KR101913961B1 - 전방향 유전체 거울 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전방향 유전체 거울을 개시한다. 본 발명의 실시예에 따른 전방향 유전체 거울은 반도체 소자의 기판의 하면에 형성되고, 제1 굴절률층 및 제2 굴절률층을 단위 주기로 하여 적층 주기를 갖는 유전체 거울 구조물; 및 상기 유전체 거울 구조물의 하면에 형성되는 제1 절연층을 포함하고, 상기 유전체 거울 구조물은 상기 적층 주기의 제1 주기로서, 단위 주기의 상기 제1 굴절률층이 제2 굴절률층보다 상대적으로 큰 두께를 갖는 이중층; 및 상기 이중층의 하부 적층 방향으로 형성되고, 상기 단위 주기의 제1 굴절률층 및 상기 제2 굴절률층의 두께가 상기 하부 적층 방향으로 단위 두께씩 점진적(Gradually)으로 변화하는 적어도 하나 이상의 적층 주기를 갖는 다중층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명의 실시예들은 전방향 유전체 거울에 관한 것으로, 보다 상세하게는 편광 또는 입사각에 무관하게 넓은 파장 범위에서 구현이 기능한 전방향 유전체 거울에 관한 것이다.
발광다이오드의 효율은 일반적으로 활성층의 방출 영역에 크게 좌우되지만, 실제 이런 방출 영역으로부터 나온 광의 절반은 상부(전면)가 아닌 빛을 흡수하는 하부(배면)로 방출되어 효율이 크게 감소된다.
구체적으로, 발광다이오드의 전체 효율은 내부양자효율과 광추출효율의 곱으로 결정되고, 내부양자효율이 100%이라도 발생된 빛이 전반사 과정에 의해 외부로 추출될 수 없거나 발광다이오드의 내부에 존재하는 흡수 손실에 의해 사라지게 되면(즉, 광추출효율이 저하되면) 전체 효율이 낮아지게 된다.
따라서, 효율 감소 현상을 개선하기 위해 하부(배면)로 방출되는 광 들을 상부(전면)로 반사시켜 발광다이오드의 효율을 높이고자 하는 시도들이 이루어져 왔다.
대표적인 예로 발광다이오드의 구조 내부 또는 표면에 회절 격자를 도입하거나, 발광다이오드의 하단부에 유전체 거울 또는 금속 거울을 도입하는 방법이 사용되었다.
금속 거울은 넓은 파장 대역에서 반사 특성을 가지고 있으나, 거울 자체에 의한 흡수 손실로 인해 모든 입사각 및 편광에 대하여 100%의 반사율을 갖는 것이 어렵고, Ag와 같이 반사율이 높은 금속 물질은 계면 접착력이 낮기 때문에 접착력 향상을 위해 다른 금속을 추가적으로 도입하는 경우 반사율이 감소되는 문제가 있다.
그러나, 금속 거울은 반사 가능한 파장의 범위가 넓고 반사 효율이 좋다는 점에서 선호되지만, 상기 문제점과 함께 화학적으로 안정하지 못하여 쉽게 산화가 되거나 장시간 소자 구동 시 신뢰성 저하의 문제가 있다..
반면, 분배 브래그 반사기(Distributed Bragg Reflector; DBR)로 불리는 유전체 거울은 특정한 파장 대역에서 특이한 반사 특성을 가질 수 있고, 적절한 물질을 선택하는 경우 거울 자체에 의한 흡수가 없으며, 매우 높은 반사율을 얻을 수 있으나, 유전체 거울은 특정 파장의 범위만을 반사시킬 수 있고, 최대 반사율의 입사각 범위가 제한적이라는 단점이 있다.
따라서, 유전체 거울의 최대 반사율 범위를 넓히기 위해 발광다이오드와 맞닿아 있는 첫 번째 유전체 층의 두께를 다른 층의 두께보다 증가시켜 발광다이오드와 첫 번째 유전체 층 사이에 전반사 조건이 잘 형성되어 큰 입사각의 빛에 대해 ~100%의 반사율을 얻는 기술이 제안되었으나, 여전히 모든 입사각에 대해 ~100%의 반사율을 가지지는 못하였다.
또한, 유전체 거울 바로 뒤에 금속 거울을 혼합하는 방식도 제안되었으나, 오히려 특정 입사각마다 금속에 의한 광흡수 손실이 발생하여 전체 반사율이 떨어지는 문제가 발생하였다.
따라서, 모든 입사각 및 편광에서 높은 반사효율을 나타내는 새로운 유전체 거울에 대한 요구가 계속되고 있다.
본 발명의 실시예들의 목적은 두꺼운 제1 굴절률층을 포함하는 이중층 및 하부 적층 방향으로 단위 두께씩 점진적(Gradually)으로 변화하는 다중층을 포함하는 유전체 거울 구조물에 의해 편광 또는 입사각에 무관하게 넓은 파장 범위에서 100% 거울 특성을 구현할 수 있는 전방향 유전체 거울을 제조하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예들의 목적은 유전체 거울 구조물 및 금속 거울을 도입하여 모든 입사각에 대해 반사율이 증가된 전방향 유전체 거울을 제조하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예들의 목적은 유전체 거울 구조물 및 금속 거울 사이에 두꺼운 제1 절연층을 형성하여 금속 거울에 의한 간섭 현상을 제거하여 광 손실이 최소화된 전방향 유전체 거울을 제조하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울은 반도체 소자의 기판의 하면에 형성되고, 제1 굴절률층 및 제2 굴절률층을 단위 주기로 하여 적층 주기를 갖는 유전체 거울 구조물을 포함하고, 상기 유전체 거울 구조물은 상기 적층 주기의 제1 주기로서, 단위 주기의 상기 제1 굴절률층이 제2 굴절률층보다 상대적으로 큰 두께를 갖는 이중층; 및 상기 이중층의 하부 적층 방향으로 형성되고, 상기 단위 주기의 제1 굴절률층 및 제2 굴절률층의 두께가 상기 하부 적층 방향으로 단위 두께씩 점진적(Gradually)으로 변화하는 적어도 하나 이상의 적층 주기를 갖는 다중층을 포함된다.
상기 다중층의 단위 주기의 제2 굴절률층은 상기 이중층의 제2 굴절률층으로부터 상기 하부 적층 방향으로 상기 단위 두께씩 점진적으로 변화할 수 있다.
상기 이중층의 제1 굴절률층의 두께는 상기 다중층의 제1 굴절률층의 두께보다 두꺼울 수 있다.
상기 이중층의 제1 굴절률층은 (2m+1)λ/4n1의 두께를 가지고, 상기 이중층의 제2 굴절률층은 λ/4n2의 두께를 가지며, 상기 λ는 상기 기판에 도달하는 광의 공기 매질에서의 중심 파장이고, 상기 n1 은 상기 제1 굴절률층의 굴절률이며, 상기 n2 는 상기 제2 굴절률층의 굴절률이고, 상기 n1 은 상기 n2 보다 작으며, 상기 m은 자연수일 수 있다.
상기 다중층의 첫번째 제1 굴절률층은 λ/4n1에서 상기 단위두께만큼 변화된 두께를 가지고, 상기 다중층의 첫번째 제2 굴절률층은 λ/4n2의 두께에서 상기 단위두께만큼 변화된 두께를 가지며, 상기 λ는 상기 기판에 도달하는 광의 공기 매질에서의 중심 파장이고, 상기 n1은 상기 제1 굴절률층의 굴절률이고, 상기 n2는 상기 제2 굴절률층의 굴절률이며, 상기 n1 은 상기 n2 보다 작을 수 있다.
