KR20180027622A - 광 추출 구조를 갖는 반도체 발광 장치 - Google Patents

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아우렐리엔 제이.에프. 데이비드
헨리 쾅-힌 초이
조나단 제이. 위어러
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루미리즈 홀딩 비.브이.
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Abstract

스침 입사 각도들에서 방출되는 광의 추출을 증가시킬 수 있는 구조들이 반도체 발광 장치에 통합된다. 일부 실시예들에서, 상기 장치는 전반사에 의해 금속 콘택트들로부터 다른 곳으로 광을 유도하는 저굴절률 재료를 포함한다. 일부 실시예들에서, 상기 장치는 스침 각도 광을 직접 추출하거나, 또는 상기 스침 각도 광을 상기 장치로부터 더 용이하게 추출되는 보다 작은 입사 각도들로 유도할 수 있는 반도체 구조 내의 공동들과 같은 추출 피처들을 포함한다.

Description

광 추출 구조를 갖는 반도체 발광 장치{SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE WITH LIGHT EXTRACTION STRUCTURES}
현재 이용 가능한 가장 효율적인 광원들 중에는 LED(light emitting diode), RCLED(resonant cavity light emitting diode), VCSEL(vertical cavity laser diode), 및 측면 방출 레이저(edge emitting laser)를 포함하는, 반도체 발광 장치들이 있다. 가시 스펙트럼을 가로질러 동작 가능한 고휘도 발광 장치들의 제조에서 현재 흥미 있는 재료 시스템들은 Ⅲ-질화물 재료라고도 불리는, 그룹 Ⅲ-Ⅴ 반도체들, 특히 갈륨, 알루미늄, 인듐, 및 질소의 2원, 3원, 및 4원 합금들을 포함한다. 전형적으로, Ⅲ-질화물 발광 장치들은 MOCVD(metal-organic chemical vapor deposition), MBE(molecular beam epitaxy), 또는 다른 에피택셜 기법들에 의해 사파이어, 탄화 규소, Ⅲ-질화물, 또는 다른 적당한 기판 위에 상이한 조성들 및 농도들의 반도체 층들의 스택(stack)을 에피택셜 성장시키는 것에 의해 제조된다. 그 스택은 종종 기판 위에 형성된, 예를 들면, Si로 도핑된 하나 이상의 n-타입 층, 및 그 n-타입 층 또는 층들 위에 형성된 활성 영역 내의 하나 이상의 발광 층들, 및 그 활성 영역 위에 형성된, 예를 들면, Mg로 도핑된 하나 이상의 p-타입 층을 포함한다. 그 n-타입 및 p-타입 영역들 위에 전기 콘택트들이 형성된다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 스침 입사 각도들(glancing incidence angles)에서 방출되는 광의 추출을 증가시킬 수 있는 구조들이 발광 장치에 통합된다. 상기 발광 장치는, 예를 들면, Ⅲ-질화물 박막 플립 칩 발광 다이오드일 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 장치는 전반사(total internal reflection)에 의해 금속 콘택트들로부터 다른 곳으로 광을 유도하는 구조를 포함한다. 예를 들면, 상기 장치는 n-타입 영역과 p-타입 영역의 사이에 배치된 발광 층을 포함하는 반도체 구조를 포함할 수 있다. 반사 금속 콘택트가 상기 반도체 구조의 하부 면에 배치되고 상기 p-타입 영역에 전기적으로 연결된다. 저굴절률 재료(low index material)가 상기 p-타입 영역과 상기 반사 금속 콘택트의 적어도 일부의 사이에 배치된다. 상기 저굴절률 재료와 상기 p-타입 영역 사이의 굴절률의 차이, 및 상기 저굴절률 층의 두께는 스침 입사 각도의 전반사를 보장하도록 선택된다. 예를 들면, 상기 저굴절률 재료의 굴절률과 상기 p-타입 영역의 굴절률 사이의 차이는 적어도 0.4일 수 있다. 상기 반도체 구조와 상기 저굴절률 재료 사이의 계면은 스침 각도들에서, 즉 상기 발광 층의 주 평면의 법선에 관하여 70°보다 더 큰 각도들에서 상기 계면에 입사하는 광을 효율적으로 반사하도록 구성된다.
일부 실시예들에서, 상기 장치는 스침 각도 광을 직접 추출하거나, 또는 상기 스침 각도 광을 상기 장치로부터 더 용이하게 추출되는 보다 작은 입사 각도들로 유도할 수 있는 추출 피처(feature)들을 포함한다. 예를 들면, 상기 피처들은 상기 반도체 구조의 상부 또는 하부 표면으로부터 연장하는 상기 반도체 구조 내의 공동들(cavities)일 수 있다. 상기 공동들은 상기 발광 층의 주 표면에 관하여 35°와 55°사이의 각도로 향하게 된 측벽들을 가질 수 있다. 상기 공동들의 측벽들은 완전히 또는 부분적으로 유전체 재료로 라이닝될 수 있다(lined). 상기 공동들은 금속으로 채워질 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 금속은 상기 n-타입 영역과 전기 접촉한다.
