KR101646360B1 - 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR101646360B1
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박진섭
김도현
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

발광 소자가 제공된다. 상기 발광 소잔, 기판 상의 제1 도전형의 제1 반도체층, 상기 제1 반도체층 상의 활성층, 상기 활성층 상의 제2 도전형의 제2 반도체층, 상기 제2 반도체층 상에 배치되고, 제1 금속 및 제2 금속을 포함하는 제1 광 추출부, 및 상기 제1 광 추출부 상에 배치되고, 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속을 포함하되, 상기 제1 광 추출부보다 상기 제2 금속의 함량이 낮은 제2 광 추출부를 포함할 수 있다.

Description

발광 소자 및 그 제조 방법{Light emitting device and method of fabricating the same}
본 발명은 발광 소자 및 그 제조 방법에 관련된 것으로, 보다 상세하게는, 서로 다른 금속 함량을 갖는 광 추출부들을 포함하는 발광 소자 및 그 제조 방법에 관련된 것이다.
발광 다이오드(light-emitting diode; LED)는 p-n 접합 다이오드의 일종으로, 순방향으로 전압이 걸릴 때 단파장광(monochromatic light)이 방출되는 현상인 전기발광효과(electroluminescence)를 이용한 반도체 소자로서, 발광 다이오드로부터 방출되는 빛의 파장은 사용되는 소재의 밴드 갭 에너지(bandgap energy, Eg)에 의해 결정된다. 특히, 최근에는, 질화물계 반도체 물질로 제조된 발광 소자들이 상용화되고 있는 추세이다.
이러한 발광 소자의 광 추출 효율을 향상시키기 위해, 다양한 기술들이 개발되고 있다. 예를 들어, 대한민국 특허 공개 공보 10-2007-0075592(출원번호 10-2006-0004013)에는 요철된 일면을 갖는 모기판 위에 성장된 후 모기판으로부터 분리된 상면이 모기판의 요철된 일면의 역상으로 요철된 제1 반도체층을 포함하는 발광 다이오드를 제조하여, 내부 반사에 의한 광 손실을 방지하고 광 추출 효율을 향상시키는 기술이 개시되어 있다.
다른 예를 들어, 대한민국 특허 공개 공보 10-2012-0080957(출원번호 10-2011-0002446)에는 반도체층 또는 투명 전극 상에 나노 단위의 두께와 폭을 가지는 나노 금속 패턴을 형성하여 표면 플라즈몬 공진 현상을 발생시켜 광의 산란 및 회절을 유도하여 광 추출 효율을 향상시키는 기술이 개시되어 있다.
대한민국 특허 공개 공보 10-2007-0075592 대한민국 특허 공개 공보 10-2012-0080957
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 고신뢰성의 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 광 추출 효율이 향상된 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 제조 비용이 감소된 발광 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 아니한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 발광 소자를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 발광 소자는, 기판 상의 제1 도전형의 제1 반도체층, 상기 제1 반도체층 상의 활성층, 상기 활성층 상의 제2 도전형의 제2 반도체층, 상기 제2 반도체층 상에 배치되고, 제1 금속 및 제2 금속을 포함하는 제1 광 추출부, 및 상기 제1 광 추출부 상에 배치되고, 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속을 포함하되, 상기 제1 광 추출부보다 상기 제2 금속의 함량이 낮은 제2 광 추출부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 광 추출부의 굴절률이 상기 제1 광 추출부의 굴절률보다 낮은 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 광 추출부 및 상기 제2 광 추출부는 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속의 산화물을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 금속은 아연(Zn)을 포함하고, 상기 제2 금속은 주석(Sn)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 광 추출부 및 상기 제2 광 추출부는 막(layer) 형태로 제공되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 광 추출부 및 상기 제2 광 추출부는, 패턴 형태로 제공되고, 상기 제1 광 추출부 및 상기 제2 광 추출부는 서로 동일한 폭을 갖는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 광 추출부 및 상기 제2 광 추출부 중에서 어느 하나는 막 형태로 제공되고, 상기 제1 광 추출부 및 상기 제2 광 추출부 중에서 다른 하나는 패턴 형태로 제공되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 발광 소자는, 상기 제2 광 추출부 상에 배치되고, 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속을 포함하되, 상기 제2 광 추출부보다 상기 제2 금속의 함량이 낮은 제3 광 추출부를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제3 광 추출부의 굴절률이 상기 제2 광 추출부의 굴절률보다 낮은 것을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 발광 소자의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 발광 소자의 제조 방법은, 기판 상에 제1 도전형의 제1 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형의 제2 반도체층을 차례로 형성하는 단계, 상기 제2 반도체층 상에 제1 금속 산화물 및 제2 금속 산화물을 이용하여, 제1 광 추출부를 형성하는 단계, 및 상기 제1 광 추출부 상에 상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물을 이용하여, 상기 제1 광 추출부보다 상기 제2 금속의 함량이 낮은 제2 광 추출부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 광 추출부 및 상기 제2 광 추출부를 형성하는 단계는, 상기 제2 반도체층 상에, 상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물을 이용하여 제1 물질막(first material layer)을 형성하는 단계, 및 상기 제1 물질막 상에, 상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물을 이용하여, 상기 제1 물질막보다 상기 제2 금속의 함량이 낮은 제2 물질막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 광 추출부 및 상기 제2 광 추출부를 형성하는 단계는, 상기 제1 물질막 및 상기 제2 물질막을 패터닝하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 물질막 및 상기 제2 물질막을 패터닝하는 단계는, 상기 제1 물질막 및 상기 제2 물질막을 식각하거나, 또는 스탬프(stamp)하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 광 추출부 및 상기 제2 광 추출부를 형성하는 단계는, 상기 제2 물질막을 선택적으로 패터닝하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 발광 소자는 제1 및 제2 금속을 포함하는 제1 광 추출부, 및 상기 제1 및 제2 금속을 포함하되 상기 제1 광 추출부보다 상기 제2 금속의 함량이 낮은 제2 광 추출부를 포함한다. 이로 인해, 상기 제2 광 추출부의 굴절률이 사기 제1 광 추출부의 굴절률보다 낮을 수 있고, 이에 따라, 광 추출 효율이 향상된 고신뢰성의 발광 소자가 제공될 수 있다.
