KR100975521B1 - 발광 소자 조립체 - Google Patents

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Abstract

LD 또는 LED 발광소자 조립체에 관해 개시한다. 개시된 발광소자 조립체는 상기 범프 본딩면의 가장자리가 발광소자 패드의 가장자리로부터 패드의 안쪽 방향으로 소정 거리 이격되어 있어서 패드의 가장자리 부분에 형성되어 있는 펜스에 의한 범프가 간섭되지 않도록 하여 범프와 패드간의 들뜸을 억제 내지는 방지한다.
범프와 패드간의 들뜸 방지는 발광소자의 신뢰성을 향상시키고 접촉저항의 감소로 소자의 구동전압을 낮출수 있게 된다.
발광소자, 플립칩, 본딩, 들뜸, 갭

Description

발광 소자 조립체{Light emitting device assembly}
도 1은 종래 발광소자 조립체의 개략적 단면도이다.
도 2는 종래 발광소자 조립체에서 발광소자의 패드의 펜스에 의한 본딩면의 들뜸을 설명하는 도면이다.
도 3a는 리프트 오프법에 의해 형성되는 발광소자의 패드 부분을 보이는 현미경 사진이다.
도 3b는 도 3a의 좌측 원 부분에 대응하는 것으로서 리프트 오프에 의해 발생되는 패드 가장자리 부분의 펜스를 보이는 SEM 이미지이다.
도 3c는 도 3a의 우측 원 부분에 대응하는 것으로서 리프트 오프에 의해 발생되는 패드 가장자리 부분의 펜스를 보이는 SEM 이미지이다.
도 4a는 종래 발광소자 조립체의 서브 마운트에 발광 소자가 고정된 상태를 보이는 평면 사진이다.
도 4b는 도 4에 도시된 종래 발광소자에서 서브 마운트로부터 발광소자를 분리시킨 후 서브 마운트의 솔더 범프의 평면 구조를 보이는 사진이다.
도 5a는 본 발명의 제1실시예에 따른 발광 소자의 개략적 단면도이다.
도 5b는 도 5a에 도시된 상기 발광소자 조립체에서 발광소자 패드와 범프 간이 관계를 보이는 평면도이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 발광 소자의 개략적 단면도이다.
본 발명은 발광소자 조립체에 관한 것으로서, 상세히는 플립칩 본딩 방식의 발광소자 조립체에 관한 것이다.
일반적으로, 레이저 다이오드의 레이저 광은 주파수폭이 좁고 지향성이 첨예하기 때문에 광통신, 다중통신, 우주통신과 같은 곳에서 실용화되어 가고 있다. 광통신과 함께 레이저 다이오드의 주요한 응용 분야 중 하나가 광 디스크용 픽업이다.
GaN 반도체 레이저 다이오드는 사파이어, GaN, SiC 등의 기판 위에 다층으로 결정 성장된 n-GaN 콘택트층, n-형 AlGaN/GaN 클래드층, n-형 GaN 웨이브 가이드층, InGaN 활성층, p-형 GaN 웨이브 가이드층, p-형 AlGaN/GaN 클래드층, p-형 GaN콘택트층 등의 화합물 반도체 적층을 포함한다. 이러한 적층구조를 가지는 GaN 반도체 레이저 다이오드의 최상부에 리지가 마련되어 있고 여기에 p-형 전극이 형성되어 있다. 상기 리지와 p-형 전극의 사이에는 반도체적층의 전류 통로를 정의 하는 패시베이션 층이 형성되어 있다.
이러한 GaN 반도체 레이저 다이오드는 동작 시 발생하는 열을 용이하게 방출하기 위하여 서브 마운트에 플립칩 본딩에 의해 본딩된다. 플립칩 본딩은 p-형 전극이 형성되는 레이저 다이오드 등의 발광 소자의 상면을 서브 마운트에 솔더 범프에 의해 고정시키는 것이다.
발광소자와 서브 마운트를 플립칩 본딩으로 연결하는 경우, 양자는 솔더 펌프를 통해서 직접 연결되기 때문에, 와이어 본딩에 비해 열 저항 및 선 저항이 낮아진다.
도 1은 플립칩 본딩을 이용하여 발광소자를 서브 마운트에 본딩한 구조체의 개략적 구조를 보인다.
