KR20110059401A - Light emitting diode package - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A light emitting diode package is provided to improve luminous efficiency by suppressing an efficiency droop phenomenon generated when a high current is inputted. CONSTITUTION: A horizontal LED is comprised of a sapphire substrate, a GaN buffer layer, an n-type GaN, an InGaN light emitting layer, and a P-type GaN layer. A horizontal LED is attached to the bottom of a package. A structure with a concave curvature is formed on the bottom of the package. The horizontal LED uses the thinly polished sapphire substrate as a support substrate. If the horizontal LED is die-bonded with the bottom of the package, the horizontal LED is bended with the curvature of the bottom. A piezoelectric polarization is generated by applying stress to an LED epitaxial wafer.

Description

발광 다이오드 패키지{Light Emitting Diode package}Light Emitting Diode Package

본 발명은 발광 다이오드 패키지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 고전류 주입 시 발생하는 'efficiency droop' 현상을 억제하여 발광 효율을 향상시킨 발광 다이오드 패키지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a light emitting diode package and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a light emitting diode package and a method of manufacturing the light emitting efficiency by suppressing the 'efficiency droop' phenomenon occurs during high current injection.

백색광원 GaN LED는 긴 수명, 소형화, 경량화 가능, 빛의 지향성이 강하고 저전압 구동이 가능하며 또한 예열 시간과 복잡한 구동회로가 필요하지 않고 충격 및 진동에 강하기 때문에, 다양한 형태의 고품격 조명 시스템의 구현이 가능하여 향후 10년 이내에 백열등, 형광등, 수은등과 기존의 백색 광원을 대체할 것으로 기대되어 많은 연구가 진행되고 있다. GaN LED가 기존의 수은등이나 형광등을 대체하여 백색광원으로서 쓰이기 위해서는 열적 안정성이 뛰어나야 할 뿐만 아니라 낮은 소비 전력에서도 고출력 빛을 발할 수 있어야 한다. 현재 백색광원으로 쓰이고 있는 수평구조 GaN청색 LED는 상대적으로 비용이 저렴하고 제작 공정이 간단하다는 장점이 있다. White light source GaN LED has long life, miniaturization, light weight, strong light directivity, low voltage driving, no need for preheating time, complicated driving circuit, and strong against shock and vibration. It is expected to replace incandescent lamps, fluorescent lamps, mercury lamps and existing white light sources within the next 10 years. In order for GaN LED to be used as a white light source to replace the existing mercury lamp or fluorescent lamp, it must not only have excellent thermal stability but also be able to emit high power at low power consumption. The horizontal GaN blue LED, which is currently used as a white light source, has the advantages of relatively low cost and simple manufacturing process.

조명에 적합한 고출력 고효율 LED를 구현하기 위해 LED 소자의 대면적화와 고전류 주입이 요구되는데, 일반적으로 LED는 매우 낮은 전류 주입 조건에서 가장 높은 양자 효율을 나타내며, 주입 전류가 증가함에 따라 양자 효율이 급격하게 감소하는 'efficiency droop' 현상이 발생한다. 따라서 LED가 기존의 조명 제품을 효과적으로 대체하기 위해서 'efficiency droop' 현상을 억제해야 한다. 지금까지 'efficiency droop' 현상에 대한 많은 연구는 이루어지고 있지만, 그 원인에 대해서 여전히 많은 논쟁이 이루어지고 있으며, 정확한 원인이 아직 규명되지 못하고 있다.  In order to realize a high output high efficiency LED suitable for lighting, a large area of the LED device and high current injection are required. In general, the LED shows the highest quantum efficiency at very low current injection conditions, and the quantum efficiency rapidly increases as the injection current increases. A decreasing 'efficiency droop' phenomenon occurs. Therefore, in order for LEDs to effectively replace existing lighting products, the 'efficiency droop' phenomenon must be suppressed. So far, much research has been conducted on the phenomenon of 'efficiency droop', but there is still a lot of controversy about the cause, and the exact cause has not yet been identified.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해, 고전류 주입시 발생하는 'efficiency droop' 현상을 억제하여 발광 효율을 향상시킨 발광 다이오드 패키지 및 그 제조 방법을 제공한다.In order to solve the above problems, there is provided a light emitting diode package and a method of manufacturing the same to improve the luminous efficiency by suppressing the 'efficiency droop' phenomenon occurs during high current injection.

