KR20170062409A - 반도체 발광 구조체 및 이의 반도체 패키지 구조체 - Google Patents

반도체 발광 구조체 및 이의 반도체 패키지 구조체 Download PDF

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KR20170062409A
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챠오-쉬엔 린
야-루 양
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Abstract

반도체 발광 구조체 및 이의 반도체 패키지 구조체가 제공된다. 상기 반도체 발광 구조체는 제1 형 반도체층, 활성층, 제2 형 반도체층, 금속층 및 분산 브래그 반사체를 포함한다. 상기 활성층은 제1 형 반도체층 상에 배치된다. 제2 형 반도체층은 상기 활성층 상에 배치된다. 상기 금속층은 상기 제2 형 반도체층 상에 제1 반사 구조체로서 배치되며, 상기 금속층은 개구부를 구비한다. 상기 분산 브래그 반사체는 상기 금속층 상에 배치되며, 제2 반사 구조체로서 상기 개구부로 개재된다. 상기 제1 반사 구조체 및 상기 제2 반사 구조체는 상기 제2 형 반도체층 상에 반사면을 형성한다.

Description

반도체 발광 구조체 및 이의 반도체 패키지 구조체{SEMICONDUCTOR LIGHT-EMITTING STRUCTURE AND SEMICONDUCTOR PACKAGE STRUCTURE THEREOF}
본 개시는 일반적으로 반도체 발광 구조체 및 이의 반도체 패키지 구조체에 관한 것이며, 보다 상세하게는 금속층 및 분산 브래그 반사체를 포함하는 반도체 발광 구조체 및 이의 반도체 패키지 구조체에 관한 것이다..
발광 다이오드(Light emitting diode, LED)는 전기 에너지를 광 에너지로 변환함에 의해 광을 방출한다. 전류가 LED에 인가된 후, 전류는 상기 LED의 에피택셜층(epitaxial layer)으로 확산되고 주입되며, 전자들과 홀(hole)들이 결합되어 에너지를 방출한다. 따라서, 전자들과 홀들이 결합된 후, 에너지는 빛의 형태로 방출될 것이다.
현재 반도체 산업에서, 반사체(reflector)는 플립칩 LED(flip-chip LED)의 제조 공정 동안 일반적으로 금속(예를 들면 은) 또는 인듐 틴 옥사이드(indium tin oxide)/분산 브래그 반사체(distributed bragg reflector)(ITO/DBR)로 형성된다. 반사체가 은으로 형성되면, 접촉 시스템은 금속으로 형성되며, 따라서 더 좋은 전류 확산 및 더 낮은 동작 전압의 장점을 가진다. 그러나, 반사체가 통상의 전류 하에서 동작되면, 상기 은 반사체의 광 추출(light extraction) 효율은 상기 ITO/DBR 반사체만큼 좋지 않다. 반사체가 ITO/DBR로 형성되면, 상기 반사체는 ITO가 전류를 확산시키기 위한 옴 접촉층(ohm contact layer)으로서 사용된다면 100%에 가까운 반사율을 가질 수 있다. 통상의 전류 하에서 동작되면, 상기 은 반사체와 비교할 때, 상기 ITO/DBR 반사체는 반사율의 관점에서 더 좋은 성능을 가지지만 소자 전압의 관점에서는 더 나쁜 성능을 가진다. 반면에, 반사체가 큰 전류(예를 들면 1 암페어보다 큰) 하에서 동작되면, 상기 은 반사체는 반사율의 관점에서 더 좋은 성능을 가진다. 따라서, 상기 은 반사체 및 상기 ITO/DBR 반사체의 장점들을 구비하는 반도체 발광 구조체(semiconductor light-emitting structure)를 제공하는 것은 당 산업분야에서 중요한 과제가 되고 있다.