상기 다중층의 첫번째 제1 굴절률층 λ/4n1의 두께를 가지고, 상기 다중층의 첫번째 제2 굴절률층은 λ/4n2의 두께를 가지며, 상기 λ는 상기 기판에 도달하는 광의 공기 매질에서의 중심 파장이고, 상기 n1은 상기 제1 굴절률층의 굴절률이고, 상기 n2는 상기 제2 굴절률층의 굴절률이며, 상기 n1 은 상기 n2 보다 작을 수 있다.
상기 이중층의 제1 굴절률층은 (λ/4n1)cosθ*(2m+1)의 두께를 가지고, 상기 제2 굴절률층은 (λ/4n2)cosθ의 두께를 가지며, 상기 λ는 상기 기판에 도달하는 광이 공기 매질에서의 중심 파장이고, 상기 n1은 상기 제1 굴절률층의 굴절률이며, 상기 n2는 상기 제2 굴절률층의 굴절률이고, 상기 n1 은 상기 n2 보다 작으며, θ는 입사각이고, 상기 θ는 0≤θ≤20이며, 상기 m은 자연수일 수 있다.
상기 다중층의 첫번째 제1 굴절률층은 (λ/4n1)cosθ에서 상기 단위두께만큼 변화된 두께를 가지고, 상기 다중층의 첫번째 제2 굴절률층은 (λ/4n2)cosθ의 두께에서 상기 단위두께만큼 변화된 두께를 가지며,
상기 λ는 상기 기판에 도달하는 광의 공기 매질에서의 중심 파장이고, 상기 n1은 상기 제1 굴절률층의 굴절률이며, 상기 n2는 상기 제2 굴절률층의 굴절률이고, 상기 n1 은 상기 n2 보다 작으며, θ는 입사각이고, 상기 θ는 0≤θ≤20일 수 있다.
상기 다중층의 첫번째 제1 굴절률층은 (λ/4n1)cosθ의 두께를 가지고, 상기 다중층의 첫번째 제2 굴절률층은 (λ/4n2)cosθ의 두께를 가지며, 상기 λ는 상기 기판에 도달하는 광의 공기 매질에서의 중심 파장이고, 상기 n1은 상기 제1 굴절률층의 굴절률이며, 상기 n2는 상기 제2 굴절률층의 굴절률이고, 상기 n1 은 상기 n2 보다 작으며, θ는 입사각이고, 상기 θ는 0≤θ≤20일 수 있다.
상기 이중층의 제1 굴절률층의 굴절률은 상기 기판의 굴절률보다 낮을 수 있다.
상기 단위 두께는 0.5nm 내지 3nm의 범위일 수 있다.
상기 제1 굴절률층 및 상기 제2 굴절률층은 산소(O), 질소(N) 및 불소(F) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 세라믹(ceramic)을 포함할 수 있다.
상기 유전체 거울 구조물의 하면에는 제1 절연층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 절연층은 실리콘 젤, 폴리이미드(polyimide; PI), 벤조사이클로부텐인(benzocyclobutene) 및 퍼플루오로시클로부탄(perfluorocyclobutane) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전방향 유전체 거울은 반도체 소자의 기판의 하면에 형성되고, 제1 굴절률층 및 제2 굴절률층을 단위 주기로 하여 적층 주기를 갖는 유전체 거울 구조물; 상기 유전체 거울 구조물의 하면에 형성되는 제1 절연층; 및 상기 제1 절연층의 하면에 형성되는 금속 거울을 포함하고, 상기 유전체 거울 구조물은 상기 적층 주기의 제1 주기로서, 단위 주기의 상기 제1 굴절률층이 제2 굴절률층보다 상대적으로 큰 두께를 갖는 이중층; 및 상기 이중층의 하부 적층 방향으로 형성되고, 상기 단위 주기의 제1 굴절률층 및 상기 제2 굴절률층의 두께가 상기 하부 적층 방향으로 단위 두께씩 점진적(Gradually)으로 변화하는 적어도 하나 이상의 적층 주기를 갖는 다중층을 포함한다.
상기 제1 절연층은 10㎛ 이상의 두께를 가질 수 있다.
상기 제1 절연층과 상기 금속 거울 사이에 상기 제1 절연층보다 굴절률이 작고, 상기 금속 거울에 의한 광손실을 최소화하는 제2 절연층을 더 포함할 수 있다.
상기 금속 거울의 성분은 은(Ag), 알루미늄(Al), 인듐(In), 주석(Sn), 금(Au), 백금(Pt), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 납(Pb), 팔라듐(Pd), 게르마늄(Ge), 구리(Cu), 니켈(Ni) 및 Ag 합금(Ag, Pd, Cu alloy) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면 두꺼운 제1 굴절률층을 포함하는 이중층 및 하부 적층 방향으로 단위 두께씩 점진적(Gradually)으로 변화하는 다중층을 포함하는 유전체 거울 구조물에 의해 편광 또는 입사각에 무관하게 넓은 파장 범위에서 100% 거울 특성을 구현할 수 있는 전방향 유전체 거울을 제조할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면 유전체 거울 구조물 및 금속 거울을 도입하여 모든 입사각에 대해 반사율이 증가된 전방향 유전체 거울을 제조할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면 유전체 거울 구조물 및 금속 거울 사이에 두꺼운 제1 절연층을 형성하여 금속 거울에 의한 간섭 현상을 제거하여 광 손실이 최소화된 전방향 유전체 거울을 제조할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울을 도시한 단면도이다.
도 1b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전방향 유전체 거울을 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전방향 유전체 거울의 반사 과정을 도시한 단면도이다.
도 3은 반도체 소자를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울의 입사각(Incidence of angle)에 따른 단위 두께(△)별 반사율(Reflectance)을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울의 입사각(θ)에 따른 반사율을 도시한 그래프이다.
도 6은 청색 InGaN/GaN LED의 스펙트럼을 고려하였을 때의 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울의 입사각에 따른 반사율을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울의 입사각에 따른 파장(λ)별 반사율을 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울의 가시광선 전체 파장 영역 내에서의 입사각별 반사율을 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울의 입사각에 따른 반사율을 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전방향 유전체 거울의 입사각에 따른 반사율을 도시한 그래프이다.
도 11은 제2 절연층(Dielectric layer)을 포함하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전방향 유전체 거울의 입사각에 따른 반사율을 도시한 그래프이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전방향 유전체 거울의 제2 절연층의 두께(Additional Layer Thickness)에 따른 반사율(Re)을 도시한 그래프이다.
도 1b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전방향 유전체 거울을 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전방향 유전체 거울의 반사 과정을 도시한 단면도이다.
도 3은 반도체 소자를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울의 입사각(Incidence of angle)에 따른 단위 두께(△)별 반사율(Reflectance)을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울의 입사각(θ)에 따른 반사율을 도시한 그래프이다.
도 6은 청색 InGaN/GaN LED의 스펙트럼을 고려하였을 때의 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울의 입사각에 따른 반사율을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울의 입사각에 따른 파장(λ)별 반사율을 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울의 가시광선 전체 파장 영역 내에서의 입사각별 반사율을 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울의 입사각에 따른 반사율을 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전방향 유전체 거울의 입사각에 따른 반사율을 도시한 그래프이다.
