KR20160094755A - 발광 장치 - Google Patents

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KR20160094755A
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conductive
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KR1020150016163A
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마이클 임
마사미 네이
김경원
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서울반도체 주식회사
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Abstract

발광 장치가 제공된다. 발광 장치는, 제2 베이스, 제2 베이스 상에 위치하는 도전성 패턴, 및 제2 베이스와 도전성 패턴 사이에 위치하는 절연 패턴을 포함하는 제2 기판; 제2 기판 상에 위치하며, 제1 베이스, 제1 전극, 및 제2 전극을 포함하는 제1 기판; 및 제1 기판 상에 위치하며, 발광부 및 발광부와 제1 기판 사이에 위치하는 제1 및 제2 패드 전극을 포함하는 발광 다이오드를 포함하고, 제2 기판의 제2 베이스는 상부로 돌출된 돌출부를 포함하며, 돌출부는 제1 기판과 접한다.

Description

발광 장치{LIGHT EMITTING DEVICE}
본 발명은 발광 장치에 관한 것으로, 특히, 방열 특성이 우수한 발광 장치에 관한 것이다.
최근 소형 고출력 발광 장치에 대한 요구가 증가하면서, 고출력 발광 장치에 적용 가능한 고방열 효율의 대면적 플립칩형 발광 다이오드의 수요가 증가하고 있다. 플립칩형 발광 다이오드의 전극은 직접 2차 기판에 접합되며, 또한 플립칩형 발광 다이오드에 외부 전원을 공급하기 위한 와이어를 이용하지 않으므로, 수평형 발광 다이오드에 비해 열 방출 효율이 매우 높다. 따라서 고밀도 전류를 인가하더라도 효과적으로 열을 2차 기판 측으로 전도시킬 수 있어서, 플립칩형 발광 다이오드는 고출력 발광 장치의 발광원으로 적합하다.
또한, 발광 다이오드의 소형화 및 고출력을 위하여, 발광 다이오드를 별도의 하우징 등에 패키징하는 공정을 생략하고, 발광 다이오드 자체를 패키지로서 이용하는 칩 스케일 패키지(Chip Scale Package)에 대한 요구가 증가하고 있다. 특히, 플립칩형 발광 다이오드의 전극은 패키지의 리드와 유사한 기능을 할 수 있어서, 이러한 칩 스케일 패키지에 있어서도 유용하게 플립칩형 발광 다이오드가 적용될 수 있다.
이러한 칩 스케일 패키지 형태의 소자를 고출력 발광 장치로서 이용하는 경우, 상기 칩 스케일 패키지에 고밀도의 전류가 인가된다. 고밀도의 전류가 인가되면, 그만큼 발광 칩으로부터 발생하는 열도 증가한다. 이러한 열은 발광 다이오드에 열적 스트레스를 발생시키고, 열 팽창 계수가 서로 다른 물질들 간의 계면에서 발생하는 응력 및 이로 인한 잔류 응력을 발생시킨다. 따라서 고출력 발광 장치에 적용되는 발광 다이오드는 높은 열 방출 효율이 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 열 방출 효율이 높고, 낮은 접합 온도(junction temperature)를 갖는 발광 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 발광 장치는, 제2 베이스, 상기 제2 베이스 상에 위치하는 도전성 패턴, 및 상기 제2 베이스와 상기 도전성 패턴 사이에 위치하는 절연 패턴을 포함하는 제2 기판; 상기 제2 기판 상에 위치하며, 제1 베이스, 제1 전극, 및 제2 전극을 포함하는 제1 기판; 및 상기 제1 기판 상에 위치하며, 발광부 및 상기 발광부와 제1 기판 사이에 위치하는 제1 및 제2 패드 전극을 포함하는 발광 다이오드를 포함하고, 상기 제2 기판의 제2 베이스는 상부로 돌출된 돌출부를 포함하며, 상기 돌출부는 상기 제1 기판과 접한다.
상기 제1 기판은 상기 제1 베이스의 하부면에 위치하는 방열 패드를 더 포함할 수 있고, 상기 방열 패드는 상기 돌출부에 접할 수 있다.
또한, 상기 제1 전극은, 상기 제1 베이스의 상부면 및 하부면에 각각 위치하는 제1 상부 전극 및 제1 하부 전극, 및 상기 제1 상부 전극과 제1 하부 전극을 연결하는 제1 비아 전극을 포함할 수 있고, 상기 제2 전극은, 상기 제1 베이스의 상부면 및 하부면에 각각 위치하는 제2 상부 전극 및 제2 하부 전극, 및 상기 제2 상부 전극과 제2 하부 전극을 연결하는 제2 비아 전극을 포함할 수 있으며, 상기 제1 및 제2 비아 전극은 상기 제1 베이스를 관통할 수 있다.
나아가, 상기 방열 패드는 상기 제1 하부 전극과 제2 하부 전극의 사이에 위치할 수 있다.
또한, 상기 도전성 패턴은 서로 이격된 제1 및 제2 도전성 패턴을 포함할 수 있고, 상기 제1 및 제2 도전성 패턴은 각각 제1 및 제2 전극에 전기적으로 연결될 수 있다.
나아가, 상기 돌출부는 상기 제1 및 제2 도전성 패턴의 사이에 위치할 수 있다.
상기 제1 베이스는 절연성 세라믹을 포함할 수 있고, 상기 제2 베이스는 도전성 금속을 포함할 수 있다.
상기 발광 다이오드는 질화물 반도체를 포함하는 발광 구조체를 포함할 수 있고, 상기 발광 구조체의 두께는 20㎛이상일 수 있다.
