KR20100104255A

KR20100104255A - 발광소자 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20100104255A
Application number: KR1020090022549A
Authority: KR
Inventors: 김선경; 송현돈; 이진욱
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2009-03-17
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2010-09-29
Also published as: US20100237372A1; CN101840978A; US8618563B2; CN101840978B; KR100999713B1; EP2230698B1; EP2230698A1

Abstract

실시예는 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

실시예에 따른 발광소자는 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물; 상기 발광구조물 상에 형성된 제1 광결정 구조; 상기 제1 광결정 구조 상에 형성된 하부 배경물질; 및 상기 하부 배경물질 상에 형성된 제2 광결정 구조;를 포함한다.

발광소자, 광추출효율

Description

발광소자 및 그 제조방법{LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}

실시예는 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

질화물 반도체는 높은 열적 안정성과 폭넓은 밴드갭에 의해 광소자 및 고출력 전자소자 개발 분야에서 활발히 연구되고 있으며, 현재 질화물 반도체 발광소자의 연구는 발광효율 향상에 주력하고 있다.

반도체 박막 관점에서 고효율의 발광소자 구현을 위해서는 (1) 발광층에서 주입된 전자와 정공의 발광결합 확률을 증대시킴으로서 내부양자효율을 개선하는 방법과 (2) 발광층에서 형성된 빛이 효과적으로 박막 밖으로 빠져나올 수 있도록 광추출 효율을 증대시키는 방법이 요구된다.

내부양자효율을 개선하기 위해서는 고품질의 박막을 성장하는 기술과 양자효과를 극대화 할 수 있도록 박막 적층구조를 최적화 하는 기술이 요구되며, 광추출효율을 증대시키기 위하여서는 소자 박막의 기하학적 형상 제어에 대하여 많은 연구가 진행되고 있다.

한편, 발광소자에서 발생하는 빛은 자발방출과정에 의해 이루어지므로 특정 한 방향성이 존재하지 않는다. 즉, 발광소자의 빛은 구면 파처럼 모든 방향에 대해 비슷한 세기를 가진다. 즉, 발광소자 내부의 빛이 외부로 빠져나올 때 입사 각도에 따른 투과율이 다르므로, 수직 방향의 세기가 가장 큰 람베르시안(Lambertian) 함수 형태를 가진다.

하지만, 발광소자의 빛은 여전히 수직 방향을 중심으로 넓은 각도에 걸쳐 퍼져있다. 이와 같이 넓은 범위의 각도에 걸쳐 방출하는 빛은 큰 시야 각도를 필요로 하는 조명 등에는 유용하지만, 좁은 범위의 각도 내에 강한 세기를 필요로 하는 BLU(Back-Light Unit) 또는 프로젝트의 광원으로 쓰기에는 불리한 측면이 있다.

즉, BLU 또는 프로젝트 내에는 렌즈의 영역을 벗어나는 발광소자의 빛은 유용하지 않으므로, 특정 각도 범위 내의 광량이 유효 에너지가 된다. 따라서, 응용 분야에 따라 발광소자의 빛의 방향성 조절은 그 자체로 효율 증가로 이어질 수 있다.

방향성을 조절하는 대표적인 방법으로 광결정 도입을 생각할 수 있다. 굴절률의 배치가 유전체의 경계 면을 따라 주기적인 변화를 가지는 광결정은 발광소자의 광 추출효율 향상에 기여할 뿐만 아니라 기존의 람베르시안(Lambertian) 형태와는 다른 특정 각도 범위 내에 집중된 발광 패턴을 생성할 수 있다.

그런데, 광결정에 의한 발광 패턴 조절은 여러 가지로 한계를 가지고 있다. 첫째, 일반적인 발광소자의 두께는 수 마이크로미터에 이르므로, 그 내부에는 다양한 차수의 전파 모드(guided mode)가 존재한다. 따라서, 모든 모드에 대해 수직 방향의 방출을 이끌 수 있는 광결정 구조는 원리적으로 존재할 수 없다. 이를 해결하 기 위해서는 발광소자의 두께를 발광 파장과 견줄 만큼 줄여, 모드가 수 개 이하로 존재하는 구조를 제작해야 한다.

