WO2017131397A1 - 자외선 발광 소자 - Google Patents

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semiconductor layer
active layer
groove
layer
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타케야모토노부
최규진
김제훈
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Seoul Semiconductor Co Ltd
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Seoul Semiconductor Co Ltd
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Definitions

  • the present invention relates to an ultraviolet light emitting device, and more particularly, to an ultraviolet light emitting device having improved extraction efficiency of TM polarized light.
  • Ultraviolet light emitting devices can be used for UV curing, sterilization, white light sources, the medical field, and equipment accessory parts, and the like, and the range of their use is increasing.
  • deep ultraviolet light having a peak wavelength of about 350 nm or less, and further, about 200 nm to about light
  • near-ultraviolet light having a peak wavelength in the range of about 340 nm to about 400 nm
  • the light emitting device having a peak wavelength in the 350 nm range has a relatively strong emission intensity with respect to light in the UV-C region. Therefore, the deep ultraviolet light emitting device is expected to play various roles in various fields such as sterilization, water purification, detection means in the biochemical field, and medicine.
  • the ultraviolet light emitting device including the AlGaN based (or AlInGaN) active layer emits TM (transverse-magnetic) polarized light.
  • TM transverse-magnetic
  • the ratio of TM polarized light is known to be higher, and in the case of AlN, almost 90% or more of the light is emitted as TM polarized light.
  • TM polarized light is emitted in a direction horizontal to the plane of the active layer, and TE (transverse-electric) polarized light is emitted in a direction normal to the plane of the active layer, and thus TM polarized light
  • the light has a lower light extraction efficiency than TE polarized light. Therefore, the higher the ratio of TM polarized light, the lower the luminous efficiency of the ultraviolet light emitting device.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide an ultraviolet light emitting device that improves the light extraction efficiency of TM polarized light to improve the overall luminous efficiency.
  • An ultraviolet light emitting device includes a first conductive semiconductor layer, a second conductive semiconductor layer positioned below the first conductive semiconductor layer, and the first and second conductive semiconductor layers.
  • an ultraviolet light emitting device includes: a second substrate; And a light emitting device according to embodiments, positioned on the second substrate.
  • a light emitting structure comprising grooves and / or inclined sides having a predetermined inclination and emitting TM polarized ultraviolet light
  • light extraction efficiency and light emission of ultraviolet light emitting devices in particular, deep ultraviolet light emitting devices
  • the efficiency can be improved.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an ultraviolet light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2A and 2B are enlarged cross-sectional views illustrating a light emission path of an ultraviolet light emitting device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is an enlarged cross-sectional view illustrating a light emission path of an ultraviolet light emitting device according to embodiments of the present invention.
  • 4A and 4B are plan views illustrating an ultraviolet light emitting diode according to embodiments of the present invention.
  • 5A and 5B are plan views illustrating an ultraviolet light emitting diode according to various embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating an ultraviolet light emitting device and a light emitting device including the same according to various embodiments of the present disclosure.
  • the ultraviolet light emitting device may be implemented in various aspects.
  • the ultraviolet light emitting device may include a first conductive semiconductor layer, a second conductive semiconductor layer disposed below the first conductive semiconductor layer, and the first and second conductive semiconductor layers. And a light emitting structure including an active layer, the light emitting structure including an active layer emitting ultraviolet light, wherein the light emitting structure includes at least one groove at least partially penetrating through the second conductivity type semiconductor layer.
  • the side surface is partially exposed, and the ultraviolet light includes the TM polarized light, and the inclination angle ⁇ h of the side surface of the active layer exposed to the side surface of the groove with respect to the bottom surface of the second conductivity-type semiconductor layer is expressed by Equation 1 Satisfy the condition.
  • the material covering the interface between the groove and the active layer may include at least one of air, SiO 2 and SiNx.
  • the second conductivity type semiconductor layer may include a nitride based semiconductor having a bandgap energy of 3.0 eV to 4.0 eV.
  • the second conductivity type semiconductor layer may include P-GaN.
  • the first conductivity type semiconductor layer may include AlGaN having a bandgap energy greater than that corresponding to a peak wavelength of ultraviolet light emitted from the active layer.
  • the light emitting structure may include an inclined side surface, and a side surface of the active layer may be partially exposed on the inclined side surface.
  • a side surface of the active layer exposed to the inclined side surface may have an inclination angle of ⁇ h2 with respect to a bottom surface of the second conductivity type semiconductor layer, and ⁇ h2 may satisfy the condition of [Equation 2].
  • the light emitting structure may include at least one mesa including a portion of the active layer and the second conductive semiconductor layer, and at least a portion of the mesa may be surrounded by the groove.
  • the at least one groove may include a plurality of grooves spaced apart from each other.
  • the ultraviolet light emitting device may further include an insulating layer at least partially covering the side surface of the active layer exposed to the side surface of the groove.
  • the ultraviolet light emitting device may further include a contact electrode positioned below the second conductivity type semiconductor layer and including a reflective layer and a cover layer covering the reflective layer.
  • the ultraviolet light emitting device may further include a first electrode electrically connected to the first conductive semiconductor layer and a second electrode electrically connected to the second conductive semiconductor layer.
  • the second electrode may at least partially cover the groove.
  • an ultraviolet light emitting device may include a second substrate; And a light emitting device according to embodiments, positioned on the second substrate.
  • the ultraviolet light emitting device may further include an insulating material interposed between the second substrate and the ultraviolet light emitting device.
  • the insulating material may at least partially cover the side of the groove.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an ultraviolet light emitting device according to an embodiment of the present invention.
  • an ultraviolet light emitting device includes a first conductive semiconductor layer 121, an active layer 123, and a second conductive semiconductor layer 125, and emits ultraviolet light.
  • the structure 120 is included.
  • the contact electrode 130, the insulating layer 140, the first electrode 151, and the second electrode 153 may be further included.
  • the ultraviolet light emitting device may further include a substrate (not shown).
  • the light emitting structure 120 is positioned between the first conductive semiconductor layer 121, the second conductive semiconductor layer 125, and the first conductive semiconductor layer 121 and the second conductive semiconductor layer 125.
  • the active layer 123 is included.
  • the first conductivity type semiconductor layer 121 may be located on the second conductivity type semiconductor layer 125.
  • the light emitting structure 120 includes at least one groove 127 formed on the bottom surface thereof.
  • the light emitting structure 120 may include at least one inclined side surface 129a formed on the outer side surface.
  • the light emitting structure 120 may include a roughened surface 120R formed on an upper surface of the first conductivity-type semiconductor layer 121.
  • the first conductive semiconductor layer 121, the active layer 123, and the second conductive semiconductor layer 125 may include a -V series nitride-based semiconductor, and include, for example, (Al, Ga, In) N and The same nitride-based semiconductor may be included.
  • the first conductive semiconductor layer 121 may include n-type impurities (eg, Si, Ge, Sn), and the second conductive semiconductor layer 125 may include p-type impurities (eg, Mg, Sr, Ba). It may also be the reverse.
