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KR101381987B1 - 다수의 셀이 결합된 발광 소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents

다수의 셀이 결합된 발광 소자 및 이의 제조 방법 Download PDF

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KR101381987B1
KR101381987B1 KR1020130066878A KR20130066878A KR101381987B1 KR 101381987 B1 KR101381987 B1 KR 101381987B1 KR 1020130066878 A KR1020130066878 A KR 1020130066878A KR 20130066878 A KR20130066878 A KR 20130066878A KR 101381987 B1 KR101381987 B1 KR 101381987B1
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이건영
이정훈
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서울바이오시스 주식회사
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Abstract

다수의 셀이 결합된 발광 소자가 개시된다. 상기 발광 소자는, 전도성 기판, 상기 전도성 기판 상에 위치하는 다수의 수직형 발광 셀, 상기 전도성 기판과 상기 수직형 발광 셀 사이에 위치하는 절연층, 및 상기 다수의 수직형 발광 셀을 전기적으로 연결하는 도전성 배선을 포함한다.

Description

다수의 셀이 결합된 발광 소자 및 이의 제조 방법 {LUMINOUS ELEMENT HAVING ARRAYED CELLS AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 다수의 셀이 결합된 발광 소자 및 이의 제조 방법 및 이를 이용한 발광 장치에 관한 것으로, 특히, 단일 기판상에 다수의 발광용 셀이 배열된 단일의 발광 소자와 이의 제조 방법에 관한 것이고, 또한, 이를 이용하여 제조된 발광장치에 관한 것이다.
발광 다이오드는 반도체의 p-n 접합구조를 이용하여 주입된 소수캐리어(전자 또는 양공)를 만들어내고, 이들의 재결합에 의하여 소정의 빛을 발산하는 소자를 지칭한다. 이러한 발광 다이오드는 표시 소자 및 백라이트로 이용되고 있으며, 최근 일반 조명용도로 이를 적용하기 위해 활발한 연구가 진행중이다.
이는 발광 다이오드가 기존의 전구 또는 형광등에 비해 소모 전력이 작고 수명이 길기 때문이다. 즉, 발광 다이오드의 소모 전력이 기존의 조명 장치에 비해 수 내지 수 십분의 1에 불과하고, 수명이 수 내지 수십배에 이르러, 소모 전력의 절감과 내구성 측면에서 월등하기 때문이다.
일반적으로, 발광 다이오드를 조명용으로 사용하기 위해서는 별도의 패키징 공정을 통해 발광 소자를 형성하고, 다수의 개별 발광소자를 와이어 본딩을 통해 직렬 연결하고, 외부에서 보호 회로 및 교류/직류 변환기 등을 설치하여 램프의 형태로 제작하였다.
도 1은 종래의 발광 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 발광 칩이 실장된 다수의 발광 소자(1)를 직렬 접속시켜 일반 조명 용도의 발광 장치를 제작하였다. 이를 위해 다수의 발광 소자(1)를 직렬로 배열한 다음, 금속배선 공정을 통해 각기 다른 발광 소자(1)내부의 발광 칩을 전기적으로 직렬 연결하였다. 이러한, 제조 공정에 관해서는 미국 공개 특허 제 5,463,280호에 개시되어 있다. 하지만, 상술한 구조를 통한 종래의 기술로 조명 용도의 발광 장치를 제작하였을 경우, 많은 갯수의 소자에 일일이 금속 배선 공정을 수행하여야 하기 때문에 공정단계가 많아지고 복잡해지는 문제가 발생한다. 또한, 공정의 단계가 증가할수록 이에 따른 불량 발생률 또한, 높아지게 되어 대량 생산에 걸림돌이 되고 있다. 또한, 소정의 충격에 의해 금속배선이 단락 되어 발광소자의 동작이 종료되는 경우가 발생할 수 있다. 또한, 개개의 발광 소자를 직렬로 배열하여야 함으로 인해 차지하게 되는 공간이 커지게 되어 램프의 크기가 상당히 커지는 단점이 발생하였다.