상기 발광 구조체의 두께는 100㎛이상일 수 있다.
상기 발광 구조체는 질화물계 성장 기판을 더 포함할 수 있다.
상기 질화물계 성장 기판은 GaN기판일 수 있다.
상기 발광 다이오드는, 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층의 사이에 위치하는 활성층을 포함하는 발광 구조체; 상기 발광 구조체 상에 위치하며, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층에 각각 오믹 컨택하는 제1 컨택 전극 및 제2 컨택 전극; 및 상기 제1 컨택 전극 및 제2 컨택 전극을 절연시키며, 상기 제1 및 제2 컨택 전극을 부분적으로 덮는 절연층을 포함할 수 있고, 상기 제1 패드 전극과 제2 패드 전극은 각각 상기 제1 컨택 전극 및 제2 컨택 전극에 전기적으로 연결될 수 있다.
나아가, 상기 발광 구조체는 상기 제2 도전형 반도체층 및 상기 활성층을 포함하는 하나 이상의 메사를 포함할 수 있고, 상기 메사의 주변에는 상기 제1 도전형 반도체층이 노출된 영역이 형성되며, 상기 제1 도전형 반도체층이 노출된 영역을 통해 상기 제1 컨택 전극과 상기 제1 도전형 반도체층이 오믹 컨택할 수 있다.
상기 발광 구조체의 두께는 20㎛이상일 수 있다.
상기 발광 구조체는 질화물계 성장 기판을 더 포함할 수 있다.
상기 발광 구조체의 두께는 100㎛이상일 수 있다.
상기 발광 장치는, 상기 발광 다이오드의 적어도 일부 표면을 덮는 파장변환부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 제1 기판, 제2 기판 및 발광 다이오드를 포함하는 발광 장치를 제공함으로써, 열 방출 효율이 향상되어 신뢰성이 향상된 발광 장치가 제공될 수 있다. 또한, 열 방출 효율이 우수한 발광 장치를 제공함으로써, 고출력 발광 장치에 적합한 구조의 발광 장치가 구현될 수 있다. 나아가, 발광 다이오드의 발광 구조체 두께를 소정 범위 이상으로 형성하여, 열적 신뢰성이 더욱 향상된 발광 장치가 제공될 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 장치를 설명하기 위한 분해 단면도 및 단면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 평면도들 및 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 장치를 설명하기 위한 단면도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 또한, 하나의 구성요소가 다른 구성요소의 "상부에" 또는 "상에" 있다고 기재된 경우 각 부분이 다른 부분의 "바로 상부" 또는 "바로 상에" 있는 경우뿐만 아니라 각 구성요소와 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 개재된 경우도 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 장치를 설명하기 위한 분해 단면도 및 단면도이다. 구체적으로, 도 1은 본 실시예의 발광 장치의 각 구성요소를 분리하여 도시하는 분해 단면도이고, 도 2는 상기 구성요소들이 결합된 형태의 발광 장치를 도시하는 단면도이다. 또한, 도 3 및 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드(100)를 설명하기 위한 평면도들 및 단면도이다. 본 실시예의 발광 다이오드(100)는 도 1 및 도 2의 발광 장치에 적용될 수 있다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 발광 장치는 발광 다이오드(100), 제1 기판(200) 및 제2 기판(300)을 포함한다. 제1 기판(200)은 제2 기판(300) 상에 위치하고, 발광 다이오드(100)는 제1 기판(200) 상에 위치한다. 발광 다이오드(100), 제1 기판(200) 및 제2 기판(300)은 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 이하, 발광 다이오드(100), 제1 기판(200) 및 제2 기판(300)에 관하여 상세하게 설명한다.
제2 기판(300)은 발광 장치의 저부에 위치하여, 제1 기판(200) 및 발광 다이오드(100)를 지지할 수 있다. 제2 기판(300)은 제2 베이스(310) 및 도전성 패턴(330)을 포함하고, 나아가, 절연 패턴(320)을 더 포함할 수 있다. 또한, 제2 베이스(310)는 돌출부(311)를 포함할 수 있다.
제2 베이스(310)는 제2 기판(300)의 지지판과 같은 역할을 할 수 있다. 제2 베이스(310)의 물질은 제한되지 않으나, 열 전도성이 우수한 물질을 포함할 수 있다. 제2 베이스(310)는 금속 물질을 포함할 수 있고, 예컨대, Ag, Cu, Au, Al, Mo 등을 포함할 수 있고, 단일층 또는 다중층으로 형성될 수 있다. 따라서, 제2 베이스(310)는 발광 장치 구동 시 발생하는 열을 효과적으로 전도시켜, 발광 장치의 열 방출 효율을 향상시킬 수 있다.
제2 베이스(310)의 돌출부(311)는 제2 베이스(310)의 상면으로부터 돌출된 형태로 형성될 수 있다. 돌출부(311)가 배치되는 위치는 제한되지 않으나, 후술하는 제1 기판(200)와 접촉되며, 제1 기판(200)의 전극들(220, 230)과는 이격되도록 위치가 결정될 수 있다. 예를 들어, 돌출부(311)는 제2 베이스(310) 상면의 대체로 중앙 부분에 위치할 수 있다.
