説明

半導体発光素子

【課題】本発明の一目的は、光取出し効率をさらに向上した半導体発光素子を提供することである。
【解決手段】本発明の一側面は、第1導電型半導体層、活性層、及び第2導電型半導体層を含む発光構造物と、発光構造物上に形成され、光透過性を有する透光性薄膜層、透光性薄膜層上に形成される複数のナノロッドを含むナノロッド層、及びナノロッド層上に形成される複数のナノワイヤを含むナノワイヤ層を備える光取出し層と、を含む半導体発光素子を提供する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【0002】
一般的に、窒化物半導体は、フルカラーディスプレイ、イメージスキャナ、各種信号システム及び光通信機器において光源として提供される緑色又は青色発光ダイオード(light emitting diode:LED)又はレーザダイオード(laser diode:LD)に広く用いられてきた。このような窒化物半導体発光素子は、電子と正孔の再結合原理を利用する青色及び緑色を含む多様な光を放出する活性層を有する発光素子として提供される。
【0003】
このような窒化物発光素子は開発されてから技術的に大きく発展し、その活用範囲が拡大され、一般照明及び電装用光源として大いに研究されている。特に、窒化物発光素子は従来、主に低電流/低出力のモバイル製品に適用される部品として用いられていたが、最近では、その活用範囲が高電流/高出力の分野に次第に拡大されている。これにより、半導体発光素子の発光効率と品質を改善するための研究が活発に行われている。
【0004】
半導体発光素子の発光効率の側面では、活性層で発生した光が空気と半導体層との屈折率の差による全反射によって半導体の内部に閉じ込められて逸失され、光として取出される効率、従って発光効率が低下するという問題がある。例えば、GaNは、約2.5の屈折率を有し、空気との屈折率(約1)の差によって23゜で入射された光は、約4%だけが外部に抜け出る。従って、このような光損失を最小化するために、GaNの表面に凹凸を形成するなど、光取出し効率を向上するための研究が行われている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明の一目的は、光取出し効率をさらに向上した半導体発光素子を提供することである。
本発明の他の目的は、光出力と光均一度を同時に改善した半導体発光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の一側面は、第1導電型半導体層、活性層、及び第2導電型半導体層を含む発光構造物と、上記発光構造物上に形成され、光透過性を有する透光性薄膜層、上記透光性薄膜層上に形成される複数のナノロッドを含むナノロッド層、及び上記ナノロッド層上に形成される複数のナノワイヤを含むナノワイヤ層を備える光取出し層と、を含む半導体発光素子を提供する。
【0007】
本発明の一実施例における上記透光性薄膜層、ナノロッド層、及びナノワイヤ層は、順次減少する屈折率を有してよい。
【0008】
本発明の一実施例における上記透光性薄膜層、ナノロッド層、及びナノワイヤ層は、各々の層内で1つの屈折率を有してよい。
【0009】
本発明の一実施例における上記透光性薄膜層、ナノロッド層、及びナノワイヤ層は、同じ物質からなってよい。
【0010】
本発明の一実施例における上記透光性薄膜層は、光透過性と電気伝導性を有する物質からなってよい。
【0011】
本発明の一実施例における上記透光性薄膜層は、透明伝導性酸化物又は透明伝導性窒化物であってよい。
【0012】
本発明の一実施例における上記透光性薄膜層は、上記第2導電型半導体層より小さい屈折率を有してよい。
【0013】
本発明の一実施例では、上記第1導電型半導体層と電気的に連結されるように形成された第1電極と、上記透光性薄膜層上に形成され、上記第2導電型半導体層と電気的に連結された第2電極をさらに含んでよい。
【0014】
本発明の一実施例における上記透光性薄膜層は、上記第2導電型半導体層上に形成されてよい。
【0015】
本発明の一実施例では、一面に上記発光構造物の第1導電型半導体層、活性層及び第2導電型半導体層が順に形成された半導体成長用基板をさらに含み、前記半導体成長基板は前記発光構造物を形成後に除去されてよい。
【0016】
この場合、上記光取出し層は、上記半導体成長用基板の上記発光構造物が形成された面と対向する面に形成されてよい。
【0017】
本発明の一実施例では、上記第2導電型半導体層、活性層及び第1導電型半導体層の少なくとも一部を除去して露出した第1導電型半導体層上に形成された第1電極と、上記第2導電型半導体層上に形成された第2電極をさらに含んでよい。
【0018】
本発明の一実施例では、上記半導体成長用基板の上記光取出し層が形成された面が主な光取出し面として提供されてよい。
【0019】
本発明の一実施例では、上記第2導電型半導体層上に形成される導電性基板をさらに含んでよい。
【0020】
この場合、上記光取出し層は、上記第1導電型半導体層上に形成されてよい。
【発明の効果】
