KR101262864B1 - 이미지 센서와 광원을 구비하는 장치에 적합한 적외선 발광다이오드의 하부 전극 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적외선 발광다이오드의 하부 전극 구조에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 적외선 발광다이오드의 안정된 전기적 특성을 유지시키면서 우수한 광학적 특성을 부여할 수 있는 패턴화된 하부 전극을 설계하는 것이다.
상기 하부 전극은 상기 하부 전극은 종횡비가 1.2 이상인 다수의 세장형 세편으로 구성되고, 상기 세장형 세편들은 각 세장형 세편의 길이보다 작지만 동일한 간격으로 나란히 이격되게 배치된다. 상기 세장형 세편들은 서로 결합하여 벌집형 또는 연접 사각형 구조의 하부 전극을 구성할 수 있다.

Description

이미지 센서와 광원을 구비하는 장치에 적합한 적외선 발광다이오드의 하부 전극 구조{STRUCTURE OF THE BOTTOM ELECTRODE OF INFRARED EMITTING DIODE SUITABLE FOR DEVICES HAVING IMAGE SENSOR AND LIGHT SOURCE}

본 발명은 적외선 발광다이오드의 하부 전극 구조에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 적외선 발광다이오드의 안정된 전기적 특성을 유지시키면서 우수한 광학적 특성을 부여할 수 있는 패턴화된 하부 전극을 설계하는 것이다.

적외선 영역의 광을 방출하는 적외선 발광다이오드는 전자부품, 광센서, 감시카메라의 광원, 광통신 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 적외선 발광 다이오드는 일반적으로 GaAs계 또는 AlGaAs계 반도체의 상부와 하부에 양극과 음극의 두 개의 전극이 제공되는 형태로 제작된다. 이들 전극의 재료는 금(Au)이나 알루미늄(Al)을 주성분으로 하고, 접촉 저항(contact resistance)을 줄이기 위해 p형 전극의 재료에는 Be, Zn 등의 II족 원소가 함유되기도 하고, n형 전극의 재료에는 Ge 등의 IV족 원소가 함유되기 한다. 도 1은 p형 전극이 반도체의 상부에 있고 n형 전극이 하부에 있는 Homo-type, Window-type, DDH-type의 세 종류의 칩의 전형적인 예를 나타낸다. 제품에 따라서는 p형 전극과 n형 전극의 위치가 반대로 설계되는 경우도 있다.

칩의 크기나 적용 분야 등에 따라 전극의 형태가 크기가 달라질 수 있으나, 일반적으로 전극과 반도체 간의 접촉 저항을 작게 하는 것이 이상적이다. 이를 위해, 전극의 면적을 크게 하여 접촉 저항을 작게 할 수 있지만, 이 경우 방출되는 적외선이 반도체와 전극 간의 계면에서 상당 부분 흡수되어 칩 외부로 나가는 적외선의 양이 줄어든다는 단점 즉, 발광효율이 낮아진다는 문제가 발생한다.

적외선 발광다이오드에서 p-n 접합부의 임의의 점에서 생성된 광은 모든 방향으로 퍼지게 되면서 반사, 굴절, 흡수 등 일반적인 광학 현상을 겪게 된다. 이때 흡수가 일어나면 흡수된 양만큼 칩 외부로 나가는 광량이 줄어들게 된다. 적외선 발광다이오드의 경우, 칩 내에서 광의 흡수가 가장 많이 일어나는 부분은 하부 전극과 반도체 사이의 계면이다.

도 2는 상부 전극이 동일할 때 하부 전극이 전면 전극(즉, 반도체의 하면 전체를 커버하도록 형성된 전극)인 경우와 패턴화된 전극(즉, 반도체의 하면 중 일부를 커버하도록 일정한 형태로 형성된 전극)인 경우의 반사 형태를 비교하여 도시한 것이다. 도 2의 좌측에 도시된 바와 같이, 하부 전극이 전면 전극인 경우 하부 전극 쪽으로 향하는 광은 모두 전극과 만나게 되고 이것은 계면에서 대부분 흡수된다. 반면 도 2의 우측과 같이 하부 전극이 패턴화된 전극인 경우, 하부 전극 쪽으로 향하는 광의 일부는 전극과 만나 계면에서 대부분 흡수되지만, 일부 광은 전극과 만나지 않고 칩과 금속 프레임을 연결하는 은(Ag) 페이스트(paste)에 의해 대부분 반사되어 칩 밖으로 탈출하고 결국 전면 전극에 비해 광량이 증가하게 된다. 이러한 이유로 적외선 발광다이오드 칩의 경우 도 3에 도시된 바와 같이 도트(dot)형, 네트(net)형 또는 도트-네트 혼합형의 패턴화된 형태의 하부 전극이 사용되고 있다.

