KR20080005726A

KR20080005726A - 플립칩용 질화물계 발광소자

Info

Publication number: KR20080005726A
Application number: KR20060064431A
Authority: KR
Inventors: 고건유; 김제원; 김동우; 박형진; 황석민
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2006-07-10
Filing date: 2006-07-10
Publication date: 2008-01-15
Also published as: KR100812737B1

Abstract

본 발명은 플립칩용 질화물계 발광소자에 관한 것으로서, 특히, 서브마운트의 리드 패턴 상에 범프 볼을 통해 플립 본딩되는 질화물계 반도체 발광소자에 있어서, 기판과, 상기 기판 상에 형성되되, 제1 영역과 제2 영역으로 구분된 n형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층의 제1 영역 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층과, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 p형 전극과, 상기 p형 전극 상에 형성되되, 서로 등간격을 이루며 균일하게 배치된 다수의 p형 전극 패드 및 상기 n형 질화물 반도체층의 제2 영역 상에 형성되되, 상기 p형 전극 패드와 서로 등간격을 이루며 균일하게 배치된 다수의 n형 전극 패드를 포함하는 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자를 제공한다.

플립-칩(flip-chip), 발광다이오드(LED), 전극패드, 발광면, 저항

Description

플립칩용 질화물계 발광소자{NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE FOR FLIP-CHIP}

도 1은 종래 기술에 따른 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 평면도.

도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 절단하여 나타낸 단면도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 평면도.

도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ'선을 따라 절단하여 나타낸 단면도.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자가 범프 본딩된 상태를 나타낸 단면도.

도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 플립칩용 질화물 반도체 발광소자의 변형예를 나타낸 평면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 기판 110 : n형 질화물 반도체층

120 : 활성층 130 : p형 질화물 반도체층

140 : p형 전극 150a : p형 전극 패드

160a : n형 전극 패드

본 발명은 질화물계 반도체 발광다이오드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발광면을 충분히 확보하는 동시에 전류확산 효율을 향상시켜 낮은 소자 저항과 고휘도를 구현할 수 있는 플립칩용 질화물계 반도체 발광다이오드에 관한 것이다.

일반적으로, 질화물계 반도체는 Al_xIn_yGa_(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 갖는 Ⅲ-Ⅴ족 반도체결정으로서, 단파장광(자외선 내지 녹색광), 특히 청색광을 낼 수 있는 발광소자에 널리 사용된다.

한편, 상기 질화물계 반도체 발광소자는, 결정성장을 위한 격자정합조건을 만족하는 사파이어 기판이나 SiC 기판 등의 절연성 기판을 이용하여 제조되므로, p형 및 n형 질화물 반도체층에 연결된 2개의 전극이 발광구조의 상면에 거의 수평으로 배열되는 수평 구조를 가진다.

이러한 수평 구조를 가지는 질화물계 반도체 발광소자는 탑-에미트형 발광다이오드(Top-Emitting Light Emitting Diodes)와 플립칩용 발광다이오드(Flip-Chip Light Emitting Diodes)로 분류된다.

탑-에미트형 발광다이오드는 p형 질화물 반도체층과 접촉하고 있는 오믹 전 극층을 통해 광이 출사되게 형성되어 있으며, 플립칩용 발광다이오드는 사파이어 기판을 통해 광이 출사되게 형성되어 있다.

그러면, 이하 도 1 및 도 2를 참조하여 종래 기술에 따른 플립칩용 질화물 반도체 발광소자에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 종래 기술에 따른 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 평면도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 절단하여 나타낸 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 사파이어 기판(110) 상에 순차적으로 형성된 n형 질화물 반도체층(110), 다중우물구조인 GaN/InGaN 활성층(120) 및 p형 질화물 반도체층(130)을 포함하며, 상기 p형 질화물 반도체층(130)과 활성층(120)은 일부 메사 식각(mesa etching) 공정에 의하여 그 일부 영역이 제거되는 바, n형 질화물 반도체층(110)의 일부 상면을 노출한 구조를 갖는다.

