KR101614490B1 - Light Emitting Diode package - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발광 다이오드 패키지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 고전류 주입 시 발생하는 'efficiency droop' 현상을 억제하여 발광 효율을 향상시켜 고출력 고효율 수평형 LED를 구현하는 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명은 발광 다이오드 패키지의 제조 방법에 있어서, 수평형 LED가 부착되는 패키지 바닥면에 오목한 곡률을 가지는 기구물을 형성시키고, 그 바닥면에 얇게 폴리싱된 사파이어 기판을 지지기판으로 사용하는 수평형 LED를 다이 본딩하면, 수평형 LED는 바닥면의 곡률에 의해 휘어지게 된다. 이때 LED 에피웨이퍼에 응력에 가해지게 되어 압전 분극이 발생하고, 이에 따라 양자 우물층의 밴드 구조가 변화하게 되어 내부 양자 효율이 증가한다. 이렇게 제작된 수평형 LED 패키지는 고전류 주입 시 발생하는 'efficiency droop' 현상을 줄일 수 있어, 조명에 적합한 고출력 고효율 수평형 화합물 반도체 발광다이오드를 얻을 수 있게 된다.The present invention relates to a light emitting diode package and a method of manufacturing the same. In particular, the present invention provides a high output high efficiency horizontal LED by improving the luminous efficiency by suppressing an 'efficiency droop' phenomenon generated when a high current is injected. According to the present invention, there is provided a method of manufacturing a light emitting diode package, comprising the steps of: forming an instrument having a concave curvature on a bottom surface of a package to which a horizontal LED is attached and forming a horizontal LED having a sapphire substrate polished on the bottom surface thereof, , The horizontal LED is bent by the curvature of the bottom surface. At this time, stress is applied to the LED epitaxial wafer, and the piezoelectric polarization is generated, thereby changing the band structure of the quantum well layer and increasing the internal quantum efficiency. The thus manufactured horizontal flat LED package can reduce the 'efficiency droop' phenomenon occurring when high current is injected, and thus it is possible to obtain a high power, high efficiency, horizontal type compound semiconductor light emitting diode suitable for illumination.
Description
본 발명은 발광 다이오드 패키지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 고전류 주입 시 발생하는 'efficiency droop' 현상을 억제하여 발광 효율을 향상시킨 발광 다이오드 패키지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a light emitting diode package and a method of manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to a light emitting diode package with improved efficiency of light emission by suppressing an 'efficiency droop' phenomenon occurring during high current injection and a method of manufacturing the same.
백색광원 GaN LED는 긴 수명, 소형화, 경량화 가능, 빛의 지향성이 강하고 저전압 구동이 가능하며 또한 예열 시간과 복잡한 구동회로가 필요하지 않고 충격 및 진동에 강하기 때문에, 다양한 형태의 고품격 조명 시스템의 구현이 가능하여 향후 10년 이내에 백열등, 형광등, 수은등과 기존의 백색 광원을 대체할 것으로 기대되어 많은 연구가 진행되고 있다. GaN LED가 기존의 수은등이나 형광등을 대체하여 백색광원으로서 쓰이기 위해서는 열적 안정성이 뛰어나야 할 뿐만 아니라 낮은 소비 전력에서도 고출력 빛을 발할 수 있어야 한다. 현재 백색광원으로 쓰이고 있는 수평구조 GaN청색 LED는 상대적으로 비용이 저렴하고 제작 공정이 간단하다는 장점이 있다. White light source GaN LED has long lifespan, small size, light weight, strong directivity of light, low voltage driving capability, and it does not require preheating time and complicated driving circuit and is resistant to shock and vibration. It is expected that it will replace incandescent lamps, fluorescent lamps, mercury lamps and existing white light sources within the next 10 years, and many studies are under way. In order to replace GaN LEDs with conventional mercury vapor lamps and fluorescent lamps, they must be thermally stable and emit high-power light even at low power consumption. Currently, the horizontal GaN blue LED, which is used as a white light source, is relatively inexpensive and has a simple manufacturing process.
