KR20090087374A - 발광 다이오드 및 이를 이용한 패키지 - Google Patents

발광 다이오드 및 이를 이용한 패키지 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예서는 기판, 상기 기판 상에 셀 별로 나뉘어져 형성되어 있는 제1 반도체층, 상기 셀 별로 상기 제1 반도체층 상에 형성되어 있는 제2 반도체층 및 이웃한 셀 사이의 제1 반도체층 및 제2 반도체층을 전기적으로 연결하는 제1 배선을 포함하는 발광 다이오드를 제공한다.
발광, 다이오드. 패키지, 개구율

Description

발광 다이오드 및 이를 이용한 패키지{Light Emitting Diode and Package thereof}
본 발명은 셀(Cell) 단위로 구획해서 만든 발광 다이오드 및 그 패키지에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode)는 이종 반도체를 PN 접합시켜 만든 발광 소자이다. 발광 다이오드는 PN 접합에서 전자가 가지는 에너지가 직접 빛 에너지로 변환되면서 발광이 일어나는데, 반도체에 주입된 전자와 정공은 밴드 갭(band gap)을 넘어 접합부에서 재결합한다. 이 과정에서, 밴드 갭에 해당하는 에너지가 방출되면서 빛이 나게 된다.
이 같은 발광 다이오드는 접합되는 반도체 사이의 밴드 갭에 따라 발광 색상이 결정된다. 따라서, 접합하는 반도체의 밴드 갭을 잘 이용하게 되면, 청색, 녹색, 백색 등 원하는 대로 색상을 조절할 수가 있다.
또한, 발광 다이오드는 구조가 간단하고, 저렴하게 대량 생산이 가능하기 때 문에, 여려 분야에서 각광을 받고 있으며, 박형으로도 구현이 가능하기 때문에 수광형 디스플레이의 백라이트로도 많이 사용되고 있다.
이와 같은 발광 다이오드는 1개의 패키지 안에 다수의 발광 다이오드를 팩키징해서 사용한다.
그런데, 종래 기술은 다수의 발광 다이오드를 1개의 패키지에 집적시키는 과정에서 패키지 내부의 리드 프레임에 발광 다이오드를 부착시키는 칩 본딩 과정이나, 발광 다이오드에서 리드 프레임으로 배선 연결을 위한 와이어 본딩 과정 등이 패키지에 실장되는 모든 발광 다이오드마다 행해져야 하기 때문에, 작업 공수가 많이 들고 이에 따라서 제조 원가가 상승하는 등의 문제가 있다.
또한, 배선 연결을 위해서 발광 다이오드마다 와이어 배선을 만드는 경우에, 이 와이어 배선으로 인해서 빛이 나오는 공간이 줄어들어, 패키지의 발광 효율이 떨어지는 문제가 있다.
이상과 같은 문제점들은 특히, 단일 색의 발광 다이오드 복수 개를 1개의 패키지에 실장하는 경우에 두드러진다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 1개의 패키지에 실장되는 복수의 발광 다이오드를 일체화시켜 형성하는 것으로, 상술한 문제점을 해결하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 기술적 과제는 패키지를 수리하기 편리하도록 구성하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이 같은 기술적 과제를 해결하는 본 발명의 일 실시예서는 기판, 상기 기판 상에 셀 별로 나뉘어져 형성되어 있는 제1 반도체층, 상기 셀 별로 상기 제1 반도체층 상에 형성되어 있는 제2 반도체층 및 이웃한 셀 사이의 제1 반도체층 및 제2 반도체층을 전기적으로 연결하는 제1 배선을 포함하는 발광 다이오드를 제공한다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 발광 다이오드는 상기 제1 반도체층에 형성되어서 상기 기판을 드러내고, 상기 셀을 구획하는 슬릿을 포함할 수 있다. 또한, 상기 슬릿과 상기 제1 반도체층의 측벽에 형성되는 절연막을 더 포함할 수도 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 발광 다이오드는 상기 셀 별로 형성되는 n형 금속 전극과 p형 금속 전극을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 제1 배선은 ITO, CTO, GTO를 포함하는 투명한 산화물로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서 제공하는 발광 다이오드는 상기 제2 반도체층의 크기가 셀 별로 다를 수도 있다.
