WO2014017739A1 - 발광 소자 - Google Patents

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WO2014017739A1
WO2014017739A1 PCT/KR2013/004710 KR2013004710W WO2014017739A1 WO 2014017739 A1 WO2014017739 A1 WO 2014017739A1 KR 2013004710 W KR2013004710 W KR 2013004710W WO 2014017739 A1 WO2014017739 A1 WO 2014017739A1
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WO
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layer
light emitting
type semiconductor
light
semiconductor layer
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PCT/KR2013/004710
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English (en)
French (fr)
Inventor
안도열
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인텔렉추얼디스커버리 주식회사
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    • H01L2933/0083—Periodic patterns for optical field-shaping in or on the semiconductor body or semiconductor body package, e.g. photonic bandgap structures

Definitions

  • the present invention relates to a light emitting device, and more particularly to a light emitting device that can improve the light extraction efficiency.
  • LEDs light emitting diodes
  • the semiconductor light emitting device is formed by sequentially stacking an N-type semiconductor layer, a light emitting layer, and a P-type semiconductor layer on a substrate, for example, on the N-side electrode and the P-type semiconductor layer formed on the N-type semiconductor layer. It further comprises a P-side electrode formed.
  • the semiconductor light emitting device having such a structure light generated in the light emitting layer is emitted to the outside of the semiconductor light emitting device, thereby acting as a light emitting device as one point light source.
  • Factors that determine the luminance of a semiconductor light emitting device having these characteristics are internal quantum efficiency and external quantum efficiency.
  • Korean Patent No. 691283 forms a quantum barrier layer to increase the probability of coupling holes and electrons.
  • the refractive indexes n1, n1> n2 of the semiconductor light emitting device, the refractive index n2 in the air, and the incident angle ⁇ 1 And the exit angle ⁇ 2 satisfy the following Snell's law.
  • the light incident to the inside of the semiconductor light emitting device having a larger value than the specific value is totally reflected instead of being emitted into the air due to the difference in refractive index between the air and the semiconductor light emitting device, and the light is repeatedly reflected inside and then disappears.
  • the III-V nitride-based quantum well structure-based semiconductor light emitting device most of the light is reflected inside the device due to the total reflection due to the difference between the refractive index 2.71 of the nitride and the refractive index 1 of the air. Only about 10% of the light comes out with a valid output.
  • Korean Patent Publication 2010-0122770 improves the external quantum efficiency by forming a fine pattern on the transparent electrode to reduce total reflection.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a light emitting device that can improve the external quantum efficiency (or light extraction efficiency).
  • the light emitting device for solving this problem is formed on the light emitting diode layer to generate and emit light, and to transmit the light emitted from the light emitting diode layer formed on the upper surface of the light emitting diode layer. It includes a transparent electrode layer. A first groove portion including grooves of a first period p is formed on an upper surface of the light emitting diode layer, and a second period q different from the first period p is formed on an upper surface of the transparent electrode layer. A second groove is formed that consists of grooves.
  • the final transmittance generated by the light emitting diode layer and incident on the transparent electrode layer is emitted to the outside of the transparent electrode layer is
  • first period p may be ⁇ / 4
  • second period q may be ⁇ / 2.
  • Each of the first and second groove portions may be formed of grooves having a triangular wave cross section.
  • the light emitting diode layer may include an N-type semiconductor layer, a P-type semiconductor layer spaced apart from the N-type semiconductor layer, and a light emitting layer disposed between the N-type semiconductor layer and the P-type semiconductor layer to generate light. have.
  • the transparent electrode layer may be formed on an upper surface of the P-type semiconductor layer, and the first groove portion may be formed on an upper surface of the P-type semiconductor layer.
  • the emission layer may be formed on an upper surface of the N-type semiconductor layer to expose a portion of the N-type semiconductor layer.
  • the light emitting device may further include an N-side electrode formed on a portion of the N-type semiconductor layer, and a P-side electrode formed on a portion of the transparent electrode layer.
  • the transparent electrode layer may be formed on an upper surface of the N-type semiconductor layer, and the first groove portion may be formed on an upper surface of the N-type semiconductor layer.
  • the light emitting device may further include a P-side electrode formed on the lower surface of the P-type semiconductor layer, and an N-side electrode formed on a portion of the transparent electrode layer.