도 1에서 참조번호 10은 레이저 다이오드 등의 발광소자를, 20은 서브 마운트를 나타낸다. 발광소자(10)는 서브 마운트(20)에 본딩하기 위해 뒤집혀진 상태이다. 발광소자(10)는 화합물 반도체층(12)과 이것이 성장되는 기판(11)을 포함한다. 화합물 반도체층(12)은 n-형 및 p-형 화합물 반도체층(미도시)과 이들 층 사이에 마련되는 활성층(미도시) 등을 포함한다. 서브 마운트(21) 상에 제 1 및 제 2 패드층(22a, 22b)이 형성되어 있다. 제1 및 제2 패드층(22a, 22b)은 각각 화합물 반도체층(12)의 계단형으로 단차를 둔 두 영역과 마주하고 서로 이격되어 있다. 화합물 반도체층(12)의 두 영역은 n-형 전극(미도시)이 형성된 영역과 p-형 전극(미도시)이 형성된 영역이다. 상기 두 영역 사이에 단차(S)가 존재한다. 그리고 화합물 반도체층(12)의 상기 n-형 전극이 형성된 영역에 상기 n-형 전극과 접촉된 패드층(13a)이 형성 되어 있고, 상기 p-형 전극이 형성된 영역에 상기 p-형 전극과 접촉된 패드층(13b)이 형성되어 있다.
상기 화합물 반도체층(12) 상에 형성되는 패드층(13a, 13b) 각각과 이에 대응하는 서브 마운트(21) 상의 제1, 제2패드층(22a, 22b)의 사이에는 도전성 물질 적층으로 된 솔더 범프(30a, 30b)가 개재되어 있다.
상기 양 솔더 범프(30a, 30b)는 발광소자의 패드층(13a, 13b)에 접촉되는 제1, 제2금막(31a, 31b), 상기 제1, 제2패드층(22a, 22b)에 접촉되는 제1,제2백금막(33a, 33b)과 이들 막 사이의 AuSn 솔더(32a)를 구비한다.
상기 발광소자(10)를 뒤집어 패드(13a, 13b)에 솔더 범프(30a, 30b)를 소정 압력을 밀착시킨 상태에서 280℃ 이상의 온도로 수초 동안 가열함으로써 솔더 펌프(30a, 30b)에 의해 상기 서브 마운트(21)에 발광소자(10)를 고정한다. 그런데, 종래구조의 발광소자에 의하면 발광소자(10)의 패드(13a, 13b)와 솔더 범프(30a, 30b) 간의 본딩 구조가 아래와 같은 이유로 불안정하여 좋지 않은 본딩 특성이 나타난다.
일반적으로 발광소자의 패드(13a, 13b)는 리프트 오프 법에 의해 패터닝된다. 이러한 리프트 오프에 의하면 도 2에서 본딩 전 상태를 보인 외쪽 도면에 도시된 바와 같이 패드(13a, 13b)의 가장자리 부분을 따라서 플레어(flare) 형태의 펜스(fense, 14))가 형성된다. 따라서, 본딩 후 상태를 보이는 오른쪽의 도면에 도시된 바와 같이 이러한 발광소자의 패드(13a, 13b)가 범프(30a, 30b)로 접근하면 패드(13a, 13b)는 범프(30a, 30b) 상면에 대해 다른 부분 보다 먼저 접촉되며, 더욱 밀착된 후 상호 본딩된 이후에도 돌출된 펜스(4)에 의해 패드(13a, 13b)와 범프(30a, 30b) 사이에 들뜸부분(gap)이 발생된다.
도 3a는 발광소자의 패드(13a, 13b) 부분을 보이는 현미경 사진이며, 도 3b는 도 3a의 좌측원 부분, 도 3c는 도 3a의 우측원부분의 확대해 보인 SEM 이미지이다.
도 3a에 도시된 바와 같 좌우 양측에 패드가 마련되어 있다. 이 패드들은 기존의 방법 즉 리프트 오프법에 의해 형성되며, 따라서 전술한 바와 같은 펜스가 패드들의 가장자리를 따라 형성된다. 도 3a의 외쪽 원부분을 확대해 보인 도 3b와 도 3a의 오른쪽 원 부분을 확대해 보인 도 3c를 통해서 패드의 가장자리에는 리프트 오프 시 발생된 메탈 펜스를 확인할 수 있다. 이 메탈 펜스는 리프트 오프시 재료가 뜯겨져 나간 부분으로서 다른 부분에 비해 상당한 높이를 가진다.
도 4a는 서브 마운트에 발광 소자가 고정된 상태를 보이며, 도 4b는 서브 마운트로부터 발광 소자를 분리시킨 후 서브 마운트의 솔더 범프의 평면 구조를 보이는 사진이다. 결과적으로 도 4a에 도시된 바와 같은 상태로 본딩된 발광 소자 구조체는 솔더 범프와 발광 소자의 패드 간에 들뜸이 발생되어 있고 따라서 본딩 특성이 매우 나쁨을 알수 있다. 이와 같은 본딩 특성의 악화는 효과적인 열배출이 어려울 뿐 아니라 패드와 범프에서의 접촉저항 증가로 구동전압이 증가하는 문제가 발생된다.