도 11은 제2 절연층(Dielectric layer)을 포함하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전방향 유전체 거울의 입사각에 따른 반사율을 도시한 그래프이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전방향 유전체 거울의 제2 절연층의 두께(Additional Layer Thickness)에 따른 반사율(Re)을 도시한 그래프이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or'이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다'라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.
또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
한편, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되지 않는다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 막, 층, 영역, 구성 요청 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 층, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하에서는 도 1a 및 도 1b를 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 전방향 유전체 거울에 대해 설명하기로 한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울을 도시한 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울은 반도체 소자의 기판(110)의 하면에 형성되고, 제1 굴절률층(121, 131) 및 제2 굴절률층(122, 132)을 단위 주기로 하여 적층 주기를 갖는 유전체 거울 구조물(140)을 포함한다.
유전체 거울 구조물(140)은 적층 주기의 제1 주기(P1)로서, 단위 주기의 제1 굴절률층(121)은 제2 굴절률층(122)보다 상대적으로 큰 두께를 갖는 이중층(120) 및 이중층(120)의 하부 적층 방향으로 형성되고, 단위 주기의 제1 굴절률층(131) 및 제2 굴절률층(132)의 두께가 하부 적층 방향으로 단위 두께씩 점진적(Gradually)으로 변화하는 적어도 하나 이상의 적층 주기(P2, …)를 갖는 다중층(130)을 포함한다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울은 두꺼운 제1 굴절률층(121)을 포함하는 이중층(120) 및 하부 적층 방향으로 단위 두께씩 점진적으로 변화하는 다중층(130)을 포함하는 유전체 거울 구조물(140)에 의해 편광 또는 입사각에 무관하게 넓은 파장 범위에서 100% 거울 특성을 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울은 반도체 소자의 기판(110)의 하면에 형성되고, 제1 굴절률층(121, 131) 및 제2 굴절률층(122, 132)을 단위 주기로 하여 적층 주기를 갖는 유전체 거울 구조물(140)을 포함한다.
기판(110)은 사파이어(Al2O3), SiC, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP 및 Ge 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있으나, 이에 대해 제한되지는 않는다.
기판(110)의 상면에는 반도체 소자가 형성되고, 반도체 소자로는 발광 소자(LED), 유기발광소자(OLED) 및 태양전지(Solar cell) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 반도체 소자에 대해서는 도 3에서 보다 자세히 설명하기로 한다.
유전체 거울 구조물(140)은 제1 굴절률층(121, 131) 및 제2 굴절률층(122, 132)을 단위 주기로 하여 적층 주기를 가질 수 있고, 제1 굴절률층(121, 131) 및 제2 굴절률층(122, 132)은 굴절률이 상이한 복수의 층이 반복적으로 적층될 수 있다.
제1 굴절률층(121, 131) 및 제2 굴절률층(122, 132)은 산소(O), 질소(N) 및 불소(F) 중 적어도 어느 하나를 포함한 세라믹(ceramic)을 할 수 있다.
예를 들면, 제1 굴절률층(121, 131) 및 제2 굴절률층(122, 132)은 실리콘 산화물(SiO2), 티타늄 산화물(TiO2), 불화 마그네슘(MgF) 또는 실리콘 질화물(SixNy) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
바람직하게, 제1 굴절률층(121, 131)으로는 상대적으로 저굴절률을 갖는 실리콘 산화물이 사용하고, 제2 굴절률층(122, 132)으로는 상대적으로 고굴절률을 갖는 티타늄 산화물을 사용하여 특정한 파장에 대한 반사체로 작용할 수 있다.
유전체 거울 구조물(140)은 이중층(120) 및 다중층(140)을 포함하고, 이중층(120)은 적층 주기의 제1 주기(P1)로서, 단위 주기의 제1 굴절률층(121)이 제2 굴절률층(122)보다 상대적으로 큰 두께를 갖는다.
바람직하게, 이중층(120)의 제1 굴절률층(121)은 다중층(130)의 제1 굴절률층(132)보다 상대적으로 큰 두께를 가질 수 있다.
이중층(120)의 제1 굴절률층(121)을 다중층(130)의 제1 굴절률층(132)보다 상대적으로 큰 두께로 형성함으로써, 유전체 거울 구조물의 최대 반사율 범위를 넓힐 수 있고, 입사되는 빛을 전반사시킬 수 있다. 특히, 유전체 거울 구조물(140)은 특정 각도 이상의 빛(바람직하게, 큰 입사각의 빛)에 대해 ~100%의 반사율을 가질 수 있다.
바람직하게, 이중층(120)의 제1 굴절률층(121)의 두께(DDL1)는 (2m+1)λ/4n1일 수 있고, 이중층(120)의 제2 굴절률층(122)의 두께(DDH1)는 λ/4n2의 두께를 가질 수 있다.
여기서, λ는 기판(110)에 도달하는 광의 공기 매질에서의 중심 파장이고, n1 은 제1 굴절률층(121)의 굴절률이며, n2 는 제2 굴절률층(122)의 굴절률이고, n1 은 n2 보다 작으며, m은 자연수일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울은 특정 입사각에 대해 최대 반사율을 가지도록 단위 주기가 보정된 앵글 튠(angle tuned) 유전체 거울 구조물을 포함할 수 있다.
앵글 튠 유전체 거울 구조물의 이중층(120)의 제1 굴절률층(121)의 두께(DDL1)는 (λ/4n1)cosθ*(2m+1)일 수 있고, 제2 굴절률층의 두께(DDH1)는 (λ/4n2)cosθ일 수 있다.
여기서, λ는 기판(110)에 도달하는 광의 공기 매질에서의 중심 파장이고, n1은 제1 굴절률층(121)의 굴절률이며, n2는 상기 제2 굴절률층의 굴절률이고, n1 은 n2 보다 작으며, θ는 입사각이고, θ는 0≤θ≤20이며, m은 자연수일 수 있다.
θ가 20도를 초과하면, 수직 입사각의 반사율이 크게 저하되는 문제가 있으나, θ를 20도 이하로 형성하면 유전체 거울의 수직 입사각 근처에 대해 반사율을 높일 수 있다.
보다 구체적으로, 유전체 거울에서 전반사가 효과적으로 일어나기 위해서는 굴절률이 낮은 층의 두께가 특정 값 이상이 되어야 하고, 두께의 최소 범위는 전반사의 표면감쇠파(evanescent wave)에 의해 결정되는데, 입사각이 임계각보다 크고, 굴절률이 높은 매질에서 낮은 매질로 빛이 진행하더라도 굴절률이 낮은 매질의 두께가 표면감쇠파보다 얇다면 전반사 조건이 완전히 성립되지 않고, 일부의 빛이 투과하게 된다(광투과, Optical tunneling).
표면감쇠파의 유효 길이는 대략 빛의 파장 정도가 되고, 입사각이 커짐에 따라 짧아지는 성질(즉, 임계각 근처일 때 표면감쇠파의 길이는 가장 길다)을 가지고 있어, 입사된 빛이 이중층(120)의 제1 굴절률층(121)에 의해 효과적으로 전반사 되기 위해서는 유전체 거울 효과를 위해, (λ/4n1)cosθ*(2m+1)의 길이를 유지하되, m 값은 커질수록 효과가 좋다(바람직하게, m 값이 2이상이 될 때 전반사 효과가 점차 발한다).
