KR100708936B1 - 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자 - Google Patents

플립칩용 질화물계 반도체 발광소자 Download PDF

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신현수
김창완
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Abstract

본 발명은 플립칩 본딩에 적절한 질화물계 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 서브마운트의 리드 패턴 상에 범프 볼을 통해 플립 본딩되는 질화물계 반도체 발광소자에 있어서, 기판과, 상기 기판 상에 형성된 발광 구조물과, 상기 발광 구조물 상에 형성된 전극과, 상기 전극이 형성된 결과물 상에 형성되되, 상기 서브마운트의 리드 패턴과 범프 볼을 통해 연결되는 부분에 해당하는 전극 표면을 노출하는 보호막 및 상기 보호막을 통해 노출된 전극 표면에 형성된 격자 형상의 완충막;을 포함하는 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자를 제공한다.
플립칩, 발광소자, 본딩, 서브마운트, 범프 볼, 완충막

Description

플립칩용 질화물계 반도체 발광소자{NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE FOR FLIP-CHIP}
도 1은 종래 기술에 따른 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자의 본딩 공정을 나타낸 도면.
도 2는 종래 기술에 따른 플립 본딩 공정시, 발생하는 문제점을 나타낸 사진.
도 3은 본 발명에 따른 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자의 플립 본딩 공정시, 본딩 패드 상에 격자 형상의 완충막을 형성하여 나타낸 도면.
도 4는 도 3에 도시한 완충막의 격자 밀도 변화에 따른 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자의 변형예들을 나타낸 도면.
도 5는 도 4에 도시한 변형예들에 따른 동작전압을 비교하여 나타낸 도면.
도 6은 도 4에 도시한 변형예들에 따른 Die Shear 값을 비교하여 나타낸 도면.
도 7은 도 4에 도시한 변형예들에 따른 휘도 특성을 비교하여 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101 : 기판 103 : n형 질화물 반도체층
105 : 활성층 107 : p형 질화물 반도체층
109 : 투명전극 110a : p형 전극
110b : n형 전극 120 : 보호막
130 : 완충막 200 : 서브마운트
210a : p형 리드 패턴 210b : n형 리드 패턴
본 발명은 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플립 본딩 공정시, 범프 볼(bump ball)의 임계치 이상의 과도한 하중으로 인한 필립칩의 발광 영역 손상을 방지할 수 있는 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자에 관한 것이다.
근래에 GaN를 비롯한 질화물을 이용한 질화물계 반도체는 그 우수한 물리, 화학적 특성에 기인하여 현재 광소자 및 전자 소자의 핵심 소재로 각광받고 있다. 특히, 질화물계 반도체 발광소자는 청색 또는 녹색 및 자외선 영역까지의 빛을 생성할 수 있으며, 기술 발전으로 인해 그 휘도가 비약적으로 향상됨에 따라 총천연색 전광판, 조명장치 등의 분야에도 적용되고 있다.
이와 같은 질화물계 반도체 발광소자는, 청색 또는 녹색 파장대의 광을 얻기 위하여, AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 질화물 반도체 물질로 제조되고 있다.
이와 같은 질화물계 반도체 결정은, 격자정합을 고려하여 일반적으로 사파이어 기판과 같은 질화물 단결정 성장용 기판에서 성장된다. 특히, 상기 사파이어 기판은 전기적 절연성 기판이므로, 최종적인 질화물계 반도체 발광소자는, 양 전극인 p형 전극 및 n형 전극이 동일면 상에 형성된 구조를 갖는다.
이러한 구조적인 특징으로 인해, 질화물계 반도체 발광소자는 플립칩 구조에 적합한 형태로 적극적으로 개발되고 있다.
그러면, 이하 도 1 및 도 2를 참조하여 종래 기술에 따른 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
우선, 도 1은 종래 기술에 따른 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자의 본딩 공정을 나타낸 도면으로서, 종래 기술에 따른 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자(10)는, 서브마운트(200) 상에 탑재된 질화물계 반도체 발광소자를 포함한다.
