JP7224020B2 - 半導体素子、半導体素子パッケージ、およびこれを含む照明システム - Google Patents

Description

実施例は、半導体素子、半導体素子パッケージ、およびこれを含む照明システムに関する。

半導体素子、例えば、発光素子（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）は電気エネルギーが光エネルギーに変換される特性のｐ－ｎ接合ダイオードであって、周期律表上でＩＩＩ族とＶ族などの化合物半導体で生成され得、化合物半導体の組成比を調節することによって多様な色の具現が可能である。

発光素子は、順方向電圧の印加時、ｎ層の電子とｐ層の正孔が結合して伝導帯（ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｂａｎｄ）と価電子帯（ｖａｌａｎｃｅ ｂａｎｄ）のエネルギーギャップに該当するだけのエネルギーを発散し、前記エネルギーが光で発散されると発光素子となる。

窒化物半導体は、高い熱的安定性と幅広いバンドギャップエネルギーによって光素子および高出力電子素子の開発分野で大きい関心を集めている。特に、窒化物半導体を利用した青色（ｂｌｕｅ）発光素子、緑色（ｇｒｅｅｎ）発光素子、および紫外線（ＵＶ）発光素子は商用化されて広く使用されている。

紫外線発光素子（ＵＶ ＬＥＤ）は、２００ｎｍ～４００ｎｍ波長帯の光を発光する発光素子である。紫外線発光素子は、用途により短波長および長波長で構成される。短波長は殺菌または浄化などに使用され、長波長は露光機または軽火器などに使用され得る。

一方、紫外線発光素子は、バッファー層とサファイア基板との間の界面で全反射によって光抽出効率が低下する問題があり、光抽出効率を改善するためにエアーボイドを形成しようとする試みがあるが、エアーボイドの制御が難しいという問題がある。

実施例は、凹凸の上部に均一な形状と大きさのボイドを配置する半導体素子、半導体素子パッケージおよび照明システムを提供しようとする。

課題の解決手段

実施例による紫外線半導体素子は、基板と、前記基板上に配置されるバッファー層と、前記バッファー層上に配置されて第１導電型半導体層、第２導電型半導体層および前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間に配置されて紫外線光を放出する活性層を発光構造物と、前記バッファー層内に配置される複数のエアーボイドとを含み、前記エアーボイドは２個以上の傾斜面を有するように形成され得る。

また、実施例による半導体素子は、基板と、前記基板の一側に配置されたバッファー層と、前記バッファー層内に配置され、２個以上の傾斜面を有するボイドと、前記バッファー層の一側に配置され、第１導電型半導体層、活性層および第２導電型半導体層を含む発光構造物と、前記基板に対向して配置されたサブマウントと、前記発光構造物と前記サブマウントとの間に配置された少なくとも一つのバンプと、前記少なくとも一つのバンプと前記発光構造物との間に配置された少なくとも一つのコンタクト層と、前記少なくとも一つのコンタクト層と前記少なくとも一つのバンプとの間に配置された少なくとも一つのスプレッド層と、前記発光構造物と前記スプレッド層との間に前記少なくとも一つのコンタクト層を電気的に離隔した複数個に分離するように配置された少なくとも一つのコンタクト分離層とを含むことができる。

実施例は、凹凸の上部にボイドを配置して貫通電位を遮断して発光素子のエピ成長の質を向上させることができる。

実施例は、凹凸の上部に均一な形状と大きさの複数個のボイドを配置して光散乱を誘導して光抽出効率を向上させることができる。

実施例は、凹凸の上部に所定の勾配を有する傾斜面を有するボイドを配置して指向角を改善することができる。

実施例は、ボイドの高さを調節することによって、フリップチップボンディング構造の発光素子の光効率を向上させることができる。

第１実施例による半導体素子の断面図である。 第１実施例による基板の多様な形状を示す平面図である。 第１実施例による基板の多様な形状を示す斜視図である。 第１実施例による半導体素子の部分拡大図である。 第１実施例による半導体素子のＳＥＭ断面図である。 他の実施例による半導体素子の部分拡大図である。 他の実施例による半導体素子の部分拡大図である。 第１実施例による半導体素子の指向角を示す図面である。 第２実施例による半導体素子の断面図である。 図７に図示された半導体素子の平面図である。 第２実施例による半導体素子の部分拡大図である。 第２実施例による半導体素子のＳＥＭ断面図である。 第２実施例による半導体素子パッケージの断面図である。 実施例による半導体素子を含む照明システムの実施例を示す分解斜視図である。 実施例による半導体素子を含む照明システムの実施例を示す分解斜視図である。

発明の実施のための形態

実施例の説明において、各層（膜）、領域、パターンまたは構造物が基板、各層（膜）、領域、パッドまたはパターンの「上／うえ（ｏｎ／ｏｖｅｒ）」に、または「下／した（ｕｎｄｅｒ）」に形成されるものと記載される場合において、「上／うえ（ｏｎ／ｏｖｅｒ）」と「下／した（ｕｎｄｅｒ）」は、「直接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ）」または「他の層を介在して（ｉｎｄｉｒｅｃｔｌｙ）」形成されるものをすべて含む。また、各層の上／うえ、または、下／したに対する基準は、図面を基準として説明する。

