KR101761856B1 - 복수개의 발광셀들을 갖는 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드는, 단일 기판 상에 서로 이격되어 위치하고, 각각 하부 반도체층, 상기 하부 반도체층의 일 영역 상부에 위치하는 상부 반도체층 및 상기 하부 반도체층과 상기 상부 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함하는 복수개의 발광셀들; 서로 이격된 발광셀들 사이의 기판이 노출된 영역을 따라 접촉하도록 형성된 제1 절연층; 상기 제1 절연층 상에 형성되고, 인접한 발광셀들을 전기적으로 연결하는 배선들; 상기 제1 절연층 및 상기 배선들을 덮는 제2 절연층; 및 상기 제2 절연층 상에 형성된 형광체층을 포함하고, 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층은 동일한 재질로 형성되며, 상기 발광셀들 사이의 영역을 덮는 제1 절연층은 상기 제2 절연층에 비해 상대적으로 더 두껍고, 상기 배선들은 상기 제1 절연층에 접하는 하부층 및 상기 제2 절연층에 접하는 상부층을 갖는 다층막 구조를 갖되, 상기 상부층은 Cr층 또는 Ti층일 수 있다. 본 발명에 따르면, 제1 절연층과 제2 절연층을 동일한 재질로 형성함과 아울러 제1 절연층을 제2 절연층에 비해 상대적으로 두껍게 형성함으로써 제1 절연층과 제2 절연층의 접착력을 강화시키고 제2 절연층의 박리를 방지할 수 있다.

Description

복수개의 발광셀들을 갖는 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법{LIGHT EMITTING DIODE HAVING PLURALITY OF LIGHT EMITTING CELLS AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}

본 발명은 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수개의 발광셀들 및 발광셀들을 연결하는 배선들을 갖고 상기 발광셀들 및 배선들을 보호하기 위한 절연층을 갖는 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법에 관한 것이다.

청색을 발하는 질화갈륨(GaN) 계열의 발광 다이오드가 개발된 이래 발광 다이오드의 발광 효율을 향상시키기 위한 다양한 노력이 있어왔으며, 다양한 응용분야에 적용하기 위한 많은 구조적 개선이 이루어졌다. 청색 또는 자외선을 발하는 질화갈륨 계열의 발광 다이오드는 현재 천연색 LED 표시소자, LED 교통 신호기, 백색 LED 등 다양한 응용에 사용되고 있으며, 일반 조명 분야에서 백색 형광 램프를 대체할 것으로 기대되고 있다.

이러한 발광 다이오드는, 일반적으로, 순방향 전류에 의해 광을 방출하며, 직류전류의 공급을 필요로 한다. 순반향 전류하에서 동작하는 발광 다이오드의 특성을 고려하여 복수개의 발광셀들을 역병렬로 연결하거나 또는 브리지 정류기를 이용하여 교류전원하에서 복수개의 발광셀들을 동작시키는 기술이 시도되어 왔으며, 제품화되고 있는 실정이다. 또한, 단일 기판 상에 복수개의 발광셀들을 형성하고 이들을 직렬 및 병렬 연결함으로써 고전압 직류 전원하에서 고출력 및 고효율의 광을 출력할 수 있는 발광 다이오드가 개발되고 있다. 이러한 발광 다이오드들은 단일 기판 상에 복수개의 발광셀들을 형성하고 이들 발광셀들을 배선을 통해 연결함으로써 교류 또는 직류 전원하에서 고출력 및 고효율의 광을 방출할 수 있다.

복수개의 발광셀들을 이용하여 고전압의 교류 또는 직류 전원에 연결하여 사용할 수 있는 발광 다이오드는, 예컨대 국제공개번호 WO 2004/023568(Al)호에 "발광 성분들을 갖는 발광소자"(LIGHT-EMITTING DEVICE HAVING LIGHT-EMITTING ELEMENTS)라는 제목으로 사카이 등(SAKAI et. al.)에 의해 개시된 바 있다.

발광셀들은 에어브리지 배선들에 의해 서로 전기적으로 연결되며, 이러한 배선들의 연결을 통해 교류 또는 직류전원하에서 구동될 수 있는 발광 다이오드가 제공된다.

그러나 에어브리지 배선을 이용한 발광셀들의 연결은 배선들의 신뢰성, 즉 외부로부터의 습기나 외부 충격에 의해 배선이 단선되거나 배선저항이 증가되는 등의 문제가 발생되기 쉽다. 이러한 단점을 보호하기 위해, 스텝커버 공정을 이용한 배선 형성 기술이 사용되고 있다. 스텝커버 공정은 발광셀들을 덮는 절연층을 형성하고, 상기 절연층 상에 배선들을 형성하는 기술로, 배선들이 절연층 상에 놓이기 때문에 에어 브리지에 비해 구조적으로 안정하다.

