KR20180079029A - 플립 칩 구조의 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents

플립 칩 구조의 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

개시되는 플립 칩 구조의 질화물 반도체 발광소자는, 적층 성장된 복수의 질화물 반도체층; 및 상기 복수의 질화물 반도체층의 적층 성장을 위한 기재로 제공되는 성장기판;으로서, 상기 복수의 질화물 반도체층이 적층 성장되는 면으로 제공되는 성장 면;과, 상기 성장 면의 이면으로서, 상기 복수의 질화물 반도체층에서 생성되는 광이 외부로 방출되는 광 추출면;과, 상기 광 추출면에 구비되어 광의 추출 경로를 변경시키는 광 추출 요철;을 가지는 성장기판;을 포함한다.

Description

플립 칩 구조의 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법{FLIP CHIP TYPE NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
본 발명(Disclsoure)은, 플립 칩 구조의 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 공정시간 및 비용을 절감할 수 있는 기판 구조를 가지는 플립 칩 구조의 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
여기서는, 본 발명에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
일반적으로, 질화물 반도체는 GaN, InN, AlN 등과 같은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체결정으로서, 단파장광(자외선 내지 녹색광), 특히 청색광을 낼 수 있는 발광소자에 널리 사용된다.
질화물 반도체 발광소자는, 동종기판의 적용에 어려움이 있어, 결정성장을 위한 격자 정합 조건을 대체로 만족하는 사파이어 기판과 같은 절연성 기판을 이용하여 제조되므로, p형 및 n형 질화물 반도체층에 연결된 2개의 전극이 발광구조의 상면에 거의 수평으로 배열되는 플래너 구조를 취하게 된다.
이러한 구조적인 특징으로 인해, 질화물 반도체 발광소자는 플립 칩 구조의 발광장치로 적극적으로 개발되고 있다.
종래의 질화물 반도체 발광소자가 탑재된 플립 칩 발광소자의 일례가 도 1 및 도 2에 도시되어 있다.
도 1에 도시된 플립 칩 발광소자(20)에 채용된 종래의 질화물 반도체 발광소자(10)는 20mA 이하의 저전류에서 구동하는 400㎛ ×400㎛ 이하의 단면적을 갖는 소형 사이즈를 갖는다.
종래의 질화물 반도체 발광소자(10)는, 사파이어 기판(11) 상에 n형 질화물 반도체층(12), 활성층(13), p형 질화물 반도체층(14), 오믹콘택층(15)을 순차적으로 형성하고, n형 질화물 반도체층(13)의 상면 일부를 노출시킨 영역에 n측 전극(16)을 형성하며, 오믹콘택층(15) 상면에 p측 전극(17)을 형성한 구조를 갖는다.
상기 오믹콘택층(15)은 p형 질화물 반도체층(14)과의 오믹 콘택을 형성하면서도, 상기 활성층(13)으로부터 발광된 광을 광방출면(즉, 사파이어 기판(11))을 향해 반사시킬 수 있는 높은 반사율을 가질 것이 요구된다.
이와 같은 종래의 질화물 반도체 발광소자(10)를 탑재한 플립 칩 발광소자(20)는, 상기 질화물 반도체 발광소자(10)가 지지체용 기판(21) 상에 각 전극(16,17)을 도전성 범프(24a,24b)를 통해 각 리드패턴(22a,22b)상에 융착시켜 탑재된 구조를 갖는다.
이러한 플립 칩 구조(20)에서 상기 발광소자(10)의 사파이어 기판(11)은 투광성이므로 광 방출면으로 활용된다.
한편, 도 2를 참조하면, 광 방출면을 통한 광 추출효율을 높이기 위해, 질화물 반도체층(12,13,14,15)의 성장 면에 요철(11a)을 형성한 예가 있다.
이는 요철을 이용하여 광 추출 경로를 변경시킴으로써, 활성층(13)에서 발생 된 광이 발광소자(10)의 내부에 갇혀 소멸되는 것을 방지하게 된다.
