KR101960611B1 - Led 플립칩 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 LED 플립칩을 제공한다. 이 LED 플립칩은, 반도체 물질을 성장시키기 위한 기판; 상기 기판 상에 배치되고 메사 구조를 가지는 n형 GaN층; 상기 n형 반도체층과 정렬된 상기 n형 GaN층 상에 배치된 활성층; 상기 활성층과 정렬되고 상기 활성층 상에 배치된 p형 GaN층; 투명 전도성 산화물로 구성되고 상기 p형 GaN층과 정렬되고 상기 p형 GaN층 상에 배치된 전류 퍼짐층; 가시광선 영역에서 제1 반사도를 가지고 상기 전류 퍼짐층 상에 국부적으로 배치된 p-패드; 상기 p-패드와 동일한 물질로 형성되고 상기 전류 퍼짐층 상에 배치되고 상기 p-패드와 이격되어 배치된 복수의 제1 전류 주입 금속 닷들; 및 상기 제1 반사도 보다 높은 제2 반사도를 가지고 상기 p-패드에 접촉하면서 상기 p-패드를 노출시키고 상기 전류 주입 금속 닷들을 덮도록 연장되어 배치되고 상기 활성층에서 발광된 광을 상기 사파이어 기판 방향으로 반사하는 복수의 p-핑거들;을 포함한다.
Description
본 발명은 발광 다이오드(Light Emitting Diode; LED) 칩에 관한 것이며, 보다 상세하게는 광 추출 효율 및 전류 주입 효율 향상을 위한 전류 주입 금속 닷들(metal dots) 및 상기 전류 주입 금속 닷들 덮는 고반사율의 핑거를 구비한 LED 플립칩에 관한 것이다.
발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)는 전류가 가해지면 p, n형 반도체의 접합 부분에서 전자와 정공의 재결합에 기하여 다양한 빛을 발생시킬 수 있는 반도체 장치이다.
III-V족 질화물계 반도체 소자인 발광다이오드는 수평형(lateral) 구조를 시작으로 시장의 니즈에 따라 점차 고휘도 특성을 위한 플립칩flip-chip), 수직(vertical) 구조로 발전해왔다. 특히, 차량조명 적용과 같은 고전력/고온 환경에서도 고휘도 특성을 구현하기 위해 수직(vertical) LED의 개발이 활발하다.
일반적인 수평(lateral), 수직(vertical) 구조의 LED는 광추출효율 향상을 위해, 칩의 구조변화, 전극구조 및 재료 변화 등 다양한 연구가 진행되고 있다.
플립칩 구조의 발광 소자는 활성층에서 p형 반도체층으로 방출되는 광을 반사시켜 기판 쪽으로 빛을 나오게 해야 하기 때문에 반사층의 형성이 필수적인 요소이다. 그러나, 발광층에서 생성된 광자의 많은 양이 플립칩 내부 공간에서 흡수되어 소멸된다.
대한민국 등록특허 제10-0506741호에서는 밀착력 확보층, 반사 전극층, 캡층의 세 층을 구비함으로써, 반사효율 및 전류확산 효율을 개선하고, 접촉저항을 개선함으로써 휘도 및 구동전압 특성이 향상된 플립칩용 질화물 반도체 발광 소자를 개시하고 있다.
