KR102065965B1 - 광추출 효율이 개선된 자외선 조사용 led칩 - Google Patents

광추출 효율이 개선된 자외선 조사용 led칩 Download PDF

Info

Publication number
KR102065965B1
KR102065965B1 KR1020180108747A KR20180108747A KR102065965B1 KR 102065965 B1 KR102065965 B1 KR 102065965B1 KR 1020180108747 A KR1020180108747 A KR 1020180108747A KR 20180108747 A KR20180108747 A KR 20180108747A KR 102065965 B1 KR102065965 B1 KR 102065965B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
led chip
light extraction
layer
ultraviolet irradiation
light
Prior art date
Application number
KR1020180108747A
Other languages
English (en)
Inventor
유재익
Original Assignee
유재익
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 유재익 filed Critical 유재익
Priority to KR1020180108747A priority Critical patent/KR102065965B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102065965B1 publication Critical patent/KR102065965B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/58—Optical field-shaping elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/12—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a stress relaxation structure, e.g. buffer layer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/20—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate
    • H01L33/22—Roughened surfaces, e.g. at the interface between epitaxial layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26—Materials of the light emitting region
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26—Materials of the light emitting region
    • H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of group III and group V of the periodic system
    • H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of group III and group V of the periodic system containing nitrogen

Abstract

본 발명은 광추출 효율이 개선된 구조를 가진 자외선 조사용 LED 칩에 관한 것으로, 본 발명에 의한 자외선 조사용 LED 칩은 패턴화된 요철을 가지는 광추출층을 사파이어(Al2O3)층의 외면에 포함함으로써, 활성층(Active Layer)에서 방출된 빛이 LED 칩 외부로 추출되는 효율이 개선된 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 자외선 조사용 LED 칩은 제조 공정이 간단하면서도 경제성이 우수하며 광추출 효율이 높은 것을 특징으로 한다.