한편, 종래 질화물 반도체 발광소자(10)에서 사파이어 기판(11)은, 반도체층(12,13,14,15)의 성장 품질을 담보하기 위해, 430um 내외의 두께가 요구된다.
그러나 반도체층(12,13,14,15)의 성장을 완료한 후, 칩(Chip)으로 가공하기 위해, 사파이어 기판(11)을 갈아서 그 두께를 감소시키는 공정(lapping, polishing 공정)이 요구된다.
아울러, 반도체층(12,13,14,15)의 성장 면에 요철이 형성되는 경우, 반도체층(12,13,14,15)의 성장 품질을 확보하기 위해, 요철 부분을 평탄화하기 위한 버퍼층(12a)을 상당한 두께로 형성하여야 한다.
이러한 이유로, 공정시간 및 비용이 증가하는 문제가 있었다.
1. 미국등록특허 US 7,358,537호
본 발명(Discloure)은, 공정시간 및 비용을 절감할 수 있는 기판 구조를 가지는 플립 칩 구조의 질화물 반도체 발광소자의 제공을 일 목적으로 한다.
여기서는, 본 발명의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 발명의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니 된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).
상기한 과제의 해결을 위해, 본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 플립 칩 구조의 질화물 반도체 발광소자는, 적층 성장된 복수의 질화물 반도체층; 및 상기 복수의 질화물 반도체층의 적층 성장을 위한 기재로 제공되는 성장기판;으로서, 상기 복수의 질화물 반도체층이 적층 성장되는 면으로 제공되는 성장 면;과, 상기 성장 면의 이면으로서, 상기 복수의 질화물 반도체층에서 생성되는 광이 외부로 방출되는 광 추출면;과, 상기 광 추출면에 구비되어 광의 추출 경로를 변경시키는 광 추출 요철;을 가지는 성장기판;을 포함한다.
본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 플립 칩 구조의 질화물 반도체 발광소자에서, 상기 성장기판은, 사파이어(Al2O3) 재질로 구비되고, 상기 성장기판의 두께는, 180~250um로 마련되는 것으로 제공될 수 있다.
본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 플립 칩 구조의 질화물 반도체 발광소자에서, 상기 광 추출 요철은, 불 규칙적인 형상 및 모양으로 형성되는 것으로 제공될 수 있다.
본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 플립 칩 구조의 질화물 반도체 발광소자에서, 상기 광 추출 요철은, 규칙적인 패턴을 가지도록 형성되는 것으로 제공될 수 있다.
본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 플립 칩 구조의 질화물 반도체 발광소자에서, 상기 광 추출 요철은, 반구, 반타원체, 원뿔, 다각뿔, 원뿔대 및 다각뿔대 중 선택된 하나의 형상으로 구비되는 것으로 제공될 수 있다.
본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 플립 칩 구조의 질화물 반도체 발광소자에서, 상기 복수의 질화물 반도체층은, 순차로 적층 되는 n형 질화물 반도체층, 전자와 정공의 재결합에 의해 광자를 생성하는 활성층 및 p형 질화물 반도체층을 포함하며, 상기 성장 면과 상기 n형 질화물 반도체층 사이에 개재되며, 상기 성장기판과 상기 n형 질화물 반도체층 사이의 격자 부정합을 완화하는 버퍼층;을 포함하는 것으로 제공될 수 있다.
본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 플립 칩 구조의 질화물 반도체 발광소자에서, 상기 버퍼층은, 0.5~1.0um의 두께로 마련되는 것으로 제공될 수 있다.
본 발명의 일 태양(aspect)에 따른 플립 칩 구조의 질화물 반도체 발광소자의 제조방법은, 180~250um의 두께를 가지며, 사파이어(Al2O3) 재질로 성장기판;을 준비하는 제1 단계; 상기 성장기판의 제1 면에 요철을 형성하는 제2 단계; 및 상기 제1 면의 이면인 제2 면에 복수의 질화물 반도체층을 적층 성장하는 제3 단계;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 성장기판이 180~250um의 두께로 제공되되, 평평한 성장 면의 반대 면에 광 추출 요철이 형성된 구조로 제공되므로, 성장 완료 후 성장기판을 가공하는 공정을 생략할 수 있다.
