WO2014035205A2 - 발광 분포가 우수한 반도체 발광소자 - Google Patents

발광 분포가 우수한 반도체 발광소자 Download PDF

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semiconductor light
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송정섭
김두성
김동우
최원진
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일진엘이디(주)
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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor light emitting device, and more particularly, to a semiconductor light emitting device that can widen the light emission distribution of light emitted to the outside by using a dielectric portion capable of waveguide as well as reflection or transmission.
  • a light emitting device is a device using a light emitting phenomenon generated during re-combination of electrons and holes.
  • a typical light emitting device there is a nitride based light emitting device using a so-called nitride semiconductor, which is represented by gallium nitride (GaN).
  • GaN gallium nitride
  • the nitride-based light emitting device has a large band gap and can implement various color lights, and has excellent thermal stability and is being applied to many fields.
  • a light emitting device includes a light emitting structure including an n-type semiconductor layer, a p-type semiconductor layer, and an active layer interposed therebetween, a first electrode formed on the n-type semiconductor layer, and a second electrode formed on the p-type semiconductor layer. It includes.
  • Such a light emitting device is a typical surface light emitting device that emits light having a predetermined energy by recombination of electrons emitted from an n-type semiconductor layer and holes emitted from a p-type semiconductor layer in an active layer by voltage application.
  • Prior art related to the present invention is Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2012-0072711 (published Jul. 4, 2012), which discloses a high refractive index first material layer and a low refractive index second material layer on a sapphire substrate.
  • a light emitting diode chip having a lower structure is disclosed, the sapphire substrate is not used as a window, and the lower structure is utilized only as a reflective layer.
  • An object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device capable of overcoming the limitation of surface light emission by widening the light emission distribution of light emitted by using a dielectric part capable of waveguide as well as reflection or transmission.
  • a semiconductor light emitting device for achieving the above object is a substrate; A light emitting structure formed on the first surface of the substrate; And a dielectric part formed on a second surface of the substrate, wherein a plurality of dielectrics having different refractive indices are alternately stacked, wherein a thickness distribution of each dielectric layer is irregular, and the substrate acts as a window.
  • Light generated by the light emitting diode is characterized in that the light emitted to the outside through the dielectric portion.
  • the semiconductor light emitting device is a part of the low refractive index dielectric material and the high refractive index dielectric is laminated at least one or more times, the other part of the low refractive index dielectric material and the medium refractive index dielectric is laminated at least one or more times.
  • high waveguide efficiency can be obtained, which is most preferable in view of luminous efficiency.
  • the semiconductor light emitting device may emit light generated in the light emitting structure to the outside through the dielectric part by using the substrate as a window.
  • part of the light incident to the dielectric part is guided to the edge through a wave guide effect to the edge by using a dielectric part capable of waveguide as well as transmission or reflection.
  • it can have the effect of the light emission distribution, it is possible to overcome the limitation of the surface light emission through the light emission distribution.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a flip chip semiconductor light emitting device according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view illustrating a series array using a semiconductor light emitting device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • Example 4 is a graph showing transmittance according to an incident angle of a semiconductor light emitting device employing a dielectric part manufactured according to Example 1 of the present invention.
  • Example 5 is a graph showing transmittance according to the wavelength of a semiconductor light emitting device employing a dielectric part manufactured according to Example 1 of the present invention.
  • FIG. 6 is a 3D diagram illustrating transmittance according to an incident angle and a wavelength of a semiconductor light emitting device including a dielectric part manufactured according to Example 1 of the present invention.
  • Example 7 is a graph showing transmittance according to an incident angle of a semiconductor light emitting device employing a dielectric part manufactured according to Example 2 of the present invention.
  • Example 8 is a graph showing transmittance according to the wavelength of a semiconductor light emitting device employing a dielectric part prepared according to Example 2 of the present invention.
  • FIG. 9 illustrates a side emission image of the semiconductor light emitting device according to Comparative Example 1.
  • FIG. 10 shows a side emission image of a semiconductor light emitting device employing a dielectric unit according to the third embodiment.
  • FIG. 11 to 15 show an experimental result when light is incident on a semiconductor light emitting device employing a dielectric part according to Example 3, wherein the dielectric part is incident at the moment (FIG. 11) and the inside of the dielectric part is at the moment (FIG. 12). , The start of reflection (FIG. 13), the reflection and some waveguide instants (FIG. 14) and the end of reflection (FIG. 15).
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • a semiconductor light emitting device 100 includes a substrate 110, a light emitting structure 120, and a dielectric part 140.
  • the semiconductor light emitting device 100 includes a first electrode 160, a second electrode 170, and a wire 175.
  • the light emitting structure 120 is formed on the first surface 110a of the substrate 110, and the dielectric part 140 is formed on the second surface 110b of the substrate 110. .
  • the first electrode 160 is formed on the first semiconductor layer 122 of the light emitting structure 120, and the second metal 170 is formed on the protective metal layer 150.
  • the first and second electrodes 160 and 170 formed in the semiconductor light emitting device 100 are electrically connected to the first and second power connection lines (not shown), respectively, through the wire 175.
  • the substrate 110 applied to the present invention may be a substrate for growing a semiconductor, and may use any one of Al 2 O 3 , SiC, ZnO, Si, GaAs, GaP, LiAl 2 O 3 , BN, AlN, and GaN. .
  • the substrate 110 serves as a window for emitting the light generated by the active layer 124 of the light emitting structure 120 through the first semiconductor portion 122 toward the dielectric portion 140.
  • the substrate 110 When the substrate 110 is a sapphire substrate, it is stable at high temperatures and has a relatively easy growth of a nitride thin film in terms of C (0001). Although not illustrated in the drawing, the substrate 110 may use a patterned sapphire substrate (PSS) to improve light efficiency.
  • PSS patterned sapphire substrate
  • the light emitting structure 120 is formed on the first surface 110a of the substrate 110 and includes a first semiconductor layer 122, an active layer 124, and a second semiconductor layer 126 from below.
  • the first and second semiconductor layers 122 and 126 may have an Al x In y Ga (1-xy) N composition formula, where 0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1, and 0 ⁇ x + y ⁇ 1.
  • n-type impurities and p-type impurities for example, GaN, AlGaN, InGaN, or the like. However, it is not necessarily limited thereto. Meanwhile, Si, Ge, Se, Te, or the like may be used as the n-type impurity, and Mg, Zn, Be, or the like may be used as the p-type impurity.
  • the first and second semiconductor layers 122 and 126 applied to the present invention may be understood to mean n-type and p-type, respectively, but are not limited thereto and may be interchanged with each other.
  • the first and second semiconductor layers 122 and 126 may be formed of metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), molecular beam epitaxy (MBE), hydrogen gas phase, and the like. It may be grown using a semiconductor layer growth process such as a deposition vapor phase epitaxy (HVPE) method.
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • MBE molecular beam epitaxy
  • HVPE deposition vapor phase epitaxy
  • the active layer 124 formed between the first and second semiconductor layers 122 and 126 emits light having a predetermined energy by electron and hole recombination, and the quantum well layer and the quantum barrier layer
  • This may be made of a multi-quantum well (MQW) structure stacked alternately.
