KR20160032328A

KR20160032328A - 반도체 발광소자 패키지

Info

Publication number: KR20160032328A
Application number: KR1020140121984A
Authority: KR
Inventors: 공보현; 박영민; 조동현
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2014-09-15
Filing date: 2014-09-15
Publication date: 2016-03-24
Also published as: US20160079478A1

Abstract

본 발명은 제1 및 제2 전극구조를 가지는 패키지 본체; 상기 패키지 본체의 제2 전극구조에 실장된 발광다이오드 칩을 포함하며, 상기 발광다이오드 칩은, 지지 기판과, 상기 지지 기판 상에 순차적으로 적층된 제2 도전형 반도체층, 활성층 및 제1 도전형 반도체층을 갖는 발광구조물과, 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치된 투명전극층과 적어도 상기 발광구조물의 측면에 배치된 절연층을 포함하되, 상기 투명전극층과 상기 제1 전극구조는 상기 발광다이오드 칩의 측면에 배치된 측면전극에 의해 접속되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 패키지를 제공한다.

Description

반도체 발광소자 패키지{SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE PACKAGE}

본 발명은 반도체 발광소자 패키지에 관한 것이다.

발광다이오드(Light emitting diode: LED)와 같은 반도체 발광소자는 소자 내에 포함되어 있는 물질이 빛을 발광하는 소자로서, 접합된 반도체의 전자와 정공이 재결합하며 발생하는 에너지를 광으로 변환하여 방출한다. 이러한 LED는 현재 조명, 표시장치 및 광원으로서 널리 이용되며 그 개발이 가속화되고 있는 추세이다.

특히, 최근 그 개발 및 사용이 활성화된 질화갈륨(GaN)계 발광다이오드를 이용한 휴대폰 키패드, 턴 시그널 램프, 카메라 플래쉬 등의 상용화에 힘입어, 최근 발광다이오드를 이용한 일반 조명 개발이 활기를 띠고 있다. 대형 TV의 백라이트 유닛 및 자동차 전조등, 일반 조명 등 그의 응용제품이 소형 휴대제품에서 대형화, 고출력화, 고효율화된 제품으로 진행하여 해당 제품에 요구되는 특성을 나타내는 광원을 요구하게 되었다.

이와 같이, 반도체 발광소자의 용도가 넓어짐에 따라, 반도체 발광소자의 생산공정을 단순화하여 생산성을 높이고, 발광영역의 손실을 최소화시키기 위한 방법이 요청되고 있다.

당 기술분야에서는 패키지 제조공정에서 발광다이오드 칩을 와이어 본딩하는 과정을 생략하여 제조공정을 단순화하고, 발광영역의 손실을 최소화한 새로운 반도체 발광소자 패키지가 요구되고 있다.

본 발명의 일 실시예는 제1 및 제2 전극구조를 가지는 패키지 본체; 상기 패키지 본체의 제2 전극구조에 실장된 발광다이오드 칩을 포함하며, 상기 발광다이오드 칩은, 지지 기판과, 상기 지지 기판 상에 순차적으로 적층된 제2 도전형 반도체층, 활성층 및 제1 도전형 반도체층을 갖는 발광구조물과, 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치된 투명전극층과 적어도 상기 발광구조물의 측면에 배치된 절연층을 포함하되, 상기 투명전극층과 상기 제1 전극구조는 상기 발광다이오드 칩의 측면에 배치된 측면전극에 의해 접속되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 패키지를 제공한다.

상기 측면전극은 상기 발광다이오드 칩의 각 측면에 배치될 수 있다.

상기 측면전극은 적어도 상기 발광다이오드 칩의 일 측면을 덮도록 배치될 수 있다.

상기 측면전극은 상기 발광다이오드 칩의 2이상의 측면을 덮도록 배치될 수 있다.

상기 측면전극은 상기 투명전극층의 가장자리와 접하도록 배치된 연장전극을 더 포함할 수 있다.

상기 연장전극은 상기 투명전극층의 모서리를 따라 배치될 수 있다.

상기 투명전극층은 제1 도전형 반도체층의 상부면을 덮도록 배치될 수 있다.

상기 투명전극층은 패턴이 형성될 수 있다.

상기 패턴은 상기 제1 도전형 반도체층의 일부 영역이 노출된 복수의 개구를 가질 수 있다.

본 발명의 다른 실시예는 제1 및 제2 전극구조를 가지는 패키지 본체; 상기 패키지 본체의 제2 전극구조에 실장된 발광다이오드 칩을 포함하며, 상기 발광다이오드 칩은, 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 가지며, 상기 제2 도전형 반도체층은 상기 제2 전극구조와 전기적으로 연결된 발광구조물; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치된 투명전극층; 적어도 상기 발광구조물의 측면에 배치된 절연층; 및 상기 투명전극과 상기 제1 전극구조를 전기적으로 연결하며, 상기 절연층의 표면에 배치된 측면전극을 포함하는 반도체 발광소자 패키지를 제공한다.

반도체 발광소자 패키지의 와이어 본딩 공정을 생략할 수 있다. 또한, 와이어 본딩으로 인해 발광영역이 손실되는 것을 방지할 수 있다.

