KR20170112752A - 자외선 발광 소자 - Google Patents

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KR20170112752A
KR20170112752A KR1020160040296A KR20160040296A KR20170112752A KR 20170112752 A KR20170112752 A KR 20170112752A KR 1020160040296 A KR1020160040296 A KR 1020160040296A KR 20160040296 A KR20160040296 A KR 20160040296A KR 20170112752 A KR20170112752 A KR 20170112752A
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모토노부 타케야
최규진
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Abstract

자외선 발광 소자가 개시된다. 자외선 발광 소자는, 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층의 상에 위치하는 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층의 사이에 위치하며 자외선 광을 방출하는 활성층을 포함하는 발광 구조체를 포함하고, 상기 발광 구조체는, 상기 제2 도전형 반도체층 및 활성층을 관통하여 상기 제1 도전형 반도체층을 부분적으로 노출시키는 적어도 하나의 홈을 포함하고, 상기 홈의 측면에 노출된 활성층의 측면은 상기 활성층에 수평한 면에 대해 예각의 각도로 경사진 측면을 포함하며, 상기 자외선 광은 TM 편광된 광을 포함한다.

Description

자외선 발광 소자{UV LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 자외선 발광 소자에 관한 것으로, 특히, TM 편광된 광의 추출 효율이 향상된 자외선 발광 소자에 관한 것이다.
자외선 발광 소자는 UV 경화, 살균, 백색 광원, 의학 분야, 및 장비 부속 부품 등으로 이용될 수 있어서, 그 이용 범위가 증가하고 있다. 특히, 근자외선(약 340nm 내지 약 400nm 범위의 피크 파장을 갖는 광) 발광 소자에 비해, 더 짧은 파장의 광을 방출하는 심자외선(약 350nm 이하의 피크 파장을 갖는 광, 나아가, 약 200nm 내지 약 350nm 범위의 피크 파장을 갖는 광) 발광 소자는 UV-C 영역의 광에 대한 발광 강도가 상대적으로 강하다. 따라서, 이러한 심자외선 발광 소자는 살균, 정수, 생화학 분야에서의 검출 수단, 의학 등 다양한 분야에서 다양한 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.
자외선 광을 방출하는 발광 소자는, 주로 Al의 조성비가 높은 질화물계 반도체로 형성된 활성층을 포함한다. 예컨대, 우물층이 AlGaN으로 형성되고 장벽층이 AlGaN 또는 AlN로 형성된 활성층이 자외선 발광 소자에 채택된다. 이때, 상대적으로 짧은 피크 파장의 광을 방출시키기 위해서 더 높은 Al 조성비를 갖는 질화물 반도체층이 활성층에 적용될 것이 요구된다.
그런데 AlGaN 기반(또는 AlInGaN)의 활성층을 포함하는 자외선 발광 소자는, GaN 또는 InGaN 기반의 활성층과 달리 TM(transverse-magnetic) 편광된 광이 방출된다. 일반적으로, AlGaN 기반(또는 AlInGaN)의 활성층에서 Al의 함량이 높아질수록 TM 편광된 광의 비율이 높은 것으로 알려져 있으며, AlN의 경우 거의 90% 이상의 광이 TM 편광된 광으로 방출된다. TM 편광된 광은 활성층의 평면에 수평한 방향으로 방출되고, TE(transverse-electric) 편광된 광은 활성층의 평면에 수직한(normal)한 방향으로 방출되므로, 이러한 방향적 특징에 따라 TM 편광된 광은 TE 편광된 광에 비해 광 추출 효율이 낮다. 따라서 TM 편광된 광의 비율이 높아질수록 자외선 발광 소자의 발광 효율이 저하된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, TM 편광된 광의 광 추출 효율을 향상시켜 전체 발광 효율이 향상된 자외선 발광 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 자외선 발광 소자는, 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층의 상에 위치하는 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층의 사이에 위치하며 자외선 광을 방출하는 활성층을 포함하는 발광 구조체를 포함하고, 상기 발광 구조체는, 상기 제2 도전형 반도체층 및 활성층을 관통하여 상기 제1 도전형 반도체층을 부분적으로 노출시키는 적어도 하나의 홈을 포함하고, 상기 홈의 측면에 노출된 활성층의 측면은 상기 활성층에 수평한 면에 대해 예각의 각도로 경사진 측면을 포함하며, 상기 자외선 광은 TM 편광된 광을 포함한다.
본 발명에 따르면, 소정의 경사를 갖는 홈을 포함하는 발광 구조체를 포함함으로써, TM 편광된 광의 소실을 감소시켜 자외선 발광 소자, 특히 심자외선 발광 소자의 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광 소자를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광 소자를 설명하기 위한 일부 생략 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광 소자를 설명하기 위한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 자외선 발광 소자를 설명하기 위한 확대 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 다양한 실시예들에 따른 자외선 발광 소자를 설명하기 위한 확대 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 다양한 실시예들에 따른 자외선 발광 소자를 설명하기 위한 평면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 다양한 실시예들에 따른 자외선 발광 소자를 설명하기 위한 평면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 다양한 실시예들에 따른 자외선 발광 소자를 설명하기 위한 평면도이다.
