KR100550846B1

KR100550846B1 - 플립칩 본딩 구조의 질화 갈륨계 발광다이오드

Info

Publication number: KR100550846B1
Application number: KR20030041172A
Authority: KR
Inventors: 박영호; 김인응; 함헌주; 이수민
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2003-06-24
Filing date: 2003-06-24
Publication date: 2006-02-10
Also published as: KR20050000690A

Abstract

본 발명은 레이저 다이오드의 미러 코팅(mirror coating)기술을 이용하여 고 반사층을 형성함으로서 반사율을 높히면서 안정되게 본딩가능한 플립칩 본딩구조의 질화갈륨계 발광다이오드에 관한 것으로, 본 발명에 의한 발광다이오드는 사파이어 기판; 상기 사파이어 기판의 위에 형성되는 n형 GaN 클래드층과, 상기 n형 GaN 클래드층 상부의 소정 영역에 형성되는 다중 양자 우물 구조의 활성층; 상기 활성층위에 형성되는 p형 GaN 클래드층; 상기 p형 GaN 클래드층의 상부에 도전성의 투명물질로 형성된 T-전극; 상기 T-전극의 상부 소정 위치에 형성되는 도전성물질로 이루어진 본딩용 B-전극; 상기 n형 GaN 클래드층 상의 소정 영역에 형성되어 본딩 및 전압인가용으로 사용되는 N-전극; 및 상기 B-전극을 제외한 T-전극의 상부면에 형성되며, 소정 굴절율의 제1코팅층과 상기 제1코팅층보다 높은 굴절율을 갖는 제2코팅층이 교대로 한 쌍 이상 형성되어 이루어진 고반사코팅층을 포함하여 구성된다.

발광다이오드, 질화갈륨계, 사파이어기판, 플립 칩, 멀티코팅, 절연물질

Description

플립칩 본딩 구조의 질화 갈륨계 발광다이오드{GaN Light Emitting Diode of flip-chip bonding type}

도 1은 종래의 플립칩 본딩된 질화갈륨계 발광다이오드를 도시한 단면구성도이다.

도 2는 본 발명에 의한 플립칩 본딩용 질화 갈륨계 발광다이오드의 실시예를 보이는 단면구성도이다.

도 3은 본 발명에 의한 플립칩 본딩용 질화갈륨계 발광다이오드에 형성된 고반사코팅층의 확대도이다.

도 4는 본 발명에 의한 질화갈륨계 발광다이오드를 플립칩 본딩한 상태를 보이는 단면구성도이다.

도 5는 본 발명에 의한 플립칩 본딩용 질화 갈륨계 발광다이오드의 다른 실시예를 보이는 단면구성도이다.

도 6은 본 발명에 의한 질화갈륨계 발광다이오드에 형성된 고반사코팅층의 반사특성을 나타낸 그래프이다.

도 7은 본 발명에 의한 질화갈륨계 발광다이오드에 형성된 고반사코팅층의 파장별 반사특징을 나타낸 그래프이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

21 : 사파이어 기판 22 : n형 GaN 클래드층

23 : 활성층 24 : p형 GaN 클래드층

25 : T-전극 26 : B-전극

27 : N-전극 28 : 고반사 코팅층

본 발명은 플립칩 본딩에 의해 실장되는 질화갈륨계 발광다이오드(GaN Light Emitting Diode, 이하, GaN 발광다이오드라 한다)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 미러 코팅(mirror coating)기술을 이용하여 고 반사층을 형성함으로써 반사율을 높히면서 안정되게 본딩가능한 플립칩 본딩구조의 질화갈륨계 발광다이오드에 관한 것이다.

일반적으로, 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)는 전자와 홀의 재결합을 기초로 발광하는 반도체소자로서, 광통신, 전자기기 등에서 광원으로 널리 사용되는 소자이다.

