KR100991742B1 - 광 검출기를 구비한 광소자 - Google Patents

광 검출기를 구비한 광소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광 검출기를 구비한 광소자에 관한 것으로, 제1 도전형을 가지는 반도체 층, 제2 도전형을 가지는 반도체 층, 그리고 제1 도전형을 가지는 반도체 층과 제2 도전형을 가지는 반도체 층 사이에 형성되는 공핍층을 포함하는 광 검출기, 그리고 광 검출기에 플립칩 본딩되어 있는 발광소자로서, 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 갖는 복수개의 화합물 반도체층과, 복수개의 화합물 반도체층과 전기적으로 접촉되며 광 검출기의 제2 도전형을 가지는 반도체 층 위에 위치하는 제1 도전형을 가지는 전극과, 복수개의 화합물 반도체층과 전기적으로 접촉되는 제2 도전형을 가지는 전극을 포함하는 발광소자를 포함하여 발광소자의 활성층에서 생성된 빛을 광 검출기의 공핍층에서 검출하는 것을 특징으로 하는 광 검출기를 구비한 광소자를 제공하며, 이에 의해 LED와 같은 발광소자를 포토다이오드와 같은 광 검출기에 flip chip 방법으로 집적하여 발광소자의 광출력을 검출할 수 있다.
발광다이오드, 광소자, 광 검출기, 수광소자, 포토다이오드, 레이저다이오드

Description

광 검출기를 구비한 광소자{OPTICAL DEVICE WITH PHOTO DETECTOR}
도 1은 종래의 LCD에서의 LED 구동 및 광검출 방법을 나타내는 도면,
도 2 내지 도 4는 미국특허 제5,757,829호에 게시된 파워 모니터 시스템을 나타내는 도면,
도 5는 본 발명에 따른 광 검출기(10)를 구비한 광소자(100)를 나타내는 도면,
도 6은 도 5에 따른 광소자의 전기적 연결을 개념적으로 나타내는 도면,
도 7은 본 발명의 다른 예를 나타내는 도면,
도 8은 도 7에 따른 광소자의 전기적 연결을 개념적으로 나타내는 도면,
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예를 개념적으로 나타내는 도면,
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예를 개념적으로 나타내는 도면.
본 발명은 광 검출기를 포함하는 광소자에 관한 것이다. 최근에 LED(Light Emitting Diode)가 LCD(Liquid Crystal Display)의 광원으로 사용되면서 LED의 광출력을 조절하는 장치가 필요하게 되었다. LCD 광원으로 사용되는 LED는 적색, 청 색, 녹색의 세가지 광원으로 이루어지며 각각의 광출력은 일정한 비율을 가져야 한다. LED의 광출력은 색깔에 따른 LED의 종류, 사용되는 온도, 사용된 시간에 따라서 변화하게 된다. 적색 LED의 경우 AlGaInP 물질로 만들어지며 구동 전압이 2V - 2.5V의 값을 가진다. 일반적인 LED의 경우 20mA에서 구동되며 구동 전류를 증가시키면 비례해서 광출력이 증가한다. 구동 전류를 더욱 커지면 광출력 증가율은 떨어지게 된다. 청색이나 녹색 LED의 경우 AlGaInN 물질을 기반으로 하고 구동 전압이 3V - 4V의 값을 가진다. 적색 LED와 마찬가지로 일반적으로 20mA에서 구동되며 구동 전류를 그 이상으로 구동하면 광출력 증가율은 떨어지게 된다.
또한 LED의 광출력 특성중의 하나는 사용 온도에 따른 광출력 특성의 변화가 있다. 동작 온도가 높아지면 광출력은 감소하는 것이 일반적이다.
또 다른 LED의 광출력 특성중의 하나는 사용 시간에 따른 광출력의 감소 특성이다. 이는 시간이 지남에 따라 소자의 특성이 나빠지기 때문이다.
이와 같은 이유로 인하여 일정한 광출력을 얻기 위해서는 LED에서 방출되는 광출력을 감지하고, 방출된 광출력에 따라서 구동전류를 가변하여 일정한 광출력을 유지하여 한다. 따라서 이러한 광출력의 변화를 감지하고 일정한 광출력을 가지게 LED를 구동하는 것은 아주 중요하다.
종래의 기술에 따른 LCD에서의 LED 구동 및 광검출 방법을 도 1에 나타내었다. 종래에는 LCD의 한쪽에 LED(1)를 배치하고 LCD 패널(2)의 반대편에 광출력을 검출하는 소자(3)를 배치하는 구조를 가지고 있다. 여기에 사용되는 LED는 적색, 청색, 녹색으로 이루어져 있다. 각각을 일정 전류로 구동하면서 광검출기에서의 광 의 세기를 측정하여 각 색깔에 적합한 광출력이 되도록 LED의 구동 전류값을 바꾸어 주는 방식이다.