도전성 패턴(330)은 제2 베이스(310) 상에 위치할 수 있다. 도전성 패턴(330)은 서로 이격되어 상호 간에 절연된 제1 도전성 패턴 및 제2 도전성 패턴을 포함할 수 있다. 따라서, 도전성 패턴(330) 적어도 2개 이상으로 형성될 수 있다. 도전성 패턴(330)은, 후술하는 바와 같이, 발광 다이오드(100)와 전기적으로 연결될 수 있다. 도전성 패턴(330)은 전기적 회로와 같은 역할을 할 수도 있고, 발광 장치의 리드와 같은 역할을 할 수도 있다. 도전성 패턴(330)은 전기적 도전성을 갖는 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어, Ni, Pt, Pd, Rh, W, Ti, Al, Mg, Ag, Cr, Au 등 금속 물질을 포함할 수 있다. 또한, 도전성 패턴(330)은 단일층 또는 다중층으로 이루어질 수 있다. 나아가, 도전성 패턴(330)은 제2 베이스(310)의 돌출부(311)로부터 이격될 수 있다. 도전성 패턴(330)과 돌출부(311)가 이격된 공간에는 솔더 크림 등과 같은 추가적인 절연성 물질이 더 개재될 수 있다.
한편, 제2 베이스(310)가 전기적 도전성을 갖는 경우, 절연 패턴(320)이 베이스(310)와 도전성 패턴(330) 사이에 위치하여, 베이스(310)와 도전성 패턴(330)을 절연시킬 수 있다.
또한, 도전성 패턴(330)의 상면과 돌출부(311)의 상면은 대체로 동일한 높이로 나란하게 형성될 수 있다. 따라서, 제1 기판(200)이 제2 기판(300) 상면에 안정적으로 실장될 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 도전성 패턴(330)의 상면 높이와 돌출부(311)의 상면 높이는 서로 다를 수도 있다. 예를 들어, 제1 기판(200)의 방열 패드(240)의 두께를 하부 전극들(225, 235)의 두께보다 더 두껍게 형성하는 경우, 돌출부(311)의 상면은 도전성 패턴(330)의 상면보다 낮게 위치할 수 있다.
제1 기판(200)은 제2 기판(300) 상에 위치한다. 제1 기판(200)은 제1 베이스(210), 제1 전극(220, 제2 전극(230) 및 방열 패드(240)를 포함한다. 제1 기판(200)은 제2 기판(300) 상에 실장될 수 있으며, 예를 들어, 솔더 본딩, 공정 본딩(Eutectic bonding) 등 전기적 연결을 형성할 수 있는 방법을 통해 제2 기판(300) 상에 실장될 수 있다.
제1 베이스(210)는 절연성 물질을 포함할 수 있고, 또한, 열전도율이 높은 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 고 열전도성 폴리머 물질 및/또는 세라믹 물질을 포함할 수 있다. 특히, 제1 베이스(210)는 AlN 세라믹을 포함할 수 있다. 따라서, 발광 장치 구동 시, 발광 다이오드(100)에서 발생하는 열이 제1 베이스(210)를 통해 효과적으로 방열 패드(240)로 전도될 수 있고, 이렇게 전도된 열은 제2 베이스(310)를 통해 외부로 방출될 수 있다.
제1 전극(220) 및 제2 전극(230)은 각각 제1 베이스(210)의 상부면 및 하부면 상에 형성될 수 있다. 구체적으로, 제1 전극(220)은 제1 상부 전극(221), 제1 비아 전극(223) 및 제1 하부 전극(225)을 포함할 수 있고, 제2 전극(230)은 제2 상부 전극(231), 제2 비아 전극(233) 및 제2 하부 전극(235)을 포함할 수 있다.
제1 상부 전극(221)은 제1 베이스(210)의 상면 상에 위치할 수 있고, 제1 하부 전극(225)은 제1 베이스(210)의 하면 상에 위치할 수 있다. 이때, 제1 비아 전극(223)은 제1 베이스(210)를 관통하여 제1 상부 및 제1 하부 전극(221, 225)을 전기적으로 연결할 수 있다. 제1 상부 전극(221)의 면적은 제1 하부 전극(225)의 면적에 비해 상대적으로 크게 형성될 수 있다. 이와 유사하게, 제2 상부 전극(231)은 제1 베이스(210)의 상면 상에 위치할 수 있고, 제2 하부 전극(235)은 제1 베이스(210)의 하면 상에 위치할 수 있다. 이때, 제2 비아 전극(223)은 제1 베이스(210)를 관통하여 제2 상부 및 제2 하부 전극(231, 235)을 전기적으로 연결할 수 있다. 제2 상부 전극(231)의 면적은 제2 하부 전극(235)의 면적에 비해 상대적으로 크게 형성될 수 있다.
또한, 제1 상부 전극(221)과 제2 상부 전극(231)의 이격 거리는 제1 하부 전극(225)과 제2 하부 전극(235)의 이격 거리에 비해 작을 수 있다. 따라서, 제1 하부 전극(225)과 제2 하부 전극(235) 사이 영역의 면적은 상대적으로 크게 제공될 수 있고, 이에 따라, 방열 패드(240)가 형성될 영역이 제공될 수 있다.
한편, 제1 하부 전극(225) 및 제2 하부 전극(235)은 제2 기판(300)의 도전성 패턴(330)에 전기적으로 연결될 수 있다. 예컨대, 제1 하부 전극(225) 및 제2 하부 전극(235)은, 예컨대, 솔더링 등을 통해 제2 기판(300)의 도전성 패턴(330)에 접착됨으로써, 전기적 연결을 형성할 수 있다.