이런 발광 다이오드에서 발광되는 광의 주파수(혹은 파장)는 반도체소자에 사용되는 재료의 밴드 갭 함수로서, 작은 밴드 갭을 갖는 반도체 재료를 사용하는 경우 낮은 에너지와 긴 파장의 광자가 발생되고, 넓은 밴드 갭을 갖는 반도체 재료를 사용하는 경우 짧은 파장의 광자가 발생된다. 따라서, 발광하고자 하는 빛의 종류에 따라서 소자의 반도체 재료가 선택된다.

예를 들어, 적색 발광 다이오드의 경우 AlGaInP 물질을 사용하고, 청색 발광다이오드의 경우 실리콘 카바이드(SiC)와 Ⅲ족 질화물계 반도체(특히, 갈륨 나이트라이드(GaN))를 사용한다.

그 중에서, 질화 갈륨(GaN)계 발광다이오드는 GaN의 벌크 단결정체를 형성할 수 없기 때문에, GaN 결정의 성장에 적합한 기판을 따로 사용하여야 하며, 대표적으로 사용되는 기판은 사파이어(알루미늄 옥사이드(Al₂O₃)이다. 그리고, 상기 높은 투과성을 갖는 사파이어기판이 이용되기 때문에, 상기 GaN계발광다이오드는 상기 사파이어기판이 투명한 점을 이용하여, 플립칩 본딩에 의하여 기판과 전극을 직접 접합하여 사용하기도 한다.

도 1은 플립칩 본딩된 상태의 종래 GaN 발광 다이오드를 나타낸 단면구성도로서, 도시된 바와 같이, GaN 발광 다이오드는 기본적으로 사파이어 기판(11)과 상기 사파이어 기판(11)에 형성되는 n형 GaN 클래드층(12)과, 상기 n형 GaN 클래드층(12) 상부의 소정 영역에 형성되는 다중 양자 우물 (multi-quantum well) 구조의 활성층(13)과, 상기 활성층(13)위에 형성되는 p형 GaN 클래드층(14)과, 상기 p형 GaN 클래드층(14)의 상부에 형성되어 전류 주입 면적을 증가시키면서 광의 휘도 특성을 저하시키지 않도록, 도전성을 갖는 투명물질로 이루어진 T-전극(transparent electrode)(15)과, 상기 T-전극(15)의 상부 소정 위치에 형성되는 도전성물질로 이루어진 본딩용 B-전극(16)과, 상기 n형 GaN 클래드층(12) 상의 소정 영역에 형성되어 본딩 및 전압인가용으로 사용되는 N-전극(17)으로 구성되며, 상기 B-전극(16)과, N-전극(17)상에 솔더 범프(bump)(미도시)를 형성한 후, 상기 범프를 통해 기판(19)과 직접 접합시키게 된다.

상기에서, T-전극(15)은 필요에 따라 형성되지 않을 수 도 있다.

상기 플립칩 본딩된 GaN 발광다이오드의 활성층(13)에서 발광된 빛중, 상부로 발광된 빛은 그대로 방사되지만, 일부는 기판(19) 방향으로도 방사되기도 한다. 따라서, 보통 다이오드의 휘도특성을 향상시키기 위하여, B-전극(16)을 형성하기 전에 먼저 상기 T-전극(15)의 상부에 반사층을 형성하여, 기판(19) 방향으로 방사된 빛을 상부로 반사시키도록 한다.

종래에 상기와 같은 반사층을 반사율이 높은 Ag 나 Al등을 사용하여 형성하였다.