그러나, 스텝커버 공정을 이용한 배선 또한 외부에 노출됨에 따라 습기나 외부 충격에 의해 배선이 단선될 수 있다. 복수개의 발광셀들을 사용하는 발광 다이오드의 경우, 많은 배선들이 이용되며, 이 중 어느 하나의 배선이 단선되더라도 전체 발광 다이오드를 동작시킬 수 없게 된다. 또한, 많은 수의 배선들이 사용됨에 따라, 외부로부터의 습기는 발광셀들 내부로 침투하기 쉽고, 따라서 발광셀의 발광효율을 떨어뜨린다.

한편, 발광 다이오드를 일반 조명 등 실제의 응용 분야에 사용할 경우, 형광물질을 사용하여 자외선 또는 청색광을 장파장의 광으로 변환시킴으로써 백색광 등 다양한 컬러의 광을 구현할 필요가 있다. 종래, 이러한 형광 물질은 패키지 레벨에서 단색광을 방출하는 발광 다이오드 칩을 덮는 에폭시 수지 등에 함유되어 적용되어 왔다. 이러한 백색 발광소자는 발광 다이오드 칩의 제조공정과 별도로 패키징 공정 중에서 형광물질을 함유하는 색변환 물질층이 형성되므로, 발광 다이오드의 패키징 공정을 복잡하게 하여 패키징 공정의 높은 공정불량률을 야기한다. 패키징 공정의 불량은 발광 다이오드 칩 제조공정의 불량에 비해 상당히 큰 비용손실을 초래한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 외부로부터 습기 침투 또는 외부 충격에 의한 배선의 단선이나 배선 저항 증가 또는 발광셀들의 성능 저하를 방지할 수 있는 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 배선들 및 발광셀들을 보호하기 위한 절연층을 형성하되, 상기 절연층과 그것이 형성되는 하지층 사이의 접착력을 강화시킬 수 있는 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 칩레벨에서 발광셀에서 방출된 광의 파장을 변환시키는 형광물질을 갖는 발광 다이오드 및 그것을 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드는, 단일 기판 상에 서로 이격되어 위치하고, 각각 하부 반도체층, 상기 하부 반도체층의 일 영역 상부에 위치하는 상부 반도체층 및 상기 하부 반도체층과 상기 상부 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함하는 복수개의 발광셀들; 서로 이격된 발광셀들 사이의 기판이 노출된 영역을 따라 접촉하도록 형성된 제1 절연층; 상기 제1 절연층 상에 형성되고, 인접한 발광셀들을 전기적으로 연결하는 배선들; 상기 제1 절연층 및 상기 배선들을 덮는 제2 절연층; 및 상기 제2 절연층 상에 형성된 형광체층을 포함하고, 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층은 동일한 재질로 형성되며, 상기 발광셀들 사이의 영역을 덮는 제1 절연층은 상기 제2 절연층에 비해 상대적으로 더 두껍고, 상기 배선들은 상기 제1 절연층에 접하는 하부층 및 상기 제2 절연층에 접하는 상부층을 갖는 다층막 구조를 갖되, 상기 상부층은 Cr층 또는 Ti층일 수 있다.

이때, 상기 형광체층은, 수지에 형광체가 분산되어 상기 제2 절연층 상에 형성된 층일 수 있으며, 또는 전기 영동법에 의해 상기 제2 절연층 상에 형성된 증착층일 수 있다.

또한, 상기 형광체층은 상기 제2 절연층 전체를 덮도록 형성될 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드는, 단일 기판 상에 서로 이격되어 위치하고, 각각 하부 반도체층, 상기 하부 반도체층의 일 영역 상부에 위치하는 상부 반도체층 및 상기 하부 반도체층과 상기 상부 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함하는 복수개의 발광셀들; 서로 이격된 발광셀들 사이의 기판이 노출된 영역을 따라 접촉하도록 형성된 제1 절연층; 상기 제1 절연층 상에 형성되고, 인접한 발광셀들을 전기적으로 연결하는 배선들; 및 상기 제1 절연층 및 상기 배선들을 덮고, 형광체를 포함하는 제2 절연층을 포함하고, 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층은 동일한 재질로 형성되며, 상기 발광셀들 사이의 영역을 덮는 제1 절연층은 상기 제2 절연층에 비해 상대적으로 더 두껍고, 상기 배선들은 상기 제1 절연층에 접하는 하부층 및 상기 제2 절연층에 접하는 상부층을 갖는 다층막 구조를 갖되, 상기 상부층은 Cr층 또는 Ti층일 수 있다.

여기서, 상기 제1 절연층은 형광체를 포함할 수 있고, 상기 제1 절연층 또는 제2 절연층은, 실리콘 질화물 또는 폴리머일 수 있다.

그리고 상기 제1 절연층은 4500Å 내지 1㎛ 범위 내의 두께를 갖고, 상기 제2 절연층은 500Å보다 두꺼운 두께를 가질 수 있다.

