KR20110135103A - 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

비아 홀에 의해 발광 구조물과 기판이 전기적으로 연결되는 반도체 발광 소자 및 이의 제조 방법이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광 소자는, 제 1 반도체층, 활성층 및 제 2 반도체층이 순서대로 적층된 구조이며, 적층 구조의 중앙부에 제 1 반도체층 및 활성층 없이 제 2 반도체층만으로 이루어진 구조를 포함하는 발광 구조물; 발광 구조물이 연결되는 기판; 제 1 반도체층과 기판을 전기적으로 연결하는 제 1 전극부; 및 발광 구조물의 중앙부에 위치하며, 제 2 반도체층과 기판을 전기적으로 연결하는 제 2 전극부;를 포함한다.

Description

반도체 발광 소자 및 그 제조 방법 {Semiconductor light emitting device and method of manufacturing the same}

본 발명은 반도체 발광 소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 비아 홀에 의해 반도체층과 기판이 전기적으로 연결되는 반도체 발광 소자와 이의 제조 방법에 관한 것이다.

발광 소자(light emission diode, LED)는 반도체의 p-n 접합 구조를 이용하여 소수 캐리어를 형성하고, 이들의 재결합에 의하여 소정의 빛을 발산하는 소자이다. GaN를 비롯한 III족 질화물 반도체는 녹색, 청색 및 자외선 영역까지의 빛을 생성할 수 있으며, 발광 소자 또는 레이저 소자 등의 핵심 소재로 사용되고 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 비아 홀을 통한 전극부를 발광 소자의 중앙부에 형성하여, 열방출 효율이 향상되고 광방출 성능이 개선된 반도체 발광 소자를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 광방출 효율이 향상된 고휘도의 발광 소자를 구현하기 위해, 비아 홀을 통한 전극부를 형성하는 반도체 발광 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 형태에 따른 반도체 발광 소자가 제공된다. 상기 반도체 발광 소자는, 제 1 반도체층, 활성층 및 제 2 반도체층이 순서대로 적층된 구조이며, 상기 적층 구조의 중앙부에 상기 제 1 반도체층 및 상기 활성층 없이 상기 제 2 반도체층만으로 이루어진 구조를 포함하는 발광 구조물; 상기 발광 구조물이 연결되는 기판; 상기 제 1 반도체층과 상기 기판을 전기적으로 연결하는 제 1 전극부; 및 상기 발광 구조물의 중앙부에 위치하며, 상기 제 2 반도체층과 상기 기판을 전기적으로 연결하는 제 2 전극부;를 포함한다.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제 2 전극부는, 상기 제 2 반도체층과 상기 기판을 관통하는 비아 홀에 매립되는 전도성 물질을 포함할 수 있다.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제 2 전극부는 솔더 볼을 포함할 수 있다.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제 2 전극부와 상기 발광 구조물 및 상기 기판 사이에 절연부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제 1 반도체층은 p형 GaN를 포함하고, 상기 제 2 반도체층은 n형 GaN를 포함할 수 있다.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제 2 반도체층의 상부면에 마이크로 렌지 어레이(micro lens array, MLA)가 형성될 수 있다.

