KR100891761B1 - 반도체 발광소자, 그의 제조방법 및 이를 이용한 반도체발광소자 패키지 - Google Patents

반도체 발광소자, 그의 제조방법 및 이를 이용한 반도체발광소자 패키지 Download PDF

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KR100891761B1
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최번재
이진현
박기열
조명수
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Abstract

발광된 빛의 반사 또는 흡수를 최소화하고, 최대 발광면적을 확보하여 발광효율을 최대화하는 동시에 작은 면적의 전극으로 균일한 전류분산이 가능한, 신뢰성이 높고 저비용으로 양산성이 우수한 고품질의 반도체 발광소자, 그의 제조방법 및 이를 이용한 반도체 발광소자 패키지가 제안된다. 본 발명에 따른 반도체 발광소자는 제1도전형 반도체층, 활성층, 제2도전형 반도체층, 제2전극층, 절연층, 제1전극층 및 도전성 기판이 순차 적층되어 형성되는데, 제2전극층은, 제2도전형 반도체층과의 계면 중 일부가 노출된 영역을 포함하고, 제1전극층은, 제1도전형 반도체층에 전기적으로 접속되고, 제2도전형 반도체층 및 활성층과는 전기적으로 절연되어 제1전극층의 일면으로부터 제1도전형 반도체층의 적어도 일부 영역까지 연장된 하나 또는 그 이상의 콘택홀을 포함한다.
반도체 발광소자, 콘택홀, 전극패드부

Description

반도체 발광소자, 그의 제조방법 및 이를 이용한 반도체 발광소자 패키지{Semiconductor light emitting device, manufacturing method thereof and semiconductor light emitting device package using the same}
본 발명은 반도체 발광소자, 그의 제조방법 및 이를 이용한 반도체 발광소자 패키지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 발광된 빛의 반사 또는 흡수를 최소화하고, 최대 발광면적을 확보하여 발광효율을 최대화하는 동시에 작은 면적의 전극으로 균일한 전류분산이 가능한, 신뢰성이 높고 저비용으로 양산성이 우수한 고품질의 반도체 발광소자, 그의 제조방법 및 이를 이용한 반도체 발광소자 패키지에 관한 것이다.
발광소자는 소자 내에 포함되어 있는 물질이 빛을 발광하는 소자로서, 예를 들면, 발광다이오드(Light emitting diode, LED)와 같이 다이오드를 이용하여 반도체를 접합한 형태로 전자/정공 재결합에 따른 에너지를 광으로 변환하여 방출하는 소자가 있다. 이러한 발광소자는 현재 조명, 표시장치 및 광원으로서 널리 이용되며 그 개발이 가속화되고 있는 추세이다.
특히, 최근 그 개발 및 사용이 활성화된 질화갈륨(GaN)계 발광다이오드를 이용한 휴대폰 키패드, 사이드 뷰어, 카메라 플래쉬 등의 상용화에 힘입어, 최근 발광다이오드를 이용한 일반 조명 개발이 활기를 띠고 있다. 대형 TV의 백라이트 유닛 및 자동차 전조등, 일반 조명 등 그의 응용제품이 소형 휴대제품에서 대형화, 고출력화, 고효율화, 신뢰성화된 제품으로 진행하여 해당 제품에 요구되는 특성을 나타내는 광원을 요구하게 되었다.
반도체 접합 발광소자 구조는 통상 p형 반도체 및 n형 반도체의 접합구조이다. 반도체 접합 구조에서는 양반도체의 접합영역에서 전자/정공 재결합에 따른 발광이 있을 수 있으나, 그 발광을 보다 활성화시키기 위한 활성층을 구비할 수도 있다. 이러한 반도체 접합 발광소자는 반도체층을 위한 전극의 위치에 따라 수평형 구조 및 수직형 구조가 있고, 수평형 구조에는 성장형(epi-up) 및 플립칩형(flip-chip)이 있다. 전술한 바와 같이 사용되는 제품의 특성상 각각 요구되는 발광소자의 구조적 특성이 중요하게 고려된다.
도1a 및 도1b는 종래의 수평형 반도체 발광소자이고, 도1c는 종래의 수직형 반도체 발광소자의 단면도이다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여, 도1a 내지 도1c에서 기판과 접촉되는 반도체층이 n형 반도체층이고, 활성층상에 형성되는 반도체층은 p형 반도체층으로 가정하여 설명하기로 한다.
먼저, 도1a를 참조하여 수평형 반도체 발광소자 중 성장형 발광소자를 설명하기로 한다. 도1a에서는 최외곽에 형성되는 반도체층을 p형 반도체층으로 가정하여 설명하기로 한다. 반도체 발광소자(1)는 부도전성 기판(13), n형 반도체층(12), 활성층(11), 및 p형 반도체층(10)을 포함한다. n형 반도체층(12)에는 n형 전극(15)이, p형 반도체층(10) 측에는 p형 전극(14)이 형성되어 있어 전압 등의 인가를 위하여 외부전원(미도시)과 전기적으로 연결되어 있다.
