WO2011065745A2 - 발광다이오드 패키지 - Google Patents

발광다이오드 패키지 Download PDF

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WO2011065745A2
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이종람
손준호
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POSTECH Academy Industry Foundation
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POSTECH Academy Industry Foundation
Seoul Optodevice Co Ltd
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    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/85—Packages
    • H10H20/8506—Containers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10H—INORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00—Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80—Constructional details
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10W72/00—Interconnections or connectors in packages
    • H10W72/851—Dispositions of multiple connectors or interconnections
    • H10W72/874—On different surfaces
    • H10W72/884—Die-attach connectors and bond wires

Definitions

  • the present invention relates to a light emitting diode package, and more particularly, to a light emitting diode package which improves luminous efficiency by suppressing a phenomenon of 'efficiency droop' generated during high current injection.
  • the light emitting diode package using GaN series light emitting diode (LED) has long life, small size, light weight, strong light directivity, low voltage driving, and it does not require preheating time and complicated driving circuit, and is resistant to shock and vibration.
  • LED GaN series light emitting diode
  • Many types of high-quality lighting systems can be implemented, and it is expected to replace incandescent lamps, fluorescent lamps, mercury lamps and existing white light sources within the next 10 years.
  • the GaN-based LEDs In order for GaN-based LEDs to be used in white light sources to replace existing mercury or fluorescent lamps, the GaN-based LEDs must not only have excellent thermal stability but also be able to emit high power at low power consumption.
  • horizontal GaN-based blue light emitting diodes have advantages in that they are relatively inexpensive and have a simple manufacturing process.
  • a vertical light emitting diode is a device that overcomes the disadvantages of the horizontal light emitting diode and is easily applied to a large output high power light emitting diode.
  • Such vertical light emitting diodes have several advantages compared to horizontal light emitting diodes. Vertical light emitting diodes do not require transparent electrodes, so there is no light absorption, and because thick electrodes can be used, the current spreading resistance is small, resulting in a relatively very uniform current spreading distribution, resulting in lower operating voltage and greater light output.
  • the heat dissipation is possible through a metal substrate having good thermal conductivity, so that a relatively long life and high power operation are possible.
  • the vertical type light emitting diode emits light in all areas, and thus has a relatively large light emitting area. Since the vertical light emitting diode can increase the maximum applied current by 3-4 or more compared to the horizontal light emitting diode, it can be used as a white light source for illumination.
  • Nichia chemical in Japan, Lumileds and Cree in USA, Leading companies of GaN light emitting diodes, such as Germany's Osram and several related companies in Taiwan are actively conducting R & D for the commercialization of high power vertical light emitting diodes.
  • An object of the present invention is to solve the problems described above, to provide a light emitting diode package that improves the luminous efficiency by suppressing the 'efficiency droop' phenomenon generated during high current injection.
  • a light emitting diode package comprising a base and a light emitting diode disposed on the base, a curved surface having a curvature is formed on the base, the light emitting diode is attached to the curved surface.
  • the light emitting diode is a vertical light emitting diode including a support substrate and semiconductor layers on the support substrate, and the curved surface is preferably a convex curved surface.
  • the semiconductor layers sequentially include a p-GaN layer, an active layer, and an n-GaN layer in a direction away from the support substrate, and a p-type reflective contact layer is interposed between the p-GaN layer and the support substrate.
  • the vertical light emitting diode is attached so that the bottom surface of the support substrate faces the curved surface, and the bottom surface of the support substrate has a concave curved surface. It is preferable that the said support substrate is a metal substrate.
  • the vertical light emitting diode is bent while being die bonded to the curved surface.
  • the vertical light emitting diode is attached to the curved surface by Ag-based paste or Au-Sn alloy.
  • the curvature is preferably 1 (m -1 ) to 100 (m -1 ).
  • the curved surface is preferably spherical.
  • a plurality of vertical light emitting diodes may be arranged on the base, and the plurality of vertical light emitting diodes may be attached to one curved surface on the base.
  • a plurality of vertical light emitting diodes may be arranged on the base, and the plurality of vertical light emitting diodes may be attached to each of the plurality of curved surfaces formed on the base.
  • the light emitting diode is a horizontal light emitting diode including a growth substrate and semiconductor layers formed on the growth substrate and having an n-type electrode and a p-type electrode thereon, and the curved surface is a concave curved surface. It is preferable.
  • the growth substrate is a sapphire substrate, and the semiconductor layers sequentially include an n-GaN layer, an active layer, and a p-GaN layer in a direction away from the sapphire substrate.
  • the horizontal light emitting diode is attached so that the bottom surface of the growth substrate faces the curved surface, and the growth substrate has a curved surface that is convex toward the base.
  • the horizontal light emitting diode is bent while being die bonded to the curved surface.
  • the horizontal light emitting diode is attached to the curved surface by Ag-based paste or Au-Sn alloy.
  • the curvature is preferably 1 (m -1 ) to 100 (m -1 ).
  • the curved surface is preferably a spherical surface.
  • a plurality of horizontal light emitting diodes are arranged on the base, wherein the plurality of horizontal light emitting diodes may be attached to one curved surface on the base, alternatively, a plurality of horizontal light emitting diodes on the base. And a plurality of horizontal light emitting diodes may be attached to each of the plurality of curved surfaces on the base.
  • the light emitting diode When die bonding the light emitting diode to the base upper surface having the curvature of the light emitting diode package, the light emitting diode is bent by the curvature of the upper surface of the base. At this time, the bending of the light emitting diode is applied to the light emitting diode so that the band structure of the quantum well layer is changed.