조명에 적합한 고출력 고효율 LED를 구현하기 위해 LED 소자의 대면적화와 고전류 주입이 요구되는데, 일반적으로 LED는 매우 낮은 전류 주입 조건에서 가장 높은 양자 효율을 나타내며, 주입 전류가 증가함에 따라 양자 효율이 급격하게 감소하는 'efficiency droop' 현상이 발생한다. 따라서 LED가 기존의 조명 제품을 효과적으로 대체하기 위해서 'efficiency droop' 현상을 억제해야 한다. 지금까지 'efficiency droop' 현상에 대한 많은 연구는 이루어지고 있지만, 그 원인에 대해서 여전히 많은 논쟁이 이루어지고 있으며, 정확한 원인이 아직 규명되지 못하고 있다. In order to realize a high-power, high-efficiency LED suitable for lighting, large-sized LED elements and high current injection are required. In general, LEDs exhibit the highest quantum efficiency at very low current injection conditions. A phenomenon of 'efficiency droop' occurs. Therefore, LEDs must suppress the 'efficiency droop' phenomenon in order to effectively replace existing lighting products. So far, much research has been done on the 'efficiency droop' phenomenon, but there is still a lot of debate about its cause, and the exact cause has not yet been clarified.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해, 고전류 주입시 발생하는 'efficiency droop' 현상을 억제하여 발광 효율을 향상시킨 발광 다이오드 패키지 및 그 제조 방법을 제공한다.In order to solve the above-described problems, there is provided a light emitting diode package having improved efficiency of light emission by suppressing an 'efficiency droop' phenomenon occurring when a high current is injected, and a method of manufacturing the same.
본 발명은 발광 다이오드 패키지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 고전류 주입 시 발생하는 'efficiency droop' 현상을 억제하여 발광 효율을 향상시켜 고출력 고효율 수평형 LED를 구현하는 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명은 발광 다이오드 패키지의 제조 방법에 있어서, 사파이어 기판, GaN 버퍼층, n-형 GaN, InGaN 발광층, p-형 GaN 층으로 구성되는 수평형 LED가 부착되는 패키지 바닥면에 0.1 (m-1)에서 100 (m-1) 사이의 오목한 곡률을 가지는 기구물을 형성시키고, 곡률을 가지는 바닥면에 얇게 polishing된 사파이어 기판을 지지기판으로 사용하는 수평형 LED를 다이 본딩하면, 수평형 LED는 바닥면의 곡률에 의해 휘어지게 된다. 이때 LED 에피웨이퍼에 응력에 가해지게 되어, 이에 따라 양자 우물층의 압전 분극의 특성이 바뀌게 된다. 따라서 양자 우물층의 밴드 구조가 변화하게 되어 내부 양자 효율의 증가하고 'efficiency droop' 현상이 억제된다. 이렇게 제작된 수평형 LED 패키지는 고전류 주입 시 발생하는 'efficiency droop' 현상을 줄일 수 있어, 조명용 고출력 고효율 수평형 화합물 반도체 발광다이오드를 얻을 수 있게 된다. 나아가, 상기 수평형 LED 다수를 각각 곡률을 가지는 패키지 바닥면에 다이 본딩하여 LED 어레이를 형성하는 발광 다이오드 패키지를 얻을 수 있다.The present invention relates to a light emitting diode package and a method of manufacturing the same. In particular, the present invention provides a high output high efficiency horizontal LED by improving the luminous efficiency by suppressing an 'efficiency droop' phenomenon generated when a high current is injected. The present invention is a light emitting diode according to the manufacturing method of the package, a sapphire substrate, GaN buffer layer, n- type GaN, InGaN light-emitting layer, p- type 0.1 in the package bottom surface can be flat LED is attached consisting of a GaN layer (m -1 ) To 100 (m <" 1 >), and a horizontal LED using a thinly-polished sapphire substrate as a supporting substrate on a bottom surface having a curvature is die-bonded, As shown in Fig. At this time, stress is applied to the LED epitaxial wafer, thereby changing the characteristics of the piezoelectric polarization of the quantum well layer. Therefore, the band structure of the quantum well layer is changed, thereby increasing the internal quantum efficiency and suppressing the 'efficiency droop' phenomenon. The thus fabricated horizontal flat LED package can reduce the 'efficiency droop' phenomenon occurring at the time of high current injection, and thus it is possible to obtain a high power, high efficiency horizontal flat type compound semiconductor light emitting diode for illumination. Furthermore, it is possible to obtain a light emitting diode package that forms an LED array by die-bonding a plurality of the horizontal LEDs to a bottom surface of a curvature package.
