[논문]300 nm Diameter Cylinder-Shape 나노패턴 기판을 이용한 LEDs의 광학적 특성

김상묵; 김윤석

doi:10.3740/mrsk.2019.29.1.59

문제 정의

본 연구에서 비교하고자 하는 실험군은 아무런 패턴이 없는 평면기판(planar), 지름 3µm 크기의 PSS(MPSS), 그리고 본 연구에서 그 효용성을 조사하고자 하는 300 nm크기의 PSS(NPSS)이며, 상기의 사파이어 기판들 위에 성장된 LED에 대해 동일한 chip공정을 진행하여 그 광학적 특성들을 살펴보고자 한다.
따라서 더 많은 광량을 요구하는 추세에 맞추어 고 전류에서 구동시키기 위한 노력이 기울여지고 있으며, 이러한 흐름에 따라서 고전류를 인가해도 방열에 비교적 자유로운 flip chip이 각광받고 있다. 이러한 요구에 따라 플립칩의 성능을 개선하기 위한 다양한 노력이 epitaxy, chip fabrication, package 등의 분야에서 행해지고 있는데, 본연구에서는 그러한 노력의 일환으로 flip chip에서, 기판방향으로 광량의 방출에 더 유리한 연구를 수행하기 위해 적용되는 기판의 패턴크기 의존성 실험을 진행했다. 특히 종래의 LED 구조에서 많이 사용되고 있는micrometer 크기로 패터닝된 사파이어 기판(micrometer-size patterned sapphire substrates, MPSS)과 nanometer크기로 패터닝된 사파이어 기판(nanometer-size patterned sapphire substrates, NPSS)을 비교함으로써 기판 pattern의 크기가 광방출 방향에 미치는 영향에 대한 연구를 진행하였다.
이러한 요구에 따라 플립칩의 성능을 개선하기 위한 다양한 노력이 epitaxy, chip fabrication, package 등의 분야에서 행해지고 있는데, 본연구에서는 그러한 노력의 일환으로 flip chip에서, 기판방향으로 광량의 방출에 더 유리한 연구를 수행하기 위해 적용되는 기판의 패턴크기 의존성 실험을 진행했다. 특히 종래의 LED 구조에서 많이 사용되고 있는micrometer 크기로 패터닝된 사파이어 기판(micrometer-size patterned sapphire substrates, MPSS)과 nanometer크기로 패터닝된 사파이어 기판(nanometer-size patterned sapphire substrates, NPSS)을 비교함으로써 기판 pattern의 크기가 광방출 방향에 미치는 영향에 대한 연구를 진행하였다.

제안 방법

Fig. 4(a)의 측정 장비는 본 연구를 위해서 특별하게 설계 및 제작된 것으로써 석영 재질의 sample chuck위에 wafer chip상태의 LED를 probing할 수 있도록 고안되었고, ㈜리암솔루션사와 공동개발이 이루어졌다. 따라서 고분해능으로 발광하는 시료의 상하부 미세 이미지 및 광량을 획득할 수 있는 장점을 가지고 있다.
LED구조로 성장된 에피에 대해서 conventional공정을 통해 top emission chip을 제작했고, 그 광학적 특성을 분석하고자 wafer level의 chip에 대해 probing을 통한 LIV측정과 microscopic luminescence관찰을 진행했다. 일반적인 관찰로는 LED chip에서의 광방출이 공간상에서 위쪽 방향만을 볼 수밖에 없는 상황임을 고려하면 Fig.
본 연구에서는 기판의 패턴크기에 따라, 그 크기가 작아지고 형상의 최적화가 진행된다면 광방출의 우선 방향이 뒷면인 기판방향으로 증대될 수 있다는 것을 전산모사 방법을 통하여 사전 확인하였으며, 이에 대한 결과를 실제로 제작한 서로 다른 기판 하부의 패턴크기에 따라서 비교하였다. 본 연구 목적을 위해 자체 특수설계 및 제작한 고분해능 현미경 기반 LIV측정계를 활용하여 상하부의 방출 광량을 나누어 측정한 것으로 실제소자 단위에서 그 결과를 확인했으며 실제 chip에서는 기판 thinning 상태에 따라 기판 반대 방향으로의 광방출이 강조되어 나타나는 것을 확인하였다.
앞선 실험에서 기판에 형성하는 패턴의 크기로부터 야기되는 광 발생의 특성을 수치적으로 모사하기 위해 사전에 simulation을 진행했다. 계산에 사용된 기법은 Monte-Carlo법에 의한 방법으로 ray-tracing을 통해 이루어졌다.
6에 나타내었다. 이 관찰 방법은 흔히 형광현미경으로 알려진 광학여기 및 발광을 이용하여 측정하였다. 간단하게 설명하자면 백생광을 방출하는 Hg lamp로부터 band pass filter를 이용하여 404.
이러한 기판 차원에서의 실험이 LED의 발광에 미시적으로 어떠한 분포를 가지도록 영향을 미치는 지에 대해 확인하기 위하여 약 200 nm 정도의 공간분해능을 가지는 발광현미경을 통해 sub-microscopic luminescence image를 관찰한 결과를 Fig. 6에 나타내었다. 이 관찰 방법은 흔히 형광현미경으로 알려진 광학여기 및 발광을 이용하여 측정하였다.
TDs의 발생 및 전파는 planar기판에서 더 깨끗하게 형성된 것을 확대 사진으로 확인할 수 있고, MPSS, NPSS에서는 초기의 약 200 nm의 영역에서 결함이 많은 양상을 나타내나 이후의 성장된 epitaxy층의 결정질은 큰 차이를 보이지 않고 있다. 지금까지의 과정으로 얻은 epitaxy층을 template 으로 사용하여 LED구조를 성장했다. LED 구조의 성장은 conventional 한 구조를 이용했으며 세 가지 기판 종류와 무관하게 모두 동일한 과정이 적용되었다.

