KR20160013376A - 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
발광 소자 및 그 제조 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20160013376A KR20160013376A KR1020140094521A KR20140094521A KR20160013376A KR 20160013376 A KR20160013376 A KR 20160013376A KR 1020140094521 A KR1020140094521 A KR 1020140094521A KR 20140094521 A KR20140094521 A KR 20140094521A KR 20160013376 A KR20160013376 A KR 20160013376A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- semiconductor layer
- core portion
- refractive index
- light emitting
- emitting device
- Prior art date
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title description 12
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 87
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 36
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 24
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 claims description 12
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 claims description 11
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 claims description 7
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 7
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 6
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims description 6
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 3
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 25
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 13
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 12
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 12
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 8
- VKYKSIONXSXAKP-UHFFFAOYSA-N hexamethylenetetramine Chemical compound C1N(C2)CN3CN1CN2C3 VKYKSIONXSXAKP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 7
- XIOUDVJTOYVRTB-UHFFFAOYSA-N 1-(1-adamantyl)-3-aminothiourea Chemical compound C1C(C2)CC3CC2CC1(NC(=S)NN)C3 XIOUDVJTOYVRTB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 235000010299 hexamethylene tetramine Nutrition 0.000 description 4
- 239000004312 hexamethylene tetramine Substances 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 229960004011 methenamine Drugs 0.000 description 4
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 4
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 3
- -1 AlN Inorganic materials 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 2
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004943 liquid phase epitaxy Methods 0.000 description 2
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 239000011669 selenium Substances 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- JBQYATWDVHIOAR-UHFFFAOYSA-N tellanylidenegermanium Chemical compound [Te]=[Ge] JBQYATWDVHIOAR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000927 vapour-phase epitaxy Methods 0.000 description 2
- 238000001947 vapour-phase growth Methods 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 2
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910005191 Ga 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N Selenium Chemical compound [Se] BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910007946 ZrB Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 description 1
- DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N barium atom Chemical compound [Ba] DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 239000011258 core-shell material Substances 0.000 description 1
- 238000002109 crystal growth method Methods 0.000 description 1
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005401 electroluminescence Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 1
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 description 1
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 description 1
- PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N tellurium atom Chemical compound [Te] PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/20—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Led Devices (AREA)
Abstract
발광 소자가 제공된다. 상기 발광 소자는, 제1 도전형의 제1 반도체층, 상기 제1 반도체층 상의 활성층, 상기 활성층 상에 배치되고, 제2 도전형의 제2 반도체층, 및 상기 제2 반도체층 상에 배치되고, 상기 제2 반도체층보다 작은 굴절률을 갖는 코어부(core portion), 및 상기 코어부를 덮고 상기 코어부보다 작은 굴절률을 갖는 쉘부(shell portion)을 갖는 로드 구조체(rod structure)를 포함한다.
Description
본 발명은 발광 소자 및 그 제조 방법에 관련된 것으로, 보다 상세하게는, 코어부 및 코어부를 덮고 코어부보다 낮은 굴절률을 갖는 쉘부를 포함하는 로드 구조체를 포함하는 발광 소자 및 그 제조 방법에 관련된 것이다.
발광 다이오드(light-emitting diode; LED)는 p-n 접합 다이오드의 일종으로, 순방향으로 전압이 걸릴 때 단파장광(monochromatic light)이 방출되는 현상인 전기발광효과(electroluminescence)를 이용한 반도체 소자로서, 발광 다이오드로부터 방출되는 빛의 파장은 사용되는 소재의 밴드 갭 에너지(bandgap energy, Eg)에 의해 결정된다. 특히, 최근에는, 질화물계 반도체 물질로 제조된 발광 소자들이 상용화되고 있는 추세이다.
이러한 발광 소자의 광 추출 효율을 향상시키기 위해, 다양한 기술들이 개발되고 있다. 예를 들어, 대한민국 특허 공개 공보 10-2007-0075592(출원번호 10-2006-0004013)에는 요철된 일면을 갖는 모기판 위에 성장된 후 모기판으로부터 분리된 상면이 모기판의 요철된 일면의 역상으로 요철된 제1 반도체층을 포함하는 발광 다이오드를 제조하여, 내부 반사에 의한 광 손실을 방지하고 광 추출 효율을 향상시키는 기술이 개시되어 있다.
