KR20160038127A - 발광소자 및 조명시스템 - Google Patents
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Abstract
실시예에 따른 발광소자는 제 1 도전형 반도체층과, 상기 제 1 도전형 반도체층 상에 배치된 활성층과, 상기 활성층 상에 배치된 제 2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물; 및 상기 발광구조물의 광추출 영역 상에 배치된 광추출 구조;를 포함하고, 상기 발광구조물은 무극성 질화물 반도체를 포함하며, 상기 광추출 구조는 복수의 돌출부를 포함하는 요철 구조를 가지며, 상기 복수의 돌출부는 삼각기둥, 사각기둥 또는 다각기둥 중 적어도 어느 하나의 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.
다른 측면에서 실시예는 제 1 도전형 반도체층과, 상기 제 1 도전형 반도체층 상에 배치된 활성층과, 상기 활성층 상에 배치된 제 2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물; 및 상기 발광구조물의 광추출 영역 상에 배치된 광추출 구조;를 포함하고, 상기 발광구조물은 반극성 질화물 반도체를 포함하며, 상기 광추출 구조는 복수의 돌출부를 포함하는 요철 구조를 가지며, 상기 복수의 돌출부는 삼각뿔, 사각뿔, 다각뿔 또는 원뿔 중 적어도 어느 하나의 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.
다른 측면에서 실시예는 제 1 도전형 반도체층과, 상기 제 1 도전형 반도체층 상에 배치된 활성층과, 상기 활성층 상에 배치된 제 2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물; 및 상기 발광구조물의 광추출 영역 상에 배치된 광추출 구조;를 포함하고, 상기 발광구조물은 반극성 질화물 반도체를 포함하며, 상기 광추출 구조는 복수의 돌출부를 포함하는 요철 구조를 가지며, 상기 복수의 돌출부는 삼각뿔, 사각뿔, 다각뿔 또는 원뿔 중 적어도 어느 하나의 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.
Description
실시예는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템에 관한 것이다.
발광소자(Light Emitting Device)는 전기에너지가 빛 에너지로 변환되는 특성의 p-n 접합 다이오드로서, 주기율표상에서 Ⅲ족과 Ⅴ족 등의 화합물 반도체로 생성될 수 있고 화합물 반도체의 조성비를 조절함으로써 다양한 색상구현이 가능하다.
발광소자는 순방향전압 인가 시 n층의 전자(electron)와 p층의 정공(hole)이 결합하여 전도대(Conduction band)와 가전대(Valance band)의 밴드갭 에너지에 해당하는 만큼의 에너지를 발산하는데, 이 에너지는 주로 열이나 빛의 형태로 방출되며, 빛의 형태로 발산되면 발광소자가 된다.
예를 들어, 질화물 반도체는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭 에너지에 의해 광소자 및 고출력 전자소자 개발 분야에서 큰 관심을 받고 있다. 특히, 질화물 반도체를 이용한 청색(Blue) 발광소자, 녹색(Green) 발광소자, 자외선(UV) 발광소자 등은 상용화되어 널리 사용되고 있다.
최근 고효율 LED 수요가 증가함에 광도 개선이 이슈가 되고 있다. 광도를 개선하는 방안으로는 발광소자의 내부양자효율 향상과 광추출 효율 향상에 초점이 맞춰지고 있다. 그런데, 이 중에서 내부양자효율의 경우 발광소자의 성장 공정의 최적화로 거의 한계치에 가깝게 증가 하였다. 이에 반해 발광소자 내에서 생성되는 빛이 발광소자 밖으로 방출되지 못하고 흡수되는 양은 여전히 많아서, 광 추출 효율이 증가될 여지는 여전히 많이 남아 있다.
이처럼 낮은 광추출 효율은 발광소자와 공기 사이의 큰 굴절률 차이 에 의해서 발생한다. 스넬의 법칙에 의해 계산을 하면, 발광소자 내부에서 광자가 외부로 방출되기 위해서는, 광자가 매우 작은 임계 굴절각 이하로 입사하여야 한다. 이로 인해 평평한 발광소자의 표면의 경우, 생성된 광자 중 오직 4% 정도만이 외부로 나갈 수 있게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 발광소자에 다양한 광추출 구조를 추가하는 방안이 제안되고 있다.