그런데, 상기 Ag나 Al은 높은 반사율을 갖고 있기는 하지만, 상기 p형 GaN 클래드층(14)와의 밀착력이 나쁘고, 또한 플립칩 본딩에 의해 본딩되는 경우, 본딩될때의 열에 의하여 열화되어 반사특성이 저하된다는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 그 목적은 레이저 다이오드의 미러 코팅(mirror coating)기술을 이용하여 고 반사층을 형성함으로서 반사율을 높히면서 안정되게 본딩가능한 플립칩 본딩구조의 질화갈륨계 발광다이오드를 제공하는 것이다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서, 본 발명은 사파이어 기판; 상기 사파이어 기판의 위에 형성되는 n형 GaN 클래드층과, 상기 n형 GaN 클래드층 상부의 소정 영역에 형성되는 다중 양자 우물 구조의 활성층; 상기 활성층위에 형성되는 p형 GaN 클래드층; 상기 p형 GaN 클래드층의 상부에 도전성의 투명물질로 형성된 T-전극; 상기 T-전극의 상부 소정 위치에 형성되는 도전성물질로 이루어진 본딩용 B-전극; 상기 n형 GaN 클래드층 상의 소정 영역에 형성되어 본딩 및 전압인가용으로 사용되는 N-전극; 및 상기 B-전극을 제외한 T-전극의 상부면에 형성되며, 소정 굴절율의 제1코팅층과 상기 제1코팅층보다 높은 굴절율을 갖는 제2코팅층이 교대로 한 쌍 이상 형성되어 이루어진 고반사코팅층을 포함하는 것을 특 징으로 하는 플립 칩 본딩 구조의 질화갈륨계 발광다이오드를 제공한다.

더하여, 본 발명에 의한 플립 칩 본딩 구조의 질화갈륨계 발광다이오드에 있어서, 상기 고반사 코팅층의 제1,2코팅층은 SiO₂, Al₂O₃, Si₃N ₄, Si를 포함하는 그룹에서 선택된 절연물질로 형성되는 것을 특징으로 한다.

더하여, 본 발명에 의한 플립 칩 본딩 구조의 질화갈륨계 발광다이오드에 있어서, 상기 고반사 코팅층에서 제1,2코팅층의 두께(d)는 각각

(여기에서, λ는 발광되는 빛의 파장이고, η는 해당 코팅층의 굴절율이다)에 의하여 설정되는 것을 특징으로 한다.

더하여, 본 발명에 의한 플립 칩 본딩 구조의 질화갈륨계 발광다이오드에 있어서, 상기 고반사 코팅층은 SiO₂의 제1코팅층과, Si의 제2코팅층이 세 쌍 형성된 것 임을 특징으로 한다.

더하여, 본 발명에 의한 플립 칩 본딩 구조의 질화갈륨계 발광다이오드에 있어서, 상기 고반사 코팅층은 플립칩 본딩될 기판과 면하는 면의 B-전극과 N-전극을 제외한 전체 부분에 형성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 의한 GaN 발광다이오드의 구조 및 동작원리에 대하여 설명한다.

먼저, 도 2는 본 발명에 의한 GaN 발광다이오드를 도시한 단면구성도로서, 도시된 바와 같이, 본 발명의 GaN 발광다이오드는 사파이어 기판(21)과, 상기 사파이어 기판(21)의 위에 형성되는 n형 GaN 클래드층(22)과, 상기 n형 GaN 클래드층(22) 상부의 소정 영역에 형성되는 다중 양자 우물 (multi-quantum well) 구조의 활성층(23)과, 상기 활성층(23)위에 형성되는 p형 GaN 클래드층(24)과, 상기 p형 GaN 클래드층(24)의 상부에 형성되어 전류 주입 면적을 증가시키면서 광은 투과시키는 도전성의 투명물질로 형성된 T-전극(25)과, 상기 T-전극(25)의 상부 소정 위치에 형성되는 도전성물질로 이루어진 본딩용 B-전극(26)과, 상기 n형 GaN 클래드층(22) 상의 소정 영역에 형성되어 본딩 및 전압인가용으로 사용되는 N-전극(27)과, 상기 T-전극(25)의 상부 B-전극(26)의 주변에 형성되는 고반사코팅층(28)으로 이루어진다.