본 발명의 일 과제는 금속층 및 분산 브래그 반사체가 함께 반도체 발광 구조체의 반사층을 형성하여 광 추출의 전체적인 효율을 증가시키는 반도체 발광 구조체 및 이의 반도체 패키지 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명은 금속층 및 분산 브래그 반사체(distributed bragg reflector)가 함께 반도체 발광 구조체(semiconductor light-emitting structure)의 반사층을 형성하여 광 추출(light extraction)의 전체적인 효율을 증가시키는 반도체 발광 구조체 및 이의 반도체 패키지 구조체(semiconductor package structure)에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 반도체 발광 구조체가 제공된다. 상기 반도체 발광 구조체는 제1 형 반도체층(semiconductor layer), 활성층(active layer), 제2 형 반도체층, 금속층 및 분산 브래그 반사체를 포함한다. 상기 활성층은 상기 제1 형 반도체층 상에 배치된다. 상기 제2 형 반도체층은 상기 활성층 상에 배치된다. 상기 금속층은 상기 제2 형 반도체층 상에 제1 반사 구조체(reflective structure)로서 배치되며, 상기 금속층은 개구부(opening portion)를 구비한다. 상기 분산 브래그 반사체는 상기 금속층 상에 배치되며 제2 반사 구조체로서 상기 개구부로 개재된다. 상기 제1 반사 구조체 및 상기 제2 반사 구조체는 함께 상기 제2 형 반도체층 상에 반사면(reflective surface)을 형성한다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 반도체 패키지 구조체가 제공된다. 상기 반도체 패키지 구조체는 캐리어, 상기 반도체 발광 구조체 및 파장 변환 물질(wavelength conversion substance)을 포함한다. 상기 반도체 발광 구조체는 상기 캐리어 상에 역으로(reversely) 배치된다. 상기 파장 변환 물질은 상기 반도체 발광 구조체를 덮는다.
본 발명의 전술한 양태 및 다른 양태는 하기 바람직하지만 제한이 없는 실시예(들)의 상세한 설명을 참고하여 더 잘 이해될 것이다. 하기 설명은 첨부 도면을 참조하여 이루어진 것이다.
본 발명의 반도체 발광 구조체의 반사층은 금속층을 포함할 뿐만 아니라 상기 개구부로 개재된 분산 브래그 반사체를 더 포함하며, 그러한 상기 반도체 발광 구조체는 99~100% 정도의 높은 반사율을 가질 수 있다. 금속층만으로 형성된 반사층의 종래 반도체 발광 구조체와 비교하면, 본 발명의 반도체 발광 구조체의 밝기는 약 3~5% 증가한다. 또한 상기 금속층은 전류 확산층뿐 아니라 반사층으로 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 반도체 발광 구조체는 상기 분산 브래그 반사체의 반사율 및 상기 금속층의 전류 확산을 유리하게 가질 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광 구조체를 포함하는 반도체 패키지 구조체의 단면도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광 구조체를 포함하는 다른 반도체 패키지 구조체의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광 구조체의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 발광 구조체의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 대체 실시예에 따른 반도체 발광 구조체의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광 구조체의 금속층의 개략도이다.
본 발명은 예를 들면 플립칩 LED(flip-chip LED)로 형성될 수 있고, 동일 측에 배치된 제1 전극 및 제2 전극을 구비하는 반도체 발광 구조체를 제공한다. 일 실시예에서, 상기 금속층은 관통하는 개구부를 구비하며, 상기 분산 브래그 반사체는 상기 금속층 상에 배치되며 상기 개구부로 개재된다. 따라서, 상기 반도체 발광 구조체의 반사층(reflector layer)은 상기 금속층을 포함할 뿐만 아니라 상기 개구부로 개재되는 상기 분산 브래그 반사체를 더 포함하며, 그러한 상기 반도체 발광 구조체는 99~100% 정도의 높은 반사율을 가질 수 있다. 반사층이 단지 금속층으로 형성된 종래 반도체 발광 구조체와 비교하여, 본 발명의 반도체 발광 구조체의 밝기는 약 3~5% 증가된다. 또한, 상기 금속층은 상기 제2 형 반도체층에 전류를 균일하게 확산시키기 위한 전류 확산층으로 사용될 수도 있으며, 또한 상기 제2 형 반도체층의 옴 접촉층(Ohmic contact layer)으로 직접적으로 사용될 수 있다.
