KR101289442B1 - 분포 브래그 반사기를 포함하는 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기판의 하부 면에 평균 반사층의 두께를 달리하는 반사부로 이루어진 분포 브래그 반사기를 형성하여 넓은 파장대의 광에 대한 높은 반사율을 확보할 수 있는 바, 높은 연색지수와 우수한 발광 효율을 나타낼 수 있는 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 질화물 반도체 발광소자는 굴절율이 상이한 다수의 반사층에 의해 사파이어 기판의 하부 방향으로 도출하는 광을 상부 방향으로 전반사하여 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 특히, 400 ~ 500 nm 파장대의 청색 광뿐만 아니라, 500 ~ 700 nm 파장대의 광에 대하여도 높은 반사율을 확보할 수 있어, 청색 광 이외의 다른 파장의 광을 방출하는 발광 요소를 포함하여 발광 장치를 구성하는 경우 우수한 연색지수를 확보할 수 있다.
본 발명의 질화물 반도체 발광소자는 굴절율이 상이한 다수의 반사층에 의해 사파이어 기판의 하부 방향으로 도출하는 광을 상부 방향으로 전반사하여 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 특히, 400 ~ 500 nm 파장대의 청색 광뿐만 아니라, 500 ~ 700 nm 파장대의 광에 대하여도 높은 반사율을 확보할 수 있어, 청색 광 이외의 다른 파장의 광을 방출하는 발광 요소를 포함하여 발광 장치를 구성하는 경우 우수한 연색지수를 확보할 수 있다.
Description
본 발명은 기판의 하부 면에 평균 반사층의 두께를 달리하는 반사부로 이루어진 분포 브래그 반사기를 형성하여 넓은 파장대의 광에 대한 높은 반사율을 확보할 수 있어, 높은 연색지수와 우수한 발광 효율을 나타낼 수 있는 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
종래의 질화물 반도체 소자에는 예를 들어 GaN계 질화물 반도체 소자를 들 수 있고, 이 GaN계 질화물 반도체 발광소자는 그 응용 분야에 있어서 청색 또는 녹색 LED의 발광소자, MESFET과 HEMT 등의 고속 스위칭과 고출력 소자 등에 응용되고 있다.
특히, 청색 또는 녹색 LED 발광소자는 이미 양산화가 진행된 상태이며 전 세계적인 매출은 크게 증가하고 있는 상황이다.
종래의 GaN계 반도체 발광 소자의 기본 구조는 도 1에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판(11)의 하부면에 형성된 반사 금속층(10), 사파이어 기판(11)의 상부면에 형성된 n형 질화물 반도체층(12), 활성층(13), p형 질화물 반도체층(14), p측 전극(15) 및 n형 질화물 반도체층(12)의 노출영역에 형성된 n측 전극(16)을 포함한다.
이와 같은 종래의 GaN계 반도체 발광 소자는 주로 사파이어 기판(11)을 성장 기판으로 이용하고, 반사 금속층(10)을 이용하여 활성층(13)에서 하부 방향으로 진행하는 광을 다시 상부 방향으로 반사시킨다.
그러나 사파이어 기판(11)의 하부면에 알루미늄 등과 같은 반사율이 높은 금속을 이용하여 반사 금속층(10)을 형성할 경우, 반사 금속층(10)은 발광 소자의 제조 과정 중 레이저 스크라이빙(Laser Scribing) 공정 과정에서 반사 금속층(10)의 금속이 불투명하기 때문에 스크라이빙하는 방향을 맞추기(align)가 쉽지 않아 사파이어 기판(11)에 대한 레이저 스크라이빙 공정을 수행하기 어렵게 한다.
한편 상기 반사 금속층 대신 분포 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector, DBR)를 이용하여 광 추출 효율을 개선하고자 하는 노력이 진행되어 왔는데, 사파이어 기판(11)의 하부면에 상기 반사 금속층 대신 TiO2/SiO2를 주기적으로 반복하여 분포 브래그 반사기를 형성할 수 있다. 그러나 이 경우 약 500 nm 이상의 파장에 대하여는 반사율이 급격하게 감소하게 된다. 따라서 분포 브래그 반사기를 적용한 발광 다이오드 칩을 백색광을 구현하는 발광 다이오드 패키지에 실장할 경우, 발광 다이오드 칩에서 방출된 청색 파장 영역의 광에 대해서는 높은 반사율을 나타내지만, 녹색 또는 적색 파장 영역의 광에 대해서는 분포 브래그 반사기가 효과적인 반사 특성을 나타내지 못하는 문제가 있다.
한국등록특허 제721147호에서는 분포 브래그 반사기를 전류 저지층으로 형성하는 것을 개시하고 있으나, 상기 분포 브래그 반사기 역시 일정 영역의 파장에 대하여만 우수한 반사효과를 나타낼 수 있다.
따라서 보다 넓은 파장 대에서 우수한 반사율을 나타낼 수 있는 발광소자의 개발이 지속적으로 요구되는 실정이다.