또한, 대한민국 등록특허 제10-1205524는 서브마운트에 형성된 반사층을 구비한 소자를 개시하고 있다. 그러나, LED 소자의 오믹성 투과층은 광을 투과시키나 오믹성 투과층은 낮은 전류 주입효율에 의하여 발광 효율이 감소할 수 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 전극 연장부인 핑거를 고반사 금속으로 형성하고, 고반사율 금속의 사용에 의한 전류주입효율 감소를 보상하기 위하여 전류 주입 효율이 높은 저반사율 금속 닷들을 핑거에 삽입하여 광추출효율 및 전류 주입 효율을 개선한 LED 플립칩을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 LED 플립칩은, 반도체 물질을 성장시키기 위한 기판; 상기 기판 상에 배치되고 메사 구조를 가지는 n형 GaN층; 상기 n형 반도체층과 정렬된 상기 n형 GaN층 상에 배치된 활성층; 상기 활성층과 정렬되고 상기 활성층 상에 배치된 p형 GaN층; 투명 전도성 산화물로 구성되고 상기 p형 GaN층과 정렬되고 상기 p형 GaN층 상에 배치된 전류 퍼짐층; 가시광선 영역에서 제1 반사도를 가지고 상기 전류 퍼짐층 상에 국부적으로 배치된 p-패드; 상기 p-패드와 동일한 물질로 형성되고 상기 전류 퍼짐층 상에 배치되고 상기 p-패드와 이격되어 배치된 복수의 제1 전류 주입 금속 닷들; 및 상기 제1 반사도 보다 높은 제2 반사도를 가지고 상기 p-패드에 접촉하면서 상기 p-패드를 노출시키고 상기 전류 주입 금속 닷들을 덮도록 연장되어 배치되고 상기 활성층에서 발광된 광을 상기 사파이어 기판 방향으로 반사하는 복수의 p-핑거들;을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 n형 GaN층의 상기 메사 구조 상에 국부적으로 배치된 n 패드; 상기 n 패드와 동일한 물질로 구성되고 상기 n형 GaN층의 상기 메사 구조 상에 배치되고 상기 n 패드와 이격되어 배치된 복수의 제2 전류 주입 금속 닷들; 및 상기 p-핑거들 사이에 배치되고 상기 n 패드를 노출시키고 상기 제2 전류 주입 금속 닷들을 덮도록 배치된 n-핑거;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 p-패드는, Ti, Cr, Al, V 중에서 적어도 하나를 포함하고, 상기 제1 전류 주입 금속 닷들은 Ti, Cr, Al, V 중에서 적어도 하나를 포함하고, 상기 p-핑거들은, 은 또는 은 합금일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 n 패드는, Ti, Cr, Al, V 중에서 적어도 하나를 포함하고, 상기 제2 전류 주입 금속 닷들은 Ti, Cr, Al, V 중에서 적어도 하나를 포함하고, 상기 n-핑거는 은 또는 은 합금일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 p-패드 및 상기 n-패드를 마주보도록 배치된 서브마운트 기판; 상기 p-패드와 상기 n-패드에 각각 전기적으로 접속하도록 서브마운트 기판에 배치된 본딩 패드; 및 상기 본딩 패드과 상기 p-패드와 상기 n-패드에 사이에 각각 배치된 접합 범프를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 이웃한 제1 전류 주입 금속 닷들 사이의 간격은 상기 p 전극 핑거의 끝으로 갈수록 감소할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 LED 플립칩은, 고반사 핑거를 이용하여 높은 반사도와 낮은 저항을 제공하고, 마이크로미터 크기의 고반사 핑거에 의하여 덮힌 전류 주입 금속 닷들(dots)을 이용하여 고반사 핑거의 낮은 전류 주입효율을 보상할 수 있다.
도 1a은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 플립칩을 설명하는 평면도이다.
도 1b는 도 1a의 A-A' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 1c는 도 1a의 B-B' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 1d는 도 1a의 C-C'선을 따라 자른 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 소자의 전류 주입과 전류 퍼짐을 설명하는 평면도이다.
도 2b는 도 2a의 D-D' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 소자의 제조 방법을 설명하는 도면들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 플립칩에 사용된 p-패드 물질과 p-핑거 물질의 반사도를 나타내는 실험 결과이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 플립칩의 광출력을 나타내는 실험 결과이다.
도 1b는 도 1a의 A-A' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 1c는 도 1a의 B-B' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 1d는 도 1a의 C-C'선을 따라 자른 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 소자의 전류 주입과 전류 퍼짐을 설명하는 평면도이다.
도 2b는 도 2a의 D-D' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 소자의 제조 방법을 설명하는 도면들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 플립칩에 사용된 p-패드 물질과 p-핑거 물질의 반사도를 나타내는 실험 결과이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 플립칩의 광출력을 나타내는 실험 결과이다.
LED의 광추출효율 향상을 위해 패드(pad)의 구조를 다양하게 변화시키는 연구는 많이 진행되었다. 패드의 면적을 최소화하면서도 전류퍼짐현상을 개선하기 위해, 다양한 메쉬(mesh) 구조 패드에 관한 연구가 진행되었다. 그러나 패드를 광흡수계수가 높은 금속으로 사용하는 한, 광흡수 문제에서 자유로울 수 없다.
