KR100856282B1 - 광자 리사이클링을 이용한 광자결정 발광소자 - Google Patents

광자 리사이클링을 이용한 광자결정 발광소자 Download PDF

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KR100856282B1 KR1020070021432A KR20070021432A KR100856282B1 KR 100856282 B1 KR100856282 B1 KR 100856282B1 KR 1020070021432 A KR1020070021432 A KR 1020070021432A KR 20070021432 A KR20070021432 A KR 20070021432A KR 100856282 B1 KR100856282 B1 KR 100856282B1
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Abstract

본 발명은, 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층과, 이 반도체층들 사이에 샌드위치된 활성층을 구비한 LED 발광 구조물; 및 상기 제2 도전형 반도체층 반대쪽에서, 제1 도전형 반도체층의 일면 상에 형성된 제1 파장변환용 발광층을 포함하되, 상기 제1 파장변환용 발광층은 상기 LED 발광 구조물로부터 나온 1차광을 흡수하여 상기 1차광과 다른 파장의 빛을 방출하고, 상기 파장변환용 발광층에는 발광층 전체 깊이에 걸쳐 광자결정 구조가 형성된, 광자결정 발광소자를 제공한다.
발광 소자, LED, 광자결정, 광자 리사이클링

Description

광자 리사이클링을 이용한 광자결정 발광소자{Photonic Crystal Light Emitting Device Using Photon-recycling}
도 1은 종래의 광자결정 발광소자를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 종래 제안된 여러가지 광자결정 구조를 갖는 발광소자들을 나타내는 부분 단면도이다.
도 3은 다른 종래의 광자결정 발광소자의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 광자결정 발광소자의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 광자결정 발광소자의 단면도이다.
도 6은 또 다른 실시형태에 따른 광자결정 발광소자의 단면도이다.
도 7은 또 다른 실시형태에 따른 광자결정 발광소자의 단면도이다.
도 8은 또 다른 실시형태에 따른 광자결정 발광소자의 단면도이다.
도 9는 광자결정을 형성하는 주기적 격자구조의 예를 나타내는 평면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100, 100', 200, 200'. 200'': 발광소자 101, 102: 투명 기판
103: n형 GaN층 105: 활성층
107: p형 GaN층 108: p측 전극
109: n측 전극 129, 129': 오픈 영역
120, 120', 130: 파장변환용 발광층
본 발명은 반도체 발광 소자에 관한 것으로, 특히 광자 리사이클링을 이용한 높은 광효율의 광자결정 발광소자에 관한 것이다.
최근 GaN계 LED(Light Emitting Diode: 발광다이오드) 등의 반도체 발광소자의 광추출 효율을 높이기 위한 기술로 광자결정(photo crystal) 구조의 응용에 대한 많은 연구가 시도되고 있다. 광자결정 구조의 LED는, 원리상 광추출 효율(extraction efficiency)의 개선뿐만 아니라 광생성율(또는 내부양자효율: internal efficiency)의 개선 및 광방출 방향의 제어 기능의 이점을 가질 수 있다.
그러나 광자결정 구조 형성을 위해 주로 사용되는 건식 식각으로 인해, 전기적 작동을 위한 반도체 결정구조에 심각한 손상이 야기된다. 또한 광자결정 구조를 통한 효율적인 전류공급은 광자결정 LED가 해결해야할 또 다른 과제이다. 현재 광자결정 LED에 대한 대부분의 연구는 LED 칩의 표면에만 광자결정 구조(주기적 굴절율 변조 구조)를 형성하는 방식을 취하며, 그 광자결정 LED는 효율적인 전류주입을 위한 추가적인 구조를 갖게 된다. 이러한 구조의 광자결정 LED는 광자결정의 가장 큰 특징 중 하나인 내부 양자효율의 강화를 활용할 수 없어 기존 CIS(Corrugated Interface Surface)나 표면 거칠기(Surface Roughness) 구조와의 차별성을 나타내기 어렵다.
