KR101582333B1 - 발광다이오드, 플립칩 패키지 및 그의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발광다이오드, 플립칩 패키지 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 본 발명은 기판, 상기 기판 상에 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층이 적층되어 형성되는 반도체 적층구조, 상기 p형 반도체층 상에 형성되는 투명 전극, 상기 n형 반도체층에 접속되는 n형 전극, 상기 투명 전극 상에 제공되는 절연성 반사층, 상기 절연성 반사층 상에 제공되고, 유기물질로 이루어진 유기 층간절연층 및 상기 n형 전극 및 투명 전극에 각각 전기적으로 연결되도록 제공되는 n형 및 p형 본딩 메탈을 포함하는 발광다이오드, 플립칩 패키지 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 절연성 반사층을 사용하여 발광효율을 높일 뿐만 아니라 절연효과도 얻을 수 있고, 연성과 열적안정성이 우수한 유기물질을 포함하는 유기 층간절연층을 사용하여 열과 압력에 의한 스트레스를 완화시킬 수 있게 된다.
Description
본 발명은 발광다이오드, 플립칩 패키지 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 절연성 반사층을 사용하여 발광효율을 높일 뿐만 아니라 절연효과를 얻을 수 있고, 연성과 열적안정성이 우수한 유기물질을 포함하는 유기 층간절연층을 사용하여 열과 압력에 의한 스트레스를 완화시킬 수 있는 발광다이오드, 플립칩 패키지 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
발광다이오드(Light Emitting Diode: LED)는 전기에너지를 빛에너지로 변환시켜주는 반도체 발광 소자로서, 화합물 반도체 단자에 전류를 흘려서 p-n접합 부근 또는 활성층에서 전자와 홀의 결합에 의해 빛을 방출하는 소자이다. 또한, 발광다이오드는 기존의 백열등 및 형광등과 같은 광원에 비해 수명이 길고 전력소모가 적으며, 전기에너지를 빛에너지로 직접 변환하기 때문에 발광효율이 높고 안전성, 친환경, 다양한 색상의 구현 등의 장점이 있어 LCD 디스플레이, 차량용 전조등, 가로등, 신호등, 광통신용 광원, 장식용 조명 등 다양한 분야에 적용되고 있다.
종래의 탑에미트 발광다이오드는 탑에미트 발광다이오드 구조에서 반도체 적층 상면에 있는 전극 등으로 인해 빛이 반사되어 방출되지 못하는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 해결하고자 한국등록특허 제10-0447413호(2004.08.26)는 반도체 적층 상면을 통해 빛을 방출시키는 구조에서 칩을 뒤집어 기판에서 빛을 방출시키는 플립칩(flip-chip) 구조를 제시하고 있으나, 단순히 칩을 뒤집어 놓은 것에 불과해 활성층에서 발광된 빛 중 기판 쪽이 아닌 반대방향으로 방사되는 빛은 탑에미트 발광다이오드보다는 적은 양이지만 소실되고, 반도체층이 열과 압력에 약하여 발광다이오드의 패키징시 발생하는 열과 압력에 의해 불량이 발생한다는 문제점을 가진다.
따라서, 당 기술분야에서는 플립칩 구조의 발광다이오드에서 기판 쪽이 아닌 반대방향으로 방사되는 빛의 소실을 방지할 수 있으면서도 열과 압력의 스트레스에서 반도체층을 보호할 수 있는 방법의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 절연성 반사층을 사용하여 발광효율을 높일 뿐만 아니라 절연효과를 얻을 수 있고, 연성과 열적안정성이 우수한 유기물질을 포함하는 유기 층간절연층을 사용하여 열과 압력에 의한 스트레스를 완화시킬 수 있는 발광다이오드, 플립칩 패키지 및 그의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드는 기판; 상기 기판 상에 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층이 적층되어 형성되는 반도체 적층구조; 상기 p형 반도체층 상에 형성되는 투명 전극; 상기 n형 반도체층에 접속되는 n형 전극; 상기 투명 전극 상에 제공되는 절연성 반사층; 상기 절연성 반사층 상에 제공되고, 유기물질로 이루어진 유기 층간절연층; 및 상기 n형 전극 및 투명 전극에 각각 전기적으로 연결되도록 제공되는 n형 및 p형 본딩 메탈을 포함할 수 있다.