결국, 전기적 측면에서는 칩 면적에 대한 하부 전극 면적의 비율(이하 “전극비”라고 함)을 크게 하여 전극과 반도체 사이의 접촉 저항을 줄이는 것이 유리할 지라도, 광학적 측면에서는 하부 전극비를 작게 하여 전극과 반도체의 계면에서 흡수되는 광량을 줄임으로써 칩 외부로 방출되는 광량을 증가시키는 것이 유리하고 바람직하다. 따라서 서로 상반되는 전기적 특성과 광학적 특성을 최적화시킬 수 있는 즉, 전극비를 줄여 광학적 특성을 극대화하면서도 안정된 전기적 특성을 유지시킬 수 있는 하부 전극의 설계가 매우 중요하다.

본 발명의 목적은 적외선 발광다이오드에 있어서 발광효율을 증가시키면서 안정된 전기적 특성을 유지시킬 수 있는 하부 전극을 설계하는 것이다.

본 발명의 따른 목적은 적외선 발광다이오드에 있어서 종래의 패턴화된 하부 전극에서 발생할 수 있는 접촉 불량 문제를 개선할 수 있는 하부 전극을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 적외선 발광 다이오드의 하부 전극의 분포를 최적화할 수 있는 하부 전극을 설계하는 것이다.

본 발명은 적외선 발광다이오드의 전극 특히, 패턴화된 하부 전극의 새로운 설계를 제공한다. 상기 하부 전극은 바람직하게는 금으로 이루어지거나 금을 주성분으로 하는, 다수의 세장형 세편으로 구성되고, 반도체에 실질적으로 균일한 전류 분포를 제공할 수 있도록 이들 세장형 세편은 규칙적으로 분포된 형태이다.

본 발명에 있어서, 상기 세장형 세편은 종횡비 즉, 폭에 대한 길이의 비율이 1.2 이상이고, 3 이상인 것이 바람직하며, 5 이상인 것이 더욱 바람직하다. 종횡비가 클수록 일반적으로 보이드(void) 등으로 인한 접촉 불량의 문제를 개선하는데 유리하지만, 종횡비와 함께, 전극비를 가능한 한 최소화하면서도 하부 칩의 면적에 걸쳐 균일한 전극비를 구현하는 것을 고려하여야 한다. 또한, 상기 세장형 세편의 폭은 제조 공정상 한계가 있기 때문에 상기 종횡비의 상한은 기술적으로 제한될 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 하부 전극의 전극비는 발광 효율을 높이기 위한 측면에서 가능한 한 작은 것이 유리하지만, 전극비가 너무 작을 경우 저항의 증가가 문제될 수 있으므로, 전극비는 10% 이상인 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 바람직하게는 상기 세장형 세편들은 실질적으로 직선이고 크기가 서로 동일하며 (즉, 상기 세장형 세편들은 크기와 폭에 있어서 서로 동일함), 상기 세장형 세편들은 동일한 간격으로 나란히 서로 이격되게 배치되는데, 상기 간격이 각 세장형 세편의 길이보다 작도록 배치된다. 세장형 세편들이 이격되게 배치됨으로써 하부 전극비를 작게 할 수 있고, 세장형 세편들 간의 간격을 전술한 바와 같이 함으로써 하부 전극의 일부 영역에서 발생할 수 있는 접촉 불량의 문제를 개선할 수 있다. 부가적으로, 상기 세장형 세편들은 경사지게 배치될 수 있고, 이 경우 세장형 세편들 간의 간격을 줄일 수 있다.

발명의 실시에 있어서, 상기 세장형 세편들은 복수의 열로 배치될 수 있다. 이 경우 열들 간의 간격은 상기 세장형 세편들 간의 간격 이하인 것이 바람직하다.

각각의 세장형 세편은 반도체 칩에 전류를 공급하기 위한 금속 프레임에 바람직하게는 은으로 이루어진 전도성 페이스트를 통해 연결되도록 의도된다. 상기 하부 전극이 형성된 반도체 칩을 금속 프레임에 부착 시 발생할 수 있는 보이드나 먼지로 인한 접촉 불량을 방지하거나 최소화할 수 있도록, 상기 세장형 세편 그 길이가 6 μm 이상인 것이 바람직하고, 종횡비가 1.2이상인 점을 고려할 때 그 폭은 5 μm 이상인 것이 바람직하다.

본 발명의 일 측면에 있어서, 적외선 발광다이오드의 하부 전극은 실질적으로 직선인 다수의 세장형 세편으로 이루어지며, 세장형 세편들의 한 교차점에서 3개의 방향으로 전극 요소가 연결되어 벌집형 또는 연접 사각형 구조로 형성된다. 상기 벌집형 구조는 크기가 동일한 세장형 세편들로 이루어진 정육각형들로 구성되는 것이 전극 분포 측면에서 바람직하다. 각각의 세장형 세편은 종횡비가 1.2 이상, 바람직하게는 3 이상, 좀더 바람직하게는 5 이상이다.

