청색 LED 소자의 구조와 성능ㆍAlGaN계 살균용도 자외LED의 진전과 전망

청색 LED 소자의 구조와 성능 

LED성능의 진보는 InGaN계, AlInGaN계 발광소자를 사용한 고휘도형 LED가 개발됨에 따라 LED시장도 급속히 성장하고 있다. LED 자신은 전력 절약, 장수명, 소형, 저전압구동 등의 우수한 특징이 있고, 전구나 할로겐램프보다 발광효율이 높은 제품이 등장함에 따라 용도가 확대되는 중에도 특히 백색LED 시장이 현저하게 확대되고 있다.

 

백색LED의 대표적 용도는 조명, 디스플레이, 차 탑재 등인데, 이것들은 고효율, 전력절약을 키워드로 발전하는 분야로서 전력소비의 삭감은 CO2삭감에 직결되는 에너지 절약형 광원으로 LED를 사용하는 분야가 확대되고 있다. InGaN/YAG 백색LED 발광원리는 YAG(Yttrium Aluminium Garnet)에 의한 파장변환에 있고, LED칩에서 방출되는 청색광에 칩 주위에 코팅된 형광체 층이 여기 되어 황색형광이 생기고, 이들 청색과 황색의 2광이 합하여 백색광으로 발산한다. 여기서는 InGaN/YAG 백색LED의 기본구성소재인 InGaN계 청색LED칩에 관하여 설명한다.

 

LED는 1960년대에 GaAs계 적색LED가 개발된 이후, 발광효율이 높은 재료가 개발되어 왔다. 반도체 p-n접합에 전류를 흘리는 접합부에서 발광시키는 방식이고 형광등에서 가스방전을 이용하는 방식과 구분되는데, 고체발광소자 또는 반도체재료에서 발광함으로 빛나는 반도체라고도 한다. 발광색은 사용되고 있는 반도체 종류, 조성 및 구조에 의하여 결정되며 발광층의 밴드 갭 Eg(eV)이 발광 파장에 상당하다. 현재는 청, 청록, 록, 황, 갈색, 적, 백색 등의 각색 효율이 높은 LED가 실현되고 있다.

 

현재 시판품의 LED 발광효율은 100lm/W 이상이며, LED전구 등의 일반조명이나 자동차의 헤드라이트, 대형 액정TV용 백라이트 등에 사용되기 시작하였다. 백열전구나 형광등에서 백색LED로의 전환에 의하여 소비전력이 크게 삭감됨으로 LED화가 활발히 진행되고 있다.

 

InGaN계 청색LED의 구조는 에피표면층에서 광을 발산하는 페이스업 타입 이고, 활성층(발광층)의 InxGa1-xN 양자우물(Quantum Well)이 밴드갭 에너지가 큰 p형 및 n형 재료에서 좁아진 더블헤테로(DH)구조로 되어 있다. 최상층에는 AuNi이나 ITO 등의 저저항 투명전극이 형성되어 저항률이 높은 p-GaN층의 전류확산을 보충한다. 칩 크기는 1변이 약 200㎛에서 1㎜ 이상의 것까지 용도에 따라 여러 가지를 제조하고 있다. LED칩의 내부양자 효율은 양자우물에서 정공전자의 발광재 결합과 비발광재결합의 비율에 의하여 결정된다.

 

비발광 재결합을 줄이는 데는 결정성을 향상시켜서 점결함이나 관통전위를 감소시키는 것이 중요하다. LED칩의 발광효율에는 이러한 반도체층 부분뿐만 아니라 소자전체의 구조나 형상도 크게 영향이 있다.

 

발광효율은 청색영역이 가장 높고, 최신제품은 외부양자효율 68%(출력 36mW, 통전 20mA, 표준 포탄형 램프 장치로 한 경우)까지 도달하였다.

 

InGaN계 청색LED의 대표적 제조공정은 단결정기판 위에 단결정박막을 에피텍셜 성장시켜서 InGaN계 반도체 박막을 형성 시킨다. 에피텍셜 성장법은 액상성장법(LPE : Liquid Phase Epitaxy), 화학기상성장법 (CVD : Chemical Vapor Deposition), 분자선성장법(MBE : Molecular Beam Epitaxy), 유기금속기상법(MOCVD : Metalorganic CVD) 등이며, 반도체의 종류나 목적에 합당하도록 제조공정을 선택한다. InGaN나 AlInGaN계 등의 새로운 LED재료는 이들의 특징을 최대한으로 활용하여 제조하였다.