상기 투명 전극 상에 형성되는 접속 전극을 더 포함할 수 있고,
상기 절연성 반사층은 굴절률이 서로 다른 복수의 물질층을 교번 적층하여 형성되는 분산 브래그 반사(DBR)층을 포함할 수 있고, 상기 반도체 적층구조의 노출면과 상기 n형 전극을 피복할 수 있고,
상기 절연성 반사층의 두께는 상기 유기 층간절연층의 두께보다 얇을 수 있고,
상기 유기물질은 폴리이미드(Polyimide), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리아미드(Polyamide), 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethyleneterephthalate), PVP(Poly-4-vinylphenol), PES(Polyethersulfone) 중에서 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 발광다이오드 플립칩 패키지는 상기 발광다이오드가 서브마운트에 플립칩 본딩으로 접합될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광다이오드의 제조방법은 기판 상에 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 순차적으로 적층하여 반도체 적층구조를 형성하는 단계; 상기 n형 반도체층의 일부가 노출되도록 상기 활성층 및 p형 반도체층을 부분적으로 식각하는 단계; 상기 노출된 n형 반도체층 및 p형 반도체층 상에 각각 n형 전극 및 투명 전극을 형성하는 단계; 상기 투명 전극 상에 절연성 반사층을 형성하는 단계; 상기 절연성 반사층 상에 유기물질로 이루어진 유기 층간절연층을 형성하는 단계; 상기 n형 전극 및 투명 전극 각각의 위치에 대응하여 상기 절연성 반사층의 일부가 노출되도록 상기 유기 층간절연층을 패터닝하는 단계; 상기 n형 전극 및 투명 전극의 일부가 각각 노출되도록 상기 노출된 절연성 반사층에 비아홀을 형성하는 단계; 및 상기 n형 전극 및 투명 전극의 노출면에 각각 전기적으로 연결되도록 n형 및 p형 본딩 메탈을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 투명 전극 상에 접속 전극을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있고,
상기 절연성 반사층을 형성하는 단계는 굴절률이 서로 다른 복수의 물질층을 교번 적층하여 분산 브래그 반사(DBR)층으로 형성할 수 있고, 상기 반도체 적층구조의 노출면과 상기 n형 전극이 피복되도록 형성할 수 있고,
상기 절연성 반사층의 두께는 상기 유기 층간절연층의 두께보다 얇게 형성할 수 있고,
상기 유기 층간절연층을 패터닝하는 단계는, 상기 유기물질이 감광성 물질인 경우에 상기 유기 층간절연층을 포토리소그래피(Photolithography) 방법으로 패터닝하고, 상기 유기물질이 비감광성 물질인 경우에 상기 유기 층간절연층을 식각마스크를 이용해 식각하여 패터닝할 수 있고,
상기 비아홀을 형성하는 단계는 상기 패터닝된 유기 층간절연층을 마스크로 이용해 상기 절연성 반사층을 식각하여 비아홀을 형성할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광다이오드 플립칩 패키지의 제조방법은 상기 제조방법으로 제조된 발광다이오드를 서브마운트에 플립칩 본딩방식으로 접합하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 발광다이오드에서는 절연성 반사층을 사용하여 기판의 반대방향으로 방사되는 빛을 기판 쪽으로 반사시키므로 발광효율을 높일 수 있으면서도 절연특성까지 가지고 있어 절연효과도 얻을 수 있다. 또한, 유기 층간절연층에 포함된 절연성이 있으면서 유전율도 낮은 유기물질로 인해 누설전류를 차단하면서 기생 캐패시턴스도 감소시킬 수 있고, 유기물질은 연성과 열적안정성도 우수하여 발광다이오드의 패키징시 열과 압력에 의한 스트레스를 완화시킬 수 있어서 패키징 신뢰성도 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
그리고 절연성 반사층과 유기 층간절연층을 적층구조로 형성하여 유기 층간절연층에 의하여 1차적으로 절연되고, 더욱 치밀한 절연성 반사층에서 2차 절연되므로 누설전류를 획기적으로 낮추는 효과도 있다. 또한, 유기물질을 감광성 유기물질로 사용하면 유기 층간절연층을 쉽게 패터닝할 수 있고, 패터닝된 패턴을 마스크로 사용해 절연성 반사층을 식각할 수 있으므로 공정 비용 및 공정 시간을 감소시킬 수 있는 효과까지 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광다이오드의 구조를 나타내는 평면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 도 1의 A - A′ 및 B - B′선을 따라 절단하여 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광다이오드 제조방법의 단계를 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 도 1의 A - A′ 및 B - B′선을 따라 절단하여 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광다이오드 제조방법의 단계를 나타내는 단면도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 설명 중, 동일 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 하고, 도면은 본 발명의 실시예를 정확히 설명하기 위하여 크기가 부분적으로 과장될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
플립칩(flip-chip) 발광다이오드는 반도체 적층 상면을 통해 빛을 방출시키는 것이 아니라 칩을 뒤집어 기판에서 빛을 방출시키는 발광다이오드로, 이러한 플립칩 구조는 종래의 탑에미트 구조에서 반도체 적층 상면에 있는 전극 등으로 인해 빛이 반사되어 방출되지 못하였던 문제점을 개선한 것이다. 상기와 같이 기판으로 빛을 방출시키기 위해서는 p-n접합 부근 또는 활성층에서 발광된 빛을 투과시킬 수 있는 투명한 기판을 사용하여야 하며, 발광효율을 높이기 위해 기판의 반대방향으로 방사되는 빛을 기판 쪽으로 반사시키기 위한 반사층을 포함할 수도 있다.
또한, 플립칩 구조는 실제로 열이 발생하는 활성층과 방열판 또는 서브마운트와의 거리가 가까워져 열을 보다 쉽게 방출시킬 수 있다는 장점도 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광다이오드의 구조를 나타내는 평면도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 도 1의 A - A및 B - B선을 따라 절단하여 나타낸 단면도로, 도 2(a)는 A - A선을 따라 절단한 단면도이고, 도 2(b)는 B - B선을 따라 절단한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드(100)는 기판(210), 상기 기판 상에 n형 반도체층(221), 활성층(222) 및 p형 반도체층(223)이 적층되어 형성되는 반도체 적층구조(220); 상기 p형 반도체층(223) 상에 형성되는 투명 전극(230); 상기 n형 반도체층(221)에 접속되는 n형 전극(240); 상기 투명 전극(230) 상에 제공되는 절연성 반사층(250); 상기 절연성 반사층(250) 상에 제공되고, 유기물질로 이루어진 유기 층간절연층(260); 및 상기 n형 전극(240) 및 투명 전극(230)에 각각 전기적으로 연결되도록 제공되는 n형 및 p형 본딩 메탈(110)을 포함할 수 있다.