또한, 이중층(120)의 제1 굴절률층(121)의 굴절률은 기판(110)의 굴절률보다 낮을 수 있고, 따라서 임계각 이상의 입사각에 대해 전반사를 통해 빛을 반사하는 효과가 있다.
유전체 거울 구조물(140)은 이중층(120)의 하부 적층 방향으로 형성되고, 단위 주기의 제1 굴절률층(131) 및 제2 굴절률층(132)의 두께가 하부 적층 방향으로 단위 두께씩 점진적(Gradually)으로 변화하는 적어도 하나 이상의 적층 주기(P2, …)를 갖는 다중층(130)을 포함한다.
또한, 두께의 변화는 하부 적층 방향으로 점진적으로 증가되거나 감소되는 것을 의미한다.
다중층(130)의 첫번째 제1 굴절률층(131)은 λ/4n1에서 단위두께만큼 변화된 두께를 가지고, 다중층(130)의 첫번째 제2 굴절률층(132)은 λ/4n2의 두께에서 상기 단위두께만큼 변화된 두께를 가질 수 있다.
또한, 다중층(130)의 첫번째 제1 굴절률층(131)의 두께(DML1)는 λ/4n1일 수 있고, 다중층(130)의 첫번째 제2 굴절률층(132)의 두께(DMH1)는 λ/4n2일 수 있다.
여기서, λ는 기판(110)에 도달하는 광의 공기 매질에서의 중심 파장이고, n1은 제1 굴절률층의 굴절률이고, n2는 제2 굴절률층의 굴절률이며, n1 은 n2 보다 작을 수 있다.
다중층(131)의 첫번째 제1 굴절률층(131)은 (λ/4 n1)cosθ에서 단위두께만큼 변화된 두께를 가지고, 다중층(130)의 첫번째 제2 굴절률층(132)은 (λ/4 n2)cosθ의 두께에서 상기 단위두께만큼 변화된 두께를 가질 수 있다.
또한, 다중층(130)의 첫번째 제1 굴절률층(131)의 두께(DML1)는 (λ/4 n1)cosθ일 수 있고, 다중층(130)의 첫번째 제2 굴절률층(132)의 두께(DMH1)는 (λ/4 n2)cosθ일 수 있다.
여기서, λ는 기판(110)에 도달하는 광의 공기 매질에서의 중심 파장이고, n1은 제1 굴절률층(131)의 굴절률이며, n2는 제2 굴절률층(132)의 굴절률이고, n1 은 n2 보다 작으며, θ는 입사각이고, θ는 0≤θ≤20일 수 있다.
단위 두께는 0.5nm 내지 3nm의 범위일 수 있고, 단위 두께가 0.5 nm 미만이면 두께 변화가 거의 없으므로 기존 유전체 거울과 같이 특정 각도에 대해서만 반사율이 최대가 되고, 넓은 입사각에서 반사율을 증가시키지 못하며, 3 nm를 초과하면 단위 두께가 너무 두꺼워져, 수직 입사각에서 반사파에 대한 보강간섭 조건이 약화되어 수직 입사각 주위의 반사율이 급감하는 문제가 있다.
다중층(130)의 단위 주기의 제2 굴절률층(132)은 이중층(120)의 제2 굴절률층(122)으로부터 하부 적층 방향으로 상기 단위 두께씩 점진적으로 변화될 수 있다.
따라서, 유전체 거울 구조물(140)의 제1 굴절률층(121, 131)은 다중층(140)의 제1 굴절률층(121)부터 하부 적층 방향으로 상기 단위 두께씩 점진적으로 변화하고, 유전체 거울 구조물(140)의 제2 굴절률층(122, 132)은 이중층(120)의 제2 굴절률층(122)부터 하부 적층 방향으로 상기 단위 두께씩 점진적으로 변화할 수 있다.
예를 들면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울은 사파이어 기판 하면에 형성되는 유전체 거울 구조물(140) 및 제1 절연층(150)을 포함할 수 있고, 유전체 거울 구조물(140)은 실리콘 산화물을 사용하는 제1 굴절률층(121, 131) 및 티타늄 산화물을 사용하는 제2 굴절률층(122,132)을 단위 주기로 하여 8 주기의 적층 주기를 가질 수 있다.
보다 구체적으로, 유전체 거울 구조물(140)은 525nm의 두꺼운 두께(DDL1)를 갖는 제1 굴절률층(121) 및 45nm의 두께(DDH1)를 갖는 제2 굴절률층(122)을 제1 주기(P1)로 포함하는 이중층(120)을 포함하고, 이중층(120)의 하면에는 하부 적층 방향으로 1nm의 단위 두께씩 점진적으로 변화하는 적어도 하나 이상의 적층 주기(P2, …)를 갖는 다중층(130)을 포함할 수 있다.
이중층(120)의 제1 굴절률층(121)의 두께(DDL1)는 (2m+1)λ/4n1에 의해 계산될 수 있고, 450nm의 파장(λ)에서 실리콘 산화물이 1.5의 굴절률(n1)을 갖기 때문에, m으로 3을 사용되면, 이중층(120)의 제1 굴절률층(121)의 두께(DDL1)는 525nm일 수 있다. 또한, 이중층(120)의 제2 굴절률층의 두께(DDH1)는 λ/4n2에 의해 계산될 수 있고, 티타늄 산화물이 450nm의 파장에서 2.5의 굴절률 (n2)을 갖기 때문에, 이중층(120)의 제2 굴절률층의 두께(DDH1)는 45nm일 수 있다.
다중층(130)은 제2 주기(P2) 내지 제8 주기를 포함할 수 있고, 다중층(130)의 제2 주기(P2)의 제1 굴절률층(131, DML1)은 76nm로 형성될 수 있고, 다중층(130)의 제2 주기(P2)의 제2 굴절률(132, DMH1)는 46nm의 두께로 형성될 수 있다. 다중층(130)의 제2 주기(P2)의 제1 굴절률층(131, DML1)은 이미 (2m+1)λ/4n1를 만족하므로, 다중층(130)의 제2 주기(P2)의 제1 굴절률층(131)은 'λ/4n1 + 단위두께'를 갖도록 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 다중층(130)의 제1 굴절률층(131)의 두께(DML1)는 λ/4n1에 의해 계산될 수 있고, 450nm의 파장에서 실리콘 산화물이 1.5의 굴절률(n1)을 갖기 때문에, 75nm + 단위 두께 = 76 nm로 형성될 수 있고, 다중층(130)의 제2 굴절률층(132)의 두께(DMH1)는 이중층(120)의 제2 굴절률층(122)의 두께(DDH1)에서 1nm의 단위 두께만큼 증가되기 때문에 46nm의 두께로 형성될 수 있다.
또한, 다중층(130)은 하부 적층 방향으로 1nm의 단위 두께씩 점진적으로 증가하기 때문에, 제3 주기의 제1 굴절률층의 두께(DML2)는 77nm로 형성되고, 제3 주기의 제2 굴절률층의 두께(DMH2)는 47nm로 형성되며, 제4 주기의 제1 굴절률층의 두께(DML3)는 78nm로 형성되고, 제4 주기의 제2 굴절률층의 두께(DMH3)는 48nm로 형성되며, 주기가 증가할수록 단위 두께씩 증가하기 때문에 제8 주기의 제1 굴절률층의 두께(DML7)는 82nm로 형성되고, 제8 주기의 제2 굴절률층의 두께(DMH7)는 52nm로 형성될 수 있다.
