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KR100631969B1 - 질화물 반도체 발광소자 - Google Patents

질화물 반도체 발광소자 Download PDF

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KR100631969B1
KR100631969B1 KR1020050016522A KR20050016522A KR100631969B1 KR 100631969 B1 KR100631969 B1 KR 100631969B1 KR 1020050016522 A KR1020050016522 A KR 1020050016522A KR 20050016522 A KR20050016522 A KR 20050016522A KR 100631969 B1 KR100631969 B1 KR 100631969B1
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light emitting
nitride semiconductor
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bonding pads
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Abstract

본 발명은 플립칩형 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로서, 제1 및 제2 도전형 질화물 반도체층과 그 사이에 형성된 활성층을 갖는 발광구조물과, 상기 제1 및 제2 도전형 질화물 반도체층 상에 각각 접속되며, 상기 발광구조물의 상면 모서리에 인접하여 배치된 본딩패드와 그로부터 연장된 적어도 하나의 전극지로 이루어진 복수개의 제1 및 제2 전극을 포함하고, 상기 본딩패드는 상기 발광구조물의 모서리방향으로 따라 서로 다른 극성이 교대로 배치되고, 상기 본딩패드의 배열은 상기 발광구조물의 중심을 기준으로 거의 대칭구조를 이루며, 상기 전극지는 상기 발광구조물의 중심을 향해 서로 다른 극성의 전극지와 인접하도록 적어도 1회 절곡되어 연장된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
질화물 반도체 발광소자(nitride semiconductor light emitting diode), 전류분산(current spreading)

Description

질화물 반도체 발광소자{NITRIDE SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE}
도1a 및 도1b는 각각 종래의 일예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 평면도 및 측단면도이다.
도2는 종래의 다른 예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 평면도이다.
도3a 및 도3b는 각각 본 발명의 일실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 평면도 및 측단면도이다.
도4a 및 도4b는 각각 본 발명의 개선된 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 평면도 및 측단면도이다.
도5는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 포함한 플립칩형 발광소자 패키지를 나타낸다.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명>
40: 질화물 반도체 발광소자 42: n형 질화물 반도체층
43: 활성층 44: p형 질화물 반도체층
48: n측 전극 48a: n측 본딩패드
48b: 제1 n측 전극지 48c: 제2 n측 전극지
49: p측 전극 48a: p측 본딩패드
48b: 제1 p측 전극지 48c: 제2 p측 전극지
본 발명은 질화물 반도체 발광소자에 관한 것으로, 특히 고출력 조명장치 등에 적절히 사용될 수 있는 큰 사이즈를 갖는 고효율 질화물 반도체 발광소자에 관한 것이다.
일반적으로, 질화물 반도체는 GaN, InN, AlN 등과 같은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체결정으로서, 단파장광(자외선 내지 녹색광), 특히 청색광을 낼 수 있는 발광소자에 널리 사용된다. 이러한 질화물 반도체 발광소자는 결정성장을 위한 격자정합조건을 만족하는 사파이어기판이나 SiC기판 등의 절연성 기판을 이용하여 제조되므로, 통상적으로 p 및 n 질화물 반도체층에 연결된 2개의 전극이 발광구조의 상면에 거의 수평으로 배열되는 플래너(planar)구조를 갖는다.
플래너구조 질화물 발광소자는, 2개의 전극이 발광구조물 상하면에 각각 배치된 버티컬(vertical)구조 발광소자에 비해 전류흐름이 전체 발광영역에 균일하게 분포하지 못하므로, 발광에 가담하는 유효면적이 크지 못하고, 발광면적당 발광효 율도 낮다는 문제가 있다. 이러한 플래너구조 발광소자와 그로 인한 발광효율의 제한성을 도1a 및 도1b를 참조하여 설명한다.
도1a 및 도1b는 종래의 질화물 반도체 발광소자(10)의 일형태를 예시한다.
도1a에 도시된 질화물 반도체 발광소자(10)는 p측 전극(19)과 n측 전극(18)이 모두 상부를 향하며 거의 사각형인 상면의 대각선 방향으로 배열된 형태로 예시되어 있다.
