KR20100067441A - 정전기 보호 기능을 갖는 수직구조 반도체 발광소자 - Google Patents

Abstract

순차적층된 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하며, 상기 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함한 적층체는 상호 전기적 아이솔레이션된 제1 영역 및 제2 영역으로 분리된 적층구조물; 상기 제1 영역의 제2 도전형 반도체층 상면에 형성된 제1 오믹콘택층 및 상기 제2 영역의 제2 도전형 반도체층 상면의 일부에 형성된 제2 오믹콘택층; 상기 제1 도전형 반도체층으로부터 상기 제2 오믹콘택층까지 연장되어 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 오믹콘택층에 각각 접속하고, 상기 활성층 및 상기 제2 도전형 반도체층과 전기적 아이솔레이션된 중간전극; 상기 제1 도전형 반도체층의 하면에 형성된 제1 전극; 상기 제1 오믹콘택층 상에 형성되며, 상기 제2 오믹콘택층이 형성되지 않은 상기 제2 영역의 제2 도전형 반도체층 상면 일부와 직접 접촉하도록 연장되며, 상기 제2 영역에 형성된 오믹콘택층 및 중간전극과 전기적 아이솔레이션된 제2 전극; 및 상기 제1 영역 및 제2 영역 상에 일체형으로 형성되며, 상기 제2 전극과 전기적으로 접속되고 상기 중간전극과 전기적으로 아이솔레이션된 도전성 기판을 포함하는 정전기 보호 기능을 갖는 수직구조 반도체 발광소자가 개시된다.

반도체 발광소자, 질화물, LED, ESD, 정전기, 다이오드, 쇼트키(Schottky)

Description

정전기 보호 기능을 갖는 수직구조 반도체 발광소자{VERTICAL SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE WITH ESD PROTECTION}

본 발명은 반도체 발광소자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유효발광 면적을 증가시킬 수 있는 수직구조를 채용하면서도 정전기 방전에 의한 소자의 파손을 방지하기 위한 쇼트키 다이오드를 동시에 포함하는 정전기 보호 기능을 갖는 수직구조 반도체 발광소자에 관한 것이다.

　　일반적으로 질화물 반도체 발광소자는 사파이어 기판 위에 반도체층들을 성장시키는 공정으로 제조된다. 질화물 반도체 발광소자의 제작에 사용되는 사파이어 기판은 매우 단단하고 전기적으로 부도체이며 열전도 특성이 좋지 않아 발광소자 자체의 크기를 줄여 제조원가를 절감하거나 광출력 및 칩의 특성을 개선하는데 한계가 있다. 또한, 사파이어 기판상에 성장시킨 발광소자는 동일면에 n측 전극 및 p측 전극의 2 개 전극을 모두 형성하여야 하므로 전도성 기판에 비해 칩 사이즈가 크고 동일 기판면적 상의 유효발광면의 면적이 작아지게 된다. 따라서 동일한 사이 즈의 웨이퍼에서 얻을 수 있는 소자의 수가 줄어든다. 또한 동일면에 전극이 있는 경우 전류밀도가 국부적으로 높아지는 현상으로 인해 소자에 발열에 의한 특성 열화가 가속되는 단점이 있다. 특히, 발광소자의 고출력화를 위해서는 대전류 인가가 필수이기 때문에 발광소자의 열 방출 문제를 해결하는 것이 중요하다. 이러한 수평구조의 질화물 반도체 발광소자 문제를 해결하기 위해, 레이저 리프트 오프(Laser Lift-Off : LLO) 기술을 이용하여 질화물 반도체층의 형성을 완료한 후 사파이어 기판을 제거하는 수직구조 질화물 반도체 발광 소자의 구조가 제안되었다.

한편, 질화물 반도체 발광소자는 정전기에 매우 취약하다는 단점을 갖는다. 예를 들어, 질화물 반도체 발광소자는 순방향으로 약 수백 볼트의 정전압으로 파괴될 수 있으며, 역방향으로는 약 수십 볼트의 정전압 만으로도 파괴될 수 있다. 이러한 내 정전압 특성은 상당히 취약하여 취급 시에 발광다이오드를 파손시키는 원인이 된다. 따라서 질화물 반도체 발광 소자의 정전기에 취약한 단점을 극복하기 위해 패키지에 실장하는 단계에서 발광소자와 함께 별도의 제너(Zener) 다이오드 칩을 추가하고 있다. 이러한 추가적인 제너 다이오드 칩의 사용은 패키지의 사이즈를 증가시켜 소형화에 불리하며, 패키지 제조 단가를 증가시키는 등의 단점을 유발한다.

