KR20170039491A - 요철 구조를 갖는 도전성 산화물층을 포함하는 발광 소자 - Google Patents
요철 구조를 갖는 도전성 산화물층을 포함하는 발광 소자 Download PDFInfo
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Abstract
발광 소자가 개시된다. 발광 소자는, 발광 구조체; 발광 구조체 상에 위치하며, 제1 도전형 반도체층에 전기적으로 연결된 제1 컨택 전극; 발광 구조체 상에 위치하며, 제2 도전형 반도체층에 전기적으로 연결된 제2 컨택 전극; 및 제2 컨택 전극을 덮으며, 제1 컨택 전극 및 제2 컨택 전극을 각각 부분적으로 노출시키는 제1 개구부 및 제2 개구부를 포함하는 절연층을 포함하고, 제2 컨택 전극은, 제2 도전형 반도체층에 오믹 컨택하며, 상면에 형성된 요철 구조를 포함하는 도전성 산화물층; 및 도전성 산화물층 상에 위치하여 요철 구조와 접하는 반사 전극층을 포함한다.
Description
본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 특히, 반도체층에 전기적으로 접촉되며 요철 구조를 갖는 도전성 산화물층을 포함하는 발광 소자에 관한 것이다.
최근 소형 고출력 발광 장치에 대한 요구가 증가하면서, 고출력 발광 장치에 적용 가능한 고방열 효율의 대면적 플립칩형 발광 다이오드의 수요가 증가하고 있다. 플립칩형 발광 소자의 전극은 직접 2차 기판에 접합되며, 또한 플립칩형 발광 소자에 외부 전원을 공급하기 위한 와이어를 이용하지 않으므로, 수평형 발광 소자에 비해 열 방출 효율이 매우 높다. 따라서 고밀도 전류를 인가하더라도 효과적으로 열을 2차 기판 측으로 전도시킬 수 있어서, 플립칩형 발광 소자는 고출력 발광 장치의 발광원으로 적합하다.
플립칩형 발광 소자의 광 방출 경로는 활성층으로부터 성장 기판 또는 N형 반도체층 측으로 향하는 방향에 있으므로, 일반적인 플립칩형 발광 소자의 P형 반도체층 컨택 전극으로 Ag 등을 포함하는 금속 반사성 전극이 이용된다. 그러나, P형 반도체층은 P형 반도체층에 비해 금속 전극과의 오믹 컨택이 잘 형성되지 않거나, 금속성 전극과의 접촉 저항이 높다. 또한 P형 반도체층과 금속 전극 간의 접합성(adhesion)이 좋지 않아, 금속 전극의 박리 현상이 발생할 수 있다. 금속 전극이 P형 반도체층으로부터 박리되는 경우 발광 소자의 신뢰성이 떨어지고, 순방향 전압의 상승이 유발된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 제2 도전형 반도체층과 제2 컨택 전극의 전기적 컨택 특성이 우수하고, 전류 분산 효율이 우수한 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 제2 컨택 전극을 통해 발광 효율을 향상시킬 수 있고, 신뢰성을 향상시킬 수 있는 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 발광 소자는, 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층 상에 위치하는 제2 도전형 반도체층, 및 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층의 사이에 위치하는 활성층을 포함하는 발광 구조체; 상기 발광 구조체 상에 위치하며, 상기 제1 도전형 반도체층에 전기적으로 연결된 제1 컨택 전극; 상기 발광 구조체 상에 위치하며, 상기 제2 도전형 반도체층에 전기적으로 연결된 제2 컨택 전극; 및 상기 제2 컨택 전극을 덮으며, 상기 제1 컨택 전극 및 제2 컨택 전극을 각각 부분적으로 노출시키는 제1 개구부 및 제2 개구부를 포함하는 절연층을 포함하고, 상기 제2 컨택 전극은, 상기 제2 도전형 반도체층에 오믹 컨택하며, 상면에 형성된 요철 구조를 포함하는 도전성 산화물층; 및 상기 도전성 산화물층 상에 위치하여 상기 요철 구조와 접하는 반사 전극층을 포함한다.
실시예들에 따르면, 제2 도전형 반도체층과 오믹 컨택하며, 낮은 접촉 저항을 가지며, 접합성이 우수한 도전성 산화물층을 통해 전기적 특성이 우수한 제2 컨택 전극이 제공될 수 있으며, 제2 컨택 전극의 박리로 인한 발광 소자의 전기적 특성 저하를 방지할 수 있고, 발광 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 표면에 요철 구조를 갖는 도전성 산화물층을 통해 발광 소자의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있으며, 도전성 산화물층과 반사 전극층의 접합성을 향상시켜 발광 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 도전성 산화물층이 반사 전극층과 제2 도전형 반도체층의 사이에 개재됨으로써, 발광 소자의 제조 수율이 향상될 수 있다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 평면도들, 단면도 및 확대 단면도이다.
도 5a 내지 도 9b는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 발광 소자 제조 방법을 설명하기 위한 평면도들 및 단면도들이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 조명 장치에 적용한 예를 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 디스플레이 장치에 적용한 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 디스플레이 장치에 적용한 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 헤드 램프에 적용한 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5a 내지 도 9b는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 발광 소자 제조 방법을 설명하기 위한 평면도들 및 단면도들이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 조명 장치에 적용한 예를 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 디스플레이 장치에 적용한 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 디스플레이 장치에 적용한 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 헤드 램프에 적용한 예를 설명하기 위한 단면도이다.
본 발명의 실시예들에 따른 발광 소자는 다양한 양태로 구현될 수 있다.
본 발명의 다양한 측면들에 따른 발광 소자는, 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층 상에 위치하는 제2 도전형 반도체층, 및 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층의 사이에 위치하는 활성층을 포함하는 발광 구조체; 상기 발광 구조체 상에 위치하며, 상기 제1 도전형 반도체층에 전기적으로 연결된 제1 컨택 전극; 상기 발광 구조체 상에 위치하며, 상기 제2 도전형 반도체층에 전기적으로 연결된 제2 컨택 전극; 및 상기 제2 컨택 전극을 덮으며, 상기 제1 컨택 전극 및 제2 컨택 전극을 각각 부분적으로 노출시키는 제1 개구부 및 제2 개구부를 포함하는 절연층을 포함하고, 상기 제2 컨택 전극은, 상기 제2 도전형 반도체층에 오믹 컨택하며, 상면에 형성된 요철 구조를 포함하는 도전성 산화물층; 및 상기 도전성 산화물층 상에 위치하여 상기 요철 구조와 접하는 반사 전극층을 포함한다.
상기 도전성 산화물층은 ZnO를 포함할 수 있다.
도전성 산화물층은, ZnO 시드층, 및 상기 ZnO 시드층의 아래에 위치하는 ZnO 벌크층을 포함할 수 있다.
상기 도전성 산화물층은 나노스케일의 보이드(void)를 포함할 수 있다.
상기 보이드는 상기 ZnO 벌크층 내에 위치할 수 있다.
상기 ZnO 벌크층은 단결정 ZnO로 형성되거나 단결정 ZnO를 포함할 수 있다.
상기 요철 구조는 요부 및 철부를 포함하고, 상기 철부의 고점과 상기 요부의 저점의 높이차(peak to valley)는 10nm 내지 1000nm일 수 있다.
상기 도전성 산화물층의 면적은 상기 반사 전극층의 면적보다 클 수 있으며, 상기 반사 전극층은 상기 제2 도전성 산화물층의 테두리 영역 내에 위치할 수 있다.
상기 반사 전극층은 반사층 및 반사층을 덮는 커버층을 포함할 수 있고, 상기 반사층은 Ag를 포함할 수 있으며, 상기 반사층의 Ag의 적어도 일부는 상기 도전성 산화물층에 접할 수 있다.
상기 발광 구조체는, 상기 제2 도전형 반도체층 및 활성층을 포함하는 적어도 하나의 메사; 및 상기 메사를 관통하여 상기 제1 도전형 반도체층이 부분적으로 노출되는 노출 영역을 포함할 수 있고, 상기 제1 컨택 전극은 상기 노출 영역 상에 위치할 수 있다.
