KR101109321B1 - 수직형 발광 다이오드 패키지 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
수직형 발광 다이오드 패키지 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 패키지 기판; 상기 패키지 기판의 상부에 형성되며 개구를 갖는 금속층; 상기 금속층 상에 형성되며 개구를 갖는 반사층; 상기 반사층 상에 p형 반도체층, 활성층 및 n형 반도체층이 순차 적층되는 반도체층; 상기 반도체층 상에 형성되는 투명 전극층; 상기 패키지 기판으로부터 상기 개구를 통하여 상기 반도체층까지 관통하도록 형성되고 상기 투명 전극층에 전기적으로 연결되는 다수의 수직형 n형 전극; 및 상기 패키지 기판을 관통하여 형성되고 상기 금속층과 전기적으로 연결되는 다수의 수직형 p형 전극;을 포함한다.
본 발명은 패키지 기판; 상기 패키지 기판의 상부에 형성되며 개구를 갖는 금속층; 상기 금속층 상에 형성되며 개구를 갖는 반사층; 상기 반사층 상에 p형 반도체층, 활성층 및 n형 반도체층이 순차 적층되는 반도체층; 상기 반도체층 상에 형성되는 투명 전극층; 상기 패키지 기판으로부터 상기 개구를 통하여 상기 반도체층까지 관통하도록 형성되고 상기 투명 전극층에 전기적으로 연결되는 다수의 수직형 n형 전극; 및 상기 패키지 기판을 관통하여 형성되고 상기 금속층과 전기적으로 연결되는 다수의 수직형 p형 전극;을 포함한다.
Description
본 발명은 수직형 발광 다이오드 패키지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 와이어를 사용하지 않고 웨이퍼 레벨 칩 스케일 공정으로 제조할 수 있는 수직형 발광 다이오드 패키지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 발광 다이오드(Light Emitting Diode : LED)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전기를 적외선 또는 빛으로 변환시켜 광원으로 사용되는 반도체 소자의 일종으로서, 저전압으로 고효율의 광을 발생시키므로 에너지 절감 효과가 뛰어나며, 최근 들어 발광 다이오드의 한계였던 휘도 문제가 크게 개선되면서 백라이트 유닛(Backlight Unit), 전광판, 표시기, 가전제품, 각종 자동화 기기 등 산업 전반에 걸쳐 사용되고 있다.
특히, 질화 갈륨(GaN)계 발광 다이오드는 발광 스펙트럼이 자외선으로부터 적외선에 이르기까지 광범위하게 형성되며, 비소(As), 수은(Hg) 등의 환경 유해 물질을 포함하고 있지 않기 때문에 환경 친화적인 면에서도 높은 호응을 얻고 있다. 이러한 GaN계 발광 다이오드는 절연 물질인 사파이어(Al2O3)를 성장 기판으로 사용하기 때문에, p-전극과 n-전극이 거의 수평한 방향으로 형성될 수밖에 없으며, 따라서, 전압 인가시에 n-전극으로부터 활성층을 통해 p-전극으로 향하는 전류 흐름이 수평 방향을 따라 형성되므로 이러한 협소한 전류 흐름에 의해 발광 다이오드는 순방향 전압이 증가하여 전류 효율이 저하된다.
이러한 단점을 해결하기 위하여 n형 전극과 p형 전극을 수직으로 배치한 수직형 발광다이오드가 개발되고 있다.
종래의 수직형 발광 다이오드 패키지는 전기적인 연결을 통한 구동을 위하여 세라믹이나 메탈 PCB, 혹은 실리콘을 이용한 1차 패키지를 구현한다. 이를 통해 모듈에 실장하는 2차 패키지로 사용하며, 칩, 패키지, 모듈에서의 전기적인 연결과 열 방출의 수직적 구조를 필요로 하였다.
1차 패키지의 실장을 위해서 웨이퍼 상의 발광 다이오드를 개별 칩으로 다이싱한 후, 전도성 혹은 비전도성의 접착성 물질을 사용하여 칩을 기판에 접합한다. 또한 발광 다이오드 칩 상부의 전극 패드는 전기적인 연결을 위해서 와이어를 통하여 기판의 전도층과 연결되거나, 와이어를 사용하지 않고, 전극 패드에 도전성 볼을 형성하는 플립칩 패키지의 형태로 기판에 실장된다.
그러나, 이와 같은 종래의 수직형 발광 다이오드 패키지는 발광 다이오드 칩을 패키지 기판 및 외부 전극과 전기적으로 연결하기 위하여 발광 다이오드 칩 상부의 P형 패드 또는 N형 패드에 1개 이상의 와이어를 연결하여야 하는데, 이러한 구조는 발광 다이오드 칩 크기 이상의 패키지 기판을 필요로 하게 되며 경박 단소의 패키지 구현에 한계가 있고, 따라서 의학용이나 미세한 조명을 필요로 하는 광원 분야에 사용하기 곤란한 문제점이 있다.