이때, 상기 제1 절연층 및 제2 절연층은 플라즈마 강화 화학기상증착법으로 200~300℃의 온도에서 증착된 실리콘 산화막일 수 있으며, 상기 제2 절연층은 상기 제1 절연층의 증착온도의 -20%~+20% 범위내의 온도에서 증착될 수 있다.

또한, 상기 하부층은 Cr층 또는 Ti층일 수 있다. 그리고 상기 하부층과 상기 상부층 사이에 개재된 Au층, Au/Ni층 또는 Au/Al층을 더 포함할 수 있다.

그리고 상기 제1 절연층은 상기 발광셀들의 일부 영역을 덮도록 연장될 수 있다.

또한, 상기 제1 절연층과 상기 상부 반도체층들 사이에 개재된 투명전극층들을 더 포함할 수 있으며, 상기 투명전극층은 ITO일 수 있다. 그리고 상기 투명전극층들은 Au, Ni, Pt, Al, Cr 및 Ti로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 투명전극층들은 상기 상부 반도체층들을 노출시키는 개구부들을 갖고, 상기 배선들은 상기 투명전극층들의 개구부들을 채울 수 있다.

본 발명에 따르면, 제1 절연층과 제2 절연층을 동일한 재질로 형성함과 아울러 제1 절연층을 제2 절연층에 비해 상대적으로 두껍게 형성함으로써 제1 절연층과 제2 절연층의 접착력을 강화시키고 제2 절연층의 박리를 방지할 수 있다. 또한, 제2 절연층이 배선들 및 발광셀들을 덮기 때문에 외부로부터 습기가 발광 다이오드 내로 침투하는 것을 방지할 수 있으며 외부 충격으로부터 배선 및 발광셀을 보호할 수 있다.

나아가, 절연층에 접착력이 강한 Cr층 또는 Ti층을 배선의 하부층 및 상부층으로 하기 때문에, 배선과 절연층 사이의 접착력 또한 강화되고, 이에 따라 제2 절연층의 박리를 더욱 방지할 수 있다.

또한, 제2 절연층 내에 형광체를 함유시키거나, 제2 절연층 상에 형광체층을 형성함으로써 칩레벨에서 백색광 등 다양한 컬러의 광을 구현할 수 있어, 패키지 공정을 단순화시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 제1 절연층과 제2 절연층의 증착 온도에 따른 신뢰성 테스트 통과율을 나타낸다.
도 3 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 제조방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 11 내지 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드 제조방법을 설명하기 위한 단면도이다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 상기 발광 다이오드는 기판(51), 복수개의 발광셀들(56), 제1 절연층(63), 배선들(65) 및 제2 절연층(67)을 포함하고, 버퍼층(53), 투명전극층(61), 형광체층(69)을 포함할 수 있다. 상기 기판(51)은 절연 기판, 예컨대 사파이어 기판일 수 있다.

단일 기판(51) 상에 복수개의 발광셀들(56)이 서로 이격되어 위치한다. 상기 발광셀들(56) 각각은 하부 반도체층(55), 상기 하부 반도체층의 일영역 상에 위치하는 상부 반도체층(59) 및 상기 하부 반도체층과 상부 반도체층 사이에 개재된 활성층(57)을 포함한다. 여기서, 상기 하부 및 상부 반도체층은 각각 n형 및 p형, 또는 p형 및 n형이다.

하부 반도체층(55), 활성층(57) 및 상부 반도체층(59)은 각각 질화갈륨 계열의 반도체 물질 즉, (Al, In, Ga)N으로 형성될 수 있다. 상기 활성층(57)은 요구되는 파장의 광 예컨대 자외선 또는 청색광을 방출하도록 조성 원소 및 조성비가 결정되며, 하부 반도체층(55) 및 상부 반도체층(59)은 상기 활성층(57)에 비해 밴드갭이 큰 물질로 형성된다.

상기 하부 반도체층(55) 및/또는 상부 반도체층(59)은, 도시한 바와 같이, 단일층으로 형성될 수 있으나, 다층 구조로 형성될 수도 있다. 또한, 활성층(57)은 단일 양자웰 또는 다중 양자웰 구조를 가질 수 있다.

한편, 발광셀들(56)과 기판(51) 사이에 버퍼층(53)이 개재될 수 있다. 버퍼층(53)은 기판(51)과 그 위에 형성될 하부 반도체층(55)의 격자부정합을 완화시키기 위해 채택될 수 있다.

