KR100497121B1 - 반도체 led 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종래의 단일 p-n접합 AlGaInN 반도체 LED 소자에 추가로 역 방향 p-n 접합 LED를 집적하여, 역방향 전압에 견디는 특성이 강한 소자에 관한 것이다. 본 발명으로 p-n LED소자와 이 소자를 보호하는 역 방향 p-n 소자의 기능으로 인하여 외부 정전기, 순간적 역 방향 고 전압 인가에도 본래의 LED소자가 안전하게 보호될 수 있다. 특히 LED 소자를 조립할 경우 쉽게 발생하는 역 방향 인가에 따른 소자 전압 파괴를 근원적으로 해결할 수 있어서 수율 향상 및 소자의 신뢰성을 크게 혁신시킬 수 있다.

본 발명은 정상적 p-n 접합 LED와 동일 기판 상에 n-p접합 보호 소자를 집적하고, LED 소자의 p 전극과 보호 소자의 n 전극을, 또한 LED소자의 n 전극과 보호 소자의 p 전극을 동시에 반도체 공정으로 연결시키는 구조를 특징으로 한다

Description

반도체 LED 소자{Semiconductor LED Device}

본 발명은 새로운 AlGaInN LED 반도체 소자에 관한 것으로서, 종래의 1개의 pn 접합을 갖는 AlGaInN LED 소자의 단점인 역 방향 전압 인가 특성을 근원적으로 해결하는 것에 관한 것이다. 종래의 p-n LED는 역 전압에 대한 항복 전압 (Vr ; breakdown voltage) 가 수십 볼트로 낮아 외부의 순간적인 역 방향 전압이던지, 정전기 등에 대하여 소자가 파괴되거나, 혹은 알지 못하는 정전기 등으로 인하여, 잠재적인 결함이 발생하게 되어 소자의 신뢰성이 취약하게 된다. 여기서 AlGaInN LED는 Al_xGa_yIn_1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, x + y≤1) 즉, 질화물 반도체로 된 LED를 말한다.

본 발명은 이런 문제점을 해결하기 위하여 LED 소자와 보호 n-p 접합 소자를 집적하여, 역 방향 전압이 들어올 때 이를 LED소자로 흐르지 않게 하고 보호소자가 동작하게 하여, 역 방향 전압을 보호 소자에서 흡수하여, LED소자를 역 방향 전압에 따른 damage에 대하여 보호하는 것을 목적으로 한다.

일반적으로 종래의 AlGaInN계 LED(Light Emitting Diode) 광 소자는, 첨부도면 도 1에 도시된 바와 같이, 절연성 기판인 사파이어 기판(10) 상에 buffer층(11), n형 GaN 층(12), InGaN(또는 GaN) 활성층(13), p형 GaN층(14), 투명전극(15), 보호막(16), n형 금속전극(17) 및 p형 금속전극(18)으로 구성된다.

이 구조에서 보듯이 일반적인 화합물 반도체 광소자의 원리는 p 전극을 통해 들어오는 정공과 n 전극을 통해 들어오는 전자가 활성층에서 결합하여 활성층 물질 조성의 bandgap에 해당하는 빛을 방출하는 p-n 접합 diode 구조이다. 보통 p-n diode LED 전기적인 특성은 순방향 전압에서 문턱 전압 (Vth)에서 통전이 되며, 역 방향 전압에서는 항복전압(-Vr)까지는 전류가 거의 흐르지 않다가, 항복 전압을 넘으면 전류가 급격하게 흐르게 된다.(도 2) 이런 항복 전압(-Vr)은 p-n 접합의 도핑 농도 및 결정질에 의하여 결정된다. 보통 AlGaInN LED의 경우 항복 전압은 수십 (10∼50V) 볼트 정도이다. 보통 LED의 동작 전압을 낮게 유지하기 위하여 p-n접합에 도핑 농도를 증가 시키면 항복 전압은 낮아져서 10∼20 V 로 저하될 수 있다. 이런 경우 외부의 정전기등에 취약하여 LED 소자가 파괴되거나, p-n 접합에 damage 가 가해져서 서서히 소자의 신뢰성이 악화되는 현상이 발생한다. 특히 소자를 조립하는 경우에 이러한 정전기 현상이 많이 발생하기 때문에 이러한 역방향 전압 인가는 매우 심각히 소자의 신뢰성과 수율을 좌우하게 되어서 매우 중요한 관리 항목이 된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 새로운 소자 구성을 제공하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 역 전압이 LED소자에 가해져도 이를 bypass 시킬 수 있는 보호 소자를 LED와 같이 집적시키는 소자 구성에 관한 것이다. 따라서 본 발명에 의한 소자는 외부의 정전기 혹은 순간 역 방향 전압에 의한 소자 파괴 등이 원천적으로 제거되어 소자의 handling 및 package 수율을 극대화시킬 수 있고, 또한 소자의 신뢰성 향상 시킬 수 있다.

