KR101935611B1 - 반도체 발광 장치 및 반도체 발광 장치의 제조 방법 - Google Patents
반도체 발광 장치 및 반도체 발광 장치의 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
반도체 막 상에 파장 변환부를 가지며, 광 출력을 감소시킴 없이 발광색에서의 불균일을 해소할 수 있는 반도체 발광 장치. 반도체 막은 발광층을 포함한다. 지지 기판은 반도체 막에 광 반사층을 개재하여 접합되고 또한 반도체 막을 지지하는 지지면과 반도체 막의 측면들보다 외측에 위치된 에지들을 갖는다. 차광부는 평면에서 보아 반도체 막의 측면들과 반도체 막 주위의 지지면의 부분을 덮는다. 파장 변환부는, 형광체를 포함하고, 반도체 막 및 차광부를 매설하도록 지지 기판상에 형성된다. 파장 변환부는 에지들로부터 반도체 막의 중앙을 향하여 갈 때 두께가 증대되는 곡면 형상을 갖는다.
Description
본 발명은 LED (발광 다이오드) 등의 발광 소자를 포함하는 반도체 발광 장치에 관한 것이다.
발광 다이오드 (이하 LED라고 칭한다) 는, 자동차의 테일 램프, 각종 디스플레이, 및 휴대전화의 모바일 디바이스들의 백라이트들 등에 사용되고 있다. 향후, 자동차의 헤드라이트들, 액정 디스플레이의 백라이트들, 일반 조명 용도의 LED의 수요가 대폭 신장될 것으로 예상된다. 자동차의 헤드라이트나 일반 조명 용도에 있어서는 백색광이 바람직하다. LED의 광의 색은, 반도체 층의 밴드 갭의 크기에 의해 정해지며, 사용되는 반도체 결정에 고유한 것이다. 그 때문에, LED의 광의 색은 적색, 녹색, 또는 청색과 같은 단색이다. 이 발광 특성을 갖는 LED들을 이용해 백색광을 얻기 위한 방법은 이하와 같다.
첫 번째는, 적색 LED, 녹색 LED, 청색 LED를 배열하여, 이들을 동시에 발광시키는 것이다. 그러나, 이 방법의 경우에는, LED 특유의 지향성이 강해, 보는 방향에 따라 색 불균일이 발생하기 쉽다. 또한, LED가 각각의 색들의 LED들 사이에서 온도와 같은 환경 인자들이 변화하는 비율이 다르거나 LED가 열화하는 속도도 상이하기 때문에, 백색을 유지하는 것이 곤란하다.
두 번째는, 청색 LED와 황색 형광체를 조합하여 백색광을 얻는 방법이다. 형광체는, 청색광을 흡수해 더 긴 파장의 황색광을 방사한다. 청색 LED가 방사하는 청색광의 일부는 형광체에 의해 황색광으로 변환되고, 그 이외의 광은 청색광을 유지한 채로 형광체를 포함하는 형광체 층을 투과한다. 형광체로부터 발생되는 황색광에 청색광이 혼합되는 것에 의해 백색광을 얻을 수 있다. 이러한 방법에 의하면, 단일의 청색 LED 칩으로 백색광을 얻을 수 있으므로, 장치가 구성이 단순하고, RGB의 발광색들의 LED들을 배열하는 상기 제 1의 방법과 비교해 저비용으로 제조할 수 있다.
LED 칩 상에서 형광체를 형성하는 방법 중에서, 반도체 막의 상면에 형광체 입자들을 분산시키는 광 투과성 수지로 이루어진 파장 변환부재를 디스펜서로 도포하는 방법이 있다. 이러한 방법에 의해 파장 변환부를 형성함으로써, 파장 변환부의 형성을 돔 (dome) 상의 곡면형상으로 하는 것이 가능하며, 발광면 중앙부와 외주부의 발광색의 불균일의 발생을 방지할 수 있다. 그렇지만, 반도체 막의 상면에 파장 변환부재를 도포하는 방법에 의하는 경우, 파장 변화부가 반도체 막의 표면의 코너부들에 충분히 확산되지 않거나 코너부들을 덮는 파장 변환부의 부분들이 두께가 매우 작아 진다. 따라서, 반도체 막의 코너부들로부터 방사되는 광은 형광체로부터 황색광을 거의 포함할 수 없다. 이 때문에, 반도체 막의 코너부들로부터 청색광이 방사되어, 방사색에서의 불균일이 발생하는 결과가 된다.
이 문제를 해결하기 위해, 상기의 특허문헌 2에서는 반도체 막 표면의 각 코너부에 차광부를 형성하여 청색광이 방사되는 부분을 비발광하게 하는 것이 기재되어 있다. 그러나 반도체 막의 주 발광면의 일부에 차광부를 형성하면, 발광부 면적인 축소되어, 광속 및 휘도의 저하를 초래하게 된다.