도 1은 종래의 광자결정 LED를 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도 1을 참조하면, 광자결정 LED(10)는 사파이어 기판(11) 상에 순차 형성된 n형 GaN층(13), 활성층(15) 및 p형 GaN층(17)을 구비한다. 반도체층(13,15,17)에는 광파장보다 작은 크기의 구멍(H)이 광 파장 정도의 간격(A)으로 2차원 주기 구조로 배열되어 광자결정을 형성한다. 이러한 광자결정 LED(10)는, 원리상, 광추출 개선 효과뿐만 아니라 광생성율의 개선 효과 및 광방출 방향의 제어 기능을 갖는다. 또한 주기적 배열의 구멍(H)으로 인한 활성층 영역의 감소나 표면 재결합 문제등은 광결정 구조로 인한 내부 효율의 개선 효과나 패시베이션 공정을 통해 완화될 수 있다고 알려져 있다.
그러나 이러한 판단은 LED가 전기적으로 구동된다는 점을 충분히 고려하지 않은 결론일 수 있다. 예컨대 광생성율의 개선을 위해서는 구멍(H)을 활성층(15)을 포함하는 영역의 깊이까지 형성하여야 하는데, 이 정도 깊이의 구멍(H)을 형성하는데에 주로 사용되는 건식 식각 - 주로, 유도결합 플라즈마 반응성 이온 식각(ICP-RIE)이 이용됨 - 으로 인해, 전기적 작동을 위한 반도체 결정 구조(특히 활성층 부근의 결정 구조)에 심각한 손상이 야기된다. 특히 p-도핑된 부분에 n형 도우너가 발생하여 p형 반도체층(17)의 도핑 농도를 감소시키는데, 이러한 현상은 국소적으 로만 발생되는 것이 아니라 종적 및 횡적으로 전파된다. 이로 인해, 반도체 LED는 전기구동 소자로서의 기능 자체가 상실될 수도 있다. 따라서 현재 대부분의 광자결정 발광소자의 연구는 얕은 광자결정(shallow photonic crystal)과 같이 칩의 표면에만 광자결정 구조를 형성하는 방식을 취한다(도 3 참조).
도 2는 기존에 제안된 여러가지 광자결정 구조의 예를 나타내는 부분 단면도이다. 도 2(a)와 같이 광자결정의 요소(element; 예컨대, 구멍 또는 포스트(post) 등)의 깊이가 활성층 또는 발광층(MQW)에 못미치는 '얕은 광자결정'이 광추출 향상을 위해 이용될 수 있다. 도 2(b)와 같이 광자결정 요소의 깊이 또는 높이가 활성층 또는 발광층에까지 미치는 광자결정, 또는 도 2(c)와 같이 광자결정 요소가 활성층 또는 발광층을 완전히 통과하는 '강한 광자결정(strong photonic crystal)'이 이용될 수도 있다. 그러나 도 2(a)의 얕은 광자결정은 광생성율 강화효과를 충분히 활용하지 못하며, 도 2(b) 및 (c)는 전기구동을 위해 필요한 반도체 결정에 큰 손상을 야기시킨다(도 1 참조).
광자결정의 또 다른 문제는 효율적인 전류의 주입에 있다. 광결정 구조의 형성은 전류주입 경로의 부분적 제거를 수반하므로 상대적으로 균일한 전류분포를 구현하기가 상당히 어렵다. 전류분포의 불균일성은 전류주입효율에 영향을 미쳐 LED의 전체적인 내부 효율을 저하시킨다. 이러한 문제를 해결하기 위해 광자결정 구조의 거의 전체를 등각으로(conformally) 덮는 투명 금속전극을 사용하기도 한다.