따라서, 당 기술분야에서는 질화물 반도체 발광소자를 수직구조로 구현함과 동시에 발광소자 자체적으로 정전기 보호 수단을 구비할 수 있는 기술이 요구되고 있다.

본 발명은 수직구조를 채용하면서 정전기 방전으로 인한 소자 파손을 방지하기 위해 쇼트키 다이오드를 포함하는 정전기 보호 기능을 갖는 수직구조 반도체 발광소자를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 기술적 수단으로서 본 발명은,

순차적층된 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하며, 상기 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함한 적층체는 상호 전기적 아이솔레이션된 제1 영역 및 제2 영역으로 분리된 적층구조물;

상기 제1 영역의 제2 도전형 반도체층 상면에 형성된 제1 오믹콘택층 및 상기 제2 영역의 제2 도전형 반도체층 상면의 일부에 형성된 제2 오믹콘택층;

상기 제1 도전형 반도체층으로부터 상기 제2 오믹콘택층까지 연장되어 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 오믹콘택층에 각각 접속하고, 상기 활성층 및 상기 제2 도전형 반도체층과 전기적 아이솔레이션된 중간전극;

상기 제1 도전형 반도체층의 하면에 형성된 제1 전극;

상기 제1 오믹콘택층 상에 형성되며, 상기 제2 오믹콘택층이 형성되지 않은 상기 제2 영역의 제2 도전형 반도체층 상면 일부와 직접 접촉하도록 연장되며, 상기 제2 영역에 형성된 오믹콘택층 및 중간전극과 전기적 아이솔레이션된 제2 전극; 및

상기 제1 영역 및 제2 영역 상에 일체형으로 형성되며, 상기 제2 전극과 전기적으로 접속되고 상기 중간전극과 전기적으로 아이솔레이션된 도전성 기판을 포함하는 정전기 보호 기능을 갖는 수직구조 반도체 발광소자를 제공한다.

본 발명의 일실시형태에서, 상기 제2 전극의 일함수는 상기 제2 도전형 반도체층의 일함수보다 작은 것이 바람직하다. 특히 상기 제2 전극은 Ti, Cr, Al, Cu 및 Au로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시형태에서, 상기 제1 오믹컨택층은 적어도 70% 이상의 반사율을 갖는 것이 바람직하다. 이를 위해, 상기 제1 오믹콘택층은, Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 적어도 하나의 층을 포함하는 구조를 갖는 것이 바람직하다.

바람직하게, 상기 제1 도전형은 n형이고, 상기 제2 도전형은 p형이며, 상기 적층구조물은 질화물 반도체 물질로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따르면, 유효 발광 면적이 넓은 수직구조를 채용하면서 동시에 하나의 기판을 이용하여 발광소자와 쇼트키 다이오드를 동시에 구현함으로써 정전기로 인한 역전압 발생시 발광소자의 파손을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따르면, 단일기판을 갖도록 구현된 발광소자와 다이오드가 공통전극을 사용함으로써, 실제 외부와 직접 전기적으로 연결되는 2 개의 전극만으로 동작이 이루어지므로, 추가적인 전극 형성으로 인해 외부회로 등과의 연결시 단락이 발생하는 것과 같은 다수의 전극 사용에 따른 문제들을 예방할 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태를 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에 도시된 구성요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다는 점을 유념해야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 정전기 보호 기능을 갖는 수직구조 반도체 발광소자의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시형태에 따른 정전기 보호 기능을 갖는 반도체 발광소자는, 상호 전기적 아이솔레이션된 제1 영역 및 제2 영역을 갖는 적층구조물(10)을 포함한다. 상기 적층구조물(10)은 순차적으로 적층된 제1 도전형 반도체층(11), 활성층(12) 및 제2 도전형 반도체층(13)을 포함한다. 상기 적층구조 물(10)은, 발광 특성을 갖는 반도체로 이루어질 수 있다. 예컨대, 적층구조물(10)은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 또는 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체로 이루어질 수 있으며, 특히 GaN, AlGaN, InGaN 등의 질화물 반도체 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 여기서, 제1 도전형은 n형 또는 p형 중 어느 하나에 해당하고, 제2 도전형은 그 반대 도전형으로서 p형 또는 n형 중 어느 하나에 해당한다. 그러나, 기판(101) 상에 n형 반도체층을 먼저 성장시키는 것이 유리하므로, 바람직하게는 제1 도전형은 n형이다.

