[논문]시뮬레이션을 이용한 PSS (patterned sapphire substrate) LED의 광추출 효율 평가

이진복; 윤상호; 김동운; 최창환

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사파이어 기반의 GaN LED의 광추출 효율을 시뮬레이션을 이용하여 정량적으로 평가하였다. 각각의 LED는 ray-tracing 시뮬레이션을 이용하여 광추출 효율을 계산하였다. 본 연구에는 PSS(patterned sapphire substrate) LED와 flat LED의 비교 분석을 통하여, LED에서의 사파이어 기판의 패턴이 광추출에 미치는 영향을 설명하였다. 또한, 각각의 칩에서 반사막의 반사도가 광추출에 미치는 영향을 분석하고, 그 원인을 시뮬레이션을 이용하여 설명하였다. 한편, 사파이어 패턴에 의한 광추출효율의 변화 효과를 공기(air)와 실리콘(silicone) 분위기에서 시뮬레이션을 수행하였다. 이러한 시뮬레이션 기술을 통해 광추출 효율의 개선 정도를 정량적으로 평가할 수 있었으며, 이러한 연구가 향후 고효율 LED 개발에 도움을 줄 것으로 판단된다.

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The light extraction efficiency in GaN-on-sapphire LEDs based on a simple model was analyzed qualitatively. The light extraction efficiency in the LEDs is simulated numerically by using ray tracing method. In the present study, the extraction efficiency was simulated on flat LED and PSS(patterned sa...

The light extraction efficiency in GaN-on-sapphire LEDs based on a simple model was analyzed qualitatively. The light extraction efficiency in the LEDs is simulated numerically by using ray tracing method. In the present study, the extraction efficiency was simulated on flat LED and PSS(patterned sapphire substrate) LED. The role of the patterned sapphire substrate in PSS LED are analyzed and discussed. And, the effects of reflectance on flat LED and PSS LED were investigated. This analysis of simulation results provide a numeric figure for the extraction efficiency of LEDs and are helpful in the design of high brightness GaN LEDs.

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문제 정의

평가하기 어려운 것이 현실이다. 본 연구에서는 ray-tracing 광해석 기술을 이용하여, LED에서 광 추출효율을 정량적으로 평가할 수 있는 기술을 개발하고, 특히, sapphire를 기반으로 하는 LED 에 있어서, patterned sapphire substrate가 광추출 효율에 기여하는 정도를 평가하고자 한다. 일반 flat LED 와 PSS(pattemed sapphire substrate) LED> 공기 (air)와 실리콘(silicone) 분위기에서의 광추출 효율을 비교 분석하였고, 각각의 칩에서의 하부 반사막의 영향을 분석하였으며, 시뮬레이션을 통하여 이에 대한 원인을 설명하였다.
이러한 경우 LED칩에서의 임계각은 GaN-공기 (air)가 아닌 GaN-실리콘(silicone)에 의해서 결정될 것이라고 판단된다. 따라서 시뮬레이션이 실제 GaN와 사파이어로 구성된 LED 칩으로부터 외부로 방출되는 광 추출 효율을 보다 정확하게 반영하기 위해서, 실리콘 (silicone) 분위기에서 수행되었다. 상기한 바와 같이 실리콘(silicone)의 굴절률은 공기(air)보다 큰 1.

가설 설정

따라서 시뮬레이션이 실제 GaN와 사파이어로 구성된 LED 칩으로부터 외부로 방출되는 광 추출 효율을 보다 정확하게 반영하기 위해서, 실리콘 (silicone) 분위기에서 수행되었다. 상기한 바와 같이 실리콘(silicone)의 굴절률은 공기(air)보다 큰 1.4로 가정하였다.
나타낸 것이다. 패턴의 최적화는 각각 cone의 높이, 폭, 간격 및 배치를 조절하여 시행되었으며, 이때 하부 반사막의 반사도는 90 %로 가정하였다. 본 연구에서는 최적화 구조에 대해서 자세하게 언급하지 않을 것이다.

