KR101193740B1 - 발광 소자의 패키징을 위한 칩-규모 방법 및 칩 규모로 패키징된 발광 소자 - Google Patents

발광 소자의 패키징을 위한 칩-규모 방법 및 칩 규모로 패키징된 발광 소자 Download PDF

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Abstract

패키징된 발광 소자는 상부 표면 및 하부 표면을 갖는 캐리어 기판(20), 상기 기판(20)의 상부 표면으로부터 상기 기판의 하부 표면까지 연장되는 제 1 및 제 2 전도성 비아(22A, B), 및 상기 기판의 상부 표면 위에 있고 상기 제 1 전도성 비아(22A)와 전기적으로 접촉하는 본딩 패드(24)를 포함한다. 제 1 및 제 2 전극을 갖는 다이오드(16)는상기 본딩 패드 위에 탑재되고, 상기 제 1 전극(26)은 상기 본딩 패드(24)와 전기적으로 접촉한다. 패시베이션층(32)은 상기 다이오드(16) 위에, 상기 다이오드(16)의 제 2 전극을 노출하도록 형성된다. 전도성 배선(33)은 상기 캐리어 기판의 상부 표면 위에 상기 제 2 전도성 비아(22B) 및 상기 제 2 전극과 전기적으로 접촉하도록 형성된다. 상기 전도성 배선은 상기 제 2 전극과 접촉하기 위해 상기 패시베이션층 위를 가로질러 연장된다. 발광 소자의 패키징하는 방법은 성장 기판과 상기 성장 기판 위의 에피택시 구조를 포함하는 에피웨이퍼를 제공하는 단계, 캐리어 기판을 상기 에피웨이퍼의 에피택시 구조에 본딩하는 단계, 상기 캐리어 기판을 관통하는 복수개의 전도성 비아를 형성하는 단계; 상기 에피택시 구조 내에 복수개의 격리된 다이오드를 정의하는 단계, 및 상기 전도성 비아의 적어도 하나를 상기 복수개의 격리된 다이오드의 하나와 각각 전기적으로 연결하는 단계를 포함한다.

Description

발광 소자의 패키징을 위한 칩-규모 방법 및 칩 규모로 패키징된 발광 소자{Chip-scale methods for packaging light emitting devices and chip-scale packaged light emitting devices}
<우선권 주장 및 가출원의 상호 참조>
본 출원은 그 개시한 바가 여기에 완전히 설명된 것처럼 여기에 인용되어 통합되고 2004년 6월 30일에 출원된 미합중국 가출원 제60/584,187호 "Chip Scale Packaging of Light Emitting Devices and Packaged Light Emitting Devices"의 우선권을 주장한다.
<기술 분야>
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 패키징된 발광 소자 및 발광 소자의 패키징 방법에 관한 것이다.
발광 다이오드 및 레이저 다이오드는 충분한 전압을 가하였을 때 빛을 생성할 수 있는 잘 알려진 고체 상태 전자 소자이다. 발광 다이오드 및 레이저 다이오드는 일반적으로 발광 소자(LEDs: light emitting devices)로 일컬어진다. 발광 소자는 일반적으로 사파이어, 실리콘, 실리콘 카바이드, 갈륨비소 등과 같은 기판 위에 성장된 에피택시층에 형성된 p-n 접합을 포함한다. LED에 의해 생성된 빛의 파 장 분포는 p-n 접합이 제조되는 재료와 상기 소자의 활성 영역을 포함하는 얇은 에피택시층의 구조에 의존한다.
통상, LED는 기판, 상기 기판 위에 형성된 n-형 에피택시 영역 및 상기 n-형 에피택시 영역 위에 형성된 p-형 에피택시 영역(또는 그 반대)을 포함한다. 소자에 전압을 가하는 것을 용이하게 하기 위해, 소자의 p-형 영역(통상, 노출된 p-형 에피택시층) 위에 애노드 오믹 콘택이 형성되고, (기판 또는 노출된 n-형 에피택시층과 같은) 소자의 n-형 영역 위에는 캐소드 오믹 콘택이 형성된다.
회로에서 LED를 사용하기 위해서는, 상기 LED를 환경적인 위해 및 기계적인 손상으로부터 보호하기 위해 이를 패키징하는 것이 바람직하다. LED 패키지는 전기 리드(lead)와 같이, LED 칩을 외부 회로에 전기적으로 연결하기 위한 수단도 포함한다. 도 1a에 나타낸 통상의 패키지(70)에서, LED(72)는 솔더 본드 또는 에폭시의 수단에 의해 반사컵(73) 위에 탑재된다. 하나 이상의 와이어 본딩은 상기 LED의 오믹콘택을, 상기 반사컵(73)에 부착되거나 상기 반사컵(73)과 통합될 수 있는 리드(75a, 75b)에 연결한다. 그런 후, LED 칩(72)으로부터 방출되는 빛을 시준(collimate)하기 위해 렌즈의 형태로 몰딩될 수 있는 투명한 보호 수지(74) 안에 모든 조립 부품이 봉지된다.
도 1b에 도시된 통상적인 다른 패키지(80)에서, 인쇄 회로 기판(PCB: printed circuit board) 위에 복수개의 LED 칩들(82)이 탑재된다. 상기 LED(82) 위의 오믹 콘택과 상기 PCB(83) 위의 전기 배선(electrical trace)(85A, 85B) 사이에 하나 이상의 와이어 본딩 연결이 이루어진다. 그런 후 탑재된 각 LED(82)는, 렌즈 로서의 역할도 수행하면서 칩에 환경적인 및 기계적인 보호를 제공할 수 있는 맑은 수지의 방울(84)로 봉지된다. 그런 후, 패키징된 각 개별 LED들(82)은 상기 PCB 기판(83)을 소잉하여 하나 이상의 LED 칩(82)을 각각 포함하는 작은 정사각형으로 분리된다.
LED 칩을 패키징하는 이러한 방법의 단점의 하나는 상기 칩들이 캐리어 위에 한번에 하나씩 장착된다는 점일 수 있다. 즉, 각 LED는 PCB 또는 반사컵(reflective cup) 위에 개별적으로 장착된다. 또한, 각 LED 칩에 대하여 통상 와이어 본딩 연결이 이루어진다. 이러한 조작은 비싸고, 시간을 많이 요구할 수 있으며, 상당한 양의 수작업 및/또는 전문화된 장비를 필요로 할 수 있다. 와이어본딩 연결과 관련된 문제점은 현장에서의 소자 불량에도 원인이 있을 수 있다. 또한, LED 칩의 장착과 관련된 정렬 및 배치 문제가, 패키징되어 얻어지는 칩의 광학적 특성의 바람직하지 않은 편차를 가져올 수 있다.
발광 소자의 사용자에 있어서, 측정 척도(figure of merit)의 하나는 루멘당 비용, 즉, 주어진 수준의 광출력을 얻기 위한 비용이다. 통상의 패키징 기술이 갖는 높은 비용은 고체 상태 조명의 루멘당 비용이 비교적 높에 형성되도록 하는 한 요인일 수 있다. 또한, 통상의 패키징 기술은 휴대 전화 백라이트와 같이 특정한 소형화된 응용분야에 적합하지 않게 크고 거대한 패키징을 가져올 수 있다. 또한, 통상의 패키징 기술은 LED 칩이 작동하는 전력 수준을 한정하는 열악한 내열 특성을 가질 수 있으며, LED의 배치와 관련하여 시스템 설계자에 제한을 가할 수 있다.
본 발명의 일부 구현예에 따르면, 패키징된 발광 소자는 상부 표면 및 하부 표면을 갖는 캐리어 기판, 상기 기판의 상부 표면으로부터 상기 기판의 하부 표면까지 연장되는 제 1 및 제 2 전도성 비아(via), 및 상기 제 1 전도성 비아와 전기적으로 접촉하고 상기 기판의 상기 상부면 위에 있는 본딩 패드를 포함한다. 제 1 및 제 2 전극을 갖는 다이오드가 상기 본딩 패드 위에 상기 제 1 전극이 상기 본딩 패드와 전기적으로 접촉되도록 탑재된다. 상기 다이오드의 제 2 전극을 노출하면서, 상기 다이오드 위에 패시베이션 층이 형성된다. 상기 제 2 전도성 비아 및 상기 제 2 전극과 전기적으로 접촉하는 전도성 배선이 캐리어 기판의 상부 표면 위에 형성된다. 상기 전도성 배선은 상기 패시베이션층 위를 가로질러 상기 제 2 전극에 접촉하도록 연장된다.
