KR101683683B1 - 반도체 발광소자 - Google Patents

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Abstract

본 개시는 반도체 발광소자에 있어서, 베이스; 베이스 위에 위치하는 복수의 반도체층;으로서, 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층, 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층, 및 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 개재되어 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 가지는 복수의 반도체층; 복수의 반도체층과 전기적으로 연결되어 전자와 정공 중 하나를 공급하는 전극; 베이스와 복수의 반도체층 사이에서 활성층으로부터의 빛을 반사하는 제1 비도전성 반사막;으로서, 복수의 층을 가지는 제1 비도전성 반사막; 그리고 베이스와 제1 비도전성 반사막 사이에서 제1 비도전성 반사막을 통과한 빛을 반사하는 제2 비도전성 반사막;으로서, 일부의 층이 제1 비도전성 반사막과 다른 물질로 된 복수의 층을 가지는 제2 비도전성 반사막;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자에 관한 것이다.

Description

반도체 발광소자{SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
본 개시(Disclosure)는 전체적으로 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 빛 흡수손실이 감소하여 휘도가 향상된 반도체 발광소자에 관한 것이다.
여기서, 반도체 발광소자는 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 반도체 광소자를 의미하며, 3족 질화물 반도체 발광소자를 예로 들 수 있다. 3족 질화물 반도체는 Al(x)Ga(y)In(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 된 화합물로 이루어진다. 이외에도 적색 발광에 사용되는 GaAs계 반도체 발광소자 등을 예로 들 수 있다.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
도 1은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 기판(10), 기판(10) 위에 성장되는 버퍼층(20), 버퍼층(20) 위에 성장되는 n형 3족 질화물 반도체층(30), n형 3족 질화물 반도체층(30) 위에 성장되는 활성층(40), 활성층(40) 위에 성장되는 p형 3족 질화물 반도체층(50), p형 3족 질화물 반도체층(50) 위에 형성되는 p측 전극(60), p측 전극(60) 위에 형성되는 p측 전극패드(70), p형 3족 질화물 반도체층(50)과 활성층(40)이 메사 식각되어 노출된 n형 3족 질화물 반도체층(30) 위에 형성되는 n측 전극(80), 그리고 보호막(90)을 포함한다.
기판(10)은 동종기판으로 GaN계 기판이 이용되며, 이종기판으로 사파이어 기판, SiC 기판 또는 Si 기판 등이 이용되지만, 3족 질화물 반도체층이 성장될 수 있는 기판이라면 어떠한 형태이어도 좋다. SiC 기판이 사용될 경우에 n측 전극(80)은 SiC 기판 측에 형성될 수 있다.
도 2는 반도체 발광소자가 프레임(5)에 실장되는 종래의 방식의 일 예를 나타내는 도면으로서, 반도체 발광소자가 은페이스트(Ag paste)와 같은 접착제(9)에 의해 프레임(5)에 고정되어 있다. 활성층(40)에서 발생된 빛은 일부가 투광성의 p측 전극(60)을 통해 곧바로 나가며, 기판(10)으로 진입한 빛은 알루미늄층(92)에서 반사되어 p측 전극(60) 또는 발광소자의 측면을 통해 나간다. 알루미늄층(92)은 반사율이 좋지만, 일부의 빛이 알루미늄층에 흡수된다. 알루미늄층(92)이 생략되고, 접착체(9)가 투광체(예: clear paste)인 경우, 빛이 접착체를 투과하여 프레임(5)에서 반사된다. 이 경우 또한, 프레임(92)에 의한 빛 흡수손실이 있고, clear paste는 열전도율이 낮아 고전류 구동에 부적합하다. 또한, 반도체 발광소자는 화합물 반도체 발광소자로서 매우 두께가 작고, 프레임(5)에 구비된 접착제(9)에 발광소자가 본딩시에 기판(10) 측면으로 약간 올라와서 기판으로 유입된 빛의 일부가 접착제(9)에 흡수될 수 있다. 접착제(9)가 투명한 경우에도 정도의 차이는 있지만 접착제(9)에 빛이 흡수된다. 따라서 발광소자로부터 나오는 빛의 양이 감소되어 발광소자의 광취출효율을 저하시키는 문제가 있다.
도 3은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 3족 질화물 반도체 발광소자(201)는 리드 프레임(210,220), 몰드(230), 봉지제(240), 3족 질화물 반도체 발광소자 칩(250), ESD 보호용 제너 다이오드(260)를 구비한다. 3족 질화물 반도체 발광소자 칩(250)은 리드 프레임(210)에 놓여서 와이어(270)에 의해 리드 프레임(210)에 전기적으로 연결되고, 와이어(280)에 의해 리드 프레임(280)에 전기적으로 연결된다. ESD 보호용 제너 다이오드(260)는 리드 프레임(220)에 놓이는 한편, 이와 도통되며, 와이어(290)에 의해 리드 프레임(210)과 전기적으로 연결된다.
도 4는 수직형 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 도 1에 도시된 발광소자와 마찬가지로 n형 3족 질화물 반도체층(300), 활성층(400), p형 3족 질화물 반도체층(500)이 성장된 다음, 기판(100) 측이 제거되고, p형 3족 질화물 반도체층(500)에 p측 전극(600)과 p측 본딩 패드(700)가 형성되어 있으며, n측 3족 질화물 반도체층(300)에 n측 전극(800)이 형성되어 있다. 수직형 발광소자를 형성함으로써, 도 1에 도시된 발광소자에 비해 발광소자 내의 전류확산을 보다 원활히 할 수 있는 이점을 가진다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
여기서는, 본 개시의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 개시의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).
