 상면(an upper side)을 가지고, 타면의 상면은 상기 일면의 상면보다 긴 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  9. 청구항 8에 있어서,
    제1 전극과 제2 전극은 타면의 상면을 따라 구비되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  10. 청구항 9에 있어서,
    제1 전극과 제2 전극 각각이 전기적 연결을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  11. 청구항 10에 있어서,
    반사층은 절연성 반사층을 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  12. 청구항 11에 있어서,
    성장 기판은 사파이어 기판인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  13. 청구항 8 내지 청구항 12 중의 어느 한 항에 있어서,
    상면은 150㎛이하의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상면의 길이(B)는 2D/2*tan(θc)보다 작은 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자(여기서, D는 두 개의 측면의 길이, θc는 전반사 임계각).
  15. 청구항 14에 있어서,
    상면의 길이(B)는 (2D)*tan(θc)이하인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자(여기서, D는 두 개의 측면의 길이, θc는 전반사 임계각).
  16. 청구항 13에 있어서,
    두 개의 측면이 70㎛이상 180㎛이하의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  17. 청구항 16에 있어서,
    두 개의 측면이 80㎛이상 150㎛이하의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상면의 길이(B)는 2D/2*tan(θc)보다 작은 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자(여기서, D는 두 개의 측면의 길이, θc는 전반사 임계각).
  19. 청구항 18에 있어서,
    상면의 길이(B)는 (2D)*tan(θc)이하인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자(여기서, D는 두 개의 측면의 길이, θc는 전반사 임계각).
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