삭제

이를 위해, 본 발명은 절연성 기판 위에 에피성장공정을 통해 성장되며, 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 포함하는 제1 복수개의 질화물 반도체층, 제1 복수개의 질화물 반도체층에 전기적으로 접촉되는 제1 양전극부, 제1 복수개의 질화물 반도체층에 전기적으로 접촉되는 제1 음전극부, 상기 절연성 기판 위에 상기 에피성장공정을 통해 제1 복수개의 질화물 반도체층과 함께 성장되며, 식각공정을 통해 제1 복수개의 질화물 반도체층과 분리되고, 상기 절연성 기판에 의해 제1 복수개의 질화물 반도체층과 전기적으로 절연되는 제2 복수개의 질화물 반도체층, 제2 복수개의 질화물 반도체층과 전기적으로 접촉되는 제2 양전극부, 그리고 제2 복수개의 질화물 반도체층과 전기적으로 접촉되는 제2 음전극부를 포함하며, 제1 복수개의 질화물 반도체층과 제2 복수개의 질화물 반도체층은 전기적으로 극성이 엇갈리도록 병렬 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 LED 소자를 제공한다.또한, 본 발명은 상기 절연성 기판 위에 상기 에피성장공정을 통해 제1 복수개의 질화물 반도체층 및 제2 복수개의 질화물 반도체층과 함께 성장되며, 식각공정을 통해 제1 복수개의 질화물 반도체층 및 제2 복수개의 질화물 반도체층과 분리되고, 상기 절연성 기판에 의해 제1 복수개의 질화물 반도체층 및 제2 복수개의 질화물 반도체층과 전기적으로 절연되며, 양전극부와 음전극부가 전기적으로 접촉되는 추가의 복수개의 질화물 반도체층을 적어도 하나 이상 포함하며, 추가의 복수개의 질화물 반도체층은 제2 복수개의 질화물 반도체층과 전기적으로 직렬로 연결되며, 제1 복수개의 질화물 반도체층과 전기적으로 극성이 엇갈리도록 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 반도체 LED 소자를 제공한다. 이하 도면을 참고로 하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 구조는 동일 기판 상에 LED 소자와 LED 소자와는 전기적으로 분리된 p-n diode 보호 소자를 제작하고, 이 두 소자를 동일 기판상에 집적 시킨 후 LED 소자의 양전극을 보호 소자의 음전극에, LED 소자의 음 전극을 보호 소자의 양 전극에 연결하여, 도 3에 예시한 것처럼, 전극 배선을 연결하는 것이다.본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다. 절연성 기판(38) 위에 적절한 완충층(39)을 성장시키고, n-AlGaInN층(30)을 성장시킨 후 A1(x)Ga(y)In(z)N/Al(x1)Ga(y1)In(z1)N의 다층 활성층(40)을 성장시키고, 그 위에 p- AlGaInN(31)를 성장시킨다. 여기서 활성층의 조성은 x+y+z=1, x1+y1+z1=1을 만족시킨다.

이 이후 LED 소자와 보호 소자를 분리시키기 위하여, 절연성 기판(38)까지 결정성장된 모든 층(39,30,40,31)을 식각 제거한다. 식각에 의해 분리된 부분이 33으로 표시되어 있다. 이렇게 두 소자가 분리된 후 LED 소자와 보호 소자의 n 전극 금속(34,134)의 형성을 위하여 p-AlGaInN층(31)과 활성층(40) 전부와 n-AlGaInN층(30)의 상층부 일부분까지 부분적으로 식각(etching)하여 n-AlGaInN층(30)이 부분적으로 드러나도록 한다. 이 이후 p-AlGaInN층(31) 위에 적절한 p 전극 금속(32,132)을 형성하고, 식각으로 부분적으로 드러난 n-AlGaInN 표면에는 n 전극 금속(34,134)을 형성한다. 바람직하게는 p 전극 금속(32)과 n 전극 금속(34) 위에 각각 본딩 패드(36,37)를 형성한다. 이렇게 되면, 절연성 기판(38)위에 LED 소자와 LED 소자와 동일한 구성을 갖는 p-n diode 보호 소자가 전기적으로 절연되어 인접하여 형성된다. 이 이후 LED 소자의 p 전극 금속(32)을 보호 소자의 n 전극 금속(134)에, LED 소자의 n 전극 금속(34)을 보호 소자의 p 전극 금속(132)에 금속 배선(35)으로 연결하면 LED 소자와 보호소자의 극성이 서로 엇갈려 연결된 회로 구성이 된다. 본 발명에 의한 LED 소자와 보호 소자의 극성이 엇갈리게 연결된 후의 회로도를 보였다.