보다 상세하게, 도1a의 A-A'선 단면을 나타내는 도1b을 참조하면, 상기 질화물 반도체 발광소자(10)는 사파이어 기판(11)과, 상기 기판(11) 상에 순차적으로 형성된 n형 질화물 반도체층(12), 활성층(13) 및 p형 질화물 반도체층(14)을 포함한 구조를 가지며, 상기 p형 질화물 반도체층(14) 상에는 전체 면에 전류 분산효과를 위해서 ITO 등과 같은 투명전극층(17)를 추가적으로 구비할 수도 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 질화물 반도체층을 형성하는데 사용되는 사파이어 기판(11)은 전기적으로 절연성을 가지므로, n형 질화물 반도체층(12)에 접속될 n측 전극(18)은 p형 질화물 반도체층(14)과 활성층(13) 일부가 제거된 영역여 형성된다.
도1a 및 도1b에 도시된 플래너구조 반도체 발광소자(10)에서, 두 전극 사이의 전류흐름은 최단거리인 경로에서 집중되므로, 전류밀도가 집중되는 전류경로가 협소해지며, 수평방향의 전류흐름을 가지므로 큰 직렬저항으로 인해 비교적 높은 구동전압을 높아진다. 이러한 문제로 인해 실질적으로 발광에 참여하는 면적을 작 아진다. 이와 같이 질화물 반도체 발광소자는 플래너 구조라는 제한성으로 인해 단위면적당 전류밀도가 낮을 뿐만 아니라, 발광면적도 작아 면적효율이 낮다는 문제가 있다. 이러한 문제는 큰 사이즈(예, 1000㎛ ×1000㎛)인 조명장치용 발광소자에서 보다 심각해진다.
종래에, 이러한 문제를 완화하기 위해서, 전류밀도를 향상시키고 면적효율성을 향상시키기 위한 다양한 p측 전극과 n측 전극의 모양과 배열방안이 제안되었다. 일예로, 미국등록특허 제6486499호(공고일: 2002.11.26)에는 도2에 도시된 바와 같이 전극지구조를 이용하여 유효발광면적을 증가시키는 방안이 개시되어 있다.
도2를 참조하면, 기판 상에 순차적으로 적층된 n형 질화물 반도체층(22), 활성층 및 p형 질화물 반도체층(미도시)으로 이루어진 발광소자의 상면이 도시되어 있다. 상기 발광소자의 상면에는 p형 질화물 반도체층 및 n형 질화물 반도체층(22)에 각각 연결된 불투명전극(27) 및 n측 전극(28)이 형성된다. 상기 불투명전극(27) 상에는 p측 본딩패드(29)가 다수개 배열된다. 상기 n측 전극(28)은 각각 2개의 본딩패드(28a)와 그로부터 연장되어 다수의 전극지(28b)를 포함한다. 이러한 전극구조에서는 전극지(28b)를 통해 추가적인 전류경로를 제공하여 전극간의 측방향 평균거리를 감소시킬 수 있다.
이와 같이, 상기한 종래의 형태는 안정적인 플립칩 본딩과 균일한 전류공급위해 본딩패드가 다수개로 복잡하게 배치된 구조를 가지므로, 본딩공정이 복잡해질 뿐만 아니라, 안정적인 소자의 지지가 어렵다는 문제가 있다. 예를 들어, 중앙에 가까운 p측 본딩패드에 대한 플립칩 본딩공정이 어려우며, 전체 면적에 걸쳐 비대칭적으로 전극이 배치되므로, 안정적인 지지를 위해 지나치게 많은 본딩패드가 요구되는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 목적은 보다 용이한 플립칩 본딩공정이 가능하면서 안정적인 지지가 가능한 본딩패드의 배열을 실현하면서 전류분산효율을 보다 향상시킬 있는 새로운 전극구조를 갖는 플립칩 질화물 반도체 발광소자를 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은 제1 및 제2 도전형 질화물 반도체층과 그 사이에 형성된 활성층을 포함하며 다각형의 상면을 갖는 발광구조물과, 상기 제1 및 제2 도전형 질화물 반도체층 상에 각각 접속되며, 상기 발광구조물의 상면 모서리에 인접하여 배치된 본딩패드와 그로부터 연장된 적어도 하나의 전극지로 이루어진 복수개의 제1 및 제2 전극을 포함하고, 상기 본딩패드는 상기 발광구조물의 모서리방향으로 따라 서로 다른 극성이 교대로 배치되고, 상기 본딩패드의 배열은 상기 발광구조물의 중심을 기준으로 거의 대칭구조를 이루며, 상기 전극지는 상기 발광구조물의 중심을 향해 서로 다른 극성의 전극지와 인접하도록 적어도 1회 절곡되어 연장된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 발광구조물의 상면은 사각형이며, 상기 제1 전극의 본딩패드는 대향하는 두 코너에 배치되며, 상기 제2 전극의 본딩패드는 대향하는 다른 두 코너에 배치된다.
