KR20120002819A - 반도체 발광소자 및 반도체 발광소자 패키지 - Google Patents

반도체 발광소자 및 반도체 발광소자 패키지 Download PDF

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KR20120002819A
KR20120002819A KR1020100063522A KR20100063522A KR20120002819A KR 20120002819 A KR20120002819 A KR 20120002819A KR 1020100063522 A KR1020100063522 A KR 1020100063522A KR 20100063522 A KR20100063522 A KR 20100063522A KR 20120002819 A KR20120002819 A KR 20120002819A
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김유승
조명수
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성연준
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삼성엘이디 주식회사
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Abstract

본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 본 발명의 일 측면은, 기판과, 상기 기판 상에 형성되며, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 구비하는 발광구조물과, 상기 기판과 상기 제1 도전형 반도체층 사이에 상기 제1 도전형 반도체층과 전기적으로 연결되도록 형성되며, 상기 발광구조물의 외부로 노출된 제1 전기 연결부를 구비하는 제1 도전형 컨택층과, 상기 기판과 상기 제1 도전형 컨택층 사이에 형성되며, 상기 발광구조물의 외부로 노출된 제2 전기 연결부를 구비하는 제2 도전형 컨택층과, 상기 제2 도전형 컨택층으로부터 연장되어 형성되며, 상기 제1 도전형 컨택층, 제1 도전형 반도체층 및 활성층을 관통하여 상기 제2 도전형 반도체층과 접속된 도전성 비아 및 상기 제2 도전형 컨택층 및 상기 도전성 비아를 상기 제1 도전형 컨택층, 제1 도전형 반도체층 및 활성층과 전기적으로 분리시키기 위한 절연체를 포함하는 반도체 발광소자를 제공한다.

Description

반도체 발광소자 및 반도체 발광소자 패키지 {Semiconductor Light Emitting Device and Semiconductor Light Emitting Device Package}
본 발명은 반도체 발광소자 및 반도체 발광소자 패키지에 관한 것으로서, 특히, 전기적 특성과 외부 광 추출효율이 향상된 반도체 발광소자에 관한 것이다.
반도체 발광소자는 전류가 가해지면 p, n형 반도체의 접합 부분에서 전자와 정공의 재결합에 기하여, 다양한 색상의 빛을 발생시킬 수 있는 반도체 장치이다. 이러한 반도체 발광소자는 필라멘트에 기초한 발광소자에 비해 긴 수명, 낮은 전원, 우수한 초기 구동 특성, 높은 진동 저항 등의 여러 장점을 갖기 때문에 그 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 특히, 최근에는, 청색 계열의 단파장 영역의 빛을 발광할 수 있는 III족 질화물 반도체가 각광을 받고 있다.
이러한 III족 질화물 반도체를 이용한 발광소자를 구성하는 질화물 단결정은 사파이어 또는 SiC 기판과 같이 특정의 성장용 기판 상에서 형성된다. 하지만, 사파이어와 같이 절연성 기판을 사용하는 경우에는 전극의 배열에 큰 제약을 받게 된다. 즉, 종래의 질화물 반도체 발광소자는 전극이 수평방향으로 배열되는 것이 일반적이므로, 전류흐름이 협소 해지게 된다. 이러한 협소한 전류 흐름으로 인해, 발광소자의 동작 전압(Vf)이 증가하여 전류효율이 저하되며, 이와 더불어 정전기 방전(Electrostatic discharge)에 취약해지는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 수직 전극 구조를 갖는 반도체 발광소자가 연구되고 있다.
일반적으로, 수직 전극 구조 반도체 발광소자는 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층으로 이루어진 발광구조물의 상면 및 하면에 서로 다른 극성의 전극을 형성한 구조로서, 수평 전극 구조에 비하여 정전기 방전에 강한 장점이 있다. 그러나, 수직 전극 구조에서도 충분한 전류 분산 효과를 얻기 위해서는 전극을 대면적으로 형성할 필요가 있으며, 전극의 면적이 커질수록 발광구조물에서 방출되는 빛의 추출 효율이 저하되는 문제가 있다.