Description

광추출 효율이 개선된 자외선 조사용 LED칩 {UV-LED CHIP HAVING IMPROVED LIGHT EXTRACTION EFFICIENCY}
본 발명은 광추출 효율이 개선된 구조를 가진 자외선 조사용 LED 칩에 관한 것으로, 본 발명에 의한 자외선 조사용 칩은 패턴화된 요철을 가지는 광추출층을 사파이어(Al2O3)층의 외면에 포함함으로써, 활성층(Active Layer)에서 방출된 빛이 LED 칩 외부로 추출되는 효율이 개선된 것을 특징으로 한다.
전 세계적으로 에너지 절약에 대한 경각심이 고조되고, 전기, 가스 등의 에너지에 대한 수요가 폭발적으로 증가되면서 반도체 발광 소자(Light Emitting Diode, 이하 LED)에 의한 조명 기술에 대한 연구가 지속되고 있다. LED 조명은 이전까지 사용되었던 조명에 비하여 소비전력이 1/10 정도이며, 수명 또한 종래의 전구에 비해 10배 이상 길어 경제성 측면에서 매우 우수하다.
또한, LED 조명은 조사하는 빛의 파장을 폭넓게 조절 가능하여 단순 조명뿐 아니라, 살균, 정수, 정화, 센서, 식물 육성 등의 분야에도 활용될 수 있다. 그 중에서도 특히 파장이 400nm 이하인 자외선을 조사하는 UV-LED는 바이오 및 의료 분야에서 부가가치 가장 높은 사업으로 부각되고 있다. 다만, UV-LED는 기술적 난이도가 매우 높아 세계적으로도 다양한 국가 및 기관에서 지속적으로 연구가 이루어지고 있으며 꾸준히 제품화가 시도되고 있으나, 고효율의 LED 칩 제조에는 한계가 있었다.
LED 광원의 경우, 활성층에서 조사되는 빛이 내부 물질을 통하여 외부로 방출되는데, 이 때 Snell의 법칙에 따라 외부로 탈출하는 빛의 입사각이 결정된다. 한편 자외선 조사용 LED의 경우 주로 사파이어 기판 위에 GaN, AlN과 같은 질화물의 에피층을 성장키켜 사용하는데, 매질의 굴절률이 외부 공기보다 매우 높아서 빛이 탈출 가능한 입사각의 범위가 매우 작고, 상당한 부분이 전반사에 의해 내부에 갇히게 된다. 따라서, 우수한 자외선 조사용 LED 칩을 제조하기 위하여 입사각에 의하여 제한되는 빛의 탈출 효율을 높일 필요가 있다.
이와 관련하여 한국공개특허 제10-2014-0020028호에서는 사파이어 기판 상에 빛을 산란시키기 위한 요철을 형성한 후(patterned sapphire substrate, PSS), 그 위에 GaN 또는 AlN의 질화물을 성장시킨 버퍼층을 형성하는 기술을 제시하고 있다. 그러나, 360nm 이하 파장의 자외선을 조사하는 LED 칩의 경우, 높은 밀도의 핵생성을 위해 AlN을 버퍼층으로 하고 그 위에 다시 질화물을 성장시키는 것이 바람직한데, 사파이어와 격자부정합도가 높은 편인 AlN의 경우, PSS 상에서는 거의 성장하지 않는다는 문제가 있다.
한편, 한국 공개특허 제10-2017-0136158호에서는 사파이어 기판을 배제하고 다수의 플립칩을 고밀도로 집적 실장한 후, 질화물층을 기판으로 사용하여 표면에 사파이어로 제조한 렌즈를 설치하는 것으로 광추출 효율을 높이는 방법이 기재되어 있다. 그러나, 상기와 같은 질화물 기판으로 LED칩을 제조하는 경우 열 안정성이 떨어지며 제조 단가가 매우 높아져 경제성이 떨어진다는 문제가 있으며, 초소형 사파이어 렌즈의 제작이 용이하지 않아 생산성이 떨어지고, LED칩의 열안정성 및 출력이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
한국공개특허 제10-2014-0020028호 한국공개특허 제10-2017-0136158호
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 개선한 것으로, 요철 패턴이 형성된 광추출층을 플립칩 LED의 사파이어 기판 바깥 쪽 면에 형성함으로써, 사파이어 기판과 질화알루미늄 계면 상에 요철 형성이 어려운 종래 자외선 조사 LED 칩의 광추출 효율을 더욱 개선한 것이다. 본 발명에 의한 자외선 조사용 LED 칩은 종래의 자외선 조사용 플립칩 LED에 별도의 공정을 통해 제조한 광추출층을 사파이어 기판의 외면에 부착하기만 하면 되는 것으로서, 제조 공정이 간단하면서도 경제성이 우수하며 광추출 효율이 높은 것을 특징으로 한다.
본 발명은 종래의 LED 플립칩 구조의 사파이어 기판 외면에 광추출 층을 부착하여, 높은 안정성을 유지하면서 공정이 간단하고 광추출 효율이 우수한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 자외선 조사용 LED 칩은 사파이어(Al2O3) 기판층; 상기 사파이어 기판층의 일면에 형성된 질화알루미늄(AlN) 버퍼층; 및 상기 사파이어 기판층의 타면에 형성된 광추출층을 포함하는 자외선 조사용 LED 칩으로서, 상기 광추출층은 하나 또는 둘 이상의 요철에 의한 패턴이 형성된 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 의한 자외선 조사용 LED 칩은 파장이 100 내지 360nm 파장의 자외선을 조사하는 경우에 적합하며, 특히 상기 범위 내의 파장에서는 질화물 버퍼층으로서 GaN보다 AlN을 사용하는 것이 안정적인 성장 및 핵생성밀도를 높이기에 바람직하다.
상기 요철은 LED 칩의 활성층에서 생성된 빛을 산란하여 광추출 효율을 높이는 역할을 하며, 요철의 형상은 원뿔형, 반구형, 원기둥형 등 다양하게 제조가 가능하나 이에 제한되지 않으며, 광산란에 의하여 다양한 범위의 입사각을 유도하기 위하여, 요철의 형태를 무작위적으로 상이하게 조합하거나 크기 또한 다르게 할 수 있다. 다만, 상기 요철은 폭 0.1 내지 30㎛, 높이는 0.1 내지 30㎛인 것이 바람직하고, 폭 1 내지 20㎛, 높이 1 내지 20㎛인 것이 더욱 바람직하며, 폭 5 내지 15㎛, 높이 5 내지 15㎛일 때 가장 바람직하다. 요철의 폭 및 높이가 상기 범위 미만인 경우 광산란 효과가 저하되어, 광추출 효율이 떨어질 수 있다. 또한 상기 범위를 초과할 경우에는 광 집속 효과 및 균일성이 저하될 수 있으며, LED 칩 상에 부착 시 안정성이 떨어질 수 있다.