본 발명에 따르면, 성장기판의 성장 면이 평평한 면으로 제공되므로, 성장기판에 성장되는 반도체층의 두께를 감소시킬 수 있게 되어, 반도체층의 성장에 제공되는 원료물질의 소모량을 줄일 수 있다.
도 1 및 도 2는, 질화물 반도체 발광소자가 탑재된 플립 칩 발광소자의 일 예를 보인 도면.
도 3은, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 플립 칩 구조의 질화물 반도체 발광소자를 보인 도면.
도 4는, 도 3의 변형 예를 보인 도면.
도 5는, 본 발명에 따른 발광소자의 전기적 특성(Vr)을 종래 발광소자와 비교하여 보인 선도.
이하, 본 발명에 따른 플립 칩 구조의 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 구현한 실시형태를, 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
다만, 본 발명의 사상은 이하에서 설명되는 실시형태에 의해 그 실시 가능 형태가 제한된다고 할 수는 없고, 본 발명의 사상을 이해하는 통상의 기술자는 본 개시와 동일한 기술적 사상의 범위 내에 포함되는 다양한 실시 형태를 치환 또는 변경의 방법으로 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 기술적 사상에 포함됨을 밝힌다.
또한, 이하에서 사용되는 용어는 설명의 편의를 위하여 선택한 것이므로, 본 발명의 기술적 내용을 파악하는 데 있어서, 사전적 의미에 제한되지 않고 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미로 적절히 해석되어야 할 것이다.
도 3은, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 플립 칩 구조의 질화물 반도체 발광소자를 보인 도면, 도 4는, 도 3의 변형 예를 보인 도면, 도 5는, 본 발명에 따른 발광소자의 전기적 특성(Vr)을 종래 발광소자와 비교하여 보인 선도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 실시형태에 따른 플립 칩 구조의 질화물 반도체 발광소자(100)는, 복수의 질화물 반도체층(120,130,140)과 성장기판(110)을 포함한다.
복수의 질화물 반도체층(120,130,140)은 MOCVD(유기금속기상성장법) 공정에 의해 성장되는데, 본 실시형태는, 복수의 질화물 반도체층(120,130,140)의 성장과정에 제공되는 성장기판(110)의 구조에 특징을 가진다. 이러한 점에서, 성장이 완료된 후 가공(예: polishing, etching)하여 제공되는 기판과 구별된다.
본 실시형태에서, 성장기판(110)은, 복수의 질화물 반도체층(120,130,140)의 적층 성장을 위한 기재로 제공되며, 성장 면(110a), 광 추출면(110b) 및 광 추출 요철(111)을 가진다.
성장 면(110a)은, 복수의 질화물 반도체층(120,130,140)이 적층 성장에 제공되는 면으로, 평평한 면으로 마련된다.
광 추출면(110b)은, 성장 면(110a)의 이면으로서, 복수의 질화물 반도체층(120,130,140)에서 생성되는 광이 외부로 방출되는 면이다.
광 추출 요철(111)은, 광 추출면에 구비되며, 복수의 질화물 반도체층(120,130,140)에서 생성되는 광의 추출 경로를 변경시키는 기능을 수행한다. 이에 의해, 복수의 질화물 반도체층(120,130,140)에 의해 광이 소멸되는 것을 방지할 수 있게 된다.
본 실시형태에 따른 성장기판(110)에 의하면, 복수의 질화물 반도체층(120,130,140)의 성장 과정에서 발생 되는 보잉(bowing; 기판 휨 형상)이 광 추출 요철(111)에 의해 완화됨을 실험을 통해 확인할 수 있었으며, 그 결과로 보잉의 방지를 위해 요구되는 성장기판(110)의 최소두께를 감소시킬 수 있음을 확인하였다.
