KR20050021503A - 장벽층을 구비한 발광 다이오드 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
발광 다이오드와 같은 반도체 발광 소자는, 기판, 상기 기판 상에 위치하며 내부에 발광 다이오드 영역과 같은 발광 영역을 가지는 에피택셜 영역, 및 상기 에피택셜 영역 상에 위치하며 반사층 측벽을 가지는 반사층을 포함하는 다층 도전성 스택을 포함한다. 장벽층이 상기 반사층 상에 제공되어 상기 반사층 측벽 상에서 신장한다. 상기 다층 도전성 스택은 오믹층 측벽을 가지는 오믹층을 상기 반사층과 상기 에피택셜 영역 사이에 더 포함한다. 상기 장벽층은 상기 오믹층 측벽 상에서 더 신장한다. 상기 장벽층은 상기 다층 도전성 스택 외측의 상기 에피택셜 영역 상으로 신장할 수도 있다. 상기 장벽층은 일련의 제1 및 제2 교호 서브층들을 포함한다.
Description
본 발명은 마이크로 전자 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발광 다이오드(Light Emitting Diode : LED)와 같은 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
발광 다이오드는 소비와 상업 분야에서 널리 사용되고 있다. 기술분야의 숙련된 자에게 잘 알려져 있는 것과 같이, 발광 다이오드는 일반적으로 마이크로 전자 기판 상의 다이오드 영역을 구비한다. 마이크로 전자 기판은 예를 들어, 갈륨 아세나이드(gallium arsenide), 갈륨 포스파이드(gallium phosphide), 이들의 합금, 실리콘 카바이드(silicon carbide) 및/또는 사파이어를 포함한다. LED에 있어서의 지속적인 발전은 가시광 스펙트럼 및 그 이상을 커버할 수 있는 상당히 고효율이고 기계적으로 견고한 광원을 초래하였다. 이러한 장점은 고체 소자의 잠재적으로 긴 서비스 수명과 결합되어, 다양한 신규 디스플레이 응용을 가능케 할 수 있고, LED를 잘 정착된 백열등, 형광등과 경쟁하는 위치에 둘 수 있다.
갈륨 나이트라이드(GaN)계 LED는 전형적으로 복수개의 GaN계 에피택셜층이 증착되어 있는 실리콘 카바이드(SiC) 또는 사파이어와 같은 절연성 혹은 반도체 기판을 포함한다. 에피택셜층은 에너지화되면 발광하는 p-n 접합을 가지는 활성 혹은 다이오드 영역을 포함한다.
LED는 패키지 또는 리드 프레임(이하에서는 "서브마운트"라고 함)이라고도 불리는 서브마운트 상으로 기판면이 아래를 향하게 실장될 수 있다. 대조적으로, 발광 다이오드의 플립-칩(flip-chip) 실장에서는 기판면이 위를 향하도록(즉, 기판으로부터 멀어지도록) LED를 서브마운트 상에 실장하게 된다. 광은 추출되어 기판을 통과해 발산될 수 있다. 플립 칩 실장은 SiC계 LED를 실장하는 데에 특히 바람직한 기술일 수 있다. 특히, SiC가 GaN보다 높은 굴절률을 가지기 때문에, 활성 혹은 다이오드 영역에서 발생된 광은 GaN/SiC 계면에서 전부 내부 반사(즉, GaN계 층 안으로 다시 반사)되지 않는 것이 일반적이다. SiC계 LED의 플립 칩 실장은 또한 기술 분야에서 알려진 기판-성형 기술의 효과를 개선할 수 있다. SiC LED의 플립 칩 패키징은 개선된 열 분산과 같은, LED의 특정 응용에 따라 바람직할 수 있는 다른 이점을 가질 수 있다.
SiC의 높은 굴절률 때문에, 광이 기판 표면에 꽤 낮은 입사각으로 (즉, 수직에 꽤 가깝게) 입사하지 않으면, SiC 기판을 지나는 광은 기판의 표면에서 기판 안으로 내부 전반사되는 경향이 있다. 내부 전반사를 위한 임계각도는 일반적으로 SiC와 계면을 형성하는 물질에 의존한다. 더 많은 광을 낮은 입사각으로 SiC 표면에 입사하도록 함으로써 내부 전반사를 제한하는 방식으로 SiC 기판을 성형하여 SiC계 LED로부터의 광 출력을 증가시키는 것이 가능하다. 이러한 성형 기술과 이에 따른 소자들이 "Light Emitting Diodes Including Modifications for Light Extraction and Manufacturing Methods Therefor"란 제목으로 2002년 9월 5일에 공개된 미국 공개 출원 US2002/0123164 A1에 해당되는 Slater 등의 미국 특허 출원 제10/057,821호에 교시되어 있다.
플립 칩 실장의 한가지 잠재적인 문제점은 기존 기술을 이용해 LED를 서브마운트 상에 실장할 때에 은 에폭시와 같은 도전성 다이 접착 물질을 LED 및/또는 패키지 상에 증착하고, LED와 서브마운트를 함께 누른다는 것이다. 이것은 점성의 도전성 다이 접착 물질이 빠져나와 N형 기판 및/또는 소자 안의 층들과 콘택을 형성하여 활성 영역 안의 p-n 접합을 단락시킬 수 있는 쇼트키 다이오드 연결을 형성하게 할 수 있다.
솔더링, 열음파 스크러빙(thermosonic scrubbing) 및/또는 열압착(thermocompression) 본딩으로 형성된 금속-금속 결합은 대안적인 접착 기술이다. 그러나, 주석(Sn)은 대부분 솔더의 구성요소이고, 접착된 표면으로부터 소자 안으로의 Sn의 이동(migration)은 소자의 원치 않는 열화를 일으킬 수 있다. 이러한 이동은 오믹 콘택과 같은 금속-반도체 계면 및/또는 거울로 작용하는 반사 표면과 같은 금속-금속 계면의 기능을 방해할 수 있다.
도 1-10은 본 발명의 실시예들에 따른 중간 제조 단계 동안의 본 발명의 실시예들에 따른 발광 다이오드의 단면도들이다.
도 11a-12d는 본 발명의 실시예들에 따른 발광 다이오드의 테스트 결과를 그래프적으로 도시한 것이다.
도 13-15는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 발광 다이오드의 단면도들이다.
도 16 및 17은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 발광 다이오드의 SEM 사진들이다.
본 발명의 실시예들에 따른, 발광 다이오드와 같은 반도체 발광 소자는, 기판, 상기 기판 상에 위치하며 내부에 발광 다이오드 영역과 같은 발광 영역을 가지는 에피택셜 영역, 및 상기 에피택셜 영역 상에 위치하며 반사층 측벽을 가지는 반사층을 포함하는 다층 도전성 스택(multilayer conductive stack)을 포함한다. 장벽층이 상기 반사층 상에 제공되어 상기 반사층 측벽 상에서 신장한다. 다른 실시예들에서, 상기 다층 도전성 스택은 오믹층 측벽을 가지는 오믹층을 상기 반사층과 상기 에피택셜 영역 사이에 더 포함한다. 상기 장벽층은 상기 오믹층 측벽 상에서 더 신장한다. 본 발명의 또 다른 실시예들에서, 상기 장벽층은 상기 다층 도전성 스택 외측의 상기 에피택셜 영역 상으로 더 신장한다.
본 발명의 다른 실시예들에서, 상기 장벽층은 복수개의 제1 및 제2 교호 서브층(alternating sublayer)들을 포함한다. 어떤 실시예들에서, 상기 제1 서브층들은 내부에 입계(grain boundary)를 가지고 상기 제2 서브층들은 실질적으로 입계가 없다. 다른 실시예들에서, 상기 제1 서브층들은 상기 제1 서브층들의 오프셋 벽돌 담(offset brick wall)을 정의하도록 정렬되어 있는 입계들을 가진다. 또 다른 실시예들에서, 상기 제1 서브층들은 티타늄 텅스텐을 포함하고 상기 제2 서브층들은 백금, 티타늄 및/또는 니켈을 포함한다.