또한, 앞서 설명한 소자 레벨의 발광 칩 어레이가 아닌 웨이퍼 레벨에서의 마이크로칩을 어레이함에 관해서는 한국 공개특허공보 제2004-9818호에 개시되어 있다. 이는, 표시 장치에 관한 것으로 각각의 화소에 발광을 유도하는 발광 다이오드가 배치 되도록 발광 셀을 매트릭스 형태로 배열한다. 하지만, 상술한 매트릭스 형태로 배열된 구조의 소자를 발광시키기 위해서는 세로 방향과 가로 방향으로 각기 서로 다른 전기적 신호를 인가하여야할 뿐만 아니라, 전기적 신호를 어드레스 방식으로 인가하여야 하기 때문에 이를 제어하기가 극히 어렵다. 또한, 매트릭스 형태의 배열로 인해 배선간의 단선이 우려되고, 배선간의 중첩영역에 많은 간섭이 발생하게 된다. 또한, 상술한 매트릭스 형태의 구조로는 고전압이 인가 되는 조명용 발광장치에 적용할 수 없는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 단일 기판내에 다수의 발광 셀이 직렬 접속된 단일칩 형태의 발광 소자를 사용하여 발광 다이오드 램프를 제작할 수 있고, 웨이퍼 레벨에서 다수의 발광 셀을 전기적으로 연결하기 때문에 램프의 제작 공정을 단순화 할 수 있으며, 불량률을 감소시킬 수 있어 대량 생산에 유리한 다수의 셀이 어레이된 발광 소자 및 이의 제조 방법 및 이를 이용한 발광 장치를 제공함을 그 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자는, 전도성 기판, 상기 전도성 기판 상에 위치하는 다수의 수직형 발광 셀, 상기 전도성 기판과 상기 수직형 발광 셀 사이에 위치하는 절연층, 및 상기 다수의 수직형 발광 셀을 전기적으로 연결하는 도전성 배선을 포함한다.
상기 전도성 기판은 실리콘 기판 또는 반도체 기판일 수 있다.
상기 수직형 발광 셀들 각각은 순차적으로 적층된 P-GaN층, 활성층 및 N-GaN층을 포함할 수 있다.
상기 발광 소자는, 상기 수직형 발광 셀들 상에 형성된 전극 패드를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 다수의 수직형 발광 셀은 상기 전극 패드를 통하여 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 전극 패드는 제1 및 제2 전극 패드를 포함할 수 있고, 상기 제1 및 제2 전극 패드는 각각 상기 수직형 발광 셀의 상면 및 하면 상에 형성될 수 있다.
나아가, 상기 발광 소자는, 상기 제2 전극 패드와 인접하는 다른 수직형 발광 셀 사이의 기판 상에 위치하는 절연막을 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 발광 소자는, 상기 발광 소자의 일단부에 위치한 수직형 발광 셀 상에 형성된 별도의 외부 단자 전극을 더 포함할 수 있다.
상기 도전성 배선은 브리지 형태로 형성될 수 있다.
상기 도전성 배선은 도전성 물질을 포함할 수 있으며, 일정 두께를 가질 수 있다.
또한, 상기 도전성 물질은 금을 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 수직 타입의 다수의 발광 셀이 직렬 접속된 발광 셀 블록을 포함하는 발광 소자를 통해 조명용으로 사용할 수 있는 발광 장치를 제작할 수 있다.
또한, 웨이퍼 레벨에서 다수의 발광 셀을 전기적으로 연결하기 때문에 고전원 또는 가정용 교류 전원에서 발광할 수 있는 발광 소자를 제작할 수 있다.
또한, 다수의 발광 셀이 기판상에서 전기적으로 연결된 발광 소자를 사용하기 때문에 조명용 발광 장치의 제작 공정을 단순화시킬 수 있고, 조명용 발광 장치의 제작시 발생하는 불량률을 줄일 수 있으면, 조명용 발광 장치를 대량 생산할 수 있다.
또한, 발광 소자 칩의 전극과 소정의 정류 회로를 연결하여 교류 동작시 리플 요소를 최소화 하여 발광 효율을 극대화하고 저하체의 설치를 통해 LED 어레이에 걸리는 부하를 조절하여 발광 소자 칩을 보호할 수 있다.
도 1은 종래의 발광 장치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이고, 도 2c는 본 발명에 따른 발광 셀의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명은 기판상에 각기 분리된 다수의 수직형 발광 셀을 본딩하고, 다수의 수직형 발광 셀과 인접한 셀간의 서로 다른 전극 패드간을 전기적으로 연결한다. 즉, 발광 셀간을 직렬 연결하여 발광 소자를 형성한다. 이러한 수직형 발광 셀의 구조를 간략히 살펴보면, N형 패드, N형 반도체층, P형 반도체층 및 P형 패드가 순차적으로 적층되어 있다. 물론 발광 셀의 특성에 따라 다양한 물질층이 더 첨가 될 수 있다. 이러한 구조의 발광 셀들이 기판상에 본딩되고, 각기 직렬 접속되어 있는 발광 소자를 제조하기 위해서는 다양한 제조 방법들이 제공될 수 있다.