본 개시에 따른 일 태양에 의하면(According to one aspect of the present disclosure), 반도체 발광소자에 있어서, 베이스; 베이스 위에 위치하는 복수의 반도체층;으로서, 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층, 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층, 및 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 개재되어 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 가지는 복수의 반도체층; 복수의 반도체층과 전기적으로 연결되어 전자와 정공 중 하나를 공급하는 전극; 베이스와 복수의 반도체층 사이에서 활성층으로부터의 빛을 반사하는 제1 비도전성 반사막;으로서, 복수의 층을 가지는 제1 비도전성 반사막; 그리고 베이스와 제1 비도전성 반사막 사이에서 제1 비도전성 반사막을 통과한 빛을 반사하는 제2 비도전성 반사막;으로서, 일부의 층이 제1 비도전성 반사막과 다른 물질로 된 복수의 층을 가지는 제2 비도전성 반사막;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자가 제공된다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
도 1은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 2는 반도체 발광소자가 프레임(5)에 실장되는 종래의 방식의 일 예를 나타내는 도면,
도 3은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 4는 수직형 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 5는 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 일 예를 설명하기 위한 도면,
도 6은 비교예의 반도체 발광소자를 설명하기 위한 도면,
도 7은 본 개시에 따른 비도전성 반사막의 특징을 설명하기 위한 도면,
도 8은 제1 비도전성 반사막의 일 예를 설명하기 위한 도면,
도 9는 제2 비도전성 반사막의 일 예를 설명하기 위한 도면,
도 10은 제1 비도전성 반사막, 및 제2 비도전성 반사막을 합한 반사구조물의 반사율의 일 예를 설명하기 위한 도면,
도 11a는 비도전성 반사막의 다른 예를 설명하기 위한 도면,
도 12 및 도 13는 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 예를 설명하기 위한 도면들
도 14 및 도 15는 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 예를 나타내는 도면들.
이하, 본 개시를 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명한다(The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing(s)).
도 5는 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 일 예를 설명하기 위한 도면으로서, 반도체 발광소자는 제1 베이스(123), 제2 베이스(125), 기판(10), 복수의 반도체층(30,40,50), 투광성 도전막(60), 제1 전극(80), 제2 전극(70), 제1 비도전성 반사막(R1), 제2 비도전성 반사막(R2), 및 접합층(150)을 포함한다. 본 예에서, 베이스(123,125)는 금속으로 형성된 프레임이며, 도 2 또는 도 3에서 제시된 리드프레임일 수 있다. 기판(10)은 복수의 반도체층(30,40,50)이 성장되는 성장기판으로서, 제1 베이스(123) 위에 구비된다. 복수의 반도체층(30,40,50)은 기판(10) 위에 순차로 적층된 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층(30), 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층(50), 제1 반도체층(30)과 제2 반도체층(50)의 사이에 개재되어 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층(40)을 가진다.
제1 전극(80)은 식각되어 노출된 제1 반도체층(30) 위에 형성되며 전자를 공급한다. 투광성 도전막(60)은 제2 반도체층(50) 위에 형성되며, 제2 전극(70)은 투광성 도전막(60) 위에 형성되어 정공을 공급한다. 제1 비도전성 반사막(R1)은 제1 베이스(123)와 기판(10) 사이에서 기판(10)에 일체화되어 있고, 활성층으로부터 기판(10)으로 통과하는 빛을 반사한다. 제1 비도전성 반사막(R1)은 복수의 층을 가지며, 제1 입사각이 브루스터각(Brewster Angle)이 된다. 제2 비도전성 반사막(R2)은 제1 베이스(123)와 제1 비도전성 반사막(R1) 사이에서 제1 비도전성 반사막(R1)에 일체화되어 있으며, 제1 비도전성 반사막(R1)을 통과한 빛을 반사한다. 제2 비도전성 반사막(R2)은 일부의 층이 제1 비도전성 반사막(R1)과 다른 물질로 된 복수의 층을 가지며, 제1 입사각과 다른 제2 입사각이 브루스터각이 된다. 접합층(150)은 제1 베이스(123)와 제2 비도전성 반사막(R2) 사이에 개재된다. 본 예에서 접합층(150)은 금속으로 이루어지며, 제1 베이스(123)와 제2 비도전성 반사막(R2)을 접합시킨다.
본 예에 따른 반도체 발광소자에 의하면, 리드프레임과 같은 베이스(123)에 금속 접합층(150)을 사용하여 반도체 발광소자를 접합함으로써 방열효율을 높이되, 제1 비도전성 반사막(R1), 및 제2 비도전성 반사막(R2)을 가지는 반사구조물에 의해 금속 접합층(150)에 의한 빛 흡수를 감소시킨다.
이하, 3족 질화물 반도체 발광소자를 예로 들면, 기판(10)으로 주로 사파이어, SiC, Si, GaN 등이 이용되며, 기판(10)은 최종적으로 제거될 수 있다(이 경우, 제1 비도전성 반사막(R1), 및 제2 비도전성 반사막(R2)은 제1 반도체층(30) 아래에 형성될 수 있다). 제1 반도체층(30)과 제2 반도체층(50)은 그 위치가 바뀔 수 있으며, 3족 질화물 반도체 발광소자에 있어서 주로 GaN으로 이루어진다.
