KR101438811B1 - 반도체 발광소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시 예는 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자는, 적어도 제 1도전성 반도체층, 활성층 및 제 2도전성 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 상기 제 1도전성 반도체층 위에 형성된 제 1전극층; 상기 발광 구조물의 측면에 형성된 절연층; 상기 제 2도전성 반도체층 및 상기 절연층의 외측에 형성된 오믹층; 상기 제 1전극층과 오믹층에 연결된 터널링 베리어층을 포함한다.
LED, 수직형, 터널링 베리어
Description
본 발명의 실시 예는 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체(group Ⅲ-Ⅴ nitride semiconductor)는 물리적, 화학적 특성으로 인해 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD) 등의 발광 소자의 핵심 소재로 각광을 받고 있다. Ⅲ-Ⅴ족 질화물 반도체는 통상 InxAlyGa1 -x- yN (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질로 이루어져 있다.
발광 다이오드(Light Emitting Diode : LED)는 화합물 반도체의 특성을 이용하여 전기를 적외선 또는 빛으로 변환시켜서 신호를 주고 받거나, 광원으로 사용되는 반도체 소자의 일종이다.
이러한 질화물 반도체 재료를 이용한 LED 혹은 LD의 광을 얻기 위한 발광 소자에 많이 사용되고 있으며, 핸드폰의 키패드 발광부, 전광판, 조명 장치 등 각종 제품의 광원으로 응용되고 있다.
본 발명의 실시 예는 ESD(electrostatic discharge)로부터 다이오드를 보호할 수 있는 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예는 다이오드와 병렬로 연결되는 터널링 베리어층을 이용하여 ESD로부터 다이오드를 보호할 수 있는 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자는, 적어도 제 1도전성 반도체층, 활성층 및 제 2도전성 반도체층을 포함하는 발광 구조물; 상기 제 1도전성 반도체층 위에 형성된 제 1전극층; 상기 발광 구조물의 측면에 형성된 절연층; 상기 제 2도전성 반도체층 및 상기 절연층의 외측에 형성된 오믹층; 상기 제 1전극층과 오믹층에 연결된 터널링 베리어층을 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자 제조방법은 제 1도전성 반도체층, 활성층 및 제 2도전성 반도체층을 포함하는 발광 구조물을 형성하는 단계; 상기 발광 구조물 외측에 절연층을 형성하는 단계; 상기 발광 구조물 및 절연층의 외측에 오믹층을 형성하는 단계; 상기 오믹층 및 절연층 위에 터널링 베리어층을 형성하는 단계; 상기 제 1도전성 반도체층 위 및 터널링 베리어층의 위에 제 1전극층을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, ESD로부터 반도체 발광소자를 보호할 수 있다.
실시 예는 발광 구조물의 외측에 ESD가 흐르는 우회 경로를 제공함으로써, LED를 안전하게 보호할 수 있어, 소자의 신뢰성을 개선시켜 줄 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자를 나타낸 단면도이며, 도 2는 도 1의 A부분 확대도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 반도체 발광소자(100)는 발광 구조물(135), 절연층(140), 오믹층(150), 전도성 지지부재(160), 제 1전극층(170) 및 터널링 베리어층(180)을 포함한다.
상기 발광 구조물(135)은 적어도 제 1도전성 반도체층(110), 활성층(120), 제 2도전성 반도체층(130)을 포함하며, 두 개의 도전성 반도체층(110,130) 사이에 활성층(120)이 개재된 구성으로 이루어진다.
상기 제 1도전성 반도체층(110)은 n형 반도체층으로 구현될 수 있으며, 상기 n형 반도체층은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 등과 같은 화합물 반도체 중 어느 하나로 이루어질 수 있고, n형 도펀트(예; Si, Ge, Sn , Se, Te 등)가 도핑된다. 이러한 제 1도전성 반도체층(110) 위에는 제 1전극층(170)이 소정의 패턴으로 형성된다.
상기 제 1도전성 반도체층(110)의 아래에는 활성층(120)이 형성된다. 상기 활성층(120)은 제 1도전성 반도체층(110) 아래에 단일 또는 다중 양자우물 구조로 형성되는 데, 예컨대, InGaN 우물층/GaN 장벽층을 한 주기로 하여, 단일 또는 다중 양자 우물 구조로 형성될 수 있다.