방열 패드(240)는 제1 베이스(210)의 하면 상에 위치할 수 있다. 방열 패드(240)는 제1 베이스(210)와 접촉하되, 제1 및 제2 전극(220, 230)과는 이격되어 전기적으로 절연될 수 있다. 또한, 방열 패드(240)는 제1 및 제2 하부 전극(225, 235)의 사이에 위치할 수 있다. 나아가, 방열 패드(240)는 제2 기판(300)과 접촉될 수 있고, 특히, 돌출부(311)에 접촉될 수 있다. 방열 패드(240)는, 예컨대, 솔더링 등을 통해 돌출부(311)에 물리적으로 연결될 수 있다. 방열 패드(240)가 열 전도성이 우수한 금속을 포함하는 베이스(310)와 직접적으로 접촉됨으로써, 발광 다이오드(100)의 발광 시 발생하는 열이 효과적으로 베이스(310)로 전도될 수 있다. 베이스(310)에 전달된 열은 효과적으로 외부로 방출될 수 있고, 발광 장치의 열 방출 효율이 향상될 수 있다.
제1 하부 전극(225), 제2 하부 전극(235) 및 방열 패드(240)의 두께는 대체로 동일할 수 있고, 이에 따라 제1 기판(200)이 제2 기판(300)에 안정적으로 실장될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 제2 기판(300)의 돌출부(311)의 높이 변화에 따라 제1 하부 전극(225), 제2 하부 전극(235) 및 방열 패드(240)의 두께는 서로 다르게 조절될 수 있다. 예컨대, 방열 패드(240)의 두께는 제1 하부 전극(225) 및 제2 하부 전극(235)의 두께보다 클 수 있다.
전극들(220, 230)은 전기적 도전성 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어, Ni, Pt, Pd, Rh, W, Ti, Al, Ag, Au, Cu 등과 같은 금속을 포함할 수 있다. 방열 패드(240)는 열전도성이 상대적으로 높은 물질을 포함할 수 있고, 특히, Ag, Cu, Au, Al, Mo 등을 포함할 수 있다. 전극들(220, 230)과 방열 패드(240)는 동일한 물질로 형성되거나, 서로 다른 물질로 형성될 수 있다. 전극들(220, 230)과 방열 패드(240)가 동일한 물질로 형성되는 경우, 전극들(220, 230)과 방열 패드(240)는 동일한 공정을 통해 동시에 형성될 수 있다.
발광 다이오드(100)는 제1 기판(200) 상에 위치한다. 발광 다이오드(100)는 발광부(100L), 제1 패드 전극(171) 및 제2 패드 전극(173)을 포함한다.
발광부(100L)는 P-N 접합을 통한 발광 구조를 가질 수 있고, 활성층을 포함하는 반도체 적층 구조로 형성된 발광 구조체를 포함할 수 있다. 특히, 발광부(100L)는 질화물 반도체를 포함하는 발광 구조체를 포함할 수 있다. 이때, 상기 발광 구조체의 두께는 20㎛일 수 있고, 나아가, 100㎛이상일 수 있다. 또한, 상기 발광 구조체는 질화물계 성장 기판을 포함할 수 있고, 예를 들어, GaN기판을 포함할 수 있다. 이와 같이, 발광 구조체가 질화물계 성장 기판을 포함하고, 상술한 범위의 두께로 형성됨으로써, 열 방출 효율 및 열 분배 효율을 향상시켜 발광 다이오드(100)의 접합 온도(Tj, junction temperature)를 낮출 수 있다. 따라서, 발광 다이오드(100) 및 발광 장치의 열적 신뢰성이 향상될 수 있다.
한편, 제1 및 제2 패드 전극(171, 173)은 발광부(100L)의 하부에 위치할 수 있고, 각각 상기 발광 구조체의 서로 다른 극성의 반도체층에 연결될 수 있다. 이와 같이, 본 실시예의 발광 다이오드(100)는 그 하부에 형성된 패드 전극들을 갖는 구조이면 제한되지 않으며, 예를 들어, 발광 다이오드(100)는 플립칩형 발광 다이오드일 수 있다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 발광 다이오드(100)의 구조에 관해 더욱 구체적으로 설명한다. 다만, 본 실시예에서 설명되는 발광 다이오드(100)의 구조는 예시적인 것이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 도 3(a)는 발광 다이오드(100)의 평면도이고, 도 3(b)는 메사(120m)의 위치, 제1 컨택 전극(130)의 컨택 영역(120a), 제1 및 제2 개구부(160a, 160b)의 위치를 설명하기 위한 평면도이다. 도 4는 도 3의 A-A'선에 대응하는 부분의 단면을 도시하는 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 발광 다이오드(100)는 발광 구조체(120), 제1 컨택 전극(130), 제2 컨택 전극(140), 절연층(150, 160), 및 제1 및 제2 패드 전극(171, 173)을 포함한다.
발광 구조체(120)는 제1 도전형 반도체층(121), 제1 도전형 반도체층(121) 상에 위치하는 활성층(123), 및 활성층(123) 상에 위치하는 제2 도전형 반도체층(125)을 포함한다. 제1 도전형 반도체층(121), 활성층(123) 및 제2 도전형 반도체층(125)은 Ⅲ-Ⅴ 계열 화합물 반도체를 포함할 수 있고, 예를 들어, (Al, Ga, In)N과 같은 질화물계 반도체를 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(121)은 n형 불순물(예를 들어, Si)을 포함할 수 있고, 제2 도전형 반도체층(125)은 p형 불순물(예를 들어, Mg)을 포함할 수 있다. 또한, 그 반대일 수도 있다. 활성층(123)은 다중양자우물 구조(MQW)를 포함할 수 있고, 원하는 피크 파장의 광을 방출하도록 그 조성비가 결정될 수 있다.