  • MQW multi-quantum well
  • an InGaN / GaN structure may be used.
  • the light emitting structure 120 may be designed to emit light selected from the light in the infrared region from the infrared region, for example, red light emission using GaAsP, green light emission using GaP, InGaN / AlGaN double hetero ( Blue light emission using a double hetero) structure may correspond to this.
  • the light emitting structure 120 may further include a buffer layer (not shown) such as aluminum nitride (AlN) material under the first semiconductor layer 122, which may include a first semiconductor layer (AlN) material under the first semiconductor layer 122, which may include a first semiconductor layer (AlN) material under the first semiconductor layer 122, which may include a first semiconductor layer ( The lattice defects caused by the growth of 122 can be alleviated.
  • a buffer layer such as aluminum nitride (AlN) material under the first semiconductor layer 122, which may include a first semiconductor layer
  • an electronic barrier layer such as Mg-doped aluminum gallium nitride (Mg-doped AlGaN) may be further included between the active layer 124 and the second semiconductor layer 126.
  • EBL electronic barrier layer
  • Mg-doped aluminum gallium nitride Mg-doped AlGaN
  • the semiconductor light emitting device 100 has a backside of light emitted from the light emitting structure 120 passing through the substrate 110 acting as a window and then extracted to the outside through the dielectric part 140. It can be utilized as a bottom emission device.
  • the light emitting structure 120 is emitted from the active layer 124 toward the second semiconductor layer 126 to improve light extraction. It is preferable to further include a reflective metal layer 130 to perform the function of reflecting the light to the first semiconductor layer 122 in the downward direction.
  • the reflective metal layer 130 includes silver (Ag), nickel (Ni), aluminum (Al), rhodium (Rh), palladium (Pd), iridium (Ir), ruthenium (Ru), and magnesium (Mg). ), Zinc (Zn), platinum (Pt), gold (Au) and the like may be formed of one or more metals, or an alloy containing two or more of these selected.
  • the reflective metal layer 130 may be formed on the dielectric part 140, which will be described later, in a top emission structure using the semiconductor light emitting device having the shape shown in FIG. 1 without inverting it.
  • the dielectric part 140 is formed on the second surface 110b of the substrate 110. In the example illustrated in FIG. 2, the dielectric part 140 is formed. The exposed surface of becomes the light exit surface.
  • the dielectric part 140 may be formed as a multilayer in which a plurality of dielectrics having different refractive indices are alternately stacked.
  • each of the dielectric layers 141 and 142 constituting the dielectric portion 140 is stacked in an irregular thickness distribution.
  • each dielectric layer constituting the dielectric part is laminated with a regular thickness distribution, it is difficult to expect waveguide efficiency other than reflection or transmission, but when the thickness distribution of each dielectric layer is irregular, the waveguide efficiency can be increased.
  • the dielectric part 140 may be formed of a multilayer in which a first dielectric having a first refractive index and a second dielectric having a different refractive index from the first dielectric are repeatedly stacked among dielectrics having a refractive index of 1.1 to 3.0.
  • the dielectric part 140 may be formed by repeatedly stacking a plurality of dielectrics having a refractive index difference of 0.2 or more, among dielectrics having a refractive index range of 1.1 to 3.0.
  • the refractive index of the dielectric when the refractive index of the dielectric is less than 1.1, the difference in refractive index with the outside air may be insignificant and may not affect the transmission or reflection of light.
  • the refractive index when the refractive index is higher than 3.0, the absorption rate of light increases to increase the loss of light. can do.
  • the dielectric part 140 may be formed as a multilayer in which a plurality of dielectrics selected from a low refractive index dielectric having a refractive index of 1.5 or less, a medium refractive index dielectric having a refractive index of 1.5 or more and 2.3 or less, and a high refractive index dielectric having a refractive index of 2.3 or more are repeatedly stacked. have.
  • any one of the low refractive index dielectric may be SiO 2 or MgF 2
  • one of the high refractive index dielectric may be TiO 2 or CeO 2
  • the medium refractive index dielectric is Al 2 O 3 , ZrO 2 , MgO, Ta 2 It may be any one selected from O 5 , SnO 2 , ZnO, B 2 O 3 , Li 2 O, SrO, HfO 2 , SiON x and BaO.
  • the dielectric portion 140 is a film formed by alternating stacking of SiO 2 and TiO 2 , a film formed by alternating stacking of SiO 2 / Al 2 O 3 / TiO 2 , or more preferably, part of the dielectric layer 140 has a low refractive index. It is formed by alternating stacking of SiO 2 as dielectric and TiO 2 as high refractive index dielectric, and the other part may be a film formed by alternating stacking of SiO 2 as low refractive index dielectric and Ta 2 O 5 as medium refractive index dielectric.
  • the type and the number of layers of the dielectric may be changed.
  • a plurality of dielectrics having different refractive indices may be stacked at least once or more, preferably 3 to 30 times. At this time, when repeatedly stacked more than 30 times, the light absorption rate may be increased to reduce the light extraction efficiency.
  • the dielectric part 140 applied to the present invention may be partially transmitted through or reflected by some of the light generated by the active layer 124 and incident on the dielectric part 140, and may guide some of the light. Since the amount of light transmitted or reflected from the dielectric part 140 and the wave guided may vary depending on the type of dielectric used, the thickness of the stack, the number of the stacks, and the like, it is preferable to control it in consideration of this.
  • dielectric portion 140 is visible light, for example, light of a first wavelength in a blue wavelength region, light of a second wavelength in a green wavelength region, and light of a third wavelength in a red wavelength region. It may have a transmittance of 90% or more.
  • the semiconductor light emitting device is a surface light emitting device using extraction light corresponding to the light emitting surface, there is a limit that the light emitting area is limited to the light emitting surface.
  • the semiconductor light emitting device 100 as shown in FIG. 2 employs a dielectric part 140 having a function of transmitting and guiding light, thereby guiding some of the light incident on the dielectric part 140.
  • the radiation distribution and the radiation angle may be controlled according to the angle of the emitted light.
  • the semiconductor light emitting device 100 emits light by guiding the emitted light to the edge of the light emitting device 100 through the dielectric part 140 due to the wave guide effect to the edge. It is possible to have the effect of the light emission distribution to the side of the device 100.
  • the semiconductor light emitting device 100 can use not only the light emitting surface but also the side surface of the light emitting device 100 as a light emitting area, thereby overcoming the limitation of surface light emission by expanding the light emission distribution, great.
  • a plurality of dielectrics having different refractive indices are alternately stacked with varying thicknesses.
  • the optical waveguide efficiency in the side surface of the light emitting device in the dielectric part 140 may be improved, and as a result, the overall light emitting efficiency may be improved.
  • the semiconductor light emitting device 100 is a first electrode 160 formed on the first semiconductor layer 122 exposed by etching of at least the second semiconductor layer 126 and the active layer 124 of the light emitting structure 120. ) And a second electrode 170 electrically connected to the second semiconductor layer 126.
  • the first and second electrodes 160 and 170 are electrically connected to an external power supply device (not shown), respectively, to apply a voltage to the first semiconductor layer 122 and the second semiconductor layer 126.
