KR100649642B1 - Compound semiconductor light emitting device having an esd protecting element and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 ESD 보호 소자를 구비한 종래의 발광 소자의 일례를 나타내는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing an example of a conventional light emitting device having an ESD protection device.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 화합물 반도체 발광 소자의 단면도이다.2 is a cross-sectional view of a compound semiconductor light emitting device according to one embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 화합물 반도체 발광 소자의 평면도이다.3 is a plan view of a compound semiconductor light emitting device according to one embodiment of the present invention.
도 4는 도 2의 화합물 반도체 발광 소자의 등가 회로도이다.4 is an equivalent circuit diagram of the compound semiconductor light emitting device of FIG. 2.
도 5 내지 도 12은 본 발명의 일 실시형태에 따른 화합물 반도체 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.5 to 12 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a compound semiconductor light emitting device according to an embodiment of the present invention.
도 13은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 화합물 반도체 발광 소자의 단면도이다.13 is a cross-sectional view of a compound semiconductor light emitting device according to another embodiment of the present invention.
도 14는 도 13의 화합물 반도체 발광 소자의 등가 회로도이다.14 is an equivalent circuit diagram of the compound semiconductor light emitting device of FIG. 13.
도 15 내지 도 18은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 화합물 반도체 발광 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.15 to 18 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a compound semiconductor light emitting device according to another embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
101: 사파이어 기판 102: n형 반도체층101: sapphire substrate 102: n-type semiconductor layer
104: 활성층 106: p형 반도체층104: active layer 106: p-type semiconductor layer
108: 투명 전극층 110: 절연층108: transparent electrode layer 110: insulating layer
112: p측 전극 114: n측 전극112: p-side electrode 114: n-side electrode
122, 126: 금속 전극층 124, 125: 연결 배선122, 126:
140: 발광부 150, 160: 커패시터140:
본 발명은 화합물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 정전기 방전(Electrostatic Discharge; ESD)에 대한 높은 내성을 갖는 화합물 반도체 발광 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a compound semiconductor light emitting device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a compound semiconductor light emitting device having a high resistance to electrostatic discharge (ESD) and a method for manufacturing the same.
현재, 화합물 반도체 발광 소자는 소형화, 저전력화되어 가고 있다. 이에 따라 특히 외부와의 입력출 단자에서 입력 정전 용량이 감소하여, 화합물 반도체 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD)는 ESD에 점점 더 취약해지고 있다. 높은 신뢰성을 갖는 화합물 반도체 발광 소자를 구현하기 위해서는, 급격한 서지(surge) 전압이나 ESD 전압으로부터 발광 소자가 충분히 보호되어야 한다.At present, compound semiconductor light emitting devices are becoming smaller and lower in power. As a result, the input capacitance is reduced, especially at the input and output terminals with the outside, so that the compound semiconductor light emitting diode (LED) or the laser diode (LD) is increasingly vulnerable to ESD. In order to implement a compound semiconductor light emitting device having high reliability, the light emitting device must be sufficiently protected from a sudden surge voltage or an ESD voltage.
특히, AlxGayIn(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1) 물질을 기반으로 하는 3족 질화물 LED는, 순방향 ESD보다 역방향 ESD에 더 취약하다. 통상 사용되는 3족 질화물 LED의 순방향 ESD에 대한 내성 전압은 약 1kV 내지 3kV이지만, 역방향 ESD에 대한 내성 전압은 수백 V 정도이다. 따라서, 내성 전압을 초과하는 역방향의 ESD 전압이 3족 질화물 LED에 인가되면, LED가 손상될 수 있다. 이러한 역방향 ESD 현상은 3족 질화물 발광 소자의 신뢰성을 해치고 소자의 수명을 급격히 떨어뜨리는 요인이 된다. In particular, Group III nitride LEDs based on Al x Ga y In (1-xy) N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x + y≤1) materials are more reverse ESD than forward ESD. More vulnerable to The resistance voltage for forward ESD of a commonly used Group III nitride LED is about 1 kV to 3 kV, while the resistance voltage for reverse ESD is about several hundred volts. Therefore, if a reverse ESD voltage exceeding the immunity voltage is applied to the group III nitride LED, the LED may be damaged. This reverse ESD phenomenon impairs the reliability of the group III nitride light emitting device and causes a drastic reduction in the life of the device.
이러한 문제를 해결하기 위해, 화합물 반도체 발광 소자의 ESD 내성을 증가시키는 몇가지 방안이 제안되었다. 예를 들어, 화합물 반도체 발광 소자를 실리콘계 제너 다이오드(zener diode)에 병렬로 연결하여 정전기 방전으로부터 발광 소자를 보호하는 기술이 제시되었다. 도 1은 그 일례를 나타내는 종래 발광 소자의 단면도이다.In order to solve this problem, several methods for increasing the ESD resistance of the compound semiconductor light emitting device have been proposed. For example, a technique of protecting a light emitting device from electrostatic discharge by connecting a compound semiconductor light emitting device in parallel to a silicon-based zener diode has been proposed. 1 is a cross-sectional view of a conventional light emitting device showing an example thereof.