또한, 발광 구조체(120)는 제2 도전형 반도체층(125) 및 활성층(123)이 부분적으로 제거되어 제1 도전형 반도체층(121)이 부분적으로 노출된 영역을 포함할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 도전형 반도체층(121)이 부분적으로 노출된 영역은, 제2 도전형 반도체층(125) 및 활성층(123)을 부분적으로 제거하여 제2 도전형 반도체층(125) 및 활성층(123)을 포함하는 메사(120m)를 형성함으로써 제공될 수 있다. 발광 구조체(120)는 복수의 메사(120m)를 포함할 수 있고, 메사들(120m)은 동일한 방향으로 연장된 기다란 형상을 가질 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 발광 구조체(120)는 제1 도전형 반도체층(121)의 아래에 위치하는 질화물계 성장 기판(110)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 성장 기판은 질화갈륨 기판, 질화알루미늄 기판을 포함할 수 있다.
발광 구조체(120)의 두께(T)는 소정 범위 이상의 두께를 가질 수 있다. 발광 구조체(120)의 두께(T)는 약 20㎛이상일 수 있고, 나아가, 약 100㎛이상일 수 있다. 발광 구조체(120)의 두께(T)는 성장 기판(110), 제1 도전형 반도체층(121), 활성층(123) 및 제2 도전형 반도체층(125)의 두께를 모두 더한 것과 같다. 이와 달리, 발광 구조체(120)가 성장 기판을 포함하지 않는 경우, 제1 도전형 반도체층(121)의 두께를 소정 두께 이상으로 성장시킴으로써, 발광 구조체(120)가 약 20㎛이상의 두께를 갖도록 구현할 수 있다. 이 경우, 성장 기판은 사파이어 기판과 같은 이종 기판일 수도 있고, 상기 이종의 성장 기판은 제1 도전형 반도체층(121)으로부터 분리되어 제거될 수도 있다.
발광 구조체(120)의 두께(T)를 상술한 소정 범위로 형성함으로써, 열 방출 효율 및 열 분배 효율을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 발광 다이오드(100)의 접합 온도를 저하시킬 수 있어, 열에 의한 발광 다이오드(100)의 효율 저하 및 신뢰성 저하를 방지할 수 있다.
제2 컨택 전극(140)은 제2 도전형 반도체층(125) 상에 위치하며, 제2 도전형 반도체층(125)과 오믹 컨택할 수 있다. 또한, 제2 컨택 전극(140)은 제2 도전형 반도체층(125)의 상면을 적어도 부분적으로 덮을 수 있으며, 나아가, 제2 도전형 반도체층(125)의 상면을 전반적으로 덮도록 배치될 수 있다. 즉, 제2 컨택 전극(140)은 메사들(120m) 상에 위치할 수 있다.
제2 컨택 전극(140)은 제2 도전형 반도체층(125)에 오믹 컨택할 수 있는 물질로 형성될 수 있고, 예를 들어, 금속성 물질 및/또는 도전성 산화물을 포함할 수 있다.
제2 컨택 전극(140)이 금속성 물질을 포함하는 경우, 제2 컨택 전극(140)은 반사층 및 상기 반사층을 덮는 커버층을 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 제2 컨택 전극(140)은 제2 도전형 반도체층(125)과 오믹 컨택되는 것과 더불어, 광을 반사시키는 기능을 할 수 있다. 따라서, 상기 반사층은 높은 반사도를 가지면서 제2 도전형 반도체층(125)과 오믹 접촉을 형성할 수 있는 금속을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 반사층은 Ni, Pt, Pd, Rh, W, Ti, Al, Mg, Ag 및 Au 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 반사층은 단일층 또는 다중층을 포함할 수 있다. 상기 커버층은 상기 반사층과 다른 물질 간의 상호 확산을 방지할 수 있고, 외부의 다른 물질이 상기 반사층에 확산하여 상기 반사층이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 상기 커버층은 상기 반사층의 하면 및 측면을 덮도록 형성될 수 있다. 상기 커버층은 상기 반사층과 함께 제2 도전형 반도체층(125)과 전기적으로 연결될 수 있어서, 상기 반사층과 함께 전극 역할을 할 수 있다. 상기 커버층은, 예를 들어, Au, Ni, Ti, Cr 등을 포함할 수 있으며, 단일층 또는 다중층을 포함할 수도 있다. 이러한 반사층 및 커버층은 전자선 증착, 도금 방식 등을 이용하여 형성될 수 있다.
한편, 제2 컨택 전극(140)이 도전성 산화물을 포함하는 경우, 상기 도전성 산화물은 ITO, ZnO, AZO, IZO 등일 수 있다. 제2 컨택 전극(140)이 도전성 산화물을 포함하는 경우, 금속을 포함하는 경우에 비해 더 넓은 영역의 제2 도전형 반도체층(125)의 상면을 커버할 수 있다. 즉, 제1 도전형 반도체층(121)이 노출된 영역의 테두리로부터 제2 컨택 전극(140)까지의 이격 거리는 제2 컨택 전극(140)이 도전성 산화물로 형성된 경우에 상대적으로 더 짧게 형성될 수 있다. 이 경우, 제2 컨택 전극(140)과 제2 도전형 반도체층(125)이 접촉하는 부분에서 제1 컨택 전극(130)과 제1 도전형 반도체층(121)이 접촉하는 부분까지의 최단 거리가 상대적으로 더 짧아질 수 있어서, 발광 다이오드(100)의 순방향 전압(Vf)이 감소될 수 있다.