본 발명의 일 목적은 전류 분산 효과와 광 추출 효율이 향상되도록 전극의 배치가 최적화된 구조를 갖는 반도체 발광소자 및 반도체 발광소자 패키지를 제공하는 것에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 측면은,
기판과, 상기 기판 상에 형성되며, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 구비하는 발광구조물과, 상기 기판과 상기 제1 도전형 반도체층 사이에 상기 제1 도전형 반도체층과 전기적으로 연결되도록 형성되며, 상기 발광구조물의 외부로 노출된 제1 전기 연결부를 구비하는 제1 도전형 컨택층과, 상기 기판과 상기 제1 도전형 컨택층 사이에 형성되며, 상기 발광구조물의 외부로 노출된 제2 전기 연결부를 구비하는 제2 도전형 컨택층과, 상기 제2 도전형 컨택층으로부터 연장되어 형성되며, 상기 제1 도전형 컨택층, 제1 도전형 반도체층 및 활성층을 관통하여 상기 제2 도전형 반도체층과 접속된 도전성 비아 및 상기 제2 도전형 컨택층 및 상기 도전성 비아를 상기 제1 도전형 컨택층, 제1 도전형 반도체층 및 활성층과 전기적으로 분리시키기 위한 절연체를 포함하는 반도체 발광소자를 제공한다.
본 발명의 다른 측면은,
기판과, 상기 기판 상에 형성되며, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 구비하는 발광구조물과, 상기 기판과 상기 제1 도전형 반도체층 사이에 상기 제1 도전형 반도체층과 전기적으로 연결되도록 형성되며, 상기 발광구조물의 외부로 노출된 전기 연결부를 구비하는 제1 도전형 컨택층 및 상기 전기 연결부에 형성된 제1 전극 패드를 포함하는 반도체 발광소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 기판은 전기절연성 기판일 수 있다.
이 경우, 상기 기판은 알루미나, AlN 및 언도프 실리콘으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어질 수 있다.
이와 달리, 상기 기판은 도전성 기판일 수도 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제2 도전형 반도체층 표면에는 요철이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 발광구조물의 측면에 형성된 패시베이션층을 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 패시베이션층은 그 표면에 요철이 형성될 수 있다.
또한, 상기 패시베이션층은 상기 발광구조물의 상면까지 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 발광구조물의 상면에 형성된 언도프 반도체층을 더 포함 수 있다. 이 경우, 상기 언도프 반도체층은 그 표면에 요철이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층은 각각 p형 및 n형 반도체층일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1 및 제2 전기 연결부에 각각 형성된 제1 및 제2 전극 패드를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 도전성 비아는 상기 제2 도전형 반도체층과 그 내부에서 접속될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제2 도전형 반도체층 상면에 형성된 제2 전극 패드를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 측면은,
상술한 구조를 갖는 반도체 발광소자와, 제1 및 제2 도전체와, 상기 반도체 발광소자의 제1 및 제2 도전형 컨택층을 각각 상기 제1 및 제2 도전체와 전기적으로 연결시키는 와이어 및 상기 반도체 발광소자를 보호하는 봉지체를 포함하는 반도체 발광소자 패키지를 제공한다.
한편, 본 발명의 또 다른 측면은,
기판과, 상기 기판 상에 형성되며, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 구비하는 발광구조물과, 상기 기판과 상기 제1 도전형 반도체층 사이에 상기 제1 도전형 반도체층과 전기적으로 연결되도록 형성되며, 상기 기판 방향으로 연장되어 외부로 노출된 제1 전기 연결부를 구비하는 제1 도전형 컨택층과, 상기 기판과 상기 제1 도전형 컨택층 사이에 형성되며, 상기 기판 방향으로 연장되어 외부로 노출된 제2 전기 연결부를 구비하는 제2 도전형 컨택층과, 상기 제2 도전형 컨택층으로부터 연장되어 형성되며, 상기 제1 도전형 컨택층, 제1 도전형 반도체층 및 활성층을 관통하여 상기 제2 도전형 반도체층과 접속된 도전성 비아 및 상기 제2 도전형 컨택층 및 상기 도전성 비아를 상기 제1 도전형 컨택층, 제1 도전형 반도체층 및 활성층과 전기적으로 분리시키기 위한 절연체를 포함하는 반도체 발광소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 기판은 전기 절연성 기판일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 기판은 도전성 기판이며, 상기 절연체는 상기 기판과 상기 제1 전기 연결부 사이에 형성되어 서로 전기적으로 분리시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제2 도전형 컨택층에는 관통홀이 형성되며, 상기 제1 도전형 컨택층은 상기 제2 도전형 컨택층의 관통홀에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 기판은 하나 이상의 관통홀을 구비하며, 상기 제1 및 제2 도전형 컨택층은 각각 상기 기판의 관통홀에 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 발광소자의 경우, 전극의 배치 구조를 최적화함으로써 전류 분산 효과와 광 추출 효율이 향상될 수 있다. 나아가, 발광구조물을 지지하는 기판을 사용함에 있어서 반드시 전기전도성 물질을 이용하지 않아도 되는 이점을 제공하므로, 기판 설계의 자유도가 높아진다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 반도체 발광소자에서 제2 도전형 반도체층을 상부에서 바라본 개략적인 평면도이다.
