KR20080093222A - 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광 소자에 관한 것이다.

본 발명 실시 예에 의한 질화물 반도체 발광소자는 기판 및 상기 기판 위에 n형 질화물층, 활성층, p형 질화물층을 포함하는 발광 소자에 있어서, 상기 기판 표면에 다수개가 형성된 링 형상의 반사패턴을 포함한다.

질화물 반도체, 패턴, 공극

Description

질화물 반도체 발광소자{Nitride semiconductor light emitting device}

도 1은 종래 질화물 반도체 발광 소자를 나타낸 단면도.

도 2는 본 발명 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 단면도.

도 3은 본 발명 실시 예에 따른 기판 사시도.

도 4는 본 발명 실시 예에 따른 반사 패턴의 정면도 및 그 측 단면도.

도 5는 본 발명 실시 예에 따른 반사 패턴의 구조를 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 질화물 반도체 발광소자 111 : 기판

115 : n형 질화물층 117 : 활성층

119 : p형 질화물층 121 : p형 전극

123 : n형 전극 131 : 반사패턴

134 : 공극 영역

본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 발광소자로는 LED(Light Emitting Diode; 발광 다이오드)를 꼽을 수 있는데, LED는 화합물 반도체의 특성을 이용해 전기 신호를 빛의 형태로 방출하는 소자이다.

이러한 LED는 PCB(Printed Circuit Board) 기판에 직접 장착하기 위해서 표면실장소자(Surface Mount Device)형으로 만들어지고 있고, 이에 따라 표시소자로 사용되고 있는 LED 램프도 표면실장소자 형으로 개발되고 있다.이러한 표면실장소자는 기존의 단순한 점등 램프를 대체할 수 있으며, 이것은 다양한 칼라를 내는 디스플레이 등을 위해서 사용된다.

특히, GaN(질화 갈륨), AlN(질화 알루미늄), InN(질화 인듐) 등의 3족 및 5족 화합물을 이용한 반도체 발광소자에 대해서 많은 연구와 투자가 이루어지고 있다. 이는 질화물 반도체 발광소자가 1.9 eV ~ 6.2 ev에 이르는 매우 넓은 영역의 밴드 갭을 가지고, 이를 이용한 밴드 갭 엔지니어링은 하나의 반도체상에서 빛의 삼원색을 구현할 수 있다는 장점이 있기 때문이다.

도 1은 종래 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 질화물 반도체 발광소자는 사파이어 기판(11) 위에 n형 GaN층(15)이 형성되며, 상기 n형 GaN층의 일부에 활성층(17)이 형성되고, 상기 활성층 위에 p형 GaN층(19)이 형성되며, 상기 p형 GaN층 위에 p형 전극(21)이 형성되며, 상기 n형 GaN층(15) 위에 상기 활성층이 형성되지 않는 부분에 n형 전극(23)이 형성된다.

이러한 질화물 반도체 발광소자의 p형 전극(21) 및 n형 전극(23)에 전류를 인가할 때, 활성층(17)에서 생성된 광은 활성층 내부에서 모든 방향으로 방사하게 된다. 이때, 질화물계 반도체들의 굴절률 값이 공기와 발광소자 칩을 둘러싸고 있는 캡 소재인 에폭시의 굴절률에 비해 너무 크기 때문에, 공기 또는 에폭시로 방사되는 경우 어떤 임계 각도보다 작은 각도로 방사되는 광만이 외부로 탈출되고, 상기 임계 각도보다 큰 각도를 갖는 광은 반도체/공기 간의 계면에서 반사하게 되어 반도체 물질 내부로 흡수된다.

이렇게 반도체 내로 흡수되는 광에 의해 발광소자의 외부 발광 효율이 떨어짐과 아울러, 발광소자의 수명에도 악 영향을 미치게 된다. 따라서, 활성층(15)에서 생성된 광 중에서 반도체 물질 내로 반사되는 빛의 양을 최대한 감소시키는 것이 중요하다.

또한 사파이어 기판(11)과 n형 GaN층(15)의 경계면(13)에서 사파이어 기판(11)의 굴절률(~1.8)과 n형 GaN층(15)의 굴절률(~2.4)의 차이에 의해서 활성층(17)에서 사파이어 기판(11)쪽으로 발광하는 광이 상기 경계면(13)에서 전반사가 일어나게 되고, 또 p형 전극(21)이나 외부 몰드층의 굴절률 차이에 의해서 다시 반사되어 발광소자의 측면으로 가이딩되다가 빛이 소멸되어 외부 발광 효율이 떨어지게 된다.