덧붙여 상기한 과제의 해결수단 및 효과는, 상술된 것에 한정되지는 않는다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시예를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광소자 패키지의 사시도이다.
도 2는 도 1의 반도체 발광소자 패키지를 A-A'를 따라 절개한 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 변형예이다.
도 4(a) 내지 도 4(d)는 도 1의 투명전극층의 다양한 형태를 나타낸 평면도이다.
도 5(a) 내지 도 5(d)는 도 1의 연장전극의 다양한 형태를 나타낸 평면도이다.
도 6 내지 도 13은 도 1의 반도체 발광소자 패키지의 제조공정을 나타내는 주요 단계별 도면들이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광소자 패키지를 백라이트 유닛에 적용한 예를 나타내는 측단면도이다.
도 16 및 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광소자 패키지를 조명장치에 적용한 예를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시예는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

본 명세서에서, '상', '상부', '상면', '하', '하부', '하면', '측면' 등의 용어는 도면을 기준으로 한 것이며, 실제로는 소자나 패키지가 배치되는 방향에 따라 달라질 수 있을 것이다.

먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광소자 패키지(10)를 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광소자 패키지의 사시도이고, 도 2는 도 1의 반도체 발광소자 패키지를 A-A'를 따라 절개한 측단면도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 반도체 발광소자 패키지(10)는, 제1 및 제2 전극구조(201, 202)를 가지는 패키지 본체(200)와 상기 패키지 본체(200)의 제2 전극구조(202)에 실장된 발광다이오드 칩(100)을 포함하며, 상기 발광다이오드 칩(100)은 측면전극(160)에 의해 제1 전극구조(201)에 접속된다.

상기 패키지 본체(200)에는 제1 및 제2 전극 구조(201, 202)가 배치되며, 상기 제2 전극 구조(202)에는 발광다이오드 칩(100)이 실장된다.

구체적으로, 상기 제1 및 제2 전극구조(201, 202)는 상기 발광다이오드 칩(100)이 실장되는 패키지 본체(200)의 일면과 타면을 관통하는 제1 및 제2 관통전극(201b, 202b), 상기 제1 및 제2 관통전극(201b, 202b)의 양 단부가 노출되는 상기 일면과 상기 타면에 각각 배치된 제1 및 제2 상부 전극구조(201a, 202a)와 제1 및 제2 하부 전극구조(201c, 202c)가 형성되어, 상기 패키지 본체(200)의 양면이 서로 전기적으로 연결되도록 할 수 있다. 다만, 상기 제1 및 제2 전극구조(201, 202)의 형상은 도시된 것에 국한되는 것은 아니며, 다양한 형상으로 변형될 수 있다.

여기서 상기 패키지 본체(200)는, 에폭시, 트리아진, 실리콘, 폴리이미드 등을 함유하는 유기수지 소재 및 기타 유기 수지 소재로 형성될 수 있으나, 방열 특성 및 발광 효율의 향상을 위해, 고내열성, 우수한 열전도성, 고반사효율 등의 특성을 갖는 세라믹(ceramic) 재질, 예를 들어, Al2O3, AlN 등과 같은 물질로 이루어질 수 있다. 다만, 패키지 본체(200)의 재질이 이에 국한되는 것은 아니며, 발광다이오드 패키지(100)의 방열 특성 및 전기적 연결 관계 등을 고려하여 다양한 재질의 패키지 본체(200)가 이용될 수 있다.

또한 상술한 세라믹 기판 이외에도, 인쇄회로기판(printed circuit board) 또는 리드 프레임(lead frame) 등도 본 실시예의 패키지 본체(200)로 이용될 수 있다. 또한, 패키지 본체(200)는 빛의 반사 효율이 향상되도록 컵 형상을 가질 수 있다.

상기 발광다이오드 칩(100)은 상기 패키지 본체(200)에 실장되며, 지지 기판(110) 상에 배치된 발광구조물(130), 상기 발광구조물(130)의 일면에 배치된 투명전극층(140), 상기 지지 기판(110) 및 상기 발광구조물(130)의 측면에 배치된 절연층(150)을 포함한다.

상기 지지 기판(110)은 자체가 전도성을 가지는 물질로 이루어진 기판이거나, 상기 지지 기판(110)의 수직 방향으로 연결된 전도성 비아와 같은 전극 구조가 형성된 절연성 기판일 수 있다.

전도성을 갖는 물질로 이루어진 경우, 상기 지지 기판(110)은, Si, GaAs, GaP, AlGaINP, Ge, SiSe, GaN, AlInGaN 또는 InGaN 등의 기판이나, Al, Zn, Ag, W, Ti, Ni, Au, Mo, Pt, Pd, Cu, Cr 또는 Fe의 단일 금속 또는 Si-Al과 같은 이들의 합금 기판을 상기 발광구조물에 부착하여 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 Si-Al 합금 기판이 사용될 수 있다.

상기 지지 기판(110)은, 상기 발광구조물(130)을 지지하는 역할을 함과 동시에, 제2 도전형 반도체층(133)에 전원을 인가하는 p측 전극의 역할을 수행한다.

이때, 상기 지지 기판(110)은 전도성 접착층(120)을 통해 발광구조물(130)에 부착될 수 있으며, 상기 지지 기판(110)은 도금공정을 사용하여 형성될 수도 있다. 즉, 발광구조물(130) 상에 Cu 또는 Ni 등의 금속을 도금하여 지지 기판(110)을 형성할 수 있다.