상기 발광 소자는, 상기 절연층 상에 위치하며, 상기 제1 개구부를 통해 상기 제1 컨택 전극과 접촉하는 제1 패드 전극; 및 상기 절연층 상에 위치하며, 상기 제2 개구부를 통해 상기 제2 컨택 전극과 접촉하는 제2 패드 전극을 더 포함할 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 또한, 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 "상부에" 또는 "상에" 있다고 기재된 경우 각 부분이 다른 부분의 "바로 상부" 또는 "바로 상에" 있는 경우뿐만 아니라 각 구성요소와 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 개재된 경우도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이하 설명되는 반도체층들에 대한 각 조성비, 성장 방법, 성장 조건, 두께 등은 예시에 해당하며, 하기 기재된 바에 따라 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, AlGaN로 표기되는 경우, Al과 Ga의 조성비는 통상의 기술자의 필요에 따라 다양하게 적용될 수 있다. 또한, 후술하는 실시예들에서, ZnO로 지칭되는 물질은 소정의 결정 구조를 갖는 단결정 ZnO를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 우르짜이트(wurtzite) 결정 구조를 갖는 ZnO를 포함할 수 있다. 또한, 단결정 ZnO는 열역학적 진성 결함(intrinsic defect)을 포함하는 단결정일 수 있고, 또한, 제조 공정 등에서 발생할 수 있는 미소량의 결함, 예를 들어, 공공 결함, 전위(dislocation), 그레인 바운더리(grain boundary) 등을 포함하는 단결정일 수 있다. 또한, 단결정 ZnO는 미소량의 불순물을 포함하는 단결정일 수 있다. 즉, 의도하지 않거나 피할 수 없는 결함 또는 불순물을 포함하는 단결정 ZnO 역시 본 명세서에서 지칭하는 단결정 ZnO에 모두 포함될 수 있다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 발광 소자를 설명하기 위한 평면도들, 단면도 및 확대 단면도이다. 도 1은 실시예들에 따른 발광 소자의 평면을 도시하는 평면도이고, 도 2는 실시예들에 따른 발광 소자의 메사(120m), 제1 개구부(170a), 및 제2 개구부(170b)의 배치 등을 설명하기 위한 평면도이다. 도 3은 도 1 및 도 2의 A-A'선에 대응하는 부분의 단면을 도시하는 단면도이고, 도 4는 도전성 산화물층(140)을 확대하여 도시한 확대 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 상기 발광 소자는 발광 구조체(120), 제1 컨택 전극(130), 제2 컨택 전극(160) 및 절연층(170)을 포함한다. 또한, 상기 발광 소자는 성장 기판(110), 제1 패드 전극(181) 및 제2 패드 전극(183)을 더 포함할 수 있다.
발광 구조체(120)는 제1 도전형 반도체층(121), 제1 도전형 반도체층(121) 상에 위치하는 활성층(123), 및 활성층(123) 상에 위치하는 제2 도전형 반도체층(125)을 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(121), 활성층(123) 및 제2 도전형 반도체층(125)은 각각 Ⅲ-Ⅴ 계열 화합물 반도체를 포함할 수 있고, 예를 들어, (Al, Ga, In)N과 같은 질화물계 반도체를 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(121)은 n형 불순물 (예를 들어, Si)을 포함할 수 있고, 제2 도전형 반도체층(125)은 p형 불순물 (예를 들어, Mg)을 포함할 수 있다. 특히, 제1 도전형 반도체층(121)의 상부 제1 도전형 반도체층(121b)은 인위적으로 도핑된 n형 불순물을 포함함으로써, n형의 도전형을 가질 수 있다. 또한 이와 달리, 제1 및 제2 도전형 반도체층(121, 125)의 도전형은 상술한 바와 반대일 수도 있다. 활성층(123)은 다중양자우물 구조(MQW)를 포함할 수 있다.
성장 기판(110)은 질화물계 반도체를 성장시킬 수 있는 기판이면 한정되지 않는다. 성장 기판(110)은 사파이어 기판, 실리콘 카바이드 기판, 실리콘 기판 등과 같은 이종(heterogeneous) 기판을 포함할 수 있고, 또는, 질화갈륨 기판 또는 질화알루미늄 기판과 같은 동종(homogeneous) 기판을 포함할 수 있다. 성장 기판(110)은 비극성, 반극성 또는 극성의 성장면을 가질 수 있다. 발광 구조체(120)의 반도체층들은 성장 기판(110)으로부터 성장된 것일 수 있으며, 따라서, 발광 구조체(120)의 반도체층들은 비극성, 반극성 또는 극성을 가질 수 있다.
또한, 몇몇 실시예들에서, 성장 기판(110)은 적어도 부분적으로 제거될 수 있다. 예를 들어, 성장 기판(110)은 물리적 및/또는 화학적 방법을 통해 적어도 부분적으로 제거될 수 있으며, 이에 따라, 성장 기판(110)의 두께가 제어될 수 있다. 나아가, 성장 기판(110)은 레이저 리프트 오프, 화학적 리프트 오프, 스트레스 리프트 오프, 열적 리프트 오프 등 다양한 방법을 통해 발광 구조체(120)로부터 분리 및/또는 제거될 수 있다.
발광 구조체(120)는 제2 도전형 반도체층(125) 및 활성층(123)을 포함하는 적어도 하나의 메사(120m)를 포함할 수 있다. 나아가, 발광 구조체(120)는 메사(120m)의 주변에 형성되며, 제1 도전형 반도체층(121)이 부분적으로 노출되는 노출 영역(120a)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 메사(120m)는 일체로 형성되되, 메사(120m)의 일 측면으로부터 메사(120m)의 안쪽으로 함입되는 부분을 갖는 형태를 가질 수도 있다. 상기 함입되는 부분은 제2 도전형 반도체층(125) 및 활성층(123)을 관통하여 제1 도전형 반도체층(121)을 노출시킬 수 있으며, 이에 따라, 상기 함입되는 부분은 노출 영역(120a)에 대응할 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 메사(120m)는 발광 소자의 일 측면에 인접하는 부분에서 서로 연결되고, 상기 일 측면에 반대하여 위치하는 타 측면을 향하여 연장되는 부분들을 포함하는 형태를 가질 수 있다. 이때, 상기 연장되는 부분들의 이격 영역들은 상기 함입되는 부분에 대응하며, 이 부분을 통해 제1 도전형 반도체층(121)이 부분적으로 노출되는 노출 영역(120a)이 형성될 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 다른 실시예에서, 발광 구조체(120)는 복수의 메사(120m)들을 포함할 수 있고, 상기 복수의 메사(120m)들은 서로 이격되어 배치될 수도 있다.
제2 컨택 전극(160)은 메사(120m) 상면의 적어도 일부 상에 위치하며, 제2 컨택 전극(160)의 적어도 일부는 제2 도전형 반도체층(125)과 오믹 컨택할 수 있다. 제2 컨택 전극(160)은 도전성 산화물층(140) 및 도전성 산화물층(140) 상에 위치하는 반사 전극층(150)을 포함한다. 도전성 산화물층(140)은 제2 도전형 반도체층(125)과 접촉하여 오믹 컨택할 수 있다. 반사 전극층(150)은 도전성 산화물층(140) 상에 위치하며, 반사 전극층(150)의 면적은 도전성 산화물층(140)의 면적보다 작을 수 있다. 따라서, 반사 전극층(150)은 도전성 산화물층(140)의 외곽 테두리 영역 내에 위치할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 도전성 산화물층(140)의 측면까지 반사 전극층(150)에 덮일 수도 있다.
도전성 산화물층(140)은 ITO, RuOx, RuOx/ITO, MgO, ZnO 등을 포함할 수 있고, 특히, ZnO를 포함할 수 있다. 또한, 도전성 산화물층(140)은 ZnO 시드층(141) 및 ZnO 시드층(141) 상에 위치하는 ZnO 벌크층(143)을 포함할 수 있다. 또한, ZnO 벌크층(143)은 단결정 ZnO를 포함할 수 있다.
ZnO 시드층(141)은 다양한 방법을 통해 제2 도전형 반도체층(125) 상에 형성될 수 있고, 예컨대, 스핀 코팅법을 통해 제2 도전형 반도체층(125) 상에 형성될 수 있다. ZnO 시드층(141)은 스핀 코팅으로 형성된 ZnO층을 열처리함으로써 제공될 수 있다. 상기 열처리를 통해 ZnO 시드층(141)은 제2 도전형 반도체층(125)에 오믹 컨택될 수 있다.