도 1을 참조하면, 3족 질화물 발광 소자(10)는, 3족 질화물 LED(18)와 실리콘계 제너 다이오드(24)를 포함한다. LED(18)는, 사파이어 기판(11) 상에 순차 적층된 n형 GaN계 클래드층(12), 활성층(13) 및 p형 GaN계 클래드층(14)을 포함한다. 제너 다이오드(24)는 n형 실리콘층(21)과 p형 실리콘층(22)을 포함한다. LED(18)의 p측 전극(15)은 제너 다이오드(24)의 n형 실리콘층(21)에 연결되고, LED(18)의 n측 전극(16)은 제너 다이오드(24)의 p형 실리콘층(22)에 연결된다. Referring to FIG. 1, the group III nitride
2개 단자(V1, V2)를 통해 LED(18)에 역방향 ESD 전압이 인가되면, 대부분의 방전 전류는 제너 다이오드(24)를 통해서 흐른다. 이에 따라, 역방향 ESD로부터 LED(18) 소자가 보호 받게 된다. 유럽 특허공개공보 EP1207563호에는, 3족 질화물 LED의 ESD 내성을 향상시키기 위해, LED 소자와 제너 다이오드를 전극 패드 상에 직접 접합하여 양자를 병렬 연결시키는 기술을 개시하고 있다. When a reverse ESD voltage is applied to the
그러나, 이러한 ESD 보호 방안들은 별도의 제너 다이오드를 구입 또는 제조하여 LED에 본딩하고 조립하여야 하기 때문에, 패키지 공정이 어렵게 되고 원가가 상승하게 되며 소자의 소형화가 제한된다.However, these ESD protection schemes require the purchase or manufacture of a separate zener diode to bond and assemble to the LED, making the packaging process difficult, increasing the cost, and limiting the size of the device.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 소형화에 유리하고 향상된 ESD 내성을 갖는 화합물 반도체 발광 소자를 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a compound semiconductor light emitting device that is advantageous for miniaturization and has improved ESD resistance.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 별도의 제너 다이오드를 조립할 필요없이 ESD 내성을 높일 수 있는 화합물 반도체 발광 소자의 제조 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a compound semiconductor light emitting device capable of increasing ESD resistance without assembling a separate zener diode.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 화합물 반도체 발광 소자는, In order to achieve the above technical problem, the compound semiconductor light emitting device according to the present invention,
기판의 제1 영역 상에 순차 적층된 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층과, 상기 n형 반도체층 및 p형 반도체 상에 각각 형성된 n측 전극 및 p측 전극을 구비하는 발광부; 및A light emitting unit including an n-type semiconductor layer, an active layer and a p-type semiconductor layer sequentially stacked on the first region of the substrate, and an n-side electrode and a p-side electrode formed on the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor, respectively; And
상기 기판의 제2 영역 상에 순차 적층된 n형 반도체층, 절연층 및 금속 전극층을 구비하는 하나 이상의 커패시터를 포함하고,At least one capacitor having an n-type semiconductor layer, an insulating layer, and a metal electrode layer sequentially stacked on a second region of the substrate,
상기 하나 이상의 커패시터는 상기 발광부와 병렬 연결되어 있다.The one or more capacitors are connected in parallel with the light emitting unit.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 발광부는 AlxGayIn(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)층을 포함할 수 있다. 상기 발광부는 상기 p형 반도체층과 p측 전극 사이에 투명 전극층을 더 구비할 수 있다. 상기 제1 영역의 n형 반도체층은 소자 분리 영역에 의해 상기 제2 영역의 n형 반도체층과 분리될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the light emitting part may include an Al x Ga y In (1-xy) N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x + y≤1) layer. . The light emitting part may further include a transparent electrode layer between the p-type semiconductor layer and the p-side electrode. The n-type semiconductor layer of the first region may be separated from the n-type semiconductor layer of the second region by an isolation region.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 발광 소자는 하나의 커패시터부를 포함한다. 이 경우, 상기 커패시터의 금속 전극층은 상기 발광부의 n측 전극과 전기적으로 연결되고, 상기 제2 영역의 n형 반도체층은 상기 발광부의 p측 전극과 전기적으로 연결된다.According to one embodiment of the invention, the light emitting element comprises one capacitor portion. In this case, the metal electrode layer of the capacitor is electrically connected to the n-side electrode of the light emitting part, and the n-type semiconductor layer of the second region is electrically connected to the p-side electrode of the light emitting part.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 발광 소자는 복수의 커패시터를 포함한다. 이 경우, 상기 복수의 커패시터는 서로 직렬 연결된다.According to another embodiment of the present invention, the light emitting element includes a plurality of capacitors. In this case, the plurality of capacitors are connected in series with each other.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 절연층은 상기 발광부 상으로 연장되어 있다. 이 경우, 상기 절연층은 상기 커패시터의 유전체막 역할을 하는 동시에, 상기 발광부를 보호하기 위한 패시베이션(passivation)막의 역할을 할 수 있다.According to one embodiment of the invention, the insulating layer extends on the light emitting portion. In this case, the insulating layer may serve as a dielectric film of the capacitor and a passivation film for protecting the light emitting part.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 화합물 반도체 발광 소자는, Compound semiconductor light emitting device according to a preferred embodiment of the present invention,
기판 상의 제1 영역 상에 순차 적층된 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층과, 상기 n형 반도체층 및 p형 반도체 상에 각각 형성된 n측 전극 및 p측 전극을 구비하는 발광부; 및 A light emitting unit including an n-type semiconductor layer, an active layer, and a p-type semiconductor layer sequentially stacked on the first region on the substrate, and an n-side electrode and a p-side electrode formed on the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor, respectively; And
상기 기판의 제2 영역 상에 형성된 제1 커패시터 및 제2 커패시터를 포함하고,A first capacitor and a second capacitor formed on the second region of the substrate,
상기 제1 커패시터는 상기 기판의 제2 영역의 일부분 상에 순차 적층된 n형 반도체층, 절연층 및 제1 금속 전극층을 구비하고, 상기 제2 커패시터는 상기 기판의 제2 영역의 다른 일부분 상에 순차 적층된 n형 반도체층, 절연층 및 제2 금속 전극층을 구비하며,The first capacitor has an n-type semiconductor layer, an insulating layer, and a first metal electrode layer sequentially stacked on a portion of the second region of the substrate, and the second capacitor is on another portion of the second region of the substrate. An n-type semiconductor layer, an insulating layer, and a second metal electrode layer sequentially stacked;
상기 제1 영역의 n형 반도체층은 소자 분리 영역에 의해 상기 제2 영역의 n형 반도체층으로부터 분리되어 있고, 상기 제1 금속 전극층은 상기 p측 전극과 전기적으로 연결되어 있고, 상기 제2 금속 전극층은 상기 n측 전극과 전기적으로 연 결되어 있다.The n-type semiconductor layer of the first region is separated from the n-type semiconductor layer of the second region by an isolation region, the first metal electrode layer is electrically connected to the p-side electrode, and the second metal The electrode layer is electrically connected to the n-side electrode.