본 발명의 실시예들에 따른 자외선 발광 소자는 다양한 양태로 구현될 수 있다.
실시예들에 따른 자외선 발광 소자는, 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층의 상에 위치하는 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층의 사이에 위치하며 자외선 광을 방출하는 활성층을 포함하는 발광 구조체를 포함하고, 상기 발광 구조체는, 상기 제2 도전형 반도체층 및 활성층을 관통하여 상기 제1 도전형 반도체층을 부분적으로 노출시키는 적어도 하나의 홈을 포함하고, 상기 홈의 측면에 노출된 활성층의 측면은 상기 활성층에 수평한 면에 대해 예각의 각도로 경사진 측면을 포함하며, 상기 자외선 광은 TM 편광된 광을 포함한다.
상기 자외선 발광 소자는, 상기 홈의 하부 표면 상에 위치하는 제1 반사층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 반사층은 Al을 포함할 수 있다.
상기 제1 반사층의 주변에는 상기 홈의 하부 표면이 노출될 수 있다.
상기 제1 반사층은 상기 홈의 하부 표면의 면적에 대해 1/3 이하의 면적을 가질 수 있다.
상기 제1 반사층의 상기 홈의 하부 표면의 중심부 상에 위치할 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층의 상면 면적에 대한 상기 홈의 면적의 비율은 1/6 내지 1/2일 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층은 3.0eV내지 4.0eV의 밴드갭 에너지를 갖는 질화물계 반도체를 포함할 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층은 P-GaN을 포함할 수 있다.
상기 발광 구조체는 경사진 측면을 포함하고, 상기 경사진 측면에는 상기 활성층의 측면이 부분적으로 노출될 수 있다.
상기 홈의 평면 형태는 다각형 또는 원형일 수 있다.
상기 발광 구조체는 복수의 홈을 포함할 수 있고, 상기 복수의 홈들의 중심들을 잇는 가상선은 지그재그 패턴을 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 홈은 일 방향으로 기다랗게 연장되는 형상을 가질 수 있다.
상기 발광 구조체에서 방출되는 광의 피크 파장은 350nm 이하일 수 있다.
상기 자외선 발광 소자는, 상기 제1 도전형 반도체층의 하부에 위치하는 제2 반사층을 더 포함할 수 있다.
상기 자외선 발광 소자는, 상기 적어도 하나의 홈을 적어도 부분적으로 채우는 투광성 절연층을 더 포함할 수 있다.
상기 홈에 노출된 활성층의 측면이 상기 활성층에 대해 수평한 면에 대해 경사진 각은 θ0이고, 상기 활성층에 대해 수평한 면의 위치에서의 상기 홈의 폭은 L1이며, 상기 홈의 하부 표면으로부터 상기 활성층에 대해 수평한 면까지의 깊이는 D1이고, 상기 활성층에 대해 수평한 면으로부터 상기 제2 도전형 반도체층의 상면에 수평한 면까지의 깊이는 D2이며, 상기 활성층과 상기 홈의 계면에서 상기 TM 편광된 광의 입사각 및 출사각은 각각 θ1 및 θ2이고, 상기 활성층의 굴절률은 n1, 상기 홈을 채우는 물질 또는 상기 활성층의 측면을 덮는 물질의 굴절률은 n2이며, [식 1] 및 [식 2]의 조건을 만족할 수 있다.
([식 1]
Figure pat00001
, [식 2]
Figure pat00002
)
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 있는 경우도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광 소자(100)를 설명하기 위한 도면들이다. 구체적으로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광 소자를 설명하기 위한 사시도이며, 도 2는 설명의 편의를 위하여 제1 전극(151), 제2 전극(153) 및 투명 전극(130)을 생략하여 도시한 사시도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광 소자를 설명하기 위한 평면도이며, 도 4는 도 3의 A-A'선에 대응하는 부분의 단명을 도시하는 위한 단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 자외선 발광 소자(100)는, 제1 도전형 반도체층(121), 활성층(123) 및 제2 도전형 반도체층(125)을 포함하되, 자외선 광을 방출하는 발광 구조체(120)를 포함한다. 또한, 자외선 발광 소자(100)는 기판(110), 컨택 전극(130), 제1 반사층(140), 제1 전극(151), 제2 전극(153) 및 제2 반사층(160), 투광성 절연층(170)을 더 포함할 수도 있다.