본 발명의 일 형태에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법이 제공된다. 상기 제조 방법은, 베이스 기판 상에 제 2 반도체층, 활성층, 및 제 1 반도체층을 순차적으로 적층하여 발광 구조물을 형성하는 단계; 상기 발광 구조물의 중앙에, 상기 제 1 반도체층 및 상기 활성층의 일부를 식각하여, 상기 제 2 반도체층의 일부를 노출시키는 단계; 상기 제 1 반도체층 상에 제 1 전극을 형성하고, 상기 제 2 반도체층이 노출된 면에 제 2 전극을 형성하는 단계; 상기 제 2 전극 상에, 상면의 높이가 상기 제 1 전극과 동일하도록 절연성 물질을 채우는 단계; 상기 절연성 물질 중앙에 식각을 통해 비아 홀을 형성하는 단계; 상기 비아 홀에 전도성 물질을 채우는 단계; 기판 상에 제 1 전극 패드 및 제 2 전극 패드를 형성하는 단계; 및 상기 제 1 전극과 상기 제 1 전극 패드를 연결하고, 상기 비아 홀과 상기 제 2 전극 패드를 연결하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 비아 홀에 전도성 물질을 채우는 단계 이후에, 상기 절연성 물질을 제거하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 연결하는 단계 이후에, 상기 베이스 기판을 제거하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 베이스 기판을 제거하는 단계 이후에, 제 2 반도체층의 상부면에 마이크로 렌지 어레이를 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 형태에 따른 반도체 발광 소자의 제조 방법이 제공된다. 상기 제조 방법은, 베이스 기판 상에 제 2 반도체층, 활성층, 및 제 1 반도체층을 순차적으로 적층하여 발광 구조물을 형성하는 단계; 상기 발광 구조물의 중앙에, 상기 제 1 반도체층 및 상기 활성층의 일부를 식각하여, 상기 제 2 반도체층의 일부를 노출시키는 단계; 상기 제 1 반도체층 상에 제 1 전극을 형성하고, 상기 제 2 반도체층이 노출된 면에 제 2 전극을 형성하는 단계; 기판 상에 제 1 전극 패드 및 제 2 전극 패드를 형성하는 단계; 및 상기 제 1 전극과 상기 제 1 전극 패드를 연결하고, 상기 제 2 전극과 상기 제 2 전극 패드를 연결하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 연결하는 단계는, 상기 제 2 전극과 상기 제 2 전극 패드를 솔더 볼(solder ball)을 통해 연결하는 공정을 포함할 수 있다.

본 발명의 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 따르면, 빛이 방출되는 면에 전극이 형성되지 않으며, 전극부를 형성하는 데 사용되는 면적을 줄일 수 있어 열방출 효율이 향상되고 광효율이 개선된 고휘도의 반도체 발광 소자를 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2a 내지 도 2i는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 발광 소자를 제조하기 위한 예시적인 방법을 설명하기 위하여 제조 공정을 순서대로 도시한 개략적인 단면도들이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 발광 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 발광 소자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 발광 소자들을 개략적으로 도시한 단면도들이다.
도 6a 내지 도 6e는 도 5a의 반도체 발광 소자를 제조하기 위한 예시적인 방법을 설명하기 위하여 제조 공정을 순서대로 도시한 개략적인 단면도들이다.

다음에 예시하는 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것으로 해석되는 것이 바람직하다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.

명세서 전체에 걸쳐서 층, 영역, 또는 기판 등과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에" 또는 "연결되어" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 다른 구성요소 "상에" 또는 "연결되어" 접촉하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

III족 질화물 반도체를 이용한 발광 소자는 GaAs, AlGaAs, GaN, InGaN, AlGaInP 등의 재료를 발광원으로 구성하여 다양한 색을 구현한다. 이러한 발광 소자의 응용분야를 확대하기 위해서는 광방출 효율의 개선 및 열방출 문제의 해결을 통해 고휘도화 및 고출력화를 달성하여야 한다.

도 1은 본 발명의 기술적 사상에 따른 반도체 발광 소자의 일 실시예를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 반도체 발광 소자는 크게 제 1 반도체층(140), 활성층(150) 및 제 2 반도체층(170)으로 이루어진 발광 구조물과 기판(110) 및 상기 발광 구조물과 상기 기판을 연결하는 전극부들(120, 130)을 포함한다. 상기 발광 구조물은 제 1 반도체층(140), 활성층(150) 및 제 2 반도체층(170) 순으로 적층 구조를 이루고 있으며, 적층 구조의 중앙에 제 2 반도체층(170)의 하부면이 노출되어 있다. 상기 제 1 반도체층(140)과 기판(110)을 전기적으로 연결하는 제 1 전극부(120) 및 상기 제 2 반도체층(170)의 중앙의 하부면과 상기 기판(110)을 연결하는 제 2 전극부(130)가 배치된다. 상기 제 2 전극부(130)는 절연부(160)에 의해 둘러싸일 수 있다.