  • the first groove portion formed on the upper surface of the light emitting diode layer facing the transparent electrode layer and the second groove portion formed on the upper surface of the transparent electrode layer are composed of grooves of different periods, the light emitting diode layer
  • the extraction efficiency of the light emitted from the light emitted to the outside of the transparent electrode layer may be further improved.
  • 1 is a schematic diagram showing that total reflection occurs.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a light emitting device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a schematic cross-sectional view showing a light emitting device according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • FIGS. 4 is a schematic cross-sectional view for mathematically analyzing a relationship between the first groove portion of the light emitting diode layer and the second groove portion of the transparent electrode layer in FIGS. 2 and 3.
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a light emitting device according to an exemplary embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a schematic cross-sectional view showing a light emitting device according to another exemplary embodiment of the present invention. 2 and 3 show the structure of a general light emitting diode structure and a vertical light emitting diode, respectively.
  • a light emitting device includes a light emitting diode layer 10, a transparent electrode layer 20, an N-side electrode 30, and a P-side electrode 40. do.
  • the light emitting diode layer 10 generates and emits light.
  • the light emitting diode layer 10 may include an N-type semiconductor layer 12, a P-type semiconductor layer 14 spaced apart from the N-type semiconductor layer 12, and the N-type semiconductor layer 12.
  • the light emitting layer 16 is disposed between the P-type semiconductor layers 14 to generate light.
  • the light emitting diode layer 10 may be a light emitting diode based on group III-V nitride, for example, a GaN-based quantum well structure.
  • the transparent electrode layer 20 is formed on one surface of the light emitting diode layer 10, and may be formed of, for example, an indium-tin oxide (ITO) material.
  • ITO indium-tin oxide
  • the N-side electrode 30 is formed to correspond to the N-type semiconductor layer 12 to provide electrons
  • the P-side electrode 40 is formed to correspond to the P-type semiconductor layer 14 to provide a major. do.
  • the N-side electrode 30 and the P-side electrode 40 may be made of a metal material, for example, aluminum (Al) material.
  • a first groove portion 10a is formed on an upper surface of the light emitting diode layer 10 which is in contact with the transparent electrode layer 20, and the transparent electrode layer 20 is in contact with an external air layer.
  • the first and second groove portions 10a and 20a has one end surface periodically formed with a plurality of grooves.
  • the first and second groove portions 10a and 20a may be formed of grooves formed at different periods so as to maximize the extraction efficiency of the light generated by the light emitting diode layer 10.
  • the N-type semiconductor layer 12 is formed on a substrate S, and the light-emitting layer 16 is the N-type. A portion of the semiconductor layer 12 is formed on the N-type semiconductor layer 12, the P-type semiconductor layer 14 is formed on the light emitting layer 16, the transparent electrode layer 20 is It is formed on the P-type semiconductor layer 14.
  • the N-side electrode 30 is formed on a portion of the N-type semiconductor layer 12, the P-side electrode 40 is formed on a portion of the transparent electrode layer 20.
  • the substrate S may be a sapphire substrate or a wafer substrate as a base for forming the light emitting diode layer 10.
  • the substrate S may be a III-V nitride substrate, for example, a GaN substrate.
  • the first groove portion 10a is formed on the upper surface of the P-type semiconductor layer 14 facing and facing the transparent electrode layer 20, and the second groove portion 20a is the P-type. It is formed on the upper surface of the transparent electrode layer 20 formed on the semiconductor layer 14.
  • FIG. 3 another example (vertical light emitting diode structure) of the light emitting device is described.
  • the light emitting layer 16 is formed on the P-type semiconductor layer 14, and the light emitting layer 16 is disposed on the light emitting layer 16.
  • An N-type semiconductor layer 12 is formed, and the transparent electrode layer 20 is formed on the N-type semiconductor layer 12.
  • the P-side electrode 40 is formed on the lower surface of the P-type semiconductor layer 14, the N-side electrode 30 is formed on a portion of the transparent electrode layer 20.
  • the first groove portion 10a is formed on the upper surface of the N-type semiconductor layer 12 which is in contact with the transparent electrode layer 20, and the second groove portion 20a is the N-type.