 

LED 공정 중에서 MOCVD 공정은 사파이어 기판 위에 In,GaN 등을 에피텍시 단결정을 증착시키는 공정인데, 이 고온공정에 사용하는 가스원료는 (C2H5)3Ga, (CH3)3Al, (CH3)3In, SiH4, Cp2Mg(Biscyclopentadienyl Mg), 등의 가스와 NH3 등의 가스를 Ga, In, Al, Si, Mg, N의 원료로 사용한다.

 

사파이어와 GaN의 격자정수가 다른 것을 완화시키기 위하여 사파이어 기판 위에 비정질 막으로 버퍼 층을 형성시킨 다음 n-GaN, InGaN, p-AlGaN, p-GaN 등 순차적으로 증착시킨다. 기판은 사파이어, SiC, Si, ZnO 등이 사용된다.

 

사파이어기판은 절연체임으로 GaN 에피텍셜층을 성장시킨 다음 GaN 표면층에 양극과 음극을 형성시켜서 LED칩 제조 시에 전기를 통하도록 한다.

 

포토리소그래피 기술을 이용하여 성장층 일부의 표면을 노출시켜서 에칭 하여 p-GaN과 n-GaN층 표면의 전극을 형성시켜서 오믹 콘덕트(Ohmic Conduct)를 취한다. 전극에는 Au나 ITO 등의 복수재료가 목적에 따라 용도가 분류 된다. 전극을 형성시킨 후에 웨이퍼를 절단 분리하여 LED칩을 제조한다.

 

출처 : 板東 完治, “靑色LED素子の構造と性能”, 「表面技術(日本)」, 61(9), 2010, pp.613~616

AlGaN계 살균용도 자외LED의 진전과 전망

파장이 220∼350㎚인 반도체 짙은 자외광원(LED·LD)는 살균, 정수, 의료분야, 생화학산업 등이나, 이 외에도 고밀도 광기록용 광원, 백색조명, 자외경화수지 등으로의 산업응용, 형광분석 등의 각종 센서, TiO2와의 조합으로 환경파괴물질(다이옥신, 환경 호르몬, PCB 등)의 고속분해처리용으로 광범위하게 응용된다. 살균효과로는 DNA 흡수파장과 겹치는 260∼280㎚ 부근의 파장이 더욱 효과가 높다고 알려져 있다.

 

반도체 자외광원은 고효율화로 진행되어 시장규모는 비약적으로 확대되고 있으므로 고효율 고출력의 자외LED·LD 개발은 중요한 과제라고 생각된다.

 

AlGaN계 재료의 밴드 갭 에너지는 GaN 3.4eV로부터 AlN 6.2eV까지의 넓은 자외발광영역을 커버하고 있다. 더구나 AlGaN계 전 조성영역에서 직접천이형 반도체로 있고, 양자우물(Quantum Well)로부터 자외고효율발광을 할수 있고, 재료가 견고하여 소자가 장수명이며, As, Hg, Pb 등의 유해물질이 포함되지 않음으로 친환경물질이다. 이러한 특징이 있으므로 실용 가능한 자 외발광소자를 실현하기 위한 재료로서는 AlGaN계 재료가 더욱 유력하다.

 

2002년에 250∼280㎚의 양자우물LED가 실현되고, 2006년에 최단파장인 210㎚가 시현되었으며, 또 222∼351㎚의 폭넓은 파장으로 AlGaN·InAlGaN 짙은 자외LED(Deep-UV LEDs)가 실현되었다. 그러나 파장이 360㎚ 보다도 단파의 자외LED에서는 외부양자효율이 청색LED에 비하여 낮음으로 금후 수10% 정도의 외부양자효율을 실현시키는 것이 짙은 자외LED의 과제이다.