  • the first and second electrodes 160 and 170 may be understood to mean n-type and p-type, respectively, but is not limited thereto.
  • the polarity of the first and second electrodes 160 and 170 may be different. It may be determined according to the characteristics of the first and second semiconductor layers 122 and 126.
  • a light emitting device having a horizontal structure in which the first electrode 160 and the second electrode 170 are horizontally disposed is illustrated.
  • the first electrode 160 and the second electrode 170 are connected to the first and second power connection lines (not shown) through the wire 175, respectively.
  • the wire 175 may be formed of gold (Au) or aluminum (Al) through a process such as wire bonding. Meanwhile, all electrical connections may be implemented by flip chip bonding without wire bonding, which will be described later with reference to FIG. 2.
  • the reflective metal layer 130 may be formed, and may further include a protective metal layer 150 surrounding the reflective metal layer 130.
  • the protective metal layer 150 includes gold (Au), nickel (Ni), tungsten (W), molybdenum (Mo), copper (Cu), aluminum (Al), tantalum (Ta), silver (Ag), and platinum (Pt).
  • Conductive ceramic films such as SrTiO 3 , Al-doped ZnO, Indium Tin Oxide (ITO), Indium Zinc Oxide (IZO), and the like, doped with at least one impurity selected from chromium (Cr) and niobium (Nb)
  • the film may be formed of at least one layer using a cobalt (Co) film or the like, but is not particularly limited thereto, and a known material may be used.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a flip chip type semiconductor light emitting device according to another exemplary embodiment of the present invention.
  • the present invention will be described with reference to a unit light emitting cell.
  • a semiconductor light emitting device 100A may include a substrate 110, a light emitting structure 120, a dielectric part 140, a first electrode 160, and a second electrode 170. ), A submount substrate 180, a first conductive pad 190a, a second conductive pad 190b, a first solder bump 195a, and a second solder bump 195b.
  • the semiconductor light emitting device 100A further includes a reflective metal layer 130 and a protective metal layer 150.
  • the light emitting structure 120 is formed on the first surface (110a) of the substrate 110, the reflective metal layer 130 is formed on the light emitting structure 120, the substrate 110 The dielectric part 140 is formed on the second surface 110b.
  • the protective metal layer 150 is formed on the reflective metal layer 130, the first electrode 160 is formed on the first semiconductor layer 122 of the light emitting structure 120, and the protective metal layer 150 is formed on the protective metal layer 150.
  • the second metal 170 is formed.
  • the sub-mount substrate 180 is formed to be spaced apart from the second electrode 170 and provided with the first and second conductive pads 190a and 190b to correspond to the first and second electrodes 160 and 170, respectively.
  • the first and second electrodes 160 and 170 are connected to the first and second conductive pads 190a and 190b facing each other by the first and second solder bumps 195a and 195b.
  • the substrate 110, the light emitting structure 120, the reflective metal layer 130, the dielectric part 140, the protective metal layer 150, the first electrode 160, and the second electrode 170 of FIG. 2 are inverted in FIG. 1. Except for changing the upper and lower formation structure, material and properties may be the same as in FIG. 1 described above, which has been described above, will not be repeated descriptions below will be described only the difference.
  • the submount substrate 180 is a substrate for mounting a light emitting structure (not shown) including the light emitting structure 120 in the form of a flip chip, and is spaced apart from the second electrode 170.
  • the submount substrate 180 is provided with first and second conductive pads 190a and 190b in a region in which the light emitting structure is to be mounted.
  • Each of the first and second electrodes 160 and 170 is flip-chip bonded to the first and second conductive pads 190a and 190b facing each other through the first and second solder bumps 195a and 195b. That is, the light emitting structure including the light emitting structure 120 and the submount substrate 180 are electrically bonded with the first and second solder bumps 195a and 195b interposed therebetween.
  • the semiconductor light emitting device 100A applied to the present invention becomes a bottom emission device.
  • the dielectric part 140 may be generated in the active layer 124 to transmit some light and guide some light of the light incident on the dielectric part 140.
  • the semiconductor light emitting device 100A extends the light emission distribution using the light emitting surface and the side of the light emitting device 100A as a light emitting area, similarly to the above-described semiconductor light emitting device 100. An effect can be acquired and it is excellent in light emission distribution.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a series-type array to which a semiconductor light emitting device according to an exemplary embodiment of the present invention is applied, and the same reference numerals as those of FIG. 1 or FIG. 2 mean the same layer.
  • the first electrode 160 of one of the light emitting structures 120 and the second electrode 170 of the other light emitting structure 120 are connected to the wiring electrode 175. ') To form a series array connected to each other and electrically connected to each other.
  • the wiring electrode 175 ′ may be formed between the first insulating layer 155 and the second insulating layer 185.
  • the wiring electrode 175 ' may be replaced with the wire 175 of FIG. 1, and the first insulating layer 155 may be omitted.
  • first electrode 160 of one of the light emitting structures 120 and the first electrode 160 of the other light emitting structure 120 are illustrated in the drawing. 2 may be formed as a parallel array which is connected to each other and electrically connected to each other by the wiring electrode 175 'of FIG. 2 or the wire 175 of FIG.
  • a dielectric part having TiO 2 and SiO 2 alternately stacked five times on a sapphire substrate was prepared.
  • the thicknesses of the used TiO 2 film and SiO 2 film are shown in Table 1.
  • a dielectric part in which TiO 2 and SiO 2 were alternately stacked 10 times on a sapphire substrate was prepared. At this time, the thicknesses of the used TiO 2 film and SiO 2 film are shown in Table 2.
  • TiO 2 and SiO 2 were alternately laminated 11 times on a sapphire substrate, and then a dielectric part having 9 alternating Ta 2 O 5 and SiO 2 was repeatedly laminated.
  • the thicknesses of the used TiO 2 film and SiO 2 film are shown in Table 3.
  • the transmittance according to the incident angle was evaluated using the 450 nm wavelength, and the transmittance according to the wavelength when the incident angle was 0 ° was evaluated.
  • FIG. 4 is a graph showing transmittance according to an incident angle of a semiconductor light emitting device employing a dielectric part prepared according to Example 1 of the present invention
  • FIG. 5 is a semiconductor light emitting device employing a dielectric part prepared according to Example 1 of the present invention.
  • Figure 6 is a graph showing the transmittance according to the wavelength
  • Figure 6 is a 3D diagram showing the transmittance according to the incident angle and the wavelength of the semiconductor light emitting device employing the dielectric portion prepared according to Example 1 of the present invention.
  • Example 4 to 6 in the case of Example 1 in which TiO 2 and SiO 2 were alternately stacked five times at the thicknesses shown in Table 1, the incidence angle of 0 to 36 ° with respect to the incidence plane in the wavelength region of 450 nm was shown.
  • the light was transmitted by at least 99% and waveguided light having an angle of incidence exceeding 36 °.
  • transmittance of 96% or more was shown for visible light.