도 3은 다른 종래의 광자결정 LED(20)의 단면도이다. 도 3을 참조하면 사파이어 기판(21) 상에 n형 반도체층(23), 활성층(25) 및 p형 반도체층(27)이 순차적으로 적층되어 있으며, n형 반도체층 상에 n측 전극(29)이 형성되어 있다. p형 반도체층(27)의 표면에 '얕은 광자결정' 구조가 형성되어 있다. 측방향의 전류 확산(lateral current spreading) 특성 개선을 위해, 얇은 투명 금속 전극막(24)이 광자결정 구조의 대부분을 등각으로 덮고 있다. 투명 금속 전극막(24)과 접하는 p-본딩 전극(28)의 바로 아래에는 광자결정과 투명 금속 전극막(24) 사이에 절연체(22)를 배치하여 p-본딩 전극(28) 근방에서의 전류 집중을 억제한다. 그러나, 이러한 광자결정 LED(20)는, 얕은 광자결정 구조를 갖고 있기 때문에, 전술한 바와 같이, 광생성율 강화 효과를 충분히 활용할 수 없어서 기존의 CIS나 표면 거칠기 구조를 갖는 LED에 비교하여 큰 효과를 얻을 수 없다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 건식 식각으로 인한 전기적 작동을 위한 반도체 결정 구조의 손상과 무관하게, 광추출 효율, 광생성율 및 광지향성 등의 광자결정 구조의 장점을 더욱 더 충분히 활용할 수 있는 광자결정 발광소자를 제공하는 것이다. 또한 본 발명의 목적은, 광추출 효율, 광생성율 및 광지향성이 개선되고, 광자 리사이클링을 이용하여 단일칩 구조에 의해 백색광, 다색광, 혼합색을 포함한 다양한 색의 빛을 출력할 수 있는 광자결정 발광소자를 제공하는 것이다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은, 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층과, 이 반도체층들 사이에 샌드위치된 활성층을 구비한 LED 발광 구조물; 및 상기 활성층의 반대측의, 제1 도전형 반도체층의 일면 상에 형성된 제1 광자 리사이클링 발광층을 포함하되, 상기 제1 광자 리사이클링 발광층은 상기 LED 발광 구조물에 의해 나온 1차광을 흡수하여 상기 1차광과 다른 파장의 빛을 방출하고, 상기 제1 광자 리사이클링 발광층에는 발광층 전체 두께에 걸쳐 광자결정 구조가 형성된, 광자결정 발광소자를 제공한다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 상기 제1 도전형은 n형이고 상기 제2 도전형은 p형일 수 있다. 상기 제1 및 2 도전형 반도체층 및 활성층은 질화물 반도체로 이루어질 수 있다. 상기 광자 리사이클링 발광층은 반도체 물질로 될 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 광자결정 발광소자는, 상기 제1 광자 리사이클링 발광층과 상기 제1 도전형 반도체층 사이에 위치한 투명 기판을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 도전형 반도체층의 일부가 노출되도록 상기 LED 발광 구조물은 메 사 구조 형태로 형성될 수 있으며, 상기 제1 도전형 반도체층의 노출된 일부 영역에는 n측 전극이 형성될 수 있다.
상기 광자결정 발광소자는 서브 마운트에 실장될 때, 상기 제2 도전형 반도체층은 상기 서브마운트쪽으로 향하고 상기 제1 광자 리사이클링 발광층은 상기 서브마운트의 반대쪽으로 향하도록 상기 광자결정 발광소자가 실장될 수 있고, 상기 활성층 반대측의 상기 제1 광자 리사이클링 발광층의 일면 쪽으로 빛이 출력될 수 있다. 이 경우, 광자결정 발광소자는, 상기 활성층의 반대측의, 상기 제2 도전형 반도체층의 일면 상에 형성된 Ag 등의 반사 금속층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 광자결정 발광소자는, 상기 제1 도전형 반도체층의 반대측의, 상기 제1 광자 리사이클링 발광층의 일면 상에 제2 광자 리사이클링 발광층을 더 포함할 수 있다. 제2 광자 리사이클링 발광층은 상기 제1 광자 리사이클링 발광층에 의해 나온 2차광을 흡수하여 상기 2차광과 다른 파장의 빛을 방출하고, 상기 제2 광자 리사이클링 발광층에는 발광층 전체 두께에 걸쳐 광자결정 구조가 형성될 수 있다. 또한, 광자결정 발광소자는 상기 제1 광자 리사이클링 발광층과 제2 광자 리사이클링 발광층 사이에 형성된 투명 기판을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 광자결정 발광소자는 백색광을 출력하는 발광 소자일 수 있다. 일 실시형태에 따르면, 상기 활성층은 청색광을 방출하고, 상기 제1 광자 리사이클링 발광층은 황색광을 방출할 수 있다. 다른 실시형태에 따르면, 상기 활성층은 청색광을 방출하고, 상기 제1 광자 리사이클링 발광층은 녹색광을 방출하고, 상기 제2 광자 리사이클링 발광층은 적색광을 방출할 수 있다.
