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KR20080067392A - 고내정전압을 갖는 발광다이오드 및 그의 제조방법 - Google Patents

고내정전압을 갖는 발광다이오드 및 그의 제조방법 Download PDF

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KR20080067392A
KR20080067392A KR20070004582A KR20070004582A KR20080067392A KR 20080067392 A KR20080067392 A KR 20080067392A KR 20070004582 A KR20070004582 A KR 20070004582A KR 20070004582 A KR20070004582 A KR 20070004582A KR 20080067392 A KR20080067392 A KR 20080067392A
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김상묵
이상헌
이승재
진정근
김윤석
염홍서
유영문
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한국광기술원
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Abstract

본 발명은 고내정전압을 가지는 발광다이오드 및 그의 제조방법에 관한 것으로서 구체적으로는 제1 반도체층의 상면과 제2 반도체층 상면에 걸쳐서 구비되는 제1 전극층, 상기 제1 전극층과 이격되어 상기 제2 반도체층의 상면에 형성되는 투명전극층, 및 상기 투명전극층의 상면에 구비되는 제2 전극층을 포함한다.
본 발명에 따르면, 전극의 형상을 통상적인 전극과 달리 배치하는 구조를 채택하여 정전기(electrostatic discharge)에 대한 내성이 있고, 전기적 충격에 강한 고신뢰성의 발광다이오드 소자를 제공할 수 있다.
고내정전압, 정전기, 발광다이오드, 전극층, 투명전극층

Description

고내정전압을 갖는 발광다이오드 및 그의 제조방법{Light Emitting Diode With High Electrostatic Discharge And Fabrication Method Thereof}
도 1은 종래 기술의 일 실시예에 따른 발광다이오드의 적층구조를 나타낸 단면도(a) 및 평면도(b).
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드의 적층구조를 나타낸 단면도(a) 및 평면도(b).
도 3은 종래 기술의 일 실시예에 따른 발광다이오드의 회로도(a) 및 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드의 회로도(b).
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드의 전극형상을 나타내는 평면도.
도 6은 종래 기술의 일 실시예에 따른 플립칩 방식의 발광다이오드의 측단면도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 플립칩 방식의 발광다이오드의 측단면도.
｛도면의 주요부분에 대한 부호의 설명｝
100,200,600,700 : 기판 101,201,601,701 : n형 반도체층
102,202,602,702 : 발광층 103,203,603,703 : p형 반도체층
104,204,404,504 : 투명전극층 604,704 : 반사막
105,205,405,505,605,705 : n형 전극층
106,206,406,506,606,706 : p형 전극층
607,707 : 솔더볼 608,708 : 보조기판
본 발명은 고내정전압을 가지는 발광다이오드 및 그의 제조방법에 관한 것으로서 보다 상세하게는 제1 반도체층의 상면과 제2 반도체층 상면에 걸쳐서 구비되는 제1 전극층, 상기 제1 전극층과 이격되어 상기 제2 반도체층의 상면에 형성되는 투명전극층, 및 상기 투명전극층의 상면에 구비되는 제2 전극층을 포함하는 발광다이오드와 이들을 순차적으로 형성하는 발광다이오드의 제조방법을 제공한다.
현대 사회에 있어서 발광다이오드(Light Emitting Diode, 이하 'LED')는 표시용 광원에서 휴대폰용 백라이트 유닛(BLU), LCD TV용 백라이트 유닛, 광치료용 등으로 사용되고 있거나 시장진입이 활발하게 이루어지고 있는 실정이다. 또한 향후에는 백열전구나 형광등과 같은 일반 조명 분야에도 서서히 그 응용분야를 넓혀 가까운 시일 내에 반도체 조명시대가 도래될 것으로 전망되고 있다.
일반적으로 LED는 단층 또는 다층의 칩에 전류를 인가하면 반도체층과 이들 반도체층 사이에 구비되는 활성층과 같은 발광층에서 여기된 전자-정공쌍이 결합되면서 전기에너지를 빛에너지로 방출한다.
따라서, LED의 적층구조는 기판 위에 서로 다른 유형의 불순물이 도핑되는 반도체층을 순차로 적층하고 그 사이에 활성층을 적층하는 구조인데, 각 유형의 반도체층의 영역에 그 유형과 동일한 유형의 전극층을 형성하여 전원을 연결하고 있는 형태이다.
