KR101863538B1 - 반도체 발광소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents

반도체 발광소자 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 개시는, 반도체 발광소자에 있어서, 전극을 포함하는 반도체 발광소자 칩; 반도체 발광소자 칩의 상부에 형성되는 파장 변환층; 그리고, 파장 변환층 및 반도체 발광소자 칩의 측면에서 나오는 빛을 반사하는 반사층;을 포함하며, 전극이 외부에 전기적으로 연결되도록 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

반도체 발광소자 및 이의 제조 방법{Semiconductor Light Emitting Device And Method of Manufacturing the same}
본 개시(Disclosure)는 전체적으로 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 광추출 효율을 향상시킨 반도체 발광소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
여기서는, 본 개시에 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).
도 1은 종래의 반도체 발광소자 칩의 일 예를 나타내는 도면이다.
반도체 발광소자 칩은 기판(10; 예: 사파이어 기판), 기판(10) 위에, 버퍼층(20), 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층(30; 예: n형 GaN층), 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층(40; 예; INGaN/(In)GaN MQWs), 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층(50; 예: p형 GaN층)이 순차로 증착되어 있으며, 그 위에 전류 확산을 위한 투광성 전도막(60)과, 본딩 패드로 역할하는 전극(70)이 형성되어 있고, 식각되어 노출된 제1 반도체층(30) 위에 본딩 패드로 역할하는 전극(80: 예: Cr/Ni/Au 적층 금속 패드)이 형성되어 있다. 도 1과 같은 형태의 반도체 발광소자를 특히 레터럴 칩(Lateral Chip)이라고 한다. 여기서, 기판(10) 측이 외부와 전기적으로 연결될 때 장착면으로 기능한다.
도 2는 한국공개특허공보 제10-2015-0073521호에 기재된 반도체 발광소자 칩의 다른 예를 나타내는 도면이다. 설명의 편의를 위해 도면기호를 변경하였다.
반도체 발광소자 칩은 기판(10), 기판(10) 위에, 제1 도전성을 가지는 제1 반도체층(30), 전자와 정공의 재결합을 통해 빛을 생성하는 활성층(40), 제1 도전성과 다른 제2 도전성을 가지는 제2 반도체층(50)이 순차로 증착되어 있으며, 그 위에 기판(10) 측으로 빛을 반사시키기 위한 3층으로 된 전극막(90, 91, 92)이 형성되어 있다. 제1 전극막(90)은 Ag 반사막, 제2 전극막(91)은 Ni 확산 방지막, 제3 전극막(92)은 Au 본딩층일 수 있다. 식각되어 노출된 제1 반도체층(30) 위에 본딩 패드로 기능하는 전극(80)이 형성되어 있다. 여기서, 전극막(92) 측이 외부와 전기적으로 연결될 때 장착면으로 기능한다. 도 2와 같은 형태의 반도체 발광소자를 특히 플립 칩(Flip Chip)이라고 한다. 도 2에 도시된 플립 칩의 경우 제1 반도체층(30) 위에 형성된 전극(80)이 제2 반도체층 위에 형성된 전극막(90, 91, 92)보다 낮은 높이에 있지만, 동일한 높이에 형성될 수 있도록 할 수도 있다. 여기서 높이의 기준은 기판(10)으로부터의 높이일 수 있다.
도 3은 종래의 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면이다.