상기 전도성 접착층(120)은 상기 제2 도전형 반도체층(133)과 상기 지지 기판(110)의 접촉을 보다 강화하기 위한 것으로서, 일반적으로 접착성을 갖는 전도성 물질로 이루어질 수 있다. 상기 전도성 접착층(120)으로는 Au을 사용할 수 있으며, Au/Ge, Au/In, Au/Sn, Pb/Sn 등의 공융 금속(eutectic metal)을 사용할 수도 있다. 그 밖에도 전도성 접착층(120)으로서 전도성 유기 물질을 사용할 수도 있다.

상기 발광구조물(130)은 상기 지지 기판(110) 상에 순차적으로 배치된 제2 도전형 반도체층(133), 활성층(132) 및 제1 도전형 반도체층(131)을 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층(131, 133)은 각각 n형 및 p형 반도체층이 될 수 있으며, 질화물 반도체로 이루어질 수 있다. 따라서, 이에 제한되는 것은 아니지만, 본 실시예의 경우, 제1 및 제2 도전형 반도체층(131, 133)은 각각 n형 및 p형 질화물 반도체층을 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 제1 및 제2 도전형 반도체층(131, 133)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.

상기 활성층(132)은 가시광(약 350㎚∼680㎚ 파장범위)을 발광하기 위한 층일 수 있으며, 단일 또는 다중 양자 우물(multiple quantum well; MQW)구조를 갖는 언도프된 질화물 반도체층으로 구성될 수 있다. 상기 활성층(132)은 예를 들어 AlxInyGa(1-x-y)N (0≤x<1, 0≤y<1, 0≤x+y<1)의 양자장벽층과 양자우물층이 교대로 적층된 다중양자우물구조로　형성되어 소정의 밴드갭을 가지는 구조를 사용할 수 있다. 이와 같은 양자 우물에 의해 전자 및 정공이 재결합되어 발광한다. 다중 양자 우물 구조의 경우, 예컨대, InGaN/GaN 구조가 사용될 수 있다. 제1 및 제2 도전형 반도체층(131, 133)과 활성층(132)은 당 기술 분야에서 공지된 MOCVD, MBE, HVPE 등과 같은 결정 성장 공정을 이용하여 형성될 수 있을 것이다.

이러한 발광다이오드 칩(100)은 제1 도전형 반도체층(131)과 제2 도전형 반도체층(133)에 각각 전원을 인가하는 n측 전극과 p측 전극이 발광다이오드 칩(100)의 서로 반대면에 배치되는, 소위 수직구조의 발광다이오드 칩이 사용될 수 있으며, 반도체층의 성장과정에서 결정결함을 감소시키기 위한 버퍼층이 더 포함될 수도 있다.

상기 발광구조물(130)의 상기 제1 도전형 반도체층(131) 상에는 투명전극층(140)이 배치될 수 있다. 상기 투명전극층은 ITO(Indium Tin Oxide), ZITO(Zinc-doped Indium Tin Oxide), ZIO(Zinc Indium Oxide), GIO(Gallium Indium Oxide), ZTO(Zinc TinOxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), AZO(Aluminium-doped Zinc Oxide), GZO(Gallium-doped Zinc Oxide), In4Sn3O12 또는 Zn(1-x)MgxO(Zinc Magnesium Oxide, 0≤x≤1)과 같은 TCO(Transparent Conductive Oxide)물질을 채용할 수 있으며, 필요에 따라 그래핀이 사용될 수도 이루어질 수 있다.

상기 투명전극층(140)은, 상기 측면 전극(160)으로부터 주입되는 전류를 확산시켜 상기 측면 전극(160)의 주변에 전류 밀도가 집중되는 것을 방지한다. 본 실시예는, 측면 전극(160)과 제1 도전형 반도체층(131) 사이에 상기 투명전극층(140)을 형성함으로써, 더욱 효율적으로 전류를 분산시킬 수 있다. 상기 투명전극층(140)은 상기 제1 도전형 반도체층(131)의 상면 전체를 덮도록 형성할 수 있으나, 상기 제1 도전형 반도체층(131)의 상면의 일부만을 덮도록 형성할 수도 있다. 또한, 상기 투명전극층(140)에 복수의 개구(141)를 형성하여, 광투과성을 더욱 향상되게 할 수도 있다.

이러한 투명전극층(140)은 다양한 형태로 변형될 수 있다. 도 4(a) 내지 도 4(d)는 투명전극층(140)의 다양한 형태를 도시한 평면도이다.

도 4(a)에 도시된 바와 같이, 상기 발광다이오드 칩(100)의 상면에서 보았을 때, 상기 투명전극층(140)은 복수의 개구(141)가 균일한 간격으로 배열되도록 형성될 수 있다. 이러한 개구(141)의 형상과 배열은 다양하게 변형할 수 있다. 상기 개구(141)는 원형, 다각형 또는 스트라이프와 같이 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 격자 배열되거나 엇갈리게 배열할 수도 있다.

도 4(b)는 투명전극층(140a)의 개구(141a)가 횡 단위로 서로 엇갈리게 배열된 예이며, 도 4(c)는 투명전극층(140b)의 개구(140b)가 사각형으로 형성된 예이다. 도 4(d)는 투명전극층(140c)의 개구(140c)가 삼각형으로 형성되고 상기 투명전극층(140c)의 중앙영역을 향하여 방사형으로 배열된 예이다.