발광 구조체(120)는 제1 도전형 반도체층(121), 제2 도전형 반도체층(125), 및 제1 도전형 반도체층(121)과 제2 도전형 반도체층(125)의 사이에 위치하는 활성층(123)을 포함한다. 제2 도전형 반도체층(125)은 제1 도전형 반도체층(121) 상에 위치할 수 있다. 발광 구조체(120)는 제2 도전형 반도체층(125) 및 활성층(123)을 관통하여 활성층(123)의 측면을 노출시키는 적어도 하나의 홈(120g)을 포함한다. 또한, 발광 구조체(120)는 외곽 측면에 형성된 적어도 하나의 경사진 측면(120s)을 포함할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(121), 활성층(123) 및 제2 도전형 반도체층(125)은 Ⅲ-Ⅴ 계열 질화물계 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, Ge, Sn)을 포함할 수 있고, 제2 도전형 반도체층(125)은 p형 불순물 (예를 들어, Mg, Sr, Ba)을 포함할 수 있다. 또한, 그 반대일 수도 있다. 활성층(123)은 다중양자우물 구조(MQW)를 포함할 수 있고, 원하는 파장을 방출하도록 질화물계 반도체의 조성비가 조절될 수 있다. 특히, 본 실시예에 있어서, 제2 도전형 반도체층(125)은 p형 반도체층일 수 있고, 활성층(123)은 자외선 대역의 광을 방출할 수 있다. 활성층(123)에서 방출되는 광의 피크 파장은, 400nm 이하의 피크 파장을 갖는 광일 수 있고, 380nm 이하의 피크 파장을 갖는 광일 수 있고, 나아가, 365nm 이하의 피크 파장을 갖는 광일 수 있으며, 나아가, 350nm 이하의 피크 파장을 갖는 광일 수 있고, 더 나아가, 300nm 이하의 피크 파장을 갖는 광일 수 있다. 예를 들어, 본 실시예의 자외선 발광 소자는 약 275nm의 피크 파장을 갖는 광을 방출할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 활성층(123)에서 방출되는 자외선 광은, TM편광된 광을 포함한다.
본 실시예에서, 제1 도전형 반도체층(121)은 Al을 포함하는 질화물계 반도체를 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(121)의 Al 조성비는 활성층(123)에서 방출되는 광의 피크 파장에 따라 제어될 수 있다. 활성층(123)에서 방출되는 광의 에너지가 제1 도전형 반도체층(121)의 밴드갭 에너지보다 큰 경우, 상기 광이 제1 도전형 반도체층(121)에 흡수되어 광 효율이 저하될 수 있다. 따라서, 제1 도전형 반도체층(121)은 활성층(123)에서 방출되는 자외선 광의 피크 파장에 대응하는 에너지보다 큰 밴드갭 에너지를 가질 수 있도록, Al의 조성비가 제어될 수 있다. 예를 들어, 활성층(123)에서 방출된 광의 피크 파장이 약 275nm인 경우, 제1 도전형 반도체층(121)은 약 30% 이상의 Al 조성비를 갖는 질화물계 반도체를 포함할 수 있다.
특히, 본 실시예의 자외선 발광 소자(100)에 있어서, 주(main) 광 방출면은 발광 구조체(120)의 상부측일 수 있다.
제2 도전형 반도체층(125)은 p-AlGaN, p-AlInGaN, p-GaN 및 p-InGaN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 제2 도전형 반도체층(125)은 3.0eV내지 4.0eV의 에너지 밴드갭을 갖는 질화물계 반도체를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 제2 도전형 반도체층(125)은 p-GaN을 포함하거나 p-GaN으로 형성될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(125)이 p-GaN을 포함하거나 p-GaN으로 형성되는 경우, 컨택 전극(130)과 제2 도전형 반도체층(125) 간의 오믹 컨택을 용이하게 형성할 수 있으며, 접촉 저항을 비교적 낮게 할 수 있어, 상기 자외선 발광 소자의 전기적 특성을 향상시킬 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
적어도 하나의 홈(120g)은 제2 도전형 반도체층(125)을 관통하도록 형성되어, 홈(120g)의 측면(120gs)에는 활성층(123)의 측면이 노출된다. 홈(120g)의 측면(120gs)의 홈(120g)의 바닥면에 대해 소정의 경사를 갖는다. 특히, 홈(120g)의 경사진 측면(120gs)은 홈(120g)의 표면에 노출되는 활성층(123)의 측면을 포함할 수 있고, 상기 홈(120g)의 표면에 노출되는 활성층(123)의 측면이 경사를 가질 수 있다. 이에 따라, 후술하는 바와 같이 활성층(123)의 측면으로 방출되는 자외선 광, 특히 TM편광된 광이 활성층(123)에 수평한 방향과 다른 방향으로 굴절되어 방출될 수 있다.
발광 구조체(120)의 적어도 하나의 홈(120g)에 관하여 도 5를 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.
도 5를 참조하면, 홈(120g)은 소정의 각도로 경사진 측면(120gs) 및 측면(120gs)에 둘러싸이며 제1 도전형 반도체층(121)을 부분적으로 노출시키는 하부 표면(120gb)을 포함할 수 있다. 이때, 하부 표면(120gb) 상에는 상기 하부 표면(120gb)을 적어도 부분적으로 덮는 제1 반사층(140)이 위치할 수 있다.