상기 노출된 n형 질화물 반도체층(110) 상에는 n형 전극(160), 상기 p형 질화물 반도체층(130) 상에는 p형 전극(140)이 각각 형성되어 있다.

보다 상세하게, 상기 종래 기술에 따른 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자의 n형 전극(160)은 두 개의 n형 전극 패드(160a)와 그로부터 연장된 다수의 가지 전극(160b)을 포함하며, 상기 p형 전극(140)과 서로 맞물리는 구조 즉, 핑거(finger) 형상의 구조로 형성되어 있다. 이때, 상기 p형 전극(140) 또한 두 개의 p형 전극 패드(150a)와 그로부터 연장된 다수의 가지 전극(150b)을 포함하여 이루어져 있다.

즉, 두 개의 n형 및 p형 전극 패드(160a, 150a)를 구비하여 대전류 인가시, 인가되는 전류를 분산시키고, n형 전극 패드(160a)로부터 연장된 다수의 가지 전극(160b)과 p형 전극 패드(150a)로부터 연장된 다수의 가지 전극(150b)을 핑거 형상으로 배치하여 전류확산 효율을 향상시켜 대전류 인가로 인한, 소자의 불량을 방지하였다.

그러나, 상기와 같은 종래의 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자는, 두 개의 n형 전극 패드 및 p형 전극 패드를 구비하여 인가되는 대전류를 분산시켜 소자가 구동전압 및 특성이 열화되는 것을 방지하고 있으나, 두 개의 n형 전극 패드 및 p형 전극 패드가 모두 발광소자의 한쪽 면에 집중되게 형성되어 있으므로, 소자의 전체 저항이 높은, 즉, 소자에 인가되는 대전류를 분산시켜 소자의 전류확산 효율을 향상시키고 구동전압을 감소시키는 점에 있어 한계가 있다.

또한, 상기 n형 전극 패드로부터 연장된 다수의 n형 가지 전극은 이의 형성 영역을 정의하기 위하여 발광면의 일부가 메사 식각 공정에 의하여 일부 제거됨으로써, 발광면이 감소하여 휘도가 낮아지는 문제가 있다.

따라서, 상기 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자의 전류확산 효율을 향상시키고, 발광면을 증가시킬 수 있는 발광소자 관련 기술의 개발이 계속적으로 요구되고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 각각의 가지 전극 없이 다수의 n형 및 p형 전극 패드만를 구비하되, 대면적에 서로 등간격을 이루며 균일하게 분포되도록 배치하여 발광면을 증가시키고, 대전류 인가시 전류를 효율적으로 분산시킬 수 있는 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 서브마운트의 리드 패턴 상에 범프 볼을 통해 플립 본딩되는 질화물계 반도체 발광소자에 있어서, 기판과, 상기 기판 상에 형성되되, 제1 영역과 제2 영역으로 구분된 n형 질화물 반도체층과, 상기 n형 질화물 반도체층의 제1 영역 상에 형성된 활성층과, 상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층과, 상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 p형 전극과, 상기 p형 전극 상에 형성되되, 서로 등간격을 이루며 균일하게 배치된 다수의 p형 전극 패드 및 상기 n형 질화물 반도체층의 제2 영역 상에 형성되되, 상기 p형 전극 패드와 서로 등간격을 이루며 균일하게 배치된 다수의 n형 전극 패드를 포함하는 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자를 제공한다.

또한, 상기 본 발명의 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자에서, 상기 제1 영역의 면적은, 발광 면을 최대화하기 위해 상기 제2 영역의 면적보다 크게 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 본 발명의 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자에서, 상기 제1 영역은, 상기 기판의 중앙부를 기준으로 양측이 서로 대칭적으로 형성된 것이 바람직 하며, 이는 대면적으로 이루어진 발광 면 전체에 균일한 발광이 일어나게 하기 위함이다.