図面において、各層（膜）、領域、パターンまたは構造物の厚さや大きさは説明の明確性および便宜のために誇張されたり省略されたりまたは概略的に図示された。また各構成要素の大きさは実際の大きさを全体的に反映するものではない。

以下で説明する実施例の構成要素は、互いに組合せが可能であり得る。第１実施例による半導体素子の構成は、第２実施例による半導体素子の構成に採用され得る。反対に、第２実施例による半導体素子の構成は、第１実施例による半導体素子の構成に採用され得る。

図１は、実施例による半導体素子の断面図であり、図２および図３は、第１実施例による基板の多様な形状を示す平面図および斜視図である。以下においては、半導体素子として紫外線発光素子を用いた場合を実施例で説明することにする。したがって、以下実施例においては、半導体素子は便宜上紫外線発光素子と指称することにする。

図１を参照すると、実施例による紫外線発光素子１００は、凹凸（Ｐ）を含む基板１０５、基板１０５上にボイド１４０を含むバッファー層１０７、バッファー層１０７上に第１導電型半導体層１１２、第１導電型半導体層１１２上に活性層１１４、活性層１１４上に第２導電型半導体層１１６、第１導電型半導体層１４０上に第１電極１２０と第２導電型半導体層１１６上に第２電極１３０を含むことができる。

ボイド１４０は、空気（ａｉｒ）を含むことができ、基板１０５の上に配置される凹凸（Ｐ）の上部にボイド１４０が配置され得る。ボイド１４０は、前記凹凸（Ｐ）の凹の上部に配置され得る。ボイド１４０の幅は、前記凹凸（Ｐ）の凹の幅の半分以下であり得るが、これに対して限定するものではない。すなわち、ボイド１４０の幅は、前記凹の幅に対応することができる。

ボイド１４０の断面は、三角形、五角形、または、六角形のうちの少なくとも一つの多角形の形状であり得るが、これに対して限定するものではない。ボイド１４０は、所定の勾配を有する傾斜面を含むことができ、前記傾斜面の最上部は第１導電型半導体層１１２と隣接して配置され得る。

すなわち、実施例は、凹凸の上部に均一な形状と大きさのボイドを配置し、前記ボイドは所定の勾配を有する傾斜面を含み、貫通電位を遮断して発光素子のエピ成長の質を向上させることができ、光散乱を誘導して光抽出効率を向上させることができ、指向角を改善することができる。

基板１０５は、熱伝導性に優れる物質で形成され得、伝導性基板または絶縁性基板であり得る。例えば、基板１０５は、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）、ＳｉＣ、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＺｎＯ、ＧａＰ、ＩｎＰ、Ｇｅ、及びＧａ_２０_３のうちの少なくとも一つを使用することができる。基板１０５の上には、凹凸構造が形成され得、前記凹凸構造の断面は、円形、楕円形または多角形であり得、これに対して限定しない。

基板１０５は、前記凹凸の凹の幅は０．５μｍであり、凸の幅は１．２μｍであり得、前記凹凸の高さは１．２μｍであり、前記ボイドの高さは３μｍであり得るが、これに対して限定するものではない。

図２に示されたように、基板は、複数の円形の凹を形成して凹凸（Ｐ）を形成することができる。これと違い、図３に示されたように、基板は、一方向に延びたスープライフパターンで凹凸（Ｐ）を形成することができる。

このとき、基板１０５の上にはバッファー層１０７が形成され得る。バッファー層１０７は、基板１０５と第１導電型半導体層１１２との間に配置され得る。バッファー層１０７は、以後に形成される発光構造物の材料と基板１０５との格子不整合を緩和させることができ、バッファー層の材料はＩＩＩ族－Ｖ族化合物半導体、例えば、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮのうちの少なくとも一つで形成され得る。すなわち、基板１０５の前記凹凸とバッファー層１０７は直接接触して配置され得る。

第１導電型半導体層１１２は、バッファー層１０７上に配置され得る。第１導電型半導体層１１２は、バッファー層１０７と活性層１１４との間に配置され得る。第１導電型半導体層１１２は、第１導電型ドーパントがドーピングされたＩＩＩ族－Ｖ族化合物半導体で具現され、第１導電型半導体層１１２は、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１－ｘ－ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式を含む。第１導電型半導体層１１２は、例えば、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰのような化合物半導体のうちの少なくとも一つを含む層の積層構造を含むことができる。第１導電型半導体層１１２はｎ型半導体層であり、前記第１導電型ドーパントは、ｎ型ドーパントとして、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｓｅ、Ｔｅを含む。第１導電型半導体層１１２上には電極がさらに配置され得る。

活性層１１４は、第１導電型半導体層１１２上に配置され得る。活性層１１４は、第１導電型半導体層１１２と第２導電型半導体層１１６との間に配置され得る。活性層１１４は、第１導電型半導体層１１２を通じて注入される電子（または、正孔）と第２導電型半導体層１１６を通じて注入される正孔（または、電子）とが互いに会って、活性層１１４の形成物質によるエネルギーバンド（Ｅｎｅｒｇｙ Ｂａｎｄ）のバンドギャップ（Ｂａｎｄ Ｇａｐ）差によって光を放出する層である。活性層１１４は、単一井戸構造、多重井戸構造、陽子点構造または陽子線構造のうちのいずれか一つで形成され得るが、これに限定されるものではない。

