KR20070096541A

KR20070096541A - 질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20070096541A
Application number: KR1020060027225A
Authority: KR
Inventors: 이상열
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2006-03-26
Filing date: 2006-03-26
Publication date: 2007-10-02
Also published as: KR100765075B1; WO2007111436A1; US20100072504A1; CN101313418A; US8188504B2; TW200739972A; JP2009531852A; TWI459580B; CN101313418B

Abstract

본 발명은 질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 질화물 반도체 발광 소자는 기판; 상기 기판의 일측에 제 1 내지 제 3 도전형 반도체층을 포함하는 발광소자; 상기 기판의 타측에 제 1 내지 제 3도전형 반도체층을 포함하는 보호소자; 상기 발광소자의 제3도전형 반도체층 및 상기 보호소자의 제 1도전형 반도체층을 전기적으로 연결하는 제 1연결배선; 상기 발광소자의 제 1도전형 반도체층 및 상기 보호소자의 제 3도전형 반도체층을 전기적으로 연결하는 제 2연결배선을 포함한다.

LED, 본딩 패드, 보호소자

Description

질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조방법{Semiconductor light-emitting device and manufacturing method thereof}

도 1은 종래 질화물 반도체 발광 소자를 나타낸 단면도.

도 2는 본 발명의 제 1실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 평면도.

도 3은 도 2의 사시도.

도 4는 도 3의 B-B 단면도.

도 5는 도 3의 C-C 단면도.

도 6은 본 발명의 제 1실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 개념적 구조로 나타낸 도면.

도 7은 본 발명의 제 2실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자의 구조를 나타낸 도면.

도 8은 본 발명의 제 2실시 예에 따른 질화물 반도체 발광소자를 개념적 구조로 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

300...발광소자　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　310...기판

320,420...제 1도전형 반도체층 　　　　　　　　　　 330,430...활성층

340,440...제 2도전형 반도체층　　　　　　　　　 345,445...제3도전형 반도체층

350,450...투명 전극 360,460,460',470'...본딩패드

361,461...연결배선 390...보호층

400...보호소자　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 490...경계부

500...보호소자 영역

근래에 들어, 질화갈륨(GaN)을 비롯한 질화물 반도체는 우수한 물리, 화학적 특성에 기인하여 광전 재료 및 전자소자의 핵심 소재로서 각광 받고있다. 그 중 GaN을 기초로 한 발광소자에 있어서는, 적색, 청색, 녹색 발광 다이오드의 상용화 뿐 만 아니라, 백색 발광 다이오드 또한 GaN계 화합물 반도체로 제조가 가능하게 되었다.

또한 고효율의 3원색(적, 청, 녹)과 백색 발광다이오드가 등장하면서, 발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode,)의 응용범위가 넓어졌는데, 예를 들어, 키 패드와 액정표시장치의 백 라이트(backlight), 신호등, 공항 활주로의 안내등, 조명등 등의 다양한 분야에서 사용되고 있다.

도 1은 GaN계 반도체 발광 소자의 기본 구조를 도시한 것으로서, GaN계 반도체 발광 소자는, 사파이어 기판(11)상에 순차적으로 형성된 n형 GaN층(12), 다중 우물구조인 활성층(13) 및 p형 GaN층(14)을 포함하며, 상기 p형 GaN층(14)과 활성층(13)은 그 일부 영역이 에칭되어 n형 GaN층(12)의 일부 상면이 노출된 구조를 갖는다. 그리고, 상기 p형 GaN층(14)의 상면 및 상기 노출된 n형 GaN층(12)의 상면에는 각각 p형 전극(15) 및 n형 전극(16)이 형성된다.

상기와 같은 질화물 반도체 발광 소자는 고효율의 광원으로서 매우 다양한 분야에 응용되고 있다. 그러나 반도체 발광 소자는 정전기 등과 같은 전기적 충격에 매우 취약한 결점을 가진다. 즉, 반도체 발광 소자에 대해 역 바이어스(bias) 상태로 발생되는 정전기 방전은 소자의 내부 물리적 구조를 손상시키게 된다.

본 발명은 정전기 보호소자를 갖는 질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

본 발명은 정전기 보호소자를 갖는 발광소자에 있어, 정전기 보호소자에 하나 이상의 본딩 패드를 형성할 수 있도록 한 질화물 반도체 발광소자 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자는, 기판; 상기 기판의 일측에 제 1 내지 제 3 도전형 반도체층을 포함하는 발광소자; 상기 기판의 타측에 제 1 내지 제 3도전형 반도체층을 포함하는 보호소자; 상기 발광소자의 제3도전형 반도체층 및 상기 보호소자의 제 1도전형 반도체층을 전기적으로 연결하는 제 1연결배선; 상 기 발광소자의 제 1도전형 반도체층 및 상기 보호소자의 제 3도전형 반도체층을 전기적으로 연결하는 제 2연결배선을 포함한다.