또한, 광추출층에 요철이 둘 이상의 요철이 형성되는 경우에는 각각의 요철이 서로 맞닿아 있는 것보다 이격되어 있을 때 산란 효과가 우수하게 나타난다. 이 때 각각 요철의 바닥 경계면을 기준으로 서로 0.1 내지 10㎛의 간격으로 이격된 것이 바람직하며, 1 내지 8㎛ 이격된 것이 더욱 바람직하고, 3 내지 7㎛ 이격된 것이 가장 바람직하다.
상기 광추출층은 LED 칩 기판과 동일한 사파이어로 이루어진 것을 사용하였을 때 굴절률에 의한 손실이 없으므로 광추출 효율 측면에서 바람직하며, 효율을 더욱 높이기 위해 질화알루미늄갈륨(AlGaN)으로 이루어진 것을 사용할 수도 있다.
상기 광추출층은 에폭시 수지 조성물, 실리콘 수지 조성물, 실리콘 변성 에폭시 수지 등의 변성 에폭시 수지 조성물, 에폭시 변성 실리콘 수지 등의 변성 실리콘 수지 조성물, 폴리이미드 수지 조성물, 변성 폴리이미드 수지 조성물, 폴리프탈아미드(PPA), 폴리카보네이트 수지, 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 액정 폴리머(LCP), ABS 수지, 셀룰로오스계 수지, 페놀 수지, 아크릴 수지, PBT 수지의 수지 조성물들로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 포함하는 물질을 사용하는 것도 가능하다. 다만, 수지 조성물을 광추출층에 적용할 경우에는 사파이어 기판의 굴절률이 1.6 내지 1.7인 것을 감안하여, 1.1 내지 1.7 범위의 굴절률을 가지는 것이 바람직하며, 1.2 내지 1.6 범위의 굴절률이 더욱 바람직하고, 1.3 내지 1.5 굴절률 범위일 때 가장 바람직하다. 또한, 자외선 광을 70% 이상, 더욱 바람직하게는 80% 이상 투과시킬 수 있을 정도로 투명한 것을 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 광추출층의 두께는 1 내지 100㎛인 것이 바람직하며, 10 내지 50㎛인 것이 더욱 바람직하다. 광추출층의 두께가 1㎛ 미만인 경우 광추출 효과가 저하되며 제조 수율이 떨어지고, 100㎛를 초과하는 경우, 사파이어 기판에 잘 부착되지 않을 수 있다.
한편 광추출층과 사파이어 기판의 부착성을 높이기 위하여 그 사이에 점접착층을 추가로 더 포함할 수 있다. 점접착층은 내열성을 가진 소재를 사용하는 것이 안정성 측면에서 바람직한데, 이러한 특성을 만족하는 소재로서 에폭시 수지 조성물, 실리콘 수지 조성물, 실리콘 변성 에폭시 수지 등의 변성 에폭시 수지 조성물, 에폭시 변성 실리콘 수지 등의 변성 실리콘 수지 조성물, 폴리이미드 수지 조성물, 변성 폴리이미드 수지 조성물, 폴리프탈아미드(PPA), 폴리카보네이트 수지, 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 액정 폴리머(LCP), ABS 수지, 셀룰로오스계 수지, 페놀 수지, 아크릴 수지, PBT 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 사용할 수 있다.
그 중에서도 경화제를 혼합한 굴절률 1.2 내지 1.5 범위의 실리콘 변성 소재를 사용하는 것이 더욱 바람직하며, 1.35 내지 1.45 범위의 굴절률을 가지는 실리콘 변성 소재를 사용하는 것이 가장 바람직하다.
또한, LED 칩은 광 조사 시 고온이 발생하므로 200℃ 이상의 고온에서 안정적인 소재를 사용하는 것이 좋다. 따라서, 점접착층의 소재는 실리콘 계열이 바람직하며, 굴절률이 1.3 내지 1.5인 폴리디메틸실록산을 포함하는 하이브리드 실리콘을 사용하는 경우, 내열성이 우수하여 안정적이고, 광투과성 또한 우수하여 가장 바람직하다.
상기 점접착층의 두께는 0.1 내지 20㎛인 것이 바람직하고, 1 내지 15㎛일 때 더욱 바람직하다. 점접착층의 두께가 20㎛를 초과하게 되면 매질의 차이로 인해 광탈출 효과가 저하되어 손실이 발생할 수 있다. 또한 0.1㎛ 미만인 경우 부착 시 안정성이 떨어질 수 있다.
본 발명에 의한 자외선 조사용 LED 칩은 외부의 수분 침투 및 열에 의한 안정성 저하를 방지하기 위하여, 칩의 외주면을 둘러싸는 봉지재를 추가로 더 포함할 수 있다. LED 칩은 광 조사면의 상단에 별도의 광투과성 덮개나, 렌즈등의 부재를 추가로 설치하여 모듈을 보호하는 것이 일반적이나. 이러한 경우 추가 부재로 인한 광손실이 발생하여 효율이 저하되는 문제가 있다. 따라서, 본 발명의 경우, 자외선 광이 추출되는 광추출층의 요철 패턴 부위가 그대로 외기에 노출시키면서, 나머지 부분은 봉지재로 감싸는 방법으로 높은 광추출 효율 및 열·수분 안정성을 유지할 수 있다.
상기 봉지재는 에폭시 수지 조성물, 실리콘 수지 조성물, 실리콘 변성 에폭시 수지 등의 변성 에폭시 수지 조성물, 에폭시 변성 실리콘 수지 등의 변성 실리콘 수지 조성물, 폴리이미드 수지 조성물, 변성 폴리이미드 수지 조성물, 폴리프탈아미드, 폴리카보네이트 수지, 폴리페닐렌 설파이드, ABS 수지, 페놀 수지, 아크릴 수지, PBT 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 물질을 사용할 수 있다.
또한, 봉지재로 보호되지 않는 요철 부위가 수분에 노출되어 성능이 저하되는 것을 방지하기 위하여, 요철부위를 수분차단성 물질로 코팅할 수 있으며, 공지된 코팅 기제 중 수분 차단 성질을 가지는 것이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하다.
본 발명은 종래의 자외선 조사용 LED칩에 광추출층을 부착한 것으로서, 제조공정이 간단하면서도, 효율이 우수한 것을 특징으로 한다.
도 1은 종래의 자외선 조사용 플립칩 형태의 LED 칩 구조에 대한 모식도로서 활성층으로부터 조사된 광의 일부가 전반사되어 손실되는 현상을 함께 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 의한 광추출층이 사파이어층의 외면에 부착된 자외선 조사용 LED 칩 구조로서, 종래의 플립칩 LED 구조에서 전반사되던 광 일부가 외부로 추출되는 효과를 함께 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예로, LED 칩 외주면을 봉지재가 둘러싸고 있는 구조를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예로, 봉지재가 광추출층의 상면 일부까지 둘러쌈으로써, 점접착층의 추가 없이도 광추출층이 사파이어 기판에서 이탈하지 않도록 고안된 LED 칩 구조를 도시한 것이다.
