KR101521318B1 - 발광다이오드 칩 열 관리 및 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 높은 열 전도성 및 열팽창 계수를 갖는 전기적으로 또는 전기적으로 도금된 금속 합성 열 발산 기판을 사용하는 고 전력 발광 장치를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

발광다이오드 칩 열 관리 및 제조 방법{LED Chip thermal management and fabrication methods}
이 발명은 발광 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
합성 반도체의 분야에서는, 가시 광선 영역에서 특히 Ⅲ-Ⅴ 질화물 기반의 청색 및 녹색 파장 영역에서, 새로운 세대의 기술이 발광다이오드 및 레이저에 적용되고 있다.
다른 광역 밴드갭 반도체와 비교하여 볼때 질화물 반도체의 주된 장점은, 고전류 밀도로 구동되는 광학 장치에서 성능저하가 낮다는 점에 있다. 회사들은 최근에 새로운 주택 조명 및 LCD 백라이트 시장으로 진입하기 위하여 많은 노력을 들이고 있다. 일반적인 추세는, 종래의 백열 램프 또는 형광 램프를 좀더 신뢰성있고 컴팩트한 반도체 광원인 발광다이오드 램프로 교체하기 위한 것이다.
종래의 백열 램프 또는 형광 램프를 교체하기 위하여 발광다이오드 기반의 백색 광원은, 청색 발광다이오드 또는 자외선 발광다이오드의 다운 전환을 위한 인(P)을 사용하고, 다른 파장의 발광이다이오드(예를들어 적색, 녹색, 청색 발광다이오드)를 조합을 사용하는 것과 같은 몇가지 방법에 의해 생산되어질 수 있다.
시장진입을 위한 주된 장애물중의 하나는, 발광다이오드에 기초한 램프의 광속당 비용이다. 보편적인 접근방법중의 하나는 가능한 최소 효율 저하를 가지면서 최고효율 전류 밀도를 가지는 발광 다이오드를 구동하는 것이다. 다수의 양자 우물(quantum-well) 및 확산 장벽(diffusion barrier)를 조율하기 위한 발광 다이오드 구조의 에피택셜(epitaxial) 성장은 효율 저하를 부분적으로 향상시킬 수가 있으나, 접합 온도를 줄이기 위하여 칩 패키징시 양호한 열 관리는, 거의 제로에 가까운 효율 저하를 갖는 장치를 얻기 위해서는 매우 중요하다.
발광 다이오드상에 높은 열 전도성 물질을 부착하는 다양한 방법이 적용되어 왔다. 질화붕소(BN)가, 발광 다이오드로부터의 열을 방출하기 위하여 비금속 타입 서브 마운트는 화학 기상 증착 다이아몬드(CVD 다이아몬드), 탄화실리콘(SiC), 질화 알루미늄(AlN)가 일반적으로 사용된다. 발광 다이오드를 위한 금속 및 금속 합금 서브 마운트는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), CuW 합금이 일반적으로 사용된다.
그러나, 비록 이러한 금속 및 금속 합금이 발광 다이오드를 위하여 매우 양호한 열 관리를 제공한다고 하더라도, 열 팽창 계수(CTE)의 부정합은, 고전류 밀도하에서 긴 열적 동작 사이클 후에 장치 신뢰성의 문제를 일으키게 된다. CVD 다이아몬드는 발광 다이오드를 위한 우수한 열관리를 제공하지만, 발광 다이오드와 부정합되는 별로 만족할 수 없는 열 팽창 계수(CTE)를 제공하게 된다. 질화 알루미늄(AlN)과 같은 다른 비금속 물질은 더 양호하게 매칭되는 열 팽창계수를 제공하지만, 별로 만족할 수 없는 열 관리를 제공하게 된다.
종래기술로서, 다음과 같은 미국 특허 및 공개된 출원이 있다. 6642652 (Collins, Ⅲ, et al.) 6658041 (Uebbing) 6734466 (Chua) 6744071 (Sano, et al.) 6744196 (Jeon) 6770542 (Plossl, et, al) 6800500 (Coman, et al.) 7195944 (Tran, et al.) 2004/015158 (Hon) 2004/0235210 (Tamura, et al.) 2004/0245543 (Yoo) 2006/0091409 (Epler, et al.)
J.R. Roos 및 J.P. Celis, "Is The Electrolytic Codeposition of Solid Particles A Reliable Coating Technology?" in Proceedings of the 71st Annual Technical Conference of the American Electroplaters Society, paper 0-1, New York, 1984, p.1. J.R.Roos, "A New generation of Electrolytic and Electroless Composite Coatings" in Proceedings INCEF'86. Bangalore, 1988, p.382. V.P. Greco 및 W.Baldauf, Plating 55 (1968) 250.