  • the upper surface of the transparent electrode layer 20 formed on the semiconductor layer 12 is formed.
  • FIGS. 2 to 3 is merely an example, and other types of light emitting devices may be applied.
  • FIGS. 4 is a schematic cross-sectional view for mathematically analyzing a relationship between the first groove portion of the light emitting diode layer and the second groove portion of the transparent electrode layer in FIGS. 2 and 3.
  • the first groove portion 10a may be formed of grooves having a period p
  • the second groove portion 20a may be formed of grooves having a period q different from the period p. .
  • each of the first and second groove portions 10a and 20a may be represented by a periodic function according to permittivity.
  • each of the periodic functions may have a triangular wave form as shown in FIG. 4, but may have various other forms, for example, a sine wave form.
  • the light wave is composed of an incident wave, a reflected wave, and a transmitted wave, and can be expressed as follows [J. A. Kong, Electromagnetic Wave Theory, pp. 499-550].
  • the transmitted electric field can be obtained from the following determinant.
  • the transmission component in the second groove portion 20a may also be derived.
  • the final transmittance of light waves has a complex function, but from the form of Q tensor If we have the form of, we can infer that we have the maximum value.
  • Is the wavelength of the light wave K is an integer multiple of 1/2 or an integer multiple of 1/4, and n and m are arbitrary integers.
  • the final transmittance of the light waves may be maximum.
  • the two groove portions 20a are formed of grooves having different periods, the light emitted from the light emitting diode layer 10 is totally reflected and extinguished when it is emitted to the outside of the transparent electrode layer 20, resulting in a final reduction. The extraction efficiency of light can be further improved.

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Abstract

광추출효율이 향상된 발광 소자가 개시된다. 이러한 발광 소자는 광을 생성하여 방출하는 발광 다이오드층, 및 상기 발광 다이오드층의 상면 상에 형성되고 상기 발광 다이오드층에서 출사된 광을 투과시키는 투명 전극층을 포함한다. 상기 발광 다이오드층의 상면에는 제1 주기(p)의 그루브들(grooves)로 구성된 제1 그루브부가 형성되고, 상기 투명 전극층의 상면에는 상기 제1 주기(p)와 다른 제2 주기(q)의 그루브들로 구성된 제2 그루브가 형성된다. 이와 같이, 상기 제1 및 제2 그루브들이 서로 다른 주기의 그루브들로 구성됨에 따라, 상기 발광 다이오드층에서 발생되어 상기 투명 전극층의 외부로 출사되는 광의 추출 효율이 보다 향상될 수 있다.

Description

발광 소자
본 발명은 발광 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광추출 효율을 향상할 수 있는 발광 소자에 관한 것이다.
발광 다이오드(LED) 등의 반도체 발광 소자는 환경 친화적이고, 저전력 구동이 가능하며, 또한 작은 사이즈로 구현 가능하기 때문에, 조명 및 디스플레이 등의 여러 분야에서 널리 사용되고 있다.
상기 반도체 발광 소자는 예를 들어, 기판 상에 N형 반도체층, 발광층, P형 반도체층이 순차적으로 적층되어 형성되며, 상기 N형 반도체층 상에 형성된 N측 전극 및 상기 P형 반도체층 상에 형성된 P측 전극을 더 포함한다. 이와 같은 구조로 이루어지는 반도체 발광 소자는 상기 발광층에서 생성된 빛이 상기 반도체 발광 소자의 외부로 방출됨으로써, 하나의 점광원인 발광 소자로서 작용하게 된다. 이러한 특성을 갖는 반도체 발광 소자의 휘도를 결정하는 요인은 내부 양자 효율 및 외부 양자 효율이다.
상기 내부 양자 효율을 향상시키기 위해서는, 상기 N형 반도체층에서 주입되는 전자와 상기 P형 반도체층을 통해 주입되는 정공이 상기 발광층 내에서 결합되는 확률을 높여야 한다. 이를 위하여, 한국 등록특허 691283에서는 양자 장벽층을 형성하여 정공과 전자의 결합 확률을 증대시키고 있다.
