KR100900288B1 - 발광 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광 소자에 관한 것으로 특히, 광 추출 구조가 형성되어 발광 소자의 발광 효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 발광 소자에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 발광 소자에 있어서, 발광층을 포함하는 다층 구조의 반도체층과; 상기 반도체층 상에 단위 구조의 패턴으로 형성되고, 상기 단위 구조의 벽면의 기울기는 - 45° 내지 + 45°인 광 추출 구조를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

광결정, 패턴, 발광 소자, 반도체, 효율.

Description

발광 소자 {Light emitting device}

본 발명은 발광 소자에 관한 것으로 특히, 광 추출 구조가 형성되어 발광 소자의 발광 효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 발광 소자에 관한 것이다.

발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 잘 알려진 반도체 발광 소자로서, 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화 된 것을 시작으로 GaP:N 계열의 녹색 LED와 함께 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 화상용 광원으로 이용되어 왔다.

이러한 LED에 의해 방출되는 광의 파장은 LED를 제조하는데 사용되는 반도체 재료에 따른다. 이는 방출된 광의 파장이 가전자대(valence band) 전자들과 전도대(conduction band) 전자들 사이의 에너지 차를 나타내는 반도체 재료의 밴드갭(band-gap)에 따르기 때문이다.

질화 갈륨 화합물 반도체(Gallium Nitride: GaN)는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭(0.8 ~ 6.2eV)을 가지고 있어, LED를 포함한 고출력 전자부품 소자 개발 분야에서 많은 주목을 받아왔다.

이에 대한 이유 중 하나는 GaN이 타 원소들(인듐(In), 알루미늄(Al) 등)과 조합되어 녹색, 청색 및 백색광을 방출하는 반도체 층들을 제조할 수 있기 때문이다.

이와 같이 방출 파장을 조절할 수 있기 때문에 특정 장치 특성에 맞추어 재료의 특징들에 맞출 수 있다. 예를 들어, GaN를 이용하여 광기록에 유익한 청색 LED와 백열등을 대치할 수 있는 백색 LED를 만들 수 있다.

이러한 GaN 계열 물질의 이점들로 인해, GaN 계열의 LED 시장이 급속히 성장하고 있다. 따라서, 1994년에 상업적으로 도입한 이래로 GaN 계열의 광전자장치 기술도 급격히 발달하였다.

상술한 바와 같은 GaN 계열 물질을 이용한 LED의 휘도 또는 출력은 크게, 활성층의 구조, 빛을 외부로 추출할 수 있는 광 추출 효율, LED 칩의 크기, 램프 패키지 조립 시 몰드(mold)의 종류 및 각도, 형광물질 등에 의해서 좌우된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 광 추출 효율을 향상시킬 수 있는 광 추출 구조를 가지는 발광 소자를 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 발광 소자에 있어서, 발광층을 포함하는 다층 구조의 반도체층과; 상기 반도체층 상에 단위 구조의 패턴으로 형성되고, 상기 단위 구조의 벽면의 기울기는 - 45° 내지 + 45°인 광 추출 구조를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 제2관점으로서, 본 발명은, 발광 소자에 있어서, 발광층을 포함하는 다층 구조의 반도체층과; 상기 반도체층 상에 단위 구조의 패턴으로 형성되며, 상기 단위 구조의 외측 표면의 반지름을 r_o라 하고, 상기 단위 구조의 내측면에서의 반지름 r_i라 할 때, r_o ≠ r_i인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 광 추출 구조를 적용한 발광 소자에 있어서, 동일한 Filling Factor를 가진 수직 벽면의 광 추출 구조보다 우수한 광 추출 효과를 나타낼 수 있으며, 일반적인 포토 리소그래피 과정으로 제작이 가능하고, 본 발명 내의 광 추출 구조가 반도체 층 식각으로 형성되는 경우 도핑된 반도체층의 유실을 최소화하며 전기적인 성질을 보존할 수 있는 효과가 있는 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.

층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 표면과 같은 구성 요소의 일부가 '내부(inner)'라고 표현된다면 이것은 그 요소의 다른 부분들 보다도 소자의 외측으로부터 더 멀리 있다는 것을 의미한다고 이해할 수 있을 것이다.