종래에 발광 소자의 광 추출 효율을 향상시키기 위한 방법들은 발광소자에서 외부로 빠져나갈 수 있는 임계각(critical angle)을 증가시켜 발광소자의 최상부 층과 공기 사이의 경계면에서 발생하는 빛의 내부 전반사(total internal reflection)를 감소시킨다. 하지만, 발광소자의 최상부 층과 공기 사이의 경사진 굴절률(refractive index) 차이로 인한 프레넬 반사(Fresnel reflection)가 존재하기 때문에, 발광소자의 광 추출 개선에 한계점을 지니고 있다. 또한, 이러한 방법들은 실제 적용에 있어서, 공정절차가 까다롭고 복잡하며 비용이 많이 소요되는 문제점이 존재한다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 향상된 발광 효율을 갖는 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 광 추출 효율이 개선된 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 발광 소자를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 발광 소자는, 제1 도전형의 제1 반도체층, 상기 제1 반도체층 상의 활성층, 상기 활성층 상에 배치되고, 제2 도전형의 제2 반도체층, 및 상기 제2 반도체층 상에 배치되고, 상기 제2 반도체층보다 작은 굴절률을 갖는 코어부(core portion), 및 상기 코어부를 덮고 상기 코어부보다 작은 굴절률을 갖는 쉘부(shell portion)을 갖는 로드 구조체(rod structure)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 쉘부와 상기 코어부의 굴절률의 차이는 적어도 0.35 이상인 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 코어부 및 상기 쉘부는, 서로 다른 금속 산화물로 형성된 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 코어부는 아연 산화물을 포함하고, 상기 쉘부는 알루미늄 산화물을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 로드 구조체는 상기 제2 반도체층 상에 복수로 제공되고, 상기 복수의 로드 구조체들은, 서로 이격되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 코어부는, 상기 제2 반도체층과 직접적으로 접촉(directly contact)하는 것을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 제공하기 위해, 본 발명은 발광 소자의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 발광 소자의 제조 방법은, 제1 도전형의 제1 반도체층, 활성층 및 제2 도전형의 제2 반도체층이 차례로 적층된 구조물을 준비하는 단계, 금속 및 산소를 포함하는 혼합액을 준비하는 단계, 상기 혼합액을 상기 구조물의 상기 제2 반도체층 상에 제공하여, 상기 제2 반도체층 상에 금속 산화물로 형성된 코어부를 제조하는 단계, 및 상기 코어부를 덮는 쉘부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 쉘부는 원자층 증착법으로 형성되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 쉘부는 상기 코어부보다 작은 굴절률을 갖고, 상기 코어부는 상기 제2 반도체층보다 작은 굴절률을 갖는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 코어부는 아연 산화물로 형성되고, 상기 쉘부는 알루미늄 산화물로 형성되는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 발광 소자는 차례로 적층된 제1 반도체층, 활성층, 제2 반도체층, 및 코어부 및 쉘부를 갖는 로드 구조체를 포함할 수 있다. 상기 코어부의 굴절률은 상기 제2 반도체층의 굴절률보다 작고, 상기 쉘부의 굴절률은 상기 코어부의 굴절률보다 작을 수 있다. 이에 따라, 상기 활성층에서 방출된 광의 프레넬 반사가 최소화되어, 광 추출 효과가 향상된 발광 소자가 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 발광 소자에 포함된 로드 구조체(rod structure)의 SEM 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 발광 소자의 발광 강도를 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 발광 소자에 포함된 코어부와 쉘부의 굴절률의 차이를 설명하기 위한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 발광 소자에 포함된 로드 구조체(rod structure)의 SEM 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 발광 소자의 발광 강도를 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 발광 소자에 포함된 코어부와 쉘부의 굴절률의 차이를 설명하기 위한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 발광 소자는 기판(100), 상기 기판(100) 상의 제1 반도체층(110), 상기 제1 반도체층(110) 상의 활성층(110), 상기 활성층(110) 상의 제2 반도체층(120), 및 상기 제2 반도체층(120) 상의 복수의 로드 구조체들(NR, rod structure)을 포함할 수 있다. 도 1 및 도 2에 도시되지 않았지만, 상기 제1 반도체층(110)과 연결된 제1 전극, 및 상기 제2 반도체층(120)과 연결된 제2 전극이 더 제공될 수 있다.
