KR20130049568A - 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로,
본 발명의 일 측면은, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물;및 상기 발광구조물 상에 형성되며, 복수의 나노로드와 상기 복수의 나노로드 사이를 채우는 공기를 포함하는 나노로드층 및 상기 나노로드층 상에 형성되는 반사 금속층을 구비하는 반사구조물;을 포함하는 반도체 발광소자를 제공한다.

Description

반도체 발광소자 및 그 제조방법{Light Emitting Device and Manufacturing Method thereof}
본 발명은 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 질화물 반도체는 풀컬러 디스플레이, 이미지 스캐너, 각종 신호시스템 및 광 통신기기에 광원으로 제공되는 녹색 또는 청색 발광 다이오드(light emitting diode: LED) 또는 레이저 다이오드(laser diode: LD)에 널리 사용되어 왔다. 이러한 질화물 반도체 발광소자는 전자와 정공의 재결합원리를 이용하는 청색 및 녹색을 포함하는 다양한 광의 방출하는 활성층을 갖는 발광소자로서 제공될 수 있다.
이러한 질화물 발광소자가 개발된 후에, 많은 기술적 발전을 이루어져 그 활용 범위가 확대되어 일반 조명 및 전장용 광원으로 많은 연구가 되고 있다. 특히, 종래에는 질화물 발광소자는 주로 저 전류/저 출력의 모바일 제품에 적용되는 부품으로 사용되었으며, 최근에는 점차 그 활용범위가 고 전류/고 출력 분야로 확대되고 있다. 이에 따라, 반도체 발광소자의 발광 효율과 품질을 개선하기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
반도체 발광소자의 발광 효율을 개선하기 위해, 반도체 발광소자로부터 방출된 빛을 원하는 방향으로 유도하여 광 추출 효율을 향상시킬 수 있으며, 이를 위해 칩 내부 또는 표면에 금속 반사층이 형성될 수 있다. 그러나, 반사층으로 금속 박막을 적용하는 경우, 열에 취약하고 반도체층과의 접착성이 떨어지는 문제가 있다.
본 발명의 목적 중 하나는, 광 추출 효율이 향상된 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적 중 다른 하나는, 반사층의 열적 신뢰성이 개선된 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은,
제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물 및 상기 발광구조물 상에 형성되며, 복수의 나노로드와 상기 복수의 나노로드 사이를 채우는 공기를 포함하는 나노로드층 및 상기 나노로드층 상에 형성되는 반사 금속층을 구비하는 반사구조물을 포함하는 반도체 발광소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 반사구조물은 상기 활성층에서 방출된 빛의 파장에 대하여 상기 복수의 나노로드가 형성된 영역과 상기 나노로드 사이를 채우는 공기가 형성된 영역에서 서로 다른 굴절률을 나타낼 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 반사구조물은 상기 나노로드층이 상기 발광구조물의 제2 도전형 반도체층과 접하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 복수의 나노로드는 전기 전도성과 광 투과성을 갖는 물질로 이루어질 수 있다.
이 경우, 상기 복수의 나노로드는 투명 전도성 산화물 또는 투명 전도성 질화물로 이루어질 수 있다.
이 경우, 상기 투명 전도성 산화물은 ITO, CIO, ZnO 중 적어도 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 나노로드층의 두께는 λ/(4n)의 정수 배이며, 여기서 상기 n은 상기 나노로드의 굴절률, 상기 λ는 상기 활성층에서 방출된 빛의 파장일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 반사구조물 상에 형성된 도전성 기판을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 그 일면에 상기 발광구조물이 형성된 반도체 성장용 기판을 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 반사구조물은 상기 반도체 성장용 기판의 상기 발광구조물이 형성된 면과 대향하는 면에 형성될 수 있다.
