KR100631907B1 - Ｅｓｄ 보호용 ｐ-ｎ 다이오드를 구비한 질화갈륨계 발광소자 - Google Patents

Ｅｓｄ 보호용 ｐ-ｎ 다이오드를 구비한 질화갈륨계 발광소자 Download PDF

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Abstract

역방향 ESD 전압에 대한 높은 내성을 갖는 질화갈륨계 발광 소자를 제공한다. 본 발명에 따른 질화갈륨계 발광 소자는, 기판 상에 순차 형성된 n형 GaN계 클래드층, 활성층, 및 p형 GaN계 클래드층과, 상기 p형 GaN계 클래드층 상에 형성된 p-콘택과, 상기 n형 GaN계 클래드층 상에 형성된 n-콘택을 구비하는 GaN계 LED와; 상기 n-콘택 상에 형성된 P-N 다이오드 - 상기 P-N 다이오드는 p형 투명 전도성 산화물층과 n형 투명 전도성 산화물층의 적층 구조를 가짐 - 를 포함하고, 상기 P-N 다이오드는 상기 GaN계 LED와 병렬로 연결된다.
질화갈륨, 발광 소자, ESD

Description

ＥＳＤ 보호용 Ｐ-Ｎ 다이오드를 구비한 질화갈륨계 발광 소자{Galium Nitride-Based Light Emitting Device Having P-N diode for ESD Protection}
도 1a는 병렬연결된 쇼트키 다이오드를 구비하는 종래의 질화갈륨계 발광 소자를 나타내는 단면도이다.
도 1b는 도 1a의 질화갈륨계 발광 소자의 등가 회로도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화갈륨계 발광 소자의 단면도이다.
도 2b는 도 2a의 질화갈륨계 발광 소자의 등가 회로도이다.
도 3a는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화갈륨계 발광 소자의 단면도이다.
도 3b는 도 3a의 질화갈륨계 발광 소자의 등가 회로도이다.
도 4a는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 질화갈륨계 발광 소자의 단면도이다.
도 4b는 도 4a의 질화갈륨계 발광 소자의 등가 회로도이다.
도 5a는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 질화갈륨계 발광 소자의 단면도이다.
도 5b는 도 5a의 질화갈륨계 발광 소자의 등가회로도이다.
도 6a는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 질화갈륨계 발광 소자의 단면도 이다.
도 6b는 도 6a의 질화갈륨계 발광 소자의 등가회로도이다.
도 7a는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 질화갈륨계 발광 소자의 단면도이다.
도 7b는 도 7a의 질화갈륨계 발광 소자의 등가회로도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
20: GaN계 LED 40: P-N 다이오드
50: p-n 접합 100: 질화갈륨계 발광소자
101: 기판 102: 버퍼층
104: n형 GaN계 클래드층 106: 활성층
108: p형 GaN계 클래드층 110: 투명 전극층
112: P-콘택 114: 금속 콘택층
115: n-콘택 116: ITO층
118: p형 투명 전도성 산화물층 120: n형 투명 전도성 산화물층
122: 다이오드 전극층
본 발명은 질화갈륨(GaN)계 발광 소자에 관한 것으로, 특히 역방향의 정전기 방전(Electrostatic Discharge; ESD)에 대한 높은 내성을 갖는 질화갈륨계 발광 소자에 관한 것이다.
일반적으로, 종래의 질화갈륨계 발광 소자는, 절연성 기판인 사파이어 기판 상에 버퍼층, n형 GaN계 클래드층, 활성층 및 p형 GaN계 클래드층이 적층된 메사 구조로 되어 있으며, p형 GaN계 클래드층 상에는 투명 전극과 p측 전극이 순차 적층되어 있고, 메사 식각에 의해 노출된 n형 클래드층 상에는 n측 전극이 형성되어 있다. 질화갈륨계 발광 소자에서는, P측 전극으로부터 들어오는 정공과 n측 전극으로부터 들어오는 전자가 활성층에서 결합하여 활성층 물질 조성의 에너지 밴드갭에 해당하는 빛을 방출한다.