이에 본 발명자들은 넓은 파장 대에서 우수한 반사율을 나타내는 분포 브래그 반사기를 포함하는 질화물 반도체 발광소자를 개발하고자 연구, 노력한 결과, 상기 기판 하부에 다수의 반사층을 적층하여 형성된 분포 브래그 반사기를 형성하되, 각각의 반사층의 두께를 조절하여 넓은 파장대의 광에 대한 우수한 반사율을 구현할 수 있음을 발견함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 폭넓은 파장대의 광에 대한 반사율을 향상시킨 질화물 반도체 발광소자 및 이를 포함하는 백색 발광 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기의 질화물 반도체 발광소자를 용이하게 제조할 수 있는 제조방법을 제공하는 데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 질화물 반도체 발광소자는 기판, n형 질화물층; 활성층; p형 질화물층 및 상기 기판 하부에 다수의 반사층을 적층하여 형성된 분포 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector)를 포함하고, 상기 분포 브래그 반사기는 하부로부터 제1반사부 및 제2반사부를 포함하되, 각 반사부는 굴절율이 서로 상이한 산화물 재질을 포함하는 제1반사층과 제2반사층이 교대로 반복하여 적층되어 형성되며, 제1반사부를 이루는 반사층의 평균 두께(M1) 및 제2반사부를 이루는 반사층의 평균 두께(M2)가 서로 다른 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 질화물 반도체 발광소자는 기판, n형 질화물층; 활성층; p형 질화물층 및 상기 기판 하부에 다수의 반사층을 적층하여 형성된 분포 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector)를 포함하고, 상기 분포 브래그 반사기는 하부로부터 제1반사부, 제2반사부 및 제3반사부를 포함하되, 각 반사부는 굴절율이 서로 상이한 산화물 재질을 포함하는 제1반사층과 제2반사층이 교대로 반복하여 적층되어 형성되며, 제1반사부를 이루는 반사층의 평균 두께(M1), 제2반사부를 이루는 반사층의 평균 두께(M2) 및 제3반사부를 이루는 반사층의 평균 두께(M3)가 서로 다른 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 질화물 발광소자로부터 방출되는 광과 다른 파장의 광을 방출하는 발광 요소를 포함하는 백색 발광 장치 및 이를 포함하는 발광소자 패키지를 특징으로 한다.
또한 상기 질화물 발광소자를 제조하는 방법은, 기판의 하부면에 다수의 반사층을 적층하여 분포 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector)를 형성하는 단계; 및 상기 기판의 상부면에 n형 질화물층, 활성층 및 p형 질화물층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 분포 브래그 반사기를 형성하는 단계에서 하부로부터 제1반사부 및 제2반사부를 형성하고, 각 반사부는 굴절율이 서로 상이한 산화물 재질로 이루어진 제1반사층과 제2반사층이 교대로 반복 적층하여 형성하되, 제1반사부를 이루는 반사층의 평균 두께(M1) 및 제2반사부를 이루는 반사층의 평균 두께(M2)를 서로 다르게 형성하는 것을 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 질화물 발광소자를 제조하는 방법은, 기판의 하부면에 다수의 반사층을 적층하여 분포 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector)를 형성하는 단계; 및 상기 기판의 상부면에 n형 질화물층, 활성층 및 p형 질화물층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 분포 브래그 반사기를 형성하는 단계에서 하부로부터 제1반사부, 제2반사부 및 제3반사부를 형성하고, 각 반사부는 굴절율이 서로 상이한 산화물 재질로 이루어진 제1반사층과 제2반사층이 교대로 반복 적층하여 형성하되, 제1반사부를 이루는 반사층의 평균 두께(M1), 제2반사부를 이루는 반사층의 평균 두께(M2) 및 제3반사부를 이루는 반사층의 평균 두께(M3)를 서로 다르게 형성하는 것을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 질화물 반도체 발광소자는 굴절율이 상이한 다수의 반사층에 의해 사파이어 기판의 하부 방향으로 도출하는 광을 상부 방향으로 전반사하여 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
특히, 400 ~ 500 nm 파장대의 청색 광뿐만 아니라, 500 ~ 700 nm 파장대의 광에 대하여도 높은 반사율을 확보할 수 있어, 청색 광 이외의 다른 파장의 광을 방출하는 발광 요소를 포함하여 발광 장치를 구성하는 경우 우수한 연색지수를 확보할 수 있다.
도 1은 종래의 질화물 반도체 발광소자의 단면을 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 단면을 도시한 단면도이다.
도 3은 상기 질화물 반도체 발광소자의 일 구현예의 분포 브래그 반사기(100)의 구성을 확대하여 나타낸 것이다.
도 4는 상기 질화물 반도체 발광소자의 또 다른 구현예의 분포 브래그 반사기(100)의 구성을 확대하여 나타낸 것이다.
도 5는 실시예의 분포 브래그 반사기의 반사율 특성을 확인한 그래프이다.
도 6은 비교예의 분포 브래그 반사기의 반사율 특성을 확인한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 단면을 도시한 단면도이다.
도 3은 상기 질화물 반도체 발광소자의 일 구현예의 분포 브래그 반사기(100)의 구성을 확대하여 나타낸 것이다.
도 4는 상기 질화물 반도체 발광소자의 또 다른 구현예의 분포 브래그 반사기(100)의 구성을 확대하여 나타낸 것이다.
도 5는 실시예의 분포 브래그 반사기의 반사율 특성을 확인한 그래프이다.
도 6은 비교예의 분포 브래그 반사기의 반사율 특성을 확인한 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 질화물계 발광소자에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
질화물계 발광소자
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수평형 질화물 반도체 발광소자의 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자는 사파이어 기판(140)의 하부면에 다수의 반사층이 적층 구조로 이루어진 분포 브래그 반사기(100), 사파이어 기판(140)의 상부 방향으로 버퍼층(150), n형 질화물층(160), 활성층(170), p형 질화물층(180), 투명 전극층(190), p측 전극(191) 및 n측 전극(192)를 포함한다.
