[논문]제조 공정의 개선을 통한 백색 LED 칩의 성능 개선

류장렬

doi:10.5762/kais.2012.13.1.329

초록
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LED는 저 전력, 긴 수명, 고 휘도, 빠른 응답, 친환경적인 특성의 여러 장점을 갖고 있기 때문에 청색과 녹색 LED는 교통신호, 옥외 디스플레이, 백색 LED는 LCD 후면광 등의 응용 제품에 사용되고 있다. 여기서 LED의 성능을 향상하기 위하여 출력전력과 소자의 신뢰성을 높이고, 동작전압을 낮추어야 LED 칩의 고효율화가 이루어져야 하는데, 이는 에피택셜층, 표면요철, 패턴이 있는 사파이어 기판, 칩 설계의 최적화, 특수 공정의 개선 등의 기술이 우수해야 한다. 본 연구에서는 측면 에칭 기술과 절연층 삽입기술을 이용하여 사파이어 에피 웨이퍼 위에 GaN-기반 백색 LED 칩을 제작하여 그 성능을 조사하였다. LED 칩의 성능을 개선하기 위한 최적화 설계와 CBL(current blocking layer) 삽입 기술의 개선된 공정을 통하여 LED 칩 성능의 향상을 확인할 수 있었으며, 출력 전력은 광 출력 7cd, 순방향 인가전압 3.2V의 값을 얻었다. 현재의 LCD 후면광원으로 사용되고 있는 LED 칩의 출력에 비하여 성능이 개선되었으며, 의료기기 및 LCD LED TV의 후면광원으로 사용할 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

LEDs are using widely in a field of illumination, LCD LED backlight, mobile signals because they have several merits, such as low power consumption, long lifetime, high brightness, fast response, environment friendly. To achieve high performance LEDs, one needs to enhance output power, reduce operat...

LEDs are using widely in a field of illumination, LCD LED backlight, mobile signals because they have several merits, such as low power consumption, long lifetime, high brightness, fast response, environment friendly. To achieve high performance LEDs, one needs to enhance output power, reduce operation voltage, and improve device reliability. In this paper, we have proposed that the optimum design and specialized process could improve the performance of LED chip. It was showed an output power of 7cd and input supplied voltage of 3.2V by the insertion technique of current blocking layer. In this paper, GaN-based LED chip which is built on the sapphire epi-wafer by selective MOCVD were designed and developed. After that, their performances were measured. It showed the output power of 7cd more than conventional GaN-based chip. It will be used the lighting source of a medical equipment and LCD LED TV with GaN-based LED chip.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 LCD LED TV 및 의료기기의 모니터에 응용할 수 있는 LED 칩을 제작하여 그 성능을 조사하였다. p-pad 밑의 절연막의 삽입 공정으로 공정 수율 상의 어려움 없이 성능이 향상된 LED 칩을 얻을 수 있었다.