질화물 반도체 발광소자의 경우, 질화물 반도체의 성장을 위한 성장용 기판으로써 사파이어 기판을 사용하여, 질화물 반도체를 유기금속 기상증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition : MOCVD), 분자빔 성장법(Molecular Beam Epitaxy : MBE) 또는 하이브리드 기상증착법(Hybride Vapor Phase Epitaxy : HVPE)과 같은 공지의 증착공정을 사용하여 성장시킴으로써 상기 적층구조물(10)을 형성할 수 있다. 질화물 반도체 발광소자의 제조 공정에서, 상기 성장용 사파이어 기판은 후술하는 도전성 기판(18)을 적층구조물(10) 상에 접합한 후 레이저 리프트오프 공정 등을 이용하여 적층구조물(10)로부터 분리된다. 성장용 기판의 분리 이후 노출되는 제1 도전형 반도체층의 하면은 발광소자의 주된 광출사면이 되고 그 상면에는 제1 전극(16)이 형성된다.

상기 적층구조물(10)에서, 제1 도전형 반도체층(11) 상에 적층된 활성층(12)과 제2 도전형 반도체층(13)이 형성하는 적층체는 절연체(191) 등에 의해 상호 전 기적으로 아이솔레이션된 제1 영역(A1) 및 제2 영역(A2)으로 분리된다. 상기 제1 영역(A1)은 순방향 전압이 인가되는 경우 빛을 생성하는 발광영역이 되며, 상기 제2 영역(A2)은 역방향 전압이 인가되는 경우 전류가 통과하는 경로를 생성해주는 쇼트키(Schottky) 다이오드 형성 영역이 된다.

상기 제1 영역(A1)의 제2 도전형 반도체층의 상면의 거의 전면에는 통상의 반도체 발광소자와 같이, 제2 도전형 반도체층과의 오믹콘택을 형성하기 위한 금속층인 오믹콘택층(14a)이 형성된다. 본 발명과 같이 수직구조의 반도체 발광소자의 경우, 도전형 기판(18)이 형성된 반대측면인 상기 제1 도전형 반도체층(11)의 하면이 주된 광출사면이 되므로, 상기 오믹콘택층(14a)은 활성층(12)에서 생성된 빛 중 도전성 기판(18) 방향으로 방출되는 빛을 주된 광출사면측으로 반사하기 위해 70% 이상의 반사율을 갖는 고반사성 오믹콘택층인 것이 바람직하다. 상기 오믹콘택층(14a)이 70% 이상의 반사율을 갖기 위해, 상기 오믹콘택층은 Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 적어도 하나의 층을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 제2 영역(A2)의 제2 도전형 반도체층의 상면에는 일부 영역에 상기 오믹콘택층(14a)와 같이 제2 도전형 반도체층과 오믹콘택을 형성하기 위한 오믹콘택층(14b)가 형성된다. 상기 제1, 2 영역(A1, A2)에 각각 형성된 오믹콘택층(14a, 14b)를 구분하기 위해 제1 영역(A1)에 형성된 오믹콘택층(14a)을 제1 오믹콘택층이 라 하고, 제2 영역(A2)에 형성된 오믹콘택층(14b)을 제2 오믹콘택층이라 하기로 한다. 상기 제2 영역(A2)에서, 상기 제2 오믹콘택층(14b)은 제2 영역(A2)의 제2 도전형 반도체층의 상면 일부에만 형성되어 쇼트키 다이오드의 일측 전극을 형성한다. 상기 제2 오믹콘택층(14b)은 중간전극(15)에 의해 제1 도전형 반도체층(11)과 접속하게 된다. 상기 제2 오믹콘택층(14b)은 전술한 제1 오믹콘택층(14a)과 함께 한번의 금속박막 증착공정에 의해 형성될 수 있다.

상기 중간전극(15)은 상기 제2 오믹콘택층(14b) 및 상기 제1 전도성 반도체층(11)과 전기적으로 접속하며, 절연체(192) 등에 의해 제2 도전형 반도체층(13) 및 활성층(12)과는 전기적으로 아이솔레이션된다. 상기 중간전극(15)은 제2 오믹콘택층(14b)에 의해 상기 제2 도전형 반도체층과 오믹콘택을 형성하게 되어, 제2 영역(A2)에서 구현되는 쇼트키 다이오드의 애노드 전극의 역할을 하게된다.