여기에 참고로 통합되는, 미국 특허 7,256,483에서 더 상세히 설명된 Ⅲ-질화물 플립 칩 박막 LED가 예시된다. 예를 들면, 사파이어 또는 SiC와 같은 임의의 적당한 기판 위에 n-타입 층들(16), 활성 층(18), 및 p-타입 층들(20)이 성장된다. p-층 표면은 다이 금속화 층(die metallization layer)(24)(예를 들면, Ag)과 옴 접촉(ohm contact)을 형성하기 위해 고농도로 도핑된다. 금속화(24)는 활성 층에 의해 방출되는 광에 대해 반사율이 높을 수 있다. LED 형성 프로세스 동안에 p-층(20) 및 활성 층(18)의 부분들이 에칭되어 제거되고, 금속(50)(금속화 층 및 접합 금속)은 p-콘택트 금속(24)과 장치의 동일한 측면에 있는 n-층(16)과 접촉한다.
n-금속(50) 및 p-금속(24)은 패키지 기판(12) 상의 패드들(22)에 접합된다. LED를 가로질러 열 구배(thermal gradient)를 감소시키고, 부착에 대한 기계적 강도를 추가하고, 오염물질이 LED 재료와 접촉하는 것을 막기 위해 LED의 아래의 보이드들(voids)에 언더필 재료(52)가 증착될 수 있다. 접합 기술은 납땜, 열압착(thermocompression), 상호 확산(interdiffusion), 또는 초음파 용접에 의해 접합된 금 스터드 범프 어레이(gold stud bump array)일 수 있다. 다이 금속화 및 접합 재료의 조합은 금속들(24 및 50)로서 예시되어 있고 반도체 재료에 인접한 금속화 층의 광학 특성들을 보호하기 위한 확산 장벽 또는 다른 층들을 포함할 수 있다. 패키지 기판(12)은 전기 절연 재료 AlN으로 형성되고, 비아들(vias)(28) 및/또는 금속 트레이스들을 이용하여 납땜 가능한 전극들(26)에 연결된 금 콘택트 패드들(22)을 갖는다. 다르게는, 패키지 기판(12)은, 양극 처리(anodize)된 AlSiC와 같이, 단락을 막기 위해 패시베이션된다면(passivated) 전도 재료로 형성될 수 있다. 패키지 기판(12)은 열 싱크(heat sink)로서 기능하기 위해 또는 열을 더 큰 열 싱크로 전도하기 위해 열 전도성일 수 있다.
성장 기판은 엑시머 레이저 빔을 이용하여 제거될 수 있다. 레이저 빔은 GaN 재료를 그것의 성장 기판과의 계면에서 녹여, 성장 기판이 리프트 오프(lift off)되게 한다. 다르게는, 성장 기판은 RIE 에칭과 같은 에칭에 의해, 성장 기판과 LED 층들 사이의 층을 에칭하여 제거하는 것과 같은 리프트오프 기법들에 의해, 또는 랩핑(lapping)에 의해 제거될 수 있다.
노출된 비교적 두꺼운 GaN 층(16)은 옵션으로 RIE와 같은 건식 에칭을 이용한 에칭에 의해 박막화된다(thinned). 하나의 예에서, 에칭되는 GaN 층(16)의 두께는 7 ㎛이고, 에칭은 GaN 층(16)의 두께를 대략 1 ㎛까지 감소시킨다. 만약 모든 에피택셜 LED 층들의 초기 두께가 9 ㎛라면, 이 경우 에칭은 LED 층들의 총 두께가 3 ㎛가 되게 한다. 완성된 장치의 반도체 구조의 총 두께는 일부 실시예들에서는 10 ㎛ 이하이고, 일부 실시예들에서는 5 ㎛ 이하이고, 일부 실시예들에서는 2 ㎛ 이하이고, 일부 실시예들에서는 1 ㎛ 이하일 수 있다. 박막화 프로세스는 레이저 리프트 오프 프로세스에 의해 야기된 손상을 감소시키고, 저온 GaN 핵생성 층(nucleation layer) 및 인접한 층들과 같은, 더 이상 필요하지 않은 광학적으로 흡수하는 층들의 두께를 감소시킨다. 활성 층에 인접한 n-타입 클래딩 층(cladding layer)의 전부 또는 일부는 온전히 남겨진다.
LED(n-층(16))의 상부 표면은 증가된 광 추출을 위해 텍스처링된다(textured). 하나의 실시예에서, 층(16)은 KOH 용액(46)을 이용하여 광전기화학적으로(photo-electrochemically) 에칭된다. 이것은 (n-타입 Si 도핑을 갖는) GaN 표면에 "화이트" 거칠기("white" roughness)를 형성한다. 이 에칭 프로세스는 또한 n-층(16)을 더 박막화하고 LED 형성 프로세스 동안에 성장된 에칭 정지 층(etch stop layer)을 이용하여 미리 결정된 두께에서 정지하여, 매끄러운 표면을 남기기 위해 이용될 수 있다. 이 후자의 방법은 공명 장치 설계를 위해 유용하다. 그러한 장치들에서는, 이제 LED의 상부 표면 위에 미러 스택(mirror stack)(예를 들면, 브래그 반사체(Bragg reflector))이 증착될 수 있다. 추가적인 광 추출 기법들은 마이크론 또는 나노미터 스케일 패턴 에칭(micron or nanometer scale patterned etching)(딤플(dimple) 또는 광 결정(photonic crystal))을 포함할 수 있다.
예시적인 장치에서는, 일반적으로, 무작위 텍스처링(random texturing) 또는 정연한 텍스처링(ordered texturing)에 의한 표면에서의 표면 텍스처링의 특징적인 사이즈는 활성 층에 의해 방출되는 광의 한 파장 정도이다. 그러한 장치들의 성능은 활성 영역에 의한 및 금속 콘택트들에 의한 흡수와 같은, 장치에서의 흡수 프로세스들의 및 광 추출 프로세스의 상대적인 효율에 의존한다. 흡수 프로세스들은 전형적으로 바운스당(per bounce) 수 퍼센트(1 내지 10%)에 달한다. 장치로부터의 광 추출은 만약 바운스당 광 추출률이 바운스당 흡수율보다 더 강하다면 효율적이다.