반도체 발광소자(100)는 리드 프레임(110, 120), 몰드(130), 그리고 캐비티(140) 내에 수직형 반도체 발광소자 칩(150; Vertical Type Light Emitting Chip)이 구비되어 있고, 캐비티(140)는 파장 변환재(160)를 함유하는 봉지제(170)로 채워져 있다. 수직형 반도체 발광소자 칩(150)의 하면이 리드 프레임(110)에 전기적으로 직접 연결되고, 상면이 와이어(180)에 의해 리드 프레임(120)에 전기적으로 연결되어 있다. 수직형 반도체 발광소자 칩(150)에서 나온 광의 일부가 파장 변환재(160)를 여기 시켜 다른 색의 광을 만들어 두 개의 서로 다른 광이 혼합되어 백색광을 만들 수 있다. 예를 들어 반도체 발광소자 칩(150)은 청색광을 만들고 파장 변환재(160)에 여기 되어 만들어진 광은 황색광이며, 청색광과 황색광이 혼합되어 백색광을 만들 수 있다. 도 3은 수직형 반도체 발광소자 칩(150)을 사용한 반도체 발광소자를 보여주고 있지만 , 도 1 및 도 2에 도시된 반도체 발광소자 칩을 사용하여 도 3과 같은 형태의 반도체 발광소자를 제조할 수도 있다.
최근에는 반도체 발광소자의 크기가 소형화되는 경향이 있으며, 이에 도 3과 같은 형태의 반도체 발광소자보다 칩 크기의 패키지(CSP : Chip Scale Package)에 대한 개발이 활발히 진행되고 있다. 본 개시는 크기가 칩 크기로 소형이면서, 광추출 효율이 향상된 반도체 발광소자를 제공하고자 한다.
이에 대하여 '발명을 실시하기 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
여기서는, 본 개시의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 개시의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).
본 개시에 따른 일 태양에 의하면(According to one aspect of the present disclosure), 반도체 발광소자에 있어서, 전극을 포함하는 반도체 발광소자 칩; 반도체 발광소자 칩의 상부에 형성되는 파장 변환층; 그리고, 파장 변환층 및 반도체 발광소자 칩의 측면에서 나오는 빛을 반사하는 반사층;을 포함하며, 전극이 외부에 전기적으로 연결되도록 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자가 제공된다.
본 개시에 따른 다른 태양에 의하면(According to another aspect of the present disclosure), 반도체 발광소자를 제조하는 방법에 있어서, 파장 변환층 형성 물질을 사용하여 파장 변환층을 형성하는 단계(S1); 파장 변환층 위에 반도체 발광소자 칩을 배열하는 단계(S2); 파장 변환층에 홈을 형성하는 단계(S3); 그리고, 반도체 발광소자 칩의 측면을 둘러싸며, 파장 변환층에 형성된 홈이 채워지도록 반사층을 형성하는 단계(S4);를 포함하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법이 제공된다.
이에 대하여 '발명을 실시하기 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
도 1은 종래의 반도체 발광소자 칩의 일 예를 나타내는 도면,
도 2는 한국공개특허공보 제10-2015-0073521호에 기재된 반도체 발광소자 칩의 다른 예를 나타내는 도면,
도 3은 종래의 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 4는 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면,
도 5는 파장 변환층 형성 물질이 필름인 경우의 일 예를 나타내는 도면,
도 6은 도 4에 개시된 반도체 발광소자의 평면도를 나타내는 도면,
도 7은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 다른 일 예를 나타내는 도면,
도 8은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 일 예를 나타내는 도면,
도 9는 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 일 예를 나타내는 도면,
도 10은 본 개시에 따른 반도체 발광소자를 제조하는 방법의 일 예를 나타내는 도면,
도 11은 본 개시에 따른 반도체 발광소자를 제조하는 방법의 다른 일 예를 나타내는 도면.
이하, 본 개시를 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명한다(The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing(s)).
도 4는 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 일 예를 나타내는 도면이다.
본 개시에 따른 반도체 발광소자(200)는 반도체 발광소자 칩(210), 반도체 발광소자 칩(210) 상부에 형성되는 파장 변환층(220) 및 반도체 발광소자 칩(210) 및 파장 변환층(220)의 측면에서 나오는 빛을 반사하는 반사층(230)을 포함하고 있다.