  • FIG. 7 is a graph showing transmittance according to an incident angle of a semiconductor light emitting device employing a dielectric part prepared according to Example 2 of the present invention
  • FIG. 8 is a semiconductor light emitting device employing a dielectric part prepared according to Example 2 of the present invention. It is a graph showing the transmittance according to the wavelength.
  • Example 2 in which TiO 2 and SiO 2 were alternately stacked ten times in the thicknesses shown in Table 2, an incidence angle of 0 ° to 90 ° with respect to the incidence plane in the wavelength region of 450 nm was obtained. All light was transmitted. In addition, the transmittance of about 90% or more was shown for visible light.
  • Table 4 shows the luminance characteristics of the semiconductor light emitting device employing the dielectric portion applied to the third embodiment of the present invention.
  • the luminance characteristic the integrating sphere light emission output value (PO) was used, and the relative integrating sphere light emission output value was expressed based on Comparative Example 1.
  • Comparative Example 1 is a semiconductor light emitting device that does not employ a dielectric portion
  • Comparative Example 2 is a dielectric portion in which the TiO 2 / SiO 2 alternately laminated 10 times is introduced, the dielectric portion is uniform thickness of TiO 2 65nm, SiO 2 35nm of each layer It is a semiconductor light emitting element adopted.
  • the luminance is increased when the dielectric portion is employed, and in particular, in the case of the semiconductor light emitting device employing the dielectric portion according to the third embodiment, it can be seen that it shows better luminance characteristics.
  • FIG. 9 illustrates a side light emission image of a semiconductor light emitting device according to Comparative Example 1
  • FIG. 10 illustrates a side light emission image of a semiconductor light emitting device employing a dielectric unit according to a third embodiment.
  • FIG. 11 to 15 show an experimental result when light is incident on a semiconductor light emitting device employing a dielectric part according to Example 3, wherein the dielectric part is incident at the moment (FIG. 11) and the inside of the dielectric part is at the moment (FIG. 12). , The start of reflection (FIG. 13), the reflection and some waveguide instants (FIG. 14) and the end of reflection (FIG. 15).
  • part of the light entering the dielectric part is reflected, and part of the light is guided in the lateral direction.
  • the dielectric part whose thickness distribution is irregular has a portion where light is transmitted and some light is guided by the incident surface. Side emission can be realized at the same time as light emission, thereby broadening the light emission distribution.
  • the light emission distribution in the light emitting device can be widened by guiding some of the light emitted from the light emitting structure to the edge of the light emitting device.

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Abstract

광을 투과 혹은 반사시킴과 동시에 도파시킬 수 있는 유전체부를 형성하여, 외부로 방출되는 광의 발광 분포를 넓힐 수 있는 반도체 발광소자에 대하여 개시한다. 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자는 기판; 상기 기판의 제1면 상에 형성되는 발광구조체; 및 상기 기판의 제2면 상에 형성되되, 굴절율이 서로 다른 복수의 유전체가 교대로 적층되면서 각각의 유전체층의 두께 분포가 비규칙적인 유전체부를 포함하며, 상기 기판이 윈도우로 작용하여, 상기 발광구조체에서 생성되는 광이 상기 유전체부를 통하여 외부로 발광되는 것을 특징으로 한다.

Description

발광 분포가 우수한 반도체 발광소자
본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반사 혹은 투과뿐만 아니라 도파가 가능한 유전체부를 이용하여 외부로 방출되는 광의 발광 분포를 넓힐 수 있는 반도체 발광소자에 관한 것이다.
발광소자(Light Emitting Device)는 전자(electron)와 정공(hole)의 재결합(re-combination)시 발생하는 발광 현상을 이용한 소자이다. 대표적인 발광소자로서, 질화 갈륨(GaN)으로 대표되는, 소위 질화물 반도체를 이용한 질화물계 발광소자가 있다. 질화물계 발광소자는 밴드 갭(band gap)이 커서 다양한 색광을 구현할 수 있고, 또한 열적 안정성이 우수하여 많은 분야에 응용되고 있다.
일반적으로, 발광소자는 n형 반도체층, p형 반도체층 및 이들 사이에 개재된 활성층을 포함하는 발광구조체와, n형 반도체층 상에 형성된 제1 전극 및 p형 반도체층 상에 형성된 제2 전극을 포함한다.
이러한 발광소자는 전압 인가에 의해 활성층에서, n형 반도체층으로부터 방출된 전자와 p형 반도체층으로부터 방출된 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출하는 전형적인 면발광 소자이다.
그러나, 면발광을 이용하는 발광소자의 경우, 발광 영역이 광출사면에 제한되는 문제점이 있다. 이에 따라, 발광 분포를 넓힐 수 있는 발광소자의 개발이 요구된다.
본 발명에 관련된 선행문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0072711호(2012.07.04. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 사파이어 기판 상에 고굴절율 제1 재료층과 저굴절율 제2 재료층의 하부 구조체를 갖는 발광 다이오드 칩이 개시되어 있으나, 사파이어 기판이 윈도우로 사용되지 않고, 하부 구조체가 반사층으로만 활용되고 있다.
본 발명의 목적은 반사 혹은 투과 뿐만 아니라 도파가 가능한 유전체부를 이용하여 방출되는 광의 발광 분포를 넓혀 면발광의 한계를 극복할 수 있는 반도체 발광소자를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자는 기판; 상기 기판의 제1면 상에 형성되는 발광구조체; 및 상기 기판의 제2면 상에 형성되되, 굴절율이 서로 다른 복수의 유전체가 교대로 적층되면서 각각의 유전체층의 두께 분포가 비규칙적인 유전체부를 포함하며, 상기 기판이 윈도우로 작용하여, 상기 발광구조체에서 생성되는 광이 상기 유전체부를 통하여 외부로 발광되는 것을 특징으로 한다.
이때, 본 발명에 따른 반도체 발광소자는 일부가 저굴절율 유전체와 고굴절율 유전체가 적어도 1회 이상 반복하여 적층되고, 다른 일부가 저굴절율 유전체와 중굴절율 유전체가 적어도 1회 이상 반복하여 적층된 것이 가장 바람직하다. 이 경우, 높은 도파 효율을 얻을 수 있어 발광 효율 측면에서 가장 바람직하다.
본 발명에 따른 반도체 발광소자는 기판을 윈도우로 사용하여, 발광구조체에서 생성된 광을 상기 유전체부를 통하여 외부로 발광시킬 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 반도체 발광소자는 투과 또는 반사뿐만 아니라 도파가 가능한 유전체부를 이용함으로써 가장자리(edge)로의 광도파(wave guide) 효과를 통하여 유전체부로 입사된 광의 일부가 가장자리로 도파되어 발광소자 측면에도 발광 분포의 효과를 가질 수 있어, 발광 분포 확장을 통해 면발광의 한계를 극복할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광소자를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플립칩형 반도체 발광소자를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자를 적용한 직렬형 어레이를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 유전체부가 채용된 반도체 발광소자의 입사각에 따른 투과도를 나타낸 그래프이다.
도 5은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 유전체부가 채용된 반도체 발광소자의 파장에 따른 투과도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 유전체부가 채용된 반도체 발광소자의 입사각 및 파장에 따른 투과도를 나타낸 3D 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 유전체부가 채용된 반도체 발광소자의 입사각에 따른 투과도를 나타낸 그래프이다.