도 3은 상기 수평형 질화물 반도체 발광소자의 분포 브래그 반사기(100)를 확대하여 나타낸 것이다.
상기 분포 브래그 반사기(100)는 하부로부터 제1반사부(110) 및 제2반사부(120)로 이루어지고, 각 반사부는 굴절율이 서로 상이한 산화물 재질로 이루어진 제1반사층과 제2반사층이 교대로 반복하여 적층되어 이루어진다. 또한 제1반사부(110)를 이루는 반사층의 평균 두께(M1) 및 제2반사부(120)를 이루는 반사층의 평균 두께(M2)는 각각 서로 다르며, 바람직하게는 M1<M2를 나타낸다.
상기 제1반사부(110)는 400 ~ 500 nm 파장을 가지는 광의 반사를 위하여 포함되고, 제2반사부(120)는 500 ~ 700 nm 파장을 가지는 광의 반사를 위하여 포함된다.
도 4는 상기 수평형 질화물 반도체 발광소자의 또 다른 분포 브래그 반사기(100)를 확대하여 나타낸 것이다.
상기 분포 브래그 반사기(100)는 하부로부터 제1반사부(110), 제2반사부(120) 및 제3반사부(130)로 이루어지고, 각 반사부는 굴절율이 서로 상이한 산화물 재질로 이루어진 제1반사층과 제2반사층이 교대로 반복하여 적층되어 이루어진다. 또한 제1반사부(110)를 이루는 반사층의 평균 두께(M1), 제2반사부(120)를 이루는 반사층의 평균 두께(M2) 및 제3반사부(130)를 이루는 반사층의 평균 두께(M3)는 각각 서로 다르며, 바람직하게는 M1<M2<M3를 나타낸다. 즉 가장 하부에 존재하는 제1반사부(110)를 이루는 반사층의 평균 두께가 가장 작고, 기판 하부에 인접하는 제3반사부(130)를 이루는 반사층의 평균 두께가 가장 크게 나타난다.
상기 제1반사부(110)는 400 ~ 500 nm 파장을 가지는 광의 반사를 위하여 포함되고, 제2반사부(120)는 500 ~ 600 nm 파장을 가지는 광의 반사를 위하여 포함되며, 제3반사부(130)는 600 ~ 700 nm 파장을 가지는 광의 반사를 위하여 포함된다.
상기 각 반사부는 굴절율이 서로 상이한 산화물 재질로 이루어진 제1반사층과 제2반사층이 교대로 반복하여 적층됨으로써 이루어지며, 상기 제1반사층은 1.2 ~1.5의 굴절율을 가지는 소재로 이루어지고, 상기 제2반사층은 2.0 ~ 3.0의 굴절율을 가지는 소재로 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로 상기 제1반사층은 SiOX(1≤X≤3) 또는 MgF2로 이루어지고, 상기 제2반사층은 TiOx(1≤X≤3) 또는 ZrO2로 이루어지는 것이 바람직하며, 가장 바람직하게는 제1반사층은 SiO2 로 형성되고, 제2반사층은 TiO2 로 형성되는 것이 좋다. 즉, 예를 들어 제1 반사층(111)부터 제4반사층(114)이 SiO2 와 TiO2 가 교대로 반복 형성된 적층 구조로서, 제1반사층(111)이 SiO2 로 형성되고, 제2반사층(112)은 TiO2 로 형성되며, 제3반사층(113)은 제1반사층(111)과 동일하게 SiO2 로 형성되며, 제4반사층(114)은 제2반사층(112)과 동일하게 TiO2 로 형성될 수 있다.
이 때, 제1반사부(110)를 이루는 제1반사층은 50 ~ 90 nm, 바람직하게는 55 ~ 85 nm의 두께를 나타내고, 제2반사부(120)를 이루는 제1반사층은 80 ~ 110 nm, 바람직하게는 85 ~ 105 nm의 두께를 나타내며, 제3반사부(130)를 이루는 제1반사층은 90 ~ 135 nm, 바람직하게는 95 ~ 120 nm의 두께를 나타낸다. 또한, 제1반사부(110)를 이루는 제2반사층은 30 ~ 60 nm, 바람직하게는 35 ~ 55 nm의 두께를 나타내고, 제2반사부(120)를 이루는 제2반사층은 50 ~ 80 nm, 바람직하게는 55 ~ 75 nm의 두께를 나타내며, 제3반사부(130)를 이루는 제2반사층은 60 ~ 90 nm, 바람직하게는 65 ~ 85 nm의 두께를 나타낸다.
그리고 제1반사부(110)를 이루는 제1반사층의 평균 두께는 55 ~ 85 nm이고, 제2반사부(120)를 이루는 제1반사층의 평균 두께는 85 ~ 105 nm이며, 제3반사부(130)를 이루는 제1반사층의 평균 두께는 95 ~ 115 nm인 것이 바람직하다. 또한, 제1반사부(110)를 이루는 제2반사층의 평균 두께는 35 ~ 55 nm이고, 제2반사부(120)를 이루는 제2반사층의 평균 두께는 55 ~ 75 nm이며, 제3반사부(130)를 이루는 제2반사층의 평균 두께는 65 ~ 85 nm인 것이 바람직하다.
또한, 반사층 중에서 기판(140) 하부에 형성되어 기판과 접촉하는 가장 상부의 반사층은 TiOx(1≤X≤3) 로 이루어지는 것이 바람직하다. 일반적으로 복수의 층에서 각 층의 물질간에 굴절률 차이가 클수록 반사율이 높아지는 바, 기판에 사용되는 사파이어와 굴절률 차이가 큰 TiOx(1≤X≤3)로 기판과 접촉하는 가장 상부의 반사층을 형성하는 것이 유리하다.