 

암모니아펄스공급 다단성장법은 ① 낮은 관통전위밀도, ② 원자층 수준의 평탄성, ③ 크랙 방지, ④ 안정한 Ⅲ족 극성을 단번에 채우도록 고안한 방법으로서 실용수준의 대면적을 균일하게 성장시키는데 성공하였다. 고품질 AlN을 펄스 공급하여 기판위에 결정핵을 형성시킨 다음, 횡방향에서 잘 성장하는 펄스공급 성장법으로 관통전위 밀도를 감소시킨 후, 고속 종방향성장과 저속 펄스공급성장에 의하여 AlN층을 서로 반복함으로서 크랙을 방지하면서 원자층 정도의 평탄성과 관통전위의 감소를 실현한다. 펄스공급/연속공급 AlN층은 5단 정도 적층한다. 이 방법을 활용하여 AlN의 관통전위 밀도는 종래의 1/40 정도로 감소되어 3×108 cm-2 정도의 편상전위밀도를 구하였다.

 

AlN의 템플에이트(template)의 관통전위 밀도를 저감해줌으로서 AlGaN 양자우물이 비약적으로 발광하는 것이 관측되었다. 종래에 AlN 관통전위 밀도가 1×1010cm-2 정도에서 AlGaN 발광강도는 약하여 내부양자효율(IQE)은 0.5% 이하였는데, 암모니아펄스공급 다단성장법에 의하여 저관통전위 밀도(3×108cm-2)AlN을 사용함으로서 IQE는 최고 80% 이상 관측되었다. 따라서 새로운 AlN성장법을 도입하여 처음으로 AlGaN계 자외LED를 실현할 수 있었다.

 

AlGaN양자우물 LED구조는 암모니아펄스공급다단성장법으로 AlN 버퍼층, n-AlGaN 층, i-AlGaN/AlGaN 3층 양자우물발광층, p-AlGaN전자 블록 층, p-AlGaN층, p-GaN 컨덕트(Conduct)층으로 구성되었다. 파장 220∼280㎚대 발광을 얻기 위하여 Al 조성을 높게 하였고 양자우물 안의 피에조(Piezo)전계효과를 저감하기 위하여 두께가 1.3㎚ 정도의 대단히 얇은 양자우물층을 사용하였다.

 

AlGaN 양자우물 및 InAlGaN양자우물 LED로부터 얻은 전류주입발광(EL) 스펙트럼을 조사한 결과, 222∼351㎚ 파장범위에서 모든 LED에서 단파장피크 동작이 얻어졌고, 사파이어기판상의 AlGaN-LED는 222㎚의 단파장으로 나타났다. 자외LED 고효율화의 방법으로 In의 혼입이 유효하다. In을 서브 %∼수 % 정도 포함한 InAlGaN 4원 혼합결정은 In조성 변조효과에 따라 AlGaN 보다도 높은 효율로 발광하는 것이 실험적으로 입증되었다.

 

In을 0.3% 정도 포함한 280㎚ 살균용도 파장 InAlGaN 양자우물로부터는 매우 높은 내부양자효율(약 80% 추정)이 관측되어 In 혼입의 유효성이 시사 되어서 In 효과를 이용하여 살균용도 280㎚대의 InAlGaN 자외 LED를 제작하여 최고 출력 10.6mW, 최고 외부양자효율(EQE) 1.2%를 2008년에 달성하였다. 이 성과는 세계 최초로 실용수준의 고출력 짙은 자외LED(Deep-UV LED)의 실현이라고 보고되었다.

 

250㎚대의 LED에서는 실제로 MOB(다중양자장벽)효과로 전자주입효율은 20%에서 80% 이상 개선되었다. 그러나 p형 AlGaN에 기인하는 전자리크 문제는 MOB를 이용함으로서 분명히 거의 해결할 수 있다고 보고되었다. 2010년에 들면서 MOB를 도입함으로서 전자주입효율이 비약적으로 증가하여 247∼275㎚에서 15∼22mW의 연속동작 출력(Single Chip)을 얻게 되었다.

 

출처 : 平山 秀樹, “AlGaN系殺菌用途紫外LEDの進展と今後の展望”, 「表面技術(日本)」, 61(9), 2010, pp.637~640

GaN계 LED의 측벽구조와 공기완충 층 조절에 의한 성능저하 방지방안

최근 GaN(갈륨 나이트라이트)계열 화합물을 활용한 LED가 많은 관심을 끌고 있다. 응용 분야가 많기 때문이다. 그러나 GaN층과 공기층의 굴절률의 차이로 인한 광 추출 효율이 나빠, 총 반사각(Total Reflection Angle)이 23.6°에 머물게 한다. 또한, 다중양자우물(Multiple Quantum Well)에서 생성된 광자를 효과적으로 포집하는데 한계가 있다.