상기 기판(100)은 사파이어(Al2O3), GaN, SiC, Si, ZnO, GaAs, InP, Ge, Ga2O3, ZrB2 또는 GaP 중에서 어느 하나로 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 기판(100)은 유연(flexible)할 수 있다.
제1 반도체층(110)은 제1 도전형의 도펀트로 도핑될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 반도체층(110)은 N 형 도펀트로 도핑된 N형 반도체층일 수 있다. 예를 들어, 상기 N 형 도펀트는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 또는 텔루륨(Te), 셀레늄(Se) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 제1 반도체층(110)은, GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, 또는 AlInN 중에서 적어도 어느 하나에 상기 N형 도펀트가 도핑된 것을 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시되지 않았지만, 상기 제1 도전형의 상기 제1 반도체층(110)과 상기 기판(100) 사이에 도핑되지 않은 반도체층이 더 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 반도체층(110)은 상기 도핑되지 않은 반도체층을 시드층(seed)으로 이용한 에피택시얼 공정으로 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 도핑되지 않은 반도체층은 도핑되지 않은 질화 갈륨층(undoped-GaN, U-GaN)으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 도핑되지 않은 반도체층은 액상 성장법(liquid phase epitaxy, LPE), 기상 성장법(vapor phase epitaxy, VPE), 분자빔 성장법(molecular beam epitaxy, MBE), 또는 유기금속 화학기상증착법(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD) 중에서 어느 하나의 방법을 이용하여 형성될 수 있다.
또한, 도 1 및 도 2에 도시되지 않았으나, 상기 도핑되지 않은 반도체층 및 상기 기판(100) 사이에 버퍼층이 더 배치될 수 있다. 상기 버퍼층은 상기 기판(100과 상기 도핑되지 않은 반도체층 사이의 격자 불일치에 따른 스트레스를 완화하기 위한 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 버퍼층은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, 또는 AlInN 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2 반도체층(120)은 상기 제1 도전형과 다른 제2 도전형의 도펀트로 도핑될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 반도체층(120)은 P 형 도펀트로 도핑된 P 형 반도체층일 수 있다. 예를 들어, 상기 P형 도펀트는 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 바륨(Ba), 또는 칼슘(Ca) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 제2 반도체층(120)은 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, 또는 AlInN 중에서 적어도 어느 하나에 상기 P형 도펀트가 도핑된 것을 포함할 수 있다. 상기 제2 반도체층(140)은, 액상 성장법, 기상 성장법, 분자빔 성장법, 또는 유기금속 화학기상 증착법 중에서 어느 하나의 방법을 이용하여 형성될 수 있다.
상기 활성층(115)은 상기 제1 반도체층(110)에서 공급된 전자와 상기 제2 반도체층(120)에서 공급된 정공이 결합하여 여기자를 생성하고, 상기 여기자의 에너지 상태가 천이되어 광을 방출할 수 있다. 상기 활성층(115)은 다양자웰(multi-quantum well: MQW), 양자점(Quantum Dot) 등의 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 활성층(130)은 InGaN 막, 아연(Zn) 또는 실리콘(Si)이 도핑된 InGaN 막 일 수 있다. 예를 들어, 상기 활성층(130)은 액상 성장법, 기상 성장법, 분자빔 성장법, 또는 유기금속 화학기상 증착법 중에서 어느 하나의 방법을 이용하여 형성될 수 있다.
상기 복수의 로드 구조체들(NR)은, 상기 제2 반도체층(120) 상에 임의적으로(randomly) 배치될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 복수의 로드 구조체들(NR)은 서로 이격될 수 있다. 이에 따라, 상기 복수의 로드 구조체들(NR) 사이에 외부 공기(air)가 배치될 수 있다. 상기 활성층(115)에서 생성된 광은, 외부 공기와 접촉되는 상기 복수의 로드 구조체(NR)의 외면으로부터 방출될 수 있다. 서로 이격된 복수의 로드 구조체들(NR)에 의해, 상기 활성층(115)에서 생성된 광들의 출사면이 증가되어, 광 추출 효율이 향상된 발광 소자가 제공될 수 있다.