  • the active layer 123 may include a multi-quantum well structure (MQW), and the composition ratio of the nitride semiconductor may be adjusted to emit a desired wavelength.
  • MQW multi-quantum well structure
  • the second conductivity-type semiconductor layer 125 may be a p-type semiconductor layer, and the active layer 123 may emit light in the ultraviolet band.
  • the peak wavelength of the light emitted from the active layer 123 may be light having a peak wavelength of 400 nm or less, may be light having a peak wavelength of 380 nm or less, and may further be light having a peak wavelength of 365 nm or less, and further, 350 nm. It may be light having the following peak wavelengths, and further may be light having a peak wavelength of 300 nm or less.
  • the ultraviolet light emitting device of this embodiment can emit light having a peak wavelength of about 275 nm.
  • the ultraviolet light emitted from the active layer 123 includes TM polarized light.
  • the first conductivity-type semiconductor layer 121 may include a nitride-based semiconductor including Al.
  • the Al composition ratio of the first conductive semiconductor layer 121 may be controlled according to the peak wavelength of the light emitted from the active layer 123.
  • the composition ratio of Al may be controlled so that the first conductivity-type semiconductor layer 121 may have a bandgap energy larger than the energy corresponding to the peak wavelength of ultraviolet light emitted from the active layer 123.
  • the first conductivity-type semiconductor layer 121 may include a nitride-based semiconductor having an Al composition ratio of about 30% or more.
  • the main light emitting surface may be an upper surface of the first conductive semiconductor layer 121. Accordingly, the Al composition ratio of the first conductive semiconductor layer 121 may be controlled to prevent absorption of light passing through the first conductive semiconductor layer 121.
  • the second conductive semiconductor layer 125 may include at least one of p-AlGaN, p-AlInGaN, p-GaN, and p-InGaN.
  • the second conductivity-type semiconductor layer 125 may include a nitride-based semiconductor having an energy bandgap of 3.0 eV to 4.0 eV.
  • the second conductivity-type semiconductor layer 125 may include or be formed of p-GaN.
  • the second conductive semiconductor layer 125 includes p-GaN or is formed of p-GaN, an ohmic contact between the contact electrode 130 and the second conductive semiconductor layer 125 may be easily formed.
  • the contact resistance can be made relatively low, and the electrical characteristics of the ultraviolet light emitting device can be improved.
  • the present invention is not limited thereto.
  • An upper surface of the first conductivity type semiconductor layer 121 may be formed as a roughened surface 120R having an increased surface roughness.
  • the roughened surface 120R may be provided by performing a surface treatment process on the surface of the first conductive semiconductor layer 121 using at least one of various methods such as dry etching, wet etching, and electrochemical etching.
  • the roughened surface 120R reduces the total reflection at the upper surface of the first conductive semiconductor layer 121, which is the main light emitting surface of the light emitting device, thereby improving light extraction efficiency of the light emitting device.
  • the light emitting structure 120 includes at least one groove 127. At least one groove 127 penetrates at least partially through the second conductivity-type semiconductor layer 125, and the side surface of the active layer 123 is exposed at the side surface 127a of the groove 127.
  • the groove 127 includes an inclined side.
  • the inclined side surface of the groove 127 may include at least partially the side surface of the active layer 123 exposed to the side surface 127a of the groove 127. That is, at least a part of the side surface of the active layer 123 exposed to the side surface 127a of the groove 127 may be inclined.
  • the side surface 127a of the groove 127 and / or the side surface of the active layer 123 may have an inclination inclined at a predetermined angle with respect to the bottom surface of the light emitting structure 120.
  • the outer side surface of the light emitting structure 120 may include an inclined side surface 129a.
  • the inclined side surface 129a may expose at least a portion of the side surface of the active layer 123, and the inclined side surface 129a may include the side surface of the inclined active layer 123. That is, at least a part of the side surface of the active layer 123 exposed to the inclined side surface 129a may be inclined.
  • the inclined side surface 129a and / or the side surface of the active layer 123 may have a slope inclined at a predetermined angle with respect to the bottom surface of the light emitting structure 120.
  • the side surface 127a of the groove 127 is inclined at an angle ⁇ h with respect to the bottom surface of the light emitting structure 120 (the bottom surface of the second conductivity-type semiconductor layer 125). It may include. In FIG. 1, the entire side surface 127a of the at least one groove 127 is shown to be inclined at an angle ⁇ h with respect to the bottom surface of the light emitting structure 120 (the bottom surface of the second conductivity-type semiconductor layer 125). However, the present invention is not limited thereto.
  • the bottom surface of the groove 127 may include two or more side surfaces of different inclinations, wherein the side surface of the active layer 123 is the bottom surface of the light emitting structure 120 (second conductive semiconductor layer ( 125) may be inclined at an angle of ⁇ h .
  • the inclined angle of the inclined side surface 129a formed on the outer side surface of the light emitting structure 120 may be the same as the inclination angle of the groove 127, or may be different from each other.
  • the inclined side surface 129a may be inclined at an angle ⁇ h , and in this case, the inclination angle of the side surface of the groove 127 and the inclination angle of the inclined side surface 129a may be substantially the same.
  • the side surface 127a of the groove 127 includes a side surface inclined at an angle ⁇ h with respect to the bottom surface of the light emitting structure 120 (the bottom surface of the second conductivity-type semiconductor layer 125).
  • the inclined side surface 129a may include a side surface inclined at an angle ⁇ h2 with respect to the lower surface of the silver light emitting structure 120 (the lower surface of the second conductivity-type semiconductor layer 125).
  • ⁇ h2 may have a relationship according to Equation 1. That is, in Equation 1, according to the relational expression by substituting ⁇ h ⁇ h2, it can be adjusted in the inclination angle (angle ⁇ h2) of the inclined side surface (129a).
  • the side surface 127a of the groove 127 is inclined at a predetermined angle, and in particular, the side surface of the active layer 123 exposed to the side surface 127a of the groove 127 is inclined at a predetermined angle.
  • the luminous efficiency of the light emitting device can be improved. Hereinafter, this will be described in more detail with reference to FIGS. 2A and 2B.
  • the light emitted at any point P1 of the active layer 123 includes TE polarized light TE and TM polarized light TM1. Since the TE polarized light TE is mainly emitted in a normal direction with respect to the plane of the active layer 123, the polarized light TE travels in a direction toward the top of the first conductivity-type semiconductor layer 121. For convenience of description, the illustration of the TE polarized light TE traveling in a direction toward the lower portion of the first conductivity-type semiconductor layer 125 is omitted. Therefore, the TE polarized light TE is more likely to pass through the first conductivity type semiconductor layer 121 and be extracted to the outside of the light emitting device.
