KR102100752B1 - 반도체 발광소자 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 개시는, 반도체 발광소자에 있어서, 제1 투광층; 제1 투광층의 일면에 형성된 공통 전극층; 공통 전극층과 전기적으로 연결된 반도체 발광소자 칩; 공통 전극층과 전기적으로 연결된 도전체; 그리고, 반도체 발광소자 칩 및 도전체의 측면의 적어도 일부분을 감싸는 제2 투광층;을 포함하는 반도체 발광소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

반도체 발광소자 및 이의 제조방법{SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 개시(Disclosure)는 전체적으로 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 수직 칩을 포함하고 있는 반도체 발광소자에 관한 것이다.
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). 또한 본 명세서에서 상측/하측, 위/아래 등과 같은 방향 표시는 도면을 기준으로 한다.
도 1은 종래의 반도체 발광소자 칩의 일 예를 나타내는 도면이다.
반도체 발광소자 칩은 성장기판(10; 예: 사파이어 기판), 성장기판(10) 위에, 버퍼층(20), 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층(30; 예: n형 GaN층), 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층(40; 예; INGaN/(In)GaN MQWs), 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층(50; 예: p형 GaN층)이 순차로 증착되어 있으며, 그 위에 전류 확산을 위한 투광성 전도막(60)과, 본딩 패드로 역할하는 전극(70)이 형성되어 있고, 식각되어 노출된 제1 반도체층(30) 위에 본딩 패드로 역할하는 전극(80: 예: Cr/Ni/Au 적층 금속 패드)이 형성되어 있다. 도 1과 같은 형태의 반도체 발광소자를 특히 레터럴 칩(Lateral Chip)이라고 한다. 여기서, 성장기판(10) 측이 외부기판과 전기적으로 연결될 때 장착면이 된다. 본 명세서에서 반도체 발광소자 칩 또는 반도체 발광소자가 전기적으로 연결되는 외부기판은 PCB(Printed Circuit Board), 서브마운트, TFT(Thin Film Transistor) 등을 의미한다.
도 2는 미국 등록특허공보 제7,262,436호에 제시된 반도체 발광소자 칩의 다른 예를 나타내는 도면이다. 설명의 편의를 위해 도면기호를 변경하였다.
반도체 발광소자 칩은 성장기판(10), 성장기판(10) 위에, 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층(30), 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층(40), 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층(50)이 순차로 증착되어 있으며, 그 위에 성장기판(10) 측으로 빛을 반사시키기 위한 3층으로 된 전극막(90, 91, 92)이 형성되어 있다. 제1 전극막(90)은 Ag 반사막, 제2 전극막(91)은 Ni 확산 방지막, 제3 전극막(92)은 Au 본딩층일 수 있다. 식각되어 노출된 제1 반도체층(30) 위에 본딩 패드로 기능하는 전극(80)이 형성되어 있다. 여기서, 전극막(92) 측이 외부기판과 전기적으로 연결될 때 장착면이 된다. 도 2와 같은 형태의 반도체 발광소자 칩을 특히 플립 칩(Flip Chip)이라고 한다. 도 2에 도시된 플립 칩의 경우 제1 반도체층(30) 위에 형성된 전극(80)이 제2 반도체층 위에 형성된 전극막(90, 91, 92)보다 낮은 높이에 있지만, 동일한 높이에 형성될 수 있도록 할 수도 있다. 여기서 높이의 기준은 성장기판(10)으로부터의 높이일 수 있다.
도 3은 미국 등록특허공보 제8,008,683호에 제시된 반도체 발광소자 칩의 또 다른 예를 나타내는 도면이다. 설명의 편의를 위해 도면기호를 변경하였다.
반도체 발광소자 칩은 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층(30), 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층(40), 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층(50)이 순차로 형성되어 있으며, 성장 기판이 제거된 측에 형성된 상부 전극(31), 제2 반도체층(50)에 전류를 공급하는 한편 반도체층(30, 40, 50)을 지지하는 지지 기판(51), 그리고 지지 기판(51)에 형성된 하부 전극(52)을 포함한다. 상부 전극(31)은 와이어 본딩을 이용하여 외부기판과 전기적으로 연결된다. 하부 전극(52)측이 외부기판과 전기적으로 연결될 때 장착면으로 기능한다. 도 3과 같이 전극(31, 52)이 활성층(40)의 위 및 아래에 1개씩 있는 구조의 반도체 발광소자 칩을 수직 칩(Vertical Chip)이라 한다.
도 4는 종래의 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면이다.
