전류 차단 층을 갖는 LED의 향상된 광세기
윤석범*, 권기영**, 최기석***
공주대학교 광공학과*, 공주대학교 전기전자제어공학부**, 공주대학교 전기전자공학과***
Enhanced Luminous Intensity in LEDs with Current Blocking Layer
Seok-Beom Yoon
*, Kee-Young Kwon
**, Ki-Seok Choi
***Dept. of Optical Engineering, Kongju National University* Division of EE&C, Kongju National University**
Dept. of E.E., Kongju National University***
요 약 GaN LED의 p-패드 금속과 에피층 사이에 SiO2 전류 절연 층을 제작하고, p-전극 금속의 패턴을 핑거 (finger) 형태로 확장하여 형성함으로써, 대면적 고출력 소자에서 전류가 균일하게 퍼지도록 유도함과 동시에 p 패드 금속 표면에서의 광 손실을 줄여 광 출력을 증진시켰다. SiO2 절연 층의 면적과 두께를 다르게 하면서 광 출력의 증 가를 비교 확인하였고, 실바코 사의 ATLAS 툴을 이용하여 컴퓨터 시뮬레이션을 실시함으로써 LED 내 활성 층에서 의 전류 밀도 분포를 계산하였다. SiO2 절연 층의 두께가 50 um와 100 um 인 두 경우 모두, p 패드의 직경이 105 um이고 핑거의 폭은 12 um인 경우와 비교할 때, p 패드의 직경이 100 um이고 핑거의 폭이 6 um인 경우가 더 높은 광 출력 특성을 나타냈다.
주제어 : GaN LED, 전류 차단 층, SiO2 층, 전류 퍼짐, 시뮬레이션
Abstract Inserting a SiO2 layer underneath the p-pad electrode as the current blocking layer (CBL) structure and extending p-metal finger patterns, the GaN LEDs using an indium–tin-oxide (ITO) layer show the improved light output intensity, resulting from better current spreading and reduced light loss on the surface of p-pad metal. The LEDs with an oxide layer of 100 μm-pad-width and 6 μm-finger-width have better light output intensities than those with an oxide layer of 105 μm-pad-width and 12 μm-finger-width. Using the ATLAS device simulator from Silvaco Corporation, the current density distributions on the active layer in CBL LEDs have been investigated.
Key Words : GaN LED, Current Blocking Layer, SiO2 Layer, Current Spreading, Simulation
Received 2 June 2014, Revised 4 July 2014 Accepted 20 July 2014
Corresponding Author: Kee-Young Kwon (Kongju National University)
Email: [email protected]
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ISSN: 1738-1916
1. 서론
최근에 질소를 기반으로 하는 비교적 큰 밴드갭 에너 지를 갖는 반도체 소자가 많은 주목을 받고 있다. 이 물
질은 청색과 녹색, 그리고 자외선 파장의 영역에서 동작 하는 광소자를 제작할 수 있다. 이미 질소 기반의 청색 혹은 녹색 LED가 개발되어 교통 신호등 램프, 컬러 디스
플레이, 백라이트 조명과 일반 조명 등에 폭 넓게 사용되 고 있다[1][2][3][4].
일반적인 GaN 기반의 LED는 사파이어를 기판으로 사용하는데, 사파이어가 절연체인 관계로 n형 패드와 p 형 패드가 LED 칩의 동일한 쪽에 형성되어 있고, p 전극 이 광 경로의 중간에 위치함으로써 p 패드 근처에서 광 이 흡수되어 빛의 일부가 손실되는 피할 수 없는 문제점 이 있다[5]. 따라서 GaN 기반의 LED에서 광출력을 증가 시키기 위해서는 p 패드에서 빛이 흡수되는 문제를 해결 하는 것이 중요하다.
통상적인 구조에서 Ni/Au 접촉은 두께가 얇아 저항이 크므로, 소자의 p 쪽에서 전류가 충분히 퍼지게 하기 위 해 두꺼운 p 접촉을 형성하여 저항을 낮추어 전류가 잘 퍼지도록 할 수 있다. 그러나 Ni/Au 접촉은 빛을 투과시 키기 위해서는 얇은 두께로 형성되어야만 한다. 얇은 금 속은 빛의 투과는 증가시키지만, 가장자리로 전류 밀집 현상을 증가시키고 중앙 영역을 낮은 주입 전류로 펌핑 하게 되어 주입 효율이 낮아지는 결과를 가져온다[6].
