KR101055768B1 - 전극패드들을 갖는 발광 다이오드 - Google Patents

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Abstract

전극 패드들을 갖는 발광 다이오드가 개시된다. 이 발광 다이오드는 기판, 상기 기판 상에 위치하는 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층 상에 위치하는 제2 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층, 상기 제1 도전형 반도체층에 전기적으로 접속된 제1 전극 패드, 상기 제1 도전형 반도체층 상에 위치하는 제2 전극 패드, 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 전극 패드 사이에 개재되어 상기 제2 전극 패드를 상기 제1 도전형 반도체층으로부터 전기적으로 절연시키는 절연층, 및 상기 제2 전극패드에 연결되어 상기 제2 도전형 반도체층에 전기적으로 접속된 적어도 하나의 상부 연장부를 포함한다. 제2 전극 패드를 제1 도전형 반도체층 상에 형성함으로써 전극 패드에 의한 광손실을 방지할 수 있으며, 전류 밀집 현상을 방지할 수 있다.
발광 다이오드, 전극 패드, 전류 밀집(current crowding), 질화갈륨

Description

전극패드들을 갖는 발광 다이오드{LIGHT EMITTING DIODE HAVING ELECTRODE PADS}
본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 특히 전극패드들을 갖는 발광 다이오드에 관한 것이다.
질화갈륨(GaN) 계열의 발광 다이오드가 개발된 이래, GaN 계열의 LED는 현재 천연색 LED 표시소자, LED 교통 신호기, 백색 LED 등 다양한 응용에 사용되고 있다.
질화갈륨 계열의 발광 다이오드는 일반적으로 사파이어와 같은 기판 상에 에피층들을 성장시키어 형성되며, N형 반도체층, P형 반도체층 및 이들 사이에 개재된 활성층을 포함한다. 한편, 상기 N형 반도체층 상에 N-전극 패드가 형성되고, 상기 P형 반도체층 상에 P-전극 패드가 형성된다. 상기 발광 다이오드는 상기 전극패드들을 통해 외부 전원에 전기적으로 연결되어 구동된다. 이때, 전류는 P-전극 패드에서 상기 반도체층들을 거쳐 N-전극 패드로 흐른다.
일반적으로 P형 반도체층은 높은 비저항을 가지므로, P형 반도체층 내에서 전류가 고르게 분산되지 못하고, 상기 P-전극 패드가 형성된 부분에 전류가 집중되 며, 모서리를 통해 전류가 집중적으로 흐르는 문제점이 발생된다. 전류 밀집(current crowing)은 발광영역의 감소로 이어지고, 결과적으로 발광효율을 저하시킨다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, P형 반도체층 상에 비저항이 낮은 투명전극층을 형성하여 전류분산을 도모하는 기술이 사용된다. P-전극 패드로부터 유입된 전류가 투명전극층에서 분산되어 상기 P-형 반도체층으로 유입되기 때문에 발광 다이오드의 발광영역을 넓힐 수 있다.
그러나, 투명전극층은 광을 흡수하기 때문에 그 두께가 제한되며, 따라서 전류분산에 한계가 있다. 특히 고출력을 위해 사용되는 약 1㎟ 이상의 대면적 발광 다이오드에서 투명전극층을 이용한 전류분산은 한계가 있다.
한편, 발광 다이오드 내의 전류 분산을 돕기 위해 전극 패드들로부터 연장된 연장부들이 사용되고 있다. 예컨대, 미국특허공보 제6,650,018호에는 전극 접촉부들(117, 127), 즉 전극 패드들로부터 다수의 연장부들이 서로 반대 방향으로 연장하여 전류를 분산을 강화하는 것을 개시하고 있다.
이러한 다수의 연장부들을 사용함으로써 발광 다이오드의 넓은 영역에 걸쳐 전류를 분산시킬 수 있으나, 전극 패드들이 위치하는 부분에서 여전히 전류가 집중되는 전류 밀집 현상이 나타나고 있다.