실시예는 간단한 에칭 공정을 이용하여 발광소자 내에서 생성된 광자를 원활하게 외부로 추출할 수 있어 광추출 효율을 향상시킬 수 있는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 발광소자는 제 1 도전형 반도체층과, 상기 제 1 도전형 반도체층 상에 배치된 활성층과, 상기 활성층 상에 배치된 제 2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물; 및 상기 발광구조물의 광추출 영역 상에 배치된 광추출 구조;를 포함하고, 상기 발광구조물은 무극성 질화물 반도체를 포함하며, 상기 광추출 구조는 복수의 돌출부를 포함하는 요철 구조를 가지며, 상기 복수의 돌출부는 삼각기둥, 사각기둥 또는 다각기둥 중 적어도 어느 하나의 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.
다른 측면에서 실시예는 제 1 도전형 반도체층과, 상기 제 1 도전형 반도체층 상에 배치된 활성층과, 상기 활성층 상에 배치된 제 2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물; 및 상기 발광구조물의 광추출 영역 상에 배치된 광추출 구조;를 포함하고, 상기 발광구조물은 반극성 질화물 반도체를 포함하며, 상기 광추출 구조는 복수의 돌출부를 포함하는 요철 구조를 가지며, 상기 복수의 돌출부는 삼각뿔, 사각뿔, 다각뿔 또는 원뿔 중 적어도 어느 하나의 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 실시예에 따른 조명시스템은 상기 발광소자를 구비하는 발광모듈을 포함할 수 있다.
실시예에 의하면 광도를 증대시킬 수 있는 최적의 구조를 구비한 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
구체적으로, 실시예에 의하면 발광구조물에서 광을 추출할 영역에 정밀한 구조로 형성된 요철 구조를 배치하여 광추출 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 실시예의 발광구조물은 반극성 또는 무극성 질화물 반도체층을 포함하여 내부 양자효율을 향상시킬 수 있다.
그리고, 실시예에서 발광구조물에 배치된 광추출 구조는 간단한 공정으로 손쉽게 형성할 수 있는 장점이 있다.
마지막으로, 실시예에 의하면 양자구속효과의 개선, 발광효율의 개선 및 소자신뢰성 개선할 수 있는 발광소자, 발광소자의 제조방법, 발광소자 패키지 및 조명시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 발광소자의 단면도이다.
도 2는 제 1 실시예에 따른 광추출 구조를 이루는 일 돌출부의 사시도이고, 도 3은 제 1 실시예에 따른 광추출 구조 일부의 SEM 사진이다.
도 4는 제 2 실시예에 따른 광추출 구조를 이루는 일 돌출부의 사시도이고, 도 5는 제 2 실시예에 따른 광추출 구조 일부의 SEM 사진이다.
도 6은 제 3 실시예에 따른 광추출 구조를 이루는 일 돌출부의 사시도이고, 도 7은 제 3 실시예에 다른 광추출 구조 일부의 SEM 사진이다.
도 8는 제 4 실시예에 따른 광추출 구조를 이루는 일 돌출부의 사시도이고, 도 9는 제 4 실시예에 따른 광추출 구조 일부의 SEM 사진이다.
도 10 내지 도 13은 실시예에 따른 광추출 구조를 갖는 발광소자를 제조하는 과정을 나타낸다.
도 2는 제 1 실시예에 따른 광추출 구조를 이루는 일 돌출부의 사시도이고, 도 3은 제 1 실시예에 따른 광추출 구조 일부의 SEM 사진이다.
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도 10 내지 도 13은 실시예에 따른 광추출 구조를 갖는 발광소자를 제조하는 과정을 나타낸다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판(10), 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on/over)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on/over)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도 1은 실시예에 따른 발광소자의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 발광소자는 제 1 도전형 반도체층(110)과, 상기 제 1 도전형 반도체층(110) 상에 활성층(120)과, 상기 활성층(120) 상에 제 2 도전형 반도체층(130)과, 상기 제 2 도전형 반도체층(130) 상에 광추출 구조(140)를 포함할 수 있다.