나아가 '아래(beneath)' 또는 '중첩(overlies)'과 같은 상대적인 용어는 여기에서는 도면에서 도시된 바와 같이 기판 또는 기준층과 관련하여 한 층 또는 영역과 다른 층 또는 영역에 대한 한 층 또는 영역의 관계를 설명하기 위해 사용될 수 있다.

비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.

이러한 용어들은 단지 다른 영역, 층 또는 지역으로부터 어느 하나의 요소, 성분, 영역, 층 또는 지역들을 구분하기 위해 사용되는 것이다. 따라서 아래에서 논의된 제1 영역, 층 또는 지역은 제2 영역, 층 또는 지역이라는 명칭으로 될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 예를 들어, 사파이어(Al₂O₃)계 기판과 같은 비도전성 기판상에 형성된 질화갈륨(GaN)계 발광 소자를 참조하여 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 이러한 구조에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 실시예들은 도전성 기판을 포함하여 다른 기판을 사용할 수 있다. 따라서 GaP 기판상의 AlGaInP 다이오드, SiC 기판상의 GaN 다이오드, SiC 기판상의 SiC 다이오드, 사파이어 기판상의 SiC 다이오드, 및/또는 GaN, SiC, AlN, ZnO 및/또는 다른 기판상의 질화물계 다이오드 등의 조합이 포함될 수 있다. 더구나 본 발명은 활성영역은 다이오드 영역의 사용에 한정되는 것은 아니다. 또한 활성영역의 다른 형태들이 본 발명의 일부 실시예들에 따라서 사용될 수도 있다.

반도체 발광 소자의 추출 효율은 빛이 발생하는 발광층을 포함하는 반도체층과 최종적으로 빛을 관측하는 매질(공기 또는 에폭시(Epoxy)) 사이의 굴절률 차이로 정해진다. 반도체 매질은 통상적으로 높은 굴절률(n > 2)을 가지므로, 추출 효율은 대개 수 %에 지나지 않는다.

예를 들어, 도 1과 같은 반사막(20)을 갖는 질화갈륨(n = 2.46) 기반의 발광 소자의 경우, 반도체층(10) 상에 위치하는 외부 물질을 보통 패키지에서 충진재로 이용되는 에폭시(Epoxy; n = 1.4; 30)로 가정했을 때, 발광 소자의 상층부를 통한 추출 효율은 약 9% 정도에 불과하다. 이를 제외한 나머지 빛들은, 소자 내부에 전반사 과정에 의해 갇혀 있으면서, 양자우물 구조를 갖는 발광층과 같은 흡수층에 의해 소실된다.

반도체 발광 소자의 추출 효율 증가를 위해 생각할 수 있는 한 가지 방안은 반도체층(10)의 최상단부에 무반사 코팅(Anti-reflection coating; 40)을 도입하는 것이다. 도 1에서와 같이, 굴절률이 외부 배경 물질(에폭시; 30)과 반도체층(10)의 기하평균 정도에 해당하는 물질을 1/4 파장 차이를 가지는 두께(quarter-wave stack)로 쌓게 되면, 수직방향으로 입사하는 빛에 대한 투과도를 증대할 수 있다.

이러한 무반사 코팅(40)의 굴절률(n)과 두께(d)는 다음과 같이 표현된다.

(여기서, m은 0을 포함한 자연수)

도 2에서는 무반사 코팅(40) 유무에 따라 빛의 입사각도에 따른 투과도의 변화를 묘사하고 있다. 입사 각도를 임계각을 기준으로 두 영역으로 나누면, 입사 각도가 임계각보다 작은 경우 무반사 코팅(40)에 의한 투과도가 증가하는 경향을 보인다.

반면에, 입사 각도가 임계각보다 큰, 즉, 전반사 영역에 해당하는 빛은 박막의 유무에 관계없이 여전히 투과율이 0을 나타내고 있다. 결론적으로, 무반사 코 팅(40)은 임계각보다 작은 입사각도에 해당하는 빛에 대한 추출 효율 향상은 기여할 수 있지만, 전반사 현상은 여전히 교란할 수 없다.

입사 각도에 대한 빛의 방출 비율을 살펴볼 때, 전반사 각도에 해당하는 빛이 전체 광량의 80%까지 차지할 수 있다는 점을 감안하면, 이 영역에 속해 있는 빛을 추출하지 못한다면 광 추출 향상 효과는 사실상 기대할 수 없다.