본 발명은 발광 다이오드 패키지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 수평형 LED가 부착되는 패키지 바닥면이 오목한 곡률을 가지는 것을 특징으로 한다. 곡률을 가지는 바닥면에 얇게 polishing된 사파이어 기판을 지지 기판으로 사용하는 수평형 LED를 다이 본딩하면, 수평형 LED는 바닥면의 곡률에 의해 휘어지게 된다. 이때 수평형 LED의 휘어짐에 의해 LED 에피웨이퍼에 응력에 가해지게 되어, 양자 우물층의 압전 분극을 감소시키고, 이에 따라 밴드 휘어짐이 완화되게 된다. 따라서 전자와 홀의 파장 함수의 겹침이 증가하게 되어 내부 양자 효율이 증가하게 되고 efficiency droop이 억제된다. 이렇게 제작된 수평형 LED 패키지는 고전류 주입 시 발생하는 'efficiency droop' 현상을 줄일 수 있어, 고출력 고효율 수평형 화합물 반도체 발광다이오드를 얻을 수 있게 된다.The present invention relates to a light emitting diode package and a method of manufacturing the same, wherein the bottom surface of the package to which the horizontal LED is attached has a concave curvature. When a horizontal LED using a thinly polished sapphire substrate as a supporting substrate is die-bonded to a bottom surface having a curvature, the horizontal LED is bent by the curvature of the bottom surface. At this time, stress is applied to the LED epitaxial wafer due to the warping of the horizontal LED, thereby reducing the piezoelectric polarization of the quantum well layer, thereby alleviating the band warp. Therefore, the overlap of the wavelength functions of electrons and holes is increased, and the internal quantum efficiency is increased and the efficiency droop is suppressed. The thus fabricated horizontal LED package can reduce the 'efficiency droop' phenomenon occurring when high current is injected, and thus it is possible to obtain a high power, high efficiency, horizontal compound semiconductor light emitting diode.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but is capable of other various forms of implementation, and that these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, It is provided to let you know completely.
도 1a은 일반적인 수평형 발광 다이오드의 단면을 나타내는 모식도로, p형 및 n형 전극이 수평으로 배치되어 있다.1A is a schematic view showing a cross section of a general horizontal type light emitting diode, in which p-type and n-type electrodes are arranged horizontally.
도 1b은 수평형 발광 다이오드에서 사용되는 일반적인 고출력 발광 다이오드 패키지의 일례를 나타내는 모식도로, LED가 부착되는 패키지 부분이 평평하게 형성되어 있다.FIG. 1B is a schematic view showing an example of a general high-power LED package used in a horizontal type light emitting diode, in which a package portion to which an LED is attached is formed flat.
도 2는 본 발명의 곡률을 가지는 바닥면이 형성된 발광 다이오드 패키지의 실시예를 나타내는 모식도이다. 일반적인 c-plane 사파이어 기판위에 성장된 InGaN/GaN LED 에피웨이퍼는 사파이어 기판과 GaN의 열팽창 계수 차이와 격자 상수 차이에 의해 양자 우물에 압축 응력이 작용하여 압전 분극이 발생하고, Ga 원자와 N 원자의 수가 동일하지 않기 때문에 자발 분극 또한 존재하기 때문에 양자 우물의 밴드 구조의 휘어짐이 발생하여 내부 양자 효율이 하락하며, 전류 주입이 증가함에 따라 LED의 효율이 감소하는 'efficiency droop' 현상이 나타난다. 따라서 외부에 서 가해주는 응력을 조절하여 LED 에피웨이퍼의 양자 우물의 휘어짐을 완화하여 내부 양자 효율 향상과 함께 'efficiency droop' 현상을 억제할 수 있다. 사파이어 기판을 사용하는 수평형 LED에서, 사파이어 기판을 얇게 polishing하는 경우, 부착되는 패키지 바닥면의 곡률에 따라 사파이어 기판이 휘어질 수 있기 때문에, 바닥면의 곡률을 조절하면 사파이어 기판의 휘어지는 정도를 조절하면, LED 에피웨이퍼에 가해지는 응력을 조절할 수 있다. 2 is a schematic view showing an embodiment of a light emitting diode package having a curved bottom surface according to the present invention. The InGaN / GaN LED epitaxial wafer grown on a typical c-plane sapphire substrate is subjected to compressive stress due to the difference in thermal expansion coefficient and the difference in lattice constant between the sapphire substrate and GaN, The internal quantum efficiency decreases due to the bending of the band structure of the quantum well due to the existence of the spontaneous polarization because the number is not the same, and an efficiency droop phenomenon occurs in which the efficiency of the LED decreases as the current injection increases. Therefore, it is possible to suppress the 'efficiency droop' phenomenon together with the improvement of the internal quantum efficiency by alleviating the deflection of the quantum well of the LED epitaxial wafer by controlling the stress externally applied. In the horizontal type LED using a sapphire substrate, when the sapphire substrate is polished thinly, the sapphire substrate may be bent according to the curvature of the bottom surface of the package to be attached. Therefore, by controlling the curvature of the bottom surface, , The stress applied to the LED epitaxial wafer can be controlled.