둘째, 발광패턴 조절은 광결정이 존재하는 경계 면의 굴절률 대비에 의해 결정되므로, GaN와 같이 굴절률이 크지 않은 물질을 발광소자의 광원으로 이용할 경우, 발광패턴 조절의 제약이 따른다. 특히, 광량향상을 위해 발광소자의 배경물질 (encapsulant)을 에폭시(Epoxy) 계열의 물질로 채우는 경우 굴절률 대비는 더욱 작아지므로, 발광패턴 조절 효과를 기대하기 어렵다.

셋째, 광결정 효과를 극명하게 나타내기 위해서는 광결정이 굴절률이 작은 클래딩층(cladding layer)으로 둘러싸여져 있어야 한다. 하지만, 일반적인 광결정을 포함하는 발광소자는 주로 발광층 상층부 영역에 광결정이 존재하므로, 상기 조건을 만족하기 어렵다.

실시예는 광추출 효율이 우수한 발광소자 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

또한, 실시예에 의하면 발광패턴을 수직방향으로 조절할 수 있는 발광소자 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

또한, 실시예에 따른 발광소자의 제조방법은 제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물을 형성하는 단계; 상기 발광구조물 상에 제1 층을 형성하는 단계; 상기 제1 층 상에 제2 층을 형성하는 단계; 상기 제2 층, 상기 제1 층 및 상기 발광구조물의 일부를 제거하여 상기 발광구조물과 상기 제2 층에 각각 제1 광결정 구조와 제2 광결정 구조를 형성하는 단계; 및 상기 잔존하는 제1 층을 제거하는 단계;를 포함한다.

실시예에 따른 발광소자에 의하면,광추출 효율의 증대와 더불어 발광패턴을 수직방향으로 조절할 수 있다.

본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on/over)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on/over)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.

도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.

(실시예)

도 1a은 실시예에 따른 발광소자의 수직 단면도이며, 도 1b은 도 1a의 I-I'선을 따른 수평 단면도이다. 도 2는 실시예에 따른 발광소자의 발광패턴의 예시도이다.

실시예에 따른 발광소자는 제1 도전형 반도체층(110), 활성층(120), 제2 도전형 반도체층(130)을 포함하는 발광구조물(100); 상기 발광구조물(100) 상에 형성된 제1 광결정 구조(Photonic Crystal)(101); 상기 제1 광결정 구조(101) 상에 형성된 하부 배경물질(A); 및 상기 하부 배경물질(A) 상에 형성된 제2 광결정 구조(162);를 포함할 수 있다.

실시예에 따른 발광소자는 광추출 효율 향상을 위해 주기적인 혹은 주기성이 없는 패턴이 도입된 제1 광결정 구조(101)를 포함하는 발광구조물(100) 위에 제2 광결정 구조(162)를 형성하고, 제1 광결정 구조(101)와 제2 광결정 구조(162) 사이에 하부 배경물질(A)을 형성할 수 있다. 상기 제2 광결정 구조(162) 상에는 상부 배경물질(B)이 형성될 수 있다.

상기 하부 또는 상부 배경물질(A, B)은 공기(air) 이거나 에폭시 등일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예에서 발광구조물(100) 외곽에는 제1 층(150)이 잔존할 수 있다. 상기 1층(150)은 발광구조물(100)과 같은 계열의 반도체물질로 형성되거나, 유전체층일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 이에 따라 상기 잔존하는 제1 층(150)이 제2 광결정 구조(162)의 지지역할을 할 수 있다.

