KR101278885B1 - 조명용 모듈 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 접속 도체를 포함하는 칩 캐리어 상에 제공된 적어도 하나의 박막-발광 다이오드 칩을 구비하고, 상기 박막-발광 다이오드 칩이 제 1 및 제 2 전기 접속면 그리고 에피택셜 방식으로 제조된 반도체 연속층을 포함하는 조명용 모듈에 관한 것이다. 상기 반도체 연속층은 n-전도성 반도체 층, p-전도성 반도체 층 및 상기 2개의 반도체 층 사이에 배치되어 전자기 방사를 발생하는 영역을 포함하고, 캐리어 상에 배치된다. 또한, 상기 반도체 연속층은 상기 캐리어 쪽을 향한 주표면에 반사층을 포함하고, 상기 반사층은 상기 반도체 연속층 내부에서 발생되는 전자기 방사의 적어도 일부분을 상기 연속층 내부로 역으로 반사한다. 상기 반도체 연속층은 적어도 하나의 마이크로 구조화된 거친 표면을 갖는 적어도 하나의 반도체층을 포함한다. 상기 박막-발광 다이오드 칩의 방출면은 실제로 상기 반사층으로부터 떨어진 쪽을 향하는 주표면에 의해서 정해지고, 캐스팅 재료 또는 캡슐화 재료와 같은 하우징 재료를 포함하지 않는다.

Description

조명용 모듈 및 그 제조 방법 {LIGHTING MODULE AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF}
본 발명은 적어도 하나의 광원을 갖는 조명용 모듈에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기와 같은 조명용 모듈을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
상기와 같은 조명용 모듈의 가능한 유형은 예를 들어 유럽 공개 특허 출원서 제 0 933 823 A2호에 기술되어 있다. 상기 간행물에서는, 발광 다이오드 칩이 리드 프레임 상에 고정되고 하우징에 의해 둘러싸여 있음으로써, 상기 발광 다이오드 칩의 광 방출면은 기체 형태의 분위기에 인접하게 된다. 이와 같은 구성은 특히, UV-방사의 영향 하에서도 전혀 노화되지 않거나/않고 리드 프레임의 열팽창 계수에 매칭되는 열팽창 계수를 갖는 하우징 재료를 사용할 수 있는 가능성을 제공한다. 상기와 같은 반도체-소자의 단점은, 발광 다이오드 칩의 전자기 방사가 직접 공기를 향해서 내지는 기체를 향해서 방출된다는 것이다. 이 경우에는 일반적으로 반도체 재료의 상대적으로 높은 굴절율 때문에, 광 세기는 내부 반사에 의해, 특히 실패한(frustrated) 반사에 의해 반도체/기체 분위기의 경계면에서 대부분 상실된다. 이와 같은 유형의 하우징이 발광 다이오드 칩을 보호하기 위하여 일반적으로는 커버도 포함하기 때문에, 반사에 의해서는 상기 반도체/기체 분위기의 경계면에서 광 세기가 추가로 상실된다.
광 방출을 개선하기 위하여, 발광 다이오드 칩이 일반적으로는 가급적 높은 굴절율을 갖는, 광을 투과시키는 캐스팅 재료 또는 캡슐화 재료에 의해서 캡슐로 만들어짐으로써, 특히 발광 다이오드 칩의 모든 광 방출면은 상기 재료로 커버된다. 상기와 같은 소자의 한 예는 Moellmer/Waitl, "표면 장착용 Siemens SMT-TOPLED", Part 1: 성질 및 특성 (Siemens Components 29 (1991), 4권)에 기술되어 있다. 상기와 같은 소위 TOPLED는 표면 장착 가능한 하우징을 포함한다. 발광 다이오드 칩을 둘러싸고 있는 상기 캐스팅 재료 또는 캡슐화 재료는 일반적으로 에폭시수지이며, 상기 에폭시수지는 TOPLED에서 실제로 평탄한 방출면을 포함한다. 공기에 비해서 상대적으로 높은 에폭시수지의 굴절율로 인해, 상기 에폭시수지는 발광 다이오드 칩으로부터의 광 방출을 개선하고, 그럼으로써 주변으로의 광 방출도 전체적으로 개선한다. 추가로, 상기 캐스팅 재료 또는 캡슐화 재료의 방출면이 렌즈의 형상을 가짐으로써, 광 방출율은 더욱 증가된다. 대안적으로는, 별도의 렌즈가 소자의 발광 방향으로 상기 캐스팅 재료 또는 캡슐화 재료 상에 제공될 수 있다.
상기와 같은 구조적 형상의 단점은, 상대적으로 짧은 방출 파장을 갖는 발광 다이오드 칩을 사용하는 경우, 특히 UV-범위에서 발광하는 발광 다이오드 칩의 경우에는, 발광 다이오드 칩으로부터 방출되는 전자기 방사에 의한 고굴절 캐스팅 재료 또는 캡슐화 재료의 노화로 인해 심각한 열화(Degradation)가 야기된다는 것이다. 다른 단점은, 상기와 같은 유형의 캐스팅 재료 또는 캡슐화 재료가 발광 다이오드 칩의 반도체 재료에 대해 매우 상이한 열 팽창 계수를 가짐으로써, 재료의 양이 제한되고, 그에 따라 소자의 크기도 제한된다는 것이다. 또한, 캐스팅 재료 또는 캡슐화 재료를 사용하여 발광 다이오드 칩을 캡슐로 만드는 것은 상대적으로 비싸며, 예를 들어 TOPLED의 경우에는 전체 제조 비용의 거의 50 %를 차지할 수도 있다.
본 발명의 목적은, 가급적 높은 광 방출율을 갖는 발광 반도체 소자의 보다 간단하고도 보다 유리한 제조 형태를 개발하는 것이다. 또한, 반도체 소자는 UV-범위에서 발광하는 발광 다이오드 칩의 사용을 가능하게 해야 하고, 발광 다이오드 칩의 개수와 관련하여서도 전혀 제한을 두지 않아야 한다.
상기 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 반도체 소자에 의해서 달성된다. 상기와 같은 유형의 반도체 소자를 제조하기 위한 방법은 청구항 38의 대상이다.
반도체 소자 및 상기 소자를 제조하기 위한 방법의 바람직한 실시예들 및 선호되는 개선예들은 종속 청구항 2 내지 37 및 39 내지 47에 기술되어 있다.
본 발명에 따라, 서문에 언급된 유형의 발광 반도체 소자는 적어도 하나의 발광 다이오드 칩을 포함하고, 상기 발광 다이오드 칩은 전기 접속 도체를 포함하는 칩 캐리어 상에 제공된다. 이 경우 발광 다이오드 칩은, 제 1 및 제 2 전기 접속면 그리고 에피택셜 방식으로 제조되는 반도체 연속층을 포함하는 박막-발광 다이오드 칩이다. 상기 반도체 연속층은 n-전도성 반도체 층, p-전도성 반도체 층 및 상기 2개의 반도체 층 사이에 배치된, 전자기 방사를 발생하는 영역을 포함하며, 캐리어 상에 배치되어 있고, 상기 캐리어 쪽을 향하는 주표면에 반사층을 포함하며, 상기 반사층은 상기 반도체 연속층 내에서 발생되는 전자기 방사의 적어도 일부분을 상기 반도체 연속층 내부로 역반사 한다. 또한, 상기 반도체 연속층은 적어도 하나의 마이크로 구조화된 거친 표면을 갖는 적어도 하나의 반도체 층 그리고 실제로 상기 반사층으로부터 떨어진 쪽을 향하는 주표면에 의해서 정해진 방출면을 포함한다. 이와 같은 유형의 박막-발광 다이오드 칩 이외에, 본 발명의 중요한 추가적 특징은, 상기 박막-발광 다이오드 칩의 방출면이 캐스팅 재료 또는 캡슐화 재료와 같은 하우징 재료를 포함하지 않는다는 것이다.
전술한 원리에 따라 구성된 박막-발광 다이오드 칩에 의해서는, 반도체로부터 공기를 향하여 광이 방출될 때 50 % 이상의 방출율이 달성될 수 있었다. 또한, 박막-발광 다이오드 칩이 종래의 발광 다이오드 칩(비 박막-발광 다이오드 칩)과 같이 에폭시수지 캐스팅된 TOPLED-하우징 내에 제공되는 경우에는, 방출율이 감소될 수 있다는 관찰 결과도 얻어졌다. 박막-발광 다이오드 칩을 렌즈 형태로 형성된 방출면을 갖는 다른 에폭시수지 캐스팅 하우징에 장착하는 경우에는, 광 방출율이 증가하는 것으로 관찰되었으나, 상기와 같은 유형의 하우징에 내장된 종래와 같은 방식의 발광 다이오드 칩에 비해서는 매우 낮다.