본 발명이 발광소자와 범프 간의 들뜸을 효과적으로 방지할 수 있는 발광 소자 구조체를 제공함에 그 목적이 있다.
즉, 본발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 발광소자의 패드와 범프간의 본딩 특성 개선을 통해 효과적인 열배출 및 구동전압 상승의 방지하는 것이다.
본 발명의 한 유형에 따르면,
본딩면과 본딩면 둘레의 측면을 가지는 범프를 구비하는 서브 마운트와; 상기 범프의 본딩면에 대응하는 본딩면을 가지는 패드를 갖춘 발광소자를; 갖춘 발광소자 조립체에 있어서,
상기 범프 본딩면의 가장자리가 상기 패드의 가장자리로부터 패드의 안쪽 방향으로 소정 거리 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 발광소자가 제공된다.
상기 본 발명의 한 실시예에 따르면, 상기 범프의 측면은 상기 범프의 본딩면에 대해 소정각도 경사진 사면을 이룬다.
상기 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 범프의 측면은 상기 범프의 본딩면에 대해 수직을 이룬다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예들에 따른 발광소자 조립체를 상세히 설명한다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 발광고사 조립체의 설명되는 도면은 빠른 이해를 돕기 위해 두께, 크기, 배열 등이 과장되게 보인다.
도 5a는 본 발명의 제1실시예에 따른 발광 소자, 예를 들어 GaN 화합물 반도체 레이저 다이오드(LD) 또는 광 방출소자(LED) 조립체의 개략적 단면도이며, 도 5b는 상기 발광소자 조립체의 평면도로서 패드(130a, 130b)와 범프(300a, 300b) 간의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, LED 또는 LD 등의 발광소자(100)는 기판(101)과 그 밑면에 적층된 화합물 반도체층(102)을 포함한다. 기판(101)은 고 저항성 기판, 예를 들면 사파이어 기판일 수 있고, 화합물 반도체층(102)에서 발생된 광이 투과할 수 있는 투명 기판일 수 있다. 화합물 반도체층(102)은 n-형 및 p-형 화합물 반도체층(미도시)과 이들 층 사이에 마련되는 활성층(미도시) 등을 포함한다. 발광소자(100)가 LD인 경우, 상기 활성층과 상기 n-형 화합물 반도체층사이에 n-형 클래드층이 더 구비될 수 있고, 상기 활성층과 상기 p-형 화합물 반도체층사이에 p-형 클래드층이 더 구비될 수 있다. 서브 마운트(21) 상에 제 1 및 제 2 패드층(220a, 220b)이 형성되어 있다. 제1 및 제2 패드층(220a, 220b)은 각각 화합물 반도체층(102)의 계단형으로 단차를 둔 두 영역과 마주하고 서로 이격되어 있다. 화합물 반도체층(102)의 두 영역은 n-형 전극(미도시)이 형성된 영역과 p-형 전극(미도시)이 형성된 영역이다. 그리고 화합물 반도체층(102)의 상기 n-형 전극이 형성된 영역에 상기 n-형 전극과 접촉된 패드층(130a)이 형성 되어 있고, 상기 p-형 전극이 형성된 영역에 상기 p-형 전극과 접촉된 패드층(130b)이 형성되어 있다.
상기 화합물 반도체층(102) 상에 형성되는 패드층(130a, 130b) 각각과 이에 대응하는 서브 마운트(210) 상의 제1, 제2패드층(220a, 220b)의 사이에는 도전성 물질 적층으로 된 솔더 범프(300a, 300b)가 개재되어 있다.
상기 양 솔더 범프(300a, 300b)는 발광소자의 패드층(130a, 130b)에 접촉되는 제1, 제2금막(310a, 310b), 상기 제1, 제2패드층(220a, 220b)에 접촉되는 제1,제2백금막(330a, 330b)과 이들 막 사이의 AuSn 솔더(320a, 320b)를 구비한다.
위와 같은 구조의 발광소자 조립체에 있어서, 상기 범프는 (300a, 300b)는 본 발명에 특징에 따라 각각에 대응하는 발광소자(100)의 패드(130a, 130b)에 비해 좁은 면적의 본딩면(305a, 305b)을 가진다. 따라서 발광소자(100)의 패드(130a, 130b)의 가장자리 안쪽에 소정 거리(t)를 두고 범프(300a, 300b)의 가장자리가 위치한다. 따라서 범프(300a, 300b)의 본딩면(305a, 305b)은 상기 발광소자(100)의 패드(130a, 130b)의 가장자리에 존재하는 펜스(140)에 간섭되지 않고, 따라서 범프(300a, 300b)의 본딩면(305a, 305b)과 발광소자(100)의 패드(130a, 130b)는 완전히 밀착된 상태에서 그 들 사이에 틈(도 2의 오른쪽 도면 참조)이 없는 상태로 본딩되게 된다.
