KR102222861B1 - 고반사성 플립칩 led 다이 - Google Patents

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루미리즈 홀딩 비.브이.
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Abstract

LED 다이(40)는 투명한 성장 기판(46)의 제1 표면 위에 에피택셜 성장된 N형 층(18), P형 층(22), 및 활성층(20)을 포함한다. 제1 표면의 반대편에 있는 기판의 제2 표면을 통하여 광이 방출되고 인광체층(30)에 의해 파장 변환된다. 개구들(42, 44)이 중심 영역들(42)에 그리고 다이의 에지(44)를 따라 에칭되어 기판(46)의 제1 표면을 노출시킨다. 은과 같은 고반사성 금속(50)이 개구들에 퇴적되고 금속 P-접촉으로부터 절연된다. 반사성 금속은 각각의 개구의 내부 에지를 따라 N형 층의 노출된 면에 전기적으로 연결됨으로써 N형 층을 위한 전류를 전도할 수 있다. 반사성 금속은 인광체층에 의해 방출된 하향 광을 반사하여 효율을 개선한다. 반사성 금속에 의해 제공된 반사성 영역들은 다이 면적의 10%-50%를 형성할 수 있다.

Description

고반사성 플립칩 LED 다이{HIGHLY REFLECTIVE FLIP CHIP LED DIE}
이 발명은 인광체층과 같은 파장 변환층을 가진 발광 다이오드(LED)의 금속화에 관한 것이고, 특히, 광의 상향 반사를 개선하기 위해 그러한 LED 다이의 표면들을 금속화하는 기술에 관한 것이다.
종래의 LED의 한 유형은 그의 상부 발광 표면 위에 인광체층이 퇴적된 청색 발광 LED이다. 이 LED는 보통 GaN을 기반으로 한다. 청색광은 인광체에 에너지를 가하고, 인광체에 의해 방출되는 파장 변환된 광은 인광체를 통하여 누출되는 청색광과 결합된다. 이렇게 하여 백색광과 같은, 사실상 임의의 색이 생성될 수 있다.
아래에 더 상세히 논의되는, 그러한 인광체 변환된 LED들(PCLED들)에 관한 하나의 문제점은 인광체층에 의해 방출되는 광이 등방성이라는 것이고, 여기서 일부 광은 상향으로 방출되어 LED 다이에서 빠져나가고 일부 광은 다이의 반도체 부분으로 역방향으로 방출된다. 이러한 광의 대부분은 그 후 LED 다이의 하부 표면상의 금속 접촉들에 의해 다시 상향으로 반사된다. 반사율 손실을 최소화하기 위해, 금속 접촉들은 전체 가시 스펙트럼에서 매우 높은 반사율 특성을 특징으로 해야 하는데, 이는 종종 달성하기가 어렵다.
LED 패키지 효율은 광이 생성/변환된 후에 LED로부터 이를 추출하는 능력이다. 그러한 패키지 효율을 개선하는 것은 현재 LED들의 발광 효율을 증가시키는 데 주요 장애물 중 하나로 생각된다.
인광체 변환된 LED들에서 증가된 패키지 효율은 플립칩들과 같은 아키텍처들에서 LED 다이의 반사율을 증가시키는 것에 의해 달성될 수 있다.
플립칩(FC) 다이 아키텍처들에서는, 전형적으로 "상부" 반도체 표면인 반도체 N형 층으로부터 광이 추출된다. P형 층은 실장 기판(예컨대, 인쇄 회로 보드)을 마주보는 "하부" 반도체층이다. 다이의 하부 표면에는 금속 접촉들(전극들)이 형성된다. N-콘텍트는 P형 층과 활성층들(즉, 양자 우물들)을 에칭 제거하여 N형 층의 부분들을 노출시키는 것에 의해 형성된다. 그 후 개구들 내의 노출된 P형 층과 활성층 위에 유전체층이 패터닝되고(단락을 피하기 위해), 개구들 내에 N형 층과 접촉하도록 알루미늄과 같은 금속층이 퇴적된다. N-접촉들은 다이에 걸쳐서 비아(via)들 및/또는 다이의 에지 주위에 홈(groove)들의 형태로 배열될 수 있고, 여기서 그러면 N형 층에 걸쳐서 측면으로 전류가 확산된다. N-접촉들 위에서는 광이 생성되지 않는데, 그 이유는 그 영역들에서는 활성층이 제거되었기 때문이다.
금속 P-접촉은 보통 표면적이 가장 크고, 그것은 또한 기능적으로 미러 반사체(mirror reflector)로서 이용된다. P-접촉은 보통 Ag(은) 재료로 구성된다. Ag의 이동하는 능력 때문에, Ag가 임의의 밑에 있는 유전체층으로 이동하는 것을 방지하기 위해 일반적으로 금속 가드 시트 층이 이용된다. N형 층과의 개선된 전기 결합을 위해 N-접촉들에는 전형적으로 은이 아니라 알루미늄이 이용된다.
최신 기술들에서는, 성장 기판(예컨대, 사파이어 기판)을 더 제거하고 이어서, 생성된 (청색)광이 추출되는, 노출된 N-층 표면의 조면화(roughening) 프로세스에 의해 박막 플립칩(thin-film-flip-chip)(TFFC) 아키텍처들이 달성된다. 조면화는 내부 반사들을 감소시키는 것에 의해 광 추출을 개선한다.
인광체 변환된 TFFC LED들에서는, 인광체층이 조면화된 N-층 표면 상에 추가로 퇴적되거나, 그에 부착되어, 좁은 파장 범위로부터의 광을 명확한 광대역 스펙트럼으로 변환할 수 있다.
도 1-3은 종래 기술의 인광체 변환된 TFFC LED의 한 유형을 보여준다.