일부 구현예에서, 상기 전도성 배선이 형성된 후, 상기 패시베이션층은 부분적으로 또는 완전히 제거되어 상기 제 2 전극과 상기 제 2 전도성 비아 사이에 소위 구름다리(air bridge) 연결을 남긴다.
일부 구현예에서, 상기 패시베이션층은 상기 캐리어 기판의 일부분을 덮는다. 추가적인 구현예에서, 상기 패시베이션층은 상기 본딩 패드의 일부분을 추가적으로 덮는다.
일부 구현예에서, 상기 다이오드에서 방출되는 빛을 원하는 방향으로 반사하기 위하여 상기 캐리어 기판 위에 상기 다이오드를 둘러싸는 반사층이 형성된다. 상기 전도성 배선과 상기 패시베이션층의 일부를 덮을 수 있는 상기 반사층은 상기 다이오드 위에 공동을 정의할 수 있으며, 상기 공동은 봉지 물질로 채워질 수 있다. 상기 봉지 물질은 파장 변환 인광물질(phosphor)과 같은 파장 변환 물질을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 봉지 물질은 예를 들면, 나노입자와 에폭시 수지 또는 실리콘(silicone)의 복합재료를 이용하여 높은 굴절율을 갖도록 설계될 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 봉지 물질의 굴절율은 약 1.6 이상일 수 있다. 일부 구현예에서, 파장 변환 물질이 상기 다이오드의 표면 위에 코팅될 수 있다.
일부 구현예에서, 패키징된 발광 소자는 환경적 및 기계적 보호를 위해 상기 다이오드 위에 기밀 밀봉을 형성하는 밀봉층을 상기 반사층 위에 추가적으로 더 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 상기 다이오드는 성장 기판 및 상기 성장 기판 위의 에피택시 구조를 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 성장 기판은 약 150 ㎛ 미만의 두께를 갖는다. 추가적인 구현예에서, 상기 다이오드는 성장 기판이 제거된 에피택시 구조를 포함한다.
본 발명에 따른 방법의 일부 구현예는 성장 기판과 상기 성장 기판 위의 에피택시 구조를 포함하는 에피웨이퍼를 제공하는 단계, 상기 에피웨이퍼의 에피택시 구조에 캐리어 기판을 본딩하는 단계, 상기 캐리어 기판을 관통하는 복수개의 전도성 비아를 형성하는 단계, 상기 에피택시 구조에 복수개의 격리된 다이오드를 정의하는 단계, 및 적어도 하나의 전도성 비아를 복수개의 격리된 다이오드의 하나와 각각 전기적으로 연결하는 단계를 포함한다. 본 발명의 구현예에 따른 방법은 격리된 다이오드의 적어도 하나를 봉지물질로 봉지하는 단계 및 상기 봉지된 다이오드를 패키징된 개별 소자로 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일부 구현예에서, 상기 캐리어 기판을 상기 에피택시 구조에 본딩하는 단계에 이어 상기 성장 기판을 상기 에피택시 구조물로부터 제거하는 단계가 후속될 수 있다.
일부 구현예에서, 본 발명에 따른 방법은 상기 성장 기판을 약 150 ㎛ 미만의 두께로 박층화하는 단계를 포함한다.
일부 구현예에서, 상기 캐리어 기판을 관통하는 복수개의 전도성 비아를 형성하는 단계는 격리된 각 다이오드에 대해 상기 캐리어 기판을 관통하는 적어도 한 쌍의 비아를 형성하는 단계를 포함한다. 일부 구현예에서, 상기 캐리어 기판 자체는 전도성 물질로부터 형성될 수 있고 그에 의하여 격리된 각 다이오드에 대한 한 쌍의 전도성 비아의 하나로서 역할을 수행할 수 있다. 나머지 하나의 전도성 비아는 상기 캐리어 기판으로부터 전기적으로 절연될 수 있다. 일부 구현예에서, 추가적인 회로 및/또는 회로 요소가 발광 다이오드의 동작을 돕기 위해 상기 캐리어 웨이퍼에 추가될 수 있다. 이러한 회로 및/또는 요소는 정전기 방전 보호를 위한 제너(Zener) 다이오드, 다이오드의 동작 동안 전압 또는 전류를 조절하기 위한 전자 구동 회로, 및/또는 어떤 응용기기에서 LED를 지정(adressing)하는 것을 돕기 위한 디지털 회로를 포함할 수 있다.
추가적인 구현예에서, 복수개의 다이오드 중 적어도 하나를 봉지 물질로 봉지하는 단계는 인광물질과 같은 파장 변환 물질을 포함하는 봉지 물질로 다이오드를 봉지하는 단계를 포함한다.
일부 구현예에서, 상기 에피택시 구조에서 격리된 복수개의 다이오드를 정의하는 단계는 예를 들면, 상기 에피택시 구조를 선택적으로 식각함으로써 상기 에피택시 구조에 복수개의 메사 구조를 형성하는 단계를 포함한다. 복수개의 메사를 형성하기 위해 상기 에피택시 구조를 선택적으로 식각하는 단계는 상기 캐리어 기판을 상기 에피택시 구조에 본딩하는 단계 이전에 수행될 수 있다. 일부 구현예에서, 복수개의 메사를 형성하기 위해 상기 에피택시 구조를 선택적으로 식각하는 단계는 상기 캐리어 기판에 에피택시 구조를 접합하는 단계 및 상기 성장 기판을 제거하는 단계 이후에 수행된다.
일부 구현예에서, 상기 에피택시 구조에 격리된 복수개의 다이오드를 정의하는 단계는 상기 캐리어 기판에 상기 에피택시 구조를 본딩하는 단계에 선행될 수 있다. 추가적인 구현예에서, 상기 성장 기판을 제거하는 단계는 상기 에피택시 구조에 격리된 복수개의 다이오드를 정의하는 단계에 선행된다.
일부 구현예에서, 상기 에피택시 구조에 상기 캐리어 기판을 본딩하는 단계는 상기 캐리어 기판 위에 복수개의 본딩 패드를 형성하는 단계에 후속되어 수행될 수 있다. 이 때, 격리된 각 다이오드가 상기 본딩 패드의 적어도 하나에 본딩된다. 상기 전도성 비아는 상기 본딩 패드의 적어도 하나와 각각 전기적으로 접촉할 수 있다.
추가적인 구현예에서, 방법은 각 본딩 패드가 적어도 하나의 전도성 비아와 전기적 접촉을 이루도록 캐리어 기판의 면 중 복수개의 다이오드가 본딩되는 면의 반대쪽 캐리어 기판면 위에 복수개의 본딩 패드를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일부 구현예는 적어도 하나의 다이오드 위에 패시베이션층을 형성하되 상기 다이오드의 전극을 상기 패시베이션층이 노출시키도록 형성하는 단계를 포함한다. 다이오드가 본딩된 상기 캐리어 기판의 면 위에 복수개의 전도성 배선이 형성될 수 있다. 상기 전도성 배선의 일부는 다이오드의 상부 표면과 전도성 비아를 전기적으로 연결할 수 있다.
일부 구현예에서, 본 발명에 따른 방법은 상기 캐리어 기판의 상부 표면 위에 반사층으로서, 다이오드 위에 공동을 정의하는 반사층을 형성하는 단계를 포함한다. 파장 변환 물질을 포함할 수 있는 봉지 물질이 상기 공동 내에 위치할 수 있다. 또한, 상기 공동은 상기 공동 위에 기밀 밀봉을 형성할 수 있는 밀봉 요소로 덮여질 수 있다.
본 발명의 일부 구현예는 격리된 적어도 두 개의 다이오드가 하나의 투명 수지로 덮여질 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 격리된 다이오드를 패키징된 소자들로 분리하는 단계는 적어도 두 개의 다이오드를 그 안에 갖는 패키징된 소자를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일부 구현예는 상부 표면과 하부 표면을 갖는 캐리어 기판, 상기 캐리어 기판의 상부 표면에 본딩된 복수개의 발광 다이오드로서 각각 제 1 및 제 2 전극을 갖는 발광 다이오드, 및 상기 캐리어 기판의 상부 표면으로부터 상기 기판의 하부 표면까지 연장되는 제 1 및 제 2 전도성 비아의 복수개(plurality)의 쌍을 갖는 반도체 구조를 제공한다. 상기 전도성 비아의 각 쌍은 복수개의 발광 다이오드의 특정 발광 다이오드의 제 1 및 제 2 전극에 전기적으로 연결된다.
