[논문]습식식각 방법으로 제작한 패턴 형성 사파이어 기판을 가지는 GaN계 청색 LED

김도형; 이용곤; 유순재

doi:10.4313/jkem.2011.24.1.7

습식식각 방법으로 제작한 패턴 형성 사파이어 기판을 가지는 GaN계 청색 LED
GaN Base Blue LED on Patterned Sapphire Substrate by Wet Etching 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.24 no.1, 2011년, pp.7 - 11

김도형 (선문대학교 공과대학 전자공학과) , 이용곤 (선문대학교 공과대학 전자공학과) , 유순재 (선문대학교 공과대학 전자공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Sapphire substrate was patterned by a selective chemical wet etching technique, and GaN/InGaN structures were grown on this substrate by MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy). The surface of grown GaN on patterned sapphire substrate (PSS) has good morphology and uniformity. The patterned sapphire substrate LED showed better light output than conventional LED that improvement 50%. We think these results come from enhancement of internal quantum efficiency by decrease of threading dislocation and increase of light extraction efficiency. Also these LED showed more uniform emission distribution in angle than conventional LED.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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제안 방법

LED 칩으로부터 방사패턴을 보다 정밀하게 조사하기 위해 칩 상에서 방사광의 지향 특성을 측정하였다.
PSS 기판에 제작한 LED 특성을 조사하기 위해 350 ㎛ x 350 ㎛ 크기의 LED 칩을 제작하였고, 제작한 LED의 발광 패턴, 지향특성, 광 출력 및 전기특성을 조사하였다. 특성 비교를 위하여 PSS에 GaN 층을 성장한 후 제작한 칩과, PSS를 제작하지 않은 보통 sapphire 기판에 성장한 GaN 층의 테두리를 역 방향으로 식각 truncated inverted pyramid (TIP)하여 제작한 칩 [15] (sapphire는 식각하지 않음), PSS에 TIP 식각한 칩, 그리고 종래의 방법으로 만든 칩 (Reference) 등 4 종류의 칩을 몰딩수지 실리콘이나 에폭시로 몰딩하지 않고 TO-18에 실장하여, 상온에서 광 방사패턴 및 광 출력특성을 electro luminescence (EL) 및 적분구로 각각 측정하였다.
SiO₂ 막에 buffered oxide etching (BOE)를 사용하여 패턴을 형성한 후에 포토레지스트 막을 제거하였다. SiO₂ 막으로 선택 식각 패턴이 형성된 사파이어 기판을 H₂SO₄와 H₃PO₄을 3:1 비율로 혼합한 용액에서 300℃에서 5분간 사파이어를 식각하여, 기판에 패턴을 형성한 후에 SiO₂ 산화 막을 제거하였다. 패턴은 1 ㎛의 높이로 표면이 직경 2.
본 연구에서 사용된 사파이어 기판은 2” 크기, c축 방향으로, 기판 위에 패턴을 형성하기 위하여 1 ㎛의 SiO2 산화 막을 plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD)로 증착한 후, 포토레지스트를 코팅하여, 직경 2.0 ㎛의 dot 모양의 패턴을 photo-lithography 공정으로 형성 하였다.
본 연구에서는 H₂SO₄와 H₃PO₄를 3:1 부피비로 혼합한 용액을 이용한 습식식각법 [14]으로 PSS 기판을 제작하여, MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy) 법으로 GaN/InGaN 층을 성장하고 청색 LED를 제작하여 그 특성을 조사하였다.
습식식각법으로 패턴이 형성된 PSS를 제작 하였으며, 이 PSS 기판에 MOVPE로 InGaN/GaN 막을 성장하고, 청색 LED를 제작하였다. GaN 막은 morphology가 매우 좋고 표면에 피트가 관측되지 않고 양호하게 성장 되었으며, 습식식각법 PSS 기판에 제작한 LED는 12.
0 ㎛를 가지는 dot 모양으로 형성되었다. 이 패턴이 형성된 사파이어 기판 위에 MOVPE를 이용하여 10 ㎛ 두께의 GaN 버퍼층을 성장한 후, InGaN/GaN (MQW) 및 p-GaN를 성장하여 청색 LED 구조를 제작하였다.
이렇게 성장한 GaN 에피층에 약 0.1 ㎛ 두께의 InGaN/GaN (MQW) 층과 0.4 ㎛ 두께의 p-GaN 층을 가지는 청색 LED 구조를 성장하여 LED 칩을 제작하였다. 비교를 위해 4 종류의 LED를 제작하여 평가하였으며, 측정한 각 LED의 특성을 Table 1에 나타내었다.
PSS 기판에 제작한 LED 특성을 조사하기 위해 350 ㎛ x 350 ㎛ 크기의 LED 칩을 제작하였고, 제작한 LED의 발광 패턴, 지향특성, 광 출력 및 전기특성을 조사하였다. 특성 비교를 위하여 PSS에 GaN 층을 성장한 후 제작한 칩과, PSS를 제작하지 않은 보통 sapphire 기판에 성장한 GaN 층의 테두리를 역 방향으로 식각 truncated inverted pyramid (TIP)하여 제작한 칩 [15] (sapphire는 식각하지 않음), PSS에 TIP 식각한 칩, 그리고 종래의 방법으로 만든 칩 (Reference) 등 4 종류의 칩을 몰딩수지 실리콘이나 에폭시로 몰딩하지 않고 TO-18에 실장하여, 상온에서 광 방사패턴 및 광 출력특성을 electro luminescence (EL) 및 적분구로 각각 측정하였다. Fig.