그리고, 본 발명의 다른 실시예에서는 다수의 셀로 구획되어 있는 발광 다이오드 및 상기 발광 다이오드를 실장하고, 상기 발광 다이오드와 전기적으로 연결되는 제2 배선이 형성되어 있는 패키지 구조물을 포함하고, 상기 발광 다이오드는, 기판, 상기 기판 상에 셀 별로 나뉘어져 형성되어 있는 제1 반도체층, 상기 셀 별로 상기 제1 반도체층 상에 형성되어 있는 제2 반도체층 및 이웃한 셀 사이의 제1 반도체층 및 제2 반도체층을 전기적으로 연결하는 제1 배선을 포함하는 발광 다이오드 패키지를 제공한다.
여기서, 상기 셀 중 어느 하나의 제1 반도체 층과 다른 하나의 제2 반도체층에 각각 연결되어 있는 제3 배선을 포함할 수 있으며, 이 경우에 상기 패키지 구조물은 상기 제3 배선을 통해서 상기 발광 다이오드와 연결된다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 다이오드는 다수의 셀로 구획되어 있기 때문에, 빛이 나오는 영역을 많이 확보할 수 있고, 또한 패키지에 직접화하는 경우 에, 1개의 발광 다이오드로 구성되어 있기 때문에, 종래 기술처럼 각 발광 다이오드 별로 배선 작업을 필요가 없어, 그 만큼 작업 공수, 제작 비용 등을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 다이오드는 종래 기술처럼 발광 다이오드별로 와이어 배선을 사용할 필요가 없기 때문에, 발광 다이오드의 직접화를 종전보다 높일 수가 있고, 패키지 안에 발광 다이오드가 셀 단위로 구획되어 있기 때문에, 불연속면이 많아져 발광 다이오드의 광효율이 좋아지는 효과가 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 다이오드를 나타낸 것이고, 도 2 내지 도 4는 도 1에 도시한 발광 다이오드 패키지를 형성하는 과정을 설명하는 도면이다. 도 1 내지 도 4를 참조로 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 제1 실시예에서는 사파이어 기판(10)상에서 성장된 에피층(11)을 사용해서 셀(cell) 단위로 구획된 발광 다이오드를 형성한다.
먼저, 사진식각 공정을 이용해서 에피층(11)을 패터닝한다. 이에 따라서, 제1 반도체층(이하, n형 GaN층)(11a)이 1차로 노출된다(도 2a 참조). 보다 자세히, 에피층(11) 상에 포토 레지스트를 형성한 다음에, 이 포토 레지스트를 패터닝해서 에피층(11)에 전사할 패턴을 완성한다. 그 다음으로, 패터닝된 포토 레지스트를 베리어로 에피층(11)을 식각해서 에피층(11)의 n형 GaN층(11a)을 부분적으로 노출시켜 포토 레지스트의 패턴을 전사한다. 이에 따라서, 제2 반도체층(이하, p형 GaN층)(11b)이 섬 모양으로 n형 GaN층(11a) 위에 형성된다.
다음으로, 포토 레지스트를 베리어로 n형 GaN층(11a)을 식각해서 셀(Cell)을 나누는 슬릿(111)을 형성한다(도 2b 참조). 여기서, 셀은 발광 다이오드에서 빛이 나오는 영역을 의미한다.
이 슬릿(111)은 섬 모양으로 형성되어 있는 p형 GaN층(11b) 사이로 위치하며, 이에 따라서, 제1 내지 제3 셀(CELL 1, CELL 2, CELL 3)을 포함하는 3개의 셀이 만들어진다(도 2b 참조). 도면에서는 1개의 발광 다이오드에 3개의 셀이 만들어지는 것을 예시하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 발광 다이오드의 크기, 셀의 크기 등에 따라서 셀의 개수는 결정된다.
한편, 슬릿(111)은 기판(10)을 노출시켜서, 각 셀에 포함되는 n형 GaN층(11a)을 전기적으로 분리시킨다. 이에 따라서, 셀(CELL 1, CELL 2, CELL 3) 별로 n형 GaN층(11a)과 p형 GaN층(11b)이 각각 형성된다.