상기와 같은 측정의 결과들은 도 1의 다이아그램에 그래프로 요약되어 있다. 박막-발광 다이오드 칩(어두운 막대) 및 소위 ATON-발광 다이오드 칩(밝은 막대)의 방출율(y-축에 도시됨)이 각각 3가지 상이한 하우징 구조적 형상으로(x-축을 따라 도시됨) 도시되어 있다. ATON-발광 다이오드 칩의 특징은, 칩에 의해서 방출되는 방사의 주요 부분이 기판을 통해 칩으로부터 방출된다는 것이다. 이와 같은 유형의 칩에 대한 예는 WO 01/61764 A1호에 기술되어 있다. 캐스팅된 칩의 방출율은 공기를 향한 개별 발광 다이오드 칩의 방출율에 대해 상대적으로 지시되어 있으며, 각각 1로 규격화되었다.
제 1 구조적 형상은 캐스팅부를 갖지 않는다. 즉, 이 경우에는 발광 다이오드 칩으로부터의 방출이 직접 공기를 향해서 이루어짐으로써, 결과적으로 상대적인 방출율은 규정에 따라 2가지 유형의 발광 다이오드 칩에 대해서 표준 내지 1을 나타내지만, 이와 같은 내용은, 절대적으로 볼 때 조사된 박막-칩이 조사된 ATON-칩과 동일한 방출율을 갖는다는 것을 의미하지는 않는다.
제 2 구조적 형상은 평탄한 방출면을 갖는 에폭시수지 캐스팅부를 구비한 TOPLED-하우징이다. ATON-발광 다이오드 칩이 상기와 같은 하우징에 내장됨으로써 방출율은 거의 100 % 만큼 증가하는 한편, 박막-발광 다이오드의 경우에는 하우징에 내장됨으로써 방출율은 약 20 % 만큼 감소한다.
마지막으로, 렌즈 형태로 형성된 방출면을 갖는 에폭시수지 캐스팅부를 구비한 종래의 방사형 LED-하우징을 포함하는 제 3 구조적 형상에서는, ATON-발광 다이오드 칩의 경우에는 방출율이 100 % 이상 개선된 반면, 박막-발광 다이오드 칩을 사용하는 경우에는 방출율의 개선이 관찰되었지만 다만 약 20 %에 달했다.
이와 같은 관찰에 대해서 가능한 해석은, 발광 다이오드 칩에 의해서 방출되는 광이 에폭시수지로부터 공기로 넘어갈 때에는 세기 손실이 나타나는 반면, 반도체로부터 에폭시수지로 넘어갈 때에는 반도체로부터 공기로 넘어갈 때와 비교해서 세기 수득(gain)이 나타난다는 것이다. 세기 손실의 원인은 다른 무엇보다도 에폭시수지/공기의 경계면에서의 광의 반사 그리고 에폭시수지 내부에서의 광의 흡수이며, 그에 반하여 세기 수득의 원인은 에폭시수지의 보다 높은 굴절율 및 그에 의해 감소된 반사이다. 확실한 것은, 종래 발광 다이오드 칩의 경우에 세기 수득의 크기는 캐스팅부 내부로의 방출에 의해서, 캐스팅부로부터의 방출시 세기 손실이 대폭적으로 과보상될 수 있는 정도인 반면, 박막-발광 다이오드 칩의 경우에 세기 수득의 크기는 세기 손실이 하우징의 구조적 형상에 따라서 대부분 또는 단지 약간만 과보상될 정도로 작을 수 있다.
상기와 같은 박막-발광 다이오드 칩은 예를 들어 이. 슈닛츨러 등, Appl. Phys. Lett. 63 (16), 1993년 10월 18일, 2174 - 2176에 기술되어 있으며, 그 공개 내용은 특히 인용에 의해서 기록된다. 다른 박막-발광 다이오드 칩 및 상기 칩을 제조하기 위한 방법은 독일 특허 출원서 10245628.3, 10234977.0 및 10305100.7 그리고 WO 02/13281 A1호에 기술되어 있으며, 그 공개 내용도 마찬가지로 각각 인용에 의해서 기록된다.
본 발명에 따른 발광 반도체 소자는, 발광 다이오드 칩이 캐스팅 재료 또는 캡슐화 재료에 의해서 둘러싸여 있는 종래의 소자의 광 방출율에 견줄만한 광 방출율을 갖는다. 그와 동시에, 제조는 상기와 같은 소자에 비해서 보다 간단하고 저렴하게 이루어질 수 있다.
반도체 연속층은 바람직하게 InxAlyGa1 -x- yN(이 경우 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 및 x + y ≤ 1) 체계로 이루어진 적어도 하나의 재료를 포함한다.
특히 바람직하게 본 발명은, UV-범위의 파장을 갖는 전자기 방사를 발생하는 반도체 연속층에 사용될 수 있다. 박막-발광 다이오드 칩의 방출면이 캐스팅 재료 또는 캡슐화 재료와 같은 고굴절 하우징 재료를 포함하지 않음으로써, 반도체 소자의 모든 재료들은 중대한 단점 없이, UV-방사의 영향 하에서도 전혀 노화되지 않거나 또는 단지 약간만 노화되도록 선택될 수 있다.
박막-발광 다이오드 칩의 방출면은 바람직하게 기체로 채워진 영역 및/또는 진공 상태의 영역에 인접한다.
에피택셜 방식으로 제조된 반도체 연속층이 그 위에 배치된 캐리어는 반도체 소자의 한 바람직한 실시예에서 별도로 제조된, 그리고 반도체 연속층의 성장 후에 상기 연속층과 결합된 캐리어 기판, 특히 반도체-캐리어 기판이다. 상기와 같은 캐리어 기판은 특이한 제조 방법 때문에 박막-발광 다이오드에서 필요하며, 상기 제조 방법에서는 박막-발광 다이오드 칩의 방출면을 노출시키거나 또는 형성하기 위하여 성장 기판이 적어도 대부분 반도체 연속층으로부터 제거된다.
대안적으로는, 바람직하게 별도의 캐리어 기판이 없어도 되는데, 이 경우에는 반도체 소자의 칩 캐리어가 반도체 연속층을 위한 캐리어의 기능을 담당한다. 그럼으로써, 반도체 소자의 높이가 줄어들 수 있다.
반도체 소자의 한 바람직한 실시예에서는 상기 반도체 소자가 하우징 프레임을 포함하며, 상기 하우징 프레임은 칩 캐리어 상에 또는 전기 접속 도체를 포함하고 상기 칩 캐리어와 구분되는 하우징 바닥에 배치되어 있고, 상기 하우징 바닥으로써 그 내부에 박막-발광 다이오드 칩이 배치된 하우징 공동부를 규정한다. 하우징 프레임이 하우징 바닥에 배치된 경우, 칩 캐리어는 상기 하우징 바닥에 제공되고, 하우징 바닥의 접속 도체에 전기적으로 전속된다.
하우징 공동부는 바람직하게 하우징 베이스 바디로 형성된 리드 프레임에 의해서 규정되며, 이 경우 하우징 베이스 바디의 바닥은 상기 바닥 내부에 통합된 리드 프레임의 부분과 함께 칩 캐리어 또는 하우징 바닥을 형성한다. 이 경우 하우징 베이스 바디는 바람직하게 실제로 플라스틱으로 이루어진다.
대안적으로, 칩 캐리어 또는 하우징 바닥은 인쇄 회로 기판으로서, 바람직하게는 구리를 함유하는 금속 플레이트를 포함하며, 상기 금속 플레이트는 박막-발광 다이오드 칩의 제 1 전기 접속면과 전기적으로뿐만 아니라 열적으로도 도전 접속된다. 상기 금속 플레이트는 박막-발광 다이오드 칩의 전기적 접속을 위해서뿐만 아니라 박막-발광 다이오드 칩 내부에서 발생되는 열을 방출시키기 위해서도 사용될 수 있다.
하우징 공동부의 내부벽은 바람직하게 적어도 부분적으로는 하나의 층, 바람직하게는 금속 또는 산화물을 함유하는 층, 특히 바람직하게는 TiO2, Ag, Al 또는 Au를 포함하는 층을 구비하며, 상기 층은 반도체 소자 내에서 발생되는 전자기 방사에 대해서 반사 작용한다. 이와 같은 반사층은 한편으로는 반도체 소자로부터의 광 방출을 개선하기 위해서 이용될 수 있고, 또한 하우징 공동부의 재료를 전자기 방사로부터 보호하기 위한 보호부로서 사용될 수 있으며, 이와 같은 사실은 박막-발광 다이오드 칩이 UV-방사를 방출하고, 하우징이 UV-방사의 영향 하에서 노화되는 플라스틱을 포함하는 경우에 특히 바람직하다.