상기 바람직한 실시형태에서, 상기 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층은 AlxGayIn(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 이루어질 수 있다. 상기 발광부는, 상기 p형 반도체층과 상기 p측 전극 사이에 투명 전극층을 더 구비할 수 있다. In the preferred embodiment, the n-type semiconductor layer, the active layer and the p-type semiconductor layer is Al x Ga y In (1-xy) N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x + y≤1 It can be made of). The light emitting part may further include a transparent electrode layer between the p-type semiconductor layer and the p-side electrode.
상기 바람직한 실시형태에서, 상기 절연층은, 상기 발광부 상으로 연장될 수 있다. 이 경우, 상기 제1 금속 전극층과 p측 전극 간의 전기적 연결은 상기 절연층 상에 형성된 제1 배선을 통해 이루어질 수 있다. 또한, 상기 제2 금속 전극층과 상기 n측 전극 간의 전기적 연결도 상기 절연층 상에 형성된 제2 배선을 통해 이루어질 수 있다.In the preferred embodiment, the insulating layer may extend on the light emitting portion. In this case, electrical connection between the first metal electrode layer and the p-side electrode may be made through a first wiring formed on the insulating layer. In addition, electrical connection between the second metal electrode layer and the n-side electrode may also be made through a second wiring formed on the insulating layer.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 화합물 반도체 발광 소자의 제조 방법은, 제1 영역과 제2 영역을 갖는 기판 상에 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 순차 형성하는 단계와; 상기 p형 반도체층, 활성층 및 n형 반도체층의 일부를 메사 식각(mesa-etching)하여 상기 제1 영역의 일부와 상기 제2 영역에 있는 n형 반도체층을 노출시킴으로써, 상기 제1 영역에 메사 구조물을 형성하는 단계와; 상기 n형 반도체층 및 메사 구조물 전면 상에, p측 전극 영역 및 n측 전극 영역을 개방시키는 절연층을 형성하는 단계와; 상기 절연층에 의해 개방된 p측 전극 영역 및 n측 전극 영역에, 각각 p측 전극 및 n측 전극을 형성하여 발광부를 제조하는 단계와; 상기 제2 영역의 절연층 상에 하나 이상의 금속 전극층을 형성하여 하나 이상의 커패시터를 제조하는 단계와; 상기 발광부를 상기 하나 이상의 커패시터에 병렬 연결시키는 단계를 포함한다.In order to achieve the another object of the present invention, the method for manufacturing a compound semiconductor light emitting device according to the present invention is to sequentially form an n-type semiconductor layer, an active layer and a p-type semiconductor layer on a substrate having a first region and a second region Steps; Mesa-etching a portion of the p-type semiconductor layer, the active layer and the n-type semiconductor layer to expose a portion of the first region and the n-type semiconductor layer in the second region, thereby mesas in the first region Forming a structure; Forming an insulating layer on the front of the n-type semiconductor layer and the mesa structure to open a p-side electrode region and an n-side electrode region; Manufacturing a light emitting part by forming a p-side electrode and an n-side electrode in the p-side electrode region and the n-side electrode region opened by the insulating layer, respectively; Manufacturing at least one capacitor by forming at least one metal electrode layer on the insulating layer of the second region; Connecting the light emitting units to the at least one capacitor in parallel.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층은 AlxGayIn(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)으로 형성될 수 있다. 상기 p형 반도체층을 형성한 후에, 상기 p형 반도체층 상에 투명 전극층을 형성할 수도 있다. 상기 메사 구조물을 형성한 후에, 상기 제1 영역의 n형 반도체층을 상기 제2 영역의 n형 반도체층으로부터 분리시키는 단계를 더 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the n-type semiconductor layer, the active layer and the p-type semiconductor layer is Al x Ga y In (1-xy) N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x + y≤1). After the p-type semiconductor layer is formed, a transparent electrode layer may be formed on the p-type semiconductor layer. After forming the mesa structure, the method may further include separating the n-type semiconductor layer of the first region from the n-type semiconductor layer of the second region.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 커패시터를 제조하는 단계에서, 상기 제2 영역의 절연층 상에 1개의 금속 전극층을 형성하여, 하나의 커패시터를 제조할 수 있다. 이 경우, 상기 커패시터 제조 후에 상기 금속 전극층을 상기 n측 전극에 전기적으로 연결하고 상기 제2 영역의 n형 반도체층을 상기 p측 전극에 전기적으로 연결함으로써, 상기 발광부를 상기 커패시터에 병렬 연결시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in the manufacturing of the capacitor, one capacitor may be manufactured by forming one metal electrode layer on the insulating layer of the second region. In this case, after the capacitor is manufactured, the light emitting unit may be connected to the capacitor by electrically connecting the metal electrode layer to the n-side electrode and electrically connecting the n-type semiconductor layer of the second region to the p-side electrode. have.