대상 데이터

본 연구는 지식경제부 “부품소재 기술개발 사업” “고효율 고신뢰성 조명용 R,G,Y 형광체 개발 사업(10033221)”의 지원 및 희성금속의 지원으로 수행되었다.
4 ㎛ 두께의 p-GaN 층을 가지는 청색 LED 구조를 성장하여 LED 칩을 제작하였다. 비교를 위해 4 종류의 LED를 제작하여 평가하였으며, 측정한 각 LED의 특성을 Table 1에 나타내었다. Table 1에서 알 수 있듯이 습식식각법 PSS 기판에 제작한 LED의 출력이 12.

성능/효과

습식식각법으로 패턴이 형성된 PSS를 제작 하였으며, 이 PSS 기판에 MOVPE로 InGaN/GaN 막을 성장하고, 청색 LED를 제작하였다. GaN 막은 morphology가 매우 좋고 표면에 피트가 관측되지 않고 양호하게 성장 되었으며, 습식식각법 PSS 기판에 제작한 LED는 12.9 mW의 출력을 나타냈으며, PSS를 사용하지 않은 Reference LED 9.2 mW에 비하여 40% 향상되었으며, PSS를 사용하지 않고 TIP 식각한 LED 12.6 mW 보다 3% 큰 출력이 얻을 수 있었다. 또 습식식각법 PSS 기판을 사용하고 TIP 식각을 한 LED는, PSS 또는 TIP 식각만을 이용한 LED 보다 각각 약 8-10% 출력이 향상되었으며, Reference LED 보다는 50% 증가되었다.
2 mW에 비하여 40% 향상됨을 알 수 있다. 또 습식식각법 PSS 기판에 제작한 LED는 TIP 식각 LED 12.6 mW 보다 약 3% 정도 큰 출력이 얻어짐을 알 수 있으며, PSS 기판을 사용하고 TIP 식각을 한 LED는, PSS 또는 TIP 식각만을 각각 이용한 LED 보다 약 8-10% 출력이 향상되었다. 또 Reference LED 보다는 50% 증가되었음을 알 수 있다.
6 mW 보다 3% 큰 출력이 얻을 수 있었다. 또 습식식각법 PSS 기판을 사용하고 TIP 식각을 한 LED는, PSS 또는 TIP 식각만을 이용한 LED 보다 각각 약 8-10% 출력이 향상되었으며, Reference LED 보다는 50% 증가되었다. 아울러 습식식각법 PSS로 제작한 LED는 광 방사 및 지향 특성에서도 PSS를 사용하지 않은 LED보다 넓은 범위에서 균일한 분포를 가지는 것으로 나타났다.
또 습식식각법 PSS 기판을 사용하고 TIP 식각을 한 LED는, PSS 또는 TIP 식각만을 이용한 LED 보다 각각 약 8-10% 출력이 향상되었으며, Reference LED 보다는 50% 증가되었다. 아울러 습식식각법 PSS로 제작한 LED는 광 방사 및 지향 특성에서도 PSS를 사용하지 않은 LED보다 넓은 범위에서 균일한 분포를 가지는 것으로 나타났다.
