KR100788744B1 - 복합 파장의 광을 발생시키는 발광 다이오드 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

복합 파장의 광을 발생시키는 발광 다이오드 소자 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

청색 LED칩 또는 자외선 LED칩을 사용하여 백색광, 청록색광 또는 핑크색광 등의 복합 파장의 광을 발생시키는 LED 소자의 제조방법에 대하여 개시한다. 본 발명에 의하면, 먼저 LED칩 상의 전극 패드를 마스크하는 마스크 패턴을 형성하고, Pulsed DC 또는 RF 스퍼터링법이나 PLD법을 사용하여 LED칩 상에 형광체막을 얇고 균일하게 증착한다. 스퍼터링법이나 PLD법에서는 SiO2 또는 SiO에 형광체가 혼합된 물질을 사용하여 스퍼터링 공정 등의 타깃으로 만들어 형광체막을 증착하는데 사용한다. 형광체막을 증착시킨 다음에는 상기한 마스크 패턴을 제거함으로써 복합 파장의 광을 발생시키는 LED 소자를 제조한다.
LED, 형광체, 스퍼터링법, PLD법

Description

복합 파장의 광을 발생시키는 발광 다이오드 소자 및 그 제조방법{LED device generating light with multi-wavelengths and the method thereof}
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에 따른 백색 LED 소자의 일 예를 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 2는 종래 기술에 의한 백색 LED 소자의 일 예를 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 3a 및 도 4a는 본 발명에 의한 복합 파장의 광을 발생시키는 LED 소자의 제조방법의 일 실시예를 설명하기 위한 측면도이다.
도 3b 및 도 4b는 본 발명에 의한 복합 파장의 광을 발생시키는 LED 소자의 제조방법의 일 실시예를 설명하기 위한 평면도이다.
도 5는 본 발명에 의한 복합 파장의 광을 발생시키는 LED 소자의 제조방법의 다른 실시예를 설명하기 위한 평면도이다.
( 도면의 주요 부분에 대한 참조 부호의 설명 )
300 : 기판 310 : LED 칩
320a, 320b : 전극 패드 325 : 마스크 패턴
330 : 형광체막
본 발명은 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED) 소자의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 형광체를 이용하여 복합 파장의 광을 발생시키는 LED 소자의 제조방법에 관한 것이다.
현재 LED 소자는 그 적용분야가 지속적으로 확대되고 있다. 예를 들어, 백색 LED 소자의 경우에 디스플레이 장치를 비롯한 각종 기기의 백라이트용 장치나 형광등과 같은 전기 기기용 장치뿐만이 아니라 많은 종류의 신호 장치에 사용되고 있다. 또한, 백색 LED 소자만이 아니라 다른 파장의 광을 발생시키는 LED 소자도 그 응용 분야에 따라서 적합한 장치에 널리 사용되고 있다.
백색광을 비롯하여 특정한 파장을 갖는 광을 방출하는 LED 소자는 예를 들어, LED 칩 자체에서 그 고유한 파장의 빛을 발광하게끔 제조할 수 있다. 하지만, 이와 같은 LED칩을 제조하는 것은 발광되는 광의 특성이나 제조 기술 그리고 광 효율 측면에서 상당한 제약이 따르고 있다. 이에 대한 대안으로서 현재는 자외선 또는 청색 등과 같은 단파장의 광을 발광시키는 고품질의 LED 칩을 이용하여 백색이나 청색, 녹색, 황색 또는 적색 등과 같은 복합 파장의 광을 방출하는 LED 소자를 제조하는 방법에 대한 연구가 널리 행해지고 있다.
이러한 LED 소자는 청색 혹은 자외선 LED 칩에서 발광되는 광의 일부를 더 긴 파장으로 형광 변환함으로써, 백색 등의 단일 파장의 광 또는 복합 파장의 광을 발생시키는 소자이다. 이 소자에서는 형광체를 사용하여 LED 칩으로부터 발광되는 광의 일부를 다른 파장을 갖는 광으로 형광 변환시킨다. 사용되는 형광체의 종류 및/또는 양을 변화시킴으로써 단일 파장의 여러 가지 광 또는 이들이 조합된 복합 파장의 광을 방출시킬 수가 있다.