복수의 반도체층(30,40,50)은 기판(10) 위에 형성된 버퍼층, 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층(30; 예: Si 도핑된 GaN), 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층(50; 예: Mg 도핑된 GaN) 및 제1 반도체층(30)과 제2 반도체층(50) 사이에 개재되며 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층(40; 예: InGaN/(In)GaN 다중양자우물구조)을 포함한다. 복수의 반도체층(30,40,50) 각각은 다층으로 이루어질 수 있고, 버퍼층은 생략될 수 있다.
바람직하게는 투광성 도전막(60)이 제2 반도체층(50) 위에 구비된다. 투광성 도전막(60)은 투광성을 가지며 대략 제2 반도체층(50)을 전체적으로 덮도록 형성될 수 있지만, 일부에만 형성될 수도 있다. 특히 p형 GaN의 경우에 전류 확산 능력이 떨어지며, p형 반도체층(50)이 GaN으로 이루어지는 경우에, 대부분 투광성 도전막(60)의 도움을 받아야 한다. 예를 들어, ITO, Ni/Au와 같은 물질이 투광성 도전막(60)으로 사용될 수 있다.
도 6은 비교예의 반도체 발광소자를 설명하기 위한 도면으로서, 비교예의 반도체 발광소자는 기판(10)-제1 비도전성 반사막(R1)-접합층(150)-제1 베이스(123) 적층 구조를 가진다. 비교예에서 접합층(140)은 비금속 페이스트(paste)이다. 제1 비도전성 반사막(R1)에 의해 기판(10)을 통과한 빛의 많은 부분이 반사된다. 접합층(140)은 클리어 페이스트(clear paste)일 수 있으며, 이 경우, 빛 흡수가 작아서, 제1 비도전성 반사막(R1)으로 누설된 일부의 빛은 접합층(140)을 투과하여 제1 베이스(123; 예: Ag, Al)에 의해 반사된다. 그러나 클리어 페이스트는 열전도율이 낮아서 고전류로 반도체 발광소자를 구동하는 경우, 방열에 문제가 있다. 본 예에서는 도 5에 제시된 바와 같이, 열전도율이 좋은 금속 접합층(150)을 사용하여 방열효율을 향상하여 고전류 구동이 가능하게 한다. 한편, 광투과성의 비금속으로된 접합층(140)에 비해 금속 접합층(150)이 빛 흡수손실이 더 클 수도 있다. 도 5에 제시된 예에서는 제2 비도전성 반사막(R2)이 제1 비도전성 반사막(R1)과 접합층(150) 사이에 개재되어 있다. 따라서, 제1 비도전성 반사막(R1)을 투과한 일부의 빛은 제2 비도전성 반사막(R2)에 의해 반사된다. 특히, 제2 비도전성 반사막(R2)은 제1 비도전성 반사막(R1)에 대해 제1 비도전성 반사막(R1)의 브루스터각으로 입사한 광에 대해 반사율이 상대적으로 높도록 형성된다. 따라서 금속 접합층(150)에 의해 빛 흡수 손실이 감소하면서, 금속 접합층(150)의 방열효율이 좋아서 고전류 구동이 가능해진다.
본 예에서, 제1 비도전성 반사막(R1)의 복수의 층은 복수 회 적층된 제1 물질층/제2 물질층을 포함하고, 제2 비도전성 반사막(R2)의 복수의 층은 복수 회 적층된 제3 물질층/제4 물질층을 포함하며, 제3 물질층 및 제4 물질층 중 적어도 하나는 제1 물질층 및 제2 물질층과 다른 물질로 이루어진다. 즉, 제1 비도전성 반사막(R1)과 제2 비도전성 반사막(R2)의 물질에 차이가 있어서 단순히, 동일한 비도전성 반사막을 2중으로, 또는 추가로 형성하는 것과는 차이가 있다.
본 예에서, 제2 비도전성 반사막(R2)은 다른 각도에서보다 제1 비도전성 반사막(R1)의 브루스터각에서 반사율이 더 높도록 형성된다. 따라서, 기판(10)을 통해 제1 비도전성 반사막(R1)의 반사율이 상대적으로 낮은 제1 입사각(브루스터각)으로 제1 비도전성 반사막(R1)에 입사하는 광의 일부가 반사되지 못하고 제1 비도전성 반사막(R1)을 투과하는 경우, 제2 비도전성 반사막(R2)에 의해 반사된다. 제1 비도전성 반사막(R1) 및 제2 비도전성 반사막(R2)은 각각 분포 브래그 리플렉터(DBR), 및 전방향 리플렉터(ODR) 중 어느 하나를 포함한다. 일반적으로 DBR은 복수의 층을 가지며, 각 층의 두께를 정밀하게 형성해야 높은 반사율을 유지할 수 있다. 본 예의 경우, 제1 비도전성 반사막(R1)에 의해 대부분의 빛이 반사되지만, 제1 비도전성 반사막(R1)을 투과하는 빛 중의 상당 부분은 제1 비도전성 반사막(R1)의 반사율이 상대적으로 낮은 입사각(브루스터각)에서 발생된다. 따라서, 제2 비도전성 반사막(R2)은 제1 비도전성 반사막(R1)의 반사율이 낮은 입사각을 포함하는 범위의 일부 구간의 입사각에서만 필요한 수준으로 반사율을 가지면 되고, 나머지 다른 각도에서는 반사율이 필요 이상으로 높게 형성될 필요가 없다.