텍스처링된 표면으로부터의 광 추출은 광의 입사 각도에 강하게 의존한다. 상부 표면의 법선에 관하여 작은 각도들에서 표면에 부딪치는 광(30)은 용이하게 추출된다. 여기에서 스침 각도 광(glancing angle light)으로 불리는, 상부 표면의 법선에 관하여 큰 각도들에서 표면에 부딪치는 광(32)은 추출하기가 더 어렵다. 스침 각도 광의 대부분은 후방 산란에 의해 또는 정반사성 반사에 의해 LED 안으로 도로 반사된다. 반사된 광은 흡수되기 쉽다. 예를 들면 장치의 상부 표면의 법선에 관하여 70°와 90°사이의 각도의 범위에서 입사하는 스침 각도 광의 추출 효율은 단지 수 퍼센트이다. 이것은 광 결정에 부딪치는 평면 파에 대한 원-패스 추출 대 각도(0°는 광 추출 표면의 평면, 즉 n-타입 영역(16)의 상면에 수직임)를 나타내는 도면으로 도시될 수 있다. 큰 각도들(스침 각도들)에서, 추출은 작은 각도들에서보다 적고, 따라서 추출을 위해 더 많은 바운스를 필요로 한다.
스침 각도들에서 후방 산란되는 광은 대개 (확산 산란에 대립되는 것으로서) 정반사성 반사를 겪고 동일한 입사 각도를 유지한다. 이것은 동일한 구조에 대한 원-패스 정반사성 반사 대 각도(0°는 광 추출 표면의 평면에 수직임)를 나타내는 도면으로 도시될 수 있다. 스침 각도들에서, 광의 많은 부분(large fraction)은 정반사성 반사를 겪는다. 그러므로 텍스처링된 표면은 스침 각도 광을 더 용이하게 추출되는 보다 작은 각도들에서 전파하는 광으로 변환하는 양호한 메커니즘이 아니다. 스침 입사 각도들에서 방출되는 광은 장치에 의해 방출되는 광의 상당한 부분(어떤 장치들에서는 약 40%)을 나타내기 때문에, 장치의 추출 효율을 개선하기 위해서는 스침 각도 광을 추출하는 것이 바람직하다. 장치의 패터닝된 상부 표면의 특정한 기하학적 외형에 대하여 산출된 결과들이 도시하는 경향들(즉, 스침 각도들에서 불량한 추출 및 많은 후방 산란)은 패터닝된 표면의 다양한 기하학적 외형들에 대해서도 적용된다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 스침 입사 각도들에서 방출되는 광의 추출을 증가시킬 수 있는 구조들이 Ⅲ-질화물 박막 플립 칩 발광 장치에 통합된다. 일부 실시예들에서, 장치는 전반사에 의해 금속 콘택트들로부터 다른 곳으로 광을 유도하는 구조를 포함한다. 일부 실시예들에서, 장치는 스침 각도 광을 직접 추출하거나, 또는 스침 각도 광을 장치로부터 더 용이하게 추출되는 보다 작은 입사 각도들로 유도할 수 있는 반도체 구조 내의 추출 피처들을 포함한다.
금속 p-콘택트와 반도체 구조의 적어도 일부의 사이에 배치된 저굴절률 층을 갖는 장치들이 예시된다. 예시적인 장치들 모두에서, 저굴절률 층은 바람직하게 거의 또는 전혀 광 손실을 일으키지 않는다. 일부 실시예들에서, p-타입 영역, 저굴절률 층, 및 p-콘택트는 p-타입 영역 상의 반사 p-콘택트 금속 및 저굴절률 층의 합성 반사율이 p-타입 상의 반사 p-콘택트 금속만의 반사율보다 더 크도록 구성된다.
저굴절률 층을 추가하는 것은 콘택트의 반사율을 향상시킬 수 있다. 저굴절률 층의 타입 및 그것의 두께는 유용한 각도들에서의 광의 전반사가 최대화되어, 저굴절률 층이 없는 반사 금속 콘택트에 비하여 우수한 반사가 되도록 선택된다. 상이한 각도들에서의 광이 저굴절률 층/금속 반사 콘택트에서 어떻게 반사되는지를 도시할 수 있다. 광선(66)은 식 θc = Sin-1(nlow/nGaN)에 의해 주어지는, GaN(20)(n=nGaN)과 저굴절률 층(36, 40)(n=nlow) 사이의 임계 각도 θc보다 작은 입사 각도를 갖는다. 광선(66)의 작은 비율이 손실 없이 즉시 저굴절률 층(36, 40)으로부터 반사될 수 있다. 광선(66)의 대부분은 저굴절률 층(36, 40)을 관통하여 금속(24)에서 반사한다. 광선(66)의 경우, 저굴절률 층(36, 40)에서의 왕복 손실(round-trip loss)(즉, 광이 저굴절률 층을 통하여 진행하고, 금속 층에서 반사되고, 그 후 저굴절률 층을 통하여 다시 진행하는 경우의 손실)은 바람직하게는 (개재하는 저굴절률 층이 없는) 반도체 구조(20)로부터 금속 층(24)에서 직접 반사하는 광선의 손실보다 크지 않다. 이 손실은 반도체/저굴절률 층/금속 반사체의 반사율이 반도체/금속 반사체의 반사율보다 더 낫도록 - 저굴절률 층에서의 흡수에 의존하는 - 저굴절률 층에 대한 최대 두께를 정의한다.
