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2010年 02月 碩士學位論文

LaserLi f t -Of f공정과 Si O 2 / Zr O 2

기반 분포 브래그 반사막을 이용한 3족 질화물 계열 공명공진기

발광다이오드의 제작과 측정

朝鮮大學校 大學院

光 技 術 工 學 科

金 在 勳

LaserLi f t -Of f공정과 Si O 2 / Zr O 2

기반 분포 브래그 반사막을 이용한 3족 질화물 계열 공명공진기

발광다이오드의 제작과 측정

Fabr i c a t i onandMe as ur e me nt sofⅢ-Ni t r i deba s e dRe s onant Cavi t y Li ght -Emi t t i ng Di ode sus i ng Las e rLi f t -Of fpr oc e s s andSi O

/ Zr O

Di s t r i but e dBr a ggRe f l e c t or

2 0 10 年 02 月 25 日

朝鮮大學校 大學院

光 技 術 工 學 科

金 在 勳

LaserLi f t -Of f공정과 Si O 2 / Zr O 2

기반 분포 브래그 반사막을 이용한 3족 질화물 계열 공명공진기

발광다이오드의 제작과 측정

指導敎授 김 현 수

이 論文을 工學碩士學位申請 論文으로 提出함

2 0 0 9 年 1 2 月

朝鮮大學校 大學院

光 技 術 工 學 科

金 在 勳

金 在 勳의 碩士學位 論文을 認准함

審査委員長 영남대학교 교수 박 시 현 印 審査委員 조선대학교 교수 김 현 수 印 審査委員 조선대학교 교수 안 태 정 印

2 0 09 年 1 2 月

朝鮮大學校 大學院

목 차

ABSTRACT

제1장 서 론 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·1

제2장 이 론 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·6 제1 절 발광다이오드 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·6 제2 절 발광다이오드의 효율 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·1 1 제3 절 레이저 다이오드 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·1 3 제4 절 공명공진기 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·1 6 제5 절 분포 브래그 반사막 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·2 2 제6 절 공명공진기 발광다이오드 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·2 6

제3장 공명공진기형 발광다이오드의 제작 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3 0

제1 절 제작공정 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·3 0 제2 절 De s i gn& Gr o wt hofe pi -l aye r · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·3 2 제3 절 Re f l e c t ors t r uc t ur e · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·3 5 제4 절 Pr oc e s sofLa s e rLi f t -Of f· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·3 8 제5 절 n-GaN e t c hi ng · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·4 1 제6 절 Fa br i c a t e dRC-LED · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·4 2

제4장 제작된 공명공진기형 발광다이오드의 측정 · · · · · · · · · · 4 7

제1 절 측정에 사용한 도구들 설명 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·4 7

제2 절 L-I -V · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·5 1 제3 절 Out putSpe c t r um · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·5 5 제4절 Cavi t yModeMe as ur e me nt s · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·58

제5장 결 론 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·6 0

【참고문헌】 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·6 1

그 림 목 차

<그림.1>발광다이오드의 응용분야 ···2

<그림.2>공명공진기 발광다이오드의 응용 분야 ···5

<그림.3>발광다이오드의 캐리어 분포와 광방출 그림 ···9

<그림.4>에폭시 반구로 보호된 전통적인 발광다이오드의 탈출 콘의 그림···10

<그림.5>레이저 다이오드의 동작 원리 ···15

<그림.6>공명공진기의 기본 구조···17

<그림.7(a)>광학적 모드에서 긴 공진기 ···20

<그림.7(b)>광학적 모드에서 짧은 공진기 ···20

<그림.7(c)>일반적인 발광다이오드 활성영역의 자발적인 방출 스펙트럼 ···20

<그림.8>자발적인 전장 발광(electro-luminescence)현상 ···21

<그림.9>분포 브래그 반사막의 그림 ···23

<그림.10>반사율 99와 90%를 가지는 분포 브래그 반사막 반사도 ···25

<그림.11>방출 스펙트럼 비교 ···27

<그림.12>공명공진기 발광다이오드의 그림 ···29

<그림.13>공명공진기 발광다이오드의 에피 구조도 ···32

<그림.14>공명공진기 발광다이오드 칩 제작 공정 흐름도 ···32

<그림.15>MOCVD 장비와 수직 저항가열식 Chamber원리 ···33

<그림.16>공명공진기 발광다이오드의 에피 구조도 ···34

<그림.17> 반사율 99% 와 94% 를 가지는 분포 브래그 반사막 반사도 ···36

<그림.18> ICP 장비 원리도와 건식 식각 된 홀 현미경 사진 ···37

<그림.19> 웨이퍼 본더의 구조 ···39

<그림.20(a)>Laserlift-Off공정도 ···40

<그림.20(b)>Laserlift-Off공정 사진 ···40

<그림.21>제작된 칩 모양의 공명공진기 다이오드 소자 ···43

<그림.22>제작된 칩의 SEM 사진 ···44

<그림.23>광 절연체 제거 공정 그림 ···46

<그림.24> LED Quick-Tester장비의 구성과 사양 ···48

<그림.25> 분광계 장비와 측정 원리 ···50

<그림.26>350mA 에서 공명공진기 발광다이오드의 광 출력 사진 ···52

<그림.27>주입 전류가 각각 20과 50mA 에서의 발광 사진 ···52

<그림.28>I-V curve ···54

<그림.29>L-Icurve ···54

<그림.30>입력 값 별 출력 스펙트럼 ···56

<그림.31>스펙트럼 비교 ···57

<그림.32>출력 스펙트럼과 칩 반사도 비교 ···59

ABSTRACT

Fabrication and MeasurementsofⅢ-Nitridebased ResonantCavity Light-Emitting DiodesusingLaserLift-OffprocessandSiO2/ZrO2DistributedBragg Reflector

Jae-HoonKim

Advisor:Prof.Hyun-SuKim,Ph.D.

DepartmentofPhotonicEngineering, GraduateSchoolofChosunUniversity

Resonant cavity light emitting diodes (RC-LEDs) have many merits such as circular outputbeam shape,narrow outputline-width and forward directed light output.SoRC-LEDshavelotsofapplicationsin theareawhich needshigh-speed modulation or high coupling efficiency.This research deals with fabrications and measurementsofⅢ-Nitridebased RC-LEDsusing laserlift-off(LLO)processand SiO2/ZrO2distributed bragg reflectors (DBRs).Two differentcavities structures of RC-LEDswerefabricated.Onewasusing metalreflectorsand SiO2-ZrO2DBR for both side mirrors ofcavity and the other using SiO2-ZrO2/SiO2-ZrO2 DBR.The epitaxiallayersweregrown on sapphiresubstrateby organic-metallicvaporphase epitaxy(OMVPE).After0.5-㎛-thickundopedGaN layeranda2.0-㎛-thick n-type GaN layerweregrown,amultiplequantum wells(MQWs)offiveperiodsofa2-

㎚-thick InGaN well and an 7-㎚-thick GaN barrier were grown.The target emission wavelength ofMQWswas460㎚.Then a90-㎚-thick p-typeGaN layer was grown.Thin film ofindium tin oxide (ITO)was deposited on the epitaxial layer forcurrentspreading and the Ni/Ag/Ptmetalreflectors or SiO2/ZrO2DBR layers were deposited on top.DBR Structure was deposited using physicalvapor deposition system.BecauseofSiO2-ZrO2DBR isinsulators,wemadeseveralhole patterns at SiO2-ZrO2 DBR for current injection.We used inductively coupled plasma (ICP) for this holes pattern process. The thick bonding metal (Ti/Au/Sn/Au)wasdepositedovertheentiresample.Then thesamplewasbonded

onto a highly conductive Au-coated Si substrate under high temperature and pressure.To remove the sapphire substrate,LLO technique was employed.After sapphire substrate removal,the GaN surface was treated with a HClsolution to removetheresidualGamaterial.AfterLLO process,aCl2-basedICP wasusedfor etching the n-GaN layer in order to do the formation ofGaN cavity with the resonantcavity length.The mesa etch was performed to separate each device on wafer.The sample sizes are about1000 × 1000 ㎛².A patterned Cr-Au electrode wasdepositedonn-GaN asthen-typecontactlayer.Finally,SiO2/ZrO2DBR layers were deposited on n-GaN and DBRs were etched with smaller size than n-electrodesizeby Cl2-based ICP.Thefabricated GaN-based blueRC-LEDswere measured forthe electricaland opticalcharaterization.The device were performed withmultimodesoperationofmodespacingΔλ=18㎚ andwithFWHM 12㎚.The devicewaswellworking up to0∼500㎃ inputcurrentlevel.Theoutputluminous intensity is350m㏅ at460㎚ peak wavelength under350 ㎃ inputcurrent.From the measurements ofthe reflectance ofRC-LED structure,we verified thatthe reflectanceofcavitystructurecorrespondswithoutputspectrum ofRC-LED.