실시예에 따라, 다중층(130)의 제2 주기(P2)의 제1 굴절률층(131, 첫번째층)의 두께(DML1)는 λ/4n1에 의해 계산될 수 있고, 450nm의 파장에서 실리콘 산화물이 1.5의 굴절률(n1)을 갖기 때문에, 75nm로 형성될 수 있으며, 다중층(130)의 제2 주기(P2)의 제2 굴절률층(132, 첫번째층)의 두께(DMH1)는 λ/4n2에 의해 계산될 수 있고, 티타늄 산화물이 450nm의 파장에서 2.5의 굴절률 (n2)을 갖기 때문에, 다중층(130)의 제2 굴절률층(132, 첫번째층)의 두께(DDH1)는 45nm일 수 있다. 따라서, 이후 형성되는, 제3 주기부터 단위 두께씩 증가하여 제8 주기의 제1 굴절률층의 두께(DML7)는 81nm로 형성되고, 제8 주기의 제2 굴절률층의 두께(DMH7)는 51nm로 형성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울은 ~500 nm의 파장에 이르기까지 모든 입사각에 대하여 높은 반사율 특성을 유지할 수 있어, 발광 소자(LED)와 같이 일정한 반치폭의 스펙트럼을 갖는 광원에 응용될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울은 모든 입사각 0° 내지 90°에 대해 ~100%에 가까운 반사율을 나타낼 수 있다.
유전체 거울 구조물(140)은 하면에 형성되는 제1 절연층(150)을 포함한다.
제1 절연층(150)은 10㎛ 이상의 두께로 형성될 수 있고, 제1 절연층(150)의 두께가 10㎛ 미만이면 유전체 거울 구조물(140)과 절연체 하단에 위치한 금속 거울 사이의 간섭 현상으로 인하여 특정 입사각에서 반사율이 오히려 감소하는 문제가 있다.
구체적으로, 제1 절연층(150)의 두께는 입사되는 빛의 가간섭성 길이보다 두껍게 형성할 수 있고, 레이저를 제외한 일반적인 광원의 가간섭 길이는 최소 10㎛ 이상이므로, 제1 절연층(150)의 두께는 10㎛ 이상의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
제1 절연층(150)은 상단에 위치한 유전체 거울 구조물(140)과 금속 거울 사이의 간섭을 방지할 수 있다.
또한, 제1 절연층(150)은 접촉하고 있는 유전체 거울 구조물(140)의 굴절률보다 작게 형성하여 전반사 효과를 강화할 수 있다.
제1 절연층(150)은 실리콘 젤, 폴리이미드(polyimide; PI), 벤조사이클로부텐인(benzocyclobutene) 및 퍼플루오로시클로부탄(perfluorocyclobutane) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울은 증착 기술면에서 각 층마다 1nm 정도의 정확성으로 두께를 제어하는 것이 가능하므로, 단순한 증착 공정을 이용하여 고반사율을 갖는 전방향 유전체 거울을 형성할 수 있다.
도 1b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전방향 유전체 거울을 도시한 단면도이다.
도 1b는 금속 거울(160)을 더 포함하는 것을 제외하면 도 1a에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울과 동일한 구성을 포함하고 있으므로, 동일한 구성 요소에 대한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전방향 유전체 거울은 반도체 소자의 기판(110)의 하면에 형성되고, 제1 굴절률층(121, 131) 및 제2 굴절률층(122, 132)을 단위 주기로 하여 적층 주기를 갖는 유전체 거울 구조물(140), 유전체 거울 구조물의 하면(140)에 형성되는 제1 절연층(150) 및 제1 절연층(150)의 하면에 형성되는 금속 거울(160)을 포함한다.
유전체 거울 구조물(140)은 적층 주기의 제1 주기(P1)로서, 단위 주기의 제1 굴절률층(121)이 제2 굴절률층(122)보다 상대적으로 큰 두께를 갖는 이중층(230) 및 이중층(120)의 하부 적층 방향으로 형성되고, 단위 주기의 제1 굴절률층(131) 및 제2 굴절률층(132)의 두께가 하부 적층 방향으로 단위 두께씩 점진적(Gradually)으로 변화하는 적어도 하나 이상의 적층 주기(P2, …)를 갖는 다중층(130)을 포함한다.
또한, 이중층(120)의 제1 굴절률층(121)의 두께는 다중층(130)의 제1 굴절률층(131)의 두께보다 두꺼울 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전방향 유전체 거울은 유전체 거울 구조물(140)의 하면에 금속 거울(160)을 도입하여 편광 및 모든 입사각에 대한 반사율을 증가시킬 수 있다.
일반적인 거울은 TM 편광의 빛에 대해 특정 입사각(브루스터 각도) 이하에서 투과 특성이 강하게 나타나는 문제가 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울은 TM 편광 또한 모든 입사각에 대해 100% 반사율을 나타내기 위해서 두꺼운 제1 절연층(150)과 금속 거울(160)을 유전체 거울 구조물(140) 하단에 부착함으로써, TE(Transverse Electric) 뿐만 아니라 TM(Transverse Magnetic) 편광의 빛에 대해 입사각에 무관하게 넓은 파장 범위에서 100% 거울 특성을 나타낼 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전방향 유전체 거울은 유전체 거울 구조물(140) 및 금속 거울(160) 사이에 두꺼운 제1 절연층(150)을 형성하여 금속 거울(160)에 의한 간섭 현상을 제거하여 광 손실이 최소화시킬 수 있다.
유전체 거울 구조물(140) 및 금속 거울(160) 사이에 형성되는 제1 절연층(150)은 기판(110)에 도달하는 광의 가간섭성 길이 이상의 두께를 가질 수 있어, 제1 절연층(150)은 금속 거울(160)의 간섭 현상을 감소시켜 광 효율을 개선시킬 수 있다.
제1 절연층(150)은 10㎛ 이상의 두께로 형성될 수 있고, 제1 절연층(150)의 두께가 10㎛ 미만이면 유전체 거울 구조물(140)과 절연체 하단에 위치한 금속 거울 사이의 간섭 현상으로 인하여 특정 입사각에서 반사율이 오히려 감소하는 문제가 있다.
구체적으로, 제1 절연층(150)의 두께는 입사되는 빛의 가간섭성 길이보다 두껍게 형성할 수 있고, 레이저를 제외한 일반적인 광원의 가간섭 길이는 최소 10㎛ 이상이므로, 제1 절연층(150)의 두께는 10㎛ 이상의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 제1 절연층(150)은 접촉하고 있는 유전체 거울 구조물(140)의 굴절률보다 작게 형성하여 전반사 효과를 강화할 수 있다.
만약, 제1 절연층(150) 없이 유전체 거울 구조물(140)과 금속 거울(160)이 바로 연결되면, 특정 입사각에서 간섭에 의해 금속 거울의 흡수율이 증가하여 반사율이 급감하는 현상인 Tamm 공명이 발생한다.
그러나, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전방향 유전체 거울은 제1 절연층(150)은 상단에 위치한 유전체 거울 구조물(140)과 금속 거울(160) 사이의 간섭을 방지할 수 있다.
또한, 제1 절연층(150)은 유전체 거울 구조물(140)과 금속 거울(160)의 접착력을 증가시킬 수 있다.
제1 절연층(150)과 금속 거울(160) 사이에 전반사 효과를 최대화하기 위해 제1 절연층(150)보다 굴절률이 작고, 금속 거울(160)에 의한 광손실을 최소화하는 제2 절연층(미도시)을 더 포함할 수 있다.