  • the light emitting diode package manufactured as described above has a characteristic of high power and high efficiency since the 'efficiency droop' phenomenon generated during high current injection is reduced.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a light emitting diode package according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a vertical light emitting diode applied to the light emitting diode package shown in FIG.
  • FIG. 3 is a view showing a vertical light emitting diode fabricated to evaluate a change in optical characteristics of a vertical light emitting diode according to a change in curvature.
  • FIG. 4 is a view showing optical and electrical characteristics change according to the curvature change of the vertical light emitting diode.
  • FIG. 5 is a diagram showing light output and normalized external quantum efficiency according to injection current of vertical light emitting diodes having different curvatures.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a band bending change of an InGaN / GaN quantum well according to a change in curvature.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a light emitting diode package and a horizontal light emitting diode applied thereto according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a view showing a comparison of EL spectra of a horizontal light emitting diode on a flat top surface and a concave base top surface.
  • FIG. 9 is a diagram showing the band warpage change and the wave function of electrons and holes in an InGaN / GaN quantum well of a horizontal light emitting diode having a flat bottom surface and a concave bottom surface.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a light emitting diode package according to an embodiment of the present invention.
  • the light emitting diode package 100 includes a base 110 and a vertical light emitting diode 120 attached to the base 110 by a die bonding method.
  • the base 110 includes terminals electrically connected to the vertical light emitting diodes 120 on an upper surface thereof.
  • the light emitting diode package 100 is formed such that the surface on which the light emitting diode 120 is attached in a die bonding manner, that is, the upper surface of the base 110 includes a convex curved surface 112 having a curvature.
  • the bottom surface of the light emitting diode 120 is a concave curved surface.
  • Ag-based paste or Au-Sn alloy may be used as a material (not shown) for die bonding the light emitting diodes 120 to the base 110.
  • the light emitting diode 120 includes a support substrate 121 and a p-GaN layer 123, an active layer 125, and an n-GaN layer 127 in this order from the support substrate 121. do.
  • the p-type reflective contact layer 122 may be interposed between the paper substrate 121 and the p-GaN layer 123.
  • the substrate substrate 121 is preferably a metal substrate.
  • the active layer 125 preferably includes an InGaN / GaN multiple quantum well (MQW) structure. Other layers may be further interposed between the layers mentioned above.
  • the layers 123, 125, and 127 are grown on a sapphire substrate (not shown), and the sapphire substrate is an n-GaN layer 127 or a buffer layer (not shown) after the growth of the layers 123, 125, and 127. Shown).
  • Nitride-based light emitting diode epi wafers especially InGaN / GaN light emitting diode epi wafers, grown on a typical c-plane sapphire substrate, have a compressive stress on the quantum well due to the difference in lattice constant and thermal expansion coefficient of the sapphire substrate and GaN. Since polarization occurs and spontaneous polarization also exists, the band structure of the quantum well bends, thereby decreasing the internal quantum efficiency, and as the current injection increases, the efficiency of the LED decreases. Therefore, by controlling the stress applied from the outside to reduce the bending of the quantum well of the light emitting diode can improve the internal quantum efficiency and suppress the 'efficiency droop' phenomenon.
  • the metal support substrate 121 may be bent according to the curvature of the upper surface of the base 110 where the light emitting diodes 120 are attached, the degree of bending of the metal support substrate 121 may be adjusted. In addition, the stress applied to the light emitting diodes 120 may be controlled.
  • FIG. 3 shows a scanning electron micrograph and a rough image of a vertical light emitting diode fabricated in order to evaluate a characteristic change of the vertical light emitting diode according to a change in curvature.
  • the vertical light emitting diodes had a convex curvature, which was confirmed by the two-dimensional surface profiler.
  • FIG. 5 shows light output characteristics according to injection currents of vertical light emitting diodes having different curvatures and normalized wall-plug efficiency in each vertical light emitting diode. It can be seen that the light output increases as the injection current increases.
  • the normalized efficiency shows that as the curvature increases, the 'efficiency droop' phenomenon that occurs as the injection current increases, and the light output also increases. However, the 'efficiency droop' phenomenon occurred less in the vertical type light emitting diode, which has the largest curvature, but the light output decreased slightly, so that the appropriate curvature is required to suppress the 'efficiency droop' phenomenon and to realize the high efficiency vertical light emitting diode. Able to know.
  • FIG. 6 illustrates a band change of an InGaN / GaN quantum well according to a change in curvature.
  • the band is bent due to spontaneous polarization and piezoelectric polarization, and separation of electrons and hole wavelength functions occurs, thereby reducing internal quantum efficiency.
  • the curvature of the light emitting diode epi wafer changes, the stress is applied to alleviate the band warpage of the quantum well, so that the overlap of the wavelength function of the electron and the hole increases, thereby increasing the internal quantum efficiency and thus the light output. have.
  • the vertical light emission of the light emitting diode package to which the vertical light emitting diode is attached forms a convex structure having curvature and / or convex mechanism on one side of the base of the light emitting diode package, and uses a metal substrate as a supporting substrate on the surface having the curvature.
  • the vertical light emitting diode is bent by the curvature of the bottom surface. In this case, stress is applied to the light emitting diode epitaxial wafer, thereby changing the band structure of the quantum well layer, thereby increasing the internal quantum efficiency.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a light emitting diode package according to another embodiment of the present invention.