이와는 달리, 상기 반사구조물은 상기 반도체 성장용 기판 상에 형성된 발광구조물의 제2 도전형 반도체층 상에 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면은,
제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물을 마련하는 단계와, 상기 발광구조물 상에 복수의 나노로드를 포함하는 나노로드층을 형성하는 단계와, 상기 나노로드층 상에 상기 복수의 나노로드 사이에 공기가 채워지도록 반사 금속층을 형성하는 단계를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 나노로드층의 두께는 λ/(4n)의 정수 배이며, 여기서 상기 n은 상기 나노로드의 굴절률, 상기 λ는 상기 활성층에서 방출된 빛의 파장일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 반사 금속층은 스퍼터링 또는 전자 빔 증착에 의해 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 나노로드는 상기 제2 도전형 반도체층 상에서 직접 성장될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 반사 금속층 상에 도전성 기판을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 반도체 성장용 기판 상에 상기 발광구조물의 상기 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 나노로드층은 상기 반도체 성장용 기판의 상기 발광구조물이 형성된 면과 대향하는 면에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 굴절률 차이를 이용한 전반사와 단일지향성 반사기 구조를 통해 광 추출 효율이 향상된 반도체 발광소자를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 발광구조물에서 방출되는 고열에 의한 반사 금속층의 열화를 방지하여 신뢰성이 개선된 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 반도체 발광소자의 일부를 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 반도체 발광소자 제조방법을 보여주기 위한 개략적인 도면이다.
도 6는 본 발명의 제1 내지 제3 실시형태에 따른 반도체 발광소자의 패키지 실장형태를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술 분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시형태에 따른 반도체 발광소자(100)는 제1 도전형 반도체층(21), 활성층(22) 및 제2 도전형 반도체층(23)을 포함하는 발광구조물(20)과 상기 발광구조물(20) 상에 형성되는 반사구조물(30)을 포함한다. 상기 반사구조물(30)은 복수의 나노로드와 상기 나노로드 사이를 채우는 공기를 포함하는 나노로드층(31) 및 상기 나노로드층(31) 상에 형성되는 반사금속층(32)을 구비할 수 있다.
상기 발광구조물(20)의 제1 도전형 반도체층(21) 상에는 상기 제1 도전형 반도체층(21)과 전기적으로 연결되는 제1 전극(21a)이 형성될 수 있으며, 상기 반사구조물(30) 상에는 도전성 기판(40)이 형성될 수 있다. 이때, 상기 도전성 기판(40)은 상기 발광구조물(20)의 제2 도전형 반도체층(23)과 전기적으로 연결되어 제2 전극으로 기능할 수 있다.
본 실시 형태에서, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(21, 23)은 각각 n형 및 p형 반도체층이 될 수 있으며, 질화물 반도체로 이루어질 수 있다. 따라서, 이에 제한되는 것은 아니지만, 본 실시 형태의 경우, 제1 및 제2 도전형은 각각 n형 및 p형을 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 제1 및 제2 도전형 반도체층(21, 23)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 가지며, 예컨대, GaN, AlGaN, InGaN 등의 물질이 이에 해당될 수 있다.
제1 및 제2 도전형 반도체층(21, 23) 사이에 형성되는 활성층(22)은 전자와 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출하며, 양자우물층과 양자장벽층이 서로 교대로 적층된 다중 양자우물(MQW) 구조, 예컨대, InGaN/GaN 구조가 사용될 수 있다. 한편, 제1 및 제2 도전형 반도체층(21, 23)과 활성층(22)은 당 기술 분야에서 공지된 MOCVD, MBE, HVPE 등과 같은 반도체층 성장 공정을 이용하여 형성될 수 있을 것이다.
상기 제1 및 도전형 반도체층(21) 상에는 상기 제1 도전형 반도체층(21)과 전기적으로 연결되는 제1 전극(21a)이 형성될 수 있으며, 제1 도전형 반도체층(21)과 제1 전극(21a) 사이의 오믹 컨택 기능을 향상시키기 위하여 ITO, ZnO 등과 같은 투명 전극이 더 구비될 수 있다. 도 1에 도시된 구조의 경우, 제1 전극(21a)이 제1 도전형 반도체층(21)의 중앙에 형성되어 있으나, 상기 제1 전극(21a)의 위치 및 연결 구조는 필요에 따라 다양하게 변형될 수 있으며, 구체적으로 도시하지는 않았으나, 전류의 균일한 분배를 위해 상기 제1 전극(21a)으로부터 연장되는 가지 전극을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1 전극(21a)은 본딩 패드로 이해될 수 있을 것이다.