제1장 서 론

전 세계적으로 수은,할로겐 등의 유해 물질 규제가 본격화되고 있는 상황에서 인체에 무해하며 유해파 방출이 없는 발광다이오드(light-emittingdiodes;LEDs)는 기존의 조명을 대체할 수 있는 가장 유력한 후보로 부상하고 있다.이렇듯 현재 가 장 각광을 받고 있는 발광다이오드 소자는 높은 에너지 효율,고시인성,고속 응답 성과 함께 긴 수명으로 파장의 선택성 등도 뛰어나,청색/녹색 및 백색 발광다이오 드를 필두로 개발되고 있다.또한,백색 발광다이오드의 고출력화와 저가격화가 진 행되어 발광다이오드 시장은 앞으로는 발광다이오드 액정디스플레이(liquid crystal display;LCD)의 백라이트유닛(back lightunit;BLU)보급,나아가서는 백열등과 형광등을 대신하는 차세대 조명,광통신 등의 새로운 분야로의 확대가 기대되고 있 다.이러한 성장을 이끌고 있는 것은 GaN계,AlInGaP계 발광 재료를 이용한 고휘 도 LED이다.LED 소자의 장점으로는 긴 수명,저 전력,내진동성,저 전압 구동 등 LED가 지닌 본질적인 특징과 전구나 할로겐램프를 능가하는 높은 발광효율을 갖춘 제품의 등장으로 인해 다양한 용도에서 널리 사용되고 있다.또한,기존의 발 광체에 비하여 열을 발생시키지 않아 높은 발광효율을 얻을 수 있다는 점에서 각 종 디바이스,휴대전화용 백라이트,자동차용 계측판,교통 신호기 등으로 이용이 확대되고 있는 상황이다.앞으로는 환경 분야와 바이오 분야까지 그 범위가 확대될 것으로 예상된다.[1]그림.1은 발광다이오드의 응용 분야를 나타낸다.

그림.1발광다이오드의 응용분야

공명공진기 발광다이오드(Resonant-cavity light-emitting diodes;RC-LEDs)는 최근에 광통신 응용 분야에 사용되고 있기 때문에 이에 대한 많은 연구가 수행되 고 있다.특히,플라스틱 광섬유(plasticopticalfiber;POF)시스템에 이용되는 650 nm 대역의 광통신용 광원으로 레이저 다이오드(laserdiode;LD),발광다이오드가 있습니다.모두 p-n 접합된 반도체라는 점에서는 차이가 없지만 반도체 레이저가 유도 방출 광인데 반해 발광다이오드는 자연 방출 광이며,따라서 광의 파장과 위 상이 다릅니다.반도체 레이저와 비교할 때 발광다이오드는 출력 선형성이 좋고, 잡음이 적으며,긴 수명,높은 신뢰성,저렴한 가격 등의 이점이 있지만 출력이 작 고,응답속도가 느리며,결합효율이 떨어진다는 단점이 있습니다.따라서 반도체 레 이저와 발광 다이오드의 단점이 보완이 된 공명공진기 발광다이오드가 각광을 받 고 있습니다.이러한 공명공진기 발광다이오드는 표면방출 타입,우수한 결합효율, 빠른 응답속도,우수한 온도특성,긴 수명 등의 장점이 있습니다.그래서 적색 공명 공진기 발광다이오드가 많이 연구되어져 있습니다.또한 가시광 통신(Visual Lighting Communication)기술의 등장으로 새로운 수요 창출 및 개발의 필요성이 높아지고 있다.비록 청색 발광 LD와 LED는 많은 이슈는 아니지만,연구가 점차 GaN 기반의 마이크로 공진기(micro-cavity)구조를 가지는 수직공진기 표면발광 레 이저(vertical-cavity surface-emitting lasers;VCSELs)와 공명공진기 발광다이오 드에 대한 많은 개발로 변해가고 있어서,[2∼5]우수한 소자특성과 표면 발광 구조 가 갖는 여러 가지 장점들로 광통신,광연결 등 다양한 분야의 이상적인 광원으로 널리 알려져 있다.[6]그림.2는 공명공진기 발광다이오드의 응용 분야를 나타낸다.

그래서 이 논문에서 가시광 통신의 새로운 분야로의 확대를 위해서 InGaN 기반 의 청색 공명공진기 발광다이오드(RC-LEDs)를 제작하였다.공명공진기 발광다이 오드 제작 연구에서는 여러 방법들이 사용되어져 왔다.적색 파장에서의 연구가 가 장 활발하고,에피탁시 성장 시 굴절률 차이가 나는 물질을 분포 브래그 반사막 형 태로 만들어서 제작하거나,[7∼10]고반사율을 가지는 금속 혹은 절연체 기반 분포 브래그 반사막을 이용하여 제작을 한다.[2,11]하지만 아직까진 적색에 관한 연구만 많이 이루어졌고,청색과 자외선 영역에서는 연구가 미흡한 상태이다.그래서 우리 연구에서는 청색 InGaN 에피를 기반으로 하여 공명공진기 발광다이오드 제작을 시도하였다.제작과정에서 광 절연막 제거(LaserLift-Off;LLO)방법과 SiO2/ZrO2

기반 분포 브래그 반사막(DistributeBraggReflector),전방향성 반사막(Omni- directionalReflector;ODR)과 홀 저항 접촉(Hallohmiccontact)형태를[12∼13]이 용하여 공명공진기 발광다이오드를 제작하여 보았다.제작된 고반사율을 가지는 금 속 혹은 SiO2/ZrO2기반 분포 브래그 반사막 공명공진기 발광다이오드는 광학현미 경(opticalmicroscope;OM)으로 특성을 조사하였고,전류 주입 조건에서 발광다이 오드 칩 test장비를 이용하여 전류대비 광 출력 세기,전류대비 전압 특성과 방출 스펙트럼 선폭을 조사하였다.우리는 공명공진기 발광다이오드가 일반적인 발광다 이오드보다 나은 광 출력 세기를 나타내서,이것이 두 반사막 사이의 공명공진기에 의해 광 출력 세기가 커졌음을 알 수 있다.또한 공명공진기 발광다이오드의 방출 파장 스펙트럼이 일반적인 발광다이오드보다 더 좁게 나타내서,이는 공명공진기에 서 방출되는 광이 공진기를 형성하여 방출된 파장의 선폭이 좁게 나타남을 알 수 있다.반면에 구동 전압은 일반적인 발광다이오드보다 높게 나타나서 앞으로 풀어 나가야 할 것이다.응용으로 광의 공진에 의한 빛 추출 향상 기술을 기존 발광다이 오드에 적용이 가능 할 것이다.

