KR101647068B1 - 반도체 발광소자 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

반도체 발광소자 및 이를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 개시는 반도체 발광소자 칩; 반도체 발광소자 칩의 상면과 측면을 덮고, 경사진 측면을 구비하는 봉지제; 및 봉지제의 상면과 측면을 덮는 형광체층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자에 관한 것이다.

Description

반도체 발광소자 및 이를 제조하는 방법{SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 개시(Disclosure)는 전체적으로 반도체 발광소자 및 반도체 발광소자를 제조하는 방법에 관한 것으로, 특히 반도체 발광소자의 광추출 효율을 향상시킨 반도체 발광소자 및 반도체 발광소자를 제조하는 방법에 관한 것이다.
여기서, 반도체 발광소자는 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 반도체 광소자를 의미하며, 3족 질화물 반도체 발광소자를 예로 들 수 있다. 3족 질화물 반도체는 Al(x)Ga(y)In(1-x-y)N (0=x=1, 0=y=1, 0=x+y=1)로 된 화합물로 이루어진다. 이외에도 적색 발광에 사용되는 GaAs계 반도체 발광소자 등을 예로 들 수 있다.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
도 1은 종래의 반도체 발광소자의 일 예(Lateral Chip)를 나타내는 도면으로서, 반도체 발광소자는 기판(100), 기판(100) 위에, 버퍼층(200), 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층(300), 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층(400), 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층(500)이 순차로 증착되어 있으며, 그 위에 전류 확산을 위한 투광성 도전막(600)과, 본딩 패드로 역할하는 전극(700)이 형성되어 있고, 식각되어 노출된 제1 반도체층(300) 위에 본딩 패드로 역할하는 전극(800)이 형성되어 있다.
도 2는 종래의 반도체 발광소자의 다른 예(Flip Chip)를 나타내는 도면으로서, 반도체 발광소자는 기판(100), 기판(100) 위에, 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층(300), 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층(400), 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층(500)이 순차로 증착되어 있으며, 그 위에 기판(100) 측으로 빛을 반사시키기 위한 3층으로 된 전극막(901), 전극막(902) 및 전극막(903)이 형성되어 있고, 식각되어 노출된 제1 반도체층(300) 위에 본딩 패드로 기능하는 전극(800)이 형성되어 있다.
도 3은 종래의 반도체 발광소자의 또 다른 예(Vertical Chip)를 나타내는 도면으로서, 반도체 발광소자는 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층(300), 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층(400), 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층(500)이 순차로 증착되어 있으며, 제2 반도체층(500)에 제1 반도체층(300)으로 빛을 반사시키기 위한 금속 반사막(910)이 형성되어 있고, 지지 기판(930) 측에 전극(940)이 형성되어 있다. 금속 반사막(910)과 지지 기판(930)은 웨이퍼 본딩층(920)에 의해 결합된다. 제1 반도체층(300)에는 본딩 패드로 기능하는 전극(800)이 형성되어 있다.
도 4는 미국 등록특허공보 제6,650,044호에 도시된 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 반도체 발광소자는 플립 칩의 형태로, 기판(100), 기판(100) 위에, 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층(300), 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층(400), 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층(500)이 순차로 증착되어 있으며, 그 위에 기판(100) 측으로 빛을 반사시키기 위한 반사막(950)이 형성되어 있고, 식각되어 노출된 제1 반도체층(300) 위에 본딩 패드로 기능하는 전극(800)이 형성되어 있으며, 기판(100) 및 반도체층(300,400,500)을 둘러싸도록 봉지제(1000)가 형성되어 있다. 반사막(950)은 도 2에서와 같이 금속층으로 이루어질 수 있지만, 도 5에 도시된 바와 같이, SiO2/TiO2로 된 DBR(Distributed Bragg Reflector)과 같은 절연체 반사막으로 이루어질 수 있다. 반도체 발광소자는 전기 배선(820,960)이 구비된 PCB(1200; Printed Circuit Board)에 도전 접착제(830,970)를 통해 장착된다. 봉지제(1000)에는 주로 형광체가 함유된다. 여기서 반도체 발광소자는 봉지제(1000)를 포함하므로, 구분을 위해, 봉지제(1000)를 제외한 반도체 발광소자 부분을 반도체 발광소자 칩이라 부를 수 있다.
