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KR101891777B1 - 유전체 리플렉터를 구비한 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

유전체 리플렉터를 구비한 발광소자 및 그 제조방법 Download PDF

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KR101891777B1
KR101891777B1 KR1020120068171A KR20120068171A KR101891777B1 KR 101891777 B1 KR101891777 B1 KR 101891777B1 KR 1020120068171 A KR1020120068171 A KR 1020120068171A KR 20120068171 A KR20120068171 A KR 20120068171A KR 101891777 B1 KR101891777 B1 KR 101891777B1
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Abstract

유전체 리플렉터를 구비한 발광소자가 개시된다. 개시된 발광소자는 기판 상의 제1 도전형 반도체층과, 상기 제1 도전형 반도체층 상에서 복수의 홀이 형성된 마스크층과, 상기 제1 도전형 반도체층 상에서 상기 복수의 홀을 통해서 수직으로 성장된 복수의 수직 발광구조체와, 상기 제1 도전형 반도체층 상에서 상기 복수의 수직 발광구조체를 감싸는 전류확산층과, 상기 전류확산층 상에서 상기 전류확산층 사이의 공간을 채우는 유전체 리플렉터를 포함한다. 유전체 리플렉터는 굴절률이 서로 다른 유전체층이 하나의 쌍을 이룬 복수의 쌍을 포함한다.

Description

유전체 리플렉터를 구비한 발광소자 및 그 제조방법{Light emitting device having dielectric reflector and method of manufacturing the same}
본 개시는 유전체로 이루어진 전방향 리플렉터를 구비한 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
LED(light emitting diode) 또는 LD(laser diode)와 같은 반도체 발광소자는 전기발광(electroluminescence) 현상, 즉, 전류 또는 전압의 인가에 의해 물질(반도체)에서 빛이 방출되는 현상을 이용한다. 상기 반도체 발광소자의 활성층(즉, 발광층)에서 전자와 정공이 결합하면서 상기 활성층의 에너지 밴드갭(band gap)에 해당하는 만큼의 에너지가 빛의 형태로 방출될 수 있다. 따라서 활성층의 에너지 밴드갭(band gap)의 크기에 따라 상기 발광소자에서 발생되는 빛의 파장이 달라질 수 있다.
나노로드(nanorod) 구조를 갖는 반도체 발광소자의 광추출 효율을 향상시키기 위해서 나노로드 위로 금속 반사막을 형성할 수 있다.
그러나, 통상의 금속 반사막을 형성하는 경우, 나노로드 발광구조체의 양자우물층에서 발생하는 광, 예컨대 450 nm 파장의 블루 광일 경우 금속 반사막에서의 반상효율이 92% 정도로 낮다.
또한, 금속 반사막을 사용하는 경우 과도한 누설전류가 발생하여 발광소자의 발광효율이 감소될 수 있다.
우수한 성능을 갖는 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
누설전류를 효과적으로 억제할 수 있는 발광소자와 그 제조방법을 제공한다.
고품위의 충전 절연층(gap-filling insulation layer)을 포함하는 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
발광요소가 열화되는 문제를 방지하면서 갭-필링(gap-filling) 특성을 개선할 수 있는 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 리플렉터를 구비한 발광소자는:
기판 상의 제1 도전형 반도체층;
상기 제1 도전형 반도체층 상에서 복수의 홀이 형성된 마스크층;
상기 제1 도전형 반도체층 상에서 상기 복수의 홀을 통해서 수직으로 성장된 복수의 수직 발광구조체;
상기 제1 도전형 반도체층 상에서 상기 복수의 수직 발광구조체를 감싸는 전류확산층; 및
상기 전류확산층 상에서 상기 전류확산층 사이의 공간을 채우는 유전체 리플렉터;를 포함한다.
상기 유전체 리플렉터는 굴절률이 서로 다른 유전체층이 하나의 쌍을 이루면서 복수의 쌍으로 형성될 수 있다.
상기 복수의 쌍은 3~15 쌍일 수 있다.
상기 유전체 리플렉터 사이의 공간을 채우는 유전체층은 3~10 쌍일 수 있다.
상기 굴절률이 서로 다른 유전체층은 티타늄 옥사이드층과 실리콘 옥사이드층일 수 있다.
상기 유전체층은 각각 10~50 nm 두께로 형성될 수 있다.
상기 복수의 수직형 발광구조체는 코어-쉘(core-shell) 구조일 수 있다.