상기 투명전극층(140) 상에는 연장전극(161)이 더 형성될 수 있다. 상기 연장전극(161)은 후술할 측면 전극(160)에서 인가된 전류가 상기 투명전극층(140)에 용이하게 확산되도록 상기 투명전극층(140)의 가장자리에 형성될 수 있다.

상기 연장전극(161)은 Au, Ag, Al, Ti, W, Cu, Sn, Ni, Pt, Cr, Sn, TiW, AuSn 또는 이들의 공융 금속을 포함하는 물질로 형성될 수 있으며, 하나의 층 또는 복수의 측으로 형성될 수 있다. 상기 연장전극(161)은 후술할 측면전극(160)과 동일한 물질로 형성될 수도 있다.

상기 연장전극(161)은 다양한 형태로 변형될 수 있다. 도 5(a) 내지 도 5(d)는 연장전극(161)의 다양한 형태를 도시한 평면도이다.

도 5(a)에 도시된 바와 같이, 상기 발광다이오드 칩(100)의 상면에서 보았을 때, 상기 연장전극(161)은 사각형의 개구(162)를 갖도록, 상기 투명전극층(140)의 가장자리에 배치될 수 있다. 이러한 개구(162)의 형상과 배열은 다양하게 변형할 수 있다. 상기 개구(162)는 원형, 다각형 또는 스트라이프와 같이 다양한 형상으로 형성될 수 있으며, 격자 배열되거나 엇갈리게 배열할 수도 있다.

도 5(b)는 연장전극(161a)의 개구(162a)가 사각형으로 형성되고, 균일한 간격으로 배열되도록 상기 투명전극층(140)의 중앙영역을 가로지르는 전극지(161a')를 더 포함한 예이며, 도 5(c)는 연장전극(161b)의 개구(162b)가 삼각형으로 형성된 예이다. 도 5(d)는 투명전극층(140)의 일부 가장자리에만 연장전극(161c)이 배치되도록 H자 형상으로 형성된 예이다.

상기 연장전극(161)은 측면전극(160)과 별개로 배치될 수 있으나, 상기 측면전극(160)과 하나의 공정에서 일체로 형성될 수도 있다. 상기 연장전극(161)은 반드시 필요한 것은 아니며 필요에 따라 생략할 수도 있다.

상기 발광다이오드 칩(100)의 측면에는 절연층(150)이 배치될 수 있다. 상기 절연층(150)은 상기 발광다이오드 칩(100)의 측면 중 적어도 상기 발광구조물(130)의 측면에 배치될 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 상기 지지 기판(110)이 전도성 기판으로 이루어진 경우에는, 상기 절연층(150)은 상기 지지 기판(110)의 측면과 발광구조물(130)의 측면을 포함하는 영역에 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 절연층(150)은 상기 지지 기판(110) 및 상기 발광구조물(130)과 측면전극(160)을 절연시켜, 상기 제1 도전형 반도체층(131)에 인가되는 전류가 제2 도전형 반도체층(133) 이나 지지 기판(110)으로 누설되는 것이 방지할 수 있다.

또한, 상기 지지 기판(110)이 절연성 기판으로 이루어진 경우에는, 상기 절연층(150)은 상기 발광구조물(130)의 측면을 포함하는 영역에 제한적으로 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 지지 기판(110)이 절연성이므로, 지지 기판(110)의 측면에 절연층(150)을 배치하지 않더라도 상기 지지 기판(110) 및 상기 발광구조물(130)과 측면전극(160)이 절연되므로, 상기 제1 도전형 반도체층(131)에 인가되는 전류가 제2 도전형 반도체층(133) 이나 지지 기판(110)으로 누설되는 것이 방지할 수 있다.

상기 절연층(150)은 적어도 후술할 측면전극(160)이 상기 발광다이오드 칩(100)의 측면과 접하는 영역을 포함하도록 배치될 수 있으며, 상기 발광다이오드 칩(100)의 측면 중 상기 측면전극(160)이 배치된 면을 덮도록 배치할 수도 있다. 또한, 상기 발광다이오드 칩(100)의 각 측면을 모두 덮도록 배치할 수 있다. 이와 같이 투명전극층(140)의 측면을 절연층(150)으로 덮으면, 측면전극(160)이 연장전극(161)을 경유하지 않고 직접 상기 투명전극층(140)과 접하는 것이 방지되어, 전류 확산에 유리한 효과가 있다

상기 절연층(150)은 SiO2, SiN, TiO2, Si3N4, Al2O3, TiN, AlN, ZrO2, TiAlN, TiSiN과 같은 절연물질로 형성될 수 있다.

상기 측면전극(160)은 상기 투명전극층(140)과 상기 제1 전극구조(201)를 접속하되, 상기 발광다이오드 칩(100)의 측면에 배치된다. 구체적으로, 상기 측면전극(160)의 일단은 상기 투명전극층(140)의 적어도 일 영역에 접속된다. 이때, 상기 측면전극(160)은 연장전극(161)을 경유하여 상기 투명전극층(140)에 접속될 수 있다. 또한, 상기 측면전극(160)의 타단은 상기 발광구조물(130)의 측면으로 연장되어 상기 제1 전극구조(201)에 접속된다.

상기 측면전극(160)은 발광다이오드 칩(100)의 각 측면에 상기 투명전극층(140)과 상기 제1 전극구조(201) 사이를 가장 짧은 거리로 연결하는 스프라이트 형상으로 배치되어, 상기 투명전극층(140)과 상기 제1 전극구조(201)간의 전류의 경로를 최단거리로 형성할 수도 있다.