각각의 전극(14, 15)을 통하여 반도체 발광소자(1)에 전압이 인가되면, n형 반도체층(12)으로부터 전자가 이동하고, p형 반도체층(10)으로부터 정공이 이동하여 전자 및 정공의 재결합을 통하여 발광이 일어난다. 반도체 발광소자(1)는 활성층(11)을 포함하고, 발광은 활성층(11)에서 발생한다. 활성층(11)에서는 반도체 발광소자(1)의 발광이 활성화되고, 빛이 발광된다. 전기적 연결을 위하여 n형 반도체층(12)에는 n형 전극이, p형 반도체층(10)에는 p형전극이 접촉저항값을 최소로 하면서 위치한다.
기판의 종류에 따라서 전극의 위치가 달라질 수 있는데, 예를 들어, 기판(13)이 부도전성 기판인 사파이어 기판인 경우라면, n형 반도체층(12)의 전극은 부도전성 기판(13)상에 형성될 수 없고, n형 반도체층(12)에 형성되어야 한다.
따라서, 도1a 참조하여 보면, n형 반도체층(12)상에 n형 전극(15)이 형성될 때, 오믹 접촉 부위의 형성을 이유로 상부의 p형 반도체층(10) 및 활성층(12)이 소모된 것을 알 수 있다. 이러한 전극형성으로 인하여 반도체 발광소자(1)의 발광면적은 감소하게 되고, 그에 따라 발광효율도 감소하게 된다.
발광효율을 보다 높이기 위한 형태의 수평형 반도체 발광소자가 도1b에 도시되어 있다. 도1b에 도시된 반도체 발광소자는 플립칩형 발광소자(2)로서, 기판(23)이 가장 상층에 위치하고 있고, 각각의 전극(24, 25)은 도전성 기판(26)상의 전극접촉부(26, 27)와 각각 접촉하고 있다. 활성층(21)으로부터 발광되는 빛은 전극(24, 25)의 영향 없이 기판(23)을 통과하여 발광되므로 도1a 및 도1b에서 기술된 형태의 반도체 발광소자에서와 같은 발광효율의 감소현상을 방지할 수 있었다.
그러나, 플립칩형 발광소자(2)는 우수한 발광효율의 장점에도 불구하고, 반도체 발광소자(2)내에 n형 전극 및 p형 전극을 동일평면상에 함께 배치하여 본딩하여야 하고, 본딩 후 전극접촉부(26, 27)와 전극과의 분리현상이 빈번하여 고가의 정밀한 공정장비가 요구되면서, 높은 제조비용, 낮은 생산성 및 낮은 수율과 제품신뢰성의 문제점이 있었다.
이러한 단점을 포함한 이외의 다른 여러 단점을 극복하기 위하여, 부도전성 기판이 아닌 도전성 기판을 사용하는 수직형 반도체 발광소자가 등장하였다. 도1c에 도시된 반도체 발광소자(3)는 수직형 반도체 발광소자로서, 도전성 기판(33)을 사용하여 기판상에 n형 전극(35)을 형성할 수 있다. 도전성 기판(33)은 예를 들면, Si기판과 같은 도전성 물질로 구성될 수 있는데, 그 격자부정합을 이유로 이러한 도전성 기판상에 반도체층을 형성하는 것이 용이하지 않은 것이 일반적이다. 따라서, 먼저 반도체층 성장이 용이한 기판을 이용하여 반도체층을 성장시키고, 추후 성장용 기판을 제거한 후 도전성 기판을 형성할 수 있다.
부도전성 기판(36)이 제거되면, n형 반도체층(32)상에 도전성 기판(33)이 형성되어 반도체 발광소자(3)는 수직형 구조를 갖게 된다. 도전성 기판(33)을 사용하면, 도전성 기판(33)을 통하여 n형 반도체층(32)으로의 전압의 인가가 가능하므로 기판 자체에 전극을 형성할 수 있다. 따라서, 도1c에서와 같이 도전성 기판(33) 상에 n형 전극(35)이 형성되고, p형 반도체층(30) 상에 p형 전극(34)이 형성되어 수직구조형의 반도체 발광소자가 제조될 수 있다.
그러나, 이 경우, 특히 고출력을 위한 대면적 발광소자를 제조하는 경우, 전류분산을 위하여 전극의 기판에 대한 면적비율이 높을 것이 요구된다. 그에 따라 광추출의 제한 및 광흡수로 인한 광손실 및 발광효율이 감소되고, 제품의 신뢰성이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 발광된 빛의 반사 또는 흡수를 최소화하고, 최대 발광면적을 확보하여 발광효율을 최대화하는 동시에 작은 면적의 전극으로 균일한 전류분산이 가능한, 신뢰성이 높고 저비용으로 양산성이 우수한 고품질의 반도체 발광소자, 그의 제조방법 및 이를 이용한 반도체 발광소자 패키지를 제공함에 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 제1도전형 반도체층, 활성층, 제2도전형 반도체층, 제2전극층, 절연층, 제1전극층 및 도전성 기판이 순차 적층되어 형성되는데, 제2전극층은, 제2도전형 반도체층과의 계면 중 일부가 노출된 영역을 포함하고, 제1전극층은, 제1도전형 반도체층에 전기적으로 접속되고, 제2도전형 반도체층 및 활성층과는 전기적으로 절연되어 제1전극층의 일면으로부터 제1도전형 반도체층의 적어도 일부 영역까지 연장된 하나 또는 그 이상의 콘택홀을 포함한다.