 

위와 같은 본원적인 문제해결 방안으로 습식식각으로 표면조도를 평활 상태보다 다르게 하고 메사부위(Mesa Region)에서도 광 방출이 외부로 쉽게 일어나게 할 수 있다. 식각작업에 의한 전기적 성능저하가 발생하는데 주로 p-GaN/n-GaN의 층간-계면과 메사 부위에서 누설전류 증가가 주종을 이룬다. 본고에서 강조하는 성능저하 방지방안 중 한 가지는 주입전류가 LED의 발광부위나 메사 부위보다는 측벽부위에서 적음에 착안했고 측벽부위 표면처리는 종전과 다른 KOH로 처리했다.

 

종래의 습식식각공정은 인산과 황산용액을 280℃의 고온 처리로 공기층형성과 사파이어 기재(Patterned Sapphire Substrates)를 처리했었다. 이 방법은 GaN 재성장과정에서 발생하는 표면부식 흠집으로 누설전류의 증가현상이 나타난다.

 

제시된 개선방안은 간단하며 디바이스의 측벽 조도를 맞추고 공극 형성도 이루는 KOH 습식식각 방법으로 GaN 재성장 과정에서 발생하는 전기적 저해 요소를 없앴다.

 

본 연구에 사용된 샘플인 GaN-based LED의 에피택시 층의 성장은 Thomas Swan씨의 금속유기화학증착(Metal Organic Chemical Vapor Deposition :MOCVD) 방법을 사용하여 PSS기재위에 c-face(0001)방향으로 성장됐으며 공모양의 크기는 4.5 μm, 깊이와 이격거리는 각각 1.5 μm, 2.0 μm 이었다.

 

검토한 LED의 구조 개략은: 2 μm GaN buffer layer, 2 μm Si-doped n-GaN layer, 12-period InGaN MQW active layers, 0.5 μm Mg-doped p-GaN layer 이며 에피택시얼 성장 후 세척은 아세톤과 탈 이온수로 반복했다. 한편, 메사 부위는 유도플라스마(Induced Coupled Plasma: ICP)로 건식식각을 시행했다.

 

측벽부위를 제외한 전체를 2 μm두께의 SiO2 강화플라스마로 화학증착한 후 ICP로 재차 식각하여 PSS표면이 나올 때까지 진행하여 측면의 에칭을 만들었다.

 

전극 접착 공정 후 디바이스 전체를 뜨거운 KOH용액(85℃, 10M)에 5분간 침적시켜 측벽부식을 검토했다.

 

스캐닝전자현미경(SEM)으로 관찰하면 구조화된 측벽(Textured Sidewall)의 성장은 일정방향으로 정렬(1100)됨을 볼 수 있고, 평활 면은 또 다른 방향(1120)으로 정렬되었음을 본다. (1100)방향으로 120°벌어진 산 모양 edge들을 볼 수 있는데, 이 부위에서는 MQW내에 생성된 광자가 공기층으로 확산하기 쉽다.

 

KOH요액 처리 후 PSS면을 보면 삼각형모양의 원추들이 형성되었고 이들이 공기완충역할을 하게 된다.

 

성능검토를 위해 활성 조건 전후의 전류:출력, 전류:외부 양자효율(External Quantum Efficiency)을 보면 다음과 같다. 전류값은 20 mA기준, 파장범위는 453-454 nm에서 출력은 9.05~10.15 mW로 11.7%상승, 외부효율은 16.47~18.40%로서 11.7%상승으로 나타났다. 본 연구는 가공공정과 구조 개량을 통해 제목에 상응하는 효율제고가 있었다고 본다.

 

출처 : Yi-Jung Liu a, Tsung-Yuan Tsai a, Kuo-Hui Yu b, Der-Feng Guo c, Li-Yang Chen a, Tsung-Han Tsai a, A low damage GaN-based light-emitting diode with textured/inclined sidewalls, Displays, 31(2010), pp.111-114

 

Source : ReSEAT