본 발명은 상기의 관점들에서 이루어졌고, 본 발명의 목적은 광 출력 저하를 수반하는 일 없이 발광색의 불균일을 해소하고 반도체 막 상에 광 변환부를 갖는 반도체 발광 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 반도체 발광 장치는, 발광층을 포함하는 반도체 막; 반도체 막에 광 반사층을 개재하여 접합되고 또한 반도체 막을 지지하는 지지면과 반도체 막의 측면들보다 외측에 위치된 에지들을 갖는 지지 기판; 평면에서 보아 반도체 막의 측면들과 반도체 막의 외측으로 연장되는 지지면의 부분을 덮는 차광부; 및 형광체를 포함하고, 반도체 막 및 차광부를 매설하도록 지지 기판상에 형성된 파장 변환부를 포함한다. 파장 변환부는 에지들로부터 반도체 막의 중앙을 향하여 갈 때 두께가 증대되는 곡면 형상을 갖는다.
본 발명에 따른 반도체 발광 장치의 제조 방법은, 발광층을 포함하는 반도체 막과, 반도체 막에 광 반사층을 개재하여 접합되고 또한 반도체 막을 지지하는 지지면과 반도체 막의 측면들보다 외측에 위치된 에지들을 갖는 지지 기판을 포함하는 발광 소자를 준비하는 단계; 반도체 막의 측면들과 에지들 사이에 차광부재를 공급하여 반도체 막의 측면들을 덮는 차광부를 형성하는 단계; 및 차광부를 형성한 후에, 에지들까지 퍼지도록 반도체 막 상에 형광체를 포함하는 파장 변환부재를 도포하여, 반도체 막을 매설하는 파장 변환부를 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 반도체 발광 장치 및 그 제조 방법에서는, 지지 기판의 에지들이 평면에서 보아 반도체 막의 외측에 배치되고, 또 파장 변환부가 지지 기판의 에지들에까지 연장되고 있어, 파장 변환부가 반도체 막의 코너부들 상의 부분들에서 충분한 두께를 가지며, 따라서 반도체 막의 코너부들에서 발광색의 불균일을 해소할 수 있다. 또, 차광부는 반도체 막의 측면들로부터 광 방출을 차단하고 또 차광부가 경사면을 형성하여 불필요한 형광체 입자들의 여기가 생기지 않도록 불필요한 형광체 입자들이 반도체 막으로부터 멀리 떨어진 외측 포지션들에 이른다. 따라서, 반도체 막 주위의 영역에서의 색 불균일이 또한 방지될 수 있다. 또한, 차광부가 광반사성 재료로 이루어져, 광출력을 향상시킨다.
도 1a는, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 장치의 상면도이다.
도 1b는, 도 1에서의 1b-1b 선을 따르는 단면도이다.
도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 장치의 부분적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 장치가 실장되는 방식을 나타낸 단면도이다.
도 3은 비교예로서의 반도체 발광 장치의 단면도이다.
도 4a 내지 도 4d는, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 장치의 제조 방법을 나타낸 단면도들이다.
도 5a 및 도 5b는, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 장치의 제조 방법을 나타낸 단면도들이다.
도 6a 내지 도 6c는, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 장치의 제조 방법을 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 장치의 부분적인 단면도이다.
도 8은 비교예로서의 반도체 발광 장치의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 9a는, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 장치의 상면도이다.
도 9b는 9a에서의 9b-9b 선을 따르는 단면도이다.
도 9c는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 장치의 부분적인 단면도이다.
도 1b는, 도 1에서의 1b-1b 선을 따르는 단면도이다.
도 1c는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 장치의 부분적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 장치가 실장되는 방식을 나타낸 단면도이다.
도 3은 비교예로서의 반도체 발광 장치의 단면도이다.
도 4a 내지 도 4d는, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 장치의 제조 방법을 나타낸 단면도들이다.
도 5a 및 도 5b는, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 장치의 제조 방법을 나타낸 단면도들이다.
도 6a 내지 도 6c는, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 장치의 제조 방법을 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 장치의 부분적인 단면도이다.
도 8은 비교예로서의 반도체 발광 장치의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 9a는, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 장치의 상면도이다.
도 9b는 9a에서의 9b-9b 선을 따르는 단면도이다.
도 9c는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 장치의 부분적인 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시예들에 대해 도면들을 참조하여 설명한다. 또한, 이하에 나타내는 도면에 있어서 실질적으로 동일 또는 등가인 구성 요소들 및 부분에는 동일한 참조 부호들을 표시하고 있다.
[실시예 1]
도 1a는, 본 발명의 실시예 1에 따른, 광 추출 면 측으로부터 보이는, 반도체 발광 장치의 상면도이고; 도 1b는, 도 1에서의 1b-1b 선을 따라 절단된 단면도이며; 도 1c는 반도체 발광 장치 (1) 의 부분적인 단면도이다.
지지 기판 (10) 은, 예를 들어 두께가 약 100 ㎛ 의 Si 와 같은 도전성 반도체로 이루어지고, 반도체 막 (20) 을 지지하여 반도체 막 (20) 안으로 전류 주입을 행하기 위해 전류 경로를 형성한다. 반도체 막 (20) 을 지지하는 지지 기판 (10) 의 지지면은 예를 들어 약 1150 ㎛ 의 변 길이를 갖는 정사각형을 갖는다. 지지 기판 (10) 은 발광층으로부터 방사된 광에 대하여 불투명이어서, 지지 기판 (10) 의 측면들을 통해서는 광이 방사되지 않는다. 지지 기판 (10) 은, 예를 들면 비교적 높은 반사율을 갖는 Ag로 이루어진 광 반사층 (30) 및 AuSn 과 같은 공정 (eutectic) 접합재를 포함하는 접합층 (31) 을 개재하여 반도체 막 (20) 에 접합된다. 광 반사층 (30) 은, 반도체 막 (20) 과의 계면에서 광 반사면을 형성하고, 발광층으로부터 방사된 광을 광 취출 면측을 향하여 반사시킨다. 지지 기판 (10) 의 이면 측에는, 예를 들어 Pt로 이루어진 이면 전극 (12) 이 형성되어 있다. 지지 기판 (10) 은 반도체 막 (20) 을 지지하기에 적합한 기계적 강도와 도전성을 겸비한 다른 재료 (예를 들면, 금속) 로 이루어질 수도 있다는 것이 유의된다.