상기 광자 리사이클링 발광층에 형성된 광자결정 구조는 구멍들의 주기적 패턴(periodic pattern of holes)으로 형성될 수 있다. 이와 달리 상기 광자 결정 구조는 포스트들의 주기적 패턴(periodic pattern of posts)으로 형성될 수도 있다.
또한 본 발명은, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층이 순차적으로 형성된 LED 발광 구조물과; 상기 활성층 반대측의, 상기 제1 도전형 반도체층의 일면 상에 순차적으로 배치된 n개의 광자 리사이클링 발광층(n은 1이상의 정수)을 포함하는, 광자결정 발광소자를 제공한다. 각각의 상기 광자 리사이클링 발광층은 각 발광층의 전체 두께에 걸쳐 형성된 요소들의 2차원 주기적 패턴(2-dimensional perioic patten of elements)의 광자결정 구조를 가진다. 상기 제1 도전형 반도체층으로부터 첫번째로 배치된 광자 리사이클링 발광층은, 상기 활성층에서 나온 빛을 흡수하여 다른 파장의 빛을 방출한다. 상기 제1 도전형 반도체층으로부터 m번째로 배치된 광자 리사이클링 발광층(m은 2이상의 정수)은, m-1번째로 배치된 광자 리사이클링 발광층에서 나온 빛을 흡수하여 다른 파장의 빛을 방출한다.
본 명세서에서, '3족 질화물 반도체(간단히, '질화물 반도체'라고도 함)'란, AlxGayIn1-x-yN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 표현되는 2성분계(bianary), 3성분계(ternary) 또는 4성분계(quaternary) 화합물 반도체를 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 광자결정 발광소자를 나타낸 단면도이다. 도 4는 특히, 투명한 사파이어 기판(101)이 위로 향하도록 칩을 뒤집어서 Si 서브마운트(150)에 실장한 플립-칩(flip-chip) 구조의 발광소자를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 광자결정 발광소자(100)는 GaN계 반도체층들의 LED 발광 구조물(103, 105, 107)과, 투명한 사파이어 기판(101)과, 광자 리사이클링 발광층(120)을 구비한다. LED 발광 구조물은 n형 및 p형 GaN층(103, 107)과 이들에 의해 샌드위치된 (예컨대, InGaN의 단일양자우물(SQW) 또는 다중양자우물(MQW)구조를 갖는) 활성층(105)을 구비하며 n형 GaN층(103)의 일부가 노출된 메사 구조물(mesa structure)을 형성한다. 노출된 n형 GaN층(103) 영역상에는 n측 전극(109)이 배치되어 있고, p형 GaN층 상에는(즉, 활성층(105) 반대측의 p형 GaN층 일면 상에는) p-컨택 전극으로서 Ag 등의 반사 금속층(108)이 배치되어 있다. 이 광자결정 발광소자(100)의 각 전극(108, 109)은 범프 또는 솔더 등의 접속 부재(111, 112)를 통해 Si 서브마운트(150)에 연결된다. 서브마운트(150)에 실장된 광자결정 발광소자(100)는 상기 활성층 반대측의 상기 제1 광자 리사이클링 발광층의 일면 쪽으로 빛을 출력한다.