바람직하게는, 전류의 균일한 분포를 위해서, 상기 제1 및 제2 전극의 전극지는 거의 동일한 간격으로 형성된다. 상기 전극지 중 한 극성의 전극지는 서로 연결되어 일체로 형성될 수도 있다.
전류분산효과를 보다 향상시키기 위해서, 상기 제1 및 제2 전극은 인접한 다른 극성의 본딩패드를 향해 상기 발광구조물 상면의 모서리를 따라 연장된 전극지를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 플립칩 본딩된 상태에서 발광효율을 보다 향상시키기 위해서, 상기 제2 도전형 질화물 반도체층 상에는 접촉저항을 감소시키기 위한 반사성 오믹콘택층을 더 포함하며, 상기 제2 전극은 상기 반사성 오믹콘택층 상에 형성될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도3a 및 도3b는 각각 본 발명의 일실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자를 나타내는 평면도 및 측단면도이다. 여기서, 도3b는 도3a에 도시된 구조를 B-B'로 절개해 본 측단면도이다.
본 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자(30)는 기판(31) 상에 형성된 질화물 발광구조물(35)을 포함하며, 상기 발광구조물(35)은 n형 및 p형 질화물 반도체층(32,34)과 그 사이에 형성된 활성층(33)을 갖는 발광구조물로 이루어진다(도3b 참조).
도3a에 도시된 바와 같이, 상기 p형 질화물 반도체층(34) 및 n형 질화물 반도체층(32) 상에는 각각 2개의 p측 전극(39)과 2개의 n측 전극(38)이 형성된다. 상기 각 n측 및 p측 전극(38,39)은 상기 발광구조물의 상면 모서리에 인접하여 배치된 본딩패드(38a,39a)와 그로부터 연장된 전극지(38b,39b)를 갖는다. 상기 n측 및 p측 본딩패드(38a,39a)는 상기 발광구조물의 모서리방향으로 따라 서로 다른 극성이 교대로 배열되며, 이러한 배열은 상기 발광구조물의 중심을 기준으로 거의 대칭구조를 이룬다. 보다 구체적으로, 발광구조물(35)의 사각형인 상면에서, 상기 n측 본딩패드(38a)는 대향하는 두 코너에 배치되며, 상기 p측 본딩패드(39a)는 대향하는 다른 두 코너에 배치된다. 이러한 본딩패드(38a,39a)의 배열은 전체적으로 플립칩본딩의 안정성을 부여할 뿐만 아니라, 서로 교대로 각 코너에 배치되므로, 전류의 균일한 분산효과를 기대할 수 있다.
이러한 전류분산효과를 보다 향상시키기 위해서, 상기 전극지(38b 또는 39b)는 상기 발광구조물의 중심을 향해 서로 다른 극성의 전극지(39b 또는 38b)와 인접하도록 적어도 1회 절곡되어 연장된다. 본 실시형태와 같이, 상기 전극지(38b,39b)는 중심으로 향해 거의 나선형으로 연장되면서, 전체 면적의 균일한 전류분포를 위해서 서로 다른 극성의 전극지(38b,39b)끼리 동일한 간격(d)을 갖도록 배치될 수 있다. 이러한 전극지(38b,39b)의 구조와 배열은 코너에 위치한 본딩패드(38a,39a)로부터 제공되는 전류를 내부면적에서 균일하게 공급하여 유효발광면적을 확장시키면서 전체 면적에서 균일한 발광효율을 얻을 수 있다.