상기 반사구조물(30) 상에 형성된 도전성 기판(40)은, 성장용 기판(미도시) 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 반도체층(21), 활성층(22) 및 제2 도전형 반도체층(23)으로부터 반도체 성장용 기판(미도시)을 제거하기 위한 레이저 리프트 오프 등의 공정에서 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(21, 23)과 활성층(22)을 포함하는 발광구조물을 지지하는 지지체의 역할을 수행할 수 있으며, Au, Ni, Al, Cu, W, Si, Se, GaAs 중 어느 하나를 포함하는 물질, 예컨대, Si 기판에 Al이 도핑된 물질로 이루어질 수 있다.
본 실시 형태의 경우, 도전성 기판(40)은 도전성 접착층(미도시)을 매개로 발광구조물과 접합될 수 있다. 도전성 접착층은 예컨대, AuSn와 같은 공융 금속 물질을 이용할 수 있을 것이다. 또한 상기 도전성 기판(40)은 상기 제2 도전형 반도체층(23)으로 전기 신호를 인가하는 제2 전극으로 기능할 수 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이, 전극이 수직 방향으로 형성되는 경우, 전류 흐름 영역이 확대되어 전류 분산 기능이 향상될 수 있다.
반사구조물(30)은 상기 발광구조물(20) 상에 형성되며, 복수의 나노로드와 상기 복수의 나노로드 사이를 채우는 공기를 포함하는 나노로드층(31) 및 상기 나노로드층(31) 상에 형성되는 반사 금속층(32)을 포함할 수 있다.
상기 복수의 나노로드는 전기 전도성과 투광성을 갖는 물질로 이루어질 수 있으며, 구체적으로 투명 전도성 산화물(Transparent Conductive Oxide: TCO) 또는 투명 전도성 질화물(Transparent Conductive Oxide: TCN)이 적용될 수 있다. 이때, 상기 투명 전도성 산화물은 ITO, CIO, ZnO 등일 수 있다.
상기 반사 금속층(32)은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 등의 물질을 포함할 수 있으며, 도 1에서는 하나의 층으로 도시하였으나, 이와는 달리 2층 이상의 구조로 채용될 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나, 예를 들어, Ni/Ag, Zn/Ag, Ni/Al, Zn/Al, Pd/Ag, Pd/Al, Ir/Ag. Ir/Au, Pt/Ag, Pt/Al, Ni/Ag/Pt 등이 적용될 수 있을 것이다.
상기 복수의 나노로드와 반사 금속층(32)은 공지된 증착 공정, 예를 들면, 유기 금속 화학 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition: MOCVD), 분자빔 증착법(Molecular Beam Epitaxy: MBE), 스퍼터링(sputtering) 등에 의해 형성될 수 있으며, 자세한 내용은 도 5를 참조하여 후술하기로 한다.
다만, 도 1에서는 상기 나노로드층(31) 상에 형성된 반사 금속층(32)이 완전히 분리된 형태로 도시하였으나, 상기 복수의 나노로드 사이에는 상기 반사 금속층(32)을 형성하기 위한 금속 물질이 일부 영역에 증착될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 반도체 발광소자의 일부를 확대하여 나타낸 단면도이다. 구체적으로, 반사구조물(30) 형성 영역과 인접한 영역의 단면을 개략적으로 나타낸다.
도 2를 참조하면, 상기 발광구조물(20) 상에 형성되는 반사구조물(30)은 복수의 나노로드(31a)와 상기 나노로드(31a) 사이를 채우는 공기(31b)를 포함하는 나노구조층(31)과 상기 나노구조층(31) 상에 형성되는 반사 금속층(32)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 반사구조물(30)은 상기 발광구조물(20)의 제2 도전형 반도체층(23)이 상기 반사구조물(30)의 나노로드층(31)과 접하도록 형성될 수 있으며, 이때, 상기 발광구조물(20)의 활성층(22)에서 생성되어 하부로 방출된 광은 상기 반사구조물(30)에서 효과적으로 반사되어 상부로 유도될 수 있다.