도 8는 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 유전체부가 채용된 반도체 발광소자의 파장에 따른 투과도를 나타낸 그래프이다.
도 9는 비교예 1에 따른 반도체 발광소자의 측면 발광 이미지를 나타낸 것이다.
도 10은 실시예 3에 따른 유전체부가 채용된 반도체 발광소자의 측면 발광 이미지를 나타낸 것이다.
도 11 내지 도 15는 실시예 3에 따른 유전체부가 채용된 반도체 발광소자에서, 광을 입사시켰을 때의 실험 결과를 나타낸 것으로, 유전체부 입사 순간(도 11), 유전체부 내부 진입 순간(도 12), 반사 시작 순간(도 13), 반사 및 일부 도파 순간(도 14) 및 반사 종료 순간(도 15)을 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 발광 분포가 우수한 반도체 발광소자에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광소자를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광소자(100)는 기판(110), 발광구조체(120) 및 유전체부(140)를 포함한다.
이에 더하여, 반도체 발광소자(100)는 제1 전극(160), 제2 전극(170) 및 와이어(175)를 포함한다.
우선, 전체적인 형상을 보면, 기판(110)의 제1 면(110a) 상에 발광구조체(120)가 형성되고, 기판(110)의 제2 면(110b) 상에 유전체부(140)가 형성된다. 그리고, 발광구조체(120) 중 제1 반도체층(122) 상에 제1 전극(160)이 형성되고, 보호금속층(150) 상에 제2 금속(170)이 형성된다. 반도체 발광소자(100)에 형성되는 제1 및 제2 전극(160, 170)은 와이어(175)를 통해 각각 제1 및 제2 전원 연결 라인(미도시)과 전기적으로 연결된다.
본 발명에 적용되는 기판(110)은 반도체 성장용 기판일 수 있으며, Al2O3, SiC, ZnO, Si, GaAs, GaP, LiAl2O3, BN, AlN 및 GaN 중 어느 하나를 이용할 수 있다. 이러한 기판(110)은 발광구조체(120)의 활성층(124)에서 생성된 광을 제1 반도체부(122)를 지나 유전체부(140) 방향으로 방출시키는 윈도우(window)로 작용한다.
기판(110)이 사파이어 기판일 경우, 고온에서 안정하고, C(0001)면에서 비교적 질화물 박막의 성장이 용이한 장점을 지닌다. 도면으로 도시하지는 않았으나, 기판(110)은 광효율 향상을 위하여 PSS(Patterned Sapphire Substrate)를 이용할 수 있다.
발광구조체(120)는 기판(110)의 제1 면(110a) 상에 형성되고, 아래로부터 제1 반도체층(122), 활성층(124) 및 제2 반도체층(126)을 포함한다.
일례로, 제1 및 제2 반도체층(122, 126)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)으로 표시되고, n형 불순물 및 p형 불순물이 도핑된 반도체 물질로 이루어질 수 있으며, 예컨대, GaN, AlGaN, InGaN 등의 물질이 이에 해당될 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, n형 불순물로는 Si, Ge, Se, Te 등이 사용될 수 있으며, p형 불순물로는 Mg, Zn, Be 등이 사용될 수 있다.
본 발명에 적용되는 제1 및 제2 반도체층(122, 126)은 각각 n형 및 p형을 의미하는 것으로 이해될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며 서로 뒤바뀌어도 무관하다.
이러한 제1 및 제2 반도체층(122, 126)은 당 기술 분야에서 공지된 유기금속화학기상증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition; MOCVD)법, 분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy; MBE)법, 수소 기상 증착(Hydride Vapor Phase Epitaxy; HVPE)법 등의 반도체층 성장 공정을 이용하여 성장될 수 있다. 전압 인가에 의해 제1 반도체층(122)는 전자를 방출하고, 제2 반도체층(126)는 정공을 방출시킬 수 있다.
제1 및 제2 반도체층(122, 126) 사이에 형성되는 활성층(124)은 전자(electron)와 정공(hole) 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출하며, 양자우물층과 양자장벽층이 서로 교대로 적층된 다중 양자우물(Multi-Quantum-Well; MQW) 구조로 이루어질 수 있다. 다중 양자우물 구조의 경우, 예컨대, InGaN/GaN 구조가 사용될 수 있다.
발광구조체(120)는 적외선 영역에서부터 자외선 영역의 광 중에서 선택된 광을 발광할 수 있도록 설계될 수 있으며, 예를 들어, GaAsP 등을 이용한 적색 발광, GaP 등을 이용한 녹색 발광, InGaN/AlGaN 더블 헤테로(double hetero) 구조를 이용한 청색 발광 등이 이에 해당될 수 있다.
한편, 도시하지는 않았으나, 발광구조체(120)는 제1 반도체층(122) 하부에 질화 알루미늄(AlN) 재질 등의 버퍼층(buffer layer, 미도시)을 더 포함할 수 있으며, 이는 제1 반도체층(122)의 성장에 따른 격자 결함을 완화시킬 수 있다.
또한, 활성층(124)과 제2 반도체층(126) 사이에는 Mg 도핑 알루미늄 갈륨 질화물(Mg-doped AlGaN)과 같은 전자장벽층(Electron Blocking Layer; EBL, 미도시)을 더 포함할 수도 있다.
반도체 발광소자(100)는 도 2에 도시된 예와 같이, 발광구조체(120)에서 생성된 광이 윈도우로 작용하는 기판(110)을 통과한 후 유전체부(140)을 통하여 외부로 추출되는 배면발광(Bottom emission) 소자로 활용될 수 있다.
이 경우, 반도체 발광소자(100)가 도 2에 도시된 형태로 이용될 경우, 광추출 향상을 위하여, 발광구조체(120) 상에, 활성층(124)에서 제2 반도체층(126)을 향하여 방출된 광을 제1 반도체층(122)을 향하여 하부 방향으로 반사하는 기능을 수행하는 반사금속층(130)을 더 구비하는 것이 바람직하다. 이러한 기능을 고려하여, 반사금속층(130)은 은(Ag), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 백금(Pt), 금(Au) 등에서 선택된 하나 이상의 금속으로 형성되거나, 이들 중 선택된 둘 이상을 포함하는 합금으로 형성될 수 있다.
물론 이러한 반사금속층(130)은, 도 1과 같은 형태의 반도체 발광소자를 뒤집지 않고 이용하는 상부발광(Top emission) 구조에서는, 후술하는 유전체부(140) 상에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광소자(100)는 기판(110)의 제2 면(110b) 상에 유전체부(140)가 형성되며, 도 2에 도시된 예의 경우, 유전체부(140)의 노출면이 광출사면이 된다.
이때, 유전체부(140)는 굴절율이 서로 다른 복수의 유전체가 교대로 반복 적층된 다층으로 형성될 수 있다. 특히, 본 발명에서는 유전체부(140)을 구성하는 각각의 유전체층(141, 142)이 비규칙적인 두께 분포로 적층된다. 유전체부를 구성하는 각각의 유전체층이 규칙적인 두께 분포로 적층될 경우 반사나 투과 이외의 도파 효율을 기대하기 어려우나, 각각의 유전체층의 두께 분포가 비규칙적인 경우, 도파 효율을 높일 수 있다.
