KR20080093558A - Nitride light emitting device - Google Patents
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Description
도 1은 발광 소자의 광 추출효율을 위한 구조의 일례를 나타내는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing an example of a structure for light extraction efficiency of a light emitting device.
도 2는 도 1의 반구의 굴절률 증가에 따른 추출효율을 나타내는 그래프이다.FIG. 2 is a graph showing extraction efficiency with increasing refractive index of the hemisphere of FIG. 1.
도 3은 광결정 구조를 가지는 수평형 발광 소자의 일 실시예를 나타내는 단면도이다.3 is a cross-sectional view illustrating an embodiment of a horizontal light emitting device having a photonic crystal structure.
도 4는 광결정 구조를 가지는 수직형 발광 소자의 일 실시예를 나타내는 단면도이다.4 is a cross-sectional view showing an embodiment of a vertical light emitting device having a photonic crystal structure.
도 5는 컴퓨터 전산모사를 위한 수직형 발광 소자 구조의 일례를 나타내는 단면도이다.5 is a cross-sectional view showing an example of a vertical light emitting device structure for computer simulation.
도 6은 도 5의 구조에서 발광층의 흡수율을 표시한 단면도이다.6 is a cross-sectional view illustrating the absorption rate of the light emitting layer in the structure of FIG. 5.
도 7은 발광층이 거울로부터 충분히 먼 경우의 방사 패턴을 나타내는 도이다.7 is a diagram showing a radiation pattern when the light emitting layer is sufficiently far from the mirror.
도 8은 광결정의 주기를 변경하면서 광 추출효율을 조사한 그래프이다.8 is a graph illustrating the light extraction efficiency while changing the period of the photonic crystal.
도 9는 광결정의 홀의 크기에 따른 광 추출효율의 변화를 나타내는 그래프이다.9 is a graph showing a change in light extraction efficiency according to the size of the hole of the photonic crystal.
도 10은 광결정의 식각 깊이에 따른 광 추출효율의 변화를 나타내는 그래프 이다.10 is a graph showing a change in light extraction efficiency according to the etching depth of the photonic crystal.
도 11은 광결정 구조가 전반사 각도에 해당하는 빛을 추출하는 원리를 도시하는 도식도이다.11 is a schematic diagram showing the principle of extracting light corresponding to the total reflection angle of the photonic crystal structure.
도 12는 수평형 발광 소자의 상층부에 광결정을 도입한 구조를 나타내는 단면도이다.12 is a cross-sectional view illustrating a structure in which a photonic crystal is introduced into an upper layer portion of a horizontal light emitting device.
도 13은 패턴이 형성된 기판 상에 형성된 발광 소자 구조를 나타내는 단면도이다.13 is a cross-sectional view showing a light emitting device structure formed on a substrate on which a pattern is formed.
도 14는 광결정과 패턴이 형성된 기판을 동시에 도입한 발광 소자 구조를 나타내는 단면도이다.14 is a cross-sectional view showing a light emitting device structure in which a photonic crystal and a patterned substrate are simultaneously introduced.
도 15는 광결정과 패턴이 형성된 기판에 따라 빛이 진행하는 거리에 따른 광 추출효율의 변화를 나타내는 그래프이다.15 is a graph showing a change in light extraction efficiency according to a distance that light travels along a substrate on which a photonic crystal and a pattern are formed.
도 16은 혼합 주기 광결정을 가지는 발광 소자의 일례를 나타내는 단면도이다.16 is a cross-sectional view showing an example of a light emitting element having a mixed period photonic crystal.
도 17은 도 16과 같은 구조의 평면 전자현미경 사진이다.17 is a planar electron micrograph of the structure shown in FIG. 16.
도 18은 도 16과 같은 구조의 단면 전자현미경 사진이다.18 is a cross-sectional electron micrograph of the structure shown in FIG. 16.
도 19a는 혼합 주기 광결정의 일례를 나타내는 평면도이다.19A is a plan view illustrating an example of a mixing period photonic crystal.
도 19b는 도 19a의 단면도이다.19B is a cross-sectional view of FIG. 19A.
도 20은 혼합 주기 광결정을 도입한 구조의 광 추출효율을 나타내는 그래프이다.20 is a graph showing the light extraction efficiency of the structure in which the mixed period photonic crystal is introduced.
도 21 내지 도 24는 혼합 주기 광결정의 실시예를 나타내는 단면도이다.21 to 24 are cross-sectional views showing examples of the mixing cycle photonic crystal.
도 25는 혼합 주기 광결정을 가지는 수직형 발광 소자의 일 실시예를 나타내는 단면도이다.25 is a cross-sectional view showing an embodiment of a vertical light emitting device having a mixed period photonic crystal.
<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명><Brief description of the main parts of the drawing>
100 : 반도체층 110 : n-형 반도체층100 semiconductor layer 110 n-type semiconductor layer
120 : 발광층 130 : p-형 반도체층120: light emitting layer 130: p-type semiconductor layer
200 : 광결정층 210 : 제1광결정200: photonic crystal layer 210: first photonic crystal
220 : 제2광결정 300 : 반사형 오믹 전극220: second photonic crystal 300: reflective ohmic electrode
400 : 지지층 500 : n-형 전극400: support layer 500: n-type electrode
본 발명은 질화물계 발광 소자에 관한 것으로 특히, 발광 소자의 발광 효율과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광 소자에 관한 것이다.The present invention relates to a nitride-based light emitting device, and more particularly to a nitride-based light emitting device that can improve the luminous efficiency and reliability of the light emitting device.
발광 다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전류를 빛으로 변환시키는 잘 알려진 반도체 발광 소자로서, 1962년 GaAsP 화합물 반도체를 이용한 적색 LED가 상품화 된 것을 시작으로 GaP:N 계열의 녹색 LED와 함께 정보 통신기기를 비롯한 전자장치의 표시 화상용 광원으로 이용되어 왔다.Light Emitting Diodes (LEDs) are well-known semiconductor light emitting devices that convert current into light.In 1962, red LEDs using GaAsP compound semiconductors were commercialized, along with GaP: N series green LEDs. It has been used as a light source for display images of electronic devices, including.
이러한 LED에 의해 방출되는 광의 파장은 LED를 제조하는데 사용되는 반도체 재료에 따른다. 이는 방출된 광의 파장이 가전자대(valence band) 전자들과 전도대(conduction band) 전자들 사이의 에너지 차를 나타내는 반도체 재료의 밴드 갭(band-gap)에 따르기 때문이다. The wavelength of light emitted by such LEDs depends on the semiconductor material used to make the LEDs. This is because the wavelength of the emitted light depends on the band-gap of the semiconductor material, which represents the energy difference between valence band electrons and conduction band electrons.
질화 갈륨 화합물 반도체(Gallium Nitride: GaN)는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭(0.8 ~ 6.2eV)을 가지고 있어, LED를 포함한 고출력 전자부품 소자 개발 분야에서 많은 주목을 받아왔다. Gallium nitride compound semiconductors (Gallium Nitride (GaN)) have high thermal stability and wide bandgap (0.8 to 6.2 eV), which has attracted much attention in the development of high-power electronic components including LEDs.
이에 대한 이유 중 하나는 GaN이 타 원소들(인듐(In), 알루미늄(Al) 등)과 조합되어 녹색, 청색 및 백색광을 방출하는 반도체 층들을 제조할 수 있기 때문이다.One reason for this is that GaN can be combined with other elements (indium (In), aluminum (Al), etc.) to produce semiconductor layers that emit green, blue and white light.
이와 같이 방출 파장을 조절할 수 있기 때문에 특정 장치 특성에 맞추어 재료의 특징들에 맞출 수 있다. 예를 들어, GaN를 이용하여 광기록에 유익한 청색 LED와 백열등을 대치할 수 있는 백색 LED를 만들 수 있다. In this way, the emission wavelength can be adjusted to match the material's characteristics to specific device characteristics. For example, GaN can be used to create white LEDs that can replace incandescent and blue LEDs that are beneficial for optical recording.
이러한 GaN 계열 물질의 이점들로 인해, GaN 계열의 LED 시장이 급속히 성장하고 있다. 따라서, 1994년에 상업적으로 도입한 이래로 GaN 계열의 광전자장치 기술도 급격히 발달하였다.Due to the advantages of these GaN-based materials, the GaN-based LED market is growing rapidly. Therefore, since commercial introduction in 1994, GaN-based optoelectronic device technology has rapidly developed.
상술한 바와 같은 GaN 계열 물질을 이용한 LED의 휘도 또는 출력은 크게, 활성층의 구조, 빛을 외부로 추출할 수 있는 광 추출효율, LED 칩의 크기, 램프 패키지 조립 시 몰드(mold)의 종류 및 각도, 형광물질 등에 의해서 좌우된다.The brightness or output of the LED using the GaN-based material as described above is large, the structure of the active layer, the light extraction efficiency to extract light to the outside, the size of the LED chip, the type and angle of the mold (mold) when assembling the lamp package , Fluorescent material and the like.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 광결정을 가지는 수직형 발광 소자 구조를 형성하여 광 추출효율을 향상시킬 수 있는 질화물계 발광 소자를 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide a nitride based light emitting device capable of improving light extraction efficiency by forming a vertical light emitting device structure having a photonic crystal.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 발광 소자에 있어서, 반도체층 상의 동일 평면 상에 서로 다른 주기를 가지는 적어도 둘 이상의 광결정 구조를 포함하는 광결정층을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.As a first aspect for achieving the above technical problem, the present invention preferably comprises a photonic crystal layer including at least two or more photonic crystal structures having different periods on the same plane on a semiconductor layer in a light emitting device. .
상기 광결정층은, 다수의 홀 패턴 또는 다수의 돌출 입자의 패턴일 수 있고, 이러한 홀 패턴과 돌출 입자가 혼용되어 사용될 수 있다.The photonic crystal layer may be a pattern of a plurality of hole patterns or a plurality of protruding particles, and the hole pattern and the protruding particles may be mixed and used.