상기 측면전극(160)은 상기 제1 도전형 반도체층(131)에 전원을 인가하는 n측 전극의 역할을 수행한다. 상기 측면전극(160)은 Au, Ag, Al, Ti, W, Cu, Sn, Ni, Pt, Cr, Sn, TiW, AuSn 또는 이들의 공융 금속을 포함하는 물질로 형성될 수 있으며, 하나의 층 또는 복수의 측으로 형성될 수 있다. 상기 측면전극(160)은 상기 연장전극(161)과 동일한 물질로 형성될 수도 있다.

도 1 및 도 2에는 상기 측면전극(160)이 발광다이오드 칩(100)의 각 측면에 스프라이트 형상으로 배치된 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며, 다양한 형태로 변형될 수 있다.

예를 들어, 상기 측면전극(160)이 상기 발광다이오드 칩(100)의 적어도 하나의 측면에는 배치되지 않게 구성할 수도 있다. 또한, 상기 측면전극(160)이 상기 발광다이오드 칩(100)의 적어도 어느 한 면을 덮도록 형성할 수도 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예의 변형예로서, 측면전극(160')이 상기 발광다이오드 칩(100)의 모든 측면을 덮도록 배치된 경우이다. 이와 같이, 측면전극(160')이 상기 발광다이오드 칩(100)의 모든 측면을 덮도록 배치하면, 상기 측면전극(160')이 발광다이오드 칩(100)에서 방출되는 빛을 상기 발광다이오드 칩(100)의 상부 방향으로 반사할 수 있으므로, 일종의 반사층으로서 역할을 할 수 있다. 따라서, 반도체 발광소자 패키지(10)의 광추출 효율이 더욱 향상될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 발광다이오드 칩(100)의 상면에는 파장변환층(300)이 배치될 수 있다. 상기 파장변환층(300)은 형광체나 양자점을 포함할 수 있다. 또한, 상기 파장변환층(300)은 실질적으로 일정한 두께를 가지는 시트(sheet) 형상으로 형성될 수 있으며, 상온에서 반경화 상태이고, 가열시 유동 가능한 수준으로 상 변화하는 반경화성(B-stage) 물질에 형광체와 같은 물질이 분산된 필름일 수 있다. 구체적으로, 상기 반경화성 물질은 B-stage 실리콘일 수 있다.

상기 파장변환층(300)은 하나의 층이 적층된 구조일 수 있으나, 다층으로 형성될 수도 있다. 상기 파장변환층(300)을 다층으로 형성한 경우에 각각의 층에 서로 다른 종류의 형광체 등을 포함하게 할 수도 있다.

상기 파장변환층(300)은 반경화된 수지물질에 형광체나 양자점 등이 혼합되어 이루어질 수 있다. 예를 들어, 수지, 경화제 및 경화 촉매 등으로 이루어진 폴리머 바인더에 형광체가 혼합되고 반경화된(B-stage) 복합재일 수 있다.

형광체로는 가넷(garnet) 계열 형광체(YAG, TAG, LuAG), 실리케이트 계열 형광체, 질화물계 형광체, 황화물계 형광체, 산화물계 형광체 등이 사용될 수 있으며, 단일종으로 구성되거나 또는 소정 비율로 혼합된 복수종으로 구성될 수 있다.

상기 파장변환층(300)에 사용되는 수지는 고 접착성, 고 광투과성, 고 내열성, 고 광굴절율, 내습성 등을 만족할 수 있는 수지인, 에폭시(epoxy) 계열이나 무기계 고분자인 실리콘(silicone)이 사용될 수 있다. 고 접착성 확보를 위해서는 접착력 향상을 도모하는 첨가제로서, 예를 들어, 실란(silane)계 물질이 채용될 수 있다.

상기 파장변환층(300) 상에는 렌즈부(400)가 더 형성될 수 있다. 상기 렌즈부(400)은 상기 발광구조물(130) 및 상기 파장변환층(300)을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 상기 렌즈부(400)는 표면의 형상을 조절하여 상기 발광구조물(130)에서 방출된 빛의 배광분포를 제어하도록 할 수 있다. 상기 렌즈부(400)는 광투과성 물질로 형성될 수 있으며, 구체적으로, 실리콘, 변형 실리콘, 에폭시, 우레탄, 옥세탄, 아크릴, 폴리카보네이트, 폴리이미드 및 이들의 조합으로 구성된 조성물 등과 같은 투광성을 갖는 절연수지로 형성될 수 있다. 그러나, 이에 한정하는 것은 아니며 유리, 실리카겔 등과 같이 광투과성이 뛰어난 물질이 사용될 수도 있다.

이와 같은 구조의 측면전극(160)이 채용된 반도체 발광다이오드 패키지(10)은 종래의 수직구조 발광다이오드 패키지에 비하여 제조공정이 단순하며, 발광영역의 손실을 최소화되는 효과가 있다. 이에 대해서 자세하게 설명한다.