제2전극층의 노출된 영역 상에는 전극패드부가 더 형성될 수 있다.
제2전극층의 노출된 영역은, 제1도전형 반도체층, 활성층, 제2도전형 반도체 층을 관통하여 형성된 비아홀에 의하여 노출된 영역일 수 있는데, 비아홀의 직경은, 제2전극층에서 제1도전형 반도체층 방향으로 증가하는 것이 바람직하다.
이 때, 비아홀의 내측면에는 절연층이 형성될 수 있다.
이와 달리, 제2전극층의 노출된 영역은, 반도체 발광소자의 모서리에 형성될 수도 있다.
제2전극층은 활성층으로부터 발생한 빛을 반사시키는 것이 바람직한데, 반사를 위하여 제2전극층은 Ag, Al, 및 Pt 중 어느 하나의 금속을 포함할 수 있다.
제1도전형 반도체층의 표면에는 요철패턴이 형성될 수 있고, 이러한 요철패턴은 광결정(photonic crystal) 구조일 수 있다.
도전성 기판은 Au, Ni, Cu, 및 W 중 어느 하나의 금속을 포함하는 금속성 기판일 수 있고, 이와 달리, 도전성 기판은 Si, Ge, 및 GaAs 중 어느 하나를 포함하는 반도체 기판일 수도 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 제1도전형 반도체층, 활성층, 제2도전형 반도체층, 제2전극층, 절연층, 제1전극층 및 도전성 기판을 순차 적층하는 단계; 제2 전극층의 제2도전형 반도체층과의 계면 중 일부가 노출된 영역을 형성하는 단계; 및 제1전극층은, 제1도전형 반도체층에 전기적으로 접속되고, 제2도전형 반도체층 및 활성층과는 전기적으로 절연되어 발광 적층체의 제2면으로부터 제1도전형 반도체층의 적어도 일부 영역까지 연장된 하나 또는 그 이상의 콘택홀을 포함하도록 형성하는 단계;를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법이 제공된다.
제2전극층의 노출된 영역은 제1도전형 반도체층, 활성층, 및 제2도전형 반도체층을 메사식각하여 형성할 수 있다.
도전성 기판은 도금법 또는 기판접합법을 이용하여 제1전극층상에 형성될 수 있다.
본 발명의 또다른 측면에 따르면, 상면에 홈부가 형성된 발광소자 패키지 본체; 패키지 본체에 장착되고, 홈부의 저면에 노출되고 서로 소정거리 이격되어 있는 제1리드프레임 및 제2리드프레임; 및 제1리드프레임 상에 실장되는 반도체 발광소자;를 포함하는 반도체 발광소자 패키지가 제공되는데, 반도체 발광소자는 제1도전형 반도체층, 활성층, 제2도전형 반도체층, 제2전극층, 절연층, 제1전극층 및 도전성 기판이 순차 적층된 반도체 발광소자로서, 제2전극층은, 제2도전형 반도체층과의 계면 중 일부가 노출된 영역을 포함하고, 제1전극층은, 제1도전형 반도체층에 전기적으로 접속되고, 제2도전형 반도체층 및 활성층과는 전기적으로 절연되어 발 광 적층체의 제2면으로부터 제1도전형 반도체층의 적어도 일부 영역까지 연장된 하나 또는 그 이상의 콘택홀을 포함한다.
반도체 발광소자는 제2전극층의 노출된 영역 상에 형성된 전극패드부를 더 포함할 수 있어서, 전극패드부와 제2리드프레임은 전기적으로 연결되는 것이 바람직하다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 반도체 발광소자는 발광방향에 위치하는 반도체층의 전극을 발광면상에 모두 형성하지 않고, 그 일부를 제외하고는 활성층 아래에 형성함으로써, 발광된 빛이 전극에 의하여 반사되거나 또는 흡수되는 현상을 방지할 수 있고, 발광면적 또한 최대로 확보할 수 있어 발광을 최대화할 수 있는 효과가 있다.
이외에도 전극을 전류분산을 원활히 할 수 있도록 하나 또는 그 이상의 콘택홀을 구비하도록 하여 작은 면적의 전극으로 균일한 전류분산이 가능한 효과가 있다.
또한, 본딩부가 발광소자의 상면에 위치하여 다이 본딩시 정렬이 불필요하고, 와이어 본딩도 용이하다. 이와 함께, 수직형 구조를 갖고 있으므로 패키지 제 조시 비교적 용이한 저가의 다이본딩과 와이어본딩을 함께 이용할 수 있어서 저비용으로 우수한 양산성을 나타내는 효과가 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 신뢰성이 높고 저비용으로 양산성이 우수한 고품질의 반도체 발광소자를 구현할 수 있다.
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 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 발광소자의 사시도이고 도3은 도2의 반도체 발광소자의 평면도이다. 이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다.