제1 절연층(63)이 발광셀들(56)의 전면을 덮는다. 제1 절연층(63)은 하부 반도체층들(55)의 다른 영역들, 즉 상부 반도체층(59)이 형성된 영역에 인접하는 영역 상에 개구부들을 가지며, 또한 상부 반도체층들(59) 상에 개구부들을 갖는다. 상기 개구부들은 서로 이격되어 위치하며, 따라서 발광셀들(56)의 측벽들은 제1 절연층(63)에 의해 덮인다. 제1 절연층(63)은 또한 발광셀들(56) 사이 영역들 내의 기판(51)을 덮는다. 제1 절연층(63)은 실리콘산화막(SiO2) 또는 실리콘 질화막으로 형성될 수 있으며, 플라즈마 화학기상증착법을 이용하여 200~300℃의 온도 범위에서 형성된 층일 수 있다. 이때, 상기 제1 절연층(63)은 4500Å~1㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 4500Å보다 작은 두께로 형성될 경우, 발광셀들의 아래쪽에서 층덮힘 특성에 의해 상대적으로 얇은 두께의 제1 절연층이 형성되고, 제1 절연층 상에 형성되는 배선과 발광셀간에 전기적 단락이 발생될 수 있다. 한편, 제1 절연층은 두꺼울 수록 전기적 단락을 방지할 수 있지만, 광 투과율을 떨어뜨려 발광효율을 감소시키므로, 1㎛의 두께를 초과하지 않는 것이 바람직하다.

한편, 배선들(65)이 제1 절연층(63) 상에 형성된다. 배선들(65)은 상기 개구부들을 통해 하부 반도체층들(55) 및 상부 반도체층들(59)에 전기적으로 연결된다. 또한 배선들(65)은 인접한 발광셀들(56)의 하부 반도체층들(55)과 상부 반도체층들(59)을 각각 전기적으로 연결하여 발광셀들(56)의 직렬 어레이를 형성할 수 있다. 이러한 어레이들이 복수개 형성될 수 있으며, 복수개의 어레이들이 서로 역병렬로 연결되어 교류전원에 연결되어 구동될 수 있다. 또한, 발광셀들의 직렬 어레이에 연결된 브리지 정류기(도시하지 않음)가 형성될 수 있으며, 상기 브리지 정류기에 의해 상기 발광셀들이 교류전원하에서 구동될 수도 있다. 상기 브리지 정류기는 상기 발광셀들(56)과 동일한 구조의 발광셀들을 배선들(65)을 이용하여 결선함으로써 형성할 수 있다.

이와 달리, 상기 배선들은 인접한 발광셀들의 하부 반도체층들(55)을 서로 연결하거나 상부 반도체층들(59)을 서로 연결할 수도 있다. 이에 따라, 직렬 및 병렬 연결된 복수개의 발광셀들(56)이 제공될 수 있다.

상기 배선들(65)은 도전 물질, 예컨대 다결정 실리콘과 같은 도핑된 반도체 물질 또는 금속으로 형성될 수 있다. 특히, 상기 배선들(65)은 다층구조로 형성될 수 있으며, 예컨대, Cr 또는 Ti의 하부층(65a), Cr 또는 Ti의 상부층(65c)을 포함할 수 있다. 또한, Au, Au/Ni 또는 Au/Al의 중간층(65b)이 상기 하부층(65a)과 상부층(65c) 사이에 개재될 수 있다.

한편, 투명전극층들(61)이 상부 반도체층들(59)과 절연층(63) 사이에 개재될 수 있다. 투명전극층들(61)은 상부 반도체층들(59) 상에 형성된 상기 개구부들에 의해 노출된다. 투명전극층들(65)은 활성층(57)에서 생성된 광을 투과시키며, 상부 반도체층들(59)에 전류를 분산시키어 공급한다. 상기 배선들(65)은 상기 개구부들에 의해 노출된 투명전극층들(65)에 접촉되어 상부 반도체층들(55)에 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 상기 투명전극층들(61)은 상기 상부반도체층(59)들을 노출시키는 개구부를 가질 수 있으며, 상기 배선들(65)이 투명전극층들 내의 개구부들을 채울 수 있다.

제2 절연층(67)이 상기 배선들(65) 및 상기 제1 절연층(63)을 덮는다. 제2 절연층(67)은 배선들(65)이 수분 등에 의해 오염되는 것을 방지하며, 외부 충격에 의해 배선들(65) 및 발광셀들(56)이 손상되는 것을 방지한다.

제2 절연층(67)은 제1 절연층(63)과 동일한 재질로, 실리콘산화막(SiO2) 또는 실리콘 질화막으로 형성될 수 있다. 상기 제2 절연층(67)은, 제1 절연층과 같이,플라즈마 화학기상증착법을 이용하여 200~300℃의 온도 범위에서 형성된 층일 수 있다. 더욱이, 상기 제1 절연층(63) 플라자마 화학기상증착법을 이용하여 형성된 층일 경우, 상기 제2 절연층(67)은 상기 제1 절연층(63)의 증착 온도에 대해 -20% ~ +20%의 온도 범위 내에서 증착된 층인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 동일 증착온도에서 증착된 층인 것이 바람직하다.