고출력 소자들은 보통의 저출력 소자에 비하여 넓은 칩 면적과 활성층을 가지고 있다. 따라서 넓은 활성층 아 래에 위치한 수 마이크로미터 밖에 안 되는 얇은 층에서 전류가 균일하게 퍼지는 것은 불가능하다. 이 경우 깍지 낀 형태의 전극을 만들어 큰 면적을 여러 개의 작은 영역 으로 분할하고, 각 분할된 영역에서는 낮은 저항으로 인 한 균일한 전류 분포를 얻는 방법이 가능하다[7].
90% 이상의 광투과율을 가지면서 금속과 같은 전기 전도성을 가진 ITO (Indium Tin Oxide)가 개발되어 전 류퍼짐 층의 재료로 널리 사용되고 있다. 그러나 ITO는 습식 식각 과정에서 바깥쪽에 침식이 일어나는 문제가 발생하고, p-GaN 층 표면을 충분히 덮지 못하게 되어 전 류 퍼짐과 광 투과라는 제 역할을 다하지 못하게 되는 문 제점이 있다[8]. ITO 보다 흡수 손실이 적은 ZnO 필름을 전류 퍼짐 층으로 사용하여 외부 양자 효율을 개선시킨 사례가 발표되기도 하였다[9].
정리하면 전류밀집 현상이 발생하면 평상시보다 빠르 게 브레이크다운 현상이 발생하고 최적의 성능을 유지할 수 없다[10][11]. 일반적으로 메사 구조의 GaN 기반 LED 에서 균일하게 전류퍼짐을 만들기 위해 p 클래드 층에 Ni/Au 투명 전극이 사용된다[12]. P 투명 전극이 전도성 이 아주 높으면, n-GaN 클래드 층의 저항이 p 투명 전극
의 저항보다 커서, n 전극 가까이 p 메사 가장자리에서 전류밀집 현상이 발생하게 된다. P-GaN 층의 정공 농도 가 일반적으로 낮고, 전류 퍼짐 현상은 질소 기반 LED에 서는 중요한 주제가 된다. Ni/Au 나 ITO 같은 투명 전극 일지라도 주입된 캐리어의 일부는 여전히 두꺼운 금속 본딩 패드 아래에 갇히게 되어, 불투명한 p 패드 전극에 의해 반사되거나 흡수된다[13].
이 문제를 해결하기 위해, 전류차단 방법(Current Blocking Method)이 LED의 광출력을 향상시키기 위해 서 개발되었다[2][10][11][13].
본 논문에서는 광 출력을 증진시키기 위하여, 에피 층 과 p 패드 전극 사이에 절연층인 SiO2 층을 삽입하여 전 류 차단 층을 형성하고, 동시에 p 금속의 가지를 확장하 여 전류의 퍼짐을 증진시킨 LED를 제작하였다. 2장에서 제조 과정을 소개하고, 3장에서는 산화막의 두께와 폭을 변화시키면서 LED의 광 출력을 비교 측정한 결과를 기 술하였으며, 4장에서는 ATLAS 소프트웨어를 사용하여 LED 내 활성층에서의 전류 밀도 분포를 해석한 결과를 기술하였다.
2. 제조
LED 웨이퍼의 에피층은 먼저 사파이어 기판 위에 1.2 um의 도핑하지 않은 GaN 버퍼층을 성장하고, 저농도 도 핑된 0.7 um의 n-GaN 층, 1.8 um 두께의 고농도 n+-GaN 층, 10 nm 두께의 단일 양자 우물로 된 활성층, 그리고 0.15 um의 두꺼운 p-GaN 층으로 구성된다.
n+-GaN 층의 도핑 농도는 1.5×1018 cm-3 이고, p-GaN 층의 도핑 농도는 1.0×1017 cm-3 이다.