또한 와이어를 통한 전기적 손실을 야기하며 상부에 와이어가 형성된 패키지 구조는 인캡슐레이션(encapsulating)시 신뢰성 문제, 패키지의 기계적인 구현의 한계, 웨이퍼 레벨의 공정 또는 어레이 렌즈 접합이 곤란하다는 등의 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 와이어를 사용하지 않고 수직형 발광다이오드를 칩 스케일 패키지 타입으로 웨이퍼 레벨 공정으로 구현할 수 있는 수직형 발광 다이오드 패키지 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 구체적인 수단으로서 본 발명은,
패키지 기판;
상기 패키지 기판의 상부에 형성되며 개구를 갖는 금속층;
상기 금속층 상에 형성되며 개구를 갖는 반사층;
상기 반사층 상에 p형 반도체층, 활성층 및 n형 반도체층이 순차 적층되는 반도체층;
상기 반도체층 상에 형성되는 투명 전극층;
상기 패키지 기판으로부터 상기 개구를 통하여 상기 반도체층까지 관통하도록 형성되고 상기 투명 전극층에 전기적으로 연결되는 다수의 수직형 p형 전극; 및
상기 패키지 기판을 관통하여 형성되고 상기 금속층과 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 수직형 n형 전극;을 포함하는 수직형 발광 다이오드 패키지에 관한 것이다.
본 발명에서 상기 적어도 하나의 수직형 n형 전극은 상기 다수의 수직형 p형 전극의 양측에 형성됨이 바람직하다.
또한, 상기 적어도 하나의 n형 수직형 전극은 상기 패키지 기판 및 상기 반도체층의 적어도 어느 하나의 측면에 형성됨이 바람직하다.
또한 본 발명은 상기 패키지 기판의 하부에 상기 수직형 n형 전극 또는 상기 수직형 p형 전극과 전기적으로 연결되는 도전층; 및 상기 도전층의 하부에 형성되는 전극 패드;를 추가로 포함할 수 있다.
상기 수직형 n형 전극, 상기 수직형 p형 전극 및 상기 도전층은 Cu 또는 Au로 이루어짐이 바람직하다.
또한 본 발명에서는 상기 반사층은 DBR(Distributed Bragg Reflector)임이 바람직하다.
또한 본 발명은 상기 투명 전극층 상에 형성되는 형광층; 및 상기 형광층 상에 형성되며 광투과율이 우수한 재질로 이루어진 보호층;을 추가로 포함할 수 있다.
그리고, 본 발명은 상기 투명 전극층 상에 형성되는 형광층; 및 상기 형광층 상에 형성되는 렌즈;를 추가로 포함할 수 있다.
또한 본 발명은,
성장 기판 상부에 n형 반도체층, 활성층, 및 p형 반도체층을 순차적으로 성장시키는 단계;
상기 p형 반도체층 상에 개구를 갖는 반사층 및 금속층을 순차적으로 패터닝하여 형성하는 단계;
상기 금속층 상에 패키지 기판을 접합시키는 단계;
상기 패키지 기판에 다수의 관통홀을 형성하는 단계;
상기 개구와 연통하는 관통홀을 상기 p형 반도체층까지 연장하여 형성하는 단계;
상기 관통홀에 전도성 물질을 충진하여 수직 전극을 형성하는 단계;
상기 수직 전극과 전기적으로 연결되는 도전층 및 전극 패드를 순차적으로 형성하는 단계;
상기 성장 기판을 제거하는 단계; 및
상기 n형 반도체 상에 투명 전극층을 형성하는 단계;를 포함하는 수직형 발광 다이오드 패키지 제조 방법에 관한 것이다.
상기 관통홀을 형성하는 단계 및 상기 연장하여 형성하는 단계에서는 습식 식각, 건식 식각 및 레이저 식각 중 어느 하나를 수행함이 바람직하다.
또한, 상기 관통홀을 연장하여 형성하는 단계에서는 상기 개구와 연통하는 관통홀을 상기 패키지 기판에만 형성되는 관통홀의 양측 또는 상기 패키지 기판의 중앙에 형성함이 바람직하다.
또한, 상기 관통홀을 연장하여 형성하는 단계에서는 상기 개구 및 상기 개구와 연통하는 관통홀을 상기 패키지 기판의 적어도 어느 하나의 측면에 형성함이 바람직하다.
또한, 상기 수직 전극층을 형성하는 단계에서는 절연층, 베리어층, 및 씨드층을 순차 형성하고 상기 전도성 물질을 충진함이 바람직하다.
본 발명에서 상기 전도성 물질 및 상기 도전층은 Au 또는 Cu로 이루어짐이 바람직하다.
또한, 상기 반사층은 DBR임이 바람직하다.
또한, 본 발명은 상기 투명 전극층을 형성하는 단계 이후에, 상기 투명 전극층 상에 형광층을 형성하는 단계; 및 상기 형광층 상에 광투과율이 우수한 보호층을 형성하는 단계;를 추가로 포함할 수 있다.
나아가 본 발명은 상기 투명 전극층을 형성하는 단계 이후에, 상기 투명 전극층 상에 형광층을 형성하는 단계; 및 상기 형광층 상에 렌즈를 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 수직형 발광다이오드를 칩 스케일 패키지 타입으로 웨이퍼 레벨 공정으로 제조함으로써, 칩 사이즈의 발광 다이오드 패키지의 제조 능력을 향상시키고, 패키지 사이즈를 최소화하여 경박단소화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 와이어를 사용하지 않으므로, 전기적 및 열적 연결에 대한 손실이 감소하며, 웨이퍼 상에서 수행되는 공정, 예를 들면, 형광체 코팅, 글래스 또는 렌즈를 접합하는 공정이 용이하다.