본 발명의 일실시예에 따른 반도체 발광소자(100)는 제1도전형 반도체층(111), 활성층(112), 제2도전형 반도체층(113), 제2전극층(120), 제1절연층(130), 제1전극층(140) 및 도전성 기판(150)이 순차 적층되어 형성된다. 이 때, 제2전극층(120)은 제2도전형 반도체층(113)의 계면 중 일부가 노출된 영역을 포함하고, 제1전극층(140)은, 제1도전형 반도체층(111)에 전기적으로 접속되고 제2도전 형 반도체층(113) 및 활성층(112)과는 전기적으로 절연되어 제1전극층(140)의 일면으로부터 제1도전형 반도체층(113)의 적어도 일부 영역까지 연장된 하나 또는 그 이상의 콘택홀(141)을 포함한다.
반도체 발광소자(100)의 발광은 제1도전형 반도체층(111), 활성층(112), 및 제2도전형 반도체층(113)에서 수행되므로, 이들을 이하, 발광적층체(110)라 한다. 즉, 반도체 발광소자(100)는 발광적층체(110) 및 제1도전형 반도체층(111)과 전기적으로 접속되는 제1전극층(140), 제2도전형 반도체층(113)과 전기적으로 접속되는 제2전극층(120), 및 전극층들(120, 140)을 전기적으로 절연시키기 위한 제1절연층(130)을 포함한다. 또한, 반도체 발광소자(100)의 성장 또는 지지를 위한 기판으로서, 도전성 기판(150)을 포함한다.
반도체층들(111, 113)은, 예를 들면, GaN계반도체, ZnO계반도체, GaAs계반도체, GaP계반도체, 및 GaAsP계반도체와 같은 반도체를 포함할 수 있다. 반도체층의 형성은 예를 들면, 분자선 에피택시(Molecular beam epitaxy, MBE)방법을 이용하여 수행될 수 있다. 이외에도, 반도체층들은 III-V 족 반도체, II-VI 족 반도체, 및 Si로 구성된 군으로부터 적절히 선택되어 구현될 수 있다. 반도체층들(111, 113)은 전술한 반도체에 각각의 도전형을 고려하여 적절한 불순물로 도핑된다.
활성층(112)은 발광을 활성화시키는 층으로서, 제1도전형 반도체층(111) 및 제2도전형 반도체층(113)의 에너지 밴드 갭보다 적은 에너지 밴드 갭을 갖는 물질을 이용하여 형성한다. 예를 들어, 제1도전형 반도체층(111) 및 제2도전형 반도체층(113)이 GaN계 화합물 반도체인 경우, GaN의 에너지 밴드 갭보다 적은 에너지 밴드 갭을 갖는 InAlGaN계 화합물 반도체를 이용하여 활성층(112)을 형성할 수 있다. 즉, 활성층(112)은 InxAlyGa(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)을 포함할 수 있다.
이때, 활성층(112)의 특성상, 불순물은 도핑되지 않는 것이 바람직하며, 구성물질의 몰비를 조절하여 발광하는 빛의 파장을 조절할 수도 있다. 따라서, 반도체 발광소자(100)는 활성층(112)의 특성에 따라 적외선, 가시광선, 및 자외선 중 어느 하나의 빛을 발광할 수 있다.
전극층들(120, 140)은 각각 동일한 도전형의 반도체층에 전압을 인가하기 위한 층들이므로 전기전도성을 고려하여 금속을 포함할 수 있다. 즉, 전극층들(120, 140)은 반도체층들(111, 113)을 외부전원(미도시)과 전기적으로 연결하는 전극이다. 전극층들(120, 140)은 예를 들면, n형 전극으로는 Ti를, p형 전극으로는 Pd 또는 Au를 포함할 수 있다.
제1전극층(140)은 제1도전형 반도체층(111)에, 제2전극층(120)은 제2도전형 반도체층(113)에 각각 접속되므로 서로 다른 도전형에 접속되는 특성상, 제1절연 층(130)을 통하여 서로 전기적으로 분리된다. 제1절연층(130)은 전기전도성이 낮은 물질로 구성되는 것이 바람직하므로 예를 들어, SiO2와 같은 산화물을 포함할 수 있다.
제2전극층(120)은 활성층(112)으로부터 발생한 빛을 반사시키는 것이 바람직하다. 제2전극층(120)은 활성층(112)의 하측에 위치하므로 활성층(112)을 기준으로 하여 반도체 발광소자(100)의 발광방향과 반대면에 위치한다. 활성층(112)으로부터 제2전극층(120)로 진행하는 반도체 발광소자(100)의 발광방향과 반대방향이고, 제2전극층(120)을 향하여 진행하는 빛은 반사되어야 발광효율이 증가된다. 따라서, 제2전극층(120)이 광반사성을 나타낸다면 반사된 빛은 발광면으로 향하게 되고, 반도체 발광소자(100)의 발광효율이 증가된다.
활성층(112)으로부터 발생한 빛을 반사시키기 위하여 제2전극층(120)은 가시광선영역에서 백색계열인 금속인 것이 바람직한데, 예를 들면, Ag, Al, 및 Pt 중 어느 하나일 수 있다.
제2전극층(120)은 제2도전형 반도체층(113)과의 계면 중 일부가 노출된 영역을 포함한다. 제1전극층(140)의 경우, 하면에 도전성 기판(150)과 접촉되어 있고, 도전성 기판(150)을 통하여 외부전원(미도시)과 전기적으로 연결된다. 그러나, 제2 전극층(120)은 외부전원(미도시)과 연결되기 위하여 별도의 연결영역이 필요하다. 따라서, 제2전극층(120)은 발광적층체(110) 중 일부가 에칭등이 되어 노출된 영역을 갖는다.