상기 질화물계 반도체 발광소자는, 사파이어 기판(101)과, 그 위에 순차적으로 적층된 n형 질화물 반도체층(103), 활성층(105) 및 p형 질화물 반도체층(107)으로 이루어진 발광 구조물과, 상기 p형 질화물 반도체층(107) 상에 형성된 p형 전극(110a) 및 상기 n형 질화물 반도체층(103) 상에 형성된 n형 전극(110b)을 포함한다.
또한, 상기 질화물계 반도체 발광소자의 p형 및 n형 전극(110a, 110b)과 대응하는 서브마운트(200)의 표면 위에는 이들과 각각 전기적으로 연결되는 p형 리드 패턴(210a) 및 n형 리드 패턴(210b)이 형성되어 있다. 여기서, 상기 질화물계 반도체 발광소자의 n형 및 p형 전극(110a, 110b)과 상기 서브마운트의 n형 및 p형 리드 패턴(210a, 210b)은 도전성 범프 볼(bump ball; 300)을 통해 서로 전기적으로 접합되어 있다.
또한, 상기 질화물계 반도체 발광소자는, 상기 서브마운트의 n형 및 p형 리드 패턴(210a, 210b)과 전기적으로 연결되는 p형 및 n형 전극(110a, 110b)의 일부를 제외한 나머지 부분을 보호막을 통해 보호하고 있다.
한편, 일반적으로 서브마운트와 질화물계 반도체 발광소자를 도전성 범프 볼을 이용한 물리적인 하중을 통하여 전기적으로 연결시키는 공정을 플립 본딩 공정(Flip Bonding Process)이라 하며, 이러한 플립 본딩 공정에서는 임계치 이상의 하중을 인가하지 못하면 서브마운트와 질화물계 반도체 발광소자가 분리되므로, 임계치 이상의 하중이 요구된다.
그런데, 상술한 종래의 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자는, 도 1에 도시된 바와 같이, 임계치 이상의 하중이 인가되는 도전성 범프 볼(300)이 질화물계 반도체 발광소자의 p형 및 n형 전극(110a, 110b) 즉, 본딩 패드와 직접적으로 접하고 있으므로, 플립 본딩 공정시, 질화물계 반도체 발광소자에 과도한 스트레스를 인가하게 되어, 소자의 PN 정션(junction)이 붕괴되거나, 발광 영역이 손상되는 문제가 있다. 도 2는 종래 기술에 따른 플립칩 본딩시, 발생하는 문제점을 나타낸 사진으 로서, 도전성 범프 볼의 과도한 하중으로 인해 손상된 발광 영역을 나타내고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 플립 본딩 공정시, 질화물계 반도체 발광소자의 본딩 패드와 범프 볼의 접합 계면에 격자 형상의 완충막을 구비하여 범프 볼(bump ball)의 임계치 이상의 과도한 하중으로 인한 질화물계 반도체 발광소자의 PN 정션 파괴 및 발광 영역의 손상을 방지할 수 있는 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 서브마운트의 리드 패턴 상에 범프 볼을 통해 플립 본딩되는 질화물계 반도체 발광소자에 있어서, 기판과, 상기 기판 상에 형성된 발광 구조물과, 상기 발광 구조물 상에 형성된 전극과, 상기 전극이 형성된 결과물 상에 형성되되, 상기 서브마운트의 리드 패턴과 범프 볼을 통해 연결되는 부분에 해당하는 전극 표면을 노출하는 보호막 및 상기 보호막을 통해 노출된 전극 표면에 형성된 격자 형상의 완충막을 포함하는 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자를 제공한다.
또한, 상기 본 발명의 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자에서, 상기 완충막은, 세라믹 계열의 물질로 형성됨이 바람직하며, 세라믹 계열의 물질로는 SiO2 및 SiN 등이 있다.
또한, 상기 본 발명의 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자에서, 상기 완충막은, 상기 보호막과 동일한 물질로 형성됨이 바람직하며, 이는 상기 보호막 형성시, 완충막도 동시에 형성하여, 질화물계 반도체 발광소자의 전반적인 공정을 단순화하기 위함이다.
이하 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 병기하였다.