또한, ZnO 시드층(141)은 발광 구조체(120)의 결정 구조와 유사한 구조의 결정 구조를 갖는 단결정 구조를 포함할 수 있다. ZnO 단결정의 경우, 질화물계 반도체, 예를 들어, GaN과 대체로 유사한 격자 상수를 갖는 우르짜이트 구조를 가질 수 있다. 이에 따라, ZnO 단결정은 질화물계 반도체와 동일한 배향성을 갖는 단결정 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 제2 도전형 반도체층(125)이 c면의 성장면((0001))을 갖는 경우, ZnO 시드층(141) 역시 (0001)면을 따르는 배향성을 갖는 결정 구조를 가질 수 있다. 따라서, ZnO 시드층(141)을 포함하는 도전성 산화물층(140)은 제2 도전형 반도체층(125)과의 접합성이 우수하여, 투명 전극의 박리로 인한 발광 소자의 전기적 특성 저하 및 발광 강도 저하를 방지할 수 있으며, 발광 소자의 신뢰성이 향상될 수 있다. 나아가, ZnO 시드층(141)은 언도핑된 ZnO 단결정으로 형성될 수 있다. ZnO 시드층(141)이 언도핑된 ZnO로 형성되어, ZnO 시드층(141)의 결정성이 향상될 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, ZnO 시드층(141)은 다결정 ZnO를 포함할 수도 있다.
ZnO 시드층(141)은 후술하는 ZnO 벌크층(143)을 성장시킬 수 있는 시드(seed) 역할을 할 수 있으며, 또한, 상술한 바와 같이 제2 도전형 반도체층(125)과의 오믹 컨택을 형성하는 역할을 할 수 있다. 특히, ZnO 시드층(141)은 언도핑된 ZnO로 형성되어, 후속 공정에서 형성되는 ZnO 벌크층(143)의 결정성을 향상시킬 수 있다. ZnO 시드층(141)은 후술하는 ZnO 벌크층(143)보다 얇은 두께를 가질 수 있고, 예를 들어, 수 내지 수십 nm의 두께를 가질 수 있다.
ZnO 벌크층(143)은 ZnO 시드층(141) 상에 위치한다. 또한, ZnO 벌크층(143)은 ZnO 시드층(141)을 시드로 성장되어 형성된 것일 수 있다. ZnO 벌크층(143)은 다양한 방법을 통해 제2 도전형 반도체층(125) 상에 형성될 수 있고, 예컨대, 수열합성법을 통해 제2 도전형 반도체층(125) 상에 형성될 수 있다. 이에 따라, ZnO 벌크층(143)은 ZnO 단결정을 포함하거나, ZnO 단결정으로 형성될 수 있다. 또한, ZnO 벌크층(143)은 수열합성법으로 형성된 ZnO 단결정을 열처리함으로써 제공될 수 있다. 상기 열처리를 통해 ZnO 벌크층(143)의 시트 저항이 감소될 수 있고, 광 투과성이 향상(흡광성 저하)될 수 있다.
이러한 단결정 ZnO를 포함하거나 단결정 ZnO로 형성된 ZnO 벌크층(143)을 포함하는 도전성 산화물층(140)은 비교적으로 우수한 결정성을 가질 수 있다. 또한, ZnO 벌크층(143)은 ZnO 시드층(141)으로부터 성장됨으로써, ZnO 시드층(141)의 결정 구조와 실질적으로 동일한 결정 구조를 갖는 단결정 구조를 포함할 수 있다. 이에 따라, ZnO 벌크층(143)은 발광 구조체(120)의 결정 구조와 유사한 구조의 결정 구조를 갖는 단결정 구조를 포함할 수 있으며, 나아가, 도전성 산화물층(140)은 발광 구조체(120) 결정의 배향성과 실질적으로 동일한 결정 배향성을 가질 수 있다.
도전성 산화물층(140)이 제2 도전형 반도체층(125) (예를 들어, m면, a면, 또는 c면 GaN)과 동일한 배향성 및 결정 구조를 가짐에 따라, 도전성 산화물층(140)이 복수의 발광 소자에 적용되더라도 서로 다른 발광 소자에 적용된 도전성 산화물층(140)들이 대체로 동일한 배향성 및 결정 구조를 가질 수 있다. 따라서, 복수의 발광 소자에 적용된 도전성 산화물층(140)들 간의 특성 편차가 작아질 수 있어, 제조 수율이 향상될 수 있다.
나아가, ZnO 벌크층(143)은 도펀트를 더 포함할 수 있다. 이에 따라, ZnO 벌크층(143)은 도핑된 단결정 ZnO를 포함할 수 있다. ZnO 벌크층(143)은 금속성 도펀트를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 은(Ag), 인듐(In), 주석(Sn), 아연(Zn), 카드뮴(Cd), 갈륨(Ga), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 동(Cu), 금(Au), 백금(Pt), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 및 팔라듐(Pd) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, ZnO 벌크층(143)은 Ga도핑된 ZnO(GZO)로 형성될 수 있다. ZnO 벌크층(143)이 금속성 도펀트를 포함함으로써, 시트 저항이 더욱 낮아질 수 있어, 수평 방향으로 전류가 더욱 고르게 분산될 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, ZnO 벌크층(143)은 언도핑된 ZnO로 형성될 수도 있다.
ZnO 벌크층(143)은 ZnO 시드층(141)에 비해 두꺼운 두께를 가질 수 있고, 예컨대, 수 백nm 내지 수㎛의 두께를 가질 수 있다. 또한, 도전성 산화물층(140)의 전체 두께를 기준으로, ZnO 벌크층(143)이 차지하는 두께는 약 90% 이상 및 100% 미만일 수 있다. 이와 같이, 일정 수준의 이상의 결정성을 갖는 ZnO 벌크층(143)이 도전성 산화물층(140) 전체 두께에 대해 약 90% 이상의 비율로 형성됨으로써, 복수의 발광 소자들에 대해 적용된 도전성 산화물층(140)들이 대체로 유사하거나 동일한 특성을 가질 수 있다. 따라서, 제조된 도전성 산화물층(140)들 간의 특성 편차가 작아질 수 있으며, 수율이 증가될 수 있다.
도전성 산화물층(140)의 전체 두께는 약 500nm 이상일 수 있으며, 예컨대, 약 500nm 내지 2㎛의 두께를 가질 수 있다. 도전성 산화물층(140)의 전체 두께가 약 800nm 이상으로 증가함에 따라, 도전성 산화물층(140)의 격자 부정합으로 인하여 발생하는 스트레스 및 스트레인이 급격하게 감소할 수 있다. 또한, 단결정 ZnO는 광 투과도가 우수하여, 단결정 ZnO는 비교적 두꺼운 두께로 형성될 수 있다. 단결정 ZnO는 수백 nm 이상의 두께로 형성될 수 있으며, 나아가, 수 ㎛의 두께로 형성되더라도 단결정 ZnO에서의 광 흡수율 증가가 크지 않아 발광 소자의 광 추출 효율이 향상될 수 있고, 두께가 상대적으로 두껍게 형성됨으로써 도전성 산화물층(140)에서의 전류 분산 효율이 향상될 수 있다. 이에 따라, 본 실시예의 발광 소자는 낮은 순방향 전압(Vf)을 갖고, 높은 발광 효율을 갖는다.
또한, 도전성 산화물층(140)은 거칠기가 증가된 상면을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도전성 산화물층(140)은 그 상면에 형성된 요철 구조(140R)를 포함할 수 있다. 특히, 도전성 산화물층(140)이 ZnO 벌크층(143)을 포함하는 경우, 상기 요철 구조(140R)는 ZnO 벌크층(143)의 상면에 형성될 수 있다. 도 4의 확대 단면도에 도시된 바와 같이, 도전성 산화물층(140)의 요철 구조(140R)는 복수의 요부 및 철부를 포함할 수 있다. 상기 철부의 고점과 상기 요부의 저점의 높이차(peak to valley)는 10nm 내지 1000nm일 수 있다.
도전성 산화물층(140)의 거칠기가 증가된 상면은, 예를 들어, 습식 식각 공정을 통해 형성될 수 있으며, 이에 따라 요철 구조(140R)가 형성될 수 있다. 요철 구조(140R)가 습식 식각 공정을 통해 형성되는 경우, 도전성 산화물층(140)은 이방성 식각될 수 있다. 따라서, 도전성 산화물층(140)이 단결정 ZnO를 포함하는 ZnO 벌크층(143)을 포함하는 경우, 상기 ZnO 벌크층(143)의 표면이 습식 식각되는 과정에서 단결정 ZnO의 결정면을 따라 이방성 식각될 수 있다. 이에 따라, 도전성 산화물층(140)의 요철 구조(140R)는 육각뿔 형상의 철부들을 포함할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 도전성 산화물층(140)의 요철 구조(140R)는 건식 식각, PEC 식각 등을 이용하여 형성할 수도 있다.