본　발명은　바람직하기로　장치와 어울리는 높은 열전도도 및 우수한 열팽창계수를 갖는 무전해　또는　전해　도금된　금속　복합　방열　기판을 이용한 고전력 발광 장치를 제조하는 방법에 관한 것이다.　
이러한 제조 방법은 다음의 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 금속　복합재는　무전해 또는 전해 도금에 의해 반사체 및 접촉층 위에 형성된다. p형　또는　n형　화합물　반도체 상의 반사체 및 접촉층은 스퍼터링, 전자빔 증착, 또는　무전해 또는 전해 도금과 같은 다양한　방법들을 이용하여 증착될 수 있다. 장치　구조는　MOCVD (Metal organic chemical vapour deposition), HVPE (Hydride vapour phase epitaxy), 또는 MBE (Molecular beam epitaxy)에 의해 성장될 수 있다. 사파이어, 실리콘 카바이드, LiAIO2, ZnO 또는　실리콘 기판은　레이저 리프트-오프(lift-off), 선택적　습식 식각, 사진 전기화학적 식각(photo-electrochemical etching), 전기화학적 식각, 또는　화학적　기계적　연마를　이용하여　제거될　수　있다. 금속　복합재의　열팽창은　금속 복합재에서 입자들의　다른　형태, 다른 입도　분포　그리고　다른　체적　백분율의 하나 또는 그 이상을 이용하여 적합하게 될 수 있다.　
본　발명은　종래 기술에 비하여 특정한 이점을 제공한다. 광추출 증가를 위해 발광다이오드 웨이퍼 및 칩의 거칠어진 표면은 무전해 또는 전해 도금 공정에 의해 쉽게 평평해진다. 또한, 본 발명은 더 좋은 열관리를 위해 다른 서브-마운트(sub-mount) 상에 발광다이오드 장치의 긴 웨이퍼 접합(bonding/gluing) 공정과 복잡함을 제거하여 웨이퍼 접합(bonding) 비용을 낮춘다. 발광다이오드 장치의 신뢰도는　또한　상기 기판과 상기 장치 재료 사이의 더 우수한 열팽창계수(CTE) 매칭에 의해 증가된다.
도 1은 본 발명에 따른 수직(vertical) 발광다이오드의 제1실시예를 도시한다.
도 2a 내지 도 2c는 금속　복합재　기판으로　발광다이오드의 제조 공정들을 도식적으로 도시한다.
도 3은 금속 복합재 기판으로 패턴이 형성된 p-형 기판에서의 발광다이오드 장치의 한 실시예를 도시한다.
도 4는 금속 복합재 기판으로 패턴이 형성된 n-형 및 p-형 표면들에서의 p-측 아래의 발광다이오드 장치의 한 실시예를 도시한다.
도 5는 금속 복합재 기판으로 패턴이 형성된 n-형 및 p-형 표면들에서의 n-측 아래의 발광다이오드 장치의 한 실시예를 도시한다.
도 6은 금속 복합재 및 금속 합금 기판으로 패턴이 형성된 n-형 및 p-형 표면들에서의 p-측 아래의 발광다이오드 장치의 한 실시예를 도시한다.
도 7은 부착되고 패턴이 형성된 최초 투명 웨이퍼 기판으로 같은 평면을 갖는 p-측 및 n-측 아래의 발광다이오드 장치의 한 실시예를 도시한다.
도 8은 금속 복합 기판으로 패턴이 형성된 n-측의 상부에 부착된 형광층으로 백색 p-측 아래의 발광다이오드 장치의 한 실시예를 도시한다.
도 9는 금속 복합 기판으로 전체 발광다이오드 칩에 부착된 낱개의 형광체 변환 장치로 패키지에 실장된 백색 p-측 발광다이오드 장치의 한 실시예를 도시한다.
도 10은 금속 복합 기판으로 패턴이 형성된 n-측의 상부에 부착된 낱개의 형광체 변환 장치로 패키지에 실장된 백색 p-측 발광다이오드 장치의 한 실시예를 도시한다.
도 11은 금속 복합재 기판으로 경사지게 식각되어 패턴이 형성된 n-형 및 p-형 표면으로 p-측 아래의 발광다이오드 장치의 한 실시예를 도시한다.
본 발명을 설명하기 위해, 본 발명에 따른 기술들을 이용한 다양한 실시예들 및 첨부 도면이 아래에 설명된다.