먼저, 상기 제 1 도전형 반도체층(110)과 3족-5족, 2족-6족 등의 원소를 포함하는 질화물 반도체로 구현될 수 있다. 상기 제 1 도전형 반도체층(110)에는 제 1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 상기 제 1 도전형 반도체층(110)이 n형 반도체층인 경우, 상기 제 1도전형 도펀트는 n형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se, Te를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
상기 제 1 도전형 반도체층(110)은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 상기 제 1 도전형 반도체층(110)은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN,AlGaAs, InGaAs, AlInGaAs, GaP, AlGaP, InGaP, AlInGaP, InP 중 어느 하나 이상을 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 제 1 도전형 반도체층(110) 상에는 활성층(120)이 배치될 수 있다.
상기 활성층(120)은 제 1 도전형 반도체층(110)을 통해서 주입되는 전자와 이후 형성되는 제 2 도전형 반도체층(130)을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 활성층(120)(발광층) 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 광자를 방출하는 층이다.
실시예에서, 상기 활성층(120)은 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 구조(MQW: Multi Quantum Well), 양자 선(Quantum-Wire) 구조, 또는 양자 점(Quantum Dot) 구조 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 그리고, 상기 활성층(120)의 양자우물/양자벽은 InGaN/GaN, InGaN/InGaN, GaN/AlGaN, InAlGaN/GaN, GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 어느 하나 이상의 페어 구조일 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 상기 양자우물은 상기 양자벽의 밴드 갭보다 낮은 밴드 갭을 갖는 물질일 수 있다. 특히 실시예에서, 상기 활성층(120)은 고전압 내에서 작동하고 자외선 파장대역을 발광하기 위해, 양자우물/양자벽은 GaN/AlGaN 페어 구조일 수 있다.
상기 활성층(120) 상에는 제 2 도전형 반도체층(130)이 배치될 수 있다.
실시예에서, 상기 제 2 도전형 반도체층(130)은 3족-5족, 2족-6족 등의 원소를 포함하는 질화물 반도체로 구현될 수 있으며, 제 2 도전형 도펀트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 도전형 반도체층(130)은 InxAlyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 상기 제 2 도전형 반도체층(130)이 p형 반도체층인 경우, 상기 제 2도전형 도펀트는 p형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등을 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 제 1 도전형 반도체층(110)은 p형 반도체층, 상기 제 2 도전형 반도체층(130)은 n형 반도체층으로 구현할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한 상기 제 2 도전형 반도체층(130) 위에는 상기 제 2 도전형과 반대의 극성을 갖는 반도체 예컨대 n형 반도체층(미도시)을 형성할 수 있다. 이에 따라 발광구조물(10)은 n-p 접합 구조, p-n 접합 구조, n-p-n 접합 구조, p-n-p 접합 구조 중 어느 한 구조로 구현할 수 있다.
이하에서는 설명의 편의를 위해, 상기 제 1 도전형 반도체층(110), 상기 활성층(120) 및 제 2 도전형 반도체층(130)을 묶어 발광구조물이라고 지칭하기로 한다.
이러한 발광구조물은 성장기판(10)에서 에피 성장을 통해 형성할 수 있다.
일반적인 발광구조물의 경우, 주로 c-축으로 성장된 극성 질화물 반도체층을 포함할 수 있다. 그런데, 극성 질화물 반도체의 경우, 질화물 반도체 성장방향에 따라 필연적으로 발생하는 압전 및 자발 분극(spontaneous and piezoelectric field)의하여, 양자 제한 순수 효과(quantum-confined stark effect)가 발생할 수 있다.
따라서, 이러한 문제를 해결하기 위하여, 실시예에서 상기 발광구조물은 무극성 또는 반극성 질화물 반도체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 발광구조물은 a-축으로 성장한 무극성 질화물 반도체층을 포함할 수 있다. 또는, 상기 발광구조물은 (11-22) 축으로 성장한 반극성 질화물 반도체층을 포함할 수 있다.
상기 발광구조물이 극성인지 반극성인지 무극성인이 확인하는 방법으로는 에칭 공정을 통해 형성된 구조를 분석하여 알 수 있으며, 비파괴적인 방법으로 PL, XRD와 같은 광학적 분석 기법을 통해 가능할 수 있다.