상기 광결정층의 주기가 가장 긴 광결정의 주기는 800nm 내지 5000nm일 수 있으며, 이때, 이러한 주기가 가장 긴 광결정을 이루는 패턴의 깊이는 300nm 내지 3000nm인 것이 바람직하다.The period of the photonic crystal layer having the longest period of the photonic crystal layer may be 800 nm to 5000 nm, and in this case, the depth of the pattern forming the longest photonic crystal is preferably 300 nm to 3000 nm.
또한, 상기 광결정층의 주기가 가장 짧은 광결정의 주기는 50nm 내지 1000nm일 수 있으며, 이러한 주기가 가장 짧은 광결정을 이루는 패턴의 깊이는 50nm 내지 500nm인 것이 바람직하다.In addition, the period of the photonic crystal layer with the shortest period of the photonic crystal layer may be 50nm to 1000nm, the depth of the pattern that forms the shortest photonic crystal is preferably 50nm to 500nm.
한편, 상기 광결정층의 주기를 a라 할 때, 상기 광결정층의 광결정을 이루는 홀의 깊이는 0.1a 내지 0.45a인 것이 바람직하다.On the other hand, when the period of the photonic crystal layer is a, the depth of the hole forming the photonic crystal of the photonic crystal layer is preferably 0.1a to 0.45a.
상기 반도체층은, p-형 반도체층과; 상기 p-형 반도체층 상에 위치하는 발광층과; 상기 발광층 상에 위치하는 n-형 반도체층을 포함하여 구성될 수 있고, 광결정층은 n-형 반도체층 상에 형성될 수 있다.The semiconductor layer includes a p-type semiconductor layer; A light emitting layer on the p-type semiconductor layer; The light emitting layer may include an n-type semiconductor layer, and the photonic crystal layer may be formed on the n-type semiconductor layer.
또한, 상기 반도체층의 타측면에는 반사형 오믹 전극층이 위치할 수 있고, 상기 반사형 오믹 전극층 상에는 반도체 또는 금속으로 이루어지는 지지층이 더 포함될 수 있다.In addition, a reflective ohmic electrode layer may be positioned on the other side of the semiconductor layer, and a support layer made of a semiconductor or a metal may be further included on the reflective ohmic electrode layer.
한편, 상기 광결정층은, 제1주기를 가지는 제1광결정과; 상기 제1주기보다 긴 주기를 가지는 제2광결정을 포함하여 구성될 수 있다.On the other hand, the photonic crystal layer, the first photonic crystal having a first period; It may be configured to include a second photonic crystal having a period longer than the first period.
이때, 상기 제1광결정 또는 제2광결정은, 다수의 홀 패턴일 수 있고, 상기 제2광결정층은, 상기 제1광결정을 이루는 다수의 홀에 형성될 수 있다.In this case, the first photonic crystal or the second photonic crystal may have a plurality of hole patterns, and the second photonic crystal layer may be formed in a plurality of holes forming the first photonic crystal.
또한, 상기 제2광결정은, 다수의 돌출 입자로 형성될 수도 있다.In addition, the second photonic crystal may be formed of a plurality of protruding particles.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 제2관점으로서, 본 발명은, 발광 소자에 있어서, 반도체층 상의 동일 평면 상에 주기적인 광결정 구조와, 랜덤 구조를 가지는 광추출 구조를 포함하는 광결정층을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.As a second aspect for achieving the above technical problem, the present invention provides a light emitting device comprising a photonic crystal layer including a periodic photonic crystal structure on the same plane on a semiconductor layer and a light extraction structure having a random structure. It is preferable.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다. While the invention allows for various modifications and variations, specific embodiments thereof are illustrated by way of example in the drawings and will be described in detail below. However, it is not intended to be exhaustive or to limit the invention to the precise forms disclosed, but rather the invention includes all modifications, equivalents, and alternatives consistent with the spirit of the invention as defined by the claims.
동일한 참조번호는 도면의 설명을 통하여 동일한 요소를 나타낸다. 도면들에서 층들 및 영역들의 치수는 명료성을 위해 과장되어있다. 또한 여기에서 설명되는 각 실시예는 상보적인 도전형의 실시예를 포함한다.Like reference numerals denote like elements throughout the description of the drawings. In the drawings the dimensions of layers and regions are exaggerated for clarity. In addition, each embodiment described herein includes an embodiment of a complementary conductivity type.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 표면과 같은 구성 요소의 일부가 '내부(inner)'라고 표현된다면 이것은 그 요소의 다른 부분들 보다도 소자의 외측으로부터 더 멀리 있다는 것을 의미한다고 이해할 수 있을 것이다. When an element such as a layer, region or substrate is referred to as being on another component "on", it will be understood that it may be directly on another element or there may be an intermediate element in between. . If a part of a component, such as a surface, is expressed as 'inner', it will be understood that this means that it is farther from the outside of the device than other parts of the element.
나아가 '아래(beneath)' 또는 '중첩(overlies)'과 같은 상대적인 용어는 여기에서는 도면에서 도시된 바와 같이 기판 또는 기준층과 관련하여 한 층 또는 영역과 다른 층 또는 영역에 대한 한 층 또는 영역의 관계를 설명하기 위해 사용될 수 있다. Furthermore, relative terms such as "beneath" or "overlies" refer to the relationship of one layer or region to one layer or region and another layer or region with respect to the substrate or reference layer, as shown in the figures. Can be used to describe.
이러한 용어들은 도면들에서 묘사된 방향에 더하여 소자의 다른 방향들을 포함하려는 의도라는 것을 이해할 수 있을 것이다. 마지막으로 '직접(directly)'라는 용어는 중간에 개입되는 어떠한 요소가 없다는 것을 의미한다. 여기에서 사용되는 바와 같이 '및/또는'이라는 용어는 기록된 관련 항목 중의 하나 또는 그 이상의 어느 조합 및 모든 조합을 포함한다.It will be understood that these terms are intended to include other directions of the device in addition to the direction depicted in the figures. Finally, the term 'directly' means that there is no element in between. As used herein, the term 'and / or' includes any and all combinations of one or more of the recorded related items.
비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할것이다. Although the terms first, second, etc. may be used to describe various elements, components, regions, layers, and / or regions, such elements, components, regions, layers, and / or regions It will be understood that it should not be limited by these terms.
이러한 용어들은 단지 다른 영역, 층 또는 지역으로부터 어느 하나의 요소, 성분, 영역, 층 또는 지역들을 구분하기 위해 사용되는 것이다. 따라서 아래에서 논의된 제1 영역, 층 또는 지역은 제2 영역, 층 또는 지역이라는 명칭으로 될 수 있다.These terms are only used to distinguish one element, component, region, layer or region from another region, layer or region. Thus, the first region, layer or region discussed below may be referred to as the second region, layer or region.
본 발명의 실시예들은 예를 들어, 사파이어(Al2O3)계 기판과 같은 비도전성 기판상에 형성된 질화갈륨(GaN)계 발광 소자를 참조하여 설명될 것이다. 그러나 본 발명은 이러한 구조에 한정되는 것은 아니다. Embodiments of the present invention will be described with reference to a gallium nitride (GaN) based light emitting device formed on a nonconductive substrate such as, for example, a sapphire (Al 2 O 3 ) based substrate. However, the present invention is not limited to this structure.
본 발명의 실시예들은 도전성 기판을 포함하여 다른 기판을 사용할 수 있다. 따라서 GaP 기판상의 AlGaInP 다이오드, SiC 기판상의 GaN 다이오드, SiC 기판상의 SiC 다이오드, 사파이어 기판상의 SiC 다이오드, 및/또는 GaN, SiC, AlN, ZnO 및/또는 다른 기판상의 질화물계 다이오드 등의 조합이 포함될 수 있다. 더구나 본 발명은 활성영역은 다이오드 영역의 사용에 한정되는 것은 아니다. 또한 활성영역의 다른 형태들이 본 발명의 일부 실시예들에 따라서 사용될 수도 있다.Embodiments of the invention may use other substrates, including conductive substrates. Thus, combinations of AlGaInP diodes on GaP substrates, GaN diodes on SiC substrates, SiC diodes on SiC substrates, SiC diodes on sapphire substrates, and / or GaN, SiC, AlN, ZnO and / or nitride based diodes on other substrates may be included. have. Moreover, the present invention is not limited to the use of the diode region. Other forms of active area may also be used in accordance with some embodiments of the present invention.
반도체 발광 소자(LED)의 추출효율은 빛이 발생하는 반도체 발광층과 최종적으로 빛을 관측하는 매질(공기 또는 에폭시) 사이의 굴절률 차이에 의하여 결정된다. 반도체 매질은 통상적으로 높은 굴절률(n > 2)을 가지므로, 광 추출효율은 대개 수 %에 지나지 않는다. The extraction efficiency of the semiconductor light emitting device (LED) is determined by the difference in refractive index between the semiconductor light emitting layer in which light is generated and the medium (air or epoxy) that finally observes the light. Since the semiconductor medium typically has a high refractive index (n> 2), the light extraction efficiency is usually only a few%.
예를 들어, 질화갈륨(n = 2.4) 기반의 청색 발광 소자의 경우, 외부 물질을 에폭시(n = 1.4)로 가정했을 때 발광 소자의 상층부를 통한 광 추출효율은 약 9% 정도에 불과하다. 이를 제외한 나머지 빛들은, 소자 내부에 전반사 과정에 의해 갇혀 있으면서, 양자우물 층과 같은 흡수층에 의해 소실된다. For example, in the case of a blue light emitting device based on gallium nitride (n = 2.4), assuming that an external material is epoxy (n = 1.4), light extraction efficiency through the upper portion of the light emitting device is only about 9%. The rest of the light is trapped by the total reflection process inside the device, and is lost by an absorbing layer such as a quantum well layer.