그림.2공명공진기 발광다이오드의 응용 분야

제 2장 이 론

제1절 발광다이오드 ( Li ght -emi t t i ng di odes;LEDs)

발광다이오드는 발광소자로서,실제적으로 빛이 발생하는 활성 층(active layer) 에 효율적으로 전류가 공급되고,이 때 발생한 빛이 발광다이오드 외부로 효과적으 로 방출하도록 하는 것이다.아래 그림.3는 일반적인 발광다이오드의 전류 공급 흐름도 및 빛의 방출 구조를 나타낸다.반도체에서 빛을 얻기 위해서는 전도대역 (conduction band)에 지속적으로 전자(electron)를 공급하고,가전자대역(valence band)에는 전자가 떨어질 빈자리,즉 정공(hole)을 마련해주어야 한다.이를 위해서 그림.3처럼 p형 반도체에 양의 전압을 걸어주고 정공을 주입하고,n형 반도체에는 음의 전압을 인가하여 전자를 주입하여 준다.이렇게 주입된 전자와 정공은 i층 즉 활성 층에서 광자를 방출한다.발광다이오드 중 특히 GaN로 대표되는 Ⅲ-Ⅴ 질화 물은 GaN를 포함하여 AlN나 InN와 같은 이원계 질화물간의 조성에 따라 1.9eV (InN)∼ 6.2eV (AlN)까지 directband gap을 가지는 반도체를 형성할 수 있어, 자외선 영역부터 청색을 포함한 가시광선 전영역의 빛의 발생 및 감지할 수 있는 발광 및 수광 소자 제작에 사용될 수 있는 유용한 물질로 인정받고 있다.GaN 를 이용한 청색 발광소자는 기존에 개발된 적색 및 녹색 파장의 발광소자와 더불어 가시광선의 전 영역을 나타낼 수 있으므로 총천연색 디스플레이(fullcolordisplay) 를 실현할 수 있기 때문에,대형광고판,자동차를 비롯한 다양한 전자기기의 영상 단말기와 액정디스플레이,백라이트유닛 등에 크게 활용될 수 있으므로 이들 분야 의 소자 및 부품의 개발에 큰 기여를 할 것이다.

현재 발광다이오드는 다양한 방면에 응용되고 있다.계기표시장치로서의 발광다 이오드를 벗어나 본격적인 조명장치로서 발광다이오드가 부각되기 시작한 것은 1993년 일본의 Nichia사의 GaN-계 청색 발광다이오드 개발을 바탕으로,2000년을

전후해 적색,청색,녹색 및 백색 발광다이오드의 효율과 출력이 빠른 속도로 증가 하고 부터이다.오늘날 발광다이오드 광원은 에너지 절감 및 친환경적인 광원으로 자리 잡아가면서 연간 5조 달러의 전력비를 5분의 1로 절감할 수 있는 새로운 대 체 광원으로 각광받고 있다.현재 이를 실용화하기 위해 일본의 Nichia,독일의 Osram,한국의 삼성전기 등에서 고효율 고출력 광원용 개발을 위하여 다양한 신기 술을 개발하고 있다.[14]

만들어지는 대부분의 발광다이오드는 기판 위에 평면 사각형 구조로 반구 형태 의 에폭시에 덮여있는 단순한 다자인이 적용되었다.이러한 디자인은 내부 양자효 율보다 매우 낮은 외부 추출효율(ηopt≈4%)의 결과를 나타내었다.낮은 외부 추출 효율로 인해 작은 크기와 장시간의 수명을 장점으로 하는 표시등과 소형 숫자 표 시등의 응용으로 다른 광원들과 경쟁하였었다.이러한 광 응용제품들은 고효율 고 출력의 발광다이오드를 요구한다.

광 추출의 어려움은 물리적으로 반도체와 주변 물질과의 큰 굴절률 차이에 있다.

그 결과로 칩 안의 발광된 대부분의 빛은 반도체 쪽으로 다시 반사가 된다.고휘도 발광다이오드는 광이 쉽게 빠져나갈 수 있는 형태로 디자인이 된다.발광다이오드 의 발광층에서 발광된 빛은 칩 내부를 통과해 주변으로 빠져간다.빛은 기판,반도 체층,접합층 그리고 에폭시 몰딩의 각 흡수 층을 지나면서 줄어든다.흡수가 있는 기판위에 성장되고 에폭시로 보호된 평면 사각 발광 구조(an absorbing-substrate LED;ASLED)를 고려하자.반도체 구조의 각층의 굴절률은 일반적으로 매우 비슷 하여,각층에 대해 하나의 평균 값 _를 사용할 수 있다.에폭시 반구의 굴절률은

_이다.일반적인 발광다이오드의 구조와 빛의 경로를 그림.4에서 나타내었다.발 광층의 한 점에서 만들어진 빛은 단지 2_ 각도의 원뿔 이내의 진행방향을 가질 때 에폭시 반구 속으로 진행할 수 있다.임계각 _는 스넬의 법칙(Snell'slaw)에 의해 주어진다.

__ _   ^{ }



_



탈출 콘(escapecone)내에서 진행하는 빛의 일부는 반도체와 에폭시의 경계에서 반사된다.반구 내로 탈출한 빛의 일부는 에폭시와 공기의 경계에서 반사가 일어난 다.각도   _의 탈출 콘 밖으로 진행하여 반도체의 표면에 입사하는 빛은 모두 내부 반사를 일으킨다.그림.4에 나타난 구조에서 대부분의 빛은 기판과 전극의 흡수에 의해 공기 중으로 빠져나가지 못한다.[15]

그림.3발광다이오드의 캐리어 분포와 광 방출 그림

그림.4에폭시 반구로 보호된 전통적인 발광다이오드의 탈출 콘의 그림

제2절 발광다이오드의 효율

이상적인 발광다이오드의 활성영역은 모든 주입된 전자에 대해 하나의 광자가 발광한다.각 전하 양자-입자(전자)는 하나의 빛 양자-입자(광자)를 생성한다.따라 서 발광다이오드의 이상적인 활성 영역은 1의 양자 효율을 갖는다.내부 양자 효율 (internalquantum efficiency)은

_

초당 발광다이오드로 주입되는 전자의 수 초당 활성영역에서 발광하는 광자의 수

 

_ 

(식.2) 로 정의되고 _는 활성영역으로부터 발광한 광 출력이고,는 주입 전류이다.

활성영역에 의해 방출된 광자는 발광다이오드 틀(die)로부터 탈출할 것이다.이상 적인 발광다이오드에서,활성영역으로부터 방출된 모든 광자는 또한 자유공간으로 방출된다. 이와 같이 발광다이오드는 1의 추출 효율을 갖는다.하지만,실제 발광 다이오드에서,활성영역으로부터 방출된 출력의 전부가 자유 공간으로 탈출하는 것 은 아니다.어떤 광자들은 아마도 결코 반도체 틀(die)을 떠나지 못할 것이다.이것 은 몇 개의 가능성 있는 손실 메커니즘 때문이다.예를 들면,활성영역에 의해 방 출된 빛은 발광다이오드의 기판에서 재흡수가 일어날 수 있고 기판은 방출 파장에 서 흡수가 있다고 가정한다.빛은 금속 접촉(metalliccontact)면에 입사될 것이고, 금속에 의해 흡수될 것이다.게다가,광 포획 현상(trapped lightphenomenon)으로 언급되는 내부전반사(totalinternalreflection)는 반도체로부터 빛이 달아날 확률을 감소시킨다.광 추출 효율(lightextractionefficiency)은

   

초당 활성영역으로부터 발광된 광자의 수 초당 자유공간으로 방출되는 광자의 수

 



(식.3) 로 정의되고  는 자유 공간으로 방출되는 광 출력이다.

추출 효율은 고 효율 발광다이오드에 심한 제한이 될 수 있다.고정밀과 값 비싼 소자 공정에 호소하지 않고서는 추출 효율을 50% 이상 증가시키는 것은 어렵다.

외부 양자 효율(externalquantum efficiency)은

_{  }

       

        

 



 _   

(식.4)

로 정의된다.

외부 양자 효율은 유용한 빛의 입자의 수대 주입된 전하 입자의 수의 비율을 제 시한다.

출력 효율(powerefficiency)은

_{ }  

 (식.5)

로 정의되고, 는 발광다이오드에 제공된 전기적 출력이다.약식으로(informally), 출력효율은 또한 콘센트 효율(wall-plugefficiency)라고 불린다.[16]

제3절 레이저 다이오드 ( Laserdi ode)

레이저 다이오드(laserdiode;LD)란 말 그대로 다이오드 구조에서 레이저가 나 오는 것을 말한다.다이오드 는 또한 반도체 소자의 일종이므로 레이저 다이오드를 반도체 다이오드(semiconductorlaser)라고 부르기도 한다.레이저 다이오드에 사용 되는 반도체는 주기율표상에서 Si,Ge같은 Ⅳ 족 원소의 왼쪽 오른쪽 원소들인 Ⅲ 족-Ⅴ족 화합물로 보통 만든다.가장 유명한 경우는 GaAs,InP등이 있다.또한 같 은 다이오드 구조는 광검출기(Photo-detector)라고 불리는 광다이오드(Photo-diode; PD)를 만드는데도 쓰인다.레이저 다이오드는 전류를 빛으로 바꾸어주는 광원으로 광다이오드는 빛을 전류로 바꾸어주는 반도체 소자로서 광소자 응용 분야에 있어 가장 많이 쓰는 소자들이다.