상기 활성층(120) 아래에는 제 2도전성 반도체층(130)이 형성된다. 상기 제 2도전성 반도체층(130)은 p형 도펀트가 도핑된 p형 반도체층으로 구현될 수 있다. 상기 p형 반도체층은 GaN, InN, AlN, InGaN, AlGaN, InAlGaN, AlInN 등과 같은 화합물 반도체 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
또한 상기의 제 2도전성 반도체층(130)의 아래에는 제 3도전성 반도체층(미도시)을 형성할 수도 있다. 여기서 제 3도전성 반도체층은 n형 반도체층으로 구현될 수 있다. 또한 다른 실시 예에서는 제 1도전성 반도체층(110)이 p형 반도체층이고, 제 2도전성 반도체층(130)이 n형 반도체층으로 구현될 수도 있다.
상기 발광 구조물(135)의 외측인 둘레 영역에는 절연층(140)이 형성된다. 상기 절연층(140)은 발광 구조물(135)의 내부 층(110~130)이 서로 접촉되는 것을 방지해 준다.
상기 오믹층(150)은 상기 절연층(140)의 외측 및 제 2도전성 반도체층(130)의 아래에 형성된다. 상기 오믹층(150)의 아래에는 전도성 지지부재(160)가 형성된다. 여기서, 상기 오믹층(150)은 제 2전도성 반도체층(130)과 오믹 접촉하며, 전극 역할을 수행하는 것으로, 오믹 특성이 좋고 투과성이 낮은 금속 예컨대 Pt, Ni, Au, Rh, Pd 중 적어도 하나 또는 이들의 합금 형태를 포함한다. 상기 전도성 지지 부재(160)는 구리 또는 금으로 이루어질 수 있으며, 구리에 도금이나 웨이퍼 본딩 기술을 이용하여 형성할 수 있으며, 이에 대해 한정하지는 않는다.
여기서, 상기 발광 구조물(135)의 외측 둘레에는 상기 절연층(140) 및 오믹층(150)의 단부가 연장된 구조로 형성되며, 상기 절연층(140) 및 오믹층(150)의 위 또는 오믹층(150) 위에는 터널링 베리어층(180)이 형성된다. 상기 터널링 베리어층(180)은 제 1도전성 반도체층(110)과 전기적으로 오픈된 구조로 배치된다.
이러한 터널링 베리어층(180)은 Al203, Si02, Si3N4, SiCN, Ti02, Ta203 중 어느 하나 또는 복수개 재료를 혼합하여 형성될 수 있으며, 10~200Å의 두께로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 터널링 베리어층(180)에서 터널링이 일어나는 전압은 터널링 베리어층(180)의 두께와 반비례의 관계에 있다.
상기 터널링 베리어층(180)은 화학증착법(CVD: Chemical vapor deposition), 물리증착법(PVD: physical vapor deposition), 자동증착법(ALD : Atomic layer deposition) 중 어느 한 방식으로 증착될 수 있다.
상기 터널링 베리어층(180)은 일정 전압 이하의 전류가 인가될 경우 부도체로 동작하고, 일정 전압을 초과되는 전류가 흐를 경우 도체가 된다. 즉 도체일 경우 p-n 접합 보다 작은 저항이 됨으로써, 터널링 베리어층으로 전류가 흐르게 된다.
이러한 터널링 베리어층(180)은 발광 구조물(110)의 p-n 접합 구조와 병렬로 연결된다. 즉, 터널링 베리어층(180)은 제 1도전성 반도체층(110) 위에 형성된 제 1전극층(170)의 일단에 연결되며, 제 2도전성 반도체층(130) 아래에 형성된 오 믹층(150)에 연결됨으로써, 도 4와 같은 LED와 병렬 회로를 구성하게 된다.
도 3은 실시 예에 따른 반도체 발광소자의 전류 경로를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 발광 소자(100)에 일정 전압(예: 4~6V) 이하의 바이어스 전압이 인가된 경우, 발광 구조물(135)에는 순 방향(p-n)으로 전류(I1)가 흐르게 된다. 이때의 터널링 베리어층(180)은 전류가 흐르지 않는 부도체로 기능하게 된다.
