KR20100070820A - 고효율 열방출 공진 발광 다이오드 패키지 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공진 발광 다이오드 패키지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 반도체 기판 상부에 형성된 식각 정지층을 이용하여 열적 저항이 많이 걸리는 반도체 기판의 일부분을 제거하고 제거된 부분에 두꺼운 금속층을 형성하거나 반도체 기판의 전부를 제거함으로써, 발광 다이오드에서 생기는 열이 효과적으로 방출되도록 함은 물론, 공진 발광 다이오드의 아래 부분에 DBR층을 형성하여 공진효과를 일으킴으로써, 활성층에서 만들어진 광자들을 효율적으로 방출 및 증폭시키는 고효율 열방출 발광 다이오드 패키지 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 고효율 열방출 공진 발광 다이오드 패키지는 식각 정지층, DBR층, P형 반도체층, 활성층, N형 반도체층을 포함하는 발광 다이오드; 상기 발광 다이오드 하부에 형성되고, 일부가 식각된 기판; 상기 기판의 식각된 부분에 형성되고, 상기 발광 다이오드에서 생성되는 열을 방출하기 위한 열 방출 금속부; 상기 열 방출 금속부를 포함하는 상기 기판 하부에 형성된 제1 전극층과 상기 발광 다이오드 상부에 형성된 제2 전극층; 및 상기 제1 전극층 하부에 형성되고, 상부에 금속 접촉층이 형성된 서브마운트를 포함함에 기술적 특징이 있다.

발광 다이오드, 공진 발광 다이오드, DBR층, 식각 정지층

Description

고효율 열방출 공진 발광 다이오드 패키지 및 그 제조방법{Resonant cavity light emitting diode package with improved heat emission efficiency and method of manufacturing the same}

본 발명은 공진 발광 다이오드 패키지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 반도체 기판 상부에 형성된 식각 정지층을 이용하여 열적 저항이 많이 걸리는 반도체 기판의 일부분을 제거하고 제거된 부분에 두꺼운 금속층을 형성하거나 반도체 기판의 전부를 제거함은 물론, 공진 발광 다이오드의 아래 부분에 DBR층을 형성한 고효율 열방출 발광 다이오드 패키지 및 그 제조방법에 관한 것이다.

반도체 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)는 전류가 가해지면 P, N형 반도체의 접합 부분에서 전자와 정공의 재결합에 기하여, 다양한 색상의 빛을 발생시킬 수 있는 반도체 장치이다.

이러한 발광 다이오드는 긴 수명, 낮은 전원, 우수한 초기 구동 특성, 높은 진동 저항 및 반복적인 전원 단속에 대한 높은 공차 등의 여러 장점을 갖기 때문에 그 수요가 지속적으로 증가하고 있다.

도 1은 종래의 발명에 따른 발광 다이오드의 단면도이다.

종래의 발광 다이오드는 기판(110), 기판(110) 하부에 형성된 제1 전극층(120), 제1 전극층(120)이 형성된 반대면인 기판(110) 상부에 형성된 N형 반도체층(130), N형 반도체층(130) 상부에 형성된 활성층(140), 활성층(140) 상부에 형성된 P형 반도체층(150), P형 반도체층(150) 상부에 형성된 제2 전극층(160)을 포함한다.

그런 다음, 발광 다이오드를 금속 접촉층(180)이 형성된 서브마운트(170)에 플립칩 본딩시켜 패키지 구조를 형성한다.

모든 발광 다이오드에 있어서도 마찬가지지만, 특히 605㎚ 파장 영역의 발광 다이오드는 열적 특성이 매우 나쁜 경향이 있다. 전술한 종래 기술에 따른 발광 다이오드는 운반자인 전자가 활성층인 양자 우물층에 구속되어야 함에도 불구하고 온도가 증가하면 전도대의 밴드 오프셋(band-offset)이 더 작아지게 되고 이로 인해 양자 우물층에 구속되지 않고 누설된다.