도 2에서는 제2전극층(120)의 노출 영역을 위하여 발광적층체(110)의 중앙이 에칭되어 형성된 비아홀(114)의 실시예가 도시되어 있다. 제2전극층(120)의 노출된 영역상에는 전극패드부(160)가 더 형성될 수 있다. 제2전극층(120)은 노출된 영역을 통하여 외부전원(미도시)과 전기적으로 연결될 수 있는데, 이 때 전극패드부(160)를 이용하여 연결된다. 외부전원(미도시)과의 연결은 예를 들면 와이어를 이용할 수 있으므로 연결의 편의 상 비아홀의 직경은 제2전극층에서 제1도전형 반도체층 방향으로 증가하는 것이 바람직하다.
비아홀(114)은 반도체를 포함하는 발광적층체(110)만을 에칭하고, 통상 금속을 포함하는 제2전극층(120)은 에칭하지 않도록 선택적 에칭을 통하여 수행한다. 비아홀(114)의 직경은 발광면적, 전기적 연결효율 및 제2전극층(120)에서의 전류분산을 고려하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 적절히 선택될 수 있다.
제1전극층(140)은, 제1도전형 반도체층(111)에 전기적으로 접속되고, 제2도전형 반도체층(113) 및 활성층(112)과는 전기적으로 절연되어 제1도전형 반도체 층(111)의 적어도 일부 영역까지 연장된 하나 또는 그 이상의 콘택홀(141)을 포함한다. 제1전극층(140)은 제1도전형 반도체층(111)의 외부전원(미도시)과의 연결을 위하여, 제1전극층(140) 및 제2도전형 반도체층(113) 사이의 제2전극층(120), 제2도전형 반도체층(113), 및 활성층(112)을 관통하여 제1도전형 반도체층(111)까지 연장되고 전극물질을 포함하는 콘택홀(141)을 적어도 하나 이상 포함하는 것이다.
콘택홀(141)이 단지 전기적 연결만을 위한 것이라면, 제1전극층(140)은 콘택홀(141)을 하나만 포함하는 것이 가능하다. 다만, 제1도전형 반도체층(111)에 전달되는 전류의 균일한 분산을 위하여 제1전극층(140)은 콘택홀(141)을 소정위치에 복수개 구비할 수 있다.
도전성 기판(150)은 제2전극층(120)과 접촉하여 형성되어 전기적으로 연결된다. 도전성 기판(150)은 금속성 기판이거나 반도체 기판일 수 있다. 도전성 기판(150)이 금속인 경우, Au, Ni, Cu, 및 W 중 어느 하나의 금속으로 구성될 수 있다. 또한, 도전성 기판(150)이 반도체 기판인 경우, Si, Ge, 및 GaAs 중 어느 하나의 반도체 기판일 수 있다. 이들 도전성 기판(150)은 성장기판일 수 있고, 또는 격자부정합이 비교적 낮은 사파이어 기판같은 부도전성 기판을 성장기판으로 사용한 후, 부도전성 기판을 제거하고 접합된 지지기판일 수 있다.
도전성 기판(150)이 지지기판일 때, 도금법 또는 기판접합법을 이용하여 형 성될 수 있다. 상술하면, 도전성 기판(150)을 반도체 발광소자(200)에 형성하는 방법으로는 도금씨드층을 형성하여 기판을 형성하는 도금법이나, 도전성 기판(150)을 별도로 준비하여 Au, Au-Sn, 또는 Pb-Sr과 같은 도전성 접착제를 이용하여 접합시키는 기판접합법이 이용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 반도체 발광소자(100)의 평면도가 도시되어 있다. 반도체 발광소자(100)의 상면에는 비아홀(114)이 형성되고, 제2전극층(120)에 형성된 노출된 영역에는 전극패드부(160)가 위치한다. 이외에도, 실제 반도체 발광소자(100)의 상면에는 나타나지 않지만 콘택홀(141)의 위치를 표시하기 위하여 콘택홀(141)을 점선으로 도시하였다. 콘택홀(141)은 제2전극층(120), 제2도전형 반도체층(113) 및 활성층(112)과 전기적으로 분리되기 위하여 그 둘레에 제1절연층(130)이 연장될 수 있다. 이에 대하여는 이하, 도4b 및 도4c를 참조하여 더 설명하기로 한다.
도4a 내지 도4c는 각각 도3에 도시된 반도체 발광소자의 A-A', B-B' 및 C-C'선에서의 단면도이다. A-A'는 반도체 발광소자(100)의 단면을, B-B'는 콘택홀(141) 및 비아홀(114)을 포함하는 단면을, C-C'는 콘택홀(141)만을 포함하는 단면을 취하기 위하여 선택되었다. 이하, 도2 내지 4c를 참조하여 설명하기로 한다.
도4a를 참조하면, 콘택홀(141) 또는 비아홀(114)이 나타나지 않는다. 콘택홀(141)은 별도의 연결선을 통하여 연결되어 있는 것이 아니라 제1전극층(140)을 통하여 전기적으로 연결되므로 도3에서 A-A 단면에는 도시되지 않는다.