이러한 결과는 도 2로부터 확인할 수 있다. 도 2는 제1 절연층(63)으로 실리콘 산화막을 250℃에서 증착하고, 제2 절연층(67)으로 증착 온도를 변화시켜 실리콘 산화막을 증착한 샘플들에서, 1000시간 동안 신뢰성 테스트를 거쳐 통과된 샘플의 통과율을 %로 나타낸 것이다. 제2 절연층의 증착온도별 20개의 샘플들을 준비하였으며 각 샘플들에 대해 가습 조건에서 테스트 하였다. 도 2를 보면, 제2 절연층을 제1 절연층의 증착온도(250℃)에 대해 ±20% 내의 증착온도에서 증착한 경우에 신뢰성이 우수한 것으로 나타났으며, 이것을 초과하는 온도범위에서 증착된 경우, 신뢰성이 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 제1 절연층과 제2 절연층이 동일 증착온도에서 증착된 경우, 100% 통과율을 나타내어 신뢰성이 가장 우수하다.

한편, 상기 제2 절연층(67)은 제1 절연층(63)에 비해 상대적으로 얇은 두께를 가지며, 500Å 이상의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 제2 절연층(67)이 제1 절연층(63)에 비해 상대적으로 얇기 때문에, 제2 절연층이 제1 절연층으로부터 박리되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제2 절연층이 2500Å보다 얇을 경우, 외부충격 또는 습기 침투로부터 배선 및 발광셀을 보호하기 어렵다.

형광체층(69)은 수지에 형광체가 분산된 층이거나 또는 전기 영동법에 의해 증착된 층일 수 있다. 형광체층(69)은 제2 절연층(67)을 덮어 발광셀들(56)에서 방출된 광을 파장변환시킨다.

도 3 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

도 3을 참조하면, 기판(51) 상에 하부 반도체층(55), 활성층(57) 및 상부 반도체층(59)이 형성된다. 또한, 하부 반도체층(55)을 형성하기 전, 기판(51) 상에 버퍼층(53)이 형성될 수 있다.

상기 기판(51)은 사파이어(Al2O3), 탄화실리콘(SiC), 산화아연(ZnO), 실리콘(Si), 갈륨비소(GaAs), 갈륨인(GaP), 리튬-알루미나(LiAl₂O₃), 질화붕소(BN), 질화알루미늄(AlN) 또는 질화갈륨(GaN) 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 기판(51) 상에 형성될 반도체층의 물질에 따라 다양하게 선택될 수 있다.

버퍼층(53)은 기판(51)과 그 위에 형성될 반도체층(55)의 격자부정합을 완화하기 위해 형성되며, 예컨대 질화갈륨(GaN) 또는 질화알루미늄(AlN)으로 형성될 수 있다. 상기 기판(51)이 도전성 기판인 경우, 상기 버퍼층(53)은 절연층 또는 반절연층으로 형성되는 것이 바람직하며, AlN 또는 반절연 GaN로 형성될 수 있다.

하부 반도체층(55), 활성층(57) 및 상부 반도체층(59)은 각각 질화갈륨 계열의 반도체 물질 즉, (Al, In, Ga)N로 형성될 수 있다. 상기 하부 및 상부 반도체층(55, 59) 및 활성층(57)은 금속유기화학기상증착(MOCVD), 분자선 성장(molecular beam epitaxy) 또는 수소화물 기상 성장(hydride vapor phase epitaxy; HVPE) 기술 등을 사용하여 단속적으로 또는 연속적으로 성장될 수 있다.

여기서, 상기 하부 및 상부 반도체층들은 각각 n형 및 p형, 또는 p형 및 n형이다. 질화갈륨 계열의 화합물 반도체층에서, n형 반도체층은 불순물로 예컨대 실리콘(Si)을 도핑하여 형성될 수 있으며, p형 반도체층은 불순물로 예컨대 마그네슘(Mg)을 도핑하여 형성될 수 있다.

도 4를 참조하면, 상부 반도체층(59), 활성층(57) 및 하부 반도체층(55)을 패터닝하여 서로 이격된 발광셀들(56)을 형성한다. 이때, 상기 하부 반도체층(55)의 일부 영역 상에 상부 반도체층(59)이 위치하고, 하부 반도체층(55)의 다른 영역은 노출된다. 한편 상기 발광셀들 사이에서 버퍼층(53)이 제거되어 기판(51)이 노출될 수 있다.

도 5을 참조하면, 상기 발광셀(56)의 상부 반도체층(59) 상에 투명전극층(61)이 형성될 수 있다. 상기 투명전극층(65)은 인디움틴산화막(ITO)과 같은 금속산화물로 형성되거나 또는 투명 금속으로 형성될 수 있다. 투명 금속의 경우, 상기 투명 전극층(61)은 Au, Ni, Pt, Al, Cr 및 Ti로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 금속 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다.