반도체 발광소자(100)는 리드 프레임(110, 120), 몰드(130), 그리고 캐비티(140) 내에 수직형 반도체 발광소자 칩(150; Vertical Type Light Emitting Chip)이 구비되어 있고, 캐비티(140)는 파장 변환재(160)를 함유하는 봉지제(170)로 채워져 있다. 수직형 반도체 발광소자 칩(150)의 하면이 리드 프레임(110)에 전기적으로 직접 연결되고, 상면이 와이어(180)에 의해 리드 프레임(120)에 전기적으로 연결되어 있다. 수직형 반도체 발광소자 칩(150)에서 나온 광의 일부가 파장 변환재(160)를 여기 시켜 다른 색의 광을 만들어 두 개의 서로 다른 광이 혼합되어 백색광을 만들 수 있다. 예를 들어 반도체 발광소자 칩(150)은 청색광을 만들고 파장 변환재(160)에 여기 되어 만들어진 광은 황색광이며, 청색광과 황색광이 혼합되어 백색광을 만들 수 있다. 도 4는 도 3에 도시된 수직형 반도체 발광소자 칩(150)을 사용한 반도체 발광소자를 보여주고 있지만, 도 1 및 도 2에 도시된 반도체 발광소자 칩을 사용하여 도 4와 같은 형태의 반도체 발광소자를 제조할 수도 있다.
도 4에 기재된 타입의 반도체 발광소자를 일반적으로 패키지(Package) 타입(Type)의 반도체 발광소자라고 하며 반도체 발광소자 칩 크기의 반도체 발광소자를 CSP(Chip Scale Package) 타입의 반도체 발광소자라 한다. CSP 타입의 반도체 발광소자와 관련된 것은 한국 공개특허공보 제2014-0127457호에 기재되어 있다. 최근에는 반도체 발광소자의 크기가 소형화되는 경향에 따라 CSP 타입의 반도체 발광소자에 대한 개발이 활발히 이루어지고 있다.
본 개시는 CSP 타입의 반도체 발광소자에서 대한 것이다. 더 나아가 플립 칩은 와이어 본딩 없이 외부 기판에 직접 전기적 연결이 가능한 장점이 있지만 적색을 발광하는 반도체 발광소자 칩의 경우 플립 칩보다는 수직 칩으로 제조하는 것이 생산 효율이 높다. 이에 본 개시는 수직 칩을 사용함에도 플립 칩과 같이 와이어 본딩 없이 사용할 수 있는 CSP 반도체 발광소자에 대한 것이다
이에 대하여 '발명을 실시하기 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 발광소자에 있어서, 제1 투광층; 제1 투광층의 일면에 형성된 공통 전극층; 공통 전극층과 전기적으로 연결된 반도체 발광소자 칩; 공통 전극층과 전기적으로 연결된 도전체; 그리고, 반도체 발광소자 칩 및 도전체의 측면의 적어도 일부분을 감싸는 제2 투광층;을 포함하는 반도체 발광소자가 제공된다.
본 개시에 따른 다른 일 태양에 의하면(According to another aspect of the present disclosure), 반도체 발광소자 제조방법에 있어서, 제1 투광층을 준비하는 단계; 제1 투광층의 일면에 공통 전극층을 형성하는 단계; 공통 전극층에 반도체 발광소자 칩 및 도전체를 전기적으로 연결하는 단계; 그리고 반도체 발광소자 칩 및 도전체를 덮는 제2 투광층을 형성하는 단계;를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법이 제공된다.
이에 대하여 '발명을 실시하기 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
도 1은 종래의 반도체 발광소자 칩의 일 예를 나타내는 도면,
도 2는 미국 등록특허공보 제7,262,436호에 제시된 반도체 발광소자 칩의 다른 예를 나타내는 도면,
도 3은 미국 등록특허공보 제8,008,683호에 제시된 반도체 발광소자 칩의 또 다른 예를 나타내는 도면,
도 4는 종래의 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 5는 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 일 예를 보여주는 도면,
도 6은 본 개시에 따른 공통 전극층의 다양한 실시 예를 보여주는 도면,
도 7은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 작동원리의 일 예를 보여주는 도면,
도 8은 본 개시에 따른 반도체 발광소자 제조방법의 일 예를 보여주는 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 5는 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 일 예를 보여주는 도면이다.
도 5(a)는 평면도이며, 도 5(b)는 AA'를 따라 자른 단면도이다.