또한, 상기 본 발명의 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자에서, 상기 n형 전극 패드 및 p형 전극 패드는, 원형, 사각형, 모서리가 라운드진 사각형 및 다각형 중 선택된 어느 하나의 형태로 이루어져도 상관없으며, 이는 발광소자의 특성 및 신뢰성에 큰 영향을 미치지 않는다.

또한, 상기 본 발명의 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자에서, 상기 n형 전극 패드 및 p형 전극 패드는, Au, Al, Cr, Sn 및 Pb로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 금속 또는 이를 함유하는 합금으로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 본 발명의 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자에서, 상기 p형 전극 패드는, 범프를 형성하기 위하여 최소 100㎛ 이상의 너비를 가지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 본 발명의 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자에서, 상기 n형 전극 패드는, 범프를 형성하기 위하여 최소 100㎛ 이상의 너비를 가지는 동시에 발광면의 감소를 방지하기 위해 500㎛ 이하의 너비를 가지는 동시에 발광면의 감소를 방지하기 위해 500㎛ 이하의 너비를 가지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 본 발명의 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자에서, 상기 반사전극과 오믹콘택전극 및 투명전극 중 선택된 하나 이상의 층으로 이루어지는 것이 바람직하다.

이하 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 병기하였다.

이제 본 발명의 일 실시예에 따른 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

먼저, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자의 구조에 대하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 평면도이고, 도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ'선을 따라 절단하여 나타낸 단면도이다.

도 3과 도 4를 참조하면, 광투과성인 기판(100) 상에 버퍼층(도시하지 않음)과 n형 질화물 반도체층(110)이 순차 적층되어 있다. 이때, 상기 n형 질화물 반도체층(110)은, 제1 영역 및 제2 영역으로 구분되어 있다.

보다 상세하게, 상기 제1 영역은 발광 면을 정의하고 있으며, 그에 따라, 상기 제1 영역의 면적은 제2 영역의 면적보다 크게 형성하여 소자의 휘도 특성을 향상시키는 것이 바람직하다. 즉, 상기 제1 영역의 면적은, 상기 n형 질화물 반도체층(110)의 전체 면적의 50% 이상에 해당하는 면적을 가진다.

또한, 상기 제1 영역은 상기 기판(100)의 중앙부를 기준으로 양측이 서로 대칭적으로 형성되고, 상기 제2 영역은 상기 제1 영역을 둘러싸고 있는 동시에 각 변에 등간격으로 돌출된 돌출부를 가지게 형성된 것이 바람직하다. 이는 대면적으로 이루어진 발광 면 전체에 균일한 발광이 일어나게 하기 위함이다.

상기 기판(100)은, 질화물 반도체 단결정을 성장시키기에 적합한 기판으로서, 바람직하게, 사파이어를 포함하는 투명한 재료를 이용하여 형성되며. 사파이어 이외에, 기판(110)은 징크 옥사이드(zinc oxide, ZnO), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC) 및 알루미늄 나이트라이드(AlN)로 형성될 수 있다.

상기 버퍼층은, 상기 기판(100) 상에 n형 질화물 반도체층(120)을 성장시키기 전에 상기 기판(100)과의 격자정합을 향상시키기 위한 층으로, 공정 조건 및 소자 특성에 따라 생략 가능하다.

상기 n형 질화물 반도체층(110)은, In_XAl_YGa₁ _-X- _YN 조성식(여기서, 0≤X, 0≤Y, X+Y≤1)을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 n형 질화물 반도체층(110)은 n형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 이루어질 수 있으며, n형 도전형 불순물로는 예를 들어, Si, Ge, Sn 등을 사용하고, 바람직하게는 Si를 주로 사용한다.

그리고, 상기 n형 질화물 반도체(110)의 제1 영역 상에는 활성층(120) 및 p형 질화물 반도체층(130)이 순차 적층되어 발광 구조물을 이룬다.