실시예 1
도 1은 제거된 외부 기판으로 수직 발광다이오드 장치의 실시예의 구조를 예시적으로 도시한다. 발광 다이오드 장치는 발광 다이오드 웨이퍼 또는 칩(14), p-컨택 금속층(13), 미러 또는 반사층(12), 전해 도금 금속 복합재 기판(11) 및 n-금속 컨택층(15)를 포함하여 이루어진다. 어떠한 적절한 수단에 의해서 p-타입 본딩 패드는 상기 금속 복합재 기판(11)에 직접적으로 연결될 수 있고, n-타입 본딩 패드는 상기 n-금속 컨택층 상에 증착되고 연결될 수 있다. 도 2a 내지 도 2c는 금속 복합재 기판을 갖는 이러한 발광 다이오드 장치를 생산하기 위한 제조 공정 단계들을 개략적으로 도시한다. 이질적인 기판(16) 상의 발광 다이오드 에피택셜 구조(14)는 MOCVD, HVPE 또는 MBE에 의해 성장된다. 구조(14)의 p-타입 Ⅲ-Ⅴ 질화물 반도체상의 상기 금속 컨택층(13)은 e-빔 증착, 스퍼터링(RF, DC 또는 AC), 무전해 또는 전해 도금, 화학적 기상 증착, 플라즈마 강화 화학적 기상 증착(PECVD), 원자층 증착(atomic layer deposition,ALD), 물리적 기상 증착, 증발, 플라즈마 스프레이 또는 스핀 코팅, 또는 이 기술들의 조합을 사용하여 증착될 수 있다. 금속 컨택층(13)은 좋은 광 투과성(optical transparency)을 갖는 단일 또는 다중층일 수 있다. 상기 p-타입 금속 컨택층의 예들은 Ni/Au, Pt/Au, Pd/Au, Ni/ZnO, Ni/Au/ITO, 단일벽 탄소 나노 튜브, Pt 및 Pd이다. 반사층(12)은 그리고나서 상기 금속 컨택층을 증착하는데 사용된 방법으로 증착된다. 상기 거울층은 예를 들면, Ag, Al, Cr, Pt 또는 Ti를 포함하는 반사층과 Au, Ni, Ni/Au, TiN, Ti/Au, Cr/Au, W 또는 Ni/Cr/Au와 같은 버퍼층을 포함한다. 그리고나서 Cu 및 Ni와 같은 금속들을 CVD 다이아몬드의 부유 파티클, AlN 또는 BN과 함께 포함하는 용액을 사용하여 금속 복합재(11)의 무전해 또는 전해 도금은 상기 반사층(12)상에 형성된다. 캐리어 기판(16)은 그리고 나서 레이저 절삭(laser ablation), 에칭, 그리인딩/래핑 또는 화학적 기계적 연마 또는 특히 습식 에칭을 사용하여 제거된다. 좋은 광 투과성을 갖는 n-타입 컨택층(15)는 그리고나서 구조(14)의 n-타입 Ⅲ-Ⅴ 질화물 반도체상에 증착된다. n-타입 금속 컨택층의 예들은 Ti/Au, ZnO, ITO, Ni/ZnO 및 Ni/Au/ITO이다.
발광 다이오드 구조(14)의 에피택셜 성장은 기판과 탑 디바이스 구조 사이의 희생층(17)을 포함한다. 상기 희생층(17)은 다른 방법들을 사용하여 준비될 수 있다. 일 예는 쉬운 기계적 분리를 위해 티타늄 질화막 또는 크롬 질화막과 같은 다공질 금속 질화막의 층을 성장시키는 것이다. 두 번째 예는 쉬운 화학적 습식 에칭을 위해 저온 알루미늄 질화막을 성장시키는 것이다. 세 번째 예는 레이저 리프트 오프 분리를 가능하게 하기 위해 높은 UV 광 흡수 InGaN층을 성장시키는 것이다. 네 번째 예는 상기 발광 다이오드 구조와 기판의 계면에서 분리를 가능하도록 하기 위해 기계적, 전기화학적 또는 화학적 습식 에칭 방법을 사용하여 나노 구조를 제조하거나 성장시키는 것이다. 상기 나노 구조는 나노 컬럼(나노 와이어, 나노 필러 또는 나노 포스트라고도 불리는), 나노 포어 또는 나노 네트워크일 수 있다. 그런 나노 포어의 형상은 무작위로 또는 사각형, 언, 삼각형, 사다리꼴 또는 다각형 형상의 잘 정의된 배열 또는 그러한 형상들의 혼합일 수 있다. 기판으로부터 분리된 발광 다이오드 구조의 n-사이드는 낮은 품질의 핵 형성 및 버퍼층을 제거하여 구조(14)의 n-타입 Ⅲ-Ⅴ 질화물 컨택층을 노출시키기 위해 연마 공정을 통과한다. 좋은 광 투과성을 갖는 n-타입 컨택층(15)은 그리고나서 구조(14)의 n-타입 Ⅲ-Ⅴ 나이트라이드 반도체상에 증착된다.