도 7은 본 개시에 따른 비도전성 반사막의 특징을 설명하기 위한 도면으로서, 도 7a를 참조하면, 예를 들어, 두 매질의 경계면에 특정한 각도로 빛이 입사하면 어떤 편광 성분의 빛만 반사되고, 다른 편광 성분은 반사 없이 전부 투과된다. 이 특정 각도를 브루스터각(BA11)이라고 한다. 도 7a에서 수직편광(S편광) 및 수평편광(P편광)을 고려할 때, 브루스터각으로 경계면에 수직편광 및 수평편광이 입사하면, 반사파(TE파; S편광)와 투과파(TM파; P편광+S편광 일부)가 90도를 이루며, 수직편광은 거의 전부 반사되며, 수평편광은 반사가 거의 되지 않고 대부분 투과되는 각도가 반드시 있게 된다. 이와 같이, 수평편광 성분의 반사계수가 0이 되는 입사각이 브루스터각이다. 브루스터각은 매질의 물성에 따라 달라질 수 있다. 무편광된 빛(예: 활성층으로부터의 빛)이 브루스터각으로 제1 비도전성 반사막(R1)에 입사하면, 수직편광 성분은 거의 전부 반사되고, 수평편광 성분은 전부 투과된다. 입사각에 따라 반사율이 변화되며, 브루스터각에서 상대적으로 반사율이 저하된다(도 11b 참조).
도 7b를 참조하면, 제1 비도전성 반사막(R1)은 활성층으로부터 제1 반도체층(30), 및 기판(10)을 통과한 빛을 반사한다. 제1 비도전성 반사막(R1)은 복수의 층(93a,93b)을 가지며, 제1 입사각(A1; 도 8 참조)이 브루스터각(Brewster Angle)이 된다. 제2 비도전성 반사막(R2)은 제1 비도전성 반사막(R1)을 통과한 빛을 반사한다. 제2 비도전성 반사막(R2)은 일부의 층이 제1 비도전성 반사막(R1)과 다른 물질로 된 복수의 층(95a,95b)을 가지며, 제2 입사각(A2; 도 9 참조)이 브루스터각이 된다.
제1 비도전성 반사막(R1)은 제1 입사각(A1; 제1 비도전성 반사막(R1)의 브루스터각)에서 반사율이 저하된다(도 11b 참조). 제2 비도전성 반사막(R2)은 제1 입사각(A1)으로 제1 비도전성 반사막(R1)에 입사하여 투과한 광에 대해 반사율이 높도록 형성된다. 따라서 누설광이 감소하여 반도체 발광소자의 휘도가 상승한다.
금속 반사막 대신 비도전성 반사막(R1,R2)을 사용하여 빛 흡수손실을 줄인다. 비도전성 반사막(R1,R2)은 바람직하게는 분포 브래그 리플렉터(Distributed Bragg Reflector), 전방향 리플렉터(ODR; Omni-Directional Reflector), 등을 포함하여 복수의 층(93a,93b,95a,95b)을 가지는 구조이다. 분포 브래그 리플렉터는 수직 방향에 가까운 빛일수록 반사율이 높아서, 대략 99% 이상 반사한다. 그러나 일부의 빛은 분포 브래그 리플렉터를 통과할 수 있다. 반도체 발광소자의 광추출효율을 높이기 위해 이렇게 비도전성 반사막(R1,R2)을 투과하는 빛을 줄이는 것이 필요하다.
도 8은 제1 비도전성 반사막(R1)의 일 예를 설명하기 위한 도면으로서, 제1 비도전성 반사막(R1)은 DBR로서, 복수의 층(93a,93b)을 가진다. 예를 들어, 도 8b에 제시된 바와 같이, 제1 비도전성 반사막(R1)의 복수의 층(93a,93b)은 복수 회 적층된 제1 물질층(93a)/제2 물질층(93b) 쌍을 포함한다. 제1 물질층(93a) 및 제2 물질층(93b)은 SiOx, TiOx, Ta2O5, 및 MgF2 중 서로 다르게 선택된 물질로 이루어질 수 있다. 이외의 물질도 물론 가능하며, 제1 비도전성 반사막(R1)이 3종류 이상의 복수의 층을 가지는 경우도 물론 가능하다. 예를 들어, 제1 비도전성 반사막(R1)은 제1 물질층(93a)/제2 물질층(93b) 쌍으로서 25 ~ 26회 적층된 SiO2 /TiO2를 포함하며, SiO2 및 TiO2는 각각 수십 나노 두께로 형성된다. 이 경우, 도 8b에 제시된 바와 같이, 기판(10; 예: 사파이어)을 통해 제1 비도전성 반사막(R1)으로 빛이 입사할 때, 브루스터각(A1)은 약 48도이며, 이 브루스터각에서는 제1 비도전성 반사막(R1)의 최대 반사율이 약 50 % 정도이다. 도 8a에는 이러한 사파이어 기판(10)과 제1 비도전성 반사막(R1)의 적층 구조에서 입사각과 반사율을 나타낸다. 도 8a의 반사율 그래프는 전술된 수직편광과 수평편광의 반사율의 평균(mean-pol)을 나타낸다.