통상적인 플립칩은 p형 반도체층 상에 적층된 반사층을 이용하여 사파이어 기판 방향으로 활성층에서 생성된 빛을 반사시키거나, 서브마운트 기판에 별도로 배치된 반사층을 사용하여 사파이어 기판 방향으로 활성층에서 생성된 빛을 반사시킨다. 상기 p형 반도체층 상에 반사층을 적층하는 경우에는, 높은 반사율과 전류 주입 효율을 동시에 만족하기 어렵다. 또한, 서브마운트 기판에 별도로 배치된 반사층을 사용하는 경우, p형 반도체층 상에 투명한 전극을 구비하여야 하므로, 전류 주입 효율이 감소한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 LED 플립칩에서, 낮은 반사율을 가지나 전류 주입 효율이 우수한 물질로 p-패드를 형성하고, 낮은 저항을 가지고 높은 반사율을 가지는 고반사 금속 물질(예를 들어, 은 또는 은합금)을 p-핑거로 사용한다. 또한, 상기 p-핑거는 낮은 저항과 고반사 특성을 가지나 전류 주입 효율이 낮다. 상기 p-핑거의 전류 주입 효율을 증가시키기 위하여, 상기 핑거의 진행 방향을 따라 이격되어 배치된 전류 주입 금속 닷들을 배치한다. 이에 따라, 상기 p-핑거는 LED 플립칩에서 기판 방향으로 빛을 반사하는 반사층으로 동작한다. 또한, 상기 p-핑거가 배치되지 않은 전류 퍼짐층을 투과하는 빛은 상기 플립칩을 구성하는 서브마운트 기판에 배치된 반사층에서 반사되어 상기 기판 방향으로 전달된다. 이에 따라, 전류 주입 효율 및 반사 효율을 극대화한 구조의 플립칩이 제공될 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1a은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 플립칩을 설명하는 평면도이다.
도 1b는 도 1a의 A-A' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 1c는 도 1a의 B-B' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 1d는 도 1a의 C-C'선을 따라 자른 단면도이다.
도 1a 내지 도 1d를 참조하면, LED 플립칩(100)은, 반도체를 성장시키기 위한 기판(121); 상기 기판(121) 상에 배치되고 메사 구조(122a)를 가지는 n형 GaN층(122); 상기 n형 GaN층과 정렬되고 상기 n형 GaN층 상에 배치된 활성층(123); 상기 활성층(123)과 정렬되고 상기 활성층 상에 배치된 p형 GaN층(124); 투명 전도성 산화물로 구성되고 상기 p형 GaN층(124)과 정렬되고 상기 p형 GaN층 상에 배치된 전류 퍼짐층(125); 가시광선 영역에서 제1 반사도를 가지고 상기 전류 퍼짐층 상에 국부적으로 배치된 p-패드(126); 상기 p-패드와 동일한 물질로 형성되고 상기 전류 퍼짐층 상에 배치되고 상기 p-패드와 이격되어 배치된 복수의 제1 전류 주입 금속 닷들(128); 및 상기 제1 반사도 보다 높은 제2 반사도를 가지고 상기 p-패드에 접촉하면서 상기 p-패드를 노출시키고 상기 전류 주입 금속 닷들(128)을 덮도록 연장되어 배치되고 상기 활성층(123)에서 발광된 광을 상기 기판 방향으로 반사하는 복수의 p-핑거들(127);을 포함한다.
상기 기판(121)은 c-평면 사파이어 기판, GaN 기판, 또는 실리콘 카바이트(SiC) 기판일 수 있다. 상기 사파이어 기판은 격자 부정합에 의한 흠결을 감소시키기 위하여 상기 사파이어 기판 상에 GaN 버퍼층(미도시)이 형성될 수 있다.
상기 GaN 버퍼층 상에 수 마이크로미터 수준의 두꺼운 n형 GaN 층(122)이 성장될 수 있다. n형 분순물은 실리콘(Si)일 수 있다.
상기 n형 GaN 층(122) 상에 활성층(123)이 증착될 수 있다. 상기 활성층(123)은 이중 이종구조(double heterostructure), 단일 양자 우물(single quantum well), 또는 다중 양자 우물(multiple quantum wells)일 수 있다. 청색 또는 녹색 LED의 경우, 상기 다중 양자 우물은 InGaN/GaN 구조일 수 있다. 자외선의 경우, 상기 다중 양자 우물은 AlGaN/InGaN 구조일 수 있다.
상기 활성층(123) 상에 전자 블록층(electron blocking layer)이 추가적으로 배치될 수 있다. 상기 전자 블록층(미도시)은 전자 누설 전류가 홀 누설 전류보다 크기 때문에 전자 전류를 차단할 수 있다. 상기 전자 블록층은 AlGaN층일 수 있다.
p형 GaN층(124)이 상기 전자 블록층 또는 상기 활성층(130) 상에 형성될 수 있다. p 형 불순물은 Mg일 수 있다.
상기 p형 GaN층(124) 상에 전류 퍼짐층(electron spreading layer)이 배치될 수 있다. 상기 전류 퍼짐층(125)은 투명 전도성 금속 산화물일 수 있다. 상기 전류 퍼짐층(125)은 전류를 균일하게 상기 p형 GaN층(124)에 제공하여 상기 활성층(123)의 전 영역에서 발광을 제공할 수 있다. 상기 전류 퍼짐층(125)은 ITO(Indium Thin Oxide)일 수 있다. 상기 전류 퍼짐층(125)은 투명한 특성, 충분히 낮은 면저항(sheet resistance) 특성, 및 상기 p형 GaN층(124)과 오믹 접합을 형성할 수 있는 특성을 가지는 것이 바람직하다.
