KR20020082143A - 반도체 발광 장치 - Google Patents

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KR20020082143A
KR20020082143A KR1020020021875A KR20020021875A KR20020082143A KR 20020082143 A KR20020082143 A KR 20020082143A KR 1020020021875 A KR1020020021875 A KR 1020020021875A KR 20020021875 A KR20020021875 A KR 20020021875A KR 20020082143 A KR20020082143 A KR 20020082143A
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우에무라토시야
모리히데키
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도요다 고세이 가부시키가이샤
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Abstract

400nm 이하의 파장의 광을 방사하기 위한 플립칩 본딩형 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 발광 소자는 제너 다이오드와 결합하고, 서로 결합된 발광 소자 및 제너 다이오드는 윈도우를 갖는 금속 케이스로 밀봉된다.

Description

반도체 발광 장치{SEMICONDUCTOR LIGHT-EMITTING DEVICE}
발명의 배경
발명의 분야
본 발명은 일본 특허 출원 2000-125136호의 우선권 주장 출원이며, 본 발명은 반도체 발광 장치에 관한 것이다.
종래의 기술
최근, 자동차의 공기 청정기에서 광촉매를 여기하기 위해, 자외선 광을 방사하는 발광 장치(LED)가 사용된다. LED는 다수의 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 발광 소자가 전용 설계 기판상에 장착되고 실리콘 수지와 같은 광투과성 수지로 밀봉된 구조를 갖는다.
이러한 공기 청정기를 가정용으로 사용하는 경우에, 공기 처리량이 크게 증가한다. 따라서, 광촉매에 필요한 자외선광의 광량도 증가하게 되고, 그 결과, 각 LED에서 높은 광 출력이 요구된다. LED의 수를 증가시킴에 의해 LED의 광출력을 증가할 수 있지만, 부품의 수의 증가로 인해 가격의 상승을 야기하므로 바람직하지는 않다.
발명자의 검토에 따르면, 종래의 LED의 광출력이 증가할 때 다음과 같은 문제점이 발생했다.
광량의 증가로 인해, 일반적으로 사용되는 밀봉 수지의 변색(황색화)이 촉진되어 종래의 LED는 충분한 수명을 갖지 못한다.
가정용 공기 청정기는 차량용에 비하여 높은 습도에서 사용될 수 있다. 따라서, 가정용 공기 청정기는 내변색성의 점에서 효과적인 실리콘 수지가 사용되면 충분한 방습효과가 얻어지지 않는다.
또한, 일반 가정 대상으로 LED의 시장을 확대하기 위해서는, 전용 설계 기판을 사용하는 것은 바람직하지 않으며 일반적으로 원형 램프와 조립 방법이 동일한 기판을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 조립 단계에서 정전기로 인한 발광 소자의 열화를 방지하기 위해, 역방향 전류가 발광 소자로 흐르지 않도록 확실히 차단하여야 한다.
본 발명의 목적은 상기 문제 중 적어도 하나를 해결하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 수명이 길고 동작시 신뢰성이 높은 발광 장치를 마련하는 것이다.
본 발명에 따른 발광 장치의 구성은 다음과 같다: 반도체 발광 장치는 400nm 이하의 파장의 광을 방출하기 위해 플립칩에 접착된 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 발광 소자와; 발광 소자에 결합된 제너 다이오드와; 발광 소자 및 제너 다이오드를 밀봉하기 위한 윈도우를 갖는 금속 케이스를 갖는다.
이러한 구성의 발광 장치에서, Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 발광 소자는 플립칩에 접착되어, 광은 발광 소자로부터 높은 효율로 외부로 방출된다. 제너 다이오드를 사용함으로써, 발광 소자로 역전류가 흐르는 것을 확실히 방지할 수 있다. 따라서, 보통의 조립 단계에서 발광 장치를 마련할 수 있을 뿐 아니라, 발광 장치 자체의 신뢰성 및 내구성을 향상시킬 수 있다. 또한, 발광조사가 금속 케이스로 밀봉되면, 외부 환경(특히, 습기)이 발광 소자에 미치는 영향을 완전히 차단할 수 있다. 따라서, 발광장치의 신뢰성 및 내구성이 향상된다. 또한, 금속 케이스를 사용함으로 인해 밀봉 수지를 사용하지 않아도 된다. 이러한 방식으로, 변색과 같은 문제는 해결될 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 발광 소자는 단파장에 대한 내변색성이 높은 실리콘 수지로 피복된다. 공기보다 굴절율이 높은 실리콘 수지를 사용함으로써, 광은 더 쉽게 방사되고, 따라서 광출력 효율이 향상된다. 또한, 발광장치의 기계적 강도도 향상된다.