본 발명에 따른 적외선 발광다이오드의 하부 전극 구조는 종래의 도트형 하부 전극만큼 낮은 전극비를 가지면서도 안정적인 전기적 특성을 제공할 수 있다. 또한 본 발명의 하부 전극 구조는 종래의 네트형 하부 전극보다 균일한 분포의 전극을 제공한다. 따라서 본 발명의 하부 전극 구조는 안정적인 전기적 특성을 유지하면서도 칩 외부로 방출되는 적외선의 광량을 극대화시킬 수 있게 한다.

도 1은 적외선 발광다이오드 칩의 대표적인 유형 즉, 호모-타입, 윈도우-타입 및 DDH-타입을 나타낸다.
도 2는 적외선 발광다이오드의 p-n 접합부의 임의의 점에서 나온 광의 경로를 전면 하부 전극과 패턴화된 하부 전극을 비교하여 도식적으로 보여준다.
도 3은 종래 기술에 따른 적외선 발광다이오드 칩의 대표적인 하부 전극 즉, 도트형, 네트형 및 혼합형 하부 전극을 나타낸다.
도 4는 적외선 발광다이오드 칩이 은 페이스트를 통해 금속 프레임에 부착된 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 종래의 네트형 및 도트형 하부 전극에서 접촉 불량이 발생하는 경우를 예시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 패턴화된 하부 전극에서 접촉 불량이 발생하는 경우를 예시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 하부 전극에 적용될 수 있는 세장형 세편의 여러 형태를 나타낸다.
도 8은 종래의 네트형 하부 전극과 본 발명의 일 실시예에 따른 벌집형 및 연접 사각형 하부 전극을 나타낸다.

본 발명의 부가적인 양태, 특징 및 이점은 대표적인 실시예의 하기 설명을 포함하고, 그 설명은 수반하는 도면들과 함께 이해되어야 한다. 본 발명의 명확한 이해를 돕기 위해, 각 도면에서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 특징을 이점을 설명하기 위하여 종래 기술에 관한 사항도 여기서 함께 기술된다.

도 4는 적외선 발광다이오드 칩이 금속 프레임에 조립된 상태를 나타내고, 도 5는 적외선 발광다이오드 칩과 은 페이스트 간의 접촉 불량이 있는 경우를 나타낸다. 통상적으로, 칩과 금속 프레임 사이에는 이들을 전기적으로 연결시키면서 적외선 반사가 유리한 은 페이스트가 도포되고 그 위로 칩이 장착된다. 이러한 조립 과정 중에 하부 전극과 은 페이스 간에 보이드(void)나 이물질 등에 의해 접촉 불량이 발생할 수 있다. 접촉 불량은 조립 공정 외에도, 제품 제조 후 페이스트의 진행성 노화에 의해서도 일어날 수 있다.

접촉 불량이 존재할 때, 하부 전극이 전면 전극이거나, 패턴화된 전극이더라도 네트형 전극인 경우, 도 4의 좌측 도면 및 도 5의 좌측 도면에 도시된 바와 같이 하부 전극이 모두 연결되어 있어서 반도체와 금속 프레임 간에 접촉 저항이 증가하지 않는다. 왜냐하면, 접촉 불량이 있는 부분을 제외한 다른 영역은 은 페이스트와 접촉되어 있기 때문에, 하부 전극과 은 페이스트 간의 접촉 저항이 매우 작은 접촉된 영역을 통해 들어온 전류가 접촉 불량이 있는 하부 전극까지 도달할 수 있기 때문이다.

한편, 하부 전극이 도트형인 경우 네트형에 비해 하부 전극비를 작게 설계할 수 있어 광학적 측면에서 유리하고 따라서 네트형 보다 널리 사용되고 있지만, 전기적 측면에서는 단점이 존재한다. 도 4 및 도 5의 우측 도면과 같이 접촉 불량이 하나의 도트를 완전히 가릴 정도로 발생할 경우, 하부 전극의 상기 도트는 다른 도트와 연결되지 않고 독립되어 있기 때문에 상기 도트로는 전류가 흘러 들어가지 못하게 되어, 결과적으로 칩과 금속 프레임 사이에 접촉 저항이 증가하게 된다. 따라서 일부 도트에 대한 접촉 불량으로 인해 VF 상승 등의 전기적 신뢰성에 악영향을 미친다.

도 6은 전술한 바와 같은 도트형 하부 전극에서 문제되는 접촉 불량에 의한 저항 증가를 방지하거나 적어도 최소화할 수 있는 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴화된 하부 전극의 예를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 상기 하부 전극은 기본적으로 가로방향으로 동일한 크기의 세장형 세편들이 경사지어 평행하게 그리고 세장형 세편의 길이보다 좁지만 균일한 간격으로 배치된다. 이러한 배치는 세로방향으로 세장형 세편들의 다수의 열로 반복될 수 있고, 이 경우 각 열의 세장형 세편들은 경사각을 달리하여 배치될 수 있다.