실시예는 도 2와 같이 제1 광결정 구조, 제2 광결정 구조의 패턴의 주기, 위치 등의 조절을 통해 빛을 수직 방향으로 모을 수 있는 역할을 할 수 있다. 이때, 발광구조물(100) 상에 형성된 제1 광결정 구조(101)는 빛의 추출효율 향상역할을 담당하고, 제2 광결정 구조(162)는 빛의 발광패턴을 수직방향으로 조절하는 역할을 할 수 있다. 이에 따라 상기 제1 광결정 구조(101)와 상기 제2 광결정 구조(162)는 구조적 인자, 예를 들면, 패턴의 주기 등이 다르게 설정될 수 있다.

또한, 상기 제1 광결정 구조(101)와 상기 제2 광결정 구조(162)는 도 1a와 같이 상하간에 공간적으로 대응하여 형성될 수 있거나, 서로 엇갈리거나 일부분이 중첩되어 형성될 수 있다.

실시예에 따른 발광소자에 의하면, 발광구조물 상에 제1 광결정 구조와 제2 광결정 구조를 형성하고, 상기 제1 광결정 구조와 제2 광결정 구조 사이에 배경물질 형성함으로써 광추출 효율의 증대와 더불어 발광패턴을 수직방향으로 조절할 수 있다.

즉, 실시예에 의하면 제1 광결정 구조와 제2 광결정 구조에 의해 광추출 효율이 현저히 증대되고, 상기 제2 광결정 구조에 대한 배경물질이 공기(Air) 또는 발광구조물 보다 낮은 굴절률을 가짐으로써 발광패턴을 수직방향을 조절할 수 있다.

(제1 실시예)

이하, 도 3 내지 8을 참조하여 제1 실시예에 따른 발광소자의 제조방법을 설명한다. 이하, 제1 실시예는 제1 기판(50) 상에 발광구조물(100)을 형성한 후 제1 기판을 제거하는 공정을 설명하나 이에 한정되는 것이 아니며 제2 전극층(140) 등과 같은 전도성 기판 등에 발광구조물(100)을 형성하는 방법도 가능하다.

먼저, 도 3과 같이 제1 기판(50) 상에 제1 도전형 반도체층(110), 활성층(120), 제2 도전형 반도체층(130)을 포함하는 발광구조물(100)을 형성한다. 상기 제1 기판(50)과 상기 제1 도전형 반도체층(110) 사이에 언도프트(undoped) 반도체층이 더 형성될 수도 있다. 또한, 상기 발광구조물(100)은 AlGaInN 반도체층일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 제1 기판(50)은 사파이어(Al₂O₃) 단결정 기판일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제1 기판(50)에 대해 습식세척을 실시하여 표면의 불순물 을 제거할 수 있다.

이후, 상기 제1 기판(50) 상에 제1 도전형 반도체층(110)을 형성한다. 상기 제1 기판(50) 상에 언도프트(undoped) 반도체층이 형성되고, 상기 언도프트(undoped) 반도체층 상에 제1 도전형 반도체층(110)이 형성될 수 있다. 상기 제1 도전형 반도체층(110)은 화학증착방법(CVD) 혹은 분자선 에피택시 (MBE) 혹은 스퍼터링 혹은 수산화물 증기상 에피택시(HVPE) 등의 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 또한, 상기 제1 도전형 반도체층(110)은 챔버에 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH₃), 질소 가스(N₂), 및 실리콘(Si)와 같은 n 형 불순물을 포함하는 실란 가스(SiH₄)가 주입되어 형성될 수 있다.

이후, 상기 제1 도전형 반도체층(110) 상에 활성층(120)을 형성한다. 상기 활성층(120)은 제1 도전형 반도체층(110)을 통해서 주입되는 전자와 제2 도전형 반도체층(130)을 통해서 주입되는 정공이 서로 만나서 활성층(발광층) 물질 고유의 에너지 밴드에 의해서 결정되는 에너지를 갖는 빛을 방출하는 층이다. 활성층(120)은 에너지 밴드가 서로 다른 질화물 반도체 박막층을 교대로 한 번 혹은 여러 번 적층하여 이루어지는 양자우물구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 활성층(120)은 트리메틸 갈륨 가스(TMGa), 암모니아 가스(NH₃), 질소 가스(N₂), 및 트리메틸 인듐 가스(TMIn)가 주입되어 InGaN/GaN 구조를 갖는 다중 양자우물구조가 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

