구멍이 포함된 외피 나노 패턴된 LED의 EQE 증가
그림1: (a) 구멍이 포함된 외피 나노구조 (VECN)을 가진 사파이어, (b) VECN 사파이어 상의 도핑되지 않은 갈륨 질화물 (u-GaN), (c) 일반적인 사파이어 상의 u-GaN 표면들의 AFM 이미지들. 스캔 면적은 5μm x 5μm이다.
타이완의 연구원들은 20mA 구동 전류에서 일반적인 사파이어에 성장된 소자에 비해 2.4배 외부양자효율 (EQE) 향상된 질화물 반도체 LED의 사파이어 나노패터닝 기술을 개발했다. [Yu-Sheng Lin and J. Andrew Yeh, Appl. Phys. Express, vol4, p092103, 2011]
국립 칭화 대학과 국립 응용 연구소의 연구원들은 EQE 40-50% 영역에서 나노패턴 된 사파이어 가판들 상에 보고된 다른 소자들에 비해 20mA에서 58.3%의 EQE를 가진다고 밝혔다. 일반적인 소자는 24.5% EQE를 가진다. 소자 상부에서 측정된 광출력은 20mA에서 패턴된 소자의 경우, 33.1mW로 일반적인 LED의 13.9mW에 비해 크게 향상되었다.
많은 연구원들은 질화물 반도체 LED의 성능을 향상시키는 저렴한 방법을 찾고 있다. 이를 위한 한가지 기술은 질화물 성장 전에 사용되는 사파이어 기판을 패턴을 주는 것이다. 이 나노 크기 패턴들은 결과적으로 LED의 성능 향상을 위해 두 가지 효과들을 준다.
첫 번째로, 나노 패턴된 표면은 질화물 반도체 결정 내 전위들의 수를 감소시키는 성장 과정에 영향을 준다. 여기서 전위들은 LED 성능을 감소시킬 수 있다. 두 번째로, 성장 과정이 사파이어와 질화물 반도체 헤테로구조 사이 계면에서 공기-구멍들을 흔히 만들어 낸다. 이 구멍들은 LED 작동에 의해 발생된 빛이 소자를 벗어나게 경로를 개선하는데 사용될 수 있다. 때때로, 두 효과들 모두가 질화물 LED의 EQE를 개선하기 위해 작용한다.
타이완 연구원들은 구멍이 포함된 외피 같은 나노구조 (VECN)라 불리는 무질서한 나노패터닝을 이용했다. 이 연구팀은 고가 반도체 마스크의 사용 없이 고효율 LED를 위해 사파이어 상에 기판 수준 외피 같은 나노구조가 가격 효율적인 해법이라고 믿는다.
사파이어 기판 표면의 나노패터닝은 2μm 두께의 다결정 실리콘 하드마스크를 만들고 보론 테트라클로라이드와 클로린 혼합을 이용하여 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 식각을 실행하여 개발되었다. 다결정 실리콘은 640°C 저기압 화학 증착법으로 증착 되었다. 이 하드마스크에 대한 패터닝은 30분 동안 희석된 라이트(Wright)-식각 용액 에서 다결정 실리콘이 덮힌 기판을 담금으로써 형성시켰다. 라이트-식각 용액은 실리콘 결정 구조 내 결점들을 밝히기 위해 1970대 개발된 산성 혼합물이다. 이 하드마스크는 80°C에서 칼륨 수산화 용액으로 제거되었다. 이 사파이어 기판 표면 패터닝은 50-150nm 떨어져 있고 80-150nm 짚은 구조를 가진 10^10/cm^2 로 구성된다. (그림1)
이 LED 구조들은 저기압 금속-유기 화학 증착법을 이용하여 성장되었다. (그림2) 버퍼(buffer) 층의 원자 힘 현미경 (AFM)는 10^7?10^8/cm^2의 구멍 밀도를 나타낸다. 이 결과는 일반적인 사파이어 기판 (CSS) 상에 성장된 갈륨 질화물 (GaN)의 구멍 밀도치 보다 100 배 적은 것이다. 이 구멍들은 사파이어에서 GaN 표면의 상부로 전해지는 쓰레딩 (threading) 전위들에 의한 것이다.
그림2: LED-VECN 구조의 개략도. p-측의 층등은 30nm 알루미늄 갈륨 질화물/갈륨 질화물 (AlGaN/GaN) 초격자(superlattice)와 100nm p-GaN으로 구성된다.
GaN/CSS의 경우, 294 아크세크 (arcsec)과 비교하여 나노패턴된 GaN/사파이어의 경우, 211 아크세크의 x-선 회절 (0002) 락킹(rocking) 곡선 반치폭은 결정질이 개선되었다는 것을 보여준다. 상부 LED 층들은 216 아크세크까지 나노패턴된 소자 구조의 경우, FWHM이 약간 증가했지만, CSS 소자 구조 FWHM은 256 아크세크까지 감소했다. 위성 피크들은 5차까지 보였다. 이것은 소자의 활성영역을 이루는 인듐 갈륨 질화물/갈륨 질화물 (InGaN/GaN) 다중 양자 우물들 (MQW)에 대해 훌륭한 층 주기성을 보여준다.
전계 발광 피크는 20mA 구동 전류에서 438nm (보라색)에서 나타났다. (그림3) 20mA에서 패턴된 LED는 일반적은 소자의 3.8 V에 비해 3.6 V의 더 낮은 순방향 전압을 가졌다. GaN/사파이어 계면의 반사는 일반적인 사파이어에 비해 패턴된 소자에서 32.8% 더 높았다. 이 반사는 GaN 성장 중 형성된 공기 구멍에서 발생한다고 믿어진다. 이런 반사는 GaN (2.45)와 공기 (~1) 사이 굴절률의 큰 차이로 인해 발생한다.