복수의 제1 전류 주입 닷들(128)은 상기 전류 퍼짐층(125) 상에 배치될 수 있다. 상기 제1 전류 주입 닷들(128)은 불투명한 금속 전극으로 마이크로미터 사이즈를 가지는 복수의 금속 닷(metal dots)일 수 있다. 상기 제1 전류 주입 닷들(128)은 p-핑거(127)를 따라 서로 이격되어 배치될 수 있다. 이웃한 상기 제1 전류 주입 닷들(128) 사이의 간격은 p-핑거의 끝으로 갈수록 감소할 수 있다. 상기 제1 전류 주입 닷들(128)은 Ti, Al, Cr, V, Au, Ti/Al, Cr/Al/Ni일 수 있다.
상기 제1 전류 주입 닷들(128)은 각각의 배치되는 위치에서 상기 전류 퍼짐층에 전류 주입 효율을 증가시킬 수 있다. 상기 제1 전류 주입 닷들(128)의 형상은 원형 또는 다각형 형상이고, 상기 p-핑거의 연장 방향을 따라 서로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 제1 전류 주입 닷들(128)의 개수는 상기 제1 전류 주입 닷들의 면적을 모두 합한 총 면적이 상기 p-핑거의 면적의 50 퍼센트 이내에서 적절히 선택될 수 있다. 상기 제1 전류 주입 닷들(128)의 지름은 상기 p-핑거(127)의 폭보다 작을 수 있다. 상기 제1 전류 주입 닷들(128)은 상기 p-핑거(127)을 따라 제1 방향으로 정렬될 수 있다.
p-패드(126)는 상기 전류 퍼짐층(125) 상에 배치될 수 있다. 상기 p-패드(126)는 상기 제1 전류 주입 닷들과 동일한 구조와 재질을 가질 수 있다. 상기 p-패드는 원형일 수 있다. 상기 p-패드(126)는 서브마운트 기판의 본딩 패드(114a,114b)와 접합 범프(112)를 통하여 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 p-패드(126)는 Ti, Al, Cr, V, Au, Ti/Al, Cr/Al/Ni일 수 있다. 상기 p-패드는 접합 범프와 접촉하기 위하여 노출될 수 있다.
상기 p-핑거(127)는 상기 제1 전류 주입 닷들(128)을 차례로 덮도록 연장되고 라인 패턴일 수 있다. 상기 p-핑거(127)는 상기 p-패드를 둘러싸도록 폭이 국부적으로 증가할 수 있다. 상기 p-핑거(127)는 상기 전류 퍼짐층(125) 상에서 빗(comb) 형상과 같이 형성되어 공간적으로 균일하게 전류를 분배할 수 있다. 상기 p-핑거(127)는 충분히 낮은 저항을 가지며 85 퍼센트 이상의 반사도를 제공할 수 있다. 상기 p-핑거(127)는 은 또는 은합금 (AgPdCu, AgCu, AgNi, AgAl, AgCr 등등)일 수 있다. 상기 p-핑거(127)은 Ag(200nm)/Ni(20nm)일 수 있다. 상기 p-핑거의 낮은 전류 주입 효율은 상기 제1 전류 주입 닷들(128)에 의하여 보상된다.
상기 전류 퍼짐층(125)의 두께는 10 내지 50 nm이고, 상기 제1 전류 주입 금속 닷들 및 p-패드의 두께는 100 nm 내지 300 nm이고, 상기 p-핑거의 두께는 100nm 내지 300nm일 수 있다.
상기 p-핑거(126)가 없는 영역의 전류 퍼짐층(125)은 20 nm 이하의 충분히 낮은 두께를 가지고 있어 충분한 투명성을 제공한다. 상기 p-핑거가 없는 영역에서 상기 전류 퍼짐층(125)을 투과한 광은 서브 마운트 기판(110)의 본딩 패드에서 반사되어 기판(121) 방향으로 진행할 수 있다.