제2 절연층(미도시)는 유전체 거울 구조물(140) 및 금속 거울(160)의 혼합 거울 구조에서 두꺼운 제1 절연층(150)을 사용함으로써 발생하는 특정 입사각에서의 광흡수 손실을 감소시켜 광 효율을 개선시킬 수 있다.
제2 절연층(미도시)은 제1 굴절률층(121, 131) 및 제2 굴절률층(122, 132)의 물질과 동일하게, 산소(O), 질소(N) 및 불소(F) 중 적어도 어느 하느를 포함하는 세라믹(ceramic)을 포함할 수 있다.
금속 거울(160)의 성분은 은(Ag), 알루미늄(Al), 인듐(In), 주석(Sn), 금(Au), 백금(Pt), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 납(Pb), 팔라듐(Pd), 게르마늄(Ge), 구리(Cu), 니켈(Ni) 및 Ag 합금(Ag, Pd, Cu alloy) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전방향 유전체 거울의 반사 과정을 도시한 단면도이다.
도 2에서, TSR(Transmittance from Sapphire to Resin)은 기판에서 제1 절연층(150)으로의 투과율이고, TRS(Transmittance from Resin to Sapphire)는 제1 절연층(150)에서 기판으로의 투과율이며, Rag(Reflectance from Resin to Ag mirror)는 제1 절연층(150)에서 금속 거울(160)로의 반사율이고, RRS(Reflectance from Resin to Sapphire)는 제1 절연층(150)에서 기판(110)으로의 반사율이다.
도 2 및 식 1 내지 식 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전방향 유전체 거울의 총 반사율은 처음 유전체 거울 구조물(140)에서 반사된 빛과 투과된 빛이 금속 거울(160)을 만나 반사되어 되돌아오는 빛의 단순 합으로 결정될 수 있다.
따라서, 최하단 부분에 금속 거울(160)을 형성하면 모든 입사각에 대한 TM 편광의 반사율을 월등히 증가시킬 수 있다.
식 1은 등비수열의 첫 항(first term)을 의미하고, 식 2는 등비수열의 공비(common ratio)를 의미하며, 식 3은 금속 거울에서 반사되는 총 반사율(total sum)을 의미한다.
[식 1]
[식 2]
여기서, r은 0<r<1이다.
[식 3]
본 발명의 다른 실시예에 따른 전방향 유전체 거울은 두꺼운(입사 광원의 가간섭성 길이보다 긴) 제 1 절연층(150)이 도입되면, 유전체 거울 구조물(140)을 통과한 빛이 제1 절연층(150) 하단의 금속 거울(160)에서 반사하는 상황을 계산할 때, 더 이상 빛의 위상 정보(보강간섭, 상쇄간섭)를 고려하지 않아도 된다.
따라서, 제1 절연층(150) 하단의 금속 거울(160)에서 반사되는 빛의 총 합은 부분 반사파에 대한 등비수열로 표현된다.
도 3은 반도체 소자를 도시한 단면도이다.
기판(110)의 상면에 형성되는 반도체 소자는 발광 소자(LED), 유기발광소자(OLED) 및 태양전지(solar cell) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
바람직하게, 반도체 소자는 발광 소자가 사용될 수 있고, 보다 바람직하게 청색 측면형 InGaN/GaN 발광 소자가 사용될 수 있다.
발광 소자는 기판(210) 상에 형성되는 제1 도전형 반도체층(220), 제1 도전형 반도체층(220) 상에 형성되는 활성층(230), 활성층(230) 상에 형성되는 제2 도전형 반도체층(240), 제1도전형 반도체층(220) 상에 형성되는 제1 전극(250) 및 제2 도전형 반도체층(240) 상에 형성되는 제2전극(260)을 포함할 수 있다.
기판(210)은 사파이어(Al2O3), SiC, GaAs, GaN, ZnO, Si, GaP, InP 및 Ge 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있으나, 이에 대해 제한되지는 않는다.
제1 도전형 반도체층(220)은 반도체 화합물로 형성될 수 있고, 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있고, 제1 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(220)이 n형 반도체층인 경우, 제1 도전형 도펀트는 n형 도펀트로서, Si, Ge, Sn, Se 및 Te 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나 이에 대해 제한되지는 않는다.
제1 도전형 반도체층(220)은 화학증착방법(CVD), 분자선 에피택시(MBE), 스퍼터링 및 수산화물 증기상 에피택시(HVPE) 중 적어도 어느 하나의 방법을 사용하여 n형 GaN층을 형성할 수 있다. 또한, 제1 도전형 반도체층(220)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2) 및 실리콘(Si)과 같은 n 형 불순물을 포함하는 실란 가스(SiH4)가 주입되어 형성될 수 있다.
활성층(230)은 제1 도전형 반도체층(220)을 통해서 주입되는 전자와 이후 형성되는 제2 도전형 반도체층(240)을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 활성층(발광층) 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다.
활성층(230)은 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물 구조(MQW: Multi Quantum Well), 양자 선(Quantum-Wire) 구조 및 양자 점(Quantum Dot) 구조 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다. 예를 들어, 활성층(140)은 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2) 및 트리메틸 인듐 가스(TMIn)가 주입되어 다중 양자우물구조가 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
활성층(230)의 우물층/장벽층은 InGaN/GaN, InGaN/InGaN, GaN/AlGaN, InAlGaN/GaN, GaAs(InGaAs)/AlGaAs, GaP(InGaP)/AlGaP 중 적어도 어느 하나 이상의 페어 구조로 형성될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다. 활성층(230)의 우물층은 장벽층의 밴드 갭보다 낮은 밴드 갭을 갖는 물질로 형성될 수 있다.
제2 도전형 반도체층(240)은 활성층(230)에 형성되고, 제2 도전형 반도체층(240)은 반도체 화합물로 형성될 수 있고, 3족-5족, 2족-6족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있고, 제2 도전형 도펀트가 도핑될 수 있다.
예를 들어, 제2 도전형 반도체층(240)은 InxAlyGa1-x-yN(0≤x=1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 제2 도전형 반도체층(240)이 p형 반도체층인 경우, 제2도전형 도펀트는 p형 도펀트로서, Mg, Zn, Ca, Sr 및 Ba 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제2 도전형 반도체층(240)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH3), 질소 가스(N2) 및 마그네슘(Mg)과 같은 p 형 불순물을 포함하는 비세틸 사이클로 펜타디에닐 마그네슘(EtCp2Mg){Mg(C2H5C5H4)2}가 주입되어 p형 GaN층이 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
바림직하게, 제1 도전형 반도체층(220)은 n형 반도체층, 제2 도전형 반도체층(240)은 p형 반도체층으로 구현할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한 제2 도전형 반도체층(240) 위에는 제2 도전형과 반대의 극성을 갖는 반도체 예컨대 n형 반도체층(미도시)을 형성할 수 있다.
제1 전극(250)은 제2 도전형 반도체층(240), 활성층(230) 및 제1 도전형 반도체층(220)의 일부를 식각하여, 제1 도전형 반도체층(220) 상에 형성될 수 있다. 제2 전극(260)은 제2 도전형 반도체층(240) 상에 형성될 수 있다.