먼저 빛을 투과시키는 상기 기판(210) 상에 상기 반도체 적층구조(220)가 순차적으로 형성된다.
상기 기판(210)은 반도체 단결정을 성장시키는데 적합한 기판으로서, 사파이어를 포함하는 투명한 재료를 이용하여 형성되며, 사파이어 이외에 산화아연(ZnO), 질화갈륨(GaN), 탄화규소(SiC), 질화알루미늄(AlN) 등으로 형성될 수 있다. 한편, 상기 기판(210) 상에 사파이어와 같은 물질로 형성된 기판과의 격자정합을 향상시키기 위하여 일반적으로 AlN/GaN층 또는 GaN층으로 이루어진 버퍼층이 형성될 수 있으나, 본 발명의 실시예에서는 상기 버퍼층의 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 반도체 적층구조(220)는 상기 n형 반도체층(221), 활성층(222) 및 p형 반도체층(223)이 순차적으로 적층되어 형성된다. 아래에서는 일실시예로 질화갈륨계 반도체에 대해서 주로 설명할 것인데, 이러한 재료에 특별히 한정되는 것은 아니다.
상기 n형 반도체층(221)은 상기 기판(210) 상에 형성되며, 질화갈륨계 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 n형 반도체층(221)은 n형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 이루어질 수 있으며, n형 도전형 불순물로는 Si, Ge, Sn 등을 사용할 수 있고, Si를 주로 사용하고 있다.
상기 활성층(222)은 상기 n형 반도체층(221) 상에 형성되고, 다중 양자우물(Multi-Quantum Well) 구조의 InGaN/GaN층으로 이루어질 수 있다.
상기 p형 반도체층(223)은 상기 활성층(222) 상에 형성되며, 질화갈륨계 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 p형 반도체층(223)은 p형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 이루어질 수 있으며, p형 도전형 불순물로는 Mg, Zn, Be 등을 사용할 수 있고, Mg를 주로 사용하고 있다. 상기 p형 반도체층(223)과 활성층(222)의 일부는 메사 식각(MESA Etching)으로 제거되어, 저면에 n형 반도체층(221)의 일부를 노출시키게 된다.
상기 p형 반도체층(223) 상에 상기 투명 전극(230)이 형성된다. 상기 투명 전극(230)은 광 투과성과 도전성이 있는 전극으로, 빛이 투과할 수 있는 아주 얇은 두께의 백금(Pt), 금(Au) 등의 금속박막이나 산화주석(SnO2), 산화인듐(In2O3) 등의 전도성 산화물(TCO) 박막이다. 이러한 전극을 사용하면 전기적 연결이 가능하면서도 p-n접합 부근 또는 활성층에서 발광된 빛을 반사시키지 않고 투과시킬 수 있다. 또한, 상기 전도성 산화물(TCO) 박막은 금속보다 전기전도도가 떨어지기 때문에 이를 보완하고자 다른 물질을 첨가한 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), 갈륨이 도핑된 산화아연(ZnO:Ga), 알루미늄이 도핑된 산화아연(ZnO:Al), 갈륨이 도핑된 산화아연마그네슘(MgZnO:Ga), 알루미늄이 도핑된 산화아연마그네슘(MgZnO:Al) 등을 사용할 수도 있고, 상기 박막들 중 2종류 이상의 적층구조로 형성될 수도 있다. 그리고 p형 반도체층(223)과의 접착력을 향상시키기 위한 접착층이나, 오믹접속이 가능하게 하는 접속층 등이 더 적층될 수도 있다. 또한, 상기 투명 전극(230)은 상기 p형 반도체층(223)의 면적과 동일하거나 작게 형성될 수 있는데, 작게 형성하는 이유는 빛이 상기 투명 전극(230)을 투과시 약간의 굴절이 발생하기 때문이다.
그리고 상기 투명 전극(230) 상에 접속 전극(270)이 더 형성될 수 있다. 상기 접속 전극(270)은 상기 투명 전극(230)의 전기전도도가 비교적 낮기 때문에 접속저항을 낮추어 전기전도도를 향상시키는 역할을 하며, Ag, Al, Au, Cr, Ir, Mg, Nd, Ni, Pd, Pt, Rh, Ti, W 등의 금속을 이용하여 형성될 수도 있는데, 이러한 금속을 사용하면 활성층에서 발광된 빛 중 기판 쪽이 아닌 반대 방향으로 방사되는 빛을 기판 쪽으로 반사시키는 역할도 할 수 있다. 또한, 상기 접속 전극(270)은 투명 전극(230)과의 접착력을 향상시키기 위한 접착층이나, 오믹접속이 가능하게 하는 접속층 등이 더 적층될 수도 있다.
상기 식각 공정에 의해 노출된 n형 반도체층(221) 상에 상기 n형 전극(240)이 형성된다. 상기 n형 전극(240)은 상기 n형 반도체층(221)이 층간 배선부와 전기적으로 잘 접속되도록 한다.