【0021】
本発明の一実施形態によると、ナノロッド、ナノワイヤを含むナノ構造体を用いて順次減少する屈折率を有する光取出し層を形成するので、光取出し効率を向上した半導体発光素子を提供できる。
【0022】
本発明の一実施形態によると、光出力が向上する上、電流分散効果を極大化して光均一度が改善した半導体発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1】本発明の第1実施形態による半導体発光素子を概略的に示す斜視図である。
【図2】本発明の第2実施形態による半導体発光素子を概略的に示す斜視図である。
【図3】本発明の第3実施形態による半導体発光素子を概略的に示す斜視図である。
【図4】本発明の第1実施形態による半導体発光素子のパッケージの実装形態を概略的に示す断面図である。
【図5】本発明の第2実施形態による半導体発光素子のパッケージの実装形態を概略的に示す断面図である。
【図6】本発明の第3実施形態による半導体発光素子のパッケージの実装形態を概略的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0024】
以下では、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。
【0025】
しかし、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形でき、本発明の範囲は以下で説明する実施形態に限定されない。また、本発明の実施形態は当該技術分野で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。従って、図面における要素の形状及び大きさなどは明確な説明のために誇張されることがあり、図面上に同じ符号で示される要素は同じ要素である。
【0026】
図1は本発明の第1実施形態による半導体発光素子を概略的に示す斜視図である。
【0027】
図1を参照すると、本実施形態による半導体発光素子100は、第1導電型半導体層21、活性層22、及び第2導電型半導体層23を含む発光構造物20と、発光構造物20上に形成される光取出し層30とを含む。光取出し層30は、光透過性を有する透光性薄膜層31と、透光性薄膜層31上に形成される複数のナノロッドを含むナノロッド層32と、ナノロッド層32上に形成される複数のナノワイヤを含むナノワイヤ層33とを含んでよい。
【0028】
発光構造物20は、半導体成長用基板10上に第1導電型半導体層21、活性層22、及び第2導電型半導体層23の順に形成され、発光構造物20の第1及び第2導電型半導体層21、23上には第1及び第2導電型半導体層21、23の各々と電気的に連結される第1及び第2電極21a、23aが形成される。
【0029】
半導体成長用基板10は、サファイア、SiC、MgAl、MgO、LiAlO、LiGaO、GaNなどの物質からなる。この場合、サファイアは六角−ロンボ型(Hexa−Rhombo R3c)の対称性を有する結晶体であって、c軸及びa軸方向の格子定数が各々13.001Åと4.758Åで、C(0001)面、A(1120)面、R(1102)面などを有する。上記C面は、比較的窒化物薄膜の成長が容易で、高温で安定するため、窒化物成長用基板として主に用いられる。バッファ層(不図示)には、窒化物などからなるアンドープ半導体層が採用され、その上に成長される半導体層の格子欠陥を緩和できる。
【0030】
本実施形態における第1及び第2導電型半導体層21、23は、各々n型及びp型半導体層であり、且つ窒化物半導体からなる。本実施形態の場合、これに制限されないが、第1及び第2導電型は各々n型及びp型を意味すると理解される。第1及び第2導電型半導体層21、23はAlInGa(1−x−y)N組成式(ここで、0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1である)を有し、例えば、GaN、AlGaN、InGaNなどの物質がこれに該当する。
【0031】
第1及び第2導電型半導体層21、23との間に形成される活性層22は、電子と正孔の再結合により所定のエネルギーを有する光を放出する層であって、量子井戸層と量子障壁層が交互に積層された多重量子井戸層(MQW)構造、例えば、InGaN/GaN構造を用いる。一方、第1及び第2導電型半導体層21、23と活性層22は、当技術分野において公知のMOCVD、MBE、HVPEなどのような半導体層成長工程を利用して形成する。
【0032】
第1及び第2導電型半導体層21、23上には、第1及び第2導電型半導体層21、23の各々と電気的に連結される第1及び第2電極21a、23aが形成される。図1に示したように、第1電極21aは第2導電型半導体層23、活性層22及び第1導電型半導体層21の一部がエッチングされて露出した第1導電型半導体層21上に形成され、第2電極23aは、第2導電型半導体層23上に形成される。
【0033】