도 3은 도 1의 실시 형태에서 변형된 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 5는 도 4의 실시 형태에서 변형된 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 7은 도 6의 실시 형태에서 변형된 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자 패키지를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 측면에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 2는 도 1의 반도체 발광소자에서 제2 도전형 반도체층을 상부에서 바라본 개략적인 평면도이다. 또한, 도 3은 도 1의 실시 형태에서 변형된 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시 형태에 따른 반도체 발광소자(100)는 기판(109) 상에 제1 도전형 컨택층(104)이 형성되며, 제1 도전형 컨택층(104) 상에는 발광구조물, 즉, 제1 도전형 반도체층(103), 활성층(102) 및 제2 도전형 반도체층(101)을 구비하는 구조가 형성된다. 제2 도전형 컨택층(107)은 제1 도전형 컨택층(104)과 기판(109) 사이에 형성되며, 도전성 비아(v)를 통하여 제2 도전형 반도체층(101)과 전기적으로 연결된다. 제1 및 제2 도전형 컨택층(104, 107)은 서로 전기적으로 분리되어 있으며, 이를 위하여 제1 도전형 컨택층(104)과 제2 도전형 컨택층(107) 사이에는 절연체(106)가 개재된다.
본 실시 형태에서, 제1 및 제2 도전형 반도체층(103, 101)은 각각 p형 및 n형 반도체층이 될 수 있으며, 질화물 반도체로 이루어질 수 있다. 따라서, 이에 제한되는 것은 아니지만, 본 실시 형태의 경우, 제1 및 제2 도전형은 각각 p형 및 n형 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 제1 및 제2 도전형 반도체층(103, 101)은 AlxInyGa(1-x-y)N 조성식(여기서, 0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1임)을 가지며, 예컨대, GaN, AlGaN, InGaN 등의 물질이 이에 해당될 수 있다. 제1 및 제2 도전형 반도체층(103, 101) 사이에 형성되는 활성층(102)은 전자와 정공의 재결합에 의해 소정의 에너지를 갖는 광을 방출하며, 양자우물층과 양자장벽층이 서로 교대로 적층된 다중 양자우물(MQW) 구조로 이루어질 수 있다. 다중 양자우물 구조의 경우, 예컨대, InGaN/GaN 구조가 사용될 수 있다. 한편, 제1 및 제2 도전형 반도체층(103, 101)과 활성층(102)은 당 기술 분야에서 공지된 MOCVD, MBE, HVPE 등과 같은 반도체층 성장 공정을 이용하여 형성될 수 있을 것이다.
제1 도전형 컨택층(104)은 활성층(102)에서 방출된 빛을 반도체 발광소자(100)의 상부, 즉, 제2 도전형 반도체층(101) 방향으로 반사하는 기능을 수행할 수 있으며, 나아가, 제1 도전형 반도체층(103)과 오믹 컨택을 이루는 것이 바람직하다. 이러한 기능을 고려하여, 제1 도전형 컨택층(104)은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 등의 물질을 포함할 수 있다. 이 경우, 자세하게 도시하지는 않았으나, 제1 도전형 컨택층(104)은 2층 이상의 구조로 채용되어 반사 효율을 향상시킬 수 있으며, 구체적인 예로서, Ni/Ag, Zn/Ag, Ni/Al, Zn/Al, Pd/Ag, Pd/Al, Ir/Ag. Ir/Au, Pt/Ag, Pt/Al, Ni/Ag/Pt 등을 들 수 있다. 본 실시 형태에서 제1 도전형 컨택층(104)은 일부가 외부로 노출될 수 있으며, 도시된 것과 같이, 상기 노출 영역은 상기 발광구조물이 형성되지 않은 영역이 될 수 있다. 제1 도전형 컨택층(104)의 상기 노출 영역은 전기 신호를 인가하기 위한 제1 전기연결부에 해당하며, 그 위에는 제1 전극 패드(105)가 형성될 수 있다. 이 경우, 제1 전극 패드(105)는 와이어 본딩 등을 위한 전기 연결 영역으로 제공된다.