도 9는 제2 비도전성 반사막(R2)의 일 예를 설명하기 위한 도면으로서, 제2 비도전성 반사막(R2)은 DBR로서, 적어도 일부의 층이 제1 비도전성 반사막(R1)과 다른 물질로 된 복수의 층(95a,95b)을 가진다. 제2 비도전성 반사막(R2)은 제1 비도전성 반사막(R1)의 브루스터각(A1)에서 반사율이 좋도록 설계된다. 예를 들어, 도 9b에 제시된 바와 같이, 제2 비도전성 반사막(R2)의 복수의 층(95a,95b)은 복수 회 적층된 제3 물질층(95a)/제4 물질층(95b)을 포함한다. 제3 물질층(95a) 및 제4 물질층(95b) 중 적어도 하나는 제1 비도전성 반사막(R1)의 제1 물질층(93a) 및 제2 물질층(93b)과 다른 물질로 이루어진다. 예를 들어, 제3 물질층(95a) 및 제4 물질층(95b)은 SiOx, TiOx, Ta2O5, 및 MgF2 중 서로 다르게 선택된 물질층으로 이루어질 수 있다. 이외의 물질도 물론 가능하며, 제2 비도전성 반사막(R2)은 3종류 이상의 복수의 층을 포함하는 것도 고려할 수 있다. 예를 들어, 제2 비도전성 반사막(R2)은 제3 물질층(95a)/제2 물질층(93b) 쌍으로서 약 20회 적층된 TiO2/Ta2O5를 포함하며, TiO2 및 Ta2O5는 각각 수십 나노 두께로 형성되고, 이 경우 도 9b에 제시된 바와 같이, 사파이어 기판(10)을 통해 제2 비도전성 반사막(R2)으로 빛이 입사할 때, 브루스터각은 약 48도이며, 제1 비도전성 반사막(R1)의 브루스터각(예: 약 48도)에서는 제2 비도전성 반사막(R2)의 반사율이 높도록 형성된다. 본 예에서, 제2 비도전성 반사막(R2)은 제1 비도전성 반사막(R1)의 브루스터각을 포함한 일정 범위 각도에서만 반사율이 좋도록 설계되고 나머지 각도에서는 반사율이 좋지않아도 무방하다. 도 9a에는 이러한 사파이어 기판(10)과 제2 비도전성 반사막(R2)의 적층 구조에서 입사각과 반사율을 나타낸다.
이러한 비도전성 반사막은 화학 기상 증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition), 그 중에서도 플라즈마 화학 기상 증착법(PECVD; Plasma Enhanced CVD)에 의해 형성될 수 있다. 또는, 전자선 증착법(E-Beam Evaporation) 등과 같은 물리 증착법(PVD; Physical Vapor Deposition)에 의해 형성될 수도 있다.
도 10은 제1 비도전성 반사막(R1), 및 제2 비도전성 반사막(R2)을 합한 반사구조물의 반사율의 일 예를 설명하기 위한 도면으로서, 도 10b에 제시된 예에서, 제1 비도전성 반사막(R1)은 도 8에서 설명된 예가 사용될 수 있고, 제2 비도전성 반사막(R2)은 도 9에서 설명된 예가 사용될 수 있다.
기판(10)을 통해, 제1 비도전성 반사막(R1)을 투과한 빛은 제2 비도전성 반사막(R2)에 의해 반사된다. 도 11b에 제시된 도면을 참조하면, 수직편광은 입사각이 증가할수록 반사율이 상승한다. 수평편광은 입사각이 작은 영역에서 반사율이 매우 낮고, 브루스터각에서 수평편광의 반사율이 0이되며, 입사각이 브루스터각 이상이면 수평편광의 반사율이 현저히 상승한다. 본 예에서는 반도체 발광소자의 비도전성 반사막의 전체로서 반사율을 향상하기 위해서 제1 비도전성 반사막(R1)의 반사율이 낮아지는 브루스터각에서 제2 비도전성 반사막(R2)의 반사율이 높도록 설계된다.
도 10a는 제1 비도전성 반사막(R1)과 제2 비도전성 반사막(R2)을 합한 반사율의 일 예를 나타내는 도면으로서, 제1 비도전성 반사막(R1)은 제1 입사각(A1; 제1 비도전성 반사막(R1)의 브루스터각)에서 반사율이 상대적으로 낮다. 따라서, 빛이 기판(10)을 통과하여 제1 입사각(A1)으로 제1 비도전성 반사막(R1)에 입사하면, 투과광이 상대적으로 크다. 이러한 투과광은 제2 비도전성 반사막(R2) 내로 진입한다. 제2 비도전성 반사막(R2)은 제1 입사각(A1)에서 반사율이 높기 때문에 제1 비도전성 반사막(R1)을 투과한 광은 제2 비도전성 반사막(R2)에서 잘 반사된다. 따라서, 금속 접합층(150)에 의한 빛 흡수가 상대적으로 작고, 비도전성 반사막(R1,R2) 전체적으로 누설광이 감소하여 반도체 발광소자의 휘도가 상승한다. 금속 접합층(150)으로 인해 좋은 방열효율을 가진다.