반도체 막 (20) 은, 예를 들면, III족 질화물계 반도체들로 이루어진 n형 반도체층, 발광층, p형 반도체층이 서로 적층되어 구성되며, 발광층에 있어서 예를 들면 파장 약 460 nm 의 청색광이 생성되도록 되어 있다. 반도체 막 (20) 의 주면 (principal surface) 은 예를 들면 약 1050 ㎛ 정도의 변의 길이를 갖는 정사각형 형상을 갖고, 그 두께가 약 5 ㎛ 이다. 반도체 막 (20) 은, 광 반사층 (30) 및 접합층 (31) 을 개재하여 지지 기판 (10) 에 접합되며, 지지 기판 (10) 의 지지면의 중앙에 배치된다. 지지 기판 (10) 의 지지면은 반도체 막 (20) 의 주면 보다 큰 사이즈이며, 지지 기판 (10) 의 에지들은 반도체 막 (20) 의 측면들 보다 외측에 배치된다. 반도체 막 (20) 의 측면들과 지지 기판 (10) 의 에지들과의 거리 (d) 는 각각 약 100 ㎛ 정도이다. 반도체 막 (20) 의 상면에는, 반도체 막 (20) 에 본딩 와이어를 접속시키는 본딩 패드 (미도시) 가 형성된다.
차광부 (40) 는 반도체 막 (20) 의 측면들을 덮어, 반도체 막 (20) 의 측면들에서 광 방출을 차단한다. 차광부 (40) 는, 예를 들면 굴절율이 비교적 낮은 실리콘 수지에 TiO2 와 같은 광 산란재를 분산시킨, 광 반사성을 갖는 백색 수지에 의해 구성되어 있다. 수지 재료로서 에폭시 수지, 실리콘 수지와 에폭시 수지를 혼합한 하이브리드 수지, 또는 우레탄 수지를 사용하는 것도 가능하며, 광 산란재로서 Al2O3 등을 이용하는 것도 가능하다는 것이 유의된다. 차광부 (40) 는 광 출력을 향상시키는 관점에서 광 반사성을 갖는 것이 바람직하지만, 광 흡수성 (저 반사성) 을 갖는 재료 (예를 들면 흑색 수지) 에 의해 구성되어도 된다. 차광부 (40) 는 반도체 막 (20) 의 외주를 둘러싸도록 형성되어, 평면에서 보아 반도체 막 (20) 의 측면들 및 반도체 막 (20) 의 외측에서의 지지 기판 (10) 의 지지면의 부분을 덮고 있다. 차광부 (40) 는, 반도첵 막 (20) 의 측면들로부터 지지 기판 (10) 의 에지들까지 연장되어, 반도첵 막 (20) 의 측면들로부터 지지 기판 (10) 의 에지들을 향해 내리막이 되는 경사면을 형성하고 있다. 차광부 (40) 의 경사면은 차광부 (40) 를 구성하는 백색 수지에 작용하는 표면 장력에 기인하여 오목상 곡면으로 되어 있다.
파장 변환부 (50) 는 에폭시 수지나 실리콘 수지와 같은 광 투과성 수지에 형광체 (51) 를 분산시킨 파장 변환부재에 의해 구성된다. 형광체로서는, 예를 들면 YAG에 활성제로서 Ce (세륨) 을 도입함으로써 이루어진 황색 발광 형광체 (Y3AL5O12:CE3 +) 를 이용할 수 있다. 형광체는 반도체 막 (20) 의 발광층으로부터 방사된 약 460 nm 의 피크 파장을 갖는 청색광을 흡수하여, 이것을 파장 560 nm 주위에서의 발광 피크를 갖는 황색광으로 변환한다. 파장 변환부 (50) 의 광 취출 면으로부터는, 형광체로부터 방사된 황색광과, 파장 변환부 (50) 를 투과한 청색광이 함께 혼합되는 것에 의해 백색광이 생성된다. 파장 변환부 (50) 는, 반도체 층 (20) 및 차광부 (40) 를 그 내부에 매설하도록 지지 기판 (10) 상에 형성되어 있다. 파장 변환부 (50) 는 지지 기판 (10) 의 에지들로까지 연장되며, 지지 기판 (10) 의 에지들로부터 반도체 막 (20) 의 중앙을 향하여 두께가 증대하는 돔상 (볼록 상) 의 곡면 형상을 갖는다. 이러한 파장 변환부 (50) 의 형상은 액상의 파장 변환부재를 반도체 막 (20) 상에 적당한 양을 적하 (drop) 하는 것에 의해 형성될 수 있다. 파장 변환부 (50) 의 부분을 형성하는 형광체는 반도체 막 (20) 의 발광색에 따라 선택되며, 예를 들어 녹색 발광 형광체 (Y3(Al,Ga)5O12:Ce3 +) 또는 적색 발광 형광체 (CaAlSiN3:Eu) 를 이용해도 된다는 것이 유의된다.