또한, 상기 제1 광 추출부 및 상기 제2 광 추출부가 동일한 소스를 이용하여 제조되어, 제조 공정이 간소화되고, 제조 비용이 감소된 발광 소자의 제조 방법이 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 발광 소자 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예의 변형 예에 따른 발광 소자 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 발광 소자 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예의 변형 예에 따른 발광 소자 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 발광 소자 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시 예의 변형 예에 따른 발광 소자 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 발광 소자의 발광 강도를 설명하기 위한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 발광 소자의 발광 강도를 본 발명의 실시 예에 대한 비교 예에 따른 발광 소자의 발광 강도와 비교한 것이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 발광 소자 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 발광 소자는, 기판(100), 상기 기판(100) 상의 도핑되지 않은 반도체층(105), 상기 도핑되지 않은 반도체층(105) 상의 제1 반도체층(110), 상기 제1 반도체층(110) 상의 활성층(115), 상기 활성층(115) 상의 제2 반도체층(120), 및 상기 제2 반도체층(120) 상의 광 추출부(130)를 포함할 수 있다.
상기 기판(100)은, 반도체 기판(예를 들어, 실리콘 기판, 화합물 반도체 기판), 유리 기판, 또는 금속 기판 중에서 어느 하나일 수 있다. 또는, 상기 기판(100)은 GaN, SiC, Si, ZnO, GaAs, InP, Ge, Ga2O3, ZrB2 또는 GaP 중에서 어느 하나로 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 기판(100)은 유연(flexible)할 수 있다.
상기 도핑되지 않은 반도체층(105)은 도펀트가 도핑되지 않은 반도체층일 수 있다. 예를 들어, 상기 도핑되지 않은 반도체층(105)은 질화 갈륨층(undoped-GaN, U-GaN)으로 형성될 수 있다.
도면에 도시되지 않았으나, 상기 기판(100)과 상기 도핑되지 않은 반도체층(105) 사이의 스트레스를 완화하기 위한 버퍼층이 더 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 버퍼층은 AlN으로 형성될 수 있다.
상기 제1 반도체층(110)은 제1 도전형의 도펀트가 도핑된 반도체층일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 반도체층(110)은 N형 도펀트로 도핑된 N형 반도체일 수 있다. 예를 들어, 상기 N형 도펀트는, 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 또는 텔루륨(Te), 셀레늄(Se) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 제1 반도체층(110)은, GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, 또는 AlInN 중에서 적어도 어느 하나에 상기 N형 도펀트가 도핑된 것을 포함할 수 있다.
상기 활성층(115)은 다양자웰(multi-quantum well: MQW), 단일 양자웰(single quantum well: SQW), 또는 양자점(Quantum Dot) 등의 구조로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 활성층(115)은 InGaN 막, 아연(Zn) 또는 실리콘(Si)이 도핑된 InGaN 막 일 수 있다.
상기 제2 반도체층(120)은 제2 도전형의 도펀트가 도핑된 반도체층일 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 반도체층(120)은 P형 도펀트로 도핑된 P형 반도체일 수 있다. 예를 들어, 상기 P형 도펀트는, 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 바륨(Ba), 또는 칼슘(Ca) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 제2 반도체층(120)은 GaN, AlN, AlGaN, InGaN, InN, InAlGaN, 또는 AlInN 중에서 적어도 어느 하나에 상기 P형 도펀트가 도핑된 것을 포함할 수 있다.
