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KR102061563B1 - 반도체 발광소자 - Google Patents

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KR102061563B1
KR102061563B1 KR1020130092956A KR20130092956A KR102061563B1 KR 102061563 B1 KR102061563 B1 KR 102061563B1 KR 1020130092956 A KR1020130092956 A KR 1020130092956A KR 20130092956 A KR20130092956 A KR 20130092956A KR 102061563 B1 KR102061563 B1 KR 102061563B1
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reflective layer
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허재혁
손중곤
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삼성전자주식회사
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Abstract

본 발명의 실시 형태에 따른 반도체 발광소자는, 기판; 기판 상에 교대로 배치되며 서로 다른 공극률을 가지는 적어도 2종의 다공층들을 포함하는 반사층; 및 반사층 상에 위치하며, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 구비하는 발광구조물을 포함한다.

Description

반도체 발광소자{SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것이다.
질화물 반도체 발광소자는 설계 및 제조기술이 비약적으로 발전하여 고효율, 고출력 청색, 녹색, 그리고, UV 단파장 LED 뿐 아니라, 백색 LED의 효율이 크게 향상되고 있다. 이러한 발전의 결과로, 질화물 반도체 발광소자는 자동차 헤드램프 및 일반조명으로 그 응용범위를 확대하고 있다. 이에 따라, 형광등과 같은 기존 광원을 대체하기 위해서 제조비용이 절감되어야 할 필요성이 증가하고 있다.
최근 양산성 향상을 위하여, 사파이어 기판을 실리콘(Si) 기판과 같은 저가이면서 대구경화가 가능한 다른 웨이퍼로 대체하는 방안이 연구되고 있다. 이에 따라, 기판 상에 성장되는 질화물 단결정의 결정성을 확보하고, 활성층에서 생성된 포톤(photon)이 기저의 기판에 의해 흡수되는 것을 방지하여 광효율을 확보하기 위한 방안이 요구되고 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 공정이 용이하고 광효율이 향상된 반도체 발광소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자는, 기판; 상기 기판 상에 교대로 배치되며 서로 다른 공극률을 가지는 적어도 2종의 다공층들을 포함하는 반사층; 및 상기 반사층 상에 위치하며, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 구비하는 발광구조물;을 포함한다.
본 발명의 일부 실시 형태에서, 상기 반사층은 상기 기판, 상기 제1 도전형 반도체층 및 상기 제2 도전형 반도체층 중 적어도 하나와 동일한 물질의 다공층으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일부 실시 형태에서, 상기 기판은 실리콘(Si)으로 이루어지고, 상기 다공층들은 다공성 실리콘으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일부 실시 형태에서, 상기 반사층은 상기 기판의 일부를 전기화학 식각하여 형성된 공극을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시 형태에서, 상기 제1 도전형 반도체층은 갈륨질화물(GaN)로 이루어지고, 상기 다공층들은 다공성 갈륨질화물로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일부 실시 형태에서, 상기 반사층은 상기 활성층에서 생성되어 상기 기판 방향으로 향하는 광을 상기 발광구조물의 상부로 반사시킬 수 있다.
본 발명의 일부 실시 형태에서, 상기 반사층은 제1 공극률을 가지는 제1 다공층 및 상기 제1 공극률보다 작은 제2 공극률을 가지는 제2 다공층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시 형태에서, 상기 제1 다공층은 상기 제2 다공층보다 작은 굴절률을 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시 형태에서, 상기 제1 다공층은 상기 제2 다공층보다 높은 비저항을 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시 형태에서, 상기 제1 다공층과 상기 제2 다공층의 굴절률 차이는 0.1 내지 1.3의 범위일 수 있다.
본 발명의 일부 실시 형태에서, 상기 적어도 2종의 다공층들은 서로 다른 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 일부 실시 형태에서, 상기 반사층과 상기 발광구조물 사이에 배치되는 버퍼층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시 형태에서, 상기 반사층 상에 배치되는 복수의 돌출부들을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시 형태에서, 상기 제1 도전형 반도체층에 접속되는 제1 전극 및 상기 제2 도전형 반도체층에 접속되는 제2 전극을 더 포함하고, 상기 제1 전극은, 상기 반사층 및 상기 기판을 관통하여 상기 제1 도전형 반도체층과 연결되는 도전성 비아를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자는, 차광성 기판; 상기 차광성 기판 상에 위치하는 발광구조물; 및 상기 차광성 기판과 상기 발광구조물 사이에 배치되며, 서로 다른 공극률을 가지는 적어도 2종의 다공층들을 포함하는 반사층; 을 포함한다.
기판과 활성층 사이에 반사층을 도입함으로써 광효율이 향상된 반도체 발광소자가 제공될 수 있다. 또한, 다공층을 이용하여 반사층을 제조하며, 기판 제거 공정을 생략함으로써 제조 비용이 절감된 반도체 발광소자가 제공될 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시 형태들에 따른 반도체 발광소자에 채용 가능한 반사층의 확대도들이다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자의 제조방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자의 반사층의 제조 특성을 나타내는 그래프들이다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자에 채용 가능한 반사층의 전자현미경 사진들이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자에 채용 가능한 반사층의 전자현미경 사진이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자의 반사층의 제조방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 패키지에 적용한 예를 나타낸다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 백라이트 유닛에 적용한 예를 나타낸다.