일부 실시예들에서, 상기 제1 서브층들은 상기 반사층으로부터의 금속 이동을 감소시키고, 상기 제2 서브층들은 상기 제1 서브층들 안의 적어도 몇 입계들이 그것을 가로질러 진행하는 것을 방지한다. 다른 실시예들에서, 상기 복수개의 제1 및 제2 교호 서브층들은 상기 제1 서브층을 포함하는 제1 및 제2 바깥쪽 서브층을 정의한다. 또 다른 실시예에서, 상기 제2 바깥쪽 서브층은 상기 제1 바깥쪽 서브층보다 두껍다.
본 발명의 다른 실시예들은, 상기 반사층 측벽 상에서 신장하는 장벽층을 상기 반사층 상에 형성하여, 반도체 발광 소자의 상기 반사층으로부터 상기 에피택셜 영역 안으로의 금속 이동을 감소시키는 방법을 제공한다. 다른 실시예들에서, 상기 장벽층을 상기 오믹층 측벽 상에서 신장하도록 형성한다. 또 다른 실시예들에서, 상기 장벽층은 상기 다층 도전성 스택 외측 상기 에피택셜 영역 상으로 신장한다.
본 발명의 또 다른 실시예들은, 상기 장벽층을 복수개의 교호하는 제1 및 제2 서브층들로 형성하는데, 이는 상기 반사층 측벽에 인접한 상기 장벽층의 크랙 발생을 감소시킬 수 있다. 상기 제1 및 제2 서브층들은 제1 서브층으로 종단될 수 있는 오프셋 벽돌 담 구조를 정의하여 바깥쪽 서브층을 정의할 수 있으며, 이 때 상기 제2 서브층들은 상기 제1 서브층들보다 얇으며 상기 바깥쪽 서브층은 상기 제1 서브층들보다 두껍다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예가 도시된 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예들에 한정되는 것은 아니다.
따라서, 본 발명이 다양한 변경과 대안적인 형태가 될 수 있지만, 예로 든 특정 실시예들이 도면에 도시되고 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명을 개시된 특정 형태로 한정하려는 의도는 없으며, 반대로 본 발명은 청구항으로 정의된 본 발명의 사상 및 범위에 속하는 모든 변형, 균등물 및 대안들을 커버하려는 것이다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 층 또는 영역들의 크기는 설명을 위한 목적으로 과장되어진 것이다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 층, 영역 또는 기판과 같은 어떤 요소가 다른 요소의 "위(상)"에 있다 또는 "위(상)로" 신장한다라고 기재된 경우, 상기 요소가 상기 다른 요소의 위에 직접 존재하거나 상기 다른 요소의 위로 직접 신장하거나, 그 사이에 제3의 다른 요소들이 개재된 경우로 이해될 수 있다. 반면에, 어떤 요소가 다른 요소의 "직접 위(상)"에 있다 또는 "직접 위(상)로" 신장한다라고 기재된 경우, 그 사이에 개입되는 다른 요소는 없다. 뿐만 아니라, 여기에 개시된 각 실시예는 그것의 반대되는 도전형 실시예 또한 포함한다.
본 발명의 실시예들은 대체적으로 실리콘 카바이드계 기판 상의 갈륨 나이트라이드계 발광 다이오드를 참조하여 기술될 것이다. 그러나, 발광된 광에 대해 비-흡수성이고 투명한 기판과, 굴절률이 정합(match)된 발광 다이오드 에피택셜층을 임의로 조합하여도 본 발명의 많은 실시예가 구현될 수 있음이 기술분야의 숙련된 자에게 이해될 수 있을 것이다. 몇 가지 실시예들에 있어서, 기판의 굴절률은 다이오드의 굴절률보다 크다. 따라서, 조합은 GaP 기판 상의 AlGaInP 다이오드, GaAs 기판 상의 InGaAS 다이오드, GaAs 기판 상의 AlGaAS 다이오드, SiC 기판 상의 SiC 다이오드, 사파이어(Al2O3) 기판 상의 SiC 다이오드, 및/또는 갈륨 나이트라이드(gallium nitride), 실리콘 카바이드, 알루미늄 나이트라이드, 징크 옥사이드(zinc oxide) 및/또는 다른 기판 상의 나이트라이드계 다이오드를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들은 여기에서 발광 다이오드 영역을 가지는 에피택셜 영역을 구비한 발광 다이오드에 관하여 기술되지만, 본 발명의 다른 실시예들은 에피택셜 영역이 레이저 다이오드 영역과 같은 발광 영역을 내부에 가지는, 레이저와 같은 다른 반도체 발광 소자에 이용될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일부 실시예들은 솔더링 및/또는 열음파 스크러브 본딩에 의해 다이 접착에 어울릴 수 있는 본딩 영역을 LED 소자 상에 정의하는 보호층을 그 주변 상에 가지는 금속 스택을 제공한다. 본 발명의 다른 실시예들은 솔더링 및/또는 열음파 본딩을 이용해 플립 칩 실장될 수 있으며, LED의 금속 및/또는 반도체 층들의 원치 않는 열화를 감소하거나 제거할 수 있는 장벽층을 포함하는 LED 소자들을 제공한다. 본 발명의 또 다른 실시예들은 보호층과 장벽층을 모두 제공한다. 본 발명의 또 다른 실시예는 이러한 LED를 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명의 실시예들에 따른 보호층은 다이오드 영역을 가로지르는 단락을 방지하는 수단을 제공한다. 뿐만 아니라, 본 발명의 실시예들에 따른 장벽층은 LED 안으로 주석 및/또는 다른 원치 않는 물질이 이동하는 것을 감소시키는 수단을 제공할 수 있다.
종래의 사파이어-계 접근에 있어서, 칩 또는 다이라고도 불리는 LED는 투명한 에폭시로 서브마운트에 부착된다. 도전성 SiC 기판을 구비한 LED의 경우, LED와 서브마운트를 서로 부착하는 데에 도전성 은이 포함된 에폭시가 일반적으로 사용된다. 종래의 SiC 또는 사파이어 기판 상의 나이트라이드계 LED는 일반적으로 에피택셜면이 위로 향하고 기판이 서브마운트에 접착되도록 패키지된다.
종래 SiC계 LED의 일부 실시예들은 n형 도전성 기판 및 기판 상에 위치하고 다이오드 영역을 정의하는 하나 이상의 n형 에피택셜층과 하나 이상의 p형 에피택셜층을 가지는 에피택셜 영역을 구비한다. p형 에피택셜 LED 표면 상에 투명 오믹 콘택이 형성될 수 있다. 앞서 언급한 바 있는 미국 공개 출원 US2002/0123164 A1에 해당되는 미국 특허 출원 제10/057,821호에서 논의되어 있듯이, 소자로부터의 광 추출을 개선하기 위해 얇은 투명 오믹 콘택 위로 반사층을 형성하는 것이 이로울 수 있다. 반사층은 얇은 콘택을 통해 전류를 균일하게 확산시키며 광을 서브마운트로부터 멀리 기판 안으로 다시 반사시킬 수 있다.
불행하게도, 솔더 또는 열음파/열압착 결합으로부터의 Sn 및/또는 다른 오염물이 결합 표면으로부터 반사층으로 이동하면, 반사층은 덜 반사성을 띠게 될 수 있다. 뿐만 아니라, 오염물이 반사층을 지나 투명 오믹 콘택으로 이동하면, 투명 오믹 콘택은 더 높은 콘택 비저항을 보이게 되어, 소자의 순방향 전압(VF)을 증가시킬 수 있다. 이러한 둘의 결과, 소자가 열화될 수 있다.
반사층은 Ag 및/또는 Al을 포함할 수 있고 얇은 투명 오믹층은 Pt, Pd, Ni, Ti, Au 또는 이들 원소의 조합을 포함할 수 있다. 불행하게도, Sn은 Ag, Pt, Au 및 반도체 제조에 사용되는 수많은 다른 금속과 쉽게 합금을 형성한다.