제2 도전형 컨택층(107)은 그 기능이나 구성 물질 등의 측면에서는 제1 도전형 컨택층(104)과 유사하며, 다만, 제2 도전형 반도체층(101)과 전기적으로 연결되므로, 제1 도전형 컨택층(104)과는 전기적으로 분리될 필요가 있다. 즉, 제2 도전형 반도체층(101)은 제2 도전형 컨택층(107)을 통하여 전기 신호를 인가받을 수 있으며, 이를 위하여, 제2 도전형 컨택층(107)에서 발광구조물의 외부로 노출된 제2 전기연결부에는 제2 전극 패드(108)가 형성될 수 있다. 상술한 바와 같이, 제2 도전형 컨택층(107)은 도전성 비아(v)를 통하여 제2 도전형 반도체층(101)과 연결된다. 도전성 비아(v)는 제2 도전형 반도체층(101)과 접속되며, 접촉 저항이 낮아지도록 개수, 형상, 피치, 제2 도전형 반도체층(101)과의 접촉 면적 등이 적절히 조절될 수 있다. 본 실시 형태의 경우, 도전성 비아(v)는 제2 도전형 반도체층(101)과 그 내부에서 접속되어 있으나, 실시 형태에 따라, 도전성 비아(v)는 제2 도전형 반도체층(101)의 표면과 접속되도록 형성될 수도 있을 것이다. 또한, 도전성 비아(v) 중 제2 도전형 반도체층(101)과 접촉하는 영역은 오믹 컨택을 이룰 수 있는 물질로 채용될 수 있으며, 이에 의해 다른 부분과 서로 다른 물질로 이루어질 수 있다.
한편, 도전성 비아(v)는 활성층(102), 제1 도전형 반도체층(103) 및 제1 도전형 컨택층(104)과는 전기적으로 분리될 필요가 있으므로, 도전성 비아(v)와 이들 사이에는 절연체(106)가 형성된다. 절연체(106)는 전기 절연성을 갖는 물체라면 어느 것이나 채용 가능하지만, 빛을 최소한으로 흡수하는 것이 바람직하므로, 예컨대, SiO2, SiOxNy, SixNy 등의 실리콘 산화물, 실리콘 질화물을 이용할 수 있을 것이다.
기판(109)은 반도체 성장용 기판의 제거를 위하여 레이저 리프트 오프 등의 공정을 수행할 시 상기 발광구조물을 지지하는 지지체의 역할을 수행하며, 본 실시 형태의 경우, 전기전도성 물질과 전기절연성 물질을 모두 사용할 수 있다. 우선, 지지 기판(109)으로서 도전성 기판을 사용할 경우, 상기 도전성 기판은 그 자체로 또는 제2 전극 패드(108)와 더불어 발광소자의 전극 역할을 수행하게 된다. 이 경우, 도전성 기판으로는 Au, Ni, Al, Cu, W, Si, Se, GaAs 중 어느 하나를 포함하는 물질, 예컨대, Si에 Al 도핑된 물질로 이루어질 수 있다. 이 경우, 선택된 물질에 따라, 도전성 기판은 도금 또는 본딩 접합 등의 방법으로 형성될 수 있을 것이다.
그러나, 전기전도성 물질로만 기판(109)을 형성해야된다면 그 물질 선택이 크게 제한되는 문제가 있으므로, 본 실시 형태에서는 전기절연성 물질로도 기판(109)을 형성할 수 있도록 하였다. 이를 위하여, 전극 구조 즉, 제1 및 제2 제2 도전형 컨택층(104, 107)을 기판(109)과 관계없이 동작할 수 있도록 발광구조물 외부로 노출시키고 각각에 전극 패드(105, 108)를 형성하였다. 기판(109)을 이루는 물질에 특별히 제한이 없어질 경우, 전극 물질 선택에 있어서 자유도가 커진다. 따라서, 전기절연성 물질 중에서 방열 특성이 우수하거나 발광구조물을 이루는 물질과 열팽창계수 차이가 작은 물질 등을 적절히 선택하여 이용할 수 있으며, 나아가, 재료의 단가나 낮은 물질로 고려 대상이 될 수 있을 것이다. 이러한 조건을 충족하는 물질로서, 예컨대, 알루미나, AlN, 언도프 실리콘 등이 이에 해당한다.