상기 p-핑거(126)가 존재하는 영역에서는 가시광선 파장 대역에서 85 퍼센트 이상의 반사도를 제공한다. 상기 p-핑거(126)에서 반사된 광은 상기 기판(121) 방향으로 전달될 수 있다. 따라서, LED 소자(101)은 높은 전류 주입 효율을 가지고, p형 GaN층 방향으로 방출된 광은 최소한의 손실을 가지고 상기 기판 방향으로 반사된다. 이에 따라, 상기 LED 플립칩(100)의 광추출효율이 상승된다.
n 패드(132)는 상기 n형 GaN층(122)의 상기 메사 구조(122a) 상에 국부적으로 배치될 수 있다. 상기 메사 구조(122a)는 상기 n형 GaN층(122)을 노출되도록 식각하여 형성될 수 있다.
n 패드(132)는 상기 제2 전류 주입 금속 닷들(131)과 동일한 구조/재질을 가질 수 있다. 상기 n 패드(132)는 전기적 배선을 위하여 노출될 수 있다. 상기 n 패드(132)는, Ti, Cr, Al, V 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 n 패드는, Ti, Al, Cr, V, Au, Ti/Al, Cr/Al/Ni일 수 있다.
복수의 제2 전류 주입 금속 닷들(131)은 상기 n형 GaN층(122)의 상기 메사 구조(122a) 상에 배치되고 상기 n 패드(132)와 이격되어 배치될 수 있다. 제2 전류 주입 금속 닷들(131)은 상기 n형 GaN 층을 노출하는 식각된 메사 구조 영역에 상기 n형 GaN층(132) 상에 배치될 수 있다. 상기 제2 전류 주입 금속 닷들(131)은 메사 식각에 의하여 노출된 n형 GaN층에서 제1 방향으로 연장되는 트렌치를 따라 배열될 수 있다. 상기 제2 전류 주입 금속 닷들(131)은 Ti, Cr, Al, V 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 제2 전류 주입 금속 닷들(131)은 Ti, Al, Cr, V, Au, Ti/Al, Cr/Al/Ni일 수 있다.
n 핑거(133)는, 상기 p 핑거들(127) 사이에 배치되고 상기 n 패드(132)를 노출시키고 상기 제2 전류 주입 금속 닷들(131)을 덮도록 배치될 수 있다. 상기 n-핑거(133)는 라인 패턴을 가지고 제1 방향으로 연장되는 트렌치를 따라 상기 제2 전류 주입 금속 닷들(131)을 덮도록 연장될 수 있다. 상기 n-핑거는 은(Ag) 또는 은 합금일 수 있다. 상기 n-핑거(133)는 상기 p-핑거 사이에 배치되도록 빗(comb) 형상으로 변형될 수 있다.
상기 보호 절연층(134)은 상기 n 패드(132)와 상기 p 패드(126)를 노출하고 상기 n-핑거(133) 및 p-핑거(127)를 덮도록 배치될 수 있다. 상기 보호 절연층(134)은 실리콘산화막일 수 있다. 상기 보호 절연층(134)은 증착 후 습식 시각에 의하여 패터닝될 수 있다.
서브마운트 기판(110)은 LED 소자(101)의 p 패드(126)와 상기 n 패드(132)를 마주보도록 배치될 수 있다. 상기 서브마운트 기판(110)은 열전도성이 우수한 SiC, Si, Ge, SiGe, AlN일 수 있다.
본딩 패드(114a,114b)는 상기 서브마운트 기판(110)에 p 패드(126)와 상기 n 패드(132)에 각각 전기적으로 접속하도록 서로 마주보도록 배치될 수 있다. 상기 본딩 패드(114a,114b)는 제1 본딩 패드(114a) 및 제2 본딩 패드(114b)를 포함할 수 있다. 상기 본딩 패드(114a,114b)는 반사율이 높은 금속 또는 금속합금일 수 있다. 상기 본딩 패드(114a,114b)는 주석-은-구리(Sn-Ag-Cu) 합금일 수 있다. 상기 제1 본딩 패드(114a)은 상기 n-패드(132)와 접합 범프(112)를 통하여 접속할 수 있다. 또한, 상기 제2 본딩 패드(114b)는 상기 p-패드(126)와 접합 범프(112)를 통하여 접속할 수 있다. 상기 제1 본딩 패드(114a)와 상기 제2 본딩 패드(114b)는 상기 서브 마운트 기판(110)을 실질적으로 모두 덮도록 배치되고, 서로 인접하게 배치되어 상기 전류 퍼짐층(125)을 투과하는 광을 반사시키는 반사층으로 동작할 수 있다. 상기 본딩 패드(114a,114b)는 와이어 본딩 기법으로 외부 회로와 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 접합 범프(112)는 금 또는 금과 주석의 합금일 수 있다. 상기 접합 펌프는 패드들을 접합하기 위하여 초음파 접합 공정 또는 리플로 공정을 이용할 수 있다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 소자의 전류 주입과 전류 퍼짐을 설명하는 평면도이다.