NRM (N-GaN Roughening process using Metal- etching) 공정을 수행하여 빛의 산란을 증가시켜 LED의 밝기를 증가시켰다. NRM 공정에서 금속은 전자빔으로 증착한 후 광 리소그래피 과정을 거치고 식각 공정을 거 쳐 표면식각을 실시함으로써 n-GaN 층의 표면을 거칠게 만들었다. 메사 (MESA) 공정으로 시료의 표면의 일부를 n-GaN 층이 드러나도록 식각을 실시했다. MESA 공정 시 음극 주위에 거친 표면을 형성하거나 음극 전극을 형 성할 때, n-GaN 층에 ICP (Inductively Coupled Plasma) 장비로 건식 식각을 실시했다. 그리고 열을 가해 어닐링
을 실시하고, p 패드 전극 영역 아래에 CBL (Current Blocking Layer) 역할을 하도록 50 nm와 100 nm 두께를 갖는 두 종류의 SiO2 층을 PECVD 공정으로 증착하고, 광 리소그래피 공정을 거쳐 BOE (Buffered Oxide Etchant) 용액으로 식각하여 형성하였다. 이어서 PM (P-GaN Metallization) 공정을 실시하는데, 이는 투명 p 전극으로 260 um 두께의 ITO (Indium Tin Oxide) 층을 전자빔으로 증착하는 공정이다. 이어서 실시하는 PAD (p pad와 n pad) 공정은 금속을 ITO 층의 상단에 증착하 거나 노출된 n-GaN 층 상단에 증착하는 것이다.
[Fig. 1] Fabrication flow chart
전체적인 공정 과정은 [Fig. 1]과 같다.
이렇게 제작된 소자의 단면 그림은 [Fig. 2] (a)와 같 고, [Fig. 2] (b)는 제작된 LED를 위에서 본 패턴의 모습 이다. P 패드 전극 아래에 있는 SiO2 절연 층은 원형이며, p 패드 전극이 손가락처럼 뻗어 나간 핑거(finger) 아래 의 SiO2 절연 층은 선형이다.
3. 측정결과
3.1 SiO2 절연층 두께가 50 nm인 경우 [Fig. 3]은 SiO2 절연 층의 두께가 50 nm인 경우에 대 하여, p 패드의 직경이 105 um이고 핑거의 폭은 12 um인 경우와, p 패드의 직경이 100 um이고 핑거의 폭은 6 um 인 경우, 그리고 SiO2 절연 층을 전류 차단 층으로 사용 하지 않은 통상의 LED를 비교하여 광 출력을 비교한 것 이다.
(a)
(b)
[Fig. 2] LED structure : (a) a cross section view and (b) a top view
[Fig. 3] Luminous intensity vs. oxide pad/finger widths graph of the LED with an oxide layer of 50 nm thickness.
[Fig. 3]을 보면, p 패드의 직경이 105 um이고 핑거의 폭은 12 um인 경우와 비교할 때, p 패드의 직경이 100 um이고 핑거의 폭은 6 um인 경우가 약 1.06배 더 높은 광 출력 특성을 나타냈다.
SiO2 절연 층을 전류 차단 층으로 사용하지 않은 통상 의 LED와 비교하여, SiO2 절연 층을 전류 차단 층으로
사용한 경우에는 광 출력이 모두 높게 나왔다. 이는 SiO2
절연 층을 전류 차단 층으로 사용한 경우에 전류의 퍼짐 효과가 증진되고, p 패드에 의해 광 출력이 차단되고 광 자의 손실이 발생하는 것이 개선된 결과로 볼 수 있다.
P 패드의 직경이 100 um이고 핑거의 폭은 6 um인 경 우에, SiO2 절연 층을 전류 차단 층으로 사용하지 않은 통상의 LED와 비교할 때, 1.12 배 정도의 향상된 광 출력 특성을 나타냈다.
3.2 SiO2 절연층 두께가 100 nm인 경우 [Fig. 4]는 SiO2 절연 층의 두께가 100 nm인 경우에 대 하여, p 패드의 직경이 105 um이고 핑거의 폭은 12 um인 경우와, p 패드의 직경이 100 um이고 핑거의 폭은 6 um 인 경우, 그리고 SiO2 절연 층을 전류 차단 층으로 사용 하지 않은 통상의 LED를 비교하여 광 출력을 비교한 것 이다.
[Fig. 4] Luminous intensity vs. oxide pad/finger widths graph of the LED with an oxide layer of 100 nm thickness.
[Fig. 4]를 보면, p 패드의 직경이 105 um이고 핑거의 폭은 12 um인 경우와 비교할 때, p 패드의 직경이 100 um이고 핑거의 폭은 6 um인 경우가 약 1.03배 더 높은 광 출력 특성을 나타냈다.
SiO2 절연 층을 전류 차단 층으로 사용하지 않은 통상 의 LED와 비교하여, SiO2 절연 층을 전류 차단 층으로 사용한 경우에는 광 출력이 모두 높게 나왔다. 이는 [Fig.
3]과 동일한 경향이 되겠으며, SiO2 절연 층을 전류 차단 층으로 사용함으로써 절연 층을 피하여 전류가 퍼지는
현상이 발생하고, 동시에 p 패드에 의해 광 출력이 차단 되고 광자의 손실이 발생하는 것이 개선된 결과로 볼 수 있다.