도 1은 큰 금속 P-접촉 층(12), N형 층으로의 전기 접촉이 이루어지는 에지를 따른 좁은 N-접촉 영역(14), 및 양호한 전류 확산을 위해 N형 층으로의 추가 전기 접촉들이 이루어지는 분산된 N-접촉 영역들(16)을 보여주는 LED 다이(10)의 상향 저면도(bottom up view)이다. 영역들(14 및 16)에서 N형 층과 접촉하는 금속층은 전형적으로 Al이고, 이는 관심 있는 파장들에 대해 90% 미만의 반사율을 가진다.
도 2는 도 1의 라인 2-2를 따른 에지 부분의 횡단면도이다. 제거된, 사파이어 성장 기판 위에 반도체 N형 층(18)이 에피택셜 성장된다. N형 층(18) 위에 활성층(20)과 P형 층(22)이 성장된다. 그 후 Ag를 포함할 수 있는, 고반사성 금속층(또는 금속층들의 스택)이 P형 층(22)과의 전기 접촉을 위해 P-접촉(12)으로서 퇴적된다. 층들(22 및 20)은 N형 층(18)을 노출하도록 에지를 따라 에칭된다. 금속 P-접촉 층(12) 상에는 Ag 원자들의 이동을 차단하기 위해 금속 가드 시트 층(24)이 퇴적될 수 있다. 그 후 유전체층(26)이 퇴적되고 영역(14)에서 N형 층(18)을 노출하도록 에칭된다. 그 후 영역(14)에서 N형 층(18)과 전기 접촉하고 다이(10)의 에지를 따라 금속 링을 형성하도록 금속 N-접촉 층(13)(예컨대, Al)이 퇴적된다. LED 다이(10)의 중심 영역에서는, 층들(13 및 26)을 에칭 제거하는 것에 의해 P-접촉 층(12)이 노출되고(도 1 참조), LED 다이(10)의 하부 표면을 평탄화하도록 추가로 금속화된다. 금속 가드 시트 층(24)이 이용된다면, P-접촉 층(12)과의 전기 접촉은 금속 가드 시트 층(24)을 통하여 이루어질 수 있다. P 및 N-금속 접촉 층들(12 및 13)은 결국 실장 기판상의 대응하는 금속 애노드 및 캐소드 패드들에 접합된다.
도 3은 분산된 N-접촉 영역(16)의 일부를 보여주는 도 1의 라인 3-3을 따르는 횡단면도이고, 여기서 N형 층(18)은 금속 N-접촉 층(13)에 의해 접촉된다. 영역(16)에 N형 층(18) 접촉을 생성하기 위한 금속화 및 에칭은 에지 영역(14)과 접촉이 이루어지는 것과 동시에 수행된다.
사파이어 성장 기판은 레이저 리프트-오프 또는 다른 프로세스에 의해 제거될 수 있다. 그 후 노출된 상부 N형 층 표면(28)은 광 추출을 개선하기 위해 조면화된다(예컨대, 에칭 또는 그라인딩에 의해). 그 후 인광체층(30)이 상부 표면에 퇴적되거나 다른 방법으로 부착된다(타일로서).
인광체층(30)은, 청색광과 결합될 때, 백색광을 야기하는, 황녹색광을 생성하는 YAG 인광체라고 가정할 것이다. 활성층(20)에 의해 생성된 광자가 인광체 입자(32)(도 2)에 에너지를 가할 때, 결과적인 파장 변환된 광은 보통 등방성으로 산란되고, 따라서 그 에너지의 상당 부분이 다시 LED 다이로 향해진다. 도 2는 광선들(34)을 상향 및 하향으로 방출하는 일부 에너지를 받은 인광체 입자들(32)을 보여준다. 하향 광은 이상적으로는 영역들(14 및 16)에서의 금속 N-접촉 층(13)과 P 접촉 층(12)에 의해 상향으로 반사된다. 그러나, N-접촉 층(13)은 전형적으로 알루미늄이고, 이는 양호한 반사체가 아니다. 따라서, 영역들(14 및 16)에서 N-접촉 층(13)에 부딪치는 광이 상당히 약화된다. 양호한 패키지 효율은 다이에서의 광흡수를 방지하기 위해 높은 금속 접촉 반사율을 필요로 한다.
영역들(14 및 16)에서의 N-접촉 층(13)의 제한된 반사율 외에, 위에 제시된 것과 같은 LED 다이들의 패키지 효율은 GaN 반도체 재료(높은 굴절률(index) 재료, 예컨대, n = 2.5)로부터 낮은 굴절률 인광체층(예컨대, n = 1.6)으로 광을 추출하는 텍스처화된 N형 층 표면(28)의 능력에 의해서도 제한된다.
따라서, 요구되는 것은 그러한 제한들을 완화하여, 우수한 패키지 효율을 야기하는 LED 다이 구조체이다.
제안된 발명의 하나의 목적은, 파장 변환된 광이 등방성으로 방출되는, 인광체층 광에 노출된 다이 영역의 유효 반사율을 증가시키는 것이다. 이를 달성하기 위해, 다음과 같은 기술들이 본 발명의 하나의 실시예에서 이용된다.
전체적인 더 높은 다이 반사율에 기여하는 고반사성 영역들이 다른 종래의 LED 다이에 추가된다. 이 고반사성 영역들은 인광체층에 의해 생성된 광을 효율적으로 반사하기 위해 다이 상의 영역들에 위치해야 한다. 하나의 실시예에서, 고반사성 영역들은 광을 생성하지 않는 영역들에 있다. 총 다이 면적에 대한 고반사성 영역의 백분율은 상당해야 한다(예컨대, 50%까지). 표준 LED 다이 사이즈들에서와 동일한 면적의 양자 우물들(전자들이 광자들로 변환되는 곳)을 유지하기 위하여, 활성층 영역(및 그 결과 인광체 영역)은 추가된 고반사성 영역에 비례하여 일반적으로 증가된다.
고반사성 영역들은 다이의 에지 주위에 형성될 뿐만 아니라 다이의 중심 부분 주위에 분산될 수 있다. 반사성 영역들은 N형 층과의, 또는 심지어 P형 층과의 전기적 접촉 영역들로서 이용될 수 있다.