第２導電型半導体層１１６は、活性層１１４と第２電極１３０の間に配置され得る。第２導電型半導体層１１６は、第２導電型ドーパントがドーピングされた半導体、例えば、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１－ｘ－ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）の組成式を含む。第２導電型半導体層１１６は、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰのような化合物半導体のうちのいずれか一つから成り得る。第２導電型半導体層１１６がｐ型半導体層であり、前記第２導電型ドーパントは、ｐ型ドーパントとして、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａを含むことができる。

第２導電型半導体層１１６は、超格子構造を含むことができ、前記超格子構造は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ超格子構造またはＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子構造を含むことができる。第２導電型半導体層１１６の超格子構造は、非正常的に電圧に含まれた電流を拡散させて活性層を保護することができる。

第１電極１２０は、第１導電型半導体層１１２上に配置され得る。第１電極１２０は、Ｃｒ、Ｖ、Ｗ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｔｉ／Ａｕ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｃｒ／Ａｌ／Ｎｉ／Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕなどから選択された少なくともいずれか一つを含むことができる。

第２電極１３０は、第２導電型半導体層１１６上に配置され得、外部電源に連結されて発光構造物１１０に電源を提供することができる。第２電極１３０は、Ｃｒ、Ｖ、Ｗ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｔｉ／Ａｕ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、Ｃｒ／Ａｌ／Ｎｉ／Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕなどから選択された少なくともいずれか一つを含むことができる。

紫外線発光素子１００は、３１５ｎｍないし４００ｎｍ範囲の波長を有するＵＶ－Ａ、２８０ｎｍないし３１５ｎｍ範囲の波長を有するＵＶ－Ｂ、１００ｎｍないし２８０ｎｍ範囲の波長を有するＵＶ－Ｃに分けることができ、本発明の実施例による紫外線発光素子１００は、前記ＵＶ－Ｃの１００ｎｍないし２８０ｎｍ範囲内の波長を放出することができるが、これに対して限定するものではない。

図４は、実施例による半導体素子の部分拡大図である。

図１と図４を参照すると、ボイド１４０はバッファー層１０７内に配置され、基板１０５の上部に配置される凹凸の凹の上部に配置され得る。

ボイド１４０の幅Ｗは、前記凹の幅ａの半分以下であり得るが、これに対して限定するものではない。ボイド１４０の幅Ｗは０．２５μｍ以下であり、ボイド１４０の高さは３μｍであり得、前記凹の幅ａは０．５μｍであり得、前記凸の幅ｄは１．２μｍであり得、前記凹凸の高さは１．２μｍであり得るが、これに対して限定するものではない。すなわち、前記凸の幅ｄは、前記凹の幅ａの２倍以上であり得る。

すなわち、実施例は、凹凸の上部に均一な形状と大きさのボイドを配置し、前記ボイドは所定の勾配を有する傾斜面を含み、貫通電位を遮断して発光素子のエピ成長の質を向上させることができ、光散乱を誘導して光抽出効率を向上させることができ、指向角を改善することができる。

ボイド１４０は、２個以上の傾斜面（ｆａｃｅｔ）を有するように形成され得る。図面においては２個の傾斜面が形成された構造が開示されているが、四角錐形状である場合、４個の傾斜面を有することができる。したがって、多面体の構造により３個以上の傾斜面が形成され得る。

図５は、第１実施例による半導体素子のＳＥＭ断面図である。

図５を参照すると、ボイド１４０はバッファー層１０７内に配置され、基板１０５の上部に配置される凹凸の凹の上部に配置され得る。実施例において、ボイド１４０は空気（ａｉｒ）を含むことができ、ボイド１４０の断面は三角形、五角形、または、六角形の少なくとも一つの多角形の形状であり得るが、これに対して限定するものではない。

ボイド１４０は、所定の勾配を有する傾斜面を含むことができ、前記傾斜面の最上部は第１導電型半導体層１１２と隣接して配置され得る。

ボイド１４０は、成長条件により形状および大きさが変わることができるが、基板１０５の凹凸の凹の上部に均一な形状と大きさが配置される特徴を有する。

すなわち、実施例は、凹凸の上部に均一な形状と大きさのボイドを配置し、前記ボイドは所定の勾配を有する傾斜面を含み、貫通電位を遮断して発光素子のエピ成長の質を向上させることができ、光散乱を誘導して光抽出効率を向上させることができ、指向角を改善することができる。

図６と図７は、他の実施例による半導体素子の部分拡大図である。

図６と図７を参照すると、図６はボイド１４０の高さが１．２ｕｍであるときの光抽出パターンを示し、図７はボイド１４０の高さが３ｕｍであるときの光抽出パターンを示す図面である。

図６（ａ）と図７（ａ）は、活性層から光がボイド１４０に水平に入射する場合であり、ボイド１４０の高さが３μｍである図５の実施例がボイド１４０の高さが１．２μｍである図４の実施例より光の散乱が改善されることが分かる。