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 커패시터를 제조하는 단계에서, 상기 제2 영역의 절연층 상에 복수의 금속 전극층을 형성하여 복수의 커패시터를 제 조할 수 있다. 이 경우, 상기 복수의 커패시터를 서로 직렬로 연결시킬 수 있고, 상기 발광부를 상기 복수의 커패시터에 병렬 연결시킬 수 있다.According to another embodiment of the present invention, in the manufacturing of the capacitor, a plurality of metal electrode layers may be formed on the insulating layer of the second region to manufacture a plurality of capacitors. In this case, the plurality of capacitors may be connected in series with each other, and the light emitting unit may be connected to the plurality of capacitors in parallel.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 화합물 반도체 발광 소자의 제조 방법은, Method for producing a compound semiconductor light emitting device according to a preferred embodiment of the present invention,
제1 영역과 제2 영역을 갖는 기판 상에 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층을 순차 형성하는 단계와; Sequentially forming an n-type semiconductor layer, an active layer, and a p-type semiconductor layer on a substrate having a first region and a second region;
상기 p형 반도체층, 활성층 및 n형 반도체층의 일부를 메사 식각하여 상기 제1 영역의 일부와 상기 제2 영역에 있는 n형 반도체층을 노출시키는 단계와;Mesa-etching a portion of the p-type semiconductor layer, the active layer and the n-type semiconductor layer to expose a portion of the first region and an n-type semiconductor layer in the second region;
상기 n형 반도체층을 선택적으로 제거하여 상기 제1 영역의 n형 반도체층과 상기 제2 영역의 n형 반도체층을 분리하는 단계와;Selectively removing the n-type semiconductor layer to separate the n-type semiconductor layer in the first region and the n-type semiconductor layer in the second region;
상기 결과물 전면 상에, p측 전극 영역과 n측 전극 영역을 개방시키는 절연층을 형성하는 단계와;Forming an insulating layer on the entire surface of the resultant surface, the insulating layer opening the p-side electrode region and the n-side electrode region;
상기 절연층에 의해 개방된 p측 전극 영역 및 n측 전극 영역에, 각각 p측 전극과 n측 전극을 형성하는 단계와;Forming a p-side electrode and an n-side electrode in the p-side electrode region and the n-side electrode region opened by the insulating layer, respectively;
상기 제2 영역의 절연층 상에 제1 금속 전극층과 제2 금속 전극층을 형성하는 단계와;Forming a first metal electrode layer and a second metal electrode layer on the insulating layer of the second region;
상기 제1 금속 전극층 및 제2 금속 전극층을 상기 p측 전극 및 n측 전극에 각각 전기적으로 연결시키는 단계를 포함한다. Electrically connecting the first metal electrode layer and the second metal electrode layer to the p-side electrode and the n-side electrode, respectively.
상기 바람직한 실시형태에서, 상기 금속 전극층들을 상기 p측 및 n측 전극에 전기적으로 연결시키는 단계는, 상기 제1 금속 전극층과 상기 p측 전극을 연결하는 제1 배선을 상기 절연층 상에 형성하는 단계와, 상기 제2 금속 전극층과 상기 n측 전극을 연결하는 제2 배선을 상기 절연층 상에 형성하는 단계를 포함할 수 있다.In the preferred embodiment, electrically connecting the metal electrode layers to the p-side and n-side electrodes may include forming a first wire on the insulating layer connecting the first metal electrode layer and the p-side electrode. And forming a second wiring connecting the second metal electrode layer and the n-side electrode on the insulating layer.
상기 바람직한 실시형태에서, 상기 n형 반도체층, 활성층 및 p형 반도체층은 AlxGayIn(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)으로 형성될 수 있다. 상기 p형 반도체층을 형성한 후에, 상기 p형 반도체층 상에 투명 전극층을 형성할 수도 있다.In the preferred embodiment, the n-type semiconductor layer, the active layer and the p-type semiconductor layer is Al x Ga y In (1-xy) N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x + y≤1 It can be formed into). After the p-type semiconductor layer is formed, a transparent electrode layer may be formed on the p-type semiconductor layer.
본 발명에 따르면, 단일 기판 상에서 ESD 보호용 커패시터를 발광 소자에 내장시킴으로써, 보다 간단한 방법으로 높은 역방향 ESD 내성을 갖는 화합물 반도체 발광 소자를 제공할 수 있다. 따라서, 제너 다이오드 등 별도의 ESD 보호 소자를 사용할 필요가 없으며, 패키지 공정이 단순화되고 ESD 보호소자로 인한 부피 증가를 억제할 수 있다. According to the present invention, a compound semiconductor light emitting device having high reverse ESD resistance can be provided by a simpler method by embedding an ESD protection capacitor in a light emitting device on a single substrate. Therefore, it is not necessary to use a separate ESD protection device such as a zener diode, and the packaging process can be simplified and the volume increase due to the ESD protection device can be suppressed.