하나의 실시예에서, 투명한 성장 기판(예컨대, 사파이어)은 제거되고, 결국 그 기판의 상부 표면 위에 인광체층이 제공된다. 고반사성 영역들은 기판을 노출시키는 반도체 층들을 통하여 에칭된 트렌치들 내에 있다. 그 후 노출된 표면들은 Ag와 같은 고반사성 재료로 코팅된다. 반사성 재료가 금속이라면, 적절한 전기 절연이 필요할 수 있다. 트렌치들 내의 반사성 금속은 N형 층에 전류를 실어나를 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 하나의 실시예에서, P형 층의 전기 접촉은 본 발명에 의해 영향을 받지 않는데, 그 이유는 P-접촉들은 이미 고반사성이기 때문이다.
다른 실시예에서, 비교적 낮은 굴절률을 가진 유전체층이 기판과 고반사성 금속층 사이에, 또는 GaN과 금속층 사이에 형성되어, 유전체층 표면에서 굴절률 부정합을 일으킨다. 그러므로, 임계각(critical angle)보다 큰 각도로 인터페이스에 입사하는 광은 손실 없이 내부 전반사(total internal reflection)에 의해 반사될 것이고, 유전체층에 들어가는 광은 금속층에 의해 반사될 것이다.
고반사성 영역들을 생성하는 반사성 금속 대신에, 또는 그에 더하여, 반사층은 관심 있는 파장들의 100%를 반사하도록 선택된 두께들과 굴절률들을 가진 적층된 유전체층들을 이용한 분포 브래그 반사체(distributed Bragg reflector)일 수 있다.
성장 기판(예컨대, 사파이어)을 제거하지 않음으로써, 기판은 인광체층으로부터의 하향 광을 산란시켜 내부 반사들을 줄이는 데 도움이 되고, 기판은 양호한 기계적 지지를 제공하고, (약 n = 1.8의 굴절률을 가진) 기판은 GaN의 굴절률(n = 2.5)과 인광체의 굴절률(n = 1.6) 사이의 굴절률을 제공함으로써 내부 반사들을 줄인다.
기판은 에피택셜 층-기판 인터페이스에서의 광 추출을 개선하기 위해 에피택셜 층들을 성장시키기 전에 그의 성장면에서 텍스처 패터닝을 겪을 수 있다.
다른 실시예들이 설명된다.
도 1은 금속 접촉 영역들을 보여주는, 종래 기술의 플립칩 LED 다이의 상향 저면도이다.
도 2는 도 1의 라인 2-2를 따른 LED 다이 에지의 횡단면도이다.
도 3은 도 1의 라인 3-3을 따른 분산된 접촉 영역의 일부의 횡단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 다이의 상향 저면도이다.
도 5는 도 4의 라인 5-5를 따른 고반사성 영역의 일부의 횡단면도이다.
도 6은 고반사성 금속 전기 접촉들이 N형 층과 접촉하는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 도 4의 라인 5-5를 따른 고반사성 영역의 일부의 횡단면도이다.
도 7은 도 4의 라인 7-7을 따른 고반사성 영역의 에지 부분의 횡단면도이다.
도 8은 기판의 에지가 인광체 대신에 반사체로 코팅되어 있는, 도 4의 라인 7-7을 따른 고반사성 영역의 에지 부분의 횡단면도이다.
도 9는 어떻게 고반사성 금속이 N형 층과 전기 접촉하는지를 보여주는, 도 4의 라인 9-9를 따른 분산된 N-접촉의 일부의 횡단면도이다.
도 10은 반사율의 향상을 위해 어떻게 유전체층이 기판과 고반사성 금속 사이에 있을 수 있는지를 보여주는, 도 4의 라인 5-5를 따른 대안의 횡단면도이다.
도 11은 반사성 금속이 N형 층과 접촉할 수 있도록 어떻게 도 10의 유전체층이 개방될 수 있는지를 보여주는, 도 4의 라인 5-5를 따른 대안의 횡단면도이다.
도 12는 어떻게 제1 금속층이 N형 층과 접촉할 수 있고, 더 높은 반사율의 금속층이 유전체층 위에 형성될 수 있는지를 보여주는, 도 4의 라인 7-7을 따른 대안의 횡단면도이다. 인광체층은 기판의 측면들을 넘어 연장한다.
도 13은 어떻게 제1 금속층이 N형 층과 접촉할 수 있고, 더 높은 반사율의 금속층이 유전체층 위에 형성될 수 있는지를 보여주는, 도 4의 라인 7-7을 따른 대안의 횡단면도이다. 기판의 측벽들에 반사체가 형성된다.
도 14는 도 7과 유사하게, 어떻게 유전체층 위에 형성된 금속 반사층이 N형 층과 접촉할 수 있는지를 보여주는, 도 4의 라인 7-7을 따른 대안의 횡단면도이다.
도 15는 도 9와 유사하게, 어떻게 유전체층 위에 형성된 금속 반사층이 N형 층과 접촉할 수 있는지를 보여주는, 도 4의 라인 9-9를 따른 대안의 횡단면도이다.
도 16은 어떻게 유전체층들이 고반사성 금속층을 이용하는 대신에, 또는 그에 더하여 분포 브래그 반사체(DBR)를 형성하도록 적층될 수 있는지를 보여주는 고반사성 영역의 확대도이다.
동일하거나 유사한 요소들은 동일한 번호로 표시된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LED 다이(40)의 상향 저면도이다. LED 다이(40)는 전기 접촉으로서 역할을 하거나 그렇지 않을 수 있는 추가된 고반사성 영역(42)을 포함한다. 또한, LED 다이(40)의 주변부는 도 1과 비교하여, 상대적으로 넓은 고반사성 에지 영역(44)을 포함한다. 일 실시예에서, 활성층(20)의 면적은 종래 기술과 동일하여 유사한 전기 사양들이 양쪽 모두에 적용된다. 그러나, LED 다이(40)는 영역들(42 및 44)을 위한 추가된 면적 때문에 더 크게 만들어지고, 광출력은 증가된 패키지 효율 때문에 증가된다.