도4b 및 도4c를 참조하면, 콘택홀(141)은 제1전극층(140) 및 제2전극층(120)의 계면에서부터 제1도전형 반도체층(111) 내부까지 연장된다. 콘택홀(141)은 제2도전형 반도체층(113) 및 활성층(112)을 통과하여 제1도전형 반도체층(111)까지 연장되고, 적어도 활성층(112) 및 제1도전형 반도체층(111)의 계면까지는 연장된다. 바람직하게는 제1도전형 반도체층(111)의 일부까지 연장된다. 다만, 콘택홀(130)은 전기적 연결 및 전류분산을 위한 것이므로 제1도전형 반도체층(111)과 접촉하면 목적을 달성하므로 제1도전형 반도체층(111)의 외부표면까지 연장될 필요는 없다.
콘택홀(141)은 제1도전형 반도체층(111)에 전류를 분산시키기 위한 것이므로 소정면적을 가져야 한다. 콘택홀(130)은 제1도전형 반도체층(111)상에 전류가 균일하게 분포될 수 있는 가능한 작은 면적으로 소정개수 형성되는 것이 바람직하다. 콘택홀(141)이 너무 적은 개수로 형성되면 전류분산이 어려워져 전기적 특성이 악화될 수 있고, 너무 많은 개수로 형성되면 형성을 위한 공정의 어려움 및 활성층의 감소로 인한 발광면적의 감소가 초래되므로 이러한 조건을 고려하여 그 개수는 적절히 선택될 수 있다. 따라서, 콘택홀(141)은 가능한 한 적은 면적을 차지하면서 전류분산이 효과적인 형상으로 구현된다.
콘택홀(141)은 제2전극층(120)으로부터 제1도전형 반도체층(111) 내부까지 형성되는데, 제1도전형 반도체층의 전류분산을 위한 것이므로 제2도전형 반도체층(113) 및 활성층(112)과는 전기적으로 분리될 필요가 있다. 따라서, 제2전극층(120), 제2도전형 반도체층(113) 및 활성층(112)과 전기적으로 분리되는 것이 바람직하다. 따라서, 제1절연층(130)은 콘택홀(130)의 둘레를 감싸면서 연장될 수 있다. 전기적 분리는 유전체와 같은 절연물질을 이용하여 수행할 수 있다.
도4b에서, 제2전극층(120)의 노출된 영역은 제2전극층(120)의 외부전원(미도시)과의 전기적 연결을 위한 영역이다. 노출영역에는 전극패드부(160)가 위치할 수 있다. 이 때, 비아홀(114) 내측면에는 제2절연층(170)이 형성되어 발광적층체(110) 및 전극패드부(160)를 전기적으로 분리할 수 있다.
도4a에서 제1전극층(140) 및 제2전극층(120)은 같은 평면상에 위치하므로 반도체 발광소자(100)는 수평형 반도체 발광소자(100)의 특성을 나타내고, 도4b에서 전극패드부(160)가 제1도전형 반도체층(111)의 표면에 위치하므로, 반도체 발광소자(100)는 수직형 반도체 발광소자의 특성을 나타낼 수 있다. 따라서 반도체 발광소자(100)는 수평형 및 수직형을 통합한 형태의 구조를 나타내게 된다.
도4a내지 도4c에서, 제1도전형 반도체층(111)은 n형 반도체층이고, 제1전극층(140)는 n형 전극일 수 있다. 이 경우, 제2도전형 반도체층(113)은 p형 반도체층이고, 제2전극층(120)는 p형 전극일 수 있다. 따라서, n형 전극인 제1전극층(140) 및 p형 전극인 제2전극층(120)은 제1절연층(130)을 그 사이에 구비하여 전기적으로 절연될 수 있다.
도5는 본 발명의 일실시예에 따라 표면에 요철패턴이 형성된 반도체 발광소자에서의 발광을 도시하는 도면이다. 이미 설명한 동일한 구성요소에 대하여는 설명을 생략하기로 한다.
본 발명에 따른 반도체 발광소자(100)는 발광된 빛의 진행방향의 최외곽 표면이 제1도전형 반도체층(111)으로 구성되어 있다. 따라서, 포토리소그래피 방법과 같은 공지의 방법을 이용하여 표면에 요철 패턴(180)을 형성하는 것이 용이하다. 이 경우, 활성층(112)으로부터 발광된 빛은 제1도전형 반도체층(111)의 표면에 형성된 요철패턴(180)을 통과하여 추출되고 요철패턴(180)에 의해 광추출효율이 증가된다.
요철패턴(180)은 광결정(photonic crystal) 구조일 수 있다. 광결정은 굴절률이 서로 다른 매질이 결정처럼 규칙적으로 배열된 것을 나타내는데, 이러한 광결정은 빛의 파장의 배수의 길이 단위의 빛 조절이 가능하여 광추출효과를 더욱 높일 수 있다.