도 16는 본 발명의 실시예에 의한 반도체 발광소자를 조명 장치에 적용한 예를 나타낸다.
도 17은 본 발명의 실시예에 의한 반도체 발광소자를 헤드 램프에 적용한 예를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다.
본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형되거나 여러 가지 실시 형태가 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시 형태에 따른 반도체 발광소자(100)는, 기판(101), 기판(101) 상의 반사층(110), 버퍼층(120) 및 발광구조물(130)을 포함하며, 발광구조물(130) 상의 제1 전극(160) 및 제2 전극(170)을 더 포함할 수 있다. 발광구조물(130)은 제1 도전형 반도체층(132), 활성층(134) 및 제2 도전형 반도체층(136)을 포함할 수 있다. 다만, 본 명세서에서, '상', '상부', '상면', '하', '하부', '하면', '측면' 등의 용어는 도면을 기준으로 한 것이며, 실제로는 소자가 배치되는 방향에 따라 달라질 수 있을 것이다.
기판(101)은 반도체 성장용 기판으로 제공되며, 차광성 물질로 이루어진 차광성 기판일 수 있다. 본 명세서에서, '차광성'의 용어는 입사된 빛의 대부분을 흡수하거나 반사하여 투과시키지 못하는 물질 또는 부재의 특성을 의미하는 용어로 사용된다. 기판(101)이 차광성인 경우, 기판(101)은 예컨대, 1000nm 이하의 파장을 가지는 입사광의 일부, 예를 들어 약 50%를 흡수하고 일부를 반사시켜, 대부분의 빛을 투과시키지 못할 수 있다. 기판(101)은 예컨대, 실리콘(Si) 기판일 수 있으며, Si 기판을 사용하는 경우 대구경화가 용이하며 상대적으로 가격이 낮아 양산성이 향상될 수 있다.
반사층(110)은 활성층(134)으로부터 생성된 빛 중 기판(101) 방향을 향하는 광을 발광구조물(130)의 상부를 향하여 리디렉션(redirection)하기 위한 반사 구조물이다. 반사층(110)은 일종의 무지향성 반사(Omni-Directional Reflector, ODR)층일 수 있다.
반사층(110)은 다공성(porous) 물질로 이루어질 수 있으며, 단일 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 반사층(110)은 기판(101), 제1 도전형 반도체층(132) 및 제2 도전형 반도체층(136) 중 적어도 하나와 동일한 물질로 이루어지되, 상기 동일한 물질의 다공층으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 기판(101)이 Si으로 이루어지고, 반사층(110)이 다공성 Si으로 이루어질 수 있다. 또한, 제1 도전형 반도체층(132)이 GaN로 이루어지고, 반사층(110)이 다공성 GaN로 이루어질 수 있다. 다만, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않으며, 실시 형태에 따라, 반사층(110)은 기판(101) 또는 발광구조물(130)과 다른 물질의 다공층들을 포함할 수도 있다.
반사층(110)을 포함하는 일부 영역(A)에 대한 확대도에 도시된 것과 같이, 반사층(110)은 서로 다른 공극률(porosity)을 가지며 교대로 배치되는 제1 및 제2 다공층(111, 112)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 다공층(111, 112)은 적어도 1회 교대하여 배치될 수 있으며, 각각 두 층 이상의 제1 및 제2 다공층(111, 112)이 교대하여 배치된 구조뿐만 아니라, 각각 한 층의 제1 및 제2 다공층(111, 112)이 1회 교대하여 배치된 구조도 포함될 수 있다.
예를 들어, 제1 다공층(111)은 제1 공극률을 가지고, 제2 다공층(112)은 상기 제1 공극률보다 작은 제2 공극률을 가질 수 있다. 공극은 굴절률이 공기와 동일하므로, 일반적으로 공극률이 높을수록 굴절률이 낮아진다. 따라서, 제1 다공층(111)은 제2 다공층(112)보다 작은 굴절률을 가질 수 있다. 또한, 제1 다공층(111)은 제2 다공층(112)보다 높은 비저항을 가질 수 있으며, 이에 대해서는 하기에 도 8a 및 도 8b를 참조하여 상세히 설명한다.
제1 및 제2 다공층(111, 112)은 1.2 내지 2.8 범위의 굴절률을 가질 수 있으며, 제1 다공층(111)과 제2 다공층(112)의 굴절률 차이는 0.1 내지 1.3의 범위일 수 있다. 제1 및 제2 다공층(111, 112)의 굴절률은 기판(101) 및 제1 도전형 반도체층(132)의 굴절률보다 작은 값일 수 있다.
제1 및 제2 다공층(111, 112)은 각각 제1 두께(D1) 및 제2 두께(D2)를 가질 수 있으며, 제1 두께(D1) 및 제2 두께(D2)는 서로 다를 수 있다. 제1 두께(D1) 및 제2 두께(D2)는 예를 들어, 활성층(134)에서 생성되는 빛의 파장을 λ라고 하고 n을 해당 층의 굴절률이라 할 때에, λ/4n의 두께를 갖도록 형성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
반사층(110)은 활성층(134)에서 생성된 빛의 파장에 대해서 약 95% 이상의 높은 반사율을 갖도록 제1 및 제2 다공층(111, 112)의 굴절률과 두께가 선택되어 설계될 수 있다. 또한, 높은 반사율을 확보할 수 있도록 제1 및 제2 다공층(111, 112)의 반복 횟수가 결정될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 다공층(111, 112) 사이의 굴절률 차이가 상대적으로 큰 경우 제1 및 제2 다공층(111, 112)의 반복 횟수가 상대적으로 적을 수 있으며, 반대로, 제1 및 제2 다공층(111, 112)의 굴절률 차이가 상대적으로 작은 경우, 제1 및 제2 다공층(111, 112)의 반복 횟수가 상대적으로 많을 수 있다.