[9]도 건식식각 PSS 기판을 사용한 GaN LED의 광 출력이 PSS를 사용하지 않은 LED 보다 20% 이상 증가 하였다고 보고하고 있다. 이러한 결과는 본 연구에서 이용한 습식식각법으로 제작한 PSS 기판을 사용한 LED 에서도 동일한 원리로 추출 효율 증가가 나타나는 것으로 생각 할 수 있다. 특히 습식식각으로 제작한 PSS에 TIP 식각을 동시에 적용한 LED는 PSS 기판만을 이용하는 경우나 TIP 식각만 하는 경우에 비하여, 광 출력 특성이 향상 되는 점을 알 수 있는데, 이러한 결과는 PSS 기판을 사용한 LED의 경우와 TIP 식각한 LED에서 광출력이 증가하는 원리가 서로 다른 점이 있기 때문이라고 생각 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	습식식각법의 장점은?	그러나 이러한 플라즈마 공정은 대면적에서 균일성이나 양산성이 떨어지는 점이 있으며, 특히 GaN에서 플라즈마 공정이 데미지를 형성한다는 점은 잘 알려져 있다 [12,13]. 습식식각법은 사파이어 표면을 매우 부드럽게 식각할 수 있고, 식각속도 및 형상 등을 제어할 수 있어 [13], LED에서 GaN 층과의 계면에서 광 산란 억제 및 반사특성을 개선하는 효과가 될 수 있을 것으로 기대되고 있다.
	inductively coupled plasma (ICP)를 이용하는 건식 식각공정의 단점은?	이러한 사파이어 기판에 패턴 형성 방법은 주로 inductively coupled plasma (ICP)를 이용하는 건식 식각공정을 이용하고 있다 [2, 9-11]. 그러나 이러한 플라즈마 공정은 대면적에서 균일성이나 양산성이 떨어지는 점이 있으며, 특히 GaN에서 플라즈마 공정이 데미지를 형성한다는 점은 잘 알려져 있다 [12,13]. 습식식각법은 사파이어 표면을 매우 부드럽게 식각할 수 있고, 식각속도 및 형상 등을 제어할 수 있어 [13], LED에서 GaN 층과의 계면에서 광 산란 억제 및 반사특성을 개선하는 효과가 될 수 있을 것으로 기대되고 있다.
	사파이어 기판에 패턴 형성 방법은 주로 무엇을 이용하고 있는가?	최근에는 PSS에 성장한 GaN계 고성능 광소자 제작 특성도 발표되고 있다 [6,8]. 이러한 사파이어 기판에 패턴 형성 방법은 주로 inductively coupled plasma (ICP)를 이용하는 건식 식각공정을 이용하고 있다 [2, 9-11]. 그러나 이러한 플라즈마 공정은 대면적에서 균일성이나 양산성이 떨어지는 점이 있으며, 특히 GaN에서 플라즈마 공정이 데미지를 형성한다는 점은 잘 알려져 있다 [12,13].

참고문헌 (15)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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