도 5는 다양한 형태의 요철 패턴이 형성된 광추출층의 예시이다.
LED는 1962년 GE가 GaAsP를 이용한 적색 LED를 발명한 이후, 1968년부터 양산되기 시작하였으며, 1980년대에는 AlGaAs 기술을 이용한 고휘도 적색 LED가 개발되면서 sign, signal, display 분야로 응용되기 시작되고, 1992년에는 InGaAlP 기술을 이용한 초고휘도 적색 LED가 개발되면서 교통신호등, 자동차 램프 등으로 활용되었다.
한편, 1886년 일본의 아카사키 교수가 AlN 버퍼층을 이용하여 고품위 GaN 결정을 성장시켜 질화물 반도체를 제조한 결과를 바탕으로 1991년에 p-n 접합식의 GaN LED 개발하였으며, 이를 기초로 1993년에는 니치아의 나카무라 슈지 박사가 저온에서 성장된 GaN 버퍼를 사용하여 양질의 질화물계 박막을 성장하였고, 그 후 InGaN/GaN 다중양자 우물층을 활성층으로 한 고휘도 청색 LED가 개발함으로 본격적으로 LED 시장이 크게 성장하는 계기를 마련하였다.
이후 2000년대에 들어서 RGB 및 백색 LED의 효율과 출력이 빠른 속도로 증가하면서 휴대용 단말기 LCD 백라이트, 자동차, 전광판, 특수 조명분야 등 응용범위가 넓어지고, 가시광선 영역의 조명을 이용한 것 외에도 자외선(UV) 영역의 빛을 조사하는 LED가 첨단 바이오 및 의료 분야 고부가가치 산업에 활용되기 시작하였다.
상기한 자외선 조사 LED 칩은 웨이퍼 위에 약 100 미크론 두께의 GaN 칩을 에피 성장시킨 집광 시스템과 방열을 극대화시킨 것을 특징으로 한다. 통상적인 자외선 LED 칩의 경우 전력이 인가되면 1 내지 8%가 자외선 빛으로 방사되고, 80% 이상이 열에너지로 방사된다. 이러한 낮은 에너지 효율은 광이 조사되는 LED 칩과 외기의 매질 차이로 인해 조사된 빛의 대부분이 외부로 탈출하지 못하고 전반사되기 때문으로, 이를 개선하기 위한 방법으로 전반사되었던 빛의 각도를 변경하여 외부로 탈출시키는 방법이 고려될 수 있다.
본 발명은 자외선 조사 LED 칩에 있어서 상기한 바와 같은 낮은 에너지 효율을 개선하기 위해 고안된 것으로서, 플립칩 형태의 LED 칩 구조를 활용하며, 사파이어 기판 외부에 광추출 효율을 높이기 위한 광추출층을 부착한 것을 특징으로 한다.
LED 칩 구조에 있어서 빛의 추출 효율(Extraction Efficiency)을 보면, 일반적인 LED 구조에서는 위쪽으로 빛이 방출되므로 빛이 활성층에서 생성되어 외기로 추출될 때까지 투명 금속이나 결합 패드. 전극 연결 부에 의해 흡수되므로 빛의 손실이 크고 효율이 낮은 편이다. 이러한 문제는 LED 단위 크기를 크게 하여 LED 출력을 상승시킴으로써 어느 정도 해결할 수 있다.
그러나 상기 종래의 일반적인 LED 칩은 수직으로 빛을 발하는 방식인 데다 p-GaN의 높은 저항으로 인해 전류 퍼짐이 좋지 않으며, 이러한 LED 구조의 근본적인 문제로 인해, 어느 정도 크기가 커지면 발광에 기여하지 못하고 더 이상 출력이 올라가지 않는 한계가 존재한다. 따라서 출력 우수한 LED 칩을 제작하기 위해서는 단순히 크기뿐만 아니라 발광 효율이나 열저항성 등을 함께 종합적으로 고려할 필요가 있다.
상기한 종래 LED 칩의 문제점은 플립칩(Flip-Chip) 방식의 LED 칩을 사용할 경우 어느 정도 개선이 가능하다. 플립칩 방식을 이용한 LED칩은 사파이어를 통해 빛을 외부로 방출하게 되며, 기존 LED 칩의 금속 접촉부나 결합 패드, 전극 연결부에서의 손실되는 빛을 최대한 줄일 수 있다. 또한 두꺼운 p-금속 사용으로 전류 퍼짐 현상이 향상되어 낮은 순방향 전압을 제공하고, p-GaN 위에 반사율이 우수한 금속을 삽입함으로써 빛을 사파이어 쪽으로 대부분 반사시켜 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
또한 고출력 LED 칩의 경우 주입 전류가 커짐에 비례하여 열이 발생하게 되는데, 기존의 위쪽으로 빛을 내는 방식의 LED 칩에서는 열 저항이 200℃/W에 달하여 장기간 사용 시 열 안정성이 문제될 수 있다. 그에 비하여 플립 칩 구조에서는 두꺼운 p 금속을 이용하는데 열 발생 지역인 활성층으로부터 p 금속까지의 거리가 가까우므로 방열이 용이한 편이며, 우수한 방열 재료를 추가함으로써 열 저항을 크게 감소시키는 것도 가능하다. 현재 플립칩 구조의 LED 칩에 있어서 열 저항의 최저 수준은 8℃/W 정도로 알려져 있으며, 기존의 LED 칩 대비 발생하는 열이 현저히 적다. 다만, LED 플립칩의 경우에도 고밀도로 집적되는 경우, 여전히 발생하는 열로 인해 안정성이 저하될 수 있으며, 광추출 효율 또한 더욱 개선이 필요하다.
이하, 이해를 돕기 위해 본 발명의 일 실시예에 의한 자외선 조사용 LED 칩에 대하여 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 종래의 LED 플립칩 구조를 도시한 모식도이다. 일반적으로 자외선 조사용 LED 칩은 사파이어 기판(110) 상에 질화물을 성장시키게 되는데, 이 때 격차상수, 열팽창상수의 차이로 발생하는 문제를 개선하기 위하여 버퍼층을 형성할 수 있다. 특히 파장이 360nm이하의 자외선인 경우 질화알루미늄(AlN) 버퍼층(120)을 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 버퍼층 상에는 순차적으로 n-AlGaN 층(130), 활성층(140), p-AlGaN 층(150), p-GaN 층(160), p-전극(170), n-전극(180)이 형성될 수 있다.
다만, 이러한 경우 상기 활성층(140)에서 조사된 자외선 광(10)이 사파이어 기판과 외기와의 매질 차이로 인하여 입사각에 따라 전반사로 인한 에너지 손실이 발생한다. 이러한 에너지 손실에 의해 열이 발생하여 LED 칩 내부의 온도를 상승시켜 안정성을 저하시키며, 광 조사 효율도 저하되게 된다.