즉, 발광 다이오드는 고온에서 광특성이 현저히 저하되는 문제점이 발생하므로, 발광 다이오드를 동작시킬 때 생성되는 열을 효율적으로 방출시키는 해결책을 제공하지 못하면 효율이 낮음은 물론, 소자의 신뢰성이 낮아지게 된다.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은 반도체 기판 상부에 형성된 식각 정지층을 이용하여 열적 저항이 많이 걸리는 반도체 기판의 일부분을 제거하고 제거된 부분에 두꺼운 금속층을 형성하거나, 반도체 기판의 전부를 제거함으로써, 발광 다이오드 동작시에 발생하는 열이 효과적으로 방출되어 신뢰도가 높음은 물론, 공진 발광 다이오드의 아래 부분에 DBR층을 형성하여 공진효과를 일으킴으로써, 활성층에서 만들어진 광자들을 효율적으로 방출 및 증폭시키는 고효율 열방출 공진 발광 다이오드 패키지 및 그 제조방법을 제공함에 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은 식각 정지층, DBR층, P형 반도체층, 활성층, N형 반도체층을 포함하는 발광 다이오드; 상기 발광 다이오드 하부에 형성되고, 일부가 식각된 기판; 상기 기판의 식각된 부분에 형성되고, 상기 발광 다이오드에서 생성되는 열을 방출하기 위한 열 방출 금속부; 상기 열 방출 금속부를 포함하는 상기 기판 하부에 형성된 제1 전극층과 상기 발광 다이오드 상부에 형성된 제2 전극층; 및 상기 제1 전극층 하부에 형성되고, 상부에 금속 접촉층이 형성된 서브마운트를 포함하는 고효율 열방출 공진 발광 다이오드 패키지에 의해 달성된다.

또한, 본 발명의 상기 식각 정지층은 실리콘 산화물, 비정질 실리콘, 폴리 실리콘, 실리콘 질화물로 이루어짐이 바람직하다.

또한, 본 발명의 상기 열 방출 금속부는 Au, Ag, Al, Pt, Cu, Ti, Ni, Mo, W, Pd 또는 이들의 합금으로 이루어짐이 바람직하다.

또한, 본 발명의 상기 다른 목적은 기판 상부에 식각 정지층, DBR층, P형 반도체층, 활성층, N형 반도체층을 포함하는 발광 다이오드를 형성하는 단계; 상기 기판의 일부를 식각하는 단계; 상기 기판의 식각된 부분에 상기 발광 다이오드에서 생성되는 열을 방출하기 위한 열 방출 금속부를 플레이팅 방법으로 형성하는 단계; 상기 열 방출 금속부를 포함하는 상기 기판의 하부에 제1 전극층을 형성하는 단계; 및 상기 발광 다이오드 상부에 제2 전극층을 형성하는 단계; 및 상기 발광 다이오드, 열 방출 금속부를 포함한 기판, 제1 전극층, 제2 전극층으로 이루어진 구조물을 금속 접촉층이 형성된 서브마운트에 본딩시키는 단계를 포함하는 고효율 열방출 공진 발광 다이오드 패키지의 제조방법에 의해 달성된다.

또한, 본 발명의 기판 상부에 식각 정지층, DBR층, P형 반도체층, 활성층, N형 반도체층을 포함하는 발광 다이오드를 형성하는 단계; 상기 발광 다이오드에 의한 열적 저항이 많이 걸리는 상기 기판의 전부를 식각하는 단계; 상기 발광 다이오드의 하부에 제1 전극층을 형성하는 단계; 상기 발광 다이오드의 상부에 제2 전극층을 형성하는 단계; 및 상기 발광 다이오드, 제1 전극층, 제2 전극층으로 이루어진 구조물을 금속 접촉층이 형성된 서브마운트에 본딩시키는 단계를 포함하는 고효율 열방출 공진 발광 다이오드 패키지의 제조방법에 의해 달성된다.

따라서, 본 발명의 고효율 열방출 공진 발광 다이오드 패키지는 반도체 기판 상부에 형성된 식각 정지층을 이용하여 열적 저항이 많이 걸리는 반도체 기판의 일부분을 제거하고 제거된 부분에 메탈층을 형성하거나 반도체 기판의 전부를 제거함으로써, 발광 다이오드에서 생기는 열을 효과적으로 분산시키면서 방출할 수 있어서 고효율 고출력 동작이 가능하다는 효과가 있다.

또한, 고효율 열방출 공진 발광 다이오드의 아래 부분에 DBR층을 형성하여 공진효과를 일으킴으로써, 활성층에서 만들어진 광자들을 효율적으로 방출 및 증폭시킬 수 있음은 물론 스펙트럼이 좁아지는 효과가 있다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기 로 한다.

도 2 내지 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 고효율 열방출 공진 발광 다이오드 패키지의 제조 공정도이다.