한편, 발광 다이오드의 크기가 대면적화함에 따라 발광 다이오드 내에 결함이 포함될 확률이 증가한다. 예컨대, 실전위(threading dislocation), 핀홀 등의 결함은 전류가 급격히 흐르는 통로를 제공하여 전류 분산을 방해한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전극 패드 근처에서 전류 밀집 현상이 발생되는 것을 방지할 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 넓은 면적의 발광 다이오드에서 전류를 고르게 분산시킬 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 실시예들에 따른 발광 다이오드는, 기판; 상기 기판 상에 위치하는 제1 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 위치하는 제2 도전형 반도체층; 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층; 상기 제1 도전형 반도체층에 전기적으로 접속된 제1 전극 패드; 상기 제1 도전형 반도체층 상에 위치하는 제2 전극 패드; 및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 전극 패드 사이에 개재되어 상기 제2 전극 패드를 상기 제1 도전형 반도체층으로부터 전기적으로 절연시키는 절연층을 포함한다. 적어도 하나의 상부 연장부가 상기 제2 전극패드에 연결되어 상기 제2 도전형 반도체층에 전기적으로 접속된다.
특히, 상기 제1 도전형 반도체층은 n형 질화물 반도체층이고, 상기 제2 도전형 반도체층은 p형 질화물 반도체층일 수 있다. 따라서, p형 질화물 반도체층 상에서 p-전극 패드 주위에 전류가 집중되는 것을 방지할 수 있다. 나아가, 투명 전극층이 상기 p형 질화물 반도체층 상에 위치할 수 있으며, 상기 상부 연장부는 상기 투명 전극층 상에 위치할 수 있다.
한편, 상기 제1 도전형 반도체층은 상기 제2 도전형 반도체층 및 상기 활성층이 메사 식각되어 노출된 적어도 하나의 영역을 가질 수 있으며, 상기 제2 전극 패드는 상기 제1 도전형 반도체층의 노출된 영역 상에 위치할 수 있다.
나아가, 연결부가 상기 상부 연장부와 상기 제2 전극 패드를 연결할 수 있으며, 상기 메사 식각된 제1 도전형 반도체층 및 활성층의 측면들은 상기 절연층에 의해 상기 연결부로부터 절연될 수 있다.
또한, 상기 절연층은 상기 제2 도전형 반도체층 상으로 연장되어 상기 제2 도전형 반도체층 상에 가장자리를 가질 수 있다.
몇몇 실시예들에 있어서, 상기 제2 전극 패드의 적어도 일부는 상기 제2 도전형 반도체층 상에 위치할 수 있다. 상기 제2 전극 패드와 상기 제2 도전형 반도체층은 상기 절연층에 의해 분리될 수 있다.
한편, 상기 제2 도전형 반도체층 및 상기 활성층은 적어도 두 개의 발광 영역들을 정의하도록 분할될 수 있다. 상기 적어도 두 개의 발광 영역들 상에 각각 상기 제2 전극 패드에 연결된 상부 연장부가 위치할 수 있다.
또한, 상기 적어도 두 개의 발광 영역들은 상기 제1 전극 패드와 상기 제2 전극 패드를 가로지르는 선에 대해 대칭 구조를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 적어도 두개의 발광 영역들이 동일한 발광 특성을 나타낼 수 있다.
또한, 적어도 하나의 하부 연장부가 상기 제1 전극 패드에 연결될 수 있으며, 상기 하부 연장부 중 적어도 하나는 상기 적어도 두 개의 발광 영역들 사이에 위치할 수 있다.
종래의 통상적인 발광 다이오드는 제2 전극 패드가 제2 도전형 반도체층 상에 위치하여 제2 도전형 반도체층에 전기적으로 접속된다. 따라서, 제2 전극 패드 주위에 전류가 집중되어 전류 분산이 방해된다. 그러나, 본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 제2 전극 패드가 상기 제1 도전형 반도체층 상에 위치하므로, 제2 전극 패드 주위에 전류가 집중되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 복수개의 발광 영역들로 분할함으로써 발광 영역들에 고르게 전류를 분산시킬 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 평면도이고, 도 2는 도 1의 절취선 A-A를 따라 취해진 단면도이고, 도 3은 도 1의 절취선 B-B를 따라 취해진 단면도이다.