이러한 반도체 발광 소자의 추출효율을 개선하기 위해서는 전반사 과정을 겪는 빛들을 외부로 추출할 수 있도록 구조를 변형해야 한다. 이러한 구조 변형 중 가장 단순한 방안은 굴절률이 높은 물질로 이루어진 반구(hemisphere)를 발광 소자 상층부에 덧씌우는 것이다. In order to improve the extraction efficiency of the semiconductor light emitting device, the structure must be modified to extract the light that undergoes total reflection. The simplest of these structural modifications is to overlay a hemisphere made of a material with high refractive index on the upper layer of the light emitting device.
입사각은 빛과 입사면 사이의 각이므로, 반구의 각 점에서는 입사각이 항상 수직이다. 굴절률이 다른 두 매질 사이의 투과율은 입사각이 수직일 때 가장 높으며, 모든 방향에 대해 전반사 각도는 더 이상 존재하지 않게 된다. Since the angle of incidence is the angle between the light and the plane of incidence, the angle of incidence is always perpendicular at each point of the hemisphere. The transmission between two media with different refractive indices is highest when the angle of incidence is perpendicular, and the total reflection angle no longer exists for all directions.
실제로, 반도체 발광 소자의 경우, 에폭시로 이루어진 반구를 씌우게 되는데, 이는 표면 보호의 역할뿐만 아니라 추출효율 향상에도 기여한다. In fact, in the case of a semiconductor light emitting device, hemispheres made of epoxy are covered, which contributes not only to surface protection but also to improving extraction efficiency.
이러한 효과를 더 극명하게 이용하는 방법은, 도 1에서와 같이, 에폭시 층(1)과 반도체 소자(2) 사이에 굴절률이 반도체와 유사한 반구(3)를 추가적으로 도입하는 것이다. 이 경우, 도 2에서 도시하는 바와 같이, 추가로 도입한 반구의 굴절률이 반도체의 굴절률에 접근할수록 추출효율은 점점 증가한다. A further advantage of this effect is the introduction of a hemisphere 3 with a similar refractive index to the semiconductor between the epoxy layer 1 and the
이는 반도체 소자와 추가로 도입한 반구 사이의 임계각이 커졌기 때문이다. 가시광선 영역에서 흡수가 없고, 투명한 물질의 한 예로 TiO2를 제안할 수 있다. 가령, 이 물질로 이루어진 반구를 적색 발광 소자에 적용한다고 가정했을 때, 이론적으로 기존대비 약 3배 이상의 추출효율 향상을 얻을 수 있다. This is because the critical angle between the semiconductor element and the additional introduced hemisphere is increased. As an example of a transparent material having no absorption in the visible light region, TiO 2 may be proposed. For example, assuming that a hemisphere made of this material is applied to a red light emitting device, it is theoretically possible to obtain an extraction efficiency improvement of about 3 times or more.
굴절률이 높은 반구를 추가적으로 도입하는 방법은, 단순하면서도 아주 효과적인 방법이다. 그러나 이러한 방법을 적용하기 위해서는 높은 굴절률을 가지면서, 동시에 빛의 발광 파장 영역에서 흡수가 없는 투명한 물질을 찾아야 한다. The introduction of hemispheres with high refractive indices is a simple and very effective method. However, in order to apply such a method, a transparent material having high refractive index and no absorption in the emission wavelength range of light must be found.
또한, 발광 소자를 충분히 덮을 수 있는 만큼의 크기를 가진 반구를 제작하 고, 이 반구를 부착하는 작업은 난제가 될 수 있다. In addition, manufacturing a hemisphere with a size sufficient to cover the light emitting device, and attaching the hemisphere can be a challenge.
외부 광 추출효율을 개선하는 다른 방법으로는, 발광 구조의 측면을 역 피라미드 모양으로 변형하는 것을 들 수 있다. 이는 발광 소자 내에서 전반사 되면서 옆으로 진행하는 빛이 피라미드 면에서 반사되어 상층부로 나오게 되는 원리를 따른다.Another method of improving the external light extraction efficiency is to deform the side of the light emitting structure into an inverted pyramid shape. This is based on the principle that the light propagating sideways while being totally reflected in the light emitting device is reflected from the pyramid plane and comes out to the upper layer.
그러나 이러한 방법은 소자의 크기가 커질수록 향상 효과가 감소하는 단점이 있다. 이는 빛이 옆으로 진행하면서 필연적으로 동반되는 흡수 손실 때문이다. 따라서 흡수가 있는 실제 구조에서 높은 향상효과를 얻기 위해서는, 빛이 되도록 짧은 경로를 겪은 뒤 외부로 방출되는 것이 중요하다. However, this method has a disadvantage in that the improvement effect decreases as the size of the device increases. This is due to the absorption loss inevitably accompanied by the light traveling sideways. Therefore, in order to obtain a high enhancement effect in the actual structure with absorption, it is important to go to the outside after a short path to light.
이를 위해 전반사 조건을 완화할 수 있는 구조를 발광 소자 내에 도입하는 연구들이 진행되었다. 대표적으로 발광 소자 구조를 공진기 형태로 설계하여 초기부터 특정 방향의 출력을 이끄는 방법, 수 마이크론 크기 이상의 반구형 렌즈를 상층부에 배열하여 임계각을 크게 하는 방법을 들 수 있다. To this end, studies have been conducted to introduce a structure into the light emitting device that can alleviate the total reflection condition. Typically, a light emitting device structure is designed in the form of a resonator to drive output in a specific direction from the beginning, and a method of increasing a critical angle by arranging a hemispherical lens of several microns or more in an upper layer.
그러나 이러한 방법들은 제작상의 난점 등으로 인해 실용화에 이르지는 못하고 있다. 또 다른 방법으로, 발광 소자 출력 부에 빛의 파장 정도의 크기에 해당하는 거친 면을 도입하여 산란 과정을 통해 추출효율을 증대하는 방법이 있다. However, these methods have not been brought to practical use due to manufacturing difficulties. As another method, there is a method of increasing extraction efficiency through a scattering process by introducing a rough surface corresponding to the size of the wavelength of light to the light emitting device output unit.
발광 소자 상층 부에 거친 면을 형성하는 방법은 각 발광 소자를 이루는 물질에 따라 여러 가지 화학적인 공정이 개발되어 있다. 빛이 거친 표면을 만나게 되면 전반사에 해당하는 입사 각도라도 그 중 일부는 투과할 수 있다. In the method of forming the rough surface on the upper portion of the light emitting device, various chemical processes have been developed depending on the material of each light emitting device. When light meets a rough surface, some of the light may pass through even the incident angle corresponding to total reflection.
그러나 한 번의 산란에 의한 투과율은 그리 크지 않으므로, 높은 추출효과를 기대하기 위해서는 같은 산란 과정을 반복적으로 겪어야 한다. 따라서, 발광 소자 내에 흡수가 큰 구성 물질이 존재하는 경우, 거친 면에 의한 추출효율 향상은 그리 효과적이지 않다.However, the transmission by one scattering is not so large, so the same scattering process must be repeated repeatedly in order to expect a high extraction effect. Therefore, when there is a constituent material having a high absorption in the light emitting device, the extraction efficiency improvement by the rough surface is not very effective.
이와 비교하여, 공간적으로 주기적인 굴절률의 배치를 가지는 광결정을 도입하게 되면, 상대적으로 크게 추출효율을 개선할 수 있다. 또한, 적절한 광결정 주기를 선택하게 되면, 발광 소자 출력의 방향성을 조절할 수 있다. 발광 소자의 응용 분야에 따라 의미 있는 시야 각이 다르므로, 각 용도에 어울리는 방향성을 설계하는 것은 중요한 작업이라 할 수 있다. In comparison, when a photonic crystal having a spatially periodic refractive index arrangement is introduced, the extraction efficiency can be improved relatively large. In addition, when the appropriate photonic crystal period is selected, the directivity of the light emitting device output can be adjusted. Since a meaningful viewing angle varies depending on the application field of the light emitting device, it is important to design a directionality suitable for each application.
대면적의 광결정 구현은 홀로그램 식각(holography lithography), 자외선 광 식각(UV photolithography), 나노 임프린트 식각(Nano-imprinted lithography) 등을 활용할 수 있으므로, 실용화에도 용이한 기술이라 할 수 있다.Large-area photonic crystals can be used for holographic lithography, ultraviolet photolithography, nano-imprinted lithography, and the like.
광결정을 통한 발광 소자의 광 추출효율 개선을 위한 노력은 광결정을 이용하여 자발 방출률을 조절할 수 있다는 연구에서 출발한다. Efforts to improve the light extraction efficiency of the light emitting device through the photonic crystal start from the study that the spontaneous emission rate can be controlled by using the photonic crystal.
이후, 광결정이 발광 소자의 추출효율 향상에 기여한다는 것을 분산특성 곡선을 활용해 이론적으로 증명되었고, 광결정이 추출효율 향상에 기여하는 과정은 크게 두 가지로 요약될 수 있다.Thereafter, it has been theoretically proved that the photonic crystal contributes to the extraction efficiency of the light emitting device by using the dispersion characteristic curve, and the process of the photonic crystal to the extraction efficiency can be summarized into two ways.
하나는 광 밴드갭(photonic band-gap) 효과를 이용해 평면 방향의 빛 이동을 차단하여 수직 방향으로 추출하는 것이고, 다른 하나는 분산곡선에서 라이트 콘(light cone) 바깥에 위치한 상태밀도가 높은 모드와 결합하여 외부로 추출하는 것이다. One is to extract light in the vertical direction by blocking the light movement in the planar direction by using the photonic band-gap effect. The other is a state density mode that is located outside the light cone in the dispersion curve. To combine and extract outside.