제1 전극(250) 및 제2 전극(260)은 일반적으로 사용되는 다양한 전극 물질이 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 전방향 유전체 거울은 반도체 소자가 형성되지 않은 기판(210)의 후면에 형성될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예들에 따른 전방향 유전체 거울은 편광 또는 입사각에 무관하게 넓은 파장 범위에서 100% 거울 특성을 구현하여 기판(210)의 후면으로 방출되거나 흡수되는 광을 감소시켜 발광소자의 광 효율을 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울의 입사각(Incidence of angle)에 따른 단위 두께(△)별 반사율(Reflectance)을 도시한 그래프이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울의 단위 두께가 증가할수록, 반사율이 증가하는 것을 알 수 있고, 입사각을 고려하였을 때, 단위 두께가 0.5nm 내지 3.0nm의 범위에서 전방향에 대해 80% 이상의 반사율을 나타내는 것을 알 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울은 단위 두께가 0.5nm 내지 1.5nm의 범위에서 전방향에 대한 반사율이 더욱 증가하였고, 단위 두께가 1nm일 때 전방향에 대한 반사율이 가장 좋다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울의 입사각에 따른 입사각(θ)별 반사율을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울의 단위 두께는 1nm로 하였다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울은 이중층의 제1 굴절률층, 이중층의 제2 굴절률층, 다중층의 제1 굴절률층 및 다중층의 제2 굴절률층의 두께가 (λ/4 n)에서 (λ/4 n)cosθ로 감소하고, θ가 20°까지 증가될 때 높은 반사율을 나타내는 것을 알 수 있다.
또한, θ가 증가하면 수직 각도 주위의 반사율은 저하되지만 큰 각도에서의 투과율은 100%에 더욱 근접하게 증가되는 것을 알 수 있다.
도 6은 청색 InGaN/GaN LED의 스펙트럼을 고려하였을 때의 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울의 입사각에 따른 반사율을 도시한 그래프이다.
도 6은 빛의 공기 매질에서의 중심 파장은 λ = 450 nm이고, TM 편광을 가정하였다.
도 6에서 종래의 DBR(Conventional DBR)은 제1 굴절률층 및 제2 굴절률층을 교대로 다층 포함하는 일반적인 유전체 거울이고, 앵글 튠 DBR(Angle tuned DBR)은 특정 각도 이상에서 전반사 효과를 극대화시키도록 조절된 유전체 거울이고, 디커플드 앵글 튠 DBR(Decoupled Angle tuned DBR)은 두꺼운 제1 굴절률층을 포함하는 유전체 거울이고, 디커플드 그래듀얼리 앵글튠 DBR(Decoupled Gradually Angle tuned DBR)은 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울은 모든 입사각(0° 내지 90°)에서 ~100%에 가까운 반사율을 나타내는 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울의 입사각에 따른 파장(λ) 별 반사율을 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울의 가시광선 전체 파장 영역 내에서의 입사각 별 반사율을 도시한 그래프이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울은 단일 파장의 빛뿐만 아니라 넓은 범위의 파장 대역에서 동일하게 고반사율 특성을 유지하는 것을 알 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울은 ~500 nm의 파장에 이르기까지 모든 입사각에 대하여 높은 반사율 특성을 유지할 수 있어, 발광 소자(LED)와 같이 일정한 반치폭의 스펙트럼을 갖는 광원에 응용될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울의 입사각에 따른 반사율을 도시한 그래프이다.
도 9는 빛의 공기 매질에서의 중심 파장은 λ= 450 nm이고, TM 편광을 가정하였다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울은 모든 입사각에 대하여 높은 반사율 특성을 갖는 것을 알 수 있다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울이 TM 편광에서는 전방향 거울 특성을 나타내지 못하는 것을 알 수 있다.
TM 편광은 브루스터(Brewster) 각도(입사한 빛이 100% 투과하는 입사각)가 존재하는 편광으로 TE 편광에 비해 투과 특성이 강한 편광이다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전방향 유전체 거울을 포함하더라도 TM 편광의 투과율이 TE 편광의 투과율보다 강하게 나타난다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전방향 유전체 거울의 입사각에 따른 반사율을 도시한 그래프이다.
도 10은 빛의 공기 매질에서의 중심 파장은 λ = 450 nm이고, TM 편광을 가정하였다.
도 10을 참조하면, 두꺼운 제1 절연층의 하부에 금속 거울을 도입함으로써, 모든 입사각에 대해 반사율이 증가되는 것을 할 수 있다.
특히, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전방향 유전체 거울은 TE 및 TM 편광 모두에 대해서 전방향 거울 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.
도 11은 제2 절연층(Dielectric layer)을 포함하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전방향 유전체 거울의 입사각에 따른 반사율을 도시한 그래프이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전방향 유전체 거울의 제2 절연층의 두께(Additional Layer Thickness)에 따른 반사율(Re)을 도시한 그래프이다.
도 12a는 n=1.3의 굴절률을 갖는 제2 절연층의 도입하였고, 도 12b는 n=1.4 의 굴절률을 갖는 제2 절연층을 도입하였다.
도 11 및 도 12는 빛의 공기 매질에서의 중심 파장은 λ = 450 nm이고, TM 편광을 가정하였다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전방향 유전체 거울은 제1 절연층과 금속 거울 사이에 특정 두께의 다른 굴절률, 특히, 제1 절연층의 굴절률(n=1.5)보다 작은 제2 절연층을 형성함으로써 TM 편광에 대한 입사각별 반사율이 추가적으로 향상되는 것을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
P1: 제1 주기 P2: 제2 주기
110: 기판 120: 이중층
121: 제1 굴절률층 122: 제2 굴절률층
130: 다중층 131: 제1 굴절률층
132: 제2 굴절률층 140: 유전체 거울 구조물
150: 제1 절연층 160: 금속 거울
210: 기판 220: 제1 도전형 반도체층
230: 활성층 240: 제2 도전형 반도체층
250: 제1 전극 260: 제2 전극
110: 기판 120: 이중층
121: 제1 굴절률층 122: 제2 굴절률층
130: 다중층 131: 제1 굴절률층
132: 제2 굴절률층 140: 유전체 거울 구조물
150: 제1 절연층 160: 금속 거울
210: 기판 220: 제1 도전형 반도체층
230: 활성층 240: 제2 도전형 반도체층
250: 제1 전극 260: 제2 전극
Claims (18)
- 반도체 소자의 기판의 하면에 형성되고, 제1 굴절률층 및 제2 굴절률층을 단위 주기로 하여 적층 주기를 갖는 유전체 거울 구조물; 및
상기 유전체 거울 구조물의 하면에 형성되는 제1 절연층
을 포함하고,
상기 유전체 거울 구조물은
상기 적층 주기의 제1 주기로서, 단위 주기의 상기 제1 굴절률층이 제2 굴절률층보다 상대적으로 큰 두께를 갖는 이중층; 및
상기 이중층의 하부 적층 방향으로 형성되고, 상기 단위 주기의 제1 굴절률층 및 제2 굴절률층의 두께가 상기 하부 적층 방향으로 단위 두께씩 점진적(Gradually)으로 변화하는 적어도 하나 이상의 적층 주기를 갖는 다중층
을 포함하는 것을 특징으로 하는 전방향 유전체 거울.
- 제1항에 있어서,
상기 다중층의 단위 주기의 제2 굴절률층은 상기 이중층의 제2 굴절률층으로부터 상기 하부 적층 방향으로 상기 단위 두께씩 점진적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 전방향 유전체 거울.
- 제1항에 있어서,
상기 이중층의 제1 굴절률층의 두께는 상기 다중층의 제1 굴절률층의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 전방향 유전체 거울.