상기 광 추출부(130)는, 상기 제2 반도체층(120) 상의 제1 광 추출부(130a) 및 상기 제1 광 추출부(130b) 상의 제2 광 추출부(130b)를 포함할 수 있다. 상기 제1 광 추출부(130a) 및 상기 제2 광 추출부(130b)는 도 1에 도시된 것과 같이, 막(layer) 형태로 상기 제2 반도체층(120) 상에 제공될 수 있다.
상기 제1 광 추출부(130a) 및 상기 제2 광 추출부(130b)는 제1 금속 및 제2 금속을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 금속은 아연(Zn)을 포함할 수 있고, 상기 제2 금속은 주석(Sn)을 포함할 수 있다. 상기 제2 광 추출부(130b)는 상기 제1 광 추출부(130a)보다 상기 제2 금속의 함량이 더 낮을 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 광 추출부(130a), 및 제2 광 추출부(130b)는 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속의 산화물을 포함할 수 있다. 상술된 바와 같이, 상기 제1 금속이 아연(Zn)을 포함하고, 상기 제2 금속이 주석(Sn)을 포함하는 경우, 상기 제1 광 추출부(130a) 및 상기 제2 광 추출부(130b)는 아연 주석 산화물(zinc tin oxide; ZTO)로 형성되되, 상기 제1 광 추출부(130a)의 주석(Sn) 함량이 상기 제2 광 추출부(130b)의 주석(Sn) 함량보다 높을 수 있다. 아연 주석 산화물에서 주석(Sn)의 함량이 감소될수록, 아연 주석 산화물의 굴절률이 감소될 수 있다. 이로 인해, 상기 제2 광 추출부(130b)의 굴절률이 상기 제1 광 추출부(130a)의 굴절률보다 낮을 수 있다. 이에 따라, 상기 활성층(115)에서 방출된 광이 효율적으로, 외부로 방출될 수 있다.
만약, 상기 광 추출부(130)가 생략되어, 상기 활성층(115)에서 방출된 광이 상기 제2 반도체층(120)을 투과하여 바로 외부 공기로 제공되는 경우, 상기 제2 반도체층(120)과 외부 공기의 굴절률 차이(예를 들어, 상기 제2 반도체층(120)이 질화갈륨으로 형성되는 경우 약 2.5, 외부 공기 1, 굴절률의 차이 1.5)에 의한 스넬의 법칙(Snell's law)에 따라, 상기 활성층(115)에서 방출된 광의 일부가 내부 전반사될 수 있다. 이로 인해, 상기 활성층(115)에서 방출된 광이 효율적으로 외부로 방출되지 못하는 문제점이 있다.
하지만, 상술된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 활성층(115)에서 방출된 광이, 굴절률이 점차적으로 감소되는 상기 제1 광 추출부(130a) 및 상기 제2 광 추출부(130b)를 차례로 투과함에 따라, 광의 반사가 감소되어, 광 추출 효율이 향상된 고발광의 발광 소자가 제공될 수 있다.
이하, 계속해서 도 1을 참조하여 상술된 본 발명의 제1 실시 예에 따른 발광 소자의 제조 방법이 설명된다.
도 1을 참조하면, 상기 기판(100) 상에, 상기 도핑되지 않은 반도체층(105), 상기 제1 반도체층(110), 상기 활성층(115), 및 상기 제2 반도체층(120)이 차례로 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 도핑되지 않은 반도체층(105)은 액상 성장법(liquid phase epitaxy, LPE), 기상 성장법(vapor phase epitaxy, VPE), 분자빔 성장법(molecular beam epitaxy, MBE), 또는 유기금속 화학기상증착법(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD) 중에서 어느 하나의 방법을 이용하여 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 반도체층(110)은 상기 도핑되지 않은 반도체층(105)을 씨드층(seed layer)으로 사용한 에피택시얼 공정으로 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 활성층(115) 및 상기 제2 반도체층(120)은 액상 성장법, 기상 성장법, 분자빔 성장법, 또는 유기금속 화학기상 증착법으로 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 광 추출부(130)는, 상기 제2 반도체층(120) 및 상기 활성층(115)을 식각하여, 상기 제1 반도체층(110)이 노출된 후, 상기 제2 반도체층(120) 상에 형성될 수 있다. 또는, 다른 실시 예에 따르면, 상기 광 추출부(130)가 상기 제2 반도체층(120) 상에 형성된 후, 상기 광 추출부(130), 상기 제2 반도체층(120), 및 상기 활성부(115)가 식각되어, 상기 제1 반도체층(110)이 노출될 수 있다.