この場合、第2導電型半導体層23と第2電極23a間のオーミックコンタクト機能を向上するために、ITO、ZnOなどの透明電極をさらに備え得る。図1には、これを透光性薄膜層31で示す。図1に示した構造の場合、第1及び第2電極21a、23aが同じ方向を向かうように形成されているが、第1及び第2電極21a、23aの位置及び連結構造は、必要に応じて、多様に変形できる。また、具体的には図示しなかったが、電流の均一な分配のために第1電極21aから延長される枝電極をさらに含み得る。このとき、第1電極21aは、ボンディングパッドと理解できる。
【0034】
光取出し層30は、第2導電型半導体層23上に形成され、透光性薄膜層31、ナノロッド層32及びナノワイヤ層33を含む。透光性薄膜層31、ナノロッド層32及びナノワイヤ層33は各々の層内で1つの屈折率を有するように形成され、透光性薄膜層31からナノワイヤ層33に向かうほど、順次減少する屈折率を有する。このとき、透光性薄膜層31が第2導電型半導体層23より小さい屈折率を有することで、第2導電型半導体層23から光の進行方向に沿って順次減少する屈折率を有するように構成できる。
【0035】
本実施形態におけるナノロッド層32は、透光性薄膜層31の上面に形成される複数のナノロッドを含むので、上記複数のナノロッドの間に形成される空気により低い孔隙率(porosity)乃至密度(density)を有するようになる。また、ナノワイヤ層33は、ナノロッド層32を構成する複数のナノロッドより小さい幅を有する複数のナノワイヤを含むので、ナノロッド層32より小さい孔隙率乃至密度を有するようになる。従って、ナノロッド層32及びナノワイヤ層33は、透光性薄膜層31から順次減少する屈折率を有することができる。
【0036】
ナノロッド層32及びナノワイヤ層33は、各層内で1つの屈折率を有する1つの層として機能する。空気は、低い屈折率(約1)を有するため、ナノロッド層32とナノワイヤ層33内で空気の占める割合が高いほど、さらに低い屈折率を有する。従って、ナノロッド層32とナノワイヤ層33の孔隙率乃至密度を調節することで、屈折率を制御できる。
【0037】
光が屈折率の高い領域から低い領域に進行する時、臨界角以上で入射される光は屈折せずに全反射され、屈折率の差が大きい場合にさらに多い光が全反射される。本実施形態の場合、外部(空気の屈折率:1)に進行する光が発光構造物20で全反射され、発光構造物20の内部で消滅する比率が減少するので、発光構造物20から順次減少する屈折率を有する光取出し層30を備えることで、光取出し効率を増加できる。
【0038】
光取出し層30を構成する透光性薄膜層31、ナノロッド層32及びナノワイヤ層33は、透光性と電気伝導性を有する物質からなり、例えば、透明伝導性酸化物(Transparent Conductive Oxide:TCO)又は透明伝導性窒化物(Transparent Conductive Oxide:TCN)を適用できる。透明伝導性酸化物は例えば、ITO、CIO、ZnOの何れかである。本実施形態における透光性薄膜層31、ナノロッド層32及びナノワイヤ層33は同じ物質からなってもよいが、これに制限されない。
【0039】
光取出し層30は公知の蒸着工程、例えば、有機金属化学蒸着法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)、分子ビーム(Molecular Beam Epitaxy:MBE)、スパッタリング(sputtering)などにより形成される。具体的には、有機金属化学蒸着法(MOCVD)により有機金属前駆体の蒸気を基板と接触させるか、又は、分子ビーム蒸着法(MBE)によりビーム(beam)を照射し、ターゲット物質を基板又は半導体層上に成長させて形成する。光取出し層30が有機化学蒸着法により形成される場合、導入する反応気体の流入量や蒸着温度及び時間などの条件を調節して所望する形態に形成できる。
【0040】
例えば、触媒又は蒸着温度を調節し、連続的な蒸着工程を通じて透光性薄膜層31上にナノロッド層32及びナノワイヤ層33を形成する。このとき、蒸着工程中に温度を高めることで、成長させるナノロッド乃至ナノワイヤの幅を減少できる。よって、連続した工程における温度制御を通じて、透光性薄膜層31上にナノロッド層32及びナノワイヤ層33を順に形成できる。
【0041】
第2導電型半導体層23と電気的に連結される第2電極23aは、光取出し層30の透光性薄膜層31上に形成される。このとき、透光性薄膜層31は光透過性と電気伝導性を有する物質、例えば、透明導電性酸化物又は透明伝導性窒化物が適用される。外部から電気信号の印加を受けるための第2電極23aが透光性薄膜層31上に形成されることにより、透光性薄膜層31により電流が側方向に広がって電流分散効果が向上し、光均一度を改善できる。
【0042】
図2は、本発明の第2実施形態による半導体発光素子を概略的に示す斜視図である。
【0043】
図2を参照すると、本実施形態による半導体発光素子200は導電性基板140と、導電性基板140上に形成された発光構造物120と、発光構造物120上に形成された光取出し層130と、を含む。
【0044】