한편, 제1반사부(110), 제2반사부(120) 및 제3반사부(130)로 이루어진 분포 브래그 반사기(100)는 총 20 ~ 80 층의 반사층을 포함하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 30 ~ 50 층을 포함하도록 구성하는 것이 좋다. 분포 브래그 반사기(100)가 상기 범위 미만의 층으로 구성되면 일부 파장 대역의 광에 대하여만 반사 효과를 나타내어 넓은 파장대역에서 충분한 반사율을 확보할 수 없으며, 상기 범위를 초과한 층으로 구성되면 반사기의 제조에 장시간이 소요되고 소스 관리가 어려워 경제적인 공정을 구현하기 어려운 문제가 있다.
상기 본 발명의 분포 브래그 반사기(100)는 사파이어 기판(140)의 하부 방향으로 도출하는 광을 상부 방향으로 전반사시킬 수 있다. 또한, 상기 분포 브래그 반사기는 전체적으로 하부로부터 기판에 가까워질수록 각 반사층의 두께는 감소하는 경향을 나타내고, 상기와 같이 각 반사층의 두께 조건을 만족하는 경우에 넓은 범위의 파장대의 광에 대한 반사율이 높아지며, 400 ~ 700 nm 파장의 광에 대하여 90% 이상의 반사율을 나타낼 수 있다.
한편 상기 기판(140)은 사파이어 이외에도 SiC, Si, GaN, ZnO, GaAs, GaP, LiAl2O3, BN 또는 AlN 등의 화합물로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 버퍼층(150)은 기판(140)과 n형 질화물층(160) 사이의 격자 부정합을 해소하기 위해 선택적으로 형성될 수 있고, 예컨대 AlN 또는 GaN으로 형성할 수 있다.
n형 질화물층(160)은 기판(140) 또는 버퍼층(150)의 상부면에 형성되고, n형 도판트가 도핑되어 있는 질화물로 형성된다. 상기 n형 도판트로는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn) 등이 될 수 있다. 여기서, n형 질화물층(160)은 Si을 도핑한 n형 AlGaN 또는 언도우프 AlGaN으로 이루어진 제 1 층, 및 언도우프 또는 Si을 도핑한 n형 GaN로 이루어진 제 2 층이 번갈아가며 형성된 적층 구조일 수 있다. 물론, n형 질화물층(130)은 단층의 n형 질화물층으로 성장시키는 것도 가능하나, 제 1 층과 제 2 층의 적층 구조로 형성하여 크랙이 없는 결정성이 좋은 캐리어 제한층으로 작용할 수 있다.
활성층(170)은 n형 질화물층(160)과 p형 질화물층(180) 사이에서 단일양자우물구조 또는 다중양자우물구조로 이루어질 수 있으며, n형 질화물층(160)을 통하여 흐르는 전자와, p형 질화물층(180)을 통하여 흐르는 정공이 재결합(re-combination)되면서, 광이 발생된다. 여기서, 활성층(170)은 다중양자우물구조로서, 양자장벽층과 양자우물층은 각각 AlxGayInzN(이 때, x+y+z=1, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1)으로 이루어질 수 있다. 이러한 양자장벽층과 양자우물층이 반복되어 형성된 구조의 활성층(170)은 발생하는 응력과 변형에 의한 자발적인 분극을 억제할 수 있다.
p형 질화물층(180)은 예컨대 Mg을 도핑한 p형 AlGaN 또는 언도우프 AlGaN으로 이루어진 제 1 층, 및 언도우프 또는 Mg을 도핑한 p형 GaN로 이루어진 제 2 층을 번갈아가며 적층한 구조로 형성될 수 있다. 또한, p형 질화물층(180)은 n형 질화물층(160)과 마찬가지로 단층의 p형 질화물층으로 성장시키는 것도 가능하나, 적층 구조로 형성하여 크랙이 없는 결정성이 좋은 캐리어 제한층으로 작용할 수 있다.
투명 전극층(190)은 p형 질화물층(180)의 상부면에 구비된 층으로, 이러한 투명 전극층(190)은 투명 전도성 산화물로 이루어지고, 그 재질은 In, Sn, Al, Zn, Ga 등의 원소를 포함하며, 예컨대 ITO, CIO, ZnO, NiO, In2O3 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
백색 발광 장치
상기 질화물 발광소자의 활성층에서는 약 450 nm 파장의 청색 광이 방출되는 바, 본 발명의 백색 발광 장치는 상기 질화물 발광소자로부터 방출되는 광과 다른 파장의 광을 방출하는 발광 요소를 더 포함할 수 있다.
상기 발광 요소는 황색 형광체(yellow phosphor)로서 YAG 계열이 사용될 수 있으며, YAG 계열의 황색 형광체의 바람직한 예는 화학식 (Y1 - xGdx)3(Al1 - yGay)5 O12:Ce3 +(여기서 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 임)로 표기되는 형광체 등이다.
특히, 상기 백색 발광 장치는 방출되는 광의 연색지수(Color Rendering Index, CRI)가 85 이상으로 나타나므로, 상기 발광 장치에서 방출되는 광은 종래 보다 기준 광에 가깝게 재현될 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 백색 발광 장치를 포함하는 발광 소자 패키지로 구현될 있으며, 이는 조명 장치 등에 적용될 수 있다.