도시된 실시예들에서, 종래 기술의 P-접촉 층(12)은 크게 바뀌지 않는데, 그 이유는 P-접촉 층(12)(Ag로 구성됨)은 이미 양호한 반사체이기 때문이다.
일 실시예에서, LED 다이(40)는 대략 1mm x 1mm의 측면들을 가진다.
도 4의 예에서, 영역(42)은 십자형(cross)으로 형성되어 있지만, 그것은 임의의 형상일 수 있고 바람직하게는 LED 다이(40)의 상부 표면에 걸쳐서 상당히 균일한 광출력을 제공하도록 설계될 수 있다. 영역(42)은 다이 표면적의 10%-50%를 차지할 수 있다. 영역(42)은 활성층(20)의 일부를 제거하므로, 다이는 광 생성 영역의 손실을 보상하기 위해 더 크게 만들어질 수 있다.
도 5는 도 4의 라인 5-5를 따른 고반사성 영역(42)의 일부의 횡단면도이다.
투명한 사파이어 성장 기판(46)은 제거되지 않는다. 기판(46)은 임의로 인광체층(30)의 퇴적 전에 시닝된다(thinned). 인광체층(30)은 임의의 수의 잘 알려진 기법들을 이용하여 기판(46) 표면 위에 코팅될 수 있거나 기판(46) 표면에 사전 형성된 타일로서 부착될 수 있다.
그 후 (도 4에 십자형으로 형성된) 트렌치(48)가 다양한 층들을 통하여 에칭되어 투명 기판(46) 표면을 노출시킨다.
P-접촉 층(12) 금속(예컨대, Ag)이 P형 층(22) 위에 퇴적된다(그것은 트렌치(48)의 형성 전 또는 후에 행해질 수 있다). 그 후 가드 시트 층(24)과 유전체층(26)이 퇴적되고 기판(46)을 노출시키지만 P-접촉 층(12)은 커버하도록 패터닝된다.
그 후 기판(46)의 노출된 표면 위에 그리고 유전체층(26)의 임의의 부분 위에, Ag 또는 합금과 같은, 고반사층(50)이 퇴적되고 패터닝된다. Ag의 반사율은 관심 있는 파장들에 대해 약 95%이지만, Al의 반사율은 관심 있는 파장들에서 90% 미만이다.
그 후 Ag 이동이 관심사이면 반사층(50) 위에 가드 시트 층(52)이 퇴적될 수 있다.
반사층(50), 가드 시트 층(24), 및 유전체층(26)은 도 5의 도의 영역들에서 P-접촉 층(12)을 노출시키도록 패터닝되어 노출된 P-접촉 층(12)은 서브마운트 또는 인쇄 회로 보드에 실장할 때 애노드 전극으로 이용될 수 있다. P-접촉 층(12) 아래의 임의의 반사층(50)은 광에 노출되지 않고 N형 층(18)과 전기적으로 접촉하는 데만 이용될 것이다.
도 5는 상이한 방향들로 광선들(34)을 방출하는 다양한 인광체 입자들(32)을 보여준다. 광은 Ag P-접촉 층(12)뿐만 아니라 반사층(50)을 형성하는 Ag 층에서도 반사되는 것으로 도시되어 있다. 다른 곳에서, 광은 분산된 접촉 영역들(54)(도 4)에 그리고 다이의 에지들을 따라 위치한 반사층(50)에서도 반사될 수 있다.
도 5의 예에서는, 반사층(50)과 N형 층(18) 사이에 전기 접촉이 이루어지지 않는다.
도 6은 도 4의 라인 5-5를 따른 대안의 실시예이지만, 여기서는 유전체층(26)이 에칭으로 제거된, 영역(56)에서 반사층(50)에 의해 N형 층(18)과의 전기 접촉이 이루어진다. 이 좁은 접촉 영역(56)은 양호한 전류 확산을 위해 도 4의 십자형 형상의 패턴의 에지 주변으로 죽 연장한다. 따라서, 가드 시트 층(52)과 반사층(50)은 서브마운트 또는 인쇄 회로 보드에 접합되는 하부 캐소드 전극의 일부를 형성할 수 있다.
도 7은 도 4의 라인 7-7을 따른 고반사성 영역(44)을 보여주는, 다이(40)의 에지 부분의 횡단면도이고, 기판(46)의 측벽들을 따라 연장하는 인광체층(30)이 추가되어 있다. 다양한 층들의 제조는 위에 설명한 것과 동일할 수 있다. 다이(40)의 에지가 에칭되어 기판(46)을 노출시키고, 반사층(50)(예컨대, Ag)을 포함한 다양한 층들이 도시된 바와 같이 퇴적된다. 도 7은 또한 다이(40)의 중심 부분에 외접하는 금속 링(58)을 이용하여 N형 층(18)과 전기 접촉하는 반사층(50)을 보여준다. 링(58)을 형성하는 데 이용되는 금속은 알루미늄을 포함할 수 있고, N형 GaN과 옴 접촉을 이루는 데 통상적으로 사용되는 종래의 금속 스택일 수 있다. 링(58)은 도 9에 관하여 나중에 설명되는, 도 4에 도시된 분산된 접촉 영역들(54)에서 N형 층(18)과 접촉하기 위해 이용되는 금속과 동시에 퇴적되고 패터닝된다. 에지를 따라 반사층(50)에 의한 N형 층과의 전기 접촉은, 도 6에 도시된 바와 같이, 단순히 유전체층(26)을 개방(opening up)하는 것에 의해 이루어질 수 있지만, 링(58)과 가드 시트 층 부분(60)을 형성하는 인터페이스 금속들은 더 양호한 전기 연결을 위한 인터페이스를 제공한다. 그러한 인터페이스는 도 6에서도 이용될 수 있다.
반사층(50)으로부터의 Ag 원자들의 이동을 막기 위해, 금속 링(58)과 반사층(50) 사이에 장벽으로서 가드 시트 층 부분(60)이 형성된다. 이 가드 시트 층 부분(60)은 가드 시트 층(24)과 동시에 형성될 수 있다.