상기 복수의 수직형 발광구조체 각각은 제1 도전형 반도체로부터 상기 홀을 통해서 수직으로 성장된 제1 도전형 나노로드와, 상기 나노로드를 순차적으로 덮는 발광층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하고,
상기 제1 도전형 반도체는 코어부이고, 상기 발광층 및 상기 제2 도전형 반도체는 껍질부일 수 있다.
제1 도전형 반도체층 상에는 상기 수직 발광구조체의 하부를 감싸는 절연층을 더 포함할 수 있다.
상기 기판은 사파이어(Al2O3) 기판, Si 기판, SiC 기판, AlN 기판 및 Si-Al 기판 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 유전체 리플렉터를 구비한 발광소자는:
기판 상의 제1 도전형 반도체층;
상기 제1 도전형 반도체층 상에서 복수의 홀이 형성된 마스크층;
상기 제1 도전형 반도체층 상에서 상기 복수의 홀을 통해서 성장된 피라미드 발광구조체;
상기 제1 도전형 반도체층 상에서 상기 피라미드 발광구조체를 감싸는 전류확산층; 및
상기 전류확산층 상의 유전체 리플렉터;를 포함한다.
상기 피라미드 발광구조체는 제1 도전형 반도체로부터 상기 홀을 통해서 성장된 제1 도전형 피라미드와, 상기 피라미드를 순차적으로 덮는 발광층 및 제2 도전형 반도체층을 포함한다.
일 실시예에 따른 발광소자는, 유전체로 이루어진 리플렉터의 반사율이 종래의 금속막 보다 크므로, 나노발광체의 상부 및 측면으로 방출되는 광을 하부로 효율적으로 반사시키며, 따라서 발광소자의 광추출효율이 향상된다.
또한, 유전체 리플렉터는 반사막의 역할을 하면서도 별도의 절연층 또는 보호층을 사용하지 않고 나노발광체 사이를 채우므로 누설전류를 억제한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광소자를 보여주는 단면도이다.
도 2a 내지 도 2j는 본 발명의 실시예에 따른 유전체 리플렉터를 구비한 발광소자의 제조방법을 단계별로 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 발광소자를 보여주는 단면도이다.
도 4a 내지 도 4h는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유전체 리플렉터를 구비한 발광소자의 제조방법을 보여주는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 이하에서 "상" 또는 "위"라는 용어는 어떤 층 위에 직접 접촉되어 배치된 경우뿐만 아니라 접촉되지 않고 떨어져 위에 배치되는 경우, 다른 층을 사이에 두고 위에 배치되는 경우 등을 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광소자(100)를 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 기판(110) 상에 제1 도전형 반도체층(이하, 반도체층)(120)이 형성되어 있다. 반도체층(120)은 대략 3㎛ 두께의 n-GaN으로 이루어질 수 있다. 기판(110)은 일반적인 반도체소자 공정에서 사용되는 다양한 기판 중 어느 하나일 수 있다. 예컨대, 기판(110)은 사파이어(Al2O3) 기판, Si 기판, SiC 기판, AlN 기판 및 Si-Al 기판 중 어느 하나일 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것이고, 이외에 다른 기판을 사용할 수도 있다. 사파이어 기판을 사용하는 경우, 투명하도록 대략 100-170 ㎛ 두께를 가지도록 가공될 수 있다.
반도체층(120)은, 예컨대, n형 반도체층일 수 있지만, 경우에 따라서는 p형 반도체층일 수도 있다. 반도체층(120) 상에 마스크층(122)이 형성되어 있다. 마스크층(122)에 반도체층(120)을 노출시키는 복수의 홀(hole)(H1)이 형성된다. 마스크층(122)은 소정의 절연 물질, 예컨대, 실리콘 나이트라이드, 실리콘 옥사이드, 알루미나 등으로 형성될 수 있다. 홀(H1)의 직경은 대략 300 nm ~ 1㎛ 일 수 있다.
마스크층(122) 상에 복수의 수직형 발광구조체(N1)가 형성될 수 있다. 수직형 발광구조체(N1)는 나노로드(nanorod) 또는 나노와이어(nanowire) 구조일 수 있다. 수직형 발광구조체(N1)는 그에 대응하는 홀(H1)을 통해서 반도체층(120)로부터 성장한 나노기둥 형상의 제1 도전형 반도체(130)와 그 둘레를 순차적으로 감싸는 활성층(132) 및 제2 도전형 반도체(134)를 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체(130)는 코어라 할 수 있고, 활성층(132) 및 제2 도전형 반도체(134)는 쉘이라 할 수 있다. 그러므로 발광구조체(N1)는 코어-쉘(core-shell) 구조를 가질 수 있다.