질화물계 발광소자의 제조방법
이하, 구체적으로 본 발명의 실시예에 따른 질화물 반도체 발광 소자의 제조 방법을 하기에 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 제조 방법은 먼저, 사파이어 기판(140)의 일면에 기판의 하부 면에 다수의 반사층을 적층하여 분포 브래그 반사기(100)를 형성한다.
이 때, 상기 분포 브래그 반사기(100)는 기판으로부터 제2반사부(120) 및 제1반사부(110) 순으로, 또는 제3반사부(130), 제2반사부(120) 및 제1반사부(110) 순으로 형성될 수 있다.
각 반사부는 굴절율이 서로 상이한 산화물 재질로 이루어진 제1반사층과 제2반사층이 교대로 반복하여 적층됨으로써 이루어지며, 상기 제1반사층은 1.2 ~ 1.5의 굴절율을 가지는 소재로 이루어지고, 상기 제2반사층은 2.0 ~ 3.0의 굴절율을 가지는 소재로 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로 상기 제1반사층은 SiOX(1≤X≤3) 또는 MgF2로 이루어지고, 상기 제2반사층은 TiOx(1≤X≤3) 또는 ZrO2로 이루어지는 것이 바람직하며, 가장 바람직하게는 제1반사층은 SiO2 로 형성되고, 제2반사층은 TiO2 로 형성되는 것이 좋다.
상기 제1반사층 및 제2반사층은 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방법, 스퍼터링 방법, MOCVD 방법 또는 전자빔 증착(e-beam evaporation) 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들어 SiO2 제1반사층(111)은 Ar을 캐리어 가스로하고 Si 타겟(target)과 O2를 이용한 반응성 스퍼터링(reactive sputtering) 방법으로 형성될 수 있으며, TiO2 제2반사층은 Ar을 캐리어 가스로하고 Ti 타겟과 O2를 이용한 반응성 스퍼터링 방법으로 형성될 수 있다.
제1반사부(110)를 이루는 반사층의 평균 두께(M1) 및 제2반사부(120)를 이루는 반사층의 평균 두께(M2)는 각각 서로 다르게 나타나도록 적층하며, 바람직하게는 M1<M2를 나타내도록 적층한다.
또한 제1반사부(110), 제2반사부(120) 및 제3반사부(130)를 포함하는 경우, 제1반사부(110)를 이루는 반사층의 평균 두께(M1), 제2반사부(120)를 이루는 반사층의 평균 두께(M2) 및 제3반사부(130)를 이루는 반사층의 평균 두께(M3)는 각각 서로 다르게 나타나도록 적층하며, 바람직하게는 M1<M2<M3를 나타내도록 적층한다. 즉 기판에 인접하여 먼저 적층되는 제3반사부(130)를 이루는 반사층의 평균 두께가 가장 크게 나타나고, 마지막으로 적층되는 제1반사부(110)를 이루는 반사층의 평균 두께가 가장 작게 나타난다.
보다 구체적으로, 제1반사부(110)를 이루는 제1반사층은 50 ~ 90 nm, 바람직하게는 55 ~ 85 nm의 두께를 나타내고, 제2반사부(120)를 이루는 제1반사층은 80 ~ 110 nm, 바람직하게는 85 ~ 105 nm의 두께를 나타내며, 제3반사부(130)를 이루는 제1반사층은 90 ~ 135 nm, 바람직하게는 95 ~ 120 nm의 두께를 나타내도록 적층한다. 또한, 제1반사부(110)를 이루는 제2반사층은 30 ~ 60 nm, 바람직하게는 35 ~ 55 nm의 두께를 나타내고, 제2반사부(120)를 이루는 제2반사층은 50 ~ 80 nm, 바람직하게는 55 ~ 75 nm의 두께를 나타내며, 제3반사부(130)를 이루는 제2반사층은 60 ~ 90 nm, 바람직하게는 65 ~ 85 nm의 두께를 나타내도록 적층한다.
또한, 반사층 중에서 기판(140) 하부에 형성되어 기판과 접촉하는 가장 상부의 반사층은 TiOx(1≤X≤3) 로 이루어지는 것이 바람직하다. 일반적으로 복수의 층에서 각 층의 물질간에 굴절률 차이가 클수록 반사율이 높아지는 바, 기판에 사용되는 사파이어와 굴절률 차이가 큰 TiOx(1≤X≤3)로 기판과 접촉하는 가장 상부의 반사층을 형성하는 것이 유리하다.
상기와 같이 분포 브래그 반사기를 형성한 후, 사파이어 기판(140)을 상하 반전시켜 사파이어 기판(140)의 타면, 즉 사파이어 기판(140)의 상부 면에 버퍼층(150), n형 질화물층(160), 활성층(170), p형 질화물층(180)을 차례로 형성한다.
상기 버퍼층(150)은 기판(140)과 n형 질화물층(160) 사이에 격자 부정합을 해소하기 위해 기판(140)의 상부 면에 선택적으로 형성될 수도 있다. 여기서, 버퍼층(150)은 예를 들어 AlN 또는 GaN을 이용하여 형성될 수도 있다.
상기 n형 질화물층(160)은 n-GaN층으로 형성될 수 있다. n형 질화물층(160)의 형성 방법은 예를 들어, NH3, 트리메탈갈륨(TMG), 및 Si과 같은 n형 도판트를 포함한 실란 가스를 공급하여, n-GaN층을 n형 질화물층으로 성장할 수 있다.