도 1a 및 도 1b에는 종래 기술에 따른 백색 LED 소자의 일 예가 도시되어 있다. 도 1a는 램프 형태의 백색 LED 소자가 도시되어 있으며, 도 1b에는 LED 칩이 몰드용 수지로 패키지되어 있는 백색 LED 소자가 도시되어 있다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 자외선 또는 청색 광을 발광하는 LED칩(20)이 인쇄 회로 기판(30) 등에 접착제(22) 등에 의하여 부착되어 있다. 그리고, LED칩(20)의 주위는 몰딩 수지(10)로 보호되고 있으며, 몰딩 수지(10)에는 형광체(12)가 분산되어 있다. 그리고, LED 칩(20)의 전극 패드는 본딩 와이어(24)에 의하여 외부의 도전체 즉 리드 프레임(32) 등과 연결되어 있는데, 이것을 통하여 LED 칩(20)으로 전원이 공급된다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 LED 소자의 공통된 특징은 형광체(12)가 몰딩 수지(12)에 고르게 분산되어 분포되어 있다는 점이다. 즉, LED 칩(20)으로부터 발광되는 자외선광 또는 청색광의 일부는 몰딩 수지(12)에 분산되어 있는 형광체(12)에 의하여 보다 긴 파장의 빛으로 형광 변환되고, 이와 같이 형광 변환된 빛은 나머지 형광 변환되지 않은 파장의 광과 합쳐져서 외부로 백색광을 방출시킨다.
이와 같은 구조의 LED 소자로부터 특성이 우수한 백색광을 얻기 위해서는 형광체의 특성이 좋아야할 뿐만이 아니라, 형광체가 몰딩 수지 전체에 균일하게 분산되어 있어야 한다. 그러나, 종래 기술에 따른 LED 소자의 제조 공정에 있어서는, 형광체의 입자를 균일하게 제조하기가 용이하지 않을 뿐만이 아니라, 형광체의 비중이 몰딩 수지의 비중보다 크기 때문에, 그 분산이 고르게 이루어지지 못하는 단점이 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여 제시된 새로운 LED 소자는 국제특허출원 PCT/US2000/26507(국제공개번호 WO 2001/24285)에 개시되어 있다. 그리고, 상기 명세서에 도시된 LED 소자의 일 실시예에 대한 측면도는 도 2에 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 새로운 LED 소자는 발광 구조물(210)의 일면에 단결정 형광 물질로 형성된 형광 변환 기판(230)이 부착되어 있다는 점이다. 예컨대, 발광 구조물(210)은 n전극인 n-GaN층(211, 212), n-AlGaN층, SQW 또는 MQW GaInN층(213), p-AlGaN층(214) 및 p-GaN층(215)을 포함할 수 있으며, 그 위에는 p전극(216)이 구비되어 있을 수 있다. 그리고, 형광 변환 기판(230)은 단결정 형광체를 포함하는 화합물로 형성될 수 있다.
따라서, 상기한 실시예는 백색광 또는 다른 파장의 빛을 발생시키기 위한 형광체가 기판에 포함되어 있으며, 이 기판의 특성은 정밀하게 제어가 가능하다. LED칩으로부터 발광되는 자외선 광 또는 청색 광은 직접 또는 반사판에 의하여 반사되어 이 형광 변환 기판(230)을 통과하는데, 이 때 광의 일부가 다른 파장으로 변환되고, 궁극적으로는 백색광이나 또는 더 긴 파장의 빛을 얻을 수 있다. 그리고, 이 기판은 LED칩의 발광 구조물의 단결정 성장을 촉진시키는 시드(seed) 역할도 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 자외선 광 또는 청색 광을 발광하는 LED 칩을 사용하여 복합 파장 즉 백색광이나 여러 단일 파장의 광 또는 이들 단일 파장의 광이 혼합된 광을 방출하는 LED 소자로서, 접착제 등을 사용하지 않음으로써 광방출 특성이 우수하고 단순화된 공정을 사용함으로써 생산비용을 절감할 수 있는 복합 파장의 광을 방출하는 LED 소자의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 LED 소자의 제조방법은 LED칩으로부터 발광되는 주 광의 전부 또는 일부를 하나 또는 그 이상의 다른 파장을 갖는 광으로 변환시키는 형광체가 구비되어 있는 LED 소자의 제조방법으로서, 먼저 LED 칩 상의 전극 패드를 마스크하는 마스크 패턴을 형성한다. 