이 경우, 유전체부(140)는 굴절율 1.1~3.0 범위를 갖는 유전체들 중에서, 제1 굴절율을 갖는 제1 유전체와 제1 유전체와 굴절율이 상이한 제2 유전체가 반복 적층되는 다층으로 형성될 수 있다.
또한, 유전체부(140)는 굴절율 1.1~3.0 범위를 갖는 유전체들 중에서, 적어도 굴절율 차가 0.2 이상인 복수의 유전체가 반복 적층되어 형성될 수도 있다.
상기에서, 상기한 유전체의 굴절율이 1.1 미만일 경우, 외부 공기와의 굴절율 차가 미비하여 광의 투과나 반사에 영향을 주지 않을 수 있고, 반면에 3.0을 초과하는 경우, 광의 흡수율이 증가하여 광의 손실이 증가할 수 있다.
상기한 바와 다르게, 유전체부(140)는 굴절율 1.5 이하의 저굴절율 유전체, 굴절율 1.5 초과 2.3 이하의 중굴절율 유전체 및 굴절율 2.3 초과의 고굴절율 유전체 중에서 선택된 복수의 유전체가 반복 적층된 다층으로 형성될 수 있다. 이때, 저굴절율 유전체 중 어느 하나는 SiO2 또는 MgF2일 수 있고, 고굴절율 유전체 중 어느 하나는 TiO2 또는 CeO2일 수 있고, 중굴절율 유전체는 Al2O3, ZrO2, MgO, Ta2O5, SnO2, ZnO, B2O3, Li2O, SrO, HfO2, SiONx 및 BaO 등에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
일례로, 유전체부(140)는 SiO2와 TiO2의 교호 적층에 의해 형성된 막이거나, SiO2/Al2O3/TiO2의 교호 적층에 의해 형성된 막이거나, 보다 바람직하게는 일부가 저굴절율 유전체인 SiO2와 고굴절율 유전체인 TiO2의 교호 적층에 의해 형성되며 다른 일부가 저굴절율 유전체인 SiO2와 중굴절율 유전체인 Ta2O5의 교호 적층에 의해 형성된 막일 수 있으며, 필요에 따라 다양하게 이용되는 유전체의 종류와 층수가 변경될 수 있음은 물론이다.
본 발명에 적용되는 유전체부(140)는 굴절율이 서로 다른 복수의 유전체가 적어도 1회 이상, 바람직하게 3회 내지 30회 정도 반복하여 적층될 수 있다. 이때, 30회를 초과하여 반복 적층될 경우, 광흡수율이 높아져 광추출 효율이 저하될 수 있다.
한편, 본 발명에 적용되는 유전체부(140)는 활성층(124)에서 생성되어 유전체부(140)로 입사되는 광 중, 일부 광은 투과 또는 반사시키고, 일부 광은 도파시킬 수 있다. 유전체부(140)에서 투과나 반사, 그리고 도파되는 광량은 이용되는 유전체의 종류, 적층 두께, 적층 횟수 등에 따라 달라질 수 있으므로, 이를 고려하여 제어하는 것이 바람직하다.
도 2에 도시된 예에서, 유전체부(140)는 가시광, 일례로, 청색 파장 영역의 제1 파장의 광, 녹색 파장 영역의 제2 파장의 광 및 적색 파장 영역의 제3 파장의 광에 대해 90% 이상의 투과도를 가질 수 있다.
일반적으로, 반도체 발광소자는 광출사면에 대응되는 추출 광을 이용하는 면발광 소자이기 때문에, 기존에는 발광 영역이 광출사면에만 한정된다는 한계가 있었다.
그러나, 도 2에 도시된 예와 같은 반도체 발광소자(100)는 광을 투과 및 도파시키는 기능을 가지는 유전체부(140)를 채용하여, 유전체부(140)로 입사되는 광 중 일부 광은 도파시킴으로써, 방출되는 광의 각도에 따른 방사 분포 및 방사 각도 등을 제어할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 반도체 발광소자(100)는 가장자리(edge)로의 광도파(wave guide) 효과로 인해, 방사되는 광을 유전체부(140)를 통해 발광소자(100)의 가장자리로 도파시켜 발광소자(100)의 측면에까지 발광 분포의 효과를 가질 수 있게 한다.
그 결과, 반도체 발광소자(100)는 광출사면 뿐만 아니라 발광소자(100)의 측면도 발광 영역으로 사용할 수 있어, 발광 분포 확장을 통해 면발광의 한계를 극복할 수 있고, 기존에 비해 발광 분포가 우수하다.
특히, 굴절율이 서로 다른 복수의 유전체는 두께가 변화되면서 교호 적층되는 것이 바람직하다. 이 경우, 유전체부(140) 내부에서 발광소자 측면방향으로의 광 도파 효율이 향상될 수 있으며, 그 결과 전체적인 발광효율이 향상될 수 있다.
한편, 반도체 발광소자(100)는 발광구조체(120)의 적어도 제2 반도체층(126) 및 활성층(124)의 식각에 의해 노출되는 제1 반도체층(122) 상에 형성되는 제1 전극(160)과, 제2 반도체층(126)과 전기적으로 연결되는 제2 전극(170)을 더 포함할 수 있다.
이때, 제1 및 제2 전극(160, 170)은 각각 외부 전원 장치(미도시)와 전기적으로 연결되어, 제1 반도체층(122) 및 제2 반도체층(126)에 전압을 인가하기 위한 것이다. 여기서는, 제1 및 제2 전극(160, 170)은 각각 n형 및 p형을 의미하는 것으로 이해될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 이들 제1 및 제2 전극(160, 170)의 극성은 제1 및 제2 반도체층(122, 126)의 특성에 따라 결정될 수 있다. 또한, 여기에서는 제1 전극(160)과 제2 전극(170)이 수평으로 배치된 수평 구조의 발광 소자가 도시되어 있다.
도 1의 경우, 제1 전극(160) 및 제2 전극(170)은 와이어(175)를 통해 제1 및 제2 전원 연결 라인(미도시)에 각각 연결된다. 와이어(175)는 와이어 본딩(bonding) 등의 공정을 통해 금(Au) 또는 알루미늄(Al)으로 형성될 수 있다. 한편, 모든 전기적 연결은 와이어 본딩 없이 플립칩 본딩(flip chip bonding)에 의해 구현될 수도 있으며, 이에 대해서는 도 2에서 후술하기로 한다.