미국특허 제5,757,829호는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 기판(314)에 플립칩 장착된 기판(352)를 포함하는 파워 모니터 시스템(360)을 제시되어 있으며, 기판(352)은 포토다이오드(350)를 구비하고 있다. 기판(352)은 기판(314) 위에 위치하며 VCSEL(310; Vertical Cavity Surface Emitting Lasers)과 광학적으로 정렬되도록 포토다이오드(350)를 위치시켜, VCSEL(310)로부터의 발광이 포토다이오드(350)로 직접 들어가도록 되어 있다. 여기서, 플립칩 장착은 bump bonding, conductive epoxy 등과 같은 잘 알려진 반도체 기술이 이용된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 파워 모니터 시스템(360)은 파워 제어 장치(370)를 더 구비하며, 포토다이오드(350)로부터의 신호(372)를 입력으로 하여 VCSEL(310,312)로 파워(374)를 출력하여 VCSEL(310,312)의 발광을 일정하게 유지한다.
그러나, 미국특허 제5,757,829호의 경우에 광을 검출하는 포토다이오드(350)가 플립칩 본딩되어 있으며, 기판(314)은 광 검출용 VCSEL(310)과 발광용 VCSEL(312)을 별도로 구비하고 있다.
본 발명은 LED(Light Emitting Device), LD(Laser Diode)와 같은 발광소자의 광출력을 일정하게 유지할 수 있도록 그 광출력을 검출할 수 있는 광 검출기를 구비한 광소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시에 따른 일 태양에 의하면(According to one aspect of the present disclosure), 제1 도전형을 가지는 반도체 층, 제2 도전형을 가지는 반도체 층, 그리고 제1 도전형을 가지는 반도체 층과 제2 도전형을 가지는 반도체 층 사이에 형성되는 공핍층을 포함하는 광 검출기, 그리고 광 검출기에 플립칩 본딩되어 있는 발광소자로서, 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 갖는 복수개의 화합물 반도체층과, 복수개의 화합물 반도체층과 전기적으로 접촉되며 광 검출기의 제2 도전형을 가지는 반도체 층 위에 위치하는 제1 도전형을 가지는 전극과, 복수개의 화합물 반도체층과 전기적으로 접촉되는 제2 도전형을 가지는 전극을 포함하는 발광소자를 포함하며, 발광소자의 활성층에서 생성된 빛을 광 검출기의 공핍층에서 검출하는 것을 특징으로 하는 광 검출기를 구비한 광소자가 제공된다.
또한, 본 개시에 따른 다른 태양에 의하면(According to another aspect of the present disclosure), 제1 도전형을 가지는 반도체 층과 제2 도전형을 가지는 반도체 층 사이에 형성되는 공핍층을 포함하는 광 검출기와, 광 검출기에 플립칩 본딩되어 있는 발광소자로서, 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 갖는 복수개의 화합물 반도체층과, 복수개의 화합물 반도체층과 전기적으로 접촉되는 제1 도전형을 가지는 전극 및 제2 도전형을 가지는 전극을 포함하는 발광소자, 그리고, 발광소자의 제2 도전형을 가지는 전극과 광 검출기의 제1 도전형을 가지는 반도체 층 사이에 위치하는 절연체;를 포함하며, 발광소자의 활성층에서 생성된 빛을 광 검출기의 공핍층에서 검출하는 것을 특징으로 하는 광 검출기를 구비한 광소자가 제공된다.
여기서 발광소자는 LED(발광 다이오드)나 LD(레이저 다이오드)와 같이 전자와 정공의 재결합을 통해 빛(광자)을 생성하는 소자를 의미하며, 광 검출기는 포토다이오드와 같이 빛(광자)을 검출하는 소자를 의미한다.
삭제
제1 도전형이 p형인 경우에 제2 도전형은 n형을 가지며, 제1 도전형이 n형인 경우에 제2 도전형은 p형을 가진다.
화합물 반도체층은 예를 들어 AlxInyGa1-x-yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1), GaAs와 같은 물질로 이루어질 수 있다.
제1 및 제2 도전형을 가지는 반도체 층은 바람직하게는 실리콘으로 이루어진다.