상기 로드 구조체(NR)는, 코어부(CP, core portion) 및 쉘부(SP, shell portion)을 포함할 수 있다. 상기 코어부(CP)는 상기 제2 반도체층(120)과 직접적으로 접촉(directly contact)할 수 있다. 상기 코어부(CP)의 굴절률은 상기 제2 반도체층(120)의 굴절률보다 작을 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 반도체층(120)이 P형 질화 갈륨(굴절률 2.5)로 형성된 경우, 상기 코어부(CP)는 아연 산화물(굴절률 2.08)로 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 코어부(CP)는 상기 기판(100)의 상부면에 수직한 방향으로 연장하는 로드(rod) 형태일 수 있다. 또는, 다른 실시 예에 따르면, 도 1 및 2에 도시된 바와 달리, 상기 코어부(CP)는 구(sphere) 형태의 입자일 수 있다.
상기 쉘부(SP)는 상기 코어부(CP)를 콘포말하게(conformally) 덮을 수 있다. 상기 쉘부(SP)는 상기 코어부(CP)와 다른 제조 공정에서 제공될 수 있다. 예를 들어, 상기 쉘부(SP)는, 상기 제2 반도체층(120) 상에 상기 코어부(CP)가 형성된 후, 원자층 증착법(ALD), 화학 기상 증착법(CVD), 또는 물리 기상 증착법(PVD) 등 다양한 방법을 이용하여, 상기 코어부(CP) 상에 제공될 수 있다. 상기 쉘부(SP)의 굴절률은, 상기 제2 반도체층(120)의 굴절률보다 작고, 상기 코어부(CP)의 굴절률보다 작을 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 반도체층(120)이 P형 질화 갈륨으로 형성되고, 상기 코어부(CP)가 아연 산화물로 형성되는 경우, 상기 쉘부(SP)는 알루미늄 산화물로 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 쉘부(SP)의 굴절률은 상기 코어부(CP)의 굴절률보다 적어도 0.35 이상 작을 수 있다.
상기 코어부(CP) 및 상기 쉘부(SP)는 금속 산화물로 형성되되, 서로 다른 물질로 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 코어부(CP)는 아연 산화물(예를 들어, ZnO)로 형성되고, 상기 쉘부(SP)는 알루미늄 산화물(예를 들어, Al2O3)로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 활성층(115)에서 방출된 광은, 상기 제2 반도체층(120), 상기 코어부(CP), 및 상기 쉘부(SP)를 차례로 투과하여 외부로 방출될 수 있다. 즉, 광이 투과하는 상기 제2 반도체층(120), 상기 코어부(CP), 및 상기 쉘부(SP)의 굴절률들이 차례로 감소됨에 따라, 상기 활성층(115)에서 방출된 광이 효율적으로 외부로 방출될 수 있다. 이에 따라, 광 추출 효율이 향상된 발광 소자가 제공될 수 있다.
만약, 상기 제2 반도체층(120) 상에 상기 코어부(CP) 및 쉘부(SP)를 갖는 상기 로드 구조체(NR)가 생략되어, 상기 활성층(115)에서 방출된 광이 상기 제2 반도체층(120)을 투과하여 바로 외부 공기로 제공되는 경우, 상기 제2 반도체층(120)과 외부 공기의 굴절률 차이(예를 들어, 상기 제2 반도체층(120)이 질화 갈륨막으로 형성되는 경우 약 2.5, 외부 공기 1, 굴절률의 차이 1.5)에 의한 스넬의 법칙(Snell' law)에 따라, 상기 활성층(115)에서 방출된 광의 일부가 내부 전반사되고, 내부 전반사되지 않는 광들의 일부는 프레넬 반사(Fresnel reflection)되어, 상기 활성층(115)에서 방출된 광들이 효율적으로 외부로 방출되지 못하는 문제점이 있다.
하지만, 상술된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 활성층(115)에서 방출된 광이, 굴절률이 점차적으로(gradually) 낮아지는 상기 제2 반도체층(120), 상기 코어부(CP), 및 상기 쉘부(SP)를 차례로 투과함에 따라, 프레넬 반사가 감소되는 것은 물론, 상기 로드 구조체(NR)에 의한 산란 효과에 의해, 광 추출 효율이 향상된 발광 소자가 제공될 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 본 발명의 실시 예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3을 참조하면, 제1 도전형의 제1 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형의 제2 반도체층이 차례로 적층된 구조물이 준비된다(S110). 상기 구조물은, 기판 상에 형성될 수 있다.
금속 및 산소를 포함하는 혼합액이 준비된다(S120). 상기 금속이 아연을 포함하는 경우, 상기 혼합액은, 예를 들어, ZNH(zinc nitrate hexahydrate), HMT(hexamethylene tetramine), 및 DI water가 혼합된 것일 수 있다.