유전체층(26)은 반사층(50)과 금속 링(58)을 금속 P-접촉 층(12)(이것도 고반사율을 위해 Ag를 포함할 수 있다)으로부터 격리한다.
도 7은 다양한 방향들로 광선들(34)을 방출하는 인광체 입자들(32)을 보여준다. 어떻게 하나의 입자(32)가 에지를 따라 반사층(50)에서 반사되는 광선(62)을 방출하는지에 주목한다. 반사층(50)이 N-접촉을 위해 이용된다면, 반사층은 캐소드 전극으로서 역할을 하기 위해 전형적으로 다이의 하부 표면으로 연장할 것이다. 대안적으로, 반사층(50)은 다이(40)의 하부 표면을 따라 연장하는 다른 유형의 반사성이 덜한 금속에 전기적으로 연결될 수 있는데, 그 이유는 금속 P-접촉 층(12) 아래에 있는 임의의 금속은 어떤 광도 수신하지 않기 때문이다. 캐소드 전극에 대해, 서브마운트 또는 인쇄 회로 보드의 금속 패드들에의 접합을 용이하게 하기 위해 Ni 및 Au와 같은 다른 잘 알려진 금속들이 반사층(50) 위에 퇴적될 수 있다.
도 1과 도 4의 비교로 알 수 있는 바와 같이, 에칭되는 에지는 훨씬 더 넓고, 에지를 따라 광이 생성되지 않는다. 그러나, 다이(40)는 광 생성 영역의 손실을 보상하기 위해 더 크게 만들어질 수 있다. 그러나, 패키지 효율은 도 1의 다이(10)의 패키지 효율보다 더 클 것인데, 그 이유는 인광체층(30)뿐만 아니라 활성층(20)에 의해 생성된 광의 반사율이 증가되기 때문이다. 그러므로, LED 다이(40)는 도 1의 종래 기술의 LED 다이(10)와 동일한 전기 사양들을 가지겠지만 더 밝을 것이다.
일 실시예에서, 반사층(50)에 의해 커버되는 다이(40)의 에지 주변의 트렌치(48)의 면적은 다이(40) 표면적의 10%-50%이다.
도 8은 도 7과 유사하지만 기판(46)의 에지가 인광체 대신에 반사체(66)로 코팅되어 있다. 기판(46)은 LED 반도체층들보다 여러 배 더 두꺼울 수 있고 따라서 측면들로부터 방출되는 광은 상당하다. 그러한 측면 광을 원하지 않는다면, 반사체(66)의 형성이 추천된다. 반사체(66)는 Ag 또는 다른 적합한 재료일 수 있다. 도 8은 인광체 입자(32)로부터의 광선(68)이 반사층(50)과 반사체(66) 양쪽 모두에서 반사되는 것을 보여준다.
도 9는 어떻게 반사층(50)이 LED 층들 내의 원형의 에칭된 개구 내의 좁은 링을 형성하는 금속 접촉(70)을 통해 N형 층(18)과 전기적으로 접촉하는지를 보여주는, 도 4의 라인 9-9를 따른 분산된 N-접촉의 일부의 횡단면도이다. 금속 접촉(70)은 도 7의 금속 링(58)을 형성하는 동일한 금속이고 동시에 형성된다. 도 4는 4개의 동일한 분산된 접촉 영역들(54)을 보여주지만, 전류 균일성의 개선을 위해 더 많이 존재할 수 있다. 분산된 접촉 영역들(54)은 원형이거나, 도시된 바와 같이, 일반적으로 절두체(frustum) 형상일 수 있거나, 직사각형 또는 다른 형상일 수 있다. 따라서 금속 접촉(70)은 접촉 영역(54)의 에지의 형상을 취할 것이다. 도 7의 가드 시트 층 부분(60)과 동시에 형성되는, 가드 시트 층 부분(72)도 도시되어 있다. 전류를 고르게 확산시키기 위해 도 6, 7, 및 9에 도시된 다양한 전기 접촉들에 의해 N형 층(12)과의 전기 접촉이 이루어진다.
그러므로, 분산된 접촉 영역들(54) 및 반사성 에지 영역(44)은 인광체층(30)으로부터의 부딪치는 광의 약 95%를 반사할 것이고, P-접촉 층(12)도 고반사성이므로, 영역들(14 및 16)에서 금속 N-접촉 층(13)에 의한 상당한 흡수가 존재하는 도 1의 다이(10)와 대조하여, 매우 적은 인광체 광이 다이(40)에 의해 흡수된다. 따라서, LED의 전체 효율이 개선된다.
다른 실시예에서, 십자형 형상의 반사층(50)을 형성하기 위해 트렌치(48)를 추가하는 대신에, 분산된 접촉 영역들(54)은 도 1의 분산된 영역들(16)보다 더 크게 만들어지고, 여기서 N형 층(18)과의 전기 접촉은 접촉 영역들(54)(도 9에 도시됨)의 에지들을 따라 이루어지고 접촉 영역들(54)의 중심 영역들은 오로지 고반사성 영역들을 추가하기 위한 것이다. 종래 기술의 도 3에서 그리고 도 9와 대조하여, N형 층(18)과 접촉하기 위한 분산된 영역들(16)은 오로지 N형 층(18)과 전기 접촉을 하기 위한 것이고, 사용되는 접촉 금속(contact metal)은 인광체 광을 상당히 흡수한다는 점에 주목한다.
Ag를 이용한, 고반사성 영역들의 면적들은 바람직하게는 N-접촉 금속, 전형적으로 Al이 N형 층(18)과 접촉하는 면적들보다 더 크게 만들어지고, Al은 반사층(50)과 N형 층(18) 간의 전기 인터페이스를 위해서만 이용되어야 한다. 바람직하게는 Al은 N형 층(18)과의 양호한 전기 접촉을 위해 엄격히 필요한 만큼만 차지해야 하며, 예를 들어 2*Lt 이하의 접촉 폭을 제공하며, 여기서 Lt는 금속-반도체 접촉의 전송 길이이고, 전형적으로 약 1um이다. 나머지 노출된 영역들은 바람직하게는 고반사성 금속(예컨대, Ag)으로 커버된다. 고반사층(50)은 본 발명의 목표를 여전히 달성하면서 전류 운반자(carrier)로서 이용되거나 그렇지 않을 수 있다.