본 실시형태에 따른 반도체 발광소자(100)의 경우, 주된 광 방출면은 발광구조물(20)의 상면, 즉, 제1 도전형 반도체층(21)을 향하는 방향과, 발광구조물(20)의 측면이 될 수 있다. 따라서, 도전성 기판(40)이 형성된 방향으로 방출된 광을 발광구조물(20)의 상면 및 측면으로 유도함으로써 광출력을 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 활성층(22)에서 도전성 기판(40)을 향해 방출된 광 중에서 상기 복수의 나노로드(31a) 사이를 채우는 공기층 영역에 도달한 빛(a)은, 상기 제2 도전형 반도체층(23)과 상기 나노로드 사이에 채워진 공기(31b) 사이의 큰 굴절률 차이에 의해 작은 임계각을 갖게 된다. 즉, 공기(31b)는 작은 굴절률(굴절률 약 1)을 가지므로, 상기 제2 도전형 반도체층(23)과의 큰 굴절률 차이에 의해 임계각 이상으로 입사한 대부분의 빛이 그 계면에서 전반사되도록 함으로써, 빛을 상부로 유도할 수 있다.
한편, 본 실시형태에서 상기 복수의 나노로드(31a)와 상기 반사 금속층(32)은 단일지향성 반사기(Omnidirectional reflector: ODR) 구조를 형성하여 높은 반사율을 가짐으로써 활성층(22)에서 방출된 빛이 흡수되어 소멸되는 것을 최소화할 수 있다. 이때, 단일지향성 반사기 구조가 구현되기 위하여, 상기 나노로드층(31)의 두께는 λ/(4n)의 정수 배이며, 여기서 상기 n은 상기 나노로드(31a)의 굴절률, 상기 λ는 상기 활성층에서 방출된 빛의 파장일 수 있다.
즉, 이러한 두께 조건을 충족함으로써 상기 복수의 나노로드(31a)와 상기 반사 금속층(32)은 단일지향성 반사기 구조를 가질 수 있으며, 활성층(22)에서 방출된 빛이 상기 복수의 나노로드(31a)와 반사 금속층(32) 사이에 도달한 경우(b)에 반사율이 극대화될 수 있다. 상기 반사 금속층(32)은 나노로드층(31)과 접촉되도록 그 위에 형성되며, 소멸 계수(extinction coefficient)가 높은 물질, 예컨대, Ag, Al, Au 등의 물질을 포함할 수 있다.
본 실시형태에서 상기 반사구조물(30)은, 상기 활성층(22)에서 방출된 파장에 대하여 상기 나노로드층(31)의 상기 복수의 나노로드(31a)가 형성된 영역과 상기 나노로드(31a) 사이를 채우는 공기가 형성된 영역(31b)에서 서로 다른 굴절률을 나타낼 수 있다. 상기 반사구조물(30)이 부분적으로 서로 다른 굴절률을 나타내도록 하기 위해, 상기 나노로드(31a)의 폭, 복수의 나노로드(31a)사이의 간격 등을 조절할 수 있다.
이 경우, 각 영역에서의 반사 효율을 최대로 하여 광 추출 효율을 높임과 동시에, 상기 복수의 나노로드(31a) 사이에는 공기층(31b)이 형성되므로 상기 발광구조물(20)에서 방출되는 고열에 의한 반사 금속층(32)의 열화를 방지할 수 있다. 또한, 상기 복수의 나노로드(31a)는 상기 도전성 기판(40)으로부터 상기 제2 도전형 반도체층(23)으로 전기 신호를 인가하기 위한 전류 통로(current path)로 기능할 수 있으며, 따라서, 전기 전도성을 가진 물질이 적용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시형태에 따른 반도체 발광소자(200)는 반도체 성장용 기판(110), 상기 반도체 성장용 기판(110) 상에 형성되는 발광구조물(120) 및 상기 반도체 성장용 기판(110)의 상기 발광구조물(120)이 형성된 면과 대향하는 면에 형성된 반사구조물(130)을 포함할 수 있다.
상기 발광구조물(120)은 상기 반도체 성장용 기판(110) 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 반도체층(121), 활성층(122) 및 제2 도전형 반도체층(123)을 포함할 수 있으며, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(121, 123) 상에는 외부로부터 전기 신호를 각각 인가하기 위한 제1 및 제2 전극(121a, 123a)이 형성될 수 있다.
상기 반도체 성장용 기판(110)은 사파이어, SiC, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2, GaN 등의 물질로 이루어진 기판을 사용할 수 있다. 이 경우, 사파이어는 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 및 a축 방향의 격자상수가 각각 13.001Å과 4.758Å이며, C(0001)면, A(1120)면, R(1102)면 등을 갖는다. 이 경우, 상기 C면은 비교적 질화물 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 질화물 성장용 기판으로 주로 사용된다. 버퍼층(미도시)은 질화물 등으로 이루어진 언도프 반도체층으로 채용될 수 있으며, 그 위에 성장되는 반도체층의 격자 결함을 완화시킬 수 있다.