도6은 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 발광소자에서, 모서리에 제2전극층 이 노출된 것을 나타낸 도면이다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 제1도전형 반도체층(211), 활성층(212), 제2도전형 반도체층(213), 제2전극층(220), 절연층(230), 제1전극층(240) 및 도전성 기판(250)을 순차 적층하는 단계; 제2전극층(220)의 제2도전형 반도체층(213)과의 계면 중 일부가 노출된 영역을 형성하는 단계; 및 제1전극층(240)이 제1도전형 반도체층(211)에 전기적으로 접속되고, 제2도전형 반도체층(213) 및 활성층(212)과는 전기적으로 절연되어 제1전극층(240)의 일면으로부터 제1도전형 반도체층(211)의 적어도 일부 영역까지 연장된 하나 또는 그 이상의 콘택홀(241)을 포함하도록 형성하는 단계;를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법이 제공된다.
이 때, 제2전극층(220)의 노출된 영역은 발광적층체(110)에 비아홀(214)을 형성하여 마련하거나(도2참조), 도6에서와 같이, 발광적층체(210)를 메사식각하여 형성할 수 있다. 본 실시예에서 도2를 참조하여 설명한 실시예와 동일한 구성요소에 대하여는 그 설명을 생략하기로 한다.
도 6을 참조하면, 반도체 발광소자(200)의 일모서리가 메사식각되어 있다. 식각은 발광적층체(210)에 수행되어 제2전극층(220)이 제2도전형 반도체층(213)와의 계면측에서 노출되어 있다. 따라서, 제2전극층(220)의 노출된 영역은, 반도체 발광소자(200)의 모서리에 형성된다. 모서리에 형성되는 경우는 전술한 실시예에서 와 같이 비아홀을 형성하는 경우보다 간단한 공정이면서, 추후 전기적 연결공정 또한 용이하게 수행될 수 있다.
도7은 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 발광소자 패키지(300)의 단면도이다. 본 반도체 발광소자 패키지(300)는 상면에 홈부(360c)가 형성된 반도체 발광소자 패키지 본체(360a, 360b, 360c); 반도체 발광소자 패키지 본체(360a, 360b, 360c)에 장착되고, 홈부(360c)의 저면에 노출되고 서로 소정거리 이격되어 있는 제1리드프레임(370a) 및 제2리드프레임(370b); 및 제1리드프레임(370a) 상에 실장되는 반도체 발광소자(310, 320);를 포함한다. 반도체 발광소자(310, 320)는 도2를 참조하여 설명한 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 발광소자이고, 중심부에 비아홀이 형성되어 있다. 이하, 기설명한 동일 구성요소에 대하여는 설명을 생략하기로 한다.
반도체 발광소자(310, 320)는 제1 및 제2반도체층, 활성층, 및 각각의 전극층을 포함하는 발광부(310) 및 도전성 기판(320)을 포함한다. 반도체 발광소자(310, 320)는 발광부(310)상에 비아홀이 형성되어 있어, 노출된 영역상에 전극패드부(330)를 더 포함하고 있다. 도전성 기판(320)은 제1리드프레임(370a)과 전기적으로 연결되고, 전극패드부(330)는 와이어 등을 통하여 제2리드프레임(370b)과 전기적으로 연결된다.
반도체 발광소자(310, 320)는 실장되지 않은 다른 리드프레임인 제2리드프레임(370b)과 와이어 본딩(340)방식으로 전기적으로 연결되므로, 본 발명에 따른 반도체 발광소자는 발광효율을 최대한 보장할 수 있으면서도 수직형 구조를 가져 도7에서와 같이 다이본딩 형식 및 와이어 본딩 형식을 혼용하여 실장될 수 있다. 따라서, 비교적 저비용으로 공정수행이 가능하다.
도8은 발광면의 전류밀도와 발광효율의 관계를 도시하는 그래프를 나타내는 도면이다. 그래프에서 전류밀도가 약 10A/cm2이상인 경우, 전류밀도가 작은 경우에는 발광효율이 높고, 전류밀도가 큰 경우에는 발광효율이 낮은 경향을 나타낸다.
발광면적과 함께 이러한 경향을 표1에 수치로 나타내었다.
발광면적(cm2) 전류밀도(A/cm2) 발광효율(lm/W) 향상율(%)
0.0056 62.5 46.9 100
0.0070 50.0 51.5 110
0.0075 46.7 52.9 113
0.0080 43.8 54.1 115
도8 및 표1을 참조하면, 발광면적이 높을수록 발광효율이 높아지나, 발광면적을 확보하기 위하여는 분포된 전극의 면적이 감소되어야 하므로 발광면의 전류밀도는 감소하는 경향을 나타낸다. 이러한 발광면에서의 전류밀도의 감소는 반도체 발광소자의 전기적 특성을 해칠 수 있다는 문제점이 있다.
그러나, 이러한 문제점은 본 발명에서의 콘택홀을 이용한 전류분산의 확보를 통하여 해소가 가능하다. 따라서, 전류밀도가 감소하여 발생할 수 있는 전기적 특성상의 문제점은 발광표면까지 형성되지 않고 그 내부에 형성되어 전류분산을 담당하는 콘택홀을 형성하는 방법을 통하여 극복될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 반도체 발광소자는 원하는 전류분산정도를 획득하면서 최대의 발광면적을 확보하여 바람직한 발광효율을 얻을 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니라, 첨부된 청구범위에 의해 해석되어야 한다. 또한, 본 발명에 대하여 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
도1a 및 1b는 수평형 반도체 발광소자이고, 도1c는 수직형 반도체 발광소자의 단면도이다.