도 10은 반사율의 향상을 위해 어떻게 유전체층(26)이 기판(46)과 금속 고반사층(50) 사이에 있을 수 있는지를 보여준다. 유전체층(26)의 굴절률(예컨대, 1-4-1.5)은 기판(46)의 굴절률보다 낮도록 선택된다. 도 10은, 예를 들어 도 4의 라인들 5-5, 7-7, 또는 9-9를 가로지르는, 고반사율의 영역들 중 임의의 영역을 보여줄 수 있다. 그러므로, 광선(74)과 같이, 임계각보다 큰 각도로 인터페이스에 입사하는 광은 손실 없이 내부 전반사에 의해 반사될 것이고, 광선(76)과 같이, 유전체층(26)에 들어가는 광은 반사층(50)에 의해 반사될 것이다.
또한, 한 예에서, N형 층 표면(28)을 포함하는, 시닝된 N형 층(18)이 도 10의 왼쪽 에지로 연장할 수 있다. 유전체층(26)과 반사층(50)이 시닝된 N형 층(18) 위에 형성된다면, 유전체층(26)의 상대적으로 낮은 굴절률은 임계각보다 더 큰 각도로 입사하는 광이 손실 없이 GaN/유전체 인터페이스에서 반사되게 할 것이다. 유전체층(26)에 들어가는 광은 반사층(50)에 의해 반사될 것이다. 반사층(50)은 N형 층(18)을 위한 전류를 운반하거나 그렇지 않을 수 있다.
유전체층(26)의 굴절률이 낮을수록, (스넬(Snell)의 법칙에 따라) 임계각은 더 낮아지고, 따라서 내부 전반사에 의해 인터페이스에서 완전히 반사될 광선들의 범위는 더 커진다.
도 11은 금속 반사층(50)이 N형 층(18)과 전기적으로 접촉하여 N형 층(18) 전류를 운반할 수 있도록 어떻게 도 10의 유전체층(26)이 영역(80)에서 개방될 수 있는지를 보여주는, 도 4의 라인 5-5(또는 반사성 영역의 다른 에지들)를 따른 대안의 횡단면도이다.
도 12는 어떻게 제1 금속층(84)(예컨대, 알루미늄)이 유전체층(26) 내의 개구를 통하여 영역(86)에서 N형 층(18)과 접촉할 수 있는지를 보여주는, 도 4의 라인 7-7을 따른 대안의 횡단면도이다. Ag와 같은 더 높은 반사율의 금속으로 형성된, 반사층(50)이 제1 금속층(84)에 그리고 유전체층(26) 위에 형성될 수 있다. 도 10 및 11에서와 같이, 기판(46)과 접촉하는 유전체층(26)은 내부 전반사에 의해 일부 광을 반사한다. 인광체층(30)은 기판의 측면들을 넘어 연장한다.
도 13은 어떻게 제1 금속층(84)이 다이의 에지들 가까이에서 N형 층(18)과 접촉할 수 있는지를 보여주는, 도 4의 라인 7-7을 따른 대안의 횡단면도이다. 도 13은 기판(46)의 측벽들 위에 반사체(66)가 형성된다는 점에서 도 12와 상이하다.
도 14는 어떻게 유전체층(26) 위에 형성된 금속 반사층(50)이 금속 링(58) 및 가드 시트 층 부분(60)을 통해 N형 층(18)과 접촉할 수 있는지를 보여주는, 도 4의 라인 7-7을 따른, 그리고 도 7과 유사한 대안의 횡단면도이다.
도 15는 도 9와 유사하게, 어떻게 유전체층(26) 위에 형성된 금속 반사층(50)이 금속 접촉(70) 및 가드 시트 층 부분(72)을 이용하여 N형 층(18)과 접촉할 수 있는지를 보여주는, 도 4의 라인 9-9를 따른 대안의 횡단면도이다.
고반사성 영역들을 생성하는 반사성 금속 대신에, 또는 그에 더하여, 반사층은 관심 있는 파장들의 100%를 반사하도록 선택된 굴절률들과 두께들을 가진, 적층된 유전체층들(90A, 90B, 및 90C)을 이용한, 도 16에 도시된 것과 같은, 분포 브래그 반사체(DBR)일 수 있다. 실제의 실시예에서는, 더 많은 적층된 층들이 있을 수 있다. DBR들을 형성하는 것은 다른 응용들에 대해 잘 알려져 있다. DBR을 완전히 관통하는 광(예컨대, 광선(94))은 반사층(50)을 형성하는 금속층에 의해 반사될 것이다. 금속층은 임의적일 수 있다. DBR은 유전체층으로서의 사용을 위해 P형 층(22) 아래에 형성될 수 있고, 유전체층(26)의 연장일 수 있다.
DBR은 또한 메사 측벽 반사율(mesa sidewall reflectance)을 얻기 위해 메사 측벽들 위에 연장될 수도 있다는 점에 주목한다.
성장 기판(46)을 제거하지 않음으로써, 기판은 인광체층으로부터의 하향 광을 산란시켜 내부 반사들을 줄이는 데 도움이 되고, 기판(46)은 양호한 기계적 지지를 제공하고, (약 n = 1.8의 굴절률을 가진) 기판(46)은 GaN의 굴절률(n = 2.5)과 인광체층(30)의 굴절률(n = 1.6) 사이의 굴절률을 제공함으로써 내부 반사들을 줄인다. 기판(46)의 성장 표면은 내부 반사들을 줄이는 것에 의해 광 추출을 추가로 개선하기 위해 조면화될 수 있다.
추가로, 인광체층(30)은 반도체층들로부터 분리되므로, 인광체층(30)으로 전달되는 열이 적어, 더 낮은 온도 요건들을 가진 인광체들의 사용이 허용된다.