일부 구현예에서, 상기 반도체 구조는 상기 캐리어 기판의 상부 표면과 복수개의 발광 다이오드 사이에 위치하는 복수개의 본딩 패드를 포함한다. 상기 발광 다이오드의 적어도 하나는 본딩 패드의 하나의 위에 탑재된다.
상기 발광 다이오드의 적어도 하나 위에는 봉지 물질이 형성될 수 있다. 일부 구현예에서, 복수개의 본딩 패드가 상기 캐리어 기판의 하부 표면 위에 형성되고, 상기 캐리어 기판의 하부 표면 위의 복수개의 본딩 패드는 각각 상기 제 1 또는 제 2 전도성 비아의 적어도 하나와 전기적으로 접촉한다.
일부 구현예에서, 상기 패키지의 열적 저항 및/또는 전기저항은 각 다이오드에 대하여 상기 캐리어 기판을 관통하는 추가적인 비아를 형성함으로써 감소될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일부 구현예에 따른 패키징된 발광 소자는 상기 기판을 관통하여 연장되는 추가적인 전도성 비아를 적어도 하나 포함한다.
추가적인 구현예에서, 패키징된 발광 소자는 상부 표면과 하부 표면을 갖는 전도성 캐리어 기판을 포함한다. 전도성 비아는 상기 기판의 상부 표면으로부터 상기 기판의 하부 표면까지 연장된다. 상기 전도성 비아와 상기 기판 사이에 전류 차단층이 있다. 상기 기판의 상부 표면 위에 본딩 패드가 있다. 제 1 및 제 2 전극을 갖는 다이오드가 상기 본딩 패드 위에 탑재된다. 상기 제 1 전극은 상기 본딩 패드와 전기적으로 접촉된다. 상기 캐리어 기판의 상부 표면 위에 전도성 배선이 있고 상기 전도성 배선은 상기 전도성 비아 및 상기 제 2 전극과 전기적으로 접촉된다.
다른 추가적인 구현예에서, 패키징된 발광 소자는 상부 표면과 하부 표면을 갖는 캐리어 기판을 포함한다. 제 1 및 제 2 전도성 비아가 상기 기판의 상부 표면으로부터 상기 기판의 하부 표면까지 연장된다. 상기 기판의 상부 표면 위에 본딩 패드가 있고, 상기 본딩 패드는 상기 제 1 전도성 비아와 전기적으로 접촉한다. 제 1 및 제 2 전극을 갖는 다이오드가 상기 본딩 패드 위에 탑재된다. 상기 제 1 전극은 상기 본딩 패드와 전기적으로 접촉된다. 상기 캐리어 기판의 상부 표면 위에 전도성 배선이 있고, 상기 전도성 배선은 상기 제 2 전도성 비아 및 상기 제 2 전극과 전기적으로 접촉된다.
본 발명의 다른 특징, 구현예 및 측면들은 발명의 상세한 설명과 도면으로부터 명백할 것이다.
도 1a 및 도 1b는 통상의 LED 패키지를 나타낸다.
도 2a 내지 도 2h는 본 발명의 일부 구현예를 나타내는 단면도들이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 추가적인 구현예를 나타내는 단면도들이다.
도 4a 내지 도 4j는 본 발명의 추가적인 구현예를 나타내는 단면도들이다.
도 5a 내지 도 5i는 본 발명의 추가적인 구현예를 나타내는 단면도들이다.
도 6은 본 발명의 추가적인 구현예를 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 추가적인 구현예를 나타내는 단면도이다.
이하에서는 본 발명의 구현예들을 나타낸 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명할 것이다. 그러나, 본 발명은 여기에 설명된 구현예에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니될 것이다. 오히려, 이들 구현예들은 본 발명의 개시가 완전하고 완벽하게 하기 위해 제공되는 것이고, 기술 분야의 통상의 지식을 가 진 자에게 본 발명의 범위를 완전히 전달할 것이다. 시종 동일한 도면부호는 동일한 요소를 나타낸다. 또한, 도면에 도시된 다양한 층들 및 영역들은 개념적으로 도시되었다. 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의해 이해되는 바와 같이, 본 발명은 반도체 웨이퍼 및 다이싱된 칩에 대하여 설명되었지만 그러한 칩들은 임의의 크기로 다이싱될 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 도면에 도시된 것과 같은 상대적인 크기와 간격에 한정되지 않는다. 또한, 층의 두께 및 지형의 크기와 같은 도면의 특정 특징은 도면의 명확성과 설명의 편의를 위하여 과장된 치수로 도시된다.
어느 요소 또는 층이 다른 요소 또는 층의 "위에" 있거나, 다른 요소 또는 층에 "연결"되거나, "결합"되는 경우, 직접 다른 요소 또는 층의 "위에" 있거나 다른 요소 또는 층에 "연결"되거나 "결합"될 수도 있고, 개재되는 요소 또는 층이 존재할 수도 있음은 이해될 것이다. 대조적으로, 어느 요소가 다른 요소 또는 층의 "직접 위에" 있거나, 다른 요소 또는 층에 "직접 연결"되거나 "직접 결합"된다고 언급이 되면, 개재되는 요소 또는 층이 존재하지 않는다. "및/또는"이라는 용어는 여기서 사용될 때 연관되어 열거되는 항목의 하나 이상의 일부 또는 모든 조합을 포함한다.
여러 요소, 구성부, 영역, 층 및/또는 섹션을 기술하기 위해 제1, 제2 등의 용어가 여기에 사용될 수 있지만, 이들 요소, 구성부, 영역, 층 및/또는 섹션은 이들 용어에 한정되어서는 아니됨을 이해할 것이다. 이들 용어들은 하나의 요소, 구성부, 영역, 층 및/또는 섹션은 다른 영역, 층 및/또는 섹션과 구별하기 위해 사용 되었을 뿐이다. 따라서, 이하에서 논의되는 제 1 요소, 구성부, 영역, 층 및/또는 섹션은 애당초 제 2 요소, 구성부, 영역, 층 및/또는 섹션으로 명명하였더라도 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않는다.
또한, "보다 낮은" 또는 "바닥", 및 "보다 위의" 또는 "상부"와 같은 상대적인 용어는 도면에 도시된 바와 같은 하나의 요소와 다른 요소와의 관계를 기술하기 위해 여기에 사용될 수 있다. 상대적인 용어들은 도면에 묘사된 방향뿐만 아니라 소자의 상이한 방향도 포괄할 의도임은 이해될 것이다. 예를 들면, 도면에서 어느 소자가 뒤집어지면, 다른 요소의 "보다 낮은 쪽" 면 위에 있는 것으로 기재된 요소는 그 다른 요소의 "위쪽" 면 위로 향하게 될 것이다. 따라서, 예시적인 용어 "보다 낮은"은 도면의 특정한 방향에 따라 "보다 낮은"과 "보다 높은"의 두 방향을 모두 포괄한다. 이와 유사하게, 어느 한 도면의 소자가 뒤집어지면, 어느 요소의 "보다 아래쪽" 또는 "밑에" 있는 것으로 기술된 요소는 다른 요소의 "위에" 있게 될 것이다. 따라서, 예시적인 용어 "보다 아래쪽" 또는 "밑에"는 위쪽과 아래쪽의 두 방향을 모두 포괄할 수 있다. 다른 지형에 "이웃하여" 배치되는 구조물 또는 지형에 대한 언급은 상기 이웃하는 지형과 겹치거나 그 밑에 깔리는 부분을 가질 수 있음은 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해될 것이다.
여기에서 사용되는 용어들은 특정한 구현예를 설명하기 위한 목적일 뿐이며, 본 발명을 한정할 의도는 아니다. 여기에서 사용될 때, 단수 형태 "하나의" 및 "상기"는 달리 문맥상 명확히 표현하지 않는 한 복수 형태도 포함할 의도이다. 용어 "포함한다" 및/또는 "포함하는"이 본 명세서에서 사용될 때, 언급된 특징, 요소 또 는 구성부의 존재를 특정하는 것이지 하나 이상의 다른 특징, 요소, 또는 구성부의 추가 또는 존재를 배제하는 것이 아님은 이해될 것이다.