  • the InGaN / GaN light emitting diode epiwafer grown on a general c-plane sapphire substrate has a piezoelectric effect due to compressive stress on the quantum well due to the difference in lattice constant and thermal expansion coefficient of the sapphire substrate and GaN. Since polarization occurs and spontaneous polarization also exists because the number of Ga atoms and N atoms are not the same, the band structure of the quantum well is bent, and the internal quantum efficiency decreases. As the current injection increases, the efficiency of the light emitting diode increases. A decreasing 'efficiency droop' phenomenon is seen. Therefore, by controlling the stress applied from the outside to reduce the bending of the quantum well of the light emitting diode epiwafer can improve the internal quantum efficiency and suppress the 'efficiency droop' phenomenon.
  • the sapphire substrate 221 contacted with the base 110 is attached.
  • the thin film is formed by polishing, for example, when the upper surface of the base 210 to which the horizontal light emitting diode 220 is attached is formed into a concave curved surface having a curvature, the sapphire substrate 221 may be bent according to the curvature. In this way, by adjusting the curvature of the sapphire substrate 221 by adjusting the curvature of the top surface of the base 210, the stress applied to the horizontal light emitting diode 220 can be adjusted. It is preferable that the curved shape of the upper surface is a spherical shape.
  • an Ag-based paste or an Au—Sn alloy may be used as a material for die bonding the light emitting diodes 220 to the base 110.
  • the horizontal light emitting diode 220 includes an sapphire substrate 221, an n-GaN layer 223, an active layer 225, and a p-GaN in a direction away from the sapphire substrate 221.
  • Layers 227 in turn.
  • a buffer layer 222 may be formed between the sapphire substrate 221 and the n-GaN layer 223 to mitigate lattice mismatch.
  • a transparent electrode layer 228 such as, for example, indium tin oxide (ITO) may be formed on the p-GaN layer 227 for effective current dispersion.
  • ITO indium tin oxide
  • the horizontal light emitting diode 220 has electrodes (preferably bonding pads) having different polarities when viewed from above, that is, the n-type electrode 229a and the p-type electrode 229b.
  • this structure is, as is well known, a portion of the p-GaN layer 225 and the active layer 225 etched to a depth that exposes the n-GaN 227, so that the p-GaN layer 223
  • the p-type electrode 229a may be formed on the transparent electrode layer 228 thereon
  • the n-type electrode 229b may be formed on the n-GaN 227.
  • FIG. 8 shows an EL spectrum of a horizontal light emitting diode according to the present embodiment, which includes a conventional horizontal light emitting diode having a flat bottom and a concave bottom having a curvature, more preferably, a substantially hemispherical concave bottom. have.
  • a horizontal light emitting diode including a concave bottom surface having a curvature the light output also increases along with the wavelength shift from the EL spectrum to the blue wavelength. This increase in light output is due to the increase in internal quantum efficiency because the light extraction efficiency is achieved in the same light emitting diode.
  • FIG. 9 shows a band change of an InGaN / GaN quantum well of a horizontal light emitting diode having a flat bottom surface and a horizontal light emitting diode including a concave bottom surface having a curvature.
  • the band of the quantum well is bent by spontaneous polarization and piezoelectric polarization, so that the separation of electrons and hole wavelength functions occurs, thereby reducing the internal quantum efficiency.
  • the blue shift of the center wavelength of FIG. 9 is due to the effect of reducing band warpage due to the reduction of piezoelectric polarization and increasing the band gap.
  • a plurality of vertical light emitting diodes 320 may be arranged on the base 310.
  • one convex curved surface 312 is formed on the base 310, and the plurality of vertical light emitting diodes 320, 320, and 320 are formed on the curved surface 312.
  • a plurality of convex surfaces 312, 312, and 312 may be formed on the base 310, and the plurality of curved surfaces 312, 312 and 312 may be formed.
  • Each of the plurality of vertical light emitting diodes 320, 320, and 320 may be die bonded to each other.
  • a plurality of horizontal light emitting diodes 320 may be arranged on the base 410.
  • one concave curved surface 412 is formed on the base 410, and the plurality of vertical light emitting diodes 420, 420, and 420 are formed on the one concave curved surface 412.
  • a plurality of concave curved surfaces 412, 412, and 412 are formed on the base 410, and the plurality of concave curved surfaces 412 and 412 are formed.
  • Each of the plurality of horizontal light emitting diodes 420, 420, and 420 may be die bonded to each other.
  • the 'efficiency droop' phenomenon generated during the high current injection is suppressed to realize a high output high efficiency horizontal light emitting diode having improved luminous efficiency.
  • the base light emitting diode is attached to the base concave curvature to form a structure or mechanism, and the curvature of the horizontal light emitting diode comprising a thin polished sapphire substrate on the curved surface, the horizontal light emitting diode is curvature of the bottom surface Bent by At this time, stress is applied to the light emitting diode epitaxial wafer, thereby changing the characteristics of the piezoelectric polarization of the quantum well layer.
  • the horizontal light emitting diode package manufactured as described above can reduce the 'efficiency droop' phenomenon generated during high current injection, thereby obtaining a high output high efficiency horizontal compound semiconductor light emitting diode for lighting.

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Abstract

고전류 주입 시 발생하는 'efficiency droop' 현상이 억제되어 발광 효율이 향상된 고출력 고효율 발광다이오드를 포함하는 발광다이오드 패키지가 개시된다. 이 발광다이오드 패키지는 발광다이오드가 부착되는 배이스의 면에 기구물 또는 특정 구조의 형성에 의해 곡률을 갖는 곡면을 형성하고, 상기 곡면에 발광다이오드를 다이 본딩하면, 발광다이오드는 상기 곡률에 의해 휘어지게 된다. 이때 발광다이오드에 응력에 가해지게 되어, 양자 우물층의 밴드 구조가 변화하게 된다. 이렇게 제작된 발광다이오드 패키지는 고전류 주입 시 발생하는 'efficiency droop' 현상이 감소되어, 고출력 고효율을 구현할 수 있다.