  • the TM polarized light TM1 is mainly emitted in a horizontal direction with respect to the surface of the active layer 123, the TM polarized light TM1 travels toward the side of the active layer 123 along the surface of the active layer 123. Only the TM polarized light TM1 pointing to the right with reference to the drawings is shown for convenience of description.
  • the TM polarized light TM1 may reach the side surface 127a of the groove 127, particularly, the side surface of the active layer 123 exposed to the side surface 127a of the groove 127, and the active layer 123 It may be refracted or totally reflected at the interface IF of the groove 127.
  • TM polarized light TM1 when TM polarized light TM1 is totally reflected at the interface IF, TM polarized light TM1 is directed above the light emitting structure 120. Therefore, the light extraction efficiency may be greatly improved as compared with the case where the TM polarized light TM1 is emitted only to the side of the active layer 123, and thus the luminous efficiency of the light emitting device may be greatly improved.
  • Inclination angle ⁇ h of the side surface of (wherein, when the inclination angle of the side surface 127a of the groove 127 is the same as the inclination angle of the side surface of the active layer 123, ⁇ h may correspond to the inclination angle of the side surface 127a of the groove 127) May be controlled according to a predetermined condition as shown in Equation 1 below.
  • n 2 refractive index of the material covering the interface IF between the groove 127 and the active layer 123
  • n 1 refractive index of the active layer 1283
  • Equation 1 is derived from Snell's law, and the TM polarized light TM1 at the interface IF is equal to (90 ° - ⁇ h ) with respect to the line PL perpendicular to the interface IF. .
  • ⁇ h may vary according to a material covering the interface IF between the groove 127 and the active layer 123, and the interface IF between the groove 127 and the active layer 123 may vary. ) May include air, SiO 2 , SiN x , ZrO 2 , TiO 2 , HfO 2 , Nb 2 O 5 , and the like.
  • ⁇ h may be about 64.23 ° or less.
  • some of the light TM2 including the TM polarized light component emitted at an arbitrary point P2 may be directed downward based on the active layer 123. That is, as shown, a portion of the light TM2 including the TM polarized light component may be directed in the downward direction based on the direction along the plane of the active layer 123. Light TM2 including the TM polarized light component directed in this path is refracted at the interface IF between the slanted active layer 123 and the groove 127 and travels in the upward direction.
  • the light extraction efficiency is improved.
  • the luminous efficiency of the light emitting device can be further improved.
  • the second conductivity-type semiconductor layer 125 includes p-GaN in order to improve electrical characteristics of the second conductivity-type semiconductor layer 125
  • the TM polarized light that is downwardly passes through the second conductivity-type semiconductor layer ( 125).
  • the light emitting efficiency of the light emitting device can be further improved by refracting a portion of the downward TM polarized light upward.
  • the side 127a of the groove 127 may be covered with various materials.
  • the light emitting device may further include an insulating layer 140 at least partially covering the surface of the groove 127.
  • the insulating layer 140 covers the side surface 127a of the groove 127, particularly the side surface of the active layer 123, the inclination angle of the side surface of the active layer 123 may vary.
  • ⁇ h may be about 47.97 ° or less
  • ⁇ h may be about 40.33 ° or less.
  • the total reflection and refraction of light in the at least one groove 127 described above may be similarly applied to the inclined side surface 129a of the light emitting structure 120. Therefore, since the light emitting structure 120 includes the inclined side surface 129a, the light emission efficiency may be further improved.
  • the at least one groove 127 may be variously disposed with respect to the bottom surface of the light emitting structure 120.
  • 4A through 5B are plan views illustrating a bottom surface of an ultraviolet light emitting diode according to various embodiments.
  • At least one groove 127 may be formed in plural, spaced apart from each other.
  • the at least one groove 127 may be formed in the form of a polygonal pyramid, in particular in the form of a square pyramid, as shown in FIG. 5A, and may be generally arranged regularly.
  • FIG. 5B it may be formed in the form of a cone, and may be generally arranged regularly.
  • the ultraviolet light emitting device may further include a substrate (not shown) positioned on the first conductivity type semiconductor layer 121.
  • the substrate may be an insulating or conductive substrate.
  • the substrate may be a growth substrate for growing the light emitting structure 120, and may include a sapphire substrate, a silicon carbide substrate, a silicon substrate, a gallium nitride substrate, an aluminum nitride substrate, and the like.
  • the contact electrode 130 is electrically connected to the second conductivity type semiconductor layer 125.
  • the contact electrode 130 may be in ohmic contact with the second conductivity type semiconductor layer 125, and may be positioned under the second conductivity type semiconductor layer 125.
  • the contact electrode 130 may include a reflective layer 131 and a cover layer 133 at least partially covering the reflective layer 131.
  • the reflective layer 131 reflects ultraviolet light and may be formed of a material forming an ohmic contact with the second conductive semiconductor layer 125.
  • Ni, Pt, Pd, Rh, W, Ti, Al It may include at least one of, Mg, Ag and Au.
  • the reflective layer 131 may include Al.
  • the reflective layer 131 may include a single layer or multiple layers.
  • the cover layer 133 may prevent mutual diffusion between the reflective layer 131 and another material, and prevent the external material from diffusing into the reflective layer 131 and damaging the reflective layer 131.
  • the cover layer 133 may include, for example, Au, Ni, Ti, Cr, Pt, W, or the like, and may include a single layer or multiple layers.
  • the light emitted from the active layer 123 is reflected through the contact electrode 130, so that the light may travel upward in the light emitting structure 120.
  • the insulating layer 140 at least partially covers the bottom surface of the light emitting structure 120.
  • the insulating layer 140 may at least partially cover the side surface 127a of the groove 127, and further, may cover the side surface of the active layer 123 exposed to the side surface 127a of the groove 127.
  • the insulating layer 140 may partially cover the outer side surface of the light emitting structure 120 and may cover the inclined side surface 129a of the light emitting structure 120.
  • the side surface of the active layer 123 exposed to the inclined side surface 129a may be covered.
  • the insulating layer 140 may include one or more openings that partially expose the contact electrode 130.
  • the insulating layer 140 may partially cover the contact electrode 130.
  • the contact electrode 130 may be exposed through the opening of the insulating layer 140, and the contact electrode 130 and the second electrode 153 may be electrically connected through the opening.
  • the insulating layer 140 may include an insulating material such as SiO 2 , SiN x , ZrO 2 , TiO 2 , HfO 2 , Nb 2 O 5, or the like, and may also be formed of a single layer or multiple layers.
  • the insulating layer 140 may include a distributed Bragg reflector, thereby further improving the luminous efficiency of the ultraviolet light emitting device.
  • the insulating layer 140 may include a distribution Bragg reflector of the SiO 2 layer / ZrO 2 layer and a SiN x layer formed on the distribution Bragg reflector.
  • the SiN x layer is highly moisture resistant and can improve the reliability of the ultraviolet light emitting device.
  • the insulating layer 140 may include a laminated structure of insulating layers each having a thickness of 2000 to 7000 ⁇ . The entire thickness of the insulating layer 140 may be 1 ⁇ m or less, but is not limited thereto.