본 발명의 구현예는 본 발명의 이상적인 구현예를 개념적으로 도시한 단면도, 평면도 및/또는 사시도를 참조하여 여기에 설명된다. 따라서, 예를 들면, 도면 형태로부터 제조 기술 및/또는 제조상의 공차(tolerance)의 결과 발생한 차이는 예견되는 것이다. 따라서, 본 발명의 구현예들은 여기에 도시된 영역의 특정한 형태에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니되며, 예를 들면, 제조로부터 야기되는 형태상의 변용을 포함하는 것이다. 예를 들면, 직사각형으로 도시된 영역은 한 영역에서 다음 영역으로 불연속적인 변화를 보이기보다는 그 가장자리에서 통상적으로 둥글거나 곡면 또는 기울어진 지형을 가질 것이다. 따라서, 도면에 도시된 영역들은 성질상 개념적인 것이고 이들의 형태는 소자의 영역의 정확한 형태를 도시할 의도인 것이 아니며 본 발명의 범위를 한정할 의도인 것도 아니다.
달리 정의되지 않는 한, 여기에 사용되는 모든 용어들은 (기술 용어와 과학 용어를 포함하여) 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 공통적으로 이해하고 있는 바와 동일한 의미를 갖는다. 또한, 통상적으로 사용되는 사전에 정의된 것과 같은 용어들은 관련되는 기술의 맥락에서 이들이 의미하는 바와 일관되는 의미를 갖는 것으로 해석되어져야 하며, 여기에 명시적으로 정의하지 않는 한 이상화되거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되어서는 아니 될 것임은 이해될 것이다.
이하에서 본 발명의 구현예들은, 주로 실리콘 카바이드계 기판 위의 갈륨 질 화물계 발광 다이오드를 참조하여 설명될 것이다. 그러나, 본 발명의 많은 구현예가 기판과 에피택시층의 수많은 상이한 조합에 대하여도 채용될 수 있음은 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자에 의하여 이해될 것이다. 예를 들면, 이러한 조합은 GaP 기판 위의 AlGaInP 다이오드; GaAs 기판 위의 InGaAs 다이오드; GaAs 기판 위의 AlGaAs 다이오드; SiC 또는 사파이어(Al2O3) 기판 위의 SiC 다이오드; 및/또는 갈륨 질화물, 실리콘 카바이드, 알루미늄 질화물, 사파이어, 실리콘, 아연 산화물 및/또는 다른 기판 위의 질화물계 다이오드를 포함할 수 있다.
GaN계 발광 소자는 통상 그 위에 복수개의 GaN계 에피택시 층이 형성되는, SiC 또는 사파이어와 같은 절연성 또는 전도성 기판을 포함한다. 상기 에피택시 층은 에너지를 공급받으면 빛을 방출하는 p-n 접합을 갖는 활성 영역을 포함할 수 있다.
비록 여기에 개시된 LED의 다양한 구현예들이 기판을 포함하지만, LED를 포함하는 에피택시 층이 그 위에 성장되는 결정성 에피택시 성장기판이 제거될 수 있고, 상기 자주 지지되는(freestanding) 에피택시 층은 원래의 기판보다 더 우수한 열적, 전기적, 구조적 및/또는 광학적 특성을 가질 수 있는 대체적인 캐리어 기판 또는 서브마운트 위에 탑재될 수 있음은 당 기술분야에 통상의 지식을 가진 자는 이해할 것이다. 여기에 설명된 본 발명은 결정성 에피택시 성장 기판을 갖는 구조에 한정되지 않으며, 상기 에피택시층이 원래의 성장 기판으로부터 제거되고 대체 캐리어 기판에 접합되는 구조물과 연관되어 이용될 수 있다.
본 발명의 구현예에서 사용하기 위한 발광 소자는 노스캐롤라이나 더햄(Durham)의 크리사(Cree, Inc.)가 제조 및 판매하는 소자와 같은 실리콘 카바이드 기판 위에 제조된 레이저 또는 갈륨 질화물계 발광 다이오드일 수 있다. 예를 들면, 본 발명은 그 개시한 바가 여기에 완전히 설명된 것처럼 여기에 인용되어 통합되는 미합중국 특허 제6,740,906호; 제6,201,262호; 제6,187,606호; 제6,120,600호; 제5,912,477호; 제5,739,554호; 제5,631,190호; 제5,604,135호; 제5,523,589호; 제5,416,342호; 제5,393,993호; 제5,338,944호; 제5,210,051호; 제5,027,168호; 제5,027,168호; 제4,966,862호 및/또는 제4,918,497호에 기재된 것과 같은 LED 및/또는 레이저에 대하여 사용하기에 적합할 수 있다. 다른 적합한 LED 및/또는 레이저는 그 개시한 바가 여기에 완전히 설명된 것처럼 여기에 인용되어 통합되는 미합중국 특허공개 US 2003/0006418 "GROUP III NITRIDE BASED LIGHT EMITTING DIODE STRUCTURES WITH A QUANTUM WELL AND SUPERLATTICE, GROUP III NITRIDE BASED QUANTUM WELL STRUCTURES AND GROUP III NITRIDE BASED SUPERLATTICE STRUCTURES"에 설명되어 있다.
본 발명의 일부 구현예에서, 상기 발광 소자는 활성 영역에서 생성된 빛을 상기 소자를 통하여 반사하기 위한 반사층을 제공하는 p-전극을 포함할 수 있다. 반사성의 p-전극 및 관련 구조는 그 개시한 바가 여기에 완전히 설명된 것처럼 여기에 인용되어 통합되는 미합중국 특허공개 US 2003/0123164 "LIGHT EMITTING DIODES INCLUDING SUBSTRATE MODIFICATIONS FOR LIGHT EXTRACTION AND MANUFACTURING METHODS THEREFOR"에 설명되어 있다.
도 2a에 나타낸 구현예를 참조하면, 본 발명의 일부 구현예에 따라 LED를 패키징하는 방법은 기판(12)과 에피택시 성장층(14)을 포함하는 에피웨이퍼(epiwafer)(10)를 채용한다. 앞서 논의한 바와 같이, 상기 기판(12)은 4H 또는 6H 폴리형의 실리콘 카바이드 단결정일 수 있다. 상기 에피택시 성장층(14)은 p-n 접합 다이오드 구조, 아이소형(isotype) 헤테로구조 다이오드 구조, 또는 다른 다이오드 구조를 형성하는 p- 및 n-형 층(미도시)을 포함할 수 있다. 일반적으로, 상기 n-형 층은 상기 기판(12)의 직접 위에 형성될 수 있는 한편, 상기 p-형 층은 상기 n-형 층 위에 형성된다. 일부 구현예에서, 상기 에피택시층은 GaN, AlGaN, 및/또는 InGaN과 같은 하나 이상의 3족 질화물 반도체 물질을 포함한다. 따라서, 상기 에피택시 성장층(14)은 다중층을 포함할 수 있으며, 이들은 에피택시층(14)으로 통칭한다.
상기 에피웨이퍼(10)는 마스크를 올리고, 패터닝하고, 및 습식 및/또는 건식 식각 기술을 이용하여 식각함으로써 도 2b에 나타낸 바와 같이 복수개의 다이오드(16)를 형성할 수 있다. 상기 다이오드(16)의 각각은 p-n 접합 발광 다이오드를 포함할 수 있다. 상기 다이오드(16)가 발광 다이오드, 초발광 다이오드(superluminescent diode), 레이저 다이오드 및/또는 그 외 다른 고체상 발광 소자를 포함하는 것임은 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이해될 것이다.