이에 관한 구체적인 설명은 하기에서 도면을 참조하여 설명한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이고, 도 2c는 본 발명에 따른 발광 셀의 단면도이다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 기판(10)상에 발광 반도체층(30)과 발광 반도체층(3) 상하에 형성된 제 1 및 제 2 전극 패드(20 및 40)를 갖는 다수의 수직형 발광 셀(100)을 본딩한다.
기판(10)으로 본 실시예에서는 실리콘 기판을 사용한다. 물론 이에 한정되지 않고, 절연성의 기판을 사용할 수 있고, 실리콘 기판이외의 반도체 성질을 갖는 기판을 사용할 수도 있고, 열전도성이 우수한 기판을 사용할 수도 있다. 만일 전도성의 기판을 사용할 경우는 절연을 위해 그 상부 표면에 절연층이 형성된 기판을 사용한다.
발광 셀(100)로는 SiC기판(32), n-GaN층(34) 및 p-GaN층(36)이 순차적으로 적층된 발광 반도체층(30)과, 발광 반도체층(30) 상하에 형성된 제 1 및 제 2 전극 패드(N형 전극패드 및 P형 전극패드; 20 및 40)를 포함하여 이루어진다. 이를 위해 SiC기판(32)상에 n-GaN층(34)과 p-GaN층(36)을 순차적으로 형성하고, SiC기판(32)의 하면에 제 1 전극 패드(20)를 형성하고, p-GaN층(36) 상면에 제 2 전극 패드(40)를 형성한다. 이때, n-GaN층(34)과 p-GaN층(36)을 SiC기판(32)상에 성장시킨후, SiC기판(32) 하부면의 일부를 식각공정 또는 CMP공정을 이용하여 제거할 수도 있다. 상기의 발광 반도체층(30)은 상기의 설명에 한정되지 않고, 버퍼층(미도시), 활성층(미도시) 등을 더 포함할 수 있다. 이후, 상기의 발광 셀(100)을 기판(10)상에 소정의 페이스트(미도시)를 이용하여 접착한다. 물론, 이외의 다양한 본딩방법을 이용하여 이둘간을 접착할 수 있다.
다음으로, 소정의 식각공정을 통해 발광 셀(100)중, 제 2 전극 패드(40)와 발광 반도체층(30)의 일부를 식각하여 하부의 제 1 전극 패드(20)의 일부를 노출시킨다. 이는 도 2b에서 보이는 바와 같이 발광 셀(100) 하부의 일부에 제 1 전극 패드(20)가 노출된 형상이 된다. 소정의 배선 형성공정을 통해 인접한 발광 셀(100)간의 전극들을 연결한다. 즉, 일 발광 셀(100)의 노출된 제 1 전극 패드(20)와 이와 인접한 다른 일 발광 셀(100)의 제 2 전극 패드(40)를 배선(50)으로 연결한다. 이때 브리지(Bridge) 공정 또는 스탭 커버리지(Step Coverage) 등의 공정을 통해 각기 인접한 발광 셀(100)의 제 1 전극 패드와 제 2 전극패드 간을 전기적으로 연결하는 도전성 배선(50)을 형성한다.
상술한 브리지 공정은 에어브리지 공정이라고도 하며, 서로 연결할 칩 간에 포토 공정을 이용해 감광액을 도포하고 현상하여 감광막 패턴을 형성하고, 그 위에 금속 등의 물질을 진공 증착등의 방법으로 먼저 박막으로 형성하고, 다시 그 위에 도금 또는 금속증착등의 방법으로 금을 포함하는 도전성 물질을 일정 두께로 도포한다. 이후, 솔벤트등의 용액으로 감광막 패턴을 제거하면 도전성 물질의 하부는 다 제거되고 브리지 형태의 도전성 물질 만이 공간에 형성된다.