또한, 질화물 반도체 발광소자(100)는, 통상 이종물질로 구비되는 성장기판(110)과 복수의 질화물 반도체층(120,130,140) 사이의 격자 부정합의 완화를 위해, 성장 면(110a) 위에 버퍼층(120a)의 성장이 이루어질 수 있는데, 본 실시형태에 따른 플립 칩 구조의 질화물 반도체 발광소자(100)는, 성장 면(110a)을 평면으로 마련함으로써 버퍼층(120a)의 최소두께를 감소시킬 수 있다. 이에 의하며, 본 실시형태에 따른 플립 칩 구조의 질화물 반도체 발광소자(100)의 전체 두께를 얇게 할 수 있으므로, 보잉 현상의 개선 효과도 얻을 수 있게 된다.
이를 위해, 본 실시형태에 따른 플립 칩 구조의 질화물 반도체 발광소자(100)는, 성장기판이 사파이어(Al2O3) 재질로 구비되고, 성장기판(110)의 두께는, 180~250um로 마련되는 것이 바람직하다.
한편, 광 추출 요철(111)은, 불 규칙적인 형상 및 모양으로 형성되거나, 규칙적인 패턴을 가지도록 형성될 수 있으나, 보잉의 완화를 위해서는 규칙적인 패턴을 가지는 것이 바람직하다.
여기서, 광 추출 요철(111)은, 반구, 반타원체, 원뿔, 다각뿔, 원뿔대 및 다각뿔대 중 선택된 하나의 형상으로 구비되는 것이 바람직하다.
이와 달리, 광 추출 요철(111)은, 스트라이프(stripe) 형상 또는 동심원 형상으로 구비될 수 있음은 물론이다.
한편, 본 실시형태에서, 복수의 질화물 반도체층(120,130,140)은, 성장기판(110) 위에, 순차로 적층 되는 n형 질화물 반도체층(120), 전자와 정공의 재결합에 의해 광자를 생성하는 활성층(130) 및 p형 질화물 반도체층(130)으로 마련될 수 있다.
여기서, 질화물 반도체는 Al(x)Ga(y)In(1-x-y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 된 화합물로 이루어진다.
n형 질화물 반도체층(120)은 바람직하게는 GaN로 이루어지고, Si으로 도핑된다.
활성층(130)은, 전자와 정공의 재결합을 통해 광자(빛)를 생성하는 층으로서, 주로 In(x)Ga(1-x)N (0<x≤1)로 이루어지고, 하나의 양자우물층(single quantum well)이나 복수개의 양자우물층들(multi quantum wells)로 구성된다.
p형 질화물 반도체층(130)은 Mg과 같은 적절한 불순물을 이용해 도핑되며, 활성화(activation) 공정을 거쳐 p형 전도성을 가진다.
한편, 성장 면(110a)에 n형 질화물 반도체층(120)의 성장에 요구되는 결정 품질이 형성하기 위해 성장되는 버퍼층(120a)은, 성장 면(110a)에 요철이 형성된 기판의 경우 2.5um 이상의 두께로 마련되는 것이 일반적이다.
본 실시형태에서, 버퍼층(120a)은, 0.5~1.0um의 두께로 마련되는 것이 바람직하다.
도 3 및 도 4에서 160,170은 각각 n측 전극, p측 전극이다.
이상에서 설명한 본 실시형태에 따른 플립 칩 구조의 질화물 반도체 발광소자의 제조방법은, 180~250um의 두께를 가지며, 사파이어(Al2O3) 재질로 성장기판(110)을 준비하는 제1 단계, 성장기판(110)의 제1 면, 즉 성장 면(110a)에 요철, 즉 광 추출 요철(111)을 형성하는 제2 단계 및 제1 면의 이면인 제2 면 즉 광 추출면(110b)에 복수의 질화물 반도체층을 적층 성장하는 제3 단계를 포함한다.
