KR101381986B1 - 커패시터를 구비하는 발광 다이오드 - Google Patents

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Abstract

커패시터를 구비하는 발광 다이오드가 개시된다. 이 발광 다이오드는, 다이오드; 커패시터; 제1 전극 패드; 및 제2 전극 패드를 구비한다. 또한, 다이오드는, 질화갈륨 계열의 제1 도전형 반도체층, 제1 도전형 반도체층 상부에 위치하는 질화갈륨 계열의 제2 도전형 반도체층, 및 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함한다. 다이오드는 제1 전극 패드와 제2 전극 패드 사이에 형성되며, 커패시터는 다이오드에 병렬 연결된다. 나아가, 다이오드 및 커패시터는 단일 칩 내에 형성된다. 이에 따라, 단일 칩 내에서 다이오드의 정전방전을 방지할 수 있다.

Description

커패시터를 구비하는 발광 다이오드{LIGHT EMITTING DIODE HAVING CAPACITOR}
본 발명은 발광 다이오드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 정전방전 방지를 위한 커패시터를 단일칩 내에 구비하는 발광 다이오드에 관한 것이다.
발광 다이오드는 순방향 전류에 의해 광을 방출하는 광전변환(electroluminescence) 소자이다. 인듐인(InP), 갈륨비소(GaAs), 갈륨인(GaP) 등의 화합물 반도체가 적색 또는 녹색의 광을 방출하는 발광 다이오드의 재료로 사용되어 왔으며, 질화갈륨(GaN) 계열의 화합물 반도체가 자외선 및 청색의 광을 방출하는 발광 다이오드의 재료로 개발되어 사용되어 오고 있다.
발광 다이오드는 각종 표시장치, 백라이트 광원 등에 널리 사용되고 있으며, 최근, 적, 녹, 청색광을 각각 방출하는 3개의 발광 다이오드 칩들을 이용하거나, 또는 형광체를 사용하여 파장을 변환시킴으로써 백색광을 방출하는 기술이 개발되어 조명장치로도 그 적용 범위를 넓히고 있다.
도 1은 종래의 발광 다이오드를 설명하기 위한 평면도이고, 도 2는 도 1의 절취선 A-A를 따라 취해진 단면도이고, 도 3은 도 2의 발광 다이오드의 등가회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 기판(21) 상에 제1 도전형 반도체층(25)이 위치한다. 상기 제1 도전형 반도체층(25)과 기판(21) 사이에 버퍼층(23)이 개재될 수 있다. 한편, 상기 제1 도전형 반도체층(25)의 일 영역 상부에 제2 도전형 반도체층(29)이 위치하고, 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 사이에 활성층(27)이 개재된다.
한편, 상기 제1 도전형 반도체층(25)의 다른 영역 상에 제1 전극패드(31)가 위치하고, 상기 제2 도전형 반도체층(29) 상에 제2 전극패드(35)가 위치한다. 상기 제1 및 제2 전극패드들(31, 35)에 본딩와이어를 연결함으로써 외부전원으로부터 전력이 공급되어 발광 다이오드가 동작한다. 한편, 상기 제2 도전형 반도체층(29) 상에 투명전극층(33)이 형성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 종래의 발광 다이오드는 상기 전극패드들(31, 35) 사이에제1 도전형 반도체층(25), 활성층(27) 및 제2 도전형 반도체층(29)으로 이루어진 다이오드(30)가 형성되고, 다이오드의 내부 저항이나 전극패드들(31, 35) 사이의 다른 저항 성분들이 상기 다이오드(30)와 직렬 연결된 것으로 나타낼 수 있다. 상기 전극패드들(31, 35)에 외부 전원을 연결하여 다이오드(30)에 턴온전압 이상의 순방향 전압을 인가하면 다이오드(30)에서 광이 방출된다.