상기 기판(110)은 에폭시 수지, 폴리이미드 수지, 비스말레마이드 트리아진(BT) 수지, FR-4(Flame Retardant 4), FR-5, 세라믹, 실리콘, 또는 유리를 포함할 수 있으나, 이는 예시적이며, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.　 기판(110)은 단일층이거나 또는 그 내부에 배선 패턴들을 포함하는 다층 구조를 포함할 수 있다.　 예를 들어, 기판(110)은 하나의 강성(Rigid) 평판이거나, 복수의 강성 평판이 접착되어 형성되거나, 얇은 가요성 인쇄회로기판과 강성 평판이 접착되어 형성될 수 있다.　 서로 접착되는 복수의 강성 평판들, 또는 인쇄회로기판들은 배선 패턴을 각각 포함할 수 있다.　 또한, 기판(110)은 LTCC(low temperature co-fired ceramic) 기판일 수 있다.　 상기 LTCC 기판은 복수의 세라믹 층이 적층되고, 그 내부에 배선 패턴을 포함할 수 있다.　

상기 제 1 반도체층(140) 및 상기 제 2 반도체층(170) 서로 다른 타입(type)의 불순물이 주입된 반도체 물질이며, 제 1 반도체층(140)은 p-타입이고 제 2 반도체층(170)은 n-타입일 수 있다. 반도체층들(140, 170)의 경우, 불순물이 주입된 GaN, AlGaN, GaInN 및 이를 이용한 다중층을 포함할 수 있으며, n-타입 불순물은 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 텔륨(Te) 또는 탄소(C)일 수 있고, p-타입 불순물은 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 베릴륨(Be)일 수 있다.

상기 활성층(150)은 전자와 정공의 재결합에 의해 빛이 발생하는 층으로서, 단일 또는 다중 양자우물(quantum well) 구조일 수 있다. 예를 들어, 다중 양자우물 구조의 InGaN/GaN일 수 있다. 활성층(150)을 이루는 물질의 종류에 따라 발광 파장이 변화되므로 발광 소자의 요구되는 파장에 따라 활성층(150)에 포함되는 반도체 재료를 조절할 수 있다.

상기 제 1 전극부(120) 및 상기 제 2 전극부(130)는 폴리실리콘, 알루미늄(Al), 금(Au), 베릴륨(Be), 비스무트(Bi), 코발트(Co), 하프늄(Hf), 인듐(In), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 납(Pb), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 로듐(Rh), 레늄(Re), 루테늄(Ru), 탄탈(Ta), 텔륨(Te), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 이들의 질화물, 및 이들의 실리사이드 중 어느 하나 또는 그 이상을 포함하는 단일층 또는 복합층일 수 있다. 상기 전극부들(120, 130)은 고반사성 오믹 콘택층을 포함할 수 있으며, 반도체층들(140, 170)과의 오믹 콘택 기능과 더불어 활성층(150)에서 발광된 빛을 발광 방향으로 반사하는 기능을 수행하여 광방출 효율의 상승에 기여할 수 있다. 또한, 상기 전극부들(120, 130)은 투광성 오믹 콘택(Ohimic contact) 물질을 포함할 수 있다. 상기 투광성 오믹 콘택 물질은, 인듐-주석계 산화물(ITO), 인듐 산화물(IO), 주석계 산화물(SnO₂), 아연계 산화물(ZnO) 및 인듐-아연계 산화물(IZO) 중 선택된 산화물일 수 있다. 특히, 상기 제 2 전극부(130)는 비아 홀에 전도성 물질을 매립한 구조일 수 있으며 이 경우, 전극 형성에 의해 기판(110)과 연결되는 부분의 면적을 작게 할 수 있는 장점이 있다. 제 2 전극부(130)를 구성하는 매립된 비아 홀의 개수는 하나 이상일 수 있다. 상기 전극부들(120, 130)은 기판(110)과의 사이에 본딩 패드를 포함할 수 있으며, 기판(110)에 형성된 배선 패턴에 본딩될 수 있다.