여기서, 본 발명은 활성층에서 생성된 빛을 기판이 있는 방향으로 방출하는 플립칩 형태의 발광소자와 이 발광소자의 기판의 반대 방향 측에 수광소자를 구비하여 발광소자의 광출력을 검출하는 광소자를 의미하여, 이러한 광출력을 피드백함으로써 발광소자의 광출력을 일정하게 유지할 수 있다.
삭제
이하, 도면을 참고로 하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 광 검출기(10)를 구비한 광소자(100)를 나타내는 도면으로서, 바람직하게는 실리콘 반도체가 기판(11)으로 사용되는데, 기판(11)은 p형 반도체 층(11)으로 구성되어 있다. 이온 주입 또는 확산 방법에 의해서 일정 부분에 n형 반도체 층(12)을 구성하여 p-n 다이오드를 형성한다.
p-n 다이오드에 전압을 가하지 않거나 역방향 전압을 가하면 p-n 다이오드 접합면에 공핍층(13)이 형성되고 외부의 광(40)이 공핍층(13)으로 입사되면 전자-정공이 형성되면서 광전류가 발생한다. 광전류는 입사하는 광출력에 따라서 변하게 되어 p-n 다이오드 상측에 배치된 발광소자(30), 본 실시예에서는 LED(30)에서 방출되는 광의 세기를 검출할 수 있다.
p-n 접합이 형성된 기판(11)에 외부 전극 연결을 위한 금속패드(51,52,53)가 형성되며, 금속패드(51,52,53)에 본딩 와이어(91,92,93)가 연결된다. p형 반도체 층(11) 위의 금속패드(51)와 LED(30)의 n형 화합물 반도체 층(71) 사이에 n형 전극(61)이 형성되고, n형 반도체 층(12) 위의 금속패드(52)와 LED(30)의 p형 화합물 반도체 층(72) 사이에 p형 전극(62)이 형성된다. LED(30)의 n형 전극(61)과의 절연을 위해서 p형 반도체 층(11)의 표면에 절연막(81)을 형성하고, LED(30)의 n형 전극(61)으로부터 위쪽으로의 전기적 연결을 위해서 금속패드(52)를 형성하여 있다.
도 5는 금속패드(51,52,53)가 형성된 실리콘 기판(11) 상에 LED(30)를 뒤집어서 붙인 모양을 보이고 있으며, 반도체 칩을 뒤집어서 붙이는 방법을 flip chip 기술이라 하고, 전술한 바와 같이 이는 잘 알려진 기술이다.
LED(30)는 p형 전극(62)과 n형 전극(61)을 구비하고 있으며 p형 전극(62)에 (+) 전원(도시 생략)을 가하면 LED(30)의 활성층(73)이 전자와 정공의 재결합을 통해 광을 방출한다. LED(30)의 p형 전극(62)을 금속패드(52)를 통해 실리콘 p-n 다이오드(10)의 n형 반도체 층(12)과 연결하고, LED(30)의 n형 전극(61)을 실리콘 기판(11)의 절연막(81) 위에 형성된 금속패드(51)에 연결한 후, 금속패드(51,52,53) 각각에 본딩 와이어(91,92,93)를 연결한다. 이러한 전기적 연결에 의해 도 6과 같이 광 검출기 또는 실리콘 p-n 다이오드(10)와 LED(30)를 본딩 와이어(91,92,93)를 통해 외부와 전기적으로 연결시킬 수 있다.
LED(30)의 활성층(73)에서 방출된 광은 청색 또는 녹색 LED의 경우 투명성 기판(예, 사파이어)을 통해서 상측으로 방출되며 일부의 광(40)은 하측으로 방출된 다. 하부로 방출된 광(40)은 실리콘 p-n 다이오드(10)의 공핍층(13)으로 흡수되어 광출력의 세기에 따라 p-n 다이오드의 광전류가 변하게 된다. 실리콘 기판(11) 위에 형성된 LED(30)는 적색, 청색, 녹색, 자외선, 적외선 등의 모든 LED가 사용될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 예를 나타내는 도면으로서, 실리콘 기판(111)으로 n형 반도체 층이 사용되고, 부분적으로 이온주입 또는 확산 방법으로 p형 반도체 층(112)을 형성하여 p-n 다이오드를 구성하고 있다. 이 경우에 발광소자(30)의 n형 전극(61)과 p형 전극(62) 중 n형 전극(61)이 p형 반도체 층(112)에 연결된다. 도 8은 도 7의 실시예에 따른 전기적 연결을 개념적으로 나타내고 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예를 개념적으로 나타내는 도면으로서, LED(30)와 병렬로 역방향 제너 다이오드(300)를 연결한 구조를 보이고 있다. 일반적으로 AlGaInN 기반의 청색, 녹색 LED는 역방향 정전기에 아주 약한 것으로 알려져 있다. 이러한 문제를 해결하기 위한 방편으로 역방향 제너 다이오드(300)를 LED(30)와 병렬로 연결함으로써 역방향 정전 내압을 획기적으로 개선할 수 있다.