그리고 일정 전압(예: 4~6V)을 초과하는 바이어스 전압 즉, ESD 전압이 인가될 경우 터널링 베리어층(180)은 전류(I2)가 흐르는 도체가 된다. 이러한 터너링 베리어층(180)을 통해 대부분의 전류가 흘러버리게 됨으로써, 발광 구조물(135)이 파괴되는 문제를 해결할 수 있다.
도 5는 실시 예에 따른 반도체 발광소자(Vertical LED)와 터널링 베리어층(Tunnel barrier)의 전류 및 전압 특성 그래프를 비교한 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 터널링 베리어층은 -5 이하 또는 5V를 초과할 때 터널링 효과를 통해 전류가 흐르게 된다. 즉, 발광 소자(Vertical LED)의 동작 영역에서는 전류가 흐르지 않게 되며 5V를 초과할 때 전류가 흐르게 된다.
여기서, 상기 터널링 베리어층에서 터널링이 일어나는 전압은 터널링 베리어층의 두께와 반비례의 관계에 있어, 상기 터널링이 일어나는 전압을 일정 전압으로 한정하는 것은 아니다.
도 6 내지 도 10은 실시 예에 따른 제 1전극층의 패턴과 터널링 베리어층의 패턴을 다양하게 변형한 예를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 터널링 베리어층(180)은 절연층(140)과 오믹층(150)을 따라 사각틀 형태로 형성되며, 상기 터널링 베리어층(180) 위를 따라 제 1전극층(170)의 외측 라인(171)이 형성된다. 상기 제 1전극층(170)은 십자형 또는 X자형 패턴으로 분기되어 상기 외측 라인(171)에 연결되며 그 중심부에는 패드(175)가 형성된다. 이때의 상기 터널링 베리어층(180)은 제 1도전성 반도체층(110)과는 전기적으로 오픈되게 형성된다.
도 7을 참조하면, 터널링 베리어층(181)은 절연층(140)과 오믹층(150)의 코너 영역에 각각 배치되며, 제 1전극층(170)의 일단(172)이 각각 연결된다.
도 8을 참조하면, 터널링 베리어층(182)은 절연층(140)과 오믹층(150)의 어느 한 코너 영역에 형성되며, 상기 제 1전극층(170A)은 제 1도전성 반도체층(110)의 테두리에 사각 틀 형태로 형성되며, 일단(172)이 터널링 베리어층(182)와 연결된다.
도 9를 참조하면, 터널링 베리어층(183)은 절연층(140) 및 오믹층(150)의 대향되는 두 코너에 각각 배치된 구성이며, 도 10의 터널링 베리어층(184)은 절연층(140) 및 오믹층(150)의 어느 한 코너에 배치된 구성이다.
이러한 터널링 베리어층(180~184)은 절연층(140) 및 오믹층(150)의 적어도 한 코너 영역이나 사각 틀 형태로 형성되며, 각 코너에 원형 또는 다각형 패턴으로 형성될 수 있다. 이러한 터널링 베리어층(180~184)은 상술한 바와 같은 수직형 반도체 발광소자뿐만 아니라 수평형 반도체 발광소자에도 적용될 수 있다.
상기의 실시 예를 설명함에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "directly"와 "indirectly"의 의미를 모두 포함한다. 또한 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자를 나타낸 측 단면도.
도 2는 도 1의 A 부분 확대도.
도 3은 도 1의 소자에서 전류 경로를 나타낸 도면.
도 4는 도 1의 등가 회로 구성도.