광선(70)도 임계 각도 내에 있지만, 저굴절률 층(36, 40)은 더 두껍고 일부 광선들은 그 층에서 공명으로 갇힐 수 있어, (금속(24)에 의한 또는 저굴절률 층(36, 40)에 의한) 그들의 흡수를 증가시킨다. 이 효과는 반도체(20), 저굴절률 층(36, 40), 및 금속 층(24) 굴절률들 및 두께들이 적당하게 선택되지 않으면 콘택트의 유효 반사율을 저하시킬 수 있다. 광선들(66 및 70)의 거동은 SiO2 저굴절률 층에 대하여 도시될 수 있다. GaN p-타입 영역(20), SiO2 저굴절률 층(36), 및 Ag p-콘택트(24)를 갖는 장치들에 대한 입사 각도의 함수로서의 반사율의 플롯이 도시될 수 있다. SiO2의 3개의 두께들, 0 nm(즉, 저굴절률 층이 없음), 70 nm, 및 400 nm가 예시된다. 얇은 SiO2 층(70 nm)의 경우 임계 각도 아래에서(<40°) 공명이 없고 반사율은 매끄러운 각도의 함수이다. 반사율은 Ag만 있는 것보다 더 높다. 더 두꺼운 SiO2 층(400 nm)의 경우 임계 각도 아래에서 광이 SiO2에 갇히는 2개의 공명이 존재하고 반사율은 나빠진다. 이 공명들을 회피하기 위하여, 저굴절률 층의 두께는 (미리 위상 천이(mirror phase shift)를 고려하여) 저굴절률 층에서 반파장 두께보다 더 작을 필요가 있다. 대부분의 실시예들에서, 유전체 층의 두께는 공명을 회피하기에 족할 만큼 얇으며, 예를 들면, 100 nm보다 작다. 다른 실시예들에서 유전체는 두껍고 공명을 지원할 수 있지만, 반도체 층들의 두께는 이 불리한 각도들에서의 광 방출을 최소화하거나 제거하도록 선택된다.
광선(68)은 입사 각도가 임계 각도보다 더 커서, 이 스침 각도 광의 전반사를 일으키는 경우를 나타낸다. 전반사에 의해 광을 다른 곳으로 유도함으로써 금속 콘택트에 입사하는 광의 양을 감소시키는 것은 임계 각도보다 더 큰 각도들에서의 콘택트의 반사율을 증가시킨다. 반사율의 최대치가 달성될 수 있도록 저굴절률 층에 대한 최소 두께가 존재한다. 전반사를 위한 각도 이상에서, 광은 저굴절률 층에서 지수 감쇠 길이(exponential decay length) Ldecay=λ/[2π√(nGaN 2Sin2θ-nlow 2)]를 갖는 소멸 파(evanescent wave)이고, 여기서 λ는 (진공에서의) 파장이고, θ는 광의 각도이고, nGaN 및 nlow는 각각 p-재료의 및 저굴절률 층의 광 굴절률들(optical indices)이다. 광은 저굴절률 층의 두께가 Ldecay와 비교하여 충분히 크다면 미러 손실(mirror loss)을 받지 않는다. 일반적으로, Ldecay는 θ 및 nlow의 값에 따라서 ~ 40-80nm이다. 일부 실시예들에서, 저굴절률 층의 두께는 적어도 Ldecay의 2배이다. 다른 실시예들에서, 그 두께는 적어도 Ldecay이다.
장치의 추출 효율은 임계 각도보다 작은 입사 각도들에서 진행하는 광(상기, 광선들(66 및 70)) 또는 임계 각도보다 더 큰 입사 각도에서 진행하는 광(상기 광선(68))의 어느 한쪽 또는 양쪽 모두의 반사율을 개선하는 것에 의해 개선된다. GaN/SiO2/Ag 구조의 경우에 위에 설명된 효과들이 요약된다. 두께 t<100nm인 SiO2의 경우, 공명이 없고 전체 반사율은 t와 함께 증가한다. 더 큰 t의 경우, 일부 각도들에서 공명이 나타나고 반사율을 감소시킨다. t = 100nm 및 t = 200nm에 대응하는 2개의 실시예들이 2개의 대시 선들에 의해 나타내어져 있다. 이 두께들은 각각 SiO2 층에서 공명이 없는 것과 하나의 공명에 대응하고, 양쪽 모두 매우 높은 반사율(50°보다 큰 각도들에 대하여 > 99.9%)을 보장한다.
저굴절률 층과의 계면에서의 반도체 재료는 전형적으로 p-타입 GaN이고, 이것은 약 2.4의 굴절률을 갖는다. 일부 실시예들에서, 저굴절률 층은 2 이하의, 더 바람직하게는 1.7 이하의 굴절률 n을 갖는다. 저굴절률 층에 대하여 2 이하의 굴절률을 갖는 것에 의해, 임계 각도는 ~55°보다 더 크지 않은 것으로 제한된다. 그러므로, 임계 각도보다 더 큰 각도들에서의 모든 광은 최대 반사율로 전반사된다. 이것은 추출하기 곤란한 스침 각도 광을 포함한다. 저굴절률 층은 스침 각도 광의 전반사를 일으키기 위해 요구되는 만큼만 두꺼우면 된다.