인광체층 대신에, 양자점(quantum dot) 층과 같은, 임의의 다른 파장 변환층이 기판(46) 위에 배치될 수 있다. 이 파장 변환층은 기판(46)과 직접 접촉하지 않아도 된다.
본 발명의 특정한 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 통상의 기술자들에게는 그의 보다 넓은 양태들에서 이 발명에서 벗어나지 않고 변경들 및 수정들이 이루어질 수 있으며, 따라서, 첨부된 청구항들은 이 발명의 진정한 정신 및 범위 안에 속하는 모든 그러한 변경들 및 수정들을 그들의 범위 안에 포괄할 것이라는 점이 명백할 것이다.

Claims (20)

  1. 발광 다이오드(light emitting diode)(LED) 다이 구조체로서,
    N형 층, P형 층, 및 광을 방출하는 활성층을 포함하는 LED 반도체층들;
    제1 표면과 상기 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 가진 성장 기판 - 상기 N형 층, 상기 P형 층, 및 상기 활성층은 상기 제1 표면 상에 성장되며, 상기 N형 층, 상기 P형 층, 및 상기 활성층은 상기 활성층에 의해 생성된 광의 적어도 일부가 상기 기판의 상기 제1 표면에 들어가서 상기 기판의 상기 제2 표면을 통하여 방출되도록 배열됨 -;
    상기 기판의 상기 제2 표면 위에 가로놓인 파장 변환층 - 상기 LED 반도체층들은 상기 다이의 중심 부분 주위에 분산된 하나 이상의 개구를 갖고 상기 개구들 중 적어도 하나는 상기 기판의 상기 제1 표면을 노출시킴 -; 및
    상기 하나 이상의 개구에 퇴적되고 상기 파장 변환층으로부터의 광을 반사하도록 상기 기판의 상기 제1 표면의 적어도 일부를 커버하는 반사성 재료
    를 포함하고,
    상기 하나 이상의 개구는 상기 LED 다이에 걸쳐서 분산된 개구들을 포함하고, 상기 구조체는, 상기 반사성 재료를 상기 N형 층에 전기적으로 연결하기 위해, 상기 LED 다이에 걸쳐서 분산된 상기 개구들 각각의 에지를 따라 있지만, 상기 개구들의 중심 영역에는 없는 상기 N형 층과 상기 반사성 재료 사이의 전기 접촉 영역들(electrical contact areas)을 더 포함하는 LED 다이 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반사성 재료는 상기 기판과 직접 접촉하는 금속인 LED 다이 구조체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 반사성 재료는 상기 N형 층을 위한 전류를 전도하는 LED 다이 구조체.
  4. 발광 다이오드(light emitting diode)(LED) 다이 구조체로서,
    N형 층, P형 층, 및 광을 방출하는 활성층을 포함하는 LED 반도체층들;
    제1 표면과 상기 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 가진 성장 기판 - 상기 N형 층, 상기 P형 층, 및 상기 활성층은 상기 제1 표면 상에 성장되며, 상기 N형 층, 상기 P형 층, 및 상기 활성층은 상기 활성층에 의해 생성된 광의 적어도 일부가 상기 기판의 상기 제1 표면에 들어가서 상기 기판의 상기 제2 표면을 통하여 방출되도록 배열됨 -;
    상기 기판의 상기 제2 표면 위에 가로놓인 파장 변환층 - 상기 LED 반도체층들은 상기 다이의 중심 부분 주위에 분산된 하나 이상의 개구를 갖고 상기 개구들 중 적어도 하나는 상기 기판의 상기 제1 표면을 노출시킴 -; 및
    상기 하나 이상의 개구에 퇴적되고 상기 파장 변환층으로부터의 광을 반사하도록 상기 기판의 상기 제1 표면의 적어도 일부를 커버하는 반사성 재료
    를 포함하고,
    상기 반사성 재료는 상기 기판과 직접 접촉하는 금속이고,
    상기 반사성 재료는 상기 N형 층으로부터 전기적으로 절연되는 LED 다이 구조체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 LED 다이의 에지를 따르는 하나 이상의 개구를 더 포함하는 LED 다이 구조체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 LED 다이의 상기 중심 부분을 따르는 상기 개구는 십자형 형상을 형성하는 LED 다이 구조체.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 개구는 상기 LED 다이의 에지를 따르는 개구를 더 포함하는 LED 다이 구조체.
  9. 발광 다이오드(light emitting diode)(LED) 다이 구조체로서,
    N형 층, P형 층, 및 광을 방출하는 활성층을 포함하는 LED 반도체층들;
    제1 표면과 상기 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 가진 성장 기판 - 상기 N형 층, 상기 P형 층, 및 상기 활성층은 상기 제1 표면 상에 성장되며, 상기 N형 층, 상기 P형 층, 및 상기 활성층은 상기 활성층에 의해 생성된 광의 적어도 일부가 상기 기판의 상기 제1 표면에 들어가서 상기 기판의 상기 제2 표면을 통하여 방출되도록 배열됨 -;
    상기 기판의 상기 제2 표면 위에 가로놓인 파장 변환층 - 상기 LED 반도체층들은 상기 다이의 중심 부분 주위에 분산된 하나 이상의 개구를 갖고 상기 개구들 중 적어도 하나는 상기 기판의 상기 제1 표면을 노출시킴 -; 및
    상기 하나 이상의 개구에 퇴적되고 상기 파장 변환층으로부터의 광을 반사하도록 상기 기판의 상기 제1 표면의 적어도 일부를 커버하는 반사성 재료
    를 포함하고,
    상기 하나 이상의 개구는 상기 LED 다이에 걸쳐서 분산된 개구들을 포함하고, 상기 구조체는, 상기 반사성 재료를 상기 N형 층에 전기적으로 연결하기 위해, 상기 LED 다이에 걸쳐서 분산된 상기 개구들 각각의 에지를 따라 있지만, 상기 개구들의 중심 영역에는 없는 N-접촉 금속 링(N-contact metal ring)을 더 포함하는 LED 다이 구조체.