본 발명은 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

본 발명은 굴절율이 다른 영역을 갖는 반사 패턴을 형성할 수 있도록 한 질 화물 반도체 발광소자를 제공한다.

본 발명은 기판 표면에 공극 영역을 갖는 반사 패턴을 제공할 수 있도록 한 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.

본 발명 실시 예에 의한 질화물 반도체 발광소자는 기판 및 상기 기판 위에 n형 질화물층, 활성층, p형 질화물층을 포함하는 발광 소자에 있어서, 상기 기판 표면에 다수개가 형성된 링 형상의 반사패턴을 포함한다.

본 발명 실시 예에 의한 질화물 반도체 발광소자는, 기판 및 상기 기판 위에 n형 질화물층, 활성층, p형 질화물층을 포함하는 발광 소자에 있어서, 상기 기판 표면에 다수개가 형성되며, 공극 영역을 갖는 반사패턴을 포함한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자에 대하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타낸 측 단면도이다.

도 2를 참조하면, 질화물 반도체 발광소자(100)는 반사 패턴(131)을 갖는 기판(111), n형 질화물층(115), 활성층(117), p형 질화물층(119), p형 전극(121) 및 n형 전극(123)을 포함한다.

상기 기판(111)은 사파이어 기판, 실리콘 카바이드(SiC), ZnO, Si, GaAs와 GaN 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 이러한 기판(111)의 표면(113)에는 다수개의 반사 패턴(131)이 형성되는 데, 상기 반사 패턴(131)은 링 형상(또는 고리, 도너츠 형상 등)으로 돌출된다.

이러한 링 형상의 반사 패턴(131)의 내부 중앙에는 하나 또는 그 이상의 공극 영역(134)이 형성되는데, 상기 링 형상의 반사 패턴(131)이 원뿔 구조로 연결되어 형성되는 구조이고, 상기 공극 영역(134)이 역 원뿔 구조로 형성될 수 있다. 본 발명은 stripe 구조나 다른 구조에서도 내부에 공극 영역을 형성할 수 있다. 여기서 원뿔 구조의 반사 패턴(131)의 둘레가 반드시 원 형태가 아닐 수도 있다.

이를 위해, 기판(111) 상에 포토 레지스트 패터닝을 수행한 후 마스크 패턴을 형성하고, 상기 마스크 패턴을 식각함으로써 도 3과 같이 링 형상의 반사 패턴(131)이 형성된다. 여기서, 식각 방법으로는 RIE(reactive ion etching) 또는 ICP 에칭(inductive coupled plasma) 등과 같은 건식 식각 방법으로 식각을 수행하게 된다.

이와 같이, 기판 표면(113)에는 링 형상의 반사 패턴(131)이 규칙적인 간격으로 형성되고, 인접한 반사패턴과는 지그재그로 형성될 수도 있다. 또는 기판 표면의 반사패턴을 랜덤하게 형성될 수도 있다.

도 4는 본 발명 실시 예에 따른 링 형상의 반사 패턴을 나타낸 정면도 및 측 단면도이다.

도 4를 참조하면, 링 형상의 반사 패턴(131)은 원뿔 형태가 링 형태로 연결되며, 반사 패턴(131)의 중앙에는 역 원뿔 구조의 공극 영역(134)이 형성된다. 이 때 기판 자체의 굴절율, 반사 패턴에서의 굴절율, 공극 영역에서의 굴절율은 서로 다른 값으로 갖는다. 여기서, 공극 영역의 굴절율은 1이 될 수 있다.

도 5는 본 발명 실시 예에 따른 링 형상의 반사 패턴이 형성된 기판 상에 질화물층을 적층한 예이다.

도 5를 참조하면, 기판(111)의 표면에 링 형상의 반사 패턴(131)이 형성되면, 기판 표면에 NH₃, TMG, 및 Si와 같은 n형 도펀트를 포함한 실란가스를 공급하여 n형 질화물층(115)을 성장시킨다. 이때 n형 질화물층(115)은 기판 표면, 링 형상의 반사패턴 외측 및 상측으로 성장되며, 상기 반사 패턴 중앙의 공극 영역(134)에는 채워지지 않게 된다. 이는 반사 패턴(131)의 공극 영역(134)이 일정 직경 이하(예: 1~0.5um)가 될 때 그 이하로 n형 질화물층(115)이 성장되지 않고 공극 영역(134)으로 남아 있게 된다.

