KR20090032212A - 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 특히, 서브마운트 상에 접착층을 통해 플립 본딩되는 LED 칩에 있어서, 상기 접착층이 열전도도가 우수한 탄소나노튜브로 이루어진 것을 특징으로 하는 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자를 제공한다.

플립-칩(flip-chip), 발광다이오드(LED), 탄소나노튜브, 방열특성

Description

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

본 발명은 질화물계 반도체 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 서브마운트와 접합시 방열 특성을 향상시켜 열적인 면에서 안정킬 수 있는 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자에 관한 것이다.

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 발광 자에 널리 사용된다.

최근, 질화물계 반도체는, 우수한 물리적, 화화적 특성으로 인해 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD) 등의 발광소자의 핵심 소재로 각광을 받고 있다. 특히, Ⅲ-Ⅴ 질화물 반도체 재료를 이용한 LED는 청색 또는 녹색 파장대의 광을 얻기 위한 발광소자에 많이 사용되고 있다.

이러한 질화물계 반도체 발광소자 제조를 위한 질화갈륨계 반도체의 성장에 는 주로 사파이어 기판이 이용된다. 상기 사파이어 기판은 절연체이므로 LED의 양극과 음극이 웨이퍼의 전면에 형성된다.

일반적으로 질화물계 반도체 발광소자는 결정 구조가 성장된 사파이어 기판을 리드 프레임에 올린 후 두 개의 전극을 상부에 와이어와 같은 전극 연결부재를 사용하여 연결시키는 방식으로 제작된다. 이때, 열방출 효율을 개선하기 위하여 사파이어 기판을 약 100㎛ 이하의 두께로 얇게 하여 리드 프레임에 붙이게 된다. 그러나, 상기 사파이어 기판의 열전도도는 약 50W/mK 로 두께를 100㎛ 정도로 얇게 하더라도 열저항이 매우 크다.

이에 따라 종래 기술에 따른 질화갈륨계 반도체 발광소자는 열방출 특성을 보다 개선하기 위하여 플립칩 본딩 방식을 사용하였으며, 이를 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자라 칭한다.

플립칩 본딩 방식은 LED 구조가 만들어진 칩 즉, LED 칩을 열전도도가 우수한 실리콘 웨이퍼(약 150W/mK)나 AlN 세라믹(약 180W/mK) 기판 등의 서브마운트에 뒤집어 접합하는 것으로, 도 1은 이를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 플립칩 질화물계 반도체 발광소자는 서브마운트(200)를 통하여 열이 방출되므로 사파이어 기판을 통하여 열을 방출하는 경우 보다 열방출 효율을 개선할 수 있으며, 상기 LED 칩(100)과 서브마운트(200) 접합시 금(Au) 또는 솔더(solder)를 접합 물질로 사용한 범프(500)를 통해 열 방출 특성을 더욱 향상시킬 수 있었다.

그러나, 최근 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자가 고출력화되어 감에 따라 그로 인해 상기 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자에서 발생되는 열 또한 증가하므로 종래 금 또는 솔더로 형성된 범프를 통해 발생되는 열을 모두 방출함에 있어서는 여전히 한계가 있다.

따라서, 상기 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자의 열 방출 특성을 향상시켜 열적으로 안정화시킬 수 있는 관련 기술의 개발이 계속적으로 요구되고 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 서브마운트와 접합시 열전도도가 높은 물질을 접착층으로 사용하여 고출력 질화물계 반도체 발광소자에서 발생되는 열의 방열 특성을 향상시킬 수 있는 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 LED 칩 및 상기 LED 칩이 접착층을 통해 플립 본딩된 서브마운트를 포함하고, 상기 접착층은 탄소나노튜브로 이루어진 것을 특징으로 하는 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자를 제공한다.

또한, 상기 본 발명의 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자에서, 상기 접착층은, 상기 LED 칩 표면으로부터 제1 금속층과 탄소나노튜브 및 제2 금속층이 순차 적층되어 있는 구조로 이루어진 것이 바람직하며, 보다 구체적으로, 상기 제1 금속 층은 Au, Al, Cu로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 금속 또는 이를 함유하는 합금으로 이루어질 수 있으며, 상기 제2 금속층은 Fe, Ni, Co, Pd로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 금속 또는 이를 함유하는 합금으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 본 발명의 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자에서, 상기 LED 칩과 상기 제1 금속층 사이에 형성된 솔더층을 더 포함하는 것이 바람직하며, 상기 솔더층은 Au, Al, Cr, Sn 및 Pb로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 금속 또는 이를 함유하는 합금으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 본 발명의 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자에서, 상기 LED 칩은 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 전극 및 상기 n형 질화물 반도체층의 제2 영역 상에 형성된 n형 전극을 포함하여 이루어진 것이 바람직하다.

또한, 상기 본 발명의 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자에서, 상기 p형 전극은, 반사전극과 오믹콘택전극 및 투명전극 중 선택된 하나 이상의 층으로 이루어질 수 있다.

본 발명은 서브마운트 상에 접착층을 통해 플립 본딩되는 LED 칩에 있어서, 상기 접착층이 열전도도가 우수한 탄소나노튜브로 이루어져 있으므로, 상기 탄소나노튜브의 높은 열전도도를 통해 LED 칩에서 발생되는 열을 용이하게 방출하여 열 방출 특성을 향상시킬 수 있다.

따라서, 본 발명은 열적으로 안정화된 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자를 구현할 수 있다.

본 발명의 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자에 대한 구체적인 기술적 구성에 관한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예가 도시된 도면을 참조하여 아래의 상세한 설명에 의해서 명확하게 이해될 것이다.