그리고, 스퍼터링법 또는 레이저 펄스(pulsed laser deposition, PLD)법을 사용하여 LED칩 상에 형광체를 포함하는 타깃 물질을 증착하여 형광체막을 형성한다. 다음으로, LED칩으로부터 상기한 마스크 패턴을 제거하면 LED칩의 발광면 상에 형광체막이 얇게 증착되어 있는 LED 소자가 만들어진다. 이 때, 타깃 물질에 포함되는 형광체의 종류 및 양을 조절함으로써 얻고자 하는 파장을 가진 빛이나 복합 파장을 가진 빛 또는 백색광을 방출하는 LED 소자를 제조할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 의한 LED소자의 제조방법은 LED칩으로부터 발광되는 주 광의 전부 또는 일부를 하나 이상의 다른 광 파장으로 변환시키는 형광체가 구비된 LED 소자의 제조방법으로서, LED칩의 전극 패드가 형성되어 있는 면을 기판 상에 플립 칩 방식으로 부착시키기 위하여, 전술한 스퍼터링법 또는 PLD법을 사용하여 상기한 LED 칩의 전극 패드가 형성되어 있는 면의 대향면 상에 형광체가 포함된 타깃 물질을 증착함으로써 형광체막을 형성한다. 이 때, 상기한 것과 마찬가지로 타깃 물질에 포함되는 형광체의 종류 및 양을 조절함으로써 얻고자 하는 파장을 가진 빛이나 복합 파장을 가진 빛 또는 백색광을 방출하는 LED 소자를 제조할 수 있다.
상기한 실시예들의 일 측면에 의하면, 상기한 타깃 물질은 SiO2 또는 SiO를 더 포함하는 물질인 것이 바람직하다. 그리고, 스퍼터링법을 사용하는 경우 동력은 Pulsed DC 파워 또는 RF 파워를 사용할 수 있다.
상기한 실시예들의 다른 측면에 의하면, 상기한 LED칩은 자외선 광을 발광하는 칩이거나 청색 광을 발광하는 칩을 사용할 수 있다. 자외선 광을 발광하는 LED칩을 사용하는 경우에 LED 소자에서 방출되는 광은 청색광, 녹색광, 황색광, 적색광이거나 이들의 조합일 수도 있는데, 백색광이 방출될 수도 있다. 그리고, 청색 칩을 사용하는 경우에 LED 소자에서 발생되는 광은 녹색광, 황색광, 적색광이거나 이들의 조합일 수도 있는데, 백색광이 방출될 수도 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이 철저하고 완전하게 개시될 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위하여 예시적으로 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명 세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 3a, 도 3b, 도 4a 및 도 4b에는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 복합 파장의 광을 발생시키는 LED 소자의 제조방법이 도시되어 있다. 후술될 제조 공정은 다수의 LED칩이 어레이되어 있는 벌크 기판 상에서 진행되는 것이지만, 도 3a 내지 도 4b에서는 설명의 편의를 위하여 단일 칩에 대하여 도시되어 있다. 도면에서, 도 3a 및 도 3b는 단일 칩을 보여주는 측면도이고 도 3b 및 도 4b는 평면도이다.
먼저, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, LED칩 구조물 즉 발광 구조물이 기판(305) 상에 위치하고 있다. 기판(305)은 실리콘 기판일 수 있지만, 산화 알루미늄(Al2O3)일 수도 있다. 상기 기판(305) 위에 n형 또는 p형으로 도핑된 반도체 층(311)을 형성하고 발광층(313) 및 n형 또는 p형 물질(314)을 순차적으로 형성한다. n형 및 p형 반도체층의 적층순서는 바뀔수도 있으나 발광층(313)은 반드시 n형 및 p형 반도체층의 사이에 위치하도록 하는 것이 바람직하다. 투명전극층(315)는 n형 또는 p형 전도성층의 표면에 형성되어진다. n형 또는 p형의 다층막층(312)는 발광층의 아래 또는 위의 어느 곳에나 위치할 수 있으며 발광효율을 향상시키기위해 발광소자의 표면 또는 측면에 요철구조 혹은 입자모양의 산란층등 여러가지의 구조로 형성되어 질 수 있다.
그리고, 발광 구조물은 자외선 광 또는 청색 광을 발광시키는 구조물이다.