제안 방법

사파이어 기반의 GaN LED의 광추출 효율을 시뮬레이션을 이용하여 정량적으로 평가하였다. PSS LED는 flat LED에 비해서 광추출 효율이 매우 향상되었다.
본 연구에서는 ray-tracing 광해석 기술을 이용하여, LED에서 광 추출효율을 정량적으로 평가할 수 있는 기술을 개발하고, 특히, sapphire를 기반으로 하는 LED 에 있어서, patterned sapphire substrate가 광추출 효율에 기여하는 정도를 평가하고자 한다. 일반 flat LED 와 PSS(pattemed sapphire substrate) LED> 공기 (air)와 실리콘(silicone) 분위기에서의 광추출 효율을 비교 분석하였고, 각각의 칩에서의 하부 반사막의 영향을 분석하였으며, 시뮬레이션을 통하여 이에 대한 원인을 설명하였다.
5배 증가하였으며, 이는 GaN와 sapphire 계면에 존재하는 패턴이 GaN에서 진행하는 빛을 난반사 시켜 효과적으로 상부로 방출시키는 역할을 하는 것으로 설명될 수 있으며, 실제로도 칩의 상부에서 육안으로 관찰하면 PSS LED는 flat LED에 비해서 매우 밝게 보임을 확인할 수 있었다. 한편, PSS LED에서 사파이어 기판의 패턴은 높이 2㎛, 간격 2㎛" 밑면의 반지름이 2㈣인 콘 형상으로 모델링 하였다. 실제로 드라이 에칭 공정을 통해 패턴은 제작되었다.
LED 칩은 패키지를 할 경우 하부면에 반사막이 형성되는 바, 이러한 하부 반사막의 반사도에 대한 영향을 알아보기 위해 반사도에 따른 광추출의 변화를 시뮬레이션을 통해 살펴보았다.
그림 3에 나타난 바와 같이, PSS LED와 flat LED에서 반사막의 반사도 특성에 변화에 따른 광추출 특성 변화가 상이함을 설명하기 위해서 그림6과 같이 실리콘 (silicone) 분위기에서 시뮬레이션을 수행하였다. 앞서 설명된 바와 같이 flat LED는 반사막의 영향을 크게 받지 않는 반면에 PSS는 반사막 특성에 상대적으로 크게 영향을 받음을 확인하였다.
앞서 설명된 바와 같이 flat LED는 반사막의 영향을 크게 받지 않는 반면에 PSS는 반사막 특성에 상대적으로 크게 영향을 받음을 확인하였다. 이의 원인을 규명하기 위해서 반사막을 흡수체로 설정하고 사파이어 기판과 평행하게 사파이어 기판 내부에 광 리시버를 설치하여 반사막으로 향하는 빛의 양을 시뮬레이션 상에서 검출하였다. 또한, 반사막을 흡수체로 설정한 이유는 반사막에 부딪쳐 되돌아오는 빛이 다시 리시버에 도달하는 것을 막고, 단지 광원으로부터 기판 방향으로 향하는 빛의 양만을 계산하기 위함이다.
또한, 반사막을 흡수체로 설정한 이유는 반사막에 부딪쳐 되돌아오는 빛이 다시 리시버에 도달하는 것을 막고, 단지 광원으로부터 기판 방향으로 향하는 빛의 양만을 계산하기 위함이다. 각각 동일한 위치에 사파이어 내부에 리시버를 설치하여 그 부분에 통과하는 빛의 양을 검출하였다. 결과에서 나타난 바와 같이 PSS LED와 flat LED에 있어서 반사막에 도달하는 빛의 양은 각각 27.

대상 데이터

광원으로부터 각각의 방향으로 추출되는 광량을 검출하기 위해서 각 면에 리시버를 설치하였다. 칩의 크기는 600㈣ X 200㎛으로 하였으며, GaN 에피층의 두께는 6 ㎛, 사파이어의 두께는 80㎛로 하였다. 각 재료의 굴절률은 GaN는 2.
칩의 크기는 600㈣ X 200㎛으로 하였으며, GaN 에피층의 두께는 6 ㎛, 사파이어의 두께는 80㎛로 하였다. 각 재료의 굴절률은 GaN는 2.5, 사파이어는 1.7, 공기(air)는 1, 실리콘 (silicone)은 1.4로 하였다. 시뮬레이션을 위해서 기하광학 상용 소프트웨어인 ORA (Optical Research Associates)사의 Light Tools를 사용하였다.

이론/모형

4로 하였다. 시뮬레이션을 위해서 기하광학 상용 소프트웨어인 ORA (Optical Research Associates)사의 Light Tools를 사용하였다.