다음 활성층(170)은 단일양자우물구조 또는 양자우물층과 양자장벽층이 교대로 다수 적층된 다중양자우물구조로 구비될 수 있다. 여기서, 활성층(170)은 다중양자우물구조로 이루어지되, 양자장벽층과 양자우물층은 각각 AlxGayInzN(이 때, x+y+z=1, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1)으로 이루어질 수 있다.
p형 질화물층(180)은 예컨대 Mg을 도핑한 p형 AlGaN의 제 1 층과, Mg을 도핑한 p형 GaN로 이루어진 제 2 층을 번갈아가며 적층한 구조로 형성될 수 있다. 또한, p형 질화물층(180)은 n형 질화물층(160)과 마찬가지로 단층의 p형 질화물층으로 성장시키는 것도 가능하다.
그리고 투명 전극층(190)을 p형 질화물층(180)의 상부면에 형성시킨다. 이러한 투명 전극층(190)은 투명 전도성 산화물로 이루어지고, 그 재질은 In, Sn,
Al, Zn, Ga 등의 원소를 포함하며, 예컨대, ITO, CIO, ZnO, NiO, In2O3 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
이렇게 투명 전극층(190)까지 형성된 후, 투명 전극층(190)으로부터 n형 질화물층(160)의 일영역까지 노광 에칭(lithography etching)하여, n형 질화물층(160)의 일영역이 노출될 수 있다.
n형 질화물층(160)의 일영역이 노출되면, n측 전극(192)이 노출된 n형 질화물층(160)의 일 영역에 형성될 수 있다. p측 전극(191)은 투명 전극층(190)의 상부면에 형성될 수 있다.
이하, 본 발명의 하기 실시예를 통하여 본 발명의 질화물 반도체 발광소자에 대하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
실시예
1
도 2와 같은 질화물계 발광소자를 구성하기 위하여 사파이어 기판에 하기 표 1에 나타난 바와 같이 SiO2 층과 TiO2 층을 교번하여 적층함으로써 분포 브래그 반사기(100)를 형성하였다.
| 반사부 | 반사층 | 두께(nm) | 반사층의 평균 두께(nm) | ||
| SiO2 | TiO2 | 전체 | |||
| 제1반사부 |
SiO2 | 56.0 | 62.4 | 47.4 | 54.9 |
| TiO2 | 37.0 | ||||
| SiO2 | 58.0 | ||||
| TiO2 | 47.0 | ||||
| SiO2 | 62.0 | ||||
| TiO2 | 48.0 | ||||
| SiO2 | 64.0 | ||||
| TiO2 | 50.0 | ||||
| SiO2 | 72.0 | ||||
| TiO2 | 55.0 | ||||
| 제2반사부 |
SiO2 | 95.0 | 94.2 | 70.2 | 82.2 |
| TiO2 | 55.0 | ||||
| SiO2 | 84.0 | ||||
| TiO2 | 67.0 | ||||
| SiO2 | 88.0 | ||||
| TiO2 | 76.0 | ||||
| SiO2 | 107.0 | ||||
| TiO2 | 76.0 | ||||
| SiO2 | 97.0 | ||||
| TiO2 | 77.0 | ||||
| 기판 | Sapphire | ||||
또한 질화물 발광소자의 질화물층으로 GaN을 적용하였고, 투명 전도층은 ITO(Indium Tin Oxide)로 형성하여 도 2와 같은 발광소자를 얻었다.
다음 상기 발광소자의 상부에 황색 인광체(YAG:Ce)를 도포하여 백색 발광 장치를 구성하였다.
실시예
2
도 2와 같은 질화물계 발광소자를 구성하기 위하여 사파이어 기판에 하기 표 2에 나타난 바와 같이 SiO2 층과 TiO2 층을 교번하여 적층함으로써 분포 브래그 반사기(100)를 형성하였다.
| 반사부 | 반사층 | 두께(nm) | 반사층의 평균 두께(nm) | ||
| SiO2 | TiO2 | 전체 | |||
| 제1반사부 |
SiO2 | 56.0 | 62.6 | 48.3 | 55.5 |
| TiO2 | 37.0 | ||||
| SiO2 | 58.0 | ||||
| TiO2 | 47.0 | ||||
| SiO2 | 62.0 | ||||
| TiO2 | 48.0 | ||||
| SiO2 | 56.0 | ||||
| TiO2 | 44.0 | ||||
| SiO2 | 56.0 | ||||
| TiO2 | 44.0 | ||||
| SiO2 | 70.0 | ||||
| TiO2 | 55.0 | ||||
| SiO2 | 64.0 | ||||
| TiO2 | 50.0 | ||||
| SiO2 | 69.0 | ||||
| TiO2 | 55.0 | ||||
| SiO2 | 72.0 | ||||
| TiO2 | 55.0 | ||||
| 제2반사부 | SiO2 | 95.0 | 86.0 | 64.0 | 75.0 |
| TiO2 | 55.0 | ||||
| SiO2 | 81.0 | ||||
| TiO2 | 51.0 | ||||
| SiO2 | 84.0 | ||||
| TiO2 | 67.0 | ||||
| SiO2 | 81.0 | ||||
| TiO2 | 62.0 | ||||
| SiO2 | 87.0 | ||||
| TiO2 | 73.0 | ||||
| SiO2 | 88.0 | ||||
| TiO2 | 76.0 | ||||
| 제3반사부 | SiO2 | 105.0 | 100.0 | 70.6 | 85.3 |
| TiO2 | 65.0 | ||||
| SiO2 | 96.0 | ||||
| TiO2 | 65.0 | ||||
| SiO2 | 95.0 | ||||
| TiO2 | 70.0 | ||||
| SiO2 | 107.0 | ||||
| TiO2 | 76.0 | ||||
| SiO2 | 97.0 | ||||
| TiO2 | 77.0 | ||||
| 기판 | Sapphire | ||||
또한 질화물 발광소자의 질화물층으로 GaN을 적용하였고, 투명 전도층은 ITO(Indium Tin Oxide)로 형성하여 도 2와 같은 발광소자를 얻었다.
