KR20100064048A - 반도체 발광소자 - Google Patents
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Abstract
본 개시는 반도체 발광소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기판; 기판 위에 형성되며, 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층; 그리고, 기판 아래에 형성되는 복수개의 블럭;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자에 관한 것이다.
반도체, 발광소자, 블럭, 공융, 금속, 패키지, 마스크, 메쉬, 망사
Description
본 개시(Disclosure)는 전체적으로 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 발광소자의 접착을 위한 금속층이 박리되는 것을 개선하기 위한 반도체 발광소자에 관한 것이다.
여기서, 반도체 발광소자는 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 반도체 광소자를 의미하며, 3족 질화물 반도체 발광소자를 예로 들 수 있다. 3족 질화물 반도체는 Al(x)Ga(y)In(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 된 화합물로 이루어진다. 이외에도 적색 발광에 사용되는 GaAs계 반도체 발광소자 등을 예로 들 수 있다.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides backgound information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
도 1은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 3족 질화물 반도체 발광소자는 기판(100), 기판(100) 위에 성장되는 버퍼층(200), 버퍼층(200) 위에 성장되는 n형 3족 질화물 반도체층(300), n형 3족 질화물 반도체 층(300) 위에 성장되는 활성층(400), 활성층(400) 위에 성장되는 p형 3족 질화물 반도체층(500), p형 3족 질화물 반도체층(500) 위에 형성되는 p측 전극(600), p측 전극(600) 위에 형성되는 p측 본딩 패드(700), p형 3족 질화물 반도체층(500)과 활성층(400)이 메사 식각되어 노출된 n형 3족 질화물 반도체층(300) 위에 형성되는 n측 전극(800), 그리고 보호막(900)을 포함한다.
기판(100)은 동종기판으로 GaN계 기판이 이용되며, 이종기판으로 사파이어 기판, SiC 기판 또는 Si 기판 등이 이용되지만, 3족 질화물 반도체층이 성장될 수 있는 기판이라면 어떠한 형태이어도 좋다. SiC 기판이 사용될 경우에 n측 전극(800)은 SiC 기판 측에 형성될 수 있다.
기판(100) 위에 성장되는 3족 질화물 반도체층들은 주로 MOCVD(유기금속기상성장법)에 의해 성장된다.
버퍼층(200)은 이종기판(100)과 3족 질화물 반도체 사이의 격자상수 및 열팽창계수의 차이를 극복하기 위한 것이며, 미국특허 제5,122,845호에는 사파이어 기판 위에 380℃에서 800℃의 온도에서 100Å에서 500Å의 두께를 가지는 AlN 버퍼층을 성장시키는 기술이 기재되어 있으며, 미국특허 제5,290,393호에는 사파이어 기판 위에 200℃에서 900℃의 온도에서 10Å에서 5000Å의 두께를 가지는 Al(x)Ga(1-x)N (0≤x<1) 버퍼층을 성장시키는 기술이 기재되어 있고, 미국공개특허공보 제2006/154454호에는 600℃에서 990℃의 온도에서 SiC 버퍼층(씨앗층)을 성장시킨 다음 그 위에 In(x)Ga(1-x)N (0<x≤1) 층을 성장시키는 기술이 기재되어 있다. 바람직하게는 n형 3족 질화물 반도체층(300)의 성장에 앞서 도핑되지 않는 GaN층이 성 장되며, 이는 버퍼층(200)의 일부로 보아도 좋고, n형 3족 질화물 반도체층(300)의 일부로 보아도 좋다.
n형 3족 질화물 반도체층(300)은 적어도 n측 전극(800)이 형성된 영역(n형 컨택층)이 불순물로 도핑되며, n형 컨택층은 바람직하게는 GaN로 이루어지고, Si으로 도핑된다. 미국특허 제5,733,796호에는 Si과 다른 소스 물질의 혼합비를 조절함으로써 원하는 도핑농도로 n형 컨택층을 도핑하는 기술이 기재되어 있다.