상기 활성층(120)은 다중 양자우물(Multi-Quantum Well) 구조의 InGaN/GaN층으로 이루어질 수 있다.

상기 p형 질화물 반도체층(130)은, In_XAl_YGa₁ _-X- _YN 조성식(여기서, 0≤X, 0≤Y, X+Y≤1)을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 p형 질화물 반도체층(130)은 p형 도전형 불순물이 도핑된 GaN층 또는 GaN/AlGaN층으로 이루어질 수 있으며, p형 도전형 불순물로는 예를 들어, Mg, Zn, Be 등을 사용하고, 바람직하게는 Mg를 주로 사용한다.

상기 p형 질화물 반도체층(130) 상에는 p형 전극(140)이 형성되어 있다. 상기 p형 전극(140)은, 반사전극과 오믹콘택전극 및 투명전극 중 선택된 적어도 하나 이상의 층으로 이루어지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 p형 전극은, 반사전극과 오믹콘택전극 및 투명전극 중 선택된 어느 하나의 층으로 이루어진 단일층 또는 반사전극/오믹콘택전극, 오믹콘택전극/투명전극, 오믹콘택전극/투명전극/반사전극 등으로 이루어진 다수층으로 공정 조건 및 소자의 특성에 맞게 선택하여 형성 가능하다.

상기 p형 전극(140) 상에는 다수의 p형 전극 패드(150a)가 서로 등간격을 이루며 균일하게 배치되어 있다. 이때, 본 실시예에 따른 상기 p형 전극 패드(150a)는 원형으로 형성된 것을 도시(도3 참조)하고 있으나, 이는 이에 한정되지 않고 원형, 사각형, 모서리가 라운드진 사각형 및 다각형 중 선택된 어느 하나의 형태로 이루어져도 상관없다.

특히, 본 발명에 따른 상기 p형 전극 패드(150a)는, 서브마운트(200)의 리드 패턴(210)과 범프(220)를 통해 전기적으로 연결(도 5 참조)되므로, 범프(220) 형성 영역 마진을 확보하기 위하여 최소 100㎛ 이상의 너비를 가지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 p형 전극 패드(150a)는, 서브마운트의 리드 패턴과 범프 본딩 시, 본딩을 용이하게 하기 위해 Au, Al, Cr, Sn 및 Pb로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 금속 또는 이를 함유하는 합금으로 이루어지는 것이 바람직하다.

여기서, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자가 범프 본딩된 상태를 나타낸 단면도이다.

그리고, 상기 n형 질화물 반도체층(110)의 제2 영역 상에는 상기 p형 전극 패드(150a)와 서로 등간격을 이루며 균일하게 배치된 다수의 n형 전극 패드(160a)가 형성되어 있다.

상기 n형 전극 패드(160a) 또한, 본 실시예에서는 반원형으로 형성된 것을 도시하고 있으나, 이는 이에 한정되지 않고 원형, 사각형, 모서리가 라운드진 사각형 및 다각형 중 선택된 어느 하나의 형태로 이루어져도 상관없으며, 서브마운트(200)의 리드 패턴(210)과 범프(220)를 통해 전기적으로 연결(도 5 참조)되므로, 범프(220) 형성 영역 마진을 확보하기 위하여 최소 100㎛ 이상의 너비를 가지는 것이 바람직하다.

그런데, 본 발명에 따른 상기 n형 전극 패드(160a)는 발광 면의 일부가 메사 식각되어 제거된 영역에 형성되므로, 발광 면의 감소를 방지하기 위해 500㎛ 이하의 너비를 가지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 n형 전극 패드(160a)는, 서브마운 트의 리드 패턴과 범프 본딩(도 5 참조), 본딩을 용이하게 하기 위해 Au, Al, Cr, Sn 및 Pb로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 금속 또는 이를 함유하는 합금으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자는 다수의 p형 전극 패드와 n형 전극 패드를 교호로 균일하게 배치함으로써, 전류의 확산 특성을 향상시킬 수 있다(도 3의 화살표 참조).