버퍼층(120)은 제1 도전형 반도체층(132)에 작용하는 응력을 완화하여 결정성을 향상시키기 위한 것으로, AlN, GaN 또는 AlGaN으로 이루어질 수 있다. 다만, 버퍼층(120)은 필수적 구성요소는 아니며, 실시 형태에 따라, 생략될 수도 있다.
제1 및 제2 도전형 반도체층(132, 136)은 각각 n형 및 p형 불순물이 도핑된 반도체로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지 않고 반대로 각각 p형 및 n형 반도체로 이루어질 수도 있다. 제1 및 제2 도전형 반도체층(132, 136)은 질화물 반도체, 예컨대, AlxInyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성을 갖는 물질로 이루어질 수 있으며, 각각의 층은 단일층으로 이루어질 수도 있지만, 도핑 농도, 조성 등의 특성이 서로 다른 복수의 층을 구비할 수도 있다. 다만, 제1 및 제2 도전형 반도체층(132, 136)은 질화물 반도체 외에도 AlInGaP나 AlInGaAs 계열의 반도체를 이용할 수도 있을 것이다.
제1 및 제2 도전형 반도체층(132, 136)의 사이에 배치된 활성층(134)은 전자와 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출하며, 양자우물층과 양자장벽층이 서로 교대로 적층된 다중 양자우물(MQW) 구조, 예컨대, 질화물 반도체일 경우, GaN/InGaN 구조가 사용될 수 있다. 필요에 따라, 단일 양자우물(SQW) 구조가 사용될 수도 있을 것이다.
제1 및 제2 전극(160, 170)은 각각 제1 및 제2 도전형 반도체층(132, 136)에 전기적으로 접속된다. 제1 및 제2 전극(160, 170)은 전기전도성 물질, 예컨대, Ag, Al, Ni, Cr 등의 물질 중 하나 이상을 증착하여 형성될 수 있다. 실시 형태에 따라, 제1 및 제2 전극(160, 170)은 투명 전극일 수 있으며, 예를 들어, ITO(Indium tin Oxide), AZO(Aluminium Zinc Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), ZnO, GZO(ZnO:Ga), In2O3, SnO2, CdO, CdSnO4, 또는 Ga2O3일 수 있다.
도 1에 도시된 제1 및 제2 전극(160, 170)의 위치 및 형상은 일 예이며, 실시 형태에 따라 다양하게 변화될 수 있다. 도면에는 도시되지 않았으나, 오믹전극층이 제2 도전형 반도체층(136) 상에 더 배치될 수 있으며, 상기 오믹전극층은 예를 들어, 고농도의 p형 불순물을 포함하는 p-GaN을 포함할 수 있다. 또는, 상기 오믹전극층은 금속 물질 또는 투명 전도성 산화물로 형성될 수 있다.
본 실시 형태의 반도체 발광소자(100)는 높은 반사율을 구현할 수 있는 다공성의 다층구조 반사층(110)을 포함함으로써, 기판(101)을 제거하지 않고도 광추출 효율이 확보될 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시 형태들에 따른 반도체 발광소자에 채용 가능한 반사층의 확대도들이다. 구체적으로, 도 2 및 도 3은 도 1의 A 영역을 확대하여 도시한다.
도 2를 참조하면, 반사층(110a)은 제1 내지 제3 다공층(111, 112, 113)의 적층구조가 1회 이상 반복된 구조를 가질 수 있다. 제1 내지 제3 다공층(111, 112, 113)은 서로 다른 공극률을 가질 수 있으며, 이에 따라 서로 다른 굴절률을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 다공층(111)이 가장 큰 공극률을 가지고, 제3 다공층(113)이 가장 작은 공극률을 가질 수 있다.
또한, 제1 내지 제3 다공층(111, 112, 113)은 서로 다른 제1 내지 제3 두께(D1, D2, D3)를 가질 수 있으며, 예를 들어, 제1 두께(D1)가 가장 크고, 제3 두께(D3)가 가장 작을 수 있다.
실시 형태에 따라, 반사층(110a)은 서로 다른 공극률을 가지는 4개 이상의 다공층들이 교대로 반복되는 구조를 가질 수도 있다. 또한, 실시 형태에 따라, 제1 내지 제3 다공층(111, 112, 113) 중 어느 하나의 공극률은 0일 수도 있다. 다공층들의 개수 및 각각의 공극률을 선택함으로써, 빛의 입사각에 무관하게 높은 반사율을 갖도록 반사층(110a)을 형성할 수 있게 된다.
도 3을 참조하면, 반사층(110b)은 제1 및 제2 다공층(111, 112)이 교대로 반복되며, 제4 다공층(114)이 제1 및 제2 다공층(111, 112)의 사이마다 개재된 구조를 가질 수 있다. 제1, 제2 및 제4 다공층(111, 112, 114)은 서로 다른 공극률을 가질 수 있으며, 이에 따라 서로 다른 굴절률 및 두께를 가질 수 있다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자의 제조방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다.