또한 본 발명에 따른 질화물 반도체 발광소자 제조방법은, 기판 상에 제 1내지 제 3도전형 반도체층을 포함하는 발광소자를 형성하는 단계; 상기 발광소자를 분할하여 상기 기판 타측에 상기 제 1내지 제 3도전형 반도체층을 포함하는 보호소자를 형성하는 단계; 상기 발광소자의 제 3도전형 반도체층 및 보호소자의 제 1도전형 반도체층을 제 1연결배선에 의해 전기적으로 연결하는 단계; 상기 발광소자의 제1도전형 반도체층 및 보호소자의 제 3도전형 반도체층을 제 2연결배선에 의해 전기적으로 연결하는 단계; 상기 연결배선에 형성되며, 상기 보호소자의 제 1 및 제 3도전형 반도체층 중 적어도 하나의 반도체층 상에 본딩패드를 형성하는 단계를 포함한다.

본 발명 실시 예에 따른 질화물 반도체 발광 소자 및 그 제조방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

[제 1실시 예]

도 2내지 도 6은 본 발명의 제 1실시 예이다. 도 2는 보호소자를 갖는 발광소자를 나타낸 평면도이며, 도 3은 도 2의 사시도이고, 도 4는 도 3의 B-B 단면도이며, 도 5는 도 3의 C-C 단면도이고, 도 6은 도 2의 소자를 개념적 구조로 나타낸 도면이다.

먼저 도 2 및 도 3을 참조하면, 기판(310) 상에는 발광소자(300)와 보호소자(400)가 동일한 적층 구조를 갖도록 형성되고, 발광소자(300)의 타측으로 보호소자(400)가 발광소자로부터 분할된 구조이다. 여기서, 상기 기판(310)은 예컨대 사파이어 등과 같은 절연성 기판으로 이루어진다.

그리고, 분할되는 두 소자(300,400) 사이의 경계부(490)에는 절연층(390)이 형성되어 두 소자 사이를 전기적으로 격리시켜 준다.

상기 발광소자(300)는 npn 타입의 질화물 반도체 발광 소자로 형성되며, 상기 보호소자(400)는 역 방향으로 인가되는 전압에 의해 상기 발광소자를 보호하기 위한 소자로서 예컨대, npn 구조의 다이오드로 이루어진다. 즉, 발광소자(300) 및 보호소자(400)는 동일한 npn 구조를 갖는다.

상기 발광소자(300)는 제 1연결배선(361)에 의해 보호소자(400)의 제 1도전형 반도체층(420)과 연결되며, 상기 보호소자(400)는 제 2연결배선(461)에 의해 발광소자(300)의 제 1도전형 반도체층(320)과 연결된다.

그리고, 상기 제 1연결배선(361) 및 제 2연결배선(461)은 금속층으로 투명전극(350,450), 제 1도전형 반도체층(320,420), 그리고 절연층(390) 상에 형성된다.

그리고, 제 1연결배선(361)의 일측에는 상기 발광소자(300)의 투명전극(350) 상에 제 1본딩패드(360)가 형성되며, 제 2연결배선(461)의 타측에는 상기 보호소자(400)의 투명전극(450) 상에 제 2본딩패드(460)가 형성된다.

상기 보호소자(400) 상에 제 2본딩패드(460)를 형성함으로써, 제 2본딩패드(460)의 크기 만큼 발광소자의 발광 영역을 확보할 수 있으며, 정전기 방전 보호소 자를 갖는 발광 소자에서의 광 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

구체적으로, 도 3 내지 도 6을 참조하여 보호소자를 갖는 질화물 반도체 발광소자의 구조에 대해 설명하면 다음과 같다.

발광소자(300) 및 보호소자(400)는 기판(310) 상에 제 1도전형 반도체층 (320,420), 활성층(330,430), 제 2도전형 반도체층(340,440), 제 3도전형 반도체층(345,445), 투명전극(350,450)이 형성된다.

상기 기판(310) 상에 형성되는 제 1도전형 반도체층(320,420)은 n-GaN층이며, 상기 제 1도전형 반도체층(320,420) 상에 형성되는 활성층(330,430)은 InGaN-QW(Quantumn Well)을 포함한다. 상기 활성층 상에 형성되는 제 2도전형 반도체층(340,440)은p-GaN층이며, 상기 제 2도전형 반도체층(340,440) 상에 형성되는 제 3도전형 반도체층(345,445)은n-GaN층이다.