또한, 본 발명은 웨이퍼 레벨 공정에서 패키기 기판 및 웨피 상에 관통홀에 의한 수직형 전극을 형성함으로써 다수의 패키지를 웨이퍼 단위로 제조가 가능하여 제조 비용을 감축시킬 수 있는 동시에 효율적인 전류의 분배가 가능하여 대면적 발광 다이오드에 적합한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드 패키지의 단면도이고,
도 2는 도 1의 패키지 기판의 저면도이고,
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드 패키지의 제조 공정을 나타낸 단면도이며,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드 패키지의 단면도이고,
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드 패키지의 단면도이다.
도 2는 도 1의 패키지 기판의 저면도이고,
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드 패키지의 제조 공정을 나타낸 단면도이며,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드 패키지의 단면도이고,
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드 패키지의 단면도이다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예와 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 한 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드 패키지를 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드 패키지의 단면도이고, 도 2는 도 1의 패키지 기판의 저면도이다.
수직형 발광 다이오드 패키지(10)는 패키지 기판(110), 금속층(120), 반사층(130), p형 반도체층(140), 활성층(150), n형 반도체층(160), 투명 전극층(170), 수직형 n형 전극(180), 수직형 p형 전극(190), 도전층(182), 도전층(192), n형 전극 패드(184), 및 p형 전극 패드(194)를 포함한다.
상기 패키지 기판(110)은 외부 회로, 부품 및 기판 등과 같은 외부 전극과 전기적으로 연결하기 위한 것으로, Si 또는 글래스와 같은 세라믹으로 이루어진 기판인 것이 바람직하다.
상기 금속층(120)은 상기 패키지 기판(110)의 상부에 형성되며, 후술하는 바와 같은 상기 수직형 n형 전극(180) 또는 상기 수직형 p형 전극(190)을 형성하기 위한 개구가 형성된다. 이러한 상기 금속층(120)은 Au, Sn, In, Cu, Ag, Al, Ru, Ni, Pt, 및 Cr 중 적어도 하나로 이루어지며, 상기 패키지 기판(110)과 금속 결합을 위한 기능을 갖는다.
상기 반사층(130)은 상기 금속층(120) 상에 형성되며, 상기 금속층(120)의 개구에 연통하는 개구가 형성된다. 이러한 상기 반사층(130)은 반사특성이 우수한 금속으로 이루어질 수 있으며, 예를 들면, Ni, Ag, Pt, Ru, 및 Ir 중 적어도 하나로 이루어진다. 이러한 상기 반사층(130)은 금속으로 형성하지 않고, 서로 다른 굴절률을 갖는 유전체가 다층으로 형성된 DBR(Distributed Bragg Reflector)로 구성할 수 있다.
상기 p형 반도체층(140)은 상기 반사층(130) 상에 형성되며, p형 도펀트로 도핑된 질화물 반도체 물질로 이루어지는데 p형 AlxInyGa1 -x- yN(0≤x,y,x+y≤1)으로 형성된다. 예를 들면, 질화물 반도체 물질로는 GaN, AlGaN, InGaN가 있고, 도핑에 사용되는 도펀트는 Mg, Zn 또는 Be 등이 있으며, 바람직하게는 Mg이다.
상기 활성층(150)은 상기 p형 반도체층(140) 상에 형성되며, 전자 및 정공이 재결합되어 광이 방출되는 영역으로서, 2이상의 양자우물과 양자장벽이 적층된 다중양자우물(MQW) 구조를 갖거나 단일 양자우물 구조를 가질 수 있는데, 장벽층과 우물층은 일반식 AlxInyGa1 -x- yN(0≤x,y,x+y≤1)으로 표현되는 2원 내지 4원 화합물 반도체층들일 수 있다. 예를 들면, InGaN층을 우물층으로 하고, GaN층을 장벽층(barrier layer)으로 성장시켜 다중 양자 우물 구조(MQW)로 형성된다. 특히, 청색 발광 소자는 InGaN/GaN 등의 다중 양자 우물 구조가, 자외선 발광 소자는 GaN/AlGaN, InAlGaN/InAlGaN 및 InGaN/AlGaN 등의 다중 양자 우물 구조가 사용될 수 있다.
상기 n형 반도체층(160)은 상기 활성층(150) 상에 형성되며, n형 도펀트로 도핑된 질화물 반도체로 이루어지는데, n형의 AlxInyGa1 -x- yN(0≤x,y,x+y≤1)으로 형성된다. 예를 들면 질화물 반도체는 GaN, AlGaN, InGaN가 있고, 도핑에 사용되는 도펀트는 Si, Ge, Se, Te 또는 C 등이 있으며, 바람직하게는 Si 이다.
상기 투명 전극층(170)은 상기 n형 반도체층(160) 상에 형성되며, 상기 활성층(150)에서 발생된 광을 외부로 방출하는 기능 및 전류를 인가하기 위한 전극 기능을 가지므로, 우수한 전기적 특성과 광투과율이 우수한 ITO, ZnO 및 IZO 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 수직형 n형 전극(180)은 상기 패키지 기판(110)으로부터 상기 n형 반도체층(160)까지 관통하도록 형성되는데, 상기 금속층(120) 및 상기 반사층(130)의 개구와 연통하도록 상기 패키지 기판(110)에 형성되며, 상기 활성층(150)을 포함하여 상기 n형 반도체층(160)과 상기 p형 반도체층(140) 사이에 형성된다. 이러한 상기 수직형 n형 전극(180)은 상기 패키지 기판(110)으로부터 상기 n형 반도체층(160)까지 형성되는 관통홀에 절연층, 베리어층, 및 씨드층이 형성되고 전도성 물질을 충진하여 형성되어 상기 투명 전극층(170)과 전기적으로 연결된다.