상기 광 추출부(130)를 형성하는 단계는, 상기 제2 반도체층(120) 상에 상기 제1 광 추출부(130a)를 형성하는 단계, 및 상기 제2 광 추출부(130b)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 광 추출부(130a)를 형성하는 단계는, 상기 제2 반도체층(120) 상에 제1 금속 산화물(예를 들어, 아연 산화물), 및 제2 금속 산화물(예를 들어, 주석 산화물)을 이용하여 졸-겔 반응으로 제1 및 제2 금속 산화물(예를 들어, 아연 주석 산화물)을 제조하는 단계, 및 상기 제1 및 제2 금속 산화물을 상기 제2 반도체층(120) 상에 제공하여 제1 물질막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 금속 산화물은 스핀 코팅(spin coating) 방법으로 상기 제2 반도체층 상에 제공될 수 있다.
상기 제2 광 추출부(130b)는 상기 제1 광 추출부(130a)의 형성 공정에 사용된 소스(상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물)과 동일한 소스를 이용하여 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 광 추출부(130b)를 형성하는 단계는, 상기 제1 광 추출부(130a) 상에 상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물을 이용하여 졸-겔 반응으로 제1 및 제2 금속 산화물을 제조하는 단계, 및 상기 제1 및 제2 금속 산화물을 상기 제1 광 추출부(130a) 상에 제공하여 제2 물질막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제2 광 추출부(130b)를 형성하기 위해 제조된 상기 제1 및 제2 금속 산화물의 상기 제2 금속의 함량이, 상기 제1 광 추출부(130a)를 형성하기 위해 제조된 상기 제1 및 제2 금속 산화물의 상기 제2 금속의 함량보다, 낮을 수 있다. 이로 인해, 상기 제1 광 추출부(130a) 및 상기 제2 광 추출부(130b)가 상기 제1 및 제2 금속 산화물로 형성되되, 상기 제2 광 추출부(130b)의 상기 제2 금속의 함량이 상기 제1 광 추출부(130a)의 상기 제2 금속의 함량보다 낮을 수 있다.
상술된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 제1 광 추출부(130a) 및 상기 제2 광 추출부(130b)가 서로 동일한 소스를 이용하여 제조될 수 있다. 이에 따라, 상기 광 추출부(130)를 형성하기 위한 소스의 관리가 용이해지고, 제조 공정이 간소화되어, 제조 비용이 감소된 발광 소자의 제조 방법이 제공될 수 있다.
상술된 본 발명의 제1 실시 예와 달리, 본 발명의 제1 실시 예의 변형 예에 따르면, 3개 이상의 광 추출부들이 상기 제2 반도체층(120) 상에 배치될 수 있다. 이하, 도 2를 참조하여, 본 발명의 제1 실시 예의 변형 예에 따른 발광 소자 및 그 제조 방법이 설명된다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예의 변형 예에 따른 발광 소자 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 도 1을 참조하여 설명된 기판(100), 도핑되지 않은 반도체층(105), 제1 반도체층(110), 활성층(115), 및 제2 반도체층(120)이 제공된다.
상기 제2 반도체층(120) 상에 광 추출부(130)가 제공될 수 있다. 상기 광 추출부(130)는, 상기 제2 반도체층(120) 상에 차례로 적층된 제1 내지 제n 광 추출부(130a~130n)을 포함할 수 있다. n은 3 이상의 자연수 일 수 있다.
상기 제1 내지 제n 광 추출부(130a~130n)은 제1 금속(예를 들어, 아연) 및 제2 금속(예를 들어, 주석)을 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제n 광 추출부(130a~130n) 중에서 상대적으로 상기 제2 반도체층(120)에 인접한 것의 상기 제2 금속의 함량이, 상대적으로 상기 제2 반도체층(120)과 이격된 것의 상기 제2 금속의 함량보다 높을 수 있다. 다시 말하면, 상기 제2 반도체층(120)과의 거리가 멀수록, 상기 제1 내지 제n 광 추출부(130a~130n)의 상기 제2 금속의 함량이 감소될 수 있다. 이에 따라, 상기 활성층(115)에서 생성된 광이 점차적으로 굴절률이 감소되는 매질을 따라 이동하여, 광 추출 효율이 향상될 수 있다.
상기 제1 내지 제n 광 추출부(130a~130n)는 도 1을 참조하여 설명된 것과 같이, 제1 금속 산화물 및 제2 금속 산화물을 이용하여 제조될 수 있다.
상술된 본 발명의 실시 예들과 달리, 본 발명의 제2 실시 예에 따르면, 상기 광 추출부들은 패턴 형태로 제공될 수 있다. 이하, 도 3을 참조하여, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 발광 소자 및 그 제조 방법이 설명된다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 발광 소자 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 도 1을 참조하여 설명된 기판(100), 도핑되지 않은 반도체층(105), 제1 반도체층(110), 활성층(115), 및 제2 반도체층(120)이 제공된다.