활성층(400)은 전자와 정공의 재결합을 통해 광자(빛)를 생성하는 층으로서, 주로 In(x)Ga(1-x)N (0<x≤1)로 이루어지고, 하나의 양자우물층(single quantum well)이나 복수개의 양자우물층들(multi quantum wells)로 구성된다.
p형 3족 질화물 반도체층(500)은 Mg과 같은 적절한 불순물을 이용해 도핑되며, 활성화(activation) 공정을 거쳐 p형 전도성을 가진다. 미국특허 제5,247,533호에는 전자빔 조사에 의해 p형 3족 질화물 반도체층을 활성화시키는 기술이 기재되어 있으며, 미국특허 제5,306,662호에는 400℃ 이상의 온도에서 열처리(annealing)함으로써 p형 3족 질화물 반도체층을 활성화시키는 기술이 기재되어 있고, 미국공개특허공보 제2006/157714호에는 p형 3족 질화물 반도체층 성장의 질소전구체로서 암모니아와 하이드라진계 소스 물질을 함께 사용함으로써 활성화 공정없이 p형 3족 질화물 반도체층이 p형 전도성을 가지게 하는 기술이 기재되어 있다.
p측 전극(600)은 p형 3족 질화물 반도체층(500) 전체로 전류가 잘 공급되도록 하기 위해 구비되는 것이며, 미국특허 제5,563,422호에는 p형 3족 질화물 반도 체층의 거의 전면에 걸쳐서 형성되며 p형 3족 질화물 반도체층(500)과 오믹접촉하고 Ni과 Au로 이루어진 투광성 전극(light-transmitting electrode)에 관한 기술이 기재되어 있으며, 미국특허 제6,515,306호에는 p형 3족 질화물 반도체층 위에 n형 초격자층을 형성한 다음 그 위에 ITO(Indium Tin Oxide)로 이루어진 투광성 전극을 형성한 기술이 기재되어 있다.
한편, p측 전극(600)이 빛을 투과시키지 못하도록, 즉 빛을 기판 측으로 반사하도록 두꺼운 두께를 가지게 형성할 수 있는데, 이러한 기술을 플립칩(flip chip) 기술이라 한다. 미국특허 제6,194,743호에는 20nm 이상의 두께를 가지는 Ag 층, Ag 층을 덮는 확산 방지층, 그리고 확산 방지층을 덮는 Au와 Al으로 이루어진 본딩 층을 포함하는 전극 구조에 관한 기술이 기재되어 있다.
p측 본딩 패드(700)와 n측 전극(800)은 전류의 공급과 외부로의 와이어 본딩을 위한 것이며, 미국특허 제5,563,422호에는 n측 전극을 Ti과 Al으로 구성한 기술이 기재되어 있다.
보호막(900)은 이산화규소와 같은 물질로 형성되며, 생략될 수도 있다.
한편, n형 3족 질화물 반도체층(300)이나 p형 3족 질화물 반도체층(500)은 단일의 층이나 복수개의 층으로 구성될 수 있으며, 최근에는 레이저 또는 습식 식각을 통해 기판(100)을 3족 질화물 반도체층들로부터 분리하여 수직형 발광소자를 제조하는 기술이 도입되고 있다.
도 2는 국제공개공보 제2006/019180호에 기재된 반도체 발광소자의 제조방법의 일 예를 나타내는 도면으로서, 기판(100)의 상측에서 레이저 스크라이빙을 하여 트렌치(130)를 형성하고, 기판(100)의 하측에서 다이싱법으로 트렌치(140)를 형성하여 발광소자를 분리하는 기술이 기재되어 있다.
도 3은 한국특허 제10-0702449호에 기재된 반도체 발광소자의 제조방법의 일 예를 나타내는 도면으로서, 빛의 반사를 위한 반사층(110)을 구비하는 발광소자(210)를 100℃ 내지 400℃ 정도의 낮은 용융점을 갖는 금속분말(예를 들어, 공융금속)이 섞인 융제(510)를 이용하여, 전극 패턴(410)이 형성된 서브 마운트 기판(310) 위에 접착하는 발광소자의 제조방법에 대한 기술이 기재되어 있다.
도 4는 종래의 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 발광소자(210)가 하부에 금속층(610; 예를 들어, 공융 금속)을 구비하여, 발광소자(210)를 전극 패턴(410)이 형성된 서브 마운트 기판(310) 상에 접착시키기 위해 별도로 금속분말이 섞인 융제(510; 도 3 참조)를 도포하지 않고, 직접 발광소자(210)를 서브 마운트 기판(310) 상에 접착시킬 수 있다.
그러나, 이러한 발광소자(210)는 개별 소자로 분리되는 공정을 거치면서 다이서 등에 의하여 외력을 받음으로써 금속층(610)이 발광소자(210)로부터 박리되는 문제가 발생할 수 있다.