홈(120g)의 측면(120gs)은 활성층(123)에 수평한 면(123p), 즉, 활성층(123)과 제1 도전형 반도체층(121)의 계면에 수평한 면(또는 활성층(123)과 제2 도전형 반도체층(125)의 계면에 수평한 면)에 대해서 소정 각도로 경사질 수 있다. 특히, 홈(120g)의 측면(120gs)은 활성층(123)의 측면을 포함하며, 상기 활성층(123)의 측면은 활성층(123)에 수평한 면(123p)에 대해 θ0의 각도로 경사질 수 있다. 이때, θ0는 예각일 수 있다. 도 1 내지 도 5에서, 적어도 하나의 홈(120g)의 측면(120gs)은 대체로 일정한 경사를 가져 활성층(123)에 수평한 면(123p)에 대해서 θ0의 각도로 경사진 것으로 도시되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 다양한 실시예들에서, 홈(120g)의 측면(120gs)은 서로 다른 기울기의 2 이상의 측면을 포함할 수도 있으며, 연속적으로 기울기가 변화하는 측면을 포함할 수도 있다. 이때, 홈(120g)의 측면(120gs)에 노출되는 활성층(123)의 측면은 활성층(123)에 수평한 면(123p)에 대해서 θ0의 각도로 경사질 수 있다.
홈(120g)의 측면(120gs)이 소정 각도로 기울어진 경사를 가짐으로써, 특히, 홈(120g)의 측면(120gs)에 노출된 활성층(123)의 측면이 소정 각도로 기울어진 경사를 가짐으로써 발광 소자의 발광 효율이 향상될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 활성층(123)의 임의의 포인트 P1에서 방출된 광은 TE 편광된 광(TE1), TM 편광된 광(TM1) 및 TM 편광된 광과 TE 편광된 광이 혼재된 광(TE+TM)을 포함한다. TE 편광된 광(TE1, TE2)은 주로 활성층(123)의 면에 대해 대체로 수직인(normal) 방향으로 방출되므로, 제1 도전형 반도체층(121)의 상부 및 하부를 향하는 방향으로 진행한다. 따라서 TE 편광된 광(TE1, TE2)은 제2 도전형 반도체층(125)을 통과하여 발광 소자(100)의 외부로 추출되거나 제1 도전형 반도체층(121)의 하부에 위치할 수 있는 제2 반사층(160)에 반사되어 발광 소자(100)의 외부로 추출될 확률이 높다. 또한, TM 편광된 광과 TE 편광된 광이 혼재된 광(TE+TM)은 주로 제1 도전형 반도체층(121)의 상부 및 하부를 향하는 방향으로 진행한다. 특히, 제1 도전형 반도체층(121)의 하부로 진행하는 TM 편광된 광과 TE 편광된 광이 혼재된 광(TE+TM)은 제1 도전형 반도체층(121)의 하부에 반사되어 상부로 향할 수 있다. 이와 같이 상부로 향하는 TM 편광된 광과 TE 편광된 광이 혼재된 광(TE+TM)은 홈(120g)의 하면에 도달할 수 있고, 홈(120g)의 하면에서 반사층(140)에 덮이지 않고 노출되는 영역을 통해 외부로 방출될 수 있다(도 5 참조).
반면, TM 편광된 광(TM1)은 주로 활성층(123)의 면에 대해 수평 방향으로 방출되므로, 활성층(123)의 면을 따라 활성층(123)의 측면을 향하는 방향으로 진행한다. 설명의 편의를 위해 도면을 기준으로 우측으로 향하는 TM 편광된 광(TM1)만 도시한다. 이때, TM 편광된 광(TM1)은 홈(120g)의 측면(120gs), 특히, 홈(120g)의 측면(120gs)에 노출된 활성층(123)의 측면에 도달할 수 있고, 활성층(123)과 홈(120g)의 계면(IF)에서 굴절되거나 전반사될 수 있다. 특히, 도시된 바와 같이, 활성층(123)과 홈(120g)의 계면(IF)이 활성층(123)에 수평한 면(123p)에 대해 경사진 각(θ0)이 TM 편광된 광(TM1)이 전반사되지 않는 각도인 경우, 활성층(123)과 홈(120g)을 채우는 매질의 굴절류 차이로 인하여 TM 편광된 광(TM1)은 홈(120g)의 하부 표면(120gb)을 향하는 방향으로 굴절된다.
이와 같이 굴절된 TM 편광된 광(TM1)은 제1 도전형 반도체층(121) 측으로 굴절되므로 제2 도전형 반도체층(125)에서 흡수되어 소멸되는 비율이 감소되며, 제1 도전형 반도체층(121)의 하부에 제2 반사층(160)이 형성된 경우에는 제2 반사층(160)에 의해 반사되어 제1 도전형 반도체층(121)을 통과하여 발광 소자(100)의 외부로 방출될 수 있다. 특히, TM 편광된 광(TM1)이 활성층(123)을 수평 방향으로 통과하는 거리가 상대적으로 짧아지므로, 활성층(123)이나 다른 반도체층에 의해 TM 편광된 광(TM1)이 흡수되는 비율을 매우 감소시킬 수 있다. 이에 따라 자외선 발광 소자(100)의 발광 효율이 향상된다. 특히, 발광 소자(100)가 TM 편광된 광의 비율이 상대적으로 높은 심자외선 발광 소자인 경우, 발광 효율 증가의 효과는 더욱 크다.