일반적으로, 발광 다이오드는 과전압에 취약한 특성을 가지며, 따라서 정전기 등에 의한 정전 방전(electrostatic discharge)에 의해 쉽게 손상을 받기 때문에 신뢰성이 좋지 않다. 이를 방지하기 위해, 상기 발광 다이오드를 패키징 할 때, 정전 방전을 방지하기 위해 별개의 제너 다이오드를 발광 다이오드와 함께 실장하여 사용한다. 그러나 제너 다이오드는 값이 비쌀 뿐만 아니라, 제너 다이오드를 실장하는 공정들의 추가로 인해 발광 다이오드 패키징 공정 수 및 제조 비용이 증가된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 칩 레벨에서 정전방전을 방지하여 신뢰성을 향상시킬 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 제너 다이오드의 사용을 배제할 수 있는 발광 다이오드를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제들을 이루기 위하여, 본 발명은 커패시터를 구비하는 발광 다이오드를 제공한다. 상기 발광 다이오드는, 다이오드; 커패시터; 제1 전극 패드; 및 제2 전극 패드를 구비한다. 또한, 상기 다이오드는, 질화갈륨 계열의 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층 상부에 위치하는 질화갈륨 계열의 제2 도전형 반도체층, 및 상기 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함한다. 상기 다이오드는 상기 제1 전극 패드와 상기 제2 전극 패드 사이에 형성되며, 상기 커패시터는 상기 다이오드에 병렬 연결된다. 나아가, 상기 다이오드 및 커패시터는 단일 칩 내에 형성된다.
본 발명의 실시예들에 따른 발광 다이오드는 기판을 포함할 수 있다. 질화갈륨 계열의 제1 도전형 반도체층이 상기 기판 상에 위치한다. 또한, 질화갈륨 계열의 제2 도전형 반도체층이 상기 제1 도전형 반도체층의 일 영역 상부에 위치하고, 활성층이 상기 제1 도전형 반도체층 및 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된다. 한편, 투명 도전층이 상기 제2 도전형 반도체층 상부에 위치하고, 유전층이 상기 제2 도전형 반도체층과 상기 투명 도전층 사이에 개재된다. 이에 따라, 상기 제2 도전형 반도체층, 상기 투명 도전층 및 상기 유전층에 의해 커패시터가 형성되며, 상기 커패시터는 상기 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층으로 구성된 다이오드에 병렬로 연결되어 다이오드의 정전방전을 방지한다.
여기서, 상기 제1 도전형 및 제2 도전형은 서로 반대 도전형으로 n형 또는 p형을 나타낸다. 한편, 질화갈륨 계열의 반도체층들은 (Al, Ga, In)N로 표현되는 2성분계, 3성분계 또는 4성분계의 질화물 반도체층을 의미한다.
한편, 제1 전극 패드가 상기 제1 도전형 반도체층에 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 제2 전극패드가 상기 제2 도전형 반도체층에 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 상기 투명 도전층은 상기 제2 전극 패드로부터 이격된다.
상기 기판이 도전성 기판인 경우, 상기 제1 전극 패드가 상기 기판의 하부면에 형성되고, 상기 제2 전극 패드는 상기 제2 도전형 반도체층 상에 형성될 수 있다. 이 경우, 제1 및 제2 전극패드들이 서로 반대 방향에 위치하는 수직형 발광 다이오드가 제공된다. 상기 기판이 제1 전극 패드의 역할을 수행할 수 있어 제1 전극패드는 생략될 수도 있다.
한편, 상기 제2 도전형 반도체층은 상기 제1 도전형 반도체층의 일 영역 상부에 위치할 수 있으며, 상기 제1 전극 패드는 상기 제1 도전형 반도체층의 다른 영역 상에 위치할 수 있다. 또한, 상기 제2 전극 패드는 상기 제2 도전형 반도체층 상에 위치할 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 전극패드들이 동일 방향에 위치하는 발광 다이오드가 제공된다.
한편, 상기 투명 도전층은 연장되어 상기 제1 전극 패드에 전기적으로 연결될 수 있다. 이때, 상기 유전층은 연장되어 상기 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층으로부터 상기 투명 도전층을 이격시킨다.