도 5는 종래의 반도체 발광소자의 또 다른 예를 나타내는 도면으로서, 반도체 발광소자는 기판(100), 기판(100) 위에 성장되는 버퍼층(200), 버퍼층(200) 위에 성장되는 n형 반도체층(300), n형 반도체층(300) 위에 성장되는 활성층(400), 활성층(400) 위에 성장되는 p형 반도체층(500), p형 반도체층(500) 위에 형성되며, 전류 확산 기능을 하는 투광성 도전막(600), 투광성 도전막(600) 위에 형성되는 p측 본딩 패드(700) 그리고 식각되어 노출된 n형 반도체층(300) 위에 형성되는 n측 본딩 패드(800)를 포함한다. 그리고 투광성 도전막(600) 위에는 분포 브래그 리플렉터(900; DBR: Distributed Bragg Reflector)와 금속 반사막(904)이 구비되어 있다.
도 6 및 도 7은 미국 등록특허공보 제6,650,044호에 도시된 반도체 발광소자의 제조 방법의 일 예를 나타내는 도면으로서, 먼저 필름 또는 플레이트로 된 장착면(10) 위에, 반도체 발광소자 칩(20)이 놓인다. 다음으로, 격벽(82; Partition)과 개구부(81)가 구비된 스텐실 마스크(80)를, 반도체 발광소자 칩(20)이 노출되도록 장착면(10) 위에 놓는다. 다음으로, 봉지제(40)를 개구부(81)에 투입한 다음, 일정 시간 봉지제(40)를 경화한 후, 스텐실 마스크(80)를 장착면(10)으로부터 분리한다. 스텐실 마스크(80)는 주로 금속 재질로 이루어진다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
여기서는, 본 개시의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 개시의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).
본 개시에 따른 일 태양에 의하면(According to one aspect of the present disclosure), 반도체 발광소자 칩; 반도체 발광소자 칩의 상면과 측면을 덮고, 경사진 측면을 구비하는 봉지제; 및 봉지제의 상면과 측면을 덮는 형광체층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자가 제공된다.
본 개시에 따른 다른 일 태양에 의하면, 반도체 발광소자를 제조하는 방법에 있어서, 장착면 위에 반도체 발광소자 칩을 놓는 단계; 반도체 발광소자 칩에 봉지제를 도포하는 단계; 봉지제가 경사진 측면을 갖도록 블레이드로 절단하는 소잉 단계; 및 봉지제를 덮는 형광체층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법이 제공된다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
도 1은 종래의 반도체 발광소자의 일 예(Lateral Chip)를 나타내는 도면,
도 2는 종래의 반도체 발광소자의 다른 예(Flip Chip)를 나타내는 도면,
도 3은 종래의 반도체 발광소자의 또 다른 예(Vertical Chip)를 나타내는 도면,
도 4는 미국 등록특허공보 제6,650,044호에 도시된 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 5는 종래의 반도체 발광소자의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 6 및 도 7은 미국 등록특허공보 제6,650,044호에 도시된 반도체 발광소자의 제조 방법의 일 예를 나타내는 도면,
도 8은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 9 내지 도 12는 본 개시에 따라 반도체 발광소자를 제조하는 방법의 일 예를 나타내는 도면,
도 13은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 다른 예를 나타내는 도면,
도 14는 본 개시에 따른 블레이드의 형상의 다른 예 및 이 블레이드를 사용한 소잉 공정을 나타내는 도면,
도 15는 본 개시에 따른 블레이드의 형상의 또 다른 예 및 이 블레이드를 사용한 소잉공정을 나타내는 도면,
도 16은 본 개시에 따른 블레이드의 형상의 또 다른 예 및 이 블레이드를 사용한 소잉공정을 나타내는 도면.