본 발명은 발광 다이오드 패키지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 고전류 주입 시 발생하는 'efficiency droop' 현상을 억제하여 발광 효율을 향상시켜 고출력 고효율 수평형 LED를 구현하는 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명은 발광 다이오드 패키지의 제조 방법에 있어서, 수평형 LED가 부착되는 패키지 바닥면에 오목한 곡률을 가지는 기구물을 형성시키고, 곡률을 가지는 바닥면에 얇게 polishing된 사파이어 기판을 지지기판으로 사용하는 수평형 LED를 다이 본딩하면, 수평형 LED는 바닥면의 곡률에 의해 휘어지게 된다. 이때 LED 에피웨이퍼에 응력에 가해지게 되어, 이에 따라 양자 우물층의 압전 분극의 특성이 바뀌게 된다. 따라서 양자 우물층의 밴드 구조가 변화하게 되어 내부 양자 효율의 증가하고 'efficiency droop' 현상이 억제된다. 이렇게 제작된 수평형 LED 패키지는 고전류 주입 시 발생하는 'efficiency droop' 현상을 줄일 수 있어, 조명용 고출력 고효율 수평형 화합물 반도체 발광다이오드를 얻을 수 있게 된다.The present invention relates to a light emitting diode package and a method of manufacturing the same, and in particular, to suppress the 'efficiency droop' occurring during high current injection to improve the luminous efficiency, it is characterized in that a high output high efficiency horizontal LED is implemented. In the method of manufacturing a light emitting diode package, the present invention provides a concave curvature on the bottom surface of a package to which a horizontal LED is attached, and uses a sapphire substrate thinly polished on the bottom surface having a curvature as a supporting substrate. When die-bonding the balanced LEDs, the horizontal LEDs are bent by the curvature of the bottom surface. At this time, the stress is applied to the LED epiwafer, thereby changing the characteristics of the piezoelectric polarization of the quantum well layer. Therefore, the band structure of the quantum well layer is changed to increase the internal quantum efficiency and to suppress the 'efficiency droop' phenomenon. The fabricated horizontal LED package can reduce the 'efficiency droop' phenomenon generated at the time of high current injection, thereby obtaining a high output high efficiency horizontal compound semiconductor light emitting diode for lighting.

본 발명은 발광 다이오드 패키지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 수평형 LED가 부착되는 패키지 바닥면이 오목한 곡률을 가지는 것을 특징으로 한다. 곡률을 가지는 바닥면에 얇게 polishing된 사파이어 기판을 지지 기판으로 사용하는 수평형 LED를 다이 본딩하면, 수평형 LED는 바닥면의 곡률에 의해 휘어지게 된다. 이때 수평형 LED의 휘어짐에 의해 LED 에피웨이퍼에 응력에 가해지게 되어, 양자 우물층의 압전 분극을 감소시키고, 이에 따라 밴드 휘어짐이 완화되게 된다. 따라서 전자와 홀의 파장 함수의 겹침이 증가하게 되어 내부 양자 효율이 증가하게 되고 efficiency droop이 억제된다. 이렇게 제작된 수평형 LED 패키지는 고전류 주입 시 발생하는 'efficiency droop' 현상을 줄일 수 있어, 고출력 고효율 수평형 화합물 반도체 발광다이오드를 얻을 수 있게 된다.The present invention relates to a light emitting diode package and a method of manufacturing the same, wherein the bottom surface of the package to which the horizontal LED is attached has a concave curvature. When die-bonding a horizontal LED using a thinly polished sapphire substrate as a support substrate on a curvature bottom surface, the horizontal LED is bent by curvature of the bottom surface. At this time, the bending of the horizontal LED is applied to the stress on the LED epiwafer, thereby reducing the piezoelectric polarization of the quantum well layer, thereby alleviating the band bending. Therefore, the overlap of the wavelength function of the electron and the hole increases, thereby increasing the internal quantum efficiency and suppressing the efficiency droop. The fabricated horizontal LED package can reduce the 'efficiency droop' phenomenon generated at the time of high current injection, thereby obtaining a high output high efficiency horizontal compound semiconductor light emitting diode.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described an embodiment of the present invention; However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various forms, and only the embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention and to those skilled in the art. It is provided for complete information.

도 1a은 일반적인 수평형 발광 다이오드의 단면을 나타내는 모식도로, p형 및 n형 전극이 수평으로 배치되어 있다.1A is a schematic diagram showing a cross section of a general horizontal light emitting diode, in which p-type and n-type electrodes are arranged horizontally.