이러한 질화갈륨계 발광 소자는 에너지 밴드갭이 상당히 큰 물질임에도 불구하고 결정 결함 등으로 인해 대체로 정전기 방전(ESD)에 취약하다. AlXGaYIn1-X-YN 를 기반으로 하는 질화갈륨계 발광 소자의 순방향 ESD에 대한 내성 전압은 약 1kV 내지 3kV 이고, 역방향 ESD에 대한 내성 전압은 약 100V 내지 1kV 정도된다. 이와 같이, 질화갈륨계 발광 소자는 순방향의 ESD 전압보다 역방향의 ESD 전압에 더 취약하다. 따라서, 역방향 ESD 전압이 펄스 형태로 질화갈륨계 발광 소자에 인가되면, 질화갈륨계 발광 소자가 손상될 수 있다. 이러한 역방향의 ESD 현상은 질화갈륨계 발광 소자의 신뢰성을 해치고 그 수명을 급격히 떨어뜨리는 요인이 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해, ESD 현상에 대한 질화갈륨계 발광 소자의 내성을 증가시키는 몇가지 방안이 제안되었다. 예를 들어, 플립칩(flip chip) 구조의 GaN계 LED(Light Emitting Diode; 발광 다이오드)를 Si계 제너 다이오드(zenor diode)에 병렬로 연결하여 정전기 방전으로부터 발광 소자를 보호하고자 하는 기술이 제시되었다. 그러나, 이러한 방법은 별도의 제너 다이오드를 구입하여 본딩 조립하여야 하기 때문에, 자재 비용 및 공정 비용이 크게 증가하게 되며, 소자의 소형화를 제한하게 된다. 종래의 다른 방안으로, 미국특허 제6,593,597호는, 동일 기판에 LED와 쇼트키 다이오드를 집적하여 이 LED와 쇼트키 다이오드를 병렬로 연결시킴으로써 ESD로부터 발광 소자를 보호하는 기술을 개시하고 있다.
도 1a는, LED(2)와 병렬연결된 쇼트키 다이오드(4)를 구비하는 종래의 질화갈륨계 발광 소자를 나타내는 단면도이며, 도 1b는 도 1a의 질화갈륨계 발광 소자의 등가 회로도를 나타낸다. 도 1a를 참조하면, LED(2)는, 투명 기판(11) 상에 제1 핵생성층(12a), 제1 도전성 버퍼층(13a), 하부 제한층(lower confinement layer; 14), 활성층(15), 상부 제한층(upper confinement layer; 16), 콘택층(17), 투명 전극(18) 및 n측 전극(19)을 포함하고 있다. 상기 투명 기판(11) 상에는, LED(2)와 분리된 쇼트키 다이오드(4)가 형성되어 있다. 즉, LED(2)와 분리된 영역의 투명 기판(11) 상에 제2 핵생성층(12b) 및 제2 도전성 버퍼층(13a)이 적층되어 있고, 그 위에 쇼트키 콘택 전극(21)과 오믹 콘택 전극(22)이 형성되어 있다.
또한, 상기 LED(2)의 투명 전극(18)은 오믹 콘택 전극(22)과 연결되고, LED(2)의 n측 전극(19)은 쇼트키 콘택 전극(21)과 연결되어 있다. 이에 따라, 도 1b에 도시된 바와 같이, LED(2)는 쇼트키 다이오드(4)에 병렬로 연결된다. 상기와 같이 구성된 발광 소자에서는, 순간적인 역방향 고전압, 예를 들어 역방향 ESD 전압이 인가되면, 상기 고전압은 쇼트키 다이오드를 통해서 방전될 수 있다. 이에 따라, 대부분의 전류는 LED 다이오드 대신에 쇼트키 다이오드를 통해서 흐르게 되고, LED 소자에 대한 손상이 감소된다.
그러나, 이와 같은 쇼트키 다이오드를 이용한 ESD 보호 방안은, 소자 구조와 제조 공정이 복잡하다는 단점을 가지고 있다. 즉, 별도의 에칭 공정을 통해 LED(2) 영역과 쇼트키 다이오드(4) 영역을 분리하여야 할 뿐만 아니라, n형 GaN계 물질의 제2 도전성 버퍼층(13b) 상에 쇼트키 콘택을 이루는 전극 물질과 오믹 콘택을 이루는 전극 물질을 별도로 증착하여야 한다. 따라서, 발광 소자의 제조 비용이 높아지게 된다. 또한, n형 GaN계 물질에 대해 쇼트키 콘택을 형성하는 금속 재료는 종류가 한정되어 있고, 열처리 등의 후속 공정에 의해 반도체-금속의 콘택 특성이 변화할 수 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 보다 간단한 구조를 가지며, 역방향 ESD 전압에 대해 높은 내성을 나타내는 질화갈륨계 발광 소자를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 저감된 비용으로 보다 용이하게 제조할 수 있으며 ESD 특성이 개선된 질화갈륨계 발광 소자를 제공하는 것이다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태에 따른 질화갈륨계 발광 소자는, 기판 상에 순차 형성된 n형 GaN계 클래드층, 활성층, 및 p형 GaN계 클래드층과, 상기 p형 GaN계 클래드층 상에 형성된 p-콘택과, 상기 n형 GaN계 클래드층 상에 형성된 n-콘택을 구비하는 GaN계 LED와; 상기 n-콘택 상에 형성된 P-N 다이오드 - 상기 P-N 다이오드는 p형 투명 전도성 산화물층과 n형 투명 전도성 산화물층의 적층 구조를 가짐 - 를 포함하고, 상기 P-N 다이오드는 상기 GaN계 LED와 병렬로 연결된다.