한편, 제1 및 제2 제2 도전형 컨택층(104, 107)이 발광구조물 외부로 노출되며, 노출된 전기연결부 각각에 전극 패드(105, 108)가 형성된 구조의 경우, 상술한 바와 같이, 기판(109)을 다양하게 선택할 수 있는 이점을 제공함과 더불어 전극 패드(105, 108)의 위치가 종래의 수평 구조의 발광소자와 유사하다. 따라서, 본 실시 형태에 따른 반도체 발광소자(100)를 패키지로 구현함에 있어서, 새로운 패키지 구조를 설계할 필요가 없이 종래의 수평 구조 발광소자를 구비한 패키지를 그대로 활용할 수 있다. 즉, 리드 프레임이나 기판의 전극 패턴 상에 발광소자(100)를 실장하고 제1 및 제2 전극 패드(105, 108) 각각에 와이어를 연결된 패키지 구조가 되며, 이는 수평 구조 발광소자 패키지와 구조가 실질적으로 동일하다.
상술한 바와 같이, 제2 도전형 반도체층(101)의 전기 연결을 위하여 도전성 비아(v)이 이용되며, 제2 도전형 반도체층(101) 상면에 따로 전극을 형성할 필요가 없다. 이에 따라, 제2 도전형 반도체층(101) 상면으로 방출되는 빛의 양이 증가될 수 있다. 이 경우, 활성층(102)의 일부에 도전성 비아(v)가 형성되어 발광 영역이 줄어들기는 하지만, 제2 도전형 반도체층(101) 상면의 전극이 없어짐으로써 얻을 수 있는 광 추출 효율 향상 효과가 더 크다고 할 수 있다. 한편, 본 실시 형태에 따른 반도체 발광소자(100)는 제2 도전형 반도체층(101) 상면에 전극이 배치되지 않음에 따라 전체적인 전극의 배치가 수직 전극 구조보다는 수평 전극 구조와 유사하다고 볼 수 있지만, 제2 도전형 반도체층(101) 내부에 형성된 도전성 비아(v)에 의하여 전류 분산 효과가 충분히 보장될 수 있다. 한편, 광 추출 효율을 더욱 향상시키기 위한 측면에서, 도 3의 변형된 예에 따른 반도체 발광소자(100`)와 같이, 제2 도전형 반도체층(101)의 표면에 요철을 형성할 수 있다. 예컨대, 제2 도전형 반도체층(101)의 요철은 반도체 성장용 기판을 발광구조물로부터 제거한 후에 제2 도전형 반도체층(101)을 습식 에칭함으로써 얻어질 수 있다. 다만, 본 명세서에 사용된 수직, 수평 등의 용어는 본 발명에 관계된 구조를 용이하게 설명하기 위해 편의상 사용한 것이며, 본 발명의 범위는 이러한 용어들에 의해 한정되지 아니하고, 변형되거나 균등범위에 해당하는 구조 및 범위에까지 미친다는 것은 자명하다 할 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 5는 도 4의 실시 형태에서 변형된 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 우선, 도 4를 참조하면, 본 실시 형태에 따른 반도체 발광소자(200)는 앞선 실시 형태와 같이, 기판(209) 상에 제1 도전형 컨택층(204)이 형성되며, 제1 도전형 컨택층(204) 상에는 발광구조물, 즉, 제1 도전형 반도체층(203), 활성층(202) 및 제2 도전형 반도체층(201)을 구비하는 구조가 형성된다. 제2 도전형 컨택층(207)은 제1 도전형 컨택층(204)과 기판(209) 사이에 형성되며, 도전성 비아(v)를 통하여 제2 도전형 반도체층(201)과 전기적으로 연결된다. 제1 및 제2 도전형 컨택층(204, 207)은 서로 전기적으로 분리되어 있으며, 이를 위하여 제1 도전형 컨택층(204)과 제2 도전형 컨택층(207) 사이에는 절연체(206)가 개재된다. 여기에 추가적으로, 본 실시 형태의 경우, 발광구조물의 측면을 덮도록 패시베이션층(210)이 형성된다. 패시베이션층(210)은 발광구조물, 특히, 활성층(202)을 외부로부터 보호하는 것으로서, SiO2, SiOxNy, SixNy 등의 실리콘 산화물, 실리콘 질화물로 이루어질 수 있으며, 그 두께는 0.1 ~ 2㎛ 정도가 바람직하다. 외부로 노출된 활성층(202)은 반도체 발광소자(200)의 작동 중에 전류 누설 경로로 작용할 수 있으며, 패시베이션층(210)을 발광구조물의 측면에 형성함으로써 이러한 문제를 방지할 수 있다.
이러한 점을 고려하여, 패시베이션층(208)은 제1 및 제2 도전형 컨택층(204, 208)의 노출된 상면, 즉, 전기연결부에도 연장되어 형성될 수 있다. 또한, 패시베이션층(210)은 도 4에 도시된 것과 같이, 발광구조물의 상면, 즉, 제2 도전형 반도체층(101)의 상면에도 형성될 수 있으며, 이 경우, 상면에 형성된 부분은 실리콘 산화물이나 실리콘 질화물로 이루어질 수 있으나, 반도체층 성장 과정에서 버퍼층으로 기능하는 언도프 반도체층이나 언도프 반도체층과 실리콘 산화물이나 실리콘 질화물의 적층 구조일 수도 있다. 한편, 광 추출 효율을 향상시키기 위한 측면에서, 도 5의 반도체 발광소자(200`)와 같이, 패시베이션층(210)에 적절한 식각 공정을 적용하여 표면에 요철을 형성하는 것이 바람직하다. 한편, 도 4 및 도 5에서 설명한 실시 예는 후술할 도 6 및 도 7의 발광소자에도 적용될 수 있을 것이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 7은 도 6의 실시 형태에서 변형된 실시 형태에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 우선, 도 6을 참조하면, 본 실시 형태에 따른 반도체 발광소자(300)는 기판(309) 상에 제1 도전형 컨택층(304)이 형성되며, 제1 도전형 컨택층(304) 상에는 발광구조물, 즉, 제1 도전형 반도체층(303), 활성층(302) 및 제2 도전형 반도체층(301)을 구비하는 구조가 형성된다. 본 실시 형태의 경우, 수직구조를 기반으로 하되, 앞선 실시 형태와 같이, 지지체에 해당하는 기판(309)을 형성함에 있어 전기전도성 및 전기절연성 물질을 모두 사용할 수 있도록 하였다. 이를 위하여, 제1 도전형 컨택층(304)은 발광구조물의 외부로 노출된 전기연결부를 가지며, 상기 전기연결부에 제1 전극 패드(305)가 형성된다. 제2 전극 패드(308)는 종래의 수직 구조 발광소자와 같이 제2 도전형 반도체층(308)의 상면에 형성된다. 이에 따라, 기판(309)을 반드시 전극으로 사용할 필요가 없으므로, 전기절연성 물질 중에서도 열전도성이나 열팽창계수 등을 고려하여 적절한 물질을 선택할 수 있다.
본 실시 형태의 경우, 일반적인 수직 구조 발광소자와 유사하게 지지체에 해당하는 기판(309)을 사용하지만, 제1 및 제2 전극 패드(305, 308)의 위치는 종래의 수평 구조 발광소자와 유사하다. 따라서, 패키지 구조를 구현함에 있어서 새로운 설계가 요구되지 아니하는 장점을 제공한다. 한편, 앞선 실시 형태와 마찬가지로, 광 추출 효율을 더욱 향상시키기 위한 측면에서, 도 7의 변형된 예에 따른 반도체 발광소자(300`)와 같이, 제2 도전형 반도체층(301)의 표면에 요철을 형성할 수 있다.
한편, 상술한 구조를 갖는 반도체 발광소자의 경우, 전극이 칩 상부를 향하여 배치되므로 전기 연결 구조인 도전체로서 도전성 와이어를 갖는 패키지에 적용될 수 있다. 도 8은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 반도체 발광소자 패키지를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 8을 참조하면, 반도체 발광소자 패키지(400)는 제1 및 제2 리드 프레임(401, 402), 패키지 본체(403)를 구비하며, 패키지 본체(403) 내부에 배치된 반도체 발광소자(100`)는 도전성 와이어(W)에 의하여 제1 및 제2 리드 프레임(401, 402)과 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 패키지 본체(403)의 캐비티 구조에는 반도체 발광소자(100`)와 도전성 와이어(W) 등을 보호하도록 봉지체(404)가 형성될 수 있다. 도 8에서는 도 3의 반도체 발광소자(100`)의 패키지 구조를 나타내고 있으나, 다른 실시 형태에서 설명한 소자도 유사한 방식으로 적용될 수 있을 것이다. 본 발명에서 제안하는 반도체 발광소자는 전극이 칩 상부를 향하여 배치되므로 전기 연결 구조로서 도전성 와이어를 구비하는 통상적인 패키지 구조를 그대로 이용할 수 있다. 다만, 패키지 구조는 도 8에 도시된 것에서 적절히 변형될 수 있으며, 예컨대, 패키지 본체를 따로 구비하지 않고, 평판형 리드 프레임에 반도체 발광소자가 배치되며, 상기 리드 프레임과 반도체 발광소자를 지지하도록 투명 수지가 형성된 컴팩트한 구조도 이용될 수 있을 것이다.
앞선 실시 형태에서는 모두 반도체 발광소자의 전극이 칩 상부를 향하여 배치되어 있으나, 이와 반대로 전극이 칩 하부를 향하도록 구조적인 변형도 가능하다. 도 9는 본 발명의 다른 측면에 따른 반도체 발광소자를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 도 9를 참조하면, 본 실시 형태에 따른 반도체 발광소자(500)는 기판(509) 상에 제1 도전형 컨택층(504)이 형성되며, 제1 도전형 컨택층(504) 상에는 발광구조물, 즉, 제1 도전형 반도체층(503), 활성층(502) 및 제2 도전형 반도체층(501)을 구비하는 구조가 형성된다. 제2 도전형 컨택층(507)은 제1 도전형 컨택층(504)과 기판(509) 사이에 형성되며, 도전성 비아(v)를 통하여 제2 도전형 반도체층(501)과 전기적으로 연결된다. 제1 및 제2 도전형 컨택층(504, 507)은 서로 전기적으로 분리되어 있으며, 이를 위하여 제1 도전형 컨택층(504)과 제2 도전형 컨택층(507) 사이에는 절연체(506)가 개재된다.
본 실시 형태의 경우, 제1 도전형 컨택층(504)은 기판(509) 방향으로 연장되어 외부로 노출된 제1 전기 연결부(505)를 구비하며, 이와 유사하게, 제2 도전형 컨택층(507)은 기판(509) 방향으로 연장되어 외부로 노출된 제2 전기 연결부(508)를 구비한다. 이러한 구조를 갖기 위하여, 제1 도전형 컨택층(504)은 제2 도전형 컨택층(507)에 형성된 관통홀에 형성될 수 있으며, 상기 관통홀에는 제1 및 제2 도전형 컨택층(504, 507)을 전기적으로 분리시키기 위하여 절연체(506)가 형성된다. 또한, 도 9에 도시된 것과 같이, 제1 및 제2 도전형 컨택층(504, 507)은 기판(509)에 형성된 관통홀에 형성될 수 있다.
제1 및 제2 전기 연결부(505, 508)이 소자의 하부로 노출되어 있으므로, 기판(509)은 전기 절연성 기판을 이용할 수 있으며, 예컨대, 세라믹이나 사파이어 등과 같은 물질로 이루어진 기판 중에서 열 전도성, 열팽창계수 등의 특성을 이용하여 적절히 선택할 수 있다. 전기 절연성 기판 외에 도전성 물질로도 기판(509)을 형성할 수 있으며, 예컨대, Au, Ni, Al, Cu, W, Si, Se, GaAs 중 어느 하나를 포함하는 물질로 이루어진 기판을 사용할 수 있다. 도 9에는 도시되어 있지 아니하지만, 기판(509)이 도전성 물질로 이루어진 경우에는 절연체(506)가 기판(509)과 제1 도전형 컨택층(507) 사이에 형성될 필요가 있을 것이다. 본 실시 형태와 같이, 소자의 하부로 전극이 노출된 구조의 경우, 소자(500)를 기판이나 리드 프레임 등에 바로 실장할 수 있으며, 도전성 와이어를 이용하지 않아 신뢰성, 광 추출 효율, 공정 편의성 등의 측면에서 장점을 제공한다.