반도체 발광소자 칩(210)은 래터럴 칩, 수직 칩 및 플립 칩 중 하나일 수 있다. 바람직한 것은 플립 칩이다. 반도체 발광소자 칩(210)은 전극(211)을 포함한다. 전극(211)은 외부에 전기적으로 연결되도록 적어도 하나 노출되어 있는 것이 바람직하다. 파장 변환층(220)은 파장 변환층 형성 물질에 의해 형성된다. 파장 변환층 형성 물질은 파장 변환재(221) 및 수지(222)를 포함하고 있다. 파장 변환재(221)는 반도체 발광소자 칩(210)의 활성층으로부터 생성되는 빛을 다른 파장의 빛으로 변환하는 것이라면 어떠한 것이라도 좋지만(예: 안료, 염료 등), 광 변환 효율을 고려할 때 형광체(예: YAG, (Sr,Ba,Ca)2SiO4:Eu 등)를 사용하는 것이 바람직하다. 수지(222)는 에폭시 수지, 실리콘 수지 등이 이용될 수 있다. 또한 파장 변환층 형성 물질에는 광 산란재 등이 부가적으로 더 함유될 수 있다. 파장 변환층(220)은 액상의 파장 변환층 형성 물질을 이용하여 형성될 수도 있지만, 필름(film)과 같이 미리 경화된 상태의 물질일 수도 있다. 파장 변환층(220)이 필름으로 이루어진 경우 다른 물체(예를 들어 반도체 발광소자 칩)와의 접착을 위해 별도의 접착제층(223)을 포함할 수 있다(도 5 참조). 다만 본 개시에 따른 반도체 발광소자(200)에는 접착제층(223)을 도시하지는 않았다. 또한 도 10에 기재된 제조 공정에 따르면 파장 변환층(220)에 홈을 형성하게 되어 있으며, 이때 반도체 발광소자 칩(210)의 손상을 막기 위해서 파장 변환층(220)의 평면적은 반도체 발광소자 칩(210)의 평면적보다 큰 것이 바람직하다(도 6 참조). 반사층(230)은 반도체 발광소자 칩(210) 및 파장 변환층(220)의 측면에서 나오는 빛을 반사할 수 있게 위치한다. 반도체 발광소자 칩(210) 및 파장 변환층(220)의 측면에서 나오는 빛을 반사함으로써 반도체 발광소자(200)의 상방으로 나아가는 빛의 각도를 줄일 수 있어 상방으로 나가는 빛의 추출 효율을 향상시킬 수 있다. 반사층(230)의 재질은 빛을 투과하지 않는 백색 반사 수지가 바람직하다. 예를 들어 백색 실리콘이 바람직하다.
도 5는 파장 변환층 형성 물질이 필름인 경우의 일 예를 나타내는 도면이다.
파장 변환층 형성 물질이 필름인 경우 수지(222)가 이미 경화된 상태이기 때문에, 반도체 발광소자 칩(210) 등 다른 물체에 부착할 수 없다. 따라서 다른 물체에 부착하여 파장 변환층을 형성하기 위해 별도의 접착층(223)을 포함할 수 있다.
도 6은 도 4에 개시된 반도체 발광소자의 평면도를 나타내는 도면이다.
도 4에서 설명한 것처럼 파장 변환층(220)의 평면적이 반도체 발광소자 칩(210)의 평면적보다 클 수 있다. 또한 도 6(a)에서는 반사층(230)이 파장 변환층(220)의 모든 측면을 둘러싸고 있지만, 도 6(b)와 같이 파장 변환층(220)의 일부 측면만 둘러싸서 반도체 발광소자(200)에서 상방으로 나가는 빛의 각도를 조절할 수도 있다.
도 7은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 다른 일 예를 나타내는 도면이다.
개시된 반도체 발광소자(300)는 반사층(330)이 파장 변환층(320)의 측면 전체를 둘러싸고 있는 것을 제외하고는 도 4에 개시된 반도체 발광소자(200)와 동일하다. 또한 반사층(330)의 상면(331)과 파장 변환층(320)의 상면(321) 사이에 높이차가 없다. 반사층(330)이 파장 변환층(320)의 측면 전체를 둘러쌈으로써, 파장 변환층(320)의 측면으로 나가는 빛을 완전히 차단하여 광추출 효율을 높일 수 있다.