한편, 상기 투명전극층(61)은 상기 상부 반도체층(59)을 노출시키는 개구부(61a)를 가질 수 있다. 상기 투명전극층(61)은 상기 발광셀들(56) 상에 증착되어 형성될 수 있으나, 상기 발광셀들(56)을 형성하기 전에 상부 반도체층(59) 상에 형성되고, 상부 반도체층을 패터닝하기 전에 패터닝될 수 있다.

상기 투명전극층(61)은 상부 반도체층(59)과 오믹콘택을 위해 예컨대, 500~800℃의 온도범위에서 열처리 될 수 있다.

도 6을 참조하면, 발광셀들(56)을 갖는 기판(51) 상에 연속적인 제1 절연층(63)이 형성된다. 제1 절연층(63)은 발광셀들(56)의 측벽 및 상부면을 덮고, 발광셀들(56) 사이 영역의 기판(51) 상부를 덮는다. 상기 제1 절연층(63)은 플라즈마 강화 화학기상증착법(CVD)을 사용하여 예컨대 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막으로 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 절연층(63)은 200~300℃의 온도범위에서 증착될 수 있으며, 4500Å~1㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

그 후, 상기 제1 절연층(63)을 패터닝하여 상부 반도체층들(59) 상에 개구부들(63a)이 형성되고, 하부 반도체층들(55)의 다른 영역들 상에 개구부들(63b)이 형성된다. 투명전극층들(61)이 형성된 경우, 상기 개구부들에 의해 투명전극층들(61)이 노출된다. 또한, 상기 투명전극층들(61)이 개구부들(61a)을 갖는 경우, 제1 절연층(63)의 개구부들(63a)은 상기 투명전극층들(61)의 개구부들(61a)을 노출시킨다.

도 7을 참조하면, 상기 개구부들(63a)을 갖는 제1 절연층(63) 상에 배선들(65)이 형성된다. 상기 배선들(65)은 상기 개구부들(63a, 63b)을 통해 하부 반도체층들(55) 및 상부 반도체층들(59)에 전기적으로 연결되고, 인접한 발광셀들(56)을 전기적으로 연결한다.

상기 배선들(65)은 도금 기술 또는 일반적인 전자빔 증착, 화학기상증착 또는 물리기상증착 기술을 사용하여 형성될 수 있다.

한편, 상기 배선들(65)은 도전 물질, 예컨대 다결정 실리콘과 같은 도핑된 반도체 물질 또는 금속으로 형성될 수 있다. 특히, 상기 배선들(65)은 다층구조로 형성될 수 있으며, 예컨대, Cr 또는 Ti의 하부층(도 1의 65a), Cr 또는 Ti의 상부층(도 1의 65c)을 포함할 수 있다. 또한, Au, Au/Ni 또는 Au/Al의 중간층(도 1의 65b)이 상기 하부층과 상부층 사이에 개재될 수 있다. 상기 배선들(65)은 제1 절연층(63)과의 접착력을 향상시키기 위해, 300~500℃의 온도 범위에서 열처리될 수 있다.

도 8을 참조하면, 상기 배선들(65)이 형성된 기판(51) 상에 제1 절연층(67)이 형성된다. 상기 제2 절연층(67)은 배선들(65) 및 제1 절연층(63)을 덮는다. 상기 제2 절연층은 제1 절연층(63)과 동일한 재질, 예컨대 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막으로 형성되며, 플라즈마 강화 화학기상증착 기술을 사용하여 200~300℃의 온도 범위에서 형성될 수 있다. 특히, 상기 제2 절연층(67)은 상기 제1 절연층(63)의 증착 온도에 대해 -20% ~ +20%의 온도 범위 내에서 증착되는 것이 바람직하다.

도 9를 참조하면, 상기 제2 절연층(67) 상에 형광체층(69)이 형성될 수 있다. 상기 형광체층(69)은 수지에 형광체를 분산시킨 후 이를 제2 절연층(67) 상에 도포하여 형성될 수 있으며, 또는 전기영동법을 사용하여 상기 제2 절연층(67) 상에 형성될 수 있다. 이에 따라, 칩 레벨에서 형광물질을 갖는 발광 다이오드가 완성된다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다. 여기서는 제1 절연층 및 제2 절연층으로 폴리머를 채택한 발광 다이오드를 설명한다.

도 10을 참조하면, 상기 발광 다이오드는 상기 발광 다이오드는 기판(51), 복수개의 발광셀들(56), 제1 절연층(83), 배선들(85) 및 제2 절연층(87)을 포함하고, 버퍼층(53) 및 투명전극층(61)을 포함할 수 있다. 상기 기판(51) 및 발광셀들(56) 및 투명 전극층(61)은 도 1을 참조하여 설명한 발광 다이오드와 동일하므로 여기서 상세한 설명은 생략한다.