한편, 상기 활성층(120)에서 발생하는 광자는 발광소자 외부의 배경물질과의 굴절률(Refractive index) 차이가 크기 때문에, 광자가 외부로 방출되기 위한 임계각(Critical angle)은 작은 값을 갖게 된다. 이에 따라서, 상기 임계각을 초과하는 각도로 이동하는 광자는 모두 외부로 방출되지 못하고 다시 발광소자 내로 전반사(total internal reflection)되어 광추출 효율을 감소시키는 문제가 발생한다.
특히, 상기 발광소자에서 광자가 방출되는 영역(예컨대, 발광구조물의 상면 또는/및 측면)이 플랫(flat)한 경우, 대부분의 광자들은 외부로 방출되지 못하고 발광소자 내부로 반사되어 흡수되는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 실시예에서 상기 발광구조물 상에는 광추출 구조(140)가 배치될 수 있다. 자세하게, 상기 발광소자의 광추출 영역에는 요철 형상을 갖는 광추출 구조(140)가 배치될 수 있다. 이때, 상기 발광구조물에서 광추출 영역은 발광구조물 상면 또는/및 측면이 해당될 수 있다.
상기 광추출 구조(140)는 포토닉 크리스탈(photonic crystal) 구조, 굴절률 감소층(graded-refractive index layer) 삽입, 패턴 사파이어(pattered sapphire) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 그러나, 전술한 구성들은 공정이 어렵고, 비용이 과다하게 발생하며, 광추출을 위한 정밀한 요철 형상 제어에는 어려움이 있다.
실시예에서, 상기 광추출 구조(140)은 복수의 돌출부(141)가 나열된 형상일 수 있다 그리고, 이러한 복수의 돌출부(141)들은 중첩되도록 배치될 수 있다.
그리고, 상기 복수의 돌출부(141)들은 다양한 크기를 가질 수 있으며, 형상도 랜덤한 구조들을 가질 수 있다.
그런데, 실시예에서, 상기 복수의 돌출부(141)의 형상은 일정한 경향성을 가질 수 있다. 즉, 모든 상기 돌출부(141) 가 일정한 모양을 갖지는 아니하나, 발광구조물의 결정성이나 에칭 방법 등에 따라서 상기 돌출부(141)는 하기와 같은 형상의 경향성을 가질 수 있다.
실시예에서, 상기 복수의 돌출부(141)는 삼각 기둥, 사각 기둥 또는 다각 기둥 중 적어도 하나 이상일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 복수의 돌출부(141)는 삼각뿔, 사각뿔, 다각뿔 또는 원뿔 중 적어도 하나 이상일 수 있다. 이때, 상기 복수의 돌출부(141)의 하부의 형상은 돌출부 아래 배치된 광추출 구조(140) 또는 발광구조물의 형상에 대응되므로, 앞서 설명한 돌출부(141)의 다양한 형상은 돌출부(141)의 상부 형상에 경향성을 설명하는 것으로 이해할 수 있다.
도 2는 제 1 실시예에 따른 광추출 구조를 이루는 일 돌출부의 사시도이고, 도 3은 제 1 실시예에 따른 광추출 구조 일부의 SEM 사진이다.
도 2 내지 도 3을 참조하면, 제 1 실시예에 따른 광추출 구조(140)를 이루는 돌출부(141)는 다각 기둥(예컨대, 삼각 기둥 형상)일 수 있다. 구체적으로, 상기 광추출 구조(140)는 복수의 삼각 기둥이 옆면이 아래로 놓이도록 중첩 가능하게 나열된 구조일 수 있다.
제 1 실시예의 광추출 구조(140)의 형상 및 크기는 무극성 질화물 반도체층을 염기성 용액을 이용하여 습식 에칭할 때, pH 농도, 염기성 용액 종류, 에칭 시간 등을 조절하여, 정밀하게 제어할 수 있다. 즉, 제 1 실시예의 광추출 구조(140)는 발광구조물가 무극성 질화물 반도체를 포함할 때, 광이 방출될 영역을 염기성 습식 식각함으로써, 원하는 영역에 원하는 형상으로 요철 구조를 형성할 수 있다.