이후, 상기 활성층(120) 상에 제2 도전형 반도체층(130)을 형성한다. 예를 들어, 상기 제2 도전형 반도체층(130)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 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

다음으로, 도 4와 같이 상기 제2 도전형 반도체층(130) 상에 제2 전극층(140)을 형성할 수 있다. 상기 제2 전극층(140)은 티탄(Ti), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 금(Au), 텅스텐(W), 또는 불순물이 주입된 반도체 기판 중 적어도 어느 하나로 형성될 수도 있다.

상기 제2 전극층(140)은 오믹층, 반사층, 접착층, 제2 기판 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 전극층(140)은 오믹층을 포함할 수 있으며, 정공주입을 효율적으로 할 수 있도록 단일 금속 혹은 금속합금, 금속산화물 등을 다중으로 적층하여 형성할 수 있다. 상기 오믹층은 ITO, IZO(In-ZnO), GZO(Ga-ZnO), AZO(Al-ZnO), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), IrOx, RuOx, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, 및 Ni/IrOx/Au/ITO 중 적어도 하나를 포함하여 형성될 수 있으며, 이러한 재료에 한정되는 않는다.

또한, 상기 제2 전극층(140)은 반사층이나 접착층을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 전극층(140)이 반사층을 포함하는 경우 Al, Ag, 혹은 Al이나 Ag를 포함하는 합금을 포함하는 금속층으로 이루어질 수 있다. 알루미늄이나 은 등은 활성층에서 발생된 빛을 효과적으로 반사하여 발광소자의 광추출 효율을 크게 개선할 수 있다.

또한, 상기 제2 전극층(140)이 접착층을 포함하는 경우 상기 반사층이 접착층의 기능을 하거나, 니켈(Ni), 금(Au) 등을 이용하여 접착층을 형성할 수 있다.

또한, 상기 제2 전극층(140)은 제2 기판을 포함할 수 있다. 만약, 상기 제1 도전형 반도체층(110)이 50㎛ 이상으로 충분히 두꺼운 경우에는 제2 기판을 형성하는 공정은 생략될 수 있다. 상기 제2 기판은 효율적으로 정공을 주입할 수 있도록 전기 전도성이 우수한 금속, 금속합금, 혹은 전도성 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 기판은 구리(Cu), 구리합금(Cu Alloy) 또는 Si, Mo, SiGe 등일 수 있다. 상기 제2 기판을 형성시키는 방법은 전기화학적인 금속증착방법이나 공융금속을 이용한 본딩 방법 등을 사용할 수 있다.

다음으로, 도 5와 같이 상기 제1 도전형 반도체층(110)이 노출되도록 상기 제1 기판(50)을 제거한다. 상기 제1 기판(50)을 제거하는 방법은 고출력의 레이저를 이용하여 제1 기판을 분리하거나 화학적 식각 방법을 사용할 수 있다. 또한, 상기 제1 기판(50)은 물리적으로 갈아냄으로써 제거할 수도 있다. 상기 제1 기판(50)의 제거는 제1 도전형 반도체층(110)을 노출시킨다. 상기 노출된 제1 도전형 반도체층(110)은 제1 기판 제거시 발생되는 표면 결함층을 갖을 수 있다. 이러한 표면 결함층은 습식 혹은 건식 식각 방법으로 제거할 수 있다.