또한, 반도체 발광소자(100)가 도 2에 도시된 형태로 적용될 경우, 반사금속층(130)이 형성될 수 있고, 또한, 반사금속층(130)을 감싸는 보호금속층(150)을 더 포함할 수 있다. 보호금속층(150)은 금(Au), 니켈(Ni), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 탄탈(Ta), 은(Ag), 백금(Pt), 크롬(Cr), 니오븀(Nb) 등에서 선택된 적어도 1종의 불순물이 도핑된 SrTiO3, Al 도핑 ZnO, ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 등의 전도성 세라믹막, 니켈(Ni)막, 코발트(Co)막 등을 이용하여 적어도 1층 이상으로 형성될 수 있으나, 특별히 이에 한정되는 것은 아니며 공지된 물질을 이용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플립칩(flip chip)형 반도체 발광소자를 도시한 단면도로서, 여기서는 설명의 편의를 위하여 단위 발광셀에 한정하여 설명한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 발광소자(100A)는 기판(110), 발광구조체(120), 유전체부(140), 제1 전극(160), 제2 전극(170), 서브마운트기판(180), 제1 도전성 패드(190a), 제2 도전성 패드(190b), 제1 솔더범프(195a) 및 제2 솔더범프(195b)를 포함한다. 이에 더하여, 반도체 발광소자(100A)는 반사금속층(130) 및 보호금속층(150)을 더 포함한다.
우선, 전체적인 형상을 보면, 기판(110)의 제1 면(110a) 상에 발광구조체(120)가 형성되고, 발광구조체(120) 상에 반사금속층(130)이 형성되고, 기판(110)의 제2 면(110b) 상에 유전체부(140)가 형성된다. 그리고, 반사금속층(130) 상에 보호금속층(150)이 형성되고, 발광구조체(120) 중 제1 반도체층(122) 상에 제1 전극(160)이 형성되고, 보호금속층(150) 상에 제2 금속(170)이 형성된다.
그리고, 제2 전극(170)과 이격되어, 제1 및 제2 전극(160, 170) 각각에 대응하여 제1 및 제2 도전성 패드(190a, 190b)가 마련된 서브마운트기판(180)이 형성되고, 제1 및 제2 전극(160, 170)이 제1 및 제2 솔더범프(195a, 195b)에 의해 서로 마주하는 제1 및 제2 도전성 패드(190a, 190b)와 접속된다.
도 2의 기판(110), 발광구조체(120), 반사금속층(130), 유전체부(140), 보호금속층(150), 제1 전극(160) 및 제2 전극(170)은 도 1이 뒤집혀 상, 하가 바뀐 것을 제외하고는 형성 구조, 물질 및 특성 등은 전술한 도 1에서와 동일할 수 있으며, 이는 앞서 설명하였는 바, 이하에서는 중복된 설명은 생략하고 차이점에 대해서만 설명하기로 한다.
서브마운트 기판(180)은 발광구조체(120)를 포함한 발광구조물(미도시)을 플립칩(flip chip) 형태로 실장시키기 위한 기판으로, 제2 전극(170)과 이격되어 배치된다. 서브마운트 기판(180)은 발광구조물이 실장될 영역에 제1 및 제2 도전성 패드(190a, 190b)가 마련된다.
제1 및 제2 전극(160, 170) 각각은 제1 및 제2 솔더범프(195a, 195b)를 통해 서로 마주하는 제1 및 제2 도전성 패드(190a, 190b)에 플립칩 본딩된다. 즉, 발광구조체(120)를 포함하는 발광구조물과 서브마운트기판(180)이 제1 및 제2 솔더범프(195a, 195b)를 사이에 두고, 전기적으로 본딩된다.
이때, 발광구조체(120)의 활성층(124)에서 생성되어 방출되는 광이 윈도우로 작용하는 기판(110)을 통과한 후 유전체부(140)를 통하여 외부로 추출된다. 따라서, 유전체층(140)의 노출면이 광출사면이 되므로, 본 발명에 적용되는 반도체 발광소자(100A)는 배면발광(Bottom emission) 소자가 된다.
유전체부(140)는 활성층(124)에서 생성되어, 유전체부(140)로 입사되는 광 중, 일부 광은 투과시키고, 일부 광은 도파시킬 수 있다.
그 결과, 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 발광소자(100A)는 전술한 반도체 발광소자(100)와 동일하게 광출사면과 동시에 발광소자(100A)의 측면을 발광 영역으로 사용하는 발광 분포 확장 효과를 얻을 수 있어, 발광 분포가 우수하다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광소자를 적용한 직렬형 어레이를 나타낸 단면도로서, 도 1 또는 도 2의 참조번호와 동일한 것은 동일층을 의미하는 바, 중복 설명은 생략한다.
도 3을 참조하면, 복수의 발광구조체(120)들 중 하나의 발광구조체(120)의 제1 전극(160)과 다른 하나의 발광구조체(120)의 제2 전극(170)이 배선 전극(175')을 통해 서로 접속되어 서로 전기적으로 연결된 직렬 어레이로 형성될 수 있다. 이때, 배선 전극(175')은 제1 절연층(155)과 제2 절연층(185) 사이에 형성될 수 있다. 배선 전극(175')은 도 1의 와이어(175) 등으로 대체될 수 있으며, 제1 절연층(155)은 생략 가능하다.
한편, 도면으로 도시하지는 않았으나, 복수의 발광구조체(120)들 중 하나의 발광구조체(120)의 제1 전극(160)과 다른 하나의 발광구조체(120)의 제1 전극(160)이 상기 도 2의 배선 전극(175')이나 도 1의 와이어(175) 등에 의해 서로 접속되어 서로 전기적으로 연결된 병렬 어레이로 형성될 수도 있음은 물론이다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
실시예 1
사파이어 기판 상에 TiO2와 SiO2가 5회 교대 반복 적층된 유전체부를 제조하였다. 이때, 사용된 TiO2막과 SiO2막의 두께는 표 1에서와 같다.
[표 1]
Figure PCTKR2013007866-appb-I000001
실시예 2
사파이어 기판 상에 TiO2와 SiO2가 10회 교대 반복 적층된 유전체부를 제조하였다. 이때, 사용된 TiO2막과 SiO2막의 두께는 표 2에서와 같다.
[표 2]
Figure PCTKR2013007866-appb-I000002
실시예 3
사파이어 기판 상에 TiO2와 SiO2가 11회 교대 반복 적층되고, 그 후 Ta2O5와 SiO2가 9회 교대 반복 적층된 유전체부를 제조하였다. 이때, 사용된 TiO2막과 SiO2막의 두께는 표 3에서와 같다.
[표 3]
Figure PCTKR2013007866-appb-I000003
<입사각과 파장에 따른 투과도 평가>
실시예 1, 2의 유전체부의 표면에 대해, 450nm 파장을 이용하여 입사각에 따른 투과도를 평가하고, 입사각이 0°일 때의 파장에 따른 투과도를 평가하였다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 유전체부가 채용된 반도체 발광소자의 입사각에 따른 투과도를 나타낸 그래프이고, 도 5는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 유전체부가 채용된 반도체 발광소자의 파장에 따른 투과도를 나타낸 그래프이며, 도 6은 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 유전체부가 채용된 반도체 발광소자의 입사각 및 파장에 따른 투과도를 나타낸 3D 도면이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 표 1에 기재된 두께로 TiO2와 SiO2가 5회 교대 반복 적층된 실시예 1의 경우, 450nm의 파장 영역에서 입사면에 대해 0~36°의 입사각을 가지는 광을 거의 99% 이상 투과시키고, 36°를 초과하는 입사각을 가지는 광을 도파시켰다. 또한, 가시광에 대하여 96% 이상의 투과도를 보였다.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 유전체부가 채용된 반도체 발광소자의 입사각에 따른 투과도를 나타낸 그래프이고, 도 8은 본 발명의 실시예 2에 따라 제조된 유전체부가 채용된 반도체 발광소자의 파장에 따른 투과도를 나타낸 그래프이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 표 2에 기재된 두께로 TiO2와 SiO2가 10회 교대 반복 적층된 실시예 2의 경우, 450nm의 파장 영역에서 입사면에 대해 0~90°의 입사각을 가지는 광을 모두 투과시켰다. 또한, 가시광에 대하여 대략 90% 이상의 투과도를 보였다.