이제 본 발명의 일 실시예에 따른 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 3을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자에 대하여 상세히 설명하며, 도 3은 본 발명에 따른 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자의 플립 본딩 공정시, 본딩 패드 상에 격자 형상 완충막을 형성하여 나타낸 도면이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자는, 도전형 반도체 물질로 이루어진 서브마운트(200)의 리드 패턴(210a, 210b) 상에 도전형 범프 볼(300)을 통해 플립 본딩되어 있다.
보다 상세하게, 상기 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자는, 기판(101) 상에 버퍼층(도시하지 않음), n형 질화물 반도체층(103), 활성층(105) 및 p형 질화물 반도체층(107)이 순차 적층되어 이루어진 발광 구조물이 형성되어 있다.
상기 기판(101)은 바람직하게, 사파이어를 포함하는 투명한 재료를 이용하여 형성되며. 사파이어 이외에, 기판(101)은 징크 옥사이드(zinc oxide, ZnO), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC) 및 알루미늄 나이트라이드(AlN)로 형성될 수 있다.
상기 버퍼층(도시하지 않음)은 GaN로 형성되며, 생략 가능하다.
상기 n형 또는 p형 질화물 반도체층(103, 107)은 각 도전형 불순물 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 형성되며, 상기 활성층(105)은 InGaN/GaN층으로 구성된 다중우물 구조(Multi-Quantum Well)로 형성된다.
상기 활성층(105)과 p형 질화물 반도체층(107)의 일부는 메사 식각(mesa etching)으로 제거되어, 저면에 n형 질화물 반도체층(103)의 일부를 노출하고 있다.
상기 메사 식각에 의해 노출된 n형 질화물 반도체층(103) 상의 소정 부분에는 전극 역할 및 본딩 역할을 하는 n형 전극(110b)이 형성되어 있다. 여기서, 상기 n형 전극(110b)은, Cr/Au으로 이루어져 있으며, 공정 특성에 따라서 상기 n형 전극(110b) 상에 별도의 본딩 패드(도시하지 않음)를 구비하는 것이 가능하다.
또한, 상기 p형 질화물 반도체층(107) 상에는 전류확산 효과를 증대시키기 위한 투명 전극(109)이 형성되어 있다. 이때, 상기 투명 전극(109)은 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 도전성 금속산화물만이 아니라, 발광소자의 발광 파장에 대해 투과율이 높다면, 도전성이 높고 콘택 저항이 낮은 금속박막으로도 이루어질 수 있다.
상기 투명 전극(109) 상에는 전극 역할 및 본딩 역할을 하는 p형 전극(110a)이 형성되어 있다. 여기서, 상기 p형 전극(110a)은, Cr/Au으로 이루어져 있으며, 공정 특성에 따라서 상기 p형 전극(110a) 상에 별도의 본딩 패드(도시하지 않음)를 구비하는 것이 가능하다.
상기 p형 전극(110a) 및 상기 n형 전극(110b)이 형성되어 있는 결과물 상에는 p형 전극(110a)과 n형 전극(110b)이 서로 전기적으로 연결되는 것을 방지하는 보호막(120)이 형성되어 있다. 이때, 상기 보호막(120)은, 도전형 범프 볼(300)을 통해 서브마운트(200)의 리드 패턴(210a, 210b)과 각각 연결되는 p형 전극(110a) 및 상기 n형 전극(110b)의 일부분을 노출하고 있다.
또한, 상기 보호막(120)을 통해 노출된 p형 전극(110a) 및 n형 전극(110b)의 표면에는 도전형 범프 볼(300)의 임계치 이상의 하중으로 인한 스트레스를 완화시킬 수 있는 완충막(130)을 구비하고 있다.
특히, 본 발명에 따른 상기 완충막(130)은, 도 3에 나타낸 바와 같이, 격자 형상을 가짐으로써, 범프 볼(300)의 임계치 이상의 하중으로 인한 스트레스를 보다 효율적으로 완화시킬 수 있는 동시에, 범프 볼(300)의 접합 면적을 증가시켜 Die Shear인 접합전단응력을 향상시킬 수 있다.
이때, 상기 완충막(130)의 격자는 질화물계 반도체 발광소자의 특성 및 공정 특성에 따라 조절 가능하며, 도 4는 도 3에 도시한 완충막의 격자 밀도 변화에 따른 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자의 변형예들을 나타낸 도면으로, 완충막의 격자 밀도를 100%, 70%, 50% 및 30%로 나타낸 사진이다.