많은 실시예들이 하기에 개시된다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 단지 상세한 설명을 위한 것이며, 본 발명의 보호 범위를 제한하기 위함이 아니다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광 구조체(100A)를 포함하는 반도체 패키지 구조체(10A)의 단면도이다. 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광 구조체(100A)를 포함하는 다른 반도체 패키지 구조체(10B)의 단면도이다.
도 1a를 참조하면, 반도체 패키지 구조체(10A)는 캐리어(10), 반도체 발광 구조체(100A) 및 파장 변환 물질(14)을 포함한다. 캐리어(10)는 제1 캐리어 전극(예를 들면 음극(negative electrode))(11), 제2 캐리어 전극(예를 들면 양극(positive electrode))(12) 및 절연층(insulation layer)(13)을 포함한다. 파장 전환 물질(14)은 반도체 발광 구조체(100A)를 덮고, 그의 방출 광(emergent light)은 다른 파장들을 가질 수 있다.
본 발명의 반도체 발광 구조체(100A)는 플립칩 LED로 형성될 수 있고, 동일 측에 배치된 제1 전극(도시되지 않음), 제2 전극(도시되지 않음)을 구비하며, 상기 제1 전극은 예를 들면 N-형 전극에 의해 구현될 수 있고, 상기 제2 전극은 예를 들면 P-형 전극에 의해 구현될 수 있다. 반도체 발광 구조체(100A)는 캐리어(10) 상에 역으로(reversely) 배치된다. 상기 제1 전극은 도전성 범프(conductive bump)(도시되지 않음)를 통해 캐리어(10)의 제1 캐리어 전극(11)과 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 제2 전극은 도전성 범프(도시되지 않음)를 통해 캐리어(10)의 제2 캐리어 전극(12)과 전기적으로 연결될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 반도체 발광 구조체(100A)는 상기 반도체 발광 구조체의 에피택셜층(epitaxial layer)을 성장시키기 위한 성장 기판으로 사용되는 기판(16) 상에 형성될 수 있다. 기판(16)은 예를 들면 사파이어 기판에 의해 구현될 수 있다. 다른 일 실시예에 있어서, 반도체가 요구에 따라 패키징되기 전에 기판(16)은 제거될 수 있기 때문에, 반도체 패키지 구조체(10A)는 기판(16)을 생략할 수 있다.
도 1b를 참조한다. 도 1b의 반도체 패키지 구조체(10B)는 도 1a의 반도체 패키지 구조체(10A)와 유사하기 때문에, 동일한 구성을 가리키기 위하여 도 1a과 도 1b 및 상세한 설명 내에서 동일한 참조 번호가 사용되며, 유사점은 여기서 반복되지 않는다. 반도체 패키지 구조체(10B)는 캐리어(10) 상에 배치되며 반도체 발광 구조체(100A) 및 파장 전환 물질(14)을 둘러싸서 반도체 발광 구조체(100A)의 광 추출 효율을 증가시키는 댐(dam)(15)을 더 포함한다.
반도체 발광 구조체(100A)의 상세한 설명이 하기 본 발명의 일 실시예에 개시된다. 설명을 간결하고 이해하기 쉽게 하기 위하여, 기판(16)의 설명은 생략된다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광 구조체(100A)의 단면도가 나타난다. 반도체 발광 구조체(100A)는 제1 전극(101), 제2 전극(102) 및 에피택셜층(103)을 포함한다. 제1 전극(101) 및 제2 전극(102)는 에피택셜층(103)의 동일 측에 배치된다. 에피택셜층(103)은 순서대로 적층되는 제1 형 반도체층(104), 활성층(105) 및 제2 형 반도체층(106)을 포함한다. 제1 형 반도체층(104), 활성층(105) 및 제2 형 반도체층(106)은 갈륨 나이트라이드(gallium nitride, GaN), 인듐 갈륨 나이트라이드(indium gallium nitride, InGaN), 알루미늄 갈륨 나이트라이드(aluminum gallium nitride, AlGaN) 및 알루미늄 인듐 갈륨 나이트라이드(aluminum indium gallium nitride, AlInGaN) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 물질로 형성될 수 있다. 제1 형 반도체층(104) 및 제2 형 반도체층(106)은 각각 다른 극성을 가지며, 예를 들면, 제1 형 반도체층(104) 및 제2 형 반도체층(106)은 각각 N-형 반도체층 및 P-형 반도체층일 수 있다. 활성층(105)는 제1 반도체층(104) 및 제2 반도체층(106) 사이에 개재된다. 전압에 의해 구동된 전자들 및 정공(electron hole)들은 제1 형 반도체층(104) 및 제2 형 반도체층(106)을 통해 활성층(105)으로 이동된다. 그 다음, 상기 전자들 및 정공들은 활성층(105) 상에서 결합되고, 빛의 형태로 출력된다.