또한, 홈(120g)이 형성된 부분의 상부에는 제2 도전형 반도체층(125)이 제거되어 있으므로, 홈(120g)을 통해서 TM 편광된 광(TM1)이 더욱 용이하게 발광 소자(100)의 외부로 방출될 수 있다. 더욱이 홈(120g)의 측면(120gs)은 경사를 가지므로, 홈(120g)의 상부로 갈수록 제2 도전형 반도체층(125)이 제거된 영역의 수평 단면적이 커지게 되어 광이 발광 소자(100)의 외부로 추출되는 것이 더욱 용이해진다. 이에 따라 자외선 발광 소자(100)의 발광 효율이 향상된다.
몇몇 실시예들에서, 자외선 발광 소자(100)는 제1 반사층(140)을 더 포함할 수 있다. 제1 반사층(140)은 홈(120g)의 하부 표면(120gb)을 적어도 부분적으로 덮을 수 있다. 또한, 제1 반사층(140)은 대체로 홈(120g)의 하부 표면(120gb)의 중심부에 위치할 수 있다. 제1 반사층(140)은 광 반사성 물질을 포함하거나, 광 반사성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 반사층(140)은 Ag, Pt, Al과 같은 광 반사성 금속을 포함할 수도 있고, 또는 굴절률이 서로 다른 유전체층들이 적층된 분포 브래그 반사기를 포함할 수도 있다. 또한, 제1 반사층(140)은 굴절률이 서로 다른 질화물계 반도체층들이 적층된 구조의 반사기를 포함할 수도 있다. 일 실시예에서, 제1 반사층(140)은 Al으로 형성될 수 있다. 또한, 제1 반사층(140)의 면적은 홈(120g)의 하부 표면(120gb) 면적의 1/3 이하일 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제1 반사층(140)에 의해, 홈(120g)의 측면(120gs)에서 굴절된 TM 편광된 광(TM1)이 반사되어 자외선 발광 소자(100)의 상부로 방출될 수 있다. 이와 같이 노출된 활성층(123)의 측면에서 방출된 TM 편광된 광(TM1)이 다른 반도체층으로 다시 입사되지 않고 바로 발광 소자(100)의 외부로 방출될 수 있어, 자외선 발광 소자(100)의 발광 효율이 더욱 향상될 수 있다.
또한, 다양한 실시예들에서 하부 표면(120gb)의 일부는 제1 반사층(140)에 덮이지 않고 노출된다. 이에 따라, 제1 도전형 반도체층(121)의 하부로부터 상부로 향하는 광이 통과할 수 있는 영역을 제공한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 자외선 발광 소자(100)의 하부로 향하는 일부 광(TE+TM)은 제1 도전형 반도체층(121)의 하부에 위치하는 제2 반사층(160)에 반사되어 상부로 진행될 수 있는데, 이 경우 제1 반사층(140)이 홈(120g)의 하부 표면(120gb)을 전체적으로 덮는 경우 TE+TM 광은 다시 하부로 반사될 확률이 높아지므로 발광 효율이 떨어질 수 있다. 본 실시예에 따르면, 하부 표면(120gb)의 일부는 제1 반사층(140)에 덮이지 않고 노출되므로, TE+TM 와 같은 경로로 진행하는 광들이 자외선 발광 소자(100)의 외부로 쉽게 추출될 수 있어 발광 효율이 향상될 수 있다. 또한, 노출된 활성층(123)의 측면에서 방출된 TM 편광된 광(TM1)이 굴절되는 각도는 제한적이므로, 제1 반사층(140)이 홈(120g)의 하부 표면(120gb)을 전체적으로 덮지 않고 홈(120g)의 하부 표면(120gb)의 가운데에 위치하더라도 TM 편광된 광(TM1)을 반사시키는 데에는 큰 영향이 없다. 따라서 제1 반사층(140)을 홈(120g)의 하부 표면(120gb)의 중심부에 위치시키고, 제1 반사층(140) 주변의 하부 표면(120gb)의 일부를 노출시킴으로써, 자외선 발광 소자의 발광 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 계면(IF)이 활성층(123)에 수평한 면(123p)에 대해 경사진 각(θ0), 홈(120g)의 폭(L1), 홈(120g)의 깊이(D1, D2), 활성층(123)의 굴절률(n1), 및 홈(120g)을 채우는 물질(또는 활성층(123)의 측면을 덮는 물질)의 굴절률(n2)은 소정의 관계를 갖도록 형성될 수 있다. 즉, θ0, L1, D1, D2, n1, 및 n2는 서로 소정의 관계를 가짐으로써, 홈(120g)의 측면으로 방출된 TM 편광된 광(TM1)이 외부로 방출될 수 있는 확률을 높여, 자외선 발광 소자(100)의 발광 효율이 향상되도록 할 수 있다. 실시예들에서, 활성층(123)의 측면으로부터 방출된 TM 편광된 광(TM1)이 손실없이 가장 효율적으로 외부로 방출되는 경로는, 도 5에 도시된 바와 같이 개구된 홈(120g)의 상부로 바로 진행되는 것이다. 따라서, TM 편광된 광 중 최대한 많은 비율이 개구된 홈(120g)의 상부로 진행할 수 있도록, 홈(120g)의 폭, 깊이, 및 측면 경사 등을 조절할 수 있다.