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

실시예

도 2를 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자에 대하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 플립칩용 질화물계 반도체 발 광소자는 크게 LED 칩(100)과 서브마운트(200) 및 상기 LED 칩(100)과 상기 서브마운트(200)를 플립 본딩시킨 접착층(300)을 포함한다.

상기 LED 칩(100)은, 광투과성인 기판(110) 상에 버퍼층(도시하지 않음)과 n형 질화물 반도체층(120)이 순차 적층되어 있다. 이때, 상기 n형 질화물 반도체층(120)은, 제1 영역 및 제2 영역으로 구분되어 있으며 상기 제1 영역은 발광 면을 정의하고 있으며, 그에 따라, 상기 제1 영역의 면적은 제2 영역의 면적보다 크게 형성하여 소자의 휘도 특성을 향상시키는 것이 바람직하다.

보다 상세하게, 상기 기판(110)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(110) 상에 n형 질화물 반도체층(120)을 성장시키기 전에 상기 기판(110)과의 격자정합을 향상시키기 위한 층으로, 공정 조건 및 소자 특성에 따라 생략 가능하다.

상기 n형 질화물 반도체층(120)은, In_XAl_YGa_{1 -X- Y}N 조성식(여기서, 0≤X, 0≤Y, X+Y≤1)을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 n형 질화물 반도체층(120)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(120)의 제1 영역 상에는 활성층(130) 및 p형 질화물 반도체층(140)이 순차 적층되어 발광 구조물을 이룬다.

상기 활성층(130)은 다중 양자우물(Multi-Quantum Well) 구조의 InGaN/GaN층으로 이루어질 수 있다.

상기 p형 질화물 반도체층(140)은, In_XAl_YGa_{1 -X- Y}N 조성식(여기서, 0≤X, 0≤Y, X+Y≤1)을 갖는 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 p형 질화물 반도체층(140)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(140) 상에는 p형 전극(150)이 형성되어 있다. 상기 p형 전극(150)은, 반사전극과 오믹콘택전극 및 투명전극 중 선택된 적어도 하나 이상의 층으로 이루어지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 p형 전극(150)은, 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 n형 질화물 반도체층(120)의 제2 영역 상에는 n형 전극(160)이 형성되어 있다. 상기 n형 질화물 반도체층(120)의 제2 영역은 발광 면의 일부가 메사 식각되어 제거된 영역이다.

그리고, 상기 서브마운트(200)는 열전도도가 우수한 실리콘 웨이퍼 또는 AlN 세라믹 기판 등을 이용하여 형성된다.

특히, 본 발명에 따른 상기 접착층(300)은 탄소나노튜브(310)로 이루어져 있으며, 이는 탄소 6개로 이루어진 육각형들이 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있는 신소재로 Au 또는 Ag 등과 같은 금속층보다 전기적 전도성 및 열전도도가 높다. 이에 따라, 고출력을 요구하는 질화물계 반도체 발광소자에서 발생되는 열을 상기 탄소나노튜브(310)을 통해 효율적으로 방출시켜 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자를 열적인 면에서 안정화시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자는 도 3에 도시한 바와 같이 상기 접착층(300)의 양면 즉, 상면 및 하면에 형성되어 이들의 오믹특성을 향상시킬 수 있는 제1 금속층(320) 및 제2 금속층(330)을 더 포함하는 것이 바람직하다. 보다 상세하게, 상기 접착층(300)은 상기 p형 전극(150) 표면으로부터 제1 금속층(320)과 탄소나노튜브(310) 및 제2 금속층(330)이 순차 적층되어 있는 구조를 가진다.

상기 제1 금속층(320)은 Au, Al, Cu로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 금속 또는 이를 함유하는 합금으로 이루어질 수 있으며, 상기 제2 금속층(330)은 Fe, Ni, Co, Pd로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 금속 또는 이를 함유하는 합금으로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자는, 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 LED 칩(100)의 p형 전극(150)과 상기 제1 금속층(320) 사이에 형성된 솔더층(400)을 더 포함하여 상기 제1 금속층(320)과 상기 p형 전극(150)의 본 딩을 용이하게 할 수 있다.

상기 솔더층(400)은 Au, Al, Cr, Sn 및 Pb로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 금속 또는 이를 함유하는 합금으로 이루어질 수 있다.

여기서, 도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자의 변형예를 나타낸 단면도이다.

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.

도 1은 종래 기술에 따른 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 단면도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자를 개략적으로 나타낸 단면도.

도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자의 변형예를 나타낸 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : LED 칩 200 : 서브마운트

300 : 접착층 310 : 탄소나노튜브

320 : 제1 금속층 330 : 제2 금속층

400 : 솔더층

Claims (8)

1. LED 칩; 및

   상기 LED 칩이 접착층을 통해 플립 본딩된 서브마운트;를 포함하고,

   상기 접착층은 탄소나노튜브로 이루어진 것을 특징으로 하는 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 접착층은, 상기 LED 칩 표면으로부터 제1 금속층과 탄소나노튜브 및 제2 금속층이 순차 적층되어 있는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자.
3. 제2항에 있어서,

   상기 제1 금속층은 Au, Al, Cu로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 금속 또는 이를 함유하는 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자.
4. 제2항에 있어서,

   상기 제2 금속층은 Fe, Ni, Co, Pd로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 금속 또는 이를 함유하는 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자.
5. 제2항에 있어서,

   상기 LED 칩과 상기 제1 금속층 사이에 형성된 솔더층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자.
6. 제5항에 있어서,

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

   상기 LED 칩은 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 전극 및 상기 n형 질화물 반도체층의 제2 영역 상에 형성된 n형 전극을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 플립칩용 질화물계 반도체 발광소자.
8. 제7항에 있어서,

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

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