또한, 제2 컨택 전극(140)이 ITO를 포함하고, 제1 절연층(150)이 SiO2를 포함하며, 제1 컨택 전극(130)이 Ag를 포함하는 경우, ITO/SiO2/Ag 적층 구조를 포함하는 전방위 반사기가 형성될 수 있다.
절연층(150, 160)은 절연층(150, 160)은 제1 및 제2 컨택 전극(130, 140)을 부분적으로 덮고, 제1 컨택 전극(130)과 제2 컨택 전극(140)을 서로 절연시킨다. 절연층(150, 160)은 제1 절연층(150) 및 제2 절연층(160)을 포함할 수 있다. 이하, 제1 절연층(150)에 관하여 먼저 설명하며, 제2 절연층(160)과 관련된 내용은 후술하여 설명한다.
제1 절연층(150)은 발광 구조체(120)의 상면 및 제2 컨택 전극(140)을 부분적으로 덮을 수 있다. 또한, 제1 절연층(150)은 메사(120m)의 측면을 덮고, 메사(120m)의 주변에 노출된 제1 도전형 반도체층(121)을 부분적으로 노출시킬 수 있다. 따라서, 제1 절연층(150)은 제1 도전형 반도체층(121)이 부분적으로 노출된 부분에 대응하는 개구부와 제2 컨택 전극(140)의 일부를 노출시키는 개구부를 포함할 수 있다. 제1 도전형 반도체층(121)이 부분적으로 노출된 개구부를 통해, 제1 도전형 반도체층(121)과 제1 컨택 전극(130)이 오믹 컨택하는 영역(120a)이 형성될 수 있다.
제1 절연층(150)은 절연성의 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, SiO2, SiNx, MgF2 등을 포함할 수 있다. 나아가, 제1 절연층(150)은 다중층을 포함할 수 있고, 굴절률이 다른 물질이 교대로 적층된 분포 브래그 반사기를 포함할 수도 있다.
제2 컨택 전극(140)이 도전성 산화물을 포함하는 경우, 제1 절연층(150)이 분포 브래그 반사기를 포함하여 발광 다이오드(100)의 발광 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 이와 달리, 제2 컨택 전극(140)이 도전성 산화물을 포함하며, 제1 절연층(150)을 투명 절연 산화물(예를 들어, SiO2)로 형성함으로써, 제2 컨택 전극(140), 제1 절연층(150) 및 제1 컨택 전극(130)의 적층 구조에 의해 형성되는 전방위 반사기를 형성할 수도 있다. 이때, 제1 컨택 전극(130)은 제2 컨택 전극(140)의 일부를 노출시키는 영역을 제외한 제1 절연층(150)의 표면을 거의 전체적으로 덮도록 형성되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 제1 절연층(150)의 일부는 제1 컨택 전극(130)과 제2 컨택 전극(140)의 사이에 개재될 수 있다.
나아가, 도시된 바와 달리, 제1 절연층(150)은 발광 구조체(120)의 적어도 일부의 측면을 더 덮을 수 있다. 제1 절연층(150)이 발광 구조체(120)의 측면을 덮는 정도는, 발광 다이오드의 제조 과정에서 칩 단위 개별화(isolation)의 여부에 따라 달라질 수 있다. 즉, 본 실시예와 같이 제1 절연층(150)은 발광 구조체(120)의 상면만 덮도록 형성될 수도 있고, 이와 달리, 발광 다이오드(100)의 제조 과정에서 웨이퍼를 칩 단위로 개별화한 후에 제1 절연층(150)을 형성하는 경우에는 발광 구조체(120)의 측면까지 제1 절연층(150)에 덮일 수 있다.
제1 컨택 전극(130)은 발광 구조체(120)를 부분적으로 덮을 수 있다. 또한, 제1 컨택 전극(130)은 오믹 컨택 영역(120a)을 노출시키는 제1 절연층(150)의 개구부를 통해 제1 도전형 반도체층(121)과 오믹 컨택된다. 본 실시예에 있어서, 제1 컨택 전극(130)은 제1 절연층(150)의 일부 영역을 제외한 다른 부분을 전체적으로 덮도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 제1 컨택 전극(130)을 통해 광이 반사될 수 있다. 또한, 제1 컨택 전극(130)은 제1 절연층(150)에 의해 제2 컨택 전극(140)과 전기적으로 절연될 수 있다.
제1 컨택 전극(130)이 일부 영역을 제외하고 발광 구조체(120)의 상면을 전반적으로 덮도록 형성됨으로써, 전류 분산 효율이 더욱 향상될 수 있다. 또한, 제2 컨택 전극(140)에 의해 덮이지 않는 부분을 제1 컨택 전극(130)이 커버할 수 있으므로, 광을 더욱 효과적으로 반사시켜 발광 다이오드(100)의 발광 효율을 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 제1 컨택 전극(130)은 제1 도전형 반도체층(121)과 오믹 컨택함과 아울러, 광을 반사시키는 역할을 할 수 있다. 따라서, 제1 컨택 전극(130)은 Al층과 같은 고반사성 금속층을 포함할 수 있다. 이때, 제1 컨택 전극(130)은 단일층 또는 다중층으로 이루어질 수 있다. 상기 고반사 금속층은 Ti, Cr 또는 Ni 등의 접착층 상에 형성될 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 컨택 전극(130)은 Ni, Pt, Pd, Rh, W, Ti, Al, Mg, Ag 및 Au 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다.