특히 바람직한 것은, 상기 반사층이 도전성이고 또한 박막-발광 다이오드 칩의 제 2 전기 접속면과 도전 접속된다는 것이다. 그럼으로써, 상기 반사층은 추가로 박막-발광 다이오드 칩의 전기 접속 도체로서도 사용될 수 있다.
다른 한 바람직한 실시예에서는, 하우징 공동부의 내부벽에 적어도 부분적으로 확산체 재료가 제공된다. 하우징 공동부의 내부벽에 반사층이 제공되는 경우에는, 확산체 재료가 바람직하게 상기 반사층 위에 제공될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로는, 특히 추가의 반사층이 존재하지 않는 경우에는, 하우징 공동부의 내부벽에 또한 반도체 소자 내에서 발생되는 전자기 방사에 대해 산란 반사 작용하는 층이 제공될 수도 있다.
바람직하게는 상기 하우징 공동부가 기밀 방식으로 및/또는 수밀 방식으로 폐쇄되어 있다.
반도체 소자의 특히 바람직한 실시예에서는, 상기 반도체 소자가 방사를 투과시키는 커버 플레이트를 포함하며, 상기 커버 플레이트는, 이 커버 플레이트가 하우징 공동부의 개구를 실제로 커버 및/또는 폐쇄하도록 설치되어 있다. 상기 커버 플레이트는 예를 들어 박막-발광 다이오드 칩을 기계적 또는 화학적인 외부 영향들로부터 보호하기 위한 보호부로서 이용된다.
상기 커버 플레이트는 바람직하게는 적어도, 이 커버 플레이트가 반도체 소자에 의해서 방출되는 전자기 방사의 빔을 형성하기 위한 광학 장치, 바람직하게는 포커싱 장치를 포함한다.
바람직하게 상기 커버 플레이트는 실제로는 적어도 유리, 석영 유리, 세라믹 또는 유리 세라믹과 같은 재료로부터 이루어진다.
바람직하게 상기 커버 플레이트에는 확산체 재료가 제공될 수 있으며, 상기 확산체 재료는 커버 플레이트 내부에 포함되어 있고, 추가로 또는 대안적으로는 커버 플레이트 상에 제공된다.
반도체 소자의 특히 바람직한 실시예에서는, 커버 플레이트의 적어도 하나의 주표면, 바람직하게는 하우징 공동부의 내부를 향하는 커버 플레이트의 주표면이 거친 구조를 갖는다. 그럼으로써, 광 세기 손실은 커버 플레이트의 경계면에서의 반사로 인해, 특히 실패한 반사로 인해 감소될 수 있다. 이 목적을 위해서는, 상기 커버 플레이트의 주표면의 거친 구조가 불규칙적으로 형성되는 것이 바람직하다.
한 바람직한 실시예에서는, 커버 플레이트의 주표면의 거친 구조가 다수의 부분면을 포함하고, 상기 부분면들은 반도체 연속층의 주 연장 평면에 대해 비스듬하게 서 있고, 상기 평면과 다수의 다양한 각도를 형성한다. 특히 상기 각도와 관련해서는, 부분면들이 전체 주표면에 걸쳐 통계적으로 분포되어 있다. 전자기 방사가 상기와 같은 방식으로 구조화된 표면에서 반사되면, 반사가 실패할 가능성은 줄어드는데, 그 이유는 상기 방사가 표면에 새로이 충돌할 때마다 다른 입사각에서는 상기 구조화된 표면의 한 부분면에 충돌할 가능성이 이전보다 더 큼으로써, 상기 전자기 방사를 하우징으로부터 방출하기 위한 가능성은 증가한다.
상기 커버 플레이트의 주표면의 거친 구조는 특히 바람직하게, 반도체 소자에 의해서 방출된 전자기 방사의 파장 크기 안에 있는 구조적 크기를 갖는다.
반도체 소자의 특히 바람직한 실시예에서는, 발광 방향으로 상기 박막-발광 다이오드 뒤에 발광-변환 재료가 배치되며, 상기 변환 재료는 박막-발광 다이오드에 의해서 방출된 전자기 방사의 적어도 일부분을 파장 변환시킨다. 즉, 상기 발광-변환 재료는 상기 방사를 흡수한 다음에 다른 파장의 방사를 방출한다. 결과적으로 얻어지고 바람직하게는 시각적으로 감지할 수 있는 상기 반도체 소자의 방사가 박막-발광 다이오드에 의해서 방출되는 방사과 상기 파장 변환 방사의 혼합에 의해서 나타남으로써, 특히 백색광도 형성될 수 있다. 원한다면, 박막-발광 다이오드 칩에 의해서 방출되는 방사는 또한 실제로 완전히 발광-변환 재료에 의해서 파장 변환될 수도 있다.
상기 발광-변환 재료는 바람직하게 변환 특성 및/또는 입자 크기 면에서 상이한 적어도 2개의 발광 물질을 포함한다.
바람직하게는, 커버 플레이트가 상기 발광-변환 재료의 적어도 일부분으로 대체된다. 추가적으로 또는 대안적으로는, 상기 발광-변환 재료의 적어도 일부분이 바람직하게 적어도 커버 플레이트의 주표면에 제공된다. 상기 주표면은 바람직하게 하우징 공동부의 내부를 향하는 커버 플레이트의 주표면이다.
추가 실시예에서는, 발광-변환 재료의 적어도 일부분이 바람직하게 박막-발광 다이오드 칩의 방출면에 제공된다. 이것은 특히 반도체 소자가 커버 플레이트를 갖지 않는 경우에 장점이 된다.
커버 플레이트의 주표면 및/또는 박막-발광 다이오드 칩의 방출면에는 발광-변환 재료가 바람직하게 변환층의 형태로 제공되며, 상기 층의 표면은 거친 구조를 갖는다. 이와 같은 구조에 의해서는, 반도체 소자의 방사 방출율이 증가될 수 있다.
상기 변환층의 거친 구조는 불규칙적인 것이 특히 바람직하다.
특히 바람직하게는, 상기 변환층의 거친 구조가 다수의 부분면을 포함하며, 상기 부분면들은 반도체 연속층의 주 연장 평면에 대해서 비스듬하게 서 있고, 상기 평면과 다수의 상이한 각도를 형성한다. 특히 상기 각도와 관련해서는, 부분면들이 전체 주표면에 걸쳐 통계적으로 분포되어 있다.
반도체 소자의 한 바람직한 실시예에서는, 상기 변환층이 다수의 미소 결정을 갖고, 상기 변환층의 거친 구조는 실제로 상기 미소 결정의 형태에 의해서 직접적으로 또는 간접적으로 정해진다.
상기 변환층의 거친 구조는 특히 바람직하게, 반도체 소자에 의해서 방출된 전자기 방사의 파장 크기 안에 있는 구조적 크기를 갖는다.
반도체 소자의 추가의 바람직한 실시예에서는, 상기 반도체 소자가 적어도 두 종류의, 바람직하게는 세 종류의 박막-발광 다이오드 칩을 포함한다. 상기 박막-발광 다이오드 칩은 각각 상이한 파장의 가시 방사를 방출하며, 상기 가시 방사는 혼합되어 CIE-다이아그램에서 특정 컬러 위치를 차지하는 광, 특히 백색광으로 나타난다. 이 경우 상기 세 종류의 박막-발광 다이오드 칩 중에서 적어도 한 종류의 박막-발광 다이오드 칩은 바람직하게 InxGayAl1-x-yP(이 경우 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 및 x + y ≤ 1) 체계로 이루어진 적어도 하나의 재료를 포함한다.
바람직하게, 상기 박막-발광 다이오드 칩은 0 내지 100 ㎛, 바람직하게는 0 내지 50 ㎛, 특히 바람직하게는 0 내지 10 ㎛의 두께를 갖는다.
발광 반도체 소자의 특히 바람직한 실시예에서는, 상기 반도체 소자가 박막-발광 다이오드 칩의 적어도 하나의 전기 접속면과 칩 캐리어의 전기 접속 도체 사이에 전기 접속 라인을 포함하며, 상기 전기 접속 라인은 실제로 방사를 투과시키는 전기 전도성 재료 층으로 이루어진다. 특히 박막-발광 다이오드 칩의 전면, 특히 박막-발광 다이오드 칩의 발광 방향을 향하는 측면이 상기와 같은 재료에 의해서 전기적으로 접속됨으로써, 반도체 소자는 일반적으로 상기 목적을 위해 사용되는 본딩 와이어를 구비하지 않는다. 그럼으로써, 반도체 소자의 전체 높이는 줄어들 수 있다. 또한, 그럼으로써 박막-발광 다이오드 칩은 기계적인 외부 영향에 대해서 저항력이 약하지 않다. 본딩 패드가 필요 없다는 추가의 장점에 의해서는, 보다 큰 발광 면적이 얻어진다.