주로 기판은 사파이어 기판이 사용되고 서로 다른 유형의 반도체층은 PN 접합을 이루는데 p형 반도체층과 n형 반도체층 사이에는 발광층이 존재할 수 있다.
한편, p형 반도체층의 저항이 높기 때문에 전류의 흐름을 원활하게 하기 위해서는 전도성이 좋은 투명전극층을 p형 반도체층의 상부에 적층하고 사용할 수 있다.
이러한 종래 기술의 일 실시예에 따른 발광다이오드의 적층구조와 이들 발광다이오드를 위에서 내려다 본 평면도는 도 1에 게시하였다.
도 1a를 참조하면, 기판(100) 위에 n-GaN 등과 같은 물질로 이루어진 n형 반도체층(101), 발광층(102), p-GaN 등과 같은 물질로 이루어진 p형 반도체층(103)이 순차로 적층되어 있고, n형 반도체층(101)의 영역에는 같은 n형인 전극층(105)가 구비되며, p형 반도체층(103)의 영역에는 투명전극층(104) 형성하고 그 위에 같은 p형인 전극층(106)이 구비된 형태임을 알 수 있다.
일반적으로 n형 전극층(105)에는 (-)전원이, p형 전극층(106)에는 (+)전원이 인가되어 발광다이오드에 순방향 전압을 인가함으로써 빛을 방출하게 된다.
이들 구조를 상부에서 내려다 본 평면도는 도 1b와 같은데, 보통 n형 전극층(105)와 p형 전극층(106)이 대각선으로 대칭되거나 일렬로 배치된 형태로써 각각 동일한 유형의 반도체층 내부에 전극층이 형성되고 있다.
통상의 발광다이오드의 회로도는 도 3a에 도시하였는데, 보통 다이오드는 전류가 흐를 때 저항체(R1)로서의 역할을 하면서, 순방향의 전원이 인가될 경우에는 저항체로서 약하게 작용하여 p형 반도체에서 n형 반도체로 전류가 흐르게 하며, 역방향의 전원이 인가될 경우에는 전류가 n형 반도체에서 p형 반도체로 역으로 흐르게 되어 강한 저항체로 작용한다.
발광다이오드의 구조 및 형태는 본딩 방식에 따라 순차로 적층되어 회로기판에 구비되는 와이어 본딩 구조의 발광다이오드이거나, 도 6에 도시된 바와 같이 플립칩 본딩 구조의 발광다이오드일 수 있다.
도 6을 참조하면 플립칩 본딩 발광다이오드 역시 그 적층구조는 일반적인 발광다이오드와 다르지 않고, 단지 적층된 발광다이오드를 거꾸로 뒤집어 각 전극층(605,606)과 보조기판 사이에 솔더볼(607)을 사용하여 보조기판(608)에 접착시킨다.
통상적인 발광다이오드는 발광다이오드 자체가 하나의 저항체로 작용할 수 밖에 없어 발광다이오드에 인가되는 전원의 크기가 클 경우 전기적 충격에 민감하고 고정전압에 견디는 능력이 떨어져서 동작특성에 신뢰도가 저하되는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 발광다이오드의 정전압의 크기에 따라 민감하게 구동하는 동작특성을 개선하고 신뢰도가 저하되는 문제점을 해결하기 위하여 고정전압에 내성이 있고 동작특성에 고신뢰성이 있는 발광다이오드를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 간단한 전극층의 배치 구조를 개선함으로써 간편하고 경제적인 공정을 사용하여 고내정전압 특성이 있는 고신뢰성의 발광다이오드를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 고내정전압을 갖는 발광다이오드는 제1 반도체층의 상면과 제2 반도체층 상면에 걸쳐서 구비되는 제1 전극층, 상기 제1 전극층과 이격되어 상기 제2 반도체층의 상면에 형성되는 투명전극층, 및 상기 투명전극층의 상면에 구비되는 제2 전극층을 포함한다.
상기 제1 반도체층 및 제2 반도체층은 서로 다른 유형의 불순물이 도핑된 이형(異形) 반도체층인 것을 특징으로 하는데, n형 불순물이 도핑된 반도체층과 p형 불순물이 도핑된 반도체층이 pn 접합을 이루는 구조이다.