  • the first electrode 151 and the second electrode 153 are electrically connected to the first conductive semiconductor layer 121 and the second conductive semiconductor layer 125, respectively.
  • the first electrode 151 is positioned on the light emitting structure 120 and may be in contact with the first conductivity type semiconductor layer 121 to form an electrical connection.
  • a plurality of first electrodes 151 may be formed.
  • the second electrode 153 is positioned under the light emitting structure 120 and may be in electrical contact with the contact electrode 130 to be electrically connected to the second conductivity-type semiconductor layer 125.
  • the at least one groove 127 may be covered by the second electrode 153.
  • the second electrode 153 may be formed in a single body or in plurality. For example, as illustrated in FIG.
  • the second electrode 153 may be formed in a single unit to be in contact with the contact electrode 130 through the plurality of openings of the insulating layer 140, and the grooves 127 may be formed in the second portion.
  • the electrode 153 may be covered.
  • a plurality of second electrodes 153 ′ may be formed, wherein at least some of the second electrodes 153 ′ are positioned below the contact electrode 130. can do.
  • the at least one groove 127 may be located above the separation area of the second electrodes 153 ′.
  • the first electrode 151 and the second electrode 153 may be formed of a single layer or multiple layers, and may be formed of, for example, an adhesive layer, a diffusion barrier layer, and a bonding layer.
  • the adhesive layer may include, for example, Ti, Cr, or Ni
  • the diffusion barrier layer may be formed of Cr, Ni, Ti, W, TiW, Mo, Pt, or a composite layer thereof, and the bonding layer may be Au or AuSn may be included.
  • the light emitting device may include a second substrate 210 and an ultraviolet light emitting element positioned on the second substrate 210. Since the ultraviolet light emitting device may be substantially similar to the light emitting device described with reference to FIGS. 1 to 5, a detailed description of the same configuration will be omitted and a configuration having a difference will be described in detail below.
  • the second substrate 210 may provide a region in which the ultraviolet light emitting device is mounted, and may be, for example, a substrate of a light emitting diode package, a substrate of a light emitting module, a PCB, a metal plate, or the like. In one embodiment, the second substrate 210 may be a metal plate comprising Cu. However, the present invention is not limited thereto, and the second substrate 210 provides a region in which the ultraviolet light emitting device is mounted, and is not limited as long as it has a structure capable of forming an electrical connection with the ultraviolet light emitting device.
  • the ultraviolet light emitting device may include a plurality of second electrodes 153 ′ positioned below the contact electrode 130. The second electrode 153 ′ may be electrically connected to the second substrate 210 and may be bonded to the second substrate 210 through solder, eutectic bonding, conductive adhesive, or the like.
  • the light emitting device may further include an insulating material 220 interposed between the ultraviolet light emitting device and the second substrate 210.
  • the insulating material 220 may at least partially cover the side surface 127a of the groove 127 and may further cover the side surface of the second electrode 153 ′.
  • the insulating material 220 may include SiO 2 , SiN x , ZrO 2 , TiO 2 , HfO 2 , Nb 2 O 5, or the like.
  • the light emitting device includes the insulating material 220, the insulating layer 140 may be omitted, and the ultraviolet light emitting device may be more stably mounted on the second substrate 210 by forming the insulating material 220. .
  • the ultraviolet light emitting device has been described as including the first electrode 151 and the second electrode 153 disposed in the vertical direction, the present invention is not limited thereto.
  • the ultraviolet light emitting device may include a first electrode 151 and a second electrode 153 disposed under the light emitting structure 120.
  • the groove 127 and / or the inclined side surface 129a of the light emitting structure 120 may be applied to various structures such as a vertical light emitting device and a flip chip type light emitting device.

Landscapes

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

자외선 발광 소자가 제공된다. 자외선 발광 소자는, 제1 도전형 반도체층, 제1 도전형 반도체층의 아래에 위치하는 제2 도전형 반도체층 및 제1 및 제2 도전형 반도체층의 사이에 위치하며 자외선 광을 방출하는 활성층을 포함하는 발광 구조체를 포함하고, 발광 구조체는 제2 도전형 반도체층을 적어도 부분적으로 관통하는 적어도 하나의 홈을 포함하되, 홈의 측면에는 활성층의 측면이 부분적으로 노출되고, 자외선 광은 TM 편광된 광을 포함하고, 제2 도전형 반도체층의 하면에 대한, 홈의 측면에 노출된 활성층 측면의 경사각 θh은 소정의 조건을 만족한다.

Description

자외선 발광 소자
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 아래에 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 반도체층을 적어도 부분적으로 관통하는 적어도 하나의 홈을 포함하되, 상기 홈의 측면에는 상기 활성층의 측면이 부분적으로 노출되고, 상기 자외선 광은 TM 편광된 광을 포함하고, 상기 제2 도전형 반도체층의 하면에 대한, 상기 홈의 측면에 노출된 활성층 측면의 경사각 θh은 [식 1]의 조건을 만족한다.
([식 1]
Figure PCTKR2017000750-appb-I000001
, n2: 상기 홈과 상기 활성층 간의 계면을 덮는 물질의 굴절률, n1: 상기 활성층의 굴절률)
본 발명의 다른 측면에 따른 자외선 발광 장치는, 제2 기판; 및 상기 제2 기판 상에 위치하는, 실시예들에 따른 발광 소자를 포함한다.
본 발명에 따르면, 소정의 경사를 갖는 홈 및/또는 경사진 측면을 포함하며, TM 편광된 자외선 광을 방출하는 발광 구조체를 제공함으로써, 자외선 발광 소자, 특히 심자외선 발광 소자의 광 추출 효율 및 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 자외선 발광 소자의 광 방출 경로를 설명하기 위한 확대 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 자외선 발광 소자의 광 방출 경로를 설명하기 위한 확대 단면도들이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예들에 따른 자외선 발광 소자를 설명하기 위한 평면도들이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 자외선 발광 소자를 설명하기 위한 평면도들이다.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 자외선 발광 소자 및 이를 포함하는 발광 장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 자외선 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
본 발명의 실시예들에 따른 자외선 발광 소자는 다양한 양태로 구현될 수 있다.
다양한 실시예들에 따른 자외선 발광 소자는, 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층의 아래에 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 반도체층을 적어도 부분적으로 관통하는 적어도 하나의 홈을 포함하되, 상기 홈의 측면에는 상기 활성층의 측면이 부분적으로 노출되고, 상기 자외선 광은 TM 편광된 광을 포함하고, 상기 제2 도전형 반도체층의 하면에 대한, 상기 홈의 측면에 노출된 활성층 측면의 경사각 θh은 [식 1]의 조건을 만족한다.