이러한 두 가지 원리는 광결정의 주기에 따라 독립적으로 적용될 수 있다. 하지만, 광 밴드갭 거울 효과나 분산곡선의 상태밀도가 잘 정의되기 위해서는, 반 파장 정도의 두께를 가지는 얇은 박막이 상하로 높은 굴절률 대비가 있는 상황에서 광결정을 형성할 때 가능하다. These two principles can be applied independently depending on the period of the photonic crystal. However, in order to define the optical band gap mirror effect or the state density of the dispersion curve well, it is possible to form a photonic crystal in a situation where a thin film having a thickness of about half wavelength has a high refractive index contrast up and down.
더군다나, 광결정의 공기 구멍이 발광층을 관통하기 때문에 필연적으로 이득 매질의 손실을 가져오며, 추가적으로 표면 비발광 결합에 의한 내부양자효율의 감소를 피할 수 없다. Furthermore, since the air hole of the photonic crystal penetrates the light emitting layer, it inevitably leads to a loss of the gain medium, and further reduction of the internal quantum efficiency due to surface non-emitting coupling is inevitable.
광 밴드갭 거울 효과나 강한 분산 특성은 일반적인 발광 소자 구조에서는 구현하기 어렵기 때문에 특수한 경우에만 적용되는 방법이라 할 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해서는, 발광 소자의 능동매질을 포함하지 않고, 표면에 국한해서 광결정을 제작하여야 한다.Since the optical bandgap mirror effect or the strong dispersion property is difficult to implement in a general light emitting device structure, it can be said to be applied only in a special case. In order to solve this problem, the photonic crystal should be fabricated only on the surface without including the active medium of the light emitting device.
이 경우, 높은 굴절률 대비가 있는 박막에 광결정을 도입할 때처럼 강한 분산 특성을 활용할 수는 없지만, 일반적인 회절 이론에 따라 전반사에 해당하는 빛이 주기적인 구조와 결합하여 외부로 추출될 수 있다. In this case, strong dispersion characteristics cannot be utilized as in the case of introducing a photonic crystal into a thin film having a high refractive index contrast, but according to general diffraction theory, light corresponding to total reflection can be extracted to the outside in combination with a periodic structure.
현재 광결정과 반도체층의 발광층을 공간적으로 분리하여, 발광층의 특성을 저하시키지 않으면서 추출효율을 개선하고자 하는 노력이 활발하게 진행되고 있다.At present, efforts have been actively made to improve the extraction efficiency by spatially separating the photonic crystal and the light emitting layer of the semiconductor layer without degrading the characteristics of the light emitting layer.
같은 방법으로, InGaAs 양자우물을 채택한 발광 소자 구조에 대해서도 추출효율 향상을 꾀한 예가 있으며, 유기 발광 소자에서 유리 기판 상에 형성된 광결정을 이용하여 외부 광추출 효율을 1.5배 이상 끌어올린 결과가 보고되기도 하였다.In the same way, there is an example in which the extraction efficiency is improved for the light emitting device structure adopting InGaAs quantum well, and the result of increasing the external light extraction efficiency by 1.5 times or more by using the photonic crystal formed on the glass substrate in the organic light emitting device has been reported. .
앞에서 언급한 바와 같이, 주기적인 광결정 구조를 표면에 도입하여 전반사 에 의해 갇혀있는 빛을 회절 과정을 통해 추출하는 방법도 시도되었다. 가령, 200nm 정도의 주기를 가지는 광결정을 p-형 GaN 반도체 표면에 형성하여 추출효율이 증가된 것이 보고되었다.As mentioned above, a method of extracting light trapped by total reflection by introducing a periodic photonic crystal structure to the surface has been attempted. For example, it has been reported that the extraction efficiency is increased by forming a photonic crystal having a period of about 200 nm on the p-type GaN semiconductor surface.
이 외에, GaN 계열 발광 소자의 능동매질 영역까지 광결정을 제작한 뒤, 광 밴드갭 효과를 이용하여 높은 추출효율 향상 효과를 보고한 연구도 있었지만, 입력 전류가 증가하면 추출효율이 낮아지는 단점이 있다. 이는 앞서 지적한 대로, 발광층까지 식각하여 광결정을 도입하게 되면, 특히, 전류-전압 특성이 저하되기 때문이다. In addition, there has been a study that reports a high extraction efficiency improvement effect using the optical band gap effect after fabricating the photonic crystal to the active medium region of the GaN series light emitting device, but the extraction efficiency is lowered as the input current increases . This is because, as pointed out above, when the photonic crystal is introduced by etching the light emitting layer, in particular, the current-voltage characteristic is degraded.
이상을 종합해 볼 때 발광 소자의 외부 광 추출효율을 개선 원리는 구조의 변형을 통해 전반사 조건을 완화하는 방법, 표면에 거친 면을 도입하는 방법, 굴절률 대비가 큰 박막 내에 광결정을 형성하여 광 밴드갭 효과를 이용하는 방법, 광결정과 발광층을 분리하여 전반사에 의해 갇혀있는 빛을 회절 과정을 통해 외부로 추출하는 방법 등으로 요약할 수 있다. In summary, the principle of improving the external light extraction efficiency of the light emitting device is to reduce the total reflection condition by modifying the structure, to introduce a rough surface on the surface, and to form a photonic crystal in a thin film having a large refractive index contrast to the optical band. It can be summarized as a method using a gap effect, a method of separating the photonic crystal and the light emitting layer and extracting the light trapped by total reflection to the outside through a diffraction process.
이 중 발광 소자의 구조의 현실성과 효율의 증대성을 감안할 때, 발광 소자 표면에 주기적인 광결정 구조를 도입하여 추출효율을 개선하는 방법이 가장 우수하다고 할 수 있다. Among these, considering the reality of the structure of the light emitting device and the increase in efficiency, it can be said that the method of improving the extraction efficiency by introducing a periodic photonic crystal structure on the surface of the light emitting device.
도 3에서 도시하는 바와 같은 수평형 GaN 계열 발광 소자는 GaN에 비해 굴절률이 상대적으로 낮은 사파이어(n = 1.76) 기판(10) 위에 성장한 구조이다. GaN 반도체층(20)의 전체 두께는 약 5㎛에 이르므로, 다양한 고차 모드가 존재하는 도파로 구조로 간주할 수 있다. GaN 반도체층(20)의 상층부는 p-형 GaN 반도체층(21)부 터 출발하며, 그 아래에 발광층(22) 영역에 해당하는 다중양자우물 층이 위치한다. As shown in FIG. 3, the horizontal GaN series light emitting device has a structure grown on a sapphire (n = 1.76)
이러한 발광층(22)의 하측에는 n-형 GaN 반도체층(23)이 위치하며, 이 n-형 GaN 반도체층(23)과 기판(10) 사이에는 버퍼층(24)이 위치할 수 있다. 또한, 기판(10)의 반대측에는 반사막(50)을 형성할 수 있다.An n-type
수평형 GaN 계열 발광 소자는 전체 면적에 걸쳐 고르게 전류를 공급하기 위해, 대개 ITO와 같은 투명전극층(30)을 p-형 GaN 반도체층(21) 위에 증착한다. 따라서, 수평형 GaN 계열 발광 소자에 광결정(40)을 도입할 때, 식각할 수 있는 최대 범위는 투명전극층(30) 두께와 p-형 GaN 반도체층(21)의 두께를 합한 값이 된다. 일반적으로, 이러한 투명전극층(30)과 p-형 GaN 반도체층(21)의 두께는 100 ~ 300nm 사이이다.In the horizontal GaN series light emitting device, a
따라서, 수평형 GaN 계열 발광 소자에 광결정(40)을 도입할 때, 식각할 수 있는 최대 범위는 상술한 상층부의 p-형 GaN 반도체층(21)의 두께(100 ~ 300nm)에 의해 제한을 받으므로, 추출효율에 있어서 한계가 있을 수 있다.Therefore, when the
한편, 도 4에서 도시하는 바와 같은 수직형 발광 소자 구조의 일례는, GaN 반도체층(20) 성장 과정 중에 기판으로 이용되는 사파이어를 레이저 흡수법으로 제거하고, p-형 GaN 반도체층(21) 위에 거울과 전극의 역할을 동시에 수행할 수 있는 Ni, Ag 등을 포함하는 다층 금속 박막을 이용하여 반사형 오믹 전극(50)을 형성한 구조이다.On the other hand, one example of the vertical light emitting device structure as shown in Figure 4, by removing the sapphire used as a substrate during the growth process of the
일반적인 수평형 GaN 발광 소자와 구별되는 수직형 GaN 발광 소자의 차이점 중에는 절연체인 사파이어의 제거로 인해 전류 방향이 수직 방향이며, 광의 출력 면이 도 4의 경우에 역전되어 n-형 GaN 반도체층(23)으로 출력된다는 것을 들 수 있다. Among the differences between the vertical GaN light emitting devices, which are distinguished from the general horizontal GaN light emitting devices, the current direction is vertical due to the removal of sapphire, which is an insulator, and the output plane of light is reversed in the case of FIG. For example).