- 제1항에 있어서,
상기 이중층의 제1 굴절률층은 (2m+1)λ/4n1의 두께를 가지고, 상기 이중층의 제2 굴절률층은 λ/4n2의 두께를 가지며,
상기 λ는 상기 기판에 도달하는 광의 공기 매질에서의 중심 파장이고, 상기 n1 은 상기 제1 굴절률층의 굴절률이며, 상기 n2 는 상기 제2 굴절률층의 굴절률이고, 상기 n1 은 상기 n2 보다 작으며, 상기 m은 자연수인 것을 특징으로 하는 전방향 유전체 거울.
- 제4항에 있어서,
상기 다중층의 첫번째 제1 굴절률층은 λ/4n1에서 상기 단위두께만큼 변화된 두께를 가지고, 상기 다중층의 첫번째 제2 굴절률층은 λ/4n2의 두께에서 상기 단위두께만큼 변화된 두께를 가지며,
상기 λ는 상기 기판에 도달하는 광의 공기 매질에서의 중심 파장이고, 상기 n1은 상기 제1 굴절률층의 굴절률이고, 상기 n2는 상기 제2 굴절률층의 굴절률이며, 상기 n1 은 상기 n2 보다 작은 것을 특징으로 하는 전방향 유전체 거울.
- 제4항에 있어서,
상기 다중층의 첫번째 제1 굴절률층은 λ/4n1의 두께를 가지고, 상기 다중층의 첫번째 제2 굴절률층은 λ/4n2의 두께를 가지며,
상기 λ는 상기 기판에 도달하는 광의 공기 매질에서의 중심 파장이고, 상기 n1은 상기 제1 굴절률층의 굴절률이고, 상기 n2는 상기 제2 굴절률층의 굴절률이며, 상기 n1 은 상기 n2 보다 작은 것을 특징으로 하는 전방향 유전체 거울.
- 제1항에 있어서,
상기 이중층의 제1 굴절률층은 (λ/4n1)cosθ*(2m+1)의 두께를 가지고, 상기 제2 굴절률층은 (λ/4n2)cosθ의 두께를 가지며,
상기 λ는 상기 기판에 도달하는 광의 공기 매질에서의 중심 파장이고, 상기 n1은 상기 제1 굴절률층의 굴절률이며, 상기 n2는 상기 제2 굴절률층의 굴절률이고, 상기 n1 은 상기 n2 보다 작으며, θ는 입사각이고, 상기 θ는 0≤θ≤20이며, 상기 m은 자연수인 것을 특징으로 하는 전방향 유전체 거울.
- 제7항에 있어서,
상기 다중층의 첫번째 제1 굴절률층은 (λ/4n1)cosθ에서 상기 단위두께만큼 변화된 두께를 가지고, 상기 다중층의 첫번째 제2 굴절률층은 (λ/4n2)cosθ의 두께에서 상기 단위두께만큼 변화된 두께를 가지며,
상기 λ는 상기 기판에 도달하는 광의 공기 매질에서의 중심 파장이고, 상기 n1은 상기 제1 굴절률층의 굴절률이며, 상기 n2는 상기 제2 굴절률층의 굴절률이고, 상기 n1 은 상기 n2 보다 작으며, θ는 입사각이고, 상기 θ는 0≤θ≤20인 것을 특징으로 하는 전방향 유전체 거울.
- 제7항에 있어서,
상기 다중층의 첫번째 제1 굴절률층은 (λ/4n1)cosθ의 두께를 가지고, 상기 다중층의 첫번째 제2 굴절률층은 (λ/4n2)cosθ의 두께를 가지며,
상기 λ는 상기 기판에 도달하는 광의 공기 매질에서의 중심 파장이고, 상기 n1은 상기 제1 굴절률층의 굴절률이며, 상기 n2는 상기 제2 굴절률층의 굴절률이고, 상기 n1 은 상기 n2 보다 작으며, θ는 입사각이고, 상기 θ는 0≤θ≤20인 것을 특징으로 하는 전방향 유전체 거울.
- 제1항에 있어서,
상기 이중층의 제1 굴절률층의 굴절률은 상기 기판의 굴절률보다 낮은 것을 특징으로 하는 전방향 유전체 거울.
- 제1항에 있어서,
상기 단위 두께는 0.5nm 내지 3nm의 범위인 것을 특징으로 하는 전방향 유전체 거울.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 굴절률층 및 상기 제2 굴절률층은 산소(O), 질소(N), 불소(F) 를 포함하는 세라믹(ceramic) 중 적어도 어느 하나를 포함 하는 것을 특징으로 하는 전방향 유전체 거울.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1 절연층은 실리콘 젤, 폴리이미드(polyimide; PI), 벤조사이클로부텐인(benzocyclobutene) 및 퍼플루오로시클로부탄(perfluorocyclobutane) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전방향 유전체 거울.
- 반도체 소자의 기판의 하면에 형성되고, 제1 굴절률층 및 제2 굴절률층을 단위 주기로 하여 적층 주기를 갖는 유전체 거울 구조물;
상기 유전체 거울 구조물의 하면에 형성되는 제1 절연층; 및
상기 제1 절연층의 하면에 형성되는 금속 거울
을 포함하고,
상기 유전체 거울 구조물은
상기 적층 주기의 제1 주기로서, 단위 주기의 상기 제1 굴절률층이 제2 굴절률층보다 상대적으로 큰 두께를 갖는 이중층; 및
상기 이중층의 하부 적층 방향으로 형성되고, 상기 단위 주기의 제1 굴절률층 및 상기 제2 굴절률층의 두께가 상기 하부 적층 방향으로 단위 두께씩 점진적(Gradually)으로 변화하는 적어도 하나 이상의 적층 주기를 갖는 다중층
을 포함하는 것을 특징으로 하는 전방향 유전체 거울.
- 제15항에 있어서,
상기 제1 절연층은 10㎛ 이상의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 전방향 유전체 거울.
- 제15항에 있어서,
상기 제1 절연층과 상기 금속 거울 사이에 상기 제1 절연층보다 굴절률이 작고, 상기 금속 거울에 의한 광손실을 최소화하는 제2 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전방향 유전체 거울.
- 제15항에 있어서,
상기 금속 거울은 은(Ag), 알루미늄(Al), 인듐(In), 주석(Sn), 금(Au), 백금(Pt), 아연(Zn), 티타늄(Ti), 납(Pb), 팔라듐(Pd), 게르마늄(Ge), 구리(Cu), 니켈(Ni) 및 Ag 합금 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전방향 유전체 거울.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170112652A KR101913961B1 (ko) | 2017-09-04 | 2017-09-04 | 전방향 유전체 거울 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170112652A KR101913961B1 (ko) | 2017-09-04 | 2017-09-04 | 전방향 유전체 거울 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101913961B1 true KR101913961B1 (ko) | 2018-10-31 |
Family
ID=64099910
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020170112652A KR101913961B1 (ko) | 2017-09-04 | 2017-09-04 | 전방향 유전체 거울 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101913961B1 (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101289442B1 (ko) * | 2012-03-02 | 2013-07-24 | 일진엘이디(주) | 분포 브래그 반사기를 포함하는 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법 |
-
2017
- 2017-09-04 KR KR1020170112652A patent/KR101913961B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101289442B1 (ko) * | 2012-03-02 | 2013-07-24 | 일진엘이디(주) | 분포 브래그 반사기를 포함하는 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조 방법 |
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