발광구조체(N1)는 대략 1-1.5 ㎛ 높이로 형성될 수 있다.
제1 도전형 반도체(130)는 n형이고, 제2 도전형 반도체(134)는 p형이거나, 또는 제1 도전형 반도체(130)가 p형이고, 제2 도전형 반도체(134)가 n형일 수 있다. 활성층(132)은 전자와 정공이 결합하면서 빛을 방출하는 "발광층"일 수 있다. 제1 도전형 반도체(130), 활성층(132) 및 제2 도전형 반도체(134)는 다양한 변형 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 제1 도전형 반도체(130), 활성층(132) 및 제2 도전형 반도체(134) 중 적어도 하나는 다층 구조를 가질 수 있다.
활성층(132)은 양자우물층과 장벽층이 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다. 제1 도전형 반도체(130) 및 제2 도전형 반도체(134)는 각각 n-GaN 및 p-GaN으로 이루어질 수 있으며, 양자우물층은 InGaN으로 이루어지고, 장벽층은 GaN으로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 양자우물층은 단일양자우물(single quantum well) 구조 또는 다중양자우물(multi-quantum well) 구조를 가질 수 있다.
마스크층(122) 상에 발광구조체(N1)의 하부를 둘러싸는 절연층(140)이 구비될 수 있다. 절연층(140)은 발광구조체(N1)의 상부 일부를 제외한 나머지 영역과 마스크층(122)의 상면을 덮는 구조를 가질 수 있다. 절연층(140)은 실리콘 옥사이드, 실리콘 나이트라이드, 알루미나 등으로 형성될 수 있다.
마스크층(122) 상에 절연층(140)과 발광구조체들(N1)을 덮는 전류확산층(150)이 형성될 수 있다. 전류확산층(150)은 투명전극층일 수 있으며, 예컨대, ITO(indium tin oxide)와 같은 도전성 산화물(conductive oxide), 도전성 폴리머 등으로 형성될 수 있다. 그러나 전류확산층(150)의 물질은 다양하게 변화될 수 있다. 절연층(140)은 전류확산층(150)이 제1 도전형 반도체(130) 또는 반도체층(120)과 접촉되는 것을 방지한다.
전류확산층(150) 상으로 유전체로 이루어진 전방향 리플렉터(160)가 형성될 수 있다. 유전체 전방향 리플렉터(160)는 서로 굴절률이 다른 두개의 유전체층, 예컨대 티타늄 옥사이드(161)와 실리콘 옥사이드(162)가 하나의 쌍을 이루면서 복수의 쌍으로 형성될 수 있다. 각 유전체층(161, 162)은 대략 10~50nm 두께로 형성될 수 있다. 각 유전체층의 두께가 10nm 미만으로는 증착하기가 어려울 수 있으며, 두께가 50nm 보다 크게 하면 발광구제체(N1) 사이로 여러 쌍의 유전체층을 형성하기가 어려울 수 있다.
유전체 전방향 리플렉터(160)는 예컨대, 3~15쌍의 유전체층으로 이루어질 수 있다. 발광구조체(N1) 사이를 채우는 유전체층은 3~10쌍일 수 있으며, 발광구조체(N1) 상으로 나머지 유전체층이 더 형성되어서 반사율을 증가시킨다. 발광구조체(N1) 사이의 유전체층이 3쌍 보다 적게 되면 광반사효율이 낮아질 수 있으며, 10쌍 보다 많은 쌍의 유전체층을 형성하면 기판(110) 상에서 발광구조체(N1)이 차지하는 면적이 감소되므로 발광량이 적어질 수 있다. 유전체 전방향 리플렉터(160)는 발광구조체(N1)의 상부와 발광구조체(1N1) 사이의 공간을 채우며, 따라서, 누설 전류를 억제한다.
리플렉터(160)의 일부가 식각되며, 식각된 부분에 제1전극(171)이 형성되어서 전류확산층(150)과 전기적으로 연결된다. 그리고, 반도체층(120)의 일부가 노출되며, 반도체층(120) 상에 제2전극(172)이 형성된다.
제1전극(171) 및 제2전극(172)을 통해서 발광구조체(N1)에 소정의 전압이 인가될 수 있고, 그 결과, 발광구조체(N1)로부터 소정의 빛이 방출될 수 있다.
일 실시예에 따른 발광소자(100)는, 유전체로 이루어진 리플렉터(160)는 반사율이 종래의 금속막 보다 크므로, 나노발광구조체의 상부 및 측면으로 방출되는 광을 하부로 효율적으로 반사시키며, 따라서 발광소자의 광추출효율이 향상된다.