수직형 발광 소자 구조 내에서 전류가 수직 방향으로 흐른다는 사실은 공급된 전류가 발광층(22)인 양자우물 층까지 이탈 없이 도달할 수 있는 확률이 크다는 것을 의미한다. 이는 곧, 내부양자효율의 향상에 기여하게 된다. The fact that the current flows in the vertical direction in the vertical light emitting device structure means that the probability that the supplied current can reach the quantum well layer, which is the
또한, 수직형 발광 소자 구조는 절연체인 사파이어를 제거하고 p-형 GaN 반도체층(21) 위에 도체를 형성하였기 때문에, 열 배출이 용이하다는 특성을 가진다. 이는 특히, 고출력 발광 소자를 설계할 때, 유리한 측면으로 작용할 수 있다.In addition, the vertical light emitting device structure has a characteristic that heat dissipation is easy because the sapphire as an insulator is removed and a conductor is formed on the p-type
실제로, 사파이어 기판이 있는 통상적인 GaN 계열 청색 발광 소자의 경우 공급되는 전류 값이 수백 mA를 상위하게 되면, 오히려 출력이 감소하는 현상이 발생한다. 이는 사파이어 기판의 취약한 열 전도율로 인해 소자 내부의 온도가 상승하여 양자우물의 내부양자효율의 열화가 발생하기 때문으로 해석될 수 있다.In fact, in the case of a conventional GaN series blue light emitting device having a sapphire substrate, when the supplied current value exceeds several hundred mA, the output decreases. This can be interpreted as the internal quantum efficiency of the quantum well is degraded due to the temperature increase inside the device due to the weak thermal conductivity of the sapphire substrate.
수직형 청색 발광 소자 구조는 전류의 흐름과 열 배출이 용이하다는 물리적 특성 이외에도 광 추출효율 향상과 관련하여 광학적으로도 주의 깊게 고려할만한 특징을 가지고 있다. 이를 정리하면 다음과 같다.The vertical blue light emitting device structure has a feature that can be carefully considered optically in connection with the improvement of light extraction efficiency in addition to the physical characteristics that the current flows and heat is easily discharged. This is summarized as follows.
먼저, 수직형 발광 소자 구조의 상층부는 n-형 GaN 반도체층(23)이므로, p-형 GaN 반도체층(21)보다 상대적으로 두꺼운 n-형 GaN 반도체층(23) 내에 광결정(60)을 도입할 수 있다는 장점이 있다. 일반적으로, 광결정(60)을 통한 추출효율 향상 효과는 추출효율이 포화되기 전까지는 식각 깊이에 비례하는 특성을 가지고 있다.First, since the upper portion of the vertical light emitting device structure is the n-type
따라서 수평형 GaN 계열 발광 소자에서 광결정을 도입할 때의 난점 중의 하나인 p-형 GaN 반도체층의 식각에 따른 저항 증가나 활성층인 양자우물 층 식각에 따른 표면 비발광 결합 효과 등에 대한 제약 없이, 원하는 깊이의 광결정 구조를 형성할 수 있다. 또한, 식각 깊이에 따라 최대 추출효율을 제공하는 주기가 조금씩 달라지므로, 주어진 식각 기술이 허락하는 구조적 조건을 활용할 수 있다.Therefore, without limiting the resistance of the p-type GaN semiconductor layer, which is one of the difficulties in introducing a photonic crystal in a horizontal GaN-based light emitting device, or the surface non-emitting coupling effect of the active layer quantum well layer etching, A photonic crystal structure of depth can be formed. In addition, since the period of providing the maximum extraction efficiency is slightly different depending on the etching depth, it is possible to utilize the structural conditions allowed by a given etching technique.
또한, 수직형 발광 소자는 발광 영역인 양자우물 층(발광층; 22)과 높은 반사율을 가지는 거울(반사형 오믹 전극; 50)이 방출되는 빛의 파장보다 작은 위치 내에 놓여 있다. In addition, the vertical light emitting device is positioned in a position smaller than the wavelength of light from which the quantum well layer (light emitting layer) 22, which is a light emitting region, and the mirror (reflective ohmic electrode) 50 having a high reflectance are emitted.
즉, 상술한 바와 같이, 수직형 발광 소자의 구조는 p-형 GaN 반도체층(21) 위에 거울과 전극의 역할을 동시에 수행하는 반사형 오믹 전극(50)이 형성된다. 따라서 p-형 GaN 반도체층(21)의 두께가 발광 소자의 발광층(22)과 금속 거울 사이의 거리에 해당한다. That is, as described above, in the structure of the vertical light emitting device, a reflective
일반적으로, 발광층(22)으로부터 가까운 위치 내에 높은 반사율을 가진 거울이 존재하게 되면, 거울이 없는 경우와 비교하여 발광 성능이 크게 달라진다. 즉, 발광층(22)과 거울 사이의 거리에 따라 발광률(decay rate)이 달라지기도 하며, 방사 패턴(radiation pattern)을 조절할 수도 있다. 이러한 특성들을 잘 이용하게 되면, 발광 소자의 광 추출효율을 획기적으로 개선할 수 있다.In general, when there is a mirror having a high reflectance in a position close to the
이하, 컴퓨터 전산모사 계산(3D-FDTD)을 통해 수직형 GaN 발광 소자에 적용할 수 있는 광결정의 구조적 인자를 결정하고, 각 구조 인자에서 얻을 수 있는 상대적인 추출효율 증대비를 산출하는 과정을 설명한다.Hereinafter, the process of determining the structural factors of the photonic crystal applicable to the vertical GaN light emitting device through computer simulation calculation (3D-FDTD) and calculating the relative extraction efficiency increase ratio obtained from each structural factor will be described. .
수직형 발광 소자 구조는 수평형 구조와는 달리, 기판 측면을 통한 방사가 존재하지 않으므로, 전체 효율이 곧 수직방사에 의한 효율에 해당된다. 이때, 전산모사 상에서 분석하기 위한 발광 소자의 구조의 일례는 도 5와 같이, 광결정(60)이 형성된 발광 소자 반도체층(100)으로 이루어지며, 광결정(60) 외측에는 봉지재로 사용될 수 있는 굴절률 1.4의 에폭시(70)가 위치하는 구조를 이용한다.Unlike the horizontal structure, the vertical light emitting device structure does not have radiation through the side surface of the substrate, and thus the overall efficiency corresponds to the efficiency due to vertical radiation. At this time, an example of the structure of the light emitting device for analysis on the computer simulation is made of a light emitting
일반적인 발광 소자의 크기는 컴퓨터 메모리 한계로 인해 계산 구조 내에 다 포함 할 수가 없다. 이 문제를 해결하기 위해 대신 유한 크기(12㎛)의 발광 소자 구조의 양끝에 완전 거울(도시되지 않음)이 위치한 경우를 적용하였다. The size of a typical light emitting device cannot be included in the computational structure due to computer memory limitations. In order to solve this problem, a case where a full mirror (not shown) is positioned at both ends of the light emitting device structure having a finite size (12 μm) is applied instead.
또한, 도 6에서와 같이, 발광 소자(100)의 발광층(양자우물 층; 22) 내부에는 흡수율(k = 0.045)을 부여하였다. 다만, 구조의 하단부에는 해석의 편의성을 위해 흡수율이 존재하는 실제 금속 거울 대신 역시 100%의 반사율을 가지는 완전 거울로 대체하였다. In addition, as shown in FIG. 6, an absorption rate (k = 0.045) was applied to the light emitting layer (quantum well layer) 22 of the
수직형 구조는 거울에 의한 간섭 효과를 항상 고려해야 하므로, 구조 내에서 거울에 대한 발광층(22)의 상대적 위치가 중요한 변수가 된다. 거울과 발광층(22) 사이의 간섭 효과에 의해 방사 패턴이 바뀌게 되면, 효과적으로 작용하는 광결정(60) 구조 인자가 달라질 가능성이 있기 때문이다. 즉, 광결정(60) 주기에 따라 회절 과정에 의해 추출이 효율적으로 일어나는 빛의 각도가 다르다고 할 수 있다. Since the vertical structure must always consider the effect of interference by the mirror, the relative position of the
여기서는, 거울 효과가 배제된 상태에서 순수하게 광결정(60)에 의한 효과만을 산출하기로 한다. 거울에 의한 간섭 효과를 배제하기 위해서는 거울과 발광층(22) 사이의 거리를 멀리 설정하거나, 그 거리를 보강 간섭조건과 상쇄 간섭조건 의 중간 지점 정도에 설정한다. Here, only the effect by the
이와 같이, 발광층(22)이 거울의 간섭 효과로부터 자유로울 때의 방사 패턴은 도 7과 같다. 이러한 방사 패턴을 살펴보면, 각도에 따라 미세한 간섭 무늬가 여전히 보이나 근사적으로 구면파로 간주해도 무방할 정도이다. Thus, the radiation pattern when the
광결정(60) 주기에 대한 추출효율 변화를 살펴보면, 도 8에서와 같이, 최대 추출효율을 얻을 수 있는 광결정(60) 주기(a)는 약 800nm 부근이며, 추출효율의 상대적 증대비는 약 2배 정도이다. 이때, 식각 깊이는 225nm, 광결정을 이루는 홀(61)의 반지름은 주기를 a라 할 때, 0.25a로 고정하였다.Referring to the extraction efficiency change with respect to the
다음으로, 광결정(60)을 이루는 홀(61)의 크기에 따른 추출효율의 변화를 보면 도 9와 같다. 이때, 식각 깊이는 225nm로 고정하였으며, 주기는 800nm를 선택하였다. 결과를 살펴보면, 광결정(60)의 홀(61)의 크기가 0.35a일 때, 추출 효율은 최대가 되며, 상대적 증가분은 2.4배까지 커지는 것을 알 수 있다.Next, a change in extraction efficiency according to the size of the
상술한 바와 같이, 수직형 GaN 발광 소자의 장점은 식각 깊이에 대한 제한이 적다는 점이다. 수평형 구조의 최대 식각 깊이는 p-형 GaN 반도체층의 두께(실제로는 저항 증가를 고려하여 p-GaN 층 두께의 절반 정도)에 의해 결정되나, 수직형 구조는 상대적으로 이보다 매우 두꺼운 n-형 GaN 반도체층의 두께(대략 3㎛)를 활용할 수 있다. As described above, an advantage of the vertical GaN light emitting device is that the limitation on the etching depth is small. The maximum etch depth of the horizontal structure is determined by the thickness of the p-type GaN semiconductor layer (actually about half the thickness of the p-GaN layer, considering the increase in resistance), but the vertical structure is relatively thicker than the n-type The thickness (about 3 micrometers) of a GaN semiconductor layer can be utilized.