SiO2 절연 층을 전류 차단 층으로 사용하지 않은 통상 의 LED와 비교할 때, p 패드의 직경이 100 um이고 핑거 의 폭은 6 um인 경우의 광출력이 1.06 배 정도의 향상된 결과를 나타냈다.
4. 시뮬레이션 결과
컴퓨터 시뮬레이션은 실바코 사의 ATLAS 소프트웨 어 툴을 사용하여 LED의 활성 층에서 전류밀도의 분포 를 계산하였다.
[Fig. 5] Current density distribution on an active layer of the LED whose oxide pad/finger widths are 105/12 um and oxide thickness is 50 nm.
[Fig. 5]는 SiO2 절연 층의 두께가 50 nm인 경우에 대 하여, p 패드의 직경이 105 um이고 핑거의 폭은 12 um인 경우일 때, LED의 활성 층에서 전류밀도의 분포를 시뮬 레이션한 결과를 나타낸다.
[Fig. 6]은 SiO2 절연 층의 두께가 100 nm인 경우에 대 하여, p 패드의 직경이 105 um이고 핑거의 폭은 12 um인 경우일 때, LED의 활성 층에서 전류밀도의 분포를 시뮬 레이션한 결과를 보여준다.
[Fig. 7]은 SiO2 절연 층의 두께가 50 nm인 경우에 대 하여, p 패드의 직경이 100 um이고 핑거의 폭은 6 um인 경우일 때, LED의 활성 층에서 전류밀도의 분포를 시뮬 레이션한 결과를 나타낸다.
[Fig. 6] Current density distribution on an active layer of the LED whose oxide pad/finger widths are 105/12 um and oxide thickness is 100 nm.
[Fig. 7] Current density distribution on an active layer of the LED whose oxide pad/finger widths are 100/6 um and oxide thickness is 50 nm.
[Fig. 8] Current density distribution on an active layer of the LED without a current blocking oxide layer.
[Fig. 8]은 전류 차단 층으로 SiO2 절연 층을 갖지 않 은 통상의 LED 활성 층에서 전류밀도의 분포를 시뮬레 이션한 결과를 보여준다.
5. 결론
광 효율을 증가시키기 위하여 p 패드 금속 아래에 전 류 차단 층으로 SiO2 절연 층을 갖도록 하고, 동시에 p 전 극 핑거를 확장시켜 전류의 퍼짐을 증가시키면서 p 패드 전극으로 인한 손실을 줄여 향상된 광 출력 특성을 관찰 하였다. LED의 동작을 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 살 펴보기 위하여, ATLAS 소프트웨어 툴을 사용하여 LED 의 활성 층에서 전류밀도의 분포를 계산하였다.
SiO2 절연 층의 두께가 50 um와 100 um 인 두 경우 모두, p 패드의 직경이 105 um이고 핑거의 폭은 12 um인 경우와 비교할 때, p 패드의 직경이 100 um이고 핑거의 폭이 6 um인 경우가 더 높은 광 출력 특성을 나타냈다.
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윤 석 범(Yoon, Seok Beom)
․1985년 2월 : 건국대학교 전자공학 과(공학사)
․1989년 2월 : 건국대학교 전자공학 과(공학석사)
․1993년 2월 : 건국대학교 전자공학 과(공학박사)
․1994년 4월 ～ 현재 : 공주대학교 광공학과 교수
․관심분야 : 광소자 및 재료
․E-Mail : [email protected]
권 기 영(Kwon, Kee Young)
․1981년 2월 : 고려대학교 전자공학 과(공학사)
․1983년 2월 : KAIST 전기및전자공 학과(공학석사)
․1988년 2월 : KAIST 전기및전자공 학과(공학박사)
․1991년 2월 : ㈜삼성전자 기흥반도 체연구소(선임연구원)
․1991년 3월 ～ 현재 : 공주대학교 전기전자제어공학부 교수
․관심분야 : 화합물반도체, 광소자
․E-Mail : [email protected]
최 기 석(Choi, Ki Seok)
․1998년 2월 : 공주대학교 전자공학 과(공학사)
․2002년 2월 : 공주대학교 전기전자 정보(공학석사)
․2005년 2월 ～ 현재 :공주대학교 박 사과정
․관심분야 : LED, solar cells, photodiode
․E-Mail : [email protected]