([식 1]
Figure PCTKR2017000750-appb-I000002
, n2: 상기 홈과 상기 활성층 간의 계면을 덮는 물질의 굴절률, n1: 상기 활성층의 굴절률)
상기 홈과 상기 활성층 간의 계면을 덮는 물질은 공기, SiO2 및 SiNx 중 적어도 하나를 포함할 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 제1 도전형 반도체층은 상기 활성층에서 방출되는 자외선 광의 피크 파장에 대응하는 에너지보다 큰 밴드갭 에너지를 갖는 AlGaN을 포함할 수 있다.
상기 발광 구조체는 경사진 측면을 포함할 수 있고, 상기 경사진 측면에는 상기 활성층의 측면이 부분적으로 노출될 수 있다.
상기 경사진 측면에 노출된 활성층의 측면은, 상기 제2 도전형 반도체층의 하면에 대해 θh2의 경사각을 가지며, 상기 θh2는 [식 2]의 조건을 만족할 수 있다.
([식 2]
Figure PCTKR2017000750-appb-I000003
, n2: 상기 경사진 측면과 상기 활성층 간의 계면을 덮는 물질의 굴절률, n1: 상기 활성층의 굴절률)
상기 발광 구조체는 상기 활성층 및 상기 제2 도전형 반도체층의 일부를 포함하는 적어도 하나의 메사를 포함할 수 있고, 상기 메사의 적어도 일부는 상기 홈에 둘러싸일 수 있다.
상기 적어도 하나의 홈은 서로 이격된 복수의 홈들을 포함할 수 있다.
상기 자외선 발광 소자는, 상기 홈의 측면에 노출된 상기 활성층의 측면을 적어도 부분적으로 덮는 절연층을 더 포함할 수 있다.
상기 활성층에서 방출되는 광은 380nm 이하의 피크 파장을 갖는 자외선 광일 수 있다.
상기 자외선 발광 소자는, 상기 제2 도전형 반도체층의 아래에 위치하며, 반사층 및 상기 반사층을 덮는 커버층을 포함하는 컨택 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 자외선 발광 소자는, 상기 제1 도전형 반도체층에 전기적으로 연결된 제1 전극 및 상기 제2 도전형 반도체층에 전기적으로 연결된 제2 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 전극은 상기 홈을 적어도 부분적으로 덮을 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예들에 따른 자외선 발광 장치는, 제2 기판; 및 상기 제2 기판 상에 위치하는, 실시예들에 따른 발광 소자를 포함한다.
상기 자외선 발광 장치는, 상기 제2 기판과 상기 자외선 발광 소자의 사이에 개재된 절연물질을 더 포함할 수 있다.
상기 절연물질은 상기 홈의 측면을 적어도 부분적으로 덮을 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 또한, 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 "상부에" 또는 "상에" 있다고 기재된 경우 각 부분이 다른 부분의 "바로 상부" 또는 "바로 상에" 있는 경우뿐만 아니라 각 구성요소와 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 있는 경우도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 자외선 발광 소자는, 제1 도전형 반도체층(121), 활성층(123) 및 제2 도전형 반도체층(125)을 포함하되, 자외선 광을 방출하는 발광 구조체(120)를 포함한다. 또한, 상기 자외선 발광 소자는. 컨택 전극(130), 절연층(140), 제1 전극(151) 및 제2 전극(153)을 더 포함할 수 있다. 나아가, 상기 자외선 발광 소자는 기판(미도시)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. 제1 도전형 반도체층(121)은 제2 도전형 반도체층(125) 상에 위치할 수 있다. 발광 구조체(120)는 그 하면에 형성된 적어도 하나의 홈(127)을 포함한다. 또한, 발광 구조체(120)는 외곽 측면에 형성된 적어도 하나의 경사진 측면(129a)을 포함할 수 있다. 또한, 발광 구조체(120)는 제1 도전형 반도체층(121)의 상면에 형성된 거칠어진 표면(120R)을 포함할 수 있다.
제1 도전형 반도체층(121), 활성층(123) 및 제2 도전형 반도체층(125)은 -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.
특히, 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 발광 소자에 있어서, 주(main) 광 방출면은 제1 도전형 반도체층(121)의 상면일 수 있다. 따라서 제1 도전형 반도체층(121)의 Al 조성비를 제어하여 제1 도전형 반도체층(121)을 통과하는 광이 흡수되는 것을 방지할 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.
제1 도전형 반도체층(121)의 상면은 표면 거칠기가 증가된 거칠어진 표면(120R)으로 형성될 수 있다. 거칠어진 표면(120R)은 건식 식각, 습식 식각, 전기화학 식각 등 다양한 방법 중 적어도 하나를 이용하여 제1 도전형 반도체층(121)의 표면에 표면 처리 공정을 수행하여 제공될 수 있다. 거칠어진 표면(120R)에 의해 상기 발광 소자의 주 광 방출면인 제1 도전형 반도체층(121)의 상면에서 전반사가 감소하여, 발광 소자의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
발광 구조체(120)는 적어도 하나의 홈(127)을 포함한다. 적어도 하나의 홈(127)은 제2 도전형 반도체층(125)을 적어도 부분적으로 관통하여, 홈(127)의 측면(127a)에는 활성층(123)의 측면이 노출된다. 홈(127)은 경사진 측면을 포함한다. 특히, 홈(127)의 경사진 측면은 홈(127)의 측면(127a)에 노출된 활성층(123)의 측면을 적어도 부분적으로 포함할 수 있다. 즉, 홈(127)의 측면(127a)에 노출된 활성층(123)의 측면의 적어도 일부는 경사질 수 있다. 이때, 홈(127)의 측면(127a) 및/또는 활성층(123)의 측면은 발광 구조체(120)의 하면에 대해서 소정 각도로 기울어진 경사를 가질 수 있다.
또한, 발광 구조체(120)의 외곽 측면은 경사진 측면(129a)을 포함할 수 있다. 특히, 상기 경사진 측면(129a)은 활성층(123)의 측면의 적어도 일부를 노출시키며, 상기 경사진 측면(129a)은 경사진 활성층(123)의 측면을 포함할 수 있다. 즉, 경사진 측면(129a)에 노출된 활성층(123)의 측면의 적어도 일부는 경사질 수 있다. 이때, 경사진 측면(129a) 및/또는 활성층(123)의 측면은 발광 구조체(120)의 하면에 대해서 소정 각도로 기울어진 경사를 가질 수 있다.