이러한 문제는 PSS를 제조하여 광을 산란시킴으로써, 어느 정도 개선이 가능하다. 다만, PSS를 제조하는 경우, 그 위에 자외선 광조사에 적합한 질화알루미늄(AlN) 버퍼층(120)이 잘 성장되지 않아 수율이 떨어지는 문제가 다시 발생한다.
따라서, 본 발명의 자외선 조사용 LED 칩은 사파이어 기판(110)과 질화알루미늄(AlN) 버퍼층(120)이 접하는 계면의 반대편인 사파이어 기판(110)의 타측 외면에 광추출층(200)을 부착한다.
광추출층(200)은 그 위에 요철(210)이 하나 또는 둘 이상 형성되어 있으며, PSS 구조와 유사하다.
상기 광추출층(200)과 사파이어 기판(110)의 부착성을 높이기 위해 점접착층(220)이 추가로 포함될 수 있는데, 이 때 점접착층(220)은 열적 특성이 우수하면서, 광투과성을 가진 수지 조성물을 사용할 수 있다.
도 5에 도시한 바와 같이 요철 형태에는 원뿔형, 반구형, 원기둥형 등 다양한 형태의 요철이 형성될 수 있으나 이에 제한되지 않으며, 형태 및 크기가 상이하게 조합하는 것도 가능하다. 실험 결과 도 5의 (a)에 도시한 원뿔을 변형한 형태가 광추출 효율이 가장 우수하게 나타났다.
한편, 본 발명에 의한 자외선 조사용 LED 칩은 광추출 효율을 높이기 위하여 상기 요철이 외기에 직접 노출된 것을 특징으로 한다. 다만, 이러한 경우 외부의 열이나 수분에 쉽게 노출되어 안정성이 저하될 수 있는바, 외부의 수분 및 열을 차단하기 위한 봉지재(190)을 추가로 포함할 수 있다.
도 3 내지 4에 나타난 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의하면, LED 칩의 광추출층 또는 광추출층 상면의 요철 패턴 부위를 제외한 나머지 외주면을 둘러싸는 구조가 될 수 있다.
보다 바람직한 실시예로서 도 4와 같이 광추출층의 상면을 일부 감싸는 형태인 경우에는 별도의 광추출층이 점접착층 없이도 사파이어 기판상에 안정적으로 위치할 수 있다. 물론 이 경우에도 부착 안정성을 더욱 높이기 위하여 점접착층을 추가로 포함할 수도 있다.
본 발명의 자외선 조사용 LED 칩은 수평형 또는 수직형인 기존의 LED 칩과는 달리, 와이어(W)가 불필요한 플립칩(flip chip) 형상이다. 상기 자외선 조사용 LED 칩에는 각종 범프나 솔더 등의 신호전달매체가 구비될 수 있고, 다양한 형태의 발광 소자들을 적용할 수 있다.
이러한 자외선 조사용 LED 칩은 반도체로 이루어질 수 있다. 예를 들어서, 질화물 반도체가 상기 자외선 조사용 LED에 적용될 수 있다. 질화물 반도체는, 일반식이 AlxGayInzN(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤z≤1, x+y+z=1)으로 나타내어 질 수 있다.
상기 자외선 조사용 LED 칩은 MOCVD법 등의 기상성장법에 의해, 성장용 사파이어 기판이나 실리콘 카바이드 기판 상에 InN, AlN, InGaN, AlGaN, InGaAlN 등의 질화물 반도체를 에피 성장시켜 구현할 수 있다. 다만, 본 발명의 경우 100nm 내지 360nm의 자외선 파장을 조사하는 것으로, 사파이어 기판 상에 AlN 버퍼층으로 형성하는 경우 가장 바람직하다. 한편, 질화물 반도체 이외에도 ZnO, ZnS, ZnSe, SiC, GaP, GaAlAs, AlInGaP 등의 반도체를 이용하는 것도 가능하다. 이들 반도체는, n형 반도체층, 활성층, p형 반도체층의 순으로 형성한 적층체를 이용할 수 있다.
상기 활성층은, 다중 양자웰 구조나 단일 양자웰 구조를 포함한 적층 반도체 또는 더블 헤테로 구조의 적층 반도체를 이용할 수 있다. 또한, 발광 소자로서 디스플레이, 조명, 의료, 바이오 등 용도에 따라 임의의 파장의 것을 선택할 수 있으나, 본 발명은 자외선 조사용 LED 칩에 관한 것으로서 활성층에서 바람직하게는 100 내지 360nm, 보다 바람직하게는 100 내지 320nm, 가장 바람직하게는 200 내지 320nm의 파장을 조사 시 광추출 효율이 높으면서도 열안정성이 우수하다.
한편, 상기 성장용 기판으로는 필요에 따라 절연성, 도전성 또는 반도체 기판이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 성장용 기판은 사파이어, SiC, Si, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2, GaN일 수 있다. GaN 물질의 에피성장을 위해서는 동종 기판인 GaN 기판이 좋으나, GaN 기판은 그 제조상의 어려움으로 생산단가가 높은 문제가 있다.
이종 기판으로는 사파이어, 실리콘 카바이드(SiC) 기판 등이 주로 사용되고 있으며. 가격이 비싼 실리콘 카바이드 기판에 비해 사파이어 기판이 더 많이 활용되고 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 제조가 용이하고 생산 단가도 저렴하여 대량 생산에 적합한 사파이어 기판을 활용하였다.
다만, 사파이어 기판과 같은 이종 기판을 사용할 때는 기판 물질과 박막 물질 사이의 격자상수의 차이로 인해 전위(dislocation) 등 결함이 증가한다. 또한, 기판 물질과 박막 물질 사이의 열팽창계수의 차이로 인해 온도 변화시 휨이 발생하고, 휨은 박막의 균열(crack)의 원인이 된다. 즉 이종 기판상에 GaN 박막을 성장시킬 때, 기판 물질과 박막 물질 사이의 격자 상수의 불일치로 인해 전위(dislocation) 밀도가 증가하고, 열팽창 계수 차이로 인해 균열(crack) 및 휨이 발생할 수 있다.
따라서 상기한 문제를 해결하기 위해 발광 적층체의 전위 및 균열을 방지하기 위한 목적으로 성장용 기판과 발광적층체 사이에 버퍼층을 배치시킬 수 있다. 상기 버퍼층은 활성층 성장시 기판의 휘는 정도를 조절해 웨이퍼의 파장 산포를 줄이는 기능도 한다. 따라서, 기판과 GaN계인 발광 적층체 사이의 버퍼층을 이용해 이러한 문제를 감소시키는 방법을 사용할 수 있다. 본 발명의 경우 100 내지 360nm의 자외선 광을 조사하는데, 이 때에 AlN을 버퍼층으로 사용하는 것이 바람직하다. 그런데, 광 추출효율을 높이기 위해 사파이어 표면에 요철 등을 형성한 PSS구조에는 이러한 버퍼층이 잘 형성되지 않는 문제가 발생한다.