나아가, 도전성 산화물층(140)은 그 내부에 형성된 보이드(140V; void)를 포함할 수 있고, 특히, ZnO 벌크층(143)은 다수의 보이드(140V)를 포함할 수 있다. 보이드(140V)는 ZnO 벌크층(143) 내에 불규칙적으로 분산되어 배치될 수 있고, 수nm 내지 수십nm의 직경을 갖는 나노스케일로 형성될 수 있다. ZnO 벌크층(143)의 보이드(140V)는 ZnO 벌크층(143)의 형성 과정 중에 형성된 것일 수 있다. 예를 들어, 수열합성법으로 형성되는 ZnO 벌크층(143) 내에서 수열합성 과정 또는 열처리 과정에서 공급되는 열에 의하여 ZnO 벌크층(143) 내에 존재하는 H2O 또는 OH-의 증발로 인하여 ZnO 벌크층(143) 내에 다수의 보이드(140V)가 형성될 수 있다.
반사 전극층(150)은 광에 대한 반사도가 높은 금속 물질을 포함할 수 있고, 상기 금속 물질은 발광 소자의 발광 파장에 따라 다양하게 선택 및 적용될 수 있다. 반사 전극층(150)은 반사층(151) 및 반사층(151)을 덮는 커버층(153)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 반사층(151)은 Ni, Pt, Pd, Rh, W, Ti, Al, Mg, Ag 및 Au 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 일 실시예에서, 반사층(151)은 Ag를 포함할 수 있고, 반사층(151)의 Ag의 적어도 일부는 도전성 산화물층(140)에 접촉할 수 있다. 반사층(151)은 스퍼터링, 전자선 증착 등의 방법을 통해 형성될 수 있다. 반사층(151)이 스퍼터링을 통해 형성되는 경우, 상기 반사층(151)은 중심 부분에서 테두리 부분으로 갈수록 두께가 감소하는 형태로 형성될 수 있다. 또한, 반사층(151)은 단일층 또는 다중층을 포함할 수 있다. 커버층(153)은 반사층(151)과 다른 물질 간의 상호 확산을 방지할 수 있고, 외부의 다른 물질이 반사층(151)에 확산하여 반사층(151)이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 커버층(153)은, 예를 들어, Au, Ni, Ti, Cr 등을 포함할 수 있으며, 단일층 또는 다중층을 포함할 수도 있다.
본 실시예들에 따르면, 제2 도전형 반도체층(125)과 오믹 컨택하며, 낮은 접촉 저항을 갖는 도전성 산화물층(140)이 제공된다. 이때, 도전성 산화물층(140)과 제2 도전형 반도체층(125) 간의 접촉 저항은 금속(예를 들어, Ag)과 제2 도전형 반도체층(125) 간의 접촉 저항보다 낮을 수 있다. 또한, 발광 구조체(120)가 비극성 또는 반극성의 성장면을 갖는 경우, 금속은 제2 도전형 반도체층(125)에 오믹 컨택되지 않거나, 높은 접촉 저항을 갖는다. 반면, ZnO를 포함하는 도전성 산화물층(140)은 제2 도전형 반도체층(125)과 접촉 저항이 낮은 오믹 컨택을 형성함으로써, 발광 소자의 순방향 전압(Vf)을 감소시켜 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, ZnO를 포함하는 도전성 산화물층(140)과 제2 도전형 반도체층(125)과의 접합성은 금속성 물질과 제2 도전형 반도체층(125)과의 접합성에 비해 우수하다. 따라서, 제2 컨택 전극(160)이 제2 도전형 반도체층(125)에 안정적으로 접합되어, 제2 컨택 전극(160)의 박리로 인한 발광 소자의 전기적 특성 저하를 방지할 수 있고, 발광 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 도전성 산화물층(140)은 상면에 형성된 요철 구조(140R)를 포함하여, 발광 소자의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 활성층(123)으로부터 방출되어 도전성 산화물층(140)으로 입사된 후, 반사 전극층(150)에 반사되어 다시 도전성 산화물층(140)을 통해 발광 구조체(120)로 향하는 광은, 도전성 산화물층(140) 표면의 요철 구조(140R)에 의해 산란된다. 이에 따라, 광의 경로가 다양하게 변경되어 발광 소자의 내부에서 전반사되어 소멸되는 광의 비율을 감소시킬 수 있다. 특히, 도전성 산화물층(140)은 비교적 광 투과율이 우수한 ZnO를 포함할 수 있으므로, 발광 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 더욱이, 도전성 산화물층(140)은 내부에 형성된 다수의 보이드(140V)를 포함할 수 있으며, 상기 보이드(140V)에 의해 도전성 산화물층(140)의 내부에서 광이 산란되어 발광 소자의 광 추출 효율이 향상된다.
그뿐만 아니라, 반사 전극층(150)이 요철 구조(140R)가 형성된 도전성 산화물층(140)의 표면에 접촉되어 위치한다. 이러한 요철 구조(140R)에 의해 반사 전극층(150)과 도전성 산화물층(140)이 접합하는 부분의 표면적이 증가하여, 반사 전극층(150)과 도전성 산화물층(140) 간에 접합성이 향상된다. 이에 따라, 반사 전극층(150)의 박리로 인한 순방향 전압 상승 등과 같이 발광 소자의 전기적 특성이 악화되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 도전성 산화물층(140)을 생략하고 Ag로 형성된 반사층(151)을 제2 도전형 반도체층(125) 상에 직접적으로 형성하는 경우, Ag로 형성된 반사층(151)과 제2 도전형 반도체층(125) 간의 접합성이 좋지 않아서, 반사층(151)이 제2 도전형 반도체층(125)으로부터 박리될 확률이 높아진다. 이에 따라, 일반적으로 Ag 형성된 반사층(151)과 제2 도전형 반도체층(125)의 사이에는 추가적인 접합 물질(예를 들어, Ti, Ni 등)이 개재된다. 그러나, 이러한 접합 물질은 반사층(151) 하부의 광 반사도를 저하시켜, 발광 소자의 발광 효율을 저하시킨다. 반면, 본 발명의 실시예들에 따르면, 도전성 산화물층(140)이 반사 전극층(150)과 제2 도전형 반도체층(125)의 사이에 개재되므로, 상술한 추가적인 접합 물질이 요구되지 않는다. 따라서 상기 접합 물질에 의한 광 손실을 방지할 수 있어, 발광 효율이 우수한 발광 소자가 제공될 수 있다.
더욱이, 반사 전극층(150)이 원하는 위치에 형성되지 않거나 두께 등이 기대치와 다르게 형성되어, 이미 형성된 반사 전극층(150)을 제거하고 재공정을 통해 반사 전극층(150)을 다시 형성하는 경우가 발생할 수 있다. 그런데, 반사 전극층(150)이 제2 도전형 반도체층(125) 상에 직접적으로 형성되는 경우, 이미 형성된 반사 전극층(150)을 제거하더라도 제거된 반사 전극층(150) 아래의 제2 도전형 반도체층(125)의 표면이 특성 변형되어 발광 소자의 전기적 특성 등이 달라지게 된다. 반면, 본 발명의 실시예들에 따르면, 도전성 산화물층(140)이 반사 전극층(150)과 제2 도전형 반도체층(125)의 사이에 개재되므로, 반사 전극층(150)을 한번 제거하고 다시 형성하더라도, 제2 도전형 반도체층(125)의 표면 특성이 유지된다. 따라서, 반사 전극층(150) 형성 시 문제가 발생하더라도 재공정 수행이 가능하여, 발광 소자 제조 수율(yield)이 향상될 수 있다.
다시 도 1 내지 도 4를 참조하면, 제2 컨택 전극(160)은 제2 도전형 반도체층(125)의 상면을 적어도 부분적으로 덮을 수 있으며, 나아가, 제2 도전형 반도체층(125)의 상면을 전반적으로 덮도록 배치될 수 있다. 또한, 발광 구조체(120)의 제1 도전형 반도체층(121)이 노출된 노출 영역(120a)을 제외한 나머지 영역에서 단일체로 제2 도전형 반도체층(125)의 상면을 덮도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 발광 구조체(120)의 전체에 대해 전류를 균일하게 공급하여, 전류 분산 효율이 향상될 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 제2 컨택 전극(160)은 서로 이격된 복수의 단위 전극들을 포함할 수도 있다.