활성층(105) 반대측의 기판(101)의 일면 상에는 '완전한' 광자결정 구조의 광자 리사이클링(photo-recycling) 발광층(120)이 추가적으로 형성되어 있다. 이 광자 리사이클링 발광층(120)은 전기적 구동과는 상관없이 기능하는 발광 영영이며, 입사광의 광학적 펌핑에 의해 광자를 재생하는 일종의 파장변환층에 해당한다. 즉, 광자 리사이클링 발광층(120)은, 활성층(105)에서 나온 빛(예컨대, 청색광)을 흡수하여 흡수된 빛의 파장과는 다른 파장(더 긴 파장)의 빛을 방출한다.
예컨대, InGaN 활성층(105)에서 청색광이 나올 경우, 청색광 중 일부는 AlGaInP의 광자 리사이클링 발광층(120)을 투과하고, 청색광의 다른 일부는 이 AlGaInP 발광층(120)에 의해 흡수되어 황색광과 같은 장파장의 빛을 방출할 수 있다. 발광층(120)을 투과한 청색광과, 발광층(120)에서 방출된 황색광이 혼합되어 백색광을 출력할 수 있다. 이와 같이, 광자 리사이클링 발광층(120)은, 제1 광원의 광학적 펌핑(optical pumping)으로만 동작하는 일종의 수동(passive) 소자이다. 여기서, 활성층(105)은 제1 광원(primary source)이 되고, 광자 리사이클링 발광층(120)은 제2 광원(secondary source)이 된다.
또한, 이 광자 리사이클링 발광층(120)은 그 전체 두께를 통해 광자결정의 요소(2차원적인 배열의 주기적 패턴을 형성하는 구멍이나 포스트 등)가 형성되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 광자 리사이클링 발광층(120)에는, '강한' 광자결정을 형성하는 오픈 영역(129)들이 주기적으로 배열되어 있다. 이 오픈 영역(129)은, 발광층(120)을 '완전히' 관통하는 구멍일 수도 있고(도 9(a) 참조), 발광층(120)을 구성하는 포스트(기둥)들 사이의 오픈된 공간일 수도 있다(도 9(b) 참조).
앞에서 설명한 바와 같이, 광자 리사이클링 발광층(120)은 전기적 구동과는 상관없이 동작하는 수동소자이기 때문에, 발광층(120) 전체 두께에 걸쳐 '강한' 광자결정 구조를 형성할 수 있고 - '전기구동을 위한' 반도체 결정의 손상 문제가 발생하지 않음 - , 이에 따라 광추출 효율 및 광생성율 향상의 장점 모두를 충분히 활용할 수 있다. 또한 '강한' 광자결정 구조를 갖는 광자 리사이클링 발광층(120)은, 청색광의 추출에 대하여 표면 거칠기와 같은 효과를 제공하기 때문에 청색광에 대한 광추출 효율도 증대시킨다. 결국, 광자결정 발광소자(100)의 전체적인 광 효 율은 두드러지게 증가될 수 있다. 추가적으로, 반사 금속층(108)의 (발광층(120) 쪽으로의) 광반사는 광추출 효율을 더욱 높이게 된다.
상술한 실시형태에서는 주로 '질화물 반도체' 재료의 LED 발광 구조물과, AlGaInP의 광자 리사이클링 발광층을 사용하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다른 파장의 1차광과 2차광을 얻을 수 있도록 다른 반도체 재료(또는 다른 조성)를 사용할 수 있다. 또한 투명 기판(101)으로서 사파이어 기판 이외에도 GaAs 기판 GaN 기판 등 다른 투명 기판을 사용할 수도 있다. 또한 광자결정 발광소자는 백색광을 출력하는 경우뿐만 아니라, 적절한 재료의 선택에 의해 분홍색, 주황색, 연두색 등 색 혼합에 의해 얻을 수 있는 다른 다양한 색(다색, 혼합색 등)의 빛을 얻기 위해 사용될 수도 있다.