이와 같은 수직형 구조의 장점을 이용하기 위하여, 도 10에서와 같이, 광결정 형성을 위한 식각 깊이를 순차적으로 변경하면서, 이 식각 깊이에 따른 최적 주기를 조사하였다. In order to take advantage of such a vertical structure, as shown in FIG. 10, the optimum period according to the etching depth was investigated while sequentially changing the etching depth for forming the photonic crystal.
추출효율은 수평형 구조 연구에서 언급한 대로, 일정 수준 이상의 식각 깊이에 대해서 포화되는 경향이 나타난다. The extraction efficiency tends to saturate over a certain level of etch depth, as mentioned in the horizontal structural studies.
하지만, 흥미로운 사실은 식각 깊이가 깊어질수록 주기가 큰 광결정 구조에 의한 추출효율은 꾸준히 상승하고 있다는 점이다. 이는, 식각 깊이를 깊게 하면서 실제 기술적으로 구현이 용이한 주기가 큰 광결정 구조를 활용할 수 있는 여지가 생긴다는 점에서 주목할 만하다.However, it is interesting to note that the deeper the etching depth, the more efficient the extraction efficiency due to the photoperiodic structure, which has a long period of time. This is remarkable in that there is room for utilizing a photonic crystal structure with a large period of time that can be easily implemented in practice while deepening the etching depth.
이와 같이 식각 깊이가 커짐에 따라 주기가 큰 광결정 구조의 추출효율이 계속 상승하는 이유를 다음과 같이 생각할 수 있다(도 11 참고). As described above, the reason why the extraction efficiency of the photonic crystal structure with a large period continues to increase as the etching depth increases (see FIG. 11) may be considered.
첫째, 굴절률이 다른 두 매질을 빛이 투과하기 위해서는 평면 방향의 위상정합 조건(phase-matching condition)을 만족해야 한다.First, in order for light to pass through two media having different refractive indices, a phase-matching condition in the planar direction must be satisfied.
둘째, 빛이 굴절률이 높은 매질에서 낮은 매질로 진행할 때는, 특정 각도 이상에서 위상정합 조건을 만족할 수 없다. 이 특정 각도를 임계각이라 부르며, 임계각 이상에서는 전반사가 일어난다.Second, when light proceeds from a medium having a high refractive index to a medium having low refractive index, phase matching conditions cannot be satisfied above a certain angle. This particular angle is called the critical angle, and total reflection occurs above the critical angle.
셋째, 광결정은 전반사 각도에 해당하는 빛을 외부로 추출할 수 있도록 돕는다. 즉, 광결정과 빛이 결합하면, 광결정의 운동량이 더해져서 전반사에 해당하는 빛이 위상정합 조건을 만족할 수 있다.Third, the photonic crystal helps to extract light corresponding to the total reflection angle to the outside. That is, when the photonic crystal and the light are combined, the momentum of the photonic crystal is added, so that the light corresponding to total reflection can satisfy the phase matching condition.
넷째, 광결정의 운동량은 주기에 반비례한다. 즉, 주기가 작은 광결정은 큰 운동량을 만들 수 있으므로, 전반사에 해당하는 빛 중에서 임계각에서 멀리 떨어진 수평 방향에 가깝게 진행하는 빛을 효과적으로 추출할 수 있다. 반면에, 주기가 큰 광결정은 상대적으로 수직 방향에 가깝게 진행하는 빛을 추출하는 데 효과적이다.Fourth, the momentum of the photonic crystal is inversely proportional to the period. That is, since the photonic crystal having a small period can make a large momentum, it is possible to effectively extract the light traveling near the horizontal direction far from the critical angle among the lights corresponding to the total reflection. On the other hand, photonic crystals with large periods are effective for extracting light traveling relatively close to the vertical direction.
다섯째, 파동 광학 이론에 따르면, 도파로 구조 내의 전반사 과정을 모드에 대응하여 설명할 수 있다. 가령, 수평방향에 가까운 입사각도를 가진 빛은 기본 도파로 모드에 해당되며, 입사각도가 수직방향에 가까울수록 고차모드에 해당한다.Fifth, according to the wave optical theory, the total reflection process in the waveguide structure can be described corresponding to the mode. For example, light having an incident angle close to the horizontal direction corresponds to the basic waveguide mode, and the closer the incident angle is to the vertical direction, the higher order mode.
여섯째, GaN 발광 소자 역시 수 마이크론 이상의 두께를 가진 도파로 구조로 간주할 수 있다.Sixth, GaN light emitting devices can also be regarded as waveguide structures having a thickness of several microns or more.
따라서, 이와 같은 사실을 고려하여 GaN 발광 소자에 광결정을 적용할 때, 주기가 짧은 광결정은 기본 도파로 모드를 추출하는데 적합하며, 주기가 긴 광결정은 고차 도파로 모드를 추출하는데 적합하다는 사실을 알 수 있다.Therefore, in consideration of this fact, when the photonic crystal is applied to the GaN light emitting device, it can be seen that the photonic crystal with short period is suitable for extracting the fundamental waveguide mode, and the photonic crystal with long period is suitable for extracting the higher waveguide mode. .
일반적으로, 기본 도파로 모드는 어느 정도 이상의 광결정 식각 깊이(~λ/n)에 대해 추출효율이 포화되는 경향을 나타내는 반면에, 고차모드로 갈수록 광결정 식각 깊이에 대해 추출효율이 꾸준히 상승하는 경향을 보인다.In general, the basic waveguide mode tends to saturate the extraction efficiency for more than a certain degree of photonic crystal etching depth (~ λ / n), while the extraction efficiency tends to increase steadily for the photonic crystal etching depth toward higher order modes. .
결론적으로, 식각 깊이가 커질수록, 긴 주기를 가지고 있는 광결정 구조에 의한 고차 모드에 추출효율이 계속 증가하게 된다. In conclusion, as the etching depth increases, the extraction efficiency continues to increase in the higher order mode due to the photonic crystal structure having a long period.
이와 같이 추출효율을 극대화하기 위해, 광결정 구조 인자의 최적화 작업을 컴퓨터 전산모사 계산을 통해 실시하였다. 추출효율은 식각 깊이, 구멍 크기, 주기 등과 밀접한 상관 관계가 있음이 밝혀졌다.In order to maximize the extraction efficiency as described above, optimization of photonic crystal structural factors was performed through computer simulation. Extraction efficiency was found to be closely correlated with etch depth, pore size and period.
특히, 수직형 GaN 발광 소자의 경우 상대적으로 두꺼운 n-형 GaN 반도체층이 광결정 형성에 활용되기 때문에, 식각 깊이에 대한 제약이 사실상 없으며, 이와 같이 깊은 식각 깊이를 도입하면 현재 기술에서 구현하기 쉬운 범위의 주기를 선택할 가능성도 커진다. In particular, in the case of a vertical GaN light emitting device, since a relatively thick n-type GaN semiconductor layer is used to form a photonic crystal, there is virtually no restriction on the depth of etching. The chances of choosing the period will also increase.
상술한 바와 같이, 광결정의 주기에 따라 효율적으로 작용하는 빛의 입사 각도가 달라진다. 즉, 하나의 주기로 이루어진 광결정은 회절 효율이 상대적으로 작은 입사 각도의 영역이 존재한다.As described above, the angle of incidence of light acting efficiently varies depending on the period of the photonic crystal. That is, in the photonic crystal composed of one cycle, the region of the incident angle where the diffraction efficiency is relatively small exists.
그러나, 추출효율을 극대화하기 위해서는 임계각보다 큰 모든 각도에 대해 높은 회절효율을 가져야 한다. 따라서, 두 종류 이상의 주기가 혼합되어 있는 광결정 구조가 하나의 주기만이 독립적으로 존재하는 광결정보다 우수한 추출효율 특성을 나타낼 수 있다. However, in order to maximize the extraction efficiency, it must have a high diffraction efficiency for all angles larger than the critical angle. Therefore, the photonic crystal structure in which two or more kinds of cycles are mixed may exhibit better extraction efficiency than the photonic crystal in which only one cycle exists independently.
이와 비슷한 원리를 수평형 GaN 발광 소자에 적용할 수도 있다. 수평형 GaN 발광 소자에서 외부 광 추출효율을 높이기 위해 광결정을 도입하고자 할 때, 광결정을 도입하는 위치에 따라 크게 두 가지 분류로 나눌 수 있다. Similar principles can be applied to horizontal GaN light emitting devices. When a photonic crystal is introduced to increase external light extraction efficiency in a horizontal GaN light emitting device, the photonic crystal may be classified into two categories according to the position at which the photonic crystal is introduced.
그 중 하나는, 도 12에서 도시하는 바와 같이, 사파이어 기판(10) 상에 형성된 반도체층(20) 중, 발광 소자의 최상단부에 위치한 p-형 GaN 반도체층(21) 영역을 식각하는 것이다. p-형 반도체층(21) 상에 투명 전도성층(30)이 형성된 경우에는 이 전도성층(30)도 함께 식각된다.One of them is etching the region of the p-type
다른 하나는, 도 13에서와 같이, 처음부터 패턴(11)이 형성된 사파이어 기판(12; Patterned Sapphire Substrate; PSS) 위에 GaN 반도체층(20)을 성장하는 것이다. The other is to grow the
한편, 도 14에서와 같이, 상기 두 구조를 동시에 적용하는 방법도 생각할 수 있다. 상술한 각 구조 별로 추출효율을 비교한 그래프가 도면 15에 나타나 있다. On the other hand, as shown in Figure 14, it is also conceivable to apply the two structures at the same time. A graph comparing the extraction efficiency for each of the above structures is shown in FIG. 15.