상기 절연부(160)는, 상기 제 2 전극부(130)를 측면의 제 1 전극부(120), 제 1 반도체층(140) 및 활성층(150)과 전기적으로 분리시키기 위해 증착된다. 상기 절연부(160)는 실리콘 산화물(SiO₂), 실리콘 질화물(Si₃N₄), 실리콘 산질화물(SiON), 또는 고유전율(high-k) 유전물 층 중 어느 하나 또는 그 이상을 포함하는 단일층이거나 또는 상기 물질들 중 어느 하나 또는 그 이상의 물질들을 각각 포함하는 복수의 층들이 적층된 복합층일 수 있다.

도 1의 반도체 발광 소자는, 상기 제 2 반도체층(170)의 상부로 빛이 방출될 수 있으며, 이 경우 전극부들(120, 130)이 빛이 방출되는 면에 형성되지 않으므로 빛의 차폐율이 적고, 와이어를 사용하여 발광 소자를 구동하지 않으므로 이로 인한 열 저항 및 선 저항이 문제되지 않으며, 기판(110)으로 열이 빠져나갈 수 있으므로 열방출 효율이 높아 소형 패키지에도 응용이 용이한 장점이 있다. 또한, 전류가 제 2 전극부(130)의 상단에서부터 측면으로 펼쳐져 진행되므로, 협소한 전류 흐름을 방지하여 이로 인한 순방향 전압의 증가 및 정전기 방전(electrostatic discharge) 등의 문제를 방지할 수 있다. 또한, 상기 제 2 전극부(130)가 매립된 비아 홀인 경우, 형성 가능한 크기의 범위가 넓으므로, 제 2 전극부(130)를 작게 형성할 수 있어, 발광이 일어나는 활성층(150)의 영역을 확보하기 용이하다. 발광 소자의 중앙부의 제 2 전극부(130)를 둘러싸는 주변부의 활성층(150)에서 발광이 일어나므로, 빛이 가우시안(Gaussian) 분포를 갖는 경우 주변부의 빛이 서로 더해져서 소자 전체에서 고른 발광 세기를 나타낼 수 있으며, 소자의 중심에만 광의 세기가 크고 주변부는 광의 세기가 약한 문제를 예방할 수 있다. 또한, 전극부들(120, 130)을 통해 안정적인 전기 접촉이 구현되므로, 중심 파장 이외의 발광 성능을 저해하는 스펙트럼이 발생하지 않는다.

도 2a 내지 도 2i는 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 반도체 발광 소자를 제조하기 위한 예시적인 방법을 설명하기 위하여 제조 공정을 순서대로 도시한 개략적인 단면도들이다.

도 2a를 참조하면, 베이스 기판(100) 상에 제 2 반도체층(170), 활성층(150) 및 제 1 반도체층(140)을 순서대로 적층하여 발광 구조물을 형성한다. 상기 베이스 기판(100)은 발광 구조물을 제작하기 위한 통상의 웨이퍼를 지칭하는 것으로, 갈륨 질화물(GaN), 실리콘 탄화물(SiC) 및 실리콘(Si) 기판 또는 사파이어, 징크 산화물(ZnO) 및 리튬 알루미나(LiAl₂O₃) 등의 투명 기판을 사용할 수 있으며, 반도체층이 성장될 수 있는 기판이라면 재료에 무관하게 사용 가능하다. 상기 베이스 기판(100) 상에 반도체층들(140, 170)을 형성 하기 전에 베이스 기판(100)과의 격자 부정합도를 줄이기 위해 알루미늄 질화물(AlN) 또는 갈륨 질화물(GaN)을 포함하는 버퍼층(미도시)을 형성할 수도 있다. 상기 제 1 반도체층(140) 및 제 2 반도체층(170)은 각각 p-타입 및 n-타입 반도체일 수 있다. 상기 반도체층들(140, 170) 및 상기 활성층(150)은 반도체 물질을 유기금속 기상증착법(metal organic chemical vapor deposition, MOCVD), 분자빔 성장법(molecular beam epitaxy, MBE), 화학 기상증착법(chemical vapor deposition, CVD) 또는 수소화물 기상증착법(hydide vapor phase epitaxy, HVPE) 등을 포함한 증착 및 성장 방법을 통해 형성될 수 있다. 제 1 반도체층(140)이 p-타입 반도체인 경우, 예를 들어 Mg와 같은 불순물을 포함한 GaN일 수 있다. 상기 제 2 반도체층(170)이 n-타입 반도체인 경우, 예를 들어, n-타입 불순물로 도핑된 GaN물질일 수 있다. 불순물 주입 및 이후의 전자빔 조사와 같은 활성화 공정을 통해 n-형 또는 p-형 전도성을 가질 수 있으며, 반도체층들(140, 170)의 성장 시 사용되는 전구체를 적절하게 선택함으로써 별도의 활성화 공정이 요구되지 않을 수도 있다.