도 11a는 비도전성 반사막의 또 다른 예를 설명하기 위한 도면으로서, 기판(10), 제2 비도전성 반사막(R2), 및 제1 비도전성 반사막(R1) 순서로 형성하는 예도 고려할 수 있다. 대부분의 각도에서 제1 비도전성 반사막(R1)의 반사율이 높고, 제1 비도전성 반사막(R1)의 브루스터각(A1)에서는 제2 비도전성 반사막(R2)의 반사율이 높아서 제1 비도전성 반사막(R1) 및 제2 비도전성 반사막(R2) 각각 하나만 사용하는 경우에 비하여 전체적으로 반사율이 향상된다.
도 12 및 도 13은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 예를 설명하기 위한 도면들로서, 제2 반도체층(50) 위에 빛 흡수 방지막(41), 빛 흡수 방지막(41) 위에 투광성 도전막(60), 투광성 도전막(60) 위에 가지전극(75), 가지전극(75) 위에 유전체층(91b), 유전체층(91b) 위에 제1 비도전성 반사막(R1), 제2 비도전성 반사막(R2), 제2 비도전성 반사막(R2) 위에 클래드층(91c), 및 클래드층(91c) 위에 제2 전극(70)이 형성되어 있다. 전기적 연결부(71)는 제2 전극(70)과 가지전극(75)을 연결한다.
본 예에서, 제1 전극(80)은 기판(10)의 하면에 형성된다. 예를 들어, 레이저로 기판(10)에 홈을 형성하며, 홈으로 인해 제1 반도체층(30)의 일부가 노출된다. 홈에 도금 또는 증착의 방법으로 제1 전극(80)을 형성한다. 제1 전극(80)은 홈으로 연장되어 제1 반도체층(30)과 도통되며, 기판(10)의 하면에 일부 형성된다. 이와 다르게, 기판(10)이 제거되고, 기판(10)이 제거되어 노출된 제1 반도체층(30)에 제1 전극(80)이 형성되는 예도 고려할 수 있다. 또한, 홈을 길게 형성하여 제1 반도체층(30)에도 추가의 가지전극을 도입하는 것도 고려할 수 있다. 유전체막(91b), 및 클래드막(91c)은 생략될 수 있다. 또한, 가지전극(75)도 생략될 수 있다.
빛 흡수 방지막(41)은 활성층(40)에서 발생된 빛의 일부 또는 전부를 반사하는 기능만을 가져도 좋고, 가지전극(75)으로부터 바로 아래로 전류가 흐르지 못하도록 하는 기능만을 가져도 좋고, 양자의 기능을 모두 가져도 좋다. 빛 흡수 방지막(41)은 생략될 수 있다.
본 예에 따라 반도체 발광소자를 형성함에 있어서, 가지전극(75)과 같은 구조물, 및 메사식각으로 인해 높이차가 생기게 된다. 본 예에서, 제1 비도전성 반사막(R1) 및 제2 비도전성 반사막(R2)은 각각 분포 브래그 리플렉터를 포함한다. 따라서, 정밀성을 요하는 분포 브래그 리플렉터의 증착에 앞서, 일정 두께의 유전체막(91b)을 형성함으로써, 분포 브래그 리플렉터를 안정적으로 제조할 수 있게 되며, 빛의 반사에도 도움을 줄 수 있다. 유전체막(91b)의 재질은 SiO2가 적당하며, 그 두께는 0.2um ~ 1.0um가 바람직하다.
제1 비도전성 반사막(R1) 및 제2 비도전성 반사막(R2)은 활성층(40)으로부터의 빛을 복수의 반도체층(30,40,50) 측으로 반사한다. 본 예에서 제1 비도전성 반사막(R1) 및 제2 비도전성 반사막(R2)은 전술된 예들이 사용될 수 있다.
제1 비도전성 반사막(R1)은 브루스터각에서 반사율이 상대적으로 낮아지지만, 제2 비도전성 반사막(R2)은 제1 비도전성 반사막(R1)의 브루스터각에서는 반사율이 상대적으로 높게 설계된다. 따라서, 제1 비도전성 반사막(R1) 및 제2 비도전성 반사막(R2) 전체적으로는 둘 중 하나만 사용하는 경우에 비해 반사율이 향상된다. 물론, 투광성 도전막(60)-제2 비도전성 반사막(R2)-제1 비도전성 반사막(R1) 순서로 적층되는 예도 고려할 수 있다.
클래드막(91c)은 Al2O3와 같은 금속 산화물, SiO2, SiON와 같은 유전체, MgF, CaF, 등의 물질로 이루어질 수 있다.
이와 같은, 반도체 발광소자에 의하면, 금속 반사막 대신 비도전성 반사막(R1,R2)을 사용하여 빛 흡수손실을 줄일 수 있다. 또한, 제1 비도전성 반사막(R1)의 브루스터각에서 반사율 저하를 제2 비도전성 반사막(R2)으로 보완하여 빛의 누설 손실도 더 줄일 수 있다.
도 13을 참조하면, 이러한 반도체 발광소자가 제1 베이스(123)에 접합된다. 제2 전극(70)은 제1 베이스(123)에 본딩(예: 유테틱 본딩)될 수 있다. 제2 비도전성 반사막(R2)을 덮는 금속층(예: 제2 전극(70))의 면적이 넓으면, 금속에 의한 빛 흡수가 증가할 수 있어서 바람직하지 않다. 따라서, 도 13에 제시된 바와 같이, 제2 전극(70)이 제2 비도전성 반사막(R2)의 일부만 덮게 하는 것이 좋다. 한편, 제2 전극(70) 이외에 접합층(140,150)을 제1 베이스(123)와 제2 비도전성 반사막(R2) 사이에 형성할 수 있으며, 이 접합층(140,150)은 금속 및 비금속 모두 가능하다. 금속 접합층(150)을 사용하여 제1 베이스(123)에 유테틱 본딩될 수 있다. 금속 접합층(150)으로 인해 방열효율이 향상되어 고전류 구동에 바람직하다. 한편, 제1 전극(80)은 와이어(105) 본딩을 통해 제2 베이스(125)와 전기적으로 연결된다.