특히, 제2 컨택 전극(160)의 도전성 산화물층(140)은 제2 도전형 반도체층(125)의 상면을 거의 전부 커버할 수 있다. 예를 들어, 도전성 산화물층(140)은 제2 도전형 반도체층(125) 상면의 90% 이상을 덮을 수 있다. 도전성 산화물층(140)은, 발광 구조체(120) 형성 후에 발광 구조체(120)의 상면 상에 전체적으로 형성된 후, 제1 도전형 반도체층(121)을 노출시키는 식각 공정에서 제2 도전형 반도체층(125) 및 활성층(123)과 동시에 식각되어 형성될 수 있다. 반면, 제2 도전형 반도체층(125) 상에 증착 또는 도금 방식을 이용하여 금속 물질의 컨택 전극을 형성하는 경우, 마스크의 공정 마진 때문에 제2 도전형 반도체층(125)의 상면의 외곽 테두리로부터 소정 거리 이격된 영역 내에만 컨택 전극을 형성할 수 있다. 따라서, 제2 컨택 전극(160)의 오믹 컨택을 형성하는 부분으로서 도전성 산화물층(140)을 형성하면, 금속 물질로 컨택 전극을 형성하는 경우에 비해 컨택 전극과 제2 도전형 반도체층(125)의 상면의 외곽 테두리까지의 거리를 감소시킬 수 있다. 제2 도전형 반도체층(125)과 제2 컨택 전극(160)의 접촉 면적이 상대적으로 증가됨으로써, 발광 소자의 순방향 전압(Vf)이 감소될 수 있다. 또한, 도전성 산화물층(140)이 금속 물질에 비해 제2 도전형 반도체층(125)의 테두리에 더 가깝게 위치할 수 있으므로, 제2 컨택 전극(160)과 제2 도전형 반도체층(125)이 접촉하는 부분으로부터 제1 컨택 전극(130)과 제1 도전형 반도체층(121)이 접촉하는 부분까지의 최단 거리 역시 감소되어, 발광 소자의 순방향 전압(Vf)이 더욱 감소될 수 있다.
제1 컨택 전극(130)은 제1 도전형 반도체층(121)과 전기적으로 연결될 수 있고, 특히, 제1 도전형 반도체층(121)과 오믹 컨택할 수 있다. 제1 컨택 전극(130)은 메사(120m) 주변에 노출된 제1 도전형 반도체층(121)의 적어도 일부 상에 위치할 수 있다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 제1 도전형 반도체층(121)은 발광 구조체(120)의 노출 영역(120a) 상에 위치할 수 있다. 또한, 제1 컨택 전극(130)은 메사(120m)의 측면으로부터 이격된다. 제1 컨택 전극(130)은 Ni, Pt, Pd, Rh, W, Ti, Al, Mg, Ag 및 Au 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다.
절연층(170)은 발광 구조체(120) 상에 위치하며, 제2 컨택 전극(160)을 부분적으로 덮을 수 있다. 또한, 절연층(170)은 제1 컨택 전극(130)을 적어도 부분적으로 노출시키는 제1 개구부(170a) 및 제2 컨택 전극(160)을 부분적으로 노출시키는 제2 개구부(170b)를 포함할 수 있다.
제1 개구부(170a)를 통해 제1 컨택 전극(130)이 노출될 수 있으며, 제1 개구부(170a)의 측면은 제1 컨택 전극(130)의 측면으로부터 이격될 수도 있고, 제1 컨택 전극(130)의 측면에 접촉될 수도 있다. 나아가, 절연층(170)은 제1 컨택 전극(130)의 상면의 일부를 더 덮을 수도 있다. 또한, 몇몇 실시예들에서, 제1 컨택 전극(130)은 제1 개구부(170a) 주변의 절연층(170) 상면을 덮을 수도 있다.
제1 개구부(170a) 및 제2 개구부(170b)는 각각 제1 컨택 전극(130)과 제2 컨택 전극(160)을 노출시켜, 제1 및 제2 패드 전극(181, 183)이 각각 제1 및 제2 컨택 전극(130, 160)과 전기적으로 연결될 수 있도록 한다. 따라서, 제1 개구부(170a) 및 제2 개구부(170b)는 각각 제1 및 제2 패드 전극(181, 183)의 하부에 위치할 수 있다. 예를 들어, 제1 개구부(170a)는 발광 소자의 일 측면에 치우쳐 위치하며, 복수로 형성될 수 있고, 제2 개구부(170b)는 상기 발광 소자의 일 측면에 반대하여 위치하는 타 측면에 치우쳐 위치하며, 복수로 형성될 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
절연층(170)은 절연성의 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, SiO2, SiNx, MgF2 등을 포함할 수 있다. 나아가, 절연층(170)은 다중층을 포함할 수 있고, 굴절률이 다른 물질이 교대로 적층된 분포 브래그 반사기를 포함할 수도 있다. 상기 분포 브래그 반사기는 SiO2, TiO2, ZrO2 등의 유전체의 적층 구조를 포함할 수 있다. 절연층(170)이 분포 브래그 반사기를 포함하는 경우, 도전성 산화물층(140)을 통과하는 광 중 일부가 상기 분포 브래그 반사기에 반사되어 다시 도전성 산화물층(140)을 통과하여 발광 구조체(120)의 하면 측으로 진행할 수 있다. 이 경우, 상기 광은 적어도 2회에 걸쳐 도전성 산화물층(140)을 통과하게 되는데, 본 실시예에 따른 도전성 산화물층(140)은 ZnO를 포함하여 높은 광 투과도를 가지므로, 이러한 경로로 진행하는 광의 손실을 최소화할 수 있다.
나아가, 도시된 바와 달리, 절연층(170)은 발광 구조체(120)의 적어도 일부의 측면을 더 덮을 수 있다. 절연층(170)이 발광 구조체(120)의 측면을 덮는 정도는, 발광 소자의 제조 과정에서 칩 단위 개별화(isolation)의 여부에 따라 달라질 수 있다. 즉, 본 실시예와 같이 절연층(170)은 발광 구조체(120)의 상면만 덮도록 형성될 수도 있고, 이와 달리, 발광 소자의 제조 과정에서 웨이퍼를 칩 단위로 개별화한 후에 절연층(170)을 형성하는 경우에는 발광 구조체(120)의 측면까지 절연층(170)에 덮일 수 있다.
한편, 몇몇 실시예들에서, 제2 개구부(170b)에는 연결 전극(미도시)이 더 형성될 수 있다. 연결 전극은 제2 개구부(170b)를 적어도 부분적으로 채울 수 있으며, 제2 컨택 전극(160)과 제2 패드 전극(183)에 각각 접촉되어 이들을 전기적으로 연결시킬 수 있다.
또한, 다른 다양한 실시예들에서, 제1 컨택 전극(130)은 절연층(170)을 덮도록 형성될 수도 있다. 이때, 제1 컨택 전극(130)은 제2 개구부(170b)로부터 이격되어 제2 컨택 전극(160)과 전기적으로 절연된다. 이 경우, 제1 컨택 전극(130)을 통해 광이 반사될 수 있으며, 전류 분산 효율이 향상될 수 있다. 또한, 이러한 경우, 상기 발광 소자는, 제1 컨택 전극(130)을 부분적으로 덮는 추가 절연층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 상기 추가 절연층은 제1 컨택 전극(130) 및 제2 컨택 전극(160)을 부분적으로 노출시키는 개구부들을 포함한다.
제1 및 제2 패드 전극(181, 183)은 발광 구조체(120) 상에 위치한다. 제1 및 제2 패드 전극(181, 183)은 각각 제1 및 제2 개구부(170a, 170b)를 통해 제1 및 제2 컨택 전극(130, 160)에 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 및 제2 패드 전극(181, 183)은 발광 구조체(120)에 외부 전원을 공급하는 역할을 할 수 있다. 제1 및 제2 패드 전극(181, 183)은 동일 공정으로 함께 형성될 수 있으며, 예컨대 사진 및 식각 기술 또는 리프트 오프 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 패드 전극(181, 183)은 단일층 또는 다중층으로 이루어질 수 있고, 예를 들어, Ti, Cr, Ni 등의 접착층과 Al, Cu, Ag 또는 Au 등의 고전도 금속층을 포함할 수 있다.
도 5a 내지 도 9b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자 제조 방법을 설명하기 위한 평면도들 및 단면도들이다. 각 도면들에 있어서, 대응하는 단면도는 대응하는 평면도의 A-A'에 대응하는 부분의 단면을 도시한다. 예를 들어, 도 5a의 평면도에서 A-A'에 대응하는 부분의 단면은 도 5b에 도시된다. 이하 설명되는 실시예에서, 상술한 실시예들에서 설명한 구성과 실질적으로 동일한 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 후술하는 실시예에서, 단일 발광 소자를 제조하는 방법에 대해 설명하나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 대면적 웨이퍼 상에 복수의 발광 소자들을 형성하는 경우에도 후술하는 실시예에 따른 발광 소자 제조 방법이 적용될 수 있다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 성장 기판(110) 상에 발광 구조체(120)를 형성한다. 발광 구조체(120)는 일반적으로 알려진 다양한 방법을 이용하여 성장될 수 있으며, 예를 들어, MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), MBE(Molecular Beam Epitaxy) 또는 HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy) 등의 기술을 이용하여 성장될 수 있다.