반도체 발광 구조체(100A)는 금속층(108) 및 분산 브래그 반사체(110)를 더 포함한다. 금속층(108)은 제2 형 반도체층(106) 상에 배치된다. 분산 브래그 반사체(110)는 금속층(108) 상에 배치된다. 본 실시예에 있어서, 금속층(108)은 은으로 형성될 수 있고, 입사광(incident light)을 반사시키기 위한 반도체 발광 구조체(100A)의 제1 반사 구조체로서 사용될 수 있다. 또한, 분산 브래그 반사체(110)은 높은 굴절률의 필름들 및 낮은 굴절률의 필름들이 교호하는 적층물로 이루어진 유전체로 형성될 수 있다. 상기 필름들 사이의 굴절률의 순환적인 변화 때문에, 입사광은 입사 위치에서 보강 간섭(constructive interference)을 발생시키며, 따라서 분산 브래그 반사체(110)를 투과할 수 없고, 대신 반사될 것이다. 본 실시예에서, 금속층(108)은 개구부(C)를 구비할 수 있고, 분산 브래그 반사체(110)는 개구부(C)로 개재될 수 있으며 반도체 발광 구조체(100A)의 제2 반사 구조체로서 사용될 수 있다. 따라서, 상기 제1 반사 구조체 및 제2 반사 구조체가 함께 제2 형 반도체층(106) 상에 반사면(reflective surface)을 형성할 수 있다.
본 실시예에서, 금속층(108)은 주요 반사 구조체로 사용될 수 있다. 특히, 상기 반사면 상에 형성된 금속층(108)의 면적은 상기 반사면 상에 형성된 분산 브래그 반사체(110)의 면적보다 클 수 있다. 즉, 상기 반사면에 대한 (금속층(108)으로 이루어진) 상기 제1 반사 구조체의 면적비는 상기 반사면에 대한 (개구부(C)로 개재되는 분산 브래그 반사체(110)로 이루어진) 상기 제2 반사 구조체의 면적비보다 클 수 있다.
반도체 발광 구조체(100A)는 배리어층(109), 스루홀(through hole)(H), 접촉층(111) 및 보호층(112)을 더 포함할 수 있다. 배리어층(109)은 금속층(108) 및 분산 브래그 반사체(110) 사이에 개재된다. 스루홀(H)은 제2 형 반도체층(106), 활성층(105) 및 제1 형 반도체층(104)의 일부를 관통한다. 금속층(108) 및 배리어층(109)은 스루홀(H)을 제외한 제2 형 반도체층(106)의 표면 상에 배치된다. 분산 브래그 반사체(110)는 금속층(108) 상에 배치되며, 또한 스루홀(H)의 측벽(side wall)을 덮는다. 접촉층(111)은 분산 브래그 반사체(110) 상에 배치되며, 스루홀(H)로 연장되어 제1 형 반도체층(104)과 전기적으로 연결된다. 분산 브래그 반사체(110)는 금속층(108) 상에 배치되고 또한 스루홀(H)의 측벽을 덮기 때문에, 접촉층(111)은 분산 브래그 반사체(110)를 통해 금속층(108)으로부터 전기적으로 절연될 수 있다.