다음으로, 셀(CELL 1, CELL 2, CELL 3)마다 p형 및 n형 금속 전극(13a, 13b)을 형성한다(도 3 참조). 금속 전극(13)은 바람직하게 Cu와 Au의 복합층으로 형성될 수 있다. 이 경우에, Cr층은 5(nm) ∼ 50(nm)의 두께로 형성되는 것이 바람직하고, Au층은 500(nm) ∼ 2000(nm)의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
p형 금속 전극(13a)은 각 셀(CELL 1 ∼ CELL 3)의 애노드(anode) 측과 연결이 되고, n형 금속 전극(13b)은 각 셀(CELL 1 ∼ CELL 3)의 캐소드(cathode) 측과 연결이 된다. 따라서, p형 금속 전극(13a)은 p형 GaN층(11b) 위에 형성이 돼서 p형 GaN층(11b)과 접촉을 통해서 전기적으로 연결이 되고, n형 금속 전극(13b)은 n형 GaN층(11a) 위에 형성이 돼서 n형 GaN층(11a)과 접촉을 통해서 전기적으로 연결이 된다.
이처럼, 각 셀(CELL 1 ∼ CELL 3)의 금속 전극을 형성한 다음에는 p형 GaN층(11b)과 n형 GaN층(11a)이 전기적으로 연결되는 것을 방지하기 위해서 슬릿(111)과 p형 GaN층(11b)의 측벽에 절연막(15)을 형성한다. 절연막(15)은 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)법 등으로 형성할 수 있고, 광 투과율이 좋은 SiO2, SiNx, SiON과 같은 산화물로 형성되는 것이 바람직하다(도 4 참조).
절연막(15)을 형성한 다음으로는, 각 셀(CELL 1 ∼ CELL 3)의 금속 전극(13a, 13b)을 전기적으로 연결하는 제1 배선(17)을 금속 전극(13a, 13b) 사이의 n형 GaN층(11a)과 절연막(15)에 걸쳐 형성한다(도 1 참조).
제1 배선(17)은 제1 셀(CELL 1)의 p형 금속 전극(13a)과 제2 셀(CELL 2)의 n형 금속 전극(13b), 제2 셀(CELL 2)의 p형 금속 전극(13a)과 제3 셀((CELL 3)의 n형 금속 전극(13b)을 각각 연결하도록 형성이 된다. 이 같은 제1 배선(17)은 투명한 도전 물질인 ITO, CTO, GTO와 같은 물질로 형성해서, 각 셀(CELL 1 ∼ CELL 3)에서 나오는 빛을 차단하지 않도록 구성된다.
이상과 같은 공정을 거쳐 1개의 발광 다이오드가 다수의 셀로 구획된 상태로 형성이 된다.
이처럼, 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 다이오드는 다수의 셀로 구획되어 있기 때문에, 빛이 나오는 영역을 많이 확보할 수 있고, 또한 패키지에 직접화하는 경우에, 1개의 발광 다이오드로 구성되어 있기 때문에, 종래 기술처럼 각 발광 다이오드 별로 배선 작업을 필요가 없어, 그 만큼 작업 공수, 제작 비용 등을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 다이오드는 종래 기술처럼 발광 다이오드별로 와이어 배선을 사용할 필요가 없기 때문에, 발광 다이오드의 직접화를 종전보다 높일 수가 있고, 패키지 안에 발광 다이오드가 셀 단위로 구획되어 있기 때문에, 불연속면이 많아져 발광 다이오드의 광효율이 좋아지는 효과가 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지를 나타낸 것이다. 실시예 2에 따른 발광 다이오드 패키지는 제1 실시예와 비교해서, 제1 셀(CELL 1)의 p형 금속 전극, 제2 셀(CELL 2)의 n형, p형 금속 전극, 제3 셀(CELL 3)의 n형 금속 전극을 형성하지 않고, 제1 배선(17)을 이용한다는 점에서 제1 실시예와 다르다. 이 같은 경우, 실시예 1에서 금속 전극(13)에 의해서 차폐되던 빛이 추가로 방출되는 이점이 있다.
그리고, 도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지를 나타낸 것이다. 실시예 3에 따른 발광 다이오드는 n형 GaN층(11a)과 접촉하는 제1 배선(17)을 줄여서 섬 상의 p형 GaN층의 면적이 실시예 2 보다 크게 형성한다는 점에서 차이가 있다. 이 같은 구성에 따르면, 실시예 3은 실시예 2에서보다 더 많은 빛 을 얻을 수가 있다.
이하, 이처럼 구성되는 발광 다이오드를 이용한 패키지를 설명하면 다음과 같다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지의 개략적인 구성을 보여주는 단면도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지는, 다수의 셀로 구획되어 있는 발광 다이오드(1)와, 이 발광 다이오드(1)를 실장하여 전기적으로 연결하기 위해 적어도 하나의 캐비티(61)가 상부에 형성된 패키지 구조물(60)을 포함한다.