도2는 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 발광소자의 사시도이고, 도3은 도2의 반도체 발광소자의 평면도이며, 도4a 내지 도4c는 각각 도3에 도시된 반도체 발광소자의 A-A', B-B' 및 C-C'선에서의 단면도이다.
도5는 본 발명의 일실시예에 따라 표면에 요철패턴이 형성된 반도체 발광소자에서의 발광을 도시하는 도면이다.
도6은 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 발광소자에서, 모서리에 제2전극층이 노출된 것을 나타낸 도면이다.
도7은 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 발광소자 패키지의 단면도이다.
도8은 발광면의 전류밀도와 발광효율의 관계를 도시하는 그래프를 나타내는 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 반도체 발광소자 111 제1도전형 반도체층
112 활성층 113 제2도전형 반도체층
114 비아홀 120 제2전극층
130 절연층 140 제1전극층
150 도전성 기판 160 전극패드부

Claims (18)

  1. 제1도전형 반도체층, 활성층, 제2도전형 반도체층, 제2전극층, 절연층, 제1전극층 및 도전성 기판이 순차 적층된 반도체 발광소자로서,
    상기 제2전극층은, 제2도전형 반도체층과의 계면 중 일부가 노출된 영역을 포함하고,
    상기 제1전극층은, 상기 제1도전형 반도체층에 전기적으로 접속되고, 상기 제2도전형 반도체층 및 활성층과는 전기적으로 절연되어 제1전극층의 일면으로부터 제1도전형 반도체층의 적어도 일부 영역까지 연장된 하나 또는 그 이상의 콘택홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2전극층의 노출된 영역 상에 형성된 전극패드부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2전극층의 노출된 영역은, 상기 제1도전형 반도체층, 활성층, 제2도전형 반도체층을 관통하여 형성된 비아홀에 의하여 노출된 영역인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 비아홀의 직경은, 상기 제2전극층에서 제1도전형 반도체층 방향으로 증가하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 비아홀은, 내측면에 절연층이 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2전극층의 노출된 영역은, 상기 반도체 발광소자의 모서리에 형성되는 것을 특징으로 하는 영역인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2전극층은 상기 활성층으로부터 발생한 빛을 반사시키는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2전극층은 Ag, Al, 및 Pt 중 어느 하나의 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 활성층과 계면을 형성하는 상기 제1도전형 반도체층의 면의 반대쪽 표면에는, 요철패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 요철패턴은, 광결정(photonic crystal) 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 기판은 Au, Ni, Cu, 및 W 중 어느 하나의 금속을 포함하는 금속성 기판인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 기판은 Si, Ge, 및 GaAs 중 어느 하나를 포함하는 반도체 기판인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  13. 제1도전형 반도체층, 활성층, 제2도전형 반도체층, 제2전극층, 절연층, 제1전극층 및 도전성 기판을 순차 적층하는 단계;
    상기 제2전극층의 제2도전형 반도체층과의 계면 중 일부가 노출된 영역을 형성하는 단계; 및
    상기 제1전극층은, 상기 제1도전형 반도체층에 전기적으로 접속되고, 상기 제2도전형 반도체층 및 활성층과는 전기적으로 절연되어 제1전극층의 일면으로부터 제1도전형 반도체층의 적어도 일부 영역까지 연장된 하나 또는 그 이상의 콘택홀을 포함하도록 형성하는 단계;를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2전극층의 노출된 영역을 형성하는 단계는, 상기 제1도전형 반도체층, 상기 활성층, 및 상기 제2도전형 반도체층을 메사식각하여 수행되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 도전성 기판은 도금법을 이용하여 형성되어 적층되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 도전성 기판은 기판접합법을 이용하여 적층되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  17. 상면에 홈부가 형성된 반도체 발광소자 패키지 본체;
    상기 패키지 본체에 장착되고, 상기 홈부의 저면에 노출되고 서로 소정거리 이격되어 있는 제1리드프레임 및 제2리드프레임; 및
    상기 제1리드프레임 상에 실장되는 반도체 발광소자;를 포함하고,
    상기 반도체 발광소자는, 제1도전형 반도체층, 활성층, 제2도전형 반도체층, 제2전극층, 절연층, 제1전극층 및 도전성 기판이 순차 적층된 반도체 발광소자로서,
    상기 제2전극층은, 제2도전형 반도체층과의 계면 중 일부가 노출된 영역을 포함하고,
    상기 제1전극층은, 상기 제1도전형 반도체층에 전기적으로 접속되고, 상기 제2도전형 반도체층 및 활성층과는 전기적으로 절연되어 제1전극층의 일면으로부터 제1도전형 반도체층의 적어도 일부 영역까지 연장된 하나 또는 그 이상의 콘택홀을 포함하는 것인 반도체 발광소자 패키지.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 반도체 발광소자는 제2전극층의 노출된 영역 상에 형성된 전극패드부를 더 포함하고,
    상기 전극패드부는 상기 제2리드프레임과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 패키지.
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