레이저 다이오드의 장점들을 나열하면 다음과 같이 표 1.에서,주요한 응용 범위 를 정리해 보면 표 2.와 같이 나타난다.

표.1레이저 다이오드의 여러 가지 장점

장점 설명

소형 -에지 에미터 :길이 수 100㎜ 정도,폭 5㎜ 정도

-수직 공진 표면광 레이저 :길이 10㎜ 정도,지름 20㎜ 정도 저 가격 -CD,포인터,장난감용 레이저 :생산가 1$ 미만

고효율 -20% ∼ 30% 정도

-대부분의 고체 레이저/기체 레이저에 비해 10이상 큰 정도 긴 수명 -보통 수 10,000시간 ∼ 1000,000시간 이상

표.2레이저 다이오드의 주 응용 분야 구분 레이저 다이오드의 주 응용 분야

1 광 저장 매체 (CD,DVD) 2 광통신

3 고체 레이저 광펌핑용 4 의료

5 이미지 기록용(레이저 프린터)

6 오락,표시소자 검사,바코드 스캐너 등 일반 가전제품 7 정밀 측정 등

레이저 다이오드는 말 그대로 반도체 다이오드가 레이저 빛을 내는 소자이다.

그림.5의 왼쪽에는 전류 주입 부와 광 출력부가 표시 되어 있다.전류 주입 부는 그림.5 의 오른쪽에 나온 것처럼 PIN 다이오드에 순방향 전압을 걸어 줌으로써 진성 영역에 전자와 정공을 공급하게 된다.전자와 정공이 진성 영역에서 모여 잇 게 됨으로 해서 서로 결합하여 밴드 갭 에너지 차이에 해당하는 만큼의 광자 (photon)를 발생하게 된다.전자와 정공이 결합한다는 것은 다른 말로하면 전자가 정공에 해당되는 비어있는 에너지 상태로 천이한다는 것을 의미하며 그 에너지 차 이에 해당하는 빛을 내뿜게 된다.레이저 다이오드의 광 출력 부위는 반사경으로 이루어져 있고 반사경은 레이저 공진기를 구성하는 주요소 이다.진성 영역에서 발 생하는 빛의 반사경 사이를 왕복 진행하면서 광 증폭이 되고 그 일부를 반사경 밖 으로 출력하는 것이다.따라서 반사경은 100% 반사율 보다는 작게 되고 투과율은 0% 이상이어야 한다.

그림.5레이저 다이오드의 동작 원리

제4절 공명공진기 ( ResonantCavi t y)

공명공진기의 기본 구조는 그림.6으로 나타나 있고,반사도 R1과 R2를 가지 는 두 거울을 포함하고 있다.하나의 거울을 통하여 공진하는 빛이 현저하게 나올 수 있도록 두 거울의 반사 도는 같지 않도록 선택되어진다.빛이 나오는 거울을 light-exitmirror라고 부른다.활성 영역은 공진기의 정상 광학파의 파복 위치 보 다 나은 두 거울 사이에 위치되어졌다.즉 진폭은 거울들의 위치에서 0이다.또한 공진기 길이 Lcav는 λ/2와 같다.

그림.6공명공진기의 기본 구조

우리는 공명공진기 구조에서 자발적인 방출 향상을 최대치로 만드는 몇 가지 디 자인 방법을 요약하여본다.[Schubertetal.,1994,1996;Huntetal.,1995a,1995b]

공명공진기에 대한 첫 번째 디자인 기준은 빛이 나가는 반사막(R1)의 반사도가 아 래 쪽 반사막(R2)의 반사도 보다 낮아야 한다.

_≪ _ (식.6) 이 조건은 장치에서 반사도 R1을 가지는 반사막을 통하여 주로 빛이 나간다는 것 을 보증 할 수 있다.

두 번째 디자인 기준은 가장 짧게 할 수 있는 공진기 길이 Lcav를 요구한다.이 기준을 얻기 위하여,집적된 향상은 공진기 성능 계수 Q 와 공진기 finesseF 에 대한 식을 사용하여 다시 쓸 수 있다.

_{ } 

 

 



 _

^_{  }

∆_

 _

_



_

(식.7) 여기서 _ 와  는 각각 공진기 내부와 진공에서 활성 영역 방출 파장들이다.방 출 파장  와 활성 매체의 자연적 선폭이 ∆_ 이므로,(식 7)은 공진기 길이 Lcav

가 최소일 때 최대의 집적된 세기를 가진다.짧은 공진기 길이의 중요성은 그림.7 에 의해 설명된다.그림.7(a)와 (b)는 짧고 긴 공진기라 불리는 두 개의 다른 광 학적 모드 밀도를 보여준다.두 공진기는 같은 거울 반사도와 finesse을 가지고 있 다.활성 영역의 자연적 방출 스펙트럼은 그림.7(c)에서 보여준다.공진기 광학적 모드와 활성 영역 방출 스펙트럼 사이에서 최고의 겹침은 짧은 공진기에서 얻어진 다.그래서 가장 큰 향상은 가장 짧은 공진기로 이루어졌다.만약 기본적인 공진기 모드가 활성 매질로부터 방출하는 공진기 안에서 얻어진다면,공진기 길이는 짧은 침투 깊이를 가지는 분포 브래그 반사막(DistributeBraggreflector)을 사용하여 줄 일 수 있다.여기서,분포 브래그 반사막은 굴절률 차이가 크게 나는 두 물질로 이 루어져 있다.

세 번째 디자인 기준은 활성 영역에서 자기 흡수의 최소화이다.공진기 모드 안 에서 활성 영역으로부터 방출된 광자의 재흡수 확률은 반사막 하나를 통과하는 광 자의 탈출 확률보다 더 작을 것이다._≈  이라면,

_{ }   _ (식.8)

세 번째 기준은 (식 8)처럼 쓸 수 있다.여기서  와 _{} 는 각각 흡수 계수와 활성 영역 두께이다.(식 8)의 기준에 만족하지 않는다면,광자들은 필시 활성 영역 에 의해 재흡수 되어서 공명 공진기의 방출 세기는 향상된 것보다 낮게 나온다.따 라서 이 기준을 만족한다면,공명공진기 발광다이오드(RC-LED)와 수직공진 표면 발광 레이저 다이오드(VCSEL)를 그림.8에서 비교 해 볼 수 있다.비교해 보면, 공명공진기 발광다이오드와 수직공진 표면발광 레이저 다이오드는 2㎃의 입력 전 류에 의해 구동되고,방출 세기는 공명공진기 발광다이오드가 수직공진 표면발광 레이저 다이오드 보다 더 큰 세기를 가진다.따라서 수직공진 표면발광 레이저 다 이오드에서 자발적인 방출 세기는 낮고,레이저 빔 장치가 되기 위해서는 세기가 낮아야만 한다.반면에,수직공진 표면발광 레이저 다이오드의 방출 스펙트럼 선폭 은 공명공진기 발광다이오드보다 더 좁다.이는 높은 값의 _과 _을 가지고 있어 서 고순수 스펙트럼을 가진다.[17]

*Light-EmittingDiodes,E.FredSchubert,Ch.15,Fig.15-2

그림.7광학적 모드에서 (a)긴 공진기,(b)짧은 공진기 와 (c)일반적인 발광다이오드 활성 영역의 자발적인 방출 스펙트럼

*Light-Emitting Diodes,E.FredSchubert,Ch.15,Fig.15-3

그림.8자발적인 전장 발광(electro-luminescence)현상

제5절 분포 브래그 반사막

( Di st r i but edBr agg Ref l ect or ;DBR)

반도체 레이저에서 활성영역의 양쪽 끝단에 회절격자를 넣음으로써 쪼개진 단면 반사를 대체하도록 만들어진 소자이다.분포 피드백 레이저(Distributed feedback laser;DFB)와 비슷한 구조로 만들어지고 비슷한 동작을 보이나 피드백을 주는 회 절격자가 이득 영역에서 제거된 구조의 소자이다.이득을 주는 활성 영역의 양쪽 회절격자 부분에는 광의 증폭은 일어나지 않고 특정 파장을 반사하는 작용만 한다.