도 2는, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 장치 (1) 의 실장 형태를 나타낸 단면도이다. 반도체 발광 장치 (1) 는 패키지 기판 (90) 상에 탑재된다. 패키지 기판 (90) 은 예를 들면 Cu 나 Al 을 기재로 하는 메탈 코어 기판, 유리 에폭시 기판, Al2O3 또는 AlN 등으로 이루어진 세라믹 기판이다. 반도체 발광 장치 (1) 는, 이면 전극 (12) 을 접합면으로 하여, 솔더 또는 도전성 페이스트 등을 이용하여 패키지 기판 (90) 에 접합된다. 본딩 와이어 (91) 는 반도체 막 (20) 의 본딩 패드 (미도시) 와 패키지 기판상의 도체 배선 (미도시) 를 전기적으로 접속한다. 반도체 발광 장치 (1) 에 대한 전력 공급은, 패키지 기판 (90) 을 통하여 행해진다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 장치 (1) 에 있어서, 지지 기판 (10) 은 반도체 막 (20) 의 주면 보다 큰 사이즈의 지지면을 갖고 있기 때문에, 지지 기판 (10) 의 에지들이 반도체 막 (20) 의 측면들보다도 외측에 배치된다. 파장 변환부 (50) 는, 반도체 막 (20) 의 측면을 넘는 지지 기판 (10) 의 에지들에까지 연장될 수 있으므로, 반도체 막 (20) 의 코너부들 상의 부분들에 있어서도 충분한 두께가 확보된다. 이것에 의해, 반도체 막 (20) 의 코너부들로부터 청색광이 방사되는 문제를 해소할 수 있다.
또, 반도체 막 (20) 의 측면들은 광 반사성을 갖는 차광부 (40) 로 덮혀 있어서, 발광층에서 생성되고 반도체 막 (20) 의 측면으로 향하는 광은, 도 1c에 나타낸 바와 같이 차광부 (40) 에 의해 반사되고, 반도체 막 (20) 의 상면을 통해 방출된다. 이것에 의해, 투광 방향이 특정의 방향으로 향하게 되는 예를 들면 차량용 램프의 광원으로서 본 실시예에 따른 반도체 발광 장치 (1) 를 사용한 경우, 광축 상의 광 출력을 향상시키는 것이 가능하다.
또, 반도체 막 (20) 의 외측으로 연장되는 지지 기판 (10) 의 지지면이 광 반사성을 갖는 차광부 (40) 로 덮혀 있어서, 광 출력을 더 향상시킬 수 있다. 즉, 반도체 막 (20) 의 외측으로 연장되는 지지 기판 (10) 의 지지면에서 지지 기판 (10) 의 기재 (예를 들면 Si) 가 노출되는 경우, 광 흡수가 Si 기판에서 발생할 것이고, 따라서 광 출력을 감소시키다. 이 실시형태에서와 같이, 반도체 막 (20) 을 둘러싸는 지지면을 광 반사성을 갖는 차광부 (40) 로 덮는 것에 의해, 그러한 광 흡수를 억제하는 것이 가능하다.
또, 도 3에 나타낸 비교예에 따른 반도체 발광 장치와 같이, 반도체 막 (20) 의 측면들이 차광부재로 덮혀 있지 않고, 또 반도체 막 (20) 의 외측으로 연장되는 지지 기판 (10) 의 지지면이 고 반사율을 갖는 Ag 와 같은 광 반사성 금속에 의해 덮혀 있는 경우, 반도체 막 (20) 의 측면들로부터 출사된 광은 형광체와 광 반사성 금속 사이에서 다중 반사되고, 그 결과, 반도체 막 (20) 의 주위 영역으로부터는 황색미의 강한 광이 방사되고, 발광색의 불균일이 발생한다. 본 발명의 실시에 따른 반도체 발광 장치 (1) 에서와 같이, 반도체 막 (20) 의 측면들로부터의 광 방출을 차광부 (40) 에 의해 차단하는 것에 의해 그러한 색 불균일의 발생을 회피할 수 있다. 또, 반도체 막 (20) 의 측면들로부터 지지 기판 (10) 의 에지들까지의 거리 (d) 는 파장 변환부 (50) 에 함유된 형광체의 평균 입경 (30 ㎛ 정도) 보다도 충분히 크고, 또한 차광부 (40) 는 지지 기판 (10) 의 에지부를 향하여 내리막이 되는 경사면을 갖는다. 이것에 의해, 반도체 막 (20)의 주위 영역에 존재하는 형광체 입자들은 차광부 (40) 의 경사면을 따라 지지 기판 (10) 의 에지들을 향해 이동한다. 즉, 백색광의 생성에 기여하지 않고 반도체 막 (20) 의 주위 영역에 존재하는 형광체 입자들은, 청색광이 조사되지 않도록 반도체 막 (20) 의 상면보다도 낮은 외측 위치들에 이르게 된다. 이렇게 하여, 반도체 막 (20) 의 주위 영역에 존재하고 백색광의 생성에 기여하지 않는 불필요한 형광체 입자들은 여기가 생기지 않는 영역으로 유도되어, 반도체 막 (20) 의 주위 영역에서의 황색광의 과잉 생성을 방지할 수 있다. 차광부 (40) 가 광 흡수성 (저 반사성) 재료로 이루어진 경우, 상기한 광 출력을 향상시키는 효과는 감퇴하지만, 발광색의 불균일을 저감시키는 효과는 유지될 것이다.