도 3에 도시된 것과 달리, 상기 제1 반도체층, 활성층, 및 상기 제2 반도체층이 차례로 적층된 구조물을 준비하는 단계는 상기 혼합액을 준비하는 단계를 수행한 이후에 수행될 수 있다. 즉, 도 3에서 기재된 단계 S110 및 단계 S120은 순서에 제한되는 것이 아니다.
상기 혼합액이 상기 제2 반도체층 상에 제공되어, 상기 제2 반도체층 상에 금속 산화물로 형성된 코어부가 제조될 수 있다(S130). 상기 혼합액을 상기 제2 반도체층 상에 제공하는 단계는, 상기 혼합액 내에 상기 제2 반도체층을 갖는 상기 구조물을 일정 시간 동안 담그는(dip) 단계를 포함할 수 있다. 상기 제2 반도체층 상에 상기 혼합액이 제공되어 상기 제2 반도체층 상에 상기 코어부가 제조된 후, 상기 제2 반도체층에 가스(예를 들어, 질소 가스 등)를 제공하여 건조시키는 단계가 수행될 수 있다.
상기 혼합액이 상기 제2 반도체층 상에 제공되기 전, 상기 혼합액을 일정시간 동안 스티어링(stirring)하는 단계, 상기 혼합액을 필터(filter)를 이용하여 여과하는 단계, 및 상기 혼합액을 열처리하여 상기 코어부가 생성되기에 적합한 성장 온도를 상기 혼합액이 갖도록 하는 단계가 더 수행될 수 있다.
상기 코어부가 형성된 후, 상기 코어부를 덮는 쉘부가 형성될 수 있다(S140). 예를 들어, 상기 쉘부는 원자층 증착법(ALD), 화학 기상 증착법(CVD), 또는 물리 기상 증착법(PVD) 등 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 상기 쉘부를 형성하는 단계는, 상기 코어부를 형성하는 단계와 별도의 공정으로 진행될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 로드 구조체를 포함하는 발광 소자의 광 추출 효율이 설명된다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 발광 소자의 로드 구조체를 SEM 사진이다.
도 4를 참조하면, 질화 갈륨계 다이오드를 준비하고, 상기 질화 갈륨계 다이오드의 P형 질화 갈륨막 상에 질화 갈륨의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 ZnO 코어부를 형성하기 위해, ZNH(zinc nitrate hexahydrate), HMT(hexamethylene tetramine)을 200ml의 DI water에 넣어, 아연 및 산소를 갖는 혼합액을 준비하였다. 1시간 동안 상기 혼합액을 스티어링한 후, ?터로 여과하고, 95℃로 열처리를 수행하였다.
95℃의 상기 혼합액 내에 질화 갈륨계 다이오드를 넣고 6시간 동안 유지하면서, P형 질화 갈륨막 상에 ZnO로 형성된 코어부를 성장시켰다. 이후, 질소를 이용하여 건조시켜, P형 질화 갈륨막 상에 ZnO로 형성된 코어부를 제조하였다.
상기 ZnO 코어부를 제조한 후, ZnO 코어부보다 낮은 굴절률을 갖는 Al2O3 쉘부를 제조하기 위해, 원자층 증착법으로, 상기 ZnO 코어부 상에 Al2O3를 형성하여, ZnO/Al2O3 코어-쉘 로드 구조체를 제조하였다. 도 4에 도시된 것과 같이, 일 방향으로 연장하는 복수의 로드 구조체들이 형성된 것을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 발광 소자의 발광 강도를 설명하기 위한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 대한 제1 비교 예로 ZnO 코어부 및 Al2O3 쉘부가 생략된 질화 갈륨계 다이오드, 및 제2 비교 예로 P형 질화 갈륨막 상에 ZnO 코어부가 제공되고 Al2O3 쉘부가 생략된 질화 갈륨계 다이오드의 발광 강도를 측정하였고, 본 발명의 제1 실시 예로 P형 질화 갈륨막 상에 ZnO 코어부 및 20nm 두께의 Al2O3 쉘부를 갖는 질화 갈륨계 다이오드, 및 제2 실시 예로 P형 질화 갈륨막 상에 ZnO 코어부 및 40nm 두께의 Al2O3 쉘부를 갖는 질화 갈륨계 다이오드의 발광 강도를 측정하였다.