반도체 발광소자(200)는 반도체 발광소자 칩(210), 제1 투광층(220), 제1 투광층(220)과 반도체 발광소자 칩(210) 사이에 위치하는 공통 전극층(230), 공통 전극층(230)과 외부기판의 전극을 전기적으로 연결하는 도전체(240) 및 반도체 발광소자 칩(210) 및 도전체(240)의 측면의 적어도 일부분을 감싸는 제2 투광층(250)을 포함한다. 반도체 발광소자 칩(210)은 바람직하게는 도 3에 도시된 수직 칩이지만 래터럴 칩 또는 플립 칩을 제외하는 것은 아니다. 제1 투광층(220)은 빛을 투과하는 재질로 이루어진 층이며, 예를 들어 유리 및 사파이어 등 투광성 비전도성 물질로 형성되는 것이 바람직하지만 투광성 전도성 물질로 형성되는 것을 배제하지는 않는다. 제1 투광층(220)이 투광성 전도성 물질로 형성되는 경우 제1 투광층(220)은 공통 전극층(230)의 기능을 갖기 때문에 별도의 공통 전극층(230)이 필요하지 않다. 또한 제1 투광층(220)은 잘 휘지 않는 딱딱한 물질로 이루어지는 것이 공통 전극층(230)을 제1 투광층(220)의 일면에 증착 또는 인쇄 등의 방법으로 형성하기 쉽기 때문에 바람직하다. 공통 전극층(230)은 반도체 발광소자 칩(210) 및 도전체(240)와 모두 전기적으로 연결된 도전층이다. 공통 전극층(230)에 대해서는 도 6에서 다시 설명한다. 도전체(240)는 도시하지 않았지만 반도체 발광소자(200)를 외부기판(예 : PCB, 서브마운트 등)과 전기적으로 연결할 때 외부기판의 전극과 공통 전극층(230)을 전기적으로 연결해 준다. 특히 도전체(240)는 반도체 발광소자 칩과 달리 빛을 발광하지 않으면서 외부기판의 전극과 공통 전극층(230)을 전기적으로 연결하기 때문에 반도체 발광소자(200)가 반도체 발광소자 칩(210)에서 나오는 고유의 색이 발광하도록 제어하는 것이 가능하다. 자세한 것은 도 7에서 설명한다. 도전체(240)의 재질은 도전성 물질이며 금속 또는 비금속 모두 가능하다. 예를 들어 도전체(240)는 구리(Cu)로 형성될 수 있다. 또한 도시하지는 않았지만 도 6에 도시한 것처럼 도전체(250)가 도전성 물질로만 이루어진 것이 아니라 도전체는 절연 물질을 관통하는 홀(hole)을 도전성 물질(예 : 구리)로 채운 구조도 가능하다. 제2 투광층(250)은 반도체 발광소자 칩(210) 및 도전체(240)를 보호하면서 반도체 발광소자 칩(210)에서 나오는 빛이 외부로 나갈 수 있도록 한다. 제2 투광층(250)은 투광성 수지로 이루어질 수 있다. 예를 들어 실리콘 수지, 에폭시 수지 등으로 이루어질 수 있다. 반도체 발광소자 칩(210) 및 도전체(240)와 공통 전극층(230) 사이의 전기적 연결 기능을 향상시키기 위해서 반도체 발광소자 칩(210) 및 도전체(250)의 상부에 상부 전극(211, 241)을 형성하고 공통 전극층(230) 하부에 상부 전극(211, 241)에 각각 대응하는 전극(231)을 형성할 수 있다. 또한 반도체 발광소자(200)와 외부기판의 전극과의 전기적 연결 기능을 향상시키기 위해서 제2 투광층(250)으로부터 노출된 하부 전극(212, 242)이 반도체 발광소자 칩(210) 및 도전체(240)의 하부에 각각 형성될 수 있다. 물론 도시하지는 않았지만 전극을 사용하지 않고 반도체 발광소자 칩(210) 및 도전체(240)와 공통 전극층(230)을 전기적으로 연결하는 것도 가능하다.
도 6은 본 개시에 따른 공통 전극층의 다양한 실시 예를 보여주는 도면이다.