도 4a를 참조하면, 기판(101) 및 예비 반사층(110P)의 적층구조물이 마련된다.
기판(101)은 반도체 성장용 기판일 수 있으며, 예를 들어 웨이퍼일 수 있다. 예비 반사층(110P)은 공극을 형성함으로써 반사층(110)(도 1 참조)을 제조하기 위한 층이다.
도면에서는 기판(101)과 예비 반사층(110P)이 별도의 층으로 구분되어 도시되었으나, 예비 반사층(110P)은 기판(101) 상부의 일부 영역에 해당할 수 있다. 따라서, 예비 반사층(110P)과 기판(101)은 동일 물질일 수 있다. 다만, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 않으며, 다른 실시 형태에서, 예비 반사층(110P)은 기판(101)과 별도의 층으로 구비될 수도 있다.
도 4b 및 도 4c를 참조하면, 예비 반사층(110P)에 전기화학 식각을 수행한다.
도 4b에 도시된 것과 같이, 수조(10)에 채워진 전해용액(30)에 기판(101) 및 예비 반사층(110P)의 적층구조물을 침지시키고, 예비 반사층(110P)에 양극을 연결하고 전해용액(30) 내의 전극(20)에 음극을 연결하여, 전원공급수단(40)에 의해 예비 반사층(110P)과 전해용액(30) 사이에 소정의 전압을 인가한다. 이에 의해 예비 반사층(110P)에 대해 전기화학 식각이 수행되어, 공극들이 형성됨으로써 다공성층인 반사층(110)이 형성된다.
전해용액(30)은 불산(HF), 옥살산(COOH-COOH), 수산화칼륨(KOH) 및 염화수소(HCL) 중 적어도 하나를 포함하는 용매일 수 있으며, 전극(20)은 예컨대 백금으로 이루어질 수 있다.
전기화학 식각 시, 도 4c에 도시된 것과 같이, 시간에 따라 전압을 변동시킴으로써 전류밀도를 변동시킬 수 있으며, 제1 및 제2 전류밀도(JA, JB)를 교대로 인가할 수 있다. 예비 반사층(110P)에는 전류밀도의 변동에 따라, 두께방향으로 서로 다른 공극률을 가지는 제1 및 제2 다공층(111, 112)(도 1 참조)이 형성된다. 전류밀도에 따라 식각률이 변화되므로, 제1 및 제2 전류밀도(JA, JB) 하에서 형성되는 제1 및 제2 다공층(111, 112)은 서로 다른 공극률을 가지도록 형성될 수 있다. 제1 및 제2 다공층(111, 112)의 형성에 대해서는 하기에 도 6a 내지 도 7을 참조하여 상세히 설명한다.
본 실시 형태에서는 전기화학 식각에 의해 반사층(110)을 형성함으로써, 제1 및 제2 다공층(111, 112) 사이의 굴절률의 차이를 크게 할 수 있으며, 용이하게 공정을 수행할 수 있다.
도 4d를 참조하면, 형성된 반사층(110) 상에 버퍼층(120) 및 발광구조물(130)이 순차적으로 적층된다.
버퍼층(120), 제1 및 제2 도전형 반도체층(132, 136) 및 활성층(134)은 유기 금속 화학 증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD), 수소화 기상 에피택시(Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE), 분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy, MBE) 등과 같은 공정을 이용하여 성장될 수 있다.
반사층(110)이 발광구조물(130)의 성장용 기판인 기판(101)과 동일 물질로 이루어지는 경우, 제1 도전형 반도체층(132)을 포함하는 발광구조물(130)은 버퍼층(120) 상에서 안정적으로 성장될 수 있다. 또한, 반사층(110)이 제1 도전형 반도체층(132)과 동일 물질로 이루어지는 경우, 반사층(110) 상에서 제1 도전형 반도체층(132)을 포함하는 발광구조물(130)이 안정적으로 성장될 수 있다. 이 경우, 버퍼층(120)은 기판(101)과 반사층(110)의 사이에 배치될 수도 있다.
도 4e를 참조하면, 발광구조물(130)의 일부 영역(M)을 메사 형태로 식각하여 제거할 수 있다.
식각에 의하여, 제1 도전형 반도체층(132)의 일부가 노출될 수 있으며, 도 1을 함께 참조하면, 제1 및 제2 도전형 반도체층(132, 136)의 상면에 각각 제1 및 제2 전극(160, 170)이 형성될 수 있다. 제1 및 제2 전극(160, 170)은, 예를 들어, 스퍼터링(sputtering) 또는 전자빔 증발기(electron beam evaporator)와 같은 물리기상증착법(phisical vapor deposition, PVD)을 사용하여 증착할 수 있다.
본 실시 형태의 반도체 발광소자에서는 기판(101)으로 향하는 빛이 반사층(110)에 의해 발광구조물(130)의 상부로 반사되므로, 기판(101)을 제거하는 공정이 생략될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자의 반사층의 제조 특성을 나타내는 그래프들이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 전류밀도에 따른 식각률 및 굴절률 특성을 각각 도시한다. 그래프에서, 'A', 'B' 및 'C'는 전해용액을 이루는 HF, EtOH(ethanol) 및 탈이온수(DI water)의 비율이 각각 1:1:1, 2:1:1 및 3:1:1인 경우를 나타내며, Si을 이용하여 반사층을 제조하는 경우에 대한 특성이 도시된다.