제안 방법

기존 공정은 Mesa PR Strip후 PM Photo 공정으로 진행하였으나 사이드 에칭 기술을 그 사이에 추가 하였다. Mesa 공정은 n- GaN에 전극을 형성하기 위해 n-GaN영역까지 일정 두께로 건식 에칭하여 n-GaN 공정을 수행하였다.
두께를 500Å 1,000Å, 1,500Å, 2,000Å증착하였다. S_iO₂를 성장하지 않은 웨이퍼와의 비교를 위해 제작된 마스크는 세 영역으로 구분하여 p형 금속전극인 Finger와 p-Pad 면적의 크기의 차이에도 특성이 변화가 있는지 확인 할 수 있도록 제작하였다.
기존 공정은 Mesa PR Strip후 PM Photo 공정으로 진행하였으나 사이드 에칭 기술을 그 사이에 추가 하였다. Mesa 공정은 n- GaN에 전극을 형성하기 위해 n-GaN영역까지 일정 두께로 건식 에칭하여 n-GaN 공정을 수행하였다.
또한 같은 공정으로 제조한 칩을 이용하여 가 패키지한 후, 파장 특성과 LED의 순방향 인가 전압(V_F), 광 출력(cd) 등을 측정하였다. 이를 그림 7과 표 1에서 보여 주고 있는데, 순 방향 전류 80mA에서 순방향 전압 3.
본 논문에서는 공정과정 상 p-GaN층에서 발생하는 전류 집중현상을 줄여 그 광 출력의 개선을 확인하기 위하여 p-pad 아래에 CBL층의 삽입공정을 통하여 13% 정도의 광 출력 개선을 얻었으며, 이를 바탕으로 제작한 칩의광 출력은 7[cd], 순방향 인가전압 3.2[V]를 얻었다.
GaN기판으로 450㎛ Blue Epi 위에 LED 칩을 제작하였다. 우선 웨이퍼의 세척 작업을 실시하고 n-GaN Roughness Metal 공정을 통하여 빛의 난반사에의 휘도향상을 하였다.
에 의한 굴절로 부분적인 빛의 손실을 감소시켜줄 수 있을 것으로 생각된다. 원형형태의 pad 지름은 그림 3의 웨이퍼 위의 쪽이 105㎛, finger의 폭은 12㎛이며, 아래 왼쪽 100㎛, 6㎛인 경우와 S_iO₂층이 없는 경우 등 세 가지의 패턴을 하나의 웨이퍼에 제작 하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 웨이퍼는 Al₂O₃ GaN기판으로 450㎛ Blue Epi 위에 LED 칩을 제작하였다. 우선 웨이퍼의 세척 작업을 실시하고 n-GaN Roughness Metal 공정을 통하여 빛의 난반사에의 휘도향상을 하였다.
절연층을 삽입하기 위한 공정을 실시하기 위해 준비된 웨이퍼에 S_iO₂ 두께를 500Å 1,000Å, 1,500Å, 2,000Å증착하였다. S_iO₂를 성장하지 않은 웨이퍼와의 비교를 위해 제작된 마스크는 세 영역으로 구분하여 p형 금속전극인 Finger와 p-Pad 면적의 크기의 차이에도 특성이 변화가 있는지 확인 할 수 있도록 제작하였다.

성능/효과

본 논문에서는 LCD LED TV 및 의료기기의 모니터에 응용할 수 있는 LED 칩을 제작하여 그 성능을 조사하였다. p-pad 밑의 절연막의 삽입 공정으로 공정 수율 상의 어려움 없이 성능이 향상된 LED 칩을 얻을 수 있었다. 성능이 우수한 epi 웨이퍼 위에 p-pad의 지름과 finger의 폭을 변화시켜 제작된 소자에서 방출 광이 증가하였다.
성능이 우수한 epi 웨이퍼 위에 p-pad의 지름과 finger의 폭을 변화시켜 제작된 소자에서 방출 광이 증가하였다. 또한 순방향 입력 전류 80mA에서 광 출력 7cd와 순방향인 가전압 3.2V가 얻어져 현재 LCD LED TV와 이보다 휘도가 높아야 하는 의료기기에 장착하는 광원으로 이용하여도 적절한 LED 칩의 출력 특성의 결과로 평가되어 LED 응용제품에 적용할 수 있는 광원으로 평가되었다.
p-pad 밑의 절연막의 삽입 공정으로 공정 수율 상의 어려움 없이 성능이 향상된 LED 칩을 얻을 수 있었다. 성능이 우수한 epi 웨이퍼 위에 p-pad의 지름과 finger의 폭을 변화시켜 제작된 소자에서 방출 광이 증가하였다. 또한 순방향 입력 전류 80mA에서 광 출력 7cd와 순방향인 가전압 3.
그림 6에서는 p-pad 밑의 산화막 두께와 finger 폭에 따른 광 출력을 나타낸 것이다. 웨이퍼 레벨 기준으로 네이터를 보았을 때 CBL층의 유/무에 따라 광출력 값은 절연층을 삽입한 부분의 값이 우수하게 나왔으며, 특히 절연층이 없는 부분과의 광 출력이 약 40mcd이상 향상되었다. 또한 pad와 finger 넓이에 따른 광 출력의 차이에서도 뚜렷한 차이를 보였다.
), 광 출력(cd) 등을 측정하였다. 이를 그림 7과 표 1에서 보여 주고 있는데, 순 방향 전류 80mA에서 순방향 전압 3.2V, 광도 7cd 등으로 측정되어 현재의 기술 수준인 3.3V 이하의 결과를 얻어 우수한 결과로 평가되었다. 그림 7에서 x축은 파장λ[μm], y축은 파장의 최대값을 나타내고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LED는 어떤 장점을 가지고 있는가?	LED를 이용하는 경우 광변환 효율이 높고 낮은 전압을 사용하기 때문에 소비전력이 적으며 소형화, 박형화,경량화, 수명이 반영구적이라는 장점을 갖고 있다. 최근 GaN에 기반한 청색, 녹색, UV파장 대역의 LED가 연구되고 있는데, 이들 청색과 녹색 LED는 교통신호, 옥외 디스플레이, LCD 후면광 등의 응용 제품에 사용되고 있다.
	청색 녹색의 GaN 기반 LED는 어디에 이용되고 있는가?	LED를 이용하는 경우 광변환 효율이 높고 낮은 전압을 사용하기 때문에 소비전력이 적으며 소형화, 박형화,경량화, 수명이 반영구적이라는 장점을 갖고 있다. 최근 GaN에 기반한 청색, 녹색, UV파장 대역의 LED가 연구되고 있는데, 이들 청색과 녹색 LED는 교통신호, 옥외 디스플레이, LCD 후면광 등의 응용 제품에 사용되고 있다. 여기서 LED의 성능을 향상하기 위하여는 출력과 소자의 효율을 높이고, 동작전압을 낮추어야 한다.
	에피텍셜 층의 효율은 무엇을 통하여 증대되는가?	이러한 LED가 여러 제품에 응용되기 위하여 효율이 우수해야 한다. 효율은 에피층(epi-layer), 칩(chip) 부분으로 나눌 수 있는데, 에피텍셜 층의 경우, 미세구조(nano structure), 패턴을 새긴 기판(patterned substrate), 동종에피층(homo epi), MOCVD 특성 등을 통하여 효율을 증대하고, 칩은 GaN의 표면 요철(roughness), 투명전극, 광 자결정(photonic crystal), 결이 있는 측벽(textured side wall), 패턴이 있는 사파이어 기판(patterned sapphire substrate), 다이 형상, 칩의 구조 등으로 효율을 증대한다.[5-9]