제1 절연층(83)은 SOG 또는 BCB, 또는 다른 투명한 폴리머로 형성되어 발광셀들(56) 사이의 공간을 채운다. 상기 제1 절연층(83)은 하부반도체층들(55)의 다른 영역들을 덮을 수 있으며, 이 경우, 상기 하부 반도체층들(55)을 노출시키는 개구부들을 갖는다. 또한, 상기 제1 절연층(83)은 상기 상부 반도체층들(59) 또는 투명전극층들(61)을 노출시킨다. 상기 발광셀들(56)의 측벽들은 제1 절연층(83)에 의해 덮인다.

한편, 배선들(85)이 제1 절연층(83) 상에 형성되어 하부 반도체층들(55) 및 상부 반도체층들(59)에 전기적으로 연결된다. 배선들(85)은 상기 개구부들을 통해 하부 반도체층들(55)에 전기적으로 연결되며 또한 상부 반도체층들(59)에 전기적으로 연결된다. 또한 배선들(85)은 인접한 발광셀들(56)의 하부 반도체층들(55)과 상부 반도체층들(59)을 각각 전기적으로 연결하여 발광셀들(56)의 직렬 어레이를 형성할 수 있다. 이러한 어레이들이 복수개 형성될 수 있으며, 복수개의 어레이들이 서로 역병렬로 연결되어 교류전원에 연결되어 구동될 수 있다. 또한, 발광셀들의 직렬 어레이에 연결된 브리지 정류기(도시하지 않음)가 형성될 수 있으며, 상기 브리지 정류기에 의해 상기 발광셀들이 교류전원하에서 구동될 수도 있다. 상기 브리지 정류기는 상기 발광셀들(56)과 동일한 구조의 발광셀들을 배선들(85)을 이용하여 결선함으로써 형성할 수 있다.

이와 달리, 상기 배선들(85)은 인접한 발광셀들의 하부 반도체층들(55)을 서로 연결하거나 상부 반도체층들(59)을 서로 연결할 수도 있다. 이에 따라, 직렬 및 병렬 연결된 복수개의 발광셀들(56)이 제공될 수 있다.

상기 배선들(65)은 도전 물질, 예컨대 다결정 실리콘과 같은 도핑된 반도체 물질 또는 금속으로 형성될 수 있다. 특히, 상기 배선들(65)은 다층구조로 형성될 수도 있다.

제2 절연층(87)은 상기 배선들(85) 및 상기 제1 절연층(83)을 덮는다. 상기 제2 절연층(87)은 상기 제1 절연층(83)과 동일한 재질의 폴리머로 형성된다. 따라서, 제1 절연층(83)과 제2 절연층(87)의 접착력이 강화된다. 또한, 상기 제2 절연층(87)은 상기 발광셀들(56) 사이의 공간을 채우는 제1 절연층(83)의 두께보다 상대적으로 얇은 것이 바람직하다.

한편, 상기 제2 절연층(87)은 형광체를 함유할 수 있다. 이에 따라, 칩레벨에서 파장변환이 가능한 발광 다이오드가 제공될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 폴리머를 이용하여 제1 절연층을 형성하므로, 배선들(85) 및 제2 절연층(87)을 상대적으로 평탄한 제1 절연층 상에 형성할 수 있어 배선의 신뢰성을 더욱 향상시킬 수 있다.

도 11 내지 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드를 제조하는 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.

도 11을 참조하면, 앞서 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이 단일 기판(51) 상에 서로 이격된 복수개의 발광셀들(56) 및 투명 전극층(61)이 형성된다. 상기 발광셀들(56)은 각각 하부 반도체층(55), 활성층(57) 및 상부 반도체층(59)을 갖는다. 한편, 상기 투명 전극층(61)은 상부 반도체층들(59)을 노출시키는 개구부들(61a)을 가질 수 있다.

도 12를 참조하면, 상기 발광셀들(56) 및 투명 전극층(61)을 덮는 제1 절연층(83)이 형성된다. 상기 제1 절연층(83)을 폴리머로 형성되며, 발광셀들(56) 사이의 공간을 채우고 상기 발광셀들(56)의 전면을 덮는다.

도 13을 참조하면, 상기 제1 절연층(83)을 부분적으로 식각제거하여 상기 투명전극층(61)을 노출시킨다. 그 후, 상기 제1 절연층(83) 및 발광셀들(56) 상에 배선들(85)이 형성된다. 배선들(85)은 도 7을 참조하여 설명한 바와 같은 재질로 형성될 수 있다.

그 후, 상기 배선들(85) 및 제1 절연층(83)을 덮는 제2 절연층(도 10의 87)이 형성된다. 상기 제2 절연층은 제1 절연층(83)과 동일한 재질의 폴리머로 형성되며, 형광체를 함유할 수 있다.

한편, 제2 절연층이 제1 절연층보다 두꺼운 경우, 광 투과율이 나빠지고, 또한 외부 충격에 의해 제2 절연층 또는 제1 절연층이 발광셀들로부터 박리될 수 있다. 따라서, 상기 제2 절연층(87)은 상기 제1 절연층(83)의 두께(여기서는, 상기 발광셀들 사이의 공간을 채우는 절연층(83)의 두께)보다 더 얇은 것이 바람직하다.