상기 투명 전극(230) 상에 상기 절연성 반사층(250)이 제공된다. 상기 절연성 반사층(250)은 상기 투명 전극(230)을 특성이 다른 형성층들(예를 들어, n형 전극, n형 반도체, n형 본딩 메탈 등)과 절연시키고, 활성층에서 발광된 빛 중 기판 쪽이 아닌 반대방향으로 방사되는 빛을 기판 쪽으로 반사시키는 역할을 한다. 또한, 상기 절연성 반사층은 굴절률이 서로 다른 복수의 물질층을 교번 적층하여 형성되는 분산 브래그 반사(Distributed Bragg Reflecting: DBR)층을 포함할 수 있다. 상기 분산 브래그 반사(DBR)층은 산화물층 또는 질화물층을 사용하여 형성할 수 있으며, 고굴절률층과 저굴절률층을 반복 적층하고 이들 층들의 광학 두께를 조절하여 특정 파장의 광에 대한 반사율을 극대화한 것으로서, 서로 다른 굴절률을 갖는 2종류의 산화물 박막 또는 질화물 박막을 복수회 교대로 적층한 구조를 가지고 90% 이상의 높은 반사율을 가질 뿐만 아니라 절연층을 대체할 수 있는 절연구조를 제공한다. 상기 분산 브래그 반사(DBR)층은 Si, Zr, Ta, Ti 및 Al로 구성된 그룹으로부터 선택된 원소의 산화물 또는 질화물(예를 들어 SixOy, SixNy, SixOyNz, TixOy 또는 TaxOy)로 제조될 수 있다. 예를 들어, SiO2와 TiO2막을 각각 약 10∼100㎚ 두께로 약 5~20회 교번 적층하여 서브마이크로미터(예를 들어, 0.5㎛ 이하)의 두께를 갖는 분산 브래그 반사(DBR)층을 형성함으로써 절연 특성을 유지함과 동시에 전체 98%까지의 반사율을 갖는 절연성 반사층을 얻을 수 있다.
한편, 분산 브래그 반사(DBR)층은 전체적으로 동일한 구조를 가져 특정 파장에 대해 동일한 반사 특성을 가질 수도 있지만, 분산 브래그 반사면(DBR)을 복수개로 나누어 따로 형성하여 복수의 분산 브래그 반사면(DBR) 중 적어도 하나의 분산 브래그 반사면(DBR)의 반사 파장을 다른 분산 브래그 반사면(DBR)의 반사 파장과 다르게 할 수도 있다. 이때, 분산 브래그 반사(DBR)층의 반사 특성은 분산 브래그 반사(DBR)층의 두께 또는 반사율(R)에 의해 조절될 수 있는데, 상기 분산 브래그 반사(DBR)층의 반사율(R)은 교번 적층되는 두 재료의 굴절률(n2/n1)의 비를 증가시키거나 반복 적층되는 횟수(N)를 늘려서 증가시킬 수 있다.
상기 절연성 반사층(250)은 상기 투명 전극(230)을 감싸서 보호할 뿐만 아니라 연장형성하여 상기 n형 전극(240)을 완전히 덮어서 보호할 수도 있다. 상기 절연성 반사층(250)은 상기 p형 반도체층(223)의 상부면 면적과 같거나 상기 p형 반도체층(223)을 완전히 덮도록 상기 p형 반도체층(223)의 상부면 면적보다 넓게 형성될 수 있는데, 상기 p형 반도체층(223)을 완전히 덮도록 상기 절연성 반사층(250)을 형성하는 이유는 반사면이 기판 방향을 제외하고 모든 면에 형성되어 활성층에서 발광된 빛 중 기판 반대방향으로 방사되는 빛을 최대한 모두 반사시키기 위함이다. 또한, 상기 절연성 반사층(250)이 상기 n형 전극(240)을 완전히 덮으면 특성이 다른 반도체, 전극 및 본딩 메탈과의 절연효과를 향상시킬 수도 있다.
상기 절연성 반사층(250) 상에 유기 층간절연층(Inter Layer Dielectric: ILD 또는 Inter Metal Dielectric: IMD)(260)이 제공된다. 상기 유기 층간절연층(260)은 내구성 및 연성이 우수하면서도 절연특성까지 우수할 뿐만 아니라, 두꺼운 박막의 제조도 가능하여 누설전류를 억제하는데 효과적이다. 또한, 유기 층간절연층(260)은 본 발명에 따른 발광다이오드(100)를 플립칩 방식으로 서브마운트에 접합하기 위하여 반드시 가하게 되는 열과 압력으로부터 상기 반도체층들을 보호하는 역할도 수행할 수 있다. 그리고 절연층의 유전율이 높은 경우에는 절연층과 반도체층(또는 금속층) 상/하부 사이에 자연적으로 캐패시터(기생 캐패시터)가 형성이 되는데 절연층을 유전율이 낮은 유기물질을 포함하는 유기 층간절연층으로 형성하면 기생 캐패시턴스를 감소시킬 수 있다.
상기 유기 층간절연층(260)은 유기물질로 이루어지고, 발광다이오드의 패키징시 열과 압력에 의한 스트레스를 완화하는 스트레스 버퍼 역할을 한다. 상기 유기물질은 폴리이미드(Polyimide), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리아미드(Polyamide), 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethyleneterephthalate), PVP(Poly-4-vinylphenol), PES(Polyethersulfone) 중에서 어느 하나를 선택할 수 있는데, 예를 들어 폴리이미드(Polyimide)의 경우는 1×1016 내지 2×1016Ω·cm의 절연특성을 가지고 있어 층간의 누설전류 차단에 효과적일 뿐만 아니라, 탄성률이 3 내지 4GPa로서 발광다이오드를 패키징하거나 발광다이오드에 고전압을 인가하는 경우에 발생하는 열과 압력에 의한 스트레스를 해소할 수 있는 스트레스 버퍼층의 역할을 효과적으로 수행할 수 있다. 또한, 상기 유기물질(예를 들어, 폴리이미드의 유전율은 2.73)은 절연층으로 주로 사용하는 SOG, 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 등 무기물질(예를 들어, SiO2의 유전율은 3.9)보다 낮은 유전율을 가지고 있어 기생 캐패시턴스를 감소시킨다.