그리고 제 3도전형 반도체층(340,440)의 표면에는 투명 전극(Transparent Electrode)(350,450)이 선택적으로 형성된다. 여기서, 상기 투명전극은 투과성 산화막으로서 ITO, ZnOx, Al doped ZnOx, RuOx, TiOx, IrOx 등 중에서 적어도 하나 이상으로 사용할 수 있다.

상기 제 1 내지 제 3도전형 반도체층(320,340,345)(420,440,445)은 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)법 등의 공정을 이용하여 성장될 수 있다. 또한 제 1도전형 반도체층(320,420)과 기판 사이에는 격자정합을 향상시키기 위해, 상기 기판(310)의 상부에 AlN/GaN와 같은 버퍼층(미도시)을 더 형성할 수 도 있다. 여기서, 상기 제 3도전형 반도체층(345,445)은 오믹 접촉(ohmic contact)을 위한 층이다.

그리고, 발광소자(300) 및 보호소자(400)의 사이의 경계부(490)에는 에칭 공정에 의해 기판 상면이 노출되어 발광소자 및 보호소자가 전기적으로 분리되며, 상기 경계부 인접 부분에는 상기 에칭 공정에 의해 두 소자의 제1도전형 반도체층(320,420)이 각각 노출된다.

상기 경계부(490) 및 그 주변에는 소자간 및 다른 층간의 절연을 위해 절연층(passivation layer)(390)이 형성된다. 상기 절연층(390)은 경계부(490) 및 그 주변에 위치한 기판(310)의 상면, 보호소자(400)의 제1도전형 반도체층(420) 및 투명전극(450), 발광소자(300)의 투명전극(350) 및 제 1도전형 반도체층(320)의 노출 부분에 부분적으로 적층된다.　

그리고, 상기 발광소자(300) 및 보호소자(400)를 전기적으로 연결시켜 주기 위한 제 1 및 제2 연결배선(361,461)이 형성된다. 상기 제 1 연결배선(361)은 절연층(390), 발광소자의 투명 전극(350) 및 보호소자의 제1도전형 반도체층(420) 상에 형성되며, 이때 상기 제 1연결배선(361)의 일측에 소정 크기 및 형상을 갖는 제 1본딩 패드(360)가 형성된다.

상기 제 2연결배선(461)은 보호소자의 투명전극(450), 절연층(390), 발광소자의 제1도전형 반도체층(320) 상에 금속층으로 형성되며, 이때 상기 제 2연결배선(461)의 타측에 소정 크기 및 형상을 갖는 제 2본딩패드(460)가 형성된다.

상기의 투명 전극(350,450) 상에 형성되는 연결배선(361,461) 또는 본딩 패드(360,460)는 상기 투명 전극(350,450)의 통해 그 하부의 제 3도전형 반도체층 (345,4445)과 전기적으로 연결된다.

이에 따라 제 1연결배선(361)은 n-GaN층인 제 1 및 제 3도전형 반도체층(420,345)에 전기적으로 연결되며, 제 2연결배선(461)은 n-GaN인 제 1 및 제 3도전형 반도체층(320,445)에 전기적으로 연결된다.

또한 제 1본딩패드(360)는 제 1연결배선(361)의 일측으로 발광소자(300)에 형성되고, 제2본딩패드(460)는 제 2연결배선(461)의 타측으로 보호소자(400)에 형성됨으로써, 보호소자를 갖는 발광소자에 상기 본딩패드(360,460)를 통해 와이어 본딩된다. 이러한 제 1 및 제 2본딩패드(360,460)는 금속층으로서 상기의 연결배선(361,461)과 함께 형성될 수도 있다.

도 6을 참조하면, 제 1연결배선(361)은 발광소자의 투명전극(450) 및 보호소자의 제 1도전형 반도체층(420)을 전기적으로 연결해 주고, 제 1연결배선(320)에 형성된 1본딩패드(360)는 발광소자의 애노드(A) 단자로 작용하게 된다.

상기 제 2연결배선(461)은 보호소자의 투명전극(450) 및 발광소자의 제 1도전형 반도체층(320)을 전기적으로 연결해 주고, 제 2연결배선(461)에 형성된 제 2본딩패드(460)는 발광소자의 캐소드(K) 단자로 작용하게 된다.