상기 제1 전극(121a)은 상기 제2 도전형 반도체층(123), 활성층(122) 및 제1 도전형 반도체층(121)의 일부가 식각되어 노출된 제1 도전형 반도체층(121) 상에 형성될 수 있으며, 상기 제2 전극(123a)은, 상기 제2 도전형 반도체층(23) 상에 형성될 수 있다. 이 경우, 제2 도전형 반도체층(123)과 제2 전극(123a) 사이의 오믹 컨택 기능을 향상시키기 위하여 ITO, ZnO 등과 같은 투명 전극이 더 구비될 수 있다. 도 3에 도시된 구조의 경우, 제1 및 제2 전극(121a, 123a)이 동일한 방향을 향하도록 형성되어 있으나, 상기 제1 및 제2 전극(121a, 123a)의 위치 및 연결 구조는 필요에 따라 다양하게 변형될 수 있을 것이다.
본 실시형태에 따른 반도체 발광소자(200)의 경우, 상기 발광구조물(120)의 상면, 즉 제2 도전형 반도체층(123)이 형성된 면과 상기 발광구조물(120)의 측면이 주된 광 방출면이 될 수 있다. 따라서, 상기 발광구조물(120)의 활성층(122)으로부터 상기 기판(110)을 향해 방출된 광을 상부로 유도함으로써 발광소자의 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다. 본 실시형태의 경우, 상기 반도체 성장용 기판(110)의 발광구조물(120)이 형성된 면과 대향하는 면에 반사구조물(130)을 형성함으로써 상기 기판(110)을 향해 방출된 광이 상부로 유도되도록 할 수 있다.
이때, 상기 반사구조물(130)의 나노로드층(131)이 상기 반도체 성장용 기판(110)과 접하도록 형성될 수 있으며, 상기 나노로드층(131)을 구성하는 복수의 나노로드는 상기 반도체 성장용 기판(110) 상에서 직접 성장될 수 있다.
본 실시형태의 경우, 상기 복수의 나노로드는 상기 제1 도전형 반도체층(121)으로 전기 신호를 인가하기 위한 전류 통로로 기능하지 않으므로 반드시 전기 전도성을 갖는 물질로 형성될 필요는 없으나, 상기 발광구조물(120)에서 생성된 열을 효과적으로 외부로 방출하기 위해 열 전도성이 우수한 물질로 이루어질 수 있다.
도 4는 본 발명의 제3 실시형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시형태에 따른 반도체 발광소자(300)는 반도체 성장용 기판(210), 상기 반도체 성장용 기판(210) 상에 형성된 발광구조물(220) 및 상기 발광구조물(220) 상에 형성된 반사구조물(230)을 포함할 수 있다.
상기 발광구조물(220)은 상기 반도체 성장용 기판(210) 상에 순차적으로 형성된 제1 도전형 반도체층(221), 활성층(222) 및 제2 도전형 반도체층(223)을 포함할 수 있으며, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(221, 223) 각각과 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 전극(221a, 223a)을 포함할 수 있다.
본 실시형태에서 상기 발광구조물(220)의 주된 광 방출면은 상기 발광구조물(220)의 측면과 상기 반도체 성장용 기판(210)이 형성된 면이 될 수 있다. 즉, 상기 발광구조물(220)의 활성층(222)에서 방출된 광이 상기 반도체 성장용 기판(210)을 향하도록 유도될 수 있으며, 따라서, 상기 나노로드층(231)은 상기 제2 도전형 반도체층(223)과 접하도록 형성될 수 있다.
본 실시형태의 경우, 상기 나노로드층(231)을 구성하는 복수의 나노로드는 상기 제2 전극(223a)을 통해 상기 제2 도전형 반도체층(223)에 전기 신호를 인가하는 전류 경로(current path)로 기능하므로, 전기 전도성을 갖는 물질로 이루어질 수 있다.
도 5는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 반도체 발광소자 제조방법을 보여주기 위한 개략적인 도면이다. 구체적으로, 도 1에 도시된 반도체 발광소자의 제조방법을 나타낸다.