도 5a에 도시된 것과 같이, 전류밀도가 증가할수록 모든 전해용액에서 식각률이 증가하는 경향을 가지며, HF의 비율이 높을 경우 식각율도 증가한다. 따라서, 전해용액 및 전류밀도에 따라 식각 시간을 조절함으로써 반사층을 이루는 다공층들 각각의 두께를 조절할 수 있다.
도 5b에 도시된 것과 같이, 전류밀도가 증가할수록 제조된 반사층을 이루는 다공층의 굴절률이 작아지는 경향을 가지며, HF의 비율이 높을 경우 상대적으로 큰 굴절률을 갖는다. 따라서, 전해용액 및 전류밀도 중 적어도 하나를 적절하게 선택함으로써 반사층을 이루는 다공층들 각각의 굴절률을 조절할 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자에 채용 가능한 반사층의 전자현미경 사진들이다. 구체적으로, 도 6a 내지 도 6c는 주사 전자현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM)에 의해 Si으로 이루어진 반사층의 표면을 분석한 결과를 도시한다.
도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 전류밀도가 5mA, 50mA 및 80mA로 증가할수록 공극의 크기가 증가하는 경향을 나타낸다. 대체로, 전류밀도가 증가하면 공극률이 증가되며, 이에 따라 굴절률이 감소한다. 반대로, 전류밀도가 감소하면 공극률이 낮아지며, 이에 따라 굴절률이 증가한다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자에 채용 가능한 반사층의 전자현미경 사진이다. 구체적으로, 도 7은 주사 전자현미경(SEM)에 의해 Si으로 이루어진 반사층의 단면을 분석한 결과를 도시한다.
도 7을 참조하면, 도 4c를 참조하여 상술한 것과 같이 시간에 따라 전압을 변동시킴으로써 전류밀도를 변동시켜 제1 및 제2 다공층(111, 112)이 교대로 배치되는 반사층(110)을 형성하였다. 상부에서부터 식각이 이루어지므로 반사층(110)은 상부의 층들로부터 하부의 층들 순으로 형성된다.
사진 상에서 어둡게 나타나는 제1 다공층(111)이 밝게 나타나는 제2 다공층(112)보다 공극률이 크다. 예를 들어, 제1 다공층(111)은 도 4c의 제2 전류밀도(JB)가 인가되는 동안 형성될 수 있으며, 제2 다공층(112)은 제1 전류밀도(JA)가 인가되는 동안 형성될 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자의 반사층의 제조방법을 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다.
도 8a를 참조하면, 기판(101) 및 예비 반사층(110P')의 적층구조물이 마련된다.
기판(101)은 반도체 성장용 기판일 수 있으며, 예를 들어 웨이퍼일 수 있다. 예비 반사층(110P')은 공극을 형성함으로써 반사층(110)(도 1 참조)을 형성하기 위한 층이다.
예비 반사층(110P')과 기판(101)은 동일 물질일 수 있다. 다만, 도 4a를 참조하여 상술한 실시예에서와 달리, 예비 반사층(110P')은 교대로 배치되는 복수의 제1 및 제2 예비 다공층(111P, 112P)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 예비 다공층(111P, 112P)은 서로 비저항이 다르며, 이는 불순물의 도핑 정도의 차이에 의한 것일 수 있다.
도 8b를 참조하면, 예비 반사층(110P')에 전기화학 식각을 수행한다.
도 4b를 참조하여 상술한 것과 동일하게 전기화학 식각이 수행될 수 있으며, 전기화학 식각 시, 도 8b에 도시된 것과 같이, 시간에 따라 전압을 변동시키지 않고, 일정 전압(VA)을 인가할 수 있다.
제1 및 제2 예비 다공층(111P, 112P)은 서로 다른 비저항을 가지며, 이에 따라 서로 다른 공극률 및 굴절률을 가진 다공층들이 형성될 수 있다. 예를 들어, 예비 반사층(110P')이 Si인 경우, 제1 및 제2 예비 다공층(111P, 112P) 중 비저항이 상대적으로 낮은 층의 경우, 굴절률이 상대적으로 큰 다공층을 형성할 수 있다. 반대로, 비저항이 상대적으로 높은 층의 경우, 굴절률이 상대적으로 작은 다공층을 형성할 수 있다. 특히, 비저항이 상대적으로 낮은 경우, 전도도가 크기 때문에 전류밀도를 변화시킴으로써 형성된 다공층의 굴절률을 다양한 값으로 변화시킬 수 있다.
본 실시예에 따르면, 전기화학 식각 시 공급되는 전원을 일정하게 유지하면서 서로 다른 공극률 및 굴절률을 가지는 복수의 다공층들을 형성할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 9를 참조하면, 본 실시 형태에 따른 반도체 발광소자(100a)는, 기판(101), 기판(101) 상의 반사층(110), 버퍼층(120), 제1 도전형 반도체 베이스층(131), 절연층(140) 및 나노 발광구조물(150)을 포함하며, 제1 도전형 반도체 베이스층(131) 상의 제1 전극(160) 및 나노 발광구조물(150) 상의 제2 전극(170)을 더 포함할 수 있다. 나노 발광구조물(150)은 제1 도전형 반도체 베이스층(131)으로부터 성장되어 형성된 제1 도전형 반도체 코어(152), 활성층 (154) 및 제2 도전형 반도체층(156)을 포함한다.