또한, 유전체 리플렉터(160)은 반사막의 역할을 하면서도 별도의 절연층 또는 보호층을 사용하지 않고 나노발광구조체 사이를 채우므로 누설전류를 억제한다.
도 2a 내지 도 2j는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유전체 리플렉터를 구비한 발광소자(200)의 제조방법을 보여주는 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 기판(210) 상에 제1 도전형 반도체층(이하, 반도체층)(220)과 마스크층(222)을 순차적으로 형성한다. 기판(210)은 일반적인 반도체소자 공정에서 사용되는 다양한 기판 중 어느 하나일 수 있다. 예컨대, 기판(210)은 사파이어(Al2O3) 기판, Si 기판, SiC 기판, AlN 기판 및 Si-Al 기판 중 어느 하나일 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것이고, 이외에 다른 기판을 사용할 수도 있다. 기판(210)은 대략 650㎛ 두께의 사파이어 기판일 수 있다. 반도체층(220)은 n형 반도체층, 예컨대 3㎛ 두께의 n-GaN층일 수 있다. 마스크층(222)은 소정의 절연 물질, 예컨대, 실리콘 나이트라이드, 실리콘 옥사이드, 알루미나 등으로 형성할 수 있다.
도 2b를 참조하면, 마스크층(222)을 패터닝하여 반도체층(220)을 노출시키는 복수의 홀(H1)을 형성한다. 각 홀(H1)은 대략 300 nm ~ 1㎛ 직경을 가질 수 있다.
도 2c를 참조하면, 복수의 홀(H1)에 의해 노출된 반도체층(220) 상으로부터 나노로드(nanorod) 또는 나노와이어(nanowire) 형상의 제1 도전형 반도체(230)를 성장시킨다. 제1 도전형 반도체(230)는, 예컨대, 에피택셜 성장법으로 형성할 수 있다.
이어서, 제1 도전형 반도체(230)를 감싸는 활성층(232) 및 제2 도전형 반도체(234)를 차례로 형성한다. 제1 도전형 반도체(230), 활성층(232) 및 제2 도전형 반도체(234)는 코어-쉘(core-shell) 구조의 수직형 발광구조체(N1)를 구성한다. 제1 도전형 반도체(230)는 n-GaN이고, 제2 도전형 반도체(234)는 p-GaN으로 이루어질 수 있다. 활성층(232)은 전자와 정공이 결합하면서 빛을 방출한다.
활성층(232)은 양자우물층(quantum well)과 양자장벽층(quantum barrier)이 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다. 양자우물층은 InGaN으로 이루어지고, 장벽층은 GaN으로 이루어질 수 있다. 활성층(232)은 단일 양자우물(single quantum well) 구조 또는 다중 양자우물(multi-quantum well) 구조를 가질 수 있다.
도 2d를 참조하면, 마스크층(222) 상에 복수의 발광구조체(N1)를 덮는 절연층(238)을 증착한다. 절연층(238)은 PECVD(plasma enhanced CVD)로 실리콘 옥사이드를 대략 100nm 두께로 증착할 수 있다. 절연층(238)은 실리콘 나이트라이드 또는 알루미나 등으로도 형성될 수 있다.
도 2e를 참조하면, 절연층(238) 상에 복수의 발광구조체(N1) 사이의 공간의 하부를 폴리머층(240)으로 스핀코팅하여 절연층(238)의 상부를 노출시킨다. 폴리머층(240)은 도전성 폴리머로 이루어질 수 있다. 폴리머층(240) 대신에 SOG(spin on glass)를 도포할 수도 있다. SOG는 보론 또는 인을 포함하는 실리콘 옥사이드이다.
도 2f를 참조하면, 폴리머층(240)에 노출된 절연층(238)을 건식 식각 공정 또는 습식 식각공정으로 제거할 수 있다. 예컨대, 절연층(238)은 RIE(reactive ion etching) 방식으로 식각할 수 있다. 상기 RIE는 ICP-RIE(inductively coupled plasma-RIE)일 수 있다. 상기 RIE 공정에서 식각 가스로 CF 계열의 가스 또는 SF 계열의 가스를 사용할 수 있다. 상기 CF 계열의 가스로는 CF4 등을 사용할 수 있고, 상기 SF 계열의 가스로는 SF6 등을 사용할 수 있다.