이하, 본 개시를 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명한다(The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing(s)).
도 8은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면이다. 본 개시에 따른 반도체 발광소자는 반도체 발광소자 칩(20), 반도체 발광소자 칩(20)의 상면과 측면을 덮는 봉지제(40), 및 봉지제(40)의 상면과 측면을 덮는 형광체층(60)을 포함한다.
반도체 발광소자 칩(20)은, 도 1, 도 2, 도 3 및 도 5에 도시된 일 형태를 가질 수 있으며, 특별히 제한된 형태를 가지는 것은 아니지만, 전극(700,800,901,902,903)이 아래쪽을 향할 수 있는 플립 칩(Flip Chip) 형태인 것이 바람직하다. 물론, 전극을 노출시키기 위해 봉지제와 형광체를 관통하는 개구부를 형성한다면, 레터럴 칩(Lateral Chip)이 사용될 수도 있다.
봉지제(40)는 경사진 측면(45), 즉 하부는 넓고 상부는 좁은 형태의 측면(45)을 구비하도록 형성되며, 이로 인해 우수한 광추출 효율을 달성할 수 있다. 또한 봉지제(40)의 경사진 측면(45)은, 스프레이 방식 또는 스핀코팅 방식 등으로 봉지제(40)의 상면과 측면을 덮는 형광체층(60)을 형성할 때, 측면이 수직일 때와 비교하여 효율적으로 형광체가 봉지제(40)의 측면(45)에 도포 또는 코팅 될 수 있게 하여준다. 또한, 봉지제(40)의 경사진 측면(45)은, 부드러운 표면으로 형성될 수도 있지만, 거친 표면으로 형성될 수도 있다. 거친 표면은 형광체층(60) 형성의 관점에서, 형광체의 흘러내림을 억제하는데 바람직하다. 봉지제의 측면 각도는 목적에 따라서 다양하게 변형 할 수 있으나, 각도가 너무 작을 경우 봉지제에 의한 최종 소자의 크기가 너무 커질 수 있고, 각도가 너무 수직에 가까우면 형광체 도포 또는 코팅시 측면에 균일한 코팅이 힘들기 때문에 바람직하게는 30도 이상 80도 이하도 하는 것이 좋다.
고출력의 반도체 발광소자의 경우에서 반도체 발광소자 칩(20)에 인접한 위치에서 형광체의 열화 가능성이 높고, 또한 형광체가 반도체 발광소자 칩(20)과 인접한 위치에 있을 경우 형광 효율이 떨어질 수도 있다. 따라서, 본 개시에 따른 반도체 발광소자에서, 봉지제(40)가 형광체를 포함할 수도 있지만 일반적으로 형광체를 포함하지 않으며, 봉지제(40)를 덮는 별도의 형광체층(60)이 구비된다. 다만, 봉지제(40)가 형광체를 포함하는 경우, 봉지제(40)에 포함되는 형광체는 형광체층(60)을 이루는 예를 들어 실리케이트 등과 같은 형광체보다 내열성이 높은 형광체인 것이 바람직하다. 예를 들어, 봉지제(40)에는 내열성이 우수한 YAG와 같은 황색 형광체가 사용될 수 있을 것이다.
도 9 내지 도 12는 본 개시에 따라 반도체 발광소자를 제조하는 방법의 일 예를 나타내는 도면이다.