그러면, 이하 본 발명에 따른 격자 형상의 완충막을 구비한 질화물계 반도체 발광소자에 대하여 도 5 내지 도 7을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 5는 도 4에 도시한 변형예들에 따른 동작전압을 비교하여 나타낸 도면이고, 도 6은 도 4에 도시한 변형예들에 따른 Die Shear 값을 비교하여 나타낸 도면이며, 도 7은 도 4에 도시한 변형예들에 따른 휘도 특성을 비교하여 나타낸 도면이다.
우선, 도 5를 참조하여 보면, 격자의 밀도가 100%인 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 동작전압(Vf)은, 70%, 50% 및 30%의 격자 밀도를 가지는 완충막을 구비하고 있는 본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 동작전압(Vf)에 비해 매우 불안정한 것을 알 수 있다. 이와 같이, 동작전압(Vf)이 불안정하게 되면, 누설 전류 및 접촉 저항이 증가하여 소자의 특성 및 신뢰성이 저하되는 문제가 발생하나, 본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자는 동작전압이 안정적이므로, 상기와 같은 문제의 발생을 방지할 수 있다.
이어, 도 6을 참조하여 보면, 격자 형상의 완충막을 구비하고 있는 본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 Die Shear 즉, 질화물계 반도체 발광소자와 서브마운트 간의 접합전단응력은, 완충막을 구비하지 않고 있는 즉 격자 밀도가 100%인 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 접합전단응력에 비해 매우 높음을 알 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 완충막은 격자의 밀도가 낮을수록 즉, 70%에서 30%로 낮아질수록 접합전단응력이 높아짐을 알 수 있으며, 이에 따라, 완충막의 격자 밀도는 낮게 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 도 7을 참조하면, 격자 형상의 완충막에 따른 광 산란에 기반하여 본 발명에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 휘도가 완충막을 구비하지 않고 있는 종래 기술에 따른 질화물계 반도체 발광소자의 휘도보다 높게 나타냄을 알 수 있다.
한편, 상기와 같이, 본 발명에 따른 격자 형상으로 이루어진 완충막의 격자의 밀도는 낮을수록 우수한 동작전압 및 접합전단응력을 확보할 수 있으나, 격자의 밀도가 너무 낮아지게 되어, 노출된 p형 전극 및 n형 전극의 면적이 후속 LED 칩에 전원을 인가하는 와이어(wire) 본딩시, 와이어의 단면적 보다 작아지게 되어 구동전압이 상승하게 되는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 격자 형상으로 이루어진 완충막의 격자의 밀도는 와이어의 단면적 보다 작지 않게 형성하는 것이 바람직하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 질화물계 반도체 발광소자의 전극과 범프 볼의 접합 계면에 격자 형상의 완충막을 구비함으로써, 범프 볼(bump ball)의 임계치 이상의 과도한 하중으로 인한 질화물계 반도체 발광소자의 손상을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 격자 형상의 완충막을 통해 질화물계 반도체 발광소자의 동작전압과 휘도 및 접합전단응력을 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명은 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자의 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 서브마운트의 리드 패턴 상에 범프 볼을 통해 플립 본딩되는 질화물계 반도체 발광소자에 있어서,
    기판;
    상기 기판 상에 형성된 발광 구조물;
    상기 발광 구조물 상에 형성된 전극;
    상기 전극이 형성된 결과물 상에 형성되되, 상기 서브마운트의 리드 패턴과 범프 볼을 통해 연결되는 부분에 해당하는 전극 표면을 노출하는 보호막; 및
    상기 보호막을 통해 노출된 전극 표면에 상기 보호막과 동일한 물질로 형성된 격자 형상의 완충막;
    을 포함하는 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 완충막은 세라믹 계열의 물질로 형성됨을 특징으로 하는 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 완충막은 SiO2 및 SiN 중 어느 하나의 막으로 형성됨을 특징으로 하는 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 격자 형상으로 이루어진 완충막의 격자의 밀도는 와이어의 단면적보다 작지 않게 형성됨을 특징으로 하는 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자.
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