본 발명에 따른 고효율 열방출 공진 발광 다이오드 패키지는 식각 정지층(220), DBR층(230), P형 반도체층(240), 활성층(250), N형 반도체층(260)을 포함하는 발광 다이오드(200)를 포함한다. 그리고 발광 다이오드(200) 하부에 형성되고, 일부가 식각된 기판(210)과, 기판(210)의 식각된 부분에 형성되고, 발광 다이오드(200)에서 생성되는 열을 방출하기 위한 열 방출 금속부(270)를 포함한다. 또한, 금속부(270)를 포함하는 기판(210) 하부에 형성된 제1 전극층(280)과 발광 다이오드(200) 상부에 형성된 제2 전극층(290) 및 제1 전극층(280) 하부에 형성되고, 상부에 금속 접촉층(320)이 형성된 서브마운트(310)를 포함한다.

우선, 기판(210) 상부에 식각 정지층(220), DBR층(230), P형 반도체층(240), 활성층(250), N형 반도체층(260)이 차례로 형성된 발광 다이오드(200)를 형성한다(도 2).

기판(210)은 사파이어(saphire) 기판, SiC 기판, GaAs 기판, GaN 기판, InP 기판, ZnO 기판, Si 기판 등일 수 있으며, 이에 한정되지는 않는다.

기판(210) 상부면에는 식각 정지층(etching stop layer, 220)이 형성된다. 식각 정지층(220)은 후술할 식각 정지층(220)하부에 위치한 기판(210)을 식각할 시에 그 상부로 더이상 식각되지 않도록 막아주는 역할을 하는 것으로, 실리콘 산화물, 비정질 실리콘, 폴리 실리콘, 실리콘 질화물 등을 사용할 수 있다.

식각 정지층(220) 상부면에는 반사층인 DBR층(Distributed Bragg Reflector, 230)이 형성된다. 이는 공진효과를 일으킴으로써, 활성층(250)에서 만들어진 광자들을 효율적으로 방출 및 증폭시켜 발광 다이오드의 효율을 증대시키고, 스펙트럼을 좁게하는 효과를 낸다.

DBR층(230)은 AlN, GaN 등의 반도체 물질 중에서 두개 이상 선택된 반도체 다층 박막 또는 TiO₂, SiO₂, Nb₂O₅, SiN, ZrO₂, ZnO₂, Al₂O₃ 등의 유전체 물질 중에서 두개 이상 선택된 유전체 다층 박막으로 이루어질 수 있다.

이때, DBR층(230)은 유전체 다층 박막으로 형성됨이 더욱 바람직한데, 그 이유는 굴절률 차이가 큰 물질을 선택할 수 있고 적은 수의 적층 구조로도 큰 반사율을 얻을 수 있기 때문이다.

형성된 DBR층(230)의 두께는 선택된 유전체 물질과 원하는 반사율에 따라 달라지지만, 300㎚ 내지 1000㎚인 것이 바람직하다.

P형 반도체층(240)은 DBR층(230) 상부에 형성되는 것으로, P-GaN, P-AlGaN, P-InGaN 등일 수 있으며, 그 종류에 제한이 있는 것은 아니다.

활성층(250)은 양자 우물층(quantum well), 다중 양자 우물층(multiple quantum well)이라고도 하며, P형 반도체층(240) 상부면에 형성되고, 소정의 발광 스펙트럼으로 발광하는 발광층이다. 활성층(250)은 원하는 파장에 따라 GaAs, InGaAs, InGaN 등의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물의 반도체가 단층 또는 다층으로 이루어질 수 있으며, 150㎛ 내지 30㎚의 두께로 형성됨이 바람직하다.

N형 반도체층(260)은 활성층(250) 상부면에 형성되는 것으로, N-GaN, N-AlGaN, N-InGaN 등일 수 있으며, 그 종류에 제한이 있는 것은 아니다.

이렇게 기판(210) 상부에 식각 정지층(220), DBR층(230), P형 반도체층(240), 활성층(250), N형 반도체층(260)을 차례로 형성하면, 다음으로 기판(210)의 일부를 식각한다(도 3). 즉, 기판(210)에 일정한 패턴을 내서 그 부분만 식각한다.