또한, 도시된 바와 달리, 제1 컨택 전극(130)은 발광 구조체(120)의 측면까지 덮도록 형성될 수도 있다. 제1 컨택 전극(130)이 발광 구조체(120)의 측면에도 형성되는 경우, 활성층(123)으로부터 측면으로 방출되는 광을 상부로 반사시켜 발광 다이오드(100)의 상면으로 방출되는 광의 비율을 증가시킨다. 제1 컨택 전극(130)의 발광 구조체(120)의 측면까지 덮도록 형성되는 경우, 발광 구조체(120)의 측면과 제1 컨택 전극(130) 사이에는 제1 절연층(150)이 개재될 수 있다.
한편, 상기 발광 다이오드(100)는 연결 전극(미도시)을 더 포함할 수 있다. 연결 전극은 제2 컨택 전극(140) 상에 위치할 수 있고, 제1 절연층(150)의 개구부를 통해 제2 컨택 전극(140)과 전기적으로 연결될 수 있다. 연결 전극의 상면은 제1 컨택 전극(130)의 상면과 대체로 동일한 높이로 형성될 수 있다. 또한, 연결 전극은 제1 컨택 전극(130)과 동일 공정에서 형성될 수 있으며, 연결 전극과 제1 컨택 전극(130)은 서로 동일한 물질을 포함할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 연결 전극과 제1 컨택 전극(130)은 서로 다른 물질을 포함할 수 있다.
제2 절연층(160)은 제1 컨택 전극(130)을 부분적으로 덮을 수 있으며, 제1 컨택 전극(130)을 부분적으로 노출시키는 제1 개구부(160a), 및 제2 컨택 전극(140)을 부분적으로 노출시키는 제2 개구부(160b)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 개구부(160a, 160b) 각각은 하나 이상 형성될 수 있다.
제2 절연층(160)은 절연성의 물질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, SiO2, SiNx, MgF2을 포함할 수 있다. 나아가, 제2 절연층(160)은 다중층을 포함할 수 있고, 굴절률이 다른 물질이 교대로 적층된 분포 브래그 반사기를 포함할 수도 있다. 제2 절연층(160)이 다중층으로 이루어진 경우, 제2 절연층(160)의 최상부층은 SiNx로 형성될 수 있다. 제2 절연층(160)의 최상부층이 SiNx로 형성됨으로써, 발광 구조체(120)로 습기가 침투하는 것을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.
제1 및 제2 패드 전극(171, 173)은 각각 제1 및 제2 개구부(160a, 160b)를 통해 제1 및 제2 컨택 전극(130, 140)에 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 및 제2 패드 전극(171, 173)은 발광 구조체(120)에 외부 전원을 공급하는 역할을 할 수 있다. 제1 및 제2 패드 전극(171, 173)은 제1 기판(200)에 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 및 제2 패드 전극(171, 173)은 각각 제1 기판(200)의 제1 및 제2 전극(220, 230)에 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 패드 전극들(171, 173)은 솔더링 또는 공정 본딩 등을 통해 전극들(220, 230)에 전기적으로 접속될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 하부에 위치하는 패드 전극들(171, 173)을 갖는 발광 다이오드(100)가 제1 기판(200)에 실장되고, 상기 제1 기판(200)은 제2 기판(300)에 실장되는 구조를 갖는 발광 장치가 제공된다. 이에 따라, 발광 다이오드(100)의 구동 시 발생하는 열을 제1 기판(200), 특히 제1 기판(200)의 방열 패드(240) 및 제2 기판(300), 특히 제2 기판(300)의 베이스(310)를 통해 효과적으로 외부로 방출시킬 수 있다. 또한, 발광 구조체(120)가 소정 두께 이상으로 형성됨으로써, 열 방출 효율 및 열 분배 효율이 향상될 수 있다. 따라서 발광 장치의 신뢰성이 향상될 수 있고, 특히, 고전류를 인가하여도 신뢰성이 저하되지 않는 고출력 발광 장치가 제공될 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5의 발광 장치는, 도 1 및 도 2의 발광 장치와 비교하여 파장변환부(190)를 더 포함하는 점에서 차이가 있다. 이하 차이점을 중심으로 본 실시예의 발광 장치에 관해 설명하며, 중복되는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 5를 참조하면, 발광 장치는 발광 다이오드(100), 제1 기판(200), 제2 기판(300), 및 파장변환부(190)를 포함한다. 제1 기판(200)은 제2 기판(300) 상에 위치하고, 발광 다이오드(100)는 제1 기판(200) 상에 위치한다. 발광 다이오드(100), 제1 기판(200) 및 제2 기판(300)은 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
파장변환부(190)는 발광 다이오드(100)를 적어도 부분적으로 덮을 수 있다. 특히, 파장변환부(190)는 발광 다이오드(100)의 상면을 덮을 수 있고, 나아가, 발광 다이오드(100)의 측면의 적어도 일부를 덮을 수 있다. 파장변환부(190)에 의해 발광 구조체(120)로부터 방출된 광이 파장변환되어 다양한 색의 광을 구현할 수 있는 발광 장치가 제공될 수 있다. 특히, 상기 발광 장치는 백색광을 방출할 수 있다.
파장변환부(190)는 광의 파장을 변환시킬 수 있는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 파장변환부(190)는 담지체 내에 형광체가 분산된 형태로 제공될 수 있고, 또는 단결정 형광체 시트 형태로 제공될 수도 있으며, 또는 양자점 물질을 포함하는 형태로 제공될 수도 있다. 또한, 파장변환부(190)의 두께는 대체로 일정할 수 있으며, 예를 들어, 컨포멀 코팅과 같은 방법을 이용하여 제조될 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시예에 따르면, 파장변환부(190)를 포함하는 발광 장치를 제공하여, 다양한 색, 특히 백색광을 방출하는 발광 장치가 구현될 수 있다. 이때, 발광 장치는 우수한 열 방출 효율을 가지므로, 발광 다이오드(100)의 열에 의해 파장변환부(190)가 손상되거나 열화되는 것이 방지될 수 있다. 따라서 파장변환부(190)의 손상에 의한 발광 강도의 저하 및 발광 색의 변화 등이 방지되어, 신뢰성이 우수한 발광 장치가 제공된다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 발광 장치의 접합 온도를 설명하기 위한 실험예를 설명한다.