도 8은 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 일 예를 나타내는 도면이다.
개시된 반도체 발광소자(400)는 반사층(430) 및 파장 변환층(420)과 반도체 발광소자 칩(410) 사이에 투명층(440)을 포함하는 것을 제외하고는 도 5에 개시된 반도체 발광소자(300)와 동일하다. 투명층(440)은 에폭시 수지, 실리콘 수지 중 하나로 이루어질 수 있다. 특히 파장 변환층(420)을 이루는 파장 변환층 형성 물질이 필름이거나 액상이지만 반도체 발광소자 칩(410)이 부착되기 전에 경화되어 있는 경우에는 파장 변환층(420)에 반도체 발광소자 칩(410)을 부착하기 위한 용도로 투명층(440)이 형성될 수 있다. 도 8에서는 투명층(440)이 반사층(430) 및 파장 변환층(420)과 반도체 발광소자 칩(410) 사이에 모두 형성되었지만, 필요에 따라 반사층(430)과 반도체 발광소자 칩(410) 사이에 또는 파장 변환층(420)과 반도체 발광소자 칩(410) 사이에만 형성될 수도 있다.
도 9는 본 개시에 따른 반도체 발광소자의 또 다른 일 예를 나타내는 도면이다.
개시된 반도체 발광소자(500)는 파장 변환층(520)이 반도체 발광소자 칩(510)의 측면 일부를 둘러싸고 있는 것을 제외하고는 도 5에 개시된 반도체 발광소자(300)와 동일하다. 파장 변환층(520)에 직접 들어오는 빛이 더 많아져서 파장 변환되는 빛이 더 많아 질 수 있다.
도 10은 본 개시에 따른 반도체 발광소자를 제조하는 방법의 일 예를 나타내는 도면이다.
본 개시에 따른 반도체 발광소자를 제조하는 방법은 먼저 파장 변환층 형성 물질을 사용하여 파장 변환층(600)을 형성한다(S1). 파장 변환층 형성 물질이 액상인 경우에는 기판(610) 위에 도포하여 파장 변환층(600)을 형성할 수 있다. 또한 도시하지는 않았지만, 파장 변환층 형성 물질이 필름인 경우에는 접착층이 위를 향하도록 하여 기판(610) 위에 배치할 수 있다. 이후 파장 변환층(600) 위에 복수의 반도체 발광소자 칩(620)을 배열한다(S2). 복수의 반도체 발광소자 칩(620)을 배열할 때 적어도 하나의 전극(621)이 파장 변환층(600)에 대향하도록, 즉 위를 향하도록 배열한다. 이후 파장 변환층(600)에 홈(630)을 형성한다(S3). 홈(630)은 파장 변환층(600)을 관통하여 형성될 수 있지만, 관통하지 않고 형성될 수도 있다. 이후 반도체 발광소자 칩(620)의 측면을 둘러싸며, 파장 변환층(600)에 형성된 홈(630)이 채워지도록 반사층(640)을 형성한다(S4). 홈(630)이 파장 변환층(600)을 관통하여 형성된 경우에는 도 7과 같이 반사층(330)이 파장 변환층(320)의 측면 전체를 둘러싸게되며, 홈(630)이 파장 변환층(600)을 관통하지 않고 형성된 경우에는 도 4와 같이 반사층(230)이 파장 변환층(220)의 측면 일부를 둘러싸게 된다. 이후 절단선(650)을 따라 절단하여 각각의 반도체 발광소자를 얻을 수 있다(S5). 절단을 하기 전에 기판(610)을 제거할 수 있다.
도 11은 본 개시에 따른 반도체 발광소자를 제조하는 방법의 다른 일 예를 나타내는 도면이다.