図６（ｂ）と図７（ｂ）は、活性層から光がボイド１４０にななめに入射する場合であり、ボイド１４０の高さが３μｍである図５の実施例がボイド１４０の高さが１．２μｍである図４の実施例より光が垂直方向に集中して放出されることが分かる。

図６（ｃ）と図７（ｃ）は、活性層から光がボイド１４０に垂直に入射する場合であり、ボイド１４０の高さが３μｍである図５の実施例がボイド１４０の高さが１．２μｍである図４の実施例より光が垂直方向に集中して放出されることが分かる。

すなわち、ボイド１４０の高さが大きいほど光が垂直方向に集中して放出されることができ、ボイド１４０の高さを調節して垂直方向に光の集中度を調節することができ、これは従来技術の紫外線発光素子で垂直方向に光を集中できない問題を改善することができる。

図８は、実施例による半導体素子の指向角を示す図面である。

図８を参照すると、図８（ａ）は実施例による紫外線発光素子の指向角を示す図面であり、図８（ｂ）は凹凸とボイドを含まない紫外線発光素子の指向角を示す図面である。

図８（ａ）の実施例による発光素子は、図８（ｂ）の凹凸とボイドを含まない紫外線発光素子より角度０度方向、すなわち垂直方向に光を集中させることができて光抽出効率が向上し得る。例えば、図８（ａ）の実施例による発光素子の集中度は８９．３％であり、図８（ｂ）の紫外線発光素子の集中度は６８．４％で、２０．９％が改善されることが分かる。

図９は、第２実施例による半導体素子の断面図であり、図１０は図９に示された半導体素子の平面図であり、図１１は第２実施例による半導体素子の部分拡大図であり、図１２は第２実施例による半導体素子のＳＥＭ断面図である。

図９を参照すると、第２実施例による紫外線発光素子２００は、基板２１０、バッファー層２１１、発光構造物２２０、第１および第２コンタクト層（または、電極）２３４、２３２、第１および第２スプレッド（ｓｐｒｅａｄ）層２４４、２４２、第１バンプ２５４、第２バンプ２５２、第１および第２金属パッド２６４、２６２、第１および第２絶縁層２７４、２７２、サブマウント２８０を含むことができる。

発光構造物２２０は、基板２１０の下に配置される。すなわち、発光構造物２２０は、基板２１０とサブマウント２８０との間に配置され得る。発光構造物２２０は、第１導電型半導体層２２６と、第２導電型半導体層２２２と、第１導電型半導体層２２６と第２導電型半導体層２２２との間の活性層２２４とを含むことができる。

基板２１０と発光構造物２２０の間の熱膨張係数（ＣＴＥ：Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）の差および格子不整合を改善するために、これら１１０、１２０の間にバッファー層２１１が配置され得る。バッファー層２１１は、基板２１０と第１導電型半導体層２２６との間に配置され得る。バッファー層２１１の内部にはボイド２１２が形成され得る。

図１１に示されたように、ボイド２１２は、第１導電型半導体層１１２に隣接する第１領域２１２ａと、基板２１０に隣接する第２領域２１２ｂとを含むことができる。

第１領域２１２ａは、２個以上の傾斜面（ｆａｃｅｔ）２１２ａ－１、２１２ａ－２を含む領域である。例えば、第１領域２１２ａは、断面が三角形状に形成され得る。第１領域２１２ａの形状が三角錐である場合、傾斜面は３個に形成され得、第１領域２１２ａの形状が四角錐である場合、傾斜面は４個に形成され得る。すなわち、第１領域２１２ａは、多角錐の形状によって、２個以上の傾斜面からなった領域と指称することができる。

第２領域２１２ｂは、傾斜面を含まない領域であり得る。第２領域２１２ｂは、基板２１０に隣接する領域であり得る。例えば、第２領域２１２ｂは、断面が四角形状に形成され得る。

ボイド２１２は、基板２１０から第１離隔距離ｈ１で離隔配置され得る。例えば、ボイド２１２の第２領域２１２ｂの表面と基板２１０の下部面との間の第１離隔距離ｈ１は、２００ｎｍないし３００ｎｍであり得る。第１離隔距離ｈ１が２００ｎｍ未満の場合、ボイド２１２と基板２１０との距離が非常に近くなって、バッファー層２１１を形成するとき、決定性が低下することがある。また、ボイド２１２で散乱される光が広く拡散されるには、離隔距離ｈ１が非常に近いので、半導体素子の光抽出効率および指向角特性が低下することがある。

第１離隔距離ｈ１が３００ｎｍを超過する場合、バッファー層２１１が厚く形成されなければならないので、バッファー層２１１上部に印加される応力が大きくなって活性層の波長を変化させ、半導体素子の発光効率（ＷＰＥ）が低下することがある。

基板２１０の一面とボイド２１２の第１領域２１２ａの終端までの第２離隔距離ｈ２は、５００ｎｍないし１２００ｎｍであり得る。ボイド２１２の高さＣ１は、５００ｎｍないし９００ｎｍであり得る。ボイド２１２の高さＣ１が５００ｎｍより小さい場合、ボイド２１２の第１領域２１２ａの傾斜面で第１導電型半導体層２２６が水平方向に非常に急激に併合されるので発光構造物２２０の結晶性が低下することがあり、９００ｎｍより大きい場合、非常に厚いバッファー層２１１によって発光構造物２２０に印加される応力が大きくなって活性層２２４で発光する光の波長を変化させ、半導体素子の発光効率が低下することがある。