실시예 2
도 3은 이질적인 기판이 제거된 수직적 발광 다이오드 장치의 실시예의 다른 예의 구조를 나타낸다. 상기 발광 다이오드 장치는 발광 다이오드 웨이퍼 또는 칩(24), p-컨택 금속층(23), 반사층(22), 전해 도금 금속 복합재 기판(21) 및 n-금속 컨택층(25)를 포함한다. 어떤 적절한 수단에 의해 p-타입 본딩 패드는 상기 금속 복합재 기판(21)에 직접적으로 연결될 수 있고, n-타입 본딩 패드는 n-금속 컨택층상에 증착되고 연결된다. 광 추출을 향상시키기 위해, 웨이퍼 또는 칩(24)의 p-타입 Ⅲ-Ⅴ 질화물 컨택층은 다양한 방법에 의해 거칠게 만들어지거나 패턴된다. 거칠게 만들어진 표면은 더 높은 p-타입 도핑으로 in situ 에피택셜 성장에 의해 성장된다. 거칠게 만들어진 표면은 습식 식각, 전기화학적 에칭 또는 광화학적 에칭에 의해서도 제조될 수 있다. 패턴된 표면은 포토리소그래피, 홀로그래피, 인크젯 프린팅, 양극 다공성 알루미나(anodic porous alumina), 금속 담금질, 간섭계(interferometry), 스크린 프린팅 또는 나노 임프린트에 의해 제조된 마스크를 사용하여 건식 또는 습식 에칭에 의해 제조죌 수 있다.
실시예 3
도 4는 이질적인 기판이 제거된 수직적 발광 다이오드 장치의 실시예의 다른 예의 구조를 나타낸다. 상기 발광 다이오드 장치는 발광 다이오드 웨이퍼 또는 칩(34), p-컨택 금속층(33), 반사층(32), 전해 도금된 금속 복합재 기판(31), 및 n-금속 컨택층(35)를 포함한다. 어떤 적절한 수단에 의해 p-타입 본딩 패드는 상기 금속 복합재 기판(31)에 직접적으로 연결될 수 있고, n-타입 본딩 패드는 n-금속 컨택층에 증착되고 연결될 수 있다. 빛 추출(light extraction)을 강화시키기 위하여, 웨이퍼 또는 칩의 p-type 과 n-type Ⅲ-Ⅴ족 질화물 콘택층(nitride contact layer)들 모두는 다양한 기술들에 의하여 거칠어지고, 패턴된다. 상기 거칠어진 면은 고농도 p-type 도핑과 함께 in situ 에픽텍셜 성장에 의하여 성장될 수 있다. 또한, p-type 과 n-type Ⅲ-Ⅴ족 질화물들의 상기 거칠어진 면은 습식 에칭(wet etching), 전기화학적 에칭(electrochemical etching), 또는 광화학적 에칭(photochemical etching)에 의하여 제조되어 질 수 있다. 상기 패턴된 면은 포토리소그래피(photolithography), 홀로그래피(holography), 잉크젯 프린팅(ink-jet printing), 애노딕 포로스 알루미나(anodic porous alumina), 메탈 어닐링(metal annealing), 인터페로메트리(interferometry), 스크린 프린팅(screen printing), 또는 나노-임프린트(nano-imprint)에 의하여 제조되는 마스크를 사용하여, 건식 또는 습식 에칭에 의하여 제조되어 질 수 있다.
실시예 4
도 5는 이질적인 기판이 제거된 수직적 발광 다이오드 장치의 실시예의 다른 예의 구조를 나타낸다. 상기 발광다이오드 장치는 발광다이오드 웨이퍼 또는 칩(44, LED wafer or chip), 투명 p-콘택 메탈층(43, transparent p-contact metal layer), n-메탈 콘택층(45, n-metal contact layer), 리플렉터층(42, reflector layer) 및 전해도금 된 메탈 합성 기판(41, electrolytically plated metal composite substrate)을 포함한다. n-타입 본딩 패드는 메탈 합성 기판(41)과 직접적으로 연결될 수 있다. p-타입 본딩 패드는 p-메탈 콘택층의 상부에 증착될 수 있고, 어느 적합한 방법에 의하여 연결될 수 있다. 빛 추출을 강화시키기 위하여, 웨이퍼 또는 칩(44)의 p-type 과 n-type Ⅲ-Ⅴ족 질화물 콘택층 모두는 다양한 방법에 의하여 거칠어지거나 패턴된다. 상기 p-타입 거칠어진 면은 고농도 p-타입 도핑과 함께 in situ 에픽텍셜 성장에 의하여 성장되어질 수 있다. 또한, 상기 p-type 과 n-type Ⅲ-Ⅴ족 질화물의 거칠어진 면은 습식 에칭, 전기화학적 에칭, 또는 광화학적 에칭에 의하여 제조되어 질 수 있다. 상기 패턴된 면은 포토리소그래피, 홀로그래피, 잉크젯 프린팅, 애노딕 포로스 알루미나, 메탈 어닐링, 인터페로메트리, 스크린 프린팅, 또는 나노-임프린트에 의하여 제조되는 마스크를 사용하여, 건식 또는 습식 에칭에 의하여 제조되어 질 수 있다.