도 1 내지 3을 참조하면, 상기 발광 다이오드는 기판(21), 제1 도전형 반도체층(23), 활성층(25), 제2 도전형 반도체층(27), 절연층(31), 제1 전극 패드(35) 및 제2 전극 패드(33), 상부 연장부(33a)를 포함한다. 또한, 상기 발광 다이오드는 연결부들(33b), 투명 전극층(29), 하부 연장부(35a)를 포함할 수 있다. 상기 기판(11)은, 예컨대 사파이어 기판일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 도전형 반도체층(23)이 상기 기판(21) 상에 위치하고, 상기 1 도전형 반도체층(23) 상에 제2 도전형 반도체층(27)이 위치하고, 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 사이에 활성층(25)이 개재된다. 상기 제1 도전형 반도체층(23), 활성층(25) 및 제2 도전형 반도체층(27)은 질화갈륨 계열의 화합물 반도체 물질 즉, (Al, In, Ga)N으로 형성될 수 있다. 상기 활성층(25)은 요구되는 파장의 광, 예컨대 자외선 또는 청색광을 방출하도록 조성 원소 및 조성비가 결정된다.
상기 제1 도전형 반도체층(23)은 n형 질화물 반도체층일 수 있으며, 제2 도전형 반도체층(27)은 p형 질화물 반도체층일 수 있으며, 그 반대일 수도 있다.
상기 제1 도전형 반도체층(23) 및/또는 제2 도전형 반도체층(27)은, 도시한 바와 같이, 단일층으로 형성될 수 있으나, 다층 구조로 형성될 수도 있다. 또한, 활성층(25)은 단일 양자웰 또는 다중 양자웰 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 기판(21)과 제1 도전형 반도체층(23) 사이에 버퍼층(도시하지 않음)이 개재될 수 있다. 상기 반도체층들(23, 25, 27)은 MOCVD 또는 MBE 기술을 사용하여 형성될 수 있다.
한편, 상기 제2 도전형 반도체층(27) 상에 투명 전극층(29)이 위치할 수 있다. 투명전극층(29)은, ITO 또는 Ni/Au로 형성될 수 있으며, 제2 도전형 반도체층에 오믹콘택된다.
상기 제2 도전형 반도체층(27) 및 활성층(25)은 사진 및 식각 공정을 사용하여 상기 제1 도전형 반도체층(23)의 영역(들)이 노출되도록 패터닝될 수 있다. 이러한 공정은 일반적으로 메사 식각 공정으로 잘 알려져 있다. 상기 메사 식각 공정에 의해 도시된 바와 같이 발광 영역들이 분할될 수 있다. 여기서는 두개의 발광 영역들로 분할된 것을 도시하고 있지만, 더 많은 수의 발광 영역들로 분할될 수도 있다. 또한, 상기 메사 식각 공정에 의해 형성되는 측면들은 바람직하게 기판(21) 면에 대해 30~70도 범위 내의 경사각을 가질 수 있다.
상기 메사 식각되어 노출된 제1 도전형 반도체층 상에 제1 전극 패드(35) 및 제2 전극 패드(33)가 위치한다. 상기 제1 전극 패드(35)는 제1 도전형 반도체층(23)에 전기적으로 접속된다. 그러나, 상기 제2 전극 패드(33)는 절연층(31)에 의해 제1 도전형 반도체층(23)으로부터 절연된다. 상기 제1 및 제2 전극 패드들(33, 35)은 와이어를 본딩하기 위한 본딩 패드들로서 와이어를 본딩할 수 있도록 상대적으로 넓은 면적을 갖는다. 상기 제1 전극 패드(35) 및 제2 전극 패드(33)는 제1 도전형 반도체층(23)의 노출된 영역 상에 한정되어 위치할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 절연층(31)은 제2 전극패드(33)와 제1 도전형 반도체층(23) 사이에 개재되어 제2 전극 패드(33)를 제1 도전형 반도체층(23)으로부터 절연시킨다. 또한, 상기 절연층(31)은 메사식각되어 노출된 제2 도전형 반도체층(27) 및 활성층(25)의 측면들을 덮을 수 있다. 나아가. 상기 절연층(31)은 연장되어 그 가장 자리가 제2 도전형 반도체층(27) 상에 위치할 수 있다.