이러한 제 1실시 예의 동작은 다음과 같다. 도 4 내지 도 6을 참조하면, 제 1 본딩패드(360)가 애노드로 동작하고 제 2 본딩패드(460)가 캐소드로 동작하면, 제 3도전형 반도체층(345)은 P형 캐리어(carrier)가 외부에서 소자 내부로 유입될 때 상기 제 3도전형 반도체층(345)과 상기 제2 도전형 반도체층(340) 사이에 역전형 그레이딩(grading)을 형성시켜 줌으로써, 전극 접촉층의 역할을 수행하게 된다.

발광소자(300)는 정상 동작을 하게 되며 저전압 구동이 가능하게 된다., 이때 보호소자(400)는 제 1도전형 반도체층(420)에 애노드가 연결 되어서 역 방향 전압이 인가되기 때문에 소자가 동작하지 않는 상태가 된다. 만약, 역 방향 전압이나 정전기의 역방향 전압이 순간적으로 상기 발광소자(300)에 인가되면, 상기 발광소자(300)는 역 방향 전압이 걸리게 되어 동작하지 않게 된다. 즉, 역 방향 전압이 보호소자(400)를 동작시켜 주어, 발광소자(300)를 안전하게 보호할 수 있게 된다.

발광소자(300)에는 캐소드와 연결될 본딩 패드(460)가 포함되지 않으므로, 발광소자 영역의 크기를 상기 보호소자 상에 형성되는 본딩패드(460)의 크기만큼 더 확보할 수 있다.

여기서, 발광소자(300)의 영역에는 하나의 와이어 본딩 패드가 포함된다. 이러한 정전기방전 보호 특성을 가지는 발광소자(300)는 다이오드의 실장이 불가능한 초 박형 고휘도 패키지 제품 및 보호소자의 실장이 필요한 패키지 제품에 사용될 수 있다.

또한 본 발명은 제 1 및 제 2본딩패드를 제 1실시 예와 반대의 구조로 구현할 수도 있다. 예를 들면, 발광소자의 제 1도전형 반도체층에 제 1본딩패드를 형성하고, 보호소자의 제 1도전형 반도체층에 제 2본딩패드를 형성할 수도 있다.

[제 2실시 예]

도 7 및 도 8은 본 발명의 제2실시 예이다. 도 7은 보호소자를 갖는 발광소자의 평면도이며, 도 8은 도 7의 소자를 개념적으로 나타낸 도면이다. 이러한 제 2실시 예는 보호소자에 두 개의 본딩 패드를 형성한 구조로서, 제 1실시 예와 동일 한 부분에 대해서는 중복 설명은 생략하기로 한다.

도 7은 본 발명의 제 1실시 예와 동일한 적층 구조를 가지게 되며, 보호소자에 2개의 와이어 본딩 패드를 포함하는 구성이다.

도 7및 도 8을 참조하면, 보호소자(400)를 포함하는 영역(500)에는 일측으로 제 1 본딩패드(460')가 형성되며, 타측으로 제 2 본딩패드(470')가 형성된다. 상기 제 1본딩 패드(460')는 투명전극(450)의 상면에 형성되며, 상기 제 2본딩패드(470')는 제 1도전형 반도체층(420)의 상면에 형성된다.

제 1 및 제 2본딩패드(460',470')는 동일한 크기의 영역으로 분할되거나 서로 다른 크기로 형성될 수 있으며, 제 1 및 제 2연결배선(361,461)에 의해 발광소자(300)와 전기적으로 연결된다.

구체적으로 설명하면, 상기 제 1연결배선(361)은 보호소자(400)의 제 1도전형 반도체층(420) 상면 및 발광소자(300)의 투명전극(350) 상면에 형성되어, 보호소자(400)와 발광소자(300)의 n형 반도체층 상호간을 전기적으로 연결해 준다. 상기 보호소자 영역의 제 1연결배선(361)에 형성된 제 1본딩 패드(470')는 발광소자의 애노드(A) 단자로 작용하게 된다.

상기 제 2연결배선(461)은 보호소자(400)의 투명전극 상면 및 발광소자(300)의 제 1도전형 반도체층(320) 상면에 형성되어, 보호소자 및 발광소자의 n형 반도체층 상호간을 전기적으로 연결시켜 준다. 상기 보호소자 영역의 제2연결배선(461)에 형성된 제 2본딩패드(460')는 캐소드(K) 단자로 작용하게 된다.

이와 같이 정전기방전 보호소자(400)에 두 개의 와이어 본딩 패드(460', 470')를 모두 형성하고, 두 개의 연결배선에 의해 발광소자(300) 및 보호소자(400)의 양 극성을 회로적으로 각각 연결시켜 줌으로써, 보호소자를 갖는 발광소자로 동작할 수 있다. 또한 발광소자 영역이 아닌 보호소자 상에 본딩패드를 형성함으로써 발광 영역을 증가시켜 줄 수 있다.