도시된 바와 같이, 캐비티(61)는 패키지 구조물(60)의 상부면으로부터 기설정된 폭과 높이를 갖고 바닥면이 패키지 구조물(60)의 상부면과 평행하고 측벽이 경사지게 형성될 수 있다.
발광 다이오드(1)는 캐비티(61)의 바닥면에 실장되어 있으며, 제2 배선(68)과 전기적으로 연결되어 있다. 여기서, 제2 배선(68)은 패키지 구조물(60)의 표면을 따라서 형성되어 있을 수 있으며, 발광 다이오드(1)는 와이어 본딩 등의 방식으로 제2 배선(68)에 각각 연결될 수 있다. 예를 들어, 외어어(21)가 발광 다이오드(1) 중 제1 셀(CELL 1)의 n형 금속 전극(13a)과 제3 셀((CELL 3)의 p형 금속 전극(13b)에 각각 연결되어 있다. 또한, 제3 배선(21)은 각각 패키지 구조물(60)의 제2 배선(68)에 연결됨으로써 발광 다이오드(1)는 배선(68)과 전기적으로 연결된다.
종전과 비교해서, 종전에는 패키지에 다수의 발광 다이오드(1)가 존재하기 때문에, 각 발광 다이오드별로 와이어를 배선과 본딩해야 하지만, 본 발명에서는 1개의 발광 다이오드(1)로 구성되어 있기 때문에, 제3 배선을 1번만 연결하기만 하면 된다.
한편, 발광 다이오드(1)로는 예를 들면 적색(Red), 녹색(Green) 또는 청색(Blue), UV 광 등 다양한 종류의 광을 방출하는 하나 또는 둘 이상의 발광 다이오드가 사용될 수 있다.
또한, 발광 다이오드(1)의 외측에 형광체를 도포하여 발광 다이오드(1)에서 방출되는 광의 파장을 변환함으로써 원하는 색상의 광을 구현할 수 있다.
패키지 구조물(60)의 캐비티(61)에 실장된 발광 다이오드(1)의 상부에는 필요에 따라 예를 들면 상기 패키지 구조물(60)의 상부면과 동일한 높이로 평평하게 또는 볼록한 렌즈 형상으로 투광성 수지(5)가 형성될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 발광 다이오드를 나타낸 것이다.
도 2a 내지 도 4는 도 1의 발광 다이오드 패키지를 제조하는 과정을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드 패키지를 나타낸 것이다.

Claims (8)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 셀 별로 나뉘어져 형성되어 있는 제1 반도체층;
    상기 셀 별로 상기 제1 반도체층 상에 형성되어 있는 제2 반도체층; 및
    이웃한 셀 사이의 제1 반도체층 및 제2 반도체층을 전기적으로 연결하는 제1 배선
    을 포함하는 발광 다이오드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층의 측벽을 따라서 각 셀마다 형성되는 절연막을 포함하는 발광 다이오드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 셀 별로 형성되는 n형 금속 전극과 p형 금속 전극을 더 포함하는 발광 다이오드.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 배선은 ITO, CTO, GTO를 포함하는 투명한 산화물로 이루어지는 발광 다이오드.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 반도체층의 크기가 상기 셀 별로 다른 발광 다이오드 패키지.
  6. 다수의 셀로 구획되어 있는 발광 다이오드; 및
    상기 발광 다이오드를 실장하고, 상기 발광 다이오드와 전기적으로 연결되는 제2 배선이 형성되어 있는 패키지 구조물을 포함하고,
    상기 발광 다이오드는,
    기판;
    상기 기판 상에 셀 별로 나뉘어져 형성되어 있는 제1 반도체층;
    상기 셀 별로 상기 제1 반도체층 상에 형성되어 있는 제2 반도체층; 및
    이웃한 셀 사이의 제1 반도체층 및 제2 반도체층을 전기적으로 연결하는 제1 배선
    을 포함하는 발광 다이오드 패키지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 발광 다이오드의 셀 중 어느 하나의 제1 반도체 층과 다른 하나의 제2 반도체층에 각각 연결되어 있는 제3 배선을 포함하고,
    상기 패키지 구조물은 상기 제3 배선을 통해서 상기 발광 다이오드와 연결되어 있는 발광 다이오드 패키지.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 반도체층과 상기 제2 반도체층의 측벽을 따라서 각 셀마다 형성되는 절연막을 포함하는 발광 다이오드 패키지.
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