상기 제2 반도체층(120) 상에 광 추출부(132)가 배치될 수 있다. 상기 광 추출부(132)는, 상기 제2 반도체층(120) 상의 제1 광 추출부(132a) 및 상기 제1 광 추출부(132a) 상의 제2 광 추출부(132b)를 포함할 수 있다. 도 1 및 도 2를 참조하여 설명된 광 추출부(130)와 달리, 상기 광 추출부(132)는 패턴(pattern) 형태로 제공될 수 있다. 상기 제1 광 추출부(132a)의 폭(width)과 상기 제2 광 추출부(132b)의 폭은 실질적으로(substantially) 서로 동일할 수 있다. 패턴 형태의 상기 광 추출부(132)에 의해, 상기 활성층(115)에서 방출된 광이 산란되어, 광 추출 효율이 향상된 발광 소자가 제공될 수 있다.
상기 제1 광 추출부(132a) 및 상기 제2 광 추출부(132b)는 제1 금속 및 제2 금속을 포함할 수 있다. 상기 제2 광 추출부(132b)는 상기 제1 광 추출부(132a)보다 상기 제2 금속의 함량이 더 낮을 수 있다. 이로 인해, 상기 제2 광 추출부(132b)의 굴절률이 상기 제1 광 추출부(132a)의 굴절률보다 낮을 수 있다. 이에 따라, 상기 활성층(115)에서 방출된 광이 효율적으로 외부로 방출될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 광 추출부(132a) 및 상기 제2 광 추출부(132b)는 상기 제1 금속 및 제2 금속의 산화물을 포함할 수 있다. 상기 제1 금속이 아연이고, 상기 제2 금속이 주석인 경우, 상기 제1 광 추출부(132a) 및 상기 제2 광 추출부(132b)는 아연 주석 산화물로 형성될 수 있다.
이하, 계속해서 도 3을 참조하여 상술된 본 발명의 제2 실시 예에 따른 발광 소자의 제조 방법이 설명된다.
도 3을 참조하면, 도 1을 참조하여 설명된 방법으로, 상기 기판(100) 상에 상기 도핑되지 않은 반도체층(105), 상기 제1 반도체층(110), 상기 활성층(115), 및 상기 제2 반도체층(120)이 차례로 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 광 추출부(132)는, 상기 제2 반도체층(120) 및 상기 활성층(115)을 식각하여, 상기 제1 반도체층(110)이 노출된 후, 상기 제2 반도체층(120) 상에 형성될 수 있다. 또는, 다른 실시 예에 따르면, 상기 광 추출부(132)가 상기 제2 반도체층(120) 상에 형성된 후, 상기 광 추출부(132), 상기 제2 반도체층(120), 및 상기 활성부(115)가 식각되어, 상기 제1 반도체층(110)이 노출될 수 있다.
상기 제1 광 추출부(132a) 및 상기 제2 광 추출부(132b)를 형성하는 단계는, 상기 제2 반도체층(120) 상에 제1 금속 산화물(예를 들어, 아연 산화물), 및 제2 금속 산화물(예를 들어, 주석 산화물)을 이용하여 졸-겔 반응으로 제1 및 제2 금속 산화물(예를 들어, 아연 주석 산화물)을 제조하는 단계, 상기 제1 및 제2 금속 산화물을 상기 제2 반도체층(120) 상에 제공하여 제1 물질막을 형성하는 단계, 상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물을 이용하여 졸-겔 반응으로 제1 및 제2 금속 산화물을 제조하는 단계, 상기 제1 및 제2 금속 산화물을 상기 제1 물질막 상에 제공하여 제2 물질막을 형성하는 단계, 및 상기 제1 물질막 및 상기 제2 물질막을 패터닝하는 단계를 포함할 수 있다. 패터닝된 상기 제1 물질막 및 상기 제2 물질막이 상기 제1 광 추출부(132a) 및 상기 제2 광 추출부(132b)에 각각 대응될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 물질막 및 상기 제2 물질막을 패터닝하는 단계는, 상기 제1 물질막 및 상기 제2 물질막을 식각하거나, 또는 상기 제1 물질막 및 상기 제2 물질막을 스탬프(stamp)하는 것을 포함할 수 있다.
상기 제2 물질막을 형성하기 위해 제조된 상기 제1 및 제2 금속 산화물의 상기 제2 금속의 함량이, 상기 제1 물질막을 형성하기 위해 제조된 상기 제1 및 제2 금속 산화물의 상기 제2 금속의 함량보다, 낮을 수 있다. 이로 인해, 상기 제1 광 추출부(132a) 및 상기 제2 광 추출부(132b)가 상기 제1 및 제2 금속 산화물로 형성되되, 상기 제2 광 추출부(132b)의 상기 제2 금속의 함량이 상기 제1 광 추출부(132a)의 상기 제2 금속의 함량보다 낮을 수 있다.
상술된 본 발명의 제2 실시 예와 달리, 본 발명의 제2 실시 예의 변형 예에 따르면, 3개 이상의 광 추출부들이 상기 제2 반도체층(120) 상에 배치될 수 있다. 이하, 도 4를 참조하여, 본 발명의 제2 실시 예의 변형 예에 따른 발광 소자 및 그 제조 방법이 설명된다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예의 변형 예에 따른 발광 소자 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 도 1을 참조하여 설명된 기판(100), 도핑되지 않은 반도체층(105), 제1 반도체층(110), 활성층(115), 및 제2 반도체층(120)이 제공된다.