또한, 외부로부터 전류를 인가받는 다수의 전극 패드를 통해 소자의 전체적인 저항을 감소시켜 전류확산 특성을 보다 향상시킬 수 있어, 구동전압 또한 감소시킬 수 있다.

한편, 상기 n형 질화물 반도체층(110) 상에 정의된 제1 영역 및 제2 영역은 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 변경 가능하며, 이 또한, 본 발명의 일 실시예와 마찬가지로, 다수의 n형 전극 패드(160a)와 다수의 p형 전극 패드(150a)를 서로 등간격을 이루면서 균일하게 배치하게 하기 위한 것으로 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에서와 동일한 작용 및 효과를 얻을 수 있다.

특히, 도 7은 대면적 발광 면을 가지는 발광소자에 적용하는 것이 바람직하며, 이에 따라, 대면적 발광 면을 가지는 발광소자의 전류확산 효과를 더욱 증가시킬 수 있는 동시에 전체적인 소자의 저항을 감소시킬 수 있는 이점이 있다.

여기서, 도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 플립칩용 질화물 반도체 발광소자의 변형예를 나타낸 평면도이다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

상기한 바와 같이, 본 발명은 다수의 n형 및 p형 전극 패드만을 대면적 LED 상에 서로 등간격을 이루며 균일하게 분포되도록 배치함으로써, 발광면을 증가시키고, 대전류 인가시 전류를 효율적으로 확산시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 다수의 전극 패드를 통해 대전류 인가시, 전류를 발광 면에 모든 부분에 균일하게 분산시킴으로써, 발광이 발광 면 전체에 균일하게 일어나도록 하여 휘도를 향상시킬 수 있는 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자를 제공할 수 있다.

따라서, 본 발명은 플립칩 질화물계 반도체 발광소자의 구동전압을 감소시키고, 휘도를 향상시켜 소자의 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

서브마운트의 리드 패턴 상에 범프 볼을 통해 플립 본딩되는 질화물계 반도체 발광소자에 있어서,

기판;

상기 기판 상에 형성되되, 제1 영역과 제2 영역으로 구분된 n형 질화물 반도체층;

상기 n형 질화물 반도체층의 제1 영역 상에 형성된 활성층;

상기 활성층 상에 형성된 p형 질화물 반도체층;

상기 p형 질화물 반도체층 상에 형성된 p형 전극;

상기 p형 전극 상에 형성되되, 서로 등간격을 이루며 균일하게 배치된 다수의 p형 전극 패드; 및

상기 n형 질화물 반도체층의 제2 영역 상에 형성되되, 상기 p형 전극 패드와 서로 등간격을 이루며 균일하게 배치된 다수의 n형 전극 패드;를 포함하는 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 제1 영역은, 상기 기판의 중앙부를 기준으로 양측이 서로 대칭적으로 형성된 것을 특징으로 하는 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 제1 영역의 면적은, 상기 제2 영역의 면적보다 큰 것을 특징으로 하는 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 n형 전극 패드는, 원형, 사각형, 모서리가 라운드진 사각형 및 다각형 중 선택된 어느 하나의 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자.
제4항에 있어서,

상기 n형 전극 패드는, 100㎛ 내지 500㎛ 범위의 너비를 가지는 것을 특징으로 하는 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 p형 전극 패드는, 원형, 사각형, 모서리가 라운드진 사각형 및 다각형 중 선택된 어느 하나의 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자.
제6항에 있어서,

상기 p형 전극 패드는, 100㎛ 이상의 너비를 가지는 것을 특징으로 하는 플 립칩용 질화물계 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 n형 전극 패드 및 p형 전극 패드는, Au, Al, Cr, Sn 및 Pb로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 금속 또는 이를 함유하는 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자.
제1항에 있어서,

상기 p형 전극은, 반사전극과 오믹콘택전극 및 투명전극 중 선택된 하나 이상의 층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자.