또한, 스텝커버리지 공정은 서로 연결할 칩 간에 포토공정을 이용해 감광액을 도포하고, 현상하여 서로 연결될 부분만을 남기고 다른 부분은 감광막 패턴으로 뒤덮고, 그 위에 도금 또는 금속증착 등의 방법으로 금을 포함하는 도전성 물질을 일정두께로 도포한다. 이어서, 솔벤트 등의 용액으로 감광막 패턴을 제거하면 도전성 물질이 덮인 이외의 부분은 다 제거되고 이 덮혀진 부분 만이 남아 연결할 칩 사이를 전기적으로 연결시키는 역할을 하게 되다. 또한, 상기의 배선으로는 금속뿐만 아니라 전도성을 갖는 모든 물질들을 사용할 수 있다. 상술한 배선 형성공정은 이에 한정되는 것이 아니라 다양한 실시예가 가능하다. 이에 관해서는 후술한다.
본 발명의 발광 소자 일단부에 위치한 발광 셀(100)의 제 1 전극 패드(20)와 다른 일 단부에 위치한 발광 셀(100)의 제 2 전극 패드(40) 각각에 별도의 외부 단자 전극을 형성하여 외부로 부터 소정의 전원을 입력받을 수 있도록 한다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 앞선 실시예에서 설명한 바와 같이 발광 반도체층(30)과 발광 반도체층(30) 상하에 형성된 제 1 및 제 2 전극 패드(20 및 40)을 포함하는 발광 셀(100)을 기판(10)상에 본딩한 다음, 소정의 식각공정을 통해 제 2 전극 패드(40) 및 발광 반도체층(30)의 일부를 식각하여 제 1 전극 패드(20)의 일부를 노출한다. 이후, 노출된 제 1 전극 패드(20)와 인접한 발광 셀 사이의 기판(10)상에 후속 배선과의 쇼트를 방지하기 위한 소정의 절연막(45)을 형성한다. 이후, 소정의 금속배선 공정을 이용하여 인접한 발광 셀(100)간의 전극들을 배선(50)으로 연결한다. 이러한 절연막(45) 및 배선(50)은 인쇄 공정을 통해 형성할 수도 있고, 소정의 증착, 패터닝 및 식각공정을 통해 형성될 수 있다.
상기의 발광 소자의 제조는 상술한 공정에 한정되지 않고, 발광 셀의 식각을 실시하지 않고, 발광 셀보다 더 큰 폭의 전극 패턴을 기판상에 형성한 다음 그 상부에 발광 셀을 본딩할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 소정의 전극 패턴(15)이 형성된 기판(10)의 전극패턴(15) 상에 발광 반도체층(30)과, 발광 반도체층(30) 상하에 제 1 및 제 2 전극 패드(20 및 40)가 형성된 발광 셀(100)을 본딩한다.
기판(10)상에 형성된 전극 패턴(15)은 발광 셀(100)을 직렬 연결시키기 위한 다양한 어레이가 가능하다. 물론 전극 패턴(15)은 목표로 하는 발광 셀(100)의 개수만큼 형성하고, 발광 셀(100)의 크기보다 일측방향으로 길게 형성한다. 또한, 각각의 전극 패턴(15)간은 전기적 물리적으로 분리 되어 있다. 상기의 발광 셀(100)은 앞선 도 2에서 설명한 발광 셀(100)을 사용한다.
이때, 본 실시예에서는 기판(10) 상에 전극 패턴(15)이 형성되어 있으므로 발광 셀(100)의 제 1 전극 패드(20)를 형성하지 않고, 기판(10)상의 전극 패턴(15)을 제 1 전극 패드(20)로 사용할 수 있다.
상기의 발광 셀(100)을 기판(10)의 전극 패턴(15)상에 본딩한다. 이때, 발광 셀(100)의 제 1 전극 패드(20)과 기판(10)의 전극 패턴(15)을 본딩하기 위해 도전성의 페이스트를 사용한다. 물론, 이외의 다양한 본딩방법을 이용하여 이둘간을 접착할 수 있다. 이때, 도 4b에서 보이는 바와 같이 하부 전극 패턴(15)의 일측에 발광 셀(100)을 정렬하여 다른 일 측으로 하부 전극 패턴(15)이 노출되도록 한다.