상기 제2 반도체층(120) 상에 광 추출부(132)가 제공될 수 있다. 상기 광 추출부(132)는, 상기 제2 반도체층(120) 상에 차례로 적층된 제1 내지 제n 광 추출부(132a~132n)을 포함할 수 있다. n은 3 이상의 자연수 일 수 있다.
상기 제1 내지 제n 광 추출부(132a~132n)은 제1 금속(예를 들어, 아연) 및 제2 금속(예를 들어, 주석)을 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제n 광 추출부(132a~132n) 중에서 상대적으로 상기 제2 반도체층(120)에 인접한 것의 상기 제2 금속의 함량이, 상대적으로 상기 제2 반도체층(120)과 이격된 것의 상기 제2 금속의 함량보다 높을 수 있다. 다시 말하면, 상기 제2 반도체층(120)과의 거리가 멀수록, 상기 제1 내지 제n 광 추출부(132a~132n)의 상기 제2 금속의 함량이 감소될 수 있다.
상기 제1 내지 제n 광 추출부(132a~132n)는 도 3을 참조하여 설명된 것과 같이, 제1 금속 산화물 및 제2 금속 산화물을 이용하여 물질막들을 제조하고, 상기 물질막들을 패터닝하여 제조될 수 있다.
상술된 본 발명의 실시 예들과 달리, 본 발명의 제3 실시 예에 따르면, 광 추출부는 막 형태로 제공되는 제1 광 추출부 및 패턴 형태로 제공되는 제2 광 추출부를 포함할 수 있다. 이하, 도 5를 참조하여, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 발광 소자 및 그 제조 방법이 설명된다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 발광 소자 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 도 1을 참조하여 설명된 기판(100), 도핑되지 않은 반도체층(105), 제1 반도체층(110), 활성층(115), 및 제2 반도체층(120)이 제공된다.
상기 제2 반도체층(120) 상에 광 추출부(136)가 배치될 수 있다. 상기 광 추출부(136)난, 상기 제2 반도체층(120) 상의 제1 광 추출부(130a), 상기 제1 광 추출부(130a) 상의 제2 광 추출부(132b)를 포함할 수 있다. 상기 제1 광 추출부(130a)는 막(layer) 형태로 제공되고, 상기 제2 광 추출부(132b)는 패턴(pattern) 형태로 제공될 수 있다.
상기 제1 광 추출부(130a) 및 상기 제2 광 추출부(132b)는 제1 금속 및 제2 금속을 포함할 수 있다. 상기 제2 광 추출부(132b)는 상기 제1 광 추출부(130a)보다 상기 제2 금속의 함량이 더 낮을 수 있다. 이로 인해, 상기 제2 광 추출부(132b)의 굴절률이 상기 제1 광 추출부(130a)의 굴절률보다 낮을 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 광 추출부(130a) 및 상기 제2 광 추출부(132b)는 상기 제1 금속 및 제2 금속의 산화물을 포함할 수 있다. 상기 제1 금속이 아연이고, 상기 제2 금속이 주석인 경우, 상기 제1 광 추출부(130a) 및 상기 제2 광 추출부(132b)는 아연 주석 산화물로 형성될 수 있다.
이하, 계속해서, 도 5를 참조하여 상술된 본 발명의 제3 실시 예에 따른 발광 소자의 제조 방법이 설명된다.
도 5를 참조하면, 도 1을 참조하여 설명된 방법으로, 상기 기판(100) 상에 상기 도핑되지 않은 반도체층(105), 상기 제1 반도체층(110), 상기 활성층(115), 및 상기 제2 반도체층(120)이 차례로 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 광 추출부(136)는, 상기 제2 반도체층(120) 및 상기 활성층(115)을 식각하여, 상기 제1 반도체층(110)이 노출된 후, 상기 제2 반도체층(120) 상에 형성될 수 있다. 또는, 다른 실시 예에 따르면, 상기 광 추출부(136)가 상기 제2 반도체층(120) 상에 형성된 후, 상기 광 추출부(136), 상기 제2 반도체층(120), 및 상기 활성부(115)가 식각되어, 상기 제1 반도체층(110)이 노출될 수 있다.