그렇다면, 발광 소자의 광 추출 효율 향상을 위해서는 필연적으로 전반사 각도에 해당하는 빛을 추출할 수 있는 구조적 장치가 필요하다는 결론에 이른다. 이 역할을 할 수 있는 구조는 광결정과 같은 광 추출 구조가 그 일례가 될 수 있다.

빛의 투과라는 현상을 운동의 관점에서 보자면, 빛이 굴절률이 서로 다른 물질을 이동하는 것이다. 역학에서의 물체 이동과 마찬가지로 빛의 이동에도 운동량 보존 법칙이 항상 뒤따른다.

빛의 경우, 운동량은 파수 벡터(k = 2πn/λ)에 해당한다. 다시 말해, 빛이 서로 다른 매질을 이동할 때에는 경계면의 평면 방향 운동량 성분이 보존되어야 한다. 이를 전반사 현상에 대입하면 보다 명확하게 이해할 수 있다.

전반사 현상은 빛이 굴절률이 높은 매질에서 낮은 매질로 이동할 때 발생한다. 굴절률이 높은 매질 내에 속해 있는 빛은 이미 큰 운동량을 지니고 있으므로, 특정 입사 각도 이상에서는 굴절률이 낮은 매질 내에서 어떠한 각도를 가지더라도 가질 수 없는(평면 성분의) 운동량을 지니게 된다.

빛의 투과를 위해서는 평면 성분의 운동량이 보존되어야 하므로, 빛이 선택할 수 있는 길은 반사 과정밖에 없다. 여기서, 운동량을 보존할 수 없는 최소의 입 사각도가 바로 임계각에 해당하는 것이다.

이때, 도 3 및 도 4에서 도시하는 바와 같이, 광결정과 같은 광 추출 구조(50; 이하 광결정을 예를 들어 설명한다.)는 운동량을 보존할 수 없는 전반사 각도의 빛에 대해 자신의 주기성(periodicity)이 생성하는 운동량 성분을 더하거나 감하여, 외부로 추출할 수 있도록 도와주게 된다. 이는, 분광기에서 말하는 빛의 회절 원리와 동일하다. 즉, 광결정의 주기에 따라 운동량의 크기가 달라지고, 이에 따라 전반사 각도에 해당하는 빛의 회절 효율이 달라진다.

도 5는 일반적인 수직형 GaN 발광 소자에 광결정을 도입할 때, 빛의 진행 거리에 따른 추출 효율의 변화를 나타내는 그래프이다. 이 그래프에서, 광결정을 도입하지 않는 평면 구조의 경우, 임계각보다 작은 입사각도를 가진 빛들이 추출된 뒤, 더 이상 추출 효율 향상이 이루어지지 않고 있는 반면에, 광결정 구조가 있는 경우는 빛이 광결정 구조와 만날 때마다 추출 효율이 계속 상승하고 있음을 알 수 있다.

즉, 광결정은 전반사 각도에 해당하는 빛이라도 추출할 수 있으며, 매 산란 과정마다 일정의 확률을 가지고 추출되고 있음을 의미한다. 도 6은 상술한 바와 같이 광결정 주기에 따라 추출 효율이 변하는 양상을 나타내고 있다.

추출 효율을 극대화하는 최적 주기가 존재한다는 사실은 광결정을 통한 추출 효율 향상 효과가 빛의 회절 과정이라는 것을 반증한다.

광결정에 의한 빛의 추출 효율은 광결정의 주기 외에도 광결정을 이루는 패턴의 깊이, 패턴이 차지하는 면적(Filling factor; 패턴을 이루는 단위 구조가 차 지하는 면적; 도 7a 및 도 7b), 광결정 격자 구조(도 8a 내지 도 8c) 등과 같은 구조 변수와도 밀접한 상관 관계가 있다.

즉, 도 7a에 비하여 도 7b가 Filling factor가 큼을 알 수 있다. 또한, 도 8a는 사각 격자, 도 8b는 삼각 격자, 그리고 도 8c는 아키미디언(Archimedean) 격자를 나타내고 있다. 그 외에 랜덤, 쿼지 크리스탈(Quasicrystal), 쿼지 랜덤(Quasirandom) 등의다양한 광결정 격자 구조가 적용될 수 있다.

이와 같이, 반도체 발광 소자 내에서 높은 추출 효율 향상 효과를 얻기 위해서는 최적의 광결정 구조를 고안하고 적용하는 것이 매우 중요하다.