여기서, 상기 전도성 물질은 상기 투명 전극층(170)과 전기적으로 연결되기 위한 것으로, Cu 또는 Au인 것이 바람직하며, 상기 절연층은 상기 관통홀을 외부와 차단하기 위한 것으로 SiO2, TiO2, SiN, 및 Nb2O5 중 어느 하나로 이루어지고, 상기 베리어층은 전류확산을 방지하기 위한 것으로 Ti, W, TiN, TaN으로 이루어지며, 상기 씨드층은 상기 전도성 물질의 충진을 위한 것으로 Cr/Cu, Ti/Cu, 및 Ti/Au 중 어느 하나로 이루어진다.
또한, 상기 수직형 n형 전극(180)은 적어도 하나가 형성되는데, 다수의 상기 수직형 p형 전극(190)의 양측에 형성된다. 즉, 도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 수직형 n형 전극(180)은 상기 패키지 기판(110)의 네개의 모서리 부근에서 상기 수직형 p형 전극(190)을 사이에 두고 형성될 수 있다.
본 실시예에서는 상기 수직형 n형 전극(180)이 상기 p형 전극(190)의 양측 또는 다수개가 형성되는 것으로 설명하였으나, 이에 제한되지 않고 상기 패키기 기판(110)의 중앙부에 하나만 형성될 수도 있다.
또한, 상기 수직형 n형 전극(180)은 상기 패키지 기판(110), 상기 p형 반도체층(140), 상기 활성층(150), 및 상기 n형 반도체층(160)의 측면에 형성될 수 있다. 즉, 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 수직형 n형 전극(180)은 웨이퍼 레벨 칩스케일로 제조되는 경우 연이은 상기 패키지 기판(110a, 110b) 사이의 경계 부근에 관통홀로 형성될 수 있으며, 최종적으로 다이싱 과정을 통하여 개별 패키지로 분할되는 경우, 상기 패키지 기판(110)의 측면에 형성될 수 있다.
본 실시예에서는 상기 수직형 n형 전극(180)이 상기 패키지 기판(110)의 모서리 또는 상기 패키지 기판(110)의 어느 한 측면에 형성되는 것으로 설명하였으나, 이에 제한되지 않고 웨이퍼 레벨 칩 스케일 공정에 따라 다양한 위치에 형성될 수 있다.
상기 도전층(182)은 상기 패키지 기판(110)의 하면에 형성되며, 상기 수직형 n형 전극(180)과 전기적으로 연결된다. 이러한 상기 도전층(182)은 상기 수직형 n형 전극(180)을 이루는 전도성 물질과 동일하게 Cu 또는 Au로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 n형 전극 패드(184)는 외부 전극과의 전기적 접속을 위하여 상기 도전층(182)의 하부에 형성되며, 예를 들면, Ti/Al, Cr/Au, Cr/Au, Cr/Cu/Au, Ti/Au/Ni 및 Ni/Au 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 수직형 p형 전극(190)은 상기 패키지 기판(110)을 관통하여 형성되는데, 상기 패키지 기판(110)에 형성되는 관통홀에 절연층, 베리어층, 및 씨드층이 형성되고 전도성 물질을 충진하여 형성되어 상기 금속층(120)과 전기적으로 연결된다. 여기서, 상기 전도성 물질은 상기 금속층(120)과 전기적으로 연결되기 위한 것으로, Cu 또는 Au인 것이 바람직하며, 상기 절연층은 상기 관통홀을 외부와 차단하기 위한 것으로 SiO2, TiO2, SiN, 및 Nb2O5 중 어느 하나로 이루어지고, 상기 베리어층은 전류확산을 방지하기 위한 것으로 Ti, W, TiN, TaN으로 이루어지며, 상기 씨드층은 상기 전도성 물질의 충진을 위한 것으로 Cr/Cu, Ti/Cu 및 Ti/Au중 어느 하나로 이루어진다.
이러한 상기 수직형 p형 전극(190)은 다수개가 형성되는데, 다수의 상기 수직형 n형 전극(180) 사이에 형성된다. 즉, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 수직형 p형 전극(190)은 가로방향 및 세로방향에 대하여 상기 수직형 n형 전극(180) 사이에서 균등한 간격으로 형성될 수 있다.
본 실시예에서는 상기 수직형 p형 전극(190)이 상기 수직형 n형 전극(180) 사이에서 균등하게 형성된 것으로 설명하였으나, 이에 제한되지 않고 웨이퍼 레벨 칩 스케일 공정에 따라 다양한 위치에 형성될 수 있다.
상기 도전층(192)은 상기 패키지 기판(110)의 하면에 형성되며, 상기 수직형 p형 전극(190)과 전기적으로 형성된다. 이러한 상기 도전층(192)은 상기 수직형 p형 전극(190)을 이루는 도전성 물질과 동일하게 Cu 또는 Au로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 p형 전극 패드(194)는 외부 전극과의 전기적 접속을 위하여 상기 도전층(182)의 하부에 형성되며, 예를 들면, Ti/Al, Cr/Au, Cr/Au, Cr/Cu/Au, Ti/Au/Ni 및 Ni/Au 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
이와 같은 구성에 의해 수직형 발광 다이오드 패키지(10)는 패키지 사이즈를 최소화하여 경박단소화하고, 전기적 및 열적 연결에 대한 손실을 경감할 수 있으며, 전류를 효율적으로 분배할 수 있다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 한 실시예에 따른 반도체 패키지의 제조 방법을 설명한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드 패키지의 제조 공정을 나타낸 단면도이다.