또한 본 발명은 발광소자 영역이 아닌 보호소자 영역 내에서 보호소자 상에 하나 또는 두 개의 본딩패드를 형성함으로써, 보호 소자 이외의 영역에 별도의 본딩 패드 영역을 더 마련하지 않아도 되는 효과가 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예를 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 기술 범위 내에서 상기 본 발명의 상세한 설명과 다른 형태의 실시 예들을 구현할 수 있을 것이다. 여기서 본 발명의 본질적 기술범위는 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 따른 정전기방전 보호소자를 포함하는 발광소자 및 그 제조방법에 의하면, 정전기 보호특성을 갖는 발광 다이오드를 제공함으로써, 높은 정전기방전 특성이 요하는 발광 다이오드 패키지 제품에 응용이 가능한 장점이 있다.

본 발명의 발광소자는 보호 소자의 실장이 불가능한 발광 다이오드 패키지 제품에 사용됨으로써, 다양한 패키지 제품에 응용이 가능한 효과가 있다.

본 발명은 정전기방전 보호특성을 가지는 발광소자에서 정전기방전 보호소자에 의해 광 효율이 저하되는 문제를 해결하여, 광 효율이 저하되지 않는 높은 정전기방전 보호특성을 가지는 질화물 반도체 발광 다이오드를 제공할 수 있다.

Claims

기판;

상기 기판의 일측에 제 1 내지 제 3 도전형 반도체층을 포함하는 발광소자;

상기 기판의 타측에 제 1 내지 제 3도전형 반도체층을 포함하는 보호소자;

상기 발광소자의 제3도전형 반도체층 및 상기 보호소자의 제 1도전형 반도체층을 전기적으로 연결하는 제 1연결배선;

상기 발광소자의 제 1도전형 반도체층 및 상기 보호소자의 제 3도전형 반도체층을 전기적으로 연결하는 제 2연결배선을 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
제 1항에 있어서,

상기 제 1 및 제 3도전형 반도체층은 n 형 반도체층이고, 상기 제 2 도전형 반도체층은 p형 반도체층인 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제 1항에 있어서,

상기 연결배선에 연결되며, 상기 보호소자의 제 1 및 제 3 도전형 반도체층 중 적어도 하나의 반도체층에 형성되는 본딩패드를 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
제 1항에 있어서,

상기 연결배선에 연결되며, 상기 발광소자의 제 1 또는 제 3도전형 반도체층에 형성된 본딩패드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제 1항에 있어서,

상기 제 3도전형 반도체층 상에는 투명전극이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자.
제 5항에 있어서,

상기 투명전극은 ITO, ZnOx, Al doped ZnOx, RuOx, TiOx, IrOx 중에서 적어도 하나 이상을 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
제 1항에 있어서,

상기 기판 상에서 발광소자 및 보호소자의 반도체층 사이를 전기적으로 절연하기 위한 절연층을 더 포함하는 질화물 반도체 발광소자.
기판 상에 제 1내지 제 3도전형 반도체층을 포함하는 발광소자를 형성하는 단계;

상기 발광소자를 분할하여 상기 기판 타측에 상기 제 1내지 제 3도전형 반도체층을 포함하는 보호소자를 형성하는 단계;

상기 발광소자의 제 3도전형 반도체층 및 보호소자의 제 1도전형 반도체층을 제 1연결배선에 의해 전기적으로 연결하는 단계;

상기 발광소자의 제1도전형 반도체층 및 보호소자의 제 3도전형 반도체층을 제 2연결배선에 의해 전기적으로 연결하는 단계;

상기 연결배선에 형성되며, 상기 보호소자의 제 1 및 제 3도전형 반도체층 중 적어도 하나의 반도체층 상에 본딩패드를 형성하는 단계를 포함하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
제 8항에 있어서,

상기 본딩패드는 상기 연결배선과 함께 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
제 8항에 있어서,

상기 보호소자에 하나의 본딩패드가 형성되면, 나머지 하나의 본딩패드는 발광소자에 형성되는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
제 8항에 있어서,

상기 발광소자의 형성시, 상기 제 3도전형 반도체층 상에 투명전극을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.
제 8항에 있어서,

상기 보호소자 형성단계는, 상기 발광소자 및 보호소자의 경계 영역에서 상기 발광소자의 제 1내지 제 3도전형 반도체층을 부분 에칭하여 기판 상면을 노출시키는 단계; 상기 노출된 기판 상면 및 상기 도전형 반도체층 상에 절연층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화물 반도체 발광소자 제조방법.