한편, 상기 외부 양자 효율을 향상시키기 위해서는, 생성된 광을 상기 반도체 발광 소자의 외부로 보다 많이 출사시켜야 한다. 이때, 상기 반도체 발광 소자의 내부에서 생성된 광 중 일부는 외부로 방출되지 못하고 상기 반도체 발광 소자 내에서 반사를 반복하다가 소멸되며, 그 이외의 나머지 광만이 상기 반도체 발광 소자의 외부로 방출된다.
도 1을 참조하여 보다 상세하게 설명하면, 반도체 발광 소자의 외부로 추출되는 광(1)에서, 반도체 발광 소자의 굴절율(n1, n1>n2) 및 공기 중의 굴절율(n2)과 입사각(θ1) 및 출사각(θ2)은 다음의 스넬의 법칙(Snell's law)을 만족한다.
스넬의 법칙 : n1/n2 = sinθ1/sinθ2
이때, 입사각(θ1)이 특정 값이 되면, 상기 스넬의 법칙을 만족하는 출사각(θ2)은 90도가 되며, 입사각(θ1)이 상기 특정 값 이상이 되면, 광(2)은 출사되지 못하고 전반사되게 된다.
따라서, 반도체 발광 소자의 내부에서 생성된 광 중 상기 특정 값보다 크게 입사되는 광은, 공기와 반도체 발광 소자의 굴절률 차이에 의해서, 공기 중으로 출사되지 못하고 전반사되어, 내부에서 전반사를 반복하다가 소멸된다. 예컨대, Ⅲ-V족 질화물계 양자우물 구조 기반 반도체 발광 소자는 질화물의 굴절계수 2.71과 공기의 굴절계수 1의 차이로 인한 전반사로 인해 대부분의 광이 소자 내부로 반사되어 광손실이 상당히 높아 통상적으로 10% 내외의 광만이 유효한 출력으로 나오게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 대한민국 공개특허 2010-0122770에서는 투명전극에 미세 패턴을 형성하여 전반사를 감소시킴으로써 외부 양자 효율을 향상시키고 있다.
하지만, 이와 같이 패턴을 형성하는 경우에도 패턴 사이의 공간을 통해서 전반사가 발생될 수 있으며, 근본적으로 전반사 문제를 해결할 수 없어, 외부 양자효율을 극대화시키기에는 부족한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 외부 양자 효율(또는 광추출 효율)을 향상시킬 수 있는 발광 소자를 제공하는 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 예시적인 실시예에 의한 발광 소자는 광을 생성하여 방출하는 발광 다이오드층, 및 상기 발광 다이오드층의 상면 상에 형성되고 상기 발광 다이오드층에서 출사된 광을 투과시키는 투명 전극층을 포함한다. 상기 발광 다이오드층의 상면에는 제1 주기(p)의 그루브들(grooves)로 구성된 제1 그루브부가 형성되고, 상기 투명 전극층의 상면에는 상기 제1 주기(p)와 다른 제2 주기(q)의 그루브들로 구성된 제2 그루브가 형성된다.
상기 제1 그루브부는 유전율에 따른 f(x+p)=f(x)의 주기함수로 표현되고, 상기 제2 그루브부는 유전율에 따른 g(x+q)=g(x)의 주기함수로 표현될 수 있다.
상기 발광 다이오드층에서 생성되어 상기 투명 전극층으로 입사되는 광이 상기 투명 전극층의 외부로 출사되는 최종 투과율은
Figure PCTKR2013004710-appb-I000001
의 관계를 가질 수 있다. 이때, λ는 상기 광의 파장이고, K는 1/2의 정수배 또는 1/4의 정수배이며, n 및 m은 임의의 정수이다. 예를 들어, 상기 제1 주기(p)는 λ/4이고, 상기 제2 주기(q)는 λ/2일 수 있다.
상기 제1 및 제2 그루브부들 각각은 삼각파 형태의 단면을 갖는 그루브들로 구성될 수 있다.
상기 발광 다이오드층은 N형 반도체층, 상기 N형 반도체층과 이격되어 배치된 P형 반도체층, 및 상기 N형 반도체층과 상기 P형 반도체층 사이에 배치되어 광을 발생시키는 발광층을 포함할 수 있다.