도 14 및 도 15는 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 예를 나타내는 도면들로서, 도 14에 제시된 바와 같이, 제2 반도체층(50)을 형성하고, 메사식각하여 제1 반도체층(30)을 일부 노출한다. 노출된 제1 반도체층(30)에 레이저를 사용하여 홀을 형성한다. 이후, 노출된 제1 반도체층(30)에 제1 전극(80)을 형성한다. 제1 전극(80)은 홀을 통해(81) 기판(10)의 하면까지 연장(82)되어 형성된다. 이후, 제2 반도체층(50) 위에 투광성 도전막(60)을 형성하고, 제1 비도전성 반사막(R1), 및 제2 비도전성 반사막(R2)을 형성한다. 이후, 제1 비도전성 반사막(R1) 및 제2 비도전성 반사막(R2)에 개구를 형성하고, 개구에 전기적 연결부(71)을 형성한다. 전기적 연결과 함께, 또는 별개로 제2 비도전성 반사막(R2) 위에 제2 전극(70)을 형성한다.
도 15에 제시된 바와 같이, 제2 전극(70)은 제1 베이스(123)에 본딩되며, 접합층(140,150)이 제1 베이스(123)와 제2 비도전성 반사막(R2) 사이에 개재될 수 있다. 접합층(140,150)은 유테틱 본딩 가능한 금속이거나, clear paste와 같은 빛 흡수가 작은 물질일 수 있다. 제1 전극(80)은 와이어(105) 본딩에 의해 제2 베이스(125)에 전기적으로 연결된다.
제1 비도전성 반사막(R1) 및 제2 비도전성 반사막(R2)에 의해 반사구조물로 인해 접합층(150)에 도달하는 빛의 양이 매우 작게 되므로, 빛 흡수손실의 증가 없이 접합층(150)을 사용하여 접합할 수 있어서 비금속 접합층(140)에 비해 방열효율이 향상되며, 제2 전극(70)과 함께 금속재질의 접합층(150)이 유테틱 본딩에 사용될 수 있다.
이하 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.
(1) 반도체 발광소자에 있어서, 베이스; 베이스 위에 위치하는 복수의 반도체층;으로서, 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층, 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층, 및 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 개재되어 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 가지는 복수의 반도체층; 복수의 반도체층과 전기적으로 연결되어 전자와 정공 중 하나를 공급하는 전극; 베이스와 복수의 반도체층 사이에서 활성층으로부터의 빛을 반사하는 제1 비도전성 반사막;으로서, 복수의 층을 가지는 제1 비도전성 반사막; 그리고 베이스와 제1 비도전성 반사막 사이에서 제1 비도전성 반사막을 통과한 빛을 반사하는 제2 비도전성 반사막;으로서, 일부의 층이 제1 비도전성 반사막과 다른 물질로 된 복수의 층을 가지는 제2 비도전성 반사막;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(2) 복수의 반도체층과 제1 비도전성 반사막 사이에 복수의 반도체층이 성장되는 기판;을 포함하며, 제1 비도전성 반사막은 기판에 일체화되고, 제2 비도전성 반사막은 제1 비도전성 반사막에 일체화된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(3) 베이스와 제2 비도전성 반사막 사이에 개재된 접합층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(4) 베이스는 금속 프레임이고, 접합층은 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(5) 제2 비도전성 반사막은 다른 각도에서보다 제1 비도전성 반사막의 브루스터각(Brewster Angle)에서 반사율이 더 높은 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(6) 제1 비도전성 반사막 및 제2 비도전성 반사막은 각각 분포 브래그 리플렉터(DBR), 및 전방향 리플렉터(ODR) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(7) 제1 비도전성 반사막의 복수의 층은 복수 회 적층된 제1 물질층/제2 물질층을 포함하고, 제2 비도전성 반사막의 복수의 층은 복수 회 적층된 제3 물질층/제4 물질층을 포함하며, 제3 물질층 및 제4 물질층 중 적어도 하나는 제1 물질층 및 제2 물질층과 다른 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(8) 제1 물질층 및 제2 물질층은 SiO2 , TiO2, Ta2O2, HfO, ZrO, 및 SiN 중 서로 다른 물질로 선택되며, 제3 물질층 및 제4 물질층은 TiO2, Ta2O5, HfO, ZrO, 및 SiN 중 서로 다른 물질로 선택되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(9) 제1 절연성 반사층은 제1 물질층/제2 물질층 쌍으로서 SiO2 /TiO2를 포함하며, 제2 절연성 반사층은 제3 물질층/제4 물질층 쌍으로서 TiO2/Ta2O5를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(10) 반도체 발광소자는 전자와 정공 중 나머지하는 공급하는 추가의 전극; 그리고 베이스와 전기적으로 분리된 추가의 베이스;를 포함하며, 전극(제2 전극 또는 p측 전극)은 베이스와 와이어 본딩되며, 추가의 전극(제1 전극 또는 n측 전극)은 추가의 베이스와 와이어 본딩된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(11) 복수의 반도체층을 기준으로 제1 비도전성 반사막의 반대 측에 위치하는 기판; 기판을 관통하여 제1 반도체층에 전자와 정공 중 나머지 하나를 공급하는 추가의 전극; 그리고 베이스와 전기적으로 분리된 추가의 베이스(제2 베이스);를 포함하며, 전극(제2 전극)은 베이스와 제2 비도전성 반사막 사이에서 제2 비도전성 반사막에 일체호 형성되어 베이스와 접합되고, 제1 비도전성 반사막 및 제2 비도전성 반사막으 관통하여 제2 반도체층과 도통되며, 추가의 전극은 추가의 베이스(제2 베이스)에 와이어본딩되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
본 개시에 따른 반도체 발광소자에 의하면, 빛 흡수손실이 감소하고 고전류 구동에 적합한 반도체 발광소자가 제공된다.