이어서, 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 발광 구조체(120)의 상면 상에 도전성 산화물층(140)을 형성한다. 상기 도전성 산화물층(140)을 형성하는 것은, ZnO 시드층(141) 및 ZnO 벌크층(143)을 형성하는 것을 포함할 수 있다.
ZnO 시드층(141)은 다양한 방법을 통해 제2 도전형 반도체층(125) 상에 형성될 수 있고, 예컨대, 스핀 코팅법을 통해 제2 도전형 반도체층(125) 상에 형성될 수 있다. ZnO 시드층(141)을 형성하는 것은, ZnO 입자 또는 Zn를 포함하는 용액을 발광 구조체(120) 상에 스핀 코팅하는 것을 포함할 수 있다. 또한, ZnO 시드층(141)을 형성하는 것은, 스핀 코팅으로 형성된 ZnO층을 열처리하는 것을 더 포함할 수 있다. 상기 ZnO층의 열처리는 N2분위기에서 약 450 내지 550℃ 온도 조건으로 수행될 수 있다. 상기 열처리를 통해 ZnO 시드층(141)은 제2 도전형 반도체층(125)과 오믹 컨택을 형성할 수 있다.
예를 들어, 개시 물질로서 아연 아세테이트 디하이드레트(Zinc acetate dehydrate), 용매로서 메톡시에탄올(methoxethanol), 및 안정제로서 모노에탄올아민(monoethanolamine)을 포함하는 용액을 준비한다. 이어서, 스핀 코팅을 이용하여 상기 용액을 제2 도전형 반도체층(125) 상에 도포한다. 다음, 도포된 용액을 약 300℃ 의 온도에서 약 10분간 건조하여, 용매 및 유기 잔류물들을 제거하여, ZnO 시드층(141)을 형성할 수 있다. 형성된 ZnO 시드층(141)은 약 500℃의 온도에서 열처리될 수 있다.
이와 달리, ZnO 시드층(141)은 수열합성법, 졸-겔 합성법, 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD), 펄스 레이져 증착법(pulsed laser deposition, PLD), 분자선 에피택시법(MBE), 금속유기화학기상증착법(MOCVD), 라디오 주파수 스퍼터링법(RF-sputtering)과 같은 진공 증착법, 전기화학 증착법, 딥 코팅법(dip coating)등을 통해서 형성될 수도 있다.
ZnO 벌크층(143)은, 예를 들어, ZnO 벌크층(143)은 수열합성법을 통해 제2 도전형 반도체층(125) 상에 형성될 수 있다. ZnO 벌크층(143)을 형성하는 것은, ZnO 전구체를 포함하는 용액을 이용하여 수열합성법을 통해 발광 구조체(120) 상에 단결정 ZnO층을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 이때, 상기 단결정 ZnO층은 ZnO 시드층(131)으로부터 성장되어 형성된 것일 수 있다. 또한, ZnO 벌크층(143)을 형성하는 것은, 수열합성을 통해 형성된 단결정 ZnO층을 열처리하는 것을 더 포함할 수 있다. 상기 ZnO층의 열처리는 N2분위기에서 약 200 내지 300℃ 온도 조건으로 수행될 수 있다. 상기 열처리를 통해 ZnO 벌크층(143)의 시트 저항이 감소될 수 있고, 광 투과성이 향상(흡광성 저하)될 수 있다.
ZnO 단결정을 형성하기 위한 용액이 준비된다. 상기 용액은 아연염 및 침전제를 포함하고, 이를 극성 용매에 용해시켜 제조된다. 상기 아연염은 아연 이온(Zn2+)의 공여체로 작용하고, 상기 침전제는 하이드록시기(OH-) 공여체로 작용한다. 상기 아연염은 아연 아세테이트(Zinc acetate), 아연 나이트레이트(Zinc nitrate), 아연 설페이트(Zinc sulfate) 및 아연 클로라이드(Zinc chloride) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 침전제는 NaOH, Na2CO3, LiOH, H2O2, KOH, HMTA(hexamethylenetetramine) 및 NH4OH 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 극성 용매는 물, 알코올 및 유기용매 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 용액을 ZnO 시드층(141) 상에 도포하고, 열에너지를 공급하여 단결정 ZnO 단결정을 형성한다. 이와 달리, 발광 구조체(120)를 상기 용액에 침지시켜 ZnO 단결정을 형성할 수도 있다. 열에너지의 공급은 상압에서 50℃ 내지 100℃의 온도범위에서 수행될 수 있다. 이에 따라, 아연염과 침전제가 반응하여 단결정 ZnO를 형성함으로써, ZnO 벌크층(143)이 형성될 수 있다.
또한, ZnO 벌크층(143)을 형성하는 것은, ZnO 벌크층(143)의 내부에 위치하는 다수의 보이드(140V)를 형성하는 것을 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 보이드(140V)는 수열합성법을 통한 ZnO 벌크층(143)의 형성 과정에서 형성된 것일 수 있다.
ZnO 벌크층(143)을 형성하는 방법은 이에 한정되지 않으며, ZnO 벌크층(143)이 ZnO 시드층(131)과 실질적으로 동일한 결정성을 갖도록 하는 방법이면 제한되지 않는다. 예컨대, ZnO 벌크층(143)은 졸-겔 합성법, 원자층 증착법(atomic layer deposition, ALD), 펄스 레이져 증착법(pulsed laser deposition, PLD), 분자선 에피택시법(MBE), 금속유기화학기상증착법(MOCVD), 라디오 주파수 스퍼터링법(RF-sputtering)과 같은 진공 증착법, 전기화학 증착법, 딥 코팅법(dip coating), 스핀 코팅법 등을 통해서 형성될 수도 있다.
이어서, 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 도전성 산화물층(140)의 일부 및 발광 구조체(120)의 일부를 제거하여 적어도 하나의 메사(120m)를 형성한다. 이에 따라, 메사(120m)의 주변에 제1 도전형 반도체층(121)이 부분적으로 노출되는 노출 영역(120e)이 형성될 수 있다. 또한, 도전성 산화물층(140)의 상면의 거칠기를 증가시킬 수 있다.
도전성 산화물층(140)의 일부 및 발광 구조체(120)의 일부를 제거하는 것은, 습식 및/또는 건식 식각 공정을 수행하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 건식 식각 공정을 통해 도전성 산화물층(140)의 일부 및 발광 구조체(120)의 일부를 제거하여 메사(120m)를 형성하고, 이어서, 습식 식각 공정을 통해 메사(120m) 상의 도전성 산화물층(140)의 일부를 더 제거할 수 있다. 이에 따라, 도전성 산화물층(140)의 면적은 메사(120m) 상면의 면적보다 작을 수 있다.
도전성 산화물층(140)의 상면의 거칠기를 증가시키는 것은, 도전성 산화물층(140)의 상면에 요철 구조(140R)를 형성하는 것을 포함할 수 있다. 도전성 산화물층(140)의 거칠기를 증가시켜 요철 구조(140R)를 형성하는 것은, 예를 들어, 습식 식각 공정을 수행하는 것을 포함할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 도전성 산화물층(140)의 요철 구조(140R)는 건식 식각, PEC 식각 등을 이용하여 형성할 수도 있다.
한편, 본 실시예에서, 도전성 산화물층(140)을 먼저 형성하고, 메사(120m)를 형성하는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 다양한 실시예들에서, 발광 구조체(120)를 부분적으로 제거하여 메사(120m)를 형성하고, 이어서 메사(120m) 상에 위치하는 도전성 산화물층(140)을 형성할 수도 있다.
다음, 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 도전성 산화물층(140) 상에 ZnO 벌크층(150)을 형성하여, 제2 컨택 전극(160)을 형성한다. 또한, 노출 영역(120a) 상에 위치하는 제1 컨택 전극(130)을 더 형성할 수 있다.
반사 전극층(150)을 형성하는 것은, 반사층(151) 및 반사층(151)을 덮는 커버층(153)을 형성하는 것을 포함할 수 있다. 상기 반사층(151) 및 커버층(153)은 스퍼터링, 전자선 증착 등의 방법을 통해 형성될 수 있다. 상기 반사층(151) 및 커버층(153)이 스퍼터링을 통해 형성되는 경우, 상기 반사층(151)은 중심 부분에서 테두리 부분으로 갈수록 두께가 감소하는 형태로 형성될 수 있다.
도시된 바와 같이, 반사 전극층(150)은 도전성 산화물층(140)의 테두리 영역 내에 위치하도록 형성될 수 있다. 이 경우, 반사 전극층(150)의 면적은 도전성 산화물층(140)의 면적보다 작을 수 있다. 이와 달리, 반사 전극층(150)은 도전성 산화물층(140)의 측면까지 더 덮도록 형성될 수도 있고, 이 경우, 반사 전극층(150)의 면적은 도전성 산화물층(140)의 면적보다 클 수 있다.