본 발명의 실시예는 첨부된 도면에 도시된 구조를 가지는 LED칩에만 한정되어 적용이 가능한 것은 아니다. 도시된 LED칩은 단지 하나의 예를 도시하고 있을 뿐이다. 즉, 본 발명에 적용될 수 있는 LED칩은 소정의 구조를 가지는 발광 구조물과 이 발광 구조물을 외부로 연결하기 위한 전극 패드를 구비하고 있으면 충분하다.
이와 같은 LED칩을 사용하여 복합 파장을 갖는 광을 방출시키는 LED 소자를 제조하기 위해서는, LED칩 상의 일면에 마스크 패턴(325)을 먼저 형성한다. 이 마스크 패턴(325)은 소정의 부분 예컨대, 전극 패드(320a, 320b)와 같이 형광체막이 증착되지 말아야 할 부분을 마스크하기 위한 막이다. 마스크 패턴(325)은 포토레지스트(PR)를 사용하는 것이 바람직하지만, 산화막이나 질화막과 같은 절연막으로 형성할 수 있다. 마스크 패턴(325)을 포토레지스트(PR)를 사용하여 형성하는 경우, 반도체 제조 공정에 사용되는 통상적인 포토리소그라피 공정을 사용할 수 있기 때문에 편리하다.
다음으로 도 4a 및 도 4b를 참조하면, LED칩 상에 형광체막(330)을 형성하는 공정을 진행한다. 즉, 마스크 패턴(325)에 의하여 마스크되고 있는 전극 패드를 제외한 나머지 부분의 LED칩 표면에 형광체막(330)을 소정의 두께로 형성한다. LED칩의 표면에 형광체막(330)을 형성하게 되면, LED칩의 표면에 형광체를 균일하게 분산시켜서 증착시킬 수 있고, 또한 증착되는 양을 적절하게 제어할 수 있다. 따라서, 본 공정을 이용하면 LED 소자로부터 방출되는 광이 얻고자하는 파장 즉 원하는 색상을 가지면서, 한편으로는 방출되는 광의 특성도 균일한 LED 소자를 제조할 수가 있다.
형광체막(330)은 스퍼터링(sputtering)법이나 레이저 펄스(pulsed laser deposition, PLD)법을 사용하여 형성할 수 있다. 즉, 본 실시예에서는 LED칩의 표면에 형광체 또는 형광체를 포함하는 물질을 접착제 등으로 부착시키는 것이 아니라 소정의 물리적 또는 화학적 에너지를 가하여 LED칩의 표면에 직접 형성한다. 따라서, LED칩으로부터 발광되는 광이 접착제 등에 의하여 효율이 나빠지는 문제가 생기지 않는다.
스퍼터링법을 사용하는 경우에는 그 공정의 동력으로 Pulsed DC 파워를 사용 하거나 RF 파워를 사용할 수 있다. 예를 들어, 스퍼터링법을 사용하여 형광체막(330)을 형성하는 경우, SiO2 또는 SiO에 형광체가 혼합된 물질을 사용하여 스퍼터링 공정의 타깃을 만들 수 있다. 그리고, 이 타깃을 이용하여 스퍼터링 공정을 진행하면 LED칩의 표면에 직접 형광체막이 형성된다. 이와 같은 스퍼터링 공정의 타깃은 예컨대 크기가 약 2인치인 타블렛(tablet)이 되도록 상기한 타깃 물질을 소결 및 성형함으로써 제조할 수 있다.
이러한 타깃에 포함되는 형광체는 YAG계 물질이나 비YAG계 물질 등 어떤 물질이든 사용할 수 있다. 그리고, 형광체의 종류도 사용하는 LED 칩의 종류 및 얻고자 하는 광의 파장에 따라 적절한 것을 사용할 수 있다. 예를 들어, 자외선 광을 발광하는 LED 칩을 사용하는 경우에는, 얻고자 하는 광의 파장에 따라서 청색광, 녹색광, 황색광 또는 적색광 중의 하나 또는 이들 광을 2개 이상 조합하여 얻을 수 있는 색상의 광을 발생시키도록 형광체를 선택하여 사용할 수 있다. 그리고, 청색 광을 발광하는 LED 칩을 사용하는 경우에는 얻고자 하는 광의 파장에 따라서 녹색광, 황색광 또는 적색광 중의 하나 또는 이들 광을 2개 이상 조합하여 얻을 수 있는 색상의 광을 발생시키도록 형광체를 선택하여 사용할 수 있다.