구체적으로, 도 5를 참조하면, 활성층(123)의 측면이 활성층(123)에 대해 수평한 면(123p)에 대해 경사진 각은 θ0로 정의하고(몇몇 실시예들에서, 홈(120g)의 측면 경사에 대응할 수 있다), 활성층(123)에 대해 수평한 면(123p)의 위치에서의 홈(120g)의 폭을 L1으로 정의하며, 홈(120g)의 바닥면(120gb)으로부터 활성층(123)에 대해 수평한 면(123p)까지의 깊이를 D1, 활성층(123)에 대해 수평한 면(123p)으로부터 제2 도전형 반도체층(125)의 상면에 수평한 면까지의 깊이를 D2로 정의한다. 또한, 계면(IF)에서 TM 편광된 광(TM1)의 입사각을 θ1으로 정의하고, 출사각은 θ2으로 정의한다. 또한, 활성층(123)의 굴절률은 n1, 홈(120g)을 채우는 물질(또는 활성층(123)의 측면을 덮는 물질)의 굴절률 n2로 정의한다. n1, n2, θ1, θ2는 스넬의 법칙에 따라 n1 sin(θ1) = n2 sin(θ2) 의 공식을 만족한다. 아래 식 1 및 식 2를 만족하는 경우, TM 편광된 광 중 최대한 많은 비율이 개구된 홈(120g)의 상부로 진행할 수 있어 자외선 발광 소자(100)의 발광 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
[식 1]
Figure pat00003
[식 2]
Figure pat00004
다양한 실시예들에서, 다양한 매질이 홈(120g)을 적어도 부분적으로 채울 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 홈(120g)을 채우는 물질을 형성하지 않는 경우, 공기에 의해 홈(120g)이 채워지게 된다. 또 다른 실시예들에서, 절연성 물질이 홈(120g)의 적어도 일부를 채울 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 자외선 발광 소자(100)는 투광성 절연층(170)을 더 포함할 수 있고, 투광성 절연층(170)은 자외선 광에 대한 광 투과율이 높은 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 투광성 절연층(170)은 SiO2, SiNx등과 같은 실리콘 화합물, 불소화에틸렌프로필렌(FEP) 등과 같은 폴리머 물질, ZrO2, TiO2, HfO2, Nb2O5등과 같은 절연성 물질 등을 포함할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 투광성 절연층(170)은 홈(120g)의 측면(120gs)을 덮을 수 있고, 특히, 홈(120g)의 측면(120gs)에 노출된 활성층(123)의 측면을 덮을 수 있다. 도시된 바와 같이, 투광성 절연층(170)의 상면은 제2 도전형 반도체층(125)의 상면과 대체로 나란하게 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 투광성 절연층(170)의 상면은 오목 또는 볼록한 형상을 가질 수도 있다. 또한, 투광성 절연층(170)은 홈(120g)의 표면을 따라 형성되는 층 형태로 형성될 수도 있다.
투광성 절연층(170)에 의해 활성층(123)과 홈(120g)의 계면에서의 TM 편광된 광(TM1)의 굴절 각도가 변화할 수 있다. 따라서 투광성 절연층(170)의 형성 형태, 형성 물질 등에 따라 홈(120g)의 폭, 깊이가 변경될 수 있고, 나아가, 제1 반사층(140)의 크기 등이 제어될 수 있다. 예컨대, 투광성 절연층(170)이 Si02로 형성되는 경우, SiO2는 공기에 비해 굴절률이 크므로, 계면(IF)에서 TM 편광된 광(TM1)이 굴절되는 각이 작아진다. 따라서 제1 반사층(140)의 크기를 감소시킬 수 있다. 이 경우, 제1 도전형 반도체층(121)의 하부로부터 상부로 진행하는 광이 자외선 발광 소자(100)의 외부로 방출될 수 있는 영역을 더 넓게 확보할 수 있다.
또한, 투광성 절연층(170)은 활성층(123)의 측면을 덮으므로, 외부 환경으로부터 활성층(123)을 보호할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 발광 구조체(120)는 복수의 홈(120g)을 포함할 수도 있다. 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 홈(120g)은 대체로 정방형 내지 장방형의 평면 형상을 가질 수 있고, 일정한 패턴으로 규칙적으로 배열될 수 있다. 홈(120g)을 일정한 패턴으로 규칙적으로 배열함으로써 발광 패턴을 균일하게 할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 전류가 분산되는 것에 따라 발광 패턴을 고려하여 홈(120g)을 불규칙하게 배열할 수도 있다.
홈(120g)의 크기, 배치, 및 메사(120m)의 수평 면적에서 홈(120g)이 차지하는 비율의 변경을 통해서 발광 패턴, 발광 효율을 제어할 수 있다. 메사(120m)의 수평 면적을 기준으로 홈(120g)이 차지하는 면적의 비율이 너무 크면, 발광 영역(활성층(123)의 영역)이 감소하여 전류 밀집이 심화될 수 있다. 이 경우 발광 효율 저하 및 효율 드룹의 심화 현상이 발생할 수 있다. 또한, 메사(120m)의 수평 면적을 기준으로 홈(120g)이 차지하는 면적의 비율이 너무 작으면, 홈(120g)의 측면을 통한 TM 편광된 광의 외부 추출 비율이 감소하여 발광 효율이 저하될 수 있다. 따라서 제2 도전형 반도체층(125)의 상면 면적에 대한 홈(120g)의 면적의 비율은 약 1/6 내지 1/2일 수 있고, 이 경우 전류 밀집이 심화되지 않으면서, TM 편광된 광의 외부 추출 효율이 높아져 전체적인 발광 효율이 향상될 수 있다.