도 2c의 구현예를 참조하면, 상기 에피웨이퍼(10)는 그 후 상하를 뒤집어(즉, 플립칩 방식으로 에피택시 쪽이 아래가 되도록) Si, SiC, GaAs, AlN 또는 다른 적합한 기판을 포함할 수 있는 캐리어 기판(20)에 웨이퍼 본딩될 수 있다. 특 히, 캐리어 기판(20)은 반도체 웨이퍼, 또는 절연성 또는 반절연성 물질의 웨이퍼일 수 있다. 일부 구현예에서, 캐리어 기판(20)은 전기절연성이고 높은 열전도도를 갖는다. 캐리어 기판(20)은 자신을 관통하는 복수개의 전도성 비아(22A, 22B)를 포함할 수 있다. 아래에서 더욱 상세하게 논의하는 바와 같이, 상기 비아(22A, 22B)는 상기 다이오드(16)의 전극, 예를 들면, 상기 다이오드(16)의 애노드(양극) 및 캐소드(음극) 콘택과 전기적인 접촉을 이루기 위해 사용될 수 있다. 상기 비아(22A, 22B)는 상기 캐리어 기판(20)에 쓰루홀(through-hole)로서 형성되고, 금속과 같은 전도성 물질로 채워지거나 및/또는 도금됨으로써 형성될 수 있다. 적어도 하나의 비아(22A)가 각 다이오드(16)의 표면과 전기적인 접촉을 할 수 있고, 그에 의하여 상기 다이오드(16)에 애노드 또는 캐소드 접촉을 형성한다. 이웃하는 비아(22B)는 금속배선(metallization)(미도시)의 방법에 의하여 상기 다이오드(16)의 반대쪽 표면에 짝지워질 수 있고, 그에 의하여 상기 다이오드(16)에의 반대쪽(캐소드 또는 애노드) 연결을 형성한다. 상기 비아(22A, 22B)와 상기 다이오드(16)의 상호 연결은 아래에서 더욱 상세하게 설명한다. 비아(22A, 22B)는 에피웨이퍼(10)의 본딩 전 또는 후에 상기 캐리어 기판(20)에 형성될 수 있다.
도 2d에 나타낸 바와 같이, 상기 기판(12)은 예를 들면, 식각, 기계적인 래핑(lapping) 또는 그라인딩 및 연마에 의해 박층화(thinning)되어 전체 구조물의 두께를 감소시킬 수 있다. 특히, 상기 기판(12)은 150 마이크론 미만의 두께로 박층화될 수 있다. 상기 기판(12)의 박층화는 상기 다이오드(16)를 작동하기 위해 필 요한 순방향 전압(Vf)도 감소시킬 수 있다. 상기 기판(12)을 박층화시키는 기술은 그 개시한 바가 여기에 완전히 설명된 것처럼 여기에 인용되어 통합되고 2004년 11월 12일에 출원된 미합중국 특허출원 일련번호 제10/987,135호 "Methods of Processing Semiconductor Wafer Backsides Having Light Emitting Devices (LEDs) Thereon and LEDs So Formed"에 설명되어 있다. 또한, 상기 기판(12)은 광추출을 향상시킬 수 있는 각진 측벽과 같은 기하학적 지형을 도입하기 위해 소잉, 레이저 스크라이빙 또는 다른 기술을 이용하여 성형(shaped) 또는 조면화(roughened)될 수 있다. 광추출을 향상시키기 위해 상기 기판(12)은, 예를 들면, 그 개시한 바가 여기에 완전히 설명된 것처럼 여기에 인용되어 통합되고 2004년 3월 26일에 출원된 미합중국 특허출원 일련번호 제10/811,350호 "ETCHING OF SUBSTRATES OF LIGHT EMITTING DIODES"에 설명된 식각 공정을 이용하여 식각될 수 있다.
그런 후, 도 2e에 나타낸 바와 같이, 상기 기판(12)의 일부는 각 개별 다이오드(16)를 격리하기 위해, 예를 들면, 식각 및/또는 소잉에 의하여 선택적으로 제거될 수 있다. 선택적으로, 도 2f에 나타낸 바와 같이, 상기 기판은 기판 제거 기술에 의해 완전히 제거될 수 있으며, 상기 기판 제거 기술은 그 개시한 바가 여기에 완전히 설명된 것처럼 여기에 인용되어 통합되는 미합중국 특허 제6,559,075호, 제6,071,795호, 제6,800,500호 및/또는 제6,420,199호 및/또는 미합중국 특허공개 제2002/0068201호에 교시된 기술과 같은 기술일 수 있다.
상기 다이오드(16)가 일단 상기 캐리어 기판(20) 위에서 격리되면(기판(12) 의 부착된 부분이 있거나 없거나), 상기 개별 다이오드(16)는 선택적인 파장 변환층(25)으로 코팅될 수 있다. 상기 파장 변환층(25)은 상기 다이오드(16)에서 방출되는 빛을 더 낮은 주파수(더 긴 파장)의 빛으로 하향 변환시키기 위해 미합중국 특허 제5,998,925호, 미합중국 특허공개 제2002/0105266호 및/또는 미합중국 특허공개 제2004/0051111호에 설명된 하나 이상의 인광 물질과 같은 파장 변환 인광물질을 포함할 수 있다. 기술 분야에 알려진 바와 같이, 변환되지 않은 채 상기 다이오드(16)에 의해 방출되는 빛은 상기 변환층(25)에 의해 변환되어 방출되는 빛과 결합되어 제 3의 색상으로 감지되는 빛을 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 다이오드(16)에 의해 방출되는 청색광은 상기 변환층(25)에 의해 방출되는 황색광과 결합되어 색상이 백색 또는 거의 백색인 것으로 관찰자에게 감지될 수 있는 빛을 형성할 수 있다.
도 2g에 나타낸 바와 같이, 투명한 에폭시와 같은 봉지 물질(26)을 각 다이오드(16) 위에 한 방울씩 위치시킬 수 있다. 상기 봉지 물질(26)은 상기 다이오드(16)에 기계적 및 환경적인 보호를 제공할 수 있으며, 또한 렌즈로서 역할을 할 수도 있다. 굴절율이 약 1.6 이상인 복합 봉지 물질, 예를 들면, 고굴절율의 나노입자를 포함하는 복합 봉지 물질을 이용함으로써, 상기 다이오드의 효율이 개선될 수 있다. 그런 후, 도 2h에 도시된 바와 같이, 상기 캐리어 기판(20)은 (예를 들면, 소잉에 의하여) 다이싱되어 회로 또는 시스템에 즉시 장착될 수 있는 패키징된 개별 소자(30)를 형성하게 된다.
패키징된 소자(30)에의 접촉은 상기 비아(22A, 22B)와 결합된 캐리어 기판의 바닥 표면 위의 본딩 패드(미도시)에의 연결에 의하여 이루어진다. 따라서, 상기 패키징된 소자는 회로 기판 또는 다른 캐리어에 솔더 본딩, 에폭시 본딩 또는 다른 방법에 의하여 직접 부착될 수 있다. 소자의 분리가 가장 마지막에 일어나므로, 상기 패키징 공정의 대부분은 웨이퍼 수준에서 이루어지며, 이는 패키징된 소자의 전체 가격을 상당히 감소시킬 수 있다. 다이 하나 당 패키징 비용을 감소시키는 것은 패키징된 부품에 의한 광출력의 루멘당 비용을 연쇄적으로 감소시킬 수 있다. 또한, 그 결과 제조되는 패키징된 소자는 상대적으로 작을 수 있으며, 이는 종래의 패키지에 비하여 더 작은 면적에 상기 패키징된 소자를 위치시킬 수 있게 하고, PCB 위의 공간의 절약을 가져온다. 더 작은 칩규모 패키징을 제공함으로써, 2차 광학(예를 들면, 시스템 내의 다른 렌즈 또는 반사기)도 더욱 컴팩트하고 수용가능하게 이루어질 수 있다.
본 발명의 일부 구현예에 따른 패키지로부터의 광추출은 통상의 패키지로부터의 광추출에 필적할 수 있거나 또는 더 우수할 수 있다. 특히, 본 발명의 일부 구현예에 따른 팩키지로부터의 광추출은 상기 다이오드(16)의 본딩되지 않은 표면 및/또는 상기 캐리어 기판(20)의 본딩되지 않은 표면과 같은 상기 패키지 위에 또는 내부에 있는 다양한 표면 위에 광추출 지형을 형성함으로써 증가될 수 있다. 상기 다이오드(16)의 표면 위의 광추출 지형은, 예를 들면, 소자의 표면에서 내부 전반사를 감소시킬 수 있는 표면의 거침(roughness), 경사진 표면, 피라미드형 또는 원뿔형 지형 등을 포함할 수 있다. 상기 캐리어 기판(20)의 본딩되지 않은 표면은 반사층으로 코팅되거나 및/또는 텍스쳐(texture)될 수 있다. 또한, 고 굴절률의 물 질을 포함하여 광 산란제가 상기 봉지 물질(26)에 첨가될 수 있고, 상기 봉지 물질(26)의 표면은 광 추출을 개선하기 위해 조면화되거나 작은 면을 갖도록 깎여질(faceted) 수 있다.