계속해서, 전극 패드(320a, 320b) 등의 상부에 형성되어 있는 마스크 패턴(325) 등을 제거하면, 도 4a 및 도 4b에 도시되어 있는 LED 소자가 만들어진다.
도 5에는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따라 제조된 LED 소자의 측면도 가 도시되어 있다.
전술한 실시예와 구별되는 본 실시예의 특징은 플립 칩(flip chip) 방식으로 기판에 부착하여 사용하는 복합 파장의 광을 방출하는 LED소자를 제조하고자 할 경우에, LED칩의 뒷면 즉 전극 패드(320a, 320b)가 형성되어 있는 면의 대향하는 면에 형광체막을 형성한다는 점이다. 따라서, 본 실시예에서는 형광체막(330b)을 형성하고자 하는 LED 칩의 뒷면 전체에 형광체막(330b)을 증착하기 때문에, 별도로 마스크 패턴(325)을 사용하여 마스크하는 부분이 없다.
따라서, 본 실시예는 포토레지스트를 사용하여 마스크 패턴을 형성하는 공정이 불필요하다. 그러나, LED칩의 뒷면에 형광체막을 형성하는 경우에도 LED칩의 종류에 따라서는 형광체막(330b)이 형성되지 말아야 할 다른 구성요소가 형성되어 있을 수 있다. 이 경우에는 전술한 실시예와 동일한 방법으로 LED 소자의 제조 공정을 진행할 수도 있다.
본 발명에 의한 복합 파장의 광을 방출하는 LED 소자의 제조방법에 의하면, LED 칩의 전면에 걸쳐서 균일하고, 특성이 우수한 광을 방출하는 LED 소자를 제조할 수가 있다. 특히, 본 발명에 의한 복합 파장의 광을 발생시키는 LED 소자의 제조 방법을 사용하면, 접착제 등을 사용하지 않으면서, 종래부터 사용하고 있던 장치 즉 스퍼터링 장치나 PLD 장치를 사용하여 품질이 우수한 LED 소자를 간단하고 저렴한 방법으로 제조할 수 있다. 또한, 방출하고자 하는 광의 특성도 스퍼터링 타깃을 제조할 때 포함되는 형광체의 양이나 종류를 조절함으로써 조절이 가능하기 때문에, 품질이 우수한 복합 파장의 LED 소자를 용이하게 제조할 수가 있다.

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  9. LED칩으로부터 방출되는 주 광을 하나 이상의 다른 광 파장으로 변환시키는 형광체가 구비된 LED 소자에 있어서,
    n형 또는 p형 다층막층(310), 발광층(313), 전극층(315)으로 이루어진 발광구조물;
    상기 발광구조물의 아래에 위치하며 실리콘 또는 산화알루미늄으로 이루어진 기판(305);
    상기 발광구조물 또는 기판의 일측 아래에 위치되는 제1전극패드;
    상기 전극층(315)의 일측 위에 위치되는 제2전극패드;
    상기 발광구조물 위에 위치되며, 형광체로 청색광, 녹색광, 황색광 또는 적색광의 적어도 하나 또는 2개 이상을 포함하며, SiO2, SiO에 형광체가 혼합된 물질을 사용하며, 전극패드를 제외한 LED칩 상에 균일한 막 분포로 형성되어져 있는 형광체막(330a);을 구비하는 것을 특징으로 하는 LED 소자.
  10. LED칩으로부터 방출되는 주 광을 하나 이상의 다른 광 파장으로 변환시키는 형광체가 구비된 LED 소자에 있어서,
    전극층(315), n형 또는 p형물질, 다층막층(310), 발광층(313)으로 이루어진 발광구조물;
    상기 발광구조물의 아래에 위치되는 기판(305):
    상기 LED 칩의 일측 아래에 위치되는 제1전극패드;
    상기 전극층(315)의 일측 위에 위치되는 제2전극패드;
    상기 LED 칩의 위에 위치되며, 형광체로 청색광, 녹색광, 황색광 또는 적색광의 적어도 하나 또는 2개 이상을 포함하며, SiO2, SiO에 형광체가 혼합된 물질을 사용하며, 전극패드를 제외한 LED칩 상에 분포 형성되어져 있는 형광체막(330a);을 구비하는 것을 특징으로 하는 LED 소자.
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