이러한 광결정 구조는 다양한 리소그래피(Lithography) 도구로 적용 가능하다. 이하에서는 포토 리소그래피(Photolithography) 방법을 예로 들어 설명한다.

먼저, 도 9에서와 같이, 반사막(20) 상에 반도체층(10)이 형성된 발광 소자의 최 상층부에 포토 레지스트(Photo resist; 60)를 일정한 두께로 도포하고, 도 10에서와 같이, 포토 리소그래피(photolithography)를 실시하여 패턴 포토 레지스트 패턴(61)을 형성한다.

그 후, 도 11에서 도시하는 바와 같이, 포토 레지스트 패턴(61)을 식각 마스크(mask)로 이용하여 GaN 반도체층(10)을 식각하여 광 추출 구조(광결정; 50)를 형성하고, 마지막으로 최 상층부에 잔류해 있는 포토 레지스트 패턴(61)을 제거한다(도 12).

만약, 포토 레지스트 패턴(61)과 GaN 반도체층(50) 사이의 식각 선택비 문제로 인해 원하는 식각 깊이를 얻을 수 없다면, 추가적인 식각 마스크(도시되지 않 음)를 포토 레지스트 패턴(61)과 GaN 반도체층(50) 사이에 도입할 수 있다. 이때, 가능한 중간 마스크로는 SiO₂, TiO₂, ITO와 같은 산화물 계열, Si₃N₄와 같은 질화물 계열, Ti, Cr, Ni, Au와 같은 금속 계열 등이 있다.

특히, 포토 리소그래피 과정을 통해 광원 파장의 수배 내의 주기를 가지는 광결정을 패터닝(patterning) 할 때는 포토 마스크(Photo mask)와 광결정을 형성하고자 하는 반도체층(10) 사이의 간극을 최소화하는 방법(vacuum contact, hard contact)이 요구된다.

간극이 멀어질수록 회절 효과에 의해 미세한 패턴을 구현하기가 어렵다. 간극의 최소화를 위해 Vacuum contact 또는 hard contact의 방법을 도입하더라도 패턴의 크기가 작아질수록 회절 효과가 크게 일어나며, 노출 광량에 따라 포토 마스크와는 다른 크기의 패턴이 반도체층(10)으로 전사된다. 이를 근접장 효과(proximity effect)라고 부른다.

이러한 근접장 효과를 잘 이용하면 주어진 포토 마스크를 이용하여 다양한 크기의 패턴을 제작할 수 있다. 또한, 도 13a 내지 도 15b와 같이 패턴을 이루는 홀 (또는 기둥)의 벽면 기울기를 조절할 수도 있다.

도 13a 및 도 13b는 각각 식각 기울기가 60°일 때의 평면과 측면 사진을 나타내고 있고, 도 14a 및 도 14b는 각각 식각 기울기가 70°일 때의 평면과 측면 사진을 나타내고 있으며, 도 15a 및 도 15b는 각각 식각 기울기가 80°일 때의 평면과 측면 사진을 나타내고 있다.

도 16a 내지 도 16c는 광결정의 주기(a)에 따라 근접장 효과가 어떻게 나타나는지를 설명하고 있다. 각각 도 16a는 광결정 주기가 3000 nm보다 큰 경우, 도 16b는 광결정 주기가 700 내지 3000 nm인 경우, 그리고 도 16c는 광결정 주기가 700 nm보다 작은 경우의 노출 광량 회절 효과에 의하여 광결정의 홀의 크기 및 홀의 내벽면의 기울기를 조절할 수 있음을 보여주고 있다.

만약, 광결정의 주기가 포토 리소그래피 광원의 파장보다 매우 크다면, 단위 패턴을 이루는 개별 홀((hole) 또는 기둥(rod)) 사이의 근접장 효과는 무시할 수 있으며, 도 17a에서와 같이, 포토 마스크(70)의 형상이 그대로 반도체층에 전사된다.

그러나, 광결정의 주기가 점점 줄어들어 광원 파장의 수배 내에 위치하면, 근접장 효과가 발생한다. 이때, 노출 광량을 적절하게 조절하면, 도 17b 및 도 17c와 같이, 포토 마스크(70)의 형상보다 큰(또는 작은) 광결정(50) 패턴을 얻을 수 있으며, 따라서 단위 패턴을 이루는 홀(또는 기둥; 51)의 벽면의 기울기를 조절할 수 있다.