본 발명의 실시예들에 따른 LED의 p형 표면 상에 형성될 수 있는 일련의 도전층들(여기서는 "다층 도전성 스택"이라고 함)의 일부분은 오믹층, 반사층 및 장벽층을 포함한다. 일부 실시예들에서, 장벽층은 티타늄, 티타늄/텅스텐(TiW) 및/또는 티타늄 나이트라이드/텅스텐(TiNW)의 얇은 층을 포함한다. 다른 실시예들에 있어서, 장벽층은 티타늄/텅스텐으로 된 제1 층 및 상기 제1 층 상에 니켈을 포함하는 제2 층을 포함한다. 또 다른 실시예들에 있어서, 장벽층은 오믹층과 반사층의 측벽 상으로 신장하고 또는 장벽 금속층과 제2 금속의 교호 스택을 가진다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 다층 도전성 스택의 이 부분과 소자의 상면은 솔더 또는 공융 다이 접착 물질이 적셔지지 않는 절연층과 같은 보호층으로 피복된다. 보호층은 종래의 스핀-온(spin-on) 또는 화학 기상 증착(CVD) 및/또는 반응성 스퍼터링과 같은 증착 기술로 형성할 수 있으며, 실리콘 산화막 및/또는 실리콘 질화막과 같은 절연성 산화막 및/또는 질화막을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에서, 장벽층 표면의 일부만이 노출되도록, 보호층 안의 개구부의 횡방향 치수(다시 말해 표면적)는 장벽층의 횡방향 치수보다 작게 형성한다. 이러한 개구부는 종래의 포토리소그라피와 식각기술을 이용해 형성할 수 있다. Ti를 포함할 수 있는 선택적인 접착층을 개구부 안에 형성하며, Au, Sn 및/또는 AuSn을 포함할 수 있는 두꺼운 본딩층도 형성한다. 다른 실시예들에서, 접착층과 본딩층 사이에 선택적인 솔더 적심층(wetting layer)을 제공한다. 솔더 적심층은 솔더와 LED 사이에 향상된 기계적 연결을 제공할 수 있는데, 이는 연결부의 전단 강도(shear strength)를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에서, 본딩층은 전기적 테스트 동안에 프로브 팁에 의해 다층 도전성 스택으로 기계적 응력이 가해지려고 하면 장벽층을 보호하도록 기능할 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 다른 실시예들에서, 본딩층 안의 Au는 장벽층을 산화로부터 보호하도록 기능할 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예들에서, AuSn은 솔더 본딩의 대안으로서 열음파 또는 열압착 본딩에 의해 LED와 서브마운트를 서로 결합하는 데에 사용될 수 있는 공융 다이 접착 물질로서 본딩층 안에 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 다층 도전성 스택은 솔더 장벽이 Ni 또는 NiV로 형성된다면 얻을 수 있는 것보다 상당히 얇은 스택을 본 발명의 일부 실시예들이 제공할 수 있다는 점에서 고체 상태 소자에 잘 어울릴 수 있다. 본 발명의 몇 가지 실시예들에서, W, TiW 및/또는 TiNW 및/또는 W 및 Ni층을 포함하는 장벽층은 Ni만이 장벽층으로 사용되는 경우에 사용될 수 있는 두께의 반보다 작을 수 있다. 이것은 일반적으로 고체 상태 소자의 횡방향 치수가 작은 것과 큰 토포그래픽 치수가 존재할 때 종래 제조 기술의 사용에 관계된 잠재적인 어려움을 고려한다면 유리할 것이다. 장벽층은 또한 Sn 및/또는 다른 것의 원치 않는 이동에 대한 바람직한 수직 장벽을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 보호층은 장벽층을 노출시키는 감소된 면적의 개구부를 제외하고는 LED의 에피택셜 표면 전체를 덮을 수 있고, 반사 거울층 또는 오믹 콘택 안으로 또는 금속 스택의 가장자리 아래로의 Sn 및/또는 다른 것의 원치 않는 이동을 감소시키거나 방지하는 댐을 제공할 수 있다. 도전성 기판을 구비하는 LED의 경우, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 보호층은 기생 쇼트키 다이오드의 형성과 같은 원치 않는 효과를 생산할 수 있는, 다이 접착 물질과 기판과의 접촉을 방지하도록 기능할 수도 있다.
높은 전력 레벨에서 동작하는 대면적 LED는 소자 성능의 열화를 감소시키거나 방지하도록 낮은 열 저항을 가지는 패키징을 사용한다. 에폭시계 다이 접착 물질은 금속 다이 접착 물질에 비해 높은 열 저항을 가진다. 플립-칩 구조에서, LED의 p-n 접합 영역은 히트 씽크 패키지에 지극히 가깝게 실장되는데, 이는 기판의 열 저항을 바이패스시킬 수 있다. SiC의 낮은 열 저항에도 불구하고, 이것은 본 발명의 일부 실시예의 대면적 SiC계 LED에 이용될 수 있다. 본 발명의 일부 실시예들에 의해 제공되는 금속-금속 결합은 사파이어의 높은 열 저항 때문에, 사파이어 기판을 구비한 LED에도 사용될 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 일부 실시예들은 대면적 LED에 사용될 수 있으며, 이는 접합이 아래로 향하는 (플립-칩) 금속-금속 다이 접착 구조를 채용하는 것으로부터 이점을 가질 수 있다. 본 발명의 다른 실시예들은 좁은 면적 LED에 사용될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들은 또한 소자가 후속의 패키징, 조립 및 재작업/보수 단계 동안 견딜 수 있는 허용할 수 있는 온도 범위(permissible temperature range)를 증가시킬 수 있다. 금속-금속 결합은 예를 들어 LED가 인쇄 회로 기판에 실장되는, 후속의 열 사이클을 위해 설계될 수 있다. LED 다이가 300℃에서 AuSn 열음파 또는 열압착에 의해 또는 230℃에서 SnAg 솔더에 의해 서브마운트로 부착되면, SnPb 솔더를 200℃에서 사용하는 후속 공정 사이클은 다이 접착 본드 리플로우에 의한 기계적인 패일(fail)을 야기하지 않을 수 있다. 다시 말해, 높아진 온도에서의 후속 공정이 LED 다이가 서브마운트로부터 분리되는 것을 야기하지 않을 수 있다. 대조적으로, 에폭시계 다이 접착 방법을 이용한 LED는 높은 열 사이클을 견딜 수 없다. 뿐만 아니라, 투명한 에폭시는 열 공정동안에 변색되어 원치 않는 광 감쇄를 일으킬 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들은 LED와 서브마운트 사이에서 결합부의 전단 강도를 증가시킬 수도 있다. 주석 및/또는 다른 원치 않는 물질이 소자의 에피택셜층에 닿는 것을 감소시키거나 방지하는 솔더 장벽층을 구비하면, 금속-반도체 계면의 접합 강도를 보존할 수 있고 보다 견고하고 기계적으로 안정된 소자를 초래할 수 있다. 특히, 금 본딩층 아래에 니켈 솔더 적심층을 포함하는 실시예가 우수한 전단 강도를 보일 수 있다는 것을 발견하였다. 전단 강도는 또한 후속의 패키징, 조립 및 재작업/보수 단계 동안에 열 사이클을 거쳐도 유지될 수 있다.
게다가, 본 발명의 몇 가지 실시예들은 결과물 소자의 열 전도도를 개선시킬 수 있다. 이러한 효과는 특히 기존 LED보다 실질적으로 높은 전류를 운반할 수 있는 이른바 "전력" 또는 대면적 LED에서 명백할 수 있다. 이러한 LED에서, 본 발명의 일부 실시예들은 금속층 안에서의 "보이딩(voiding)"을 방지하거나 감소시킬 수 있다. 보이딩은 금속 영역 안에 물리적 보이드 또는 공간이 형성되는 것을 일컫는다. 본 발명의 일부 실시예들은 이러한 금속층 안에 결정립 구조를 빈틈없이 유지하여 높은 전력 레벨과 이에 따른 높은 접합 온도에서의 동작에서도 불구하고 소자가 높은 열 전도도를 유지하게 할 수 있다. 개선된 열 전도도는 또한 LED, 특히 전력 LED가 패키지되는 봉지재(encapsulant material)의 열화를 감소시키는 것을 도울 수 있다. 이러한 봉지재는 전형적으로 열에 민감하고 노란색이어서 오랫동안 고온에 노출되면 덜 투명해진다. LED 실장 표면의 열 전도도를 개선함으로써, 봉지재를 통해 열이 덜 분산되며, 이는 열화를 감소시킬 수 있다.