発光構造物120は、導電性基板140上に順に積層された第2導電型半導体層123、活性層122、及び第1導電型半導体層121を含み、第1導電型半導体層121上には、第1導電型半導体層121に外部の電気信号を印加するための第1電極121aが形成されている。
【0045】
導電性基板140は、半導体成長用基板(不図示)上に順に形成された第1導電型半導体層121、活性層122及び第2導電型半導体層123から上記半導体成長用基板を除去するためのレーザリフトオフなどの工程において、第1及び第2導電型半導体層121、123と活性層122を含む発光構造物120を支持する支持体の役割を果たし、Au、Ni、Al、Cu、W、Si、Se、GaAsの何れか1つを含む物質、例えば、Si基板にAlがドーピングされた物質からなる。
【0046】
本実施形態では、導電性基板140は、導電性接着層(不図示)を媒介として発光構造物120と接合される。上記導電性接着層は、例えば、AuSnのような共融金属物質を利用する。また、導電性基板140は、第2導電型半導体層123に電気信号を印加する第2電極として機能し、図2に示したように、電極が図で水平方向に形成される場合、電流が流れる領域が拡大され、電流分散機能を向上できる。
【0047】
図3は、本発明の第3実施形態による半導体発光素子を概略的に示す斜視図である。
【0048】
図3を参照すると、本実施形態による半導体発光素子300は、半導体成長用基板210と、半導体成長用基板210上に形成された発光構造物220と、半導体成長用基板210の発光構造物220が形成された面と対向する面に形成された光取出し層230と、を含む。
【0049】
第1及び第2導電型半導体層221、223上には、第1及び第2導電型半導体層221、223の各々と電気的に連結される第1及び第2電極221a、223aが形成されている。
【0050】
本実施形態の場合、図1に示された第1実施形態とは異なって、光取出し層230は、半導体成長用基板210の一面に形成される。このとき、光取出し層230が形成された面は発光素子の主な光取出し面として提供される。この場合、透光性薄膜層231は、電流経路としては提供されないので、電気伝導性を有する物質からなる必要はないが、半導体成長用基板210より小さい屈折率を有する物質からなる必要がある。
【0051】
図4乃至図6は、本発明の第1から第3実施形態による半導体発光素子のパッケージの実装形態を概略的に示す断面図である。
【0052】
具体的には、図4は図1に示した半導体発光素子100の実装形態の一例を、図5は図2に示した半導体発光素子200の実装形態の一例を、図6は図3に示した半導体発光素子300の実装形態の一例を示す。
【0053】
まず、図4を参照すると、本実施形態による発光素子パッケージは、第1及び第2端子部50a、50bを備え、第1実施形態による半導体発光素子100はこれらと各々電気的に連結される。この場合、半導体発光素子100の第1及び第2導電型半導体層21、23上に形成された第1及び第2電極21a、23aは、導電性ワイヤにより各々第2及び第1端子部50b、50aと連結される。
【0054】
半導体発光素子100の上部には、半導体発光素子100を封止し、半導体発光素子100と第1及び第2端子部50a、50bを固定するレンズ部60が形成される。レンズ部60は、半導体発光素子100とワイヤを保護するだけでなく、半球状からなり、境界面でのフレネル反射を減らして光取出しを増加させる役割を果たす。レンズ部60は例えば樹脂からなり、上記樹脂は例えば、エポキシ、シリコン、変形シリコン、ウレタン樹脂、オキセタン樹脂、アクリル、ポリカーボネート及びポリイミドの何れか1つである。また、レンズ部60の上面に凹凸を形成して光取出し効率を高め、放出される光の方向を調節できる。レンズ部60の形状は、必要に応じて、多様に変形できる。
【0055】
具体的には図示しなかったが、レンズ部60内には、半導体発光素子100の活性層から放出された光の波長を変換する波長変換用蛍光体粒子が含まれ得る。その場合、蛍光体は、黄色(yellow)、赤色(red)及び緑色(green)の何れか1つに波長を変換する蛍光体からなるか、又は、複数種の蛍光体が混合されてなり複数の波長に変換する。上記蛍光体の種類は、半導体発光素子100の活性層から放出される波長により決まる。具体的には、レンズ部60は例えば、YAG系、TAG系、ケイ酸塩(Silicate)系、硫化物(Sulfide)系、又は窒化物(Nitride)系の少なくとも1種以上の蛍光物質を含む。例えば、青色発光LEDチップに対して黄色に波長変換させる蛍光体を適用する場合、白色発光半導体発光素子を得ることができる。
【0056】
次に、図5を参照すると、本実施形態による発光素子パッケージは、第1及び第2端子部51a、51bを備え、半導体発光素子200はこれらと各々電気的に連結されている。この場合、半導体発光素子200の第1導電型半導体層121はその上面に形成された第1電極121aと第2端子部51bとがワイヤボンディングされ、第2導電型半導体層123は導電性基板140を通じて第1端子部51aと直接連結される。