도 3은 평평한 바닥면을 가지는 수평형 LED과 오목한 바닥면을 가지는 수평형 LED의 EL 스펙트럼을 나타내고 있다. 오목한 바닥면을 가지는 수평형 LED의 경우 EL 스펙트럼에서 청색 파장으로 파장 이동과 함께, 광출력 또한 증가하는 것을 알 수 있다. 이러한 광출력의 증가는 광추출 효율이 동일한 LED에서 이루어지기 때문에 내부 양자 효율의 증가에 의한 것이다.3 shows the EL spectrum of a horizontal LED having a flat bottom surface and a horizontal LED having a concave bottom surface. It can be seen that, in the case of a horizontal LED having a concave bottom surface, the light output increases along with the wavelength shift from the EL spectrum to the blue wavelength. This increase in light output is due to an increase in internal quantum efficiency since the light extraction efficiency is made in the same LED.
도 4는 평평한 바닥면과 오목한 바닥면을 가지는 수평형 LED의 InGaN/GaN 양자 우물의 밴드 변화를 나타내고 있다. 일반적인 c-plane 사파이어 기판에 성장된 LED 에피웨이퍼는 자발 분극와 압전 분극에 의해 양자 우물의 밴드가 휘어지게 되어 전자와 홀 파장 함수의 분리가 발생하여 내부 양자 효율이 감소한다. 이러한 LED 에피웨이퍼의 곡률이 변화하면, 응력이 가해져서 양자 우물의 밴드 휘어짐이 완화되어 전자와 홀의 파장 함수의 겹침 현상이 증가하여 내부 양자 효율이 증가하며, 따라서 광출력이 증가함을 알 수 있다. 도3의 중심 파장의 청색 이동은 압전 분극 감소에 따른 밴드 휘어짐이 완화되어 밴드갭이 증가하는 효과 때문이다.Fig. 4 shows the band change of the InGaN / GaN quantum well of a horizontal LED having a flat bottom surface and a concave bottom surface. In the LED epitaxial wafer grown on a typical c-plane sapphire substrate, the band of the quantum well is bent by the spontaneous polarization and the piezoelectric polarization, so that the separation of the electron and the hole wavelength function occurs, and the internal quantum efficiency decreases. When the curvature of the LED epitaxial wafer is changed, stress is applied to relax the band bending of the quantum well, so that the overlapping phenomenon of the wavelength function of the electron and the hole is increased to increase the internal quantum efficiency and thus the light output increases . The blue shift of the center wavelength in Fig. 3 is due to the effect of the band gap being increased due to the relaxation of the band bending due to the reduction of the piezoelectric polarization.
도 1a은 p형 및 n형 전극이 수평으로 배치되어 있는 일반적인 수평형 발광 다이오드의 단면을 나타내는 도면이고,1A is a cross-sectional view of a general horizontal type light emitting diode in which p-type and n-type electrodes are arranged horizontally,
도 1b은 평평한 바닥면을 가지는 일반적인 발광 다이오드 패키지의 일례를 나타내는 도면이고,1B is a view showing an example of a general light emitting diode package having a flat bottom surface,
도 2은 본 발명의 오목한 곡률을 가지는 바닥면이 형성된 발광 다이오드 패키지의 실시예를 나타내는 도면이고,2 is a view showing an embodiment of a light emitting diode package having a concave curvature bottom surface according to the present invention,
도 3는 본 발명에서 평평한 바닥면과 오목한 바닥면에서의 수평형 LED의 EL 스펙트럼의 변화를 나타내는 도면이고,FIG. 3 is a graph showing changes in EL spectrum of horizontal flat LEDs on a flat bottom surface and a concave bottom surface in the present invention,
도 4은 평평한 바닥면과 오목한 바닥면의 수평형 LED의 InGaN/GaN 양자 우물의 밴드 휘어짐 변화와 전자와 홀의 파동 함수를 나타낸 도면이다.Fig. 4 is a diagram showing changes in band curvature of InGaN / GaN quantum wells of a horizontal flat LED and a concave bottom surface, and a wave function of electrons and holes.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| X091 | Application refused [patent] | ||
| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20190325 Year of fee payment: 4 |