본 발명의 특징 및 장점을 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자와 제너 다이오드 각각의 결합 모드를 도시하는 단면도.
도 2는 실시예에 따른 발광 소자를 도시하는 단면도.
도 3의 A 및 B는 실시예에 따른 발광 장치에서 스템부(stem portion)의 구성을 도시하는 도면이며, 도 3의 A는 스템부의 평면도. 도 3의 B는 스템부의 단면도.
도 4의 A 및 B는 실시예에 따른 발광 장치에서 캡부의 구성을 도시하는 도면, 도 4의 A는 캡부의 평면도, 도 4의 B는 캡부의 단면도.
도 5는 다른 실시예에 따른 발광 장치를 도시하는 단면도.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 발광 장치를 도시하는 단면도.
♠도면의 주요 부호에 대한 부호의 설명♠
1 : 발광 소자10 : 제너 다이오드
20, 60 : 발광 장치30 : 스템부
40 : 캡부
이하, 발명을 더욱 상세히 기재한다.
400nm보다 짧은 파장의 광을 방사하기 위한 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 발광 소자로서, 종래의 반도체 발광 소자가 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 발광 소자(1)는 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이,
기판(2) 상에 n-형층(3), 발광층을 포함하는 다중층(4), 및 p-형층(5)이 차례로 적층된 반도체 구조를 갖는다. p전극(6)은 p-형층(5) 상에 형성되고, n전극(7)은 에칭에 의해 노출된 n-형층(3) 상에 형성된다. p전극(6)은 금 범프(gold bump)와 같은 본딩 재료(8)를 통해 제너 다이오드(10)의 p-영역(13)에 결합된다. n전극(7)은 본딩 재료(9)를 통해 제너 다이오드(10)의 n-영역(12)에 결합된다. 이와 같이 플립 칩 본딩된 발광 소자는 p 및 n전극이 형성된 측의 장착면상의 지지체 상에 장착된 발광 소자이다. 플립 칩 본딩된 발광 소자로부터 발광된광은 기판측, 즉 전극 형성 측의 대향 측으로부터 방사된다.
본 명세서에서, 각 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체는 다음과 같은 일반식으로 표현되며, AlXGaYIn1-X-YN(0≤X≤1, 0≤Y≤1, 0≤X+Y≤1); AlN, GaN 및 InN과 같은 2원계, AlXGa1-XN, AlXIn1-XN 및 GaXIn1-XN(0<X<1)과 같은 3원계를 포함한다.
Ⅲ족 원소는 부분적으로 붕소(B) 또는 탈륨(Tl)에 의해 치환될 수 있다. 질소(N)는 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb), 또는 비스무트(Bi)에 의해 부분적으로 치환될 수 있다. Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 층은 임의의 도팬트를 포함할 수 있다. Si, Ge, Se, Te, C 등이 n-형 불순물로서 사용될 수 있다. Mg, Zn, Ca, Sr, Ba등은 p-형 불순물로서 사용될 수 있다. 또한, p-형 불순물로 도핑된 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체는 전자빔 또는 플라즈마 또는 가열로 조사(照射)될 수 있다. Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 층 각각의 형성방법은 한정되지 않는다. 예를 들어, Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 층은 유기금속 기상 성장법(MOCVD법), 분자선 에피택시법(MBE법), 할로겐 기상 에피택시법(HVPE법), 스퍼터링법, 이온 도금법, 전자 샤워법 등에 의해서 형성될 수 있다.
또한, 발광 소자의 구성으로서, MIS접합, PIN접합, 또는 pn접합을 갖거나, 호모형 구조, 헤테로 구조 또는 더블 헤테로 구조가 사용될 수 있다. 또한, 양자 우물 구조(quantum well structure; 단일 양자 우물 구조 또는 다중 양자 우물 구조)를 채용할 수도 있다.
제너 다이오드는 발광 소자로 역전류가 흐르는 것을 방지한다.