방사를 투과시키는 전기 전도성 재료는 바람직하게 적어도 하나의 투과성 도전 산화물(TCO), 특히 바람직하게는 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 아연 산화물(ZnO)을 포함한다.
방사를 투과시키는 전기 전도성 재료 층으로 이루어진 상기와 같은 전기 접속 라인은 적용 면에서 본 발명에 따른 반도체 소자에 한정되지 않는다. 오히려, 상기 전기 접속 라인은 반도체에 기반을 둔 임의의 광원을 갖는 발광 반도체 소자에, 그리고 광원의 방출면이 캐스팅 재료 또는 캡슐화 재료에 의해서 커버된 반도체 소자에 적합하다. 또한, 상기와 같은 기술은, 특히 반도체면을 통해 전자기 방사가 방출 및/또는 수집되는 경우에, 비어 있는 반도체면과 전기 접속 도체 사이에 도전 접속을 필요로 하는 전체 광전자 소자에도 적합하다. 다음에서 설명될, 상기와 같은 전기 접속 라인을 제조하기 위한 방법에도 동일한 내용이 적용된다.
발광 반도체 소자를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법은, 제 1 및 제 2 전기 접속면을 갖는 적어도 하나의 박막-발광 다이오드 칩 그리고 적어도 하나의 제 1 및 적어도 하나의 제 2 전기 접속 도체를 갖는 적어도 하나의 칩 캐리어를 제공하는 단계를 포함한다. 그 다음에, 박막-발광 다이오드 칩이 칩 캐리어 상에 제공되고, 상기 제 1 전기 접속면이 칩 캐리어의 제 1 전기 접속 도체와 전기적으로 접속된다. 다음 방법 단계에서는, 박막-발광 다이오드 칩의 제 2 전기 접속면과 전기적으로 접속되어서는 안 되는 적어도 모든 비어 있는 도전 표면이 전기 절연 재료로 코팅된다. 특히 제 1 접속 도체의 비어 있는 표면 그리고 박막-발광 다이오드 칩의 측벽의 비어 있는 표면이 상기 전기 절연 재료로 코팅된다. 또한, 칩 캐리어 및 박막-발광 다이오드 칩이 방사를 투과시키는 전기 도전성 재료에 의해 표면 전체적으로 코팅됨으로써, 박막-발광 다이오드의 제 2 전기 접속면과 제 2 접속 도체 사이에 전기 접속이 만들어진다. 그 다음에, 박막-발광 다이오드 칩이 그 위에 제공된 재료와 함께 템퍼링 된다.
상기와 같은 방법은, 예를 들어 10 ㎛ 미만의 두께를 갖는 매우 얇은 발광 다이오드 칩을 특히 전기적으로 콘택팅 하기에 적합하다. 이와 같은 발광 다이오드는 본딩 와이어에 의해서 도전 접속되지 않는데, 그 이유는 일반적으로 사용되는 상기 방법에서는 본딩 와이어가 쉽게 끊어지기 때문이다.
상기 방법의 한 바람직한 실시예에서는, 제 1 전기 접속면이 박막-발광 다이오드 칩의 후면에 콘택팅 될 수 있으며, 박막-발광 다이오드 칩을 칩 캐리어 상에 제공하는 공정 그리고 상기 제 1 전기 접속면을 제 1 전기 접속 도체와 전기적으로 접속하는 공정은 동시에 상기 박막-발광 다이오드 칩의 후면을 제 1 전기 접속 도체 상에 납땜하거나 또는 접착시킴으로써 이루어진다.
바람직하게는, 상기 박막-발광 다이오드 칩의 제 2 전기 접속면과 제 2 접속 도체 사이에 전기 접속을 만드는 방법 단계 이전에 전기 콘택 재료가 한 면에 제공되고, 상기 면을 통해서 제 2 전기 접속면이 전기적으로 콘택팅 될 수 있다. 이와 같은 과정은 충분히 높은 전기 전도성을 갖는 전기 콘택을 형성하기 위한 필수적인 과정일 수 있다.
상기 방법의 특히 바람직한 실시예에서는, 전기 콘택 재료가 얇은 층으로서, 가늘고 긴 스트립 형태로 또는 작은 부분 영역들에 한정된 다수의 층 형태로 제공된다. 그럼으로써, 전류는 박막-발광 다이오드 칩의 큰 표면, 바람직하게는 전체 주표면에 걸쳐서 균일하게, 상기 박막-발광 다이오드 칩 내부에 공급될 수 있다.
전기 절연 재료를 이용한 코팅은 바람직하게 상기 재료가 먼저 칩 캐리어 상에 그리고 박막-발광 다이오드 칩 상에 제공된 다음에 바람직하게는 리소그래피에 의해서 구조화됨으로써 이루어지며, 상기 구조화는, 상기 제 2 전기 접속면을 전기적으로 콘택팅 시킬 수 있는 표면 그리고 제 2 전기 접속 도체가 전기 접속을 위해서 적어도 부분적으로 노출되는 방식으로 실행된다.
대안적으로, 상기 방법의 한 바람직한 실시예에서는, 전기 절연 재료를 이용한 코팅이 실크 스크린 프린팅에 의해서 이루어진다.
특히 바람직하게는, 전기 절연 재료가 실제로 납땜 정지 래커 코팅(stop lacquer)으로 이루어진다.
추가적으로 또는 대안적으로 상기 전기 절연 재료는 바람직하게 SiO2를 포함한다.
특히 바람직하게, 본 발명에 따른 방법에서는, 다수의 발광 반도체 소자가 실제로 동시에 제조된다. 이 목적을 위해서는 다수의 부품 섹션을 포함하는 칩 캐리어가 사용되며, 상기 부품 섹션들은 각각 적어도 하나의 제 1 및 적어도 하나의 제 2 전기 접속 도체를 포함한다. 그 다음에 반도체 소자들이 개별적으로 분리된다. 다수의 반도체 소자들을 실제로 동시에 제조하는 것은 특히 박막-발광 다이오드 칩의 제 2 전기 접속면과 제 2 접속 도체 사이에 전기 접속을 만드는 것과 관련하여 간단하고 경제적으로 실행될 수 있는데, 그 이유는 상기 제조 과정이 실제로 칩 캐리어 및 박막-발광 다이오드 칩의 코팅으로 이루어지기 때문이며, 이와 같은 과정은 보다 큰 면적에서도 추가 비용 없이 가능하다.
본 발명에 따른 제조 방법의 한 바람직한 실시예에서는, 부품 섹션들이 행 방식으로 적어도 하나의 행으로 배치되어 있다.
바람직하게, 개별 행들은 칩 캐리어에 있는 슬릿(slit)에 의해서 상호 분리된다.
제조 방법 및 발광 다이오드 칩의 추가적인 장점, 바람직한 실시예 및 개선예는 아래에서 도 2a 내지 도 5를 참조하여 언급된 실시예들로부터 얻어진다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 반도체 소자의 각각 하나의 실시예의 개략적인 단면도이며,
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 방법의 한 실시예의 다양한 방법 단계들에서 본 발명에 따른 반도체 소자의 실시예를 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 4a는 반도체 소자의 추가 실시예의 개략적인 단면도이며,
도 4b는 도 4a에 도시된 실시예의 개략적인 평면도이고,
도 4c는 상이한 개수의 박막-발광 다이오드를 위해 도 4a 및 도 4b에 도시된 반도체 소자의 발광 각도에 따른 광 세기의 분포 상태를 설명하기 위한 극선도(polar diagram)이며,
도 5는 다수의 부품을 구비한 칩 캐리어의 개략적인 평면도이다.
실시예 및 도면에서 동일한 또는 동일하게 작용하는 구성 부품은 각각 동일한 도면 부호로 지시되었다. 도시된 층두께는 척도에 맞는 것으로 간주될 수 없으며, 오히려 이해를 돕기 위하여 과도하게 두껍게 도시되어 있다. 구조물의 크기도 마찬가지로 올바른 척도 또는 도면의 다른 부재들에 대한 크기 비율에 따라 도시되지 않았다.
도 2a에 도시된 실시예에서는, 칩 캐리어(4) 상에 제공된 박막-발광 다이오드 칩(1)이 칩 캐리어(4)에 의해서, 하우징 베이스 바디(11)로 형성된 리드 프레임 (9, 10) 상에 장착된다. 칩 캐리어는 제 1 및 제 2 전기 접속 라인(5, 6)을 포함하며, 상기 접속 라인은 캐리어 플레이트(16) 상에 제공되고, 예를 들어 납땜 또는 접착에 의해서 리드 프레임(9, 10)에 도전 접속된다. 캐리어 플레이트(16)는 접속 도체(5, 6)를 상호 전기적으로 절연시키는 특성을 갖는다. 상기 캐리어 플레이트는 예를 들어 Al2O3와 같은 세라믹으로 이루어질 수 있다.