도 5에서 알 수 있듯이, 제1 및 제2 실시 예에 따라 ZnO 코어부 및 Al2O3 쉘부를 갖는 발광 소자의 발광 효율이, 제1 비교 예에 따라 ZnO 코어부 및 Al2O3 쉘부가 생략된 발광 소자의 발광 효율, 및 제2 비교 예에 따라 ZnO 코어부가 제공되고 Al2O3 쉘부가 생략된 발광 소자의 발광 효율보다 높게 측정된 것을 확인할 수 있다. 즉, P형 질화 갈륨막 상에, P형 질화 갈륨막보다 굴절률이 작은 ZnO 코어부, 및 ZnO 코어부보다 굴절률이 작은 Al2O3 쉘부를 형성하여, 활성층에서 발생된 광이 점차적으로 굴절률이 감소되는 매질들을 통과함에 따라, 프레넬 반사가 최소화되어, 광 추출 효율이 향상되는 것을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 발광 소자에 포함된 코어부와 쉘부의 굴절률의 차이를 설명하기 위한 그래프이다.
도 6을 참조하면, 코어부와 쉘부의 굴절률의 차이에 따른 광 추출 효율을 확인하기 위해, 발광 다이오드 상에 코어부와 쉘부의 굴절률의 차이를 달리하면서 방출되는 광의 강도를 측정하였다. 구체적으로, 1.65의 굴절률을 갖는 Al2O3 형성된 쉘부를 기준으로, 굴절률이 다른 물질들로 코어부를 형성하여 방출되는 광의 강도를 측정하였다. 발광 다이오드 상에 코어부와 쉘부가 생략된 경우 발출되는 광의 강도 7000(a.u)로 측정되었다.
코어부의 굴절률이 1.7, 1.8, 및 1.9인 경우, 다시 말하면, 코어부와 쉘부의 굴절률의 차이가 0.05, 0.15. 0.25인 경우, 발광 다이오드 상에 코어부 및 쉘부가 생략된 경우보다 방출되는 광의 강도가 낮은 것을 확인할 수 있다. 반면, 코어부의 굴절률이 2.0, 2.1, 2.2, 및 2.3인 경우, 다시 말하면, 코어부와 쉘부의 굴절률의 차이가 0.35, 0.45, 0.55, 및 0.65인 경우, 발광 다이오드 상에 코어부 및 쉘부가 생략된 경우보다, 방출되는 광의 강도가 높은 것을 확인할 수 있다. 즉, 코어부의 굴절률이 쉘부의 굴절률보다 적어도 0.35 이상 큰 경우, 다시 말하면, 쉘부의 굴절률이 코어부의 굴절률보다 적어도 0.35 이상 작은 경우, 발광 다이오드 상에 방출된 광의 광 추출 효율이 향상되는 것을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 기판
110: 제1 ?도체층
115: 활성층
120: 제2 반도체층
NR: 로드 구조체
CP: 코어부
SP: 쉘부
110: 제1 ?도체층
115: 활성층
120: 제2 반도체층
NR: 로드 구조체
CP: 코어부
SP: 쉘부
Claims (10)
- 제1 도전형의 제1 반도체층;
상기 제1 반도체층 상의 활성층;
상기 활성층 상에 배치되고, 제2 도전형의 제2 반도체층; 및
상기 제2 반도체층 상에 배치되고, 상기 제2 반도체층보다 작은 굴절률을 갖는 코어부(core portion), 및 상기 코어부를 덮고 상기 코어부보다 작은 굴절률을 갖는 쉘부(shell portion)을 갖는 로드 구조체(rod structure)를 포함하는 발광 소자.
- 제1 항에 있어서,
상기 쉘부와 상기 코어부의 굴절률의 차이는 적어도 0.35 이상인 것을 포함하는 발광 소자.
- 제1 항에 있어서,
상기 코어부 및 상기 쉘부는, 서로 다른 금속 산화물로 형성된 것을 포함하는 발광 소자.
- 제1 항에 있어서,
상기 코어부는 아연 산화물을 포함하고,
상기 쉘부는 알루미늄 산화물을 포함하는 발광 소자.
- 제1 항에 있어서,
상기 로드 구조체는 상기 제2 반도체층 상에 복수로 제공되고,
상기 복수의 로드 구조체들은, 서로 이격되는 것을 포함하는 발광 소자.