본 발명에 따르면, 상기 p형 투명 전도성 산화물층은, ZnO, CuAl2O, CuGaO2, SrCu2O2, Cu2O-CoO, LaSrMnO3, CuY1-XCaXO2, CuCr1-XMgXO2, CuScO2, CuGa1-XFeXO2, AgCo2, CuNi2/3Sb1/3O2, NiCo2O4, NiO, In2O3-Ag2O, Cu2O 및 CuInO2 로 이루어진 군으로부터 적어도 하나 선택되어 형성된 p형의 투명 전도성 산화물층일 수 있다. 또한, 상기 n형 투명 전도성 산화물층은, ZnO, AZO(Aluminium-doped Zinc Oxide), CuInO2, Zn1-XAlXO. Zn1-XMgXO, SnO2, RuO2, PdO, Bi2Ru2O7, Bi2Ir2O7, ITO 로 이루어진 군으로부터 적어도 하나 선택되어 형성된 n형의 투명 전도성 산화물층일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 GaN계 LED와 상기 P-N 다이오드는 서로 반대 방향으로 병렬 연결될 수 있다. 서로 반대인 방향의 병렬 연결을 형성하기 위해서, 상기 P-N 다이오드는, 상기 n형 GaN계 클래드층 상에 형성된 p형 투명 전도성 산화물층과 상기 p형 투명 전도성 산화물층 상에 형성된 n형 투명 전도성 산화물층을 포함한다.
상기 n-콘택은 상기 n형 GaN계 클래드층과 상기 p형 투명 전도성 산화물층 사이에 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 n-콘택은 상기 n형 GaN계 클래층 상에 형성된 금속 콘택층과, 상기 금속 콘택층 상에 형성된 ITO층을 포함할 수 있다.
다른 방안으로서, 상기 n-콘택은, 상기 p형 투명 전도성 산화물층을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 n-콘택의 적어도 일부는 상기 P-N 다이오드의 p형 반도체 역할을 한다. 또한, 상기 n-콘택은, 상기 n형 GaN계 클래드층과 상기 P-N 다이오드 사이에 형성된 금속 콘택층을 더 포함할 수 있다. 상기 금속 콘택층은 예를 들어, Cr/Co층일 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 GaN계 LED와 상기 P-N 다이오드는 서로 같은 방향으로 병렬 연결될 수 있다. 서로 같은 방향의 병렬 연결을 형성하기 위해, 상기 P-N 다이오드는, 상기 n형 GaN계 클래드층 상에 형성된 n형 투명 전도성 산화물층과, 상기 n형 투명 전도성 산화물층 상에 형성된 p형 투명 전도성 산화물층을 포함한다.
상기 n-콘택은 상기 n형 GaN계 클래드층과 상기 n형 투명 전도성 산화물층 사이에 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 n-콘택은 상기 n형 GaN계 클래층 상에 형성된 금속 콘택층과, 상기 금속 콘택층 상에 형성된 ITO층을 포함할 수 있다.
다른 방안으로서, 상기 n-콘택은 상기 n형 투명 전도성 산화물층을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 n-콘택의 적어도 일부는 상기 P-N 다이오드의 n형 반도체 역할을 한다. 상기 n-콘택은, 상기 n형 GaN계 클래드층과 상기 P-N 다이오드 사이에 형성된 금속 콘택층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따른 질화갈륨계 발광 소자는, 기판 상에 순차 형성된 n형 GaN계 클래드층, 활성층, 및 p형 GaN계 클래드층과, 상기 p형 GaN계 클래드층 상에 형성된 p-콘택과, 상기 n형 GaN계 클래드층 상에 형성된 n-콘택을 구비하는 GaN계 LED와; 상기 p형 GaN계 클래드층 상에 형성되어 n형 투명 전도성 산화물층과 p형 투명 전도성 산화물층의 적층 구조를 갖는 P-N 다이오드를 포함한다. 또한, 상기 GaN계 LED는 상기 P-N 다이오드와 병렬로 연결된다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 GaN계 LED와 상기 P-N 다이오드는 서로 반대 방향으로 병렬 연결될 수 있다. 서로 반대인 방향의 병렬 연결을 형성하기 위해서, 상기 P-N 다이오드는, 상기 p형 GaN계 클래드층 상에 형성된 n형 투명 전도성 산화물층과 상기 n형 투명 전도성 산화물층 상에 형성된 p형 투명 전도성 산화물층을 포함한다.
상기 p-콘택은 상기 p형 GaN계 클래드층과 상기 n형 투명 전도성 산화물층 사이에 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 p-콘택은 ITO층을 포함할 수 있다.
다른 방안으로서, 상기 p-콘택은, 상기 n형 투명 전도성 산화물층을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 p-콘택의 적어도 일부는 상기 P-N 다이오드의 n형 반도체 역할을 한다. 예를 들어, 상기 p-콘택은 상기 n형 투명 전도성 산화물층으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 GaN계 LED와 상기 P-N 다이오드는 서로 같은 방향으로 병렬 연결될 수 있다. 서로 같은 방향의 병렬 연결을 형성하기 위해, 상기 P-N 다이오드는, 상기 p형 GaN계 클래드층 상에 형성된 p형 투명 전도성 산화물층과, 상기 p형 투명 전도성 산화물층 상에 형성된 n형 투명 전도성 산화물층을 포함한다.