하우징 프레임(17)을 형성하는 하우징 베이스 바디(11)의 부분은 내부벽을 포함하고, 상기 내부벽은 반사층(15)으로 커버되어 있다. 상기 반사층은 특히 반도체 소자 내부에서 발생되는 전자기 방사에 대해서 반사 작용하고, 예를 들어 알루미늄으로 이루어질 수 있다.
하우징 베이스 바디(11)는 예를 들어 플라스틱, 예컨대 에폭시수지로 이루어지고, 커버 플레이트(7)로 커버되며, 상기 커버 플레이트는 적어도 반도체 소자 내부에서 발생되는 방사에 대해서는 투과적이고, 예를 들어 유리로부터 제조된다. 하우징 베이스 바디(11)는 커버 플레이트(7)에 의해서 기밀 방식으로 및/또는 수밀 방식으로 폐쇄될 수 있다. 하우징 베이스 바디(11)의 내부면을 향하는 상기 커버 플레이트(7)의 주표면에는, 발광-변환 재료가 변환층(8)의 형태로 제공된다. 상기 변환층의 표면은 다수의 부분 표면을 갖는 불규칙적이고 거친 구조를 가지며(도시되지 않음), 상기 부분 표면들은 박막-발광 다이오드 칩(1)의 주 연장 평면에 대해서 비스듬하게 서 있고, 상기 평면과 다수의 다양한 각도를 형성한다. 상기 부분 표면들은 다른 무엇보다도 상기 각도와 관련하여 상기 변환층(8)의 전체 표면에 걸쳐 통계적으로 분포되어 있다. 상기 변환층은 예를 들어 YAG:Ce를 기재로 하는 발광 재료 입자 또는 예를 들어 WO 98/12757호에 기술된 바와 같은 다른 적합한 무기 발광 재료 입자를 함유하며, 상기 간행물의 내용은 인용에 의해서 기록된다.
하우징 베이스 바디(11)의 내부면으로부터 떨어진 쪽을 향하는 커버 플레이트(7)의 주표면은 광학 렌즈로서 형성될 수 있다(도시되지 않음).
상기 변환층의 거친 구조는 예를 들어 불규칙적으로 형성된 다수의 미소 결정 형태에 의해서 규정되며, 상기 미소 결정으로서는 발광-변환 재료가 제공될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로는, 하우징 베이스 바디(11)의 내부면을 향한 커버 플레이트(7)의 주표면도 상기와 같은 거칠고 불규칙적인 구조를 가질 수 있다. 상기 거친 구조의 구조물 크기는 반도체 소자에 의해서 방출되는 전자기 방사의 파장 크기 안에 있으며, 예를 들면 약 300 내지 500 nm이다. 이와 같은 구조에 의해서는, 각 표면의 부분면에 소정의 각도로 충돌하고 반사되는 방사가 상기 표면에 다시 충돌할 때는 다른 각도로 다른 부분면에 충돌할 가능성이 커짐으로써, 결과적으로 투과를 위한 조건들은 상황에 따라서 충족된다. 따라서, 반도체 소자에서의 광 세기 손실은 실패한 반사 때문에 줄어들 수 있고, 광 방출은 효과적으로 개선될 수 있다.
상기 변환층의 발광-변환 재료는 박막-발광 다이오드(1)에 의해서 방출되는, 소정의 파장을 갖는 전자기 방사(검정색으로 채워진 화살표로 지시됨)의 적어도 일부분을 흡수한 다음에 상기 방사과 구분되고 일반적으로는 보다 큰 파장을 갖는 방사를 방출한다. 다양한 방사들이 서로 혼합되어 CIE 컬러표에서 특정 색광점을 차지하는 광, 특히 백색광(속이 채워지지 않은 화살표로 지시됨)을 발생시킨다. 다양한 방사의 우수한 혼합을 성취하기 위하여, 커버 플레이트에는 확산체 재료가 제공될 수 있고, 상기 확산체 재료는 커버 플레이트 내에 포함되거나 또는 상기 커버 플레이트 상에 제공될 수 있다. 또한, 반사층(15)도 확산체를 구비할 수 있거나 또는 산란 방식으로 반사하는 재료로 이루어질 수 있다.
명세서의 일반적인 설명 부분에 기술된 바와 같이, 박막-발광 다이오드 칩(1)은 직접, 예를 들어 납땜 또는 접착에 의해서 칩 캐리어(4)의 제 1 전기 접속 도체(5) 상에 제공된 반도체 연속층(2)으로 이루어질 수 있다. 그럼으로써, 박막-발광 다이오드 칩(1)의 제 1 전기 접속면도 제 1 전기 접속 도체(5)와 도전 접속된다. 상기 반도체 연속층의 두께는 예를 들어 8 ㎛일 수 있다.
상기와 같은 반도체 연속층은 예를 들어 종래의 pn-접합, 이중 헤테로 구조물, 단일-양자 웰 구조물(SQW-구조물) 또는 다중-양자 웰 구조물(MQW-구조물)을 포함할 수 있다. 상기 구조물들은 당업자에게 공지되어 있기 때문에 이 자리에서는 더 이상 설명되지 않는다. GaN을 기재로 하는 다중 양자 웰 구조물의 한 예는 WO 01/39282 A2호에 기술되어 있고, 상기 간행물의 공개 내용은 인용에 의해서 기록된다.
박막-발광 다이오드(1)의 반도체 연속층(2)은 예를 들어 InxAlyGa1-x-yN(이 경우 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 및 x + y ≤ 1) 체계로 이루어진 적어도 하나의 재료를 포함하고, UV-범위의 파장을 갖는 전자기 방사를 방출한다. 박막-발광 다이오드(1)는 예를 들어 InGaN을 기재로 하는 발광 다이오드일 수 있다. 이 경우 방사는 변환층에 의해서 거의 완전하게 흡수되어 2개 이상의 다양한 발광 물질에 의해서 변환된다. UV-범위에서 발광하는 박막-발광 다이오드(1)를 사용하고, 상기 다이오드로부터 방출되는 방사를 거의 완전히 가시방사로 변환시키는 것의 장점은, 발광 물질로부터 방출되는 광이 일반적으로 발광 다이오드에 의해서 방출되는 광보다 넓은 스펙트럼을 갖는다는 것이다. 따라서, 예를 들면 보다 우수한 컬러 재생율(Color rendering index)을 갖는 백색광이 형성될 수 있다.
박막-발광 다이오드 칩(1)의 제 2 전기 접속면은 상기 다이오드 칩의 전면에 콘택팅 될 수 있다. 상기 접속면은 방사를 투과시키는 전도성 재료(13)에 의해서 칩 캐리어(4)의 제 2 접속 도체(6)와 도전 접속된다. 제 1 접속 도체(5)와 제 2 접속 도체(6) 사이의 도전 접속을 피하기 위하여, 제 1 접속 도체(5)의 빈 표면 그리고 박막-발광 다이오드 칩(1)의 측벽이 전기 절연 재료(12)로 커버된다.
상기 방사를 투과시키는 전도성 재료(13)는 예를 들어 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 아연 산화물(ZnO)과 같은 투과성 도전 산화물(TCO)일 수 있다. 상기 전기 절연 재료(12)는 예를 들어 납땜 정지 래커 코팅 또는 SiO2를 포함하는 재료로 이루어진다.
도 2b에 도시된 실시예는, 박막-발광 다이오드 칩(1)의 반도체 연속층(2)의 캐리어, 그리고 리드 프레임의 전기 접속 도체(9, 10)와 박막-발광 다이오드 칩(1)의 전기 접속 방식에 있어서 도 2a를 참조하여 전술된 실시예와 상이하다.
반도체 연속층(2)을 위한 캐리어는 제 2 실시예에 따라 별도로 제조된 반도체 캐리어 기판으로서, 이 기판의 후면은 제 1 전기 접속 도체(9) 상에 제공된다. 예를 들면 납땜된다. 그럼으로써, 박막-발광 다이오드 칩(1)의 제 1 전기 접속면도 또한 제 1 전기 접속 도체(9)와 도전 접속된다. 제 1 전기 접속면은 반도체 연속층(2)의 전면을 통해 본딩 와이어(14)에 의해서 제 2 전기 접속 도체(10)와 전기 접속된다. 그럼으로써, 방출면, 즉 발광 방향을 향하는 상기 박막-발광 다이오드 칩(1)의 주표면은 실제로 커버되지 않고, 기체, 예컨대 공기로 채워지고 부가적으로 진공이 제공될 수 있는 영역에 인접한다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 실시예에서는, 발광-변환 재료가 추가적으로 또는 대안적으로 박막-발광 다이오드 칩(1)의 광 방출면 상에 또는 방사를 투과시키는 전도성 재료(13) 상에 직접 제공되거나 또는 커버 플레이트의 재료 내에 포함될 수도 있다. 또한, 발광 변환 재료는 상이한 입자 크기를 갖는 다양한 발광 재료를 포함할 수 있다. 추가의 가능성은 발광 변환 재료 없는 소자로서, 상기 소자의 박막-발광 다이오드는 바람직하게 가시적인 파장 범위로부터 광을 방출한다. 상기 소자가 커버 플레이트를 포함하지 않는 것도 가능하다.