상기 n측 전극(38)은 도3b에 도시된 바와 같이, 상기 n형 도전형 질화물층(32)에 접속시키기 위해서 p형 질화물 반도체층(34)과 활성층(33)을 부분적으로 제거한 홈영역에 형성된다. 이와 같이, n측 나선형 전극지(38b)는 배열형태에 상응하도록 형성된 홈구조에 형성된다.
상술된 실시형태는 사각형인 상면을 갖는 발광구조물과 그 코너에 각각 형성된 2개의 p측 및 n측 본딩패드을 갖는 전극으로 한정되어 설명되었으나, 발광구조물의 상면은 사각형 외에도 육각형, 팔각형 등일 수 있으며, 이에 따라 모서리에 인접한 영역에 2이상의 본딩패드를 형성할 수도 있다.
또한, 도3a에 도시된 실시형태에서, 유효발광면적이 보다 증가되도록 각 본 딩패드로부터 연장된 추가적인 전극지를 필요한 영역에 형성할 수 있다.
도4a 및 도4b는 중심으로 절곡된 형태로 연장된 제1 전극지외에 추가적으로 변을 따라 연장된 제2 전극지를 갖는 질화물 반도체 발광소자를 도시한다.
본 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자(40)는 도3b와 유사하게 기판(41) 상에 형성된 질화물 발광구조물(45)을 포함하며, 상기 발광구조물(45)은 n형 및 p형 질화물 반도체층(42,44)과 그 사이에 형성된 활성층(43)을 갖는 발광구조물로 이루어진다(도4b 참조).
도4a에 도시된 바와 같이, 상기 p형 질화물 반도체층(44) 및 n형 질화물 반도체층(42) 상에는 각각 2개의 p측 전극(49)과 2개의 n측 전극(48)이 형성된다. 상기 각 n측 및 p측 전극(48,49)은 상기 발광구조물의 상면 모서리에 인접하여 배치된 본딩패드(48a,49a)와 그로부터 연장된 제1 및 제2 전극지(48b,48c,49b,49c)를 갖는다. 본 실시형태에서, 동일한 한 극성의 제1 전극지(48b 또는 48c)끼지는 서로 연장되도록 형성될 수도 있다.
상기 n측 및 p측 본딩패드(48a,49a)는 발광구조물의 사각형인 상면에서 상기 서로 동일한 극성끼리 대향하는 두 코너에 배치된다. 따라서, 플립칩 공정이 용이할 뿐만 아니라, 보다 안정적으로 실장할 수 있으며, 다른 극성이 본딩패드(48a,49b)가 교대로 각 코너에 배치되므로, 전류의 균일한 분산효과를 기대할 수 있다.
상기 n측 전극(48) 및 p측 전극(49)은 앞서 실시형태와 유사하게 내부면적에 서의 발광효율을 높히기 위해서, 상기 발광구조물의 중심을 향해 나선형으로 연장되며 다른 극성끼리 동일한 간격(d)을 배열된 제1 전극지(48b, 49b)를 구비한다. 본 실시형태에 따른 n측 및 p측 전극(48,49)은 변을 따라 인접한 다른 극성의 본딩패드를 향해 연장된 추가적인 제2 전극지(48c,49c)를 갖는다. 바람직하게, 상기 제2 전극지는 다른 극성의 전극지와도 동일한 간격(d)을 인접하도록 형성될 수 있다. 본 실시형태와 같은 전극배열에서는, 상기 제2 전극지(48c 또는 49c)는 다른 극성의 제1 전극지(49b 또는 48b)와 인접하도록 배치된다. 본 실시형태에 채용된 제2 전극지(38)는 전류가 제공되기 어려운 변영역에서 발광효율을 보다 높힐 수 있다. 이와 같이, 변영역뿐만 아니라 기하하적 구조로 인해 전류가 제공되기 어려운 영역에 본딩패드(48a,49a)로부터 연장된 추가적인 전극지를 제공할 수 있다. 본 실시형태에서, 상기 제2 전극지(48c,49c)는 직선형태로 도시되어 있으나, 발광구조물 상면의 형상 및 면적에 따라 절곡된 형태로 형성될 수도 있다.