그림3: (a) 20mA의 주입 전류 하에서 438nm에 위치한 VECN과 일반적인 (CSS) 기판 상 LED 전계발광 스펙트럼들. (b) LED-VECN과 LED-CSS의 전류-전압 (I-V) 곡선들, LED-VECN과 LED-CSS의 전류 특성에 따른 (c) 광출력과 (d) EQE.
결정구조와 광 반상의 특성들은 전위 밀도 감소와 반사를 통해 향상된 광추출을 나타냈다.
출처 : http://www.semiconductor-today.com/news_items/2011/SEPT/NTHU_070911.html
질소/산소 플라트마로 향상된 p-형 MgZnO
그림1: ZnO 기반 DH-LED 개략도.
일본 스탠리 (Stanley) 전기회사는 아연 산화물(ZnO)와 마그네슘 아연 산화물 (MgZnO) 층을 이용한 2중 헤테로(hetro) 구조 발광 다이오드 (DH-LEDs)를 보고 했다. [Hiroyuki Kato et al, Appl. Phys. Express, vol4, p091105, 2011] 또한, 연구원들은 p-형 층 내 홀 전하 밀도를 증가시키기 위해 질소/산소 플라즈마를 이용하여 질소 도핑에 대한 향상된 기술을 개발했다.
20mA에서, 질소/산소 LED의 세기는 질소만을 이용한 소자에 비해 35배 향상되었다. 연구원들은 갈륨 질화물 (GaN) 반도체 소자에 비교했을 때 질소/산소 LED의 경우 20mA에서 광출력을 계산했다. 분명하게, GaN 소자들이 밀리와트 수준인 것을 감안할 때, 아직 많은 연구가 필요하다.
ZnO 는 가격 측면에서 매력적인 물질이지만, 반도체 물질로써, 주된 단점은 양으로 전하된 p-형 홀들을 만드는 효과적인 기술의 부족이다. 벌크 ZnO는 알루미늄과 실리콘 불순물들의 삽입으로 음으로 전하된 전자들로 n-형을 띤다. 스팬리 전기 연구원들이 사용한 기판은 1017/cm3 의 전자 전하 밀도와 0.1Ω-cm 비저항을 가졌다.
ZnO는 370nm 근처의 자외선 방출을 하는 3.37eV 넓은 밴드갭 에너지를 가진다. 약 60meV의 액시톤 (전자-홀 상태) 결합 에너지는 광학적으로 펌프된 액시톤 레이저의 개발을 가능케 했다. 현재, 단일 헤테로구조 LED는 MgZnO의 층들을 이용한 스탠리에 의해 개발되었다.
연구원들은 질로 도핑을 통해 p-형 전도성을 가진 이중 헤테로구조 p-MgZnO/ZnO/MgZnO LED를 제조했다. 이 p-층은 플라즈마로 향상된 분자선 에피텍시 (PAMBE)를 이용하여 증착되었다. ZnO와 MgZnO가 n-형 전도성을 띠는 경향으로 인해, n-층에 대한 특별한 도핑을 필요치 않는다. 열수작용에 의해 성장된 (0001) ZnO 기판은 도쿄 덴파에 의해 제공되었다. 도핑되지 않은 ZnO/MgZnO 층들은 900 °C에서 성장되었다. 이 MgZnO 층은 30% Mg와 70% Zn으로 구성되었다.
p-MgZnO 는 700°C의 더 낮은 온도에서 성장되었다. 도핑은 두 가지 다른 레시피(recipe)들에 따라 수행되었다. 더 전통적인 방법으로, 순수 질소 가스가 1.0 분당 표준 평방 센티미터 (sccm)의 흐름을 가지고 이용되었다. 이 새로운 방법은 질소 (1.0sccm)과 산소 (0.2sccm)의 혼합으로 구성된다. 두 방법 모두 MgZnO 구조 내 2x10^20/cm^3 질소 원자들을 포함한다.
p-전극은 니켈-금의 얇은 층의 300μm x 300μm 투명 사각 영역과 100μm 직경의 더 두꺼운 니켈-금 패드로 구성된다. 소자들의 턴온(turn-on) 전압은 4-5V 였다. 방출 피크는 380nm 근처에서 발생했다. 질소/산소 혼합 가스를 이용한 이 새로운 p-도핑 방법은 훨씬 더 향상된 방출과 역전압 하에서 더 낮은 누설 전류를 가진다.
피크는 더 높은 구동 전류에서 더 긴 파장으로 이용했다. 2mA와 20mA 사이에서 질소/산소 플라즈마 LED는 276nm에서 378nm로 적색 이동했다. 질소 플라즈마 LED 는 10mA와 80mA 사이에서 377nm에서 382nm로 피크 파장이 움직였다.
그림2: (a) (N2/O2)-플라즈마와 (b) 순수 N2-플라즈마를 이용하여 제조된 LED들과 의 근처밴드 에지(edge) EL 스펙트럼들 상 구동 전류 효과. (c) 360?420nm 영역 내 적분된 EL 세기와 (삽입) EL 스펙트럼들의 피크 파장
기본 원칙들 이론과 질소/산소 플라즈마 도핑의 특성에 기초하여, 연구원들은 도핑 플라즈만에 산소 가스를 부가하는 효과는 질소 분자 (N2)와 질소-억셉터-N2 복합체들에 의해 대체된 산소 점들의 수 감소에 의한 것이라고 믿고 있다. 플라즈마 내 산소의 출현은 플라즈마 활성화를 보조한다고 믿고 있다. 이 특성은 이차-이온 질량 분광기와 광 방출 분광기에 의해 확인되었다.
출처 : http://www.semiconductor-today.com/news_items/2011/SEPT/STANLEY_050911.html
Source : KISTI
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