본 발명에서 상기 제1 전극층의 유형은 제1 반도체층의 유형과 동일하고, 상기 제2 전극층의 유형은 제2 반도체층의 유형과 동일하므로, 제1 반도체층이 n형 반도체층일 경우라면, 제2 반도체층은 p형 반도체층이고, 각각 n형 반도체층의 영역에는 제1 전극층으로서 n형 전극층이 형성되고 p형 반도체층의 영역에는 제2 전극층으로서 p형 반도체층이 형성된다.
통상적으로 p형 반도체층의 접촉저항이 크므로 전류의 흐름을 원활하게 하기 위하여 n형 반도체층 위에 p형 반도체층을 형성하고 그 위에 투명전극층을 구비하는 구조를 채택할 수 있다.
본 발명에서 상기 제2 반도체층의 상면에 걸쳐서 구비되는 제1 전극층의 형상은, 제2 반도체층에 걸쳐진 제1 전극층의 하나 이상의 면을 요철부로 하는 것을 포함한다.
본 발명에서 상기 발광다이오드는 플립칩 구조일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고내정전압을 갖는 발광다이오드의 제조방법은 제1 반도체층의 상면 및 상기 제1 반도체층의 상부에 적층된 제2 반도체층의 상면에 걸쳐서 제1 전극층을 형성하는 (a)단계, 상기 제1 전극층에 이격하여 상기 제2 반도체층의 상면에 투명전극층을 형성하는 (b)단계, 및 상기 투명전극층의 상면에 제2 전극층을 형성하는 (c)단계를 포함한다.
본 발명에서 상기 제1 반도체층 및 상기 제1 반도체층의 상부에 적층된 제2 반도체층 사이에 발광층을 더 적층할 수 있다.
본 발명에서, 상기 (c)단계 후에 상기 제1 전극층 및 제2 전극층에 솔더볼을 접착하여 보조기판에 연결하는 플립칩 본딩 단계(d)를 더 추가할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드의 적층구조를 나타낸 단면도(a) 및 평면도(b)인데, 특히 도 2a를 참조하면, 기판(200) 위에 n형 반도체층(201), 발광층(202), p형 반도체층(203)이 순차로 적층되어 있다. 이들 pn 접합 다이오드는 회로에서 하나의 저항체(R1)로 작용할 수 있다.
반도체층의 구성물질은 혼합형화합물 반도체를 구성하는 물질이면 어느 것이나 가능하며 질화갈륨(GaN), 갈륨비소(GaAs) 등의 물질이 바람직하지만 반드시 이에 한정되지는 않는다.
n형 반도체층(201)의 영역에는 같은 n형인 전극층(205)가 구비되며, p형 반도체층(203)의 영역에는 전류의 흐름을 원할하게 하기 위하여 p형 반도체층의 접촉저항을 낮출 수 있는 투명전극층(204)이 형성된다. 상기 투명전극층 위에 p형 반도체층과 같은 p형인 전극층(206)이 구비된다. 본 발명에서 n형 전극층(205)는 n형 반도체층(201)의 영역에 구비되어 있지만 n형 반도체층(201), 발광층(202) 및 p형 반도체층(203)의 적층된 측단면부를 포함하여 p형 반도체층(203)의 영역의 일부까지 걸쳐서 구비되어 있다.
또한 p형 반도체층의 상면에 구비되는 투명전극층(204)은 상기 p형 반도체층의 일부에 걸쳐서 형성된 n형 전극층(205)과는 일정한 소정의 간격을 두고 적층되는데, p형 반도체층(203)은 p형 전극층(206)과 투명전극층(204)을 통해 전류가 흐를 때 벌크저항체(R2)로 작용한다.
상기 p형 반도체층의 벌크 저항(R2)과 pn 접합 다이오드의 자체 저항체(R1)가 회로에서 어떠한 기능을 수행하는가에 대해서는 이하 회로도를 통해 설명하기로 한다.
본 발명에서 상기 p형 반도체층(203)의 영역의 일부까지 걸쳐서 구비되는 n형 전극층(205)의 형상은 직선 또는 곡선의 형태일 수 있으나 반드시 특정의 형태로 한정되지 않으며 n형 전극층이 n형 반도체층과 p형 반도체층에 걸쳐 구비되어 연결되면 족하다.