도 5는 다른 실시형태에 따른 광자결정 발광소자의 단면도이다. 도 5의 발광소자(100')는 도 4의 발광소자(100)에서 투명 기판(101)을 생략한 구조에 해당한다. 예컨대, 사파이어 기판으로부터 LED 발광 구조를 성장시킨 후, 레이저 리프트 오프, 연마 또는 식각 등의 방법을 사용하여 사파이어 기판을 제거할 수 있다. 이 경우, 전술한 바와 같은 광생성율, 광추출 효율 등의 장점이외에도 투명 기판으로 인한 광 흡수(광손실)의 감소 효과를 얻을 수 있다.
도 6은 또 다른 실시형태에 따른 광자결정 발광소자의 단면도이다. 도 6의 광자결정 발광소자(200)는, 광자 리사이클링 발광층(120')에 더하여 그 위에 형성된(즉, n형 GaN층(103)의 반대측의, 광자 리사이클링 발광층(120')의 일면 상에 형성된) 추가적인 투명 기판(102)과 추가적인 광자 리사이클링 발광층(130)을 더 구비한다. 추가적인 광자 리사이클링 발광층(130)도 그 전체 두께에 걸쳐 형성된 광자결정 구조를 갖는다. 따라서 오픈 영역(139)의 깊이는 발광층(130)의 두께에 해당된다(강한 광자결정).
도 6을 참조하면, n형 반도체층(103)으로부터 제1 광자 리사이클링 발광층(120') 및 제2 광자 리사이클링 발광층(130)이 순차적으로 배치되어 있다. 제1 광자 리사이클링 발광층(120')에는 '강한' 광자결정을 형성하는 오픈 영역(129')들이 주기적으로 배열되어 있다. 제1 광자 리사이클링 발광층(120')은, InGaN 활성층(105)에서 나온 빛을 흡수하여 더 긴 파장의 녹색광을 방출할 수 있다. 제2 광자 리사이클링 발광층(130)은 제1 광자 리사이클링 발광층(120')에서 나온 (일부) 녹색광을 흡수하여 더 긴 파장의 적색광을 방출할 수 있다. 제2 광자 리사이클링 발광층(120)은 녹색광 뿐만 아니라 청색광도 일부 흡수할 수도 있다.
각 층들을 투과한 청색광 및 녹색광과 발광층(130)에서 나온 적색광이 혼합되어 백색광을 출력할 수 있다. 예컨대, 제1 광자 리사이클링 발광층(120')은 청색광에 의해 여기되어 녹색광을 방출하는 InGaN(활성층의 InGaN 조성과는 다름) 또는 AlGaInN 반도체로 될 수 있고, 제2 광자 리사이클링 발광층(130)은 녹색광(또는 녹색광과 청색광)에 의해 여기되어 적색광을 방출하는 AlGaAs 또는 AlGaP 또는 AlGaInP로 이루어질 수 있다. 여기서, 활성층(105)은 제1 광원(능동소자)이 되고, 제1 및 제2 광자 리사이클링 발광층(120', 130)은 각각 제2 광원 및 제3 광원(수동소자)이 된다.
도 6의 실시형태에서도, 각 광자 리사이클링 발광층(120', 130)은 전기적 구동이 아닌 광학적 펌핑에 의해 동작되며 각각의 전체 두께를 통해 형성된 광자결정 구조를 갖고 있기 때문에, 광생성율 및 광추출효율의 향상과 광지향성의 제어 기능 효과를 얻을 수 있다. 뿐만 아니라 각 발광층(120', 130)의 방출광 이외의 빛(예컨대, 활성층에서 나온 청색광)에 대해서 높은 광추출 효율을 제공한다. 또한 다양한 파장대의 빛을 혼합함으로써, 더 높은 연색지수(CRI)의 백색광을 구현할 수 있다.