종래의 수직구조 발광다이오드 패키지의 경우, 와이어 본딩을 통해 발광다이오드 칩의 제1 도전형 반도체층과 패키지 기판을 연결하여 전원을 인가하였다. 이와 같은 와이어 본딩을 하기 위해서는 발광다이오드 칩의 제1 도전형 반도체층 상에 전극패드를 형성하여야만 했다. 이러한 전극패드는 발광다이오드 칩의 발광 영역을 감소시켜 광추출 효율을 감소시키는 원인이 되었으며, 전극패드에 본딩된 와이어는 발광다이오드 칩의 상부를 거쳐 패키지 기판에 연결되므로 발광다이오드 칩에서 방출된 빛을 흡수하거나 반사하여 광추출 효율을 감소시키는 원인이 되었다. 또한, 와이어를 각각의 발광다이오드 칩에 개별적으로 본딩하므로, 대량의 반도체 발광소자 패키지를 동시에 제조하는 것이 불가능하였다. 이는 제조시간이 증가되는 원인이 되었다.

본 발명은 이러한 종래의 수직구조 발광다이오드 칩의 문제점을 해결하기 위하여, 와이어 본딩이 없이도 발광다이오드 칩(100)에 전원을 인가할 수 있도록 하였다. 구체적으로, 발광다이오드 칩(100)의 측면에 측면전극(160)으로 배치하여, 발광다이오드 칩의 전극패드에 의해 발광영역이 감소되는 것을 방지하였다. 또한, 별도의 와이어가 없으므로, 발광다이오드 칩에서 방출되는 빛이 와이어에 의해 흡수되거나 반사되는 것이 원천적으로 방지된다. 아울러, 상기 측면전극은 발광다이오드 칩(100)에 증착 공정을 통하여 형성할 수 있으므로, 대량의 반도체 발광다이오드 패키지를 칩에 동시에 제조하는 것이 가능하다. 따라서, 반도체 발광다이오드 패키지의 제조시간이 획기적으로 단축될 수 있다.

다음으로 본 발명의 일 실시예에 의한 반도체 발광소자 패키지(10)의 제조공정제 대해 설명한다.

도 6 내지 도 13은 도 1의 반도체 발광소자 패키지의 제조공정을 나타내는 주요 단계별 도면들이다.

우선, 도 6에 도시된 바와 같이, 성장용 기판(170)의 상부에 제1 도전형 반도체층(131), 활성층(132) 및 제2 도전형 반도체층(133)을 순차적으로 적층하여 발광구조물(130)을 형성한다.

상기 성장용 기판(170)은 반도체 성장용 기판으로 제공될 수 있으며, 사파이어, SiC, MgAl2O4, MgO, LiAlO2, LiGaO2, GaN, Si 등과 같이 물질을 이용할 수 있다. 특히, 질화물 반도체 성장용 기판으로 널리 이용되는 사파이어는, 전기 절연성을 가지며 육각-롬보형(Hexa-Rhombo R3c) 대칭성을 갖는 결정체로서 c축 및 a측 방향의 격자상수가 각각 13.001Å과 4.758Å이며, C(0001)면, A(11-20)면, R(1-102)면 등을 갖는다. 이 경우, 상기 C면은 비교적 질화물 박막의 성장이 용이하며, 고온에서 안정하기 때문에 질화물 성장용 기판으로 주로 사용된다.

한편, 도면에는 도시되지 않았으나, 성장용 기판(170)의 상면, 즉, 반도체층들의 성장면에는 다수의 요철 구조가 형성될 수 있으며, 이러한 요철 구조에 의하여 반도체층들의 결정성과 광 방출 효율 등이 향상될 수 있다.

상기 제1 도전형 반도체층(131), 활성층(132) 및 제2 도전형 반도체층(133)은 유기 금속 화학 증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD), 수소화 기상 에피택시(Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE), 분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy, MBE) 등과 같은 공정을 이용하여, 성장용 기판(170) 상에 순차적으로 적층 형성될 수 있다.

다음으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 발광구조물(130)의 상기 제1 도전형 반도체층(123) 상에 지지 기판(110)을 부착한다. 이때, 상기 지지 기판(110)은 전도성 접착층(120)을 통해 발광구조물(130)에 부착될 수 있으며, 상기 지지 기판(110)은 도금공정을 사용하여 형성될 수도 있다. 즉, 발광구조물(130) 상에 Cu 또는 Ni 등의 금속을 도금하여 지지 기판(110)을 형성할 수도 있다.

다음으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 레이저 리프트-오프법(laser lift off; LLO)으로 상기 성장용 기판(170)을 제1 도전형 반도체층(131)에서 분리한다.

다음으로, 도 9에 도시된 바와 같이, 제1 도전형 반도체층(131) 상에 투명전극층(140)을 배치한다. 상기 투명전극층(140)은 앞서 설명한 바와 같이, 복수의 개구(141)를 구비하여 활성층(132)에서 방출된 빛이 투과되는 양을 증가시킬 수도 있다.

상기 투명전극층(140)은 ITO(Indium Tin Oxide), ZITO(Zinc-doped Indium Tin Oxide), ZIO(Zinc Indium Oxide), GIO(Gallium Indium Oxide), ZTO(Zinc TinOxide), FTO(Fluorine-doped Tin Oxide), AZO(Aluminium-doped Zinc Oxide), GZO(Gallium-doped Zinc Oxide), In4Sn3O12 또는 Zn(1-x)MgxO(Zinc Magnesium Oxide, 0≤x≤1)과 같은 TCO(Transparent Conductive Oxide)물질을 증착하거나 스퍼터링하여 형성할 수 있으며, 필요에 따라 그래핀이 사용될 수도 이루어질 수 있다.