본 발명의 실시예들에 있어서, 투명전극층이 상기 제2 도전형 반도체층 상에 형성될 수 있다. 이때, 상기 유전층은 상기 투명전극층과 상기 투명도전층 사이에 개재된다. 또한, 상기 제2 전극패드는 상기 투명전극층 상에 또는 상기 투명전극층을 관통하여 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 단일칩 내에 다이오드와 커패시터가 서로 병렬 연결되어 정전방전을 방지할 수 있는 발광 다이오드를 제공할 수 있다. 이에 따라, 발광 다이오드와 함께 패키징 공정에서 실장되는 제너 다이오드의 사용을 배제할 수 있어, 패키징 공정을 단순화할 수 있어 발광 다이오드 패키지의 제조비용을 절감할 수 있다.
도 1은 종래의 발광 다이오드를 설명하기 위한 평면도이다.
도 2는 종래의 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 도 2의 발광 다이오드의 등가회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터를 구비하는 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5는 도 4의 발광 다이오드의 등가회로도이다.
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 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 커패시터를 구비하는 발광 다이오드를 설명하기 위한 단면도이고, 도 5는 도 4의 발광 다이오드의 등가회로도이다.
도 4를 참조하면, 기판(51) 상에 질화갈륨 계열의 제1 도전형 반도체층(55)이 위치한다. 또한, 질화갈륨 계열의 제1 도전형 반도체층(55)과 기판(51) 사이에 버퍼층(53)이 개재될 수 있다. 기판(51)은 사파이어, 탄화실리콘(SiC), 스피넬 등 다양한 재료의 기판이 사용될 수 있다. 한편, 버퍼층(53)은 기판(51)과 제1 도전형 반도체층(55) 사이의 격자부정합을 완화하여 결정결함을 감소시킨다. 상기 버퍼층(53)은 질화갈륨 계열의 반도체층으로 형성될 수 있으며, 예컨대 GaN 또는 AlGaN 등으로 형성될 수 있다.
한편, 상기 제1 도전형 반도체층(55)의 일 영역 상부에 질화갈륨 계열의 제2 도전형 반도체층(59)이 위치하고, 상기 제1 도전형 반도체층과 제2 도전형 반도체층 사이에 활성층(57)이 개재된다.
여기서, 질화갈륨 계열의 반도체층은 (Al, Ga, In)N으로 표현되는 2성분계, 3성분계 또는 4성분계 질화물 반도체층을 의미한다. 또한, 제1 도전형과 제2 도전형은 서로 반대 도전형으로 n형 또는 p형을 나타낸다. 한편, n형 반도체층은 Si을 도핑하여 형성될 수 있으며, p형 반도체층은 Mg을 도핑하여 형성될 수 있다.
상기 활성층(57)은 질화갈륨 계열의 반도체층으로 이루어진 단일 양자웰 또는 다중 양자웰 구조일 수 있다. 예컨대, 상기 활성층(61)은 InGaN층과 GaN층이 주기적으로 적층된 다중 양자웰일 수 있다.
질화갈륨 계열의 반도체층들은 유기금속 화학기상증착(metal-organic chemical vapor deposition; MOCVD), 분자선 성장(molecular beam epitaxy) 기술 등을 사용하여 기판(51) 상에 성장될 수 있다. 또한, 성장된 반도체층들을 사진 및 식각 기술을 사용하여 패터닝함으로써 제1 도전형 반도체층(55)의 다른 영역을 노출시킬 수 있다.
한편, 제1 전극 패드(61)가 상기 제1 도전형 반도체층(55)의 다른 영역 상에 형성되고, 제2 전극 패드(65)가 상기 제2 도전형 반도체층(59) 상에 형성될 수 있다. 상기 전극 패드들(61, 65)은 발광 다이오드를 외부전원에 연결하기 위한 것으로, 예컨대 본딩와이어들(도시하지 않음)이 상기 전극패드들(61, 65)에 본딩된다. 한편, 제2 전극패드(65)와 제2 도전형 반도체층(55) 사이에 투명전극층(63)이 위치할 수 있으며, 상기 투명전극층(63)은 Ni/Au 또는 ITO로 형성될 수 있다. 상기 제2 전극패드(65)는, 도시한 바와 같이, 투명전극층(63) 상에 형성될 수 있다. 또한, 상기 투명전극층(63)을 식각하여 제2 도전형 반도체층(59)을 노출시키는 개구부를 형성한 후, 상기 개구부 및 그 주위에 전극패드(65)를 형성함으로써, 투명전극층(63)을 관통하도록 전극패드(65)가 형성될 수도 있다.