본 발명의 일 실시예의 발광다이오드를 상부에서 내려다 본 평면도는 도 2b와 같다. 도 2b를 참조하면 보통 n형 전극층(205)와 p형 전극층(206)이 대각선으로 대칭되어 있으나 반드시 이러한 구조에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드 구조에 의한 회로도는 도 3b에 도시하였다.
도 3a는 앞서 설명한 바와 같이 종래의 발광다이오드의 회로도이다.
일반적으로 n형 전극층에는 (-)전원이, p형 전극층(206)에는 (+)전원이 인가되면 발광다이오드에 순방향 전압을 인가하는 것인데, 이때 전류가 p형 반도체에서 n형 반도체로 흐르므로 다이오드 자체 저항(R1)이 낮게 된다. 그러나 역으로 n형 전극층에 (+)전원을 인가하고 p형 전극층에 (-)전원을 인가하게 되면 역방향 전압으로서 전류가 반대로 흐르므로 저항(R1)이 매우 크게 된다.
그러나 본 발명에 따른 발광다이오드는 n형 반도체와 투명전극층의 소정의 간극을 두고 p형 반도체 상에 구비되므로 전류가 흐를 때 p형 반도체층의 벌크저항(R2)과 pn 접합 다이오드의 자체 저항(R1)이 병렬로 연결된 회로도를 구성한다.
보통 p형 반도체의 저항은 n형 반도체의 저항보다 매우 높다.
p형 반도체층의 벌크저항(R2)은 (+)(-)전원의 방향에 관계없이 일정한 값을 가진다.
pn 접합 다이오드의 자체 저항(R1)은 순방향(p형 반도체층의 p형 전극층에 (+), n형 반도체층의 n형 전극층에 (-))의 전류가 인가되면 발광층을 사이에 두고 전류가 p형 반도체층에서 n형 반도체층으로 무리없이 이동한다.
이때 저항 R1이 R2보다 훨씬 낮기 때문에(R2 ≫ R1) 대부분의 전류는 R1을 통해서 흐르므로 발광다이오드의 작동에 아무런 문제가 없는 것이며, 고전압이 걸리면 전류의 일부가 R2를 통해서 흐르므로 R1에 걸리는 전기적 충격이 약간 감소하여 높은 정전기에도 발광다이오드가 견디게 된다.
반대로 역방향(p형 반도체층의 p형 전극층에 (-), n형 반도체층의 n형 전극층에 (+))의 전류가 인가되면 발광층을 중심으로 공핍층(depletion layer)이 형성 되어 발광층 자체가 매우 큰 저항체로 작용하여 전체 pn 접합 다이오드 저항인 R1은 R2보다 훨씬 큰 값을 갖게 된다(R2 ≪ R1). 이 경우 대부분의 전류는 R2를 통해 흐를 것이고, 따라서 역방향으로 고전압이 흐르더라도 발광다이오드에는 큰 전압이 걸리지 않으므로 잘 견딜 것이다.
본 발명은 고정전압에서 전류의 흐름을 회피할 수 있는 저항 경로를 발광다이오드 상에 구비하는 구조를 가지는 것이므로 별도의 장치를 부가하지 않고서도 큰 전압에 내성을 가지는 신뢰성 있는 발광소자를 제공할 수 있게 된다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광다이오드에서 p형 반도체층 영역에까지 걸쳐지는 n형 전극층(405,505)의 형태를 도시한 평면도이다.
상기 도면을 참조하면, 본 발명에서 n형 전극층(405,505)에서 p형 반도체층에 걸쳐지는 면의 형상이 직선 또는 곡선일 수 있으나, 바람직하게는 요철부를 포함하는 형상일 수 있다.
상기 요철부는 직각형태이거나 곡선형태일 수 있다.
도 4의 형태는 n형 전극층(405)이 정사각형으로서 p형 반도체층 영역에 걸쳐진 두 변이 요철부를 이룬다.
반면 도 5의 형태는 n형 전극층(505)이 날개형으로서 p형 반도체층 영역에 걸쳐진 부분의 긴 날개의 면에 요철부를 가지고 있다.
이들 요철부를 가지는 n형 전극층은 하나 이상 다수 개로 형성할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 플립칩 본딩 구조를 가지는 발광다이오드의 단면도이다.