본 명세서에서, '질화갈륨(GaN)계 반도체' 또는 '3족 질화물'이란, AlxGayIn(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 표현되는 2성분계(bianary), 3성분계(ternary) 또는 4성분계(quaternary) 화합물 반도체를 의미한다.In the present specification, the term 'gallium nitride (GaN) -based semiconductor' or 'group III nitride' means Al x Ga y In (1-xy) N (0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x + y It means a bicomponent, ternary or quaternary compound semiconductor represented by ≤ 1).
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. Embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art. Accordingly, the shape and size of elements in the drawings may be exaggerated for clarity, and the elements denoted by the same reference numerals in the drawings are the same elements.
도 2는, 본 발명의 일 실시형태에 따른 화합물 반도체 발광 소자의 단면도이며, 도 3은 도 2의 발광 소자의 평면도이다. 도 2는 도 3의 YY' 라인을 따라 절취한 단면도에 해당한다. 본 실시형태의 발광 소자(100)는 GaN계 또는 3족 질화물 발광 소자에 해당한다. 또한, 본 실시형태에서는 발광 소자(100)에 2개의 커패시터가 포함되어 있다.2 is a cross-sectional view of a compound semiconductor light emitting device according to one embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a plan view of the light emitting device of FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line YY ′ of FIG. 3. The
도 2 및 도 3을 참조하면, 발광 소자(100)는, 사파이어 기판(101) 상에 형성된 발광부(140), 제1 커패시터(150) 및 제2 커패시터(160)를 포함한다. 발광부(140)는 발광을 목적으로 형성된 것이며, 상기 2개의 커패시터(150, 160)는 발광부(140)에 인가되는 ESD 전압으로부터 발광부(140)를 보호하기 위한 목적으로 형성된 것이다. 상기 발광부(140)는 GaN계 LED에 해당한다.2 and 3, the
사파이어 기판(101)의 상면은 제1 영역(A)과 제2 영역(B)을 가진다. 제1 영 역(A) 상에는 발광부(140)가 형성되어 있고, 제2 영역(B)상에는 커패시터들(150, 160)이 형성되어 있다. 제1 영역(A)의 n형 반도체층(102a)은 소자 분리 영역(I)에 의해 제2 영역(B)의 n형 반도체층(103b)로부터 분리되어 있다.The upper surface of the
발광부(140)는 사파이어 기판(101)의 제1 영역(A) 상에 순차 형성된 n형 반도체층(102a), 활성층(104) 및 p형 반도체층(106)을 포함한다. 이 n형 및 p형 반도체층과 활성층은, GaN계 반도체(AlxGayIn(1-x-y)N(0≤x≤1, 0≤y≤1, 0≤x+y≤1)로 이루어져 있다. 상기 활성층(104)은 예를 들어 다중 양자우물층을 포함할 수 있다. p형 반도체층(106) 상에는 이와 오믹 컨택을 이루는 투명 전극층(108)이 형성되어 있다. 투명 전극층(108)은 예를 들어, ITO(Indiun Tin Oxide)층, SnO2층 또는 Ni/Au층으로 이루어질 수 있다. 투명 전극층(108) 상에는 발광부(40)의 p측 전극(112)이 형성되어 있다. 또한, 메사 식각에 의해 노출된 제1 영역(A)의 n형 GaN계 반도체층(102a) 상에는 발광부(140)의 n측 전극(114)이 형성되어 있다.The
제1 커패시터(150)는, 제2 영역(B) 상에 순차 형성된 GaN계 n형 반도체층(102b), 절연층(110) 및 제1 금속 전극층(122)을 포함한다. 제2 커패시터(160)는, 제2 영역(B) 상에 순차 형성된 GaN계 n형 반도체층(102b), 절연층(102) 및 제2 금속 전극층(126)을 포함한다. 제2 영역(B)에 형성된 n형 반도체층(102b)은 커패시터(150, 160)의 하부 전극 역할을 하며, 제1 금속 전극층(122) 및 제2 금속 전극층 (126)은 커패시터(150, 160)의 상부 전극 역할을 한다. 따라서, 상기 커패시터(150, 160)는 금속(Metal)/절연층(Insulator)/반도체(Semiconductor)의 적층 구조를 갖는 MIS형 커패시터에 해당한다. The
상기 절연층(110)은 예를 들어 SiO2 막으로 이루어질 수 있다. 절연층(110)은, SiO2막 이외에도, 커패시터(150, 160)의 유전체로 사용될 수 있는 것이면 어떠한 재질로 이루어져 있더라도 무방하다. 절연층(110)은 발광부(140) 상으로 연장되어 p측 전극(112) 및 n측 전극(114)을 제외한 전면을 뒤덮고 있다. 따라서, 절연층(110)은 제2 영역(B)에서 커패시터 유전체의 역할을 하는 동시에, 제1 영역(A)에서 발광부(140)를 보호하기 위한 패시베이션막의 역할을 한다.The insulating