도 2b를 참조하면, 상기 발광 구조물의 중앙부에 활성층(150) 및 제 1 반도체층(140)을 식각하여 제 2 반도체층(170)을 노출시킨다. 식각 방법으로는, 건식 식각법(dry etch), 습식 식각법(wet etch) 또는 반응성 이온 식각법(reactive ion etch)을 이용할 수 있다. 도면에 도시되지 않은 마스크 패턴을 형성하여, 상기 적층 구조의 중앙부를 노출시킨 후 식각 공정을 진행할 수 있다.

도 2c를 참조하면, 상기 제 1 반도체층(140) 및 노출된 제 2 반도체층(170) 상에 각각 제 1 전극(126) 및 제 2 전극(136)을 적층한다. 상기 전극들(126, 136)은, 화학기상 증착법(CVD), 전자빔 증착법(e-beam evaporation) 또는 스퍼터링법(sputtering) 등의 공정에 의해 형성될 수 있다. 상기 전극들(126, 136)은 고반사성 오믹 콘택층을 포함할 수 있으며, 반도체층들(140, 170)과의 오믹 콘택 기능과 더불어 활성층(150)에서 발광된 빛을 발광 방향으로 반사하는 기능을 수행하여 광방출 효율의 상승에 기여할 수 있다.

도 2d를 참조하면, 상기 제 2 전극(136) 상에 절연성 물질(165)을 증착한다. 절연성 물질(165)은, 예를 들어, CVD 방법에 의해 증착될 수 있다. 필요한 경우, 절연성 물질(165)의 증착 후 에치-백(etch-back) 공정을 행하여 제 1 전극(126) 상에 증착된 절연성 물질을 제거할 수 있다.

도 2e를 참조하면, 상기 증착된 절연성 물질(165)의 중앙에 비아 홀을 형성한다. 도시되지 않은 마스크 패턴을 형성한 후, 식각을 통해 비아 홀을 형성할 수 있으며, 이에 의해 비아 홀과 그 측면의 절연부(160)가 형성된다. 비아 홀의 크기, 모양 및 개수는 도면에 도시된 것에 한정되지 않는다.

도 2f를 참조하면, 상기 단계에서 형성된 비아 홀에 전도성 물질을 채워 비아 홀 전극(133)을 형성한다. 전도성 물질은 상술한 금속 또는 산화물일 수 있으며, 상기 전극들(126, 136)과 동일하게 CVD 또는 스퍼터링법 등의 공정을 사용하여 증착할 수 있다.

도 2g를 참조하면, 기판(110) 상에 제 1 본딩 패드(122) 및 제 2 본딩 패드(132)를 형성한다. 상기 기판(110)은 상기 베이스 기판(100)과 별도로 준비되며, 에폭시 수지, 폴리이미드 수지, 비스말레마이드 트리아진(BT) 수지, FR-4(Flame Retardant 4), FR-5, 세라믹, 실리콘, 또는 유리를 포함한 기판일 수 있다. 상기 본딩 패드들(122, 132)은 상기의 전극들(126, 133, 136)과 동일한 재료로 동일한 방법에 의해 형성될 수 있다.