  10. 삭제
  11. 발광 다이오드(light emitting diode)(LED) 다이 구조체로서,
    N형 층, P형 층, 및 광을 방출하는 활성층을 포함하는 LED 반도체층들;
    제1 표면과 상기 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 가진 성장 기판 - 상기 N형 층, 상기 P형 층, 및 상기 활성층은 상기 제1 표면 상에 성장되며, 상기 N형 층, 상기 P형 층, 및 상기 활성층은 상기 활성층에 의해 생성된 광의 적어도 일부가 상기 기판의 상기 제1 표면에 들어가서 상기 기판의 상기 제2 표면을 통하여 방출되도록 배열됨 -;
    상기 기판의 상기 제2 표면 위에 가로놓인 파장 변환층 - 상기 LED 반도체층들은 상기 다이의 중심 부분 주위에 분산된 하나 이상의 개구를 갖고 상기 개구들 중 적어도 하나는 상기 기판의 상기 제1 표면을 노출시킴 -; 및
    상기 하나 이상의 개구에 퇴적되고 상기 파장 변환층으로부터의 광을 반사하도록 상기 기판의 상기 제1 표면의 적어도 일부를 커버하는 반사성 재료
    를 포함하고,
    상기 하나 이상의 개구는 상기 LED 다이의 중심 부분에 있는 개구를 포함하고, 상기 구조체는, 상기 반사성 재료를 상기 N형 층에 전기적으로 연결하기 위해, 상기 개구의 에지를 따라 있지만, 상기 개구의 중심 영역에는 없는 상기 N형 층과 상기 반사성 재료 사이의 연속적인 전기 접촉 영역을 더 포함하는 LED 다이 구조체.
  12. 발광 다이오드(light emitting diode)(LED) 다이 구조체로서,
    N형 층, P형 층, 및 광을 방출하는 활성층을 포함하는 LED 반도체층들;
    제1 표면과 상기 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 가진 성장 기판 - 상기 N형 층, 상기 P형 층, 및 상기 활성층은 상기 제1 표면 상에 성장되며, 상기 N형 층, 상기 P형 층, 및 상기 활성층은 상기 활성층에 의해 생성된 광의 적어도 일부가 상기 기판의 상기 제1 표면에 들어가서 상기 기판의 상기 제2 표면을 통하여 방출되도록 배열됨 -;
    상기 기판의 상기 제2 표면 위에 가로놓인 파장 변환층 - 상기 LED 반도체층들은 상기 다이의 중심 부분 주위에 분산된 하나 이상의 개구를 갖고 상기 개구들 중 적어도 하나는 상기 기판의 상기 제1 표면을 노출시킴 -; 및
    상기 하나 이상의 개구에 퇴적되고 상기 파장 변환층으로부터의 광을 반사하도록 상기 기판의 상기 제1 표면의 적어도 일부를 커버하는 반사성 재료
    를 포함하고,
    상기 하나 이상의 개구는 상기 LED 다이의 에지를 따르는 개구를 포함하고, 상기 구조체는, 상기 반사성 재료를 상기 N형 층에 전기적으로 연결하기 위해, 상기 개구의 내부 에지를 따라 있지만, 상기 개구의 중심 영역에는 없는 상기 N형 층과 상기 반사성 재료 사이의 연속적인 전기 접촉 영역을 더 포함하는 LED 다이 구조체.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 반사성 재료는 Ag를 포함하는 LED 다이 구조체.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 반사성 재료는 상기 N형 층과 전기적으로 접촉하는 제1 금속층이고, 상기 구조체는 상기 P형 층과 전기적으로 접촉하는 제2 금속층을 더 포함하고, 상기 제1 금속층과 제2 금속층은 상기 LED 다이의 하부 표면상의 애노드 및 캐소드 전극들에서 종단하는 LED 다이 구조체.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 파장 변환층은 상기 기판의 측벽들 위에 또한 형성된 인광체층인 LED 다이 구조체.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 측벽들 위에 형성된 반사체를 더 포함하는 LED 다이 구조체.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 반사성 재료는 분포 브래그 반사체(distributed Bragg reflector)를 형성하는 유전체 스택(dielectric stack)을 포함하는 LED 다이 구조체.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 기판과 상기 반사성 재료 사이의 유전체층을 더 포함하는 LED 다이 구조체.
  19. 발광 다이오드(LED) 다이 구조체로서,
    N형 층, P형 층, 및 광을 방출하는 활성층을 포함하는 LED 반도체층들;
    제1 표면과 상기 제1 표면에 대향하는 제2 표면을 가진 성장 기판 - 상기 N형 층, 상기 P형 층, 및 상기 활성층은 상기 제1 표면 상에 성장되며, 상기 N형 층, 상기 P형 층, 및 상기 활성층은 상기 활성층에 의해 생성된 광의 적어도 일부가 상기 기판의 상기 제1 표면에 들어가서 상기 기판의 상기 제2 표면을 통하여 방출되도록 배열됨 -;
    상기 기판의 상기 제2 표면 위에 가로놓인 파장 변환층 - 상기 LED 반도체층들은 상기 다이의 중심 부분 주위에 분산된 하나 이상의 개구를 갖고 상기 개구들 중 적어도 하나는 상기 N형 층을 노출시킴 -;
    상기 노출된 N형 층 위에 형성된 유전체층; 및
    상기 파장 변환층으로부터의 광을 반사하도록 상기 유전체층 위에 상기 하나 이상의 개구에 퇴적된 반사성 재료
    를 포함하고,
    상기 하나 이상의 개구는 상기 LED 다이에 걸쳐서 분산된 개구들을 포함하고, 상기 구조체는, 상기 반사성 재료를 상기 N형 층에 전기적으로 연결하기 위해, 상기 LED 다이에 걸쳐서 분산된 상기 개구들 각각의 에지를 따라 있지만, 상기 개구들의 중심 영역에는 없는 상기 N형 층과 상기 반사성 재료 사이의 전기 접촉 영역들(electrical contact areas)을 더 포함하는 LED 다이 구조체.
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