제 1 실시예의 광추출 구조(140)는 정밀한 요철 구조를 발광구조물의 광추출 영역에 손쉽게 형성하여, 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
도 4는 제 2 실시예에 따른 광추출 구조를 이루는 일 돌출부의 사시도이고, 도 5는 제 2 실시예에 따른 광추출 구조 일부의 SEM 사진이다.
도 4 내지 도 5를 참조하면, 제 2 실시예에 따른 광추출 구조(140)를 이루는 돌출부(142)는 다각 기둥(예컨대, 삼각 기둥 형상)으로, 다각 기둥의 꼭지점(apex) 주위가 잘려진 형상일 수 있다. 구체적으로, 상기 광추출 구조(140)는 꼭지점 부근이 식각된 복수의 다각 기둥이 옆면이 아래로 놓이도록 나열된 구조일 수 있다.
이렇나 제 2 실시예의 광추출 구조(140)는 제 1 실시예의 광추출 구조(140)의 요철 형상에서 꼭지점 부분을 식각하여 경사면을 증가시킨 구조일 수 있다. 이를 통해, 제 2 실시예의 광추출 구조(140)는 더욱 러프니스(roughness)가 증가하여, 광추출 효율이 더 향상될 수 있다.
이러한 제 2 실시예의 광추출 구조(140)는 무극성 질화물 반도체층을 염기성 용액으로 습식 에칭하여 다각 기둥을 포함하는 요철구조를 형성한 후, 다시 산성 용액으로 습식 에칭하여 상기 다각 기둥의 꼭지점 부근을 식각함으로써 형성할 수 있다.
제 2 실시예의 광추출 구조(140)는 무극성 질화물 반도체층을 포함하는 발광구조물에서, 원하는 영역에 염기성 습식 및 산성 습식 에칭하여, 정밀한 요철 구조를 손쉽게 형성함으로써, 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
도 6은 제 3 실시예에 따른 광추출 구조를 이루는 일 돌출부의 사시도이고, 도 7은 제 3 실시예에 다른 광추출 구조 일부의 SEM 사진이다.
도 6 내지 7을 참조하면, 제 3 실시예에 따른 광추출 구조(140)를 이루는 돌출부(143)는 다각 뿔 형상일 수 있다.
제 3 실시예의 광추출 구조(140)의 형상 및 크기는 반극성 질화물 반도체층을 염기성 용액을 이용하여 습식 에칭할 때, pH 농도, 염기성 용액 종류, 에칭 시간 등을 조절하여, 제어할 수 있다. 즉, 제 3 실시예의 광추출 구조(140)는 발광구조물이 반극성 질화물 반도체를 포함할 때, 반극성 질화물 반도체 표면 중 광이 방출될 영역만을 염기성 습식 식각함으로써, 원하는 영역에 원하는 형상으로 요철 구조를 형성할 수 있다.
따라서, 제 3 실시예의 광추출 구조(140)는 반극성 질화물 반도체층을 포함하는 발광구조물에서, 원하는 영역을 염기성 습식 에칭하여, 정밀한 요철 구조를 손쉽게 형성함으로써, 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
도 8는 제 4 실시예에 따른 광추출 구조를 이루는 일 돌출부의 사시도이고, 도 9는 제 4 실시예에 따른 광추출 구조 일부의 SEM 사진이다.
도 8 내지 도 9를 참조하면, 제 4 실시예에 따른 광추출 구조(140)를 이루는 돌출부(141)는 다각뿔(예컨대, 삼각뿔) 형상으로, 다각뿔의 상부 꼭지점(apex) 주위가 잘려진 형상일 수 있다. 구체적으로, 상기 광추출 구조(140)는 꼭지점 부근이 원만하게 식각된 복수의 삼각뿔이 나열된 구조일 수 있다.
제 4 실시예의 광추출 구조(140)는 제 3 실시예의 광추출 구조(140)의 요철 형상에서 꼭지점 부분을 식각하여 경사면을 증가시킨 구조일 수 있다. 이를 통해, 제 3 실시예의 광추출 구조(140)는 러프니스가 더욱 증가하여, 광추출 효율이 더 향상될 수 있다.