본 발명의 실시예에서, 플레이트형 제너 다이오드는 스템(stem; 34)의 컵부(35) 하부면 상에 장착되고, 발광 소자는 제너 다이오드 상에 직접 결합된다. 제너 다이오드 및 발광 소자는 전도성 배선을 통해 서로 결합되어 있지만, 서로 분리될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 금속 케이스(60)는 스템부(30) 및 캡부(40)를 갖고, 발광 소자는 금속 케이스(60)로 밀폐된다. 금속 케이스(60)를 사용함으로써, 에폭시 수지 등의 변색되기 쉬운 밀봉 수지를 사용할 필요가 없게 되었다. 금속 케이스의 내부는 질소 가스 등의 불활성 가스로 깨끗이 하는 것이 바람직하다.
스템부(34)의 컵부(35)의 외주면은 높은 광반사 효율을 갖도록 거울면으로 이루어지는 것이 바람직하다. 외주면을 거울면으로 하기 위해, 금 또는 은으로 외주면을 도금하는 것이 바람직하다. 또한, 외주면 상에 백색 도금을 수행할 수도 있다.
컵부(35)의 내부를 광 투과성 재료로 채워서 발광 소자로부터의 광 출력 효율을 향상시킬 수 있고 발광 장치의 기계적 안정성을 높일 수 있다. 광 투과성 재료은 발광 소자로부터의 광에 의해 변색되기 어려운 것으로 하며, 예들 들면, 실리콘 수지나 유리 등을 포함할 수 있다.
광 투과성 물질에서, 형광성 물질이 분산될 수 있다. 형광성 물질을 선택함에 따라, 발광층으로부터 방사된 광은 원하는 색으로 변할 수 있다.
380nm 정도의 피크 파장을 갖는 발광 소자에 대한 형광성 물질로서, 이트륨/알루미늄/가닛: Ce, ZnS:Cu, Al, ZnS:Cu, Zn:Sn 및 ZnS:Eu 등을 사용하는 것이 바람직하다.
이러한 형광성 물질은 광 투과성 재료에서 균일하게 분산되는 것이 바람직하다. 광 투과성 물질에서, 형광체의 분산 농도에 경사를 마련하여, 경사를 서서히 변화시키거나 혹은 편재시키는 것도 가능하다.
형광성 물질을 대신하여, 또는 형광성 물질과 더불어, 운모(mica) 등의 분산재를 광 투과성 재료에 혼합할 수도 있다.
이하에, 본 발명의 실시예를 이용하여 본 발명의 구성을 보다 상세히 설명한다.
도 2는 실시예에 따른 발광 장치(20)의 구성을 도시하는 단면도이다. 본 실시예의 발광 장치(20)는 대략 발광 소자(1), 제너 다이오드(10), 스템부(30) 및 캡부(40)로 구성된다.
도 1은 실시예에 따른 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 발광 소자(1)과 제너 다이오드(10) 사이의 결합 모드를 도시한다.
실시예에서 발광 소자(1)는 사파이어 기판(2)의 위에 n형층(3), 발광층을 포함하는 다중층(4) 및 p형층(5)을 차례로 적층한 반도체 구성을 갖는다. n형 및 p형층(3 및 5) 각각은 필요에 따라 복수의 층으로 이루어질 수 있다. 다중층(4)에는 양자 우물 구조가 채용되어 약 380nm의 광이 생성된다. p전극(6)은 금 합금으로 이루어지고, p형층(5)의 거의 전체 표면에 퇴적된다. n형 전극(7)은 알루미늄 합금으로 이루어지고, 에칭에 의해 노출된 n형층(3)의 위에 퇴적된다.
발광 소자(1)의 p 및 n전극(6 및 7)은 금 범프로 이루어진 전도성 본딩재료(8 및 9)를 통해 제너 다이오드(10)의 p-영역(13) 및 n-영역(12)에 접속된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전도성 배선(15)중 한 단은 p-영역(13)에 본딩되고, 전도성 배선(15)의 다른 단은 스트레이트 리드(straight lead; 33)에 본딩된다. 제너 다이오드(10)의 뒷면은 전도성 본딩 물질을 통해 스템(34)의 컵부(35)의 하면에 접속된다. 스템(34)은 접지 리드(31)에 용접되어 있고, 따라서, 발광 소자의 n전극(7)은 접지 리드(31)와 전기적으로 접속된다.