第２実施例による発光素子は、フリップチップボンディング構造のため、基板方向に光が抽出される構造のため、基板とボイドと間の離隔距離およびボイドの大きさは第１実施例による発光素子に形成されたボイドの離隔距離とは異なり得る。すなわち、第２実施例による発光素子は、基板の下部面とボイドの上部面との間の距離が２００ｎｍないし３００ｎｍの距離で離隔する場合、フリップチップボンディング構造の発光素子で光抽出効率が最も効果的である。

換言すれば、フリップチップボンディング構造による発光素子は、活性層で発生した光を基板に向かって出射させると同時に活性層で発生した光が活性層の下の反射層によって反射して基板に向かって出射されるため、基板に向かって反射する光は、ボイドと基板が有する屈折率の差およびボイドの界面での光散乱により光抽出効果が向上され得る。

ボイド２１２は、互いに異なる大きさに形成され得る。ボイド２１２は、同一線上での断面積の±３０％範囲内で、高さ、幅が互いに異なる大きさに形成され得る。前記同一線上での断面積は、ボイド２１２の中心領域の断面積だけでなく測定のために設定した断面積も含むことができる。

図１２に示されたように、実際のボイド２１２の形状を見ると、ボイド２１２は２個以上の傾斜面を有する多様な形状を有していることが分かり、その大きさも互いに異なるように形成されて配置されていることが分かる。

前述した通り、ボイド２１２は、基板から２００ｎｍないし３００ｎｍ離隔して各前記同一線上での断面積の３０％範囲内の大きさで多様な形状で配置されていることが分かる。

図９に戻って、発光構造物２２０は、第１導電型半導体層２２６、活性層２２４および第２導電型半導体層２２２を含むことができる。第１導電型半導体層２２６は、バッファー層２１１と活性層２２４との間に配置され得る。活性層２２４は、第１導電型半導体層２２６と第２導電型半導体層２２２との間に配置され得る。第１導電型半導体層２２６がＮ型であると、第２導電型半導体層２２２はＰ型であり得る。これと異なるように、第１導電型半導体層２２６がＰ型であると、第２導電型半導体層２２２はＮ型であり得る。

第２実施例による発光素子は、フリップチップボンディング（ｆｌｉｐ ｃｈｉｐ ｂｏｎｄｉｎｇ）構造であるため、活性層２２４から放出された光は第１コンタクト層２３４、第１導電型半導体層２２６および基板１１０を通じて出射され得る。このために、第１コンタクト層２３４、第１導電型半導体層２２６および基板２１０は、光透過性を有する物質から成り得る。このとき、第２導電型半導体層２２２と第２コンタクト層２３２は、光透過性や非透過性を有する物質または反射性を有する物質から成り得るが、実施例は特定の物質に限定されないこともある。

サブマウント２８０は、基板２１０に対向して配置され得る。すなわち、サブマウント２８０は、基板２１０の下に配置され得る。サブマウント２８０は、例えばＡｌＮ、ＢＮ、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ＧａＮ、ＧａＡｓ、Ｓｉなどの半導体基板から成り得、これに対し限定されず熱伝導度が優秀な半導体物質から成ることもある。また、サブマウント２８０内にツェナーダイオード形状の静電気（ＥＳＤ：Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｓｔａｔｉｃ Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）防止のための素子が含まれることもある。

第１および第２金属パッド２６４、２６２は、サブマウント２８０の上に配置され、互いに電気的に離隔することができる。第１および第２金属パッド２６４、２６２それぞれは、電気的伝導性を有する金属物質から成り得る。

第１および第２絶縁層２７４、２７２は、第１および第２金属パッド２６４、２６２とサブマウント２８０との間にそれぞれ配置される。第１および第２絶縁層２７４、２７２は、ボイドと隣接した活性層の他側に配置され得る。万一、サブマウント２８０がＳｉとともに電気的伝導性を有する物質から成る場合、第１および第２金属パッド２６４、２６２とサブマウント２８０とを電気的に絶縁させるために第１および第２絶縁層２７４、２７２が配置され得る。ここで、第１および第２絶縁層２７４、２７２は、電気的な絶縁性を有する物質を含むことができる。

また、第１および第２絶縁層２７４、２７２は、電気的な絶縁性を有するだけでなく光反射特性を共に有する物質から成ることもある。これによって、第１および第２絶縁層２７４、２７２は、反射層であり得る。例えば、第１および第２絶縁層２７４、２７２それぞれは、分散ブラッグ反射層（ＤＢＲ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）を含むことができる。この場合、分散ブラッグ反射層は、絶縁機能を遂行することもでき、反射機能を遂行することもできる。分散ブラッグ反射層は、屈折率が互いに異なる第１層および第２層が交互に少なくとも１回以上積層された構造であり得る。分散ブラッグ反射層それぞれは電気絶縁物質であり得る。例えば、第１層は、ＴｉＯ_２のような第１誘電体層であり、第２層は、ＳｉＯ_２のような第２誘電体層を含むことができる。例えば、分散ブラッグ反射層は、ＴｉＯ_２／ＳｉＯ_２層が少なくとも１回以上積層された構造であり得る。第１層および第２層それぞれの厚さはλ／４であり、λは発光セルで発生する光の波長であり得る。