이러한 제 4 실시예의 광추출 구조(140)는 반극성 질화물 반도체층을 염기성 용액으로 습식 에칭하여 다각뿔을 포함하는 요철구조를 형성한 후, 다시 산성 용액으로 습식 에칭하여 상기 다각뿔의 꼭지점 부근을 식각함으로써 형성할 수 있다.
제 4 실시예의 광추출 구조(140)는 무극성 질화물 반도체층을 포함하는 발광구조물에서, 원하는 영역에 염기성 습식 및 산성 습식 에칭하여, 높은 러프니스를 갖는 요철 구조를 손쉽게 형성함으로써, 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
도 10 내지 도 13은 실시예에 따른 광추출 구조를 갖는 발광소자를 제조하는 과정을 나타낸다. 이하에서는 도 10 내지 도 13을 참조하여, 실시예에 따른 발광소자를 제조하는 방법을 설명한다.
먼저, 도 10과 같이 기판(10)을 준비한다.
실시예에 따른 광추출 구조(140)를 형성하기 위해서는 발광구조물이 반극성 또는 무극성 질화물 반도체층으로 형성되어야 한다. 따라서, 상기 기판(10)은 상기 발광구조물을 반극성 또는 무극성 질화물 반도체층을 성장시키기 위한 재료가 선택될 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(10)은 사파이어(Al2O3), SiC, Si, GaAs, GaN, ZnO, GaP, InP, Ge, and Ga203 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 상기 기판(10) 위에는 PSS(Patterned Sapphire Substrate)(미도시)가 형성될 수 있으나, 이에 대해 한정하지는 않는다. 상기 기판(10)에 대해 습식세척을 하여 표면의 불순물을 제거할 수 있다.
다음으로, 상기 기판(10) 위에는 버퍼층(20)이 형성될 수 있다. 상기 버퍼층(20)은 상기 발광구조물의 재료와 기판(10)의 격자 부정합을 완화시켜 줄 수 있으며, 버퍼층(20)의 재료는 3족-5족 화합물 반도체 예컨대, GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 중 적어도 하나로 형성될 수 있다.
이후, 도 11과 같이, 상기 버퍼층(20) 상에는 발광구조물이 형성될 수 있다.
제 1 실시예와 제 2 실시예의 광추출 구조(140)를 형성하기 위해서, 발광구조물은 a-축 방향으로 질화물 반도체층을 성장시킴으로써 무극성으로 형성할 수 있다.
또는 제 3 실시예와 제 4 실시예의 광추출 구조(140)를 형성하기 위해서, 상기 발광구조물은 (11-22) 축 방향으로 질화물 반도체층을 성장시킴으로써 반극성으로 형성할 수 있다.
좀더 구체적으로, 상기 발광구조물은 화학증착방법(CVD) 혹은 분자선 에피택시 (MBE) 혹은 스퍼터링 혹은 수산화물 증기상 에피택시(HVPE) 등의 방법을 사용하여 GaN층으로 형성될 수 있다. 이때, 상기 공정이 이루어지는 상기 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2), 및 실리콘(Si)와 같은 n 형 또는 p형 불순물을 포함하는 실란 가스(SiH4)가 주입되어 형성될 수 있다.
이후, 도 12와 같이, 상기 발광구조물에서 광을 추출할 영역을 습식 에칭하여 광추출 구조(140)를 형성할 수 있다.
실시예에서 사용하는 에칭 용액은 수산화칼륨 (KOH, Potassium hydroxide), 인산 (H3PO4, Phosphoric acid) 일 수 있다.
이하에서는 제 1 내지 제 2 실시예에 따른 광추출 구조(140)를 형성하는 방법을 설명한다. 먼저, 무극성 질화물 반도체인 발광구조물을 아세톤과 IPA 용액을 이용하여 세척한 뒤, 질소가스를 이용하여 건조할 수 있다. 다음으로, 상기 발광구조물에서 광추출 구조(140)를 형성할 영역에 100도 부근으로 가열된 2M 수산화칼륨 용액을 가하여 습식 에칭을 수행할 수 있다. 이때, 용액의 온도 및 농도는 앞서 표시된 조건 이외에도 다양하게 사용될 수 있으며, 원하는 구조를 얻기 위해서 조절 할 수 있다. 수산화칼륨으로 에칭 수행한 후 발광구조물을 초순수(DI water)를 이용하여 세척한 뒤, 질소 가스를 이용하여 건조함으로써 제 1 실시예의 복수의 다각 기둥을 포함하는 요철구조를 갖는 광추출 구조(140)를 형성할 수 있다.