제1 도전형 반도체 베이스층(131)은 기판(101) 또는 버퍼층(120) 상에 형성될 수 있다. 제1 도전형 반도체 베이스층(131)은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물일 수 있으며, 예컨대 GaN일 수 있다. 제1 도전형 반도체 베이스층(131)은 예컨대 n형으로 도핑된 n-GaN일 수 있다.
절연층(140)은 제1 도전형 반도체 베이스층(131) 상에 배치된다. 절연층(140)은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, SiOx, SiOxNy, SixNy, Al2O3, TiN, AlN, ZrO, TiAlN, TiSiN 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 절연층(140)은 제1 도전형 반도체 베이스층(131)의 일부를 노출하는 복수의 개구부들을 포함한다.
나노 발광구조물(150)은 절연층(140)의 상기 개구부에 해당하는 위치에 각각 형성될 수 있다. 나노 발광구조물(150)은 상기 개구부에 의해 노출된 제1 도전형 반도체 베이스층(130) 영역으로부터 성장된 제1 도전형 반도체 코어(152)와, 제1 도전형 반도체 코어(152)의 표면에 순차적으로 형성된 활성층(154) 및 제2 도전형 반도체층(156)을 포함하는 코어-셀(core-shell) 구조를 갖는다. 나노 발광구조물(150)은 상부가 다각뿔 형상인 로드구조로 예시되어 있으나, 이에 한정되지 않고 피라미드 구조와 같은 다른 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 실시 형태에 따라, 나노 발광구조물(150)은 나노 와이어, 양자점, 또는 나노 박스 구조를 포함할 수 있다. 이외에도 나노 발광구조물(150)은 기판(101)에 대해 경사면을 가지는 구조를 가질 수 있으며, 기판(101)에 평행한 단면의 형상이 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형, 팔각형 등의 다각형 또는 원형 등 다양한 형태를 가질 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 10을 참조하면, 본 실시 형태에 따른 반도체 발광소자(100b)는, 기판(101), 기판(101) 상의 반사층(110), 돌출부(125), 버퍼층(120) 및 발광구조물(130)을 포함하며, 발광구조물(130) 상의 제1 전극(160) 및 제2 전극(170)을 더 포함할 수 있다. 발광구조물(130)은 제1 도전형 반도체층(132), 활성층(134) 및 제2 도전형 반도체층(136)을 포함할 수 있다.
본 실시 형태의 반도체 발광소자(100b)는 도 1의 반도체 발광소자(100a)와 달리, 반사층(110) 상에 배치된 돌출부(125)를 더 포함한다. 돌출부(125)는 반사층(110)의 상면에 일정한 간격을 두고 돌출 형성될 수 있으며, 돔 형상, 다각뿔 형상, 원뿔 형상, 다각형기둥 형상 또는 원 기둥 형상과 같은 다양한 형상을 가질 수 있다.
돌출부(125)는 반사층(110) 및 발광구조물(130)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가지는 물질로 이루어질 수 있으며, 투광성 물질로 이루어질 수도 있다. 구체적으로, 돌출부(125)는 SiOx, SiNx, Al2O3, HfO, TiO2, ZrO, ZnO 및 그 조합으로 이루어진 군에서 선택된 투광성 물질로 이루어질 수 있다. 돌출부(125)가 투광성 물질로 이루어지는 경우, 입사되는 빛의 손실없이 광 경로를 보정할 수 있으며, 저굴절률의 특성에 의해 입사되는 광을 법선 방향에 가깝게 보정하여, 반사층(110)에 의해 반사되는 빛의 양을 증가시킬 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 11을 참조하면, 본 실시 형태에 따른 반도체 발광소자(100c)는, 기판(101), 기판(101) 상의 반사층(110), 돌출부(125), 버퍼층(120), 제1 도전형 반도체 베이스층(131), 절연층(140) 및 나노 발광구조물(150)을 포함하며, 제1 도전형 반도체 베이스층(131)과 접속된 제1 전극(160a) 및 나노 발광구조물(150) 상의 제2 전극(170)을 더 포함할 수 있다. 나노 발광구조물(150)은 제1 도전형 반도체 베이스층(131)으로부터 성장되어 형성된 제1 도전형 반도체 코어(152), 활성층 (154) 및 제2 도전형 반도체층(156)을 포함한다.
본 실시 형태의 반도체 발광소자(100c)는 도9 및 도 10의 반도체 발광소자들(100a, 100b)과 달리, 제1 전극(160a)이 버퍼층(120), 반사층(110) 및 기판(101)을 관통하여 제1 도전형 반도체 베이스층(131)과 연결되는 도전성 비아(v)를 포함한다. 도전성 비아(v)는 기판(101)의 하부에서 서로 연결되어 제1 전극(160a)을 이룬다.
도전성 비아(v)는 전극 절연층(180)에 의해 버퍼층(120), 반사층(110) 및 기판(101)으로부터 전기적으로 절연될 수 있다. 도전성 비아(v)는 제1 도전형 반도체 베이스층(131) 내로 연장될 수도 있다. 도전성 비아(v)의 개수 및 형상은 도면에 도시된 것에 한정되지 않으며 다양하게 변화될 수 있다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 패키지에 적용한 예를 나타낸다.