한편, 도 5는, 성장 면(110a)이 평평하게 마련된 경우(실시예)와, 성장 면(110a)에 요철이 형성된 경우(비교예)의 전기적 특성(Vr)을 비교하여 보인 선도로서, 실시예와 비교예 각각에서, 버퍼층(120a)의 두께를 0.5um, 1.5um, 2.5um로 변경하면서 전기적 특성(Vr)을 측정한 것이다.
도 5를 참조하면, 실시예에서는, 0.5um, 1.5um, 2.5um 모두에서 만족할 만한 결과를 보이고 있으나, 비교예에서는, 2.5um을 제외한 0.5um, 1.5um에서는 전기적 특성이 불량한 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 실시형태에 따른 플립 칩 구조의 질화물 반도체 발광소자(100)는, 성장 면(110a)이 아닌 광 추출면(110b)에 광 추출 요철을 구비함으로써, 광 추출 효율의 향상 효과를 유지하면서, 버퍼층(120a)의 두께를 감소시킬 수 있고, 또한 광 추출면(110b)의 광 추출 요철(111)에 의해 복수의 질화물 반도체층(120,130,140) 성장과정에서 보잉 현상이 완화되므로, 두께를 크게 감소시킨 성장기판(110)을 이용하여 질화물 반도체층의 성장이 가능하게 된다.
그 결과로, 성장 완료 후, 성장기판(110)의 후 가공 공정이 제거된다.

Claims (8)

  1. 적층 성장된 복수의 질화물 반도체층; 및
    상기 복수의 질화물 반도체층의 적층 성장을 위한 기재로 제공되는 성장기판;으로서, 상기 복수의 질화물 반도체층이 적층 성장되는 면으로 제공되는 성장 면;과, 상기 성장 면의 이면으로서, 상기 복수의 질화물 반도체층에서 생성되는 광이 외부로 방출되는 광 추출면;과, 상기 광 추출면에 구비되어 광의 추출 경로를 변경시키는 광 추출 요철;을 가지는 성장기판;을 포함하는 플립 칩 구조의 질화물 반도체 발광소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 성장기판은, 사파이어(Al2O3) 재질로 구비되고,
    상기 성장기판의 두께는, 180~250um로 마련되는 것을 특징으로 하는 플립 칩 구조의 질화물 반도체 발광소자.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 광 추출 요철은, 불 규칙적인 형상 및 모양으로 형성되는 것을 특징으로 하는 플립 칩 구조의 질화물 반도체 발광소자.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 광 추출 요철은, 규칙적인 패턴을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 플립 칩 구조의 질화물 반도체 발광소자.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 광 추출 요철은, 반구, 반타원체, 원뿔, 다각뿔, 원뿔대 및 다각뿔대 중 선택된 하나의 형상으로 구비되는 것을 특징으로 하는 플립 칩 구조의 질화물 반도체 발광소자.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 복수의 질화물 반도체층은, 순차로 적층 되는 n형 질화물 반도체층, 전자와 정공의 재결합에 의해 광자를 생성하는 활성층 및 p형 질화물 반도체층을 포함하며,
    상기 성장 면과 상기 n형 질화물 반도체층 사이에 개재되며, 상기 성장기판과 상기 n형 질화물 반도체층 사이의 격자 부정합을 완화하는 버퍼층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 플립 칩 구조의 질화물 반도체 발광소자.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 버퍼층은, 0.5~1.0um의 두께로 마련되는 것을 특징으로 하는 플립 칩 구조의 질화물 반도체 발광소자.
  8. 180~250um의 두께를 가지며, 사파이어(Al2O3) 재질로 성장기판;을 준비하는 제1 단계;
    상기 성장기판의 제1 면에 요철을 형성하는 제2 단계; 및
    상기 제1 면의 이면인 제2 면에 복수의 질화물 반도체층을 적층 성장하는 제3 단계;를 포함하는 플립 칩 구조의 질화물 반도체 발광소자의 제조방법.
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