예시적인 장치에서는, 비전도성 저굴절률 층의 영역(36)이 p-타입 영역(20)과 p-콘택트(24)의 사이에 증착된다. 적당한 저굴절률 층들의 예들은 SiO2(n = 1.5), SiN, TiO2, 또는 Al2O3와 같은 유전체들 및 ZnO와 같은 반도체들을 포함한다. 유전체 저유전률 층은 (위에 설명된 바와 같이) 스침 광의 반사를 보장하기에 족할 만큼 두꺼워야 한다; 예를 들면, 적어도 80 nm. 일부 실시예들에서, 유전체 저유전률 층은 위에 설명된 바와 공명을 피하기에 족할 만큼 얇거나(예를 들면 100 nm 미만), 또는 하나의 공명만을 지원하기에 족할 만큼 얇을 수 있다(예를 들면, 250 nm 미만). 다른 실시예들에서 저귤절률 층은 더 두껍고 공명들을 지원하지만, 반도체 구조의 두께는 저굴절률 층에 의해 지원되는 공명들에 대응하는 각도들에서 광을 방출하는 것을 피하도록 조정된다. 일부 실시예들에서, 임계 각도 미만에서 입사하는 광의 반사율은 95%보다 크다. 일부 실시예들에서, 임계 각도보다 큰 각도에서 입사하는 광의 반사율은 98%보다 크다.
유전체 저굴절률 층이 p-콘택트(24)의 형성 전에 p-타입 영역(20)의 표면 위에 증착되고 패터닝될 수 있다. 반도체 저굴절률 층이 p-타입 영역(20)의 표면 위에 성장되거나 증착될 수 있다. 반도체 구조에서 p-콘택트(24)가 p-타입 영역(20)과 직접 접촉하는, 저굴절률 재료의 영역들 사이의 간극들(38)에 전류가 주입된다. 간극들(38)은 충분히 크고 서로 충분히 가까이 간격을 두고 있어 p-타입 영역(20)에서 p-콘택트(24)와 접촉하는 영역들로부터 저굴절률 재료(36)에 의해 p-콘택트로부터 보호된 영역들로 전류가 확산한다. p-타입 GaN에서 전류를 확산시키는 것은 그것의 저항률이 높기 때문에(~ 1 Ω-cm) 어렵다. 콘택트가 유효하기 위해서는, 간극들은 비전도성 저굴절률 층 아래에서 전류가 확산할 수 있도록 서로 충분히 가까울 필요가 있다. Ⅲ-질화물 LED들 내의 p-타입 GaN 층들은 얇은(예를 들면, 0.5 ㎛보다 작은) 경향이 있고, 이것도 그 층의 전류 확산 능력을 제한한다. 일부 실시예들에서, 간극들(38)은 폭이 적어도 100 nm이고 일부 장치들에서는 2 ㎛보다 작게 떨어져, 일부 장치들에서는 0.5 ㎛보다 작게 떨어져 간격을 둘 수 있다. 일반적으로 간극들의 면적 대 총 콘택트 면적의 비율은 높은 반사율을 위해 낮게 유지되지만, 효율적인 전류 확산을 제공하기에 족할 만큼 높다. 일부 실시예들에서, 저굴절률 층은 p-타입 영역의 표면의 총 면적의 50% 이상을 커버한다. 저굴절률 층 내의 개구들(38)은, 예를 들면, 임프린팅(imprinting), 홀로그래피, 또는 스테퍼/스캐너 리소그래피 기법들에 의해 형성될 수 있다.
예시적인 장치에서, 및 여기에서 설명된 다른 장치들에서, 성장 기판은 장치로부터 제거될 수 있다. 성장 기판이 제거되는 실시예들에서, 기판을 제거하는 것에 의해 노출된 장치의 상부 표면(34)은 무작위로 러프닝되거나(randomly roughened) 또는, 예를 들면, 광 결정(photonic crystal)으로 패터닝될 수 있다. 일부 실시예들에서, 간극들(38)의 패턴은 상부 표면(34)에 형성된 광 결정의 광 추출 효과를 증가시키거나 보완하기 위해 주기적인 방식으로 조직될 수 있다. 예를 들면, 상부 표면(34)에 형성된 광 결정에 의해 잘 추출되지 않는 광을 추출하기 위해 (간극들의 결정 또는 준결정(quasicrystal) 격자의 타입, 피치, 충전율(filling factor), 깊이 및 형상과 같은) 간극들(38)의 패턴의 파라미터들이 조정될 수 있다. 또한, 그 파라미터들은 광 결정의 방향성 광 추출을 증가시키도록 이 추출된 광의 방향성을 강화하기 위해 조정될 수 있다. 하나의 실시예에서, 간극들(38)의 패턴의 피치 및 격자 타입은 광 결정의 것과 동일하고, 예를 들면, 피치는 200 내지 600 nm 정도이다.
또 다른 예시적인 장치에서는, 전도성 저굴절률 층(40)이 p-타입 영역(20)과 p-콘택트(24)의 사이에 배치된다. 저굴절률 층(40)은 전도성이기 때문에, p-타입 영역(20)과 p-콘택트(24) 사이의 전체 계면은 저굴절률 층(40)으로 커버될 수 있다. 저굴절률 층은 또한 p-타입 층(20)과 양호하게 접촉한다. 고유 접촉 저항(specific contact resistance)은 바람직하게는 1x10-2 Ω-cm2 이하이다.