도 3의 A 및 도 3의 B에 도시된 바와 같이, 스템부(30)는 캡형 스템(34), 리드(31 및 33), 및 절연 물질(39)를 갖는다. 스템(34)은 중앙이 포물선 형상(컵부(35))으로 패여져 있다. 제너 다이오드(10)는 컵부(35)의 하면 중앙에 고정되고 발광 소자(1)는 제너 다이오드(10) 상에 쌓아올려진다. 스템(34)은 전도성 금속 재료를 프레스 성형한 것이고, 금도금된 표면을 갖는다. 스템(34)에는 2개의 구멍이 형성되고, 2개의 구멍 중 하나를 통해 접지 리드(31)가 삽입되어 스템(34)과 용접된다. 스트레이트 리드(33)는 다른 구멍을 통해 삽입되고, 절연 재료(39)에 의해 스템(34)과 절연된다. 절연 재료(39)에는 유리를 사용하고 있다.
캡부(40)는 쉘부(41)와 유리부(43)를 구비한다(도 4 참조). 쉘부(41) 및 유리부(43)는 서로 접속되어 밀폐된다. 캡부(40)는 스템(34)보다 조금 크게 형성된다. 도 2에 도시된 바와 같이 캡부(40)가 스템(34)을 덮었을 때, 캡부(40)과 스템(34) 사이에 적당한 공간(50)이 형성된다. 쉘부(41) 및 스템(34) 하부의 에지는 서로 용접되어 밀폐된다. 공간(50)은 질소 가스로 퍼지된다.
실시예에 따라 구성된 발광 장치(20)에서, 발광 소자(1)의 다중층(4)에서 생성된 광은 기판(2)을 통과하여 직접 외부로 방출되거나, p전극(6)에 의해 반사되고 컵부(35)의 표면에서 반사되어 유리부(43)를 통과하여, 외부로 방출된다.
유리부(43)는 무기 물질로 이루어지기 때문에, 발광 소자(1)로부터의 단파광을 받더라도 거의 변색되지 않는다. 따라서, 발광 소자(1)의 출력을 가능한한 증가시킬 수 있다. 또한, 공간(50)은 금속 스템(34)와 쉘부(41), 및 유리 재료부(39 및 43)에 의해 밀폐된다. 따라서, 외부로부터의 먼지뿐만 아니라 수분이 공간(50)에 침입하여 발광 소자(1)에 영향을 미치지 못한다.
도 5는 다른 실시예에 따른 발광 장치(60)를 도시한다. 도 5에서, 도 2와 동일한 부재에는 동일한 부호를 붙이고 그 설명을 생략한다.
실시예에서, 실리콘 수지(70)가 스템부(30)의 컵부(35) 내에 채워져서 발광 소자(1)를 보호한다. 이러한 방식으로, 발광 소자(1)로부터의 광 출력 효율이 향상된다. 또한, 발광 소자(1)와 제너 다이오드(10)와의 연결 부분이나 제너 다이오드(10)와 전도성 배선(15)과의 결합 부분의 기계적 강도가 향상된다. 따라서, 발광장치로서의 신뢰성이 향상된다.
실리콘 수지는 자외선 등의 단파광에 대하여 가장 변색되지 않는 유기 재료이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 발광 장치(80)를 도시한다. 도 6에서, 도 2와 동일한 부재에는 동일한 부호를 붙이고 그 설명을 생략한다.
상기 실시예에서, 유리부는 볼록 렌즈(44)의 형태로 형성된다. 볼록 렌즈(44)는 광 방사면으로서 기능한다. 발광 소자(1)로부터 방사된 광은 볼록렌즈(44)에 의해 집광되고, 높은 효율로 외부로 방출된다.
본 발명에 따르면, 수명이 길고 동작시 신뢰성이 높은 발광 장치를 마련할 수 있으며, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위 내의 다양한 변형예 등이 포함된다.

Claims (5)

  1. 400nm이하의 파장의 광을 방사하기 위한 플립칩 본딩형의 Ⅲ족 질화물계 화합물 반도체 발광 소자;
    상기 발광 소자에 결합된 제너 다이오드; 및
    윈도우를 갖고, 상기 발광 소자와 상기 제너 다이오드를 밀봉하기 위한 금속 케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제너 다이오드는 상기 금속 케이스의 스템부의 컵부에 배치되고, 상기 발광 소자는 상기 제너 다이오드 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 컵부는 실리콘 수지로 채워지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 컵부의 주위 표면은 거울면으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 금속 케이스는 상기 윈도우를 갖고 상기 스템부를 피복하는 캡부 및 상기 스템부를 포함하며, 상기 발광 소자 및 상기 제너 다이오드는 상기 스템부와 상기 캡부 사이의 공간에 배치되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 장치.
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