우선, 상기 투명 전극층은 상기 P형 반도체층의 상면에 형성되고, 상기 제1 그루브부는 상기 P형 반도체층의 상면에 형성될 수 있다. 이때, 상기 발광층은 상기 N형 반도체층의 일부분이 노출되도록 상기 N형 반도체층의 상면에 형성될 수 있다. 또한, 상기 발광 소자는 상기 N형 반도체층의 일부분 상에 형성된 N측 전극, 및 상기 투명 전극층의 일부분 상에 형성된 P측 전극을 더 포함할 수 있다.
또는, 상기 투명 전극층은 상기 N형 반도체층의 상면에 형성되고, 상기 제1 그루브부는 상기 N형 반도체층의 상면에 형성될 수 있다. 이때, 상기 발광 소자는 상기 P형 반도체층의 하면에 형성된 P측 전극, 및 상기 투명 전극층의 일부분 상에 형성된 N측 전극을 더 포함할 수 있다.
이와 같은 발광소자에 따르면, 투명 전극층과 마주하는 발광 다이오드층의 상면에 형성된 제1 그루브부와, 투명 전극층의 상면에 형성된 제2 그루브부가 서로 다른 주기의 그루브들로 구성됨에 따라, 상기 발광 다이오드층에서 발생되어 상기 투명 전극층의 외부로 출사되는 광의 추출 효율이 보다 향상될 수 있다.
도 1은 전반사가 발생되는 것을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 발광 소자를 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 의한 발광 소자를 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 4는 도 2 및 도 3에서 발광다이오드층의 제1 그루브부와 투명전극층의 제2 그루브부 사이 관계를 수학적으로 해석하기 위한 개략적인 단면도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 발광 소자를 도시하는 개략적인 단면도이고, 도 3은 본 발명의 예시적인 다른 실시예에 의한 발광 소자를 도시하는 개략적인 단면도이다. 도 2 및 도 3은 각각 일반적인 발광 다이오드 구조 및 수직형 발광 다이오드의 구조를 도시한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 발광 소자는 발광 다이오드층(10), 투명 전극층(20), N측 전극(30) 및 P측 전극(40)을 포함한다.
상기 발광 다이오드층(10)은 광을 생성하여 방출시킨다. 구체적으로, 상기 발광 다이오드층(10)은 N형 반도체층(12), 상기 N형 반도체층(12)과 이격되어 배치된 P형 반도체층(14), 및 상기 N형 반도체층(12)과 상기 P형 반도체층(14) 사이에 배치되어 광을 발생시키는 발광층(16)을 포함한다. 이때, 상기 발광 다이오드층(10)은 Ⅲ-V족 질화물계, 예를 들어 GaN계 양자우물 구조 기반의 발광 다이오드일 수 있다.
상기 투명 전극층(20)은 상기 발광 다이오드층(10)의 일면에 형성되고, 예를 들어 인듐-틴 산화물(indium-tin oxide; ITO) 물질로 이루어질 수 있다. 상기 N측 전극(30)은 상기 N형 반도체층(12)과 대응되도록 형성되어 전자를 제공하고, 상기 P측 전극(40)은 상기 P형 반도체층(14)과 대응되도록 형성되어 전공을 제공한다. 상기 N측 전극(30) 및 상기 P측 전극(40)은 금속 물질, 예를 들어 알루미늄(Al) 물질로 이루어질 수 있다.
본 실시예에서, 상기 투명 전극층(20)과 마주하여 접하고 있는 상기 발광 다이오드층(10)의 상면에는 제1 그루브부(10a)가 형성되고, 외부의 공기층와 마주하여 접하고 있는 상기 투명 전극층(20)의 상면에는 제2 그루브부(20a)가 형성된다. 상기 제1 및 제2 그루브부들(10a, 20a) 각각은 복수의 그루브들(grooves)이 주기적으로 형성된 일단면을 갖는다. 이때, 상기 발광 다이오드층(10)에서 생성된 광의 추출 효율이 최대로 향상되도록 상기 제1 및 제2 그루브부들(10a, 20a)은 서로 다른 주기로 형성된 그루브들로 구성될 수 있다.