また、第１および第２絶縁層２７４、２７２それぞれは、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、またはＭｇＦ_２のうちの少なくとも一つを含むことができるが、実施例はこれに限定されない。

発光構造物２２０とサブマウント２８０との間に少なくとも一つのバンプが配置され得る。すなわち、発光構造物２２０とサブマウント２８０との間に第１および第２バンプ２５４、２５２が配置され得る。

第１バンプ２５４は、第１金属パッド２６４と第１スプレッド層２４４との間に配置され得る。第１バンプ２５４の個数は、一つまたは一つ以上の複数個であり得る。

第２バンプ２５２は、第２金属パッド２６２と第２スプレッド層２４２との間に配置され得る。

少なくとも一つ以上のバンプと発光構造物２２０との間に、少なくとも一つ以上のコンタクト層が配置され得る。例えば、発光構造物２２０と第１および第２バンプ２５４、２５２との間に、第１および第２コンタクト層２３４、２３２がそれぞれ配置され得る。

第２コンタクト層２３２は、第２スプレッド層２４２を経由して第２バンプ２５２と発光構造物２２０との間に配置され得る。すなわち、第２コンタクト層２３２は、第２スプレッド層２４２と第２導電型半導体層２２２との間に配置され得る。第２コンタクト層２３２は、第２スプレッド層２４２と第２導電型半導体層２２２とを電気的に互いに連結させることができる。このために、図示されたように、第２コンタクト層２３２は第２導電型半導体層２２２と接触することができる。

第１コンタクト層２３４は、メサエッチング（Ｍｅｓａ ｅｔｃｈｉｎｇ）により露出した第１導電型半導体層２２６の下に配置され、第１スプレッド層２４４を経由して第１バンプ２５４と発光構造物３２０の第１導電型半導体層２２６との間に配置され得る。第１コンタクト層２３４は、第１スプレッド層２４４と第１導電型半導体層２２６とを電気的に互いに連結することができる。第１コンタクト層２３４は、オーミック接触する物質を含んでオーミックの役割を遂行でき、第１導電型半導体層２２６と電気的に連結され得、別途のオーミック層が第１コンタクト層２３４の上または下に配置され得る。

図１０は、図９に図示された発光素子２００をサブマウント２８０から発光構造物２２０方向に眺めた平面図に該当する。図９に図示された第１および第２スプレッド層２４４、２４２、第１および第２バンプ２５４、２５２、第１および第２金属パッド２６４、２６２、第１および第２絶縁層２７４、２７２およびサブマウント２８０の図示は省略された。

図１０に示されたように、第２コンタクト層２３２は、頂点のない所定の形状を有する複数の電極パターンが互いに連結された構造から成り得る。例えば、第２コンタクト層２３２は、一定個数の所定の形状の電極パターンが三角構造を成すように互いに連結され得る。電極パターンが頂点を有しない形状を有する理由は、頂点で発生し得る電場（Ｅ－ｆｉｅｌｄ）の集中を防止して素子の信頼性を改善するためである。

また、電極パターンを増加させる場合、バンプに接触することができる面積を考慮しなければならないので一定個数以上形成することは難しくなる。したがって、電極パターンの個数は素子面積およびバンプの面積により適切に設計することができる。

第２コンタクト層２３２の面積は、全体素子面積の３０％ないし５０％を含むことができる。電極パターンは、第２コンタクト層２３２の面積の２５％ないし３５％に形成され得る。第２コンタクト層２３２の面積が非常に狭ければ電流注入効率が低下して電気的な特性が低下し、反面、第２コンタクト層２３２の面積が非常に広ければ第１コンタクト層２３４が配置され得る面積が狭くなって電気的、光学的特性が低下することがある。

第１コンタクト層２３４の面積は、全体素子面積の４０％ないし６０％を含むことができる。第１コンタクト層２３４の面積が非常に狭ければ電流注入効率が低下して電気的、光学的特性が低下することがある。反面、第１コンタクト層２３４の面積が非常に広ければ除去される活性層２２４の面積が大きくなって光学的特性が低下することがある。

このような点を考慮して第２コンタクト層２３２の面積は、第１コンタクト層２３４の面積より小さく形成され得、第２コンタクト層２３２の面積と第１コンタクト層２３４との面積比は１:１．３ないし１:２で形成され得る。すなわち、第２コンタクト層２３２の面積と第１コンタクト層２３４との面積比が１:１．３未満であったり、１:２を超過することになると、電気的特性および光学的特性が低下する問題点が発生することがある。

第１および第２コンタクト層２３４、２３２それぞれは、第１および第２導電型半導体層２２６、２２２上に良質に成長することができるある物質で形成され得る。例えば、第１および第２コンタクト層２３２、２３４それぞれは金属で形成され得、Ａｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｈｆおよびこれらの選択的な組合せで形成され得る。

特に、第２コンタクト層２３２は、反射物質を含むことができる。例えば、第２コンタクト層２３２は、透明電極（図示せず）および反射層（図示せず）を含むことができる。反射層は銀（Ａｇ）のような反射物質から成り得る。