이론/모형

앞선 실험에서 기판에 형성하는 패턴의 크기로부터 야기되는 광 발생의 특성을 수치적으로 모사하기 위해 사전에 simulation을 진행했다. 계산에 사용된 기법은 Monte-Carlo법에 의한 방법으로 ray-tracing을 통해 이루어졌다. 이 결과를 Fig.
본 연구에서 비교하고자 하는 실험군은 아무런 패턴이 없는 평면기판(planar), 지름 3µm 크기의 PSS(MPSS), 그리고 본 연구에서 그 효용성을 조사하고자 하는 300 nm크기의 PSS(NPSS)이며, 상기의 사파이어 기판들 위에 성장된 LED에 대해 동일한 chip공정을 진행하여 그 광학적 특성들을 살펴보고자 한다. 사용된 nanometer크기의 기판 패턴의 제조는 nano-imprint법으로 공정이 진행되었고, 그 자세한 실험의 과정은 다음과 같다.

성능/효과

그 이유는 더 많은 광량을 얻어내기 위하여 구동 전력이 증가하면서 열의 발생 또한 늘기 때문에 소자에서 발생하는 열을 효과적으로 방출시키기 위해서는 종래의 소자구조로는 한계가 명확하기 때문이다.³⁾ LED를 포함한 패키지의 발열 문제는 소자 및 완제품의 신뢰성에 크게 영향을 주기 때문에 구동 전류는 매우 중요한 기술적 사항이다. 따라서 더 많은 광량을 요구하는 추세에 맞추어 고 전류에서 구동시키기 위한 노력이 기울여지고 있으며, 이러한 흐름에 따라서 고전류를 인가해도 방열에 비교적 자유로운 flip chip이 각광받고 있다.
Planar, MPSS, hemi-sphered NPSS, cylinder-NPSS(a, b, c, d) Fig. 3의 전산모사 결과로부터 우리는 총 방출광량이 MPSS, hemi sphered-NPSS, cylinder-NPSS가 모두 유사하게 형성되었음을 알 수 있으며 이는 직관적으로도 당연하게 받아들일만하다. 그러나 본 계산결과에서 놀라운 점은 NPSS의 경우 광 방출량이 기판 뒷면으로 향하는 양이 윗면으로 향하는 양보다 MPSS에 비교해서 더욱 늘었다는 것이고, cylinder-NPSS의 경우 기판 뒷면으로의 광 방출량이 더욱 증가했음을 알 수 있다.
3의 전산모사 결과로부터 우리는 총 방출광량이 MPSS, hemi sphered-NPSS, cylinder-NPSS가 모두 유사하게 형성되었음을 알 수 있으며 이는 직관적으로도 당연하게 받아들일만하다. 그러나 본 계산결과에서 놀라운 점은 NPSS의 경우 광 방출량이 기판 뒷면으로 향하는 양이 윗면으로 향하는 양보다 MPSS에 비교해서 더욱 늘었다는 것이고, cylinder-NPSS의 경우 기판 뒷면으로의 광 방출량이 더욱 증가했음을 알 수 있다. 이 원인은 굴절률 차이에 기인하여 평면상의 기판에서 내부전반사에 의해 갇히게 되는 빛이 micrometer 패턴에서 많이 탈출하여 증가하게 되고 빛의 방출 파장과 비슷한300 nm 크기에서 더욱 증가하기 때문으로 사료된다.
본 연구에서는 기판의 패턴크기에 따라, 그 크기가 작아지고 형상의 최적화가 진행된다면 광방출의 우선 방향이 뒷면인 기판방향으로 증대될 수 있다는 것을 전산모사 방법을 통하여 사전 확인하였으며, 이에 대한 결과를 실제로 제작한 서로 다른 기판 하부의 패턴크기에 따라서 비교하였다. 본 연구 목적을 위해 자체 특수설계 및 제작한 고분해능 현미경 기반 LIV측정계를 활용하여 상하부의 방출 광량을 나누어 측정한 것으로 실제소자 단위에서 그 결과를 확인했으며 실제 chip에서는 기판 thinning 상태에 따라 기판 반대 방향으로의 광방출이 강조되어 나타나는 것을 확인하였다. 이러한 광방출의 기원을 확인하기 위하여 서브 마이크로미터 수준의 공간분해능을 가지는 발광현미경을 통해 각 시료의 미세 발광 이미지를 관찰하였으며, NPSS시료의 경우 타 시료들에 비하여 매우 균질한 발광 pattern을 가지는 것을 확인할 수 있었다.
2에서 TEM관찰을 통한 사파이어 기판과 undoped GaN층의 계면 및 결함 상태를 관찰할 수 있으며(a, b, c) plan view관찰을 통해서 threading dislocations(TDs)의 밀도 또한 확인할 수 있었다. 비교가 이루어진 세 종류의 기판에서 TDs의 밀도는 수 10⁹ cm^-2으로 결함의 밀도차이가 출력 광특성에영향을 주지 않는 범위에서 비슷하다는 것을 파악할 수 있었다. TDs의 발생 및 전파는 planar기판에서 더 깨끗하게 형성된 것을 확대 사진으로 확인할 수 있고, MPSS, NPSS에서는 초기의 약 200 nm의 영역에서 결함이 많은 양상을 나타내나 이후의 성장된 epitaxy층의 결정질은 큰 차이를 보이지 않고 있다.
본 연구 목적을 위해 자체 특수설계 및 제작한 고분해능 현미경 기반 LIV측정계를 활용하여 상하부의 방출 광량을 나누어 측정한 것으로 실제소자 단위에서 그 결과를 확인했으며 실제 chip에서는 기판 thinning 상태에 따라 기판 반대 방향으로의 광방출이 강조되어 나타나는 것을 확인하였다. 이러한 광방출의 기원을 확인하기 위하여 서브 마이크로미터 수준의 공간분해능을 가지는 발광현미경을 통해 각 시료의 미세 발광 이미지를 관찰하였으며, NPSS시료의 경우 타 시료들에 비하여 매우 균질한 발광 pattern을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 그러한 이유로는 기판 pattern 사이즈와 본 발광파장의 시료에서 발생하는 InGaN층의 불균질 현상 발생 크기가 기판에 형성된 패턴의 크기와 유사하여 불균질 현상이 상대적으로 억제되었을 가능성을제시할 수 있었다.