도 2h를 참조하면, 상기의 본딩 패드들(122, 132)이 형성된 기판(110) 상에 상기의 발광 구조물이 형성된 베이스 기판(100)을 180도 회전하여 본딩시킨다. 제 1 전극(126)과 제 1 본딩 패드(122)가 본딩되어 제 1 전극부(120)를 형성하고, 비아 홀 전극(133)이 제 2 본딩 패드(132)와 본딩되어 제 2 전극(136)과 함께 제 2 전극부(130)를 형성한다. 이 경우, 열 또는 초음파를 이용하거나, 열과 초음파를 동시에 사용하여 본딩할 수 있다.

도 2i를 참조하면, 상기 베이스 기판(100)이 제거된다. III족 질화물 반도체 발광 소자의 경우, 베이스 기판(100)으로 사파이어가 주로 사용되는데, 사파이어 기판의 하부에 레이저를 조사하는 레이저 리프트오프 공정(laser lift-off, LLO)을 사용하여 사파이어 기판을 제거할 수 있다. 사파이어 기판은 레이저 빛을 흡수하지 못하고 질화물 반도체층은 레이저 빛을 흡수하여 삼족 원소와 질소 원소가 분리되며, 주된 III족 원소인 갈륨(Ga)은 상온에서 액상을 유지하므로 사파이어 기판이 분리될 수 있다.

도 3은 본 발명의 기술적 사상에 의한 반도체 발광 소자의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 3을 참조하면, 제 2 전극부(130)인 전도성 물질이 매립된 비아 홀의 주위의 절연부(160)가 절연성 물질을 별도로 증착한 것이 아닌, 공기를 포함한 갭(gap)을 포함하는 구조로 형성된다. 본 실시예는 도 1의 발광 소자를 변형한 것이고, 따라서 중복된 설명은 생략된다. 공기는 유전율이 약 1 정도로 낮은 유전율을 가지므로, 인접한 층 간의 전기적 쇼트를 방지할 수 있으며, 측면 물질과 공기층과의 계면에서 빛의 전반사가 일어나는 경우 광방출 효율이 증가할 수 있다.

도 4는 본 발명의 기술적 사상에 의한 반도체 발광 소자의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 4를 참조하면, 제 2 반도체층(170)의 상부면에 마이크로 렌즈 어레이(micro lens array, MLA)(180)를 형성한다. MLA(180)는 각각이 구형의 형태를 가지며, 수 마이크로미터에서 수백 마이크로미터의 직경을 가지는 다수의 렌즈들이 정렬되어 있는 구조이다. MLA(180)는 발광 구조에서 방출되는 빛의 임계각을 넓혀 광효율을 향상시킬 수 있다. MLA(180)는 이온교환법(ion exchange method), 레지스트 리플로우법(resist reflow method), 몰드를 이용한 방법, 또는 고온가압법(hot pressing method) 등을 통해 형성할 수 있다. MLA(180)의 재료는 폴리카보네이트(polycarbonate), CR-39(ally diglicol carbonate), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA), 아릴에스터(aryl ester), 폴리이소시아네이트(polyisocyanate), 또는 폴리디올(polydiol)일 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 기술적 사상에 의한 반도체 발광 소자의 또 다른 실시예들을 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 5a를 참조하면, 제 2 전극부(130)가 제 2 본딩 패드(132), 솔더 볼 (solder ball)(134) 및 제 2 전극(136)을 포함한 형태로 형성되며, 기판(110)에 형성된 제 2 본딩 패드(132)와 발광 구조물의 제 2 전극(136)이 솔더 볼(134)에 의해 연결된다. 제 1 전극부(120)는 제 1 본딩 패드(122) 및 제 1 전극(126)을 포함한다. 상기 솔더 볼(134)은 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 주석(Sn) 및 납(Pb) 중에서 선택된 하나 이상의 금속 또는 이를 포함하는 합금으로 이루어질 수 있다. 상기 전극들(126, 136) 및 본딩 패드들(122, 132)은 도 1에서 상술한 전극부들(120, 130)과 동일한 재료일 수 있다. 도 5b를 참조하면, 제 1 전극부(120) 및 제 2 전극부(130)가 모두 솔더 볼들(124, 134)을 포함한 구조로 형성된 반도체 발광 소자이다.