상기 p-콘택은 상기 p형 GaN계 클래드층과 상기 p형 투명 전도성 산화물층 사이에 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 p-콘택은 ITO층을 포함할 수 있다.
다른 방안으로서, 상기 p-콘택은, 상기 p형 투명 전도성 산화물층을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 p-콘택의 적어도 일부는 상기 P-N 다이오드의 p형 반도체 역할을 한다. 예를 들어, 상기 p-콘택은 상기 p형 투명 전도성 산화물층으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 질화갈륨계 발광 소자는, n형 GaN계 클래드층 또는 p형 GaN계 클래드층 상에 형성된 P-N 다이오드를 구비한다. 이 P-N 다이오드는 GaN계 LED와 병 렬로 연결되어 있어, 역방향 ESD 전압에 대한 내성이 향상된다. 또한, 투명 전도성 산화물층들로 P-N 다이오드를 형성함으로써, 개선된 ESD 특성을 갖는 질화갈륨계 발광 소자를 용이하게 제조할 수 있게 된다. 나아가, LED 소자와 ESD 보호용 소자를 분리하기 위한 별도의 소자 분리 영역을 구비하지 않기 때문에, 발광 소자의 전체 구조가 간단하고, 별도의 소자 분리용 식각 공정을 필요로 하지 않으며, 제조 비용이 절감된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 질화갈륨계 발광 소자의 단면도이며, 도 2b는 도 2a의 질화갈륨계 발광 소자의 등가 회로도이다. 본 발명에 따른 질화갈륨계 발광 소자(100)는 GaN계 LED(도 2b의 도면부호 20 참조)와 P-N 다이오드(도 2b의 도면부호 40 참조)를 포함한다. 도 2a를 참조하면, 기판(101) 상에 버퍼층(102), n형 GaN계 클래드층(104), 활성층(106), 및 p형 GaN계 클래드층(108)이 순차 형성되어 있다. 상기 기판(101)으로는 사파이어 기판을 사용할 수 있으며, 버퍼 층(102)으로는 예를 들어 저온 AlN층을 사용할 수 있다. P형 GaN계 클래드층(108) 상에는 Ni/Au 또는 ITO로 이루어진 투명 전극층(110)이 형성되어 있고 그 위에는 p측 전극을 이루는 p-콘택(112)이 형성되어 있다.
또한, p형 GaN계 클래드층(108) 및 활성층(106)의 일부 영역이 메사 식각되어 노출된 n형 GaN계 클래드층(104)의 상면에는 n측 전극을 이루는 n-콘택(115)이 형성되어 있다. n-콘택(115)은 예를 들어, 금속 콘택층(114)과 ITO층(116)으로 이루어질 수 있다. 금속 콘택층(116)은 예를 들어 Cr/Co층으로 이루어질 수 있으며, n형 GaN계 클래드층(104)과 ITO층(116) 간의 접촉 저항을 감소시키는 역할을 한다. 이에 따라, 기판(101) 상에 형성된 반도체 적층물(102, 104, 106, 108), 투명 전극층(110), p-콘택(112) 및 n-콘택(115)은 GaN계 LED(20)를 이루게 된다.
한편, n-콘택(115)의 일부 영역 상에는 p형 투명 전도성 산화물층(118) 및 n형 투명 전도성 산화물층(120)이 순차 형성되어 p-n 접합(50)을 이룬다. n형 투명 전도성 산화물층(120) 상에는 다이오드 전극층(122)이 형성되어 있다. 이에 따라, n-콘택(115) 상에 순차 형성된 p형 투명 전도성 산화물층(118), n형 투명 전도성 산화물층(120), 및 다이오드 전극층(122)은 P-N 다이오드(40)를 이루게 된다.
상기 p형 및 n형 투명 전도성 산화물층(118, 120)은 투명 전도성 산화물(Transparent Conductive Oxide; TCO)로 이루어진 산화물 반도체로서, P-N 다이오드(40)의 p-n 접합(50)을 형성한다. 상기 p형 투명 전도성 산화물층(118)으로는, ZnO, CuAlO2, CuGaO2, SrCu2O2, Cu2O-CoO, LaSrMnO3, CuY1-XCaXO2, CuCr1-XMgXO2, CuScO2, CuGa1-XFeXO2, AgCo2, CuNi2/3Sb1/3O2, NiCo2O4, NiO, In2O3-Ag2O, Cu2O 및 CuInO2 로 이루어진 군으로부터 적어도 하나 선택되어 형성된 p형의 투명 전도성 산화물층을 사용할 수 있다. 또한, 상기 n형 투명 전도성 산화물층(120)으로는, ZnO, AZO(Aluminium-doped Zinc Oxide), CuInO2, Zn1-XAlXO. Zn1-XMgXO, SnO2, RuO2, PdO, Bi2Ru2O7, Bi2Ir2O7, ITO 로 이루어진 군으로부터 적어도 하나 선택되어 형성된 n형의 투명 전도성 산화물층을 사용할 수 있다. 이러한 p형 및 n형 투명 전도성 산화물층(118, 120)은 GaN계 반도체나 ITO층(116) 상에 용이하게 증착될 수 있다. 상기 다이오드 전극층(122)은 예를 들어 ITO를 사용하여 형성될 수 있다.