다음으로, 도 10에 도시된 바와 같이, 블레이드(B)를 이용하여 상기 지지 기판(110)과 상기 발광구조물(130)을 개별 소자로 분리하고, 도 11에 도시된 바와 같이, 분리된 개별 소자의 측면에 절연층(140)을 증착한다. 이러한 절연층(140)은 적어도 상기 지지 기판(110)의 측면과 상기 발광구조물(130)의 측면을 포함하는 영역에 배치할 수 있다. 이와 같이 분리된 개별 소자의 측면에 절연층(140)을 배치하면, 상기 제1 도전형 반도체층(131)에 인가되는 전류가 제2 도전형 반도체층(133) 이나 지지 기판(110)으로 누설되는 것 방지할 수 있다.

다음으로, 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 투명전극층(140) 상에 연장전극(161)을 배치하여 발광다이오드 칩(100)을 제조한다. 상기 연장전극(161)은 측면 전극(160)에서 인가된 전류가 상기 투명전극층(140)에 용이하게 확산되도록 상기 투명전극층(140)의 가장자리에 형성될 수 있다.

상기 연장전극(161)은 Au, Ag, Al, Ti, W, Cu, Sn, Ni, Pt, Cr, Sn, TiW, AuSn 또는 이들의 공융 금속을 포함하는 물질을 증착하거나 스퍼터링하여 형성할 수 있으며, 하나의 층 또는 복수의 측으로 형성될 수 있다. 상기 연장전극(161)은 측면전극(160)과 동일한 물질로 형성될 수도 있다. 또한, 상기 연장전극(161)을 별도로 형성하지 아니하고, 측면전극((160)을 형성하는 후속공정에서 일체로 형성할 수도 있다.

다음으로, 도 13에 도시된 바와 같이, 준비된 패키지 본체(200)의 제1 전극구조(201)에 상기 발광다이오드 칩(100)을 실장하여, 상기 발광다이오드 칩(100)의 지지 기판(110)에 제1 전극구조(201)를 전기적으로 접속시킨다.

다음으로, 상기 발광다이오드 칩(100)의 측면에 측면전극(160)을 배치한다. 상기 측면전극(160)은 Au, Ag, Al, Ti, W, Cu, Sn, Ni, Pt, Cr, Sn, TiW, AuSn 또는 이들의 공융 금속을 포함하는 물질을 증착하거나 스퍼터링하여 형성될 수 있으며, 하나의 층 또는 복수의 측으로 형성될 수 있다. 또한, 이 단계에서, 앞서 설명한 연장전극(161)을 하나의 공정을 통해 측면전극(160)과 동시에 형성할 수도 있다.

이어서, 상기 발광다이오드 칩(100) 상에 파장변환층(300)을 형성하고, 렌즈부(400)를 부착하면, 도 1의 반도체 발광다이오드 패키지(10)가 완성된다.

상술된 실시예에 따른 나노구조 반도체 발광소자 및 이를 구비한 패키지는 다양한 응용제품에 유익하게 적용될 수 있다.

도 14 및 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광소자 패키지를 백라이트 유닛에 적용한 예를 나타내는 측단면도이다.

도 14를 참조하면, 백라이트 유닛(2000)은 기판(2002) 상에 광원(2001)이 실장되며, 그 상부에 배치된 하나 이상의 광학 시트(2003)를 구비한다. 광원(2001)은 도 1 또는 도 3의 반도체 발광소자 패키지(10)와 동일하거나 유사한 구조를 가지는 반도체 발광소자 패키지를 이용할 수 있으며, 또한, 발광다이오드 칩을 직접 기판(2002)에 실장(소위 COB 타입)하여 이용할 수도 있다.

도 14의 백라이트 유닛(2000)에서 광원(2001)은 액정표시장치가 배치된 상부를 향하여 빛을 방사하는 것과 달리, 도 14에 도시된 다른 예의 백라이트 유닛(3000)은 기판(3002) 위에 실장된 광원(3001)이 측 방향으로 빛을 방사하며, 이렇게 방사된 빛은 도광판(3003)에 입사되어 면광원의 형태로 전환될 수 있다. 도광판(3003)을 거친 빛은 상부로 방출되며, 광 추출 효율을 향상시키기 위하여 도광판(3003)의 하면에는 반사층(3004)이 배치될 수 있다.

도 16 및 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광소자 패키지를 조명장치에 적용한 예를 나타내는 도면이다.

도 16을 참조하면, 조명장치(4000)는 벌브형 램프이며, 발광모듈(4010)과 구동부(4020)와 외부접속부(4030)를 포함한다. 또한, 외부 및 내부 하우징(4040, 4050)과 커버부(4060)와 같은 외형구조물을 추가적으로 포함할 수 있다.

발광모듈(4010)은 도 1 또는 도 3의 반도체 발광소자 패키지(10)와 동일하거나 유사한 구조를 가지는 반도체 발광소자 패키지(4011)와 그 반도체 발광소자 패키지(4011)가 탑재된 회로기판(4012)을 포함할 수 있다. 본 실시 형태에서는, 한 개의 반도체 발광소자 패키지(4011)가 회로기판(4012) 상에 실장된 형태로 예시되어 있으나, 필요에 따라 복수 개로 장착될 수 있다.