상기 구조에서, 사파이어 기판(21) 상에 순차적으로 n형 GaN 클래드층(22)과, 활성층(23)과, p형 GaN 클래드층(24)를 형성하는 방법은 유기 금속 화학 증착법(Metal Organic Chemical vapor deposition, MOCVD) 등과 같은 공정을 이용하여 이루어질 수 있다. 이때, 상기 n형 GaN 클래드층(22)를 성장하기 전에 사파이어 기판(21)과의 격자 정합을 향상시키기 위하여, AlN/GaN 으로 이루어진 버퍼층(미도 시)을 형성할 수 도 있다.

그리고, 상기 활성층(23)와 p형 GaN 클래드층(24)는 n형 GaN 클래드층(22)의 전체 부분에 걸쳐 성장된 후, 소정 부분을 건식 에칭함으로서, n형 GaN 클래드층(22)의 소정 영역 상에 형성된다.

그리고, 상기 노출된 n형 GaN 클래드층(22)의 상면에는 N 전극(27)을 형성하고, 상기 p형 GaN 클래드층(24)의 상면에는 T-전극(25)을 형성한 후, 상기 T-전극(25)의 상부에 B-전극(26)을 형성한다. 상기에서, T-전극(25)과 B-전극(26)은 모두 p형 GaN 클래드층(24)으로 전압을 인가하기 위한 P측 전극으로서, 각각 기능별로 구분하여 표시한 것이며, 이때 T-전극(25)은 형성되지 않고 B-전극(26)과 형성될 수 도 있다.

상기 고반사코팅층(28)은 저굴절율을 갖는 코팅층과 고굴절율을 갖는 코팅층이 교대로 형성되는 것으로, 저굴절율 코팅층과 고굴절율 코팅층을 한쌍으로 하여, 상기 한 쌍의 코팅층이 둘 이상 형성할 수 있다. 이때, 형성된 코팅층의 쌍의 수에 비례하여 반사율이 높아지는데 이는 도 3을 참조하여 설명한다.

도 3은 상기 고반사 코팅층(28)의 확대도로서, 상기 고반사 코팅층(28)은 저굴절율의 물질로 이루어진 제1코팅층(281)이 상기 T-전극(25), T-전극(25)이 없는 경우에는 p형 GaN 클래드층(24) 위에 형성되고, 상기 제1코팅층(281)위에 고굴절율의 물질로 이루어진 제2코팅층(282)이 형성되고, 상기 제2코팅층(282)위에는 상기 저굴절율의 제1코팅층(281)이 다시 형성되며, 이어서 그 위에 고굴절율의 제2코팅층(282)이 형성되며, 마찬가지 순서로 다시 제1,2코팅층(281,282)이 반복 형성되어 이루어진다.

상기 도 3에 있어서, 고반사 코팅층(28)은 제1,2코팅층(281,282)을 3쌍 형성하였으나, 상기 제1,2코팅층(281,282) 쌍의 수는 꼭 이에 한정되지 않는다. 다만, 제1,2코팅층(281,282) 쌍의 수가 증가할 수 록 반사율은 더 커진다.

그리고, 상기 제1,2코팅층(281,282)은 절연물질로 이루어지며, 더 구체적으로는 SiO₂, Al₂O₃, Si₃N₄, Si를 포함하는 그룹에서 선택된 절연물질로 이루어진다. 이때, 상기 제1코팅층(281)에 비하여 제2코팅층(282)의 굴절율이 더 높도록 제1,2코팅층(281,282)을 이루는 절연물질이 선택된다.

그리고, 제1코팅층(281)과 제2코팅층(282) 각각의 두께(d)는 반사될 빛의 파장(λ)과 해당 코팅물질의 굴절률(η)에 따라서,

으로 산출될 수 있다. 이는 전반사 코팅층 형성시 코팅층의 두께를 결정하는 공식으로 잘 알려져 있는 것이다.

본 발명에 의한 발광다이오드의 일실시예로서, 제1코팅층(281)는 SiO₂로 형성하고, 제2코팅층(282)은 Si로 하여 고반사코팅층(28)을 형성하고, 발광파장(λ)이 450nm인 발광다이오드를 도 2와 같이 형성한 후, 상기 고반사코팅층(28)에서의 반사특성을 측정한다.