한편, 홈(120g)의 형태는 도 1 내지 도 4에 도시된 바에 한정되지 않으며, 도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이 홈(120g)의 평면 형상은 다양하게 변형될 수 있다.
먼저, 도 7을 참조하면, 홈(120g)의 평면 형상은 원형 또는 다각형으로 형성될 수 있다. 홈(120g)의 평면 형상을 원형 또는 오각형 이상의 다각형으로 형성하는 경우, 발광 소자(100)에서 방출되는 광 중 지향각이 큰 광의 상대 광량을 증가시킬 수 있다. 도 8을 참조하면, 복수의 홈(120g)은 가상의 직선을 따라 일렬로 나란히 배치되지 않고, 지그재그 패턴으로 형성될 수 있다. 구체적으로, 도 8의 홈(120g)들 중 가장 상부쪽에 위치하는 홈(120g)들을 제1 행의 홈들이라고 정의하고, 상기 제1 행의 홈들로부터 하부쪽으로 제2 행의 홈들, 제3 행의 홈들, 제4 행의 홈들 및 제5 행의 홈들이라고 정의한다. 제1 내지 제5 행의 홈들 중 하나의 행을 기준으로, 인접하는 다른 행의 홈(120g)들은 상기 하나의 행의 홈(120g)의 사이에 배치될 수 있다. 따라서, 이러한 패턴에서 홈(120g)들의 중심부들을 연결한 가상의 선은 지그재그 패턴을 이룰 수 있다. 이와 같이, 홈(120g)들을 일렬로 배치하지 않고 어긋나도록 배치함으로써, 인접하는 홈(120g)에 의한 광 효율 저하를 방지할 수 있다. 또한, 도 9를 참조하면, 홈(120g)은 일 방향으로 기다랗게 연장되는 형상을 가질 수도 있다.
또한 다른 다양한 실시예들에서, 홈(120g)은 메쉬 형태로 형성되어 서로 연결된 형태로 형성될 수도 있다.
발광 구조체(120)는 외곽 측면에 형성된 경사진 측면(120s)을 포함할 수 있다. 발광 구조체(120)의 경사진 측면(120s)의 경사진 각도는 홈(120g)의 측면(120gs)의 경사각과 동일할 수도 있고, 서로 다를 수도 있다.
다시 도 1 내지 도 5를 참조하면, 자외선 발광 소자(100)는 제1 도전형 반도체층(121)의 아래에 위치하는 기판(110)을 더 포함할 수도 있다. 기판(110)은 절연성 또는 도전성 기판일 수 있다. 기판(110)은 발광 구조체(120)를 성장시키기 위한 성장 기판일 수 있으며, 사파이어 기판, 실리콘 카바이드 기판, 실리콘 기판, 질화갈륨 기판, 질화알루미늄 기판 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 기판(110)은 상면에 형성된 복수의 돌출부들을 포함하는 패턴된 사파이어 기판(Patterned sapphire substrate; PSS)을 포함할 수 있다.
컨택 전극(130)은 제2 도전형 반도체층(125) 상에 위치한다. 일 실시예에서, 컨택 전극(130)은 제2 도전형 반도체층(125)과 오믹 컨택할 수 있다. 컨택 전극(130)은 광 투과성을 가질 수 있고, 예를 들어, ITO, ZnO 등을 포함할 수 있다. 컨택 전극(130)의 수평 면적은 제2 도전형 반도체층(125) 상면의 수평 면적보다 작을 수 있다. 이는 컨택 전극(130) 형성 시의 공정 마진에 의해 형성된 것일 수도 있고, 또는 발광 효율 향상을 위해 의도적으로 형성된 것일 수도 있다. 예컨대, 컨택 전극(130)은 홈(120g)을 노출시키는 개구부들을 포함할 수 있고, 상기 개구부의 수평 단면적이 홈(120g) 상부의 단면적보다 큰 경우, 도면들에 도시된 바와 같이 개구부들이 홈(120g)을 둘러싸는 형태로 형성된다. 이러한 경우, 홈(120g)에서 방출되는 자외선 광이 컨택 전극(130)을 통과할 확률이 감소하게 되므로, 발광 효율이 증가될 수 있다.