다음으로, 도 6과 같이 상기 발광구조물(100) 상에 제1 층(150)을 형성한다. 상기 제1 층(150)은 이후 공정에서 제거될 희생층으로 역할을 할 수 있으며, 증착 또는 성장 등에 의해 형성될 수 있다. 상기 제1 층(150)은 상기 발광구조물(100)과 식각선택비가 다른 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 층(150)은 발광구조물(100)과 같은 계열의 반도체물질로 형성되거나, 유전체층일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 제1 층(150)은 SiO₂, TiO₂, Al₂O₃, ITO 등과 산화물 계열, SiN₃ 등과 같은 질화물 계열 또는 MgF₂ 등와 같은 플로라이드(fluoride) 계열 등의 물질 중 어느 하나 일수 있으나 이에 한정되지 않는다.

다음으로, 상기 제1 층(150) 상에 제2 층(160)을 형성한다. 상기 제2 층(160)은 추가적인 제2 광결정 구조(162)가 형성될 층으로서 증착 또는 성장 등의 공정으로 형성될 수 있다.

상기 제2 층(160)의 굴절률은 상기 발광구조물(100)의 굴절률 이상일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 발광되는 빛의 방향성 조절은 굴절률 대비(Index contrast)에 밀접한 관련이 있으며, 굴절률 차이가 클수록 방향성 조절이 용이해 진다.

상기 제2 층(160)은 상기 제1 층(150)과 대비하여 식각선택비가 있는 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어,상기 제2 층(160)은 상기 발광구조물(100)과 같은 계열의 반도체물질로 형성되거나, 유전체물질로 형성될 수 있다.

예를 들어, 상기 제2 층(160)은 상기 제1 층(150)과 선택비가 있는 반도체물질로 형성되거나, 상기 제1 층(150)이 유전체 물질인 경우 상기 제1 층(150)의 유전체 물질과 식각선택비가 있는 유전체 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 층(150)이 산화막인 경우, 상기 제2 층(160)은 질화막으로 형성할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

다음으로, 도 7과 같이 제1 패턴(미도시)을 형성하고, 상기 제1 패턴을 마스크로 상기 제2 층(160), 상기 제1 층(150) 및 상기 발광구조물(100)의 일부를 1차 식각하여 상기 발광구조물(100)과 상기 제2 층(160)에 각각 제1 광결정 구조(101)와 제2 광결정 구조(162)를 형성할 수 있다.

도 7은 제1 광결정 구조(101)와 제2 광결정 구조(162)가 동시에 형성되는 예를 도시하고 있으나 이에 한정되는 것이 아니며, 제2 실시예와 같이 제1 광결정 구조(101)를 형성한 후, 제2 광결정 구조(162)를 형성할 수도 있다.

상기 1차 식각공정은 건식식각에 의해 진행될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 1차 식각공정이 건식식각에 의해 진행되는 경우 상기 제1 광결정 구조(101)와 상기 제2 광결정 구조(162)는 주기성이 있는 광결정 구조일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 상기 제1 광결정 구조(101)는 주기성이 없은 패턴을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 실시예와 같이 발광구조물(100) 상에 습식식각 또는 건식식각 등으로 주기성이 없는 제1 광결정 구조를 먼저 형성하고, 이후 제2 광결정 구조를 별도로 형성하는 공정이 진행될 수도 있다.

도 7과 같이 상기 제1 광결정 구조(101) 또는 상기 제2 광결정 구조(162)가 주기성이 있는 패턴을 포함하는 경우, 상기 주기성이 있는 패턴의 주기는 λ/n~10×λ/n 일 수 있다. 이때, λ는 활성층에서 발광하는 빛의 파장이며, n는 발광구조물의 굴절률이다. 한편, 광결정 구조의 패턴 주기가 λ/n 미만인 경우 회절이 일어 나지 않으므로 방향성 조절의 효과가 없게되며, 주기가 10×λ/n을 초과하는 것과 같이 매우 큰 경우에는 회절의 강도가 약화되어 방향성의 조절의 효과가 없을 수 있다.