우선, 도 5a를 참조하면, 반도체 성장용 기판(10) 상에 제1 도전형 반도체층(21), 활성층(22) 및 제2 도전형 반도체층(23)이 순차적으로 형성된 발광구조물(20)을 형성할 수 있다. 상기 반도체 성장용 기판(10)은 사파이어, SiC, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2, GaN 등의 물질로 이루어진 기판을 사용할 수 있다.
그 상면에 형성되는 질화물 반도체층의 격자 결함을 완화하기 위하여, 상기 반도체 성장용 기판(10) 상면에 버퍼층(미도시)을 형성할 수 있다. 버퍼층은 질화물 등으로 이루어진 언도프 반도체층으로 채용될 수 있으며, 그 위에 성장되는 발광구조물의 격자 결함을 완화시킬 수 있다.
상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(21, 23)과 활성층(22)은 당 기술 분야에서 공지된 MOCVD, MBE, HVPE 등과 같은 반도체층 성장 공정을 이용하여 형성될 수 있을 것이다.
다음으로, 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 발광구조물(20) 상면에 복수의 나노로드를 포함하는 나노로드층(31)을 형성할 수 있다. 상기 나노로드층(31)은 공지된 증착 공정, 예를 들면, 유기 금속 화학 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition: MOCVD) 에 따라 유기금속 전구체의 증기를 기판과 접촉시키거나, 분자빔 증착법(Molecular Beam Epitaxy: MBE)에 의해 빔(beam)을 조사하여 타겟 물질이 기판 또는 반도체층 상에 성장되도록 하여 형성할 수 있다. 상기 복수의 나노로드는 유기 화학 증착법에 의해 형성되는 경우, 도입되는 반응 기체들의 유입량이나 증착 온도 및 시간 등의 조건을 조절하여 원하는 형태로 형성될 수 있다.
이때, 상기 나노로드층(31)의 두께는 λ/(4n)의 정수 배(n: 나노로드의 굴절률, λ: 활성층에서 방출된 빛의 파장)로 형성되어, 그 상면에 형성되는 반사 금속층(32)과 단일지향성 반사기 구조를 형성할 수 있다.
다음으로, 도 5c에 도시된 바와 같이, 공지된 증착 공정을 이용하여 상기 나노로드층(31) 상에 반사 금속층(32)을 형성할 수 있다.
상기 반사 금속층(32)은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 등의 물질을 포함할 수 있으며, 도 5c에서는 하나의 층으로 도시하였으나, 이와는 달리 2층 이상의 구조로 채용될 수 있다.
예를 들어, 전자 빔(e-beam) 또는 스퍼터링(sputtering)을 이용하여 반사 금속층(32)을 형성하는 경우, 스텝 커버리지(step coverage) 특성에 의해 상기 복수의 나노로드 사이 영역에 금속 물질이 완전히 채워지지 않은 상태로 금속 박막층을 형성할 수 있다. 즉, 상기 복수의 나노로드 사이에 공기가 채워진 상태로 남게 된다. 다만, 도 5c에서는 상기 나노로드층(31) 상에 형성된 반사 금속층(32)이 완전히 분리된 형태로 도시하였으나, 상기 복수의 나노로드 사이에는 반사 금속층(32)을 형성하기 위한 금속 물질이 일부 영역에 증착될 수 있다.
다음으로, 도 5d에 도시된 바와 같이, 상기 반사구조물(30)이 형성된 발광구조물 상에 도전성 기판(40)을 형성할 수 있다.
상기 도전성 기판(미도시)은 반도체 성장용 기판(10)을 제거하기 위한 레이저 리프트 오프 등의 공정에서 상기 발광구조물(20)을 지지하는 지지체의 역할을 수행하며, Si, GaAs, InP, InAs 등의 반도체 기판, ITO(Indium Tin Oxide), ZrB, ZnO 등의 전도성 산화막, CuW, Mo, Au. Al, Au 등의 금속 기판 중의 어느 하나로 이루어질 수 있다.