도 3의 평면도에 도시된 바와 같이, 제1 커패시터(150)의 n형 반도체층(102b)(도 2의 좌측에 있는 n형 반도체층)은 제2 커패시터(160)의 n형 반도체층(102b)(도 2의 우측에 있는 n형 반도체층)과는 일체로 연결되어 있다. 이는, 제1 커패시터(150)의 하부 전극(n형 반도체층)과 제2 커패시터(160)의 하부 전극(n형 반도체층)이 서로 전기적으로 연결되어 있다는 것을 의미한다.As shown in the plan view of FIG. 3, the n-
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 발광부(140)은 제1 배선(124)과 제2 배선(125)을 통해 제1 커패시터(150)와 제2 커패시터(160)에 연결된다. 즉, 발광부 (140)의 p측 전극(112)은, 제1 배선(124)을 통해 제1 커패시터(150)의 제1 금속 전극층(상부 전극)(122)에 연결된다. 또한, 발광부(140)의 n측 전극(114)은, 제2 배선(125)을 통해 제2 커패시터(160)의 제2 금속 전극층(상부 전극)(126)에 연결된다. As illustrated in FIGS. 2 and 3, the
따라서, 발광부(140)의 p측 전극(112)은 제1 커패시터(150)의 상부 전극(122)에 연결되고, 제1 커패시터(150)의 하부 전극(102b)은 제2 커패시터(160)의 하부 전극(106b)에 일체로 연결되고, 제2 커패시터(160)의 상부 전극(126)은 발광부(140)의 n측 전극(114)에 연결된다. 결국, 발광부(140)는 제1 및 제2 커패시터(150, 160)에 병렬 연결되어진다. 또한, 상기 제1 커패시터(150)와 제2 커패시터(160)는 서로 직렬로 연결되어진다. 이러한 연결 상태는 도 4에 도시된 발광 소자(100)의 등가 회로도에 잘 나타나 있다.Accordingly, the p-
이하, 도 2 및 도 4를 참조하여 인가 전압(V1, V2)에 따른 발광 소자(100)의 동작을 설명한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 발광 소자(100)는, 서로 직렬로 연결된 2개의 커패시터(150, 160)와, 이에 병렬 연결된 발광부(140)를 포함한다. 상기 발광부(140)는 도2에 도시된 바와 같이 GaN계 LED에 해당한다.Hereinafter, the operation of the
먼저, 2개의 단자(V1, V2)를 통해 발광부(140)에 정상적인 순방향 전압이 인 가되면, 발광부(140)를 통해 전류가 흐름으로써 활성층(104)으로부터 빛이 발생한다. 커패시터(150, 160)는 직류 전압하에서는 전류를 통하지 않고 전압 변화가 있을 때에만 전류를 통한다. 따라서, 정상적인 발광부(140) 동작 상황에서는, 커패시터(150, 160)는 발광부(140)에 영향을 주지 않는다.First, when a normal forward voltage is applied to the
그러나, 발광 소자(100)의 단자(V1, V2)에 역방향 또는 순방향 ESD 전압과 같은 순간적인 과전압이 인가되면, 커패시터(150, 160)에 상당한 전류가 흐르게 된다. 이에 따라, 급격한 과전압으로부터 발광부(140)가 보호받게 되고, 발광부(140)에 대한 악영향은 최소화된다. 결국, 발광 소자(100)의 ESD 내성은 높아지게 된다.However, when an instantaneous overvoltage such as a reverse or forward ESD voltage is applied to the terminals V 1 and V 2 of the
본 실시형태에서는 발광부(140)에 2개의 커패시터(150, 160)를 연결시킴으로써, 발광부(140)의 동작을 보다 더 안정화시킬 수 있다. 2개의 커패시터 중 하나가 절연 파괴되어 거기에 누설 전류가 발생하더라도, 나머지 커패시터가 절연 파괴되지 않으면 발광부(140)의 정상 동작에는 아무 문제가 발생하지 않기 때문이다.In the present embodiment, the operation of the
구체적으로 설명하면, 양 단자(V1, V2)에 과도한 ESD 전압이 인가되면, 2개의 커패시터(150, 160) 중 어느 하나가 절연 파괴될 수 있다. 이 경우, 절연 파괴된 커패시터는 정상적인 동작 전압에서도 상당한 (누설) 전류를 통하게 된다. 그러나, 절연 파괴되지 않은 나머지 커패시터가 정상적인 커패시터 동작을 하므로, 전 체 발광 소자(100)의 직류 특성은 유지될 수 있다. 즉, 하나의 커패시터가 절연 파괴되더라도, 다른 정상적인 커패시터에 의해, 발광부(140)를 통한 정상적인 직류 흐름은 방해받지 않게 된다.Specifically, when an excessive ESD voltage is applied to both terminals V 1 and V 2 , any one of the two
다른 실시형태로서, 서로 직렬 연결된 3개 이상의 커패시터를 발광부(140)에 병렬 연결시킬 수도 있다. 예를 들어, 도 2에서 제2 영역(B)에 커패시터를 하나 더 형성하여 제2 영역(B)에 서로 직렬 연결된 3개의 커패시터를 만들 수도 있다. 또 다른 실시형태로서, 후술하는 바와 같이 단지 하나의 커패시터를 제조한 후 이를 발광부(140)에 병렬 연결시킬 수도 있다(도 13 내지 도 18 참조). 그러나, 보다 더 안정적으로 발광부(140) 동작을 확보하기 위해서는, 2개 이상의 커패시터를 발광부(140)에 병렬 연결시키는 것이 바람직하다In another embodiment, three or more capacitors connected in series with each other may be connected to the
이하, 도 5 내지 도 12를 참조하여, 본 발명의 일 실시형태에 따른 화합물 반도체 발광 소자의 제조 방법을 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a compound semiconductor light emitting device according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 to 12.