본 실시예에 있어서, 형광체가 제2 절연층(87)에 함유되는 것으로 설명하였으나, 형광체는 제1 절연층(83)에도 함유될 수 있다. 또한, 제2 절연층(87) 상에 형광체층을 별도로 형성할 수도 있다.

Claims (18)

1. 단일 기판 상에 서로 이격되어 위치하고, 각각 하부 반도체층, 상기 하부 반도체층의 일 영역 상부에 위치하는 상부 반도체층 및 상기 하부 반도체층과 상기 상부 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함하는 복수개의 발광셀들;
   서로 이격된 발광셀들 사이의 기판이 노출된 영역을 따라 접촉하도록 형성된 제1 절연층;
   상기 제1 절연층 상에 형성되고, 인접한 발광셀들을 전기적으로 연결하는 배선들;
   상기 제1 절연층 및 상기 배선들을 덮는 제2 절연층; 및
   상기 제2 절연층 상에 형성된 형광체층을 포함하고,
   상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층은 동일한 재질을 가지며,
   상기 발광셀들 사이의 영역을 덮는 제1 절연층은 상기 제2 절연층에 비해 상대적으로 더 두껍고,
   상기 배선들은 상기 제1 절연층에 접하는 하부층 및 상기 제2 절연층에 접하는 상부층을 갖는 다층막 구조를 갖되, 상기 상부층은 Cr층 또는 Ti층인 발광 다이오드.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 형광체층은, 수지에 형광체가 분산되어 상기 제2 절연층 상에 형성된 층인 발광 다이오드.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 형광체층은, 전기 영동법에 의해 상기 제2 절연층 상에 형성된 증착층인 발광 다이오드.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 형광체층은 상기 제2 절연층 전체를 덮도록 형성된 발광 다이오드.
5. 단일 기판 상에 서로 이격되어 위치하고, 각각 하부 반도체층, 상기 하부 반도체층의 일 영역 상부에 위치하는 상부 반도체층 및 상기 하부 반도체층과 상기 상부 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함하는 복수개의 발광셀들;
   서로 이격된 발광셀들 사이의 기판이 노출된 영역을 따라 접촉하도록 형성된 제1 절연층;
   상기 제1 절연층 상에 형성되고, 인접한 발광셀들을 전기적으로 연결하는 배선들; 및
   상기 제1 절연층 및 상기 배선들을 덮고, 상기 제1 절연층과 동일한 재질을 가지며, 형광체를 더 포함하는 제2 절연층을 포함하며,
   상기 발광셀들 사이의 영역을 덮는 제1 절연층은 상기 제2 절연층에 비해 상대적으로 더 두껍고,
   상기 배선들은 상기 제1 절연층에 접하는 하부층 및 상기 제2 절연층에 접하는 상부층을 갖는 다층막 구조를 갖되, 상기 상부층은 Cr층 또는 Ti층인 발광 다이오드.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 제1 절연층은 형광체를 포함하는 발광 다이오드.
7. 청구항 5에 있어서,
   상기 제1 절연층 또는 제2 절연층은 폴리머인 발광 다이오드.
8. 청구항 1 또는 청구항 5에 있어서,
   상기 제1 절연층은 4500Å 내지 1㎛ 범위 내의 두께를 갖고, 상기 제2 절연층은 500Å보다 두꺼운 두께를 가지는 발광 다이오드.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 절연층 및 제2 절연층은 플라즈마 강화 화학기상증착법으로 200~300℃의 온도에서 증착된 실리콘 산화막인 발광 다이오드.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 절연층은 상기 제1 절연층의 증착온도의 -20%~+20% 범위내의 온도에서 증착된 발광 다이오드.
11. 청구항 1 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 하부층은 Cr층 또는 Ti층인 발광 다이오드.
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 하부층과 상기 상부층 사이에 개재된 Au층, Au/Ni층 또는 Au/Al층을 더 포함하는 발광 다이오드.
13. 청구항 1 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 절연층은 상기 발광셀들의 일부 영역을 덮도록 연장된 발광 다이오드.
14. 청구항 1 또는 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 절연층과 상기 상부 반도체층들 사이에 개재된 투명전극층들을 더 포함하는 발광 다이오드.
15. 청구항 14에 있어서,
    상기 투명전극층은 ITO인 발광 다이오드.
16. 청구항 14에 있어서,
    상기 투명전극층들은 Au, Ni, Pt, Al, Cr 및 Ti로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 금속을 포함하는 발광 다이오드.
17. 청구항 14에 있어서,
    상기 투명전극층들은 상기 상부 반도체층들을 노출시키는 개구부들을 갖고, 상기 배선들은 상기 투명전극층들의 개구부들을 채우는 발광 다이오드.
18. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 절연층 또는 제2 절연층은 실리콘 질화막인 발광 다이오드.

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