도 2b는 도 2a의 D-D' 선을 따라 자른 단면도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, p-패드(126)를 통하여 주입된 전류는 상기 p-핑거의 하부면에 비하여 상기 p-패드 하부면 및 상기 제1 전류 주입 닷들의 하부면으로 상대적으로 더 많이 주입된다.
상기 p-패드(126)는 전류 퍼짐층(current spreading layer)에게 낮은 저항의 오믹 콘택을 제공해야 한다. 보통 n-패드는 전자들이 빠른 이동도로 움직이기 때문에 상대적으로 저항이 높은 투명한 전도체(예: ITO, ZnO, AZO 등)로 대체해도 큰 문제가 없다. 그러나 p-패드(126)는 케리어가 정공들이기 때문에 이동도가 상대적으로 낮다. 따라서 p-패드(126)는 불투명하지만 전도성이 매우 높고, 전류 퍼짐층(current spreading layer) 및 반도체층과 오믹 접합을 잘 형성하는 물질들(예: Cr, Ti, Al 등의 금속 물질)을 사용한다. 이러한 오믹 접합 물질들은 전도성이 높지만 빛을 많이 흡수한다. 따라서, 오믹 접합 물질들은 LED 플립칩의 광추출효율을 떨어뜨린다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 고반사 금속을 사용하는 p-핑거(127)는 기존의 오믹 접합 금속 전극(metal electrode) 보다 가시광선 대역에서 광흡수계수가 낮고 반사도가 높아서 광추출효율을 높이지만 전류 주입 효율은 상대적으로 떨어진다. 상기 p-핑거(127)은 Ag 나 Ag 합금 (AgPdCu, AgCu, AgNi, AgAl, AgCr 등등) 등 가시광선 영역에서 낮은 광흡수계수를 가지는 물질을 포함한다. 상기 p-핑거(127)는, 금속의 종류와 두께를 조절하여 특정 파장 영역(Red, Green, Blue 등)에서 높은 반사도를 갖도록 설계할 수 있다. 상기 p-핑거(127)의 반사율은 85 퍼센트 이상일 수 있다. 상기 p-핑거(127)의 구조는 Ag(200nm)/Ni(20 nm)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, p-핑거의 바로 밑에 전류퍼짐층(current spreading layer)로 투명 도전 산화물(Transparent Conductive Oxide; TCO)을 사용한다. TCO 물질은 ITO, SnO2, ZnO 등일 수 있다. 이 때, 상기 p-핑거(127)는 서로 이격되어 배치되고 제1 전류 주입 금속 닷들(128)을 덮도록 연장될 수 있다. 상기 제1 전류 주입 금속 닷들(128)은 상기 전류 퍼짐층(current spreading layer)과 오믹 접합을 형성할 수 있다. 상기 제1 전류 주입 금속 닷들(128)은, 일함수가 작은 Ti, Cr, Al, V 일 수 있다. 상기 제1 전류 주입 금속 닷들은 상기 p-패드와 동일한 물질일 수 있다. 상기 p-패드의 반사율은 70 퍼센트 이하일 수 있다. 상기 p-패드 및 상기 전류 주입 금속 닷들의 구조는 Cr(20 nm)/Al(200 nm)/Ni(20nm)일 수 있다.
상기 p-핑거(127)의 반사 특성을 높이기 위하여, p-핑거의 두께, p-핑거의 폭, p-핑거의 개수는 다양하게 변화될 수 있다. 상기 p-핑거의 두께가 더 두꺼울수록, 전류 퍼짐 특성이 향상될 수 있다. p-핑거의 폭이 증가할수록, 광추출효율이 증가할 수 있다. 전류 크라우딩(current crowding) 효과를 제어하기 위하여, p-핑거의 개수는 적절히 선택될 수 있다. 상기 p-핑거(127)는 Ag 기반의 반사 금속층(reflective metal layer)을 사용하면, 전류 퍼짐(current spreading)이 잘 되고 반사도가 높다는 장점이 있다. 하지만, 기존 Cr/Al, Ti/Al 기반의 금속층보다 전류 주입(current injection) 효율은 낮다는 단점이 존재한다. 그에 따라 LED의 핑거의 끝 부분까지 전류 주입이 잘 되지 않고 발광이 p-핑거의 끝 까지 되지 않는다. p-핑거의 진행 방향을 따라 상기 p-핑거에 전기적으로 연결되고 서로 이격되어 배치된 닷 형태의 저항이 낮은 제1 전류 주입 닷들을 위치시킨다. 이에 따라, p-핑거의 끝 부분까지 전류 주입 효율을 증가시킨다. 또한, 제1 전류 주입 닷들이 제외한 p-핑거 부분은 반사도가 높아서 광추출효율을 증가시킬 수 있다. 상기 제1 전류 주입 금속 닷들의 간격은 전류 주입이 잘 되지 않는 끝 부분으로 갈수록 더 가까워지질 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 소자의 제조 방법을 설명하는 도면들이다.