이어서, 폴리머층(240)을 제거한다. 이들 제거는 통상의 건식공정 또는 습식 공정을 사용할 수 있다. 예컨대 RIE 식각방법을 사용하거나, BOE(buffered oxide etchant)를 사용할 수 있다.
도 2g를 참조하면, 마스크층(222) 상으로 제2 도전형 반도체(234)를 덮는 전류확산층(250)을 스퍼터를 사용하여 형성한다. 전류확산층(250)은, 예컨대, ITO(indium tin oxide)와 같은 도전성 산화물(conductive oxide), 도전성 폴리머 등으로 형성할 수 있다. 그러나 전류확산층(250)의 물질은 다양하게 변화될 수 있다.
도 2h를 참조하면, 전류확산층(250) 상으로 유전체 리플렉터(260)를 형성한다. 유전체 리플렉터(260)는 굴절률이 서로 다른 물질, 예컨대 티타늄 옥사이드(261)와 실리콘 옥사이드(262)를 교번적으로 증착하여 형성된다. 리플렉터(260)는 티타늄 옥사이드(261)와 실리콘 옥사이드(262)가 하나의 쌍으로 대략 3-15쌍으로 형성될 수 있다. 발광구조체(N1) 사이를 채우는 유전체층은 3~10쌍일 수 있으며, 발광구조체(N1) 상으로 나머지 유전체층이 더 형성되어서 반사율을 증가시킨다. 발광구조체(N1) 사이의 유전체층이 3쌍 보다 적게 되면 광반사효율이 낮아질 수 있으며, 10쌍 보다 많은 쌍의 유전체층을 형성하면 기판(210) 상에서 발광구조체(N1)이 차지하는 면적이 감소되므로 발광량이 적어질 수 있다. 유전체 리플렉터(260)는 전방향 리플렉터(260)로서 반사율이 100%에 근접한다. 리플렉터(260)의 각 층(261, 262)은 대략 10-50 nm 두께로 형성될 수 있다. 각 유전체층의 두께가 10nm 미만으로는 증착하기가 어려울 수 있으며, 두께가 50nm 보다 크게 하면 발광구제체(N1) 사이로 여러 쌍의 유전체층을 형성하기가 어려울 수 있다.
도 2i를 참조하면, 리플렉터(260) 상에 소정의 개구 영역을 갖는 마스크패턴(미도시)을 형성한 후, 상기 마스크패턴을 식각 장벽으로 이용해서 리플렉터(260), 전류확산층(250), 발광구조체(N1), 절연층(238), 마스크층(222)의 일부를 식각하여 반도체층(220)의 일부를 노출시킬 수 있다. 이러한 식각은 메사 식각(mesa etching)이라 할 수 있다. 이러한 메사 식각 후, 상기 마스크패턴(미도시)을 제거할 수 있다.
도 2j를 참조하면, 리플렉터(260)의 일부를 노출시키는 포토리지스트를 리플렉터(260) 상에 형성한 후, 습식식각으로 노출된 영역의 리플렉터(260)를 선택적으로 제거하여 전류확산층(250)을 노출시킨다. 노출된 영역에 제1전극(271)을 형성하며, 아울러 노출된 반도체층(220) 상에 제2전극(272)을 형성한다. 제1전극(271) 및 제2전극(272)은 소정의 금속으로 형성할 수 있다.
사파이어 기판(210)의 하부를 폴리싱하여 대략 110-170 ㎛ 두께를 가진 투명한 기판(211)을 만든다. 결과물(200)은 도 1에 도시된 발광소자와 같게 된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 광반사율이 매우 우수한 유전체 리플렉터(260)를 구비한 발광소자를 용이하게 제조할 수 있다. 또한, 수직발광구조체 사이의 공간을 채우는 보호층의 공정과 금속박막을 이용한 반사막 공정을 유전체 리플렉터(260) 형성으로 대체하므로, 제조공정이 단순해진다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 발광소자(300)를 보여주는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 기판(310) 상에 제1 도전형 반도체층(이하, 반도체층)(320)이 형성되어 있다. 반도체층(320)은 대략 3㎛ 두께의 n-GaN으로 이루어질 수 있다. 기판(310)은 일반적인 반도체소자 공정에서 사용되는 다양한 기판 중 어느 하나일 수 있다. 예컨대, 기판(310)은 사파이어(Al2O3) 기판, Si 기판, SiC 기판, AlN 기판 및 Si-Al 기판 중 어느 하나일 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것이고, 이외에 다른 기판을 사용할 수도 있다. 사파이어 기판을 사용하는 경우, 투명하도록 대략 100-170 ㎛ 두께를 가지도록 가공될 수 있다.