수직형 발광 다이오드 패키지(10)의 제조 방법은 성장 기판(200) 상부에 n형 반도체층(160), 활성층(150), 및 p형 반도체층(140)을 순차적으로 성장시키는 단계, 개구(125)를 갖는 반사층(130) 및 금속층(120)을 순차적으로 패터닝하여 형성하는 단계, 패키지 기판(110)을 접합시키는 단계, 다수의 관통홀(112,114)을 형성하는 단계, 관통홀(155)을 연장하여 형성하는 단계, 전도성 물질을 충진하여 수직형 전극(180,190)을 형성하는 단계, 도전층(182,192) 및 전극 패드(184,194)를 순차적으로 형성하는 단계, 성장 기판(200)을 제거하는 단계, 및 투명 전극층(170)을 형성하는 단계를 포함한다.
이러한 방법은 웨이퍼 레벨에서 수행되는 공정인 것이 바람직하다.
보다 구체적으로 설명하면, 도 3a에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 먼저 상기 성장 기판(200) 상부에 상기 n형 반도체층(160), 상기 활성층(150) 및 상기 p형 반도체층(140)을 순차적으로 성장시키는데, 금속-유기물 화학증착법(metal-organic chemical vapor deposition, MOCVD)으로 증착시킨다. 여기서, 상기 성장 기판(200)은 에피(Epi) 성장을 위한 것으로 예를 들면, 사파이어 기판, SiC, Si, GaN, 및 AlN 등으로 이루어진 기판일 수 있다.
이어서, 상기 p형 반도체층(140) 상에 상기 개구(125)를 갖는 상기 반사층(130) 및 상기 금속층(120)을 순차적으로 패터닝하여 형성한다. 즉, 사파이어 기판과 같은 에피(Epi) 성장 기판이 있는 웨이퍼 레벨 상태에서 에피의 최상위층인 상기 p형 반도체층(140) 상에 상기 반사층(130) 및 금속 접합을 위한 상기 금속층(120)을 패터닝하여 형성한다. 이때, 상기 반사층(130)은 DBR로 이루어지고, 상기 금속층(120)은 Au, Sn, In, Cu, Ag, Al, Ru, Ni, Pt, 및 Cr 중 적어도 하나로 이루질 수 있다.
이어, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 금속층(120) 상에 금속층이 형성된 상기 패키지 기판(110)을 접합시킨다. 이때, 상기 패키지 기판(110)을 상기 금속층(120) 상에 올려놓고 300~500℃ 정도의 온도에서 압력을 주면서 밀착시켜 접합한다. 여기서, 상기 패키지 기판(110)은 Si 또는 글래스와 같은 세라믹으로 이루어진 기판인 것이 바람직하다.
그리고 본 발명에서는, 도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 패키지 기판(110)에 다수의 상기 관통홀(112,114)을 식각에 의해 형성하는데, 상기 금속층(120) 및 상기 반사층(130)에 형성된 상기 개구(125)와 연통하는 상기 관통홀(112)과 상기 관통홀(112) 사이에서 상기 패키지 기판(110)에만 형성되는 상기 관통홀(114)이 형성된다. 이때, 상기 관통홀(112,114)을 형성하기 위한 식각은 습식 식각, 건식 식각 및 레이저 식각 중 어느 하나를 수행할 수 있다.
예를 들면, 포토리소그래피(photo-lithograph)에 의해 상기 관통홀(112,114)에 대응하는 패턴을 형성한 다음, KOH 용액, TMAH 또는 EDP와 같은 이방성 습식 식각 용액을 이용하여 상기 패키지 기판(110)을 식각함으로써 상기 관통홀(112)을 형성할 수 있다.
여기서, 상기 패키지 기판(110)에 형성되는 상기 관통홀(114)은 후술하는 바와 같이 상기 수직형 p형 전극(190)에 대응하는 것으로서 다수개를 형성하는데, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 수직형 n형 전극(180)에 대응하는 상기 관통홀(112) 사이에서 균등한 간격으로 형성된다.
본 실시예에서는 상기 관통홀(114)이 상기 관통홀(112) 사이에서 균등하게 형성된 것으로 설명하였으나, 이에 제한되지 않고 웨이퍼 레벨 칩 스케일 공정에 따라 다양한 위치에 형성될 수 있다.
후속하여 본 발명에서는, 도 4a에 도시된 바와 같이, 상기 개구(125)와 연통하는 상기 관통홀(112)을 식각에 의해 상기 성장 기판(200)에 이르도록 연장하여 상기 관통홀(155)을 형성한다. 즉, 상기 관통홀(155)을 상기 n형 반도체층(160)까지 형성한다. 여기서, 상기 관통홀(155)을 연장 형성하기 위한 식각은 습식 식각, 건식 식각 및 레이저 식각 중 어느 하나를 수행할 수 있다.
예를 들면, 포토리소그래피에 의해 상기 관통홀(112)에 대응하는 패턴을 형성한 다음, BCl3 및/또는 BCl3/Cl2로 이루어진 에칭 가스를 이용한 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 에칭(ICP-RIE; Inductively Coupled Plasma-Reactive Ion Etching)에 의해 상기 관통홀(155)을 형성할 수 있다.