일부 실시예들에서 저굴절률 층(40)은 인듐 주석 산화물(ITO, n = 1.5), InO, ZnO, GaxOy, 또는 CuO와 같은 도핑된 산화물이다. 이 산화물은 p-도핑되거나 n-도핑될 수 있고, 그 경우 p-타입 영역에의 터널 접합(tunnel junction)이 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 도펀트는 (ITO에서의 주석과 같은) 산화물의 구성 요소들 중 하나이고; 다른 실시예들에서 도펀트는 (p-타입 ZnO에 대한 P와 같은) 추가 원소이다. 도펀트의 농도는 낮은 접촉 저항 및 적당한 전기 주입을 보장하기에 족할 만큼 높지만, 광 흡수를 피하기에 족할 만큼 낮다. 예를 들면, ITO 층 내의 주석의 양은 0%와 10% 사이에서 변할 수 있다.
일부 실시예들에서, 반도체 구조에의 저굴절률 층의 부착을 강화하고 산화물과 p-타입 반도체 재료 사이의 계면에서의 고유 접촉 저항을 향상시키기 위해 다른 재료의 박층(thin layer)(예를 들면, 수 옹스트롬의 Ni와 같은 금속)이 반도체 구조와 저굴절률 층(40)의 사이에 배치된다.
굴절률을 감소시키고 그에 따라 반도체와의 계면에서의 굴절률 대비를 증가시키기 위해, 산화물 저굴절률 층은 예를 들면 전기, 화학 또는 전기화학 습식 에칭에 의해 다공성(porous)으로 만들어질 수 있다. 다르게는, 기둥들 사이에 공극들(air gaps)을 갖는 기둥 모양의 성장을 초래하는, 각도에서의 증발(evaporation)에 의해 다공성 저굴절률 층이 형성될 수 있다. 저굴절률 층(40)은 얇기 때문에, 그것은 저항성일 수 있다. 예를 들면, 저굴절률 층(40)은 p-타입 GaN의 저항에 필적하는, 1 Ω-cm까지의 저항을 가질 수 있다.
일부 실시예들에서, 저굴절률 층(40)은 에피택셜 성장된 반도체 층이다. 전형적으로 그러한 저굴절률 층은 AlInGaN, AlGaN, 또는 AlInN과 같은 Ⅲ-질화물 층이지만, ZnO와 같은 Ⅲ-질화물이 아닌 에피택셜 재료들이 가능하다. 저굴절률 반도체 층은 그 저굴절률 층을 통하여 p-콘택트(24)로부터 p-타입 영역(20)으로 전류가 바로 주입되기에 충분할 만큼 도핑될 수 있다. 다르게는, 얇은 저농도로 도핑된 또는 도핑되지 않은 저굴절률 반도체 층의 경우에, 전류는 터널링에 의해 주입될 수 있다. 터널 주입의 경우에, 저굴절률 반도체 층에 인접한 p-타입 영역의 표면은 주입을 용이하게 하기 위해 고농도로 도핑될 수 있다.
일부 실시예들에서, 저굴절률 반도체 층은, 굴절률을 감소시키기 위하여, 산화될 수 있다. 산화된 저굴절률 층을 갖는 장치의 일부가 예시된다. n-타입 영역(16), 발광 영역(18), 및 p-타입 영역(20)이 기판 위에 성장된다. GaN에 격자 정합될 수 있는, AlInN과 같은, 산화될 수 있는 반도체 층(42)이 p-타입 영역(20) 위에 성장되고, 그 후 고농도로 도핑된 p-타입 층(46)이 성장된다. 고농도로 도핑된 층(46)의 부분들이 제거되어 밑에 있는 산화될 층의 부분들을 노출시킨다. 고농도로 도핑된 층(46)의 남아 있는 부분들은 고농도로 도핑된 층(46)을 패터닝하기 위해 이용되는 마스크에 의해 보호된다.
그 후 예를 들면 전류 접근을 위해 소량의 In이 합금될 수 있는 웨이퍼를, 8.5의 pH 값에 도달하도록, 물 안의 수산화칼륨의 0.3M 용액에 용해된 니트릴로트리아세트산(nitrilotriacetic acid)의 전해질 용액에 노출시키는 것에 의해 반도체 층(42)의 부분들이 산화된다. 약 3 V의 임계 전압에서 20 ㎂/cm2의 작은 전류 밀도가 가해진다. 산화는, 예를 들면, 시간당 5 ㎛와 20 ㎛ 사이의 비율로 측면으로 진행한다. 고농도로 도핑된 층(46)을 패터닝하는 것에 의해 노출된 반도체 층(42)의 부분들만이 산화된다. 산화 후에, 산화물 영역들(44)은 AlxOy 또는 AlxInyOz와 같은 비결정질 산화물 층들이다. AlInN 중의 In의 적어도 일부는 일반적으로 산화 후의 산화물 층에 남는다. 그 In은 산화되거나 산화되지 않을 수 있다. 산화되지 않은 반도체 재료(42)가 산화물 영역들(44)에 남는다. 예를 들면, GaN에 격자 정합된 AlInN의 굴절률은 약 2.2(GaN과의 8% 굴절률 대비)인 반면 동일한 산화된 재료의 굴절률은 약 1.8이다.
p-콘택트(24)가 그 구조물 위에 증착된다. 고농도로 도핑된 층(46)의 남아 있는 부분들이 전도성 반도체 영역들(42)과 정렬되어 있는 곳들에서 p-콘택트 층(24)으로부터 발광 영역(18) 안으로 전류가 주입된다. 산화물 영역들(44)은 전도성이 아니지만, 산화물 영역들(44)과 p-타입 영역(20) 사이의 계면에 입사하는 광의 전반사를 일으킨다. 전도성 산화물 영역들(42)은, p-타입 영역(20)에서 충분한 전류 확산을 제공하기 위하여, 폭이 적어도 100 nm이고 1 ㎛보다 작게 떨어져 간격을 둘 수 있다. 산화물 영역들(44)의 패턴은 n-타입 영역(16)의 상부 표면에 형성된 광 결정의 효과를 증가시키거나 보완하기 위해 주기적인 방식으로 조직될 수 있다.