그리고, 이렇게 측정된 고반사코팅층(28)의 층별 반사율은 도 6에 그래프로 나타낸다.

상기 도 6의 그래프를 보면, 발광다이오드의 활성층(23)에서 발광된 빛은 SiO₂로 이루어진 제1코팅층(281)에서 흡수된 후, 제2코팅층(282)에서 대략 80%까지 반사되고, 다시 두번째 제1,2코팅층(281,282)에서 대략 95%정도 반사되고, 마지막으로 세번째 제1,2코팅층(281,282)에서는 95% 이상의 반사율을 나타내었다.

상기 도 6의 시뮬레이션 그래프로부터, 한쌍의 제1코팅층(281,282)으로 고반사 코팅층(28)을 구현하더라도 최소80%의 반사효과를 얻을 수 있으며, 더하여, 두쌍의 제1,2코팅층(281,282)으로 고반사코팅층(28)을 형성하면 대략 95%의 반사율을 얻을 수 있으며, 세쌍의 제1,2코팅층(281,282)으로 고반사코팅층(28)을 형성하는 경우는 98% 이상의 반사율이 얻어진다는 것을 알 수 있다. 더불어, 제1,2코팅층(281,282)의 쌍을 더 증가시킬 때마다, 반사율이 증가하여 99%의 거의 전반사 효과를 얻을 수 있게 된다.

또한, 도 7은 상기 도 6에서 측정한 발광다이오드에서의 파장별 반사특성을 측정하여 나타낸 것으로서, 상기 450nm의 파장을 기준으로 형성된 고반사 코팅층(28)을 대상으로 350nm ~ 850nm 의 다양한 파장대의 빛에 대한 반사율을 측정한 결과, 440nm~550nm이 걸친 넓은 파장대역에서 98% 이상의 반사효과를 얻을 수 있었다. 상기로부터, 본 발명에 의한 고반사 코팅층(28)의 형성으로 넓은 파장대역에서 높은 반사율을 얻을 수 있게 됨을 알 수 있다.

단, 상기에서, 제1,2코팅층(281,282)에 어떤 절연물질을 사용하였는지와, 제1,2코팅층 쌍의 수에 따라서 반사율을 다르게 나타날 수 있다.

아래의 표 1에 본 발명에 따른 고반사 코팅층(28)에 있어서, 제1,2코팅층(281,282)의 물질 및, 코팅쌍의 수에 따른 반사효과를 측정하여 나타낸다.

코팅쌍의 수	2 쌍	3쌍	2쌍	3쌍	3쌍	4쌍
제1코팅층	SiO₂	SiO₂	Si₃N₄	Si₃N₄	Al₂O₃	Al₂O₃
제2코팅층	Si	Si	Si	Si	Si₃N₄	Si₃N₄
반사율	95%	98%	82%	94%	85%	94%

상기 표 1을 참조하면, SiO₂의 제1코팅층(281)과 Si의 제2코팅층(282)의 경우, 반사율이 가장 높으며, 특히 세 쌍의 SiO₂의 제1코팅층(281)과 Si의 제2코팅층(282)으로 고반사 코팅층(28)을 구현한 경우, 98% 이상의 반사율이 얻어진다.

상기와 같이, 제1,2코팅층(281,282)의 코팅물질 및 두께를 설정한 후, 설정된 두께로 T-전극(25)의 상부에 제1,2코팅층(281,282)을 교대로 형성하여 고반사 코팅층(28)을 형성하여 발광다이오드를 완성한다.

도 4는 이상 설명한 바와 같이 구성된 발광다이오드를 플립-칩 본딩기술로 기판(30)에 접합한 상태를 나타낸 것으로, 상기 고반사코팅층(28)은 B-전극(26)를 제외한 T-전극(25)상에 형성되기 때문에, 본딩 공정에 있어서의 문제가 발생되지 않는다.