이렇게 광 이득이 일어나는 활성 층과 반사가 일어나는 회절격자를 공간적으로 분 리함으로써 이들을 따로 조절할 수 있는 장점이 있다.

분포 브래그 반사막의 동작원리는 격자에 의해 생성되는 반사파 중 격자의 주기 와 위상 정합 조건을 만족하는 파장을 선택적으로 반사시켜 동작 된다.그러므로 격자구조의 파장 선택 반사기를 구성하는데 있어서 핵심적인 요소는 격자 주기를 제어하는 것과 각 격자에서 발생하는 광파의 반사를 일정하게 만드는 것이다.전류 를 주입하여 위상을 바꾸어 주는 영역을 두는 방식 등으로 파장가변 레이저도 만 들 수 있다.다음 그림.9는 회절격자와 굴절률 차이를 이용한 분포 브래그 반사막 을 나타내고 있다.

그림.9분포 브래그 반사막의 그림

이런 분포 브래그 반사막을 제작하기 위해 필요한 회절격자 제조 공정에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.첫 번째는 기판이나 광도파로에 직접 전자빔 (e-beam)을 주입해서 회절격자를 형성하는 방법이다.매우 주기가 정밀한 회절격 자를 생성 할 수 있지만 이러한 공정으로 제작하기 위한 장비의 비용이 매우 고가 이고,대량생산에 적합하지 않고 공정과정 중 진동에 취약하다는 단점이 있다.두 번째는 위상 마스크(PhaseMask)를 이용하는 방법이다.이 방법은 회절격자가 형 성된 위상 마스크에 자외선을 조사해서 마스크에 형성된 회절격자에 의해 발생하 는 간섭패턴으로 회절격자를 생성하는 방법이다.대량생산에 매우 적합한 방법이지 만,회절격자 주기를 변화시킬 때마다 위상 마스크를 바꾸어야 하고,위상 마스크 의 가격도 매우 고가이기 때문에 다양한 주기의 회절격자를 형성하는데 부적합하 다.세 번째는 로이드 간섭계(Lloyd interferometer)등을 이용하여 빛의 간섭특성 을 이용해서 회절격자를 형성하는 방법이다.간단한 광학계를 이용해서 생성 가능 하고 대량생산에도 적합하지만 제작 시 진동에 매우 취약하고 공정조건이 무척 까 다롭다는 단점이 있다.

이러한 이유로 이 번 실험에서는 굴절율의 차이가 많이 나는 두 물질을 _ ∙  의 두께로 번갈아 쌓아서 분포 브래그 반사막을 만들었다.이 방법으로는 전자빔으 로 연속해서 증착 시키는 방법과 기판에 에피 성장 할 때 굴절률이 다른 물질을 함께 금속유기물증착(MetalOrganicChemicalVaporDeposition;MOCVD)장치로 성장 시키는 방법 등이 있다.

이번 실험에서 우리는 굴절률의 차이가 나는 두 물질을 전자빔을 이용하여 번갈 아 코팅하는 방법으로 분포 브래그 반사막을 제작하였다.두 물질의 굴절률은 각각 1.46과 2.07을 가지는 SiO2과 ZrO2을 사용하였다.다음 그림.10은 MathCAD 를 이용하여 반사율 99와 90%를 가지는 분포 브래그 반사막의 반사 도를 시뮬레 이션한 데이터를 나타내고 있다.시뮬레이션에서 두 물질의 증착 순서는 저-굴절률 을 가지는 SiO2 을 먼저 증착시키고,고-굴절률인 ZrO2을 증착시키는 순서로 하였 다.

그림.10반사율 99와 90%를 가지는 분포 브래그 반사막 반사도.

MathCAD 을 이용하여 4와 10pair로 시뮬레이션을 하였다.

제6절 공명공진기 발광다이오드 ( Resonant -cavi t y LED)

공명공진기 발광다이오드(RC-LED)는 화합물반도체를 이용하고,발광 영역의 내 부에서 광학적 공진기를 가지는 발광다이오드 이다.광학적 공진기는 발광다이오드 에서 발광하는 빛의 파장에 비해서 일반적으로 1/2또는 1배의 두께를 가진다.즉, 적외선 또는 가시광선 영역에서 발광하는 장치에 대해서 1 ㎛ 파장의 한 부분에 속하게 된다.공진기의 공명 파장은 발광다이오드의 빛이 발생하는 활성 영역에서 방출하는 방출 파장의 공명과 일치한다.따라서 공진기는 resonantcavity(공명공진 기)이다.공명공진기 안에 내포된 발광 영역으로부터 자발적인 광 방출 특성은 공 명공진기 효과에 의해서 향상되어진다.공명공진기 발광다이오드는 micro-cavity 에서 발생하는 자발적인 방출 향상을 사용한 첫 번째 실제적인 장치이다.

공명공진기 내부 활동 영역의 위치는 장치 특성들의 다양한 향상을 초래시킨다.

첫째로,공진기의 축을 따라 공명공진기 발광다이오드로부터 방출된 빛의 세기(반 도체 표면에서 수직 상태로 방출되는 빛)는 일반적인 발광다이오드와 비교하여 높 다.대체로 2∼10배 향상되어지게 보인다.두 번째,공명공진기 발광다이오드의 방 출 스펙트럼은 일반적인 발광다이오드와 비교해서 higherspectralpurity(순도 높 은 스펙트럼)를 가진다.일반적인 발광다이오드에서 스펙트럼의 방출 선폭은 열적 에너지 kT로 정의하는 반면에 공명공진기 발광다이오드에서는 방출 선폭이 광학적 공진기의 특성 요인(Q factor)으로 정의된다.그 결과로써,공명공진기 발광다이오 드의 스펙트럼 방출 폭은 일반적인 발광다이오드와 비교하여 2∼5배 더 좁게 나 타난다.같은 이유로,온도에 의한 파장 변이는 광학적 공진기의 온도 계수에 의해 정의되어지지만 활성 물질의 에너지 차이에 의해서는 정의 되지 않는다.이 결과로 일반적인 발광다이오드와 비교하여 상당히 높은 온도에서 공명공진기 발광다이오 드의 방출 파장이 더 안정함을 나타낸다.셋째로,공명공진기 발광다이오드의 far-field 패턴이 일반적인 발광다이오드 보다 더 유도되어져서 방출한다.일반적인 발광다이오드는 방출 무늬가 lambertian (코사인 함수처럼)형태이고,공명공진기 발광다이오드는 광학적 공진기 축을 따라서 무늬가 유도되어진다.또한 그림.11에 서처럼 방출된 파장 스펙트럼의 선폭이 일반적인 발광다이오드보다 더 좁게 나타 난다.

*Light-EmittingDiodes,E.FredSchubert,Ch.15,Fig.15-6

그림.11방출 스펙트럼 비교.

(930㎚ 에서 방출하는 GaInAsRCLED 와 870㎚ 에서 방출하는 GaAsLED)

이 공명공진기 발광다이오드의 특성들은 지역 내,중간 전송률 광학적 통신 시스 템에 바람직하다.발광다이오드는 지역 내(< 5㎞)중간 전송률(< 1Gbit/s)에 속 하는 광학적 통신망에서 중요한 역할을 한다. 특히, 플라스틱 광섬유(Plastic OpticalFiber;POF)는 짧은 거리를 넘어서는 장거리 광통신에 점점 사용되어진다.

공명공진기 발광다이오드에 의해 공급된 높은 방출 세기와 유도된 방출 패턴은 광 섬유 내부에서 연결되는 광세기를 증가시킨다.그 결과,공명공진기 발광다이오드 는 긴 거리를 넘어서서 데이터를 전송 시킬 수 있다.