실시예 5
도 6은 이질적인 기판이 제거된 수직적 발광 다이오드 장치의 실시예의 다른 예의 구조를 나타낸다. 상기 발광다이오드 장치는 발광다이오드 웨이퍼 또는 칩(54, LED wafer or chip), 투명 p-콘택 메탈층(53, transparent p-contact metal layer), 리플렉터층(52, reflector layer), 전해도금 된 메탈 합성 기판(51, electrolytically plated metal composite substrate), 및 n-메탈 콘택층(55, n-tmetal contact layer)을 포함한다. 추가 메탈 또는 합금 메탈 히트 싱크(58, metal or metal alloy heat sink)는 방열 기능의 추가적인 강화를 위하여 메탈 합성 기판(51) 상부에 무전해 또는 전해 도금된다. p-type 본딩 패드는 메탈 또는 합금 메탈 기판(58)에 직접적으로 연결될 수 있다. 그리고, n-타입 본딩 패드는 n-메탈 콘택층 상부에 증착될 수 있고 어느 적합한 방법에 의하여 연결될 수 있다. 빛 추출을 강화시키기 위하여, p-type 과 n-type Ⅲ-Ⅴ족 질화물 콘택층 모두는 다양한 방법에 의하여 거칠어지거나 패턴된다. 상기 거칠어진 면은 고농도 p-타입 도핑과 함께 in situ 에픽텍셜 성장에 의하여 성장되어질 수 있다. 상기 p-type 과 n-type Ⅲ-Ⅴ족 질화물의 거칠어진 면은 습식 에칭, 전기화학적 에칭, 또는 광화학적 에칭에 의하여 제조되어 질 수 있다. 상기 패턴된 면은 포토리소그래피, 홀로그래피, 잉크젯 프린팅, 애노딕 포로스 알루미나, 메탈 어닐링, 인터페로메트리, 스크린 프린팅, 또는 나노-임프린트에 의하여 제조되는 마스크를 사용하여, 건식 또는 습식 에칭에 의하여 제조되어 질 수 있다.
실시예 6
도 7을 보면, 기존의 웨이퍼 기판이 붙여지고 패턴된 동일 평면상의 p-사이드 및 n-사이드 다운 발광다이오드 장치의 실시예의 다른 구조를 나타낸다. 상기 발광다이오드 장치는 이질적 기판(66) 상부에 성장된 발광다이오드 칩(64, LED chip), p-콘택 메탈층(63, p-contact metal layer), 리플렉터층(62, reflector layer), 도금된 메탈 합성 기판(61, plated metal composite substrate) 및 n-메탈 콘택층(65)을 포함한다. 절연 유전 물질로 만들어지는 추가 패시베이션층(68, extra passivation layer)은 메탈 합성 기판(61)의 무전해 또는 전해 도금을 위한 경계로서 사용될 수 있다. p-타입 및 n-타입 본딩 패드는 메탈 합성 기판(61)의 두 부분에 직접적으로 연결될 수 있다. 빛 추출을 강화시키기 위하여 기존의 기판(66)은 다양한 기술에 의하여 거칠어지거나 또는 패턴된다. 상기 무작위적인 거칠어진 면은 습식 에칭, 전기화학적 에칭, 또는 광화학적 에칭에 의하여 제조되어 질 수 있다. 상기 패턴된 면은 포토리소그래피, 홀로그래피, 잉크젯 프린팅, 애노딕 포로스 알루미나, 메탈 어닐링, 인터페로메트리, 스크린 프린팅, 또는 나노-임프린트에 의하여 제조되는 마스크를 사용하여, 건식 또는 습식 에칭에 의하여 제조되어 질 수 있다.
실시예 7
도 8은 패턴된 n-사이드의 상단에 인광 물질(phosphor)을 구비하는 p-사이드 다운 백색 발광다이오드 장치의 실시예의 다른 구조를 나타낸다. 수직적인 백색 발광다이오드 장치는 발광다이오드 웨이퍼 또는 칩(74, LED wafer or chip), p-콘택 메탈층(p-contact metal layer), n-금속 접촉층(75), 반사층(72), 전기 도금 금속 합성 기판(71)을 포함하여 이루어진다.
p-형 본딩 패드(77)는 금속 복합 기판(71)에 직접 연결될 수 있으며, n-형 본딩 패드(76)는 n-금속 콘택층 상에 증착될 수 있고 어떠한 적절한 수단에 의하여 연결될 수 있다. 광 추출을 향상시키기 위하여, 웨이퍼 또는 칩(74)의 n-형 및 p-형 Ⅲ-V 질화물 콘택층은 다양한 기술에 의하여 거칠어지거나 패터닝된다. 거칠어진 p-형 표면은 높은 p-형 도핑을 이용한 인-시투 에피텍셜 성장에 의하여 성장될 수 있다. 또한 거칠어진 n-형 및 p-형 Ⅲ-V 질화물의 표면은 습식 식각, 전기화학적 식각 또는 광화학적 식각에 의하여 구성될 수 있다. 패터닝된 표면은 포토리소그래피, 홀로그래피, 잉크 제트 프린팅, 음극 다공성 알루미나, 금속 어닐링, 인터페로메트리, 스크린 프린팅 또는 나노-임프린트에 의하여 제조된 마스크를 이용한 건식 식각 및 습식 식각에 의하여 구성될 수 있다.