한편, 상기 제2 도전형 반도체층(59) (또는 상기 투명전극층(63)) 상부에 투명 도전층(69)이 위치하고, 상기 투명도전층(69)과 제2 도전형 반도체층(59) (또는 상기 투명전극층(63)) 사이에 유전층(67)이 개재된다. 상기 투명 도전층(69)은 ITO 또는 Ni/Au와 같은 투명금속으로 형성될 수 있으며, 유전층(67)은 SiO2 또는 Si3N4로 형성될 수 있다. 상기 투명도전층(69)은 상기 제2 전극패드(65)로부터 이격되며, 이에 따라, 상기 제2 도전형 반도체층(59), 상기 투명도전층(69) 및 유전층(67)으로 이루어진 커패시터가 형성된다.
이에 더하여, 상기 투명도전층(69)은, 도시된 바와 같이, 연장되어 제1 전극패드(61)에 연결될 수 있다. 이때, 상기 유전층(67) 또한 연장되어 제2 도전형 반도체층(59), 활성층(57) 및 제1 도전형 반도체층(55)으로부터 상기 투명도전층(69)을 이격시킨다.
상기 유전층(67)은 화학기상증착기술을 사용하여 형성될 수 있으며, 상기 투명도전층(69)은 리프트오프 기술을 이용하여 형성되거나, 증착, 사진 및 식각 기술을 사용하여 형성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 종래의 발광 다이오드와 동일하게, 상기 전극패드들(61, 65) 사이에 제1 도전형 반도체층(55), 활성층(57) 및 제2 도전형 반도체층(59)으로 이루어진 다이오드(60)가 형성되고, 다이오드의 내부 저항이나 전극패드들(61, 65) 사이의 다른 저항 성분들이 상기 다이오드(60)와 직렬 연결된다. 다만, 본 발명의 실시예들에 따른 발광 다이오드는, 제2 도전형 반도체층(59)(또는 투명전극층(63)), 유전층(67) 및 투명도전층(69)으로 이루어진 커패시터(70)가 상기 다이오드(60)에 병렬 연결된다.
상기 커패시터(70)는 다이오드(60)에 순간적인 과전압이 인가될 경우, 과전류에 의해 다이오드(60)가 손상되는 것을 방지한다. 즉, 정전기 등에 의해 다이오드(60)에 순간적으로 고전압이 인가될 경우, 커패시터(70)를 통해 전류가 바이패스(bypass)하게 되어 다이오드(60)를 보호할 수 있다.
결과적으로, 상기 커패시터(70)를 구비한 발광 다이오드는 정전방전에 강하여 신뢰성이 향상되며, 이에 따라 정전방전을 방지하기 위한 제너 다이오드를 사용하는 것을 배제할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 제1 도전형 반도체층(55)의 일 영역 상부에 제2 도전형 반도체층(59)이 위치하고, 상기 제1 및 제2 도전형 반도체층들(55, 59) 상에 각각 제1 및 제2 전극패드들(61, 65)이 위치하는 것으로 설명 및 도시하였으나, 상기 제1 전극패드(61)는 상기 기판(51)의 하부면에 형성될 수도 있다. 즉, 상기 기판(51)이 도전성 기판인 경우, 제1 전극패드(61)는 기판(51)을 통해 제1 도전형 반도체층(55)에 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서, 상기 제1 도전형 반도체층(55)의 일부분을 노출시키는 공정을 생략할 수 있으며, 상기 제2 도전형 반도체층(59)은 제1 도전형 반도체층(55)의 대부분의 영역 상에 위치할 수 있다. 또한, 상기 기판(51)이 도전성 기판인 경우, 상기 기판(51)이 전극패드의 역할을 할 수 있으므로, 상기 제1 전극패드(61)는 생략될 수도 있다.