예를 들어, 사파이어 기판인 경우는 레이저를 기판을 통해 반도체층과의 계면에 조사하거나, 실리콘이나 실리콘 카바이드 기판은 연마/에칭 등의 방법에 의해 패턴을 형성할 수 있는데, 이러한 전기적 특성을 향상시키기 위한 표면 패터닝 공정을 수행하는 경우, 상기한 AlN의 형성 문제를 해결할 필요가 있다.
따라서, 본 발명은 AlN 버퍼층과 사파이어 기판의 계면이 아닌 사파이어 기판의 외면에 별도의 공정을 통해 제작한 광추출층을 부착하여 빛이 추출되는 효율을 향상시킨 것을 특징으로 한다.
상기 광추출층은 매질의 차이를 최소화하기 위하여, 기판과 동일한 사파이어로 이루어진 것을 사용할 수 있다. 이 때 사파이어 상 요철 생성은 에칭이나 연마와 같은 물리적 또는 화학적 방법으로 생성이 가능하며, LED 칩 제조와는 별개의 공정에서 제조한다. 따라서, LED 칩 제조 후에 후처리 공정을 통해 요철을 생성할 경우 발생할 수 있는 LED 칩 성능 저하가 나타나지 않는다.
또한, 광추출층은 수지 조성물에 의해 형성하는 것도 가능한데, 이러한 경우 시트 형태로서 부착이 쉬우며, 패턴 롤러에 의한 압착으로 빠르고 간단하게 제조할 수 있다는 장점이 있다. 광추출층에 적합한 수지 조성물로는 활성층에서 발생된 자외선 광의 경로를 안내할 수 있는 것으로서, 에폭시 수지 조성물, 실리콘 수지 조성물, 실리콘 변성 에폭시 수지 등의 변성 에폭시 수지 조성물, 에폭시 변성 실리콘 수지 등의 변성 실리콘 수지 조성물, 폴리이미드 수지 조성물, 변성 폴리이미드 수지 조성물, 폴리프탈아미드(PPA), 폴리카보네이트 수지, 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 액정 폴리머(LCP), ABS 수지, 셀룰로오스계 수지, 페놀 수지, 아크릴 수지, PBT 수지 등이 적용될 수 있다.
한편 상기 요철은 광 추출 효율을 향상시키기 위한 것으로. 요철의 크기는 폭 0.1 내지 30㎛, 높이는 0.1 내지 30㎛인 것이 바람직하고, 폭 1 내지 20㎛, 높이 1 내지 20㎛인 것이 더욱 바람직하며, 폭 5 내지 15㎛, 높이 5 내지 15㎛일 때 가장 바람직하다. 요철의 형상은 원뿔, 반구, 원기둥 등의 형태를 적용 가능하나 이에 제한되지 않으며, 광추출 효율을 높일 수 있는 형태라면 어느 것이든 가능하다. 다만, 본 출원인이 실험해 본 결과 반구, 원뿔을 변형한 도 5 (a) 형태에서 효과가 가장 우수하게 나타났다. 또한, 요철 형태의 조합도 가능하며 배열 또한 규칙적 또는 불규칙적으로 하는 것도 가능하다. 본 발명의 일 실시예에서는 균일한 성능을 얻기 위해 도 5의 (a) 형태에 의한 단일 패턴으로 제조하였으며, 패턴사이의 간격은 7㎛으로 하였다. 이러한 경우 광추출효율이 우수하면서도 균일한 품질로 대량 생산이 가능하여 경제성 측면에서 바람직하다.
또한, 상기 광추출층의 두께는 1 내지 100㎛인 것이 바람직하며, 10 내지 50㎛인 것이 더욱 바람직하다. 광추출층의 두께가 1㎛ 미만인 경우 광추출 효과가 저하되며 제조 수율이 떨어지고, 100㎛를 초과하는 경우, 사파이어 기판에 잘 부착되지 않을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 광추출층은 LED칩과 별도의 공정에서 제조된 후 사파이어 기판에 부착되는 것으로서, 광추출층 하면에 부착을 용이하게 하기 위한 점접착층을 포함할 수 있다.
상기 점접착층은 광추출층을 사파이어 기판에 부착시키기 위한 것으로, 사파이어를 통과한 자외선 광이 그대로 통과할 수 있도록 굴절률이 유사한 범위로 나타나는 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 사파이어 기판의 굴절률이 1.6 내지 1.7인 것을 감안할 때 1.1 내지 1.7 범위 내의 굴절률을 가지는 것이 바람직하다. 또한, LED 칩은 광 조사 시 고온이 발생하므로 200℃ 이상의 고온에서 안정적인 소재를 사용하는 것이 좋다. 따라서, 점접착층의 소재는 실리콘 계열이 바람직하며, 굴절률이 1.3 내지 1.5인 폴리디메틸실록산을 포함하는 하이브리드 실리콘을 사용하는 경우, 내열성이 우수하여 안정적이고, 광투과성 또한 우수하여 가장 바람직하다.
상기 점접착층의 두께는 0.1 내지 20㎛인 것이 바람직하고, 1 내지 15㎛일 때 더욱 바람직하다. 점접착층의 두께가 20㎛를 초과하게 되면 매질의 차이로 인해 광탈출 효과가 저하될 수 있고 0.1㎛ 미만인 경우 부착 안정성이 떨어질 수 있다.
상기 AlN 버퍼층은 AlN 외에도 AlxInyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, x+y≤1), 특히 GaN, AlGaN, InGaN 또는 InGaNAlN등으로 대체하는 것도 가능하며, 필요에 따라 ZrB2, HfB2, ZrN, HfN, TiN 등의 물질도 사용할 수 있고, 복수의 층을 조합하거나 조성을 점진적으로 변화시켜 사용할 수도 있다. 다만, 100 내지 360nm의 파장 범위의 빛을 조사하는 경우 AlN을 사용하는 것이 가장 바람직하다.
본 출원인이 도 5 (a)에 도시한 원뿔 변형 형태 요철을 폭 20㎛, 높이 20㎛로 형성한 광추출층(요철 포함 40㎛ 두께)을 폴리디메틸실록산을 포함하는 점접착층(두께 20㎛)으로 사파이어 기판에 부착하여 광추출 효율을 측정한 결과, 도 1에 도시한 종래의 플립칩에 비하여 약 15 내지 20%로 광추출 효율이 향상된 것을 확인할 수 있었다.
또한, 상기 광추출층을 부착한 LED 칩을 250℃의 외기 환경에서 6시간 동안 방치한 후에도 점접착층이 변성되지 않고 부착상태가 양호하게 나타난바, 점접착층의 내열성 또한 우수한 것으로 확인되었다.
10 : 자외선 광
100 : 자외선 조사용 LED 플립칩 모듈
110 : 사파이어 기판
120 : 질화알루미늄(AlN) 버퍼층
130 : n-AlGaN 층
140 : 활성층
150 : p-AlGaN 층
160 : p-GaN 층
170 : p-전극
180 : n-전극
190 : 봉지재
200 : 광추출층
210 : 요철
220 : 점접착층