한편, 상기 제2 도전형 반도체층(27)(또는 투명 전극층(29)) 상에 상부 연장부들(33a)이 위치한다. 상기 상부 연장부들(33a)은 각각 연결부들(33b)을 통해 제2 전극패드(33)에 연결될 수 있으며, 상기 상부 연장부들(33a)은 제2 도전형 반도체층(27)에 전기적으로 접속된다. 상부 연장부들(33a)은 제1 도전형 반도체층(27)에 전류를 고르게 분산시킬 수 있도록 배치된다. 한편, 상기 연결부들(33b)은 절연층(31)에 의해 제2 도전형 반도체층(27) 및 활성층(25)의 측면들로부터 분리된다.
한편, 적어도 하나의 하부 연장부(35a)가 상기 제1 전극 패드(35)로부터 연장될 수 있다. 상기 하부 연장부(35a)는 제1 도전형 반도체층(23) 상에 위치하여 제1 도전형 반도체층(23)에 전기적으로 접속한다. 하부 연장부(35a)는 도시된 바와 같이, 분할된 발광 영역들 사이에 위치할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 발광 영역들의 바깥쪽에 위치할 수도 있다.
상기 전극 패드들(33, 35), 상부 연장부들(33a), 연결부들(33b) 및 하부 연장부(35a)는 동일한 금속 재료, 예컨대 Cr/Au로 동일 공정을 이용하여 함께 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 상부 연장부들(33a)과 상기 제2 전극 패드(33)를 별개의 공정으로 형성할 수도 있으며, 서로 다른 재료로 형성할 수도 있다.
본 실시예에 있어서, 분할된 발광 영역들은 제1 전극 패드(35)와 제2 전극 패드(33)를 있는 선, 예컨대 절취선 B-B에 대해 대칭구조를 갖는다. 상부 연장부들(33a) 또한 서로 대칭으로 배치되어 상기 발광 영역들은 동일한 발광 특성을 나타낼 수 있다. 따라서, 종래 두개의 발광 다이오드들을 병렬로 연결하여 사용하는 것에 비해 하나의 발광 다이오드 내에서 발광 영역을 두개로 분할하여 사용함으로써 발광 다이오드의 패키징 공정을 단순화할 수 있다. 더욱이, 발광 영역들을 분할함으로써 결함에 의해 전류가 집중되는 것을 완화할 수 있으며, 메사 식각에 의해 경사진 측면들을 형성함으로써 광 추출 효율을 증가시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 다이오드는 도 1 내지 3을 참조하여 설명한 발광 다이오드와 대체로 유사하나, 제2 전극 패드(43)의 일부가 제2 도전형 반도체층(27) 상부에 위치하는 것에 차이가 있다.
즉, 제2 전극 패드(43)는, 메사 식각에 의해 노출된 제1 도전형 반도체층(23) 상에 위치하며 또한 그 일부가 제2 도전형 반도체층(27) 상부에 위치한다. 상기 제2 전극 패드(43)는 절연층(31)에 의해 제1 도전형 반도체층(27)으로부터 분리되며 또한 제2 도전형 반도체층 및 활성층으로부터 분리된다. 연장부들(33a)은 상기 제2 전극 패드(43)로부터 연장된다.
본 실시예에 따르면, 절연층(31)에 의해 제2 전극 패드(43)를 반도체층들로부터 분리하여 제2 전극 패드(43) 주위에 전류가 집중되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 앞의 실시예와 달리, 메사 식각되는 영역을 상대적으로 감소시킬 수 있어 발광 영역을 증가시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 평면도이다.
도 1의 실시예에서, 제1 전극 패드(35) 및 제2 전극 패드(33)가 발광 다이오드의 장축 방향을 따라 배치되고, 발광 영역들이 발광 다이오드의 장축 방향을 따라 분할되는 것으로 도시되어 있으나, 본 실시예에 있어서는 전극패드들(53, 55)이 발광 다이오드의 단축 방향을 따라 배치되고, 발광 영역들이 발광 다이오드의 단축 방향을 따라 분할되어 있다. 또한, 분할된 발광 영역들은 대칭 구조를 가지며, 상부 연장부들(53a) 및 하부 연장부들(55a) 또한 대칭 구조로 배치되어 있다.