도 6a 내지 도 6e는 도 5a의 반도체 발광 소자를 제조하기 위한 예시적인 방법을 설명하기 위하여 제조 공정을 순서대로 도시한 개략적인 단면도들이다. 본 제조 공정을 설명하는 데 있어, 상술한 도 2a 내지 도 2i의 제조 공정과 관련하여 중복되는 설명은 반복하지 않는다.

도 6a를 참조하면, 베이스 기판(100) 상에 제 2 반도체층(170), 활성층(150) 및 제 1 반도체층(140)을 순서대로 적층하여 발광 구조물을 형성한다. 상기 발광 구조물은, MOCVD, MBE, CVD 또는 HVPE 등을 포함한 증착 및 성장 방법을 통해 형성될 수 있으며, 불순물 주입에 의해 n-타입 및 p-타입 반도체를 형성할 수 있다.

도 6b를 참조하면, 상기 발광 구조물의 중앙부에 활성층(150) 및 제 1 반도체층(140)을 식각하여 제 2 반도체층(170)을 노출시킨다.

도 6c를 참조하면, 상기의 식각된 발광 구조물에 노출된 상기 제 2 반도체층(170) 상에 제 2 전극(136)을 형성하고, 측면의 상기 제 1 반도체층(140) 상에 제 1 전극(126)을 형성한다. 제 1 전극 및 제 2 전극은 상술한 도 1의 전극부들(120, 130)과 동일한 재료일 수 있다.

도 6d를 참조하면, 기판(110) 상에 제 1 본딩 패드(122) 및 제 2 본딩 패드(132)를 형성한다.

도 6e를 참조하면, 상기의 본딩 패드들(122, 132)형성된 기판(110) 상에 상기의 발광 구조물이 형성된 베이스 기판(100)을 180도 회전하여 본딩시킨다. 제 1 전극(126)과 제 1 본딩 패드(122)가 본딩되고, 제 2 전극(136)과 제 2 본딩 패드(132)가 솔더 볼(134)에 의해 본딩된다. 제 1 전극(126)과 제 1 본딩 패드(122)은 열 또는 초음파를 이용하거나, 열과 초음파를 동시에 사용하여 본딩할 수 있다. 솔더 볼(134)은, 금(Au), 알루미늄(Al), 크롬(Cr), 주석(Sn), 구리(Cu), 아연(Zn) 및 납(Pb) 중에서 선택된 하나 이상의 금속 또는 이를 포함하는 합금으로 이루어질 수 있으며, 솔더 볼(134)의 형성은 솔더 재료를 용융 접합시키는 솔더링 공정을 통해 제 2 전극(136)과 제 2 본딩 패드(132)을 접합시키며 형성 될 수 있다. 이 경우도 열 또는 초음파를 이용하거나, 열과 초음파를 동시에 사용하여 본딩할 수 있다. 본 실시예에서는 제 2 전극(136)과 제 2 본딩 패드(132) 사이에 솔더 볼(134)이 놓이는 형태를 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 제 2 전극(136)이 수직 방향으로 신장된 형태로 제 2 본딩 패드(132)에 본딩되는 구조도 생각할 수 있다.

이후 공정에서, 상기 베이스 기판(100)이 제거되어 도 5a와 같은 반도체 발광 소자가 형성될 수 있다. III족 질화물 반도체 발광 소자의 경우, 베이스 기판(100)으로 사파이어가 주로 사용되는데, 사파이어 기판의 하부에 레이저를 조사하는 레이저 리프트오프 공정(laser lift-off, LLO)을 사용하여 사파이어 기판을 제거할 수 있다. 사파이어 기판은 레이저 빛을 흡수하지 못하고 질화물 반도체층은 레이저 빛을 흡수하여 삼족 원소와 질소 원소가 분리되며, 주된 III족 원소인 갈륨(Ga)은 상온에서 액상을 유지하므로 사파이어 기판이 분리될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