제1 컨택 전극(130)은 공지의 증착 및 패터닝 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 컨택 전극(130)은 전자선 증착, 스퍼터링 등과 같은 공지의 증착방법을 통해 형성될 수 있고, 리프트 오프 공정 등을 통해 패터닝될 수 있다.
이어서, 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 발광 구조체(120) 및 제2 컨택 전극(160)을 부분적으로 덮는 절연층(170)을 형성한다. 절연층(170)을 형성하는 것은, 발광 구조체(120) 및 제2 컨택 전극(160)을 덮는 절연 물질을 형성하고, 상기 절연 물질을 부분적으로 제거하여 제1 및 제2 개구부(170a, 170b)를 형성하는 것을 포함할 수 있다.
절연층(170)은 PECVD, 전자선 증착 등과 같은 다양한 증착 방법을 통해 형성될 수 있으며, 사진 및 식각 공정을 통해 패터닝될 수 있다. 제1 개구부(170a)와 제2 개구부(170b)는 각각 복수로 형성될 수 있다. 제1 개구부(170a)는 제1 컨택 전극(130)의 적어도 일부를 노출시킬 수 있으며, 제2 개구부(170b)는 제2 컨택 전극(160)의 일부, 특히 반사 전극층(150)의 일부를 노출시킬 수 있다.
한편, 본 실시예에서 제1 컨택 전극(130)을 먼저 형성하고 절연층(170)을 형성하는 것으로 설명하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 다양한 다른 실시예들에서, 제1 컨택 전극(130)은 절연층(170)을 형성한 후에 형성될 수 있으며, 이 경우, 제1 컨택 전극(130)은 제1 개구부(170a)를 통해 제1 도전형 반도체층(121)과 접촉되도록 형성될 수 있다.
이어서, 절연층(170) 상에 제1 및 제2 패드 전극(181, 183)을 형성함으로써, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같은 발광 소자가 제공될 수 있다. 제1 및 제2 패드 전극(181, 183)은 도금, 증착 등을 통해 형성될 수 있고, 리프트 오프 공정 등을 통해 패터닝되어 형성될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 조명 장치에 적용한 예를 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 10을 참조하면, 본 실시예에 따른 조명 장치는, 확산 커버(1010), 발광 소자 모듈(1020) 및 바디부(1030)를 포함한다. 바디부(1030)는 발광 소자 모듈(1020)을 수용할 수 있고, 확산 커버(1010)는 발광 소자 모듈(1020)의 상부를 커버할 수 있도록 바디부(1030) 상에 배치될 수 있다.
바디부(1030)는 발광 소자 모듈(1020)을 수용 및 지지하여, 발광 소자 모듈(1020)에 전기적 전원을 공급할 수 있는 형태이면 제한되지 않는다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 바디부(1030)는 바디 케이스(1031), 전원 공급 장치(1033), 전원 케이스(1035), 및 전원 접속부(1037)를 포함할 수 있다.
전원 공급 장치(1033)는 전원 케이스(1035) 내에 수용되어 발광 소자 모듈(1020)과 전기적으로 연결되며, 적어도 하나의 IC칩을 포함할 수 있다. 상기 IC칩은 발광 소자 모듈(1020)로 공급되는 전원의 특성을 조절, 변환 또는 제어할 수 있다. 전원 케이스(1035)는 전원 공급 장치(1033)를 수용하여 지지할 수 있고, 전원 공급 장치(1033)가 그 내부에 고정된 전원 케이스(1035)는 바디 케이스(1031)의 내부에 위치할 수 있다. 전원 접속부(115)는 전원 케이스(1035)의 하단에 배치되어, 전원 케이스(1035)와 결속될 수 있다. 이에 따라, 전원 접속부(1037)는 전원 케이스(1035) 내부의 전원 공급 장치(1033)와 전기적으로 연결되어, 외부 전원이 전원 공급 장치(1033)에 공급될 수 있는 통로 역할을 할 수 있다.
발광 소자 모듈(1020)은 기판(1023) 및 기판(1023) 상에 배치된 발광 소자(1021)를 포함한다. 발광 소자 모듈(1020)은 바디 케이스(1031) 상부에 마련되어 전원 공급 장치(1033)에 전기적으로 연결될 수 있다.
기판(1023)은 발광 소자(1021)를 지지할 수 있는 기판이면 제한되지 않으며, 예를 들어, 배선을 포함하는 인쇄회로기판일 수 있다. 기판(1023)은 바디 케이스(1031)에 안정적으로 고정될 수 있도록, 바디 케이스(1031) 상부의 고정부에 대응하는 형태를 가질 수 있다. 발광 소자(1021)는 상술한 본 발명의 실시예들에 따른 발광 소자들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
확산 커버(1010)는 발광 소자(1021) 상에 배치되되, 바디 케이스(1031)에 고정되어 발광 소자(1021)를 커버할 수 있다. 확산 커버(1010)는 투광성 재질을 가질 수 있으며, 확산 커버(1010)의 형태 및 광 투과성을 조절하여 조명 장치의 지향 특성을 조절할 수 있다. 따라서 확산 커버(1010)는 조명 장치의 이용 목적 및 적용 태양에 따라 다양한 형태로 변형될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 디스플레이 장치에 적용한 예를 설명하기 위한 단면도이다.
본 실시예의 디스플레이 장치는 표시패널(2110), 표시패널(2110)에 광을 제공하는 백라이트 유닛 및, 상기 표시패널(2110)의 하부 가장자리를 지지하는 패널 가이드를 포함한다.
표시패널(2110)은 특별히 한정되지 않고, 예컨대, 액정층을 포함하는 액정표시패널일 수 있다. 표시패널(2110)의 가장자리에는 상기 게이트 라인으로 구동신호를 공급하는 게이트 구동 PCB가 더 위치할 수 있다. 여기서, 게이트 구동 PCB는 별도의 PCB에 구성되지 않고, 박막 트랜지스터 기판상에 형성될 수도 있다.
백라이트 유닛은 적어도 하나의 기판 및 복수의 발광 소자(2160)를 포함하는 광원 모듈을 포함한다. 나아가, 백라이트 유닛은 바텀커버(2180), 반사 시트(2170), 확산 플레이트(2131) 및 광학 시트들(2130)을 더 포함할 수 있다.
바텀커버(2180)는 상부로 개구되어, 기판, 발광 소자(2160), 반사 시트(2170), 확산 플레이트(2131) 및 광학 시트들(2130)을 수납할 수 있다. 또한, 바텀커버(2180)는 패널 가이드와 결합될 수 있다. 기판은 반사 시트(2170)의 하부에 위치하여, 반사 시트(2170)에 둘러싸인 형태로 배치될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 반사 물질이 표면에 코팅된 경우에는 반사 시트(2170) 상에 위치할 수도 있다. 또한, 기판은 복수로 형성되어, 복수의 기판들이 나란히 배치된 형태로 배치될 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 단일의 기판으로 형성될 수도 있다.
발광 소자(2160)는 상술한 본 발명의 실시예들에 따른 발광 소자들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 발광 소자(2160)들은 기판 상에 일정한 패턴으로 규칙적으로 배열될 수 있다. 또한, 각각의 발광 소자(2160) 상에는 렌즈(2210)가 배치되어, 복수의 발광 소자(2160)들로부터 방출되는 광을 균일성을 향상시킬 수 있다.
확산 플레이트(2131) 및 광학 시트들(2130)은 발광 소자(2160) 상에 위치한다. 발광 소자(2160)로부터 방출된 광은 확산 플레이트(2131) 및 광학 시트들(2130)을 거쳐 면 광원 형태로 표시패널(2110)로 공급될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 발광 소자는 본 실시예와 같은 직하형 디스플레이 장치에 적용될 수 있다.
도 12는 일 실시예에 따른 발광 소자를 디스플레이 장치에 적용한 예를 설명하기 위한 단면도이다.
본 실시예에 따른 백라이트 유닛이 구비된 디스플레이 장치는 영상이 디스플레이되는 표시패널(3210), 표시패널(3210)의 배면에 배치되어 광을 조사하는 백라이트 유닛을 포함한다. 나아가, 상기 디스플레이 장치는, 표시패널(3210)을 지지하고 백라이트 유닛이 수납되는 프레임(240) 및 상기 표시패널(3210)을 감싸는 커버(3240, 3280)를 포함한다.