또한, 상기 제1 광결정 구조(101) 또는 상기 제2 광결정 구조(162)가 주기성이 있는 패턴을 포함하는 경우, 상기 제1 광결정 구조(101)의 주기와 상기 제2 광결정 구조(162)의 주기는 서로 다를 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 이는 제1 광결정 구조(101)는 광추출 효율의 기능을 중점하며, 제2 광결정 구조(162)는 수직 방향의 발광패턴을 조절하는 기능을 중점하기 때문이다. 실시예에서 광추출 효율의 주된 기능을 하는 제1 광결정 구조(101)의 주기는 방향성 조절의 주된 기능을 하는 제2 광결정 구조(162)의 주기 보다 더 클 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 상기 제1 광결정 구조(101) 또는 상기 제2 광결정 구조(162)가 주기성이 있는 패턴을 포함하는 경우 상기 주기성이 있는 패턴은 사각격자, 삼각격자, 아르키메디안(Archimedean) 또는 준결정(Quasicrystal) 등을 모두 포함할 수 있다.

도 7과 같이 상기 제1 광결정 구조(101)와 상기 제2 광결정 구조(162)는 상하간에 공간적으로 대응할 수 있으나 이에 한정되는 것이 아니며 제2 실시예와 같이 상호간에 일부 겹치거나 엇갈려 배치될 수 있다.

상기 1차 식각에 의해 상기 발광구조물(100) 상에 제1 광결정 구조(101)가 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 언도프트 반도체층(미도시)에 제1 광결정 구조(101)가 형성될 수도 있다.

다음으로, 도 8과 같이 상기 제1 층(150)을 제거한다. 예를 들어, 습식식각에 의해 2차 식각 공정이 진행되어 희생층인 제1 층(150)이 제거될 수 있으나 식각방법이 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 습식식각에 상용되는 식각용액은 상기 제2 광결정구조, 제1 광결정 구조의 패턴에 영향을 덜 미치는 용액을 이용할 수 있다.

실시예에서 발광구조물(100) 외곽에는 제1 층(150)이 잔존할 수 있다. 이에 따라 상기 잔존하는 제1 층(150)이 제2 광결정 구조(162)의 지지역할을 할 수 있다. 예를 들어, 발광구조물(100) 외곽의 제1 층(150)이 잔존할 수 있도록 식각시간 등을 조절하여 제1 광결정 구조(101)와 제2 광결정 구조(162) 사이에 제1 층(150)을 잔존시킬 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 제2 광결정 구조(162)의 지지역할을 하는 방법으로 발광구조물(100) 외곽에 제2 층이 잔존하는 방법(미도시)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 층(150)을 발광구조물(100) 상에 형성시 발광구조물(100) 외곽에는 제1 층(150)을 형성하지 않고, 이후 제2 층(160)이 제1 층(150) 및 발광구조물(100) 외곽 상에 형성되도록 함으로써, 광결정 구조 패터닝 후 상기 제1 층(150)을 식각하여 제거하면 발광구조물(100) 외곽에 제2 층이 잔존할 수 있다.

다음으로, 상기 제1 층(150)을 제거하는 단계 후에 배경물질을 채우거나 채우지 않을 수 있다. 배경물질은 하부 배경물질(A), 상부 배경물질(B)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 하부 또는 상부 배경물질(A, B)은 공기(air) 이거나 에폭시 등일 수 있다. 이러한 배경물질은 상기 발광구조물(100)의 굴절률, 제2 층의 굴절 률 보다 낮은 굴절률을 가질 수 있다. 이에 따라 제2 광결정 구조(162)가 굴절률이 작은 하부 배경물질과 상부 배경물질로 둘러싸임으로써 광추출 효과를 극대화할 수 있다.

이후, 전류흐름을 위해 제1 전극(미도시)은 발광구조물(100) 상에 형성될 수 있으며, 제1 전극이 형성된 상부에는 제2 광결정 구조(162)가 형성되지 않을 수 있다.

(제2 실시예)

도 9는 제2 실시예에 따른 발광소자의 수직 단면도이다.