그리고, 도 13과 같이 제 3 실시예에 따른 광추출 구조(140)는 수산화 칼륨으로 습식 에칭을 수행한 이후에, 다시 100oC 부근에서 인산 용액에서 습식 에칭을 수행하여, 삼각 기둥의 꼭지점 부근을 식각함으로써 형성할 수 있다. 이때, 인산 용액의 농도는 80~90wt% 를 사용할 수 있다. 인산 에칭 이후에도 초순수와 질소가스를 이용한 세척 공정을 수행할 수 있다. 인산 용액의 농도가 80wt 미만이면 에칭이 미약하게 되어, 요철구조의 러프니스가 충분히 확보되지 않는 문제점이 있다. 반면, 인산용액의 농도가 90wt를 초과하면, 발광구조물에 손상이 있을 수 있다.
이하에서는 제 3 내지 제 4 실시예에 따른 광추출 구조(140)를 형성하는 방법을 설명한다. 먼저, 반극성 질화물 반도체인 발광구조물을 아세톤과 IPA 용액을 이용하여 세척한 뒤, 질소가스를 이용하여 건조할 수 있다. 다음으로, 상기 발광구조물에서 광추출 구조(140)를 형성할 영역에 100도 부근으로 가열된 1~3M 수산화칼륨 용액을 가하여 습식 에칭을 수행할 수 있다. 이때, 용액의 온도 및 농도는 앞서 표시된 조건 이외에도 다양하게 사용될 수 있으며, 원하는 구조를 얻기 위해서 조절 할 수 있다. 수산화칼륨으로 에칭 수행한 후 발광구조물을 초순수(DI water)를 이용하여 세척한 뒤, 질소 가스를 이용하여 건조함으로써, 도 12와 같이 제 2 실시예의 복수의 삼각뿔을 포함하는 요철구조를 갖는 광추출 구조(140)를 형성할 수 있다.
도 13과 같이, 제 3 실시예에 따른 광추출 구조(140)는 수산화 칼륨으로 습식 에칭을 수행한 이후, 다시 100oC 부근에서 인산 용액에서 습식 에칭을 수행하여 삼각뿔의 꼭지점 부근을 식각함으로써 형성할 수 있다. 이때, 인산 용액의 농도는 890~90wt% 를 사용할 수 있다. 인산 에칭 이후에도 초순수와 질소가스를 이용한 세척 공정을 수행할 수 있다.
실시예에 따른 광추출 구조(140)는 특별한 고가의 장비 없이 간단한 공정을 통해 효과적으로 무극성 또는 반극성 질화물 반도체층의 표면을 변화 시킬 수 있다. 그리고, 염기성 식각 용액과 산성 식각 용액을 선택적으로 이용하여 다양한 형상의 요철구조를 높은 재현성으로 구현할 수 있다. 기존에 발광구조물의 표면을 변화 시키는 건식 에칭은 소자에 많은 데미지를 주지만 습식 에칭은 이러한 부분에서 상대적으로 자유로울 수 있다.
도 14는 실시예에 따른 발광소자가 적용된 발광소자 패키지를 나타낸 도면이다.
도 14를 참조하면, 실시 예에 따른 발광소자 패키지는 몸체(205)와, 상기 몸체(205)에 배치된 제1 리드전극(213) 및 제2 리드전극(214)과, 상기 몸체(205)에 제공되어 상기 제1 리드전극(213) 및 제2 리드전극(214)과 전기적으로 연결되는 발광소자와, 상기 발광소자를 포위하는 몰딩부재(240)를 포함할 수 있다.
상기 몸체(205)는 실리콘 재질, 합성수지 재질, 또는 금속 재질을 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 발광소자의 주위에 경사면이 형성될 수 있다.
상기 제1 리드전극(213) 및 제2 리드전극(214)은 서로 전기적으로 분리되며, 상기 발광소자에 전원을 제공한다. 또한, 상기 제1 리드전극(213) 및 제2 리드전극(214)은 상기 발광소자에서 발생된 빛을 반사시켜 광 효율을 증가시킬 수 있으며, 상기 발광소자에서 발생된 열을 외부로 배출시키는 역할을 할 수도 있다.