이에 대하여 '발명의 실시를 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), 기판; 기판 위에 형성되며, 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층; 그리고, 기판 아래에 형성되는 복수개의 블럭;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자가 제공된다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
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 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면으로서, 발광소자는 기판(10), 기판(10) 위에 성장되는 버퍼층(20), 버퍼층(20) 위에 성장되는 n형 3족 질화물 반도체층(30), n형 3족 질화물 반도체층(30) 위에 성장되는 활성층(40), 활성층(40) 위에 성장되는 p형 3족 질화물 반도체층(50), p형 3족 질화물 반도체층(50) 위에 형성되는 p측 전극(60), p측 전극(60) 위에 형성되는 p측 본딩 패드(70), 적어도 p형 3족 질화물 반도체층(50) 및 활성층(40)이 식각되어 노출되는 n형 3족 질화물 반도체층(30)에 형성되는 n측 전극(80), 블럭들(90), 반사막(92) 그리고 산화막(94) 포함한다.
블럭들(90)은 기판(10) 아래에 형성된다. 블럭들(90)은 발광소자를 서브 마운트 기판(12) 위에 고정시키는 역할을 하며, 동시에 발광소자에서 발생하는 열을 서브 마운트 기판(12)으로 전달하는 역할을 한다.
한편, 블럭들(90)은 기판(10) 아래에 서로 간격을 두고 형성된다. 블럭(90)은, 발광소자에서 발생하는 열을 서브 마운트 기판(12)으로 원활히 전달할 수 있도록, 발광소자를 서브 마운트 기판(10) 위에 올려놓고, 열을 가하여 블럭(90)이 용융되어 인접한 블럭(90)과 접하게 될 수 있는 간격과 두께를 지니는 것이 바람직하다.
예를 들면, 블럭(90)은 3㎛ 내지 7㎛ 정도의 두께인 Au/Sn으로 이루어져 있고, 블럭들(90)은 서로 15㎛ 정도의 간격을 두고 있다. 또한, 블럭(90)이 7㎛ 내지 10㎛ 정도의 두께로 이루어질 경우, 블럭들(90)은 서로 23㎛ 정도의 간격을 두고 있을 수 있다. 블럭(90)은 Pb/Sn, Au/Ge, Au/Sn/Ge, Au/Pb/Sn, Cu/Pb/Sn 등으로 이루어질 수도 있다.
이에 따라, 기판(10)의 하측에서 다이서 등에 의해 외력이 가해지더라도 발 광소자로부터 블럭들(90)이 박리되는 부분은 다이서 등이 직접 닿는 부분에 국한될 수 있게 된다.
반사막(92)은 활성층(40)에서 발생하여 기판(10) 측으로 향하는 빛을 발광소자의 상측으로 반사시켜 발광소자의 광추출효율을 향상시키기 위한 것으로, 기판(10)과 블럭들(90) 사이에 형성된다. 반사막(92)은 반사율이 80% 이상인 금속으로 이루어지는 것이 바람직하다. 예를 들면, 반사막(92)은 500Å 정도의 두께인 Al로 기판(10)의 아랫면에 형성되어 있다. 이때, 반사막(92)은 Ag로 형성될 수 있다.
산화막(94)은 반사막(92)의 산화방지를 위한 것으로, 블럭들(90)과 반사막(92) 사이에 형성된다. 예를 들면, 산화막(94)은 Ni/Au 으로 반사막(92) 아래에 형성되어 있다. 이때, 산화막(94)은 Au로 형성될 수 있다.
반사막(92)과 산화막(94)은 생략될 수도 있다.
도 6은 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 다른 예를 나타내는 도면으로서, 발광소자는 기판(10)과 반사막(92) 사이에 굴절막(96)을 구비한다. 도 5와 동일한 참조번호에 대한 설명은 생략한다.
굴절막(96)은 활성층(40)에서 발생하여 기판(10) 내부에 입사된 빛이 전반사되는 것을 방지하기 위한 것으로, 기판(10) 내부와 기판(10) 외부의 굴절률 차이를 변화시키는 역할을 한다. 이에 의해, 발광소자의 광추출효율은 더욱 향상될 수 있다.
예를 들면, 굴절막(96)은 6000Å 정도의 두께인 SiO2로 이루어져 있다. 이 때, 굴절막(96)은 SiO2 및 TiO2가 적층되어 725㎛ 정도의 두께로 형성될 수 있다.