반사성 p-콘택트(24)와 발광 영역(18) 사이의 거리는 반도체 내부의 방출 다이어그램(emission diagram) 및 캐리어들의 수명을 제어하고, 그에 따라 장치의 원거리장 패턴(far-field pattern) 및 추출 효율에 영향을 주기 위해 최적화될 수 있다. 발광 영역의 배치는 여기에 참고로 통합되는 미국 특허 번호 6,903,376에서 더 상세히 설명된다. 저굴절률 층의 추가는 발광 층들로부터 반사체로의 광학 길이를 증가시킬 수 있다. 최적화된 방출 다이어그램을 달성하기 위하여, (금속 위상 천이를 포함하는) 발광 영역(18)의 중심으로부터 금속 미러(24)로의 광의 위상 천이는 공명 공동 LED에서와 같이 공명할 필요가 있다. 일부 실시예들에서, 발광 영역(18)의 중심과 금속 반사체(24) 사이의 광학 거리는 발광 영역(18)에 의해 방출되는 광의 1/4 파장의 홀수 배수에서 반사 금속(24)의 위상을 뺀 것이다.
스침 각도 광을 직접 추출하거나, 또는 스침 각도 광을 장치로부터 더 용이하게 추출되는 보다 작은 입사 각도들로 유도할 수 있는 추출 피처들을 포함하는 장치가 예시된다. 이들 장치들은 반도체 구조의 상부 또는 하부 표면으로부터 연장하는, 거시적인 광 추출 피처들을 포함한다. 그 광 추출 피처들은, 예를 들면, 반도체 구조를 가로막는 범프들(bumps) 또는 콘들(cones)일 수 있다. 이들 피처들은 n-콘택트가 형성되어 있는 메사(mesa)와 동시에 반도체 구조에 에칭된 공동들일 수 있다.
예시적인 장치는, 2개의 광 추출 피처들(48 및 54)을 포함하고 있다. 광 추출 피처 사이즈, 형상, 및 간격은, 광선(60)과 같이, 장치로부터의 스침 각도 광을 그것이 더 용이하게 추출될 수 있는 보다 작은 입사 각도로 유도하도록 선택된다. 광 추출 피처(48)는 전체 두께를 통하여 연장할 수 있지만, 피처(54)는 그럴 필요는 없다. 일부 실시예들에서는, 더 높은 피처들이 스침 각도 광을 더 효율적으로 재유도하는데, 그 이유는 스침 각도 광의 작은 부분(smaller fraction)이 재유도되지 않고 피처 위로 전파될 수 있기 때문이다. 예시적인 피처들은 유전체 재료로, 또는 공기로 채워진다. 유전체 재료는, n-콘택트(50)를 발광 영역 및 p-타입 영역으로부터 전기적으로 절연시키기 위해 증착되고 패터닝되는, 유전체 층(56)과 동시에 피처들 내에 형성될 수 있다.
또 다른 예시적인 장치에서는, 피처(57)는 (대략 한 파장 이하의 두께를 갖는) 얇은 유전체 층으로 라이닝되고(lined) p-콘택트(24)와 동시에 증착된 반사 재료로 채워진다. 위에 설명된 바와 같이, 유전체 층은 얇게 유지되고 그것의 정밀한 두께는 광학적 공명들을 피하고, 따라서 양호한 반사율을 보장하기 위하여 조정된다.
또 다른 예시적인 장치에서는, 유전체 층은 추출 피처의 위에 존재하지 않고, 따라서 그 피처를 라이닝하는 금속과 n-타입 영역(16)의 사이에 전기 접촉이 이루어진다. 그 피처는 그 후 장치의 종래의 n-콘택트들을 대체하거나 그것들을 보충하는, n 콘택트로서 이용될 수 있다. 그러한 실시예들에서, 추출 피처는, 예를 들면 그 피처를 코팅하기 위해 이용되는 유전체 층과 동시에 증착된 유전체 층에 의해, 장치 층들 아래의 p-콘택트로부터 전기적으로 절연된다.