참고문헌 (10)

Y. J. Lee, H.C.Kuo, and S.C.Wang "Enhancing the Output Power of GaN-based LEDs Grown on Wet-Etched Pattrened Sapphire Substrates", IEEE PHOTONIC TECHNOLOGY LETTERS, Vol. 18, No. 10, pp. 2289-2291, May 2006.
S. Nakamura and G. Gasol, "The Blue Laser Diode", New York: springer, Vol. 10, No. 3, pp. 223-226, May 1997.
T.Egawa, B.Zhang, and H.Ishikawa, "High Performance of InGaN LEDs on (111) Silicon Substrate grown by MOCVD", IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, Vol. 26, No. 3, pp. 169-171, March 2005.

상세보기
H. G. kim et al, "Improved GaN-Based LED Light Extraction Efficiencies via Selective MOCVD Using Peripheral Microhole Arrays", IEEE PHOTONIC TECHNOLOGY LETTERS, Vol. 20, No. 15, pp. 1284-1286, Aug. 2008.
Y. J. Lee, J. M. Hwang, T. C. Hsu and S.C.Wang, "Study of the Extraction Power Dependent Internal Quentum Efficiency in IngaN/gaN LEDs Grown on Patterned Sapphire Substrate", IEEE Journal of selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 15, No. 4, pp. 445-448, Nov. 2009.
Mary H.Crawford, "LEDs for Solid-State Lighting: Performance Challenges and recent Advances", IEEE Journal of selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 15, No. 4, pp. 1028-1040, July 2009.

상세보기
Ivan Elisshevich, "Compound Semiconductor", Vol.6, No.3, pp.82-85, 2000.
Hynsoo Kim, Ji-Myon Lee, Chul Huh, Sang-Woo Kim, Dong-Joon Kim, Seong-ju Park, and Hyunsang Hwang, Appl. phys., Lett. Vol.77, No.12, pp.1903-1906, 2000.

상세보기
C. C. Liu, Y. H. Chen, M. P. Houng, Y. H. Wang, Y. K. Su, W. B. Chen, and S. M. Chen, IEEE Photonics Technol. Lett. Vol.16, pp.1444-1447, 2004.

상세보기
S.Y.Lee, J.R.Ryu, and S.B.Yoon, "Improvement in light output of LED by using the insulating Blocking layer", KIIT, Vol.9, No.5, pp35-40, 2011.

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