상기 n-콘택(115)은 GaN계 LED(20)의 일 단자(V2)에 연결된 n측 전극의 역할을 하는 동시에, GaN계 LED(20)의 n측 전극을 P-N 다이오드(40)의 p형 반도체(p형 투명 전도성 산화물층(118))에 연결시키는 역할을 한다. 또한, GaN계 LED(20)의 p측 전극(p-콘택(112))은 GaN계 LED(20)의 타 단자(V1) 및 P-N 다이오드(40)의 다이오드 전극(122)과 연결되어 있다. 따라서, GaN계 LED(20)의 n측 전극은 P-N 다이오드의 p형 반도체와 연결되고, GaN계 LED(20)의 p측 전극은 P-N 다이오드(40)의 n형 반도체와 연결된다. 이러한 GaN계 LED(20)와 P-N 다이오드(40)의 연결 구조가 도 2b의 등가회로도에 개략적으로 도시되어 있다.
도 2b를 참조하면, GaN계 LED(20)와 P-N 다이오드(40)는 서로 반대 극성끼리(서로 반대 방향으로) 병렬로 연결된다. 이와 같이 GaN계 LED(20)와 P-N 다이오드 (40)가 반대 방향으로 병렬 연결됨으로써, 질화갈륨계 발광 소자(100)의 양 단자(V1, V2)에 인가된 역방향 ESD 전압은 P-N 다이오드(40)를 순방향으로 턴온(turn on)시키게 된다. 따라서, GaN계 LED(20)에 대한 비정상적인 역방향 전류는 대부분 P-N 다이오드(40)를 통해 흐르게 되어, 역방향 ESD 전압으로 인한 GaN계 LED(20)의 손상이 억제된다.
도 3a는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 질화갈륨계 발광 소자(200)의 단면도이고, 도 3b는 도 3a의 질화갈륨계 발광 소자(200)의 등가 회로도이다. 본 실시형태의 질화갈륨계 발광 소자(200)는, p형 투명 전도성 산화물층(118)과 n형 투명 전도성 산화물층(120)의 적층 순서가 전술한 실시형태와는 반대로 되어 있다는 점을 제외하고는, 도 2a의 질화갈륨계 발광 소자(100)와 동일한 구조를 가진다.
도 3a에 도시된 바와 같이, n-콘택(115) 상에는 n형 투명 전도성 산화물층(120)과 p형 투명 전도성 산화물층(118)이 순차 형성되어 P-N 다이오드(41)의 p-n접합(51)을 형성한다. 따라서, GaN계 LED(20)의 n측 전극(n-콘택(115))은 P-N 다이오드(41)의 n형 투명 전도성 산화물층(120)과 전기적으로 연결된다. 결국, GaN계 LED(20)의 n측 전극(n-콘택(115))은 P-N 다이오드(41)의 n형 반도체와 연결되고, GaN계 LED(20)의 p측 전극(p-콘택(112))은 P-N 다이오드(41)의 p형 반도체와 연결된다. 이러한 GaN계 LED(20)와 P-N 다이오드(41)의 연결 구조가 도 3b의 등가회로도에 개략적으로 도시되어 있다.
도 3b를 참조하면, GaN계 LED(20)와 P-N 다이오드(41)는 서로 같은 극성끼리(서로 같은 방향으로) 병렬로 연결되어 있다. 이와 같이 GaN계 LED(20)와 P-N 다이오드(41)가 같은 방향으로 병렬 연결됨으로써, 질화갈륨계 발광 소자(200)의 양 단자(V1, V2)에 역방향 ESD 전압이 인가될 경우 P-N 다이오드(41)는 항복 모드(breadown mode)로 동작하는 일종의 제너 다이오드(zenor diode)가 된다. 즉, p형 및 n형 투명 전도성 산화물층(118, 120)을 갖는 P-N 다이오드(41)는, 약 10 V의 역방향 전압에서도 항복(breakdown)이 발생할 수 있다. 따라서, 수십 V 이상의 순간적인 역방향 ESD 전압이 질화갈륨계 발광 소자(200)에 인가될 경우, P-N 다이오드(41)는 항복 영역(breakdown region)에서 동작하기 때문에 도전 상태에 있게 된다. 이에 따라, GaN계 LED(20)에 대한 비정상적인 역방향 전류의 대부분은, GaN계 LED(20) 대신에 P-N 다이오드(41)를 통해 흐르게 된다. 결국, 역방향 ESD 전압으로부터 GaN계 LED(20)를 보호할 수 있게 된다.