상기 광 추출부(136)를 형성하는 단계는, 상기 제2 반도체층(120) 상에 상기 제1 광 추출부(130a)를 형성하는 단계, 및 상기 제1 광 추출부(130a) 상에 제2 광 추출부(132b)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 광 추출부(130a)를 제조하는 단계는, 도 1을 참조하여 설명된 것과 같이, 제1 금속 산화물 및 제2 금속 산화물을 이용하여 제1 및 제2 금속 산화물을 제조하는 단계, 및 상기 제1 및 제2 금속 산화물을 이용하여 상기 제2 반도체층(120) 상에 제1 물질막을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제2 광 추출부(132b)를 형성하는 단계는, 상기 제1 광 추출부(130a) 상에 상기 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속 산화물을 이용하여 제1 및 제2 금속 산화물을 제조하는 단계, 상기 제1 및 제2 금속 산화물을 이용하여 상기 제1 물질막(상기 제1 광 추출부(130a)) 상에 제2 물질막을 형성하는 단계, 및 상기 제2 물질막을 선택적으로(selectively) 패터닝하는 단계를 포함할 수 있다. 패터닝된 상기 제2 물질막이 상기 제2 광 추출부(132b)에 대응될 수 있다. 상기 제2 물질막은 식각 공정, 또는 스탬프 공정에 의해 선택적으로 패터닝될 수 있다.
상술된 본 발명의 제3 실시 예와 달리, 본 발명의 제3 실시 예의 변형 예에 따르면, 복수의 막 형태의 광 추출부들 및 복수의 패턴 형태의 광 추출부들이 상기 제2 반도체층(120) 상에 배치될 수 있다. 이하, 도 6을 참조하여, 본 발명의 제3 실시 예의 변형 예에 따른 발광 소자 및 그 제조 방법이 설명된다.
도 6은 본 발명의 제3 실시 예의 변형 예에 따른 발광 소자 및 그 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 도 1을 참조하여 설명된 기판(100), 도핑되지 않은 반도체층(105), 제1 반도체층(110), 활성층(115), 및 제2 반도체층(120)이 제공된다.
상기 제2 반도체층(120) 상에 광 추출부(136)가 제공될 수 있다. 상기 광 추출부(136)는, 상기 제2 반도체층(120) 상에 배치된 막 형태의 광 추출부들(130a~130n), 및 상기 막 형태의 광 추출부들(130a~130n) 상에 배치된 패턴 형태의 광 추출부들(132a~132n)을 포함할 수 있다.
상기 막 형태의 광 추출부들(130a~130n) 및 상기 패턴 형태의 광 추출부들(132a~132n)은 제1 금속(예를 들어, 아연) 및 제2 금속(예를 들어, 주석)을 포함할 수 있다. 상기 막 형태의 광 추출부들(130a~130n) 및 상기 패턴 형태의 광 추출부들(132a~132n) 중에서 상대적으로 상기 제2 반도체층(120)에 인접한 것의 상기 제2 금속의 함량이, 상대적으로 상기 제2 반도체층(120)과 이격된 것의 상기 제2 금속의 함량보다 높을 수 있다. 다시 말하면, 상기 제2 반도체층(120)과의 거리가 멀수록, 상기 막 형태의 광 추출부들(130a~130n) 및 상기 패턴 형태의 광 추출부들(132a~132n)의 상기 제2 금속의 함량이 감소될 수 있다.
상기 막 형태의 광 추출부들(130a~130n) 및 상기 패턴 형태의 광 추출부들(132a~132n)은 도 5를 참조하여 설명된 것과 같이, 제1 금속 산화물 및 제2 금속 산화물을 이용하여 물질막들을 제조하고, 상기 물질막들을 선택적으로 패터닝하여 제조될 수 있다.
이하, 상술된 본 발명의 실시 예들에 따른 발광 소자의 특성 평가 결과가 설명된다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 발광 소자의 발광 강도를 설명하기 위한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 질화 갈륨계 발광 다이오드를 준비하고, 상기 발광 다이오드 상에 아연 주석 산화물(ZnSnO) 박막을 형성한 후, 발광 강도를 측정하였다.
아연 주석 산화물 박막을 형성하지 않은 reference와 비교하여, 아연 주석 산화물 박막을 형성한 경우, 발광 다이오드의 EL 강도(intensity)가 현저하게 증가되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 발광 다이오드 상에 아연 주석 산화물 박막을 형성하는 것이 광 추출 효과를 향상시킬 수 있는 효과적인 방법임을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 발광 소자의 발광 강도를 본 발명의 실시 예에 대한 비교 예에 따른 발광 소자의 발광 강도와 비교한 것이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예로, 발광 다이오드 상에 차례로 배치된 제1 및 제2 광 추출부를 갖는 발광 소자를 준비하였다. 상기 제1 광 추출부는 제1 금속(아연) 및 제2 금속(주석) 산화물 막으로 형성하였다. 상기 제2 광 추출부는 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속 산화물 막으로 형성되되, 상기 제1 광 추출부보다 상기 제2 금속의 함량이 낮도록 형성하였다. 이에 따라, 제1 실시 예에 따른 발광 소자의 제2 광 추출부의 굴절률(2.3)이 상기 제1 광 추출부의 굴절률(2.4)보다 낮도록 구성되었다.