성능/효과

상기한 바와 같이, 그림2(a)의 flat LED에서는 MQW에서 생성된 빛이 소자 외부로 방출될 때 소자와 공기 (air) 사이의 계면 굴절률 차이에 의해 일어나는 전반사에 의해서 대부분의 빛이 갇혀 있는 반면에, 그림2(b)의 PSS LED에서는 GaN와 사파이어계면 상에 존재하는 패턴이 GaN 내부에 갇혀 있는 빛의 임계각을 계속적으로 변화시켜, 외부 혹은 사파이어 방향으로의 방출을 더 용이하게 만든다. 특히, 시뮬레이션 결과를 볼 때, PSS LED가 flat LED에 비해서 상부로의 방출이 약 2.5배 증가하였으며, 이는 GaN와 sapphire 계면에 존재하는 패턴이 GaN에서 진행하는 빛을 난반사 시켜 효과적으로 상부로 방출시키는 역할을 하는 것으로 설명될 수 있으며, 실제로도 칩의 상부에서 육안으로 관찰하면 PSS LED는 flat LED에 비해서 매우 밝게 보임을 확인할 수 있었다. 한편, PSS LED에서 사파이어 기판의 패턴은 높이 2㎛, 간격 2㎛" 밑면의 반지름이 2㈣인 콘 형상으로 모델링 하였다.
그림에 나타난 바와 같이 반사도가 증가함에 따라서 광추출 효율이 증가함을 알 수 있다. 특히 주목할 점은 PSS LED의 경우 flat LED에 비해서 반사도에 대한 영향을 비교적 많이 받음을 알 수 있었다. 즉, flat LED의 경우는 반사막의 반사도가 광 추출 효율에 크게 영향을 미치지 않지만, PSS LED에서는 반사막의 반사도가 광추출 효율에 크게 영향을 미치기 때문에 반사막의 반사도를 높이는 것이 소자의 광 효율 향상에 중요한 요소일 것으로 판단된다.
그림 4(b)에서 나타난 결과를 그림 2(b)와 비교하면, 사파이어 기판 패턴의 최적화를 통해서 PSS LED칩의 광추출 효율이 약 11% 정도 향상되었다. 또한, 이러한 상황에서 PSS LED는 flat LED에 비해 서약 118% 광추출 효율이 향상됨을 확인할 수 있었으며, 상부로의 광추출량도 약3배 이상 증가하였다. 실제로 blue 상태에서(형광체 package전) PSS LED가 flat LED에 비해서 매우 밝게 보이는 이유를 설명할 수 있었다.
각각 동일한 위치에 사파이어 내부에 리시버를 설치하여 그 부분에 통과하는 빛의 양을 검출하였다. 결과에서 나타난 바와 같이 PSS LED와 flat LED에 있어서 반사막에 도달하는 빛의 양은 각각 27.22%와 13.08%임을 알 수 있다. 즉, flat LED에 비해서 PSS LED에서 반사막에 도달하는 빛의 양이 2배 이상임을 알 수 있다.
이는 사파이어 기판의 패턴이, 굴절률 차이로 인한 작은 임계각 때문에 GaN 에피층에 갇혀있는 대부분의 빛을 외부로 방출시키는 역할을 하기 때문이라고 판단된다. 특히, 칩-공기(air)에서는 118%, 칩-실리콘(silicone)에서는 35%의 향상을 보였는데, 실제 패키지 후 백색 (white) LED의 광량의 향상 정도를 실험값과 비교해보았을 때, 칩-실리콘(silicone)상의 시뮬레이션 결과가 실험값에 더 근접하였다. 이는 백색 (white) LED를 만들기 위해서, 실제 패키지 시에 실리콘(silicone)이 형광체와 섞여 사용되기 때문인 것으로 판단된다.