공통 전극층(230)은 도 6(a)와 같이 제1 투광층(220) 전면에 형성될 수 있다. 또는 도 6(b)와 같이 제1 투광층(220)의 일부 면에 형성될 수 있다. 또는 도 6(c)와 같이 섬과 같은 형태로 떨어져 있으며 각각의 섬이 공통 전극층(230)의 전선부(232)에 의해 전기적으로 연결된 패턴(pattern) 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어 패턴은 그리드(Grid) 패턴일 수 있다. 다만 도 6(b) 및 도 6(c)와 같이 공통 전극층(230)이 형성되는 경우 반도체 발광소자 칩(210) 및 도전체(240)의 위치는 점선과 같이 위치하여야 한다. 예를 들어 도 6(b)와 같이 공통 전극층(230)이 형성된 경우 공통 전극층(230)이 형성된 범위 내에 반도체 발광소자 칩(210) 및 도전체(240)가 위치하여야 한다. 또한 공통 전극층(230)이 도 6(a) 및 도 6(b)와 같이 제1 투광층(220)에 넓게 형성되는 경우 반도체 발광소자 칩(210)에서 발생한 빛이 제1 투광층(220)을 통해 밖으로 나가기 위해서 공통 전극층(230)은 ITO(Indium Tin Oxide)와 같이 투광성 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 도시하지는 않았지만 반도체 발광소자 칩(210) 및 도전체(240)가 상부 전극을 포함하는 경우 상부 전극이 공통 전극층(230)과 전기적으로 연결되는 경우에는 도 6(b) 및 도 6(c)와 다르게 반드시 공통 전극층(230) 내에 반도체 발광소자 칩(210) 및 도전체(240)가 위치하지 않아도 된다.
도 7은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 작동원리의 일 예를 보여주는 도면이다. 설명의 편의를 위해서 반도체 발광소자의 일부분만 도시하였다.
반도체 발광소자 칩(210)이 발광하는 경우의 전류 흐름(213)을 도시하였다. 도전체(240)는 빛을 발광하지 않으며 단지 공통 전극층(230)과 외부기판의 전극을 전기적으로 연결하고 있기 때문에 반도체 발광소자 칩(210)이 고유의 색을 발광할 때 영향을 미치지 않는다.
도 8은 본 개시에 따른 반도체 발광소자 제조방법의 일 예를 보여주는 도면이다.
먼저 제1 투광층(300)을 준비한다(S1). 이후 제1 투광층(300)의 일면에 공통 전극층(310)을 형성한다(S2). 공통 전극층(310)은 투광성의 전도성 물질을 제1 투광층(300) 일면의 전체 또는 일면의 일부분에 도포할 수 있다. 또는 투광성의 전도성 물질을 이용하여 제1 투광층(300)의 일면에 도 6(c)와 같은 패턴을 형성할 수도 있으며 패턴 형성은 예를 들어 은 폐이스트를 이용한 인쇄방법, PR 패턴을 이용한 Metal 증착, ITO 증착 등의 방법을 사용할 수 있다. 이후 공통 전극층(310)에 반도체 발광소자 칩(320) 및 도전체(330)를 전기적으로 연결한다(S3). 필요한 경우 공통 전극층(310) 위에 전극(311)을 형성한 후 반도체 발광소자 칩(320) 및 도전체(330)의 상부 전극(321, 331)을 공통 전극층(310)의 전극(311)에 와이어를 사용하지 않고 유테틱 본딩 또는 도전성 접착제를 이용하여 직접 전기적으로 연결할 수 있다. 도 7에서는 반도체 발광소자 칩과 도전체를 일렬로 배열하였지만 이것은 설명의 편의를 위한 것이다. 이후 반도체 발광소자 칩(320) 및 도전체(330)를 덮는 제2 투광층(340)을 형성한다(S4). 제2 투광층(340)을 형성할 때는 반도체 발광소자 칩(320) 및 도전체(330)의 상면이 노출되도록 제2 투광층(340)을 덮거나 반도체 발광소자 칩(320) 및 도전체(330)의 상면을 덮도록 형성한 후 반도체 발광소자 칩(320) 및 도전체(330)의 상면이 노출되도록 제2 투광층(340)을 제거하여 반도체 발광소자 칩(320) 및 도전체(330)의 하부 전극(322, 332)이 제2 투광층(340)으로부터 노출되도록 한다. 이후 절단선(350)을 따라 절단하여 반도체 발광소자를 얻을 수 있다(S5).
본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.
(1) 반도체 발광소자에 있어서, 제1 투광층; 제1 투광층의 일면에 형성된 공통 전극층; 공통 전극층과 전기적으로 연결된 반도체 발광소자 칩; 공통 전극층과 전기적으로 연결된 도전체; 그리고, 반도체 발광소자 칩 및 도전체의 측면의 적어도 일부분을 감싸는 제2 투광층;을 포함하는 반도체 발광소자.
(2) 반도체 발광소자 칩은 상부 전극과 하부 전극을 포함하는 수직 칩인 반도체 발광소자.
(3) 수직 칩의 상부 전극이 공통 전극층과 전기적으로 연결되며, 수직 칩의 하부 전극은 제2 투광층으로부터 노출된 반도체 발광소자.