이하에, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 장치 (1) 의 제조 방법에 대해 설명한다. 도 4 내지 도 6은, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 장치 (1) 의 제조 방법을 나타낸 단면도이다.
(반도체 막 형성 공정)
III 족 질화물 반도체 결정들의 성장을 행하기 위한 성장용 기판으로서 사파이어 기판 (80) 을 준비한다. 사파이어 기판 (80) 을 MOVPE 장치에 반입하고, 사파이어 기판 (80) 상에 서멀 클리닝을 실시한다. 그 후, 사파이어 기판 (80) 상에 MOVPE법 (유기 금속 기상 성장법) 에 의해, 반도체 막 (20) 을 형성한다. 구체적으로는, TMG (트리메틸 갈륨) 및 NH3를 공급해, GaN로 이루어지는 버퍼층을 형성한다. 후속해서, TMG, NH3 및 도펀트 가스로서 SiH4를 공급해, n형 GaN로 이루어지는 n형 반도체 층을 형성한다. 그 후, n형 반도체 층 위에 발광층을 형성한다. 발광층은, InGaN/GaN 로 이루어지는 다중 양자 우물 구조를 가지고 있어도 된다. 이 경우, InGaN/GaN를 1 주기로 하여 5 주기 성장을 실시한다. 구체적으로는, TMG, TMI (트리메틸 인듐), NH3를 공급해, InGaN 우물층을 형성하고, 그 후 TMG, NH3를 공급해 GaN 장벽층을 형성한다. 이러한 처리를 5 주기 반복함으로써, 발광층이 형성된다. 그 후, TMG, TMA (트리메틸 알루미늄), NH3 및 도펀트로서 Cp2Mg (bis-cyclopentadienyl Mg)를 공급해, P형 AlGaN 클래드층을 형성한다. 후속해서, TMG, NH3 및 도펀트로서 CP2Mg를 공급해, p형 GaN층으로 이루어지는 p형 반도체 층을 형성한다 (도4a).
(광 반사층 형성 공정)
스퍼터링 법 등에 의해 반도체 막 (20) (p형 반도체 층) 의 표면에 두께 약 150 nm 의 Ag 막을 형성한 후, 불필요한 부분의 Ag막을 제거함으로써 Ag막의 패터닝을 실시해, 광 반사층 (30) 을 형성한다. 상기의 패터닝에 의해 광 반사층 (30) 은, 발광 소자들에 대해 각각의 구획들로 분할된다 (도 4b).
(분할 홈 형성 공정)
반도체 막 (20) 에 발광 소자들의 각각의 구획들을 획정하는 분할 홈들 (22) 을 형성한다. 구체적으로는, 반도체 막 (20) 의 표면에 분할 홈들 (22) 의 패턴에 대응한 격자상의 개구 패턴을 갖는 레지스트 (미도시) 를 형성한다. 그 후, 웨이퍼를 RIE (반응성 이온 에칭) 장치에 투입하고, Cl2 플라즈마를 이용한 드라이 에칭에 의해 상기 레지스트의 개구부들을 통해 노출되는 반도체 막 (20) 의 부분들을 에칭하여 반도체 막 (20) 에서 사파이어 기판 (80) 에 이르는 격자상의 분할 홈들 (22) 을 형성한다. 분할 홈들 (22) 의 형성에 의해, 반도체 막 (20) 은 예를 들어 한 변이 1.05 ㎛의 길이를 갖는 정사각형들로 분할된다 (도 4c).
(지지 기판 접합 공정)
지지 기판 (10) 으로서 도전성을 갖는 Si 기판을 준비한다. 반도체 막 (20) 이 접합되는 지지 기판 (10) 의 표면 상에는 AuSn 과 같은 공정 접합재를 포함하는 접합층 (31) 이 형성된다. 지지 기판 (10) 의 다른 면에는, 이면 전극 (12) 을 구성하는 Pt 층 등이 형성된다. 반도체 막 (20) 상에 형성된 광 반사층 (30) 및 지지 기판 (10) 상에 형성된 접합층 (31) 을 밀착시킨 상태로 놓고, 가압하고, 약 250 ℃ 에서 가열하여, 지지 기판 (10) 및 반도체 막 (20) 을 함께 접합한다 (도 4d).
(성장용 기판 제거 공정)
사파이어 기판 (80) 을 반도체 막 (20) 으로부터 박리한다. 사파이어 기판 (80) 의 박리에는, 레이저 리프트-오프 (laser lift-off) 법을 사용할 수 있다. 구체적으로는, 이면 측 (반도체 층 (20) 이 형성된 면과는 반대 측) 으로부터 사파이어 기판 (80) 상으로 엑시머 레이저를 조사한다. 이로써 사파이어 기판 (10) 과의 계면 근방에 있어서의 GaN 결정이 Ga과 N2 가스로 분해되어, 사파이어 기판 (80) 이 반도체 막 (20) 으로부터 박리된다 (도 5a).