Description

발광다이오드 패키지
본 발명은 발광다이오드 패키지에 관한 것으로서, 특히 고전류 주입 시 발생하는 'efficiency droop' 현상을 억제하여 발광 효율을 향상시킨 발광다이오드 패키지에 관한 것이다.
GaN 계열의 발광다이오드(LED)를 이용하는 발광다이오드 패키지는 긴 수명, 소형화, 경량화 가능, 빛의 지향성이 강하고 저전압 구동이 가능하며 또한 예열 시간과 복잡한 구동회로가 필요하지 않고 충격 및 진동에 강하기 때문에, 다양한 형태의 고품격 조명 시스템의 구현이 가능하여 향후 10년 이내에 백열등, 형광등, 수은등과 기존의 백색 광원을 대체할 것으로 기대되어 많은 연구가 진행되고 있다. GaN 계열 발광다이오드가 기존의 수은등이나 형광등을 대체하여 백색광원에 이용되기 위해서는 열적 안정성이 뛰어나야 할 뿐만 아니라 낮은 소비 전력에서도 고출력 빛을 발할 수 있어야 한다. 현재 수평형 GaN 계열 청색 발광다이오드는 상대적으로 비용이 저렴하고 제작 공정이 간단하다는 장점이 있으나, 기판으로 사용되는 사파이어가 부도체이며 열전도도가 나쁘기 때문에 인가전류가 높고 면적이 큰 고출력 소자로 쓰이기에는 부적절하다는 단점이 있다. 이러한 수평형 발광다이오드의 단점을 극복하고 대면적의 고출력 발광다이오드로의 적용이 용이한 소자가 수직형 발광다이오드이다. 이러한 수직형 발광다이오드는 수평형 발광다이오드와 비교하였을 때, 여러 가지 장점을 가지고 있다. 수직형 발광다이오드에서는 투명 전극이 필요 없기 때문에 빛 흡수가 없고, 두꺼운 전극을 사용할 수 있기 때문에 전류 확산 저항이 작아 상대적으로 매우 균일한 전류 확산 분포를 얻을 수 있어 보다 낮은 작동 전압과 큰 광출력을 얻을 수 있으며, 열전도성이 좋은 금속 기판을 통해 원활한 열방출이 가능하기 때문에 상대적으로 수명이 길고 고출력 작동이 가능하다. 또한 수직형 발광다이오드에서는 모든 영역에서 빛을 발하기 때문에 상대적으로 발광면적이 크다는 장점이 있다. 이러한 수직형 발광다이오드는 최대 인가전류를 수평형 발광다이오드에 비해 3-4 이상 증가시킬 수 있으므로 조명용 백색광원에의 이용이 가능한 것으로 평가되어, 현재 일본의 Nichia chemical사, 미국의 Lumileds사와 Cree사, 독일의 Osram사와 같은 GaN 발광다이오드의 선두 기업들과 대만의 여러 관련 업체들 모두 고출력 수직형 발광다이오드의 상용화를 위해 활발한 연구개발을 진행하고 있다.
조명에 적합한 고출력 고효율 발광다이오드를 구현하기 위해 발광다이오드 소자의 대면적화와 고전류 주입이 요구되는데, 일반적으로 발광다이오드는 매우 낮은 전류에서 높은 양자 효율을 나타내며, 주입 전류가 증가함에 따라 양자 효율이 급격하게 감소하는 'efficiency droop' 현상이 발생한다. 따라서 발광다이오드가 기존의 조명 제품을 효과적으로 대체하기 위해서 'efficiency droop' 현상을 억제해야 한다. 지금까지 'efficiency droop' 현상에 대한 많은 연구는 이루어지고 있지만, 여전히 많은 논쟁이 이루어지고 있으며, 정확한 원인이 아직 규명되지 못하고 있다.
본 발명의 목적은, 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고전류 주입시 발생하는 'efficiency droop' 현상을 억제하여 발광 효율을 향상시킨 발광다이오드 패키지를 제공하는 것이다.