이때, 상기 개구(125)와 연통하는 상기 관통홀(112) 및 상기 관통홀(112)에 연장형성되는 상기 관통홀(155)은 후술하는 바와 같이 상기 수직형 n형 전극(180)에 대응하는 것으로서, 적어도 하나가 형성되는데, 상기 관통홀(112) 및 상기 관통홀(155)을 상기 수직형 p형 전극(190)에 대응하는 상기 관통홀(114)의 양측에 형성한다. 즉, 도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 관통홀(112) 및 상기 관통홀(155)을 상기 패키지 기판(110)의 네개의 모서리 부근에서 상기 관통홀(114)을 사이에 두고 형성한다.
본 실시예에서는 상기 수직형 n형 전극(180)을 상기 p형 전극(190)의 양측 또는 다수개가 형성되는 것으로 설명하였으나, 이에 제한되지 않고 상기 패키기 기판(110)의 중앙부에 하나만 형성할 수도 있다.
또한, 상기 관통홀(112) 및 상기 관통홀(155)을 상기 패키지 기판(110), 상기 p형 반도체층(140), 상기 활성층(150), 및 상기 n형 반도체층(160)의 측면에 형성할 수 있다. 즉, 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 관통홀(112) 및 상기 관통홀(155)을 웨이퍼 레벨 칩스케일로 제조되는 경우 연이은 상기 패키지 기판(110a, 110b) 사이의 경계 부근에 형성할 수 있으며, 결과적으로 다이싱 과정을 통하여 개별 패키지로 분할되는 경우, 상기 패키지 기판(110)의 측면에 형성할 수 있다.
본 실시예에서는 상기 관통홀(112) 및 상기 관통홀(155)을 상기 패키지 기판(110)의 모서리 또는 상기 패키지 기판(110)의 어느 한 측면에 형성되는 것으로 설명하였으나, 이에 제한되지 않고 웨이퍼 레벨 칩 스케일 공정에 따라 다양한 위치에 형성할 수 있다.
그리고, 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 관통홀(112) 및 상기 관통홀(155)에 전도성 물질을 충진하여 상기 수직형 n형 전극(180)을 형성하고, 상기 관통홀(114)에 전도성 물질을 충진하여 상기 수직형 p형 전극(190)을 형성한다. 이때, 상기 관통홀(112), 상기 관통홀(114) 및 상기 관통홀(155)에 절연층, 베리어층, 및 씨드층을 순차 형성하고 상기 전도성 물질을 충진함이 바람직하다. 여기서, 상기 전도성 물질은 Cu 또는 Au인 것이 바람직하며, 상기 절연층은 상기 관통홀을 외부와 차단하기 위한 것으로 SiO2, TiO2, SiN, 및 Nb2O5 중 어느 하나로 이루어지고, 상기 베리어층은 전류확산을 방지하기 위한 것으로 Ti, TiW, TiN, TaN으로 이루어지며, 상기 씨드층은 상기 전도성 물질의 충진을 위한 것으로 Cr/Cu, Ti/Cu, 및 Ti/Au 중 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.
후속하여, 상기 수직형 n형 전극(180)과 전기적으로 연결되는 상기 도전층(182) 및 상기 n형 전극 패드(184)를 순차적으로 증착하여 형성하는데, 예를 들면 전자선 증착장치(e-beam evaporator)로 증착시킨다. 이때 상기 도전층(182)은 상기 수직형 n형 전극(180)을 이루는 전도성 물질과 동일하게 Cu 또는 Au로 이루어지고, 상기 n형 전극 패드(184)는 외부 전극과의 전기적 접속을 위하여 상기 도전층(182) 상에 형성한다.
이와 동일하게, 상기 수직형 p형 전극(190)과 전기적으로 연결되는 상기 도전층(192) 및 상기 p형 전극 패드(194)를 순차적으로 증착하여 형성하는데, 예를 들면 전자선 증착장치로 증착시킨다. 이때 상기 도전층(192)은 상기 수직형 p형 전극(190)을 이루는 전도성 물질과 동일하게 Cu 또는 Au로 이루어지고, 상기 p형 전극 패드(194)는 외부 전극과의 전기적 접속을 위하여 상기 도전층(192) 상에 형성한다.
본 실시예에서는 상기 도전층(182,192)이 상기 수직형 n형 전극(180) 및 상기 수직형 p형 전극(190) 형성후에 증착하는 것을 설명하였으나, 이에 제한되지 않고 상기 수직형 n형 전극(180) 및 상기 수직형 p형 전극(190)과 동시에 형성할 수도 있다.
이어서 도 4c에 도시된 바와 같이, 사파이어 기판과 같은 에피 성장을 위한 상기 성장 기판(200)을 레이저 리프트 오프(Laser Lift Off: LLO) 공정에 의해 제거하는데, 레이저를 상기 성장 기판(200)을 통해 조사시키면 레이저가 GaN로 이루어진 상기 n형 반도체층(160)에 흡수되어 Ga 금속과 N2 가스로 분해되어 상기 성장 기판(200)이 분리된다.
이어서 도 4d에 도시된 바와 같이, 상기 n형 반도체층(160) 상에 전기적 연결과 상기 활성층(150)에서 발생하는 광을 투과하기 위한 상기 투명 전극층(170)을 형성한다. 이때, 상기 투명 전극층(170)은 ITO, ZnO 및 IZO 중 어느 하나로 이루어질 수 있으며, 스퍼터, 전자선 증착법(E-beam evaporator), 플라즈마 화학증착법(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD)로 증착시키며, 졸-겔법(Sol-Gel)에 의해서도 형성할 수 있다.