반도체층(320)은, 예컨대, n형 반도체층일 수 있지만, 경우에 따라서는 p형 반도체층일 수도 있다. 반도체층(320) 상에 마스크층(322)이 형성되어 있다. 마스크층(322)에 반도체층(320)을 노출시키는 복수의 홀(hole)(H2)이 형성된다. 마스크층(322)은 소정의 절연 물질, 예컨대, 실리콘 나이트라이드, 실리콘 옥사이드, 알루미나 등으로 형성될 수 있다. 홀(H2)의 직경은 대략 300 nm ~ 1㎛ 일 수 있다.
마스크층(322) 상에 복수의 피라미드 발광구조체(P1)가 형성될 수 있다. 피라미드 발광구조체(P1)는 그에 대응하는 홀(H2)을 통해서 반도체층(320)로부터 성장한 피라미드 형상의 제1 도전형 반도체(330)와 그 둘레를 순차적으로 감싸는 활성층(332) 및 제2 도전형 반도체(334)를 포함할 수 있다.
도 3에서는 발광구조체(P1)이 서로 이격되어 있지만 본 발명은 반드시 이에 한정되지 않는다. 예컨대, 제1 도전형 반도체(330)는 연속적으로 연결되게 형성될 수 있으며, 활성층(332) 및 제2 도전형 반도체(334)도 제1 도전형 반도체(330) 상에서 연속되게 연결되어 형성될 수 있다. 즉, 복수의 발광구조체(P1)는 일체형으로 형성될 수도 있다.
발광구조체(P1)는 대략 500nm ~ 1 ㎛ 높이로 형성될 수 있다.
제1 도전형 반도체(330)는 n형이고, 제2 도전형 반도체(334)는 p형이거나, 또는 제1 도전형 반도체(330)가 p형이고, 제2 도전형 반도체(334)가 n형일 수 있다. 활성층(332)은 전자와 정공이 결합하면서 빛을 방출하는 "발광층"일 수 있다. 제1 도전형 반도체(330), 활성층(332) 및 제2 도전형 반도체(334)는 다양한 변형 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 제1 도전형 반도체(330), 활성층(332) 및 제2 도전형 반도체(334) 중 적어도 하나는 다층 구조를 가질 수 있다.
활성층(332)은 양자우물층과 장벽층이 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다. 제1 도전형 반도체(330) 및 제2 도전형 반도체(334)는 각각 n-GaN 및 p-GaN으로 이루어질 수 있으며, 양자우물층은 InGaN으로 이루어지고, 장벽층은 GaN으로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 양자우물층은 단일양자우물(single quantum well) 구조 또는 다중양자우물(multi-quantum well) 구조를 가질 수 있다.
마스크층(322) 상에 발광구조체들(N1)을 덮는 전류확산층(350)이 형성될 수 있다. 전류확산층(350)은 투명전극층일 수 있으며, 예컨대, ITO(indium tin oxide)와 같은 도전성 산화물(conductive oxide), 도전성 폴리머 등으로 형성될 수 있다. 그러나 전류확산층(350)의 물질은 다양하게 변화될 수 있다.
전류확산층(350) 상으로 유전체로 이루어진 전방향 리플렉터(360)가 형성될 수 있다. 유전체 전방향 리플렉터(360)는 서로 굴절률이 다른 두개의 유전체층, 예컨대 티타늄 옥사이드(361)와 실리콘 옥사이드(362)가 하나의 쌍을 이루면서 복수의 쌍으로 형성될 수 있다. 각 유전체층(361, 162)은 대략 10~50nm 두께로 형성될 수 있다. 각 유전체층의 두께가 10nm 미만으로는 증착하기가 어려울 수 있으며, 두께가 50nm 보다 크게 하면 발광구제체(N1) 사이로 여러 쌍의 유전체층을 형성하기가 어려울 수 있다.
유전체 전방향 리플렉터(360)는 예컨대, 3~15쌍의 유전체층으로 이루어질 수 있다. 유전체 전방향 리플렉터(360)는 발광구조체(P1)로부터의 광을 반사시킨다.
리플렉터(360)의 일부가 식각되어 노출된 전류확산층(350)에 제1전극(371)이 형성되며, 전방향 리플렉터(360), 전류확산층(350), 발광구조체(P1)가 순차적으로 식각되어 반도체층(320)의 일부가 노출되며, 이 노출된 반도체층(320) 상에 제2전극(372)이 형성된다.