이상과 같이 빈틈이 없는 본딩은 범프(300a, 300b)의 본딩면(305a, 305b)이 리프트 오프시 발생되는 발광 소자(100)의 패드(130a, 130b) 가장자리의 펜스(140)에 접촉되지 않도록 범프(300a, 300b)의 본딩면(305a, 305b) 크기(면적)를 적절히 감소시킴으로써 가능해 진다. 본 실시예에서는 본딩면(305a, 305b)의 크기를 감소시켜 펜스(140)와의 접촉방지하기 위하여 범프(300a, 300b)의 수평방향의 단면을 전체적으로 균일하게 감소시키고 따라서 범프(300a, 300b)의 측면(301, 302)은 상기 서브 마운트(210) 및 발광소자(100)의 기판(101)에 대해 수직이다.
도 6은 범프(300a, 300b)의 측면(301a, 302a)이 상기 서브 마운트(210) 및 발광소자(100)의 기판(101)에 대해 경사진 상태를 가지는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광소자 조립체의 개략적 단면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 다른 실시예의 발광소자 조립체는 범프(300a, 300b)의 측면(301a, 302a)이 경사짐으로써 범프(300a, 300b)는 사다리꼴 단면형상을 가진다. 이와 같이 사다리꼴 단면을 가지는 범프(300a, 300b)는 전술한 실시예의 범프에 비해 본딩면으로 가해지는 외력에 대한 보다 안정된 구조를 가진다.
위에서 도면과 더불어 구체적으로 설명된 본 원 발명의 발광소자 조립체는 특정한 발광소자의 종류, 범프의 적층 구조 등에 의해 그 기술적 범위가 제한되지 않는다. 즉, 본 발명의 발광소자 조립체는 발광소자의 패드에 비해 작은 본딩면적을 가짐으로써 패드의 가장자리로부터 소정거리 떨어진 가장자리를 가지는 범프를 가지는 것이다. 이때에 범프의 모든 가장자리가 패드의 가장자리의 안쪽이 있지 않을 수 있다. 범프의 4군데 가장자리중 적어도 2개, 예를 들어 길이가 긴 나란한 두 장변방향의 가장자리는 발광소자 패드의 가장자리로부터 소정거리 안쪽으로 위치하고 그 나머지 나란한 두 단변방향의 가장자리는 패드 가장자리의 펜스에 접촉될 수 있다. 이는 종래에는 모두 방향에서 범프가 패드 가장자리의 펜스에 접촉되었고, 따라서 범프와 펜스 간의 피할 수 없는 들뜸이 발생되었는데, 본 발명에 따라 적어도 두 군데에서 범프와 펜스간의 접촉을 방지함으로써 들뜸을 종전에 비해 감소시킬 수 있다. 그러나 바람직하게는 범프의 가장자리 모든 부분인 패드의 펜스로부터 모두 이격되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 본 발명에 따르면 범프와 발광소자 패드 간의 양호한 본딩면을 가지는 플립칩 본딩이 가능하게 된다. 따라서 양질의 본딩면에 의한 본딩계면에서는 저항감소가 이루어 지고 이로 인해 발광소자의 구동전압을 낮출수 있고 발광소자 조립체의 신뢰성을 향상시키게 된다.
이러한 본 발명은 광픽업 또는 광통신용 LD 조립체 등에 적용될 수 있으며, 한편으로는 LED 조립체 등에도 적용될 수 있다. 이러한 본 발명에 의하면, 발광소자, 특히 LD에서 레이저빔을 균일하게 방출할 수 있고, LD의 광 특성을 향상시킬 수 있으며, 신뢰성을 높일 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다

Claims (5)

  1. 본딩면과 본딩면 둘레의 측면을 가지는 범프를 구비하는 서브 마운트와; 상기 범프의 본딩면에 대응하는 본딩면 및 그 가장자리에 펜스를 가지는 패드를 갖춘 발광소자를; 갖춘 발광소자 조립체에 있어서,
    상기 범프 본딩면의 가장자리가 상기 패드의 가장자리로부터 패드의 안쪽 방향으로 소정 거리 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 발광소자 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서
    상기 패드의 가장자리 부분은 상기 범프의 본딩면의 모든 가장자리 부분을 소정 거리를 두고 감싸는 것을 특징으로 하는 발광소자 조립체.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서
    상기 범프의 측면은 상기 범프의 본딩면에 대해 소정각도 경사진 사면을 이루고, 상기 범프는 사다리꼴 단면 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 발광소자 조립체.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서
    상기 범프의 측면은 상기 범프의 본딩면에 대해 수직인 것을 특징으로 하는 발광소자 조립체.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서
    상기 발광 소자는 GaN 레이저 다이오드 인 것을 특징으로 하는 발광소자 조립체.
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