도 7 및 도 8은 도 6의 변형예들에 해당하는 광자결정 발광소자를 나타낸 단면도들이다. 도 7의 발광소자(200')는, 도 6의 발광소자(200)에서 첫번째 투명기판(101)을 제거한 것에 해당한다. 또한 도 8의 발광소자(200'')는 도 6의 발광소자(200)에서 첫번째 투명기판 및 두번째 투명기판(102) 모두를 제거한 것에 해당한다. 이와 같이 투명 기판(101, 102) 모두 또는 그 중 일부를 제거함으로써, 투명 기판에 의한 광손실을 줄일 수 있다.
도 9는 본 발명에서 채용될 수 있는 광자결정을 형성하는 주기적 격자구조의 예를 나타내는 평면도이다. 도 9(a),(c)와 같이 광자 리사이클링 발광층(120)의 오픈 영역이 구멍(129)이 될 수도 있으며, 도 9(b), (c)와 같이 오픈 영역(129)이 포스트일 수도 있다. 또한 구멍 또는 포스트가 원형으로 될 수도 있고(도 9(a), (b)), 사각형으로 될 수도 있다(도 9(c), (d)). 이러한 구멍 또는 포스트들의 2차원적 주기적 패턴은 전술한 다양한 광학적 효과를 내는 광자결정을 형성한다. 그 외에도 다양한 형태의 광자결정 구조가 채용될 수 있다. 또한 구멍 또는 포스트들이 형성하는 2차원 격자의 형태도 도 9에 도시된 사각 매트릭스 형상의 격자뿐만 아니라 삼각형 격자(triangle lattice: 도 1 참조) 등 다양하게 선택될 수 있다.
상술한 실시형태에서는, 광자 리사이클링 발광층이 2개 이하이나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 보다 넓게는, 활성층(예컨대, 105) 반대측의, n형 반도체층(예컨대, 103)의 일면 상에 n개의 광자 리사이클링 발광층(n은 1이상의 정수)이 순차적으로 배치될 수 있다. 각각의 광자 리사이클링 발광층은 각 발광층의 전체 두께에 걸쳐 형성된 요소들(구멍 또는 포스트 등)의 2차원 주기적 패턴의 광자결정 구조를 가질 수 있다. n형 반도체층(103)으로부터 첫번째로 배치된 광자 리사이클링 발광층(예컨대, 120, 120')은, 활성층(105)에서 나온 빛을 흡수하여 다른 파장의 빛을 방출할 수 있다. 또한 n형 반도체층(103)으로부터 m번째로 배치된 광자 리사이클링 발광층(m은 2이상의 정수)은, m-1번째로 배치된 광자 리사이클링 발광층에서 나온 빛을 흡수하여 다른 파장의 빛을 방출할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 또한, 본 발명은 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 광자 리사이클링 발광층의 전체 깊이를 통해 형성되 광자결정 구조를 구비함으로써, 광생성율, 광추출 효율 및 광지향성의 제어 기능 등 광자결정의 장점들을 충분히 활용할 수 있으며, 발광소자의 전체적인 광효율을 크게 향상시킬 수 있게 된다. 뿐만 아니라 종래와 같은 식각으로 인한 전기구동을 위한 반도체 결정의 손상과 무관하게, 높은 신뢰성을 갖는 고품질 고효율 반도체 발광 소자를 용이하게 구현할 수 있게 된다. 다중 광자 리사이클링 발광층을 이용하여 다양한 파장의 빛을 혼합함으로써, 높은 연색지수의 백색광을 구현할 수 있다.