(발광 소자 분할 공정)
사파이어 기판 (80) 을 박리함으로써 노출되는 반도체 층 (20) 의 표면상에 Au, Ag, 또는 Al 과 같은 금속을 스퍼터링 법 등에 의해 퇴적한 후, 이 금속을 포토리소그래피에 의해 패터닝을 실시하여, 반도체 층 (20) 의 표면에 본딩 패드들 (미도시) 을 형성한다. 그 후, 다이싱 법 등에 의해, 분할 홈들 (22) 을 따라 지지 기판 (10) 을 절단함으로써, 지지 기판 (10) 및 반도체 층 (20) 을 포함하는 적층체를 칩들로 분할한다 (이하 이 분할된 적층 칩을 발광 소자라 칭한다). 지지 기판 (10) 은, 반도체 막 (20) 을 지지하는 그 지지면의 사이즈가 반도체 막 (20) 의 주면의 사이즈보다 크도록 분할된다. 반도체 막 (20) 의 측면들로부터 지지 기판 (10) 의 에지들 (절단면들) 까지의 거리는, 예를 들어 약 1OO ㎛ 다 (도 5b).
(발광 소자 실장 공정)
상기 각 공정들을 거쳐 형성된, 지지 기판 (10) 및 반도체 막 (20) 을 포함하는 발광 소자 (1a) 를 패키지 기판 (90) 상에 탑재한다. 패키지 기판 (90) 과 발광 소자 (1a) 를 함께 접합하기 위해, 예를 들어 솔더 또는 Ag 페이스트와 같은 도전성 접착제를 사용할 수 있다. 이면 전극 (l2) 은, 패키지 기판 (90) 상에 형성된 다이 패드 (die pad) (미도시) 에 전기적으로 접속된다. 그 후, 반도체 막 (20) 의 상면에 형성된 본딩 패드 (미도시) 와 패키지 기판 (90) 상에 형성된 도체 배선 (미도시) 을 본딩 와이어 (91) 로 접속한다 (도 6a).
(차광부 형성 공정)
실리콘 수지와 TiO2 등으로 이루어지는 광 산란 입자들과 실리콘 수지의 혼합물인 백색 수지를 차광부재로서 준비한다. 디스펜스 (dispense) 법 등에 의해 백색 수지를 반도체 막 (20) 의 주위 영역에 도포함으로써, 반도체 막 (20) 의 측면들 및 반도체 막 (20) 의 외측으로 연장되는 지지 기판 (10) 의 지지면들을 덮는다. 디스펜스 노즐을 반도체 막 (20) 의 외주를 따라 주사시키는 것에 의해 백색 수지는 반도체 막 (20) 의 측면들과 지지 기판 (10) 의 에지들 사이의 영역에 반도체 막 (20) 의 외주를 둘러싸도록 공급된다. 백색 수지는 반도체 막 (20) 의 측면들을 기어오르고, 표면장력이 작용함으로써 반도체 막 (20) 의 측면들로부터 지지 기판 (10) 의 에지들을 향하여 내리막이되는 오목상의 경사면을 형성한다. 그 후, 열처리 등에 의해 백색 수지를 경화시킴으로써 차광부 (40) 가 형성된다 (도 6b). 또한, 차광부 (40) 를 위한 수지 재료로서 에폭시 수지, 하이브리드 수지, 우레탄 수지 등을 사용할 수 있는 것이 유의된다. 또, 광 산란 입자 재료로서 A12O3 등을 사용할 수 있다.
(파장 변환부 형성 공정)
에폭시 수지나 실리콘 수지와 같은 광 투과성 수지에 YAG:Ce 형광체를 분산시킨 파장 변환부재를 준비한다. 디스펜스 법 등에 의해 파장 변환부재를 반도체 막 (20) 상에 도포한다. 파장 변환부재는, 지지 기판 (10) 의 에지들에까지 퍼진다. 반도체 막 (20) 및 차광부 (40) 는 파장 변환부재 내부에 매설된다. 파장 변환부재는, 지지 기판 (10) 의 에지들로부터 반도체 막 (20) 의 중앙을 향하여 두께가 증대되는 돔상 (도는 볼록상) 의 곡면 형상을 형성한다. 코너부들을 포함하는 반도체 막 (20) 의 전역이 파장 변환부재의 비교적 큰 두께의 부분에 의해 덮인다.