도 1b은 수평형 발광 다이오드에서 사용되는 일반적인 고출력 발광 다이오드 패키지의 일례를 나타내는 모식도로, LED가 부착되는 패키지 부분이 평평하게 형성되어 있다.FIG. 1B is a schematic diagram showing an example of a general high power light emitting diode package used in a horizontal light emitting diode, and a package portion to which an LED is attached is formed flat.

도 2는 본 발명의 곡률을 가지는 바닥면이 형성된 발광 다이오드 패키지의 실시예를 나타내는 모식도이다. 일반적인 c-plane 사파이어 기판위에 성장된 InGaN/GaN LED 에피웨이퍼는 사파이어 기판과 GaN의 열팽창 계수 차이와 격자 상수 차이에 의해 양자 우물에 압축 응력이 작용하여 압전 분극이 발생하고, Ga 원자와 N 원자의 수가 동일하지 않기 때문에 자발 분극 또한 존재하기 때문에 양자 우물의 밴드 구조의 휘어짐이 발생하여 내부 양자 효율이 하락하며, 전류 주입이 증가함에 따라 LED의 효율이 감소하는 'efficiency droop' 현상이 나타난다. 따라서 외부에 서 가해주는 응력을 조절하여 LED 에피웨이퍼의 양자 우물의 휘어짐을 완화하여 내부 양자 효율 향상과 함께 'efficiency droop' 현상을 억제할 수 있다. 사파이어 기판을 사용하는 수평형 LED에서, 사파이어 기판을 얇게 polishing하는 경우, 부착되는 패키지 바닥면의 곡률에 따라 사파이어 기판이 휘어질 수 있기 때문에, 바닥면의 곡률을 조절하면 사파이어 기판의 휘어지는 정도를 조절하면, LED 에피웨이퍼에 가해지는 응력을 조절할 수 있다. Figure 2 is a schematic diagram showing an embodiment of a light emitting diode package with a bottom surface having a curvature of the present invention. InGaN / GaN LED epiwafers grown on general c-plane sapphire substrates have a compressive stress on the quantum wells due to the difference in lattice constants and thermal expansion coefficients between the sapphire substrate and GaN. Since the number is not the same, there is also a spontaneous polarization, so that the band structure of the quantum well bends, resulting in a decrease in the internal quantum efficiency, and an 'efficiency droop' phenomenon in which the efficiency of the LED decreases as current injection increases. Therefore, by controlling the stress applied from the outside, the bending of the quantum well of the LED epiwafer can be alleviated, thereby improving the internal quantum efficiency and suppressing the 'efficiency droop' phenomenon. In horizontal LEDs using sapphire substrates, when polishing the sapphire substrate thinly, the sapphire substrate may be bent depending on the curvature of the bottom surface of the package to be attached. In this case, the stress applied to the LED epiwafer can be adjusted.

도 3은 평평한 바닥면을 가지는 수평형 LED과 오목한 바닥면을 가지는 수평형 LED의 EL 스펙트럼을 나타내고 있다. 오목한 바닥면을 가지는 수평형 LED의 경우 EL 스펙트럼에서 청색 파장으로 파장 이동과 함께, 광출력 또한 증가하는 것을 알 수 있다. 이러한 광출력의 증가는 광추출 효율이 동일한 LED에서 이루어지기 때문에 내부 양자 효율의 증가에 의한 것이다.3 shows EL spectra of a horizontal LED having a flat bottom surface and a horizontal LED having a concave bottom surface. In the case of a horizontal LED having a concave bottom surface, it can be seen that as the wavelength shifts from the EL spectrum to the blue wavelength, the light output also increases. This increase in light output is due to an increase in internal quantum efficiency because the light extraction efficiency is achieved in the same LED.

도 4는 평평한 바닥면과 오목한 바닥면을 가지는 수평형 LED의 InGaN/GaN 양자 우물의 밴드 변화를 나타내고 있다. 일반적인 c-plane 사파이어 기판에 성장된 LED 에피웨이퍼는 자발 분극와 압전 분극에 의해 양자 우물의 밴드가 휘어지게 되어 전자와 홀 파장 함수의 분리가 발생하여 내부 양자 효율이 감소한다. 이러한 LED 에피웨이퍼의 곡률이 변화하면, 응력이 가해져서 양자 우물의 밴드 휘어짐이 완화되어 전자와 홀의 파장 함수의 겹침 현상이 증가하여 내부 양자 효율이 증가하며, 따라서 광출력이 증가함을 알 수 있다. 도3의 중심 파장의 청색 이동은 압전 분극 감소에 따른 밴드 휘어짐이 완화되어 밴드갭이 증가하는 효과 때문이다.4 shows the band change of the InGaN / GaN quantum well of a horizontal LED having a flat bottom surface and a concave bottom surface. In LED epiwafers grown on a typical c-plane sapphire substrate, bands of quantum wells are bent by spontaneous and piezoelectric polarizations, resulting in separation of electron and hole wavelength functions, thereby reducing internal quantum efficiency. It can be seen that when the curvature of the LED epiwafer changes, stress is applied to alleviate the band warpage of the quantum well, thereby increasing the overlap of the wavelength function of electrons and holes, thereby increasing the internal quantum efficiency and thus increasing the light output. . The blue shift of the center wavelength of FIG. 3 is due to the effect of reducing band warpage due to the reduction of piezoelectric polarization and increasing the band gap.