도 12를 참조하면, 반도체 발광소자 패키지(1000)는 반도체 발광소자(1001), 패키지 본체(1002) 및 한 쌍의 리드 프레임(1003)을 포함하며, 반도체 발광소자(1001)는 리드 프레임(1003)에 실장되어 와이어(W)를 통하여 리드 프레임(1003)과 전기적으로 연결될 수 있다. 실시 형태에 따라, 반도체 발광소자(1001)는 리드 프레임(1003) 아닌 다른 영역, 예컨대, 패키지 본체(1002)에 실장될 수도 있을 것이다. 또한, 패키지 본체(1002)는 빛의 반사 효율이 향상되도록 컵 형상을 가질 수 있으며, 이러한 반사컵에는 반도체 발광소자(1001)와 와이어(W) 등을 봉지하도록 투광성 물질로 이루어진 봉지체(1005)가 형성될 수 있다. 본 실시 형태에서, 반도체 발광소자 패키지(1000)는 도 1에 도시된 반도체 발광소자(100)를 포함하는 것으로 도시되었으나, 실시 형태에 따라, 도 9 내지 도 11 중 어느 하나의 반도체 발광소자(100a, 100b, 100c)를 포함할 수 있다.
도 13을 참조하면, 반도체 발광소자 패키지(2000)는 반도체 발광소자(2001), 실장 기판(2010) 및 봉지체(2003)를 포함한다. 또한, 반도체 발광소자(2001)의 표면 및 측면에는 파장변환부(2002)가 형성될 수 있다. 반도체 발광소자(2001)는 실장 기판(2010)에 실장되어 와이어(W) 및 제1 전극(160a)(도 11 참조)을 통하여 실장 기판(2010)과 전기적으로 연결될 수 있다.
실장 기판(2010)은 기판 본체(2011), 상면 전극(2013) 및 하면 전극(2014)을 구비할 수 있다. 또한, 실장 기판(2010)은 상면 전극(2013)과 하면 전극(2014)을 연결하는 관통 전극(2012)을 포함할 수 있다. 실장 기판(2010)은 PCB, MCPCB, MPCB, FPCB 등의 기판으로 제공될 수 있으며, 실장 기판(2010)의 구조는 다양한 형태로 응용될 수 있다.
파장변환부(2002)는 형광체나 양자점 등을 포함할 수 있다. 봉지체(2003)는 상면이 볼록한 돔 형상의 렌즈 구조로 형성될 수 있지만, 실시 형태에 따라, 표면을 볼록 또는 오목한 형상의 렌즈 구조로 형성함으로써 봉지체(2003) 상면을 통해 방출되는 빛의 지향각을 조절하는 것이 가능하다.
본 실시 형태에서, 반도체 발광소자 패키지(2000)는 도 11에 도시된 반도체 발광소자(100c)를 포함하는 것으로 도시되었으나, 실시 형태에 따라, 도 1, 도 9 및 도 10 중 어느 하나의 반도체 발광소자(100, 100a, 100b)를 포함할 수 있다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 백라이트 유닛에 적용한 예를 나타낸다.
도 14를 참조하면, 백라이트 유닛(3000)은 기판(3002) 상에 광원(3001)이 실장되며, 그 상부에 배치된 하나 이상의 광학 시트(3003)를 구비한다. 광원(3001)은 도 12 및 도 13을 참조하여 상술한 구조 또는 이와 유사한 구조를 갖는 반도체 발광소자 패키지를 이용할 수 있으며, 또한, 반도체 발광소자를 직접 기판(3002)에 실장(소위 COB 타입)하여 이용할 수도 있다.
도 14의 백라이트 유닛(3000)에서 광원(3001)은 액정표시장치가 배치된 상부를 향하여 빛을 방사하는 것과 달리, 도 15에 도시된 다른 예의 백라이트 유닛(4000)은 기판(4002) 위에 실장된 광원(4001)이 측 방향으로 빛을 방사하며, 이렇게 방시된 빛은 도광판(4003)에 입사되어 면광원의 형태로 전환될 수 있다. 도광판(4003)을 거친 빛은 상부로 방출되며, 광 추출 효율을 향상시키기 위하여 도광판(4003)의 하면에는 반사층(4004)이 배치될 수 있다.
도 16는 본 발명의 실시예에 의한 반도체 발광소자를 조명 장치에 적용한 예를 나타낸다.
도 16의 분해사시도를 참조하면, 조명장치(5000)는 일 예로서 벌브형 램프로 도시되어 있으며, 발광모듈(5003)과 구동부(5008)와 외부접속부(5010)를 포함한다. 또한, 외부 및 내부 하우징(5006, 5009)과 커버부(5007)와 같은 외형구조물을 추가적으로 포함할 수 있다. 발광모듈(5003)은 도 1, 도 9 내지 도 11 중 어느 하나의 반도체 발광소자(100a, 100b, 100c)와 동일하거나 유사한 구조를 가지는 반도체 발광소자(5001)와 그 반도체 발광소자(5001)가 탑재된 회로기판(5002)을 포함할 수 있다. 본 실시형태에서는, 1개의 반도체 발광소자(5001)가 회로기판(5002) 상에 실장된 형태로 예시되어 있으나, 필요에 따라 복수 개로 장착될 수 있다. 또한, 반도체 발광소자(5001)가 직접 회로기판(5002)에 실장되지 않고, 패키지 형태로 제조된 후에 실장될 수도 있다.