파장 변환부재를 도포한 후, 얼마 시간 동안 그대로 방치함으로써 광 투과성 수지 내의 형광체를 침강시켜도 된다. 이 경우, 도 7에 나타낸 바와 같이 형광체 (51) 는 반도체 막 (20) 및 차광부 (40) 상에 퇴적한다. 형광체를 침강시킴으로써, 파장 변환부재의 두께가 두꺼운 부분과 얇은 부분에 걸쳐 형광체의 밀도를 대체로 균일하게 할 수 있고, 발광색의 불균일을 저감시킬 수 있다. 또, 형광체를 반도체 막 (20) 에 접촉시킴으로써, 형광체의 여기시에 발생되는 열을 반도체 막 (20), 지지 기판 (10) 및 패키지 기판 (90) 을 통해 외부에 방출시키는 것이 가능해진다. 게다가, 형광체를 침강시킴으로써, 차광부 (40) 의 경사면을 이용해 불필요한 형광체 입자들을 반도체 막 (20) 으로부터 멀리 떨어진 곳으로 유도하는 효과가 촉진된다. 형광체를 침강시킨 후, 열처리 등에 의해 파장 변환부재를 경화시키고 파장 변환부 (50) 를 형성한다 (도 6c). 이상의 공정들을 거치는 것으로 반도체 발광 장치 (1) 가 완성한다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 장치 (1) 의 발광색을 관측했는데, 종래의 반도체 발광 장치에서 관측된 반도체 막의 코너 부들에서의 청색광의 방출은 해소되어, 전체에 걸쳐 색 불균일이 없는 광을 얻을 수 있었다. 이것은, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 장치 (1) 에 있어서, 평면에서 보아 반도체 막 (20) 의 외측에 지지 기판 (10) 의 에지들을 배치함과 함께 지지 기판 (10) 의 에지들에까지 파장 변환부 (50) 의 피복 영역을 확대한 것에 의해, 반도체 막 (20) 의 코너부들 상에서 파장 변환부 (50) 의 두께가 충분한 것이 되었기 때문이다. 또, 반도체 막 (20) 의 주위 영역에서 황색미의 강한 광이 발생되지 않았다. 이것은, 반도체 막 (20) 의 측면들을 차광부 (40) 로 덮음으로써 반도체 막 (20) 의 측면들로부터의 광 방출을 차단함과 함께, 차광부 (40) 에 경사면을 형성함으로써 반도체 막 (20) 의 주위 영역에 존재하고 백색광의 생성에 기여하지 않는 형광체 입자들을, 청색광이 조사되지 않도록 반도체 막 (20) 의 상면보다 낮은 외측 위치들로 유도하기 때문이다.
표 1은, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 장치 (1) 및 도 8에 나타낸 비교예에 따른 반도체 발광 장치의 순방향 전류 = 0.35 A에서의 광 출력들을 비교한 결과들이다. 비교예에 따른 반도체 발광 장치는, 반도체 막 (20) 의 측면들이 차광부에 의해 덮혀 있지 않고, 반도체 막 (20) 의 외측으로 연장되는 지지 기판 (10) 의 지지면에서 지지 기판 (10) 의 기재인 Si가 노출되고 있다는 점에서, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 장치 (1) 와 다르다. 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 장치 (1) 에 의하면 비교예의 장치에 대해 광속 (luminous flux) (lm) 및 Rf 효율 (lm/mW) 이 향상되는 것이 확인되었다. Rf 효율이란, 백색광의 광속 (lm) 을 발광층으로부터 방출되는 청색광의 출력 (mW) 으로 나눈 값이며, 청색광으로부터 백색광으로의 변환 효율을 나타낸 지표로서 사용된다. 표 1에는, 비교예에 따른 반도체 발광 장치의 광속과 Rf 효율을 기준들 (1.00) 으로 했을 경우의 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 장치 (1) 의 광속 및 Rf 효율의 상대비를 나타낸다. 위와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 장치 (1) 에 의해 더 높은 광 출력을 얻을 수 있던 것은, 반도체 막 (20) 의 측면들 및 지지 기판 (10) 의 지지면을 덮도록 광 반사성을 갖는 차광부 (40) 를 형성함으로써, 반도체 막 (20) 의 주면 방향으로 향하는 광을 증대시키는 것과 함께 지지 기판 (10) 의 지지면에 있어서의 광 흡수를 저감시켰기 때문이다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 발광 장치에 의하면, 발광색의 불균일을 해소함과 함께 광 출력의 향상시킬 수 있다.
| 광속 | Rf 효율 | |
| 실시예 | 1.06 | 1.04 |
| 비교예 | 1.00 | 1.00 |
[실시예 2]
도 9a는, 본 발명의 실시예 2에 따른, 광 추출면으로부터 본 반도체 발광 장치 (2) 의 상면도이다; 도 9b는 9a에서의 9b-9b 선을 따른 단면도이다; 그리고, 도 9c는 반도체발광 장치 2의 부분적인 단면도이다.
반도체 발광 장치 (2) 는, 지지 기판 (10) 상에 지지 기판의 에지들을 따라 형성된 환형 프레임 (60) 을 갖는 점이 상기한 실시예 1에 따른 반도체 발광 장치 (1) 와 다르다. 환형 프레임 (60) 은, 반도체 막 (20) 의 외주를 둘러싸는 벽면을 형성한다. 차광부 (40) 는, 환형 프레임 (60) 의 벽면과 반도체 막 (20) 의 측면들 사이에 백색 수지를 도포함으로써 형성된다. 백색 수지를 환형 프레임 (60) 의 벽면과 반도체 막 (20) 의 측면들 사이에 공급하는 경우, 백색 수지는 반도체 막 (20) 의 측면들과 환형 프레임 (60) 의 벽면을 기어오른다. 차광부 (40) 는, 반도체 막 (20) 과 환형 프레임 (60) 사이의 중앙의 저부에 있어서 오목상 곡면을 형성한다. 백색광의 생성에 기여하지 않는 불필요한 형광체 입자들은, 차광부 (40) 의 오목상 곡면의 저부에 축적된다. 즉, 실시예 1에 따른 반도체 발광 장치 (1) 에서와 같이, 백색광의 생성에 기여하지 않고 반도체 막 (20) 의 주위 영역에 존재하는 형광체 입자들은, 청색광이 조사되지 않도록 반도체 막 (20) 의 상면보다 낮은 외측 위치들로 유도되고, 이로써 반도체 막 (20) 의 주위 영역에 있어서의 황색광의 과잉 생성이 방지된다.