본 발명의 일부 구현예에 따른 패키지의 열적 저항(thermal resistance)은 상기 다이오드(16)과 캐리어 기판(20) 사이의 웨이퍼 본딩 연결로 인하여 통상의 패키지의 열적 저항보다 낮을 수 있다. 특히, 상기 패키지의 열적 저항은 캐리어 웨이퍼가 SiC 또는 AlN과 같이 높은 열전도도의 물질을 포함하는 경우 낮을 수 있다. 선택적으로, 상기 패키지의 열적 저항 및/또는 전기저항은 각 다이오드(16)의 캐리어 기판을 관통하는 추가적인 비아를 형성하는 것에 의해 더욱 낮아지도록 만들어질 수 있다.
본 발명의 추가적인 구현예를 도 3a 내지 도 3d에 나타내었다. 여기에 도시하는 바와 같이, 기판(12)과 에피택시층(14)을 포함하는 에피웨이퍼(10)는 그 안에 개별 다이오드를 정의하기 위해 상기 에피택시층(14)을 먼저 패터닝하고 식각함 없이 캐리어 기판(20)에 웨이퍼 본딩될 수 있다. 그런 후, 상기 기판(12)은 위에서 언급하였던 통상의 리프트-오프(lift-off) 기술을 이용하여 제거될 수 있다. 그 결과 얻어지는, 캐리어 기판(20)에 웨이퍼 본딩된 에피택시층(14)은 개별 다이오드(16)를 정의하는 메사를 형성하기 위해 식각될 수 있다. 그런 후, 그 결과 얻어지는 구조는 도 2f 내지 도 2h와 관련하여 앞서 설명된 바와 같이 처리될 수 있다. 이들 구현예들의 장점의 하나는 상기 에피웨이퍼(10)가 상기 캐리어 기판(20)에 본딩될 때 상기 캐리어 기판(20) 위의 본딩 패드와 정확하게 정렬될 필요가 없다는 점이다.
본 발명의 일부 구현예에 따라 소자를 제조하기 위한 과정은 도 4a 내지 도 4j에 더욱 상세하게 나타내어져 있다. 명확성을 위해 도 4a 내지 도 4j에는 하나의 다이오드(16)만을 도시하였다. 도 4a에 나타낸 바와 같이, 자신 위에 복수개의 다이오드(16)가 형성되는 기판(12)은 자신 위에 복수개의 본딩 패드(24)가 형성되는 캐리어 기판(20)에 웨이퍼 본딩된다. 다이오드(16) 위의 금속 스택(26)이 본딩 패드(24)에 본딩된다. 금속 스택(26)은 그 개시한 바가 여기에 완전히 설명된 것처럼 여기에 인용되어 통합되는 미합중국 특허공개 제2003/0045015호, 미합중국 특허공개 제2003/0042507호, 미합중국 특허 제6,747,298호 및/또는 PCT 공개 WO04/010509에 설명된 바와 같이 오믹, 장벽, 반사기 및/또는 본딩층을 포함할 수 있다. 웨이퍼(12)를 상기 캐리어 기판(20)에 본딩한 후, 상기 성장 웨이퍼(12)는 앞서 언급한 방법에 따라 제거될 수 있다. 일부 구현예에서, 웨이퍼(12)는 완전히 제거되는 대신 박층화될 수 있다. 다음으로, 도 4c에 도시한 바와 같이, 복수개의 비아(22A, 22B)가 상기 기판(20) 내에 형성될 수 있다. 각 다이오드(16)에 대하여, 적어도 하나의 비아(22B)가 각 본딩 패드(24)의 아래에 형성될 수 있다. 그런 후, 상기 비아(22A, 22B)는 도 4d에 나타낸 바와 같이 금속 또는 다른 전도성 물질로 도금되거나 채워질 수 있다. 또한, 기판(20)의 뒷면 위에는(즉, 다이오드(16)의 반대편에는) 도 4e에 나타낸 바와 같이 전도성 비아(22A, 22B)와 각각 전기적으로 접촉하는 본딩 패드(28A, 28B)가 형성될 수 있다. 도 4f에 나타낸 바와 같이, 상기 다이오드(16)에 이웃하여 기판(20)의 상부 표면 위에 패시베이션층(32)이 형성될 수 있으 며, 다이오드(16)의 표면 위의 전극의 적어도 일부분과 상기 비아(22B)의 적어도 일부분이 드러나도록 패터닝한다. 상기 비아(22A)와 비아(22B)는 형성될 때 서로 전기적으로 절연되는 점을 주의하라(이와 동일하게 본딩 패드(28A)와 본딩 패드(28B)도 서로 절연된다). 이러한 절연은 수많은 방법으로 제공될 수 있다. 예를 들면, 상기 캐리어 기판은 절연성 또는 반절연성의 물질로 제조될 수 있다. 선택적으로, 만일 상기 캐리어 기판이 전기적으로 전도성의 물질이라면, 상기 캐리어 기판의 표면은 채워지지 않은 비아를 포함하여 절연성의 물질로 코팅될 수 있다.
도 4g의 구현예를 참조하면, 금속배선(33)이 상기 전도성 비아(22B)와 다이오드(16)의 노출된 전극을 연결하기 위해 (증착(evaporation)과 같은) 통상의 기술을 이용하여 형성될 수 있다. 일부 구현예에서, 비아(22B)와 배선연결되기 전에 다이오드(16)의 노출된 표면 위에 오믹 콘택(미도시)이 형성될 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 패시베이션층(32)은 금속 배선(33)이 형성된 후에 부분적으로 또는 완전히 제거되어 다이오드(16)의 노출된 표면과 비아(22B) 사이에 소위 구름다리 연결(air bridge connection)을 남길 수 있다. 도 4h에 보인 바와 같이, 각 다이오드(16)의 둘레에, 상기 소자에 의해 방출되는 빛을 원하는 방향으로 반사하기 위해, 예를 들면 전기도금을 이용하여, 반사성 표면(34)을 형성할 수 있다. 그런 후, 봉지 물질(36)이 상기 반사성 표면(34)에 의해 정의되는 공동(35) 내에, 다이오드(16) 위에 채워넣을 수 있다(도 4i). 일부 구현예에서, 반사성 표면(34)에 의해 정의된 상기 공동(35)은, 예를 들면, 상기 다이오드(16) 위로 연장되지 않을 정도로 얕을 수 있지만, 그의 가장자리는 표면장력의 작용을 통해 봉지 물질의 형태를 정의하도록 역할을 할 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 봉지 물질(36)은 위에서 설명한 바와 같은 파장 변환 물질을 포함할 수 있다. 마지막으로, 도 4j에 나타낸 바와 같이 선택적인 밀봉층(38)이 상기 공동(35) 위에 형성될 수 있다. 상기 밀봉층(38)은 SiO2를 포함할 수 있으며 상기 다이오드(16)에 대하여 추가적인 보호를 제공하기 위해 상기 공동(35) 위에 기밀밀봉(hermetic seal)을 형성할 수 있다. 그런 후, 완전히 패키징된 소자는 패키징된 개별 소자를 제공하기 위해 분리될 수 있다.
본 발명의 추가적인 구현예에 따른 패키징된 소자의 제조 방법이 도 5a 내지 도 5i에 도시되었다. 도 5a의 구현예를 참조하면, 기판(12) 및 에피택시층(14)을 포함하는 에피웨이퍼(10)는 복수개의 다이오드(16)를 형성하도록 식각될 수 있다. 명확성을 위해 도 5a 내지 도 5i에는 하나의 다이오드(16)만을 도시하였다. 각 다이오드(16)의 상부층(16A)은 전도형(p 또는 n)을 갖는다. 각 다이오드(16)의 일부분은 상기 상부층(16A)의 전도형과 반대되는 전도형을 갖는 콘택층(16B)을 드러내도록 추가적으로 식각된다. 상기 구조물에 패시베이션층(32)이 적용되고 다이오드(16)의 가장자리를 격리하기 위해, 또한 상부층(16A)을 콘택층(16B)으로부터 격리하기 위해 패터닝된다. 그런 후, 도 5b에 나타낸 바와 같이 상부층(16A) 및 콘택층(16B) 위에 각각 금속 스택(34A) 및 금속 스택(34B)가 형성된다. 상기 금속 스택(34A, 34B)은 위에서 설명한 바와 같은 오믹, 장벽, 반사기 및/또는 본딩층을 포함할 수 있다.