먼저, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 장착면(10)에 반도체 발광소자 칩(20)을 놓은 다음, 반도체 발광소자 칩(20)과 장착면(10) 위에 봉지제(40)를 도포한다. 봉지제로는 일반적으로 LED 패키지에 사용되는 열경화 또는 UV(자외선) 경화가 가능한 실리콘, 폴리이미드, 투광성 에폭시 등이 사용될 수 있다. 반도체 발광소자 칩(20)의 수에 제한은 없으나, 공정의 효율을 위해 복수 개의 칩이 구비된다. 반도체 발광소자 칩(20)은 장착면(10) 위에 소정의 배열 규칙에 따라 종횡으로 연속되도록 배열되며, 반도체 발광소자 칩(20)의 안정적인 고정을 위해 장착면(10)은 접착 시트 형태로 제공될 수 있을 것이다. 장착면(10)위에 배열된 LED 칩 외곽 쪽에 틀을 사용하여 일정 두께의 턱을 형성한 상태에서 봉지제(40)가 상면이 균일한 평면을 이루도록 도포되며, 이후 열 또는 자외선을 이용한 경화과정을 거친다.
다음으로, 도 11에 도시된 바와 같이, 장착면(10) 상에 놓인 봉지제(40)에 의해 덮여 일체화된 다수의 반도체 발광소자를 블레이드(70)로 절단하여, 장착면(10) 상에 여전히 고정된 상태의 개별적인 반도체 발광소자로 분리하는 소잉 공정이 수행된다. 이때, 각 반도체 발광소자 칩(20)에 덮인 봉지제(40)가 경사진 측면(45)을 갖도록 하기 위해, 대응하는 형상의 경사진 단면 형상을 갖는 블레이드(70)가 사용된다. 도 11에서, 봉지제(40)는 일정한 기울기의 경사진 측면(45)을 구비하지만, 후술하는 바와 같이, 다양한 다른 형태의 측면을 구비할 수도 있다. 한편, 봉지제(40)의 측면(45)은 부드러운 표면을 구비할 수도 있지만, 거친 표면으로 가공될 수 있다. 봉지제(40)의 측면(45)이 거친 표면을 갖도록 하기 위해, 소잉 공정에서 거친 표면의 절삭면을 갖는 블레이드가 사용될 수도 있고, 소잉 공정 후에 별도의 표면처리 공정이 수행될 수도 있다.
이어서, 도 12에 도시된 바와 같이, 장착면(10) 상에 고정된 상태의 반도체 발광소자 위에 형광체층(60)이 형성된다. 형광체층(60)은 봉지제(40)의 상면과 경사진 측면을 덮도록 형성되며, 스프레이 방식이나 스핀코팅 방식 등으로 형성될 수 있다. 이와 같은 형광체층(60) 형성과정에서, 봉지제(40)의 경사진 측면(45)은 형광체가 효율적으로 도포될 수 있게 하여주며, 경화되기 이전의 액상 형광체가 흘러내리는 것을 억제하는 역할을 수행한다. 상기한 바와 같이, 봉지제(40)의 측면(45)이 거친 표면을 구비하는 경우, 형광체층(60) 형성시 봉지제(40)의 측면(45)에서의 형광체의 흘러내림이 더욱 억제될 것이다.
형광체층(60)이 경화된 다음, 장착면(10)으로부터 분리되어 개별적인 반도체 발광소자를 이루게 된다.
도 13은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면이고, 도 14는 본 개시에 따른 블레이드의 형상의 다른 예 및 이 블레이드를 사용한 소잉공정을 나타내는 도면이다. 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 봉지제(40)의 측면(45)은 불연속적인 2개 이상의 경사면으로 이루어지는 다중 경사면으로 형성될 수 있다. 구체적으로, 봉지제(40)의 측면(45)은 단차면(47)에 의해 구분되는 3개의 경사면으로 이루어질 수 있다. 이와 같은 봉지제(40)의 측면(45)은, 도 14에 도시한 바와 같은, 단차면(47)으로 구분되는 불연속적인 경사면에 대응하는 형상의 단면 형상을 갖는 블레이드(70)를 사용하여 형성할 수 있다. 이 경우 단차면(47)을 통해 형광체의 흘러내림을 더욱더 억제함으로써 양호한 품질의 형광체층(60)을 얻을 수 있도록 한다.