한편, 투명 전극층(170)에 의한 빛 방출성을 향상시키기 위하여 투명 전극층(170)상에 거칠기(Roughness)를 성장시킬 수 있다.
이와 같은 방법에 의해 칩 사이즈의 발광 다이오드 패키지의 제조 능력을 향상시키고, 제조 비용을 감축시키면서도 경박단소화된 수직형 발광 다이오드 패키지(10)를 제조할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드 패키지의 단면도이다.
수직형 발광 다이오드 패키지(50)는 웨이퍼 레벨에서 형성되는 상기 수직형 발광 다이오드 패키지(10)에 형광층(580) 및 보호층(590)을 부가 형성하여 완성된 것으로서, 상기 형광층(580) 및 상기 보호층(590)을 제외한 구성이 이전 실시예와 동일하므로 여기서는 그에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
상기 형광층(580)은 상기 투명 전극층(170) 상에 형성되며, 분산가능한 나노입자의 형광체 분말과 투명성 폴리머 수지가 소정의 비율로 배합된 것으로, 상기 투명성 폴리머 수지는 경화성 수지 또는 아크릴계 수지 등이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 에폭시계 폴리머 수지 또는 실리콘계 폴리머 수지 등이 사용될 수 있다.
상기 보호층(590)은 상기 형광층(580) 상에 형성되며, 광투과율이 우수한 재질로 이루어지며, 예를 들면, 글래스, 투명 플라스틱, 에폭시, 및 실리콘 수지 등으로 이루어지는 것이 바람직하다.
이와 같은 구성에 의해 수직형 발광 다이오드 패키지(50)는 형광체 또는 글래스 접합이 용이하며, 패키지 사이즈를 최소화하여 경박단소화하고, 전기적 및 열적 연결에 대한 손실을 경감할 수 있고, 전류를 효율적으로 분배할 수 있다.
이와 같이 형광층(580) 및 보호층(590)을 부가 형성된 수직형 발광 다이오드 패키지(50)의 제조 방법은 도 3 및 도 4를 참조하여 상술한 바와 같으며, 다만, 상기 투명 전극층(170)을 형성한 후 상기 투명 전극층(170) 상에 상기 형광층(580)을 형성하고, 상기 형광층(580) 상에 광투과율이 우수한 보호층을 형성한다.
보다 구체적으로 설명하면, 상기 투명 전극층(170) 상에 실리콘과 혼합된 상기 형광층(580)을 도포하는데, 예를 들면, 스프레이(spray), 스핀(Spin), 스크린 프린팅(screen printing), 디핑(dipping), 및 스텐실링(stenciling) 방식으로 도포할 수 있다.
이어서, 상기 형광층(580) 상에 글래스 또는 광투과율이 우수한 플라스틱 등으로 이루어진 상기 보호층(590)을 접착용 수지를 통하여 접착한다. 여기서 상기 접착용 수지는 실리콘 수지일 수 있다.
본 실시예에서는 형광층을 형성한 후 접착하는 것으로 설명하였으나, 이에 제한되지 않고 실리콘에 형광체를 혼합하여 형성후 경화할 수도 있다.
이와 같은 방법에 의해 칩 사이즈의 발광 다이오드 패키지의 제조 능력을 향상시키고, 형광체 코팅 및 글래스 접합이 용이하며, 제조 비용을 감축시키면서도 경박단소화된 수직형 발광 다이오드 패키지(50)를 제조할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수직형 발광 다이오드 패키지의 단면도이다.
본 실시예는 형광층(580) 상에 형성되는 렌즈(690)를 제외한 구성이 이전 실시예와 동일하므로 여기서는 그 구체적인 설명은 생략한다.
수직형 발광 다이오드 패키지(60)는 상기 형광층(580) 상에 형성되는 상기 렌즈(690)를 포함한다.
상기 렌즈(690)는 상측으로 볼록한 반구 형상의 블록 렌즈로 이루어지며, 상기 활성층(150)에서 발생한 광을 균일하게 외부로 방출한다.
이와 같은 구성에 의해 수직형 발광 다이오드 패키지(60)는 형광체 또는 렌즈 접합이 용이하며, 패키지 사이즈를 최소화하여 경박단소화하고, 전기적 및 열적 연결에 대한 손실을 경감할 수 있고, 전류를 효율적으로 분배할 수 있다.
이와 같이 형광층(580) 상에 렌즈(690)가 형성된 수직형 발광 다이오드 패키지(60)의 제조 방법은 도 3 내지 도 5를 참조하여 상술한 바와 같으며, 다만, 상기 형광층(580)을 형성한 후 상기 형광층(580) 상에 렌즈를 형성한다.
보다 구체적으로 설명하면, 글래스로 이루어진 상기 보호층(590) 대신에 글래스 또는 플라스틱 렌즈 어레이인 상기 렌즈(690)를 접착용 수지를 통하여 상기 형광층(580) 상에 접착한다. 여기서 상기 접착용 수지는 실리콘 수지일 수 있다.
이와 같은 방법에 의해 칩 사이즈의 발광 다이오드 패키지의 제조 능력을 향상시키고, 형광체 코팅 및 렌즈 접합이 용이하며, 제조 비용을 감축시키면서도 경박단소화된 수직형 발광 다이오드 패키지(60)를 제조할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 첨부된 특허 청구 범위에 속하는 것은 당연하다.