형광체는 투명한 폴리머층(78 및 80) 및 형광체층(79)으로 제조된다. 상단 폴리머층(80)은 패터닝되어 광 추출 효율 및 광 출력의 방향을 향상시키고 조정할 수 있다. 폴리머층(78 및 80)은 단일 종류 또는 다수의 종류의 폴리머로 구성될 수 있다. 한 실시예는 PMMA(폴리메틸 메타아크릴레이트), PC(폴리카보네이트) 또는 에폭시와 같은 경질 폴리머를 다수의 상단 층으로 사용하나, 상단 n-콘택트층(75)와 형광체층(79) 사이의 층 재료로서 실리콘을 사용한다. 형광체는 스핀 코팅, 스크린 프린팅, 플라즈마 스프레이 또는 정전기 코팅을 이용하여 발광 다이오드 소자 상에 직접적으로 증착될 수 있다. 스핀 코팅 및 스크린 프린팅의 경우, 형광체 재료는 솔벤트, 폴리머, 첨가제 및 경화제를 함유한 매체 내로 확산될 수 있다. 형광체는 또한 미리 제조되어 별개의 성분으로 형성되며, 이후 접착제를 통하여 발광 다이오드 소자에 부착된다. 형광체는 다른 수의 층을 포함할 수 있다. 형광체 층(79)은 층이 바닥에서 상단으로 갈수록 얇아지고 그리고/또는 층이 동일한 형태의 형광체로 이루어지거나 층이 상단 상의 층보다 짧은 평균 파장을 갖는 광을 발생시키는 바닥층을 갖는 다른 형태의 형광체로 이루어지고 그리고/또는 층이 패터닝되어 균일한 광 분포를 제공하도록 형성된다. n-콘택트층(75)는 발생된 광이 보다 좁은 각도 분포에서 향할 수 있으며 더 많이 평행할 수 있도록 패터닝된다.
실시예 8
도 9는 형광체가 제조되어 발광 다이오드 소자의 전체 크기를 덮는 캡을 형성하는 것을 제외하고는 도 7과 유사한 실시예를 도시한다. 수직 백색 발광 다이오드 소자는 발광 다이오드 웨이퍼 또는 칩(84), p-콘택트 금속층(83), n-금속 콘택층(85), 반사층(82) 및 전해 도금 금속 복합 기판(81)을 포함한다. p-형 본딩 패드(87)는 금속 복합 기판(81)에 직접 연결될 수 있으며, n-형 본딩 패드(86)는 n-금속 콘택층 상에 증착될 수 있고 어떠한 적절한 수단에 의하여 연결될 수 있다. 광 추출을 향상시키기 위하여, 웨이퍼 또는 칩(84)의 n-형 및 p-형 Ⅲ-V 질화물 콘택층은 다양한 기술에 의하여 거칠어지거나 패터닝된다. 거칠어진 p-형 표면은 높은 p-형 도핑을 이용한 인-시투 에피텍셜 성장에 의하여 성장될 수 있다. 또한 거칠어진 n-형 및 p-형 Ⅲ-V 질화물의 표면은 습식 식각, 전기화학적 식각 또는 광화학적 식각에 의하여 구성될 수 있다. 패터닝된 표면은 포토리소그래피, 홀로그래피, 잉크 제트 프린팅, 음극 다공성 알루미나, 금속 어닐링, 인터페로메트리, 스크린 프린팅 또는 나노-임프린트에 의하여 제조된 마스크를 이용한 건식 식각 또는 습식 식각에 의하여 구성될 수 있다. 형광체는 투명한 폴리머층(88 및 90) 및 형광체층(89)으로 제조된다. 상단 폴리머층(80)은 패터닝되어 광 추출 효율 및 광 출력의 방향을 향상시키고 조정할 수 있다. 형광체는 또한 미리 제조되어 별개의 성분으로 형성되며, 이후 접착제를 통하여 발광 다이오드 소자에 부착된다. 형광체는 다른 수의 층을 포함할 수 있다. 형광체 층(89)은 층이 바닥에서 상단으로 갈수록 얇아지고 그리고/또는 층이 동일한 형태의 형광체로 이루어지거나 층이 상단 상의 층보다 짧은 평균 파장을 갖는 광을 발생시키는 바닥층을 갖는 다른 형태의 형광체로 이루어지고 그리고/또는 층이 패터닝되어 균일한 광 분포를 제공하도록 형성된다. n-콘택트층(85)는 발생된 광이 보다 좁은 각도 분포에서 향할 수 있으며 더 많이 평행할 수 있도록 패터닝된다.