후속연구

4(b)에 나타낸 그래프에서 주목할만한 결과는 NPSS의 경우 발광강도의 상하부 간의 관계가 planar, MPSS와는 달리 역전된 것을 알 수 있다. 또한 그림(c)는 본 개발 시스템에 장착된 CMOS카메라를 이용하여 LED chip의 발광이미지를 고분해능으로 촬영한 것으로써 probing상태에서의 발광의 균질상태를 관찰할 수 있고 향후 이러한 종류의 발광체를 관찰 시에 매우 유용하게 사용될 수 있는 가능성을보인다. 광방출량에 있어서 이러한 역전관계는 실제 광의 방출이 Fig.
6(b) 흥미로운 점은 6(c)의 NPSS의 경우 관찰된 이미지 상으로는 매우 균질한 발광이미지가 보이는데 이것에 대한 이유로는 본 실험에서 사용되는 발광파장의 In조성요동에 의해 발생하는 불균질의 크기가 기판 패터닝 사이즈와 매우 유사하여 exciton localized현상이 억제되는 것처럼 보일 수 있다고 생각할 수 있다.⁵⁾ 이러한 발광의균질성이 성장 기판 패턴의 크기에 영향을 받는다는 것은 매우 중요한 자료로써, 향후에 진행해야 할 연구로써 내부 양자효율을 증대시켰는지에 대한 여부를 확인해야만 할 것이다. 다른 가능성으로는 기판 패턴크기에 의해 발생하는 불균질 형상의 크기가 200 nm 미만으로주로 형성되어 관찰하고 있는 시스템의 spatial resolution이내에 들어감으로써 관찰되고 있지 않을 확률이 있다.
즉 실장 재료인 Ag에폭시의 경우 반사율이 flip chip에서 사용하는 95 % 수준에 이르지 못하므로 총 광방출량을 측정하는 본 적분구 측정에서는 광량이 MPSS-LED와 비슷하게 된 것으로 파악된다. 따라서 본 연구에서 추구하는 바를 소자단위에서 패지키 결과로 구형하기 위해서는 고반사막을 형성한 flip chip형태로 공정이 진행되어야만 함을 시사한다.
이 원인은 굴절률 차이에 기인하여 평면상의 기판에서 내부전반사에 의해 갇히게 되는 빛이 micrometer 패턴에서 많이 탈출하여 증가하게 되고 빛의 방출 파장과 비슷한300 nm 크기에서 더욱 증가하기 때문으로 사료된다. 따라서 이러한 계산결과는 서두에서 언급한 반사막을 사용하는 형태의 flip chip에서 매우 유용하게 사용될 수 있을 것이라는 기대를 가질 수 있게 하며 최근 연구나 산업계에서 그 응용이 시작되고 있는 micrometer 단위의 LED를 이용한 액티브패널 디스플레이에도 유용하게 사용할 수 있을 것이다.
다른 가능성으로는 기판 패턴크기에 의해 발생하는 불균질 형상의 크기가 200 nm 미만으로주로 형성되어 관찰하고 있는 시스템의 spatial resolution이내에 들어감으로써 관찰되고 있지 않을 확률이 있다. 만일 후자의 경우라면 좀 더 공간분해능이 우수한 NSOM의 방법으로 이를 관찰해야만 명확하게 발광의 균질성의 이유를 파악할 수 있을 것이라고 사료된다.⁶⁾