도4b는 도4a의 질화물 반도체 발광소자를 C1-C1'로 절개한 단면도이다. 도4b를 참조하면, 도3b에 비해, 제2 전극지(48c,49c)를 추가함으로써 전체 면적을 보다 세분화하여 전체 면적에 걸쳐 균일한 전류흐름을 제공할 수 있다.
도5는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화물 반도체 발광소자(50)를 포함한 플립칩형 발광소자 패키지를 나타낸다.
도5를 참조하면, 패키지기판(61)과 그 위에 플립칩 본딩된 질화물 반도체 발광소자(50)을 포함한 플립칩 발광소자 패키지(60)가 도시되어 있다. 상기 질화물 반도체 발광소자(50)는 사파이어기판(51)과 그 일측에 형성된 n형 및 p형 질화물 반도체층(52,54)과 그 사이에 형성된 활성층(53)을 갖는다. 도5에 도시된 질화물 발광소자는 도4a와 유사한 전극구조를 갖는 형태로서, C2-C2'로 절개하여 A방향으로 본 측단면으로 이해될 수 있다.
다만, 플립칩 본딩구조에서 광방출방향, 즉 사파이어기판(51)측으로 향하는 광량이 증가하도록 p형 질화물 반도체층(52) 상에 형성된 반사기능을 갖는 오믹전극(57)을 추가로 포함하며, 상기 p측 전극(59)은 상기 오믹전극(57) 상에 형성된다.
상기 질화물 반도체 발광소자(50)의 본딩패드(58a,59a)는 상기 패키지기판(61)의 도체패턴(62a,62b) 상에 솔더(64a,64b)에 의해 접속된다. 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자(50)는 도3b 및 도4b에서 설명된 바와 같이 각 코너에 인접하여 대칭구조로 배열된 4개의 본딩패드(58a,59a: 단, 2개는 생략되어 도시됨)를 가지므로, 플립칩 본딩공정을 용이하게 할 수 있을 뿐만 아니라, 소자(50)를 보다 안정적으로 지지할 수 있으므로 기계적 신뢰성을 추가적으로 확보할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 새로운 전극배열구조에 따르면, 전류분산효율을 보다 향상시켜 발광효율을 증대시킬 뿐만 아니라, 플립칩 본딩공정이 용이하면서도 플립칩본딩상테에서 소자의 안정적인 지지를 실현할 수 있다.

Claims (6)

  1. 제1 및 제2 도전형 질화물 반도체층과 그 사이에 형성된 활성층을 포함하며 다각형의 상면을 갖는 발광구조물; 및,
    상기 제1 및 제2 도전형 질화물 반도체층 상에 각각 접속되며, 상기 발광구조물의 상면 모서리에 인접하여 배치된 본딩패드와 그로부터 연장된 적어도 하나의 전극지로 이루어진 복수개의 제1 및 제2 전극을 포함하고,
    상기 본딩패드는 상기 발광구조물의 모서리방향으로 따라 서로 다른 극성이 교대로 배치되고, 상기 본딩패드의 배열은 상기 발광구조물의 중심을 기준으로 거의 대칭구조를 이루며,
    상기 전극지는 상기 발광구조물의 중심을 향해 서로 다른 극성의 전극지와 인접하도록 적어도 1회 절곡되어 연장된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발광구조물의 상면은 사각형이며,
    상기 제1 전극의 본딩패드는 대향하는 두 코너에 배치되며, 상기 제2 전극의 본딩패드는 대향하는 다른 두 코너에 배치된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극의 전극지는 거의 동일한 간격으로 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전극지 중 한 극성의 전극지는 서로 연결된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극은 인접한 다른 극성의 본딩패드를 향해 상기 발광구조물 상면의 모서리를 따라 연장된 적어도 하나의 전극지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도전형 질화물 반도체층 상에는 접촉저항을 감소시키기 위한 반사성 오믹콘택층을 더 포함하며, 상기 제2 전극은 상기 반사성 오믹콘택층 상에 형성된 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
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