第２コンタクト層２３２は、オーミック特性を有し得、第２導電型半導体層２２２とオーミック接触する物質を含むことができる。万一、第２コンタクト層２３２がオーミックの役割を遂行する場合、別途のオーミック層（図示せず）は形成されないことがある。

少なくとも一つのコンタクト層と少なくとも一つのバンプとの間に、少なくとも一つのスプレッド層が配置され得る。

第２スプレッド層２４２は、第２コンタクト層２３２と第２バンプ２５２との間に配置され得る。第１スプレッド層２４４は、第１コンタクト層２３４と第１バンプ２５４との間に配置され得る。第１および第２スプレッド層２４４、２４２は、発光構造物２２０で発生する熱によって発光構造物２２０の抵抗が増加して電気的な特性が悪化され得るため、これを防止する役割を遂行することができる。このために、第１および第２スプレッド層２４４、２４２それぞれは、電気伝導性が優秀な物質から成り得る。

第２スプレッド層２４２と第１スプレッド層２４４を除いた領域には発光構造物２２０の上部を覆うように保護層２９０が形成され得る。保護層２９０は、第２スプレッド層２４２の一部のみを露出させるように構成され得る。保護層２９０は絶縁層を含むことができる。

図１３は、第２実施例による半導体素子パッケージの断面図である。

図１３を参照すると、発光素子パッケージ３００は、発光素子２００、パッケージ本体３１０、第１および第２リードフレーム３２２、３２４、第３絶縁層３３０、第１および第２ワイヤー３５２、３５４を含むことができる。ここで、発光素子２００は、図９ないし図１２に図示された発光素子２００に該当し得る。

図１３に図示されたパッケージ本体３１０は、キャビティ３４０（Ｃａｖｉｔｙ）を形成することができる。キャビティ３４０にはエアーが含まれることがある。例えば、パッケージ本体３１０は、第１および第２リードフレーム３２２、３２４と共にキャビティ３４０を形成することができる。すなわち、キャビティ３４０は、パッケージ本体３１０の側面３１２と第１および第２リードフレーム３２２、３２４の各上部面によって定義され得る。しかし、実施例はこれに限定されない。

他の実施例によると、図１３に示されたこととは違い、パッケージ本体３１０のみでキャビティ３４０を形成することもできる。または、上部面が平たいパッケージ本体３１０の上に隔壁（ｂａｒｒｉｅｒ ｗａｌｌ）（図示せず）が配置され、隔壁とパッケージ本体３１０の上部面によってキャビティが定義されることもできる。パッケージ本体３１０はＥＭＣ（Ｅｐｏｘｙ Ｍｏｌｄｉｎｇ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ）等で具現されるが、実施例はパッケージ本体３１０の材質に限定されない。発光素子１００Ａはキャビティ３４０の内部に配置され得る。

パッケージ本体３１０の上部には、キャビティ３４０を覆えるようにガラス材質のカバー３１１が配置されてキャビティ３４０の空間を確保することができる。

第１および第２リードフレーム３２２、３２４は、水平方向に互いに離隔して配置され得る。第１および第２リードフレーム３２２、３２４それぞれは、導電型物質例えば金属から成り、実施例は第１および第２リードフレーム３２２、３２４それぞれの物質の種類に限定されない。第１および第２リードフレーム３２２、３２４を電気的に分離させるために、第１および第２リードフレーム３２２、３２４の間には第３絶縁層３３０が配置されることもできる。

また、パッケージ本体３１０が導電型物質例えば金属物質から成る場合、第１および第２リードフレーム３２２、３２４は、パッケージ本体３１０の一部でもあり得る。この場合にも、第１および第２リードフレーム３２２、３２４を形成するパッケージ本体３１０は、第３絶縁層３３０によって電気的に分離することができる。

また、第１および第２導電型半導体層２２６、２２２と第１および第２バンプ２５２Ａ、２５４を通じてそれぞれ連結された第１および第２金属パッド２７２、２７４は、第１および第２ワイヤー３５２、３５４を通じて第１および第２リードフレーム３２２、３２４にそれぞれ電気的に連結され得る。

実施例による発光素子パッケージは、複数個が基板上にアレイでき、発光素子パッケージの光経路上に光学部材である導光板、プリズムシート、拡散シートなどが配置され得る。このような発光素子パッケージ、基板、光学部材は、照明システムまたは車両用ランプの機能をすることができる。

図１４および図１５は、実施例による半導体素子を含む照明システムの実施例を示す分解斜視図である。

図１４に示されたように、実施例による照明装置は、カバー２１００、光源モジュール２２００、放熱体２４００、電源提供部２６００、内部ケース２７００、ソケット２８００を含むことができる。また、実施例による照明装置は、部材２３００とホルダー２５００のうちのいずれか一つ以上をさらに含むことができる。光源モジュール２２００は、本発明による発光素子１００または発光素子パッケージ２００を含むことができる。

また、図１５に示されたように、本発明による照明装置は、カバー３１００、光源部３２００、放熱体３３００、回路部３４００、内部ケース３５００、ソケット３６００を含むことができる。光源部３２００は、実施例による発光素子または発光素子パッケージを含むことができる。