본 실시 형태의 경우, 도전성 기판(40)은 도전성 접착층을 매개로 발광구조물(20)과 접합될 수 있으며, 도전성 접착층은 예컨대, AuSn와 같은 공융 금속 물질을 이용할 수 있을 것이다. 또한, 상기 도전성 기판은 전해 도금, 무전해 도금, 열증착(Thermal evaporator), 전자선 증착(e-beam evaporator), 스퍼터(sputter), 화학기상증착(CVD) 등의 방식을 통하여 형성할 수 있다.
다음으로 도 5e에 도시된 바와 같이, 상기 도전성 기판(40)을 지지체로 하여 레이저 리프트 오프 공정 등을 이용하여 상기 반도체 성장용 기판(10)을 제거하고, 상기 반도체 성장용 기판(10)이 제거되어 노출된 제1 도전형 반도체층(21) 상에 제1 전극(21a)을 형성할 수 있다. 상기 제1 전극(21a)은 상기 제1 도전형 반도체층(21) 상면 어느 곳에 형성되어도 상관없으나, 상기 제1 도전형 반도체층(21)에 전달되는 전류의 고른 분배를 위해 중앙부에 형성될 수 있다.
도 6는 본 발명의 제1 내지 제3 실시형태에 따른 반도체 발광소자의 패키지 실장형태를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
구체적으로, 도 6a는 도 1에 도시된 반도체 발광소자(100) 실장형태의 일 예를 나타내고, 도 6b는 도 3에 도시된 반도체 발광소자(200) 실장형태의 일 예를 나타내며, 도 6c는 도 4에 도시된 반도체 발광소자(300) 실장형태의 일 예를 나타낸다.
우선, 도 6a를 참조하면, 본 실시 형태에 따른 발광소자 패키지는 제1 및 제2 단자부(50a, 50b)를 구비하며, 반도체 발광소자(100)는 이들과 각각 전기적으로 연결될 수 있다. 이 경우, 반도체 발광소자(100)의 제1 도전형 반도체층(21)은 그 상면에 형성된 제1 전극(21a)에 의해 상기 제2 단자부(50b)와 와이어 본딩되며, 상기 제2 도전형 반도체층(23)은 도전성 기판(40)을 통해 제1 단자부(50a)와 직접 연결될 수 있다.
상기 반도체 발광소자(100) 상부에는 상기 반도체 발광소자(100)을 봉지하고 상기 반도체 발광소자(100)와 제1 및 제2 단자부(50a, 50b)를 고정하는 렌즈부(60)가 형성될 수 있다. 상기 렌즈부(60)는 발광소자(100)와 와이어를 보호할 뿐만 아니라, 반구 형상으로 이루어져, 경계면에서의 프레넬 반사를 줄여서 광추출을 증가시키는 역할을 할 수 있다. 이때, 상기 렌즈부(60)는 수지로 이루어질 수 있으며, 상기 수지는, 에폭시, 실리콘, 변형 실리콘, 우레탄수지, 옥세탄수지, 아크릴, 폴리카보네이트 및 폴리이미드 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 렌즈부(60) 상면에 요철을 형성하여 광추출 효율을 높이고, 방출되는 광의 방향을 조절할 수 있다. 상기 및 렌즈부(60)의 형상은 필요에 따라 다양하게 변형될 수 있을 것이다.
구체적으로 도시하지는 않았으나, 상기 렌즈부(60) 내에는 상기 반도체 발광소자(100)의 활성층으로부터 방출된 광의 파장을 변환시키는 파장변환용 형광체 입자를 포함할 수 있다. 상기 형광체는 황색(yellow), 적색(red) 및 녹색(green) 중 어느 하나로 파장을 변환시키는 형광체로 이루어지거나, 복수 종의 형광체가 혼합되어 복수의 파장으로 변환 시킬 수 있으며, 상기 형광체의 종류는, 상기 반도체 발광소자(100)의 활성층으로부터 방출되는 파장에 의해 결정될 수 있다. 구체적으로, 상기 렌즈부(60)는 YAG계, TAG계, 규산염(Silicate)계, 황화물(Sulfide)계 또는 질화물(Nitride)계 중 적어도 1종 이상의 형광물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 청색 발광 LED 칩에 황색으로 파장 변환시키는 형광체를 적용하는 경우, 백색 발광 반도체 발광소자를 얻을 수 있다.