인접한 피처들 사이의 거리는 스침 각도 광이 구조에서 흡수되지 않고 피처들에 도달하도록 충분히 짧다. 이 피처들은, 예를 들면 1 ㎛보다 작게 떨어져 간격을 두고 있는, 장치의 상부 표면(34)의 광 결정에 형성된 피처들보다 훨씬 더 멀리 떨어져, 예를 들면 10 ㎛와 300 ㎛의 사이만큼 떨어져 간격을 두고 있다. 보다 큰 흡수를 갖는 장치들은 보다 짧은 거리들을 요구한다. 흡수는 장치 내의 미러들 및 금속의 반사율에 의존하고, 또한 활성 영역에 의존한다. 예를 들면, 더 많은 활성 재료를 갖는 장치는 일반적으로 더 많이 흡수한다. 피처들 사이의 거리는 장치의 발광 영역 면적의 작은 부분만이, 예를 들면, 50% 이하만이 피처들에 손실되도록 충분히 크다. 예를 들면, 피처들이 폭이 2 ㎛와 5 ㎛ 사이이면, 피처들 사이에 50 내지 200 ㎛의 평균 분리는 10% 정도의 방출 영역의 손실에 대응한다. 일부 실시예들에서, 피처들은 스침 각도 광의 모든 궤도들이 충분히 짧은 거리, 예를 들면, 기껏해야 50 ㎛ 안에서 피처에 부딪치도록 사이즈가 정해지고 간격을 두고 있다. 본문에서 설명된 피처들(48, 54, 57, 62)은 스침 광이 장치 내에서 기껏해야 수십 미크론의 진행 후에 부딪치는 공동들을 형성하고, 한편 그 피처들에 의해 이용되는 표면의 부분은 p-콘택트에 전용되는 표면보다 작다. 피처들 사이의 간격(64)은, 예를 들면, 50 ㎛와 150 ㎛ 사이이고, 종종 100 ㎛일 수 있다. 일반적으로, 추출 피처들은 장치의 바깥쪽에 및 장치의 내부에 위치한다. 그것들은 장치를 2개 이상의 장치로 전기적으로 분리하기 위해 이용되지 않는다. 피처들은 p-콘택트가 장치의 전체에 걸쳐서 분리되지 않은, 하나의 연속적인 부분이 되도록 설계된다. 일부 실시예들에서는, 피처들 중 일부만이 또한 n-타입 영역에의 콘택트들로서 기능한다. 콘택트 영역들로서 기능하는 피처들의 수는 이 피처들의 반사율을 증가시키기 위해 최소화될 수 있다.
일반적으로, 이 피처들의 치수들은 크고, 예를 들면, 광의 파장의 몇 배이고, 따라서 그것들은 광을 기하학적 방식으로 반사하게 된다. 피처들의 측벽 각도는 그들의 효율을 최대화하기 위하여 선택된다. 스침 각도 광은 재료 내에서 90°근처에서 전파되기 때문에, 45°근처의, 예를 들면, 35°와 55°사이의 측벽 각도들을 갖는 피처가 스침 각도 광을 효율적으로 추출할 것으로 기대된다. 상부 표면(34)에 형성된 광 결정의 경우에, 피처들의 특성들은 또한 광을 선택적인 방향들로 추출하도록 그들의 측벽 각도들 및 그들의 면내 분포(in-plane distribution)를 최적화함으로써 장치의 방향성을 증가시키도록 최적화될 수 있다.
예시적인 장치에서는, 피처들(58)이 성장 기판이 제거된 후에, 예를 들면 상부 표면(34)이 광 결정 구조로 러프닝되거나 텍스처링되는 것과 동시에 형성된다. 공동들(58)은 앞서 설명된 피처들과 동일한 형상, 사이즈, 및 간격을 가질 수 있다. 공동들(58)의 측벽들은, 러프닝되거나 텍스처링될 수 있지만, 그럴 필요는 없다. 공동들(58)의 측벽은 금속, 유전체, 또는 이 둘의 조합과 같은 재료로 코팅될 수 있다.
본 발명을 상세히 설명하였으나, 이 기술의 숙련자들은, 본 명세서가 주어지면, 여기에서 설명된 발명의 개념의 정신으로부터 일탈하지 않고 본 발명에 변경들이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들면, 일부 실시예에서는 하나의 n-콘택트 비아만이 설명되었지만, 장치는 다수의 n-콘택트 비아들을 가질 수 있다. 또한, 일부 실시예의 장치들의 피처들은 다른 실시예의 장치들의 피처들과 조합될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 범위가 예시되고 설명된 특정한 실시예들에 제한되는 것은 의도되지 않는다.

Claims (7)

  1. n-타입 영역과 p-타입 영역의 사이에 배치된 발광 층을 포함하는 반도체 구조를 제공하는 단계 ― 상기 반도체 구조는 제1 표면 및 상기 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 가짐 ―;
    상기 반도체 구조의 제1 표면에 복수의 공동들을 형성하는 단계 ― 상기 복수의 공동들은 이격되어 있고 상기 n-타입 영역과 p-타입 영역 중 적어도 하나로 연장됨 ―;
    적어도 상기 제1 표면에 형성된 복수의 공동들의 각각 사이의 거리보다 더 작은 거리로 이격된 복수의 피처들을 형성하도록 상기 제2 표면의 적어도 일부를 러프닝하는(roughening) 단계;
    유전체 층으로 상기 복수의 공동들을 라이닝하는(lining) 단계;
    상기 반도체 구조의 제1 표면과 접촉하는 적어도 하나의 콘택트를 형성하는 단계; 및
    상기 반도체 구조의 제1 표면이 기판에 인접하도록 상기 반도체 구조를 상기 기판 상에 형성하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 콘택트는 상기 p-타입 영역에 전기적으로 연결된 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 공동들의 측벽들은 35°와 55°사이의 측벽 각도를 갖는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 표면은 상기 p-타입 영역의 표면이고 상기 적어도 하나의 콘택트는 적어도 하나의 p-콘택트인 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 공동들에 입사하는 광을 상기 제2 표면의 법선에 대해 70°보다 더 큰 범위의 각도로 상기 제2 표면을 통해 상기 반도체 구조의 밖으로 향하게 하도록 상기 복수의 공동들의 사이즈, 형상, 및 간격 중 적어도 하나를 선택하는 단계를 더 포함하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 층으로 상기 복수의 공동들을 라이닝하는 단계는 상기 유전체 층의 두께를 한 파장 이하이고 광학적 공명을 피하도록 선택하는 단계를 포함하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 공동들은 공기로 채워진 방법.

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