표 4는 본 발명의 실시예 3에 적용되는 유전체부가 채용된 반도체 발광소자의 휘도 특성을 나타낸 것이다. 휘도 특성은 적분구 발광출력값(PO)을 이용하였으며, 비교예 1을 기준으로 상대적인 적분구 발광출력값으로 나타내었다.
비교예 1은 유전체부가 채용되지 않은 반도체 발광소자, 비교예 2는 TiO2/SiO2가 10회 교대적층된 유전체부가 도입되되, 각 층의 TiO2 65nm, SiO2 35nm로 두께가 균일한 유전체부가 채용된 반도체 발광소자이다.
[표 4]
Figure PCTKR2013007866-appb-I000004
표 4를 참조하면, 유전체부가 채용되었을 때 휘도가 상승하며, 특히 실시예 3에 따른 유전체부가 채용된 반도체 발광소자의 경우, 보다 우수한 휘도 특성을 나타내는 것을 볼 수 있다.
도 9는 비교예 1에 따른 반도체 발광소자의 측면 발광 이미지를 나타낸 것이고, 도 10은 실시예 3에 따른 유전체부가 채용된 반도체 발광소자의 측면 발광 이미지를 나타낸 것이다.
도 9에 비하여 도 10의 경우, 전체적인 발광 특성이 향상되어 있는 것을 볼 수 있다. 특히 도 10의 경우, 측면 하단부와 상단부의 광 추출력 차이가 도 9에 비하여 현저히 감소된 것을 볼 수 있다.
도 11 내지 도 15는 실시예 3에 따른 유전체부가 채용된 반도체 발광소자에서, 광을 입사시켰을 때의 실험 결과를 나타낸 것으로, 유전체부 입사 순간(도 11), 유전체부 내부 진입 순간(도 12), 반사 시작 순간(도 13), 반사 및 일부 도파 순간(도 14) 및 반사 종료 순간(도 15)을 나타낸 것이다.
도 11 내지 도 15를 참조하면, 실시예 3에 따른 유전체부가 채용된 반도체 발광소자의 경우, 유전체부 내부에 진입한 일부의 광은 반사되며, 또한 일부의 광이 측면 방향으로 도파되는 것을 볼 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 조건을 만족하는 실시예 1~3의 경우, 각각의 유전체들의 두께 분포가 비규칙적인 유전체부를 이용하여 입사면에 따라 일부 광은 투과시키고, 일부 광은 도파시켜 면발광과 동시에 측면 발광을 구현할 수 있어 발광 분포를 넓힐 수 있다.
이를 통해, 본 발명에 따른 유전체부를 이용하면, 발광구조체에서 방출되는 광 중 일부 광을 발광소자의 가장자리로 도파시킴으로써 발광소자에서의 발광 분포를 넓힐 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.

Claims (18)

  1. 기판;
    상기 기판의 제1면 상에 형성되는 발광구조체; 및
    상기 기판의 제2면 상에 형성되되, 굴절율이 서로 다른 복수의 유전체가 교대로 적층되면서 각각의 유전체층의 두께 분포가 비규칙적인 유전체부를 포함하며,
    상기 기판이 윈도우로 작용하여, 상기 발광구조체에서 생성되는 광이 상기 유전체부를 통하여 외부로 발광되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유전체부는
    상기 유전체부로 입사되는 광의 일부는 투과 또는 반사시키고, 일부는 도파시키는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유전체부는
    굴절율 1.1~3.0 범위를 갖는 유전체들 중에서, 제1 굴절율을 갖는 제1 유전체와 상기 제1 유전체와 굴절율이 상이한 제2 유전체가 반복 적층되어 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유전체부는
    굴절율 1.1~3.0 범위를 갖는 유전체들 중에서, 적어도 굴절율 차가 0.2 이상인 복수의 유전체가 반복 적층되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유전체부는
    굴절율 1.5 이하의 저굴절율 유전체, 굴절율 1.5 초과 2.3 이하의 중굴절율 유전체 및 굴절율 2.3 초과의 고굴절율 유전체 중에서 선택된 복수의 유전체가 반복 적층되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 저굴절율 유전체 중 어느 하나는
    SiO2 또는 MgF2인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 고굴절율 유전체 중 어느 하나는
    TiO2 또는 CeO2인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 중굴절율 유전체는
    Al2O3, ZrO2, MgO, Ta2O5, SnO2, ZnO, B2O3, Li2O, SrO, HfO2, SiONx 및 BaO 중에서 선택된 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 유전체부는
    일부가 저굴절율 유전체와 고굴절율 유전체가 적어도 1회 이상 반복하여 적층되고, 다른 일부가 저굴절율 유전체와 중굴절율 유전체가 적어도 1회 이상 반복하여 적층된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 유전체부는
    가시광에 대해 90% 이상의 투과도를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 발광소자는
    상기 발광구조체의 제1 반도체층 상에 형성되는 제1 전극과,
    상기 발광구조체의 제2 반도체층과 전기적으로 연결되는 제2 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 반도체 발광소자는
    상기 제1 및 제2 전극 각각을 외부의 제1 및 제2 전원 연결 라인에 전기적으로 연결시키는 와이어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 발광소자는
    상기 발광구조체 상에 형성된 반사금속층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 반사금속층은
    은(Ag), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 백금(Pt) 및 금(Au) 중에서 선택된 하나 이상의 금속 또는 이들 중에서 선택된 둘 이상을 포함한 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 반도체 발광소자는
    상기 반사금속층을 감싸는 보호금속층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 반도체 발광소자는
    복수의 발광구조체들 중, 하나의 발광구조체의 제1 전극과 다른 하나의 발광구조체의 제2 전극이 서로 접속되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 반도체 발광소자는
    복수의 발광구조체들 중, 하나의 발광구조체의 제1 전극과 다른 하나의 발광구조체의 제1 전극이 서로 접속되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 발광구조체의 제1 반도체층 상에 형성된 제1 전극;
    상기 발광구조체의 제2 반도체층 상에 형성된 제2 전극;
    상기 제2 전극과 이격 배치되고, 발광구조체를 포함한 발광구조물이 실장될 영역에 제1 및 제2 도전성 패드가 마련된 서브마운트기판; 및
    상기 제1 및 제2 전극 각각을 상기 제1 및 제2 도전성 패드에 본딩시키는 제1 및 제2 솔더범프;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
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