외부 하우징(4040)은 열방출부로 작용할 수 있으며, 발광모듈(4010)과 직접 접촉되어 방열효과를 향상시키는 열방출판(4041) 및 외부 하우징(4040)의 측면을 둘러싸는 방열핀(4042)을 포함할 수 있다. 커버부(4060)는 발광모듈(4010) 상에 장착되며 볼록한 렌즈형상을 가질 수 있다. 구동부(4020)는 내부 하우징(4050)에 장착되어 소켓구조와 같은 외부접속부(4030)에 연결되어 외부 전원으로부터 전원을 제공받을 수 있다. 또한, 구동부(4020)는 발광모듈(4010)의 반도체 발광소자(4011)를 구동시킬 수 있는 적정한 전류원으로 변환시켜 제공하는 역할을 한다. 예를 들어, 이러한 구동부(4020)는 AC-DC 컨버터 또는 정류회로부품 등으로 구성될 수 있다.

또한, 도면에는 도시되지 않았으나, 조명장치(4000)는 통신 모듈을 더 포함 할 수도 있다.

도 17을 참조하면, 조명장치(5000)는 일 예로서 바(bar)-타입 램프이며, 발광모듈(5010), 몸체부(5020), 커버부(5030) 및 단자부(5040)를 포함할 수 있다.

발광모듈(5010)은 기판(5012)과, 기판(5012) 상에 장착되는 복수의 반도체 발광소자 패키지(5011)를 포함할 수 있다. 반도체 발광소자 패키지(5011)는 도 1 또는 도 3의 반도체 발광소자 패키지(10)가 채용될 수 있다.

몸체부(5020)는 리세스(5021)에 의해 발광모듈(5010)을 일면에 장착하여 고정시킬 수 있으며, 발광모듈(5010)에서 발생되는 열을 외부로 방출시킬 수 있다. 따라서, 몸체부(5020)는 지지 구조물의 일종으로 히트 싱크를 포함할 수 있으며, 양 측면에는 방열을 위한 복수의 방열 핀(5022)이 돌출되어 형성될 수 있다.

커버부(5030)는 몸체부(5020)의 걸림 홈(5023)에 체결되며, 광이 외부로 전체적으로 균일하게 조사될 수 있도록 반원 형태의 곡면을 가질 수 있다. 커버부(5030)의 바닥면에는 몸체부(5020)의 걸림 홈(5023)에 맞물리는 돌기(5031)가 높이 방향을 따라서 형성될 수 있다.

단자부(5040)는 몸체부(5020)의 높이 방향의 양 끝단부 중 개방된 적어도 일측에 구비되어 발광모듈(5010)에 전원을 공급할 수 있으며, 외부로 돌출된 전극 핀(5041)을 포함할 수 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 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.

10: 반도체 발광소자 패키지
100: 발광다이오드 칩
110: 지지 기판
120: 전도성 접착층
130: 발광구조물
131: 제1 도전형 반도체층
132: 활성층
133: 제2 도전형 반도체층
140: 투명전극층
141: 개구
150: 절연층
160: 측면전극
161: 연장전극
162: 개구
200: 패키지 본체
201: 제1 전극구조
202: 제2 전극구조
300: 파장변환층
400: 렌즈부

Claims

제1 및 제2 전극구조를 가지는 패키지 본체;
상기 패키지 본체의 제2 전극구조에 실장된 발광다이오드 칩을 포함하며,
상기 발광다이오드 칩은,
지지 기판과,
상기 지지 기판 상에 순차적으로 적층된 제2 도전형 반도체층, 활성층 및 제1 도전형 반도체층을 갖는 발광구조물과,
상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치된 투명전극층과
적어도 상기 발광구조물의 측면에 배치된 절연층을 포함하되,
상기 투명전극층과 상기 제1 전극구조는 상기 발광다이오드 칩의 측면에 배치된 측면전극에 의해 접속되는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 패키지.
제1항에 있어서,
상기 측면전극은 상기 발광다이오드 칩의 각 측면에 배치된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 패키지.
제1항에 있어서,
상기 측면전극은 적어도 상기 발광다이오드 칩의 일 측면을 덮도록 배치된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 패키지.
제3항에 있어서,
상기 측면전극은 상기 발광다이오드 칩의 2이상의 측면을 덮도록 배치된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 패키지.
제1항에 있어서,
상기 측면전극은 상기 투명전극층의 가장자리와 접하도록 배치된 연장전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 패키지.
제5항에 있어서,
상기 연장전극은 상기 투명전극층의 모서리를 따라 배치된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 패키지.
제1항에 있어서,
상기 투명전극층은 제1 도전형 반도체층의 상부면을 덮도록 배치된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 패키지.
제7항에 있어서,
상기 투명전극층은 패턴이 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 패키지.
제8항에 있어서,
상기 패턴은 상기 제1 도전형 반도체층의 일부 영역이 노출된 복수의 개구를 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 패키지.
제1 및 제2 전극구조를 가지는 패키지 본체;
상기 패키지 본체의 제2 전극구조에 실장된 발광다이오드 칩을 포함하며,
상기 발광다이오드 칩은,
제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 가지며, 상기 제2 도전형 반도체층은 상기 제2 전극구조와 전기적으로 연결된 발광구조물;
상기 제1 도전형 반도체층 상에 배치된 투명전극층;
적어도 상기 발광구조물의 측면에 배치된 절연층; 및
상기 투명전극과 상기 제1 전극구조를 전기적으로 연결하며, 상기 절연층의 표면에 배치된 측면전극을 포함하는 반도체 발광소자 패키지.