여기서, 반사 패턴(131)의 링 직경(d2)은 1.5~2um 정도이며, 반사 패턴의 공극 영역(134)의 최소 직경(d1)은 0.5um 또는 그 이하로 형성될 수 있으며, 공극 영역의 최대 직경(d5)은 2um 정도로 형성될 수 있다. 여기서 공극 영역의 최대 직경(d5)은 원뿔 형상의 정점을 직선으로 연결하는 거리 정도이다. 또한 반사 패턴의 직경(d4)은 5um 정도이며, 반사 패턴의 높이(H1)는 1.5~2um 정도이고, 반사 패턴 간의 거리(d3)는 2~3um 정도로 형성될 수 있다. 이러한 반사 패턴 및 공극 영역에서의 직경, 거리, 높이, 간격 등은 공극 영역의 크기, 광 효율 등에 따라 변경할 수도 있다.

이러한 기판 위에는 n형 질화물층을 포함하는 발광 다이오드 구조물이 적층 되는데, 도 2와 같이 발광 다이오드 구조물은 상기 기판(111) 위에 n형 질화물층(115)이 형성되며, 상기 n형 질화물층(115)의 일부에는 단일 또는 다중 양자 우물 구조의 활성층(117)이 형성되며, 상기 활성층 위에는 p형 질화물층(119)이 형성된다. 상기 n형 질화물층(115) 위에서 상기 활성층이 형성되지 않는 부분에 n형 전극(123)이 형성되고, p형 질화물층 위에 p형 전극(121)이 형성된다.

본 발명은 GaAs, AlGaAs, GaN, InGaN 및 AlGaInP 등의 화합물 반도체 재료를 이용하는 pn 접합 또는 npn 접합 구조에 적용될 수 있으며, 상기 기판과 n형 질화물층 사이에 한 층 이상의 버퍼층(미도시)이 더 형성될 수도 있다. 이때, 기판 표면에 버퍼층이 형성되더라도, 반사 패턴 내부에는 공극 영역이 존재할 수 있게 된다.

이러한 질화물 반도체 발광소자(100)는 n형 전극(123) 및 p형 전극(121)을 통해 전류가 인가되면, 활성층(117)에서 광이 생성된다. 상기 생성된 광은 모든 방향으로 방출되는데, 이때 기판 방향으로 방출되는 광은 기판(111)과 n형 질화물층(115) 경계면에 위치한 반사 패턴에 의해 난반사되어 외부로 방출될 수 있고, 또한 상기 방출되는 광이 반사 패턴 내부의 공극 영역에 의해 굴절되어 기판 표면이나 반사 패턴 내부 표면에서 반사되어 외부로 방출될 수 있다.

이상에서 본 발명에 대하여 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자에 의하면, 기판 표면에 형성된 반사 패턴에 공극 영역이 형성하여 서로 다른 굴절율을 가지도록 함으로써, 발광소자의 광도를 개선하는 효과가 있다.

Claims (9)

1. 기판 및 상기 기판 위에 n형 질화물층, 활성층, p형 질화물층을 포함하는 발광 소자에 있어서,

   상기 기판 표면에 다수개가 형성된 링 형상의 반사패턴을 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 링 형상의 반사패턴의 중앙에는 질화물층이 채워지지 않게 형성된 공극 영역을 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 링 형상의 반사패턴은 원뿔 형상으로 형성되는 질화물 반도체 발광소자.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 반사패턴은 최대 1.5 ~ 2um의 링 직경으로 형성되는 질화물 반도체 발광 소자.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 링 형상의 반사패턴은 1.5~2um 높이로 형성되는 질화물 반도체 발광소자.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 링 형상의 반사패턴은 직경이 5um 이하로 형성되는 질화물 반도체 발광소자.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 링 형상의 반사 패턴 간의 간격은 2~3um로 형성되는 질화물 반도체 발광소자.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 링 형상의 반사 패턴은 기판 표면에 규칙적으로 또는 랜덤하게 형성되는 질화물 반도체 발광소자.
9. 기판 및 상기 기판 위에 n형 질화물층, 활성층, p형 질화물층을 포함하는 발광 소자에 있어서,

   상기 기판 표면에 다수개가 형성되며, 공극 영역을 갖는 반사패턴을 포함하는 질화물 반도체 발광소자.

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