본 발명에 따라, 베이스와 상기 베이스 상에 배치되는 발광다이오드를 포함하는 발광다이오드 패키지가 제공되며, 상기 베이스 상에는 곡률을 갖는 곡면이 형성되고, 상기 발광다이오드는 상기 곡면에 부착된다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 발광다이오드는 지지 기판과 상기 지지 기판 상의 반도체층들을 포함하는 수직형 발광다이오드이며, 상기 곡면은 볼록한 곡면인 것이 바람직하다. 상기 반도체층들은 상기 지지 기판으로부터 멀어지는 방향을 따라 차례로 p-GaN층, 활성층 및 n-GaN층을 포함하며, 상기 p-GaN층과 상기 지지 기판 사이에는 p형 반사 콘택층이 개재된다. 상기 수직형 발광다이오드는 상기 지지 기판의 저면이 상기 곡면과 마주하도록 부착되고, 상기 지지 기판의 저면은 오목한 곡면을 갖는다. 상기 지지 기판은 금속 기판인 것이 바람직하다. 상기 수직형 발광다이오드는 상기 곡면에 다이 본딩된 상태로 휘어져 있다. 상기 수직형 발광다이오드는 Ag계 페이스트 또는 Au-Sn 합금에 의해 상기 곡면에 부착된다. 상기 곡률은 1 (m-1) 내지 100 (m-1) 인 것이 바람직하다. 상기 곡면은 구면인 것이 바람직하다. 상기 베이스 상에 복수의 수직형 발광다이오드가 어레이되되, 상기 복수의 수직형 발광다이오드는 상기 베이스 상에 있는 하나의 곡면에 부착될 수 있다. 대안적으로, 상기 베이스 상에 복수의 수직형 발광다이오드가 어레이되며, 상기 복수의 수직형 발광다이오드는 상기 베이스에 형성된 복수의 곡면 각각에 부착될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 상기 발광다이오드는 성장 기판과 상기 성장 기판 상에 형성된 반도체층들을 포함하고 상부에 n형 전극과 p형 전극이 있는 수평형 발광다이오드이고, 상기 곡면은 오목한 곡면인 것이 바람직하다. 상기 성장 기판은 사파이어 기판이며, 상기 반도체층들은 상기 사파이어 기판으로부터 멀어지는 방향을 따라 n-GaN층, 활성층 및 p-GaN층을 차례로 포함한다. 상기 수평형 발광다이오드는 상기 성장 기판의 저면이 상기 곡면과 마주하도록 부착되고, 상기 성장 기판은 상기 베이스를 향해 볼록한 곡면을 갖는다. 상기 수평형 발광다이오드는 상기 곡면에 다이 본딩된 상태로 휘어져 있게 된다. 상기 수평형 발광다이오드는 Ag계 페이스트 또는 Au-Sn 합금에 의해 상기 곡면에 부착된다. 상기 곡률은 1 (m-1) 내지 100 (m-1) 인 것이 바람직하다. 또한, 상기 곡면은 구면인 것이 바람직하다. 상기 베이스 상에 복수의 수평형 발광다이오드가 어레이되되, 상기 복수의 수평형 발광다이오드는 상기 베이스 상에 있는 하나의 곡면에 부착될 수 있고, 대안적으로, 상기 베이스 상에 복수의 수평형 발광다이오드가 어레이되며, 상기 복수의 수평형 발광다이오드는 상기 베이스 상에 있는 복수의 곡면 각각에 부착될 수 있다.
발광다이오드 패키지의 곡률을 갖는 베이스 상면에 발광다이오드를 다이 본딩하면, 발광다이오드는 상기 베이스 상면의 곡률에 의해 휘어지게 된다. 이때 발광다이오드의 휘어짐에 의해 발광다이오드에 응력에 가해지게 되어, 양자 우물층의 밴드 구조가 변화하게 된다. 이렇게 제작된 발광다이오드 패키지는, 고전류 주입 시 발생하는 'efficiency droop' 현상이 감소되므로, 고출력 및 고효율의 특성을 갖게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 패키지를 도시한 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 발광다이오드 패키지에 적용되는 수직형 발광다이오드를 도시한 단면도.
도 3은 곡률 변화에 따른 수직형 발광다이오드의 광학적 특성 변화를 평가하기 위해 제작된 수직형 발광다이오드를 보여주는 도면.
도 4는 수직형 발광다이오드의 곡률 변화에 따른 광학적 특성과 전기적 특성 변화를 나타낸 도면.
도 5는 서로 다른 곡률을 갖는 수직형 발광다이오드의 주입 전류에 따른 광출력과 정규화된 외부 양자 효율을 나타낸 도면.
도 6은 곡률 변화에 따른 InGaN/GaN 양자 우물의 밴드 휘어짐 변화를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광다이오드 패키지와 이에 적용되는 수평형 발광다이오드를 설명하기 위한 단면도.
도 8은 평평한 베이스 상면과 오목한 베이스 상면에서의 수평형 발광다이오드의 EL 스펙트럼의 변화를 비교하여 나타낸 도면.
도 9는 평평한 바닥면과 오목한 바닥면의 수평형 발광다이오드의 InGaN/GaN 양자 우물의 밴드 휘어짐 변화와 전자와 홀의 파동 함수를 나타낸 도면.
도 10 및 도 11은 본 발명의 다른 변형된 형태를 설명하기 위한 도면들.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 패키지를 나타내는 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 발광다이오드 패키지(100)는, 베이스(110)와, 상기 베이스(110) 상에 다이 본딩 방식으로 부착되는 수직형 발광다이오드(120)를 포함한다. 상기 베이스(110)는 상면에 상기 수직형 발광다이오드(120)와 전기적으로 연결되는 단자들을 포함한다. 이때, 상기 발광다이오드 패키지(100)는 상기 발광다이오드(120)가 다이 본딩 방식으로 부착되는 면, 즉, 상기 베이스(110)의 상면이 곡률을 갖는 볼록한 곡면(112)을 포함하도록 형성되며, 상기 베이스(110)의 곡면(112)에 부착된 상태에서, 상기 발광다이오드(120)의 바닥면은 오목한 곡면으로 되어 있다. 상기 발광다이오드(120)를 상기 베이스(110)에 다이 본딩하는 재료(미도시함)로는 Ag계 페이스트 또는 Au-Sn 합금이 이용될 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 발광다이오드(120)는 지지 기판(121)과, 상기 지지 기판(121)으로부터 차례로 p-GaN층(123), 활성층(125) 및 n-GaN층(127)을 포함한다. 지기 기판(121)과 p-GaN층(123) 사이에는 p형 반사 콘택층(122)이 개재될 수 있다. 상기 지기 기판(121)은 금속 기판인 것이 바람직하다. 상기 활성층(125)은 InGaN/GaN 다중 양자웰(MQW) 구조를 포함하는 것이 바람직하다. 위에서 언급된 각층 들 사이에는 다른 층들이 추가로 더 개재될 수도 있다. 상기 층들(123, 125, 127)은, 사파이어 기판(미도시됨) 상에서 성장된 것들로, 사파이어 기판은 상기 층들(123, 125, 127)의 성장 후 n-GaN층(127) 또는 버퍼층(미도시됨)으로부터 분리되었다.