도 5c 내지 도 5e의 구현예를 참조하면, 캐리어 기판(20)이 제공된다. 캐리 어 기판(20)은 SiC, AlN, GaAs, Si, 또는 다른 적합한 기판 물질을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 캐리어 기판(20)은 절연성이고 높은 열전도도를 가질 수 있다. 비아(22A, 22B)가 캐리어 기판(20)을 관통하여 식각되고 금속 또는 다른 전도성 물질로 도금되거나 채워질 수 있다. 도 5d 및 도 5e에 나타낸 바와 같이, 배면 배선(28A, 28B)이 캐리어 기판(20)의 바닥에 형성될 수 있는 한편, 본딩 패드(24A, 24B)가 캐리어 기판(20)의 상부 표면 위에 형성될 수 있다. 도 5f에 나타낸 바와 같이 배선(28A, 28B)은, 예를 들면, PCB 위에 완성된 소자를 탑재하기 위해 사용될 수 있고, 한편 본딩 패드(24A, 24B)는 다이오드(16)의 금속 스택(34A, 34B)에 각각 본딩하기 위해 사용될 수 있다.
도 5g의 구현예를 참조하면, 상기 에피웨이퍼(10)를 캐리어 기판(20)에 본딩한 후, 기판(12)은 제거되어 상기 캐리어 기판(20)에 본딩된 개별 다이오드(16)를 남길 수 있다. 선택적으로, 기판(12)은 완전히 제거되지 않고 박층화될 수도 있다. 기판(12)은 캐리어 기판(20)에 웨이퍼 본딩되기 전 또는 후에 박층화될 수 있다.
다이오드(16)는, 예를 들면 전기 영동 증착(electrophoretic deposition)을 이용하여 도 5h에 나타낸 바와 같이 선택적인 파장 변환층(25)으로 코팅될 수 있고, 도 5i에 나타낸 바와 같이 환경적 및 기계적인 보호를 칩에 제공할 수 있는 한편 렌즈로서의 역할도 수행하는 투명한 수지 봉지물질(27)의 방울로 덮여질 수 있다. 그런 후, 패키징된 개별 소자(30)는, 예를 들면, 상기 캐리어 기판(20)을 다이싱함으로써 분리될 수 있다. 일부 구현예에서, 상기 파장 변환층(25)은 상기 캐리어 기판의 표면의 일부 위로 연장될 수 있다.
도 6은 하나의 패키징된 소자(60) 내에 다중 다이오드(36A, 36B)가 제공되는 본 발명의 구현예를 나타낸다. 상기 다이오드(36A, 36B)는 위에서 설명한 기술을 이용하여 직렬 또는 병렬 방식으로 연결될 수 있다. 선택적으로, 상기 다이오드는 서로 전기적으로 격리될 수 있다. 게다가, 모든 상호 연결은 웨이퍼 수준에서 수행될 수 있기 때문에 패키징된 소자를 제조하는 데 필요한 공정 단계 및 비용을 줄일 수 있다. 따라서, 여분의 소자가 내장됨으로써 소자의 신뢰도를 개선할 수 있다.
도 7은 본 발명의 구현예를 나타낸다. 상기 구현예에서, 캐리어 기판(20)은 도전체 또는 반도체 물질(예를 들면, Si, SiC)로 이루어진다. 그에 의하여 상기 캐리어 기판(20)은 예를 들면 본딩 패드(24A)와 배면 배선(28A) 사이에 전기적 연결을 제공하는 역할을 할 수 있다. 결과적으로 본딩 패드(24A)와 배면 배선(28A)을 연결하는 비아의 형성은 (비록 그럼에도 불구하고 위에서 설명한 바와 같이 열전도도를 개선하기 위해 비아가 형성될 수 있지만) 전기적인 연결을 제공하기 위해 필요하지 않을 수 있다. 이들 구현예에서, 전기적인 격리를 제공하기 위해 비아(22B), 본딩 패드(24B), 및/또는 배면 배선(28B)과 도전성 기판(20) 사이에 장벽(29)이 형성될 수 있다. 상기 장벽(29)은 비아를 형성한 후에 기판 위에 증착된 얇은 절연층(예를 들면, SiN)을 포함할 수 있다. 선택적으로, 비아의 매립 및 본딩 패드 및 배면 배선을 형성하기 전에 (예를 들면, 도펀트 확산에 의하여) 전류 차단 반도체 접합(current blocking semicondcutor junction)을 형성함으로써 제공될 수 있다. 상기 장벽(29)을 형성하는 다른 방법은 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 매우 명백할 것이다. 전류 차단 반도체 접합은, 그 개시한 바가 여기에 완전 히 설명된 것처럼 여기에 인용되어 통합되고 2004년 11월 12일에 출원된 미합중국 특허출원 제10/987,894호 "Semiconductor Light Emitting Devices and Submounts and Methods for Forming the Same"에 더욱 상세히 설명된 바와 같이 정전기 방전 보호를 위한 제너(Zener) 다이오드로서 역할을 할 수도 있다.
위에서 설명되고 도면에 도시된 다양한 요소들은 수많은 상이한 구성으로 별도로 또는 함께 조합될 수 있음은 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 이해될 것이다. 제조 단계의 정확한 순서도 나타낸 것과 달라질 수 있음도 이해될 것이다. 본 발명의 구현예들이 여기에 개시되었으며, 비록 특정 용어가 채용되었지만, 이들은 포괄적이고 설명적인 의미로만 사용되었고 그렇게 해석되어야 하며 한정의 목적으로 사용된 것이 아니다. 따라서, 첨부된 청구항에 설명된 본 발명의 범위의 정신으로부터 벗어나지 않으면서 형태와 상세한 부분에 있어서 수많은 변화가 있을 수 있음은 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 이해될 것이다.

Claims (64)

  1. 상부 표면과 하부 표면을 갖는 캐리어 기판;
    상기 캐리어 기판의 상부 표면으로부터 상기 캐리어 기판의 하부 표면까지 연장되는 제 1 및 제 2 전도성 비아;
    상기 제 1 전도성 비아와 전기적으로 접촉하고 상기 캐리어 기판의 상부 표면 위에 있는 본딩 패드;
    제 1 및 제 2 전극을 갖는 다이오드로서, 상기 다이오드는 상기 본딩 패드 위에 탑재되고, 상기 제 1 전극이 상기 본딩 패드와 전기적으로 접촉하는 다이오드;
    상기 다이오드의 위에 위치하고, 상기 다이오드의 제 2 전극을 노출하는 패시베이션 층; 및
    상기 캐리어 기판의 상부 표면 위에 있고 상기 제 2 전도성 비아 및 상기 제 2 전극과 전기적으로 접촉하는 전도성 배선(trace)으로서, 상기 제 2 전극과 접촉하기 위해 상기 패시베이션층 위를 가로질러 연장되는 전도성 배선;
    을 포함하는 패키징된 발광 소자.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 패시베이션층이 상기 캐리어 기판의 일부분과 직접 접촉하고, 상기 패시베이션층이 상기 다이오드의 제 2 전극과 직접 접촉하는 것을 특징으로 하는 패키징된 발광 소자.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 패시베이션층이 상기 본딩 패드의 일부분도 추가적으로 덮고, 상기 본딩 패드의 일부분과 직접 접촉하는 것을 특징으로 하는 패키징된 발광 소자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 다이오드에 이웃하고 상기 캐리어 기판 위에 위치하는 반사층;
    을 더 포함하고, 상기 반사층이 상기 전도성 배선과 상기 패시베이션층의 일부를 덮는 것을 특징으로 하는 패키징된 발광 소자.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 다이오드에 이웃하고 상기 캐리어 기판 위에 위치하는 반사층;
    을 더 포함하고, 상기 반사층이 상기 전도성 배선과 상기 패시베이션층의 일부를 덮는 것을 특징으로 하는 패키징된 발광 소자.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 6 항에 있어서, 상기 반사층은 봉지 물질로 채워지는 공동을 정의하고, 상기 반사층의 위와 상기 봉지 물질의 위에 밀봉층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패키징된 발광 소자.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 밀봉층이 상기 반사층에 대해 기밀 밀봉을 형성하는 것을 특징으로 하는 패키징된 발광 소자.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 다이오드가 성장 기판이 제거된 에피택시 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 패키징된 발광 소자.