도 3a를 참조하면, 기판(121) 상에 차례로 n형 GaN층(122), 활성층(123), p형 GaN층(124)을 형성한다. 상기 p형 GaN층(124)을 형성한 후, 포토리소그리피 공정을 이용하여 패터닝하고, 상기 n형 GaN층(122)을 노출하도록 건식 식각을 통하여 메사구조(122a)를 형성할 수 있다.
도 3b를 참조하면, 상기 메사구조(122a)를 형성한 후, 리프트-오프 공정을 이용하여 전류 퍼짐층을 형성한다. 구체적으로, 포토리소그리피 공정을 이용하여 상기 p형 GaN층을 노출하도록 포토레지스트를 패터닝한 후, 전류 퍼짐층을 증착하고, 상기 포토레지스토를 제거하여 상기 전류 퍼짐층을 형성한다. 상기 전류 퍼짐층은 ITO일 수 있다.
도 3c를 참조하면, 상기 전류 퍼짐층(125)을 형성한 후, 리프트-오프 공정을 이용하여 p-패드(126), 제1 전류주입 금속 닷들(128), n-패드(132), 및 제2 전류 주입 닷들(131)을 동시에 형성한다.
다시 도 2b를 참조하면, 상기 p-패드, 제1 전류주입 금속 닷들, n-패드, 및 제2 전류 주입 닷들이 형성된 기판(121) 상에 리프트 오프 공정을 사용하여 n-핑거(133) 및 p-핑거(127)를 동시에 형성한다. 이어서, 상기 보호 절연층을 증착한 후, 상기 p-패드(126) 및 상기 n-패드(127)를 노출하도록 식각 공정을 수행한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 플립칩에 사용된 p-패드 물질과 p-핑거 물질의 반사도를 나타내는 실험 결과이다.
도 4를 참조하면, p-패드가 Cr(20nm)/Al(200nm)/Ni(20nm)인 경우, 350nm 내지 700 nm의 파장 대역에서 약 60 퍼센트 이하의 반사율을 가진다. 그러나, 상기 p-패드의 영역은 전체 발광 영역에 대하여 수 퍼센트 수준으로 p-패드에 의한 광흡수 손실이 최소화될 수 있다.
한편, p-핑거가 Ag(200nm)/Ni(20nm)인 경우, 350nm 내지 700 nm의 파장 대역에서 약 60 퍼센트 이하의 반사율을 가진다. 85 퍼센트 이상의 반사율을 가진다. 또한, 상기 p-핑거의 면적은 상기 p-패드의 면적보다 넓고, 상기 p-핑거는 효율적으로 광을 상기 기판 방향으로 반사시키어 광추출효율을 증가시킬 수 있다.
구체적으로, 450nm의 파장에서, Ag(200nm)/Ni(20nm) 구조는 95.8 퍼센트의 반사율을 가지고, Cr(20nm)/Al(200nm)/Ni(20nm) 구조에 비하여 55.7 퍼센트의 반사율을 가진다. 따라서, 450nm의 파장에서, 약 40 퍼센트 이상의 반사율 차이를 보인다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 플립칩의 광출력을 나타내는 실험 결과이다.
도 5를 참조하면, 사각형은 Cr/Al/Ni을 제1 전류 주입 금속 닷들 없이 P-패드 및 P-핑거로 사용한 경우의 광 출력이다. 원형은 제1 전류 주입 금속 닷들 없이 P-패드로 Cr/Al/Ni을 사용하고, 10um 폭의 Ag을 P-핑거로 사용한 경우의 광 출력이다. 정립 삼각형은 제1 전류 주입 금속 닷들 및 P-패드로 Cr/Al/Ni을 사용하고, 10um 폭의 Ag을 P-핑거로 사용한 경우의 광 출력이다.
역삼각형은, 제1 전류 주입 금속 닷들 및 P-패드로 Cr/Al/Ni을 사용하고, 20um 폭의 Ag을 P-핑거로 사용한 경우의 광 출력이다. 90도 기울어진 삼각형은, 제1 전류 주입 금속 닷들 및 P-패드로 Cr/Al/Ni을 사용하고, 30um 폭의 Ag을 P-핑거로 사용한 경우의 광 출력이다.