일반적인 c-plane 사파이어 기판 상에 성장된 질화물계 발광다이오드 에피 웨이퍼, 특히, InGaN/GaN 발광다이오드 에피 웨이퍼는 사파이어 기판과 GaN의 열팽창 계수 차이와 격자 상수 차이에 의해 양자 우물에 압축 응력이 작용하여 압전 분극이 발생하고, 자발 분극 또한 존재하기 때문에 양자 우물의 밴드 구조의 휘어짐이 발생하여 내부 양자 효율이 하락하며, 전류 주입이 증가함에 따라 발광다이오드의 효율이 감소하는 'efficiency droop' 현상이 나타난다. 따라서 외부에서 가해주는 응력을 조절하여 발광다이오드의 양자 우물의 휘어짐을 완화하여 내부 양자 효율 향상과 함께 'efficiency droop' 현상을 억제할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 발광다이오드(120)의 부착이 이루어지는 베이스(110) 상면의 곡률에 따라 금속 지지 기판(121)이 휘어질 수 있으므로, 금속 지지 기판(121)의 휘어지는 정도를 조절하면, 발광다이오드(120)에 가해지는 응력이 조절될 수 있다.
도 3은 곡률 변화에 따른 수직형 발광다이오드의 특성 변화를 평가하기 위하여 제작된 수직형 발광다이오드의 주사 전자 현미경 사진과 대략적인 이미지를 나타내고 있다. 수직형 발광다이오드는 볼록한 곡률을 가지고 있음을 2차원 표면 프로파일러를 통해 확인할 수 있었다.
도 4는 서로 다른 곡률을 가지는 수직형 발광다이오드의 EL 스펙트럼 및 전류-전압 곡선을 나타내고 있다. 수직형 발광다이오드의 곡률이 증가할수록 중심 파장이 짧은 파장으로 이동하며, 광출력이 증가하는 것을 알 수 있다. 곡률이 어느 정도 이상 증가하면 파장 변화는 거의 나타나지 않으며, 수직형 발광다이오드의 광출력 또한 다시 감소하는 것을 알 수 있다. 곡률 변화에 따른 전류-전압 곡선의 차이는 없었으며, 거의 동일한 구동 전압을 유지하고 있어, 수직형 발광다이오드의 곡률 변화는 주로 광학적 특성에 영향을 미침을 알 수 있다.
도 5는 서로 다른 곡률을 가지는 수직형 발광다이오드의 주입 전류에 따른 광출력 특성과 각 수직형 발광다이오드에서의 정규화된 wall-plug efficiency를 나타내고 있다. 주입 전류가 증가함에 따라 광출력이 증가하는 것을 알 수 있다. 정규화된 효율을 보면 곡률이 증가하면 주입 전류가 증가함에 따라 발생하는 'efficiency droop' 현상을 현저하게 감소하는 것을 알 수 있으며, 광출력 또한 증가한 것을 알 수 있다. 그러나 곡률이 가장 큰 수직형 발광다이오드에서는 'efficiency droop' 현상은 적게 발생하였지만, 광출력은 다소 감소한 결과를 나타내어 'efficiency droop' 현상을 억제하고 고효율 수직형 발광다이오드를 구현하기 위해 적절한 곡률이 요구됨을 알 수 있다.
도 6은 곡률 변화에 따른 InGaN/GaN 양자 우물의 밴드 변화를 나타내고 있다. 일반적인 c-plane 사파이어 기판에 성장된 발광다이오드 에피 웨이퍼는 자발 분극와 압전 분극에 의해 밴드가 휘어지게 되어 전자와 홀 파장 함수의 분리가 발생하여 내부 양자 효율이 감소한다. 이러한 발광다이오드 에피 웨이퍼의 곡률이 변화하면, 응력이 가해져서 양자 우물의 밴드 휘어짐이 완화되어 전자와 홀의 파장 함수의 겹침 현상이 증가하여 내부 양자 효율이 증가하며, 따라서 광출력 또한 증가함을 알 수 있다.
위에서 설명한 것과 같은 실시예의 발광다이오드 패키지를 이용할 경우, 고전류 주입 시 발생하는 'efficiency droop' 현상이 억제되어 발광 효율이 향상된 고출력 고효율 수직형 발광다이오드를 구현할 수 있다. 위에서 설명한 바와 같이, 수직형 발광다이오드가 부착되는 발광다이오드 패키지의 베이스의 한 면에 곡률을 갖는 볼록한 구조 및/또는 볼록한 기구물을 형성하고, 곡률을 갖는 면에 금속 기판을 지지기판으로 하는 수직형 발광다이오드를 다이 본딩하면, 수직형 발광다이오드는 바닥면의 곡률에 의해 휘어지게 된다. 이때 발광다이오드 에피 웨이퍼에 응력에 가해지게 되어, 양자 우물층의 밴드 구조가 변화하게 되어 내부 양자 효율이 증가한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광다이오드 패키지를 도시한 단면도이다.