본 실험예에서, 실시예 1 내지 4 및 비교예의 발광 장치는 모두 도 1 및 도 2의 발광 장치와 동일하나, 각각의 실시예 및 비교예들의 발광 장치는 다른 발광 구조체의 두께를 갖는다. 본 실험에서, 실시예 및 비교예들의 발광 장치들은 동일한 전류에서 구동되었으며, 이때, 발광 다이오드의 접합 온도를 측정하여 이를 하기 표 1에 나타내었다.
[표 1]
Figure pat00001
상기 표 1에서 알 수 있듯이, 발광 장치의 발광 구조체 두께가 약 20㎛ 이상의 두께로 형성됨으로써, 발광 다이오드의 평균 접합 온도가 85℃ 이하로 저하됨을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들에 따르면, 열적 신뢰성이 향상된 발광 장치가 제공될 수 있다.
이상에서, 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 설명하였지만, 상술한 각각의 실시예들 및 특징들에 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 실시예들에서 설명하는 기술적 특징들의 결합 및 치환을 통하여 변경된 발명 역시 본 발명의 범위에 모두 포함되며, 본 발명의 특허청구범위에 의한 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능하다.

Claims (17)

  1. 제2 베이스, 상기 제2 베이스 상에 위치하는 도전성 패턴, 및 상기 제2 베이스와 상기 도전성 패턴 사이에 위치하는 절연 패턴을 포함하는 제2 기판;
    상기 제2 기판 상에 위치하며, 제1 베이스, 제1 전극, 및 제2 전극을 포함하는 제1 기판; 및
    상기 제1 기판 상에 위치하며, 발광부 및 상기 발광부와 제1 기판 사이에 위치하는 제1 및 제2 패드 전극을 포함하는 발광 다이오드를 포함하고,
    상기 제2 기판의 제2 베이스는 상부로 돌출된 돌출부를 포함하며, 상기 돌출부는 상기 제1 기판과 접하는 발광 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 기판은 상기 제1 베이스의 하부면에 위치하는 방열 패드를 더 포함하고,
    상기 방열 패드는 상기 돌출부에 접하는 발광 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 전극은, 상기 제1 베이스의 상부면 및 하부면에 각각 위치하는 제1 상부 전극 및 제1 하부 전극, 및 상기 제1 상부 전극과 제1 하부 전극을 연결하는 제1 비아 전극을 포함하고,
    상기 제2 전극은, 상기 제1 베이스의 상부면 및 하부면에 각각 위치하는 제2 상부 전극 및 제2 하부 전극, 및 상기 제2 상부 전극과 제2 하부 전극을 연결하는 제2 비아 전극을 포함하며,
    상기 제1 및 제2 비아 전극은 상기 제1 베이스를 관통하는 발광 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 방열 패드는 상기 제1 하부 전극과 제2 하부 전극의 사이에 위치하는 발광 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 도전성 패턴은 서로 이격된 제1 및 제2 도전성 패턴을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 도전성 패턴은 각각 제1 및 제2 전극에 전기적으로 연결된 발광 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 돌출부는 상기 제1 및 제2 도전성 패턴의 사이에 위치하는 발광 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 베이스는 절연성 세라믹을 포함하고, 상기 제2 베이스는 도전성 금속을 포함하는 발광 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 발광 다이오드는 질화물 반도체를 포함하는 발광 구조체를 포함하고,
    상기 발광 구조체의 두께는 20㎛이상인 발광 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 발광 구조체의 두께는 100㎛이상인 발광 장치.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 발광 구조체는 질화물계 성장 기판을 더 포함하는 발광 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 질화물계 성장 기판은 GaN기판인 발광 장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 발광 다이오드는,
    제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층 및 상기 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층의 사이에 위치하는 활성층을 포함하는 발광 구조체;
    상기 발광 구조체 상에 위치하며, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층에 각각 오믹 컨택하는 제1 컨택 전극 및 제2 컨택 전극; 및
    상기 제1 컨택 전극 및 제2 컨택 전극을 절연시키며, 상기 제1 및 제2 컨택 전극을 부분적으로 덮는 절연층을 포함하고,
    상기 제1 패드 전극과 제2 패드 전극은 각각 상기 제1 컨택 전극 및 제2 컨택 전극에 전기적으로 연결된 발광 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 발광 구조체는 상기 제2 도전형 반도체층 및 상기 활성층을 포함하는 하나 이상의 메사를 포함하고,
    상기 메사의 주변에는 상기 제1 도전형 반도체층이 노출된 영역이 형성되며, 상기 제1 도전형 반도체층이 노출된 영역을 통해 상기 제1 컨택 전극과 상기 제1 도전형 반도체층이 오믹 컨택하는 발광 장치.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 발광 구조체의 두께는 20㎛이상인 발광 장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 발광 구조체는 질화물계 성장 기판을 더 포함하는 발광 장치.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 발광 구조체의 두께는 100㎛이상인 발광 장치.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 발광 다이오드의 적어도 일부 표면을 덮는 파장변환부를 더 포함하는 발광 장치.
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