다음으로, 도 6b를 참조하면, 본 실시 형태에 따른 발광소자 패키지는 제1 및 제2 단자부(51a, 51b)를 구비하며, 제2 실시형태에 따른 반도체 발광소자(200)는 이들과 각각 전기적으로 연결될 수 있다. 이 경우, 반도체 발광소자(200)의 제1 및 제2 도전형 반도체층(121, 123) 상에 형성된 제1 및 제2 전극(121a, 123a)은 도전성 와이어에 의해 각각 제2 및 제1 단자부(51b, 51a)와 연결될 수 있다.
도 6c는 본 발명의 제3 실시형태에 따른 반도체 발광소자(300)의 실장 형태를 나타낸 것으로, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(221, 223) 상에 형성된 제1 및 제2 전극(221a, 223a)은 범프 볼(b) 등에 의해 제1 및 제2 단자부(52a, 52b)와 직접 연결되어 플립칩(flip-chip) 본딩될 수 있다.
다만, 도 6에 도시된 발광소자 패키지는 본 발명의 제1 내지 제3 실시형태에 따른 발광소자의 실장 형태에 대한 예시일 뿐, 구체적인 실장 형태와 방법은 다양하게 변형될 수 있을 것이다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이며, 이 또한 첨부된 청구범위에 기재된 기술적 사상에 속한다 할 것이다.
100, 200, 300: 반도체 발광소자 21, 121, 221: 제1 도전형 반도체층
22, 122, 222: 활성층 23, 123, 223: 제2 도전형 반도체층
21a, 121a, 221a: 제1 전극 123a, 223a: 제2 전극
30, 130, 230: 반사구조물 31, 131, 231: 나노로드층
31a: 나노로드 31b: 공기
32, 132, 232: 반사 금속층 40: 도전성 기판
50a, 51a, 52a: 제1 단자부 50b, 51b, 52b: 제2 단자부
60: 렌즈부 10, 110, 220: 반도체 성장용 기판

Claims (18)

  1. 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물; 및
    상기 발광구조물 상에 형성되며, 복수의 나노로드와 상기 복수의 나노로드 사이를 채우는 공기를 포함하는 나노로드층 및 상기 나노로드층 상에 형성되는 반사 금속층을 구비하는 반사구조물;
    을 포함하는 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반사구조물은 상기 활성층에서 방출된 빛의 파장에 대하여 상기 복수의 나노로드가 형성된 영역과 상기 나노로드 사이를 채우는 공기가 형성된 영역에서 서로 다른 굴절률을 나타내는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반사구조물은 상기 나노로드층이 상기 발광구조물의 제2 도전형 반도체층과 접하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 나노로드는 전기 전도성과 광 투과성을 갖는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 나노로드는 투명 전도성 산화물 또는 투명 전도성 질화물로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 투명 전도성 산화물은 ITO, CIO, ZnO 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 나노로드층의 두께는 λ/(4n)의 정수 배이며, 여기서 상기 n은 상기 나노로드의 굴절률, 상기 λ는 상기 활성층에서 방출된 빛의 파장인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 반사구조물 상에 형성된 도전성 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  9. 제1항에 있어서,
    그 일면에 상기 발광구조물이 형성된 반도체 성장용 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 반사구조물은 상기 반도체 성장용 기판의 상기 발광구조물이 형성된 면과 대향하는 면에 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 반사구조물은 상기 반도체 성장용 기판 상에 형성된 발광구조물의 제2 도전형 반도체층 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  12. 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하는 발광구조물을 마련하는 단계;
    상기 발광구조물 상에 복수의 나노로드를 포함하는 나노로드층을 형성하는 단계; 및
    상기 나노로드층 상에 상기 복수의 나노로드 사이에 공기가 채워지도록 반사 금속층을 형성하는 단계;
    를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 나노로드층의 두께는 λ/(4n)의 정수 배이며, 여기서 상기 n은 상기 나노로드의 굴절률, 상기 λ는 상기 활성층에서 방출된 빛의 파장인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 반사 금속층은 스퍼터링 또는 전자 빔 증착에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 나노로드는 상기 제2 도전형 반도체층 상에서 직접 성장되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 반사 금속층 상에 도전성 기판을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  17. 제12항에 있어서,
    반도체 성장용 기판 상에 상기 발광구조물의 상기 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 순차적으로 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 나노로드층은 상기 반도체 성장용 기판의 상기 발광구조물이 형성된 면과 대향하는 면에 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
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