제1 전극(151) 및 제2 전극(153)은 각각 제1 도전형 반도체층(121) 및 제2 도전형 반도체층(125)에 전기적으로 연결된다. 일 실시예에서, 제1 전극(151)은 메사(120m) 상에 위치하며 컨택 전극(130)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 전극(153)은 메사(120m) 주변에 위치하며 제2 도전형 반도체층(125)과 오믹 컨택할 수 있다. 제1 전극(151) 및 제2 전극(153)의 위치 및 개수는 제한되지 않는다. 제1 전극(151) 및 제2 전극(153)은 단일층 또는 다중층으로 이루어질 수 있고, 다중층으로 형성된 경우, 예컨대, 접착층, 확산방지층 및 본딩층을 포함할 수 있다. 상기 접착층은 예를 들어, Ti, Cr 또는 Ni을 포함할 수 있으며, 확산방지층은 Cr, Ni, Ti, W, TiW, Mo, Pt 또는 이들의 복합층으로 형성될 수 있고, 본딩층은 Au 또는 AuSn을 포함할 수 있다.
제2 반사층(160)은 제1 도전형 반도체층(121)의 하부에 위치할 수 있다. 나아가, 제2 반사층(160)은 기판(110)의 하부에 위치할 수도 있다. 제2 반사층(160)은 자외선 발광 소자(100)의 하부로 향하는 광을 반사시켜 발광 효율을 향상시킨다. 제2 반사층(160)은 금속성 물질, 또는 분포 브래그 반사기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 반사층(160)은 Ag, Pt, Al 등과 같은 금속성 반사물질을 포함할 수도 있고, SiO2층/ZrO2층이 반복 적층된 것과 같은 분포 브래그 반사기를 포함할 수도 있다.
이상에서, 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 설명하였지만, 상술한 다양한 실시예들 및 특징들에 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한 상술한 실시예들에서 수평형 구조의 자외선 발광 소자에 대해서 설명하였으나, 본 발명의 사상은 상술한 실시예의 자외선 발광 소자에 한정되는 것은 아니며, 다양한 구조의 다른 자외선 발광 소자들에 대해서도 동일 및 균등한 범위에서 적용될 수 있다. 또한, 본 발명의 특허청구범위에 의한 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능하다.

Claims (17)

  1. 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층의 상에 위치하는 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층의 사이에 위치하며 자외선 광을 방출하는 활성층을 포함하는 발광 구조체를 포함하고,
    상기 발광 구조체는, 상기 제2 도전형 반도체층 및 활성층을 관통하여 상기 제1 도전형 반도체층을 부분적으로 노출시키는 적어도 하나의 홈을 포함하고,
    상기 홈의 측면에 노출된 활성층의 측면은 상기 활성층에 수평한 면에 대해 예각의 각도로 경사진 측면을 포함하며,
    상기 자외선 광은 TM 편광된 광을 포함하는 자외선 발광 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 홈의 하부 표면 상에 위치하는 제1 반사층을 더 포함하는 자외선 발광 소자.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 반사층은 Al을 포함하는 자외선 발광 소자.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 반사층의 주변에는 상기 홈의 하부 표면이 노출되는 자외선 발광 소자.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 반사층은 상기 홈의 하부 표면의 면적에 대해 1/3 이하의 면적을 갖는 자외선 발광 소자.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 반사층의 상기 홈의 하부 표면의 중심부 상에 위치하는 자외선 발광 소자.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층의 상면 면적에 대한 상기 홈의 면적의 비율은 1/6 내지 1/2인 자외선 발광 소자.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층은 3.0eV내지 4.0eV의 밴드갭 에너지를 갖는 질화물계 반도체를 포함하는 자외선 발광 소자.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층은 P-GaN을 포함하는 자외선 발광 소자.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 발광 구조체는 경사진 측면을 포함하고, 상기 경사진 측면에는 상기 활성층의 측면이 부분적으로 노출되는 자외선 발광 소자.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 홈의 평면 형태는 다각형 또는 원형인 자외선 발광 소자.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 발광 구조체는 복수의 홈을 포함하고,
    상기 복수의 홈들의 중심들을 잇는 가상선은 지그재그 패턴을 포함하는 자외선 발광 소자.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 홈은 일 방향으로 기다랗게 연장되는 형상을 갖는 자외선 발광 소자.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 발광 구조체에서 방출되는 광의 피크 파장은 350nm 이하인 자외선 발광 소자.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층의 하부에 위치하는 제2 반사층을 더 포함하는 자외선 발광 소자.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 홈을 적어도 부분적으로 채우는 투광성 절연층을 더 포함하는 자외선 발광 소자.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 홈에 노출된 활성층의 측면이 상기 활성층에 대해 수평한 면에 대해 경사진 각은 θ0이고, 상기 활성층에 대해 수평한 면의 위치에서의 상기 홈의 폭은 L1이며, 상기 홈의 하부 표면으로부터 상기 활성층에 대해 수평한 면까지의 깊이는 D1이고, 상기 활성층에 대해 수평한 면으로부터 상기 제2 도전형 반도체층의 상면에 수평한 면까지의 깊이는 D2이며,
    상기 활성층과 상기 홈의 계면에서 상기 TM 편광된 광의 입사각 및 출사각은 각각 θ1 및 θ2이고, 상기 활성층의 굴절률은 n1, 상기 홈을 채우는 물질 또는 상기 활성층의 측면을 덮는 물질의 굴절률은 n2이며,
    [식 1] 및 [식 2]의 조건을 만족하는 자외선 발광 소자.
    ([식 1]
    Figure pat00005
    , [식 2]
    Figure pat00006
    )
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