상기 유기 층간절연층(260)은 적어도 0.5㎛는 되어야 누설전류를 억제하는 역할을 어느 정도 수행할 수 있으며 두껍게 형성할수록 우수한 누설전류 특성과 스트레스 완화 특성이 향상될 수 있으나, 상기 유기 층간절연층(260)을 너무 두껍게 형성하면 고밀도 층간 배선부 형성 및 본딩 메탈 스텝 커버리지 확보 등의 공정상 어려움이 따르기 때문에 상기 유기 층간절연층(260)의 두께는 0.5 내지 30㎛의 범위에서 선택할 수 있다.
한편, 상기 절연성 반사층(250)의 두께는 상기 유기 층간절연층(260)의 두께보다 얇은 층으로 형성될 수 있다. 상기 절연성 반사층(250) 및 유기 층간절연층(260)은 공통적으로 두께를 두껍게 하면 누설전류를 억제하는 효과는 향상되나, 상기 절연성 반사층(250)의 경우 발광다이오드의 패키징시에 발생되는 스트레스를 완충하기 위해서 요구되는 내구성, 연성, 탄성 등의 특성이 상기 유기 층간절연층(260)에 비하여 부족하므로, 상기 절연성 반사층(250)은 빛의 반사가 가능하고 누설전류를 2차적으로 낮추어주는 정도의 두께면 족하고, 상기 유기 층간절연층(260)의 두께를 두껍게 형성할 수 있다. 또한, 발광다이오드의 패키징시에 발생하는 열과 압력에 의한 스트레스는 발광다이오드의 상부로부터 인가되는 것이 일반적이므로 상기 유기 층간절연층(260)을 적층구조의 상단부에 형성하여 상부로부터 인가되는 스트레스를 효과적으로 완화시켜줄 수 있다.
본 발명에서와 같이 상기 절연성 반사층(250)과 유기 층간절연층(260)의 적층구조로 형성된 경우에는 고전압의 인가시에 상기 유기 층간절연층(260)에 의하여 1차적으로 절연이 이루어지고, 상기 유기 층간절연층(260)에서 누설된 낮은 정도의 전류는 상기 유기 층간절연층(260)보다 더욱 치밀한 상기 절연성 반사층(250)으로 2차 절연을 하여 누설전류를 획기적으로 낮출 수 있다.
그리고 상기 절연성 반사층(250) 및 유기 층간절연층(260)의 일부가 제거되어 비하홀이 형성됨으로 저면에 n형 전극(240)의 일부 및 투명 전극(230)의 일부가 각각 노출되고, 상기 노출된 n형 전극(240) 및 투명 전극(230)에 각각 전기적으로 연결되도록 상기 비아홀을 금속물질로 채운 후에 형성되는 n형 및 p형 본딩 메탈(110)이 제공된다. 상기 n형 본딩 메탈(111)은 상기 n형 전극(240)과 전기적으로 연결되고, 형성층 상면이 평평할 수 있게 해준다. 또한, 상기 절연성 반사층(250)에서 반사되지 못하고 새어나온 극소량의 빛을 반사하는 역할도 수행할 수 있다. 상기 p형 본딩 메탈(112)은 상기 투명 전극(230)과 전기적으로 연결되고, 형성층 상면이 평평할 수 있게 해준다. 또한, 상기 n형 전극(240)과 마찬가지로 상기 절연성 반사층(250)에서 반사되지 못하고 새어나온 극소량의 빛을 반사하는 역할도 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 발광다이오드(100)는 서브마운트에 플립칩 본딩으로 접합되어 패키징될 수 있다. 상기 서브마운트는 서브마운트 기판, 상기 발광다이오드(100)의 n형 및 p형 전극에 각각 대응되게 상기 서브마운트 기판 상에 형성된 제1 및 제2 본딩층 및 상기 제1 및 제2 본딩층 상에 각각 형성되는 제1 및 제2 솔더를 포함할 수 있다. 상기 서브마운트 기판은 절연층인 산화막 혹은 질화막 형성이 가능한 실리콘으로 된 기판을 사용할 수 있고, 상기 제1 및 제2 본딩층은 전기전도성이 우수하며, 상기 제1 및 제2 솔더와의 부착성이 좋은 금속으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 본딩층은 Au, Ti, Pt, Cr 중 어느 하나 또는 적어도 둘 이상의 합금(예를 들어, Cr/Au, Ti/Pt/Au 등)으로 형성될 수 있고, 상기 제1 및 제2 솔더는 상기 발광다이오드(100)의 n형 및 p형 전극과 상기 제1 및 제2 본딩층을 접합시키기 위한 것으로, 용융성 및 열전도도가 우수한 합금으로 이루어질 수 있으며 Cr, Ti, Pt, Au, Mo, Sn 중 적어도 2개 이상의 합금(예를 들어, Au/Sn, Pt/Au/Sn, Cr/Au/Sn 등)으로 형성될 수 있다. 그리고 상기 서브마운트는 상기 발광다이오드(100)와의 결합력을 높이기 위해 상기 제1 및 제2 솔더 사이에 위치하도록 상기 서브마운트 기판 상에 형성되는 배리어를 더 포함할 수도 있는데, 그 형태에 특별히 제한되지 않는다. 또한, 상기 플립칩 본딩은 상기 서브마운트 기판에 열을 가하고 상기 발광다이오드(100)에 기판측으로 압력을 가해 열과 압력에 의해 발생된 에너지로 상기 발광다이오드(100)와 서브마운트 기판을 접합할 수 있는데, 열압착에 초음파를 부가하여 공정을 신속하게 처리할 수도 있고, 그 방법에 있어서 제한되지 않는다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광다이오드 제조방법의 단계를 나타내는 단면도로, 도 3(a)는 기판 상에 반도체 적층구조를 형성하는 단계를 나타내는 단면도, 도 3(b)는 p형 반도체층 상에 투명 전극을 형성하는 단계를 나타내는 단면도, 도 3(c)는 n형 반도체층 및 투명 전극 상에 각각 n형 전극 및 접속 전극을 형성하는 단계를 나타내는 단면도, 도 3(d)는 절연성 반사층을 형성하는 단계를 나타내는 단면도, 도 3(e)는 유기 층간절연층을 형성하고, 유기 층간절연층을 패터닝하는 단계를 나타내는 단면도, 도 3(f)는 패터닝된 유기 층간절연층을 마스크로 사용하여 절연성 반사층에 비아홀을 형성하는 단계를 나타내는 단면도이고, 도 3(g)는 n형 전극의 노출면에 n형 본딩 메탈을 형성하는 단계를 나타내는 단면도이다.