도 1은 마주보는 제1 및 제2 면(20a, 20b)을 구비한 기판(20)과 기판(20)의 제1 면(20a) 상에 형성된 에피택셜 영역(22)을 포함하는, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 LED 소자 전구체(10)를 도시한다. 기판(20)은 실리콘 카바이드, 사파이어, 알루미늄 나이트라이드, 갈륨 나이트라이드 또는 다른 적당한 도전성 혹은 비도전성 기판 물질을 포함할 수 있다. 본 발명의 몇 가지 실시예들에서, 기판(20)은 도전성 도핑된 SiC를 포함한다. 본 발명의 일부 실시예들에서, 기판(20)은 소정 파장 대역 안의 광학 방사에 대하여 투명하다. 본 발명의 일부 실시예들에서, 에피택셜 영역(22)은 도전성 버퍼층 및 복수개의 III족 나이트라이드 에피택셜층을 포함하는데, 이들의 적어도 일부는 다이오드 영역을 제공한다. 도 1-10에 도시된 기판, 에피택셜층 및 금속층의 치수는 스케일에 맞게 그려진 것은 아니고 도시의 목적으로 과장되어 있다. 후속 공정 및 세정 단계에서 에피택셜 영역(22)을 보호하기 위해서, 선택적으로, 얇은 SiO2 및/또는 다른 층(미도시)을, 예를 들어 플라즈마 강화 화학 기상 증착법(PECVD)에 의해 에피택셜 영역(22) 표면 상에 형성할 수 있다.
에피택셜 영역(22)의 증착에 이어, 도 2에 도시된 바와 같이 에피택셜 영역(22)을 패터닝하여 각각 측벽(30a, 30b)을 구비하는 복수개의 메사(30)를 형성한다. 도 2에 도시하지는 않았지만, 메사(30)는 기판(20) 안으로 신장될 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명의 일부 실시예들에서, 메사(30)는 전면 에피택셜 성장과 식각 대신에 마스크 안의 개구부를 통한 선택적 에피택셜 성장에 의해 형성할 수 있다.
계속 도 2를 참조하여, 본 발명의 일부 실시예들에서, 포토레지스트층(24) 및/또는 다른 물질을 전구체(10) 표면 상에 형성하고 패터닝하여 메사(30)의 표면을 노출시켜 메사(30)의 표면 상에 제1 감소된 면적(30c)을 정의한다. 선택적인 SiO2 층이 존재하는 경우, 포토레지스트(24) 안의 개구부를 통해 식각하여 메사(30) 안의 에피택셜 영역(22)의 에피택셜 표면 상의 제1 감소된 면적(30c)을 노출시킬 수 있다.
다음에 메사(30)의 제1 감소된 면적(30c) 상에, 예컨대 종래의 리프트-오프 기술을 이용해서 다층 도전성 스택(35)을 형성한다. 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 다층 도전성 스택(35)은 오믹층(32), 반사층(34) 및 장벽층(36)을 가진다. 본 발명의 일부 실시예들에서, 오믹층(32)은 백금을 포함하나, 다른 실시예들에서는 팔라듐, 니켈/금, 니켈 산화막/금, 니켈 산화막/백금, 티타늄 및/또는 티타늄/금을 포함한다. 오믹층의 다른 실시예들은 앞에서 언급한 미국 공개 출원 US2002/0123164 A1에 기술되어 있다. 오믹층(32)이 Pt를 포함하는 경우, 본 발명의 일부 실시예들에서의 그 두께는 약 25Å이다. 반사층(34)은 임의의 적당한 반사성 금속을 포함할 수 있고, Al 또는 Ag를 포함할 수 있다. 반사층(34)은 본 발명의 일부 실시예에서 약 1000Å 두께이다. 반사층의 다른 실시예들은 앞에서 언급한 미국 공개 출원 US2002/0123164 A1에 해당하는 미국 출원 제10/057,821호에 기술되어 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 장벽층(36)은 주석과 같은 솔더 금속이 반사층(34) 및/또는 오믹층(32)과 반응하는 것을 방지하는 솔더 장벽층일 수 있다. 장벽층(36)은 W, TiW 및/또는 TiN/W를 포함하고, 본 발명의 일부 실시예들에서 약 500Å과 약 50000Å 사이이고, 본 발명의 다른 실시예들에서는 약 5000Å이다. 본 발명의 다른 실시예들에서, 장벽층(36)은 약 5% Ti 및 약 95% W을 가지는 TiW를 포함할 수 있다.
텅스텐 또는 티타늄/텅스텐을 포함하며 약 500Å 내지 약 3000Å 두께인 장벽층(36)의 다른 실시예들은, 약 210℃ 미만의 리플로우 온도에서 솔더 본딩 작업(후술함)을 수행할 때에 사용될 수 있다. 예를 들어, 공융 금/납/주석 솔더를 약 190℃ 내지 약 210℃의 리플로우 온도에서 사용할 때에, 약 500Å 내지 약 3000Å 두께인 티타늄/텅스텐을 포함하는 장벽층을 본 발명의 일부 실시예들에 따라 사용할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 약 220℃ 내지 약 260℃의 리플로우 온도를 가지는 주석, 은 및 안티몬을 포함하는 솔더와 같은 다른 솔더를 수용하기 위해, 더 높은 리플로우 온도가 사용될 수 있다. 이러한 솔더의 일 예는 약 96.5% 주석과 약 3.5% 은을 가지는 Kester 브랜드 R276AC 은-주석 솔더 페이스트이다. 따라서, 본 발명의 일부 실시예들에서, 장벽층(36)은 약 5000Å 두께의 텅스텐 또는 티타늄/텅스텐의 제1 층(36a)과 제1 층(36a) 상에 약 2000Å의 니켈을 포함하는 제2 층(36b)을 포함한다. 본 발명의 일부 실시예들은 순방향 전압(VF)을 실질적으로 증가시키거나 LED의 광 출력을 감소시키는 일이 없이, 약 5분 동안 약 325℃와 약 350℃ 사이의 온도에 견딜 수 있음을 발견하였다. 따라서, 본 발명의 일부 실시예들에서, 티타늄/텅스텐층(36a)과 니켈층(36b)을 포함하는 다층 장벽층(36)을 약 200℃ 이상의 리플로우 온도를 가지는 솔더와 함께 사용한다. 본 발명의 다른 실시예들에서, 이러한 다층 장벽층은 약 250℃ 이상의 리플로우 온도를 가지는 솔더와 함께 사용될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 텅스텐, 은 및 백금은 예컨대 e-빔 기술을 이용해 증착한다. TiW는 e-빔 기술을 이용해 증착할 수 있지만, 본 발명의 다른 실시예들에서, Ti와 W를 동시에 스퍼터하여 증착한다. 그리고, 본 발명의 다른 실시예들에서, Sn 확산에 대한 장벽을 역시 형성하는 TiN/TiW층을 형성하기 위해, 질소의 존재 하에 TiW를 스퍼터 증착한다.
본 발명의 또 다른 실시예들에서, 장벽층(36)은 주로 니켈 또는 NiV로 이루어질 수 있다. 본 발명의 다른 실시예들에서, 장벽층(36)은 약 500Å과 10000Å 사이의 두께를 가지는 금층으로 전부 덮인 2500Å 니켈 솔더 장벽을 포함할 수 있다. 금층은 니켈이 산화되는 것을 방지할 수 있다. 그러나, 니켈 장벽층의 사용은 주석의 이동으로 인해, 높은 온도와 전류 레벨에서의 광학 및 전기적 특성의 수용할 수 없는 높은 열화를 초래할 수 있다. 그리고, 니켈의 더 두꺼운 막은 막 응력이 높을 수 있으므로 사용하기 어려울 수 있다. 이것은 인접한 반사층 및/또는 오믹층으로부터의 니켈 박리에 대한 염려를 만들 수 있다. 뿐만 아니라, 장벽층 가장자리의 Au의 존재는 장벽의 가장자리를 따라 Sn이 이동하는 경로를 만들 수 있다.