이 그래프에서 수평 축은 계산 공간 내에서 빛이 진행하는 거리를 의미한다. 그리고, 수직 축은 빛의 진행 거리에 따라 외부로 추출되는 빛의 양을 나타낸다. In this graph, the horizontal axis represents the distance that light travels within the computational space. The vertical axis represents the amount of light extracted to the outside according to the light travel distance.
그래프의 결과를 살펴보면, 주기적인 구조를 적용하지 않는 수평 구조(Reference)는 빛의 진행 거리가 10㎛이 채 되기 전에, 추출효율이 포화된다. 수평 구조는 임계각 이내의 빛만 추출될 수 있으므로, 한 번의 투과(반사) 과정으로 대부분의 빛이 빠져나오게 되는 것이다.Looking at the results of the graph, the horizontal structure (Reference) that does not apply the periodic structure, the extraction efficiency is saturated before the light traveling distance is less than 10㎛. In the horizontal structure, only light within a critical angle can be extracted, so most of the light comes out through one transmission (reflection) process.
이에 반해, 광결정(40) 구조나 패턴(11)이 있는 사파이어 기판(12)을 적용한 경우에는 빛의 진행 거리가 100㎛에 이를 때까지 추출효율이 꾸준하게 상승한다. 이는, 전반사에 해당하는 빛이 주기적인 구조를 만날 때마다 회절 과정을 통해 빛이 외부로 추출되기 때문이다. In contrast, in the case where the
이때, 소자를 구성하는 내부 물질의 흡수율로 인해 추출효율은 결국 포화된다. 그러므로 구조의 변형 또는 주기적인 구조를 도입하여, 외부 광 추출효율을 높이고자 할 때 기본 원리는, 되도록 짧은 진행 거리 내에 흡수 손실을 덜 겪으면서 빛을 외부로 추출하는 것이다. At this time, the extraction efficiency is eventually saturated due to the absorption rate of the internal material constituting the device. Therefore, the basic principle when introducing a deformation or periodic structure of the structure to increase the external light extraction efficiency is to extract light to the outside with less absorption loss within the shortest traveling distance.
다시 결과로 돌아가면, 광결정(40) 구조와 패턴(11)이 있는 사파이어 기판(12) 구조를 동시에 적용한 경우, 즉, 두 종류의 주기적인 구조를 동시에 적용할 때 추출효율이 최대가 되는 것을 알 수 있다. Returning to the results, it can be seen that the extraction efficiency is maximized when the
수평형 GaN 발광 소자에서 패턴(11)이 있는 사파이어 기판(12) 위에 GaN 반도체층(20)을 성장하고, 상층부에 다시 광결정(40)을 적용하는 구조를 다시 기술적으로 정의 내린다면, 서로 다른 주기를 가진 광결정을 각각 다른 평면에 독립적으로 적용한 것이라 할 수 있다. If the
수직형 GaN 발광 소자는 기판을 이미 제거한 구조이기 때문에, 수평형 발광 소자와 같은 구조의 혼합 주기 광결정 구조를 채용할 수 없다. 그러나 식각 깊이에 사실상 제약이 없다는 장점을 활용하면, 이 경우 같은 평면 내에 서로 다른 주기를 가진 광결정 구조를 적용하는 것이 가능하다.Since the vertical GaN light emitting device has a structure in which the substrate has already been removed, the mixed cycle photonic crystal structure having the same structure as the horizontal light emitting device cannot be adopted. However, by taking advantage of the fact that the etching depth is virtually unlimited, in this case it is possible to apply photonic crystal structures with different periods in the same plane.
수직형 GaN 발광 소자 내에 서로 다른 주기의 광결정이 섞여 있는 광결정층(200) 구조가 도 16에 나타나 있다. 도 17과 도 18은 이와 같은 광결정층(200) 구조를 실험적으로 구현했을 때의 전자현미경 사진이다. 16 illustrates a structure of a
전자현미경 사진 내의 혼합 주기 광결정층(200) 구조는 수직형 구조의 n-형 GaN 반도체층 표면을 일반적인 식각 공정을 통해 패턴을 형성할 때 식각에 사용하는 기체의 플라즈마와 GaN 반도체층 표면이 반응을 일으켜 추가적으로 미세 패턴이 형성된 모습이다.In the mixed cycle
따라서, 이러한 형성과정에 의하여 형성된 혼합 주기 광결정층(200) 구조는 주기적인 광결정 구조에 이보다 평균 주기가 짧은 랜덤 구조가 추가된 구조로 볼 수 있다.Therefore, the mixed cycle
이러한 혼합 주기 광결정층(200) 구조의 효과를 산술적으로 평가하기 위해, 컴퓨터 전산모사 계산을 통해 도 19a 및 도 19b와 같은 구조를 이용하여 추출효율을 비교하였다. In order to arithmetically evaluate the effect of the mixed-cycle
이와 같은 혼합 주기 광결정층(200) 구조는 여러 가지 형태로 표현이 가능하나, 그 구조를 단순화하기 위해 다음과 같은 원리에 따라 표현하였다.The structure of the mixed period
먼저, 주기가 긴 제1주기를 가지는 제1광결정(210) 구조를 도입하며, 이 제1 광결정(210) 구조의 식각 깊이는 450nm로 설정하였다.First, a
상술한 주기가 긴 제1광결정(210) 구조에서 식각되지 않은 부분에 주기가 상대적으로 짧은 제2광결정(220) 구조를 도입하였고, 이 주기가 짧은 제2광결정(220) 구조의 식각 깊이는 225nm 설정하였다.The
계산 공간에서 표현된 구조는 실험적으로 짧은 주기의 제2광결정(220)을 먼저 정의 한 뒤, 보다 큰 식각 깊이를 가지는 긴 주기의 제1광결정(210)을 후에 도입하는 방법을 묘사하고 있다.The structure expressed in the calculation space describes a method of experimentally defining the
이때, 혼합되는 각 광결정(210, 220) 구조의 주기, 식각 깊이, 모양 등을 여러 가지로 표현할 수 있으므로, 다양한 조합의 혼합 주기 광결정층(200) 구조를 생각할 수 있다. In this case, since the period, etching depth, shape, etc. of each of the mixed
계산 결과를 살펴보면, 도 20에서 보는 바와 같이, 서로 다른 주기가 섞여 있는 광결정 구조가 항상 다른 구조보다 우수한 광 추출효율 향상 효과를 나타낸다. 따라서, 실험적으로 혼합 주기 광결정 구조를 신뢰성 있게 제작할 수 있는 방법이 제공된다면, 각 광결정 구조의 조합에 관계없이, 단일 광결정 구조보다 항상 개선된 추출효율을 기대할 수 있다.Referring to the calculation result, as shown in FIG. 20, the photonic crystal structure in which different periods are mixed always shows an effect of improving light extraction efficiency better than the other structures. Therefore, if a method is provided to reliably produce a mixed-cycle photonic crystal structure experimentally, it is possible to always expect improved extraction efficiency than a single photonic crystal structure, regardless of the combination of each photonic crystal structure.
상술한 바와 같이, 수직형 GaN 발광 소자에 광결정을 도입할 때, 3㎛ 이상의 두께를 가지는 n-형 GaN 반도체층을 식각하여 광결정을 형성하게 되면 p-형 GaN 반도체층에 광결정을 형성하는 수평형 구조에 비해 전기적인 특성을 보존할 수 있고, 실질적으로 식각 깊이에 대한 제약이 없어진다.As described above, when the photonic crystal is introduced into the vertical GaN light emitting device, when the n-type GaN semiconductor layer having a thickness of 3 μm or more is etched to form the photonic crystal, the photonic crystal is formed in the p-type GaN semiconductor layer. Compared to the structure, the electrical properties can be preserved, and the restriction on the etching depth is substantially eliminated.
먼저, 단일 주기로 이루어진 광결정 구조에서 식각 깊이에 대한 광 추출효율 효과를 정리하면, n-형 GaN 반도체층에 도입된 광결정의 식각 깊이가 300nm 이상일 때, 도입된 광결정의 주기가 1㎛ 이상이고, 5㎛ 미만 일 때, 상기 두 조건을 만족하는 광결정 구조는 식각 깊이에 비례하여 추출효율이 꾸준하게 증가하면서, 최대 광 추출효율에 접근하는 경향성을 나타낸다. First, when the light extraction efficiency effect on the etching depth in the single crystal photonic crystal structure is summarized, when the photonic crystal etching depth of the photonic crystal introduced into the n-type GaN semiconductor layer is 300 nm or more, the period of the photonic crystal introduced is 1 μm or more, 5 When less than m, the photonic crystal structure satisfying the above two conditions shows a tendency to approach the maximum light extraction efficiency, while the extraction efficiency increases steadily in proportion to the etching depth.
또한, 식각 깊이가 깊어짐에 따라 최적 주기는 길어지는 방향으로 이동하며, 가령, 225nm의 식각 깊이 일 때, 최적 광결정 주기가 800nm 근처인데 반해, 900nm의 식각 깊이에 대해서는 최적 광결정 주기는 1400nm가 된다.In addition, as the etching depth deepens, the optimum period moves in a longer direction. For example, when the etching depth is 225 nm, the optimum photonic crystal period is about 800 nm, whereas for the 900 nm etching depth, the optimal photonic crystal period is 1400 nm.
이와 같이, 식각 깊이에 대한 제약이 실질적으로 사라지면, 여러 가지 형태의 혼합 주기 광결정 구조를 제안할 수 있다. 혼합 주기 광결정 구조 형상은 제작 방법에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.As such, when the constraint on the etching depth is substantially removed, various types of mixed period photonic crystal structures may be proposed. Mixing cycle photonic crystal structure shapes can be classified as follows according to the production method.