보다 상세하게 도 2를 참조하여 발광 소자의 일 예(일반적인 발광 다이오드 구조)를 설명하면, 상기 N형 반도체층(12)은 기판(S) 상에 형성되고, 상기 발광층(16)은 상기 N형 반도체층(12)의 일부분이 노출되도록 상기 N형 반도체층(12) 상에 형성되며, 상기 P형 반도체층(14)은 상기 발광층(16) 상에 형성되고, 상기 투명 전극층(20)은 상기 P형 반도체층(14) 상에 형성된다. 또한, 상기 N측 전극(30)은 상기 N형 반도체층(12)의 일부분 상에 형성되고, 상기 P측 전극(40)은 상기 투명 전극층(20)의 일부분 상에 형성된다.
이때, 상기 기판(S)은 상기 발광 다이오드층(10)의 형성을 위한 기반으로, 사파이어 기판 또는 웨이퍼 기판일 수 있고, 이와 다르게 Ⅲ-V족 질화물계, 예를 들어 GaN계 기판일 수 있다.
도 2에서는, 상기 제1 그루브부(10a)가 상기 투명 전극층(20)과 마주하여 접하고 있는 상기 P형 반도체층(14)의 상면에 형성되고, 상기 제2 그루브부(20a)는 상기 P형 반도체층(14) 상에 형성된 상기 투명 전극층(20)의 상면에 형성된다.
이와 다르게 도 3을 참조하여 발광 소자의 다른 예(수직형 발광 다이오드 구조)를 설명하면, 상기 P형 반도체층(14) 상에 상기 발광층(16)이 형성되고, 상기 발광층(16) 상에 상기 N형 반도체층(12)이 형성되며, 상기 N형 반도체층(12) 상에 상기 투명 전극층(20)이 형성된다. 또한, 상기 P측 전극(40)은 상기 P형 반도체층(14)의 하면 상에 형성되고, 상기 N측 전극(30)은 상기 투명 전극층(20)의 일부분 상에 형성된다.
도 3에서는, 상기 제1 그루브부(10a)가 상기 투명 전극층(20)과 마주하여 접하고 있는 상기 N형 반도체층(12)의 상면에 형성되고, 상기 제2 그루브부(20a)는 상기 N형 반도체층(12) 상에 형성된 상기 투명 전극층(20)의 상면에 형성된다.
한편, 도 2 내지 도 3에서 개시된 발광 소자는 예시적인 것일 뿐, 다른 종류의 발광 소자가 적용될 수도 있다.
이하, 상기 제1 및 제2 그루브부들(10a, 20a)에 의한 광추출 효율에 관련하여 수학적 해석을 위한 모델을 설명하고자 한다.
도 4는 도 2 및 도 3에서 발광다이오드층의 제1 그루브부와 투명전극층의 제2 그루브부 사이 관계를 수학적으로 해석하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 4를 참조하면, 상기 제1 그루브부(10a)는 주기 p를 갖는 그루브들로 구성되고, 상기 제2 그루브부(20a)는 상기 주기 p와 다른 주기 q를 갖는 그루브들로 구성될 수 있다.
본 실시예에서, 상기 제1 및 제2 그루브부들(10a, 20a) 각각은 유전율에 따른 주기함수로 표현할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 그루브부(10a)는 f(x+p)=f(x)의 주기함수로 표현될 수 있고, 상기 제2 그루브부(20a)는 g(x+q)=g(x)의 주기함수로 표현될 수 있다. 이때, 상기 주기함수들 각각은 도 4와 같이 삼각파 형태를 가질 수도 있지만, 이와 다른 다양한 형태, 예를 들어 사인파 형태를 가질 수 있다.
먼저, 상기 발광 다이오드층(10)에서 발생된 광이 상기 발광 다이오드층(10)에서 상기 투명 전극층(20)으로 입사되는 경우를 생각한다. 이 경우, 상기 광파는 입사파, 반사파, 그리고 투과파로 구성되고, 다음과 같이 표현할 수 있다[J. A. Kong, Electromagnetic Wave Theory, pp. 499-550].
Figure PCTKR2013004710-appb-I000002
여기서,
Figure PCTKR2013004710-appb-I000003
은 그루브에서의 광파의 전계성분이다.
주기적인 유전율로 인해, 다음과 같은 식이 성립된다.
Figure PCTKR2013004710-appb-I000004
Green 함수는
Figure PCTKR2013004710-appb-I000005
이고,
Figure PCTKR2013004710-appb-I000006
은
first kind Hankel함수이다.
또한, 경계조건은 다음과 같다.