産業上利用の可能性

実施例は、平板用照明装置に適用され得る。

実施例は、発光素子を有する平板用照明装置に適用され得る。

実施例は、発光素子を有する車両用ランプに適用され得る。

Claims (10)

1. 基板と、
   前記基板上に配置されるバッファー層と、
   前記バッファー層上に配置されて第１導電型半導体層、第２導電型半導体層および前記第１導電型半導体層と前記第２導電型半導体層との間に配置されて紫外線光を放出する活性層を含む発光構造物と、
   前記バッファー層内に配置される複数のエアーボイドと、
   を含み、
   前記エアーボイドのそれぞれは、前記基板表面を基準として互いに異なる少なくとも２つの傾斜面が形成され、
   前記エアーボイドの少なくとも２つの傾斜面は、前記発光構造物と対向し、
   前記基板は、凹凸パターンを含み、
   前記バッファー層の一部は、前記凹凸パターンの凹に提供され、
   前記エアーボイドの幅は、前記基板の凹凸の凹の幅の半分以下であり、
   前記凹凸の凸の幅は、前記凹凸の凹の幅の２倍以上であり、
   前記凹凸の高さは、前記エアーボイドの幅より大きく、前記エアーボイドの高さより小さく、
   前記エアーボイドは、前記凹に提供された前記バッファー層の一部の上に配置され、
   前記エアーボイドは、前記凹凸パターンと離隔し、
   前記エアーボイドは、前記第１導電型半導体層に隣接するように配置される第１領域と、前記基板に隣接するように配置される第２領域とを含み、
   前記第１領域は、前記第２領域から前記第１導電型半導体層方向に行くほど幅が減少し、前記傾斜面が形成される三角形の断面形状を有し、
   前記第２領域は、一定な幅の四角形の断面形状を有する、半導体素子。
2. 前記エアーボイドと対向配置される活性層の他側には、反射層をさらに含む、請求項１に記載の半導体素子。
3. 前記基板と前記エアーボイドとの間の第１離隔距離は、２００ｎｍないし３００ｎｍであり、前記基板と前記エアーボイドの第１領域の終端との第２離隔距離は８００ｎｍないし９００ｎｍである、請求項１または請求項２に記載の半導体素子。
4. 前記凹凸の凹の幅は、０．５μｍであり、凸の幅は１．２μｍであり、前記凹凸の高さは１．２μｍであり、前記エアーボイドの高さは３μｍである、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の半導体素子。
5. 基板と、
   前記基板の一側に配置されたバッファー層と、
   前記バッファー層の一側に配置され、第１導電型半導体層、活性層および第２導電型半導体層を含む発光構造物と、
   前記基板に対向して配置されたサブマウントと、
   前記発光構造物と前記サブマウントとの間に配置され、前記第１導電型半導体層と電気的に連結される第１バンプと、
   前記発光構造物と前記サブマウントとの間に配置され、前記第２導電型半導体層と電気的に連結される第２バンプと、
   を含み、
   前記バッファー層は、複数のエアーボイドを含み、
   前記エアーボイドのそれぞれは、少なくとも２つの傾斜面を有し、
   前記基板は、凹凸パターンを含み、
   前記バッファー層の一部は、前記凹凸パターンの凹に提供され、
   前記エアーボイドの幅は、前記基板の凹凸の凹の幅の半分以下であり、
   前記凹凸の凸の幅は、前記凹凸の凹の幅の２倍以上であり、
   前記凹凸の高さは、前記エアーボイドの幅より大きく、前記エアーボイドの高さより小さく、
   前記エアーボイドは、前記凹に提供された前記バッファー層の一部の上に配置され、
   前記エアーボイドは、前記凹凸パターンと離隔し、
   前記エアーボイドは、前記第１導電型半導体層に隣接するように配置される第１領域と、前記基板に隣接するように配置される第２領域とを含み、
   前記第１領域は、前記第２領域から前記第１導電型半導体層方向に行くほど幅が減少し、前記傾斜面が形成される三角形の断面形状を有し、
   前記第２領域は、一定な幅の四角形の断面形状を有する、半導体素子パッケージ。
6. 前記サブマウントの下面の上に配置される反射層を含み、
   前記傾斜面は、前記反射層と対向する、請求項５に記載の半導体素子パッケージ。
7. 前記基板と前記エアーボイドとの間の第１離隔距離は、２００ｎｍないし３００ｎｍである、請求項５または請求項６に記載の半導体素子パッケージ。
8. 前記基板と前記エアーボイドの第１領域の終端との第２離隔距離は８００ｎｍないし９００ｎｍである、請求項５ないし請求項７のいずれか一項に記載の半導体素子パッケージ。
9. 前記エアーボイドは、互いに異なる高さと幅を有する大きさで形成され、その大きさは全体面積の±３０％範囲内で形成される、請求項５ないし請求項８のいずれか一項に記載の半導体素子パッケージ。
10. 前記サブマウントと前記バンプとの間にそれぞれ配置された絶縁層をさらに含み、前記絶縁層は分散ブラッグ反射層を含む、請求項５ないし請求項９のいずれか一項に記載の半導体素子パッケージ。

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