도 4a는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 질화갈륨계 발광 소자(300)의 단면도이고, 도 4b는 도 4a의 질화갈륨계 발광 소자(300)의 등가 회로도이다. 본 실시형태에서, GaN계 LED(20)의 n-콘택(125)은 P-N 다이오드(42)의 n형 투명 전도성 산화물층(121)을 포함한다. 이 경우, 상기 n형 투명 전도성 산화물층(121)은 GaN계 LED(20)의 n측 전극의 일부를 형성하면서, 동시에 상기 P-N 다이오드(42)의 n형 반도체의 역할을 한다.
도 4a를 참조하면, 메사 식각에 의해 노출된 n형 GaN계 클래드층(104) 상에는 Cr/Co로 된 금속 콘택층(114)과 n형 투명 전도성 산화물층(121)이 순차 형성되어 있으며, n형 투명 전도성 산화물층(121)은 LED(20)의 일 단자(V2)와 연결된다. 상기 금속 콘택층(114)과 n형 투명 전도성 산화물층(121)은 GaN계 LED(20)의 n측 전극 역할을 하는 n-콘택(125)을 이룬다. 또한, 상기 n형 투명 전도성 산화물층(121)의 일부 영역 상에는 p형 투명 전도성 산화물층(118)과 다이오드 전극층(122)이 순차 적층되어 있다. n형 투명 전도성 산화물층(121)과 p형 투명 전도성 산화물층(118)은 P-N 다이오드(42)의 p-n 접합(52)을 형성한다. GaN계 LED(20)의 p-콘택(112)은 GaN계 LED(20)의 타 단자(V1) 및 다이오드 전극층(122)과 연결된다.
따라서, GaN계 LED(20)의 n측 전극(n-콘택(125))의 일부는 P-N 다이오드(42)의 n형 반도체(n형 투명 전도성 산화물층(121))를 이루며, GaN계 LED(20)의 p측 전극(p-콘택(112))은 P-N 다이오드(42)의 p형 반도체와 연결된다. 이러한 GaN계 LED(20)와 P-N 다이오드(42)의 연결 구조가 도 4b의 등가회로도에 개략적으로 도시되어 있다. 도 4b에 도시된 바와 같이, GaN계 LED(20)와 P-N 다이오드(42)는 서로 같은 극성끼리(서로 같은 방향으로) 병렬로 연결되어 있다. 따라서, 도 3b를 참조하여 이미 설명한 바와 같이, 역방향 ESD 전압 인가시 상기 P-N 다이오드(42)는 역방향 모드의 제너 다이오드로 동작하여, 역방향 ESD 전압으로 인한 GaN계 LED(20)의 손상을 억제한다.
전술한 도 4a 및 도 4b에서, GaN계 LED(20)와 P-N 다이오드(42)는 서로 같은 극성끼리 병렬로 연결되도록 구성되었다. 그러나, n형 투명 전도성 산화물층(121)과 p형 투명 전도성 산화물층(118)의 적층 순서를 변경하여 상기 LED(20)와 다이오드(42)가 서로 다른 극성끼리 병렬로 연결되도록 할 수도 있다. 즉, 금속 콘택층(114) 상에 p형 투명 전도성 산화물층을 형성하고 상기 p형 투명 전도성 산화물층의 일부 영역 상에 n형 투명 전도성 산화물층과 다이오드 전극층을 순차 형성할 수도 있다. 이 경우에, GaN계 LED(20)의 n측 전극(n-콘택)의 일부는 P-N 다이오드의 p형 반도체(p형 투명 전도성 산화물층)를 이루며, GaN계 LED(20)의 p측 전극(p-콘택(112))은 P-N 다이오드의 n형 반도체와 연결된다. 이러한 반대 방향의 병렬 연결에 따른 질화갈륨계 발광 소자의 ESD 보호 동작은 도 2a 및 도 2b에서 설명한 바와 마찬가지이다.
이상 설명한 실시형태에서는 P-N 다이오드(40, 41, 42)는 GaN계 LED(20)의 n측 전극(n-콘택) 상에 형성되어 있다. 그러나, P-N 다이오드를 GaN계 LED의 p측 전극(p-콘택) 상에 형성할 수도 있다. 이와 같이 p-콘택 상에 형성된 P-N 다이오드를 구비하는 질화갈륨계 발광 소자의 실시형태들이 도 5a 내지 도 7b에 도시되어 있다.
도 5a는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 질화갈륨계 발광 소자(400)의 단면도이고, 도 5b는 도 5a의 질화갈륨계 발광 소자(400)의 등가회로도이다. 도 5a 를 참조하면, p형 GaN계 클래드층(108) 상에 GaN계 LED(60)의 p측 전극을 이루는 p-콘택(126)이 형성되어 있다. 상기 p-콘택(126)은, 예를 들어 ITO층을 포함할 수 있다. p-콘택(126)의 일부 영역 상에는 n형 투명 전도성 산화물층(128), p형 투명 전도성 산화물층(130) 및 다이오드 전극층(132)이 순차 형성되어, P-N 다이오드(70)를 형성한다. 상기 n형 및 p형 투명 전도성 산화물층(128, 130)은 P-N 다이오드(70)의 p-n 접합(80)을 형성한다.