식각은 반응이온식각(RIE) 장치로 식각한 후, 기판을 KOH 또는 TMAH 산용액을 이용하여 식각하는 방법으로 이루어 질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

식각한 후에는 식각된 부분에 두꺼운 열 방출 금속부(270)를 형성한다(도 3). 열 방출 금속부(270)는 플레이팅 방법에 의해 형성될 수 있으며, 사용되는 금속의 재질에 제한이 있는 것은 아니며, 바람직하게는 Au, Ag, Al, Pt, Cu, Ti, Ni, Mo, W, Pd 또는 이들의 합금일 수 있다.

이렇게 열적 저항이 많이 걸리는 기판(210)의 일부를 식각하고, 식각된 부분에 열 방출 금속부(270)을 형성함으로써, 활성층(250)에서 생성되는 열이 기판(210)에 형성된 열 방출 금속부(270)을 통해 서브마운트(310)로 빠져나가 소자의 효율을 향상시키는 것이다.

기판(210)의 식각된 부분에 열 방출 금속부(270)을 형성하면, 기판(210) 하부에 제1 전극층(280), N형 반도체층(260) 상부에 제2 전극층(290)을 형성하는데(도 4), 기판(210)의 하부에 형성되는 제1 전극층(280)은 기판(210) 하부의 전체면에 형성되거나, 소정의 형태로 패터닝되어 형성될 수 있다.

전극층(280, 290)은 진공증착, 스퍼터링 등 통상의 반도체 공정을 사용하여 형성되며, 그 재질에 제한이 있는 것은 아니다. 예를 들어, Au, Ag, Al, Pt, Cu, Ti, Ni, Mo, W, Pd 또는 이들의 합금은 물론, 단일 금속 또는 합금을 복수회 반복하여 형성할 수 있다.

또한, 전극층(280, 290)은 각각 100㎛ 내지 5mm의 두께로 형성됨이 바람직하다.

마지막으로, 발광 다이오드(200), 열 방출 금속부(270)를 포함하는 기판(210), 제1 전극층(280), 제2 전극층(290)으로 이루어진 구조물을 금속 접촉층(320)이 형성된 서브마운트(310)에 플립칩 본딩시켜 패키지 구조를 완성한다(도 5).

도 6 내지 도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 고효율 열방출 공진 발광 다이오드 패키지의 제조 공정도이다.

본 발명에 따른 고효율 열방출 공진 발광 다이오드 패키지는 식각 정지층(220), DBR층(230), P형 반도체층(240), 활성층(250), N형 반도체층(260)을 포함하는 발광 다이오드(200)와, 발광 다이오드(200) 하부에 형성된 제1 전극층(280)과 발광 다이오드(200) 상부에 형성된 제2 전극층(290) 및 제1 전극층(280) 하부에 형성되고, 상부에 금속 접촉층(320)이 형성된 서브마운트(310)를 포함한다.

일단, 기판(210) 상부에 식각 정지층(220), DBR층(230), P형 반도체층(240), 활성층(250), N형 반도체층(260)을 차례로 형성하는 것은 제1 실시예에서 설명한 것과 동일하다(도 2참조).

그러나 제2 실시예는 기판(210) 상부에 식각 정지층(220), DBR층(230), P형 반도체층(240), 활성층(250), N형 반도체층(260)을 차례로 형성한 후, 에피(epi)부분만을 남겨놓고 기판(210)을 전부 제거한다(도 6). 기판(210)은 건식 식각방법 등의 연마 공정을 통하여 식각 정지층(220)으로부터 제거될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이렇게 열적 저항이 많이 걸리는 기판(210)을 전부 제거하여, 활성층(250)에서 생성되는 열이 서브마운트(310)로 빠져나가 소자의 효율을 향상시키는 것이다.

기판(210)을 제거한 후, 발광 다이오드(200)의 제일 하부에 형성되어 있는 식각 정지층(220) 하부에 제1 전극층(280), 발광 다이오드(200)의 제일 상부에 형성되어 있는 N형 반도체층(260) 상부에 제2 전극층(290)을 형성한다(도 7). 전극층(280, 290)은 진공증착, 스퍼터링 등 통상의 반도체 공정을 사용하여 형성되며, 그 재질에 제한이 있는 것은 아니다. 예를 들어, Au, Ag, Al, Pt, Cu, Ti, Ni, Mo, W, Pd 또는 이들의 합금은 물론, 단일 금속 또는 합금을 복수회 반복하여 형성할 수 있다.