상기 발광소자는 상기 몸체(205) 위에 배치되거나 상기 제1 리드전극(213) 또는 제2 리드전극(214) 위에 배치될 수 있다.
상기 발광소자는 상기 제1 리드전극(213) 및 제2 리드전극(214)과 와이어 방식, 플립칩 방식 또는 다이 본딩 방식 중 어느 하나에 의해 전기적으로 연결될 수도 있다.
실시예에서 발광소자는 제2 리드전극(214)에 실장되고, 제1 리드전극(213)과 와이어(250)에 의해 연결될 수 있으나, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 몰딩부재(240)는 상기 발광소자를 포위하여 상기 발광소자를 보호할 수 있다. 또한, 상기 몰딩부재(240)에는 형광체(232)가 포함되어 상기 발광소자에서 방출된 광의 파장을 변화시킬 수 있다.
실시 예에 따른 발광소자 또는 발광소자 패키지는 복수 개가 기판(10) 위에 어레이될 수 있으며, 상기 발광소자 패키지의 광 경로 상에 광학 부재인 렌즈, 도광판, 프리즘 시트, 확산 시트 등이 배치될 수 있다. 이러한 발광소자 패키지, 기판(10), 광학 부재는 라이트 유닛으로 기능할 수 있다. 상기 라이트 유닛은 탑뷰 또는 사이드 뷰 타입으로 구현되어, 휴대 단말기 및 노트북 컴퓨터 등의 표시 장치에 제공되거나, 조명장치 및 지시 장치 등에 다양하게 적용될 수 있다. 또 다른 실시 예는 상술한 실시 예들에 기재된 발광소자 또는 발광소자 패키지를 포함하는 조명 장치로 구현될 수 있다. 예를 들어, 조명 장치는 램프, 가로등, 전광판, 전조등을 포함할 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 설정하는 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
Claims (7)
- 제 1 도전형 반도체층과, 상기 제 1 도전형 반도체층 상에 배치된 활성층과, 상기 활성층 상에 배치된 제 2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물; 및
상기 발광구조물의 광추출 영역 상에 배치된 광추출 구조;를 포함하고,
상기 발광구조물은 무극성 질화물 반도체를 포함하며,
상기 광추출 구조는 복수의 돌출부를 포함하는 요철 구조를 가지며, 상기 복수의 돌출부는 삼각기둥, 사각기둥 또는 다각기둥 중 적어도 어느 하나의 형상을 갖는 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 광추출 구조의 복수의 돌출부는 꼭지점 주위가 잘려진 삼각기둥, 사각기둥 또는 다각기둥 중 적어도 어느 하나의 형상을 갖는 발광소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 광추출 구조는 상기 발광구조물의 상면 또는 상면과 측면 상에 배치된 발광소자. - 제 1 도전형 반도체층과, 상기 제 1 도전형 반도체층 상에 배치된 활성층과, 상기 활성층 상에 배치된 제 2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물; 및
상기 발광구조물의 광추출 영역 상에 배치된 광추출 구조;를 포함하고,
상기 발광구조물은 반극성 질화물 반도체를 포함하며,
상기 광추출 구조는 복수의 돌출부를 포함하는 요철 구조를 가지며, 상기 복수의 돌출부는 삼각뿔, 사각뿔, 다각뿔 또는 원뿔 중 적어도 어느 하나의 형상을 갖는 발광소자. - 제 4 항에 있어서,
상기 광추출 구조의 복수의 돌출부는 꼭지점 주위가 잘려진 삼각뿔, 사각뿔, 다각뿔 또는 원뿔 중 적어도 어느 하나의 형상을 갖는 발광소자. - 제 4 항에 있어서,
상기 광추출 구조는 상기 발광구조물의 상면 또는 상면과 측면 상에 배치된 발광소자. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 하나의 발광소자를 구비하는 발광모듈을 포함하는 조명시스템.
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| CN108732652A (zh) * | 2018-05-25 | 2018-11-02 | 厦门大学 | 一种氮化物光子晶体及其制备方法 |
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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 |