GaN계 LED(60)의 n-콘택(134)는 다이오드 전극층(132)을 통해 P-N 다이오드(70)의 p형 반도체(p형 투명 전도성 산화물층(130))과 연결되고, GaN계 LED(60)의 p-콘택(126)은 P-N 다이오드(70)의 n형 반도체(n형 투명 전도성 산화물층(128))와 연결된다. 이에 따라, GaN계 LED(60)와 P-N 다이오드(70)는, 도 5b에 도시된 바와 같이 서로 반대방향으로 병렬 연결된다. 따라서, 비정상적인 역방향 ESD 전압은 P-N 다이오드(70)를 통해 방전되어, 역방향 ESD 전압으로 인한 GaN계 LED(60)의 손상이 억제된다.
또다른 실시형태로서, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, GaN계 LED(60)의 p-콘택(126) 상에 형성된 P-N 다이오드의 p형 및 n형 투명 전도성 산화물(128, 130)의 적층 순서를 바꿀 수도 있다. 즉, p-콘택(126) 상에 p형 투명 전도성 산화물층(130), n형 투명 전도성 산화물층(128) 및 다이오드 전극층(132)을 순차 형성함으로써 질화갈륨계 발광 소자(500)의 GaN계 LED(60)와 P-N 다이오드(71)를 서로 같은 방향으로 병렬 연결시킬 수도 있다.
이 경우, 역방향 ESD 전압 인가시 질화갈륨계 발광 소자(500)의 ESD 보호 동작은 도 3a 및 도 3b에서 설명한 바와 마찬가지이다. 즉, 질화갈륨계 발광 소자(500)에 역방향 ESD 전압이 인가되면, P-N 다이오드(71)는 역방향 모드의 제너 다이오드로 동작하여 역방향 ESD 전압으로 인한 GaN계 LED(20)의 손상을 억제할 수 있게 된다.
또다른 실시형태로서, GaN계 LED의 p-콘택은 P-N 다이오드의 n형 투명 전도성 산화물층을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 도 7a에 도시된 바와 같이, n형 투명 전도성 산화물을 사용하여 GaN계 LED(60)의 p-콘택(127)을 형성함으로써, 상기 p-콘택(127)은 GaN계 LED(60)의 p측 전극 역할을 하는 동시에, P-N 다이오드(72)의 n형 반도체 역할을 한다.
도 7a를 참조하면, 질화갈륨계 발광 소자(600)의 p형 GaN계 클래드층(108) 상에는 n형 투명 전도성 산화물층으로 된 p-콘택(127)이 형성되어 있다. p-콘택(127)의 일부 영역 상에는 p형 투명 전도성 산화물층(130)과 다이오드 전극층(132)이 순차 형성되어 있다. n형 투명 전도성 산화물로 이루어진 p-콘택(127)과 p형 투명 전도성 산화물층(130)은 P-N 다이오드(72)의 p-n 접합(82)을 형성한다.
GaN계 LED(60)의 p-콘택(127)은 P-N 다이오드(72)의 n형 반도체를 형성하고, GaN계 LED(60)의 n-콘택(134)은 P-N 다이오드(72)의 p형 반도체(p형 투명 전도성 산화물층(130))와 연결된다. 따라서, 도 7b에 도시된 바와 같이, GaN계 LED(60)와 P-N 다이오드(72)는 서로 반대 방향으로 병렬 연결된다. 이러한 구조를 갖는 질화 갈륨계 발광 소자의 ESD 보호 동작은 도 5a 및 도 5b에서 설명한 바와 마찬가지이다.
도 7a에 도시된 질화갈륨계 발광 소자(600)의 변형례로서, p형 투명 전도성 산화물로 p-콘택(127)을 형성하고, p-콘택(127)의 일부 영역 상에 n형 투명 전도성 산화물층과 다이오드 전극층을 순차 형성할 수도 있다. 이 경우, GaN계 LED와 P-N 다이오드는 서로 같은 방향으로 병렬 연결된다. 따라서, ESD 보호 동작은 도 6a 및 도 6b에서 설명한 바와 마찬가지이다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 또한, 본 발명은 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, GaN계 LED 상에 형성되어 상기 GaN계 LED와 병렬 연결된 P-N 다이오드를 구비함으로써, 역방향 EDS 내성 전압을 향상시킬 수 있고, LED 소자의 신뢰성을 개선할 수 있게 된다. 또한, 투명 전도성 산화물층들로 P-N 다이오드를 형성함으로써, 개선된 ESD 특성을 갖는 질화갈륨계 발광 소자를 용이하게 제조할 수 있게 된다.
나아가, LED 소자와 ESD 보호용 소자를 분리하기 위한 별도의 소자 분리 영역을 구비하지 않기 때문에, 발광 소자의 전체 구조가 간단하다. 별도의 소자 분리용 식각 공정을 필요로 하지 않기 때문에, 제조 비용이 더욱 절감된다.