10 : 수직형 발광 다이오드 패키지 110 : 패키지 기판
112, 114, 155 : 관통홀 120 : 금속층
125 : 개구 130 : 반사층
140 : p형 반도체층 150 : 활성층
160 : n형 반도체층 170 : 투명 전극층
180 : 수직형 n형 전극 182, 192 : 도전층
184 : n형 전극 패드 190 : 수직형 p형 전극
194 : p형 전극 패드 200 : 성장 기판
580 : 형광층 590 : 보호층
690 : 렌즈
112, 114, 155 : 관통홀 120 : 금속층
125 : 개구 130 : 반사층
140 : p형 반도체층 150 : 활성층
160 : n형 반도체층 170 : 투명 전극층
180 : 수직형 n형 전극 182, 192 : 도전층
184 : n형 전극 패드 190 : 수직형 p형 전극
194 : p형 전극 패드 200 : 성장 기판
580 : 형광층 590 : 보호층
690 : 렌즈
Claims (17)
- 패키지 기판;
상기 패키지 기판의 상부에 형성되며 개구를 갖는 금속층;
상기 금속층 상에 형성되며 개구를 갖는 반사층;
상기 반사층 상에 p형 반도체층, 활성층 및 n형 반도체층이 순차 적층되는 반도체층;
상기 반도체층 상에 형성되는 투명 전극층;
상기 패키지 기판으로부터 상기 개구를 통하여 상기 반도체층까지 관통하도록 형성되고 상기 투명 전극층에 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 수직형 n형 전극; 및
상기 패키지 기판을 관통하여 형성되고 상기 금속층과 전기적으로 연결되는 다수의 수직형 p형 전극;을 포함하는 수직형 발광 다이오드 패키지. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 수직형 n형 전극은 상기 다수의 수직형 p형 전극의 양측에 형성되는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 패키지. - 제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 n형 수직형 전극은 상기 패키지 기판 및 상기 반도체층의 적어도 어느 하나의 측면에 형성되는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 패키지. - 제 1 항에 있어서,
상기 패키지 기판의 하부에 상기 수직형 n형 전극 또는 상기 수직형 p형 전극과 전기적으로 연결되는 도전층; 및
상기 도전층의 하부에 형성되는 전극 패드;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 패키지. - 제 4 항에 있어서,
상기 수직형 n형 전극, 상기 수직형 p형 전극 및 상기 도전층은 Cu 또는 Au로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 패키지. - 제 1 항에 있어서,
상기 반사층은 DBR(Distributed Bragg Reflector)인 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 패키지. - 제 1 항에 있어서,
상기 투명 전극층 상에 형성되는 형광층; 및
상기 형광층 상에 형성되며 광투과율이 우수한 재질로 이루어진 보호층;을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 패키지. - 제 1 항에 있어서,
상기 투명 전극층 상에 형성되는 형광층; 및
상기 형광층 상에 형성되는 렌즈;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 수직형 발광 다이오드 패키지. - 성장 기판 상부에 n형 반도체층, 활성층, 및 p형 반도체층을 순차적으로 성장시키는 단계;
상기 p형 반도체층 상에 개구를 갖는 반사층 및 금속층을 순차적으로 패터닝하여 형성하는 단계;
상기 금속층 상에 패키지 기판을 접합시키는 단계;
상기 패키지 기판에 다수의 관통홀을 형성하는 단계;
상기 개구와 연통하는 관통홀을 상기 p형 반도체층까지 연장하여 형성하는 단계;
상기 관통홀에 전도성 물질을 충진하여 수직 전극을 형성하는 단계;
상기 수직 전극과 전기적으로 연결되는 도전층 및 전극 패드를 순차적으로 형성하는 단계;
상기 성장 기판을 제거하는 단계; 및
상기 n형 반도체 상에 투명 전극층을 형성하는 단계;를 포함하는 수직형 발광 다이오드 패키지 제조 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 관통홀을 형성하는 단계 및 상기 연장하여 형성하는 단계에서는 습식 식각, 건식 식각 및 레이저 식각 중 어느 하나를 수행하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 패키지 제조 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 관통홀을 연장하여 형성하는 단계에서는 상기 개구와 연통하는 관통홀을 상기 패키지 기판에만 형성되는 관통홀의 양측 또는 상기 패키지 기판의 중앙에 형성하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 패키지 제조 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 관통홀을 연장하여 형성하는 단계에서는 상기 개구 및 상기 개구와 연통하는 관통홀을 상기 패키지 기판의 적어도 어느 하나의 측면에 형성하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 패키지 제조 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 수직 전극층을 형성하는 단계에서는 절연층, 베리어층, 및 씨드층을 순차 형성하고 상기 전도성 물질을 충진하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 패키지 제조 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 전도성 물질 및 상기 도전층은 Au 또는 Cu로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 패키지 제조 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 반사층은 DBR인 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 패키지 제조 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 투명 전극층을 형성하는 단계 이후에,
상기 투명 전극층 상에 형광층을 형성하는 단계; 및
상기 형광층 상에 광투과율이 우수한 보호층을 형성하는 단계;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 패키지 제조 방법. - 제 9 항에 있어서,
상기 투명 전극층을 형성하는 단계 이후에,
상기 투명 전극층 상에 형광층을 형성하는 단계; 및
상기 형광층 상에 렌즈를 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 발광 다이오드 패키지 제조 방법.
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| KR1020100134180A KR101109321B1 (ko) | 2010-12-24 | 2010-12-24 | 수직형 발광 다이오드 패키지 및 그 제조 방법 |
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2010
- 2010-12-24 KR KR1020100134180A patent/KR101109321B1/ko active IP Right Grant
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