여기서, 상기 상부 연장부들(55a)은 발광 다이오드의 바깥측으로 연장되어 발광 다이오드를 감싸는 형태로 배치되고, 또한, 발광 다이오드의 바깥쪽에서 내측으로 침입하는 연장부(53b)를 갖는다. 한편, 하부 연장부들(55a)은 발광 다이오드의 안쪽에서 바깥쪽으로 향해 연장하고 있다. 또한, 하부 연장부들(55a)은 각각 발광 영역들 내에서 상기 연장부(53b)를 감싸도록 두 갈래로 갈라질 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 평면도이다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 발광 다이오드는 도 5를 참조하여 설명한 발광 다이오드와 대체로 유사하나 하부 연장부들(65a) 및 상부 연장부들(63a)의 배치에 차이가 있다.
즉, 하부 연장부들(65a)이 발광 다이오드의 바깥쪽으로 연장된 후 발광 영역의 내측으로 침입하고, 상부 연장부들(63a)은 각 발광 영역 상에 두개의 연장부들을 포함하고, 이들 두개의 연장부들이 상기 내측으로 침입한 하부 연장부(65a)를 감싸도록 배치된다.
앞에서 본 발명의 몇몇 실시예들에 대해 설명하지만, 전극 패드들 및 연장부들의 배치에 대해서 다양한 실시예들 및 변형이 가능하다. 또한, 앞서 두개의 발광 영역들로 분할된 발광 다이오드를 예로서 설명하였지만, 더 많은 수의 발광 영역들로 분할될 수 있으며, 또한, 발광 영역들이 완전히 분할되지 않을 수도 있다. 즉, 발광 영역들의 적어도 일부가 서로 연결될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 평면도이다.
도 2는 도 1의 절취선 A-A를 따라 취해진 단면도이다.
도 3은 도 1의 절취선 B-B를 따라 취해진 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 평면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발광 다이오드를 설명하기 위한 평면도이다.

Claims (10)

  1. 기판;
    상기 기판 상에 위치하는 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 위치하는 제2 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층;
    상기 제1 도전형 반도체층에 전기적으로 접속된 제1 전극 패드;
    상기 제1 도전형 반도체층 상에 위치하는 제2 전극 패드;
    상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 전극 패드 사이에 개재되어 상기 제2 전극 패드를 상기 제1 도전형 반도체층으로부터 전기적으로 절연시키는 절연층; 및
    상기 제2 전극패드에 연결되어 상기 제2 도전형 반도체층에 전기적으로 접속된 적어도 하나의 상부 연장부를 포함하는 발광 다이오드.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층은 n형 질화물 반도체층이고, 상기 제2 도전형 반도체층은 p형 질화물 반도체층인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 p형 질화물 반도체층 상에 위치하는 투명 전극층을 더 포함하고, 상기 상부 연장부는 상기 투명 전극층 상에 위치하는 발광 다이오드.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 도전형 반도체층은 상기 제2 도전형 반도체층 및 상기 활성층이 메사 식각되어 노출된 적어도 하나의 영역을 갖고,
    상기 제2 전극 패드는 상기 제1 도전형 반도체층의 노출된 영역 상에 위치하는 발광 다이오드.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 상부 연장부와 상기 제2 전극 패드를 연결하는 연결부를 더 포함하되,
    상기 메사 식각된 제1 도전형 반도체층 및 활성층의 측면들은 상기 절연층에 의해 상기 연결부로부터 절연되는 발광 다이오드.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 절연층은 상기 제2 도전형 반도체층 상으로 연장되어 상기 제2 도전형 반도체층 상에 가장자리를 갖는 발광 다이오드.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제2 전극 패드의 적어도 일부는 상기 제2 도전형 반도체층 상에 위치하되, 상기 제2 전극 패드와 상기 제2 도전형 반도체층은 상기 절연층에 의해 분리되 어 있는 발광 다이오드.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층 및 상기 활성층은 적어도 두 개의 발광 영역들을 정의하도록 분할되고,
    상기 적어도 두 개의 발광 영역들 상에 각각 상기 제2 전극 패드에 연결된 상부 연장부가 위치하는 발광 다이오드.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 발광 영역들은 상기 제1 전극 패드와 상기 제2 전극 패드를 가로지르는 선에 대해 대칭 구조를 갖는 발광 다이오드.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 전극 패드에 연결된 적어도 하나의 하부 연장부를 더 포함하되, 상기 하부 연장부 중 적어도 하나는 상기 적어도 두 개의 발광 영역들 사이에 위치하는 발광 다이오드.
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