도 15는 본 개시에 따른 블레이드의 형상의 또 다른 예 및 이 블레이드를 사용한 소잉공정을 나타내는 도면으로서, 봉지제(40)의 측면(45)은 아래에서 위로 갈수록 점진적으로 기울기가 증가하는 형태의 경사면으로 형성된다.
도 16은 본 개시에 따른 블레이드의 형상의 또 다른 예 및 이 블레이드를 사용한 소잉공정을 나타내는 도면으로서, 봉지제(40)의 측면(45)은 위에서 아래로 갈수록 점진적으로 기울기가 증가하는 형태의 경사면으로 형성된다.
이하 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.
(1) 반도체 발광소자 칩; 반도체 발광소자 칩의 상면과 측면을 덮고, 경사진 측면을 구비하는 봉지제; 및 봉지제의 상면과 측면을 덮는 형광체층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(2) 봉지제의 측면은 하부는 넓고 상부는 좁은 경사면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(3) 봉지제의 측면은 거친 표면으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(4) 봉지제의 측면은 불연속적인 2개 이상의 경사면으로 이루어지는 다중 경사면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(5) 봉지제는 형광체를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(6) 봉지제의 형광체는 형광체층의 형광체보다 내열성이 높은 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(7) 반도체 발광소자 칩은 플립 칩인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(8) 반도체 발광소자를 제조하는 방법에 있어서, 장착면 위에 반도체 발광소자 칩을 놓는 단계; 반도체 발광소자 칩에 봉지제를 도포하는 단계; 봉지제가 경사진 측면을 갖도록 블레이드로 절단하는 소잉 단계; 및 봉지제를 덮는 형광체층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
(9) 형광체층을 형성하는 단계는 스프레이 방식으로 실시되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
(10) 형광체층을 형성하는 단계는 스핀코팅 방식으로 실시되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
(11) 반도체 발광소자 칩은 플립 칩인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
본 개시에 따른 하나의 반도체 발광소자에 의하면, 우수한 광추출 효율을 달성할 수 있다.
본 개시에 따른 다른 하나의 반도체 발광소자에 의하면, 형광체층에 포함된 형광체의 열화를 효과적으로 방지할 수 있다.
본 개시에 따른 하나의 반도체 발광소자를 제조하는 방법에 의하면, 봉지제의 경사진 측면에 다양한 형상을 부여할 수 있게 된다.
본 개시에 따른 다른 하나의 반도체 발광소자를 제조하는 방법에 의하면, 형광체층 형성시 봉지제의 측면에서의 형광체의 흘러내림을 효과적으로 억제하여, 양호한 품질의 형광체층을 얻을 수 있다.
10: 장착면 20: 반도체 발광소자 칩 40: 봉지제

Claims (5)

  1. 반도체 발광소자를 제조하는 방법에 있어서,
    장착면 위에 반도체 발광소자 칩을 놓는 단계;로서, 반도체 발광소자 칩은 플립 칩이며, 플립 칩의 전극이 장착면을 향하도록 장착면 위에 반도체 발광소자 칩을 놓는 단계;
    반도체 발광소자 칩에 봉지제를 도포하는 단계;
    봉지제가 경사진 측면을 갖도록 블레이드로 절단하는 소잉 단계;
    봉지제를 덮는 형광체층을 형성하는 단계; 및
    플립 칩의 전극이 노출되도록 장착면으로부터 반도체 발광소자 칩을 분리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    형광체층을 형성하는 단계는 스프레이 방식으로 실시되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    형광체층을 형성하는 단계는 스핀코팅 방식으로 실시되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    봉지제는 형광체를 함유하지 않는 투광성 봉지제인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
  5. 삭제
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