Claims (18)

  1. 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층과, 이 반도체층들 사이에 샌드위치된 활성층을 구비한 LED 발광 구조물; 및
    상기 활성층의 반대측의, 제1 도전형 반도체층의 일면 상에 형성된 제1 광자 리사이클링 발광층을 포함하되,
    상기 제1 광자 리사이클링 발광층은 상기 LED 발광 구조물에 의해 나온 1차광을 흡수하여 상기 1차광과 다른 파장의 빛을 방출하고, 상기 제1 광자 리사이클링 발광층에는 발광층 전체 두께에 걸쳐 광자결정 구조가 형성된 것을 특징으로 하는 광자결정 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전형은 n형이고 상기 제2 도전형은 p형인 것을 특징으로 하는 광자결정 발광소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 2 도전형 반도체층 및 활성층은 질화물 반도체로 이루어진 것을 특징으로 하는 광자결정 발광소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 리사이클링 발광층은 AlGaInP, InGaN, AlGaInN, AlGaAs 및 AlGaP 중 어느 하나의 반도체 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 광자결정 발광소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광자 리사이클링 발광층과 상기 제1 도전형 반도체층 사이에 위치한 투명 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광자결정 발광소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층의 일부가 노출되도록 상기 LED 발광 구조물은 메사 구조 형태로 형성되고, 상기 제1 도전형 반도체층의 노출된 일부 영역에는 n측 전극이 형성된 것을 특징으로 하는 광자결정 발광소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광자결정 발광소자는 서브 마운트에 실장될 때, 상기 제2 도전형 반도체층은 상기 서브마운트쪽으로 향하고 상기 제1 광자 리사이클링 발광층은 상기 서브마운트의 반대쪽으로 향하도록 상기 광자결정 발광소자가 실장되고,
    상기 활성층 반대측의 상기 제1 광자 리사이클링 발광층의 일면 쪽으로 빛이 출력되는 것을 특징으로 하는 광자결정 발광소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 활성층의 반대측의, 상기 제2 도전형 반도체층의 일면 상에 형성된 반사 금속층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광자결정 발광소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층의 반대측의, 상기 제1 광자 리사이클링 발광층의 일면 상에 제2 광자 리사이클링 발광층을 더 포함하되,
    제2 광자 리사이클링 발광층은 상기 제1 광자 리사이클링 발광층에 의해 나온 2차광을 흡수하여 상기 2차광과 다른 파장의 빛을 방출하고, 상기 제2 광자 리사이클링 발광층에는 발광층 전체 두께에 걸쳐 광자결정 구조가 형성된 것을 특징으로 하는 광자결정 발광소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 광자 리사이클링 발광층과 제2 광자 리사이클링 발광층 사이에 형성된 투명 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광자결정 발광소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 광자결정 발광소자는 백색광을 출력하는 것을 특징으로 하는 광자결정 발광소자.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 활성층은 청색광을 방출하고, 상기 제1 광자 리사이클링 발광층은 황색광을 방출하는 것을 특징으로 하는 광자결정 발광소자.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 활성층은 청색광을 방출하고, 상기 제1 광자 리사이클링 발광층은 녹색광을 방출하고, 상기 제2 광자 리사이클링 발광층은 적색광을 방출하는 것을 특징으로 하는 광자결정 발광소자.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 광자결정 구조는 구멍들의 주기적 패턴으로 형성된 것을 특징으로 하는 광자결정 발광소자.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 광자 결정 구조는 포스트들의 주기적 패턴으로 형성된 것을 특징으로 하는 광자결정 발광소자.
  16. 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층이 순차적으로 형성된 LED 발광 구조물; 및
    상기 활성층 반대측의, 상기 제1 도전형 반도체층의 일면 상에 순차적으로 배치된 n개의 광자 리사이클링 발광층(n은 1이상의 정수)을 포함하고,
    각각의 상기 광자 리사이클링 발광층은 각 발광층의 전체 두께에 걸쳐 형성된 요소들의 2차원 주기적 패턴의 광자결정 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 광자결정 발광소자.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층으로부터 첫번째로 배치된 광자 리사이클링 발광층은, 상기 활성층에서 나온 빛을 흡수하여 다른 파장의 빛을 방출하는 것을 특징으로 하는 광자결정 발광소자.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층으로부터 m번째로 배치된 광자 리사이클링 발광층(m은 2이상의 정수)은, m-1번째로 배치된 광자 리사이클링 발광층에서 나온 빛을 흡수하여 다른 파장의 빛을 방출하는 것을 특징으로 하는 광자결정 발광소자.
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