예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이, 홈(127)의 측면(127a)은 발광 구조체(120)의 하면(제2 도전형 반도체층(125)의 하면)에 대해서 θh의 각도로 경사진 측면을 포함할 수 있다. 도 1에서 적어도 하나의 홈(127)의 측면(127a) 전체가 발광 구조체(120)의 하면(제2 도전형 반도체층(125)의 하면)에 대해서 θh의 각도로 경사진 것으로 도시되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 다양한 실시예들에서, 홈(127)의 하면은 서로 다른 기울기의 2 이상의 측면을 포함할 수도 있으며, 이때, 활성층(123)의 측면은 발광 구조체(120)의 하면(제2 도전형 반도체층(125)의 하면)에 대해서 θh의 각도로 경사질 수 있다. 또한, 발광 구조체(120)의 외곽 측면에 형성된 경사진 측면(129a)의 경사진 각도는 홈(127)의 경사각과 동일할 수도 있고, 서로 다를 수도 있다. 예를 들어, 경사진 측면(129a)은 θh의 각도로 경사질 수 있고, 이 경우, 홈(127) 측면의 경사각과 경사진 측면(129a)의 경사각은 대체로 동일할 수 있다. 또한, 다양한 실시예들에서, 홈(127)의 측면(127a)은 발광 구조체(120)의 하면(제2 도전형 반도체층(125)의 하면)에 대해서 θh의 각도로 경사진 측면을 포함할 수 있고, 경사진 측면(129a)은 은 발광 구조체(120)의 하면(제2 도전형 반도체층(125)의 하면)에 대해서 θh2의 각도로 경사진 측면을 포함할 수 있다. 이때, 상기 θh2는 식 1에 따른 관계를 가질 수 있다. 즉, 식 1에서, θh를 θh2로 치환한 관계식에 따라, 경사진 측면(129a)의 경사각(θh2의 각도)이 조절될 수 있다.
홈(127)의 측면(127a)이 소정 각도로 기울어진 경사를 가짐으로써, 특히, 홈(127)의 측면(127a)에 노출된 활성층(123)의 측면이 소정 각도로 기울어진 경사를 가짐으로써 발광 소자의 발광 효율이 향상될 수 있다. 이하, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 이와 관련하여 더욱 상세하게 설명한다.
도 2a를 참조하면, 활성층(123)의 임의의 포인트 P1에서 방출된 광은 TE 편광된 광(TE)과 TM 편광된 광(TM1)을 포함한다. TE 편광된 광(TE)은 주로 활성층(123)의 면에 대해 수직인(normal) 방향으로 방출되므로, 제1 도전형 반도체층(121)의 상부를 향하는 방향으로 진행한다. 설명의 편의를 위해 제1 도전형 반도체층(125)의 하부를 향하는 방향으로 진행하는 TE 편광된 광(TE)의 도시는 생략한다. 따라서 TE 편광된 광(TE)은 제1 도전형 반도체층(121)을 통과하여 발광 소자의 외부로 추출될 확률이 높다. 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(127)의 측면(127a), 특히, 홈(127)의 측면(127a)에 노출된 활성층(123)의 측면에 도달할 수 있고, 활성층(123)과 홈(127)의 계면(IF)에서 굴절되거나 전반사될 수 있다. 특히, 도시된 바와 같이, 상기 계면(IF)에서 TM 편광된 광(TM1)이 전반사되는 경우, TM 편광된 광(TM1)은 발광 구조체(120)의 상부로 향하게 된다. 따라서 TM 편광된 광(TM1)이 활성층(123)의 측면으로만 방출되는 경우에 비해 광 추출 효율을 매우 향상시킬 수 있어, 발광 소자의 발광 효율이 매우 향상될 수 있다. 이와 같이 TM 편광된 광(TM1)이 홈(127)의 측면(127a)에서 전반사되어 발광 구조체(120)의 상부로 진행할 수 있도록, 홈(127)의 측면(127a)에 노출된 활성층(123)의 측면의 경사각 θh(이때, 홈(127)의 측면(127a)의 경사각이 활성층(123)의 측면의 경사각과 동일한 경우, θh는 홈(127)의 측면(127a)의 경사각에 대응할 수 있음)는 아래 식 1과 같은 소정의 조건을 따라 제어될 수 있다.
[식 1]
Figure PCTKR2017000750-appb-I000004
(n2: 홈(127)과 활성층(123) 간의 계면(IF)을 덮는 물질의 굴절률, n1: 활성층(123)의 굴절률)
상기 식 1은 스넬의 법칙으로부터 유도된 것으로, 계면(IF)에서 TM 편광된 광(TM1)은 계면(IF)에 수직한 선(PL)에 대한 입사각 α는 (90°- θh)와 같다. 식 1에서 보여지는 바와 같이, θh는 홈(127)과 활성층(123) 간의 계면(IF)을 덮는 물질에 따라 다양하게 변화할 수 있으며, 홈(127)과 활성층(123) 간의 계면(IF)을 덮는 물질은 공기, SiO2, SiNx, ZrO2, TiO2, HfO2, Nb2O5등을 포함할 수 있다. 예컨대, 홈(127)을 채우는 물질이 공기(n2 = 1)이고, AlGaN을 포함하는 활성층(123)이 약 2.3의 평균 굴절률을 갖는 경우, θh는 약 64.23°이하일 수 있다.
한편, 도 2b를 참조하면, 임의의 포인트(P2)에서 방출된 TM 편광된 광 성분을 포함하는 광(TM2) 중 일부는 활성층(123)을 기준으로 측하방으로 향할 수 있다. 즉, 도시된 바와 같이, TM 편광된 광 성분을 포함하는 광(TM2)의 일부는 활성층(123)의 면을 따르는 방향을 기준으로, 우하향하는 방향으로 향할 수 있다. 이러한 경로로 향하는 TM 편광된 광 성분을 포함하는 광(TM2)은, 경사를 갖는 활성층(123)과 홈(127)의 계면(IF)에서 굴절되어 우상향하는 방향으로 진행한다. 따라서 TM 편광된 광 성분을 포함하는 광(TM2)과 같이 하향하는 방향으로 진행되는 광이 제2 도전형 반도체층(125)으로 도달하지 않고 상향하는 방향으로 굴절되어 진행하므로, 광 추출 효율이 향상되어 발광 소자의 발광 효율이 더욱 향상될 수 있다. 특히, 제2 도전형 반도체층(125)의 전기적 특성을 향상시키기 위해 제2 도전형 반도체층(125)이 p-GaN을 포함하는 경우, 하향하는 TM 편광된 광은 제2 도전형 반도체층(125)에 흡수될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 이러한 하향하는 TM 편광된 광의 일부를 상향하도록 굴절시킴으로써, 발광 소자의 발광 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
다양한 실시예들에서, 홈(127)의 측면(127a)은 다양한 물질에 덮일 수 있다. 예컨대, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 발광 소자는 홈(127)의 표면을 적어도 부분적으로 덮는 절연층(140)을 더 포함할 수 있다. 절연층(140)이 홈(127)의 측면(127a), 특히 활성층(123)의 측면을 덮는 경우, 활성층(123)의 측면의 경사각이 달라질 수 있다. 예를 들어, 절연층(140)을 형성하는 물질이 SiO2(n2 = 1.54)이고 AlGaN을 포함하는 활성층(123)이 약 2.3의 평균 굴절률을 갖는 경우 θh는 약 47.97°이하일 수 있고, 절연층(140)을 형성하는 물질이 SiNx(n2 = 2.02)이고 AlGaN을 포함하는 활성층(123)이 약 2.3의 평균 굴절률을 갖는 경우 θh는 약 40.33°이하일 수 있다.