외부 하우징(5006)은 열방출부로 작용할 수 있으며, 발광모듈(5003)과 직접 접촉되어 방열효과를 향상시키는 열방출판(5004) 및 조명장치(5000)의 측면을 둘러싸는 방열핀(5005)을 포함할 수 있다. 커버부(5007)는 발광모듈(5003) 상에 장착되며 볼록한 렌즈형상을 가질 수 있다. 구동부(5008)는 내부 하우징(5009)에 장착되어 소켓구조와 같은 외부접속부(5010)에 연결되어 외부 전원으로부터 전원을 제공받을 수 있다. 또한, 구동부(5008)는 발광모듈(5003)의 광원(5001)을 구동시킬 수 있는 적정한 전류원으로 변환시켜 제공하는 역할을 한다. 예를 들어, 이러한 구동부(5008)는 AC-DC 컨버터 또는 정류회로부품 등으로 구성될 수 있다.
또한, 도면에는 도시되지 않았으나, 조명장치(5000)는 통신 모듈을 더 포함 할 수도 있다.
도 17은 본 발명의 실시예에 의한 반도체 발광소자를 헤드 램프에 적용한 예를 나타낸다.
도 17을 참조하면, 차량용 라이트 등으로 이용되는 헤드 램프(6000)는 광원(6001), 반사부(6005), 렌즈 커버부(6004)를 포함하며, 렌즈 커버부(6004)는 중공형의 가이드(6003) 및 렌즈(6002)를 포함할 수 있다. 광원(6001)은 도 12 및 도 13 중 어느 하나의 발광소자 패키지를 적어도 하나 포함할 수 있다. 또한, 헤드 램프(6000)는 광원(6001)에서 발생된 열을 외부로 방출하는 방열부(6012)를 더 포함할 수 있으며, 방열부(6012)는 효과적인 방열이 수행되도록 히트싱크(6010)와 냉각팬(6011)을 포함할 수 있다. 또한, 헤드 램프(6000)는 방열부(6012) 및 반사부(6005)를 고정시켜 지지하는 하우징(6009)을 더 포함할 수 있으며, 하우징(6009)은 몸체부(6006) 및 일면에 방열부(6012)가 결합하여 장착되기 위한 중앙홀(6008)을 구비할 수 있다. 또한, 하우징(6009)은 상기 일면과 일체로 연결되어 직각방향으로 절곡되는 타면에 전방홀(6007)을 구비할 수 있다. 반사부(6005)는 하우징(6009)에 고정되어, 광원(6001)에서 발생된 빛이 반사되어 전방홀(6007)을 통과하여 외부로 출사되게 할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
100, 100a, 100b, 100c: 반도체 발광소자
101: 기판
110: 반사층
111: 제1 다공층
112: 제2 다공층
120: 버퍼층
130: 발광구조물
131: 제1 도전형 반도체 베이스층
132: 제1 도전형 반도체층
134: 활성층
136: 제2 도전형 반도체층
140: 절연층
150: 나노 발광구조물
160: 제1 전극
170: 제2 전극

Claims (11)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 교대로 배치되며 서로 다른 공극률을 가지는 적어도 2종의 다공층들을 포함하는 반사층; 및
    상기 반사층 상에 위치하며, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 구비하는 발광구조물;
    을 포함하고,
    상기 반사층은 제1 공극률을 가지는 제1 다공층 및 상기 제1 공극률보다 작은 제2 공극률을 가지는 제2 다공층을 포함하고,
    상기 제1 다공층 및 상기 제2 다공층은 서로 다른 도핑 농도의 불순물들을 포함하는 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반사층은 상기 기판, 상기 제1 도전형 반도체층 및 상기 제2 도전형 반도체층 중 적어도 하나와 동일한 물질의 다공층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘(Si)으로 이루어지고, 상기 다공층들은 다공성 실리콘으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 반사층은 상기 기판의 일부를 전기화학 식각하여 형성된 공극을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층은 갈륨질화물(GaN)로 이루어지고, 상기 다공층들은 다공성 갈륨질화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반사층은 상기 활성층에서 생성되어 상기 기판 방향으로 향하는 광을 상기 발광구조물의 상부로 반사시키는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 다공층은 상기 제2 다공층보다 작은 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 다공층은 상기 제2 다공층보다 높은 비저항을 가지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층에 접속되는 제1 전극 및 상기 제2 도전형 반도체층에 접속되는 제2 전극을 더 포함하고,
    상기 제1 전극은, 상기 반사층 및 상기 기판을 관통하여 상기 제1 도전형 반도체층과 연결되는 도전성 비아를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  11. 기판 및 예비 반사층의 적층구조물을 마련하는 단계;
    상기 예비 반사층에 전기화학 식각을 수행하여 공극들을 형성함으로써, 교대로 배치되며 서로 다른 공극률을 가지는 제1 다공성층 및 제2 다공성층을 포함하는 반사층을 형성하는 단계; 및
    상기 반사층 상에 버퍼층 및 발광구조물을 순차적으로 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 다공성층 및 제2 다공성층은, 상기 반사층을 형성하는 단계에서 교대로 서로 다른 전류밀도를 인가함으로써 형성하거나, 상기 예비 반사층이 서로 비저항이 다른 제1 예비 다공층 및 제2 예비 다공층을 포함하도록 마련하고 상기 반사층을 형성하는 단계에서 일정한 전압을 인가함으로써 형성하는 반도체 발광소자의 제조방법.
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