다음 상기 발광소자의 상부에 황색 인광체(YAG:Ce)를 도포하여 백색 발광 장치를 구성하였다.
비교예
사파이어 기판에 SiO2 층과 TiO2 층을 각각 77.2 nm 및 45.6 nm 의 균일한 두께로 교대로 반복하여 총 22층(11쌍)을 적층함으로써 분포 브래그 반사기를 형성한 것을 제외하고는 상기 실시예와 동일하게 발광소자를 제조한 뒤, 인광체를 도포하여 백색 발광 장치를 구성하였다.
상기 실시예 및 비교예의 발광소자에서 분포 브래그 반사기의 반사율을 측정하였으며, 이를 각각 도 5 및 6에 나타내었다.
상기 도 5에서 보는 바와 같이, 실시예 2의 분포 브래그 반사기는 400 ~ 700 nm 파장대의 광에 대하여 90% 이상의 반사율을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 도 6에서 보는 바와 같이, 비교예의 분포 브래그 반사기는 약 400 ~ 500 nm 파장대의 청색 파장 영역의 광에 대하여만 우수한 반사율을 나타내는 바, 좁은 파장 대역에서 반사 효과를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
그리고 DIN6169에 따라 정해진 여덟 종류의 시험색을 기준 광원에서 본 경우와의 차이로부터 연색지수를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
| 실시예 1 | 실시예 2 | 비교예 | |
| 연색지수 | 86 | 87 | 81 |
상기 표 3에서 보는 바와 같이, 실시예의 발광소자는 비교예에 비하여 높은 연색지수를 나타내는 바, 실시예에서 방출된 광에 의하여 조명된 사물의 색재현(연색성)이 우수함을 확인할 수 있었다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 기술자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 이하에 기재되는 특허청구범위에 의해서 판단되어야 할 것이다.
100: 분포 브래그 반사기 110: 제1반사부
111: 제1반사층 112: 제2반사층
113: 제3반사층 114: 제4반사층
120: 제2반사부 130: 제3반사부
140: 기판 150: 버퍼층
160: n형 질화물층 170: 활성층
180: p형 질화물층 190: 투명 전극층
191: p측 전극 192: n측 전극
111: 제1반사층 112: 제2반사층
113: 제3반사층 114: 제4반사층
120: 제2반사부 130: 제3반사부
140: 기판 150: 버퍼층
160: n형 질화물층 170: 활성층
180: p형 질화물층 190: 투명 전극층
191: p측 전극 192: n측 전극
Claims (30)
- 기판, n형 질화물층, 활성층, p형 질화물층 및
상기 기판 하부에 다수의 반사층을 적층하여 형성된 분포 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector)를 포함하고,
상기 분포 브래그 반사기는 하부로부터 제1반사부 및 제2반사부를 포함하되,
각 반사부는 굴절율이 서로 상이한 산화물 재질을 포함하는 제1반사층과 제2반사층이 교대로 반복하여 적층되어 형성되며,
제1반사부를 이루는 반사층의 평균 두께(M1) 및 제2반사부를 이루는 반사층의 평균 두께(M2)가 M1<M2이고,
제1반사부를 이루는 제1반사층은 50 ~ 90 nm의 두께를 나타내고, 제2반사부를 이루는 제1반사층은 80 ~ 110 nm의 두께를 나타내며, 제1반사부를 이루는 제2반사층은 30 ~ 60 nm의 두께를 나타내고, 제2반사부를 이루는 제2반사층은 50 ~ 80 nm의 두께를 나타내는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 삭제
- 기판, n형 질화물층, 활성층, p형 질화물층 및
상기 기판 하부에 다수의 반사층을 적층하여 형성된 분포 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector)를 포함하고,
상기 분포 브래그 반사기는 하부로부터 제1반사부, 제2반사부 및 제3반사부를 포함하되,
각 반사부는 굴절율이 서로 상이한 산화물 재질을 포함하는 제1반사층과 제2반사층이 교대로 반복하여 적층되어 형성되며,
제1반사부를 이루는 반사층의 평균 두께(M1), 제2반사부를 이루는 반사층의 평균 두께(M2) 및 제3반사부를 이루는 반사층의 평균 두께(M3)가 M1<M2<M3이고,
제1반사부를 이루는 제1반사층은 50 ~ 90 nm의 두께를 나타내고, 제2반사부를 이루는 제1반사층은 80 ~ 110 nm의 두께를 나타내며, 제3반사부를 이루는 제1반사층은 90 ~ 135 nm의 두께를 나타내며, 제1반사부를 이루는 제2반사층은 30 ~ 60 nm의 두께를 나타내고, 제2반사부를 이루는 제2반사층은 50 ~ 80 nm의 두께를 나타내며, 제3반사부를 이루는 제2반사층은 60 ~ 90 nm의 두께를 나타내는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 삭제
- 제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 제1반사층은 1.2 ~ 1.5의 굴절율을 가지는 소재로 이루어지고, 상기 제2반사층은 2.0 ~ 3.0의 굴절율을 가지는 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제5항에 있어서,
상기 제1반사층은 SiOX(1≤X≤3) 또는 MgF2로 이루어지고, 상기 제2반사층은 TiOx(1≤X≤3) 또는 ZrO2로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
제1반사부를 이루는 제1반사층의 평균 두께는 55 ~ 85 nm이고, 제2반사부를 이루는 제1반사층의 평균 두께는 85 ~ 105 nm인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제1항에 있어서,
제1반사부를 이루는 제2반사층의 평균 두께는 35 ~ 55 nm이고, 제2반사부를 이루는 제2반사층의 평균 두께는 55 ~ 75 nm인 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 삭제
- 삭제
- 제3항에 있어서,
제1반사부를 이루는 제1반사층의 평균 두께는 55 ~ 85 nm이고, 제2반사부를 이루는 제1반사층의 평균 두께는 85 ~ 105 nm이며, 제3반사부를 이루는 제1반사층의 평균 두께는 95 ~ 115 nm 인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제3항에 있어서,
제1반사부를 이루는 제2반사층의 평균 두께는 35 ~ 55 nm이고, 제2반사부를 이루는 제2반사층의 평균 두께는 55 ~ 75 nm이며, 제3반사부를 이루는 제2반사층의 평균 두께는 65 ~ 85 nm인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제1항 또는 제3항에 있어서,
기판과 접촉하는 가장 상부의 반사층은 TiOx(1≤X≤3)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물 발광소자.