앞선 실시예의 설명에서 언급한 바와 같이, 일반적인 c-plane 사파이어 기판위에 성장된 InGaN/GaN 발광다이오드 에피웨이퍼는 사파이어 기판과 GaN의 열팽창 계수 차이와 격자 상수 차이에 의해 양자 우물에 압축 응력이 작용하여 압전 분극이 발생하고, Ga 원자와 N 원자의 수가 동일하지 않기 때문에 자발 분극 또한 존재하기 때문에 양자 우물의 밴드 구조의 휘어짐이 발생하여 내부 양자 효율이 하락하며, 전류 주입이 증가함에 따라 발광다이오드의 효율이 감소하는 'efficiency droop' 현상이 나타난다. 따라서 외부에서 가해주는 응력을 조절하여 발광다이오드 에피웨이퍼의 양자 우물의 휘어짐을 완화하여 내부 양자 효율 향상과 함께 'efficiency droop' 현상을 억제할 수 있다.
도 7에 도시된 것과 같이 사파이어 기판(221)을 포함하는 수평형 발광다이오드(220)를 베이스(210) 상면에 다이 본딩 방식으로 부착함에 있어서, 상기 베이스(110)와 접하여 부착되는 사파이어 기판(221)을 예를 들면 폴리싱에 의해 얇게 한다면, 상기 수평형 발광다이오드(220)가 부착되는 베이스(210) 상면을 곡률을 갖는 오목한 곡면으로 형성할 경우, 상기 곡률에 따라 사파이어 기판(221)이 휘어질 수 있고, 이에 따라, 상기 베이스(210)의 상면 곡률을 조절하여 사파이어 기판(221)의 휘어지는 정도를 조절함으로써, 수평형 발광다이오드(220) 가해지는 응력을 조절할 수 있다. 상면의 곡면 형상은 구면 형상인 것이 선호된다. 상기 발광다이오드(220)를 상기 베이스(110)에 다이 본딩하는 재료로는 Ag계 페이스트 또는 Au-Sn 합금이 이용되는 것이 선호된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 상기 수평형 발광다이오드(220)는 사파이어 기판(221)과, 그 사파이어 기판(221)으로부터 멀어지는 방향으로 n-GaN층(223), 활성층(225) 및 p-GaN층(227)을 차례로 포함한다. 상기 사파이어 기판(221)과 n-GaN층(223) 사이에는 격자 부정합 완화를 위해 버퍼층(222)이 형성될 수 있다. 상기 p-GaN층(227) 상에는 효과적인 전류 분산을 위해 예를 들면 ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 투명전극층(228)이 형성될 수 있다. 상기 수평형 발광다이오드(220)는, 잘 알려진 바와 같이, 위에서 볼 때 서로 다른 극성을 갖는 전극들(바람직하게는, 본딩 패드들), 즉, n형 전극(229a) p형 전극(229b)이 보이는 구조이며, 이 구조는, 잘 알려진 바와 같이, p-GaN층(225)과 활성층(225)의 영역 일부가 n-GaN(227)을 노출시키는 깊이로 식각되어, p-GaN층(223) 또는 그 위의 투명전극층(228) 상에는 p형 전극(229a)이 형성되고 n-GaN(227) 상에는 n형 전극(229b)이 형성됨으로써 만들어질 수 있다.
도 8은 평형한 바닥면을 갖는 기존 수평형 발광다이오드와 곡률을 갖는 오목한 바닥면, 더 바람직하게는, 대략 반구형의 오목한 바닥면을 포함하는 본 실시예에 따른 수평형 발광다이오드의 EL 스펙트럼을 나타내고 있다. 곡률을 갖는 오목한 바닥면을 포함하는 수평형 발광다이오드의 경우 EL 스펙트럼에서 청색 파장으로 파장 이동과 함께, 광출력 또한 증가하는 것을 알 수 있다. 이러한 광출력의 증가는 광추출 효율이 동일한 발광다이오드에서 이루어지기 때문에 내부 양자 효율의 증가에 의한 것이다.
도 9는 평평한 바닥면을 갖는 수평형 발광다이오드와 곡률을 갖는 오목한 바닥면을 포함하는 수평형 발광다이오드의 InGaN/GaN 양자 우물의 밴드 변화를 나타내고 있다. 일반적인 c-plane 사파이어 기판에 성장된 발광다이오드 에피 웨이퍼는 자발 분극와 압전 분극에 의해 양자 우물의 밴드가 휘어지게 되어 전자와 홀 파장 함수의 분리가 발생하여 내부 양자 효율이 감소한다. 이러한 발광다이오드 에피 웨이퍼의 곡률이 변화하면, 응력이 가해져서 양자 우물의 밴드 휘어짐이 완화되어 전자와 홀의 파장 함수의 겹침 현상이 증가하여 내부 양자 효율이 증가하며, 따라서 광출력이 증가함을 알 수 있다. 도9의 중심 파장의 청색 이동은 압전 분극 감소에 따른 밴드 휘어짐이 완화되어 밴드갭이 증가하는 효과 때문이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 변형된 실시 형태들을 설명하기 위한 도면들이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 베이스(310) 상에 복수의 수직형 발광다이오드(320)가 어레이될 수 있다. 이때, 도 10의 (a)와 같이, 베이스(310) 상에 하나의 볼록한 곡면(312)을 형성하고 그 하나의 곡면(312)에 상기 복수의 수직형 발광다이오드(320, 320, 320)를 부착할 수 있으며, 대안적으로, 도 10의 (b)와 같이, 상기 베이스(310) 상에 복수의 볼록한 곡면(312, 312, 312)을 형성하고, 그 복수의 곡면(312, 312, 312) 각각에 복수의 수직형 발광다이오드(320, 320, 320)를 휘어지도록 다이 본딩할 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 베이스(410) 상에 복수의 수평형 발광다이오드(320)가 어레이될 수 있다. 이때, 도 11의 (a)와 같이, 베이스(410) 상에 하나의 오목한 곡면(412)을 형성하고 그 하나의 오목한 곡면(412)에 상기 복수의 수직형 발광다이오드(420, 420, 420)를 부착할 수 있으며, 대안적으로, 도 11의 (b)와 같이, 상기 베이스(410) 상에 복수의 오목한 곡면(412, 412, 412)을 형성하고, 그 복수의 오목한 곡면(412, 412, 412) 각각에 복수의 수평형 발광다이오드(420, 420, 420)를 휘어지도록 다이 본딩할 수 있다.