상기 소자는 하나의 박막-발광 다이오드 칩 대신에 다수의 박막-발광 다이오드 칩을 포함할 수도 있으며, 상기 다수의 박막-발광 다이오드 칩이 방출 스펙트럼과 관련하여 상이할 수 있음으로써, 결과적으로 상이한 파장의 방사는 혼색광으로 혼합된다. 이와 같은 발광 다이오드는 가시적인 파장 범위의 방사를 방출하고, 예를 들어 InxGayAl1-x-yP(이 경우 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 및 x + y ≤ 1) 체계로 이루어진 적어도 하나의 재료를 포함한다.
도 3a 내지 도 3c는 반도체 소자를 제조하기 위한 다양한 방법 단계들에서 상기 반도체 소자의 한 실시예의 개략적인 단면도를 보여준다. 상기 반도체 소자는 도 2a에 도시된 칩 캐리어(4)에 상응하며, 상기 칩 캐리어는 자신 위에 제공되어 전기 접속 도체(5, 6)와 전기적으로 접속된 박막-발광 다이오드 칩(1)을 구비한다. 도 2a에 도시된 예에서는, 칩 캐리어가 하우징 베이스 바디(11)로 형성된 리드 프레임(9, 10) 상에 장착된다. 그러나 사용 가능성은 당연히 상기와 같은 구조적 형상에만 한정되지 않는다.
칩 캐리어(4)의 제 1 접속 도체(5)에는 박막-발광 다이오드 칩(1)의 후면이 제공되고, 상기 박막-발광 다이오드 칩(1)은 예를 들어 납땜 또는 접착에 의해서 접속 도체(5)와 도전 접속된다. 도 3a에 도시된 방법 단계는 상기 방식에 의해서 달성된 상태에 상응한다.
그 다음에, 제 2 전기 접속 도체(6)와 도전 접속되어서는 안 되는 적어도 모든 비어 있는 표면은 전기 절연 재료(12)로 커버된다. 이 과정은 리소그래픽 공정에 의해서 이루어질 수 있거나 또는 실크 스크린 프린팅을 이용하는 단계에서도 이루어질 수 있으며, 2가지 공정 모두 예를 들어 납땜 정지 래커 코팅에 의해서 가능하다. 도 3b의 실시예에서는 제 1 접속 도체(5)의 모든 비어 있는 표면 그리고 박막-발광 다이오드 칩(1)의 측벽을 커버하는 과정에 해당한다.
박막-발광 다이오드 칩(1)의 제 2 전기 접속면과 제 2 전기 접속 도체(6) 사이에 도전 접속을 만들기 위하여, 칩 캐리어(4) 그리고 박막-발광 다이오드 칩(1)의 표면은 전체적으로 전도성의 투과적인 재료(13)로 코팅되며, 이 과정은 당업자에게 공지된 적합한 코팅 방법에 의해서 이루어진다(도 3c 참조). 코팅 전에는 상기 발광 다이오드 칩(1)의 표면에 전기 콘택 재료(도시되지 않음)가 제공될 수 있으며, 상기 표면을 통해서는 상기 발광 다이오드 칩(1)의 제 2 전기 접속면이 전기적으로 콘택팅 될 수 있다. 상기 콘택 재료는 예를 들어 전자기 방사를 투과시킬 수 있는 얇은 층의 형태로 제공되는 금일 수 있다.
상기 방법은 다수의 소자를 실제로 동시에 제조하기에 매우 적합하다. 이 목적을 위해 칩 캐리어(4)는, 도 5에 개략적으로 도시된 바와 같이, 각각 적어도 하나의 제 1 및 제 2 전기 접속 도체(5, 6)를 구비한 다수의 구성 부품 섹션(18)을 포함할 수 있다. 이 경우 상기 구성 부품 섹션들은 행 형태로 배치되고, 각각의 행은 슬릿(19)에 의해서 서로 분리된다. 그 다음에 소자들이 개별적으로 분리되지만, 이전의 임의의 시점에서도 개별적으로 분리될 수 있거나 또는 상기 처리 단계 이전에 미리 개별적으로 분리될 수도 있다.
하나의 구성 부품 섹션은 다수의 박막-발광 다이오드를 포함할 수도 있으며(도 4a 및 도 4b 참조), 상기 다수의 박막-발광 다이오드는 또한 상기와 같은 방법에 의해서 각각 적어도 하나의 접속 도체에, 대안적으로는 도면에 도시된 본딩 와이어에 실제로 동시에 전기적으로 접속될 수 있다. 박막-발광 다이오드 칩의 경우에 2개의 전기 접속면이 각각 하나의 전방 반도체면을 통해 전기적으로 콘택팅 될 수 있다면, 2개의 접속면은 전술한 방법에 따라 개별 접속 도체와 도전 접속될 수 있다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 실시예에서는, 다수의 박막-발광 다이오드 칩(1)이 공통의 칩 캐리어(4) 상에 제공된다. 상기 칩 캐리어(4)의 캐리어 플레이트(16)는 전기적으로 및 열적으로 전도 가능한 재료, 예컨대 구리로 이루어지며, 상기 캐리어 플레이트에는 발광 다이오드 칩(1)의 후면이 각각 전기적으로 및 열적으로 도전 접속된다. 따라서, 상기 캐리어 플레이트는 제 1 전기 접속 도체(5)로서, 그리고 박막-발광 다이오드 칩(1)의 작동시 상기 발광 다이오드 칩(1)에 의해서 발생되는 열이 그 내부로 방출되는 히트 싱크로서 이용된다. 박막-발광 다이오드 칩(1)의 제 2 전기 접속면은 각각 반사층(15)과 도전 접속되며, 상기 반사층도 마찬가지로 전도성 재료, 예컨대 알루미늄으로 이루어지고, 추가적으로는 제 2 전기 접속 도체(6)로서 이용된다. 상기 반사층(15)은 전기 절연 재료(20)를 기초로 하기 때문에 캐리어 플레이트(16)로부터 전기적으로 절연된다.
칩 캐리어(4)는 하우징 프레임(17)을 포함하며, 상기 하우징 프레임 상에는 변환층(8)을 갖는 커버 플레이트(7)가 제공된다.
박막-발광 다이오드의 광방출면이 실제로 상기 다이오드의 전방 주표면에 의해서 정해짐으로써, 상기 광방출면은 매우 근사하게 램버트(Lambert)의 방출 특성을 갖는다. 그럼으로써, 박막-발광 다이오드는 다수의 발광 다이오드를 갖는 소자에 매우 적합한데, 그 이유는 소자의 방출 특성을 상당히 변동시키지 않더라도, 방출되는 광 세기가 상기 발광 다이오드에 의해서 상승될 수 있기 때문이다. 다시 말해, 상기 박막-발광 다이오드는 매우 우수한 스케일링 가능성을 갖는다. 이와 같은 내용은 도 4c의 극선도에서 설명되고 있으며, 상기 극선도에서는 반도체 소자의 방출 특성이 도 4a 및 도 4b에 상응하게 상이한 크기, 즉 상이한 개수의 박막-발광 다이오드에 대하여 나타나 있다(각도에 의존하는 광 세기). 소자가 발광 다이오드를 더 많이 포함할수록, 광 세기는 커지지만, 방출 특성은 실제로 동일하게 유지된다.
실시예를 참조한 본 발명의 전술한 설명은 당연히 본 발명을 상기 실시예에만 한정하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 상이한 실시예를 참조하여 설명된 특징들은 실시예들과 무관하게 서로 임의로 조합될 수 있다.