이제 도 4를 참조하면, 본 발명의 일부 실시예들에서, 보호층(40)을 소자 전구체(10)의 제1 면(20a)(또는 에피택셜 쪽) 상에 증착하거나 다른 방법으로 형성한다. 본 발명의 다른 실시예들에서, 보호층(40)은 SiO2 및/또는 SiN(이것은 화학양론적으로나 비화학양론적으로 증착될 수 있음)을 포함하고 PECVD 및/또는 반응성 스퍼터링과 같은 기존 기술을 이용해 증착할 수 있다. 본 발명의 일부 실시예들에서 보호층(40)은 약 1500Å 두께이다. 또한 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 이러한 전면 증착은 메사(30)와 다층 도전성 스택(35)의 측벽 및 장벽층(36)의 노출면 상에 보호층을 형성한다.
이제 도 5를 참조하여, 보호층(40)을 (포토레지스트와 같은) 식각 마스크를 이용해 패터닝하여 패터닝된 제1 보호층(40a)을 제공하고 장벽층(36) 표면의 제2 감소된 면적 부분(36c)을 선택적으로 노출시킨다. 본 발명의 다른 실시예들에서, 장벽층(36) 표면의 제2 감소된 면적 부분(36c)을 노출시키는 데에 리프트 오프 기술을 이용할 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 별도의 패터닝 단계가 필요하지 않도록 보호층(40a)의 선택적 증착을 이용할 수 있다.
도 5를 계속 참조하면, 예를 들어 Ti를 포함하는 선택적인 접착층(55)을 장벽층(36)의 제2 감소된 면적(36c) 상에 증착하고 접착층(55) 상에 본딩층(60)을 증착한다. 이러한 증착은 패터닝된 보호층(40a)을 마스크로 사용하거나 리프트-오프 기술을 이용해 수행할 수 있다. 본 발명의 일부 실시예들에서 접착층(55)은 약 1000Å이다. 본딩층(60)은 Au, Sn 및/또는 AuSn을 포함할 수 있고 일부 실시예들에서는 약 1000Å이다. 본딩층(60)은 본 발명의 일부 실시예들에서는 약 1㎛(Au인 경우)에 달할 수 있거나 약 1.7㎛(AuSn의 경우)에 달할 수 있다. 그러나, 일부 실시예들에서, 약 1000Å보다 두꺼운 Au층의 사용은 솔더 리플로우 공정의 비균일성을 초래하거나 솔더 접착부의 Au를 무르게 할 수 있는데, 이는 낮은 전단 강도를 초래한다. 도시한 바와 같이, 패터닝된 보호층(40a)은 본 발명의 일부 실시예에 따라, 접착층(55)과 본딩층의 측벽 상에도 있다. 다른 실시예들에서, 패터닝된 보호층(40a)은 접착층(55)과 본딩층(60)의 측벽 상에서 신장하지 않는다. 이러한 실시예들에서, 보호층은 도전성 스택(35)의 측벽 상에서 신장할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 본딩층(60)은 패터닝된 보호층(40a)을 지나 다층 도전성 스택(35)으로부터 신장한다. 또 다른 실시예들에서, 본딩층(60)은 패터닝된 보호층(40a)의 바깥쪽 표면을 지나 신장하지 않는다.
도전성 기판 상에 형성된 소자를 위해, 에피택셜 영역 반대편 제2 기판면(20b) 상에 오믹 콘택 및 와이어 본드 패드(미도시)를 형성하여 수직으로 도전성인 소자를 형성한다. 이와 같은 많은 실시예들이 미국 공개 출원 US2002/0123164 A1에 해당되는 미국 특허 출원 제10/057,821호에 기술되어 있다. 비도전성 기판에 형성된 소자를 위해, 소자의 n형 에피택셜 영역 상에 오믹 콘택과 금속 본딩층(미도시)을 형성하여 수평으로 도전성인 소자를 형성한다. 이러한 많은 실시예들이 미국 공개 출원 US2002/0123164 A1에 해당되는 미국 특허 출원 제10/057,821호에 기술되어 있다.
이제 도 6을 참조하면, 전구체(10)를 개별 발광 다이오드(100)로 절단한다. 도 6은 광 추출을 증가시키기 위해 LED(100)를 비스듬한(beveled) 측벽 구조(70)로 절단할 수 있음도 보여준다. 기판 성형의 많은 다른 실시예들이 미국 공개 출원 US2002/0123164 A1에 해당되는 미국 특허 출원 제10/057,821호에 기술되어 있다.
따라서, 도 6은 본 발명의 일부 실시예들에 따라 기판(20), 기판(20) 상에 위치하며 내부에 다이오드 영역을 가지는 에피택셜 영역(30)(앞에서 메사라고 칭함), 기판(20) 반대편 에피택셜 영역(30) 상의 다층 도전성 스택(35) 및 에피택셜 영역(30) 반대편 다층 도전성 스택(35) 상에서 적어도 일부 신장하여 에피택셜 영역(30) 반대편 다층 도전성 스택(35) 상에 감소된 면적 본딩 영역(36c)을 정의하는 보호층(40b)을 포함하는 발광 다이오드(100)를 도시한다. 일부 실시예들에서, 보호층(40b)은 다층 도전성 스택(35)을 지나, 에피택셜 영역(30)을 지나, 제1 기판면(20a) 상으로 신장한다. 또한 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들에서 다층 도전성 스택(35)과 에피택셜 영역(30)은 모두 측벽을 가지고, 보호층(40b)은 다층 도전성 스택(35)과 에피택셜 영역(30)의 측벽 상에서 신장한다. 도 6에서 또한 보여지는 바와 같이, 본딩층(60)이 본딩 영역(36c) 상에 제공된다. 본딩층(60)도 본딩층 측벽을 포함하며, 보호층(40b)은 본딩층 측벽 상으로 신장하거나 신장하지 않을 수 있다. 마지막으로, 접착층(55)이 다층 도전성 스택(35)과 본딩층(60) 사이에 제공되며, 보호층(40b)은 접착층(55) 및/또는 본딩층(60)의 측벽 상으로 신장하거나 신장하지 않을 수 있다.
계속 도 6을 참조하면, 본 발명의 일부 실시예들에서, 기판(20)은 에피택셜 영역(30)에 가까운 제1 면(20a)과 에피택셜 영역 반대편의 제2 면(20b)을 가진다. 도 6에 도시되어 있듯이, 본딩층(60)은 다층 도전성 스택(35)보다 작은 표면적을 가지고 다층 도전성 스택(35)은 에피택셜 영역(30)보다 작은 표면적을 가진다. 에피택셜 영역(30)은 제1 면(20a)보다 작은 표면적을 가진다. 제2 면(20b)도 제1 면(20a)보다 작은 표면적을 가진다.
도 6은 또한 본 발명의 일부 실시예들에 따라, 마주보는 제1 면(20a)과 제2면(20b)을 가지는 기판(20)을 포함하는 발광 다이오드를 개시한다. 여기서 제2 면(20b)은 제1 면보다 작은 표면적을 가진다. 에피택셜 영역(30)은 제1 면(20a) 상에 있고 그 안에 다이오드 영역을 가진다. 오믹층(32)은 기판(20) 반대편 에피택셜 영역(30) 상에 있다. 반사층(34)은 에피택셜 영역(30) 반대편 오믹층(32) 상에 있다. 장벽층(36)은 오믹층(32) 반대편 반사층(34) 상에 있다. 접착층(55)은 반사층(34) 반대편 장벽층(36) 상에 있다. 마지막으로, 본딩층(60)은 장벽층(36) 반대편 접착층(55) 상에 있다.
도 6에 또한 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들에서, 장벽층(36)은 텅스텐, 티타늄/텅스텐 및/또는 티타늄 나이트라이드/텅스텐을 포함한다. 본 발명의 다른 실시예들에서, 주석 장벽층(36)은 텅스텐을 포함하는 제1 층(36a)과 텅스텐을 포함하는 제1 층(36a) 상에 니켈을 포함하는 제2 층(36b)을 포함한다.
도 6에 또한 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 에피택셜 영역(30)은 제1 면(20a)보다 작은 표면적을 가진다. 장벽층(36), 반사층(34) 및 오믹층(32)은 동일한 표면적을 가지며, 이들 표면적은 에피택셜 영역(30)보다 작다. 접착층(55)과 본딩층(60)은 동일한 표면적을 가지며, 이들 표면적은 장벽층(36), 반사층(34) 및 오믹층(32)의 표면적보다 작다.