더하여, 상기 고반사 코팅층(28)은 SiO₂, Al₂O₃, Si₃N₄, Si등과 같은 절연물질로 형성되기 때문에, Ni/Au로 이루어진 T-전극(25) 뿐만아니라 GaN층(22,24)과의 밀착력이 우수하여 제조시 유리하고, Ag나 Al등과 같이 열 등에 의한 반사율이 저하되는 문제점이 해결된다.

도 5는 본 발명에 의한 GaN 발광다이오드의 다른 실시예를 도시한 단면구성도이다.

앞서 도 3 및 도 4에 보인 실시예에서는 T-전극(25)의 상부에만 고반사 코팅층(28)을 형성하였으나, 휘도특성을 더 개선시키기 위하여, 상기 도 5에 도시된 바와 같이, T-전극(25)의 상부 뿐만아니라 n형 GaN 클래드층(22)의 상부를 포함하여, 발광다이오드의 플립칩 본딩될 면의 전체에 걸쳐 상기 고반사 코팅층(28')을 형성할 수 도 있다.

이 경우, 도 3에 도시된 발광다이오드에 비하여 휘도특성이 더 향상될 수 있다.

그리고, 상기 고반사 멀티코팅층(28,28')은 스퍼터링이나 PECVD공정에 의하여 형성될 수 있으며, 포토레지스터(PR)을 이용하여 B-전극(26) 이나 N-전극(27) 상에는 코팅되지 않도록 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 발광다이오드는 서로 다른 굴절률을 갖는 절연물질로 반사층을 코팅형성함으로서, 열에 영향을 받지 않는 높은 반사효과를 얻을 수 있으며, 더하여, Ag나 Al이 아닌 SiO₂, Al₂O₃, Si₃N ₄, Si등과 같은 절연물질로 형성됨으로서, 밀착력이 떨어지는 등의 문제점을 해결할 수 있는 우수한 효과가 있다.

Claims

사파이어 기판;

상기 사파이어 기판의 위에 형성되는 n형 GaN 클래드층;

상기 n형 GaN 클래드층 상부의 소정 영역에 형성되는 다중 양자 우물 구조의 활성층;

상기 활성층위에 형성되는 p형 GaN 클래드층;

상기 p형 GaN 클래드층의 상부에 도전성의 투명물질로 형성된 T-전극;

상기 T-전극의 상부 소정 위치에 형성되는 도전성물질로 이루어진 본딩용 B-전극;

상기 n형 GaN 클래드층 상의 소정 영역에 형성되어 본딩 및 전압인가용으로 사용되는 N-전극; 및

상기 B-전극과, N전극을 제외하고, 발광다이오드의 플립 본딩될 방향에 노출된 T-전극의 상부면, n형 GaN 클래드층의 노출면 전체에 형성되며, 소정 굴절율의 절연물질로 이루어진 제1코팅층과 상기 제1코팅층보다 높은 굴절율을 갖는 절연물질로 이루어진 제2코팅층이 교대로 한 쌍 이상 형성되어 이루어진 고반사코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 플립 칩 본딩 구조의 질화갈륨계 발광다이오드.
제 1 항에 있어서,

상기 고반사 코팅층의 제1,2코팅층은 SiO₂, Al₂O₃, Si₃N₄, Si를 포함하는 그룹에서 선택된 절연물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 플립 칩 본딩 구조의 질화갈륨계 발광다이오드.
제 1 항에 있어서, 상기 고반사 코팅층에서 제1,2코팅층의 두께(d)는 각각

(여기에서, λ는 발광되는 빛의 파장이고, η는 해당 코팅층의 굴절율이다)에 의하여 설정되는 것을 특징으로 플립 칩 본딩 구조의 질화갈륨계 발광다이오드.
삭제
제 2 항에 있어서, 상기 고반사 코팅층은

SiO₂의 제1코팅층과, Si의 제2코팅층이 세 쌍 형성된 것 임을 특징으로 하는 플립 칩 본딩 구조의 질화갈륨계 발광다이오드.