후속연구

향후 LED가 단지 표시요소로부터 탈피하기 위해서는 발광효율의 개선에 주력해야 하고, 특히 소자의 특성을 충분히 발휘하기 위해서는 소자의 내부양자효율 뿐만 아니라, 추출효율을 개선해야 한다. 현재, 선진 몇몇 업체에서는 저전류 영역에서 이미 내부 양자효율을 90% 이상 달성하였다고 보고하고 있다.
실제 실험에서도 확인할 수 있듯이, 두 가지 경우의 칩을 공기(air) 중에서(형광체 package전) 측정을 하면 PSS LED가 flat LED에 비해서 매우 밝게 보이지만, 실제 package를 하고 난후, 측정을 하게 되면 실질적인 광 출력의 증가는 약 30 %에 불과하다. 따라서 LED 광효율 개선 비교에 있어서, 측정 환경에 따라서 개선율이 변화할 수 있기 때문에, 적절한 칩의 상황 하에서 측정 및 시뮬레이션이 수행되어야 정확한 개선 정도를 평가할 수 있으리라 판단된다. 또한, sapphire 기판을 갖고 있는 GaN LED에서의 각 방향으로 빛의 방출 경로를 분석하면, 그림5(a)의 flat LED 의 경우에는 전체 광추출의 약 74% (1-11.
이상 많기 때문이다. 본 연구의 결과는 LED 칩에서 현 수준의 광추출 효율을 정량적으로 평가할 수 있게 하였으며, 광추출 효율 향상을 위한 칩구조 설계에 기여할 수 있을 것이다. 또한, 광추출 효율을 정량적으로 산출할 수 있다면, 외부양자효율 (External quantum efficiency) 로부터 내부양자효율 (internal quantum e伍ciency)의 정량적 산출에 유용하리라 판단된다.
본 연구의 결과는 LED 칩에서 현 수준의 광추출 효율을 정량적으로 평가할 수 있게 하였으며, 광추출 효율 향상을 위한 칩구조 설계에 기여할 수 있을 것이다. 또한, 광추출 효율을 정량적으로 산출할 수 있다면, 외부양자효율 (External quantum efficiency) 로부터 내부양자효율 (internal quantum e伍ciency)의 정량적 산출에 유용하리라 판단된다. 향후, 형광체의 빛의 scattering과 광변환 효율 등을 고려하여 실제 LED 칩으로부터 PKG 까지 실제 광 효율을 정확하게 예측하고 설계할 수 있는 시뮬레이션 기술을 확보할 것이다.
또한, 광추출 효율을 정량적으로 산출할 수 있다면, 외부양자효율 (External quantum efficiency) 로부터 내부양자효율 (internal quantum e伍ciency)의 정량적 산출에 유용하리라 판단된다. 향후, 형광체의 빛의 scattering과 광변환 효율 등을 고려하여 실제 LED 칩으로부터 PKG 까지 실제 광 효율을 정확하게 예측하고 설계할 수 있는 시뮬레이션 기술을 확보할 것이다.

참고문헌 (7)

E.F.Schubert, 'light-emitting diodes', Cambridge university press, 2003
T.Fujii, Y.Gao, R.Sharma, E.L.Hu, S.P.DenBarrs, and S.Nakamura, 'Increase in the extraction efficiency of GaN-based light-emitting diodes via surface roughening', Appl.Phys.Lett., Vol.84, No.6, 855, 2004

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R.Windisch, P.Heremans, A.Knoblock, P.Kiesel, G.H.Dohler, B.dutta, and G.Borghs, 'Light-emitting diodes with 31% external quantum efficiency by outcoupling of lateral waveguide modes', Appl.Phys.Lett., Vol.74, No.16, 2256, 1999

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H. W. Choi, M. D. Dawson, P. R. Edwards, and R. W. Martin, 'High extracton efficiency InGaN micro-ring light-emitting diodes', Appl.Phys. Lett., Vol.83, No.22, 4483, 2003

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K. Orita, S. Tamura, T. Takizawa, M. Yuri, S. Takigawa, and D. Ueda, 'High-exttraction efficiency blue light-emitting diode using extended-pitch photonic crystal', Jpn. J.Appl.Phys, Vol.43, No.8B, 5809, 2004

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C. C. Sun, C. Y. Lin, T. X. Lee, and T. H. Yang, 'Enhancement of light extraction of GaN-based light-emitting diodes with a microstructure array', Opt.Eng. 43(8), 1700, 2004

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K. Orita, S. Tamura, T. Takizawa, M. Yuri, S. Takigawa, and D. Ueda, 'High-exttraction efficiency blue light-emitting diode using extended-pitch photonic crystal', Jpn. J.Appl.Phys, Vol.43, No.8B, 5809, 2004

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