마지막으로, 도 6에 또한 도시되어 있듯이, 본 발명의 일부 실시예들에서, 에피택셜 영역(30), 오믹층(32), 반사층(34), 장벽층(36), 접착층(55) 및 본딩층(60) 각각은 측벽을 가지고 발광 다이오드(100)는 에피택셜 영역(30), 오믹층(32), 반사층(34) 및 장벽층(36)의 측벽 상에 보호층(40b)을 더 가진다. 보호층은 접착층(55) 및/또는 본딩층(60)의 측벽 상으로 신장하거나 신장하지 않을 수 있다. 보호층(40b)은 기판(20)의 제1 면(20a) 상에서 신장할 수도 있다.
도 7은 본딩층(60)이 솔더 적심층(62)과 적심 보호층(64)을 포함하는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 일부 실시예들에서, 솔더 적심층(62)은 니켈을 포함하고 약 2000Å이다. 일부 실시예들에서, 적심 보호층(64)은 Au를 포함하고 약 500Å이다. 니켈 솔더 적심층(62)의 사용은 솔더로의 기계적 결합을 강화시킬 수 있는데, 이는 본 발명의 실시예에 따라 연결부의 전단 강도를 증가시킬 수 있고 기계적 패일의 가능성을 감소시킬 수 있다.
도 8은 본딩층(60)과 선택적인 접착층(55)이 보호층(40b)의 바깥쪽 가장자리(40c)를 넘어 신장하지 않는 본 발명의 다른 실시예들을 도시한다. 이러한 구조는 본 발명의 실시예에 따라 LED를 리드 프레임에 실장하는 데 솔더 본딩을 사용할 때에 이용될 수 있다.
도 1-8은 본 발명의 실시예에 따라 복수개의 발광 다이오드를 제조하는 방법들을 도시한다. 이러한 방법들은 기판(20) 상에 복수개의 이격된 메사 영역(30)을 에피택셜하게 형성하는 단계를 포함한다. 메사 영역은 그 내부에 다이오드 영역을 가진다(도 2). 제1 감소된 면적 영역(30c)을 메사 영역 상에 정의한다(도 2). 장벽층을 가지는 다층 도전성 스택(35)을 메사 영역(30)의 제1 감소된 면적 영역(30c)에 형성한다(도 3). 보호층(40a)을 메사 영역(30) 사이에 메사 영역의 노출된 부분과 다층 도전성 스택(35) 상의 기판(20)에 형성한다. 보호층(40a)은 다층 도전성 스택(35) 상에 제2 감소된 면적 영역(36c)을 정의한다(도 4 및 5). 본딩층(60)을 다층 도전성 스택(35)의 제2 감소된 면적 영역(36c) 상에 형성한다(도 5). 기판(20)을 메사(30) 사이에서 절단하여 복수개의 발광 다이오드(100)를 생산한다.
이제 도 9 및 10을 참조하면, LED(100)를 절단한 이후 LED와 도전성 서브마운트(75)를 도 9 및 10에 도시한 바와 같이 접착시킨다. 도 9는 열음파 및/또는 열압착 본딩에 의해 에피택셜 쪽이 아래를 향하게 "플립-칩" 구조로 LED(100)를 실장하는 본 발명의 실시예를 도시한다. 즉, LED(100)와 서브마운트(75) 사이의 기계적인 연결 또는 결합을 형성하는 데에 에폭시 또는 솔더를 사용하는 대신, 예를 들어 미국 임시 특허 출원 제60/307,234호와 미국 공개 출원 US2003/0042507 A1에 개시되어 있듯이 LED(100)의 본딩층(60)을 서브마운트(75)에 열음파적으로 혹은 열압착적으로 직접 결합시킨다.
본 발명의 일부 실시예들에 따른 열음파 혹은 열압착 결합의 실시예들에서, LED 칩(100)을 서브마운트와 기계적 접촉이 되게 한 후 본딩 금속의 공융 온도 이상에서 기계적 및/또는 음파 자극을 가한다. 이렇게 하여 본딩 금속은 금속성 서브마운트와 결합을 형성하며 이것은 LED와 서브마운트 사이에 전기 기계적 연결을 제공한다. 본딩층(60)이 약 80%/20%의 상대적 조성을 가진 Au/Sn을 가지는 실시예에서, 열음파 결합에 이용되는 온도는 대략 300℃일 수 있다.
장벽층(36) 및/또는 보호층(40b)의 존재는 본딩층(60) 안의 금속과 반사층(34) 및/또는 오믹층(32) 사이의 원치 않는 상호작용을 감소시키거나 방지할 수 있다. 장벽층(36) 및/또는 보호층(40)은 금속 스택(35)의 가장자리를 따른 원치 않는 이동을 더디게 하거나 방해할 수도 있다.
본 발명의 다른 실시예들에 있어서, LED(100)는 도 10에 도시되어 있는 바와 같이 SnAg, SnPb 및/또는 다른 솔더 금속과 같은 금속 솔더(80)를 사용해 서브마운트(75) 상에 실장될 수 있다. 보호층(40b)은 솔더(80)로부터의 Sn이 반사층(34) 및/또는 오믹층(32)으로 이동하는 것(이로써 잠재적으로 열화시키는 것)을 감소시키거나 방지할 수 있다. 보호층(40b)은 또한 도전성 솔더(80)가 기판(20) 및 메사 측벽과 접촉하는 것을 감소시키거나 방지할 수 있는데, 그렇지 않으면 소자(100)의 n형 영역에 원치 않는 기생 쇼트키 접합을 형성하게 된다. 본 발명의 다른 실시예들에 따라 이용될 수 있는 다른 본딩 기술이, 앞에서 언급한 미국 임시 특허 출원 제60/307,311호와 미국 공개 출원 US2003/0045015 A1에 개시되어 있다.
실험 결과
후술하는 실험 결과는 설명을 위한 것으로, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 도 11a-11d는 2500Å Ni 솔더 장벽에 대한 실험 결과를 그래프적으로 도시한 것이고 도 12a-12d는 5000Å TiW 장벽에 대한 결과를 그래프적으로 도시한 것이다.
첫 번째 실험에서, 많은 LED 샘플의 고온 동작 수명(high temperature operating life : HTOL)을 측정하였다. 이 실험에서, TiW 솔더 장벽(36), SiN 보호층(40b) 및 금 본딩층(60)을 가진 20개의 LED를 제조하였다. Ni 솔더 장벽을 가지는 것을 제외하고는 동일한 구조를 가지는 20개의 LED도 제조하였다. 소자들을 솔더 본딩에 의해 은 도금된 5mm 방사형 리드 프레임 상에 실장하였다. 그런 다음 85℃의 온도로 유지하면서 20mA의 순방향 전류에서 동작시켰다. 24, 168, 336, 504, 672, 864 및 1008 시간 후에 광학 출력 전압과 VF를 측정하였다. 도 11a 및 12a에 도시되어 있는 바와 같이, Ni 장벽을 가진 소자들이 TiW 장벽을 가진 소자들에 비해 광학 출력에서 더 큰 열화를 보였다. 뿐만 아니라, TiW 장벽 소자들(도 12b)에 비해 Ni 장벽 소자들(도 11b) 안에서 VF가 더 증가하였다.
두 번째 실험에서, TiW 솔더 장벽(36), SiN 보호층(40b) 및 금 본딩층(60)을 가진 20개의 LED를 제조하였고, Ni 솔더 장벽을 가지는 것을 제외하고는 동일한 구조인 LED를 20개 제조하였다. 앞에서 HTOL 실험에 관해 설명한 바와 같이 소자들을 실장한 후 85℃의 온도와 85% 상대 습도로 유지하면서 504 시간동안 70 mA의 순방향 전류 펄스(4 kHz에서 25% 듀티 사이클)에서 동작시켰다. 24, 168, 336, 504, 672, 864 및 1008 시간 후에 광학 출력 전압과 VF를 측정하였다. 도 11c 및 12c에 도시되어 있는 바와 같이, Ni 장벽을 가진 소자들이 광학 출력에서 더 큰 열화를 보였고, 도 11d 및 12d에 도시한 바와 같이, Ni 장벽 소자들 안에서 VF가 더 증가하였다.