- 제1 항에 있어서,
상기 코어부는, 상기 제2 반도체층과 직접적으로 접촉(directly contact)하는 것을 포함하는 발광 소자.
- 제1 도전형의 제1 반도체층, 활성층 및 제2 도전형의 제2 반도체층이 차례로 적층된 구조물을 준비하는 단계;
금속 및 산소를 포함하는 혼합액을 준비하는 단계;
상기 혼합액을 상기 구조물의 상기 제2 반도체층 상에 제공하여, 상기 제2 반도체층 상에 금속 산화물로 형성된 코어부를 제조하는 단계; 및
상기 코어부를 덮는 쉘부를 형성하는 단계를 포함하는 발광 소자의 제조 방법.
- 제7 항에 있어서,
상기 쉘부는 원자층 증착법으로 형성되는 것을 포함하는 발광 소자의 제조 방법.
- 제7 항에 있어서,
상기 쉘부는 상기 코어부보다 작은 굴절률을 갖고,
상기 코어부는 상기 제2 반도체층보다 작은 굴절률을 갖는 것을 포함하는 발광 소자의 제조 방법.
- 제7 항에 있어서,
상기 코어부는 아연 산화물로 형성되고,
상기 쉘부는 알루미늄 산화물로 형성되는 것을 포함하는 발광 소자의 제조 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140094521A KR101617951B1 (ko) | 2014-07-25 | 2014-07-25 | 발광 소자 및 그 제조 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140094521A KR101617951B1 (ko) | 2014-07-25 | 2014-07-25 | 발광 소자 및 그 제조 방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20160013376A true KR20160013376A (ko) | 2016-02-04 |
| KR101617951B1 KR101617951B1 (ko) | 2016-05-04 |
Family
ID=55356104
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020140094521A KR101617951B1 (ko) | 2014-07-25 | 2014-07-25 | 발광 소자 및 그 제조 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101617951B1 (ko) |
-
2014
- 2014-07-25 KR KR1020140094521A patent/KR101617951B1/ko active IP Right Grant
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR101617951B1 (ko) | 2016-05-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9024294B2 (en) | Group III nitride nanorod light emitting device | |
| KR101007136B1 (ko) | 발광 소자, 발광 소자 패키지 및 발광 소자 제조방법 | |
| US8890184B2 (en) | Nanostructured light-emitting device | |
| US9978905B2 (en) | Semiconductor structures having active regions comprising InGaN and methods of forming such semiconductor structures | |
| TWI569467B (zh) | 半導體發光元件 | |
| US8525200B2 (en) | Light-emitting diode with non-metallic reflector | |
| US9634182B2 (en) | Semiconductor structures having active regions including indium gallium nitride, methods of forming such semiconductor structures, and related light emitting devices | |
| KR20110052131A (ko) | 발광소자 및 그 제조방법 | |
| KR20110124337A (ko) | 붕소를 포함하는 ⅲ-질화물 발광 장치 | |
| JP2010010678A (ja) | 量子ドットデバイスおよびその製造方法 | |
| CN106415860B (zh) | 氮化物半导体发光元件 | |
| TW201327904A (zh) | 利用應變緩衝層實現優秀的發光效率的氮化物類發光器件 | |
| TW201526287A (zh) | 半導體裝置之製造方法 | |
| KR101981119B1 (ko) | 자외선 반도체 발광 소자 | |
| US20130056747A1 (en) | Nitride semiconductor light emitting device and manufacturing method thereof | |
| TW201230384A (en) | Method for fabrication of (Al, In, Ga) nitride based vertical light emitting diodes with enhanced current spreading of n-type electrode | |
| KR102264678B1 (ko) | 다공성 투명 전극을 포함하는 발광 소자 | |
| KR101636140B1 (ko) | 발광 소자 및 그 제조 방법 | |
| US20100127239A1 (en) | III-Nitride Semiconductor Light Emitting Device | |
| KR101617959B1 (ko) | 발광 소자 및 그 제조 방법 | |
| KR101617951B1 (ko) | 발광 소자 및 그 제조 방법 | |
| KR101646360B1 (ko) | 발광 소자 및 그 제조 방법 | |
| US20140191194A1 (en) | Nitride semiconductor light-emitting element | |
| US9209349B2 (en) | Method of fabricating nitride semiconductor light emitting device | |
| KR101746907B1 (ko) | 발광 소자 및 그 제조 방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20190415 Year of fee payment: 4 |