【0057】
図6は本発明の第3実施形態による半導体発光素子300の実装形態を示したもので、第1及び第2導電型半導体層221、223上に形成された第1及び第2電極221a、223aは、バンプボールbなどにより第1及び第2端子部52a、52bと直接連結され、フリップチップ(flip−chip)ボンディングされている。この場合、半導体成長用基板210の光取出し層230が形成された面が主な光取出し面として提供される。
【0058】
但し、図4乃至図6に示した発光素子パッケージは、本発明の第1乃至第3実施形態による発光素子の実装形態に対する例示であり、具体的な実装形態と方法は、必要に応じて、多様に変形できる。
【0059】
本発明は上述した実施形態及び添付の図面により限定されず、添付の請求の範囲により限定される。従って、請求の範囲に記載された本発明の技術的思想から外れない範囲内で多様な形態の置換、変形及び変更が可能であるということは、当技術分野の通常の知識を有する者には自明で、これも添付の特許請求の範囲に記載された技術的思想に属する。
【符号の説明】
【0060】
100、200、300 半導体発光素子
10、210 半導体成長用基板
20、120、220 発光構造物
21、121、221 第1導電型半導体層
21a、121a、221a 第1電極
22、122、222 活性層
23、123、223 第2導電型半導体層
23a、123a、223a 第2電極
30、130、230 光取出し層
31、131、231 透光性薄膜層
32、132、232 ナノロッド層
33、133、233 ナノワイヤ層
50a、51a、52a 第1端子部
50b、51b、52b 第2端子部
60 レンズ部
140 導電性基板
b バンプボール


【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1導電型半導体層、活性層、及び第2導電型半導体層を含む発光構造物と、
前記発光構造物上に形成され、光透過性を有する透光性薄膜層、前記透光性薄膜層上に形成される複数のナノロッドを含むナノロッド層、及び前記ナノロッド層上に形成される複数のナノワイヤを含むナノワイヤ層を備える光取出し層と、
を含む半導体発光素子。
【請求項2】
前記透光性薄膜層、ナノロッド層、及びナノワイヤ層は、順次減少する屈折率を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
【請求項3】
前記透光性薄膜層、ナノロッド層、及びナノワイヤ層は、各々の層内で1つの屈折率を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
【請求項4】
前記透光性薄膜層、ナノロッド層、及びナノワイヤ層は、同じ物質からなることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
【請求項5】
前記透光性薄膜層は、前記第2導電型半導体層より小さい屈折率を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
【請求項6】
前記透光性薄膜層は、前記第2導電型半導体層上に形成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
【請求項7】
一面に前記発光構造物の第1導電型半導体層、活性層、及び第2導電型半導体層が順に形成された半導体成長用基板をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。
【請求項8】
前記光取出し層は、前記半導体成長用基板の前記発光構造物が形成された面と対向する面に形成されたことを特徴とする請求項7に記載の半導体発光素子。
【請求項9】
前記半導体成長用基板の前記光取出し層が形成された面が主な光取出し面として提供されることを特徴とする請求項8に記載の半導体発光素子。
【請求項10】
前記光取出し層は、前記第1導電型半導体層上に形成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体発光素子。


【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【公開番号】特開2013−106051(P2013−106051A)
【公開日】平成25年5月30日(2013.5.30)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−250207(P2012−250207)
【出願日】平成24年11月14日(2012.11.14)
【出願人】(390019839)三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Samsung Electronics Co.,Ltd.
【住所又は居所原語表記】129,Samsung−ro,Yeongtong−gu,Suwon−si,Gyeonggi−do,Republic of Korea
【Fターム(参考)】