장벽층/서브층 구조 및 제조방법
거울(34)이라고도 부르는 반사층(34)으로부터의 금속의 이동을 제한하는 것이 바람직한데, 이는 이러한 금속이 메사(30)와 접촉하게 되면 소자의 pn 접합의 단락을 일으킬 수 있기 때문이다. 이것은 특히 거울(34)이 비교적 낮은 온도에서도 쉽게 이동하려는 은을 포함하는 경우에 그러하다. 예를 들어, Schㆌtze의 교과서 "Corrosion and Environmental Degradation, Vol. II"(2000, pp.451-452) 참조. 표면 습기와 전기장이 존재하면, 은 이온은 산화 및/또는 부식에 기인해 양극 금속에서 형성할 수 있다. 은 이온이 음극 금속으로 이동하면 이것은 덴드라이트(나뭇가지 구조)의 형태로 도금되어 석출된다. 덴드라이트는 결국 LED의 양극과 음극 사이의 간격을 연결시켜 단락을 일으킬 수 있다.
거울 금속(34)의 메사(30)로의 이동을 제한하기 위해서, 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 도 13에 도시되어 있는 바와 같이 장벽층(36)을 반사층(34) 측벽 위로 신장시키는 것이 바람직하다. 이것은 오믹 콘택층(32)과 반사층(34)이 장벽층(36)의 너비에 비해 감소된 너비를 갖도록 추가적인 포토리소그라피 단계를 수행하거나 또는 다른 종래의 방법에 의해 달성될 수 있다. 따라서, 장벽층(36)을 형성할 때, 예컨대 증착할 때, 장벽층(36)이 오믹 콘택(32)과 반사층(34)을 둘러싸는 메사(30) 표면의 일부뿐만 아니라 반사층(34) 및 오믹 콘택(32)의 측벽에 접촉할 수 있다.
장벽층(36)이 도 13에 도시된 바와 같이 반사층(34)의 측벽을 덮는 방식으로 형성된다면, 장벽층 안의 크랙이 반사층(34) 측벽 가까이에 생기는 것이 가능하다. 이러한 크랙은 반사층(34)으로부터의 은이 빠져나와 잠재적으로 메사(30)로 이동하는 이동 경로를 제공할 수 있다. 크랙의 형성은 도 14에 도시되어 있는데, 이것은 그 상부에 얇은 오믹 콘택층(32)이 형성된 메사(30)를 보여준다. 오믹 콘택층(32) 상에 은 반사층(34)이 형성되어 있고 전체 구조는 TiW와 같은 장벽 금속의 층(36)으로 덮여있다. 도 14에서 볼 수 있는 바와 같이, TiW 장벽층(36)이 증착되면, 입계(49)로 분리된 수직으로 배향된 결정립(47)을 형성한다. 반사층(34)의 모서리에서의 결정립(47)의 오정렬은 크랙(51)을 발생시킬 수 있는데 크랙(51)은 반사층(34)으로부터의 금속이 빠져나와 잠재적으로 메사(30)로 이동하는 이동 경로를 제공할 수 있다.
크랙(51)의 형성을 감소시키거나 제거하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 장벽층(36)은 도 15에 도시되어 있는 바와 같이 TiW와 같은 장벽 금속(36A)과 백금과 같은 제2 금속(36B)으로 된 서브층을 복수개 교호로 포함한다. 제2 금속(36B)에 적당한 금속은 Pt, Ti, Ni 및/또는 다른 금속이다. 금속(36B)은 LED 구조 안에서 이동하기 쉽지 않아야 하고 LED 제조 공정에서의 후속 어느 공정보다도 높은 융점을 가져야 한다(몇 실시예에서 적어도 약 200℃). 일 실시예에서, 장벽층(36)은 적어도 두 번 교호로 반복된 약 1000Å TiW 서브층과 약 500Å 백금 서브층을 포함하고, 스택의 최상단과 최하단 서브층은 TiW를 포함한다. 다시 말해, 제1 및 제2 교호 서브층들은 제1 서브층을 포함하는 제1 및 제2 바깥쪽 서브층을 정의한다. 게다가, 스택 안의 TiW로 된 제2 (마지막) 바깥층은 솔더 장벽으로 작용하기 위해 약 5000Å 두께로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, TiW/Pt 스택은 여섯 번 반복되고 TiW로 된 마지막(종단)층은 약 5000Å이다. 본 발명의 다른 실시예에서 장벽 금속(36A)과 제2 금속(36B)의 다른 많은 두께들이 이용될 수 있다. 일반적으로, 장벽 금속(36A)은 크랙 발생을 방지하도록 충분히 얇지만 효과적인 장벽을 제공하도록 충분히 두꺼워야 하고, 제2 금속(36B)은 콘택의 저항을 열화시키지 않도록 충분히 얇지만 장벽 금속층(36A) 안의 크랙이 제2 장벽층을 지나 진행하는 것을 방지하도록 충분히 두꺼워야 한다.
도 15에 도시되어 있는 바와 같이, TiW의 연속적인 층의 입계(49)는 수직으로 정렬되지는 않아, 그렇지 않으면 반사층 금속의 경로를 제공할 수 있는 장벽층(36)을 지나 긴 크랙이 형성되는 것을 억제한다. 이런 점에서, 연속적인 TiW층은 일반적으로 각 층에 오프셋 결정립의 스택을 가진 벽돌 담을 닮은 패턴을 형성할 수 있다.
이러한 효과는 도 16 및 17에 도시되어 있는데, 이들은 각각 도 14 및 15에 설명된 실시예에 따라 제조된 금속 스택의 40000배 SEM 이미지들이다. 도 16에 보여진 구조에서, TiW 장벽층(36)은 반사층(34) 및 오믹 콘택(32) 상에 하나의 층으로 증착되어 있다. 수직 입계(49)가 장벽층(36) 안에 보여진다. 게다가, 크랙(51)이 반사층(34)의 가장자리로부터 장벽층의 표면으로 신장하는 것이 보여진다.
대조적으로, 도 17에 보여진 구조에서, 장벽층(36)은 복수개의 교호하는 TiW층(36A)과 백금층(36B)을 포함한다. 교호하는 TiW층(36A) 안의 입계(49)는 반사층(34) 및 메사(30) 위로 벽돌 담 패턴을 형성하는 것을 확실하게 볼 수 있다. 도 16에 도시한 구조와는 대조적으로, 장벽층(36) 안에는 크랙이 나타나지 않는다.
도면들과 명세서에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 설명하였고, 비록 특정 용어가 사용되었지만 그들은 일반적이고 설명을 위한 의미로만 사용된 것이고, 한정을 위한 목적으로 사용된 것은 아니며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 기재되어 있다.
본 발명에 따르면, 반도체 발광 소자의 반사층으로부터 에피택셜 영역 안으로의 금속 이동을 감소시킨다. LED와 서브마운트 사이에서 결합부의 전단 강도를 증가시킬 수도 있다. 금속-반도체 계면의 접합 강도를 보존할 수 있고 보다 견고하고 기계적으로 안정된 소자를 초래할 수 있다. 결과물 소자의 열 전도도를 개선시킬 수 있다.
Claims (36)
- 기판;상기 기판 상에 위치하며 내부에 발광 영역을 가지는 에피택셜 영역;상기 에피택셜 영역 상에 위치하며 반사층 측벽을 가지는 반사층을 포함하는 다층 도전성 스택; 및상기 반사층 상에 위치하고 상기 반사층 측벽 상에서 신장하는 장벽층을 포함하는 반도체 발광 소자.
- 제1항에 있어서,상기 다층 도전성 스택은 오믹층 측벽을 가지는 오믹층을 상기 반사층과 상기 에피택셜 영역 사이에 더 포함하며,상기 장벽층은 상기 오믹층 측벽 상에서 더 신장하는 반도체 발광 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 장벽층은 상기 다층 도전성 스택 외측의 상기 에피택셜 영역 상으로 더 신장하는 반도체 발광 소자.
- 제2항에 있어서, 상기 장벽층은 상기 다층 도전성 스택 외측의 상기 에피택셜 영역 상으로 더 신장하는 반도체 발광 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 장벽층은 복수개의 제1 및 제2 교호 서브층들을 포함하는 반도체 발광 소자.