- 제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 분포 브래그 반사기는 20 ~ 80 층의 반사층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 기판은 사파이어, SiC, Si, GaN, ZnO, GaAs, GaP, LiAl2O3, BN 및 AlN 중에서 선택된 1종 이상의 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 분포 브래그 반사기는 400 ~ 700 nm 파장의 광에 대하여 90% 이상의 반사율을 나타내는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
- 제1항 또는 제3항에 기재된 질화물 발광소자; 및
상기 질화물 발광소자로부터 방출되는 광과 다른 파장의 광을 방출하는 발광 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
- 제19항에 있어서,
상기 발광 요소는 YAG 계열의 황색 형광체(yellow phosphor)인 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
- 제19항에 있어서,
방출되는 광의 연색지수(CRI)가 85 이상인 것을 특징으로 하는 백색 발광 장치.
- 제19항의 백색 발광 장치를 포함하는 발광 소자 패키지.
- 제22항의 발광 소자 패키지를 포함하는 조명 장치.
- 기판의 하부 면에 다수의 반사층을 적층하여 분포 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector)를 형성하는 단계; 및
상기 기판의 상부 면에 n형 질화물층, 활성층 및 p형 질화물층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 분포 브래그 반사기를 형성하는 단계에서 하부로부터 제1반사부 및 제2반사부를 형성하고, 굴절율이 서로 상이한 산화물 재질로 이루어진 제1반사층과 제2반사층을 교대로 반복 적층하여 각 반사부를 형성하되,
제1반사부를 이루는 반사층의 평균 두께(M1) 및 제2반사부를 이루는 반사층의 평균 두께(M2)가 M1<M2이 되도록 형성하고,
제1반사부를 이루는 제1반사층은 50 ~ 90 nm의 두께를 나타내고, 제2반사부를 이루는 제1반사층은 80 ~ 110 nm의 두께를 나타내도록 하며, 제1반사부를 이루는 제2반사층은 30 ~ 60 nm의 두께를 나타내고, 제2반사부를 이루는 제2반사층은 50 ~ 80 nm의 두께를 나타내도록 하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
- 삭제
- 기판의 하부 면에 다수의 반사층을 적층하여 분포 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector)를 형성하는 단계; 및
상기 기판의 상부 면에 n형 질화물층, 활성층 및 p형 질화물층을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 분포 브래그 반사기를 형성하는 단계에서 하부로부터 제1반사부, 제2반사부 및 제3반사부를 형성하고, 굴절율이 서로 상이한 산화물 재질로 이루어진 제1반사층과 제2반사층을 교대로 반복 적층하여 각 반사부를 형성하되,
제1반사부를 이루는 반사층의 평균 두께(M1) 및 제2반사부를 이루는 반사층의 평균 두께(M2) 및 제3반사부를 이루는 반사층의 평균 두께(M3)가 M1<M2<M3이 되도록 형성하고,
제1반사부를 이루는 제1반사층은 50 ~ 90 nm의 두께를 나타내고, 제2반사부를 이루는 제1반사층은 80 ~ 110 nm의 두께를 나타내며, 제3반사부를 이루는 제1반사층은 90 ~ 135 nm의 두께를 나타내도록 하며, 제1반사부를 이루는 제2반사층은 30 ~ 60 nm의 두께를 나타내고, 제2반사부를 이루는 제2반사층은 50 ~ 80 nm의 두께를 나타내며, 제3반사부를 이루는 제2반사층은 60 ~ 90 nm의 두께를 나타내도록 하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
- 삭제
- 제24항 또는 제26항에 있어서,
상기 제1반사층은 1.2 ~ 1.5 의 굴절율을 가지는 소재로 이루어지고, 상기 제2반사층은 2.0 ~ 3.0의 굴절율을 가지는 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
- 제28항에 있어서,
상기 제1반사층은 SiOX(1≤X≤3) 또는 MgF2로 이루어지고, 상기 제2반사층은 TiOx(1≤X≤3) 또는 ZrO2로 이루어진 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
- 제24항 또는 제26항에 있어서,
상기 제1반사층 및 제2반사층은 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방법, 스퍼터링 방법, MOCVD 방법 또는 전자빔 증착(e-beam evaporation) 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
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