Figure PCTKR2013004710-appb-I000007
이 경우, 투과되는 전계는 다음과 같은 행렬식으로부터 구할 수 있다.
Figure PCTKR2013004710-appb-I000008
또한, 이와 유사한 방법으로 상기 제2 그루브부(20a)에서의 투과성분도 유도해 낼 수 있다.
이상의 결과를 종합하면, 광파의 최종 투과율은 복잡한 함수꼴을 갖게 되지만, 결국 Q tensor의 형태로부터
Figure PCTKR2013004710-appb-I000009
의 꼴을 갖게 되면 최대값을 갖게 됨을 유추해 낼 수 있다. 이때, λ는 광파의 파장이고, K는 1/2의 정수배 또는 1/4의 정수배이며, n 및 m은 임의의 정수이다.
즉, 광파의 최종 투과율은 1/p - 1/q = 1/2λ, 1/λ, 3/2λ, 2/λ, ...의 관계를 가질 때 최대값을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 주기 p는 λ/4이고, 상기 주기 q는 λ/2일 때, 광파의 최종 투과율이 최대가 될 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따르면, 상기 투명 전극층(20)과 마주하는 상기 발광 다이오드층(10)의 상면에 형성된 상기 제1 그루브부(10a)와, 상기 투명 전극층(20)의 상면에 형성된 상기 제2 그루브부(20a)가 서로 다른 주기의 그루브들로 구성됨에 따라, 상기 발광 다이오드층(10)에서 발생된 광이 상기 투명 전극층(20)의 외부로 출사될 때 전반사되어 소멸되는 것을 감소시켜 최종 광의 추출효율이 보다 향상될 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 광을 생성하여 방출하는 발광 다이오드층; 및
    상기 발광 다이오드층의 상면 상에 형성되고, 상기 발광 다이오드층에서 출사된 광을 투과시키는 투명 전극층을 포함하고,
    상기 발광 다이오드층의 상면에는 제1 주기(p)의 그루브들(grooves)로 구성된 제1 그루브부가 형성되고,
    상기 투명 전극층의 상면에는 상기 제1 주기(p)와 다른 제2 주기(q)의 그루브들로 구성된 제2 그루브가 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 그루브부는 유전율에 따른 f(x+p)=f(x)의 주기함수로 표현되고,
    상기 제2 그루브부는 유전율에 따른 g(x+q)=g(x)의 주기함수로 표현되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  3. 제2항에 있어서, 상기 발광 다이오드층에서 생성되어 상기 투명 전극층으로 입사되는 광이 상기 투명 전극층의 외부로 출사되는 최종 투과율은
    Figure PCTKR2013004710-appb-I000010
    의 관계를 갖는 것(단, λ는 상기 광의 파장이고, K는 1/2의 정수배 또는 1/4의 정수배이며, n 및 m은 임의의 정수임)을 특징으로 하는 발광 소자.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 주기(p)는 λ/4이고, 상기 제2 주기(q)는 λ/2인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 그루브부들 각각은
    삼각파 형태의 단면을 갖는 그루브들로 구성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  6. 제1항에 있어서, 상기 발광 다이오드층은
    N형 반도체층;
    상기 N형 반도체층과 이격되어 배치된 P형 반도체층; 및
    상기 N형 반도체층과 상기 P형 반도체층 사이에 배치되어 광을 발생시키는 발광층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  7. 제6항에 있어서, 상기 투명 전극층은 상기 P형 반도체층의 상면에 형성되고,
    상기 제1 그루브부는 상기 P형 반도체층의 상면에 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  8. 제7항에 있어서, 상기 발광층은 상기 N형 반도체층의 일부분이 노출되도록 상기 N형 반도체층의 상면에 형성되고,
    상기 N형 반도체층의 일부분 상에 형성된 N측 전극; 및
    상기 투명 전극층의 일부분 상에 형성된 P측 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  9. 제6항에 있어서, 상기 투명 전극층은 상기 N형 반도체층의 상면에 형성되고,
    상기 제1 그루브부는 상기 N형 반도체층의 상면에 형성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
  10. 제9항에 있어서, 상기 P형 반도체층의 하면에 형성된 P측 전극; 및
    상기 투명 전극층의 일부분 상에 형성된 N측 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
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