- 제5항에 있어서, 상기 제1 서브층들은 내부에 입계를 가지고 상기 제2 서브층들은 실질적으로 입계가 없는 반도체 발광 소자.
- 제5항에 있어서, 상기 제1 서브층들은 내부에 입계를 가지고, 상기 입계는 상기 제1 서브층들 안에 오프셋 벽돌 담 구조를 정의하도록 정렬되어 있는 반도체 발광 소자.
- 제5항에 있어서, 상기 제1 서브층들은 티타늄 텅스텐을 포함하고 상기 제2 서브층들은 백금, 티타늄 및/또는 니켈을 포함하는 반도체 발광 소자.
- 제7항에 있어서, 상기 제1 서브층들은 티타늄 텅스텐을 포함하고 상기 제2 서브층들은 백금, 티타늄 및/또는 니켈을 포함하는 반도체 발광 소자.
- 제5항에 있어서, 상기 제1 서브층들은 상기 반사층으로부터의 금속 이동을 감소시키고 상기 제2 서브층들은 상기 제1 서브층들 안의 적어도 몇 입계들이 제2 서브층들을 가로질러 진행하는 것을 방지하는 반도체 발광 소자.
- 제7항에 있어서, 상기 제1 서브층들은 상기 반사층으로부터의 금속 이동을 감소시키고 상기 제2 서브층들은 상기 제1 서브층들 안의 적어도 몇 입계들에서 제2 서브층들을 가로질러 진행하는 것을 방지하는 반도체 발광 소자.
- 제5항에 있어서, 상기 제2 서브층들은 상기 제1 서브층들보다 얇은 반도체 발광 소자.
- 제5항에 있어서, 상기 복수개의 제1 및 제2 교호 서브층들은 상기 제1 서브층을 포함하는 제1 및 제2 바깥쪽 서브층을 정의하는 반도체 발광 소자.
- 제13항에 있어서, 상기 제1 바깥쪽 서브층은 상기 반사층에 인접하고 상기 제2 바깥쪽 서브층은 상기 반사층으로부터 멀며 상기 제2 바깥쪽 서브층은 상기 제1 바깥쪽 서브층보다 두꺼운 반도체 발광 소자.
- 제9항에 있어서, 상기 제2 서브층들은 상기 제1 서브층들보다 얇은 반도체 발광 소자.
- 제15항에 있어서, 상기 복수개의 제1 및 제2 교호 서브층들은 상기 제1 서브층을 포함하는 제1 및 제2 바깥쪽 서브층을 정의하는 반도체 발광 소자.
- 제16항에 있어서, 상기 제1 바깥쪽 서브층은 상기 반사층에 인접하고 상기 제2 바깥쪽 서브층은 상기 반사층으로부터 멀며 상기 제2 바깥쪽 서브층은 상기 제1 바깥쪽 서브층보다 두꺼운 반도체 발광 소자.
- 제5항에 있어서, 상기 제1 서브층들은 약 1000Å 두께의 티타늄 텅스텐 서브층들을 포함하고 상기 제2 서브층들은 약 500Å 두께의 백금 서브층들을 포함하는 반도체 발광 소자.
- 제17항에 있어서, 상기 제1 서브층들은 약 1000Å 두께의 티타늄 텅스텐 서브층들을 포함하고 상기 제2 서브층들은 약 500Å 두께의 백금 서브층들을 포함하며, 상기 제1 바깥쪽 서브층은 약 1000Å 두께의 티타늄 텅스텐 서브층을 포함하고 상기 제2 바깥쪽 서브층은 약 5000Å 두께의 티타늄 텅스텐 서브층을 포함하는 반도체 발광 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 장벽층은 상기 반사층 측벽 부근에서 적어도 몇 크랙이 발생하는 것을 방지하는 반도체 발광 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 기판은 실리콘 카바이드를 포함하고 상기 에피택셜 영역은 갈륨 나이트라이드를 포함하는 반도체 발광 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 오믹층은 백금, 팔라듐, 니켈/금, 니켈 산화막/금, 니켈 산화막/백금, 티타늄 및/또는 티타늄/금을 포함하고 상기 반사층은 알루미늄 및/또는 은을 포함하는 반도체 발광 소자.
- 제1항에 있어서, 상기 반사층은 은을 포함하는 반도체 발광 소자.
- 제5항에 있어서, 상기 제1 서브층들은 상기 반사층으로부터의 금속 이동을 감소시킬만한 충분한 두께이지만 상기 제1 서브층들의 적어도 몇 크랙을 방지할 만큼 충분히 얇으며 상기 제2 서브층들은 상기 제1 서브층들 안의 적어도 몇 입계가 제2 서브층들을 가로질러 진행하는 것을 방지할만한 충분한 두께이지만 상기 다층 도전성 스택의 저항을 열화시키지 않도록 충분히 얇은 반도체 발광 소자.
- 기판, 상기 기판 상에 위치하며 내부에 소자 영역을 가지는 에피택셜 영역 및 상기 에피택셜 영역 상에 위치하며 반사층 측벽을 가지는 반사층을 포함하는 다층 도전성 스택을 포함하는 반도체 발광 소자에서, 상기 반사층으로부터 상기 에피택셜 영역 안으로의 금속 이동을 감소시키는 방법으로서,상기 반사층 측벽 상에서 신장하는 장벽층을 상기 반사층 상에 형성하는 단계를 포함하는 방법.
- 제25항에 있어서, 상기 다층 도전성 스택은 오믹층 측벽을 가지는 오믹층을 상기 반사층과 상기 에피택셜 영역 사이에 더 포함하며, 상기 형성하는 단계는 상기 반사층 측벽의 측벽과 상기 오믹층 측벽 상에서 신장하는 장벽층을 상기 반사층 상에 형성하는 단계를 더 포함하는 방법.
- 제26항에 있어서, 상기 형성하는 단계는상기 반사층 측벽 상에서, 상기 오믹층 측벽 상에서, 그리고 상기 다층 도전성 스택 외측 상기 에피택셜 영역 상으로 신장하는 장벽층을 상기 반사층 상에 형성하는 단계를 더 포함하는 방법.
- 제25항에 있어서, 상기 장벽층을 교호하는 복수개의 제1 및 제2 서브층들로 형성하는 단계를 더 포함하는 방법.
- 제28항에 있어서, 상기 제1 서브층들은 내부에 입계를 가지고, 상기 입계는 상기 제1 서브층들의 오프셋 벽돌 담 구조를 정의하도록 정렬되어 있는 방법.
- 제28항에 있어서, 상기 장벽층을 교호하는 복수개의 제1 및 제2 서브층들로 형성하는 단계는 상기 제2 서브층들을 상기 제1 서브층들보다 얇게 형성하는 단계를 더 포함하는 방법.
- 제28항에 있어서, 제1 서브층이 바깥쪽 서브층을 정의하게 상기 복수개의 교호하는 제1 및 제2 서브층들을 종단시키는 단계를 더 포함하는 방법.
- 제31항에 있어서, 상기 바깥쪽 서브층이 상기 제1 서브층들보다 두꺼운 방법.
- 제28항에 있어서, 상기 제2 서브층들이 상기 제1 서브층들보다 얇은 방법.
- 제28항에 있어서, 상기 기판은 실리콘 카바이드를 포함하고 상기 에피택셜 영역은 갈륨 나이트라이드를 포함하는 방법.
- 제28항에 있어서, 상기 반사층은 은을 포함하는 방법.
- 제28항에 있어서, 상기 장벽층을 교호하는 복수개의 제1 및 제2 서브층들로 형성하는 단계는,상기 제1 서브층들은 상기 반사층으로부터의 금속 이동을 감소시킬만한 충분한 두께이지만 상기 제1 서브층들의 적어도 몇 크랙을 방지할 만큼 충분히 얇게 형성하며 상기 제2 서브층들은 상기 제1 서브층들 안의 적어도 몇 입계가 제2 서브층들을 가로질러 진행하는 것을 방지할만한 충분한 두께이지만 상기 다층 도전성 스택의 저항을 열화시키지 않도록 충분히 얇게 형성하는 단계를 포함하는 방법.
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