100: 베이스 기판
110: 기판
120: 제 1 전극부
122: 제 1 본딩 패드
124: 제 1 솔더 볼
126: 제 1 전극
130: 제 2 전극부
132: 제 2 본딩 패드
133: 비아 홀 전극
134: 제 2 솔더 볼
136: 제 2 전극
140: 제 1 반도체층
150: 활성층
160: 절연부
165: 절연성 물질
170: 제 2 반도체층

Claims (12)

1. 제 1 반도체층, 활성층 및 제 2 반도체층이 순서대로 적층된 구조이며, 상기 적층 구조의 중앙부에 상기 제 1 반도체층 및 상기 활성층 없이 상기 제 2 반도체층만으로 이루어진 구조를 포함하는 발광 구조물;
   상기 발광 구조물이 연결되는 기판;
   상기 제 1 반도체층과 상기 기판을 전기적으로 연결하는 제 1 전극부; 및
   상기 발광 구조물의 중앙부에 위치하며, 상기 제 2 반도체층과 상기 기판을 전기적으로 연결하는 제 2 전극부;
   를 포함하는 반도체 발광 소자.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 전극부는, 상기 제 2 반도체층과 상기 기판을 관통하는 비아 홀에 매립되는 전도성 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 전극부는 솔더 볼을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 전극부와 상기 발광 구조물 및 상기 기판 사이에 절연부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 반도체층은 p형 GaN를 포함하고, 상기 제 2 반도체층은 n형 GaN를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 반도체층의 상부면에 마이크로 렌지 어레이(micro lens array, MLA)가 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자.
7. 베이스 기판 상에 제 2 반도체층, 활성층, 및 제 1 반도체층을 순차적으로 적층하여 발광 구조물을 형성하는 단계;
   상기 발광 구조물의 중앙에, 상기 제 1 반도체층 및 상기 활성층의 일부를 식각하여, 상기 제 2 반도체층의 일부를 노출시키는 단계;
   상기 제 1 반도체층 상에 제 1 전극을 형성하고, 상기 제 2 반도체층이 노출된 면에 제 2 전극을 형성하는 단계;
   상기 제 2 전극 상에, 상면의 높이가 상기 제 1 전극과 동일하도록 절연성 물질을 채우는 단계;
   상기 절연성 물질 중앙에 식각을 통해 비아 홀을 형성하는 단계;
   상기 비아 홀에 전도성 물질을 채우는 단계;
   기판 상에 제 1 전극 패드 및 제 2 전극 패드를 형성하는 단계; 및
   상기 제 1 전극과 상기 제 1 전극 패드를 연결하고, 상기 비아 홀과 상기 제 2 전극 패드를 연결하는 단계;
   를 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 비아 홀에 전도성 물질을 채우는 단계 이후에,
   상기 절연성 물질을 제거하는 단계;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
9. 제 7 항에 있어서,
   상기 연결하는 단계 이후에,
   상기 베이스 기판을 제거하는 단계;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 베이스 기판을 제거하는 단계 이후에,
    제 2 반도체층의 상부면에 마이크로 렌지 어레이를 형성하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
11. 베이스 기판 상에 제 2 반도체층, 활성층, 및 제 1 반도체층을 순차적으로 적층하여 발광 구조물을 형성하는 단계;
    상기 발광 구조물의 중앙에, 상기 제 1 반도체층 및 상기 활성층의 일부를 식각하여, 상기 제 2 반도체층의 일부를 노출시키는 단계;
    상기 제 1 반도체층 상에 제 1 전극을 형성하고, 상기 제 2 반도체층이 노출된 면에 제 2 전극을 형성하는 단계;
    기판 상에 제 1 전극 패드 및 제 2 전극 패드를 형성하는 단계; 및
    상기 제 1 전극과 상기 제 1 전극 패드를 연결하고, 상기 제 2 전극과 상기 제 2 전극 패드를 연결하는 단계;
    를 포함하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 연결하는 단계는,
    상기 제 2 전극과 상기 제 2 전극 패드를 솔더 볼(solder ball)을 통해 연결하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 발광 소자의 제조 방법.

Images