실시예 9
도 10은 발광다이오드 팩킹에 장착되는 분리된 형광체를 갖는 p-사이드 다운 백색 발광다이오스 소자의 일 실시예를 나타낸다. 상기 수직의 백색 발광다이오드 소자는 발광다이오드 칩(114), p-콘택 금속층(113), n-금속 콘택층(115), 반사층(112) 및 전해 도금된 금속 복합체 기판(111)을 포함한다. p-형 결합 패드(117)는 금속 복합체 기판에 직접적으로 연결 되어질 수 있고, n-형 결합 패드(116)는 n-금속 콘택층에 놓여질 수 있고 소정의 적절한 수단에 의해 패키지에 연결되어질 수 있다. 광 추출을 증진시키기 위하여, n-형 및 p-형 III-V 질화물 콘택층들은 모두 다양한 기술에 의하여 요철이 형성되거나 패턴이 형성될 수 있다. 상기 p-형 요철 표면은 높은 수준의 P-형 도핑에 의한 에피택셜 성장에 의해 성장시킬 수 있다. p-형 및 n-형 III-V 질화물들의 요철 표면은 또한 습식 에칭, 전기화학 에칭, 또는 광화학 에칭에 의해 제조될 수 있다. 패턴 표면은 포토리소그래피, 홀로그래피, 잉크-젯 프린팅, 양극 다공성 알루미나, 금속 애닐링, 인터페로메트리, 스크린 프린팅 또는 나노-임프린트에 의해 제조된 마스크를 사용하는 건식 또는 습식 에칭에 의해 제조될 수 있다.
발광다이오드 패키지의 상부에 장착되는 분리된 소자내에 제조된 것을 제외하고는 형광체 배열은 실시예 7과 유사하다. 전체 발광다이오드 소자는 Ag, AI 또는 유전성의 유리 코팅과 같은 반사 물질(121)로 코팅된 측벽을 갖는 패키지 내에 장착된다. 패키지의 바닥은 서로 전기적으로 분리된 두개의 영역(122 및 123) 내에 Au 또는 다른 높은 전도성 금속 또는 금속 합금들이 놓여진다. P-사이드 결합패드(117)는 상기 영역(122)에 결합되고, n-사이드 결합 패드(116)는 상기 영역(123)에 와이어로 연결된다. 발광다이오드 패키지의 내부는 N2, Ar 등과 같은 불활성 가스 또는 실리콘 오일 또는 높은 열 전도성을 갖는 나노 및 마이크로 입자가 혼합된 실리콘 오일과 같은 열 전도성 및 전기적 절연 물질로 채워진다. 상기 열전도성 물질들은 CVD 다이아몬드, AIN, BN, SiC 등 일수 있다.
실시예 10
도 11은 제거된 이질적인 기판을 갖는 p-사이드 다운 수직 발광 다이오드 소자의 예시적인 실시예를 도시한다. 발광 다이오드 소자는 발광 다이오드 웨이퍼 또는 칩(134), p-콘택트 금속층(133), 반사층(132), 전해 도금 금속 복합 기판(131) 및 n-금속 콘택층(135)을 포함한다. p-형 본딩 패드는 금속 복합 기판(131)에 직접적으로 연결될 수 있고 n-형 본딩 패드는 n-금속 콘택층 사에 증착될 수 있고 어떠한 적절한 수단에 의하여 연결될 수 있다. 광 추출을 향상시키기 위하여, n-형 및 p-형 Ⅲ-V 질화물 콘택층은 다양한 기술에 의하여 거칠어지거나 패터닝된다. 거칠어진 표면은 높은 p-형 도핑을 이용한 인-시투 에피텍셜 성장에 의하여 성장될 수 있다. 또한 n-형 및 p-형 Ⅲ-V 질화물의 거칠어진 또는 패터닝된 표면은 사각 (oblique angel) 건식 식각에 의하여 구성된다. 에칭 각도는 0(zero)에서 90도 범위 내에서 변화할 수 있다. 이 사각 건식 식각은 시료를 원하는 각도 및 방향으로 경사시킴으로써 식각 챔버 내에서 수행될 수 있다. 제조된 패터닝된 또는 거칠어진 표면(139)은 원하는 사각을 갖는 나노 구조체를 포함할 수 있으며, 이 표면은 본래의 Ⅲ-V 질화물의 가변 굴절율(tunable refractive index)보다 낮은 굴절율의 재료층을 차례로 형성한다. 이는 발광 다이오드 소자의 광 추출을 향상시킨다. 패터닝된 마스크는 포토리소그래피, 홀로그래피, 잉크 제트 프린팅, 음극 다공성 알루미나, 금속 어닐링, 인터페로메트리, 스크린 프린팅 또는 나노-임프린트에 의하여 제조될 수 있다. 상단 투명 금속 콘택트층(135)은 다른 도판트(dopant)의 ITO/NiAu, Ti/Al, TiN, ITO 또는 ZnO를 포함할 수 있다.
본 기술 분야의 숙달된 자들에게는 넓은 범위의 방법과 공정 인자들이 위에서 명료하게 설명된 본 발명의 범위 내에 포함될 수 있다는 것이 명백해질 것이다. 예를 들어, n-형 복합 반도체 콘택층의 패턴은 광자(photonic) 크리스탈, 광자 준결정 또는 그레이팅일 수 있다. 따라서, 광 출력의 빔 형상은 조절될 수 있다. 금속 복합 기판을 형성하기 위한 비전착성 또는 전해 도금이 전체 웨이퍼에 적용될 수 있다. 플라즈마를 이용한 발광 다이오드 소자의 p-사이드 상에 칩의 경계를 형성하기 위한 포토리소그래피 공정은 화학 기상 증착(PECVE) 실리콘 옥사이드를 향상시키며, 그후 금속 콘택층과 반사층이 증착되고 열처리(anneal)된다. 버퍼 옥사이드 제거 공정은 실리콘 옥사이드를 제거하고 이 상단 옥사이드 상에 증착된 금속을 들뜨게 할 것이다. 상기 칩의 용이한 분리를 위하여 p-형 조성 반도체의 경계는 노출된다. 이때, 무전해 또는 전해도금 공정은 금속 복합체 기판을 형성한다. 일반적인 에피택셜 성장 기판은 이때 제거된다. 본 발명은 쉽게 확장할 수 있다. 본 발명은 AlinGaP, AllnGaAs, ZnO, 및 다른 형태의 반도체와 같은 다른 형태의 물질을 사용하는 LEO로 쉽게 확장할 수 있다는 것 또한 명백한 것이다.
본 발명은 실시예들의 방법 및 바람직한 구현예의 관점에서 설명되었으나, 본 발명이 이에 한정되지 않는다. 따라서 본 발명은 다양한 변형들 및 유사한 배열들 및 방법들을 포함하며, 첨부된 청구항들은 그러한 다양한 변형들과 유사한 배열들 및 방법을 포함하도록 폭넓게 해석되어져야 한다.
11 : 금속 복합재 기판
12 : 반사층
13 : p- 컨택 금속층
14 : 발광 다이오드 웨이퍼 또는 칩

Claims (17)

  1. 금속 복합체 기판을 사용하여 고출력 발광 장치용 열팽창 계수 정합 기판을 제작하는 방법에 있어서,
    상기 금속 복합체 기판은 부유된 입자성 물질을 함유하는 금속 또는 금속 합금 용액을 발광 장치에 무전해 또는 전해 도금을 하는 것에 의해 제작됨을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속 복합체 기판은 금속; 및
    열전도성 나노- 및 마이크로- 입자성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속 복합체 기판은 무전해 도금 또는 전해 도금에 의해 증착된 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 복합체 기판의 열팽창 계수는 서로 다른 종류의 금속 및 합금을 사용하여 조정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 금속 복합체 기판의 열팽창 계수는 서로 다른 종류의 입자성 물질, 서로 다른 크기 분포의 입자성 물질, 또는 서로 다른 부피 퍼센트의 입자성 물질에 의해 조정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 발광 장치는 수직형 p-사이드 다운 (p-side down) 또는 n-사이드 다운 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 발광 장치는 장치로부터 나오는 빛을 백색광으로 변환하기 위하여 인광 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 인광 장치는 폴리머층 및 인광층을 포함하는 다층 형태이고, 상기 폴리머층과 인광층은 번갈아 층층이 놓여 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 인광 장치는 상기 발광 장치에 직접 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 인광 장치는 미리 제조되어 상기 발광 장치에 부착된 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 인광 장치는 상기 발광 장치의 빛 산출량의 균일함을 향상시키기 위하여 다양한 광 패턴 (optical pattern)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 인광 장치는 단일 물질 또는 서로 다른 방사 파장을 가지는 다양한 종류의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 인광 장치의 인광층의 두께는 발광 장치에 더 가까이에서 더 두꺼운 층을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 발광 장치는 전기 절연성 및 열전도성 매질을 함유하는 패키지에 설치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 매질은 전기 절연성 및 열전도성 액체 또는 높은 열전도성 나노- 및 마이크로- 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 고 열전도성 및 열팽창성 계수 정합 기판을 포함하는 금속 복합체 기판을 가지는 고출력 발광 장치에 있어서,
    상기 금속 복합체 기판은 부유된 입자성 물질을 함유하는 금속 재료를 포함하고, 상기 금속 재료는 상기 발광 장치 위에 무전해 또는 전해 도금된 것을 특징으로 하는 고출력 발광 장치.
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