보호층(112)은 접촉층(111)을 덮으며, 스루홀(H)로 연장될 수 있다. 보호층(112)은 제1 리세스(recess) 및 제2 리세스를 구비한다. 제1 리세스(D1)는 접촉층(111)의 표면을 노출시킨다. 제1 전극(101)은 보호층(112) 상에 배치되고, 제1 리세스(D1)로 연장되어 접촉층(111)과 전기적으로 연결된다. 제2 리세스(D2)는 배리어층(109)의 표면을 노출시킨다. 제2 전극(102)은 보호층(112) 상에 배치되며, 제2 리세스(D2)로 연장된다. 제2 전극(102)는 배리어층(109)를 통해 전류를 확산함에 따라 (배리어층(109) 하부에 배치된) 금속층(108)과 전기적으로 연결된다.
다른 일 실시예에서, 상기 반도체 발광 구조체는 배리어층(109)을 생략할 수 있으며, 금속층(108)을 통해 전류를 직접적으로 확산시킬 수 있다. 도 3에 도시된 대로, 반도체 발광 구조체(108)의 제2 리세스(D2)는 금속층(108)을 노출시킬 수 있고, 그러한 제2 전극(102)는 직접적으로 금속층(108)과 전기적으로 연결될 수 있다.
도 2를 다시 참조한다. 반도체 발광 구조체(100A)는 제2 반도체층(106) 및 금속층(108) 사이에 개재되고 스루홀(H)을 제외한 제2 형 반도체층(106) 상에 배치된 투명 도전층(107)을 더 포함할 수 있다. 투명 도전층(107)은 예를 들면 인듐 틴 옥사이드(ITO) 또는 인듐 징크 옥사이드(IZO)로 형성될 수 있다. 투명 도전층(107)은 제2 형 반도체층(106)에 전류를 균일하게 확산시키기 위한 전류 확산층(current diffusion layer)으로 사용될 수 있으며, 또한, 금속층(108) 및 제2 형 반도체층(106) 사이의 접촉 저항(contact resistance)을 감소시키기 위한 금속층(108) 및 제2 형 반도체층(106) 사이의 옴 접촉층(ohmic contact layer)으로 사용될 수 있다. 다른 일 실시예에서, 상기 반도체 발광 구조체는 투명 도전층(107)을 생략할 수 있다. 도 4에 도시된 대로, 반도체 발광 구조체(100C)는 금속층(108)을 제2 형 반도체층(106)의 상기 옴 접촉층으로서 직접적으로 사용할 수 있다. 즉, 본 발명은 상기 투명 도전층에 제한되지 않는다.
도 5에 도시된 대로, 향상된 전류 확산 효과를 얻기 위하여 망상형 구조체(reticular structure)가 에칭(etching) 방법에 의해 금속층(108) 상에 형성될 수 있다. 망상형 구조체를 가진 금속층(108)은 간격을 두고 배열될 수 있는 복수의 개구부(C)를 더 포함할 수 있다. 분산 브래그 반사체(110)는 개구부(C)로 개재될 수 있고, 그러한 제2 형 반도체층(106)은 금속층(108) 및 분산 브래그 반사체(110)의 두 반사 구조체를 구비한다. 또한, 전류가 개구부(C)를 제외한 금속층(108) 또는 (금속층(108) 하부에 배치된) 투명 도전층(107)을 통해 확산될 수 있다.
본 발명의 전술한 실시예에서 개시된 반도체 발광 구조체에 따르면, 상기 금속층은 개구부를 구비하며, 상기 분산 브래그 반사체는 상기 금속층에 배치되고, 또한 상기 개구부로 개재된다. 따라서, 상기 반도체 발광 구조체의 상기 반사층은 금속층을 포함할 뿐만 아니라 상기 개구부로 개재된 분산 브래그 반사체를 더 포함하며, 그러한 상기 반도체 발광 구조체는 99~100% 정도의 높은 반사율을 가질 수 있다. 금속층만으로 형성된 반사층의 종래 반도체 발광 구조체와 비교하면, 본 발명의 반도체 발광 구조체의 밝기는 약 3~5% 증가한다. 또한 상기 금속층은 전류 확산층뿐 아니라 반사층으로 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 반도체 발광 구조체는 상기 분산 브래그 반사체의 반사율 및 상기 금속층의 전류 확산을 유리하게 가질 수 있다. 게다가, 상기 분산 브래그 반사체는 상기 접촉층과 상기 금속층 사이에서 전기 절연층뿐 아니라 반사층으로 사용될 수 있다.