상술한 적어도 하나의 홈(127)에서의 광의 전반사 및 굴절은 발광 구조체(120)의 경사진 측면(129a)에 대해서도 유사하게 적용될 수 있다. 따라서, 발광 구조체(120)가 경사진 측면(129a)을 포함함으로써, 발광 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
적어도 하나의 홈(127)은 발광 구조체(120)의 하면에 대해, 다양하게 배치될 수 있다. 도 4a 내지 도 5b는 다양한 실시예들에 따른 자외선 발광 소자의 하면을 도시하는 평면도들이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 적어도 하나의 홈(127)은 서로 연결된 일체로 형성될 수 있고, 이 경우, 발광 구조체(120)는 홈(127)에 의해 적어도 일부가 둘러싸인 하나 이상의 메사(120m)를 포함할 수 있다. 메사(120m)는 제2 도전형 반도체층(125) 및 활성층(123)을 포함할 수 있다. 메사(120m)는 대체로 정방형의 평면 형상을 가질 수도 있고(도 4a), 또는 대체로 장방형의 평면 형상을 가질 수도 있다(도 4b). 이러한 실시예들에서, 메사(120m)의 측면은 홈(127)의 측면(127a) 및/또는 경사진 측면(129a)을 포함할 수 있다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 적어도 하나의 홈(127)은 서로 이격되어 복수로 형성될 수도 있다. 적어도 하나의 홈(127)은 도 5a에 도시된 바와 같이, 다각뿔의 형태, 특히 사각뿔의 형태로 형성될 수 있고, 대체로 규칙적으로 배열될 수 있다. 또는, 도 5b에 도시된 바와 같이, 원뿔의 형태로 형성될 수 있고, 대체로 규칙적으로 배열될 수 있다.
다양한 실시예들에서, 적어도 하나의 홈(127)은 측면에 경사를 갖는 형태이면 제한되지 않으며, 예를 들어, 적어도 하나의 홈(127)의 단면은 V자형, U자형, 역사다리꼴형 등의 형태를 가질 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 자외선 발광 소자는 제1 도전형 반도체층(121) 상에 위치하는 기판(미도시)을 더 포함할 수도 있다. 기판은 절연성 또는 도전성 기판일 수 있다. 기판은 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, 기판은 상면에 형성된 복수의 돌출부들을 포함하는 패턴된 사파이어 기판(Patterned sapphire substrate; PSS)을 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 전극(151)은 기판을 관통하여 제1 도전형 반도체층(121)과 전기적으로 연결될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 기판은 질화갈륨 기판 또는 질화알루미늄 기판과 같이 발광 구조체(120)와 동종인 기판을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 동종 기판은 전기적 도전성을 가질 수 있어, 제1 전극(151)은 상기 동종 기판 상에 위치하여 제1 도전형 반도체층(121)과 전기적으로 연결될 수 있다.
컨택 전극(130)은 제2 도전형 반도체층(125)에 전기적으로 접속된다. 일 실시예에서, 컨택 전극(130)은 제2 도전형 반도체층(125)과 오믹 컨택할 수 있고, 제2 도전형 반도체층(125)의 아래에 위치할 수 있다. 또한, 컨택 전극(130)은 반사층(131) 및 반사층(131)을 적어도 부분적으로 덮는 커버층(133)을 포함할 수 있다. 반사층(131)은 자외선 광을 반사시키며, 제2 도전형 반도체층(125)과 오믹 컨택을 형성하는 물질로 형성될 수 있고, 예를 들어, Ni, Pt, Pd, Rh, W, Ti, Al, Mg, Ag 및 Au 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 특히, 반사층(131)은 Al을 포함할 수 있다. 또한, 반사층(131)은 단일층 또는 다중층을 포함할 수 있다. 커버층(133)은 반사층(131)과 다른 물질 간의 상호 확산을 방지할 수 있고, 외부의 다른 물질이 반사층(131)에 확산하여 반사층(131)이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 커버층(133)은, 예를 들어, Au, Ni, Ti, Cr, Pt, W 등을 포함할 수 있으며, 단일층 또는 다중층을 포함할 수도 있다. 이러한 컨택 전극(130)을 통해 활성층(123)에서 방출된 광이 반사되어, 상기 광은 발광 구조체(120)의 상부 방향으로 진출할 수 있다.
절연층(140)은 발광 구조체(120)의 하면을 적어도 부분적으로 덮는다. 특히, 절연층(140)은 홈(127)의 측면(127a)을 적어도 부분적으로 덮을 수 있으며, 나아가, 홈(127)의 측면(127a)에 노출된 활성층(123)의 측면을 덮을 수 있다. 또한, 절연층(140)은 발광 구조체(120)의 외곽 측면을 부분적으로 덮을 수 있으며, 발광 구조체(120)의 경사진 측면(129a)을 덮을 수 있다. 특히, 경사진 측면(129a)에 노출된 활성층(123)의 측면을 덮을 수 있다. 절연층(140)은 컨택 전극(130)을 부분적으로 노출시키는 하나 이상의 개구부를 포함할 수 있다. 절연층(140)은 컨택 전극(130)을 부분적으로 덮을 수 있다. 상기 절연층(140)의 개구부를 통해 컨택 전극(130)이 노출될 수 있으며, 이러한 개구부를 통해 컨택 전극(130)과 제2 전극(153)이 전기적으로 연결될 수 있다.
절연층(140)은 SiO2, SiNx, ZrO2, TiO2, HfO2, Nb2O5등과 같은 절연성 물질을 포함할 수 있고, 또한, 단일층 또는 다중층으로 이루어질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 절연층(140)은 분포 브래그 반사기를 포함할 수도 있으며, 이에 따라, 자외선 발광 소자의 발광 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 예컨대, 절연층(140)은 SiO2층/ZrO2층의 분포 브래그 반사기 및 상기 분포 브래그 반사기 상에 형성된 SiNx층을 포함할 수 있다. SiNx층은 방습성이 높아, 자외선 발광 소자의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 또한, 절연층(140)은 각각 2000 내지 7000Å두께를 갖는 절연성 층들의 적층 구조를 포함할 수도 있다. 절연층(140)의 전체 두께는 1㎛ 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
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 발광 구조체(120) 상에 위치하며, 제1 도전형 반도체층(121)과 접촉되어 전기적 연결을 형성할 수 있다. 또한, 제1 전극(151)은 복수개로 형성될 수도 있다. 제2 전극(153)은 발광 구조체(120)의 하부에 위치하며, 컨택 전극(130)과 전기적으로 접촉되어 제2 도전형 반도체층(125)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 적어도 하나의 홈(127)은 제2 전극(153)에 덮일 수 있다. 제2 전극(153)은 단일체 또는 복수로 형성될 수 있다. 예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이, 제2 전극(153)은 단일체로 형성되어 절연층(140)의 복수의 개구부들을 통해 컨택 전극(130)과 접촉될 수 있고, 홈(127)들은 제2 전극(153)에 덮일 수 있다. 또 다른 예로서, 도 6에 도시된 바와 같이, 제2 전극(153')은 복수로 형성될 수도 있으며, 이때, 적어도 일부의 제2 전극(153')은 컨택 전극(130)의 하부에 위치할 수 있다. 또한, 적어도 하나의 홈(127)은 제2 전극(153')들의 이격 영역의 상부에 위치할 수 있다.