도 3을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광다이오드의 제조방법을 보다 상세히 살펴보는데, 발광다이오드의 구조와 관련하여 앞서 설명된 부분과 중복되는 사항들은 생략한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 발광다이오드의 제조방법은 기판(310) 상에 n형 반도체층(321), 활성층(322) 및 p형 반도체층(323)을 순차적으로 적층하여 반도체 적층구조(320)를 형성하는 단계; 상기 n형 반도체층(321)의 일부가 노출되도록 상기 활성층(322) 및 p형 반도체층(323)을 부분적으로 식각하는 단계; 상기 노출된 n형 반도체층(321) 및 p형 반도체층(323) 상에 각각 n형 전극(330) 및 투명 전극(340)을 형성하는 단계; 상기 투명 전극(340) 상에 절연성 반사층(350)을 형성하는 단계; 상기 절연성 반사층(350) 상에 유기물질로 이루어진 유기 층간절연층(360)을 형성하는 단계; 상기 n형 전극(330) 및 투명 전극(340) 각각의 위치에 대응하여 상기 절연성 반사층(350)의 일부가 노출되도록 상기 유기 층간절연층(360)을 패터닝하는 단계; 상기 n형 전극(330) 및 투명 전극(340)의 일부가 각각 노출되도록 상기 노출된 절연성 반사층(350)에 비아홀(380)을 형성하는 단계; 및 상기 n형 전극(330) 및 투명 전극(340)의 노출면에 각각 전기적으로 연결되도록 n형 및 p형 본딩 메탈(370)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 투명 전극(340) 상에 접속 전극(390)을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 접속 전극(390)은 상기 투명 전극(340)의 전기전도도가 비교적 낮기 때문에 접속저항을 낮추어 전기전도도를 향상시키는 역할을 하며, Ag, Al, Au, Cr, Ir, Mg, Nd, Ni, Pd, Pt, Rh, Ti, W 등의 금속을 이용하여 형성될 수도 있는데, 이러한 금속을 사용하면 활성층에서 발광된 빛 중 기판 쪽이 아닌 반대 방향으로 방사되는 빛을 기판 쪽으로 반사시키는 역할도 할 수 있다. 또한, 상기 접속 전극(390)은 투명 전극(340)과의 접착력을 향상시키기 위한 접착층이나, 오믹접속이 가능하게 하는 접속층 등이 더 적층될 수도 있다.
상기 절연성 반사층(350)은 굴절률이 다른 산화물층 또는 질화물층을 교번 적층하여 형성되는 분산 브래그 반사(DBR)층일 수 있는데, 상기 분산 브래그 반사(DBR)층은 고굴절률층과 저굴절률층을 반복 적층하고, 이들 층들의 광학 두께를 조절하여 특정 파장의 광에 대한 반사율을 극대화한 것이다. 또한, 상기 절연성 반사층(350)은 상기 n형 전극(330)이 완전히 덮이도록 상부 저면을 모두 채워 상기 투명 전극(또는 접속 전극) 상에 상기 절연성 반사층(350)이 형성된 높이와 동일하도록 연장하여 형성할 수 있는데, 이렇게 형성되면 특성이 다른 반도체, 전극 및 본딩 메탈 간의 절연효과를 향상시킬 수 있고, 상기 p형 반도체층(323)을 완전히 덮어 반사면이 기판 방향을 제외하고 모든 면에 형성되게 되므로 활성층에서 발광된 빛 중 기판 반대방향으로 방사되는 빛을 최대한 모두 반사시킬 수도 있다. 한편, 상기 절연성 반사층(350)은 상기 접속 전극(390)의 상부면 높이에 맞추어 형성할 수도 있는데, 이렇게 형성하면 p형 본딩 메탈을 형성하기 위한 상기 비아홀(380)을 형성할 때 상기 분산 브래그 반사(DBR)층을 식각할 필요없이 상기 유기 층간절연층(360)만 패터닝하므로 상기 비아홀(380)을 형성할 수 있어 공정 시간과 공정 비용을 줄일 수 있다.