제1 전류 주입 금속 닷들(128)을 사용하지 않고, 동일한 구조에서, p-핑거의 물질을 Cr/Al/Ni에서 Ag로 변경하면, 광출력이 거의 변하지 않는다. 이러한 경향은 반사도의 증가와 전류 주입 효율 감소가 서로 상쇄되는 것으로 해석된다.
그러나, 전류 주입 효율을 증가시키기 위하여 제1 전류 주입 금속 닷들 배치하면, 광 출력은 수 퍼센트 이상 증가한다. 또한, 상기 p-핑거의 폭을 10 um에서 30 um로 증가함에 따라, 광출력의 증가는 p-핑거의 저항 감소에 따른 전류 분배 효과의 증가 또는 상기 p-핑거의 반사도가 상기 서브마운트 기판의 반사층의 반사도보다 높은 것에 기인한다고 해석된다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.
100: LED 플립칩
110: 서브마운트 기판
121: 기판
122: n형 GaN층
123: 활성층
124: p형 GaN층
125: 전류 퍼짐층
126: p-패드
127: p-핑거
128:제1 전류 주입 금속 닷들
110: 서브마운트 기판
121: 기판
122: n형 GaN층
123: 활성층
124: p형 GaN층
125: 전류 퍼짐층
126: p-패드
127: p-핑거
128:제1 전류 주입 금속 닷들
Claims (6)
- 반도체 물질을 성장시키기 위한 기판;
상기 기판 상에 배치되고 메사 구조를 가지는 n형 GaN층;
상기 n형 GaN층과 정렬된 상기 n형 GaN층 상에 배치된 활성층;
상기 활성층과 정렬되고 상기 활성층 상에 배치된 p형 GaN층;
투명 전도성 산화물로 구성되고 상기 p형 GaN층과 정렬되고 상기 p형 GaN층 상에 배치된 전류 퍼짐층;
가시광선 영역에서 제1 반사도를 가지고 상기 전류 퍼짐층 상에 국부적으로 배치된 p-패드;
상기 p-패드와 동일한 물질로 형성되고 상기 전류 퍼짐층 상에 배치되고 상기 p-패드와 이격되어 배치된 복수의 제1 전류 주입 금속 닷들; 및
상기 제1 반사도 보다 높은 제2 반사도를 가지고 상기 p-패드에 접촉하면서 상기 p-패드를 노출시키고 상기 전류 주입 금속 닷들을 덮도록 연장되어 배치되고 상기 활성층에서 발광된 광을 상기 기판 방향으로 반사하는 복수의 p -핑거들;을 포함하고,
상기 n형 GaN층의 상기 메사 구조 상에 국부적으로 배치된 n 패드;
상기 n 패드와 동일한 물질로 구성되고 상기 n형 GaN층의 상기 메사 구조 상에 배치되고 상기 n 패드와 이격되어 배치된 복수의 제2 전류 주입 금속 닷들; 및
상기 p-핑거들 사이에 배치되고 상기 n 패드를 노출시키고 상기 제2 전류 주입 금속 닷들을 덮도록 배치된 n-핑거;
상기 p-패드 및 상기 n 패드를 마주보도록 배치된 서브마운트 기판;
상기 p-패드와 상기 n 패드에 각각 전기적으로 접속하도록 서브마운트 기판에 배치된 본딩 패드; 및
상기 본딩 패드과 상기 p-패드와 상기 n 패드에 사이에 각각 배치된 접합 범프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 플립칩. - 삭제
- 제1 항에 있어서,
상기 p-패드는, Ti, Cr, Al, V 중에서 적어도 하나를 포함하고,
상기 제1 전류 주입 금속 닷들은 Ti, Cr, Al, V 중에서 적어도 하나를 포함하고,
상기 p-핑거는, 은 또는 은 합금인 것을 특징으로 하는 LED 플립칩. - 제1 항에 있어서,
상기 n 패드는, Ti, Cr, Al, V 중에서 적어도 하나를 포함하고,
상기 제2 전류 주입 금속 닷들은 Ti, Cr, Al, V 중에서 적어도 하나를 포함하고,
상기 n-핑거는 은 또는 은 합금인 것을 특징으로 하는 LED 플립칩. - 삭제
- 제1 항에 있어서,
이웃한 제1 전류 주입 금속 닷들 사이의 간격은 상기 p- 핑거의 끝으로 갈수록 감소하는 것을 특징으로 하는 LED 플립칩.
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- 2018-07-30 WO PCT/KR2018/008604 patent/WO2019078460A1/ko active Application Filing
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101763072B1 (ko) * | 2016-06-09 | 2017-08-04 | 고려대학교 산학협력단 | 광 추출 효율 및 전류 주입 효율 개선을 위한 led 소자 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2019078460A1 (ko) | 2019-04-25 |
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