제2 실시예에 따른 발광소자는 상기 제1 실시예에 따른 발광소자의 특징을 채용할 수 있다. 다만, 제1 실시예와 달리 제2 실시예의 제1 광결정 구조(101)와 제2 광결정 구조(163)는 상하간 공간적으로 일부 겹치거나 엇갈리 수 있다.

제2 실시예에서 발광구조물(100) 외곽에는 제1 층(150)이 잔존할 수 있다. 상기 1층(150)은 발광구조물(100)과 같은 계열의 반도체물질로 형성되거나, 유전체층일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 이에 따라 상기 잔존하는 제1 층(150)이 제2 광결정 구조(163)의 지지역할을 할 수 있다.

이하, 도 10 내지 도 15를 참조하여 제2 실시예에 따른 발광소자의 제조방법을 설명한다.

도 10과 같이, 제1 도전형 반도체층(110), 활성층(120), 제2 도전형 반도체 층(130)을 포함하는 발광구조물(100) 상에 제2 전극층(140)을 형성할 수 있다. 이는 제1 실시예의 기술적인 특징을 채용할 수 있다.

다음으로, 도 11과 같이 상기 발광구조물(100) 상에 제1 광결정 구조(101)를 형성한다. 예를 들어, 상기 발광구조물(100) 상에 제2 패턴(미도시)을 형성한 후, 상기 제2 패턴을 마스크로 상기 발광구조물(100)을 습식식각 또는 건식식각 등에 의해 일부 제거하여 제1 광결정 구조(101)를 형성할 수 있다. 상기 제1 광결정 구조(101)는 주기적인 패턴을 포함하거나, 주기성이 없는 패턴을 포함할 수 있다.

다음으로, 도 12와 같이 상기 제2 패턴을 제거하고, 상기 제1 광결정 구조(101)를 포함하는 발광구조물(100) 상에 제1 층(150)을 형성할 수 있다. 상기 제1 층(150)은 유전체층일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

다음으로, 도 13과 같이 상기 제1 층(150) 상에 제2 층(160)을 형성한다. 상기 제2 층(160)은 추가적인 제2 광결정 구조(163)가 형성될 층으로서 증착 또는 성장 등의 공정으로 형성될 수 있다. 상기 제2 층(160)의 굴절률은 상기 발광구조물(100)의 굴절률 이상일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제2 층(160)은 상기 제1 층(150)과 대비하여 식각선택비가 있는 물질로 형성될 수 있다.

다음으로, 도 14와 같이 상기 제2 층(160) 상에 제3 패턴(미도시)을 형성하고, 상기 제3 패턴을 마스크로 상기 제2 층(160), 상기 제1 층(150)의 일부를 건식식각 또는 습식식각 등에 의해 제거하여 상기 제2 층(160)에 제2 광결정 구조(163)를 형성할 수 있다.

이때, 상기 제2 광결정 구조(163)는 상기 제1 광결정 구조(101)와 상하 공간 적으로 일부 겹치거나 엇갈릴 수 있다.

다음으로, 도 15와 같이 상기 제1 층(150)을 습식식각 등에 의해 제거할 수 있다.

이때, 제2 실시예에서 발광구조물(100) 외곽에는 제1 층(150)이 잔존할 수 있다. 이에 따라 상기 잔존하는 제1 층(150)이 제2 광결정 구조(163)의 지지역할을 할 수 있다. 예를 들어, 발광구조물(100) 외곽의 제1 층(150)이 잔존할 수 있도록 식각시간 등을 조절하여 제1 광결정 구조(101)와 제2 광결정 구조(163) 사이에 제1 층(150)을 잔존시킬 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 제2 광결정 구조(163)의 지지역할을 하는 방법으로 발광구조물(100) 외곽에 제2 층이 잔존하는 방법(미도시)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 층(150)을 발광구조물(100) 상에 형성시 발광구조물(100) 외곽에는 제1 층(150)을 형성하지 않고, 이후 제2 층(160)이 제1 층(150) 및 발광구조물(100) 외곽 상에 형성되도록 함으로써, 제2 광결정 구조(163) 패터닝 후 상기 제1 층(150)을 식각하여 제거하면 발광구조물(100) 외곽에 제2 층이 잔존할 수도 있다.