발광다이오드는 5㎞ 보다 적은 거리를 뛰어넘는 중간 전송률 광통신에 대해서 최상의 송신기 장치이다.레이저와 비교하여,발광다이오드는 덜 비싸고,더 신뢰성 있고,덜 온도에 민감하다.공명공진기 발광다이오드는 발광다이오드의 타고난 이 점이 지속되는 동안에도 일반적인 발광다이오드와 비교하여 특성들이 개선되어졌 다.그 특성들은 일반적인 발광다이오드에 비하여서는 고속의 동작이 가능하며,기 존의 edge-emitting에 비하여 저가의 특성을 갖고 있고,비교적 안정된 고온 특성 과 긴 수명 등의 장점을 가지고 있어 플라스틱 광섬유(POF)통신용 광원으로 공명 공진기 발광다이오드의 응용 가능성이 높은 상황이다.또한 공진기의 구조를 발광 다이오드에 응용하여 광 추출 효율을 향상 시킬 수 있을 것이다.

공명공진 발광다이오드는 GaAs 물질 기반으로 장-파장(900 ㎚)영역에서 제일 먼저 개발 되어졌고,현재에는 GaN 기반의 단-파장(400∼ 500㎚)에서 전기 펌핑 이 되도록 개발이 진행 중이다.다음 그림.12에서 보이는 것 같이 공명공진기 구 조를 만들기 위한 두 방법이 있다.에피 물질을 이용하여 분포 브래그 반사막을 만 들거나,굴절률 차이를 이용해서 물질을 코팅시키는 방법으로 반사막을 만들고 있 다.최근에는 광학적 펌핑에서 전기적 펌핑이 가능하도록 기술이 발전 되어가고 있 다.

＊ NDSL,글로벌동향브리핑,최초의 전기펌핑 GaN VCSEL

그림.12공명공진기 발광다이오드의 그림

제3장 Si O

/ Zr O

기반 분포 브래그 반사막을 이용 한 공명공진기 발광다이오드의 제작

제1절 제작공정

이번 공명공진기 발광다이오드 소자 제작에서는 Laserlift-off(LLO)방법을 이용 하였고,고반사율을 가지는 금속 반사막과 SiO2/ZrO2 기반 분포 브래그 반사막 (DistributedBragg Reflectors;DBRs)을 사용하여 두 종류의 공명공진기 발광다이 오드를 제작하였다.첫 번째 실험은 p-GaN 위에 고반사율 금속 반사막(R≈94%) 을,n-GaN 위에 저반사율 SiO2/ZrO2기반 분포 브래그 반사막(R≈90%)을 증착하 였고,두 번째 실험은 p-GaN 위에 고반사율 SiO2/ZrO2기반 분포 브래그 반사막 (R≈99%)을,n-GaN 위에 저반사율 SiO2/ZrO2기반 분포 브래그 반사막(R≈90%) 을 증착하여 제작하였다.여기서 SiO2/ZrO2기반 분포 브래그 반사막은 두 물질이 절연체 성질을 가지고 있어서,SiO2/ZrO2기반 분포 브래그 반사막에 지름 10㎛

을 가지는 5× 5으로 배열시킨 홀을 만들어서 전류가 흐를 수 있도록 설계하였 다.[12]홀을 만드는 방법으로는 습식과 건식 식각,포토레지스트 리프트 오프 방식 (PR lift-off)이 있는데,이번 실험에서는 유도 결합 플라즈마(Inductively coupled plasma;ICP)장비를 이용하여 건식 식각으로 홀을 만들었다.

사파이어 기판에 성장된 InGaN 기반 에피를 공명공진기 발광다이오드로 제작하 기 위하여 공정의 흐름을 알 수 있도록 공정 흐름도를 만들었다.그림.14는 공명 공진기 발광다이오드 칩 제작 공정 흐름도 이다.

그림.14공명공진기 발광다이오드 칩 제작 공정 흐름도

제2절 Desi gn & Gr owt h ofepi -l ayer

실험에 사용된 청색(460㎚)InGaN 기반 발광다이오드는 (0001)방향의 2인치 사파이어 기판 위에 유기금속화학증착(MetalOrganicChemicalVaporDeposition;

MOCVD)방법에 의해 성장되었다.V 사의 수직형 저항가열식 chamber를 사용하 였다.그림.15는 MOCVD 장비와 수직형 저항가열식 chamber원리를 보여준다.

화합물 반도체 결정을 에피택시얼 성장(epitaxialgrowth)시키는데 처음에 25㎚

두께의 저온 성장으로 GaN-버퍼 층을 성장 시킨 후,1.0 ㎛ 두께의 un-doped GaN 층,2.0 ㎛ 두께의 n-typed GaN 층,20 ㎚ 두께의 초격자(super-lattices; SLs)층,50㎚ 두께의 다중양자우물 (multiquantum wells;MQWs)층의 성장으 로 이루어졌다.여기서 초격자 층은 InGaN과 GaN이 5쌍으로 이루어 졌으며 다중 양자우물 층을 이루는 GaN과 InGaN 사이의 스트레스를 감소시켜서 휘도 향상을 높이려는 의도로 성장 되었고,다중양자우물은 5쌍의 2.6㎚ 두께의 InGaN 우물 (well)과 6.5㎚ 두께의 GaN 장벽(barrier)로 구성되었다.다중양자우물 위에 공명 공진기 구조를 제작하기 위해 디자인한 100nm 두께의 p-typeGaN 층을 성장하 고,마지막으로 에피 층 위에 증착되어지는 indium tin oxide(ITO)과 오믹 접합 (ohmiccontact)특성을 향상시키기 위해 2㎚ 두께의 n-typeInGaN 층을 성장시 킨다.그림.16은 에피 층의 구조도 이다.

그림.15MOCVD 장비와 수직 저항가열식 Chamber원리 (V사 제품)

그림.16공명공진기 발광다이오드의 에피 구조도

제3절 Ref l ect orst r uct ur e

유기금속화학증착(MOCVD)방법에 의한 에피택시얼 성장이 끝난 후,공명공진 기 발광다이오드 소자의 제작을 위해서 ITO을 전류퍼짐(currentspreading)과 투명 전극(transparentcontact)의 용도로 n-typeInGaN 층 위에 sputter장비를 이용하 여 가스는 Ar과 O2를 각각 200과 9sccm,전류는 1A 흘려주고 30㎜/s속도 로 왕복하여 100 ㎚ 두께로 증착시켰다.ITO 가 증착된 소자는 오믹 접합(ohmic contact)형성을 위하여,빠른 열처리 공정(Rapid ThermalAnnealing;RTA)장비 에서 N2:O2=1:1합성가스 분위기속에서 1분간 650℃로 열처리하였다.

이번 실험에서,첫 번째는 고반사율의 금속 반사막/DBRs,두 번째는 DBRs/ DBRs 구조로 두 가지의 공명공진기 발광다이오드를 제작하였다.ITO 가 증착된 소자 위에 고반사율의 금속 반사막(R≈94%)과 고반사율의 SiO2/ZrO2기반 분포 브 래그 반사막(R≈99%)을 증착 시킨다.고반사율의 금속 반사막은 Electron-beam 증착 장비로 챔버 진공도 3.0x10^-7상태에서 Ni/Ag/Pt순으로 증착하였고,DBRs 은 물리적 진공 증착 장비로 챔버 진공도 1.7x10^-5 상태에서 각각 78.504 와 55.326㎚ 두께로 SiO2/ZrO2순으로 11쌍 증착되었다.그림.17은 실제 증착된 고 반사율의 금속 반사막과 SiO2/ZrO2기반 분포 브래그 반사막의 반사도 데이터이다.

여기서 DBRs은 높은 굴절률과 낮은 굴절률을 가진 두 가지의 물질을 번갈아 증 착 시켜서,특정 파장에 대한 고반사율의 특성을 보이는 구조를 말한다.

SiO2/ZrO2이 절연체의 물질이므로,전류 흐름을 원활하게 하기위하여 SiO2/ZrO2

DBRs에 홀을 만들어 주는 설계를 했다.홀의 설계는 반지름이 10㎛ 이고,홀 간 배열은 5×5로 하였다.DBRs층 위에 포토레지스트(photoresist;PR)와 포토얼라 이너(photo-aligner)KarSuss 장비를 이용하여 홀을 PR 패턴하고 건식 식각으로 홀을 만들어 준다.건식 식각의 장비 중에서 OXFORD 사의 유도결합플라즈마 (ICP)장비를 이용하였다.유도결합플라즈마(ICP)에서 Gas는 SF4:35,O2:5, He:20sccm 과 RF power는 130W,압력은 10mTorr로 5분간 3번의 식각 공정으로 진행 시켰다.그림.18은 ICP 장비 원리도와 SiO2/ZrO2DBRs의 식각된 홀 모양 현미경 사진이다.