10: 기판 30: 제1 반도체층 40: 활성층 50: 제2 반도체층
R1: 제1 비도전성 반사막 R2: 제2 비도전성 반사막 70: 제2 전극
80: 제1 전극 123: 제1 베이스 125: 제2 베이스
103,105: 와이어본딩 140: clear paste 150: 금속 접합층

Claims (11)

  1. 반도체 발광소자에 있어서,
    베이스;
    베이스 위에 위치하는 복수의 반도체층;으로서, 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층, 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층, 및 제1 반도체층과 제2 반도체층 사이에 개재되어 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 가지는 복수의 반도체층;
    복수의 반도체층과 전기적으로 연결되어 전자와 정공 중 하나를 공급하는 전극;
    베이스와 복수의 반도체층 사이에서 활성층으로부터의 빛을 반사하는 제1 비도전성 반사막;으로서, 복수의 층을 가지는 제1 비도전성 반사막; 그리고
    베이스와 제1 비도전성 반사막 사이에서 제1 비도전성 반사막을 통과한 빛을 반사하는 제2 비도전성 반사막;으로서, 일부의 층이 제1 비도전성 반사막과 다른 물질로 된 복수의 층을 가지는 제2 비도전성 반사막;을 포함하고,
    제2 비도전성 반사막은 다른 각도에서보다 제1 비도전성 반사막의 브루스터각(Brewster Angle)에서 반사율이 더 높은 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    복수의 반도체층과 제1 비도전성 반사막 사이에 복수의 반도체층이 성장되는 기판;을 포함하며,
    제1 비도전성 반사막은 기판에 일체화되고, 제2 비도전성 반사막은 제1 비도전성 반사막에 일체화된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    베이스와 제2 비도전성 반사막 사이에 개재된 접합층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  4. 청구항 3에 있어서,
    베이스는 금속 프레임이고,
    접합층은 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    제1 비도전성 반사막 및 제2 비도전성 반사막은 각각 분포 브래그 리플렉터(DBR), 및 전방향 리플렉터(ODR) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  7. 청구항 1에 있어서,
    제1 비도전성 반사막의 복수의 층은 복수 회 적층된 제1 물질층/제2 물질층을 포함하고,
    제2 비도전성 반사막의 복수의 층은 복수 회 적층된 제3 물질층/제4 물질층을 포함하며,
    제3 물질층 및 제4 물질층 중 적어도 하나는 제1 물질층 및 제2 물질층과 다른 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  8. 청구항 7에 있어서,
    제1 물질층 및 제2 물질층은 SiO2 , TiO2, Ta2O2, HfO, ZrO, 및 SiN 중 서로 다른 물질로 선택되며,
    제3 물질층 및 제4 물질층은 TiO2, Ta2O5, HfO, ZrO, 및 SiN 중 서로 다른 물질로 선택되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  9. 청구항 7에 있어서,
    제1 비도전성 반사막은 제1 물질층/제2 물질층 쌍으로서 SiO2 /TiO2를 포함하며,
    제2 비도전성 반사막은 제3 물질층/제4 물질층 쌍으로서 TiO2/Ta2O5를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  10. 청구항 2에 있어서,
    식각되어 노출된 제1 반도체층과 도통되어 전자와 정공 중 나머지 하나를 공급하는 추가의 전극; 그리고
    베이스와 전기적으로 분리된 추가의 베이스;를 포함하며,
    전극은 제2 반도체층과 도통되며, 베이스, 및 추가의 베이스 중 하나와 와이어 본딩되며,
    추가의 전극은 베이스, 및 추가의 베이스 중 나머지 하나와 와이어 본딩된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  11. 청구항 1에 있어서,
    복수의 반도체층을 기준으로 제1 비도전성 반사막의 반대 측에 위치하는 기판;
    기판을 관통하여 제1 반도체층에 전자와 정공 중 나머지 하나를 공급하는 추가의 전극; 그리고
    베이스와 전기적으로 분리된 추가의 베이스;를 포함하며,
    전극은 베이스와 제2 비도전성 반사막 사이에서 제2 비도전성 반사막에 일체로 형성되어 베이스와 접합되고, 제1 비도전성 반사막 및 제2 비도전성 반사막을 관통하여 제2 반도체층과 도통되며,
    추가의 전극은 추가의 베이스에 와이어본딩되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
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