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.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 자외선 발광 소자 및 이를 포함하는 발광 장치를 설명하기 위한 단면도이다. 도 6을 참조하면, 발광 장치는, 제2 기판(210) 및 제2 기판(210) 상에 위치하는 자외선 발광 소자를 포함할 수 있다. 상기 자외선 발광 소자는 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 발광 소자와 대체로 유사할 수 있으므로, 동일한 구성에 대한 상세한 설명은 생략하며 이하 차이점을 갖는 구성에 대해 상세하게 설명한다.
제2 기판(210)은 자외선 발광 소자가 실장되는 영역을 제공할 수 있으며, 예컨대, 발광 다이오드 패키지의 기판, 발광 모듈의 기판, PCB, 금속 플레이트 등일 수 있다. 일 실시예에서, 제2 기판(210)은 Cu를 포함하는 금속 플레이트일 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 제2 기판(210)은 자외선 발광 소자가 실장되는 영역을 제공하며, 자외선 발광 소자와 전기적 연결을 형성할 수 있는 구조를 갖는 경우이면 제한되지 않는다. 상기 자외선 발광 소자는 컨택 전극(130)의 아래에 위치하는 복수의 제2 전극(153')을 포함할 수 있다. 제2 전극(153')은 제2 기판(210)과 전기적으로 연결되며, 또한, 솔더, 공융 본딩, 도전성 접착제 등을 통해 제2 기판(210)에 본딩될 수 있다.
한편, 상기 발광 장치는, 자외선 발광 소자와 제2 기판(210)의 사이에 개재된 절연물질(220)을 더 포함할 수 있다. 절연물질(220)은 홈(127)의 측면(127a)을 적어도 부분적으로 덮을 수 있으며, 나아가, 제2 전극(153')의 측면을 덮을 수 있다. 절연물질(220)은 SiO2, SiNx, ZrO2, TiO2, HfO2, Nb2O5등을 포함할 수 있다. 발광 장치가 절연물질(220)을 포함하는 경우, 절연층(140)이 생략될 수도 있으며, 절연물질(220)을 형성함으로써 자외선 발광 소자가 제2 기판(210)에 더욱 안정적으로 실장될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 자외선 발광 소자를 설명하기 위한 단면도이다. 상술한 실시예들에서, 자외선 발광 소자는 수직한 방향으로 배치된 제1 전극(151)과 제2 전극(153)을 포함하는 것으로 설명하였나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 도 7에 도시된 바와 같이, 자외선 발광 소자는 발광 구조체(120)의 하부에 배치된 제1 전극(151) 및 제2 전극(153)을 포함할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 발광 구조체(120)의 홈(127) 및/또는 경사진 측면(129a)은 수직형 발광 소자 및 플립칩형 발광 소자 등 다양한 구조에 적용될 수 있다.
이상에서, 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 설명하였지만, 상술한 다양한 실시예들 및 특징들에 본 발명이 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 특허청구범위에 의한 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능하다.

Claims (17)

  1. 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층의 아래에 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 반도체층을 적어도 부분적으로 관통하는 적어도 하나의 홈을 포함하되, 상기 홈의 측면에는 상기 활성층의 측면이 부분적으로 노출되고,
    상기 자외선 광은 TM 편광된 광을 포함하고,
    상기 제2 도전형 반도체층의 하면에 대한, 상기 홈의 측면에 노출된 활성층 측면의 경사각 θh은 [식 1]의 조건을 만족하는 자외선 발광 소자.
    ([식 1]
    Figure PCTKR2017000750-appb-I000005
    ,
    n2: 상기 홈과 상기 활성층 간의 계면을 덮는 물질의 굴절률, n1: 상기 활성층의 굴절률)
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 홈과 상기 활성층 간의 계면을 덮는 물질은 공기, SiO2 및 SiNx 중 적어도 하나를 포함하는 자외선 발광 소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층은 3.0eV내지 4.0eV의 밴드갭 에너지를 갖는 질화물계 반도체를 포함하는 자외선 발광 소자.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층은 P-GaN을 포함하는 자외선 발광 소자.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층은 상기 활성층에서 방출되는 자외선 광의 피크 파장에 대응하는 에너지보다 큰 밴드갭 에너지를 갖는 AlGaN을 포함하는 자외선 발광 소자.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 발광 구조체는 경사진 측면을 포함하고, 상기 경사진 측면에는 상기 활성층의 측면이 부분적으로 노출되는 자외선 발광 소자.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 경사진 측면에 노출된 활성층의 측면은, 상기 제2 도전형 반도체층의 하면에 대해 θh2의 경사각을 가지며, 상기 θh2는 [식 2]의 조건을 만족하는 자외선 발광 소자.
    ([식 2]
    Figure PCTKR2017000750-appb-I000006
    ,
    n2: 상기 경사진 측면과 상기 활성층 간의 계면을 덮는 물질의 굴절률, n1: 상기 활성층의 굴절률)
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 발광 구조체는 상기 활성층 및 상기 제2 도전형 반도체층의 일부를 포함하는 적어도 하나의 메사를 포함하고,
    상기 메사의 적어도 일부는 상기 홈에 둘러싸인 자외선 발광 소자.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 적어도 하나의 홈은 서로 이격된 복수의 홈들을 포함하는 자외선 발광 소자.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 홈의 측면에 노출된 상기 활성층의 측면을 적어도 부분적으로 덮는 절연층을 더 포함하는 자외선 발광 소자.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 활성층에서 방출되는 광은 380nm 이하의 피크 파장을 갖는 자외선 광인 자외선 발광 소자.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층의 아래에 위치하며, 반사층 및 상기 반사층을 덮는 커버층을 포함하는 컨택 전극을 더 포함하는 자외선 발광 소자.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층에 전기적으로 연결된 제1 전극 및 상기 제2 도전형 반도체층에 전기적으로 연결된 제2 전극을 더 포함하는 자외선 발광 소자.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제2 전극은 상기 홈을 적어도 부분적으로 덮는 자외선 발광 소자.
  15. 제2 기판; 및
    상기 제2 기판 상에 위치하는, 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 따른 자외선 발광 소자를 포함하는 자외선 발광 장치.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 제2 기판과 상기 자외선 발광 소자의 사이에 개재된 절연물질을 더 포함하는 자외선 발광 장치.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 절연물질은 상기 홈의 측면을 적어도 부분적으로 덮는 자외선 발광 장치.
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