상기 제1 영역(A1)의 제1 오믹콘택층(14a)의 상면에는 금속 재질의 제2 전극(17)이 형성될 수 있다. 상기 제2 전극(17)은 상기 제1 오믹콘택층(14a)의 상면으로부터 연장되어, 제2 영역(A2)의 제2 도전형 반도체층 상면의 일부에 직접 접촉되도록 형성된다. 즉, 상기 제2 영역(A2)의 제2 도전형 반도체층 상면 중 일부 영역에는 상기 제2 오믹콘택층(14b)이 형성되고, 그 나머지 영역 중 일부에는 상기 제2 전극(17)과 직접 접촉을 형성하게 된다. 상기 제2 전극(17)은 절연체(193)에 의해 제2 오믹콘택층(14b) 및 중간전극(15)과 전기적으로 아이솔레이션 된다.

상기 제1 영역(A1)에서 상기 제2 전극(17)은 제1 오믹콘택층(14a)을 통해 제2 도전형 반도체층(13)과 접속하는 발광 소자의 전극 역할을 수행함과 동시에 반도체 물질에 의한 발광구조물과 도전형 기판(18)과의 접합을 매개하는 접합층의 역할을 수행할 수 있다.

한편, 제1 도전형 반도체층(11)의 하면에는 제1 전극(16)이 형성될 수 있다. 상기 제1 전극(16)은 상기 제1 영역(A1)에 의한 반도체 발광소자의 전극 역할과, 상기 제2 영역(A2)에 의한 쇼트키 다이오드의 전극역할을 동시에 수행할 수 있다.

또한, 상기 제2 영역(A2)에서 상기 제2 전극(17)은 제2 도전형 반도체층과 직접 접촉하여 쇼트키(Schottky) 접합을 형성함으로써 쇼트키 다이오드의 캐소드 전극 역할을 수행한다. 도 1에서 'S'로 지시된 부분은 제2 전극(17)과 제2 도전형 반도체층 사이의 쇼트키 접합이 형성된 영역을 나타낸다. 쇼트키 접합을 형성하기 위해서 상기 제2 전극(17)의 일함수는 상기 제2 도전형 반도체층의 일함수보다 작은 것이 바람직하다. 상기 제2 도전형 반도체층이 p형 질화물 반도체층을 적용한 경우, 제2 도전형 반도체층의 일함수보다 작을 일함수를 가져 상기 제2 전극(17)으로 사용될 수 있는 대표적인 물질로는 Ti, Cr, Al, Cu 및 Au 등이 있다.

상기 제1 영역(A1) 및 제2 영역(A2) 상에 하나의 구조물 형태로 도전성 기판(18)이 형성될 수 있다. 상기 도전성 기판(18)은 제2 전극(17)과 전기적으로 접속되고, 상기 제2 영역(A2)의 제2 도전형 반도체층, 제2 오믹콘택층(14b) 및 중간 전극(16)과는 전기적으로 아이솔레이션 될 수 있다.

전술한 것과 같은 구조를 갖는 수직구조 반도체 발광소자는, 도 2에 도시한 것과 같은 회로구조를 포함하게 된다. 즉, 제1 영역(A1)에 의한 구조물은 발광 다이오드(21)를 구성하고, 제2 영역(A2)에 의한 구조물은 쇼트키 다이오드(22)를 구성하게 되며, 상기 발광 다이오드(21)와 쇼트키 다이오드(22)는 서로 다른 극성끼리 병렬구조로 연결된 형태를 갖게 된다.