일반적으로, 노출 광량은 전방 산란(forward scattering)과 후방 산란(backward scattering) 과정을 통해 포토 레지스트 패턴(61)의 상층 표면에 많이 분포하므로 윗변이 큰 등변 사다리꼴의 형태를 가지게 된다. 여기서 다시, 광결정(50)의 주기가 광원의 파장보다 더 작게 되면, 개별적인 홀(또는 기둥; 51)이 서로 겹치는 현상이 발생하고, 노출 광량이 포토 레지스트의 바닥 면까지 도달하지 못하게 된다.

결론적으로, 포토 마스크(70) 내의 광결정(50)의 주기가 광원의 파장보다 크고 파장의 수 배(약 10배)보다 작을 때, 개별적인 홀(또는 기둥; 51)의 크기와 벽면 기울기를 조절할 수 있는 가능성이 생긴다.

광결정을 이루는 개별 홀(또는 기둥)의 벽면 기울기에 따른 추출 효율의 상관관계를 살펴보면 다음과 같다.

본 발명에서 제안하는 광결정 구조는 발광 소자의 종류에 관계없이 적용 가능하나, 논의의 편의성을 위해 수직형 GaN 발광 소자 구조에 대해 광결정의 벽면 기울기 효과를 계산한 결과를 설명하기로 한다.

전산모사(3D-FDTD) 상에 입력된 구조의 형상은 도 8a 내지 도 8c에 나타나 있다. 일반적인 발광 소자의 크기는 컴퓨터 메모리의 한계로 인해 계산 구조 내에 완전히 포함될 수가 없다.

이 문제를 해결하기 위해 유한 크기(12mm)의 구조 양끝에 완전 거울을 설치하였다. 구조의 하단부에는 해석의 편의성을 위해 흡수율이 존재하는 실제 금속 거울 대신 역시 100%의 반사율을 가지는 완전 거울로 대체하였다. 양자우물층(발광층) 내부에는 실제의 흡수율을 부여하여 빛의 진행 거리가 늘어날수록 그 세기가 약해지도록 하였다.

양자우물층 내에는 무작위 방향을 가진 전기 쌍극자를 배치하여, 실제와 유사한 구면파의 방사 패턴이 발생하도록 하였다.

도 18은 동일한 주기와 식각 깊이를 가지는 광결정 구조에 대해 단위 구조의 벽면 기울기에 따른 추출 효율의 변화를 나타낸 그래프이다. 즉, 홀 또는 기둥 형 상의 단위 구조의 벽면 기울기에 따른 추출 효율의 변화를 나타내고 있다. 결과를 살펴보면, 벽면의 기울기가 수직(0°)부터 60°까지는 추출 효율이 거의 변하지 않는다는 것을 알 수 있다.

그러나, 벽면의 기울기가 이보다 더 가파르게 변하면, 추출 효율이 감소하는 경향을 나타낸다. 도 19는 수직 벽면을 가지는 광결정 구조에 대해 Filling-Factor와 추출 효율의 상관 관계를 나타낸 그래프이다. 수직 벽면 광결정 구조에서는 Filling-Factor가 0.4 내지 0.6의 값을 가질 때, 추출 효율이 최대가 됨을 알 수 있다.

그러나 이러한 경향성을 볼 때, 전체 발광면에서 광 추출 패턴이 차지하는 면적의 비율인 Filling-Factor는 0.05 내지 0.65 정도라면 광 추출 효율의 향상을 가져올 수 있다.

이 결과를 나타낸 그래프에 앞서 구했던, 벽면 기울기에 따른 추출 효율의 변화를 나타낸 그래프를 함께 나타내보면, 도 20a 및 도 20b와 같이, 벽면이 기울어져 있는 광결정 역시 평균적인 Filling-Factor을 나타낼 수 있다.

이 두 그림(도 20a 및 도 20b)을 비교하면, 중요한 결론을 얻을 수 있는데, 동일한 Filling-Factor에 대해 벽면이 기울어져 있는 광결정 구조가 수직 벽면의 광결정 보다 우수한 광 추출 특성을 나타낸다는 점이다. 또한, 벽면의 기울기가 가파를수록 그 우위는 점점 커진다.

이와 같은 경향성을 볼 때, 이러한 단위 구조의 벽면의 기울기는 - 45°내지 + 45°일 때, 우수한 광 추출 특성을 가지는 광 추출 구조를 이룰 수 있음을 알 수 있다.