환형 프레임 (60) 은, 광 반사성을 갖고 있는 것이 바람직하고, 압축 몰딩이나 절삭 가공과 같은 방법에 의해 환형으로 성형된 세라믹 부재나 플라스틱 부재를 지지 기판 (10) 상에 접합함으로써 형성된다. 혹은, 환형 프레임 (60) 은, 에칭 등의 방법에 의해 지지 기판 (10) 과 일체적으로 성형될 수도 있다. 환형 프레임 (60) 을 형성함으로써, 백색 수지가 지지 기판 (10) 의 에지들을 흘러 넘치는 일 없이 도포될 수 있어, 제조 수율의 향상에 기여할 수 있다. 실시예 2에 따른 반도체 발광 장치 2에 있어서도, 상기한 실시예 1에 따른 반도체 발광 장치 (1) 와 같이, 발광색의 불균일이 해소됨과 함께 광 출력이 향상될 수 있다.
이 출원은 본 명세서에서 참조로서 병합되는 일본 특허 출원 번호 2011-253442에 기초한다.
Claims (19)
- 반도체 발광 장치로서,
발광층을 포함하는 반도체 막;
상기 반도체 막에 광 반사층을 개재하여 접합되고 또한 상기 반도체 막을 지지하는 지지면과 상기 반도체 막의 측면들보다 외측에 위치된 에지들을 갖는 지지 기판;
평면에서 보아 상기 반도체 막의 측면들과 상기 반도체 막의 외측으로 연장되는 상기 지지면의 부분을 덮는 차광부; 및
형광체를 포함하고, 상기 반도체 막 및 상기 차광부를 내부에 매설하도록 상기 지지 기판상에 형성된 파장 변환부를 포함하며,
상기 파장 변환부는 상기 에지들로부터 상기 반도체 막의 중앙을 향하여 갈 때 두께가 증대되는 곡면 형상을 갖고,
상기 차광부는, 상기 반도체 막의 측면들로부터 상기 지지 기판의 에지들을 향하여 내리막이 되는 경사면을 형성하고,
상기 경사면은 상기 파장 변환부에 의해 덮여 있는, 반도체 발광 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 에지들로부터 상기 반도체 막의 측면들까지의 거리는 상기 형광체의 입경들보다 큰, 반도체 발광 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 차광부는 광 반사성을 갖는, 반도체 발광 장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 차광부는 광 반사성을 갖는, 반도체 발광 장치. - 제 3 항에 있어서,
상기 차광부는 광 산란재를 포함하는 백색 수지로 이루어진, 반도체 발광 장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 차광부는 광 산란재를 포함하는 백색 수지로 이루어진, 반도체 발광 장치. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 차광부의 상기 경사면은 오목상 곡면인, 반도체 발광 장치. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 형광체는 상기 차광부의 상기 경사면 상에 존재하는, 반도체 발광 장치. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 지지 기판상에 있어서 상기 반도체 막을 둘러싸는 벽면을 형성하는 환형 프레임을 추가로 갖고,
상기 차광부는 상기 환형 프레임의 벽면과 상기 반도체 막의 측면 사이에 형성되는, 반도체 발광 장치. - 발광층을 포함하는 반도체 막과, 상기 반도체 막에 광 반사층을 개재하여 접합되고 또한 상기 반도체 막을 지지하는 지지면과 상기 반도체 막의 측면들보다 외측에 위치된 에지들을 갖는 지지 기판을 포함하는 발광 소자를 준비하는 단계;
상기 반도체 막의 측면들과 상기 에지들 사이에 차광부재를 공급하여 상기 반도체 막의 측면들을 덮고, 상기 반도체 막의 측면들로부터 상기 지지 기판의 에지들을 향하여 내리막이 되는 경사면을 갖는 차광부를 형성하는 단계; 및
상기 차광부를 형성한 후에, 상기 에지들까지 퍼지도록 상기 반도체 막 상에 형광체를 포함하는 파장 변환부재를 도포하여, 상기 반도체 막 및 상기 차광부를 내부에 매설하는 파장 변환부를 형성하는 단계를 포함하는, 반도체 발광 장치의 제조 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 차광부재는 광 산란재를 함유하는 백색 수지로 이루어진, 반도체 발광 장치의 제조 방법. - 제 11 항에 있어서,
상기 차광부재는 표면 장력에 의해 상기 반도체 막의 측면들로부터 상기 에지들을 향하여 내리막이 되는 경사면을 형성하는, 반도체 발광 장치의 제조 방법. - 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 파장 변환부재는, 형광체를 함유하는 광 투과성 수지로 이루어지고, 상기 형광체가 상기 광 투과성 수지 내에서 침강하여 상기 반도체 막 상에 퇴적된 후에 경화되는, 반도체 발광 장치의 제조 방법. - 삭제
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