도 1a은 p형 및 n형 전극이 수평으로 배치되어 있는 일반적인 수평형 발광 다이오드의 단면을 나타내는 도면이고,1A is a view showing a cross section of a general horizontal light emitting diode in which p-type and n-type electrodes are arranged horizontally,

도 1b은 평평한 바닥면을 가지는 일반적인 발광 다이오드 패키지의 일례를 나타내는 도면이고,1B is a view showing an example of a general light emitting diode package having a flat bottom surface,

도 2은 본 발명의 오목한 곡률을 가지는 바닥면이 형성된 발광 다이오드 패키지의 실시예를 나타내는 도면이고,2 is a view showing an embodiment of a light emitting diode package with a bottom surface having a concave curvature of the present invention,

도 3는 본 발명에서 평평한 바닥면과 오목한 바닥면에서의 수평형 LED의 EL 스펙트럼의 변화를 나타내는 도면이고,3 is a view showing the change in the EL spectrum of the horizontal type LED on the flat and concave bottom surface in the present invention,

도 4은 평평한 바닥면과 오목한 바닥면의 수평형 LED의 InGaN/GaN 양자 우물의 밴드 휘어짐 변화와 전자와 홀의 파동 함수를 나타낸 도면이다.FIG. 4 is a diagram showing a band warpage change and a wave function of electrons and holes in an InGaN / GaN quantum well of a horizontal LED having a flat bottom and a concave bottom.

Claims (6)

사파이어 기판, GaN 버퍼층, n-형 GaN, InGaN 발광층, p-형 GaN 층으로 구성되어 윗면에서 바라볼 때, 본딘패드가 2개인 수평형 LED를 다이 본딩 할 때, 다이 본딩 되는 바닥면이 오목한 곡률을 가지도록 패키지 구조를 형성하는 발광 다이오드 패키지의 제조 방법.Constrained curvature of the bottom surface die-bonded when die-bonding a horizontal LED with two bonded pads when viewed from the top, consisting of a sapphire substrate, a GaN buffer layer, an n-type GaN, an InGaN emitting layer, and a p-type GaN layer Method of manufacturing a light emitting diode package to form a package structure to have a. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 바닥면의 곡률이 0.1 (m-1)에서 100 (m-1) 사이가 되도록 형성하는 발광 다이오드 패키지의 제조 방법.A method of manufacturing a light emitting diode package formed so that the curvature of the bottom surface is between 0.1 (m -1 ) and 100 (m -1 ). 수평형 LED가 다이 본딩되는 바닥면이 반구의 모양을 가지도록 형성하는 단계를 포함하는 발광 다이오드 패키지의 제조 방법.A method of manufacturing a light emitting diode package, the method comprising forming a bottom surface of a horizontal LED to be die-bonded to have a hemisphere shape. 청구항 3에 있어서,The method of claim 3, 수평형 발광 다이오드 패키지 바닥면이 오목한 반구 모양을 가지도록 형성하 는 발광 다이오드 패키지의 제조 방법.A method of manufacturing a light emitting diode package, wherein the bottom surface of the horizontal light emitting diode package is formed to have a concave hemispherical shape. 청구항 4에 있어서,The method according to claim 4, 반구의 곡률이 0.1 (m-1)에서 100 (m-1) 사이가 되도록 형성하는 발광 다이오드 패키지의 제조 방법.A method of manufacturing a light emitting diode package formed so that the curvature of the hemisphere is between 0.1 (m -1 ) and 100 (m -1 ). 청구항 3에 있어서,The method of claim 3, 다수의 수평형 LED 어레이를 곡률을 가지는 패키지 바닥면에 다이 본딩하는 발광 다이오드 패키지의 제조 방법.A method of manufacturing a light emitting diode package by die bonding a plurality of horizontal LED array to the bottom surface of the package having a curvature.
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