제1전극(371) 및 제2전극(372)을 통해서 발광구조체(P1)에 소정의 전압이 인가될 수 있고, 그 결과, 발광구조체(P1)로부터 소정의 빛이 방출될 수 있다.
일 실시예에 따른 발광소자(300)는, 유전체로 이루어진 리플렉터(360)는 반사율이 종래의 금속막 보다 크므로, 나노발광구조체의 상부 및 측면으로 방출되는 광을 하부로 효율적으로 반사시키며, 따라서 발광소자의 광추출효율이 향상된다.
또한, 유전체 리플렉터(360)은 반사막의 역할을 하면서도 별도의 절연층 또는 보호층을 사용하지 않고 나노발광구조체 사이를 채우므로 누설전류를 억제한다.
도 4a 내지 도 4h는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유전체 리플렉터를 구비한 발광소자(400)의 제조방법을 보여주는 단면도이다.
도 4a를 참조하면, 기판(410) 상에 제1 도전형 반도체층(이하, 반도체층)(420)과 마스크층(422)을 순차적으로 형성한다. 기판(410)은 일반적인 반도체소자 공정에서 사용되는 다양한 기판 중 어느 하나일 수 있다. 예컨대, 기판(410)은 사파이어(Al2O3) 기판, Si 기판, SiC 기판, AlN 기판 및 Si-Al 기판 중 어느 하나일 수 있다. 그러나 이는 예시적인 것이고, 이외에 다른 기판을 사용할 수도 있다. 기판(410)은 대략 650㎛ 두께의 사파이어 기판일 수 있다. 반도체층(420)은 n형 반도체층, 예컨대 3㎛ 두께의 n-GaN층일 수 있다. 마스크층(422)은 소정의 절연 물질, 예컨대, 실리콘 나이트라이드, 실리콘 옥사이드, 알루미나 등으로 형성할 수 있다.
도 4b를 참조하면, 마스크층(422)을 패터닝하여 반도체층(420)을 노출시키는 복수의 홀(H2)을 형성한다. 각 홀(H2)은 대략 300 nm ~ 1㎛ 직경을 가질 수 있다.
도 4c를 참조하면, 복수의 홀(H2)에 의해 노출된 반도체층(420) 상으로부터 피라미드 형상의 제1 도전형 반도체(430)를 성장시킨다. 제1 도전형 반도체(430)는, 예컨대, 에피택셜 성장법으로 형성할 수 있다. 질소분위기에서 상대적으로 낮은 온도, 예컨대 대략 900~950 ℃, 상대적으로 고압력 조건에서 제1 도전형 반도체(430)을 성장시 수평 성장(lateral growth)이 수직성장과 함께 일어나면서 피라미드 성장이 일어난다.
이어서, 제1 도전형 반도체(430)를 감싸는 활성층(432) 및 제2 도전형 반도체(434)를 차례로 형성한다. 제1 도전형 반도체(430), 활성층(432) 및 제2 도전형 반도체(434)는 피라미드 발광구조체(P1)를 구성한다. 제1 도전형 반도체(430)는 n-GaN이고, 제2 도전형 반도체(434)는 p-GaN으로 이루어질 수 있다. 활성층(432)은 전자와 정공이 결합하면서 빛을 방출한다.
활성층(432)은 양자우물층(quantum well)과 양자장벽층(quantum barrier)이 교대로 적층된 구조를 가질 수 있다. 양자우물층은 InGaN으로 이루어지고, 장벽층은 GaN으로 이루어질 수 있다. 활성층(432)은 단일 양자우물(single quantum well) 구조 또는 다중 양자우물(multi-quantum well) 구조를 가질 수 있다.
도 4d를 참조하면, 마스크층(422) 상으로 제2 도전형 반도체(434)를 덮는 전류확산층(450)을 스퍼터를 사용하여 형성한다. 전류확산층(450)은, 예컨대, ITO(indium tin oxide)와 같은 도전성 산화물(conductive oxide), 도전성 폴리머 등으로 형성할 수 있다. 그러나 전류확산층(450)의 물질은 다양하게 변화될 수 있다.