이러한 회로 연결구조에 의해, n측 전극(16)과 도전성 기판(18) 사이에 발광 다이오드(21)가 적절하게 동작할 수 있는 범위의 순방향 전압이 인가되는 경우, 쇼트키 다이오드(22)에는 역방향 바이어스가 걸리게 되므로 전류는 발광 다이오드(21) 측으로만 흐르게 되어 발광 다이오드(21)의 발광이 이루어진다. 한편, n측 전극(16)과 도전성 기판(18) 사이에 역방향 전압이 인가되면, 쇼트키 다이오드는 순방향으로 전압이 인가된다. 이 경우, 거의 모든 전류는 제1 도전형 반도체층(11)에서 중간 전극(15), 제2 오믹콘택층(14b), 제2 영역(A2)의 제2 도전형 반도체층을 거쳐 제2 전극(17)으로 흐르게 된다. 즉, 쇼트키 다이오드(22)를 통해 대부분의 전류가 흐르게 된다. 예를 들어, 질화물 반도체 발광소자의 경우, 약 수 십 볼트 정도의 역전압으로도 파괴되고 쇼트키 다이오드는 1 V 이상의 순방향 바이어스 전압에서 항상 동작하게 되므로, 정전기로 인해 역방향 전압이 인가되는 경우, 발광 다이오드로 흐르는 과전류를 방지할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은, 소자의 크기를 크게 증가시키지 않고 단일 기판 상에 발광소자와 쇼트키 다이오드를 동시에 구현하여 정전기로 인한 발광소자의 파손을 방지할 수 있다. 또한 본 발명은, 단일기판을 갖도록 구현된 발광소자와 다이오드가 공통전극을 사용함으로써, 실제 외부와 직접 전기적으로 연결되는 2 개의 전극만으로 동작이 이루어지므로, 추가적인 전극 형성으로 인해 외부회로 등과의 연결시 단락이 발생하는 것과 같은 문제들이 발생하지 않는다.

본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위 및 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 정전기 보호 기능을 갖는 수직구조 반도체 발광소자의 단면도.

도 2는 도 1에 도시된 반도체 발광소자의 등가회로도.

*도면의 주요부분에 대한 설명*

10: 적층구조물 11: 제1 도전형 반도체층

12: 활성층 13: 제2 도전형 반도체층

14a: 제1 오믹콘택층 14b: 제2 오믹콘택층

15: 중간전극 16: 제1 전극

17: 제2 전극 18: 도전형 기판

21: 발광다이오드 22: 쇼트키 다이오드

Claims (7)

1. 순차적층된 제1 도전형 반도체층, 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함하며, 상기 활성층 및 제2 도전형 반도체층을 포함한 적층체는 상호 전기적 아이솔레이션된 제1 영역 및 제2 영역으로 분리된 적층구조물;

   상기 제1 영역의 제2 도전형 반도체층 상면에 형성된 제1 오믹콘택층 및 상기 제2 영역의 제2 도전형 반도체층 상면의 일부에 형성된 제2 오믹콘택층;

   상기 제1 도전형 반도체층으로부터 상기 제2 오믹콘택층까지 연장되어 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 오믹콘택층에 각각 접속하고, 상기 활성층 및 상기 제2 도전형 반도체층과 전기적 아이솔레이션된 중간전극;

   상기 제1 도전형 반도체층의 하면에 형성된 제1 전극;

   상기 제1 오믹콘택층 상에 형성되며, 상기 제2 오믹콘택층이 형성되지 않은 상기 제2 영역의 제2 도전형 반도체층 상면 일부와 직접 접촉하도록 연장되며, 상기 제2 영역에 형성된 오믹콘택층 및 중간전극과 전기적 아이솔레이션된 제2 전극; 및

   상기 제1 영역 및 제2 영역 상에 일체형으로 형성되며, 상기 제2 전극과 전기적으로 접속되고 상기 중간전극과 전기적으로 아이솔레이션된 도전성 기판

   을 포함하는 정전기 보호 기능을 갖는 수직구조 반도체 발광소자.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제2 전극의 일함수는 상기 제2 도전형 반도체층의 일함수보다 작은 것을 특징으로 하는 정전기 보호 기능을 갖는 수직구조 반도체 발광소자.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 제2 전극은 Ti, Cr, Al, Cu 및 Au로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질인 것을 특징으로 하는 정전기 보호 기능을 갖는 수직구조 반도체 발광소자.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제1 오믹컨택층은 적어도 70% 이상의 반사율을 갖는 것을 특징으로 하는 정전기 보호 기능을 갖는 수직구조 반도체 발광소자.
5. 제1항에 있어서,

   상기 제1 오믹콘택층은, Ag, Ni, Al, Rh, Pd, Ir, Ru, Mg, Zn, Pt, Au 및 그 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어진 적어도 하나의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 정전기 보호 기능을 갖는 수직구조 반도체 발광소자.
6. 제1항에 있어서,

   상기 제1 도전형은 n형이고, 상기 제2 도전형은 p형인 것을 특징으로 하는 정전기 보호 기능을 갖는 수직구조 반도체 발광소자.
7. 제1항에 있어서,

   상기 적층구조물은 질화물 반도체 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 정전기 보호 기능을 갖는 수직구조 반도체 발광소자.

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