이후, 상기 제3 패턴을 제거하고, 하부 배경물질(A), 상부 배경물질(B)을 형성할 수 있다.

이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1a은 실시예에 따른 발광소자의 수직 단면도.

도 1b은 실시예에 따른 발광소자의 수평 단면도.

도 2는 실시예에 따른 발광소자의 발광패턴의 예시도.

도 3 내지 도 8은 제1 실시예에 따른 발광소자의 제조방법의 공정단면도.

도 9는 제2 실시예에 따른 발광소자의 수직 단면도.

도 10 내지 도 15는 제2 실시예에 따른 발광소자의 제조방법의 공정단면도.

Claims

제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물;

상기 발광구조물 상에 형성된 제1 광결정 구조;

상기 제1 광결정 구조 상에 형성된 하부 배경물질; 및

상기 하부 배경물질 상에 형성된 제2 광결정 구조;를 포함하는 발광소자.
제1 항에 있어서,

상기 제1 광결정 구조 또는 상기 제2 광결정 구조의 패턴 주기는 λ/n~10×λ/n 인 발광소자.
제1 항에 있어서,

상기 제1 광결정 구조의 주기와 상기 제2 광결정 구조의 주기는 서로 다른 발광소자.
제1 항에 있어서,

상기 제1 광결정 구조와 상기 제2 광결정 구조는 상하간에 공간적으로 대응하거나 일부 겹치거나 엇갈리는 발광소자.
제1 항에 있어서,

상기 제2 광결정 구조 상에 상부 배경물질을 포함하는 발광소자.
제1 항 또는 제5 항에 있어서,

상기 하부 배경물질, 상기 상부 배경물질은 상기 발광구조물의 굴절률 보다 낮은 굴절률을 가지는 발광소자.
제1 항에 있어서,

상기 제2 광결정 구조의 굴절률은 상기 발광구조물의 굴절률 이상인 발광소자.
제1 도전형 반도체층, 활성층, 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물을 형성하는 단계;

상기 발광구조물 상에 제1 층을 형성하는 단계;

상기 제1 층 상에 제2 층을 형성하는 단계;

상기 제2 층, 상기 제1 층 및 상기 발광구조물의 일부를 제거하여 상기 발광구조물과 상기 제2 층에 각각 제1 광결정 구조와 제2 광결정 구조를 형성하는 단계; 및

상기 잔존하는 제1 층을 제거하는 단계;를 포함하는 발광소자의 제조방법.
제8 항에 있어서,

상기 제1 층은

유전체층 또는 반도체물질을 포함하는 발광소자의 제조방법.
제8 항에 있어서,

상기 잔존하는 제1 층을 제거하는 단계는,

습식식각에 의해 진행하는 발광소자의 제조방법.
제8 항에 있어서,

상기 제1 광결정 구조 또는 상기 제2 광결정 구조의 패턴 주기는 λ/n~10×λ/n 인 발광소자의 제조방법.
제8 항에 있어서,

상기 제1 광결정 구조의 주기와 상기 제2 광결정 구조의 주기는 서로 다른 발광소자의 제조방법.
제8 항에 있어서,

상기 제1 광결정 구조와 상기 제2 광결정 구조는 상하간에 공간적으로 대응하거나 일부 겹치거나 엇갈리는 발광소자의 제조방법.
제8 항에 있어서,

상기 제1 층을 제거하는 단계 후에 배경물질을 채우는 단계를 포함하는 발광소자의 제조방법.
제14 항에 있어서,

상기 배경물질은 상기 발광구조물의 굴절률 보다 낮은 굴절률을 가지는 발광소자의 제조방법.
제8 항에 있어서,

상기 제2 층의 굴절률은 상기 발광구조물의 굴절률 이상인 발광소자의 제조방법.