본 발명의 제2 실시 예로, 발광 다이오드 상에 차례로 배치된 제1 내지 제3 광 추출부를 갖는 발광 소자를 준비하였다. 상기 제1 광 추출부는 제1 금속(아연) 및 제2 금속(주석) 산화물 막으로 형성하였다. 상기 제2 광 추출부는 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속 산화물 막으로 형성되되, 상기 제1 광 추출부보다 상기 제2 금속의 함량이 낮도록 형성하였다. 상기 제3 광 추출부는 상기 제1 금속 및 상기 제2 금속 산화물 막으로 형성되되, 상기 제2 광 추출부보다 상기 제2 금속의 함량이 낮도록 형성하였다. 이에 따라, 제2 실시 예에 따른 발광 소자의 제3 광 추출부의 굴절률(2.2)은 상기 제2 광 추출부의 굴절률(2.3)보다 낮고, 상기 제2 광 추출부의 굴절률(2.3)은 상기 제1 광 추출부의 굴절률(2.1)보다 낮도록 구성되었다.
본 발명의 제3 실시 예로, 발광 다이오드 상에 차례로 배치된 제1 내지 제5 광 추출부들을 갖는 발광 소자를 준비하였다. 제3 실시 예에 따른 상기 제1 내지 제5 광 추출부들은 제1 금속(아연) 및 제2 금속(주석) 산화물의 패턴(pattern) 형태로 형성되었다. 제3 실시 예에 따른 제1 내지 제5 광 추출부들은, 차례로 상기 제2 금속의 함량이 낮아지도록 형성되었다. 이에 따라, 제3 실시 예에 따른 제1 내지 제5 광 추출부들의 굴절률은 각각 2.4, 2.3, 2.2, 2.1, 및 2.0으로, 점차적으로 감소되도록 구성되었다.
상술된 제1 내지 제3 실시 예들에 대한, 제1 비교 예로 광 추출부가 생략된 발광 다이오드를 준비하고, 제2 비교 예로 아연 주석 산화물 단일막이 형성된 발광 다이오드를 준비하였다.
도 8에서 알 수 있듯이, 본 발명의 제1 내지 제3 실시 예에 따른 발광 소자의 발광 강도가, 제1 및 제2 비교 예에 따른 발광 소자의 발광 강도보다 높은 것을 확인할 수 있다. 다시 말하면, 금속(예를 들어, 주석)의 함량을 조절하여, 굴절률이 점차적으로 감소되는 광 추출부들을 이용하는 것이, 발광 소자의 광 추출 효율을 향상시키는 효과적인 방법임을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 기판
105: 도핑되지 않은 반도체층
110: 제1 반도체층
115: 활성층
120: 제2 반도체층
130a, 130b: 제1 및 제2 광 추출부
132a, 132b: 제1 및 제2 광 추출부
130, 132: 광 추출부

Claims (14)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 기판 상에 제1 도전형의 제1 반도체층, 활성층, 및 제2 도전형의 제2 반도체층을 차례로 형성하는 단계;
    상기 제2 반도체층 상에 제1 금속을 포함하는 제1 금속 산화물 및 제2 금속을 포함하는 제2 금속 산화물을 이용하여, 제1 광 추출부를 형성하는 단계; 및
    상기 제1 광 추출부 상에 상기 제1 금속을 포함하는 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속을 포함하는 제2 금속 산화물을 이용하여, 상기 제1 광 추출부보다 상기 제2 금속의 함량이 낮은 제2 광 추출부를 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 제1 광 추출부를 형성하는 단계는, 상기 제1 금속을 포함하는 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속을 포함하는 제2 금속 산화물을 졸-겔 반응시켜 상기 제2 반도체층 상에 제1 물질막을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 제2 광 추출부를 형성하는 단계는, 상기 제1 금속을 포함하는 제1 금속 산화물 및 상기 제2 금속을 포함하는 제2 금속 산화물을 졸-겔 반응시켜 상기 제1 물질막 상에 제2 물질막을 형성하는 단계를 포함하는 발광 소자의 제조 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 금속은 아연(Zn)을 포함하고,
    상기 제2 금속은 주석(Sn)을 포함하며,
    상기 제2 광 추출부의 굴절률이 상기 제1 광 추출부의 굴절률보다 낮은 것을 포함하는 발광 소자의 제조 방법.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 광 추출부 및 상기 제2 광 추출부를 형성하는 단계는,
    상기 제1 물질막 및 상기 제2 물질막을 패터닝하는 단계를 더 포함하는 발광 소자의 제조 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 제1 물질막 및 상기 제2 물질막을 패터닝하는 단계는,
    상기 제1 물질막 및 상기 제2 물질막을 식각하거나, 또는 스탬프(stamp)하는 것을 포함하는 발광 소자의 제조 방법.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 제1 광 추출부 및 상기 제2 광 추출부를 형성하는 단계는,
    상기 제2 물질막을 선택적으로 패터닝하는 단계를 포함하는 발광 소자의 제조 방법.
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