도 5는 도 1의 발광 소자와 터널링 베리어층의 동작 특성을 나타낸 그래프.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 반도체 발광소자에 있어서, 제 1전극층 및 터널링 베리어층의 패턴 예를 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 반도체 발광소자 135 : 제 1도전성 반도체층
120 : 활성층 130 : 제 3도전성 반도체층
160 : 절연층 150 : 반사 전극층
160 : 전도성 지지부재 170 : 제 1전극층
180~184 : 터널링 베리어층
Claims (11)
- 적어도 제 1도전성 반도체층, 상기 제1도전성 반도체층 아래에 배치된 활성층 및 상기 활성층 아래에 배치된 제 2도전성 반도체층을 포함하는 발광 구조물;상기 제 1도전성 반도체층 위에 형성된 제 1전극층;상기 발광 구조물의 측면에 형성된 절연층;상기 제 2도전성 반도체층의 아래 및 상기 절연층의 외측에 형성된 오믹층;상기 오믹층의 아래에 형성된 전도성 지지부재; 및상기 제 1전극층과 상기 오믹층에 연결된 터널링 베리어층을 포함하며,상기 절연층 및 상기 오믹층의 일부는 상기 발광 구조물의 외측으로 연장되며,상기 터널링 베리어층은 상기 발광 구조물의 외측으로 연장된 상기 오믹층의 일부 위에 배치되며,상기 제1전극층의 외측은 상기 터널링 베리어층 위에 배치되는 반도체 발광소자.
- 제 1항에 있어서,상기 터널링 베리어층은 상기 절연층 및 오믹층의 일부 위에 형성되는 반도체 발광소자.
- 제 1항에 있어서,상기 터널링 베리어층은 Al203, Si02, Si3N4, SiCN, Ti02, Ta203 중 적어도 하나를 포함하여 형성되는 반도체 발광소자.
- 제 1항 내지 제 3항 중 어느 하나의 항에 있어서,상기 터널링 베리어층은 10~200Å의 두께로 형성되는 반도체 발광 소자.
- 제 1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,상기 터널링 베리어층은 상기 발광 구조물의 외측으로 연장된 상기 절연층 및 상기 오믹층의 일부 위에 사각 틀 패턴,원형 패턴 또는 다각형 패턴 중 적어도 한 패턴으로 형성되는 반도체 발광소자.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,상기 터널링 베리어층은 상기 발광 구조물의 외측으로 연장된 상기 절연층 및 상기 오믹층의 대향되는 두 코너에 각각 배치되는 반도체 발광소자.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,상기 오믹층은 상기 제2도전성 반도체층과 접촉하며, Pt, Ni, Au, Rh, Pd 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 발광소자.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,상기 터널링 베리어층은 부도체를 포함하는 반도체 발광소자.
- 제 1도전성 반도체층, 상기 제1도전성 반도체층의 아래에 배치된 활성층 및 상기 활성층 아래에 배치된 제 2도전성 반도체층을 포함하는 발광 구조물을 형성하는 단계;상기 발광 구조물 외측에 절연층을 형성하는 단계;상기 발광 구조물의 아래 및 절연층의 외측에 오믹층을 형성하는 단계;상기 오믹층 아래에 전도성 지지 부재를 형성하는 단계;상기 오믹층 및 상기 절연층의 일부 위에 터널링 베리어층을 형성하는 단계; 및상기 제 1도전성 반도체층의 위 및 상기 터널링 베리어층의 위에 제 1전극층을 형성하는 단계를 포함하며,상기 절연층 및 상기 오믹층의 일부는 상기 발광 구조물의 외측으로 연장되며,상기 터널링 베리어층은 상기 발광 구조물의 외측으로 연장된 상기 오믹층의 일부 위에 배치되며,상기 제1전극층의 외측은 상기 터널링 베리어층 위에 배치되며,상기 터널링 베리어층은 부도체를 포함하는 반도체 발광소자 제조방법.
- 제 9항에 있어서,상기 터널링 베리어층은 Al203, Si02, Si3N4, SiCN, Ti02, Ta203 중 적어도 하나를 포함하여 형성되며,상기 터널링 베리어층은 10~200Å의 두께로 형성되는 반도체 발광소자 제조방법.
- 제 9항 또는 제10항에 있어서,상기 터널링 베리어층은 상기 발광 구조물의 외측으로 연장된 상기 절연층 및 오믹층을 따라 사각 틀 패턴, 원형 패턴 또는 다각형 패턴 중 적어도 한 패턴으로 형성되며,상기 제 1전극층은 상기 터널링 베리어층에 연결되는 십자형 패턴, 사각틀 패턴 또는 이들을 혼합한 패턴 중에서 어느 한 패턴으로 형성되는 반도체 발광소자 제조방법.
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