한편, 질화갈륨 계열의 반도체층들이 기판(51) 상에 성장된 것으로 설명하였으나, 상기 반도체층들이 다른 기판 상에서 성장된 후 상기 기판(51)에 부착된 것일 수 있다.
또한, 상기 제2 도전형 반도체층(59) 상부에 위치하는 투명도전층(69)이 연장되어 제1 전극패드(61)에 연결되는 것으로 설명하였으나, 상기 투명도전층(69)은 상기 제2 도전형 반도체층(59) 상부에 한정되어 위치하고, 본딩와이어 등과 같은 다른 연결수단을 통해 제1 전극패드(61) 또는 제1 도전형 반도체층(55)에 전기적으로 연결될 수도 있다.

Claims (15)

  1. 다이오드;
    커패시터;
    제1 전극 패드; 및
    제2 전극 패드를 구비하되,
    상기 다이오드는, 질화갈륨 계열의 제1 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층 상부에 위치하는 질화갈륨 계열의 제2 도전형 반도체층, 및 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층을 포함하고,
    상기 다이오드는 상기 제1 전극 패드와 상기 제2 전극 패드 사이에 형성되고,
    상기 커패시터는 상기 다이오드에 병렬 연결되며, 상기 다이오드 및 상기 커패시터는 단일 칩 내에 형성되되,
    상기 커패시터는 투명 전극층, 유전층 및 도전층에 의해 형성되고,
    상기 투명 전극층은 상기 제2 도전형 반도체층 및 상기 제2 전극 패드와 전기적으로 접속되며,
    상기 도전층은 상기 제1 전극 패드의 상부 일부를 덮으면서 전기적으로 접속되고,
    상기 유전층은 연장되어 상기 제1 전극 패드 측면을 둘러싸고,
    상기 투명 전극층은 상기 제2 도전형 반도체층, 상기 제2 전극 패드 및 상기 유전층을 통해 밀봉되는 발광 다이오드.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층은 상기 제1 도전형 반도체층의 일 영역 상부에 위치하고,
    상기 제1 전극 패드는 상기 제1 도전형 반도체층의 다른 영역 상에 위치하고,
    상기 제2 전극 패드는 상기 제2 도전형 반도체층 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 도전층은 투명 도전층인 발광 다이오드.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 커패시터는 상기 제1 전극 패드와 상기 제2 전극 패드 사이에서 상기 다이오드에 병렬 연결된 발광 다이오드.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 도전층과 상기 투명 전극층은 부분적으로 중첩하는 발광 다이오드.
  6. 질화갈륨 계열의 제1 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층 상부에 위치하는 질화갈륨 계열의 제2 도전형 반도체층;
    상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 개재된 활성층;
    상기 제1 도전형 반도체층에 전기적으로 접속된 제1 전극 패드;
    상기 제2 도전형 반도체층에 전기적으로 접속된 제2 전극 패드;
    상기 제1 전극 패드의 상부 일부를 덮으면서 전기적으로 접속된 도전층;
    상기 제2 전극 패드에 전기적으로 접속된 투명 전극층; 및
    상기 도전층과 상기 투명 전극층 사이에 위치하는 유전층을 단일 칩 내에 포함하되,
    상기 유전층은 연장되어 상기 제1 전극 패드 측면을 둘러싸고,
    상기 투명 전극층은 상기 제2 도전형 반도체층, 상기 제2 전극 패드 및 상기 유전층을 통해 밀봉되는 발광 다이오드.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 도전층, 상기 유전층 및 상기 투명 전극층에 의해 커패시터가 형성되는 발광 다이오드.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 도전층은 투명 도전층인 발광 다이오드.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 도전층과 상기 투명 전극층은 부분적으로 중첩하는 발광 다이오드.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층은 상기 제1 도전형 반도체층의 일 영역 상부에 위치하고,
    상기 제1 전극 패드는 상기 제1 도전형 반도체층의 다른 영역 상에 위치하고,
    상기 제2 전극 패드는 상기 제2 도전형 반도체층 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드.
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