(4) 수직 칩은 적색을 발광하는 반도체 발광소자.
(5) 도전체는 상부 전극과 하부 전극을 포함하며, 도전체의 상부 전극이 공통 전극층과 전기적으로 연결되며, 도전체의 하부 전극은 제2 투광층으로부터 노출된 반도체 발광소자.
(6) 제1 투광층은 딱딱한 재질로 이루어진 반도체 발광소자.
(7) 반도체 발광소자 제조방법에 있어서, 제1 투광층을 준비하는 단계; 제1 투광층의 일면에 공통 전극층을 형성하는 단계; 공통 전극층과 반도체 발광소자 칩 및 도전체를 전기적으로 연결하는 단계; 그리고 반도체 발광소자 칩 및 도전체를 덮는 제2 투광층을 형성하는 단계;를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
(8) 제1 투광층의 일면에 공통 전극층을 형성하는 단계는 제1 투광층의 일면 전체에 공통 전극층을 형성하는 반도체 발광소자 제조방법.
(9) 제1 투광층의 일면에 공통 전극층을 형성하는 단계는 제1 투광층의 일면에 공통 전극층을 패턴 형태로 형성하는 반도체 발광소자 제조방법.
(10) 공통 전극층과 반도체 발광소자 칩 및 도전체를 전기적으로 연결하는 단계는 반도체 발광소자 칩은 상부 전극 및 하부 전극을 포함하는 수직 칩이며, 도전체는 상부 전극 및 하부 전극을 포함하며, 수직 칩의 상부 전극과 도전체의 상부 전극이 공통 전극층과 직접 전기적으로 연결하는 반도체 발광소자 제조방법.
본 개시에 따르면 수직 칩을 사용하여 플립 칩 구조를 갖는 CSP 반도체 발광소자를 얻을 수 있다.
반도체 발광소자 : 100, 200
반도체 발광소자 칩 : 150, 210, 320
도전체 : 240, 330
공통 전극층 : 230, 310

Claims (10)

  1. 반도체 발광소자에 있어서,
    제1 투광층;
    제1 투광층의 일면에 형성된 공통 전극층;
    공통 전극층과 전기적으로 연결된 반도체 발광소자 칩;
    공통 전극층과 전기적으로 연결된 도전체; 그리고,
    반도체 발광소자 칩의 측면 및 도전체의 측면의 적어도 일부분을 접촉하여 감싸는 제2 투광층;을 포함하며
    반도체 발광소자 칩은 성장기판이 제거된 측에 형성된 상부 전극과 하부 전극을 포함하는 수직 칩이며,
    공통 전극층은 반도체 발광소자 칩의 상부 전극과 도전체의 상부를 전기적으로 연결하며,
    공통 전극층은 제1 투광층과 제2 투광층 사이에 위치하며,
    수직 칩의 상부 전극의 평면적이 수직 칩의 평면적보다 작고,
    수직 칩의 하부 전극과 도전체의 하부는 제2 투광층으로부터 노출된 반도체 발광소자.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    수직 칩은 적색을 발광하는 반도체 발광소자.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    제1 투광층은 딱딱한 재질로 이루어진 반도체 발광소자.
  7. 반도체 발광소자 제조방법에 있어서,
    제1 투광층을 준비하는 단계;
    제1 투광층의 일면에 공통 전극층을 형성하는 단계;
    공통 전극층에 성장기판이 제거된 측에 형성된 상부 전극과 하부 전극을 포함하는 수직 칩 및 도전체를 전기적으로 연결하는 단계;로서, 수직 칩의 상부 전극 및 도전체의 상부를 공통 전극층에 전기적으로 연결하는 단계; 그리고
    수직 칩 및 도전체를 덮어 수직 칩 및 도전체 측면의 적어도 일부분을 접촉하여 감싸도록 제2 투광층을 형성하는 단계;로서, 수직 칩의 하부 전극 및 도전체 하부가 제2 투광층으로부터 노출되도록 제2 투광층을 형성하는 단계;를 포함하며,
    공통 전극층이 제1 투광층과 제2 투광층 사이에 위치하도록 하는 반도체 발광소자 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    제1 투광층의 일면에 공통 전극층을 형성하는 단계는
    제1 투광층의 일면 전체에 공통 전극층을 형성하는 반도체 발광소자 제조방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    제1 투광층의 일면에 공통 전극층을 형성하는 단계는
    제1 투광층의 일면에 공통 전극층을 패턴 형태로 형성하는 반도체 발광소자 제조방법.
  10. 삭제
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