도 4e를 참조하면, 전류확산층(450) 상에 소정의 개구 영역을 갖는 마스크패턴(미도시)을 형성한 후, 상기 마스크패턴을 식각 장벽으로 이용해서 전류확산층(450), 발광구조체(P1), 마스크층(422)의 일부를 식각하여 반도체층(420)의 일부를 노출시킨다. 식각후 마스크패턴(미도시)을 제거할 수 있다. 도 4f를 참조하면, 전류확산층(450) 상으로 유전체 리플렉터(460)를 형성한다. 유전체 리플렉터(460)는 굴절률이 서로 다른 물질, 예컨대 티타늄 옥사이드(461)와 실리콘 옥사이드(462)를 교번적으로 증착하여 형성된다. 리플렉터(460)는 티타늄 옥사이드(461)와 실리콘 옥사이드(462)가 하나의 쌍으로 대략 3-15쌍으로 형성될 수 있다. 유전체 리플렉터(460)는 전방향 리플렉터(460)로서 반사율이 100%에 근접한다. 리플렉터(460)의 각 층(461, 262)은 대략 10-50 nm 두께로 형성될 수 있다. 각 유전체층의 두께가 10nm 미만으로는 증착하기가 어려울 수 있으며, 두께가 50nm 보다 크게 하면 발광구제체(N1) 사이로 여러 쌍의 유전체층을 형성하기가 어려울 수 있다.
도 4g를 참조하면, 리플렉터(460) 상에 소정의 개구 영역을 갖는 마스크패턴(미도시)을 형성한 후, 상기 마스크패턴을 식각 장벽으로 이용해서 리플렉터(460)를 식각하여 전류확산층(450)을 노출시키는 제1영역(A1)을 형성한다. 식각후 마스크패턴(미도시)을 제거할 수 있다.
도 4h를 참조하면, 전류확산층(450)이 노출된 제1영역(A10에 제1전극(471)을 형성하며, 아울러 반도체층(420)이 노출된 제2영역(A2) 상에 제2전극(472)을 형성한다. 제1전극(471) 및 제2전극(472)은 소정의 금속으로 형성할 수 있다.
사파이어 기판(410)의 하부를 폴리싱하여 대략 110-170 ㎛ 두께를 가진 투명한 기판(411)을 만든다. 결과물(400)은 도 1에 도시된 발광소자와 같게 된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 광반사율이 매우 우수한 유전체 리플렉터를 구비한 발광소자를 용이하게 제조할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 전술한 본 발명의 실시예에 따른 발광소자 및 그 제조방법은 다양하게 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
100: 발광소자 110: 기판
120: 제1도전형 반도체층 122: 마스크층
130: 제1도전형 반도체 132: 활성층
134: 제2도전형 반도체 140: 절연층
150: 전류확산층 160: 유전체 리플렉터
171: 제1전극 172: 제2전극
H1: 홀 N1: 발광구조체

Claims (10)

  1. 기판 상의 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에서 복수의 홀이 형성된 마스크층;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에서 상기 복수의 홀을 통해서 수직으로 성장된 복수의 수직 발광구조체;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에서 상기 복수의 수직 발광구조체를 감싸는 전류확산층;
    상기 전류확산층 상에서 상기 전류확산층 사이의 공간을 채우는 유전체 리플렉터;를 포함하는 발광소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 수직 발광구조체는 코어-쉘(core-shell) 구조를 갖는 발광소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 수직 발광구조체 각각은 상기 제1 도전형 반도체층으로부터 상기 홀을 통해서 수직으로 성장된 제1 도전형 나노로드와, 상기 나노로드를 순차적으로 덮는 발광층 및 제2 도전형 반도체를 포함하고,
    상기 제1 도전형 나노로드는 상기 코어-쉘 구조의 코어이고, 상기 발광층 및 상기 제2 도전형 반도체는 상기 코어-쉘 구조의 쉘인 발광소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층 상에서 상기 수직 발광구조체의 하부를 감싸는 절연층을 더 포함하는 발광소자.
  5. 기판 상의 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에서 복수의 홀이 형성된 마스크층;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에서 상기 복수의 홀을 통해서 성장된 복수의 피라미드 발광구조체;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에서 상기 복수의 피라미드 발광구조체를 감싸는 전류확산층;
    상기 전류확산층 상의 유전체 리플렉터;를 포함하는 발광소자.
  6. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 유전체 리플렉터는 굴절률이 서로 다른 두개의 유전체층이 하나의 쌍을 이루면서 복수의 쌍으로 형성된 발광소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 쌍은 3-15 쌍인 발광소자.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 굴절률이 서로 다른 두개의 유전체층은 티타늄 옥사이드층과 실리콘 옥사이드층인 발광소자.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 두개의 유전체층은 각각 10~50 nm 두께로 형성된 발광소자.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 피라미드 발광구조체는 상기 제1 도전형 반도체층으로부터 상기 홀을 통해서 성장된 제1 도전형 피라미드와, 상기 피라미드를 순차적으로 덮는 발광층 및 제2 도전형 반도체를 포함하는 발광소자.
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