위에서 설명한 것 실시예에 따르면, 고전류 주입 시 발생하는 'efficiency droop' 현상이 억제되어 발광 효율이 향상된 고출력 고효율 수평형 발광다이오드가 구현된다. 수평형 발광다이오드가 부착되는 베이스 오목한 곡률을 갖는 구조 또는 기구물을 형성하고, 곡률을 갖는 곡면에 얇게 polishing된 사파이어 기판을 포함하는 수평형 발광다이오드를 다이 본딩하면, 수평형 발광다이오드는 바닥면의 곡률에 의해 휘어지게 된다. 이때 발광다이오드 에피 웨이퍼에 응력에 가해지게 되어, 이에 따라 양자 우물층의 압전 분극의 특성이 바뀌게 된다. 따라서 양자 우물층의 밴드 구조가 변화하게 되어 내부 양자 효율의 증가하고 'efficiency droop' 현상이 억제된다. 이렇게 제작된 수평형 발광다이오드 패키지는 고전류 주입 시 발생하는 'efficiency droop' 현상을 줄일 수 있어, 조명용 고출력 고효율 수평형 화합물 반도체 발광다이오드를 얻을 수 있게 된다.

Claims (20)

  1. 베이스; 및
    상기 베이스 상에 배치되는 발광다이오드를 포함하며,
    상기 베이스 상에는 곡률을 갖는 곡면이 형성되고,
    상기 발광다이오드는 상기 곡면에 부착되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 발광다이오드는 지지 기판과 상기 지지 기판 상의 반도체층들을 포함하는 수직형 발광다이오드이며, 상기 곡면은 볼록한 곡면인 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 반도체층들은 상기 지지 기판으로부터 멀어지는 방향을 따라 차례로 p-GaN층, 활성층 및 n-GaN층을 포함하며, 상기 p-GaN층과 상기 지지 기판 사이에는 p형 반사 콘택층이 개재되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 수직형 발광다이오드는 상기 지지 기판의 저면이 상기 곡면과 마주하도록 부착되고, 상기 지지 기판의 저면은 오목한 곡면을 갖는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 지지 기판은 금속 기판인 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 수직형 발광다이오드는 상기 곡면에 다이 본딩된 상태로 휘어져 있는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 수직형 발광다이오드는 Ag계 페이스트 또는 Au-Sn 합금에 의해 상기 곡면에 부착되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 곡률은 1 (m-1) 내지 100 (m-1) 인 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  9. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 곡면은 구면인 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 베이스 상에 복수의 수직형 발광다이오드가 어레이되되, 상기 복수의 수직형 발광다이오드는 상기 베이스 상에 있는 하나의 곡면에 부착되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  11. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 베이스 상에 복수의 수직형 발광다이오드가 어레이되며, 상기 복수의 수직형 발광다이오드는 상기 베이스에 형성된 복수의 곡면 각각에 부착되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 발광다이오드는 성장 기판과 상기 성장 기판 상에 형성된 반도체층들을 포함하고 상부에 n형 전극과 p형 전극이 있는 수평형 발광다이오드이고, 상기 곡면은 오목한 곡면인 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 성장 기판은 사파이어 기판이며, 상기 반도체층들은 상기 사파이어 기판으로부터 멀어지는 방향을 따라 n-GaN층, 활성층 및 p-GaN층을 차례로 포함하는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  14. 청구항 12 또는 청구항 13에 있어서, 상기 수평형 발광다이오드는 상기 성장 기판의 저면이 상기 곡면과 마주하도록 부착되고, 상기 성장 기판은 상기 베이스를 향해 볼록한 곡면을 갖는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  15. 청구항 12 또는 청구항 13에 있어서, 상기 수평형 발광다이오드는 상기 곡면에 다이 본딩된 상태로 휘어져 있는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  16. 청구항 12 또는 청구항 13에 있어서, 상기 수평형 발광다이오드는 Ag계 페이스트 또는 Au-Sn 합금에 의해 상기 곡면에 부착되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  17. 청구항 12 또는 청구항 13에 있어서, 상기 곡률은 1 (m-1) 내지 100 (m-1) 인 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  18. 청구항 12 또는 청구항 13에 있어서, 상기 곡면은 구면인 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  19. 청구항 12 또는 청구항 13에 있어서, 상기 베이스 상에 복수의 수평형 발광다이오드가 어레이되되, 상기 복수의 수평형 발광다이오드는 상기 베이스 상에 있는 하나의 곡면에 부착되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
  20. 청구항 12 또는 청구항 13에 있어서, 상기 베이스 상에 복수의 수평형 발광다이오드가 어레이되며, 상기 복수의 수평형 발광다이오드는 상기 베이스 상에 있는 복수의 곡면 각각에 부착되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키지.
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