본 발명에 따른 상기 하부 전극은 도트형 전극만큼 낮은 수준의 전극비로 설계하더라도, 접촉 불량 시 도트형 하부 전극에서 발생하는 접촉 저항을 억제할 수 있다. 예컨대 도 5의 우측 도면에서와 동일한 수준의 접촉 불량이 일어날 경우, 도 6에 도시된 바와 같이 하부 전극의 구성요소인 세장형 세편의 접촉 불량 영역을 제외한 부분에서 은 페이스트와 접촉하고 있으므로 접촉된 영역을 통해 상기 세장형 세편으로 전류가 흘러 들어가게 되어, 보이드 등에 의한 접촉 불량으로 인한 칩과 금속 프레임 간의 저항이 실질적으로 증가하지 않게 된다. 아울러, 본 발명에 따른 하부 전극은 다수의 세장형 세편이 균일한 간격으로 배치되기 때문에 하부 전극이 형성된 반도체에 실질적으로 균일한 전류 분포를 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 하부 전극의 세장형 세편들은 도 6과 같은 바(bar)형인 것이 가장 바람직하지만, 그 외에도, 예컨대 도 7에 도시된 바와 같이, 타원형, 물결형, 눈썹형 등 다양한 형태로 설계될 수 있다.

도 8은 통상적인 네트형 하부 전극(좌측)과 이를 개선한 본 발명의 벌집형 하부 전극(가운데) 및 연접 사각형 전극(우측)을 나타낸다. 네트형 하부 전극의 경우 전극 요소들의 교차 영역에서 교차점을 중심으로 4개의 방향으로 전극 요소가 연결된 형태이므로, 교차점 중심에 전극 요소가 많이 분포하게 된다. 반면, 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 벌집형 하부 전극에서는 전극 요소들의 교차 영역에서 교차점을 중심으로 3개의 방향으로 전극 요소가 연결된 형태이므로 네트형 전극에 비해 교차점 부근에 전극 요소가 더 적게 분포하게 된다. 본 발명에 따른 연접 사각형 하부 전극은 종래의 기존의 네트형 전극과 같이 가로 방향 전극 요소와 세로 방향 전극 요소가 직교하고 이들 사이의 간격이 일정하다는 점에서는 유사하지만, 도시된 바와 같이, 가로 방향 전극 요소와 세로 방향 전극 요소의 교차점을 중심으로 3개의 방향으로만 전극 요소들이 연결된 형태이다. 따라서 벌집형 또는 연접 사각형 전극은 네트형 전극에 비해 교차점 부근에 집중되는 전류 분포를 줄일 수 있어, 결국 좀더 균일한 전류 분포를 반도체 칩에 제공할 수 있다.

전술한 실시예는 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자가 본 발명을 이해하고 용이하게 실시하기 위해 본 발명의 바람직한 실시 형태를 예시하기 위한 것이지, 본 발명을 제한하는 것으로서 해석되어서는 안 된다. 통상의 기술자는 본 발명의 사상과 목적 범위 내에서 다양한 변경과 수정이 가능함을 인식할 것이고, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 청구항의 모든 범위에서 보호받을 권리가 있음이 이해되어야 할 것이다.

Claims (6)

1. 적외선 발광다이오드의 하부 전극에 있어서,
   상기 하부 전극은 종횡비가 1.2 이상인 다수의 세장형 세편으로 구성되며, 상기 세장형 세편들은 동일한 간격으로 나란히 이격되게 배치되고, 상기 간격은 각 세장형 세편의 길이보다 작은 것을 특징으로 하는 하부 전극.
2. 제1항에 있어서, 상기 세장형 세편들은 실질적으로 직선이고, 크기가 서로 동일하며, 그 길이가 6 μm 이상인 것을 특징으로 하는 하부 전극.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 세장형 세편들은 복수의 열로 배치된 것을 특징으로 하는 하부 전극.
4. 제3항에 있어서, 상기 열들 간의 간격은 상기 세장형 세편들 간의 간격과 동일하거나 그보다 작은 것을 특징으로 하는 하부 전극.
5. 적외선 발광 다이오드의 하부 전극에 있어서,
   상기 하부 전극은 종횡비가 1.2 이상이고 실질적으로 직선인 다수의 세장형 세편으로 이루어지며, 세장형 세편들의 한 교차점에서 3개의 방향으로 전극 요소가 연결되어 벌집형 또는 연접 사각형 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 하부 전극.
6. 제1항, 제2항, 또는 제5항에 있어서, 상기 세장형 세편은 금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 하부 전극.

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