도 9는 도 5의 구성에 따른 광소자에 제너 다이오드(300)를 연결한 것이고, 도 10은 도 7의 구성에 따른 광소자에 제너 다이오드(300)를 연결한 본 발명에 따른 실시예를 나타낸다.
본 발명에 의하면, LED와 같은 발광소자를 포토다이오드와 같은 광 검출기에 flip chip 방법으로 집적하여 발광소자의 광출력을 검출할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 기판으로 역할하는 광 검출기를 통해서 발광소자의 활성층에서 발생된 열을 효과적으로 방출할 수 있게 된다.
또한 본 발명에 의하면, 플립칩 구조의 발광소자의 광출력을 광출력 방향의 후방에서 검출하여 일정하게 유지할 수 있게 된다.

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 제1 도전형을 가지는 반도체 층과 제2 도전형을 가지는 반도체 층 사이에 형성되는 공핍층을 포함하는 광 검출기; 그리고
    광 검출기에 플립칩 본딩되어 있는 발광소자;로서, 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 갖는 복수개의 화합물 반도체층과, 복수개의 화합물 반도체층과 전기적으로 접촉되며 광 검출기의 제2 도전형을 가지는 반도체 층 위에 위치하는 제1 도전형을 가지는 전극과, 복수개의 화합물 반도체층과 전기적으로 접촉되는 제2 도전형을 가지는 전극을 포함하는 발광소자;를 포함하며,
    발광소자의 활성층에서 생성된 빛을 광 검출기의 공핍층에서 검출하는 것을 특징으로 하는 광 검출기를 구비한 광소자.
  3. 제1 도전형을 가지는 반도체 층과 제2 도전형을 가지는 반도체 층 사이에 형성되는 공핍층을 포함하는 광 검출기;
    광 검출기에 플립칩 본딩되어 있는 발광소자;로서, 전자와 정공의 재결합에 의해 빛을 생성하는 활성층을 갖는 복수개의 화합물 반도체층과, 복수개의 화합물 반도체층과 전기적으로 접촉되는 제1 도전형을 가지는 전극 및 제2 도전형을 가지는 전극을 포함하는 발광소자; 그리고,
    발광소자의 제2 도전형을 가지는 전극과 광 검출기의 제1 도전형을 가지는 반도체 층 사이에 위치하는 절연체;를 포함하며,
    발광소자의 활성층에서 생성된 빛을 광 검출기의 공핍층에서 검출하는 것을 특징으로 하는 광 검출기를 구비한 광소자.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    발광소자의 제1 도전형을 가지는 전극과 광 검출기의 제2 도전형을 가지는 반도체 층에 전기적으로 연결된 제1 본딩 와이어;
    발광소자의 제2 도전형을 가지는 전극에 전기적으로 연결된 제2 본딩 와이어; 그리고
    광 검출기의 제1 도전형을 가지는 반도체 층에 전기적으로 연결된 제3 본딩 와이어;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 검출기를 구비한 광소자.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    발광소자의 제1 도전형을 가지는 전극과 광 검출기의 제2 도전형을 가지는 반도체 층 사이에 위치하는 제1 금속패드;
    발광소자의 제2 도전형을 가지는 전극 아래에 위치하는 제2 금속패드; 그리고
    광 검출기의 제1 도전형을 가지는 반도체 층 위에 위치하는 제3 금속패드;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 검출기를 구비한 광소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    제1 금속패드에 전기적으로 연결된 제1 본딩 와이어; 제2 금속패드에 전기적으로 연결된 제2 본딩 와이어; 그리고 제3 금속패드에 전기적으로 연결된 제3 본딩 와이어;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 검출기를 구비한 광소자.
  7. 제 2 항 또는 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    역방향 정전기로부터 발광소자를 보호하기 위한 제너 다이오드;를 더 포함하며,
    제너 다이오드는 발광소자에 전기적으로 극성이 엇갈리도록 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 광 검출기를 구비한 광소자.
  8. 제 2 항 또는 제 3 항 중의 어느 한 항에 있어서,
    제1 도전형을 가지는 반도체 층 및 제2 도전형을 가지는 반도체 층은 실리콘으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광 검출기를 구비한 광소자.
  9. 삭제
  10. 삭제
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