Claims (15)

  1. 사파이어(Al2O3) 기판층;
    상기 사파이어 기판층의 일면에 형성된 질화알루미늄(AlN) 버퍼층; 및
    상기 사파이어 기판층의 타면에 형성된 광추출층을 포함하는 자외선 조사용 LED 칩으로서,
    상기 광추출층은 1 내지 100㎛ 두께의 사파이어로 이루어져 있으며, 에칭이나 연마에 의해 생성된 하나 또는 둘 이상의 요철에 의한 패턴이 형성되어 있고,
    상기 광추출층과 사파이어기판층 사이에는 폴리디메틸실록산을 포함하는 0.1 내지 20㎛ 두께의 점접착층이 형성되어 있는 것인 자외선 조사용 LED 칩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자외선 조사용 LED 칩은 100 내지 360nm 파장의 자외선을 조사하는 것인 자외선 조사용 LED 칩.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광추출층에 형성된 요철의 폭은 0.1 내지 30㎛, 높이는 0.1 내지 30㎛인 것인 자외선 조사용 LED 칩.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광추출층에 형성된 요철이 둘 이상인 경우,
    각각의 요철은 서로 0.1 내지 10㎛의 간격으로 이격된 것인 자외선 조사용 LED 칩.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광추출층은 사파이어 또는 질화알루미늄갈륨(AlGaN)으로 이루어진 것인 자외선 조사용 LED칩.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광추출층은 상기 자외선 조사용 LED 칩으로부터 조사된 자외선을 70% 이상 투과시키는 물질로 이루어진 것인 자외선 조사용 LED 칩.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제1항에 있어서,
    상기 자외선 조사용 LED 칩은,
    상기 광추출층의 요철 패턴이 형성된 부위를 제외한 자외선 조사용 LED 칩의 외주면을 둘러싸는 봉지재를 추가로 더 포함하는 것인 자외선 조사용 LED 칩.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 봉지재는 에폭시 수지 조성물, 실리콘 수지 조성물, 실리콘 변성 에폭시 수지 등의 변성 에폭시 수지 조성물, 에폭시 변성 실리콘 수지 등의 변성 실리콘 수지 조성물, 폴리이미드 수지 조성물, 변성 폴리이미드 수지 조성물, 폴리프탈아미드, 폴리카보네이트 수지, 폴리페닐렌 설파이드, ABS 수지, 페놀 수지, 아크릴 수지, PBT 수지로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 물질을 포함하는 것인 자외선 조사용 LED 칩.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 요철은 수분차단성 물질로 코팅된 것인 자외선 조사용 LED 칩.
KR1020180108747A 2018-09-12 2018-09-12 광추출 효율이 개선된 자외선 조사용 led칩 KR102065965B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180108747A KR102065965B1 (ko) 2018-09-12 2018-09-12 광추출 효율이 개선된 자외선 조사용 led칩