이렇게 구성된 소자의 동작 원리를 도 5에서 보였는데, LED 소자 기준으로 순 방향 전압이 인가되면 LED 소자는 정상 동작을 하게 되는데, 이 때 보호소자는 역방향조건이 되기 때문에 소자가 동작하지 않는 상태이다. 이 경우 보호소자의 역방향 항복 전압(Vr(보호소자))은 LED 소자의 순 방향 문턱전압(Vth1(LED))보다 충분히 커야 한다. 이 경우 정상적인 순 방향 전압에서는 마치 보호소자가 없는 것처럼 동작된다.

만약에 역 방향 전압이나, 정전기의 역 방향 전압이 순간적으로 이 소자에 인가되면, LED 소자는 역 방향이 걸리게 되어 항복전압까지 견디게 되는데, LED의 항복전압까지 인가되기 전에 보호소자가 작동(Vth2)하게 된다. LED의 역방향 전압은 보호소자는 순방향이 되어 보호소자가 동작하는 문턱전압 (이것은 LED의 항복전압보다 매우 낮음)에서 turn-on 되어 보호소자가 순방향으로 동작하게 되어 LED 소자에는 보호소자의 문턱전압 이상의 역 방향 전압이 인가되지 않기 때문에 LED 소자가 안전하게 보호된다.

본 발명은 LED 소자의 신뢰성과 수율을 좌우하는 LED 역 방향 전압 인가에 따른 LED 소자의 p-n 접합 파괴를 원천적으로 제거하는 새로운 구조이기 때문에 정전기 및 역 방향 과대 전압에 의한 파괴 등으로부터 소자를 보호하고, 혹시 알지 못하는 소자의 damage를 제거하여 소자의 신뢰성과 수율을 혁신적으로 향상시킬 수 있다. 또한 역 방향 전압이 LED 의 항복 전압 이상으로 될 수 있는 환경에서도 LED를 보호할 수 있게 된다.

도 1은 절연성 기판을 사용한 종래 방식의 AlGaInN계 LED 구조를 도시한 단면도.

도 2는 본 발명 LED 소자의 전압 -전류 특성 곡선

도 3은 본 발명 소자의 도식도

도 4는 본 발명 소자의 전기 배선 개념도

도 5는 본 발명의 전류 전압 특성 곡선

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

Claims (3)

1. 절연성 기판 위에 에피성장공정을 통해 성장되며, 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 포함하는 제1 복수개의 질화물 반도체층;

   제1 복수개의 질화물 반도체층에 전기적으로 접촉되는 제1 양전극부;

   제1 복수개의 질화물 반도체층에 전기적으로 접촉되는 제1 음전극부;

   상기 절연성 기판 위에 상기 에피성장공정을 통해 제1 복수개의 질화물 반도체층과 함께 성장되며, 식각공정을 통해 제1 복수개의 질화물 반도체층과 분리되고, 상기 절연성 기판에 의해 제1 복수개의 질화물 반도체층과 전기적으로 절연되는 제2 복수개의 질화물 반도체층;

   제2 복수개의 질화물 반도체층과 전기적으로 접촉되는 제2 양전극부; 그리고

   제2 복수개의 질화물 반도체층과 전기적으로 접촉되는 제2 음전극부;를 포함하며,

   제1 복수개의 질화물 반도체층과 제2 복수개의 질화물 반도체층은 전기적으로 극성이 엇갈리도록 병렬 연결되어 있고,

   제1 복수개의 질화물 반도체층과 함께 성장된 제2 복수개의 질화물 반도체층은 활성층을 포함하며, 제2 음전극부는 제2 복수개의 질화물 반도체층이 활성층의 아래까지 식각되어 노출된 면 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 LED 소자.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 절연성 기판 위에 상기 에피성장공정을 통해 제1 복수개의 질화물 반도체층 및 제2 복수개의 질화물 반도체층과 함께 성장되며, 식각공정을 통해 제1 복수개의 질화물 반도체층 및 제2 복수개의 질화물 반도체층과 분리되고, 상기 절연성 기판에 의해 제1 복수개의 질화물 반도체층 및 제2 복수개의 질화물 반도체층과 전기적으로 절연되며, 양전극부와 음전극부가 전기적으로 접촉되는 추가의 복수개의 질화물 반도체층을 적어도 하나 이상 포함하며,

   추가의 복수개의 질화물 반도체층은 제2 복수개의 질화물 반도체층과 전기적으로 직렬로 연결되며, 제1 복수개의 질화물 반도체층과 전기적으로 극성이 엇갈리도록 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 반도체 LED 소자.
3. 제 1 항에 있어서, 제1 복수개의 질화물 반도체층의 항복 전압은 제2 복수개의 질화물 반도체층의 문턱 전압 보다 큰 것을 특징으로 하는 반도체 LED 소자.