개시된 실시예들에 대해 다양한 변형 및 변경이 이루어질 수 있음은 당 분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 본 명세서 및 실시예는 단지 예시적으로 간주되어야 하며, 본 개시의 진정한 범위는 하기의 청구항 및 그의 균등물에 의해 지시되는 것으로 의도된다.

Claims (10)

  1. 제1 형 반도체층;
    상기 제1 형 반도체층 상에 배치된 활성층;
    상기 활성층 상에 배치된 제2 형 반도체층;
    제1 반사 구조체로서 상기 제2 형 반도체층 상에 배치되고 개구부를 구비하는 금속층; 및
    상기 금속층 상에 배치되고 제2 반사 구조체로서 상기 개구부로 개재되는 분산 브래그 반사체를 포함하고,
    상기 제1 반사 구조체 및 상기 제2 반사 구조체는 함께 상기 제2 형 반도체층 상에 반사면을 형성하는 반도체 발광 구조체.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 개구부의 개수는 복수인 반도체 발광 구조체.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 개구부는 간격을 두고 배열되는 반도체 발광 구조체.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 반사면에 대한 상기 제1 반사 구조체의 면적비는 상기 반사면에 대한 상기 제2 반사 구조체의 면적비보다 큰 반도체 발광 구조체.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 형 반도체층, 상기 활성층 및 상기 제1 형 반도체층의 일부를 관통하며, 상기 분산 브래그 반사체가 그 측벽을 덮는 스루홀; 및
    상기 분산 브래그 반사체 상에 배치되고, 상기 스루홀로 연장되어 제1 형 반도체층과 전기적으로 연결되며, 상기 분산 브래그 반사체를 통해 상기 금속층으로부터 전기적으로 절연된 접촉층을 더 포함하는 반도체 발광 구조체.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 접촉층을 덮고, 제1 리세스 및 제2 리세스를 구비하며, 상기 제1 리세스는 상기 접촉층을 노출시키고, 상기 제2 리세스는 상기 금속층을 노출시키는 보호층;
    상기 보호층 상에 배치되고, 상기 제1 리세스로 연장되어 상기 접촉층과 전기적으로 연결되는 제1 전극; 및
    상기 보호층 상에 배치되고, 상기 제2 리세스로 연장되어 상기 금속층과 전기적으로 연결되는 제2 전극을 더 포함하는 반도체 발광 구조체.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 금속층 및 상기 분산 브래그 반사체 사이에 개재되는 배리어층;
    상기 접촉층을 덮고, 제1 리세스 및 제2 리세스를 구비하며, 상기 제1 리세스는 상기 접촉층을 노출시키고, 상기 제2 리세스는 상기 배리어층을 노출시키는 보호층;
    상기 보호층 상에 배치되고, 상기 제1 리세스로 연장되어 상기 접촉층과 전기적으로 연결되는 제1 전극; 및
    상기 보호층 상에 배치되고, 상기 제2 리세스로 연장되어 상기 금속층과 전기적으로 연결되는 제2 전극을 포함하는 반도체 발광 구조체.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 형 반도체층과 상기 금속층 사이에 개재되고, 전류 확산층으로 사용되는 투명 도전층을 더 포함하는 반도체 발광 구조체.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 금속층은 망상형인 반도체 발광 구조체.
  10. 캐리어;
    상기 캐리어 상에 역으로 배치된 청구항 1에 따른 반도체 발광 구조체; 및
    상기 반도체 발광 구조체를 덮는 파장 변환 물질을 포함하는 반도체 패키지 구조체.
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