먼저, 도 5를 참조하면, 제1 영역(A)과 제2 영역(B)을 갖는 사파이어 기판(101) 상에, GaN계 반도체로 된 n형 반도체층(102), 활성층(104) 및 p형 반도체층(106)을 순차 형성한다. 이러한 GaN계 반도체층들은 예를 들어 유기금속 화학기상 증착 공정(MOCVD)를 이용하여 형성될 수 있다. 도 5에서, 제2 영역(B)은 제1 영역(A)을 애워싸는 하나의 영역이다(도 3의 평면도 참조). 제1 영역(A)은 발광부가 형 성될 영역에 해당하고, 제2 영역(B)은 커패시터가 형성될 영역에 해당한다.First, referring to FIG. 5, on an
그 후, p형 반도체층(106)과의 오믹 접촉을 이루는 투명 전극층(108)을 p형 반도체층(106) 상에 형성한다. 예를 들어, ITO층, SnO2층 또는 Ni/Au층 등으로 투명 전극층(108)을 형성할 수 있다.Thereafter, a
다음으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 투명 전극층(108), p형 반도체층(106), 활성층(104) 및 n형 반도체층(102)의 일부를 메사 식각(mesa-etching)하여 제1 영역(A)의 일부와 제2 영역(B)의 n형 반도체층(102)을 노출시킨다. 이에 따라, 제1 영역(A)에 메사 구조물(140a)이 형성된다. 이러한 메사 식각은 유도 결합 플라즈마(ICP)를 이용한 건식 식각에 의해 수행될 수 있다. Next, as shown in FIG. 6, a portion of the
다음으로, 도 7에 도시된 바와 같이, n형 반도체층(102)을 선택적으로 식각하여, 제1 영역(A)과 제2 영역(B)을 분리시키는 소자 분리 영역(I)을 형성한다. 이에 따라, 제1 영역(A)의 n형 반도체층(102a)은 제2 영역(B)의 n형 반도체층(102b)로부터 분리되어진다. Next, as shown in FIG. 7, the n-
다음으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 결과물 전면 상에, 절연층(110)을 형성한다. 이 절연층(110)은 예를 들어 SiO2막으로 형성될 수 있다. 절연층(110)은 제2 영역(B)에서 커패시터의 유전체 역할을 한다. 따라서, 보다 더 높은 커패시턴스를 얻기 위해 고유전율의 유전체 재료로 절연층(110)을 형성할 수도 있다. Next, as shown in FIG. 8, the insulating
다음으로, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 절연층(110)을 선택적으로 식각하여 p측 전극 영역(p측 전극이 형성될 영역)(112a)과 n측 전극 영역(n측 전극이 형성될 영역)(114a)을 개방시킨다. 이러한 절연층(110)의 선택적 식각은 반도체 소자의 제조 공정에서 흔히 사용되는 포토리소그래피법을 이용하여 수행될 수 있다.Next, as shown in FIG. 9, the insulating
그 후, 도 10에 도시된 바와 같이, 절연층(110)에 의해 개방된 p측 전극 영역(112a) 및 n측 전극 영역(114a)에 p측 전극(112) 및 n측 전극(114)을 형성한다. 이에 따라, 제1 영역(A)에 GaN계 LED로 된 발광부가 형성된다.Thereafter, as shown in FIG. 10, the p-
다음으로, 도 11에 도시된 바와 같이, 제2 영역(B)의 절연층(110) 상에 제1 금속 전극층(122)과 제2 금속 전극층(126)을 형성한다. 상기 금속 전극층(126)은 예를 들어 전자빔 진공증착(e-beam evaporation)을 이용하여 형성될 수 있다. 이 금속 전극층(122, 126)은, 커패시터의 상부 전극으로 사용될 수 있는 것이면 어떠한 금속 재료로 형성되더라도 무방하다. 예를 들어, 상기 금속 전극층(122, 126)은 Al, Cu, Ni, Au 또는 Ag 등을 포함할 수 있다. 이에 따라, 제2 영역(B)에는, n형 반도체층(102b), 절연층(110) 및 금속 전극층(122, 126)으로 이루어진 2개의 MIS형 커패시터(150, 160)가 형성된다.Next, as shown in FIG. 11, the first
다음으로, 도 12에 도시된 바와 같이, 제1 금속 전극층(122)과 p측 전극(112)을 서로 연결시키는 제1 배선(124)과, 제2 금속 전극층(124)과 n측 전극(114)을 서로 연결시키는 제2 배선(125)을 절연층(110) 상에 형성한다. 이로써, 발광부(140)는 2개의 커패시터(150, 160)와 병렬 연결되면서, 2개의 커패시터(150, 160)는 서로 직렬 연결되어진다. 이에 따라, ESD 보호 능력을 갖는 발광 소자(100)가 제조된다.Next, as shown in FIG. 12, the
도 13은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 화합물 반도체 발광 소자의 단면도이다. 특히, 도 13의 발광 소자(200)는 ESD 보호 소자로서 단지 하나의 커패시터만을 구비하는 발광 소자를 나타낸다. 도 13을 참조하면, 도 2의 발광 소자(100)와 달리, 제2 영역(B)에 단일 커패시터(160)가 형성되어 있다. 이 커패시터(160)의 금속 전극층(126)은 배선(125)을 통해 발광부(140)의 n측 전극(114)에 전기적으로 연결된다. 또한, 제2 영역(B)의 n형 반도체층(102b)는 배선(124)과 오믹 금속층(123)을 통해 발광부(140)의 p측 전극(112)에 전기적으로 연결된다. 이에 따라, 단일 커패시터(160)는 발광부(140)와 병렬 연결된다. 본 실시형태에서는 오믹 금속층(123)과 배선(124)을 통해 n형 반도체층(102b)과 p측 전극(112)을 연결하고 있다. 그러나, 배선(124) 재료 자체가 n형 반도체층(102b)과 오믹 접촉을 이룰 수 있다면, 별도의 오믹 금속층(123)은 필요없다.13 is a cross-sectional view of a compound semiconductor light emitting device according to another embodiment of the present invention. In particular, the
도 14는 도 13의 발광 소자(200)의 등가 회로도이다. 도 14에 도시된 바와 같이, 단일 커패시터(160)는 발광부(140)와 병렬되어 있다. 이에 따라, ESD 전압과 같은 급격한 전압 인가시 커패시터(160)가 발광부(140)를 보호하게 된다.14 is an equivalent circuit diagram of the