도 11은 파장 변환층(700)이 필름에 의해 형성된 경우에 적용되는 제조 방법을 나타내는 도면이다. 파장 변환층(700)에 복수의 반도체 발광소자 칩(710)을 배열한 후, 파장 변환층(700)을 화살표(730) 방향으로 확장하여 반도체 발광소자 칩(710) 사이의 간격(720)을 넓힐 수 있다. 발광소자 칩(710) 사이의 간격(720)을 넓힘으로써, 파장 변환층(700)에 홈의 형성을 용이하게 할 수 있다. 도 11(a)는 평면도이며, 도 11(b)는 AA'에 따른 단면도이다. 단면도를 통해 발광소자 칩(710) 사이의 간격(720)이 넓어진 것을 명확히 알 수 있다.
이하 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.
(1) 반도체 발광소자에 있어서, 전극을 포함하는 반도체 발광소자 칩; 반도체 발광소자 칩의 상부에 형성되는 파장 변환층; 그리고, 파장 변환층 및 반도체 발광소자 칩의 측면에서 나오는 빛을 반사하는 반사층;을 포함하며, 전극이 외부에 전기적으로 연결되도록 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(2) 반도체 발광소자 칩은 플립 칩인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(3) 파장 변환층은 파장 변환재를 포함한 파장 변환층 형성 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(4) 파장 변환층 형성 물질은 필름인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(5) 파장 변환층의 평면적이 반도체 발광소자 칩의 평면적보다 큰 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(6) 반사층은 파장 변환층의 측면 전체를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(7) 반사층의 상면과 파장 변환층의 상면 사이에 높이차가 없는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(8) 파장 변환층의 평면적이 반도체 발광소자 칩의 평면적보다 크고, 반사층은 파장 변환층 및 반도체 발광소자 칩의 측면 전체를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자.
(9) 반도체 발광소자를 제조하는 방법에 있어서, 파장 변환층 형성 물질을 사용하여 파장 변환층을 형성하는 단계(S1); 파장 변환층 위에 반도체 발광소자 칩을 배열하는 단계(S2); 파장 변환층에 홈을 형성하는 단계(S3); 그리고, 반도체 발광소자 칩의 측면을 둘러싸며, 파장 변환층에 형성된 홈이 채워지도록 반사층을 형성하는 단계(S4);를 포함하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
(10) 파장 변환층 형성 물질이 필름인 경우, S2 단계와 S3 단계 사이에 필름을 확장하는 단계(S2-1);를 추가하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
(11) S3 단계에서 홈은 파장 변환층을 관통하는 홈인 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법..
본 개시에 따르면 파장 변환층의 측면으로 나가는 빛을 반사시킴으로써, 칩 크기의 반도체 발광소자의 광추출 효율을 향상시킬 수 있다.
본 개시에 따르면 파장 변환층의 측면으로 나가는 빛을 반사시키는 칩 크기의 반도체 발광소자를 용이하게 제조할 수 있다.
반도체 발광소자 : 100, 200, 300, 400, 500
반도체 발광소자 칩 : 150, 210, 310, 410, 510, 620, 710
파장 변환층 : 220, 320, 420, 520, 600, 700
반사층 : 230, 330, 430, 530, 620

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 반도체 발광소자를 제조하는 방법에 있어서,
    파장 변환층 형성 물질을 사용하여 파장 변환층을 형성하는 단계(S1);
    파장 변환층 위에 전극을 포함하는 반도체 발광소자 칩을 배열하는 단계(S2);
    파장 변환층의 일부분만 식각하여 홈을 형성하는 단계(S3); 그리고,
    반도체 발광소자 칩의 측면을 둘러싸며, 파장 변환층의 일부분만 식각하여 형성된 홈이 채워지도록 반사층을 형성하는 단계(S4);를 포함하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    파장 변환층 형성 물질이 필름인 경우, S2 단계와 S3 단계 사이에 필름을 확장하는 단계(S2-1);를 추가하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    S2 단계에서 전극이 위를 향하도록 반도체 발광소자 칩을 배열하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광소자를 제조하는 방법.
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