Claims (22)

  1. 기판 상에 순차 형성된 n형 GaN계 클래드층, 활성층, 및 p형 GaN계 클래드층과, 상기 p형 GaN계 클래드층 상에 형성된 p-콘택과, 상기 n형 GaN계 클래드층 상에 형성된 n-콘택을 구비하는 GaN계 LED; 및
    상기 n-콘택 상에 형성된 P-N 다이오드 - 상기 P-N 다이오드는 p형 투명 전도성 산화물층과 n형 투명 전도성 산화물층의 적층에 의해 형성됨 - 를 포함하고,
    상기 P-N 다이오드는 상기 GaN계 LED와 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 GaN계 LED와 상기 P-N 다이오드는 서로 반대 방향으로 병렬 연결된 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자.
  3. 제2항 있어서,
    상기 P-N 다이오드는,
    상기 n형 GaN계 클래드층 상에 형성된 p형 투명 전도성 산화물층; 및
    상기 p형 투명 전도성 산화물층 상에 형성된 n형 투명 전도성 산화물층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 n-콘택은, 상기 n형 GaN계 클래드층과 상기 p형 투명 전도성 산화물층 사이에 형성된 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 n-콘택은, 상기 p형 투명 전도성 산화물층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 GaN계 LED와 상기 P-N 다이오드는 서로 같은 방향으로 병렬 연결된 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 P-N 다이오드는,
    상기 n형 GaN계 클래드층 상에 형성된 n형 투명 전도성 산화물층; 및
    상기 n형 투명 전도성 산화물층 상에 형성된 p형 투명 전도성 산화물층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 n-콘택은, 상기 n형 GaN계 클래드층과 상기 n형 투명 전도성 산화물층 사이에 형성된 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자.
  9. 제4항 또는 제8항에 있어서,
    상기 n-콘택은, 상기 n형 GaN계 클래층 상에 형성된 금속 콘택층과, 상기 금속 콘택층 상에 형성된 ITO층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 n-콘택은, 상기 n형 투명 전도성 산화물층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자.
  11. 제5항 또는 제10항에 있어서,
    상기 n-콘택은, 상기 n형 GaN계 클래드층과 상기 P-N 다이오드 사이에 금속 콘택층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자.
  12. 기판 상에 순차 형성된 n형 GaN계 클래드층, 활성층, 및 p형 GaN계 클래드층과, 상기 p형 GaN계 클래드층 상에 형성된 p-콘택과, 상기 n형 GaN계 클래드층 상에 형성된 n-콘택을 구비하는 GaN계 LED; 및
    상기 p형 GaN계 클래드층 상에 형성되어 상기 GaN계 LED와 병렬로 연결되고, n형 투명 전도성 산화물층과 p형 투명 전도성 산화물층의 적층 구조를 갖는 P-N 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자.
  13. 제1항 또는 제12항에 있어서,
    상기 p형 투명 전도성 산화물층은, ZnO, CuAlO2, CuGaO2, SrCu2O2, Cu2O-CoO, LaSrMnO3, CuY1-XCaXO2, CuCr1-XMgXO2, CuScO2, CuGa1-XFeXO2, AgCo2, CuNi2/3Sb1/3O2, NiCo2O4, NiO, In2O3-Ag2O, Cu2O 및 CuInO2 로 이루어진 군으로부터 적어도 하나 선택되어 형성된 p형의 투명 전도성 산화물층이고,
    상기 n형 투명 전도성 산화물층은, ZnO, AZO, CuInO2, Zn1-XAlXO. Zn1-XMgXO, SnO2, RuO2, PdO, Bi2Ru2O7, Bi2Ir2O7, ITO 로 이루어진 군으로부터 적어도 하나 선택되어 형성된 n형의 투명 전도성 산화물층인 것을 특징으로 질화갈륨계 발광 소자.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 GaN계 LED와 상기 P-N 다이오드는 서로 반대 방향으로 병렬 연결된 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 P-N 다이오드는,
    상기 p형 GaN계 클래드층 상에 형성된 n형 투명 전도성 산화물층; 및
    상기 n형 투명 전도성 산화물층 상에 형성된 p형 투명 전도성 산화물층을 포 함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 p-콘택은, 상기 p형 GaN계 클래드층과 상기 n형 투명 전도성 산화물층 사이에 형성된 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 p-콘택은, 상기 n형 투명 전도성 산화물층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 GaN계 LED와 상기 P-N 다이오드는 서로 같은 방향으로 병렬 연결된 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 P-N 다이오드는,
    상기 p형 GaN계 클래드층 상에 형성된 p형 투명 전도성 산화물층; 및
    상기 p형 투명 전도성 산화물층 상에 형성된 n형 투명 전도성 산화물층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 p-콘택은, 상기 p형 GaN계 클래드층과 상기 p형 투명 전도성 산화물층 사이에 형성된 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자.
  21. 제16항 또는 제20항에 있어서,
    상기 p-콘택은 ITO층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 p-콘택은, 상기 p형 투명 전도성 산화물층을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화갈륨계 발광 소자.
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