  18. 성장 기판과 상기 성장 기판 위의 에피택시 구조를 포함하는 에피웨이퍼(epiwafer)를 제공하는 단계;
    전도성 캐리어 기판을 상기 에피웨이퍼의 에피택시 구조에 본딩하는 단계;
    상기 전도성 캐리어 기판을 관통하는 복수개의 전도성 비아로서, 절연 코팅에 의해 상기 전도성 캐리어 기판으로부터 절연되는 전도성 비아를 형성하는 단계;
    상기 에피택시 구조 내에 복수개의 격리된 다이오드를 정의하는 단계; 및
    상기 복수개의 전도성 비아를 각각 복수개의 격리된 다이오드의 하나와 전기적으로 연결하는 단계;
    를 포함하는 패키징된 발광 소자의 형성 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 캐리어 기판을 상기 에피택시 구조에 본딩하는 단계 및 그에 이어서 수행되는 상기 성장 기판을 상기 에피택시 구조로부터 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패키징된 발광 소자의 형성 방법.
  20. 삭제
  21. 제 18 항에 있어서, 상기 캐리어 기판을 관통하는 복수개의 전도성 비아를 형성하는 단계가 격리된 각 다이오드에 대하여 상기 캐리어 기판을 관통하는 한 쌍의 비아를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 패키징된 발광 소자의 형성 방법.
  22. 삭제
  23. 삭제
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  30. 제 18 항에 있어서, 상기 캐리어 기판을 상기 에피택시 구조에 본딩하는 단계에 앞서서 상기 캐리어 기판 위에 복수개의 본딩 패드를 형성하는 단계가 수행되고, 격리된 복수개의 다이오드가 각각 복수개의 본딩 패드의 적어도 하나에 본딩되는 것을 특징으로 하는 패키징된 발광 소자의 형성 방법.
  31. 제 30 항에 있어서, 상기 전도성 비아가 각각 상기 복수개의 본딩 패드의 적어도 하나와 전기적으로 접촉하는 것을 특징으로 하는 패키징된 발광 소자의 형성 방법.
  32. 제 31 항에 있어서, 복수개의 전도성 비아를 형성하는 단계가 각 격리된 다이오드에 대하여 전도성 비아의 쌍을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 패키징된 발광 소자의 형성 방법.
  33. 제 32 항에 있어서, 상기 복수개의 다이오드가 본딩되는 캐리어 기판의 면의 반대쪽의 캐리어 기판 면 위에 복수개의 본딩 패드를 형성하고, 복수개의 본딩 패 드가 각각 복수개의 전도성 비아의 적어도 하나와 전기적 접촉을 이루도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패키징된 발광 소자의 형성 방법.
  34. 제 30 항에 있어서, 상기 캐리어 기판 및 복수개의 다이오드의 적어도 하나의 다이오드의 직접 위에 위치하는 패시베이션층으로서 상기 적어도 하나의 다이오드 위의 전극을 노출시키는 패시베이션층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패키징된 발광 소자의 형성 방법.
  35. 제 34 항에 있어서, 상기 캐리어 기판의 복수개의 다이오드가 본딩된 쪽의 면 위에 위치하는 복수개의 전도성 배선으로서, 상기 복수개의 전도성 배선이 각각 전도성 비아와 상기 캐리어 기판 반대편의 다이오드의 상부 표면을 전기적으로 연결하는 전도성 배선을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패키징된 발광 소자의 형성 방법.
  36. 제 35 항에 있어서, 상기 캐리어 기판의 상부 표면 위에 위치하는 반사층으로서, 적어도 하나의 다이오드 위에 공동을 정의하고, 상기 패시베이션층의 일부와 상기 복수개의 전도성 배선의 적어도 하나의 일부분을 덮는 반사층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패키징된 발광 소자의 형성 방법.
  37. 제 36 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 다이오드 위의 공동 내에 봉지 물질을 위치시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패키징된 발광 소자의 형성 방법.
  38. 삭제
  39. 제 37 항에 있어서, 밀봉 요소로 상기 공동, 상기 봉지 물질 및 상기 반사층을 덮는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패키징된 발광 소자의 형성 방법.
  40. 삭제
  41. 제 18 항에 있어서, 상기 캐리어 기판을 상기 에피택시 구조에 본딩하고 상기 에피택시 구조 내에 복수개의 다이오드를 정의한 후, 정의된 복수개의 다이오드를 파장 변환 물질을 포함하는 코팅으로 각각 코팅하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패키징된 발광 소자의 형성 방법.
  42. 제 18 항에 있어서,
    상기 복수개의 격리된 다이오드의 적어도 하나의 다이오드를 투명한 수지로 덮는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 다이오드를 분리하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패키징된 발광 소자의 형성 방법.
  43. 제 18 항에 있어서,
    상기 복수개의 격리된 다이오드의 적어도 두 개의 격리된 다이오드를 투명한 수지로 덮는 단계; 및
    적어도 두 개의 다이오드를 갖는 패키징된 소자를 형성하기 위하여 상기 적어도 두 개의 격리된 다이오드를 복수개의 격리된 다이오드로부터 분리하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패키징된 발광 소자의 형성 방법.
  44. 제 18 항에 있어서,
    격리된 복수개의 다이오드의 적어도 하나를 봉지 물질로 봉지하는 단계; 및
    격리된 복수개의 다이오드의 적어도 하나를 패키징된 개별 소자로 분리하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패키징된 발광 소자의 형성 방법.
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  49. 제 1 항에 있어서, 상기 전도성 배선이 상기 제 2 전도성 비아와 상기 제 2 전극 사이에 구름다리(air bridge)를 형성하는 것을 특징으로 하는 패키징된 발광 소자.
  50. 제 1 항에 있어서, 적어도 하나의 추가적인 전도성 비아가 상기 캐리어 기판의 상부 표면으로부터 상기 캐리어 기판의 하부 표면까지 연장되는 것을 특징으로 하는 패키징된 발광 소자.
  51. 삭제
  52. 삭제
  53. 제 18 항에 있어서, 상기 캐리어 기판을 관통하는 복수개의 전도성 비아를 형성하는 단계가 상기 에피택시 구조를 상기 캐리어 기판에 본딩하는 단계에 선행하는 것을 특징으로 하는 패키징된 발광 소자의 형성 방법.
  54. 삭제
  55. 삭제
  56. 삭제
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  58. 상부 표면과 하부 표면을 갖는 전도성 캐리어 기판;
    상기 캐리어 기판의 상부 표면으로부터 상기 캐리어 기판의 하부 표면까지 연장되는 전도성 비아;
    상기 전도성 비아와 상기 캐리어 기판 사이의 전류 차단층;
    상기 캐리어 기판의 상부 표면 위의 본딩 패드;
    제 1 및 제 2 전극을 갖는 다이오드로서, 상기 다이오드는 상기 본딩 패드 위에 탑재되고, 상기 제 1 전극이 상기 본딩 패드와 전기적 접촉을 하는 다이오드; 및
    상기 캐리어 기판의 상부 표면 위에 있고 상기 전도성 비아 및 상기 제 2 전극과 전기적 접촉을 이루는 전도성 배선;
    을 포함하는 패키징된 발광 소자.
  59. 삭제
  60. 삭제
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  64. 상부 표면과 하부 표면을 갖는 캐리어 기판;
    상기 캐리어 기판의 상부 표면으로부터 상기 캐리어 기판의 하부 표면까지 연장되는 제 1 및 제 2 전도성 비아;
    상기 캐리어 기판의 상부 표면 위에 있고 상기 제 1 전도성 비아와 전기적으로 접촉하는 본딩 패드;
    제 1 및 제 2 전극을 갖는 다이오드로서, 상기 다이오드가 상기 본딩 패드 위에 탑재되고, 상기 제 1 전극이 상기 본딩 패드와 전기적으로 접촉하는 다이오드; 및
    상기 캐리어 기판의 상부 표면 위에 있고 상기 제 2 전도성 비아 및 상기 제 2 전극과 전기적으로 접촉하는 전도성 배선;
    을 포함하는 패키징된 발광 소자.
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