그리고 상기 절연성 반사층(350)의 두께는 상기 유기 층간절연층(360)의 두께보다 얇게 형성할 수 있다. 상기 절연성 반사층(350) 및 유기 층간절연층(360)은 공통적으로 두께를 두껍게 하면 누설전류를 억제하는 효과는 향상되나, 상기 절연성 반사층(350)의 경우 발광다이오드의 패키징시에 발생되는 스트레스를 완충하기 위해서 요구되는 내구성, 연성, 탄성 등의 특성이 좋지 않으므로, 상기 절연성 반사층(350)은 누설전류를 2차적으로 낮추어주는 정도로만 얇게 형성하고, 상기 유기 층간절연층(360)의 두께를 두껍게 형성하는 것이 좋을 것이다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광다이오드의 제조방법에서 상기 n형 전극(330) 및 투명 전극(340) 각각의 위치에 대응하여 상기 절연성 반사층(350)의 일부가 노출되도록 상기 유기 층간절연층(360)을 패터닝하는 단계는 상기 유기 층간절연층(360)을 감광성 유기물질(예를 들어, 폴리이미드)을 사용하여 형성하는 경우와 비감광성 유기물질(예를 들어, 폴리이미드)을 사용하여 형성하는 경우로 나누어 볼 수 있다.
일 실시예로 상기 유기 층간절연층(360)을 감광성 폴리이미드(Photosensitive polyimide)를 사용하여 형성한 경우에는 폴리이미드를 스핀 코팅(spin coating) 처리하여 큐어링(curing)시킨 다음 감광성 폴리이미드층을 포토리소그래피(Photolithography) 방법으로 패터닝할 수 있는데, 상기 포토리소그래피 방법은 유기물질의 감광성질을 이용한 것으로, 가시광선, 자외선, X선, e-beam 등과 같은 방사선을 선택적으로 조사하여 노광시킨 후 감광성 폴리이미드층에서 노광된 부분을 현상액으로 용해하거나 반대로 노광된 부분을 남기고 노광이 안 된 부분을 용해하여 패터닝할 수 있다.
다른 실시예로서 비감광성 폴리이미드(Non-photosensitive polyimide)를 사용하여 상기 유기 층간절연층(360)을 형성한 경우는 폴리이미드 스핀코팅 과정은 상기 서술한 감광성 폴리이미드를 사용하여 상기 유기 층간절연층(360)을 형성한 경우와 같고, 이후에 폴리이미드층 상부에 패턴이 형성된 식각 마스크를 이용하여 유기 층간절연층(360)을 식각하여 패터닝할 수 있다.
절연성 반사층 또는 유기 층간절연층 내부에 층간 배선부를 형성하기 위하여 상기 유기 층간절연층(360)에 상기 비아홀(380)을 형성하는 단계는 상기 패터닝된 유기 층간절연층(360)을 마스크로 이용해 상기 절연성 반사층(350)을 식각하여 상기 비아홀(380)을 형성하고, 형성된 비아홀(380)에 금속물질을 채워 층간 배선부를 형성할 수 있다. 이러한 방법으로 상기 비아홀(380)을 형성하면 상기 절연성 반사층(350) 내부에 비아홀(380)을 형성할 때 별도의 식각 마스크가 필요하지 않고 복잡한 식각공정도 줄일 수 있어 공정 시간과 공정 비용을 감소시키고, 상기 유기 층간절연층(360)의 패턴과 상기 절연성 반사층(350) 내부의 비아홀(380)이 셀프 얼라인(self-align) 되게 하여 복수의 개별적 식각공정을 통해 상기 유기 층간절연층(360)과 절연성 반사층(350) 내부의 비아홀(380)을 형성하는 경우에 필요한 얼라인(align) 공정을 생략할 수 있게 하므로 공정을 단순화시키고 미스 얼라인(miss align)도 방지할 수 있으므로 전기적 접속이 안정적으로 달성되게 한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광다이오드의 제조방법으로 제조된 발광다이오드를 서브마운트에 플립칩 본딩방식으로 접합하는 단계를 더 포함하여 발광다이오드 패키지를 제조할 수도 있다. 상기 플립칩 본딩방식은 상기 서브마운트 기판에 열을 가하고 상기 발광다이오드의 제조방법으로 제조된 발광다이오드에 기판측으로 압력을 가해 열과 압력에 의해 발생된 에너지로 상기 발광다이오드와 서브마운트 기판을 접합하는 방식으로, 열압착에 초음파를 부가하여 공정을 신속하게 처리할 수도 있고, 그 방법에 있어서 제한되지 않는다.