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180108747A KR102065965B1 (ko) 2018-09-12 2018-09-12 광추출 효율이 개선된 자외선 조사용 led칩

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102065965B1 true KR102065965B1 (ko) 2020-01-14

Family

ID=69152866

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180108747A KR102065965B1 (ko) 2018-09-12 2018-09-12 광추출 효율이 개선된 자외선 조사용 led칩

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102065965B1 (ko)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006278751A (ja) * 2005-03-29 2006-10-12 Mitsubishi Cable Ind Ltd ＧａＮ系半導体発光素子
KR20100091992A (ko) * 2007-11-29 2010-08-19 니치아 카가쿠 고교 가부시키가이샤 발광장치 및 그 제조방법
KR20140020028A (ko) 2012-08-07 2014-02-18 엘지이노텍 주식회사 자외선 발광 소자 및 발광 소자 패키지
JP6129322B2 (ja) * 2013-08-30 2017-05-17 旭化成株式会社 半導体発光素子及び光学フィルム
KR20170136158A (ko) 2016-06-01 2017-12-11 주식회사 라이트전자 Uv 플립칩 led 면광원 모듈

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006278751A (ja) * 2005-03-29 2006-10-12 Mitsubishi Cable Ind Ltd ＧａＮ系半導体発光素子
KR20100091992A (ko) * 2007-11-29 2010-08-19 니치아 카가쿠 고교 가부시키가이샤 발광장치 및 그 제조방법
KR20140020028A (ko) 2012-08-07 2014-02-18 엘지이노텍 주식회사 자외선 발광 소자 및 발광 소자 패키지
JP6129322B2 (ja) * 2013-08-30 2017-05-17 旭化成株式会社 半導体発光素子及び光学フィルム
KR20170136158A (ko) 2016-06-01 2017-12-11 주식회사 라이트전자 Uv 플립칩 led 면광원 모듈

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8525190B2 (en) Conformal gel layers for light emitting diodes
US10811573B2 (en) Light-emitting diode package with light-altering material
US20190165226A1 (en) Semiconductor element package
US10361351B2 (en) Semiconductor light emitting element package including solder bump
US9929320B2 (en) Wavelength conversion film and light emitting device package including the same
TWI778103B (zh) 發光裝置封裝
TWI790248B (zh) 發光裝置封裝
KR20160058321A (ko) 발광 소자 및 그의 제조 방법
JP2007059418A (ja) 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子
EP2953175B1 (en) Light emitting device module
KR102227774B1 (ko) 발광다이오드 패키지 제조방법
US9178109B2 (en) Semiconductor light-emitting device and method of manufacturing the same
US11552229B2 (en) Spacer layer arrangements for light-emitting diodes
KR20150138479A (ko) 발광 소자 패키지의 제조 방법
US20120319142A1 (en) Gel underfill layers for light emitting diodes and methods of fabricating same
US11688832B2 (en) Light-altering material arrangements for light-emitting devices
TW201911605A (zh) 發光裝置封裝
KR102065965B1 (ko) 광추출 효율이 개선된 자외선 조사용 led칩
US11894499B2 (en) Lens arrangements for light-emitting diode packages
US20210210665A1 (en) Light-emitting device package and light source module
US20230246144A1 (en) Arrangements of light-altering coatings in light-emitting diode packages
KR102644793B1 (ko) 발광소자 패키지
KR20150013400A (ko) 발광 소자 패키지 및 이의 제작 방법
KR102170217B1 (ko) 발광 소자
KR101524043B1 (ko) 발광 소자용 리드 프레임과, 발광 소자 패키지와, 백라이트 유닛 및 조명 장치

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant