KR20130052022A - 광전자 반도체칩 상에 변환 수단을 제공하기 위한 방법 및 광전자 소자 - Google Patents
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Abstract
적어도 하나의 실시예에서, 본 발명에 따른 방법은 광전자 반도체칩(2) 상에 변환 수단(3)을 제공하기 위해 사용된다. 상기 방법은 아래의 단계들을 포함한다: 광전자 반도체칩(2)을 제공하는 단계; 변환 수단(3)을 제공하는 단계(이때 상기 변환 수단(3)은 캐리어(4)의 캐리어 주측(40)에 설치됨); 상기 변환 수단(3)이 상기 반도체칩(2)에 대해 간격(D)＞0을 갖도록 상기 변환 수단(3)을 배치하는 단계; 상기 캐리어(4)를 조사하는 펄스화된 레이저 빔(6)에 의해 상기 변환 수단(3)의 흡수제 성분(36) 및/또는 상기 변환 수단(3)과 상기 캐리어(4) 사이에 배치된 분리층(56)을 조사(irradiation) 및 가열함으로써 상기 캐리어(4)로부터 변환 수단(3)을 분리하여 상기 반도체칩(2)에 제공하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 광전자 소자의 광전자 반도체칩 상에 변환 수단을 제공하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이에 상응하는 광전자 소자에 관한 것이다.
본 발명에서 해결하려는 과제는 변환 수단을 미리 정해질 수 있는 색장소(colour location)에 상응하는 전체 두께로 광전자 반도체칩 상에 제공할 수 있는 방법 그리고 상기 방법에 의해 제조된 광전자 소자를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 방법의 적어도 한 실시예에 따르면, 상기 방법은 광전자 반도체칩 상에 변환 수단을 제공하기 위해 사용된다. 상기 변환 수단은 하나의 변환 재료를 포함하며, 상기 변환 재료는 광전자 반도체칩에 의해 방출된 방사선을 부분적으로 또는 완전히 다른 파장의 방사선으로 변환시키도록 설계되어 있다. 예컨대 상기 변환 수단은 매트릭스 물질(matrix material)을 가지며, 상기 매트릭스 물질 내에 변환 재료가 삽입되어 있다. 상기 매트릭스 물질로는 바람직하게 폴리머 또는 적어도 하나의 폴리머용 출발 물질이 사용된다. 상기 변환 재료는 희토류로 도핑된 석류석(garnet), 예컨대 Ce:YAG 또는 Eu:YAG를 포함하거나 상기 물질로 이루어진다. 반도체칩으로는 바람직하게 발광 다이오드가 사용된다.
본 발명에 따른 방법의 적어도 한 실시예에 따르면, 상기 방법은 광전자 반도체칩을 제공하는 단계를 포함하며, 이때 상기 반도체칩은 방사선 주측을 갖는다. 상기 방사선 주측은 반도체칩의 경계 영역이며, 상기 경계 영역을 통해 반도체칩 내에서 생성된 방사선이 대부분 반도체칩으로부터 방출된다. 본 경우에서 "대부분"이라는 표현은 특히 50% 보다 큰 또는 75% 보다 큰 비율을 의미한다. 상기 방사선 주측은 바람직하게는 예컨대 에피택셜하게 제조된 반도체칩의 성장 방향에 대해 수직으로 방향 설정된다. 상기 반도체칩은 칩 기판(chip substrate) 상에 설치될 수 있으며, 이때 상기 칩 기판으로는 반도체칩의 성장 기판 또는 성장 기판과 다른 캐리어 기판이 사용될 수 있다. 상기 방사선 주측은 상기 칩 기판으로부터 바람직하게는 멀리 떨어져 마주 놓여있다.
본 발명에 따른 방법의 적어도 한 실시예에 따르면, 상기 방법은 변환 수단을 제공하는 단계를 포함한다. 상기 변환 수단은 적어도 한 층 내에서 캐리어 주측에 적어도 간접적으로 설치된다. 상기 캐리어는 기계적으로 플렉시블하거나 기계적으로 고정된 형태로 형성될 수 있다. 상기 캐리어는 자외선 및/또는 가시광선 스펙트럼의 적어도 한 부분 영역 내에서 투과성(transparency)을 지닌다.
본 발명에 따른 방법의 적어도 한 실시예에 따르면, 상기 방법은 변환 수단을 배치하는 단계를 포함한다. 상기 변환 수단은 이 변환 수단이 반도체칩의 방사선 주측을 향하도록 캐리어 상에 배치된다. 다시 말하면, 상기 변환 수단의 층이 방사선 주측과 캐리어 사이에 배치된다. 상기 변환 수단과 방사선 주측 사이에 있는 영역은 진공화되거나(evacuated) 가스로 채워질 수 있다. 바람직하게는 상기 변환 수단의 층은 방사선 주측을 향해 있는 변환 수단 주측이 반도체칩의 방사선 주측에 대해 평행하게 방향 설정되는 방식으로 제공된다. 바람직하게는 방사선 주측의 법선 벡터(normal vector)가 예컨대 최대 15°의 허용치(tolerance)에 의해 변환 수단 주측의 수직 상부 및 수직 하부로 향한다. 본 경우에서 "수직 상부"라는 표현은 중력의 반대 방향을 의미하며, "수직 하부"라는 표현은 중력 방향을 의미한다.
본 발명에 따른 방법의 적어도 한 실시예에 따르면, 상기 방법은 캐리어로부터 변환 수단을 분리하는 방법을 포함한다. 이러한 분리는 변환 수단의 흡수제 성분(absorber component)을 가열함으로써, 그리고/또는 변환 수단과 캐리어 사이에 배치되는 분리층을 가열함으로써 이루어진다. 이러한 가열에 의해 흡수제 성분 또는 흡수제 성분을 직접적으로 둘러싸는 변환 수단의 영역들 또는 분리층의 분리 재료가 적어도 부분적으로 기체상으로 변환된다. 기체상으로 변환되는 재료는 캐리어에 가깝게 배치되고 따라서 반도체칩의 방사선 주측으로부터 멀리 떨어져 마주 놓인 변환 수단 측에 배치된다. 기체상으로 변하면서 부피 팽창이 이루어지며, 이를 통해 변환 수단이 캐리어로부터 분리된다. 이러한 분리는 특히 예컨대 최대 30° 또는 최대 15°의 허용치에 의해 캐리어 주측에 대해 수직 방향으로 이루어진다.
이러한 방식으로 방향 설정된 분리에 의해 변환 수단은 방사선 주측 상에 제공된다.
본 발명에 따른 방법의 적어도 한 실시예에 따르면, 변환 수단의 흡수제 성분은 변환 재료와 상이하다. 특히 상기 변환 수단의 흡수제 성분은 파장 변환에 영향을 미치지 않는다. 바람직하게는 상기 흡수제 성분은 반도체칩 및/또는 변환 수단에 의해 동작시 생성된 방사선을 흡수하지 않거나 대체로 흡수하지 않는다.
본 발명에 따른 방법의 적어도 한 실시예에 따르면, 변환 수단의 분리 및 제공은 펄스화된 레이저 빔에 의해 이루어진다. 상기 레이저 빔은 캐리어를 통해 조사하는데, 상기 캐리어는 레이저 빔에 대해 투과성을 지니도록 형성되어 있다. "투과성을 지닌다"는 표현은 캐리어가 예컨대 레이저 빔의 10 % 미만 또는 1 % 미만을 흡수한다는 것을 의미한다. 상기 레이저 빔은 흡수제 성분 또는 분리층에 의해 흡수됨으로써, 상기 흡수제 성분 또는 상기 분리층의 가열이 이루어진다. 상기 레이저 빔은 바람직하게는 반도체칩에 의해 동작시 방출된 방사선의 파장보다 더 작은 파장을 갖는다.
본 발명에 따른 방법의 적어도 한 실시예에 따르면, 방사선 주측이 변환 수단의 분리 및 제공시 변환 수단 주측으로부터 간격을 두고 떨어져서 배치된다. 다시 말하면, 상기 변환 수단 및 상기 방사선 주측은 접촉하지 않는다.
본 발명에 따른 방법의 적어도 한 실시예에 따르면, 상기 방법은 광전자 반도체칩 상에 변환 수단을 제공하기 위해 사용된다. 상기 방법은 특히 제시된 순서에 따라, 적어도 아래의 단계들을 포함한다:
- 방사선 주측을 갖는 광전자 반도체칩을 제공하는 단계,
- 변환 수단을 제공하는 단계(이때 상기 변환 수단은 캐리어의 캐리어 주측에 설치됨)
- 방사선 주측으로 향하고 이 방사선 주측에 대해 > 0의 간격을 갖도록 상기 변환 수단을 배치하는 단계,
- 상기 캐리어를 조사하는 펄스화된 레이저 빔에 의해 상기 변환 수단의 흡수제 성분 및/또는 상기 변환 수단과 상기 캐리어 사이에 배치된 분리층을 조사(irradiation) 및 가열함으로써 상기 캐리어로부터 변환 수단을 분리하여 상기 방사선 주측에 제공하는 단계.
이러한 방법에 의해 변환 수단은 반도체칩의 방사선 주측 상에 연속으로 제공되는 다수의 층들 내에 한 층씩(layer-by-layer) 제공될 수 있다. 층의 개수에 의해 반도체칩 상에 제공되는 변환 수단의 두께가 조절될 수 있으므로써, 변환 수단과 함께 반도체칩의 동작시 생성된 방사선의 색장소가 또한 원하는 대로 조절될 수 있다.
상기 방법의 적어도 한 실시예에 따르면 변환 수단은 매트릭스 물질로서 실리콘, 에폭시드 및/또는 실리콘-에폭시드-하이브리드 물질을 가지거나 상기 물질들로 이루어진다. 매트릭스 물질 내에는 바람직하게 입자 형태의 변환 재료가 매립되어 있다.
본 발명에 따른 방법의 적어도 한 실시예에 따르면, 상기 변환 수단의 매트릭스 물질은 캐리어에 불완전하게 가교 결합되어(cross-linked) 제공되고 그리고/또는 불완전하게 경화되어 제공된다. 다시 말하면, 상기 캐리어에 있는 매트릭스 물질의 경도가 예컨대 빛에 대한 노출(exposure to light) 또는 열에 의한 영향으로 인해 상승할 수 있다. 또한, 매트릭스 물질의 완전한 경화 및/또는 가교 결합은 반도체칩 상에 제공된 후에서야 비로소 이루어진다. 상기 매트릭스 물질이 불완전하게 가교 결합되고 및/또는 경화되어 반도체칩 상에 제공됨으로써, 변환 수단이 반도체칩 그리고 상기 반도체칩 상에 있는 변환 수단의 층들과 기계적으로 확실하게 서로 위아래로 결합될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 적어도 한 실시예에 따르면, 상기 변환 수단은 연속으로 제공되는 다수의 층들 내에서 나란히 반도체칩 상에 제공된다. 상기 반도체칩 상에 제공된 개별 층들은 캐리어에 있는 변환 수단의 층 두께에 상응하는 두께를 가지며, 상기 층 두께는 예컨대 최대 30 % 또는 최대 15 %의 허용치를 갖는다. 이 경우 상기 변환 수단의 작은 일부가 분리시 캐리어에 남을 수 있다. 각각의 층은 캐리어에서 변환 수단 층의 밖으로 분리된 부분 영역을 나타낸다. 이웃한 층들 사이의 경계 영역들에서 특히 흡수제 성분 또는 분리층으로 이루어진 흡수제 물질은 개별 층들의 중심 영역들에 비해 변화된 농도를 갖는다.
본 발명에 따른 방법의 적어도 한 실시예에 따르면, 상기 층들 중 적어도 하나의 층이 제공된 후에는 반도체칩 상에 이미 제공된 변환 수단과 함께 반도체칩에 의해 방출된 방사선의 색장소가 검출된다. 이와 같은 상황은 예컨대 반도체칩의 일시적인 전기적 구동 또는 외부 광원에 의한 이미 제공된 변환 수단의 여기(excitation)에 의해 이루어진다.
본 발명에 따른 방법의 적어도 한 실시예에 따르면, 검출된 색장소에 의존하여 변환 수단의 하나 또는 다수의 층이 반도체칩 상에 제공된다. 이를 통해 캐리어에 있는 변환 수단의 층 내에 제공된 변환 재료의 농도 변화 또는 변환 수단 층의 두께 변화가 보상될 수 있으며, 완전히 제조된 반도체 소자의 색장소가 높은 정확도로 조절될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 적어도 한 실시예에 따르면, 분리층은 상기 캐리어와 상기 캐리어에 있는 변환 수단의 층 사이에서 분리 재료를 가지며, 상기 분리 재료는 레이저 빔에 의해 변환 수단의 분리시 적어도 부분적으로 기체상으로 변환된다. 또한, 기체상으로 변환된 분리 재료의 적어도 일부가 반도체칩 상의 변환 수단 위에 침전되고 그리고/또는 반도체칩 상의 변환 수단 내에 퇴적된다. 다시 말하면, 상기 분리 재료는 분리층으로부터 반도체칩 상의 변환 수단의 성분이 된다. 특히 상기 분리 재료는 반도체칩 상의 변환 수단의 연속으로 제공된 두 개의 층 사이의 경계 영역들에 매립된다.
본 발명에 따른 방법의 적어도 한 실시예에 따르면, 레이저 빔은 최대 410 nm, 특히 최대 370 nm의 파장을 가지며 자외선 스펙트럼 영역에 놓여있다. 상기 레이저 빔의 파장은 특히 적어도 220 nm에 달한다. 분리층 및/또는 상기 분리층의 분리 재료 및/또는 변환 수단의 흡수제 성분은 레이저 빔의 파장에서 흡수 작용한다. 상기 분리층 또는 상기 변환 수단의 흡수제 성분은 레이저 빔에 의해 가열될 수 있거나 열적으로(thermal) 또는 광화학적으로(photochemical) 분해될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 적어도 한 실시예에 따르면, 상기 분리층은 캐리어와 변환 수단 사이에 플라스틱 또는 폴리머를 포함하거나 상기 물질들로 이루어진다. 특히 상기 분리층은 ZnO를 포함하거나 ZnO로 이루어진다. ZnO는 대략 365 nm 내지 387 nm 미만의 파장에서 흡수한다. 따라서 ZnO의 분해는 주파수 3배속의(frequency-tripled) Nd:YAG-레이저에 의해 355 nm에서 이루어질 수 있다. ZnO의 분해시 특히 금속 아연이 생성되고, 상기 금속 아연은 분해시 미세하게 분할될 수 있다. 대기 중 산소에 노출되면 이러한 아연은 ZnO로 산화됨으로써, 다시 투명해지거나 반투명해진다. 또한, 상기 아연이 변환 수단의 한 성분, 예컨대 실리콘과 반응할 수도 있다. 또한, ZnO는 캐리어에서 물리기상증착 또는 화학기상증착(축약하여 PVD 또는 CVD)에 의해 박막층들 내에 증착될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 적어도 한 실시예에 따르면, 분리층은 10 nm(10 nm 포함) 내지 75 nm의 두께, 특히 20 nm(20 nm 포함) 내지 50 nm의 두께를 갖는다. 레이저 빔에 대한 분리층의 광학 밀도(optical density)는 적어도 0.5 또는 적어도 0.65이다. 특히 분리층의 광학 밀도는 0.75(0.75 포함) 내지 1.0 또는 1.50(1.50 포함) 내지 4.0이다. 대안적으로 또는 추가적으로 분리층의 광학 밀도는 적어도 2.0에 달한다.
다시 말하면, 경우에 따라 분리층이 레이저 빔의 비교적 큰 부분을 투과시킬 수 있다. 이를 통해 분리층의 완전한 또는 대체로 완전한 분리 또는 증발이 보장된다. 본 경우에서 대안적으로 분리층이 레이저 빔을 완전히 또는 대체로 완전히 흡수함으로써, 변환 수단 쪽으로 레이저 빔이 전혀 이르지 않거나 대체로 이르지 않게 된다. 이를 통해 변환 수단 및 특히 변환 재료가 레이저 빔으로부터 보호될 수 있으며, 이 경우에 분리층의 부분 영역들이 반도체칩 상에 제공된 변환 수단에 남아있을 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 적어도 한 실시예에 따르면, 레이저 빔에 의해 조사된 변환 수단의 영역이 캐리어 주측에서 선 형태로 형성된다. 캐리어 주측의 평면도로 볼 때, 변환 수단에서의 레이저 빔의 길이와 폭으로 나누어진 몫은 예컨대 적어도 5 또는 적어도 10 또는 적어도 20에 달한다.
본 발명에 따른 방법의 적어도 한 실시예에 따르면, 변환 수단은 방사선 주측상에 한 라인씩(line by line) 제공된다. 따라서 방사선 주측에서의 변환 수단은 바람직하게 연속으로 제공된 다수의 개별 스트립에 의해 형성된다.
본 발명에 따른 방법의 적어도 한 실시예에 따르면, 레이저 빔에 의해 조사된 캐리어 주측의 영역은 반도체칩의 횡방향 연장부의 최대 25 % 또는 최대 10 %의 허용치에 의해 반도체칩의 방사선 주측의 형태를 갖는다. 따라서, 조사된 영역 및 방사선 주측은 대체로 동일한 형태를 갖는다. 이를 통해 레이저 빔의 개별 임펄스에 의해 전체 방사선 주측이 변환 수단의 단 하나의, 특히 결합된 층에 의해 커버될 수 있다.
또한, 본 발명은 광전자 반도체칩 및 상기 광전자 반도체칩 상에 제공된 변환 수단을 갖는 광전자 소자에 관한 것이다. 예컨대 상기 광전자 소자는 전술한 실시예들 중 하나 또는 다수의 실시예와 관련하여 기술된 방법에 의해 제조된다. 따라서 광전자 소자의 특징들은 본 발명에 기술된 방법에 대해서도 공지되고 그 역의 경우도 적용된다.
상기 광전자 소자의 적어도 한 실시예에 따르면, 변환 수단은 추가 성분을 가지며, 상기 추가 성분은 반도체칩의 동작시 생성된 방사선에 대해 흡수 작용을 하지 않는다. 상기 추가 성분으로는 특히 흡수제 성분 및/또는 흡수 재료가 이용된다. 상기 추가 성분은 220 nm(200 nm 포함) 내지 410 nm의 적어도 하나의 파장 영역에서, 그리고 특히 420 nm(420 nm 포함) 내지 490 nm의 파장 영역에서 흡수 작용하며, 상기 파장 영역에서는 바람직하게 반도체칩이 동작시 방사선을 생성하고 방사선을 투과하며 그리고/또는 반사시킨다.
상기 광전자 소자의 적어도 한 실시예에 따르면, 상기 광전자 소자는 연속으로 제공되고 적어도 부분적으로 중첩되는 적어도 두 개의, 바람직하게는 동일한 형태의 층을 방사선 주측 상에 갖는다. 본 경우에서 "중첩된다"는 표현은 변환 수단의 적어도 두 개의 층이 방사선 주측에 대해 수직 방향으로 서로 위아래로 놓인다는 것을 의미한다. 상기 층들은 바람직하게는 서로 직접 접촉한다. 상기 층들이 "동일한 형태"라는 표현은 상기 층들 내의 변환 수단이 각각 동일한 평균 조성을 갖는다는 것을 의미한다.
상기 광전자 소자의 적어도 한 실시예에 따르면, 추가 성분의 농도가 두 개의 이웃한 층 사이의 경계 영역들에서, 층들의 중심 영역들에 비해 각각 변한다. 상기 중심 영역들 내에서는 추가 성분의 농도가 각각 대체로 일정하다. 상기 경계 영역들은 중심 영역들보다 더 작은 평균 두께, 예컨대 적어도 2 배 또는 적어도 5 배 또는 적어도 15 배 더 작은 평균 두께를 갖는다. 다시 말하면, 이웃한 층들은 추가 성분의 농도 변화에 의해 서로에 대해 제한된다. 방사선 주측에 대해 수직인 층들을 통과하는 섹션 내에서 추가 성분의 농도 프로파일이 주기적으로 반복될 수 있으며, 이때 주기 길이(period length)는 바람직하게는 층의 두께에 의해 주어진다.
상기 광전자 소자의 적어도 한 실시예에서 상기 광전자 소자는 방사선 주측을 갖는 광전자 반도체칩을 포함한다. 또한, 상기 광전자 소자는 변환 수단을 포함하며, 상기 변환 수단은 연속으로 제공되고 적어도 부분적으로 중첩되는 적어도 두 개의 동일 형태의 층 내에서 방사선 주측 상에 제공된다. 상기 변환 수단은 추가 성분을 가지며, 상기 추가 성분은 반도체칩의 동작시 생성된 방사선에 대해 흡수 작용을 하지 않는다. 상기 방사선 주측으로부터 멀어지는 방향에서 볼 때, 각각 두 개의 이웃한 층의 경계 영역들 내에, 상기 층들의 중심 영역들에 비해 변화된 추가 성분의 농도가 제공된다.
상기 광전자 소자의 적어도 한 실시예에 따르면, 개별 층들은 각각 적어도 1 ㎛ 또는 적어도 2 ㎛의 평균 두께를 갖는다. 대안적으로 또는 추가적으로 상기 층들의 평균 두께는 최대 15 ㎛ 또는 최대 10 ㎛ 또는 최대 8 ㎛ 또는 최대 6 ㎛에 달한다.
상기 광전자 소자의 적어도 한 실시예에 따르면, 다수의 층을 갖는 변환 수단이 방사선 주측 상에서 전체적으로 적어도 15 ㎛ 또는 적어도 40 ㎛의 평균 두께를 갖는다. 대안적으로 또는 추가적으로 변환 수단의 평균 두께는 최대 200 ㎛ 또는 최대 150 ㎛ 또는 최대 100 ㎛에 달한다.
상기 광전자 소자의 적어도 한 실시예에 따르면, 이웃한 층들 사이의 경계 영역들이 10 nm(10 nm 포함) 내지 500 nm, 특히 15 nm(15 nm 포함) 내지 250 nm 또는 20 nm(20 nm 포함) 내지 100 nm의 평균 두께를 갖는다. 따라서, 상기 층들의 경계 영역들은 상기 층들의 중심 영역들에 비해 비교적 얇다.
상기 광전자 소자의 적어도 한 실시예에 따르면, 상기 경계 영역들에서 추가 성분의 농도가 중심 영역들에 비해 높아진다. 대안적으로 추가 성분의 농도가 중심 영역들에서 낮아질 수 있다.
상기 광전자 소자의 적어도 한 실시예에 따르면, 상기 경계 영역들에서 추가 성분의 농도가 방사선 주측으로부터 멀어지는 방향으로 S자형(sigmoidal) 곡선을 갖는다. 즉 상기 경계 영역들에서 추가 성분의 농도가 처음에는 하강하고 다시 증가하거나 또는 그 역의 경우도 적용된다.
상기 광전자 소자의 적어도 한 실시예에 따르면, 상기 변환 수단의 적어도 두 개의 층이 방사선 주측에 대해 횡방향으로, 그리고 수직 방향으로 중첩된다. 상기 층들 중 적어도 하나의 층이 볼록하게 휘어진, 방사선 주측으로부터 멀리 떨어져 마주 놓인 경계면을 가질 수 있다. 다시 말하면, 상기 층들 중 적어도 하나의 층이 집광 렌즈(collective lens)와 유사하게, 방사선 주측으로부터 멀리 떨어져 마주 놓인 하나의 경계면에 형성된다.
아래에서 본 발명에 기술된 광전자 소자 및 본 발명에 기술된 방법이 도면과 관련하여 실시예들을 참조하여 상세하게 설명된다. 이때 개별 도면들에서 동일한 도면부호는 동일한 소자를 지시한다. 그러나 이 경우 개별 소자들은 축적에 맞지 않게 도시되며, 오히려 더 나은 이해를 위해 과장되게 크게 도시될 수 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 기술된 광전자 소자들의 본 발명에 기술된 제조 방법의 실시예들에 대한 개략도들이고,
도 4 내지 도 5는 본 발명에 기술된 광전자 소자들의 실시예들의 개략적인 단면도들이며,
도 6 내지 도 8은 본 발명에 기술된 광전자 소자들의 변환 수단 내의 추가 성분의 농도 변화를 보여주는 개략도들이다.
도 4 내지 도 5는 본 발명에 기술된 광전자 소자들의 실시예들의 개략적인 단면도들이며,
도 6 내지 도 8은 본 발명에 기술된 광전자 소자들의 변환 수단 내의 추가 성분의 농도 변화를 보여주는 개략도들이다.
도 1에는 광전자 소자(1)의 제조 방법을 위한 한 실시예가 개략적인 단면도들로 도시된다. 도 1a에 따르면, 칩 기판(8)과 이 칩 기판 상에 배치된 다수의 광전자 반도체칩(2), 특히 청색 스펙트럼 영역에서 동작시 광을 방출하는 발광 다이오드가 제공된다. 또한, 캐리어 주측(40)을 갖는 기계적으로 고정된 캐리어(4)가 제공된다. 상기 캐리어(4)의 전기적 결합 수단은 도면들에 도시되지 않는다. 상기 캐리어 주측(40)에 변환 수단(3)의 한 층이 배치된다. 변환 수단 주측(30)은 반도체칩(2)의 방사선 주측(20)을 향하고 있다. 상기 변환 수단(3)과 상기 반도체칩(2) 사이의 간격(D)은 특히 1 ㎛(1 ㎛ 포함) 내지 500 ㎛, 바람직하게는 2 ㎛(2 ㎛ 포함) 내지 50 ㎛ 또는 5㎛(5 ㎛ 포함) 내지 50 ㎛이다. 상기 변환 수단(3)과 상기 반도체칩(2) 사이의 공간은 질소 또는 공기와 같은 가스로 채워질 수 있거나 진공화될 수도 있다.
도 1b에 따르면, 변환 수단(3)의 영역이 레이저 빔(6)에 의해 조사된다. 상기 레이저 빔(6)으로는 특히 최대 50 ns 또는 최대 10 ns의 지속 기간을 갖는 임펄스를 갖는 펄스화된 레이저 빔이 사용된다. 상기 레이저 빔(6)은 레이저 빔(6)에 대한 투과성을 지니는 캐리어(4)를 통과한다. 상기 레이저 빔(6)에 의해 변환 수단(3)에 의해 둘러싸인 흡수제 성분(도 1에 도시되지 않음)이 가열된다. 상기 레이저 빔(6)의 흡수에 의해 흡수제 성분을 이용하여 또한 변환 수단(3)이 부분적으로 기체상으로 변환되므로, 상기 변환 수단(3)의 조사된 영역이 상기 캐리어(4)로부터 분리된다.
상기 캐리어(4)로는 예컨대 석영 유리(quartz glass)로 이루어진 기계적으로 고정된 플레이트가 사용된다. 상기 레이저 빔(6)은 특히 엑시머 레이저(eximer laser)에 의해 생성되고 대략 248 nm의 파장을 가질 수 있다. 상기 레이저 빔(6)의 에너지 밀도는 예컨대 0.2 J/cm2(0.2 J/cm2 포함) 내지 5 J/cm2에 달한다. 상기 변환 수단(3)의 조사된 영역은 반도체칩(2)의 방사선 주측(20)의 윤곽을 갖는다. 도 1c에 도시된 바와 같이, 캐리어(4)에 있는 변환 수단(3)의 층으로부터 한 부분(3)이 분리되며, 상기 부분(3)은 방사선 주측(20)에 직접 제공되고 상기 방사선 주측에서 변환 수단의 한 층(7)을 형성한다(도 1d 참조).
도 1e 및 1f에 따르면, 변환 수단(3)의 추가 층(7)이 반도체칩(2) 상에 제공된다. 상기 두 개의 층(7)은 방사선 주측(20)의 평면도로 볼 때, 서로 직접 접촉하고 중첩된다. 도 1e 및 도 1f에 따라 제공된 층(7)으로는 특히 도 1a 내지 도 1d에 따라 제공된 동일한 변환 수단(3)이 사용된다. 대안적으로는 마찬가지로 다른 파장 영역에서 예컨대 방사선의 방사를 위해 설계된 다른 변환 수단이 이용될 수도 있다.
두 개의 층(7)을 제공하는 사이에 동작시 방출된 방사선의 색장소를 정하기 위해 반도체칩(2)이 선택적으로 단시간에 동작될 수 있다. 이러한 정해진 색장소를 참조하여 특히 제공될 추가의 층들의 수가 검출될 수 있다.
이 경우에 변환 수단(3)은 캐리어(4)에 바람직하게는 실리콘과 같은 매트릭스 물질을 가지며, 상기 매트릭스 물질은 캐리어(4)에서 그리고 반도체칩(2) 상에 제공되는 동안 아직 불완전하게 경화된 및/또는 가교 결합된 상태로 존재한다. 도 1g에 따르면, 상기 반도체칩(2) 상에 제공된 변환 수단(3), 즉 모든 층들(7)이 함께 완전히 가교 결합되거나 경화된다. 따라서, 이러한 완전한 가교 결합 및/또는 경화는 변환 수단(3)의 모든 층들(7)이 반도체칩(2)에 제공될 경우에 비로소 이루어짐으로써, 상기 층들(7)은 또한 서로 위아래로 그리고 상기 반도체칩(2)과 결합된다. 이러한 경화 및/또는 가교 결합은 열에 의한 영향, 빛에 대한 노출 또는 기체형 경화제와의 접촉으로 인해 이루어질 수 있다.
도시된 바와 달리, 상기 캐리어(8) 상에 단지 하나의 반도체칩(2) 만이 제공되거나 다수의 반도체칩(2)이 횡방향으로 직접 서로 부딪칠 수 있다. 선택적으로 칩 기판(8)은 각각 하나의 반도체칩(2)을 갖는 부분들로 분할될 수 있다.
도 2에 따른 실시예에서 변환 수단(3)과 캐리어(4) 사이에 분리층(5)이 배치된다. 상기 분리층(5)은 레이저 빔(6)을 흡수한다. 상기 분리층(5)으로부터 나온 분리 재료(56)는 부분적으로 또는 완전히 기체상으로 변환된다. 그 결과 야기되는 부피 팽창에 의해 변환 수단(3)의 일부가 분리층(5) 및 캐리어(4)로부터 분리되고 반도체칩(2)의 방사선 주측(20) 쪽 방향으로 이동한다.
레이저 빔(6)은 캐리어(4)의 평면도로 볼 때 변환 수단(3)의 스트립을 조사한다(도 2c에 따른 평면도 참조). 개별 층들(7)은 스트립으로서 형성되었다. 또한, 개별 층들(7)은 시간상으로 연속해서 그리고 공간적으로 나란히 방사선 주측(20) 상에 제공된다(도 2b 참조). 캐리어(4)로부터 변환 수단(3)을 개별 스트립들로 분리하는 과정은 도 1에 따른 방법에서도 마찬가지로 분리층의 사용 없이 이루어질 수 있다.
도 1 및 도 2에서와 달리, 캐리어(4)는 도 3에 따른 방법의 실시예에서 플렉시블한 캐리어, 예컨대 레이저 빔(6)에 대한 투과성을 지니는 플라스틱 박막이다. 상기 레이저 빔(6)은 예컨대 YAG 레이저에 의해 생성되고 대략 355 nm의 파장을 갖는다. 이 경우에 상기 캐리어(4)는 반도체칩(2)을 향해있고, 휘어진 평면을 가질 수 있다. 변환 수단(3)과 반도체칩(2) 사이의 간격(D)은 또한 캐리어(4) 너머로 변화될 수 있다.
선택적으로 변환 수단(3)과 반도체칩(2) 사이에 블라인드(blind)(9)가 제공된다. 레이저 빔(6)에 의해 분리된 변환 수단(3) 영역을 위한 개구를 갖는 블라인드(9)를 통해 기체상으로 변환된 분리층(5)의 분리 재료의 일부를 흡수하고 상기 흡수된 분리 재료의 부분들이 반도체칩(2)으로 이르는 것을 방지하며 상기 반도체칩(2)에 있는 변환 수단(3) 내에 침전될 수 있다.
도 4a 내지 도 4c에는 광전자 소자(1)의 실시예들의 단면도들이 도시된다. 도 4a에 따르면 방사선 주측(20) 상에 다수의 층(7a, 7b, 7c)이 제공되고, 상기 층들(7a, 7b, 7c)은 대체로 동일한 형태로 서로 위아래로 놓이고 반도체칩(2) 상에 변환 수단(3)을 형성한다. 상기 개별 층들(7a, 7b, 7c)의 두께(T7)는 예컨대 2 ㎛(2 ㎛ 포함) 내지 5 ㎛이다. 상기 변환 수단(3)의 전체 두께(T3)는 예컨대 15 ㎛(15 ㎛ 포함) 내지 200 ㎛에 달한다. 상기 층들(7a, 7b, 7c)의 개수가 도 4에서는 각각 단지 개략적으로만 도시된다. 예컨대 상기 변환 수단(3)은 방사선 주측(20)에서 2 개(2 개 포함) 내지 50 개의 층, 특히 3 개(3 개 포함) 내지 25 개의 층 또는 10 개(10 개 포함) 내지 25개의 층을 포함한다.
도 4b에 따른 광전자 소자(1)의 실시예에서 상기 층들(7a, 7b, 7c)은 방사선 주측(20)에 걸쳐 그리고 반도체칩(2)의 횡방향 경계 영역들에 걸쳐 연장된다. 상기 반도체칩(2)은 또한 칩 기판(8) 및 변환 수단(3)에 의해 완전히 또는 대체로 완전히 둘러싸인다. 상기 층들(7a, 7b, 7c)은 도 4a 및 도 4b에 따라 각각 연속하는 층들이며, 상기 층들은 전체 방사선 주측(20)에 걸쳐서 연장된다. 이와 달리 도 4c에서는 개별 층들(7a, 7b, 7c)이 비연속적으로 형성될 수 있고 서로 관통하고 그리고/또는 중첩되도록 도시된다. 이와 같은 층들은 캐리어(4)에 있는 변환 수단(3)의 조사된 영역이 상기 캐리어(4)로부터 방사선 주측(20)으로 이르는 경로에서 분할되고 비연속적인 층으로서 상기 방사선 주측(20) 상에 부딪치는 경우에 또는 상기 방사선 주측(20) 상에 부딪칠 때 다수의 부분들로 분열되는 경우에 형성될 수 있다.
도 5a 및 도 5b에는 광전자 소자(1)의 실시예들이 도시되며, 상기 실시예들에서 개별 층들(7)은 스트립 형태로 제공된다(도 2c 참조). 도 5a에 따르면, 개별 층들(7)이 횡방향으로 약간만 중첩되고 방사선 주측(20)에 대해 수직 방향으로 균일하게 서로 위아래로 적층된다. 반도체칩(2)으로부터 멀리 떨어져 마주 놓인, 적어도 몇개의 층들(7)의 경계 면들(78)은 볼록한 형태를 갖는다.
도 5b에 따르면, 스트립 형태의 층들(7a, 7b, 7c)이 서로에 대해 횡방향으로 변위되어 배치된다. 예컨대 한 층 내에 배치되는 층들(7a)이 서로에 대해 각각 하나의 횡방향 간격을 갖는다. 상기 층들(7a) 사이의 갭은 층들(7b)에 의해 폐쇄되고, 층들(7b) 사이의 갭은 층들(7c)에 의해 폐쇄되며 이와 같은 방식으로 계속된다.
도 6a에는 광전자 소자(1)의 추가 실시예가 도시되고 도 7b에는 분리층(5)으로부터 나온 분리 재료(56)의 농도(c) 곡선이 도시된다. 도 6a에 따른 광전자 소자(1)는 도 2에 따른 방법에 의해 분리층(5)의 사용 조건 하에서 제조된다. 두께(T6)를 갖는 경계 영역들(70)에서 분리층(5)으로부터 나온 분리 재료(56) 또는 레이저 빔(6)에 의해 분리층(5)으로부터 나온 분해 생성물(decomposition product)의 농도(c)가 높아진다. 중심 영역들(75)에는 분리 재료(56)가 전혀 존재하지 않거나 대체로 존재하지 않는다. 개별 층들(7)은 또한 각각 분리 재료(56)의 농도(c)의 비교가능한 곡선을 갖는다. 방사선 주측(20)에 대해 수직 방향(z)에 따른 농도 곡선(c)은 또한 층들(7)의 두께(T7)에 상응하는 주기 길이를 갖도록 주기적으로 형성된다. 상기 층들의 두께(T7)는 전체적으로 경계 영역들(70)만의 두께(T6)보다 훨씬 더 크다.
도 7에서는 변환 수단(3)이 예컨대 도 1에 따른 방법에서와 같이 분리층 없이 캐리어(4)에 직접 제공되어 도시된다. 상기 변환 수단(3)은 매트릭스 물질을 가지며, 상기 매트릭스 물질 내에 변환 재료 입자(33) 및 흡수제 성분(36)의 입자가 균일하게 분포된다. 상기 흡수제 성분(36)은 반도체칩(2) 내에서 동작시 생성된 방사선에 대해 바람직하게는 최대 20 % 또는 10 % 또는 5 %의 흡수율을 갖는다. 상기 변환 재료 입자(33)를 레이저 빔(6)으로부터 보호하기 위해 분리층을 갖는 도 2에 도시된 방법에서도 선택적으로 이러한 흡수제 성분(36)이 변환 수단(3)에 추가로 제공될 수 있다.
상기 변환 재료 입자(33)로는 예컨대 1 ㎛(1 ㎛ 포함) 내지 5 ㎛의 직경을 갖는 Ce:YAG 입자 또는 1 nm(1 nm 포함) 내지 100 nm의 직경을 갖는 나노 입자가 사용되고 상기 입자들은 예컨대 셀렌화아연(zinc selenide)을 가지거나 셀렌화아연으로 형성되었다.
상기 흡수제 성분(36)은 바람직하게는 더 높은 입자 밀도로 존재한다. 바람직하게는 상기 흡수제 성분(36)에 의해 변환 수단(3)이 레이저 빔(6)에 대해 이 레이저 빔(6)이 박막 영역 내에서 캐리어 주측(40) 가까이에서 완전히 또는 대체로 완전히 흡수되도록 높은 광학 밀도를 갖는다. 이러한 영역은 예컨대 20 nm(20 nm 포함) 내지 200 nm의 두께를 갖는다. 이를 통해 상기 레이저 빔(6)은 상기 변환 재료 입자(33)로부터 효율적으로 멀리 유지된다.
다른 모든 실시예에서와 마찬가지로 흡수제 성분(36)은 예컨대 산화아연 또는 축약하여 ZnO를 포함하거나 상기 물질로 이루어지며, 상기 물질은 대략 3.2 eV 내지 3.4 eV의 영역에서 밴드갭을 갖는다. 상기 흡수제 성분(36)이 입자 형태일 경우에는 상기 입자들이 바람직하게는 최대 100 nm, 특히 5 nm(5 nm 포함) 내지 20 nm의 평균 직경을 갖는다. 변환 수단(3)에 있는 흡수제 성분(36)의 중량부는 바람직하게는 5 중량 %(5 중량 % 포함) 내지 35 중량 %, 특히 10 중량 %(10 중량 % 포함) 내지 20 중량 %이다.
도 8에는 방사선 주측(20)으로부터 멀어지는 z-방향을 따라 추가 성분의 농도(c) 곡선이 도시된다. 모든 농도 곡선은 각각의 층에 대해 반복적으로 나타나는 주기적 곡선을 갖는다(도 6b 참조). 도 8에 도시된 농도 곡선은 특히 도 1에 따른 방법에서는 흡수층의 사용 없이 발생한다(도 7 참조).
도 8a에 따르면, 추가 성분의 농도(c)가 경계 영역들(70)에서 각각 하강한다. 이러한 하강은 흡수제 성분(36)이 레이저 빔에 의해 분해되거나 변환 수단(3)의 매트릭스 물질보다 더 강력하게 기체상으로 변환됨으로써 야기될 수 있다.
도 8b에 따르면, 경계 영역들(70) 내에서 흡수제 성분(36)의 농도(c)가 상승한다. 이러한 상황은 특히 흡수제 성분(36)이 레이저 빔(6)을 흡수하여 열로 변환하고 이러한 열을 매트릭스 물질에 전달할 경우에 발생할 수 있다. 그런 다음 매트릭스 물질이 대체로 증발하고 흡수제 성분(36)은 전혀 증발하지 않거나 약간 강력하게 증발한다. 상기 변환 수단(3)이 반도체칩(2) 상에 이동될 경우에 또한 상기 변환 수단(3)의 매트릭스 물질의 일부가 소실될 수 있다.
도 8c에 따르면, 경계 영역들(70) 내에서 흡수제 성분(36)의 농도(c)가 S자형 곡선을 갖는다. 이러한 곡선은 예컨대 흡수제 성분(36)이 캐리어(4)로부터 분리될 때 비교적 강력하게 증발되어 변환 수단(3)의 층으로부터 비교적 많은 부분이 소실되고 그런 다음 상기 흡수제 성분이 변환 수단(3) 상에 재차 침전될 경우에 발생한다.
본 발명은 실시예들을 참조한 설명 내용에만 한정되지 않는다. 오히려 본 발명은 각각의 새로운 특징 그리고 특징들의 각각의 조합을 포함하며, 이런 점은, 비록 상기 특징 또는 상기 조합 자체가 특허청구범위 또는 실시예들에 명시적으로 기재되어 있지 않더라도, 특히 특허청구범위 내 특징들의 각각의 조합을 포함한다.
본 특허출원은 독일 특허출원서 10 2010 044 985.7 호의 우선권을 주장하며, 상기 우선권 문서의 공개 내용은 인용의 방식으로 본 출원서에 수용된다.
Claims (14)
- 광전자 반도체칩(2) 상에 변환 수단(3)을 제공하기 위한 방법으로서,
- 방사선 주측(20)을 갖는 광전자 반도체칩(2)을 제공하는 단계,
- 변환 수단(3)을 제공하는 단계 － 이때 상기 변환 수단(3)은 캐리어(4)의 캐리어 주측(40)에 설치됨 －,
- 상기 변환 수단(3)이 상기 방사선 주측(20) 쪽으로 향하고 상기 방사선 주측(20)에 대해 간격(D)을 갖도록 상기 변환 수단(3)을 배치하는 단계, 및
- 상기 캐리어(4)를 조사하는 펄스화된 레이저 빔(6)에 의해 상기 변환 수단(3)의 흡수제 성분(36) 및/또는 상기 변환 수단(3)과 상기 캐리어(4) 사이에 배치된 분리층(5)을 조사(irradiation) 및 가열함으로써 상기 캐리어(4)로부터 변환 수단(3)을 분리하여 상기 방사선 주측(20)에 제공하는 단계
를 포함하는,
광전자 반도체칩 상에 변환 수단을 제공하기 위한 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 변환 수단(3)이 매트릭스 물질로서 실리콘을 포함하며,
이때 상기 실리콘이 상기 캐리어(4)에 불완전하게 가교 결합되어(cross-linked) 제공되고 그리고/또는 경화되어 제공되며, 그리고 완전한 경화 및/또는 가교 결합은 상기 반도체칩(2) 상에 제공된 후에서야 이루어지는,
광전자 반도체칩 상에 변환 수단을 제공하기 위한 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 변환 수단(3)이 상기 반도체칩(2) 상에 연속으로 제공되는 다수의 층들(7) 내에 나란히 제공되며,
이때 상기 층들(7) 중 적어도 하나의 층을 제공한 후에는 상기 반도체칩(2) 상에 이미 제공된 변환 수단(3)과 함께 상기 반도체칩(2)에 의해 방출된 방사선의 색장소(colour location)가 검출되고, 상기 색장소에 의존하여 상기 변환 수단(3)의 추가 층들(7)이 상기 반도체칩(2) 상에 제공되는,
광전자 반도체칩 상에 변환 수단을 제공하기 위한 방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분리층(5)의 분리 재료(56)가 상기 레이저 빔(6)에 의해 상기 변환 수단(3)의 분리시 적어도 부분적으로 기체상으로 변환되며,
이 경우에 상기 분리 재료(56)의 적어도 일부가 상기 반도체칩(2) 상의 변환 수단(3) 위에 침전되거나 상기 반도체칩(2) 상의 변환 수단(3) 내에 퇴적되는,
광전자 반도체칩 상에 변환 수단을 제공하기 위한 방법. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 레이저 빔(6)이 최대 410 nm의 파장을 가지며,
이때 상기 분리층(5), 상기 변환 수단(3) 또는 상기 변환 수단(3)의 적어도 흡수제 성분(36)이 상기 레이저 빔(6)의 파장에서 흡수 작용을 하는,
광전자 반도체칩 상에 변환 수단을 제공하기 위한 방법. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분리층(5)이 플라스틱을 포함하거나 플라스틱으로 이루어지며,
이때 상기 분리층(5)의 두께는 10 nm(10 nm 포함) 내지 75 nm에 달하며 상기 레이저 빔(6)에 대한 상기 분리층(5)의 광학 밀도(optical density)는 적어도 0.5에 달하는,
광전자 반도체칩 상에 변환 수단을 제공하기 위한 방법. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 레이저 빔(6)에 의해 조사된 영역이 상기 캐리어 주측(40)의 평면도로 볼 때, 선 형태로 형성되고, 상기 변환 수단(3)은 한 라인씩(line by line) 상기 방사선 주측(20) 상에 제공되는,
광전자 반도체칩 상에 변환 수단을 제공하기 위한 방법. - 광전자 소자(1)로서,
- 방사선 주측(20)을 갖는 광전자 반도체칩(2),
- 연속으로 제공되고 적어도 부분적으로 중첩되는 적어도 두 개의 동일 형태의 층(7) 내에서 상기 방사선 주측(20) 상에 제공되는 변환 수단(3),
- 반도체칩(2)의 동작시 생성된 방사선에 대해 흡수 작용을 하지 않는 상기 변환 수단(3) 내의 추가 성분(36, 56)
을 포함하며,
이때 상기 두 개의 이웃한 층(7)의 경계 영역들(70) 내에서 상기 방사선 주측(20)으로부터 멀어지는 방향으로 볼 때, 상기 층들(7)의 중심 영역들(75)에 비해 상기 추가 성분(36, 56)의 농도가 각각 변하는,
광전자 소자. - 제 8 항에 있어서,
상기 개별 층들(7)이 1 ㎛(1 ㎛ 포함) 내지 10 ㎛의 두께(T7)를 가지며, 상기 변환 수단(3)의 두께(T3)는 전체적으로 15 ㎛(15 ㎛ 포함) 내지 200 ㎛에 달하는,
광전자 소자. - 제 8 항 또는 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 경계 영역들(70)이 10 nm(10 nm 포함) 내지 250 nm의 두께(T6)를 갖는,
광전자 소자. - 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 추가 성분(35, 56)이 상기 경계 영역들(70) 내에서 상기 중심 영역들(75)에 비해 높아진 평균 농도를 갖는,
광전자 소자. - 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 추가 성분(36)은 상기 층들(7)의 적어도 중심 영역들(75)에 제공되고 상기 중심 영역(75) 각각에 균일하게 분포되며,
이때 상기 추가 성분(36)이 상기 반도체칩(2)의 동작시 생성된 방사선의 파장 변화에 대한 변환 재료와는 상이한,
광전자 소자. - 제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방사선 주측(20)에 대해 횡방향 및 수직 방향으로 상기 층들(7) 중 적어도 두 개의 층이 연속으로 제공되고 중첩되며, 이때 상기 층들(7) 중 적어도 하나의 층이 상기 방사선 주측(20)으로부터 멀리 떨어져 마주 놓인 볼록한 경계면(78)을 갖는,
광전자 소자. - 제 8 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조되는,
광전자 소자.
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