그리고 상기 설명에서 사용한 “~ 상에” 형성한다는 의미는 직접 접촉하여 형성하는 경우와 직접 접촉하지는 않지만 상부에 위치하도록 형성하는 경우를 포함하고, 상부면 전체에 형성하는 것 뿐만 아니라 부분적으로 형성하는 것도 가능하며, 위치상 위쪽에 있거나 상부면에 직접 접촉해 있다는 의미로 사용하였다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
100 : 발광다이오드 110, 370 : 본딩 메탈
111 : n형 본딩 메탈 112 : p형 본딩 메탈
210, 310 :기판 220, 320 : 반도체 적층구조
221, 321 : n형 반도체층 222, 322 : 활성층
223, 323 : p형 반도체층 230, 340 : 투명 전극
240, 330 : n형 전극 250, 350 : 절연성 반사층
260, 360 : 유기 층간절연층 270, 390 : 접속 전극
380 : 비아홀
111 : n형 본딩 메탈 112 : p형 본딩 메탈
210, 310 :기판 220, 320 : 반도체 적층구조
221, 321 : n형 반도체층 222, 322 : 활성층
223, 323 : p형 반도체층 230, 340 : 투명 전극
240, 330 : n형 전극 250, 350 : 절연성 반사층
260, 360 : 유기 층간절연층 270, 390 : 접속 전극
380 : 비아홀
Claims (15)
- 기판;
상기 기판 상에 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층이 적층되어 형성되는 반도체 적층구조;
상기 p형 반도체층 상에 형성되는 투명 전극;
상기 n형 반도체층에 접속되는 n형 전극;
상기 투명 전극 상에 제공되는 절연성 반사층;
상기 절연성 반사층 상에 제공되고, 유기물질로 이루어진 연성의 유기 층간절연층; 및
상기 n형 전극 및 투명 전극에 각각 전기적으로 연결되도록 상기 유기 층간절연층 상에 제공되는 n형 및 p형 본딩 메탈을 포함하고,
상기 절연성 반사층의 두께는 상기 유기 층간절연층의 두께보다 얇은 발광다이오드.
- 청구항 1에 있어서,
상기 투명 전극 상에 형성되는 접속 전극을 더 포함하는 발광다이오드.
- 청구항 1에 있어서,
상기 절연성 반사층은 굴절률이 서로 다른 복수의 물질층을 교번 적층하여 형성되는 분산 브래그 반사(DBR)층을 포함하는 발광다이오드.
- 청구항 1에 있어서,
상기 절연성 반사층은 상기 반도체 적층구조의 노출면과 상기 n형 전극을 피복하는 발광다이오드.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 유기물질은 폴리이미드(Polyimide), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리아미드(Polyamide), 폴리에틸렌테레프탈레이트(Polyethyleneterephthalate), PVP(Poly-4-vinylphenol), PES(Polyethersulfone) 중에서 적어도 어느 하나를 포함하는 발광다이오드.
- 청구항 1 내지 청구항 4, 및 청구항 6 중 어느 한 항의 발광다이오드가 서브마운트에 플립칩 본딩으로 접합되는 발광다이오드 플립칩 패키지.
- 기판 상에 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 순차적으로 적층하여 반도체 적층구조를 형성하는 단계;
상기 n형 반도체층의 일부가 노출되도록 상기 활성층 및 p형 반도체층을 부분적으로 식각하는 단계;
상기 노출된 n형 반도체층 및 p형 반도체층 상에 각각 n형 전극 및 투명 전극을 형성하는 단계;
상기 투명 전극 상에 절연성 반사층을 형성하는 단계;
상기 절연성 반사층 상에 유기물질로 이루어진 연성의 유기 층간절연층을 형성하는 단계;
상기 n형 전극 및 투명 전극 각각의 위치에 대응하여 상기 절연성 반사층의 일부가 노출되도록 상기 유기 층간절연층을 패터닝하는 단계;
상기 n형 전극 및 투명 전극의 일부가 각각 노출되도록 상기 노출된 절연성 반사층에 비아홀을 형성하는 단계; 및
상기 n형 전극 및 투명 전극의 노출면에 각각 전기적으로 연결되도록 상기 유기 층간절연층 상에 n형 및 p형 본딩 메탈을 형성하는 단계를 포함하고,
상기 절연성 반사층의 두께는 상기 유기 층간절연층의 두께보다 얇게 형성하는 발광다이오드 제조방법.
- 청구항 8에 있어서,
상기 투명 전극 상에 접속 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 발광다이오드 제조방법.
- 청구항 8에 있어서,
상기 절연성 반사층을 형성하는 단계는 굴절률이 서로 다른 복수의 물질층을 교번 적층하여 분산 브래그 반사(DBR)층으로 형성하는 발광다이오드 제조방법.
- 청구항 8에 있어서,
상기 절연성 반사층을 형성하는 단계는 상기 반도체 적층구조의 노출면과 상기 n형 전극이 피복되도록 형성하는 발광다이오드 제조방법.
- 삭제
- 청구항 8에 있어서,
상기 유기 층간절연층을 패터닝하는 단계는,
상기 유기물질이 감광성 물질인 경우에 상기 유기 층간절연층을 포토리소그래피(Photolithography) 방법으로 패터닝하고,
상기 유기물질이 비감광성 물질인 경우에 상기 유기 층간절연층을 식각마스크를 이용해 식각하여 패터닝하는 발광다이오드 제조방법.
- 청구항 13에 있어서,
상기 비아홀을 형성하는 단계는 상기 패터닝된 유기 층간절연층을 마스크로 이용해 상기 절연성 반사층을 식각하여 비아홀을 형성하는 발광다이오드 제조방법.
- 청구항 8 내지 청구항 11 및 청구항 13 내지 청구항 14 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 발광다이오드를 서브마운트에 플립칩 본딩방식으로 접합하는 단계를 더 포함하는 발광다이오드 플립칩 패키지 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020140074439A KR101582333B1 (ko) | 2014-06-18 | 2014-06-18 | 발광다이오드, 플립칩 패키지 및 그의 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020140074439A KR101582333B1 (ko) | 2014-06-18 | 2014-06-18 | 발광다이오드, 플립칩 패키지 및 그의 제조방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20150145342A KR20150145342A (ko) | 2015-12-30 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020140074439A KR101582333B1 (ko) | 2014-06-18 | 2014-06-18 | 발광다이오드, 플립칩 패키지 및 그의 제조방법 |
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Family Cites Families (3)
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