Claims (66)

  1. 발광 반도체 소자로서,
    전기 접속 도체들을 포함하는 칩 캐리어 상에 제공된 적어도 하나의 박막-발광 다이오드 칩을 구비하며, 상기 박막-발광 다이오드 칩은 제 1 및 제 2 전기 접속면 그리고 에피택셜 방식으로 제조된 반도체 연속층을 포함하고, 상기 반도체 연속층은 캐리어 상에 배치되어 있으며,
    상기 반도체 연속층은,
    n-전도성 반도체 층, p-전도성 반도체 층 및 상기 2개의 반도체 층들 사이에 배치되어 전자기 방사를 발생하는 영역;
    상기 캐리어 쪽을 향하는 제 1 주표면에서의 반사층 ― 상기 반사층은 상기 반도체 연속층 내부에서 발생되는 전자기 방사의 적어도 일부분을 상기 반도체 연속층 내부로 역으로 반사함 ―;
    적어도 하나의 거친 표면을 갖는 적어도 하나의 반도체층;
    상기 반사층으로부터 떨어진 쪽을 향하는 제 2 주표면에 의해서 정해진 방출면
    을 포함하며,
    상기 박막-발광 다이오드 칩의 상기 방출면이 기체로 채워진 영역 또는 진공 상태로 된 영역에 인접하는,
    발광 반도체 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 연속층이 InxAlyGa1-x-yN 체계로 이루어진 적어도 하나의 재료를 포함하고, 이 경우 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 및 x + y ≤ 1인,
    발광 반도체 소자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 반도체 연속층이 UV-범위의 파장을 갖는 전자기 방사를 발생하는,
    발광 반도체 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막-발광 다이오드 칩의 상기 방출면이 상기 기체로 채워진 영역 및 상기 진공 상태로 된 영역에 인접하는,
    발광 반도체 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상부에 상기 반도체 연속층이 배치된 상기 캐리어는 캐리어 기판인,
    발광 반도체 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상부에 상기 반도체 연속층이 배치된 상기 캐리어는 칩 캐리어인,
    발광 반도체 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 소자가 하우징 프레임을 포함하며, 상기 하우징 프레임은 칩 캐리어 상에 또는 상기 칩 캐리어와 상이한, 전기 접속 도체들을 포함하는 하우징 바닥에 배치되고, 상기 하우징 바닥 상에는 상기 칩 캐리어가 제공되어 상기 하우징 바닥의 접속 도체들에 전기적으로 접속되며, 상기 하우징 프레임은 상기 하우징 바닥과 함께 상기 박막-발광 다이오드 칩이 그 내부에 배치된 하우징 공동부를 결정하는,
    발광 반도체 소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 하우징 공동부는 하우징 베이스 바디로 형성된 리드 프레임에 의해서 정해지며, 상기 하우징 베이스 바디의 바닥은 그 내부에 통합된 리드 프레임의 부분과 함께 상기 칩 캐리어 또는 상기 하우징 바닥을 형성하는,
    발광 반도체 소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 하우징 베이스 바디가 플라스틱으로 이루어지는,
    발광 반도체 소자.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 칩 캐리어 또는 상기 하우징 바닥은 금속 플레이트를 포함하는 인쇄 회로 기판이며, 상기 금속 플레이트는 상기 박막-발광 다이오드 칩의 제 1 전기 접속면에 전기적으로 및 열적으로 접속되는,
    발광 반도체 소자.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 하우징 공동부의 내부벽들에는 적어도 부분적으로 하나의 층이 제공되며, 상기 층은 상기 반도체 소자 내부에서 발생되는 전자기 방사에 대해서 반사 작용하는,
    발광 반도체 소자.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 반사 작용하는 층은 전도성이고, 상기 박막-발광 다이오드 칩의 상기 제 2 전기 접속면과 전기적으로 접속되는,
    발광 반도체 소자.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 하우징 공동부의 내부벽들에는 적어도 부분적으로 확산체 재료가 제공되거나 또는 상기 반도체 소자 내부에서 발생되는 전자기 방사에 대해서 산란 방식으로 반사 작용하는 층이 제공되는,
    발광 반도체 소자.
  14. 제 7 항에 있어서,
    상기 하우징 공동부는 기밀 방식으로 또는 수밀 방식으로, 혹은 기밀 및 수밀 방식으로 폐쇄되는,
    발광 반도체 소자.
  15. 제 7 항에 있어서,
    상기 반도체 소자가 방사를 투과시키는 커버 플레이트를 포함하고, 상기 커버 플레이트는 이 플레이트가 상기 하우징 공동부의 개구를 커버 또는 폐쇄하도록 설치되는,
    발광 반도체 소자.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 커버 플레이트는 적어도, 이 커버 플레이트가 반도체 소자에 의해서 방출되는 전자기 방사의 빔을 형성하기 위한 광학 장치를 포함하도록 형성되는,
    발광 반도체 소자.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 커버 플레이트가 유리, 석영 유리, 세라믹 또는 유리 세라믹 중에서 적어도 하나의 재료로 이루어지는,
    발광 반도체 소자.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 커버 플레이트가 확산체 재료를 포함하고, 상기 확산체 재료는 상기 커버 플레이트 내부에 포함되거나 또는 상기 커버 플레이트 상에 제공되거나, 혹은 상기 커버 플레이트 내부에 포함되고 그리고 상기 커버 플레이트 상에 제공되는,
    발광 반도체 소자.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 커버 플레이트의 적어도 하나의 주표면은 거친 구조를 갖는,
    발광 반도체 소자.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 커버 플레이트의 주표면의 거친 구조가 불규칙한,
    발광 반도체 소자.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 커버 플레이트의 주표면의 거친 구조가 다수의 부분면들을 포함하며, 상기 부분면들은 상기 반도체 연속층의 주 연장 평면에 대해서 비스듬하게 있고, 상기 주 연장 평면과 함께 다수의 상이한 각도들을 이루는,
    발광 반도체 소자.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 커버 플레이트의 주표면의 거친 구조는, 상기 반도체 소자에 의해서 방출되는 전자기 방사의 파장 크기 내에 있는 구조물 크기를 각각 갖는 다수의 부분 영역들을 포함하며, 상기 구조물 크기는 부분 영역의 직경, 길이 및 높이로 이루어진 그룹으로부터 선택된,
    발광 반도체 소자.
  23. 제 1 항에 있어서,
    방출 방향으로 상기 박막-발광 다이오드 칩 뒤에는 발광-변환 재료가 배치되고, 상기 발광-변환 재료는 상기 박막-발광 다이오드 칩에 의해서 방출되는 전자기 방사의 적어도 일부분을 파장 변환시키는,
    발광 반도체 소자.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 발광-변환 재료는 변환 특성 및 입자 크기로 이루어진 그룹 중 적어도 하나의 특성에 있어서 적어도 2개의 상이한 발광 재료를 포함하는,
    발광 반도체 소자.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 반도체 소자는 상기 박막-발광 다이오드 칩이 내부에 배치되는 하우징 공동부와 방사를 투과시키는 커버 플레이트를 포함하고, 상기 커버 플레이트는 이 커버 플레이트가 상기 하우징 공동부의 개구를 커버 또는 폐쇄하도록 설치되며,
    상기 커버 플레이트가 상기 발광-변환 재료의 적어도 일부분에 의해 대체되는,
    발광 반도체 소자.
  26. 제 23 항에 있어서,
    상기 반도체 소자는 상기 박막-발광 다이오드 칩이 내부에 배치되는 하우징 공동부와 방사를 투과시키는 커버 플레이트를 포함하고, 상기 커버 플레이트는 이 커버 플레이트가 상기 하우징 공동부의 개구를 커버 또는 폐쇄하도록 설치되며,
    상기 발광-변환 재료의 적어도 일부분이 상기 커버 플레이트의 2개의 주표면 중에서 적어도 하나의 주표면에 제공되는,
    발광 반도체 소자.
  27. 제 23 항에 있어서,
    상기 발광-변환 재료의 적어도 일부분이 상기 박막-발광 다이오드 칩의 방출면에 제공되는,
    발광 반도체 소자.
  28. 제 26 항에 있어서,
    상기 발광-변환 재료가 변환층의 형태로 제공되며, 상기 변환층의 표면은 거친 구조를 갖는,
    발광 반도체 소자.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 변환층의 거친 구조가 불규칙적인,
    발광 반도체 소자.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 변환층의 거친 구조가 다수의 부분면들을 포함하며, 상기 부분면들은 상기 반도체 연속층의 주 연장 평면에 대해서 비스듬하게 있고, 상기 주 연장 평면과 함께 다수의 상이한 각도들을 이루는,
    발광 반도체 소자.
  31. 제 28 항에 있어서,
    상기 변환층이 다수의 미소 결정들을 포함하며, 상기 변환층의 거친 구조는 상기 미소 결정들의 형태에 의해서 결정되는,
    발광 반도체 소자.
  32. 제 28 항에 있어서,
    상기 변환층의 거친 구조는, 상기 반도체 소자에 의해서 방출되는 전자기 방사의 파장 크기 내에 있는 구조물 크기를 각각 갖는 다수의 부분 영역들을 포함하며, 상기 구조물 크기는 부분 영역의 직경, 길이 및 높이로 이루어진 그룹으로부터 선택된,
    발광 반도체 소자.