도 6은 통상의 발광다이오드의 플립칩 본딩 구조를 나타낸 것으로서 이와 대비하여 볼 때 본 발명의 일 실시예에서 n형 전극층(705)은 n형 반도체층(701)의 영역에 포함되어 발광층(702), p형 반도체층(703)의 측단면을 거쳐 형성되어 있다. n형 전극층(705)과 p형 전극층(706)은 솔더볼(707)을 매개로 하여 보조기판(708)과 연결되어 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허등록청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 정전기에 강한 고내정전압을 가지고 고전압 하에서도 동작특성에 신뢰성이 우수한 발광다이오드를 제공할 수 있다.
또한, 이들 발광다이오드가 포함된 전자제품 등의 내정전압 특성이 개선되어 고품질과 고성능의 전자제품 등을 공급할 수 있는 효과가 있다.
이들 발광다이오드의 제조방법은 통상적인 제조방법과 다르지 않으면서 단지 전극층의 배치형태만을 변경하는 것이므로 간단한 공정을 통하여 내정전압 특성이 향상된 발광다이오드를 제공하는 경제적인 부가가치의 향상 효과를 기대할 수 있다.

Claims (13)

  1. 제1 반도체층의 상면과 제2 반도체층 상면에 걸쳐서 구비되는 제1 전극층;
    상기 제1 전극층과 이격되어 상기 제2 반도체층의 상면에 형성되는 투명전극층;
    상기 투명전극층의 상면에 구비되는 제2 전극층을 포함하는 고내정전압을 갖는 발광다이오드.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제1 반도체층 및 제2 반도체층은 서로 다른 유형의 불순물이 도핑된 이형(異形) 반도체층인 것을 특징으로 하는 고내정전압을 갖는 발광다이오드.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제1 전극층의 유형은 제1 반도체층의 유형과 동일한 것을 특징으로 하는 고내정전압을 갖는 발광다이오드.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제2 전극층의 유형은 제2 반도체층의 유형과 동일한 것을 특징으로 하는 고내정전압을 갖는 발광다이오드.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제2 반도체층의 상면에 걸쳐서 구비되는 제1 전극층의 형상은, 제2 반도체층에 걸쳐진 제1 전극층의 하나 이상의 면을 요철부로 하는 것을 특징으로 하는 고내정전압을 갖는 발광다이오드.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 발광다이오드는 플립칩 구조인 것을 특징으로 하는 고내정전압을 갖는 발광다이오드.
  7. 제1 반도체층의 상면 및 상기 제1 반도체층의 상부에 적층된 제2 반도체층의 상면에 걸쳐서 제1 전극층을 형성하는 (a)단계;
    상기 제1 전극층에 이격하여 상기 제2 반도체층의 상면에 투명전극층을 형성하는 (b)단계;
    상기 투명전극층의 상면에 제2 전극층을 형성하는 (c)단계를 포함하는 고내정전압을 갖는 발광다이오드의 제조방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 제1 반도체층 및 제2 반도체층은 서로 다른 유형의 불순물이 도핑된 이형(異形) 반도체층인 것을 특징으로 하는 고내정전압을 갖는 발광다이오드의 제조방법.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 제1 전극층의 유형은 제1 반도체층의 유형과 동일한 것을 특징으로 하는 고내정전압을 갖는 발광다이오드의 제조방법.
  10. 제 7항에 있어서, 상기 제2 전극층의 유형은 제2 반도체층의 유형과 동일한 것을 특징으로 하는 고내정전압을 갖는 발광다이오드의 제조방법.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 제2 반도체층의 상면에 걸쳐서 구비되는 제1 전극층의 형상은, 제2 반도체층에 걸쳐진 제1 전극층의 하나 이상의 면을 요철부로 하는 것을 특징으로 하는 고내정전압을 갖는 발광다이오드의 제조방법.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 제1 반도체층 및 상기 제1 반도체층의 상부에 적층된 제2 반도체층 사이에 발광층을 더 적층하는 것을 특징으로 하는 고내정전압을 갖는 발광다이오드의 제조방법.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 (c)단계 후에 상기 제1 전극층 및 제2 전극층에 솔더볼을 접착하여 보조기판에 연결하는 플립칩 본딩 단계(d)를 더 추가하는 것을 특징으로 하는 고내정전압을 갖는 발광다이오드의 제조방법.
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