마지막으로, 발광 다이오드(200), 제1 전극층(280), 제2 전극층(290)으로 이루어진 구조물을 금속 접촉층(320)이 형성된 서브마운트(310)에 플립칩 본딩시켜 패키지 구조를 완성한다(도 8).

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양 한 변경과 수정이 가능할 것이다.

도 1은 종래에 따른 발광 다이오드의 단면도,

도 2 내지 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 고효율 열방출 공진 발광 다이오드 패키지의 제조 공정도,

도 6 내지 도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 고효율 열방출 공진 발광 다이오드 패키지의 제조 공정도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

200 : 발광 다이오드 210 : 기판

220 : 식각 정지층 230 : DBR층

240 : P형 반도체층 250 : 활성층

260 : N형 반도체층 270 : 열 방출 금속부

280 : 제1 전극층 290 : 제2 전극층

310 : 서브마운트 320 : 금속 접촉층

Claims (7)

1. 식각 정지층, DBR층, P형 반도체층, 활성층, N형 반도체층을 포함하는 발광 다이오드;

   상기 발광 다이오드 하부에 형성되고, 일부가 식각된 기판;

   상기 기판의 식각된 부분에 형성되고, 상기 발광 다이오드에서 생성되는 열을 방출하기 위한 열 방출 금속부;

   상기 열 방출 금속부를 포함하는 상기 기판 하부에 형성된 제1 전극층과 상기 발광 다이오드 상부에 형성된 제2 전극층; 및

   상기 제1 전극층 하부에 형성되고, 상부에 금속 접촉층이 형성된 서브마운트

   를 포함하는 고효율 열방출 공진 발광 다이오드 패키지.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 식각 정지층은 실리콘 산화물, 비정질 실리콘, 폴리 실리콘, 실리콘 질화물로 이루어진 고효율 열방출 공진 발광 다이오드 패키지.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 열 방출 금속부는 Au, Ag, Al, Pt, Cu, Ti, Ni, Mo, W, Pd 또는 이들의 합금으로 이루어진 고효율 열방출 공진 발광 다이오드 패키지.
4. 기판 상부에 식각 정지층, DBR층, P형 반도체층, 활성층, N형 반도체층을 포함하는 발광 다이오드를 형성하는 단계;

   상기 기판의 일부를 식각하는 단계;

   상기 기판의 식각된 부분에 상기 발광 다이오드에서 생성되는 열을 방출하기 위한 열 방출 금속부를 플레이팅 방법으로 형성하는 단계;

   상기 열 방출 금속부를 포함하는 상기 기판의 하부에 제1 전극층을 형성하는 단계;

   상기 발광 다이오드 상부에 제2 전극층을 형성하는 단계; 및

   상기 발광 다이오드, 열 방출 금속부를 포함한 기판, 제1 전극층, 제2 전극층으로 이루어진 구조물을 금속 접촉층이 형성된 서브마운트에 본딩시키는 단계

   를 포함하는 고효율 열방출 공진 발광 다이오드 패키지의 제조방법.
5. 기판 상부에 식각 정지층, DBR층, P형 반도체층, 활성층, N형 반도체층을 포함하는 발광 다이오드를 형성하는 단계;

   상기 발광 다이오드에 의한 열적 저항이 많이 걸리는 상기 기판의 전부를 식각하는 단계;;

   상기 발광 다이오드의 하부에 제1 전극층을 형성하는 단계;

   상기 발광 다이오드의 상부에 제2 전극층을 형성하는 단계; 및

   상기 발광 다이오드, 제1 전극층, 제2 전극층으로 이루어진 구조물을 금속 접촉층이 형성된 서브마운트에 본딩시키는 단계

   를 포함하는 고효율 열방출 공진 발광 다이오드 패키지의 제조방법.
6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 상기 발광 다이오드를 형성하는 단계는,

   상기 식각 정지층을 실리콘 산화물, 비정질 실리콘, 폴리 실리콘, 실리콘 질화물로 형성하는 단계를 포함하는 공진 발광 다이오드 패키지의 제조방법.
7. 제 4항에 있어서, 상기 열 방출 금속부를 형성하는 단계는,

   열 방출 금속부를 Au, Ag, Al, Pt, Cu, Ti, Ni, Mo, W, Pd 또는 이들의 합금으로 형성하는 것인 고효율 열방출 공진 발광 다이오드 패키지의 제조방법.

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