또한, 이러한 광 추출 구조의 주기 또는 각 단위 구조의 중심과 중심 사이의 평균 거리는 400 내지 3000 nm인 것이 유리하다.

이와 같이 형성되는 단위 구조의 높이(깊이)는, λ/2n 내지 3000 nm인 것이 바람직하며, 여기서 n은 광 추출 구조가 형성된 물질의 굴절률이고 λ는 상기 발광층의 중심 파장이다.

한편, 이러한 광 추출 구조는 반도체층의 외측면에 형성될 수 있지만, 경우에 따라 반도체층과 굴절률이 다르며 반도체층 상에 형성되는 광추출층에 형성될 수 있다. 또한 이러한 광추출층은 경우에 따라 두 층 이상으로 이루어질 수 있다.

이러한 경우, 광 추출 구조가 반도체층에 형성된 경우에는 상술한 단위 구조의 높이의 하한에서 n은 반도체층의 굴절률이 되며, 광추출층에 반도체층이 형성된 경우에는 n은 광추출층의 굴절률이 된다. 또한 두 층 이상의 광추출층이 적용된 경우라면 n은 가장 높은 굴절률이 된다.

이러한 광 추출 구조가 형성되는 반도체층 또는 광추출층은 유전율이 특정 패턴에 따라 공간적으로 변하는 형태를 지니고 있다.

도 20a에서는 광결정(50)의 단위 구조가 홀(51; hole)인 경우를 나타내고, 도 20b는 광결정(50)의 단위 구조가 기둥(52; rod)인 경우를 나타내고 있다. 도 20c에서는 단위 구조의 평면을 도시하고 있다.

상술한 과정에 의하여 형성된 단위 구조는 외측 표면의 반지름을 r_o라 하고, 단위 구조의 내측면에서의 반지름 r_i라 할 때, r_o ≠ r_i임을 알 수 있다.

도 20a와 도 20b에서 도시하는 바와 같이, 단위 구조가 홀(51)인 경우와 기둥(52)인 경우 모두 외측 표면의 반지름이 내측면의 반지름보다 크게 형성됨을 알 수 있다(r_o > r_i). 또한 이 홀(51) 또는 기둥(52)의 벽면의 각도(θ)는 가상의 수직선으로부터의 각도를 도시하고 있으며, 이러한 벽면의 각도(θ)가 ± 45°임을 도시하고 있다.

이때의 발광면에서 광결정 패턴이 차지하는 평균 면적(Filling Factor)은 다음과 같다. 즉, 단위 구조가 홀(51)인 도 20a인 경우, 이 발광면 상에 위치하는 공기 또는 에폭시에 대한 평균 Filling Factor는 π[(r_o+r_i)/2]²로 표현될 수 있고, 단위 구조가 기둥(rod; 52)인 도 20b인 경우에는 평균 Filling Factor가 1 - π[(r_o+r_i)/2]²로 표현될 수 있다.

이러한 사실은 반도체 층을 직접 식각하여 광결정 구조를 형성하고 할 때, 전기적인 특성을 보존할 수 있는 장점을 제공할 수 있다. 일반적으로, 광결정 형성을 위해 반도체 층을 식각하게 되면, 식각되는 층의 부피에 비례하여 전기적인 특성이 열화 되는 경향이 있다.

그러나, 본 발명에서 제안하는 기울어진 벽면을 가진 광결정 구조를 도입하면, 광 추출 효과를 저하시키지 않으면서 반도체 층의 유실을 최소화할 수 있다.

이와 같은 광결정 구조는 반도체 물질에 관계없이 적용 가능하다.

도 21 및 도 22에서는 상술한 광 추출 구조(50)가 적용된 수직형 발광 소자의 예를 도시하고 있다.

즉, 하측부터 순차적으로 p-형 반도체층(11), 발광층(12), 및 n-형 반도체층(13)으로 이루어지는 반도체층(10) 상에 광 추출 구조(50)가 형성되고, 이러한 반도체층(10)은 금속 또는 반도체로 이루어지는 지지층(80) 상에 위치한다.

이러한 반도체층(10)과 지지층(80) 사이에는 제1전극(21, 20)이 위치하는데, 이러한 제1전극(21, 20)은 오믹 전극(21)과 반사형 전극(반사막; 20)으로 이루어질 수 있고, 반사형 오믹 전극(23)으로서 하나의 층으로 이루어질 수도 있다. 경우에 따라서는 이러한 제1전극은 지지층(80)과의 결합을 위한 결합금속층, 확산방지층 등을 포함하는 다층 구조를 이룰 수도 있다.