표시패널(3210)은 특별히 한정되지 않고, 예컨대, 액정층을 포함하는 액정표시패널일 수 있다. 표시패널(3210)의 가장자리에는 상기 게이트 라인으로 구동신호를 공급하는 게이트 구동 PCB가 더 위치할 수 있다. 여기서, 게이트 구동 PCB는 별도의 PCB에 구성되지 않고, 박막 트랜지스터 기판상에 형성될 수도 있다. 표시패널(3210)은 그 상하부에 위치하는 커버(3240, 3280)에 의해 고정되며, 하부에 위치하는 커버(3280)는 백라이트 유닛과 결속될 수 있다.
표시패널(3210)에 광을 제공하는 백라이트 유닛은 상면의 일부가 개구된 하부 커버(3270), 하부 커버(3270)의 내부 일 측에 배치된 광원 모듈 및 상기 광원 모듈과 나란하게 위치되어 점광을 면광으로 변환하는 도광판(3250)을 포함한다. 또한, 본 실시예의 백라이트 유닛은 도광판(3250) 상에 위치되어 광을 확산 및 집광시키는 광학 시트들(3230), 도광판(3250)의 하부에 배치되어 도광판(3250)의 하부방향으로 진행하는 광을 표시패널(3210) 방향으로 반사시키는 반사시트(3260)를 더 포함할 수 있다.
광원 모듈은 기판(3220) 및 상기 기판(3220)의 일면에 일정 간격으로 이격되어 배치된 복수의 발광 소자(3110)를 포함한다. 기판(3220)은 발광 소자(3110)를 지지하고 발광 소자(3110)에 전기적으로 연결된 것이면 제한되지 않으며, 예컨대, 인쇄회로기판일 수 있다. 발광 소자(3110)는 상술한 본 발명의 실시예들에 따른 발광 소자를 적어도 하나 포함할 수 있다. 광원 모듈로부터 방출된 광은 도광판(3250)으로 입사되어 광학 시트들(3230)을 통해 표시패널(3210)로 공급된다. 도광판(3250) 및 광학 시트들(3230)을 통해, 발광 소자(3110)들로부터 방출된 점 광원이 면 광원으로 변형될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 발광 소자는 본 실시예와 같은 에지형 디스플레이 장치에 적용될 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자를 헤드 램프에 적용한 예를 설명하기 위한 단면도이다.
도 13을 참조하면, 상기 헤드 램프는, 램프 바디(4070), 기판(4020), 발광 소자(4010) 및 커버 렌즈(4050)를 포함한다. 나아가, 상기 헤드 램프는, 방열부(4030), 지지랙(4060) 및 연결 부재(4040)를 더 포함할 수 있다.
기판(4020)은 지지랙(4060)에 의해 고정되어 램프 바디(4070) 상에 이격 배치된다. 기판(4020)은 발광 소자(4010)를 지지할 수 있는 기판이면 제한되지 않으며, 예컨대, 인쇄회로기판과 같은 도전 패턴을 갖는 기판일 수 있다. 발광 소자(4010)는 기판(4020) 상에 위치하며, 기판(4020)에 의해 지지 및 고정될 수 있다. 또한, 기판(4020)의 도전 패턴을 통해 발광 소자(4010)는 외부의 전원과 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 발광 소자(4010)는 상술한 본 발명의 실시예들에 따른 발광 소자를 적어도 하나 포함할 수 있다.
커버 렌즈(4050)는 발광 소자(4010)로부터 방출되는 광이 이동하는 경로 상에 위치한다. 예컨대, 도시된 바와 같이, 커버 렌즈(4050)는 연결 부재(4040)에 의해 발광 소자(4010)로부터 이격되어 배치될 수 있고, 발광 소자(4010)로부터 방출된 광을 제공하고자하는 방향에 배치될 수 있다. 커버 렌즈(4050)에 의해 헤드 램프로부터 외부로 방출되는 광의 지향각 및/또는 색상이 조절될 수 있다. 한편, 연결 부재(4040)는 커버 렌즈(4050)를 기판(4020)과 고정시킴과 아울러, 발광 소자(4010)를 둘러싸도록 배치되어 발광 경로(4045)를 제공하는 광 가이드 역할을 할 수도 있다. 이때, 연결 부재(4040)는 광 반사성 물질로 형성되거나, 광 반사성 물질로 코팅될 수 있다. 한편, 방열부(4030)는 방열핀(4031) 및/또는 방열팬(4033)을 포함할 수 있고, 발광 소자(4010) 구동 시 발생하는 열을 외부로 방출시킨다.
이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 발광 소자는 본 실시예와 같은 헤드 램프, 특히, 차량용 헤드 램프에 적용될 수 있다.
Claims (11)
- 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층 상에 위치하는 제2 도전형 반도체층, 및 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층의 사이에 위치하는 활성층을 포함하는 발광 구조체;
상기 발광 구조체 상에 위치하며, 상기 제1 도전형 반도체층에 전기적으로 연결된 제1 컨택 전극;
상기 발광 구조체 상에 위치하며, 상기 제2 도전형 반도체층에 전기적으로 연결된 제2 컨택 전극; 및
상기 제2 컨택 전극을 덮으며, 상기 제1 컨택 전극 및 제2 컨택 전극을 각각 부분적으로 노출시키는 제1 개구부 및 제2 개구부를 포함하는 절연층을 포함하고,
상기 제2 컨택 전극은,
상기 제2 도전형 반도체층에 오믹 컨택하며, 상면에 형성된 요철 구조를 포함하는 도전성 산화물층; 및
상기 도전성 산화물층 상에 위치하여 상기 요철 구조와 접하는 반사 전극층을 포함하는 발광 소자.
- 청구항 1에 있어서,
상기 도전성 산화물층은 ZnO를 포함하는 발광 소자.
- 청구항 2에 있어서,
도전성 산화물층은, ZnO 시드층, 및 상기 ZnO 시드층의 아래에 위치하는 ZnO 벌크층을 포함하는 발광 소자.
- 청구항 3에 있어서,
상기 도전성 산화물층은 나노스케일의 보이드(void)를 포함하는 발광 소자.
- 청구항 4에 있어서,
상기 보이드는 상기 ZnO 벌크층 내에 위치하는 발광 소자.
- 청구항 3에 있어서,
상기 ZnO 벌크층은 단결정 ZnO로 형성되거나 단결정 ZnO를 포함하는 발광 소자.
- 청구항 1에 있어서,
상기 요철 구조는 요부 및 철부를 포함하고, 상기 철부의 고점과 상기 요부의 저점의 높이차(peak to valley)는 10nm 내지 1000nm인 발광 소자.
- 청구항 1에 있어서,
상기 도전성 산화물층의 면적은 상기 반사 전극층의 면적보다 크며, 상기 반사 전극층은 상기 제2 도전성 산화물층의 테두리 영역 내에 위치하는 발광 소자.
- 청구항 1에 있어서,
상기 반사 전극층은 반사층 및 반사층을 덮는 커버층을 포함하고,
상기 반사층은 Ag를 포함하며, 상기 반사층의 Ag의 적어도 일부는 상기 도전성 산화물층에 접하는 발광 소자.
- 청구항 1에 있어서,
상기 발광 구조체는,
상기 제2 도전형 반도체층 및 활성층을 포함하는 적어도 하나의 메사; 및
상기 메사를 관통하여 상기 제1 도전형 반도체층이 부분적으로 노출되는 노출 영역을 포함하고,
상기 제1 컨택 전극은 상기 노출 영역 상에 위치하는 발광 소자.
- 청구항 1에 있어서,
상기 절연층 상에 위치하며, 상기 제1 개구부를 통해 상기 제1 컨택 전극과 접촉하는 제1 패드 전극; 및
상기 절연층 상에 위치하며, 상기 제2 개구부를 통해 상기 제2 컨택 전극과 접촉하는 제2 패드 전극을 더 포함하는 발광 소자.
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|---|---|---|---|---|
| KR20190009167A (ko) * | 2017-07-18 | 2019-01-28 | 삼성전자주식회사 | 반도체 발광 소자 |
| WO2019022427A1 (ko) * | 2017-07-24 | 2019-01-31 | 서울바이오시스주식회사 | 자동차 헤드램프용 발광 다이오드 |
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| WO2021033913A1 (ko) * | 2019-08-21 | 2021-02-25 | 주식회사 세미콘라이트 | 반도체 발광소자 |
-
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| KR20200069068A (ko) * | 2018-12-06 | 2020-06-16 | 서울바이오시스 주식회사 | 칩 스케일 패키지 발광 다이오드 |
| WO2021033913A1 (ko) * | 2019-08-21 | 2021-02-25 | 주식회사 세미콘라이트 | 반도체 발광소자 |
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