그림.17반사율 99% 와 94% 를 가지는 분포 브래그 반사막 반사도.

UV-VIS-NIR Spectrometer(model:Cary500Scan)를 사용하여 측정한 SiO2/ZrO2

기반 분포 브래그 반사막과 금속 반사막은 가시 광 영역에서 92.8% 와 98.8% 의 반사율을 보인다.

＊ OXFORD 사의 ICP 장비 원리도

(a)홀 현미경 [배율 ×10]사진 (b)홀 현미경 [배율 ×20]사진

그림.18ICP 장비 원리도와 건식 식각 된 홀 현미경 사진

제4절 Pr ocessofLaserLi f t -Of f

공명공진기 발광다이오드는 공진기 구조의 양쪽에 반사막이 형성되어야 합니다.

그러기 위해선 수직형 구조로 제작하여야 하기 때문에 웨이퍼 본딩과 광 절연막 제거 기술이 반드시 필요합니다.금속 반사막이 증착된 소자와 홀 제작까지 진행된 SiO2/ZrO2DBRs소자는 웨이퍼 본딩을 위하여 장벽(barrier)과 본딩(bonding)금속 물질들을 Electron-beam 증착 장비로 증착시켰다.장비의 챔버 진공도 3.0x10^-7 상태에서 Ti/Ni/Au/Sn/Au 순으로 약 ∼ 2.5㎛ 두께로 증착하였다.수직형 구조 로 제작하기 위해서 전도성 실리콘 기판을 웨이퍼 본딩하기 위해서 실리콘 기판 위에 Electron-beam 증착 장비로 Ti/Au를 ∼ 1㎛ 로 증착 시킨다.본딩 금속이 증착된 소자와 Ti/Au가 증착된 전도성 실리콘 기판을 웨이퍼 본딩 장비에서 20분 동안 고압(4kg/cm²)과 고온(300℃)으로 웨이퍼 본딩을 시켰다.다음 그림.19는 웨이퍼 본더의 구조를 나타내고 있다.

InGaN-LED 가 성장된 사파이어 기판과 전도성 실리콘 기판이 본딩된 본딩기판 을 광 절연막 제거(LaserLift-Off;LLO)방법을 이용하여 사파이어 기판과 GaN 층을 분리시켰다.LLO 공정 방법은 248㎚ 파장의 크립톤플루오르 엑시머 레이저 (KrF eximerlaser)을 이용하여 800∼ 850mJ/㎠ 세기의 파워로 사파이어 기판에 서는 투과하고 GaN 층에서는 흡수되어서,기판과 GaN 층의 경계면에서 열이 발생 하여 분리시켰다.이 때,경계면에 남아있는 Ga 잔여물은 묽은 염산 (HCl:H2O = 1:1)용액에 2분간 세정시켜서 제거하였다.LLO 공정이 끝난 소자는 전도성 실리 콘 기판이 p-contact전극 기판이 되고,n-typedGaN 층이 위로 향하는 수직형 소 자가 된다.그림.20은 Laserlift-off방법으로 분리시킨 소자 공정 사진이다.

그림.19웨이퍼 본더의 구조

(a)

(b)

그림.20Laserlift-Off공정 (a)그림과 (b)프로세스 사진

제5절 n-GaN et chi ng

다음 공정은 n-typedGaN 층의 두께를 공진기(cavity)두께로 제작하였다.공진 기 두께를 90 ㎚ 의 홀수 배 만큼 남기기 위하여 유도결합플라즈마(ICP)장비를 이용하였다.un-dopedGaN 층이 1.0㎛,n-typedGaN 층이 2.0㎛ 두께를 가지고 있으므로 최소 ∼ 2㎛ 이상의 식각을 진행 시켰다.un-dopedGaN 층은 PlusTek ICP 장비로 Gas는 BCl3:40,Cl2:80,He:10sccm,Power는 ICP :800,RF : 250W,압력은 3mTorr로 400초 동안 진행하면 약 ∼ 2㎛ 의 식각이 발생되었 다.2㎛ 가 식각되고 남은 n-typedGaN 층은 OXFORD ICP 장비로 Gas는 BCl3: 35,Cl2:5,He:10sccm,Power는 ICP :1000,RF :50W,압력은 6mTorr로 세밀한 GaN 식각 공정을 진행하였다.식각 공정 사이사이에 GaN 층의 두께를 측 정하기 위해서 1차원 단차 측정 (α-step)장비를 사용하였다.

GaN 층이 공진기(cavity)길이에 적합하게 식각이 되었다면,칩 간의 분리를 위 하여 격리(Isolation)란 공정을 진행하였다.격리 공정은 식각 마스크가 필요하였고, 손쉬운 방법으로 포토레지스트(PR)을 두껍게 코팅 시켜서 패턴을 만들고 식각 마 스크로 사용하였다.여기서 두꺼운 포토레지스트의 사용 이유는 ICP 을 이용하여 GaN 식각 공정을 하면 포토레지스트도 함께 식각이 이루어지기 때문이다.칩 상태 를 만들기 위하여 ∼ 2 ㎛ 두께의 격리(Isolation)식각을 OXFORD ICP 장비로 Gas는 BCl3:25,Cl2:15,He:10sccm,Power는 ICP :1000,RF :50W,압력 은 6mTorr로 약 10분간 진행하였다.

제6절 Fabr i cat edRC-LED

칩 격리 공정이 끝나면,칩 테두리 위에 n-contact전극을 위한 포토레지스트 패턴닝 공정을 하였다.패턴 된 소자를 가지고 Electron-beam 장비를 사용하여 각 각 50㎚ 와 500㎚ 의 Cr과 Au를 n-contact전극으로 증착하였다.증착된 소자 는 아세톤을 이용한 리프트오프 (lift-off)방법으로 포토레지스트를 제거하고 n-전 극만 남게 하였다.마지막 공정으로 공명공진기(resonantcavity)을 제작하기 위하 여 아래쪽 고반사율 금속 반사막 혹은 SiO2/ZrO2기반 브래그 반사막 보다는 낮은 반사율을 가지는 SiO2/ZrO2기반 브래그 반사막(R≈92%)을 증착 시켰다.저반사율 DBRs은 물리적 진공 증착 장비로 챔버 진공도 1.7x10^-5상태에서 각각 78.504 와 55.326㎚ 두께로 SiO2/ZrO2순으로 7쌍 증착하였다.n-contact전극이 나타나 도록 전극 보다 작은 포토레지스트 패턴 공정을 진행하고,ICP 을 이용하여 DBRs 을 건식 식각 시켰다.이로써 공명공진기 발광다이오드 소자를 제작하였다.그림.

21은 제작된 칩의 공명공진기 다이오드 소자이다.

다음 그림.22는 제작된 소자를 전자현미경 (Scanning Electron Microscopy;

SEM)으로 촬영한 사진이다.사진으로도 보이듯이 위와 아래쪽에 위치한 DBRs 구조를 확인 할 수 있다.또한 전도성 실리콘 기판과 본딩 메탈이 잘 결합되었음을 볼 수 있다.사진으로 GaN 층의 두께가 1.4㎛ 이므로,이는 곧 실험적 공진기 길 이를 나타낸다.우리는 상온에서 전류 주입으로 구동되는 발광다이오드의 전기적 광학적 특성을 LED chiptester를 이용하여 측정하였다.