본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
101: 제2 도전형 반도체층 102: 활성층
103: 제1 도전형 반도체층 104: 제1 도전형 컨택층
105: 제1 전극 패드 106: 절연체
107: 제2 도전형 컨택층 108: 제2 전극 패드
109: 기판 110: 패시베이션층
v: 도전성 비아

Claims (21)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 형성되며, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 구비하는 발광구조물;
    상기 기판과 상기 제1 도전형 반도체층 사이에 상기 제1 도전형 반도체층과 전기적으로 연결되도록 형성되며, 상기 발광구조물의 외부로 노출된 제1 전기 연결부를 구비하는 제1 도전형 컨택층;
    상기 기판과 상기 제1 도전형 컨택층 사이에 형성되며, 상기 발광구조물의 외부로 노출된 제2 전기 연결부를 구비하는 제2 도전형 컨택층;
    상기 제2 도전형 컨택층으로부터 연장되어 형성되며, 상기 제1 도전형 컨택층, 제1 도전형 반도체층 및 활성층을 관통하여 상기 제2 도전형 반도체층과 접속된 도전성 비아; 및
    상기 제2 도전형 컨택층 및 상기 도전성 비아를 상기 제1 도전형 컨택층, 제1 도전형 반도체층 및 활성층과 전기적으로 분리시키기 위한 절연체;
    를 포함하는 반도체 발광소자.
  2. 기판;
    상기 기판 상에 형성되며, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 구비하는 발광구조물;
    상기 기판과 상기 제1 도전형 반도체층 사이에 상기 제1 도전형 반도체층과 전기적으로 연결되도록 형성되며, 상기 발광구조물의 외부로 노출된 전기 연결부를 구비하는 제1 도전형 컨택층; 및
    상기 전기 연결부에 형성된 제1 전극 패드;
    를 포함하는 반도체 발광소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기판은 전기절연성 기판인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 기판은 알루미나, AlN 및 언도프 실리콘으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기판은 도전성 기판인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층 표면에는 요철이 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 발광구조물의 측면에 형성된 패시베이션층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 패시베이션층은 그 표면에 요철이 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 패시베이션층은 상기 발광구조물의 상면까지 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  10. 제1항 또는 제2에 있어서,
    상기 발광구조물의 상면에 형성된 언도프 반도체층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 언도프 반도체층은 그 표면에 요철이 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 도전형 반도체층은 각각 p형 및 n형 반도체층인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전기 연결부에 각각 형성된 제1 및 제2 전극 패드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 도전성 비아는 상기 제2 도전형 반도체층과 그 내부에서 접속된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  15. 제2항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층 상면에 형성된 제2 전극 패드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  16. 제1항 또는 제2항에 따른 반도체 발광소자;
    제1 및 제2 도전체;
    상기 반도체 발광소자의 제1 및 제2 도전형 컨택층을 각각 상기 제1 및 제2 도전체와 전기적으로 연결시키는 와이어; 및
    상기 반도체 발광소자를 보호하는 봉지체;
    를 포함하는 반도체 발광소자 패키지.
  17. 기판;
    상기 기판 상에 형성되며, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 구비하는 발광구조물;
    상기 기판과 상기 제1 도전형 반도체층 사이에 상기 제1 도전형 반도체층과 전기적으로 연결되도록 형성되며, 상기 기판 방향으로 연장되어 외부로 노출된 제1 전기 연결부를 구비하는 제1 도전형 컨택층;
    상기 기판과 상기 제1 도전형 컨택층 사이에 형성되며, 상기 기판 방향으로 연장되어 외부로 노출된 제2 전기 연결부를 구비하는 제2 도전형 컨택층;
    상기 제2 도전형 컨택층으로부터 연장되어 형성되며, 상기 제1 도전형 컨택층, 제1 도전형 반도체층 및 활성층을 관통하여 상기 제2 도전형 반도체층과 접속된 도전성 비아; 및
    상기 제2 도전형 컨택층 및 상기 도전성 비아를 상기 제1 도전형 컨택층, 제1 도전형 반도체층 및 활성층과 전기적으로 분리시키기 위한 절연체;
    를 포함하는 반도체 발광소자.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 기판은 전기 절연성 기판인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 기판은 도전성 기판이며, 상기 절연체는 상기 기판과 상기 제1 전기 연결부 사이에 형성되어 서로 전기적으로 분리시키는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 제2 도전형 컨택층에는 관통홀이 형성되며, 상기 제1 도전형 컨택층은 상기 제2 도전형 컨택층의 관통홀에 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 기판은 하나 이상의 관통홀을 구비하며, 상기 제1 및 제2 도전형 컨택층은 각각 상기 기판의 관통홀에 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
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