또한 광 추출 구조가 형성된 n-형 반도체층(13)의 상측면에는 n-형 전극(22)이 형성된다.

이때, 상술한 바와 같이, 광 추출 구조(50)는 n-형 반도체층(13) 상에 위치하는 광추출층(90)에 위치할 수도 있다.

상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 변형이 가능하고, 이러한 기술적 사상의 여러 실시 형태는 모두 본 발명의 보호범위에 속함은 당연하다.

도 1은 무반사 코팅을 가지는 발광 소자의 광 추출을 나타내는 개략도이다.

도 2는 무반사 코팅의 유무에 따른 입사각에 대한 투과율의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 3은 광결정을 가지는 발광 소자의 일례를 나타내는 개략도이다.

도 4는 광결정의 원리를 나타내는 다이어그램이다.

도 5는 광결정 유무에 따른 추출 효율의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 6은 광결정 주기에 대한 추출 효율의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 7a 내지 도 8c는 광결정 구조의 여러 인자들을 나타내는 개략도이다.

도 9 내지 도 12는 광결정을 형성하는 단계를 나타내는 단면도이다.

도 13a 내지 도 15b는 광결정 벽면의 기울기 변화를 나타내는 사진이다.

도 16a 내지 도 16c는 광결정의 주기에 따는 포토 레지스트 패턴을 나타내는 단면도이다.

도 17a 내지 도 17c는 벽면 기울기를 변화한 광결정을 나타내는 단면도이다.

도 18은 광결정 벽면 기울기에 따른 광 추출 증대비를 나타내는 그래프이다.

도 19는 Filling-Factor에 대한 상대적 광 추출 증대비를 나타내는 그래프이다.

도 20a 내지 도 20c는 광결정 벽면 기울기 구조를 나타내는 개략도이다.

도 21 및 도 22는 특정 벽면 기울기를 가지는 광결정을 적용한 발광 소자의 예를 나타내는 단면도이다.

Claims (10)

1. 발광 소자에 있어서,

   금속 또는 반도체로 이루어지는 지지층과;

   상기 지지층 상에 위치하는 제1전극과;

   상기 제1전극 상에 위치하며, 발광층을 포함하는 다층 구조의 질화물계 반도체층과;

   상기 반도체층 상에 단위 구조의 패턴으로 형성되며, 상기 단위 구조의 벽면의 기울기는 - 45° 내지 + 45°이고, 상기 단위 구조의 높이는, n이 광 추출 구조가 형성된 물질의 굴절률이고 λ는 상기 발광층의 중심 파장인 경우, λ/2n 내지 3000 nm인 광 추출 구조를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.
2. 제 1항에 있어서, 상기 광 추출 구조의 주기 또는 단위 구조의 중심과 중심 사이의 평균 거리는 400 내지 3000 nm인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서, 상기 광 추출 구조는 상기 반도체층 상에 위치하는 광추출층에 형성된 것을 특징으로 하는 발광 소자.
5. 제 4항에 있어서, 상기 광 추출 구조는 상기 광추출층과 반도체층에 걸쳐 형성된 것을 특징으로 하는 발광 소자.
6. 제 4항에 있어서, 상기 광추출층은 두 층 이상인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
7. 제 4항에 있어서, n은 상기 광 추출층 또는 반도체층의 굴절률 중에서 가장 높은 굴절률인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
8. 제 1항에 있어서, 상기 광 추출 구조를 이루는 패턴이 차지하는 평균 면적은 발광면의 전체 면적의 0.05 내지 0.65인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
9. 제 1항에 있어서, 상기 광 추출 구조의 단위 구조는 홀 또는 기둥 형상인 것을 특징으로 하는 발광 소자.
10. 발광 소자에 있어서,

    발광층을 포함하는 다층 구조의 반도체층과;

    상기 반도체층 상에 단위 구조의 패턴으로 형성되고, 상기 광 추출 구조의 주기 또는 단위 구조의 중심과 중심 사이의 평균 거리는 400 내지 3000 nm이며, 상기 단위 구조의 벽면의 기울기는 - 45° 내지 + 45°인 광 추출 구조를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 발광 소자.

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