(a)DBR/DBR chip

(b)Metal/DBR chip

그림.21제작된 칩 모양의 공명공진기 다이오드 소자

＊ GaN 의 두께가 1.4㎛

그림.22제작된 칩의 SEM 사진

*광 절연막 제거( Laserl i f t -of f ;LLO)

LED 칩 내부의 빛 추출되는 양을 살펴보면 표면 방출되는 양이 약 8%,기판으 로 나가는 양이 약 20%,칩 내부에 가이드 되는 양이 약 72% 정도가 된다.그러므 로 사파이어 기판을 제거하여 소자를 형성하면 적어도 기판으로 나가는 약 20%

빛의 손실을 분명히 개선할 수가 있다.그러므로 사파이어 기판을 사용하는 한 빛 추출 효율 향상에 가장 좋은 방법으로 대두되고 있다.또한 LED의 큰 문제점 중의 하나인 열 문제는 LED의 신뢰성 저하에 큰 영향을 주는데,열전도성이 나쁜 사파 이어 기판을 제거시킴으로써 이러한 LED 열 문제도 어느 정도 개선시킬 수가 있 다.그러나 수직형 LED가 이러한 광 손실 및 열 문제를 최대한 개선시킬 수 있는 구조임에 분명하고,두 층을 분리하는 방법으로 지금까지는 통상 화학적 절연막 제 거 방식이 활용되었으나 최근에는 공정 수율이 높고 속도가 빠른 광 절연막 제거 (LLO)방식을 채용하여 활발히 진행 중이다.그림.23은 광 절연막 제거 장비 그림 이다.[18]

LLO 기술은 에너지가 매우 큰 자외선 파장 영역의 엑시머 레이저를 에피 성장 된 기판에 조사시켜 사파이어 기판과 LED 구조간의 분리를 유도하는 기술이다.양 자 우물 구조에 미치는 영향을 최소화하고자 사파이어 기판위의 저온 완충층 위에 보편적으로 성장시키는 undoped-GaN 층을 희생 층으로 사용한다.오스람의 수직 형 Thin GaN 기술이 광 추출 효율을 높이는 것으로 알려지면서 VerticalLED의 연구가 집중되고 있다.2007년도 1월 필립스-루미레즈에서 발표한 Thin Film Flip Chip형태는 고출력의 경우에 115lm/W까지 성능을 얻을 수 있음이 보고가 되었 다.[19]

우리가 사용했던 광 절연막 장비는 다음 표의 사양을 가지고 공정을 진행했다.

표.3광 절연막 장비 사양

KrF ExcimerLaser(Wavelengthof248㎚) Averagepower 530mW

RepetitionRate 50Hz Pulseenergy 10.6mJ PulseDuration(FWHM) 20ns Peakpower 0.53MW

Beam size 1140x1140㎛² Pulseenergydensity 815.6mJ/cm²

그림.23광 절연체 제거 공정 그림

제4장 제작된 공명공진기형 발광다이오드의 측정

제1절 측정에 사용한 도구들 설명

이번 실험에서 제작된 두 종류의 공명공진기 발광다이오드 칩을 가지고 광학적·

전기적 특성 분석을 하였다.이 때 사용된 장비들에 대해서 설명하겠다.

LED Quick-Tester장비는 LED EpiWafer의 광학적,전기적 특성을 측정 할 수 있다.제작된 칩의 L-I-V 와 OutputSpectrum 을 측정 하였다.다음 그림.24 는 측정에 사용된 LED Quick-Tester장비의 구성과 사양에 대해서 나타낸다.

표.4LED Quick-Tester사양 LED Quick-Tester사양 적용 가능 시편 LED 구조 epi-wafer Epi-wafer의 광학적

특성 측정

1)SpectrometerWavelengthrange:300∼ 1000㎚

2)LightIntensityMeterBrightness:0.01∼ 10㏅

3)DisplayCIE ChartandDominantWavelength

Epi-wafer의 전기적 특성 측정

1)I-V AnalyzerincludingCurveTrace 2)Forwardcurrent(IF):± (500㎁ ∼ 1A) 3)Reversecurrent(IR):± (500㎁ ∼ 1A) 4)Forwardvoltage(VF):± (500㎶ ∼ 20V) 5)Reversevoltage(VR):± (500㎶ ∼ 20V)

그림.24LED Quick-Tester장비의 구성과 사양

광섬유(OpticalFiber)를 이용한 공진기 모드에서의 반사 도를 측정 해 보았습니 다.장비는 분광계(OpticalSpectrum Analyzer;OSA)를 이용하였다.사용된 분광계 의 측정 방식은 백색광원에서 나오는 백색광을 멀티모드 파이버를 이용하여 샘플 에 입사시키고,다시 반사되는 빛을 OSA로 측정하였다.측정 시에는 파이버 끝과 샘플을 최대한 가까이 근접 시켜서 측정하였고,똑같은 상황에서 반사율을 알고 있 는 알루미늄 거울에 대해서 측정하여 샘플의 절대적인 반사율을 계산하였다.다음 그림.25는 분광계 장비와 측정 원리입니다.

표.5분광계의 사양 Opticalspectrum analyzer -Advantest,Q8381A

Whitelightsource

-Advantest,TQ811

-Wavelength:0.4∼ 1.75㎛

-Power:0.01㎼ ∼ 10W -Fibertype:Multi-mode

-Connectortype:(mainsignal)FC Opticalfiber -Multi-modefiber(1×2coupler)

-Targetwavelength=980㎚

그림.25Opticalfiber을 이용한 분광계 장비와 측정 원리

제2절 L-I -V

제작된 두 종류의 공명공진기 발광다이오드를 가지고 광학적·전기적 특성 분석을 하였다.우리는 칩 상태에서 LED chiptester를 이용하여 칩 발광 사진과 L-I-V를 측정 하였다.그림.26는 350 ㎃의 전류가 주입된 공명공진기 발광다이오드의 광 출력 사진을 나타내고,그림.27은 DBR/DBR 과 DBR/Metal구조의 공명공진기 발 광다이오드에서 주입 전류가 각각 20과 50㎃ 에서의 발광 사진이다.

그림.26350㎃ 에서 공명공진기 발광다이오드의 광 출력 사진

(a)제작된 chip발광 사진 (@ 50㎃) (b)제작된 chip발광 사진 (@ 20㎃)

그림.27주입 전류가 각각 20과 50㎃ 에서의 발광 사진

측정된 L-I-V 데이터를 확인해보면,구동 전압은 공명공진기 발광다이오드가 일 반적인 발광다이오드 비해 높게 나타나는 이유는 연속 저항 (seriesresistance)의 증가 때문이다.그림.28은 제작된 공명공진기 발광다이오드와 일반적인 발광다이 오드의 I-V curve을 나타내고 있다.350㎃ 의 입력 전류에서 출력 세기는 각각 의 칩마다 피크 파장 (peak wavelength)에서 세기가 다르게 나타나고 있다.그림.

29는 제작된 공명공진기 발광다이오드와 일반적인 발광다이오드의 L-Icurve 을 나타내고 있다.

그림.28I-V curve

그림.29L-Icurve

제3절 Out putSpect r um

다음 그림.30은 입력 값 별 출력 스펙트럼을 나타내고 있다.100에서부터 350

㎃ 까지 전류를 주입하여 나온 결과 값을 그래프로 만들었다.그래프는 분석해보 면,다중 모드 발진을 보이고 있고 모드 간격(modespacing)이 각각 DBR/DBR 과 DBR/Metal구조에서 18과 20㎚ 값을 보입니다.그래프를 통한 반치폭(fullwidth athalfmaxium;FWHM)은 공명공진기 발광다이오드가 12㎚,일반적인 발광다이 오드는 30㎚입니다.그림.31은 일반적인 발광다이오드와 공명공진기 발광다이오 드의 350mA 의 입력 전류에서의 스펙트럼을 비교해 보았습니다.일반적인 발광다 이오드보다 공명공진기 발광다이오드의 반치폭이 좁음을 확인해 볼 수 있었습니다.

그림.30입력 값 별 출력 스펙트럼

그림.31스펙트럼 비교 (NormalLED 와 RC-LED @ 350mA)

제4절 Cavi t y ModeMeasur ement s

광섬유(opticalfiber)를 이용하여 공명공진기 발광다이오드 칩 상태에서 반사율을 측정하였습니다.그림.31은 출력 스펙트럼과 칩 반사도를 비교하였습니다.다중 모 드를 보이는 공명공진기 발광다이오드 칩의 출력 스펙트럼과 공진기의 반사 스펙 트럼이 일치함을 확인하였습니다.

그림.32출력 스펙트럼과 칩 반사도 비교