도 15 내지 도 18은 도 13의 발광 소자(200)의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다. 본 실시형태에서도, 전술한 실시형태와 마찬가지로, 도 5 내지 도 8을 참조하여 설명한 공정 단계를 거치게 된다. 이에 따라, 도 15에 도시된 바와 같은 결과물을 얻게 된다. 그 후, 도 16에 도시된 바와 같이, 절연층(110)을 선택적으로 식각하여 p측 전극 영역(p측 전극이 형성될 영역)(112a)과 n측 전극 영역(n측 전극이 형성될 영역)(114a)을 개방시킨다. 이 때, 상기 선택적 식각을 통해 제2 영역(B)의 n형 반도체층(102b)의 일부 영역(123a)도 노출시킨다. 이 노출된 일부 영역(123a)은 추후 오믹 금속층이 형성될 영역에 해당한다.15 to 18 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the
그 후, 도 17에 도시된 바와 같이, 절연층(110)에 의해 개방된 p측 전극 영역(112a) 및 n측 전극 영역(114a)에 p측 전극(112) 및 n측 전극(114)을 형성한다. 이 때, 상기 노출된 일부 영역(123a) 상에 오믹 금속층(123)도 형성한다. 이에 따라, 제1 영역(A)에 GaN계 LED로 된 발광부(140)가 형성된다.After that, as shown in FIG. 17, the p-
다음으로, 도 18에 도시된 바와 같이, 제2 영역(B)의 절연층(110) 상에 금속 전극층(126)을 형성하고, 배선(124)을 형성하여 오믹 금속층(123)과 p측 전극(112)을 연결하고, 또 다른 배선(125)을 형성하여 금속 전극층(126)과 n측 전극(114)을 연결한다. 이로써, 발광부(140)는 1개 커패시터(160)와 병렬 연결된다. 이에 따라, ESD 보호 능력을 갖는 발광 소자(200)가 제조된다. 만약 배선(124) 재료가 n형 반도체층(102b)과 오믹 접촉을 이룰 수 있는 것이라면, 오믹 금속층(123) 없이 배선(124)으로 n형 반도체층(102b)을 p측 전극(112)에 직접 연결시킬 수도 있다.Next, as shown in FIG. 18, the
본 발명은, 전술한 GaN계 반도체 발광 소자뿐만 아니라 다른 화합물 반도체 발광 소자에도 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 발광 소자는 AlGaInP계 발광 소자 또는 AlGaAs계 발광 소자일 수도 있다.The present invention can be applied not only to the GaN-based semiconductor light emitting device described above but also to other compound semiconductor light emitting devices. For example, the light emitting device according to the present invention may be an AlGaInP light emitting device or an AlGaAs light emitting device.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다. The present invention is not limited by the above-described embodiment and the accompanying drawings, but is intended to be limited by the appended claims, and various forms of substitution, modification, and within the scope not departing from the technical spirit of the present invention described in the claims. It will be apparent to those skilled in the art that changes are possible.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 단일 기판 상에서 ESD 보호용의 MIS형 커패시터를 발광 소자에 내장시킴으로써, 보다 간단한 방법으로 ESD 내성이 향상된 화합물 반도체 발광 소자를 제공할 수 있다. 따라서, 제너 다이오드 등 별도의 ESD 보호 소자를 사용할 필요가 없으며, 패키지 공정이 단순화되고 ESD 보호소자로 인한 부피 증가를 억제할 수 있다. 또한, n형 반도체층을 커패시터의 하부 전극으로 사용하므로, 별도의 커패시터 하부 전극을 형성시킬 필요가 없으며, ESD 보호 능력을 갖는 발광 소자의 제조 공정이 보다 단순화된다.As described above, according to the present invention, a compound semiconductor light emitting device having improved ESD resistance can be provided by a simpler method by embedding a MIS capacitor for ESD protection in a light emitting device on a single substrate. Therefore, it is not necessary to use a separate ESD protection device such as a zener diode, and the packaging process can be simplified and the volume increase due to the ESD protection device can be suppressed. In addition, since the n-type semiconductor layer is used as the lower electrode of the capacitor, it is not necessary to form a separate capacitor lower electrode, and the manufacturing process of the light emitting device having the ESD protection capability is simplified more.
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