  33. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 소자가 적어도 두 종류의 박막-발광 다이오드 칩들을 포함하고, 상기 두 종류의 박막-발광 다이오드 칩들은 각각 상이한 파장의 가시 광을 방출하며, 상기 가시 광은 혼합되어 CIE-다이아그램에서 특정한 컬러 위치를 차지하는,
    발광 반도체 소자.
  34. 제 33 항에 있어서,
    적어도 한 종류의 상기 박막-발광 다이오드 칩의 상기 반도체 연속층이 InxGayAl1-x-yP 체계로 이루어진 적어도 하나의 재료를 포함하고, 이 경우 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 및 x + y ≤ 1인,
    발광 반도체 소자.
  35. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막-발광 다이오드 칩이 100 ㎛보다 작거나 같은 두께를 갖는,
    발광 반도체 소자.
  36. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 소자가 상기 박막-발광 다이오드 칩의 적어도 하나의 전기 접속면과 상기 칩 캐리어의 적어도 하나의 전기 접속 도체 사이에 전기 접속 라인을 포함하며, 상기 전기 접속 라인이 방사를 투과시키는 전도성 재료의 층으로 이루어지는,
    발광 반도체 소자.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 방사를 투과시키는 전도성 재료는 적어도 하나의 투과적인 전도성 산화물(TCO)을 포함하는,
    발광 반도체 소자.
  38. 제 36 항에 따른 발광 반도체 소자를 제조하기 위한 방법으로서,
    (a) 제 1 및 제 2 전기 접속면을 갖는 적어도 하나의 박막-발광 다이오드 칩 그리고 적어도 하나의 제 1 및 적어도 하나의 제 2 전기 접속 도체를 갖는 칩 캐리어를 제공하는 단계;
    (b) 상기 박막-발광 다이오드 칩을 상기 칩 캐리어 상에 제공하는 단계;
    (c) 상기 제 1 전기 접속면을 상기 제 1 전기 접속 도체에 전기적으로 접속하는 단계;
    (d) 상기 박막-발광 다이오드 칩의 제 2 전기 접속면과 전기적으로 접속되지 않아야 하는 적어도 모든 비어 있는 전도성 표면들을 전기 절연 재료로 코팅하는 단계;
    (e) 방사를 투과시키는 전도성 재료로 상기 칩 캐리어 및 상기 박막-발광 다이오드 칩을 표면 전체적으로 코팅함으로써, 상기 박막-발광 다이오드 칩의 상기 제 2 전기 접속면과 상기 제 2 접속 도체 사이에 전기 접속을 만든 다음에 템퍼링 하는 단계
    를 포함하는,
    발광 반도체 소자를 제조하기 위한 방법.
  39. 제 38 항에 있어서,
    상기 제 1 전기 접속면이 상기 박막-발광 다이오드 칩의 후면에 콘택팅 될 수 있으며, 상기 단계 (b) 및 (c)는 상기 박막-발광 다이오드 칩의 후면을 상기 제 1 전기 접속 도체에 납땜 또는 접착함으로써 동시에 실행되는,
    발광 반도체 소자를 제조하기 위한 방법.
  40. 제 38 항에 있어서,
    상기 단계 (e) 이전에, 상기 제 2 전기 접속면을 전기적으로 콘택팅 시킬 수 있는 표면에 전기 콘택 재료가 제공되는,
    발광 반도체 소자를 제조하기 위한 방법.
  41. 제 40 항에 있어서,
    상기 전기 콘택 재료는 폭이 스트립 형태 또는 부분 영역들에 한정된 다수의 층들의 형태로 된 층으로서 제공되는,
    발광 반도체 소자를 제조하기 위한 방법.
  42. 제 38 항에 있어서,
    전기 절연 재료가 먼저 상기 칩 캐리어 및 상기 박막-발광 다이오드 칩에 제공된 다음에 구조화됨으로써, 상기 전기 절연 재료를 이용한 코팅이 이루어지며, 상기 구조화는, 상기 제 2 전기 접속면을 전기적으로 콘택팅 시킬 수 있는 표면 그리고 상기 제 2 전기 접속 도체가 적어도 부분적으로 전기 접속을 위해 노출되는 방식으로 실행되는,
    발광 반도체 소자를 제조하기 위한 방법.
  43. 제 38 항에 있어서,
    상기 전기 절연 재료를 이용한 코팅이 실크 스크린 프린팅 방법으로 실행되는,
    발광 반도체 소자를 제조하기 위한 방법.
  44. 제 38 항에 있어서,
    상기 전기 절연 재료가 적어도 납땜 정지 래커 코팅으로 이루어지는,
    발광 반도체 소자를 제조하기 위한 방법.
  45. 제 38 항에 있어서,
    상기 전기 절연 재료가 SiO2를 포함하는,
    발광 반도체 소자를 제조하기 위한 방법.
  46. 제 38 항에 있어서,
    다수의 발광 반도체 소자들이 동시에 제조되며,
    상기 칩 캐리어가 다수의 구성 부품 섹션들을 포함하고, 상기 구성 부품 섹션들은 각각 적어도 하나의 제 1 및 적어도 하나의 제 2 전기 접속 도체를 포함하며,
    그 다음에 상기 반도체 소자들이 분리되는,
    발광 반도체 소자를 제조하기 위한 방법.
  47. 제 46 항에 있어서,
    상기 구성 부품 섹션들이 행 방식으로 적어도 하나의 행으로 배치되는,
    발광 반도체 소자를 제조하기 위한 방법.
  48. 제 47 항에 있어서,
    개별 행들이 칩 캐리어에 있는 슬릿들에 의해서 서로 분리되는,
    발광 반도체 소자를 제조하기 위한 방법.
  49. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막-발광 다이오드 칩을 둘러싸고 있는 하우징 내의 하우징 재료는 캐스팅 재료 또는 캡슐화 재료를 포함하는,
    발광 반도체 소자.
  50. 제 5 항에 있어서,
    상기 캐리어 기판은 반도체 캐리어 기판인,
    발광 반도체 소자.
  51. 제 10 항에 있어서,
    상기 금속 플레이트는 구리를 함유하는,
    발광 반도체 소자.
  52. 제 11 항에 있어서,
    상기 하나의 층은 금속 또는 산화층인,
    발광 반도체 소자.
  53. 제 11 항에 있어서,
    상기 하나의 층은 TiO2, Ag, Al 또는 Au를 포함하는 층인,
    발광 반도체 소자.
  54. 제 16 항에 있어서,
    상기 광학 장치는 포커싱 장치인,
    발광 반도체 소자.
  55. 제 19 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 주표면은 상기 하우징 공동부의 내부를 향하는 상기 커버 플레이트의 주표면인,
    발광 반도체 소자.
  56. 제 21 항에 있어서,
    상기 다수의 부분면들의 상기 각도들은 전체 주표면에 걸쳐 랜덤하게 분포되는,
    발광 반도체 소자.
  57. 제 26 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 주표면은 상기 하우징 공동부의 내부를 향하는 상기 커버 플레이트의 주표면인,
    발광 반도체 소자.
  58. 제 30 항에 있어서,
    상기 다수의 부분면들의 상기 각도들은 전체 변환층에 걸쳐서 랜덤하게 분포되는,
    발광 반도체 소자.
  59. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 소자가 적어도 세 종류의 박막-발광 다이오드 칩을 포함하고, 상기 박막-발광 다이오드 칩은 각각 상이한 파장의 가시 방사를 방출하며, 상기 가시 방사는 혼합되어 CIE-다이아그램에서 특정한 컬러 위치를 차지하는 광을 나타내는,
    발광 반도체 소자.
  60. 제 33 항에 있어서,
    CIE-다이아그램에서 상기 특정한 컬러 위치를 차지하는 광은 백색광인,
    발광 반도체 소자.
  61. 제 59 항에 있어서,
    CIE-다이아그램에서 상기 특정한 컬러 위치를 차지하는 광은 백색광인,
    발광 반도체 소자.
  62. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막-발광 다이오드 칩이 50 ㎛보다 작거나 같은 두께를 갖는,
    발광 반도체 소자.
  63. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막-발광 다이오드 칩이 10 ㎛보다 작거나 같은 두께를 갖는,
    발광 반도체 소자.
  64. 제 37 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 투과적인 전도성 산화물(TCO)은 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 아연 산화물(ZnO)인,
    발광 반도체 소자.
  65. 제 38 항에 있어서,
    상기 적어도 모든 비어 있는 전도성 표면들 그리고 상기 박막-발광 다이오드 칩의 측벽들은 상기 제 1 전기 접속 도체의 비어 있는 표면들인,
    발광 반도체 소자를 제조하기 위한 방법.
  66. 제 42 항에 있어서,
    상기 전기 절연 재료는 리소그래피에 의해서 구조화되는,
    발광 반도체 소자를 제조하기 위한 방법.
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