본 연구에서 제시한 결과는 기판 패턴의 크기와 형상을 제어하는 것으로 LED시료로부터의 발광의 방출 방향을 조절할 수 있고, 이는 향후 활용 잠재력이 큰 flip chip등의 제조에 매우 유용하게 활용될 수 있을 것으로 사료되어 가치 있는 연구라고 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LED chip의 효율을 포함한 성능이 완숙기에 도달했다고 볼 수 있는 것은 무엇을 통해 알 수 있는가?	질화물 LED를 이용한 산업은 계속해서 발전하고 있으며, 그 적용분야는 우리의 상상범위를 계속해서 넘어 성장하고 있는 추세이다. 2010년에 발표된 초고효율 청색 및 백색 LED의 연구결과에서 이미 외부양자효율이 350 mA 구동 조건에서 85 %에 이르렀을 정도로 LED chip의 효율을 포함한 성능은 완숙기에 도달해 있다고 볼수 있다.1) 최근에 고성능의 LED가 가장 많이 사용되는 응용처 중에서 단연 LCD의 back light unit을 들 수 있겠고, 미래 응용 기술로써는 수십 micrometer 크기의 소자를 빛의 삼원색의 발광원으로 사용하는 액티브 매트릭스 구동방식의 디스플레이가 제안되고 있다.
	LED를 포함한 패키지의 발열 문제에서 구동 전류는 매우 중요한 기술적 사항인 이유는 무엇인가?	그 이유는 더 많은 광량을 얻어내기 위하여 구동 전력이 증가하면서 열의 발생 또한 늘기 때문에 소자에서 발생하는 열을 효과적으로 방출시키기 위해서는 종래의 소자구조로는 한계가 명확하기 때문이다.3) LED를 포함한 패키지의 발열 문제는 소자 및 완제품의 신뢰성에 크게 영향을 주기 때문에 구동 전류는 매우 중요한 기술적 사항이다. 따라서 더 많은 광량을 요구하는 추세에 맞추어 고 전류에서 구동시키기 위한 노력이 기울여지고 있으며, 이러한 흐름에 따라서 고전류를 인가해도 방열에 비교적 자유로운 flip chip이 각광받고 있다.
	액티브 매트릭스 구동방식의 디스플레이의 응용들로는 어떤 형식이 사용되고 있는가?	1) 최근에 고성능의 LED가 가장 많이 사용되는 응용처 중에서 단연 LCD의 back light unit을 들 수 있겠고, 미래 응용 기술로써는 수십 micrometer 크기의 소자를 빛의 삼원색의 발광원으로 사용하는 액티브 매트릭스 구동방식의 디스플레이가 제안되고 있다.2) 이러한 디스플레이로의 응용들은 기존의 LED chip과는 달리 기판으로 사용하는 사파이어를 통해서 빛을 방출하는 flip chip 형식이거나 사파이어 기판을 다양한 방법으로 제거하고 p-type층이 바닥면이 되고 n-type층이 발광 방출면이 되는 형식이 사용되고 있다. 그 이유는 더 많은 광량을 얻어내기 위하여 구동 전력이 증가하면서 열의 발생 또한 늘기 때문에 소자에서 발생하는 열을 효과적으로 방출시키기 위해서는 종래의 소자구조로는 한계가 명확하기 때문이다.

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