이하에서, 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 제조방법을 설명한다.
도 7은 본 개시에 따른 복수개의 블럭(90)의 제조방법의 일 예를 나타내는 도면이다.
먼저, 기판(10)을 준비한다(도 7의 (a)참조). 기판(10) 위에 복수개의 반도체층(20,30,40,50)이 성장되어 있는데, 복수개의 반도체층(20,30,40,50)은 복수개의 블럭(90)을 형성한 후 성장될 수도 있다.
다음으로, 기판(10)의 아래면 측에 마스크(99)를 위치시킨다(도 7의 (b)참조). 마스크(99)는 블럭들(90)을 형성하기 위한 패턴(99a)을 지닌다. 예를 들면, 마스크(99)는 블럭들(90) 간의 간격을 15㎛ 정도 두기 위해, 선폭이 15㎛ 정도, 개구폭이 25㎛ 정도인 망사가 사용될 수 있다. 또한, 마스크(90)는 블럭들(90) 간의 간격을 23㎛ 정도 두기 위해서, 선폭이 23㎛ 정도, 개구폭이 41㎛ 정도인 망사가 사용될 수 있다.
다음으로, 마스크(99)를 통해 기판(10)의 아래면에 블럭(90)을 형성하도록 소스(source)를 증착시킨다(도 7의 (c) 및 (d)참조). 예를 들면, 블럭(90)은 전자빔증착법을 통해, 소스로서 Au 및 Sn을 사용하여 3㎛ 내지 7㎛ 정도의 두께인 Au/Sn으로 형성될 수 있다.
도 8은 본 개시에 따른 복수개의 블럭이 형성된 기판의 일 예를 나타내는 사 진으로서, 기판(10)의 아랫면에 블럭(90)이 형성된 모습을 볼 수 있다. 블럭(90)은 3㎛정도의 두께인 Au/Sn으로 이루어져 있고, 블럭들(90)은 서로 15㎛ 정도의 간격을 두고 있다.
이하 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.
(1) 공융금속으로 이루어지며, 서로 소정의 간격을 두고 형성되는 복수개의 블럭을 구비하는 반도체 발광소자. 이에 의해, 공융금속이 외력에 의해 발광소자로부터 박리되는 부분을 줄일 수 있고, 발광소자에서 발생하는 열을 외부로 전달함에 유리한 효과가 있다.
(2) 사파이어 기판과 복수개의 블럭 사이에 굴절막을 구비하는 반도체 발광소자. 이에 의해, 발광소자의 광추출효율을 향상시킬 수 있다.
본 개시에 따른 하나의 반도체 발광소자에 의하면, 공융금속이 기판으로부터 박리되는 것을 개선할 수 있다.
본 개시에 따른 다른 반도체 발광소자에 의하면, 발광소자의 열전달을 원활히 할 수 있다.
본 개시에 따른 또 다른 반도체 발광소자에 의하면, 발광소자의 광추출효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 2는 국제공개공보 제2006/019180호에 기재된 반도체 발광소자의 제조방법의 일 예를 나타내는 도면,
도 3은 한국특허 제10-0702449호에 기재된 반도체 발광소자의 제조방법의 일 예를 나타내는 도면,
도 4는 종래의 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 5는 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 6은 본 개시에 따른 3족 질화물 반도체 발광소자의 다른 예를 나타내는 도면,
도 7은 본 개시에 따른 복수개의 블럭의 제조방법의 일 예를 나타내는 도면,
도 8은 본 개시에 따른 복수개의 블럭이 형성된 기판의 일 예를 나타내는 사진.
Claims (7)
- 기판;기판 위에 형성되며, 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층; 그리고,기판 아래에 형성되는 복수개의 블럭;을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 청구항 1에서,복수개의 블럭은 공융금속인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 청구항 1에서,복수개의 블럭은 서로 간격을 두고 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 청구항 3에서,복수개의 블럭은 용융되어 복수개의 블럭이 서로 접하도록 간격을 두고 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 청구항 1에서,발광소자는 3족 질화물 반도체 발광소자인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 청구항 1에서,기판과 복수개의 블럭 사이에 위치하는 굴절막; 그리고,굴절막과 복수개의 블럭 사이에 위치하는 반사막;을 포함하며,기판은 사파이어로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
- 청구항 6에서,복수개의 블럭은 공융금속인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
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