도 21에서 도시하는 바와 같이, 이러한 혼합 주기 광결정층(200)은 반도체층(100) 상에 형성하며, 긴 주기를 가지는 제1광결정(210)을 식각 과정을 통해 형성한 뒤, 이보다 상대적으로 짧은 주기를 가지는 제2광결정(220)을 식각 과정을 통해 형성할 수 있다. 이때, 상술한 바와 같이, 제2광결정(220)은 평균 주기가 제1광결정(210)의 주기보다 짧은 랜덤 구조일 수도 있다.As shown in FIG. 21, the mixed period
이와 같이, 긴 주기의 제1광결정(210)을 먼저 형성한 후에 짧은 주기의 제2광결정(220)을 형성하게 되면, 도시하는 바와 같이, 제1광결정(210)을 이루는 홀(211) 내측에도 제2광결정(220)이 형성되어, 제2광결정(220)도 발광면 전체에 형성될 수 있다.As such, when the
이러한 광결정층(200)의 주기가 가장 긴 제1광결정(210)의 주기는 800nm 내 지 5000nm일 수 있고, 이러한 광결정층(200)의 주기가 가장 긴 제1광결정(210)을 이루는 패턴의 깊이는 300nm 내지 3000nm일 수 있다.The period of the
또한, 상기 광결정층(200)의 주기가 가장 짧은 제2광결정(220)의 주기는 50nm 내지 1000n일 수 있고, 이러한 광결정층(200)의 주기가 가장 짧은 제2광결정(220)을 이루는 패턴의 깊이는 50nm 내지 500nm일 수 있다.In addition, the period of the
한편, 이러한 광결정층(200)의 주기를 a라 할 때, 광결정층(200)의 광결정을 이루는 홀의 깊이는 0.1a 내지 0.45a일 수 있다.On the other hand, when the period of the
도 22에서는 반도체층(100) 상에 혼합 주기 광결정층(200)을 형성함에 있어서, 먼저 짧은 주기를 가지는 제2광결정(220)을 식각 과정을 통해 형성한 뒤, 이보다 긴 주기를 가지는 제1광결정(210)을 식각 과정을 통해 형성한 구조를 나타내고 있다.In FIG. 22, in forming the mixed period
도 23에서 도시하는 바와 같이, 긴 주기를 가지는 제1광결정(210)을 식각 과정을 통해 형성한 후에, 이보다 짧은 주기를 가지는 제2광결정(220)을 증착 과정을 통해 형성할 수 있다.As shown in FIG. 23, after the
이때, 제2광결정(220)을 증착 과정을 통하여 형성하게 되면, 음각 형상 대신 제1광결정(210) 구조 상에 돌출된 입자(221)의 패턴으로 제2광결정(220)이 형성되게 되며, 이러한 입자(221)의 형상은 반구형이 될 수 있고, GaN 결정의 형상에 의하여 육각구조를 이룰 수도 있다.In this case, when the
이와 같이, 긴 주기의 제1광결정(210)을 먼저 형성한 후에 짧은 주기의 제2광결정(220)을 형성하게 되면, 도시하는 바와 같이, 제1광결정(210)을 이루는 홀(211) 내측에도 제2광결정(220)이 형성되어, 제2광결정(220)도 발광면 전체에 형성될 수 있다.As such, when the
도 24에서는, 짧은 주기를 가지는 제2광결정(220)을 증착 과정을 통해 먼저 형성한 후에, 이보다 긴 주기를 가지는 제1광결정(210)을 식각 과정을 통해 형상한 구조를 도시하고 있다.In FIG. 24, the
이상과 같은 혼합 주기 광결정층(200) 구조는 독립적인 두 개의 다른 주기를 갖는 광결정(210, 220)을 더한 것이므로, 각 광결정(210, 220)의 구조 인자에 따라 다양한 조합이 가능하다. Since the mixed-cycle
기본적으로 두 광결정(210, 220)의 주기를 어떻게 조합하느냐에 따라 추출효율이 달라지며, 식각 깊이, 광결정 모양 등도 변수가 될 수 있다. 또한, 증착 과정에 의해 새로운 물질을 도입하는 경우 도입하는 물질의 굴절률도 변수가 될 수 있다.Basically, the extraction efficiency varies depending on how the cycles of the two
이와 같은 본 발명은 외부 광 추출효율 개선을 위해 수직형 GaN 발광 소자의 n-형 GaN 반도체층 내에 광결정을 도입할 때, 광결정의 식각 깊이를 깊게 형성하여, 제작이 용이한 긴 주기(1㎛ 이상)에서 최대의 추출효율을 보장하도록 할 수 있다. In the present invention, when the photonic crystal is introduced into the n-type GaN semiconductor layer of the vertical GaN light emitting device to improve the external light extraction efficiency, the etching depth of the photonic crystal is deeply formed, thereby making it easy to manufacture a long period (1 μm or more). ) Can ensure maximum extraction efficiency.
또한, 단일 주기로 이루어진 광결정 구조에 확장하여, 같은 평면 내에 두 종류 이상의 주기가 섞여 있는 혼합 주기 광결정 구조를 제공하여 추출효율 향상을 극대화할 수 있다.In addition, it is possible to maximize the extraction efficiency by providing a mixed-cycle photonic crystal structure in which two or more kinds of cycles are mixed in the same plane in addition to the single-crystal photonic crystal structure.
도 25에서는 상술한 혼합 주기 광결정층(200)을 가지는 수직형 발광 소자 구 조를 나타내고 있다. 이러한 발광 소자 구조는 상기 광결정(210, 220)이 형성되는 반도체층(100)은 차례로 n-형 반도체층(110), 발광층(120), 및 p-형 반도체층(130)으로 이루어지며, 상술한 바와 같이, 광결정(200)은 n-형 반도체층(110)의 면 상에 형성된다.25 illustrates a vertical light emitting device structure having the above-described mixed period
이러한 반도체층(100)의 하측에는 오믹 전극층 또는 반사형 오믹 전극층(300)이 위치하고, 이와 같은 발광 소자 구조는 실리콘과 같은 반도체 또는 금속으로 이루어지는 지지층(400) 상에 위치할 수 있다.An ohmic electrode layer or a reflective
이때, 광결정층(200)이 형성된 n-형 반도체층(110) 상에는 n-형 전극(500)이 위치할 수 있다.In this case, the n-
이상과 같은 구조의 특징은 상술한 바와 같이, 광결정(210, 220)을 n-형 GaN 반도체층(110)을 식각하여 형성함으로 반도체층(100) 내의 저항 증가에 거의 영향을 미치지 않는다. 또한, 이와 같은 수직형 GaN 발광 소자는 열 배출이 용이하므로, 광결정층(200) 도입에 이한 광 추출효과는 고출력 영역에서도 동일하게 보존될 수 있다.As described above, as described above, the
또한, n-형 GaN 반도체층(110)의 두께는 일반적으로 3㎛보다 커질 수 있으므로, 추출효율이 포화되는 광결정의 식각 깊이를 훨씬 넘어설 수 있다.In addition, since the thickness of the n-type
이와 같이, 광결정의 식각 깊이가 커지면서 최대의 추출효율을 보장하는 주기는 점점 길어지는 방향으로 이동하며, 특히, 1㎛ 이상의 주기의 광결정은 짧은 주기의 포화 시점보다 깊은 식각 깊이에 대해서 꾸준히 추출효율이 상승할 수 있다.As described above, as the etching depth of the photonic crystal increases, the period for ensuring the maximum extraction efficiency moves in a longer direction. In particular, the photonic crystal having a period of 1 μm or more continuously increases the extraction efficiency for the deeper etching depth than the saturation point of the short period. Can rise.
한편, 상술한 같은 평면 내에 서로 다른 주기가 섞여 있는 혼합 주기 광결정ㅊ층(200) 구조는 조합된 광결정(210, 2200) 구조의 조합에 관계없이 항상 단일 주기를 가지는 구조보다 우수한 추출효율 향상 효과를 나타낼 수 있으며, 상술한 식각 깊이에 따른 최적 주기 이동과 혼합 주기 광결정층(200) 구조는 광결정 형성층의 두께가 300nm 이상인 기타 다른 발광 소자 구조에도 적용 가능하다.On the other hand, the mixed period
상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 변형이 가능하고, 이러한 기술적 사상의 여러 실시 형태는 모두 본 발명의 보호범위에 속함은 당연하다.The above embodiment is an example for explaining the technical idea of the present invention in detail, and the present invention is not limited to the above embodiment, various modifications are possible, and various embodiments of the technical idea are all protected by the present invention. It belongs to the scope.
이상과 같은 본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.The present invention as described above has the following effects.
첫째, 광 추출효율 향상을 위한 광결정을 적용함에 있어서 소자의 전기적 특성이 보존될 수 있다.First, in applying a photonic crystal for improving the light extraction efficiency, the electrical characteristics of the device can be preserved.
둘째, 고출력 영역에서도 동일한 광 추출효과를 나타낼 수 있다.Second, the same light extraction effect can be exhibited in the high power region.
셋째, 광결정 식각 깊이를 추출효율이 포화될 때까지 확장할 수 있다.Third, the photonic crystal etch depth can be extended until the extraction efficiency is saturated.
넷째, 주기가 긴(1㎛ 이상) 광결정 구조에서 최적의 추출효율을 나타낼 수 있다.Fourth, it is possible to exhibit the optimal extraction efficiency in a long period (more than 1㎛) photonic crystal structure.
다섯째, 단일 주기로 이루어진 광결정 구조보다 항상 우수한 추출효율 특성을 나타낼 수 있다.Fifth, the extraction efficiency may always be superior to that of the single crystal photonic crystal structure.
여섯째, 외부 광 추출효율 개선을 위해 300nm 이상의 두꺼운 층에 광결정이 형성될 수 있는 기타 다른 형태의 발광 소자 구조에 대해서도 적용이 가능하다.Sixth, the present invention is applicable to other types of light emitting device structures in which photonic crystals may be formed in a thick layer of 300 nm or more to improve external light extraction efficiency.
Claims (17)
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