이후, 일 발광 셀(100)과 접속된 전극 패턴(15)과 인접한 일 발광 셀의 제 2 전극 패드(40)를 도전성 배선(50)을 이용하여 전기적으로 연결한다. 이로써, 일 발광 셀(100)의 제 1 전극 패드(20)은 전극 패턴(15)과 배선(50)을 통해 인접한 다른 일 발광 셀(100)의 제 2 전극 패드(40)과 접속되어 다수의 발광 셀(100)이 직렬 접속된다. 한편, 발광 셀(100)에 제 1 전극 패드(20)를 형성하지 않는 경우는 발광 셀(100)의 반도체층(30)이 기판(10)의 전극 패턴(15)과 배선(50)을 통해 인접한 다른 발광 셀과 연결된다.
상술한 본 발명의 실시예는 각각의 실시예에 한정되지 않고 각각의 실시예간 변환이 가능하고 다양한 형태의 변형이 가능하다. 즉, 발광 반도체층(30)의 형성에 있어서도 다수의 반도체막들이 더 추가 될 수도 있고, 인접한 발광 셀(100)간을 연결하기 위해서 별도의 절연막을 형성하여 인접한 셀간을 전기적으로 고립시킨 다음, 각각의 전극을 노출하여 이들간을 소정의 배선(50)으로 연결할 수도 있다.
그리고 본 발명의 발광 소자를 구성하는 수직형 발광 셀(100)의 개수는 교류 구동이 가능한 전압의 숫자 만큼 형성하는 것이 효과적이다. 즉, 본 발명에서는 단일 발광 셀(100)을 구동하기 위한 전압/전류와 조명용 발광소자에 인가되는 교류 구동전압에 따라 직렬 접속되는 발광 셀(100)의 개수가 매우 다양할 수 있다. 물론 바람직하게는 10 내지 1000개의 발광 셀을 직렬 접속한다. 더욱 바람직하게는 30 내지 70개의 셀을 직렬 접속하는 것이 효과적이다. 예를 들어, 가정용 220V 교류 구동에서는 일정 구동 전류에 3.3V 짜리 단위 발광 다이오드 셀을 66 내지 67개를 직렬로 연결하여 발광 소자를 제작한다. 또한, 110V 교류 구동에서는 일정 구동 전류에 3.3V 짜리 단위 발광 다이오드 셀을 33 내지 34개를 직렬로 연결하여 발광 소자를 제작한다.
또한, 상술한 발광 소자는 외부 교류전압을 정류하기 위한 정류용 제 1 내지 제 4 다이오드(미도시)가 형성될 수 있다. 제 1 내지 제 4 다이오드는 정류 브리지형태로 배열된다. 제 1 내지 제 4 다이오드간의 정류 노드들이 각기 발광 셀의 N형 패드와 P형 패드에 접속될 수 있다. 상기 제 1 내지 제 4 다이오드로 발광 셀을 사용할 수 있다.
1, 200 : 발광 소자 10 : 기판
20, 40 : 전극 30 : 반도체층
32 : SiC기판 34 : n-GaN
36 : p-GaN 50 : 배선
100 : 발광 셀
210 내지 260 : 외부 단자 전극
310 내지 340 : 다이오드 블록

Claims (12)

  1. 전도성 기판;
    상기 전도성 기판 상에 위치하는 다수의 수직형 발광 셀;
    상기 전도성 기판과 상기 수직형 발광 셀 사이에 위치하는 절연층; 및
    상기 다수의 수직형 발광 셀을 전기적으로 연결하는 도전성 배선을 포함하고,
    상기 수직형 발광 셀들 각각은 순차적으로 적층된 P-GaN층, 활성층, N-GaN층 및 SiC 기판을 포함하는 발광 소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전도성 기판은 실리콘 기판 또는 반도체 기판인 발광 소자.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 수직형 발광 셀들 상에 형성된 전극 패드를 더 포함하는 발광 소자.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 다수의 수직형 발광 셀은 상기 전극 패드를 통하여 전기적으로 연결된 발광 소자.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 전극 패드는 제1 및 제2 전극 패드를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 전극 패드는 각각 상기 수직형 발광 셀의 상면 및 하면 상에 형성된 발광 소자.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제2 전극 패드와 인접하는 다른 수직형 발광 셀 사이의 기판 상에 위치하는 절연막을 더 포함하는 발광 소자.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 발광 소자의 일단부에 위치한 수직형 발광 셀 상에 형성된 별도의 외부 단자 전극을 더 포함하는 발광 소자.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 도전성 배선은 브리지 형태로 형성된 발광 소자.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 도전성 배선은 도전성 물질을 포함하며, 일정 두께를 갖는 발광 소자.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 도전성 물질은 금을 포함하는 발광 소자.
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